JP5055941B2

JP5055941B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP5055941B2
Application number: JP2006280677A
Authority: JP
Inventors: 崇司土井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: JP2008094326A

Description

本発明は、車両に搭載される電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来の電動パワーステアリング装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、ステアリングホイールに加わる操舵トルクと車両の走行速度とを検出し、これらの検出値に基づいてモータを駆動制御して、運転者の操舵力をアシストするものが知られている。
特開２００６−８８９８９号公報

ところで、操舵時の過渡特性は、車両の慣性主軸配置に大きく影響される。慣性主軸配置は車両形状や重量物配置により決まるものであるため、車両形状や重量物配置によっては所望の操舵応答特性が得られないことがある。しかし、上記従来技術においては、そのような慣性主軸配置が操舵系に与える影響については、何ら考慮されていない。

本発明の目的は、実際の車両の慣性主軸配置によらず、優れた操舵応答特性を確保することができる電動パワーステアリング装置を提供することである。

本発明は、車両に搭載され、ステアリング操作に応じて電動アクチュエータを駆動させて操舵アシストを行う電動パワーステアリング装置において、車両の慣性主軸配置及び車両に対して目標となる慣性主軸配置を含む車両データを予め記憶しておく記憶手段と、ステアリング操作により発生する操舵量を検出する検出手段と、少なくとも検出手段で検出した操舵量と車両の慣性主軸配置及び目標となる慣性主軸配置を含む車両データとに基づいて、電動アクチュエータに対するアシスト量を設定する設定手段と、設定手段で設定されたアシスト量に応じて電動アクチュエータの駆動を制御する手段とを備え、設定手段は、ステアリング操作による車輪の転舵角変化と車両の挙動応答との関係を示す第１伝達関数のゲインを補償するように、車両の慣性主軸配置及び目標となる慣性主軸配置に関するパラメータを含みステアリング操作と車輪の転舵角変化との関係を示す第２伝達関数を設定し、検出手段で検出した操舵量及び第２伝達関数を用いてアシスト量を決定することを特徴とするものである。なお、車両データとしては、車両の慣性主軸配置及び目標となる慣性主軸配置に関するパラメータを含む車両諸元の各種データ、伝達関数のデータ及びマップデータ等が含まれる。

操舵応答特性に影響を与える車両の慣性主軸配置は、車両形状や重量物の配置によって決まるものである。しかし、車両の慣性主軸配置を変更するのは、現実的には極めて困難である。そこで、本発明の電動パワーステアリング装置では、実際の車両の慣性主軸配置及び車両にとって所望の操舵応答特性を得るための目標となる慣性主軸配置を含む車両データを予め記憶しておき、少なくとも操舵量検出値と車両の慣性主軸配置及び目標となる慣性主軸配置を含む車両データとに基づいて、車両の慣性主軸配置に起因した操舵応答性の低下を抑制するようなアシスト量を設定し、そのアシスト量に応じて電動アクチュエータの駆動を制御する。これにより、実際の車両の慣性主軸配置を目標となる慣性主軸配置に変更した場合と等価な系を形成することができる。従って、実際の車両の慣性主軸配置によらずに、良好な操舵応答特性を得ることができる。

また、車両の慣性主軸配置及び目標となる慣性主軸配置に関するパラメータと各種の車両諸元が分かれば、第２伝達関数が解析的に導き出されるため、車両の慣性主軸配置に起因した操舵応答性の低下を確実に抑制することができる。

本発明によれば、実際の車両の慣性主軸配置によらず、優れた操舵応答特性を確保することができる。これにより、操舵開始時に車両の挙動が速く応答すると共に、操舵終了時に車両の挙動が速く収まるようになる。

以下、本発明に係わる電動パワーステアリング装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる電動パワーステアリング装置の一実施形態を示す概略構成図である。同図において、本実施形態の電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール２と、このステアリングホイール２の回転を左右の前車輪３に伝える伝達機構４とを備え、運転者のステアリング操作に応じて伝達機構４にアシスト力を付与することにより操舵アシストを行う。伝達機構４は、ステアリングホイール２と接続されたステアリングシャフト５と、左右の前車輪３にそれぞれ接続されたタイロッド６と、ステアリングシャフト５に付与されたアシスト力を各タイロッド６に伝達するギア部７とを有している。

ステアリングシャフト５には、アシスト力を付与するためのモータ（電動アクチュエータ）８が減速機９を介して連結されている。減速機９は、モータ８の回転を減速してステアリングシャフト５の出力軸に伝達する。

また、電動パワーステアリング装置１は、ステアリング操作により発生する操舵トルク（操舵量）を検出するトルクセンサ（検出手段）１０と、車両の走行速度（車速）を検出する車速センサ１１と、トルクセンサ１０及び車速センサ１１と接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ）１２とを備えている。トルクセンサ１０は、例えばステアリングシャフト５の入力軸に設けられている。

ＥＣＵ１２は、図２に示すように、アシスト量演算部１３と、アシスト量補正部１４と、モータ駆動制御部１５とを有している。

アシスト量演算部１３は、トルクセンサ１０及び車速センサ１１の検出値に基づいて、車両の慣性主軸配置が操舵系に及ぼす影響（後述）を考慮しない場合におけるモータ８に対するアシスト量（アシストトルク）を求める。具体的には、アシスト量演算部１３は、操舵トルク及び車速とアシスト量との関係を示すアシストマップを用いて、アシスト量を求める。アシストマップは、低速時にはステアリング操作力を軽減させ、高速時にはステアリング操作に手応え感をもたせることで、優れたステアリングフィーリングを確保するように設定されている。なお、アシストマップのデータは、ＥＣＵ１２のメモリ１６に予め記憶されている。

アシスト量補正部１４は、車両の慣性主軸配置が操舵系に及ぼす影響を考慮して、アシスト量演算部１３で求めたアシスト量を補正する。

ここで、慣性主軸配置とは、車両形状や重量物の配置に大きく依存する慣性諸元である。慣性主軸は、ロール方向、ピッチ方向及びヨー方向の３軸からなり、図３に示すように配置される。慣性主軸配置は、車両の種類によって異なっている。例えば、スポーツタイプの車両は、図３に示すようにロール方向慣性主軸が路面に対して前上がりになっているものが多く、ミニバンやＳＵＶタイプの車両は、ロール方向慣性主軸が路面に対して前下がりになっているものが多い。なお、路面に対するロール方向慣性主軸の角度αは、ロール方向慣性主軸が路面に対して前上がりになっている場合には、α＞０とする。また、一般に車両は左右対称であると考えられるので、ピッチ方向（図示Ｙ軸方向）の慣性主軸は路面に平行である。

一般に慣性主軸配置は、車両の運動性能、特に操舵時の過渡応答に影響を及ぼす。例えば図４に示すように、路面に対するロール方向慣性主軸の角度αによって操舵応答特性が変化する。本発明者等は、そのような車両の慣性主軸配置によって操舵応答特性が変化する原因の究明を行った。

即ち、車輪の転舵角変化から車両の挙動が応答するまでの伝達関数（第１伝達関数）Ｇ_in（ｓ）は、次の通りとなる。

上記の伝達関数Ｇ_in（ｓ）においては、図５に示すように、分母部Ｄ _in （ｓ）は慣性主軸配置の影響を殆ど受けないが、分子部Ｎ _in （ｓ）は慣性主軸配置の影響を受けることが分かる。つまり、車両の慣性主軸配置によって操舵応答特性が変化する理由は、伝達関数Ｇ_in（ｓ）の分子部Ｎ _in （ｓ）の高周波ゲイン（例えば１．５Ｈｚ以上の周波数域のゲイン）が変化することに起因していると考えられる。このとき、伝達関数Ｇ_in（ｓ）の高周波ゲインの影響を受けるのは、図６に示すように、操舵開始時（図中Ａ）、操舵切り返し時（図中Ｂ）、操舵終了時（図中Ｃ）である。

以上のような新たに見出された事実を踏まえ、アシスト量補正部１４は、運転者のステアリング操作による入力操舵角δ_Ｈの変化から車輪の転舵角δ_Ｗが変化するまでの伝達関数（第２伝達関数）Ｃ（ｓ）が次式となるように、アシストトルク特性を決定する。

ｎ_ｇ：ステアリングギア比

つまり、アシスト量補正部１４は、図７に示すように、伝達関数Ｇ_in（ｓ）の高周波ゲインの低下による車両の挙動（ヨー）応答の遅れを補償すべく、伝達関数Ｃ（ｓ）を用いてフィードフォワード制御を行う。ここで、Ｎ_in（ｓ）は、前述の伝達関数Ｇ_in（ｓ）の分子他項式であり、車両諸元が決まれば一意に決まる。Ｎ_Ｃ（ｓ）は、慣性主軸配置を所望の配置（車両に対して目標となる慣性主軸配置）とした場合における伝達関数の分子他項式であり、車両諸元が決まれば一意に決まる。目標となる慣性主軸配置は、所望の操舵応答特性が得られるように予め設定される。Ｎ_in（ｓ）及びＮ_Ｃ（ｓ）は、具体的には次式で表される。

Ｎ_in（ｓ）＝Ｎ_ｘ２ｓ^２＋Ｎ_ｘ１ｓ＋Ｎ_ｘ０
Ｎ_Ｃ（ｓ）＝Ｎ’_ｘ２ｓ^２＋Ｎ_ｘ１ｓ＋Ｎ_ｘ０

両式における係数Ｎ_ｘ１，Ｎ_ｘ０は、慣性主軸配置に影響しない係数であるため、フィードフォワード制御を行う際には、係数Ｎ_ｘ２，Ｎ’_ｘ２の値のみを変化させることになる。係数Ｎ_ｘ２，Ｎ’_ｘ２の詳細は次の通りであり、Ｉ_ｘｚ，Ｉ’_ｘｚが慣性主軸配置により変化するパラメータである。

Ｎ_ｘ２＝２Ｋ_ｆ（ｍ_ｓｈ_ｃｒＩ_ｚｚ＋ｍｌ_ｆＩ_ｘｚ）Ｖ^２
Ｎ’_ｘ２＝２Ｋ_ｆ（ｍ_ｓｈ_ｃｒＩ_ｚｚ＋ｍｌ_ｆＩ’_ｘｚ）Ｖ^２
Ｋ_ｆ：前輪タイヤ特性（等価ＣＰ）
ｍ：車両重量
ｍ_ｓ：車両バネ上重量
ｈ_ｃｒ：車両の重心高とロールセンタとの間の距離
ｌ_ｆ：車両の重心と前輪との間の距離
Ｉ_ｚｚ：ヨー慣性モーメント
Ｉ_ｘｚ：実際の慣性主軸配置におけるＸ−Ｚ軸慣性乗積
Ｉ’_ｘｚ：目標となる慣性主軸配置におけるＸ−Ｚ軸慣性乗積

このように伝達関数Ｃ（ｓ）を用いたフィードフォワード制御を行うことにより、運転者のステアリング操作による入力操舵角δ_Ｈの変化から車両挙動が応答するまでのトータルの伝達関数Ｇ（ｓ）は、次の通りとなり、実際の慣性主軸配置の影響は全く受けないものとなる。

つまり、上記のフィードフォワード制御によって、車両の慣性主軸配置を目標となる慣性主軸配置に変更するのと等価な系が得られることとなる。従って、フィードフォワード制御を行わない場合に比べて、伝達関数Ｇ（ｓ）の高周波ゲインが高くなり、操舵応答特性が改善されるようになる。

図２に戻り、実際の慣性主軸配置及び目標となる慣性主軸配置に関するパラメータＩ_ｘｚ，Ｉ’_ｘｚを含む各種の車両諸元データは、メモリ１６に予め記憶されている。そして、アシスト量補正部１４は、これらの車両諸元データから得られる伝達関数Ｃ（ｓ）を用いて、先にトルクセンサ１０及び車速センサ１１の検出値から求められたアシスト量を補正する。

モータ駆動制御部１５は、アシスト量補正部１４で得られた補正後のアシスト量に対応する電流値をモータ８に供給して、モータ８の駆動を制御する。

ここで、ＥＣＵ１２において、メモリ１６は、車両の慣性主軸配置及び車両に対して目標となる慣性主軸配置を含む車両データを予め記憶しておく記憶手段を構成する。アシスト量演算部１３及びアシスト量補正部１４は、少なくともトルク検出手段で検出した操舵トルクと車両の慣性主軸配置及び目標となる慣性主軸配置を含む車両データとに基づいて、モータ８に対するアシスト量を設定する設定手段を構成する。モータ駆動制御部１５は、設定手段で設定されたアシスト量に応じてモータ８の駆動を制御する手段を構成する。

以上のように本実施形態にあっては、トルクセンサ１０及び車速センサ１１の検出値に基づいてアシスト量を求め、実際の慣性主軸配置及び目標となる慣性主軸配置に関するパラメータを含む車両諸元データから得られるフィードフォワード制御用の伝達関数Ｃ（ｓ）を用いて、当該アシスト量を補正するようにしたので、車輪の転舵角変化に対する車両の挙動応答の伝達関数Ｇ_in（ｓ）の高周波ゲインが補償される。これにより、実際の慣性主軸配置を変更しなくても、あたかも目標となる慣性主軸配置にするように車両形状や重量物の配置を変更した場合と同様の効果を得ることができる。

従って、実際の慣性主軸配置にかかわらず、車両毎に適切なアシスト特性が得られるため、優れた操舵応答特性を確保することができる。このように操舵応答特性が向上するので、操舵開始時及び操舵切り返し時には、車両挙動の応答性が良くなり、操舵終了時には、車両挙動の収まりが良くなって速く安定するようになる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、トルクセンサ１０及び車速センサ１１の検出値に基づいてアシスト量を求め、フィードフォワード制御用の伝達関数Ｃ（ｓ）を用いて当該アシスト量を補正し、その補正したアシスト量に応じてモータ８を制御するようにしたが、モータ８に対するアシスト量を設定する手法としては、特にこれには限られない。例えば、操舵トルク及び車速に加えて実際の車両の慣性主軸配置及び目標となる慣性主軸配置も考慮したアシストマップを予め作成してメモリ１６に記憶しておき、そのアシストマップに従ってアシスト量を設定しても良い。

本発明に係わる電動パワーステアリング装置の一実施形態を示す概略構成図である。図１に示したＥＣＵの機能ブロック図である。車両の慣性主軸配置の配置例を示す図である。車両の慣性主軸配置による操舵応答特性の変化具合を示すグラフである。伝達関数Ｇ_in（ｓ）を分離した時の特性を示すグラフである。車両の挙動（ヨーレート）の時間軸応答特性を示すグラフである。図１に示した電動パワーステアリング装置の伝達系を概略的に示す図である。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置、２…ステアリングホイール、８…モータ（電動アクチュエータ）、１０…トルクセンサ（検出手段）、１２…ＥＣＵ、１３…アシスト量演算部（設定手段）、１４…アシスト量補正部（設定手段）、１５…モータ駆動制御部、１６…メモリ（記憶手段）。

Claims

車両に搭載され、ステアリング操作に応じて電動アクチュエータを駆動させて操舵アシストを行う電動パワーステアリング装置において、
前記車両の慣性主軸配置及び前記車両に対して目標となる慣性主軸配置を含む車両データを予め記憶しておく記憶手段と、
前記ステアリング操作により発生する操舵量を検出する検出手段と、
少なくとも前記検出手段で検出した操舵量と前記車両の慣性主軸配置及び前記目標となる慣性主軸配置を含む車両データとに基づいて、前記電動アクチュエータに対するアシスト量を設定する設定手段と、
前記設定手段で設定されたアシスト量に応じて前記電動アクチュエータの駆動を制御する手段とを備え、
前記設定手段は、前記ステアリング操作による車輪の転舵角変化と前記車両の挙動応答との関係を示す第１伝達関数のゲインを補償するように、前記車両の慣性主軸配置及び前記目標となる慣性主軸配置に関するパラメータを含み前記ステアリング操作と前記車輪の転舵角変化との関係を示す第２伝達関数を設定し、前記検出手段で検出した操舵量及び前記第２伝達関数を用いて前記アシスト量を決定することを特徴とする電動パワーステアリング装置。