JP4264725B2

JP4264725B2 - 電動パワーステアリング装置用試験システム

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Publication number: JP4264725B2
Application number: JP2003410951A
Authority: JP
Inventors: 雅也瀬川; 眞之植野; 真康東; 元基小竹; 正夫永井
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-12-09
Also published as: JP2005172528A

Description

本発明は、操舵補助力をモータにより付与する電動パワーステアリング装置の性能評価に用いられる試験システムに関する。

電動パワーステアリング装置においては路面情報を操舵反力としていかにドライバーに伝達するかが重要な性能の一つである。そのため、電動パワーステアリング装置の開発過程においては、実車搭載前に、操舵反力をシミュレーションした負荷を作用させる装置を用いて性能評価が行われている。また、油圧パワーステアリング装置の開発過程において、車両シミュレーションモデルに基づき求めた操舵反力を油圧コントロールバルブの特性に応じて補正し、その補正した操舵反力を作用させる装置を用いることが提案されている（特許文献１参照）。
特開平１０−４５０１１号公報

しかし、電動パワーステアリング装置における操舵力の出力部に単に負荷を作用させただけでは、実車搭載時における操舵反力を正確にシミュレーションするのは困難である。また、車両シミュレーションモデルに基づき求めた操舵反力を油圧コントロールバルブの特性に応じて補正することで操舵反力を求める従来技術は電動パワーステアリング装置に適用することができない。本発明は以上のような問題を解決することを目的とする。

本発明は、操舵補助力発生用モータと、ステアリングホイールの操舵トルクを検出するトルクセンサと、検出操舵トルクと車速とに応じた操舵補助力を発生するように前記モータを制御する制御装置とを備える電動パワーステアリング装置のための試験システムであって、前記電動パワーステアリング装置における操舵力出力部に負荷を付与するアクチュエータを含む負荷付与機構と、前記ステアリングホイールの操舵角を検出する角度センサと、車速を入力する車速入力部と、操舵角と車速と操舵反力との関係を含む車両シミュレーションモデルの記憶手段と、検出操舵角と入力車速に応じた操舵反力を前記車両シミュレーションモデルに基づき求める演算手段と、求めた操舵反力に対応する負荷を前記操舵力出力部に付与するように前記アクチュエータを制御する制御手段と、前記車速入力部により入力される車速の前記制御装置への入力手段と、路面状態の変化と負荷係数の変化との間の予め定められた関係を記憶する手段と、仮想の路面状態を入力する路面状態入力部と、入力された路面状態に対応する負荷係数を求める手段とを備え、前記トルクセンサにより求めた操舵トルクと入力車速とに応じた操舵補助力を発生するように、前記モータが前記制御装置により制御され、求めた負荷係数を求めた操舵反力に乗じて得られた負荷が前記操舵力出力部に付与されるように、前記アクチュエータが前記制御手段により制御され、前記電動パワーステアリング装置は、前記ステアリングホイールの操舵により移動する操舵部材と、その操舵部材に一端部が自在継手を介して連結されるタイロッドを有し、そのタイロッドの他端部が操舵力出力部とされ、前記負荷付与機構により、操舵反力に対応する力として前記タイロッドの軸方向に沿う力が付与され、前記車両シミュレーションモデルにおいては、前輪横力と、前輪横力の時間微分を車速により除した値に比例する値との和が、操舵角の増減に対応して増減する値に比例するものとされ、前記タイロッドの軸方向に沿う力は前輪横力に比例するものとされることを特徴とする。
本発明によれば、試験対象の電動パワーステアリング装置を実車に搭載した場合の操舵反力を車両シミュレーションモデルにより求め、その操舵反力に対応する負荷をその電動パワーステアリング装置における操舵力の出力部に付与することができ、路面状態の相違に応じた負荷を付与して電動パワーステアリング装置の性能を評価することができ、実車に搭載した場合の操舵反力を車両シミュレーションモデルにより正確に求めることができる。

本発明の電動パワーステアリング装置用試験システムにおける前記車両シミュレーションモデルにおいては、Ｖを車速、βを車両の重心点の横滑り角、γを車両のヨーレイト、φを車両のロール角、ｌ _f を車両の重心点から前輪軸までの距離、Ｆ _f を前輪横力、Ｃ _f を前輪コーナリングスティフネス一軸分、β _f を前輪横滑り角、ｋをタイヤの横剛性、δ _f を前輪実舵角、α _f を前輪のロールステア、θを操舵角、Ｎをステアリングギヤ比、ξをキャスタトレールとニューマチックトレールの和、Ｆを前記タイロッドの軸方向に沿う力、ｌ _n をナックルアーム長として、以下の式（６）、（８）、（１０）、（１２）、（１４）が成立するものとされるのが好ましい。

本発明の試験システムによれば、電動パワーステアリング装置を実車に搭載した場合の操舵反力の付与を正確にシミュレーションすることで、その電動パワーステアリング装置の適正な性能評価を行うことができる。

図１は、本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置用試験システムを示す。試験対象の電動パワーステアリング装置１は、操舵によるステアリングホイール２の回転を舵角が変化するように車輪に伝達する機構を備える。本実施形態の電動パワーステアリング装置１は公知のラックピニオン型とされ、ステアリングホイール２の回転をステアリングシャフト４を介してピニオン５に伝達し、ピニオン５に噛み合うラック（操舵部材）６を移動させ、そのラック６の動きを左右タイロッド７を介して車輪に伝達することで舵角を変化させる。ステアリングホイール２の回転を車輪に伝達する経路に作用する操舵補助力の発生用モータ１０が設けられている。本実施形態においてはモータ１０の出力シャフトの回転が減速ギヤ機構１１を介してステアリングシャフト４に伝達されることで操舵補助力が付与される。モータ１０は車載コンピュータにより構成される制御装置２０に接続される。制御装置２０に、ステアリングホイール２の操舵トルクを検出するトルクセンサ２２が接続される。なお、実車搭載時においては制御装置２０に車速センサが接続される。制御装置２０は、トルクセンサ２２により求めた操舵トルクと車速とに応じた操舵補助力を発生するようにモータ１０を制御する。本実施形態のステアリングシャフト４は、ステアリングホイール２側とピニオン５側とに分割されると共にトーションバーにより連結され、ステアリングホイール２の操舵角とピニオン５の回転角の差であるトーションバーの捩れ角に、トーションバーのバネ定数を乗じることで得られる操舵トルクがトルクセンサ２２により検出される。

電動パワーステアリング装置１の操舵力出力部に負荷を付与するＡＣサーボモータ３１（アクチュエータ）を含む負荷付与機構３０が設けられている。本実施形態における電動パワーステアリング装置１の操舵力出力部７ａは、上記ラック６に一端部がボールジョイント等の自在継手９を介して連結された一方のタイロッド７の他端部により構成され、実車においてはそこに自在継手、ナックルアームを介して車輪が接続される。負荷付与機構３０は、操舵力出力部７ａにボールジョイント等の自在継手３２を介して連結されるボールナット３３にねじ合わされるボールスクリュー３４を、減速ギヤ機構３５を介してモータ３１により駆動することで、操舵力出力部７ａに操舵反力に対応する負荷を付与する。操舵反力は主として前輪の横滑り角に比例して発生するセルフアライニングトルクによることから、タイロッド７の軸方向に沿う力（以下「軸力」という）が操舵反力に対応する力として付与される。また、実車における軸力は左右タイロッド７それぞれにおいて発生するが、ドライバが感じる操舵反力は左右軸力の総和であることから、本実施形態では左右軸力の総和を片側のタイロッド７に付加する。

モータ３１はパーソナルコンピュータにより構成される試験制御装置４０にＤ／Ａ変換器４３を介して接続される。試験制御装置４０は、ステアリングホイール２の操舵角を求める角度センサ２３にＡ／Ｄ変換器４２を介して接続され、さらに、車速を入力する車速入力部４４に接続されている。車速入力部４４は、例えばキーボードスイッチやブレーキペダル状の入力スイッチ等により構成できる。なお、電動パワーステアリング装置１が操舵補助力発生用モータ１０を操舵角に応じて制御する場合、角度センサ２３として電動パワーステアリング装置１に備えられるものを用いればよい。

試験制御装置４０は、操舵角と車速と目標操舵反力に対応する目標軸力との関係を含む車両シミュレーションモデルを記憶し、角度センサ２３による検出操舵角と車速入力部４４による入力車速とに応じた目標軸力を記憶した車両シミュレーションモデルに基づき求め、求めた目標軸力がタイロッド７に作用するようにモータ３１を制御する。また、図１において２点鎖線で示すように、試験制御装置４０に仮想の路面状態を入力する路面状態入力部４５を接続する。路面状態入力部４５は、例えばキーボードスイッチやロータリースイッチ等により構成できる。試験制御装置４０は、路面状態の変化と負荷係数の変化との間の予め定められた関係を記憶する。例えば、負荷係数は路面が乾燥状態である時は１、積雪状態である時は０．４、氷結状態である時は０．１とされ、路面状態と負荷係数とが対応付けて記憶される。また、路面と車輪との間の摩擦係数の連続的な変化と負荷係数の連続的な変化との関係を対応付けて記憶してもよい。上記の路面状態入力部４５により路面状態が試験制御装置４０に入力され、試験制御装置４０は入力された路面状態に対応する負荷係数を目標軸力に乗じることで、操舵力出力部７ａに最終的に付与する負荷を求める。なお、本実施形態ではモータ３１の制御はオープンループ制御とされる。

車速入力部４４により入力される車速が制御装置２０に入力可能なように、制御装置２０と試験制御装置４０が接続されている。なお、制御装置２０への車速の入力手段は特に限定されず、例えば車速入力部４４が制御装置２０に直接に接続可能とされていてもよい。

制御装置２０は、トルクセンサ２２により求めた操舵トルクと入力車速とに応じた操舵補助力を発生するように、記憶した操舵補助プログラムに基づきモータ１０を制御する。なお、本実施形態では操舵トルクが大きく入力車速が小さい程に操舵補助力が大きくなるものとされるが、これに限定されるものでなく、例えば角度センサ２３による検出操舵角に応じて操舵補助力を変化させるようにしてもよい。

電動パワーステアリング装置１を実車に装着するのと同様に支持台（図示省略）に固定した状態で上記実施形態の試験システムにより操舵反力が作用する状態をシミュレーションした結果と、電動パワーステアリング装置１を実車に装着した場合との比較実験を行った。電動パワーステアリング装置１としては車体質量が1000kg強の普通乗用車に搭載されるものを使用した。なお、タイロッド７に作用する軸力はひずみゲージ８により測定した。

負荷付与機構３０により負荷を付与する際、車両シミュレーションモデルに基づきリアルタイムで前輪の横滑り角からセルフアライニングトルク、タイロッド７の軸力を求めた。その車両シミュレーションモデルは、図２、図３に示すように、横方向、ヨー方向、ロール方向の３自由度を考慮した前後車輪５０、５１を有する等価二輪モデルとした。
なお、本実施形態において用いる記号の定義は以下の表１に示す通りである。

車両シミュレーションモデルにおいて、 x、z 方向に関する慣性乗積は零とし、車両重心点Ｇ回りの運動方程式は以下の式（１）〜（３）に示す通りとした。

本実施形態では、車輪を構成するタイヤにおける横滑り角の発生から横力が発生するまでの動特性を考え、以下の式（６）、（７）を用いる。すなわち、一定車速においては、車輪横力と車輪横力の時間微分に比例する値との和が車輪横滑り角に比例するものとされる。

前後輪の横滑り角は以下の式（８）〜（１１）により表される。
なお、単位ロール角あたりのロールステア量の値は本実施形態では定数と仮定して用いた。また、実車実験により操舵角入力に対するタイロッド７の変位に動特性がほとんどなかったため、操舵系は剛体とし、操舵角に対して前輪実舵角は以下の式（１２）に示すように比例関係とし、遅れがないものとする。

図４、図５に示すように、キングピン１１まわりのセルフアライニングトルクをナックルアーム９の長さで除した値を本実施形態の車両シミュレーションモデルにおけるタイロッド７に作用する軸力とした。以下の式（１３）、（１４）にタイヤ２輪分のセルフアライニングトルクと軸力の関係を示す。

上記の車両シミュレーションモデルを用いて電動パワーステアリング装置１に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、電動パワーステアリング装置１を実車に装着した場合とにおいて、ステアリングホイール２の操舵角に対する車両のヨーレートのゲインと位相により表される周波数応答特性を求めた。そのゲイン特性を図６のボード線図に、位相特性を図７のボード線図に示す。
また、電動パワーステアリング装置１に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、電動パワーステアリング装置１を実車に装着した場合とにおいて、ステアリングホイール２の操舵角に対するタイロッド７の軸力のゲインと位相より表される周波数応答特性を求めた。そのゲイン特性を図８のボード線図に、位相特性を図９のボード線図に示す。
なお、実験条件として、車両が乾燥路面を車速40km/h、50km/h、60km/hで走行する場合それぞれにおいて、サイン波状の操舵を行った。
図６〜図９に示すように、操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と実車実験の場合とで、各周波数応答特性がほぼ一致した。特に、人間がステアリングホイールを操舵する際の実際の操舵周波数範囲である０．２Ｈｚ〜２．０Ｈｚ程度の操舵角入力に対してよく一致しているのが確認できる。

上記実施形態では負荷付与機構３０のモータ３１の制御はオープンループであるが、変形例として、タイロッド７の軸力を制御装置２０にフィードバックし、目標軸力との偏差を低減するようにモータ３１をＰＩ（比例積分）制御し、さらに目標軸力のフィードフォワード制御と組み合わせるようにしてもよい。すなわち図１０の制御ブロック線図に示すように、試験制御装置４０における車両シミュレーションモデルにより操舵角θと入力車速Ｖに応じた目標軸力Ｆ_dを求め、目標軸力Ｆ_dと検出軸力Ｆとの偏差の比例積分値に目標軸力Ｆ_dを加算した値を、換算係数Ｋ_Tを乗じることでモータ３１の目標出力トルクＴ_dに換算し、その目標出力トルクＴ_dに応じてモータ３１を駆動する。他は上記実施形態と同様とする。そのフィードバック制御により目標軸力が小さい時の動力伝達時に発生する操舵系の摩擦の影響等を補償でき、また、フィードフォワード制御により安定して目標値追従を行うことができる。比例ゲインＫ_Pおよび積分ゲインＫ_Iは実験的に求めた。なお、目標出力トルクＴ_dを設定した外乱に応じて変化させるようにしてもよい。

次に、変形例の電動パワーステアリング装置１において操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、モータ３１をオープンループ制御する上記実施形態の電動パワーステアリング装置１において操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合とにおいて、ステアリングホイール２の操舵角に対するタイロッド７の軸力のゲインと位相より表される周波数応答特性を求めた。そのゲイン特性を図１１のボード線図に、位相特性を図１２のボード線図に示す。実験条件として、車両が乾燥路面を車速40km/h、50km/h、60km/hで走行する場合それぞれにおいて、サイン波状の操舵を行った。
図１１、図１２に示すように、変形例の場合は実施形態の場合に比べて操舵周波数範囲が１Ｈｚ〜２．０Ｈｚ程度において位相が多少遅れるが実際にはドライバーが違和感を感じることのない程度の遅れであり、ゲイン特性については変形例の場合と実施形態の場合とでよく一致し、操舵系の摩擦の影響等を補償する上で有効であることを確認できる。

次に、変形例の電動パワーステアリング装置１に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、電動パワーステアリング装置１を実車に装着した場合とにおいて、ステアリングホイール２の操舵角をランダムに変化させた時の時間と軸力との関係を求めた。図１３に示すように、操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と実車実験の場合とで、時間と操舵角との関係はよく一致させるようにした。また、車両は乾燥路面を車速40km/hで走行するものとした。
図１４に示すように、その時間と軸力との関係は、操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と実車実験の場合とでよく一致し、本変形例の試験システムによれば一般的な通常の操舵における操舵角の変化に対する軸力の応答性も十分に再現可能であることを確認できる。

次に、ドライバが実際に感じる反力を検討するため、変形例の電動パワーステアリング装置１に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、電動パワーステアリング装置１を実車に装着した場合とにおいて、ステアリングホイール２を複数回往復回転させた時の操舵角と操舵トルクとの関係を求めた。実験条件として、車両が乾燥路面を車速40km/h、60km/hで走行する場合それぞれにおいて、操舵トルクとしてトルクセンサ２２の検出値を用いた。車速40km/hの場合の結果を図１５に、車速60km/hの場合の結果を図１６にそれぞれ示す。
図１５、図１６より、その操舵角と操舵トルクとの関係は、操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と実車実験の場合とでよく一致することを確認できる。

また、本発明の試験システムによる試験対象の電動パワーステアリング装置の型式は特に限定されず、例えばステアリングホイールの回転をステアリングシャフトからリンク機構を介して車輪に伝達するものや、ラックと一体のボールスクリューにねじ合わされるボールナットをモータの出力により駆動することで操舵補助力を付与するものでもよい。

さらに、負荷付与機構は電動パワーステアリング装置の操舵力出力部に負荷を付与できれば構成は特に限定されず、例えば油圧アクチュエータにより負荷を発生するものでもよい。

本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置用試験システムの構成説明図本発明の実施形態における車両シミュレーションモデルの説明用平面図本発明の実施形態における車両シミュレーションモデルの説明用正面図本発明の実施形態における車両シミュレーションモデルにおけるセルフアライニングトルクの作用状態の説明図本発明の実施形態における車両シミュレーションモデルにおけるタイロッドへの軸力の作用状態の説明図本発明の実施形態における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、その電動パワーステアリング装置を実車に装着した場合とにおいて、操舵角に対する車両のヨーレートのゲイン特性を表すボード線図本発明の実施形態における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、その電動パワーステアリング装置を実車に装着した場合とにおいて、操舵角に対する車両のヨーレートの位相特性を表すボード線図本発明の実施形態における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、その電動パワーステアリング装置を実車に装着した場合とにおいて、操舵角に対するタイロッドの軸力のゲイン特性を表すボード線図本発明の実施形態における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、その電動パワーステアリング装置を実車に装着した場合とにおいて、操舵角に対するタイロッドの軸力の位相特性を表すボード線図本発明の変形例の負荷付与機構のモータの制御ブロック線図本発明の実施形態における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、変形例における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合とにおいて、操舵角に対するタイロッドの軸力のゲイン特性を表すボード線図本発明の実施形態における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、変形例における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合とにおいて、操舵角に対するタイロッドの軸力の位相特性を表すボード線図本発明の変形例における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、その電動パワーステアリング装置を実車に装着した場合とにおいて、操舵角をランダムに変化させた時の時間と操舵角との関係を表す図本発明の変形例における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、その電動パワーステアリング装置を実車に装着した場合とにおいて、操舵角をランダムに変化させた時の時間とタイロッドの軸力との関係を表す図本発明の変形例における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、その電動パワーステアリング装置を実車に装着した場合とにおいて、車速40km/hでステアリングホイールを複数回往復回転させた時の操舵角と操舵トルクとの関係を表す図本発明の変形例における電動パワーステアリング装置に操舵反力が作用する状態をシミュレーションした場合と、その電動パワーステアリング装置を実車に装着した場合とにおいて、車速60km/hでステアリングホイールを複数回往復回転させた時の操舵角と操舵トルクとの関係を表す図

符号の説明

１電動パワーステアリング装置
２ステアリングホイール
６ラック（操舵部材）
７タイロッド
７ａ操舵力出力部
９自在継手
１０モータ
２０制御装置
２２トルクセンサ
２３角度センサ
３０負荷付与機構
３１ＡＣサーボモータ（アクチュエータ）
３２自在継手
４０試験制御装置（演算手段、制御手段、入力手段）
４４車速入力部
４５路面状態入力部

Claims

操舵補助力発生用モータと、ステアリングホイールの操舵トルクを検出するトルクセンサと、検出操舵トルクと車速とに応じた操舵補助力を発生するように前記モータを制御する制御装置とを備える電動パワーステアリング装置のための試験システムであって、
前記電動パワーステアリング装置における操舵力出力部に負荷を付与するアクチュエータを含む負荷付与機構と、
前記ステアリングホイールの操舵角を検出する角度センサと、
車速を入力する車速入力部と、
操舵角と車速と操舵反力との関係を含む車両シミュレーションモデルの記憶手段と、
検出操舵角と入力車速に応じた操舵反力を前記車両シミュレーションモデルに基づき求める演算手段と、
求めた操舵反力に対応する負荷を前記操舵力出力部に付与するように前記アクチュエータを制御する制御手段と、
前記車速入力部により入力される車速の前記制御装置への入力手段と、
路面状態の変化と負荷係数の変化との間の予め定められた関係を記憶する手段と、
仮想の路面状態を入力する路面状態入力部と、
入力された路面状態に対応する負荷係数を求める手段とを備え、
前記トルクセンサにより求めた操舵トルクと入力車速とに応じた操舵補助力を発生するように、前記モータが前記制御装置により制御され、
求めた負荷係数を求めた操舵反力に乗じて得られた負荷が前記操舵力出力部に付与されるように、前記アクチュエータが前記制御手段により制御され、
前記電動パワーステアリング装置は、前記ステアリングホイールの操舵により移動する操舵部材と、その操舵部材に一端部が自在継手を介して連結されるタイロッドを有し、そのタイロッドの他端部が操舵力出力部とされ、
前記負荷付与機構により、操舵反力に対応する力として前記タイロッドの軸方向に沿う力が付与され、
前記車両シミュレーションモデルにおいては、前輪横力と、前輪横力の時間微分を車速により除した値に比例する値との和が、操舵角の増減に対応して増減する値に比例するものとされ、前記タイロッドの軸方向に沿う力は前輪横力に比例するものとされることを特徴とする電動パワーステアリング装置用試験システム。
請求項１に記載の電動パワーステアリング装置用試験システムにおける前記車両シミュレーションモデルにおいては、Ｖを車速、βを車両の重心点の横滑り角、γを車両のヨーレイト、φを車両のロール角、ｌ _f を車両の重心点から前輪軸までの距離、Ｆ _f を前輪横力、Ｃ _f を前輪コーナリングスティフネス一軸分、β _f を前輪横滑り角、ｋをタイヤの横剛性、δ _f を前輪実舵角、α _f を前輪のロールステア、θを操舵角、Ｎをステアリングギヤ比、ξをキャスタトレールとニューマチックトレールの和、Ｆを前記タイロッドの軸方向に沿う力、ｌ _n をナックルアーム長として、以下の式（６）、（８）、（１０）、（１２）、（１４）が成立するものとされる。