(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動輪である各車輪を電気モータで駆動する自動車のタイヤのスリップを抑制するスリップ制御装置であって、
車速と操舵角とを含む車両の状態の情報から車輪の許容回転速度を演算する許容回転速度演算手段と、
前記許容回転速度と車輪の回転速度との偏差からＰＩ制御またはＰＩＤ制御によるトルク補償値を生成するＰＩ等制御手段と、
上位制御手段から受け取るトルク指令入力値に前記トルク補償値を加算してトルク指令出力値とする加算手段と、
無駄時間を含む制御対象モデルを有しスミス法により前記トルク補償値の生成に無駄時間補償を加える無駄時間補償手段とを備え、
前記無駄時間補償手段への入力は、前記ＰＩ等制御手段が前記ＰＩ制御またはＰＩＤ制御によりそれぞれ生成するトルク補償値であるＰＩまたはＰＩＤ補償の内のＩ補償を除くＰ補償またはＰＤ補償の出力である、
ことを特徴とするスリップ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスリップ制御装置において、前記無駄時間補償手段への入力に、前記上位制御手段から与えられる前記トルク指令入力値を含まないスリップ制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のスリップ制御装置において、前記ＰＩ等制御手段を構成するＩ補償部は、Ｉ補償の大きさを、前記上位制御手段から受け取る前記トルク指令入力値の絶対値で制限するスリップ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両のタイヤスリップを抑制するスリップ制御装置に関し、特に、左右の車輪を電気モータ等の駆動源で独立して駆動する電気自動車等におけるスリップ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車体の加速時もしくは減速時に車輪がスピンまたはロックするのを防止するスリップ制御装置が知られている。
近年、電気自動車の一形態として、車輪のホイールにモータを組み込み、車輪をモータで直接に駆動する、いわゆるインホイールモータ方式の車両や、左右輪それぞれに対応させて車体に設置された２つのモータの出力をドライブシャフト等を介して各車輪にそれぞれ伝達し、各車輪の駆動トルクを制御するいわゆるオンボード方式の車両が開発されている。
【０００３】
これらのインホイールモータ方式やオンボード方式の車両は、各車輪に付与する駆動トルクまたは制動トルクを各輪個別に制御できるという特徴を持つ。この特徴を活かし、スリップ制御を行なう制御装置が提案されている（例えば、特許文献１）。この従来例では車両コントローラが、車速センサ、アクセルセンサ、ブレーキセンサ等の情報からモータトルク指令値を演算し、演算された指令値をモータコントローラへ送り、モータコントローラがモータの制御を行なう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９７２５３５号公報
【特許文献２】特許第２８８５５４４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】阿部直人，児島晃著，「むだ時間・分布定数系の制御」，コロナ社(2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載の技術では、車両コントローラで演算されたモータトルク指令値を車両コントローラからモータコントローラへ送る際、車両コントローラとモータコントローラ間の通信速度が遅い場合、通信によってモータトルク指令に遅れが生じ、モータコントローラが行なうモータの制御も遅れてしまうという問題がある。例えば、一般に自動車に採用されているＣＡＮ（コントロール  エリア  ネットワーク）による通信では、各部位の通信を同じ配線上で順に行うシリアル通信であるため、通信速度が遅い。
【０００７】
実際の制御装置では、上記通信速度による遅れの他に、モータコントローラ内のインバータの演算における遅れや、車輪速センサの検出における遅れ等があり、車両コントローラのトルク指令の出力から車両コントローラにフィードバックされる車輪回転速度の入力までに車輪の慣性に起因する遅れ以外にも様々な遅れを持つ。これらの遅れには、無駄時間を含む場合がある。無駄時間を含む場合、制御入力の効果が直ぐには出力に現れず、また出力が直ぐにコントローラにフィードバックされないため、車両コントローラが車輪回転速度の値に基づいてスリップ制御を実施しようとすると、その無駄時間が大きくなるにつれ、ＰＩＤ補償のみでは制御が困難になり易い。
【０００８】
無駄時間を含む制御系の制御性を改善する方法として、例えば非特許文献１、特許文献２に開示されているスミス法が広く用いられている。このスミス法は、無駄時間を含む制御対象モデルを用いて無駄時間後の出力を予測し、制御の安定化を図る手法である。この手法によると、目標入力に対して良い応答を得ることができるが、外乱に対する応答は必ずしも良くない。
スミス法を車輪のスリップ制御に適用しようとすると、運転者のアクセル操作等による指令トルクの変化やタイヤに作用する路面からの反力の変動が外乱として作用するため、制御性が劣化する問題がある。入力外乱に対する応答を向上させる手法として、新たにフィードバックループに補償器を導入し、２自由度系にする方法が提案されているが、新たな補償器の導入により制御設計に工数がかかる。
【０００９】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、駆動輪である各車輪を電気モータで駆動する電気自動車で、車両のタイヤスリップを抑制するスリップ制御装置において、車両コントローラのトルク指令の出力から車両コントローラにフィードバックされる車輪回転速度の入力までに比較的大きな無駄時間を持つ場合にも、安定かつ精度良くスリップ制御可能で、比較的に容易に制御設計可能なスリップ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明のスリップ制御装置１は、駆動輪である各車輪７を電気モータ５で駆動する自動車のタイヤのスリップを抑制するスリップ制御装置１であって、
車速と操舵角とを含む車両の状態の情報から車輪７の許容回転速度ωt を演算する許容回転速度演算手段１２と、
前記許容回転速度ωt と車輪７の回転速度ωとの偏差からＰＩ制御またはＰＩＤ制御によるトルク補償値ＫPIDを生成するＰＩ等制御手段１３と、
上位制御手段３から受け取るトルク指令入力値Ｔinに前記トルク補償値ＫPIDを加算してトルク指令出力値Ｔout とする加算手段１６と、
無駄時間を含む制御対象モデル１８を有しスミス法により前記トルク補償値ＫPID の生成に無駄時間補償を加える無駄時間補償手段１７とを備え、
前記無駄時間補償手段１７への入力は、前記ＰＩ等制御手段１３が前記ＰＩ制御またはＰＩＤ制御によりそれぞれ生成するトルク補償値であるＰＩまたはＰＩＤ補償の内のＩ補償を除くＰ補償またはＰＤ補償の出力である、
ことを特徴とする。
なお、ここで、前記ＰＩまたはＰＩＤ制御における、Ｐは比例補償、Ｉは積分補償、Ｄは微分補償である。
【００１１】
この構成によると、前記ＰＩ等制御手段１３は、許容回転速度ωtと車輪の回転速度ωとの偏差からＰＩ制御またはＰＩＤ制御によるトルク補償値ＫPIDを生成し、上位制御手段３から受け取るトルク指令入力値Ｔinに前記トルク補償値ＫPIDを前記加算手段１５により加算してトルク指令出力値Ｔoutとする。そのため、車輪７がスリップするのを抑制することができる。例えば、各車輪７の車輪回転速度ωを監視し、各車輪７の車輪回転速度ωが許容回転速度ωtを超えた場合に、各車輪７の回転速度ωと許容回転速度ωtの偏差に基づくＰＩＤ制御演算、またはＰＩ制御演算によりトルク補償値を定め、車輪がスリップするのを抑制する。
この構成を前提として、スミス法による無駄時間補償手段１７を設け、前記無駄時間補償手段１７への入力トルクは，前記ＰＩＤ補償またはＰＩ補償の内のＩ補償（積分補償）を除くＰ補償（比例補償）、またはＰ補償とＤ補償（微分補償）の和ＫPDとする。これにより、Ｉ補償（積分補償）やトルク指令値による無駄時間補償に起因する定常偏差が生じなくなり、制御精度が向上する。
【００１２】
この発明のスリップ制御装置１において、前記無駄時間補償手段１７への入力に、前記上位制御手段３から受け取るトルク指令入力値Ｔinを含まないようにしても良い。すなわち、上位制御手段３からこのスリップ制御装置１が受け取る駆動または制動のトルク指令入力値Ｔinを、前記無駄時間補償手段１７への入力トルクに加算しないようにする。
これにより、積分補償やトルク指令値による無駄時間補償に起因する定常偏差が、より一層生じなくなり、制御精度が向上する。
【００１３】
この発明のスリップ制御装置１において、前記ＰＩ等制御手段１３を構成するＩ補償部２３は、Ｉ補償の大きさを、前記上位制御手段３から受け取る前記トルク指令入力値Ｔinの絶対値で制限するようにしても良い。
すなわち、前記ＰＩＤ演算またはＰＩ演算におけるＩ補償つまり積分補償の大きさを、アクセルペダル８のストローク量またはブレーキペダル９の踏力等から算出されて上位制御手段３で算出されてこのスリップ制御装置１が受け取る駆動または制動のトルク指令入力値Ｔｉｎの大きさで制限する。これにより、目標値や外乱（上位制御手段３から受け取るトルク指令値Ｔｉｎと、タイヤに作用する路面からの反力）の変化に対する応答性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明のスリップ制御装置は、駆動輪である各車輪を電気モータで駆動する自動車のタイヤのスリップを抑制するスリップ制御装置であって、車速と操舵角とを含む車両の状態の情報から車輪の許容回転速度を演算する許容回転速度演算手段と、前記許容回転速度と車輪の回転速度との偏差からＰＩ制御またはＰＩＤ制御によるトルク補償値を生成するＰＩ等制御手段と、上位制御手段から受け取るトルク指令入力値に前記トルク補償値を加算してトルク指令出力値とする加算手段と、無駄時間を含む制御対象モデルを有しスミス法により前記トルク補償値の生成に無駄時間補償を加える無駄時間補償手段とを備え、前記無駄時間補償手段への入力は、前記ＰＩ等制御手段が前記ＰＩ制御またはＰＩＤ制御によりそれぞれ生成するトルク補償値であるＰＩまたはＰＩＤ補償の内のＩ補償を除くＰ補償またはＰＤ補償であるため、車両コントローラのトルク指令の出力から車両コントローラにフィードバックされる車輪回転速度の入力までに比較的大きな無駄時間を持つ場合にも、安定かつ精度良くスリップ制御可能で、比較的に容易に制御設計可能なスリップ制御装置となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の一実施形態に係るスリップ制御装置を備えた電気自動車等の車両の制御系を示すシステム構成図である。
【図２】同スリップ制御装置の概念構成を示すブロック図である。
【図３】同スリップ制御装置における無駄時間補償手段への入力に積分補償を加えない場合と加えた場合との、トルク指令値と車輪回転速度のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】同スリップ制御装置を適用する車両のインホイールモータ駆動装置の一例を示す断面図である
【発明を実施するための形態】
【００１６】
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。図１は、このスリップ制御装置１を備えた電気自動車等の車両の制御系を示すシステム構成図である。このスリップ制御装置１は、車両コントローラ２に設けられている。モータコントローラ４、電気モータ５、レゾルバ６、および車輪７は、車輪７の１輪分のみを図示しているが、これらは、各駆動輪となる車輪７毎に存在していても良い。例えば、４輪駆動車では、それぞれ４つずつ存在する。２輪駆動車では、２つずつ存在する。
【００１７】
電気モータ５は、埋込磁石型同期モータ等の３相の交流モータである。電気モータ５は、誘導モータであってもよく、また直流モータであってもよい。電気モータ５は、インホイールモータ駆動装置を構成するモータであっても、また車台（図示せず）上に搭載されるオンボード形式であっても良い。
【００１８】
図４は、インホイールモータ駆動装置３１の一例を示す。このインホイールモータ駆動装置３１は、電気モータ５、減速機３２、および車輪用軸受３３を有し、これらの一部または全体が車輪７内に配置される。電気モータ５の回転は、減速機３２および車輪用軸受３３を介して車輪７に伝達される。車輪用軸受３３のハブ輪３３ａのフランジ部には摩擦ブレーキ装置３４を構成するブレーキロータ３５が固定され、同ブレーキロータ３５は車輪７と一体に回転する。電気モータ５は、ハウジング５ｃに固定したステータ５ｂと、回転出力軸５ｄに取り付けられたロータ５ａとを有する。
【００１９】
図１において、レゾルバ６は、電気モータ５に内蔵されてモータロータの回転速度ωを検出する手段である。レゾルバ６に代えて他の形式の回転検出手段（図示せず）を設けても良い。モータコントローラ４は、例えば、バッテリ（図示せず）の直流電力を交流電力に変換するインバータ（図示せず）、およびこのインバータの出力となる電流を、与えられたトルク指令値に応じて制御する機能を備える。このモータコントローラ４は、インバータ装置とも称される。
【００２０】
車両コントローラ２は、車両の全体の制御を行う手段であり、ＥＣＵ（電気制御ユニット）で構成され、前記上位制御手段３および前記スリップ制御装置１を備えている。上位制御手段３およびスリップ制御装置１は、互いに別のＥＣＵで構成されていても良い。
前記ＥＣＵからなる車両コントローラ２は、マイクロコンピュータ等のコンピュータとこれに実行されるプログラム、並びに各種の電子回路等で構成される。車両コントローラ２とモータコントローラ４とは、ＣＡＮ（コントロール・エリア・ネットワーク）等の車内通信網で接続されている。
【００２１】
上位制御手段３は、アクセルペダル８等のアクセル操作手段、およびブレーキペダル９等のブレーキ操作手段からそれぞれ入力される加速指令および減速指令となる操作量を基本として各車輪７の駆動および制動指令を生成し、モータコントローラ４へトルク指令値として送信する機能、および車両全体の協調制御や統括制御を行う機能を備えている。上位制御手段３は、前記トルク指令値を生成する手段として、上記の他に、車速検出手段１０で検出された車速、加速度センサ１１で検出された車両の加速度、ステアリングハンドル等の操舵手段（図示せず）から得られる操舵角等を加味して前記各車輪７の駆動および制動指令を調整する機能を有している。前記車速検出手段１０は、車体の速度である車速を検出する手段であり、各車輪７の回転速度ωを回転センサ等（図示せず）でそれぞれ検出し、その中で最も高い速度とする構成や、加速度センサ１１から得られる加速度の積分により車速を計算する形式のものが用いられる。
【００２２】
図２は、前記スリップ制御装置１の制御ブロック図であり、１輪分のみ代表して図示している。このスリップ制御装置１は、許容回転速度演算手段１２、ＰＩ等制御手段１３、加算手段１６、および無駄時間補償手段１７を有する。
【００２３】
許容回転速度演算手段１２は、車速と操舵角とを含む車両の状態の情報から車輪７の許容回転速度ωtを演算する手段である。許容回転速度演算手段１２は、詳しくは、車速Ｖ、ヨーレートγ、および操舵角δｈの検出値等から各車輪７のスリップを抑制する許容回転速度ωtを、定められた規則によって決定する手段である。前記定められた規則は、適宜に設計される。
【００２４】
ＰＩ等制御手段１３は、前記許容回転速度ωtと車輪の回転速度ωとの偏差からＰＩ制御またはＰＩＤ制御によるトルク補償値ＫPIDを生成する手段であり、図示の例では、ＰＩＤ制御を行うように構成されている。ＰＩ等制御手段１３は、Ｐ補償部２４、Ｉ補償部２３、およびＤ補償部２５を有する。Ｐ補償とＤ補償とは、加算手段１４で加算され、その加算値にＩ補償が加算手段１５で加算される。
【００２５】
前記加算手段１６は、上位制御手段３から受け取るトルク指令入力値Ｔinに前記トルク補償値ＫPIDを加算してトルク指令出力値Ｔoutとする手段である。
【００２６】
無駄時間補償手段１７は、無駄時間を含む制御対象モデル１８を有しスミス法により前記トルク補償値ＫPIDの生成に無駄時間補償を加える手段である。この無駄時間補償手段１７への入力は、前記ＰＩ等制御手段１３による前記ＰＩＤ補償の内のＩ補償を除くＰＤ補償ＫPDとされている。前記ＰＩ等制御手段１３がＰＩ補償を行う構成である場合は、無駄時間補償手段１７への入力は、前記ＰＩ補償の内のＩ補償を除くＰ補償とされる。
【００２７】
制御対象２０は、図１のモータコントローラ４、電気モータ５、車輪７、レゾルバ６、およびこれらの間に介在する物の伝達特性等を全て含み、スリップ制御装置１に接続されている。図２において、制御対象２０は、Ｇ（ｓ）ｅ-Lsによって表される。Ｇ（ｓ）は、制御対象２０の有理伝達関数、ｅ-Ls は制御対象２０の無駄時間である。
【００２８】
上記構成のスリップ制御装置１の動作および各部の詳細を説明する。各車輪７を駆動するトルク指令入力値Ｔinは、前述のように上位制御手段３により、アクセルペダル８のストローク量またはブレーキペダル９の踏力等の操作量から算出され、その算出値が、上位制御手段３からスリップ制御装置１が受け取るトルク指令入力値Ｔｉｎとなる。
【００２９】
ＰＩ等制御手段１３は、常時、車輪７の回転速度ωを監視して前記許容回転速度ωtと比較部２１で比較する。ＰＩ等制御手段１３は、回転速度ωが許容回転速度ωt を超えた場合に、回転速度ωと許容回転速度ωtの偏差Δωに基づくＰＩＤ演算を行い、ＰＩＤ演算値ＫPIDを得る。
【００３０】
トルク補償値（ＰＩＤ演算値）ＫPIDは、次式で示される。
ＫPID＝ＫPΔω＋ＫＩΣΔω＋ＫＤ（Δω（ｎ−１）−Δω（ｎ））
ここで、ＫＰ，ＫＩ，ＫＤは、それぞれ比例演算、積分演算、微分演算のゲイン定数である。
【００３１】
積分補償部２３は、上位制御手段３からスリップ制御装置１が受け取る駆動または制動のトルク指令入力値Ｔinを常時監視し、積分の演算値は、上位制御手段３から受け取る駆動または制動のトルク指令入力値Ｔinの絶対値の大きさで制限する。例えば、過大な駆動トルクの指令入力値Ｔinによりタイヤが空転しようとする場合、Ｉ補償は負のトルク（制動トルク）を出力し、トルク指令出力値Ｔinを低下させて空転を抑制するが、Ｉ補償の大きさはトルク指令入力値Ｔinで制限されるため、Ｉ補償のみではトルク指令出力値Ｔoutは最低で零であり、負の値になることはない。路面からタイヤに作用する路面反力は常にタイヤの空転を抑える方向であり、このスリップ制御装置１に作用する外乱の内、タイヤの空転を引き起こす外乱はトルク指令入力のみである。よって、前記の制限を設けても制御性はほとんど劣化しない。一方、前記の制限により、入力や外乱の変化に対する応答が早くなり，制御性が向上する。
【００３２】
無駄時間補償手段１７は、スミス法により無駄時間補償を行う手段であり、局所フィードバックとして無駄時間を含んだ補償要素を加える。無駄時間補償手段１７の出力は、前記ＰＩ等制御手段１３に入力される前記回転速度ωと許容回転速度ωtの偏差Δωに対し、比較部２２で差し引く。Ｇ＾（ｓ）は、スリップ制御装置１内の制御対象モデル１８における無駄時間を含まないモデル（有理伝達関数）、ｅ-Ls＾は無駄時間のモデルである。入力されるＫＰＤはＰＩＤ補償の内の積分補償を除く比例と微分補償の和である。無駄時間補償手段１７への入力は、ＰＩＤ補償の内の積分補償を除く比例と微分補償の和ＫＰＤとする。また、トルク指令入力値Ｔinも、前記無駄時間補償手段１７への入力トルクに加算しない。これにより、積分補償やトルク指令値による無駄時間補償に起因する定常偏差が生じなくなり、制御精度が向上する。
【００３３】
上位制御手段３からのトルク指令入力値Ｔinに、加算手段１６よってトルク補償値（ＰＩＤ演算値）ＫPIDを加算し、このスリップ制御装置１からのトルク指令出力値Ｔoutとする。
【００３４】
以上により、車両コントローラ２の上位制御手段３のトルク指令出力から車両コントローラ２へフィードバックされる車輪回転速度ωの入力値までに比較的大きな無駄時間を持つ場合にも、安定かつ精度良くスリップ制御できる。
【００３５】
制御対象２０の有理伝達関数Ｇ（ｓ）を１／Ｉｗｓとした場合のシミュレーション結果の例を図３に示す。Ｉｗは車輪７の慣性モーメントである。一定速度で走行中に、時刻１においてアクセルを強く踏んだ場合の結果である。ここでは、簡単のために路面からの摩擦力は零とした。これは、極低μ路を模擬していると考えることができる。
この実施形態を適用し、無駄時間補償手段１７への入力をＰ補償とＤ補償の和ＫＰＤとした場合（図３（ａ））、一定時間経過後に定常偏差が零となる。一方、無駄時間補償手段１７への入力をＩ補償も含むＫPIDとした場合（図３（ｂ））、十分に時間が経った後でも定常偏差が残る。これは、Ｉ補償は偏差を積分し定常偏差をなくすように作用するが、Ｉ補償の出力値が無駄時間補償手段に入力され、対応する無駄時間補償出力が偏差より差し引かれるため、結果として定常偏差を零にすることができないためである。
【００３６】
この構成のスリップ制御装置１による作用および利点を纏め直して説明する。
各車輪７の車輪回転速度ωを監視し、各車輪７の車輪回転速度ωが許容回転速度ωtを超えた場合に、各車輪の回転速度ωと許容回転速度ωtの偏差Δωに基づくＰＩＤ演算によりトルク補償値ＫPIDを定め、車輪７がスリップするのを抑制する。
この場合に、前記ＰＩＤ演算における積分補償の大きさが、次のように制限される。すなわち、アクセルペダル８のストローク量またはブレーキペダル９の踏力等から上位制御手段３で算出されてスリップ制御装置１が受け取る駆動または制動のトルク指令入力値Ｔinの大きさで制限する。これにより、目標値や外乱（上位制御手段３から受け取るトルク指令入力値Ｔinと、タイヤに作用する路面からの反力）の変化に対する応答性を向上させることができる。
スミス法による無駄時間補償手段１７を設け、前記無駄時間補償手段１７への入力トルクは、前記ＰＩＤ補償の内の積分補償を除く比例補償と微分補償の和とする。また、上位制御手段３からスリップ制御装置１が受け取る駆動または制動のトルク指令入力値Ｔinは、前記無駄時間補償手段１７への入力トルクに加算しない。これにより、積分補償やトルク指令値による無駄時間補償に起因する定常偏差が生じなくなり、制御精度が向上する。
【００３７】
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３８】
１…スリップ制御装置
２…車両コントローラ
３…上位制御手段
４…モータコントローラ
５…電気モータ
６…レゾルバ
７…車輪
８…アクセルペダル
９…ブレーキペダル
１０…車速検出手段
１１…加速度センサ
１２…許容回転速度演算手段
１３…ＰＩ等制御手段
１４，１５，１６…加算手段
１７…無駄時間補償手段
１８…制御対象モデル
２０…制御対象
２１，２２…比較部
２３…Ｉ補償部
２４…Ｐ補償部
２５…Ｄ補償部
ＫPD…比例と微分補償の和
ＫPID…トルク補償値
Ｔin…トルク指令入力値
Ｔout…トルク指令出力値
ω…回転速度
ωt…許容回転速度
【図１】
0006616158.tif 000002
【図２】
0006616158.tif 000003
【図３】
0006616158.tif 000004
【図４】
0006616158.tif 000005