JP3730341B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の操向車輪に舵角を与える操舵系に対し、電動機による補助操舵力を付加することによって操舵力を軽減するようにしてなる電動パワーステアリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリングホイールに与える操舵角を操向車輪の転舵角に変換する操舵系に電動機を設け、路面反力に対向する向きの補助操舵力を電動機に発生させることにより、運転者の操舵力を軽減するようにした電動パワーステアリング装置が知られている（特開平７−１３２８４６号公報等参照）。この電動パワーステアリング装置は、一般に、車速、ステアリングシャフトの回転角（操舵角）、及びラック／ピニオン機構のピニオンに作用する手動操舵力に基づいて補助操舵力発生用電動機の出力が制御されるようになっているが、積雪路など、タイヤと路面間の摩擦係数が極めて低い状態（以下低μ状態と表す）では、必要以上にステアリングホイールの操舵力が軽くなり、しかも操舵力がほぼ一定か、或いは減少傾向となることがあった。そのため、場合によっては不用意に切りすぎないように微妙な操舵が必要となり、むしろ運転者に大きな負担を与えるという問題があった。
【０００３】
このような不都合、つまり低μ状態でステアリングホイールを切りすぎてしまう傾向となることを改善するために、車速、操舵角、および路面摩擦係数に応じて決定される擬似的な操舵反力を、通常のパワーステアリング装置の補助操舵力に付加するようにした操舵装置を、特願平７−３３７７７０号明細書において本出願人は提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上述の技術においては、付加反力制御の指標が専ら操舵角に基づいているため、制動力や駆動力が加わってコーナリングフォースが低下して車両が非線形特性を呈する領域（舵角とタイヤの横すべり角との関係が正比例しなくなる領域）に入った場合には、十分な効果を発揮できなくなる、という問題があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術に課せられた問題点を解消し、操向車輪の摩擦円内での制御が可能となるように改良された電動パワーステアリング装置を提供することを目的に案出されたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、車両の操向車輪に舵角を与える操舵系に操舵力を付加する電動機と、操舵系に作用する手動操舵力を検出する操舵力検出手段と、少なくとも操舵力検出手段からの信号に基づいて電動機を駆動する制御信号を発生する制御手段とを有する電動パワーステアリング装置の制御手段に、操向車輪の横すべり角を算出する横すべり角算出手段（前輪横すべり角演算手段２）と、操向車輪が最大横力を発生する横すべり角を予め設定した最大横すべり角設定手段（最大横すべり角マップ６）と、横すべり角を最大横すべり角で除して操向車輪の横力利用率を算出する横力利用率演算手段（７）と、横力利用率値に基づいて制御信号を補正する補正手段（付加反力マップ８）を設けるものとした。
【０００７】
このように、前輪の横力利用率に基づいて付加反力制御を行うものとすることにより、タイヤの摩擦円内での発生横力に応じた操舵反力を設定することができるので、タイヤの横力発生余裕に応じた適切な操舵反力を与えることができるようになり、前述の問題が解消される。また前輪舵角が摩擦円内に止まるように付加反力が加わるので、操縦安定性の向上を期待できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明の構成を詳細に説明する。
【０００９】
〔全体構成〕
図１は、本発明に基づく電動パワーステアリング装置の操舵力制御装置の構成を示している。本制御装置は、ステアリングホイールに作用する操舵トルクＴＳと車速Ｖとに基づいて補助操舵トルク指令値ＴＡを設定する補助操舵トルク設定手段１と、車速Ｖ、前輪横すべり角演算手段２にて演算した前輪横滑り角β、および路面摩擦係数演算手段３にて演算した路面摩擦係数μに基づいて付加反力トルク指令値ＴＣを設定する付加反力トルク設定手段４と、補助操舵トルク指令値ＴＡおよび付加反力トルク指令値ＴＣに基づいて補助トルク発生用電動機Ｍの出力を制御する電動機駆動制御手段５とからなっており、補助操舵トルク指令値ＴＡに付加反力トルク指令値ＴＣを加算した値ＴＭをもって、通常のパワーステアリング装置の電動機Ｍの出力制御を行うようにされている。
【００１０】
〔車体横すべり角の算出〕
車体横すべり角βは、車速Ｖ、横加速度Ｇ、及びヨーレイトγの値を基に、以下の式から算出する。
【数１】
β＝∫（γ−Ｇ／Ｖ）ｄｔ
【００１１】
〔前輪横すべり角の算出〕
前輪横すべり角βｆは、車速Ｖ、前輪舵角δ、ヨーレイトγ、車体横すべり角β、及び前輪中心から車体重心までの距離Ｌの値を元に、以下の式（山海堂刊「自動車の運動と制御」第５４頁、式３．６参照）から算出する。
【数２】
βｆ＝β＋γＬ／Ｖ−δ
【００１２】
〔実舵角の補正〕
なお、前輪舵角δは、ステアリングホイールの操舵角θｓから推定するが、サスペンションストロークに応じたアームの角度変化や、横荷重および前後荷重に応じたブッシュの撓み量変化に影響されるので、より正確な実舵角値を得るためには、サスペンションストローク、横荷重および前後荷重を検出して補正すると良い。
【００１３】
〔路面摩擦係数の推定〕
先ず、タイヤのコーナリングパワーＣｐは、ＦＩＡＬＡの式（第２項まで）から、以下のように表される。
Ｃｐ＝Ｋ（１−０．０１６６Ｋ／μＷ）
但し、Ｋ：コーナリングスティフネス
μ：路面摩擦係数
Ｗ：接地荷重
【００１４】
即ち、路面摩擦係数μが低いほどタイヤのコーナリングパワーＣｐが減少する（図２参照）ので、ラック／ピニオン式の操舵装置の場合、同一舵角での路面から受けるラック軸反力は、路面摩擦係数μの低下に応じて小さくなる。従って、前輪舵角並びにラック軸反力を実測し、前輪舵角に対する実ラック軸反力と、予め内部モデルとして設定された基準ラック軸反力とを比較すれば、路面摩擦係数μを推定することができる。
【００１５】
実ラック軸反力Ｆｒｃ、即ち路面反力は、操舵トルクＴＳ、電動機電圧Ｖｍ、及び電動機電流Ｉｍから、以下のようにして推定することができる。先ず、電動パワーステアリング装置に於ける電動機Ｍの出力軸トルクＴｍは次式で与えられる。
Ｔｍ＝Ｋｔ・Ｉｍ−Ｊｍ・θｍ”
−Ｃｍ・θｍ’±Ｔｆ
但し、Ｋｔ：電動機トルク定数
Ｉｍ：電動機電流
Ｊｍ：電動機の回転部分の慣性モーメント
θｍ’：電動機角速度
θｍ”：電動機角加速度
Ｃｍ：電動機粘性係数
Ｔｆ：フリクショントルク
【００１６】
ステアリングシャフト回りの粘性項、慣性項、フリクション項および電動機回りのフリクション項は微小なので省略すると、ラック軸上の力の釣り合いは、近似的に次式で表される。
Ｆｒ＝Ｆｓ＋Ｆｍ
＝ＴＳ／ｒｐ
＋Ｎ（Ｋｔ・Ｉｍ−Ｊｍ・θｍ”−Ｃｍ・θｍ’）
但し、Ｆｒ：路面からのラック軸反力
Ｆｓ：ピニオンからのラック軸力
Ｆｍ：電動機からのラック軸力
ＴＳ：ステアリングシャフトに加わる操舵トルク検出値
ｒｐ：ピニオン半径
Ｎ：電動機出力ギヤ比
【００１７】
なお、電動機角速度θｍ’は、ステアリングホイール舵角θｓを微分するか、あるいは電動機逆起電力から次式により求める。
θｍ’＝（Ｖｍ−Ｉｍ・Ｒｍ）／Ｋｍ
但し、Ｖｍ：電動機電圧
Ｒｍ：電動機抵抗
Ｋｍ：電動機の誘導電圧定数
【００１８】
ここで電動機角速度θｍ’とステアリングホイール角速度θｓ’とは、厳密に言うと異なるものであり、電動機角速度θｍ’は、ステアリングホイール舵角θｓを微分して得たステアリングホイール角速度θｓ’を基にして、次式から求められる。
θｍ’＝（θｓ’−ＴＳ’／Ｋｓ）Ｎ
但し、Ｋｓ：トルクセンサのばね定数
ＴＳ’：操舵トルクの微分値
【００１９】
また、電動機角加速度θｍ”は、電動機角速度θｍ’を微分することにより得られる。
【００２０】
次に、実ラック軸反力Ｆｒｃの比較基準となる内部モデルは、以下のようにして設定する。
【００２１】
図３に示すように、ステアリングホイールから入力された舵角θｓは、ピニオンとの伝達比Ｎｐを介してラック軸のストローク量に変換される。このラック軸のストローク量に応じて前輪横すべり角βが生ずる。ここでラック軸のストローク量に対する前輪横すべり角βの伝達関数Ｇβ（ｓ）は、路面摩擦係数μの変化に伴うスタビリティファクタの変化によって変化する。
【００２２】
前輪横すべり角βにコーナリングパワーＣｐとトレールζ（キャスタトレール＋ニューマチックトレール）とをかけることにより、キングピン回りのモーメントが得られる。ここでコーナリングパワーＣｐ及びニューマチックトレールは、路面摩擦係数μおよび接地荷重Ｗによって変化する。
【００２３】
キングピン回りのモーメントを、タイヤ回転中心とラック軸中心間距離、即ちナックルアーム長ｒｋで割ることで、モデルラック軸反力Ｆｒｍが得られる。
【００２４】
以上から、ステアリングホイール舵角θｓに対するモデルラック軸反力Ｆｒｍの応答は、各諸元に基づく計算結果、或いは実車計測値からの同定結果から導き出した１つの伝達関数Ｇｆ（ｓ）をもって置換可能であることが分かる。
【００２５】
上記のようにして求めた実ラック軸反力値Ｆｒｃおよびモデルラック軸反力値Ｆｒｍから、ステアリングホイール舵角θｓの増加に対する実並びにモデルラック軸反力の増加率を求め（図４参照）、車両の応答が線形に近似した舵角範囲内に於いて、実ラック軸反力増加率ΔＦｒｃ／Δθｓと、モデルラック軸反力増加率ΔＦｒｍ／Δθｓとの比ΔＦｒｃ／ΔＦｒｍから、予め設定された路面摩擦係数判定マップを参照して路面摩擦係数μを推定することができる（図５参照）。
【００２６】
〔付加反力トルク設定１〕
次に付加反力トルク設定手段４の働きについて図６を参照して説明する。先ず、車速Ｖおよび路面摩擦係数μから、実車計測等で予め得た最大横すべり角マップ６を参照し、タイヤの最大横力を発生する時の前輪横すべり角、すなわち最大横すべり角βｆｍａｘを求め、この値と数２で求めた前輪横すべり角βｆとから、横力利用率演算手段７にて次式から前輪の横力利用率ξを算出する。
ξ＝βｆ／βｆｍａｘ
【００２７】
次いで、予め定めた付加反力マップ８を参照し、横力利用率ξに対応した付加反力トルクＴＣを求める。
【００２８】
このようにして決定された付加反力トルク指令値ＴＣを、車速Ｖと手動操舵トルクＴＳとに基づいて決定される通常のパワーステアリング装置の補助操舵トルク指令値ＴＡから減算することによって得られた制御指令値ＴＭにて電動機Ｍを制御することにより、路面状況に応じて車両特性が限界に至る以前に操舵力を重くするなどして運転者に知らしめ、かつ操舵力の制御範囲を拡大することにより、運転者の意図しない過大な舵角で転舵されることを防止し得る最適な補助操舵トルクが発生するように、電動機が駆動される。
【００２９】
〔付加反力トルク設定２〕
次に付加反力トルク設定手段４の第２の手法について図７を参照して説明する。先ず、予め設定した路面μオフセットマップ９を参照して得た路面摩擦係数μに対応するオフセット値α１を、数２で求めた前輪横すべり角値βｆから減算することにより、反力制御開始横すべり角βｆ０を設定する。
【００３０】
次に、予め設定した反力トルクベースマップ１０を参照し、この補正された横すべり角βｆ０に対応したベース反力トルクＴＣ０を求める。
【００３１】
次に車速オフセットマップ１１を参照し、車速Ｖに対応したオフセット値α２を求め、これをもってベース反力トルクＴＣ０を補正することにより、最終的な付加反力トルクの指令値ＴＣが得られる。この値を上記と同様に、通常の補助操舵トルク指令値ＴＡに加算し、電動機Ｍの駆動トルクを制御する。これによれば、横力利用率ξの演算が不要となるので、前述の第１の手法に比して、概略タイヤの摩擦円に基づいた反力制御を、より簡便に実現することができる。
【００３２】
【発明の効果】
このように本発明によれば、タイヤのコーナリングフォースがタイヤの摩擦円内に止まるように、運転者の操舵力に対する反力付与制御が行えるので、駆動力あるいは制動力が加わった際にも車両挙動の変化が抑制されるため、路面状況に応じた最適な運転操作支援制御を実現し、操縦安定性を高め、運転者の負担を軽減する上に多大な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパワーステアリング装置の制御系の概略構成図。
【図２】コーナリングパワーと路面摩擦係数との関係線図。
【図３】内部モデルの設定に関わるフロー図。
【図４】舵角量に対する車両状態量の増加線図。
【図５】路面摩擦係数の判定マップ。
【図６】付加反力設定手段の第１実施例のブロック図。
【図７】付加反力設定手段の第２実施例のブロック図。
【符号の説明】
１ 補助操舵トルク設定手段
２ 前輪横すべり角演算手段
３ 路面摩擦係数推定手段
４ 付加反力トルク設定手段
５ 電動機駆動制御手段
６ 最大横すべり角マップ
７ 横力利用率演算手段
８ 付加反力マップ
９ 路面μオフセットマップ
１０ 反力トルクベースマップ
１１ 車速オフセットマップ

Claims (1)

1. 車両の操向車輪に舵角を与える操舵系に操舵力を付加する電動機と、前記操舵系に作用する手動操舵力を検出する操舵力検出手段と、少なくとも前記操舵力検出手段からの信号に基づいて前記電動機を駆動する制御信号を発生する制御手段とを有する電動パワーステアリング装置であって、
   前記制御手段は、前記操向車輪の横すべり角を算出する横すべり角算出手段と、前記操向車輪が最大横力を発生する横すべり角を予め設定した最大横すべり角設定手段と、前記横すべり角を前記最大横すべり角で除して前記操向車輪の横力利用率を算出する横力利用率演算手段と、前記横力利用率の値に基づいて前記制御信号を補正する補正手段とを有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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