JPH10329740A - 車両のステアリング装置 - Google Patents

車両のステアリング装置

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JPH10329740A
JPH10329740A JP33769197A JP33769197A JPH10329740A JP H10329740 A JPH10329740 A JP H10329740A JP 33769197 A JP33769197 A JP 33769197A JP 33769197 A JP33769197 A JP 33769197A JP H10329740 A JPH10329740 A JP H10329740A
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Katsutoshi Nishizaki
勝利 西崎
Masaya Segawa
雅也 瀬川
Takanaga Takamatsu
孝修 高松
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Abstract

(57)【要約】 【課題】外乱やドライバーの操舵により車両の挙動が運
動限界を越えそうな時に、積極的に操舵トルクを制御す
ることにより、運転の未熟なドライバーでも熟練ドライ
バーと同様に車両を常に適切に操舵し、車両を運動限界
内に引き戻し、安全性を向上できる車両のステアリング
装置を、簡単な構成で低コストで提供する。 【解決手段】ドライバーにより付与される操舵トルクを
車輪8に伝達するステアリングシャフト2、4により伝
達されるトルクと、車速と、舵角とを検出する。車速と
舵角と規範操舵トルクとの予め求めた関係を記憶する。
その検出された車速と舵角とその記憶した関係とに基づ
き規範操舵トルクを求める。その検出されたトルクと規
範操舵トルクとの偏差を低減するように、アクチュエー
タにより操舵トルクに付加されるトルクを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、外乱やドライバー
の操舵等により車両挙動が不安定になった場合に、ドラ
イバーによる操舵の最適化を図ることのできる車両のス
テアリング装置に関する。
【0002】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】特開平7
‐47970号公報は、車両の走行状態の検出結果に応
じて操舵装置を制御するに際し、現時点でのドライバー
の運転技術に応じて制御特性を変化させる装置を開示す
る。すなわち、その車両の走行状態の検出のために車両
のヨーレートを検出し、その検出したヨーレートと運転
技術に応じて操舵に要するトルクを設定している。運転
技術の低いドライバーに対しては操舵に要するトルクを
高く設定することで車両挙動を安定させ、運転技術の高
いドライバーに対しては操舵に要するトルクを低く設定
することで路面からの情報をドライバーに認識し易くし
ている。しかし、そのヨーレートは実際に舵角が変化し
た後でなければ変化しないことから、制御に遅れが生じ
る。そのため、走行路の摩擦係数の低下等の外乱が急激
に作用したような場合や、車線変更等のための進路変更
時に過剰な操舵を行った場合、その制御の遅れにより車
両の挙動が不安定になり、過剰操舵を行った場合は進路
を修正するための操舵が必要になる。また、前方障害物
を回避する場合、操舵に要するトルクが高く設定される
と、急操舵がしにくいため前方障害物を回避できないお
それがある。
【0003】また、操舵補助力発生用のアクチュエータ
の駆動状態、回転速度、電流等に基づいて外乱を検出
し、その外乱の影響を補償する装置がある(特開平2‐
6272号公報、特開平3‐182881号公報)。し
かし、そのアクチュエータの駆動状態、回転速度、電流
等に基づく場合、実際に外乱の影響を受けて車両挙動が
不安定になった後でしか、その外乱を検出できない。そ
のため、急激な外乱が作用したような場合や、車線変更
等のための進路変更時に過剰な操舵を行った場合、制御
の遅れにより車両の挙動が不安定になり、過剰操舵を行
った場合は進路を修正するための操舵が必要になる。ま
た、ドライバーのハンドル操作による不安定挙動に対応
することはできない。
【0004】特開平2‐117467号公報は、操舵ト
ルク発生用モータを車速と舵角に応じて制御すること
で、ステアリングシャフトの回転を抑制し、高速走行時
における急激なハンドル操作による横滑りや横転を防止
するステアリングの安全装置を開示する。しかし、その
モータの制御は車速と舵角のみに基づくため、前方障害
物を避けるために急激なハンドル操作をおこなった場合
でも、ステアリングシャフトの回転が抑制されてしま
う。そのため、前方障害物を回避できないおそれがあ
る。また、車速と舵角のみに基づきモータを制御するだ
けでは、外乱による横滑り等を充分に防止できない。ま
た、高度な運転技術を有するドライバーが危険回避のた
めにスピンターンを行う場合に、大きな操舵抑制力を作
用させ、ドライバーが意図する車両挙動とは異なる状態
に陥らせてしまう。
【0005】特開平4‐266538号公報は、舵角、
ブレーキ油圧、スロットル開度、および現在の車両の運
動状態を検出し、この検出情報に基づいて将来の車両の
運動状態と規範となる車両の運動状態を推測し、推測し
た現実の車両の運動状態と規範となる車両の運動状態と
の偏差が小さくなるように、舵角、ブレーキ油圧、スロ
ットル開度等を制御する車両の運動特性の補正装置を開
示する。しかし、この装置は多数のセンサやアクチュエ
ータを必要とし、また、ステアリング装置以外のブレー
キ油圧やスロットル開度も制御する必要がある。そのた
め、システムが複雑で高価なものになる。
【0006】本発明は、上記問題を解決することのでき
る車両のステアリング装置を提供することを目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の車両のステアリ
ング装置は、ドライバーにより付与される操舵トルクを
車輪に伝達するステアリングシャフトと、その操舵トル
クに付加されるトルク発生用のアクチュエータと、その
ステアリングシャフトにより伝達されるトルクの検出手
段と、車速の検出手段と、舵角の検出手段と、検出され
た車速および舵角に基づき規範操舵トルクを求める手段
と、検出されたトルクと規範操舵トルクとの偏差を低減
するように、前記アクチュエータにより付与される付加
トルクを制御する手段とを備えることを特徴とする。本
発明における規範操舵トルクとは、車両(ステアリング
を含む)を幾何学的にモデル化した状態で、且つ、路面
等の車両環境が車両に外乱を与えない状態で、車両の運
動限界を超えないように操舵を行う上でステアリングシ
ャフトにより伝達されるべきトルクをいう。本発明の構
成によれば、ステアリングシャフトにより伝達されるト
ルクと、規範操舵トルクとの偏差が小さくなるように、
アクチュエータにより付加トルクを付与することができ
る。これにより、外乱やドライバーの操舵等により車両
挙動が不安定になった場合に、車両の運転限界を超える
前に、ステアリングシャフトにより伝達されるトルク
を、ドライバーの運転技術に拘りなく、車両の運動限界
を超えない範囲に戻すことができる。また、車両に外乱
が作用した場合、ステアリングシャフトにより伝達され
るトルクは、実際の舵角変化等により車両挙動が不安定
になる前に変化する。よって、外乱が急激に作用したよ
うな場合でも、そのステアリングシャフトにより伝達さ
れるトルクの検出結果に応じてアクチュエータにより付
与される付加トルクを迅速に制御することで、車両の挙
動が不安定になるのを防止できる。また、舵角、車速、
およびステアリングシャフトにより伝達されるトルクを
検出し、付加トルク発生用アクチュエータを制御するだ
けでよいので、構成を簡単化してコスト低減を図ること
ができる。
【0008】本発明において、その検出されたトルクと
規範操舵トルクとの偏差の絶対値が設定値以上であっ
て、その検出されたトルクの変化加速度の絶対値が設定
値以上である場合は、その偏差の絶対値が設定値未満で
ある場合よりも、前記アクチュエータにより付与される
付加トルクの絶対値が大きくされ、その検出されたトル
クと規範操舵トルクとの偏差の絶対値が設定値以上であ
って、その検出されたトルクの変化加速度の絶対値が設
定値未満である場合は、その偏差の絶対値が設定値未満
である場合よりも、前記アクチュエータにより付与され
る付加トルクの絶対値が小さくされるのが好ましい。ド
ライバーが意図的に急操舵を行った場合や、進路変更に
際して必要以上に過剰に操舵を行った場合、舵角が大き
くなるとコーナリングフォースが飽和し、路面反力は上
昇し難くなる。また、路面の摩擦抵抗が低下した場合、
路面反力を減少させるモーメントが作用する。そのた
め、ドライバーが意図的に急操舵を行った場合、進路変
更に際して必要以上に過剰に操舵を行った場合、また、
路面の摩擦抵抗が低下した場合、ステアリングシャフト
により伝達されるトルクと規範操舵トルクとの偏差の絶
対値は大きくなる。その検出されたトルクの変化加速度
の絶対値は、ドライバーが意図的に急操舵を行うことで
大きくなる。よって、その偏差の絶対値が設定値以上
で、その検出されたトルクの変化加速度の絶対値が設定
値以上である場合、ドライバーが意図的に急操舵を行っ
たと判断できる。この場合において、アクチュエータに
より付与される付加トルクを増大することで、ドライバ
ーの意図的な操舵を促進し、前方障害物の回避等のドラ
イバーの意図を反映した操舵ができる。一方、路面の摩
擦抵抗が低下したり進路変更操舵を行った場合、ドライ
バーが意図的に急操舵を行った場合に比べ、その検出さ
れたトルクの変化加速度の絶対値は小さくなる。よっ
て、その検出されたトルクと規範操舵トルクとの偏差の
絶対値が設定値以上で、トルクの変化加速度の絶対値が
設定値未満である場合、進路変更に際して必要以上に過
剰に操舵を行ったか、あるいは、路面の摩擦抵抗が低下
したと判断できる。この場合において、アクチュエータ
により付与される付加トルクを小さくすることで、車両
挙動の安定化を図ることができる。
【0009】さらに、その規範操舵トルクの一部とし
て、検出された車速および舵角から求められる規範タイ
ヤ横滑り角に対応する規範路面反力トルクが、記憶され
た規範タイヤ横滑り角と規範路面反力トルクとの線形関
係から求められるのが好ましい。タイヤ横滑り角と路面
反力トルクとの関係は実際は非線形である。すなわち、
その関係を線形とみなす場合に比べて、タイヤ横滑り角
の絶対値が大きくなると路面反力トルクの絶対値は小さ
くなり、車両挙動は不安定になり易い。よって、その関
係を線形とみなすことで、タイヤ横滑り角の絶対値が大
きくなって車両挙動が不安定になり易い場合に、ステア
リングシャフトにより伝達されるトルクと規範操舵トル
クとの偏差の絶対値を上記設定値以上にできる。これに
より、進路変更に際して必要以上に過剰に操舵を行った
り、路面の摩擦抵抗が低下した場合、アクチュエータに
より付与される付加トルクの絶対値を小さくし、車両挙
動の安定化を図ることができ、また、ドライバーが意図
的に急操舵を行った場合において、アクチュエータによ
り付与される付加トルクを増大することで、ドライバー
の意図的な操舵を促進し、前方障害物の回避等のドライ
バーの意図を反映した操舵ができる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。
【0011】図1に示すラックピニオン式電動パワース
テアリング装置1は、車両AのステアリングホイールH
に連結される入力軸2と、この入力軸2にトルクセンサ
3を介して連結される出力軸4と、舵角センサ5とを備
えている。その入力軸2と出力軸4とがステアリングシ
ャフトを構成する。そのトルクセンサ3によりステアリ
ングシャフトにより伝達されるトルクが連続して検出さ
れる。その出力軸4はピニオン6に接続され、そのピニ
オン6に噛み合うラック7に操舵用車輪8が連結され
る。これにより、ドライバーにより付与される操舵トル
クがステアリングホイールH、入力軸2、トルクセンサ
3、出力軸4、ピニオン6およびラック7を介して車輪
8に伝達され、車両Aの操舵がなされる。
【0012】そのラック7の一部はボールスクリュー1
1とされ、このボールスクリュー11に噛み合うボール
ナット12の外周にギアが形成され、そのギアに噛み合
うギア13に、駆動ギア14が噛み合う。その駆動ギア
14は、付加トルク発生用のアクチュエータであるDC
サーボモータ15により回転駆動される。これにより、
そのモータ15により付与されるトルクがドライバーに
よる操舵トルクに付加されて車輪8に伝達される。
【0013】そのトルクセンサ3とモータ15は制御装
置20に接続される。また、その制御装置20に、舵角
としてステアリングシャフトの回転角を連続的に検出す
る舵角センサ5と、車両Aの車速を連続的に検出する車
速センサ16とが接続される。
【0014】その制御装置20は、車速と舵角と規範操
舵トルクとの予め求めた関係を記憶し、その記憶した関
係と舵角センサ5により検出される舵角と車速センサ1
6により検出された車速とに基づき、規範操舵トルクを
求める。尚、車速および舵角から所定の関数を用いて演
算により規範操舵トルクを求めてもよい。図2は、その
制御装置20の機能を示すブロック図である。すなわ
ち、制御装置20においては、その車速センサ16によ
り検出される車速Vと、舵角センサ5により検出される
舵角θと、伝達関数G(s)とにより、規範となるタイ
ヤ横滑り角βが求められる。その伝達関数G(s)は、
例えば、sをラプラス演算子、ξを減衰係数、ωを角周
波数、Kをゲインとして、K/(s2 +2ξs+ω2
とされ、その定数は実験により予め求められ、記憶され
る。その規範タイヤ横滑り角βから規範路面反力トルク
Tkが、予め実験により求められて記憶されたタイヤ横
滑り角βと路面反力トルクTkとの関係から求められ
る。その記憶されるタイヤ横滑り角βと路面反力トルク
Tkとの関係は、実際には図において破線で示すように
非線形であるが、本発明においては図において実線で示
すように線形とされる。また、その舵角センサ5により
検出される舵角θの微分により求められる舵角速度と、
ステアリングホイールHから車輪8までの間の操舵系の
粘性摩擦係数Csとから、操舵系の粘性摩擦に基づく規
範となるトルクTbが求められる。その粘性摩擦係数は
実験により予め求められ、記憶される。また、その舵角
センサ5により検出される舵角θの2階微分により求め
られる舵角加速度と、ステアリングホイールHから車輪
8までの間の操舵系の慣性モーメントIsとから、操舵
系の慣性モーメントに基づく規範となるトルクTcが求
められる。その慣性モーメントは実験により予め求めら
れ、記憶される。上記規範路面反力トルク、操舵系の粘
性摩擦に基づく規範トルク、および慣性モーメントに基
づく規範トルクの和(Tk+Tb+Tc)が、規範操舵
トルクとされる。また、制御装置20は、上記トルクセ
ンサ3により検出されるステアリングシャフトにより伝
達されるトルクTと、その規範操舵トルクとの偏差ΔT
を求める。そのトルクセンサ3により検出されるトルク
Tは、ドライバーにより付与される操舵トルクTdと、
上記モータ15により付与される付加トルクTaとの和
である。制御装置20は、その偏差ΔTを低減するよう
に、そのモータ15により付与される付加トルクTaを
制御する。すなわち、その偏差ΔTに対応する付加トル
クTaを演算し、その演算した付加トルクTaを発生す
るようにモータ15を駆動する。
【0015】その付加トルクTaの演算は、その偏差Δ
Tとトルクセンサ3により検出されるトルクTの変化加
速度d2 T/dt2 とに基づき求められるドライバーの
操舵意図に基づき行われる。すなわち、ドライバーが意
図的に急操舵を行った場合や、進路変更に際して必要以
上に過剰に操舵を行った場合、舵角θが大きくなるとコ
ーナリングフォースが飽和し、路面反力は上昇し難くな
る。また、路面の摩擦抵抗が低下した場合、路面反力を
減少させるモーメントが作用する。そのため、ドライバ
ーが意図的に急操舵を行った場合、進路変更に際して必
要以上に過剰に操舵を行った場合、また、路面の摩擦抵
抗が低下した場合、ステアリングシャフトにより伝達さ
れるトルクTと規範操舵トルクとの偏差ΔTの絶対値は
大きくなる。その検出されたトルクTの変化加速度d2
T/dt2 の絶対値は、ドライバーが意図的に急操舵を
行うことで大きくなる。よって、その検出されたトルク
Tと規範操舵トルクとの偏差ΔTの絶対値が設定値以上
で、その検出されたトルクTの変化加速度d2 T/dt
2 の絶対値が設定値以上である場合、ドライバーが意図
的に急操舵を行ったと判断できる。一方、進路変更に際
して必要以上に過剰に操舵を行った場合や、路面の摩擦
抵抗が低下した場合は、ドライバーが意図的に急操舵を
行った場合に比べ、その検出されたトルクTの変化加速
度d2 T/dt2 の絶対値は小さくなる。よって、その
検出されたトルクTと規範操舵トルクとの偏差ΔTの絶
対値が設定値以上で、検出されたトルクTの変化加速度
2 T/dt2 の絶対値が設定値未満である場合、進路
変更に際して必要以上に過剰に操舵を行ったか、路面の
摩擦抵抗が低下したと判断できる。進路変更に際して必
要以上に過剰に操舵を行った場合、進路を修正するため
の操舵が必要になるため、その過剰操舵をドライバーは
抑制しようとする。路面の摩擦抵抗が低下した場合、ド
ライバーの操舵に対する抵抗は小さくなるので、ドライ
バーは操舵を抑制しようとする。
【0016】図3のフローチャートは、そのドライバー
の操舵意図の判断手順を示す。まず、その偏差ΔTの絶
対値が設定値T1以上か否かを判断する(ステップ
1)。その設定値T1は、その偏差ΔTの絶対値が設定
値T1未満であれば車両の運動限界内において適正な操
舵が行われるように設定する。その偏差ΔTの絶対値が
設定値T1未満である場合、ドライバーの操舵意図は通
常であると判断する(ステップ2)。その偏差ΔTの絶
対値が設定値T1以上であれば、トルクセンサ3により
検出されるトルクTの変化加速度d2 T/dt2 の絶対
値が設定値E1以上か否かを判断する(ステップ3)。
その設定値E1は、ドライバーが車両を急操舵する場合
の変化加速度d2 T/dt2 の最小値に対応するように
設定する。その変化加速度d2 T/dt2 の絶対値が設
定値E1以上である場合は、ドライバーの操舵意図は操
舵の促進であると判断する(ステップ4)。その変化加
速度d2 T/dt2 の絶対値が設定値E1未満である場
合は、ドライバーの操舵意図は操舵の抑制であると判断
する(ステップ5)。
【0017】図4は、その偏差ΔTとモータ15により
付与される付加トルクTaとの関係を示し、実線はドラ
イバーの操舵意図が通常の場合、一点鎖線はドライバー
の操舵意図が操舵の促進の場合、破線はドライバーの操
舵意図が操舵の抑制の場合である。すなわち、操舵意図
が促進の場合は通常の場合よりもモータ15により付与
される付加トルクTaの絶対値が大きくされ、操舵意図
が抑制の場合は通常の場合よりもモータ15により付与
される付加トルクTaの絶対値が小さくされる。
【0018】本発明の構成によれば、ステアリングシャ
フトにより伝達されるトルクTと、規範操舵トルクとの
偏差ΔTが小さくなるように、モータ15により付加ト
ルクTaを付与することができる。これにより、外乱や
ドライバーの操舵等により車両挙動が不安定になった場
合に、車両の運転限界を超える前に、ステアリングシャ
フトにより伝達されるトルクを、ドライバーの運転技術
に拘りなく、車両の運動限界を超えない範囲に戻すこと
ができる。また、車両に外乱が作用した場合、ステアリ
ングシャフトにより伝達されるトルクTは、実際の舵角
変化等により車両挙動が不安定になる前に変化する。よ
って、外乱が急激に作用したような場合でも、そのステ
アリングシャフトにより伝達されるトルクTの検出結果
に応じてモータ15により付与される付加トルクTaを
迅速に制御することで、車両の挙動が不安定になるのを
防止できる。また、舵角θ、車速V、およびステアリン
グシャフトにより伝達されるトルクTを検出し、モータ
15を制御するだけでよいので、構成を簡単化してコス
ト低減を図ることができる。また、ドライバーが意図的
に急操舵を行った場合において、モータ15により付与
される付加トルクTaを増大することで、ドライバーの
意図的な操舵を促進し、前方障害物の回避等のドライバ
ーの意図を反映した操舵ができる。また、路面の摩擦抵
抗が低下した場合において、モータ15により付与され
る付加トルクTaを小さくすることで、車両挙動の安定
化を図ることができる。また、進路変更に際して必要以
上に過剰に操舵を行った場合、モータ15により付与さ
れる付加トルクTaを小さくすることで、従来であれば
図5において破線で示すように車両Aの進路の修正操舵
が必要であったのに対して、実線で示すように車両Aの
挙動を安定化して進路修正操舵を不要にできる。さら
に、その規範操舵トルクの一部として、車速Vと舵角θ
とから求められる規範タイヤ横滑り角βに対応する規範
路面反力トルクTkが、記憶されたタイヤ横滑り角βと
路面反力トルクTkとの線形関係から求められる。これ
により、そのタイヤ横滑り角βと路面反力トルクTkと
の関係を正確に非線形とする場合に比べ、タイヤ横滑り
角βの絶対値が大きくなって車両挙動が不安定になり易
い場合に、ステアリングシャフトにより伝達されるトル
クTと規範操舵トルクとの偏差ΔTの絶対値を上記設定
値T1以上にできる。すなわち、進路変更に際して必要
以上に過剰に操舵を行ったり、路面の摩擦抵抗が低下
し、車両挙動が不安定になり易い場合に、モータ15に
より付与される付加トルクTaの絶対値を小さくし、車
両挙動の安定化を図ることができ、また、ドライバーが
意図的に急操舵を行った場合において、アクチュエータ
により付与される付加トルクを増大することで、ドライ
バーの意図的な操舵を促進し、前方障害物の回避等のド
ライバーの意図を反映した操舵ができる。
【0019】なお、本発明は上記実施形態に限定されな
い。例えば、図4に示す例では偏差ΔTとモータ15に
より付与される付加トルクTaとの関係は線形である
が、非線形であってもよい。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、外乱やドライバーの操
舵により車両の挙動が運動限界を越えそうな時に、積極
的に操舵トルクを制御することにより、運転の未熟なド
ライバーでも熟練ドライバーと同様に車両を常に適切に
操舵し、車両を運動限界内に引き戻し、安全性を向上で
きる車両のステアリング装置を、簡単な構成で低コスト
で提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の車両のステアリング装置の
構成説明図
【図2】本発明の実施形態の車両のステアリング装置の
制御装置の機能を示すブロック線図
【図3】本発明の実施形態の車両のステアリング装置の
制御装置によるドライバーの操舵意図の判断手順を示す
フローチャート
【図4】本発明の実施形態の車両のステアリング装置に
おけるステアリングシャフトにより伝達されるトルクと
規範操舵トルクとの偏差に対する、モータにより付与さ
れる付加トルクの関係を示す図
【図5】車両の進路を示す図
【符号の説明】 2 入力軸 3 トルクセンサ 4 出力軸 5 舵角センサ 15 モータ 16 車速センサ 20 制御装置

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ドライバーにより付与される操舵トルク
    を車輪に伝達するステアリングシャフトと、 その操舵トルクに付加されるトルク発生用のアクチュエ
    ータと、 そのステアリングシャフトにより伝達されるトルクの検
    出手段と、 車速の検出手段と、 舵角の検出手段と、 検出された車速および舵角に基づき規範操舵トルクを求
    める手段と、 検出されたトルクと規範操舵トルクとの偏差を低減する
    ように、前記アクチュエータにより付与される付加トル
    クを制御する手段とを備える車両のステアリング装置。
  2. 【請求項2】 その検出されたトルクと規範操舵トルク
    との偏差の絶対値が設定値以上であって、その検出され
    たトルクの変化加速度の絶対値が設定値以上である場合
    は、その偏差の絶対値が設定値未満である場合よりも、
    前記アクチュエータにより付与される付加トルクの絶対
    値が大きくされ、 その検出されたトルクと規範操舵トルクとの偏差の絶対
    値が設定値以上であって、その検出されたトルクの変化
    加速度の絶対値が設定値未満である場合は、その偏差の
    絶対値が設定値未満である場合よりも、前記アクチュエ
    ータにより付与される付加トルクの絶対値が小さくされ
    る請求項1に記載の車両のステアリング装置。
  3. 【請求項3】 その規範操舵トルクの一部として、検出
    された車速および舵角から求められる規範タイヤ横滑り
    角に対応する規範路面反力トルクが、記憶された規範タ
    イヤ横滑り角と規範路面反力トルクとの線形関係から求
    められる請求項2に記載の車両のステアリング装置。
JP33769197A 1997-04-04 1997-11-21 車両のステアリング装置 Expired - Fee Related JP3678566B2 (ja)

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