(57)【要約】【課題】  ステアバイワイヤ方式による車両用操舵装置において、タイヤの縁石接触等、低速走行時におけるラック軸への高負荷入力の際に、迅速な操舵反力を生成でき、操舵系の耐久信頼性低下の防止を図る。【解決手段】  目標転舵角と実転舵角の偏差に基づいて転舵モータ７の目標転舵トルクと反力モータ３の目標操舵反力トルクを算出するコントローラ１０と、転舵モータ７に対し目標転舵トルクを得る制御指令を出力する転舵モータドライバ１１と、反力アクチュエータに対し目標操舵反力トルクを得る制御指令を出力する反力モータドライバ１２と、を備えた車両用操舵装置において、操舵コントローラ１０は、車速vが所定値以下のとき、フィードバック制御器C(s)の定常ゲインC(0)を有限値に設定する。【選択図】      図１
2005225355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操舵入力を受けるハンドルと機械的に切り離された前輪転舵用ステアリングギアと、
この前輪転舵用ステアリングギアに連結され、前輪を転舵するトルクを発生する転舵アクチュエータと、
前記ハンドルに操舵反力を与えるトルクを発生する反力アクチュエータと、
を備えた車両用操舵装置において、
ハンドル角に基づいて目標転舵角を算出する目標転舵角算出手段と、
目標転舵角と実転舵角に基づいて転舵アクチュエータの目標転舵トルクを算出する転舵角サーボ手段と、
前記転舵アクチュエータに対し目標転舵トルクを得る制御指令を出力する転舵ドライバと、
目標転舵角と実転舵角との偏差に基づいて目標操舵反力トルクを算出する目標操舵反力算出手段と、
前記反力アクチュエータに対し目標操舵反力トルクを得る制御指令を出力する反力ドライバと、
を設け、
前記転舵角サーボ手段は、車速が所定値以下のとき、フィードバックの定常ゲインを有限値に設定することを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用操舵装置において、
前記転舵角サーボ手段は、フィードバックの定常ゲインを、車速が高くなるほど大きな値に設定することを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の車両用操舵装置において、
前記目標操舵反力算出手段は、目標操舵反力トルクを、目標転舵角と実転舵角の偏差の定数倍と偏差の微分値とを含む形に設定することを特徴とする車両用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハンドルとステアリング機構とが機械的に切り離された、いわゆるステアバイワイヤ方式による車両用操舵装置の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来のステアバイワイヤ方式による車両用操舵装置としては、ドライバに対する転舵負荷に応じた手応え感の付与を目的として、推定した転舵負荷に応じて操舵反力を制御するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−３１００７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、実転舵角を目標転舵角に追従させるフィードバック制御において、フィードバックゲインは、応答性を高めるために大きな値に設定される。従って、アクチュエータのモータ電流にドライバの操舵にとって不快な高周波振動成分が含まれてしまうため、これを低減させるローパスフィルタ等が必要となる。
【０００４】
その結果、ローパスフィルタによる高周波振動成分の除去により、タイヤの縁石接触等、低速走行時にステアリングラックへの高負荷入力に対し、ダイレクトな操舵反力を生成できず、ドライバの転舵続行により操舵系の耐久信頼性が低下するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、タイヤの縁石接触等、低速走行時におけるラック軸への高負荷入力の際に、迅速な操舵反力を生成でき、操舵系の耐久信頼性低下の防止を図る車両用操舵装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的を達成するため、本発明では、転舵アクチュエータと反力アクチュエータを備えたステアバイワイヤ方式による車両用操舵装置において、
ハンドル角に基づいて目標転舵角を算出する目標転舵角算出手段と、
目標転舵角と実転舵角に基づいて転舵アクチュエータの目標転舵トルクを算出する転舵角サーボ手段と、
前記転舵アクチュエータに対し目標転舵トルクを得る制御指令を出力する転舵ドライバと、
目標転舵角と実転舵角との偏差に基づいて目標操舵反力トルクを算出する目標操舵反力算出手段と、
前記反力アクチュエータに対し目標操舵反力トルクを得る制御指令を出力する反力ドライバと、
を設け、
前記転舵角サーボ手段は、車速が所定値以下のとき、フィードバックの定常ゲインを有限値に設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、低速時にフィードバックの定常ゲインを有限値とすることにより、目標転舵角と実転舵角とに偏差が発生するため、タイヤの縁石接触等、低速走行時にラック軸へ高負荷が入力されたとき、迅速に操舵反力を反映させることができる。よって、ドライバはその反力を感じて操舵を中止もしくは弱めるか、または反力自体によりハンドル操舵が弱められるため、結果として転舵続行による操舵系の耐久信頼性低下を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の車両用操舵装置を実施するための最良の形態を、実施例１に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は、実施例１の車両用操舵装置を適用したステアバイワイヤ車両の全体構成図である。
【００１０】
ハンドル１にはハンドル１に反力を与える反力モータ（反力アクチュエータ）３が連結されている。また、ハンドル１の角度（ハンドル角）はハンドル角センサ２により検出される。ステアリングラック４と前輪タイヤ６，６との間には、タイロッド５，５が設けられている。
【００１１】
ステアリングラック４には、タイヤ６，６を転舵させるトルクを発生する転舵モータ（転舵アクチュエータ）７が、変速機８を介して連結されている。転舵角センサ９は、転舵モータ７の回転角（≒前輪６，６の実転舵角）を検出する。
【００１２】
操舵コントローラ１０は、ハンドル角センサ２、車速センサ１３、転舵角センサ９の出力に基づいて、反力指令トルクおよび転舵指令トルクを算出し、転舵モータドライバ（転舵ドライバ）１１に対し転舵指令トルクを出力するとともに、反力モータドライバ（反力ドライバ）１２に対し反力指令トルクを出力する。
【００１３】
転舵モータドライバ１１は、転舵指令トルクに基づいて、転舵モータ７の電流を制御する。反力モータドライバ１２は、反力指令トルクに基づいて、反力モータ３の電流を制御する。
【００１４】
次に、作用を説明する。
［操舵制御処理］
図２は、操舵コントローラ１０で実行される操舵制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。
【００１５】
ステップＳ１では、ハンドル角センサ２その他の信号に基づいて、目標タイヤ転舵角δ*を計算し（目標転舵角算出手段に相当）、ステップＳ２へ移行する。目標タイヤ転舵角δ*の算出方法の一例としては、下記の式(1)が挙げられる。
δ*＝G(v)・θ  …(1)
ここで、θはハンドル角、G(v)はステアリングギア比に相当する。vは車速を表しており、G(v)は車速可変であることを示す。その他、多くの手法が提案されているが、本特許の範疇外であるため、詳細は省略する。
【００１６】
ステップＳ２では、車速センサ１３の信号に基づいて、転舵角サーボの特性を決定し（転舵サーボ手段に相当）、ステップＳ３へ移行する。この詳細は後段で説明する。
【００１７】
ステップＳ３では、転舵角センサ９の信号である実タイヤ転舵角δと目標タイヤ転舵角δ*により、転舵モータ７の目標トルクTδ*を算出し、ステップＳ４へ移行する。
【００１８】
ステップＳ４では、反力モータ３の目標トルクTθ*を算出し（目標操舵反力算出手段に相当）、本制御を終了する。この詳細は後段で説明する。
【００１９】
転舵モータドライバ１１、反力モータドライバ１２の内容は電流サーボである。電流サーボの設計は制御系設計理論を用いる。公知技術であり、ここでは詳細を省略する。
【００２０】
次に、実施例１のステップＳ２，ステップＳ４の詳細を説明する。
［転舵角サーボ特性決定］
まず、ステップＳ２の転舵角サーボ特性の決定方法について説明する。図３に、２自由度制御系による転舵角サーボ制御ブロックを示す。図３において、P(s)は制御対象モデル、C(s)はフィードバック制御器を表す。F(s)は目標転舵角δ*に対する実転舵角δの目標値応答を表す。F(s)の出力を目標転舵角補正値δ**と表記することにする。
【００２１】
まず、P(s)の導出法の一例を示す。転舵軸まわりのモデルを、下記の式(2)で近似する。
Tδ＝Iδ・s2δ＋Cδ・sδ＋ξNf(s)/Df(s)・δ  …(2)
ここで、sはラプラス演算子で微分を表し、Tδは転舵モータトルク転舵軸まわり換算値、Iδはモータ、変速機、ステアリングラック、タイロッド、タイヤ等を含めた転舵装置の転舵軸まわりの慣性モーメント、Cδは転舵装置の転舵軸まわりの粘性係数である。また、ξはキャスタートレール、Nf(s)/Df(s)は転舵角δから前輪横力（左右２輪合計）までの伝達関数である。
【００２２】
これを伝達関数表現すると、下記の式(3)に示すP(s)が得られる。
δ＝[Df(s)/{Iδ・s2＋Cδ・s＋ξNf(s)}]・Tδ＝P(s)・Tδ  …(3)
F(s)は、例えば、１次遅れ特性が上げられる。それを伝達関数で書くと、下記の式(4)となる。
F(s)＝1/(Ta・s＋1)  …(4)
ここで、Taは遅れ時間を表す。目標転舵角δ*が時刻ゼロでステップ上に変化した時の目標転舵角補正値δ**の応答を、図４に示す。
【００２３】
フィードバック制御器C(s)は、P(s)とC(s)からなるシステムが安定となるように設計する。ただし、車速vに応じてC(s)の設定を変える。フィードバック制御器C(s)の入出力関係を、下記の式(5)に示す。
Tδ_fb*＝−C(s)・(δ−δ**)＝−{N_fb(s)/D_fb(s)}(δ−δ**)  …(5)
ここで、sはラプラス演算子を表す。Tδ_fb*は転舵モータ指令トルクTδ*のフィードバック分を表す。フィードフォワード分は、図３中のF(s)/P(s)・δ*である。
【００２４】
低速では、偏差δ-δ**に対する定常フィードバックが有限になるようにC(s)を設定する。すなわち、C(0)が有限値であるように設定する。C(s)をPD制御（比例＋微分制御）で実現した例を、下記の式(6)に示す。
C(s)＝Kpδ＋Kdδ・s  …(6)
ここで、Kpδ，Kdδは（比例/微分ゲイン）を表す。C(0)をフィードバック制御器C(s)の定常ゲインと呼ぶ。
【００２５】
式(6)における定常ゲインは、Kpδである。KdδはKpδに合わせてフィードバック系が安定となるように設定する。
【００２６】
高速になる程、定常ゲインC(0)を大きくする。式(7)のように、分母にsを含ませてC(0)を無限大にしてもよい。
C(s)＝−N_fb(s)/{s・D_fb(s)}  …(7)
【００２７】
図５に、定常ゲインの車速依存性の例を示す。
この結果、低速では目標タイヤ転舵角補正値δ**と実タイヤ転舵角δとの間に偏差が生じる可能性がある。そのため、定常ゲインが低い車速範囲を広く設定すると、後に述べるラック軸力推定の車速範囲は広がるものの、偏差δ-δ**が生じる範囲も広がるため、両者のトレードオフを考えて設定する。
【００２８】
［反力トルクモータ計算］
次に、ステップＳ４の詳細を説明する。反力モータ指令トルクは、下記の式(8)で表される。
Tθ*＝Kpθ・(δ−δ**)＋Kdθ・s・(δ−δ**)  …(8)
回転に関する物理量の符号を左回転正とする。すなわちθ，δは左回転正であり、Tθ*が正の時、ハンドルは左回転が発生する方向にハンドルの反力が発生するものとする。
【００２９】
今、偏差δ-δ**が正、すなわち、目標値よりも実転舵角が左に切られている状況を考える。そのとき反力も左に切られるように電流が生じるためにKpθの符号を正に設定する。また、偏差δ-δ**が正の方向へ変化する状況、すなわち、目標値よりも実転舵角が左に切り始められる状況でも左に切られるように電流が生じるためにKdθの符号を正に設定する。
【００３０】
［従来技術の問題点］
ステアバイワイヤ方式による車両用操舵装置では、ハンドルとステアリングギアとの間に機械的連結が無いため、ハンドルに対し反力アクチュエータを用いて操舵に応じた反力を発生させている。ハンドルの反力はヨーレイトセンサや加速度センサ、ハンドル角センサの信号を用いて生成する方式も検討されているが、タイヤが縁石等に接触したことをドライバに反力として知らせるためにはそれらの信号では不十分である。
【００３１】
すなわち、ヨーレイトや加速度は車両挙動を表す物理量であるから、タイヤが縁石に接触してからそれらに変化が現れるのに遅れが存在するため、それに基づいて生成された反力も遅れが発生し、ダイレクトな反力感が得られないためである。また、ステアバイワイヤの機構上、縁石等による外力がステアリングラックに加えられてもハンドル角は変化しないため、ハンドル角に基づく反力制御では前記外力を生成することはできない。
【００３２】
そこで、縁石接触の反力を生成する手段として、ラック軸力により反力を生成することが考えられる。例えば、ラック軸力の定数倍を反力に付与する。ラック軸力は直接計測することも考えられるが、軸力センサは一般に耐久性、信頼性、その他搭載性から難しい場合が多い。そのため、特開平１０−３１００７４号公報の『操舵制御装置』に示されるラック軸力推定が検討されている。
【００３３】
先に述べたように、ステアバイワイヤではハンドル角その他の情報に基づき目標タイヤ転舵角が算出され、実タイヤ転舵角は目標タイヤ転舵角に一致するようにサーボ制御される。ステアリングギアにはタイヤ転舵用モータが接続されており、ラック軸力をそのモータに流れる電流に基づいて推定することが上記従来技術の概要である。
【００３４】
一般に、実タイヤ転舵角と目標タイヤ転舵角の誤差が存在しないように、フィードバックゲインは大きな値に設定される。その結果、図６に示すようにモータ電流は高周波成分を含むものとなる。この定数倍を反力に付与すると、反力には不快な高周波振動成分が加わるため、ローパスフィルタ等を用いて高周波ノイズを低減する必要がある。
【００３５】
その結果、低速時にハンドルを急転舵させてタイヤが縁石に強打する状況や、低速時に縁石に乗り上げたりしてステアリングギアに大きなラック軸力が加わる状況において、縁石接触時のダイレクトな反力を生成することができず、ドライバは転舵を続行するため、場合によってはステアリングギアを含めた操舵系の耐久信頼性が低下するおそれがある。
【００３６】
［低速時の定常ゲイン設定作用］
これに対し、実施例１の車両用操舵装置では、低速時にはフィードバック制御器C(s)の定常ゲインC(0)を有限値に設定し、ラック軸力を迅速にハンドル反力に反映させることにより、ハンドルおよびタイヤが切り戻されてラック軸力が低減し、前記のような状況での前輪操舵系の耐久信頼性低下を防止できる。以下、その理由を説明する。
【００３７】
低速では、転舵角サーボ制御の定常ゲインを有限値としたため、ラック軸力が加わった場合、目標タイヤ転舵角補正値δ**と実タイヤ転舵角δには偏差が発生することになる。PD制御を用いた時のラック軸力Fδと偏差δ-δ**は以下の関係がある。
Fδ＝{−Kpδ・(δ−δ**)−Kdδ・s・(δ−δ**)}・cδ  …(9)
【００３８】
式(9)中のｃδは、転舵モータトルクをラック軸力に換算するための係数である。式(9)に示されるように、ラック軸力が大きくなるにつれ、偏差も大きくなることが判る。反力トルクである式(8)を再掲する。
Tθ*＝Kpθ・(δ−δ**)＋Kdθ・s・(δ−δ**)  …(8)
【００３９】
ハンドル転舵によるタイヤの縁石強打時や縁石乗り上げ時には偏差δ-δ**が発生し、式(8)により迅速にハンドルに反力が反映されることになる。
【００４０】
ここで、『迅速』の意味を補足する。式(9)で表されるPD制御のように、低速では偏差を許容する制御のため、偏差δ-δ**の正負の切り替わりが発生しない。すなわち、高周波のノイズが発生しないため、式(8)で反力を与えたとしても、高周波の反力は発生しない。従来の電流による推定ではローパスフィルタが必要で、迅速な反力は生成できなかったが、式(8)に示すようにローパスフィルタ無しで反力を与えるため、迅速な反力が生成できる。
【００４１】
その結果、ハンドルは切り戻されるトルクが発生し、ドライバはその反力を感じて操舵を中止もしくは弱めるか、もしくは反力自体によりハンドル操舵が弱められる。結果として、転舵続行による前輪操舵系の耐久信頼性の低下を効果的に防止できる。
【００４２】
結論として、フィードバック制御器C(s)の定常ゲインを低速時には有限にし、高速程それを大きくなるように設定することにより、低速時の迅速な反力制御の実現、高速域の運転操作の正確さを両立することができる。また、低速で転舵角サーボの定常ゲインを比較的に小さく設定することにより、転舵の剛性が下がり、その結果、縁石強打による前輪転舵機構の耐久性低下を抑制できる。
【００４３】
先の議論で述べたように、低速程ハンドル操舵量が大きくなる傾向があり、その正確さは要求されない傾向にあるため、偏差δ-δ**の許容範囲は大きくなる。すなわち、低速程、転舵角サーボの定常ゲインC(0)を小さく設定することができる。よって、同じラック軸力でも偏差は大きくなるため、同じ反力を発生させるためには反力のフィードバック係数Kpθ，Kdθを小さく設定できる。その結果、偏差の量子誤差の反力への影響は低減され、より滑らかな反力制御が実現できる。
【００４４】
次に、効果を説明する。
実施例１の車両用操舵装置のあっては、以下に列挙する効果が得られる。
【００４５】
(1) 操舵コントローラ１０は、車速vが所定値以下のとき、フィードバック制御器C(s)の定常ゲインC(0)を有限値に設定するため、ラック軸力が加わった場合は、目標タイヤ転舵角補正値δ**と実タイヤ転舵角δには偏差が発生し、迅速にハンドル１に反力が反映され、結果としてドライバにより転舵が続行され操舵系の耐久信頼性が低下するのを防止できる。
【００４６】
(2) 操舵コントローラ１０は、フィードバック制御器C(s)の定常ゲインC(0)を、車速vが高くなるほど大きな値に設定するため、車速vが高くなるほど目標タイヤ転舵角補正値δ**と実タイヤ転舵角δの偏差を小さくできる。よって、低速時の迅速な反力制御と高速走行域での運転操作の正確さとの両立を図ることができる。
【００４７】
(3) 操舵コントローラ１０は、反力モータ指令トルクTθ*を、目標タイヤ転舵角補正値δ**と実タイヤ転舵角δの偏差の定数倍と偏差の微分値を含む形（式(8)参照）に設定したため、ローパスフィルタを介して反力を与えていた従来技術に比して、より迅速な反力が生成できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施例１の車両用操舵装置を適用したステアバイワイヤ車両の全体構成図である。
【図２】操舵コントローラ１０で実行される操舵制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】２自由度制御系による転舵角サーボ制御ブロックである。
【図４】目標転舵角補正値δ**の応答を示す図である。
【図５】定常ゲインの車速依存性を示す図である。
【図６】フィードバックゲインを大きく設定したときのモータ電流の周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  ハンドル
２  ハンドル角センサ
３  反力モータ
４  ステアリングラック
５  タイロッド
６  前輪タイヤ
７  転舵モータ
８  変速機
９  転舵角センサ
１０  操舵コントローラ
１１  転舵モータドライバ
１２  反力モータドライバ
１３  車速センサ
【図１】
2005225355.tif 000003
【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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