JP5093552B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

この発明は、操作部材の操作に応じて車輪が転舵される車両用操舵装置に関する。

車両用操舵装置の一例は、電動モータが発生する操舵補助力を舵取り機構に与える電動パワーステアリング装置である。電動パワーステアリング装置は、運転者がステアリングホイールに加える操作トルクに応じて電動モータを駆動する制御装置を備えている。この構成により、操作トルクに応じた適切な操舵補助力が発生されるようになっている。
車両用操舵装置の他の例は、ステアリングホイール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の操作角をセンサによって検出するとともに、そのセンサの出力に応じて制御される操舵用アクチュエータの駆動力を舵取り機構に伝達するようにしたステア・バイ・ワイヤシステムである（特許文献１）。ステア・バイ・ワイヤシステムでは、ステアリングホイールの操作角に対する舵取り車輪の転舵角の比（転舵角比）を自由に定めることができる。また、操舵用アクチュエータの制御による操舵角制御をステアリングホイールの操作とは独立して行うことができ、これにより、操舵制御による車両挙動安定化制御を行うこともできる。

転舵角比を変更することができる車両用操舵装置は、ステア・バイ・ワイヤシステムだけではなく、たとえば、ステアリングホイールと舵取り機構との間に、回転伝達比を変更できる可変伝達比ユニットを介在させた可変ギヤ比ステアリングシステムにおいても、転舵角比の可変制御が可能である（特許文献２）。
特開２００１−１９１９３７号公報 特開２００６−２８０５号公報

ステア・バイ・ワイヤシステム等で採用される車両挙動安定化制御では、車速および操作角に基づいて目標ヨーレートを算出し、検出した実ヨーレートと目標ヨーレートとの偏差を零にするように舵取り車輪の転舵角がフィードバック制御される。
轍（車両の車輪が通ったあとの路面に残るくぼみ）が形成された不整地路である轍路を車両が直進する状況では、従来の車両挙動安定化制御は、十分な効果を発揮しない。すなわち、轍路では、車両のふらつきが生じやすく、かつ、ステアリングが取られやすい状況となるため、運転者は、ステアリングホイールをすばやく、かつ、大きく切って、車両姿勢を立て直さなければならない。

このような運転者によるステアリング操作と同等の車両姿勢制御を従来の車両挙動安定化制御で実現するには、フィードバックゲインを大きく設定して、応答性を十分に高めなければならない。なぜなら、直進走行中に生じる車両のヨーレートは小さいからである。
ところが、フィードバックゲインを大きくすると、轍のない整地路である通常路を走行する場合に、路面のうねりや車体振動による微小なヨーレート信号の変化によって大きな制御量が生じるため、かえって車両のふらつきを増長させてしまうおそれがある。

そこで、この発明の目的は、轍路および通常路のいずれにおいても車両の挙動を容易に安定化させることができる車両用操舵装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、車両の操向のための操作部材（１，６１）の操作に応じて車輪（４）を転舵させる車両用操舵装置であって、前記操作部材の操作角、前記車両の車高変化量の左右差、および前記車両の横加速度に基づいて、前記車両が轍路を走行しているかどうかを判定する轍路判定手段（３４）と、この轍路判定手段が轍路走行中であると判定したときには、当該轍路判定手段が轍路走行中でないと判定したときよりも、前記操作部材の操作に応じた車輪の転舵を促進する操舵促進制御手段とを含み、前記操舵促進制御手段が、轍路走行中には、轍路走行中でないときよりも、前記操作部材の操作量に対する車輪の転舵角の割合を大きくする転舵割合制御手段（３１，Ｓ１０）を含み、前記転舵割合制御手段が、轍路走行中において、前記操作部材の操作量の時間微分成分の絶対値が大きいほど大きくなるように、前記操作部材の操作量に対する車輪の転舵角の割合を定めるものであることを特徴とする車両用操舵装置である。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。
前記時間微分成分は、操作量の一階微分成分（操作の速さに対応）および／または操作量の二階微分成分（操作の加速度に対応）を含んでいてもよい。

この構成によれば、車両が轍路を走行しているときには、轍路走行中でないとき（すなわち、通常路走行中のとき）よりも、操作部材の操作に応じた車輪の転舵が促進される。これにより、轍路走行中に車輪を大きく、かつ、すばやく転舵させて車両姿勢を安定化させるための操作部材の操作が軽減され、運転者の操舵負担が少なくなる。これにより、轍路走行中において、車両の挙動を安定化させることができる。その一方で、通常路走行中には、轍路走行中ほど車輪の転舵が促進されないので、車両のふらつきを抑制でき、車両の挙動を安定に保つことができる。

また、この構成によれば、轍路走行中には、通常路走行中よりも転舵割合が大きくなるので、操作部材の少ない操作量で、車輪を大きく、かつ、速やかに転舵させることができ、運転者の操舵負担を軽減しつつ、車両挙動の安定化を図ることができる。
また、この構成によれば、轍路走行中には、操作部材の操作の速さや加速度に応じて車輪の転舵割合が定められるので、操作部材の操作の速さや加速度に応じて車輪を速やかに転舵させることができる。これにより、操作部材の操作に対して、より速く応答して車輪の転舵角が変化し、その結果、運転者の操舵負担を軽減しつつ、車輪を大きく、かつ、すばやく転舵させることができる。
請求項２記載の発明は、前記轍路判定手段は、前記操作角の絶対値が第１所定値未満で
あり、前記車高変化量の左右差の絶対値が第２所定値を超えており、かつ前記横加速度の
絶対値が第３所定値未満である状態が所定時間を超えて継続したときに、前記車両が轍路
走行中であると判断することを特徴とする請求項１記載の車両用操舵装置である。

請求項３記載の発明は、前記操作部材の操作反力を調整する操作反力調整手段（１９，Ｍ）をさらに含み、前記操舵促進制御手段が、轍路走行中には、轍路走行中でないときよりも、操作反力が小さくなるように、前記操作反力調整手段を制御する操作反力制御手段（３２，５１，８４）を含むものであ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。

この構成によれば、轍路走行中には、通常路走行中よりも操作反力が小さくなるので、操舵が促進され、車輪を容易に転舵させることができるようになる。その結果、轍路走行中には、運転者は、少ない操舵負担で、大きく、かつ、すばやく車輪を転舵させることができ、車両挙動を容易に安定化させることができる。

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、この発明の第１の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図解図であり、ステア・バイ・ワイヤシステムの構成が示されている。この車両用操舵装置は、運転者が操向のために操作する操作部材としてのステアリングホイール１と、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用アクチュエータ２と、操舵用アクチュエータ２の駆動力を、舵取り車輪としての前方左右車輪４に伝達するステアリングギヤ３とを備えている。ステアリングホイール１と、操舵用アクチュエータ２等を含む舵取り機構５との間には、ステアリングホイール１に加えられた操作トルクが舵取り機構５に機械的に伝達されるような機械的な結合はなく、ステアリングホイール１の操作量（操作角または操作トルク）に応じて操舵用アクチュエータ２が駆動制御されることによって、車輪４が転舵されるようになっている。

操舵用アクチュエータ２は、例えば公知のブラシレスモータ等の電動モータにより構成できる。ステアリングギヤ３は、操舵用アクチュエータ２の出力シャフトの回転運動をステアリングロッド７の直線運動（車両左右方向の直線運動）に変換する運動変換機構を有する。ステアリングロッド７の動きがタイロッド８およびナックルアーム９を介して車輪４に伝達され、車輪４のトー角（転舵角）が変化する。ステアリングギヤ３は、公知のものを用いることができ、操舵用アクチュエータ２の動きを舵角が変化するように車輪４に伝達できれば構成は限定されない。なお、操舵用アクチュエータ２が駆動されていない状態では、車輪４がセルフアライニングトルクにより直進操舵位置に復帰できるようにホイールアラインメントが設定されている。

ステアリングホイール１は、車体側に回転可能に支持された回転シャフト１０に連結されている。この回転シャフト１０には、ステアリングホイール１に作用する反力トルクを発生する反力アクチュエータ１９が設けられている。この反力アクチュエータ１９は、回転シャフト１０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により構成できる。

車体と回転シャフト１０との間には、ステアリングホイール１を直進操舵位置に復帰させる方向の弾力を付与する弾性部材３０が設けられている。この弾性部材３０は、たとえば、回転シャフト１０に弾力を付与するバネにより構成できる。反力アクチュエータ１９が回転シャフト１０にトルクを付加していないとき、ステアリングホイール１は、弾性部材３０の弾力により、直進操舵位置に復帰する。

ステアリングホイール１の操作角（回転角）δｈを検出するために、回転シャフト１０の回転角を検出する角度センサ１１が設けられている。また、車両の運転者がステアリングホイール１に作用させる操作トルクＴｈを検出するために、回転シャフト１０により伝達されるトルクを検出するトルクセンサ１２が設けられている。さらに、車両の舵角（舵取り機構５の転舵角）δを検出するための舵角センサ１３が、当該舵角に対応するステアリングロッド７の作動量を検出するポテンショメータにより構成されている。また、車速Ｖを検出する速度センサ１４、車両の横加速度Ｇｙを検出する横加速度センサ１５、および車両のヨーレートγを検出するヨーレートセンサ１６が設けられている。さらに、車両の左右の車高変化量を検出する車高センサ１７，１８が設けられている。車高センサ１７，１８は、たとえば、車両の左右前輪（または後輪）のサスペンションに関連して設けられ、車体とタイヤとの間の距離の変化量を検出するものであってもよい。より具体的には、車高センサ１７，１８は、たとえば、サスペンションアームの角度を検出するセンサによって構成することができる。

これらの角度センサ１１、トルクセンサ１２、舵角センサ１３、速度センサ１４、横加速度センサ１５、ヨーレートセンサ１６および車高センサ１７，１８は、コンピュータにより構成される制御装置２０にそれぞれ接続されている。制御装置２０は、駆動回路２２，２３を介して、操舵用アクチュエータ２および反力アクチュエータ１９を制御するようになっている。

図２は、制御装置２０の制御ブロック図を示す。ステアリングホイール１には、運転者が操作トルクＴｈを加え、反力アクチュエータ１９が反力トルクＴｍを加える。ステアリングホイール１の操作量としての操作角δｈは角度センサ１１によって検出されて、制御装置２０に入力される。制御装置２０は、操作角δｈおよび伝達関数Ｇ１に基づいて目標転舵角δ^*を求める目標転舵角演算部３１と、操作角δｈおよび伝達関数Ｇ２に基づいて目標反力トルクＴｍ^*を求める目標反力トルク演算部３２と、目標転舵角δ^*および伝達関数Ｇ３に基づいて操舵用アクチュエータ２に供給すべき目標電流値ｉ^*を演算する目標電流演算部３３とを備えている。これらは、制御装置２０が所定のプログラムを実行するソフトウェア処理によって実現される機能処理部である。制御装置２０は、目標電流演算部３３によって求められる目標電流値ｉ^*に対応する電流を駆動回路２２から操舵用アクチュエータ２に供給する。その結果、車両１００の挙動が変化する。また、制御装置２０は、目標反力トルクＴｍ^*に応じて、駆動回路２３を介して、反力アクチュエータ１９を制御する。

制御装置２０は、同じくソフトウェア処理によって実現される機能処理部としての轍路判定部３４を備えている。轍路判定部３４は、角度センサ１１によって検出される操作角δｈ、車高センサ１７，１８の出力から求められる車高変化量の左右差、および横加速度センサ１５によって検出される横加速度Ｇｙに基づいて、車両１００が轍路を走行しているか（轍路走行中か）どうかを判定する。この轍路判定部３４の判定結果に基づいて、目標転舵角演算部３１の伝達関数Ｇ１が切り換えられるようになっている。

より具体的には、轍路判定部３４が、轍路走行中ではないと判定しており、したがって、車両１００が通常の路面を走行しているときには、たとえば、次式(1)に従って、目標転舵角δ^*が求められる。
δ^*＝Ｇ１・δｈ＝Ｋ_V・Ｋ₀・δｈ … (1)
ただし、Ｋ_Vは、車速係数であり、車速Ｖの関数（たとえば、車速Ｖに比例する値）であってもよい。また、Ｋ₀は、操作角係数であり、操作角δｈの関数である。

一方、轍路判定部３４が、轍路走行中であると判定しているときには、たとえば、次式(2)に従って、目標転舵角δ^*が求められる。
δ^*＝Ｇ１・δｈ＝Ｋ_V・Ｋ₁・Ｋ₂・Ｋ₃・δｈ … (2)
Ｋ₁，Ｋ₂，Ｋ₃は、いずれも係数である。そして、Ｋ₁は操作角δｈの関数であり、たとえば、Ｋ₁＝Ｋ₀であってもよいし、任意の操作角δｈについて｜Ｋ₁｜≧｜Ｋ₀｜であってもよい。また、Ｋ₂は操作角δｈの一階時間微分値δｈ′の関数であり、Ｋ₃は操作角δｈの二階時間微分値δｈ″の関数である。

前記式(1)(2)の両辺を操作角δｈで割った値δ^*／δｈが、転舵角比（転舵割合）の目標値である。
係数Ｋ_V，Ｋ₀，Ｋ₁，Ｋ₂，Ｋ₃は、たとえば、予め設定したマップ（テーブル）に基づいて定められるようになっていてもよく、それらのマップに対応した関数の例は、図３(a)(b)(c)(d)にそれぞれ表されている。

図３(a)は、係数Ｋ_Vを表しており、この例では、車速Ｖが大きいほど小さくなるように係数Ｋ_Vが定められるようになっている。
図３(b)は、係数Ｋ₀，Ｋ₁を表している。この例では、｜Ｋ₁｜＞｜Ｋ₀｜となっており、轍路走行時には、通常路走行時よりも転舵角比が大きくなるようになっている。これにより、轍路走行時には、通常路走行時よりも、少ないステアリング操作で、転舵角δを大きく、かつ、すばやく変化させることができる。

係数Ｋ₀，Ｋ₁（Ｋ₀≧０，Ｋ₁≧０）は、操作角δｈが零のときには零とされている。また、係数Ｋ₀，Ｋ₁は、操作角絶対値｜δｈ｜が中立位置付近の比較的小さな値のときには小さな値に抑制され、操作角絶対値｜δｈ｜が端当て付近の比較的大きな値のときには大きな値とされている。より詳細には、操作角絶対値｜δｈ｜が中立位置付近の範囲のときには、操作角絶対値｜δｈ｜の増加に対する係数Ｋ₀，Ｋ₁の増加率は小さく、操作角絶対値｜δｈ｜が端当て付近の範囲のときには、操作角絶対値｜δｈ｜の増加に対する係数Ｋ₀，Ｋ₁の増加率が大きくなっている。これにより、中立位置付近では転舵角δの変化を抑制する一方で、端当て付近では少ないステアリング操作で転舵角δを大きく変化させることができるので、駐車時等のステアリング操作負担を軽減できる。

図３(c)は、係数Ｋ₂を表している。係数Ｋ₂（Ｋ₂≧０）は、操作角一階時間微分値δｈ′が零のときは零となる。そして、係数Ｋ₂は、所定の上限値以下の範囲で、操作角一階時間微分値δｈ′が大きくなるほど大きくなるように定められ、図３(c)の例では、操作角一階時間微分値δｈ′の絶対値にほぼ比例するように定められることになる。これにより、ステアリングホイール１の操作速度が速いほど（すなわち、操作角一階時間微分値δｈ′の絶対値が大きいほど）、操作角δｈに対する転舵角δの比（転舵角比）が大きくなるので、より速やかな（クイックな）操舵が可能になる。

図３(d)は、係数Ｋ₃を表している。係数Ｋ₃（Ｋ₃≧０）は、操作角δｈの二階時間微分値δｈ″が零のときは零となる。そして、係数Ｋ₃は、所定の上限値以下の範囲で、操作角二階時間微分値δｈ″の絶対値が大きくなるほど大きくなるように定められる。これにより、ステアリングホイール１の操作加速度が速いほど（すなわち、操作角二階時間微分値δｈ″の絶対値が大きいほど）、操作角δｈに対する転舵角δの比（転舵角比）が大きくなるので、操作加速度に応じた速やかな（クイックな）操舵が可能になる。

このようにして、轍路走行中は、前記の式(2)に従って目標転舵角δ^*が定められる結果、操作角δｈに対する転舵角δの変化が、通常路走行時よりも、大きくかつ速やかに生じるようになる。これにより、運転者は、轍路走行中において、ステアリングホイール１をさほど大きくかつ速く操作しなくとも、車両の直進走行状態を維持することができる。こうして、運転者の操舵負担を軽減することができる。

図４は、制御装置２０が所定の制御周期毎に繰り返し実行する処理を説明するためのフローチャートである。まず、轍路判定部３４によって、操作角絶対値｜δｈ｜が所定値（たとえば、１０度）未満かどうかが判断される（ステップＳ１）。すなわち、ステアリングホイール１がほぼ中立位置かどうかが判断される。操作角絶対値｜δｈ｜が所定値未満であるとき、すなわち、ステアリングホイール１がほぼ中立位置のときは（ステップＳ１：ＹＥＳ）、轍路判定部３４は、次に、車高センサ１７，１８の出力に基づいて、車高変化量左右差の絶対値が所定値（たとえば３０ｍｍ）を超えているかどうかを判断する（ステップＳ２）。車高変化量左右差の絶対値が所定値を超えているとき、すなわち、車輪と車体との距離の左右差が大きく、不整地路を走行している可能性が高いときには（ステップＳ２：ＹＥＳ）、轍路判定部３４は、さらに、横加速度センサ１５によって検出される横加速度Ｇｙの絶対値が所定値（たとえば０．２Ｇ。ただし「Ｇ」は重力加速度）未満かどうかを判断する（ステップＳ３）。この条件は、車両が旋回中でないとき（ほぼ直進状態のとき）に満足される。

ステップＳ３において、横加速度Ｇｙの絶対値が前記所定値未満であると判断されたとき（ステップＳ３：ＹＥＳ）、すなわち、ステアリングホイール１がほぼ中立位置にあり、不整地路を走行している可能性が高く、かつ、車両が旋回中でない場合には、このような状態の継続時間を計測するためのカウンタのカウント値Ｃを＋１だけインクリメントする（ステップＳ４）。そして、轍路判定部３４は、そのカウント値Ｃが所定時間（たとえば０．５秒）に対応する所定値（たとえば３００）を超えているかどうかを判断する（ステップＳ５）。このカウント値Ｃが当該所定値を超えているときは（ステップＳ５：ＹＥＳ）、轍路判定部３４は、車両が轍路走行中であると判断し（ステップＳ６）、さもなければ（ステップＳ５：ＮＯ）、轍路走行中ではないと判断する（ステップＳ７）。

また、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３のいずれかにおける判断が否定の場合には、カウント値Ｃがクリアされ（ステップＳ８）、轍路判定部３４は、車両が轍路走行中ではないと判断する（ステップＳ７）。
轍路判定部３４が轍路走行中でないと判断している場合（ステップＳ７）には、目標転舵角演算部３１は、前記の式(1)に従って目標転舵角δ^*を演算する（ステップＳ９）。また、轍路判定部３４が轍路走行中であると判断している場合（ステップＳ６）には、目標転舵角演算部３１は、前記の式(2)に従って目標転舵角δ^*を演算する（ステップＳ１０）。

こうして求められた目標転舵角δ^*を用いて、目標電流演算部３３によって目標電流値ｉ^*が求められる（ステップＳ１１）。目標電流演算部３３は、たとえば、ＰＩ（比例積分）制御によって目標電流値ｉ^*を求めるものであってもよい。
また、目標反力トルク演算部３２によって、操作角δｈに応じた目標反力トルクＴｍ^*が求められる（ステップＳ１２）。目標反力トルク演算部３２は、たとえば、比例制御要素で構成され、所定の上限値および下限値の間で、操作角δｈに比例するように目標反力トルクＴｍ^*を定めるものであってもよい。

このようにして目標電流値ｉ^*および目標反力トルクＴｍ^*が定まると、制御装置２０は、目標電流値ｉ^*に応じて操舵用アクチュエータ２を駆動し（ステップＳ１３）、目標反力トルクＴｍ^*に応じて反力アクチュエータ１９を駆動する（ステップＳ１４）。
以上のとおり、この実施形態によれば、車両が轍路を走行中かどうかを判断し、轍路走行中には、通常路走行中の場合よりも、操作角δｈに対する転舵角δの比を、大きく、かつ、速やかに変化させるようにしている。これにより、轍路走行中における運転者の操舵負担を軽減できるとともに、通常路走行中における車両のふらつきが生じたりすることもないので、路面状況によらずに、優れた操舵性能および車両姿勢安定性を維持することができる。

図５は、この発明の第２の実施形態を説明するための制御ブロック図である。この実施形態の説明では、前述の第１の実施形態の説明に用いた図１を再び参照することとし、図５において、前述の図２に示された各部に対応する部分には、図２の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、轍路走行中には、通常路走行中よりも、ステアリングホイール１に与えられる操作反力が小さくなるように反力アクチュエータ１９が制御される。これにより、轍路走行中における運転者の操舵負担を軽減する操舵促進制御または操舵支援制御が行われる。

具体的に説明すると、目標転舵角演算部３１は、轍路走行中か否かによらずに前記(1)式によって目標転舵角δ^*を演算する一方で、目標反力トルク演算部３２は、轍路判定部３４による判定結果に応じて、轍路走行中には、通常路走行中よりも、小さな目標反力トルクＴｍ^*を設定する。すなわち、目標反力トルク演算部３２が、たとえば、比例制御要素で構成され、所定の上限値および下限値の間で、操作角δｈに比例するように目標反力トルクＴｍ^*を定める場合に、轍路走行中には、通常路走行中よりも小さな比例ゲイン（比例定数）が適用される。

このようにして、轍路走行中には、操作反力が軽減されて運転者の操舵負担が軽くなる。これにより、運転者は、容易に、ステアリングホイール１を大きく、かつ、すばやく操作して、車両挙動の安定化を図ることができる。
目標反力トルク演算部３２は、必ずしも比例制御要素で構成される必要はなく、たとえば、図６に示す反力マップに従って目標反力トルクＴｍ^*を定めるものであってもよい。この図６において、曲線Ａは通常路走行中に適用される反力マップを表し、曲線Ｂは轍路走行中に適用される反力マップを表す。曲線Ａ，Ｂの比較から轍路走行中における目標反力トルクＴｍ^*の大きさが通常路走行中における目標反力トルクＴｍ^*の大きさよりも小さく設定されることが理解される。また、轍路走行中と通常路走行中に設定される目標反力トルクＴｍ^*の大きさの差は、車両を直進させるための修正操舵において使用される操作角範囲（中立位置に近い操作角範囲）Ｒ１においては、それよりも中立位置から離れた操作角範囲Ｒ２，Ｒ３よりも、大きく定められている。これは、轍路走行中には、車両を直進させるための修正操舵の際における操舵負担軽減の要請が大きいからである。

図７は、この発明の第３の実施形態を説明するための制御ブロック図である。この実施形態の説明では、前述の第１の実施形態の説明に用いた図１を再び参照することとし、図７において、前述の図２に示された各部に対応する部分には、図２の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、転舵角δの制御による車両挙動安定化制御が行われるとともに、轍路走行中には、通常路走行中よりも、ステアリングホイール１に与えられる操作反力が小さくなるように反力アクチュエータ１９が制御される。これにより、轍路走行中における運転者の操舵負担を軽減する操舵促進制御または操舵支援制御が行われる。

この実施形態では、車両挙動を表す指標として、挙動指標値Ｄ＝Ｋ１・Ｇｙ＋Ｋ２・γ・Ｖ（横加速度およびヨーレートの一次線形結合）を用いて車両挙動安定化制御が行われる。ただし、Ｋ１は横加速度加重比、Ｋ２はヨーレート加重比であり、Ｋ１＋Ｋ２＝１である。Ｋ１とＫ２との比率は、挙動指標値Ｄが操作角変化による車両１００の挙動変化に対応するように設定すればよく、たとえば、Ｋ１＝Ｋ２＝０．５といったように一定としてもよいし、車速等に応じて変化させてもよい。

制御装置２０は、ソフトウェア処理によって実現される機能処理手段として、操作角δｈに応じた目標挙動指標値Ｄ^*を求める目標挙動指標値演算部４１と、目標挙動指標値Ｄ^*に応じた転舵角設定値δ_FFを求める転舵角設定部４２と、横加速度Ｇｙ、ヨーレートγおよび車速Ｖに基づいて挙動指標値Ｄを求める挙動指標値演算部４３と、挙動指標値Ｄの目標挙動指標値Ｄ^*に対する偏差ΔＤを求める挙動指標値偏差演算部４４と、挙動指標値偏差ΔＤに応じた転舵角修正値δ_FBを求める転舵角修正値演算部４５と、転舵角設定値δ_FFを転舵角修正値δ_FBで修正して目標転舵角δ^*を求める設定転舵角修正部４６と、目標転舵角δ^*に応じた目標電流値ｉ^*を求める目標電流演算部４７と、操作角δｈに応じた反力トルク設定値Ｔ_FFを求める反力設定部４８と、挙動指標値Ｄに対応する操作角の値である挙動対応操作角δ_Dを求める挙動対応操作角演算部４９と、実際の操作角δｈと挙動対応操作角δ_Dとの偏差（δｈ−δ_D）を求める操作角偏差演算部５０と、操作角偏差（δｈ−δ_D）に応じた反力修正値Ｔ_FBを求める反力修正値演算部５１と、反力トルク設定値Ｔ_FFを反力修正値Ｔ_FBで修正して目標反力トルクＴｍ^*を求める設定反力トルク修正部５２と、轍路判定部３４と、轍路判定部３４による判定結果に応じて目標反力トルクＴｍ^*に対するゲインを調整する反力ゲイン調整部５３とを含む。

目標挙動指標値演算部４１は、角度センサ１１によって検出される操作角δｈと伝達関数Ｇ４とに基づいて、目標挙動指標値Ｄ^*＝Ｇ４・δｈを求める。たとえば、目標挙動指標値演算部４１は、比例制御要素によって構成され、その比例ゲインは車速Ｖに比例するものとされる。これにより、Ｋ_D1を比例定数として、以下の式が成立する。
Ｄ^*＝Ｇ４・δｈ＝Ｋ１・Ｇｙ＋Ｋ２・γ・Ｖ＝Ｋ_D1・Ｖ・δｈ
よって、ステアリングホイール１の操作角δｈに対する車両１００のヨーレートγの比率が車速Ｖに関わらず一定となるように、目標挙動指標値Ｄ^*が演算される。比例定数Ｋ_D1は、最適な制御を行えるように調整され、たとえば４／３とされる。なお、伝達関数Ｇ４を定数として、ステアリングホイール１の操作角δｈに対する車両１００の横加速度Ｇｙの比率が車速Ｖに関わらず一定となるように、目標挙動指標値Ｄ^*を演算してもよい。

転舵角設定部４２は、目標挙動変数Ｄ^*および伝達関数Ｇ５を用いて、舵角設定値δ_FF＝Ｇ５・Ｄ^*を求める。伝達関数Ｇ５は、たとえば、操作角δｈに対する横加速度Ｇｙの定常ゲインＧ_D（Ｖ）の逆数とされ、したがって、δ_FF＝Ｄ^*／Ｇ_D（Ｖ）となる。ゲインＧ_D（Ｖ）は、ＳＦをスタビリティファクタ、Ｌをホイールベースとして、次式により定義される。

Ｇ_D（Ｖ）＝Ｖ²／｛（１＋ＳＦ・Ｖ²）Ｌ｝
スタビリティファクタＳＦおよびホイールベースＬは、車両１００に固有の値であり、たとえばＳＦ＝０．００１１ｓ²／ｍ²、Ｌ＝２．５１２ｍとされる。
挙動指標値演算部４３は、横加速度センサ１５によって検出される横加速度Ｇｙ、ヨーレートセンサ１６によって検出されるヨーレートγおよび速度センサ１４によって検出される車速Ｖの検出値に基づいて、挙動指標値Ｄ（＝Ｋ１・Ｇｙ＋Ｋ２・γ・Ｖ）を求める。

挙動指標値偏差演算部４４は、目標挙動指標値演算部４１が演算した目標挙動指標値Ｄ^* と、挙動指標値演算部４３が演算した実際の挙動指標値Ｄとの偏差ΔＤ＝（Ｄ^* −Ｄ）を演算する。
転舵角修正値演算部４５は、その偏差ΔＤに対応する転舵角修正値δ_FBを、偏差ΔＤと舵角修正値δ_FBとの関係を規定する伝達関数Ｇ６に基づいて演算する。伝達関数Ｇ６は、たとえば、Ｋｐを比例ゲイン、Ｋｉを積分ゲイン、ｓをラプラス演算子として、ＰＩ制御がなされるように、Ｇ６＝（Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓ）／Ｇ_D（Ｖ）とされる。これにより以下の式が成立する。

δ_FB＝（Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓ）・ΔＤ／Ｇ_D（Ｖ）
比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉは、最適な制御を行えるように調整され、たとえば、Ｋｐ＝３、Ｋｉ＝２０とされる。
設定転舵角修正部４６は、転舵角設定部４２によって求められた舵角設定値δ_FFと転舵角修正値演算部４５によって求められた転舵角修正値δ_FBとの和として、目標舵角δ^*を演算する。よって、δ^*＝δ_FF＋δ_FB、δ_FF＝Ｄ^* ／Ｇ_D （Ｖ）、Ｄ^*＝Ｋ_D1・Ｖ・δｈであるから、定常状態でδ_FB＝０であるとき、目標舵角δ^*とステアリングホイール１の操作角δｈとの関係は次式の通りとなる。

δ^*＝｛Ｋ_D1・Ｖ・／Ｇ_D（Ｖ）｝δｈ
目標電流演算部４７の働きは、第１の実施形態における目標電流演算部３３と同様である。すなわち、設定転舵角修正部４６が算出する目標転舵角δ^*と伝達関数Ｇ３とに基づいて、目標電流値ｉ^*＝Ｇ３・δ^*を求める。
反力設定部４８の働きは、前述の第１の実施形態における目標反力トルク演算部３２の働きと類似している。すなわち、反力設定部４８は、角度センサ１１によって検出される操作角δｈと伝達関数Ｇ２とに基づいて、反力トルク設定値Ｔ_FF＝Ｇ２・δｈを求める。

挙動対応操作角演算部４９は、挙動指標値演算部４３によって求められた挙動指標値Ｄに対応する挙動対応操作角δ_Dを、挙動指標値Ｄと挙動対応操作角δ_Dとの関係を表す伝達関数Ｇ７に基づいて演算する。挙動対応操作角演算部４９は、たとえば、比例制御要素で構成することができ、その比例ゲインは車速Ｖの関数Ｋδ（Ｖ）とされ、δ_D＝Ｋδ（Ｖ）・Ｄとなる。定常状態においては、Ｄ^*＝Ｄであるから、以下の式が成立する。

δ_D＝Ｋδ（Ｖ）・Ｄ＝Ｋδ（Ｖ）・Ｋ_D1・Ｖ・δｈ
よって、ステアリングホイール１の操作角δｈが車両１００の挙動に対応するためには、すなわち、δ_D＝δｈとなるためには、以下の式が成立しなければならない。
Ｋδ（Ｖ）＝１／Ｋ_D1・Ｖ
よって、Ｋ_D1は比例定数であるから、Ｋδ（Ｖ）は、車速Ｖに反比例するものとされ、たとえば、Ｋδ（Ｖ）＝３／４Ｖとされる。

操作角偏差演算部５０は、角度センサ１１によって検出された操作角δｈと、挙動対応操作角演算部４９によって演算された挙動対応操作角δ_Dとの偏差（δｈ−δ_D）を演算する。
反力修正値演算部５１は、その演算された偏差（δｈ−δ_D）に対応する反力トルク修正値Ｔ_FBを、その偏差（δｈ−δ_D ）と反力トルク修正値Ｔ_FBとの関係を規定する伝達関数Ｇ８に基づいて演算する。この実施形態では、伝達関数Ｇ８は、Ｋｔｐを比例ゲイン、Ｋｔｉを積分ゲインとして、Ｇ８＝（Ｋｔｐ＋Ｋｔｉ／ｓ）とされる。たとえば、Ｋｔｐ＝１、Ｋｔｉ＝０．０００５とされる。

設定反力トルク修正部５２は、反力設定部４８が設定する反力トルク設定値Ｔ_FFと反力トルク修正値Ｔ_FBとの和として、目標反力トルクＴｍ^*を演算する。制御装置２０は、反力トルクＴｍが目標反力トルクＴｍ^*に対応するように、駆動回路２３を介して、反力アクチュエータ１９を駆動制御する。
反力ゲイン調整部５３は、目標反力トルクＴｍ^*に反力調整係数を乗じることによって、目標反力トルクＴｍ^*を調整する。より具体的には、反力ゲイン調整部５３は、轍路判定部３４による判定結果を受けて、轍路走行中には、通常路走行中よりも、反力調整係数を小さくする。さらに具体的には、反力ゲイン調整部５３は、たとえば、通常路走行中には、反力調整係数＝１とし、轍路走行中には、反力調整係数＝０．８とする。これにより、轍路走行中には、通常路走行中よりも反力が軽減されるので、運転者の操舵負担が軽減される。その結果、ステアリングホイール１の操作による車両挙動の安定化を促進または支援することができる。

図８は、この発明の第４の実施形態に係る車両用操舵装置としての電動パワーステアリング装置の構成を説明するための図解図である。操作部材としてのステアリングホイール６１に加えられた操作トルクは、ステアリングシャフト６２を介して、舵取り機構６３に機械的に伝達される。舵取り機構３には、操舵補助用アクチュエータとしての電動モータＭからの操舵補助力が、減速機構（図示せず）を介して、またはダイレクトドライブ方式によって、伝達されるようになっている。

ステアリングシャフト６２は、ステアリングホイール６１側に結合された入力軸６２Ａと、舵取り機構６３側に結合された出力軸６２Ｂとに分割されていて、これらの入力軸６２Ａおよび出力軸６２Ｂは、トーションバー６４によって互いに連結されている。トーションバー６４は、操作トルクＴｈに応じてねじれを生じるものであり、このねじれの方向および量は、トルクセンサ６５によって検出されるようになっている。このトルクセンサ６５の出力信号は、操作量の一例である操作トルクを表す信号として、コントローラ７０（ＥＣＵ：電子制御ユニット）に入力されている。

コントローラ７０には、トルクセンサ６５の出力信号のほかに、車速センサ６６が出力する車速信号、ステアリングシャフト６２の回転角を操作角として検出する操作角センサ６７が出力する操作角信号、横加速度センサ６８が出力する横加速度信号、および車両左右の車高変化量を検出する車高センサ６９Ｌ，６９Ｒが出力する車高変化量信号が入力されている。

コントローラ７０は、センサ６５〜６８，６９Ｌ，６９Ｒの検出信号に応じて、モータ駆動値としての電流指令値を定め、操作トルクＴｈおよび車速Ｖに応じた操舵補助力が舵取り機構６３に与えられるように、電動モータＭを駆動制御する。
コントローラ７０は、マイクロコンピュータ７１と、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)変換回路７２と、モータ駆動回路７３と、電動モータＭに流れる電流値を検出するモータ電流検出回路７４と、偏差演算回路７５とを備えている。マイクロコンピュータ７１は、トルクセンサ６５によって検出される操作トルクＴｈおよび車速センサ６６によって検出される車速Ｖに基づいて、電流指令値を演算し、偏差演算回路７５に与える。この偏差演算回路７５は、モータ電流検出回路７４によって検出されるモータ電流値と電流指令値との偏差を求め、この偏差をＰＷＭ変換回路７２に与える。ＰＷＭ変換回路７２は、偏差演算回路７５によって求められる偏差に対応したパルス幅のＰＷＭ駆動信号を発生し、モータ駆動回路７３に入力する。モータ駆動回路７３は、ＰＷＭ駆動信号に応じた電流を電動モータＭに供給する。そして、電動モータＭが発生する駆動力が、操舵補助力として、舵取り機構６３に伝達されることになる。

マイクロコンピュータ７１は、ＣＰＵ（中央処理装置）およびメモリを備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能する。この複数の機能処理部は、アシスト特性記憶部８１と、モータ電流目標値設定部８２と、轍路判定部８３と、ゲイン調整部８４とを備えている。
アシスト特性記憶部８１は、操作トルクＴｈおよび車速Ｖに対応したモータ電流目標値を予め定めた基本アシスト特性（アシストマップ）を記憶している。

モータ電流目標値設定部８２は、トルクセンサ６５によって検出される操作トルクＴｈおよび車速センサ６６によって検出される車速Ｖを、アシスト特性記憶部８１に記憶された基本アシスト特性に当てはめて、モータ駆動目標値としてのモータ電流目標値を求めて出力する。モータ電流目標値設定部８２は、そのほか、基本アシスト特性から求められる目標値に対して、いわゆる慣性補償制御やダンピング制御などの公知の補償制御演算を施してモータ電流目標値を求めるものであってもよい。

轍路判定部８３は、操作角センサ６７によって検出される操作角δｈ、横加速度センサ６８によって検出される車両の横加速度Ｇｙおよび車高センサ６９Ｌ，６９Ｒの出力から得られる車高変化量左右差に基づいて、車両が轍路を走行中か否かを判定するものであり、前述の第１の実施形態における轍路判定部３４と実質的に同様の働きを有するものである。

ゲイン調整部８４は、モータ電流目標値設定部８２によって設定されたモータ電流目標値にゲインを乗じて電流指令値を生成するもので、轍路判定部８３による判定結果に応じて、ゲインを高低に切り換える。より具体的には、轍路判定部８３によって、轍路走行中でなく、通常路走行中であると判定されているときには第１のゲインを設定し、轍路判定部８３によって轍路走行中であると判定されているときには、第１のゲインよりも大きな第２のゲインを設定する。

このような構成により、轍路走行中には、通常走行時よりも絶対値の大きな電流指令値が生成されることになる。これにより、轍路走行中には、舵取り機構６３に対して、より大きな操舵補助力が与えられることになり、運転者のステアリング操作を、より促進または支援することができる。その結果、運転者がステアリングホイール６１から感じる操作反力が小さくなり、運転者は、少ない操舵負担で、ステアリングホイール６１を大きく、かつ、すばやく操作して、車両挙動の安定化を図ることができる。

図９は、モータ電流目標値設定部８２の働きを説明するための図であり、操作トルクＴｈに対するモータ電流目標値Ｉobjの関係が示されている。
操作トルクＴｈは、たとえば右方向への操舵のためのトルクが正の値にとられ、左方向への操舵のためのトルクが負の値にとられている。また、モータ電流目標値Ｉobjは、電動モータＭから右方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには正の値とされ、電動モータＭから左方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには負の値とされる。

モータ電流目標値Ｉobjは、操作トルクＴｈの正の値に対しては正の値をとり、操作トルクＴｈの負の値に対しては負の値をとる。操作トルクが−Ｔ１〜Ｔ１（たとえば、Ｔ１＝０．４Ｎ・ｍ）の範囲（トルク不感帯）の微小な値のときには、モータ電流目標値Ｉobjは零とされる。
また、モータ電流目標値Ｉobjは、車速センサ６６によって検出される車速Ｖが大きいほど、その絶対値が小さく設定されるようになっている。これにより、低速走行時には大きな操舵補助力を発生させることができ、高速走行時には操舵補助力を小さくすることができる。

操作トルクＴｈに対するモータ電流目標値Ｉobjの関係は、基本アシスト特性としてアシスト特性記憶部８１に記憶されている。アシスト特性記憶部８１には、複数の車速域にそれぞれ対応する複数の基本アシスト特性が格納されている。この複数の基本アシスト特性は、操作トルクＴｈおよび車速Ｖに対するマップの形式でアシスト特性記憶部８１に記憶されていてもよい。

以上、この発明の４つの実施形態について説明したが、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、前述の第１の実施形態では、操作量として操作角δｈを用い、この操作角δｈと目標転舵角δ^*との関係を、轍路走行中か否かに応じて変更するようにしているが、操作量として操作トルクＴｈを用い、この操作トルクＴｈと目標転舵角δ^*との関係（操作トルクＴｈに対する目標転舵角δ^*の割合（転舵割合））を轍路走行中か否かに応じて変更してもよい。また、第２，第３の実施形態において、操作量としての操作トルクＴｈに基づいて目標転舵角δ^*や目標挙動指標値Ｄ^*を求める構成とすることもできる。

また、第１〜第３の実施形態では、ステア・バイ・ワイヤシステムを例にとったが、同様な制御は、ステアリングホイールと舵取り車輪との間が、操作角と転舵角との関係が可変な可変ギヤ比型操舵装置に対しても適用することができる。この場合、ステアリングホイールと舵取り車輪との間は、必ずしも機械的に切り離されている必要はなく、たとえば、可変伝達比ユニットを介して両者間が機械的に結合されていてもよい。

また、前述の第１の実施形態では、目標転舵角δ^*の演算に車速係数Ｋ_Vを用いているが、この車速係数Ｋ_Vを用いる代わりに、係数Ｋ₀，Ｋ₁，Ｋ₂，Ｋ₃を車速Ｖの関数として設定するようにしてもよい。
さらに、たとえば、第１または第２の実施形態による制御と、第３の実施形態による制御とを、車速Ｖに応じて切り換えるようにしてもよい。すなわち、たとえば、車速Ｖが所定の車速閾値（たとえば時速１０ｋｍ）未満の範囲では第１または第２の実施形態による制御を行い、車速Ｖが前記車速閾値以上の範囲では前記第３の実施形態による制御に切り換える制御切り換え手段が備えられていてもよい。

また、前述の第４の実施形態では、モータ電流目標値設定部８２が設定するモータ電流目標値に対してゲインの調整を行う構成としたが、このようなゲイン調整の代わりに、轍路走行時用アシスト特性と通常路走行時用アシスト特性とを含む少なくとも２種類のアシスト特性を表すアシストマップをアシスト特性記憶部８１に格納しておくようにしてもよい。この場合、モータ電流目標値設定部８２は、轍路判定部８３が轍路走行中であると判定したときには轍路走行時用アシスト特性に対応するアシストマップに従ってモータ電流目標値を設定し、轍路判定部８３が轍路走行中でないと判定したときには通常路走行時用アシスト特性に対応するアシストマップに従ってモータ電流目標値を設定する。むろん、轍路走行時用アシスト特性は、通常路走行時用アシスト特性よりも大きな操舵補助力を発生させるモータ電流目標値に対応した特性とされる。

また、前述の第４の実施形態では電動パワーステアリング装置を例にとったが、反力調整機構が備えられた油圧式パワーステアリング装置においても、轍路走行中か否かを判定する轍路判定部を設け、この轍路判定部による判定結果に応じて反力調整機構を調整することによって、轍路走行中は通常路走行中よりも操作反力を小さくするようにすれば、同様の効果が得られる。

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。

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図解図である。 第１の実施形態に係る制御ブロック図である。 目標転舵角を求めるための係数を定めるマップの例を示す図である。 操舵制御処理を説明するためのフローチャートである。 この発明の第２の実施形態を説明するための制御ブロック図である。 目標反力マップの一例を示す図である。 この発明の第３の実施形態を説明するための制御ブロック図である。 この発明の第４の実施形態に係る車両用操舵装置としての電動パワーステアリング装置の構成を説明するための図解図である。 操作トルクに対するモータ電流目標値の関係（アシスト特性）を示す図である。

符号の説明

１…ステアリングホイール、２…操舵用アクチュエータ、４…前方左右車輪、５…舵取り機構、１１…角度センサ、１２…トルクセンサ、１３…舵角センサ、１４…速度センサ、１５…横加速度センサ、１６…ヨーレートセンサ、１７，１８…車高センサ、１９…反力アクチュエータ、３１…目標転舵角演算部、３２…目標反力トルク演算部、５１…反力修正値演算部、６１…ステアリングホイール、６５…トルクセンサ、６７…操作角センサ、７０…コントローラ、７１…マイクロコンピュータ

Claims (3)

1. 車両の操向のための操作部材の操作に応じて車輪を転舵させる車両用操舵装置であって、
   前記操作部材の操作角、前記車両の車高変化量の左右差、および前記車両の横加速度に基づいて、前記車両が轍路を走行しているかどうかを判定する轍路判定手段と、
   この轍路判定手段が轍路走行中であると判定したときには、当該轍路判定手段が轍路走行中でないと判定したときよりも、前記操作部材の操作に応じた車輪の転舵を促進する操舵促進制御手段とを含み、
   前記操舵促進制御手段が、轍路走行中には、轍路走行中でないときよりも、前記操作部材の操作量に対する車輪の転舵角の割合を大きくする転舵割合制御手段を含み、
   前記転舵割合制御手段が、轍路走行中において、前記操作部材の操作量の時間微分成分の絶対値が大きいほど大きくなるように、前記操作部材の操作量に対する車輪の転舵角の割合を定めるものであることを特徴とする車両用操舵装置。
2. 前記轍路判定手段は、前記操作角の絶対値が第１所定値未満であり、前記車高変化量の左右差の絶対値が第２所定値を超えており、かつ前記横加速度の絶対値が第３所定値未満である状態が所定時間を超えて継続したときに、前記車両が轍路走行中であると判断することを特徴とする請求項１記載の車両用操舵装置。
3. 前記操作部材の操作反力を調整する操作反力調整手段をさらに含み、
   前記操舵促進制御手段が、轍路走行中には、轍路走行中でないときよりも、操作反力が小さくなるように、前記操作反力調整手段を制御する操作反力制御手段を含むものであ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。

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