JP4294389B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両用操舵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結合した操舵軸と転舵輪を転舵させる転舵機構とが機械的に分離され、転舵機構に設けられたステアリングモータを電気的に制御するいわゆるステア・バイ・ワイヤシステムの車両用操舵装置（以下、ＳＢＷ装置という）が知られている。
このＳＢＷ装置では、ステアリングホイールに運転者が与える操作量に基づいて転舵輪の切れ角目標値を算出し、その目標値に従ってステアリングモータをフィードバック制御することにより、転舵輪の切れ角を制御している。
このフィードバック制御は、基本的に目標値に実値を追従させる位置制御であり、フィードバック系に積分制御器を設ける等して目標値と実値との間の定常偏差を小さくしようとすることが一般的である。
【０００３】
また、ＳＢＷ装置では、ステアリングホイールと転舵輪とが機械的に切り離されているので、運転者は、転舵輪に加わる路面反力をステアリングホイールから直接感じ取ることは実質的に不可能である。転舵輪からの路面情報がステアリングホイールに伝達されないと、例えば縁石に突き当たるなどして転舵輪が動けない状態にあっても運転者はそのことを認知できずに操舵するため、転舵輪の切れ角目標値が大きく出てしまい、それに追従しようとしてステアリングモータの負荷が過大になる。また、ステアリングホイールを回しているのに転舵輪が向きを変えないことに運転者が違和感を覚えることもある。
【０００４】
このような不都合に対処する手法として、ステアリングホイールの回転角（操作量）に対応する目標制御量と、転舵輪の実際の切れ角との偏差、つまりフィードバック制御における目標値と実値との間に生ずる偏差に応じて、擬似的な反カトルクを電動モータ等で発生させ、これをステアリングホイールに加えて運転者に手応えを与えるようにするものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
なお、転舵輪の切れ角制御の応答性を向上させるために、ステアリングホイールに作用する操作トルクを検出し、この操作トルクに応じてステアリングモータの制御量をフィードフォワード制御することも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２１７９９８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１６０６４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、目標値と実値との間の定常偏差を小さくするために積分制御を行った揚合、ある舵角で保持した際に目標値と実値とが等しくなると、目標値と実値との偏差に基づく操作反力が加わらなくなり、保舵感が失われてしまうこととなる。これはステアリングホイールと転舵輪が機械的に接続された在来の操舵装置には見られない特性であり、在来車に乗り慣れた運転者に対して非常に大きな違和感を与えてしまう。
そこで、この発明は、操作反力を所望に設定することができ、且つ、応答性の向上も可能な車両用操舵装置提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、運転者が車両を操作するための操作子（例えば、後述する実施の形態における操作レバー１１）と、前記操作子の操作量を検出する操作量検出手段（例えば、後述する実施の形態における操作量センサ１６）と、前記操作子に操作方向に対する操作反力を与える反力付与手段（例えば、後述する実施の形態における操作反力モータ１９）と、前記操作子から機械的に切り離され前記車両の転舵輪（例えば、後述する実施の形態における転舵輪Ｗ）をラック軸を（例えば、後述する実施の形態におけるラック軸７）介して転舵させる転舵手段（例えば、後述する実施の形態における転舵機構部２）と、前記転舵輪の転舵量を検出する転舵量検出手段（例えば、後述する実施の形態におけるラック位置センサ１０）と、前記操作量検出手段で検出した操作量に基づいて前記ラック軸の目標ラック位置を設定する目標ラック位置設定手段（例えば、後述する実施の形態における目標ラック位置設定部３３）と、前記目標ラック位置設定手段により設定した目標ラック位置と前記転舵量検出手段で検出した実転舵量との偏差に応じて前記反力付与手段への制御量および前記転舵手段への制御量を決定する制御手段（例えば、後述する実施の形態における制御装置４）と、を備えた車両用操舵装置において、前記操作子に作用する操作トルクを検出する操作トルク検出手段（例えば、後述する実施の形態における操作トルクセンサ１５）を備え、前記制御手段は、前記操作トルク検出手段で検出した操作トルクに応じて前記転舵手段をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるＦＦ制御部３７）と、前記操作量検出手段で検出した操作量に基づいて求めた前記操作子の操作速度に応じてフィードフォワード効果を増減する周波数補償手段（例えば、後述する実施の形態におけるバンドパスフィルタ３８）と、前記目標ラック位置と前記実転舵量との偏差に応じて前記転舵手段をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御手段（例えば、後述する実施の形態における可変積分制御器３４，ＰＤ制御器３５）と、を備え、前記ＰＩＤ制御手段は、少なくとも路面状態に応じて積分効果を増減する積分制御器（例えば、後述する実施の形態における可変積分制御器３４）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、周波数補償手段により操作周波数に応じてＦＦ効果を調整することにより応答性を調整することができる。例えば、操作周波数が高いときにＦＦゲインを大きくすると応答性が向上する。
【０００８】
また、積分制御器により路面状態に応じて積分効果を調整することにより操作反力を調整することができる。例えば、低μ路で積分ゲインを小さくすると定常偏差が増大して操作反力を大きくでき操舵安定性が向上し、高μ路で積分ゲインを大きくすると定常偏差が減少して操作反力を小さくでき操舵円滑性が向上する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る車両用操舵装置の一実施の形態を図１から図１０の図面を参照して説明する。
図１は、この発明に係る車両用操舵装置の概略構成図であり、図２は、操作レバーの斜視図である。
図１に示す車両用操舵装置はいわゆるステア・バイ・ワイヤシステムの操舵装置であり、操作部１の操作レバー（操作子）１１を右又は左に転舵操作することにより、操作部１から機械的に切り離された転舵機構部（転舵手段）２を、制御装置（制御手段）４を介して作動させる装置である。転舵機構部２では、制御装置４からの信号によりステアリングモータ５を駆動し、このステアリングモータ５の動きをボールねじ機構９によりラック軸７の直線動作に変換して、転舵輪Ｗ，Ｗを転舵する。
【００１０】
操作部１は、主として運転者が操作する操作レバー１１と、この操作レバー１１に作用する操作トルクを検出する操作トルクセンサ（操作トルク検出手段）１５と、操作レバー１１の回転角（操作量）を検出する操作量センサ（操作量検出手段）１６と、制御装置４の指令に応じて操作レバー１１に操作反方を与える操作反カモータ（反力付与手段）１９とを備えている。操作トルクセンサ１５は検出した操作トルクに対応する電気信号を制御装置４に出力し、操作量センサ１６は検出した操作量に対応する電気信号を制御装置４に出力する。
【００１１】
一方、ラック軸７にはラック軸７の位置（以下、単に「ラック位置」ともいう）を検出するラック位置センサ１０が設けられており、ラック位置センサ１０は検出したラック位置に対応する電気信号を制御装置４に出力する。ラック位置センサ１０には、ラック軸に沿って設けられたリニアエンコーダやポテンショメータ等の公知のセンサが用いられ、複数のセンサを組み合わせて使用することも可能である。この実施の形態においては、ラック位置を検出することで転舵輪Ｗ，Ｗの転舵量を検出しており、ラック位置センサ１０は転舵量検出手段を構成する。
また、車両には、車速センサ２２が設けられており、車速センサ２２は検出した車両の速度に対応する電気信号を制御装置４に出力する。
【００１２】
制御装置４からの制御信号により駆動されるステアリングモータ５は、ボールねじ機構９のナットに連結されている。一方、ボールねじ機構９のねじ軸はラック軸７に形成されている。したがって、ボールねじ機構９により、ステアリングモータ５の回転運動がラック軸７の直線運動に変換される。また、ラック軸７は、タイロッド８，８を介して転舵輪Ｗ，Ｗに連結されており、ラック軸７の直線運動が、転舵輪Ｗ，Ｗの転舵運動に変換される。
【００１３】
次に、操作部１について詳細に説明する。
図２に示すように、操作部１のフレーム１３には、操作レバー１１に連結されたロッド１４が回動可能に支持されるとともに、操作反力モータ１９が取り付けられている。
操作レバー１１は、その上部を運転者が手で握って操作するもので、その下部にロッド１４の一端部１４ａが固定されている。ロッド１４は操作レバー１１と直交するように固定されており、フレーム部１３の壁部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにベアリング等により軸支されている。これにより操作レバー１１は、ロッド１４を支軸として左右方向に回転するように傾動操作することが可能にされている。なお、以下の説明において、ロッド１４を支軸として操作レバー１１を右側に傾動させて転舵輪Ｗ，Ｗを右側に転舵させることを右転舵操作と称し、ロッド１４を支軸として操作レバー１１を左側に傾動させて転舵輪Ｗ，Ｗを左側に転舵させることを左転舵操作と称す。
【００１４】
操作トルクセンサ１５および操作量センサ１６は、ロッド１４の長手方向に沿って配置されている。
操作トルクセンサ１５は、ひずみゲージ等を用いた公知のセンサから構成されており、操作レバー１１に作用する操作トルク量を検出して、操作トルク量に応じた電圧値（検出値Ｔｓ）を出力する。制御装置４は、操作トルクセンサ１５の出力を、操作レバー１１が中立位置にあるときの基準電圧値を零点とし、操作レバー１１を中立位置から右転舵操作をすると値（検出値Ｔｓ）がプラスに、中立位置から左転舵操作をすると値（検出値Ｔｓ）がマイナスになるようにした正負の値として処理する。これにより、制御装置４が認識する操作トルクセンサ１５の出力特性は、図３に示すようなものになる。この操作トルクセンサ１５からの出力（検出値Ｔｓ）は、後に説明するフィードフォワード（ＦＦ）制御に用いられる。
【００１５】
操作量センサ１６は、操作レバー１１の操作によるロッド１４の回転角度を検出するポテンショメータから構成されており、操作レバー１１の操作量に応じた電圧値（検出値θｓ）を出力する。制御装置４は、この操作量センサ１６の出力も操作トルクセンサ１５の出力と同様に処理する。つまり、図４に示すように、操作量センサ１６の出力特性は、操作レバー１１が中立位置にあるときの基準電圧値が零点にされ、右転舵操作をするように操作レバー１１にトルクをかけると検出値θｓが増大し、逆に左転舵操作をするように操作レバー１１にトルクをかけると検出値θｓが減少する。
【００１６】
さらに、ロッド１４は他端部１４ｂにプーリ１７を有している。このプーリ１７は、ベルト１８を介して操作反カモータ１９の回転軸に連結されている。
操作反カモータ１９は、制御装置４からの信号を受けて、次に述べるセンタリング機構２０と協働して、操作レバー１１の操作量および車速に応じて、操作レバー１１の操作方向に対する向きに所定の大きさの反力（操作反力）を発生させることで転舵操作の操作性を向上させる。
【００１７】
ロッド１４において操作レバー１１と操作量センサ１６との間には、操作レバー１１を中立位置に戻すように付勢するセンタリング機構２０が設けられている。センタリング機構２０は、ロッド１４に固定されたプレート２０ａと、プレート２０ａの左右の両端部のそれぞれに掛止されたセンクリングバネ２０ｂ，２０ｂとから構成されている。センタリングバネ２０ｂ，２０ｂの下側のフックはフレーム部１３の底部１３ｅに掛止されている。したがって、例えば、左転舵操作が行われたときは、図２における手前側に位置するセンタリングバネ２０ｂが伸び、このセンタリングバネ２０ｂに元の長さに戻ろうとする復元力が発生するので、操作レバー１１は中立位置に戻るように付勢されることになる。また、左転舵操作が行われた状態から、操作レバー１１を中立位置に戻す場合は、このセンタリングバネ２０ｂの復元力が操作レバー１１の戻りをアシストする。
【００１８】
次に、図５の制御ブロック図を参照して、制御装置４について説明する。
制御装置４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび所定の電気回路を備えたＥＣＵ（電子制御装置）から構成されている。制御装置４は、ラック位置センサ１０、操作トルクセンサ１５、および操作量センサ１６の各検出値に基づいてステアリングモータ５を制御する転舵制御部３１と、車速センサ２２の検出値等に基づいて操作反力モータ１９を制御する操作反力制御部３２を備えており、ステアリングモータ５と操作反力モータ１９とを個別に制御することができるようにされている。
【００１９】
初めに、転舵制御部３１について説明する。
転舵制御部３１では、初めに、操作量センサ１６で検出された操作量検出値θｓに基づいて、運転者の行った操作量に対応するラック位置の目標値（以下、目標ラック位置と称す）Ｔｒｓを、目標ラック位置設定部３３が設定する。この目標ラック位置Ｔｒｓは、単に操作レバー１１の回転角（操作量）に比例した量など、一定の関係で求められる位置である。
次に、目標ラック位置Ｔｒｓと、ラック位置センサ１０で検出した現在の実際のラック位置（以下、実ラック位置と称す）Ｐｓとの偏差Ｄｒｓを演算し、偏差Ｄｒｓが正の値であれば右方向ヘの転舵と判断し、偏差Ｄｒｓが負の値であれば左方向への転舵と判断する。この偏差Ｄｒｓは、通常のステアバイワイヤ方式でないステアリング装置では、ステアリング軸の捻れなどに相当する量である。
【００２０】
そして、目標ラック位置Ｔｒｓと実ラック位置Ｐｓとの偏差Ｄｒｓが、その時の走行状態に応じて最適となるように、可変積分制御器３４および比例微分制御器（以下、ＰＤ制御器と略す）３５により所定に補償して、ステアリングモータ５に対するＰＩＤ制御値Ｃｓを演算する。このように、転舵制御部３１は、ＰＩＤ機能を備えることで目標ラック位置Ｔｒｓに対するラック軸７の移動の追従性を向上させている。
【００２１】
ところで、ラック位置の制御に積分制御を行った場合、積分ゲインＧｉを大きくして積分効果を大きくすると、定常偏差を小さくすることができるが、その反面、操作反力は小さくなる。その反対に、積分ゲインＧｉを小さくして、積分効果を小さくすると、定常偏差は大きくなるが、操作反力は失われずに済む。このことは、積分ゲインＧｉを大きくすると操舵円滑感が高められ、積分ゲインＧｉを小さくすると路面情報伝達性が高められ、保舵安定性が高められることを意味する。
【００２２】
そこで、この実施の形態における転舵制御部３１では、積分制御に可変積分制御器３４を用いて、路面抵抗算出部（以下、μ算出部と略す）３６で算出された路面抵抗μに応じて積分ゲインＧｉを変化させている。なお、μ算出部３６は、車速、ヨーレート、横Ｇ、ラック位置等に基づいて路面の路面抵抗μを算出する。
【００２３】
特に、この実施の形態の可変積分制御器３４では、図６に示すように、低μの場合には積分ゲインＧｉを高μ路の場合よりも小さく設定して定常偏差が大きくなるようにしている。これにより、低μ路では通常車では得られない路面インフォメーションとしっかりした操作反力を感じられるようにすることができる。
また、例えば、「スポーツモード」、「ノーマルモード」、「ラグジュアリーモード」等から運転者の好みに応じてモードを選択できるモード設定スイッチを設けておき、選択されたモードに応じて可変積分制御器３４が積分ゲインを静的・動的に変更して積分効果を変化させるようにすることも可能である。
なお、この実施の形態において、可変積分制御器３４は、少なくとも路面状態に応じて積分効果を増減する積分制御器を構成する。
【００２４】
また、転舵制御部３１では、操作トルクセンサ１５のトルク検出値Ｔｓに基づいて、ステアリングモータ５に対するフィードフォワード制御値（以下、ＦＦ制御値と略す）Ｆｃｓを、フィードフォワード制御部（フィードフォワード制御手段）３７が演算する。詳述すると、フィードフォワード制御部（以下、ＦＦ制御部と略す）３７は、トルク検出値Ｔｓとステアリングモータ５の駆動量とのマップに基づいて決定されるＦＦ制御元値Ｆｃｓｐと、後述するバンドパスフィルタ３８で設定したフィードフォワードゲイン（以下、ＦＦゲインと略す）Ｇｆｆとを乗じて、ＦＦ制御値Ｆｃｓを演算する。
【００２５】
このようにＦＦ制御部３７を備えていると、操作レバー１１の操作量の増加に先駆けてラック軸７を移動させることができ、転舵操作における応答性を向上させることができる。なお、バンドパスフィルタ３８の作用については後で詳述する。
そして、転舵制御部３１においては、ＰＩＤ制御値ＣｓとＦＦ制御値Ｆｃｓとを合成し、合成後の制御値Ｄｓ（Ｄｓ＝Ｃｓ＋Ｆｃｓ）に応じてステアリングモータ５の駆動電流を制御する。
【００２６】
次に、操作反力制御部３２について説明する。
操作反力制御部３２では、車速センサ２２からの車速検出値（以下「車速」と省略する）Ｖと、転舵制御部３１において演算された偏差Ｄｒｓに基づいて、操作レバー１１に作用させる目標反力を、目標操作反力設定部３９が設定する。詳述すると、目標操作反力設定部３９は、車速Ｖに応じてゲインＧｖを設定し、この設定されたゲインＧｖと偏差Ｄｒｓとを乗じて目標操作反力制御値Ｔｍｓを演算する。
そして、この目標操作反力制御値Ｔｍｓに応じて操作反力モータ１９の駆動電流を制御する。これにより操作部１に操作反力が付与される。
なお、ゲインＧｖは車速Ｖの関数として設定されており、車速Ｖが大きくなるにしたがって大きくなるように設定されている。
また、ゲインＧｖは偏差Ｄｒｓの周波数に対して動的な特性を持たせることも可能である。
【００２７】
ところで、この実施の形態における転舵制御部３１においては、前述したように路面抵抗μに応じて積分ゲインＧｉを可変積分制御器３４によって変えており、路面状態に応じて操作反力を調整できるようにしている。この場合に、目標ラック位置Ｔｒｓと実ラック位置Ｐｓとの間に偏差があると、目標操作反力設定部３９が操作反力を設定し、その設定値に応じて操作反力モータ１９を駆動するので、操作反力を発生し続けることとなる。しかしながら、このとき同時に操作トルクに基づいてＦＦ制御部３７によりＦＦ制御が実行されていると、ＦＦ制御は偏差を減少させるように働くため、積分ゲインＧｉを可変にした本来の目的（すなわち、路面状態に応じて操作反力を調整できるようにすること）が達成できなくなってしまう。
【００２８】
そこで、この実施の形態においては、操作レバー１１の操作周波数に応じてフィードフォワード効果（以下、ＦＦ効果と略す）を変化させることができるように、前述したバンドパスフィルタ（周波数補償手段）３８によって、操作レバー１１の操作周波数に応じてＦＦゲインＧｆｆを増減することができるようにした。なお、操作周波数は操作レバー１１の操作速度（回転速度）であり、操作量センサ１６で検出される操作量に基づいて検出することができる。
【００２９】
図７にバンドパスフィルタ３８のＦＦゲイン特性の一例を示す。この例のＦＦゲイン特性では、操作周波数が高いときにはＦＦ効果が大きくなるようにＦＦゲインＧｆｆを大きくし、操作周波数が低いときにはＦＦ効果を小さく抑えるようにＦＦゲインＧｆｆを小さくしている。このようにＦＦゲイン特性を設定すると、操作の初期段階等のように操作レバー１１の操作量は少ないが操作レバー１１の操作速度が速いときには、ＦＦ効果を大きくして転舵操作の遅れを感じさせないようにし、操作の終了間近の段階等のように操作レバー１１の操作速度が遅いときには、ＦＦ効果を小さくして、目標ラック位置Ｔｒｓと実ラック位置Ｐｓとの偏差Ｄｒｓを確保して、操作反力を感じられるようにすることができる。
なお、図７に示されるＦＦゲイン特性はあくまでも一例であり、この図に示される以外のＦＦゲイン特性を採用することも可能である。
【００３０】
次に、この操舵装置を搭載した車両における転舵操作を、図８〜図１０を参照して説明する。
いま、転舵制御が安定側に設定されており、図６に示すように、可変積分制御器３４は、低μ路では積分ゲインＧｉを高μ路の場合よりも小さく設定することで定常偏差を大きくして保舵安定性を高めるように設定されているものとする。また、バンドパスフィルタ３８のＦＦゲイン特性は、図７に示すように、操作周波数が低いときにはＦＦゲインＧｆｆを小さくし、操作周波数が高いときにはＦＦゲインＧｆｆを大きくするように設定されているものとする。
【００３１】
例えば、運転者が操作レバー１１を中立位置から右側に転舵操作した場合、操作の初期段階では、操作レバー１１の操作量は少ないが、操作レバー１１にかけられた操作トルクが大きくなる。ここで、操作トルクセンサ１５からのトルク検出値Ｔｓが出力されるので、転舵制御部３１のＦＦ制御部３７がトルク検出値Ｔｓに基づきマップ（図示せず）を検索してステアリングモータ５のＦＦ制御値Ｆｃｓを決定する。そして、このＦＦ制御値Ｆｃｓに基づいてステアリングモータ５が駆動されることで、ラック軸７が直線運動し、操作レバー１１の本格的な操作に先駆けてラック軸７が右側に移動し始める。
【００３２】
そして、操作レバー１１の操作量に基づいて、目標ラック位置設定部３３が目標ラック位置Ｔｒｓを設定し、目標ラック位置Ｔｒｓの現在の実ラック位置Ｐｓとの偏差Ｄｒｓを演算する。さらに、この偏差Ｄｒｓに基づいて可変積分制御器３４およびＰＤ制御器３５がＰＩＤ制御値Ｃｓを決定し、ＰＩＤ制御値ＣｓとＦＦ制御値Ｆｃｓを合成した制御値Ｄｓに基づいてステアリングモータ５が駆動されることで、ラック軸７が右側に移動する。
一方、目標操作反力設定部３９が現在の車速Ｖと偏差Ｄｒｓに基づいて目標操作反力制御値Ｔｍｓを演算し、この目標操作反力制御値Ｔｍｓに基づいて操作反カモータ１９が駆動される。
【００３３】
以上が、転舵操作したときの制御概要であるが、この実施の形態では、バンドパスフィルタ３８を備えていることによって、操作レバー１１の操作速度に応じて異なる過渡特性を示すようになる。
【００３４】
〔高μ路で速い操舵をした場合〕
初めに、図８を参照して、高μ路で速い操舵をした場合の過渡特性を説明する。
操作の初期段階では偏差Ｄｒｓが大きいので、目標操作反力設定部３９が操作反力制御値Ｔｍｓを大きく設定して、操作反力モータ１９が大きな操作反力を発生させる。そして、これに対向して操作レバー１１を操作するので、操作トルクセンサ１５によって検出されるトルク検出値Ｔｓが大きくなる。しかも、速い操舵をしているときには、操作の初期段階において操作周波数が高いことからバンドパスフィルタ３８はＦＦゲインＧｆｆを大きく設定する。その結果、ＦＦ制御部３７で設定されるＦＦ制御値Ｆｃｓが大きくなり、すなわち、ＦＦ出力が大きくなって、偏差Ｄｒｓを小さくする制御が行われる。したがって、高μ路で速い操舵をしたときの操作の初期段階では、極めて応答性がよく、運転者に操舵の遅れを感じさせなくすることができる。
この操作初期の過渡特性はコンプライアンスステア特性に相当し、このコンプライアンスステア特性は、可変積分制御器３４とＰＤ制御器３５によって決定される。これによりコンプライアンスステア特性は得られるが、操作によっては転舵操作に遅れを感じることがある。しかしながら、バンドパスフィルタ３８によりＦＦゲインＧｆｆを設定することによって、この転舵操作の遅れを解消することができる。
【００３５】
そして、操作の終了間近では操作周波数が低いことからバンドパスフィルタ３８はＦＦゲインＧｆｆを小さく設定する。その結果、ＦＦ制御部３７で設定されるＦＦ制御値Ｆｃｓが小さくなり、すなわち、ＦＦ出力が小さくなって、偏差Ｄｒｓを小さくする制御が抑制される。そして、操作の終了間近では偏差Ｄｒｓが定常偏差に収束していく。したがって、高μ路で速い操舵をしたときであっても操作が終了に近づいていくと、所定の操作反力（保舵力）が保持され、運転者に保舵安定性の良さを感じさせることができる。
【００３６】
〔高μ路で緩やかな操舵をした場合〕
次に、図９を参照して、高μ路で緩やかな操舵をした場合の過渡特性を説明する。
操作の初期段階では偏差Ｄｒｓが大きいので、目標操作反力設定部３９が操作反力制御値Ｔｍｓを大きく設定して、操作反力モータ１９が大きな操作反力を発生させる。そして、これに対向して操作レバー１１を操作するので、操作トルクセンサ１５によって検出されるトルク検出値Ｔｓが大きくなる。しかしながら、緩やかな操舵では操作の初期段階から操作終了まで操作周波数が低いことからバンドパスフィルタ３８はＦＦゲインＧｆｆを小さく設定する。その結果、操作の初期段階においても、ＦＦ制御部３７で設定されるＦＦ制御値Ｆｃｓは小さくなり、すなわち、ＦＦ出力が小さくなって、偏差Ｄｒｓを小さくする制御が抑制される。
すなわち、操作反力が大きくなる割には、実際の転舵量は大きくならず、事実上コンプライアンスステアを大きく取るような設定になる。そして、このような制御が操作の終了まで継続される。
これによって、速い操舵のときに比べて実際のステアリングレシオを下げるのと同様の効果を生むことができ、さらに保舵力を大きくすることができる。これによって、例えば、高速走行時のゆっくりしたレーンチェンジなどにおいて運転者に保舵安定性の良さを感じさせることができる。
【００３７】
〔低μ路での操舵〕
次に、図１０を参照して、低μ路での過渡特性を説明する。
低μ路では、通常車でも操舵に対する実舵の追従性が高く、反力や路面インフォメーションは小さくなり易い。しかしながら、ここでは低μ路の場合に、積分ゲインＧｉを高μ路の場合よりも小さく設定しているので、偏差Ｄｒｓが本来よりも大きくなり、目標操作反力設定部３９で設定される目標操作反力制御値Ｔｍｓが大きくなり、操作反力モータ１９が発生させる操作反力は積分ゲインＧｉが一定の場合に比べて大きくなる。そのため、積分ゲインＧｉが一定の場合には絶対的に操舵反力が小さくなってＦＦ制御効果も出ないところであるが、本システムによれば高μ路と同様にＦＦ制御効果を期待することができる。
これにより、低μ路では通常車で失われがちな路面インフォメーションや操舵感を高μ路の場合と同様に感じさせることができる。
【００３８】
このように、この実施の形態の車両用操舵装置によれば、可変積分制御器３４により路面状態（路面抵抗μ）に応じて操作反力を調整し、低μ路では積分ゲインＧｉを高μ路よりもさらに小さくして保舵安定性を高めることができる。しかも、バンドパスフィルタ３８により操作周波数に応じてＦＦ効果を調整することができるので、操作周波数が高いときには操作周波数が低いときよりもＦＦゲインＧｆｆを大きくして応答性を高めることができる。これにより、可変積分制御器３４による操作反力の最適設定と、ＦＦ制御部３７による応答性向上を両立することが可能になる。また、ＦＦゲインＧｆｆの設定の仕方によって操舵の過渡特性を所望に設定することができる。
【００３９】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、可変積分制御器３４は、路面状態に応じて積分効果を増減するだけでなく、それに加えて、例えば車両の運動状態量であるヨーレイト、横加速度、車速などに応じて積分効果を増減するようにしてもよい。
また、周波数補償手段は、バンドパスフィルタに限るものではなく、これに代えてローパスフィルタを用いてもよい。
また、この実施の形態における可変積分制御器３４では、積分ゲインＧｉを高μ路で適度に、低μ路ではさらに小さくするような例で説明したが、これ以外にも様々に変更可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、周波数補償手段により操作周波数に応じてＦＦ効果を調整することにより応答性を調整することができるという優れた効果が奏される。また、ＦＦ効果の設定の仕方によって操舵の過渡特性を所望に設定することが可能になるという効果もある。
さらに、積分制御器により路面状態に応じて積分効果を調整することにより操作反力を調整することができるので、操作反力の最適設定と応答性の向上を両立することが可能になるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る車両用操舵装置の一実施の形態における構成図である。
【図２】 前記実施の形態における操作部の斜視図である。
【図３】 操作トルクセンサの出力特性図である。
【図４】 操作量センサの出力特性図である。
【図５】 前記実施の形態における制御装置の制御ブロック図である。
【図６】 前記実施の形態における可変積分制御器の積分ゲイン特性図である。
【図７】 前記実施の形態におけるバンドパスフィルタのＦＦゲイン特性図である。
【図８】 前記実施の形態の車両用操舵装置により高μ路を速い操舵をした時の過渡特性図である。
【図９】 前記実施の形態の車両用操舵装置により高μ路を緩やかな操舵をした時の過渡特性図である。
【図１０】 前記実施の形態の車両用操舵装置により低μ路で操舵をした時の過渡特性図である。
【符号の説明】
２ 転舵機構部（転舵手段）
４ 制御装置（制御手段）
７ ラック軸
１０ ラック位置センサ（転舵量検出手段）
１１ 操作レバー（操作子）
１５ 操作トルクセンサ（操作トルク検出手段）
１６ 操作量センサ（操作量検出手段）
１９ 操作反力モータ（反力付与手段）
３３ 目標ラック位置設定部（目標ラック位置設定手段）
３４ 可変積分制御器（ＰＩＤ制御手段、積分制御器）
３５ ＰＤ制御器（ＰＩＤ制御手段）
３７ ＦＦ制御部（フィードフォワード制御手段）
３８ バンドパスフィルタ（周波数補償手段）
Ｗ 転舵輪
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両用操舵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結合した操舵軸と転舵輪を転舵させる転舵機構とが機械的に分離され、転舵機構に設けられたステアリングモータを電気的に制御するいわゆるステア・バイ・ワイヤシステムの車両用操舵装置（以下、ＳＢＷ装置という）が知られている。
このＳＢＷ装置では、ステアリングホイールに運転者が与える操作量に基づいて転舵輪の切れ角目標値を算出し、その目標値に従ってステアリングモータをフィードバック制御することにより、転舵輪の切れ角を制御している。
このフィードバック制御は、基本的に目標値に実値を追従させる位置制御であり、フィードバック系に積分制御器を設ける等して目標値と実値との間の定常偏差を小さくしようとすることが一般的である。
【０００３】
また、ＳＢＷ装置では、ステアリングホイールと転舵輪とが機械的に切り離されているので、運転者は、転舵輪に加わる路面反力をステアリングホイールから直接感じ取ることは実質的に不可能である。転舵輪からの路面情報がステアリングホイールに伝達されないと、例えば縁石に突き当たるなどして転舵輪が動けない状態にあっても運転者はそのことを認知できずに操舵するため、転舵輪の切れ角目標値が大きく出てしまい、それに追従しようとしてステアリングモータの負荷が過大になる。また、ステアリングホイールを回しているのに転舵輪が向きを変えないことに運転者が違和感を覚えることもある。
【０００４】
このような不都合に対処する手法として、ステアリングホイールの回転角（操作量）に対応する目標制御量と、転舵輪の実際の切れ角との偏差、つまりフィードバック制御における目標値と実値との間に生ずる偏差に応じて、擬似的な反カトルクを電動モータ等で発生させ、これをステアリングホイールに加えて運転者に手応えを与えるようにするものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
なお、転舵輪の切れ角制御の応答性を向上させるために、ステアリングホイールに作用する操作トルクを検出し、この操作トルクに応じてステアリングモータの制御量をフィードフォワード制御することも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２１７９９８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１６０６４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、目標値と実値との間の定常偏差を小さくするために積分制御を行った揚合、ある舵角で保持した際に目標値と実値とが等しくなると、目標値と実値との偏差に基づく操作反力が加わらなくなり、保舵感が失われてしまうこととなる。これはステアリングホイールと転舵輪が機械的に接続された在来の操舵装置には見られない特性であり、在来車に乗り慣れた運転者に対して非常に大きな違和感を与えてしまう。
そこで、この発明は、操作反力を所望に設定することができ、且つ、応答性の向上も可能な車両用操舵装置提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、運転者が車両を操作するための操作子（例えば、後述する実施の形態における操作レバー１１）と、前記操作子の操作量を検出する操作量検出手段（例えば、後述する実施の形態における操作量センサ１６）と、前記操作子に操作方向に対する操作反力を与える反力付与手段（例えば、後述する実施の形態における操作反力モータ１９）と、前記操作子から機械的に切り離され前記車両の転舵輪（例えば、後述する実施の形態における転舵輪Ｗ）をラック軸を（例えば、後述する実施の形態におけるラック軸７）介して転舵させる転舵手段（例えば、後述する実施の形態における転舵機構部２）と、前記転舵輪の転舵量を検出する転舵量検出手段（例えば、後述する実施の形態におけるラック位置センサ１０）と、前記操作量検出手段で検出した操作量に基づいて前記ラック軸の目標ラック位置を設定する目標ラック位置設定手段（例えば、後述する実施の形態における目標ラック位置設定部３３）と、前記目標ラック位置設定手段により設定した目標ラック位置と前記転舵量検出手段で検出した実転舵量との偏差に応じて前記反力付与手段への制御量および前記転舵手段への制御量を決定する制御手段（例えば、後述する実施の形態における制御装置４）と、を備えた車両用操舵装置において、前記操作子に作用する操作トルクを検出する操作トルク検出手段（例えば、後述する実施の形態における操作トルクセンサ１５）を備え、前記制御手段は、前記操作トルク検出手段で検出した操作トルクに応じて前記転舵手段をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるＦＦ制御部３７）と、前記操作量検出手段で検出した操作量に基づいて求めた前記操作子の操作速度に応じてフィードフォワード効果を増減する周波数補償手段（例えば、後述する実施の形態におけるバンドパスフィルタ３８）と、前記目標ラック位置と前記実転舵量との偏差に応じて前記転舵手段をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御手段（例えば、後述する実施の形態における可変積分制御器３４，ＰＤ制御器３５）と、を備え、前記ＰＩＤ制御手段は、少なくとも路面状態に応じて積分効果を増減する積分制御器（例えば、後述する実施の形態における可変積分制御器３４）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、周波数補償手段により操作周波数に応じてＦＦ効果を調整することにより応答性を調整することができる。例えば、操作周波数が高いときにＦＦゲインを大きくすると応答性が向上する。
【０００８】
また、積分制御器により路面状態に応じて積分効果を調整することにより操作反力を調整することができる。例えば、低μ路で積分ゲインを小さくすると定常偏差が増大して操作反力を大きくでき操舵安定性が向上し、高μ路で積分ゲインを大きくすると定常偏差が減少して操作反力を小さくでき操舵円滑性が向上する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る車両用操舵装置の一実施の形態を図１から図１０の図面を参照して説明する。
図１は、この発明に係る車両用操舵装置の概略構成図であり、図２は、操作レバーの斜視図である。
図１に示す車両用操舵装置はいわゆるステア・バイ・ワイヤシステムの操舵装置であり、操作部１の操作レバー（操作子）１１を右又は左に転舵操作することにより、操作部１から機械的に切り離された転舵機構部（転舵手段）２を、制御装置（制御手段）４を介して作動させる装置である。転舵機構部２では、制御装置４からの信号によりステアリングモータ５を駆動し、このステアリングモータ５の動きをボールねじ機構９によりラック軸７の直線動作に変換して、転舵輪Ｗ，Ｗを転舵する。
【００１０】
操作部１は、主として運転者が操作する操作レバー１１と、この操作レバー１１に作用する操作トルクを検出する操作トルクセンサ（操作トルク検出手段）１５と、操作レバー１１の回転角（操作量）を検出する操作量センサ（操作量検出手段）１６と、制御装置４の指令に応じて操作レバー１１に操作反方を与える操作反カモータ（反力付与手段）１９とを備えている。操作トルクセンサ１５は検出した操作トルクに対応する電気信号を制御装置４に出力し、操作量センサ１６は検出した操作量に対応する電気信号を制御装置４に出力する。
【００１１】
一方、ラック軸７にはラック軸７の位置（以下、単に「ラック位置」ともいう）を検出するラック位置センサ１０が設けられており、ラック位置センサ１０は検出したラック位置に対応する電気信号を制御装置４に出力する。ラック位置センサ１０には、ラック軸に沿って設けられたリニアエンコーダやポテンショメータ等の公知のセンサが用いられ、複数のセンサを組み合わせて使用することも可能である。この実施の形態においては、ラック位置を検出することで転舵輪Ｗ，Ｗの転舵量を検出しており、ラック位置センサ１０は転舵量検出手段を構成する。
また、車両には、車速センサ２２が設けられており、車速センサ２２は検出した車両の速度に対応する電気信号を制御装置４に出力する。
【００１２】
制御装置４からの制御信号により駆動されるステアリングモータ５は、ボールねじ機構９のナットに連結されている。一方、ボールねじ機構９のねじ軸はラック軸７に形成されている。したがって、ボールねじ機構９により、ステアリングモータ５の回転運動がラック軸７の直線運動に変換される。また、ラック軸７は、タイロッド８，８を介して転舵輪Ｗ，Ｗに連結されており、ラック軸７の直線運動が、転舵輪Ｗ，Ｗの転舵運動に変換される。
【００１３】
次に、操作部１について詳細に説明する。
図２に示すように、操作部１のフレーム１３には、操作レバー１１に連結されたロッド１４が回動可能に支持されるとともに、操作反力モータ１９が取り付けられている。
操作レバー１１は、その上部を運転者が手で握って操作するもので、その下部にロッド１４の一端部１４ａが固定されている。ロッド１４は操作レバー１１と直交するように固定されており、フレーム部１３の壁部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにベアリング等により軸支されている。これにより操作レバー１１は、ロッド１４を支軸として左右方向に回転するように傾動操作することが可能にされている。なお、以下の説明において、ロッド１４を支軸として操作レバー１１を右側に傾動させて転舵輪Ｗ，Ｗを右側に転舵させることを右転舵操作と称し、ロッド１４を支軸として操作レバー１１を左側に傾動させて転舵輪Ｗ，Ｗを左側に転舵させることを左転舵操作と称す。
【００１４】
操作トルクセンサ１５および操作量センサ１６は、ロッド１４の長手方向に沿って配置されている。
操作トルクセンサ１５は、ひずみゲージ等を用いた公知のセンサから構成されており、操作レバー１１に作用する操作トルク量を検出して、操作トルク量に応じた電圧値（検出値Ｔｓ）を出力する。制御装置４は、操作トルクセンサ１５の出力を、操作レバー１１が中立位置にあるときの基準電圧値を零点とし、操作レバー１１を中立位置から右転舵操作をすると値（検出値Ｔｓ）がプラスに、中立位置から左転舵操作をすると値（検出値Ｔｓ）がマイナスになるようにした正負の値として処理する。これにより、制御装置４が認識する操作トルクセンサ１５の出力特性は、図３に示すようなものになる。この操作トルクセンサ１５からの出力（検出値Ｔｓ）は、後に説明するフィードフォワード（ＦＦ）制御に用いられる。
【００１５】
操作量センサ１６は、操作レバー１１の操作によるロッド１４の回転角度を検出するポテンショメータから構成されており、操作レバー１１の操作量に応じた電圧値（検出値θｓ）を出力する。制御装置４は、この操作量センサ１６の出力も操作トルクセンサ１５の出力と同様に処理する。つまり、図４に示すように、操作量センサ１６の出力特性は、操作レバー１１が中立位置にあるときの基準電圧値が零点にされ、右転舵操作をするように操作レバー１１にトルクをかけると検出値θｓが増大し、逆に左転舵操作をするように操作レバー１１にトルクをかけると検出値θｓが減少する。
【００１６】
さらに、ロッド１４は他端部１４ｂにプーリ１７を有している。このプーリ１７は、ベルト１８を介して操作反カモータ１９の回転軸に連結されている。
操作反カモータ１９は、制御装置４からの信号を受けて、次に述べるセンタリング機構２０と協働して、操作レバー１１の操作量および車速に応じて、操作レバー１１の操作方向に対する向きに所定の大きさの反力（操作反力）を発生させることで転舵操作の操作性を向上させる。
【００１７】
ロッド１４において操作レバー１１と操作量センサ１６との間には、操作レバー１１を中立位置に戻すように付勢するセンタリング機構２０が設けられている。センタリング機構２０は、ロッド１４に固定されたプレート２０ａと、プレート２０ａの左右の両端部のそれぞれに掛止されたセンクリングバネ２０ｂ，２０ｂとから構成されている。センタリングバネ２０ｂ，２０ｂの下側のフックはフレーム部１３の底部１３ｅに掛止されている。したがって、例えば、左転舵操作が行われたときは、図２における手前側に位置するセンタリングバネ２０ｂが伸び、このセンタリングバネ２０ｂに元の長さに戻ろうとする復元力が発生するので、操作レバー１１は中立位置に戻るように付勢されることになる。また、左転舵操作が行われた状態から、操作レバー１１を中立位置に戻す場合は、このセンタリングバネ２０ｂの復元力が操作レバー１１の戻りをアシストする。
【００１８】
次に、図５の制御ブロック図を参照して、制御装置４について説明する。
制御装置４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび所定の電気回路を備えたＥＣＵ（電子制御装置）から構成されている。制御装置４は、ラック位置センサ１０、操作トルクセンサ１５、および操作量センサ１６の各検出値に基づいてステアリングモータ５を制御する転舵制御部３１と、車速センサ２２の検出値等に基づいて操作反力モータ１９を制御する操作反力制御部３２を備えており、ステアリングモータ５と操作反力モータ１９とを個別に制御することができるようにされている。
【００１９】
初めに、転舵制御部３１について説明する。
転舵制御部３１では、初めに、操作量センサ１６で検出された操作量検出値θｓに基づいて、運転者の行った操作量に対応するラック位置の目標値（以下、目標ラック位置と称す）Ｔｒｓを、目標ラック位置設定部３３が設定する。この目標ラック位置Ｔｒｓは、単に操作レバー１１の回転角（操作量）に比例した量など、一定の関係で求められる位置である。
次に、目標ラック位置Ｔｒｓと、ラック位置センサ１０で検出した現在の実際のラック位置（以下、実ラック位置と称す）Ｐｓとの偏差Ｄｒｓを演算し、偏差Ｄｒｓが正の値であれば右方向ヘの転舵と判断し、偏差Ｄｒｓが負の値であれば左方向への転舵と判断する。この偏差Ｄｒｓは、通常のステアバイワイヤ方式でないステアリング装置では、ステアリング軸の捻れなどに相当する量である。
【００２０】
そして、目標ラック位置Ｔｒｓと実ラック位置Ｐｓとの偏差Ｄｒｓが、その時の走行状態に応じて最適となるように、可変積分制御器３４および比例微分制御器（以下、ＰＤ制御器と略す）３５により所定に補償して、ステアリングモータ５に対するＰＩＤ制御値Ｃｓを演算する。このように、転舵制御部３１は、ＰＩＤ機能を備えることで目標ラック位置Ｔｒｓに対するラック軸７の移動の追従性を向上させている。
【００２１】
ところで、ラック位置の制御に積分制御を行った場合、積分ゲインＧｉを大きくして積分効果を大きくすると、定常偏差を小さくすることができるが、その反面、操作反力は小さくなる。その反対に、積分ゲインＧｉを小さくして、積分効果を小さくすると、定常偏差は大きくなるが、操作反力は失われずに済む。このことは、積分ゲインＧｉを大きくすると操舵円滑感が高められ、積分ゲインＧｉを小さくすると路面情報伝達性が高められ、保舵安定性が高められることを意味する。
【００２２】
そこで、この実施の形態における転舵制御部３１では、積分制御に可変積分制御器３４を用いて、路面抵抗算出部（以下、μ算出部と略す）３６で算出された路面抵抗μに応じて積分ゲインＧｉを変化させている。なお、μ算出部３６は、車速、ヨーレート、横Ｇ、ラック位置等に基づいて路面の路面抵抗μを算出する。
【００２３】
特に、この実施の形態の可変積分制御器３４では、図６に示すように、低μの場合には積分ゲインＧｉを高μ路の場合よりも小さく設定して定常偏差が大きくなるようにしている。これにより、低μ路では通常車では得られない路面インフォメーションとしっかりした操作反力を感じられるようにすることができる。
また、例えば、「スポーツモード」、「ノーマルモード」、「ラグジュアリーモード」等から運転者の好みに応じてモードを選択できるモード設定スイッチを設けておき、選択されたモードに応じて可変積分制御器３４が積分ゲインを静的・動的に変更して積分効果を変化させるようにすることも可能である。
なお、この実施の形態において、可変積分制御器３４は、少なくとも路面状態に応じて積分効果を増減する積分制御器を構成する。
【００２４】
また、転舵制御部３１では、操作トルクセンサ１５のトルク検出値Ｔｓに基づいて、ステアリングモータ５に対するフィードフォワード制御値（以下、ＦＦ制御値と略す）Ｆｃｓを、フィードフォワード制御部（フィードフォワード制御手段）３７が演算する。詳述すると、フィードフォワード制御部（以下、ＦＦ制御部と略す）３７は、トルク検出値Ｔｓとステアリングモータ５の駆動量とのマップに基づいて決定されるＦＦ制御元値Ｆｃｓｐと、後述するバンドパスフィルタ３８で設定したフィードフォワードゲイン（以下、ＦＦゲインと略す）Ｇｆｆとを乗じて、ＦＦ制御値Ｆｃｓを演算する。
【００２５】
このようにＦＦ制御部３７を備えていると、操作レバー１１の操作量の増加に先駆けてラック軸７を移動させることができ、転舵操作における応答性を向上させることができる。なお、バンドパスフィルタ３８の作用については後で詳述する。
そして、転舵制御部３１においては、ＰＩＤ制御値ＣｓとＦＦ制御値Ｆｃｓとを合成し、合成後の制御値Ｄｓ（Ｄｓ＝Ｃｓ＋Ｆｃｓ）に応じてステアリングモータ５の駆動電流を制御する。
【００２６】
次に、操作反力制御部３２について説明する。
操作反力制御部３２では、車速センサ２２からの車速検出値（以下「車速」と省略する）Ｖと、転舵制御部３１において演算された偏差Ｄｒｓに基づいて、操作レバー１１に作用させる目標反力を、目標操作反力設定部３９が設定する。詳述すると、目標操作反力設定部３９は、車速Ｖに応じてゲインＧｖを設定し、この設定されたゲインＧｖと偏差Ｄｒｓとを乗じて目標操作反力制御値Ｔｍｓを演算する。
そして、この目標操作反力制御値Ｔｍｓに応じて操作反力モータ１９の駆動電流を制御する。これにより操作部１に操作反力が付与される。
なお、ゲインＧｖは車速Ｖの関数として設定されており、車速Ｖが大きくなるにしたがって大きくなるように設定されている。
また、ゲインＧｖは偏差Ｄｒｓの周波数に対して動的な特性を持たせることも可能である。
【００２７】
ところで、この実施の形態における転舵制御部３１においては、前述したように路面抵抗μに応じて積分ゲインＧｉを可変積分制御器３４によって変えており、路面状態に応じて操作反力を調整できるようにしている。この場合に、目標ラック位置Ｔｒｓと実ラック位置Ｐｓとの間に偏差があると、目標操作反力設定部３９が操作反力を設定し、その設定値に応じて操作反力モータ１９を駆動するので、操作反力を発生し続けることとなる。しかしながら、このとき同時に操作トルクに基づいてＦＦ制御部３７によりＦＦ制御が実行されていると、ＦＦ制御は偏差を減少させるように働くため、積分ゲインＧｉを可変にした本来の目的（すなわち、路面状態に応じて操作反力を調整できるようにすること）が達成できなくなってしまう。
【００２８】
そこで、この実施の形態においては、操作レバー１１の操作周波数に応じてフィードフォワード効果（以下、ＦＦ効果と略す）を変化させることができるように、前述したバンドパスフィルタ（周波数補償手段）３８によって、操作レバー１１の操作周波数に応じてＦＦゲインＧｆｆを増減することができるようにした。なお、操作周波数は操作レバー１１の操作速度（回転速度）であり、操作量センサ１６で検出される操作量に基づいて検出することができる。
【００２９】
図７にバンドパスフィルタ３８のＦＦゲイン特性の一例を示す。この例のＦＦゲイン特性では、操作周波数が高いときにはＦＦ効果が大きくなるようにＦＦゲインＧｆｆを大きくし、操作周波数が低いときにはＦＦ効果を小さく抑えるようにＦＦゲインＧｆｆを小さくしている。このようにＦＦゲイン特性を設定すると、操作の初期段階等のように操作レバー１１の操作量は少ないが操作レバー１１の操作速度が速いときには、ＦＦ効果を大きくして転舵操作の遅れを感じさせないようにし、操作の終了間近の段階等のように操作レバー１１の操作速度が遅いときには、ＦＦ効果を小さくして、目標ラック位置Ｔｒｓと実ラック位置Ｐｓとの偏差Ｄｒｓを確保して、操作反力を感じられるようにすることができる。
なお、図７に示されるＦＦゲイン特性はあくまでも一例であり、この図に示される以外のＦＦゲイン特性を採用することも可能である。
【００３０】
次に、この操舵装置を搭載した車両における転舵操作を、図８〜図１０を参照して説明する。
いま、転舵制御が安定側に設定されており、図６に示すように、可変積分制御器３４は、低μ路では積分ゲインＧｉを高μ路の場合よりも小さく設定することで定常偏差を大きくして保舵安定性を高めるように設定されているものとする。また、バンドパスフィルタ３８のＦＦゲイン特性は、図７に示すように、操作周波数が低いときにはＦＦゲインＧｆｆを小さくし、操作周波数が高いときにはＦＦゲインＧｆｆを大きくするように設定されているものとする。
【００３１】
例えば、運転者が操作レバー１１を中立位置から右側に転舵操作した場合、操作の初期段階では、操作レバー１１の操作量は少ないが、操作レバー１１にかけられた操作トルクが大きくなる。ここで、操作トルクセンサ１５からのトルク検出値Ｔｓが出力されるので、転舵制御部３１のＦＦ制御部３７がトルク検出値Ｔｓに基づきマップ（図示せず）を検索してステアリングモータ５のＦＦ制御値Ｆｃｓを決定する。そして、このＦＦ制御値Ｆｃｓに基づいてステアリングモータ５が駆動されることで、ラック軸７が直線運動し、操作レバー１１の本格的な操作に先駆けてラック軸７が右側に移動し始める。
【００３２】
そして、操作レバー１１の操作量に基づいて、目標ラック位置設定部３３が目標ラック位置Ｔｒｓを設定し、目標ラック位置Ｔｒｓの現在の実ラック位置Ｐｓとの偏差Ｄｒｓを演算する。さらに、この偏差Ｄｒｓに基づいて可変積分制御器３４およびＰＤ制御器３５がＰＩＤ制御値Ｃｓを決定し、ＰＩＤ制御値ＣｓとＦＦ制御値Ｆｃｓを合成した制御値Ｄｓに基づいてステアリングモータ５が駆動されることで、ラック軸７が右側に移動する。
一方、目標操作反力設定部３９が現在の車速Ｖと偏差Ｄｒｓに基づいて目標操作反力制御値Ｔｍｓを演算し、この目標操作反力制御値Ｔｍｓに基づいて操作反カモータ１９が駆動される。
【００３３】
以上が、転舵操作したときの制御概要であるが、この実施の形態では、バンドパスフィルタ３８を備えていることによって、操作レバー１１の操作速度に応じて異なる過渡特性を示すようになる。
【００３４】
〔高μ路で速い操舵をした場合〕
初めに、図８を参照して、高μ路で速い操舵をした場合の過渡特性を説明する。
操作の初期段階では偏差Ｄｒｓが大きいので、目標操作反力設定部３９が操作反力制御値Ｔｍｓを大きく設定して、操作反力モータ１９が大きな操作反力を発生させる。そして、これに対向して操作レバー１１を操作するので、操作トルクセンサ１５によって検出されるトルク検出値Ｔｓが大きくなる。しかも、速い操舵をしているときには、操作の初期段階において操作周波数が高いことからバンドパスフィルタ３８はＦＦゲインＧｆｆを大きく設定する。その結果、ＦＦ制御部３７で設定されるＦＦ制御値Ｆｃｓが大きくなり、すなわち、ＦＦ出力が大きくなって、偏差Ｄｒｓを小さくする制御が行われる。したがって、高μ路で速い操舵をしたときの操作の初期段階では、極めて応答性がよく、運転者に操舵の遅れを感じさせなくすることができる。
この操作初期の過渡特性はコンプライアンスステア特性に相当し、このコンプライアンスステア特性は、可変積分制御器３４とＰＤ制御器３５によって決定される。これによりコンプライアンスステア特性は得られるが、操作によっては転舵操作に遅れを感じることがある。しかしながら、バンドパスフィルタ３８によりＦＦゲインＧｆｆを設定することによって、この転舵操作の遅れを解消することができる。
【００３５】
そして、操作の終了間近では操作周波数が低いことからバンドパスフィルタ３８はＦＦゲインＧｆｆを小さく設定する。その結果、ＦＦ制御部３７で設定されるＦＦ制御値Ｆｃｓが小さくなり、すなわち、ＦＦ出力が小さくなって、偏差Ｄｒｓを小さくする制御が抑制される。そして、操作の終了間近では偏差Ｄｒｓが定常偏差に収束していく。したがって、高μ路で速い操舵をしたときであっても操作が終了に近づいていくと、所定の操作反力（保舵力）が保持され、運転者に保舵安定性の良さを感じさせることができる。
【００３６】
〔高μ路で緩やかな操舵をした場合〕
次に、図９を参照して、高μ路で緩やかな操舵をした場合の過渡特性を説明する。
操作の初期段階では偏差Ｄｒｓが大きいので、目標操作反力設定部３９が操作反力制御値Ｔｍｓを大きく設定して、操作反力モータ１９が大きな操作反力を発生させる。そして、これに対向して操作レバー１１を操作するので、操作トルクセンサ１５によって検出されるトルク検出値Ｔｓが大きくなる。しかしながら、緩やかな操舵では操作の初期段階から操作終了まで操作周波数が低いことからバンドパスフィルタ３８はＦＦゲインＧｆｆを小さく設定する。その結果、操作の初期段階においても、ＦＦ制御部３７で設定されるＦＦ制御値Ｆｃｓは小さくなり、すなわち、ＦＦ出力が小さくなって、偏差Ｄｒｓを小さくする制御が抑制される。
すなわち、操作反力が大きくなる割には、実際の転舵量は大きくならず、事実上コンプライアンスステアを大きく取るような設定になる。そして、このような制御が操作の終了まで継続される。
これによって、速い操舵のときに比べて実際のステアリングレシオを下げるのと同様の効果を生むことができ、さらに保舵力を大きくすることができる。これによって、例えば、高速走行時のゆっくりしたレーンチェンジなどにおいて運転者に保舵安定性の良さを感じさせることができる。
【００３７】
〔低μ路での操舵〕
次に、図１０を参照して、低μ路での過渡特性を説明する。
低μ路では、通常車でも操舵に対する実舵の追従性が高く、反力や路面インフォメーションは小さくなり易い。しかしながら、ここでは低μ路の場合に、積分ゲインＧｉを高μ路の場合よりも小さく設定しているので、偏差Ｄｒｓが本来よりも大きくなり、目標操作反力設定部３９で設定される目標操作反力制御値Ｔｍｓが大きくなり、操作反力モータ１９が発生させる操作反力は積分ゲインＧｉが一定の場合に比べて大きくなる。そのため、積分ゲインＧｉが一定の場合には絶対的に操舵反力が小さくなってＦＦ制御効果も出ないところであるが、本システムによれば高μ路と同様にＦＦ制御効果を期待することができる。
これにより、低μ路では通常車で失われがちな路面インフォメーションや操舵感を高μ路の場合と同様に感じさせることができる。
【００３８】
このように、この実施の形態の車両用操舵装置によれば、可変積分制御器３４により路面状態（路面抵抗μ）に応じて操作反力を調整し、低μ路では積分ゲインＧｉを高μ路よりもさらに小さくして保舵安定性を高めることができる。しかも、バンドパスフィルタ３８により操作周波数に応じてＦＦ効果を調整することができるので、操作周波数が高いときには操作周波数が低いときよりもＦＦゲインＧｆｆを大きくして応答性を高めることができる。これにより、可変積分制御器３４による操作反力の最適設定と、ＦＦ制御部３７による応答性向上を両立することが可能になる。また、ＦＦゲインＧｆｆの設定の仕方によって操舵の過渡特性を所望に設定することができる。
【００３９】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、可変積分制御器３４は、路面状態に応じて積分効果を増減するだけでなく、それに加えて、例えば車両の運動状態量であるヨーレイト、横加速度、車速などに応じて積分効果を増減するようにしてもよい。
また、周波数補償手段は、バンドパスフィルタに限るものではなく、これに代えてローパスフィルタを用いてもよい。
また、この実施の形態における可変積分制御器３４では、積分ゲインＧｉを高μ路で適度に、低μ路ではさらに小さくするような例で説明したが、これ以外にも様々に変更可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、周波数補償手段により操作周波数に応じてＦＦ効果を調整することにより応答性を調整することができるという優れた効果が奏される。また、ＦＦ効果の設定の仕方によって操舵の過渡特性を所望に設定することが可能になるという効果もある。
さらに、積分制御器により路面状態に応じて積分効果を調整することにより操作反力を調整することができるので、操作反力の最適設定と応答性の向上を両立することが可能になるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る車両用操舵装置の一実施の形態における構成図である。
【図２】 前記実施の形態における操作部の斜視図である。
【図３】 操作トルクセンサの出力特性図である。
【図４】 操作量センサの出力特性図である。
【図５】 前記実施の形態における制御装置の制御ブロック図である。
【図６】 前記実施の形態における可変積分制御器の積分ゲイン特性図である。
【図７】 前記実施の形態におけるバンドパスフィルタのＦＦゲイン特性図である。
【図８】 前記実施の形態の車両用操舵装置により高μ路を速い操舵をした時の過渡特性図である。
【図９】 前記実施の形態の車両用操舵装置により高μ路を緩やかな操舵をした時の過渡特性図である。
【図１０】 前記実施の形態の車両用操舵装置により低μ路で操舵をした時の過渡特性図である。
【符号の説明】
２ 転舵機構部（転舵手段）
４ 制御装置（制御手段）
７ ラック軸
１０ ラック位置センサ（転舵量検出手段）
１１ 操作レバー（操作子）
１５ 操作トルクセンサ（操作トルク検出手段）
１６ 操作量センサ（操作量検出手段）
１９ 操作反力モータ（反力付与手段）
３３ 目標ラック位置設定部（目標ラック位置設定手段）
３４ 可変積分制御器（ＰＩＤ制御手段、積分制御器）
３５ ＰＤ制御器（ＰＩＤ制御手段）
３７ ＦＦ制御部（フィードフォワード制御手段）
３８ バンドパスフィルタ（周波数補償手段）
Ｗ 転舵輪
Claims (1)
- 運転者が車両を操作するための操作子と、
前記操作子の操作量を検出する操作量検出手段と、
前記操作子に操作方向に対する操作反力を与える反力付与手段と、
前記操作子から機械的に切り離され前記車両の転舵輪をラック軸を介して転舵させる転舵手段と、
前記転舵輪の転舵量を検出する転舵量検出手段と、
前記操作量検出手段で検出した操作量に基づいて前記ラック軸の目標ラック位置を設定する目標ラック位置設定手段と、
前記目標ラック位置設定手段により設定した目標ラック位置と前記転舵量検出手段で検出した実転舵量との偏差に応じて前記反力付与手段への制御量および前記転舵手段への制御量を決定する制御手段と、を備えた車両用操舵装置において、
前記操作子に作用する操作トルクを検出する操作トルク検出手段を備え、
前記制御手段は、前記操作トルク検出手段で検出した操作トルクに応じて前記転舵手段をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御手段と、前記操作量検出手段で検出した操作量に基づいて求めた前記操作子の操作速度に応じてフィードフォワード効果を増減する周波数補償手段と、前記目標ラック位置と前記実転舵量との偏差に応じて前記転舵手段をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御手段と、を備え、前記ＰＩＤ制御手段は、少なくとも路面状態に応じて積分効果を増減する積分制御器を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
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