JP5231793B2 - 操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵制御を行う操舵装置に関する。

従来から、モータの駆動力によって、運転者によるステアリングをアシストする電動パワーステアリング（以下、「ＥＰＳ（Electric Power Steering）」とも呼ぶ。）が提案されている。また、車速や路面状況に応じて操舵軸に反力トルクを付与する反力モータ（反力装置）が知られている。例えば、特許文献１には、操舵軸にトーションバー（剛性部）を備えるステアバイワイヤ式の操舵装置が記載されている。

特開２００４−３１４８９１号公報

ところで、従来のドライビングシミュレータ等の反力装置においては、ステアリングへの入力回転角より得られた摩擦項や粘性項に基づいて反力トルクを求めていた。しかしながら、このような反力装置では、ステアリング系の動特性や車両の動特性などを考慮して反力トルクを求めていなかったため、実車の操舵フィーリングを適切に模擬することが困難であった。なお、上記した特許文献１には、実車の操舵フィーリングを模擬可能な反力装置についての記載はない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、実車の反力特性を適切に模擬することができ、実車の操舵フィーリングを実現することが可能な操舵装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点では、ステアリングの操作に応じた反力トルクを付与する操舵装置は、前記ステアリングへの入力回転角とステアリング系回転角との差分に基づいてトーションバーの剛性を模擬することによって、付与すべき前記反力トルクを演算する反力トルク演算手段を備え、前記ステアリング系回転角は、パワーステアリングにおけるモータの動特性を模擬することによって算出された、前記ステアリングにおけるメインシャフトの回転角である。

上記の操舵装置は、モータや油圧などを用いて、ステアリングの操作に応じた反力トルクを付与するために好適に利用される。具体的には、反力トルク演算手段は、ステアリングへの入力回転角とステアリング系回転角との差分に基づいてトーションバーの剛性を模擬することによって、付与すべき反力トルクを演算する。つまり、トーションバーの剛性を演算上に設けて、反力トルクを演算する。また、ステアリング系回転角は、入力回転角とは異なる回転角であり、演算上で規定された回転角に相当する。具体的には、ステアリング系回転角は、パワーステアリングにおけるモータの動特性を模擬することによって算出された、ステアリングにおけるメインシャフトの回転角である。

上記の操舵装置によれば、演算上におけるトーションバーのねじれ分により、実際の入力回転角に対して遅れがあり、更に若干小さなステアリング系回転角を得ることができる。よって、実車の反力特性を適切に模擬することができ、実車の操舵フィーリングを実現することが可能となる。具体的には、操舵初期において適度な剛性を与えることができると共に、操舵に対して適度なヒステリシスを持たせることができる（即ち、操舵に対する車両のヨー角速度の変化が過敏になってしまうことを抑制することができる）。

上記の操舵装置の他の一態様では、前記ステアリング系回転角は、少なくとも、前記反力トルク、摩擦項、及び粘性項に基づいて算出される。

上記の操舵装置において好適には、前記ステアリング系回転角及び当該ステアリング系回転角における角速度に基づいて、摩擦項と粘性項とを演算する手段を更に備える。

また、好適には、前記反力トルク演算手段は、下記のように文字・記号を定義すると、
Ｉ_ＳＷ：ステアリングの慣性モーメント
Ｃ_ＳＷ：ステアリング部分の粘性係数
Ｆ_ＳＷ：ステアリング部分の摩擦
Ｉ_ｍｔ：パワーステアリングのモータ及びステアリング系の慣性モーメント
Ｃ_ｍｔ：パワーステアリングの制御における減衰係数
Ｆ_ｓ：ステアリング系の摩擦
Ｋ_ｔ：トーションバーの剛性
Ｆ_ｆ：前輪の横力
ξ：キャスター＋ニューマティックトレイル
Ｎ_ｓ：ステアリングのトータルギヤ比
Ｔ_ｉｎ：ステアリングへの入力トルク
θ_０：入力回転角
θ_１：ステアリング系回転角
以下の式（１）及び式（２）で表されたモデルに従って、反力トルクを演算することができる。

式（１）及び式（２）を用いることにより、操舵初期の応答の遅れや、車両応答のゲイン低下を適切に模擬することが可能となる。また、演算において、パワーステアリングやステアリング系の慣性モーメントの項があるため、慣性感を適切に出すことができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［装置構成］
図１は、本実施形態に係る操舵装置５０の概略構成図である。操舵装置５０は、ステアリングホイール（以下、単に「ステアリング」と呼ぶ。）１と、コントローラ２と、モータ３とを備える。操舵装置５０は、主に、ステアリング１の操作に応じた反力トルクをモータ３によって付与する装置である。なお、操舵装置５０は、所謂ドライビングシミュレータに相当する。

ステアリング１は、ユーザにより操作され、シャフト１ａを介してモータ３に接続されている。モータ３は、減速機や電動モータなどによって構成され、コントローラ２から供給される制御信号によって制御される。具体的には、モータ３は、反力トルクなどをシャフト１ａを介してステアリング１に付与する。

コントローラ２は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＡ／Ｄ変換器などを含んで構成される。コントローラ２は、ステアリング１への入力回転角を取得し、これに基づいてモータ３に対する制御を行う。具体的には、コントローラ２は、モータ３より付与すべき反力トルクを演算してモータ３に対する制御を行う。なお、コントローラ２は、本発明における反力トルク演算手段に相当する。

次に、図２は、上記したコントローラ２における制御ブロックの概略図を示す。ここで、コントローラ２が行う処理について簡単に説明する。本実施形態では、コントローラ２は、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）におけるトーションバーの剛性やＥＰＳにおけるモータ（以下、「ＥＰＳモータ」とも呼ぶ。）の動特性などを模擬したモデルに基づいて、反力トルクを演算する。即ち、コントローラ２は、実車の反力特性を模擬した反力トルクが付与されるように制御を行う。

具体的には、図２に示すように、コントローラ２は、ＥＰＳトーションバー剛性付加部２１と、ＥＰＳアシストトルク算出部２２と、ＥＰＳモータ動特性付加部２３と、車両モデル付加部２４と、摩擦項算出部２５と、粘性項算出部２６と、を備える。

ＥＰＳトーションバー剛性付加部２１は、ＥＰＳにおけるトーションバーの剛性を加味して、反力トルクＲＴを求める。具体的には、ＥＰＳトーションバー剛性付加部２１は、入力回転角θ_０及びステアリング系回転角θ_１に基づいて、反力トルクＲＴを求める。詳しくは、ＥＰＳトーションバー剛性付加部２１は、入力回転角θ_０からステアリング系回転角θ_１を減算した値に対してトーションバーの剛性を積算することによって、反力トルクＲＴを求める。そして、ＥＰＳトーションバー剛性付加部２１は、求められた反力トルクＲＴを、ＥＰＳアシストトルク算出部２２とＥＰＳモータ動特性付加部２３とに供給する。また、図２中の太線矢印で示すように、コントローラ２は、ＥＰＳトーションバー剛性付加部２１で求められた反力トルクＲＴがモータ３より付与されるように、モータ３に対する制御を行う。なお、ステアリング系回転角θ_１は、入力回転角θ_０とは異なる回転角であり、図２に示すようなモデル上の演算によって求められた回転角に相当する。言い換えると、ステアリング系回転角θ_１はメインシャフトの回転角に相当する。

ＥＰＳアシストトルク算出部２２は、ＥＰＳアシスト特性を加味して、ＥＰＳアシストトルクＡｓＴを求める。具体的には、ＥＰＳアシストトルク算出部２２は、ＥＰＳトーションバー剛性付加部２１より求められた反力トルクＲＴに基づいて、ＥＰＳアシストトルクＡｓＴを求める。そして、ＥＰＳアシストトルク算出部２２は、求められたＥＰＳアシストトルクＡｓＴをＥＰＳモータ動特性付加部２３に供給する。ＥＰＳモータ動特性付加部２３は、ＥＰＳモータの動特性を加味して、ステアリング系回転角θ_１を求める。具体的には、ＥＰＳモータ動特性付加部２３は、ＥＰＳトーションバー剛性付加部２１より求められた反力トルクＲＴ、ＥＰＳアシストトルク算出部２２より求められたＥＰＳアシストトルクＡｓＴ、車両モデル付加部２４より求められたセルフアライニングトルクＳＡＴ、及び摩擦項算出部２５より求められた摩擦項、並びに粘性項算出部２６より求められた粘性項に基づいて、ステアリング系回転角θ_１を求める。そして、ＥＰＳモータ動特性付加部２３は、求められたステアリング系回転角θ_１を、ＥＰＳトーションバー剛性付加部２１と車両モデル付加部２４と摩擦項算出部２５と粘性項算出部２６とに供給する。更に、ＥＰＳモータ動特性付加部２３は、ステアリング系角速度θ_１’も求める。この場合、ＥＰＳモータ動特性付加部２３は、求められたステアリング系角速度θ_１’を、摩擦項算出部２５と粘性項算出部２６とに供給する。なお、ステアリング系角速度θ_１’は、メインシャフトにおける角速度に相当する。

車両モデル付加部２４は、車両運動などを表した車両モデルを加味して、セルフアライニングトルクＳＡＴを求める。具体的には、車両モデル付加部２４は、ＥＰＳモータ動特性付加部２３より求められたステアリング系回転角θ_１に基づいて、セルフアライニングトルクＳＡＴを求める。そして、車両モデル付加部２４は、求められたセルフアライニングトルクＳＡＴをＥＰＳモータ動特性付加部２３に供給する。摩擦項算出部２５及び粘性項算出部２６は、それぞれ摩擦項及び粘性項を求める。具体的には、摩擦項算出部２５及び粘性項算出部２６は、ＥＰＳモータ動特性付加部２３より求められたステアリング系回転角θ_１及びステアリング系角速度θ_１’に基づいて、それぞれ摩擦項及び粘性項を求める。そして、摩擦項算出部２５及び粘性項算出部２６は、求められた摩擦項及び粘性項をＥＰＳモータ動特性付加部２３に供給する。

なお、上記したコントローラ２は、車両に適用することができる。言い換えると、コントローラ２が行うような処理を、車両内のＥＣＵに対して行わせることも可能である。

［シミュレーション結果］
次に、図３及び図４に、上記した本実施形態に係る制御（コントローラ２による制御）を行った場合のシミュレーション結果の一例について示す。ここでは、比較のため、比較例に係る制御を行った場合のシミュレーション結果も、図３及び図４に示す。具体的には、比較例に係る制御では、入力回転角から摩擦項や粘性項を求めると共に、入力回転角から車両モデルを用いてセルフアライニングを求め、こうして求められた摩擦項、粘性項、セルフアライニングに基づいて反力トルクを求めるものである。つまり、比較例に係る制御では、トーションバーの剛性やＥＰＳモータの動特性などを考慮せずに反力トルクを求める。言い換えると、比較例に係る制御では、前述したようなステアリング系回転角θ_１を用いずに、入力回転角θ_０を用いて反力トルクを求める。

図３は、シミュレーション結果例として操舵トルク（ステアリング１への入力トルク）に対する操舵角特性を示している。具体的には、図３（ａ）は本実施形態に係る制御によるシミュレーション結果を示しており、図３（ｂ）は比較例に係る制御によるシミュレーション結果を示しており、それぞれ、横軸に操舵トルクを示し、縦軸に操舵角を示している。なお、操舵トルクは、例えばシャフト１ａにトルクセンサを設けることによって取得される。この場合、図３中の破線領域Ａ１及びＡ２に示すように、本実施形態に係る制御によれば、比較例に係る制御と比べて、操舵初期において、操舵トルクに応じて操舵角が適切に立ち上がっていることがわかる。つまり、本実施形態に係る制御によれば、操舵初期において適度な剛性を与えることができると言える。このような剛性は、トーションバーの剛性を模擬して反力トルクを求めたために実現されたものと考えられる。

図４は、シミュレーション結果例として操舵角に対するヨー角速度特性について示している。具体的には、図４（ａ）は本実施形態に係る制御によるシミュレーション結果を示しており、図４（ｂ）は比較例に係る制御によるシミュレーション結果を示しており、それぞれ、横軸に操舵角を示し、縦軸にヨー角速度を示している。図４中の破線領域Ｂ１及びＢ２に示すように、本実施形態に係る制御によれば、比較例に係る制御と比べて、操舵角に対するヨー角速度の立ち上がりが遅いことがわかる。即ち、本実施形態に係る制御では、操舵角がある程度を超えてからヨー角速度が立ち上がっていることがわかる。よって、本実施形態に係る制御によれば、操舵に対して適度なヒステリシスを持たせることができると言える。したがって、本実施形態に係る制御を実車に対して行った場合には、操舵に対する車両のヨー角速度の変化が過敏になってしまうことを抑制することが可能となる。

以上のように本実施形態では、車両運動における入力回転角ではなく、ステアリング系回転角やステアリング系を全てモデル化して、反力トルクを求める。これにより、実車の反力特性を適切に模擬することができ、実車の操舵フィーリングを実現することが可能となる。具体的には、仮想のタイヤの転舵角に対して運動を解くことで、機械的なねじれにより、入力回転角より小さい角度となるステアリング系回転角を転舵角とすることができると共に、操舵に対する時間的遅れも生じさせることができる。

［具体的な演算方法］
次に、前述したコントローラ２内で実際に行われる演算方法、つまりコントローラ２内の各制御ブロック（図２参照）で行われる演算方法について説明する。

なお、以下の説明で使用する文字・記号の意味は、下記の通りである。

ｍ：車両質量
Ｉ_Ｚ：ｚ軸周りの慣性モーメント
ｌ_ｆ：前輪から重心までの距離
ｌ_ｒ：後輪から重心までの距離
Ｋ_ｆ：前輪のコーナリングパワー
Ｋ_ｒ：後輪のコーナリングパワー
Ｔ_ｆ：前輪横力発生の時定数
Ｔ_ｒ：後輪横力発生の時定数
Ｆ_ｆ：前輪の横力
Ｆ_ｒ：後輪の横力
β：車体スリップ角
γ：ヨー角速度
δ：車輪の切れ角
ｖ：車速
ξ：キャスター＋ニューマティックトレイル
ｇ：重力加速度
Ｉ_ＳＷ：ステアリングの慣性モーメント
Ｃ_ＳＷ：ステアリング部分の粘性係数
Ｆ_ＳＷ：ステアリング部分の摩擦
Ｉ_ｍｔ：ＥＰＳにおけるモータやステアリング系の慣性モーメント
Ｃ_ｍｔ：ＥＰＳの制御などにおける減衰係数
Ｆ_ｓ：ステアリング系の摩擦
Ｋ_ｔ：トーションバーの剛性
Ｎ_ｓ：ステアリングのトータルギヤ比
Ｔ_ｉｎ：ステアリングへの入力トルク
Ｆ_Ｍ：ＥＰＳアシスト
θ_０：入力回転角
θ_１：ステアリング系回転角
ｓ：ラプラス演算子
上記の図２に示した各制御ブロックにて実現されるステアリング系のモデルは、以下の式（３）及び式（４）で表現される。

式（３）の左辺の第１項〜第３項は、実際の操舵装置５０における機械部分に相当する。式（３）の左辺の第４項における計算は、コントローラ２内で行われる。具体的には、式（３）の左辺の第４項における「Ｋ_ｔ（θ_０−θ_１）」部分は反力トルクＲＴに相当し、当該部分における計算はコントローラ２内のＥＰＳトーションバー剛性付加部２１で行われる。このような反力トルクＲＴに対してＥＰＳアシストＦ_Ｍを乗算することにより得られる値（即ち、式（３）の左辺の第４項より得られる値）は、ＥＰＳアシストトルクＡＴに相当する。このＥＰＳアシストトルクＡＴは、ＥＰＳアシストトルク算出部２２によって求められる。

なお、式（３）の左辺の第４項のように、反力トルクＲＴに対して「Ｆ_Ｍ」を乗算することによってＥＰＳアシストトルクＡＴを求めることに限定はされない。他の例では、「Ｆ_Ｍ（θ_１）・θ_１」を演算することによってＥＰＳアシストトルクＡＴを求めることができる。この場合、「Ｆ_Ｍ」はステアリング系回転角で規定される関数に相当し、式（３）の左辺の第４項における「Ｆ_Ｍ・Ｋ_ｔ（θ_０−θ_１）」を「Ｋ_ｔ（θ_０−θ_１）」に置き換えて、「Ｆ_Ｍ（θ_１）・θ_１」を式（３）の左辺の第５項として追加した演算式によりステアリング系のモデルが表現される。更に他の例では、ＥＰＳアシストを用いずにステアリング系のモデルを規定しても良い。この場合には、式（３）の左辺の第４項における「Ｆ_Ｍ・Ｋ_ｔ（θ_０−θ_１）」を「Ｋ_ｔ（θ_０−θ_１）」に置き換えた演算式により、ステアリング系のモデルが表現される。

式（４）の左辺における計算は、コントローラ２内で行われるものである。具体的には、式（４）の左辺の第１項は、ＥＰＳモータの動特性に相当する。このようなＥＰＳモータの動特性は、ＥＰＳモータ動特性付加部２３でステアリング系回転角θ_１を求める際に用いられる。式（４）の左辺の第２項は粘性項に相当し、当該第２項における計算は粘性項算出部２６で行われる。式（４）の左辺の第３項は摩擦項に相当し、当該第３項における計算は摩擦項算出部２５で行われる。式（４）の左辺の第４項は、反力トルクＲＴに概ね相当し、当該第４項における計算はＥＰＳトーションバー剛性付加部２１で行われる。式（４）の左辺の第５項は、セルフアライニングトルクＳＡＴに相当し、当該第５項における計算は車両モデル付加部２４で行われる。

ここで、上記した式（４）の左辺の第５項における計算を行う際に用いられる車両モデルについて説明する。

図５は、車両モデルの一例を説明するための図である。図５（ａ）は、２輪モデルとしての操舵装置５１を示している。操舵装置５１は、主に、ステアリング１１と、ステアリングシャフト１２と、トーションバー１４と、モータ１５と、減速機１５ａと、ラックアンドピニオン部１６と、タイロッド１７と、ナックルアーム１８と、車輪１９Ｆとを備える。操舵装置５１は、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）システムによって構成されている。

ステアリング１１は、ステアリングシャフト１２を介して、ラックアンドピニオン部１６に接続されている。ステアリングシャフト１２には、主に、トーションバー１４と減速機１５ａとが設けられている。トーションバー１４は、ステアリング１１からの入力に対してねじれるように構成されている。減速機１５ａは、ギヤなどによって構成され、モータ１５から動力が付与され、これをステアリングシャフト１２に対して伝達可能に構成されている。モータ１５は、電動モータなどによって構成される。例えば、モータ１５は、運転者による操舵をアシストするために、運転者による操舵に応じて操舵アシスト力を発生させると共に、操舵安定性及び操舵感などを向上させるために付加減衰力を発生させる。

ラックアンドピニオン部１６は、ラックやピニオンなどによって構成され、ステアリングシャフト１２から回転が伝達されて動作する。更に、ラックアンドピニオン部１６にはタイロッド１７及びナックルアーム１８が連結されており、ナックルアーム１８には車輪１９Ｆが連結されている。この場合、タイロッド１７及びナックルアーム１８がラックアンドピニオン部１６によって動作されることにより、ナックルアーム１８に連結された車輪１９Ｆが転舵されることとなる。

また、操舵装置５１においては、図５（ａ）に示すように、ステアリング１１における慣性モーメントは「Ｉ_ＳＷ」であり、トーションバー１４の剛性は「Ｋ_ｔ」であり、モータ１５の慣性モーメントは「Ｉ_ｍｔ」であり減衰係数は「Ｃ_ｍｔ」である。また、ステアリング系は、粘性係数が「Ｃ_ＳＷ」であり、摩擦として「Ｆ_Ｓ」が働く。この場合、ステアリング１１は入力回転角θ_０で回転し、ステアリングシャフト１２はステアリング系回転角θ_１で回転する。

更に、図５（ｂ）には、車輪１９Ｆ、１９Ｒ（前輪１９Ｆ及び後輪１９Ｒ）に働く横力Ｆ_ｆ、Ｆ_ｒなどを示している。具体的には、車速ｖ、車体スリップ角β、及び車輪１９Ｆの切れ角δである車両に働く横力Ｆ_ｆ、Ｆ_ｒを示している。

上記の図５に示すような車両モデルは、以下の式（５）〜式（８）によって、運動やつり合いなどを表現することができる。

また、横力発生の遅れを考慮する場合には、式（７）及び式（８）の代わりに、ラプラス変換後の記述で表された式（９）及び式（１０）を用いる。

このような式（５）〜式（８）、若しくは式（５）、式（６）、式（９）、式（１０）を用いることによって、前述した式（４）の左辺の第５項を計算することができる。つまり、このような式から横力Ｆ_ｆを求めて、この横力Ｆ_ｆを式（４）の左辺の第５項に代入することによってセルフアライニングトルクＳＡＴを求めることができる。

以上の本実施形態に係るステアリング系のモデルによれば、直接入力して舵角、舵角速度で車両運動を解いたり、減衰を入れたりせずに、コントローラ２内における演算のトーションバーのねじれ分により、実際の入力回転角に対して遅れがあり、更に若干小さなステアリング系回転角を得ることができる。したがって、本実施形態によれば、実車の反力特性を適切に模擬することができ、実車の操舵フィーリングを実現することが可能となる。具体的には、操舵初期の応答の遅れや、車両応答のゲイン低下を適切に模擬することが可能となる。また、コントローラ２における演算において、ＥＰＳやステアリング系の慣性モーメントの項があるため、慣性感を出すことができる。

［変形例］
上記では電動パワーステアリングをモデル化する例を示したが、電動パワーステアリングの代わりに、油圧パワーステアリングをモデル化しても良い。つまり、前述した方法と概ね同様の方法によって、油圧パワーステアリングの特性（例えば、粘性や摩擦や慣性モーメントやアシスト特性など）を模擬して、モデル化しても良い。この場合には、油圧パワーステアリングにおける油圧を発生するポンプの特性なども考慮することが望ましい。

本実施形態に係る操舵装置の構成を示す概略図である。 コントローラにおける制御ブロックを示す概略図である。 シミュレーション結果例として操舵トルクに対する操舵角特性について示す図である。 シミュレーション結果例として操舵角に対するヨー角速度特性について示す図である。 車両モデルの一例を説明するための図である。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ コントローラ
３ モータ
２１ ＥＰＳトーションバー剛性付加部
２２ ＥＰＳアシストトルク算出部
２３ ＥＰＳモータ動特性付加部
２４ 車両モデル付加部
２５ 摩擦項算出部
２６ 粘性項算出部
５０ 操舵装置

Claims (4)

1. ステアリングの操作に応じた反力トルクを付与する操舵装置であって、
   前記ステアリングへの入力回転角とステアリング系回転角との差分に基づいてトーションバーの剛性を模擬することによって、付与すべき前記反力トルクを演算する反力トルク演算手段を備え、
   前記ステアリング系回転角は、パワーステアリングにおけるモータの動特性を模擬することによって算出された、前記ステアリングにおけるメインシャフトの回転角であることを特徴とする操舵装置。
2. 前記ステアリング系回転角は、少なくとも、前記反力トルク、摩擦項、及び粘性項に基づいて算出される請求項１に記載の操舵装置。
3. 前記ステアリング系回転角及び当該ステアリング系回転角における角速度に基づいて、摩擦項と粘性項とを演算する手段を更に備える請求項１又は２に記載の操舵装置。
4. 前記反力トルク演算手段は、
   Ｉ_ＳＷ：ステアリングの慣性モーメント
   Ｃ_ＳＷ：ステアリング部分の粘性係数
   Ｆ_ＳＷ：ステアリング部分の摩擦
   Ｉ_ｍｔ：パワーステアリングのモータ及びステアリング系の慣性モーメント
   Ｃ_ｍｔ：パワーステアリングの制御における減衰係数
   Ｆ_ｓ：ステアリング系の摩擦
   Ｋ_ｔ：トーションバーの剛性
   Ｆ_ｆ：前輪の横力
   ξ：キャスター＋ニューマティックトレイル
   Ｎ_ｓ：ステアリングのトータルギヤ比
   Ｔ_ｉｎ：ステアリングへの入力トルク
   θ_０：入力回転角
   θ_１：ステアリング系回転角
   とした場合に、以下の式（１）及び式（２）で表されたモデルに従って、
   

   

   

   前記反力トルクを演算する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の操舵装置。

Images