JP4579056B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

この発明は、運転者が操作を行う操作部と転舵輪を転舵させる転舵部とが機械的に連結されていない所謂ステア・バイ・ワイヤ式の車両用操舵装置に関するものである。

ステア・バイ・ワイヤ式の操舵装置では、運転者のステアリングホイール（操作子）に対する操作入力に応じて転舵輪を転舵するための転舵アクチュエータと、運転者がステアリングホイールを操作したときに適切な操舵反力を与えるための反力アクチュエータとを備え、両アクチュエータをそれぞれ独立に制御している。
操舵反力の制御方法として、ステアリングホイールへの操作入力に基づいて設定される目標転舵角と実際の車輪の転舵角（すなわち実転舵角）との偏差に基づいて操舵反力を発生させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合には一般に、目標転舵角と実転舵角との偏差が大きいほど操舵反力を大きくなるように制御している。
特開２００４−２１００２４号公報

しかしながら、従来のように目標転舵角と実転舵角との偏差に基づいて操舵反力を制御すると、実際の転舵部の動特性に依存する操舵追従性などが操舵反力に影響を与えるため、場合によっては運転者が操舵反力に違和感を覚えることがある。
例えば、一般に極低速での操舵では転舵部の出力が小さいため操舵追従性が低下する傾向にあり、そのようなときには目標転舵角と実転舵角との偏差が大きくなるので操舵反力が大きくなってしまい、操舵フィーリングが悪化する場合がある。
また、転舵部の慣性項が大きいときには大きな出力を必要とするが、このときにステアリングホイールを早く切ると、初期には目標転舵角と実転舵角との偏差が大きくなり、その後に偏差がなくなるので、操舵初期には操舵反力が大きくなって操舵が非常に重く感じられ、その後操舵反力の抜けを感じるため、操舵フィーリングが悪くなる。

また、操舵装置には、運転者の操舵を支援するものとして、例えば横風等の外乱により車両挙動が乱れるのを防止するために、運転者の意志とは別にシステム側で操舵を行ったり付加するなどして車両の挙動を安定化させるものがある（以下、このような操舵システムをアクティブステアと称す）。
しかしながら、アクティブステアを採用している従来のステア・バイ・ワイヤ式の操舵装置においては、アクティブステアが目標転舵角と実転舵角との偏差に影響を及ぼし、操舵反力の中にアクティブステアに起因する反力成分が含まれるようになるため、操舵フィーリングが悪くなる。
そこで、この発明は、転舵部の動特性に影響を受けずに操舵反力特性を任意に設定できて、操舵フィーリングが向上する車両用操舵装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、運転者が操作を行う操作子（例えば、後述する実施例におけるステアリングホイール２）と、前記操作子への操作入力量を検出する操作入力量検出手段（例えば、後述する実施例における操舵角センサ３）と、前記操作子から機械的に分離され、転舵輪（例えば、後述する実施例における車輪６）を転舵する転舵アクチュエータ（例えば、後述する実施例における転舵モータ１０）を有する転舵部（例えば、後述する実施例における転舵部１Ｂ）と、前記操作入力量検出手段で検出した操作入力量に応じて目標転舵角を設定する目標転舵角設定手段（例えば、後述する実施例における目標転舵角設定部２１）と、前記操作子に操舵反力を付与する反力アクチュエータ（例えば、後述する実施例における反力モータ４）と、予め設定した前記転舵部の動特性を表現した仮想モデルに基づいて仮想転舵角を設定する仮想転舵角設定手段（例えば、後述する実施例における擬似操舵制御部２２、理想操舵モデル２３）と、を備え、前記目標転舵角設定手段で設定した目標転舵角と前記仮想転舵角設定手段で設定した仮想転舵角との偏差に応じて前記反力アクチュエータを制御することを特徴とする車両用操舵装置である。
このように構成することにより、目標転舵角と仮想転舵角との偏差に応じて反力アクチュエータを制御するので、実際の転舵部の動特性の影響を受けずに反力アクチュエータを制御することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記転舵輪の実転舵角を検出する転舵角検出手段（例えば、後述する実施例における転舵角センサ１２）を備え、前記仮想転舵角設定手段で設定した仮想転舵角と前記転舵角検出手段で検出した実転舵角との偏差に応じて前記転舵アクチュエータを制御することを特徴とする。
このように構成することにより、転舵アクチュエータの制御量を小さくすることが可能になる。
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、車両の挙動を安定化させるための補正転舵角を算出する補正転舵角設定手段（例えば、後述する実施例における補正転舵角設定部２６）を備え、前記仮想転舵角と、前記実転舵角と、前記補正転舵角に基づいて前記転舵アクチュエータを制御することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記補正転舵角は車両のヨーレートに基づいて設定されることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、実際の転舵部の動特性の影響を受けずに反力アクチュエータを制御することができるので、反力特性を自由に設定することができるようになり、操舵フィーリングを向上させることができる。
請求項２に係る発明によれば、転舵アクチュエータの制御量を小さくすることが可能になるので、省エネルギーが可能になる。

以下、この発明に係る車両用操舵装置の実施例を図１〜図６の図面を参照して説明する。
［実施例１］
初めに、この発明に係る車両用操舵装置の実施例１を図１〜図４の図面を参照して説明する。
この車両用操舵装置１は、図１に示すように、運転者が操作を行う操作部１Ａと転舵輪を転舵させる転舵部１Ｂとが機械的に連結されていないステア・バイ・ワイヤ式の操舵装置である。
操作部１Ａは、運転者により操作されるステアリングホイール（操作子）２と、ステアリングホイール２の操舵角（操作入力量）を検出する操舵角センサ（操作入力量検出手段）３と、ステアリングホイール２に操舵反力を付与する反力モータ（反力アクチュエータ）４と、を備えて構成されている。
一方、転舵部１Ｂは、左右の車輪（転舵輪）６にナックルアーム７及びタイロッド８を介して連結されたラック軸９と、ラック軸９を軸方向に駆動して車輪６を転舵する転舵モータ（転舵アクチュエータ）１０と、ラック軸９の軸方向位置から車輪６の転舵角（実転舵角）を検出する転舵角センサ（転舵角検出手段）１２と、を備えて構成されている。

また、この車両は、車両のヨーレート（車両状態）を検出するヨーレートセンサ（ヨーレート検出手段、車両状態検出手段）１１と、反力モータ４及び転舵モータ１０を制御する電子制御装置２０、を備えている。
操舵角センサ３は検出した操舵角に対応する電気信号を、ヨーレートセンサ１１は検出したヨーレートに対応する電気信号を、転舵角センサ１２は検出した転舵角に対応する電気信号を、それぞれ電子制御装置２０に出力する。

実施例１における転舵制御および反力制御について図２の制御ブロック図を参照して説明する。
電子制御装置２０は、目標転舵角設定部（目標転舵角設定手段）２１と、擬似操舵制御部２２と、理想操舵モデル２３と、反力制御部２５と、補正転舵角設定部２６と、操舵制御部２７と、を備えており、反力モータ４と転舵モータ１０とを個別に制御し得るようになっている。

目標転舵角設定部２１は、操舵角センサ３で検出されたステアリングホイール２の操舵方向を含めた操舵角に基づいて、車輪６に対する目標転舵角を設定する。
擬似操舵制御部２２は理想操舵モデル２３に対する駆動電圧を制御するものであり、目標操舵出力設定部２１で設定された目標転舵角と理想操舵モデル２３の出力（後述する仮想転舵角）との偏差に基づき、該偏差がそのときの走行状態に応じた最適値（≠０）となるように、非積分型の制御を行う。

理想操舵モデル２３は、予め設定した理想的な転舵部の動特性を表現したモデルであり、理想操舵モデル２３からは、擬似操舵制御部２２により制御された駆動電圧で理想操舵モデル２３の転舵モータ（以下、仮想転舵モータという）を駆動したときの仮想の転舵角（以下、仮想転舵角という）が出力される。なお、この実施例１において、擬似操舵制御部２２と理想操舵モデル２３は、仮想転舵角設定手段を構成する。
図３に理想操舵モデル２３における処理の一例を示す。まず、擬似操舵制御部２２の出力である駆動電圧と仮想転舵モータのリアクタンスＬＳと回路抵抗Ｒに基づいて駆動電流Ｉを算出し、この駆動電流Ｉに所定の係数を乗じて仮想転舵モータのモータトルクＴｒを算出する。さらに、このモータトルクＴｒと仮想路面反力との偏差と、仮想転舵モータの慣性力と、仮想機械損失（仮想摩擦力）に基づいて、仮想転舵角速度ｄθ／ｄｔを算出し、仮想転舵角速度ｄθ／ｄｔを時間で積分して仮想転舵角θを算出する。また、算出された仮想転舵角θに応じて仮想路面反力を算出しフィードバックする。
なお、仮想転舵角θだけではなく、車速や路面摩擦係数をパラメータとして追加して、仮想路面反力を算出してもよい。

反力制御部２５は、目標転舵角設定部２１で設定された目標転舵角と理想操舵モデル２３の出力である仮想転舵角との偏差に基づいて、ステアリングホイール２に対する目標反力を設定し、この目標反力に応じて反力モータ４の電流制御（デューティ比制御）を行う。したがって、この車両操舵装置における反力制御では、目標反力を設定するにあたって目標転舵角と車輪６の実転舵角との偏差を用いていないので、転舵部１Ｂの動特性が目標反力に影響を与えることがない。そして、理想操舵モデル２３の設定の仕方によって反力特性を自由に設定することができる。これにより、操舵フィーリングを従来よりも格段に向上させることができる。
例えば、極低速での操舵において転舵部１Ｂの出力が十分でないときにも、それによって操舵フィーリングが悪影響を受けることはない。

補正転舵角設定部２６は、ヨーレートセンサ１１で検出された車両のヨーレートに基づいて、横風等の外乱があったときに車両の挙動を安定化させるための補正転舵角を算出する。つまり、補正転舵角設定部２６では、運転者の意志によらずアクティブステアによる車両挙動安定化のための補正量を算出する。この補正転舵角設定部２６の出力は目標反力の設定に何ら影響を与えることがないので、操舵反力にはアクティブステアに起因する反力成分が含まれなくなる。これにより、操舵フィーリングが従来よりも格段に向上する。

そして、理想操舵モデル２３の出力である仮想転舵角と補正転舵角設定部２６で算出された補正転舵角とを加算して総合目標転舵角を算出し、この総合目標転舵角と転舵角センサ１２で検出された実転舵角との偏差が零になるように、操舵制御部２７は転舵モータ１０の電流制御（デューティ比制御）を行う。つまり、操舵制御部２７は完全積分型の制御を行う。

このように、操舵制御部２７による転舵モータ１０に対する電流制御を実行する際にも、目標転舵角設定部２１で設定した目標転舵角の代わりに理想操舵モデル２３の出力（仮想転舵角）を用いているので、転舵モータ１０に流れる電流（転舵アクチュエータの制御量）を小さくすることができ、その結果、電力消費を低減することができ、また、転舵モータ１０が発する音を極めて小さくすることができる。

図４は、目標転舵角を急激に大きくした場合の転舵モータ１０に流れる電流の変化について、実施例１の操舵装置と従来の操舵装置で比較したものである。図４（Ａ）は、従来のように目標転舵角と実転舵角との偏差に基づいて転舵モータ１０の電流制御を行った場合であり、この場合には偏差が大きいので転舵モータ１０に大電流を流すこととなる。図４（Ｂ）は、この実施例１のように理想操舵モデルの出力（仮想転舵角）と実転舵角との偏差に基づいて転舵モータ１０の電流制御を行った場合であり、この場合には偏差が小さいので転舵モータ１０に流す電流が従来よりも小さくて済む。
このように、この実施例１の操舵装置では、目標転舵角設定部２１で設定した目標転舵角を転舵部１Ｂが追従するのではなく、理想操舵モデル２３の出力（仮想転舵角）を転舵部１Ｂが追従するので、より定量的且つ精密な転舵部１Ｂの設計および実装が可能になる。

［実施例２］
次に、この発明に係る車両用操舵装置の実施例２における転舵制御および反力制御について図５の制御ブロック図を参照して説明する。なお、装置構成については実施例１と同じであるので、図１を援用して説明を省略する。
実施例２の車両用操舵装置１における転舵制御および反力制御が実施例１のものと相違する点は、理想操舵モデル２３に対する駆動電圧の算出方法にある。この実施例２の制御装置２０は、目標転舵角設定部２１で設定された目標転舵角をそれに応じた電圧値に変換する変換部２４を備えている。ここで、目標転舵角に応じた電圧値とは、理想操舵モデル２３の出力（仮想転舵角）を目標転舵角に一致させるのに必要な理想操舵モデル２３に対する駆動電圧である
そして、実施例２では、目標転舵角と仮想転舵角との偏差に基づいて擬似操舵制御部２２で制御された電圧と、変換部２４により変換された目標転舵角に対応する電圧とを合算し、合算した電圧を理想操舵モデル２３に対する駆動電圧とする。この理想操舵モデル２３に対する駆動電圧の算出方法以外は実施例１の場合の転舵制御および反力制御と同じであるので詳細説明は省略する。

この実施例２における反力制御においても、目標反力を設定するにあたって目標転舵角と車輪６の実転舵角との偏差を用いていないので、転舵部１Ｂの動特性が目標反力に影響を与えることがない。そして、理想操舵モデル２３の設定の仕方によって反力特性を自由に設定することができる。これにより、操舵フィーリングを従来よりも格段に向上させることができる。
また、実施例２においても、補正転舵角設定部２６の出力は目標反力の設定に何ら影響を与えることがないので、操舵反力にはアクティブステアに起因する反力成分が含まれなくなる。これにより、操舵フィーリングが従来よりも格段に向上する

さらに、実施例２においても、操舵制御部２７による転舵モータ１０に対する電流制御を実行する際に、目標転舵角設定部２１で設定した目標転舵角の代わりに理想操舵モデル２３の出力（仮想転舵角）を用いているので、転舵モータ１０に流れる電流を小さくすることができ、その結果、電力消費を低減することができ、また、転舵モータ１０が発する音を極めて小さくすることができる。

［実施例３］
次に、この発明に係る車両用操舵装置の実施例３における転舵制御および反力制御について図６の制御ブロック図を参照して説明する。なお、装置構成については実施例１と同じであるので、図１を援用して説明を省略する。
実施例３の車両用操舵装置１における転舵制御および反力制御が実施例１のものと相違する点は、総合目標転舵角の算出方法だけである。実施例１における車両用操舵装置では、理想操舵モデル２３の出力である仮想転舵角と補正転舵角設定部２６で算出された補正転舵角とを加算して総合目標転舵角を算出したが、実施例３では、目標転舵角設定部２１で設定された目標転舵角と補正転舵角設定部２６で算出された補正転舵角とを加算して総合目標転舵角を算出する。この総合目標転舵角の算出方法以外は実施例１の場合の転舵制御および反力制御と同じであるので詳細説明は省略する。

この実施例３の車両操舵装置の反力制御においても、目標反力を設定するにあたって目標転舵角と車輪６の実転舵角との偏差を用いていないので、転舵部１Ｂの動特性が目標反力に影響を与えることがなく、理想操舵モデル２３の設定の仕方によって反力特性を自由に設定することができる。これにより、操舵フィーリングを従来よりも格段に向上させることができる。例えば、極低速での操舵において転舵部１Ｂの出力が十分でないときにも、それによって操舵フィーリングが悪影響を受けることはない。
また、補正転舵角設定部２６の出力は目標反力の設定に何ら影響を与えることがないので、操舵反力にはアクティブステアに起因する反力成分が含まれなくなる。これにより、操舵フィーリングが従来よりも格段に向上する。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、操作子はステアリングホイールに限定されるものではなく、ジョイスティックであってもよい。
また、前述した実施例ではステアリングホイール（操作子）への操作入力量を操舵角としたが、操舵トルク（操作状態量）を操作入力量として転舵アクチュエータを制御してもよい。
前述した実施例では車両状態検出手段をヨーレートセンサで構成しヨーレートから車両状態を検出しているが、車両状態検出手段を横加速度センサなどで構成し、横加速度などから車両状態を検出することも可能である。

この発明に係る車両用操舵装置の実施例１における概略構成図である。 前記実施例１の車両用操舵装置における転舵制御および反力制御の制御ブロック図である。 理想操舵モデルにおける処理の一例を示すブロック図である。 転舵モータに流れる電流の変化の一例を示す図であり、（Ａ）は従来例、（Ｂ）は実施例１の場合を示す。 この発明に係る車両用操舵装置の実施例２における転舵制御および反力制御の制御ブロック図である。 この発明に係る車両用操舵装置の実施例３における転舵制御および反力制御の制御ブロック図である。

符号の説明

１ 車両用操舵装置
２ ステアリングホイール（操作子）
３ 操舵角センサ（操作入力量検出手段）
４ 反力モータ（反力アクチュエータ）
６ 車輪（転舵輪）
１０ 転舵モータ（転舵アクチュエータ）
１２ 転舵角センサ（転舵角検出手段）
２１ 目標転舵角設定部（目標転舵角設定手段）
２２ 擬似操舵制御部（仮想転舵角設定手段）
２３ 理想操舵モデル（仮想転舵角設定手段）

Claims (4)

1. 運転者が操作を行う操作子と、
   前記操作子への操作入力量を検出する操作入力量検出手段と、
   前記操作子から機械的に分離され、転舵輪を転舵する転舵アクチュエータを有する転舵部と、
   前記操作入力量検出手段で検出した操作入力量に応じて目標転舵角を設定する目標転舵角設定手段と、
   前記操作子に操舵反力を付与する反力アクチュエータと、
   予め設定した前記転舵部の動特性を表現した仮想モデルに基づいて仮想転舵角を設定する仮想転舵角設定手段と、
   を備え、前記目標転舵角設定手段で設定した目標転舵角と前記仮想転舵角設定手段で設定した仮想転舵角との偏差に応じて前記反力アクチュエータを制御することを特徴とする車両用操舵装置。
2. 前記転舵輪の実転舵角を検出する転舵角検出手段を備え、前記仮想転舵角設定手段で設定した仮想転舵角と前記転舵角検出手段で検出した実転舵角との偏差に応じて前記転舵アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
3. 車両の挙動を安定化させるための補正転舵角を算出する補正転舵角設定手段を備え、前記仮想転舵角と、前記実転舵角と、前記補正転舵角に基づいて前記転舵アクチュエータを制御することを特徴とする請求項２に記載の車両用操舵装置。
4. 前記補正転舵角は車両のヨーレートに基づいて設定されることを特徴とする請求項３に記載の車両用操舵装置。

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