JP5198939B2 - 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関し、特に、車両挙動に応じて反力等を付与する電動パワーステアリング装置に関する。

一般に、モータにより補助操舵トルクを発生させて運転者の操舵力を軽減する電動パワーステアリング装置では、車両挙動に応じて補助反力トルクを発生させるなどしてモータの出力トルクを適宜変更することで、車両の走行安定性や運転者の操舵性を考慮した補助操舵が行われる。一方で、そのような車両挙動の検出に異常が発生すると、モータの出力トルクを適切に制御することが困難となるため、車両挙動検出に異常が発生した場合の対策として種々の技術が開発されている。

例えば、ハンドル操舵トルクに応じて転舵輪を駆動する際のアシスト力を発生するための電動機と、車両挙動を検出する車両挙動検出手段とを有し、車両挙動検出手段により車両挙動の異常を検出した場合に、当該車両挙動の異常を抑制するように電動機により補助反力トルクを発生させる電動パワーステアリング装置の制御方法において、車両挙動検出手段の故障を検出した場合には操舵反力を徐々に減少させるようにしたものが知られている（特許文献１参照）。

また、例えば、車輌の操向車輪に操舵トルクを加えるためのトルク発生用電動機と、運転者の操舵により発生する操舵トルクを検出して電動機に補助操舵トルクを発生させるための指令を出力する補助操舵トルク発生用制御手段と、車輌の旋回挙動に応じてトルク発生手段に旋回挙動に対する反力を発生させるための指令を出力する反力発生用制御手段とを有する車輌用操舵装置であって、反力発生用制御手段が故障した場合には、反力発生用制御手段からの反力発生指令の出力を禁止し、補助操舵トルク発生用制御手段から補助操舵トルクのみを発生させるようにしたものが知られている（特許文献２参照）。

特開平１１−２０８４９２号公報 特許第３２２９０７７号公報

上記特許文献１，２に記載された従来技術は、ヨーレイトセンサ等の車両挙動検出手段に故障が発生した場合に、発生させる操舵反力を減少させたり操舵反力の発生を禁止したりすることで、不適切な操舵反力の発生による悪影響を抑制しようとするものである。

しかしながら、例えば、運転者が路面摩擦係数の低い雪道でステアリングを切り過ぎた場合に発生させる反力は、運転者に付与される車両挙動情報（即ち、過剰な操舵についての示唆）として機能し得るが、上記従来技術では、運転者は、そのような反力に基づく車両挙動情報を取得することが困難となり、結果として車両挙動を安定させる方向に操舵することが難しくなるという課題があった。

また、反力等の付与により車両挙動の不安定化を抑制可能な状況では、車両挙動検出手段が故障した場合であっても、そのような反力等を適切に付与することが望まれる。

本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、車両挙動に応じた補正力をステアリングホイールに付与する操舵制御において、車両挙動の検出に異常が発生した場合であっても、適切な補正力を設定することにより、車両挙動を安定化させるための操舵を運転者に促すことを可能とす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なされた第１の発明は、補助操舵力を発生するモータ（９）と、当該モータを所定の目標制御量をもって駆動する駆動制御装置（２１）とを備えた電動パワーステアリング装置（１）であって、少なくとも操舵トルクに基づき前記目標制御量を設定する目標制御量設定手段（３１）と、車両挙動を検出する車両挙動検出手段（２５）と、ステアリングホイールに補正力を作用させるための補正量を前記車両挙動に基づき設定し、当該補正量を用いて前記目標制御量を補正する補正手段（３３）とを備え、前記補正手段は、車両がアンダステア状態にあり、かつ前記車両挙動検出手段に異常が発生した場合に、前記車両挙動にかかわらず前記補正量を舵角に基づき設定する構成とする。

上記課題を解決するためになされた第２の発明は、補助操舵力を発生するモータ（９）と、当該モータを所定の目標制御量をもって駆動する駆動制御装置（２１）とを備えた電動パワーステアリング装置（１）であって、少なくとも操舵トルクに基づき前記目標制御量を設定する目標制御量設定手段（３１）と、車両挙動を検出する車両挙動検出手段（２５）と、ステアリングホイールに補正力を作用させるための補正量を前記車両挙動に基づき設定し、補正量を用いて前記目標制御量を補正する補正手段（３３）とを備え、前記補正手段は、車両がオーバステア状態にあり、かつ前記車両挙動検出手段に異常が発生した場合に、舵角が所定値以下になるまで前記車両挙動にかかわらず所定の補正量を設定する構成とする。

上記第１の発明によれば、車両挙動の検出に異常が発生した場合であっても、車両がアンダステア状態にあるときは、舵角に基づき適切な補正量を設定して、ステアリングの切り過ぎを示唆する補正力をステアリングホイールに作用させることで、車両挙動を安定化させるための操舵を運転者に促すことが可能となる。また、上記第２の発明によれば、車両挙動の検出に異常が発生した場合であっても、車両がオーバステア状態にあるときは、舵角が所定値以下になるまで適切な補正量を設定して、運転者のカウンタ操舵を容易にする方向の補正力をステアリングホイールに作用させることで、車両挙動を安定化させるための操舵を運転者に促すことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明による電動パワーステアリング装置を示す模式図であり、図２は図１に示したステアリング制御装置２１の概略構成を示す機能ブロック図である。

図１に示すように、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にステアリングシャフト３を介して一体的に回転可能に連結されたピニオン４と、このピニオン４に噛合して車幅方向に往復動可能に設けられたラック軸５とを有するラック・アンド・ピニオン機構を備え、ラック軸５の両端がタイロッド６を介して操向車輪としての左右の前輪７のナックルアーム８に連結されて、ステアリングホイール２の回転操作に応じて左右の前輪７が転舵されるようになっており、このようなラック・アンド・ピニオン機構を介しての手動操舵力を軽減するための補助操舵力を発生するモータ９がラック軸５に同軸的に設けられている。

ピニオン４の近傍には、ピニオン４に作用する手動操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１１が設けられており、また、車体の適所には、車速を検出する車速センサ１２と、車両のヨー角速度を検出するヨー角速度センサ １３と、前輪７の転舵角を検出する転舵角センサ１４と、モータ９の電流を検出するモータ電流検出器１５と、センサ等の故障を検出する故障検出器１６とが設けられている。これらの操舵トルクセンサ１１、車速センサ１２、ヨー角速度センサ１３、転舵角センサ１４、モータ電流検出器１５及び故障検出器１６の各出力信号は、装置１の動作を統括的に制御するステアリング制御装置（ＥＰＳ−ＥＣＵ）２１に入力される。なお、転舵角は、転舵角センサ１４によらず、操舵角（図示しない操舵角センサの出力値）から算出してもよい。

モータ電流検出器１５は、モータ９と直列に接続された抵抗器またはホール素子等を備える。図２に示すように、モータ電流検出器１５は、モータ９に実際に流れる電流Ｉｍを電圧に変換して検出し、検出されたモータ電流Ｉｍに対応するモータトルク信号Ｉｍｆをステアリング制御装置２１にフィードバックする。

故障検出器１６は、車両挙動を検出するための手段（以下、「車両挙動検出手段」という。）の異常を検出する。詳細は後述するが、図２に示すように、本実施形態におけるステアリング制御装置２１では、車両挙動検出手段２５として、ヨー角速度センサ１３、転舵角センサ１４および滑り角差推定部３２が設けられており、検出された車両挙動（ここでは、滑り角差）は、ステアリングホイールに補正力を作用させるための補正量の設定に用いられる。

例えば、故障検出器１６は、ヨー角速度センサ１３、転舵角センサ１４の信号出力の有無や検出値の大きさに基づきそれらの故障発生の有無を判定することができる。また、故障検出器１６は、駆動回路２２から入力されるモータ９の電圧信号Ｖｍおよび電流信号Ｉｍに基づきモータ９の回転速度を算出し、その回転速度の積分値（即ち、モータ９の回転角）から推定される転舵角と、転舵角センサ１４の検出結果である転舵角信号δに基づく転舵角とを比較することにより、車両挙動検出手段２５の異常の有無を判定することができる。

ステアリング制御装置２１は、マイクロコンピュータやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インタフェース、各種ドライバ等から構成されており、図２に示すように、センサ等１１〜１６の出力信号に基づき、モータ９を駆動制御するためのモータ制御信号Ｖｏを生成し、モータ９の駆動回路２２に入力する。

駆動回路２２は、例えば、４個のスイッチング素子（ＦＥＴ(Field Effect Transistor)やＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)等）のブリッジ回路から構成される。図２に示すように、駆動回路２２は、ステアリング制御装置２１からのモータ制御信号Ｖｏに基づきスイッチング素子を駆動することで、モータ９をPWM（Pulse Width Modulation）制御する。これにより、モータ９の出力トルクが適切に制御され、運転者のステアリング操舵に応じた操舵補助が実施される。

図２に示すように、ステアリング制御装置２１は、モータ９の駆動制御に用いられる目標トルク（目標制御量）を設定する目標トルク設定部３１と、前輪滑り角と後輪滑り角との滑り角差を推定する滑り角差推定部３２と、車両状態を判定し、車両挙動に基づき設定される補正量を用いて目標トルクを補正する補正部３３と、減算器３４と、モータ制御信号Ｖｏを生成する駆動制御部３５とを備える。

目標トルク設定部３１は、操舵トルクセンサ１１の検出結果である操舵トルク信号Ｔおよび車速センサ１２の検出結果である車速信号Ｖに基づき、モータ９に補助操舵トルクを発生させるための目標トルク信号Ｉｍｏを生成する。例えば、目標トルク設定部３１は、車速をパラメータにして操舵トルクと目標トルク信号Ｉｍｏとが対応づけられたデータマップや所定の演算式等を用いて目標トルク信号Ｉｍｏを決定することができる。生成された目標トルク信号Ｉｍｏは補正部３３に入力される。

滑り角差推定部３２は、転舵角センサ１４の検出結果である転舵角信号δと、車速センサ１２の検出結果である車速信号Ｖと、ヨー角速度センサ１３の検出結果であるヨー角速度信号Ｙと、車両の寸法パラメータＬ（例えば、ホイールベース）とに基づき、次の式１により前輪滑り角βｆと後輪滑り角βｒとの角差βｆｒを推定する。得られた滑り角差信号βｆｒは補正部３３に入力される。なお、前輪滑り角βｆおよび後輪滑り角βｒは、タイヤの向きを基準としてタイヤの進行方向への角度を示す。
βｆｒ＝Ｙ×Ｌ／Ｖ−δ（式１）

補正部３３は、滑り角差推定部３２から出力される滑り角差信号βｆｒに基づき補正量を生成し、この補正量を用いて目標トルクを補正する。詳細は後述するが、補正部３３は、目標トルクを補正する際に、車両挙動の検出の異常により通常の補正量を設定することが不能となった場合、車両状態を判定し、車両がアンダステア状態またはオーバステア状態にある場合には、滑り角差信号βｆｒの入力の有無にかかわらず補正量を設定することができる。補正後の目標トルクの信号Ｉｍｈは減算器３４に入力される。減算器３４は、補正部３３からの目標トルク信号Ｉｍｈとモータ電流検出器１５からのモータトルク信号Ｉｍｆとの減算を行う。この差信号ΔＩ（＝Ｉｍｈ−Ｉｍｆ）は駆動制御部３５に入力される。

駆動制御部３５は、減算器３４からの差信号ΔＩのＰＩＤ制御によりモータ制御信号Ｖｏを生成し、モータ制御信号Ｖｏを駆動回路２２に対して出力する。駆動回路２２は、入力されたモータ制御信号Ｖｏに基づきスイッチング素子のデューティ比を制御することによりモータ９をＰＷＭ駆動する。

図３は図２に示した補正部の詳細構成を示すブロック図である。補正部３３は、ステアリングホイールに補正力を作用させるための補正量を設定する補正量設定部４１と、車両の状態（アンダステア状態、オーバステア状態等）を判定し、当該車両の状態に応じて補正量信号Ｉｍｓを修正する車両状態判定部４２と、補正力付与の可否を判定する補正力付与判定部４３と、乗算器４４と、加算器４５とを有する。

補正量設定部４１は、ヨー角速度信号Ｙの方向と、滑り角差推定部３２からの滑り角差信号βｆｒの方向と大きさに基づき、補正量信号Ｉｍｓを生成する。補正量信号Ｉｍｓは乗算器４４に入力される。なお、補正量設定部４１は、滑り角差信号βｆｒに限らず、例えば、操舵角センサやヨーレイトセンサの検出値に基づき補正量を設定してもよい。

車両状態判定部４２は、車両がアンダステア状態にある場合に乗算係数Ｋｕを出力するアンダステア補正部５１と、車両がオーバステア状態にある場合に乗算係数Ｋｏを出力するオーバステア補正部５２と、車両がアンダステア状態およびオーバステア状態以外の状態にある場合に乗算係数Ｋｓを出力する補正停止部５３とを有する。

車両状態判定部４２は、故障検出器１６から故障発生信号Ｄが入力される（即ち、車両挙動検出手段の故障が発生する）と、車両状態がアンダステア状態、オーバステア状態、またはそれ以外の状態のいずれにあるかを判定し、その判定した車両状態に応じて各部５１〜５３のいずれかに乗算係数を出力させる。出力された乗算係数（Ｋｕ，Ｋｏ，Ｋｓ）は、乗算器４４に入力される。乗算器４４は、入力された乗算係数と故障発生信号Ｄが入力された時の補正量信号Ｉｍｓとの乗算を行い、その乗算値を加算器４５に入力する。

例えば、車両状態判定部４２は、滑り角差信号の絶対値｜βｆｒ｜が所定閾値Ｘｕ以上であり、かつヨー角速度信号Ｙの方向（正負）と滑り角差信号βｆｒの方向とが一致しない場合は、車両がアンダステア状態にあると判定し、これにより、アンダステア補正部５１が乗算係数Ｋｕの出力を行う。また、車両状態判定部４２は、滑り角差信号の絶対値｜βｆｒ｜が所定閾値Ｘｏ以上であり、かつヨー角速度信号Ｙの方向と滑り角差信号βｆｒの方向とが一致する場合は、車両がオーバステア状態にあると判定し、これにより、オーバステア補正部５２が乗算係数Ｋｏの出力を行う。また、車両状態判定部４２は、車両がアンダステア状態またはオーバステア状態のいずれの状態にもないと判定した場合は、補正停止部５３が乗算係数Ｋｓの出力を行う。

なお、車両状態判定部４２による車両状態の判定方法は、本実施形態で示すものに限らず、他の公知の方法を採用することが可能である。

アンダステア補正部５１は、舵角（転舵角δ，操舵角，またはモータの回転角）の情報を取得し、この舵角に基づき乗算係数Ｋｕを決定する。乗算係数Ｋｕは、例えば、図４に示すように、舵角θの増大にともなって増大するように設定される。また、アンダステア補正部５１は、舵角がゼロ（直進）になるまで乗算器４４に対して乗算係数Ｋｕを出力し、舵角がゼロになると、乗算係数Ｋｕを出力を停止する（または乗算係数Ｋｕ＝０を出力する）。このように乗算係数Ｋｕを設定することで、車両がアンダステア状態にあるときは、舵角に基づき適切な補正力を発生させることができるため、運転者に対し、ステアリングの切り過ぎを示唆し、車両挙動を安定化させるための操舵を促すことが可能となる。

オーバステア補正部５２は、舵角の情報を取得し、この舵角に基づき乗算係数Ｋｏを決定する。乗算係数Ｋｏは、例えば、図５に示すように、舵角θが所定値（例えば、ゼロ）以下になるまで所定の値が付与されるように（即ち、常に補正力を発生させるように）予め設定される。また、オーバステア補正部５２は、舵角がゼロ（直進）になるまで乗算器４４に対して乗算係数Ｋｏを出力し、舵角がゼロになると、乗算係数Ｋｏを出力を停止する（または乗算係数Ｋｏ＝０を出力する）。このように、車両がオーバステア状態にあるときは、舵角が所定値以下になるまで適切な補正力を設定することにより、運転者のカウンタ操舵を容易にする方向に補正力を作用させることができるため、運転者に対し、車両挙動を安定化させるための操舵を促すことが可能となる。

補正停止部５３において、乗算係数Ｋｓは通常はゼロに設定される。これにより、乗算器４４における補正量信号Ｉｍｓとの乗算値がゼロとなり、その結果、加算器４５の出力ＩｍｈがＩｍｏと等しくなる（即ち、目標トルク信号Ｉｍｏの補正は実施されない。）。

補正力付与判定部４３は、転舵角信号δに基づく転舵方向と、補正量信号Ｉｍｓに基づき発生する補正力の方向とを比較し、それらの方向が一致する場合（往き操舵の場合）、補正力を付与すべき状態にないと判定する。このとき、補正力付与判定部４３は乗算器４４に対して制御フラグＦａ＝０を入力する。一方、補正力付与判定部４３は、転舵方向と補助力の方向とが異なる場合、補正力を付与すべき状態にあると判定する。このとき、補正力付与判定部４３は乗算器４４に対して制御フラグＦａ＝１を入力する。

乗算器４４は、制御フラグＦａ＝１の場合のみ乗算係数Ｋｕ，Ｋｏ，Ｋｓと補正量信号Ｉｍｓとの乗算値を加算器４５に対して出力し、Ｆａ＝０の場合には乗算値＝０を出力する。これにより、往き操舵では、補正力が付与されず、運転者の意図した操舵が補正力によって阻害されることなく、良好な操舵フィーリングが得られるという利点がある。

図６は図２および図３に示した補正部の動作を示すフロー図である。ステアリング制御装置２１が起動すると、補正量設定部４１は、滑り角差信号βｆｒに基づき補正量信号Ｉｍｓを適宜生成し、乗算器４４に入力する（ＳＴ１０１）。故障検出器１６が車両挙動検出手段２５の異常を検出すると（ＳＴ１０２：Ｙｅｓ）、補正量信号Ｉｍｓを固定し（ＳＴ１０３）、続いて、車両状態判定部４２が車両状態の判定を実行する。

そこで、車両がオーバステア状態にあると判定された場合には（ＳＴ１０４：Ｙｅｓ）、オーバステア補正部５２が乗算器４４に対して乗算係数Ｋｏを出力する（ＳＴ１０５）。また、車両がアンダステア状態にあると判定された場合には（ＳＴ１０６：Ｙｅｓ）、アンダステア補正部５１が乗算器４４に対して乗算係数Ｋｕを出力する（ＳＴ１０７）。また、車両がアンダステア状態またはオーバステア状態のいずれの状態にもないと判定された場合は、補正停止部５３が乗算器４４に対して乗算係数Ｋｓ（＝０）を出力する（ＳＴ１０８）。

次に、乗算器４４は、補正力付与判定部４３から入力される制御フラグＦａが１であるか否かを判定する（ＳＴ１０９）。Ｆａが１である場合、乗算器４４は、補正量信号Ｉｍｓと乗算係数（Ｋａ，Ｋｕ，Ｋｓのいずれか）との乗算値を加算器４５に入力し、加算器４５は、その乗算値と目標トルク信号Ｉｍｏとの加算値を目標トルク信号Ｉｍｈとして出力する（ＳＴ１１０）。続いて、補正力付与判定部４３は、転舵角δより算出される転舵速度が所定閾値以上か否かを判定することにより、補正を停止する必要があるか否かを判定する（ＳＴ１１１）。即ち、補正力付与判定部４３は、転舵速度が所定閾値以上である（運転者によるステアリングホィールの迅速な操舵が行われている）場合には、その運転者が意図する操舵を阻害しないように補正を停止させる（ＳＴ１１１：Ｙｅｓ）。一方、転舵速度が所定閾値未満である場合（ＳＴ１１１：Ｎｏ）には、再びＳＴ１０９に戻って上述と同様の処理が行われる。

また、ＳＴ１０９において、制御フラグＦａが１でない（Ｆａ＝０）場合（Ｎｏ）、乗算器４４は、加算器４５に対して乗算値＝０を出力し、加算器４５は、目標トルク信号Ｉｍｏをそのまま目標トルク信号Ｉｍｈとして出力する（ＳＴ１１１）。

本発明による電動パワーステアリング装置を示す模式図 図１のステアリング制御装置の概略構成を示す機能ブロック図 図２の補正部の詳細構成を示すブロック図 アンダステア状態の乗算係数Ｋｕと舵角との関係の一例を示すグラフ オーバステア状態の乗算係数Ｋｏと舵角との関係の一例を示すグラフ 図３に示した補正部の動作を示すフロー図

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
７ 前輪
９ モータ
１１ 操舵トルクセンサ
１２ 車速センサ
１３ ヨー角速度センサ
１４ 転舵角センサ
１５ モータ電流検出器
１６ 故障検出器
２１ ステアリング制御装置
２２ 駆動回路
３１ 目標トルク設定部
３２ 滑り角差推定部
３３ 補正部
３５ 駆動制御部

Claims (2)

1. 補助操舵力を発生するモータと、当該モータを所定の目標制御量をもって駆動する駆動制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置であって、
   少なくとも操舵トルクに基づき前記目標制御量を設定する目標制御量設定手段と、
   車両挙動を検出する車両挙動検出手段と、
   ステアリングホイールに補正力を作用させるための補正量を前記車両挙動に基づき設定し、当該補正量を用いて前記目標制御量を補正する補正手段と
   を備え、
   前記補正手段は、車両がアンダステア状態にあり、かつ前記車両挙動検出手段に異常が発生した場合に、前記車両挙動にかかわらず前記補正量を舵角に基づき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. 補助操舵力を発生するモータと、当該モータを所定の目標制御量をもって駆動する駆動制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置であって、
   少なくとも操舵トルクに基づき前記目標制御量を設定する目標制御量設定手段と、
   車両挙動を検出する車両挙動検出手段と、
   ステアリングホイールに補正力を作用させるための補正量を前記車両挙動に基づき設定し、当該補正量を用いて前記目標制御量を補正する補正手段と
   を備え、
   前記補正手段は、車両がオーバステア状態にあり、かつ前記車両挙動検出手段に異常が発生した場合に、舵角が所定値以下になるまで前記車両挙動にかかわらず所定の補正量を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。

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