JP4650092B2 - 車両用操舵制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の操舵反力を制御する車両用操舵制御装置に関する。

車両のステアリング装置として、運転者がステアリングを操作する時の操舵トルクを軽減させるために、操舵アシスト力（補助操舵トルク）を与えるパワーステアリング装置が近年普及している。このパワーステアリング装置は、基本的には、ステアリングホイールの操作に伴う操舵トルクの方向や大きさに応じて、操舵アシスト力を与えるように構成されている。また、車両の低速走行時には操舵アシスト力を大きくして運転者の操舵力をより軽減し、車両の高速走行時には操舵アシスト力を小さくして保舵感を与えるように、車速に応じて操舵アシスト力を変更するようにしたパワーステアリング装置も開発されている。

また、油圧を用いて操舵アシスト力を発生させる油圧パワーステアリング装置の他に、電動モータを用いて操舵アシスト力を発生させる電動パワーステアリング装置も開発されている。このような電動パワーステアリング装置の場合、種々の態様で操舵アシスト力を制御することができるため、様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１には、電動パワーステアリング装置において、最大舵角付近で所定舵角を超えると補助操舵トルクを低減補正してステアリング系の保護を図るアンローダ制御に関する技術として、最大舵角付近において操舵速度に応じて補助操舵トルクの低減補正量を増大させる技術が提案されている。

特許文献２には、電動パワーステアリング装置において、車速センサで検出された車体速度に応じてパワーステアリングの電動モータの出力を制御する技術と、トルクセンサで検出された操舵トルクの大きさに応じて電動モータの出力を制限する技術が提案されている。

特開２００１−２５３３５６号公報 特開平０９−５８４９３号公報

ところで、パワーステアリング装置には、上記のようなアンローダ制御や、操舵アシスト力を車速や操舵トルクに応じて制御する技術等では解決し得ない課題がある。つまり、操舵アシストを行えば、ドライバーにとってハンドルが軽くなり容易に操舵操作を行うことができる反面、不慣れなドライバーの場合、ハンドルを力任せに過剰に操作してしまうことが考えられる。この場合、例えばレーンチェンジなど車両の特定の挙動に対応して適宜補助アシスト力を調整できれば、不慣れなドライバーにも対応した操舵アシストを行うことができる。

そこで、以下のような技術も提案されている。なお、以下の技術の操舵反力とは操舵アシスト力と反対の意味の力であり、操舵アシスト力を低減することは、操舵反力を増大させることと同義である。つまり、車両挙動である車体スリップ角に応じて操舵反力制御を行う技術（実開平２−４３７６５号公報，特開平６−９２２５２号公報，特開平８−２６８３０９号公報，特開平１１−１２９９２６号公報）や、ＯＳ（オーバステア）／ＵＳ（アンダステア）状態に応じた操舵反力制御を行う技術（特開平６−９２２５３号公報，特開平８−４０２９３号公報）である。しかしながら、このような技術では、車体挙動を検出するセンサが必要となり車両のコストアップを招いてしまうため、いかにコスト低減を図るかが課題になる。
本発明は、低コストで車両の挙動に応じて操舵アシスト力（操舵反力）の制御を適切に行うことを可能とした、車両用操舵制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかる車両用操舵制御装置は、車両のハンドルの操舵反力を調整しうる操舵反力調整機構と、ハンドルの操舵操作によって入力される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、ハンドルの操舵操作の時の、操舵反力調整機構が備える電動モータのモータ角速度を検出する操舵速度検出手段と、車両の速度を検出する速度検出手段と、操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクと速度検出手段により検出される車速とに基づき操舵反力調整機構の基本アシスト量を算出すると共に、操舵速度検出手段により検出されたモータ角速度と速度検出手段により検出された車速に基づき、車両のヨー角加速度及び重心スリップ角速度を求め、このヨー角加速度及び重心スリップ角速度が大きくなるほど基本アシスト量を抑制する方向に大きくなる補正値を求めて、同補正値により基本アシスト量を補正して操舵反力調整機構の作動を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。

本発明に係る車両用操舵制御装置において、操舵反力調整機構は、電動パワーステアリング機構、あるいは車両がステアバイワイヤ方式の操舵装置をそなえていると共に、操舵反力を模擬的に与える操舵反力付与機構を備える場合、操舵反力調整機構が操舵反力付与機構であることを特徴としている。

本発明にかかる車両用操舵制御装置において、制御手段は、モータ角速度及び車速の少なくとも一方が大きくなるほど基本アシスト量を抑制する方向に補正値を大きくすることを特徴としている。

本発明によれば、操舵反力調整機構の標準的な構成のみを利用して、操舵反力調整機構の基本操舵反力を算出すると共に、操舵速度と車速に基づき車両挙動の変化率を求め、この変化率に応じて基本操舵反力を補正するので、走行時の操舵操作に応じて発生する車両挙動変化を抑制することができ、車両の安定性を向上することができる。また、操舵速度検出手段により検出された操舵速度または速度検出手段により検出された車速の少なくとも大きくなる程、変化率を大きくして基本操舵反力を増加するので、速度上昇に伴い発生する操舵トルクに対する操舵角度と車両挙動の共振を低減することができるので、ドライバーに安心感を与えることができる。操舵反力調整機構の標準的な検出手段のみを利用しているため、コストアップを抑えつつも、装置の信頼性を高めることができ、故障の可能性を低めることができる。

本発明によれば、車両挙動変化率が、ヨー角加速度及び重心スリップ角速度あるいは、操舵角速度の１次遅れ、あるいは２次遅れに比例した関数として算出するので、車両挙動変化率を簡単に算出することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態にかかる車両用操舵制御装置は、電動パワーステアリングの操舵制御に適用されており、図１はその装置構成を示すブロック図である。図１に示すように、この電動パワーステアリング機構１６では、操舵輪１がステアリングホイール（操舵ハンドル、単にハンドルともいう）２に機械的に連結されており、ハンドル２と操舵輪１との間の操舵力伝達系の途中に、操舵アシスト力（補助操舵トルク）を加えるための電動モータ３が付設されている。本形態の場合、この電動モータ３にはＤＣモータが用いられており、この電動モータ３はモータ駆動回路５を介して制御手段としてのＥＣＵ（電子制御ユニット）４によって制御されるようになっている。

電動パワーステアリング機構１６により操舵アシスト力を調整すると、これと同時に、操舵アシスト力とは逆の意味となる操舵反力も調整されることになるので、電動パワーステアリング機構１６は操舵反力調整機構として機能する。

ＥＣＵ４では、電動モータ３への供給電流を、操舵トルク検出手段としての操舵トルクセンサ６、車両の速度を検出する速度検出手段としての車速センサ７及び操舵速度検出手段としてのモータ角速度推定手段８からの検出情報、推定情報に基づいて算出して、電動モータ３を制御するように構成されている。電動モータ３では、この供給電流の大きさに比例して、ハンドル１を操作するときの操舵アシスト力を発揮するようになっていて、供給電流が大きいほど、操舵アシスト力が大きくなり、供給電流が小さいほど、操舵アシスト力は小さくなる。

本形態では、操舵速度として電動モータ３の角速度を用いており、操舵速度検出手段としてモータ角速度推定手段８が設けられている。これは電動モータ３の回転位相が操舵部材（ハンドル２又はステアリング軸）の位相に対応する点に着目したものである。電動パワーステアリングのモータにはブラシ付きとブラシレスの２種類がある。ブラシ付きモータの場合は、モータ角速度をモータ端子間電圧とモータ電流（モータに供給される電流）とから演算によって推定することができる。そこで、モータ角速度推定手段８では、式１によって算出するようになっている。

ω＝（Ｖｍ−Ｉｍ＊Ｒｍ）／Ｋｅ ・・・（式１）
ω：モータ角速度
Ｖｍ：モータ端子間電圧
Ｉｍ：モータ電流
Ｒｍ：モータ巻線抵抗
Ｋｅ：誘起電圧定数
一方、ブラシレスモータの場合は、基本的にモータの回転角度センサを備えており、このセンサ情報から容易に角速度を算出することができる。
ＥＣＵ４には、基本アシスト量設定手段１１、ダンピング量設定手段（アシスト低減量設定手段）１２，摩擦補償量設定手段１３、慣性補償量設定手段１４及び、車両挙動量算出手段１７と制御部１８を備えた車両挙動変化率設定手段１９の各機能要素がそなえられている。これらは、いずれも電動モータ３への供給電流を設定するためのもので、特に基本アシスト量設定手段１１と車両挙動変化率設定手段１９については供給電流を設定する主体的な要素であり、以下に詳述する。摩擦補償量設定手段１３は、電動モータ３の磨耗損失分を補償するためのもので、モータ角速度と車速に基づいて磨耗補償量を算出するようになっている。また、慣性補償量設定手段１４は、電動モータ３に働く慣性力分を補償するためのもので、モータ角加速度と車速に基づいて慣性補償量を算出するようになっている。ダンピング量設定手段（アシスト低減量設定手段）１２は電動モータ３の動作に対してモータ角速度と車速に基づいて操舵反力を与えるものである。

図２を用いて基本アシスト量設定手段１１を説明する。図２及び図３における電流Ｉｂ，Ｉｄの正負符号は操舵アシスト力の働く方向に対応するもので、操舵トルク及びモータ角速度についてもそれぞれ正負により方向を示している。基本アシスト量設定手段１１では、操舵トルクセンサ６で検出された操舵トルクＴと車速センサ７で検出された車速Ｖとから、図２に示すようなマップを用いて基本アシスト量（基本アシスト電流）Ｉｂを設定するようになっている。つまり、図２に示すように、基本アシスト電流Ｉｂは、操舵トルクの大きさ｜Ｔ｜がある所定値（Ｔ１）未満では、基本アシスト電流Ｉｂは０だが、操舵トルクの大きさ｜Ｔ｜がある所定値（Ｔ１）以上になると、所定値Ｔ２に達するまで（Ｔ２＞｜Ｔ｜≧Ｔ１）は、基本アシスト電流Ｉｂは、操舵トルクの大きさ｜Ｔ｜の増加に比例して増加する。増加の割合（図２における特性線の傾き）はその時の車速によって定まり、車速が速いほど基本アシスト電流Ｉｂが小さくなるように（図２における特性線の傾きが小さくなるように）設定されている。また、操舵トルクの大きさ｜Ｔ｜がさらに大きくなり、所定値Ｔ２以上になったら、基本アシスト電流Ｉｂが過大にならないようにクリップされている。

車両挙動変化率設定手段１９は、モータ角速度ωと車速Ｖに基づき車両挙動の変化率を求め、この変化率に応じて基本アシスト量（基本アシスト電流）Ｉｂを補正する補正値としての補正電流Ｉｄを設定するものである。

本形態では、モータ角速度ωと車速Ｖに基づき車両挙動変化率であるヨー角加速度と重心スリップ角速度を所領挙動量算出手段１７で算出している。そしてこのヨー角加速度と重心スリップ角加速度を制御部１８で補正値となる補正電流Ｉｄに変換して、基本アシスト量（基本アシスト電流）Ｉｂを補正している。

補正電流Ｉｄは、高速時において大きな操舵速度（ここではモータ角速度）での操舵操作を抑制するためのもので、モータ角速度ωや車速Ｖの少なくとも一方が大きくなる程、変化率を大きくして基本アシスト量（基本アシスト電流）Ｉｂに対する補正値となる補正電流Ｉｄが増加するように制御する。本形態において、車両挙動変化率設定手段１９では、変化率となるヨー角加速度と重心スリップ角速度は、数式で構成された車両モデルとして、例えば車両重量や挙動特性等のデータを車両挙動量算出手段１７に予め設定しておき、そのモデルに各検出手段で検出された変数となるモータ角速度ωと車速Ｖを代入して算出する。または、操舵角速度の「１次遅れ」あるいは「２次遅れ」に比例した関数として簡単に算出することができる。すなわち図３に示すように、モータ角速度ωが正の場合（左回転方向及び右回転方向のうち一方の場合）には補正電流Ｉｄは負の値（一方の方向へのアシストを減ずる方向の値）をとり、モータ角速度ωが負の場合（左回転方向及び右回転方向のうち他方の場合）には補正電流Ｉｄは正の値（他方の方向へのアシストを減ずる方向の値）をとる。また、車両挙動変化率と補正電流Ｉｄとの関係は車速によって変化し、車速が速いほど傾きが大きくなっている。つまり車速が速いほど、補正電流Ｉｄが大きくなるようになっている。

このような構成の車両用操舵制御装置の制御動作について図４のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ１において車速センサ７から車速Ｖを読込み、操舵トルクセンサ６から操舵トルクＴを読み込む。そして、ステップＳ２において基本アシスト量設定手段１１で基本アシスト電流Ｉｂを計算する。次にステップＳ３で電流センサ９と電圧センサ１０からモータ電流Ｉｍとモータ端子間電圧Ｅｍを読込み、ステップＳ４でモータ電流Ｉｍとモータ端子間電圧Ｅｍから、式１を用いてモータ回転数ωを算出する。次にステップＳ５でダンピング量設定手段１２、摩擦補償量設定手段１３、慣性補償量設定手段１４で基本アシスト量（基本アシスト電流）Ｉｂを補正し、ステップＳ６において、モータ角速度ωと車速Ｖに基づき車両挙動の変化率であるヨー角加速度と重心スリップ角速度から算出される変化量としての補正電流Ｉｄを算出し、ステップＳ７で基本アシスト量（基本アシスト電流）Ｉｂ＋補正電流Ｉｄを計算し、最終的に駆動モータ３への電流量を決定する。

このようにして、操舵反力を制御するモータ出力に補正値（補正電流）Ｉｄが付加されるため、ドライバーのハンドル切り込みを車両挙動に応じて適切に抑制できる効果がある。例えば、高速走行中に急激にハンドルを切り込もうとすると、補正電流Ｉｄを増大することで、この過剰な速度と力でのハンドル切り込みを抑制することができる。

例えば、図５は車両挙動制御がある場合とない場合とにおけるハンドル挙動の相違を示すグラフである。このグラフは、次の条件でコンピュータから成るシュミレーターでのシュミレーションの結果を示す図である。車両は小型車、操舵トルク入力を操舵トルク一定のsinスイープ、車速１４０ｋｍ／ｈとした。

図５に示すように、車両挙動変化を抑制する補正電流Ｉｄ付加制御によってハンドル角の過剰な振幅を抑えることによって、補正電流Ｉｄ付加制御がない場合に比べて操舵周波数によらず安定した状態を維持できることが示されている。

例えば、走行中のレーンチェンジ時におけるハンドル角操作では、補正電流Ｉｄ付加制御がない場合には図５に破線で示すように、操舵開始時にハンドル２を切り込み過ぎてしまうと、車体の回頭が過剰になってしまうため、その反動から車体の方向を元に戻すために、逆方向へのハンドル操作も過剰に行ってしまう。このようにして、ハンドルの操作をなかなか収束させることができない。しかし、補正電流Ｉｄ付加制御がある場合は、図５に実線で示すように、ハンドル角の大きさが増加している状態（切り込み，切り増し状態）では、比較的大きな操舵トルクが必要なため、操舵速度の大きさも大きい場合、大きな補正電流Ｉｄ付加制御が働き、結果としてハンドル角の増大が抑制される。そのため、補正電流Ｉｄ付加制御による制御のない場合と比較すると、ハンドル角の振動は小さくなり、その反動からくる車体の振れも小さくなるため、短い時間で安定した状態に収束し易くなる。

また、補正電流Ｉｄは、車速Ｖとモータ角速度（操舵速度）ωの値に応じて付加され、車速Ｖ，モータ角速度（操舵速度）ωが大きいほど、補正電流Ｉｄは大きく設定されるため、車両の挙動に応じた適切な制御を行うことができる。また、急ハンドルや誤操作に対して操舵反力を高めることで、ドライバーにその操作が不適切であること及びその程度を知らせることができ、ドライバーに適切な運転操作を案内することができる。

重心位置の高い車両においては、急ハンドルに対して操舵反力を高めることで、車両の過度のロールを抑制することができる。さらに、以上のような制御を行うために用いられるセンサは、すべて標準的なパワーステアリング機構１６の装置であるため、低コストで車両の挙動に応じて操舵アシスト力（操舵反力）の制御を適切に行うことができるという利点がある。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、電動パワーステアリングを用いた操舵装置を例として挙げているが、電動パワーステアリングの代わりにステアバイワイヤ方式のパワーステアリングや、油圧方式のパワーステアリングの操舵装置に用いてもよい。つまり、例えば操舵用のアクチュエータにより操舵輪を転舵するステアバイワイヤ方式の場合、図６に示すように、ＥＣＵ４が車速及び操舵速度の各情報を読み込みハンドルに付設された操舵反力付与機構（操舵反力調整機構）に働きかけることによって、操舵反力の調整制御を行うように構成すればよい。例えば油圧方式のパワーステアリングの場合、図７に示すように、ＥＣＵ４が車速及び操舵速度の各情報を読み込み、油圧装置に働きかけることで、操舵反力の調整制御を行うように構成すればよい。

本発明の一実施形態にかかる車両用操舵制御装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる車両用操舵制御装置による基本アシスト制御を説明するマップである。 本発明の一実施形態にかかる車両用操舵制御装置による車両挙動変化率制御を説明するマップである。 本発明の第１実施形態にかかる車両用操舵制御装置による操舵制御を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態にかかる車両用操舵制御装置によるところのハンドル角と時間変化を説明するマップである。 本発明に適用しうる操舵系の他の構成を示す模式図である。 本発明に適用しうる操舵系の他の構成を示す模式図である。

符号の説明

１ 操舵輪
２ ステアリングホイール（ハンドル）
３ 電動モータ
４ ＥＣＵ（制御手段）
５ モータ駆動回路
７ 車速センサ
８ モータ角速度推定手段（操舵速度検出手段）
９ モータ電流センサ
１０ モータ端子間電圧センサ
１１ 基本アシスト量設定手段
１２ ダンピング（アシスト低減）量設定手段
１３ 摩擦補償量設定手段
１４ 慣性補償量設定手段
１６ 電動パワーステアリング機構（操舵反力調整機構）
１７ 車両挙動量算出手段
１８ 制御部

Claims (4)

1. 車両のハンドルの操舵反力を調整しうる操舵反力調整機構と、
   前記ハンドルの操舵操作によって入力される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   前記ハンドルの操舵操作の時の、前記操舵反力調整機構が備える電動モータのモータ角速度を検出する操舵速度検出手段と、
   前記車両の速度を検出する速度検出手段と、
   前記操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクと前記速度検出手段により検出される車速とに基づき前記操舵反力調整機構の基本アシスト量を算出すると共に、
   前記操舵速度検出手段により検出されたモータ角速度と前記速度検出手段により検出された車速に基づき、車両のヨー角加速度及び重心スリップ角速度を求め、このヨー角加速度及び重心スリップ角速度が大きくなるほど前記基本アシスト量を抑制する方向に大きくなる補正値を求めて、同補正値により前記基本アシスト量を補正して前記操舵反力調整機構の作動を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする車両用操舵制御装置。
2. 請求項１記載の車両用操舵制御装置において、
   前記制御手段は、前記モータ角速度及び前記車速の少なくとも一方が大きくなるほど前記基本アシスト量を抑制する方向に前記補正値を大きくすることを特徴とする車両用操舵制御装置。
3. 請求項１または２記載の車両用操舵制御装置において、
   前記操舵反力調整機構は、電動パワーステアリング機構であることを特徴とする車両用操舵制御装置。
4. 請求項１または２記載の車両用操舵制御装置において、
   前記車両が、ステアバイワイヤ方式の操舵装置をそなえていると共に、操舵反力を模擬的に与える操舵反力付与機構を備え、
   前記操舵反力調整機構は、前記操舵反力付与機構であることを特徴とする車両用操舵制御装置。

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