JP5272399B2 - 車両走行制御装置 - Google Patents
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Description
また、このような電動パワーステアリング装置において、操舵性能の向上やコーナリング時の車両の挙動を安定させるために、車両に取り付けられた車輪を中立に戻そうとするトルクであるセルフアライニングトルクを求めて操舵制御に用いたもの、さらにタイヤのグリップ状態を考慮して操舵制御を行うようにしたもの等も提案されている。
さらに、車両の旋回時の走行安定性を確保するために、車両の旋回状態に関連する物理量を検出するセンサと、車両の旋回状態を制御する旋回制御機構と、前記センサからの検出信号に基づき、前記旋回制御機構により前記車両の旋回状態を制御する旋回制御を行うコントローラとを含む旋回制御装置を備えた車両挙動制御システムにおいて、前記旋回制御に先立ち、前記車両を減速させる減速制御を行う減速制御装置を設けたことを特徴とする車両挙動制御システムが知られている(例えば、特許文献2参照)。
また、タイヤのグリップ力が限界に近づくと、電流指令値を減少させるように補正をして、操舵反力を大きくして運転者の切増し操舵を抑制するようにしているので、タイヤのグリップ力が限界に近づいて、操舵反力が小さくなる際に、制御特性によっては、タイヤのグリップ限界を感知できるような熟練運転者にとってはタイヤのグリップ限界を感知しにくくて、効果的な切増し操舵を抑制できないという未解決の課題もある。
また、請求項5に係る車両走行制御装置は、請求項1乃至4の何れか1つに係る発明において、前記走行制御手段を、グリップロス度が所定値以上であるときに車両の走行安定性を制御する走行安定性制御手段で構成したことを特徴としている。
図1は、本発明の一実施形態を示す全体構成図であって、図中、PSは電動パワーステアリング機構である。この電動パワーステアリング機構PSは、ステアリングホイール1に運転者から作用される操舵力が伝達される入力軸2aとこの入力軸2aに図示しないトーションバーを介して連結された出力軸2bとを有するステアリングシャフト2を備えている。このステアリングシャフト2は、ステアリングコラム3に回転自在に内装され、入力軸2aの一端がステアリングホイール1に連結され、他端は図示しないトーションバーに連結されている。
このピニオンシャフト7に伝達された操舵力はステアリングギヤ機構8を介して左右のタイロッド9に伝達され、これらタイロッド9によって左右の転舵輪WL,WRを転舵させる。ここで、ステアリングギヤ機構8は、ギヤハウジング8a内に、ピニオンシャフト7に連結されたピニオン8bとこのピニオン8bに噛合するラック軸8cとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン8bに伝達された回転運動をラック軸8cで車幅方向の直進運動に変換して、タイロッド9に伝達する。
また、減速機11のステアリングホイール1側に連接されたハウジング13内に操舵トルクセンサ14が配設されている。この操舵トルクセンサ14は、ステアリングホイール1に付与されて入力軸2aに伝達された操舵トルクを検出するもので、例えば、操舵トルクを入力軸2a及び出力軸2b間に介挿した図示しないトーションバーの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位を磁気変化や抵抗変化として検出し、それを電気信号に変換するように構成されている。
この操舵補助電流指令値算出マップは、図3に示すように、横軸に操舵トルクTをとり、縦軸に操舵補助電流指令値Irefをとると共に、車速Vxをパラメータとした放物線状の曲線で表される特性線図で構成され、操舵トルクTが"0"からその近傍の設定値Ts1までの間は操舵補助電流指令値Irefが"0"を維持し、操舵トルクTが設定値Ts1を超えると最初は操舵補助電流指令値Irefが操舵トルクTの増加に対して比較的緩やかに増加するが、さらに操舵トルクTが増加すると、その増加に対して操舵補助電流指令値Irefが急峻に増加するように設定され、この特性曲線が車速の増加に従って傾きが小さくなるように設定されている。
このセルフアライニングトルクSATを算出する原理は、路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を図4に示して説明する。すなわち、ドライバがステアリングホイール1を操舵することによって操舵トルクTが発生し、その操舵トルクTに従って電動モータ12がアシストトルクTmを発生する。その結果、車輪Wが転舵され、反力としてセルフアライニングトルクSATが発生する。また、その際、電動モータ12の慣性J及び摩擦(静摩擦)Frによってステアリングホイール1の操舵の抵抗となるトルクが生じる。これらの力の釣り合いを考えると、下記(1)式のような運動方程式が得られる。
ここで、上記(1)式を初期値ゼロとしてラプラス変換し、セルフアライニングトルクSATについて解くと下記(2)式が得られる。
SAT(s) = Tm(s) + T(s) − J・αm(s) − Fr・sign(ωm(s)) …(2)
上記(2)式から分かるように、電動モータ12の慣性J及び静摩擦Frを定数として予め求めておくことで、モータ角速度ωm、モータ角加速度αm、アシストトルクTm及び操舵トルクTよりセルフアライニングトルクSATを検出することができ、このセルフアライニングトルク検出値をSATdとする。ここで、アシストトルクTmは操舵補助電流指令値Irefに比例するので、アシストトルクTmに代えて操舵補助電流指令値Irefを適用する。
ここで、SAT推定部41でセルフアライニングトルク推定値SATpを推定する原理は、以下の通りである。
図5では、タイヤが接地面全体において発生する横力はトレッド部の横方向への変形面積(斜線部)となり、セルフアライニングトルクSATがスリップ角を減少させる方向に働く様子を示している。また、図6は、横力の着力点(接地面の中心点)がタイヤの中心線より後方にあることを示している。そして、ニューマチックトレールとキャスタトレールとの加算値がトレールとなる。
なお、重心から後輪までの距離をL2(固定値)、車両重量をm、横加速度をGy、車両慣性モーメントをMo、ヨーレートγの微分値をdγ/dt、ホイールベースをLとしたとき、横力Fyは次式(4)により算出することができる。
Fy=(L2・m・Gy+Mo・dγ/dt)/L ……(4)
一方、図7は横力FyとセルフアライニングトルクSATの特性をスリップ角に対して示す特性図であり、横力FyとSATとはスリップ角に対して非線形な特性となっている。そして、SATは横力Fy×トレールεnであり、キャスタトレールは固定値であることから、セルフアライニングトルクSATの横力Fyに対する非線形特性はニューマチックトレールの変化を直接表すことになる。また、セルフアライニングトルクSATの横力に対する特性は、図6における滑り域が増大し、ニューマチックトレールが減少することによって生じる。
この(5)式で算出されるgがグリップロス度であり、このグリップロス度gにより車両におけるタイヤのグリップ力が失われた度合を推定することができる。
図8は、セルフアライニングトルク検出値SATdとセルフアライニングトルク推定値SATp(横力Fy×トレールεn)とを比較して示す特性図であり、スリップ角が大きくなるにしたがって、セルフアライニングトルクSATが失われる様子を示しており、上記(5)式から算出されるセルフアライニングトルク検出値SATdとセルフアライニングトルク推定値SATpとの差をグリップロス度g(図中網かけ部)として示している。
ゲイン算出部51は、入力されるグリップロス度gをもとに、図9に示すゲイン算出マップを参照してセルフアライニングトルク補償値SATcを補正する補償ゲインKを算出する。ここで、ゲイン算出マップは、図9に示すように、横軸にグリップロス度gをとり、縦軸にSAT補償ゲインKsをとって、グリップロス度gが所定値g1以下であるときにはSAT補償ゲインKsが“1”に維持され、グリップロス度gが所定値g1を超えると、グリップロス度gの増加に伴って比較的大きな変化率でSAT補償ゲインKsが“1”より増加するように設定されている。
まず、トルクセンサ14からの操舵トルクT、車速センサ16からの車速Vx、回転角センサ17からのモータ回転角θm、ヨーレートセンサ42からのヨーレートγ、横加速度センサ43からの横加速度Gyを読込む(ステップS1)。次いで、入力した操舵トルクT及び車速Vxに基づき図3に示す操舵補助電流指令値算出マップを参照して操舵トルクT及び車速Vxに応じた操舵補助電流指令値Irefを算出し(ステップS2)、回転角センサ17からのモータ回転角θmに基づいて電動モータ12の角速度ωmを演算すると共に、角加速度αmを演算する(ステップS3)。
また、電動パワーステアリング機構用コントローラ15は、図11に示すように、車両内のコントローラを接続するネットワークであるCAN(controller area network)80に接続されている。このCAN80には、車両の減速制御、走行安定性制御等を行う車両走行制御用コントローラ81が接続されていると共に、操舵トルクセンサ14、車速センサ16、エンジンのスロットル開度を制御するスロットル開度制御装置82、車両の各輪の制動力を制御するブレーキ制御装置83、車両の前後加速度Gxを検出する前後加速度センサ84、車両に発生するヨーレートを検出するヨーレートセンサ85、操舵角δを検出する操舵角センサ86等が接続されている。そして、電動パワーステアリング機構用コントローラ15は、グリップロス度gを算出する毎に、算出したグリップロス度gを、CAN80を通じて走行制御用コントローラ81へ送信する。
この走行制御処理は、所定時間(例えば10msec)毎のタイマ割込処理として実行し、先ず、ステップS21で、前述した電動パワーステアリング機構用コントローラ15からCAN80を介してグリップロス度gを受信したか否かを判定し、グリップロス度gを受信していない場合には、そのままタイマ割込処理を終了し、グリップロス度を受信したときには、ステップS22へ移行し、グリップロス度gが予め設定した前述した所定閾値g1より大きい値の所定閾値g2以上であるか否かを判定する。
ここで、ステップS24の減速制御処理は、図13に示すように、ステップS31で、グリップロス度gをもとに図14に示す目標減速度算出マップを参照して目標減速度Gx*を算出し、次いでステップS32に移行して、前後加速度センサ84で検出した前後加速度Gxを読込む。次いで、ステップS33に移行して、前後加速度Gxが目標減速度Gx*を下回っているか否かを判定し、Gx>Gx*であるときには減速度が不足しているものと判断してステップS34に移行して、現在のスロットル開度θthから所定値Δθを減算した値を新たなスロットル開度θth(=θth−Δθ)として設定し、次いでステップS35に移行して設定したスロットル開度θthを、CAN80を介してスロットル開度制御装置82に出力してから前記ステップS32に戻る。
ステップS25の走行安定性制御処理は、図15に示すように、ステップS41で、ヨーレートセンサ85で検出したヨーレートγ、車速センサ16で検出した車速Vx、操舵角センサ86で検出した操舵角δを読込み、次いでステップS42に移行して、車速Vx、操舵角δに基づいて下記(6)式の演算を行って規範ヨーレートγ0を算出する。
ここで、T1は時定数、sはラプラス演算子、Aはスタビリティファクタであって次式(7)で表される。また、Lはホイールベース、nはオーバーオールステアリングギヤ比である。
ここで、mは車両重量、Lfは車両重心点と前輪車軸間の水平距離、Lrは車両重心点と後輪車軸間の水平距離、Kfは前輪タイヤのコーナリングパワー、Krは後輪タイヤのコーナリングパワーである。
次に、上記実施形態の動作を説明する。
今、車両が走行状態にあって、直進走行状態又は旋回半径の大きなコーナーを旋回していて、グリップロスが生じていないかグリップロス度gが所定値g1以下であるときには、電動パワーステアリング機構用コントローラ15で、補償ゲインKが“1”に設定され、この補償ゲインKが乗算器52でSAT補償部36から出力されるセルフアライニングトルク補償値SATcに乗算されるので、セルフアライニングトルク補償値SATcがそのまま補正セルフアライニングトルク補償値SATc′として減算器37に入力される。
また、上述のようにグリップロス度が所定値g1以下ある場合には、セルフアライニングトルク補償値SATcの補正は行わないので、グリップロスが発生していないか比較的グリップロスが小さく悪影響を及ぼすことのない状況であるにも関わらず操舵補助力が抑制され、十分な操舵補助力を発生されないことに起因して運転者に違和感を与えることを抑制することができる。
ここで、操舵トルクセンサ14が操舵トルク検出手段に対応し、図10の処理が制御手段に対応し、このうちステップS2の処理が電流指令値演算部に対応し、ステップS4の処理がSAT検出部35(セルフアライニングトルク検出手段)に対応し、ステップS5の処理がSAT補償部36(セルフアライニングトルク補償手段)に対応し、ステップS6の処理がSAT推定部41に対応し、ステップS7の処理がグリップロス度検出部(グリップロス度検出手段)に対応し、ステップS8及びS9の処理が補償値補正部(補償値補正手段)に対応し、ステップS4、S5、S10〜S12の処理が指令値補償部22に対応し、ステップS13の処理がd−q軸電流指令値演算部25に対応し、ステップS14の処理が2相/3相変換部26に対応し、ステップS15の処理が減算器71a〜71cに対応し、ステップS16の処理がPI電流制御部72に対応し、ステップS17の処理がパルス幅変調部73に対応し、図12、図13及び図15の処理が走行特性制御手段に対応している。
さらにまた、上記実施形態においては、車両の横加速度を横加速度センサ43で検出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ステアリング機構SMの操舵角と車速Vxとに基づいて横加速度を推定するようにしてもよい。
つまり、ヨーレートγとスリップ角βと車速Vxと操舵角δとの関係は、次式(6)及び(7)で表すことができる。
mVx・(dβ/dt)
=−[mVx+[(Kf・Lf−Kr・Lr)/Vx]]・γ−(Kf+Kr)・β+Kf・δ/n
……(6)
I・(dγ/dt)
=−[(Kf・Lf2+Kr・Lr2)/Vx]・γ+(−Kf・Lf+Kr・Lr)・β
+Kf・Lf・δ/n
……(7)
さらに、上記実施形態においては、モータ角速度ωm、モータ角加速度αm、操舵トルクT及び操舵補助電流指令値Irefに基づいてセルフアライニングトルクSATを推定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、操舵補助電流指令値Irefに代えて、モータ電流検出部70で検出したモータ電流Ia〜Icを3相/2相変換してq軸電流Iqを算出し、このq軸電流Iqとモータ角加速度αmとに基づいて下記(8)式の演算を行って算出したモータアシストトルクTmaを適用するようにしてもよい。
Tma= Kt・Iq−Jm・αm ……(8)
ここで、Ktはモータのトルク定数、Jmはモータのロータ部の慣性モーメントである。
ωm=(Vm−Im・Rm)/K0 …………(9)
ここで、Rmはモータ巻線抵抗、K0はモータの起電力定数である。
2 ステアリングシャフト
12 電動モータ
14 操舵トルクセンサ
15 電動パワーステアリング機構用コントローラ
17 回転角センサ
19 車速センサ
21 操舵補助電流指令値演算部
22 指令値補償部
23 グリップロス検出部
24 補償値補正部
25 d−q軸電流指令値演算部
26 モータ電流制御部
35 SAT検出部
36 SAT補償部
41 SAT推定部
42 ヨーレートセンサ
43 横加速度センサ
44 横力検出部
51 補償ゲイン算出部
52 乗算器
80 CAN
81 走行制御用コントローラ
82 スロットル開度制御装置
83 ブレーキ制御装置
84 前後加速度センサ
85 ヨーレートセンサ
86 操舵角センサ
100 SAT演算部
101 位相進み補償部
102 ローパスフィルタ
Claims (5)
- 転舵輪を転舵するステアリング機構に入力される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記ステアリング機構に操舵補助力を付与する電動モータと、前記操舵トルクに基づいて操舵補助電流指令値を演算し、演算した操舵補助電流指令値に基づいて前記電動モータを制御する制御手段とを有する電動パワーステアリング制御機構を備えた車両走行制御装置であって、
車両の転舵輪側に発生するセルフアライニングトルクを検出するセルフアライニングトルク検出手段と、ニューマチックトレールの減少に対応して増大するセルフアライニングトルク推定値を算出するセルフアライニングトルク推定手段と、前記セルフアライニングトルク推定値から前記セルフアライニングトルク検出値を減算してタイヤのグリップが失われた度合を表すグリップロス度を検出するグリップロス度検出手段と、該グリップロス度検出手段で検出したグリップロス度に基づいて前記操舵補助電流指令値に対する補償値を演算する補償値演算手段と、該補償値演算手段で演算した補償値に基づいて前記操舵補助電流指令値を補正する補償手段と、前記グリップロス度に基づいて車両の走行特性を制御する走行特性制御手段とを備え、
前記補償値演算手段は、前記操舵補助電流指令値に対してセルフアライニングトルク補償を行うセルフアライニングトルク補償手段、前記操舵補助電流指令値に対して慣性補償を行う慣性補償手段、前記操舵補助電流指令値に対して収斂性補償を行う収斂性補償手段及び前記操舵補助電流指令値に対して摩擦補償を行う摩擦補償手段の少なくとも1つを備え、前記補償手段は、前記グリップロス度に応じて前記セルフアライニングトルク補償値、前記慣性補償値、前記収斂性補償値及び前記摩擦補償値の少なくとも1つを、走行安定性を確保するように補正することを特徴とする車両走行制御装置。 - 電動パワーステアリング機構用コントローラで、前記制御手段、前記グリップロス度検出手段、前記補償値演算手段及び前記補償手段を構成し、走行制御用コントローラで、前記走行特性制御手段を構成し、前記電動パワーステアリング機構用コントローラ及び走行制御用コントローラ間でネットワークを介してグリップロス度を送受信するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の車両走行制御装置。
- 前記走行特性制御手段を、前記グリップロス度に基づいて走行制御目標値を演算する目標値演算手段と、該目標値演算手段で演算された走行制御目標値に基づいて走行制御を実行する走行制御実行手段とで構成し、電動パワーステアリング機構用コントローラで、前記グリップロス度検出手段、前記補償値演算手段、前記補償手段及び前記目標値演算手段を構成し、走行制御用コントローラで、前記走行制御実行手段を構成し、前記電動パワーステアリング機構用コントローラ及び走行制御用コントローラ間でネットワークを介して走行制御目標値を送受信するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の車両走行制御装置。
- 前記走行制御手段を、グリップロス度が所定値以上であるときに、車速を減速制御する減速制御手段で構成したことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の車両走行制御装置。
- 前記走行制御手段を、グリップロス度が所定値以上であるときに車両の走行安定性を制御する走行安定性制御手段で構成したことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の車両走行制御装置。
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