JP7039747B1 - コラムアシスト式操舵装置、操舵ユニット、補助力演算方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】路面状況に関係なく適切に操舵をアシストすることができる操舵装置を提供する。【解決手段】実施形態の操舵装置は、運転手が操舵する操舵部と、前記操舵部に補助力を与えるために回転する駆動部と、路面からの反力に応じた前記操舵部及び駆動部から推定される負荷トルクを算出し、算出した前記負荷トルクに基づいて、前記操舵部への目標操舵トルクを演算する第１制御部と、前記第１制御部によって演算された前記目標操舵トルクになるように、前記駆動部の前記補助力を演算する第２制御部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、コラムアシスト式操舵装置、操舵ユニット、補助力演算方法、およびプログラムに関する。

従来、車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵をアシストする電動パワーステアリングが知られている。

関連する技術として、操舵トルクに基づいて演算された第１のモータ電流指令値によりモータを駆動する手動操舵制御と、目標操舵角に実操舵角を追従させるように演算された第２のモータ電流指令値によりモータを駆動する自動操舵制御とを切り換える電動パワーステアリング装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１９／０２６３５１号

しかしながら、上述した従来技術では、例えば、入力側（ステアリングホイール側）だけでアシストトルクを算出したとすると、路面状況に応じたアシストトルクを提供することができず、よって、路面状況に関係なく適切に操舵をアシストすることができないことがある。

本発明は、例えば、路面状況に関係なく適切に操舵をアシストすることができるコラムアシスト式操舵装置、操舵ユニット、補助力演算方法、およびプログラムを提供する。

本発明の一態様に係るコラムアシスト式操舵装置は、運転手が操舵する操舵部と、前記操舵部に補助力を与えるために回転する駆動部と、路面からの反力に応じた前記操舵部及び前記駆動部から推定される負荷トルクを算出し、算出した前記負荷トルクに基づいて、前記操舵部への目標操舵トルクを演算する第１制御部と、前記第１制御部によって演算された前記目標操舵トルクになるように、前記駆動部の前記補助力を演算する第２制御部と、を備え、前記第１制御部は、前記負荷トルクと車速とに基づいて、前記反力に応じた操舵トルクを演算し、前記車速に基づいて、前記操舵部を中立位置に戻す復元トルクと、前記操舵部の急操舵を制御する緩衝トルクとを演算し、演算した各トルクに基づいて、前記目標操舵トルクを演算する。

このように構成することで、路面状況に関係なく適切に操舵をアシストすることができる。

上記構成で、前記第１制御部は、前記操舵部の回転に要する操舵トルクと、前記操舵部の角速度である操舵角速度と、前記駆動部のトルクである駆動トルクとに基づいて、前記負荷トルクを算出してもよい。

上記構成で、前記第２制御部は、前記負荷トルクと、前記操舵部の回転に要する操舵トルクと、前記操舵部の角速度である操舵角速度と、前記駆動部の角速度である駆動角速度と、に基づいて、前記駆動部の前記補助力を演算してもよい。

上記構成で、前記負荷トルクは、ピットマンアームに負荷されるトルクとしてもよい。

上記構成で、前記第１制御部は、前記目標操舵トルクの演算において、前記反力に応じた操舵トルクと、前記操舵部を中立位置に戻す復元トルクと、前記操舵部の急操舵を制御する緩衝トルクとに基づいて、前記目標操舵トルクを演算してもよい。

上記構成で、前記第１制御部は、減速機の摩擦を補償する演算を行った前記負荷トルクを算出してもよい。

本発明の他の態様に係る操舵ユニットは、コラムアシスト式操舵装置と、減速機と、前記コラムアシスト式操舵装置および前記減速機を制御する制御装置とを備えた操舵ユニットであって、前記コラムアシスト式操舵装置は、運転手が操舵する操舵部と、前記操舵部に補助力を与えるために回転する駆動部と、路面からの反力に応じた前記操舵部及び前記駆動部から推定される負荷トルクを算出し、算出した前記負荷トルクに基づいて、前記操舵部への目標操舵トルクを演算する第１制御部と、前記第１制御部によって演算された前記目標操舵トルクになるように、前記駆動部の前記補助力を演算する第２制御部と、を備え、前記第１制御部は、前記負荷トルクと車速とに基づいて、前記反力に応じた操舵トルクを演算し、前記車速に基づいて、前記操舵部を中立位置に戻す復元トルクと、前記操舵部の急操舵を制御する緩衝トルクとを演算し、演算した各トルクに基づいて、前記目標操舵トルクを演算する。
また、本発明の他の態様に係る補助力演算方法は、運転手が操舵する操舵部と、前記操舵部に補助力を与えるために回転する駆動部と、を備えたコラムアシスト式操舵装置のコンピュータが、路面からの反力に応じた前記操舵部及び前記駆動部から推定される負荷トルクを算出し、算出した前記負荷トルクに基づいて、前記操舵部への目標操舵トルクを演算する第１制御ステップと、前記第１制御ステップにおいて演算された前記目標操舵トルクになるように、前記駆動部の前記補助力を演算する第２制御ステップと、を含む処理を実行し、前記第１制御ステップでは、前記負荷トルクと車速とに基づいて、前記反力に応じた操舵トルクを演算し、前記車速に基づいて、前記操舵部を中立位置に戻す復元トルクと、前記操舵部の急操舵を制御する緩衝トルクとを演算し、演算した各トルクに基づいて、前記目標操舵トルクを演算する。
また、本発明の他の態様に係るプログラムは、運転手が操舵する操舵部と、前記操舵部に補助力を与えるために回転する駆動部と、を備えるコラムアシスト式操舵装置のコンピュータに、路面からの反力に応じた前記操舵部及び前記駆動部から推定される負荷トルクを算出し、算出した前記負荷トルクに基づいて、前記操舵部への目標操舵トルクを演算する第１制御工程と、前記第１制御工程において演算された前記目標操舵トルクになるように、前記駆動部の前記補助力を演算する第２制御工程と、を含む処理を実行させ、前記第１制御工程では、前記負荷トルクと車速とに基づいて、前記反力に応じた操舵トルクを演算し、前記車速に基づいて、前記操舵部を中立位置に戻す復元トルクと、前記操舵部の急操舵を制御する緩衝トルクとを演算し、演算した各トルクに基づいて、前記目標操舵トルクを演算する。
また、本発明の他の態様に係るコラムアシスト式操舵装置は、運転手が操舵する操舵部と、前記操舵部に補助力を与えるために回転する駆動部と、路面からの反力に応じた前記操舵部及び前記駆動部から推定される負荷トルクを算出し、算出した前記負荷トルクに基づいて、前記操舵部への目標操舵トルクを演算する第１制御部と、前記第１制御部によって演算された前記目標操舵トルクになるように、前記駆動部の前記補助力を演算する第２制御部と、を備え、前記第１制御部は、前記操舵部の回転に要する操舵トルクと、前記操舵部の角速度である操舵角速度と、前記駆動部のトルクである駆動トルクとに基づいて、ピットマンアームに負荷される前記負荷トルクであり且つ減速機の摩擦を補償する演算を行った前記負荷トルクを算出し、前記負荷トルクと車速とに基づいて、前記反力に応じた操舵トルクを演算し、前記車速に基づいて、前記操舵部を中立位置に戻す復元トルクと、前記操舵部の急操舵を制御する緩衝トルクとを演算し、演算した各トルクに基づいて、前記目標操舵トルクを演算し、前記第２制御部は、前記負荷トルクと、前記操舵部の回転に要する操舵トルクと、前記操舵部の角速度である操舵角速度と、前記駆動部の角速度である駆動角速度と、に基づいて、前記駆動部の前記補助力を演算する。

上述のコラムアシスト式操舵装置、操舵ユニット、補助力演算方法、およびプログラムによれば、例えば、路面状況に関係なく適切に操舵をアシストすることができる。

本発明の実施形態に係る操舵ユニット１００の構成例を示す説明図。 制御部１２０に入出力される各種情報の一例を示す説明図。 各部２０２～２０４が出力するトルクの一例を示す説明図。 減速機１０３およびピットマンアーム１０４の構成例を示す説明図。 負荷トルクマップ５００の一例を示す説明図。 摩擦特性マップ６００の一例を示す説明図。 操舵角速度に応じた抵抗（引っ掛かり）のトルク特性を示す説明図。 センタリングトルクによりセンター位置に戻る際のブレーキ（緩やかにセンター位置に戻す）トルク特性を示す説明図。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係る操舵ユニット１００の構成例を示す説明図である。操舵ユニット１００は、車両に搭載される電動パワーステアリングである。本実施形態に用いられる車両は、例えば、バスやトラックなどの大型の商用車である。電動パワーステアリングは、減速機１０３を用いることにより、摩擦が大きくなり、運転者が路面の状況を感じることができず、良い操舵を行えないことがある。特に、大型の商用車では、減速機１０３の摩擦が大きく、操舵感を得るようにする制御が望まれる。なお、本実施形態に係る操舵ユニット１００は、大型の商用車に用いられることが効果的であるが、乗用車に用いられることも可能である。

操舵ユニット１００は、ステアリングホイール１０１（操舵部の一例）と、モータ１０２（駆動部の一例）と、減速機１０３と、ピットマンアーム１０４と、各種センサ１１０と、制御部１２０とを備える。なお、ステアリングホイール１０１と、モータ１０２と、制御部１２０とによって操舵装置が実現される。

ステアリングホイール１０１は、運転者が操舵するハンドルである。モータ１０２は、操舵をアシストするためのアシストトルク（補助力）を生成する。ステアリングホイール１０１は、ステアリングシャフト１０６へ操舵トルクを伝達する。この操舵トルクは、減速機１０３の入力部に入力される。減速機１０３は、入力された操舵トルクと、モータ１０２によるアシストトルクとを合成して、その合成トルクをピットマンアーム１０４以下の操舵機構に伝達する。ピットマンアーム１０４は、減速機１０３に接続され、減速機１０３によって合成された合成トルクにより回転する出力アームである。図４に示すように、減速機１０３の出力部（ケースまたはシャフト）と、ピットマンアーム１０４とは、一体化されている。

ここで、図４を用いて、本実施形態に係る減速機１０３およびピットマンアーム１０４の構成の一例について説明する。図４は、減速機１０３およびピットマンアーム１０４の構成例を示す説明図である。図４に示すように、減速機１０３の一面側には、取り付け対象に固定される固定部材４０１が設けられている。減速機１０３の他面４２０側には、固定部材４０１に対して回転し、回転力を出力する円筒状の出力部４０２が設けられている。出力部４０２は、周方向において中心軸（ｚ軸）周りに回転するピットマンアーム１０４が径方向に突出して設けられている。ピットマンアーム１０４は、例えば、操舵装置に接続され、回転動作に応じて車輪を操舵させる。ピットマンアーム１０４が出力部４０２の周方向に設けられていることにより、操舵ユニット１００は、中心軸方向に沿った幅を狭め、構成を小型化することができる。

図２に戻り、各種センサ１１０は、操舵センサ１１１と、モータセンサ１１２と、速度センサ１１３（図２参照）とを含む。制御部１２０は、操舵装置および減速機１０３を制御する。制御部１２０は、モータ制御部１２１と、ステアリング制御部１２２（第２制御部の一例）と、フィーリング制御部１２３（第１制御部の一例）とを含む。制御部１２０は、例えば、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって実現される。

これらの構成要素は、それぞれ、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めＨＤＤやフラッシュメモリ等の記憶装置（不図示）に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭ等の着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることでＨＤＤやフラッシュメモリにインストールされてもよい。

操舵センサ１１１は、ステアリングホイール１０１のステアリングトルク、操舵角、および操舵角速度を検出する。なお、操舵センサ１１１によって検出される操舵角速度は、具体的には、ＣＰＵによって、操舵角に基づいて算出される。モータセンサ１１２は、モータ１０２のモータトルクおよびモータ角速度を検出する。なお、モータセンサ１１２によって検出されるモータトルクは、具体的には、ＣＰＵによって、モータ１０２の電流値に基づいて算出される。また、モータセンサ１１２によって検出されるモータ角速度は、モータ１０２の位置に基づいて算出される。速度センサ１１３は、車両の速度を検出する。

モータ制御部１２１は、ステアリング制御部１２２の制御に基づいて、モータ１０２の回転を制御する。ステアリング制御部１２２は、操舵センサ１１１の検出結果に基づいて、モータ１０２の出力トルクを制御する。モータ１０２は、モータ制御部１２１およびステアリング制御部１２２の制御により、アシストトルクを生成する。これにより、運転者によるステアリングホイール１０１の操舵は、モータ１０２のアシストトルクによってアシストされる。ステアリング制御部１２２は、モータ１０２のアシストトルクが所定のアシストトルクとなるように、フィードバック制御を行う。

ここで、従来の方式では、算出したトルク指令値に対して調整している方式が多く採用されていた。これに対して、本実施形態では、フィーリング制御部１２３と、ステアリング制御部１２２とに分けて、ステアリング制御部１２２に任意の操舵トルクを指定して、トルク制御を行うようにしている。

フィーリング制御部１２３は、ステアリングホイール１０１の操舵トルクが路面反力にかかわらず、任意の操舵トルクとなるように、操舵をアシストするための目標操舵トルクを算出する。フィーリング制御部１２３は、算出した目標操舵トルクをステアリング制御部１２２へ出力する。ステアリング制御部１２２は、フィーリング制御部１２３から出力された目標操舵トルクに基づいて、目標モータトルクを算出して、モータ制御部１２１へ出力する。

（制御部１２０に入出力される各種情報について）
図２は、制御部１２０に入出力される各種情報の一例を示す説明図である。まず、フィーリング制御部１２３について説明する。フィーリング制御部１２３は、第１推定部２０１と、ロードフィーリング部２０２と、センタリング部２０３と、ダンピング部２０４とを備える。各部に入力される情報について説明する。

図示において、検出値の横に記す文字と、その意味について以下列挙する。
・「mot」：モータ１０２に関する値を示す。
・「steer」：ステアリングホイール１０１に関する値を示す。
・「driver」：運転手に関する値を示す。
・「load」：負荷に関する値を示す。
・「tb」：トーションバーに関する値を示す。
・「ref」：目標値を示す。
・「est」：推定値を示す。
・「ref」または「est」の記載がないものは、計測値を示す。

第１推定部２０１には、モータ制御部１２１から出力されるモータトルクＴ_ｍｏｔ（Ｎｍ）と、操舵センサ１１１によって検出される操舵角速度ω_{ｓｔｅｅｒ}（rad/s）および操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ}（Ｎｍ）とが入力される。第１推定部２０１は、入力された、モータトルクＴ_ｍｏｔと、操舵角速度ω_{ｓｔｅｅｒ}と、操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ}とに基づいて、推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}（Ｎｍ）を算出する。なお、推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}の算出（演算）については後述する。

ロードフィーリング部２０２には、第１推定部２０１から出力される推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}（Ｎｍ）と、速度センサ１１３によって検出される車両（vehicle）の速度ｖ _ｖｅｈ（km/h）とが入力される。ロードフィーリング部２０２は、入力された、推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}と、速度ｖ _ｖｅｈとに基づいて、ロードフィーリングトルクの目標値を得る。ロードフィーリングトルクの目標値は、運転者に、タイヤに掛かる力（路面からの反力）の感覚を伝えるための値である。また、ロードフィーリングトルクは、車速に応じたトルクである。

センタリング部２０３には、操舵センサ１１１によって検出される操舵角φ_{ｓｔｅｅｒ}（degree）および操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ}（Ｎｍ）と、速度センサ１１３によって検出される速度ｖ _ｖｅｈ（km/h）とが入力される。センタリング部２０３は、入力された、操舵角φ_{ｓｔｅｅｒ}と、操舵角速度ω_{ｓｔｅｅｒ}と、速度ｖ _ｖｅｈとに基づいて、センタリングトルク（復元トルク）の目標値を得る。センタリングトルクは、ステアリングホイール１０１をセンター位置に戻す力である。

ここで、本実施形態では、高フリクションの減速機１０３を用いている。このため、高いバックドライブトルクが生じてしまい、ステアリングがセンター位置に戻りにくくなっている。そこで、センタリングトルクをかけるようにし、バックドライブトルクがかかったとしても、ステアリングホイール１０１をセンター位置に戻るように制御している。センタリングトルクは、車速に応じたトルクである。

ダンピング部２０４には、操舵センサ１１１によって検出される操舵角φ_{ｓｔｅｅｒ}（degree）および操舵角速度ω_{ｓｔｅｅｒ}（rad/s）と、速度センサ１１３によって検出される速度ｖ _ｖｅｈ（km/h）とが入力される。ダンピング部２０４は、入力された、操舵角φ_{ｓｔｅｅｒ}と、操舵角速度ω_{ｓｔｅｅｒ}と、速度ｖ _ｖｅｈとに基づいて、ダンピングトルク（緩衝トルク）の目標値を得る。ダンピングトルクは、急ハンドル時の適度な引っ掛かりを発生させる力である。すなわち、ダンピングトルクは、早すぎるハンドル操作に対して、適度な反発トルクを発生させ、ハンドル操作のブレーキを担うトルクである。なお、急ハンドルとは運転者がハンドルを左右に操舵することに加え、中立位置に急に戻す操舵も含む。ダンピングトルクは、中立位置に戻す操舵にも適用される。ダンピングトルクは、車速に応じたトルクである。

（各部２０２～２０４が出力するトルクについて）
図３は、各部２０２～２０４が出力するトルクの一例を示す説明図である。図３（Ａ）、（Ｂ）において、横軸はステアリングホイール１０１の操舵角φ_{ｓｔｅｅｒ}（degree）を示し、縦軸は目標操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ ｒｅｆ}を示す。また、図３では、ロードフィーリング出力３０１と、センタリング出力３０２と、ダンピング出力３０３とを示す。図示では、時速５０km/hの車速における各出力３０１～３０３を示している。各出力３０１～３０３は、車速ごとに用意されている。

図３（Ａ）において、ロードフィーリング出力３０１は、ロードフィーリング部２０２によって出力されるロードフィーリングトルクの目標値を示す。ロードフィーリング出力３０１は、ステアリングホイール１０１の操舵角が大きくなるにしたがって、ロードフィーリングトルクも大きくなり、ステアリングホイール１０１の操舵角が小さくなるにしたがって、ロードフィーリングトルクも小さくなることを示している。すなわち、運転者がハンドルを切るにしたがって、アシストトルクが大きくなることを示している。

センタリング出力３０２は、例えば、操舵角が小さい場合など、負荷トルクが小さい場合、バックドライブトルクの影響を受けやすいことから、操舵角が小さいときにはセンタリングトルクを大きくしていることを示している。すなわち、運転者がハンドルを元に戻す際に、ステアリングがセンター位置に戻りやすくなることを示している。

ダンピング出力３０３は、操舵角が小さいときには大きいトルクを出力することを示している。すなわち、操舵開始時に急ハンドルを行った際、反発トルクにより引っ掛かりが発生していることを示している。また、センター位置に戻る際も、反発トルクが発生して緩やかにセンター位置に動作することを示している。

ここで、図７は、操舵角速度に応じた抵抗（引っ掛かり）のトルク特性を示す説明図である。図７において、横軸は操舵角速度を示し、縦軸はダンピングに係る係数を示す。図７に示すように、操舵角速度が上がるにつれて、ダンピングに係る係数が大きくなり、すなわち、ダンピングトルクが大きくなることを示している。このように、ステアリングホイール１０１を急に回した際には、適度な引っ掛かりを発生させやすくしている。

図８は、センタリングトルクによりセンター位置に戻る際のブレーキ（緩やかにセンター位置に戻す）トルク特性を示す説明図を示す。図８において、横軸は操舵角を示し、縦軸はダンピングに係る係数を示す。図８に示すように、ダンピングトルクは、ステアリングホイール１０１の操舵角が０°に近付くにつれて、ダンピングに係る係数が大きくなり、すなわち、センタリングトルクとは逆の方向の力を発生させることを示している。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示した各出力３０１～３０３の合成した出力を示す。図３（Ｂ）において、出力３１１は、制御された結果であるステアリングトルクのセンサ測定値を示す。合成出力３１２は、出力３０１～３０３を合成した目標操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ ｒｅｆ}を示す。フィーリング制御部１２３は、現在の車速に応じて得られた目標操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ ｒｅｆ}を、ステアリング制御部１２２へ出力する。

（ステアリング制御部１２２に入出力される各種情報の一例）
図２に戻り、ステアリング制御部１２２について説明する。ステアリング制御部１２２は、第２推定部２１１と、アシスト部２１２とを備える。第２推定部２１１には、操舵センサ１１１によって検出される操舵角速度ω_{ｓｔｅｅｒ}（rad/s）および操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ}（Ｎｍ）と、モータセンサ１１２によって検出されるモータ角速度ω_ｍｏｔ（rad/s）とが入力される。

第２推定部２１１は、入力された、操舵角速度ω_{ｓｔｅｅｒ}と、操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ}と、モータ角速度ω_ｍｏｔとに基づいて、各種推定値を算出する。算出する各種推定値は、運転手に係る推定操舵トルクＴ_{ｄｒｉｖｅｒ ｅｓｔ}の推定値と、推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}の推定値とを含む。第２推定部２１１は、各種推定値をアシスト部２１２へ出力する。各種推定値の算出（演算）については、後述する。

アシスト部２１２には、フィーリング制御部１２３から出力された目標操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ ｒｅｆ}と、第２推定部２１１から出力された各種推定値とが入力される。アシスト部２１２は、入力された、目標操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ ｒｅｆ}と、各種推定値とに基づいて、目標モータトルクＴ_{ｍｏｔ ｒｅｆ}を算出する。アシスト部２１２は、算出した目標モータトルクＴ_{ｍｏｔ ｒｅｆ}をモータ制御部１２１へ出力する。モータ制御部１２１は、目標モータトルクＴ_{ｍｏｔ ｒｅｆ}でモータ１０２を回転させる。

（ステアリング制御部１２２が行う演算について）
次に、ステアリング制御部１２２が行う演算について説明する。２自由度の縮小された物理的等価線形モデルアクチュエータの電気部分は、微分方程式で一次要素として数式（１）で表すことができる。

数式（１）において、τ_ｃｃは電流制御ループ、Ｔ_{ｍｏｔ，ｒｅｆ}は目標モータトルク、Ｔ_ｍｏｔは結果のモータトルクである。これは、トルク制御された電気モータの動的な動作を単純化したものに近似している。機械部品の数学的記述では、同じ自由度に属するシステムの回転質量をモータ側で１つの質量に減らす必要がある。機械部品は、数式（２）～（４）の運動方程式で表すことができる。

数式（２）において、ｊ_{ｓｔｅｅｒ}はステアリングホイール１０１のイナーシャ（慣性モーメント）であり、ｂ_{ｓｔｅｅｒ}はステアリングホイール１０１のダンピングである。

数式（３）において、ｃ_ｔｂはステアリングコラムの線形化されたトーションバーの剛性であり、ｉ_{ｐｎｉｏｎ}はステアリングホイールからピットマンアーム１０４までのギア比（ピニオンギアのギア比）であり、ｉ_{ｒｖ，ｇｅａｒ}はモータ１０２からピットマンアーム１０４までのギア比（減速機１０３のギア比）であり、ｂ_ｔｂはトーションバーのダンピングである。

数式（４）において、ｊ_ｒｅｄは慣性モーメントをモータ軸に換算した値であり、ｂ_ｒｅｄはダンピングをモータ軸に換算した値である。

上記数式（１）～（４）を用いることにより、ステアリング制御部１２２は，入力された操舵に対して目標値として設定された操舵トルクとなるように適切なアシストトルク（目標モータトルクＴ_{ｍｏｔ ｒｅｆ}）を算出することができる。

ここで、一般に、走行状況、路面反力などにより、入力された操舵に対して必要な操舵トルクが異なる。フィーリングは、主に操舵トルクを基準とした特性により決定される。このため、フィーリングを調整しやすくするためには、任意の操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ}でステアリングを制御できた方がよい。目標モータトルクＴ_{ｍｏｔ ｒｅｆ}の演算の際にピットマンアーム１０４にかかるトルクを考慮した上記式から、制御コントローラ（ＬＱＧ：Linear Qquadratic Gaussian）を設計することで，走行状況や路面状況等が変わっても指定の操舵を設定した目標操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ ｒｅｆ}とすることが可能である。

（ピットマンアーム１０４にかかる負荷トルクの推定について）
次に、ピットマンアーム１０４にかかる負荷トルク（推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}）の演算について説明する。通常、運転者は、安全のため、ステアリングホイール１０１に返ってくる力で路面状況を感じて運転する。しかし、本実施形態では、減速機１０３を用いているため路面反力が運転者まで伝わらない。そのため、第１推定部２０１がピットマンアーム１０４にかかる負荷トルク（路面からの反力）を推定し、ドライバーが路面反力を感じるように返す必要がある。路面反力は、ピットマンアーム１０４にかかる負荷トルクであるが、路面から直接得られる負荷ではなく、タイヤ、ドラッグリングを経由してピットマンアーム１０４にかかる負荷である。なお、一般的な電動パワーステアリングでは、路面反力を測定するセンサ類を備えない。

本実施形態の推定機能では，車両条件（車両諸元，路面状況（傾斜、路面摩擦））等に関係なく、路面からの反力を推定することが可能である。この推定機能は，数式（１）～（４）に基づく数式からカルマンフィルタで、推定器（ＬＱＥ：linear quadratic estimation）を設計したものである。第１推定部２０１による推定では、減速機１０３の特性を補償することで正確にピットマンアーム１０４にかかるトルクを推定することが可能である。第１推定部２０１は，数式（１）～（４）に基づいて、推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}を算出することができる。また、ピットマンアーム１０４は、減速機１０３の出力部（ケースまたはシャフト）と一体化されているため、より精度よくトルクを推定することができる。

（減速機１０３の特性の補償について）
次に、減速機１０３の特性を補償することについて説明する。第１推定部２０１は、推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}に、減速機１０３の特性を補償する。これにより、正確にピットマンアーム１０４にかかるトルクを推定することが可能になる。

ここで、フィーリング制御部１２３の制御では、減速機１０３の特性が補償される一方で、ステアリング制御部１２２の制御では、減速機１０３の特性の補償されないようにしている点について補足しておく。ＬＱＧは減速機摩擦付きの負荷トルクを入力とした式としている。このため、推定されるＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}としては，摩擦トルクを含む負荷トルクとなる。モータ１０２から出力するトルクとしては、この摩擦トルクを含む負荷トルクに応じたモータトルクを指令することが必要となる。すなわち，減速機１０３の特性をステアリング制御部１２２で補償すると、出力するモータトルクが不足する。一方で、ロードフィーリング部１２２での推定については、外部から加わる力をフィーリングとして実現するため、より正確な負荷トルク、つまり、減速機１０３の摩擦トルクを除いたピットマンアーム１０４にかかるトルクを知る必要がある。このような理由から、本実施形態において、フィーリング制御部１２３の制御では、減速機１０３の特性が補償される一方で、ステアリング制御部１２２の制御では、減速機１０３の特性の補償されないようにしている。

減速機１０３のフリクションは、モータ角速度ω_ｍｏｔに応じて演算方法が異なる。減速機１０３のフリクションは，モータ角速度ω_ｍｏｔとモータトルクＴ_ｍｏｔとを用いて求めることが可能である。フリクションを計算するための粘性摩擦係数（図６参照）と、負荷トルクマップ（図５参照）とには、減速機１０３から測定した数値を適用することが可能である。

図５は、負荷トルクマップ５００の一例を示す説明図である。負荷トルクマップ５００は、モータトルクＴ_ｍｏｔに対して、減速機１０３のフリクションでどの程度のトルクが必要であるかを表したマップである。具体的には、図５に示すように、負荷トルクマップ５００は、横軸がモータトルクＴ_ｍｏｔを示し、縦軸が静摩擦および動摩擦の損失トルクを示したマップである。負荷トルクマップ５００に示すように、モータトルクＴ_ｍｏｔと、静摩擦および動摩擦の損失トルクとは、比例の関係にある。

図６は、摩擦特性マップ６００の一例を示す説明図である。摩擦特性マップ６００は、ピットマンアーム１０４の角速度に対する、減速機１０３の摩擦特性を表したマップである。具体的には、図６に示すように、摩擦特性マップ６００は、横軸がピットマンアーム１０４の角速度［rpm］を示し、縦軸が粘性摩擦係数［Nms/rad］を示したマップである。摩擦特性マップ６００に示すように、ピットマンアーム１０４の角速度が特定の角速度（例えば「０」）以外の場合、ピットマンアーム１０４の角速度と粘性摩擦係数とは比例の関係にある。一方で、ピットマンアーム１０４の角速度が特定の角速度（例えば「０」）の場合、粘性摩擦係数は複数の値をとり得る。なお、ピットマンアーム１０４の角速度に所定の速比を乗算することによって、モータ角速度ω_ｍｏｔを得ることが可能である。

減速機１０３のフリクション（負荷トルク）の補償は、各状態で演算方法を変えている。例えば、モータ角速度ω_ｍｏｔが「０」であり、且つ、減速機１０３の摩擦が外部負荷トルクより大きい場合、外部負荷トルクＴ_ｅｘｔを減速機１０３のフリクションＴ_ｆｒとする。また、モータ角速度が「０」であり、且つ、減速機１０３の摩擦が外部負荷トルク以下である場合、負荷トルクマップ５００と、粘性摩擦係数とから減速機１０３のフリクションＴ_ｆｒを算出する。この場合の力の向きは、外部負荷トルクの向きである。また、モータ角速度が「０」ではない場合、負荷トルクマップ５００と、粘性摩擦とから減速機１０３のフリクションＴ_ｆｒを算出する。この場合の力の向きは、モータ１０２の回転方向である。

数式（５）は、フリクションの算出式を示す。

数式（５）において、１行目の式は、摩擦トルクと外部トルク（摩擦なし）の静的バランス時の静止摩擦トルクを示す。外部トルクが静止摩擦トルクよりも小さい場合、角速度が「０」ときにスティッキングが発生する。２行目の式は，外部トルクが静止摩擦トルクを超えた時の離脱の瞬間の摩擦トルクを示す。３行目の式は，静止摩擦トルクと角速度に依存する粘性摩擦によって計算される摩擦トルクを示す。これらの式を用いて、角速度に対する摩擦特性を得ることができる。

第１推定部２０１は、推定した推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}からフリクションＴ_ｆｒを引くことにより、減速機１０３の特性を補償した推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る操舵ユニット１００は、路面からの反力に応じた推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}に基づいて、目標操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ ｒｅｆ}を推定し、推定した目標操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ ｒｅｆ}を与えるように、モータ１０２の回転を制御するようにした。これにより、路面からの反力に応じた目標モータトルクＴ_{ｍｏｔ ｒｅｆ}でモータ１０２を回転させることができる。したがって、適切なアシストトルクで操舵をアシストすることができるため、路面状況にかかわらず、運転者は任意の操舵トルクで運転することができる。よって、本実施形態に係る操舵ユニット１００によれば、減速機１０３の摩擦が大きくても、運転手に路面反力を正しく伝えることができ、良好な操舵感を運転手に提供することができる。

また、本実施形態において、フィーリング制御部１２３は、操舵センサ１１１によって検出される操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ}および操舵角速度ω_{ｓｔｅｅｒ}と、モータトルクＴ_ｍｏｔとに基づいて、推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}を算出するようにした。これにより、推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}を簡単に算出できるため、目標モータトルクＴ_{ｍｏｔ ｒｅｆ}を簡単に得ることができる。

また、ステアリング制御部１２２は、目標操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ ｒｅｆ}と、操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ}と、操舵角速度ω_{ｓｔｅｅｒ}と、モータ角速度ω_ｍｏｔとに基づいて、目標モータトルクＴ_{ｍｏｔ ｒｅｆ}を簡単に算出することができる。

推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}は、ピットマンアーム１０４に負荷されるトルクとした。したがって、より正確な推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}を得ることができるため、より正確な操舵トルクで運転することができる。

また、本実施形態において、フィーリング制御部１２３は、目標操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ ｒｅｆ}の演算において、ロードフィーリングトルクと、センタリングトルク、ダンピングトルクとに基づいて、目標操舵トルクＴ_{ｓｔｅｅｒ ｒｅｆ}を演算するようにした。したがって、より操舵のしやすい操舵ユニット１００を提供することができる

また、本実施形態において、フィーリング制御部１２３は、減速機１０３の摩擦を補償する演算を行った推定負荷トルクＴ_{ｌｏａｄ ｅｓｔ}を算出するようにした。減速機１０３の摩擦によって生じる操舵の違和感を軽減することができる。

（実施形態の変形例）
次に、実施形態の変形例について説明する。なお、以下の各変形例では、上述した実施形態で説明した内容については、適宜説明を省略する。また、以下の変形例、および上述した実施形態は、組み合わせることも可能である。

変形例において、操舵ユニット１００は、ピットマンアーム１０４の回転角度を検出する角度検出部４１０（図４参照）を備える。ピットマンアーム１０４とモータ１０２との間には、ピットマンアーム１０４の回転角度を検出する角度検出部４１０が設けられている。角度検出部４１０は、例えば、固定部材４０１の減速機１０３に面する一面側に設けられている。

角度検出部４１０は、例えば、減速機１０３の他面４２０から中心軸（ｚ軸）に沿って見て、出力部４０２の周方向に沿って円弧状に延在して形成されている。角度検出部４１０は、例えば、磁気センサであり金属製のピットマンアーム１０４の位置の変化に伴って変化する磁場の変動に基づいてピットマンアーム１０４の出力部４０２の周方向に沿った位置を検出する。

この構成により、操舵ユニット１００は、角度検出部４１０によって検出される、ピットマンアーム１０４の回転角の検出値と、ピットマンアーム１０４の回転角に応じたモータ１０２の回転角の指令信号とを比較して、比較結果を示す偏差を０とする制御を行うことができる。

また、変形例において、操舵センサ１１１が出力する操舵角に代えて又は加えて、角度検出部４１０によって検出されるピットマンアーム１０４の回転角を用いるようにしてもよい。ピットマンアーム１０４の回転角は、操舵センサ１１１が出力する操舵角と整合するように補正されてもよい。ピットマンアーム１０４の回転角を用いて、センタリング部２０３およびダンピング部２０４は、各値を得るようにしてもよい。

具体的には、センタリング部２０３は、角度検出部４１０によって検出される操舵角と、操舵センサ１１１によって検出される操舵トルクと、速度センサ１１３によって検出される速度とに基づいて、センタリングトルクの目標値を得るようにしてもよい。また、ダンピング部２０４には、角度検出部４１０によって検出される操舵角と、角度検出部４１０によって検出される操舵角速度と、速度センサ１１３によって検出される速度とに基づいて、ダンピングトルクの目標値を得るようにしてもよい。

このように、角度検出部４１０を備えた減速機１０３にも本発明を適用することができる。変形例に係る操舵ユニット１００でも、適切なアシストトルクで操舵をアシストすることができるため、路面状況にかかわらず、運転者は任意の操舵トルクで運転することができる。

また、上述した各実施形態において、各制御部（モータ制御部１２１、ステアリング制御部１２２、フィーリング制御部１２３）や各制御部が備える機能部（第１推定部２０１、ロードフィーリング部２０２、センタリング部２０３、ダンピング部２０４、第２推定部２１１、アシスト部２１２）は、一のコンピュータ装置に具備される構成について説明した。ただし、これらは、他のコンピュータ装置に具備されていてもよい。例えば、これらは、外部サーバに具備されていてもよい。また、これらが具備されるコンピュータ装置は、１台であることに限らず、複数台であってもよい。具体的には、例えば、これらの機能部のうち一部の機能部が一のコンピュータ装置に具備され、他の機能部が他のコンピュータ装置に具備されてもよい。

なお、以上に説明した、操舵ユニット１００を実現するためのプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録し、そのプログラムをコンピュータシステムに読み込ませて実行するようにしてもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

１００…操舵ユニット、１０１…ステアリングホイール、１０２…モータ、１０３…減速機、１０４…ピットマンアーム、１１１…操舵センサ、１１２…モータセンサ、１１３…速度センサ、１２１…モータ制御部、１２２…ステアリング制御部、１２３…フィーリング制御部、２０１…第１推定部、２０２…ロードフィーリング部、２０３…センタリング部、２０４…ダンピング部、２１１…第２推定部、２１２…アシスト部

Claims (9)

1. 運転手が操舵する操舵部と、
   前記操舵部に補助力を与えるために回転する駆動部と、
   路面からの反力に応じた前記操舵部及び前記駆動部から推定される負荷トルクを算出し、算出した前記負荷トルクに基づいて、前記操舵部への目標操舵トルクを演算する第１制御部と、
   前記第１制御部によって演算された前記目標操舵トルクになるように、前記駆動部の前記補助力を演算する第２制御部と、
   を備え、
   前記第１制御部は、
   前記負荷トルクと車速とに基づいて、前記反力に応じた操舵トルクを演算し、
   前記車速に基づいて、前記操舵部を中立位置に戻す復元トルクと、前記操舵部の急操舵を制御する緩衝トルクとを演算し、
   演算した各トルクに基づいて、前記目標操舵トルクを演算する、
   コラムアシスト式操舵装置。
2. 前記第１制御部は、前記操舵部の回転に要する操舵トルクと、前記操舵部の角速度である操舵角速度と、前記駆動部のトルクである駆動トルクとに基づいて、前記負荷トルクを算出する、
   請求項１に記載のコラムアシスト式操舵装置。
3. 前記第２制御部は、前記負荷トルクと、前記操舵部の回転に要する操舵トルクと、前記操舵部の角速度である操舵角速度と、前記駆動部の角速度である駆動角速度と、に基づいて、前記駆動部の前記補助力を演算する、
   請求項１または２に記載のコラムアシスト式操舵装置。
4. 前記負荷トルクは、ピットマンアームに負荷されるトルクである、
   請求項１～３のいずれか一項に記載のコラムアシスト式操舵装置。
5. 前記第１制御部は、減速機の摩擦を補償する演算を行った前記負荷トルクを算出する、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のコラムアシスト式操舵装置。
6. コラムアシスト式操舵装置と、減速機と、前記コラムアシスト式操舵装置および前記減速機を制御する制御装置とを備えた操舵ユニットであって、
   前記コラムアシスト式操舵装置は、
   運転手が操舵する操舵部と、
   前記操舵部に補助力を与えるために回転する駆動部と、
   路面からの反力に応じた前記操舵部及び前記駆動部から推定される負荷トルクを算出し、算出した前記負荷トルクに基づいて、前記操舵部への目標操舵トルクを演算する第１制御部と、
   前記第１制御部によって演算された前記目標操舵トルクになるように、前記駆動部の前記補助力を演算する第２制御部と、
   を備え、
   前記第１制御部は、
   前記負荷トルクと車速とに基づいて、前記反力に応じた操舵トルクを演算し、
   前記車速に基づいて、前記操舵部を中立位置に戻す復元トルクと、前記操舵部の急操舵を制御する緩衝トルクとを演算し、
   演算した各トルクに基づいて、前記目標操舵トルクを演算する、
   操舵ユニット。
7. 運転手が操舵する操舵部と、
   前記操舵部に補助力を与えるために回転する駆動部と、
   を備えたコラムアシスト式操舵装置のコンピュータが、
   路面からの反力に応じた前記操舵部及び前記駆動部から推定される負荷トルクを算出し、算出した前記負荷トルクに基づいて、前記操舵部への目標操舵トルクを演算する第１制御ステップと、
   前記第１制御ステップにおいて演算された前記目標操舵トルクになるように、前記駆動部の前記補助力を演算する第２制御ステップと、
   を含む処理を実行し、
   前記第１制御ステップでは、
   前記負荷トルクと車速とに基づいて、前記反力に応じた操舵トルクを演算し、
   前記車速に基づいて、前記操舵部を中立位置に戻す復元トルクと、前記操舵部の急操舵を制御する緩衝トルクとを演算し、
   演算した各トルクに基づいて、前記目標操舵トルクを演算する、
   補助力演算方法。
8. 運転手が操舵する操舵部と、
   前記操舵部に補助力を与えるために回転する駆動部と、
   を備えるコラムアシスト式操舵装置のコンピュータに、
   路面からの反力に応じた前記操舵部及び前記駆動部から推定される負荷トルクを算出し、算出した前記負荷トルクに基づいて、前記操舵部への目標操舵トルクを演算する第１制御工程と、
   前記第１制御工程において演算された前記目標操舵トルクになるように、前記駆動部の前記補助力を演算する第２制御工程と、
   を含む処理を実行させ、
   前記第１制御工程では、
   前記負荷トルクと車速とに基づいて、前記反力に応じた操舵トルクを演算し、
   前記車速に基づいて、前記操舵部を中立位置に戻す復元トルクと、前記操舵部の急操舵を制御する緩衝トルクとを演算し、
   演算した各トルクに基づいて、前記目標操舵トルクを演算する、
   プログラム。
9. 運転手が操舵する操舵部と、
   前記操舵部に補助力を与えるために回転する駆動部と、
   路面からの反力に応じた前記操舵部及び前記駆動部から推定される負荷トルクを算出し、算出した前記負荷トルクに基づいて、前記操舵部への目標操舵トルクを演算する第１制御部と、
   前記第１制御部によって演算された前記目標操舵トルクになるように、前記駆動部の前記補助力を演算する第２制御部と、
   を備え、
   前記第１制御部は、
   前記操舵部の回転に要する操舵トルクと、前記操舵部の角速度である操舵角速度と、前記駆動部のトルクである駆動トルクとに基づいて、ピットマンアームに負荷される前記負荷トルクであり且つ減速機の摩擦を補償する演算を行った前記負荷トルクを算出し、
   前記負荷トルクと車速とに基づいて、前記反力に応じた操舵トルクを演算し、
   前記車速に基づいて、前記操舵部を中立位置に戻す復元トルクと、前記操舵部の急操舵を制御する緩衝トルクとを演算し、
   演算した各トルクに基づいて、前記目標操舵トルクを演算し、
   前記第２制御部は、前記負荷トルクと、前記操舵部の回転に要する操舵トルクと、前記操舵部の角速度である操舵角速度と、前記駆動部の角速度である駆動角速度と、に基づいて、前記駆動部の前記補助力を演算する、
   コラムアシスト式操舵装置。

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