JP5105184B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両の操向のための操作部材に反力を付与する反力手段を備えた車両用操舵装置に関する。

車両用操舵装置として、ステアリングホイールと舵取り機構との機械的な結合をなくし、ステアリングホイールの操作角をセンサによって検出するとともに、そのセンサの出力に応じて制御される操舵用アクチュエータの駆動力を舵取り機構に伝達するようにしたステア・バイ・ワイヤシステムが提案されている（特許文献１）。ステア・バイ・ワイヤシステムでは、ステアリングホイールの操作角に対する舵取り車輪の転舵角の比（転舵角比）を自由に定めることができる。また、操舵用アクチュエータの制御による転舵角制御をステアリングホイールの操作とは独立して行うことができ、これにより、操舵制御による車両挙動安定化制御を行うこともできる。

ステア・バイ・ワイヤシステムでは、ステアリングホイールに操作反力を付与するための反力アクチュエータが備えられる。この反力アクチュエータは、ステアリングホイールの操作角および車速に応じて制御される。これにより、ステアリングホイールと舵取り機構とが機械的に結合された従来型の車両用操舵装置と同様な操作反力がステアリングホイールに付与されるようになっている。
特開２００１−２１３３４０号公報 特開２００６−２８０５号公報

しかし、操作角等に応じて反力アクチュエータからステアリングホイールに付与される操作反力は、必ずしも車両挙動に対応していないため、走行状況に応じた良好な操舵フィーリングを作り出すことは困難であった。
この問題は、車両挙動を表すヨーレートに比例する反力成分を操作反力に加えることによって緩和されると考えられる。

しかし、ステアリング中立位置（直進状態）から舵を切り始めるときのように、発生するヨーレートが小さな領域では、ヨーレート比例成分による効果が少ない。そのため、操舵フィーリングには、なお、改善の余地があった。
そこで、この発明の目的は、車両挙動に応じた操作反力を操作部材に付与することができ、これにより、操舵フィーリングの改善に寄与することができる車両用操舵装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、車両の挙動（γ）を検出する車両挙動検出手段（１６）と、この車両挙動検出手段によって検出された車両挙動の変化率（γ′）を求める車両挙動変化率演算手段（３９）と、車両を操向するための操作部材（１）の操作角（θ）を検出するための操作角検出手段（１１）と、この操作角検出手段によって検出される操作角の大きさが増加傾向か減少傾向かを判定する操作角増減判定手段（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５）と、前記操作部材に操作反力を付与する反力手段（１９）と、前記車両挙動変化率演算手段によって演算された変化率に対応する反力成分（Ｔ_γ′）を含む操作反力を前記反力手段から発生させるように当該反力手段を制御する反力制御手段（Ｓ１７〜Ｓ１９）と、前記操作角増減判定手段によって、操作角の大きさが減少傾向であると判定されたときに、前記変化率に基づく前記反力制御手段による反力制御を禁止する禁止手段（Ｓ４）と、を備えた車両用操舵装置である。なお、括弧内の数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。

この構成によれば、反力手段から操作部材に付与される操作反力は、車両挙動の変化率（時間変化率）に対応する（たとえば比例する）反力成分を含む。そのため、保舵状態から舵を切り始めたとき、とくに、操作角中点からの切り始めのときに、車両挙動の変化（車両の動き出し）に応じた操作反力を操作部材に充分に付与することができる。これにより、操舵フィーリングを改善することができる。

さらに、この発明では、操作角の大きさが増加傾向（操作角中点から離れる方向への操舵。往き操舵）か減少傾向（操作角中点に向かう方向への操舵。戻し操舵）かが判定される。操作角の大きさが減少傾向であり、したがって、戻し操舵が行われているときには、車両挙動の変化率に基づく反力制御が禁止される。戻し操舵のときには、車両挙動の変化率の符号は、車両挙動の方向（たとえば、ヨーレートの方向）と逆の符号となる。そのため、車両挙動変化率に基づく反力制御を行うと、操作反力が急減するおそれがあり、操舵違和感が生じるおそれがある。そこで、この発明では、戻し操舵のときに車両挙動変化率に基づく反力制御を禁止することで、操舵違和感を予防することにしている。

前記車両挙動検出手段は、車両挙動として、車両のヨーレート（γ）を検出するものであってもよい。この場合、前記車両挙動変化率演算手段は、ヨーレートの時間微分値であるヨー加速度（γ′）を演算するものであることが好ましい。
前記禁止手段は、車両挙動変化率に対応する反力成分を零にするものであってもよい。
また、前記反力制御手段は、さらに、前記車両挙動演算手段によって演算された車両挙動に対応する（たとえば比例する）反力成分（Ｔ_γ）を含む操作反力を前記反力手段から発生させるように当該反力手段を制御するものであってもよい。

さらにまた、前記反力制御手段は、さらに、操作角検出手段によって検出された操作角に対応する反力成分（Ｔ_θ）を含む操作反力を前記反力手段から発生させるように当該反力手段を制御するものであってもよい。この操作角に対応する反力成分は、車両の速さ（Ｖ）に応じて大きさが変化するようになっていてもよい。たとえば、この反力成分の大きさは、車両の速さが速いほど大きくなるように変化することが好ましい。

請求項２記載の発明は、舵取り機構に転舵力を付与する転舵用モータ（２）と、この転舵用モータの電流を検出するための電流検出手段（２５）と、をさらに備え、前記反力制御手段は、前記電流検出手段によって検出された電流に対応する反力成分（Ｔ_cur）を含む操作反力を前記反力手段から発生させるように当該反力手段を制御するものである、請求項１記載の車両用操舵装置である。

転舵用モータの電流（負荷電流）は、タイヤが路面から受ける力に対応する（たとえば比例する）。そこで、この電流を電流検出手段によって検出し、その検出電流に対応する反力成分を含む操作反力を操作部材に付与することによって、路面状況に応じた操作反力を運転者に与えることができる。これにより、車両挙動だけでなく路面状況をも操作反力に反映できるので、車両の走行状況に応じた操作反力を操作部材に付与できる。その結果、操舵フィーリングを一層向上することができる。

請求項３記載の発明は、前記反力制御手段は、前記操作部材の操作周波数が所定の閾値（ｆ_th）を超えている場合には、前記操作周波数が前記閾値以下のときよりも、前記変化率に対応する反力成分のゲイン（Ｇ_γ′）を小さく設定するゲイン設定手段を含む、請求項１または２記載の車両用操舵装置である。
操作部材を左右に素早く操作する場合のように、操作部材への操舵入力が高周波である場合には、操舵に対する車両挙動（たとえばヨーレート）の発生の遅れが問題となるおそれがある。極端な場合には、操作角の変化と車両挙動の変化とが逆位相となるおそれがある。このような場合には、車両挙動変化率に対応する反力成分のために、操作反力が振動したり、発散したりするおそれがあるから、操舵フィーリングの悪化を招くおそれがある。そこで、この発明では、操作部材の操作周波数が所定の閾値を超えているときには、車両挙動変化率に対応する反力成分のゲインを小さくするようにしている。これにより、操作反力の振動または発散を防ぐことができ、良好な操作フィーリングを維持することができる。

車両挙動に対応する反力成分が操作反力に含まれる場合には、操作部材の操作周波数が前記閾値を超えているときに、当該反力成分に対するゲイン（Ｇ_γ）も併せて小さくすることが好ましい。
また、転舵用モータの電流に対応する反力成分が操作反力に含まれる場合には、操作部材の操作周波数が前記閾値を超えているときに、当該反力成分に対するゲイン（Ｇ_cur）を大きくすることが好ましい。これにより、車両挙動および／または車両挙動変化率に対応する反力成分の減少分を補うことができるから、操舵フィーリングを一層向上することができる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための図解図であり、ステア・バイ・ワイヤシステムの構成が示されている。この車両用操舵装置は、運転者が操向のために操作する操作部材としてのステアリングホイール１と、ステアリングホイール１の回転操作に応じて駆動される操舵用アクチュエータ２と、操舵用アクチュエータ２の駆動力を、舵取り車輪としての前方左右車輪４に伝達するステアリングギヤ３とを備えている。ステアリングホイール１と、操舵用アクチュエータ２等を含む舵取り機構５との間には、ステアリングホイール１に加えられた操作トルクが舵取り機構５に機械的に伝達されるような機械的な結合はなく、ステアリングホイール１の操作量（操作角または操作トルク）に応じて操舵用アクチュエータ２が駆動制御されることによって、車輪４が転舵されるようになっている。

操舵用アクチュエータ２は、例えば公知のブラシレスモータ等の電動モータにより構成される転舵用モータである。ステアリングギヤ３は、操舵用アクチュエータ２の出力シャフトの回転運動をステアリングロッド７の直線運動（車両左右方向の直線運動）に変換する運動変換機構を有する。ステアリングロッド７の動きがタイロッド８およびナックルアーム９を介して車輪４に伝達され、車輪４のトー角（転舵角）が変化する。ステアリングギヤ３は、公知のものを用いることができ、操舵用アクチュエータ２の動きを舵角が変化するように車輪４に伝達できれば構成は限定されない。なお、操舵用アクチュエータ２が駆動されていない状態では、車輪４がセルフアライニングトルクにより直進操舵位置に復帰できるようにホイールアラインメントが設定されている。

ステアリングホイール１は、車体側に回転可能に支持された回転シャフト１０に連結されている。この回転シャフト１０には、ステアリングホイール１に作用する反力トルク（操作反力）を発生する反力アクチュエータ１９が設けられている。この反力アクチュエータ１９は、回転シャフト１０と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータにより構成できる。

車体と回転シャフト１０との間には、ステアリングホイール１を直進操舵位置に復帰させる方向の弾力を付与する弾性部材３０が設けられている。この弾性部材３０は、たとえば、回転シャフト１０に弾力を付与するバネにより構成できる。反力アクチュエータ１９が回転シャフト１０にトルクを付加していないとき、ステアリングホイール１は、弾性部材３０の弾力により、直進操舵位置に復帰する。

ステアリングホイール１の操作角（回転角）θを検出するために、回転シャフト１０の回転角を検出する角度センサ１１が設けられている。また、車両の運転者がステアリングホイール１に作用させる操作トルクＴｈを検出するために、回転シャフト１０により伝達されるトルクを検出するトルクセンサ１２が設けられている。さらに、車両の舵角（舵取り機構５の転舵角）δを検出するための舵角センサ１３が備えられている。舵角センサ１３は、たとえば、転舵角δに対応するステアリングロッド７の作動量を検出するポテンショメータにより構成されている。また、車速Ｖを検出する速度センサ１４、車両の横加速度Ｇｙを検出する横加速度センサ１５、および車両のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ１６が設けられている。

これらの角度センサ１１、トルクセンサ１２、舵角センサ１３、速度センサ１４、横加速度センサ１５およびヨーレートセンサ１６は、コンピュータにより構成される制御装置２０にそれぞれ接続されている。制御装置２０は、駆動回路２２，２３を介して、操舵用アクチュエータ２および反力アクチュエータ１９を制御するようになっている。
図２は、制御装置２０の制御ブロック図を示す。ステアリングホイール１には、運転者が操作トルクＴｈを加え、反力アクチュエータ１９が反力トルクＴｍを加える。ステアリングホイール１の操作量としての操作角θは角度センサ１１によって検出されて、制御装置２０に入力される。

制御装置２０は、ソフトウェア処理によって実現される機能処理手段として、転舵角設定部３１と、目標ヨーレート設定部３２と、ヨーレート偏差演算部３３と、転舵角補正値演算部３４と、設定転舵角補正部３５と、目標電流演算部３６と、反力設定部３７と、ゲイン乗算部３８と、ヨー加速度演算部３９とを備えている。
転舵角設定部３１は、伝達関数Ｋ_δ（Ｖ）を用い、操作角θおよび車速Ｖに応じた転舵角設定値δ_FF ^*を求める。この転舵角設定値δ_FF ^*が設定転舵角補正部３５に与えられるようになっている。このように、転舵角設定部３１は、操舵状態に応じて転舵角設定値δ_FF ^*（舵角値）を定めるための舵角フィードフォワード制御値設定手段としての機能を有している。

目標ヨーレート設定部３２は、操作角θおよび車速Ｖに基づき、伝達関数Ｋ_γ（Ｖ）を用いて、車両挙動目標値としての目標ヨーレートγ^*を求める。この目標ヨーレートγ^*は、ヨーレート偏差演算部３３に与えられるようになっている。
ヨーレート偏差演算部３３は、目標ヨーレートγ^*から、ヨーレートセンサ１６によって検出される車両１００の実際のヨーレートγを差し引いて、これらの偏差Δγを求める。

転舵角補正値演算部３４は、伝達関数Ｃ_FB（ｓ）（ただし、ｓはラプラス演算子）を用い、前記ヨーレート偏差Δγに応じた転舵角補正値δ_FB ^*を求める。この転舵角補正値δ_FB ^*は、設定転舵角補正部３５に与えられるようになっている。
設定転舵角補正部３５は、転舵角設定値δ_FF ^*を転舵角補正値δ_FB ^*で補正して目標転舵角δ^*を求める。こうして、ヨーレートセンサ１６によって検出されるヨーレートγをフィードバックして、車両１００のヨーレートを目標ヨーレートγ^*へと導く車両挙動安定化制御が行われる。すなわち、ヨーレート偏差Δγの絶対値が大きければ、それに応じて転舵角補正値δ_FB ^*（舵角補正値）の絶対値が大きくなり、運転者のステアリングホイール１の操作とは関係なく転舵角を変更するアクティブ操舵制御が行われることになる。

前記ヨーレート偏差演算部３３および転舵角補正値演算部３４は、車両挙動に応じた転舵角補正値δ_FB ^*（舵角補正値）を設定する舵角フィードバック制御値設定手段として機能し、さらにこれに目標ヨーレート設定部３２を加えて、車両挙動を安定化させるための車両挙動安定化制御手段が構成されている。
目標電流演算部３６は、伝達関数Ｃ_δ（ｓ）を用いて、目標転舵角δ^*に応じた目標電流値ｉ^*を求める。この目標電流値ｉ^*が達成されるように、操舵用アクチュエータ２が制御されることにより、舵取り機構５の転舵角δが目標転舵角δ^*に近づけられる。

ヨー加速度演算部３９は、ヨーレートセンサ１６によって検出されたヨーレートを時間微分することによってヨー加速度（ヨーレート微分値）γ′を求める。このヨー加速度γ′は、反力設定部３７に与えられるようになっている。
反力設定部３７は、角度センサ１１によって検出される操作角θ、速度センサ１４によって検出される車速Ｖ、ヨーレートセンサ１６によって検出されるヨーレートγ、およびヨー加速度演算部３９によって演算されるヨー加速度γ′に基づき、目標反力トルク基本値Ｔ_objを求める。この目標反力トルク基本値Ｔ_objに対して、トルクセンサ１２によって検出される操作トルクＴｈに応じたトルクゲインＫ_Tが乗じられることにより、目標反力トルクＴｍ^*が得られる。この目標反力トルクＴｍ^*に基づいて、反力アクチュエータ１９が制御される。

こうして、反力アクチュエータ１９は、操作角θ、車速Ｖ、ヨーレートγおよびヨー加速度γ′に応じた反力トルクＴｍをステアリングホイール１に付与するように動作する。これにより、舵取り機構５側に加わる外力をステアリングホイール１に帰還するバイラテラルサーボシステムが構成されている。
図３は、反力設定部３７のより詳しい構成を説明するための機能ブロック図である。反力設定部３７は、第１反力成分生成部４１と、第２反力成分生成部４２と、第３反力成分生成部４３と、ゲイン設定部４６と、加算部４７とを備えている。

第１反力成分生成部４１は、操作角θおよび車速Ｖに対応する操作角反力成分Ｔ_θ（Ｖ）を生成する。第２反力成分生成部４２は、ヨーレートγに対応するヨーレート反力成分Ｔ_γを生成する。第３反力成分生成部４３は、ヨー加速度γ′に対応するヨー加速度反力成分Ｔ_γ′を生成する。ゲイン設定部４６は、操作角θおよびヨー加速度γ′に応じて、ヨー加速度γ′に対するヨー加速度反力成分Ｔ_γ′のゲインＧ_γ′を設定する。したがって、第３反力成分生成部４３は、ゲイン設定部４６によって設定されたゲインＧ_γ′に応じたヨー加速度反力成分Ｔ_γ′を生成する。加算部４７は、第１、第２および第３反力成分生成部４１，４２，４３によって生成される操作角反力成分Ｔ_θ（Ｖ）、ヨーレート反力成分Ｔ_γおよびヨー加速度反力成分Ｔ_γ′を加算して、目標反力トルク基本値Ｔ_obj（＝Ｔ_θ（Ｖ）＋Ｔ_γ＋Ｔ_γ′）を生成する。

図４Ａは第１反力成分生成部４１による操作角反力成分Ｔ_θ（Ｖ）の設定例を示す図であり、図４Ｂは第２反力成分生成部４２によるヨーレート反力成分Ｔ_γの設定例を示す図であり、図４Ｃは第３反力成分生成部４３によるヨー加速度反力成分Ｔ_γ′の設定例を示す図である。いずれもパラメータ（θ，γ，γ′）の正の領域の特性曲線のみが示されているが、各パラメータの負の領域の特性は、各図において、原点に対して点対称な曲線で表される。

図４Ａに示されているように、操作角θに対応する操作角反力成分Ｔ_θは、操作角θの絶対値が大きくなるほど大きくなり、車速Ｖが大きくなるほど大きくなるように定められる。操作角θの絶対値が小さな範囲、すなわち、操作角中点付近の操作角範囲では、操作角反力成分Ｔ_θが急峻に立ち上がり、操作角中点付近から離れた操作角範囲では、操作角反力成分Ｔ_θが緩慢に立ち上がる特性となっている。

また、図４Ｂに示されているように、ヨーレートγに対応するヨーレート反力成分Ｔ_γは、たとえば、ヨーレートγに比例するように定められる。
さらに、図４Ｃに示されているように、ヨー加速度γ′に対応するヨー加速度反力成分Ｔ_γ′は、たとえば、ヨー加速度γ′に比例するように定められる。この場合、ヨー加速度反力成分Ｔ_γ′は、前述のゲインＧ_γ′を用いて、Ｔ_γ′＝γ′×Ｇ_γ′と表すことができる。

図５はゲイン設定部４６による処理を説明するためのフローチャートである。ゲイン設定部４６は、操作角θが零以上かどうかを判断する（ステップＳ１）。操作角θが０以上のときには、ゲイン設定部４６は、さらに、ヨー加速度γ′が０以上かどうかを判断する（ステップＳ２）。ヨー加速度γ′が０以上のとき（ステップＳ２：ＹＥＳ）、つまり、操作角θとヨー加速度γ′とが同符号のときには、ゲイン設定部４６は、図４Ｃに示されている特性に対応するゲインＧ_γ′（＞０）を生成する（ステップＳ３）。したがって、第３反力成分生成部４３は、ヨー加速度γ′に対応するヨー加速度反力成分Ｔ_γ′（＝γ′×Ｇ_γ′）を生成することになる。

一方、ステップＳ２において、ヨー加速度γ′が０未満であるとき（ステップＳ２：ＮＯ）、すなわち、操作角θとヨー加速度γ′とが異符号であるときには、ゲイン設定部４６は、ゲインＧ_γ′を０に設定する（ステップＳ４）。したがって、第３反力成分生成部４３が生成するヨー加速度反力成分Ｔ_γ′が零になる。
操作角θが負の値のとき（ステップＳ１：ＮＯ）、ゲイン設定部４６は、ヨー加速度γ′が０以上かどうかを判断する（ステップＳ５）。ヨー加速度γ′が０以上のとき（ステップＳ５：ＹＥＳ）、すなわち、操作角θとヨー加速度γ′とが異符号であるときには、ゲイン設定部４６は、ゲインＧ_γ′を０に設定する（ステップＳ４）。したがって、第３反力成分生成部４３が生成するヨー加速度反力成分Ｔ_γ′が零になる。

一方、ヨー加速度γ′が負の値であるとき（ステップＳ５：ＮＯ）、つまり、操作角θとヨー加速度γ′とが同符号のときには、ゲイン設定部４６は、図４Ｃに示されている特性に対応するゲインＧ_γ′（＞０）を生成する（ステップＳ３）。したがって、第３反力成分生成部４３は、ヨー加速度γ′に対応するヨー加速度反力成分Ｔ_γ′（＝γ′×Ｇ_γ′）を生成することになる。

操作角θとヨー加速度γ′とが異符号になるのは、ステアリングホイール１を操作角中点（θ＝０）に向かって操作する戻し操舵のとき、すなわち、操作角θの大きさ｜θ｜が減少傾向のときである。ステアリングホイール１を操作角中点から離れる方向に操作する往き操舵時、およびステアリングホイール１の操作角θを保持している保舵時、すなわち、操作角θの大きさ｜θ｜が増加傾向のとき（増減のないときを含む。）には、操作角θとヨー加速度γ′とは同符号（いずれも零の場合を含む。）となる。したがって、戻し操舵のときに、ゲインＧ_γ′が零となり、それに応じて、ヨー加速度反力成分Ｔ_γ′が零となる。これにより、戻し操舵時には、ヨー加速度γ′に対応する反力制御が禁止される。

図６は、反力制御に関連する処理の流れを説明するためのフローチャートであり、制御装置２０によって所定の制御周期毎に繰り返し実行される処理が示されている。制御装置２０は、角度センサ１１によって検出される操作角θと、トルクセンサ１２によって検出される操作トルクＴｈと、速度センサ１４によって検出される車速Ｖと、ヨーレートセンサ１６によって検出されるヨーレートγとを取り込む（ステップＳ１１）。ヨー加速度演算部３９は、ヨーレートγを時間微分することによって、ヨー加速度γ′を生成する（ステップＳ１２）。また、ゲイン設定部４６は、操作角θおよびヨー加速度γ′に基づいて、ゲインＧ_γ′を生成する（ステップＳ１３）。この処理の詳細は、前述の図５のとおりである。

第１反力成分生成部４１は、操作角θおよび車速Ｖに基づいて、図４Ａの特性に従い、操作角反力成分Ｔ_θ（Ｖ）を生成する（ステップＳ１４）。第２反力成分生成部４２は、ヨーレートγに基づいて、図４Ｂの特性に従い、ヨーレート反力成分Ｔ_γを生成する（ステップＳ１５）。第３反力成分生成部４３は、ヨー加速度γ′に基づいて、図４Ｃの特性に従い、ヨー加速度反力成分Ｔ_γ′を生成する（ステップＳ１６）。これらが、加算部４７で足し合わされることによって、目標反力トルク基本値Ｔ_objが生成される（ステップＳ１７）。この目標反力トルク基本値Ｔ_objに対して、ゲイン乗算部３８により、トルクゲインＫ_Tが乗じられ、操作トルクＴｈを考慮した目標反力トルクＴｍ^*が生成されることになる（ステップＳ１８）。この目標反力トルクＴｍ^*と反力アクチュエータ１９の発生トルクとが一致するように、この反力アクチュエータ１９が駆動される（ステップＳ１９）。

図７は、操作角θ（図７(a)）、ヨーレートγ（図７(b)）およびヨー加速度γ′（図７(c)）の時間変化の一例を示す図である。より具体的には、ステアリングホイール１を右方向操作角θ＞０の方向）に操作し、しばらく保舵した後に、操作角中点に戻したときの各値の時間変化が示されている。ステアリングホイール１の操作に応じて、操作角θは、正の値に立ち上がり、しばらく一定値に保持された後に、零に戻っている。ヨーレートγは、操作角θにやや遅れて変化し、正の値に立ち上がった後、しばらく一定値に保持された後、零に戻っている。ヨー加速度γ′は、ヨーレートγの立ち上がり時に正の値となり、ヨーレートγが一定値の期間には零となり、ヨーレートγが零に戻る立ち下がり時には負の値（図７Ｃにおいて斜線を付して示す。）となる。ヨー加速度γ′が負の値となる期間（戻し操舵によって操作角の大きさ｜θ｜が減少傾向となる期間）は、操作角θとヨー加速度γ′との符号が異なるので、ヨー加速度γ′のゲインＧ_γ′は０に設定され（図５のステップＳ４）、この期間のヨー加速度γ′は、反力制御に寄与しない。

以上のように、この実施形態によれば、車両挙動を表すヨーレートγに対応するヨーレート反力成分Ｔ_γに加えて、ヨー加速度γ′（車両挙動の変化率）に対応するヨー加速度反力成分Ｔ_γ′が目標反力トルク基本値Ｔ_objに含まれている。これにより、車両挙動をより的確に反映した反力トルクをステアリングホイール１に与えることができる。具体的には、保舵状態から操舵を開始した直後、とくに操作角中点（直進状態）から舵を切り始めた期間において、車両挙動に対応した操作反力をステアリングホイール１に与えることができる。これにより、操作角中点付近における操舵フィーリングを改善することができ、結合型の操舵装置により一層近いフィーリングを実現できる。

一方、戻し操舵のときには、ヨー加速度γ′は、ヨーレートγと逆の符号となる。そのため、ヨー加速度γ′に基づく反力制御を行うと、操作反力が急減するおそれがある。そこで、この実施形態では、戻し操舵の際には、ヨー加速度γ′に対応するヨー加速度反力成分Ｔ_γ′を零とし、ヨー加速度γ′に基づく反力制御を禁止することとしている。これにより、舵を切り込んで保舵している状態から操作角中点への戻し操舵を行う際に操舵違和感が生じることを防止できる。

図８は、この発明の第２の実施形態に係る車両用操舵装置における反力制御のための構成を説明するための機能ブロック図であり、図３の構成に代えて用いることができる反力設定部３７Ａの構成が示されている。この図８において、図３に示された構成に対応する部分には、図３と同一参照符号を付して示す。
この実施形態では、操舵用アクチュエータ２（転舵用モータ）の駆動電流（モータ電流。負荷電流）を検出するための電流検出回路２５（図１に二点鎖線で示す。）と、ステアリングホイール１の操作周波数を検出するための操作周波数検出部２６とが備えられている。

反力設定部３７Ａは、図３に示された構成に加えて、第４反力成分生成部４４を備えている。この第４反力成分生成部４４は、電流検出回路２５によって検出されるモータ電流に応じた電流反力成分Ｔ_curを生成する。この電流反力成分Ｔ_curは、他の反力成分Ｔ_θ（Ｖ），Ｔ_γおよびＴ_γ′とともに、加算部４７において加算される。したがって、この実施形態では、目標反力トルク基本値Ｔ_obj＝Ｔ_θ（Ｖ）＋Ｔ_γ＋Ｔ_γ′＋Ｔ_curと表される。

電流検出回路２５は、駆動回路２２から操舵用アクチュエータ２に供給される駆動電流を検出する。操作周波数検出部２６は、たとえば、角度センサ１１の出力信号の周波数を演算するものであって、制御装置２０よるソフトウェア処理によって実現される機能処理手段である。
ゲイン設定部４６は、この実施形態では、ヨーレート反力成分Ｔ_γのゲインＧ_γ、ヨー加速度反力成分Ｔ_γ′のゲインＧ_γ′、および電流反力成分Ｔ_curのゲインＧ_curを設定するようになっている。より具体的には、ゲインＧ_γ、Ｇ_γ′およびＧ_curは、操作周波数検出部２６が検出する操作周波数ｆに応じて可変設定されるようになっている。また、ヨー加速度反力成分Ｇ_γ′のゲインＧ_γ′については、さらに、前述の図５のフローチャートに従う処理によって、戻し操舵のときには、零とされるようになっている。

図９は、第４反力成分生成部４４により生成される電流反力成分Ｔ_curの特性を説明するための図である。電流反力成分Ｔ_curは、電流検出回路２５によって検出される駆動電流に比例するように定められる。操舵用アクチュエータ２の駆動電流は、操舵用アクチュエータ２の負荷に対応しており、したがって、路面から舵取り機構５に伝達される路面からの入力を表す指標であるから、電流反力成分Ｔ_curは路面からの入力に対応することになる。つまり、電流反力成分_Tcurを目標反力トルクに加入することによって、路面からの入力を、ステアリングホイール１を介して運転者に伝達でき、運転者は、ステアリングホイール１から路面状況に関する情報を得ることができる。

図１０は、操作周波数検出部２６によって検出される操作周波数ｆに応じたゲイン設定を説明するための図である。この実施形態では、ヨーレート反力成分Ｔ_γ、ヨー加速度反力成分Ｔ_γ′および電流反力成分Ｔ_curのゲインＧ_γ(f)、Ｇ_γ′(f)（ただし、往き操舵時のゲイン）およびＧ_cur(f)が、操作周波数ｆに応じて可変設定されるようになっている。

ヨーレート反力成分Ｔ_γおよびヨー加速度反力成分Ｔ_γ′に対応するゲインＧ_γ(f)，Ｇ_γ′(f)は、所定の周波数閾値ｆ_th（たとえば２Ｈｚ）以下の範囲で一定値に設定され、当該周波数閾値ｆ_thを超える範囲では、周波数が高いほど小さくなり（図１０の例では線形に減少）、所定周波数ｆ₁（＞ｆ_th）で下限値ＬＬとなるように設定される。
電流反力成分Ｔ_curに対応するゲインＧ_curは、周波数閾値ｆ_th以下の範囲で一定値に設定され、当該周波数閾値ｆ_thを超える範囲では、周波数が高いほど大きくなり（図１０の例では線形に増加）、所定周波数ｆ₁で上限値_ULとなるように設定される。

図１１は、反力制御に関連する処理の流れを説明するためのフローチャートであり、制御装置２０によって所定の制御周期毎に繰り返し実行される処理が示されている。この図１１において、前述の図６に示された各ステップと同様の処理が行われるステップには同一参照符号が付されている。
制御装置２０は、角度センサ１１によって検出される操作角θと、トルクセンサ１２によって検出される操作トルクＴｈと、速度センサ１４によって検出される車速Ｖと、ヨーレートセンサ１６によって検出されるヨーレートγと、電流検出回路２５によって検出される駆動電流とを取り込む（ステップＳ２１）。ヨー加速度演算部３９は、ヨーレートγを時間微分することによって、ヨー加速度γ′を生成する（ステップＳ１２）。また、操作周波数検出部２６は、たとえば、操作角θの変動周波数を操作周波数ｆとして求める（ステップＳ２２）。

さらに、ゲイン設定部４６は、操作周波数ｆに基づき、図１０の特性に従って、ゲインＧ_γ，Ｇ_γ′およびＧ_curを設定する（ステップＳ２３）。また、ゲイン設定部４６は、操作角θおよびヨー加速度γ′に基づいて、前述の図５に従う処理を実行し、戻し操舵中であれば、ゲインＧ_γ′を零とする（ステップＳ１３）。
第１反力成分生成部４１は、操作角θおよび車速Ｖに基づいて、図４Ａの特性に従い、操作角反力成分Ｔ_θ（Ｖ）を生成する（ステップＳ１４）。第２反力成分生成部４２は、ヨーレートγに基づいて、図４Ｂの特性に従い、ヨーレート反力成分Ｔ_γを生成する（ステップＳ１５）。図４Ｂの特性直線における傾きがゲインＧ_γに相当する。第３反力成分生成部４３は、ヨー加速度γ′に基づいて、図４Ｃの特性に従い、ヨー加速度反力成分Ｔ_γ′を生成する（ステップＳ１６）。図４Ｃの特性直線における傾きがゲインＧ_γ′に相当する。さらに、第４反力成分生成部４４は、図９の特性に従い、電流反力成分Ｔ_curを生成する（ステップＳ２４）。図９の特性直線における傾きがゲインＧ_curに相当する。

これらが、加算部４７で足し合わされることによって、目標反力トルク基本値Ｔ_objが生成される（ステップＳ１７）。この目標反力トルク基本値Ｔ_objに対して、ゲイン乗算部３８により、トルクゲインＫ_Tが乗じられ、操作トルクＴｈを考慮した目標反力トルクＴｍ^*が生成されることになる（ステップＳ１８）。この目標反力トルクＴｍ^*と反力アクチュエータ１９の発生トルクとが一致するように、反力アクチュエータ１９が駆動される（ステップＳ１９）。

このように、この実施形態では、操舵用アクチュエータ２の駆動電流に対応する電流反力成分Ｔ_curを含む操作反力がステアリングホイール１に与えられることになる。これにより、路面から舵取り機構５への入力情報を、ステアリングホイール１を介して運転者に伝達することができる。したがって、運転者は、路面状況に関する情報を得ることができる。これにより、結合型の操舵装置により一層近似した操舵フィーリングを得ることができる。しかも、路面情報を運転者に伝達するために、ステアリングギヤ３が受ける軸力を検出する軸力センサや、タイヤに生じる応力を検出する応力センサなどといったセンサを追加する必要がない。したがって、コストの増加を抑制でき、かつ、装置の大型化を生じることもない。

さらに、この実施形態では、操作周波数が閾値ｆ_thを超える範囲では、ヨーレート反力成分Ｔ_γおよびヨー加速度反力成分Ｔ_γ′のゲインＧ_γ，Ｇ_γ′を小さくしている。これによって、左右に素早く切り返す操舵が行われた場合でも、ヨーレートの応答遅れに起因して操作反力の位相が逆転したりすることがなく、振動や発散を抑制または防止できる。また、ヨーレート反力成分Ｔ_γおよびヨー加速度反力成分Ｔ_γ′の減少が、電流反力成分Ｔ_curの増加によって補償されるので、運転者は、十分な手応えを感じながら、ステアリング操作を行うことができる。

以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することも可能である。たとえば、前述の実施形態では、操作角θおよびヨー加速度γ′の符号を調べることによって戻し操舵を判定しているが、ヨーレートγおよびヨー加速度γ′の符号が不一致のときに戻し操舵を判定する構成とすることもできる。
また、前述の実施形態では、ステア・バイ・ワイヤシステムを例にとったが、同様な制御は、ステアリングホイールと舵取り車輪との間が、操作角と転舵角との関係が可変な可変ギヤ比型操舵装置（特許文献２参照）に対しても適用することができる。この場合、ステアリングホイールと舵取り車輪との間は、必ずしも機械的に切り離されている必要はなく、たとえば、可変伝達比ユニットを介して両者間が機械的に結合されていてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための図解図である。 図１の実施形態に係る制御ブロック図である。 反力設定部の構成を説明するための機能ブロック図である。 図４Ａは操作角反力成分の設定例を示す図であり、図４Ｂはヨーレート反力成分の設定例を示す図であり、図４Ｃはヨー加速度反力成分の設定例を示す図である。 ヨー加速度に対応する反力成分のゲインの設定を説明するためのフローチャートである。 反力制御に関連する処理の流れを説明するためのフローチャートである。 操作角（図７(a)）、ヨーレート（図７(b)）およびヨー加速度（図７(c)）の時間変化の一例を示す図である。 この発明の第２の実施形態に係る車両用操舵装置における反力制御のための構成を説明するための機能ブロック図である。 電流反力成分の特性を説明するための図である。 操作周波数に応じたゲイン設定を説明するための図である。 前記第２実施形態における反力制御に関連する処理の流れを説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…ステアリングホイール、２…操舵用アクチュエータ、５…舵取り機構、１１…角度センサ、１６…ヨーレートセンサ、１９…反力アクチュエータ、３７…反力設定部、３９…ヨー加速度演算部

Claims (3)

1. 車両の挙動を検出する車両挙動検出手段と、
   この車両挙動検出手段によって検出された車両挙動の変化率を求める車両挙動変化率演算手段と、
   車両を操向するための操作部材の操作角を検出するための操作角検出手段と、
   この操作角検出手段によって検出される操作角の大きさが増加傾向か減少傾向かを判定する操作角増減判定手段と、
   前記操作部材に操作反力を付与する反力手段と、
   前記車両挙動変化率演算手段によって演算された変化率に対応する反力成分を含む操作反力を前記反力手段から発生させるように当該反力手段を制御する反力制御手段と、
   前記操作角増減判定手段によって、操作角の大きさが減少傾向であると判定されたときに、前記変化率に基づく前記反力制御手段による反力制御を禁止する禁止手段と、を備えた車両用操舵装置。
2. 舵取り機構に転舵力を付与する転舵用モータと、
   この転舵用モータの電流を検出するための電流検出手段と、をさらに備え、
   前記反力制御手段は、前記電流検出手段によって検出された電流に対応する反力成分を含む操作反力を前記反力手段から発生させるように当該反力手段を制御するものである、請求項１記載の車両用操舵装置。
3. 前記反力制御手段は、前記操作部材の操作周波数が所定の閾値を超えている場合には、前記操作周波数が前記閾値以下のときよりも、前記変化率に対応する反力成分のゲインを小さく設定するゲイン設定手段を含む、請求項１または２記載の車両用操舵装置。

Images