(57)【要約】【課題】操作入力手段を操作したときのフリクションを合理的に推定し除去することで、微小なトルクで運転者に路面状況やそのほかの必要な情報を伝えることができると共に、操作系にフリクション感がなく操舵感の向上を望むことができる操作反力生成制御装置を提供すること。【解決手段】操作反力生成制御装置において、運転者のステアリングホイール１に対するドライバ操舵トルクＴｓを検出するトルクセンサ６と、運転者の操作によって生じたステアリングシャフト回転角αを検出するロータリエンコーダ４と、を設け、操舵反力コントローラ８は、検出されたドライバ操舵トルクＴｓと、検出されたステアリングシャフト回転角αと、加えた制御入力に基づいて、アクチュエータ部のフリクションを推定するフリクション推定部と、推定されたフリクションを除去するように制御入力を変更するフリクション補償部と、を有する構成とした。【選択図】        図２
2004284569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転者が車両の方向変化の指令値を入力するための操作入力手段と、該操作入力手段に加わる操作反力を調整するアクチュエータと、該アクチュエータの発生力を制御する制御手段と、を備えた操作反力生成制御装置において、
運転者の操作入力手段に対する操作力を検出する操作力検出手段と、
運転者の操作によって生じた操作入力手段の変位または速度を検出する操作状態量検出手段と、を設け、
前記制御手段は、
上記検出された操作力と、上記検出された操作入力手段の変位または速度と、加えた制御入力に基づいて、アクチュエータ部のフリクションを推定するフリクション推定部と、
推定されたフリクションを除去するように制御入力を変更するフリクション補償部と、
を有することを特徴とする操作反力生成制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の操作反力生成制御装置において、
前記フリクション推定部は、制御入力と運転者操作力によって駆動されるモデルを持ち、前記操作入力手段の変位または速度による操作状態量を、そのモデルの逆特性に通したときに求められる制御入力及び操作入力の合計の推定値と、実際の制御入力及び操作入力の合計値との差から、外乱として入力された力をフリクション推定値とすることを特徴とする操作反力生成制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の操作反力生成制御装置において、
前記フリクション補償部は、フリクション推定値にある上限を設けて、その上限値以下のフリクションを除去することを特徴とする操作反力生成制御装置。
【請求項４】
請求項２記載の操作反力生成制御装置において、
前記フリクション推定部は、モデルの逆特性にあるローパスフィルタをかけて、フリクション除去の周波数帯域を特定することを特徴とする操作反力生成制御装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の操作反力生成制御装置において、
車速を検出する車速検出手段を設け、
前記フリクション補償部は、フリクション除去による補償を、検出車速が所定車速以下でのみ実施することを特徴とする操作反力生成制御装置。
【請求項６】
運転者が車両の方向変化の指令値を入力するための操作入力手段と、該操作入力手段に加わる操作反力を調整するアクチュエータと、該アクチュエータの発生力を制御する制御手段と、を備えた操作反力生成制御装置において、
運転者の操作入力手段に対する操作力を検出する操作力検出手段と、
運転者の操作によって生じた操作入力手段の変位または速度を検出する操作状態量検出手段と、を設け、
前記制御手段は、
上記検出された操作力と上記検出された操作入力手段の変位または速度と、加えた制御入力に基づいて、アクチュエータ部のフリクションを推定するフリクション推定部と、
前記操作入力手段の速度に応じたアクチュエータ部のフリクションを記憶したフリクション記憶部と、
上記推定されたフリクションと、上記記憶されたフリクションに基づいて、両フリクションを除去するように制御入力を変更するフリクション補償部と、
を有することを特徴とする操作反力生成制御装置。
【請求項７】
請求項６記載の操作反力生成制御装置において、
前記フリクション補償部は、フリクション推定部の出力にハイパスフィルタをかけた値と、フリクション記憶部から出力される値と、に応じて制御入力を変更することを特徴とする操作反力生成制御装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の操作反力生成制御装置において、
前記フリクション補償部は、フリクション推定部の出力に１以下の第１ゲインを乗じた値と、フリクション記憶部の出力に１以下の第２ゲインを乗じた値との加算値に応じて制御出力を変更し、
前記第１ゲインと第２ゲインとの加算値を、１以下としたことを特徴とする操作反力生成制御装置。
【請求項９】
請求項７記載の操作反力生成制御装置において、
車速を検出する車速検出手段を設け、
前記フリクション補償部は、上記検出された車速に応じて、前記第１ゲインと第２ゲインの少なくとも一方を変更することを特徴とする操作反力生成制御装置。
【請求項１０】
請求項８記載の操作反力生成制御装置において、
前記フリクション補償部は、上記検出された操作入力手段の変位または速度に応じて、前記第１ゲインと第２ゲインの少なくとも一方を変更することを特徴とする操作反力生成制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステアバイワイヤや電動パワーステアリング等で運転者に伝える操舵反力を生成する操作反力生成制御装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、操舵角速度が小さい範囲を静止状態であると判断して、静止摩擦を動的な摩擦に変換すべく制御電流にディザを加えて、振動をさせる構成の電動パワーステアリングを提案している（例えば、特許文献１参照）。また、操舵トルクを微分してその微分値（エッジ）の大きさから運転者が操舵を開始したことを判断して、その大きさから静止摩擦力を推定して補償しようとしている（例えば、特許文献２参照）。そのほか、クーロン摩擦を低減するためには操舵速度の方向を見て、予めフリクション除去に相当するオフセット電流を加えるなどが常套手段として用いられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２００２−４６６３２号公報
【特許文献２】
特開平２０００−１０３３４９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術にあっては、フリクショントルクを合理的に推定してフィードバックすることにより除去するのではなく、車両の条件（操舵速度やその方向）からフィードフォワード的に決めて、フリクションの影響を除去しようとしていた。
【０００５】
そのため、そのルールに従わない場合には、運転者の違和感になると言う問題点があった。例えば、操舵角速度の小さいところではディザを加えるという対策を行なうとすると、運転中の大部分の状態でディザを加えなければならず、運転者にその振動が伝わることが懸念されるとともに、電流エネルギーと言う観点からも好ましくないという問題点があった。
【０００６】
また、操舵トルクのエッジを抽出するにしても、トルクを微分するためにノイズの影響を受けやすく誤って操舵開始と判断してしまったり、ノイズを除去してから微分をしようとするとフリクション補償が遅れてしまうという問題点があった。
【０００７】
さらに、操舵速度の方向でオフセット電流を切り替えたりすると、微小操舵をしているときなどはフリクショントルクが頻繁に符号を変えてしまい、フリクション補償電流のハンチングが運転者に伝わってしまうなどという問題点もあった。
【０００８】
上記問題点はいずれも、不確かな検出情報に基づいて、フィードフォワード的にフリクション補償しようとしたことによって生じていた。
【０００９】
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、操作入力手段を操作したときのフリクションを合理的に推定し除去することで、微小なトルクで運転者に路面状況やそのほかの必要な情報を伝えることができると共に、操作系にフリクション感がなく操舵感の向上を望むことができる操作反力生成制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、
運転者が車両の方向変化の指令値を入力するための操作入力手段と、該操作入力手段に加わる操作反力を調整するアクチュエータと、該アクチュエータの発生力を制御する制御手段と、を備えた操作反力生成制御装置において、
運転者の操作入力手段に対する操作力を検出する操作力検出手段と、
運転者の操作によって生じた操作入力手段の変位または速度を検出する操作状態量検出手段と、を設け、
前記制御手段は、
上記検出された操作力と、上記検出された操作入力手段の変位または速度と、加えた制御入力に基づいて、アクチュエータ部のフリクションを推定するフリクション推定部と、
推定されたフリクションを除去するように制御入力を変更するフリクション補償部と、
を有することを特徴とする。
【００１１】
ここで、「フリクション推定部」は、例えば、制御入力と運転者操作力によって駆動されるモデルを持ち、操作入力手段の変位または速度による操作状態量を、そのモデルの逆特性に通したときに求められる制御入力及び操作入力の合計の推定値と、実際の制御入力及び操作入力の合計値との差から、外乱として入力された力をフリクション推定値とする。
【００１２】
【発明の効果】
よって、本発明の操作反力生成制御装置にあっては、操作入力手段を操作したときのフリクションを合理的に推定し除去するので、微小なトルクで運転者に路面状況やそのほかの必要な情報を伝えることができるという効果が生まれる。また、操作系のフリクション感を無くすことで、車両の操舵感が向上する効果が望める。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の操作反力生成制御装置を実現する実施の形態を、図面に示す第１実施例〜第４実施例に基づいて説明する。
【００１４】
（第１実施例）
まず、構成を説明する。
第１実施例は、本発明の操作反力生成制御装置をステアバイワイヤの操舵反力発生部に適用した場合を記す。
【００１５】
図１は第１実施例の操作反力生成制御装置を示す全体システム図である。図１において、１はステアリングホイール（操作入力手段）、２は減速ギヤ、３はモータ（アクチュエータ）、４はロータリエンコーダ（操作状態量検出手段）、５はステアリングシャフト、６はトルクセンサ（操作力検出手段）、７は車速センサ（車速検出手段）、８は操舵反力コントローラ（制御手段）である。
【００１６】
前記ステアリングホイール１は、運転者が車両の方向変化の指令値を入力するための操作入力手段である。この操作入力手段としては、他にジョイスティックのようなレバー等であっても良い。
【００１７】
前記減速ギヤ２は、モータ３の回転を減速してステアリングシャフト５に与える減速機構である。この減速ギヤ２としては、図１では平歯車を記したが、歯打ち音などが気になる場合には、ウォームなどで構成しても良い。
【００１８】
前記モータ３は、前記ステアリングホイール１の操作反力を調整するアクチュエータである。このモータ３としては、ＤＣサーボモータを用いても良いし、ブラシレスモータを用いても良い。また、十分なトルクが得られるのならば、減速ギヤ２を持たずに、モータ軸を直接ステアリングホイール１の軸としても構わない。
【００１９】
前記ロータリエンコーダ４は、運転者の操作によって生じたステアリングホイール１の変位を、モータ軸の回転角度により間接的に検出する操作状態量検出手段である。なお、ロータリエンコーダ４では回転角度がわかるが、回転速度を検出するために、タコジェネレータをロータリエンコーダ４の代わりに取り付けても良い。さらに、モータ軸の回転を検出するようにしたが、ステアリングシャフト５の位置に同様にロータリエンコーダを取り付けても良い。但し、減速ギヤ２を介しているので角度分解能的には、モータ軸の回転を検出する方が細かく角度を検出できるため、モータ軸の回転を検出する位置の方が好ましい。
【００２０】
前記トルクセンサ６は、ステアリングシャフト５の位置に設けられ、運転者のステアリングホイール１に対する操作力（ドライバ操舵トルク）を検出する。なお、トルクセンサ６は、電動パワーステアリングに用いられている一般的な構成のもので構わない。
【００２１】
前記操舵反力コントローラ８は、ロータリエンコーダ４からの回転角度情報とトルクセンサ６からのドライバ操舵トルク情報と車速センサ７からの車速情報とを入力し、これらの情報に基づいて、モータ３への印加電流を演算し、モータ３を印加電流によって駆動する。なお、操舵反力コントローラ７の図示しないモータ駆動回路は、安定して電流を供給できるものとする。例えば、逆起電力の影響を受けにくいように、電流のサーボコントロールがされているものとする。
【００２２】
次に、作用を説明する。
［角度検出時のフリクション推定作用］
図２はステアリングシャフト回転角αに基づいてフリクショントルクの推定を行なう第１実施例の操作反力生成制御ブロック図である。
トルクセンサ６の信号をドライバ操舵トルクＴｓ（既知外乱）
フリクショントルクＴｆ（未知外乱）
モータ慣性モーメントＪｓ（但し、ステアリングシャフト換算であり、ステアリングホイール１の慣性モーメントも含む）
モータトルク定数Ｋｔ（但し、ステアリングシャフト換算）
モータ発生トルクＴｍ＝Ｋｔ・ｉ（但し、ステアリングシャフト換算）
モータ印加電流  ｉ
ステアリングシャフト回転角α
ステアリングシャフト回転角加速度α’’
とすると、運動方程式は以下のようになる。
Ｊｓ・α’’＝Ｔｓ＋Ｔｍ＋Ｔｆ                        …（１）
プラントに外乱Ｔｓ，Ｔｆが加わらない状態では、
Ｊｓ・α’’＝Ｋｔ・ｉ                            …（２）
と書けるので、伝達関数で表わすと、ｓをラプラス演算子として次のようになる。
α／ｉ＝Ｋｔ／（Ｊｓ・ｓ２）＝Ｐ（ｓ）                  …（３）
外乱除去の周波数帯をｆｃ（Ｈｚ）として、ωｃ＝２πｆｃ（ｒａｄ／ｓ）と定義する。
外乱除去のローパスフィルタを、
Ｈ（ｓ）＝ωｃ２／（ｓ＋ωｃ）２                        …（４）
とする。この状態で図２のように制御対象（プラント）の周りにコントローラを構成すると、図２のＡ部から推定されたフリクショントルクが電流値に換算して得られるので、これを図２のように入力電流にフィードバックする。こうしてフリクションが除去される。
【００２３】
フィードバックの経路には、電流のリミッタが設けられており、例えば、補償されるべきフリクションが高々１Ｎｍの場合には、１Ｎｍに見合った電流値＝１／Ｋｔ（Ａ）でリミッタを設定すれば良い。
【００２４】
リミッタを設ける理由としては、以下の効果も挙げられる。例えば、ωｃ＝２πｆｃ（ｒａｄ／ｓ）を高く設定した場合に、制御系にのるノイズなどによって、フリクショントルクが過大に、かつ、高周波ノイズとして推定されてしまう可能性がある。その結果、フリクション補償電流によってアクチュエータが駆動され、運転者にギクシャクした感じが伝わってしまうが、リミッタをいれて電流を飽和させることで、このような違和感を防止する効果もある。
【００２５】
［操作反力生成制御作用］
従来、フリクションを除去する方法としては、フィードフォワードが盛んに行われていた。しかし、フィードフォワードによるフリクション除去では、以下の問題が発生する。
【００２６】
例えば、プラントに１Ｎｍのフリクションがあるだろうと思って、それを補償するための電流１Ａを流したとする。しかし、実際にはフリクションが０．２Ｎｍしかない場合には、０．８Ｎｍ分のトルクが運転者に伝わってしまい、操舵違和感につながる。このように、想定した対象（プラント）と実際のプラントの特性が異なった時に、柔軟に対応できないという問題がある。
【００２７】
それならば、プラントの状態を探りながら制御するフィードバックを加えれば良いと考えるのは自然である。しかし、フィードバックでフリクションを除去する発明は見当たらない。フリクションで問題になるのは、静的なフリクションである。運転者が操舵しているときのフリクションはいわゆる動フリクションであり、これは操舵系のダンピングとしても寄与することから、むしろ好ましい場合もある。しかし、保舵状態から操舵開始する時は静フリクションになり、このフリクションが大きいと、まさに「ひっかかり」として運転者に感じとられてしまう。つまり、極低周波（定常状態）でのフリクションが除去されなければならない。
【００２８】
このときに考えられるのは、一般的に制御において定常偏差を除去するために用いられる積分制御である。積分制御は誤差の積分値がゼロになるように作用するので、定常状態でのフリクション除去に有効なはずである。上述のように積分制御は定常偏差を除去できるので、位置コントロールなどにおいて、定常偏差が生じようとすると「じわじわと」偏差を除去する方向に力を加えていくものである。ここで「じわじわと」と記したのは、一般的に積分制御を大きく効かせると、閉ループ系全体の動特性が低下し、極端な場合には発散に至るためである。そのため、一般には積分定数はあまり大きく設定しない。つまり、定常偏差は徐々に除去され「じわじわと」目標値に近づいていくのが一般的である。したがって、このような方法では操舵開始と同時にフリクションを除去することは不可能であり、操舵開始したときの引っかかり感はそのままで、ハンドルを切っているうちに、じわじわと少し軽くなることになる。このように、単純に積分のフィードバックを加える方法では、期待する効果が得られないためフィードバックによるフリクション除去は今まで行われていなかった。
【００２９】
本発明の外乱オブザーバも一つの積分制御である。しかし、一般的な積分と違うのは、外乱を除去する周波数領域をフィルタＨ（ｓ）で設定することができることである。本発明のポイントは、このフィルタＨ（ｓ）のカットオフ周波数を高く設定することである。こうすることによって定常偏差はもちろん、高周波の外乱までを推定し、除去することが理論的には可能である。
「理論的には」と書いたのは、実際には高周波の外乱を推定するためには、プラントの特性を高周波まで正しく把握することが必要であり、一般的には難しい。つまり、高周波外乱までを推定すると、高周波の誤った外乱推定値が得られ、これに基づいてフリクションを除去しようとすると高周波でガタガタ動き、運転者には妙にギクシャクしたような操舵系となる。そこで、本発明では、高周波外乱までを推定しながら、上記ギクシャク感を感じさせないように、外乱推定値にリミッタを設け、外乱推定値を一定値で飽和させてしまう方法を用いた。こうすることによって、操舵開始と同時に外乱推定値が立ち上がり、ある値で飽和することになる。
【００３０】
次に、効果を説明する。
第１実施例の操作反力生成制御装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００３１】
（１）運転者が車両の方向変化の指令値を入力するためのステアリングホイール１と、該ステアリングホイール１に加わる操作反力を調整するモータ３と、該モータ３の発生力を制御する操舵反力コントローラ８と、を備えた操作反力生成制御装置において、運転者のステアリングホイール１に対するドライバ操舵トルクＴｓを検出するトルクセンサ６と、運転者の操作によって生じたステアリングシャフト回転角αを検出するロータリエンコーダ４と、を設け、前記操舵反力コントローラ８は、検出されたドライバ操舵トルクＴｓと、検出されたステアリングシャフト回転角αと、加えた制御入力に基づいて、モータ３及び減速ギヤ２によるアクチュエータ部のフリクションを推定するフリクション推定部と、推定されたフリクションを除去するように制御入力を変更するフリクション補償部と、を有するため、操作入力手段を操作したときのフリクションを合理的に推定し除去することで、微小なトルクで運転者に路面状況やそのほかの必要な情報を伝えることができると共に、操作系にフリクション感がなく操舵感の向上を望むことができる。
【００３２】
すなわち、ステアリングホイール１に代表される操作入力手段を操作したときの、フリクションを合理的に推定し、除去するので、微小なトルクで運転者に路面状況やそのほかの必要な情報を伝えることができるという効果が生まれる。例えば、ステアバイワイヤの反力発生部にこのような仕組みを取り付けなかったら、ハンドル（ステアリングホイール１）を中立位置に戻すために大きなトルクを発生させなければならない。そのため、通常の操舵時にもそれらのトルクが邪魔になり、ハンドル操作に対しての復元トルクが大きくなったりする可能性がある。また、一般に操作系にフリクション感がないことは、「すっきり」したフィーリングになり、好ましいので、車両の操舵感が向上する効果が望める。
【００３３】
（２）フリクション推定部は、制御入力と運転者操作力によって駆動されるモデルＰ（ｓ）を持ち、ステアリングシャフト回転角αを、そのモデルＰ（ｓ）の逆特性に通したときに求められる制御入力及び操作入力の合計の推定値と、実際の制御入力及び操作入力の合計値との差から、外乱として入力された力をフリクション推定値としたため、合理的なフリクション推定の構成を与えることができる。
【００３４】
すなわち、従来のような、「きっとこうなるだろう」というようなフィードフォワードの制御ではなく、「実際に運転者は検出されたトルクで操舵しているし、アクチュエータにも検出されたエネルギーを加えているのだから、ハンドルはモデルによればこのくらい動くはずだ。もしも、それだけ動いていないのならば、それはフリクションなどの外乱によってアクチュエータの動きが拘束されているからだ。」ということを、制御ブロック図（図２）で構成し、外乱をフィードバックで推定することにより、必要かつ十分なフリクション推定が行われる。そのため、フリクショントルク除去を、タイミングが違うなどの妙な違和感を発生させずに行なうことが可能になる。
【００３５】
（３）フリクション補償部は、フリクション推定値相当の電流にある上限（電流リミッタ）を設けて、その電流リミッタ以下のフリクションを除去するようにした、つまり、フリクションの上限値を定め、それ以上の推定値が得られてもフリクション推定値を飽和させるようにしたため、ギクシャク感を防止することができる。
【００３６】
すなわち、フリクションを推定するときに、モデル誤差があったり、信号にノイズがあったりすると、それをフリクションと誤推定し、フリクション補償制御が振動的になったり、妙なギクシャク感を運転者に与える可能性がある。
【００３７】
（４）フリクション推定部は、モデルＰ（ｓ）の逆特性にあるローパスフィルタＨ（ｓ）をかけて、フリクション除去の周波数帯域を特定するようにしたため、高周波でのノイズにより、（３）の効果で述べたようなギクシャク感が発生することを防止することができる。
【００３８】
（５）車速を検出する車速センサ７を設け、フリクション補償部は、フリクション除去による補償を、検出車速が所定車速以下でのみ実施するようにしたため、フリクションと共にセルフアライニングトルクが除去されてしまう場合の、車両性能への影響を少なくすることができる。
【００３９】
つまり、低速では問題にならないが、高速では中立付近の反力感が希薄になるため、低速でのみ本願の制御を実施することが望ましい。しかも、低速では、ハンドルの復元性などが大幅に改善されるメリットがある。
【００４０】
（第２実施例）
第１実施例はステアリングシャフト回転角αを用いてフリクショントルクを推定したのに対し、第２実施例は操舵角速度ηを用いてフリクショントルクを推定するようにした例である。なお、システム構成は第１実施例の図１と同様であるので、図示並びに説明を省略する。
【００４１】
次に、作用を説明する。
［角速度検出時のフリクション推定作用］
図３は操舵角速度ηに基づいてフリクショントルクの推定を行なう第２実施例の操作反力生成制御ブロック図である。操舵角速度ηを求めるためには、タコジェネレータの信号を用いるのが望ましいが、エンコーダからα（角度）を求めて、差分から操舵角速度ηを求めても良い。但し、この場合には操舵角速度ηの分解能が十分取れるように配慮をするべきである。
【００４２】
上記と同様に、プラントに外乱Ｔｓ，Ｔｆが加わらない状態では、
Ｊｓ・η’＝Ｋｔ・ｉ                              …（５）
と書けるので、伝達関数で表わすと、ｓをラプラス演算子として次のようになる。
η／ｉ＝Ｋｔ／（Ｊｓ・ｓ）＝Ｑ（ｓ）                  …（６）
外乱除去の周波数帯をｆｃ（Ｈｚ）として、ωｃ＝２πｆｃ（ｒａｄ／ｓ）と定義する。
外乱除去のローパスフィルタを、
Ｇ（ｓ）＝ωｃ／（ｓ＋ωｃ）                        …（７）
とする。
この状態で図３のように制御対象（プラント）の周りにコントローラを構成すると、図２と同様に、図３のＡ部から推定されたフリクショントルクが電流値に換算して得られるので、これを図３のように入力電流にフィードバックする。こうしてフリクションが除去される。
【００４３】
次に、効果を説明する。
この第２実施例の操作反力生成制御装置にあっては、第１実施例の（１）〜（５）の効果を得ることができる。但し、第１実施例の（１），（２）の効果は、下記の（１’），（２’）のように書き表される。
【００４４】
（１’）運転者が車両の方向変化の指令値を入力するためのステアリングホイール１と、該ステアリングホイール１に加わる操作反力を調整するモータ３と、該モータ３の発生力を制御する操舵反力コントローラ８と、を備えた操作反力生成制御装置において、運転者のステアリングホイール１に対するドライバ操舵トルクＴｓを検出するトルクセンサ６と、運転者の操作によって生じた操舵角速度ηを検出するロータリエンコーダ４またはタコジェネレータと、を設け、前記操舵反力コントローラ８は、検出されたドライバ操舵トルクＴｓと、検出された操舵角速度ηと、加えた制御入力に基づいて、モータ３及び減速ギヤ２によるアクチュエータ部のフリクションを推定するフリクション推定部と、推定されたフリクションを除去するように制御入力を変更するフリクション補償部と、を有するため、操作入力手段を操作したときのフリクションを合理的に推定し除去することで、微小なトルクで運転者に路面状況やそのほかの必要な情報を伝えることができると共に、操作系にフリクション感がなく操舵感の向上を望むことができる。
【００４５】
（２’）フリクション推定部は、制御入力と運転者操作力によって駆動されるモデルＱ（ｓ）を持ち、操舵角速度ηを、そのモデルＱ（ｓ）の逆特性に通したときに求められる制御入力及び操作入力の合計の推定値と、実際の制御入力及び操作入力の合計値との差から、外乱として入力された力をフリクション推定値としたため、合理的なフリクション推定の構成を与えることができる。
【００４６】
（第３実施例）
まず、構成を説明する。
第３実施例は、本発明の操作反力生成制御装置を電動パワーステアリングの操舵反力発生部に適用した場合を記す。
【００４７】
図４は、本発明の第３実施例に関わる車両用操舵装置のブロック図である。ステアリングホイール１と、舵取り動作を行なう舵取機構９とを連結するステアリングシャフト５に、ステアリングホイール１に加わる操舵トルクを検出するトルクセンサ６と操舵補助用のモータ３とが配置されている。
【００４８】
前記ステアリングホイール１は、図示しない車室内部に運転者と対向するように、軸周りに回転可能に設けられている。舵取機構９は、ステアリングシャフト５の下端に一体形成されたピニオン１０と、これに噛合するラック軸１１とを備えるラック＆ピニオン式の舵取り装置により構成される。
【００４９】
前記ラック軸１１は、図示しない車両前部に、左右方向へ摺動可能に固定されており、ラック軸１１の両端は、左右のタイロッド１２，１３を介して操向用の車輪１４，１５に連結されている。操舵を補助するモータ３は、モータ３の発生トルクをステアリングシャフト５の回転トルクに変換するような減速ギア２を介して、ステアリングシャフト５に結合される。
【００５０】
続いて、第３実施例の制御系を、図５に示す制御ブロック図を用いて説明する。
運転者によりステアリングホイール１が操作されると、機械的な連結により車輪１４，１５が操向される。この時の負荷によりトルクセンサ６は捩れ操舵トルクとして検出される。このトルクセンサ６の出力は、操舵補助用のモータ３を制御駆動する操舵反力コントローラ８に与えられる。
【００５１】
前記操舵反力コントローラ８には、さらに、前記モータ３の回転角や回転速度を計測するためのロータリエンコーダ４もしくはタコジェネレータから出力される回転角度が入力されている。また、車両の走行速度を検出する車速センサ７等の信号も与えられている。
【００５２】
前記操舵反力コントローラ８の出力は、モータ３に与えられており、操舵トルク・モータの回転角度・回転速度・車速等を用いて、モータ３の駆動電流を算出し、算出された駆動電流を内蔵するモータ電流センサによるモータ電流を参照しつつモータ３を制御駆動する。モータへ供給される電源は、バッテリ１６により与えられる。
【００５３】
［角度検出時のフリクション推定作用］
図６は、モータ角度αに基づいて静フリクション推定を行い、モータ回転速度に基づいて動フリクションを補償する第３実施例の操作反力生成制御ブロック図である。
トルクセンサの信号をドライバ操舵トルク：  Ｔｓ（外乱既知）
フリクショントルクと路面からの入力トルク：  Ｔｆ（未知外乱）
ステアリング系（モータ含む）の慣性モーメント：  Ｊｓ
モータトルク定数：  Ｋｔ
モータ発生トルク：  Ｔｍ
モータ印加電流：  ｉ
ステアリングシャフトの回転角：  α＝θ／減速比
とすると、運動方程式は以下のようになる。
Ｊｓ・α’’＝Ｔｓ＋Ｔｍ＋Ｔｆ                        …（１）
プラントに外乱Ｔｓ，Ｔｆが加わらない状態では、
Ｊｓ・α’’＝Ｋｔ・ｉ                            …（２）
と書けるので、伝達関数で表わすと、ｓをラプラス演算子として次のようになる。
α／ｉ＝Ｋｔ／（Ｊｓ・ｓ２）＝Ｐ（ｓ）                  …（３）
外乱除去の周波数帯をｆｃ（Ｈｚ）として、ωｃ＝２πｆｃ（ｒａｄ／ｓ）と定義する。
外乱除去のローパスフィルタを、
Ｈ（ｓ）＝ωｃ２／（ｓ＋ωｃ）２                        …（４）
とする。この状態で図６のように制御対象の周りにコントローラを構成すると、図６のＡ部から推定された未知外乱トルクが算出される。
【００５４】
電動パワーステアリングにおいて、αに対する外乱（フリクショントルクと路面からの入力トルク）の関係は、図７のようになっており（外乱トルク＝フリクショントルク＋タイヤ復元トルク）、推定された未知外乱トルクをＢ部で微分（ハイパスフィルタ）することにより、微小転舵時の静フリクション相当を推測可能となる。
【００５５】
上記静フリクション相当に加え、事前に分かっている動フリクションをＣ部から算出し、両者を加算してフリクションとする。それを電流値に換算し図５のように入力電流へフィードバックすることにより、フリクションが除去される。
【００５６】
次に、効果を説明する。
この第３実施例の操作反力生成制御装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００５７】
（３）  運転者が車両の方向変化の指令値を入力するためのステアリングホイール１と、該ステアリングホイール１に加わる操作反力を調整するモータ３と、該モータ３の発生力を制御する操舵反力コントローラ８と、を備えた操作反力生成制御装置において、運転者のステアリングホイール１に対する操作力を検出するトルクセンサ６と、運転者の操作によって生じたステアリングシャフト回転角αを検出するロータリエンコーダ４と、を設け、操舵反力コントローラ８は、検出されたドライバ操舵トルクＴｓと、検出されたステアリングシャフト回転角αと、加えた制御入力に基づいて、モータ３及び減速ギア２によるアクチュエータ部の静フリクションを推定するフリクション推定部（Ｂ部）と、ステアリングシャフト回転角速度α’に応じたアクチュエータ部の動フリクションを記憶したフリクション記憶部（Ｃ部）と、推定された静フリクションと、記憶された動フリクションに基づいて、両フリクションを除去するように制御入力を変更するフリクション補償部と、を有するため、静フリクションと動フリクションの両方を補償することが可能であり、操作系のフリクション感をなくし、車両の操舵感を向上する効果が期待できる。また、タイヤを介して伝わる路面状況等の必要なインフォメーションを伝達できる。
【００５８】
（４）  フリクション補償部は、フリクション推定部（Ｂ部）の出力にハイパスフィルタをかけた値と、フリクション記憶部（Ｃ部）から出力される値と、に応じて制御入力を変更するため、微小転舵時の静フリクション相当を推測可能となり、微小転舵時の操舵感を向上させることができる。
【００５９】
（第４実施例）
システム構成は第３実施例の図４と同様であるので、図示並びに説明を省略する。
【００６０】
次に、作用を説明する。
［角度検出時のフリクション推定作用］
図８は、第４実施例の操作反力生成制御ブロック図である。未知外乱トルク算出の過程は第３実施例と同じであるため、説明は省略する。
【００６１】
第４実施例では、外乱トルクの推測値に、動摩擦相当のリミッタを設けた（Ｄ部）。その後、１以下のゲイン第１ゲインＧ１を掛けた第１フリクション補償値（Ｅ部）を算出する。それに加え、事前に分かっている動フリクションをステアリングシャフト回転角速度α’から算出し、その後、１以下のゲイン第２ゲインＧ２を掛けた第２フリクション補償値（Ｆ部）を算出する。そして、両者を加算することによりフリクション補償値とする。
【００６２】
また、第１ゲインＧ１と第２ゲインＧ２の和を１以下とすることで、両者を加算して算出されるフリクションは、より実際のフリクション値に近くなるので、より自然な操舵フィーリングを実現できる。
【００６３】
また、車速が高くなると一般に転舵速度が遅くなり、ハンドルが停止→微小操作→停止が繰り返されることになる。そのような場合は、静摩擦→動摩擦の変化が発生しがちになるので、高車速の場合は第１ゲインＧ１を高くして、第２ゲインＧ２を低くすると、高車速時のフリクション感をなくすことができる。
【００６４】
また、電動パワーステアリングの場合、操舵中心付近の操舵力が低い。操舵力が低いと微小なトルク変動を感じ易いので、操舵角が小さいときは、第１ゲインＧ１を高くして、第２ゲインＧ２を低くすると、微小転舵時のフリクション感をなくすことができる。
【００６５】
さらに、転舵速度が速い場合は、動フリクションだけとなるので、転舵速度が速い場合は、第１ゲインＧ１を小さくして、第２ゲインＧ２を高くすると、フリクション感をなくすことができる。
【００６６】
次に、効果を説明する。
この第４実施例の操作反力生成制御装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００６７】
（５）  フリクション補償部は、フリクション推定部（Ｄ部）の出力に１以下の第１ゲインＧ１を乗じた第１フリクション補償値と、フリクション記憶部（Ｃ部）の出力に１以下の第２ゲインＧ２を乗じた第２フリクション補償値との加算値をフリクション補償値とし、さらに、第１ゲインＧ１と第２ゲインＧ２との加算値を、１以下としたため、フリクション補償値を実際のフリクション値に近づけることができ、より自然な操舵フィーリングを実現できる。
【００６８】
（６）  車速を検出する車速センサ７を設け、第１フリクション補償部（Ｅ部）は、高車速時には、第１ゲインＧ１を高くし、かつ、第２フリクション補償部（Ｆ部）は、第２ゲインＧ２を低くするため、高車速時のフリクション感をなくして操舵感を向上させることができる。
【００６９】
（７）  第１フリクション補償部（Ｅ部）は、操舵角が小さい場合には、第１ゲインＧ１を高くし、かつ、第２フリクション補償部（Ｆ部）は、第２ゲインＧ２を低くするため、微小転舵時のトルク変動を抑制して操舵感を向上させることができる。
【００７０】
（８）  第１フリクション補償部（Ｅ部）は、操舵速度が速い場合には、第１ゲインＧ１を低くし、かつ、第２フリクション補償部（Ｆ部）は、第２ゲインＧ２を高くするため、操舵速度が速い場合のフリクション感をなくすことができる。
【００７１】
以上、本発明の操作反力生成制御装置を第１実施例〜第４実施例に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
【００７２】
例えば、第１実施例と第２実施例では、ステアバイワイヤの反力アクチュエータについて説明したが、電動パワーステアリングでも同様にフリクションを除去できる。
但し、電動パワーステアリングでは、フリクションだけでなくタイヤで発生するセルフアライニングトルクも除去してしまうので、図２及び図３のフリクション補償電流をフィードバックするところにリミッタは必須になる。
【００７３】
また、第１実施例〜第４実施例では、モータをアクチュエータ駆動に用いたが、油圧系を構成して同様の制御を行なうことによっても、アクチュエータのフリクション除去が可能なことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の操作反力生成制御装置を示す全体システム図である。
【図２】第１実施例装置においてステアリングシャフト回転角に基づいてフリクショントルクの推定を行なう操作反力生成制御ブロック図である。
【図３】第２実施例装置において操舵角速度に基づいてフリクショントルクの推定を行なう操作反力生成制御ブロック図である。
【図４】第３実施例の操作反力生成制御装置を示す全体システム図である。
【図５】第３実施例の制御系を示すブロック図である。
【図６】第３実施例装置においてステアリングシャフト回転角に基づいてフリクショントルクの推定を行なう操作反力生成制御ブロック図である。
【図７】第３実施例の作動特性図である。
【図８】第４実施例装置においてステアリングシャフト回転角に基づいてフリクショントルクの推定を行なう操作反力生成制御ブロック図である。
【図９】第４実施例の作動特性図である。
【符号の説明】
１  ステアリングホイール（操作入力手段）
２  減速ギヤ
３  モータ（アクチュエータ）
４  ロータリエンコーダ（操作状態量検出手段）
５  ステアリングシャフト
６  トルクセンサ（操作力検出手段）
７  車速センサ（車速検出手段）
８  操舵反力コントローラ（制御手段）
９  舵取機構
１０  ピニオン
１１  ラック軸
１２  タイロッド
１３  タイロッド
１４  車輪
１５  車輪
１６  バッテリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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