JP2000085603A

JP2000085603A - 操舵制御装置

Info

Publication number: JP2000085603A
Application number: JP25696998A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kawaguchi; 裕川口; Nobuyoshi Sugitani; 伸芳杉谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2000-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】車輪の転舵角をアクチュエータで制御する場
合、その制御量は目標転舵角との偏差に応じて決定して
いるため、転舵負荷状態が変化した場合には制御性が低
下する場合がった。【解決手段】下記の演算式をもとに転舵モータ２２の
制御量Ｔｗを設定する。転舵負荷に相当する制御量は、
ラック軸２３の軸力Ｆに関した右辺第４項で規定される
ため、転舵負荷が増加した場合にも、定常偏差が増加す
る事態を回避でき、また、制御ゲインを増加させるなど
の処理が不要となり、好適な転舵制御を実施できる。Ｔｗ＝Ｋｐ・（Ｘｔ−Ｘｒ）＋Ｋｄ・ｄ（Ｘｔ−Ｘｒ）
／ｄｔ＋Ｋｉ・∫（Ｘｔ−Ｘｒ）ｄｔ＋Ｋｆ・Ｆ

Description

【発明の詳細な説明】

【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２−８５０５９号では、図７に示す
制御システムが開示されており、操舵ハンドル１０１は
操舵軸１０２を介して反力機構１０３に連結されてお
り、反力機構１０３におけるモータの駆動力により操舵
反力が与えられる。また、転舵モータ１０５の駆動力に
よりラック軸１０４を横方向に変位させ、車輪１０６を
転舵させる機構となっている。この際、転舵モータ１０
５に与える制御電圧Ｖｍは、下記の（Ａ）式、（Ｂ）式
に基づいて決定している。なお、下記式中、Θ_Tは実転
舵角、Θ_Hは操舵角、αはステアリングギヤ比、Ａ１，
Ａ２，Ａ３はゲイン係数を示す。

【０００３】 Θ＝Θ_T−Θ_H／α …（Ａ）Ｖｍ＝Ａ１・Θ＋Ａ２・（ｄΘ／ｄｔ）＋Ａ３・∫Θｄｔ …（Ｂ）

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように従来では、
転舵モータ１０５に与える制御電圧Ｖｍは、（Ｂ）式の
ように、実転舵角Θ_Tと操舵角Θ_Hから得られる舵角偏差
Θに基づいて設定している。

【０００５】一方、車輪１０６を転舵させるには、車輪
１０６に作用するセルフアライニングトルクに基づき操
舵系に加わる復元モーメントと、路面−車輪間の摩擦を
含む転舵機構の摩擦力とが転舵負荷として作用し、この
転舵負荷に抗してラック軸１０４を変位させることが必
要となる。このような転舵負荷は、車両の走行状態に応
じて変化するが、例えば転舵負荷が増加した場合、
（Ｂ）式では舵角偏差Θが増加する傾向となり、この状
況下で操舵ハンドル１０１の切り返し操作を行った場合
には、転舵の応答遅れが顕著となり、運転者に操舵違和
感を与えてしまう。また、（Ｂ）式における各項のゲイ
ン係数Ａ１，Ａ２，Ａ３を増加させることで制御電圧Ｖ
ｍを増加させ、舵角偏差Θを減少させることも可能では
あるが、このようにゲイン係数Ａ１，Ａ２，Ａ３を増加
させると、制御システムに振動が発生し易くなり、制御
性が低下するおそれがある。

【０００６】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、転舵の負荷状態が変化し
た場合にも、好適に転舵制御を行い得る操舵制御装置を
提供することにある。

【０００７】

【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、転舵輪の実転舵角を検知する転舵角検知手段
と、転舵の負荷状態を検知する転舵負荷状態検知手段
と、操舵ハンドルの操作に応じ、制御目標となる転舵輪
の目標転舵角を設定する目標転舵角設定手段と、目標転
舵角と実転舵角との偏差に基づく制御量と、転舵の負荷
状態に基づく制御量とにより、アクチュエータに対する
制御量を設定する制御量設定手段とを備えて構成する。

【０００８】転舵の負荷状態がどのように変化した場合
にも、転舵の負荷状態に相当する制御量は、転舵の負荷
状態に基づく制御量として個別に設定され、目標転舵角
と実転舵角との偏差に基づく制御量に影響を及ぼすこと
はない。従って、転舵の負荷状態が変化した場合にも、
応答性の低下や制御システムの振動を抑え、好適な転舵
制御を実施できる。

【０００９】請求項２にかかる操舵制御装置は、請求項
１における操舵制御装置において、転舵負荷状態検知手
段は、転舵軸に作用する軸力を検知する手段であること
を特徴とする。

【００１０】転舵軸に作用する軸力の大きさが、転舵の
負荷状態を直接的に示す情報となるため、転舵軸に作用
する軸力を検知することで、転舵の負荷状態を検知でき
る。従って、制御量設定手段では、目標転舵角と実転舵
角との偏差に基づく制御量と、転舵軸に作用する軸力の
大きさに基づく制御量により、アクチュエータに対する
制御量を設定することになる。

【００１１】請求項３にかかる操舵制御装置は、請求項
１における操舵制御装置において、転舵負荷状態検知手
段は、車両の挙動状態を検知する手段であることを特徴
とする。

【００１２】車両に作用する横加速度やヨーレートなど
は、転舵の負荷状態を間接的に示す情報となるため、こ
のような車両の挙動状態を検知することで、転舵の負荷
状態を把握することができる。従って、制御量設定手段
では、目標転舵角と実転舵角との偏差に基づく制御量
と、車両の挙動状態に基づく制御量とにより、アクチュ
エータに対する制御量を設定する。

【００１３】請求項４にかかる操舵制御装置は、請求項
１又は３における操舵制御装置において、制御量設定手
段は、転舵の負荷状態に基づく制御量を、車速に応じて
変化させることを特徴とする。

【００１４】車両の挙動状態としての横加速度は、（車
速）²／回転半径として表されるディメンジョンを持
ち、車速の２乗に比例して増加するため、高車速域では
特に車速変化に対する影響が強い。このため、低車速で
は、転舵の負荷状態に基づく制御量をより大きな値に設
定し、高車速ではより小さな値に設定することで、車速
による影響を抑制し、実際に作用する転舵負荷の大きさ
に対応させる。また、車両の挙動状態としてのヨーレー
トは、車速／回転半径として表されるディメンジョンを
持ち、高車速ほど、転舵の負荷状態に基づく制御量をよ
り大きな値に設定することで、実際に作用する転舵負荷
の大きさに対応させる。

【００１５】

【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。

【００１６】図１に第１の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。

【００１７】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。

【００１８】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２
２によって、ラックハウジング２３ｈ内のラック軸２３
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、ラックハウジング２
３ｈに対して、ラック軸２３のストローク位置を検出す
る位置センサ２６の本体を固定し、その検出ロッドをラ
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２６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、ラッ
ク軸２３には軸力センサ２９を設けており、ラック軸２
３に加わる軸力を検出している。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。そして、駆
動回路２７から転舵モータ２２に供給される、転舵モー
タ２２の負荷電流を電流センサ２８によって検出してい
る。

【００１９】制御装置３０には、操舵角センサ１４、位
置センサ２６、電流センサ２８、軸力センサ２９の検出
結果の他、車速を検出する車速センサ４１、車両の横方
向の運動状態としてのヨーレートを検出するヨーレート
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。

【００２０】ここで制御装置３０で実施する反力モータ
１１の制御処理について、図２のフローチャートに沿っ
て説明する。

【００２１】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を読み込む。

【００２２】続くＳ１０４では、Ｓ１０２で読み込まれ
た操舵角θをもとに、反力モータ１１に対する制御量Ｔ
ｈを設定する。この際、下記（１）式に示す演算処理を
行うことで、操舵角θに応じた制御量Ｔｈを設定する。
なお、（１）式中、Ｃｐ、Ｃｄ、Ｃｄｄは、該当する演
算項のゲインを示すゲイン係数である。

【００２３】Ｔｈ＝Ｃｐ・θ＋Ｃｄ・ｄθ／ｄｔ＋Ｃｄｄ・ｄ²θ／ｄｔ² …（１）続くＳ１０６では、Ｓ１０４における演算結果となる制
御量Ｔｈを、反力モータ１１の駆動回路１５に対して出
力し、駆動回路１５は制御量Ｔｈに応じて反力モータ１
１を駆動する。

【００２４】このような処理を繰り返すことで、操舵ハ
ンドル１３の操舵角θに応じた操舵反力を反力モータ１
１で発生させる。

【００２５】次に、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３のフローチャートに沿っ
て説明する。

【００２６】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、車速セ
ンサ４１で検出された車速Ｖ、軸力センサ２９で検出さ
れた軸力Ｆ及び位置センサ２６で検出されたラック軸２
３の実ストローク位置Ｘｒをそれぞれ読み込む。

【００２７】続くＳ２０４では、Ｓ２０２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４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、Ｓ２０２で読み込まれた操舵角θと車
速Ｖから、図４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。

【００２８】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の転舵角に対応するため、「目標
ストローク位置」は車輪２１の「目標転舵角」と同義で
ある。

【００２９】続くＳ２０６では、Ｓ２０２で読み込んだ
ラック軸２３の実ストローク位置Ｘｒ及び軸力Ｆと、Ｓ
２０４で設定したラック軸２３の目標ストローク位置Ｘ
ｔとをもとに、転舵モータ２２に対する制御量Ｔｗを、
下記の（２）式に基づいて設定する。なお、（２）式
中、Ｋｐ、Ｋｄ、Ｋｉ、Ｋｆは、該当する演算項のゲイ
ンを示すゲイン係数である。

【００３０】Ｔｗ＝Ｋｐ・（Ｘｔ−Ｘｒ）＋Ｋｄ・ｄ（Ｘｔ−Ｘｒ）／ｄｔ＋Ｋｉ・∫（Ｘｔ−Ｘｒ）ｄｔ＋Ｋｆ・Ｆ …（２）車両が旋回している状態では、車輪２１に横力が作用
し、車両に横加速度が作用するが、この横加速度は、車
輪２１に作用する復元モーメントと比例関係となる。一
方、車輪２１を転舵させる際には、車輪２１に作用する
復元モーメントと、路面−車輪間の摩擦を含む転舵機構
２０の摩擦力とが転舵負荷として作用し、この転舵負荷
に抗してラック軸２３を変位させることが必要となる。
この転舵負荷の大きさは、車両の走行状態によって変化
するが、ラック軸２３に作用する軸力Ｆが転舵負荷に相
当し、この軸力Ｆを軸力センサ２９で検知することで、
転舵負荷の大きさを検知できる。

【００３１】（２）式の右辺は、第１項、第２項及び第
３項が、ラック軸２３の目標ストローク位置Ｘｔと実ス
トローク位置Ｘｒとの偏差に基づく制御量（転舵角偏差
項）であり、第４項がラック軸２３に作用する軸力Ｆに
基づく制御量（転舵負荷状態項）となっている。このよ
うに、転舵モータ２２に対する制御量Ｔｗを設定する演
算式中に、転舵負荷の大きさに応じて変化する転舵負荷
状態項を含めておくことで、転舵負荷が変化した場合に
も、転舵負荷に相当する制御量は転舵負荷状態項で規定
され、転舵角偏差項に影響を及ぼすことはない。従っ
て、転舵負荷が増加した場合にも、転舵角偏差項に関す
る定常偏差が増大する現象を回避でき、このような状況
下で操舵ハンドル１３の切り返し操作を行った場合に
も、転舵の応答遅れが増長されることはない。また、転
舵負荷が増加した場合に、転舵角偏差項に関するゲイン
を増加させるなどの処理を施す必要もないため、制御シ
ステムにおける振動の発生を抑え、好適な転舵制御を実
施できる。

【００３２】Ｓ２０６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、Ｓ２０８に進み、Ｓ２０
６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。

【００３３】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及び転舵の負
荷状態に応じた車輪２１の転舵制御が継続して実行され
る。

【００３４】以上説明した実施形態では、転舵の負荷状
態をラック軸２３に作用する軸力として検知したが、ラ
ック軸２３に作用する軸力は転舵モータ２２の負荷とし
て作用するため、転舵モータ２２にかかる負荷の大きさ
（発生トルク）をもとに転舵の負荷状態を検知すること
もできる。この場合、転舵モータ２２を直流モータとす
ると、その負荷の大きさは転舵モータ２２の負荷電流の
大きさに比例するので、電流センサ２８で検出される負
荷電流Ｉをもとに転舵の負荷状態を検知することができ
る。

【００３５】従って、負荷電流Ｉを用いると、前出の
（２）式における転舵負荷状態項は、下記の（３）式に
おける右辺第４項として表すことができる。なお、
（３）式中、Ｋｉはゲインを示すゲイン係数である。

【００３６】Ｔｗ＝Ｋｐ・（Ｘｔ−Ｘｒ）＋Ｋｄ・ｄ（Ｘｔ−Ｘｒ）／ｄｔ＋Ｋｉ・∫（Ｘｔ−Ｘｒ）ｄｔ＋Ｋi・Ｉ …（３）また、他の実施形態としては、車両に作用する横加速度
Ｇｙが車輪２１に作用する復元モーメントに比例するた
め、横加速度センサ４３で検出された横加速度Ｇｙの大
きさを、転舵の負荷状態を示す指標として採用すること
もできる。この場合、横加速度Ｇｙを用いると、前出の
（２）式における転舵負荷状態項は、下記の（４）式に
おける右辺第４項として表すことができる。

【００３７】Ｔｗ＝Ｋｐ・（Ｘｔ−Ｘｒ）＋Ｋｄ・ｄ（Ｘｔ−Ｘｒ）／ｄｔ＋Ｋｉ・∫（Ｘｔ−Ｘｒ）ｄｔ＋Ｋｇ（Ｖ）・Ｇｙ …（４）（４）式中、Ｋｇ（Ｖ）は横加速度Ｇｙに関する項のゲ
インを示すゲイン係数であり、この場合、ゲイン係数Ｋ
ｇ（Ｖ）は車速Ｖに応じて設定する。これは、横加速度
Ｇｙが、（車速）²／回転半径として表されるディメン
ジョンを持ち、車速の２乗に比例して増加するので車速
変化に対する影響が強いためである。

【００３８】そこで、例えば、図５に示すマップをもと
に、低車速ほどゲイン係数Ｋｇ（Ｖ）を大きな値に、高
車速ほどゲイン係数Ｋｇ（Ｖ）を小さな値になるよう
に、車速Ｖに応じてゲイン係数Ｋｇ（Ｖ）を設定する。
これにより、車速Ｖによる影響を抑制して、横加速度Ｇ
ｙの値を、実際に作用する転舵負荷の大きさに対応させ
ることができる。

【００３９】さらに、他の実施形態としては、ヨーレー
トセンサ４２で検出されたヨーレートγの大きさを、転
舵の負荷状態を示す指標として採用することもできる。
この場合、ヨーレートγを用いると、前出の（２）式に
おける転舵負荷状態項は、下記の（５）式における右辺
第４項として表すことができる。

【００４０】Ｔｗ＝Ｋｐ・（Ｘｔ−Ｘｒ）＋Ｋｄ・ｄ（Ｘｔ−Ｘｒ）／ｄｔ＋Ｋｉ・∫（Ｘｔ−Ｘｒ）ｄｔ＋Ｋｙ（Ｖ）・γ …（５）（５）式中、Ｋｙ（Ｖ）は、ヨーレートγに関する項の
ゲインを示すゲイン係数であり、この場合も、ゲイン係
数Ｋｙ（Ｖ）は車速Ｖに応じて設定する。これは、ヨー
レートγが、車速／回転半径として表されるディメンジ
ョンを持つ関係で、横加速度Ｇｙほど車速変化の影響が
強く反映されることはないが、高車速ほど、実際に作用
する転舵負荷の大きさとヨーレートγとの対応関係が崩
れるためである。また、車速Ｖの大きさに準じたゲイン
係数をヨーレートγに乗じることで、この項のディメン
ジョンが、実質的に（車速）²／回転半径となり、
（４）式の転舵負荷状態項と同じディメンジョンとなる
ことからも推察できる。

【００４１】そこで、例えば、図６に示すマップをもと
に、車速Ｖに比例するようにゲイン係数Ｋｙ（Ｖ）を設
定することにより、検出されたヨーレートγの値を、実
際に作用する転舵負荷の大きさに対応させることができ
る。

【００４２】

【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、制御量設定手段は、目標転舵角
と実転舵角との偏差に基づく制御量と、転舵の負荷状態
に基づく制御量とにより、アクチュエータに対する制御
量を設定するので、転舵の負荷状態に相当する制御量を
個別に設定するため、目標転舵角と実転舵角との偏差に
基づく制御量に影響を及ぼすことはない。従って、転舵
の負荷状態が変化した場合にも、応答性の低下や制御シ
ステムの振動を抑え、好適な転舵制御を実施できる。

【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】反力モータの駆動制御を示すフローチャートで
ある。

【図３】転舵モータの駆動制御を示すフローチャートで
ある。

【図４】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５】車速Ｖとゲイン係数Ｋｇ（Ｖ）との関係を規定
したマップである。

【図６】車速Ｖとゲイン係数Ｋｙ（Ｖ）との関係を規定
したマップである。

【図７】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、２６…位置センサ、２８…電流センサ、２９
…軸力センサ、３０…制御装置、４１…車速センサ、４
２…ヨーレートセンサ、４３…横加速度センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3D032 CC04 CC12 DA01 DA03 DA04 DA23 DA29 DA33 DA64 DB11 DC01 DD01 DD02 DE03 EA01 EA02 EB04 EC22 GG01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、転舵輪の実転舵角を検知する転舵角検知手段と、転舵の負荷状態を検知する転舵負荷状態検知手段と、操舵ハンドルの操作に応じ、制御目標となる転舵輪の目
標転舵角を設定する目標転舵角設定手段と、前記目標転舵角と前記実転舵角との偏差に基づく制御量
と、前記転舵の負荷状態に基づく制御量とにより、前記
アクチュエータに対する制御量を設定する制御量設定手
段とを備える操舵制御装置。
【請求項２】前記転舵負荷状態検知手段は、前記転舵
軸に作用する軸力を検知する手段である請求項１記載の
操舵制御装置。
【請求項３】前記転舵負荷状態検知手段は、車両の挙
動状態を検知する手段である請求項１記載の操舵制御装
置。
【請求項４】前記制御量設定手段は、前記転舵の負荷
状態に基づく制御量を、車速に応じて変化させる請求項
１又は３記載の操舵制御装置。