JP4449201B2

JP4449201B2 - 操舵トルク推定装置および操舵トルク推定方法並びに操舵装置

Info

Publication number: JP4449201B2
Application number: JP2000304912A
Authority: JP
Inventors: 英一小野; 彰司浅井; 俊博高橋; 峰一樅山
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2020-10-04
Also published as: JP2002104223A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵トルク推定装置および操舵トルク推定方法並びに操舵装置に関し、詳しくは、車両に搭載された操舵装置におけるハンドルの操舵トルクを推定する操舵トルク推定装置および操舵トルク推定方法並びにハンドルの操作に応じた操舵反力を出力する車載用の操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の操舵装置としては、ハンドルの回転軸に作用するトルクとモータの回転速度とに基づいてハンドルフリー状態を判定するものが提案されている（例えば、特開２０００−６２６３４号公報など）。この装置では、ハンドルの回転軸に取り付けたトルクセンサからの出力が値０でモータの回転速度が検出されたときに、ハンドルを手から放したハンドルフリー状態と判定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした操舵装置では、適切なハンドルフリー状態を判定できない場合がある。ハンドル保舵状態から急にハンドルを放したときには、ハンドルはフリー状態となるにも拘わらず、ハンドル慣性などの影響により、トルクセンサからの出力は値０とならない状況が一定時間存在する。こうした場合には、上述の操舵装置では、ハンドルフリー状態の判定が遅れてなされることになる。ハンドルフリー状態の判定の遅れは、ステアリング制御則の切り換えの遅れとして現われるから、ステアリング制御を適正に行なうことができなくなってしまう。また、ステアリング制御などによりハンドルの回転軸に積極的にトルクを作用させている場合には、ハンドルから手を放してもハンドルの回転軸にはトルクが生じているから、ハンドルフリー状態の判定は行なわれない。
【０００４】
さらに、低速で十分なセルフアライニングトルクが得られないときには、モータなどの摩擦の影響により一定舵角を保ったままハンドルが停止する場合がある。この場合には、積極的な制御によりハンドルを戻すことが望まれるが、上述の操舵装置では、ハンドルの回転軸のトルクは値０となってもモータの回転速度が検出されないからハンドルフリー状態として判定できず、ハンドルは一定舵角を保った状態で止まってしまう。
【０００５】
本発明の操舵トルク推定装置および操舵トルク推定方法は、ハンドルに作用するトルクをより正確に推定することを目的とする。また、本発明の操舵装置は、ハンドルフリー状態をより適切に判定することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の操舵トルク推定装置および操舵トルク推定方法並びに操舵装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の操舵トルク推定装置は、
車両に搭載された操舵装置におけるハンドルの操舵トルクを推定する操舵トルク推定装置であって、
操舵角を検出する操舵角検出手段と、
操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段と、
ハンドルの回転軸の軸トルクを検出する軸トルク検出手段と、
該検出された軸トルクと前記検出された操舵角と前記検出された操舵角速度とに基づいて前記操舵トルクを推定する操舵トルク推定手段と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の操舵トルク推定装置では、ハンドルの回転軸の軸トルクと操舵角と操舵角速度とを検出し、検出した軸トルクと操舵角と操舵角速度とに基づいてハンドルの操舵トルクを推定する。操舵トルクの推定を、軸トルクと操舵角と操舵角速度とに基づいて行なうことにより、より正確に推定することができる。
【０００９】
こうした本発明の操舵トルク推定装置において、前記操舵トルク推定手段は、前記検出された操舵角と前記検出された操舵角速度とに基づいて外部から入力されるトルクとしての外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、該推定された外乱トルクと前記検出された軸トルクとを加算演算して前記操舵トルクを推定する加算推定手段とを備えるものとすることもできる。これは、操舵トルクが外乱トルクと軸トルクとの和に相当することに基づく。こうすれば、積極的にハンドルの回転軸にトルクを作用している状態でも、より適正な操舵トルクを推定することができる。この態様の本発明の操舵トルク推定装置において、前記外乱トルク推定手段は、操舵角と操舵角速度と外乱トルクとを状態変数として前記検出された操舵角と操舵角速度とを用いてオブザーバ手法により前記外乱トルクを推定する手段であるものとすることもできる。この場合、前記外乱トルク推定手段は、次式（１）により表わされる状態式を用いて前記外乱トルクを演算する手段であるものとすることもできる。ここで、式（１）中、θｈは操舵角，ωｈは操舵角速度，θｈ＊は操舵角の推定値、ωｈ＊は操舵角速度の推定値、Ｔｄ＊は外乱トルクの推定値、Ｊｈはハンドル慣性、Ｃｃはハンドル粘性、Ｇはオブザーバゲインである。
【００１０】
【数２】

【００１１】
本発明の操舵トルク推定方法は、
車両に搭載された操舵装置におけるハンドルの操舵トルクを推定する操舵トルク推定方法であって、
（ａ）入力された操舵角と操舵角速度とに基づいて外部から入力されるトルクとしての外乱トルクを推定し、
（ｂ）該推定された外乱トルクと入力されたハンドルの回転軸のトルクとを加算演算して前記操舵トルクを推定する
ことを要旨とする。
【００１２】
この本発明の操舵トルク推定方法によれば、積極的にハンドルの回転軸にトルクを作用している状態でも、より適正な操舵トルクを推定することができる。
【００１３】
こうした本発明の操舵トルク推定方法において、前記ステップ（ａ）は、操舵角と操舵角速度と外乱トルクとを状態変数として前記入力された操舵角と操舵角速度とを用いてオブザーバ手法により前記外乱トルクを推定するステップであるものとすることもできる。この場合、状態式として上述の式（１）を用いることができる。
【００１４】
本発明の操舵装置は、
ハンドルの操作に応じた操舵反力を出力する車載用の操舵装置であって、
前述の各態様のいずれかの本発明の操舵トルク推定装置と、
該操舵トルク推定装置により推定された操舵トルクに基づいてハンドルフリー状態を判定するハンドルフリー状態判定手段と
を備えることを要旨とする。
【００１５】
この本発明の操舵装置では、本発明の操舵トルク推定装置によるより正確な操舵トルクの推定に基づいてハンドルフリー状態を判定するから、より適切にハンドルフリー状態を判定することができる。
【００１６】
こうした本発明の操舵装置において、前記ハンドルフリー状態判定手段は、前記推定された操舵トルクの絶対値が第１の所定値より大きな値から該第１の所定値以下になったときにハンドル非フリー状態からハンドルフリー状態に至ったと判定し、前記推定された操舵トルクの絶対値が前記第１の所定値より大きな第２の所定値より小さな値から該第２の所定値以上になったときにハンドルフリー状態からハンドル非フリー状態に至ったと判定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、ハンドルフリー状態の判定とハンドル非フリー状態との判定が頻繁に行なわれるのを抑止することができる。この態様の本発明の操舵装置において、前記ハンドルフリー状態判定手段は、前記推定された操舵トルクの絶対値が前記第１の所定値より大きな値から該第１の所定値以下になって所定時間経過したときにハンドル非フリー状態からハンドルフリー状態に至ったと判定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、ハンドルを右から左へ、左から右へと連続して操舵する場合に生じる瞬時的な操舵トルクの値０の状態をハンドルフリー状態と誤判定するのを防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である車両に搭載された操舵装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の操舵装置２０は、図示するように、ハンドル２２と、ハンドル２２の操舵トルクをピニオンギヤ２６を介してラック２８に伝達して操舵輪３０，３２の切り角を変更するステアリングシャフト２４と、出力トルクを減速機３６とピニオンギヤ３８とを介してラック２８に出力するモータ３４と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット５０とを備える。
【００１８】
電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ５４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ５６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット５０には、ステアリングシャフト２４に取り付けられたトルクセンサ４０からの軸トルクＴｐやステアリングシャフト２４に取り付けられた操舵角センサ４２からの操舵角θｈ，車速センサ５８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット５０からは、モータ３４への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００１９】
図２は、実施例の操舵装置２０の電子制御ユニット５０がハンドル２２を放した状態であるハンドルフリー状態を判定するハンドルフリー状態判定ブロック６０として動作するときの制御ブロックを例示する説明図である。ハンドルフリー状態判定ブロック６０は、図示するように、入力された操舵角θｈと操舵角速度ωｈと軸トルクＴｐに基づいてハンドル２２の操舵トルクＴｈを推定する操舵トルク推定部６２と、この操舵トルク推定部６２により推定された操舵トルクＴｈに基づいてハンドルフリー状態を判定する状態判定部６８とを備える。操舵トルク推定部６２は、入力された操舵角θｈと操舵角速度ωｈとに基づいて外部からステアリングシャフト２４に作用するトルクとしての外乱トルクＴｄを推定する外乱トルク推定部６４と、外乱トルク推定部６４により推定された外乱トルクＴｄと軸トルクＴｐとを加算演算する加算器６６とを備える。なお、実施例では、操舵角速度ωｈを、２回に亘ってサンプリングされた操舵角θｈの差分（θｈ−前回θｈ）をサンプリング時間で割って演算により求めるものとした。
【００２０】
外乱トルク推定部６４では、上述の式（１）の状態式を用いて推定値としての操舵角θｈ＊や操舵角速度ωｈ＊，外乱トルクＴｄ＊を求め、推定値としての外乱トルクＴｄ＊を外乱トルクＴｄとして出力する。ここで、オブザーバゲインＧは、種々の手法により定めることができるが、実施例では極配置手法により求めた値を用いた。
【００２１】
式（１）を状態式として用いることができるのは、次の理由による。ハンドル２２の動特性は、次式（２）のモデルとして表わすことができる。ここで、ａは操舵角加速度である。
【００２２】
【数３】

【００２３】
ここで、ハンドル２２のステアリングシャフト２４に加えられる外部入力としての外乱トルクＴｄは、操舵トルクＴｈと軸トルクＴｐとの差分（Ｔｄ＝Ｔｈ−Ｔｐ）として表わされる。そして、推定速度に比して外乱トルクＴｄの変化が遅いと仮定し、外乱トルクＴｄを状態の一つとみなした拡大系（次式（３），式（４））を設定し、状態量としての外乱トルクＴｄを推定するものとすれば上述の式（１）が導き出される。
【００２４】
【数４】

【００２５】
状態判定部６８は、操舵トルク推定部６２により推定された操舵トルクＴｈの絶対値が閾値Ｔ１より大きな状態から小さくなって所定時間経過したときにハンドルフリー状態に至ったと判定し、推定された操舵トルクＴｈの絶対値が閾値Ｔ１より大きな閾値Ｔ２より小さな状態から大きな状態に至ったときにハンドル非フリー状態に至ったと判定する。閾値Ｔ１と閾値Ｔ２とを用いてハンドルフリー状態の判定とハンドル非フリー状態の判定とにヒステリシスを持たせることにより、判定が頻繁に変化するのを抑止している。また、推定された操舵トルクＴｈの絶対値が閾値Ｔ１より大きな状態から小さくなって所定時間経過するのを待ってハンドルフリー状態を判定することにより、ハンドルを右から左へ、左から右へと連続して操舵する場合に生じる瞬時的な操舵トルクＴｈの値０の状態をハンドルフリー状態と誤判定するのを防止することができる。
【００２６】
図３は、実施例の操舵装置２０においてハンドル２２から手を放したときの状態を例示する説明図である。図３（ａ）は操舵角θｈの計測値と推定値および操舵角速度ωｈの計測値と推定値の変化を示し、図３（ｂ）は推定された操舵トルクＴｈと軸トルクＴｐの変化を示す。図３（ａ）に示されるように、操舵角θｈの計測値と推定値および操舵角速度ωｈの計測値と推定値はそれぞれ同じ曲線上にあり、推定値と計測値とがよく一致していることから、式（１）を用いて外乱トルクＴｄを推定する外乱トルク推定部６４による推定がハンドル２２の変化に十分追従できていることがわかる。また、図３（ｂ）に示されるように、ハンドル２２から手が放された後は、アクティブ制御によりステアリングシャフト２４には正弦波状のトルクが作用しているが、操舵トルクＴｈは値０近傍に落ち着いているのが解る。即ち、実施例の操舵装置２０では、アクティブ制御によりステアリングシャフト２４にトルクが作用していても、より的確に操舵トルクＴｈを推定することができるから、操舵トルクＴｈに基づいてハンドルフリー状態を判定することができる。
【００２７】
図４は、実施例の操舵装置２０においてドライバがハンドル２２を握ったままでハンドル２２を戻したときの状態を例示する説明図である。図４（ａ）は操舵角θｈの計測値と推定値および操舵角速度ωｈの計測値と推定値の変化を示し、図４（ｂ）は推定された操舵トルクＴｈと軸トルクＴｐの変化を示す。図４（ｂ）に示されるように、推定された操舵トルクＴｈはゆっくり小さくなることから、ドライバがハンドル２２を握ってゆっくりとハンドル２２を戻している状況が推定できていることが解る。そして、ドライバがハンドル２２を戻し終わるまでハンドルフリー状態が判定されない。
【００２８】
以上説明した実施例の操舵装置２０によれば、操舵角θｈと操舵角速度ωｈに基づいてステアリングシャフト２４に外部から作用するトルクとしての外乱トルクＴｄを推定し、これにステアリングシャフト２４に作用している軸トルクＴｐを加算演算することにより操舵トルクＴｈを推定することができる。しかも、外乱トルクＴｄの推定をオブザーバ手法を用いたから、追従よく高精度に外乱トルクＴｄを推定することができる。この結果、追従よく高精度に操舵トルクＴｈを推定することができる。
【００２９】
また、実施例の操舵装置２０によれば、追従よく高精度に推定された操舵トルクＴｈに基づいてハンドルフリー状態を判定するから、より的確にハンドルフリー状態を判定することができる。しかも、閾値Ｔ１と閾値Ｔ２とを用いてハンドルフリー状態の判定とハンドル非フリー状態の判定とにヒステリシスを持たせたから、判定が頻繁に変化するのを抑止することができる。また、推定された操舵トルクＴｈの絶対値が閾値Ｔ１より大きな状態から小さくなっても所定時間経過するまでハンドルフリー状態と判定しないから、ハンドルを右から左へ、左から右へと連続して操舵する場合に生じる瞬時的な操舵トルクＴｈの値０の状態をハンドルフリー状態と誤判定するのを防止することができる。
【００３０】
実施例の操舵装置２０では、２回に亘ってサンプリングされた操舵角θｈの差分（θｈ−前回θｈ）をサンプリング時間で割って操舵角速度ωｈを演算するものとしたが、操舵角速度ωｈを直接センシングするものとしてもよい。
【００３１】
実施例の操舵装置２０では、推定された操舵トルクＴｈをハンドルフリー状態の判定に用いたが、推定された操舵トルクＴｈをハンドルフリー状態の判定以外の種々の制御に用いるものとしても差し支えない。
【００３２】
実施例の操舵装置２０では、閾値Ｔ１と閾値Ｔ２とを用いてハンドルフリー状態の判定とハンドル非フリー状態の判定とにヒステリシスを持たせたが、ヒステリシスを持たせないものとしても差し支えない。また、推定された操舵トルクＴｈの絶対値が閾値Ｔ１より大きな状態から小さくなっても所定時間経過するまでハンドルフリー状態と判定しないものとしたが、所定時間の経過を待たずにハンドルフリー状態を判定するものとしてもかまわない。
【００３３】
また、実施例の操舵装置２０では、低速で十分なセルフアライニングトルクが得られないとき、モータなどの摩擦の影響により一定角を保ったままハンドルが停止するような場合には、式（２）から操舵トルクＴｈがゼロとなってハンドルフリー状態を判定することもできる。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である車両に搭載された操舵装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の操舵装置２０の電子制御ユニット５０がハンドル２２を放した状態であるハンドルフリー状態を判定するハンドルフリー状態判定ブロック６０として動作するときの制御ブロックを例示する説明図である。
【図３】実施例の操舵装置２０においてハンドル２２から手を放したときの状態を例示する説明図である。
【図４】実施例の操舵装置２０においてドライバがハンドル２２を握ったままでハンドル２２を戻したときの状態を例示する説明図である。
【符号の説明】
２０操舵装置、２２ハンドル、２４ステアリングシャフト、２６ピニオンギヤ、２８ラック、３０，３２操舵輪、３４モータ、３６減速機、３８ピニオンギヤ、４０トルクセンサ、４２操舵角センサ、５０電子制御ユニット、５２ＣＰＵ、５４ＲＯＭ、５６ＲＡＭ、５８車速センサ、６０ハンドルフリー状態判定ブロック、６２操舵トルク推定部、６４外乱トルク推定部、６６加算器、６８状態判定部。

Claims

車両に搭載された操舵装置におけるハンドルの操舵トルクを推定する操舵トルク推定装置であって、
操舵角を検出する操舵角検出手段と、
操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段と、
ハンドルの回転軸の軸トルクを検出する軸トルク検出手段と、
該検出された軸トルクと前記検出された操舵角と前記検出された操舵角速度とに基づいて前記操舵トルクを推定する操舵トルク推定手段と
を備える操舵トルク推定装置。
前記操舵トルク推定手段は、前記検出された操舵角と前記検出された操舵角速度とに基づいて外部から入力されるトルクとしての外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、該推定された外乱トルクと前記検出された軸トルクとを加算演算して前記操舵トルクを推定する加算推定手段とを備える請求項１記載の操舵トルク推定装置。
前記外乱トルク推定手段は、操舵角と操舵角速度と外乱トルクとを状態変数として前記検出された操舵角と操舵角速度とを用いてオブザーバ手法により前記外乱トルクを推定する手段である請求項２記載の操舵トルク推定装置。
前記外乱トルク推定手段は、次式により表わされる状態式を用いて前記外乱トルクを演算する手段である請求項３記載の操舵トルク推定装置。
車両に搭載された操舵装置におけるハンドルの操舵トルクを推定する操舵トルク推定方法であって、
（ａ）入力された操舵角と操舵角速度とに基づいて外部から入力されるトルクとしての外乱トルクを推定し、
（ｂ）該推定された外乱トルクと入力されたハンドルの回転軸のトルクとを加算演算して前記操舵トルクを推定する
操舵トルク推定方法。
前記ステップ（ａ）は、操舵角と操舵角速度と外乱トルクとを状態変数として前記入力された操舵角と操舵角速度とを用いてオブザーバ手法により前記外乱トルクを推定するステップである請求項５記載の操舵トルク推定方法。
ハンドルの操作に応じた操舵反力を出力する車載用の操舵装置であって、
請求項１ないし４いずれか記載の操舵トルク推定装置と、
該操舵トルク推定装置により推定された操舵トルクに基づいてハンドルフリー状態を判定するハンドルフリー状態判定手段と
を備える操舵装置。
前記ハンドルフリー状態判定手段は、前記推定された操舵トルクの絶対値が第１の所定値より大きな値から該第１の所定値以下になったときにハンドル非フリー状態からハンドルフリー状態に至ったと判定し、前記推定された操舵トルクの絶対値が前記第１の所定値より大きな第２の所定値より小さな値から該第２の所定値以上になったときにハンドルフリー状態からハンドル非フリー状態に至ったと判定する手段である請求項７記載の操舵装置。
前記ハンドルフリー状態判定手段は、前記推定された操舵トルクの絶対値が前記第１の所定値より大きな値から該第１の所定値以下になって所定時間経過したときにハンドル非フリー状態からハンドルフリー状態に至ったと判定する手段である請求項８記載の操舵装置。