JP2008189200A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵操作に対する車両の挙動の応答性と収束性との向上を両立できる車両用操舵装置を提供すること。
【解決手段】車両用操舵装置は、ステアリングの操舵角度を検出する操舵角度センサ２４と、ステアリングの操舵角速度を算出する角速度算出部５５１と、車速を検出する車速センサ６１と、これら操舵角度、操舵角速度、及び車速に基づいて目標舵角を設定する制御装置５０と、を備える。制御装置５０は、操舵角度に比例した比例項を設定する比例項算出部５４と、操舵角速度に比例した微分項を設定する微分項算出部５５とを備え、これら比例項と微分項との和に基づいて目標舵角を設定すると共に、操舵角速度が負である場合には、前記操舵角速度が正である場合よりも、微分項を小さな値に補正する戻し補正部５５３を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用の操舵装置に関する。より具体的には、運転者が操舵操作を行うステアリングと、転舵輪を転舵させる転舵機構とが機械的に連結されていない所謂ステア・バイ・ワイヤ方式の操舵装置などに関する。

従来より、ステアリングホイルに結合した操舵軸と転舵輪を転舵させる転舵機構とが機械的に分離され、ステアリング装置に設けられたステアリングモータを操舵装置から電気的に制御する所謂ステア・バイ・ワイヤ方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、このようなステア・バイ・ワイヤ方式の他、運転者によるステアリングホイルの操作量に対する転舵輪の舵角制御量を可変できるアクティブステアシステムも提案されている。以上のような操舵装置では、ステアリングホイルの操作量や、車両の状態に応じて、転舵輪の目標舵角を決定し、この決定された目標舵角に応じて転舵輪を転舵させている。

ところで、上述のような操舵装置では、目標舵角δ_fを決定する際に、例えば次のように、操舵角度θ_hに比例した比例項と操舵角速度θ_h’（操舵角度θ_hの時間微分）に比例した微分項との和に基づいて決定される。
δ_f＝Ｋ_０(Ｖ)・θ_h＋Ｋ_１(Ｖ)・θ_h’
ここで、Ｖは車両の車速であり、Ｋ_０(Ｖ)は車速Ｖに応じて決定される比例制御ゲインであり、Ｋ_１(Ｖ)は車速Ｖに応じて決定される微分制御ゲインである。このように、比例項と微分項の和に基づいて、目標舵角δ_fを決定することにより、運転者によるステアリングホイルの操舵操作に対する応答性を向上させることができる。
特開２００５−２９０１６号公報

しかしながら、上述のようにして目標舵角を決定することにより、車両挙動の応答性を向上できるものの、この応答の収束性が悪化するおそれがあった。特に、微分制御ゲインＫ_１(Ｖ)を大きく設定すると、運転者の操舵操作に対する車両挙動の応答性をさらに向上できるものの、一方では、車両挙動の収束性や安定性が悪化するおそれがあった。

より具体的には、このような微分項を含めることにより、例えば、運転者がステアリングホイルを切り返した場合には、この切り返しに伴って、微分項の正負が逆転する。この結果、運転者の意思に反して目標舵角が大きく変化してしまい、車両挙動の収束性や安定性が悪化してしまうこととなる。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、操舵操作に対する車両の挙動の応答性の向上と収束性の向上とを両立できる車両用操舵装置を提供することを目的とする。

（１） ステアリングホイル（例えば、後述のステアリングホイル２１）と、前記ステアリングホイルの操舵角度を検出する操舵角度検出手段（例えば、後述の操舵角度センサ２４）と、前記ステアリングホイルの操舵角速度を算出する操舵角速度算出手段（例えば、後述の角速度算出部５５１）と、車速を検出する車速検出手段（例えば、後述の車速センサ６１）と、を備え、前記操舵角度、前記操舵角速度、及び前記車速に基づいて目標舵角（例えば、後述の制御指示舵角δ_f）を設定し、該設定された目標舵角に応じて転舵アクチュエータ（例えば、後述の転舵アクチュエータ３３）を駆動し転舵輪（例えば、後述の転舵輪３１，３１）を転舵する車両用操舵装置（例えば、後述の車両用操舵装置１）において、前記操舵角度に比例した比例項（例えば、後述の比例項Ｋ_０(Ｖ)・θ_h）と、前記操舵角速度に比例した微分項（例えば、後述の微分項Ｋ_１(Ｖ)・θ_h’）との和に基づいて前記目標舵角を設定すると共に、前記操舵角速度が負である場合には、前記操舵角速度が正である場合よりも、前記微分項を小さな値に補正することを特徴とする車両用操舵装置。

（１）の発明によれば、目標舵角は、ステアリングホイルの操舵角度に比例した比例項と、操舵角速度に比例した微分項との和に基づいて、設定される。ここで、微分項を含めて、目標舵角を操舵角速度に応じたものとすることにより、運転者の操舵操作に対する車両挙動の応答性を向上させることができる。すなわち、運転者がステアリングホイルを素早く操舵操作した場合には、これに応じて目標舵角も素早く変化することとなるため、車両挙動の応答性を向上させることができる。

また、（１）の発明によれば、操舵角速度が負である場合、すなわち、ステアリングホイルが戻し操作された場合には、微分項は小さな値に補正される。これにより、例えば、ステアリングホイルの切り返し時などにおいて、運転者の意思に反して目標舵角が大きく振れてしまい、車両挙動の収束性や安定性が悪化するのを防止できる。また、これにより特に、運転者にとって違和感の伴う、横加速度の収束性が悪化するのを防止することができる。したがって、本発明によれば、操舵操作に対する車両の挙動の応答性の向上と収束性の向上とを両立できる。

本発明によれば、目標舵角の設定に微分項を含めて、目標舵角を操舵角速度に応じたものとすることにより、運転者の操舵操作に対する車両挙動の応答性を向上させることができる。また、操舵角速度が負である場合に、微分項を小さな値に補正することにより、例えば、ステアリングホイルの切り返し時などにおいて、運転者の意思に反して目標舵角が大きく振れてしまい、車両挙動の収束性や安定性が悪化するのを防止できる。また、これにより特に、運転者にとって違和感の伴う、横加速度の収束性が悪化するのを防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置１の構成を示す模式図である。
車両用操舵装置１は、運転者による操舵操作が入力される操舵機構２０と、この操舵機構２０の操舵操作に基づいて一対の転舵輪３１，３１を転舵させる転舵機構３０と、これら操舵機構２０及び転舵機構３０を制御する制御装置５０と、を含んで構成される。本発明の車両用操舵装置１は、これら操舵機構２０と転舵機構３０とを機械的に分離した、所謂ステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）方式の車両用操舵装置である。

操舵機構２０は、運転者が操舵可能なステアリングホイル２１と、このステアリングホイル２１を回転可能に支持する略棒状のステアリングシャフト２２と、このステアリングシャフト２２にトルクを付与する反力モータ２３と、を含んで構成される。

反力モータ２３は、その出力軸がステアリングシャフト２２と連結されており、これにより、ステアリングホイル２１を中立位置に復帰させる方向に作用する反力と、この中立位置に復帰させる方向とは反対の方向に作用させる復帰抵抗力と、を発生させることが可能となっている。ここで、反力モータ２３とステアリングシャフト２２とは、図示しないウォームギヤ機構により連結されている。

ステアリングシャフト２２には、このステアリングシャフト２２に連結されたステアリングホイル２１の中立位置からの操舵角度θ_h（回転角度）を検出する操舵角度検出手段としての操舵角度センサ２４が設けられている。なお、本実施形態では、ステアリングホイル２１の操舵角度θ_hは、中立位置をθ_h＝０として、正の値で定義されるものとする。また、ここで、ステアリングホイル２１の中立位置とは、転舵輪３１，３１が直進状態になるように制御装置５０によって制御されるステアリングホイル２１の位置に対応する。

転舵機構３０は、略棒状のラック軸３２と、このラック軸３２に転舵動力を付与する転舵アクチュエータ３３と、ラック軸３２の両端側に連結された転舵輪３１，３１と、を含んで構成される。転舵アクチュエータ３３は、ステアリングホイル２１の回転に応じて駆動される。また、この転舵アクチュエータ３３は、ラック軸３２とラックアンドピニオン機構で連結されており、これにより、ラック軸３２に転舵動力を付与することが可能となっている。

ラック軸３２の両端部には、それぞれ、ステアリングロッド３５，３５、タイロッド３６，３６、及びナックルアーム３７を介して、転舵輪３１，３１が連結されている。これにより、転舵アクチュエータ３３により付与された転舵動力は、ラック軸３２及びステアリングロッド３５，３５の直線運動に変換され、タイロッド３６，３６及びナックルアーム３７，３７を介して、転舵輪３１，３１に伝達し、これら転舵輪３１，３１の舵角を変化させる。また、ラック軸３２には、転舵輪３１の舵角を検出する舵角センサ３８が設けられている。具体的には、この舵角センサ３８は、ステアリングロッド３５の作動量を検出するポテンショメータから構成されている。

制御装置５０は、上述の操舵角度センサ２４及び舵角センサ３８の他、車両の車速Ｖを検出する車速検出手段としての車速センサ６１、及び、車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサ６２等からの入力信号に基づいて、操舵機構２０及び転舵機構３０を制御する。ここで、操舵機構２０及び転舵機構３０は、それぞれ、反力モータ駆動回路５１及び転舵アクチュエータ駆動回路５２を介して、制御装置５０に接続されている。

反力モータ駆動回路５１は、制御装置５０からの出力に基づいて反力モータ２３を駆動し、車両の走行状態及び運転者による操作状態に応じて、ステアリングホイル２１に対して反力、又は、復帰抵抗力を付与する。

転舵アクチュエータ駆動回路５２は制御装置５０からの出力に基づいて転舵アクチュエータ３３を駆動し、転舵輪３１，３１を転舵させる。ここで、転舵アクチュエータ駆動回路５２には、制御装置５０において車両の走行状態及びステアリングホイル２１の操作状態に応じて決定された制御指示舵角δ_fが入力される。転舵アクチュエータ駆動回路５２は、転舵輪３１，３１の舵角が制御指示舵角δ_fと一致するように、転舵アクチュエータ３３を駆動する。

図２は、制御装置５０の構成を示すブロック図であり、制御装置５０のうち、転舵機構３０の制御に関する制御ブロックのみを示している。より具体的には、図２は、制御装置５０のうち、転舵アクチュエータ駆動回路５２に出力する制御指示舵角δ_fの決定に関わるブロックのみを示している。

図２に示すように、制御装置５０は、制御指示舵角δ_fのうち操舵角度θ_hに比例する比例項を算出する比例項算出部５４と、操舵角速度θ_h’に比例する微分項を算出する微分項算出部５５と、これら比例項算出部５４及び微分項算出部５５により算出された比例項及び微分項との和を算出する加算器５６と、を備える。これにより、制御装置５０は、転舵アクチュエータ駆動回路５２へ制御指示舵角δ_fを出力することが可能となっている。

比例項算出部５４は、比例制御ゲインＫ_０(Ｖ)を設定する比例制御ゲイン設定部５４１と、操舵角度センサ２４から入力されたθ_hに比例制御ゲインＫ_０(Ｖ)を乗算し、比例項Ｋ_０(Ｖ)・θ_hを出力する乗算器５４２と、を含んで構成される。

比例制御ゲイン設定部５４１は、車速Ｖに応じて異なる比例制御ゲインを設定する制御マップを備えており、これにより、車速センサ６１から入力された車速Ｖに応じた比例制御ゲインＫ_０(Ｖ)を設定する。

微分項算出部５５は、ステアリングホイル２１の操舵角速度θ_h’を算出する操舵角速度算出手段としての角速度算出部５５１と、微分制御ゲインＫ_１(Ｖ)を設定する微分制御ゲイン設定部５５２と、設定された微分制御ゲインを補正する戻し補正部５５３と、角速度算出部５５１から入力された操舵角速度θ_h’に補正された微分制御ゲインＫ_１’(Ｖ)を乗算し、微分項Ｋ_１’(Ｖ)・θ_h’を出力する乗算器５５４と、を含んで構成される。

角速度算出部５５１は、操舵角度センサ２４から入力される操舵角度θ_hの時間微分を演算することにより、操舵角速度θ_h’を算出する。微分制御ゲイン設定部５５２は、車速Ｖに応じて異なる微分制御ゲインを設定する制御マップを備えており、これにより、車速センサ６１から入力された車速Ｖに応じた微分制御ゲインＫ_１(Ｖ)を設定する。

戻し補正部５５３は、角速度算出部５５１から入力された操舵角速度θ_h’の正負を判別し、負である場合、すなわち、ステアリングホイル２１が戻し操作された場合には、微分制御ゲイン設定部５５２で設定された微分制御ゲインＫ_１(Ｖ)を小さな値に補正し、これをＫ_１’(Ｖ)とする。このような戻し補正部５５３を設けることにより、操舵角速度θ_h’が負である場合には、操舵角速度θ_h’が正である場合よりも、微分項は小さな値に補正されることとなる。

加算器５６は、比例項算出部５４及び微分項算出部５５により算出された比例項Ｋ_０(Ｖ)・θ_h及び微分項Ｋ_１’(Ｖ)・θ_h’の和を算出し、これを制御指示舵角δ_fとして設定し、転舵アクチュエータ駆動回路５２へ出力する。

次に、図３のフローチャートを参照して、以上のように構成された制御装置５０において、制御指示舵角δ_fを決定する手順について説明する。

先ず、ステップＳ１において、制御装置５０は、比例制御ゲインＫ_０(Ｖ)を設定し、ステップＳ２に移る。ここで、比例制御ゲインＫ_０(Ｖ)は、車速Ｖを入力値として、予め定められた制御マップに基づいて設定される。また本実施形態では、例えば、図３に示すように、車速Ｖが大きくなるに従い、比例制御ゲインＫ_０(Ｖ)が小さく設定される制御マップが用いられる。

ステップＳ２では、微分制御ゲインＫ_１(Ｖ)を設定し、ステップＳ３に移る。ここで、微分制御ゲインＫ_１(Ｖ)は、車速Ｖを入力値として、予め定められた制御マップに基づいて設定される。また、本実施形態では、例えば、図３に示すように、車速Ｖが大きくなるに従い、微分制御ゲインＫ_１(Ｖ)が小さく設定される制御マップが用いられる。

ステップＳ３では、操舵角速度θ_h’が正（θ_h’≧０）であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合、すなわち、ステアリングホイル２１が送り操作（正転）された場合には、ステップＳ４に移る。また、この判別がＮＯの場合、すなわち、ステアリングホイル２１が戻し操作（逆転）された場合には、ステップＳ５に移る。

ステップＳ４では、微分制御ゲインＫ_１(Ｖ)に、補正係数αを乗じたものを補正後のＫ_１’(Ｖ)とし、ステップＳ６に移る。一方、ステップＳ５では、微分制御ゲインＫ_１(Ｖ)に、補正係数βを乗じたものを補正後のＫ_１’(Ｖ)とし、ステップＳ６に移る。ここで、これら補正係数α，βは、α＞βの関係にあるものとする。これにより、ステアリングホイル２１の戻し操作時における微分制御ゲインは、送り操作時における微分制御ゲインよりも小さく補正される。

ステップＳ６では、比例制御ゲインＫ_０(Ｖ)に操舵角度θ_hを乗じて得られる比例項Ｋ_０(Ｖ)・θ_hと、補正後の微分制御ゲインＫ_１’(Ｖ)に操舵角速度θ_h’を乗じて得られる微分項Ｋ_１’(Ｖ)・θ_h’と、の和を演算することにより、制御指示舵角δ_fを決定する。

＜実施例＞
次に、以上のように構成された車両用操舵装置１の実施例について、図４〜図６を参照して説明する。本実施例は、上述の実施形態の車両用操舵装置１において、補正係数α，βを、それぞれ、α＝１．０，β＝０．３としたものである。

図４は、操舵角度θ_hと時間ｔとの関係を示す図であり、本実施例におけるステアリングホイル２１の操舵操作の例を示す図である。

先ず、図４に示すように操舵角度θ_hを変化させる。具体的には、ｔ＝０においてθ_h＝０（中立位置）とし、ｔ＝０〜ｔ_１にかけてステアリングホイル２１を送り操作する。次いで、ｔ＝ｔ_１において所定の操舵角度で一旦停止させ、ｔ＝ｔ_１〜ｔ_２にかけてステアリングホイル２１を戻し操作し、ｔ＝ｔ_２においてθ_h＝０で停止させる。

以下では、図４に示すような操舵操作を行った場合における車両の挙動について、図５及び図６を参照して、本実施例の車両用操舵装置と従来の車両用操舵装置とを比較する。

図５は、制御指示舵角δ_f及び微分項Ｋ_１’(Ｖ)・θ_h’と時間ｔとの関係を示す図であり、図４に示す操舵操作を行った場合における、制御指示舵角δ_f及び微分項Ｋ_１’(Ｖ)・θ_h’の変化を示す図である。また、ここで、実線は、補正係数をα＝１．０，β＝０．３とした本実施例を示し、破線は、戻し操作時の補正を行わない従来の車両用操舵装置の例を示す。

図５に示すように、微分項Ｋ_１’(Ｖ)・θ_h’は、ｔ＝ｔ_１〜ｔ_２の間、すなわち、ステアリングホイル２１の戻し操作時には、微分項の振幅は、戻し補正を行うことにより従来例と比較して小さくなるように補正される。

制御指示舵角δ_fのピーク値は、微分項の寄与により、本実施例及び従来例共通して、ｔ＝ｔ_１よりもやや手前に位置することとなる。また、図５に示すように、ｔ＝ｔ_１以降においては、戻し補正を行うことにより、制御指示舵角δ_fの振幅は、従来の例と比較して小さなものとなる。より具体的には、従来例では、ｔ＝ｔ_１〜ｔ_２の間の戻し操作時において、制御指示舵角δ_fが負の方向へ大きく振れることとなるが、これに対して、本実施例では、ｔ＝ｔ_１〜ｔ_２の間の戻し操作時であっても、制御指示舵角δ_fが負の方向へ大きく振れることは無く、操舵角度θ_hが０になるに従い、速やかに収束することとなる。

図６は、ヨーレート、車体すべり角、及び、横加速度と、時間ｔとの関係を示す図であり、図４に示す操舵操作を行った場合における、車両のヨーレート、車体すべり角、及び、横加速度の変化を示す図である。

図６に示すように、本実施例と従来例とを比較すると、特に、ヨーレートについて、ステアリングホイル２１を戻し操作した後、すなわちｔ＝ｔ_２以降の収束性が向上する。また、横加速度に関しては、従来例では、ｔ＝ｔ_１〜ｔ_２の間において、負の方向へ大きく振れているが、本実施例によれば、このような横加速度の振れが無い。すなわち、ステアリングホイル２１の切り返し操作時における、所謂おつり挙動を防止できる。

以上、本発明の上記実施形態について、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれに限るものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、上記実施形態では、所謂ＳＢＷ方式の操舵装置に、本発明を適用したものを説明したが、これに限らずアクティブステアシステム等にも、本発明を適用することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を示す模式図である。 前記実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係る制御装置のフローチャートである。 本発明の実施例に係る車両用操舵装置における、操舵角度θ_hと時間ｔとの関係を示す図である。 本発明の実施例に係る車両用操舵装置における、制御指示舵角δ_f及び微分項Ｋ_１’(Ｖ)・θ_h’と時間ｔとの関係を示す図である。 本発明の実施例に係る車両用操舵装置における、ヨーレート、車体すべり角、及び、横加速度と、時間ｔとの関係を示す図である。

符号の説明

１…車両用操舵装置１（車両用操舵装置）、２０…操舵機構、２１…ステアリングホイル（ステアリング）、２２…ステアリングシャフト、２３…反力モータ、２４…操舵角度センサ（操舵角度検出手段）、３０…転舵機構、３１，３１…転舵輪、３２…ラック軸、３３…転舵アクチュエータ、３５，３５…ステアリングロッド、３６，３６…タイロッド、３７，３７…ナックルアーム、３８…舵角センサ、５０…制御装置（制御装置）、５１…反力モータ駆動回路、５２…転舵アクチュエータ駆動回路、５４…比例項算出部、５４１…比例制御ゲイン設定部、５４２…乗算器、５５…微分項算出部、５５１…角速度算出部（操舵角速度算出手段）、５５２…微分制御ゲイン設定部、５５３…戻し補正部、５５４…乗算器、５６…加算器、６１…車速センサ（車速検出手段）、６２…ヨーレートセンサ、Ｖ…車速、θ_h…操舵角度、θ_h’…操舵角速度、δ_ｆ…制御指示舵角、Ｋ_０(Ｖ)…比例制御ゲイン、Ｋ_１(Ｖ)…微分制御ゲイン、Ｋ_１’(Ｖ)…補正後の微分制御ゲイン、Ｋ_０(Ｖ)・θ_h…比例項、Ｋ_１’(Ｖ)・θ_h’…微分項

Claims (1)

1. ステアリングホイルと、
   前記ステアリングホイルの操舵角度を検出する操舵角度検出手段と、
   前記ステアリングホイルの操舵角速度を算出する操舵角速度算出手段と、
   車速を検出する車速検出手段と、を備え、
   前記操舵角度、前記操舵角速度、及び前記車速に基づいて目標舵角を設定し、該設定された目標舵角に応じて転舵アクチュエータを駆動し転舵輪を転舵する車両用操舵装置において、
   前記操舵角度に比例した比例項と、前記操舵角速度に比例した微分項との和に基づいて前記目標舵角を設定すると共に、
   前記操舵角速度が負である場合には、前記操舵角速度が正である場合よりも、前記微分項を小さな値に補正することを特徴とする車両用操舵装置。

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