JP4013783B2

JP4013783B2 - 車両のパワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4013783B2
Application number: JP2003049171A
Authority: JP
Inventors: 佳幸橋本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP2004256008A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵ハンドルの操舵操作をアシストするとともに、ステアリングギヤ比を可変とする車両のパワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、運転者による操舵ハンドルの回動操作をアシストする操舵アシストアクチュエータと、車両の走行状態に応じてステアリングギヤ比を変更するステアリングギヤ可変アクチュエータとを備えた車両のパワーステアリング装置は知られている。そして、この種のパワーステアリング装置においては、ステアリングギヤ比に応じて操舵アシストアクチュエータによるアシスト量を変更して、運転者にステアリングギヤ比変更による操舵フィーリングの違和感を感じさせないようにしている（下記特許文献１，２，３）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６０−２６１７８０号公報
【特許文献２】
特開平１−２０４８６４号公報
【特許文献３】
特開平１１−３４８９３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の車両のパワーステアリング装置においては、ステアリングギヤ比の変更などにより、運転者の操舵とは無関係に操舵輪が操舵された際の操舵フィーリングに対する考慮が充分になされておらず、運転者は、この操舵輪の操舵による反力に対して違和感を感じる。また、ステアリングギヤ比可変アクチュエータの作動時における操舵フィーリングに対する考慮も充分になされておらず、運転者は、ステアリングギヤ比可変アクチュエータの作動時におけるステアリングギヤ比可変アクチュエータ系の慣性による反力に対して違和感を感じる。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、操舵ハンドルに上端部にて接続された操舵軸と、操舵軸の下端部に連結されて同操舵軸の下端部の回転に応じて操舵輪を操舵する操舵機構と、操舵軸に介装されて同操舵軸の下端部に対する上端部の回転角の比を可変とするステアリングギヤ比可変アクチュエータと、操舵機構による操舵輪の操舵をアシストする操舵アシストアクチュエータとを備えた車両のパワーステアリング装置において、操舵フィーリングをより良好にすることにある。
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明の構成上の特徴は、操舵軸の上端部に対する下端部の相対的な回転角を検出する回転角検出手段と、前記検出された回転角を用いて操舵軸の上端部と下端部との回転角度差に応じて変化する路面反力に対する操舵アシスト補償量を計算して、操舵アシストアクチュエータによるアシスト量を前記計算した操舵アシスト補償量に応じて補正する反力補償手段とを設けたことにある。
【０００７】
これによれば、ステアリングギヤ比の変更などにより、運転者の操舵とは無関係に操舵輪が操舵されても、操舵軸の上端部と下端部との回転角度差に応じて変化する路面反力に対する操舵アシスト補償量が、操舵アシストアクチュエータによるアシスト量に加味される。したがって、運転者の操舵とは無関係な操舵輪の操舵による路面反力を運転者に感じさせることがなくなり、操舵フィーリングが良好に保たれる。
【０００８】
また、本発明の他の構成上の特徴は、ステアリングギヤ比可変アクチュエータの発生トルクを検出するトルク検出手段と、前記検出された発生トルクを用いてステアリングギヤ比可変アクチュエータの慣性による操舵反力を補償するための操舵アシスト補償量を計算して、操舵アシストアクチュエータによるアシスト量を前記計算した操舵アシスト補償量に応じて補正する慣性補償手段とを設けたことにある。
【０００９】
これによれば、ステアリングギヤ比可変アクチュエータが作動した場合には、操舵アシストアクチュエータの慣性による操舵反力に対する操舵アシスト補償量が操舵アシストアクチュエータによるアシスト量に加味される。したがって、ステアリングギヤ比可変アクチュエータの作動による操舵反力を運転者に感じさせることがなくなり、操舵フィーリングが良好に保たれる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明すると、図1は、同実施形態に係る車両のパワーステアリング装置を概略的に示している。
【００１１】
このパワーステアリング装置は、運転者によって回動操作される操舵ハンドル１１を有する。操舵ハンドル１１には、上下２分割した操舵軸１２ａ，１２ｂの上端部が接続されている。操舵軸１２ａ，１２ｂの下端部にはピニオンギヤ１３が設けられ、同ピニオンギヤ１３にはラックバー１４が噛み合っている。ラックバー１４は左右に延設され、その両端にて操舵輪としての左右前輪１５ａ，１５ｂを操舵可能に連結していて、軸線方向の変位により左右前輪１５ａ，１５ｂを操舵する。したがって、操舵ハンドル１１の回動は、操舵軸１２ａ，１２ｂおよびピニオンギヤ１３を介してラックバー１４に伝達されて、ラックバー１４を軸線方向に変位させて、左右前輪１５ａ，１５ｂを操舵する。
【００１２】
操舵軸１２ａ，１２ｂ間には、左右前輪１５ａ，１５ｂの操舵角に対する操舵ハンドル１１の回転角θｓの比であるステアリングギヤ比を変更するための、言い換えれば下側の操舵軸１２ｂに対する上側の操舵軸１２ａの回転角の比を可変とするためのステアリングギヤ比可変装置２０が介装されている。ステアリングギヤ比可変装置２０は、操舵軸１２ａの下端部に一体回転するように接続された円筒状のケーシング２１を備えている。このケーシング２１内には、ステアリングギヤ比可変アクチュエータを構成する電動モータ２２が固定されている。電動モータ２２の出力軸２２ａは、ケーシング２１に回転可能に支持されていて、下端にて操舵軸１２ｂに一体回転可能に接続されている。なお、電動モータ２２は減速機構を内蔵していて、電動モータ２２の回転は減速されてその出力軸２２ａに出力される。
【００１３】
操舵軸１２ｂには、ピニオンギヤ１３およびラックバー１４からなる操舵機構による左右前輪１５ａ，１５ｂの操舵をアシストするための操舵アシスト装置３０が接続されている。操舵アシスト装置３０は、操舵アシストアクチュエータとしての電動モータ３１を有する。電動モータ３１の出力軸３１ａは、小ギヤ３２および大ギヤ３３からなる減速機構を介して操舵軸１２ｂに動力伝達可能に接続されている。なお、この場合も、電動モータ３１は必要に応じて減速機構を内蔵していて、電動モータ３１の回転は減速されてその出力軸３１ａに出力される。
【００１４】
これらの電動モータ２２，３１は、電子制御ユニット４０を有する電気制御装置によって作動制御されるようになっている。電子制御ユニット４０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品とするもので、プログラムの実行により、駆動回路５１，５２を介して電動モータ２２，３１の回転を制御する。この電子制御ユニット４０には、ハンドル角センサ５３、相対角センサ５４、操舵トルクセンサ５５、車速センサ５６、トルク検出器５１ａおよび電流検出器５２ａも接続されている。
【００１５】
ハンドル角センサ５３は、操舵軸１２ａに組み付けられていて、操舵ハンドル１１の回転角θｓ（以降、ハンドル角θｓという）を検出する。相対角センサ５４は、電動モータ２２の出力軸２２ａに組み付けられていて、出力軸２２ａおよび操舵軸１２ｂのケーシング２１に対する回転角Δθｖを検出する。なお、ラックバー１４に対するピニオンギヤ１３（すなわち操舵軸１２ｂ）の回転角は、ハンドル角θｓと操舵軸１２ｂのケーシング２１に対する回転角Δθｖの和に等しく、この回転角Δθｖは操舵軸１２ａに対する操舵軸１２ｂの相対的な回転角を意味し、以降、相対角Δθｖという。操舵トルクセンサ５５は、操舵軸１２ｂに組み付けられていて、操舵軸１２ｂに作用するトルク、すなわち左右前輪１５ａ，１５ｂの操舵に伴う操舵トルクＴ２を検出する。
【００１６】
車速センサ５６は、車速Ｖを検出する。トルク検出器５１ａは、駆動回路５１内に設けられ、電動モータ２２を駆動するための駆動電流を検出することにより電動モータ２２が発生するトルクＴｖ（以降、ギヤ比アクチュエータトルクＴｖという）を検出する。電流検出器５２ａは、駆動回路５１内に設けられ、電動モータ２２を駆動するための駆動電流Ｉｅ（以降、アシストアクチュエータ電流Ｉｅという）を検出する。なお、前述した各種トルクおよび角度においては、正により左方向のトルクおよび角度を表し、負により右方向のトルクおよび角度を表す。
【００１７】
次に、上記のように構成した実施形態の動作を図２の機能ブロック図を用いて説明する。この機能ブロック図は、プログラムの実行により実現される電子制御ユニット４０の機能を表すもので、プログラムを表すフローチャートに代わるものである。電子制御ユニット４０は、ハンドル角センサ５３、相対角センサ５４、操舵トルクセンサ５５、車速センサ５６、トルク検出器５１ａおよび電流検出器５２ａよってそれぞれ検出されたハンドル角θｓ、相対角Δθｖ、操舵トルクＴ２、車速Ｖ、ギヤ比アクチュエータトルクＴｖおよびアシストアクチュエータ電流Ｉｅを入力する。
【００１８】
電子制御ユニット４０の目標相対角演算部４１は、入力したハンドル角θｓおよび車速Ｖを用いて、下記数１の演算の実行により目標相対角Δθｖ＊を計算する。なお、下記数１中の係数Ｋ１は予め決められた定数である。係数Ｋｖは、電子制御ユニット４０内に設けられた車速−係数テーブル（図３参照）を参照することにより、車速Ｖが増加するに従って「１．０」より大きな所定値から「１．０」に徐々に減少する値に決定される。
【００１９】
【数１】
Δθｖ＊＝Ｋ１・(Ｋｖ−１)・θｓ
【００２０】
なお、前記数１に代えて、下記数２の演算の実行により目標相対角Δθｖ＊を計算するようにしてもよい。この場合、図１および図２に破線で示すように、ヨーレートγを検出するヨーレートセンサ５７および横加速度Ｇｙを検出する横加速度センサ５８を設けるとともに、電子制御ユニット４０内に、ヨーレートγが増加するに従って「１．０」から徐々に減少する係数Ｋγを記憶したヨーレート−係数テーブル（図４参照）および横加速度Ｇｙが増加するに従って「１．０」から徐々に減少する係数Ｋｙを記憶した横加速度−係数テーブルを設ける。そして、これらのヨーレート−係数テーブルおよび横加速度−係数テーブルも参照されて、係数Ｋγ，Ｋｙが決定される。なお、係数Ｋ２は予め決められた定数である。
【００２１】
【数２】
Δθｖ＊＝Ｋ２・(Ｋｖ・Ｋγ・Ｋｙ−１)・θｓ
【００２２】
前記計算された目標相対角Δθｖ＊は減算部４２に供給される。そして、減算部４２は、目標相対角Δθｖ＊から前記入力した相対角Δθｖを減算した減算値Δθｖ＊−Δθｖを制御電圧演算部４３に供給する。制御電圧演算部４３は、この減算値Δθｖ＊−Δθｖに応じた制御電圧Ｖｖを計算して、同制御電圧Ｖｖにより駆動回路５１を介して電動モータ２２の回転を制御して、操舵軸１２ｂを目標相対角Δθｖ＊まで回転させる。この制御電圧Ｖｖの計算においては、例えばＰＩ制御手法が利用され、下記数３に示す演算の実行により制御電圧Ｖｖが計算される。ただし、下記数３中の係数Ｋp1，Ｋi1は、予め決められた定数である。
【００２３】
【数３】
Ｖｖ＝Ｋp1・(Δθｖ＊−Δθｖ)＋Ｋi1・∫(Δθｖ＊−Δθｖ)・ｄｔ
【００２４】
駆動回路５１は、制御電圧Ｖｖに比例した駆動電流を電動モータ２２に流すことにより電動モータ２２を回転させる。この電動モータ２２の回転により、操舵軸１２ｂが基準回転位置から目標相対角Δθｖ＊に等しい回転位置まで回転される。この状態では、ハンドル角（すなわち、操舵軸１２ａの基準回転位置からの回転角）がθｓであれば、操舵軸１２ｂの回転角はθｓ＋Δθｖ＊となり、左右前輪１５ａ，１５ｂはこの回転角θｓ＋Δθｖ＊に比例した操舵角だけ操舵される。したがって、車速Ｖが小さいほど操舵ハンドル１１の回転に対して左右前輪１５ａ，１５ｂは大きく操舵される。すなわち、ステアリングギヤ比は、車速Ｖが小さくなるに従って小さくなり、車両の小回り性能が良好になる。また、高速走行時における車両の走行安定性が良好になる。
【００２５】
また、上記数２を用いて目標相対角Δθｖ＊を計算した場合には、ヨーレートγおよび横加速度Ｇｙが大きくなるに従って、操舵ハンドル１１の回転に対して左右前輪１５ａ，１５ｂは小さく操舵される。すなわち、ステアリングギヤ比は、ヨーレートγおよび横加速度Ｇｙが大きくなるに従って大きくなり、車両の走行安定性が良好に保たれる。
【００２６】
一方、電子制御ユニット４０の目標トルク演算部４４は、前記入力した操舵トルクＴ２および車速Ｖを用いて目標アシストトルクＴｅを計算する。この計算においては、電子制御ユニット４０に設けた操舵トルク−目標アシストトルクテーブルが参照される。この操舵トルク−目標アシストトルクテーブルは、図６に示すように、操舵トルクＴ２の増加に従って増加する目標アシストトルクＴｅを記憶しているもので、さらに、この目標アシストトルクＴｅは車速Ｖが小さくなるほどその絶対値が大きな値となる。
【００２７】
この目標アシストトルクＴｅは、加算部４５に供給される。加算部４５は、目標アシストトルクＴｅに、詳しくは後述する操舵アシスト補償量としての路面反力補償量Ｔｂおよび慣性補償量Ｔａを加算することにより、最終目標アシストトルクＴ＊（＝Ｔｅ＋Ｔｂ＋Ｔａ）を計算してトルク−電流変換部４６に供給する。トルク−電流変換部４６は、最終目標アシストトルクＴ＊を、同トルクＴ＊を発生するために必要な電動モータ３１の駆動電流に変換して、目標駆動電流Ｉ＊として減算部４７に供給する。この最終目標アシストトルクＴ＊から目標駆動電流Ｉ＊の変換においては、最終目標アシストトルクＴ＊に比例した値が目標駆動電流Ｉ＊として計算される。
【００２８】
そして、減算部４７は、目標駆動電流Ｉ＊から前記入力したアシストアクチュエータ電流Ｉｅを減算した減算値I＊−Iｅを制御電圧演算部４８に供給する。制御電圧演算部４８は、この減算値I＊−Iｅに応じた制御電圧Ｖｅを計算して、同制御電圧Ｖｅにより駆動回路５２を介して電動モータ３１の回転を制御する。この制御電圧Ｖｅの計算においても、例えばＰＩ制御手法が利用され、下記数４に示す演算の実行により制御電圧Ｖｅが計算される。ただし、下記数４中の係数Ｋp2，Ｋi2は、予め決められた定数である。
【００２９】
【数４】
Ｖｅ＝Ｋp2・(I＊−Iｅ)＋Ｋi2・∫(I＊−Iｅ)・ｄｔ
【００３０】
駆動回路５２は、制御電圧Ｖｅに比例した駆動電流を電動モータ３１に流すことにより電動モータ３１を回転させる。これにより、電動モータ３１には、目標駆動電流I＊に等しい駆動電流が流されて、電動モータ３１は目標駆動電流I＊に対応した駆動トルクで小ギヤ３２および大ギヤ３３を介して操舵軸１２ｂを回転駆動する。その結果、操舵軸１２ｂは最終目標アシストトルクＴ＊で回転駆動されて、操舵ハンドル１１の回動操作に伴う左右前輪１５ａ，１５ｂの操舵をアシストする。この最終目標アシストトルクＴ＊には、目標アシストトルクＴｅが含まれている。そして、目標アシストトルクＴｅは、前記検出した操舵トルクＴ２が大きくなるに従って大きくなるので、運転手は、適度にアシストされながら操舵ハンドル１１を回動操作できる。また、目標アシストトルクＴｅは、車速Ｖの増加に従って小さくなるので、低速走行時における車両の旋回性能が良好になるとともに、高速走行時における車両の走行安定性が良好となる。
【００３１】
前述のように加算部４５においては、目標トルク演算部４４にて計算された目標アシストトルクＴｅに、路面反力補償量Ｔｂおよび慣性補償量Ｔａが加算されて最終目標アシストトルクＴ＊（＝Ｔｅ＋Ｔｂ＋Ｔａ）が計算される。
【００３２】
この路面反力補償量Ｔｂは、路面反力補償演算部４９Ａにて前記入力した相対角Δθｖを用いて下記数５の演算の実行により計算される。なお、下記数５中の係数Ｋｂは予め決められた定数である。
【００３３】
【数５】
Ｔｂ＝Ｋｂ・Δθｖ
【００３４】
そして、この路面反力補償量Ｔｂに応じて目標アシストトルクＴｅが補正されて、操舵軸１２ｂは路面反力補償量Ｔｂを加味したトルクで回転駆動される。この路面反力補償量Ｔｂは、上記数５からも理解できるように、相対角Δθｖに比例した値であり、すなわち運転者の操舵ハンドル１１の回動操作とは無関係な操舵軸１２ｂの回転に関係した値である。したがって、操舵ハンドル１１の操舵操作とは無関係に左右前輪１５ａ，１５ｂが操舵された場合に、路面から受ける反力が補償され、運転者の操舵とは無関係な路面反力を運転者に感じさせることがなくなり、操舵フィーリングが良好に保たれる。
【００３５】
また、慣性補償量Ｔａは、慣性補償演算部４９Ｂにて前記入力したギヤ比アクチュエータトルクＴｖおよび操舵トルクＴ２を用いて下記数６の演算の実行により計算される。なお、下記数６中の係数Ｋａは予め決められた定数である。
【００３６】
【数６】
Ｔａ＝Ｋａ・（Ｔｖ−Ｔ２）
【００３７】
そして、この慣性補償量Ｔａに応じて目標アシストトルクＴｅが補正されて、操舵軸１２ｂは慣性補償量Ｔａを加味したトルクで回転駆動される。この慣性補償量Ｔａは、上記数６からも理解できるように、電動モータ２２による操舵軸１２ｂの駆動トルクから実際に操舵軸１２ｂに作用しているトルクを減算した値に比例した値であり、すなわち操舵軸１２ａに対して操舵軸１２ｂを相対回転させるための（すなわち、ステアリングギヤ比を変更するための）電動モータ２２の作動による操舵反力に関係した値である。したがって、電動モータ２２の作動による操舵反力を運転者に感じさせることがなくなり、操舵フィーリングが良好に保たれる。
【００３８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の実施にあたっては、上記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００３９】
例えば、上記実施形態では、電動モータ２２に流れる駆動電流を検出することにより電動モータ２２の発生トルクを検出するようにしたが、電動モータ２２内に発生トルクを検出するトルクセンサを設けて前記発生トルクを実際に検出するようにしてもよい。
【００４０】
また、上記実施形態では、ケーシング２１内に固定した電動モータ２２を回転させることにより、操舵軸１２ｂを操舵軸１２ａに対して相対的に回動させてステアリングギヤ比を可変するようにした。しかし、これに代えて、操舵軸１２ａと操舵軸１２ｂとの間に遊星歯車機構を介在させて、電動モータにより遊星歯車機構のギヤ比を変えて操舵軸１２ａと操舵軸１２ｂとの回転比を可変にするようにしてもよい。
【００４１】
さらに、上記実施形態では、ステアリングギヤ比可変制御と操舵アシスト制御とを一つの電子制御ユニット（マイクロコンピュータ）４０のプログラム処理により行うようにした。しかし、これに代えて、ステアリングギヤ比可変制御と操舵アシスト制御とを別々の電子制御ユニット（マイクロコンピュータ）のプログラム処理によって行うようにしてもよい。この場合、路面反力補償量Ｔｂおよび慣性補償量Ｔａの計算処理をステアリングギヤ比可変制御用の電子制御ユニットで行ってもよいし、操舵アシスト制御用の電子制御ユニットで行ってもよい。ステアリングギヤ比可変制御用の電子制御ユニットで行う場合には、同電子制御ユニットは、相対角センサ５４からの相対角Δθ、トルク検出器５１ａからのギヤ比アクチュエータトルクＴｖおよび操舵トルクセンサ５５からの操舵トルクＴ２を入力するとともに、計算した路面反力補償量Ｔｂおよび慣性補償量Ｔａを操舵アシスト制御用の電子制御ユニットに供給する。逆に、路面反力補償量Ｔｂおよび慣性補償量Ｔａの計算処理を操舵アシスト制御用の電子制御ユニットで行う場合には、同電子制御ユニットは、相対角センサ５４からの相対角Δθ、トルク検出器５１ａからのギヤ比アクチュエータトルクＴｖおよび操舵トルクセンサ５５からの操舵トルクＴ２を入力して、路面反力補償量Ｔbおよび慣性補償量Ｔaを計算する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る車両のパワーステアリング装置の全体概略図である。
【図２】プログラム処理によって実現される図１の電子制御ユニットの機能を表す機能ブロック図である。
【図３】車速Ｖと係数Ｋｖとの関係を示すグラフである。
【図４】ヨーレートγと係数Ｋγとの関係を示すグラフである。
【図５】横加速度Ｇｙと係数Ｋｙとの関係を示すグラフである。
【図６】操舵トルクＴ２と、車速Ｖと、目標トルクＴｅとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１１…操舵ハンドル、１２ａ，１２ｂ…操舵軸、１３…ピニオンギヤ、１４…ラックバー、１５ａ，１５ｂ…左右前輪、２０…ステアリングギヤ比可変装置、２１…ケーシング、２２…電動モータ、３０…操舵アシスト装置、３１…電動モータ、４０…電子制御ユニット、５１ａ…トルク検出器、５２ａ…電流検出器、５３…ハンドル角センサ、５４…相対角センサ、５５…操舵トルクセンサ、５６…車速センサ。

Claims

運転者によって回動操作される操舵ハンドルと、前記操舵ハンドルに上端部にて接続された操舵軸と、前記操舵軸の下端部に連結されて同操舵軸の下端部の回転に応じて操舵輪を操舵する操舵機構と、前記操舵軸に介装されて同操舵軸の下端部に対する上端部の回転角の比を可変とするステアリングギヤ比可変アクチュエータと、前記操舵機構による操舵輪の操舵をアシストする操舵アシストアクチュエータとを備えた車両のパワーステアリング装置において、
前記操舵軸の上端部に対する下端部の相対的な回転角を検出する回転角検出手段と、
前記検出された回転角を用いて前記操舵軸の上端部と下端部との回転角度差に応じて変化する路面反力に対する操舵アシスト補償量を計算して、前記操舵アシストアクチュエータによるアシスト量を前記計算した操舵アシスト補償量に応じて補正する反力補償手段とを設けたことを特徴とする車両のパワーステアリング装置。
運転者によって回動操作される操舵ハンドルと、前記操舵ハンドルに上端部にて接続された操舵軸と、前記操舵軸の下端部に連結されて同操舵軸の下端部の回転に応じて操舵輪を操舵する操舵機構と、前記操舵軸に介装されて同操舵軸の下端部に対する上端部の回転角の比を可変とするステアリングギヤ比可変アクチュエータと、前記操舵機構による操舵輪の操舵をアシストする操舵アシストアクチュエータとを備えた車両のパワーステアリング装置において、
前記ステアリングギヤ比可変アクチュエータの発生トルクを検出するトルク検出手段と、
前記検出された発生トルクを用いて前記ステアリングギヤ比可変アクチュエータの慣性による操舵反力を補償するための操舵アシスト補償量を計算して、前記操舵アシストアクチュエータによるアシスト量を前記計算した操舵アシスト補償量に応じて補正する慣性補償手段とを設けたことを特徴とする車両のパワーステアリング装置。