(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転者により操作される操作子と、
前記操作子とは機械的に分離され、あるいは機械的分離状態から連結可能とされた転舵輪と、
前記転舵輪を転舵する転舵モータと、
前記操作子に連結されて該操作子に反力を付与する反力モータと、
前記操作子への操作入力に応じて前記転舵モータを制御する転舵モータ制御手段と、
前記反力モータを制御する反力モータ制御手段と、
を備え、
前記反力モータ制御手段は、前記反力モータに流れる電流に基づいてイナーシャ補償を行い、前記反力モータに流れる前記電流が前記反力モータの目標電流と一致するようにフィードバック制御を行い、
前記反力モータの前記目標電流は、仮想トーションバー電流、ダンピング電流およびイナーシャ補償電流を合算して算出され、
前記仮想トーションバー電流は、前記操作子の操舵角と、前記転舵輪の転舵角との角度偏差に基づいて算出されることを特徴とする操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、運転者が操作を行う操作子と転舵輪とが機械的に分離され、あるいは、機械的分離状態から連結可能に構成された操舵装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
運転者が操作を行う操作子と転舵輪とが機械的に分離された所謂ステア・バイ・ワイヤ式の操舵装置では、運転者のステアリングホイール（操作子）に対する操作入力に応じて転舵輪を転舵するための転舵モータと、運転者がステアリングホイールを操作したときに適切な反力を与えるための反力モータとを備え、両モータをそれぞれ独立に制御している。
【０００３】
前記反力の制御方法として、ステアリングホイールへの操作入力に基づいて設定される目標値（例えば目標転舵角）とこれに対応する実際の制御量（例えば実転舵角）との偏差に基づいて反力モータへの指示電流（デューティ比）を制御することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、前記反力モータの回転イナーシャが無視できない場合、運転者がステアリングホイールを操作し始めた瞬間には、反力モータのイナーシャの影響によってステアリングホイールを直ぐに動かし難く、また、ステアリングホイールを操作しているときにステアリングホイールを止めようとしたときにも、やはり反力モータのイナーシャの影響によってステアリングホイールを直ぐには止め難いという事象が生じる。このような事象が生じると、運転者は操作フィールに違和感を覚えることがある。
【０００５】
そこで、前記反力制御の際に、反力モータの回転イナーシャを補償するため、反力モータへの指示電流を演算することが行われる。この回転イナーシャ補償は、ステアリングホイールと反力モータとの間にトルクセンサを設置し、該トルクセンサの出力に基づいて行っている。
【特許文献１】特許第３８９７２９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、反力モータの回転イナーシャ補償のためにトルクセンサを装備するとなると、ステアリングシステムの大型化を招き、車両への搭載性を損なうという課題がある。また、トルクセンサの装備がコストアップを招くという課題もある。
【０００７】
そこで、この発明では、トルクセンサを装備することなく、反力モータのイナーシャ補償を行うことができる操舵装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る操舵装置では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、運転者により操作される操作子（例えば、後述する実施例におけるステアリングホイール２）と、前記操作子とは機械的に分離され、あるいは機械的分離状態から連結可能とされた転舵輪（例えば、後述する実施例における車輪１０）と、前記転舵輪を転舵する転舵モータ（例えば、後述する実施例における転舵モータ１１）と、前記操作子に連結されて該操作子に反力を付与する反力モータ（例えば、後述する実施例における反力モータ５）と、前記操作子への操作入力に応じて前記転舵モータを制御する転舵モータ制御手段と、前記反力モータを制御する反力モータ制御手段（例えば、後述する実施例における反力モータ制御部２１）と、を備え、前記反力モータ制御手段は、前記反力モータに流れる電流に基づいてイナーシャ補償を行い、前記反力モータに流れる前記電流が前記反力モータの目標電流と一致するようにフィードバック制御を行い、前記反力モータの前記目標電流は、仮想トーションバー電流、ダンピング電流およびイナーシャ補償電流を合算して算出され、前記仮想トーションバー電流は、前記操作子の操舵角と、前記転舵輪の転舵角との角度偏差に基づいて算出されることを特徴とする操舵装置（例えば、後述する実施例における操舵装置１）である。
このような構成により、反力モータに流れる電流に基づいてイナーシャ補償を行うことができるので、反力モータのイナーシャ補償に使用するためのトルクセンサが不要になる。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、反力モータに流れる電流に基づいてイナーシャ補償を行うことができるので、反力モータの回転イナーシャを補償するのに用いるトルクセンサが不要となり、その結果、部品点数の削減、システムの簡略化、およびコストダウンを図ることができる。また、車両への搭載性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明に係る操舵装置の実施例を図１から図３の図面を参照して説明する。
＜実施例１＞
初めに、実施例１の操舵装置を説明する。
図１に示すように、操舵装置１は、運転者により操作されるステアリングホイール（操作子）２と、ステアリングホイール２の操舵角（操作入力量）を検出するためにステアリングシャフト３に設置された操舵角センサ（操作入力量検出手段）４と、ステアリングホイール２に反力を付与する反力モータ５と、ステアリングシャフト３と反力モータ５の間に設置された減速装置６と、左右の車輪（転舵輪）１０にナックルアーム７等を介して連結されたラック軸９と、ラック軸９をその軸方向に動かして車輪１０を転舵する転舵モータ１１と、ラック軸９の軸方向位置から車輪１０の転舵角を検出する転舵角センサ（転舵角検出手段）１２と、反力モータ５および転舵モータ１１を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）２０、とを備えている。減速装置６は、反力モータ５の出力軸に設けられたウォームギヤ６ａと、ステアリングシャフト３に設けられウォームギヤ６ａに噛合するウォームホイールギヤ６ｂとからなる。
この操舵装置１は、ステアリングホイール２と転舵輪である車輪１０とが機械的に分離されて構成された、所謂ステア・バイ・ワイヤ式の操舵装置である。
【００１１】
操舵角センサ４は検出した操舵角に対応する電気信号を、転舵角センサ１２は検出した転舵角に対応する電気信号を、それぞれＥＣＵ２０に出力する。また、ＥＣＵ２０には、車速情報、ヨーレート情報、横加速度（横Ｇ）情報等が車両情報１３として入力される。
【００１２】
ＥＣＵ２０は、ステアリングホイール２への操作入力に応じて転舵モータ１１を制御する転舵モータ制御部（転舵モータ制御手段）と、図２に示すように反力モータを制御する反力モータ制御部（反力モータ制御手段）２１と、を備えている。
転舵モータ制御部については、その内容が従来技術と同じであり、また周知技術であるので詳細説明を省略するが、例えば、操舵角センサ４で検出されたステアリングホイール２の操舵方向を含めた操舵角に応じて車輪１０に対する目標転舵角を設定し、さらに、この目標転舵角に対して、車両情報１３のヨーレート情報等に基づいて車両運動外乱に対する車両挙動安定化のための転舵角補正を行い、転舵角センサ１２で検出される車輪１０の実転舵角が、前記補正後の目標転舵角と一致するように、転舵モータ１１への供給電流を制御する。
【００１３】
次に、図２を基にこの発明の特徴部である反力モータ制御部２１について詳述する。
反力モータ制御部２１は、反力モータ５の目標電流を演算する反力モータ目標電流演算部２２と、反力モータ５に流れる実電流が前記目標電流と一致するように反力モータ５への供給電流のデューティ比を制御する電流フィードバック制御器２７とを備えている。
【００１４】
反力モータ目標電流演算部２２は、仮想トーションバー電流演算部２３と、ダンピング電流演算部２４と、イナーシャ補償電流演算部２５と、を備え、各演算部２３，２４，２５により演算された仮想トーションバー電流Ｉｔｂ、ダンピング電流Ｉｄｍｐ、イナーシャ補償電流Ｉｉｎａを合算し、これを反力モータ５の目標電流Ｉｒとして加減算器２６に出力する（Ｉｒ＝Ｉｔｂ＋Ｉｄｍｐ＋Ｉｉｎａ）。
【００１５】
仮想トーションバー電流演算部２３は、操舵角センサ４により検出されたステアリングホイール２の操舵角θｈと、転舵角センサ１２により検出された車輪１０の転舵角θｐとの角度偏差に基づいて、仮想トーションバー電流Ｉｔｂを式（１）から演算する。なお、
ｋｔｂは仮想トーションバー係数である。
Ｉｔｂ＝ｋｔｂ・（θｈ−θｐ）  ・・・式（１）
【００１６】
ダンピング電流演算部２４は、操舵角センサ４により検出されたステアリングホイール２の操舵角θｈの微分値、すなわち操舵角速度ｄθｈ／ｄｔに基づいて、ダンピング電流Ｉｄｍｐを式（２）から演算する。なお、ｋｄｍｐはダンパ係数である。
Ｉｄｍｐ＝ｋｄｍｐ・（ｄθｈ／ｄｔ）  ・・・式（２）
【００１７】
イナーシャ補償電流演算部２５は、反力モータ５の回転イナーシャを補正するために、イナーシャ補償電流Ｉｉｎａを演算する。
従来は、反力モータ５の回転イナーシャを補正するのに、ステアリングシャフトに設けたトルクセンサの信号値（トルク値τ）を用いて、式（３）によりイナーシャ補償電流Ｉｉｎａを算出していたが、この実施例１では、反力モータ５の通電電流値（実電流）ｉによって代用し、式（４）によってイナーシャ補償電流Ｉｉｎａを算出する。
なお、ｋｉｎａ１，ｋｉｎａ２，Ｋｉｎａ１，Ｋｉｎａ２はイナーシャ補正係数であり、τは反力モータ５の負荷トルクである。
Ｉｉｎａ＝（ｋｉｎａ１・τ）＋｛（ｋｉｎａ２・（ｄτ／ｄｔ）｝  ・・・式（３）
Ｉｉｎａ＝（Ｋｉｎａ１・ｉ）＋｛（Ｋｉｎａ２・（ｄｉ／ｄｔ）｝  ・・・式（４）
【００１８】
式（３）の代わりに式（４）を用いることで、イナーシャ補正の機能が達成できるメカニズムについては、後で詳述する。
式（４）のように反力モータの通電電流値ｉによってイナーシャ補正ができると、従来技術で使用していたトルクセンサ値が不要となるので、トルクセンサを廃止することができるようになる。
【００１９】
加減算器２６は、反力モータ目標電流演算部２２から出力された目標電流Ｉｒと、反力モータ駆動回路３１に設けられた電流センサ３２によって検出された反力モータ５に流れる通電電流（実電流）ｉとの電流偏差Δｉを演算し、電流フィードバック制御器２７へ出力する。
【００２０】
電流フィードバック制御器２７は、入力された電流偏差Δｉに基づいて、反力モータ５に流れる実電流ｉが目標電流Ｉｒと一致するように反力モータ５への供給電流のデューティ比を制御する。
【００２１】
次に、式（３）の代わりに式（４）を用いることで、イナーシャ補正の機能が達成できるメカニズムを説明する。
まず、ステアリングホイール２からウォームホイールギア６ｂまでの系の運動方程式は、式（５）となる。
｛Ｊｈ・（ｄ２θｈ／ｄｔ２）｝＋｛Ｃｈ・（ｄθｈ／ｄｔ）｝＝τｄ−（ｎ・τｍ）  ・・・式（５）
なお、各符号は次の通りである。
θｈ：ステアリングホイール２の操舵角
Ｊｈ：回転慣性係数
Ｃｈ：粘性抵抗係数
τｄ：運転者がステアリングホイール２に入力した入力トルク
τｍ：反力モータ５の負荷トルク
ｎ：減速装置６の減速比
【００２２】
また、ウォームギア６ａから反力モータ５までの系の運動方程式は、式（６）となる。
｛Ｊｍ・（ｄ２θｍ／ｄｔ２）｝＋｛Ｃｍ・（ｄθｍ／ｄｔ）｝＝（ｋｔ・ｉ）＋τｍ  ・・・式（６）
なお、各符号は次の通りである。
θｍ：反力モータ５の回転角
Ｊｍ：回転慣性係数
Ｃｍ：粘性抵抗係数
ｋｔ：トルク定数
τｍ：反力モータ５の負荷トルク
ｉ：反力モータ５の通電電流（実電流）
【００２３】
式（５）（６）から、反力モータ５の負荷トルクτｍを消去すれば、式（７）が得られる。
τｄ＝（−ｎ・ｋｔ・ｉ）＋ｎ・｛Ｊｍ・（ｄ２θｍ／ｄｔ２）＋Ｃｍ・（ｄθｍ／ｄｔ）｝＋｛Ｊｈ・（ｄ２θｈ／ｄｔ２）＋Ｃｈ・（ｄθｈ／ｄｔ）｝  ・・・式（７）
【００２４】
更に、θｍ＝ｎ・θｈの関係が成立するので、結局、式（７）から次の式（８）が得られる。
τｄ＝（−ｎ・ｋｔ・ｉ）＋｛（ｎ２・Ｊｍ＋Ｊｈ）・（ｄ２θｈ／ｄｔ２）｝＋｛（ｎ２・Ｃｍ＋Ｃｈ）・（ｄθｈ／ｄｔ）｝  ・・・式（８）
【００２５】
ところで、反力モータ５の目標電流Ｉｒは式（９）である。
Ｉｒ＝Ｉｔｂ＋Ｉｄｍｐ＋Ｉｉｎａ
＝｛ｋｔｂ・（θｈ−θｐ）｝＋｛ｋｄｍｐ・（ｄθｈ／ｄｔ）｝＋Ｉｉｎａ  ・・・式（９）
【００２６】
よって、その微分演算値は式（１０）となる。
ｄＩｒ／ｄｔ＝｛ｋｔｂ・（ｄ（θｈ−θｐ）／ｄｔ）｝＋｛ｋｄｍｐ・（ｄ２θｈ／ｄｔ２）＋（ｄＩｉｎａ／ｄｔ）｝  ・・・式（１０）
【００２７】
ここで反力モータの電流フィードバック制御器２７の働きによって目標値に実値が追従するように制御され、Ｉｒ≒ｉとなっている場合には、その一階微分値はｄＩｒ／ｄｔ≒ｄｉ／ｄｔなので、反力モータの電流値ｉの微分値には、式（１１）のように、ｄθh／ｄｔの成分と、ｄ２θｈ／ｄｔ２の成分とが、近似的に含まれていると考えてよい。
ｄｉ／ｄｔ≒｛ｋｔｂ・（ｄ（θｈ−θｐ）／ｄｔ）｝＋｛ｋｄｍｐ・（ｄ２θｈ／ｄｔ２）｝＋（ｄＩｉｎａ／ｄｔ）  ・・・式（１１）
このことから、ｄｉ／ｄｔの項を含んだ式（４）のイナーシャ補償電流Ｉｉｎａには、反力モータ５とステアリングホイール２の系のイナーシャ成分に比例する成分が含まれているとしてよい。
【００２８】
一方、式（８）より、運転者の操舵トルクτｄには、イナーシャ成分（ｄ２θｈ／ｄｔ２に比例）が含まれていることが分る。これは、ステアリングホイール２の操舵操作に反力モータ５等のイナーシャが影響することを意味している。
【００２９】
もし、式（４）のイナーシャ補償電流Ｉｉｎａを反力モータ５への目標電流Ｉｒの一成分として用いれば、式（１１）に関する上述の理由により、機械的な回転イナーシャと同じ位相関係の成分（ｄ２θｈ／ｄｔ２）が目標電流Ｉｒに含まれることになるので、実際の反力モータ５とステアリングホイール２の系のイナーシャを補正できることを示している。
【００３０】
上述の議論より自明であるが、運転者のステアリングホイール２の操作において、反力モータ５の系のイナーシャの影響が問題となるケースでは、反力モータ５の通電電流値（実電流）ｉを用いた式（４）による補正によってイナーシャ補償が近似的になされ、結果的に、従来のトルクセンサ値を用いた手法と同様の効果を得ることができる。
したがって、トルクセンサを廃止することができるので、操舵装置１の部品点数の削減、システムの簡略化、およびコスト低減を図ることができる。また、システムの簡素化により、操舵装置１の車両への搭載性が向上する。
【００３１】
なお、式（４）中のＫｉｎａ１とＫｉｎａ２については実験を行うことにより、式（３）のイナーシャ補償電流Ｉｉｎａが近似できるように設定する。
【００３２】
＜実施例２＞
次に、この発明の実施例２を図３を基に説明する。
先に述べた実施例１では、式（３）に於けるトルクセンサ値を、式（４）にあるように、反力モータの通電電流値（実電流）ｉで代用したが、本実施例２では、トルクセンサの近似値を、反力モータ５の通電電流値ｉとステアリングホイール２の操舵角θｈとから導き、それによりトルクセンサ値の代替とする手法を採る。
【００３３】
まず、式（８）にある通り、運転者のステアリングホイール２の操舵トルクτｄは、反力モータ５の通電電流ｉ、ステアリングホイール２の操舵速度ｄθｈ／ｄｔ、ステアリングホイール２の操舵加速度ｄ２θｈ／ｄｔ２によって表すことができる。
【００３４】
次に、一般的には、運転者のステアリングホイール２の操舵トルクτｄは、トルクセンサ値τと等しいものとされている。
τｄ≒τ  ・・・式（１２）
【００３５】
よって式（８）と式（１２）とから、トルクセンサ値τは式（１３）のように近似できる。
τ≒（−ｎ・ｋｔ・ｉ）＋｛（ｎ２・Ｊｍ＋Ｊｈ）・（ｄ２θｈ／ｄｔ２）｝＋｛（ｎ２・Ｃｍ＋Ｃｈ）・（ｄθｈ／ｄｔ）｝  ・・・式（１３）
【００３６】
この式（１３）の右辺に現れる定数ｎ、ｋｔ、Ｊｍ、Ｊｈ、Ｃｍ、Ｃｈについては、設計値や事前の計測テスト等の手法によって予め知ることができる。また、反力モータ５の通電電流ｉは電流センサ３２により、またステアリングホイール２の操舵角θｈは操舵角センサ４から取得することができる。よって、トルクセンサ値τの近似値が式（１３）を用いることで求めることができる。
【００３７】
この近似的に求められた式（１３）のトルクτを、式（３）中の実際のトルクセンサ値τの代わりに用いて、イナーシャ補正のためのイナーシャ補償電流Ｉｉｎａを算出すれば、理論的にはトルクセンサの実際の計測値τと式（１３）により得られるτの両者の値がほぼ等しいはずであることから、反力モータ５の系のイナーシャ補正効果が期待できる。
【００３８】
この実施例２の場合も、イナーシャ補償電流Ｉｉｎａを反力モータ５の通電電流（実電流）ｉに基づいて近似計算しているので、反力モータ５のイナーシャ補償用のトルクセンサが不要となる。その結果、操舵装置１の部品点数の削減、システムの簡略化、およびコスト低減を図ることができる。また、システムの簡素化により、操舵装置１の車両への搭載性が向上する。
【００３９】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、ステアリングホイールと転舵輪とが機械的に完全に分離されて構成されたステア・バイ・ワイヤ式の操舵装置を対象としたが、クラッチなどの連結・遮断手段によって、ステアリングホイールと転舵輪との連結状態を選択することができるようにしておき、通常はステアリングホイールと転舵輪とを機械的に分離して使用し、必要に応じてステアリングホイールと転舵輪とを機械的に連結して使用する操舵装置にも、この発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明に係る実施例１の操舵装置の構成図である。
【図２】実施例１の操舵装置におけるブロック図である。
【図３】この発明に係る実施例２の操舵装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  操舵装置
２  ステアリングホイール（操作子）
５  反力モータ
１０  車輪（転舵輪）
１１  転舵モータ
２１  反力モータ制御部（反力モータ制御手段）
【図１】
0005271551.tif 000002
【図２】
0005271551.tif 000003
【図３】
0005271551.tif 000004