JP5181836B2 - ロール角推定装置、及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、車体のロール角を推定するロール角推定装置、及びこれを備えた電動パワーステアリング装置に関するものである。

車体のロール角をジャイロセンサで検出し、ロール角が所定値を超え、横転傾向にあると判断したときには、横転抑制方向に、つまり車体を後方から見て右にロールしていれば右方向に、アシストトルクを発生させる電動パワーステアリング装置がある（特許文献１参照）。
一方、車速とヨーレートとに応じて車体の横加速度を推定すると共に、横加速度センサで横加速度を検出し、横加速度の推定値と検出値との差分に応じて、車体のロール角を推定するものや（特許文献２参照）、左右輪位置での車高を検出し、左右の車高差から車体のロール角を算出するものもある（特許文献３参照）。
特開２００４−９８１２号公報 特開平１１−２５８２６０号公報 特開２００２−１６８６２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術にあっては、ロール角を検出する専用のセンサが必要になるため、コストが上がってしまう。また、特許文献２に記載された従来技術のように、車速とヨーレートとに応じて車体の横加速度を推定する場合、車体横すべり角の変化量が大きくなったときに、その変化量がそのまま横加速度の推定誤差となるので、推定精度が低下してしまう。また、特許文献３に記載された従来例にあっては、左右の車高差から車体のロール角を算出しているが、車高センサは一般的な装備ではないので、一般乗用車への適用が難しい。

本発明の課題は、一般乗用車に装備されやすいセンサを利用し、車体のロール角を高精度に推定することである。

請求項１に係るロール角推定装置は、左右輪に作用する垂直荷重を検出する垂直荷重検出手段と、左右輪に作用する横力を検出する横力検出手段と、前記垂直荷重検出手段で検出した左右輪の垂直荷重、及び前記横力検出手段で検出した左右輪の横力に応じて、車体のロール角を推定する推定手段と、を備えることを特徴とする。
請求項２に係るロール角推定装置は、前記横力検出手段は、前記横力における、車輪進行方向に対する直角方向成分を検出することを特徴とする。

請求項３に係る発明の電動パワーステアリング装置は、ステアリング系にアシストトルクを伝達可能な電動モータと、運転者の操舵トルクに応じて、前記電動モータを駆動制御する制御手段と、を備えた電動パワーステアリング装置であって、前記請求項１又は２に記載のロール角推定装置を備え、前記制御手段は、前記ロール角推定装置で推定したロール角が所定値を超えたときに、当該ロール角を抑制する方向に、前記電動モータを駆動制御することを特徴とする。

本発明によれば、左右輪に作用する垂直荷重、及び左右輪に作用する横力に応じて、車体のロール角を推定するので、一般乗用車に装備されやすいセンサを利用して、車体のロール角を高精度に推定することができる。つまり、左右輪に作用する垂直荷重、及び横力を検出するセンサであれば、スタビリティ制御（横すべり防止制御）、舵角比可変装置、四輪操舵装置、ステアリングバイワイヤなど、他の目的で装備されることも多く、流用が可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
先ず、本実施形態の構成について説明する。
図１は、電動パワーステアリング装置の概略構成である。ステアリングホイール１は、ステアリングシャフト２、ラックアンドピニオン３、タイロッド４を順に介して前輪５ＦＬ・５ＦＲに連結されており、ステアリングシャフト２には、減速機６を介して電動モータ７が連結されている。この電動モータ７は、制御装置８によって駆動制御されることにより、運転者のステアリング操作に対してアシストトルクを付与する。

ステアリングシャフト２には、操舵トルクＴを検出するトルクセンサ１１が設けられ、各車輪５ＦＬ〜５ＲＲには、各々に作用する垂直荷重Ｗ_FL〜Ｗ_RR、及び横力Ｆ_FL〜Ｆ_RRを検出するマルチ荷重センサ１２が設けられている。このマルチ荷重センサ１２は、例えば特開２００５−９８７７１号公報に記載されているように、転がり軸受ユニットに作用するラジアル荷重とアキシアル荷重とを測定するものである。その基本原理は、ラジアル荷重及びアキシアル荷重に応じて外輪及び内輪に対する転動体の接触角が変化すると、転動体の公転速度が変化するので、この転動体の公転速度に基づいてラジアル荷重とアキシアル荷重とを検出している。
制御装置８は、操舵トルクＴ、垂直荷重Ｗ_FL〜Ｗ_RR、及び横力Ｆ_FL〜Ｆ_RRを入力し、操舵補助制御処理を実行する。

図２は、操舵補助制御処理のブロック線図である。
先ず、操舵トルクセンサ１１から入力される操舵トルクＴが操舵補助指令値演算部４０及びセンタ応答性改善部４１に入力され、これら操舵補助指令値演算部４０及びセンタ応答性改善部４１の出力が加算器４２に入力され、その加算結果がトルク制御演算部４３に入力されている。センタ応答性改善部４１は、アシスト特性不感帯での安定性確保、静摩擦の補償を行う。トルク制御演算部４３の出力信号はモータロス電流補償部４４に入力され、その出力が加算器４５を経て最大電流制限部４６に入力され、最大電流制限部４６で最大電流値が制限されて電流制御部５０に入力される。モータロス電流補償部４４は、モータ電流が流れてもモータ出力に現れない電流を上乗せして、モータ出力トルク０からの立ち上がりを改善し、最大電流制限部４６は、電流指令値の最大値が定格電流となるように制限している。電流制御部５０の出力は、Ｈブリッジ特性補償部５１に入力され、これにより電流ドライブ回路５２を介して電動モータ７を駆動する。

電動モータ７のモータ電流は、モータ電流オフセット補正部６０を経てモータ角速度推定部６１、電流ドライブ切換部６２、及び電流制御部５０に入力され、モータ端子電圧Ｖｍは、直接モータ角速度推定部６１に入力される。モータ角速度推定部６１で推定された角速度ωｍは、モータ角加速度推定部・慣性補償部６３、モータロストルク補償部６４及びヨーレート推定部６５に入力され、ヨーレート推定部６５の出力は、収斂性制御部６６に入力され、収斂性制御部６６及びモータロストルク補償部６４の各出力は、加算器６７で加算され、その加算結果が加算器４２に入力される。モータ角加速度推定部・慣性補償部６３は、モータ慣性を加減速させるトルクを操舵トルクから排除し、慣性感の無い操舵感にし、収斂性制御部６６は車両のヨーレートの収斂性を改善するために、ステアリングホイール１が振れ回る動作を抑制する。モータロストルク補償部６４は、モータ７のロストルクの発生する方向、つまりモータ７の回転方向に対してロストルク相当のアシストを行う。また、電流ディザ信号発生部８０が設けられており、電流ディザ信号発生部８０及びモータ角速度推定部・慣性補償部６３の各出力が加算器８１で加算され、その加算結果が加算器４５に入力されている。電流ディザ信号発生部８０は、モータが静摩擦で張りついてしまうのを防止する。また、横転抑制処理部９０が設けられており、横転抑制処理部９０の出力が加算器４５で減算される。

ここで、横転抑制処理部９０が、所定時間（例えば１０msec）毎の処理として実行する横転抑制処理を、図３のフローチャートに従って説明する。
先ずステップＳ１では、前輪又は後輪で、左右輪に作用する垂直荷重Ｗ_L及びＷ_R、並びに横力Ｆ_L及びＦ_Rを読込む。

続くステップＳ２では、下記（１）式に示すように、左右輪に作用する垂直荷重Ｗ_L及びＷ_Rに応じて、左右輪での荷重移動量ΔＷを算出する。
ΔＷ＝Ｗ_L−（Ｗ_L＋Ｗ_R）／２
＝（Ｗ_L−Ｗ_R）／２ ………（１）

続くステップＳ３では、下記（２）式に示すように、左右輪の荷重移動量ΔＷ、並びに左右輪に作用する横力Ｆ_L及びＦ_Rに応じて、車体のロール角φを算出する。図４は、車体のロール角について説明した模式図であり、下記（２）式より、左右輪の荷重移動量ΔＷが大きいほどロール角φが大きくなり、横力Ｆ_L及びＦ_Rが大きいほどロール角φが小さくなる。
φ＝｛ΔＷ・ｄ−（Ｆ_L＋Ｆ_R）ｈ｝／Ｋ ………（２）
φ：ロール角［rad］ ｄ：トレッド［ｍ］
ｈ：ロールセンタ高さ［ｍ］ Ｋ：ロール剛性［Nm/rad］

続くステップＳ４では、ロール角φが所定値φthより大きいか否かを判定する。判定結果がφ≦φthであれば、ロール角が許容範囲にあると判断してそのまま所定のメインプログラムに復帰する。一方、判定結果がφ＞φthであれば、車体が横転する可能性があると判断してステップＳ５に移行する。

ステップＳ５では、図５のマップを参照し、ロール角φに応じて操舵反力Ｔｒを算出する。このマップでは、ロール角φが所定値φth以下であるときには、操舵反力Ｔｒが０を維持し、ロール角φが所定値φthを超えたときには、ロール角φが大きいほど、操舵反力Ｔｒが大きくなる。
続くステップＳ６では、加算器４５に操舵反力Ｔｒを出力してから所定のメインプログラムに復帰する。

以上より、マルチ荷重センサ１２が「垂直荷重検出手段」と「横力検出手段」とに対応し、ステップＳ１〜Ｓ３の処理が「推定手段」に対応する。また、ステップＳ４、Ｓ５の処理が「制御手段」に含まれる。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
車体のロール角φは、前記（２）式によって表され、トレッドｄと、ロールセンタ高さｈと、ロール剛性Ｋとは、車両によって定まるため、左右輪の荷重移動量ΔＷ、並びに左右に作用する横力Ｆ_L及びＦ_Rに応じて、ロール角φを精度よく推定することができる。

左右輪に作用する垂直荷重Ｗ_L及びＷ_R、並びに横力Ｆ_L及びＦ_Rを検出するマルチ荷重センサ１２は、スタビリティ制御、舵角比可変装置、四輪操舵装置、ステアリングバイワイヤなど、他の目的で装備されることが多い。したがって、マルチ荷重センサ１２を備えていれば、従来技術のようにロール角や車高を検出する専用のセンサを追加するよりも、コストの増大を抑制できる。また、新たにマルチ荷重センサ１２を追加するとしても、前述したように、他の目的に流用できるので、ロール角や車高を検出する専用のセンサを追加するよりも有利である。したがって、一般乗用車に適用しやすい。

こうして、車体のロール角φを推定し（ステップＳ３）、ロール角φが所定値φthを超えたときに（ステップＳ４の判定が“Yes”）、操舵反力Ｔｒを算出し（ステップＳ５）、これをアシストトルクから減算することにより（ステップＳ６）、操舵補助力を減少させ、運転者に対する操舵反力を増加させる。これにより、操舵角の増加が抑制され、ロール角φの増加を防ぎ、結果、車体の横転を防ぐことができる。また、操舵反力が増加することにより、運転者に対して注意を促すことができる。

なお、本実施形態では、一つのマルチ荷重センサ１２によって、車輪に作用する垂直荷重と横力との双方を検出しているが、これに限定されるものではなく、垂直荷重と横力とを、個別のセンサで検出してもよい。
また、本実施形態では、前輪又は後輪の何れか一方の、荷重移動量ΔＷ、並びに横力Ｆ_L及びＦ_Rに応じて、車体のロール角φを算出しているが、これに限定されるものではない。例えば、前輪の荷重移動量ΔＷ_Fと後輪の荷重移動量ΔＷ_Rとの平均値や大きい方のセレクト値をΔＷとしたり、前輪の横力Ｆ_FL（又はＦ_FR）と後輪の横力Ｆ_RL（又はＦ_RR）との平均値や小さい方のセレクト値をＦ_L（又はＦ_R）としたりしてもよい。ここで、荷重移動量ΔＷについては前後輪のセレクトハイとし、横力Ｆ_L（又はＦ_R）については前後輪のセレクトローとしたのは、前後輪で差があるときに、ロール角φが大きくなる値をセレクトし、横転抑制を促進するためである。

また、本実施形態では、アシストトルクからの操舵反力Ｔｒの減算を、加算器４５で実効しているが、これに限定されるものではなく、加算器４２で実行してもよい。要は、最終的に出力されるアシストトルクに対して、ロール抑制方向の操舵反力を付与することができれば、どの段階で実行してもよい。

〔第２実施形態〕
本実施形態で実行する操舵補助制御処理を、図６に示すように、横転抑制処理部９０には、垂直荷重Ｗ_FL〜Ｗ_RR、横力Ｆ_FL〜Ｆ_RR、車速Ｖ、操舵角δが入力される。

また、横転抑制処理を、図７に示すように、前述したステップＳ３の代わりに、新たなステップＳ２１〜Ｓ２６を実行することを除いては、第１実施形態と同様の処理を実行する。

先ずステップＳ２１では、下記（３）式に示すように、各輪の横力Ｆ_FL〜Ｆ_RRに応じて、横加速度ｙ”を算出する。
ｙ”＝（Ｆ_FL＋Ｆ_FR＋Ｆ_RL＋Ｆ_RR）／ｍ ………（３）
ｍ：車体重量

続くステップＳ２２では、下記（４）式に示すように、各輪の横力Ｆ_FL〜Ｆ_RRに応じて、ヨーレートγを算出する。
γ’＝｛Ｌ_F（Ｆ_FL＋Ｆ_FR）−Ｌ_R（Ｆ_RL＋Ｆ_RR）｝／Ｉ
γ＝∫〔｛Ｌ_F（Ｆ_FL＋Ｆ_FR）−Ｌ_R（Ｆ_RL＋Ｆ_RR）｝／Ｉ〕dt ………（４）
Ｌ_F：重心から前軸までの距離 Ｌ_R：重心から後軸までの距離
Ｉ：車体慣性モーメント

続くステップＳ２３では、下記（５）式に示すように、横加速度ｙ”、ヨーレートγ、及び車速Ｖに応じて、車体の横すべり角βを算出する。
β＝∫｛（ｙ”／Ｖ）−γ｝dt ………（５）

続くステップＳ２４では、下記（６）式に示すように、車体の横すべり角β、車速Ｖ、及び操舵角δに応じて、前後輪の横すべり角β_F及びβ_Rを算出する。
β_F＋δ＝β＋（Ｌ_F・γ／Ｖ）
β_R＝β＋（Ｌ_R・γ／Ｖ） ………（６）

続くステップＳ２５では、下記（７）式に示すように、各輪の横力Ｆ_FL〜Ｆ_RR、前後輪の横すべり角β_F及びβ_R、並びに操舵角δに応じて、各輪のコーナリングフォースＦｃ_FL〜Ｆｃ_RRを算出する。なお、コーナリングフォースは、横力における、車輪進行方向に対する直角方向成分に相当する。
Ｆｃ_FL＝Ｆ_FLcos（β_F＋δ）
Ｆｃ_FR＝Ｆ_FRcos（β_F＋δ）
Ｆｃ_RL＝Ｆ_RLcosβ_R
Ｆｃ_RR＝Ｆ_RRcosβ_R ………（７）

続くステップＳ２６では、下記（８）式に示すように、荷重移動量ΔＷ_F及びΔＷ_R、並びにコーナリングフォースＦｃ_FL〜Ｆｃ_RRに応じて、前後輪のロール角φ_F及びφ_Rを算出する。
φ_F＝｛ΔＷ_F・ｄ−（Ｆｃ_FL＋Ｆｃ_FR）ｈ｝／Ｋ
φ_R＝｛ΔＷ_R・ｄ−（Ｆｃ_RL＋Ｆｃ_RR）ｈ｝／Ｋ ………（８）
以上より、ステップＳ２１〜Ｓ２６の処理が「推定手段」に含まれる。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
前述した第１実施形態のように、左右輪の横力Ｆ_L及びＦ_Rを用いて、ロール角φを推定すると、操舵角δが大きい領域では、誤差が大きくなる可能性がある。そこで、本実施形態では、コーナリングフォースＦｃ_FL〜Ｆｃ_RRを用いて、前後輪のロール角φ_F及びφ_Rを算出する（ステップＳ２１〜Ｓ２５）。これにより、車体の横すべり角βの変化量が大きい領域であっても、また操舵角δが大きい領域であっても、より正確にロール角φ_F及びφ_Rを推定することができる。

こうして前後輪のロール角φ_F及びφ_Rを推定したら、その平均値や大きい方のセレクト値を所定値φthと比較し、所定値φthを超えているときに（ステップＳ４の判定が“Yes”）、操舵反力Ｔｒを算出し（ステップＳ５）、これをアシストトルクから減算することにより（ステップＳ６）、操舵補助力を減少させ、運転者に対する操舵反力を増加させる。これにより、操舵角の増加が抑制され、ロール角φの増加を防ぎ、結果、車体の横転を防ぐことができる。また、操舵反力が増加することにより、運転者に対して注意を促すことができる。

なお、本実施形態では、前後輪のロール角φ_F及びφ_Rを推定しているが、これに限定されるものではなく、何れか一方だけでもよい。後輪のロール角φ_Rだけを推定するのであれば、操舵角δの読込みを省略することができる。

電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 第１実施形態の操舵補助制御処理を示すブロック線図である。 第１実施形態の横転抑制処理を示すフローチャートである。 車体のロール角について説明した模式図である。 操舵反力の算出に用いるマップである。 第２実施形態の操舵補助制御処理を示すブロック線図である。 第２実施形態の横転抑制処理を示す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…ステアリングシャフト、３…ラックアンドピニオン、４…タイロッド、５ＦＬ〜５ＲＲ…車輪、６…減速機、７…電動モータ、８…制御装置、１１…トルクセンサ、１２…マルチ荷重センサ

Claims (3)

1. 左右輪に作用する垂直荷重を検出する垂直荷重検出手段と、左右輪に作用する横力を検出する横力検出手段と、前記垂直荷重検出手段で検出した左右輪の垂直荷重、及び前記横力検出手段で検出した左右輪の横力に応じて、車体のロール角を推定する推定手段と、を備えることを特徴とするロール角推定装置。
2. 前記横力検出手段は、前記横力における、車輪進行方向に対する直角方向成分を検出することを特徴とする請求項１に記載のロール角推定装置。
3. ステアリング系にアシストトルクを伝達可能な電動モータと、運転者の操舵トルクに応じて、前記電動モータを駆動制御する制御手段と、を備えた電動パワーステアリング装置であって、
   前記請求項１又は２に記載のロール角推定装置を備え、
   前記制御手段は、前記ロール角推定装置で推定したロール角が所定値を超えたときに、当該ロール角を抑制する方向に、前記電動モータを駆動制御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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