(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作手段の操作に基づいて操舵アクチュエータを制御し、これにより舵取り機構の動作を制御する車両用操舵装置であって、
車両の挙動を表す車両挙動変数の目標値である目標挙動変数を上記操作手段の操作内容に基づいて設定する目標挙動変数設定手段と、
上記目標挙動変数設定手段によって設定された目標挙動変数と実際の車両挙動変数とに基づいて、上記舵取り機構の目標動作量を演算する車両挙動制御部と、
上記車両挙動制御部によって演算された目標動作量に基づいて、上記操舵アクチュエータの制御値を演算する舵角制御部とを含み、
上記車両挙動制御部は、
上記目標挙動変数設定手段によって設定された目標挙動変数と実際の車両挙動変数との間に生じる定常偏差を補償するための挙動系フィードバック補償手段と、
上記操作手段の操作に対する車両挙動の遅れを補償するための挙動系フィードフォワード補償手段とを含み、
上記舵角制御部は、
上記挙動系フィードフォワード補償手段の出力を上記舵取り機構の目標動作量とし、この目標動作量と上記舵取り機構の実際の動作量との間に生じる定常偏差を補償するための舵角系フィードバック補償手段と、
上記操舵アクチュエータ特性による位相遅れを補償するための舵角系フィードフォワード補償手段とを含み、
上記挙動系フィードフォワード補償手段は、上記挙動系フィードバック補償手段の出力値に目標挙動変数を加算して得られる値に、車両挙動の位相を補償するための位相補償伝達関数および車両挙動のゲインを補償するための定常ゲインを乗じて出力するものであることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
上記挙動系フィードバック補償手段は、目標挙動変数と実際の車両挙動変数との偏差に比例ゲインおよび積分ゲインを含む挙動系フィードバック伝達関数を乗じて出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
【請求項３】
上記位相補償伝達関数のゲインおよび時定数は、当該車両用操舵装置が搭載される車両の特性に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用操舵装置。
【請求項４】
上記定常ゲインは、当該車両用操舵装置が搭載される車両の特性に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用操舵装置。
【請求項５】
上記位相補償伝達関数は、車両特性による車両挙動の１次遅れを補償するための１次遅れ補償伝達関数に１次フィルタ関数を乗じることにより得られる関数であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用操舵装置。
【請求項６】
上記挙動系フィードフォワード補償手段は、車両特性による車両挙動の１次遅れ、および当該車両用操舵装置が搭載される車両の車輪に作用する横力による車両挙動の１次遅れを補償するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用操舵装置。
【請求項７】
上記舵角系フィードバック補償手段は、目標動作量と実際の舵取り機構の動作量との偏差に積分ゲインを含む舵角系フィードバック伝達関数を乗じて出力するものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の車両用操舵装置。
【請求項８】
上記積分ゲインは、予め定める車速域ごとに複数設定されていることを特徴とする請求項７に記載の車両用操舵装置。
【請求項９】
上記舵角系フィードフォワード補償手段は、上記舵角系フィードバック補償手段の出力値に目標動作量を加算して得られる値に近似微分要素を含む舵角系フィードフォワード伝達関数を乗じて出力するものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載車両用操舵装置。
【請求項１０】
操作手段の操作に基づいて操舵アクチュエータを制御し、これにより舵取り機構の動作を制御する車両用操舵装置であって、
車両の挙動を表す車両挙動変数の目標値である目標挙動変数を上記操作手段の操作内容に基づいて設定する目標挙動変数設定手段と、
上記目標挙動変数設定手段によって設定された目標挙動変数と実際の車両挙動変数とに基づいて、上記舵取り機構の目標動作量を演算する車両挙動制御部と、
上記車両挙動制御部によって演算された目標動作量に基づいて、上記操舵アクチュエータの制御値を演算する舵角制御部とを含み、
上記車両挙動制御部は、
上記目標挙動変数設定手段によって設定された目標挙動変数と実際の車両挙動変数との間に生じる定常偏差を補償するための挙動系フィードバック補償手段と、
上記操作手段の操作に対する車両挙動の遅れを補償するための挙動系フィードフォワード補償手段とを含み、
上記舵角制御部は、
上記挙動系フィードフォワード補償手段の出力を上記舵取り機構の目標動作量とし、この目標動作量と上記舵取り機構の実際の動作量との間に生じる定常偏差を補償するための舵角系フィードバック補償手段と、
上記操舵アクチュエータ特性による位相遅れを補償するための舵角系フィードフォワード補償手段とを含み、
上記舵角系フィードフォワード補償手段は、上記舵角系フィードバック補償手段の出力値に目標動作量を加算して得られる値に近似微分要素を含む舵角系フィードフォワード伝達関数を乗じて出力するものであることを特徴とする車両用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ステアリングホイール等の操作手段の操作に基づいて舵取り用車輪を転舵させる構成の車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリングホイールと舵取り用の車輪を転舵するための舵取り機構との機械的な結合をなくし、ステアリングホイールの操作方向および操作量を検出するとともに、その検出結果に基づいて、舵取り機構の動作を制御するようにした車両用操舵装置（いわゆるステア・バイ・ワイヤ・システム）が提案されている。
このような車両用操舵装置においては、ステアリングホイールと舵取り機構との機械的な連結がないので、車両衝突時におけるステアリングホイールの突き上げを防止できるとともに、舵取り機構の構成を簡素化および軽量化することができる。また、ステアリングホイールの配設位置の自由度が増し、さらには、ステアリングホイール以外のレバーまたはペダル等の他の操作部材の採用も可能である。
【０００３】
舵取り機構の動作は、コンピュータを含む制御装置によって制御されるようになっている。すなわち、ステアリングホイールの操作角を検出する操作角センサおよびステアリングホイールに加えられた操舵トルクを検出するトルクセンサからの各検出信号が制御装置に入力されていて、制御装置は、操作角センサおよびトルクセンサからの入力信号に応じた舵取り車輪の目標転舵角を定め、この目標転舵角に基づいて、駆動力発生源としての電動モータなどを含む操舵アクチュエータをフィードバック制御するのが従来からの一般的な構成である。
【０００４】
図１３は、従来から提案されている舵角制御系の一例を説明するためのブロック図である。目標転舵角(Target Angle)δ*は、減算部１０１に入力されるようになっている。この減算部１０１にはまた、図示しない転舵角センサによって検出される舵取り用車輪の実転舵角(Actual Angle)δが入力されており、減算部１０１は、目標転舵角δ*と実転舵角δとの偏差（δ*−δ）を演算して出力する。
減算部１０１で求められた偏差（δ*−δ）は、この偏差（δ*−δ）に応じた操舵アクチュエータ(Ｍ１ Actuator)１０２の制御値を生成する比例積分制御部(Proportional-Integral Controller)１０３に入力されるようになっている。比例積分制御部は１０３は、比例積分制御演算により、偏差（δ*−δ）に応じたアクチュエータ制御値を生成する。すなわち、比例積分制御部１０３は、減算部１０１で求められた偏差（δ*−δ）に比例積分制御の伝達関数｛Ｋp＋(Ｋi／ｓ)｝を乗じることによりアクチュエータ制御値を生成する。ただし、Ｋpは比例制御のゲイン（比例ゲイン）であり、Ｋiは積分制御のゲイン（積分ゲイン）である。また、ｓはラプラス演算子である。
【０００５】
図１４は、従来から提案されている舵角制御系の他の例を説明するためのブロック図である。この図１４において、上述の図１３に示す各部と同等の部分には同一の参照符号が付してある。
この制御則では、減算部１０４から出力される目標転舵角δ*と実転舵角δとの偏差（δ*−δ）が、比例−微分−２階微分制御部(PDD2 Controller)１０５に入力されるようになっている。比例−微分−２階微分制御部１０５は、偏差（δ*−δ）に比例−微分−２階微分制御の伝達関数ｋ(τ1ｓ2＋τ2ｓ＋１)を乗じることによりアクチュエータ制御値を生成する。ただし、ｋは、ステアリングホイールと舵取り機構とがトーションバー等の弾性体で結合されていると仮想したときのその弾性体のばね定数である。また、τ1，τ2は時定数であり、ｓはラプラス演算子である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の図１３に示す第１の制御系では、比例ゲインＫpおよび積分ゲインＫiを適当に調整することにより、制御安定性を維持しながら、舵取り用車輪の実舵角を目標舵角にある程度は追従させることができる。しかし、比例積分制御の伝達関数｛Ｋp＋(Ｋi／ｓ)｝には、操舵アクチュエータが有する電気的および機械的な要因による制御遅れを補償する項がなく、目標転舵角δ*に対する実転舵角δの位相遅れが大きいという問題がある。
【０００７】
一方、上述の図１４に示す第２の制御系では、時定数τ1，τ2を小さくし、ばね定数ｋを大きくすることにより、応答性の向上を図ることができ、目標転舵角δ*と実転舵角δとの間に生じる定常偏差も小さくできる。また、制御系の安定性も確保することができる。ところが、ハード構成の飽和特性によりばね定数ｋの値が制限されるため、ステアリングホイールの急操作が行われた場合のような高負荷時には、目標転舵角δ*と実転舵角δとの間に定常偏差が生じてしまう。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、制御系の安定性および応答性に優れ、かつ、制御系の入出力間の定常偏差が小さく抑えられた車両用操舵装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、操作手段（１）の操作に基づいて操舵アクチュエータ（２）を制御し、これにより舵取り機構の動作を制御する車両用操舵装置であって、車両の挙動を表す車両挙動変数の目標値である目標挙動変数（γ＊）を上記操作手段の操作内容に基づいて設定する目標挙動変数設定手段（４１）と、上記目標挙動変数設定手段によって設定された目標挙動変数と実際の車両挙動変数（γ）とに基づいて、上記舵取り機構の目標動作量を演算する車両挙動制御部（４２）と、上記車両挙動制御部によって演算された目標動作量に基づいて、上記操舵アクチュエータの制御値を演算する舵角制御部（４３）とを含み、上記車両挙動制御部は、上記目標挙動変数設定手段によって設定された目標挙動変数と実際の車両挙動変数との間に生じる定常偏差を補償するための挙動系フィードバック補償手段（４２１，４２２）と、上記操作手段の操作に対する車両挙動の遅れを補償するための挙動系フィードフォワード補償手段（４２４，４２５）とを含み、上記舵角制御部は、上記挙動系フィードフォワード補償手段の出力を上記舵取り機構の目標動作量（χ＊）とし、この目標動作量と上記舵取り機構の実際の動作量（χ）との間に生じる定常偏差を補償するための舵角系フィードバック補償手段（２２，２４）と、上記操舵アクチュエータ特性による位相遅れを補償するための舵角系フィードフォワード補償手段（２６）とを含み、上記挙動系フィードフォワード補償手段は、上記挙動系フィードバック補償手段の出力値に目標挙動変数を加算して得られる値に、車両挙動の位相を補償するための位相補償伝達関数（ＣＦＦ２（ｓ））および車両挙動のゲイン（Ｋν）を補償するための定常ゲイン（Ｋｃ）を乗じて出力するものであることを特徴とする車両用操舵装置である。
【００１０】
なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
この発明によれば、車両挙動制御部内の挙動系フィードバック補償手段により、目標挙動変数と実際の車両挙動変数との間に生じる定常偏差を補償することができるとともに、車両挙動制御部内の挙動系フィードフォワード補償手段により、操作手段の操作に対する車両挙動の遅れを補償することができる。また、舵角制御部内の舵角系フィードバック補償手段により、舵取り機構の目標動作量と舵取り機構の実際の動作量との間に生じる定常偏差を補償することができるとともに、舵角制御部内の舵角系フィードフォワード補償手段により、操舵アクチュエータ特性による位相遅れを補償することができる。これにより、安定性および応答性により優れ、かつ、入出力間の定常偏差が小さな制御系を実現することができる。
【００１１】
なお、請求項２のように、上記挙動系フィードバック補償手段は、目標挙動変数と実際の車両挙動変数との偏差に比例ゲイン（Ｋｐ２）および積分ゲイン（Ｋｉ２）を含む挙動系フィードバック伝達関数（ＣＦＢ２（ｓ））を乗じて出力するものであってもよい。
【００１２】
請求項３記載の発明は、上記位相補償伝達関数のゲイン（Ｋｅ２）および時定数（Ｔν）は、当該車両用操舵装置が搭載される車両の特性に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用操舵装置である。
この発明によれば、車両特性による位相遅れなどを良好に補償することができる。
請求項４記載の発明は、上記定常ゲインは、当該車両用操舵装置が搭載される車両の特性に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用操舵装置である。
【００１３】
この発明によれば、車両特性によるゲイン変動などを良好に補償することができる。
請求項５記載の発明は、上記位相補償伝達関数は、車両特性による車両挙動の１次遅れを補償するための１次遅れ補償伝達関数に１次フィルタ関数を乗じることにより得られる関数であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用操舵装置である。
【００１４】
この発明によれば、車両特性による２次遅れまで補償することができ、応答性および追従性を一層向上することができる。
請求項６記載の発明は、上記挙動系フィードフォワード補償手段は、車両特性による車両挙動の１次遅れ、および当該車両用操舵装置が搭載される車両の車輪に作用する横力による車両挙動の１次遅れを補償するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用操舵装置である。
【００１５】
この発明によれば、車輪に作用する横力による車両挙動の位相遅れまで補償することができ、応答性および追従性をさらに向上させることができる。
【００１８】
なお、請求項７のように、上記舵角系フィードバック補償手段は、目標動作量と実際の舵取り機構の動作量との偏差に積分ゲイン（Ｋｉｌ）を含む舵角系フィードバック伝達関数（ＣＦＢ１（ｓ））を乗じて出力するものであってもよい。
また、請求項９のように、上記舵角系フィードフォワード補償手段は、上記舵角系フィードバック補償手段の出力値に目標動作量を加算して得られる値に近似微分要素を含む舵角系フィードフォワード伝達関数（ＣＦＦ１（ｓ））を乗じて出力するものであってもよい。
【００１９】
請求項８記載の発明は、上記積分ゲインは、予め定める車速域ごとに複数設定されていることを特徴とする請求項７に記載の車両用操舵装置である。
この発明によれば、たとえば、舵取り機構に作用するセルフアライニングトルクによる位相遅れを補償することができる。
請求項１０記載の発明は、操作手段（１）の操作に基づいて操舵アクチュエータ（２）を制御し、これにより舵取り機構の動作を制御する車両用操舵装置であって、車両の挙動を表す車両挙動変数の目標値である目標挙動変数（γ＊）を上記操作手段の操作内容に基づいて設定する目標挙動変数設定手段（４１）と、上記目標挙動変数設定手段によって設定された目標挙動変数と実際の車両挙動変数（γ）とに基づいて、上記舵取り機構の目標動作量を演算する車両挙動制御部（４２）と、上記車両挙動制御部によって演算された目標動作量に基づいて、上記操舵アクチュエータの制御値を演算する舵角制御部（４３）とを含み、上記車両挙動制御部は、上記目標挙動変数設定手段によって設定された目標挙動変数と実際の車両挙動変数との間に生じる定常偏差を補償するための挙動系フィードバック補償手段（４２１，４２２）と、上記操作手段の操作に対する車両挙動の遅れを補償するための挙動系フィードフォワード補償手段（４２４，４２５）とを含み、上記舵角制御部は、上記挙動系フィードフォワード補償手段の出力を上記舵取り機構の目標動作量（χ＊）とし、この目標動作量と上記舵取り機構の実際の動作量（χ）との間に生じる定常偏差を補償するための舵角系フィードバック補償手段（２２，２４）と、上記操舵アクチュエータ特性による位相遅れを補償するための舵角系フィードフォワード補償手段（２６）とを含み、上記舵角系フィードフォワード補償手段は、上記舵角系フィードバック補償手段の出力値に目標動作量を加算して得られる値に近似微分要素を含む舵角系フィードフォワード伝達関数（ＣＦＦ１（ｓ））を乗じて出力するものであることを特徴とする車両用操舵装置である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための概念図である。この車両用操舵装置は、ステアリングホイール１と舵取り機構との機械的な結合をなくし、ステアリングホイール１の回転操作に応じて駆動される操舵アクチュエータ２の動作をハウジング３に支持されたラック軸５の車幅方向の直線運動に変換し、このラック軸５の直線運動を前部左右車輪４（舵取り用の車輪）の転舵運動に変換することにより操舵を達成するようにした、いわゆるステア・バイ・ワイヤ・システム（ＳＢＷ）である。操舵アクチュエータ２およびラック軸５などにより、舵取り用の車輪４を転舵するための舵取り機構が構成されている。
【００２１】
操舵アクチュエータ２は、たとえば、ブラシレスモータ等の電動モータＭ１を含む構成である。この電動モータＭ１の駆動力（出力軸の回転力）は、ラック軸５に関連して設けられた運動変換機構（ボールねじ機構）により、ラック軸５の軸方向（車幅方向）の直線運動に変換される。このラック軸５の直線運動は、ラック軸５の両端から突出して設けられたタイロッド６に伝達され、さらにタイロッド６を介してキングピンＰに連結されたナックルアーム７の回動を引き起こす。これにより、ナックルアーム７に支持された車輪４の転舵が達成される。
【００２２】
ステアリングホイール１は、車体に対して回転可能に支持された回転シャフト８に連結されている。この回転シャフト８には、ステアリングホイール１に操舵反力を与えるための反力アクチュエータ９が付設されている。反力アクチュエータ９は、回転シャフト８と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータを含む。
回転シャフト８のステアリングホイール１とは反対側の端部には、渦巻きばね等からなる弾性部材１０が車体との間に結合されている。この弾性部材１０は、反力アクチュエータ９がステアリングホイール１にトルクを付加していないときに、その弾性力によって、ステアリングホイール１を直進操舵位置に復帰させる。
【００２３】
ステアリングホイール１の操作入力値を検出するために、回転シャフト８の回転角に対応する操作角δhを検出するための操作角センサ１１が設けられている。回転シャフト８にはさらに、ステアリングホイール１に加えられた操作トルクＴを検出するためのトルクセンサ１２が設けられている。また、ラック軸５に関連して、このラック軸５の実変位量χを検出する変位量センサ１３が設けられている。
【００２４】
操作角センサ１１、トルクセンサ１２および変位量センサ１３は、コンピュータを含む制御装置１４に接続されている。この制御装置１４には、さらに、車速Ｖを検出する車速センサ１５が接続されている。制御装置１４は、トルクセンサ１２によって検出される操作トルクＴおよび操作角センサ１１によって検出される操作角δhなどに基づき、駆動回路１６を介して、ステアリングホイール１の操作方向と逆方向の適当な反力を発生するように反力アクチュエータ９を制御する。また、制御装置１４は、操作角センサ１１によって検出される操作角δhなどに応じたラック軸３の目標変位量χ*を定め、この目標変位量（目標動作量）χ*と変位量センサ１３によって検出される実変位量（実動作量）χとに基づいて操舵アクチュエータ２を制御する。
【００２５】
図２は、上記車両用操舵装置に適用されている制御系（舵角制御系）のブロック図である。この図２に示す制御系の各機能部は、制御装置１４に備えられているコンピュータによるプログラム処理によって実現される。
この制御系では、目標変位量設定部２１において設定された目標変位量(Target Stroke)χ*が減算部２２に入力されるようになっている。減算部２２にはまた、目標変位量χ*に対するラック軸５の実変位量(Actual Stroke)χが入力されるようになっている。ラック軸５の実変位量χは、実際には変位量センサ１３によって検出されるが、図２では、その変位量センサ１３の機能が、操舵アクチュエータ(Ｍ１ Actuator)２の出力を積分することにより（操舵アクチュエータ２の出力に１／ｓ（ｓ：ラプラス演算子）を乗じることにより）実変位量χを求める積分部２３として等価的に示されている。
【００２６】
減算部２２は、目標変位量χ*と実変位量χとの偏差（χ*−χ）を演算して出力する。この減算部２２から出力される偏差（χ*−χ）は、舵角系フィードバック補償部２４に入力されるようになっている。舵角系フィードバック補償部２４は、偏差（χ*−χ）に舵角系フィードバック伝達関数ＣFB1(s)を乗じて出力する。たとえば、舵角系フィードバック補償部２４がＰＩ補償器で構成される場合、舵角系フィードバック伝達関数ＣFB1(s)は、下記第(1)式で表される。
【００２７】
ＣFB1(s)＝Ｋp1＋(Ｋi1／ｓ)      ・・・・・・(1)
ただし、Ｋp1は比例制御のゲイン（比例ゲイン）であり、Ｋi1は積分制御のゲイン（積分ゲイン）である。また、ｓは、ラプラス演算子である。
舵角系フィードバック補償部２４の出力値は、加算部２５において、目標変位量設定部２１から出力される目標変位量χ*と加算される。この加算部２５における加算結果は、舵角系フィードフォワード補償部２６に入力されるようになっている。舵角系フィードフォワード補償部２６は、偏差（χ*−χ）に舵角系フィードフォワード伝達関数ＣFF1(s)を乗じて出力する。
【００２８】
舵角系フィードフォワード伝達関数ＣFF1(s)は、たとえば、とくに操舵アクチュエータ２の出力の積分値をこの制御系の出力値としたことによる応答遅れを補償するために、ゲイン補償を含む近似微分要素Ｋc1ｓ／(Ｔc1ｓ＋１)に定められている。ここで、Ｋc1は、操舵アクチュエータ２の諸元に基づいて設定される定数Ｋの逆数１／Ｋである。また、Ｔc1は時定数であり、ｓはラプラス演算子である。
【００２９】
舵角系フィードフォワード補償部２６の出力値は、アクチュエータ制御値とされ、このアクチュエータ制御値に応じた電流が操舵アクチュエータ２に供給される。これにより、操舵アクチュエータ２の制御が達成される。
操舵アクチュエータ２は、電動モータＭ１が有する遅れ要素（電動モータＭ１の特性による遅れ要素）と、電動モータＭ１の駆動力を伝達する機構が有する機械的な要因による遅れ要素（たとえば、上記運動変換機構の機械的特性（フリクション）による遅れ要素）とを有している。したがって、入力を電圧値（アクチュエータ制御値）とし、出力をラック軸５の変位速度とした場合の操舵アクチュエータ２のモデルは、図３に示すような構成となり、その伝達関数Ｇａ(s)は、二次遅れ系の伝達関数となる。すなわち、図３に示すように、操舵アクチュエータ２のモデルは、モータ遅れ要素３１と伝達機構遅れ要素(Mechanism)３２とが直列に接続されて、モータ遅れ要素３１に電圧値(Voltage)および変位速度(Speed)が入力され、このモータ遅れ要素３１から出力されるモータ駆動力(Force)が伝達機構遅れ要素３２に入力される構成となる。そして、伝達関数Ｇａ(s)は、ラプラス演算子をｓとして、Ｇａ(s)＝Ｋ／(ａｓ2＋ｂｓ＋１)と表される。
【００３０】
操舵アクチュエータ２の伝達関数Ｇａ(s)中のＫ，ａ，ｂは、それぞれ、下記第(2)式、第(3)式および第(4)式の通りである。
Ｋ＝Ｋt／[(Ｒ＋Ｒω)Ｄm＋ＫtＫe]      ・・・・・・(2)
ａ＝ＴeＴmＲＤm／[(Ｒ＋Ｒω)Ｄm＋ＫtＫe]      ・・・・・・(3)
ｂ＝[(Ｒ＋Ｒω)Ｔm＋ＴeＲ]Ｄm／[(Ｒ＋Ｒω)Ｄm＋ＫtＫe]   ・・・・・・(4)
ただし、Ｋt：軸力定数[N/A]
Ｋe：逆起電力定数[Vsec/m]
Ｒω：回路抵抗[Ω]
Ｒ ：内部抵抗[Ω]
Ｔe：電気時定数[sec]
Ｔm：機械時定数[sec]
Ｄm：粘性定数[Nsec/m]
このように操舵アクチュエータ２の伝達関数Ｇａ(s)をＧａ(s)＝Ｋ／(ａｓ2＋ｂｓ＋１)とした場合、図２に示す制御系の入出力間の伝達関数Ｇ(s)は、下記第(5)式のようになる。ただし、下記第(5)式中のＤ(s)は、Ｄ(s)＝(Ｔc1ｓ＋１)・(ａｓ2＋ｂｓ＋１)である。
【００３１】
Ｇ(s)＝χ／χ*＝[(１＋Ｋp1)ｓ＋Ｋi1]／[(Ｄ(s)＋Ｋp1)ｓ＋Ｋi1]  ・・・・・・(5)
この第(5)式から、舵角系フィードバック伝達関数ＣFB1(s)中の比例ゲインＫp1を小さな値に設定し、積分ゲインＫi1を大きな値に設定することにより、図２に示す制御系の応答性を高めることができ、入出力間（目標変位量χ*と実変位量χとの間）に生じる定常偏差を小さくできることがわかる。したがって、舵角系フィードバック伝達関数ＣFB1(s)の比例ゲインＫp1および積分ゲインＫi1、ならびに舵角系フィードフォワード伝達関数ＣFF1(s)の時定数Ｔc1をそれぞれ適切な値に設定することにより、操舵アクチュエータ２の電気的および機械的な遅れを良好に補償することができ、安定性および応答性に優れ、かつ、入出力間の定常偏差が小さな制御系を実現することができる。
【００３２】
図４は、舵角系フィードフォワード伝達関数ＣFF1(s)の時定数Ｔc1を設定する際に用いられるフィードフォワード補償制御系モデルのブロック図である。この図４に示すフィードフォワード補償制御系モデルは、図２に示す制御系から減算部２２、舵角系フィードバック補償部２４および加算部２５を省いた構成である。
すなわち、このフィードフォワード補償制御系モデルでは、目標変位量χ*が舵角系フィードフォワード補償部２６に与えられる。舵角系フィードフォワード補償部２６は、目標変位量χ*に舵角系フィードフォワード伝達関数ＣFF1(s)＝Ｋc1ｓ／（Ｔc1ｓ＋１）を乗じて出力する。この出力値は、操舵アクチュエータ２に入力される電圧値（制御値）を一定の値（たとえば、±１２ボルト）以下に制限するサチュレーション部(Actuator Driver Sat.)２７を介して操舵アクチュエータ２に入力される。そして、操舵アクチュエータ２から出力されるラック軸５の変位速度が積分部(Integrator)２３で積分されることにより、このフィードフォワード補償制御系の出力がラック軸５の変位量χとされるようになっている。
【００３３】
このフィードフォワード補償制御系において、軸力定数Ｋtを２００[N/A]、逆起電力定数Ｋeを１０１．５[Vsec/m]、回路抵抗Ｒωを０．０９３[Ω]、内部抵抗Ｒを０．０９２[Ω]、電気時定数Ｔeを０．０１０[s]、機械時定数Ｔmを０．０７５[sec]、粘性定数Ｄmを５０００[Nsec/m]とした場合において、舵角系フィードフォワード伝達関数ＣFF1(s)の時定数Ｔc1をＴc1＝５msec，１０msecとしたときの各周波数特性が図５に示されている。また、図５には、サチュレーション部２７による電圧値の制限を解除した場合に、時定数Ｔc1をＴc1＝５msecとしたときの周波数特性が比較のために示されている。
【００３４】
この図５に示された周波数特性から、時定数Ｔc1＝５msの場合は、サチュレーション部２７による電圧値制限の影響により、低周波数域で位相（Phase）が約９０°遅れ、また、ゲイン（Gain）が発散していることがわかる。一方、時定数Ｔc1＝１０msecの場合は、位相遅れが少なく、ゲインの発散もない。よって、この図５に示されたような周波数特性が得られる場合、舵角系フィードフォワード伝達関数ＣFF1(s)の時定数Ｔc1はＴc1＝１０msに設定されることが好ましい。
【００３５】
上記のような手法により、舵角系フィードフォワード伝達関数ＣFF1(s)の時定数Ｔc1を適切な値に設定することができる。
図６および図７は、舵角系フィードバック伝達関数ＣFB1(s)の比例ゲインＫp1および積分ゲインＫi1の設定手法について説明するための特性図である。舵角系フィードバック伝達関数ＣFB1(s)の比例ゲインＫp1および積分ゲインＫi1は、上記第(5)式の伝達関数Ｇ(s)の制御系（図２に示す制御系）の周波数特性およびステップ応答に基づいて適切な値に設定することができる。
【００３６】
上記したように、舵角系フィードバック伝達関数ＣFB1(s)中の比例ゲインＫp1を小さな値に設定し、積分ゲインＫi1を大きな値に設定することにより、制御系の応答性を高めることができ、入出力間に生じる定常偏差を小さくできる。そこで、比例ゲインＫp1をＫp1＝０に設定する。また、軸力定数Ｋt、逆起電力定数Ｋe、回路抵抗Ｒω、内部抵抗Ｒ、電気時定数Ｔe、機械時定数Ｔmおよび粘性定数Ｄmを上記各値とし、舵角系フィードフォワード伝達関数ＣFF1(s)の時定数Ｔc1をＴc1＝１０msに設定する。そして、積分ゲインＫi1をＫi1＝０，２０，３０，４０，６０に設定したときの周波数特性およびステップ応答を調べる。それぞれの結果が、図６および図７に示されている。
【００３７】
図６に示された周波数特性および図７に示されたステップ応答から、積分ゲインＫi1＝２０，３０に設定した場合、周波数が１０[Hz]以下での周波数−位相特性に優れ、また、ステップパルスを入力したときのオーバシュートが小さく、その後の収束性が優れていることがわかる。よって、図６のような周波数特性および図７のようなステップ応答が得られた場合、舵角系フィードバック伝達関数ＣFB1(s)の積分ゲインＫi1はＫi1＝２０〜３０の範囲内で設定されることが好ましい。
【００３８】
このような手法により、舵角系フィードバック伝達関数ＣFB1(s)の比例ゲインＫp1および積分ゲインＫi1を適切な値に設定することができる。
以上のように、この舵角制御系は、操舵アクチュエータ２の電気的および機械的な位相遅れを考慮して設計されている。この操舵アクチュエータ２の位相遅れを補償するために、舵角系フィードフォワード補償部２６を備えるとともに、目標変位量χ*と実変位量χとの間の定常偏差をなくすために、舵角系フィードバック補償部２４を備えている。フィードバック補償の比例ゲインＫp1および積分ゲインＫi1、ならびにフィードフォワード補償の時定数Ｔc1は、制御系の周波数特性およびステップ応答に基づいて設定される。これにより、操舵アクチュエータ２の電気的および機械的な要因による位相遅れを良好に補償することができ、かつ、入出力間の定常偏差が小さな制御系を実現することができる。
【００３９】
なお、操舵アクチュエータ２が有する電気的および機械的な遅れ要素だけではなく、たとえば、操舵アクチュエータ２に生じる摩擦抵抗、ラック軸３に作用するセルフアライニングトルク、キングピンＰに生じる摩擦および粘性抵抗など、実際にステアリング系が有する遅れ要素をさらに考慮して、フィードバック補償の比例ゲインＫp1および積分ゲインＫi1、ならびにフィードフォワード補償の時定数Ｔc1が決定されてもよい。
【００４０】
たとえば、セルフアライニングトルクを考慮する場合、図３に示す操舵アクチュエータ２のモデルにおいて、モータ遅れ要素３１から出力されるモータ駆動力がラック軸３に作用するセルフアライニングトルク分だけ減じた値となるように、モータ遅れ要素３１の伝達関数を設定し、これに基づいて、操舵アクチュエータ２の伝達関数を設定するとよい。そして、この操舵アクチュエータ２の伝達関数を用いて、図２に示す制御系の入出力間の伝達関数を求めるとともに、その制御系の周波数特性およびステップ応答を調べて、フィードバック補償の比例ゲインＫp1および積分ゲインＫi1、ならびにフィードフォワード補償の時定数Ｔc1を決定すればよい。
【００４１】
さらに、セルフアライニングトルクに加えてキングピンＰの摩擦および粘性抵抗を考慮する場合、図３に示す操舵アクチュエータ２のモデルにおいて、モータ遅れ要素３１から出力されるモータ駆動力がセルフアライニングトルクおよびキングピンＰの摩擦および粘性抵抗による反力分だけ減じた値となるように、モータ遅れ要素３１の伝達関数を設定し、これに基づいて、操舵アクチュエータ２の伝達関数を設定すればよい。
【００４２】
ところで、セルフアライニングトルクは、車速が高速になるほど大きくなり、車速が低速になるほど小さくなる。このような車速の変化に応じたセルフアライニングトルクの変化に対して良好な追従性を維持するには、積分ゲインＫi1を変更することにより制御系の応答性を変えることができることから、車速の変化に応じてフィードバック補償の積分ゲインＫi1を変更すればよい。したがって、セルフアライニングトルクを考慮する場合は、たとえば、予め定める車速域ごと（たとえば、２０〜１８０km/hまで１０km/hごと）に適切な積分ゲインＫi1（目標変位量χ*と実変位量χとの偏差が０．３mm以下となるような積分ゲインＫi1）をシミュレーションで求めておき、その求めた積分ゲインＫi1を車速域に対するテーブルの形式で制御装置１４に備えられているコンピュータのメモリに保持させておくことが好ましい。
【００４３】
図８は、車両用操舵装置に適用される他の制御系のブロック図である。上述の図２に示す制御系は、目標変位量χ*（目標転舵角に相当する。）を定め、この目標変位量χ*と変位量センサ１３によって検出される実変位量χ（実転舵角に相当する。）とに基づいて操舵アクチュエータ２を制御する舵角制御系であるのに対し、この図８に示す制御系は、車両挙動変数の一例であるヨーレートの目標値（目標ヨーレート）γ*を定め、この目標ヨーレートと実際のヨーレートγとに基づいて操舵アクチュエータ２を制御する車両挙動制御系である。なお、この車両挙動制御系が適用される車両用操舵装置には、車両のヨーレートγを検出するためのヨーレートセンサが設けられる。
【００４４】
目標ヨーレートγ*は、目標ヨーレート設定部４１において、たとえば、図１に示す操作角センサ１１によって検出される操作角δhに基づいて設定される。目標ヨーレート設定部４１で設定された目標ヨーレートγ*は、車両挙動制御部４２に入力されるようになっている。車両挙動制御部４２は、目標ヨーレートγ*および実ヨーレートγに基づいて、ラック軸５の目標変位量χ*を演算して出力する。車両挙動制御部４２が出力する目標変位量χ*は、舵角制御系４３に与えられて、その与えられた目標変位量χ*に基づいて操舵アクチュエータ２の制御が行われ、この結果、舵角制御系４３からラック軸５の実変位量χが出力値として出力される。舵角制御系４３としては、上述した図２に示す舵角制御系が採用されている。
【００４５】
車両のヨーレートはラック軸５の実変位量χに応じた変化を示すから、実変位量χに車両挙動の伝達関数Ｇν(s)を乗じることにより、実変位量χを車両のヨーレートγに変換することができる。
車両挙動の伝達関数Ｇν(s)は、たとえば、下記第(6)式で表される２次振動系の関数となる。
Ｇν(s)＝Ｋν(Ｔνｓ＋１)／[(ｓ2／ωn2)＋(２ζｓ／ωn)＋１]  ・・・・・・(6)
上記第(6)式において、車両挙動定常ゲインＫν、時定数Ｔν、自然角周波数ωnおよび減衰係数ζは、それぞれ下記第(7)〜(10)式で表される。
【００４６】
Ｋν＝Ｖ／[Ｌ(１＋ＡＶ2)]      ・・・・・・(7)
Ｔν＝ＭＬfＶ／(２ＬＫr)      ・・・・・・(8)
ωn＝Ｐ／(ＶＭＪ)      ・・・・・・(9)
ζ＝[Ｍ(Ｌf2Ｋf＋Ｌf2Ｋr)＋Ｊ(Ｋf＋Ｋr)]／Ｐ      ・・・・・・(10)
また、スタビリティファクタＡおよび上記第(9)式中のＰは、それぞれ下記第(11)，(12)式で表される。
【００４７】
Ａ＝−Ｍ(ＬfＫf−ＬrＫr)／(２Ｌ2ＫfＫr)      ・・・・・・(11)
Ｐ＝２Ｌ[ＭＪＫfＫr(１＋ＡＶ2)]1/2      ・・・・・・(12)
ただし、Ｍ：車両慣性質量
Ｊ：ヨー慣性モーメント
Ｋf：前輪コーナリングパワー
Ｋr：後輪コーナリングパワー
Ｌ：ホイールベース
Ｌf：重心−前軸間距離（車両の重心と前輪の回転軸との間の距離）
Ｌr：重心−後軸間距離（車両の重心と後輪の回転軸との間の距離）
車両挙動制御部４２に入力される目標ヨーレートγ*は、この目標ヨーレートγ*から実ヨーレートγを減算して出力する減算部４２１に与えられる。この減算部４２１の出力値（γ*−γ）は、目標ヨーレートγ*と実ヨーレートγとの偏差（挙動偏差）を補償するための挙動系フィードバック補償部４２２に入力されるようになっている。挙動系フィードバック補償部４２２は、減算部４２１の出力値（γ*−γ）に挙動系フィードバック伝達関数ＣFB2(s)を乗じて出力する。たとえば、挙動系フィードバック補償部４２２がＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）補償器で構成される場合、挙動系フィードバック伝達関数ＣFB2(s)は、下記第(13)式で表すことができる。
【００４８】
ＣFB2(s)＝Ｋp2＋(Ｋi2／ｓ)＋Ｋd2ｓ      ・・・・・・(13)
ただし、Ｋp2は比例制御のゲイン（比例ゲイン）、Ｋi2は積分制御のゲイン（積分ゲイン）、Ｋd2は微分制御のゲイン（微分ゲイン）である。また、ｓは、ラプラス演算子である。
挙動系フィードバック補償部４２２の出力値は、加算部４２３において、目標ヨーレートγ*と加算される。この加算部４２３における加算結果は、ゲイン補償部４２４に入力されて、定常ゲインＫcと掛け合わされる。このゲイン補償部４２４が加算部４２３の出力値に乗じる定常ゲインＫcは、車両モデルの伝達関数Ｇν(s)に含まれる車両挙動定常ゲインＫνの逆数（１／Ｋν）に設定されている。すなわち、ゲイン補償部４２４は、加算部４２３の出力値に定常ゲインＫcを乗じることにより、車両モデルの伝達関数Ｇν(s)に含まれる車両挙動定常ゲインＫν（車両挙動のゲイン）を補償する役割を有している。
【００４９】
ゲイン補償部４２４の出力値は、操舵入力に対する車両挙動の位相遅れを補償するための挙動系フィードフォワード補償部４２５に入力されるようになっている。挙動系フィードフォワード補償部４２５は、たとえば、車両挙動の１次位相遅れまでを補償する位相補償器で構成され、その伝達関数ＣFF2(s)は、下記第(14)式で表すことができる。
ＣFF2(s)＝Ｋc2(Ｔc2ｓ＋１)／(Ｔνｓ＋１)      ・・・・・・(14)
ただし、Ｋc2＝１／Ｋν
Ｔc2＝２ζ／ωn
挙動系フィードフォワード補償部４２５は、ゲイン補償部４２４の出力値に挙動系フィードフォワード伝達関数ＣFF2(s)を乗じ、これにより得られる値を目標転舵角δ*として変換部４２６に入力する。変換部４２６は、挙動系フィードフォワード補償部４２５から入力される目標転舵角δ*に予め定める変換係数Ｋｂを乗じて、目標転舵角δ*を目標変位量χ*に変換する。こうして得られる目標変位量χ*が舵角制御系４３に与えられ、その与えられた目標変位量χ*に基づいて操舵アクチュエータ２の制御が行われる。
【００５０】
なお、減衰係数ζ、自然角周波数ωn、車両挙動定常ゲインＫνおよび時定数Ｔνは、この車両挙動制御系が採用される車両への人員の搭乗条件を種々変更し、各条件の下における前輪および後輪に加わる荷重を測定して得られる結果に基づいて設定できる。すなわち、各条件の下における前輪荷重Ｗｆおよび後輪荷重Ｗｒを測定し、この測定結果から、各条件の下における重心−前軸間距離Ｌfおよび重心−後軸間距離Ｌrを演算する。さらに、各条件の下における前輪コーナリングパワーＫfおよび後輪コーナリングパワーＫrを演算する。そして、各測定結果および演算結果の平均値をとり、その平均値に基づき、上記第(7)〜(10)式に従って、自然角周波数ωn、車両挙動定常ゲインＫνおよび時定数Ｔνを演算する。
【００５１】
なお、車両挙動制御系が採用される車両への人員の搭乗条件を「乗員１名＋計器」、「乗員２名＋計器」、「乗員２名」、「乗員３名（１名は後部座席右側に着席）」、「乗員３名（１名は後部座席左側に着席）」、「乗員４名」および「乗員５名」とした場合に、各条件下における前輪荷重Ｗｆおよび後輪荷重Ｗｒの測定結果の例、ならびに重心−前軸間距離Ｌfおよび重心−後軸間距離Ｌrの演算結果の例を下記表１に示す。
【００５２】
【表１】
0004997558.tif 000002
【００５３】
また、上記表１に示す測定結果および演算結果に基づいて設定される車両モデルパラメータ（車両慣性質量Ｍ、ヨー慣性モーメントＪ、前輪コーナリングパワーＫf、後輪コーナリングパワーＫr、ホイールベースＬ、重心−前軸間距離Ｌf、重心−後軸間距離ＬrおよびスタビリティファクタＡ）の例を下記表２に示す。
【００５４】
【表２】
0004997558.tif 000003
【００５５】
さらに、上記表２の各値および車速Ｖに基づいて求められる自然角周波数ωn、車両挙動定常ゲインＫν、時定数ＴνおよびＴc2＝２ζ／ωnを下記表３に示す。
【００５６】
【表３】
0004997558.tif 000004
【００５７】
また、挙動系フィードバック伝達関数ＣFB2(s)の各ゲインＫp2，Ｋi2，Ｋd2は、図８の車両挙動制御系の周波数特性やステップ応答に基づいて適切な値に設定されるとよい。
図９は、図８の車両挙動制御系のステップ応答を示す特性図である。この図９には、目標ヨーレートγ*が１．４[rad/sec]であるステップパルス（ステップ入力の時刻０．５sec）を入力したときの操舵角およびヨーレートの変化（Proposed）が示されている。また、比較のために、車両挙動制御部４２をフィードフォワード補償に関する構成（ゲイン補償部４２４および挙動系フィードフォワード補償部４２５）のみにした場合の操舵角およびヨーレートの変化（FF only）、車両挙動制御部４２をフィードバック補償に関する構成（減算部４２１、挙動系フィードバック補償部４２２および加算部４２３）のみにした場合の操舵角およびヨーレートの変化（FB only）ならびに上記ステップパルスを舵角制御系４３に直接入力した場合の操舵角およびヨーレートの変化（Without Compensation）が併せて示されている。さらに、上記ステップパルスを入力した場合の理想的なヨーレートの変化(Target)が示されている。
【００５８】
なお、車両モデルパラメータ（車両慣性質量Ｍ、ヨー慣性モーメントＪ、前輪コーナリングパワーＫf、後輪コーナリングパワーＫr、ホイールベースＬ、重心−前軸間距離Ｌf、重心−後軸間距離ＬrおよびスタビリティファクタＡ）は上記表２に示された値を用い、車速ＶはＶ＝４０[km/h]として、自然角周波数ωn、車両挙動定常ゲインＫνおよび時定数Ｔνを求めた。
また、図８に示された構成の場合における挙動系フィードバック伝達関数ＣFB2(s)を下記第(15)式とし、車両挙動制御部４２をフィードバック補償に関する構成のみにした場合における挙動系フィードバック伝達関数ＣFB2(s)を下記第(16)式とした。
【００５９】
ＣFB2(s)＝１＋(０．８／ｓ)＋０．１ｓ      ・・・・・・(15)
ＣFB2(s)＝１＋(１／ｓ)＋０．１ｓ      ・・・・・・(16)
この図９に示すステップ応答結果から、フィードフォワード補償に関する構成のみにした場合には、位相補償の効果は表れているが、目標ヨーレートと出力ヨーレートとの偏差が補償されていないことが判る。また、オーバシュートが大きく、振動的な挙動となっていることが判る。これに対し、図８の車両挙動制御系の場合には、位相補償の効果が表れており、また、目標ヨーレートと出力ヨーレートとの偏差も小さいことが判る。
【００６０】
以上のように、この車両挙動制御系は、車両挙動の伝達関数Ｇν(s)を含んで設計されている。そして、目標ヨーレートγ*と実ヨーレートγとの偏差（挙動偏差）を補償するための挙動系フィードバック補償部４２２を備えるとともに、操舵入力に対する車両挙動の遅れを補償するための挙動系フィードフォワード補償部４２５を備えている。また、車両モデルの伝達関数Ｇν(s)に含まれる車両挙動定常ゲインＫνを補償するためのゲイン補償部４２４を備えている。これにより、操舵入力に対して良好な車両挙動の動特性を得ることができる。
【００６１】
また、図２に示す舵角制御系が舵角制御系４３に採用されていることにより、操舵アクチュエータ２の電気的および機械的な遅れを良好に補償することができるから、より良好な安定性および応答性を得ることができる。
なお、挙動系フィードフォワード補償部４２５は、車両モデル特性の１次遅れを補償する１次位相補償器で構成されているとしたが、車両モデル特性の２次遅れまで補償する２次位相補償器で構成されてもよい。この２次遅れを補償する挙動系フィードフォワード伝達関数ＣFF22(s)は、上記第(14)式で表される伝達関数ＣFF2(s)に１次フィルタ関数１／(０．０１ｓ＋１)を乗じることにより得ることができる。すなわち、２次遅れを補償する挙動系フィードフォワード伝達関数ＣFF22(s)は、下記第(17)式の通りである。
【００６２】
ＣFF22(s)＝Ｋc2(Ｔc22ｓ2＋Ｔc21ｓ＋１)
／[０．００１Ｔνｓ2＋(０．０１＋Ｔν)ｓ＋１]    ・・・・・・(17)
ただし、Ｔc22＝１／ωn2
Ｔc21＝２ζ／ωn
挙動系フィードフォワード補償部４２５を１次位相補償器で構成した場合（1st Order Compensation）、および挙動系フィードフォワード補償部４２５を２次位相補償器で構成した場合（2st Order Compensation）における車両挙動制御系のステップ応答を図１０に示す。この図１０に示されたステップ応答は、目標ヨーレートγ*が１．４[rad/sec]であるステップパルス（ステップ入力の時刻０．５sec）を入力したときのものであり、図１０には、参考のために、上記ステップパルスを入力した場合の理想的なヨーレートの変化(Target)が示されている。
【００６３】
このステップ応答の試験において、車両モデルパラメータ（車両慣性質量Ｍ、ヨー慣性モーメントＪ、前輪コーナリングパワーＫf、後輪コーナリングパワーＫr、ホイールベースＬ、重心−前軸間距離Ｌf、重心−後軸間距離ＬrおよびスタビリティファクタＡ）は上記表２に示された値を用い、車速ＶはＶ＝４０[km/h]として、自然角周波数ωn、車両挙動定常ゲインＫνおよび時定数Ｔνを求めた。また、挙動系フィードバック伝達関数ＣFB2(s)を下記第(18)式とした。
【００６４】
ＣFB2(s)＝２．５＋１／ｓ      ・・・・・・(18)
図１０に示すステップ応答結果から、車両モデル特性の２次遅れまで補償する場合には、車両モデル特性の１次遅れまで補償する場合に比べて、応答性をより向上することができ、かつ、オーバシュートを小さく抑制して追従性をより高めることができると判る。
また、図８に示す車両挙動制御系においては、車輪の横滑りについては考慮されていないが、この車輪の横滑りを考慮した車両挙動の伝達関数Ｇν'(s)を設定し、これを含む制御系を設計することで、より良好な車両挙動の動特性を得ることができる。
【００６５】
車輪の横滑り角βwに対する横力Ｆyの応答は、下記第(19)式で示す１次遅れの伝達関数で近似される。
Ｆy(s)／βw(s)＝Ｋ／(τｓ＋１)      ・・・・・・(19)
ただし、τ：時定数[sec]（＝５／Ｖ）
ところで、上記第(7)〜(12)式は、下記第(20)式および第(21)式の運動方程式から導出されたものである。
【００６６】
ＭＶ(γ＋β)＝２(Ｋfβf＋Ｋrβr)      ・・・・・・(20)
Ｊγ＝２(ＬfＫfβf−ＬrＫrβr)      ・・・・・・(21)
ただし、γ ：ヨーレート[rad/sec]
β ：車両の横滑り角[rad]
βf：前輪の横滑り角[rad]
βr：後輪の横滑り角[rad]
そこで、上記第(19)式に基づいて、上記第(6)〜(12)式の前輪コーナリングパワーＫfおよび後輪コーナリングパワーＫrをそれぞれ下記第(22)式で表される前輪コーナリングパワーＫf'および第(23)式で表される後輪コーナリングパワーＫr'に置き換えることにより、下記第(24)式で表される前輪舵角に対する車両挙動の伝達関数Ｇν'(s)および下記第(25)〜(30)式を得ることができる。
【００６７】
Ｋf'＝Ｋf／(τｓ＋１)      ・・・・・・(22)
Ｋr'＝Ｋr／(τｓ＋１)      ・・・・・・(23)
Ｇν'(s)＝Ｋν'(Ｔν'ｓ＋１)／(ｓ2／ωn'2＋２ζ'ｓ／ωn'＋１)    ・・・・・・(24)
Ｋν'＝Ｖ／[Ｌ(１＋Ａ'Ｖ2)]＝Ｋν／α2      ・・・・・・(25)
Ｔν'＝ＭＬfＶ／(２ＬＫr')＝(τｓ＋１)Ｔν      ・・・・・・(26)
ωn'＝Ｐ'／(ＶＭＪ)＝αωn／(τｓ＋１)      ・・・・・・(27)
ζ'＝[Ｍ(Ｌf2Ｋf'＋Ｌf2Ｋr')＋Ｊ(Ｋf'Ｋr')]／Ｐ'＝ζ／α      ・・・・・・(28)
Ａ'＝−Ｍ(ＬfＫf')／(２Ｌ2Ｋf' Ｋr')＝(τｓ＋１)Ａ      ・・・・・・(29)
Ｐ'＝２Ｌ[ＭＪＫf'Ｋr'(１＋Ａ'Ｖ2)]1/2      ・・・・・・(30)
ただし、α＝[(１＋Ａ'Ｖ2)／(１＋ＡＶ2)]1/2
＝[１＋ＡＶ2τｓ／(１＋ＡＶ2)]1/2
よって、上記第(24)〜(30)式より、前輪舵角に対する車両挙動の伝達関数Ｇν'(s)は、下記第(31)式で表される４次振動系の関数となる。
【００６８】
Ｇν'(s)＝Ｋν[(τｓ＋１)Ｔνｓ＋１]
／[(τｓ＋１)2ｓ2／ωn2＋２ζ(τｓ＋１)ｓ／ωn＋α2]  ・・・・・・(31)
この伝達関数Ｇν'(s)に含まれる遅れ成分を補償するためのフィードフォワード伝達関数ＣFF2'(s)を考える。２次遅れまでを補償する場合、フィードフォワード伝達関数ＣFF2'(s)は、下記第(32)式で表される。
ＣFF2'(s)＝Ｋc2'(Ｔc22'ｓ2＋Ｔc21'ｓ＋１)／(Ｔν'ｓ＋１)      ・・・・・・(32)
ただし、Ｋc2'＝１／Ｋν'＝α2Ｋc2      ・・・・・・(33)
Ｔc22'＝１／ωn'2＝(τｓ＋１)2／(α2ωn2)      ・・・・・・(34)
Ｔc21'＝２ζ'ωn’＝Ｔc2(τｓ＋１)・α2      ・・・・・・(35)
上記第(32)〜(35)式から、下記第(36)式のフィードフォワード伝達関数ＣFF2’(s)を得ることができる。
【００６９】
ＣFF2'(s)＝Ｋc2(Ｔ1ｓ2＋Ｔ2ｓ＋１)／(Ｔ3ｓ2＋Ｔ4ｓ１＋１)    ・・・・・・(36)
ただし、Ｔ1＝τＴc2＋１／ωn2
Ｔ2＝Ｔc2＋ＡＶ2τ／（１＋ＡＶ2）
Ｔ3＝τＴν
Ｔ4＝Ｔν
図８に示す挙動系フィードフォワード補償部４２５に、上記第(36)式のフィードフォワード伝達関数ＣFF2'(s)で表される位相補償器を適用した場合（Tire Delay Compensation）、上記第(14)式の挙動系フィードフォワード伝達関数ＣFF2(s)を適用した場合（1st Order Compensation）および上記第(17)式の挙動系フィードフォワード伝達関数ＣFF22(s)を適用した場合（2st Order Compensation）における各ステップ応答を図１１および図１２に示す。図１１は車速Ｖ＝４０[km/h]のときのステップ応答を示し、図１２は車速Ｖ＝８０[km/h]のときのステップ応答を示す。
【００７０】
このステップ応答の試験においては、目標ヨーレートγ*が１．４[rad/sec]であるステップパルス（ステップ入力の時刻０．５[sec]）を制御系に入力した。図１１および図１２には、参考のために、上記ステップパルスを入力した場合の理想的なヨーレートおよび舵角の変化(Target)が併せて示されている。
車両モデルパラメータ（車両慣性質量Ｍ、ヨー慣性モーメントＪ、前輪コーナリングパワーＫf、後輪コーナリングパワーＫr、ホイールベースＬ、重心−前軸間距離Ｌf、重心−後軸間距離ＬrおよびスタビリティファクタＡ）としては、上記表２に示された値を用いた。
【００７１】
また、挙動系フィードバック伝達関数ＣFB2(s)は、次のように場合分けして設定した。
(a)上記第(36)式のフィードフォワード伝達関数ＣFF2'(s)で表される位相補償器を適用した場合
Ｖ＝４０[km/h]  ：  ３．８＋１／ｓ＋０．１ｓ
Ｖ＝８０[km/h]  ：  ２．５＋５．８／ｓ
(b)上記第(14)式の挙動系フィードフォワード伝達関数ＣFF2(s)で表される位相補償器を適用した場合
Ｖ＝４０[km/h]  ：  １＋０．８／ｓ＋０．１ｓ
Ｖ＝８０[km/h]  ：  ２．９＋２．１／ｓ＋０．０９ｓ
(c)上記第(17)式の挙動系フィードフォワード伝達関数ＣFF22(s)で表される位相補償器を適用した場合
Ｖ＝４０[km/h]  ：  ２．５＋１／ｓ
Ｖ＝８０[km/h]  ：  １．５＋４／ｓ
図１１および図１２のステップ応答結果から、車輪の横滑りを考慮した車両挙動の伝達関数Ｇν'(s)を設定し、これを含む制御系を設計することで、応答性および追従性をさらに改善することができると判る。
【００７２】
以上、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、図２に示す舵角制御系において、舵角系フィードバック補償部２４は、ＰＩ補償器で構成されるとしたが、これに代えてＰＩＤ補償器で構成してもよい。
また、図２に示す舵角制御系においては、舵角系フィードフォワード伝達関数ＣFF1(s)は、ＣFF1(s)＝Ｋc1ｓ／(Ｔc1ｓ＋１)であるとしたが、近似微分要素に位相進み補償要素を付加することにより、ＣFF1(s)＝(ｂｓ＋１)ｓ／(Ｔc12ｓ2＋２Ｔc1ｓ＋１)としてもよい。
【００７３】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための概念図である。
【図２】上記車両用操舵装置に適用されている制御系（舵角制御系）のブロック図である。
【図３】操舵アクチュエータモデルのブロック図である。
【図４】舵角系フィードフォワード伝達関数の時定数を設定する際に用いられるフィードフォワード補償制御系モデルのブロック図である。
【図５】舵角系フィードフォワード伝達関数の時定数を５msec，１０msecとしたときの各周波数特性を示す図である。
【図６】舵角系フィードバック伝達関数の比例ゲインおよび積分ゲインの設定手法について説明するための特性図（周波数特性）である。
【図７】舵角系フィードバック伝達関数の比例ゲインおよび積分ゲインの設定手法について説明するための特性図（ステップ応答）である。
【図８】上記車両用操舵装置に適用される他の制御系（車両挙動制御系）のブロック図である。
【図９】図８の車両挙動制御系のステップ応答を示す特性図である。
【図１０】挙動系フィードフォワード補償部を１次位相補償器で構成した場合、および挙動系フィードフォワード補償部を２次位相補償器で構成した場合における車両挙動制御系のステップ応答を示す特性図である。
【図１１】挙動系フィードフォワード補償部に、車輪横力による位相遅れを補償可能な挙動系フィードフォワード伝達関数で表される位相補償器を適用した場合、１次位相遅れを補償可能な挙動系フィードフォワード伝達関数を適用した場合および２次位相遅れまで補償可能な挙動系フィードフォワード伝達関数を適用した場合における各ステップ応答（車速４０[km/h]）を示す特性図である。
【図１２】挙動系フィードフォワード補償部に、車輪横力による位相遅れを補償可能な挙動系フィードフォワード伝達関数で表される位相補償器を適用した場合、１次位相遅れを補償可能な挙動系フィードフォワード伝達関数を適用した場合および２次位相遅れまで補償可能な挙動系フィードフォワード伝達関数を適用した場合における各ステップ応答（車速８０[km/h]）を示す特性図である。
【図１３】従来から提案されている舵角制御系の一例を説明するためのブロック図である。
【図１４】従来から提案されている舵角制御系の他の例を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
１      ステアリングホイール
２      操舵アクチュエータ
４      車輪
５      ラック軸
１１    操作角センサ
１２    トルクセンサ
１３    変位量センサ
１４    制御装置
２１    目標変位量設定部
２２    減算部
２３    積分部
２４    舵角系フィードバック補償部
２５    加算部
２６    舵角系フィードフォワード補償部
２７    サチュレーション部
３１    モータ遅れ要素
３２    伝達機構遅れ要素
４１    目標ヨーレート設定部
４２    車両挙動制御部
４３    舵角制御系
４２１  減算部
４２２  挙動系フィードバック補償部
４２３  加算部
４２４  ゲイン補償部
４２５  挙動系フィードフォワード補償部
４２６  変換部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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