JP5155815B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
制御手段が、算出された規範ラック軸負荷の変化量と検出された実ラック軸負荷の変化量との偏差に応じて操舵補助力と操舵抵抗力を設定するようになっており、実ラック軸負荷の変化量が規範ラック軸負荷の変化量より大きい場合には、舵角の増大方向の操舵補助力を操舵系に付与し、実ラック軸負荷の変化量が規範ラック軸負荷の変化量より小さい場合には、舵角の増大方向に対する操舵抵抗力が増大するように操舵補助力を操舵系に付与することを特徴とする。
先ず、図1を参照しながら本発明に係る実施形態の電動パワーステアリング装置を適用した車両の全体概要について説明する。
図1は、本発明に係る実施形態の電動パワーステアリング装置を適用した車両の全体概念図である。図1において、電動パワーステアリング装置1は、操向ハンドル2が設けられたステアリングシャフト3と、ピニオン軸5とが、図示省略の中間シャフトと2つのユニバーサルジョイント(自在継手)によって連結され、また、ピニオン軸5の下端部に設けられたピニオンギア5aは、車幅方向に往復運動可能なラック軸8のラック歯8aに噛合し、ラック軸8の両端には、タイロッド9,9を介して左右の前輪(転舵輪)23,23が連結されている。この構成により、電動パワーステアリング装置1は、操向ハンドル2の操舵時に車両の進行方向を変えることができる。
ここで、ラック軸8、ラック歯8a、タイロッド9,9は転舵機構を構成する。また、ピニオン軸5、ピニオンギア5a、ラック軸8、ラック歯8a、タイロッド9,9がラック&ピニオン式操舵装置21を構成する。
ちなみに、符号33は、キングピン軸を示している。
モータMにはモータ回転角センサ31が設けられ、モータMのモータ回転角Smを検出し、角度信号を出力するものである。
これらモータ電流センサ30A、モータ電圧センサ30B、モータ回転角センサ31からの各信号はECU29に出力される。
舵角センサ34は、例えば、ラック軸8の左右中央基準点からの左右方向への移動量を検出し、ECU29に出力するものであり、ECU29において前輪23,23の舵角θsが、ラック軸8の前記左右移動量から容易に算出できる。
次に、図2から図4に示す制御機能ブロック構成図にもとづいてECU29における制御機能について説明する。
図2は、電動パワーステアリング装置の制御機能ブロック構成図である。図3は、図2における規範路面反力算出部の詳細な機能ブロック構成図であり、図4は、図2における指示電流補正値出力部の詳細な機能ブロック構成図である。
ECU29は、例えば、CPU、ROM、RAM等を含むマイクロコンピュータと、マイクロコンピュータに各種信号を入力するための入力インタフェース回路、マイクロコンピュータからの出力信号を出力するための出力インタフェース回路等を含んで構成されている。
規範路面反力算出部101は、舵角センサ34からの舵角θsの信号と車速センサ25からの車速Vの信号とにもとづいて、一定の周期で規範ラック軸負荷TLrefを算出し、微分部102に出力する。
ここで、図3を参照しながら規範路面反力算出部101の詳細について説明する。
規範路面反力算出部101は、規範ラック軸負荷算出部131、車速補正係数算出部133、乗算部134、微分部135、ラック軸負荷補正値算出部136、車速補正係数算出部137、乗算部138、加算部139から構成され、規範ラック軸負荷(規範路面反力とも言う)TLrefを算出する。
乗算部134において規範ベースラック軸負荷TLrefBaseと補正係数K1とを乗じた結果は、加算部139に出力される。
ラック軸負荷補正値算出部136は、舵角速度ωSにもとづいて、予め前記したROMに格納されたラック軸負荷補正値マップ136aを参照してラック軸負荷補正値TLrefCrを算出し、乗算部138に出力する。
ラック軸負荷補正値マップ136aは、例えば、図3に示すように、横軸を舵角速度ωSに、縦軸をラック軸負荷補正値TLrefCrにして、舵角速度ωSが正のとき、つまり、右への舵角θsが増大するときは、正のラック軸負荷補正値TLrefCrを出力し、右への舵角θsが減少して中立位置に戻るときは、負のラック軸負荷補正値TLrefCrを出力する。また、左への舵角θsが増大するときは、負のラック軸負荷補正値TLrefCrを出力し、左への舵角θsが減少して中立位置に戻るときは、正のラック軸負荷補正値TLrefCrを出力する。ちなみに、舵角速度ωSとラック軸負荷補正値TLrefCrの関係は、規範ラック軸負荷マップ131aよりも非線形性が強い。
これは、舵角速度ωSの絶対値が大きいほど、舵角方向に対する規範ラック軸負荷TLrefを増大させるように、例えば、右への舵角速度ωSが大きいほど、正の方向により大きいラック軸負荷補正値TLrefCrを出力し、逆に左への舵角速度ωSが大きいほど、負の方向により大きいラック軸負荷補正値TLrefCrを出力することを意味する。
乗算部138では、ラック軸負荷補正値TLrefCrと補正係数K2を乗じて加算部139に出力する。
以下では、規範ラック軸負荷TLrefを、「規範路面反力TLref」と称することにする。
路面反力推定部103は、舵角センサ34からの舵角θsの信号、モータ電流センサ30Aやモータ電圧センサ30Bからのモータ電流Im、モータ電圧Vmの信号、モータ回転角センサ31からのモータ回転角Smの信号、トルクセンサ28及び図示省略の作動増幅回路からの操舵トルクTsの信号にもとづいて、一定の周期で実路面反力TLestを算出し、微分部104に出力する。
ここで、実路面反力TLestが請求項に記載の「実ラック軸負荷」に対応し、「実路面反力TLestを算出する」が請求項に記載の「実ラック軸負荷を検出する」に対応する。
TLest=FH+Fm ・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
FH=Ts/rP ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
次に、モータMによるラック軸推力Fmは、モータMの出力軸トルクTmにウォームギア26とウォームホイールギア27とのギア比Nをかけた値を、さらにピニオンギア5aのピッチ円半径rPで割った値、つまり、次式(3)で表わされる。
Fm=N・Tm/rP ・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)
Tm=Kt・Im−Jm・θm″−Cm・θm′±Tf ・・・(4)
ここで、
Kt:モータトルク定数
Im:モータ電流(モータ電流センサ30Aの出力)
Jm:モータMの回転部分の慣性モーメント(設計値・定数)
θm′:モータ回転角速度
θm″:モータ回転角加速度(モータ回転角速度θm′の微分値)
Cm:モータ粘性係数
Tf:フリクショントルク
θm′=(Vm−Im・Rm)/Km ・・・・・・・・・・・(5)
ここで、
Vm:モータ電圧(モータ電圧センサ30Bの出力)
Rm:モータ抵抗(設計値・定数)
Km:モータの誘導電圧定数
θm′=(θH′−Ts′/Ks)N ・・・・・・・・・・・・(6)
Ks:トルクセンサ28のばね定数
Ts′:操舵トルクの微分値
従って、モータ回転角速度θm′をモータMのモータ逆起電力から検出する場合には、モータ回転角センサ31やハンドル角センサ32は、不要である。
比較判定部105は、規範路面反力変化量ΔTLref及び実路面反力変化量ΔTLestにもとづいて、切り込み方向にモータ指示電流を補正する、又は、切り込み抑制方向にモータ指示電流を補正の判定をし、その判定結果を示すフラグIFLAG、規範路面反力変化量ΔTLref及び実路面反力変化量ΔTLestを指示電流補正値出力部107に出力する。比較判定部105の詳細な制御は、後記する図5に示すフローチャートの説明の中で詳細に説明する。
指示電流補正値出力部107は、比較判定部105における判定結果を示すフラグIFLAGに応じて、規範路面反力変化量ΔTLref及び実路面反力変化量ΔTLestにもとづいて後記するモータMへの指示電流値ImTに対する指示電流補正値ΔImCrを加算部114に出力する。
ここで、絶対値|ΔTLest|と絶対値|ΔTLref|の差分{|ΔTLest|−|ΔTLref|}、及び、規範路面反力変化量ΔTLrefと実路面反力変化量ΔTLrefとの差分の絶対値|ΔTLest−ΔTLref|が、請求項に記載の「偏差」に対応する。
なお、図4における指示電流補正値マップ154aの横軸は、差分{|ΔTLest|−|ΔTLref|}の絶対値を示している。
同様に、指示電流補正値算出部156は、差分の絶対値|ΔTLest−ΔTLref|をパラメータにして、予めROMに格納された指示電流補正値マップ156aを参照し、指示電流補正値ΔImCrを算出する。
指示電流補正値マップ154aと指示電流補正値マップ156aとは、差分{|ΔTLest|−|ΔTLref|}の絶対値、又は、差分の絶対値|ΔTLest−ΔTLref|の増加に対して、指示電流補正値ΔImCrを増加させる特性は同じであるが、数値的にはそれぞれ異なる設定である。
再び、図2に戻って、操舵補助力設定部111は、トルクセンサ28及び前記差動増幅回路からの操舵トルクTsの信号と、車速センサ25からの車速Vの信号にもとづいて操舵補助力TaSを設定し、減算部112に出力する。
具体的には、操舵補助力TaSは、ROMに予め操舵トルクTsと車速Vの二次元の操舵補助力設定マップ111aとして格納されているものを、操舵補助力設定部111が参照することによって求められる。
減算部112は、操舵補助力設定部111からの操舵補助力TaSとトルクセンサ28及び前記差動増幅回路からの操舵トルクTsとの偏差ΔTを算出し、指示電流値設定部113に出力する。
指示電流値設定部113は、例えば、特開平10−329740号公報の図2から図4及び、段落[0014]〜[0017]に記載されている公知の技術のように、偏差ΔTと操舵トルクTsとにもとづいて指示電流値ImTを設定する。具体的には、偏差ΔTと操舵トルクTsの変化加速度(操舵トルクTsに対する時間の2階微分)d2Ts/dt2とにもとづき判定される運転者の操舵意図、つまり、操舵補助力の促進、操舵補助力の抑制、通常の操舵補助力との判定結果にもとづき、単にΔTに対応する付加トルクを発生するように指示電流値を設定するだけでなく、前記判定結果に応じてΔTに対応する付加トルクを発生する指示電流値ImTを変える。
指示電流値設定部113から出力される指示電流値ImTは加算部114に出力され、加算部114において指示電流補正値出力部107から出力された指示電流補正値ΔImCrと加算され、補正された指示電流値ImT *として、モータ駆動回路制御部115に出力される。
次に、図2、図5を参照しながら適宜図1、図4を参照して比較判定部105及び指示電流補正値出力部107における制御の流れについて説明する。図5は、規範路面反力変化量と実路面反力変化量の挙動に応じてモータ指示電流値を補正する制御の流れを示すフローチャートである。
この一連の処理は、微分部102,104から一定周期で規範路面反力変化量ΔTLrefと実路面反力変化量ΔTLestが比較判定部105に入力されるのと同期して、同一の周期で比較判定部105及び指示電流補正値出力部107において処理される。
ステップS03では、比較判定部105が、規範路面反力変化量の絶対値|ΔTLref|と実路面反力変化量の絶対値|ΔTLest|の差分{|ΔTLref|−|ΔTLest|}が負値か否かをチェックする。前記差分が負値の場合(Yes)は、ステップS05へ進み、前記差分が負値でない場合(No)は、ステップS06へ進む。
ここで、ステップS05に到るということは、規範路面反力変化量ΔTLrefと実路面反力変化量ΔTLestが正値又は負値同士であり、かつ、規範路面反力変化量の絶対値|ΔTLref|よりも実路面反力変化量の絶対値|ΔTLest|の方が大きいことを意味し、操舵トルクTsが増大し、操向ハンドル2の運転者に与える反力(操舵抵抗力)が増大して戻される傾向であることを意味するので、切り込み方向にモータ指示電流を補正するものである。その後、一連の繰り返し処理を終えて最初に戻る。
指示電流補正値出力部107は、切り込み方向にモータ指示電流を補正する指示(IFLAG=1)を受けて、出力選択部157(図4参照)において、指示電流補正値算出部154(図4参照)から出力される指示電流補正値ΔImCrを選択し、切り込み方向の正負の符号を付した指示電流補正値ΔImCrとして、加算部114に出力する。その結果、操向ハンドル2の運転者に与える反力が増大するのを抑制できる。
この「指示電流補正値算出部154から出力される指示電流補正値ΔImCrを選択し、切り込み方向の正負の符号を付した指示電流補正値ΔImCrとして、加算部114に出力する。」が請求項に記載の「前記舵角の増大方向の前記操舵補助力を前記操舵系に付与」に対応する。
この「指示電流補正値算出部156から出力される指示電流補正値ΔImCrを選択し、切り込み抑制方向の正負の符号を付した指示電流補正値ΔImCrとして、加算部114に出力する。」が請求項に記載の「前記舵角の増大方向に対する前記操舵抵抗力が増大するように前記操舵補助力を前記操舵系に付与」に対応する。
図6は、規範路面反力及び実路面反力の時間推移の説明図であり、(a)は、規範路面反力及び実路面反力の変化方向が同じで推移していることを示す説明図、(b)は、規範路面反力及び実路面反力の変化方向がある時点で異なる方向に推移していることを示す説明図、(c)は、実路面反力が路面からのキックバックを受けて変化し、それに遅れて操向ハンドルの操作に遅れが生じることを示す説明図、(d)は、部分的に凍結した路面を走行したときの規範路面反力及び実路面反力の時間推移の説明図である。
ちなみに、図6の(a)に示す時間推移の曲線の前半部分では、規範路面反力変化量ΔTLrefと実路面反力変化量ΔTLestが時間の経過に従って同一方であり、かつ、変化量が同じなので、舵角θsに対して実路面反力TLestが適正な状態を示している。
これは、そのときの舵角に対する実路面反力が、運転者の期待に対して小さくなるため、操舵補助力と実路面反力のバランスが崩れ、切り込み過ぎ(オーバステア気味)なので、ステップS07の切込み抑制方向にモータ指示電流を補正する指示出力を受け、指示電流補正値出力部107において操舵補助力TaSを抑制するように戻し方向に指示電流補正値ΔImCrを差分|ΔTLest−ΔTLref|に応じて算出して、モータMを制御する。
この場合、図5のフローチャートのステップS02がYesでステップS03に進み、ステップS03がYesとなり、ステップS05へ進み、切り込み方向にモータ指示電流を補正する指示出力を出す。その結果、指示電流補正値出力部107においてモータMが操舵補助力を急昇させ、舵角θsが押し戻されることが抑制され、図6の(c)の規範路面反力TLrefの曲線に示すように変動が小さく収まる。このように、舵角θsの乱れが抑制され、操向ハンドル2を介して運転者に操向ハンドル2からの反力の急変動、つまり、操舵トルクTsの急変動を防止できるので、操舵フィーリングに違和感無く、安定した操舵ができる。
その結果、舵角θsの急増は抑制され、凍結部分を通過した直後にオーバステア状態になるのを抑制できるので、操舵フィーリングに違和感無く、安定した操舵ができる。
これに対し、本実施形態ではハンドル角θHやその1階微分値やその2階微分値を用いずに算出される規範路面反力変化量ΔTLrefと実路面反力変化量ΔTLestにもとづいて、比較判定部105、指示電流補正値出力部107、及び加算部114により指示電流補正ができるので、迅速な操舵補助力TaSの制御ができる。
また、規範路面反力TLrefの算出方法として、舵角センサ34からの舵角θsを示す信号と車速センサ25からの車速Vを示す信号を用い、舵角θsを時間微分して舵角速度ωSを算出し、舵角速度ωS及び車速Vにもとづいて、規範路面反力TLrefのゲインを求め、位相を調整する単純なモデルでも良い。
2 操向ハンドル
5 ピニオン軸
8 ラック軸
11 モータ駆動回路
21 ラック&ピニオン式操舵装置
23 前輪(転舵輪)
24 後輪
25 車速センサ
28 トルクセンサ(操舵力検出手段)
29 ECU(制御手段)
30A モータ電流センサ
30B モータ電圧センサ
31 モータ回転角センサ
32 ハンドル角センサ
34 舵角センサ
101 規範路面反力算出部(規範ラック軸負荷算出手段)
102,104,135 微分部
103 路面反力推定部(実ラック軸負荷検出手段)
105 比較判定部
107 指示電流補正値出力部
111 操舵補助力設定部
111a 操舵補助力設定マップ
113 指示電流値設定部
115 モータ駆動回路制御部
131 規範ラック軸負荷算出部
131a 規範ラック軸負荷マップ
133,137 車速補正係数算出部
133a,137a 車速補正係数マップ
136 ラック軸負荷補正値算出部
136a ラック軸負荷補正値マップ
151,152 絶対値算出部
153 差分算出部
154,156 指示電流補正値算出部
154a,156a 指示電流補正値マップ
155 差分絶対値算出部
157 出力選択部
M モータ
Ts 操舵トルク
TaS 操舵補助力
TLref 規範路面反力(規範ラック軸負荷)
TLest 実路面反力(実ラック軸負荷)
V 車速
Vm モータ電圧
Claims (2)
- 転舵輪に舵角を与える操舵系に動力を付加するモータと、前記操舵系に作用する手動操舵力を検出する操舵力検出手段と、少なくとも前記操舵力検出手段の出力にもとづいて操舵補助力と操舵抵抗力とを前記モータに発生させるための制御手段とを有するラック&ピニオン式操舵装置に用いられる電動パワーステアリング装置であって、
前記ラック&ピニオン式操舵装置のラック軸に伝えられる舵角と車速とに応じた前記転舵輪による規範ラック軸負荷を算出する規範ラック軸負荷算出手段と、
前記転舵輪から実際に掛かる実ラック軸負荷を検出する実ラック軸負荷検出手段と、を備え、
前記制御手段が、
前記算出された規範ラック軸負荷の変化量と前記検出された実ラック軸負荷の変化量との偏差に応じて前記操舵補助力と前記操舵抵抗力を設定するようになっており、
前記実ラック軸負荷の変化量が前記規範ラック軸負荷の変化量より大きい場合には、前記舵角の増大方向の前記操舵補助力を前記操舵系に付与し、
前記実ラック軸負荷の変化量が前記規範ラック軸負荷の変化量より小さい場合には、前記舵角の増大方向に対する前記操舵抵抗力が増大するように前記操舵補助力を前記操舵系に付与することを特徴とする電動パワーステアリング装置。 - 前記制御手段が、前記規範ラック軸負荷の変化量の方向と前記実ラック軸負荷の変化量の方向が逆の場合には、前記舵角の増大方向に対する前記操舵抵抗力が増大するように前記操舵補助力を前記操舵系に付与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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