JP4779495B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステアリングコラムシャフトに軸周りのトルクを与えるアクチュエータを備えた車両用操舵装置の技術分野に属する。

従来の車両用操舵装置としては、操舵トルク検出値から演算した第１の制御量と、操舵トルク検出値から演算した目標モータ回転角と実際のモータ回転角との偏差に基づく第２の制御量とを加算した制御量に基づいて、電動モータを制御することにより、所望のアシスト特性の確保と操舵感の向上との両立を図る自動車の電動パワーステアリング装置が知られている。この従来技術では、操舵トルク検出値に所定のフリクション成分を含ませることにより、操舵トルクとハンドル角との間に所定のヒステリシス特性を残し、操舵感のさらなる向上を図っている（特許文献１参照）。
特開２００３−８１１１９号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、電動モータや減速ギヤ等によるばらつきはある程度軽減できるが、下記のような理由により、製品のばらつきの影響を確実に排除できず、常に所望のアシスト特性が得られないという問題があった。

すなわち、電動モータや減速ギヤ等のばらつきの影響を小さくするためには、フィードバックゲインを大きくする必要があるが、フィードバックゲインを高めると、電動モータへの指令におけるアシスト制御が希薄となる。また、フィードバックゲインを単に大きく設定すると、制御系が発散する可能性がある。

本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、操舵感の向上と、製品のばらつきの影響の低減とを両立できる車両用操舵装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため本発明では、
ステアリングコラムシャフトに軸周りのトルクを与えるアクチュエータと、
前記ステアリングコラムシャフトのアクチュエータ入力部位とハンドルとの間に挿入されたトルクセンサと、
前記ステアリングコラムシャフトの前記トルクセンサよりも操向輪側の回転角である操舵角を検出する回転角センサと、
を有する車両用操舵装置において、
前記トルクセンサ検出値と回転角センサ検出値によりハンドル端に加えられるハンドル端トルクを推定するハンドル端トルク推定手段と、
前記ハンドル端トルクを入力とし、ステアリングコラムシャフトの操舵角の目標回転角を出力する所望のステアリング特性を表したステアリングモデルと、
前記目標回転角に実際のステアリングコラムシャフトの操舵角が追従するようにアクチュエータの出力を制御する位置サーボ制御手段と、
を設けたことを特徴とする。

本発明にあっては、所望のステアリング特性を表したステアリングモデルにより求まる目標回転角に基づき、アクチュエータが位置サーボ制御されるため、製品のばらつきに影響されず、常に所望のステアリング特性が得られる。よって、操舵感の向上と、製品のばらつきの影響の低減とを両立できる。

以下に、本発明の車両用操舵装置を実施するための最良の形態を、実施例１〜４に基づいて説明する。

実施例１は、本発明の車両用操舵装置を電動パワーステアリングシステムに適用した例である。

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の電動パワーステアリングシステムの全体構成図であり、実施例１の電動パワーステアリングシステムは、ハンドル１と、操舵トルクセンサ２と、操舵角センサ（回転角センサ）３と、ラック（舵取り機構）４と、コラムシャフト（ステアリングコラムシャフト）５と、アシストモータ（アクチュエータ）６と、減速器７と、コントローラ８と、ラック軸力センサ９と、操向輪１０，１０と、を備えている。

操舵トルクセンサ２は、ドライバの操舵トルクによるトーションバーのねじれを検出し、コントローラ８へ出力する。操舵角センサ３は、操舵トルクセンサ２よりも操向輪側のコラムシャフト５の回転角（以後、操舵角）を検出し、操舵角検出値をコントローラ８へ出力する。なお、ハンドル１と操舵角センサ３との間には、トーションバーが存在するため、ハンドル１の回転角と操舵角とは異なる値となる。

ラック４は、コラムシャフト５の回転をラック&ピニオンにより車両左右方向の動きに変換し、操向輪１０，１０を転舵させる。ラック軸力センサ９は、ラック４にかかる軸力を検出し、ラック軸力検出値をコントローラ８へ出力する。

アシストモータ６は、例えば、DCブラシレスモータが用いられ、モータ出力軸が減速器７を介してコラムシャフト５に連結され、コラムシャフト５に対し、ドライバの操舵力を補助するアシストトルクを出力。

コントローラ８は、操舵トルクセンサ２からの操舵トルク検出値と、操舵角センサ３からの操舵角検出値と、ラック軸力センサ９からのラック軸力検出値とに基づいて、アシストモータ６のモータ指令値を制御する。

図２は、コントローラ８の制御ブロック図である。コントローラ８は、大別して、操舵角を目標操舵角（目標回転角）に追従させるため、アシストモータ６への指令値を演算する操舵角サーボ（位置サーボ制御手段）８１と、目標操舵角を演算する仮想ステアリングモデル８２と、仮想ステアリングモデル入力トルク（ハンドル端トルク）を演算するトルク生成部（ハンドル端トルク推定手段）８３と、から構成される。

まず、操舵角サーボ８１から説明する。
この操舵角サーボ８１では、制御工学の一般理論に基づき、仮想ステアリングモデル８２の出力である目標操舵角に操舵角センサ検出値（実操舵角）が追従するようにアシストモータ６のモータ指令値が演算される。演算されたモータ指令値は、図外の電流ドライバへと出力され、電流ドライバを介してアシストモータ６に電流が供給される。

続いて、仮想ステアリングモデル８２について説明する。
仮想ステアリングモデル８２には、望ましいステアリング特性が記憶されている。図３にその一例を示す。ここでは、モデルの動特性を連続系で表しているため、積分器８２ａ，８２ｂは1/s（s：ラプラス演算子）で表される。また、理解を容易にするために、トルクや操舵角はすべてコラムシャフト周りに換算したものとする。

乗算器８２ｃは、入力に対し所望のステアリング慣性の逆数1/Ihを乗算した値を出力する。乗算器８２ｄは、入力に対しChを乗算し、所望のステアリング粘性を設定する。乗算器８２ｅは、望ましい静/動フリクションを再現するブロックである。乗算器８２ｆは、静フリクションによりハンドル１が停止したことを再現するブロックであり、仮想モデル中の操舵角速度を０にセットする役割がある。

以上の構成により、ドライバは操舵時の反力およびハンドル角の振る舞いを通して仮想ステアリングモデルの動きを味わうことができる。仮想ステアリングモデルに所望のステアリング特性を記述しておくことにより、望ましい操舵感を味わうことができる。

次に、仮想ステアリングモデル入力トルクを演算するトルク生成部８３について説明する。
図４にその一例を示す。トルク生成部８３は、乗算器８３ａと、加算器８３ｂと、乗算器８３ｃと、乗算器８３ｄと、加算器８３ｅとを備えている。

乗算器８３ａは、操舵トルクセンサ値trq_hに操舵トルクセンサのねじり剛性の逆数1/Ktを乗算した値をねじり角trq_h/Ktとし、、加算器８３ｂへ出力する。

加算器８３ｂは、操舵角センサ値θ_mと乗算器８３ａからのねじり角trq_h/Ktを加算した値をハンドル角θ_hとし、乗算器８３ｃへ出力する。

乗算器８３ｃは、加算器８３ｂからのハンドル角θ_hに２階微分を近似した伝達関数s²／（s²＋２ζω_ns＋ω_n ²）を乗算した値をハンドル角加速度θ_h"とし、乗算器８３ｄへ出力する。

乗算器８３ｄは、乗算器８３ｃからのハンドル角加速度θ_h"にハンドル１のイナーシャの逆数1/Ih₀を乗算した値を加算器８３ｅへ出力する。

加算器８３ｅは、操舵トルクセンサ値trq_hと、乗算器８３ｄの出力θ_h"×1/Ih₀とを加算した値を仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gとし、仮想ステアリングモデル８２へ出力する。

すなわち、トルク生成部８３では、操舵トルクセンサ値θ_mとハンドル加速度分に相当するトルクIh₀×θ_h"との和を、仮想ステアリングモデル入力trq_gとする。ハンドル加速度分は、ハンドルイナーシャIh₀とハンドル角加速度θ_h"との積である。

次に、作用を説明する。
［仮想ステアリングモデル入力トルク算出］
トルク生成部８３による仮想ステアリングモデル入力トルクの算出方法を説明する。

まず、ハンドル角の演算方法の一例を下記の式(1)に示す。操舵トルクセンサ値を操舵トルクセンサのねじり剛性で除してねじり角を算出し、それと操舵角を足してハンドル角とする。
θ_h＝θ_m＋trq_h／Kt …(1)
ここで、θ_hはハンドル角、θ_mは操舵角である。実施例１において操舵角は操舵トルクセンサ２よりも操向輪側すなわちコラムシャフト側の回転角を表すものとし、ハンドル角と区別する。trq_hは操舵トルクセンサ検出トルク、Ktは操舵トルクセンサねじり剛性（単位は、例えば[Nm/rad]）とする。

続いて、式(1)により求めたハンドル角θ_hの２回微分でハンドル角加速度を得る。２回微分は、例えば下記の式(2)に示すような伝達関数で近似しても良い。
θ_h"＝θ_h×s²／（s²＋２ζω_ns＋ω_n ²） …(2)

例として、ζを０.９、ω_nを２×π×６０[rad/s]が挙げられる。これらのパラメータは高周波のノイズ除去に関連しており、角周波数ω_n以上の信号は除去されることになる。また、これを小さく設定すると、操舵感を損なう可能性があるので、両者のトレードオフを考えて設定する。

以上から、仮想ステアリングモデル入力トルクは、下記の式(3)で表される。
trq_g＝trq_h＋Ih₀×θ_h" …(3)
ここでtrq_gは仮想ステアリングモデル入力トルク、trq_hは操舵トルクセンサ値、Ih₀は車両に実際に取り付いているハンドル１のイナーシャである。

［操舵角サーボ制御処理］
図５は、コントローラ８で実行される操舵角サーボ制御処理の流れを示すフローチャートであり、以下、各ステップについて説明する。なお、この制御処理は、あらかじめ設定された所定周期毎に実行される。

ステップS1では、トルク生成部８３において、操舵角センサ３から操舵角θ_mを読み込み、ステップS2へ移行する。

ステップS2では、トルク生成部８３において、操舵トルクセンサ２から操舵トルクtrq_hを読み込み、ステップS3へ移行する。

ステップS3では、トルク生成部８３において、式(1)を用いてハンドル角度θ_hを推定し、ステップS4へ移行する。

ステップS4では、トルク生成部８３において、式(2)を用いてハンドル角加速度θ_h"を推定し、ステップS5へ移行する。

ステップS5では、トルク生成部８３において、式(3)を用いて仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gを生成し、ステップS6へ移行する。

ステップS6では、仮想ステアリングモデル８２において、ステップS5で生成した仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gと、ラック軸力センサ９から読み込んだラック軸力とに基づいて、仮想ステアリングモデルによる目標操舵角演算を行い、ステップS7へ移行する。

ステップS7では、操舵角サーボ８１において、実操舵角を目標操舵角に追従させる操舵角サーボ制御を実施し、リターンへ移行する。

［操舵トルクのフィードバックループの問題点］
特開２００３-８１１１９号公報に記載の自動車の電動パワーステアリング装置は、電動パワーステアリングを構成する部品のイナーシャや、電動モータまたはこの電動モータとステアリングシャフトとの間に設けられる減速ギヤ等におけるフリクションのばらつきにより、所望の操舵感が得られない課題に対し考案されたものである。

この従来技術は、図６に示すように、ハンドル操舵トルクにゲインを掛けて第１の制御量とするアシスト制御部と、ハンドル操舵トルクから演算した目標モータ回転速度（G_V(s)の出力）と実際のモータ回転速度の偏差に基づいて第２の制御量を決定する舵角速度フィードバック制御部と、第１と第２の制御量を加減算した制御量をもって電動モータを制御するモータ制御部とを備えている。また、操舵反力に意図的にヒステリシス特性を与えるために、舵角速度フィードバック制御部の入力であるハンドル操舵トルク検出値に所定のフリクション成分（K_Fの出力）を含めることを提案している。

ところが、上記従来技術にあっては、電動モータや減速ギヤ等によるばらつきはある程度軽減できるが、確実には排除できない問題が存在する。その理由を以下に説明する。

電動モータや減速ギヤ等のばらつきの影響を小さくするためには、制御工学理論が示すように、フィードバックゲインを大きくする必要がある。図６において、G_V(s)もしくはG₀(s)の定常項がそのフィードバックゲインに相当する。それらのゲインを高めると、電動モータへの指令におけるアシスト制御が希薄となり、この制御の構成が意味を成さなくなる。また、それらのゲインを単に大きく設定すると制御系が発散する可能性がある。図６に示すように、電動モータが回転する結果、操舵トルクセンサを構成するトーションバーが捻られる。すなわち、この制御系はループを構成している。この従来技術では安定性に関する考察がなく、この構成ではフィードバックゲインを上げることができない。

これらのフィードバックはたしかにフリクションを含めた製品のばらつきを打ち消す方向に作用する方向ではあるが、この効果は小さいと言える。

［ステアリングモデルを用いた操舵角サーボ制御作用］
これに対し、実施例１の電動パワーステアリングシステムにおいて、ドライバがハンドル１を操作した際のシステムの動作を、以下に示す。

(a) 操舵トルクtrq_hが入力される。
(b) 仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gがその分変化し、目標操舵角θ_m ^*が変化する。（例えば、操舵トルクが左回転方向に加わった場合、仮想ステアリングモデルは左に回転し、その回転角すなわち目標操舵角θ_m ^*は左へずれる。）この目標操舵角θ_m ^*は仮想ステアリングモデルの慣性、粘性、フリクション、およびラック軸力に基づいて演算される。
(c) 目標操舵角θ_m ^*に実操舵角が追従するようにアシストモータ６が駆動される。
(d) (a)に戻る。

このシステム全体を、ドライバの操舵トルクを入力（操舵トルクセンサ２の検出するトルクではない）、操舵角（操舵トルクセンサ２よりも操向輪側のコラムシャフト５の回転角）を出力とするシステムと捉えた場合、操舵角サーボの追従性を高める程、図７に示すシステムに漸近することがわかる。この理由は、下記の通りである。

まず、仮想ステアリングモデル８２の入力は、ドライバの操舵トルクを近似したものであることは明らかである。すなわち、ドライバの操舵トルクは操舵トルクセンサ２をねじるトルクに加えて、ハンドル１を回転加速することに費やされるためである。あらかじめ操舵トルクセンサ２よりもハンドル側の粘性その他の特性が既知であれば、それらを考慮して入力を構成しても良い。

また、操舵角サーボの追従性を高めた場合、仮想ステアリングモデル８２の出力である目標操舵角θ_m ^*と実操舵角θ_mはほぼ一致する。すなわち、図１のシステムは図７に漸近する。

操舵角サーボの追従性を高めることにより、操舵系のハードに存在するばらつきをおさえることができる。たとえば、フリクションが存在した場合、その影響を取り除くことが可能となる。制御工学理論が示すように、追従性を高める（フィードバックゲインを大きくする）ことにより、制御対象のばらつきが抑えられることは明らかである。

すなわち、仮想ステアリングモデル８２に理想のモデルを記述することにより、ドライバは理想の操舵感を得ることができる。また、この理想モデルに望ましい静/動フリクションを記述することにより、任意の静/動フリクションを意図的に実現できる。例えば、従来はフリクションにばらつきがあったが、それを一定精度で実現することが可能となる。

最後の一点として、安定性の確保は操舵サーボ系のみ注意を払えば良いこと、すなわち、仮想モデルの記述では安定性に注意を払わなくても良い理由を説明する。安定性が失われる理由は、操舵サーボ系以外に新たなループが加わることである。しかし、仮想ステアリングモデル８２の入力は、ハンドル端でドライバが加えるトルクであり、これはドライバの意志で決定され、サーボ制御によって変化する量ではない。よって、以上の理由が示された。

補足として、単に操舵トルクセンサ２の値を仮想ステアリングモデル８２の入力として利用した場合、操舵トルクセンサ信号がなすフィードバックループが存在し、システムは発散する。すなわち、制御の流れでアシストモータ６が駆動され、操舵角θ_mが変化すると、ハンドル１とコラムシャフト５がねじられる。これにより、操舵トルクセンサ値trq_hが変化し、(b)の入力に影響が現れ、システムは発散することになる。

次に、効果を説明する。
実施例１の電動パワーステアリングシステムにあっては、以下に列挙する効果が得られる。

(1) コラムシャフト５にアシストトルクを与えるアシストモータ６と、コラムシャフト５のモータ入力部位とハンドル１との間に挿入された操舵トルクセンサ２と、コラムシャフト５の回転角を検出する操舵角センサ３と、を有する電動パワーステアリングシステムにおいて、トルクセンサ検出値trq_hと操舵角センサ検出値θ_mにより仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gを推定するトルク生成部８３と、仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gを入力とし、コラムシャフト５の目標操舵角θ_m ^*を出力する所望のステアリング特性を表した仮想ステアリングモデル８２と、目標操舵角θ_m ^*に実際のコラムシャフト５の操舵角（操舵角センサ検出値θ_m）が追従するようにアシストモータ６の出力を制御する操舵角サーボ８１と、を設けたため、製品のばらつきに影響されず、常に所望のステアリング特性が得られ、操舵感の向上と製品のばらつきの影響の低減とを両立できる。

(2) トルク生成部８３は、トルクセンサ検出値trq_hと操舵角センサ検出値θ_mとから想定されるねじれ角の和であるハンドル角θ_hを求め、続いて、トルクセンサ検出値trq_hと、ハンドル角θ_hの２階微分θ_h"とハンドル１のイナーシャIh₀との積と、の和を仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gとするため、ハンドル１の加速に費やされた分の操舵トルクを考慮して仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gを算出することができ、ドライバの操舵トルクをより正確に近似できる。

(3) 仮想ステアリングモデル８２は、仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gに加え、ステアリングコラムシャフト５に加わる外部入力であるラック軸力を入力とするため、路面入力に基づく最適な目標操舵角θ_m ^*が設定でき、望ましい操舵感が得られる。

(4) 仮想ステアリングモデル８２は、ステアリング慣性Ih、ステアリング粘性Ch、ステアリングの静／動フリクションに基づいて目標操舵角θ_m ^*を出力するため、イナーシャやフリクション等の製品のばらつきにかかわらず、常に最適な目標操舵角θ_m ^*が設定でき、所望のステアリング特性が得られる。

(5) ステアリングコラムシャフト５は、操向輪１０，１０を転舵させるラック４と機械的に連結され、アシストモータ６は、ドライバの操舵力を補助するため、高精度で安定したパワーアシストを実現できる。

まず、構成を説明する。
図８は、実施例２のトルク生成部を示す制御ブロック図であり、実施例２のトルク生成部８３'は、図４に示した実施例１のトルク生成部の構成に対し、微分器８３ｆと乗算器８３ｇを追加した点で異なり、他の構成は同一であるため、同一の構成部分には同一の符号を付して説明を省略する。

微分器８３ｆは、加算器８３ｂからのハンドル角θ_hを１階微分した値を、ハンドル角速度θ_h'とし、乗算器８３ｇへ出力する。

乗算器８３ｇは、微分器８３ｆからのハンドル角速度θ_h'に操舵トルクセンサ２のダンピング係数の逆数1/Dを乗算した値θ_h'×Dを、加算器８３ｅへ出力する。

加算器８３ｅは、操舵トルクセンサ値trq_hと、乗算器８３ｄの出力θ_h"×1/Ih₀と、乗算器８３ｇの出力θ_h'×Dとを加算した値を仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gとし、仮想ステアリングモデル８２へ出力する。

すなわち、実施例２では、トルク生成部８３'において、仮想ステアリングモデル入力トルクは、下記の式(4)から求められる。
trq_g＝trq_h＋D×θ_h'＋Ih₀×θ_h" …(4)
ここでtrq_gは仮想ステアリングモデル入力トルク、trq_hは操舵トルクセンサ値、Dはトルクセンサ２のトルクダンピング係数、Ih₀は車両に実際に取り付いているハンドル１のイナーシャである。

よって、実施例２では、ハンドル１の加速に費やされた分の操舵トルクに加え、トルクセンサ２のねじれとして消費された分の操舵トルクを考慮して仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gが算出される。

次に、効果を説明する。
実施例２の電動パワーステアリングシステムにあっては、実施例１の効果(1),(3)〜(5)に加え、以下の効果が得られる。

(6) トルク生成部８３は、トルクセンサ検出値trq_hと操舵角センサ検出値とから想定されるねじれ角の和であるハンドル角θ_hを求め、続いて、トルクセンサ検出値trq_hと、ハンドル角θ_hの１階微分θ_h'と操舵トルクセンサ２のねじりダンピング係数Dとの積と、ハンドル角θ_hの２階微分θ_h"とハンドル１のイナーシャIh₀との積と、の和を仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gとするため、ハンドル１の加速に費やされた分の操舵トルクに加え、トルクセンサ２のねじれとして消費された分の操舵トルクを考慮して仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gを算出することができ、実施例１と比較して、ドライバの操舵トルクをより正確に近似できる。

実施例３は、本発明の車両用操舵装置をステア・バイ・ワイヤシステムに適用した例である。
図９は、実施例３のステア・バイ・ワイヤシステムを示す全体構成図であり、実施例３のステア・バイ・ワイヤシステムは、ハンドル１と、操舵トルクセンサ２と、操舵角センサ（回転角センサ）３と、ラック（舵取り機構）４と、コラムシャフト（ステアリングコラムシャフト）５ａと、ピニオンシャフト５ｂと、反力モータ（アクチュエータ）６'と、減速器７と、コントローラ８'と、操向輪１０，１０と、タイヤ転舵モータ１１と、減速器１２と、を備えている。

実施例３のステア・バイ・ワイヤシステムは、ハンドル１と繋がったコラムシャフト５ａと、操向輪１０，１０と繋がったピニオンシャフト５ｂとが機械的に切り離され、操舵角と操舵トルクとに応じてタイヤ転舵モータ１１を制御し、操向輪１０，１０を転舵させる。なお、タイヤ転舵モータ１１を制御するコントローラについては、説明を省略する。

反力モータ６'は、コラムシャフト５ａに対し、操向輪１０，１０の状態に応じた路面入力を模擬するための操舵反力を出力する。

コントローラ８'は、操舵トルクセンサ２からの操舵トルク検出値と、操舵角センサ３からの操舵角検出値とに基づいて、反力モータ６'のモータ指令値を制御する。

なお、コントローラ８'の構成は、実施例１と同様であるが、操舵角サーボ８１'の出力であるモータ指令値が実施例１とは正逆反転される点、ラック軸力センサに代えて、あらかじめ車両の特性を記述した２輪モデル（参考文献：『自動車の運動と制御』、安部正人著、第５章、操舵系と車両の運動）を用意しておき、操舵角と車速との関係からラック軸力を推定する点で実施例１と異なる。

すなわち、実施例３のステア・バイ・ワイヤシステムでは、実施例１のパワーステアリングシステムに対し、操舵角サーボ系の設計対象が唯一異なる。図１０に実施例１に示した一般の電動パワーステアリング時の設計対象を、図１１に実施例３のステア・バイ・ワイヤシステムの設計対象を示す。図１１に示すように、ステア・バイ・ワイヤシステムでは、コラムシャフトが２分割されているため、操向輪側の機構を考慮する必要がない。

次に、効果を説明する。
実施例３のステア・バイ・ワイヤシステムにあっては、実施例１の効果(2)〜(4)に加え、以下に列挙する効果が得られる。

(7) コラムシャフト５に反力トルクを与える反力モータ６'と、コラムシャフト５のモータ入力部位とハンドル１との間に挿入された操舵トルクセンサ２と、コラムシャフト５の回転角を検出する操舵角センサ３と、を有するステア・バイ・ワイヤシステムにおいて、トルクセンサ検出値trq_hと操舵角センサ検出値θ_mにより仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gを推定するトルク生成部８３と、仮想ステアリングモデル入力トルクtrq_gを入力とし、コラムシャフト５の目標操舵角θ_m ^*を出力する所望のステアリング特性を表した仮想ステアリングモデル８２と、目標操舵角θ_m ^*に実際のコラムシャフト５の操舵角（操舵角センサ検出値θ_m）が追従するように反力モータ６'の出力を制御する操舵角サーボ８１と、を設けたため、製品のばらつきに影響されず、常に所望のステアリング特性が得られ、操舵感の向上と製品のばらつきの影響の低減とを両立できる。

(8) コラムシャフト５ａは、操向輪１０，１０を転舵させるラック４と機械的に切り離され、反力モータ６'は、路面入力を模擬した操舵反力を出力するため、製品のばらつきに影響されず、所望の反力制御を実現できる。

まず、構成を説明する。
図１２は、実施例４の電動パワーステアリングシステムの全体構成図であり、実施例４の電動パワーステアリングシステムは、図１に示した実施例１の構成に加え、路面の左右摩擦係数をそれぞれ推定する路面摩擦推定手段１３と、ブレーキの作動量を検出するブレーキ作動検出手段１４と、を備える。なお、その他の構成は、実施例１と同一であるため、同一の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

図１３は、実施例４のコントローラ８"の制御ブロック図であり、実施例４のコントローラ８"は、μスプリット制御部８４を備えている。μスプリット制御部８４は、路面摩擦係数とブレーキ量とを入力し、走行路がスプリットμ路であると判断され、かつドライバのブレーキ操作が形成されたとき、フリクションフラグ＝１を、それ以外のときフリクションフラグ＝０を、仮想ステアリングモデル８２"へ出力する。

図１４は、実施例４の仮想ステアリングモデル８２"であり、図３の乗算器８２ｅに代えてフリクションモデル８２ｇと、フリクション補正部８２ｈと、を備える点で実施例１と異なる。

フリクションモデル８２ｇは、仮想ステアリングモデル入力トルク、ラック軸力および粘性力の和と、操舵角速度を０にセットするスタック判断と、フリクション補正部８２ｈからのフリクション補正量とを入力し、乗算器８２ｃ前段にフリクショントルクを出力する。フリクショントルクは、操舵角速度が０のとき、静フリクショントルクを出力し、操舵角速度が０以外のとき、動フリクショントルクを出力する。

フリクション補正部８２ｈは、フリクションフラグが１のとき、高μ路側への操舵を阻む方向に発生するフリクショントルクをより大きな値に補正するフリクション補正量を設定し、フリクションモデル８２ｇへ出力する。

次に、作用を説明する。
［フリクション補正制御処理］
図１５は、実施例４のフリクション補正部８２ｈで実行されるフリクション補正制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。

ステップS11では、フリクションフラグが１であるか否かを判定する。YESの場合にはステップS12へ移行し、NOの場合にはステップS17へ移行する。

ステップS12では、操舵角速度は０であるか否かを判定する。YESの場合にはステップS13へ移行し、NOの場合にはステップS15へ移行する。

ステップS13では、仮想ステアリングモデル入力トルクは強オーバーステアを助長する方向か否かを判定する。YESの場合にはステップS14へ移行し、NOの場合にはリターンへ移行する。

ステップS14では、静フリクションを大きくするフリクション補正量をフリクションモデル８２ｈへ出力し、リターンへ移行する。

ステップS15では、操舵角速度は強オーバーステアを助長する方向か否かを判定する。YESの場合にはステップS16へ移行し、NOの場合にはリターンへ移行する。

ステップS16では、動フリクションを大きくするフリクション補正量をフリクションモデル８２ｈへ出力し、リターンへ移行する。

ステップS17では、静／動フリクションの補正を行わず、リターンへ移行する。

すなわち、フリクション補正部８２ｈは、フリクションフラグが０の場合には、ステップS11→ステップS17へと進んで静／動フリクションを補正せず、フリクションフラグが１の場合には、仮想ステアリングモデル８２"の操舵が強オーバーステアを助長する方向（例えば、高μ路面が左であったら左）であるか否かを判断し（ステップS13またはステップS15）、強オーバーステアを助長する方向である場合のみ、静／動フリクションを大きくする（ステップS14またはステップS16）。ここで、操舵角速度０のハンドル停止時には、静フリクションを大きくし、操舵角速度０以外のハンドル回転時には、動フリクションを大きくする。

［フリクション増加補正制御処理］
実施例４では、予測されるトルクステア（＝トルク値）が大きい程、静／動フリクションの増加分を大きくする。トルクステアは、ブレーキ量および左右路面摩擦係数から推定できるが、これは公知技術の適用であるため、説明を省略する。

図１６は、実施例４のフリクション補正部８２ｈで実行されるフリクション増加補正制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。

ステップS21では、フリクションフラグが０から１へ変化したか否かを判定する。YESの場合にはステップS22へ移行し、NOの場合にはリターンへ移行する。

ステップS22では、μスプリットブレーキによるトルクステアを計算し、ステップS23へ移行する（トルクステア予測手段に相当）。

ステップS23では、下記の式から静フリクションを算出し、ステップS24へ移行する。
静フリクション＝通常静フリクション＋|トルクステア|×K1
ただし、K1は正の定数
ステップS24では、下記の式から動フリクションを算出し、リターンへ移行する。
動フリクション＝通常動フリクション＋|トルクステア|×K2
ただし、K2は正の定数

上記補正処理は、スプリットμ路でのブレーキ開始の度に一度だけ設定される。一旦、フリクション補正制御が始まった後、増加分は制御が終了するまで固定される。また、フリクションの補正は静・動フリクション一方のみでも良い。

［フリクションフラグ設定制御処理］
図１７は、μスプリット制御部８４で実行されるフリクションフラグ設定制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。

ステップS31では、スプリットμ路であるか否かを判定する（スプリットμ路判断手段に相当）。YESの場合にはステップS32へ移行し、NOの場合にはステップS34へ移行する。ここで、スプリットμ路の判定は、路面摩擦推定手段１３の結果から左右の摩擦係数の差が所定値以上の場合、スプリットμ路と判断する。

ステップS32では、ブレーキ作動か否かを判定する（ブレーキ操作検知手段に相当）。YESの場合にはステップS33へ移行し、NOの場合にはステップS34へ移行する。ここで、ブレーキ作動は、ブレーキ作動検出手段１４により、所定ブレーキ圧以上を持って判断する。所定ブレーキ圧は小さく設定すると制御が過敏となり、センサノイズも拾いやすくなる。また、大き過ぎると強オーバーステア抑制制御が入りにくくなる。両者のトレードオフを考えて設定する。

ステップS33では、フリクションフラグをセット（＝１）とし、リターンへ移行する。

ステップS34では、フリクションフラグをリセット（＝０）とし、リターンへ移行する。

［スプリットμ路での強オーバーステアについて］
スプリットμ路（左右タイヤの路面摩擦係数が異なる路面）でのブレーキ時に発生する強オーバーステアを防止する技術としては、特開２００２−４６６３８号公報に記載の車両用操舵装置、特開平９−１４２３３０号公報に記載のステア・バイ・ワイヤ等が知られている。

スプリットμ路でのブレーキを掛けたときに強オーバーステアが発生する原因について説明すると、その理由は大きく分けて２つ存在する。まず１つ目は、左右ブレーキ力の差によるモーメントである。（図１８）。この場合、左右の摩擦係数が異なる程、また、ブレーキ力が強い程、モーメントは強くなる。

２つ目は、トルクステア（図１９）によりハンドルが切られることによる前輪横力である。これはモーメントを補強する形でモーメントを発生させる。この場合、図２０に示すように、高μ路側への操舵トルクが発生する。

特開２００２−４６６３８号公報に記載の車両用操舵装置は、パワーステアリングを前提とするものである。スプリットμ路のブレーキ時に強オーバーステアが発生しそうになると、強オーバーステア発生直前の実ヨーレイトを目標ヨーレイトとし、以後、強オーバーステア回避がなされるまで、実ヨーレイトを目標ヨーレイトに追従するようにアシストトルクを制御するものである。車両は目標ヨーレイトに追従する結果、強オーバーステアが防止されるとしている。

一方、特開平９−１４２３３０号公報に記載の技術は、ステア・バイ・ワイヤを前提とするものである。ハンドルとタイヤは電気的にのみ接続され、ハンドル角に応じたヨーレイトが生じるように、タイヤは転舵される。スプリットμ路によるブレーキモーメントが発生した場合、それを打ち消すように自動カウンタステアが発生する。

［従来技術の問題点］
特開２００２−４６６３８号公報に記載の技術は、以下の問題点を有している。
目標ヨーレイトに追従させるためのアシストトルクは車両の運動状況により変化することは明らかである。また、ドライバの操舵により車両の運動状況は変化する。すなわち、ドライバの操舵によりアシストトルクは変化することになる。このような、ドライバの操作により特性が変わる対象を制御することは、ドライバがその特性を把握しずらいことから一般に困難である。そのため、場合によっては操舵がハンチングする可能性がある。また、強オーバーステア直前のヨーレイトに追従させることは、それ以外のヨーレイトを発生させようとするドライバの操舵を妨げることになる。

一方、特開平９−１４２３３０号公報に記載の技術は、モーメントを打ち消すように自動カウンタステアが発生した結果、前輪には横力が発生する。そのため、車両は横運動を始める。すなわち、ドライバの意図しない車両挙動が発生するという問題がある。

［ステアリングモデルのフリクション補正による強オーバーステア抑制作用］
これに対し、実施例４では、ブレーキ作動開始直後のトルクステアによる操舵量を低減することにより、ドライバにカウンタステアを与える余裕を提供し、かつ、カウンタステア時の操縦性を悪化させないことにより、強オーバーステアの抑制を図るものである。実施例４では、図１３に示した操舵角サーボ８１、仮想ステアリングモデル８２"、トルク生成部８３により、ドライバは図２１に示す等価モデルの反力を感じることになる。

図２２は、スプリットμ路でブレーキを掛けた場合のシミュレーション結果であり、シミュレーション条件として、時刻０[ms]でドライバはブレーキ操作を行い、かつハンドルは保舵状態で、操舵トルクの変化は無いものとする。

図２２の結果から、制御時のフリクションは、非制御時のフリクションに対し、静／動フリクション共に、切り増し側の操舵を阻む方向に0.5[Nm]増加し、トルクステアによる操舵量が低減されているのが判る。これにより、強オーバーステアの原因の一部が取り除かれ、その強さが低減される。結果として、ドライバは余裕を持ってカウンタステアに移行することが可能となる。

［ドライバの介入許容作用］
強オーバーステアを助長する側にドライバが操舵した場合、増加したフリクションの影響で操舵を妨げる力が発生する。しかし、ドライバトルクに対するハンドルの動きの左右差が減少するため、操舵をより容易に行えるメリットが生ずる。ハンドルに加わるトルクの合計は強オーバーステア助長側、反対側で以下のようになる。

(a) ハンドル停止時
強オーバーステア助長側：（助長側への回転トルクをプラスとする）
トルク合計＝
ドライバトルク−静フリクション＋|トルクステア|−静フリクション増分
反対側：(反対側への回転トルクをプラスとする)
トルク合計＝ドライバトルク−静フリクション−|トルクステア|
非制御の場合、左右の差は（２×|トルクステア|）であったものが、制御を施すことにより、（２×|トルクステア|−静フリクション増分）まで低減されている。

(b) ハンドル回転時
強オーバーステア助長側：（助長側への回転トルクをプラスとする）
トルク合計＝
ドライバトルク−動フリクション＋|トルクステア|−動フリクション増分
反対側：(反対側への回転トルクをプラスとする)
トルク合計＝ドライバトルク−動フリクション−|トルクステア|
非制御の場合、左右の差は（２×|トルクステア|）であったものが、制御を施すことにより、（２×|トルクステア|−動フリクション増分）まで低減されている。
このため、ドライバ介入が容易になる。また、この関係から判るように、静フリクション、動フリクションいずれか一方でも効果は発揮される。

［ドライバとフリクション補正制御の干渉防止作用］
実施例４の制御により、左右の静／動フリクションは異なるものとなるが、この特性は把握しやすいものであり、その結果、人間と制御とのアンマッチによるハンチングは発生しない。また、フリクション力は操舵角速度にかかわらず一定であるため、操舵に応じた変化が生じないこともハンチングの発生防止を補うものである。また、一旦制御に入った後、制御が解除されるまでフリクションの増加分が変化しないことにより、ドライバはその特性を把握しやすくなり、干渉を防止することに効果がある。

［フリクション増分補正作用］
一旦制御に入った場合、フリクション増分は固定されるが、その大きさは制御に入る前に補正することによりその効果を補強できる。図２３にその効果を示す。このシミュレーションでは、フリクション増加分の補正の有無を比較するものである。

トルクステアは図２２と比較して増加しているが、これはブレーキ量（左右ブレーキ力の偏差）により予測可能である。そして、トルクステア予測値に応じて増加分補正量を多くすることにより、トルクステアの強さにかかわらず、ステア量を低減できる。

［制御レスポンス向上作用］
ブレーキ系は遅れ要素を含んでいる。逆にいうと、ブレーキ操作によるトルクステアは実際の操舵よりも前もって予測することが可能となる。また、フリクション補正制御はそれ自体により操舵トルクを発生することがないため、予測直後にフリクション補正制御を作動させることができる。すなわち、制御遅れが発生しないため、ステア量低減に効果的である。

次に、効果を説明する。
実施例４の電動パワーステアリングシステムにあっては、実施例１の効果(1)〜(5)に加え、以下に列挙する効果が得られる。

(9) 左側タイヤと右側タイヤで路面摩擦係数が異なる路面であるスプリットμ路を判断するスプリットμ路判断手段（ステップS31）と、ドライバのブレーキ操作を検知するブレーキ操作検知手段（ステップS32）と、を備え、仮想ステアリングモデル８２"は、操舵系のフリクションを模して再現し、ハンドル端トルクにフリクショントルクを加えるフリクションモデル８２ｇと、走行路がスプリットμ路であると判断され、かつドライバのブレーキ操作が検知されたとき、高μ路側への操舵を阻む方向に発生するフリクショントルクをより大きな値に補正するフリクション補正部８２ｈと、を備える。よって、ドライバにカウンタステアを与える余裕を提供し、かつカウンタステア時の操縦性悪化を防止することにより、強オーバーステアの発生を抑制できる。

(10) フリクションは、ハンドル停止時に発生する静フリクションおよびハンドル回転時に発生する動フリクションとしたため、ハンドル停止時とハンドル回転時で、フリクション補正制御により強オーバーステアの発生を抑制できる。また、ドライバに違和感を与えることの無いより現実に近いフリクション変化を実現できる。

(11) 左右ブレーキ力の偏差により生じるトルクステアの大きさを予測するトルクステア予測手段（ステップS22）を備え、フリクション補正部８２ｈは、ドライバのブレーキ操作開始直後に、トルクステアの予測値が大きい程、フリクショントルクをより増加させる（ステップS23，ステップS24）。よって、トルクステアの大きさ（強さ）にかかわらず、ステア量を低減できる。

(12) フリクション補正部８２ｈは、一旦増加させたフリクショントルクの値を維持するため、フリクション補正制御が解除されるまでフリクション増加分を変化させないことで、ドライバに操舵特性を把握させやすくすることができ、結果としてドライバとフリクション補正制御との干渉を防止することができる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１〜４に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、各実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない設計変更等があっても本発明に含まれる。

例えば、モータとコラムシャフトとの間に減速器を設けず、モータが直接コラムシャフトに操舵トルクを与える構成としても良い。また、コラムシャフトの外部入力を検出する手段としては、ラック軸力センサに加え、ヨーレイトセンサや横Ｇセンサ等を設けた構成としても良い。

各実施例では、目標操舵角から算出した電流指令値によりモータを駆動制御する例を示したが、目標操舵角から電圧指令値を算出し、この電圧指令値に応じてモータの駆動を制御する構成としても良い。この場合、コントローラは、ドライバを介さずモータに直接指令電圧を印加する。

実施例４では、パワーステアリングシステムをハードウェアの前提で説明したが、図２４に示すように、ハンドルとタイヤとが分割されたステア・バイ・ワイヤに適用した場合でも、実施例４と同様の作用効果が得られる。

実施例１の電動パワーステアリングシステムの全体構成図である。 実施例１のコントローラの制御ブロック図である。 実施例１の仮想ステアリングモデルの制御ブロック図である。 実施例１のトルク生成部の制御ブロック図である。 コントローラ８で実行される操舵角サーボ制御処理の流れを示すフローチャートである。 従来例を示す図である。 実施例１の漸近モデル（仮想ステアリングモデル）である。 実施例２のトルク生成部の制御ブロック図である。 実施例３のステア・バイ・ワイヤシステムを示す全体構成図である。 電動パワーステアリングに適用した場合の操舵角サーボの設計対象である。 ステア・バイ・ワイヤに適用した場合の操舵角サーボの設計対象である。 実施例４の電動パワーステアリングシステムの全体構成図である。 実施例４のコントローラ８"の制御ブロック図である。 実施例４の仮想ステアリングモデル８２"である。 実施例４のフリクション補正部８２ｈで実行されるフリクション補正制御処理の流れを示すフローチャートである。 実施例４のフリクション補正部８２ｈで実行されるフリクション増加補正制御処理の流れを示すフローチャートである。 μスプリット制御部８４で実行されるフリクションフラグ設定制御処理の流れを示すフローチャートである。 スプリットμ路での左右ブレーキ力差の発生原理を示す図である。 スプリットμ路でのトルクステア発生原理を示す図である。 スプリットμ路での前輪横力の発生原理を示す図である。 実施例４の等価モデルである。 実施例４の強オーバーステア抑制作用を示すシミュレーション結果である。 実施例４のトルクステアの強さに応じたフリクション増分補正作用を示すシミュレーション結果である。 ステア・バイ・ワイヤに適用した場合の操舵角サーボの設計対象である。

符号の説明

１ ハンドル
２ 操舵トルクセンサ
３ 操舵角センサ
４ ラック
５ コラムシャフト
６ アシストモータ
７ 減速器
８ コントローラ
８１ 操舵角サーボ
８２ 仮想ステアリングモデル
８３ トルク生成部
９ ラック軸力センサ
１０ 操向輪

Claims (11)

1. ステアリングコラムシャフトに軸周りのトルクを与えるアクチュエータと、
   前記ステアリングコラムシャフトのアクチュエータ入力部位とハンドルとの間に挿入されたトルクセンサと、
   前記ステアリングコラムシャフトの前記トルクセンサよりも操向輪側の回転角である操舵角を検出する回転角センサと、
   を有する車両用操舵装置において、
   前記トルクセンサ検出値と回転角センサ検出値によりハンドル端に加えられるハンドル端トルクを推定するハンドル端トルク推定手段と、
   前記ハンドル端トルクを入力とし、ステアリングコラムシャフトの操舵角の目標回転角を出力する所望のステアリング特性を表したステアリングモデルと、
   前記目標回転角に実際のステアリングコラムシャフトの操舵角が追従するようにアクチュエータの出力を制御する位置サーボ制御手段と、
   を設けたことを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
   前記ハンドル端トルク推定手段は、前記トルクセンサ検出値と回転角センサ検出値とから想定されるねじれ角の和であるハンドル回転角を求め、
   続いて、トルクセンサ検出値と、ハンドル回転角の２階微分とハンドル慣性との積と、の和をハンドル端トルクとすることを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
   前記ハンドル端トルク推定手段は、前記トルクセンサ検出値と回転角センサ検出値とから想定されるねじれ角の和であるハンドル回転角を求め、
   続いて、トルクセンサ検出値と、ハンドル回転角の１階微分とトルクセンサのねじりダンピング係数との積と、ハンドル回転角の２階微分とハンドル慣性との積と、の和をハンドル端トルクとすることを特徴とする車両用操舵装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記ステアリングモデルは、ハンドル端トルクに加え、ステアリングコラムシャフトに加わる外部入力を入力とすることを特徴とする車両用操舵装置。
5. 請求項４に記載の車両用操舵装置において、
   前記ステアリングモデルは、ステアリング慣性、ステアリング粘性、ステアリングの静フリクションおよび動フリクションに基づいて、前記目標回転角を出力することを特徴とする車両用操舵装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記ステアリングコラムシャフトは、操向輪を転舵させる舵取り機構と機械的に連結され、
   前記アクチュエータは、ドライバの操舵力を補助するアシストアクチュエータであることを特徴とする車両用操舵装置。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   前記ステアリングコラムシャフトは、操向輪を転舵させる舵取り機構と機械的に切り離され、
   前記アクチュエータは、路面入力を模擬した操舵反力を出力する反力アクチュエータであることを特徴とする車両用操舵装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
   左側タイヤと右側タイヤで路面摩擦係数が異なる路面であるスプリットμ路を判断するスプリットμ路判断手段と、
   ドライバのブレーキ操作を検知するブレーキ操作検知手段と、
   を備え、
   前記ステアリングモデルは、
   操舵系のフリクションを模して再現し、前記ハンドル端トルクにフリクショントルクを加えるフリクションモデルと、
   走行路がスプリットμ路であると判断され、かつドライバのブレーキ操作が検知されたとき、高μ路側への操舵を阻む方向に発生するフリクショントルクをより大きな値に補正するフリクション補正部と、
   を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
9. 請求項８に記載の車両用操舵装置において、
   前記フリクションは、前記ハンドル停止時に発生する静フリクション、または前記ハンドル回転時に発生する動フリクションの少なくとも一方としたことを特徴とする車両用操舵装置。
10. 請求項８または請求項９に記載の車両用操舵装置において、
    左右ブレーキ力の偏差により生じるトルクステアの大きさを予測するトルクステア予測手段を備え、
    前記フリクション補正部は、ドライバのブレーキ操作開始直後、前記トルクステアの予測値が大きい程、前記フリクショントルクをより増加させることを特徴とする車両用操舵装置。
11. 請求項１０に記載の車両用操舵装置において、
    前記フリクション補正部は、前記補正制御中、一旦増加させた前記フリクショントルクの値を維持することを特徴とする車両用操舵装置。

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