(57)【要約】【課題】走行環境条件の変化に対して転舵制御の精度を確保することができるステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置を提供する。【解決手段】本発明に係る車両用操舵装置は、ステアリングホイールと機械的に切り離され、転舵モータによって操向輪を転舵させるステアリング機構と、転舵モータにモータ指令値を与える制御装置とを備える。制御装置は、目標転舵角をモータ指令値のフィードフォワード値に変換するためのフィードフォワードモデルと、転舵モータのモデルの逆モデルを含む外乱オブザーバとを含む。フィードフォワードモデル及び外乱オブザーバのモデルを記述する伝達関数は可変係数を含む。制御装置は、路面反力に関する情報に基づいて可変係数を変更する。【選択図】図２
2020147099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングホイールと機械的に切り離され、転舵モータによって操向輪を転舵させるステアリング機構と、
前記転舵モータにモータ指令値を与える制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
目標転舵角を前記モータ指令値のフィードフォワード値に変換するためのフィードフォワードモデルと、
前記転舵モータのモデルの逆モデルを含む外乱オブザーバと、
を含む制御系を有し、
前記フィードフォワードモデル、及び、外乱オブザーバのモデルを記述する伝達関数は可変係数を含み、
前記制御装置は、路面反力に関する情報に基づいて前記可変係数を変更する、
ことを特徴とするステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記外乱オブザーバにより算出される外乱が所定値以上になった場合、路面反力に関する情報に基づいて前記可変係数を変更する
ことを特徴とする請求項１に記載のステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記可変係数の変更速度を所定の上限値以下に制限する
ことを特徴とする請求項２に記載のステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記目標転舵角の変更速度が所定値以下の場合、前記上限値を超えない範囲において前記可変係数の最大変更速度を前記目標転舵角の変更速度に応じて増大させる
ことを特徴とする請求項３に記載のステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。
【請求項５】
前記制御装置は、車両が停車中の場合、或いは、前記車両に作用する横加速度が飽和領域にある場合、前記可変係数の変更を停止した上で、前記外乱オブザーバにより算出される外乱を、所定の上限値以下に制限する
ことを特徴とする請求項１に記載のステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記目標転舵角の変更速度が所定値以下の場合、前記上限値を超えない範囲において前記外乱の最大値を前記目標転舵角の変更速度に応じて増大させる
ことを特徴とする請求項５に記載のステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置において、外乱オブザーバを用いた制御系によって転舵モータを制御する例が開示されている。ここで開示された外乱オブザーバは外乱として発生するモータトルク以外のトルク、例えば、ステアリング側の外乱トルク、路面反力トルク、摩擦トルク等を推定する。特許文献１の制御系は、外乱オブザーバにより推定された外乱トルクにより転舵モータの目標トルクを補正することで、外乱トルクを補償する。しかしながら、この外乱オブザーバを用いた制御系では、走行環境条件が変化した場合、外乱オブザーバのモデルと実際の制御対象とのずれが拡大し、転舵制御の精度が損なわれるおそれがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１８３０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、走行環境条件の変化に対して転舵制御の精度を確保することができるステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る車両用操舵装置は、ステアリングホイールと機械的に切り離され、転舵モータによって操向輪を転舵させるステアリング機構と、転舵モータにモータ指令値を与える制御装置とを備える。制御装置は、目標転舵角をモータ指令値のフィードフォワード値に変換するためのフィードフォワードモデルと、転舵モータのモデルの逆モデルを含む外乱オブザーバとを含む制御系を有する。フィードフォワードモデル、及び、外乱オブザーバのモデルを記述する伝達関数は可変係数を含む。制御装置は、路面反力に関する情報に基づいて可変係数を変更する。
【０００６】
上記構成によれば、走行環境条件の変化によって路面反力に変化が生じた場合、路面反力の変化に応じてフィードフォワードモデル及び外乱オブザーバのモデルを記述する伝達関数の可変係数が変更される。これにより、走行環境条件の変化に伴う制御系のモデルと制御対象とのずれの拡大は抑えられる。
【０００７】
制御装置は、外乱オブザーバによって算出される外乱が所定値以上になった場合、路面反力に関する情報に基づいて伝達関数の可変係数を変更してもよい。つまり、伝達関数の可変係数の変更は、外乱が所定値以上になってからでもよい。これによれば、制御系のモデルと制御対象とのずれが小さい段階での可変係数の頻繁な変更を抑制し、制御の安定性を確保することができる。
【０００８】
制御装置は、伝達関数の可変係数の変更速度を所定の上限値以下に制限してもよい。可変係数の変更速度に制限を設けることで、車両挙動の急変を防ぐことができる。また、制御装置は、目標転舵角の変更速度が所定値以下の場合、上限値を超えない範囲において可変係数の最大変更速度を目標転舵角の変更速度に応じて増大させてもよい。
【０００９】
車両が停車中の場合や、車両に作用する横加速度が飽和領域にある場合は、転舵制御には応答性よりも安定性が優先される。このような場合、制御装置は、伝達関数の可変係数の変更を停止した上で、外乱の大きさを所定の上限値以下に制限してもよい。これにより転舵制御の安定性を保持することができる。また、制御装置は、目標転舵角の変更速度が所定値以下の場合、上限値を超えない範囲において外乱の最大値を目標転舵角の変更速度に応じて増大させてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る車両用操舵装置によれば、走行環境条件の変化によって路面反力に変化が生じた場合、路面反力の変化に応じて制御系のモデルの伝達関数の可変係数が変更される。これにより、走行環境条件の変化に伴う制御系のモデルと制御対象とのずれの拡大は抑えられるので、走行環境条件の変化に対して転舵制御の精度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る車両用操舵装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る車両用操舵装置の制御システムを示すブロック図である。
【図３】転舵システムをモデル化した図である。
【図４】路面反力係数Ｋ２の一つの設定例を示す図である。
【図５】路面反力係数Ｋ２の別の設定例を示す図である。
【図６】路面反力係数Ｋ２の別の設定例を示す図である。
【図７】路面反力係数Ｋ２の最大変更速度の設定例を示す図である。
【図８】外乱の最大値の設定例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る車両用操舵装置の制御システムの他の例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る車両用操舵装置２の構成を示す図である。車両用操舵装置２はステアリング機構２０を備える。ステアリング機構２０は、ステアリングホイール２８と機械的に接続されずに転舵モータ２４により操向輪２９を転舵することができるステアバイワイヤ方式のステアリング機構である。ステアリングホイール２８は、運転者による操舵操作が入力される操舵部材である。ステアリングホイール２８は、ステアリングシャフト２１を介して反力モータ２３に連結されている。反力モータ２３は、操向輪２９の転舵角に応じた反力をステアリングホイール２８に付与する。ステアリングシャフト２１には、ステアリングホイール２８の回転角度、すなわち操舵角に応じた信号を出力する操舵角センサ２２が設けられている。
【００１４】
転舵モータ２４は、図示しない減速機構を介してラックシャフト２６に取り付けられている。ラックシャフト２６はステアリングシャフト２１には機械的に連結されていない。操向輪２９は、タイロッド２７を介してラックシャフト２６に連結されている。転舵モータ２４を回転させてラックシャフト２６をその軸方向に直線運動させることにより、タイロッド２７を介して操向輪２９の転舵角が変更される。転舵モータ２４には、操向輪２９の転舵角に応じた信号を出力する転舵角センサ２５が設けられている。
【００１５】
車両用操舵装置２は制御装置４を備える。制御装置４は、少なくとも１つのプロセッサ６と少なくとも１つのメモリ８とを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。メモリ８には、転舵制御に用いるマップを含む各種のデータや各種のプログラムが記憶されている。プロセッサ６がメモリ８からプログラムを読みだして実行することにより、転舵制御に関係する様々な機能が制御装置４において実現される。
【００１６】
制御装置４は、転舵モータ２４に供給するモータ電流を制御することにより、転舵モータ２４からラックシャフト２６に付与される転舵制御のためのトルクを制御する。転舵制御に関連する物理量を計測する各種のセンサは、直接、或いは、車両内に構築された通信ネットワークを介して制御装置４に接続されている。そのようなセンサには、少なくとも操舵角センサ２２と転舵角センサ２５と車輪速センサ１０とが含まれる。
【００１７】
図２は、本実施の形態に係る車両用操舵装置２の制御システムを示すブロック図である。この制御システムにおけるプラント（制御対象）は、制御装置４で決定された目標モータ電流に従って操向輪２９を転舵させる転舵システム３１である。転舵システム３１には、目標モータ電流に従って転舵モータ２４にモータ電流を供給する図示しないモータドライバと、転舵モータ２４と、転舵モータ２４のトルクをラックシャフト２６に伝えるトルクの伝達機構と、操向輪２９とが含まれる。
【００１８】
転舵システム３１は図３のようにモデル化することができる。まず、転舵システム３１では、目標モータ電流に従ってモータドライバから転舵モータ２４にモータ電流が出力される。その際のモータ電流の制御応答の時定数をτとすると、モータ電流ｉと目標モータ電流ｉ＊との関係は以下の式で表される。なお、制御応答の時定数τは固定値であって、具体的には０．００１秒程度の値である。
ｉ＝（１／（１＋τｓ））×ｉ＊
【００１９】
次に、転舵システム３１では、転舵モータ２４においてモータ電流がモータトルクに変換される。その際のモータトルク係数をＫ１とすると、モータトルクＴＭとモータ電流ｉとの関係は以下の式で表される。なお、モータトルク係数Ｋ１は固定値であって、具体的には０．０２〜０．０５Ｎｍ／Ａ程度の値である。
ＴＭ＝Ｋ１×ｉ
【００２０】
次に、転舵システム３１では、転舵モータ２４からラックシャフト２６までのトルクの伝達機構において転舵モータ２４のモータトルクがラックシャフト２６のラックトルクに変換される。その際のギア比をＫＧとすると、ラックトルクＴＲとモータトルクＴＭとの関係は以下の式で表される。なお、ギア比ＫＧは固定値であって、具体的には１０〜３０程度の値である。
ＴＲ＝ＫＧ×ＴＭ
【００２１】
次に、転舵システム３１では、ラックシャフト２６のラックトルクによって操向輪２９が転舵される。その際のラックトルクと操向輪２９の転舵角との関係は、操向輪２９が路面から受ける路面反力に依存する。路面反力係数をＫ２とすると、転舵角δとラックトルクＴＲとの関係は以下の式で表される。路面反力係数Ｋ２の具体的な値は、例えばドライ路面において転舵角δが３０度の場合、ラックストロークを８０ｍｍとすると、ラックトルクＴＲが１００００Ｎｍ程度になるような値である。
δ＝（１／（Ｋ２×ｓ２））×ＴＲ
【００２２】
以上より、転舵システム３１のモデルは以下の伝達関数によって表すことができる。
転舵システムモデル：（（Ｋ１×ＫＧ）／（Ｋ２×ｓ２））×（１／（１＋τｓ））
【００２３】
再び図２に戻り、本実施の形態に係る車両用操舵装置２の制御システムについて説明を続ける。制御システムは、上記のようにモデル化することが可能な転舵システム３１と、フィードフォワードモデル３２と外乱オブザーバ４０とを含む制御系を有する制御装置４と、により構成される。
【００２４】
フィードフォワードモデル３２では、目標転舵角δ＊から目標モータ電流ｉ＊のフィードフォワード値ｉｆｆ＊が算出される。フィードフォワードモデル３２は、転舵システム３１が上記のようにモデル化される場合、例えば以下の伝達関数によって表すことができる。
フィードフォワードモデル：Ｋ１／（Ｋ２×ＫＧ×ｓ２）
なお、モータ指令値は必ずしも電流でなくてもよい。例えば、転舵モータ２４で発生させるモータトルクの目標値をモータ指令値としてもよい。
【００２５】
外乱オブザーバ４０は、転舵システム逆モデル４１と、フィードフォワード逆モデルを含む。転舵システム逆モデル４１は、転舵システム３１のモデルの逆モデルである。転舵システム逆モデル４１では、実際の転舵角δから、モータ電流の推定値ｉ＿ｈａｔが算出される。転舵システム逆モデル４１は、転舵システム３１が上記のようにモデル化される場合、以下の伝達関数によって表すことができる。
転舵システムの逆モデル：（（Ｋ２×ｓ２））×（１／（１＋τｓ）／（Ｋ１×ＫＧ））
【００２６】
フィードフォワード逆モデル４２は、フィードフォワードモデル３２の逆モデルである。フィードフォワード逆モデル４２では、モータ電流の推定値ｉ＿ｈａｔから、目標転舵角の推定値δ＿ｈａｔが算出される。転舵システム３１が上記のようにモデル化される場合、フィードフォワード逆モデル４２は、以下の伝達関数によって表すことができる。
フィードフォワードモデルの逆モデル：（Ｋ２×ＫＧ×ｓ２）／Ｋ１
【００２７】
制御装置４では、外乱オブザーバ４０により実際の転舵角δから算出された目標転舵角の推定値δ＿ｈａｔと目標転舵角δ＊との差分である乖離量（δ＿ｈａｔ−δ＊）を外乱として、目標転舵角δ＊から減算する。減算後の値が、外乱除去後の目標転舵角δ＊として、フィードフォワードモデル３２に与えられる。但し、乖離量そのものを目標転舵角δ＊から減算する場合に限られず、外乱（δ＿ｈａｔ−δ＊）に応じて決定される補正量により、目標転舵角δ＊を補正することで、目標転舵角δ＊に含まれる外乱を除去する構成としてもよい。
【００２８】
さて、上記の通り、制御装置４の各モデル（即ち、フィードフォワードモデル３２、転舵システム逆モデル４１、及び、フィードフォワード逆モデル４２）の伝達関数には、路面反力係数Ｋ２が含まれる。これら伝達関数では路面反力係数Ｋ２を固定値ではなく、走行環境条件によって変化しうる可変係数として扱う。制御装置４は、車輪速センサ１０や転舵角センサ２５等の情報取得装置により取得された情報に基づいて路面反力係数Ｋ２を変更する。情報取得装置により取得される情報は路面反力に関する情報であり、例えば、車速、路面摩擦係数、転舵角、ＡＢＳやＶＳＣの作動状態等が含まれる。以下、各情報に対する路面反力係数Ｋ２の設定について具体的に説明する。
【００２９】
図４は、車速Ｖに対する路面反力係数Ｋ２の設定の例を示す図である。車速が低いほど操向輪２９の慣性は大きくなり、ラックシャフト２６のラックトルクの変化に対して操向輪２９が追従しにくくなる。このため、制御装置４は、他の条件が一定である場合には、図４に示すように車速Ｖが低いほど路面反力係数Ｋ２を大きい値に設定する。なお、本実施の形態では、車速は車輪速センサ１０の信号を用いて計測される。
【００３０】
図５は、路面摩擦係数μに対する路面反力係数Ｋ２の設定の例を示す図である。路面摩擦係数が低いほど操向輪２９は滑りやすくなり、ラックシャフト２６のラックトルクの変化に対して操向輪２９が追従しやすくなる。このため、制御装置４は、他の条件が一定である場合には、図５に示すように路面摩擦係数μが低いほど路面反力係数Ｋ２を小さい値に設定する。なお、路面摩擦係数は直接には計測できないために推定する必要があるが、その推定方法には限定はない。例えば、ナビゲーションシステムで取得した路面状態に関する情報から路面摩擦係数を推定してもよいし、車輪速センサ１０等の車両センサで取得したセンサ情報を用いて路面摩擦係数を推定してもよい。
【００３１】
図６は、転舵角δに対する路面反力係数Ｋ２の設定の例を示す図である。転舵角δが大きくなるほど操向輪２９に作用する捩じれ力が大きくなるため、ラックシャフト２６のラックトルクの変化に対して操向輪２９が追従しにくくなる。このため、制御装置４は、他の条件が一定である場合には、図６に示すように転舵角δが大きいほど路面反力係数Ｋ２を大きい値に設定する。なお、本実施の形態では、転舵角δは転舵角センサ２５の信号を用いて計測される。
【００３２】
また、制御装置４は、ＡＢＳやＶＳＣが作動している場合は、ＡＢＳやＶＳＣが作動していない場合よりも路面反力係数Ｋ２を小さい値に変更する。ＡＢＳやＶＳＣの作動状態に関する情報は、図示しないＡＢＳの制御装置やＶＳＣの制御装置から制御装置４へ与えられる。
【００３３】
以上のように、制御装置４は、路面反力に関する複数のパラメータに応じて路面反力係数Ｋ２を変更する。各パラメータに応じて路面反力係数Ｋ２を変更する具体的な方法としては、例えばマップを用いてもよい。つまり、各パラメータに路面反力係数Ｋ２を関連付けるマップをメモリ８に記憶しておき、マップを参照して路面反力係数Ｋ２を決定してもよい。また、車速Ｖに対応する路面反力係数Ｋ２Ｖ、路面摩擦係数μに対応する路面反力係数Ｋ２μ、転舵角δに対応する路面反力係数Ｋ２δ、ＡＢＳの作動状態に対応する路面反力係数Ｋ２ＡＢＳ、ＶＳＣの作動状態に対応する路面反力係数Ｋ２ＶＳＣ等をそれぞれ設定し、以下の式で路面反力係数Ｋ２を計算してもよい。
Ｋ２＝Ｋ２Ｖ×Ｋ２μ×Ｋ２δ×Ｋ２ＡＢＳ×Ｋ２ＶＳＣ
【００３４】
以上説明した制御システムによれば、走行環境条件の変化によって路面反力に変化が生じた場合、路面反力の変化に応じて制御系のモデルを記述する伝達関数の路面反力係数Ｋ２が変更される。路面反力係数Ｋ２の変更は、目標転舵角δ＊と実際の転舵角δとの差分を減少させるように行われる。これにより、走行環境条件の変化に伴う制御系のモデル３２と実際の転舵システム３１とのずれの拡大は抑えられるので、走行環境条件の変化に対して転舵制御の精度を確保することができる。
【００３５】
なお、路面反力係数Ｋ２の変更は、転舵システム３１のノミナルモデルと実際の転舵システム３１とのずれがある程度拡大してから行うようにしてもよい。具体的には、路面反力係数Ｋ２の値は固定しておき、外乱オブザーバ４０で算出された外乱の大きさ（即ち、δ＿ｈａｔ−δ＊の絶対値）が所定値以上になったことを条件として、路面反力係数Ｋ２の変更を行うようにしてもよい。これによれば、制御装置４のモデルと実際の転舵システム３１とのずれが小さい段階での路面反力係数Ｋ２の頻繁な変更を抑制し、制御の安定性を確保することができる。
【００３６】
また、路面反力係数Ｋ２の変更を行う場合、路面反力係数Ｋ２の変更速度（単位時間当たりの変更量）に制限をかけてもよい。図７は路面反力係数Ｋ２の最大変更速度の設定例を示す図である。図７に示す例では、路面反力係数Ｋ２の最大変更速度を目標転舵角の変更速度の増大に応じて増大させているが、目標転舵角の変更速度が所定値を超えた場合には、路面反力係数Ｋ２の最大変更速度を一定値に保持している。つまり、路面反力係数Ｋ２の変更速度は所定の上限値以下に制限されている。このように路面反力係数Ｋ２の変更速度に制限を設けることで、車両挙動の急変を防ぐことができる利点がある。
【００３７】
ところで、車両が停車中の場合や、車両に作用する横加速度が飽和領域にある場合は、転舵制御には応答性よりも安定性が優先される。このような場合は、路面反力係数Ｋ２の変更を停止した上で、図８に示すように、外乱オブザーバ４０で算出される外乱の大きさ（即ち、目標転舵角の推定値δ＿ｈａｔと目標転舵角δ＊との乖離量の絶対値）を、所定の上限値以下に制限してもよい。このような制限を設けることで、転舵制御の安定性を保持することができる。また、図８に示すように、目標転舵角の変更速度が所定値以下の場合は、上限値を超えない範囲において外乱の最大値を目標転舵角の変更速度に応じて増大させてもよい。
【００３８】
本実施の形態では、制御装置４は、フィードフォワードモデル３２と、転舵モータ逆モデル４１とフィードフォワード逆モデル４２とを有する場合について説明した。しかしながら、制御装置４は、図９の他の例に示されるように、フィードフォワードモデル３２と、転舵モータ逆モデル４１からなる外乱オブザーバとを有する構成としてもよい。
【００３９】
図９の制御装置の構成の場合、転舵モータ逆モデル４１では、転舵角δから、目標モータ電流の推定値ｉ＿ｈａｔが算出される。制御装置４は、算出された目標モータ電流の推定値ｉ＿ｈａｔとの目標モータ電流ｉ＊との乖離量（ｉ＿ｈａｔ−ｉ＊）が外乱として算出される。フィードフォワードモデル３２から出力された目標モータ電流ｉ＊から、外乱（ｉ＿ｈａｔ−ｉ＊）が減算された後の値が、外乱除去後の目標モータ電流ｉ＊として転舵システム３１に入力される。
【００４０】
なお、制御装置４が図９に示す構成を有する場合において算出される目標モータ電流に関する乖離量（ｉ＿ｈａｔ−ｉ＊）は、目標転舵角に関する乖離量（δ＿ｈａｔ−δ＊）と同様に、転舵システム３１のノミナルモデルと実際の転舵システム３１とのずれがある程度拡大したか否かを判断するパラメータとして用いることができる。具体的には、路面反力係数Ｋ２の値は固定しておき、乖離量（即ち、外乱）が所定値以上になったことを条件として、路面反力係数Ｋ２の変更を行うようにしてもよい。
【００４１】
また、図８に示す場合と同様に、目標モータ電流ｉ＊から減算される外乱（即ち、目標モータ電流の推定値ｉ＿ｈａｔと目標モータ電流ｉ＊との乖離量（ｉ＿ｈａｔ−ｉ＊））を、所定の上限値以下に制限してもよい。また、図８に示すように、目標転舵角の変更速度が所定値以下の場合は、上限値を超えない範囲において減算される外乱の最大値を目標転舵角の変更速度に応じて増大させてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
２  車両用操舵装置
４  制御装置
６  プロセッサ
８  メモリ
１０  車輪速センサ
２０  ステアリング機構
２１  ステアリングシャフト
２２  操舵角センサ
２３  反力モータ
２４  転舵モータ
２５  転舵角センサ
２６  ラックシャフト
２７  タイロッド
２８  ステアリングホイール
２９  操向輪
３１  転舵システム
３２  フィードフォワードモデル
３３  フィードバックモデル
【図１】
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【図２】
2020147099.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020147099.tif 000007
【図６】
2020147099.tif 000008
【図７】
2020147099.tif 000009
【図８】
2020147099.tif 000010
【図９】
2020147099.tif 000011