JP4687234B2

JP4687234B2 - 車両用操舵制御装置及び車両用操舵制御方法

Info

Publication number: JP4687234B2
Application number: JP2005143075A
Authority: JP
Inventors: 永俊関; 芳樹安野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2005-05-16
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2025-05-16
Also published as: JP2006315633A

Description

本発明は、車両用操舵制御に関し、特に運転者の操舵トルクをアシスト制御するパワーステアリング機構の制御に関する。

従来、運転者の操舵トルクをアシストする技術として、例えば特許文献１に記載の技術が開示されている。この公報では、電動パワーステアリング機構の電動モータにより電動アシスト量を算出する際、車速と操舵速度に応じてアシスト量を決定している。
特開２００１−１１４１２１号公報

しかしながら奔出願人は、鋭意研究の結果、特許文献１の技術を備えた車両において、例えば高車速時に、運転者は主に操舵トルク入力で運転しており、操舵トルク入力に対する車両挙動の周波数特性におけるダンピングが良い方が、運転者にとって扱い易い操舵特性になることに着目した。この技術思想に基づいて、高車速時に高周波操舵トルクが入力された場合の特性を検証した結果、操舵トルクと操舵角のダンピング特性が悪化する領域を見出した。すなわち、運転者は車両を操舵する際、目視により前方の角度関係を認識し、その角度関係を通常運転時の経験値等に基づいて筋力、すなわちトルクに変換してステアリングホイールを操舵する。このとき、操舵トルクの周波数や車両特性によって、運転者が認識している操舵トルクと操舵角の特性とは異なる特性となる場合があることを見出した。この現象は、操舵角のオーバーシュート等を招く虞があった。また、アクティブステアシステム等を備えた車両にあっては、操舵角に補助舵角を付与し、車両の特性を走行状況に応じて適宜変更するため、操舵角に発生する影響を無視できないという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、走行状況に応じて運転者の操舵トルクを最適にアシストすることで、車両挙動の安定化を図ることが可能な車両用操舵制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の車両用操舵制御装置では、運転者の操舵トルクに基づいてアシストトルクを付与するパワーステアリング手段を備えた車両用操舵制御装置において、操舵トルクに対する操舵角のゲイン特性が、操舵トルクの周波数が高くなるほど小さくなる目標特性を設定する目標特性設定手段と、前記目標特性に基づいて操舵トルクに応じた理想操舵角を算出する理想操舵角推定値算出手段と、前記理想操舵角に基づいて操舵反力トルク推定値を算出する操舵反力トルク推定値算出手段と、前記操舵トルクと前記操舵反力トルク推定値に基づいて、操舵トルクに対する操舵角のゲイン特性が前記目標特性となるように、前記アシストトルクを制御する過渡アシストトルク制御手段と、を備えたことを特徴とする。

よって、操舵トルクに対する車両挙動または操舵角の特性が、操舵トルクの周波数が高くなるほど小さくなるようにアシストトルクが付与されるため、操舵角のオーバーシュート等を回避することが可能となり、車両挙動の安定化を図ることができる。また、アシストトルクが操舵トルクと理想操舵角に基づいて制御されるため、過渡アシストトルク制御手段は、実際の車両特性に係わる閉ループ系を構成することがない。よって、パワーステアリング手段において操舵角に基づく実際の車両特性と理想操舵角に基づく車両特性とがずれたとしても、制御系の発散を防止することができる。

以下、本発明の車両用操舵制御装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。

［車両制御システムの構成］
図１は実施例１の車両制御システムを表すシステム構成図である。実施例１の車両には、車速を検出する車速センサ１と、運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサ２と、運転者の操舵角を検出する操舵角センサ７とが設けられている。

また、運転者の操舵トルクをパワーモータ３１によりアシストするパワーステアリングユニット３０と、運転者の操舵角に対して前輪４ａの舵角を加算・減算制御可能な前輪操舵ユニット４０と、後輪５ａの舵角を制御可能な後輪操舵ユニット５０とが搭載されている。

パワーステアリングユニット３０は、アシストコントローラ３と、このアシストコントローラ３の指令に基づいて作動するパワーモータ３１から構成され、車両前方に配置されている。前輪操舵ユニット４０は、前輪コントローラ４と、この前輪コントローラ４の指令に基づいて作動する前輪アクチュエータ４１から構成され、車両前方のインストルメントパネル下方に配置されている。後輪操舵ユニット５０は、後輪コントローラ５と、この後輪コントローラ５の指令に基づいて作動する後輪アクチュエータ５１から構成され、車両後方の後輪近傍に配置されている。

車速センサ１，トルクセンサ２，アシストコントローラ３，操舵角センサ７及び後輪コントローラ５には、通信制御ポートが設けられ、CAN通信線100により接続されている。このCAN通信線100の通信速度は、10msec毎に各コントローラから出力されるデータを送受信可能に構成されている。

尚、CAN通信線内には、各コントローラから出力されたセンサ信号等が一定周期、または某かのイベント発生毎に出力され、必要なコントローラのみが必要な情報を受け取るように構成されている。

前輪コントローラ４，後輪コントローラ５には、通信制御ポートが設けられ、CAN通信線200により接続されている。このCAN通信線200の通信速度は、1msec毎に各コントローラから出力されるデータを送受信可能に構成されている。尚、上述したように、後輪コントローラ５には、２つの通信制御ポートが設けられ、CAN通信線200とCAN通信線100の両方に接続されている。

〔パワーステアリングシステム〕
実施例１の車両には、運転者の操舵トルク、操舵角速度及び車速に基づいて第２ステアリングシャフトに定常アシストトルクを付与すると共に、後述する過渡アシストトルクを付与するパワーステアリングシステムが搭載されている。このパワーステアリングシステムは、低速CAN通信線100に接続され、車速センサ１、操舵角センサ７、前輪コントローラ４及び後輪コントローラ５から各種信号を送受信する。

パワーモータ３１は、ピニオンに接続された第２ステアリングシャフト外周に固定されたウォームホイールとウォームギヤを介して接続されている。パワーモータ３１の駆動により、運転者の操舵トルクが演算により設定された所望の値となるように、アシストトルクを付与する。

パワーモータ３１には、パワーモータ３１の回転角を検出する回転角センサが設けられ、アシストコントローラ３に出力される。アシストコントローラ３内には、各種センサ値に基づいて演算された目標アシストトルクを算出するアシストトルク算出部301と、パワーモータ３１の制御量を回転角センサの検出値に基づいて制御するトルク制御部302と、パワーモータ３１に対して電流値を出力するドライバ部303が設けられている。

〔４輪アクティブステアシステム〕
実施例１の車両には、ある車速で運転者がある操舵角を発生させた場合には、操舵フィーリングや車両特性としてこの程度のヨーレイトと横加速度を達成するのが最適であるという理論に基づき、前後輪に補助舵角が付与される４輪アクティブステアシステムが搭載されている。すなわち、ヨーレイトセンサや横加速度センサ等によるフィードバック制御系では、運転者の操舵意図を反映したものではなく、実際に発生した車両挙動に基づいて制御を開始するため、応答遅れを生じると共に、運転者の操舵意図に沿った最適な車両特性を得られない。そこで、操舵角と車速に対しフィードフォワード制御によって車両挙動が発生する前に前後輪補助舵角が設定され、素早い応答を確保している。

（前輪操舵ユニットの構成について）
前輪アクチュエータ４１は、ステアリングホイールとラック&ピニオン機構との間のステアリングシャフト上に設けられている。ステアリングシャフトはステアリングホイールに接続された第１ステアリングシャフトと、ピニオンに接続された第２ステアリングシャフトから構成され、前輪側モータ４２の駆動により、第１ステアリングシャフトの回転角に対する第２ステアリングシャフトの回転角を加減算可能に制御する。尚、この前輪アクチュエータは周知の技術であるため、説明を省略する。

前輪側モータ４２には、前輪側モータ４２の回転角を検出する前輪側モータ回転角センサ４３が設けられ、前輪コントローラ４に出力される。前輪コントローラ４内には、目標舵角に対する前輪側モータ４２の駆動量を演算する演算部401と、前輪側モータ４２の制御量を前輪側モータ回転角センサ４３の検出値に基づいてフィードバック制御するサーボ制御部402と、前輪側モータ４２に対して電流値を出力する前輪側ドライバ403が設けられている。

（後輪操舵ユニットの構成について）
後輪アクチュエータ５１は、左右後輪５ａの間に設けられている。左右後輪５ａは平行リンクにより連結され、このリンクの一辺を後輪側モータ５２により車幅方向に移動させると、平行リンクの弾性変形によって後輪５ａに舵角が発生する。尚、この後輪アクチュエータは周知の技術であるため、説明を省略する。

後輪側モータ５２には、後輪側モータ５２の回転角を検出する後輪側モータ回転角センサ５３が設けられ、後輪コントローラ５に出力される。後輪コントローラ５内には、目標舵角に対する後輪側モータ５２の駆動量を演算する演算部501と、後輪側モータ５２の制御量を後輪側モータ回転角センサ５３の検出値に基づいてフィードバック制御するサーボ制御部502と、後輪側モータ５２に対して電流値を出力する後輪側ドライバ503と、操舵角センサ７により検出された操舵角と車速に基づいて前後輪の目標舵角を演算する目標値演算部504が設けられている。前輪コントローラ４は、この前輪の目標舵角に基づき、前輪側モータ４２を制御する。

（４輪アクティブステア制御構成）
CAN通信線100に接続された後輪コントローラ５では、CAN通信線100に接続された操舵角センサ７からの操舵角情報、及びCAN通信線100に接続された車速センサ１からの車速情報を受信し、目標値演算部504において、この２つの値に基づく目標前輪舵角と目標後輪舵角を演算する。目標前輪舵角は後輪コントローラ５からCAN通信線200を介して前輪コントローラ４に出力される。

前輪コントローラ４では、受信した目標前輪舵角となるように前輪側モータ４２を駆動する。このとき、サーボ制御部402及び前輪側ドライバ403では、前輪側モータ回転角センサ４３の検出値及び電流センサ等の値に基づいて1msec毎に制御量が演算され、200μsec毎に前輪側モータ４２に出力する。このような処理は、マルチタスク処理等によって実行され、CPUの処理能力に応じて適宜割り付けられる。

後輪コントローラ５では、演算した目標後輪舵角となるように後輪側モータ５２を駆動する。このとき、サーボ制御部502及び後輪側ドライバ503では、後輪側モータ回転角センサ５３の検出値及び電流センサ等の値に基づいて1msec毎に制御量が演算され、200μsec毎に後輪側モータ５２に出力する。

また、前輪４ａ及び後輪５ａの補助舵角は、タイヤの向きを直接変更する制御であり、言い換えると、タイヤと路面との間に発生するタイヤ力の主に横力をアクチュエータにより直接制御することとなる。このとき、各アクチュエータにフェール等が発生すると、車両の挙動（特に旋回状態）に直接影響を与える虞があるため、常にフェールチェックを実行する必要がある。そこで、前輪コントローラ４では、CAN通信線200を介して後輪側のフェール関連情報（例えばアクチュエータ信号等）を複数回送受信し、目標値演算部504により新たな目標値が演算されるまでの間、常に監視する。同様に、後輪コントローラ５では、CAN通信線200を介して前輪側のフェール関連情報（例えばアクチュエータ信号等）を複数回送受信し、目標値演算部504により新たな目標値が演算されるまでの間、常に監視する。

図２は上記車両のシステムを表す車両モデルである。ドライバが操舵トルクを入力すると、ステアリングホイールが回転運動を行う。この回転運動によって発生する操舵角が目標値演算部504に入力され、操舵角及び車速等に基づいて目標前後輪舵角が演算される。この目標前後輪舵角に基づいて、前輪操舵ユニット（401，402，403）及び後輪操舵ユニット（501，502，503）により前輪側モータ４２及び後輪側モータ５２に駆動指令が出力される。

運転者の操舵トルクと前輪側モータ４２のモータトルクが加算されたトルク値がアシストトルク算出部301に入力されると共に、アシストトルク算出部301によって算出されたアシストトルクが加算された合計トルクがラック&ピニオン機構に伝達される。この合計トルクは、ラック&ピニオン機構により回転トルクからラック軸を軸方向に移動させる推力変換が行われ（図２中ｋは推力変換係数を表す）、ラック軸の並進運動により前輪が転舵することで前輪実舵角が発生する。尚、前輪実舵角が発生する際には、路面からスリップ角に応じて変化する操舵反力トルクが作用する。この操舵反力トルクについては後述する。

図３はアシストトルク算出部301の構成を表す制御ブロック図である。アシストトルク算出部301は、トルクセンサ２により検出された操舵トルク、車速及び操舵角速度等に基づいて定常アシストトルクを算出する定常アシストトルク制御部311と、車両の走行状況に応じて後述するトルク−操舵角特性が目標特性となるように、操舵トルクと操舵反力トルクに基づいてアシストトルクを制御する過渡アシストトルク制御部312から構成されている。

図４は過渡アシストトルク制御部312の構成を表す制御ブロック図である。過渡アシストトルク制御部312内には、理想操舵角推定値を算出する理想操舵角推定値算出部312aと、この理想操舵角推定値に基づいて仮想補助舵角を推定する仮想補助舵角推定値算出部312bと、２輪モデルに基づく操舵反力トルク推定値Trk(s)を算出する操舵反力トルク推定値算出部312cと、２輪モデルに基づいて操舵トルクに対する操舵角の実特性を算出する実特性算出部312dと、２輪モデルに基づいて操舵トルクに対する操舵角の目標特性を算出する目標特性算出部312eから構成されている。

以下、過渡アシストトルク算出を下記式（1）に示す。
（式１）
Tassist(s)＝Tdr(s)・〔{Ref(s)/(k×Strg(s))}−1〕＋Trk(s)
Tassist(s)：過渡アシストトルク量
Tdr(s)：定常アシスト込みのドライバの操舵トルク
Trk(s)：操舵反力トルク
Ref(s)：操舵トルクから操舵角への目標伝達関数
Strg(s)：ラック軸推力から操舵角の伝達関数
k：トルクからラック軸力への変換係数
である。

ドライバ入力トルクTdr(s)はパワーステアリングシステムが有するトルクセンサ２を用いることによって検知でき、k×Strg(s)は操舵系各部品のイナーシャ、マス・ダンピングなどの諸元によって算出することが可能である。

図５は定常アシストトルクが付与された位置から、前輪実転舵角が発生するまでの間を目標前輪舵角特性Ref(s)に置き換えた対応関係を表す図である。ここで、目標前輪舵角特性Ref(s)を制御系で一般的な（0次/2次）伝達関数で規定すると、下記式(2)により表される。
（式２）
Ref(s)＝（Gain×ω_n ²）/(s²＋2ζω_ns＋ω_n ²)
ζ：目標減衰係数
ω_n：目標固有振動数
Gain：操舵トルク−前輪実舵角の実特性定常ゲイン
である。

ζ・ωnは車両により任意に適した値に設定することが可能であり、Gainは実特性算出部312dにおいて、車両モデルを基に、以下の式(3)により表される。
（式３）
Gain[rad/Nm]＝k[1/m]/（Gain_{_betaf_4WAS}・Gain_{_Frk}）
Gain_{_betaf_4WAS}：単位操舵角あたりの前輪スリップ角ゲイン
Gain_{_Frk} ：単位前輪スリップ角あたりのラック反力ゲイン[N/rad]
である。

Gain_{_Frk}は車速に対する依存性がなく車両諸元により求まり、下記式(4)により表される。
（式４）
Gain_{_Frk}＝（(CP1[N/rad]×CT[m])/(NAL[m]×NAL効率)）×2（２輪分）×SAT係数
CP1：前輪一輪分のコーナリングパワー
CT：キャスタートレール
NAL：ナックルアーム長
NAL効率：ナックルアームリンク効率
SAT係数：セルフアライニングトルク係数
である。

Gain_{_betaf_4WAS}は下記式(5)により表される。
（式５）
Gain_{_betaf_4WAS}＝{(Ratio_{_AFS})/N}−A
A=(Lf/Vx)・(Ratio_{_AFS}×Gain_{_yaw_front}＋Ratio_{_RAS}×Gain_{_yaw_rear})
＋(1/Vx)・(Ratio_{_AFS}×Gain_{_Vy_front}＋Ratio_{_RAS}×Gain_{_Vy_rear})
Gain_{_yaw_front}：単位操舵角ヨーレイトゲイン
Gain_{_yaw_rear}：単位後輪舵角ヨーレイトゲイン
Gain_{_Vy_front}：単位操舵角横速度ゲイン
Gain_{_Vy_rear}：単位後輪舵角横速度ゲイン
Ratio_{_AFS}：単位操舵角あたり前輪舵角
Ratio_{_RAS}：単位操舵角あたり後輪舵角
Lf：車両重心と前車軸間の距離
Vx：車速
である。

Ratio_{_AFS}やRatio_{_RAS}は車速毎の４輪アクティブステア制御によって決定される値であり、図６のRatio_{_AFS}と車速の関係を表すマップ、及び図７のRatio_{_RAS}と車速の関係を表すマップに示すように、車速に対応したマップとして予め保持しておいてもよいし、後輪コントローラ５から通信により各Ratioを得るようにしてもよく、特に限定しない。また、前後輪舵角に対するヨーレイトゲインや横速度ゲインは、車両特性と車速により２輪モデルを用いて決定される特性である。よって、式(3)のGainは定数もしくは車速依存式により構成されることから、Gain自体を図８に示すGainと車速の関係を表すマップに示すように実特性算出部312dに車速依存マップとして保有しておいても良い。

上述したように、目標前輪舵角特性Ref(s)は、入力された操舵トルクに対する理想的な操舵角を表している。そこで、理想操舵角推定値算出部312aでは、入力された操舵トルクに基づいて、目標前輪舵角特性Ref(s)により理想操舵角を算出する。

仮想補助舵角推定値算出部312bでは、理想操舵角に基づいて、上述した４輪アクティブステアシステムの制御ロジックを用いて仮想補助舵角推定値を算出する。

操舵反力トルク推定値算出部312cでは、４輪アクティブステア制御を行うことを考慮した２輪モデルにおいて、仮想補助舵角推定値算出部312bにより算出された前後輪補助舵角を用いることで、前輪スリップ角を推定し、前輪スリップ角と操舵反力トルクが略比例関係にあることから操舵反力トルク推定値Trk(s)を算出する。

実特性算出部312dで求められたGainを基に、目標特性算出部312eにおいて式(1)の計算を行い、必要な過渡アシストトルクを求めることが可能となる。この求められた過渡アシストトルクに通常の定常トルクを加えたトルクがパワーステアリングシステムによって補償すべきトルクとなる。

（論理構成）
すなわち、過渡アシストトルク制御部312では、下記の論理構成に基づいて設定されている。
（ステップ１）運転者の操舵トルクが検出されると、その操舵トルクに応じた理想的な操舵角が得られるように過渡アシストトルク制御が行われる。よって、結果として得られる実際の操舵角は理想操舵角（もしくはそれに近しい値）となることを前提とできる。
（ステップ２）次に、実際の操舵角が理想操舵角となったときには、４輪アクティブステア制御ロジックを参照することによって、どの程度の補助舵角が与えられるか（仮想補助舵角推定値）が分かる。
（ステップ３）この仮想補助舵角推定値を用いれば、車両に発生するであろうスリップ角ひいては操舵反力トルクが算出できる。

上記各ステップは、言い換えると、過渡アシストトルク制御部312は、操舵トルクのみに基づいて車両に発生する現象を全て推定し、その推定された車両状態に応じてアシストトルクを決定しており、実際の車両特性に係わる閉ループ系（例えば操舵角センサや各種アクチュエータ駆動量等をフィードバックして参照する系）を構成することがない。

〔本願の課題に対する考察１〕
ここで、本願発明が課題としている現象について説明する。図９は比較例１の特性を表す図である。この比較例１では、運転者の操舵トルク，車速に基づいてアシストトルクを付与するパワーステアリングシステムを搭載した車両を用いた。図９は、この比較例１における車両の操舵トルク周波数に対する操舵角/操舵トルクのゲイン特性を表す。図９に示すように、操舵トルク周波数の特定領域において、車速の上昇と共に操舵トルクに対して操舵角が急激に大きくなる。操舵トルク入力に対する車両挙動のダンピングを良くすることは、操舵トルク入力に対する操舵角のダンピングを良くすることと同意である。なぜなら、操舵角から車両挙動が発生し（車両２輪モデルの運動方程式）、車両挙動から操舵トルクが決まるからである（操舵系の運動方程式）。

運転者が操舵トルクを付与すると、操舵角は操舵トルクと路面から操向輪に作用する操舵反力トルク、操舵系に作用するフリクション等の釣り合い関係によって操舵角が決定される。このとき、車速の上昇に伴い操向輪に作用するスリップ角特性が変化すると、このスリップ角特性は路面から作用する操舵反力トルクと相関があり、操舵反力トルクの低下を招く。よって、操舵角のオーバーシュート等を招く虞があった。

そこで、車両モデルを用いて路面反力を推定し、この値に基づいて理想の操舵トルク-操舵角相関を得られるようにアシストトルクを制御することで、操舵角のオーバーシュートを抑制し、安定した車両挙動を得ることとした。

ここで、実施例１に記載の車両には、４輪アクティブステアシステムが搭載されており、前輪実転舵角を運転者の操舵角に係わらず物理的に変更可能であるため、この前輪操舵ユニットを利用して上記オーバーシュートを回避することを考える。図１０は、通常の４輪アクティブステア制御による前輪実転舵角と、前輪アクチュエータ４１の制御ゲインを調整し、オーバーシュートの発生を抑制する補正を行った場合における、４輪アクティブステア制御による前輪実転舵角の変化を表すタイムチャートである。図１０に示すように、上記補正を行った場合には、仮に舵角のオーバーシュートが発生したとしても、アクチュエータ等の応答ゲインを低く補正しているため、オーバーシュートを抑制できる。

しかしながら、図１１に示すように、この補正が行われたまま通常の操舵を行った場合には、操舵角の変化に対して制御ゲインが遅れてしまい、目標とする前輪実転舵角を得ることができない。上述したように、４輪アクティブステアシステムでは、運転者の操舵角に応じて最適なヨーレイトと横加速度を制御するものであり、この応答遅れは許容できない。また、特定の領域で制御を切り換えることも考えられるが、そもそも運転者の意図により素早い操舵（オーバーシュート）が行われているのか、操舵反力トルク不足によって操舵角のオーバーシュートが発生しているかを判別するのは困難である。また、制御の切り換えは、切り換えタイミング及び復帰タイミングの設定が困難であり、必ずしも有効な手段とは言えない。すなわち、前輪操舵ユニットを利用して操舵角のオーバーシュートを抑制することはできない。

以上の検証結果から、パワーステアリングシステムによりアシストトルクを補正する過渡アシストトルク制御を導入することとした。ここで、過渡アシストトルク制御は、上述したように車両モデルから路面反力を推定しているため、車両モデルが走行状況に応じて変化する４輪アクティブステアシステム搭載車では、前輪実転舵角や後輪舵角を考慮する必要がある。そこで、これら前輪実転舵角や後輪舵角を考慮（理想操舵角推定値算出部312a，仮想補助舵角推定値算出部312b等）し、過渡アシストトルク制御に反映させることで、車両システムに応じた過渡アシストトルク制御を達成している。

尚、この車両モデルの考慮が成されないときは、やはり正確なスリップ角の推定が行えず、それに伴い路面反力推定も不十分となる。すなわち、単にコンベンショナルな車両に適用する過渡アシストトルク制御を４輪アクティブステアシステム搭載車に適用しても、適正な制御が行えないことを意味している。

図１２は高車速時において、実施例１の４輪アクティブステアシステムと過渡アシストトルク制御を備えた車両の車両特性と、過渡アシストトルク制御無しの車両特性とのシミュレーション結果を表すタイムチャートである。その時の操舵トルクに対する操舵角の周波数応答は、図１４の実線特性となり、ダンピングが良くなることが分かる。操舵トルクは、ある一定のトルクがステップ入力されるものとし、この操舵トルクの入力に対する車両挙動を示す。

図１２に示すように、操舵トルクがステップ入力されると、過渡アシストトルク制御無しの車両にあっては、アシストトルクが若干与えられ、また、路面からの操舵反力トルクが小さいことに起因して操舵角がオーバーシュートする。このオーバーシュートにより、操舵角に応じて目標前後輪舵角を設定する４輪アクティブステアシステムでは、前輪側では操舵角に応じて減算制御が行われ、後輪側では操舵角に応じて同相制御が行われる。このとき、ヨーレイト及び横加速度には、オーバーシュートが発生し、車両の安定性が十分とは言えない。

これに対し、過渡アシストトルク制御を備えた車両では、操舵トルクのステップ入力が与えられると、路面からの操舵反力トルクが小さいことが演算により分かっており、逆向きのアシストトルクが付与される。すなわち、運転者の操舵トルクをアシストする側ではなく、抵抗を与える側に付与される。これにより、操舵角のオーバーシュートが抑制され、所望のヨーレイト及び横加速度が得られていることが分かる。

本発明では、操舵トルク入力に対する車両挙動の理想形を実現することを狙いとする。つまり、人間−自動車系を考慮した場合、高速走行時において運転者は主に操舵トルクを入力として車両運動を制御しているといわれており、操舵トルクに対する車両挙動（横加速度やヨーレイト）のゲインを周波数に関係なく力を一定に保つことにより、人間にとって扱い易い車両になるはずである。

そこで、実際の操舵トルクに対する車両挙動をみると、車両の操舵トルク入力に対する車両挙動の周波数特性は、図９に示すように、高速になると所定周波数におけるダンピングが悪化するという問題がある。

したがって、実施例１では、過渡的な操舵トルクが検出されたとき、例えば、レーンチェンジを行い操舵トルクが変化した場合に、切り過程（操舵トルクが増加）では操舵トルクの変化方向の略逆側へアシストトルクが発生することで操舵トルクが増加し、戻し過程（操舵トルクが減少）でも操舵トルクの変化方向の略逆側へアシストトルクが発生することで操舵トルクが減少する構成になっているので、同じ車両挙動が発生しても操舵トルク変化が大きくなり、操舵トルクに対する車両挙動のゲインを低下させる。その結果、図１３に示すダンピングが改善され、運転者へ違和感を与えることなく、良好な操舵フィーリングが得られる。

また、操舵トルクの入力周波数が高くなると、逆アシストトルクの出力を大きくするため、高速走行時におけるレーンチェンジ等の早い操舵に対して、逆方向のアシスト量が多くなり、ステアリングホイールが重くなる。よって、運転者の急操舵を防止でき、車両操舵量に対する車両挙動、すなわち、ステア特性をアンダーステアとすることができるため、車両の走行安定性を向上できる。

このような構成にすることにより、操舵トルク入力に対する操舵角や車両挙動のダンピングが良くなり、周波数に関係なくゲインの上昇を防ぐことができる。

〔本願の課題に対する考察２〕
次に、本願のもう一つの課題について説明する。図１４は実施例１の過渡アシストトルク制御部312を備えた車両特性と、過渡アシストトルク制御部に実際の車両特性に係わる閉ループ系（操舵角センサ及び各種アクチュエータ駆動量等をフィードバックして過渡アシストトルク制御を行う系）を構成した比較例２の車両特性のシミュレーション結果を表すタイムチャートである。実施例１及び比較例２の両者において、車両モデル内に設定された前輪一輪分のコーナリングパワーCP1の車両モデル設定値（基準値Cp）が、実際の車両特性と一致している場合と、実際の車両特性が車両モデル設定値の基準値Cpより１％小さい場合（すなわち不一致の場合）のシミュレーション結果を示す。操舵トルクは、ある一定のトルクがステップ入力されるものとし、この操舵トルクの入力に対する車両挙動を示す。

（比較例２のシミュレーション結果について）
図１４に示すように、操舵トルクがステップ入力されると、車両モデルが一致しているときには、操舵角がある値に収束し、安定な状態となる。これに対し、車両モデルが不一致の場合は、アシストトルクの加算側への発散により操舵角、前輪補助舵角、後輪補助舵角、ヨーレイト及び横加速度の全てにおいて発散している。

すなわち、比較例２のように閉ループ系を備えた場合には、まず、操舵角が検出され、操舵反力トルクの推定が行われ、実車両と車両モデルが不一致の場合は、操舵反力トルク推定値が実際の車両特性よりも大きく算出される。この場合、過渡アシストトルクは操舵反力トルク推定値に打ち勝つように算出されるため、アシストトルク過多となり、操舵を助長する、すなわち操舵角が大きくなる。すると、その大きくなった操舵角に基づいて上記演算が再度行われると、操舵反力トルクは常に小さめに推定されるため、操舵角が発散してしまう。一般に、フィードバック制御では、例えば舵角を制御するときに、舵角を検知する閉ループを作るため、収束性がよい。しかしながら、比較例２のフィードバック制御は、制御対象がトルクであるのに対し、舵角をフィードバックしており、トルクから舵角に変換する車両モデルがずれると発散する虞があった。

（実施例１のシミュレーション結果について）
図１４に示すように、操舵トルクがステップ入力されると、車両モデルが一致しているときには、操舵角がある値に収束し、安定な状態となる。一方、車両モデルが不一致の場合は、基本的に過渡アシストトルク制御に必要な値を全て推定しているため、車両モデルが１％ずれたとしても、単に過渡アシストトルクが１％小さくなるだけである。

すなわち、実施例１の場合には、まず、操舵トルクが検出され、この操舵トルクから理想操舵角を算出し、この理想操舵角から仮想補助舵角推定値を算出し、この仮想補助舵角推定値から操舵反力トルクの推定が行われ、実車両と車両モデルが不一致の場合は、操舵反力トルク推定値が実際の車両特性よりも大きく算出される。この場合、過渡アシストトルクは操舵反力トルク推定値に打ち勝つように算出されるため、アシストトルク過多となり、操舵を助長する、すなわち操舵角が大きくなる。しかしながら、次の過渡アシストトルク制御の演算周期では、やはり操舵トルクから算出された理想操舵角を用いているため、その大きくなった操舵角が過渡アシストトルク制御に反映されることはない。よって、車両モデルにずれがあったとしても、制御対象をトルクとして操舵トルクを用いて制御しているため、操舵角に影響を与えることなく安定した操舵トルク-操舵角特性を得ることができることが分かる。

以上説明したように、実施例１の車両用操舵制御装置にあっては、下記に列挙する作用効果を得ることができる。

（1）操舵トルクに応じた理想操舵角を算出する理想操舵角推定値算出部312aと、この理想操舵角と車両モデルを用いて操向輪に作用する操舵反力トルクを推定する操舵反力トルク推定値算出部312cと、運転者の操舵トルクに対する操舵角の特性が、操舵トルクの周波数が高くなるほど操舵角が小さくなる目標特性を設定する目標特性算出部312eと、操舵反力トルクと操舵トルクに基づいて、操舵トルクに対する操舵角の特性が、目標特性となるように、アシストトルクを制御する過渡アシストトルク制御部312とを備えた。よって、操舵トルクに対する車両挙動または操舵角の特性が、操舵トルクの周波数が高くなるほど小さくなるようにアシストトルクが付与されるため、操舵角のオーバーシュート等を回避することが可能となり、車両挙動の安定化を図ることができる。また、アシストトルクが操舵トルクと理想操舵角に基づいて制御されるため、過渡アシストトルク制御部312は、実際の車両特性に係わる閉ループ系を構成することがない。よって、操舵角に基づく実際の車両特性と過渡アシストトルク制御における車両モデル特性とがずれたとしても、このずれがアクティブステアシステムに影響を与えることがなく、制御系の発散を防止することができる。

（2）理想操舵角に基づいて前輪及び/又は後輪の仮想補助舵角を算出する仮想補助舵角推定値算出部312bを設け、操舵反力トルク推定値算出部312cは、仮想補助舵角及び車両モデルに基づいて操向輪に作用する操舵反力トルクを推定した。よって、実際に４輪アクティブステアシステムによって車両に与えられている補助舵角を用いることなく、より正確に車両モデルを設定することができる。

（3）理想操舵角推定値算出部312aは、目標特性算出部312eにおいて用いる目標特性Ref(s)と操舵トルクに基づいて理想操舵角を算出した。よって、理想操舵角推定値算出用のロジックを別途設けることなく、理想操舵角を算出することができる。また、目標特性算出部312eと同じロジックに基づいて算出することで、得ようとする特性と理想とする特性とが一致し、より安定した過渡アシストトルクを付与することができる。

（4）実施例１では、過渡アシストトルク制御部312内に目標値演算部504と同じ制御ロジックを搭載し、その制御ロジックに基づいて仮想補助舵角推定値を算出したが、この構成に限らず、この目標値演算部504を、過渡アシストトルク制御部312と共用してもよい。具体的には、理想操舵角が算出された後、この理想操舵角を目標値演算部504に出力し、その出力結果を操舵反力トルク推定値算出部312cに受け取るように構成してもよい。これにより、過渡アシストトルク制御部312内のロジックを軽減することができる。

次に、実施例２について説明する。図１５はリアアクティブステアシステムとパワーステアリングシステムを搭載した車両の全体構成を表すシステム図である。基本的な構成は実施例１と同じであるため、異なる点についてのみ説明する。

リアアクティブステアシステムでは、運転者の操舵角及び車速に応じて、前輪の操舵角に対し、同相制御もしくは逆相制御を行うことで車両のヨーレイトもしくは横加速度を制御するものである。ここで、制御対象としては、実施例１の場合は前輪と後輪であったのに対し、実施例２では後輪のみであるため、目標後輪舵角の算出に際しては、ヨーレイトベースの目標値生成制御もしくは横加速度ベースの目標値生成制御ロジックが搭載される。

具体的には、低車速領域においては、逆相制御を行うことで、車両の回頭性確保、即ちヨーレイトを積極的に発生させる。中車速領域においては、初期応答性確保のため一瞬だけ逆相制御を行い、その後適宜同相制御を行うことで、回頭性を確保しつつ車両安定性を確保する。高車速領域においては、同相制御を行うことで、車両の安定性重視、即ちヨーレイトを抑制する。尚、低速領域、中速領域、高速領域の制御を全て行うシステムとしてもよいし、選択的に制御を行うシステムとしてもよく特に限定しない。

〔過渡アシストトルク制御部の構成〕
次に、過渡アシストトルク制御部の構成について、実施例１と異なる点について説明する。

次に、目標前輪舵角特性Ref(s)を制御系で一般的な（0次/2次）伝達関数で規定すると、下記式(2-1)により表される。
（式2-1）
Ref(s)＝（Gain×ω_n ²）/(s²＋2ζω_ns＋ω_n ²)
ζ：目標減衰係数
ω_n：目標固有振動数
Gain：操舵トルク−前輪実舵角の実特性定常ゲイン
である。

ζ・ωnは車両により任意に適した値に設定することが可能であり、Gainは実特性算出部312dにおいて、車両モデルを基に、以下の式(3-1)により表される。
（式3-1）
Gain[rad/Nm]＝k[1/m]/（Gain_{_betaf_4WAS}・Gain_{_Frk}）
Gain_{_betaf_RAS}：単位操舵角あたりの前輪スリップ角ゲイン
Gain_{_Frk} ：単位前輪スリップ角あたりのラック反力ゲイン[N/rad]
である。

Gain_Frkは車速に対する依存性がなく車両諸元により求まり、下記式(4-1)により表される。
（式4-1）
Gain_Frk＝（(CP1[N/rad]×CT[m])/(NAL[m]×NAL効率)）×2（２輪分）×SAT係数
CP1：前輪一輪分のコーナリングパワー
CT：キャスタートレール
NAL：ナックルアーム長
NAL効率：ナックルアームリンク効率
SAT係数：セルフアライニングトルク係数
である。

Gain_{_betaf_RAS}は下記式(5-1)により表される。
（式5-1）
Gain_{_betaf_RAS}＝{1/N}−A
A=(Lf/Vx)・(Gain_{_yaw_front}＋Ratio_{_RAS}×Gain_{_yaw_rear})
＋(1/Vx)・(Gain_{_Vy_front}＋Ratio_{_RAS}×Gain_{_Vy_rear})
Gain_{_yaw_front}：単位操舵角ヨーレイトゲイン
Gain_{_yaw_rear}：単位後輪舵角ヨーレイトゲイン
Gain_{_Vy_front}：単位操舵角横速度ゲイン
Gain_{_Vy_rear}：単位後輪舵角横速度ゲイン
Ratio_{_RAS}：単位操舵角あたり後輪舵角
Lf：車両重心と前車軸間の距離
Vx：車速
である。

Ratio_{_RAS}は車速毎のリアアクティブステア制御によって決定される値であり、図１６のRatio_{_RAS}と車速の関係を表すマップに示すように、車速に対応したマップとして予め保持しておいてもよいし、後輪コントローラ５から通信によりRatio_{_RAS}を得るようにしてもよく、特に限定しない。また、前後輪舵角に対するヨーレイトゲインや横速度ゲインは、車両特性と車速により２輪モデルを用いて決定される特性である。よって、式(3-1)のGainは定数もしくは車速依存式により構成されることから、Gain自体を図１７のGainと車速の関係を表すマップに示すように、実特性算出部312dに車速依存マップとして保有しておいても良い。

理想操舵角推定値算出部312aでは、入力された操舵トルクに基づいて、目標前輪舵角特性Ref(s)により理想操舵角を算出する。

仮想補助舵角推定値算出部312bでは、理想操舵角に基づいて、上述したリアアクティブステアシステムの制御ロジックを用いて仮想補助舵角推定値を算出する。

操舵反力トルク推定値算出部312cでは、リアアクティブステア制御を行うことを考慮した２輪モデルにおいて、仮想補助舵角推定値算出部312bにより算出された後輪補助舵角を用いることで、前輪スリップ角を推定し、前輪スリップ角と操舵反力トルクが略比例関係にあることから操舵反力トルク推定値Trk(s)を算出する。

図１９は、高車速時において、実施例２に対応するリアアクティブステア制御と過渡アシストトルク制御を備えた車両の車両特性と、比較例３として過渡アシストトルク制御無しのリアアクティブステア制御を備えた車両の車両特性と、比較例４として過渡アシストトルク制御とリアアクティブステア制御を車両モデルの補正を行わず単に組み合わせた車両の車両特性とのシミュレーション結果を表すタイムチャートである。操舵トルクは、ある一定のトルクがステップ入力されたものとし、この操舵トルクの入力に対する車両挙動を示す。尚、比較例３，４のリアアクティブステア制御においては、車両モデルを考慮しないRatio_{_RAS} ^*として図１７に示す特性を用いた。

図１９に示すように、操舵トルクがステップ入力されると、比較例３にあっては、アシストトルクが若干与えられ、また、路面からの操舵反力トルクが小さいことに起因して操舵角がオーバーシュートする。このオーバーシュートにより、操舵角に応じて目標後輪舵角を設定するリアアクティブステアシステムでは、後輪側で操舵角に応じて同相制御が行われる。このとき、リアアクティブステア制御により操舵角に応じて後輪舵角が発生するものの、前輪側においてオーバーシュートした操舵角によって、ヨーレイト及び横加速度には、オーバーシュートが発生し、車両の安定性が十分とは言えない。

また、比較例４にあっては、過渡アシストトルク制御を行う場合にリアアクティブステア制御を考慮しないため、実際にはリアアクティブステア制御によってスリップ角の発生が抑制されているものの、操舵角に応じたスリップ角が発生していると誤認識し、過渡アシストトルクとして過大な反力が与えられる。よって、操舵角の発生が過剰に抑制され、逆にヨーレイト及び横加速度が不十分となり、運転者の意図と異なる車両挙動となる虞がある。

これに対し、実施例２の車両では、操舵トルクのステップ入力が与えられると、路面からの操舵反力トルクが小さいことが演算により分かっており、また、リアアクティブステア制御の影響によって、発生するスリップ角が小さめに発生することが適正に推定できる。よって、このスリップ角に応じた逆向きのアシストトルクが付与される。すなわち、運転者の操舵トルクをアシストする側ではなく、適度に抵抗を与える側に付与される。これにより、操舵角のオーバーシュートが抑制され、所望のヨーレイト及び横加速度が得られていることが分かる。

また、実施例２においても、実施例１と同様に、車両モデルの車両特性が実際の車両特性とずれた場合であって、実施例１で説明したのと同じ論理によって操舵角の発散を防止できるのは言うまでもない。

実施例１の車両制御システムを表すシステム構成図である。実施例１の車両のシステムを表す車両モデルである。実施例１のアシストトルク算出部の構成を表す制御ブロック図である。実施例１の過渡アシストトルク制御部の構成を表す制御ブロック図である。実施例１のアシストトルク算出部を目標前輪舵角特性に置き換えた対応関係を表す図である。実施例１のRatio_{_AFS}と車速の関係を表すマップである。実施例１のRatio_{_RAS}と車速の関係を表すマップである。実施例１のGainと車速の関係を表すマップである。比較例における車両の操舵トルク周波数に対する操舵角/操舵トルクのゲイン特性を表す図である。オーバーシュートの発生を抑制する補正を行った場合の前輪実転舵角の関係を表すタイムチャートである。オーバーシュートの発生を抑制する補正を行った場合の前輪実転舵角の関係を表すタイムチャートである。実施例１の、高車速時における車両特性と、過渡アシストトルク制御無しの車両特性とのシミュレーション結果を表すタイムチャートである。実施例１の操舵トルクに対する操舵角の周波数応答と、従来例の操舵トルクに対する操舵角の周波数応答とを表す特性図である。実施例１の車両特性と、比較例２の車両特性のシミュレーション結果を表すタイムチャートである。実施例２のリアアクティブステアシステムとパワーステアリングシステムを搭載した車両の全体構成を表すシステム図である。実施例２のRatio_{_RAS}と車速の関係を表すマップである。実施例２のGainと車速の関係を表すマップである。比較例１，２のRatio_{_RAS} ^*と車速の関係を表すマップである。実施例２の高車速時における車両特性と、比較例１の車両特性と、比較例２の車両特性とのシミュレーション結果を表すタイムチャートである。

符号の説明

１車速センサ
２トルクセンサ
３アシストコントローラ
４前輪コントローラ
５後輪コントローラ
７操舵角センサ
３０パワーステアリングユニット
３１パワーモータ
４０前輪操舵ユニット
５０後輪操舵ユニット

Claims

運転者の操舵トルクに基づいてアシストトルクを付与するパワーステアリング手段を備えた車両用操舵制御装置において、
操舵トルクに対する操舵角のゲイン特性が、操舵トルクの周波数が高くなるほど小さくなる目標特性を設定する目標特性設定手段と、
前記目標特性に基づいて操舵トルクに応じた理想操舵角を算出する理想操舵角推定値算出手段と、
前記理想操舵角に基づいて操舵反力トルク推定値を算出する操舵反力トルク推定値算出手段と、
前記操舵トルクと前記操舵反力トルク推定値に基づいて、操舵トルクに対する操舵角のゲイン特性が前記目標特性となるように、前記アシストトルクを制御する過渡アシストトルク制御手段と、
を備えたことを特徴とする車両用操舵制御装置。
請求項１に記載の車両用操舵制御装置において、
前輪及び／又は後輪補助舵角を付与するアクティブステア手段と、
前記理想操舵角に基づいて前輪及び／又は後輪の仮想補助舵角を算出する仮想補助舵角算出手段と、
を設け、
前記操舵反力トルク推定値算出手段は、前記仮想補助舵角に基づいて操舵反力トルク推定値を算出することを特徴とする車両用操舵制御装置。
請求項２に記載の車両用操舵制御装置において、
前記アクティブステア手段は、運転者の操舵角に応じてフィードフォワード制御により所望の車両特性を得るように補助舵角を算出する算出部を有し、
前記仮想補助舵角算出手段は、前記算出部と共用したことを特徴とする車両用操舵制御装置。
運転者の操舵トルクに基づいてアシストトルクを扶養するパワーステアリング手段を備えた車両用操舵制御方法において、
操舵トルクに対する操舵角のゲイン特性が、操舵トルクの周波数が高くなるほど小さくなる目標特性を設定し、この目標特性に基づいて操舵トルクに応じた理想操舵角を算出し、この理想操舵角に基づいて操舵反力トルク推定値を算出し、前記操舵トルクと前記操舵反力トルク推定値に基づいて、操舵トルクに対する操舵角のゲイン特性が前記目標特性となるように、前記アシストトルクを制御することを特徴とする車両用操舵制御方法。