JP4186913B2 - ステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステアバイワイヤ式ステアリング装置に係り、更に詳細にはステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置に係る。

自動車等の車輌に於けるステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置の一つとして、例えば本願出願人の出願にかかる下記の特許文献１に記載されている如く、操舵角（θ）の比例項（ばね項）、微分項（粘性項）、２回微分項（慣性項）より目標操舵反力トルクを求め、目標操舵反力トルクに基づき反力モータを制御するよう構成された操舵反力制御装置が従来より知られている。

かかる操舵反力制御装置によれば、ステアバイワイヤ式ステアリング装置に於いてステアリングホイールと操舵輪とが機械的に接続された通常のステアリング装置に於ける操舵反力トルクに近い操舵反力トルクを達成することができる。
特開２０００−１０８９１４号公報

一般に、通常のステアリング装置に於ける操舵反力トルクには操舵系の摩擦反力トルク成分が含まれており、摩擦反力トルク成分は図１１に示されている如く操舵方向の反転により符号（作用方向）が反転する。ステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置に於いて、操舵方向の反転に伴う目標摩擦反力トルクの符号反転を達成しようとすると、ステアリングホイールが振動してしまう。

かかるステアリングホイールの振動に対する対策手法の一つとして、図１２に示されている如く直交座標で見た操舵角と目標摩擦反力トルクとの関係を傾き一定の飽和要素付きの線形直線で模擬することが考えられる。しかしこの対策手法では、ステアリングホイールが中立位置にて手放しされても、ステアリングホイールが中立位置以外の位置へ変化してしまう。例えばステアリングホイールが図１２の中立位置Ａ又はＢにて手放しされると、ステアリングホイールはそれぞれ図１２のＣ、Ｄの位置になる。そのため手放しを判定し、ステアリングホイールの戻り位置を補正する必要がある。しかるに手放しの判定は困難であり精度が良くないため、ステアリングホイールの手放し時にその戻り位置を正確に制御することが困難である。

また上記ステアリングホイールの振動に対する他の対策手法として、図１３に示されている如く飽和要素付き粘性摩擦トルクを採用することが考えられ、この対策手法によればステアリングホイールの手放し時に於けるその戻り位置のオフセットの問題を解決することはできるが、保舵状態に於いて粘性摩擦トルクが０になり操舵反力トルクが小さくなるため、操舵フィーリングが悪化するという問題がある。

本発明は、ステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力トルクを通常の機械式のステアリング装置に於ける操舵反力トルクに近づけるよう構成された従来のステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置に於ける上述の如き問題に鑑みてなされたものであり、本発明の主要な課題は、上記二つの対策手法の利点を活かすよう操舵反力を制御することにより、保舵状態に於ける良好な操舵フィーリングを確保しつつ、操舵入力手段の手放し時に於ける戻り位置をできるだけ中立位置にすることである。

上述の主要な課題は、本発明によれば、請求項１の構成、即ち運転者により操作される操舵入力手段と、操舵輪を転舵駆動する転舵駆動手段と、前記操舵入力手段に対する操舵操作量に基づき前記転舵駆動手段による操舵輪の転舵を制御する制御手段と、前記操舵入力手段に対し操舵反力を付与する操舵反力付与手段とを有するステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置にして、操舵角に基づき暫定目標摩擦反力を演算し、操舵角の絶対値が小さいほど小さくなるよう操舵角に基づき第一の係数を演算し、操舵角速度の絶対値が小さいほど小さくなるよう操舵角速度に基づき第二の係数を演算し、前記第一及び第二の係数のうちの大きい方の係数と前記暫定目標摩擦反力との積を目標摩擦反力として前記操舵反力付与手段を制御することを特徴とするステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置によって達成される。

また本発明によれば、上述の主要な課題を効果的に達成すべく、上記請求項１の構成に於いて、前記暫定目標摩擦反力は操舵開始領域及び操舵方向反転領域に於いて操舵角の変化に対し前記暫定目標摩擦反力が実質的に一定の変化率にて変化するよう演算されるよう構成される（請求項２の構成）。

また本発明によれば、上述の主要な課題を効果的に達成すべく、上記請求項１又は２の構成に於いて、前記目標摩擦反力と、推定される操舵輪のセルフアライニングトルクに基づき演算されるセルフアライニングトルク対応反力成分と、操舵角速度に基づき演算されるダンピング反力成分と、操舵角加速度に基づき演算される慣性補償反力成分との和を目標反力として前記操舵反力付与手段を制御するよう構成される（請求項３の構成）。

上記請求項１の構成によれば、操舵角に基づき暫定目標摩擦反力が演算され、操舵角の絶対値が小さいほど小さくなるよう操舵角に基づき第一の係数が演算され、操舵角速度の絶対値が小さいほど小さくなるよう操舵角速度に基づき第二の係数が演算され、第一及び第二の係数のうちの大きい方の係数と暫定目標摩擦反力との積を目標摩擦反力として操舵反力付与手段が制御される。

従って目標摩擦反力は操舵角の絶対値及び操舵角速度の絶対値が小さい場合に小さい値になり、操舵角速度の絶対値が小さくても操舵角の絶対値が小さくない場合には小さい値にならないので、保舵状態に於いて操舵反力トルクが小さくなることに起因する操舵フィーリングの悪化を確実に防止することができ、また操舵入力手段が中立位置にて手放しされると、操舵角速度の絶対値が０になることにより、目標摩擦反力も０になるので、操舵入力手段が摩擦反力により移動されることがなく、これにより操舵入力手段の手放し時にその位置が変化すること、特に中立位置での手放し時に操舵入力手段の戻り位置が中立位置よりオフセットすることを確実に防止することができる。

また上記請求項２の構成によれば、暫定目標摩擦反力は操舵開始領域及び操舵方向反転領域に於いて操舵角の変化に対し暫定目標摩擦反力が実質的に一定の変化率にて変化するよう演算されるので、操舵方向の反転に伴ない目標摩擦反力トルクの大きさが徐々に変化して符号が反転するので、操舵方向が反転すると例えば図１１に示されている如く目標摩擦反力の大きさが徐々に変化することなくその符号が反転する構成の場合に比して、操舵入力手段が振動する虞れを確実に低減することができる。

また上記請求項３の構成によれば、目標摩擦反力と、推定される操舵輪のセルフアライニングトルクに基づき演算されるセルフアライニングトルク対応反力成分と、操舵角速度に基づき演算されるダンピング反力成分と、操舵角加速度に基づき演算される慣性補償反力成分との和を目標反力として操舵反力付与手段が制御されるので、ステアバイワイヤ式ステアリング装置に於ける操舵反力トルクを通常の機械式のステアリング装置に於ける操舵反力トルクに近づけ、運転者が操舵フィーリングに異和感を覚える虞れを確実に低減することができる。
〔課題解決手段の好ましい態様〕

本発明の一つの好ましい態様によれば、上記請求項１乃至３の構成に於いて、操舵角の絶対値が小さいほど第一の係数が小さくなる度合を車輌の走行状態若しくは車輌の乗員の好みに応じて可変設定し得るよう構成される（好ましい態様１）。

本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記請求項１乃至３又は上記好ましい態様１の構成に於いて、操舵角速度の絶対値が小さいほど第二の係数が小さくなる度合を車輌の走行状態若しくは車輌の乗員の好みに応じて可変設定し得るよう構成される（好ましい態様２）。

本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記請求項３の構成に於いて、操舵輪のスリップ角を推定し、操舵輪のスリップ角に基づき操舵輪の横力を推定し、操舵輪の横力に基づき操舵輪のセルフアライニングトルクを推定するよう構成される（好ましい態様３）。

本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記好ましい態様３の構成に於いて、操舵輪の横力及び路面の摩擦係数に基づき操舵輪のセルフアライニングトルクを推定するよう構成される（好ましい態様４）。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を好ましい実施例について詳細に説明する。

図１は本発明によるステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置の一つの実施例を示す概略構成図である。

図１に於いて、１０FL及び１０FRはそれぞれ車輌１２の左右の前輪を示し、１０RL及び１０RRはそれぞれ車輌の左右の後輪を示している。操舵輪である左右の前輪１０FL及び１０FRは入力手段としてのステアリングホイール１４が運転者により操舵操作されることに応答して駆動されるラック・アンド・ピニオン型のステアリング機構１６によりラックバー１８及びタイロッド２０L及び２０Rを介して転舵される。

ステアリングホイール１４に連結されたステアリングシャフト２２及びステアリング機構１６のピニオンシャフト２４は相互に連結されておらず、ステアリングシャフト２２には図１には示されていない減速歯車機構を介して操舵反力付与手段としての操舵反力トルク付与用の電気モータ２６が連結されており、電気モータ２６により操舵反力トルクが付与される。ピニオンシャフト２４には図１には示されていない減速歯車機構を介して転舵駆動手段としての転舵駆動用の電気モータ２８が連結されており、電気モータ２８により回転駆動される。

尚図示の実施例に於いては、ピニオンシャフト２４の回転は回転−直線運動変換機構としてのラック・アンド・ピニオン型のステアリング機構１６によりラックバー１８の直線運動に変換されるようになっているが、回転−直線運動変換機構は例えばボールねじの如く当技術分野に於いて公知の任意の回転−直線運動変換機構であってよい。

ステアリングシャフト２２には操舵角θsを検出する操舵角センサ３０が設けられており、操舵角センサ３０により検出された操舵角θsを示す信号は電子制御装置３２へ入力される。電子制御装置３２には車速センサ３４により検出された車速Ｖを示す信号、ヨーレートセンサ３６により検出された車輌のヨーレートγを示す信号、横加速度センサ３８により検出された車輌の横加速度Ｇyを示す信号、μセンサ４０により検出された路面の摩擦係数μを示す信号、回転角センサ４２により検出されたピニオンシャフト２４の回転角θpを示す信号も入力される。

尚図１には詳細に示されていないが、電子制御装置３２はＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭと入出力ポート装置とを有し、これらが双方向性のコモンバスにより互いに接続されたマイクロコンピュータ及び駆動回路よりなっていてよい。また操舵角センサ３０、ヨーレートセンサ３６、横加速度センサ３８、回転角センサ４２はそれぞれ車輌の左旋回方向への操舵の場合を正として操舵角θs、ヨーレートγ、横加速度Ｇy、回転角θpを検出する。

電子制御装置３２は、操舵角θsの絶対値が小さい領域に於いてステアリングギヤ比Ｒsが大きく、車速Ｖが高いほどステアリングギヤ比Ｒsが大きくなるよう、操舵角θs及び車速Ｖに基づきステアリングギヤ比Ｒsを演算し、操舵角θs及びステアリングギヤ比Ｒsに基づきピニオンシャフト２４の目標回転角θptを演算し、ピニオンシャフト２４の回転角θpが目標回転角θptになるよう電気モータ２８を制御し、これにより左右の前輪１０FL及び１０FRを転舵する。

また電子制御装置３２は、後述の如く、操舵角θsに基づき暫定目標摩擦反力トルクＴtfpを演算し、操舵角θsの絶対値が小さいほど小さくなるよう操舵角に基づき第一の係数Ｋaを演算し、操舵角速度θdの絶対値が小さいほど小さくなるよう操舵角速度に基づき第二の係数Ｋbを演算し、第一の係数Ｋa及び第二の係数Ｋbのうちの大きい方の係数と暫定目標摩擦反力トルクＴtfpとの積を目標摩擦反力トルクＴtfとする。

そして電子制御装置３２は、左右の前輪１０FL及び１０FRのセルフアライニングトルクＳＡＴを推定し、セルフアライニングトルク対応目標反力トルクＴtsatを演算し、操舵角速度θdに基づきダンピング目標反力トルクＴtdmpを演算し、操舵角加速度θddに基づき慣性補償目標反力トルクＴtintを演算し、目標摩擦反力トルクＴtfとセルフアライニングトルク対応目標反力トルクＴtsatとダンピング目標反力トルクＴtdmpと慣性補償目標反力トルクＴtintとの和を目標反力トルクＴtとして電気モータ２６を制御し、これにより目標反力トルクＴtに対応する操舵反力トルクをステアリングホイール１４に付与する。

尚電子制御装置３２はステアリングホイール１４を車輌の右旋回方向へ付勢する反力トルクを正として暫定目標摩擦反力トルクＴtfp、目標摩擦反力トルクＴtf、セルフアライニングトルク対応目標反力トルクＴtsat、ダンピング目標反力トルクＴtdmp、慣性補償目標反力トルクＴtintを演算する。

次に図２に示されたフローチャートを参照して図示の実施例に於ける操舵反力制御ルーチンについて説明する。尚図２に示されたフローチャートによる制御は図には示されていないイグニッションスイッチの閉成により開始され、所定の時間毎に繰返し実行される。

まずステップ１０に於いては操舵角θsを示す信号等の読み込みが行われ、ステップ２０に於いては操舵角θに基づき図３に示されたグラフに対応するマップより暫定目標摩擦反力トルクＴtfpが演算される。

ステップ３０に於いては操舵角θの絶対値に基づき図４に於いて実線にて示されたグラフに対応するマップより操舵角θの絶対値が小さいほど小さくなるよう第一の係数Ｋaが演算され、また例えば操舵角θの時間微分値として操舵角速度θsdが演算され、操舵角速度θsdの絶対値に基づき図５に於いて実線にて示されたグラフに対応するマップより操舵角速度θsdの絶対値が小さいほど小さくなるよう第二の係数Ｋbが演算される。

ステップ４０に於いては第一の係数Ｋa及び第二の係数Ｋbのうちの大きい方の係数として係数Ｋが演算され、ステップ５０に於いては係数Ｋと暫定目標摩擦反力トルクＴtfpとの積として目標摩擦反力トルクＴtfが演算される。

ステップ６０に於いては操舵角θs、車速Ｖ、車輌のヨーレートγ、車輌の横加速度Ｇyに基づき当技術分野に於いて公知の要領にて左右前輪１０FL、１０FRのスリップ角αfが演算され、スリップ角αfに基づき図６に示されたグラフに対応するマップより左右前輪の横力Ｆyが演算される。また左右前輪の横力Ｆy及び路面の摩擦係数μに基づき図７に示されたグラフに対応するマップより左右前輪のセルフアライニングトルクＳＡＴが演算され、Ｋsatを所定の係数としてセルフアライニングトルク対応目標反力トルクＴtsatが係数ＫsatとセルフアライニングトルクＳＡＴとの積として演算される。

ステップ７０に於いては操舵角θsの時間微分値として操舵角速度θsdが演算されると共に、操舵角速度θsdに基づき図８に示されたグラフに対応するマップよりダンピング目標反力トルクＴtdmpが演算される。

ステップ８０に於いては操舵角速度θsdの時間微分値として操舵角加速度θsddが演算されると共に、操舵角加速度θsddに基づき図９に示されたグラフに対応するマップより慣性補償目標反力トルクＴtintが演算される。

ステップ９０に於いては目標摩擦反力トルクＴtfとセルフアライニングトルク対応目標反力トルクＴtsatとダンピング目標反力トルクＴtdmpと慣性補償目標反力トルクＴtintとの和として目標反力トルクＴtが演算される。

ステップ１００に於いては目標反力トルクＴt及び車速Ｖに基づき図１０に示されたグラフに対応するマップより補正後の目標反力トルクＴtが演算され、ステップ１１０に於いては操舵反力トルクが補正後の目標反力トルクＴtになるよう補正後の目標反力トルクＴtに基づき電気モータ２６がフィードフォワード式に制御され、これにより補正後の目標反力トルクＴtに対応する操舵反力トルクがステアリングホイール１４に付与される。

かくして図示の実施例によれば、ステップ２０に於いて操舵角θに基づき暫定目標摩擦反力トルクＴtfpが演算され、ステップ３０に於いて操舵角θの絶対値に基づき第一の係数Ｋaが演算されると共に、操舵角速度θsdの絶対値に基づき第二の係数Ｋbが演算され、ステップ４０に於いて第一の係数Ｋa及び第二の係数Ｋbのうちの大きい方の係数として係数Ｋが演算され、ステップ５０に於いて係数Ｋと暫定目標摩擦反力トルクＴtfpとの積として目標摩擦反力トルクＴtfが演算される。

従って図示の実施例によれば、目標摩擦反力トルクＴtfは操舵角θsの絶対値及び操舵角速度θsdの絶対値が共に小さい場合に小さい値になり、操舵角速度θsdの絶対値が小さくても操舵角θsの絶対値が小さくない場合には小さい値にならないので、保舵状態に於いて操舵反力トルクが小さくなることに起因する操舵フィーリングの悪化を確実に防止することができる。

また図示の実施例によれば、操舵入力手段としてのステアリングホイール１４が中立位置にて手放しされると、操舵角速度θsdの絶対値が０になることにより、目標摩擦反力トルクＴtfも０になるので、ステアリングホイール１４が摩擦反力により中立位置以外の位置へ移動されることがなく、これによりステアリングホイール１４の手放し時にその位置が変化すること、特に中立位置での手放し時にステアリングホイール１４の戻り位置が中立位置よりオフセットすることを確実に防止することができる。

また図示の実施例によれば、図３に示されている如く、暫定目標摩擦反力トルクＴtfpは操舵開始領域及び操舵方向反転領域に於いて操舵角θsの変化に対し暫定目標摩擦反力トルクＴtfpが実質的に一定の変化率にて変化するよう演算されるので、操舵方向の反転に伴ない暫定目標摩擦反力トルクＴtfpの大きさが徐々に変化して符号が反転するので、例えば図１１に示されている如く操舵方向が反転すると暫定目標摩擦反力トルクＴtfpの大きさが徐々に変化することなくその符号が反転する構成の場合に比して、ステアリングホイール１４が振動する虞れを確実に低減することができる。

特に図示の実施例によれば、ステップ６０に於いて左右前輪のセルフアライニングトルクＳＡＴが演算されると共に、セルフアライニングトルクＳＡＴに基づいてセルフアライニングトルク対応目標反力トルクＴtsatが演算され、ステップ７０に於いて操舵角速度θsdに基づいてダンピング目標反力トルクＴtdmpが演算され、ステップ８０に於いて操舵角加速度θsddに基づき慣性補償目標反力トルクＴtintが演算され、目標反力トルクＴtはステップ９０に於いて目標摩擦反力トルクＴtfとセルフアライニングトルク対応目標反力トルクＴtsatとダンピング目標反力トルクＴtdmpと慣性補償目標反力トルクＴtintとの和として演算されるので、ステアバイワイヤ式のステアリング装置に於ける操舵反力トルクを通常の機械式のステアリング装置に於ける操舵反力トルクに近づけることができ、これにより運転者が操舵フィーリングに異和感を覚える虞れを確実に低減することができる。

以上に於いては本発明を特定の実施例について詳細に説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

例えば上述の実施例に於いては、ステップ１１０に於いて操舵反力トルクが補正後の目標反力トルクＴtになるよう補正後の目標反力トルクＴtに基づき電気モータ２６がフィードフォワード式に制御されるようになっているが、ステアリングシャフト２２にトルクセンサが設けられ、補正後の目標反力トルクＴtとトルクセンサにより検出されるトルクとの偏差が０になるようが操舵反力トルクがフィードバック式に制御されるよう修正されてもよい。

また上述の実施例に於いては、第一の係数Ｋa及び第二の係数Ｋbはそれぞれ図４及び図５に於いて実線にて示されたグラフに対応するマップより演算されるようになっているが、図４及び図５に於いて破線及び一点鎖線にて示されている如く、車輌の走行状況に応じて又は乗員の好みに応じてスイッチ操作などによりマップが選択され、選択されたマップより演算されるよう修正されてもよい。

更に上述の実施例に於いては、セルフアライニングトルク対応目標反力トルクＴtsatはステップ６０に於いて操舵角θs、車速Ｖ、車輌のヨーレートγ、車輌の横加速度Ｇyに基づき左右前輪１０FL、１０FRのスリップ角αfが演算され、スリップ角αfに基づき左右前輪の横力Ｆyが演算され、左右前輪の横力Ｆy及び路面の摩擦係数μに基づき左右前輪のセルフアライニングトルクＳＡＴが演算され、所定の係数とセルフアライニングトルクＳＡＴとの積として演算されるようになっているが、セルフアライニングトルク対応目標反力トルクＴtsatは操舵角θs等の関数又は操舵角θs等に基づきマップより簡便に演算されるよう修正されてもよい。

本発明によるステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置の一つの実施例を示す概略構成図である。 実施例に於ける操舵反力制御ルーチンを示すフローチャートである。 操舵角θsと暫定目標摩擦反力トルクＴtfpとの間の関係を示すグラフである。 操舵角θsの絶対値と第一の係数Ｋaとの間の関係を示すグラフである。 操舵角速度θsdの絶対値と第二の係数Ｋbの間の関係を示すグラフである。 左右前輪のスリップ角αfと左右前輪の横力Ｆyとの間の関係を示すグラフである。 左右前輪の横力ＦyとセルフアライニングトルクＳＡＴとの間の関係を示すグラフである。 操舵角速度θsdとダンピング目標反力トルクＴtdmpとの間の関係を示すグラフである。 操舵角加速度θsddと慣性補償目標反力トルクＴtintとの間の関係を示すグラフである。 目標反力トルクＴtと補正後の目標反力トルクＴtとの間の関係を示すグラフである。 操舵角と摩擦反力トルク成分との間の関係を示すグラフである。 操舵角と目標摩擦反力トルクとの間の関係を示すグラフである。 操舵角速度と粘性摩擦トルクとの間の関係を示すグラフである。

符号の説明

１４ ステアリングホイール
１６ ステアリング機構
２２ ステアリングシャフト
２４ ピニオンシャフト
２６、２８ 電気モータ
３０ 操舵角センサ
３２ 電子制御装置
３４ 車速センサ

Claims (3)

1. 運転者により操作される操舵入力手段と、操舵輪を転舵駆動する転舵駆動手段と、前記操舵入力手段に対する操舵操作量に基づき前記転舵駆動手段による操舵輪の転舵を制御する制御手段と、前記操舵入力手段に対し操舵反力を付与する操舵反力付与手段とを有するステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置にして、操舵角に基づき暫定目標摩擦反力を演算し、操舵角の絶対値が小さいほど小さくなるよう操舵角に基づき第一の係数を演算し、操舵角速度の絶対値が小さいほど小さくなるよう操舵角速度に基づき第二の係数を演算し、前記第一及び第二の係数のうちの大きい方の係数と前記暫定目標摩擦反力との積を目標摩擦反力として前記操舵反力付与手段を制御することを特徴とするステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置。
2. 前記暫定目標摩擦反力は操舵開始領域及び操舵方向反転領域に於いて操舵角の変化に対し前記暫定目標摩擦反力が実質的に一定の変化率にて変化するよう演算されることを特徴とする請求項１に記載のステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置。
3. 前記目標摩擦反力と、推定される操舵輪のセルフアライニングトルクに基づき演算されるセルフアライニングトルク対応反力成分と、操舵角速度に基づき演算されるダンピング反力成分と、操舵角加速度に基づき演算される慣性補償反力成分との和を目標反力として前記操舵反力付与手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のステアバイワイヤ式ステアリング装置の操舵反力制御装置。
   

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