(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ばね上とばね下との間にばね要素と並列に介装され、電気モータにより駆動される電磁アクチュエータと、
前記電磁アクチュエータへ加えられる変位入力を演算し、この変位入力に応じた最適な減衰力になるように前記電気モータを制御するモータ制御手段と、
を備えた車両用電磁サスペンション装置において、
前記電磁アクチュエータは、直線運動と回転運動とを相互に変換する直線−回転変換機構を有し、
前記電気モータのロータ慣性モーメントと、前記直線−回転変換機構の慣性質量及び慣性モーメントを電気モータのロータ位置に換算した慣性モーメントと、を合計した合計慣性モーメントに基づいて、前記電磁アクチュエータの内部慣性力を演算するアクチュエータ内部慣性力演算手段を設け、
前記モータ制御手段は、アクチュエータ内部慣性力を補償する内部慣性力補償制御部を有することを特徴とする車両用電磁サスペンション装置。
【請求項２】
請求項１に記載された車両用電磁サスペンション装置において、
前記モータ制御手段は、最適な減衰力を得る制御則に従って決められたアクチュエータ出力と、電磁アクチュエータの内部慣性力と、を足し合わせた合力をモータ出力とし、このモータ出力を得る指令値を出力することを特徴とする車両用電磁サスペンション装置。
【請求項３】
ばね上とばね下との間にばね要素と並列に介装され、電気モータにより駆動される電磁アクチュエータと、
前記電磁アクチュエータへ加えられる変位入力を演算し、この変位入力に応じた最適な減衰力になるように前記電気モータを制御するモータ制御手段と、
を備えた車両用電磁サスペンション装置において、
前記電磁アクチュエータは、直線運動と回転運動とを相互に変換する直線−回転変換機構を有し、
前記電気モータのロータ慣性モーメントと、前記直線−回転変換機構の慣性質量及び慣性モーメントを電気モータのロータ位置に換算した慣性モーメントと、を合計した合計慣性モーメントに基づいて、電磁アクチュエータの内部慣性力を演算し、このアクチュエータ内部慣性力を補償しつつ前記電気モータの駆動を制御することを特徴とする車両用電磁サスペンション装置のモータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油の粘性抵抗を利用した油圧ダンパに代え、電気をパワーソースにしてサスペンションの振動減衰を行う電磁アクチュエータ（別名：電磁ダンパ）を適用した車両用電磁サスペンション装置とそのモータ制御方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用電磁サスペンション装置の電気モータは、アクティブなスプリング反力トルク、減衰トルク、車両の加減速や旋回に伴い車体に発生する車体慣性力を補償するトルク、とを発生するようになっている。この車体慣性力は、車両の走行に伴い車体に発生する上下方向の慣性力に対応する電気モータの回転角加速度に基づき慣性力補償トルクを演算するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１４９１３０号公報（段落
【０００４】、段落
【０００５】、図４，図７）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の車両用電磁サスペンション装置のモータ制御にあっては、車体慣性力を補償しているものの、電気モータのロータ慣性モーメントや、電磁アクチュエータのストロークにより変位・回転する部位の慣性モーメントを補償する構成となっていないため、モータ出力とアクチュエータ出力とが一対一に対応せず、路面変位入力に対するばね上加速度の周波数応答の値が大きくなり、乗り心地悪化の原因となるし、また、路面からの急な変位入力に対してばね下の路面変位追従性が低く、操縦安定性を低下させる原因となっている。
【０００７】
本発明は、上記課題に着目してなされたもので、アクチュエータ内部慣性力を補償することで、乗り心地向上と操縦安定性向上とを高レベルにて両立することができる車両用電磁サスペンション装置と車両用電磁サスペンション装置のモータ制御方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、ばね上とばね下との間にばね要素と並列に介装され、電気モータにより駆動される電磁アクチュエータと、前記電磁アクチュエータへ加えられる変位入力を演算し、この変位入力に応じた最適な減衰力になるように前記電気モータを制御するモータ制御手段と、を備えた車両用電磁サスペンション装置において、
前記電磁アクチュエータは、直線運動と回転運動とを相互に変換する直線−回転変換機構を有し、
前記電気モータのロータ慣性モーメントと、前記直線−回転変換機構の慣性質量及び慣性モーメントを電気モータのロータ位置に換算した慣性モーメントと、を合計した合計慣性モーメントに基づいて、前記電磁アクチュエータの内部慣性力を演算するアクチュエータ内部慣性力演算手段を設け、
前記モータ制御手段は、アクチュエータ内部慣性力を補償する内部慣性力補償制御部を有する構成とした。
【０００９】
また、前記電気モータのロータ慣性モーメントと、前記直線−回転変換機構の慣性質量及び慣性モーメントを電気モータのロータ位置に換算した慣性モーメントと、を合計した合計慣性モーメントに基づいて、電磁アクチュエータの内部慣性力を演算し、このアクチュエータ内部慣性力を補償しつつ電気モータの駆動を制御するモータ制御方法とした。
【００１１】
また、「モータ制御手段」は、例えば、最適な減衰力を得る制御則に従って決められたアクチュエータ出力と、電磁アクチュエータを構成する電気モータと直線−回転変換機構の合計慣性モーメントによる内部慣性力と、を足し合わせた合力をモータ出力とし、このモータ出力を得る指令値を出力する。
【００１２】
【発明の効果】
よって、本発明の車両用電磁サスペンション装置にあっては、アクチュエータ内部慣性力演算手段において、電気モータのロータ慣性モーメントと、直線−回転変換機構の慣性質量及び慣性モーメントを電気モータのロータ位置に換算した慣性モーメントと、を合計した合計慣性モーメントに基づいて、電磁アクチュエータの内部慣性力を演算し、モータ制御手段の内部慣性力補償制御部において、アクチュエータ内部慣性力を補償するようにしたため、モータ出力とアクチュエータ出力とがほぼ一対一に対応し、乗り心地向上と操縦安定性向上とを高レベルにて両立することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の車両用電磁サスペンション装置を実現する実施の形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。
【００１４】
（第１実施例）
まず、構成を説明する。
図１は第１実施例の車両用電磁サスペンション装置を示す全体概要図、図２は第１実施例装置の電磁アクチュエータを示す断面図である。
【００１５】
図１において、１は車体（ばね上）、２はアッパーリンク、３はロアリンク（ばね下）、４は電磁アクチュエータ、５はアクスル、６はタイヤである。
【００１６】
前記電磁アクチュエータ４は、マルチリンク式独立懸架サスペンションにて用いられるショックアブソーバ（油圧ダンパ）に代えて採用されたもので、車体１とロアリンク３との間にばね要素７（図４参照）と並列に介装され、電気モータ８（図２参照）により駆動される。
【００１７】
図２において、８は電気モータ、９はボールねじシャフト、１０はボールねじナット、１１はアウターチューブ、１２はインナーチューブ、１３は車体支持ボルト、１４はリンク支持アイである。
【００１８】
前記電気モータ８は、車体支持ボルト１３を有するアウターチューブ１１の上端部位置に内蔵により取り付けられ、電気モータ８のロータに固定されたモータ軸部には減速器８ａを有し、該減速器８ａからの減速軸８ｂがボールねじシャフト９に連結されている。
【００１９】
前記ボールねじシャフト９は、ボールねじナット１０と螺合し、ボールねじシャフト９の回転運動をボールねじナット１０の直線運動に変換すると共に、ボールねじナット１０の直線運動をボールねじシャフト９の回転運動に変換する。
【００２０】
前記ボールねじナット１０には、インナーチューブ１２がボールねじシャフト９を覆うように固定され、インナーチューブ１２の下端部にはリンク支持アイ１４が固定されている。
【００２１】
前記電磁アクチュエータ４の車体支持ボルト１３は、前記車体１に対し図外のアッパーインシュレータを介して支持され、前記電磁アクチュエータ４のリンク支持アイ１４は、前記ロアリンク３に対し図外のブッシュを介して支持されている。
【００２２】
図３は第１実施例装置の上下２自由度1/4車体モデルと電磁アクチュエータ４のモータ制御系を示すブロック図である。図３において、１は車体、４は電磁アクチュエータ、６はタイヤ、７はばね要素、８は電気モータ、１５はモータ駆動回路、１６はバッテリ、１７はモータコントローラ、１８は車高センサ、１９はモータ回転角センサである。
【００２３】
第１実施例の車両用電磁サスペンション装置を上下２自由度1/4車体モデルであらわすと、ばね上の車体１とばね下のタイヤ６との間にばね要素７と電磁アクチュエータ４とが並列に介装され、タイヤ６と路面との間にはタイヤばねが介装されている。
【００２４】
前記モータコントローラ１７は、車高センサ１８及びモータ回転角センサ１９等のセンサ信号を入力し、所定の制御則に従ってモータ出力を演算し、このモータ出力を得る指令値をモータ駆動回路１５へ出力する。
【００２５】
前記モータ駆動回路１５は、バッテリ１６を電源とし、モータコントローラ１７からの指令値に応じた電流値を前記電気モータ８に印加する。
【００２６】
次に、作用を説明する。
【００２７】
［モータ制御処理］
図４は第１実施例装置のモータコントローラ１７において実行されるモータ制御処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する（モータ制御手段）。
【００２８】
ステップＳ１では、第１実施例装置にて設定したアクチュエータ制御則を実行するのに必要な車両の各種状態量、もしくは、それらを算出可能な状態量をセンサにより検出する。この際、電磁アクチュエータ４のストローク加速度ａと電気モータ８の回転角速度ω、あるいは、これらの値を算出可能な状態量を含む。
第１実施例装置において、車高センサ１８からのセンサ値により得られる車高値を、電磁アクチュエータ４のストローク加速度ａを算出可能な状態量とし、車高値を時間微分してストローク速度を求め、更に時間微分してストローク加速度ａを求めるようにしている。
また、モータ回転角センサ１９からのセンサ値により得られるモータ回転角を、電気モータ８の回転角速度ωを算出可能な状態量とし、これを時間微分してモータ角速度ωを求めるようにしている。
【００２９】
ステップＳ２では、ステップＳ１で求めたモータ角速度ωと、図５に示すアクチュエータ出力特性とに基づいて、モータ角速度ωに応じたアクチュエータ出力ｆを演算する。
【００３０】
ステップＳ３では、ステップＳ１で求めたストローク加速度ａと、等価慣性質量Ｉ（システムにより決まる定数）と、を掛け合わせる下記の(3)式により電磁アクチュエータ４の内部慣性力fiを演算する（アクチュエータ内部慣性力演算手段）。
すなわち、この電磁アクチュエータ４に変位入力（速度：ｖ，加速度：ａ）を加える。但し、電気モータ８のロータ慣性モーメントと、電磁アクチュエータ４のストロークにより変位・回転する部位全ての慣性質量及び慣性モーメントを電気モータ８のロータ位置に換算した慣性モーメントと、を合計した合計慣性モーメントをＪ、ボールねじのリードをL、減速器８ａの減速比をαとする。この時、電気モータ８のロータは電磁アクチュエータ４に加えられた入力により、
dω/dt＝ａ×(2π/L)×α                                    ...(1)
なる角加速度dω/dtで回転させられる。従って、ここで生じる慣性トルクTiは、
Ti＝Ｊ・dω/dt＝Ｊ×ａ×(2π/L)×α                        ...(2)
となり、電磁アクチュエータ４の内部慣性力fiは、
fi＝Ti×α×(2π/L)＝Ｊ×{(2π/L)×α}2×ａ＝Ｉ×ａ        ...(3)
となる。
但し、
Ｉ＝Ｊ×{(2π/L)×α}2                                    ...(4)
を、電磁アクチュエータ４の内部において、ストロークに応じて変位・回転する部位全ての慣性質量・慣性モーメントをストローク方向に換算した等価慣性質量Ｉとし、この等価慣性質量Ｉは、システムの形式や設計値等により定数により与えられるため、予め測定しておく。
【００３１】
ステップＳ４では、ステップＳ２で演算されたアクチュエータ出力ｆと、ステップＳ３で演算された電磁アクチュエータ４の内部慣性力fiと、の和によりモータ出力fmを演算する。
【００３２】
ステップＳ５では、ステップＳ４で演算されたモータ出力fmを得る電気モータ８への所要電流値Imを演算する。
【００３３】
ステップＳ６では、ステップＳ５で演算された電気モータ８への所要電流値Imを流すための指令値（制御信号）をモータ駆動回路１５に出力し、ステップＳ１へ戻る。
【００３４】
［モータ制御作用］
電磁アクチュエータ４に変位入力（速度：ｖ，加速度：ａ）を加えた場合、電磁アクチュエータ４の内部慣性力fiは、上記(3)式に示すように、fi＝Ｉ×ａとなる。つまり、モータ出力が０であっても、入力加速度ａに応じて電磁アクチュエータ４がfiなる内部慣性力を発生している。
【００３５】
これは、モータ出力とアクチュエータ出力とが一対一に対応していないことを意味しており、この電磁アクチュエータ４を、例えば、図１乃至図３に示すように、車両のサスペンションに適用し、図５に示すような制御則（線形減衰特性）に従って電気モータ８を制御したとき、上記(4)式に示す等価慣性質量Ｉによる内部慣性を補償することにより、モータ出力とアクチュエータ出力とをほぼ一対一に対応させることができる。従って、電磁アクチュエータ４の内部慣性を補償するのと、内部慣性を補償しないのとでは、図６及び図７に示すように、明かな違いが生じる。
【００３６】
図６は路面変位入力に対するばね上加速度の周波数応答特性を示しており、点線特性は内部慣性補償有りの特性、実線特性は内部慣性補償無しの特性である。このばね上加速度の周波数応答特性は、この値が小さいほど乗り心地が良いことを示していて、内部慣性補償無しの特性と、内部慣性補償有りの特性とを比べた場合、内部慣性補償有りの特性の方がピーク値が大幅に低減されていることを示し、また、4Hz〜10Hz程度の乗り心地に影響を与える周波数域においては、内部慣性補償無しのいずれの特性の値よりも、内部慣性補償有りの特性の値が小さく抑えられているといえる。
以上の路面変位入力に対するばね上加速度の周波数応答特性の対比により、内部慣性補償有りの場合、内部慣性補償無しの場合に比べ、乗り心地が向上することが分かる。
【００３７】
図７(b)は図３に示す1/4車体モデルに路面からの変位入力としてステップ入力（図７(a)）を加えた時（段差乗り上げ時）のばね下の変位を時系列特性で対比した特性図である。
図７(b)の実線特性は内部慣性補償無しでのばね下変位特性であり、この場合、段差乗り上げ時にばね下変位のオーバーシュートとアンダーシュートが大きくあらわれ、ばね下変位の収束性も低いことをあらわしている。
これに対し、図７(b)の点線特性は内部慣性補償有りでのばね下変位特性であり、この場合、段差乗り上げ時にばね下変位のオーバーシュートとアンダーシュートが小さく抑えられ、かつ、ばね下変位の収束性も高いことをあらわしている。以上の路面からステップ入力を加えた時のばね下の変位を時系列特性の対比により、内部慣性補償有りの場合、内部慣性補償無しの場合に比べ、ばね下の路面追従性が向上することが分かる。なお、このばね下の路面追従性が向上は、タイヤ６の路面接地がより確保されることから、操縦安定性の向上を意味する。
【００３８】
次に、効果を説明する。
第１実施例の車両用電磁サスペンション装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００３９】
(1) ばね上とばね下との間にばね要素７と並列に介装され、電気モータ８により駆動される電磁アクチュエータ４と、前記電磁アクチュエータ４への変位入力を演算し、変位入力に応じた最適な減衰力になるように前記電気モータ８を制御するモータコントローラ１７と、を備えた車両用電磁サスペンション装置において、前記電磁アクチュエータ４の内部慣性力fiを演算するアクチュエータ内部慣性力演算ステップＳ３を設け、前記モータコントローラ１７は、アクチュエータ内部慣性力fiを補償する内部慣性力補償制御部を有するため、乗り心地向上と操縦安定性向上とを高レベルにて両立する車両用電磁サスペンション装置を提供することができる。
【００４０】
(2) 前記アクチュエータ内部慣性力演算ステップＳ３は、電気モータ８のロータ慣性モーメントと、電磁アクチュエータ４のストロークにより変位・回転する部位全ての慣性質量及び慣性モーメントを電気モータ８のロータ位置に換算した慣性モーメントと、を合計した合計慣性モーメントＪに基づいて、アクチュエータ内部慣性力fiを演算するため、電気モータ８のロータ慣性モーメントのみでなく、電磁アクチュエータ４に含まれる全ての慣性質量及び慣性モーメントが考慮されることで、アクチュエータ内部慣性力fiを精度良く演算することができる。
【００４１】
(3) 前記モータコントローラ１７は、最適な減衰力を得る制御則に従って決められたアクチュエータ出力ｆと、電磁アクチュエータ４の内部慣性力fiと、を足し合わせた合力(ｆ＋fi)をモータ出力fmとし、このモータ出力fmを得る指令値を出力するようにしたため、アクチュエータ出力ｆを求める基本的な演算処理に、内部慣性力補償処理を加えるだけの簡単で自由度の高い処理により、電磁アクチュエータ４の内部慣性力を補償したモータ制御を行うことができる。
【００４２】
(4) ばね上とばね下との間にばね要素７と並列に介装され、電気モータ８により駆動される電磁アクチュエータ４と、前記電磁アクチュエータ４への変位入力を演算し、変位入力に応じた最適な減衰力になるように前記電気モータ８を制御するモータコントローラ１７と、を備えた車両用電磁サスペンション装置において、前記電磁アクチュエータ４の内部慣性力fiを補償しつつ前記電気モータ８の駆動を制御するようにしたため、乗り心地向上と操縦安定性向上とを高レベルにて両立する車両用電磁サスペンション装置のモータ制御方向を提供することができる。
【００４３】
以上、本発明の車両用電磁サスペンション装置を第１実施例に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この第１実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
【００４４】
第１実施例では、マルチリンク式独立懸架サスペンションにて用いられるショックアブソーバに代えて電磁アクチュエータを採用した例を示したが、例えば、ストラット式サスペンション等のように他の様々な形式のサスペンションのばね上とばね下との間に電磁アクチュエータを適用することができる。
【００４５】
第１実施例では、モータ角速度ωと、図５に示すアクチュエータ出力特性とに基づいて、モータ角速度ωに応じたアクチュエータ出力ｆを演算する例を示したが、このアクチュエータ出力ｆは、適用可能なアクチュエータ制御則であれば、任意の制御則を用いて得るようにしても良い。
例えば、モータ角速度ωに代えてストローク速度を用い、このストローク速度と線形減衰特性や非線形減衰特性に基づいてアクチュエータ出力ｆを演算するものとしても良い。
さらに、従来公報（特開平７−１４９１３０号公報）に記載されているように、回転角に応じた反力トルクと、回転角速度に応じた減衰トルクと、回転角加速度に応じた車体慣性力補償トルクと、を加えたトルクを得るアクチュエータ出力ｆを演算するものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の車両用電磁サスペンション装置を示す全体概要図である。
【図２】第１実施例の車両用電磁サスペンション装置の電磁アクチュエータを示す断面図である。
【図３】第１実施例装置の上下２自由度1/4車体モデルと電磁アクチュエータ４のモータ制御系を示すブロック図である。
【図４】第１実施例装置のモータコントローラにおいて実行されるモータ制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】第１実施例装置におけるモータ角速度に対するアクチュエータ出力特性図である。
【図６】内部慣性補償有りの路面変位入力に対するばね上加速度の周波数応答特性と内部慣性補償無しの路面変位入力に対するばね上加速度の周波数応答特性との比較特性図である。
【図７】図７(a)は路面からの変位入力の一例であるステップ入力特性を示す図で、図７(b)はステップ入力を加えた時のばね下の変位を内部慣性補償有りの場合と内部慣性補償無しの場合とで時系列にて対比した特性図である。
【符号の説明】
１  車体（ばね上）
２  アッパーリンク
３  ロアリンク
４  電磁アクチュエータ
５  アクスル
６  タイヤ（ばね下）
７  ばね要素
８  電気モータ
９  ボールねじシャフト
１０  ボールねじナット
１１  アウターチューブ
１２  インナーチューブ
１３  車体支持ボルト
１４  リンク支持アイ
１５  モータ駆動回路
１６  バッテリ
１７  モータコントローラ
１８  車高センサ
１９  モータ回転角センサ
【図１】
0003722128.tif 000002
【図２】
0003722128.tif 000003
【図３】
0003722128.tif 000004
【図４】
0003722128.tif 000005
【図５】
0003722128.tif 000006
【図６】
0003722128.tif 000007
【図７】
0003722128.tif 000008