JP3884369B2 - ステアリング制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載用のステアバイワイヤ・システムの操舵反力を制御するステアリング制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、従来のステアバイワイヤ・システムの操舵反力を制御するステアリング制御装置としては、下記の特許文献1に記載されているものや、或いは、下記の特許文献2に記載されているもの等が一般に広く知られている。
これらの従来装置においては、運転者の操舵操作に伴う操舵トルクTを検出する操舵トルクセンサが具備されており、ステアリングホイールに適度な手応え感を与えるための反力トルク(操舵反力TR)の出力値を決定するために利用されている。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−334947号公報 (第4−5頁、第1図)
【特許文献2】
特開平5−105100号公報 (第2−4頁、第1−3図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の様な従来のステアバイワイヤ・システムにおいては、トルクセンサが故障した際に、手動操舵機構に切り換えなければならなかったため、以下のような問題があった。
(問題点1)
トルクセンサが故障した際に、手動操舵機構に切り換える場合、操舵感が急に重くなるため、運転者は戸惑いや違和感を覚える。
【0005】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、トルクセンサが故障した際にも、操舵方式或いはステアリング制御の制御方式の切り換えを比較的円滑に実施できる様にすることである。
【0006】
【課題を解決するための手段、並びに、作用及び発明の効果】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第1の手段は、操舵アクチュエータがステアリング・ホイールに付与すべき操舵反力TRを制御する操舵機構と、転舵輪の実舵角に係わる転舵変位量xを制御する転舵機構とが機械的に分離されており、これら双方を連結する連結機構が電気的な連動機構によって代替的に構成されているステアバイワイヤ・システムにおいて、上記の操舵機構に、ステアリング・ホイールに運転者が付与する操舵トルクTを検出する操舵トルクセンサと、路面反力による転舵機構に働く転舵反力Fを算定する転舵反力算定手段と、操舵トルクセンサにより検出された操舵トルクTと転舵反力算定手段により算定された転舵反力Fとに基づいて、操舵反力T R を演算する操舵反力演算手段とを有し、操舵反力演算 手段は、操舵トルクセンサの異常が検出された場合に、操舵反力TRの算定において、操舵トルクセンサが検出した操舵トルクTの入力又は利用を中止する操舵トルク関連値切り離し手段とを備える。
【0007】
この様な構成に従えば、操舵トルクセンサの異常が検出された場合に、操舵反力TRの算定において、操舵トルクセンサが正しく検出したとものとして扱われてしまう操舵トルクTの検出値の入力又は利用が中止されるため、ステアリングホイールに、極端に的を外れた不当な操舵反力が付与される恐れが無くなる。
即ち、上記の第1の手段に従えば、必ずしも手動操舵機構に切り換えなくとも、ステアリング制御を続行することにより、運転者に操舵操作を継続させることが可能となるため、前述の問題点1については解決することができる。
【0008】
しかしながら、上記の構成を用いた場合、以下の問題が派生する。
(問題点2)
トルクセンサが故障した際に、運転者がステアリングホイールに付与する操舵トルクの検出値Tを恒等的に0と仮定すると、操舵感が急に軽くなるため、運転者は戸惑いや違和感を覚える。
【0009】
本発明の第1の手段は、この問題点2に対する対策を更に追加したものである。
即ち、操舵反力演算手段は、操舵トルクセンサの異常が検出された場合に、転舵反力Fの係数値、又は転舵反力Fの関連値の係数値を変更する第1ゲイン変更手段を備える。
【0010】
この様な係数値(ゲイン)の修正により、操舵トルクの検出値Tが恒等的に0と仮定される場合にも、操舵アクチュエータから出力すべき所望の操舵反力TRの値を概算的に補正(適正化)することができる。このため、転舵反力F(又はその推定値Fh)の操舵感に対する影響度が、圧倒的或いは極端に支配的となる恐れが無くなる。
【0011】
また、第2の手段は、上記の第1の手段において、操舵反力演算手段は、ステアリングホイールの回転速度ωHに基づいて、操舵機構の慣性モーメントに係わる慣性トルクTKを、操舵反力TRを構成する項の一つとして設定する慣性補償手段と、操舵トルクセンサの異常が検出された場合に、慣性トルクTKの係数値、又は慣性トルクTKの関連値の係数値を変更する第2ゲイン変更手段とを備えることである。
【0012】
この様な構成に従えば、従来、トルクセンサの正常動作時に、主に操舵トルクT等を用いて演算処理されていた操舵機構或いは転舵機構の慣性に係わるシミュレーション(即ち、慣性トルクの出力)を、例えばステアリングホイールの回転速度ωH等に基づいて、実施することができる様になる。
これにより、操舵感が極端に軽くなることを回避でき、よって、問題の違和感を軽減することが可能となる。
【0013】
また、第3の手段は、上記の第1又は第2の手段において、操舵反力演算手段は、ステアリングホイールの回転速度ωHに基づいて、操舵機構或いは転舵機構の内部摩擦に係わる摩擦トルクTDを、操舵反力TRを構成する項の一つとして設定する摩擦補償手段と、操舵トルクセンサの異常が検出された場合に、摩擦トルクTDの係数値、又は摩擦トルクTDの関連値の係数値を変更する第3ゲイン変更手段とを備えることである。
【0014】
この様な構成に従えば、従来、トルクセンサの正常動作時に、主に操舵トルクT等を用いて演算処理されていた操舵機構或いは転舵機構の内部の摩擦力に係わるシミュレーション(即ち、摩擦トルクの出力)を、例えばステアリングホイールの回転速度ωH等に基づいて、実施することができる様になる。
これにより、操舵感が極端に軽くなることを回避でき、よって、問題の違和感を軽減することが可能となる。
【0015】
また、第4の手段は、上記の第1乃至第3の何れか1つの手段の転舵反力算定手段において、転舵反力Fの位相を補正する転舵反力位相補正手段と、操舵トルクセンサの異常が検出された場合に、転舵反力Fの位相に対する補正量を変更する位相補正量変更手段とを備えることである。
【0016】
操舵トルクTが検出できない場合、操舵トルクに関するフィードバックループが構成できなくなるため、操舵反力TRを生成出力する際の応答性が劣化する。この影響を軽減するためには、転舵反力Fに係わるオープン制御系の応答性を高くする(或いは低下させない)処置が有効となる。
上記の第5の手段によれば、転舵反力Fの位相に対する補正量を変更することにより、転舵反力Fの位相を早めること(或いは遅らせないこと)ができるので、これにより、操舵機構の操舵操作に対する応答性の劣化を軽減することができる。
【0017】
また、第5の手段は、上記の第1乃至第4の何れか1つの手段の転舵反力算定手段において、転舵反力Fを測定する転舵反力センサを備えることである。
この様な構成に従えば、転舵反力を転舵反力センサから直接測定することができるため、より高い精度で確実に転舵反力Fを求めることができる。
また、この様な構成に従えば、公知のオブザーバ等を用いた高度或いは複雑な推定処理により、転舵反力Fを推定する必要が無くなるため、このオブザーバ等に関する装置コスト、又は、オブザーバ等に関する処理プログラムの開発工数を削減することができる。
また、上記の構成に従えば、オブザーバをプログラムで構成する場合に比べて、制御装置使用時のCPUオーバヘッドを削減することができる。
【0018】
また、第6の手段は、上記の第1乃至第4の何れか1つの手段の転舵反力算定手段において、転舵機構が有する転舵アクチュエータに流れる転舵電流の、測定値Ia、指令値In又は関連値urに基づいて、転舵反力Fを推定する転舵反力推定手段を備えることである。
【0019】
ただし、上記の関連値urは、転舵アクチュエータに対する制御量ならば任意で良い。例えば、転舵モータの駆動回路における指令電圧やPWM制御におけるデューティー値等でも良い。また、勿論、転舵モータに流れる電流(転舵電流)の値や、その指令値等を用いても良い。
【0020】
上記の構成に従えば、転舵反力Fを推定することにより、必ずしも転舵反力センサを具備しなくともステアリング制御装置を構成することが可能となるため、部品点数や部品コストの面で有利な制御装置を構成することが可能となる。
また、上記の構成に従えば、転舵反力センサの接続仕様(規格)、測定精度、価格、耐熱性、耐振性、耐久性、大きさ、形状、重量等について詳細に検討する必要が無くなり、また、これらの諸条件が設計上のネックになる様な恐れも無くなる。
【0021】
また、第7の手段は、上記の第6の手段の転舵反力推定手段において、「転舵機構が有する転舵アクチュエータに流れる転舵電流の、測定値Ia、指令値In、又は関連値ur」と、「転舵変位量x、その指令値xn、又はこれらに関連する関連値」とに基づいて、上記の転舵反力Fを推定する外乱オブザーバを備えることである。
【0022】
この様な構成に従えば、比較的高い精度で上記の転舵反力Fを推定することができるため、転舵反力Fの推定精度と装置の部品コストの両面で、比較的合理的で均整の取れた制御装置を構成することができる。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
〔第1実施例〕
図1は、本実施例のステアリング制御装置100のシステム構成図である。このステアリング制御装置100は、運転者が操作するステアリングホイール(ハンドル)1を有する操舵機構と、転舵輪16を転舵する転舵機構と、これらの操舵機構と転舵機構との連動制御を電気的に行う制御装置(コンピュータ)8等から構成されている。
【0024】
操舵機構は、操舵反力を生成する操舵アクチュエータ(反力モータ5)を備える。反力モータ駆動回路6は、制御装置8から与えられる制御量(TR)に応じて反力モータ5を駆動する。反力モータ5の出力軸は減速器を介して操舵軸(ステアリングシャフト)2に連結されており、この操舵軸2は操舵ハンドル1に連結されている。
【0025】
操舵軸2には、この軸の回転角である操舵角θを検出する操舵角センサ3と、操舵軸2に加わる操舵トルクTを検出する操舵トルクセンサ4が配設されている。ただし、操舵角センサ3の代わりに、反力モータの回転角を検出する反力モータ角センサを備え、反力モータの回転角から操舵角θを推定してもよい。この場合、減速比のみに基づいて反力モータの回転角を操舵角θに換算してもよいし、操舵軸の捩れ剛性を考慮して、操舵角θを補正してもよい。
【0026】
一方、転舵機構は、転舵軸13を転舵する転舵アクチュエータ(転舵モータ11)を備える。転舵モータ駆動回路9は、制御装置8から与えられる制御量(ur)に応じて転舵モータ11を駆動する。転舵モータ11の回転運動を直線運動に変換する変換器(減速器12)は、例えば、ボールねじ機構等から構成することができる。転舵軸13の両端は、タイロッド14、ナックルアーム15を介して転舵輪16に接続されている。
【0027】
転舵軸13には、この軸の転舵変位量xを検出する転舵変位量センサ10と、外部(転舵輪16側)から転舵軸13に加わる転舵反力Fを検出する図示しない転舵反力センサとを備えても良いが、本実施例では、後者の転舵反力センサを外乱オブザーバにて置換した構成例について詳しく例示する。
【0028】
また、転舵変位量センサ10の代わりに、転舵モータの回転角を検出する転舵モータ角センサを備え、この転舵モータの回転角から転舵変位量xを推定してもよい。この場合、減速比のみで換算してもよいし、転舵軸13の軸方向の剛性を考慮して補正してもよい。
【0029】
制御装置8には、操舵角センサ3、操舵トルクセンサ4、転舵変位量センサ10、車速センサ7の各検出結果(操舵角θ,操舵トルクT,転舵変位量x,車速V)が入力され、これらの検出結果を基に、反力モータ5と転舵モータ11が所定の駆動力を出力するように各駆動回路(6,9)へ制御信号(反力モータの制御量TR,転舵モータの制御量ur)を出力する。
【0030】
図2は、ステアリング制御装置100の制御装置8の操舵反力生成方式に係わる論理的な主要構成を例示する制御ブロックダイヤグラムである。
反力モータ駆動回路6への制御信号(反力モータの制御量TR)は、反力モータの制御量演算器85により算出される。
【0031】
一方、転舵モータ駆動回路9への制御信号(転舵モータの制御量ur)は、位置制御器82により算出される。この位置制御器82は、目標値演算器81が算出する転舵変位量の目標値xnと、転舵変位量センサ10が検出した転舵変位量xに基づいて、周知のPD制御(比例・積分制御)により、上記の転舵モータの制御量urを算出する。勿論、例えばPID制御(比例・積分・微分制御)等の公知のその他の制御理論に基づいて、上記の転舵モータの制御量urを算出しても良い。
【0032】
転舵反力推定器88は、転舵変位量xと転舵モータの制御量urに基づいて転舵反力Fの推定値Fhを算定する。
この転舵反力推定器88は、転舵反力Fを直接的に検出する転舵反力センサと置換することも可能であるが、以下の第1実施例では、転舵反力推定器88を有するステアリング制御装置(100)について、主要部分に関する説明を中心とする「I.正常時の動作」と、本発明の特徴部分に直接係わる詳細な説明を展開する「II.異常時の動作」の2部に分けて説明する。
【0033】
I.正常時の動作
以下、上記の制御装置8の通常の動作(操舵トルクセンサ4の正常時の動作)について説明する。
図3は、ステアリング制御装置100の制御装置8が実行する制御手順の概要を例示するフローチャートである。この制御手順は、図2のステアリング制御を具現する手段である。
【0034】
図3の制御手順では、まず最初に、ステップ510によりシステムの初期化を行う。この初期化は、制御変数の初期化等の処理が中心である。これらの具体的な内容については、後から断片的に例示する。
【0035】
ステップ520では、操舵角センサ3、操舵トルクセンサ4、転舵変位量センサ10、車速センサ7の各検出結果(操舵角θ,操舵トルクT,転舵変位量x,車速V)を入力する。
ステップ530では、転舵モータ制御を行うサブルーチン(図4)を呼び出して実行する。このサブルーチンは、図2の目標値演算器81と位置制御器82を具現するサブルーチンである。
【0036】
ステップ540では、転舵反力を求める。この転舵反力は、転舵反力センサにて直接的に検出された信号から求めても良いが、本実施例では、転舵反力推定器88により、転舵変位量xと転舵モータの制御量urに基づいて転舵反力Fの推定値Fhを算定する手順について詳しく例示する。
ステップ550では、反力モータ制御を行うサブルーチン(図8)を呼び出して実行する。このサブルーチンは、図2の反力モータの制御量演算器85を具現するサブルーチンである。
【0037】
ステップ560では、ステップ520以降の処理を定期的(1例:0.5ms周期)に実行するために、タイマ割り込みの予約設定処理等を行い、タイマ割り込みの待ち状態に遷移する。
次に、ステップ530でサブルーチンとしてコールされる転舵モータ制御を行うサブルーチン(図4)に付いて、詳細に説明する。
【0038】
1.転舵軸の制御手順
図4は、図1、図2の制御装置8により具現される転舵モータ制御部(即ち、上記の目標値演算器81、及び位置制御器82)が実行する制御手順を例示するフローチャートである。
【0039】
操舵角θから転舵変位量xの目標値xnを式(1)により決定する。伝達比Grには定数を用いても良いが、操舵角θや車速V等に応じて、例えば図5の様なマップ(a),(b)を用いて、「Gr=gr1×gr2」の様な形式にして、決定してもよい。例えばこの様な車速に応じた設定によれば、所望のステアリングギヤ比可変手段を具現することが可能である。
【0040】
【数1】
xn=Grθ …(1)
例えばこの様にして、目標値演算器81の演算処理(ステップ620、及びステップ640)を実行することができる。
【0041】
偏差(xn−x)、及びその時間微分d(xn−x)/dtに基づいて転舵モータ11の制御量urを式(2)により決定し、転舵変位量xが上記の目標値xnに追従するように駆動制御を行う。ゲイン係数Gpx,Gdxは定数である。
【数2】
ur=Gpx(xn−x)+Gdx・d(xn−x)/dt …(2)
例えばこの様にして、位置制御器82の演算処理(ステップ660、及びステップ680)を実行することができる。
【0042】
以下、外乱オブザーバに関する演算手法により、この転舵反力の推定値Fhを算定する手順(図3のステップ540)について、図6と図7を用いて具体的に例示する。
【0043】
2.転舵反力の推定手順
転舵機構の運動方程式は式(3)で記述される。ただし、ここで、Mは、ラック軸質量やモータの慣性(イナーシャ)等から決まる転舵機構の転舵変位方向の有効質量である。
【数3】
M・d2x/dt2=ur−f−F≡d …(3)
【0044】
ただし、上記のfは転舵モータ11、変換器(減速器12)等の転舵機構内部に生じる摩擦力である。この摩擦力fは、例えば、x,vの関数y等として求めておくと良い。この関数yは、x,v等に関する数式として求めておいても良いし、関数yを近似するマップ(テーブルデータ)と所定の補間処理から求めても良い。
【数4】
f=y(x,v) …(4)
ただし、上記の小文字の変数vは、次式(5)によって定義される転舵軸13の転舵速度である。
【数5】
v=dx/dt …(5)
【0045】
ここで、式(3)の力dを外乱オブザーバにおける外乱とみなせば、図7の式(a)の形で表現される外乱オブザーバを構成することができる。ただし、以下、行列Gはオブザーバゲイン(3行2列の定数行列)であり、Fh,xh,vh,dhは、それぞれF,x,v,dの各推定値を表すものとする。
【0046】
時刻kにおけるオブザーバの状態量をx0(k)(3行1列の列ベクトル)とする。この時、オブザーバゲインGを極配置法によって決定し、サンプリング時間を適当な時間間隔(1例:約0.5ms程度)で離散化すると、上記の状態量x0(k)は、図7の式(b)の形で、逐次算出することができる。したがって、上記の力dの推定値dhは、図7の式(c)の形で、逐次算出することができる。
ただし、ここで、kはサンプリング時刻を表す時刻パラメータ(整数変数)であり、行列A,Cはそれぞれ3行3列の定数行列、行列B,Dはそれぞれ3行2列の定数行列である。また、状態量x0(k)の初期値x0(0)は0ベクトルで良い。また、転舵速度vの初期値v(0)も0で良い。
【0047】
したがって、上記の力dの推定値dhを用いて、転舵反力Fの推定値Fhは、次式(6)にて逐次求めることができる。
【数6】
Fh(k)=ur(k)−f(k)−dh(k) …(6)
【0048】
例えばこの様にして、転舵反力センサの検出値Fの代わりに、転舵反力の推定値Fhを用いて、反力モータの制御量TRを設定すれば、転舵反力センサが不要になるのでコストを低減できる。また、転舵反力センサのノイズに起因する振動が発生しないので、滑らかな操舵感が得られる。
【0049】
これらの理論に基づいて、図2の本発明に係わる転舵反力推定器88(即ち、図3のステップ540)を構成することができる。
図6は、制御装置8により具現される転舵反力推定器88が実行する制御手順を例示するフローチャートである。
【0050】
本制御手順では、まず、最初に、ステップ910により、上記の式(5)により、転舵軸の移動速度v(k)の値を求める。
次に、ステップ920では、図7の式(c)によりdh(k)の値を求める。
ステップ930では、上記の式(6)により、Fh(k)の値を求める。
ステップ940では、このFhの値を、転舵反力を表す変数Fに代入する。これにより、反力モータの制御量演算器85において、転舵反力Fの値が参照可能となる。
【0051】
ステップ950及びステップ960では、次回の制御周期における演算処理の準備をしておく。即ち、ステップ950では、図7の式(b)に従って、x0(k+1)の値を算出し、所定の記憶領域に記憶しておく。
また、ステップ960では、時刻パラメータkを更新する。
【0052】
尚、ステップ960の処理は、前述のステップ560の中で実行しても良い。また、k=0,x0(0)=0,v(0)=0等の各種の使用変数の初期化処理は、前述のステップ510で実行するものとする。
【0053】
次に、図3のステップ550でサブルーチンとしてコールされる反力モータ制御に付いて、詳細に説明する。
【0054】
3.操舵軸(反力モータ)の制御手順
操舵トルクTとその時間微分dT/dt、及び転舵反力Fとその時間微分dF/dtに基づいて、反力モータ5の制御量TRを次式(7)に従って決定しても良いが、本実施例では、下記の式(8)により反力モータ5の制御量TRを決定する例を示す。ただし、ここで、ゲイン係数Gpt、Gdt、Gpf、Gdfは適当な定数であり、式(7)、式(8)の各右辺の第3項及び第4項の転舵反力Fには、前述の推定値Fhを代入するものとする。
【数7】
TR=GptT+Gdt・dT/dt−GpfF−Gdf・dF/dt …(7)
【数8】
TR=GptT+Gdt・dT/dt−fpf(F)−Gdf・dF/dt …(8)
【0055】
上記の式(7),(8)の各々の第3項と第4項は、操舵トルクが付与された方向と逆方向に作用する制御量である。第3項によってセルフアライニングトルク等の転舵反力に応じた操舵反力が生成される。また、第4項によって転舵反力に対して速やかに操舵反力が生成されると伴に、転舵反力に起因する振動が抑制される。そのため、転舵反力(路面情報)を違和感無く運転者に伝えることができると伴に、滑らかな操舵感が得られる。
【0056】
一方、第1項と第2項は、操舵トルクが付与された方向に操舵軸を回転させるための制御量である。第1項によって減速器の摩擦に起因する操舵反力が抑制され、第2項によって反力モータのコギングに起因する振動が抑制される。そのため、転舵反力に応じた操舵反力を正確に付与することができる。
【0057】
これらの理論に基づいて、図2の本発明に係わる制御量演算器85(即ち、図3のステップ550でサブルーチンとしてコールされる反力モータ制御)を構成することができる。
図8は、制御装置8により具現される反力モータの制御量演算器85が実行する制御手順を例示するフローチャートである。
まず、ステップ810では、式(8)の演算を実行する準備として、操舵トルクT、及び転舵反力Fの時間微分の値を求める。
次に、ステップ830では、式(8)のゲイン係数Gdfを決定する。
【0058】
図9は、ゲイン係数Gpf,Gdfの算出に用いられるデータマップを例示するグラフである。ゲイン係数Gpf,Gdfは、車速Vに応じて図9のようなマップ(a),(b)に基づいて変更してもよい。例えばこの様に、車速Vが大きい時程ゲイン係数Gpf,Gdfを大きくすることによって、車速Vが大きい時程操舵反力が大きくなるので、操舵感がより向上する。
【0059】
この様に車速Vに応じて、ゲイン係数Gpf,Gdfを最適化する手段も、所望のステアリングギヤ比可変手段を具現する一例である。また、ゲイン係数Gpfを大きくすると制御系の安定性が悪化して振動が発生しやすくなるが、同時にゲイン係数Gdfも大きくすることによって振動を抑制できるので、この様な設定によっても滑らかな操舵感が得られる。
【0060】
次に、ステップ850では、式(8)の第3項を決定する。ここで、上記の関数fpf(F)は図10の様に車速Vに依存した関数にしてもよい。図10は、上記の式(8)の第3項として利用することができる関数fpf(F,V)の設定形態を例示するグラフである。
【0061】
転舵反力が小さい領域ほど操舵反力の増加率を大きくすることによって、ハンドルを中立位置から切り始めた際に、操舵反力は急峻立ち上がるので、ビルドアップ感の良い操舵感が得られる。更に、図10に例示する様な車速Vに依存する関数fpf(F,V)を用いることにより、車速Vに応じて式(8)の第3項を最適化することが可能となる。例えばこの様な手段も、所望のステアリングギヤ比可変手段を具現する一例である。この様な設定に従えば、車速Vが大きい時程操舵反力が大きくなるので、操舵感がより向上する。
【0062】
これらの手順により、式(8)の各項を求めることができる。ステップ870では、式(8)の演算処理を実行する。ステップ890では、ステップ870で算出した制御量TRを反力モータ駆動回路6に出力する。
以上の制御手順により、本第1実施例のステアリング制御装置100において、安い生産コストで所望の操舵感を生成することが可能或いは容易となる。
【0063】
II.異常時の動作
以下、本第1実施例のステアリング制御装置100の、操舵トルクセンサ4の異常時における動作について説明する。
図11は、本実施例の反力モータの制御量演算器85(図2)に関する更に詳しい論理的な構成を例示する制御ブロックダイヤグラムである。本実施例の反力モータの制御量演算器85では、既に式(8)と図8、図9、図10を用いて説明した様に、制御量TR(反力モータ5の出力トルク又は駆動電流)を算出して、反力モータ駆動回路6に出力する。
【0064】
これらの動作は、操舵トルクセンサ4の異常時においても前述の正常時と同じであり、図11が示している動作と図2の制御量演算器85が示している動作とは一致している。
即ち、図11の操舵トルク関連値演算部851では、次式(9)に従って、操舵トルク関連値Ttを算出する。また、転舵反力関連値演算部852では、次式(10)に従って、転舵反力関連値Tfを算出する。
【数9】
Tt=GptT+Gdt・dT/dt …(9)
【数10】
Tf=fpf(F,V)+Gdf・dF/dt …(10)
その後、操舵トルク関連値Ttと転舵反力関連値Tfは、次式(11)に従って処理される。
【数11】
TR=a1Tt+a2Tf (初期値:a1=1,a2=−1) …(11)
【0065】
しかしながら、操舵トルクセンサ4の異常時においては、上記のゲインの値が、上記の正常時の値(a1=1,a2=−1)とは異なる。即ち、このゲイン(係数a1,a2)の値を異常時に、動的に切り換える手段が、本発明の最も大きな特徴部の一つになっている。
【0066】
図12は、トルクセンサ異常検出時の、本第1実施例の反力モータの制御量演算器85(図11)に関する処理を説明するフローチャート(a)及びゲイン設定規準を表す変数規準表(b)である。
図12(a)の異常時処理を実行するサブルーチンは、操舵トルクセンサ4に異常が有った際に、前述のプログラムとは非同期に呼び出して実行される。この様なサブルーチンは、割り込み処理ルーチンとして登録しておく等の手法が最も一般的である。例えば、操舵トルクセンサ4が自らその異常時に直接制御装置に対して外部割り込みを掛けることができる場合等がそれである。
【0067】
また、操舵トルクセンサ4の異常状態は、上記の各物理変数F,x,θ,T,V等の間に矛盾がある場合に、これらの各変数間の不自然な関係(矛盾)をソフトウェアによって解析することにより検知する様にしても良い。
【0068】
上記のサブルーチン(図12(a))では、例えば図12(b)の変数規準表に従って、図11の各ゲイン(係数a1,a2)の値を以下の式(12)の様に書き換える。
【数12】
a1=0 (操舵トルク関連値切り離し手段に対応),
a2=−1/2 (第1ゲイン変更手段に対応) …(12)
【0069】
例えばこの様に、ステアリング制御を続行することにより、運転者に操舵操作を継続させることが可能となるため、前述の問題点1に示した様に、操舵感が急激に重くなる様な事態を回避することが可能となる。
また、係数a2を書き換える上記の第1ゲイン変更手段によれば、上記の様に操舵トルクの検出値Tが恒等的に0と仮定される場合にも、操舵アクチュエータから出力すべき所望の操舵反力TRの値を概算的に補正(適正化)することができる。このため、転舵反力Fの推定値Fhの操舵感に対する影響度が、圧倒的或いは極端に支配的となる恐れが無くなる。
【0070】
尚、式(11)から分る様に、上記の第1ゲイン変更手段によれば、式(10)の右辺の第1項及び第2項の両方にゲイン(係数a2)の変更の影響が及ぶが、この他の変形例としては、例えば、式(10)の右辺第2項は不変とし、式(10)の右辺第1項だけを上記の第1ゲイン変更手段によって半減させる様にしても良い。この様に第1ゲイン変更手段の影響範囲を限定すれば、操舵反力TRの出力時に位相が遅れ難くなるため、操舵反力の応答性が劣化しない。
【0071】
また、式(10)の右辺第2項(Gdf・dF/dt)は、位相補償項と解釈する以外にも、転舵系のダンパー項を表現しているものと解釈することもできるので、操舵時の粘性感の向上のためにも、式(10)の右辺第2項は不変とし、式(10)の右辺第1項だけを半減させる様にすると良いものと考えられる。
これらの手法については、後述の第3実施例でも、位相補正量変更手段等として言及する。
【0072】
〔第2実施例〕
上記の第1実施例のステップ540では、転舵反力センサを用いて転舵反力Fを直接測定する代わりに、転舵モータの制御量urと転舵変位量xに基づいて、転舵反力Fの値を推定しているが、一般のステアリング制御装置(SBWシステム)においては、勿論、転舵反力センサを搭載して転舵反力Fをその転舵反力センサから直接求める様にしても良い。
【0073】
図13は、本第2実施例のステアリング制御装置200の論理的なシステム構成図である。このステアリング制御装置200は、転舵反力センサ20を有する点が、前述の第1実施例のステアリング制御装置100とは異なっている。
例えば、この様に転舵反力センサ20を具備する場合には、部品コストやノイズ対策等が問題となる場合もあるが、しかし、この様な方式によれば、上記の外乱オブザーバに関して、それらの開発工数や運用時のCPUオーバヘッド等を削減或いは抑制することができる。
【0074】
図14は、本第2実施例のステアリング制御装置200の制御装置8の操舵反力生成方式に係わる論理的な主要構成を例示する制御ブロックダイヤグラムである。この制御装置200では上記の構成を採るため、転舵反力推定器が配備されていないが、その他にも、操舵角θが反力モータの制御量演算器85′に入力されている点が、前述の第1実施例とは大きく異なっている。
【0075】
図15は、本第2実施例の反力モータの制御量演算器85′(図14)に関する更に詳しい論理的な構成を例示する制御ブロックダイヤグラムである。即ち、この制御方式によれば、反力モータ5の制御量TRは、次式(13)に従って、算定される。
【数13】
TR=a1Tt+a2Tf+a3TK+a4TD,
TK=gKτKK,
TD=gDτDD …(13)
【0076】
ただし、ここで、Tt,Tfは、前記の式(9)、式(10)に従って算出するものとする。また、各係数a1,a2,a3,a4の初期値は、それぞれ、1,−1,0,0とする。また、変数τKK,gKは、それぞれ図16のマップ(a),(b)によって決定される操舵速度ωH(=dθ/dt)若しくは車速Vの関数である。また、変数τDD,gDは、それぞれ図17のマップ(a),(b)によって決定される操舵速度ωH若しくは車速Vの関数である。
【0077】
即ち、図15の慣性トルク関連値演算部853では、図16のマップ(a),(b)を用いて、慣性トルクTK(=gKτKK)を算出する。また、図15の摩擦トルク関連値演算部854では、図17のマップ(a),(b)を用いて、摩擦トルクTD(=gDτDD)を算出する。
【0078】
図18に、本第2実施例の反力モータの制御量演算器85′(図15)に関する、トルクセンサ異常検出時の、処理を説明するフローチャート(a)及びゲイン設定規準を表す変数規準表(b)を例示する。
このサブルーチン(図18(a))では、前述の第1実施例と同様に、例えば図18(b)の変数規準表に従って、図15の各ゲイン(係数a1,a2,a3,a4)の値を以下の式(14)の様に書き換える。
【数14】
a1=0 (操舵トルク関連値切り離し手段に対応),
a2=−1/2 (第1ゲイン変更手段に対応),
a3=1 (第2ゲイン変更手段に対応),
a4=1 (第3ゲイン変更手段に対応) …(14)
【0079】
以上の様な構成に従えば、従来、トルクセンサの正常動作時に、主に操舵トルクT等を用いて演算処理されていた、操舵機構或いは転舵機構の慣性に係わるシミュレーション(即ち、慣性トルクの出力)や、或いは、操舵機構或いは転舵機構の内部の摩擦力に係わるシミュレーション(即ち、摩擦トルクの出力)等を、ステアリングホイールの回転速度ωHや車速V等に基づいて実施することができる様になる。これにより、操舵感が極端に軽くなることを回避でき、よって、問題の違和感を軽減することが可能となる。
【0080】
尚、ゲインが0となる変数は、演算を省略しても良い。例えば、上記の場合、正常時には、式(13)の慣性トルクTK(=gKτKK)や摩擦トルクTD(=gDτDD)等は、特に演算する必要が無い。例えば、制御量演算器85′(図15)をプログラムにより構成する場合、この様な省略によりCPUオーバヘッドが削減できることは言うまでもない。
【0081】
〔第3実施例〕
本第3実施例では、上記の第2実施例と略同様の異常時処理を実施するが、本第3実施例では、前述の式(10)を以下の式(15)の様に変形して用いる点が、大きく異なっている。ここで、ゲインλの初期値は1である。
【数15】
Tf=fpf(F,V)+λGdf・dF/dt …(15)
【0082】
図19は、本第3実施例の反力モータの制御量演算器85′(図17)に関する、トルクセンサ異常検出時の、処理を説明するフローチャート(a)及びゲイン設定規準を表す変数規準表(b)である。
このサブルーチン(図19(a))では、前述の第2実施例と同様に、例えば図19(b)の変数規準表に従って、各ゲイン(係数a1,a2,a3,a4,λ)の値を以下の式(16)の様に書き換える。
【数16】
a1=0 (操舵トルク関連値切り離し手段に対応),
a2=−1/2 (第1ゲイン変更手段に対応),
a3=1 (第2ゲイン変更手段に対応),
a4=1 (第3ゲイン変更手段に対応),
λ=2 (位相補正量変更手段に対応) …(16)
【0083】
以上の様な構成に従えば、第1実施例の最後でも言及した様に、操舵反力TRの出力時に位相が遅れ難くなるため、操舵反力の応答性が劣化せず、また、操舵時の粘性感も劣化しない。
【0084】
尚、図19(b)の変数規準表において、係数a3、a4の各初期値(正常時の値)はそれぞれ1/5,3/10などに設定されているが、例えばこの様に、最初から正常時においても、慣性トルクや摩擦トルク(ダンパートルク)等を操舵速度ωHや車速V等に基づいて生成して、操舵反力TRを構成する項の中にそれら(例:前記式(13)のTKやTD等)を標準的に入れておいても良い。
【0085】
この様な設定によれば、正常時においても最初から、操舵速度ωH等をも考慮した慣性トルクや摩擦トルク(ダンパートルク)等を生成・出力することができると共に、上記の式(16)に例示される様な変更(切り換え)を行った際の移行に伴う違和感が、若干でも緩和できると言った効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例に係わるステアリング制御装置100の論理的なシステム構成図。
【図2】 ステアリング制御装置100の制御装置8の操舵反力生成方式に係わる論理的な主要構成を例示する制御ブロックダイヤグラム。
【図3】 ステアリング制御装置100の制御装置8が実行する制御手順の概要を例示するフローチャート。
【図4】 制御装置8により具現される転舵モータ制御部(目標値演算器81、位置制御器82)が実行する制御手順を例示するフローチャート。
【図5】 伝達比Grの算出に用いられるデータマップを例示するグラフ。
【図6】 制御装置8により具現される転舵反力推定器88が実行する制御手順を例示するフローチャート。
【図7】 転舵反力推定器88が使用するベクトル演算公式をまとめた公式表。
【図8】 制御装置8により具現される反力モータの制御量演算器85が実行する制御手順を例示するフローチャート。
【図9】 ゲイン係数Gpf,Gdfの算出に用いられるデータマップを例示するグラフ。
【図10】 関数fpf(F,V)の設定形態を例示するグラフ。
【図11】 第1実施例の反力モータの制御量演算器85(図2)に関する更に詳しい論理的な構成を例示する制御ブロックダイヤグラム。
【図12】 第1実施例の反力モータの制御量演算器85(図11)に関する、トルクセンサ異常検出時の、処理を説明するフローチャート(a)及びゲイン設定規準を表す変数規準表(b)。
【図13】 第2実施例のステアリング制御装置200の論理的なシステム構成図。
【図14】 ステアリング制御装置200の制御装置8の操舵反力生成方式に係わる論理的な主要構成を例示する制御ブロックダイヤグラム。
【図15】 第2実施例の反力モータの制御量演算器85′(図16)に関する更に詳しい論理的な構成を例示する制御ブロックダイヤグラム。
【図16】 第2実施例の慣性トルクTKの算定に係わるグラフ。
【図17】 第2実施例の摩擦トルクTD(ダンパートルク)の算定に係わるグラフ。
【図18】 第2実施例の反力モータの制御量演算器85′(図17)に関する、トルクセンサ異常検出時の、処理を説明するフローチャート(a)及びゲイン設定規準を表す変数規準表(b)。
【図19】 第3実施例の反力モータの制御量演算器85′(図17)に関する、トルクセンサ異常検出時の、処理を説明するフローチャート(a)及びゲイン設定規準を表す変数規準表(b)。
【符号の説明】
100 … ステアリング制御装置
1 … ステアリングホイール(ハンドル)
2 … 操舵軸(ステアリングシャフト)
3 … 操舵角センサ
4 … 操舵トルクセンサ
5 … 反力モータ
6 … 反力モータ駆動回路
7 … 車速センサ
8 … 制御装置(コンピュータ)
9 … 転舵モータ駆動回路
10 … 転舵変位量センサ
11 … 転舵モータ
12 … 減速器
13 … 転舵軸
81 … 目標値演算器
82 … 位置制御器
85 … 反力モータの制御量演算器
851… 操舵トルク関連値演算部
852… 転舵反力関連値演算部
853… 慣性トルク関連値演算部
854… 摩擦トルク関連値演算部
88 … 転舵反力推定器
T … 操舵トルク
F … 転舵反力
V … 車速
θ … 操舵角
x … 転舵変位量
xn … 転舵変位量の目標値
ur … 転舵モータの制御量
TR … 反力モータの制御量
TK … 慣性トルク
TD … 摩擦トルク(ダンパートルク)
Fh … 転舵反力の推定値
f … 転舵機構内部に生じる摩擦力
G … オブザーバゲイン(3行2列の定数行列)
k … サンプリング時刻を表す時刻パラメータ
x0(k) … 時刻kにおけるオブザーバの状態量(状態ベクトル)
A,C … 3行3列の定数行列
B,D … 3行2列の定数行列
Claims (7)
- 操舵アクチュエータがステアリング・ホイールに付与すべき操舵反力TRを制御する操舵機構と、転舵輪の実舵角に係わる転舵変位量xを制御する転舵機構とが機械的に分離されており、これら双方を連結する連結機構が電気的な連動機構によって代替的に構成されているステアバイワイヤ・システムにおいて、
前記操舵機構は、
前記ステアリング・ホイールに運転者が付与する操舵トルクTを検出する操舵トルクセンサと、
路面反力による前記転舵機構に働く転舵反力Fを算定する転舵反力算定手段と、
前記操舵トルクセンサにより検出された前記操舵トルクTと前記転舵反力算定手段により算定された前記転舵反力Fとに基づいて、操舵反力T R を演算する操舵反力演算手段とを有し、
前記操舵反力演算手段は、
前記操舵トルクセンサの異常が検出された場合に、前記操舵反力TRの算定において、前記操舵トルクセンサが検出した前記操舵トルクTの入力又は利用を中止する操舵トルク関連値切り離し手段と、
前記操舵トルクセンサの異常が検出された場合に、前記転舵反力Fの係数値、又は前記転舵反力Fの関連値の係数値を変更する第1ゲイン変更手段とを有することを特徴とするステアリング制御装置。 - 前記操舵反力演算手段は、
前記ステアリングホイールの回転速度ωHに基づいて、前記操舵機構の慣性モーメントに係わる慣性トルクTKを、前記操舵反力TRを構成する項の一つとして設定する慣性補償手段と、
前記操舵トルクセンサの異常が検出された場合に、前記慣性トルクTKの係数値、又は前記慣性トルクTKの関連値の係数値を変更する第2ゲイン変更手段とを有することを特徴とする請求項1に記載のステアリング制御装置。 - 前記操舵反力演算手段は、
前記ステアリングホイールの回転速度ωHに基づいて、前記操舵機構或いは転舵機構の内部摩擦に係わる摩擦トルクTDを、前記操舵反力TRを構成する項の一つとして設定する摩擦補償手段と、
前記操舵トルクセンサの異常が検出された場合に、前記摩擦トルクTDの係数値、又は前記摩擦トルクTDの関連値の係数値を変更する第3ゲイン変更手段とを有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のステアリング制御装置。 - 前記転舵反力算定手段は、
前記転舵反力Fの位相を補正する転舵反力位相補正手段と、
前記操舵トルクセンサの異常が検出された場合に、前記転舵反力Fの位相に対する補正量を変更する位相補正量変更手段とを有することを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載のステアリング制御装置。 - 前記転舵反力算定手段は、前記転舵反力Fを測定する転舵反力センサを有することを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のステアリング制御装置。
- 前記転舵反力算定手段は、前記転舵機構が有する転舵アクチュエータに流れる転舵電流の測定値Ia、指令値In、又はこれらの関連値に基づいて、前記転舵反力Fを推定する転舵反力推定手段を有することを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のステアリング制御装置。
- 前記転舵反力推定手段は、
前記転舵機構が有する転舵アクチュエータに流れる転舵電流の測定値Ia、指令値In、又はこれらの関連値と、
前記転舵変位量x、その指令値xn、又はこれらに関連する関連値とに基づいて、
前記転舵反力Fを推定する外乱オブザーバを有することを特徴とする請求項6に記載のステアリング制御装置。
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