(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用ステアリング装置（２）において車輪操舵角度（Ａ）およびハンドトルク（Ｔ）を調整するための方法であって、目標車輪操舵角度と目標ハンドトルクが設定され、設定された前記目標車輪操舵角度および設定された前記目標ハンドトルクがトルク調節器（１５）および角度調節器（７）によって調節されるものにおいて、前記目標車輪操舵角度と前記目標ハンドトルクが多変量制御器（２０）に供給され、前記ハンドトルク（Ｔ）と前記車輪操舵角度（Ａ）が前記多変量制御器（２０）によって制御され、
前記多変量制御器（２０）が以下の方程式によって実現され、
【数１】
0005749251.tif 000005
式中、
ｋは時点を記述し、
Ｘｋは時点ｋにおける前記多変量制御器（２０）の内部状態を記述するベクトルであり、
Ｙｋは時点ｋに前記多変量制御器（２０）によって決定されたベクトルであり、当該ベクトルは、作動信号として前記多変量制御器（２０）から前記角度調節器（７）に送られた目標角度を表す項と、作動信号として前記多変量制御器（２０）から前記トルク調節器（１５）に送られた目標トルクを表す項とを有しており、
Ｕｋはベクトルであり、当該ベクトルは、時点ｋに前記多変量制御器（２０）に入力された目標ステアリングトルク、実ステアリングトルク、実車輪操舵角度及び目標車輪操舵角度を表す項を有しており、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、これらに基づいて前記多変量制御器（２０）のパラメータ化が行われる行列であることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記多変量制御器（２０）がフルランクを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ハンドトルク（Ｔ）および前記車輪操舵角度（Ａ）を調整するために作動信号が生成され、少なくとも１つの前記作動信号がロータ角度、モータトルクまたは電圧を記述することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
車両ステアリング装置（２）を開ループ／閉ループ制御するための制御装置であって、前記ステアリング装置（２）がトルク調節器（１５）と角度調節器（７）とを有し、前記制御装置（１）が前記トルク調節器（１５）および前記角度調節器（７）を制御するための手段と目標車輪操舵角度および目標ハンドトルクに依存してハンドトルク（Ｔ）および車輪操舵角度（Ａ）を調節するための手段とを有するものにおいて、
前記制御装置（１）内に多変量制御器（２０）が形成されており、前記多変量制御器によって前記ハンドトルク（Ｔ）および前記車輪操舵角度（Ａ）が前記目標車輪操舵角度および前記目標ハンドトルクに依存して制御可能であり、
前記多変量制御器（２０）が以下の方程式によって実現され、
【数２】
0005749251.tif 000006
式中、
ｋは時点を記述し、
Ｘｋは時点ｋにおける前記多変量制御器（２０）の内部状態を記述するベクトルであり、
Ｙｋは時点ｋに前記多変量制御器（２０）によって決定されたベクトルであり、当該ベクトルは、作動信号として前記多変量制御器（２０）から前記角度調節器（７）に送られた目標角度を表す項と、作動信号として前記多変量制御器（２０）から前記トルク調節器（１５）に送られた目標トルクを表す項とを有しており、
Ｕｋはベクトルであり、当該ベクトルは、時点ｋに前記多変量制御器（２０）に入力された目標ステアリングトルク、実ステアリングトルク、実車輪操舵角度及び目標車輪操舵角度を表す項を有しており、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、これらに基づいて前記多変量制御器（２０）のパラメータ化が行われる行列であることを特徴とする制御装置（１）。
【請求項５】
前記多変量制御器（２０）がフルランクを有することを特徴とする請求項４に記載の制御装置（１）。
【請求項６】
前記制御装置（１）が前記トルク調節器（１５）および前記角度調節器（７）を制御するための作動信号を用意し、少なくとも１つの作動信号がロータ角度、モータトルクまたは電圧を記述することを特徴とする請求項４または５に記載の制御装置（１）。
【請求項７】
ステアリング装置（２）を開ループ／閉ループ制御するための制御装置（１）上、特に前記制御装置（１）内のマイクロプロセッサ（３）上で実行可能であるコンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータプログラムが請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の方法を実施すべくプログラミングされていることを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項８】
前記コンピュータプログラムが記憶素子（５）に記憶されていることを特徴とする請求項７に記載のコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用ステアリング装置において車輪操舵角度およびハンドトルクを調整するための方法であって、目標車輪操舵角度と目標ハンドトルクが設定され、設定された目標車輪操舵角度および設定された目標ハンドトルクが角度調節器およびトルク調節器によって調節されるものに関する。
【０００２】
本発明は、車両ステアリング装置を開ループ／閉ループ制御するための制御装置であって、ステアリング装置が角度調節器とトルク調節器とを有し、制御装置が角度調節器およびトルク調節器を制御するための手段と目標車輪操舵角度および目標ハンドトルクに依存してハンドトルクおよび車輪操舵角度を調節するための手段とを有するものにも関する。
【０００３】
本発明はさらに、ステアリング装置を開ループおよび／または閉ループ制御するための制御装置上、特に制御装置内のマイクロプロセッサ上で実行可能なコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００４】
最近のステアリング装置、例えば電動サーボステアリングまたはいわゆるステアバイワイヤ（ＳｂＷ）式ステアリングシステムでは、ステアリングホイールに印加されるハンドトルクと称される力レベルが求められる。この力レベルは運転者から加えられる力に対抗して働き、または運転者から加えられる力を強める。こうして実走行状況に一致した走行感覚が運転者に伝えられる。例えば、実路面性状に関する情報がステアリングホイールを介して運転者にフィードバックされる。さらに、ハンドトルクに依存して当該トルク支援が運転者に提供される。
【０００５】
さらに、アクティブステアリング装置内に角度調節器が設けられており、この角度調節器によってステアリングホイール角度と車輪操舵角度との比は重なり角度を持ち込むことで変更することができる。こうして要求車輪操舵角度は重なり角度を頼りに調整し、こうして例えば危険状況のときスキッドを防止し、または実速度に依存してステアリング装置の伝達比を変更することができる。特にステアリングホイールから被操舵車輪へと機械式結合が存在するとき、車輪操舵角度の変更はハンドトルクに影響を及ぼす。いわゆるトルク支持のこの影響を角度調節器によって補償するために、トルク調節器によって生成したハンドトルクを適宜に適合させることが知られている。
【０００６】
このように実現された電動ステアリング（ＥＰＳ）の機能性とアクティブステアリングシステム（ＡＦＳ）の機能性との結合は、ＳｂＷシステムのものに匹敵する高付加価値機能性という結果をもたらす。というのも、ＥＰＳによってアクティブ動力学的分離(active kinetische Entkopplung)を実現することができ、またＡＦＳによって動的分離(kinematische Entkopplung)を達成できるからである。こうして実現可能なＳｂＷ機能性はステアリングホイールトルクと車輪操舵角度とを別々に設定することを含意している。
【０００７】
しかしそのことの欠点として、トルク支持の不可避的補償はしばしば時間的に遅れて不正確に行われる。さらにこのような補償はエネルギー支出を要する。というのもこの補償は、トルク調節器と角度調節器とによって生成されるトルクが一部で相対抗して働くことによって達成されるからである。さらに、ステアリングトルクおよび車輪操舵角度の十分な調節は大抵の場合達成されないかまたはごく支出を要してのみ達成される。というのも車輪操舵角度を調整するためのトルクは常にハンドトルクに影響し、ハンドトルク調整のため生成されるトルクは常に車輪操舵角度に影響するからである。これらの欠点は、ＥＰＳトルク調節器によって車輪操舵角度が調整され、ＡＦＳ角度調節器によって運転者ハンドトルクが調整される先行技術から知られているシステムにも該当する。
【０００８】
制御技術的分析が示したように、トルク支持を補償するための公知解決策はシステムに影響する他の変量、例えばコーナリングフォースまたは操舵速度にごく敏感に反応し、それゆえに公知システムは十分な補償もしくは十分なハンドトルクをしばしば実現することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、外的影響に極力不感であり、角度調節器およびトルク調節器用に不可欠な作動エネルギーを目標車輪操舵角度および目標ハンドトルクの調整用に極力効率的に利用するステアリング装置動作様式を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題は、冒頭に指摘した種類の方法において、目標車輪操舵角度と目標ハンドトルクが多変量制御器に供給され、ハンドトルクと車輪操舵角度がこの多変量制御器によって制御されることによって解決される。
【００１１】
こうして本発明に係る方法は、角度調節器用作動信号とトルク調節器用作動信号を別々に検討するのでなく一緒に検討することを可能とする。従って、多変量制御器を使用することによって‐公知方法におけるように‐各調節器に課題が明確に割り当てられるのでなく、角度調節器とトルク調節器との組合せの多変量特性が考慮される。これにより達成されることとして、或る調節器がそれぞれ別の調節器に及ぼす影響を明確に補償する必要がない。調節器は時として互い違いに働くので、明確な補償は一般に効率の悪さを引き起こす。調節器相互の否定的干渉作用を減らし、こうした相互作用が補償されもしくは相互作用自体が極力小さくなるように調節器を制御することは、多変量制御器によって可能となる。
【００１２】
多変量制御器は、実際に測定したステアリングトルクと設定された目標ステアリングトルクと実際に測定した車輪操舵角度と目標車輪操舵角度とからトルク調節器および角度調節器用の当該作動信号を計算する。
【００１３】
主に、作動信号はロータ角度、モータトルクまたは電圧として実現されている。このような作動信号によって角度調節器およびトルク調節器は特別有利に制御することができる。というのも特に公知の角度調節器およびトルク調節器をそのまま使用できるからである。
【００１４】
特別有利な一実施形態において多変量制御器はフルランクである。これは、各入力変量が多変量制御器内で出力変量の各成分に対して影響を及ぼし得ることを意味する。従って、このような多変量制御器において各入力変量はそれ自体、つまりステアリングトルク、目標ステアリングトルク、実車輪操舵角度および目標車輪操舵角度は、トルク調節器に対しても角度調節器に対しても影響を及ぼすことができる。そのことから、不確かなパラメータに対して極力不感な閉ループ制御が可能となる。これによりさらに、利用可能な作動変量を効率的に利用することが達成される。というのも、フルランクによって両方の作動変量の相乗効果を最適に利用できるからである。
【００１５】
主に、多変量制御器は以下の方程式によって実現され、
【数１】
0005749251.tif 000002
式中、
ｋは時点を記述し、
ｘｋは制御器の内部状態をベクトルで記述し、
ｙｋは時点ｋに制御器によって決定された作動信号を記述し、
ｕｋは制御器入力変量をベクトルで記述し、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは制御器のパラメータ化を行うさいの行列である。
【００１６】
多変量制御器のこの態様は多変量制御器の特別高率的な設計を可能とする。というのもここでは制御器行列Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄがロバストな多変量制御器用の既知の設計法によって決定可能であるからである。こうして設計された多変量制御器は一般にフルランクを有しさえする。
【００１７】
課題はまた、冒頭に指摘した種類の制御装置において、制御装置が本発明に係る方法を実施するための手段を有することによって解決される。
【００１８】
車両ステアリング装置を開ループ／閉ループ制御するための制御装置上、特に制御装置内のマイクロプロセッサ上で実行可能でありかつ本発明に係る方法を実行すべくプログラミングされたコンピュータプログラムの態様で本発明に係る方法を実現することが特別重要である。つまりこの場合本発明はコンピュータプログラムによって実現され、このコンピュータプログラムは、コンピュータプログラムがそれを実行すべくプログラミングされた方法と同様に本発明を具現する。コンピュータプログラムは主に記憶素子に記憶されている。記憶素子として応用できるのは特に光学記憶媒体、電気記憶媒体または磁気記憶媒体、例えばデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、ハードディスク（Ｈａｒｄｄｉｓｃ）、ランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリまたはフラッシュメモリである。
【００１９】
本発明のその他の特徴、応用可能性および諸利点は、図面を基に説明する本発明の実施例の以下の明細書から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る制御装置を有する車両ステアリング装置の略図である。
【図２】本発明に係るステアリング装置の１実施形態における入力変量および出力変量の振幅比の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示した制御装置１がステアリング装置２に付設されている。制御装置１内に配置されたマイクロプロセッサ３がデータ線路４、例えばバスシステムを介して記憶素子５と接続されている。第１信号線路６を介して制御装置１はモータとして形成された角度調節器７と接続されており、モータもしくは角度調節器７の開ループおよび／または閉ループ制御は制御装置１によって可能となる。モータは例えば電気モータとして形成されており、変速機８を介してトーションバー９に作用する。トーションバー９に操舵手段、例えばステアリングホイール１０が配置されている。
【００２２】
ステアリング装置２はさらに、例えばラックアンドピニオン式ステアリングギヤとして形成されたステアリングギヤ１１を有する。ステアリングギヤ１１は同様にボール循環ギヤもしくはボールナットギヤとして形成しておくことができる。以下の明細書では主としてラックアンドピニオン式ステアリングを前提とし、ステアリングギヤはピニオン１２ａとラック１２ｂとを含む。
【００２３】
ステアリングギヤ１１は車両の各側でピニオン１２ａおよびラック１２ｂを介してステアリングリンケージ１３と結合されており、このステアリングリンケージがそれぞれ車輪１４と協動する。
【００２４】
ステアリング装置２はさらに、例えば第２モータによって実現されるトルク調節器１５を有し、このトルク調節器は歯車装置１６を介してラック１２ｂに作用する。モータもしくはトルク調節器１５は第２データ線路１７を介して制御装置１と接続されている。
【００２５】
ステアリング装置２はさらにハンドトルクＴを検出するためのトルクセンサ１８と車輪操舵角度Ａを検出するための角度センサ１９とを有する。角度センサ１９は、重なり角度と車輪操舵角度とから得られる合計角度を検出できるように配置されている。
【００２６】
トルクセンサ１８によって求めたハンドトルクＴと角度センサ１９によって検出した車輪操舵角度Ａは制御装置１に供給される。
【００２７】
図１に示したステアリング装置２は、本発明に係る方法を実施するのに適したステアリング装置の可能な多数の実施形態の１つを具現している。別の実施形態は例えば別のステアリングギヤによって、またはモータもしくは角度調節器７とトルク調節器１５との別の配置によって実施しておくことができる。さらに、センサ１８、１９は別の箇所に配置しておくことができる。例えば、各モータに角度センサを配置し、こうして検出した角度値を制御装置１に転送し、次に制御装置が供給されたこの角度値から合計角度を形成することが考えられる。
【００２８】
制御装置１内に多変量制御器２０が形成されており、この多変量制御器は例えばコンピュータプログラムの態様で実現されており、記憶素子５の領域に記憶されている。次に本発明に係る方法を実施するために、多変量制御器２０を実現するコンピュータプログラムはマイクロプロセッサ３上で実行される。この実行時に多変量制御器２０が入力として受け取るのは目標ステアリングトルク、目標車輪操舵角度、例えばセンサ１８によって検出された実ハンドトルクＴ、そして例えばセンサ１９によって検出された実際に検出された車輪操舵角度Ａである。
【００２９】
入力変量に依存して多変量制御器２０は少なくとも２つの作動変量を決定し、この作動変量はデータ線路６もしくは１７を介してモータもしくは角度調節器７とトルク調節器１５とに転送され、目標ステアリングトルクおよび目標車輪操舵角度を調節するためにモータの制御を可能とする。
【００３０】
公知方法でハンドトルクを生成するには例えば、重なり角度形成時にトルク調節器１５によって不可避的に生成されるステアリングトルクを角度調節器７によって補償し、重なり角度によって発生する望ましくないトルクが運転者に伝わらないようにしなければならないであろう。このために角度調節器７はトルク調節器１５によって生成されるトルクを少なくとも部分的に補償しなければならないであろう。別の公知システムではトルク調節器１５がトルクの生成に援用され、角度調節器７が車輪操舵角度の生成に援用された。しかしこれらの公知システムでも角度調節器７とトルク調節器１５は一部で互い違いに働き、しかも生成されたトルクを反トルクによって補償すべきである場合常にそうである。
【００３１】
本発明によれば、いまや調節器を特定の課題‐トルクの生成か車輪操舵角度の生成のいずれか‐に直接割り当てることが必須でないことは多変量制御器２０によって達成される。むしろ、目標車輪操舵角度と目標ハンドトルクを調整するために、利用可能な作動エネルギーの効率的利用が達成されるように角度調節器７とトルク調節器１５は常に制御される。
【００３２】
多変量制御器２０は有利には、
【数２】
0005749251.tif 000003
の態様で記述することができる。その際、ｘｋは時点ｋの多変量制御器２０の内部状態を記述するベクトルである。ｕｋは多変量制御器２０の入力変量を記述するベクトルを表し、入力変量は時点ｋの実ステアリングトルク、目標ステアリングトルク、実車輪操舵角度、目標車輪操舵角度である。ｙｋは、角度調節器７およびトルク調節器１５用の時点ｋに多変量制御器２０によって決定された作動信号を記述するベクトルを表す。作動信号はステアリングシステムの構成に応じて目標ロータ角度、目標モータトルクまたは目標電圧として実施されている。
【００３３】
多変量制御器２０のパラメータ化、つまり制御器行列Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの決定は、ロバストな多変量制御器２０用の好適な設計法を頼りに決定される。こうして設計された多変量制御器は一般にフルランクを有する。すなわち、入力変量ベクトルｕｋの各成分は多変量制御器２０によって計算される作動信号のベクトルｙｋの各成分に影響を及ぼす。この特性がステアリングトルクおよび車輪操舵角度の閉ループ制御を可能とし、この閉ループ制御は不確かなパラメータに対して不感であり、閉ループ制御に必要な作動エネルギーを効率的に利用することができる。
【００３４】
公知の閉ループ制御コンセプトの研究とこのコンセプトの上記行列表現への書換えを以下の方程式が示す。
【数３】
0005749251.tif 000004
【００３５】
この方程式は、公知の制御器がフルランクを持たないことを明確に示している。これは、入力変量のベクトルｕｋの各成分が制御器によって計算された作動信号の各成分ｙｋに影響を及ぼさないことを意味する。さらにこの制御器は目標値と実測定値との差を入力値として使用するだけである。
【００３６】
それに対して、基本的に各入力変量が各出力変量に影響することによって作動信号の極力効率的生成を保証することは本発明に係る多変量制御器２０によって可能である。
【００３７】
図２に示してあるのは多変量システムの入力変量の振幅比と車輪操舵角度およびステアリングホイールトルクの振幅比である。
【００３８】
多変量制御器２０によって制御すべきシステムは、入力変量の協動に依存して出力変量に対する入力変量のさまざまな総増幅を実現するという性質を有する。その際、多変量システムによって特別に増幅される入力変量の振幅比と、特別弱く増幅される振幅比が各周波数に存在する。入力変量のこれら振幅比のそれぞれについて多変量システムによって出力変量の振幅比が得られる。このため図２には周波数に関して最大増幅を有する入力変量組合せの正規化された振幅がプロットされている。さらに、付属する出力変量の付属する振幅比が示してある。その際に基礎とされた多変量システムは、本発明に係るステアリング装置において現れるような例示的システムである。
【００３９】
図２から読み取ることができるように、トルク調節器１５のみが車輪操舵角度Ａもしくは合計角度に対して最大の影響を及ぼすことは＜０．５の周波数範囲に認めることができる。約０．５と約２との間の周波数範囲では両方の調節器の影響が明確に切換わっていることを観察することができ、この範囲ではトルク調節器１５は車輪操舵角度Ａに対するその影響を明確に失う。約２〜３０の周波数範囲では角度調節器７がほぼ単独でハンドトルクＴに対して最大の影響を及ぼすのに対して、ハンドトルクＴに対するトルク調節器１５の影響はごく僅かである。なお一層高い周波数範囲ではハンドトルクＴが最も僅かに影響される。しかし角度調節器７は周波数の増加に伴って効力を失い、それゆえにトルク調節器１５によってますます支援される。最後に約１００の限界のすぐ上でトルク調節器１５は、殆ど専らハンドトルクＴを生成するトルク調節器である。なぜならば、トルク調節器はこの範囲において特別効率的にハンドトルクＴを生成できるからである。
【００４０】
この検討が明らかとするように、車輪操舵角度調節器およびハンドトルク調節器の課題が固定設定された所定の課題を有する既存の制御器は支出を要する補償コンセプトでも課題を不十分に解決するだけである。
【００４１】
当然、本発明の他の多数の実施形態も考えられる。例えば、図１に示したのとは異なるように配置されたセンサによって車輪操舵角度Ａもしくは合計角度を検出することが可能である。特に、多数の角度を検出し、それらから合計角度を決定することが可能である。これと同様に、ハンドトルクＴを検出するためのセンサは異なるように配置し、もしくは多数の別のセンサ値に依存して求めることができる。このような構成は当業者には久しく知られており、個々の値の推定を可能とする方法も含む。
【００４２】
このような変更態様にかかわりなく本発明によれば多変量制御器２０を利用することによって個々の調節器に対する課題の固定的割当ては解消される。こうして高効率の補償戦略が暗に達成される。
【図１】
0005749251.tif 000007
【図２】
0005749251.tif 000008