JP6528910B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電流指令値に基づくモータの駆動制御によって操舵系に対してアシスト制御及び舵角制御を行うことにより、自動操舵も可能とする電動パワーステアリング装置に関し、特に自動操舵中に運転者により操舵介入が行われても、安全で且つ違和感の低減が可能な電動パワーステアリング装置に関する。
車両の操舵系にモータの回転力で操舵補助力(アシストトルク)を付与する電動パワーステアリング装置(EPS)は、モータの駆動力を、減速機構を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力として付与し、アシスト制御するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値(電流指令値)とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にPWM(パルス幅変調)制御のデューティの調整で行っている。
電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図1に示して説明すると、ハンドル1のコラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)2は減速機構を構成する減速ギア(ウォームギア)3、ユニバーサルジョイント4a及び4b、ピニオンラック機構5、タイロッド6a,6bを経て、更にハブユニット7a,7bを介して操向車輪8L,8Rに連結されている。また、コラム軸2にはトーションバーが介挿されており、トーションバーの捩れ角によりハンドル1の操舵角θを検出する舵角センサ14、操舵トルクTtを検出するトルクセンサ10が設けられており、ハンドル1の操舵力を補助するモータ20が減速ギア3を介してコラム軸2に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット(ECU)30には、バッテリ13から電力が供給されると共に、イグニションキー11を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット30は、トルクセンサ10で検出された操舵トルクTtと車速センサ12で検出された車速Vとに基づいてアシスト制御指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Vrefによってモータ20に供給する電流を制御する。
なお、舵角センサ14は必須のものではなく、配設されていなくても良く、また、モータ20に連結されたレゾルバ等の回転角センサから操舵角を取得することも可能である。
コントロールユニット30には、車両の各種情報を授受するCAN(Controller Area Network)40が接続されており、車速VはCAN40から受信することも可能である。また、コントロールユニット30には、CAN40以外の通信、アナログ/ディジタル信号、電波等を授受する非CAN41も接続可能である。
コントロールユニット30は主としてCPU(MPUやMCU等も含む)で構成されるが、そのCPU内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図2のようになる。
図2を参照してコントロールユニット30を説明すると、トルクセンサ10で検出された操舵トルクTt及び車速センサ12で検出された(若しくはCAN40からの)車速Vは、電流指令値Iref1を演算する電流指令値演算部31に入力される。電流指令値演算部31は、入力された操舵トルクTt及び車速Vに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ20に供給する電流の制御目標値である電流指令値Iref1を演算する。電流指令値Iref1は加算部32Aを経て電流制限部33に入力され、最大電流を制限された電流指令値Irefmが減算部32Bに入力され、フィードバックされているモータ電流Imとの偏差I(=Irefm−Im)が演算され、その偏差Iが操舵動作の特性改善のためのPI(比例積分)制御部35に入力される。PI制御部35で特性改善された電圧制御指令値VrefがPWM制御部36に入力され、更にインバータ37を介してモータ20がPWM駆動される。モータ20のモータ電流Imはモータ電流検出器38で検出され、減算部32Bにフィードバックされる。インバータ37は、半導体スイッチング素子としてのFETのブリッジ回路で構成されている。
モータ20にはレゾルバ等の回転角センサ21が連結されており、回転角センサ21から回転角θが検出されて出力される。
また、加算部32Aには補償信号生成部34からの補償信号CMが加算されており、補償信号CMの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部34は、セルフアライニングトルク(SAT)34Cと慣性34Bを加算部34Dで加算し、その加算結果に更に収れん性34Aを加算部34Eで加算し、加算部34Eの加算結果を補償信号CMとしている。
近年、車両の自動運転技術の研究開発が進められており、その中の自動操舵において、電動パワーステアリング装置(EPS)を応用する提案がなされている。EPSにより自動操舵を実現する場合、従来のEPSが実行しているアシスト制御のための機構と、車両が所望の方向に走行するように操舵系を制御する舵角制御のための機構を独立して保有し、これらの出力を調整可能とする構成が一般的となっている。また、舵角制御では、操舵角の制御目標である舵角指令に対する応答性及び路面反力等に対する外乱抑圧性で優れた性能をもつ位置速度制御が用いられており、例えば、位置制御ではP(比例)制御、速度制御ではPI(比例積分)制御が採用されている。
アシスト制御と舵角制御を独立して実行し、双方からの出力である指令値を切り換えて全体の制御を行う場合、スイッチ等により急に切り換えてしまうと、指令値が急変動し、ハンドル挙動が不自然になり、運転者へ違和感を与えるおそれがある。特開2004−17881号公報(特許文献1)では、この問題への対応として、トルク制御方式(アシスト制御に相当)と回転角制御方式(舵角制御に相当)の切り換えにおいて、双方からの指令値それぞれに係数(自動化係数及び手動化係数)を乗算して加算した値を最終指令値とし、この係数を徐々に変化させることにより、指令値の急変動を抑制するようにしている。また、回転角制御方式での位置制御ではP制御、速度制御ではPI制御を使用している。
特許第3917008号公報(特許文献2)では、設定操舵角に従ってハンド操作を自動で行い、特に駐車支援を目的とした自動操舵制御装置が提案されている。この装置では、トルク制御モード(アシスト制御に相当)と駐車支援モード(舵角制御に相当)が切り換えられるようになっており、駐車支援モードでは、予め記憶された駐車データを使用して制御を行っている。そして、駐車支援モードでの位置制御ではP制御、速度制御ではPI制御を行っている。
特許第3912279号公報(特許文献3)はEPSを直接応用したものではないが、自動操舵モードへの切り換えにより舵角制御を開始する際に、操舵速度(舵角速度)を緩やかに増加させることにより、開始時のハンドル急変動による運転者への違和感を低減している。
特開2004−17881号公報 特許第3917008号公報 特許第3912279号公報
しかしながら、特許文献1では、方式の切り換え中は舵角制御に対する指令値(舵角制御指令値)が係数により制限されて最終指令値に出力されるので、制限された分だけ最終指令値が小さくなってしまう。この制限により、舵角制御指令値から算出される舵角速度に対する指令値(舵角速度指令値)に対して、モータの実速度が遅くなってしまうので、舵角速度指令値と実速度の間に偏差が発生し、速度制御内のI(積分)制御の積分値が蓄積しまうことになり、速度制御から更に大きな舵角制御指令値が出力されてしまうことになる。この結果、アシスト制御に対する指令値(アシスト制御指令値)に乗算する係数が徐々に大きくなっていく状態では、係数による制限が緩和されていくので、係数が大きくなるに従って舵角制御指令値が過剰な値となり、ハンドルが舵角速度指令値に対して過剰に反応し、引っ掛かり感等の違和感や不快感を運転者に与えるおそれがある。
また、特許文献1では、位置制御にP制御、速度制御にPI制御を使用しており、舵角制御中に運転者による手入力の介入があった場合、舵角制御は舵角制御指令値に追従するように動作するので、舵角制御からアシスト制御への切換動作が行われるまで、手動により操舵することが困難となる。また、手入力検出や切換動作により時間的な遅れが発生し、運転者による操舵介入の動作を十分に行うことができないおそれがある。
特許文献2でも、位置制御にP制御、速度制御にPI制御を用いた舵角制御を行っている。車両において舵角制御を行う場合、車速、摩擦及び路面反力の変化等により外乱や負荷状況が大きく変化するため、装置は、それらに対して耐性がある制御構成でなければならない。しかし、特許文献2記載の装置の制御構成のみでは、例えば路面反力が変化した場合や、目標操舵角が素早く変化した場合に、ステアリングホイールのマスとトーションバーによるバネによる固有振動により振動が発生し、それを運転者が違和感や不快感として感じるおそれがある。
特許文献3では、舵角制御開始時に徐々に舵角速度を増加させているが、増加が始まると舵角速度の上限値に達するまで増加し続けるので、I制御の積分値が過剰に蓄積してしまう。その結果、舵角制御指令値が過剰な値となり、ハンドルが舵角速度指令値に対して過剰に反応し、運転者に違和感を与えてしまうおそれがある。
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、自動操舵中に運転者により操舵介入が行われても手動操舵を実現し、運転者による緊急操舵時の安全性をより確保した、アシスト制御と舵角制御を両立した電動パワーステアリング装置を提供することにある。また、自動操舵から手動操舵への切換時の引っ掛かり感等の運転者への違和感や不快感を低減する。
本発明は、電流指令値に基づいてモータを駆動し、前記モータの駆動制御によって操舵系に対してアシスト制御及び舵角制御を行う電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、少なくとも舵角指令値及び実操舵角に基づいて、前記舵角制御のための舵角制御電流指令値を演算する舵角制御部と、手入力の判定に基づいて操舵状態を判定し、前記操舵状態の切換を行う切換判定/徐変ゲイン生成部とを備え、前記切換判定/徐変ゲイン生成部は、操舵トルクに対して閾値を用いて前記手入力の判定を行う手入力判定部を具備し、少なくとも前記舵角制御電流指令値を用いて前記電流指令値を演算することにより達成される。
更に、本発明の上記目的は、前記手入力判定部が、平滑化フィルタで平滑化される前記操舵トルクに対して前記閾値を用いて前記手入力の判定を行うことにより、或いは、前記手入力判定部が、前記操舵トルクに対して複数の前記閾値を用い、手入力ありの判定結果として複数の判定結果を有することにより、或いは、前記手入力判定部が、特性が異なる複数の平滑化フィルタを有し、前記平滑化フィルタそれぞれで前記操舵トルクを平滑化して複数の平滑化操舵トルクを求め、前記平滑化操舵トルクそれぞれに対して前記閾値を用いて前記手入力の判定を行うことにより、或いは、前記手入力判定部が、少なくとも1つの前記平滑化操舵トルクに対して複数の前記閾値を用い、手入力ありの判定結果として複数の判定結果を有することにより、或いは、前記切換判定/徐変ゲイン生成部が、動作モードをアシスト制御モード又は舵角制御モードに切り換える切換信号及び前記手入力判定部の判定結果に基づいて前記操舵状態を判定する操舵状態判定部と、前記操舵状態に応じて、前記アシスト制御の制御量及び前記舵角制御の制御量を調整する徐変ゲインを生成する徐変ゲイン生成部とを具備することにより、或いは、前記操舵状態判定部が、前記切換信号が前記アシスト制御モードの場合、又は、直前の前記操舵状態が自動操舵1若しくは自動操舵2であり、且つ前記判定結果が手入力あり3の場合、前記操舵状態を手動操舵と判定することにより、或いは、前記操舵状態判定部が、直前の前記操舵状態が前記手動操舵又は前記自動操舵2であり、且つ前記切換信号が前記舵角制御モードであり、且つ前記判定結果が手入力なしの場合、前記操舵状態を前記自動操舵1と判定することにより、或いは、前記徐変ゲイン生成部が、前記自動操舵1に対して所定の第1ゲイン値を前記徐変ゲインに設定し、前記手動操舵に対して所定の第2ゲイン値を前記徐変ゲインに設定し、前記操舵状態が前記自動操舵1に変わった場合、前記徐変ゲインを前記第1ゲイン値に遷移させ、前記操舵状態が前記手動操舵に変わった場合、前記徐変ゲインを前記第2ゲイン値に遷移させることにより、より効果的に達成される。
また、本発明の上記目的は、少なくとも舵角指令値及び実操舵角に基づいて、前記舵角制御のための舵角制御電流指令値を演算する舵角制御部と、手入力の判定に基づいて操舵状態を判定し、前記操舵状態の切換を行う切換判定/徐変ゲイン生成部とを備え、前記切換判定/徐変ゲイン生成部は、前記舵角指令値に基づいて推定される推定操舵角と前記実操舵角の誤差に対して誤差閾値を用いて前記手入力の判定を行う第1判定部を具備する手入力判定部を備え、少なくとも前記舵角制御電流指令値を用いて前記電流指令値を演算することにより達成される。
更に、本発明の上記目的は、前記第1判定部が、特性が異なる複数の誤差用平滑化フィルタを有し、前記誤差用平滑化フィルタそれぞれで前記誤差を平滑化して複数の平滑化誤差を求め、前記平滑化誤差それぞれに対して前記誤差閾値を用いて前記手入力の判定を行うことにより、或いは、前記第1判定部が、少なくとも1つの前記平滑化誤差に対して複数の前記誤差閾値を用い、手入力ありの判定結果として複数の判定結果を有することにより、或いは、前記手入力判定部が、操舵トルクに対してトルク閾値を用いて前記手入力の判定を行う第2判定部を更に具備することにより、或いは、前記第2判定部が、特性が異なる複数のトルク用平滑化フィルタを有し、前記トルク用平滑化フィルタそれぞれで前記操舵トルクを平滑化して複数の平滑化操舵トルクを求め、前記平滑化操舵トルクそれぞれに対して前記トルク閾値を用いて前記手入力の判定を行うことにより、或いは、前記第2判定部が、少なくとも1つの前記平滑化操舵トルクに対して複数の前記トルク閾値を用い、手入力ありの判定結果として複数の判定結果を有することにより、或いは、前記切換判定/徐変ゲイン生成部が、動作モードをアシスト制御モード又は舵角制御モードに切り換える切換信号、前記第1判定部の第1判定結果及び前記第2判定部の第2判定結果に基づいて前記操舵状態を判定する操舵状態判定部と、前記操舵状態に応じて、前記アシスト制御の制御量及び前記舵角制御の制御量を調整する徐変ゲインを生成する徐変ゲイン生成部とを具備することにより、或いは、前記操舵状態判定部が、前記切換信号が前記アシスト制御モードの場合、又は、直前の前記操舵状態が自動操舵1若しくは自動操舵2であり、且つ前記第1判定結果若しくは前記第2判定結果が手入力あり3の場合、前記操舵状態を手動操舵と判定することにより、或いは、前記操舵状態判定部が、直前の前記操舵状態が前記手動操舵又は前記自動操舵2であり、且つ前記切換信号が前記舵角制御モードであり、且つ前記第1判定結果及び前記第2判定結果が手入力なしの場合、前記操舵状態を前記自動操舵1と判定することにより、或いは、前記徐変ゲイン生成部が、前記自動操舵1に対して所定の第1ゲイン値を前記徐変ゲインに設定し、前記手動操舵に対して所定の第2ゲイン値を前記徐変ゲインに設定し、前記操舵状態が前記自動操舵1に変わった場合、前記徐変ゲインを前記第1ゲイン値に遷移させ、前記操舵状態が前記手動操舵に変わった場合、前記徐変ゲインを前記第2ゲイン値に遷移させることにより、或いは、前記徐変ゲイン生成部が、前記舵角指令値に対して乗算される舵角指令徐変ゲインを生成し、前記操舵状態が前記自動操舵2に変わった場合、前記舵角指令徐変ゲインを前記第2ゲイン値に遷移させることにより、より効果的に達成される。
本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、手入力判定を利用して操舵状態の切換を行っているので、自動操舵中に操舵介入があっても安全で且つ違和感を低減でき、また違和感を抑えた自動操舵から手動操舵への切換が可能である。
電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置のコントロールユニット(ECU)の構成例を示すブロック図である。 本発明に関わる車両システム全体の構成例(第1実施形態)を示すブロック図である。 切換判定/徐変ゲイン生成部の構成例(第1実施形態)を示すブロック図である。 手入力判定部の構成例(第1実施形態)を示すブロック図である。 操舵状態に応じた徐変ゲインの変化例を示すグラフである。 舵角制御部及び切換部の構成例(第1実施形態)を示すブロック図である。 舵角指令値可変制限部での制限値の例を示す特性図である。 位置制御部の構成例を示すブロック図である。 位置制御部のFFフィルタゲインの車速に対する変化例を示す特性図である。 操舵介入補償部の構成例を示すブロック図である。 操舵介入補償部での操舵トルクに対する不感帯の設定例を示す特性図である。 操舵介入補償マップの例を示す特性図である。 速度指令値可変制限部での制限値の例を示す特性図である。 舵角速度制御部の構成例(第1実施形態)を示すブロック図である。 ハンドル制振部の構成例を示すブロック図である。 舵角制御電流指令値制限部での制限値の例を示す特性図である。 EPS側ECUの動作例を示すフローチャートである。 切換判定/徐変ゲイン生成部の動作例(第1実施形態)を示すフローチャートである。 舵角制御部の動作例(第1実施形態)の一部を示すフローチャートである。 舵角制御部の動作例(第1実施形態)の一部を示すフローチャートである。 シミュレーションで使用する運転者の操舵モデルの例を示すブロック図である。 操舵介入補償に関するシミュレーションでの目標角度、実操舵角及び操舵トルクの時間応答の例を示すグラフである。 操舵介入補償に関するシミュレーションでの実操舵角及び操舵トルクの変化例を示すグラフである。 不感帯に関するシミュレーションでの目標角度、実操舵角及び操舵トルクの時間応答の例を示すグラフである。 不感帯に関するシミュレーションでの操舵トルクの時間応答の結果を示すグラフである。 舵角指令値に対する追従性に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 規範モデル及びFFフィルタに関するシミュレーションでの舵角速度指令値から実操舵角までの伝達関数の周波数特性例を示す特性図である。 規範モデル及びFFフィルタに関するシミュレーションでの各伝達関数の周波数特性例を示す特性図である。 規範モデル及びFFフィルタに関するシミュレーション結果を示すグラフである。 ハンドル振動に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 操舵状態移行時の目標舵角速度、徐変ゲイン及び制限値の変化例(第1実施形態)を示すグラフである。 手入力判定部の構成例(第2実施形態)を示すブロック図である。 切換判定/徐変ゲイン生成部の動作例(第2実施形態)を示すフローチャートである。 本発明に関わる車両システム全体の構成例(第3実施形態)を示すブロック図である。 切換判定/徐変ゲイン生成部の構成例(第3実施形態)を示すブロック図である。 手入力判定部の構成例(第3実施形態)を示すブロック図である。 切換判定/徐変ゲイン生成部の動作例(第3実施形態)の一部を示すフローチャートである。 切換判定/徐変ゲイン生成部の動作例(第3実施形態)の一部を示すフローチャートである。 本発明に関わる車両システム全体の構成例(第4実施形態)を示すブロック図である。 舵角制御部及び切換部の構成例(第4実施形態)を示すブロック図である。 運転者による操舵介入発生時の手入力判定結果及び操舵状態の変化の様子の例を示すイメージ図である。 徐変ゲイン生成部の動作例(第4実施形態)を示すフローチャートである。 可変レート制限部の動作例(第4実施形態)を示すフローチャートである。 舵角速度制御部の構成例(第5実施形態)を示すブロック図である。 舵角速度制御部の構成例(第6実施形態)を示すブロック図である。 操舵状態移行時の目標舵角速度、徐変ゲイン及び制限値の変化例(第7実施形態)を示すグラフである。
本発明に係る電動パワーステアリング装置(EPS)は、従来のEPSの機能であるアシスト制御と、自動運転における自動操舵で必要となる舵角制御を行う。アシスト制御及び舵角制御は、それぞれアシスト制御部及び舵角制御部で実行され、各部から出力されるアシスト制御電流指令値及び舵角制御電流指令値を用いて、モータを駆動制御するための電流指令値を演算する。自動操舵(自動操舵状態)では舵角制御とアシスト制御の両方が実行され、運転者が操舵に関与する手動操舵(手動操舵状態)ではアシスト制御が実行される。自動操舵と手動操舵の切換は、一般的には車両に搭載されているコントロールユニット(ECU)等からの切換信号によって実行されるが、自動操舵中に運転者より操舵介入が発生した場合でも、迅速且つスムーズに手動操舵に移行するように、本発明では操舵トルク及び/又は推定舵角と実操舵角の誤差に基づいて手入力判定を行い、その判定結果も使用して自動操舵と手動操舵の切換判定を行い、更に切換動作を行う。切換判定は、切換判定/徐変ゲイン生成部で行われる。また、自動操舵中での操舵介入により発生する違和感を軽減するために、操舵トルクに応じた操舵介入補償を行うことも可能である。具体的には、操舵介入補償部で求められた補償値(補償舵角速度指令値)により、舵角速度指令値を補償する。
以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
先ず、本発明に係る電動パワーステアリング装置を含む車両システム全体について説明する。
図3は本発明に関わる車両システム全体の構成例(第1実施形態)を示しており、車両に搭載されるECU(以下、「車両側ECU」とする)100、EPSに搭載されるECU(以下、「EPS側ECU」とする)200、及びプラント400からなる。
車両側ECU100は、車両状態量検出部110、切換指令部120、目標軌道演算部130及び車両運動制御部140を備える。
車両状態量検出部110は、車載カメラ、距離センサ、角速度センサ、加速度センサ等から検出されるデータを車両状態量Cvとして、切換指令部120、目標軌道演算部130及び車両運動制御部140に出力する。
切換指令部120は、車両状態量Cvと共に、動作モードを切り換えるための信号Sgをダッシュボード等に設けられたボタンやスイッチ等から入力し、切換信号SWをEPS側ECU200に出力する。動作モードには「アシスト制御モード」と「舵角制御モード」があり、「アシスト制御モード」は手動操舵に対応したモードであり、「舵角制御モード」は自動操舵に対応したモードである。運転者の意思を示す信号Sgの値を基に、車両状態量Cv中の各データの値を加味して動作モードを決定し、決定した動作モードを切換信号SWとして出力する。
目標軌道演算部130は、車両状態量Cvに基づいて、既存の方法により目標軌道Amを演算し、車両運動制御部140に出力する。
車両運動制御部140は舵角指令値生成部141を備えており、舵角指令値生成部141は、目標軌道Am及び車両状態量Cvに基づいて、操舵角の制御目標値である舵角指令値θrefを生成し、EPS側ECU200に出力する。
EPS側ECU200は、EPS状態量検出部210、切換判定/徐変ゲイン生成部220、舵角制御部300、アシスト制御部230、切換部240、電流制御/駆動部250及びモータ電流検出器38を備えている。
EPS状態量検出部210は、角度センサ、トルクセンサ及び速度センサからの信号を入力し、EPS状態量を検出する。具体的には、角度センサはハンドル舵角(トーションバーの上側の角度)θhを実操舵角θrとして検出し、トルクセンサは操舵トルクTtを検出し、速度センサは車速Vを検出する。また、実操舵角θrに対して微分演算を行うことにより、実舵角速度ωrを算出する。実操舵角θr及び実舵角速度ωrは舵角制御部300に入力され、操舵トルクTtは切換判定/徐変ゲイン生成部220、舵角制御部300及びアシスト制御部230に入力され、車速Vは舵角制御部300及びアシスト制御部230に入力される。なお、実操舵角θrとしてコラム舵角(トーションバーの下側の角度)を使用しても良く、モータ角度センサ(回転角センサ)を備え、モータの回転角を実操舵角θrとしても良い。更に、実操舵角θr及び車速Vは車両側ECU100で検出して、EPS側ECU200に送信するようにしても良い。また、実舵角速度ωrは、モータ角度センサで検出される回転角の差分演算とギア比から算出しても良く、実操舵角θrの差分演算から算出しても良い。EPS状態量検出部210の最終段に、高周波ノイズ低減のためにLPF(ローパスフィルタ)を挿入しても良く、その場合、HPF(ハイパスフィルタ)とゲインにより実舵角速度ωrを算出しても良い。
切換判定/徐変ゲイン生成部220は、車両側ECU100からの切換信号SW及び操舵トルクTtに基づいて自動操舵と手動操舵の切換判定を行い、その判定結果に基づいて徐変ゲインを決定する。徐変ゲインとして、舵角制御出力徐変ゲインGfa1、速度制御徐変ゲインGfa2、速度指令徐変ゲインGfa3、舵角指令徐変ゲインGfa4、アシスト制御出力徐変ゲインGft1及びアシストマップ徐変ゲインGft2を求め、Gfa1及びGft1は切換部240に、Gfa2、Gfa3及びGfa4は舵角制御部300に、Gft2はアシスト制御部230に入力される。また、切換判定の判定結果が操舵状態判定信号Jsとして舵角制御部300に入力される。切換判定/徐変ゲイン生成部220の詳細については後述する。
舵角制御部300は、舵角制御を行うために、車両側ECU100からの舵角指令値θref、実操舵角θr、実舵角速度ωr、操舵トルクTt、車速V、徐変ゲインGfa2、Gfa3及びGfa4、並びに操舵状態判定信号Jsを用いて、舵角制御電流指令値IrefP1を算出する。舵角制御電流指令値IrefP1は切換部240に入力される。なお、実舵角速度ωrを、EPS状態量検出部210ではなく、舵角制御部300で算出しても良い。舵角制御部300の詳細については後述する。
アシスト制御部230は、アシスト制御を行うために、例えば、図2に示される構成例での電流指令値演算部31、電流制限部33、補償信号生成部34及び加算部32Aを備え、操舵トルクTt及び車速Vに基づいて、アシストマップを使用して、図2での電流指令値Irefmに相当するアシスト制御電流指令値IrefT1を算出する。但し、図2の構成例とは異なり、切換判定/徐変ゲイン生成部220から出力されるアシストマップ徐変ゲインGft2を入力し、電流指令値演算部31からの出力(アシストマップ出力電流)に乗算し、乗算結果を加算部32Aに入力する。電流指令値演算部31で用いられるアシストマップは操舵トルクTtに対する電流指令値の特性を定めたマップであり、車速感応型で、車速Vが増加すると電流指令値が減少する特性となっている。なお、電流制限部33及び/又は補償信号生成部34はなくても良い。
切換部240は、舵角制御電流指令値IrefP1、アシスト制御電流指令値IrefT1並びに徐変ゲインGfa1及びGft1を用いて、電流指令値Irefを算出する。切換部240の詳細については後述する。
電流制御/駆動部250は、例えば、図2に示される構成例での減算部32B、PI制御部35、PWM制御部36及びインバータ37を備え、電流指令値Irefとモータ電流検出器38で検出されるモータ電流Imを用いて、図2の構成例と同様の動作により、モータを駆動制御する。
プラント400は、ハンドル操舵における運転者の特性とEPS及び車両のメカ特性を模擬した制御対象の物理モデルであり、運転者操舵伝達特性410及びメカ伝達特性420を備える。運転者の操舵により発生するハンドル手入力トルクTh及びEPS側ECU200からのモータ電流Imに基づいてメカ系が動作し、それにより車両及びEPSに関する状態情報EVが生じるので、メカ伝達特性420は、その状態情報EVを出力する。車両側ECU100の車両状態量検出部110及びEPS側ECU200のEPS状態量検出部210は、この状態情報EVから、車両状態量Cv及びEPS状態量をそれぞれ検出する。状態情報EV中のハンドル舵角θhに応じて運転者の操舵によるハンドル手入力トルクThが発生するので、運転者操舵伝達特性410は、そのハンドル手入力トルクThを出力する。
次に、EPS側ECU200の切換判定/徐変ゲイン生成部220、舵角制御部300及び切換部240について、詳細に説明する。
図4は切換判定/徐変ゲイン生成部220の構成例を示しており、切換判定/徐変ゲイン生成部220は切換判定部221及び徐変ゲイン生成部222を備え、切換判定部221は手入力判定部223及び操舵状態判定部224を備える。
手入力判定部223は、操舵トルクTtを用いて手入力の判定を行う。手入力判定部223の構成例を図5に示しており、手入力判定部223は平滑化フィルタ部225、絶対値化部226及び判定処理部227を備える。平滑化フィルタ部225は平滑化フィルタを有しており、操舵トルクTtを平滑化フィルタにより平滑化し、平滑後の操舵トルクTt’を出力する。操舵トルクTt’は絶対値化部226に入力され、絶対値化部226は操舵トルクTt’の絶対値(絶対値データ)|Tt’|を出力する。絶対値|Tt’|は判定処理部227に入力される。判定処理部227は、予め定められた複数の閾値Tth1、Tth2及びTth3(0≦Tth1≦Tth2≦Tth3)を用いて、3種類の「手入力あり」の判定と1種類の「手入力なし」の判定を行う。具体的には、「絶対値|Tt’|が閾値Tth3以上」の場合、「手入力あり3」と判定し、「絶対値|Tt’|が閾値Tth2以上、閾値Tth3未満」の場合、「手入力あり2」と判定し、「絶対値|Tt’|が閾値Tth1以上、閾値Tth2未満」の場合、「手入力あり1」と判定し、「絶対値|Tt’|が閾値Tth1未満」の場合、「手入力なし」と判定する。判定結果は手入力判定信号Jhとして出力される。
なお、判定処理部227は、3つの閾値を用いて判定を行っているが、閾値の数は3つに限られず、3つ以外の数の閾値を用いて判定を行っても良い。これにより、柔軟な判定を行うことができる。
操舵状態判定部224は、車両側ECU100からの切換信号SW及び手入力判定信号Jhから操舵状態を判定する。操舵状態には、「自動操舵1」、「自動操舵2」及び「手動操舵」があり、「自動操舵1」が通常の自動操舵状態に相当する。そして、切換信号SW及び手入力判定信号Jhに加え、各データ入力時の操舵状態(正確には1サンプル前の操舵状態であり、以下、「直前操舵状態」とする)に基づいて、以下の条件にて最新の操舵状態を判定する。
[条件1]
直前操舵状態が「自動操舵1」又は「自動操舵2」において、切換信号SWが「アシスト制御モード」又は手入力判定信号Jhが「手入力あり3」の場合、操舵状態は「手動操舵」と判定する。
[条件2]
直前操舵状態が「自動操舵1」において、切換信号SWが「舵角制御モード」且つ手入力判定信号Jhが「手入力あり2」の場合、操舵状態は「自動操舵2」と判定する。
[条件3]
直前操舵状態が「自動操舵2」において、切換信号SWが「舵角制御モード」且つ手入力判定信号Jhが「手入力あり1」又は「手入力あり2」の場合、操舵状態は変わらず「自動操舵2」と判定する。
[条件4]
直前操舵状態が「自動操舵2」において、切換信号SWが「舵角制御モード」且つ手入力判定信号Jhが「手入力なし」の場合、操舵状態は「自動操舵1」と判定する。
[条件5]
直前操舵状態が「手動操舵」において、切換信号SWが「舵角制御モード」且つ手入力判定信号Jhが「手入力なし」の場合、操舵状態は「自動操舵1」と判定する。

上記の条件1〜条件5を、さらに詳細にすると、下記表1のようになる。なお、表1において、「−」は任意の値(つまり、判定には関係しない)を意味し、「(継続)」は操舵状態が変わらないことを意味し、各列の条件をAND条件として連結して判定する。
Figure 0006528910

上記表1に従って操舵状態を判定し、判定結果は操舵状態判定信号Jsとして徐変ゲイン生成部222に出力されると共に、舵角制御部300にも出力される。舵角制御部300では、後述の可変レート制限部320での制限値設定において操舵状態判定信号Jsが使用される。なお、切換信号SWを使用せずに操舵状態を判定しても良い。
徐変ゲイン生成部222は、操舵状態判定信号Jsに基づいて徐変ゲインを決定する。徐変ゲインは操舵状態によって異なる値を取り、操舵状態は操舵状態判定信号Jsにより判断するが、「自動操舵1」を自動操舵状態と判断し、「自動操舵2」の場合は、徐変ゲインは直前の値のままとする。
徐変ゲインGfa1、Gfa2、Gfa3及びGfa4は、自動操舵状態では100%、手動操舵状態では0%であり、自動操舵状態から手動操舵状態へ及び手動操舵状態から自動操舵状態への移行に際しては、値が徐々に変化する。例えば、自動操舵状態から手動操舵状態へ移行する場合、徐変ゲインGfa1〜Gfa4は、図6(A)に示されるように変化する。即ち、時点t1で操舵状態判定信号Jsが「自動操舵1」から「手動操舵」に変わると、その時点から徐変ゲインは逐次減少し、時点t2において0%となる。手動操舵状態から自動操舵状態へ移行する場合は、これとは逆に、操舵状態判定信号Jsが「自動操舵1」に変わった時点から徐変ゲインは逐次増加する。徐変ゲインが減少中又は増加中(以下、この状態を「切換状態」とする)に操舵状態判定信号Jsの値が「手動操舵」に変わったら、徐変ゲインは減少に、「自動操舵1」に変わったら、増加になり、「自動操舵2」に変わったら、変化しない。なお、図6(A)では切換状態での徐変ゲインは直線的に変化させているが、切換動作を円滑にするために、S字カーブのように変化させても良く、直線的に変化する徐変ゲインをLPF、例えばカットオフ周波数が2Hzの1次LPFに通して使用しても良い。また、徐変ゲインGfa1〜Gfa4は連動した同じ変化をする必要はなく、それぞれ独立した変化をしても良い。
アシスト制御出力徐変ゲインGft1は、自動操舵状態ではαt1[%](0≦αt1≦150)、手動操舵状態では100%であり、図6(B)に示されるように、徐変ゲインGfa1〜Gfa4の場合と同様に、切換状態では値を徐々に変化させる。
アシストマップ徐変ゲインGft2は、自動操舵状態ではαt2[%](0≦αt2≦150)、手動操舵状態では100%であり、図6(C)に示されるように、徐変ゲインGfa1〜Gfa4の場合と同様に、切換状態では値を徐々に変化させる。
手入力判定の判定結果に「手入力あり1」があり、それを含んだ判定結果を基に操舵状態の判定、更に徐変ゲインの決定を行うことにより、「手入力あり2」の状態から「手入力なし」の状態になった場合に発生するチャタリングを抑制することが可能となる。
舵角制御部300及び切換部240の構成例を図7に示す。舵角制御部300は、舵角指令値可変制限部310、可変レート制限部320、ハンドル振動除去部330、位置制御部340、操舵介入補償部350、速度指令値可変制限部360、舵角速度制御部370、ハンドル制振部380、舵角制御電流指令値制限部390、乗算部391及び392並びに加算部393及び394を備え、切換部240は、乗算部241及び242並びに加算部243を備える。
舵角制御部300の舵角指令値可変制限部310は、車両側ECU100から受信する自動操舵等のための舵角指令値θrefに対して、通信エラー等による異常な値や過剰な値が舵角制御に入力されるのを防止するために、制限値(上限値、下限値)を設定して制限をかけ、舵角指令値θref1として出力する。自動操舵状態及び手動操舵状態において適切な制限値を設定すべく、舵角指令徐変ゲインGfa4に応じて制限値を設定する。例えば、図8に示されるように、舵角指令徐変ゲインGfa4が100%の場合を自動操舵状態であると判断して、実線で示される制限値で制限をかけ、舵角指令徐変ゲインGfa4が0%の場合を手動操舵状態であると判断して、破線で示されるような自動操舵状態のときよりも絶対値が小さい制限値で制限をかける。舵角指令徐変ゲインGfa4が0〜100%の間の場合は切換状態であると判断して、実線と破線の間の値で制限をかける。切換状態のとき、実線の自動操舵状態での制限値又は破線の手動操舵状態での制限値で制限をかけても良い。なお、上限値の大きさ(絶対値)と下限値の大きさは異なっても良い。
可変レート制限部320は、舵角指令値θrefの急変によって、舵角制御の出力である舵角制御電流指令値が急激に変動することを避けるために、舵角指令値θref1の変化量に対して制限値を設定して制限をかけ、舵角指令値θref2を出力する。例えば、1サンプル前の舵角指令値θref1からの差分を変化量とし、その変化量の絶対値が所定の値(制限値)より大きい場合、変化量の絶対値が制限値となるように、舵角指令値θref1を加減算し、舵角指令値θref2として出力し、制限値以下の場合は、舵角指令値θref1をそのまま舵角指令値θref2として出力する。舵角指令値可変制限部310の場合と同様に、自動操舵状態及び手動操舵状態において適切な制限値が設定されるが、徐変ゲインと連動せずに制限値を変更する場合があるので、切換判定/徐変ゲイン生成部220から出力される操舵状態判定信号Jsに応じて制限値を設定する。操舵状態判定信号Jsが「自動操舵1」の場合、制限値は予め定められた値とし、操舵状態判定信号Jsが「自動操舵2」又は「手動操舵」の場合、制限値はゼロとし、舵角指令値θref2が変化せずに一定となるようにする。なお、変化量の絶対値に対して制限値を設定するのではなく、変化量に対して上限値及び下限値を設定して制限をかけるようにしても良い。
乗算部391では、舵角指令値θref2に舵角指令徐変ゲインGfa4が乗算され、舵角指令値θref3として出力される。これにより、自動操舵状態から手動操舵状態への切換状態における後述のハンドル振動除去部330から出力される目標操舵角θtをゼロに漸近させ、舵角制御を中立状態に作用させることができる。
ハンドル振動除去部330は、舵角指令値θref3に含まれる振動周波数成分を低減する。自動操舵中、舵角指令が変化しているときに、舵角指令値θref3に、トーションバーのバネ性及びステアリングホイールの慣性モーメントによる振動を励起する周波数(約10Hz前後)成分が発生する。この舵角指令値θref3に含まれるハンドル振動周波数成分を、LPFやノッチフィルタ等でのフィルタ処理又は位相遅れ補償により低減し、目標操舵角θtを出力する。フィルタとしては、ハンドル振動周波数の帯域のゲインを下げ、ECUに実装可能であれば、任意のフィルタを使用して良い。ハンドル振動除去部330の手前に、舵角指令徐変ゲインGfa4を乗算する乗算部391を設置することにより、舵角指令徐変ゲインGfa4の乗算により発生するハンドル振動周波数成分の低減を可能としている。目標操舵角θtは、位置制御部340に出力される。なお、ハンドル振動周波数成分が微小な場合等では、ハンドル振動除去部300を省略しても良い。
位置制御部340は、目標操舵角θtと実操舵角θrに基づいて、目標操舵角θtに実操舵角θrを近づけるための舵角速度指令値ωref1を算出する。また、目標操舵角θtに対する実操舵角θrの制御帯域を高周波側まで広げるために、規範モデル及びFF(フィードフォワード)フィルタを使用する。これにより、舵角制御の応答性(追従性)を向上させることができる。
位置制御部340の構成例を図9に示す。位置制御部340は、規範モデル部341、比例ゲイン部342、フィルタ部343、減算部344及び加算部345を備える。
規範モデル部341は、下記数1で定義される伝達関数Gmodelを有し、伝達関数Gmodelを用いて、目標操舵角θtを目標操舵角θt1に変換する。
Figure 0006528910
ここで、Tm1=1/(2π×fm1)、Tm2=1/(2π×fm2)であり、fm1及びfm2はカットオフ周波数、sはラプラス演算子である。伝達関数Gmodelはモデル規範制御の手法での所望の伝達特性を定義するものであり、上記数1では分母が6次、分子が0次としているが、これに限られるものではない。
減算部344にて目標操舵角θt1と実操舵角θrの偏差θeが求められ、偏差θeは比例ゲイン部342に入力される。比例ゲイン部342は、偏差θeに比例ゲインKppを乗算し、P制御により舵角速度指令値ωrefaを算出する。
フィルタ部343はFFフィルタを有しており、FFフィルタにより目標操舵角θtを舵角速度指令値ωrefbに変換する。FFフィルタの伝達関数Gfは下記数2で定義される。
Figure 0006528910
KffはFFフィルタゲインであり、Pωθは後述の加算部393からの出力である舵角速度指令値ωrefから実操舵角θrまでの伝達関数であり、フィッティングによる同定等により予め定義されている。FFフィルタゲインKffは、車速Vに応じて変化させる。車速に応じて路面反力や後述の操舵介入補償マップが変化することにより、舵角指令値に対する実操舵角の応答性が変化してしまうので、FFフィルタゲインKffを車速感応型とする。これにより、車速によらずに、舵角指令値に対する実操舵角の応答性をほぼ一定にすることができる。FFフィルタゲインKffは、例えば、図10に示されるように、車速Vが0km/hから大きくなるにつれ単調に減少し、車速Vが20km/hのときに1.1となり、車速Vが60km/hのときに1となり、それ以降は1のままで一定となるように変化する。
舵角速度指令値ωrefa及びωrefbは加算部345で加算され、舵角速度指令値ωref1として出力される。
なお、規範モデル及びFFフィルタによる処理は必須ではなく、減算部344及び比例ゲイン部343によるP制御のみで舵角速度指令値ωref1を算出するようにしても良い。
操舵介入補償部350は、操舵トルクTtに応じた操舵介入補償のための舵角速度指令値(補償舵角速度指令値)ωref2を算出する。舵角速度指令値ωref2と位置制御部340からの舵角速度指令値ωref1を加算したものが舵角速度指令値ωrefとなり、操舵介入補償部350の機能により、操舵トルクの発生を緩和する方向に舵角速度指令値を生成することができ、自動操舵中での操舵介入を実現することができる。また、操舵介入補償部350は、操舵トルクTtに対して、車速感応型の操舵介入補償マップによる補償と位相補償を施すことにより、適度なフィーリングを成立させることができる。
操舵介入補償部350の構成例を図11に示す。操舵介入補償部350は、操舵介入位相補償部351、不感帯設定部352及び補償マップ部353を備える。
操舵介入位相補償部351は、位相補償として位相進み補償を設定し、操舵トルクTtを操舵トルクTt1に変換する。例えば、分子のカットオフ周波数を1.0Hz、分母のカットオフ周波数を1.3Hzとした1次フィルタで位相進み補償を行う。これにより、急操舵した場合等でのスッキリ感や引っ掛かり感を改善することができる。なお、コスト重視の場合等では、操舵介入位相補償部351は省略可能である。
不感帯設定部352は、操舵トルクTt1に対して不感帯を設定し、操舵トルクTt2として出力する。例えば、図12に示されるような不感帯を設定する。即ち、不感帯を設定しない場合は、破線で示されるように操舵トルクTt1がそのまま操舵トルクTt2となるが、操舵トルクTt1がゼロ前後の区間に不感帯を設定することにより、実線で示されるように、その区間では操舵トルクTt2の値はゼロで、その区間を外れたら、破線と同じ傾きで操舵トルクTt1に合わせて操舵トルクTt2が変化するようにする。このような不感帯を設定することにより、その区間においては、後述の補償マップ部353から出力される舵角速度指令値ωref2もゼロとなり、操舵介入補償が行われなくなる。つまり、運転者による操舵介入が発生した場合、操舵トルクが不感帯の閾値まで上がり易くなり、結果的に早いタイミングで手入力判定が行えるようになる。なお、不感帯の正及び負の閾値の大きさは同じでなくても良い。
補償マップ部353は、操舵介入補償マップを有し、操舵介入補償マップを用いて舵角速度指令値ωref2を求める。操舵介入補償マップは操舵トルクに対する舵角速度指令値の特性を定めたマップであり、車速に応じても変化するので、操舵トルクTt2及び車速Vより舵角速度指令値ωref2を求める。操舵介入補償マップはチューニングにより調整されており、例えば、図13に示されるように、操舵トルクが増加するにつれて舵角速度指令値も増加するが、車速が増加するにつれては減少する。これにより、高車速ほど重いフィールにすることができる。アシスト制御部230で使用するアシストマップも車速が増加するにつれてアシスト制御電流指令値が減少する特性を有しているので、高速走行時に運転者により操舵介入があった場合、舵角速度指令値及びアシスト制御電流指令値の増加は抑えられ、急な操舵とならず、安全な操舵が可能である。
なお、操舵介入位相補償部351は、不感帯設定部352の後、又は補償マップ部353の後に設置しても良い。不感帯設定部352は補償マップ部353の前に設置する必要があるが、不感帯設定部352をなくし、操舵介入補償マップとして不感帯を設けたマップ(入力トルクに対して、設定区間内の出力値がゼロとなるマップ)を使用するようにしても、上述と同様な効果が得られる。また、操舵介入補償マップとして原点を通る直線を想定し、操舵介入補償マップの代わりに、所定のゲインを操舵トルクに乗算するという簡易的な方法を使用しても良い。
加算部393では、位置制御部340から出力される舵角速度指令値ωref1及び操舵介入補償部350から出力される舵角速度指令値ωref2が加算され、舵角速度指令値ωrefとして出力される。
乗算部392では、舵角速度指令値ωrefに速度指令徐変ゲインGfa3が乗算され、舵角速度指令値ωrefgとして出力される。速度指令徐変ゲインGfa3は、手動操舵状態から自動操舵状態への切換時に円滑な切換を実現するために用いられる。なお、速度指令徐変ゲインGfa3は、舵角制御電流指令値IrefP1に乗算される舵角制御出力徐変ゲインGfa1と同期して変化する(完全な同期でなくても良い)。
速度指令値可変制限部360は、舵角速度指令値ωrefgに対して、制限値(上限値、下限値)を設定して制限をかけ、目標舵角速度ωtを出力する。制限値は、速度指令徐変ゲインGfa3に応じて設定される。例えば、速度指令徐変ゲインGfa3が所定の閾値未満では、制限値の大きさ(絶対値)を図14の破線で示されるような小さい値とし、それ以上では制限値の大きさを実線で示される値まで大きくする。なお、所定の閾値を切換状態での速度指令徐変ゲインGfa3の任意の値とし、Gfa3が所定の閾値未満では、制限値の大きさは破線の小さい値で固定とし、Gfa3が所定の閾値を超えたら、実線のところまで制限値の大きさを徐々に大きくするようにしても良い。なお、上限値の大きさと下限値の大きさは異なっても良い。
舵角速度制御部370は、目標舵角速度ωt、実舵角速度ωr及び速度制御徐変ゲインGfa2を入力し、実舵角速度ωrが目標舵角速度ωtに追従するような舵角制御電流指令値IrefWを、I−P制御(比例先行型PI制御)により算出する。
舵角速度制御部370の構成例を図15に示す。舵角速度制御部370は、ゲイン乗算部371及び372、積分部373、減算部374及び375並びに乗算部376を備える。
ゲイン乗算部371は、減算部374で算出される目標舵角速度ωt及び実舵角速度ωrの偏差ωe(=ωt−ωr)にゲインKviを乗算し、操作量D1を出力する。積分部373は、操作量D1を積分し、制御量Ir1を算出する。乗算部376では、制御量Ir1に速度制御徐変ゲインGfa2が乗算され、制御量Ir3として出力される。速度制御徐変ゲインGfa2の乗算は、手動操舵状態と自動操舵状態間の円滑な切換を実現するために行われ、これにより、切換時の舵角速度制御での積分値の蓄積の影響を緩和することができる。ゲイン乗算部372は、実舵角速度ωrにゲインKvpを乗算し、制御量Ir2を出力する。減算部375では、制御量Ir3とIr2の偏差(Ir3−Ir2)が算出され、舵角制御電流指令値IrefWとして出力される。なお、積分部373の積分として、実装上実現可能な積分方式であれば、任意の方式を使用可能であり、擬似積分を使用する場合は、1次遅れの伝達関数及びゲインで構成すれば良い。また、速度制御徐変ゲインGfa2は、舵角制御出力徐変ゲインGfa1と同期して変化させても良い。
なお、舵角速度制御部370はI−P制御を使用しているが、目標舵角速度に対して実舵角速度を追従させられるならば、一般的に使用されている制御方法を使用しても良い。例えばPI制御、2自由度PI制御、モデル規範制御、モデルマッチング制御、ロバスト制御、更に、外乱を推定し、外乱成分を打ち消す補償手段を一部に組み合わせた制御方法等を使用しても良い。
ハンドル制振部380は、トーションバートルク信号である操舵トルクTtに基づいて、ハンドルの振動を制振する。自動操舵中のハンドル振動に対して、ハンドル振動除去部330も効果を奏するが、ハンドル制振部380により、更に効果を向上させることができる。ハンドル制振部380は、ゲインと位相補償によりハンドル振動の制振を行い、トーションバーの捩れを解消する方向に働く舵角制御電流指令値IrefVを出力する。また、ハンドル制振部380は、捩れ角を低減する方向に働き、運転者による手入力の介入時の引っ掛かりの違和感を低減する効果も兼ねている。
ハンドル制振部380の構成例を図16に示す。ハンドル制振部380は、ゲイン部381及び制振位相補償部382を備える。ゲイン部381は、操舵トルクTtにゲインKvを乗算し、制御量Irvを出力する。制振位相補償部382は、例えば1次フィルタで構成され、制御量Irvを舵角制御電流指令値IrefVに変換する。1次フィルタではなく、2次以上の位相補償フィルタで構成しても良い。
加算部394では、舵角速度制御部370から出力される舵角制御電流指令値IrefW及びハンドル制振部380から出力される舵角制御電流指令値IrefVが加算され、舵角制御電流指令値IrefP2として出力される。
舵角制御電流指令値制限部390は、舵角制御電流指令値IrefP2に対して、過出力防止のために、制限値(上限値、下限値)を設定して制限をかけ、舵角制御電流指令値IrefP1を出力する。例えば、図17に示されるように、上限値及び下限値を設定して舵角制御電流指令値IrefP2に対して制限をかける。なお、上限値の大きさ(絶対値)と下限値の大きさは異なっても良い。
切換部240は、乗算部241及び242並びに加算部243で構成されている。
切換部240の乗算部241では、舵角制御部300から出力される舵角制御電流指令値IrefP1に、切換判定/徐変ゲイン生成部220から出力される舵角制御出力徐変ゲインGfa1が乗算され、舵角制御電流指令値IrefPとして出力される。舵角制御出力徐変ゲインGfa1は、手動操舵状態と自動操舵状態間の切換動作を円滑に行い、運転者への違和感や安全性等を実現するために用いられる。乗算部242では、アシスト制御部230から出力されるアシスト制御電流指令値IrefT1にアシスト制御出力徐変ゲインGft1が乗算され、アシスト制御電流指令値IrefTとして出力される。アシスト制御出力徐変ゲインGft1は、手動操舵状態と自動操舵状態間の切換動作を円滑に行い、自動運転中の運転者による操舵介入を実現するために用いられる。加算部243では、舵角制御電流指令値IrefP及びアシスト制御電流指令値IrefTが加算され、電流指令値Irefとして出力される。
前述のアシスト制御部230で使用されるアシストマップ徐変ゲインGft2も、アシスト制御出力徐変ゲインGft1と同じ目的で用いられる。自動操舵状態において、図6(B)及び(C)に示されるように、Gft1をαt1に、Gft2をαt2に設定し、αt1及びαt2を調整することにより、システムの安定性を向上させ、振動の発生を抑えることが可能となる。また、自動操舵状態におけるシステムの安定性を維持できるのであれば、簡易的にαt1を0%、αt2を100%としても良い。この場合、αt1は0%ということより、アシスト制御電流指令値IrefTはゼロ指令となり、アシスト制御をなくした状態においても操舵介入を実現できることとなる。
このような構成において、EPS側ECU200の動作例を、図18〜図21のフローチャートを参照して説明する。
動作を開始すると、EPS状態量検出部210は実操舵角θr、操舵トルクTt、車速Vを検出し(ステップS10)、実操舵角θrを舵角制御部300に、操舵トルクTtを切換判定/徐変ゲイン生成部220、舵角制御部300及びアシスト制御部230に、車速Vを舵角制御部300及びアシスト制御部230にそれぞれ出力する。更に、EPS状態量検出部210は、実操舵角θrより実舵角速度ωrを算出し(ステップS20)、舵角制御部300に出力する。
操舵トルクTtを入力した切換判定/徐変ゲイン生成部220は、車両側ECU100から出力される切換信号SWの入力も踏まえて自動操舵と手動操舵の切換判定を行い、その判定結果に基づいて徐変ゲインを決定し(ステップS30)、徐変ゲインGfa2、Gfa3及びGfa4を舵角制御部300に、Gft2をアシスト制御部230に、Gfa1及びGft1を切換部240にそれぞれ出力する。また、操舵状態判定信号Jsを舵角制御部300に出力する。切換判定/徐変ゲイン生成部220の動作の詳細については後述する。
舵角制御部300は、車両側ECU100からの舵角指令値θref、EPS状態量検出部210からの実操舵角θr、実舵角速度ωr、操舵トルクTt及び車速V、並びに切換判定/徐変ゲイン生成部220からの徐変ゲインGfa2、Gfa3、Gfa4及び操舵状態判定信号Jsを入力し、それらを用いて舵角制御電流指令値IrefP1を算出し(ステップS40)、切換部240に出力する。舵角制御部300の動作の詳細については後述する。
アシスト制御部230は、操舵トルクTt、車速V及びアシストマップ徐変ゲインGft2を入力し、図2に示される電流指令値演算部31と同様の動作により、アシストマップ出力電流(電流値)を算出する(ステップS50)。そして、アシストマップ出力電流にアシストマップ徐変ゲインGft2を乗算し(ステップS60)、乗算結果に対して、図2に示される加算部32A、電流制限部33及び補償信号生成部34と同様の動作を行い、アシスト制御電流指令値IrefT1を算出し(ステップS70)、切換部240に出力する。
切換部240は、入力した舵角制御電流指令値IrefP1に対して舵角制御出力徐変ゲインGfa1を乗算部241で乗算し(ステップS80)、乗算結果である舵角制御電流指令値IrefPを加算部243に出力する。また、入力したアシスト制御電流指令値IrefT1に対してアシスト制御出力徐変ゲインGft1を乗算部242で乗算し(ステップS90)、乗算結果であるアシスト制御電流指令値IrefTを加算部243に出力する。加算部243は、舵角制御電流指令値IrefP及びアシスト制御電流指令値IrefTを加算し(ステップS100)、加算結果である電流指令値Irefを電流制御/駆動部250に出力する。
電流制御/駆動部250は、図2に示される減算部32B、PI制御部35、PWM制御部36及びインバータ37と同様の動作により、電流指令値Iref及びモータ電流検出器38で検出されたモータ電流Imを用いて、モータ電流Imが電流指令値Irefに追従するように制御し(ステップS110)、モータを駆動制御する。
切換判定/徐変ゲイン生成部220の動作例の詳細を、図19のフローチャートを参照して説明する。なお、操舵状態判定部224において、直前操舵状態には「手動操舵」が、保持する切換信号SWには「アシスト制御モード」が、操舵状態判定信号Jsには「手動操舵」がそれぞれ初期値として設定されているとする。
入力した操舵トルクTtは、切換判定部221内の手入力判定部223に入力される。手入力判定部223では、操舵トルクTtを平滑化フィルタ部225で平滑化し、平滑後の操舵トルクTt’の絶対値|Tt’|を絶対値化部226で求める(ステップS210)。絶対値|Tt’|は判定処理部227に入力される。判定処理部227は、絶対値|Tt’|が閾値Tth3以上ならば(ステップS220)、「手入力あり3」と判定し(ステップS230)、絶対値|Tt’|が閾値Tth3未満で閾値Tth2以上ならば(ステップS240)、「手入力あり2」と判定し(ステップS250)、絶対値|Tt’|が閾値Tth2未満で閾値Tth1以上ならば(ステップS260)、「手入力あり1」と判定し(ステップS270)、絶対値|Tt’|が閾値Tth1未満ならば(ステップS260)、「手入力なし」と判定する(ステップS280)。判定結果は手入力判定信号Jhとして操舵状態判定部224に出力される。
操舵状態判定部224は、切換信号SWの入力の有無を確認し(ステップS290)、切換信号SWを入力していたら、保持している切換信号SWの値を更新する(ステップS300)。そして、入力した手入力判定信号Jh、直前操舵状態、切換信号SWを用いて、表1の条件判定に従って操舵状態の判定を行う(ステップS310)。判定結果は、徐変ゲイン生成部222及び舵角制御部300に操舵状態判定信号Jsとして出力されると共に、次回の判定における直前操舵状態として保持される(ステップS320)。
徐変ゲイン生成部222は、操舵状態判定信号Jsの値を確認する(ステップS330)。操舵状態判定信号Jsが「手動操舵」の場合、各徐変ゲイン(Gfa1〜Gfa4、Gft1、Gft2)を手動操舵状態での値(Gfa1〜Gfa4では0%、Gft1及びGft2では100%)に遷移させる(ステップS340)。操舵状態判定信号Jsが「自動操舵1」の場合、各徐変ゲインを自動操舵状態での値(Gfa1〜Gfa4では100%、Gft1ではαt1、Gft2ではαt2)に遷移させる(ステップS350)。操舵状態判定信号Jsが「自動操舵2」の場合は、各徐変ゲインはそのままとする。
舵角制御部300の動作例の詳細を、図20及び図21のフローチャートを参照して説明する。
舵角指令値可変制限部310は、入力した舵角指令徐変ゲインGfa4の値を確認し(ステップS610)、Gfa4が0%の場合、制限値を、図8に示される「手動操舵時」の制限値とし(ステップS620)、Gfa4が100%の場合、図8に示される「自動操舵時」の制限値とし(ステップS630)、Gfa4が0〜100%の場合、中間の値を制限値とする(ステップS640)。そして、設定された制限値を用いて、車両側ECU100から入力した舵角指令値θrefに対して制限をかけ(ステップS650)、舵角指令値θref1を出力する。
舵角指令値θref1は、操舵状態判定信号Js及び実操舵角θrと共に、可変レート制限部320に入力される。可変レート制限部320は、操舵状態判定信号Jsの値を確認し(ステップS660)、操舵状態判定信号Jsが「手動操舵」又は「自動操舵2」の場合、制限値をゼロとし(ステップS670、S681)、「手動操舵」の場合は、更に、保持している1サンプル前の舵角指令値θref1の値を実操舵角θrの値にする(ステップS671)。ステップS671は、舵角制御が開始された時点では、前の舵角制御終了時の値が残った状態であり、その値をそのまま使用すると舵角指令値の急変によりハンドルが急変するおそれがあるので、実操舵角θrと一致させた状態で開始させることにより急変を抑制するための処置である。操舵状態判定信号Jsが「自動操舵1」の場合、制限値を予め定められた値とする(ステップS680)。そして、舵角指令値θref1と1サンプル前の舵角指令値θref1との差分(変化量)を算出する(ステップS690)。変化量の絶対値が制限値より大きい場合(ステップS700)、変化量の絶対値が制限値となるように、舵角指令値θref1を加減算し(ステップS710)、舵角指令値θref2として出力する(ステップS720)。変化量の絶対値が制限値以下の場合(ステップS700)、舵角指令値θref1をそのまま舵角指令値θref2として出力する(ステップS720)。
舵角指令値θref2は、乗算部391で舵角指令徐変ゲインGfa4を乗算され(ステップS730)、舵角指令値θref3として出力され、舵角指令値θref3はハンドル振動除去部330に入力される。
ハンドル振動除去部330は、舵角指令値θref3に対して、振動周波数成分を低減し(ステップS740)、目標操舵角θtとして位置制御部340に出力する。
目標操舵角θtは、位置制御部340内の規範モデル部341及びフィルタ部343に入力される。規範モデル部341は、数1を用いて、目標操舵角θtを目標操舵角θt1に変換する(ステップS750)。目標操舵角θt1は減算部344に加算入力され、実操舵角θrが減算部344に減算入力され、目標操舵角θt1と実操舵角θrの偏差θeが求められる(ステップS760)。偏差θeは比例ゲイン部342に入力され、比例ゲイン部342は、偏差θeに比例ゲインKppを乗算し、舵角速度指令値ωrefaを算出する(ステップS770)。目標操舵角θtを入力したフィルタ部343は、車速Vも入力し、図10に示される特性を用いて車速VからFFフィルタゲインKffを求め、数2を用いて、目標操舵角θtを舵角速度指令値ωrefbに変換する(ステップS780)。舵角速度指令値ωrefa及びωrefbは加算部345で加算され(ステップS790)、舵角速度指令値ωref1が出力される。舵角速度指令値ωref1は加算部393に入力される。
一方、操舵介入補償部350は、車速V及び操舵トルクTtを入力し、車速Vは補償マップ部353に、操舵トルクTtは操舵介入位相補償部351に入力される。操舵介入位相補償部351は、位相補償により、操舵トルクTtを操舵トルクTt1に変換する(ステップS800)。操舵トルクTt1は不感帯設定部352に入力され、不感帯設定部352は、図12に示される特性により、操舵トルクTt1に不感帯を設定し(ステップS810)、操舵トルクTt2として出力する。操舵トルクTt2は、車速Vと共に、補償マップ部353に入力され、補償マップ部353は、図13に示される特性に基づいて、車速Vより決定された操舵介入補償マップを用いて、操舵トルクTt2に対する舵角速度指令値ωref2を求める(ステップS820)。舵角速度指令値ωref2は加算部393に入力される。
加算部393に入力された舵角速度指令値ωref1及びωref2は加算され(ステップS830)、舵角速度指令値ωrefとして出力される。舵角速度指令値ωrefは、乗算部392で速度指令徐変ゲインGfa3を乗算され(ステップS840)、舵角速度指令値ωrefgとして速度指令値可変制限部360に入力される。
速度指令値可変制限部360は、舵角速度指令値ωrefgと共に、速度指令徐変ゲインGfa3を入力し、速度指令徐変ゲインGfa3の値を確認する(ステップS850)。そして、Gfa3が所定の閾値未満の場合、制限値を、図14に示される「Gfa3小」の制限値とし(ステップS860)、所定の閾値以上の場合、「Gfa3大」の制限値とする(ステップS870)。設定された制限値を用いて、舵角速度指令値ωrefgに対して制限をかけ(ステップS880)、目標舵角速度ωtを出力する。目標舵角速度ωtは舵角速度制御部370に入力される。
舵角速度制御部370は、目標舵角速度ωtと共に、実舵角速度ωr及び速度制御徐変ゲインGfa2を入力する。目標舵角速度ωtは減算部374に加算入力され、実舵角速度ωrは減算部374に減算入力され、目標舵角速度ωtと実舵角速度ωrの偏差ωeがゲイン乗算部371に入力される(ステップS890)。ゲイン乗算部371は偏差ωeにゲインKviを乗算し(ステップS900)、操作量D1を出力する。操作量D1は積分部373に入力され、積分部373は、操作量D1を積分して制御量Ir1を算出し(ステップS910)、乗算部376に出力する。乗算部376は、制御量Ir1に速度制御徐変ゲインGfa2を乗算し(ステップS920)、制御量Ir3を出力する。制御量Ir3は減算部375に加算入力される。また、実舵角速度ωrはゲイン乗算部372にも入力され、ゲイン乗算部372は、実舵角速度ωrにゲインKvpを乗算し(ステップS930)、制御量Ir2を出力し、制御量Ir2は減算部375に減算入力される。減算部375では、制御量Ir3とIr2の偏差が算出され(ステップS940)、舵角制御電流指令値IrefWとして、加算部394に出力される。
操舵トルクTtはハンドル制振部380にも入力される。ハンドル制振部380では、ゲイン部381が、入力した操舵トルクTtにゲインKvを乗算し(ステップS950)、制御量Irvを出力する。制御量Irvは制振位相補償部382で位相補償され(ステップS960)、舵角制御電流指令値IrefVとして出力される。舵角制御電流指令値IrefVは、加算部394に出力される。
加算部394に入力された舵角制御電流指令値IrefW及びIrefVは加算され(ステップS970)、舵角制御電流指令値IrefP2として舵角制御電流指令値制限部390に入力される。
舵角制御電流指令値制限部390は、舵角制御電流指令値IrefP2に対して、図17に示される特性の制限値を用いて制限をかけ、舵角制御電流指令値IrefP1を出力する(ステップS980)。
なお、舵角制御部300の動作とアシスト制御部230の動作は、順番が逆でも、並行して実行されても良い。舵角制御部300の動作においては、加算部393に入力される舵角速度指令値ωref1算出までの動作と舵角速度指令値ωref2算出までの動作、加算部394に入力される舵角制御電流指令値IrefW算出までの動作と舵角制御電流指令値IrefV算出までの動作等も、それぞれ順番が逆でも、並行して実行されても良い。
本実施形態の効果を、シミュレーション結果に基づいて説明する。
シミュレーションでは、プラント400のプラントモデルとして、車両運動モデル及び運転者の操舵モデルを設定する。車両運動モデルとして、例えば、安部正人、「自動車の運動と制御」、学校法人東京電機大学、東京電機大学出版局、2009年9月20日発行、第1版2刷、3章(p.49−105)、4章(p.107−130)、5章(p.131−147)に示されているモデルを使用し、操舵モデルとして、例えば、横井大介、修士論文「腕の筋骨格特性を考慮した車のステアリング操舵感評価に関する研究」、三重大学大学院工学研究科博士前期課程機械工学専攻、2007年2月6日受付、2章(p.3−5)、3章(p.6−9)(参考文献)に示されているモデルを使用しても良く、これらに限定されず、他のモデルを使用しても良い。本シミュレーションで使用する操舵モデルを、参考として、図22に示す。図22において、Carm及びCpalmは粘性係数、Karm及びKpalmはバネ定数、Iarmは腕の慣性モーメントである。メカモデル(メカ伝達特性)から出力されるハンドル舵角θhを操舵モデル(運転者操舵伝達特性)に入力し、操舵モデルから出力されるハンドル手入力トルクThをメカモデルに出力する。参考文献に記載されている目標角度を、以下では運転者の目標角度(操舵目標角度)θarmとする。更に、参考文献では、腕の質量系をコラム慣性モーメントに加算しているが、手のひらからハンドルへ加えられる力をハンドル手入力トルクThとすることにより、手のひらの角度とハンドル舵角θhの間で作用するバネ定数Kpalm及び粘性係数Cpalmの値は十分大きな値としてシミュレーションを行っても支障がなく、本シミュレーションではそのようにしている。また、電流指令値に対するモータ電流の追従性は十分に早く、電流制御/駆動部250の動作による影響は軽微であり、電流指令値=モータ電流とする。更に、車速Vは一定とする。
先ず、操舵介入補償による効果について説明する。
舵角指令値θrefを0[deg]固定として、運転者の目標角度θarmを入力した場合の自動操舵のシミュレーションを行った。参考として、同条件で運転者の操舵モデルを考慮したシミュレーションでの運転者の目標角度θarmの時間変化に対する実操舵角θr及び操舵トルクTtの時間応答を、図23に示す。図23では、縦軸が角度[deg]及び操舵トルク[Nm]、横軸が時間[sec]であり、太実線が運転者の目標角度θarm、細実線が実操舵角(本実施形態ではハンドル舵角)θr、破線が操舵トルクTtを示す。なお、図23において、アシスト制御出力徐変ゲインGft1は0%、つまりアシスト制御は効かないようにした。また、図23は、運転者の目標角度θarmの変化に対して、実操舵角θr及び操舵トルクTtが変化する様子を説明するためのシミュレーションの一例である。
このような運転者の目標角度θarmを入力した場合の実操舵角θr及び操舵トルクTtの変化について、操舵介入補償がなくPI制御にて速度制御を行った場合と操舵介入補償がある場合とで比較を行った。なお、前者では、本実施形態との比較のために、アシスト制御出力徐変ゲインGft1及びアシストマップ徐変ゲインGft2を共に100%として、積分方式の違いを見ることにした。後者では、アシスト制御出力徐変ゲインGft1を0%とした。また、従来の先行技術(例えば特許文献1)においては、切換前の舵角制御中ではアシスト制御指令値は0[deg]であるが、前者の場合よりも操舵介入が困難であると推測されるので割愛した。
図24がシミュレーション結果である。縦軸が操舵トルク[Nm]、横軸が実操舵角[deg]であり、操舵介入補償がない場合を破線で、操舵介入補償がある場合を実線で示している。但し、操舵介入補償部350において、不感帯の幅はゼロとし、操舵介入補償マップは原点からの直線(つまり、一定のゲインを乗算した場合と同じ)とした。
図24での破線が示すように、操舵介入補償がない場合、7.5[deg]までは実操舵角θrを切れているが、速度制御でのPI制御の積分の影響により、速度偏差(舵角速度指令値と実舵角速度の偏差)が蓄積され続けることで、最終的に舵角指令値θref(=0[deg])まで強制的に戻されてしまい、更に、15[Nm]以上の非常に大きな操舵トルクが発生してしまい、運転者による操舵が困難な状態となる。
これに対して、図24での実線が示すように、操舵介入補償がある場合は、約22[deg]まで操舵できており、舵角指令値θref(=0[deg])に引き戻されることもない。これは、位置制御部340から出力される舵角速度指令値ωref1に操舵介入補償部350から出力される舵角速度指令値ωref2が加算され、操舵した状態における舵角速度指令値ωrefと実舵角速度ωrの速度偏差が0近傍で釣り合うためである。このように、操舵介入補償部350の機能により、運転者による操舵介入を実現することが可能となる。また、操舵介入補償部350からの出力のゲインを大きくすることで、より軽い操舵を実現することができる。
次に、操舵介入補償での不感帯の効果について説明する。
緊急回避のための操舵を想定して、図25に示されるような運転者の目標角度θarmを入力してシミュレーションを行った。図25では、図23と同様に、縦軸が角度[deg]及び操舵トルク[Nm]、横軸が時間[sec]であり、太実線が運転者の目標角度θarm、細実線及び破線が運転者の目標角度θarmの時間変化に対する実操舵角θr及び操舵トルクTtの時間応答を示す。図25の太実線が示すように、運転者の目標角度θarmを0.5[sec]から立ち上げ、60[deg]まで変化させた。
このような運転者の目標角度θarmを入力し、不感帯として操舵トルクTt1の正負に2.5Nmの閾値で設定した場合と、不感帯がない場合の比較を行った結果を図26に示す。なお、切換判定/徐変ゲイン生成部220内の手入力判定部223は、カットオフ周波数が1.5Hzの1次LPFと3.0Hzの1次LPFの直列接続で構成された平滑化フィルタ部225で操舵トルクTtを平滑化し、平滑後の操舵トルクTt’の絶対値|Tt’|が2[Nm]の閾値Tth3以上になった場合、「手入力あり(手入力あり3)」と判定するようにした。
図26では、縦軸が操舵トルク[Nm]、横軸が時間[sec]であり、太実線は不感帯がない場合の操舵トルクTt、破線は不感帯がある場合の操舵トルクTt、点線は不感帯がある場合の操舵トルクTt’、細実線は不感帯がない場合の操舵トルクTt’を示す。図26中の丸で囲った箇所が操舵トルクTt’の絶対値が閾値Tth3になった時点であり、不感帯を設けた場合(点線)は約0.7[sec]、不感帯がない場合(細実線)は約0.8[sec]のタイミングで「手入力あり」と判定しており、約0.1[sec]だけ早く判定できることが確認できる。よって、不感帯を設けることで、より早く判定を行うことができる。
次に、運転者による操舵介入がなく(ハンドル手入力トルクTh=0[Nm])、操舵介入補償も行なわず、舵角制御のみを実行した場合の自動操舵での舵角制御中のハンドル振動に対する効果について説明する。
ハンドル振動に対する効果の説明に先立ち、舵角指令値θrefに対して実操舵角θrが追従する様子を説明するために、舵角指令値θrefに対する追従性並びに位置制御部340での規範モデル及びFFフィルタの効果について説明する。なお、本効果を確認するシミュレーションにおいても、舵角制御のみの特性を確認するために、運転者による操舵介入がなく、操舵介入補償も行なわない設定とした。
図27は、舵角指令値θrefを0[deg]から100[deg]までランプ状に変化させた時間応答の一例を示している。図27では、縦軸が舵角[deg]、横軸が時間[sec]であり、点線が舵角指令値θrefを示す。この舵角指令値θrefに対して、カットオフ周波数が2Hzの1次LPFを有するハンドル振動除去部330から出力された目標操舵角θt及び実操舵角θrの応答の様子を、それぞれ細実線及び太実線で示す。図27から、目標操舵角θt及び実操舵角θrが舵角指令値θrefに追従していることがわかる。
以上の説明より、自動操舵中に操舵介入及び舵角追従の両方を実現可能であると言える。
位置制御部340での規範モデル及びFFフィルタのシミュレーションでは、先ず、舵角速度指令値ωrefから実操舵角θrまでの伝達関数Pωθの周波数特性を、周波数スイープにより、或いは伝達関数でのフィッティングによる同定により特定する。その結果を図28に示す。図28(A)は伝達関数Pωθのゲイン特性、図28(B)は位相特性を示し、細実線が周波数スイープの結果を示し、太実線がフィッティングの結果を示す。なお、フィッティングの結果での伝達関数Pωθは下記数3である。
Figure 0006528910
また、数1で定義される規範モデル部341の伝達関数Gmodelにおいて、カットオフ周波数fm1及びfm2は、それぞれ10Hz、20Hzとした。FFフィルタの伝達関数Gfは、数2に基づいて計算する。このような設定における伝達関数Gmodel、伝達関数Pωθ及びFFフィルタの伝達関数Gfの周波数特性を図29に示す。図29(A)はゲイン特性、図29(B)は位相特性である。
規範モデル及びFFフィルタによる効果として、舵角制御(舵角指令値θrefに対する実操舵角θr)の追従性を挙げることができるので、上記の設定の下、車速V=60[km/h]で、舵角指令値θrefを0[deg]から100[deg]までランプ状に変化させたシミュレーションを行った。その結果を図30に示す。図30では、縦軸が舵角[deg]、横軸が時間[sec]であり、破線が舵角指令値θrefを示す。この舵角指令値θrefに対して、舵角偏差(目標操舵角θtと実操舵角θrの偏差)に単純にゲインを乗算した値を基に算出した実操舵角の時間応答を細実線で、位置制御部340中の規範モデル及びFFフィルタによるモデル規範制御により算出した実操舵角の時間応答を太実線で、規範モデル部341から出力される目標操舵角θt1の時間応答を点線で示す。図30から、細実線で示される単純にゲインを乗算したものと比較して、設定した規範モデル及びFFフィルタにより追従性が向上し、更に規範モデル出力である目標操舵角θt1と良く一致していることがわかる。但し、図30により規範モデル及びFFフィルタの効果を示したが、舵角偏差に対して単純にゲインを乗算した場合(細実線)においても、舵角指令値θrefに対して実操舵角θrが十分に追従していることを確認することができる。
ハンドル振動に対する効果確認のシミュレーションでは、図30と同様の舵角指令値θrefに対して舵角制御を行った場合、ハンドル振動除去部330及びハンドル制振部380の有無によるトーションバートルクの時間応答の違いを調べた。ハンドル振動除去部330ではカットオフ周波数が2Hzの1次LPFを使用した。ハンドル制振部380では、トーションバートルク1Nmに対してコラム軸換算トルクが10Nm相当になるゲインKvを使用し、分子のカットオフ周波数を10Hz、分母のカットオフ周波数を20Hzとした1次フィルタでの位相進み補償を行った。その結果を図31に示す。図31では、縦軸がトーションバートルク[Nm]、横軸が時間[sec]であり、実線はハンドル振動除去部330及びハンドル制振部380による振動対策がある場合で、点線は振動対策がない場合である。図31から、ハンドル振動除去部330及びハンドル制振部380により、ハンドルの振動が抑制されていることがわかる。
効果の説明の最後として、舵角制御開始時の舵角速度の増加によりI制御の積分値が過剰に蓄積し、舵角制御指令値が過剰となるおそれがある問題(特許文献3等での課題)に対する効果について説明する。
図32は、手動操舵状態から自動操舵状態へ移行する際の目標舵角速度ωt、徐変ゲイン及び速度指令値可変制限部360での制限値の時間変化を示す図である。なお、速度制御徐変ゲインGfa2及び速度指令徐変ゲインGfa3は、舵角制御出力徐変ゲインGfa1と同期した変化をするとして、図32にはGfa1のみを示す。アシスト制御出力徐変ゲインGft1及びアシストマップ徐変ゲインGft2も、Gfa1と同期した変化をするとして、Gft1の変化の様子のみを参考として示す。また、速度指令値可変制限部360での制限値の大きさは、Gfa3が所定の閾値未満では小さい値で固定とし、Gfa3が所定の閾値以上では徐々に大きくなるような設定とした。
舵角速度指令値ωrefは、速度指令徐変ゲインGfa3を乗算され、更に速度指令値可変制限部360で制限をかけられて、目標舵角速度ωtとなる。手動操舵状態から自動操舵状態への移行が開始すると、Gfa3は0から徐々に大きくなり、目標舵角速度ωtも0から徐々に大きくなる。その後、時点t10で速度指令値可変制限部360への入力である舵角速度指令値ωrefgが制限値(制限値a)に到達すると、目標舵角速度ωtは制限値aで一定となるが、Gfa3は増加し続ける。そして、時点t11でGfa3が所定の閾値となると、制限値は徐々に大きくなり、それに合わせて目標舵角速度ωtも大きくなっていく。時点t12でGfa3が100%となり、更に、時点t13で制限値が制限値bになると、目標舵角速度ωtは制限値b内で変化するようになる。時点t10〜t13の間、目標舵角速度ωtが制限値aで制限を受け、更に舵角速度制御部370での速度制御徐変ゲインGfa2の乗算により制限を受けるので、舵角速度制御部370内での積分値の過剰な蓄積が抑制され、運転者への違和感を生じる舵角制御出力としての電流指令値を低減することができる。また、制限値の遷移完了後(つまり、時点t13以降)は、Gfa3及び速度指令値可変制限部360により舵角速度指令値ωrefは制限されず、Gfa2により舵角速度制御部370内の信号も制限されないので、通常の舵角制御にシフトすることができる。
本発明の第2実施形態について説明する。
第2実施形態では、切換判定/徐変ゲイン生成部内の手入力判定部において、特性が異なる複数の平滑化フィルタによるフィルタ処理を操舵トルクに対して行い、各フィルタ処理で求められる操舵トルク(平滑化操舵トルク)に基づいて手入力判定を行う。これにより、例えば、高域のノイズ成分を除去するためのフィルタの他に、出力する信号の反応が速いフィルタを使用すると、緊急回避時等での急峻な手入力トルクへの反応が可能となり、手入力判定の精度向上が図れる。また、各平滑化操舵トルクに対して、第1実施形態の場合と同様に、複数の閾値を適用することが可能で、これにより、手入力トルクの大きさに合わせた適切な対応が可能となる。
第2実施形態での手入力判定部523の構成例を図33に示す。図5に示される第1実施形態での手入力判定部223と比べると、平滑化フィルタ部及び絶対値化部がそれぞれ2つ設けられている。
平滑化フィルタ部525A及び525Bは平滑化フィルタを有し、操舵トルクTtをそれぞれ平滑化フィルタA及び平滑化フィルタBにより平滑化し、平滑後の操舵トルク(平滑化操舵トルク)Tta及びTtbをそれぞれ出力する。平滑化フィルタAは、出力する信号の反応が平滑化フィルタBより遅いが、高域のノイズ成分の除去が平滑化フィルタBよりも優れた特性を有しており、平滑化フィルタBは、出力する信号の反応が平滑化フィルタAより速いが、高域のノイズ成分の除去が平滑化フィルタAよりもやや劣る特性を有している。反応が速い平滑化フィルタBを併用することにより、操舵による緊急回避時等の急峻な手入力トルクに反応し、手入力がある場合の判定を行い易くすることができる。操舵トルクTta及びTtbは絶対値化部526A及び526Bに入力され、絶対値化部526Aは操舵トルクTtaの絶対値(絶対値データ)|Tta|を、絶対値化部526Bは操舵トルクTtbの絶対値(絶対値データ)|Ttb|をそれぞれ判定処理部527Aに出力する。判定処理部527Aは、予め定められた複数の閾値TthA1、TthA2、TthA3及びTthB(0≦TthA1≦TthA2≦TthA3≦TthB)を用いて、3種類の「手入力あり」の判定と1種類の「手入力なし」の判定を行う。具体的には、「絶対値|Tta|が閾値TthA3以上」又は「絶対値|Ttb|が閾値TthB以上」の場合、「手入力あり3」と判定し、「絶対値|Tta|が閾値TthA2以上、閾値TthA3未満」の場合、「手入力あり2」と判定し、「絶対値|Tta|が閾値TthA1以上、閾値TthA2未満」の場合、「手入力あり1」と判定し、「絶対値|Tta|が閾値TthA1未満」の場合、「手入力なし」と判定する。判定結果は手入力判定信号Jhとして出力される。
なお、平滑化フィルタ部525A及び525Bでは、上述のフィルタ特性を有しているならば、平滑化フィルタ以外のフィルタを使用しても良い。更に、反応させたい手入力トルク等に合わせて、3つ以上のフィルタ部を備えても良い。また、判定処理部527は、4つの閾値を用いて判定を行っているが、閾値の数は4つに限られず、4つ以外の数の閾値を用いて判定を行っても良く、操舵トルクTtbに対して複数の閾値を用いても良い。これにより、柔軟な判定を行うことができる。
第2実施形態での動作例は、第1実施形態の動作例と比べると、手入力判定部の動作が異なる。
手入力判定部523を備える第2実施形態での切換判定/徐変ゲイン生成部の動作例を、図34のフローチャートを参照して説明する。
入力した操舵トルクTtは、手入力判定部523に入力される。手入力判定部523は、操舵トルクTtを平滑化フィルタ部525A及び525Bで平滑化し、平滑後の操舵トルクTta及びTtbの絶対値|Tta|及び|Ttb|を絶対値化部526A及び526Bで求める(ステップS210A)。絶対値|Tta|及び|Ttb|は判定処理部527に入力される。判定処理部527は、絶対値|Ttb|が閾値TthB以上の場合(ステップS220A)、「手入力あり3」と判定する(ステップS230A)。絶対値|Ttb|が閾値TthB未満の場合(ステップS220A)、絶対値|Tta|が閾値TthA3以上ならば(ステップS235A)、「手入力あり3」と判定し(ステップS230A)、絶対値|Tta|が閾値TthA3未満で閾値TthA2以上ならば(ステップS240A)、「手入力あり2」と判定し(ステップS250A)、絶対値|Tta|が閾値TthA2未満で閾値TthA1以上ならば(ステップS260A)、「手入力あり1」と判定し(ステップS270A)、絶対値|Tta|が閾値TthA1未満ならば(ステップS260A)、「手入力なし」と判定する(ステップS280A)。判定結果は手入力判定信号Jhとして操舵状態判定部224に出力される。それ以降の動作(ステップS290〜S350)は、第1実施形態と同じである。
本発明の第3実施形態について説明する。
第1及び第2実施形態では、手入力判定部は操舵トルクを用いて手入力判定を行っているが、第3実施形態では、操舵トルクに加えて、推定操舵角と実操舵角の誤差を使用して手入力判定を行う。本実施形態では、第2実施形態に対して、推定操舵角と実操舵角の誤差を使用した手入力判定を加える。なお、推定操舵角と実操舵角の誤差のみを使用して手入力判定を行っても良い。
第3実施形態での車両システム全体の構成例を図35に示す。舵角制御部700からは、舵角制御電流指令値IrefP1の他に、目標操舵角θtが出力され、目標操舵角θtは切換判定/徐変ゲイン生成部620に入力される。舵角制御部700は、ハンドル振動除去部330から出力される目標操舵角θtが位置制御部340の他に切換判定/徐変ゲイン生成部620に出力される以外は、第2実施形態での舵角制御部300と同様の構成及び動作である。
第3実施形態での切換判定/徐変ゲイン生成部620の構成例を図36に示す。切換判定/徐変ゲイン生成部620は切換判定部621及び徐変ゲイン生成部222を備え、切換判定部621は手入力判定部623及び操舵状態判定部624を備える。徐変ゲイン生成部222は第2実施形態と同じであるから、説明は省略する。
手入力判定部623は、操舵トルクTt、実操舵角θr及び目標操舵角θtを用いて手入力を判定する。
手入力判定部623の構成例を図37に示しており、図33に示される第2実施形態での手入力判定部523と比べると、手入力判定部523と同じ構成を有する判定部523Aに加え、判定部623A、舵角制御モデル部628及び減算部629を備える。判定部623Aは、平滑化フィルタ部625A及び625B、絶対値化部626A及び626B並びに判定処理部627を備える。
判定部523Aは、手入力判定部523と同様の動作により、手入力判定信号Jh1(第2実施形態での手入力判定信号Jhに相当)を出力する。なお、平滑化フィルタ部525A及び525Bが有する平滑化フィルタがトルク用平滑化フィルタとして機能する。また、判定処理部527にて予め定められた複数の閾値がトルク閾値として使用される。
舵角制御モデル部628は、目標操舵角θtから推定操舵角θiを演算し、推定操舵角θiは減算部629に加算入力される。舵角制御モデル部628は、自動操舵状態における実操舵角θrを推定するために、目標操舵角θtに対する実操舵角θrの伝達特性を設定し、その伝達特性を用いて実操舵角を推定する。推定される実操舵角である推定操舵角θiと実際の実操舵角θrにずれがあれば、運転者による操舵介入があったと判断できるわけである。目標操舵角θtに対する実操舵角θrの伝達特性は、伝達関数や差分方程式(微分方程式)等で定義される。簡易的には、位置制御部340内の規範モデル部341を代用することができる。より正確に推定したい場合は、実験又はシミュレーションにより、目標操舵角θtを入力、実操舵角θrを出力として、一般的な同定方法により求める。更に推定精度を上げたい場合は、車速毎に伝達特性を同定する。なお、伝達関数は、車両及びEPSの周波数特性を表わすプラントモデルと舵角制御部の周波数特性を表わす制御モデルに基づいて、数式により表現しても良い。
減算部629には、推定操舵角θiと共に、実操舵角θrが減算入力され、推定操舵角θiと実操舵角θrの誤差dθが算出され、誤差dθは判定部623Aに入力される。
判定部623Aは、誤差dθを対象として、判定部523Aと同様の構成及び動作により、平滑化フィルタ(誤差用平滑化フィルタ)を有する平滑化フィルタ部625A及び625Bで誤差dθの平滑化をそれぞれ行い、平滑後の誤差(平滑化誤差)dθa及びdθbの絶対値(絶対値データ)|dθa|及び|dθb|を絶対値化部626A及び626Bでそれぞれ求め、判定処理部627が、絶対値|dθa|及び|dθb|に対して、予め定められた複数の閾値(誤差閾値)θthA1、θthA2、θthA3及びθthB(0≦θthA1≦θthA2≦θthA3≦θthB)を用いて、3種類の「手入力あり」の判定と1種類の「手入力なし」の判定を行う。平滑化フィルタ部625A及び625Bがそれぞれ有する平滑化フィルタC及び平滑化フィルタDは、平滑化フィルタA及び平滑化フィルタBの場合と同様に、平滑化フィルタCは、出力する信号の反応が平滑化フィルタDより遅いが、高域のノイズ成分の除去が平滑化フィルタDよりも優れた特性を有しており、平滑化フィルタDは、出力する信号の反応が平滑化フィルタCより速いが、高域のノイズ成分の除去が平滑化フィルタCよりもやや劣る特性を有している。簡易的に、平滑化フィルタCは平滑化フィルタAと、平滑化フィルタDは平滑化フィルタBと同じ特性としても良い。判定結果は手入力判定信号Jh2として出力される。
なお、判定処理部527及び627は、それぞれ4つの閾値を用いて判定を行っているが、閾値の数は4つに限られず、4つ以外の数の閾値を用いて判定を行っても良い。これにより、柔軟な判定を行うことができる。
操舵状態判定部624は、車両側ECU100からの切換信号SW並びに手入力判定信号Jh1及びJh2から操舵状態を判定する。第2実施形態の場合と同様に、操舵状態には、「自動操舵1」、「自動操舵2」及び「手動操舵」があり、「自動操舵1」が通常の自動操舵状態に相当する。そして、切換信号SW、手入力判定信号Jh1、Jh2に加え、直前操舵状態に基づいて、最新の操舵状態を判定する。判定に当たり、手入力判定信号Jh1及びJh2は、判定信号α及びβのいずれかに割り当てられ、例えば手入力判定信号Jh1が判定信号αの場合、手入力判定信号Jh2が判定信号βとなり、手入力判定信号Jh2が判定信号αの場合、手入力判定信号Jh1が判定信号βとなる。本実施形態では、手入力判定信号Jh1を判定信号αに、手入力判定信号Jh2を判定信号βとする。そして、判定は以下のように行われる。
[条件A]
直前操舵状態が「自動操舵1」又は「自動操舵2」において、切換信号SWが「アシスト制御モード」又は判定信号αが「手入力あり3」の場合、操舵状態は「手動操舵」と判定する。
[条件B]
直前操舵状態が「自動操舵1」において、切換信号SWが「舵角制御モード」であり且つ判定信号αが「手入力あり2」であり且つ判定信号βが「手入力あり3」以外の場合、操舵状態は「自動操舵2」と判定する。
[条件C]
直前操舵状態が「自動操舵2」において、切換信号SWが「舵角制御モード」であり且つ判定信号αが「手入力あり1」又は「手入力あり2」であり且つ判定信号βが「手入力あり3」以外の場合、操舵状態は変わらず「自動操舵2」と判定する。
[条件D]
直前操舵状態が「自動操舵2」において、切換信号SWが「舵角制御モード」であり且つ判定信号αが「手入力なし」であり且つ判定信号βが「手入力なし」の場合、操舵状態は「自動操舵1」と判定する。
[条件E]
直前操舵状態が「手動操舵」において、切換信号SWが「舵角制御モード」であり且つ判定信号αが「手入力なし」であり且つ判定信号βが「手入力なし」の場合、操舵状態は「自動操舵1」と判定する。

上記の条件A〜条件Eを、さらに詳細にすると、下記表2〜表4のようになる。なお、表2において、「−」は任意の値(つまり、判定には関係しない)を意味し、「(継続)」は操舵状態が変わらないことを意味し、各列の条件をAND条件として連結して判定する。表3は、表2での直前操舵状態が「自動操舵1」で且つ切換信号SWが「舵角制御モード」の場合の判定結果を示しており、表4は、表2での直前操舵状態が「自動操舵2」で且つ切換信号SWが「舵角制御モード」の場合の判定結果を示しており、αは「判定信号α」を、βは「判定信号β」を表わしている。
Figure 0006528910
Figure 0006528910
Figure 0006528910

上記表2〜表4に従って操舵状態を判定し、判定結果は操舵状態判定信号Jsとして徐変ゲイン生成部222に出力されると共に、舵角制御部700にも出力される。なお、第2実施形態の場合と同様に、切換信号SWを使用せずに操舵状態を判定しても良い。
第3実施形態での動作例は、第2実施形態の動作例と比べると、舵角制御部700が目標操舵角θtを切換判定/徐変ゲイン生成部620に出力する他に、切換判定/徐変ゲイン生成部の動作が異なる。
第3実施形態での切換判定/徐変ゲイン生成部620の動作例を、図38及び図39のフローチャートを参照して説明する。なお、操舵状態判定部624において、直前操舵状態には「手動操舵」が、保持する切換信号SWには「アシスト制御モード」が、操舵状態判定信号Jsには「手動操舵」がそれぞれ初期値として設定されているとする。
入力した操舵トルクTt、目標操舵角θt及び実操舵角θrは、切換判定部621内の手入力判定部623に入力される。手入力判定部623では、操舵トルクTtが判定部623Aに、目標操舵角θtが舵角制御モデル部628に、実操舵角θrが減算部629に入力される。
舵角制御モデル部628は、目標操舵角θtから推定操舵角θiを演算する(ステップS410)。推定操舵角θiは減算部629に加算入力され、実操舵角θrを減算され(ステップS420)、誤差dθ(=θi−θr)が判定部623Aに入力される。
判定部523Aは、第2実施形態での手入力判定部523と同様の動作により手入力判定を行い、判定結果を手入力判定信号Jh1として操舵状態判定部624に出力する(ステップS210A〜S280A)。
判定部623Aは、誤差dθを平滑化フィルタ部625A及び625Bで平滑化し、平滑後の誤差dθa及びdθbの絶対値|dθa|及び|dθb|を絶対値化部626A及び626Bで求める(ステップS430)。絶対値|dθa|及び|dθb|は判定処理部627に入力される。判定処理部627は、絶対値|dθb|が閾値θthB以上の場合(ステップS440)、「手入力あり3」と判定する(ステップS450)。絶対値|dθb|が閾値θthB未満の場合(ステップS440)、絶対値|dθa|が閾値θthA3以上ならば(ステップS460)、「手入力あり3」と判定し(ステップS450)、絶対値|dθa|が閾値θthA3未満で閾値θthA2以上ならば(ステップS470)、「手入力あり2」と判定し(ステップS480)、絶対値|dθa|が閾値θthA2未満で閾値θthA1以上ならば(ステップS490)、「手入力あり1」と判定し(ステップS500)、絶対値|dθa|が閾値θthA1未満ならば(ステップS490)、「手入力なし」と判定する(ステップS510)。判定結果は手入力判定信号Jh2として操舵状態判定部624に出力される。なお、判定部523Aの動作と判定部623Aの動作は、順番が逆でも、並行して実行されても良い。
操舵状態判定部624は、切換信号SWの入力の有無を確認し(ステップS290)、切換信号SWを入力していたら、保持している切換信号SWの値を更新する(ステップS300)。そして、入力した手入力判定信号Jh1及びJh2をそれぞれ判定信号α及びβとし、直前操舵状態、切換信号SWを用いて、表2〜表4の条件判定に従って操舵状態の判定を行う(ステップS310A)。それ以降の動作(ステップS320〜S350)は、第2実施形態と同じである。
本発明の第4実施形態について説明する。
第4実施形態では、操舵状態に応じた舵角指令徐変ゲインGfa4の変化の態様を他の徐変ゲインと一部異ならせ、また、舵角制御部内の可変レート制限部で使用する制限値を、操舵状態判定信号Jsではなく、舵角指令徐変ゲインGfa4に応じて設定するようにする。本実施形態では、第3実施形態に対して、これらの変更を加える。
第4実施形態での車両システム全体の構成例を図40に示す。図35に示される第3実施形態の構成例と比べると、切換判定/徐変ゲイン生成部及び舵角制御部が異なっており、切換判定/徐変ゲイン生成部820からは操舵状態判定信号Jsが舵角制御部900に出力されていない。
切換判定/徐変ゲイン生成部820では、第3実施形態の場合と同様に、徐変ゲイン生成部が、操舵状態判定信号Jsにより操舵状態を判断し、操舵状態によって徐変ゲインが異なる値を取るようにするが、操舵状態の判断が第3実施形態と一部異なる。即ち、「自動操舵1」は自動操舵状態と判断して値を設定するが、「自動操舵2」は、舵角指令徐変ゲインGfa4においては手動操舵状態と判断して値を設定し、その他の徐変ゲインにおいては値を直前の値のままとする。「手動操舵」は手動操舵状態と判断する。操舵状態がこのように判断されるので、図6(A)に示される舵角指令徐変ゲインGfa4の変化のタイミングが、他の徐変ゲインと異なることになる。即ち、自動操舵状態から手動操舵状態へ移行する場合、時点t1において、徐変ゲインGfa1〜Gfa3は、操舵状態判定信号Jsが「手動操舵」に変わると減少し始めるが、徐変ゲインGfa4は、「手動操舵」又は「自動操舵2」に変わると減少し始める。手動操舵状態から自動操舵状態へ移行する場合は、徐変ゲインGfa4は徐変ゲインGfa1〜Gfa3と同様に、操舵状態判定信号Jsが「自動操舵1」に変わった時点から増加し始める。切換状態においては、操舵状態判定信号Jsが「手動操舵」又は「自動操舵1」に変わった場合は、徐変ゲインGfa4は徐変ゲインGfa1〜Gfa3と同様の動作を行うが、「自動操舵2」に変わった場合は、徐変ゲインGfa1〜Gfa3は変化しないが、徐変ゲインGfa4は減少する。
舵角制御部900の構成例を図41に示す。舵角制御部900では、可変レート制限部920に、操舵状態判定信号Jsではなく舵角指令徐変ゲインGfa4が入力されている。
可変レート制限部920は、1サンプル前の舵角指令値θref1からの差分を変化量とし、その変化量の絶対値が所定の値(制限値)より大きい場合、変化量の絶対値が制限値となるように、舵角指令値θref1を加減算し、舵角指令値θref2として出力し、制限値以下の場合は、舵角指令値θref1をそのまま舵角指令値θref2として出力する。そして、自動操舵状態及び手動操舵状態において適切な制限値を設定すべく、舵角指令徐変ゲインGfa4に応じて制限値を設定する。舵角指令徐変ゲインGfa4より操舵状態を判断し、自動操舵状態では予め定められた制限値とし、手動操舵状態では制限値をゼロとし、舵角指令値θref2が変化せずに一定となるようにする。切換状態では、舵角指令徐変ゲインGfa4が減少しているときは制限値をゼロとし、増加しているときは予め定められた制限値とする。なお、自動操舵状態において、変化量の絶対値に対して制限値を設定するのではなく、変化量に対して上限値及び下限値を設定して制限をかけるようにしても良い。
ここで、切換判定/徐変ゲイン生成部820での操舵状態の判定とその判定結果を基に決定された舵角指令徐変ゲインGfa4に応じた可変レート制限部920の制限値の設定の効果について、例を用いて説明する。なお、手入力判定部623の判定部523A及び判定部623Aは同じ判定を行っているとする。
図42は、自動運転中において道路に物体、水溜り、氷等の障害物があり、その障害物を避けるために運転者による操舵介入が発生した場合の手入力判定結果及び操舵状態の変化の様子を示したものである。
障害物を僅かに右側に避ける程度の操舵介入で、「手入力あり3」と判定されるレベルよりも弱い手入力の場合、操舵状態は「手動操舵」には遷移せずに、舵角制御は継続されることになる。よって、車両側ECU100は、運転者の操舵介入により右側に寄った車両を中央に戻すために、左側にハンドルを切るように舵角指令値を更新するので、右側に寄りたい運転者による操舵介入と中央を維持したい車両側ECU100からの舵角指令値による操舵が衝突することになる。そこで、安全優先の点から、運転者の操舵介入を優先させるために、手入力判定が地点P1において「手入力あり2」になることにより、操舵状態が「自動操舵2」の状態になり、舵角指令徐変ゲインGfa4を介して可変レート制限部920の制限値をゼロにし、舵角指令値を一定値にする。これにより、舵角指令値の更新の影響を受けず、スムーズな操舵介入を実現することができる。
障害物をかわした後、運転者の操舵介入が弱まり、地点P2において手入力判定が「手入力あり1」になっても、操舵状態は「自動操舵2」のままであり、更に、操舵介入が弱まり、地点P3において手入力判定が「手入力なし」になると、操舵状態は「自動操舵1」に遷移する。このように、一度「手入力あり1」になることで、「自動操舵1」と「自動操舵2」間の切り換わりによるチャタリング等の発生を防止することができる。「自動操舵1」になった後は、通常の舵角指令値になり、自動運転に戻る。
このように、障害物をかわすために運転者による操舵介入があった場合でも、「手動操舵」に遷移せず、シームレスな操舵を実現することができる。
第4実施形態での動作例は、第3実施形態の動作例と比べると、徐変ゲイン生成部及び可変レート制限部の動作が異なる。
第4実施形態の徐変ゲイン生成部での徐変ゲイン生成の動作例を、図43のフローチャートを参照して説明する。
徐変ゲイン生成部は、操舵状態判定信号Jsの値を確認する(ステップS330)。操舵状態判定信号Jsが「手動操舵」の場合、各徐変ゲイン(Gfa1〜Gfa4、Gft1、Gft2)を手動操舵状態での値(Gfa1〜Gfa4では0%、Gft1及びGft2では100%)に遷移させる(ステップS340)。操舵状態判定信号Jsが「自動操舵1」の場合、各徐変ゲインを自動操舵状態での値(Gfa1〜Gfa4では100%、Gft1ではαt1、Gft2ではαt2)に遷移させる(ステップS350)。操舵状態判定信号Jsが「自動操舵2」の場合、徐変ゲインが舵角指令徐変ゲインGfa4ならば(ステップS360)、「手動操舵」の場合と同様の動作を行い(ステップS340)、徐変ゲインが舵角指令徐変ゲインGfa4以外ならば(ステップS360)、各徐変ゲインはそのままとする。
第4実施形態の可変レート制限部920でのレート制限の動作例を、図44のフローチャートを参照して説明する。
可変レート制限部920は、舵角指令徐変ゲインGfa4の値を確認し(ステップS660A)、Gfa4が0%の場合、制限値をゼロとし(ステップS670)、保持している1サンプル前の舵角指令値θref1の値を実操舵角θrの値にする(ステップS671)。Gfa4が100%の場合、制限値を予め定められた値とする(ステップS680)。Gfa4が0〜100%の間の場合、1サンプル前のGfa4から減少しているならば(ステップS672)、制限値をゼロとし(ステップS681)、そうでなければ(ステップS672)、制限値を予め定められた値とする(ステップS680A)。そして、舵角指令値θref1と1サンプル前の舵角指令値θref1との差分(変化量)を算出する(ステップS690)。変化量の絶対値が制限値より大きい場合(ステップS700)、変化量の絶対値が制限値となるように、舵角指令値θref1を加減算し(ステップS710)、舵角指令値θref2として出力する(ステップS720)。変化量の絶対値が制限値以下の場合(ステップS700)、舵角指令値θref1をそのまま舵角指令値θref2として出力する(ステップS720)。
本発明の他の実施形態について説明する。
第1実施形態では、舵角速度制御部370での速度制御徐変ゲインGfa2の乗算は、積分部373からの出力である制御量Ir1に対して行われているが、減算部375からの出力である舵角制御電流指令値IrefWに対して行うことも可能である。
図45は、舵角制御電流指令値IrefWに対して速度制御徐変ゲインGfa2を乗算する場合の舵角速度制御部の構成例(第5実施形態)である。図15に示される第1実施形態での舵角速度制御部370と比べると、第5実施形態での舵角速度制御部370Aでは、乗算部376が積分部373の後ではなく、減算部375の後に設置されており、その他の構成は同じである。
第5実施形態での舵角速度制御部370Aの動作例では、図21に示される第1実施形態の動作例において、積分部373が操作量D1を積分して制御量Ir1を算出するステップS910までは同じ動作で、その後、制御量Ir1は減算部375に入力され、減算部375にて制御量Ir1とIr2の偏差(Ir1−Ir2)として制御量Ir3’が算出される。そして、乗算部376は、制御量Ir3’に速度制御徐変ゲインGfa2を乗算し、舵角制御電流指令値IrefWとして加算部394に出力する。それ以降(ステップS950〜)は、第1実施形態と同じ動作である。
速度制御徐変ゲインGfa2の乗算を、舵角速度制御部370内の他の箇所で行うことも可能である。
図46に示される舵角速度制御部の構成例(第6実施形態)では、減算部374からの出力である偏差ωeに対して速度制御徐変ゲインGfa2を乗算している。図15に示される第1実施形態での舵角速度制御部370と比べると、第6実施形態での舵角速度制御部370Bでは、乗算部376が積分部373の後ではなく、減算部374の後に設置されており、その他の構成は同じである。
第6実施形態での舵角速度制御部370Bの動作例では、図21に示される第1実施形態の動作例において、減算部374が目標舵角速度ωtと実舵角速度ωrの偏差ωeを算出するステップS890までは同じ動作で、偏差ωeはゲイン乗算部371ではなく、乗算部376に入力され、乗算部376は、偏差ωeに速度制御徐変ゲインGfa2を乗算し、偏差ωe1としてゲイン乗算部371に出力する。その後は、ステップS920がなくなるだけで、第1実施形態と同じ動作である。
上述の実施形態(第1〜第6実施形態)では、速度指令値可変制限部360は、速度指令徐変ゲインGfa3に応じて制限値を設定し、Gfa3が所定の閾値になったときに制限値を切り換えているが、Gfa3の代わりに舵角制御出力徐変ゲインGfa1を使用し、Gfa1が100%になったときに制限値を切り換えるようにしても良い。この場合の構成(第7実施形態)では、速度指令値可変制限部にはGfa3の代わりにGfa1が入力され、その他の構成は他の実施形態と同じである。第7実施形態での動作では、速度指令値可変制限部での制限値決定の判断動作(図21でのステップS850)が、Gfa1が100%未満か否かの確認に変わるだけである。第7実施形態において、手動操舵状態から自動操舵状態へ移行する際の目標舵角速度ωt、徐変ゲイン及び速度指令値可変制限部での制限値の時間変化は、図47に示されるようになる。図32で示される時間変化と比べると、速度指令値可変制限部での制限値が、Gfa1が100%となる時点t12から徐々に大きくなっており、それに合わせて目標舵角速度ωtも大きくなっている。
なお、上述の実施形態(第1〜第7実施形態)における各徐変ゲイン(Gfa1〜Gfa4、Gft1、Gft2)の乗算に関して、徐変ゲイン乗算による効果よりコストを重視する場合等では、少なくとも1つの乗算を残して、後の乗算は省略可能である。また、各制限部(舵角指令値可変制限部、可変レート制限部、速度指令値可変制限部、舵角制御電流指令値制限部)も、同様の場合等では省略可能である。舵角指令値可変制限部310、可変レート制限部320(又は920)及び乗算部391、更にハンドル振動除去部330が省略された場合、位置制御部340には目標操舵角θtとして舵角指令値θrefが入力されることになる。乗算部392及び速度指令値可変制限部360が省略された場合、舵角速度制御部360には目標舵角速度ωtとして舵角速度指令値ωrefが入力されることになる。
1 ハンドル
2 コラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)
10 トルクセンサ
12 車速センサ
13 バッテリ
20 モータ
21 回転角センサ
30 コントロールユニット(ECU)
31 電流指令値演算部
33 電流制限部
34 補償信号生成部
35 PI制御部
36 PWM制御部
37 インバータ
38 モータ電流検出器
100 車両側ECU
110 車両状態量検出部
120 切換指令部
130 目標軌道演算部
140 車両運動制御部
141 舵角指令値生成部
200、600、800 EPS側ECU
210 EPS状態量検出部
220、620、820 切換判定/徐変ゲイン生成部
221、621 切換判定部
222 徐変ゲイン生成部
223、523、623 手入力判定部
224、624 操舵状態判定部
225、525A、525B、625A、625B 平滑化フィルタ部
226、526A、526B、626A、626B 絶対値化部
227、527、627 判定処理部
230 アシスト制御部
240 切換部
250 電流制御/駆動部
300、700、900 舵角制御部
310 舵角指令値可変制限部
320、920 可変レート制限部
330 ハンドル振動除去部
340 位置制御部
341 規範モデル部
342 比例ゲイン部
343 フィルタ部
350 操舵介入補償部
351 操舵介入位相補償部
352 不感帯設定部
353 補償マップ部
360 速度指令値可変制限部
370、370A、370B、470、570 舵角速度制御部
371、372 ゲイン乗算部
373 積分部
380 ハンドル制振部
381 ゲイン部
382 制振位相補償部
390 舵角制御電流指令値制限部
400 プラント
523A、623A 判定部
628 舵角制御モデル部

Claims (29)

  1. 電流指令値に基づいてモータを駆動し、前記モータの駆動制御によって操舵系に対してアシスト制御及び舵角制御を行う電動パワーステアリング装置において、
    少なくとも舵角指令値及び実操舵角に基づいて、前記舵角制御のための舵角制御電流指令値を演算する舵角制御部と、
    手入力の判定に基づいて操舵状態を判定し、前記操舵状態の切換を行う切換判定/徐変ゲイン生成部とを備え、
    前記切換判定/徐変ゲイン生成部は、
    操舵トルクに対して閾値を用いて、又は、前記舵角指令値に基づいて推定される推定操舵角と前記実操舵角の誤差に対して誤差閾値を用いて、前記手入力の判定を行う手入力判定部を具備し、
    前記舵角制御部は、
    前記舵角指令値及び前記実操舵角に基づいて舵角速度指令値を演算する位置制御部と、
    前記舵角速度指令値及び実舵角速度に基づいて前記舵角制御電流指令値を演算する舵角速度制御部と、
    前記操舵トルクに応じて操舵介入補償のための補償舵角速度指令値を求める操舵介入補償部とを具備し、
    前記補償舵角速度指令値を用いて前記舵角速度指令値を補償し、
    前記位置制御部は、規範モデルを用いて前記舵角指令値を目標操舵角に変換する規範モデル部と、前記目標操舵角と前記実操舵角の偏差に比例ゲインを乗算して舵角速度指令値1を算出する比例ゲイン部と、FFフィルタを用いて、前記舵角指令値を舵角速度指令値2に変換するフィルタ部とを具備し、前記舵角速度指令値1に前記舵角速度指令値2を加算して前記舵角速度指令値を演算し、
    前記操舵介入補償部は、前記操舵トルクに対する前記補償舵角速度指令値の特性を定めた操舵介入補償マップを有する補償マップ部を具備し、前記補償マップ部を介して、前記操舵トルクより前記補償舵角速度指令値を求め、
    少なくとも前記舵角制御電流指令値を用いて前記電流指令値を演算することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  2. 前記手入力判定部が、
    平滑化フィルタで平滑化される前記操舵トルクに対して前記閾値を用いて前記手入力の判定を行う請求項1に記載の電動パワーステアリング装置。
  3. 前記手入力判定部が、
    前記操舵トルクに対して複数の前記閾値を用い、手入力ありの判定結果として複数の判定結果を有する請求項2に記載の電動パワーステアリング装置。
  4. 前記手入力判定部が、
    特性が異なる複数の平滑化フィルタを有し、前記平滑化フィルタそれぞれで前記操舵トルクを平滑化して複数の平滑化操舵トルクを求め、前記平滑化操舵トルクそれぞれに対して前記閾値を用いて前記手入力の判定を行う請求項1に記載の電動パワーステアリング装置。
  5. 前記手入力判定部が、
    少なくとも1つの前記平滑化操舵トルクに対して複数の前記閾値を用い、手入力ありの判定結果として複数の判定結果を有する請求項4に記載の電動パワーステアリング装置。
  6. 前記切換判定/徐変ゲイン生成部が、
    動作モードをアシスト制御モード又は舵角制御モードに切り換える切換信号及び前記手入力判定部の判定結果に基づいて前記操舵状態を判定する操舵状態判定部と、
    前記操舵状態に応じて、前記アシスト制御の制御量及び前記舵角制御の制御量を調整する徐変ゲインを生成する徐変ゲイン生成部とを具備する請求項3又は5に記載の電動パワーステアリング装置。
  7. 前記操舵状態判定部が、
    前記切換信号が前記アシスト制御モードの場合、
    又は、直前の前記操舵状態が自動操舵1若しくは自動操舵2であり、且つ前記判定結果が手入力あり3の場合、
    前記操舵状態を手動操舵と判定する請求項6に記載の電動パワーステアリング装置。
  8. 前記操舵状態判定部が、
    直前の前記操舵状態が前記手動操舵又は前記自動操舵2であり、且つ前記切換信号が前記舵角制御モードであり、且つ前記判定結果が手入力なしの場合、
    前記操舵状態を前記自動操舵1と判定する請求項7に記載の電動パワーステアリング装置。
  9. 前記徐変ゲイン生成部が、
    前記自動操舵1に対して所定の第1ゲイン値を前記徐変ゲインに設定し、前記手動操舵に対して所定の第2ゲイン値を前記徐変ゲインに設定し、
    前記操舵状態が前記自動操舵1に変わった場合、前記徐変ゲインを前記第1ゲイン値に遷移させ、前記操舵状態が前記手動操舵に変わった場合、前記徐変ゲインを前記第2ゲイン値に遷移させる請求項7又は8に記載の電動パワーステアリング装置。
  10. 電流指令値に基づいてモータを駆動し、前記モータの駆動制御によって操舵系に対してアシスト制御及び舵角制御を行う電動パワーステアリング装置において、
    少なくとも舵角指令値及び実操舵角に基づいて、前記舵角制御のための舵角制御電流指令値を演算する舵角制御部と、
    手入力の判定に基づいて操舵状態を判定し、前記操舵状態の切換を行う切換判定/徐変ゲイン生成部とを備え、
    前記切換判定/徐変ゲイン生成部は、
    前記舵角指令値に基づいて推定される推定操舵角と前記実操舵角の誤差に対して誤差閾値を用いて前記手入力の判定を行う第1判定部を具備する手入力判定部を備え、
    前記舵角制御部は、
    前記舵角指令値及び前記実操舵角に基づいて舵角速度指令値を演算する位置制御部と、
    前記舵角速度指令値及び実舵角速度に基づいて前記舵角制御電流指令値を演算する舵角速度制御部と、
    操舵トルクに応じて操舵介入補償のための補償舵角速度指令値を求める操舵介入補償部とを具備し、
    前記補償舵角速度指令値を用いて前記舵角速度指令値を補償し、
    前記位置制御部は、規範モデルを用いて前記舵角指令値を目標操舵角に変換する規範モデル部と、前記目標操舵角と前記実操舵角の偏差に比例ゲインを乗算して舵角速度指令値1を算出する比例ゲイン部と、FFフィルタを用いて、前記舵角指令値を舵角速度指令値2に変換するフィルタ部とを具備し、前記舵角速度指令値1に前記舵角速度指令値2を加算して前記舵角速度指令値を演算し、
    前記操舵介入補償部は、前記操舵トルクに対する前記補償舵角速度指令値の特性を定めた操舵介入補償マップを有する補償マップ部を具備し、前記補償マップ部を介して、前記操舵トルクより前記補償舵角速度指令値を求め、
    少なくとも前記舵角制御電流指令値を用いて前記電流指令値を演算することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  11. 前記第1判定部が、
    特性が異なる複数の誤差用平滑化フィルタを有し、前記誤差用平滑化フィルタそれぞれで前記誤差を平滑化して複数の平滑化誤差を求め、前記平滑化誤差それぞれに対して前記誤差閾値を用いて前記手入力の判定を行う請求項10に記載の電動パワーステアリング装置。
  12. 前記第1判定部が、
    少なくとも1つの前記平滑化誤差に対して複数の前記誤差閾値を用い、手入力ありの判定結果として複数の判定結果を有する請求項11に記載の電動パワーステアリング装置。
  13. 前記手入力判定部が、
    前記操舵トルクに対してトルク閾値を用いて前記手入力の判定を行う第2判定部を更に具備する請求項10乃至12のいずれか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
  14. 前記第2判定部が、
    特性が異なる複数のトルク用平滑化フィルタを有し、前記トルク用平滑化フィルタそれぞれで前記操舵トルクを平滑化して複数の平滑化操舵トルクを求め、前記平滑化操舵トルクそれぞれに対して前記トルク閾値を用いて前記手入力の判定を行う請求項13に記載の電動パワーステアリング装置。
  15. 前記第2判定部が、
    少なくとも1つの前記平滑化操舵トルクに対して複数の前記トルク閾値を用い、手入力ありの判定結果として複数の判定結果を有する請求項14に記載の電動パワーステアリング装置。
  16. 前記切換判定/徐変ゲイン生成部が、
    動作モードをアシスト制御モード又は舵角制御モードに切り換える切換信号、前記第1判定部の第1判定結果及び前記第2判定部の第2判定結果に基づいて前記操舵状態を判定する操舵状態判定部と、
    前記操舵状態に応じて、前記アシスト制御の制御量及び前記舵角制御の制御量を調整する徐変ゲインを生成する徐変ゲイン生成部とを具備する請求項15に記載の電動パワーステアリング装置。
  17. 前記操舵状態判定部が、
    前記切換信号が前記アシスト制御モードの場合、
    又は、直前の前記操舵状態が自動操舵1若しくは自動操舵2であり、且つ前記第1判定結果若しくは前記第2判定結果が手入力あり3の場合、
    前記操舵状態を手動操舵と判定する請求項16に記載の電動パワーステアリング装置。
  18. 前記操舵状態判定部が、
    直前の前記操舵状態が前記手動操舵又は前記自動操舵2であり、且つ前記切換信号が前記舵角制御モードであり、且つ前記第1判定結果及び前記第2判定結果が手入力なしの場合、
    前記操舵状態を前記自動操舵1と判定する請求項17に記載の電動パワーステアリング装置。
  19. 前記徐変ゲイン生成部が、
    前記自動操舵1に対して所定の第1ゲイン値を前記徐変ゲインに設定し、前記手動操舵に対して所定の第2ゲイン値を前記徐変ゲインに設定し、
    前記操舵状態が前記自動操舵1に変わった場合、前記徐変ゲインを前記第1ゲイン値に遷移させ、前記操舵状態が前記手動操舵に変わった場合、前記徐変ゲインを前記第2ゲイン値に遷移させる請求項17又は18に記載の電動パワーステアリング装置。
  20. 前記徐変ゲイン生成部が、
    前記舵角指令値に対して乗算される舵角指令徐変ゲインを生成し、
    前記操舵状態が前記自動操舵2に変わった場合、前記舵角指令徐変ゲインを前記第2ゲイン値に遷移させる請求項19に記載の電動パワーステアリング装置。
  21. 前記舵角制御部が、
    前記舵角指令値の変化量に対して、前記操舵状態に応じて設定される制限値によって制限をかける可変レート制限部を更に具備する請求項7乃至9及び17乃至20のいずれか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
  22. 前記可変レート制限部が、
    前記操舵状態が前記自動操舵1から前記自動操舵2又は前記手動操舵に変わった場合、前記制限値をゼロに遷移させる請求項21に記載の電動パワーステアリング装置。
  23. 前記可変レート制限部が、
    前記操舵状態が前記自動操舵1以外から前記自動操舵1に変わった場合、前記制限値を所定の値に遷移させる請求項21又は22に記載の電動パワーステアリング装置。
  24. 前記操舵介入補償マップが、前記操舵トルクが増加すると前記補償舵角速度指令値も増加する特性を有する請求項1又は10記載の電動パワーステアリング装置。
  25. 前記操舵介入補償マップが、車速が増加すると前記補償舵角速度指令値が減少する特性を有する請求項1、10又は28に記載の電動パワーステアリング装置。
  26. 前記操舵介入補償部が、
    前記操舵トルクに対して位相補償を行う操舵介入位相補償部を更に具備し、
    前記操舵介入位相補償部及び前記補償マップ部を介して、前記操舵トルクより前記補償舵角速度指令値を求める請求項1又は10に記載の電動パワーステアリング装置。
  27. 前記FFフィルタのフィルタゲインが車速に応じて変化する請求項1又は10に記載の電動パワーステアリング装置。
  28. 前記舵角速度制御部が、前記舵角速度指令値及び前記実舵角速度を用いて、I−P制御によって前記舵角制御電流指令値を演算する請求項1、10、28乃至30及び33のいずれか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
  29. 少なくとも前記操舵トルクに基づいて、前記アシスト制御のためのアシスト制御電流指令値を演算するアシスト制御部を更に備え、
    前記アシスト制御電流指令値及び前記舵角制御電流指令値より前記電流指令値を演算する請求項1乃至23、28乃至30、33及び34のいずれか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
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