JP2007125965A - 車両の操舵制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 手放し状態における振動発生の抑制と、外乱による位置偏差の抑制とを両立させた車両の操舵制御装置を提供する。
【解決手段】 運転者トルク推定部４２は、入力角センサ３０の出力である入力角θｈと、トルクセンサ３１の出力である入力トルクＴから運転者の操舵トルクＴｈを推定する。手放し判定部４３は、推定した操舵トルクＴｈの絶対値を所定値ε１と比較することで手放し状態であるか否かを判定する。一方、つり合い点判定部４４は、入力トルクＴの絶対値を別の所定値ε２と比較することで、つり合い状態か否かを判定する。手放し状態で、かつ、つり合い状態と判定した場合には、切替部４６はスイッチを図の下側へと切り替えるため、目標転舵角調整部４５により、入力トルクＴに応じた所定のゲインＧ（１より小さい）を目標出力角θｐｍに乗じることで、目標転舵角を小さくする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ステアリング入力に駆動力を付与することで転舵輪の転舵角とステアリング操舵角の関係を可変とする伝達比可変手段を備える車両の操舵制御装置に関する。

従来からステアリングホイールの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を変更可能な伝達比可変手段を備える車両の操舵制御装置（ＶＧＲＳ；Variable Gear Ratio Steering）が知られている（例えば、特許文献１参照）。例えば、伝達比を車速に応じて変化させることで、走行状況に応じた操舵応答性を実現しようとするものである。伝達比可変手段としては、ステアリングホイール側の入力軸とタイロッド側の出力軸との間を接続する箇所にギヤ等の伝達機構を配置し、この伝達機構にアクチュエータにより駆動力を付与することで、入力軸と出力軸の回転角を変える手法がとられる。なお、駆動力を付与するアクチュエータ自体が伝達機構である場合も含まれる。伝達比の制御には、目標の転舵角が得られるようにフィードバック制御を行う手法がある。

ところで、伝達比を制御するために行うフィードバック制御においては、制御ゲインを高く設定することで、位置制御精度が高まるが、運転者がステアリングホイールから手を放す手放し状態においては、アクチュエータの反力をステアリングホイール側で受けることができないので、制御系が不安定になり、ステアリングホイールが振動してしまう場合がある。このような手放し状態は、舵を戻す操作においてしばしば行われ得る。

特許文献１の技術では、このような手放し状態における振動の発生を抑制するため、ステアリングホイールの入力トルクに基づいて運転者の手放し状態を判定し、手放し状態の場合には、制御ゲインを小さくするものである。
特開平１１−３２１６８４号公報

しかしながら、このように制御ゲインを小さくした場合には、位置制御精度と応答性が低下してしまうため、外乱による位置偏差も大きくなるという背反がある。

そこで本発明は、手放し状態における振動発生の抑制と、外乱による位置偏差の抑制とを両立させた車両の操舵制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る車両の操舵制御装置は、（１）ステアリング入力に駆動力を付加することにより転舵輪の転舵角を制御する伝達比可変手段と、（２）外力によりステアリングへ入力される入力トルクを演算する入力トルク演算手段と、（３）運転者によりステアリングへ入力される操作トルクを演算する操作トルク演算手段と、（４）操作トルクが第１の所定値より小さいという第１の条件と、入力トルクが第２の所定値より小さいという第２の条件をともに満たした場合に、伝達比可変手段における目標転舵角を第１または第２のいずれかの条件を満たさない場合に比較して小さく設定する目標転舵角調整手段と、を備えていることを特徴とする。

あるいは、本発明に係る車両の操舵制御装置は、（４）に代えて、操作トルクが第１の所定値より小さいという第１の条件と、入力トルクが第２の所定値より小さいという第２の条件をともに満たした場合に、伝達比可変手段における目標転舵角の位相を第１または第２のいずれかの条件を満たさない場合と異なる位相に設定する目標転舵角位相調整手段と、を備えているものでもよい。

伝達比可変手段を備える操舵系において手放し状態で発生する上記の振動は、ステアリングホイールが中立付近に戻った後、釣り合い点付近で断続的に発生する。そこで、本発明は、操作トルクが第１の所定値より小さい手放し状態で、かつ、入力トルクも第２の所定値より小さい釣り合い点付近において振動抑制制御を行うこととしている。

本発明における振動抑制制御は、目標転舵角の応答性を変化させるものであり、第１の手法は、目標転舵角を小さく設定することで振動を強制的に減衰させる。第２の手法は、目標転舵角の位相を振動が発生する場合の位相と異ならせることで、振動の減衰を促すものである。位相を異ならせる方法としては、目標転舵角を演算する際のフィルタリングの周波数を変化させる方法等を用いることができる。

本発明によれば、手放し状態で、かつ、釣り合い点付近において目標転舵角の応答性を変化させることで、振動の減衰を促したり、その発生を抑制するので、釣り合い点付近における振動発生を効果的に防止することができる。また、振動抑制制御は釣り合い点で手放し状態の場合にのみ行うため、位置制御精度や応答性が低下することもなく、また、外乱がある場合には、振動抑制制御が行われないため、外乱による位置偏差の発生も合わせて抑制できる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る車両の操舵制御装置の第１の実施形態を含む操舵系を示す概略構成図であり、図２は、その構成を示すブロック図である。操舵系は、操舵輪（ステアリングホイール）１０を操舵して転舵輪である右前輪ＦＲ、左前輪ＦＬを転舵させるものであって、ステアリングホイール１０に接続されるステアリングシャフト１１、１２の回転をステアリングギヤボックス１３により左右方向の直線運動に変換し、タイロッド１４を介して各前輪ＦＲ、ＦＬへと伝達する。

ステアリングシャフトは、ステアリングホイール１０に接続される入力軸１１とステアリングギヤボックス１３に接続される出力軸１２から構成され、その間にギヤ機構２０が配置されている。このギヤ機構２０には電動のモータ２１が接続され、伝達比可変手段を構成している。

入力軸１１上には、ステアリングホイール１０の操舵回転角θｈを検出する入力角センサ３０と、操舵系への入力トルクＴを検出するトルクセンサ３１が配置されている。一方、モータ２１の出力軸上には、その出力軸回転角θｐを検出する出力角センサ３２が配置されている。ここで、出力軸１２の回転角は、θｐ＋θｈとなり、これは、転舵角と所定の関係を有する。

操舵制御部４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、電気回路等によって構成され、上述した入力角センサ３０、トルクセンサ３１、出力角センサ３２の出力信号と、車両の車速Ｖを検出する車速センサ５０の出力信号がそれぞれ入力されている。そして、操舵制御部４は、モータ２１の駆動を制御する。

操舵制御部４は、図２に示されるように、目標転舵角設定部４１、運転者トルク推定部４２、手放し判定部４３、つり合い点判定部４４、目標転舵角調整部４５、切替部４６、補償器２３、モータ駆動回路２２、乗算器４７、４８、加算器４９によって構成される。

目標転舵角設定部４１は、車速センサ５０で検出した車速Ｖと、入力角センサ３０で検出した操舵角θｈを基に出力角目標値θｐｍを設定する。ここで、出力軸１２の回転角θｐ＋θｈと転舵輪の転舵角δとはステアリングギヤボックス１３の特性によって定まる所定の関係を有しているから、θｈに応じて出力角目標値θｐｍを設定することは、転舵角目標値δｍを設定することと同義といえる。

運転者トルク推定部４２は、トルクセンサ３１の出力である操舵系への入力トルクＴと入力角センサ３０で検出した操舵角θｈを基にして式（１）に基づいて運転者の操舵トルクＴｈを推定する。

ここで、Ｉｈはステアリングホイール１０の慣性モーメントであり、Ｃｈは入力軸１１の回転に対する粘性摩擦係数である。慣性モーメントＩｈ、粘性摩擦係数Ｃｈは、操舵装置によって固有の値をとるため、予めこれらを求めておいて運転者トルク推定部４２内に格納しておくことで、入力トルクＴと操舵角θｈの角速度、角加速度から操舵トルクＴｈを推定できる。

手放し判定部４３、つり合い点判定部４４は、入力トルクＴと操舵トルクＴｈを基に、手放し状態およびつり合い点判定を行う。手放し判定部４３における手放し判定は、操舵トルクＴｈの絶対値としきい値であるε１とを比較することにより行われる。このε１は、運転者がステアリングホイール１０を操作可能に把持していると判定できる操舵トルクしきい値として設定される。つまり、｜Ｔｈ｜がε１以上であれば、手放し状態でなく「０」を出力し、ε１未満の場合には、手放し状態と判定して「１」を出力する。一方、つり合い点判定部４４におけるつり合い点判定は、入力トルクＴの絶対値としきい値であるε２とを比較することにより行われる。このε２は、ステアリング系への入力、つまり、ステアリングホイール１０への運転者の操舵入力とモータ２１によるアシストトルクと転舵輪ＦＬ、ＦＲ側からの反力とがつり合っている状態を示すしきい値として設定される。つまり、｜Ｔ｜がε２以上であれば、つり合い状態でなく「０」を出力し、ε２未満の場合には、つり合い状態と判定して「１」を出力する。

手放し判定部４３とつり合い点判定部４４の出力は、乗算器４７により乗算される。これにより、ともに１、つまり、手放し状態で、かつ、つり合い状態にあると判定された場合にのみ１が出力され、いずれかの条件が満たされない場合、つまり手放し状態でないか、手放し状態でもつり合い点にない場合には、０が出力される。

目標転舵角設定部４１の出力側には切替部４６が接続されているが、この切替部４６の動作は乗算器４７からの出力によって制御される。具体的には、乗算器４７の出力が０の場合には、図の上側にスイッチが切り替えられ、目標転舵角設定部４１の出力であるθｐｍが直接加算器４９の＋入力端に入力される。一方、乗算器４７の出力が１の場合には、図の下側にスイッチが切り替えられる。この場合には、加算器４９の正入力端の間に乗算器４８が設置されており、その演算結果であるθｐｍ’が加算器４９の正入力端に入力されることになる。ここで、乗算器４８には、目標転舵角調整部４５の出力が入力されている。この目標転舵角調整部４５は、入力トルクＴに応じてゲインＧを設定するものであり、このゲインＧは、入力トルクＴの絶対値がε２のときに、１であり、入力トルクＴが小さいほどゲインＧが０に近くなるように設定されている。つまり、乗算器４８の出力であるθｐｍ’はＧ×θｐｍであり、入力トルクＴが小さいほど０に近づくことになる。

加算器４９の負入力端には、出力角センサ３２の出力であるθｐが入力されている。したがって、加算器４９の出力は、手放し状態、かつ、つり合い状態の場合には、θｐｍ’−θｐであり、それ以外の場合には、θｐｍ−θｐとなる。つまり、調整後の目標出力角と実出力角との差が出力されることになる。

補償器２３はこの目標出力角と実出力角との差に応じてモータ２１の駆動量を演算し、モータ駆動回路２２に伝達する。モータ駆動回路２２は、伝達された駆動量に応じてモータ２１を駆動する。これによって実出力角を目標出力角に近づけて転舵角を所望の状態へと制御する。

図３は、この実施形態による操舵制御と振動抑制制御を実施していない従来の制御との制御結果を比較して示すグラフである。ここでは、運転者がステアリングホイール１０を最大操舵角まで操舵後、手放し状態とすることで中立状態へと戻した場合を想定している。従来の制御における目標出力角の時間変化をθｐｍ１で、この場合の実出力角の時間変化をθｐ１で示す。一方、本実施形態における目標出力角の時間変化をθｐｍ２で、この場合の実出力角の時間変化をθｐ２で示す。

実際の出力角の変化は、操舵系の変形や摩擦等により目標出力角の時間変化に対して遅れを生じざるを得ない。従来の制御方法では、この遅れのため、中立点付近で振動が発生してしまう。これに対して、本実施形態の制御においては、つり合い点である中立付近に至った時点から目標出力角を小さくして目標転舵角が小さくなるよう制御する（θｐｍ２参照）。これにより、モータ２１が動かないように制御されて、振動の発生を抑制することができる（θｐ２参照）。また、制御ゲインが通常の制御時と変わらないので応答性がよい。さらに、外力が作用するような場合には、振動抑制制御の条件となるつり合い状態ではないため、通常の制御が行われるので、位置制御精度や応答性が低下することがない。このため、総合的な操舵フィーリングの向上が図れる。

ここでは、トルクセンサ３１を入力軸１１上に配置する例を説明したが、トルクセンサ３１は図４に示されるように出力軸１２上に配置されていてもよい。このような形態においても式（１）に基づいて操舵トルクＴｈを推定することが可能である。

図５は、本発明に係る車両の操舵制御装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。この操舵制御装置は、図１または図４に示される構成の操舵系の操舵制御装置として用いられる。図２に示される第１の実施形態の操舵制御部４においては、目標転舵角設定部４１と加算器４９の間に切替部４６を配置して、乗算器４７の出力に応じて目標転舵角設定部４１の出力を直接加算器４９に出力する場合と、これを目標転舵角調整部４５の出力により調整する場合とで切り替える形態とした。これに対して、本実施形態の操舵制御部４ａでは、切替部４６は入力角センサ３０の出力と目標転舵角設定部４１の間に配置されており、目標転舵角設定部４１に入力される入力角信号をフィルタリングするフィルタをフィルタＡ５１とフィルタＢ５２の間で切り替える構成としている。

フィルタＢ５２とフィルタＡ５１とは異なるフィルタ周波数を有しており、これにより目標転舵角設定部４１で設定する目標出力角の位相特性を異ならせる。目標出力角の位相特性を異ならせることで、特に振動発生時に加算器に入力される目標出力角値と出力角の測定値との位相差により共振が発生するのを抑制する。フィルタＢ５２の位相特性としてはフィルタＡ５１より入力角の位相がずれるものであれば、フィルタ周波数が高い方向にずらすものでも、低い方向にずらすものでもいずれでもよい。

図６は、この実施形態による操舵制御と従来の制御（振動抑制制御を実施しない場合）との制御結果を比較して示すグラフである。ここでは、運転者がステアリングホイール１０を最大操舵角まで操舵後、手放し状態とすることで中立状態へと戻した場合を想定している。従来の制御における目標出力角の時間変化をθｐｍ３で、この場合の実出力角の時間変化をθｐ３で示す。一方、本実施形態における目標出力角の時間変化をθｐｍ４で、この場合の実出力角の時間変化をθｐ４で示す。

従来の制御方法では、振動が発生した場合、目標出力角と実出力角との位相関係が共振を促すため、振動を抑制することができず、長期間振動が継続してしまうことがある。これに対して、本実施形態では、このような共振が起こらないように目標出力角の位相特性を設定しているので、振動が発生しそうな場合でもこれを効果的に早期に減衰させることができる。また、第１の実施形態と同様に、外力が作用するような場合には、振動抑制制御の条件となるつり合い状態ではなく、通常の制御が行われるので、位置制御精度や応答性が低下することがない。このため、総合的な操舵フィーリングの向上が図れる。

図７は、本発明に係る車両の操舵制御装置の第３の実施形態を含む操舵系を示す概略構成図であり、図８は、その構成を示すブロック図である。この操舵制御装置は、図１または図４に示される構成の操舵系の操舵制御装置として用いられる。この実施形態では、図７に示されるように、図１、図４に示される実施形態からトルクセンサ３１を除外した構成としている。そして、その代わりにモータ２１へ供給する電流を検出するモータ電流センサ２４が配置されている点が相違している。

図８に示されるように操舵制御部４ｂは，図２に示される第１の実施形態の操舵制御部４と基本構成は同一であるが、トルクセンサ３１の出力を直接、運転者トルク推定部４２とつり合い点判定部４４に入力する代わりに、モータ電流センサ２４の出力信号である電流値Ｉｒを受けて入力トルクＴを推定するねじれ力推定部２５を備えている。

ここで、図７に示される操舵系では、ステアリングホイール１０は、モータ２１の発生したトルクを受けないため、入力軸１１に加わるねじれ方向の力を推定するためには、モータ２１、ギヤ機構２０の慣性モーメントＩｍと、その粘性摩擦係数Ｃｍを考慮して（２）式により判定を行う必要がある。

ここで、Ｋｍはモータ２１のトルク定数、Ｇｍは伝達比可変機構における伝達比である。また、運転者のトルク推定は式（２）の演算結果を式（１）に代入することで求めることができる。

本実施形態においても第１の実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。この形態は、例えば、油圧パワーステアリング装置と組み合わせる場合に用いることができる。一方、上述の第１の実施形態は、電動パワーステアリング装置と組み合わせる場合に適した構成である。

なお、伝達比可変機構は、上記構成に限られるものではなく、例えば図９に示されるように入力軸が電動モータのトルクを直接うける構成をとっていてもよい。この場合には、ステアリング系の運動方程式が変わるため、運転者のトルク推定や入力トルク推定の式は変わることになるが、その基本的な考え方は同一である。

本発明に係る車両の操舵制御装置の第１の実施形態を含む操舵系を示す概略構成図である。 第１の実施形態の構成を示す制御ブロック図である。 第１の実施形態による操舵制御と従来の制御との制御結果を比較して示すグラフである。 第１の実施形態の変形形態を含む操舵系を示す概略構成図である。

第２の実施形態の構成を示す制御ブロック図である。 第２の実施形態による操舵制御と従来の制御との制御結果を比較して示すグラフである。 本発明に係る車両の操舵制御装置の第３の実施形態を含む操舵系を示す概略構成図である。 第３の実施形態の構成を示す制御ブロック図である。 図１の実施形態において伝達比可変手段を異ならせた変形形態を含む操舵系を示す概略構成図である。

符号の説明

４…操舵制御部、１０…ステアリングホイール、１１…入力軸、１２…出力軸、１３…ステアリングギヤボックス、１４…タイロッド、２０…ギヤ機構、２１…モータ、２２…モータ駆動回路、２３…補償器、２４…モータ電流センサ、２５…ねじれ力推定部、３０…入力角センサ、３１…トルクセンサ、３２…出力角センサ、４１…目標転舵角設定部、４２…運転者トルク推定部、４３…手放し判定部、４４…つり合い点判定部、４５…目標転舵角調整部、４６…切替部、４７、４８…乗算器、４９…加算器、５０…車速センサ、５１、５２…フィルタ。

Claims (2)

1. ステアリング入力に駆動力を付加することにより転舵輪の転舵角を制御する伝達比可変手段と、
   外力によりステアリングへ入力される入力トルクを演算する入力トルク演算手段と、
   運転者によりステアリングへ入力される操作トルクを演算する操作トルク演算手段と、
   操作トルクが第１の所定値より小さいという第１の条件と、入力トルクが第２の所定値より小さいという第２の条件をともに満たした場合に、前記伝達比可変手段における目標転舵角を前記第１または第２のいずれかの条件を満たさない場合に比較して小さく設定する目標転舵角調整手段と、を備えていることを特徴とする車両の操舵制御装置。
2. ステアリング入力に駆動力を付加することにより転舵輪の転舵角を制御する伝達比可変手段と、
   外力によりステアリングへ入力される入力トルクを演算する入力トルク演算手段と、
   運転者によりステアリングへ入力される操作トルクを演算する操作トルク演算手段と、
   操作トルクが第１の所定値より小さいという第１の条件と、入力トルクが第２の所定値より小さいという第２の条件をともに満たした場合に、前記伝達比可変手段における目標転舵角の位相を前記第１または第２のいずれかの条件を満たさない場合と異なる位相に設定する目標転舵角位相調整手段と、を備えていることを特徴とする車両の操舵制御装置。
   

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