JP6112275B1 - 電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両軌道の予測性を高める条件を基に操舵トルク情報を運転者の特性に適応させることにより、目標軌道に対する追従性を改善し、操舵運転の安全性を向上させる電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置を提供する。【解決手段】セルフアライニングトルクを推定するＳＡＴ推定部と、セルフアライニングトルク伝達特性の時定数を所望の値にするためにセルフアライニングトルクを補正し、操舵トルクを補償するＳＡＴ伝達特性制御部と、セルフアライニングトルクに含まれる外乱を抑圧し、操舵トルクを補償する外乱感度制御部と、車両特性が１次遅れ特性となるように、実舵角により操舵トルクを補償する車両特性補償制御部とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、電流指令値に基づいてモータを駆動して操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置に関し、特に運転者が認識する目標軌道への車両軌道の追従性を向上させる電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置に関する。

車両の操舵系をモータの回転力でアシスト制御する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、モータの駆動力で減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力（アシスト力）を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデューティの調整で行っている。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０及び操舵角θを検出する舵角センサ１４が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー（ＩＧ）信号が入力される。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｓと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Ｖｒｅｆによって、ＥＰＳ用モータ２０に供給する電流を制御する。

なお、舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良く、また、モータ２０に連結されたレゾルバ等の回転センサから操舵角を取得することも可能である。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）１００が接続されており、車速ＶはＣＡＮ１００から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ１００以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ１０１も接続可能である。

コントロールユニット３０は主としてＭＣＵ（ＣＰＵ、ＭＰＵ等も含む）で構成されるが、そのＭＣＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図２のようになる。

図２を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｓ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ１００からの）車速Ｖは、電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する電流指令値演算部３１に入力される。電流指令値演算部３１は、入力された操舵トルクＴｓ及び車速Ｖに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給するモータ電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａを経て電流制限部３３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、フィードバックされているモータ電流値Ｉｍとの偏差ΔＩ（＝Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）が演算され、その偏差ΔＩが操舵動作の特性改善のためのＰＩ（比例積分）制御部３５に入力される。ＰＩ制御部３５で特性改善された電圧制御指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力され、更に駆動部としてのインバータ３７を介してモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０のモータ電流値Ｉｍはモータ電流検出器３８で検出され、減算部３２Ｂにフィードバックされる。インバータ３７は駆動素子としてＦＥＴが用いられ、ＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。

加算部３２Ａには補償信号生成部３４からの補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部３４は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４−３と慣性３４−２を加算部３４−４で加算し、その加算結果に更に収れん性３４−１を加算部３４−５で加算し、加算部３４−５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。

このような電動パワーステアリング装置を運転支援制御装置として位置付けて、操舵運転の支援を行うものとして活用することができる。また、操舵運転とは車両軌道を運転者が認識する目標軌道に追従することであり、操舵運転の安全とは追従誤差が受容できる範囲に収まっていることと定義することができる。そして、操舵運転の安全を向上させるためには、運転者による車両軌道の予測が重要で、この予測性を高めるべく支援することが運転支援制御装置に求められる。

このような観点で運転者の操舵運転を支援する装置が提案されている。例えば、特許第５２９１６４０号公報（特許文献１）では、ハンドルの舵角に対するヨーレートの特性を設定し、前方注視時間後の目標到達点の方向とハンドルの基準位置の方向とを一致させることにより、車両と運転者の一体感や操作性等の向上を図っている。つまり、目標軌道の曲率とハンドル舵角が一致するように、運転者から見た車両特性がニュートラルステア特性になるように制御している。

特許第５２９１６４０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された装置では、所望の制御を行うためには、車輪とハンドルの機械的なリンクを切る必要があり、ステアリングギア比可変機構やＳＢＷ（Steer-By-Wire）機構等を装備した高級車に対して有効な運転支援技術となっており、電動パワーステアリング装置を搭載した一般車への応用が困難である。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、電動パワーステアリング装置を活用することを前提に、本発明の目的は、車両軌道の予測性を高める条件を基に操舵トルク情報を運転者の特性に適応させることにより、目標軌道に対する追従性を改善し、操舵運転の安全性を向上させる電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置を提供することにある。

本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてモータを駆動して操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置に関し、本発明の上記目的は、セルフアライニングトルクを推定するＳＡＴ推定部と、セルフアライニングトルク伝達特性の時定数を所望の値にするために前記セルフアライニングトルクを補正し、補正された前記セルフアライニングトルクにより前記操舵トルクを補償し、補償操舵トルク１として出力するＳＡＴ伝達特性制御部と、前記セルフアライニングトルクに含まれる外乱を抑圧し、前記外乱を抑圧された前記セルフアライニングトルクにより前記補償操舵トルク１を補償し、補償操舵トルク２として出力する外乱感度制御部と、実舵角からヨーレートまでの車両特性が１次遅れ特性となるように、検出された実舵角により前記補償操舵トルク２を補償する車両特性補償制御部とを備えることにより達成される。

本発明の上記目的は、前記車両特性補償制御部は、前記車両特性にダンピングを与える特性Ｃｆ（ｓ）を用いて前記補償操舵トルク２を補償し、ヨーレートの減衰率が電動パワーステアリング機構の固有振動数に応じて変化する中で最も高い減衰率に近くなるように前記特性Ｃｆ（ｓ）が調整されていることにより、或いは前記特性Ｃｆ（ｓ）は、前記ヨーレートの減衰率が略０．８で、ヨーレートの固有振動数が略２Ｈｚから略４Ｈｚとなるように調整されていることにより、或いは前記ＳＡＴ伝達特性制御部は外乱オブザーバとして構成されることにより、或いは前記ＳＡＴ伝達特性制御部は、所望の前記時定数で定義される伝達特性を用いて前記操舵トルクを補償することにより、或いは前記外乱感度制御部は抑圧する外乱毎に制御器を具備することにより、或いは前記外乱感度制御部が抑圧する外乱の１つが小振幅トルク振動による小振幅外乱であり、前記小振幅外乱に対する前記制御器は構造減衰モデルで構成されることにより、或いは前記外乱感度制御部が抑圧する外乱の１つがサスペンション前後方向共振点で励起される共振点外乱であり、前記共振点外乱に対する前記制御器は外乱オブザーバとして構成されることにより、或いは前記外乱感度制御部が抑圧する外乱の１つが道路カントによるカント外乱であり、前記カント外乱に対する前記制御器は車両の直進状態検出及び前記セルフアライニングトルクのオフセット補正を行うことにより、より効果的に達成される。

本発明の電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置によれば、車両軌道の予測性を高める条件を基に制御部を構成し、操舵トルク情報を運転者の特性に適応させることにより、目標軌道に対する追従性を改善し、操舵運転の安全性を向上させることができる。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置のコントロールユニット（ＥＣＵ）の構成例を示すブロック図である。 弱アンダーステア特性をもつ車両の操舵トルクに対するヨーレート特性を測定した結果を示す特性図である。 本発明の構成例を示すブロック図である。 路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を示すイメージ図である。 ヨーレートのフィードバックにより車両特性を１次遅れ特性に単純化する場合の構成を示すブロック図である。 実舵角のフィードバックにより図６に示される構成と同等の制御を行う場合の構成を示すブロック図である。 ＳＡＴ伝達特性制御部を外乱オブザーバで構成した場合のブロック図である。 図８に示される構成において、外乱オブザーバの推定値と実際の外乱が等しい場合の構成を示すブロック図である。 小振幅外乱制御器を構造減衰モデルで実現した場合の構成を示すブロック図である。 共振点外乱制御器を外乱オブザーバとした場合の構成を示すブロック図である。 図１１に示される構成において、外乱オブザーバの推定値と実際の外乱が等しい場合の構成を示すブロック図である。 カント外乱制御器を備えた構成を示すブロック図である。 本発明の構成例の詳細を示すブロック図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。

本発明では、車両軌道の予測性を高める条件（以下、「予測向上条件」とする）を基に操舵トルク情報を運転者の特性に適応させる。車両軌道の予測では、従来の視覚情報に加え、操舵トルク情報も使用されていると想定されることから、操舵トルク情報を対象としている。そして、予測向上条件として、「運転者から見た車両特性が１次遅れ特性に単純化できる」（以下、「条件１」とする）、「ヨーレートに対する操舵トルクの伝達特性の時定数が適切な範囲にある」（以下、「条件２」とする）及び「外乱に対する車両軌道の予測誤差の感度を運転者が受容できる範囲に管理できる」（以下、「条件３」とする）が挙げられる。

以下、各条件について説明する。

まず、条件１について説明する。

一般的に、操舵運転上、車両特性としては弱アンダーステア特性が望ましいことが知られている。そして、弱アンダーステア特性の減衰率は０．８程度である。減衰率が０．８の特性は、特性がややオーバーシュートすることにより、横風等の外乱に対する横変位が修正されるようになり、運転者が意図的に操舵する操舵時や外乱によって操舵されてしまう被操舵時のいずれにおいても良好な特性である。この弱アンダーステア特性は、減衰率が１である１次遅れ特性に近似して扱うことが可能であるので、車両特性が１次遅れ特性に単純化できれば、操舵感が良好となり、車両軌道の予測性も高めることができる。これより、条件１が導き出されている。ここで、車両特性は、実舵角からヨーレートまでの伝達特性で定義される。

次に、条件２について説明する。

車両軌道予測では、操舵トルク情報により推定されたヨーレート情報が使用されているとして、条件１が成立しているという前提で、操舵トルクからヨーレートまでの特性を導出すると、同特性の伝達特性Ｄ（ｓ）は下記数１となる。

Ｇ_ｒはヨーレートゲイン、Ｃ_ｓはコンプライアンス特性、τ_ｒはヨーレートの応答時定数、ｓはラプラス演算子である。ここで、数１で示される特性について解析する。図３は、弱アンダーステア特性をもつ操舵感が良いと評価される車両の操舵トルクに対するヨーレート特性を測定した結果である。縦軸が操舵トルクで、横軸がヨーレートで、操舵入力周波数が通常運転に相当する０．３Ｈｚ、やや急なレーンチェンジに相当する０．５Ｈｚ及びそれら以上の１．５Ｈｚの場合の結果が示されている。本測定では約２Ｎｍ（ニュートンメートル）の操舵トルクからアシスト力が発生している。図３より、操舵入力周波数がヨーレート固有振動数以下の０．３Ｈｚ及び０．５Ｈｚでは、操舵トルクとヨーレートがほぼ比例しており、周波数による変化も見られないことがわかる。操舵入力周波数がヨーレート固有振動数以上である１．５Ｈｚでは、位相遅れによる楕円形状とゲインの低下が見られる。よって、遅れ特性が１．５Ｈｚ辺りから出てくる数１で示される特性は図３の特性とほぼ一致すると考えられる。また、図３の車両は操舵に一体感があると評されているので、ヨーレートに対する操舵トルクの伝達特性の時定数を適切に設定すれば、一体感をもった操舵が可能となり、車両軌道の予測性も高めることができる。これより、条件２が導き出されている。なお、車両のヨーレート固有振動数は、電動パワーステアリング装置のモータを除いた場合のハンドルの自由振動での振動周波数である。また、ヨーレートに対する操舵トルクの伝達特性は、操舵角を入力とした周波数スイープ（一定の割合で周波数を変化させる）を行い、その時のヨーレートに対する操舵トルクを測定することにより導出することができる。

最後に、条件３について説明する。

目標軌道に対する車両軌道の誤差の発生要因を外乱とする場合、外乱には操舵運転安全に必要な運転環境情報が含まれている。よって、運転者が外乱を情報として認識し、かつ目標軌道に対する追従性が阻害されないレベルに管理する必要がある。また、車両挙動に関わる情報伝達と外乱に対する感度低減はトレードオフの関係にあるので、これらのことを踏まえて、条件３が導き出されている。

本発明では、上記３つの条件（条件１、条件２、条件３）に対して、各条件を満たすための機能を有する制御部を備えている。具体的には、条件１に対しては車両特性補償制御部、条件２に対してはＳＡＴ伝達特性制御部、条件３に対しては外乱感度制御部がそれぞれ条件を満たすための処理を行う。各制御部は操舵トルク情報を運転者の特性に適応させるために処理を行うが、検出された操舵トルクに対して、ＳＡＴ伝達特性制御部、外乱感度制御部、車両特性補償制御部の順で処理が行われる。

このように、操舵トルク情報を用いた車両軌道の予測の重要性から導かれた予測向上条件を満たす機能を用いて、検出された操舵トルクを補償することにより、目標軌道に対する追従性を改善し、操舵運転の安全性を向上させることができる。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図４は本発明の実施形態の構成例を示している。なお、電流指令値演算部３１は、図２に示されている電流指令値演算部３１と同一構成であるので、説明は省略する。また、電流指令値演算部３１以降の構成及び動作は、図２に示されている構成及び前述の動作と同じである。

ＳＡＴ推定部７０は、操舵トルクＴｓ、アシストトルクＴｍ、モータ角速度ωｍ及びモータ角加速度αｍよりセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）Ｔ_ＳＡＴを推定する。ＳＡＴ伝達特性制御部４０は、推定されたＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴを基に条件２を満たすように操舵トルクＴｓを補償し、補償操舵トルクＴｓ１を出力する。外乱感度制御部５０は、推定されたＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴ、ステアリング角θｇ及び車速Ｖを基に条件３を満たすように補償操舵トルクＴｓ１を補償し、補償操舵トルクＴｓ２を出力する。車両特性補償制御部６０は、実舵角θｔを基に条件１を満たすように補償操舵トルクＴｓ２を補償し、補償操舵トルクＴｓ３を電流指令値演算部３１に出力する。

各部について、詳細に説明する。

ＳＡＴ推定部７０においては、例えば特許第４１９２４４２号公報に示されているものを適用することができる。その概略を説明する。

路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子は図５に示されるようになっており、運転者がハンドルを操舵することによって操舵トルクＴｓが発生し、その操舵トルクＴｓに従ってモータがアシストトルクＴｍを発生する。その結果、車輪が転舵され、反力としてＳＡＴが発生する。その際、モータの慣性Ｊ及び摩擦（静摩擦）Ｆｒによってハンドル操舵の抵抗となるトルクが生じる。これらの力の釣り合いから、下記数２のような運動方程式が得られる。

ここで、上記数２を初期値ゼロとしてラプラス変換し、Ｔ_ＳＡＴについて解くと下記数３が得られる。

上記数３からわかるように、モータの慣性Ｊ及び静摩擦Ｆｒを定数として予め求めておくことで、モータ角速度ωｍ、モータ角加速度αｍ、アシストトルクＴｍ及び操舵トルクＴｓよりＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴを推定することができる。

なお、推定されたＳＡＴをそのままフィードバックした場合、ステアリングが重くなり過ぎ、操舵感覚を向上することができない場合があるので、周波数特性を有するフィルタを用いてＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴを信号処理し、操舵感覚を向上するのに必要十分な情報のみを出力するようにしても良い。また、本方法以外の方法で、ＳＡＴを推定しても良い。

次に、車両特性補償制御部６０について説明する。

車両特性補償制御部６０が対象とする条件１は車両特性に関する条件である。車両特性は実舵角からヨーレートまでの伝達特性で定義され、二輪モデルにおける実舵角θｔからヨーレートｒまでの伝達特性は下記数４となる。

Ｇ_０はゲイン、τ_ｒはヨーレート時定数、ξはヨーレートの減衰率（ダンピング項）、ω_ｎはヨーレート固有振動数、Ｌはホイールベース、Ｋｆ及びＫｒはそれぞれ前輪及び後輪のコーナリングパワー、ｍは車両質量、Ｉは車両のヨー慣性モーメント、Ｌｆ及びＬｒはそれぞれ前車軸及び後車軸重心点間距離である。

この車両特性に対して、例えば減衰率に基づいて１次遅れ特性への単純化を行うとした場合、ヨーレートの変化率を検出し、フィードバックする必要がある。これをブロック図で表わすと、図６のようになる。図６において、Ｔ_ＳＴＧは操舵トルク、ｇ_ｔｏｔはトータルギア比、Ｋ_ＳＴＧは定数、Ｖｒ（ｓ）は車両特性、Ｃｒ（ｓ）はフィードバック特性であり、ｇ_ｔｏｔ／Ｋ_ＳＴＧをゲインとするゲイン部６１０、Ｖｒ（ｓ）を有する特性部６２０、Ｃｒ（ｓ）を有する特性部６３０及び加算部６４０から構成される。

しかし、電動パワーステアリング装置では直接ヨーレートを検出できず、検出できるのは実舵角であり、出力するのはアシストトルクである。よって、電動パワーステアリング機構を用いて図６と同等の制御を行うためには、図７に示される構成において、図６と等価となる特性Ｃｆ（ｓ）を有する特性部６５０を設計する必要がある。図６に示される構成での伝達特性と図７に示される構成での伝達特性はそれぞれ下記数８及び数９となり、数８及び数９を等価とする特性Ｃｆ（ｓ）は下記数１０で与えられる。

車両特性が１次遅れ特性で近似できるための必要条件は

であるから、

とする運転支援機能が必要となる。そのために、ヨーレートにダンピング（減衰）を与える。図６において、Ｃｒ（ｓ）を下記数１１として、数４に代入すると、実舵角θｔからヨーレートｒまでの伝達特性、即ち車両特性は下記数１２となり、ダンピングが与えられる。

Ｋ_ｄは調整ゲインである。数１０及び数１２より、等価となる特性Ｃｆ（ｓ）は下記数１３となる。

特性Ｃｆ（ｓ）を用いることにより、ヨーレートにダンピングを与えることができるが、実際のヨーレート特性は、車両のヨーレート特性とステアリング特性が直列結合した連成特性で表れるので、ステアリング特性を考慮する必要がある。つまり、ヨーレートの減衰率は、ステアリング特性を形成する電動パワーステアリング機構の固有振動数に応じて変化するので、この変化を考慮して特性Ｃｆ（ｓ）を調整する必要がある。具体的には、電動パワーステアリング機構の固有振動数ω_ＳＴＧが、ヨーレートの減衰率を最も高くする下記数１４の値に近くなるように、特性Ｃｆ（ｓ）を調整する。

τ_ＳＡＴはセルフアライニングトルク伝達特性の時定数である。なお、固有振動数ω_ＳＴＧは、インパルス操舵（ハンドルを一瞬だけ素早く切る操作）を行って、自由振動させた場合の振動周波数である。

前述のようにヨーレートの減衰率として適切な値は略０．８である。また、運転者が操作制御対応できるヨーレートの振動（変化率）の上限は略２Ｈｚであり、緊急操舵を想定した車両の応答性を考慮して、ヨーレートの固有振動数は略２Ｈｚから略４Ｈｚであることが望ましい。ここで、ヨーレートの固有振動数が略０．４Ｈｚから略２Ｈｚまでの場合は、運転者が制御可能である。よって、これらのことを踏まえて、特性Ｃｆ（ｓ）を調整する。具体的には、例えばステアリング特性の極が安定かつ略２Ｈｚ以下となるように調整する。なお、ヨーレートの固有振動数が略０．４Ｈｚ以下の場合はヨーレートの制御が可能であり、ヨーレートを操舵トルクで制御できるように、ヨーレートと操舵トルクが比例関係となるようにする。これは、前述のように図３で示される特性に見られるものであるから、条件２を満たすことにより実現可能である。

車両特性補償制御部６０は、図７の破線で囲まれた特性部６５０及び加算部６６０で構成される。特性部６５０は数１３で表される特性Ｃｆ（ｓ）を有し、特性Ｃｆ（ｓ）を用いて実舵角θｔを変換する。また、特性Ｃｆ（ｓ）のパラメータは数１４を満たすように調整されている。

次に、ＳＡＴ伝達特性制御部４０について説明する。

ＳＡＴ伝達特性制御部４０が対象とする条件２の内容は、上述のように、「ヨーレートに対する操舵トルクの伝達特性の時定数が適切な範囲にある」である。この条件に関係するヨーレート及び操舵トルクについては、両者の関係が操舵入力周波数によって変化するが、図３で示したように、弱アンダーステア特性をもつ操舵感が良いと評価される車両では、操舵入力周波数が０．３Ｈｚ及び０．５Ｈｚでほぼ同じ特性となるので、運転者にとっては車両軌道が予測しやすいと考えられる。よって、このような特性をアンダーステア特性の車両で実現できれば良い。そのためには、「車両のヨーレート固有振動数を高く設定する」「ステアリング特性によりセルフアライニングトルク伝達特性の時定数τ_ＳＡＴの影響を補償する」等が必要である。このうち、「τ_ＳＡＴの影響を補償する」は電動パワーステアリング機構で実現可能であるから、ＳＡＴ伝達特性制御部４０はこれに対応する。

本実施形態では、ＳＡＴ伝達特性制御部４０を外乱オブザーバとして構成する。ＳＡＴを外乱と見做し、フィードバック制御系を有する電動パワーステアリング機構では入力誤差モデルである外乱オブザーバで容易に外乱トルクを求めることができるからである。

図８はＳＡＴ伝達特性制御部を外乱オブザーバで構成した場合のブロック図である。図８において、θｄは操舵角、Ｔｒ_ＳＡＴは実際のＳＡＴ、Ｋ_ｔｏｒはトーションバー剛性、Ｃ（ｓ）はトーションバーを含んだ制御系の特性、ＳＴＧ（ｓ）はステアリング特性、Ｆ_１（ｓ）はフィルタ特性であり、Ｋ_ｔｏｒをゲインとするゲイン部４１０、Ｃ（ｓ）を有する特性部４２０、ＳＴＧ（ｓ）を有する特性部４３０、ＳＴＧ^−１（ｓ）を有する特性部４４０、Ｆ_１（ｓ）を有するフィルタ４５０、加算部４６０、４６１及び減算部４６２、４６３から構成される。推定されたＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴがフィルタ４５０に入力され、フィルタ４５０にてＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴを補正することによりτ_ＳＡＴの影響を補償することになる。よって、そのような機能を実現するＦ_１（ｓ）を設定する必要がある。

図８において、外乱オブザーバの推定値と実際の外乱が等しいと仮定すると、図９に示されるように、Ｔ_ＳＡＴに対して１＋Ｆ_１（ｓ）の特性を通したようにＴ_ＳＡＴが働くことになる。この１＋Ｆ_１（ｓ）を通したＴ_ＳＡＴが所望の時定数を有する特性になれば、τ_ＳＡＴの影響を補償することができる。

ステアリング角θｇに対するＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴの伝達特性は、ヨーレートの減衰率が１に近いならば、下記数１５で表される。

Ｇ_ＳＡＴはＳＡＴゲインである。そして、所望の時定数をτ_ＳＡＴＲとし、所望のＳＡＴをＴ_ＳＡＴＲとすると、ステアリング角θｇに対するＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴの伝達特性は下記数１６となる。

Ｔ_ＳＡＴとＴ_ＳＡＴＲの間で下記数１７のような関係が成立すれば、Ｔ_ＳＡＴは所望の時定数を有し、τ_ＳＡＴの影響を補償することができることになる。

数１５と数１６を数１７に代入し、ω_ＳＡＴ＝１／τ_ＳＡＴ、ω_ＳＡＴＲ＝１／τ_ＳＡＴＲとおいて、Ｆ_１（ｓ）を求めると、下記数１８となる。

このＦ_１（ｓ）を用いてＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴを補正する。

ＳＡＴ伝達特性制御部４０は、図８の破線で囲まれたフィルタ４５０と加算部４６０で構成される。フィルタ４５０は数１８で表される特性Ｆ_１（ｓ）を有し、特性Ｆ_１（ｓ）を用いてＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴを変換する。

最後に、外乱感度制御部５０について説明する。

外乱感度制御部５０の目的は「外乱に対する車両軌道の予測誤差の感度を運転者が受容できる範囲に管理できる」ことであるが、上述のように外乱には必要な運転環境情報が含まれているので、全てを抑圧すれば良いというものではない。さらに、車両挙動に関わる情報伝達と外乱に対する感度低減はトレードオフの関係にあるので、そのバランスを取る必要がある。そこで、抑圧すべき外乱を特定し、その特性に応じて外乱を個別に抑圧する。

外乱感度制御部５０が主に抑圧対象とする外乱は、小振幅トルク振動による外乱（小振幅外乱）、サスペンション前後方向共振点で励起される外乱（共振点外乱）及び道路カントによる外乱（カント外乱）である。

小振幅外乱は、目標軌道に対する追従性に影響を及ぼさず、運転環境情報としても大きな意味を持たないので、抑圧した方が運転者の負担を軽減できる。このような振幅（本実施形態では操舵トルクの振幅）に依存する外乱に対しては、構造減衰による抑圧が有効である。構造減衰とは力の振幅や変位の大きさに依存する摩擦のことで、内部減衰、ヒステリシス減衰と呼ばれることもあり、リサージュ波形上では振幅依存のヒステリシスとして観察される。

操舵トルク振幅依存の摩擦特性を電動パワーステアリング機構で実現するためには、ＳＡＴの関数で摩擦特性を与えることになる。そのために、まず、適用すべき構造減衰モデルについて説明する。

構造減衰は、例えばゴムのような粘弾性体がもつ変位の関数で発生するエネルギー損失により起きる減衰であるから、減衰項（減衰率）を変位項でまとめると、変位と速度の位相ずれを表現するために虚数ｊが含まれる。そして、電動パワーステアリング機構の固有振動数が十分に大きく、かつ安定化しているならば、構造減衰モデルは、ｓ＝ｊωを用いると、下記数１９で表される特性になる。

Ｊ_ｈはハンドル慣性の振動パラメータ、Ｊ_ＳＴＧはモータ慣性の振動パラメータ、Ｋ_ＳＡＴは定数、ηは構造減衰係数である。上記数１９では、構造減衰項を変位項に含めて表している。

ｊηＫ_ＳＡＴはステアリング角θｇに比例した大きさではあるが、位相が９０度ずれたタイミングで負荷が働くことを表している。よって、構造減衰の効果を実装するには、ステアリング角速度（θｇの微分値）の関数である減衰についてθｇに比例した振幅で負荷を与えれば良い。

以上より、構造減衰モデルを有する構成のブロック図は、図１０のようになる。図１０において、Ｆ_２（ｓ）はフィルタ特性であり、Ｋ_ｔｏｒをゲインとするゲイン部４１０、Ｃ（ｓ）を有する特性部４２０、ＳＴＧ（ｓ）を有する特性部４３０、ＳＴＧ^−１（ｓ）を有する特性部４４０、構造減衰モデル５１０、Ｆ_２（ｓ）を有するフィルタ５１１、微分部５１２、加算部４６１及び減算部４６２、４６３、５１３から構成される。図１０の破線で囲まれた構造減衰モデル５１０、フィルタ５１１、微分部５１２及び減算部５１３が、外乱感度制御部５０において小振幅外乱用の制御器（以下、「小振幅外乱制御器」とする）を構成する。

具体的な小振幅外乱制御器としては、例えば特許第４６９６４５７２号公報に示されているものを使用することができる。本公報記載の電動パワーステアリング装置では、ＳＡＴをハンドル切増し又は切戻しの判定結果に従って正負ゲインでゲイン倍し、その信号を電流指令値から減算することによって、路面反力によるハンドル戻りに対してブレーキをかけ、ハンドルが戻り過ぎることがないようにしている。ハンドル切増し及び切戻しの判定は切増し切戻し判定部にて操舵トルク及び角速度を用いて行っており、ゲイン倍はゲイン部にてＳＡＴを入力して行っている。よって、図１０における構造減衰モデル５１０に切増し切戻し判定部及びゲイン部の機能を持たせ、微分部５１２にてステアリング角θｇを微分して算出されたステアリング角速度ωｇの他に操舵トルクＴｓも入力するようにすることにより、本公報記載の方法を用いて小振幅外乱を抑圧することができる。この場合、フィルタ５１１は不要となるが、本公報に記載されている関数変換部の機能を持たせて、強すぎる路面反力によってハンドルが急回転する問題の解決を図っても良い。

なお、小振幅外乱制御器として、特許第４６９６４５７２号公報記載のもの以外の構造減衰モデルを使用しても良い。

共振点外乱が励起されるサスペンションの前後方向の共振点は、タイヤ剛性やサスペンションのブッシュ剛性とステアリング系動特性の連成により表れる共振点である。従来、このようなサスペンションの前後方向共振点で増大するタイヤシミ―やブレーキジャダ振動に対しては、サスペンションのブッシュにダンピング特性を持ったブッシュを採用したり、サスペンションを支えるサブフレームをゴムでマウントしたりして対応されてきた。しかし、これらの方法はステアリング系に余分なコンプライアンスを与えるため、予測向上条件の条件１及び条件２が悪化するというトレードオフの問題が発生する。そこで、本実施形態では、外乱オブザーバを用いて共振点外乱を抑圧する。タイヤシミ―やブレーキジャダ振動はステアリング機構を通じてハンドルに伝わるので、逆位相の振動をモータに発生させ、相殺するような外乱オブザーバを用いる。

図１１は共振点外乱用の制御器（以下、「共振点外乱制御器」とする）を外乱オブザーバで構成した場合のブロック図である。図１１において、Ｆ_３（ｓ）はフィルタ特性であり、Ｋ_ｔｏｒをゲインとするゲイン部４１０、Ｃ（ｓ）を有する特性部４２０、ＳＴＧ（ｓ）を有する特性部４３０、ＳＴＧ^−１（ｓ）を有する特性部４４０、Ｆ_３（ｓ）を有するフィルタ５２０、加算部４６１及び減算部４６２、４６３、５２１から構成される。

図８の場合と同様に、図１１において外乱オブザーバの推定値と実際の外乱が等しいと仮定すると、図１２に示されるように、外乱は１−Ｆ_３（ｓ）の特性を有するフィルタ５２２を通して伝わる。よって、フィルタ５２２の特性は、サスペンション前後方向共振を相殺するモデルを分子とし、相殺後の特性を分母とすることにより、下記数２０となる。

ξ_１及びξ_２は減衰率で、ξ_１≫ξ_２を満たすように設定される。ω_ＳＵＳはサスペンション前後方向共振周波数で、下記数２１で算出される。

Ｒは車輪半径である。

数２０より、フィルタ５２０の特性Ｆ_３（ｓ）は下記数２２となる。

数２２で表される特性Ｆ_３（ｓ）はバンドパスフィルタ特性であり、共振ピークを打ち消すように作用することがわかる。

図１１の破線で囲まれたフィルタ５２０及び減算部５２１が、外乱感度制御部５０において共振点外乱制御器を構成する。フィルタ５２０は特性Ｆ_３（ｓ）を用いてＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴを変換する。

カント外乱は定常的な外乱であり、定常的な外乱とは、車両が直進状態でのＳＡＴがオフセットしていることを意味する。よって、カント外乱用の制御器（以下、「カント外乱制御器」とする）は車両の直進状態検出とＳＡＴのオフセット補正を基本構成とする。

図１３はカント外乱制御器を備えた構成のブロック図で、Ｋ_ｔｏｒをゲインとするゲイン部４１０、Ｃ（ｓ）を有する特性部４２０、ＳＴＧ（ｓ）を有する特性部４３０、ＳＴＧ^−１（ｓ）を有する特性部４４０、中立点学習を行う中立点学習部５３０、車速に応じてオフセット補正値を補正する可変ゲイン部５３１、補正を徐々に行うように調整する徐変部５３２、ＳＡＴを変換するフィルタ部５３３、スイッチ５３４、加算部４６１及び減算部４６２、４６３、５３５から構成される。

カント外乱制御器は、道路カントによる横流れの影響を補償するので、直進状態でのＳＡＴを基にオフセット補正値を算出する。オフセット補正値の算出は、まず基本となるオフセット補正値（以下、「基本オフセット補正値」とする）が算出され、算出後、基本オフセット補正値を用いて最終的に使用するオフセット補正値（以下、「最終オフセット補正値」とする）が算出される。そして、基本オフセット補正値は、任意に設定された期間（以下、「中立点学習期間」とする）、例えば直進状態を検出した時点からの所定の期間における直進状態でのＳＡＴを用いて算出される。基本オフセット補正値の算出に使用されるＳＡＴは、フィルタ部５３３にて変換されたＳＡＴ（以下、「変換ＳＡＴ」とする）である。フィルタ部５３３は、ＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴに重畳しているカント外乱以外の外乱、例えば小振幅外乱や共振点外乱を抑圧する。よって、小振幅外乱制御器や共振点外乱制御器の機能を流用しても良い。基本オフセット補正値の算出（中立点学習）は中立点学習部５３０で行われる。中立点学習部５３０は、中立点学習期間になったら、指令等を送ってスイッチ５３４が接点５３４ａに接続するようにする。そして、ハンドルが中立点近辺に位置していることで直進状態を検出し、直進状態と判定した時のフィルタ部５３３から出力される変換ＳＡＴを用いて基本オフセット補正値を算出する。直進状態検出は公知の技術を使用し、基本オフセット補正値としては、例えば変換ＳＡＴの平均値を使用する。中立点学習期間が終了したら、中立点学習部５３０は、指令等を送ってスイッチ５３４が接点５３４ｂに接続するようにする。算出された基本オフセット補正値は中立点学習部５３０に保持される。基本オフセット補正値としては、平均値以外、例えば最頻値等を使用したり、他の統計的手法を用いても良い。

基本オフセット補正値は、車速が変化しても活用できるように車速補正関数を用いて変換され、補正過程での違和感の発生を防ぐために、補正は徐々に行われる。ＳＡＴのオフセット量はアンダーステア特性をもつ車両では車速の関数となるので、これをＳＡＴの定常ゲインＧ_ＳＡＴとして、二輪モデルを用いて表わすと、下記数２３のようになる。

この定常ゲインＧ_ＳＡＴを車速補正関数に使用する。

中立点学習期間終了後、スイッチ５３４が接点５３４ｂに接続すると、徐変部５３２は中立点学習部５３０に保持されている基本オフセット補正値を入力し、補正を徐々に行うために、例えば、最初は基本オフセット補正値の１／Ｎ倍（Ｎは任意の自然数）のデータを、それ以降は２／Ｎ倍、３／Ｎ倍と一定の割合で大きくなるデータを出力する（以下、徐変部５３２での処理を「徐変処理」とする）。もちろん、これ以外の方法で、例えば二次関数的に補正を徐々に行う等を使用しても良い。可変ゲイン部５３１は、徐変部５３２から出力されるデータを入力し、入力した車速Ｖを用いて算出された定常ゲインＧ_ＳＡＴを乗算し、最終オフセット補正値として出力する。定常ゲインＧ_ＳＡＴを乗算した結果が所定の最大値（例えば３Ｎｍ）を超えた場合、その最大値を最終オフセット補正値とする。

図１３の破線で囲まれた中立点学習部５３０、可変ゲイン部５３１、徐変部５３２、フィルタ部５３３、スイッチ５３４及び減算部５３５が、外乱感度制御部５０においてカント外乱制御器を構成する。

なお、外乱感度制御部５０は小振幅外乱、共振点外乱及びカント外乱以外の外乱を抑圧しても良い。例えば、横風の影響を外乱として抑圧しても良い。横風により車体に働く力に対する車両の軌道変化、特に横変位を抑圧する。横変位を抑圧する上では、弱アンダーステア特性が望ましい。弱アンダーステア特性では、ヨーレートがわずかに振動的になることで、一旦発生した横変位が戻されるからである。逆に、アンダーステア特性が強く表れ、ヨーレートが振動的だと運転者が適切な安全行動を取れない危険が発生する。このため、ヨーレートの減衰率は０．８程度が良いと言われている。この減衰率となるような制御器を用いて横風の影響による外乱を抑圧する。

以上の説明から、図４に示されている本発明の実施形態の構成例は図１４のようになる。

図１４に示される構成における動作例を図１５のフローチャートを参照して説明する。なお、外乱感度制御部５０のカント外乱制御器での中立点学習期間は、直進状態を検出した時点からの所定の期間（例えば、５秒間）とし、以下の動作説明では、中立点学習部５３０は、中立点学習期間内にフィルタ部５３３から入力した変換ＳＡＴの中で直進状態と判定した時点の変換ＳＡＴを用いて算出した平均値を基本オフセット補正値として保持しており、スイッチ５３４は接点５３４ｂに接続しているものとする。

動作が開始すると、操舵トルクＴｓ、モータ角速度ωｍ、モータ角加速度αｍ、アシストトルクＴｍ、ステアリング角θｇ、実舵角θｔ及び車速Ｖが入力される（ステップＳ１）。このうち、操舵トルクＴｓは加算部４６０及びＳＡＴ推定部７０に、モータ角速度ωｍ、モータ角加速度αｍ及びアシストトルクＴｍはＳＡＴ推定部７０に、ステアリング角θｇは外乱感度制御部５０の微分部５１２に、実舵角θｔは車両特性補償制御部６０の特性部６５０に、車速Ｖは外乱感度制御部５０の可変ゲイン部５３１及び電流指令値演算部３１にそれぞれ入力される。なお、モータ角加速度αｍはモータ角速度ωｍを微分することにより算出される。また、実舵角θｔは、ステアリング角θｇよりθｔ＝ｇ_ｔｏｔ・θｇとして算出することも可能である。

ＳＡＴ推定部７０は、操舵トルクＴｓ、モータ角速度ωｍ、モータ角加速度αｍ及びアシストトルクＴｍを用いて数３よりＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴを算出し（ステップＳ２）、算出されたＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴは、ＳＡＴ伝達特性制御部４０のフィルタ４５０並びに外乱感度制御部５０のフィルタ５１１、フィルタ５２０及びフィルタ部５３３に入力される。

ＳＡＴ伝達特性制御部４０では、フィルタ４５０が数１８で表わされる特性Ｆ_１（ｓ）によりＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴを補正し（ステップＳ３）、補償信号Ｃｓ１を加算部４６０に出力する。加算部４６０は操舵トルクＴｓに補償信号Ｃｓ１を加算し、補償操舵トルクＴｓ１を出力する（ステップＳ４）。

外乱感度制御部５０では、小振幅外乱制御器の構造減衰モデル５１０、フィルタ５１１及び微分部５１２により、ＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴ及びステアリング角θｇを用いて（さらに操舵トルクＴｓを用いることもある）、小振幅外乱を抑圧するための補償信号Ｃｓ２が求められる（ステップＳ５）。補償信号Ｃｓ２は減算部５１３に入力され、補償操舵トルクＴｓ１から補償信号Ｃｓ２が減算され、補償操舵トルクＴｓ２ａが出力される（ステップＳ６）。

ＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴを入力した外乱感度制御部５０のフィルタ５２０は、数２２で表わされる特性Ｆ_３（ｓ）により共振点外乱を抑圧すべくＳＡＴ Ｔ_ＳＡＴを補正し（ステップＳ７）、補償信号Ｃｓ３を減算部５２１に出力する。減算部５２１は補償操舵トルクＴｓ２ａから補償信号Ｃｓ３を減算し、補償操舵トルクＴｓ２ｂを出力する（ステップＳ８）。

外乱感度制御部５０の徐変部５３２及び可変ゲイン部５３１は、中立点学習部５３０に保持された基本オフセット補正値を用いて、徐変処理、定常ゲインＧ_ＳＡＴの乗算及び最大値制限により、カント外乱を抑圧するための最終オフセット補正値Ｏｃを算出する（ステップＳ９）。最終オフセット補正値Ｏｃは減算部５３５に入力され、補償操舵トルクＴｓ２ｂから最終オフセット補正値Ｏｃが減算され、補償操舵トルクＴｓ２が出力される（ステップＳ１０）。

実舵角θｔを入力した車両特性補償制御部６０の特性部６５０は、数１３で表わされる特性Ｃ_ｆ（ｓ）により実舵角θｔを用いて補償信号Ｃｓ４を求める（ステップＳ１１）。補償信号Ｃｓ４は加算部６６０に入力され、補償操舵トルクＴｓ２に補償信号Ｃｓ４が加算され、補償操舵トルクＴｓ３が出力される（ステップＳ１２）。

補償操舵トルクＴｓ３は電流指令値演算部３１に入力される。

なお、ステアリング角θｇとモータ角θｍにはθｇ∝θｍの関係があるので、ステアリング角θｇを入力する代わりに、モータ角θｍを入力し、微分部５１２がθｇ＝Ｇ・θｍ（Ｇは定数）としてモータ角θｍからステアリング角θｇを算出した後に微分するようにしても良い。この場合、モータ角速度ωｍはモータ角θｍを微分することにより算出される。

上述の実施形態では、車両特性補償制御部はヨーレートにダンピング（減衰）を与えることを基にして、車両特性を１次遅れ特性に近似させているが、他の方法により１次遅れ特性に近似させても良い。

また、ＳＡＴ伝達特性制御部は外乱オブザーバで構成されているが、それ以外の２自由度構造で構成しても良い。

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
２０ モータ
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
３１ 電流指令値演算部
４０ ＳＡＴ伝達特性制御部
５０ 外乱感度制御部
６０ 車両特性補償制御部
７０ ＳＡＴ推定部

Claims (9)

1. 少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてモータを駆動して操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置において、
   セルフアライニングトルクを推定するＳＡＴ推定部と、
   セルフアライニングトルク伝達特性の時定数を所望の値にするために前記セルフアライニングトルクを補正し、補正された前記セルフアライニングトルクにより前記操舵トルクを補償し、補償操舵トルク１として出力するＳＡＴ伝達特性制御部と、
   前記セルフアライニングトルクに含まれる外乱を抑圧し、前記外乱を抑圧された前記セルフアライニングトルクにより前記補償操舵トルク１を補償し、補償操舵トルク２として出力する外乱感度制御部と、
   実舵角からヨーレートまでの車両特性が１次遅れ特性となるように、検出された実舵角により前記補償操舵トルク２を補償する車両特性補償制御部とを備えることを特徴とする電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置。
2. 前記車両特性補償制御部は、
   前記車両特性にダンピングを与える特性Ｃｆ（ｓ）を用いて前記補償操舵トルク２を補償し、
   ヨーレートの減衰率が電動パワーステアリング機構の固有振動数に応じて変化する中で最も高い減衰率に近くなるように前記特性Ｃｆ（ｓ）が調整されている請求項１に記載の電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置。
3. 前記特性Ｃｆ（ｓ）は、前記ヨーレートの減衰率が略０．８で、ヨーレートの固有振動数が略２Ｈｚから略４Ｈｚとなるように調整されている請求項２に記載の電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置。
4. 前記ＳＡＴ伝達特性制御部は外乱オブザーバとして構成される請求項１乃至３のいずれかに記載の電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置。
5. 前記ＳＡＴ伝達特性制御部は、所望の前記時定数で定義される伝達特性を用いて前記操舵トルクを補償する請求項４に記載の電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置。
6. 前記外乱感度制御部は抑圧する外乱毎に制御器を具備する請求項１乃至５のいずれかに記載の電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置。
7. 前記外乱感度制御部が抑圧する外乱の１つが小振幅トルク振動による小振幅外乱であり、前記小振幅外乱に対する前記制御器は構造減衰モデルで構成される請求項６に記載の電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置。
8. 前記外乱感度制御部が抑圧する外乱の１つがサスペンション前後方向共振点で励起される共振点外乱であり、前記共振点外乱に対する前記制御器は外乱オブザーバとして構成される請求項６に記載の電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置。
9. 前記外乱感度制御部が抑圧する外乱の１つが道路カントによるカント外乱であり、前記カント外乱に対する前記制御器は車両の直進状態検出及び前記セルフアライニングトルクのオフセット補正を行う請求項６に記載の電動パワーステアリング機構を用いた運転支援制御装置。

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