(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の操向車輪を手動により転舵するための手動操舵手段と、該手動操舵手段に加えられた操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、該操舵トルク検出手段の検出値に基づいて補助操舵トルクを決定する補助操舵トルク決定手段と、前記車両の挙動を検出する車両挙動検出手段と、前記車両挙動検出手段によって検出された検出値に基づいて補助反力トルクを決定する補助反力トルク決定手段と、前記操向車輪に補助トルクを加えるための電動機と、前記補助操舵トルク決定手段により決定された補助操舵トルク値に前記補助反力トルク決定手段により決定された補助反力トルク値を加えた補助トルク値をもって前記電動機を制御する制御手段とを有する車両用操舵装置に於いて、
運転者の操舵状態を検出する手段と、
前記車両挙動検出手段によって検出された車両挙動検出値を補償すべく、車速に応じて周波数応答特性が変更される特性補償器とを有し、
前記補助反力トルク決定手段が、検出された運転者の操舵状態に応じて前記特性補償器により特性補償されていない前記車両挙動検出値及び特性補償された前記車両挙動検出値のいずれか一方に基づき、または運転者の操舵状態に応じて特性補償されていない前記車両挙動検出値と特性補償された前記車両挙動検出値とを合成した値に基づき補助反力トルクを決定するようになっていることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
前記車両挙動検出手段によって検出される車両挙動がヨーレイトを含むことを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用操舵装置に関し、特に電動機により適正な操舵反力トルク及び外乱発生時に車両挙動を抑制する操舵トルクを発生可能なように構成された操舵装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
運転者の操舵力を軽減するための所謂パワーステアリング装置として、例えば特公昭５０−３３５８４号公報に記載されたような形式のものが知られている。これは、ステアリングホイールの操舵力を電動機の出力トルクにて補助するように構成されたものであり、ステアリングホイールに運転者が加える操舵トルクの検出信号の増幅度を、車速や道路状況などの検出信号に応じて変化させることによって補助電動機の出力トルクを増減し、常に最適な操舵トルクが得られるようにしたものである。
【０００３】
ところで、走行中に車両が強い横風を受けたり、轍路を走行したりすると目標走行ラインから外れる向きに車両が偏向してしまうことがある。また、雪道などタイヤと路面との摩擦係数(μ)が低い路面（以下低μ路と記す）での走行時や低速走行時には路面反力が減少する。
【０００４】
上記した従来のパワーステアリング装置の場合、運転者が操舵して初めて電動機が補助操舵トルクを発生するものであるため、走行中に横風を受けることによって車両が偏向しても、電動機は補助操舵トルクを発生しない。従って、車両の偏向を抑えるためには、運転者自身がステアリングホイールを操作しなければならないが、他方で上記パワーステアリング装置は一般的に車両の横加速度並びにヨーレイトが大きくなるほど大きな操舵力を必要とするようになっているため、外乱による車両の偏向の場合には、それが大きいほど、修正に要する操舵トルクが大きなものとなるなどの不都合があった。
【０００５】
そこで、例えば特開平５−１０５１００号公報には、ヨーレイト、横加速度などの車両挙動を検出し、その検出値に基づいて補助反力トルク値を決定し、この補助反力トルク値と操舵トルク等の検出値に基づいて決定された補助操舵トルク値とに基づいて上記電動機の駆動トルクを制御するものが提案されている。
【０００６】
この構造によれば、横風や轍路走行などの外乱が車両に作用した際の偏向抑制性能を高め、車両の走行安定性を向上することができ、雪道などの低μ路や低速走行時にもステアリング操作負荷が軽減される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した補助操舵反力トルクは、操舵角速度をパラメータとするダンピングトルクと、ヨーレイトをパラメータとするヨーレイトトルクとを含んでいるが、図１３に示すように、例えばヨーレイトは例えば６０ｋｍ／ｈ程度の低速走行時と１８０ｋｍ／ｈに至る高速走行時とでその周波数応答特性が異なる。特に高速走行時の比較的高周波領域でゲインにヨー共振によるピークが現出する。すると、従来の上記したような構造の操舵装置にあっては、入力されるヨーレイトと出力されるヨーレイトトルクとが１対１の対応となっていることから、上記ピークの近傍でヨーレイトトルクが大きくなり、その周波数領域の操舵入力に対して影響を与え、不自然にハンドルが重くなるなどの違和感を与えることが考えられる。特に、外乱時の車両挙動抑制効果を高めるべく、全操舵トルクに対する補助操舵反力トルクの割合α（＝補助操舵反力トルク／（補助操舵反力トルク＋セルフアライニングトルク）＝（補助操舵反力トルク／全操舵トルク））を大きくした場合に、上記問題が顕著になる。
一方では、走行時、手放し、または軽保舵状態の場合には上記全操舵トルクに対する補助操舵反力トルクの割合αを大きくして上記外乱による車両挙動の抑制効果を高くすると良い。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の不都合を改善するべく案出されたものであり、その主な目的は、外乱作用時の偏向抑制性能、特に手放しまたは軽保舵状態での外乱作用時の偏向抑制性能を高め、かつ通常旋回時の操舵力を適切に設定することができ、しかも通常走行時、特に高速走行時の操舵違和感が発生することのない車両用操舵装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、本発明によれば、車両の操向車輪を手動により転舵するための手動操舵手段と、該手動操舵手段に加えられた操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、該操舵トルク検出手段の検出値に基づいて補助操舵トルクを決定する補助操舵トルク決定手段と、前記車両の挙動を検出する車両挙動検出手段と、前記車両挙動検出手段によって検出された検出値（例えばヨーレイト）に基づいて補助反力トルクを決定する補助反力トルク決定手段と、前記操向車輪に補助トルクを加えるための電動機と、前記補助操舵トルク決定手段により決定された補助操舵トルク値に前記補助反力トルク決定手段により決定された補助反力トルク値を加えた補助トルク値をもって前記電動機を制御する制御手段とを有する車両用操舵装置に於いて、運転者の操舵状態を検出する手段と、前記車両挙動検出手段によって検出された車両挙動検出値を補償すべく、車速に応じて周波数応答特性が変更される特性補償器とを有し、前記補助反力トルク決定手段が、検出された運転者の操舵状態に応じて前記特性補償器により特性補償されていない前記車両挙動検出値及び特性補償された前記車両挙動検出値のいずれか一方に基づき、または運転者の操舵状態に応じて特性補償されていない前記車両挙動検出値と特性補償された前記車両挙動検出値とを合成した値に基づき補助反力トルクを決定するようになっていることを特徴とする車両用操舵装置を提供することによって達成される。
【００１０】
このように、手放しまたは軽保舵状態では車両挙動検出値を特性補償せずにそのまま用いて外乱作用時の偏向抑制性能を高め、それ以外の特に高速走行時にはフィルタなどの特性補償器によりヨーレイト等の車両挙動検出値を特性補償し、例えばヨーレイトの周波数応答特性のヨー共振等によるピークを小さくする、またはなくすことで、操舵周波数の全域に亘り平坦な周波数応答特性となり、共振点近傍の補助操舵反力トルクの変化による操舵違和感を軽減または完全に解消できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１に、本発明が適用された車両用操舵装置の概略構成を示す。この装置は、ステアリングホイール１に一体結合されたステアリングシャフト２に自在継手を有する連結軸３を介して連結されたピニオン４と、ピニオン４に噛合して車幅方向に往復動し得ると共にタイロッド５を介して操向車輪としての左右の前輪６のナックルアームにその両端が連結されたラック軸８とを有するラック・アンド・ピニオン機構からなる手動操舵力発生手段を有している。また、ラック・アンド・ピニオン機構を介しての手動操舵力を軽減するための補助操舵力を発生するべく、電動パワーステアリング装置を構成する電動機９がラック軸８の中間部に同軸的に配設されている。
【００１３】
ラック・アンド・ピニオン機構のピニオン４の近傍にはステアリングホイール１の回転角から操舵角速度を検出するための操舵角速度センサ１１と、ピニオン４に作用する手動操舵トルクを検出するためのトルクセンサ１２とが設けられている。また、車両のヨーレイト（ヨーイング角速度）に対応した信号を出力するためのヨーレイトセンサ１５と、車両の走行速度に対応した信号を出力するための車速センサ１６とが設けられ、これら各センサは、その検出値に基づいて電動機９の出力を制御するための操舵制御ユニット１７に接続されている。
【００１４】
図２に示されるように、上記した操舵制御ユニット１７内には、電動パワーステアリング装置としての補助操舵トルクを演算するための補助操舵トルク決定手段１７ａと、補助反力トルクを演算するための補助反力トルク決定手段１７ｂとが設けられている。補助操舵トルク決定手段１７ａには、操舵角速度センサ１１・トルクセンサ１２・車速センサ１６の各検出信号が入力しており、それらの各検出信号に応じて通常のアシスト制御を行う補助操舵トルクが決定される。
【００１５】
補助反力トルク決定手段１７ｂには、車両挙動検出手段を構成する操舵角速度センサ１１・ヨーレイトセンサ１５・車速センサ１６の各検出信号が入力するようになっており、それらの各信号から後記するアルゴリズムによって目標補助反力トルクを求めるようになっている。また、補助反力トルク決定手段１７ｂは運転者の操舵状態を判別するための操舵状態を判別手段１８が接続され、上記各センサ１５、１６からの各信号出力に基づいて後記するアルゴリズムによって運転者がステアリングホイールを保持して保舵または操舵しているか、殆ど手放しの状態であるかを推定（検出）するようになっている。
【００１６】
操舵制御ユニット１７内には、補助操舵トルク決定手段１７ａと補助反力決定手段１７ｂとから出力される各トルク値に応じて電動機９に対する目標電流を設定する目標電流決定手段１７ｃと、その目標電流に応じて電動機９に流す電流を制御する出力電流制御手段１７ｄとが設けられている。そして、出力電流制御手段１７ｄからの電流制御信号が、操舵制御ユニット１７と電動機９との間に設けられた駆動回路１９に入力され、該駆動回路１９は電動機９を例えばＰＷＭ制御によって駆動するようになっていると共に駆動回路１９と出力電流制御手段１７ｄとの間で出力電流のフィードバック制御が行われるようになっている。
【００１７】
操舵制御ユニット１７内の補助反力トルク決定手段１７ｂに於いては、図３のフローチャートに示す処理が所定の周期で繰り返し実行される。先ず、ステップ１に於いて各センサの信号出力を読込み、ステップ２に於て目標操舵反力トルク値ＴＡを決定し、続いてステップ３に於いて目標操舵反力トルク値ＴＡにリミッタをかけ、ステップ４に於いて補助操舵トルク決定手段１７ａからの出力信号にこの制御信号を加算する。
【００１８】
この処理を図４〜図１０を併せて参照して更に詳しく説明する。先ず上記ステップ１に於いては、図４のフローチャートに示すように、車速Ｖ（ステップ１１）、ハンドル角速度ω（ステップ１２）、ヨーレイトγ(ステップ１３）をそれぞれ読込む処理が行われる。
【００１９】
次に上記ステップ２に於いては、図５のフローチャートに示すように、まず、図７（ａ）に示すような操舵角速度ωをアドレスとし、車速Ｖごとに設定されているデータテーブルから補助反力トルクＴ1（ダンピングトルク成分）を求める（ステップ２１）。そして、次に操舵状態判別手段１８にて運転者の操舵状態を判別する（ステップ２２、２３）。
【００２０】
上記ステップ２２の処理を更に詳しく説明する。ここでは下式に基づき運転者の操舵状態を検出する。
【００２１】
ステアリングホイール回りの運動方程式は、
【００２２】
【数１】
0003884843.tif 000002
【００２３】
この式全体を時間積分すると、
【００２４】
【数２】
0003884843.tif 000003
【００２５】
これを変形して、
【００２６】
【数３】
0003884843.tif 000004
【００２７】
ここで、ＴS（ｋｇ・ｃｍ）はトルクセンサ値、ＴH（ｋｇ・ｃｍ）は保舵または操舵トルク、ω（ｄｅｇ・ｓｅｃ）は操舵角速度、ＪH（ｋｇ・ｍ）はステアリングホイールのイナーシャである。
【００２８】
上記ＴSとωとの実測値が得られることからＴHが求められる。即ち、（３）式の左辺の演算結果が０であれば運転者がステアリングホイールを殆ど手放ししている状態であり、０でなければ運転者がステアリングホイールを保舵または操舵していると判断する。
【００２９】
実際には、（３）式の計算を時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｘまでについて行う。
【００３０】
【数４】
0003884843.tif 000005
【００３１】
ただし、ωXは時刻Ｘに於ける操舵角速度である。
【００３２】
このとき、時刻ｔ＝０からの積分はオフセットの影響を受けることから、（４）式の第１項を時刻ｔ＝Ｘ−Ｎで２分して、
【００３３】
【数５】
0003884843.tif 000006
【００３４】
とし、更に（５）式の第１項を時刻ｔ＝Ｘ−Ｎに於ける操舵角速度ωX-Nに置き換えて、
【００３５】
【数６】
0003884843.tif 000007
【００３６】
とすることで、時刻ｔ＝Ｘ−Ｎから時刻ｔ＝Ｘまでの積分を行うことでＴHが求められる。
【００３７】
上記ステップ２２で求めたＴHが０か否かで運転者がステアリングホイールを保舵または操舵しているか、または殆ど手放ししているかをステップ２３で判別する。そして、操舵力が低い（軽保舵時）か、または発生していない（手放し時）と判別した場合、検出された実ヨーレイトγに対して、図７（ｂ）に示すような車速Ｖごとに異なる特性に設定されている特性補償器としてのローパスフィルタＦをかけて補正ヨーレイトγfを求め（ステップ２４）、これをその後の補助操舵反力トルクＴ2を求めるのに用いる。また、運転者が補舵または操舵していると判別した場合、実ヨーレイトγをそのままその後の補助操舵反力トルクＴ2を求めるのに用いる。
【００３８】
次に、ステップ２５にて上記の判別結果に応じて補正ヨーレイトγfまたは実ヨーレイトγをアドレスとし、車速Ｖごとに設定されているデータテーブルから、補助反力トルクＴ2（ヨーレイトトルク成分）を求める。そして、操舵反力トルクの成分Ｔ1・Ｔ2を加算して補助反力トルク値ＴＡを求める（ステップ２６）。
【００３９】
次に、必要以上の補助反力トルクを排除するために目標操舵反力値ＴＡが最大値（Ｔｍａｘ）を超えているか否かを判断し、目標操舵反力値ＴＡが最大値を超えている場合は目標操舵反力値ＴＡを上記Ｔｍａｘとし、また、目標操舵反力値ＴＡが最大値（Ｔｍａｘ）を超えていない場合には、同様に目標操舵反力値ＴＡが負の最大値（−Ｔｍａｘ）を超えているか否か判断し、目標操舵反力値ＴＡが負の最大値を超えている場合には目標操舵反力値ＴＡを上記−Ｔｍａｘ値とするリミッタ処理（ステップ２７）を行い、目標補助反力トルク決定値ＴＡを決定する。
【００４０】
上記ステップ２の制御ブロック図は図６に示すとおりで、ステップ２１〜２７は図６の各ブロックに対応する。
【００４１】
このようにして決定された目標補助反力トルク決定値ＴＡは、別に求めた目標補助操舵トルク決定値と加算されて目標電流決定手段１７ｃにて目標電流値に変換され、出力される。
【００４２】
上記処理を行うことで、図８に示すように、前進時、横風を受けて車両２０が走行ライン２１から外れるようになった際には、このときの車両２０のヨーレイトγを検出し、これらヨーレイトγを打ち消す方向に、即ち、その時の車両２０の偏向を走行ライン２１に戻す向きに電動機９が駆動され、外乱に対して車両２０を常に直進走行させるように前輪６が自動的に操舵され、不整挙動を安定化させることができたり、轍のある路面、あるいは水溜まりのある路面を走行する場合にも、車両２０を直進させるように自動的に軌道修正が行われるなどの効果が得られる。
【００４３】
ここで、上記フィルタＦを例えばカットオフ周波数を０．９Ｈｚとする一次遅れローパスフィルタとした場合の或る車両に於ける補助操舵反力トルクの周波数応答特性を図９〜図１１に示す。図９（ａ）がフィルタＦの周波数とゲインとの関係、図９（ｂ）がフィルタＦの周波数と位相との関係を示している。図１０（ａ）が、操舵角に対するヨーレイトの周波数とゲインとの関係、図１０（ｂ）が同じく周波数と位相との関係を示している。また、図１１（ａ）が、操舵角に対する補助操舵反力トルクの周波数とゲインとの関係、図１１（ｂ）が同じく周波数と位相との関係を示している。尚、実線は上記フィルタＦを使用した場合の高速時（１８０ｋｍ／ｈ）の特性、波線はフィルタＦを使用しない場合の高速時（１８０ｋｍ／ｈ）の特性、想像線はフィルタＦを使用しない場合の低速時（６０ｋｍ／ｈ）の特性をそれぞれ示している。
【００４４】
図１０及び図１１に示すように、高速領域では、フィルタＦを使用しない場合、ヨー共振ピークが現出して望ましい特性が得られず、操舵に違和感を生じるが、フィルタＦを使用することにより、このピークが殆どなくなり、概ね望ましい特性と一致する周波数応答特性が得られるようになり、操舵フィーリングが向上する。このフィルタＦのカットオフ周波数は図７（ｂ）に示すように車速Ｖに応じて可変とすることで、全車速で常に望ましい特性と一致する周波数応答特性が得られるようになる。
【００４５】
尚、低速領域（例えば車速６０ｋｍ／ｈ）ではフィルタＦを使用しなくても殆どヨー共振を生じず、フィルタＦを用いなくても概ね望ましい周波数応答特性を示す。但し、実際には低速領域でも適正なフィルタをかけることにより、操舵力のきめ細かい設定が可能となり、一層望ましい特性と一致する周波数応答特性が得られるようにすることも可能である。
【００４６】
図１２は、上記実施形態の変形例を示す図６と同様な図であり、上記実施形態と同様な部分には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。本例では、図５のステップ２３に相当するステップ２３’にて運転者の操舵または保舵力の程度ｙを０（操舵または保舵）〜１（手放し）の間で求め、
ｙ・γ（実ヨーレイト）＋（１−ｙ）・γf（補正ヨーレイト）
をその後の補助操舵反力トルクＴ2を求めるのに用いる。
【００４７】
即ち、操舵または保舵の程度が大きければ、ヨーレイトを多く補償して高速時等の操舵違和感を軽減し、操舵または保舵の程度が小さくなる程、その程度に応じてヨーレイトをあまり補償せずに、外乱抑制効果を高くするようにしている。その対応する部分を破線で囲んでステップ２３’として図１２に記した。それ以外の構成、作用・効果は上記実施形態と同様である。
【００４８】
尚、上記構成ではヨーレイトセンサをもって車両挙動検出手段としたが、これに代えて、またはこれに加えて横加速度センサ用いても同様の作用・効果が得られる。また、上記実施形態では、ヨーレートγの入力値に対する特性補償器として、一次遅れのローパスフィルタを用いたが、実際には更に高度なフィルタや増幅器等を用いても良い。
【００４９】
【発明の効果】
このように本発明による車両用操舵装置によれば、車両挙動検出手段の検出値に基づいて補助操舵力トルク及び補助操舵反力トルク発生用電動機の駆動トルクを制御する車両用操舵装置に於ける車両挙動検出値に、運転者の操舵状態に応じて車速に対応する特性補償をすることで、例えばヨーレートの周波数応答特性のヨー共振によるピークを小さくする、またはなくすことができ、共振点近傍の補助操舵反力トルクの変化による操舵違和感が軽減または完全に解消でき、通常運転時の操舵感を犠牲にすることなく走行時の速度全域に亘り適正な操舵力及び外乱時の車両挙動抑制力を高いレベルで両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された車両用操舵装置を模式的に示す全体構成図。
【図２】同操舵装置の制御系の回路ブロック図。
【図３】同操舵装置の制御処理を示すフローチャート。
【図４】同操舵装置の制御処理を示すフローチャート。
【図５】同操舵装置の制御処理を示すフローチャート。
【図６】同操舵装置の制御系の回路ブロック図及び同制御処理に用いられるデータテーブル。
【図７】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は共に同制御処理に用いられるデータテーブルの拡大図。
【図８】直進走行時に横風を受けた場合の車両の動きを示す模式図。
【図９】（ａ）は同操舵装置のヨーレイトフィルタＦの操舵周波数とゲインとの関係、（ｂ）は操舵周波数と位相との関係を示すグラフ。
【図１０】（ａ）は同操舵装置の車速の違いによる操舵周波数とヨーレイトゲインとの関係、（ｂ）は操舵周波数とヨーレイトの位相との関係を示すグラフ。
【図１１】（ａ）は同操舵装置の車速の違いによる操舵周波数と補助操舵反力トルクのゲインとの関係、（ｂ）は操舵周波数と補助操舵反力トルクの位相車速の違いによるとの関係を示すグラフ。
【図１２】本発明が適用された別の車両用操舵装置の制御系の回路ブロック図及び同制御処理に用いられるデータテーブルを示す図６と同様な図。
【図１３】（ａ）は、従来の電動式補助操舵力発生装置を有する操舵装置の車速の違いによる操舵周波数とヨーレートゲインとの関係、（ｂ）は操舵周波数とヨーレートの位相との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１  ステアリングホイール
２  ステアリングシャフト
３  連結軸
４  ピニオン
５  タイロッド
６  前輪
８  ラック軸
９  電動機
１１  操舵角速度センサ
１２  トルクセンサ
１５  ヨーレイトセンサ
１６  車速センサ
１７  操舵制御ユニット
１７ａ  補助操舵トルク決定手段
１７ｂ  補助反力決定手段
１７ｃ  目標電流決定手段
１７ｄ  出力電流制御手段
１８  操舵状態判別手段
１９  駆動回路
２０  車両
２１  直進走行ライン
【図１】
0003884843.tif 000008
【図２】
0003884843.tif 000009
【図３】
0003884843.tif 000010
【図４】
0003884843.tif 000011
【図５】
0003884843.tif 000012
【図６】
0003884843.tif 000013
【図７】
0003884843.tif 000014
【図８】
0003884843.tif 000015
【図９】
0003884843.tif 000016
【図１０】
0003884843.tif 000017
【図１１】
0003884843.tif 000018
【図１２】
0003884843.tif 000019
【図１３】
0003884843.tif 000020