JP4089637B2 - 車両用パワーステアリング装置及び車両用外乱推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に対して横方向に加わる外乱を考慮して車両の操舵のアシスト状態を制御する車両用パワーステアリング装置、及び、この外乱について推定する車両用外乱推定装置に関する。

自動車の走行時には、様々な外乱を受けるため操舵に影響が及ぶことが多い。このような点に着目して、走行中に車両が受ける外乱に応じて、車両の操舵系を制御する技術が開発されている。
例えば特許文献１には、電動パワーステアリング装置を用いた操舵アシスト制御により、車両に加わる横風等の外乱がドライバの操舵操作に影響しないようにする、いわゆる外乱抑制性能を高めることができるようにするものが提案されている。

この技術では、操舵反力（操舵アシスト力に対応する）の制御においては、操舵角に基づく操舵反力の舵角成分Ｔ１（＝操舵角にゲインをかけたもの）と、操舵角速度に基づくダンピング成分Ｔ２（＝操舵角速度にゲインをかけたもの）と、車両のヨーレイトに基づく第１の車両挙動抑制成分Ｔ３（＝ヨーレイトにゲインをかけたもの）と、車両の横加速度に基づく第２の車両挙動抑制成分Ｔ４（＝横加速度にゲインをかけたもの）と、転舵反力に基づく路面成分Ｔ５（＝転舵反力にゲインをかけたもの）とを算出し、次式のように、これら操舵反力の成分Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５を加算して目標操舵反力Ｔｓを決定し、反力モータ（操舵アシスト用電動モータに対応する）の出力トルク、すなわち操向ハンドルの操舵反力をこの目標操舵反力Ｔｓに帰還制御する。
Ｔｓ＝Ｔ１＋Ｔ３＋Ｔ４＋Ｔ５−Ｔ２

一方、自動操舵の技術であるが、特許文献２には、自車両の横位置が走行車線区分線から定まる基準位置に近づくようにステアリング装置の操舵力をフィードバック制御する自動操舵制御において、自車両に横風やバンク等の外乱が作用したときに、自車両に働く横力とヨーイングモーメントとを演算により推定して、外乱による横力とヨーイングモーメントとを相殺するようにフィードバック制御における操舵量にフィードフォワードによる操舵量を加えた値に基づいてステアリング装置を自動操舵すると共に、自車両の走行状態に応じて外乱の判定しきい値を変更する技術が提案されている。

また、特許文献３には、車両の直線走行状態が検出された時は、車両に作用している外乱ヨーモーメント量を検出し、これに応じて外乱抑制ヨーモーメント量を求め、この外乱抑制ヨーモーメント量をヨーモーメント発生装置で発生させるための制御指令値を設定し、設定された制御指令値をヨーモーメント発生装置に出力する。したがって、制御指令値に基づいてヨーモーメント発生装置で発生する外乱抑制ヨーモーメントにより、横風外乱や路面外乱に対し車両姿勢を安定させるようにする技術が提案されている。
特開平５−１０５１００号公報。 特開２００１−９７２３４号公報 特開２００２−２１１３８０号公報

ところで、上述の各文献では、いずれも車両挙動に応じて操舵アシスト状態や操舵状態を制御しているが、車両挙動に影響を及ぼす外乱には、操舵の妨害になる外乱と、寧ろ操舵を助けるための外乱とがある。
つまり、車両の横方向運動に作用する外乱要因には、横風や轍路など車両挙動に悪影響を及ぼすもののほか、路面の横勾配等の車両の走行性を考慮した道路構造などによる寧ろ操舵を助けるためのものがある。前者の要因による外乱に対しては、できるだけ操舵に対する影響を抑制したいが、後者の重力加速度成分等に起因した横勾配外乱については、一般にカーブ路をスムーズに走行するために必要なものであり、この影響については抑制すべきでない。

しかし、特許文献１の技術では、これらの外乱を分別できず、カーブ路をスムーズに走行するために必要な重力加速度成分をも外乱として除去してしまうことになり、適切な制御にはならない。
また、特許文献２には、外乱に起因して自車両に働く横力Y_wとヨーイングモーメントN_wとを演算により推定する点は記載されているが、車両の横方向外乱を、操舵の妨害になる外乱と、寧ろ操舵を助けるための外乱とに分離して制御しようとする技術思想は見られない。

特許文献３にも、横風外乱や路面外乱に対し車両姿勢を安定させるとの記載はあるが、横方向外乱を、操舵の妨害になる外乱と、寧ろ操舵を助けるための外乱とに分離して制御しようとする技術思想は見られない。
また、車両の横方向外乱を、操舵の妨害になる外乱と、寧ろ操舵を助けるための外乱とに分離する際に、推定する横方向外乱の具体的な種別をより適切に設定することが、操舵アシストを適切に行うためには重要でなる。

本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、車両の横方向外乱を、操舵の妨害になる外乱と、寧ろ操舵を助けるための外乱とに分離して推定することにより、カーブ路のスムーズな走行性能を確保しながら、操舵への横方向外乱の影響を抑制できるように操舵アシストを適切に実施して、アクティブ・セーフティを向上させることができるようにした、車両用パワーステアリング装置及び車両用外乱推定装置を提供することを目的とする。

上記目標を達成するため、本発明の車両用パワーステアリング装置は、車両に搭載され操舵系に操舵アシストトルクを付与するアクチュエータと、該車両の車速を検出する車速検出手段と、該車両に加えられる操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、該車速検出手段及び該操舵トルク検出手段からの検出情報に基づいて該アクチュエータを制御する制御手段とをそなえた、パワーステアリング装置であって、該車両の操舵角を検出する操舵角検出手段と、該車両のヨーレイトを検出するヨーレイト検出手段と、該車両の横加速度を検出する横加速度検出手段と、該車両の操舵−車両系モデルに基づいて、該車速検出手段，該操舵角検出手段，該ヨーレイト検出手段，該横加速度検出手段によりそれぞれ検出された該車両の車速Ｖと操舵角δとヨーレイトγと横加速度Ｇ_yとから、該車両の横方向外乱を、横力によって該車両を横方向に移動させようとする横力外乱φ_cwと該車両を回転させようとするヨーモーメント外乱φ_moと走行路面の横傾斜によって該車両に作用する横勾配外乱φ_rbとに分離して推定する推定手段とをそなえ、該制御手段には、該推定手段による推定結果から、該車両の横方向外乱のうち主として横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moとを抑制するように該アクチュエータで付与する該操舵アシストトルクを補正する補正手段をそなえていることを特徴としている。

なお、上記のアクチュエータとしては、きめの細かい操舵アシスト制御を実施するのに有利な電動モータが適している。
また、該車両の操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段をさらにそなえ、該推定手段は、該車両のヨーレイト及び横速度をさらに推定するように構成され、該補正手段は、該操舵角速度検出手段と該操舵角検出手段と該車速検出手段とによりそれぞれ検出された操舵角と舵角速度と車速と、該推定手段により推定されたヨーレイトと横速度とから第１補正トルクを算出し、該推定手段により推定された上記の横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとから第２補正トルクを算出して、該第１補正トルクと第２補正トルクとに基づいて該操舵アシストトルクを補正することが好ましい（請求項２）。

さらに、該推定手段は、該車速検出手段と該操舵角検出手段と該ヨーレイト検出手段と該横加速度検出手段とによりそれぞれ検出された車速Ｖと操舵角δとヨーレイトγと横加速度Ｇ_yとの各状態量から、状態量である上記の横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとを推定するオブザーバをそなえていることが好ましい（請求項３）。
さらに、該補正手段は、該補正手段は、操舵角と舵角速度とヨーレイトと横速度とのそれぞれに、車速に応じてそれぞれ設定されるゲインを乗算して該第１補正トルクを算出するとともに、上記の横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとのそれぞれに、車速に応じてそれぞれ設定されるゲインを乗算して該第２補正トルクを算出して、該第１補正トルクと第２補正トルクとに基づいて該操舵アシストトルクを補正することが好ましい（請求項４）。

また、本発明の車両用外乱推定装置は、該車両の車速Ｖを検出する車速検出手段と、該車両の操舵角δを検出する操舵角検出手段と、該車両のヨーレイトγを検出するヨーレイト検出手段と、該車両の横加速度Ｇ_yを検出する横加速度検出手段と、該車両の操舵−車両系モデルに基づいて、該車速検出手段，該操舵角検出手段，該ヨーレイト検出手段，該横加速度検出手段によりそれぞれ検出された該車両の車速Ｖと操舵角δとヨーレイトγと横加速度Ｇ_yとから、該車両の横方向外乱を、横力によって該車両を横方向に移動させようとする横力外乱φ_cwと該車両を回転させようとするヨーモーメント外乱φ_moと走行路面の横傾斜によって該車両に作用する横勾配外乱φ_rbとに分離して推定する推定手段とをそなえていることを特徴としている。

また、該推定手段は、該車速検出手段と該操舵角検出手段と該ヨーレイト検出手段と該横加速度検出手段とによりそれぞれ検出された車速Ｖと操舵角δとヨーレイトγと横加速度Ｇ_yとの各状態量から、状態量である上記の横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとを推定するオブザーバをそなえていることが好ましい（請求項６）。

本発明の車両用パワーステアリング装置によれば、車両の横方向外乱を、横力によって車両を横方向に移動させようとする横力外乱φ_cwと車両を回転させようとするヨーモーメント外乱φ_moと走行路面の横傾斜によって車両に作用する横勾配外乱φ_rbとに分離して推定し、この推定結果から、車両の横方向外乱のうち主として横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moとを抑制するように操舵アシストトルクを付与するので、操舵アシストを適切に付与することができる。

つまり、横風や轍路などに起因した車両挙動としては、横力外乱φ_cw及びヨーモーメント外乱φ_moとして把握でき、車両の横方向外乱のうち、主としてこれらの横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moとを抑制するように操舵アシストトルクを付与することで、カーブ路をスムーズに走行できるようにするために設けられた路面の横勾配等に起因する横勾配外乱φ_rbについては影響を抑制することなく、横風や轍路などに起因して横力外乱φ_cw及びヨーモーメント外乱φ_moとして車両挙動に影響を及ぼし操舵の妨害になる外乱については影響を抑制することができ、例えばカーブ路のスムーズな走行性能を確保しながら、操舵への横力外乱の影響を抑制して、アクティブ・セーフティを向上させることができるようになる。

さらに、該車両の操舵角速度ωを検出する操舵角速度検出手段を設け、推定手段で車両のヨーレイトγ及び横速度ｖを推定するように構成し、補正手段で、操舵角速度検出手段と操舵角検出手段と車速検出手段とによりそれぞれ検出された操舵角δと舵角速度ωと車速Ｖと、推定手段により推定されたヨーレイトγと横速度ｖとから第１補正トルクを算し、推定手段により推定された横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとから第２補正トルクを算出して、該第１補正トルクと該第２補正トルクとに基づいて操舵アシストトルクを補正すれば、操舵アシストを適切に行なうことができる（請求項２）。

また、推定手段では、オブザーバによって、操舵角検出手段とヨーレイト検出手段と横加速度検出手段と車速検出手段とによりそれぞれ検出された操舵角δとヨーレイトγと横加速度Ｇ_yと車速Ｖとの各状態量から、状態量である横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとを推定することで、横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとを確実に分離して推定することができ、操舵の妨害になる外乱と寧ろ操舵を助けるための外乱とを確実に分離して把握することができる（請求項３）。

さらに、補正手段が、操舵角δ，舵角速度ω，ヨーレイトγ，横速度ｖのそれぞれに、車速Ｖに応じてそれぞれ設定されるゲインを乗算して該第１補正トルクを算出するとともに、横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとのそれぞれに、車速Ｖに応じてそれぞれ設定されるゲインを乗算して該第２補正トルクを算出して、該第１補正トルクと該第２補正トルクとに基づいて該操舵アシストトルクを補正することにより、操舵アシストをより適切に行なうことができる（請求項４）。

本発明の車両用外乱推定装置によれば、操舵−車両系モデルに基づいて、車両の車速Ｖと操舵角δとヨーレイトγと横加速度Ｇ_yとから、車両の横方向外乱を、横力によって車両を横方向に移動させようとする横力外乱φ_cwと車両を回転させようとするヨーモーメント外乱φ_moと走行路面の横傾斜による重量によって車両を横方向に移動させようとする横勾配外乱φ_rbとに分離して推定するので、操舵の妨害になる外乱と寧ろ操舵を助けるための外乱とを確実に分離して把握することができる。

また、推定手段では、オブザーバによって、操舵角検出手段とヨーレイト検出手段と横加速度検出手段と車速検出手段とによりそれぞれ検出された操舵角δとヨーレイトγと横加速度Ｇ_yと車速Ｖとの各状態量から、状態量である横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとを推定することで、横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとを確実に分離して推定することができる（請求項６）。

以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図１１は本発明の一実施形態としての車両用パワーステアリング装置及び車両用外乱推定装置について示すもので、これらの図に基づいて説明する。
本実施形態にかかる車両用パワーステアリング装置は、図１に示すように、操舵アクチュエータとして電動モータ（ここでは、ＤＣモータ）１１をそなえ、車両の操舵操作状態や車両の状態を検出してこれらの検出結果からＥＣＵ（電子制御ユニット）３０により目標とする操舵アシスト量を設定し、この目標操舵アシスト量が得られるようにＤＣモータ１１を制御するようになっている。

ＤＣモータ１１は、例えば図３に示すように、ステアリングホイール１，ステアリングシャフト２，ラックアンドピニオン３，タイロッド４，操舵輪（前輪）５Ｌ、５Ｒ等からなる操舵系（ここでは、ラックアンドピニオン３）に付設されている。もちろん、本装置は、ピニオンタイプの電動パワステだけでなく、油圧パワステに小型モータを追加する場合やラックアシストタイプの電動パワステにも適用することができる。

また、操舵操作状態及び車両状態を検出する手段としては、操舵角速度（前輪舵角速度）ω_{f_s}を検出する操舵速度検出手段（前輪舵角速度検出手段）としてのハンドル角速度センサ２１と、操舵角度（前輪舵角）δ_{f_s}を検出する操舵角検出手段（前輪舵角検出手段）としてのハンドル角センサ２２と、車両のヨーレイトγ_sを検出するヨーレイト検出手段としてのヨーレイトセンサ（ヨー角速度センサ）２３と、車両の横加速度Ｇ_{y_s}を検出する横加速度検出手段としての横加速度センサ２４と、車速Ｖを検出する車速検出手段２５と、ドライバがステアリングホイール（ハンドル）を通じて加える操舵トルク（入力操舵トルク）Ｔ_{h_s}を検出する操舵トルク検出手段（操舵トルクセンサ）２６とがそなえられる。

ＥＣＵ３０には、その機能要素として、基本操舵アシスト量（基本アシストトルク）Ｔ_{m_base}を算出する基本操舵アシスト量演算部（電動パワステ制御演算部）３１と、車両に加わる横方向外乱等を推定する推定手段としてのオブザーバ３２と、操舵系に加わる外乱成分に応じた操舵アシスト補正量（アシストトルク補正量）を算出して、これに応じて操舵アシスト量（外乱抑制制御量）を補正する補正手段（外乱抑制補正手段）３３とが設けられている。

電動パワステ制御演算部３１では、操舵トルク検出手段２６で検出された入力操舵トルクＴ_{h_s}と車速検出手段２５で検出された車速Ｖとに基づいて基本操舵アシスト量（基本アシストトルク）Ｔ_{m_base}を算出する。
オブザーバ３２では、前輪舵角検出手段２２，ヨーレイト検出手段２３，横加速度検出手段２４，車速検出手段２５でそれぞれ検出された前輪舵角δ_{f_s}，ヨーレイトγ_s，横加速度Ｇ_{y_s}，車速Ｖに基づいて、車両に加わる横方向外乱等［具体的には、横力外乱推定値（横力によって車両を横方向に移動させようとする横力外乱φ_cwの推定値）φ_{cw_e}，ヨーモーメント外乱推定値（車両を回転させようとするヨーモーメント外乱φ_moの推定値）φ_{mo_e}，横勾配外乱推定値（走行路面の横傾斜によって車両に作用する横勾配外乱φ_rbの推定値）φ_{rb_e}，横速度推定値ｖ_e，ヨーレイト推定値γ_e］を推定する。

この横方向外乱等を推定する機能（推定手段）と、上記の前輪舵角検出手段２２，ヨーレイト検出手段２３，横加速度検出手段２４，車速検出手段２５とから、本実施形態としての車両用外乱推定装置が構成される。
補正手段３３には、補正用操舵アシスト量（補正アシストトルク）Ｔ_{m_add}を算出する操舵アシスト補正量演算部（外乱抑制制御演算部）３４と，を加算する基本アシストトルクＴ_{m_base}に補正アシストトルクＴ_{m_add}を加算する加算部３５とがそなえられる。

操舵アシスト補正量演算部３４は、オブザーバ３２でそれぞれ推定された横力外乱推定値φ_{cw_e}，ヨーモーメント外乱推定値φ_{mo_e}，横勾配外乱推定値φ_{rb_e}，横速度推定値ｖ_e，ヨーレイト推定値γ_eと、前輪舵角速度検出手段２１で検出された前輪舵角速度ω_{f_s}と、前輪舵角速度検出手段２１で検出された前輪舵角δ_{f_s}と、車速検出手段２５で検出された車速Ｖとに基づいて、操舵系に加わる外乱成分に応じた補正アシストトルクＴ_{m_add}を算出する。

つまり、操舵アシスト補正量演算部３４では、前輪舵角速度ω_{f_s}にゲインＫ_ωを掛けて前輪舵角速度対応補正量（＝Ｋ_ωω_{f_s}）を、前輪舵角δ_{f_s}にゲインＫ_δを掛けて前輪舵角対応補正量（＝Ｋ_δω_{f_s}）を、横速度推定値ｖ_eにゲインＫ_vを掛けて横速度対応補正量（＝Ｋ_vｖ_e）を、ヨーレイト推定値γ_eにゲインＫ_rを掛けてヨーレイト対応補正量（＝Ｋ_rγ_e）を、それぞれ算出し、これらの補正量の加算値（第１補正トルク）Ｔ_{m_fb}（＝Ｋ_ωω_{f_s}＋Ｋ_δω_{f_s}＋Ｋ_vｖ_e＋Ｋ_rγ_e）により基本アシストトルクＴ_{m_base}をフィードバック補正する。

また、横力外乱推定値φ_{cw_e}にゲインＫ_{Φ_cw}を掛けて横方向外乱対応補正量（第２補正トルク）Ｔ_{m_cw}（＝Ｋ_{Φ_cw}φ_{cw_e}）を算出し、さらに、ヨーモーメント外乱推定値φ_{mo_e}にゲインＫ_{Φ_mo}を掛けて横方向外乱対応補正量（第２補正トルク）Ｔ_{m_mo}（＝Ｋ_{Φ_mo}φ_{mo_e}）を算出し、これらの補正量Ｔ_{m_cw}，Ｔ_{m_mo}により基本アシストトルクＴ_{m_base}をフィードフォワード補正する。
なお、図１中に示すように、横勾配外乱推定値φ_{rb_e}にゲインＫ_{Φ_rb}（＝微小値）を掛けて横勾配外乱対応補正量（第２補正トルク）Ｔ_{m_rb}（＝Ｋ_{Φ_rb}φ_{rb_e}）を算出し、この補正量により基本アシストトルクＴ_{m_base}をフィードフォワード補正してもよいが、基本的には、横力外乱推定値φ_{cw_e}及びヨーモーメント外乱推定値φ_{mo_e}を主体として（或いは、これらのみに応じて）、横方向外乱の影響が解消されるように、基本アシストトルクＴ_{m_base}をフィードフォワード補正することが肝要である。

したがって、オブザーバ３２の推定によって分離された横勾配外乱と横力外乱とヨーモーメント外乱のうち、横風外乱の影響のみを抑制するように制御系が構成されている。
つまり、図４に示すように、一般に、カーブ路における道路の横勾配はカーブを曲がることによって生じる遠心力を打ち消してカーブでの旋回走行を容易にするために設けられている。また、直線路における横勾配は、２〜３％程度の小さい値であるが排水のために設けられている。オブザーバ３２では、横方向外乱のうちこのような横勾配外乱については外乱抑制対象から除外して横風外乱の影響のみを抑制するように制御系を構成しているのである。

オブザーバ３２による推定についてさらに説明すると、ＤＣモータ１１に関する各変数の関係は、図２〜図５に示すように制御ブロックにモデル化することができる。図３〜図５は図２の各部（一点鎖線で仕切られる部分Ｐ１,Ｐ２,Ｐ３）をそれぞれ拡大して示したものである。
なお、図１及び図２〜図５における各パラメータについては以下の表１に示す。

図２に示す関係から、オブザーバの状態方程式として次式（Ａ）が導出される。

上式（Ａ）において、ゲインａ₁₁，ａ₁₂，ａ₂₁，ａ₂₂，ｂ₁，ｂ₂はいずれも車速に応じて決定し、ゲインll_(1,1)〜ll_(7,3)はいずれもモータの周波数特性を考慮して数式演算により適正値を設定することができる。

したがって、オブザーバ３２では、前輪舵角δ_{f_s}，ヨーレイトγ_s，横加速度Ｇ_{y_s}，操舵トルクＴ_h，車速Ｖの各状態量を入力量として、横速度推定値ｖ_eとヨーレイト推定値γ_eと横力外乱推定値φ_{cw_e}とヨーモーメント外乱推定値φ_{mo_e}と横勾配外乱推定値φ_{rb_e}との各状態量を推定することができる。
ここで、横勾配外乱と横風外乱とモーメント外乱とを推定するオブザーバ３２について、さらに詳細に説明する。

オブザーバ３２を設計するにあたって、ロバストな横制御システムを構成する必要があり、次の仮定（ａ）〜（ｄ）を基本とする。
（ａ）センサ信号は,ステアリング角,ステアリンクトルク,ヨーレイト,横加速度を仮定する。
（ｂ）タイヤとサスペンションの非線形性は考慮しない。
（ｃ）横外乱に対してロバストな制御系を設計するためドライバの操作を想定しない（Ｔｈ＝０）。

図５に示すように、実際の操舵系は機械的な系とＤＣモータの系とで構成される。また、慣性系は、ステアリングホイール，ＤＣモータ,タイヤから成り、弾性系はトーションバーとタイヤから成る。ここで、キングピン回りに微分方程式をたてると次式（１）〜（３）のようになる。

ここで、δ_fは前輪実舵角、αはハンドル角（コラム軸回り）、Ｔ_sは路面からのセルフアライニンクトルク、Ｔ_mはＤＣモータの付加トルク、Ｔ_hはドライバトルク（トルクセンサ値）である。なお、系のパラメータＩ_s，Ｃ_s，Ｎ_t，Ｎ_m，Ｋ_tをについては前記の表１に記載する。

ここで、前輪実舵角δ_fは、センサ値であるＴ_hとαとから計測可能である。
前式（２）を変形すると、次式（４）となる。

さらに、ここでは、図６に示すような二輪モデルを車両モデルとする。前輪実舵角δ_fをシステム入力として定義すると、かかるモデルの車両系の運動方程式を次式（５）,（６）のように記述できる。

ここで、ｖは車両の横速度,γは車両のヨーレイト,φは横方向外乱要素であり、φ_moはモーメント外乱成分である。また、パラメータＩ_s，Ｃ_s，Ｎ_t，Ｎ_m，Ｋ_tは前記表１に記載する。

車両の横運動とヨー運動を表す微分方程式を示す上記の式（５）,（６）は、一般によく知られているものである。
横方向外乱φは、前述のように、横力外乱φ_cwと横勾配外乱φ_rbとから成る［下式（７）参照］。

これらの横力外乱φ_cw,ヨーモーメント外乱値φ_mo,横勾配外乱φ_rbは式（５）に外部入力として与えられるが、直接計測することはできない。そこで、これらの横方向外乱の対策として、図７に示すように、オブザーバで外乱を推定し、コントローラ（ＥＣＵ３０内の制御指令系）ではフィードフォワードループによって外乱の影響を近似的に打ち消す制御手法をとった。この手法では、外乱が一定値の場合積分制御と等価である。計測される出力信号である横加速度センサ値は、次式に示すように車両の状態量と横勾配外乱φ_rbとで表現されるが、横力外乱φ_cw及びヨーモーメント外乱φ_moは含まれない。なお、コントローラ３０では横外乱以外の外乱については、車両の各状態量をフィードバックして外乱の影響を抑制している。

ところで、Ｇセンサの検出値Ｇ_{y_s}は、左右に勾配のない平坦路ｓでは、式（８ａ）のようになるが、横勾配の外乱φ_rb。が含まれると、式（８ｂ）のようになる。

上記の式（８ａ）は、３つの横方向外乱φ_cw，φ_mo，φ_rbを分離できる可能性があることを示しており、式（５），（６），（７），（８ｂ）を整理すると、次の状態方程式（９），（１０）が得られる。

ここで、未知の状態量ｖと横方向外乱φ_cw，φ_mo，φ_rbを同時に推定するオブザーバを設計するために、次式（１１），（１２）に示すように３つの横方向外乱φ_cw，φ_mo，φ_rbを状態量として拡張したモデルを定義する。

上式（１１），（１２）はｖ,γ,φ_cw，φ_mo，φ_rbの係数行列Ａ,Ｃ（下式）にかかる階級（ｒａｎｋ［Ｃ ＣＡ ・・・ＣＡ^n-1］^T）が状態数（状態量の種類）ｎを満たすので、可観測であり、未知の状態量ｖと未知の外乱φ_cw，φ_rbをオブザーバによって推定することができる。ここで、ｖ,γ,φ_cw，φ_mo，φ_rbは推定結果であり、以下のＬは推定ゲイン行列である。

このようなオブザーバのブロック図を模式的に示すと、図８のようになる。
線形ロバストを制御するにあたり、４次の微分方程式を制御対象モデルとして適用すると、この４次モデルは、操舵系モデルの２つの状態変数である前輪実舵角δ_fと前輪実舵角速度δ_f´および車両系の２つの状態変数である横速度ｖとヨーレイトγとで構成される。ここで、横方向外乱φ_cw，φ_mo，φ_rbは外部入力として制御対象に与えられる。なお、前式（１）におけるドライバトルクはゼロと仮定する(Ｔ_h＝０)。

そして、本ロバスト制御システムは、状態フィードバックループと外乱抑制フィードフォワードループとから構成する。状態フィードバックループは、十分な系の応答性と安定性を確保する。外乱抑制フィードフォワードループは、横風外乱の定常状態における影響を抑制する。式（１４）における制御入力は、次式（１５）〜（１７）により定める。

ここで,［Ｋω，Ｋδ，Ｋ_v，Ｋγ］は状態フィードバックゲインであり、ＬＧ制御理論によって得られる。状態フィードバックループは,主に系を安定化させることを目的とする。前輪実舵角速度δ_fは、モータの付加電圧と電流から計算することができる。前輪実舵角δ_fは前式（４）から得られる。

ｖ,φ_cw，φ_mo，φ_rbは前記のように、外乱オブザーバから推定される。一方、外乱抑制フィードフォワードループは、横風外乱φ_cw，ヨーモーメント外乱φ_moの影響を低減することを目的し、具体的には横力外乱φ_cw及びヨーモーメント外乱φ_moによって生じるヨーレイトの定常値をゼロにするようにフィードフォワードゲインを定める。まず、フィードフォワードゲインｋ_{ff_cw}を定める際,式（１４）においてφ_mo＝０，φ_rb＝０と仮定する。

以上の仮定から次の状態方程式（１８）が得られる。

定常状態(ｄｘ／ｄｔ＝０)において式（１８）は次式（１９）のように変形される。

ここで、δ_fss,ｖ_ss,γ_ssは、φ_cwに対するδ_f,ｖ,γの定常値である。従って、この方程式を直接解くと次式（２０）が得られる。

外乱によって生じるヨーレイトの定常値を０にするために、式（２０）のγ_ssの行に注目すると、次式（２１）が導出される。

従って、式（２１）,（１７）からフィードフォワードゲインＫ_{ff_cw}及びＫ_{ff_mo}を求める次式（２２ａ），（２２ｂ）を得ることができる。

本発明の一実施形態としての車両用パワーステアリング装置は、上述のように構成されているので、操舵アシスト補正手段（操舵アシスト補正量演算部３４及び演算部３５）３３により、前輪舵角速度対応補正量（＝Ｋ_ωω_{f_s}）、前輪舵角対応補正量（＝Ｋ_δω_{f_s}）、横速度対応補正量（＝Ｋ_vｖ_e）、ヨーレイト対応補正量（＝Ｋ_rγ_e）の加算値Ｔ_{m_fb}（＝Ｋ_ωω_{f_s}＋Ｋ_δω_{f_s}＋Ｋ_vｖ_e＋Ｋ_rγ_e）により基本アシストトルクＴ_{m_base}をフィードバック補正するとともに、横力外乱φ_cwに対応した補正量である横方向外乱対応補正量Ｔ_{m_cw}（＝Ｋ_{Φ_cw}φ_{cw_e}）と、ヨーモーメント外乱φ_moに対応した補正量である横方向外乱対応補正量Ｔ_{m_mo}（＝Ｋ_{Φ_mo}φ_{mo_e}）とにより基本アシストトルクＴ_{m_base}をフィードフォワード補正するので、横方向外乱のうちから横勾配外乱を除去した横方向外乱（横風外乱等）φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moとを抑制するように電動モータを制御して操舵アシストトルクを与えるので、カーブ路のスムーズな走行性能を確保しながら、操舵への横風外乱の影響を抑制して、アクティブ・セーフティを向上させることができるようになる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、各ゲインＫω,Ｋδ,Ｋ_v,Ｋ_r，Ｋ_{ff_cw}，Ｋ_{ff_mo}，Ｋ_{ff_rb}については、系の安定性や操舵フィーリングを向上させることができるように、車速に応じて適宜設定することが重要である。

本発明の一実施形態としての車両用パワーステアリング装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態としての車両用パワーステアリング装置にかかるモータ制御系の状態量を推定するオブザーバのブロック図である。 本発明の一実施形態としての車両用パワーステアリング装置にかかるモータ制御系の状態量を推定するオブザーバの要部ブロック図であり、図２の部分Ｐ１を拡大して示したものである。 本発明の一実施形態としての車両用パワーステアリング装置にかかるモータ制御系の状態量を推定するオブザーバの要部ブロック図であり、図２の部分Ｐ２を拡大して示したものである。 本発明の一実施形態としての車両用パワーステアリング装置にかかるモータ制御系の状態量を推定するオブザーバの要部ブロック図であり、図２の部分Ｐ３を拡大して示したものである。 本発明の一実施形態としての車両用パワーステアリング装置を説明する模式図である。 走行する車両への横方向外乱を説明する図であり、（ａ）は走行する車両の模式的平面図、（ｂ）は走行する車両の模式的後面図である。 本発明の一実施形態にかかる操舵系モデルを示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかる車両系モデルを示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかるステアリング制御を説明するブロック図である。 本発明の一実施形態にかかるステアリング制御を説明するオブザーバのブロック図である。

符号の説明

１１ ＤＣモータ
２１ 前輪舵角速度検出手段（操舵角速度検出手段）
２２ 前輪舵角検出手段（操舵角検出手段）
２３ ヨーレイト検出手段
２４ 横加速度検出手段
２５ 車速検出手段
２６ 操舵トルク検出手段
３０ 制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１ 基本制御量設定部（電動パワステ制御演算部）
３２ 推定手段（オブザーバ）
３３ 補正手段（外乱抑制補正手段）
３４ 操舵アシスト補正量演算部（外乱抑制制御演算部）
３５ 演算部

Claims (6)

1. 車両に搭載され操舵系に操舵アシストトルクを付与するアクチュエータと、該車両の車速を検出する車速検出手段と、該車両に加えられる操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、該車速検出手段及び該操舵トルク検出手段からの検出情報に基づいて該アクチュエータを制御する制御手段とをそなえた、パワーステアリング装置であって、
   該車両の操舵角を検出する操舵角検出手段と、
   該車両のヨーレイトを検出するヨーレイト検出手段と、
   該車両の横加速度を検出する横加速度検出手段と、
   該車両の操舵−車両系モデルに基づいて、該車速検出手段，該操舵角検出手段，該ヨーレイト検出手段，該横加速度検出手段によりそれぞれ検出された該車両の車速Ｖと操舵角δとヨーレイトγと横加速度Ｇ_yとから、該車両の横方向外乱を、横力によって該車両を横方向に移動させようとする横力外乱φ_cwと該車両を回転させようとするヨーモーメント外乱φ_moと走行路面の横傾斜によって該車両に作用する横勾配外乱φ_rbとに分離して推定する推定手段とをそなえ、
   該制御手段には、該推定手段による推定結果から、該車両の横方向外乱のうち主として横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moとを抑制するように該アクチュエータで付与する該操舵アシストトルクを補正する補正手段をそなえている
   ことを特徴とする、車両用パワーステアリング装置。
2. 該車両の操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段をさらにそなえ、
   該推定手段は、該車両のヨーレイト及び横速度をさらに推定するように構成され、
   該補正手段は、該操舵角速度検出手段と該操舵角検出手段と該車速検出手段とによりそれぞれ検出された操舵角と舵角速度と車速と、該推定手段により推定されたヨーレイトと横速度とから第１補正トルクを算出し、該推定手段により推定された上記の横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとから第２補正トルクを算出して、該第１補正トルクと該第２補正トルクとに基づいて該操舵アシストトルクを補正する
   ことを特徴とする、請求項１記載の車両用パワーステアリング装置。
3. 該推定手段は、該車速検出手段と該操舵角検出手段と該ヨーレイト検出手段と該横加速度検出手段とによりそれぞれ検出された車速Ｖと操舵角δとヨーレイトγと横加速度Ｇ_yとの各状態量から、状態量である上記の横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとを推定するオブザーバをそなえている
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の車両用パワーステアリング装置。
4. 該補正手段は、操舵角と舵角速度とヨーレイトと横速度とのそれぞれに、車速に応じてそれぞれ設定されるゲインを乗算して該第１補正トルクを算出するとともに、上記の横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとのそれぞれに、車速に応じてそれぞれ設定されるゲインを乗算して該第２補正トルクを算出して、該第１補正トルクと該第２補正トルクとに基づいて該操舵アシストトルクを補正する
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用パワーステアリング装置。
5. 車両の車速Ｖを検出する車速検出手段と、
   該車両の操舵角δを検出する操舵角検出手段と、
   該車両のヨーレイトγを検出するヨーレイト検出手段と、
   該車両の横加速度Ｇ_yを検出する横加速度検出手段と、
   該車両の操舵−車両系モデルに基づいて、該車速検出手段，該操舵角検出手段，該ヨーレイト検出手段，該横加速度検出手段によりそれぞれ検出された該車両の車速Ｖと操舵角δとヨーレイトγと横加速度Ｇ_yとから、該車両の横方向外乱を、横力によって該車両を横方向に移動させようとする横力外乱φ_cwと該車両を回転させようとするヨーモーメント外乱φ_moと走行路面の横傾斜によって該車両に作用する横勾配外乱φ_rbとに分離して推定する推定手段とをそなえている
   ことを特徴とする、車両用外乱推定装置。
6. 該推定手段は、該車速検出手段と該操舵角検出手段と該ヨーレイト検出手段と該横加速度検出手段とによりそれぞれ検出された車速Ｖと操舵角δとヨーレイトγと横加速度Ｇ_yとの各状態量から、状態量である上記の横力外乱φ_cwとヨーモーメント外乱φ_moと横勾配外乱φ_rbとを推定するオブザーバをそなえている
   ことを特徴とする、請求項５記載の車両用外乱推定装置。
   
   

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