JP6011453B2 - ステアリング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、アシストトルクによって操舵時のフィールを調整するステアリング制御装置に関する。

従来、車両のハンドル操作（操舵）に応じたアシストトルクをモータによって発生させる電動パワーステアリングシステムの一つとして、操舵軸で検出される操舵トルクとモータが加えるアシストトルクから路面反力（路面負荷）を推定し、その推定結果（推定負荷）から生成した目標操舵トルクを生成して、この目標操舵トルクに実際の操舵トルクが一致するようにモータを制御するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平２００４−２０３０８９号公報

この種の装置では、操舵時のフィールを調整する場合、実車での走行時に得られるフィールに基づいて、推定負荷から目標操舵トルクへの変換特性（マップや関数で表される）を変更することが行われている。

ところで、ドライバは、路面反力の変化を、操舵時のフィールの変化から感じ取ることは可能であるが、路面反力が具体的にどの程度の大きさなのかまで感じ取ることは困難である。従って、変換特性を調整する際に、変換特性のどのあたりを増減させればよいのかがわかりにくく、所望のフィールが得られるように適合させるのが難しいという問題があった。

このため、変換特性の評価や調整を実施する際には、路面負荷の推定値を取得し、その取得した推定値から評価や調整の対象となる変換特性の部位の当たりをつけて、作業を進める必要があり、非常に煩わしいという問題があった。

更に、路面反力は、車両の重量等の影響を受けて変化するため、軽自動車と普通自動車など、車両の種類が異なると、変換特性で用意する必要がある推定負荷の範囲も異なったものとなる。従って、同様のフィールを実現する場合でも、車種が違えば変換特性の調整を一からやり直す必要があるという問題もあった。

本発明は、上記問題点を解決するために、操舵時のフィールを評価，調整する作業に要する手間を軽減することを目的とする。

本発明のステアリング制御装置は、可感物理量生成手段と、変換手段と、指令値生成手段とを備える。可感物理量生成手段は、操舵に伴って車両の乗員に体感される現象に関する物理量である可感物理量を生成する。変換手段は、予め設定された変換特性に従って可感物理量を操舵トルクの目標値である目標操舵トルクに変換する。指令値生成手段は、操舵トルクを目標操舵トルクに一致させるようにモータを制御するための指令値を生成する。

このような構成によれば、変換特性が、可感物理量と目標操舵トルクの関係で表現されているため、車両の乗員が体感する現象から可感物理量の大きさ、ひいては変換特性中の該当する部位（評価や調整の対象となる部位）を、車両の乗員に直感的に理解させることができ、その結果、変換特性の評価，調整作業に要する手間を軽減することができる。

また、体感の度合いは車両の諸元とは関係なく決まるため、可感物理量から目標操舵トルクへの変換特性は車種によらず類似したものとなる。従って、ある車両で調整した変換特性を、微調整を行う程度で他の車両に移植することができ、多種多様な車両の評価、調整作業を効率よく行うことができる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

また、本発明は、前述したステアリング制御装置の他、ステアリング制御装置を構成要素とする各種システム、ステアリング制御装置を構成する各手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム、ステアリング制御方法など、種々の形態で実現することができる。

電動パワーステアリングシステムの概略構成を表す構成図である。 ＥＣＵの制御機構の概略構成を表す構成図である。 第１実施形態におけるベースアシスト部の構成を表す構成図である。 換算係数の算出に用いたモデルを表す説明図である。 変換部にて横加速度から目標操舵トルクを生成する際に使用する変換マップの特性を表すグラフであり、（ａ）が軽自動車の場合、（ｂ）が普通自動車の場合である。 第２実施形態におけるベースアシスト部の構成を表す構成図である。 従来装置において推定負荷から目標操舵トルクを生成する際に使用する変換マップの特性を表すグラフであり、（ａ）が軽自動車の場合、（ｂ）が普通自動車の場合である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
＜全体構成＞
本実施形態の電動パワーステアリングシステム１は、図１に示すように、ドライバによるハンドル（操舵部材）２の操作をモータ６によってアシストするものである。ハンドル２は、ステアリングシャフト３の一端に固定され、ステアリングシャフト３の他端にはトルクセンサ４が接続されており、このトルクセンサ４の他端には、インターミディエイトシャフト５が接続されている。なお、以下の説明では、ステアリングシャフト３からトルクセンサ４を経てインターミディエイトシャフト５に至る軸体全体を、まとめて操舵軸ともいう。また、以下では、操舵軸の回転角を舵角、操舵軸の回転角速度を操舵速度ともいう。

トルクセンサ４は、操舵トルクＴｓを検出するためのセンサである。具体的には、ステアリングシャフト３とインターミディエイトシャフト５とを連結するトーションバーを有し、このトーションバーのねじれ角に基づいてそのトーションバーに加えられているトルクを検出する。

モータ６は、ハンドル２の操舵力をアシスト（補助）するものであり、減速機構６ａを介してその回転がインターミディエイトシャフト５に伝達される。すなわち、減速機構６ａは、モータ６の回転軸の先端に設けられたウォームギアと、このウォームギアと噛み合った状態でインターミディエイトシャフト５に同軸状に設けられたウォームホイールとにより構成されており、これにより、モータ６の回転がインターミディエイトシャフト５に伝達される。逆に、ハンドル２の操作や路面からの反力（路面反力）によってインターミディエイトシャフト５が回転すると、その回転が減速機構６ａを介してモータ６に伝達され、モータ６も回転することになる。

また、モータ６は、本実施形態ではブラシレスモータであり、内部にレゾルバ等の回転センサを備え、モータ６の回転状態を出力可能に構成されている。本実施形態のモータ６は、回転センサからの回転状態として、少なくともモータ速度ω（回転角速度を示す情報）を出力可能に構成されている。なお、モータ速度ωの代わりに、モータ速度ωに減速機構６ａのギア比を乗じることで求められる操舵速度を用いてもよい。

インターミディエイトシャフト５における、トルクセンサ４が接続された一端とは反対側の他端は、ステアリングギアボックス７に接続されている。ステアリングギアボックス７は、ラックとピニオンギアからなるギア機構にて構成されており、インターミディエイトシャフト５の他端に設けられたピニオンギアに、ラックの歯が噛み合っている。そのため、ドライバがハンドル２を回すと、インターミディエイトシャフト５が回転（すなわちピニオンギアが回転）し、これによりラックが左右に移動する。ラックの両端にはそれぞれタイロッド８が取り付けられており、ラックとともにタイロッド８が左右の往復運動を行う。これにより、タイロッド８がその先のナックルアーム９を引っ張ったり押したりすることで、操舵輪である各タイヤ１０の向きが変わる。

また、車両における所定の部位には、車速Ｖを検出するための車速センサ１１が設けられている。
このような構成により、ドライバがハンドル２を回転（操舵）させると、その回転がステアリングシャフト３、トルクセンサ４、およびインターミディエイトシャフト５を介してステアリングギアボックス７に伝達される。そして、ステアリングギアボックス７内で、インターミディエイトシャフト５の回転がタイロッド８の左右移動に変換され、タイロッド８が動くことによって、左右の両タイヤ（操舵輪）１０が操舵される。

ＥＣＵ１５は、図示しない車載バッテリからの電力によって動作し、トルクセンサ４にて検出された操舵トルクＴｓ、モータ６のモータ速度ω、および車速センサ１１にて検出された車速Ｖに基づいて、アシストトルク指令Ｔａを演算する。そして、その演算結果に応じた駆動電圧Ｖｄをモータ６へ印加することにより、ドライバがハンドル２を回す力（ひいては両タイヤ１０を操舵する力）のアシスト量を制御するものである。

本実施形態ではモータ６がブラシレスモータであるため、ＥＣＵ１５からモータ６へ出力（印加）される駆動電圧Ｖｄは、詳しくは、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電圧Ｖｄｕ，Ｖｄｖ，Ｖｄｗである。ＥＣＵ１５からモータ６へこれら各相の駆動電圧Ｖｄｕ，Ｖｄｖ，Ｖｄｗを印加（各相の駆動電流を通電）することで、モータ６の回転トルクが制御される。ブラシレスモータを３相の駆動電圧で駆動（例えばＰＷＭ駆動）する方法やその３相の駆動電圧を生成する駆動回路（例えば３相インバータ）についてはよく知られているため、ここではその詳細説明は省略する。

ＥＣＵ１５は、直接的にはモータ６へ印加する駆動電圧Ｖｄを制御することによりモータ６を制御するものであるが、モータ６を制御することで結果としてそのモータ６により駆動される操舵系メカ１００を制御するものであると言え、よってＥＣＵ１５の制御対象はこの操舵系メカ１００であると言える。なお、操舵系メカ１００は、図１に示したシステム構成図のうちＥＣＵ１５を除く機構全体、すなわちハンドル２から各タイヤ１０に至る、ハンドル２の操舵力が伝達される機構全体を示す。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ１５は、図２に示すように、ベースアシスト指令Ｔｂ^*を生成するベースアシスト部２０と、補正トルク指令Ｔｒを生成する補正部３０と、ベースアシスト指令Ｔｂ^*と補正トルク指令Ｔｒを加算することによりアシストトルク指令Ｔａを生成する加算器４１と、アシストトルク指令Ｔａに基づいてモータ６へ駆動電圧Ｖｄを印加することによりモータ６を通電駆動する電流フィードバック（ＦＢ）部４２と、を備えている。

ベースアシスト部２０は、操舵トルクＴｓと車速Ｖに基づき、ハンドル２の操作をアシストするための、ベースアシスト指令Ｔｂ^*を生成する。ベースアシスト部２０は、横加速度（路面反力よって結果的に生じる車両状態）に応じた操舵反力（操舵トルク）の特性の実現、すなわち車両状態や路面状態に対応した反応（反力）が準定常的にドライバへ伝達されるようにすることで車両の状態や路面の状態をドライバが把握しやすくなるようにすると共に、ドライバに与える手感（ハンドルからタイヤまでの感覚的硬さ，ねばり，重さ）を調整することで操舵時のフィールを向上させることを実現するためのブロックである。

補正部３０は、ドライバのハンドル操作に対する車両運動特性や操舵メカ系の伝達を、ドライバの意図に沿うように（具体的には車両が適切に収斂するとか、スムーズな車両旋回を発生させるなど）するためのブロックである。補正部３０は、操舵トルクＴｓとモータ速度ωと車速Ｖに基づき、上述した不安定な挙動を抑制（収斂）するための補正トルク指令Ｔｒを生成する。

加算器４１は、ベースアシスト部２０で生成されたベースアシスト指令Ｔｂ^*と補正部３０で生成された補正トルク指令Ｔｒとを加算することにより、アシストトルク指令Ｔａを生成する。

電流ＦＢ部４２は、アシストトルク指令Ｔａに基づき、そのアシストトルク指令Ｔａに対応したアシストトルク（アシスト操舵力）が操舵軸（特にトルクセンサ４よりもタイヤ１０側）に付与されるようにモータ６へ駆動電圧Ｖｄを印加する。具体的には、アシストトルク指令Ｔａに基づいて、モータ６の各相へ通電すべき目標電流（相毎の目標電流）を設定する。そして、各相の通電電流Ｉｍを検出・フィードバックして、その検出値（各相の通電電流Ｉｍ）がそれぞれ目標電流と一致するように駆動電圧Ｖｄを制御（通電電流を制御）することで、操舵軸に対して所望のアシストトルクを発生させる。

なお、このような補正部３０および電流ＦＢ部４２は公知の技術（例えば、特開２０１３−５２７９３号公報参照）であるため、ここでは説明を省略し、以下では、本発明の主要部に関わるベースアシスト部２０について詳述する。

＜ベースアシスト部＞
ベースアシスト部２０は、図３に示すように、横加速度推定部２１と、目標生成部２２と、偏差演算器２３と、コントローラ部２４とを備えている。

横加速度推定部２１は、ベースアシスト指令Ｔｂ^*と操舵トルクＴｓとに基づいて車両に加わる横方向の加速度である横加速度（いわゆる横Ｇ）Ａｙを推定する。具体的には、横加速度推定部２１は、ベースアシスト指令Ｔｂ^*と操舵トルクＴｓとの加算値に、予め設定された換算係数Ｋtrnsを乗じることで横加速度Ａｙを算出する。

目標生成部２２は、横加速度推定部２１にて推定された横加速度Ａｙと自車両の走行速度（車速Ｖ）とに基づいて、操舵トルクの目標値である目標操舵トルクＴidを生成する。その詳細については後述する。偏差演算器２３は、操舵トルクＴｓと目標操舵トルクＴidとの差であるトルク偏差を演算する。コントローラ部２４は、トルク偏差に基づき、トルク偏差が０になるよう、すなわち操舵トルクＴｓが目標操舵トルクＴidに追従するようなアシストトルク（アシスト量ともいう）を発生させるためのベースアシスト指令Ｔｂ^*を生成する。具体的には、コントローラ部２４は、トルク偏差に比例して目標操舵トルクＴidを変化させる比例成分を生成する比例制御器２４１と、トルク偏差の時間積分に比例して目標操舵トルクＴidを変化させる積分成分を生成する積分制御器２４２と、トルク偏差の微分に比例して目標操舵トルクＴidを変化させる微分成分を生成する微分制御器２４３と、比例成分、積分成分、微分成分を加算してベースアシスト指令Ｔｂ^*を生成する指令値演算器２４４とを備え、いわゆるＰＩＤ制御を実現するように構成されている。

＜目標生成部＞
目標生成部２２は、符号抽出器２２２と、絶対値演算器２２３と、目標演算器２２４と、符号付加器２２５とを備え、可感物理量である横加速度Ａｙに応じてドライバがハンドル操作を重いまたは軽いと感じることができ、しかも、横加速度Ａｙの上昇に対するドライバの操舵反力（或いは操舵トルク）の上昇度合い（勾配）が所望の大きさとなるようにするための（すなわち、所望の操舵特性を実現するための）、目標操舵トルクＴidを生成する。

符号抽出器２２２は、横加速度推定部２１で生成された横加速度Ａｙの符号を抽出し、絶対値演算器２２３は、横加速度の絶対値｜Ａｙ｜を求める。目標演算器２２４は、予め設定された変換マップを用いて、横加速度の絶対値｜Ａｙ｜の大きさに応じた目標操舵トルクの絶対値｜Ｔid｜を求める。符号付加器２２５は、目標演算器２２４が出力する目標操舵トルクの絶対値｜Ｔid｜に、符号抽出器２２２で抽出された符号を乗じた結果を、目標操舵トルクＴidとして出力する。

目標演算器２２４で使用される変換マップは、横加速度の絶対値｜Ａｙ｜に対応する目標操舵トルクの絶対値｜Ｔid｜を、予め設定された複数種類の車速Ｖ毎にマップ化したものである（図５参照）。目標演算器２２４では、マップ化された車速Ｖ以外の車速では、マップの値から補間して目標操舵トルクの絶対値｜Ｔid｜を求めている。

＜換算係数の導出＞
ここで、横加速度推定部２１で使用する換算係数Ｋtrnsの導出方法について説明する。
図４（ａ）は、前輪が操舵される車両を表す簡易的なモデルであり、このモデルから（１）（２）式が得られる。

但し、Ｉｚはヨー慣性モーメント、γはヨーレート、γ’はヨーレートを微分したヨー角加速度、Ｌｆは前輪と重心間の距離、Ｌｒは後輪と重心間の距離、ＦyfとＦyrは、タイヤスリップ角αｆとαｒで発生するタイヤ横力、Ｍは車両重量、Ａｙは横加速度（横Ｇ）である。ホイールベースをＬ（＝Ｌｆ＋Ｌｒ）として、（１）（２）式からＦyrを消去すると（３）式が得られる。

図４（ｂ）は、ハンドルの回転がタイヤの転舵に至るまでの機械的な接続をモデル化したものである。ハンドルとモータによって操舵軸に加わるトルクＴｘは、（４）式に示すように、操舵トルクＴｓとアシストトルク指令Ｔａ^*の和で近似することができる。

このトルクＴｘがピニオン半径Ｎｐのピニオンを回転させる。これにより、トルクＴｘはラック＆ピニオン機構によってラック推力Ｆｒに変換され、タイヤに伝達される。実際には、左右輪があるが、図では１輪にまとめて表現している。

ラック推力Ｆｒにより、タイヤの転舵中心でタイヤを転舵させようとするトルクＦｒ・ａが発生し、一方で、タイヤ横力Ｆyfにより、その接地面における作用力中心でタイヤの転舵を復元させようというトルク（セルフアライニングトルク）Ｆyf・ｂが発生する。なお、ａは転舵中心からラック推力Ｆｒの作用点までの距離、ｂは転舵中心からタイヤ接地面までの距離を表す。

機械的な慣性や摩擦、距離ａ，ｂの変動を無視した近似式は、（５）（６）式で表される。

（３）〜（６）式より、横加速度Ａｙは（７）式で推定することができる。

（７）式の右辺第２項には、ヨー角加速度γ’という過渡項が含まれているので、静的にはこれを無視することができる。つまり、右辺第２項を無視した場合、横加速度ＡｙとトルクＴｘ（＝Ｔｓ＋Ｔａ^*）には比例関係があることがわかる。この（７）式で定義される比例係数を、横加速度推定部２１における換算係数Ｋtrnsとして使用する。換算係数Ｋtrnsは、車両設計緒元から求めてもよいし、詳細な諸元が得られない場合は、走行試験によってトルクＴｘと横加速度Ａｙの計測し、その計測結果を一次関数（直線グラフ）で近似したときのグラフの傾きから求めてもよい。

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態では、操舵軸に加わるトルクＴｘに応じて車両に加わる横加速度Ａｙを推定し、その推定した横加速度Ａｙから目標操舵トルクＴidへの変換特性を表す変換マップを用いて、目標操舵トルクＴidを生成するように構成されている。

従って、本実施形態によれば、操舵時に所望のフィールが得られるように、実車を使って変換マップを評価，調整する際に、作業者（車両の乗員）は、横加速度Ａｙという体感可能な身近な情報を頼りに評価，調整を実施することができ、また、変換マップ中で評価や調整の対象となる部分を直感的に理解することができるため、評価，調整作業に要する手間を軽減することができる。

ここで、図５は、横加速度Ａｙから目標操舵トルクＴidを求める際に使用する変換マップの特性を表すグラフである。但し、（ａ）は、車両Ａ（軽乗用車）で使用する変換マップであり、（ｂ）は車両Ｂ（普通乗用車）で使用する換算マップである。また、それぞれ、個々に実車を使用して、操舵時に同様のフィールが得られるように調整を行った結果を示す。

図示されているように、横スケールがトルクＴｘである従来の変換マップ（図７参照）と比較して、横スケールが横加速度Ａｙである本実施形態での変換マップは、車種によらず、グラフの形状（初期の反力の立ち上がりや、その後の反力の上昇度合い等）が非常に類似したものとなる。

これは、車両を構成するプラットフォーム、タイヤサイズ、ナックルアーム諸元、車両重量等がそれぞれ異なることによって車種毎（場合によっては車両毎）に生じる、推定負荷Ｔｘから目標操舵トルクＴidへの変換特性の相違を、本実施形態では、換算係数Ｋtrnsで吸収しているため、換算後のパラメータ（ここでは横加速度Ａｙ）から目標操舵トルクＴidへの変換特性（変換マップ）は、車両の種類によらず類似したものとなると考えられる。

但し、この変換マップだけで動的な特性が一意に決まるわけではないため、ある車両で調整した変換マップを、異なる種類の車両にそのまま移植することができるわけではないが、例えば、全ての車種に共通した基本的な操舵フィールを作り上げることは可能である。

従って、一つの車両で調整されたマップがあれば、異なる車種に移植して最初にデフォルト値として設定して使用し、そこから適宜、必要な微調整を加えていけば、効率よく操舵フィールを仕上げることができる。なお、このような微調整は、車両毎のコンセプトに合わせた味付けを変えることに他ならない。

［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明する。
本実施形態では、ベースアシスト部２０ａの構成が上記実施形態におけるベースアシスト部２０とは一部構成が異なるだけである。このため、以下では、ベースアシスト部２０ａについて、ベースアシスト部２０と同一の構成要素については、同一符号を付して説明を省略して、構成の相違する部分を中心に説明する。

図６に示すように、ベースアシスト部２０ａでは、横加速度推定部２１の代わりに横加速度センサ２１ａを備えており、目標生成部２２は、横加速度センサ２１ａで検出された横加速度Ａｙから目標操舵トルクＴidを生成するように構成されている。

本実施形態によれば、第１実施形態のものと同様の効果を得ることができる。
［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。

上記実施形態では、可感物理量として横加速度Ａｙを用いているが、これに限るものではなく、操舵に伴って体感される現象を表す物理量であれば、他のものを用いてもよい。
上記実施形態では、ベースアシスト部２０で生成されたベースアシスト指令Ｔｂ^*に補正部３０で生成された補正トルク指令Ｔｒを加えたものを電流ＦＢ部４２に供給するアシストトルク指令Ｔａとしているが、補正部３０を省略し、ベースアシスト指令Ｔｂ^*をそのままアシストトルク指令Ｔａとするように構成してもよい。

上記実施形態では、横加速度推定部２１において、ベースアシスト指令Ｔｂ^*と操舵トルクＴｓから横加速度Ａｙを生成しているが、ベースアシスト指令Ｔｂ^*の代わりに電流ＦＢ部４２で検出される通電電流Ｉｍを用いてもよい。

１…電動パワーステアリングシステム １５…ＥＣＵ ２０，２０ａ…ベースアシスト部 ２１…横加速度推定部 ２１ａ…横加速度センサ ２２…目標生成部 ２３…偏差演算器 ２４…コントローラ部 ３０…補正部 ４１…加算器 ４２…電流フィードバック（ＦＢ）部 ２２２…符号抽出器 ２２３…絶対値演算器 ２２４…目標演算器 ２２５…符号付加器 ２４１…比例制御器 ２４２…積分制御器 ２４３…微分制御器 ２４４…指令値演算器

Claims (3)

1. 操舵部材（２）に連結された操舵軸（３，５）に加わる操舵トルクに応じたアシストトルクをモータ（６）によって出力することで操舵特性を制御するステアリング制御装置（１５）であって、
   操舵に伴って車両の乗員に体感される現象に関する物理量として、車両が受ける横方向の加速度である横加速度を生成する横加速度生成手段（２１，２１ａ）と、
   予め設定された変換特性に従って前記横加速度を前記操舵トルクの目標値である目標操舵トルクに変換する変換手段（２２）と、
   前記操舵トルクを前記目標操舵トルクに一致させるように前記モータを制御するための指令値を生成する指令値生成手段（２３，２４）と、
   を備えることを特徴とするステアリング制御装置。
2. 前記横加速度生成手段（２１）は、前記アシストトルクと前記操舵トルクとに基づき、演算によって前記横加速度を生成することを特徴とする請求項１に記載のステアリング制御装置。
3. 前記横加速度生成手段（２１ａ）は、車両に搭載されたセンサによって、前記横加速度を生成することを特徴とする請求項１に記載のステアリング制御装置。