JP3582334B2 - パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステアリングホイールの操舵状態及び保舵状態で発生する操舵トルクを検出して、これに応じた操舵補助トルクを発生させるようにしたパワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーステアリング装置としては、例えば特開平５−７７７５０号公報に記載されたものがある。
【０００３】
この従来例は、所定時間間隔で車速及び操舵角速度を繰り返し記憶し、これらの記憶データから上限及び下限の範囲を削除し、残った記憶データを平均化して平均速度及び平均操舵角速度を演算し、この演算結果を標準操舵パターンと比較してスポーティ派であるか否かを判定することにより、パワーアシスト力を設定するようにした電動パワーステアリング装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のパワーステアリング装置にあっては、以下に述べるような未解決の課題がある。
【０００５】
すなわち、一般的にドライバが車両を操縦するときに、「低速ではハンドル角で、高速では操舵力で操縦する」と言われている。ドライバが車両を操縦する時の目的はドライバの意図する車両軌跡と、車両の通過する車両軌跡を一致させることである。したがって、ドライバにとって大切なのは「車両の横変位」である。
【０００６】
そこで、パワーステアリング装置を装着していない車両を対象として実験を行い、車両の横変位／操舵角（ハンドル角）と車両の横変位／操舵トルクとの周波数応答を低速走行時（例えば４０ｋｍ／ｈ）及び高速走行時（例えば１２０ｋｍ／ｈ）について調べたところ、図８及び図９に示す結果が得られた。
【０００７】
これら図８及び図９から明らかなように低速走行時では車両の横変位／操舵角の位相遅れが車両の横変位／操舵トルクの位相遅れよりも小さく、これらが高速走行時では逆転することが分かる。
【０００８】
ドライバが車両の横変位を制御するに当たり、位相遅れは小さい方が良いことはいうまでもない。そのため、ドライバは低速では操舵角を、高速では操舵トルクを選択的に主情報として用いていると考えられる。
【０００９】
余談ではあるが、４輪操舵車両では、横変位／操舵角の位相遅れを低減して、高速でも低速と同様に操舵角情報をもとにドライバが車両を制御できるようにしてドライバの負担を低減しようとするものである。しかし、４輪操舵車両では後輪操舵用アクチュエータや種々のセンサを必要とし、これらを車載するためにはコストや重量増加を招く。
【００１０】
また、現在車載されている油圧を用いたパワーステアリング装置では、操舵トルクをトーションバーの捩れによって検出するようにしているので、操舵補助油圧が遅れて発生するため、図１０に示すように、パワーステアリング非装着車に対して横変位／操舵トルクの位相が遅れてしまうという未解決の課題がある。
【００１１】
さらに、近年は油圧でなく電動モータで操舵補助トルクを付加する形式の電動パワーステアリング装置が提案されているが、この電動パワーステアリング装置においても、その狙いを軽量化及び燃費向上においており、操舵補助特性は油圧のパワーステアリング装置に近づけることを目的としているため、折角ある制御自由度を活かしきれていないという未解決の課題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、トーションバーの捩れ角などによって検出された操舵トルクに対して位相が進むような操舵補助トルクを付加することにより、上記未解決の課題を解消し得るパワーステアリング装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係るパワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵状態及び保舵状態で発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、該操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに基づいて操舵補助トルクを発生する補助操舵トルク発生手段とを備えたパワーステアリング装置において、前記補助操舵トルク発生手段は、前記操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに対する操舵補助トルクの伝達関数に対し操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れが小さくなるように進み要素が付加された構成を有することを特徴としている。
【００１４】
この請求項１に係る発明においては、補助操舵トルク発生手段が、入力される操舵トルクとこれに基づいて発生させる操舵補助トルクとの伝達関数に対し操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れが小さくなるように進み要素が付加されているので、操舵トルクセンサで使用するトーションバーの捩れ等によって操舵補助トルクの発生が遅れることによる横変位／操舵トルクの位相遅れを解消することができる。
【００１５】
また、請求項２に係るパワーステアリング装置は、請求項１に係る発明において、前記進み要素は、車速の増加に応じて大きな値に設定するようにしたことを特徴としている。
【００１６】
この請求項２に係る発明においては、進み要素が車速の増加に応じて大きな値となるので、車速の増加によって横変位／操舵トルクの位相遅れが増加することを相殺することができる。
【００１７】
さらに、請求項３に係るパワーステアリング装置は、請求項１に係る発明において、前記操舵トルクに対する操舵補助トルクの周波数応答の位相進み最大値が生じる周波数を、操舵補助トルクを発生しない時の操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れ最大値が生じる周波数近傍に設定することを特徴としている。
【００１８】
この請求項３に係る発明においては、操舵補助トルクを発生しない時の横加速度／操舵トルクの周波数応答の位相遅れが大きい周波数領域の位相遅れを、操舵補助トルク／操舵トルクの周波数応答の位相進み最大値で確実に相殺することができる。
【００１９】
さらにまた、請求項４に係るパワーステアリング装置は、請求項１〜３の何れかに係る発明において、前記補助操舵トルク発生手段は、所定車速以上であるときに前記伝達関数に進み要素を付加するように構成されていることを特徴としている。
【００２０】
この請求項４に係る発明においては、所定車速未満の低車速走行状態では、ドライバが操舵角情報をもとに車両の操舵を行うことを可能とし、所定車速以上の高車速走行状態では、伝達関数に進み要素を付加することにより、操舵トルクに基づく最適な操舵を行うことができる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、操舵トルク検出値に対応する操舵補助トルクを算出する伝達関数に対し操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れが小さくなるように進み要素を付加した構成としたので、操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の遅れを解消して、ドライバが車両を操舵する際に操舵力に基づいて扱い易い車両特性を実現することができるという効果が得られる。
【００２２】
また、請求項２に係る発明によれば、伝達関数に付加する進み要素を車速の増加に応じて大きな値とするようにしたので、全車速域で扱い易い車両特性を実現することができるという効果が得られる。
【００２３】
さらに、請求項３に係る発明によれば、操舵トルクに対する操舵補助トルクの周波数応答の位相進み最大値が生じる周波数を、操舵補助トルクを発生しない時の操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れ最大値が生じる周波数近傍に設定するようにしたので、位相遅れの大きな周波数帯で位相進みが大きくなり、動特性を補償することができるという効果が得られる。
【００２４】
さらにまた、請求項４に係る発明によれば、補助操舵トルク発生手段は、所定車速以上であるときに前記伝達関数に進み要素を付加するように構成されているので、低速では操舵角情報を基に操舵補助トルクを制御し、ドライバが操舵トルクを基に制御する高速領域に限って伝達関数に進み要素を付加することにより、ドライバの操舵感覚を適正に維持して、最適な操舵トルク制御を行うことができるという効果が得られる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す概略構成図であり、図中、ステアリングホイール１は、ステアリングシャフト２の上端部に連結され、このステアリングシャフト２は固定部に回転自在に支持されている。
【００２６】
ステアリングシャフト２の下端は、ユニバーサルジョイント３、コラムシャフト４及びユニバーサルジョイント５を介して下端にピニオン６を取付けたピニオンシャフト７に連結されている。
【００２７】
このピニオン６は、車両幅方向に水平に延長するラック８に噛合して、ステアリングギヤを構成し、ステアリングホイール１からステアリングシャフト２回りの回転運動がラック８の直進運動（並進運動）に変換される。
【００２８】
そして、水平に延在するラック８の両端部は、夫々タイロッド９を介してナックル及び転舵輪１０に接続され、ラック８が水平方向移動（並進運動）することで左右の転舵輪１０が転舵される。
【００２９】
また、ラック８には、アシストピニオン１１も噛合されており、このアシストピニオン１１は減速機１２を介して駆動源となる操舵補助モータ１３の回転軸に連結され、操舵補助モータ１３が後述するコントロールユニット１５から出力されるデューティ制御されたパルス電流によって操舵トルクに応じた操舵補助力を発生するように制御される。
【００３０】
さらに、ピニオンシャフト７には、トルク検出機構１６が設けられている。このトルク検出機構１６は、ピニオンシャフト７の下端部とピニオン６の上端部を連結する図示しないトーションバーと、その外周に配置された操舵トルクセンサ１７とで構成されている。
【００３１】
この操舵トルクセンサ１７は、上記トーションバーの捩じれ量から操舵トルクを検出し、その操舵トルクの大きさに応じた且つステアリングホイール１の右切り（ピニオン６からの入力に対しては左回り）で正値、ステアリングホイール１の左切り（ピニオン６からの入力に対しては右回り）で負値の電圧信号でなるトルク検出値Ｔを、後述するコントロールユニット１５に供給する。
【００３２】
また、車両には車速を検出する車速センサ１８が搭載されており、この車速センサ１８によって車両前後方向の車速が検出され、この車速の大きさに応じた電圧信号でなる車速検出値Ｖが後述するコントロールユニット１５に供給される。
【００３３】
そして、コントロールユニット１５では、入力された車速検出値Ｖと操舵トルク検出値Ｔとに基づいて所定の演算を行って、操舵補助モータ１３に対する操舵トルク指令値を算出し、これを操舵補助モータ１３に出力する。
【００３４】
ここで、コントロールユニット１５から出力される操舵補助トルク指令値とこの操舵補助トルク指令値に基づいて操舵補助モータ１３で発生される実操舵補助力とは１対１に対応しており、これらの間に位相遅れはないものとする。
【００３５】
そして、操舵補助モータ１３及びコントロールユニット１５を含む補助操舵系トルク発生手段での操舵トルクＴに対する操舵補助トルクの伝達関数は、以下のようにして設定されている。
【００３６】
すなわち、操舵トルクＴに対する横加速度検出値α（α／Ｔ）の目標伝達関数をＧｄ とすると共に、トーションバーの剛性をＫ（Ｎｍ／ｒａｄ）としたとき、トーションバー捩れ角φに対する操舵補助力ＦＡ の制御伝達関数をＹＣ （＝ＦＡ ・Ｋ／Ｔ）とおき、この制御伝達関数ＹＣ を求める。
【００３７】
ここで、伝達関数Ｇｄ を目標としたのは、横変位が横加速度の２階積分値であり、従来技術の項で上述したように、本発明では横変位／操舵トルクの位相改善が目的だからである。
【００３８】
これら関数Ｇｄ 及びＹＣ の導出には、図２に示す２輪モデルを用いる。
この図２において、Ｌは車両ホイールベース（ｍ）、Ｌｆ は前輪と重心との前後方向距離（ｍ）、Ｌｒ は後輪と重心との前後方向距離（ｍ）、αは車両横加速度（ｍ／ｓ２ ）、βは車体スリップ角（ｒａｄ）、γはヨーレイト（ｒａｄ／ｓ）、δは前輪舵角（ｒａｄ）、Ｆｆ は前輪横力（Ｎ）、Ｆｒ は後輪横力（Ｎ）、Ｖは車速（ｍ／ｓ）を夫々表す。
【００３９】
まず、ＹＣ という制御伝達関数で、操舵補助力ＦＡ を発生した時の操舵トルクＴを求める。
あるセルフアライニングトルクＴＳ 、操舵補助力ＦＡ が発生した時のラック軸力はナックルアーム半径をｄ（ｍ）とすると、ＴＳ ／ｄ−ＦＡ となる。
【００４０】
このラック軸力にピニオン回転半径ｒ（ｍ）を乗じれば下記（１）式のように操舵トルクＴが得られる。
Ｔ＝（ＴＳ ／ｄ−ＦＡ ）ｒ …………（１）
しかるに、セルフアライニングトルクＴＳ 及び操舵補助力ＦＡ は、下記（２）式及び（３）式で表すことができる。
【００４１】
ＴＳ ＝Ｃｆ （θ／Ｎ−β−ＬＦ ・γ／Ｖ）ｔｒ …………（２）
ＦＡ ＝ＹＣ ・φ＝ＹＣ ・Ｔ／Ｋ …………（３）
ここで、Ｃｆ は前輪コーナリングパワー（Ｎ／ｒａｄ）、θは操舵角（ｒａｄ）、Ｎはステアリングギヤ比、ｔｒ は前輪トレール（ｍ）である。
【００４２】
そして、これら（２）式及び（３）式を前記（１）式に代入すると、下記（４）式のようになる。
したがって、操舵角θに対する操舵トルクＴの伝達関数Ｔ（ｓ） ／θ（ｓ） は下記（５）式で表すことができる。
【００４３】
【数１】
【００４４】
ここで、ｓはラプラス演算子である。
今、横加速度α／操舵トルクＴの伝達関数をＧｄ にすること即ちα（ｓ） ／Ｔ（ｓ） ＝Ｇｄ が目標であるので、
【００４５】
【数２】
【００４６】
となればよい。
ここで、横加速度αは、車輪スリップ角速度をβ′とすると、
α＝Ｖ（β′＋γ） …………（７）
で表されるので、上記（６）式は、
【００４７】
【数３】
【００４８】
となる。
そして、上記（５）式と（８）式とは一致するので、
【００４９】
【数４】
【００５０】
となる。
この（９）式から操舵補助力ＦＡ ／トーションバー捩れ角φの制御伝達関数ＹＣ （ｓ） を求めることができる。
【００５１】
ここで、先ず、（９）式中のβ（ｓ） ／θ（ｓ） 及びγ（ｓ） ／θ（ｓ） を求めることにする。車両の運動方程式は、
【００５２】
【数５】
【００５３】
となる。
ここで、ｍは車両質量（ｋｇ）、Ｃｒ は後輪コーナリングパワー（Ｎ／ｒａｄ）、Ｉは車両ヨー慣性モーメント（ｋｇｍ２ ）、γ′はヨー加速度（ｒａｄ／ｓ２ ）である。
【００５４】
そして、上記（１０）式及び（１１）式を整理すると、
【００５５】
【数６】
【００５６】
但し、ａ１１＝−（Ｌｆ ２ Ｃｆ ＋Ｌｒ ２ Ｃｒ ）／ＩＶ
ａ１２＝（Ｌｒ Ｃｒ −Ｌｆ Ｃｆ ）／Ｉ
ａ２１＝（Ｌｒ Ｃｒ −Ｌｆ Ｃｆ ）／ｍＶ２ −１
ａ２２＝（−Ｃｆ −Ｃｒ ）／ｍＶ
ｂ１１＝Ｌｆ Ｃｆ ／ＩＮ
ｂ２１＝Ｃｆ ／ｍＶＮ
となるので、γ（ｓ） ／θ（ｓ） 及びβ（ｓ） ／θ（ｓ） は、
【００５７】
【数７】
【００５８】
となる。
これら（１３）〜（１５）式を前記（９）式に代入して整理をする。
このとき、車両を制御する時の遅れは、ない方がよいものとして、目標伝達関数Ｇｄ の位相遅れはあらゆる周波数で零とする。すなわち、目標伝達関数Ｇｄ は定数として扱うことにする。
【００５９】
すると、求める制御伝達関数ＹＣ は、
【００６０】
【数８】
【００６１】
但し、
Ａ＝−Ｐ１（ａ１１＋ａ２２）＋Ｐ２ ｂ２１＋Ｐ３（−ｂ２１ａ１１＋ｂ１１ａ２１）＋Ｐ４ ｂ１１
Ｂ＝Ｐ１ （ａ１１ａ２２−ａ１２ａ２１）
Ｃ＝Ｐ２ （−ｂ２１ａ１１＋ｂ１１ａ２１）
Ｄ＝Ｐ４ （−ｂ１１ａ２２＋ｂ２１ａ１２）
Ｅ＝Ｐ５ （−ｂ２１ａ１１＋ｂ１１ａ２１＋ｂ１１）
Ｆ＝Ｐ５ （−ｂ１１ａ２２＋ｂ２１ａ１２）
Ｐ１ ＝（Ｋ／Ｎ）Ｃｆ ｔｒ Ｇｄ ｒ
Ｐ２ ＝−Ｃｆ ｔｒ Ｇｄ ｒＫ
Ｐ３ ＝−ＫｄＶ
Ｐ４ ＝−Ｋ（Ｌｆ Ｃｆ ｔｒ Ｇｄ ｒ／Ｖ＋ｄＶ）
Ｐ５ ＝ｄｒＶ
となり、２次／２次の伝達関数として表すことができる。
【００６２】
次に、目標伝達関数Ｇｄ の値の計算方法について説明する。
操舵補助をしない時即ちマニュアル操舵時の操舵トルクＴに対する横加速度αの伝達関数の定常ゲインをＧｄ０とすると、この定常ゲインＧｄ０は、
【００６３】
【数９】
【００６４】
但し、Ｘ＝（ａ１１ａ２２−ａ１２ａ２１）／Ｎ
Ｙ＝−ｂ１１ａ２１＋ａ１１ｂ２１
Ｚ＝Ｌｆ （ｂ２１ａ１２−ｂ１１ａ２２）／Ｖ
で表される。
【００６５】
そして、操舵補助モータ１３で操舵補助力を発生すると、操舵力は軽くなるので、目標伝達関数Ｇｄ は、
Ｇｄ ＝η×Ｇｄ０ （η＞１） …………（１９）
に設定すればよい。因みに、η＝１ のときには、低周波数での操舵力は、マニュアル操舵車両と同じになる。
【００６６】
したがって、例えば車速が１００ｋｍ／ｈで走行するときにη＝８／５として、目標伝達関数Ｇｄ を算出し、これに応じて操舵補助力Ｆａ ／トーションバーの捩れ角φの制御伝達関数ＹＣ を算出し、この制御伝達関数ＹＣ となるように、コントロールユニット１５のチューニングを行うと、このときの制御伝達関数ＹＣ の周波数特性は、図３に示すように、ゲインは周波数が１Ｈｚ近傍までは比較的低い一定値となるが、１Ｈｚを越えて２Ｈｚ迄の間で上昇し、それ以降は周波数の増加に応じて緩やかに減少し、位相は、０．１Ｈｚから緩やかに上昇して０．６Ｈｚから比較的急峻に増加して１．３Ｈｚ当たりでピークとなり、その後急激に減少し、３Ｈｚ以降で緩やかに減少する特性となる。
【００６７】
このため、横加速度α／操舵トルクＴの周波数特性は、ゲインが図４（ａ）で実線図示のような周波数にかかわらず"０"近傍の一定値となり、位相も図４（ｂ）で実線図示のような周波数にかかわらず"０"を維持することになり、初期特性を実現していることが理解される。また、制御伝達関数ＹC はハイパスフィルタを構成している。
【００６８】
因みに、本発明の制御を行わない場合には、図４（ａ）及び（ｂ）で破線図示のように、ゲインが１Ｈｚを越えると比較的急激に減少し、２Ｈｚ以上で緩やかに増加すると共に、位相が０．１Ｈｚから緩やかに減少して０．８Ｈｚ近傍から急激に減少し、１．４Ｈｚ程度でピークとなりその後急激に増加し３Ｈｚ以上で緩やかに増加することになり、１Ｈｚ〜２Ｈｚの間で大きな位相遅れを生じるが、上記実施形態では、非制御時即ちマニュアル操舵時のゲイン及び位相が変動している周波数領域で制御伝達関数ＹＣ のゲイン及び位相が図３（ａ）及び（ｂ）に示すように逆特性に設定されることにより、ゲイン及び位相の変動が確実に抑制され、ドライバーの操舵感覚に応じた最適な操舵補助制御を行うことができる。
【００６９】
特に、制御伝達関数ＹC の位相特性は、図３（ｂ）で明らかなように、マニュアル操舵の場合に横加速度α／操舵トルクＴの位相が遅れる周波数域で位相進み量を大きくして動特性を補償している。
【００７０】
つまり、コントロールユニット１５のチューニングに際しては、先ず、マニュアル操舵の状態で横加速度α／操舵トルクＴの周波数特性を測定し、位相遅れの大きな周波数域で且つ位相角が大きな周波数域で位相進みが大きくなるようにコントロールユニット１５を調整すればよい。
【００７１】
また、位相を進ませる量に関しては、上記実施形態では理想状態を数式で導いた場合について説明したが、少なくとも制御伝達関数ＹＣ の位相を少しでも進ませれば、横加速度α／操舵トルクＴの位相が改善されるので、運転者のフィーリングに合わせながら、その量をチューニングすれば良い。
【００７２】
なお、上記実施形態で扱っているパワーステアリングは、操舵補助量の目標値に対する操舵補助力は１対１で発生することを前提としており、パワーステアリング自体の実操舵補助力／目標操舵補助力を実現するためにいわばハードウェア性能を実現させるために位相進みを付加する通常のＰＤ制御又はＰＩＤ制御とは本質的に異なるものである。
【００７３】
次に、本発明の第２の実施形態を図５及び図６について説明する。
この第２の実施形態は、トーションバー捩れ角φに対する操舵補助力ＦＡ の制御伝達関数ＹＣ の特性を車速変化に応じて変化させるようにしたものである。
【００７４】
この第２の実施形態においては、車速が増加すると、横加速度α／操舵トルクＴの位相遅れは大きくなるため、コントロールユニット１５での制御伝達関数ＹC の進み量も車速の増加に応じて大きくする必要がある。ここで、本来は横変位／操舵トルクと言うべきであるが、横加速度αは横変位の２階微分値であるので、横加速度αで代用している。
【００７５】
したがって、理想特性の場合の横加速度α／操舵トルクＴの周波数応答及び操舵補助力ＦA ／トーションバー捩れ角φの制御伝達関数ＹC の周波数応答を夫々図５及び図６に示す。
【００７６】
これら図５及び図６は、車速を４０ｋｍ／ｈから１２０ｋｍ／ｈまで２０ｋｍ／ｈ毎に変化させたときの周波数応答を示すもので、本発明の制御を行わない場合には、横加速度α／操舵トルクＴのゲイン特性は、図５（ａ）に示すように、０．３〜約１．４の範囲でゲインが車速の増加に伴って増加し、逆に約１．４〜４の範囲では車速の増加に伴って減少し、位相特性は図５（ｂ）に示すように、周波数が０．１Ｈｚ〜１Ｈｚの間では車速の増加に伴って位相遅れが少なくなるが、１Ｈｚ〜約２．３Ｈｚの間では逆に車速が増加するに伴って位相遅れが大きくなる。
【００７７】
このため、操舵補助力ＦA ／トーションバー捩れ角φの制御伝達関数ＹC を、図６に示すように、ゲイン特性を図６（ａ）に示すように周波数が０．３〜約１．４Ｈｚの間で車速の増加に伴って減少させ、約１．４〜３Ｈｚの間で車速の増加に伴って増加させ、且つ位相特性を図６（ｂ）に示すように周波数が０．１〜０．８Ｈｚの間で車速の増加に伴って位相遅れ量を大きくし、０．８〜約２．２Ｈｚの間で車速の増加に伴って位相進み量を大きくするように設定する。
【００７８】
これによって、操舵補助を行わない場合には遅れてしまう横加速度Ｇ／操舵トルクＴの特性を制御伝達関数ＹＣ で補償することができ、図５（ａ）及び（ｂ）において特性線Ｌ１ 及びＬ２ で示すように、車速の変化にかかわらず一定のゲインを維持しながら位相遅れのない最適な操舵補助制御を行うことができる。
【００７９】
なお、上記第１及び第２の実施形態においては、全ての車速域で横変位（＝横加速度）／操舵トルクの位相遅れを低減するようにした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、前述した従来技術の項で説明したように、運転者は低速では操舵角情報をもとに車両を操舵しているので、運転者が操舵トルクをもとに操舵する高車速領域に限って制御伝達関数ＹC に進み要素を付加するようにしてもよい。
【００８０】
すなわち、横変位／操舵角及び横変位／操舵トルクの伝達関数の周波数応答における位相特性を４０ｋｍ／ｈ，５０ｋｍ／ｈ，６０ｋｍ／ｈ及び７０ｋｍ／ｈの各車速について測定したところ、これらの測定結果は図７（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）に示すようであった。
【００８１】
この図７から明らかなように、車速が４０ｋｍ／ｈであるときには図７（ａ）のように横変位／操舵トルクの伝達関数の方が横変位／操舵角の伝達関数に対して位相遅れを生じているが、車速が５０〜６０ｋｍ／ｈとなる図７（ｂ）及び（ｃ）の間で横変位／操舵角の伝達関数と横変位／操舵トルクの伝達関数との位相遅れ量が逆転している。
【００８２】
したがって、所定車速例えば５０ｋｍ／ｈ未満では操舵補助力ＦＡ ／トーションバー捩れ角φの制御伝達関数ＹＣ に位相進み量を付加せず、５０ｋｍ／ｈ以上で位相進み量を徐々に増加させるようにすることが好ましい。
【００８３】
また、上記各実施形態においては、ラック８に操舵補助モータ１３に連結されたアシストピニオン１１を噛合させた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ピニオンシャフト７に歯車等の動力伝達手段を介して操舵補助モータ１３を連結するようにしてもよく、要は操舵補助モータ１３で発生する操舵補助トルクを操舵系に伝達可能に構成されていればよい。
【００８４】
さらに、上記各実施形態においては、操舵補助力を操舵補助モータ１３で発生するようにした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、油圧式パワーステアリングであっても、油圧制御系における操舵補助力ＦＡ ／トーションバー捩れ角φの制御伝達関数ＹＣ に進み要素を付加することにより、上記第１及び第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００８５】
さらに、上記各実施形態においては、コントロールユニット１５からの指令トルクに対して操舵補助モータ１３で実際に発生する実操舵補助トルクには遅れがない場合について説明したが、これに限定されるものではなく、指令トルクと操舵補助モータ１３で発生させる実操舵補助トルクとの間に遅れが存在する場合には、その遅れ分を補償することは言うまでもない。例えば実操舵補助トルク／指令トルクの伝達関数がＨ（ｓ） であり、実現すべき制御伝達関数がＹｃ （ｓ） であるときには、
【００８６】
【数１０】
【００８７】
に設定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】関数を導出するための２輪モデルを示す説明図である。
【図３】操舵補助力／トーションバーの捩れ角の制御伝達関数ＹＣ の周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図４】横加速度／操舵トルクの周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図５】本発明の第２の実施形態における横加速度／操舵トルクの周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図６】第２の実施形態における制御伝達関数ＹＣ の周波数応答示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図７】本発明の他の実施形態における横変位／操舵角及び横変位／操舵トルクの位相特性を示す特性線図である。
【図８】従来のパワーステアリングを装着していない車両における低速走行時の横変位／操舵角と横変位／操舵トルクとの周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図９】従来のパワーステアリングを装着していない車両における高速走行時の横変位／操舵角と横変位／操舵トルクとの周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図１０】油圧式パワーステアリング装着車と未装着車の横加速度／操舵トルクの周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【符号の説明】
１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
６ ピニオン
８ ラック
１０ 転舵輪
１１ 操舵補助ピニオン
１３ 操舵補助モータ
１５ コントロールユニット
１６ トルク検出機構
１７ 操舵トルクセンサ
１８ 車速センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステアリングホイールの操舵状態及び保舵状態で発生する操舵トルクを検出して、これに応じた操舵補助トルクを発生させるようにしたパワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーステアリング装置としては、例えば特開平５−７７７５０号公報に記載されたものがある。
【０００３】
この従来例は、所定時間間隔で車速及び操舵角速度を繰り返し記憶し、これらの記憶データから上限及び下限の範囲を削除し、残った記憶データを平均化して平均速度及び平均操舵角速度を演算し、この演算結果を標準操舵パターンと比較してスポーティ派であるか否かを判定することにより、パワーアシスト力を設定するようにした電動パワーステアリング装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のパワーステアリング装置にあっては、以下に述べるような未解決の課題がある。
【０００５】
すなわち、一般的にドライバが車両を操縦するときに、「低速ではハンドル角で、高速では操舵力で操縦する」と言われている。ドライバが車両を操縦する時の目的はドライバの意図する車両軌跡と、車両の通過する車両軌跡を一致させることである。したがって、ドライバにとって大切なのは「車両の横変位」である。
【０００６】
そこで、パワーステアリング装置を装着していない車両を対象として実験を行い、車両の横変位／操舵角（ハンドル角）と車両の横変位／操舵トルクとの周波数応答を低速走行時（例えば４０ｋｍ／ｈ）及び高速走行時（例えば１２０ｋｍ／ｈ）について調べたところ、図８及び図９に示す結果が得られた。
【０００７】
これら図８及び図９から明らかなように低速走行時では車両の横変位／操舵角の位相遅れが車両の横変位／操舵トルクの位相遅れよりも小さく、これらが高速走行時では逆転することが分かる。
【０００８】
ドライバが車両の横変位を制御するに当たり、位相遅れは小さい方が良いことはいうまでもない。そのため、ドライバは低速では操舵角を、高速では操舵トルクを選択的に主情報として用いていると考えられる。
【０００９】
余談ではあるが、４輪操舵車両では、横変位／操舵角の位相遅れを低減して、高速でも低速と同様に操舵角情報をもとにドライバが車両を制御できるようにしてドライバの負担を低減しようとするものである。しかし、４輪操舵車両では後輪操舵用アクチュエータや種々のセンサを必要とし、これらを車載するためにはコストや重量増加を招く。
【００１０】
また、現在車載されている油圧を用いたパワーステアリング装置では、操舵トルクをトーションバーの捩れによって検出するようにしているので、操舵補助油圧が遅れて発生するため、図１０に示すように、パワーステアリング非装着車に対して横変位／操舵トルクの位相が遅れてしまうという未解決の課題がある。
【００１１】
さらに、近年は油圧でなく電動モータで操舵補助トルクを付加する形式の電動パワーステアリング装置が提案されているが、この電動パワーステアリング装置においても、その狙いを軽量化及び燃費向上においており、操舵補助特性は油圧のパワーステアリング装置に近づけることを目的としているため、折角ある制御自由度を活かしきれていないという未解決の課題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、トーションバーの捩れ角などによって検出された操舵トルクに対して位相が進むような操舵補助トルクを付加することにより、上記未解決の課題を解消し得るパワーステアリング装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係るパワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵状態及び保舵状態で発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、該操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに基づいて操舵補助トルクを発生する補助操舵トルク発生手段とを備えたパワーステアリング装置において、前記補助操舵トルク発生手段は、前記操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに対する操舵補助トルクの伝達関数に対し操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れが小さくなるように進み要素が付加された構成を有することを特徴としている。
【００１４】
この請求項１に係る発明においては、補助操舵トルク発生手段が、入力される操舵トルクとこれに基づいて発生させる操舵補助トルクとの伝達関数に対し操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れが小さくなるように進み要素が付加されているので、操舵トルクセンサで使用するトーションバーの捩れ等によって操舵補助トルクの発生が遅れることによる横変位／操舵トルクの位相遅れを解消することができる。
【００１５】
また、請求項２に係るパワーステアリング装置は、請求項１に係る発明において、前記進み要素は、車速の増加に応じて大きな値に設定するようにしたことを特徴としている。
【００１６】
この請求項２に係る発明においては、進み要素が車速の増加に応じて大きな値となるので、車速の増加によって横変位／操舵トルクの位相遅れが増加することを相殺することができる。
【００１７】
さらに、請求項３に係るパワーステアリング装置は、請求項１に係る発明において、前記操舵トルクに対する操舵補助トルクの周波数応答の位相進み最大値が生じる周波数を、操舵補助トルクを発生しない時の操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れ最大値が生じる周波数近傍に設定することを特徴としている。
【００１８】
この請求項３に係る発明においては、操舵補助トルクを発生しない時の横加速度／操舵トルクの周波数応答の位相遅れが大きい周波数領域の位相遅れを、操舵補助トルク／操舵トルクの周波数応答の位相進み最大値で確実に相殺することができる。
【００１９】
さらにまた、請求項４に係るパワーステアリング装置は、請求項１〜３の何れかに係る発明において、前記補助操舵トルク発生手段は、所定車速以上であるときに前記伝達関数に進み要素を付加するように構成されていることを特徴としている。
【００２０】
この請求項４に係る発明においては、所定車速未満の低車速走行状態では、ドライバが操舵角情報をもとに車両の操舵を行うことを可能とし、所定車速以上の高車速走行状態では、伝達関数に進み要素を付加することにより、操舵トルクに基づく最適な操舵を行うことができる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、操舵トルク検出値に対応する操舵補助トルクを算出する伝達関数に対し操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れが小さくなるように進み要素を付加した構成としたので、操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の遅れを解消して、ドライバが車両を操舵する際に操舵力に基づいて扱い易い車両特性を実現することができるという効果が得られる。
【００２２】
また、請求項２に係る発明によれば、伝達関数に付加する進み要素を車速の増加に応じて大きな値とするようにしたので、全車速域で扱い易い車両特性を実現することができるという効果が得られる。
【００２３】
さらに、請求項３に係る発明によれば、操舵トルクに対する操舵補助トルクの周波数応答の位相進み最大値が生じる周波数を、操舵補助トルクを発生しない時の操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れ最大値が生じる周波数近傍に設定するようにしたので、位相遅れの大きな周波数帯で位相進みが大きくなり、動特性を補償することができるという効果が得られる。
【００２４】
さらにまた、請求項４に係る発明によれば、補助操舵トルク発生手段は、所定車速以上であるときに前記伝達関数に進み要素を付加するように構成されているので、低速では操舵角情報を基に操舵補助トルクを制御し、ドライバが操舵トルクを基に制御する高速領域に限って伝達関数に進み要素を付加することにより、ドライバの操舵感覚を適正に維持して、最適な操舵トルク制御を行うことができるという効果が得られる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す概略構成図であり、図中、ステアリングホイール１は、ステアリングシャフト２の上端部に連結され、このステアリングシャフト２は固定部に回転自在に支持されている。
【００２６】
ステアリングシャフト２の下端は、ユニバーサルジョイント３、コラムシャフト４及びユニバーサルジョイント５を介して下端にピニオン６を取付けたピニオンシャフト７に連結されている。
【００２７】
このピニオン６は、車両幅方向に水平に延長するラック８に噛合して、ステアリングギヤを構成し、ステアリングホイール１からステアリングシャフト２回りの回転運動がラック８の直進運動（並進運動）に変換される。
【００２８】
そして、水平に延在するラック８の両端部は、夫々タイロッド９を介してナックル及び転舵輪１０に接続され、ラック８が水平方向移動（並進運動）することで左右の転舵輪１０が転舵される。
【００２９】
また、ラック８には、アシストピニオン１１も噛合されており、このアシストピニオン１１は減速機１２を介して駆動源となる操舵補助モータ１３の回転軸に連結され、操舵補助モータ１３が後述するコントロールユニット１５から出力されるデューティ制御されたパルス電流によって操舵トルクに応じた操舵補助力を発生するように制御される。
【００３０】
さらに、ピニオンシャフト７には、トルク検出機構１６が設けられている。このトルク検出機構１６は、ピニオンシャフト７の下端部とピニオン６の上端部を連結する図示しないトーションバーと、その外周に配置された操舵トルクセンサ１７とで構成されている。
【００３１】
この操舵トルクセンサ１７は、上記トーションバーの捩じれ量から操舵トルクを検出し、その操舵トルクの大きさに応じた且つステアリングホイール１の右切り（ピニオン６からの入力に対しては左回り）で正値、ステアリングホイール１の左切り（ピニオン６からの入力に対しては右回り）で負値の電圧信号でなるトルク検出値Ｔを、後述するコントロールユニット１５に供給する。
【００３２】
また、車両には車速を検出する車速センサ１８が搭載されており、この車速センサ１８によって車両前後方向の車速が検出され、この車速の大きさに応じた電圧信号でなる車速検出値Ｖが後述するコントロールユニット１５に供給される。
【００３３】
そして、コントロールユニット１５では、入力された車速検出値Ｖと操舵トルク検出値Ｔとに基づいて所定の演算を行って、操舵補助モータ１３に対する操舵トルク指令値を算出し、これを操舵補助モータ１３に出力する。
【００３４】
ここで、コントロールユニット１５から出力される操舵補助トルク指令値とこの操舵補助トルク指令値に基づいて操舵補助モータ１３で発生される実操舵補助力とは１対１に対応しており、これらの間に位相遅れはないものとする。
【００３５】
そして、操舵補助モータ１３及びコントロールユニット１５を含む補助操舵系トルク発生手段での操舵トルクＴに対する操舵補助トルクの伝達関数は、以下のようにして設定されている。
【００３６】
すなわち、操舵トルクＴに対する横加速度検出値α（α／Ｔ）の目標伝達関数をＧｄ とすると共に、トーションバーの剛性をＫ（Ｎｍ／ｒａｄ）としたとき、トーションバー捩れ角φに対する操舵補助力ＦＡ の制御伝達関数をＹＣ （＝ＦＡ ・Ｋ／Ｔ）とおき、この制御伝達関数ＹＣ を求める。
【００３７】
ここで、伝達関数Ｇｄ を目標としたのは、横変位が横加速度の２階積分値であり、従来技術の項で上述したように、本発明では横変位／操舵トルクの位相改善が目的だからである。
【００３８】
これら関数Ｇｄ 及びＹＣ の導出には、図２に示す２輪モデルを用いる。
この図２において、Ｌは車両ホイールベース（ｍ）、Ｌｆ は前輪と重心との前後方向距離（ｍ）、Ｌｒ は後輪と重心との前後方向距離（ｍ）、αは車両横加速度（ｍ／ｓ２ ）、βは車体スリップ角（ｒａｄ）、γはヨーレイト（ｒａｄ／ｓ）、δは前輪舵角（ｒａｄ）、Ｆｆ は前輪横力（Ｎ）、Ｆｒ は後輪横力（Ｎ）、Ｖは車速（ｍ／ｓ）を夫々表す。
【００３９】
まず、ＹＣ という制御伝達関数で、操舵補助力ＦＡ を発生した時の操舵トルクＴを求める。
あるセルフアライニングトルクＴＳ 、操舵補助力ＦＡ が発生した時のラック軸力はナックルアーム半径をｄ（ｍ）とすると、ＴＳ ／ｄ−ＦＡ となる。
【００４０】
このラック軸力にピニオン回転半径ｒ（ｍ）を乗じれば下記（１）式のように操舵トルクＴが得られる。
Ｔ＝（ＴＳ ／ｄ−ＦＡ ）ｒ …………（１）
しかるに、セルフアライニングトルクＴＳ 及び操舵補助力ＦＡ は、下記（２）式及び（３）式で表すことができる。
【００４１】
ＴＳ ＝Ｃｆ （θ／Ｎ−β−ＬＦ ・γ／Ｖ）ｔｒ …………（２）
ＦＡ ＝ＹＣ ・φ＝ＹＣ ・Ｔ／Ｋ …………（３）
ここで、Ｃｆ は前輪コーナリングパワー（Ｎ／ｒａｄ）、θは操舵角（ｒａｄ）、Ｎはステアリングギヤ比、ｔｒ は前輪トレール（ｍ）である。
【００４２】
そして、これら（２）式及び（３）式を前記（１）式に代入すると、下記（４）式のようになる。
【００４３】
【数１】
ここで、ｓはラプラス演算子である。
今、横加速度α／操舵トルクＴの伝達関数をＧｄ にすること即ちα（ｓ） ／Ｔ（ｓ） ＝Ｇｄ が目標であるので、
【００４５】
【数２】
となればよい。
ここで、横加速度αは、車輪スリップ角速度をβ′とすると、
α＝Ｖ（β′＋γ） …………（７）
で表されるので、上記（６）式は、
【００４７】
【数３】
となる。
そして、上記（５）式と（８）式とは一致するので、
【００４９】
【数４】
となる。
この（９）式から操舵補助力ＦＡ ／トーションバー捩れ角φの制御伝達関数ＹＣ （ｓ） を求めることができる。
【００５１】
ここで、先ず、（９）式中のβ（ｓ） ／θ（ｓ） 及びγ（ｓ） ／θ（ｓ） を求めることにする。車両の運動方程式は、
【００５２】
【数５】
となる。
ここで、ｍは車両質量（ｋｇ）、Ｃｒ は後輪コーナリングパワー（Ｎ／ｒａｄ）、Ｉは車両ヨー慣性モーメント（ｋｇｍ２ ）、γ′はヨー加速度（ｒａｄ／ｓ２ ）である。
【００５４】
そして、上記（１０）式及び（１１）式を整理すると、
【００５５】
【数６】
但し、ａ１１＝−（Ｌｆ ２ Ｃｆ ＋Ｌｒ ２ Ｃｒ ）／ＩＶ
ａ１２＝（Ｌｒ Ｃｒ −Ｌｆ Ｃｆ ）／Ｉ
ａ２１＝（Ｌｒ Ｃｒ −Ｌｆ Ｃｆ ）／ｍＶ２ −１
ａ２２＝（−Ｃｆ −Ｃｒ ）／ｍＶ
ｂ１１＝Ｌｆ Ｃｆ ／ＩＮ
ｂ２１＝Ｃｆ ／ｍＶＮ
となるので、γ（ｓ） ／θ（ｓ） 及びβ（ｓ） ／θ（ｓ） は、
【００５７】
【数７】
となる。
これら（１３）〜（１５）式を前記（９）式に代入して整理をする。
このとき、車両を制御する時の遅れは、ない方がよいものとして、目標伝達関数Ｇｄ の位相遅れはあらゆる周波数で零とする。すなわち、目標伝達関数Ｇｄ は定数として扱うことにする。
【００５９】
すると、求める制御伝達関数ＹＣ は、
【００６０】
【数８】
但し、
Ａ＝−Ｐ１（ａ１１＋ａ２２）＋Ｐ２ ｂ２１＋Ｐ３（−ｂ２１ａ１１＋ｂ１１ａ２１）＋Ｐ４ ｂ１１
Ｂ＝Ｐ１ （ａ１１ａ２２−ａ１２ａ２１）
Ｃ＝Ｐ２ （−ｂ２１ａ１１＋ｂ１１ａ２１）
Ｄ＝Ｐ４ （−ｂ１１ａ２２＋ｂ２１ａ１２）
Ｅ＝Ｐ５ （−ｂ２１ａ１１＋ｂ１１ａ２１＋ｂ１１）
Ｆ＝Ｐ５ （−ｂ１１ａ２２＋ｂ２１ａ１２）
Ｐ１ ＝（Ｋ／Ｎ）Ｃｆ ｔｒ Ｇｄ ｒ
Ｐ２ ＝−Ｃｆ ｔｒ Ｇｄ ｒＫ
Ｐ３ ＝−ＫｄＶ
Ｐ４ ＝−Ｋ（Ｌｆ Ｃｆ ｔｒ Ｇｄ ｒ／Ｖ＋ｄＶ）
Ｐ５ ＝ｄｒＶ
となり、２次／２次の伝達関数として表すことができる。
【００６２】
次に、目標伝達関数Ｇｄ の値の計算方法について説明する。
操舵補助をしない時即ちマニュアル操舵時の操舵トルクＴに対する横加速度αの伝達関数の定常ゲインをＧｄ０とすると、この定常ゲインＧｄ０は、
【００６３】
【数９】
但し、Ｘ＝（ａ１１ａ２２−ａ１２ａ２１）／Ｎ
Ｙ＝−ｂ１１ａ２１＋ａ１１ｂ２１
Ｚ＝Ｌｆ （ｂ２１ａ１２−ｂ１１ａ２２）／Ｖ
で表される。
【００６５】
そして、操舵補助モータ１３で操舵補助力を発生すると、操舵力は軽くなるので、目標伝達関数Ｇｄ は、
Ｇｄ ＝η×Ｇｄ０ （η＞１） …………（１９）
に設定すればよい。因みに、η＝１ のときには、低周波数での操舵力は、マニュアル操舵車両と同じになる。
【００６６】
したがって、例えば車速が１００ｋｍ／ｈで走行するときにη＝８／５として、目標伝達関数Ｇｄ を算出し、これに応じて操舵補助力Ｆａ ／トーションバーの捩れ角φの制御伝達関数ＹＣ を算出し、この制御伝達関数ＹＣ となるように、コントロールユニット１５のチューニングを行うと、このときの制御伝達関数ＹＣ の周波数特性は、図３に示すように、ゲインは周波数が１Ｈｚ近傍までは比較的低い一定値となるが、１Ｈｚを越えて２Ｈｚ迄の間で上昇し、それ以降は周波数の増加に応じて緩やかに減少し、位相は、０．１Ｈｚから緩やかに上昇して０．６Ｈｚから比較的急峻に増加して１．３Ｈｚ当たりでピークとなり、その後急激に減少し、３Ｈｚ以降で緩やかに減少する特性となる。
【００６７】
このため、横加速度α／操舵トルクＴの周波数特性は、ゲインが図４（ａ）で実線図示のような周波数にかかわらず"０"近傍の一定値となり、位相も図４（ｂ）で実線図示のような周波数にかかわらず"０"を維持することになり、初期特性を実現していることが理解される。また、制御伝達関数ＹC はハイパスフィルタを構成している。
【００６８】
因みに、本発明の制御を行わない場合には、図４（ａ）及び（ｂ）で破線図示のように、ゲインが１Ｈｚを越えると比較的急激に減少し、２Ｈｚ以上で緩やかに増加すると共に、位相が０．１Ｈｚから緩やかに減少して０．８Ｈｚ近傍から急激に減少し、１．４Ｈｚ程度でピークとなりその後急激に増加し３Ｈｚ以上で緩やかに増加することになり、１Ｈｚ〜２Ｈｚの間で大きな位相遅れを生じるが、上記実施形態では、非制御時即ちマニュアル操舵時のゲイン及び位相が変動している周波数領域で制御伝達関数ＹＣ のゲイン及び位相が図３（ａ）及び（ｂ）に示すように逆特性に設定されることにより、ゲイン及び位相の変動が確実に抑制され、ドライバーの操舵感覚に応じた最適な操舵補助制御を行うことができる。
【００６９】
特に、制御伝達関数ＹC の位相特性は、図３（ｂ）で明らかなように、マニュアル操舵の場合に横加速度α／操舵トルクＴの位相が遅れる周波数域で位相進み量を大きくして動特性を補償している。
【００７０】
つまり、コントロールユニット１５のチューニングに際しては、先ず、マニュアル操舵の状態で横加速度α／操舵トルクＴの周波数特性を測定し、位相遅れの大きな周波数域で且つ位相角が大きな周波数域で位相進みが大きくなるようにコントロールユニット１５を調整すればよい。
【００７１】
また、位相を進ませる量に関しては、上記実施形態では理想状態を数式で導いた場合について説明したが、少なくとも制御伝達関数ＹＣ の位相を少しでも進ませれば、横加速度α／操舵トルクＴの位相が改善されるので、運転者のフィーリングに合わせながら、その量をチューニングすれば良い。
【００７２】
なお、上記実施形態で扱っているパワーステアリングは、操舵補助量の目標値に対する操舵補助力は１対１で発生することを前提としており、パワーステアリング自体の実操舵補助力／目標操舵補助力を実現するためにいわばハードウェア性能を実現させるために位相進みを付加する通常のＰＤ制御又はＰＩＤ制御とは本質的に異なるものである。
【００７３】
次に、本発明の第２の実施形態を図５及び図６について説明する。
この第２の実施形態は、トーションバー捩れ角φに対する操舵補助力ＦＡ の制御伝達関数ＹＣ の特性を車速変化に応じて変化させるようにしたものである。
【００７４】
この第２の実施形態においては、車速が増加すると、横加速度α／操舵トルクＴの位相遅れは大きくなるため、コントロールユニット１５での制御伝達関数ＹC の進み量も車速の増加に応じて大きくする必要がある。ここで、本来は横変位／操舵トルクと言うべきであるが、横加速度αは横変位の２階微分値であるので、横加速度αで代用している。
【００７５】
したがって、理想特性の場合の横加速度α／操舵トルクＴの周波数応答及び操舵補助力ＦA ／トーションバー捩れ角φの制御伝達関数ＹC の周波数応答を夫々図５及び図６に示す。
【００７６】
これら図５及び図６は、車速を４０ｋｍ／ｈから１２０ｋｍ／ｈまで２０ｋｍ／ｈ毎に変化させたときの周波数応答を示すもので、本発明の制御を行わない場合には、横加速度α／操舵トルクＴのゲイン特性は、図５（ａ）に示すように、０．３〜約１．４の範囲でゲインが車速の増加に伴って増加し、逆に約１．４〜４の範囲では車速の増加に伴って減少し、位相特性は図５（ｂ）に示すように、周波数が０．１Ｈｚ〜１Ｈｚの間では車速の増加に伴って位相遅れが少なくなるが、１Ｈｚ〜約２．３Ｈｚの間では逆に車速が増加するに伴って位相遅れが大きくなる。
【００７７】
このため、操舵補助力ＦA ／トーションバー捩れ角φの制御伝達関数ＹC を、図６に示すように、ゲイン特性を図６（ａ）に示すように周波数が０．３〜約１．４Ｈｚの間で車速の増加に伴って減少させ、約１．４〜３Ｈｚの間で車速の増加に伴って増加させ、且つ位相特性を図６（ｂ）に示すように周波数が０．１〜０．８Ｈｚの間で車速の増加に伴って位相遅れ量を大きくし、０．８〜約２．２Ｈｚの間で車速の増加に伴って位相進み量を大きくするように設定する。
【００７８】
これによって、操舵補助を行わない場合には遅れてしまう横加速度Ｇ／操舵トルクＴの特性を制御伝達関数ＹＣ で補償することができ、図５（ａ）及び（ｂ）において特性線Ｌ１ 及びＬ２ で示すように、車速の変化にかかわらず一定のゲインを維持しながら位相遅れのない最適な操舵補助制御を行うことができる。
【００７９】
なお、上記第１及び第２の実施形態においては、全ての車速域で横変位（＝横加速度）／操舵トルクの位相遅れを低減するようにした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、前述した従来技術の項で説明したように、運転者は低速では操舵角情報をもとに車両を操舵しているので、運転者が操舵トルクをもとに操舵する高車速領域に限って制御伝達関数ＹC に進み要素を付加するようにしてもよい。
【００８０】
すなわち、横変位／操舵角及び横変位／操舵トルクの伝達関数の周波数応答における位相特性を４０ｋｍ／ｈ，５０ｋｍ／ｈ，６０ｋｍ／ｈ及び７０ｋｍ／ｈの各車速について測定したところ、これらの測定結果は図７（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）に示すようであった。
【００８１】
この図７から明らかなように、車速が４０ｋｍ／ｈであるときには図７（ａ）のように横変位／操舵トルクの伝達関数の方が横変位／操舵角の伝達関数に対して位相遅れを生じているが、車速が５０〜６０ｋｍ／ｈとなる図７（ｂ）及び（ｃ）の間で横変位／操舵角の伝達関数と横変位／操舵トルクの伝達関数との位相遅れ量が逆転している。
【００８２】
したがって、所定車速例えば５０ｋｍ／ｈ未満では操舵補助力ＦＡ ／トーションバー捩れ角φの制御伝達関数ＹＣ に位相進み量を付加せず、５０ｋｍ／ｈ以上で位相進み量を徐々に増加させるようにすることが好ましい。
【００８３】
また、上記各実施形態においては、ラック８に操舵補助モータ１３に連結されたアシストピニオン１１を噛合させた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ピニオンシャフト７に歯車等の動力伝達手段を介して操舵補助モータ１３を連結するようにしてもよく、要は操舵補助モータ１３で発生する操舵補助トルクを操舵系に伝達可能に構成されていればよい。
【００８４】
さらに、上記各実施形態においては、操舵補助力を操舵補助モータ１３で発生するようにした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、油圧式パワーステアリングであっても、油圧制御系における操舵補助力ＦＡ ／トーションバー捩れ角φの制御伝達関数ＹＣ に進み要素を付加することにより、上記第１及び第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００８５】
さらに、上記各実施形態においては、コントロールユニット１５からの指令トルクに対して操舵補助モータ１３で実際に発生する実操舵補助トルクには遅れがない場合について説明したが、これに限定されるものではなく、指令トルクと操舵補助モータ１３で発生させる実操舵補助トルクとの間に遅れが存在する場合には、その遅れ分を補償することは言うまでもない。例えば実操舵補助トルク／指令トルクの伝達関数がＨ（ｓ） であり、実現すべき制御伝達関数がＹｃ （ｓ） であるときには、
【００８６】
【数１０】
に設定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】関数を導出するための２輪モデルを示す説明図である。
【図３】操舵補助力／トーションバーの捩れ角の制御伝達関数ＹＣ の周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図４】横加速度／操舵トルクの周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図５】本発明の第２の実施形態における横加速度／操舵トルクの周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図６】第２の実施形態における制御伝達関数ＹＣ の周波数応答示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図７】本発明の他の実施形態における横変位／操舵角及び横変位／操舵トルクの位相特性を示す特性線図である。
【図８】従来のパワーステアリングを装着していない車両における低速走行時の横変位／操舵角と横変位／操舵トルクとの周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図９】従来のパワーステアリングを装着していない車両における高速走行時の横変位／操舵角と横変位／操舵トルクとの周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【図１０】油圧式パワーステアリング装着車と未装着車の横加速度／操舵トルクの周波数応答を示す特性線図であり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を夫々示す。
【符号の説明】
１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
６ ピニオン
８ ラック
１０ 転舵輪
１１ 操舵補助ピニオン
１３ 操舵補助モータ
１５ コントロールユニット
１６ トルク検出機構
１７ 操舵トルクセンサ
１８ 車速センサ
Claims (4)
- ステアリングホイールの操舵状態及び保舵状態で発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、該操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに基づいて操舵補助トルクを発生する補助操舵トルク発生手段とを備えたパワーステアリング装置において、前記補助操舵トルク発生手段は、前記操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに対する操舵補助トルクの伝達関数に対し操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れが小さくなるように進み要素が付加された構成を有することを特徴とするパワーステアリング装置。
- 前記進み要素は、車速の増加に応じて大きな値に設定するようにしたことを特徴とする請求項１記載のパワーステアリング装置。
- 前記操舵トルクに対する操舵補助トルクの周波数応答の位相進み最大値が生じる周波数を、操舵補助トルクを発生しない時の操舵トルクに対する横加速度の周波数応答の位相遅れ最大値が生じる周波数近傍に設定することを特徴とする請求項１記載のパワーステアリング装置。
- 前記補助操舵トルク発生手段は、所定車速以上であるときに前記伝達関数に進み要素を付加するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のパワーステアリング装置。
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