JP5085510B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に係り、詳しくは、外乱により不安定となった車両の挙動を安定させるべく、操舵反力トルクを発生させる電動パワーステアリング装置に関する。

運転者のステアリング操作負荷を軽減するために、モータによりアシストトルクを発生させる電動パワーステアリング装置が広く知られている。このアシストトルクは一般に、運転者による操舵トルクと車速や路面状況などの検出値とに基づいて決定される。

一方、車体のヨーレイトや横加速度などの運動状態量に係る検出値に基づいて操舵反力トルクを設定し、この操舵反力トルクを加えることにより、運動状態量に応じてアシストトルクを調整する技術も知られている（特許文献１参照）。これによれば、横風や轍路走行などの外乱が車両に作用した際の偏向抑制性能が高められ、車両の走行安定性を向上することができ、雪道などのタイヤとの摩擦係数が低い路面（以下、低μ路と称す）や低速走行時にも運転者にかかるステアリング操作負荷が軽減される。

また、車両が停止している時に不必要な操舵トルクによって操向車輪が無意味に偏向され、運転者が違和感を覚えることを防止するために、ヨーレイトおよび／または横加速度を含む車体の運動状態量に基づいて設定した操舵反力トルクを、車両停止時には０に設定し、運転者の操舵力などに基づくアシストトルクのみをもって操舵アシスト用モータを駆動制御するようにした電動パワーステアリング装置が提案されている（特許文献２参照）。
特開平５−１０５１００号公報 特開平１１−１４７４８２号公報

しかしながら、従来技術による電動パワーステアリングでは、外乱による偏向を抑制すべく、操舵反力トルクを設定する際、車体のヨーレイトおよび／または横加速度のみを用いて車体の運動状態量を検出し、これら検出値と車速とに基づいて操舵反力トルクを設定するため、車両挙動の安定度に関わらず操舵反力トルクが一律に設定されていた。そのため、違和感のない最適な操舵フィールが実現されるとは云い難かった。

本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、車両挙動の安定度に応じて操舵反力トルクを調整することにより、操舵フィールを改善することのできる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、電動パワーステアリング装置（１０）において、運転者の操舵力を検出する操舵力検出手段（１２）と、前記操舵力検出手段（１２）の検出結果に基づき、アシストトルク（Ｔａ）を設定するアシストトルク設定手段（１７ａ）と、車体の運動状態量（Ｖ，γ，Ｇｙ）を検出する運動状態量検出手段（１４，１５，１６）と、前記運動状態量検出手段（１４，１５，１６）の検出結果に基づき、操舵反力トルク（Ｔｂ１）を設定する操舵反力トルク設定手段（２１）と、前記運動状態量検出手段（１４，１５，１６）の検出結果に応じて車両挙動の安定度（Δγ）を推定し、その推定結果に基づいて目標操舵角速度（ωｔ）を設定する目標操舵角速度設定手段（２３）と、実操舵角速度（ω）を検出する操舵角速度検出手段（１１）と、前記実操舵角速度（ω）と前記目標操舵角速度（ωｔ）との差（Δω）に基づき、前記操舵反力トルク（Ｔｂ１）に対する反力補正トルク（Ｔｂ２）を設定する反力補正トルク設定手段（２４）と、前記アシストトルク（Ｔａ）と前記操舵反力トルク（Ｔｂ１）と前記反力補正トルク（Ｔｂ２）とに基づき、操舵アシスト用モータ（９）を駆動制御するモータ駆動手段（１７ｄ）とを備え、前記目標操舵角速度設定手段（２３）は、前記車両挙動の安定度が低い（Δγが大きい）ほど前記目標操舵角速度（ωｔ）を高く設定するように構成する。

上記構成の電動パワーステアリング装置（１０）においては、前記操舵反力トルク（Ｔｂ１）が車体のヨーレイト（γ）に基づいて設定されるようにするとよく、また、前記車両挙動の安定度（Δγ）が、車体の横加速度（Ｇｙ）と車速（Ｖ）とヨーレイト（γ）とに基づいて設定されるようにするとよい。さらに、上記構成の電動パワーステアリング装置（１０）においては、前記目標操舵角速度設定手段（２３）は、車速（Ｖ）が高いほど前記目標操舵角速度（ωｔ）を高く設定するように構成するとよい。

本発明によれば、車体の運動状態量から車両挙動の安定度が推定され、この車両挙動の安定度に応じて目標操舵角速度が設定され、さらに、この目標操舵角速度に基づいて操舵反力トルクが調整されることにより、車両挙動が不安定なときには比較的高い操舵角速度によって偏向抑制性能を向上させ、運転者のステアリング操作負荷を軽減し、車両挙動が安定しているときには比較的低い操舵角速度によって操舵フィールの違和感を取り除くことにより、ステアリング操作負荷の軽減と快適な操舵フィールとの両立が実現される。

また、前記操舵反力トルクが車体のヨーレイトに基づいて設定されることにより、外乱が車両に作用した際の偏向抑制性能が高められ、車両の走行安定性を向上することができ、低μ路や低速走行時にもステアリング操作負荷が軽減される。

また、前記車両挙動の安定度が、車体の横加速度と車速とヨーレイトとに基づいて設定されることにより、最適な車両挙動の規範モデルが設定可能となり、この規範モデルに基づくことによって車両挙動の安定度が的確に推定される。これにより、車両に外乱が作用したときに、運転者が最適な車両挙動となる修正操舵を行うことができる。

さらに、前記目標操舵角速度設定手段が、車速が高いほど前記目標操舵角速度を高く設定することにより、高速走行時には安定した車両挙動よりも安全走行を優先する操舵反力トルクとなるように反力補正トルクが設定され、外乱に対する車両の安全性能が高められる。

以下、添付の図面に示された具体例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１に、本発明の電動パワーステアリング装置１０が適用された車両用操舵装置の概略構成を示す。車両用操舵装置は、ステアリングホイール１に一体結合されたステアリングシャフト２に自在継手を有する連結軸３を介して連結されたピニオン４と、ピニオン４に噛合して車幅方向に往復動し得ると共にタイロッド５を介して操向車輪としての左右の前輪６のナックルアーム７にその両端が連結されたラック軸８とを有するラック・アンド・ピニオン機構からなる。また、ステアリングホイール１に対する運転者の操舵力を軽減するためのアシストトルクＴａを発生するべく、電動パワーステアリング装置１０を構成する操舵アシスト用モータ９がラック軸８の中間部に同軸的に配設されている。

ラック・アンド・ピニオン機構のピニオン４の近傍にはステアリングホイール１の回転角（操舵角φ）から操舵角速度ωを検出するための操舵角速度センサ１１と、ピニオン４に作用する手動操舵トルクＴを検出するためのトルクセンサ１２（操舵力検出手段）とが設けられている。また、車体の横加速度Ｇｙに対応した信号を出力するための横Ｇセンサ１４と、車体のヨーレイト（実ヨーレイト）γに対応した信号を出力するためのヨーレイトセンサ１５と、車両の走行速度（車速Ｖ）に対応した信号を出力するための車速センサ１６とが設けられ、これらの検出値に基づいて操舵アシスト用モータ９の出力を制御するための操舵制御ユニット１７に接続されている。

図２に示されるように、上記した操舵制御ユニット１７内には、電動パワーステアリング装置１０としての通常のアシストトルクＴａを演算するためのアシストトルク設定部１７ａと、車両の挙動を正常状態にする操舵反力トルクＴｂを演算するための操舵反力トルク設定部１７ｂとが設けられている。アシストトルク設定部１７ａには、操舵角速度センサ１１、トルクセンサ１２、車速センサ１６の各検出信号が入力しており、それらの各検出信号に応じて通常のアシスト制御を行うアシストトルクＴａが決定される。

また操舵反力トルク設定部１７ｂには、操舵角速度センサ１１の検出信号の他、運動状態量検出手段を構成する横Ｇセンサ１４、ヨーレイトセンサ１５、車速センサ１６の各検出信号が入力するようになっており、それらの各信号から後記するアルゴリズムによって操舵反力トルクＴｂを求めるようになっている。

また操舵制御ユニット１７内には、アシストトルク設定部１７ａから出力されるアシストトルクＴａと操舵反力トルク設定部１７ｂから出力される操舵反力トルクＴｂとに応じて操舵アシスト用モータ９に対する目標電流Ｉｔを設定する目標電流設定部１７ｃと、その目標電流Ｉｔに応じて操舵アシスト用モータ９に流す電流を制御する出力電流制御部１７ｄとが設けられている。そして、出力電流制御部１７ｄからの電流制御信号が、操舵制御ユニット１７と操舵アシスト用モータ９との間に設けられた駆動回路１９に入力され、該駆動回路１９から操舵アシスト用モータ９に対して駆動電流が供給されるようになっていると共に、操舵アシスト用モータ９の実電流Ｉａと出力電流制御部１７ｄの出力電流と間でフィードバック制御が行われるようになっている。

また、上記した操舵反力トルク設定部１７ｂ内には、図３に示されるように、ヨーレイトトルク成分についての操舵反力トルクＴｂ１を設定する反力トルク設定部２１と、目標ヨーレイトγｔを設定する目標ヨーレイト設定部２２と、目標操舵角速度ωｔを設定する目標操舵角速度設定部２３と、操舵反力トルクＴｂ１に対する車両挙動の安定度についての反力補正トルクＴｂ２を設定する反力補正トルク設定部２４と、操舵反力トルクＴｂ１を補正する操舵反力トルク補正部２５とが設けられている。

反力トルク設定部２１は、図４に示すように、ヨーレイトγをアドレスとし、車速Ｖごとに異なる特性に設定されたデータマップから、ヨーレイトトルク成分についての操舵反力トルクＴｂ１を求める。ここで、図４に示すデータテーブルは、車速センサ１６からの検出信号、即ち車速Ｖに応じて異なるデータテーブルを切り替えて使用し、車速Ｖが大きいと、同じヨーレイトγでも大きな操舵反力トルクＴｂ１が発生するようにしている。また、特に車速Ｖ＝０のとき、操舵反力トルクＴｂ１はヨーレイトγの検出値に関わらず０に設定される。

一方、目標ヨーレイト設定部２２は、車速Ｖと横加速度Ｇｙとから、規範となる車両挙動モデルを示す図示しない推定データマップを参照することにより、目標ヨーレイトγｔを設定する。なお、目標ヨーレイトγｔは、車速Ｖが大きいほど小さく、横加速度Ｇｙが大きいほど大きく設定される。そして、目標操舵角速度設定部２３は、図５に示すように、目標ヨーレイトγｔからヨーレイトγを減算して求めた値Δγの絶対値｜Δγ｜をアドレスとし、車速Ｖごとに異なる特性に設定されたデータマップから、目標操舵角速度ωｔを求める。なお、図５のデータマップも、車速Ｖに応じて異なるデータテーブルを切り替えて使用し、車速Ｖが大きいと、Δγの絶対値｜Δγ｜が同じ大きさでも大きな目標操舵角速度ωｔとなるようにしている。

すなわち、目標操舵角速度設定部２３では、目標ヨーレイトγｔとヨーレイトγとの差Δγの絶対値を車体の横滑り角βに起因して発生する車両挙動の安定度（値が大きいほど不安定）として捉え、車速Ｖが高いほど、またΔγが大きく車両挙動が不安定なほど（車両挙動の安定度が低いほど）、外乱に対して行われるべき修正操舵が高い目標操舵角速度ωｔとなるように設定される。

反力補正トルク設定部２４は、操舵角速度センサ１１により検出された操舵角速度ωの絶対値｜ω｜から、目標操舵角速度設定部２３により設定された目標操舵角速度ωｔを減算して求めた値Δωをアドレスとし、図６に示すようなデータマップから車両挙動の安定度Δγについての反力補正トルクＴｂ２を求める。

操舵反力トルク補正部２５は、図７に示すように、減算部２６において、操舵反力トルクＴｂ１に反力補正トルクＴｂ２を加算して操舵反力トルクＴｂを求めるとともに、リミッタ２７において、必要以上の操舵反力トルクＴｂを排除するために、操舵反力トルクＴｂを最大値（Ｔｂｍａｘ）または最小値（−Ｔｂｍａｘ）に制限するリミッタ処理を行い、目標電流設定部１７ｃに出力する。

操舵制御ユニット１７内の操舵反力トルク設定部１７ｂは、図８のフローチャートに示す操舵反力トルク設定処理を所定の周期で繰り返し実行する。

先ず、反力トルク設定部２１において、車体の運動状態量、すなわち、各センサから読み込んだ車速Ｖおよびヨーレイトγに基づいて、操舵反力トルクＴｂ１を設定する（ステップ１）。次に、目標ヨーレイト設定部２２において、車体の運動状態量、すなわち、各センサから読み込んだ車速Ｖおよび横加速度Ｇｙに基づいて、目標ヨーレイトγｔを設定する（ステップ２）。その後、目標操舵角速度設定部２３において、目標ヨーレイトγｔと実ヨーレイトγとから車両挙動の安定度Δγを演算した後（ステップ３）、Δγに基づいて目標操舵角速度ωｔを設定する（ステップ４）。そして、反力補正トルク設定部２４において、検出した操舵角速度ωの絶対値｜ω｜および目標操舵角速度ωｔから、舵角速度差Δωを演算し（ステップ５）、求めた舵角速度差Δωに基づき、車両挙動の安定度Δγに関する反力補正トルクＴｂ２を設定する（ステップ６）。

次に、操舵反力トルク補正部２５において、操舵反力トルクＴｂ１に反力補正トルクＴｂ２を加算して操舵反力トルクＴｂを演算し（ステップ７）、操舵反力トルクＴｂが最大値（Ｔｍａｘ）を超えているか否かを判定する（ステップ８）。ステップ８で操舵反力トルクＴｂが最大値を超えている場合（Ｙｅｓ）、操舵反力トルクＴｂを上記Ｔｍａｘとする（ステップ９）。一方、ステップ８で操舵反力トルクＴｂが最大値（Ｔｍａｘ）を超えていない場合（Ｎｏ）、同様に操舵反力トルクＴｂが負の最大値（−Ｔｍａｘ）を超えているか否か判定し（ステップ１０）、操舵反力トルクＴｂが負の最大値を超えている場合（Ｙｅｓ）、操舵反力トルクＴｂを上記−Ｔｍａｘとし（ステップ１１）、上記手順を繰り返す。

このようにして決定された操舵反力トルクＴｂは、別に求めたアシストトルクＴａと加算されて目標電流設定部１７ｃにて目標電流値に変換され、出力される。

上記処理を行うことで、走行時に横風を受けて車両が走行ラインから外れるようになった際には、このときの車体のヨーレイトγを検出し、これらヨーレイトγを打ち消す方向に、即ち、その時の車両の偏向を走行ラインに戻す向きに操舵アシスト用モータ９が駆動され、外乱に対して車両を常に直進走行させるように前輪６が自動的に操舵され、不整挙動を安定化させることができたり、轍のある路面、あるいは水溜まりのある路面を走行する場合にも、車両を直進させるように自動的に軌道修正が行われるなどの効果が得られる。

また、本発明によれば、外乱に対する修正操舵の際に、車体の横加速度Ｇｙと車速Ｖとに基づいて設定された目標ヨーレイトγｔとヨーレイトγとから車両挙動の安定度Δγが推定され、この車両挙動の安定度Δγに応じて目標操舵角速度ωｔが設定され、さらに、この目標操舵角速度ωｔと操舵角速度ωに基づく反力補正トルクＴｂ２によって操舵反力トルクＴｂ１が補正されることにより、車両挙動が不安定な（Δγが大きい）ときには比較的高い操舵角速度ωとなるように操舵反力トルクＴｂが設定され、車両の偏向抑制性能が向上するとともに、運転者のステアリング操作負荷が軽減される。一方、車両挙動が安定している（Δγが小さい）ときには比較的低い操舵角速度ωとなるように操舵反力トルクＴｂが設定され、操舵フィールの違和感が取り除かれる。これにより、ステアリング操作負荷の軽減と快適な操舵フィールとの両立が実現される。

さらに、目標操舵角速度設定部２３が、車速Ｖが高いほど目標操舵角速度ωｔが高くなるように設定することにより、高速走行時には安定した車両挙動よりも安全走行を優先する操舵反力トルクＴｂとなるように反力補正トルクＴｂ２が設定され、外乱に対する車両の安全性能が高められる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、運動状態量検出手段として横Ｇセンサ１４、ヨーレイトセンサ１５および、車速センサ１６を採用しているが、これらセンサと共に、あるいはこれらセンサの代わりに、例えば、前後Ｇセンサや上下Ｇセンサなどを採用してもよい。また、車両挙動の安定度としてΔγの代わりに車体の横滑り各βの推定値を採用したり、最大値や最小値などの制限値を設けずに操舵反力トルクＴｂを設定したりしてもよい。これら変更の他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更が可能である。

実施形態に係るパワーステアリング装置を模式的に示す全体構成図 実施形態に係るパワーステアリング装置のブロック図 操舵反力トルク設定部のブロック図 反力トルク設定部のブロック図 目標操舵角速度を示すデータマップ 反力補正トルクを示すデータマップ 操舵反力トルク補正部のブロック図 操舵反力トルク設定処理手順を示すフローチャート

符号の説明

９ 操舵アシスト用モータ
１０ 電動パワーステアリング装置
１１ 操舵角速度センサ
１２ トルクセンサ
１４ 横Ｇセンサ
１５ ヨーレイトセンサ
１６ 車速センサ
１７ 操舵制御ユニット
１７ａ アシストトルク設定部
１７ｂ 操舵反力トルク設定部
１７ｃ 目標電流設定部
１７ｄ 出力電流制御部
１９ 駆動回路
２１ 反力トルク設定部
２２ 目標モーレイト設定部
２３ 目標操舵角速度設定部
２４ 反力補正トルク設定部
２５ 操舵反力トルク補正部

Claims (4)

1. 運転者の操舵力を検出する操舵力検出手段と、
   前記操舵力検出手段の検出結果に基づき、アシストトルクを設定するアシストトルク設定手段と、
   車体の運動状態量を検出する運動状態量検出手段と、
   前記運動状態量検出手段の検出結果に基づき、操舵反力トルクを設定する操舵反力トルク設定手段と、
   前記運動状態量検出手段の検出結果に応じて車両挙動の安定度を推定し、その推定結果に基づいて目標操舵角速度を設定する目標操舵角速度設定手段と、
   実操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段と、
   前記実操舵角速度と前記目標操舵角速度との差に基づき、前記操舵反力トルクに対する反力補正トルクを設定する反力補正トルク設定手段と、
   前記アシストトルクと前記操舵反力トルクと前記反力補正トルクとに基づき、操舵アシスト用モータを駆動制御するモータ駆動手段と
   を備え、
   前記目標操舵角速度設定手段は、前記車両挙動の安定度が低いほど前記目標操舵角速度を高く設定することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記操舵反力トルクが車体のヨーレイトに基づいて設定されることを特徴とする、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記車両挙動の安定度が、車体の横加速度と車速とヨーレイトとに基づいて設定されることを特徴とする、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記目標操舵角速度設定手段は、車速が高いほど前記目標操舵角速度を高く設定することを特徴とする、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

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