JP5237035B2 - ラック推力推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラック推力を精度良く推定するラック推力推定装置に関する。

近年、車両においてはトラクション制御、制動力制御、トルク配分制御等について様々な制御技術が提案され、実用化されている。これらの技術では、必要な制御量の演算、或いは、補正に路面摩擦係数を用いるものも多く、その制御を確実に実行するためには、正確な路面摩擦係数を推定する必要がある。このような路面摩擦係数の推定を行うものとして、比較的少ないパラメータでレスポンス良く路面摩擦係数を推定できることから、ラック推力を推定して路面摩擦係数を推定する装置が提案されている。

例えば、特許文献１では、ある車速、ある操舵角における路面反力が路面摩擦係数により変化することを利用し、基準となる路面摩擦係数におけるある車速、ある操舵角に対する路面反力を予め記憶しておき、演算で算出した路面反力と比較することにより路面摩擦係数を推定する技術が開示されている。この技術では、路面反力はラック推力と等しいと考え、電動パワーステアリングモータがアシストする推力とハンドル操舵による推力の和をラック推力として、導出される評価関数を基に路面摩擦係数を推定するようになっている。

ところで、図１において、符号１は、一般的な電動パワーステアリングの操舵機構を示し、ハンドル（ステアリングホイール）２から入力されるドライバの操舵力は、操舵軸３、ピニオン４を介してラック５に伝達され、これにより、図示しないタイロッド、ナックルアームを介してホイール、タイヤ６が転舵される。また、電動パワーステアリングモータ７が発生するアシストトルクは、減速機８を通じて操舵軸３へと伝達され、ドライバの操舵力をアシストする。

このような操舵機構１の動作は、ピニオン４、ラック５、ホイール、タイヤ６を一つの慣性物として取り扱うことで、以下の（１）式〜（４）式に示す運動方程式により記述できることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
Ｔｈ＝Ｊｈ・（ｄ^２θｈ／ｄｔ^２）＋Ｃｈ・（ｄθｈ／ｄｔ）＋Ｋｈ・（θｈ−θｓ）
…（１）
Ｒｍ・（Ｔｍ−Ｊｍ・（ｄ^２θｍ／ｄｔ^２）−Ｃｍ・（ｄθｍ／ｄｔ））
−Ｋｈ・（θｈ−θｓ）＝（Ｊｗ・（ｄ^２θｗ／ｄｔ^２）＋Ｃｗ・（ｄθｗ／ｄｔ）
−Ｔａ）／Ｒｓ …（２）
θｍ＝Ｒｍ・θｓ …（３）
θｗ＝θｓ／Ｒｓ …（４）
ここで、Ｔｈはドライバがハンドル２を通じて入力する操舵トルク、Ｊｈはハンドル２の慣性モーメント、Ｃｈはハンドル２の粘性摩擦係数（減衰係数）、Ｋｈは操舵軸（トーションバー）３の弾性係数、θｈは操舵軸３のハンドル側の舵角（ハンドル角）、θｓは操舵軸３のホイール側の舵角（前輪舵角）、Ｒｍは電動パワーステアリングモータ７から操舵軸３へのギヤ比、Ｔｍは電動パワーステアリングモータ７が発生するアシストトルク、Ｊｍは電動パワーステアリングモータ７の慣性モーメント、Ｃｍは電動パワーステアリングモータ７の粘性摩擦係数（減衰係数）、θｍは電動パワーステアリングモータ７の回転角度、Ｊｗ、Ｃｗはピニオン４、ラック５、ホイール、タイヤ６を一つの慣性物として取り扱った時の慣性モーメント、粘性摩擦係数（減衰係数）、θｗはホイールの舵角、Ｔａは車両横運動等に応じて路面からホイールへ作用する操舵軸周りのトルク（キングピン周りのモーメント）、Ｒｓはピニオンのギヤ比である。

以上の（１）式〜（４）式を、キングピン周りのモーメント（ナックルアーム長で除算するとラック推力となる）Ｔａについて整理すると、以下の（５）式を得ることができる。
Ｒｓ・Ｒｍ・Ｔｍ＋Ｒｓ・Ｋｈ・（θｈ−θｓ）
−（Ｒｓ・Ｒｍ^２・Ｊｍ＋Ｊｗ／Ｒｓ）・（ｄ^２θｓ／ｄｔ^２）
−（Ｒｓ・Ｒｍ^２・Ｃｍ＋Ｃｗ／Ｒｓ）・（ｄθｓ／ｄｔ）＝−Ｔａ …（５）
この（５）式中、Ｒｓ・Ｒｍ・Ｔｍの項は、電動パワーステアリングモータ７のモータトルクの項であり、Ｒｓ・Ｋｈ・（θｈ−θｓ）の項は、操舵軸３に設ける操舵トルクセンサからの操舵トルク情報であり、（Ｒｓ・Ｒｍ^２・Ｊｍ＋Ｊｗ／Ｒｓ）・（ｄ^２θｓ／ｄｔ^２）の項の内、（Ｒｓ・Ｒｍ^２・Ｊｍ＋Ｊｗ／Ｒｓ）は、等価慣性を示すものであり、（Ｒｓ・Ｒｍ^２・Ｃｍ＋Ｃｗ／Ｒｓ）・（ｄθｓ／ｄｔ）の項の内、（Ｒｓ・Ｒｍ^２・Ｃｍ＋Ｃｗ／Ｒｓ）は、等価減衰を示すものである。
特開２００１−３４１６５８号公報 田代 勉, 細江繁幸;"車両横運動特性を改善する駆動力及び電動パワーステアリング制御の設計手法",日本機会学会論文集(Ｃ編),Vol.73,No.728,pp.1110-1118, (2007).

上述の（５）式からも明らかなように、キングピン周りのモーメント（ナックルアーム長で除算するとラック推力となる）Ｔａを正確に推定するためには、前述の特許文献１に開示されている、電動パワーステアリングモータ７が発生するアシストトルクＴｍ、操舵トルクセンサからの操舵トルク情報Ｋｈ・（θｈ−θｓ）に加え、前輪舵角速度（ｄθｓ／ｄｔ）（若しくは、電動パワーステアリングモータ７の回転角速度（ｄθｍ／ｄｔ））を精度良く求める必要があり、上述の特許文献１の手法では、ラック推力を精度良く求めることができないという課題がある。一方、たとえ前輪舵角速度（ｄθｓ／ｄｔ）が精度良く取得できたとしても、等価減衰は、操舵機構のフリクション等により変動するため、温度条件、部品のばらつき等の影響を受け、十分な推定精度が確保できないという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ラック推力の推定値の誤差が大きくなる運転領域でのラック推力の推定を抑制し、精度の良いラック推力を得ることができるラック推力推定装置を提供することを目的としている。

本発明は、電動パワーステアリング装置を備えた車両のラック推力推定装置において、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、上記電動パワーステアリングのモータトルクを検出するモータトルク検出手段と、操舵の切り増しが行われているか否かを判定する切増判定手段と、少なくとも上記操舵の切り増しが行われていると判定された際には、上記操舵トルクと上記モータトルクとを用いて、操舵機構のラック軸に作用するラック推力を上記操舵トルクによる推力と上記モータトルクによる推力の和から推定すると共に、上記操舵の切り増しが行われていないと判定された際には上記ラック推力の推定を禁止するラック推力推定手段とを備えたことを特徴としている。

本発明によるラック推力推定装置によれば、ラック推力の推定値の誤差が大きくなる運転領域でのラック推力の推定を抑制し、精度の良いラック推力を得ることが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図３は本発明の実施の一形態を示し、図１はラック推力を推定する操舵機構とラック推力推定装置の構成図、図２はラック推力推定装置の機能ブロック図、図３はラック推力推定プログラムのフローチャートである。

本実施形態における操舵機構１は、図１により前述したように、ハンドル（ステアリングホイール）２から入力されるドライバの操舵力が、操舵軸３、ピニオン４を介してラック５に伝達され、これにより、図示しないタイロッド、ナックルアームを介してホイール、タイヤ６が転舵される。また、電動パワーステアリングモータ７が発生するアシストトルクは、減速機８を通じて操舵軸３へと伝達され、ドライバの操舵力をアシストする。

また、操舵機構１には、ハンドル角θｈを検出するハンドル角センサ１２、操舵トルクＴｈを検出する操舵トルクセンサ１３、電動パワーステアリングモータ７の電流値（以下、モータ電流と略称）ＩEPSを検出する電動パワーステアリングモータ電流センサ１４が設けられている。更に、車両には、車速Ｖを検出する車速センサ１１が設けられており、これら車速Ｖ、ハンドル角θｈ、操舵トルクＴｈ、モータ電流ＩEPSは、ラック推力推定装置１０に入力される。

ラック推力推定装置１０は、上述の各入力信号に基づき、後述するラック推力推定プログラムに従って、操舵の切り増しが行われ、且つ、前輪すべり角の絶対値が予め設定しておいた閾値以上の場合にラック推力Ｆrを推定する一方、操舵の切り増しが行われていない場合はラック推力Ｆｒの推定を禁止する。すなわち、ラック推力推定装置１０は、図２に示すように、前輪すべり角演算部１０ａ、切増判定部１０ｂ、前輪すべり角判定部１０ｃ、ラック推力演算部１０ｄから主要に構成されている。

前輪すべり角演算部１０ａは、車速センサ１１から車速Ｖが、ハンドル角センサ１２からハンドル角θｈが入力される。そして、例えば、以下の（６）式により、前輪すべり角βｆを演算し、前輪すべり角判定部１０ｃに出力する。
βｆ＝β＋（ｌｆ／Ｖ）・γ−δｆ …（６）
ここで、ｌｆは前軸−重心間距離、δｆは前輪実舵角（＝θｈ／ｎ：ｎはハンドル角θｈと実舵角の比）、βは車体すべり角で以下の（７）式により求められ、γはヨーレートで以下の（８）式により求められる。
β＝（（１−（ｍ／（２・（ｌｆ＋ｌｒ）））・（ｌｆ／（ｌｒ・ｋｒ））・Ｖ^２）
／（１＋Ａ・Ｖ^２））・（ｌｒ／（ｌｆ＋ｌｒ））・δｆ …（７）
γ＝（１／（１＋Ａ・Ｖ^２））・（Ｖ／（ｌｆ＋ｌｒ））・δｆ …（８）
ここで、ｍは車両質量、ｌｒは後軸−重心間距離、ｋｒは後輪等価コーナリングパワーである。また、Ａは車両のスタビリティファクタであり、例えば、以下の（９）式により演算される。
Ａ＝−（ｍ／（２・（ｌｆ＋ｌｒ）^２））
・（（ｌｆ・ｋｆ−ｌｒ・ｋｒ）／（ｋｆ・ｋｒ）） …（９）
ここで、ｋｆは前輪等価コーナリングパワーである。

切増判定部１０ｂは、切増判定手段として設けられており、ハンドル角センサ１２からハンドル角θｈが入力される。そして、ハンドル２の切増が行われているか否か、判定し、判定結果をラック推力演算部１０ｄに出力する。

本実施の形態では、ハンドル２の切増判定を、以下の（１０）式が成立している場合にハンドル２の切増が行われていると判定する。
θｈ・（ｄθｈ／ｄｔ）＞０ …（１０）
尚、ハンドル角速度（ｄθｈ／ｄｔ）は、以下の（１１）式により求められる値である。

（ｄθｈ／ｄｔ）＝（θｈ(n-1)−θｈ(n)）／Δｔ …（１１）
ここで、θｈ(n-1)はθｈの前回値、θ(n)はθｈの今回値を示し、Δｔはサンプリングタイムである。

前輪すべり角判定部１０ｃは、前輪すべり角演算部１０ａから前輪すべり角βｆが入力される。そして、例えば、前輪すべり角の絶対値｜βｆ｜が予め設定しておいた閾値Ｃbfよりも大きいか否か判定し、判定結果をラック推力演算部１０ｄに出力する。

ラック推力演算部１０ｄは、ラック推力推定手段として設けられており、操舵トルクセンサ１３から操舵トルクＴｈが、電動パワーステアリングモータ電流センサ１４からモータ電流ＩEPSが、切増判定部１０ｂから切増判定の結果が、前輪すべり角判定部１０ｃから｜βｆ｜＞Ｃbfか否かの判定結果がそれぞれ入力される。そして、ハンドル２が切増状態（θｈ・（ｄθｈ／ｄｔ）＞０）で、且つ、｜βｆ｜＞Ｃbfの際に、例えば、以下の（１２）式により、ラック推力Ｆｒを演算して出力する。一方、ハンドル２が切増状態でない際、つまりはハンドル２が切り戻し状態（θｈ・（ｄθｈ／ｄｔ）＜０）、または保舵状態（θｈ・（ｄθｈ／ｄｔ）＝０）の際にはラック推力Ｆｒの演算を禁止する。
Ｆｒ＝ζ１・（２・π／ｈｓ）・Ｔｐ …（１２）
ここで、ζ１はラック＆ピニオンの効率、ｈｓはラック＆ピニオンの比ストローク、Ｔｐはピニオンギヤトルクであり、以下の（１３）式により演算される。
Ｔｐ＝Ｔｈ＋ζ２・ηｗ・Ｔｍ …（１３）
ここで、ζ２はウォームギヤの効率、ηｗはウォームギヤ比、Ｔｍは電動パワーステアリングモータ７のモータトルクであり、以下の（１４）式により演算される。

Ｔｍ＝sign（Ｔｈ）・ｋｍ・３^−１／２・ＩEPS …（１４）
ここで、sign（Ｔｈ）は、操舵トルクＴｈの符号を、ｋｍはモータトルク定数を示す。

次に、ラック推力推定装置１０で実行されるラック推力推定プログラムを、図３のフローチャートで説明する。

まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で、必要なパラメータ、すなわち、車速Ｖ、ハンドル角θｈ、操舵トルクＴｈ、モータ電流ＩEPSを読み込む。

次いで、Ｓ１０２に進み、前輪すべり角演算部１０ａで、前述の（６）式により、前輪すべり角βｆを演算する。

次に、Ｓ１０３に進み、ハンドル２の切増が行われている（θｈ・（ｄθｈ／ｄｔ）＞０）か否かの判定を行い、切増が行われている場合は、更に、Ｓ１０４に進んで、｜βｆ｜＞Ｃbfか否かの判定を行い、｜βｆ｜＞Ｃbfの場合は、ラック推力推定装置１０は、前述の（１２）式により、ラック推力Ｆｒを演算して今回のラック推力Ｆｒ(n)とする。

一方、Ｓ１０３で、ハンドル２の切増が行われていないと判断された場合（θｈ・（ｄθｈ／ｄｔ）≦０の場合）、或いは、Ｓ１０４で、｜βｆ｜≦Ｃbfの場合は、Ｓ１０６に進んで、前回設定したラック推力Ｆｒ(n-1)を今回のラック推力Ｆｒ(n)に設定する。

Ｓ１０５、或いは、Ｓ１０６で今回のラック推力Ｆｒ(n)を設定した後は、Ｓ１０７に進み、今回のラック推力Ｆｒ(n)を出力し、Ｓ１０８に進んで、今回のラック推力Ｆｒ(n)を前回のラック推力Ｆｒ(n-1)としてプログラムを抜ける。

すなわち、一般的に、電動パワーステアリング７は操舵トルクＴｈに比例したアシストトルク（モータトルク）Ｔｍを出力する。しかしながら、ハンドル２を戻す場合に、操舵トルクＴｈに比例したアシストトルクＴｍを出力しつづけると、ハンドル２の戻りが悪くなるため、アシストトルクＴｍの低下制御が行われる。従って、ハンドル切戻し時にはラック推力Ｆｒが低下し、前述の（５）式中、Ｒｓ・Ｒｍ・Ｔｍの項の値が小さくなってＳ／Ｎ比が低下するため、ラック推力Ｆｒの出力を中止するのである。

本実施の形態では、ハンドル２の切増判定を、ハンドル角θｈとハンドル角速度（ｄθｈ／ｄｔ）の積の符号で判定するようになっているが、他に、以下の（１５）式、或いは、（１７）式が成立する際に、ハンドル２の切増が行われていると判定するようにしても良い。
Ｔｈ・（ｄθｍ／ｄｔ）＞０ …（１５）
尚、電動パワーステアリングモータ７の回転角速度（ｄθｍ／ｄｔ）は、以下の（１６）式により求められる値である。

（ｄθｍ／ｄｔ）＝（θｍ(n-1)−θｍ(n)）／Δｔ …（１６）
βｆ・（ｄβｆ／ｄｔ）＞０ …（１７）
尚、前輪すべり角速度（ｄβｆ／ｄｔ）は、以下の（１８）式により求められる値である。

（ｄβｆ／ｄｔ）＝（βｆ(n-1)−βｆ(n)）／Δｔ …（１８）

これらは、操舵トルクＴｈの符号が、ラック推力Ｆｒの符号と等しく、且つ前輪横力Ｆｙの符号と等しく、更に、Ｆｙ＝−ｋｆ・βｆで近似できることを利用したものである。

また、同様に、操舵トルクＴｈが小さい範囲でもアシストトルク（モータトルク）Ｔｍが小さくなり、前述の（５）式中、Ｒｓ・Ｒｍ・Ｔｍの項の値が小さくなってＳ／Ｎ比が低下するため、ラック推力Ｆｒの出力を中止するのである。

本願の実施の形態では、上述したように、Ｆｙ＝−ｋｆ・βｆで近似できることから、｜βｆ｜≦Ｃbfの際に、ラック推力Ｆｒの演算を行わないようにしているが、｜Ｔｈ｜≦ＣTh（ＣThは予め設定しておいた閾値）の際に、ラック推力Ｆｒの演算を行わないようにしても良い。

尚、前述の（１０）式、（１５）式、（１７）式の何れを用いるか、また、｜βｆ｜＞Ｃbf、｜Ｔｈ｜＞ＣThの何れかを用いるかは、車両に搭載されたセンサにより自由に選択可能である。

また、本実施の形態では、ラック推力Ｆｒの演算は、前述の（１２）式により演算するするようになっているが、他の手法により演算するものであっても良い。

このように本実施の形態によれば、操舵の切り増しが行われ、且つ、前輪すべり角の絶対値｜βｆ｜（又は操舵トルクの絶対値｜Ｔｈ｜）が予め設定しておいた閾値以上の場合にラック推力Ｆrの推定を実行するので、ラック推力の推定値の誤差が大きくなる運転領域でのラック推力Ｆｒの推定を抑制し、精度の良いラック推力Ｆｒを得ることが可能となる。

ラック推力を推定する操舵機構とラック推力推定装置の構成図 ラック推力推定装置の機能ブロック図 ラック推力推定プログラムのフローチャート

符号の説明

１ 操舵機構
２ ハンドル
３ 操舵軸
４ ピニオン
５ ラック
６ ホイール、タイヤ
７ 電動パワーステアリングモータ
８ 減速機
１０ ラック推力推定装置
１０ａ 前輪すべり角演算部
１０ｂ 切増判定部（切増判定手段）
１０ｃ 前輪すべり角判定部
１０ｄ ラック推力演算部（ラック推力推定手段）
１１ 車速センサ
１２ ハンドル角センサ
１３ 操舵トルクセンサ
１４ 電動パワーステアリングモータ電流センサ

Claims (6)

1. 電動パワーステアリング装置を備えた車両のラック推力推定装置において、
   操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   上記電動パワーステアリングのモータトルクを検出するモータトルク検出手段と、
   操舵の切り増しが行われているか否かを判定する切増判定手段と、
   少なくとも上記操舵の切り増しが行われていると判定された際には、上記操舵トルクと上記モータトルクとを用いて、操舵機構のラック軸に作用するラック推力を上記操舵トルクによる推力と上記モータトルクによる推力の和から推定すると共に、上記操舵の切り増しが行われていないと判定された際には上記ラック推力の推定を禁止するラック推力推定手段と、
   を備えたことを特徴とする車両のラック推力推定装置。
2. 上記ラック推力推定手段は、上記操舵の切り増しが行われ、且つ、上記操舵トルクの絶対値が予め設定しておいた閾値以上の場合に上記ラック推力を推定することを特徴とする請求項１記載の車両のラック推力推定装置。
3. 上記ラック推力推定手段は、上記操舵の切り増しが行われ、且つ、前輪すべり角の絶対値が予め設定しておいた閾値以上の場合に上記ラック推力の推定を実行することを特徴とする請求項１記載の車両のラック推力推定装置。
4. 上記切増判定手段は、ハンドル角の値とハンドル角速度の値の符号が同じ時に、上記操舵の切り増しが行われていると判定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の車両のラック推力推定装置。
5. 上記切増判定手段は、前輪すべり角の値と前輪すべり角速度の値の符号が同じ時に、上記操舵の切り増しが行われていると判定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の車両のラック推力推定装置。
6. 上記切増判定手段は、上記操舵トルクの値と上記電動パワーステアリングのモータ回転速度の値の符号が同じ時に、上記操舵の切り増しが行われていると判定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の車両のラック推力推定装置。

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