(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動輪と路面の間のスリップ率を表現するスリップ状態量を取得する取得手段と、スリップ率の上昇につれてトルク指令値を減じる項を少なくとも一部に含む関数からなる制御則を予め定め、この制御則に基づき前記取得手段で取得したスリップ状態量を用いてドライバーから入力されるトルク指令値に変換を加え、スリップ率と仮想摩擦係数との平衡点の関係を表す定スリップ率曲線の傾きを変換前に比べて急峻にすることで，任意のトルク指令値に対して当該定スリップ率曲線を路面摩擦関数と常に１つの交点で交叉する形に変形する指令値変換手段と、この指令値変換手段で変形された定スリップ率曲線上の前記１つの交点における前記スリップ率に対応するトルク入力値に基づき電動モータの駆動を行う駆動手段とを具備したことを特徴とする電動車両の制御装置。
【請求項２】
駆動輪と路面の間のスリップ率を表現するスリップ状態量を取得する取得手段と、あらゆるトルク指令値に対してスリップ率の上限を規定する項を少なくとも関数の一部に含む関数からなる制御則を予め定めこの制御則に基づき前記取得手段で取得したスリップ状態量を用いてドライバーから入力されるトルク指令値に変換を加え、スリップ率と仮想摩擦係数との平衡点の関係を表す定スリップ率曲線の傾きを変換前に比べて急峻にすることで，任意のトルク指令値に対して定スリップ率曲線を路面摩擦関数と常に１つの交点で交叉する形に変形する指令値変換手段と、この指令値変換手段で変形された定スリップ率曲線上の前記１つの交点における前記スリップ率に対応するトルク入力値に基づき電動モータの駆動を行う駆動手段とを具備したことを特徴とする電動車両の制御装置。
【請求項３】
スリップ状態量としてスリップ率を直接取り扱うようにしている請求項１又は２記載の電動車両の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トラクションコントロールやブレーキ制御等に好適に利用される電動車両の制御装置に関する。なお、本明細書において電動車両とは、電気自動車、電車、ハイブリッド車、電動バイク、アシスト式自転車、燃料電池車など、駆動のための電動モータを内蔵している車両全般を称する。
【背景技術】
【０００２】
路面の状況に対してトルクの掛け方次第によっては、加速・減速時に大きなスリップ現象が生じ易くなり、車両の挙動が不安定になるばかりか、危険な状況に陥り易い。このような状況を改善するには、駆動力を確保しつつスリップ率を抑えることが重要である。
【０００３】
特に電動車両の場合は、トルクの応答時定数が非常に小さいため、駆動輪のトルクを自由に制御することができる反面、駆動輪へのトルクのかけ方によっては、駆動輪のスリップ率が大幅に変動する可能性がある。その原因については従来より考察が加えられ、次のようなメカニズムが明らかになっている。
【０００４】
例えば、図８（ａ）、（ｂ）に示す２ＷＤの電気自動車についてみると、タイヤ駆動力Ｆｄは、路面摩擦関数μ（λ）と垂直抗力Ｎを用いて図１０（１）式のように表される。ここで、路面摩擦関数μ（λ）は、車両速度Ｖ、車輪速度Ｖωを用いた（２）式で定義されるスリップ率λのみで求まる非線形関数である。路面摩擦関数μ（λ）の曲線形状はタイヤと路面状況により決まる。因みに、車両の解析においては、路面摩擦関数μ（λ）を近似式（３）でモデル化したものが一般に用いられる。図８（ｃ）はその曲線概要を示しており、路面状況によって概ねμ１（λ）〜μ３（λ）の範囲の変動が予想される。
【０００５】
ところで、車両の運動方程式は車両重量をＭとして図１０（４）式で表され、駆動輪の運動方程式は駆動軸の合成慣性モーメントをＪ、駆動輪の角速度をω、駆動輪軸の駆動トルクをＴｍ、タイヤ半径をｒとして（５）式で表される。
【０００６】
また、（５）式で表される駆動輪の運動方程式を、（４）式で表される車両の運動方程式の次元に合わせると、駆動輪軸の慣性モーメントの重量換算値をＭω、駆動輪軸の駆動トルクＴｍの力換算値をＦとし、ω＝Ｖω／ｒが成り立つとして、（６）式の関係式が得られる。以上の（１）〜（５）式に示した関係を用いたモデルの概略が図９に示される。
【０００７】
ここで、駆動輪に一定の駆動トルクＴｍを加えたとき、スリップ率λがある値で平衡状態となるようなタイヤ駆動力Ｆｄ、指令トルク力換算値Ｆとの関係は以下のように考察される。
【０００８】
モータの粘性摩擦係数や転がり抵抗が無視できるとすると、図１０（２）式の両辺を時間ｔで微分して（７）式が、この（７）式に（４）式及び（６）式を代入して（８）式がそれぞれ導かれる。そして、スリップ率λの平衡状態を考えているので、（８）式でスリップ率の時間変化ｄλ／ｄｔを０とすると（９）式が得られ、この（９）式と（１）式及び、Ｆ＝ｒ・Ｔｍとから、（１０）式が導出される。
【０００９】
モータの発生する駆動トルクＴｍは、トルク入力値Ｔと一致するように調整される。そこで、Ｔを固定しλの関数としてみると、摩擦係数は図１１のような曲線μ*（Ｔ，λ）を描く。この曲線μ*（Ｔ，λ）は、トルク入力値Ｔが大きくなるほど全体として上に移動し、トルク入力値Ｔを一定にすることで一意に決まる。これはあるスリップ率λにおいて、そのスリップ率λが変化しなくなる（つまり平衡点となる）ような仮想的な摩擦係数（以下、「仮想摩擦係数」とする）を表しており、このようなスリップ率と仮想摩擦係数との平衡点の関係を表したものが定スリップ率曲線と称され、図１０（１１）式のμ*（Ｔ，λ）で示される。そして、この定スリップ率曲線μ*（Ｔ，λ）と路面摩擦関数μ（λ）との交点が動作点となる。
【００１０】
ここで、トルク入力値Ｔを大きくしていくと、交点は１点（Ｔ＜Ｔ１）→２点（Ｔ＝Ｔ１）→３点（Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ２）→２点（Ｔ＝Ｔ２）→１点（Ｔ２＜Ｔ）へと変化する。そして、交点が２点→１点に変化するとき（μ（λ）の最大値を超えるとき）に、路面摩擦係数μ（λ）上におけるスリップ率λと摩擦係数μの値が大きくジャンプする現象が生じる。摩擦係数μの変動は駆動力の変動に直結しているため、この現象は駆動力の低下のみならず乗り心地の悪化や車輪の寿命を短くするなどの問題につながる。
【００１１】
このような不具合を解消するためには、スリップ率λの大幅な変動を抑制し、なお駆動力を極力損なわないためのトルク制御方法が必要となる。スリップ時にモータに発生する逆起電力を捉えてスリップ率λを制御する手法も考えられているが、これだと制御が後手に回り、スリップ率の大幅な変動を抑止する上では不十分である。
【００１２】
そこで、例えば非特許文献１、２等に示されるように、摩擦係数μが路面摩擦関数μ（λ）上のどの位置にあるかを逐次推定し、それが最大値となる付近のスリップ率λを超えないようにスリップ率制御器からトルク指令を出して、実際のトルク指令に反映させモータを駆動制御する手法が提案されている。
【非特許文献１】東京大学工学部堀研究室，「電気自動車の制御に関する研究」（東大三月号の研究），１９９９年５月
【非特許文献２】電気学会論文誌Ｄ分冊１２０巻４号，「ファジィ推論を用いた電気自動車用トラクションコントロールシステムのための最適スリップ率推定器」，平成１２年４月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、刻々変化する摩擦係数μを推定するのは難しく、このように本質的に非線形な特性の物理量を制御する場合、路面変化やノイズなどにより摩擦係数が推定値をはずれたときに上述した問題が発生する可能性が拭えないものであった。また、これを回避するために路面摩擦関数μ（λ）の最大値よりもかなり手前の摩擦係数μ以内に動作点が収まるようにスリップ率制御器からトルク指令を出すように構成することもできるが、これだと駆動力が不十分になるというジレンマがあった。
【００１４】
本発明は、このような制御上の問題がこれまでの定スリップ率曲線に準拠する限りついて回ることに着目し、定スリップ率曲線そのものを見直すことによって、上述した課題の抜本的解決を図り、スリップ率の大幅な変動を抑制でき尚かつ最大の駆動力（すなわち、μ（λ）の最大値付近）を発生するトルク制御を可能にする電動車両の制御装置を新たに提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
【００１６】
すなわち、本発明に係る電動車両の制御装置は、図１（ａ）に示すように、駆動輪と路面の間のスリップ率を表現するスリップ状態量αを取得する取得手段１と、スリップ率の上昇につれてトルク指令値Ｔ*を減じる項を少なくとも一部に含む関数からなる制御則ｆ（α）を予め定め、この制御則ｆ（α）に基づき前記取得手段１で取得したスリップ状態量αを用いてドライバーから入力されるトルク指令値Ｔ*に変換を加え、スリップ率λと仮想摩擦係数μとの平衡点の関係を表す同図（ｂ）の変換前の定スリップ率曲線μ*（Ｔ，λ）の傾きを急峻にすることで，任意のトルク指令値Ｔ*に対して当該定スリップ率曲線μ*（Ｔ，λ）を路面摩擦関数μ（λ）と常に１つの交点で交叉するような形の定スリップ率曲線μ*（Ｔ*，λ）に変形する指令値変換手段２と、この指令値変換手段２で変形された定スリップ率曲線μ*（Ｔ*，λ）上の前記１つの交点における前記スリップ率λに対応するトルク入力値Ｔに基づき電動モータＥＭの発生する駆動トルクＴｍを調整する駆動手段３とを具備するものである。
【００１７】
すなわち、本発明は路面摩擦関数μ（λ）上の摩擦係数μを逐次監視するのではなく、定スリップ率曲線μ*（Ｔ，λ）を変形した定スリップ率曲線μ*（Ｔ*，λ）と路面摩擦関数μ（λ）との交点（すなわち動作点）が常に１点となるようにフィードバック補償を行なうだけである。
【００１８】
このようにすれば、交点が２以上となる場合のように路面摩擦関数μ（λ）が最大値を超えた際にスリップ率が大幅に変動するという現象が起こらないため、安定走行を実現することができ、安全性の向上も図ることができる。しかも、定スリップ率曲線μ*（Ｔ*，λ）は、後述のように車両に関する４つの定数と、スリップ率λを用いることで構成でき、実際の路面摩擦関数μ（λ）を推定する必要がないため推定誤差の影響を受けることもなく、制御系も簡素なものとなる。その上、最大のμ（λ）付近を有効に利用できるため、望ましい加・減速性能に必要なトルクの確保とスリップ防止とを有効に両立させることができる。
【００１９】
簡易かつ明確な手法としては、制御則ｆ（α）を、スリップ率が上昇するにつれてトルク指令値を減じる項を少なくとも一部に含む関数として規定しておくのが有効であり、スリップ率の絶対的抑制を目的とする場合には、制御則ｆ（α）を、あらゆるトルク指令値に対してスリップ率の上限を規定する項を少なくとも一部に含む関数として規定しておくことが有効となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、以上説明した構成であるから、駆動輪のトルク指令値を大きくしてもスリップ率の大幅な変動を抑制でき、しかもスリップ率を最大の駆動力を発生する摩擦係数付近に制御できるため、乗り心地と加減速性能がよい上に、車輪の寿命の長い電動車両を実現することができる。
【００２１】
特に、ハイブリッド自動車や電気鉄道等の発展に必要不可欠な高トルクモータを搭載した電動車両に適用した場合には、そのスリップを抑制し最大の駆動力を発生する制御装置として極めて有用なものとなり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
【００２３】
本実施形態は、例えば制御対象を２ＷＤの電気自動車とし、駆動輪のスリップを適切に制御するためのもので、図２に示すように、スリップ状態量として駆動輪と路面の間のスリップ率λそのものを取得する取得手段１と、予め定めた制御則ｆ１（λ）に基づき前記取得手段１で取得したスリップ率λを用いてドライバーから入力されるトルク指令値Ｔ１*に変換を加える指令値変換手段２と、この指令値変換手段２で変換された値をトルク入力値Ｔとして電動モータＥＭの駆動を行う駆動手段３とを具備する。
【００２４】
取得手段１は、駆動輪から検出される車輪速度Ｖωと、従動輪から検出される車両速度Ｖとに基づいてスリップ状態量であるスリップ率λを算出する。これらの速度検出は各車軸に設けたロータリエンコーダ等の検出手段によって行なう。
【００２５】
指令値変換手段２は、制御則ｆ１（λ）として式（ａ）に示すように、スリップ率λにゲインＫを乗じた値をトルク指令値Ｔ１*から減じる関数を規定する。そして、ドライバーのトルク指令値Ｔ１*と、前記取得手段１で取得したスリップ率λとを入力し、駆動手段３に入力するトルク入力値Ｔを算出する。すなわち、スリップ率λが大きくなるにつれてトルク入力値Ｔを減少方向にシフトする変換をなす。
【００２６】
駆動手段３は、トルク入力値Ｔと一致する駆動トルクＴｍを発生するように電動モータＥＭを駆動する。
【００２７】
このような制御入力を加えることで、既述した（１１）式に表される定スリップ率曲線μ*（Ｔ，λ）は、図２式（ｂ）並びに図４及び図５に示す定スリップ率曲線μ１*（Ｔ１*，λ）に変形される。したがって、この新たな定スリップ率曲線μ１*（Ｔ１*，λ）と路面摩擦関数μ（λ）との交点が動作点となる。定スリップ率曲線μ１*（Ｔ１*，λ）は、図２式（ｂ）に明らかなように車両に関する４つの定数ｒ、Ｎ、Ｍ、Ｍωと、スリップ率λとから構成されている。
【００２８】
図４は、制御入力のゲインＫをＫ１に固定し、トルク指令値Ｔ１*を増減させた場合の、定スリップ率曲線μ１*（Ｔ１*，λ）の変化の様子を示している。この定スリップ率曲線μ１*（Ｔ１*，λ）は、トルク指令値Ｔ１*が大きくなるほど全体として上に移動する。図５はそれよりも小さいゲインＫ２としたときの定スリップ率曲線μ１*（Ｔ１*，λ）の変化の様子を示している。
【００２９】
これらの図を参照すると、Ｋ＝０では定スリップ率曲線μ*（Ｔ，λ）は変形されないが、制御入力のゲインＫの値を０→Ｋ１→Ｋ２と大きくすることで、曲線を原点に向かって凹となるように湾曲させ、路面摩擦関数μ（λ）のより左側の領域に定スリップ率曲線μ１*（Ｔ１*，λ）との交点を持つ範囲を制限できることがわかる。また、ゲインＫの値を大きくすると、定スリップ率曲線μ１*（Ｔ１*，λ）の傾きが急峻となる。そのため、例えばある一定のトルク指令値Ｔ１*の下で、Ｋ＝Ｋ１ときに路面摩擦関数μ（λ）の編曲点と１点でのみ交わり（図４におけるＰ点参照）、Ｋ１＜Ｋ（例えば図５のＫ２）では最早交点が複数個となることはなくなり、一つの安定な平衡点に落ち着くことになる。つまり、任意のトルク指令値Ｔ１*に対して定スリップ率曲線μ１*（Ｔ１*，λ）が、路面摩擦関数μ（λ）と常に１点で交叉するように変形される。図５の状態から更にＫ２＜Ｋとなると、定スリップ率曲線μ１*（Ｔ１*，λ）との交点を持つ範囲を最大値よりも更に左側の安定な領域に制限できることがわかる。
【００３０】
したがって、トルク指令値Ｔ１*が大きくなり、図４に示すように路面摩擦関数μ（λ）の最大値よりも右側の、従来であれば不安定な領域で交点を持つことになっても、そのスリップ率λの平衡点が一つならば、その最大値を多少越えた領域においても動作点を安定化させることができることを意味する。さらに、ゲインＫを大きくすることで、トルク指令値Ｔ１*が大きい場合でも、スリップ率λが過大になることはなく、かつ、スリップ率λをある一定の平衡点で安定化させることができる。
【００３１】
路面摩擦関数μ（λ）は近似式ではあるものの実際の路面状況と大きくかけ離れた値をとることは考え難く、路面摩擦関数μ（λ）にはピークが１つであるという性質も変わらないため、設計段階において想定される路面摩擦関数μ（λ）に対してある程度余裕のあるゲイン設定をしておけば、後は摩擦係数μを監視することなく成り行きで運転してもあらゆる路面に対応し得るものとなる。
【００３２】
よって、路面摩擦関数μ（λ）上の摩擦係数μを推定して制御する場合に比べて、常に定スリップ率曲線μ１*（Ｔ１*，λ）との交点（すなわち動作点）を１点に保って車両に安定走行を行なわせることが可能となる。
（第２実施形態）
【００３３】
図３に示す本実施形態の指令値変換手段２０は、制御則ｆ２（λ）として式（ｃ）に示すように、あらゆるトルク指令値Ｔ２*に対してスリップ率の上限を規定する項（λｌｉｍｉｔ−λ）を一部に含む関数を規定する。そして、ドライバーのトルク指令値Ｔ２*と、前記取得手段１で取得したスリップ率λとを入力し、実際のトルク入力値Ｔを算出する。
【００３４】
このような制御入力を加えることで、既述した（１０）式に表される定スリップ率曲線μ*（Ｔ，λ）は、図３式（ｄ）並びに図４及び図５に示す定スリップ率曲線μ２*（Ｔ２*，λ）に変形される。したがって、この新たな定スリップ率曲線μ２*（Ｔ２*，λ）と路面摩擦関数μ（λ）との交点が動作点となる。
【００３５】
この実施形態の場合も、前記第１実施形態の場合と同様にスリップ率λをある一定の平衡点で安定化させることができる。この制御入力の場合、トルク指令値Ｔ２*が過大なときでも、設定した際上限のスリップ率λｌｉｍｉｔ以上になることはないため、スリップ率λの絶対的抑制に有効となる。また、ゲインＫの値を調整することで、定スリップ率曲線μ２*（Ｔ２*，λ）の傾きを変化させることができるので、この実施形態も平衡点の数を１つに限定する調整が可能になることがわかる。
【００３６】
以上、本発明の２つの実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。
【００３７】
例えば、本発明のような制御則ｆ（α）を定めるにあたり、指数関数や折れ線関数、多項式など、種々の関数を用いることができ、そのゲインや係数も多種多様に設定することができる。要は制御則ｆ（α）は、路面摩擦関数と１点でのみ交叉するように定スリップ率曲線を変形し得る全ての関数を含むものとして定義することができる。
【００３８】
また、スリップ状態量αとして上記実施形態ではスリップ率λそのものを取扱うように構成したが、スリップ率λを表現するような変数であれば他のものでもよく、例えば電動モータ内の逆起電力、電流値等を取り扱うようにすれば、一部の演算を省略できる効果等が期待できる。
【００３９】
さらに、上記実施形態は加速時のトラクション制御に本発明を適用したが、制動用にも同様に適用することができる。その場合の制御のブロック線図は図７のようになり、取得手段１０のスリップ率λの計算式が異なるのみで他は上記と同様となる。
【００４０】
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の構成説明図。
【図２】本発明の第１実施形態を示すブロック線図。
【図３】本発明の第２実施形態を示すブロック線図。
【図４】第１実施形態においてＫ＝Ｋ１としたときの作用説明図。
【図５】第１実施形態においてＫ＝Ｋ２としたときの作用説明図。
【図６】第２実施形態の作用説明図。
【図７】本発明の変形例を示すブロック線図。
【図８】電動車両の数式モデルを導出するための図。
【図９】電動車両の数式モデルを示すブロック線図。
【図１０】数式モデルに関する関係式を示す図。
【図１１】従来制御の不具合を説明する図。
【符号の説明】
【００４２】
１…取得手段
２…指令値変換手段
３…駆動手段
ＥＭ…電動モータ
ｆ（α）…制御則
Ｆｄ…タイヤ駆動力
Ｔ…トルク入力値
Ｔｍ…モータの発生する駆動トルク
Ｔ*、Ｔ１*、Ｔ２*…トルク指令値
α…スリップ状態量
λ…スリップ率
μ（α）、μ（λ）…路面摩擦関数
μ*（Ｔ，λ）…定スリップ率曲線（非制御）
μ*（Ｔ*，λ）…定スリップ率曲線（制御時）
【図１】
0004686774.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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