JP3577226B2

JP3577226B2 - 操舵制御装置

Info

Publication number: JP3577226B2
Application number: JP30404898A
Authority: JP
Inventors: 裕川口; 伸芳杉谷; 史郎中野
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2018-10-26
Also published as: JP2000128002A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転舵輪を転舵駆動するアクチュエータの駆動制御を行うことで、操舵ハンドルの操作に応じて転舵輪を転舵させる操舵制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
操舵ハンドルに連結された操舵軸と、転舵輪を転舵させる転舵機構とを機械的に分離し、これらの連動制御を電気的に行う操舵制御装置が提案されている。例えば、特開平４−１３３８６０号では、図１２に示す制御システムが開示されており、操舵ハンドル１０１の操作量をポテンショメータ１０２で検出し、その検出結果をもとに、転舵装置１０３によってロッド１０４を変位させて車輪１０５を転舵させる機構となっている。また、操舵ハンドル１０１はステアリングシャフト１０６を介してアクチュエータ１０７に連結されており、アクチュエータ１０７の駆動力により操舵反力が与えられる。この際、アクチュエータ１０７によって発生する操舵反力Ｔは、下記の（Ａ）式に基づいて決定している。なお、下記式中、θは操舵角、Ｍ_２、Ｍ_１、Ｍ_０は定数、Ｍｃは操舵方向により符号の変化する定数である。
【０００３】
Ｔ＝Ｍ_２・（ｄ^２θ／ｄｔ^２）＋Ｍ_１・（ｄθ／ｄｔ）＋Ｍ_０・θ±Ｍｃ …（Ａ）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような操舵装置では、操舵ハンドル１０１の操作状態を検出し、その検出結果をもとに車輪１０５を転舵させるため、操舵ハンドル１０１の操作に対して、車輪１０５の転舵動作は時間的に遅れて現れる。操舵反力は、本来、ロッド１０４に作用する軸力が反映されるものであるため、（Ａ）式で示されるように、操舵角θのみに基づいて操舵反力を規定すると、例えば、操舵ハンドル１０１を切り返す操作を行った場合に、アクチュエータ１０７で発生される操舵反力の方向が逆になる場合も生じ得る。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、実際に転舵軸に作用する力を反映した操舵反力を付与し得る操舵制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１にかかる操舵制御装置は、操舵ハンドルの操作に応じて、転舵軸を駆動するアクチュエータの駆動制御を行うことで、転舵軸に連結された転舵輪の転舵制御を行う操舵制御装置であって、操舵ハンドルの操舵状態を検知する操舵状態検知手段と、転舵輪の転舵位置を検知する転舵位置検知手段と、操舵ハンドルに操舵反力を付与する反力付与手段と、反力付与手段に対する制御量Ｔｈを次式、

（ここに、Ｋｐ、Ｋｄ、Ｋｄｄ、Ｆｐ、Ｆｄ、Ｆｄｄはそれぞれ予め規定したゲイン係数であり、θは前記操舵状態検知手段で検知された操舵角であり、Ｘｒは前記転舵位置検知手段で検知された転舵位置である）
により算出し設定する制御量設定手段とを備えて構成する。
【０００７】
転舵軸に作用する力は転舵輪の転舵変位と対応するため、転舵位置をもとに転舵軸に作用する力を概ね把握することができる。このため、制御量設定手段において、上述した式に基づいて、反力付与手段に対する制御量Ｔｈを設定することで、転舵軸に作用する力を考慮した操舵反力が付与される。
【０００９】
このように転舵位置Ｘｒに基づく制御量を、転舵位置Ｘｒの変化状態（ｄＸｒ／ｄｔおよびｄ ² Xr/dt ²）を考慮して設定することで、転舵位置Ｘｒを変えつつある転舵輪の運動状態により即した、すなわち転舵軸に作用する実際の軸力により即した操舵反力を付与することができる。
また、操舵角θに基づく制御量についても、操舵角θの変化状態（ｄθ／ｄｔおよびｄ ² θ /dt ² ）を考慮して設定しているので、反力付与手段の慣性モーメントの影響を抑制しつつ操舵反力を付与することができる。
【００１０】
請求項２にかかる操舵制御装置は、請求項１にかかる操舵制御装置において、転舵位置に基づく制御量を、転舵輪と路面との間の摩擦状態に応じて補正する補正手段を備えて構成する。
【００１１】
転舵の際に転舵軸に作用する軸力は、転舵輪と路面との間の摩擦状態の影響を受け、この摩擦が小さい場合には転舵軸に作用する軸力が小さくなり、反対に、摩擦が大きい場合には転舵軸に作用する軸力も大きくなる。そこで、補正手段によって、転舵輪と路面との間の摩擦状態に応じて転舵位置に基づく制御量を補正することで、運転者は路面状態に応じた操舵感を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき、添付図面を参照して説明する。
【００１３】
図１に実施形態にかかる操舵制御装置の構成を示す。この操舵制御装置は、運転者が操作する操舵機構１０、車輪２１を転舵させる転舵機構２０、これら操舵機構１０と転舵機構２０との連動制御を電気的に行う制御装置３０を備えて構成する。
【００１４】
操舵機構１０は、操舵反力を発生する反力モータ１１を備えており、この反力モータ１１の出力軸に操舵軸１２を連結し、操舵軸１２に対して操舵ハンドル１３を連結している。また、操舵軸１２には、操舵ハンドル１３の操舵角を検出する操舵角センサ１４を設けている。さらに、後述する制御装置３０から出力された制御量Ｔｈが与えられる駆動回路１５を備えており、駆動回路１５は与えられた制御量Ｔｈに応じて反力モータ１１を駆動させる。
【００１５】
転舵機構２０は、車輪２１を転舵させる駆動源となる転舵モータ２２を備えており、転舵モータ２２によって、ラックハウジング２３ｈ内のラック軸２３（転舵軸）をその軸線方向に沿って変位駆動させる。また、ラック軸２３の両側には、それぞれタイロッド２４、ナックルアーム２５を介して車輪２１が連結されており、ラック軸２３の変位量及び変位方向に応じて車輪２１の転舵がなされる機構となっている。また、ラック軸２３のストローク位置を検出する位置センサ２６の本体をラックハウジング２３ｈに対して固定し、位置センサ２６の検出ロッド２６ａをラック軸２３に接続しており、ラックハウジング２３ｈに対するラック軸２３の変位量からラック軸２３のストローク位置を検出する。そして、ラック軸２３のストローク位置が車輪２１の転舵角に対応するため、位置センサ２６によってラック軸２３のストローク位置を検出することで、車輪２１の転舵角を検知している。また、後述する制御装置３０から出力された制御量Ｔｗが与えられる駆動回路２７を備えており、駆動回路２７は与えられた制御量Ｔｗに応じて転舵モータ２２を駆動させる。
【００１６】
制御装置３０には、操舵角センサ１４、位置センサ２６の検出結果の他、車速を検出する車速センサ４１、四輪の各サスペンションと車体との相対変位を検出する車高センサ４２、車両に作用する横方向の加速度を検出する横加速度センサ４３の各検出結果が与えられ、これらの検出結果をもとに、反力モータ１１及び転舵モータ２２の駆動制御を実施している。
【００１７】
ここで制御装置３０で実施する転舵モータ２２の制御処理について、図２のフローチャートに沿って説明する。
【００１８】
このフローチャートは、イグニションスイッチのオン操作によって起動する。まず、ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と記す）１０２に進んで、操舵角センサ１４で検出された操舵角θ、車速センサ４１で検出された車速Ｖ及び位置センサ２６で検出されたラック軸２３の実ストローク位置Ｘｒをそれぞれ読み込む。
【００１９】
なお、前述したようにラック軸２３のストローク位置は車輪２１の転舵位置（転舵角）に対応するため、「実ストローク位置」は車輪２１の「実転舵位置」と同義である。
【００２０】
続くＳ１０４では、Ｓ１０２で読み込んだ操舵角θと車速Ｖをもとに、車輪２１の転舵制御の目標となる、ラック軸２３の目標ストローク位置Ｘｔを設定する。この際、制御装置３０には、図３に示すように、操舵ハンドル１３の操舵角θを車輪２１の転舵角θｗとして伝達する伝達比Ｇ（Ｇ＝操舵角θ／転舵角θｗ）の値を、操舵角θと車速Ｖとに応じて規定した３次元マップを備えており、Ｓ１０２で読み込まれた操舵角θと車速Ｖから、図３のマップをもとに検索し、操舵角θ及び車速Ｖに応じた伝達比Ｇを設定する。そして、設定された伝達比Ｇと操舵角θとをもとに、（１／Ｇ）＊θを演算し、その演算結果をラック軸２３の目標ストローク位置Ｘｔとして設定する。
【００２１】
続くＳ１０６では、Ｓ１０２で読み込んだラック軸２３の実ストローク位置Ｘｒと、Ｓ１０４で設定したラック軸２３の目標ストローク位置Ｘｔとをもとに、転舵モータ２２に対する制御量Ｔｗを、下記の（１）式に基づいて設定する。なお、（１）式中、Ｃｐ、Ｃｄ、Ｃｉは、該当する制御量のゲインを示すゲイン係数である。
【００２２】

Ｓ１０６において、転舵モータ２２に対する制御量Ｔｗが設定された後、Ｓ１０８に進み、Ｓ１０６で設定された制御量Ｔｗを駆動回路２７に対して出力し、駆動回路２７は制御量Ｔｗをもとに転舵モータ２２を駆動する。
【００２３】
このような処理を繰り返し実行することで、操舵ハンドル１３の操舵角θ、車速Ｖに応じた車輪２１の転舵制御が継続して実行される。
【００２４】
次に制御装置３０で実施する反力モータ１１の制御処理について、図４のフローチャートに沿って説明する。
【００２５】
このフローチャートは、イグニションスイッチのオン操作によって起動する。まず、Ｓ２０２に進んで、操舵角センサ１４で検出された操舵角θ、位置センサ２６で検出されたラック軸２３の実ストローク位置Ｘｒをそれぞれ読み込む。
【００２６】
続くＳ２０４では、Ｓ２０２で読み込まれた操舵角θ及び実ストローク位置Ｘｒを用い、下記（２）式に基づいて反力モータ１１に対する制御量Ｔｈを設定する。なお、（２）式中、Ｋｐ、Ｋｄ、Ｋｄｄ、Ｆｐ、Ｆｄ、Ｆｄｄは、それぞれ予め規定したゲイン係数である。
【００２７】

（２）式における右辺第１項から第３項は、操舵角θに基づく制御量を設定する項であり、第１項は操舵角θに応じた操舵反力を付与する比例項として作用し、第２項は操舵ハンドル１３の振動を抑制する粘性項として作用し、第３項は反力モータ１１の慣性モーメントの影響を抑制し、操舵ハンドル１３の切り始めの操舵感を調節する慣性項として作用する。
【００２８】
右辺第４項から第６項は、ラック軸２３の実ストローク位置Ｘｒに基づく制御量を設定する項であり、例えば図５に示すように、ラック軸２３に作用する軸力Ｆが、車輪２１の転舵角（タイヤの切れ角）としての実ストローク位置Ｘｒに応じて変化するため、ラック軸２３に作用する力の影響を操舵反力に反映させる項として作用する。第４項は実ストローク位置Ｘｒに応じた操舵反力を付与する比例項として作用する。また、第５項及び第６項は、車輪２１の転舵位置の変化状態を考慮した項となっており、第５項は変化速度に応じた操舵反力、第６項は変化加速度に応じた操舵反力をそれぞれ付与する項として作用する。
【００２９】
このように、（２）式より、ハンドルの操舵状態を示す操舵角θに基づく制御量と、実ストローク位置Ｘｒに基づく制御量とをもとに、反力モータ１１に対する制御量Ｔｈを設定する。
【００３０】
続くＳ２０６では、設定した制御量Ｔｈを駆動回路１５に対して出力し、駆動回路１５は制御量Ｔｈをもとに反力モータ１１を駆動する。
【００３１】
このような処理を繰り返し実行することで、操舵ハンドル１３の操舵状態とラック軸２３に作用する軸力とを考慮した操舵反力を付与することができる。
【００３２】
次に他の実施形態について説明する。
【００３３】
車輪２１を転舵させる際にラック軸２３に作用する軸力Ｆは、車輪２１と路面との間の摩擦状態の影響を受ける。例えば、凍結路などの低μ路では、ドライアスファルト路などの高μ路に比べ、転舵の際のラック軸２３に作用する軸力Ｆは小さくなる。
【００３４】
そこで、車輪２１と路面との間の摩擦状態を考慮して、反力モータ１１に対する制御量Ｔｈを設定する実施形態について、図６のフローチャートをもとに説明する。
【００３５】
このフローチャートは、イグニションスイッチのオン操作によって起動する。まず、Ｓ３０２に進んで、操舵角センサ１４で検出された操舵角θ、横加速度センサ４３で検出された横加速度Ｇｙをそれぞれ読み込む。
【００３６】
続くＳ３０４では、Ｓ３０２で読み込まれた操舵角θ及び横加速度Ｇｙをもとに、車輪２１と路面との間の摩擦状態を示す路面μの値を推定する。具体的には、ハンドル操作が行われた場合、そのときの操舵角θと、車両に作用する横加速度Ｇｙとの関係が、路面μの大きさに応じて変化するため、図７に示すように、この関係を予めマップ化しておき、操舵角θと横加速度Ｇｙとをもとにマップ検索し、このときの路面μの値を推定する。
【００３７】
続くＳ３０６では、図８に示すマップをもとに、Ｓ３０４で推定された路面μの大きさに応じて、（２）式における右辺第４項のゲイン係数Ｆｐの値を設定する。
【００３８】
このようにして路面状態に応じたゲイン係数Ｆｐを設定した後、先の図４で説明したフローチャートに沿って、（２）式をもとに反力モータ１１に対する制御量Ｔｈを設定する。これにより、ゲイン係数Ｆｐは、Ｓ３０６において、路面μの低下に応じて小さな値に設定されるため、Ｓ３０４で推定された路面μの値が低いほど、反力モータ１１に対する制御量Ｔｈが小さな値に設定される。従って、低μ路ほど操舵ハンドル１３に付与される操舵反力が小さくなってハンドル操作が軽くなるため、運転者は低μ路であることを感覚的に知ることができ、減速してハンドル操作を慎重に行うなど、低μ路に応じた運転操作を実施することが可能となる。
【００３９】
また、Ｓ３０６におけるゲイン係数Ｆｐの設定処理は、図９をもとに実施することも可能である。この場合には、路面μの値が低いほどゲイン係数Ｆｐは大きな値に設定される。従って、Ｓ３０４で推定された路面μの値が低いほど、反力モータ１１に対する制御量Ｔｈが大きな値に設定されるため、低μ路ほど操舵ハンドル１３に付与される操舵反力が大きくなってハンドル操作が重くなり、操舵ハンドル１３の操舵量が抑制され、この影響で車輪２１の転舵量が抑制される。この作用により、低μ路における車両の操舵コントロール性を確保することができる。
【００４０】
また、車輪２１と路面との摩擦状態は、車輪軸重（車輪に加わる垂直荷重）や車両重量に応じて変化するため、ゲイン係数Ｆｐを、車輪軸重や車両重量に応じて設定することも可能である。この場合、車輪軸重や車両重量に応じて車高が変化するため、４輪に対応して設けた車高センサ４２の検出結果をもとに車輪軸重や車両重量を検知することができる。例えば、車輪軸重Ｗを例に説明すると、図１０に示すように、検知した車輪２１の車輪軸重Ｗが大きいほどゲイン係数Ｆｐが大きな値を取るように設定する。これにより、車輪軸重Ｗが大きいほど、反力モータ１１に対する制御量Ｔｈが大きな値に設定されるため、操舵反力は増加してハンドル操作は重くなり、運転者は車輪軸重Ｗの増加を感覚的に知ることができる。
【００４１】
さらに、ゲイン係数Ｆｐの他の設定例としては、図１０の傾向とは反対に、図１１に示すように、車輪２１の車輪軸重Ｗが大きいほどゲイン係数Ｆｐが小さな値を取るように設定することも可能であり、いずれのマップを備えるかは、セダンかスポーティーカーか等の車両の性格付けとかの設計思想により適宜選定する。例えば、車両の後方に重い荷物を搭載した場合には前輪の車輪軸重Ｗが低下するが、このような場合、図１０をもとにゲイン係数Ｆｐを設定することで、前輪の車輪軸重Ｗの低下をハンドル操作が軽くなることで運転者に知らせることができる。また、図１１をもとにゲイン係数Ｆｐを設定することで、前輪の車輪軸重Ｗが低下した場合にハンドル操作を重くし、車両の操舵コントロール性を確保することができる。
【００４２】
以上説明した実施形態では、路面μ、車輪軸重Ｗなどに応じて、（２）式の右辺第４項のゲイン係数Ｆｐを設定する場合を例示したが、右辺第５項、第６項のゲイン係数Ｆｄ、Ｆｄｄも路面μ、車輪軸重Ｗなどに応じて設定してもよい。この場合、路面μ、車輪軸重Ｗなどに対する変化傾向は、ゲイン係数Ｆｐの場合と同様とする。また、（２）式の右辺第４項、第５項、第６項の各ゲイン係数を固定値とし、第４項〜第６項全体のゲイン係数を路面μや車輪軸重Ｗなどに応じて設定しても良い。
【００４３】
また、路面μの推定手法としては、例示した手法の他にも、例えば、加速時或いは制動時における車輪のスリップ率をもとに推定する手法や、操舵角θ及び車速Ｖをもとに推定した横加速度と横加速度センサ４３によって検出した横加速度Ｇｙとの偏差をもとに推定する手法などを採用してもよく、特に限定するものではない。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、各請求項にかかる操舵制御装置によれば、制御量設定手段では、操舵状態に基づく制御量と転舵位置に基づく制御量とをもとに、反力付与手段に対する制御量を設定するので、転舵軸に作用する力を反映させた操舵反力を付与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】操舵制御装置の全体的な構成を示すブロック図である。
【図２】転舵モータの駆動制御を示すフローチャートである。
【図３】操舵角θ及び車速Ｖに応じた伝達比Ｇを設定するマップである。
【図４】反力モータの駆動制御を示すフローチャートである。
【図５】実ストローク位置Ｘｒとラック軸に作用する軸力Ｆとの関係を示す説明図である。
【図６】ゲイン係数Ｆｐの設定処理を示すフローチャートである。
【図７】路面μの大きさに応じ、操舵角θと横加速度Ｇｙとの関係を規定したマップである。
【図８】路面μとゲイン係数Ｆｐとの関係を規定したマップである。
【図９】路面μとゲイン係数Ｆｐとの関係を規定したマップである。
【図１０】車輪軸重Ｗとゲイン係数Ｆｐとの関係を規定したマップである。
【図１１】車輪軸重Ｗとゲイン係数Ｆｐとの関係を規定したマップである。
【図１２】従来の操舵制御装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１０…操舵機構、１１…反力モータ、１４…操舵角センサ、２０…転舵機構、
２１…車輪（転舵輪）、２２…転舵モータ（アクチュエータ）、
２６…位置センサ、３０…制御装置、４１…車速センサ、４２…車高センサ、
４３…横加速度センサ。

Claims

操舵ハンドルの操作に応じて、転舵軸を駆動するアクチュエータの駆動制御を行うことで、前記転舵軸に連結された転舵輪の転舵制御を行う操舵制御装置であって、
前記操舵ハンドルの操舵状態を検知する操舵状態検知手段と、
前記転舵輪の転舵位置を検知する転舵位置検知手段と、
前記操舵ハンドルに操舵反力を付与する反力付与手段と、
前記反力付与手段に対する制御量Ｔｈを次式

（ここに、Ｋｐ、Ｋｄ、Ｋｄｄ、Ｆｐ、Ｆｄ、Ｆｄｄはそれぞれ予め規定したゲイン係数であり、θは前記操舵状態検知手段で検知された操舵角であり、Ｘｒは前記転舵位置検知手段で検知された転舵位置である）
により算出し設定する制御量設定手段とを備える操舵制御装置。
前記転舵位置に基づく制御量を、前記転舵輪と路面との間の摩擦状態に応じて補正する補正手段を備える請求項１に記載の操舵制御装置。