JP2000217209A - 電動機を駆動力源とした車両の制振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モータの出力で走行する場合の駆動力の変化
に伴う振動を抑制もしくは防止する。 【解決手段】 車両の動力伝達系統である実プラントに
入力する電動機のトルクを制御する電動機を駆動力源と
した車両の制振装置において、実プラント２１の伝達関
数ＧR(s)に近似した伝達関数Ｇ(s)をもつプラントモデ
ル２２と、そのプラントモデル２２の伝達関数Ｇ(s)の
逆関数に基づいて構成され、実プラント２１とプラント
モデル２２とに入力する電動機トルクＴm を設定するフ
ィードフォワード制御手段Ｆ(s)と、実プラント２１の
出力値θ1 とプラントモデル２２で求められる出力推定
値θ1eとの偏差ｅを求める比較手段２３と、その比較手
段２３で求められた偏差ｅに基づいて外乱トルクを推定
する外乱トルク推定手段２４と、その外乱トルク推定手
段２４で推定された外乱トルクによって実プラントに入
力される電動機トルクを補正する補正手段２０とを備え
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電気自動車やハ
イブリッド車などの電動機（モータ）を動力源として備
えている車両における制振装置に関し、特に、その電動
機の出力トルクの変動に伴う振動を抑制する装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】車両における動力源から駆動輪に到る動
力伝達系統は、その構成部材が完全には剛体ではないう
えに、振動や騒音などを防止するために、弾性部材が介
在されているので、その全体が弾性系を構成している。
そのため、動力源から出力されるトルクが変動した場
合、弾性的に捩り変形が生じ、これが原因となって振動
が生じ、乗り心地の悪化や車両の挙動の不安定要因にな
るなどの不都合がある。そこで例えば、特開平９−１０
９６９４号公報に記載されたハイブリッド車では、エン
ジンを始動することに伴うトルク変動を演算し、その演
算結果に基づいて電動機の出力トルクを補正することに
より、出力軸のトルク変動を抑制するように構成されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の公報に記載され
たハイブリッド車では、エンジンを始動することにより
その出力トルクが、変速機を主体とする動力伝達系統に
作用するが、そのエンジントルクによる出力軸トルクの
変動を抑制するように電動機のトルクを制御することに
より、エンジン始動時の過渡的な出力軸トルクの急変お
よびそれに起因するショックを未然に解消することがで
きる。また、上記のエンジンと電動機とが、動力伝達系
統に連結されているうえに、電動機の出力トルクはエン
ジントルクよりも容易に制御できるので、発進時のみな
らず走行途中でのエンジン出力の変化に伴う出力軸トル
クの変化を滑らかにし、また振動を抑制するように電動
機を制御することができる。

【０００４】このような車両における出力軸トルクの振
動を抑制するための制御は、動力源の慣性モーメントお
よび車体側の慣性モーメントが大きいので、２慣性系あ
るいは２自由度の制御対象として把握し、フィードバッ
ク制御やフィードフォワード制御系として構成すること
ができる。しかしながら、電動機などを支持している弾
性部材や駆動輪などから外乱が入力されるので、これら
の外乱を加味した制御をおこなわなければ、充分に振動
を抑制することができない。例えば単純なフィードフォ
ワード制御では、事前に予測している外乱と実際の外乱
とに差があるために、振動を完全に防止することが困難
であり、車両における出力軸トルクの変動抑制のために
は、さらに改善の余地がある。また、外乱オブザーバー
を使用したフィードバック制御では、モータ回転数を滑
らかにすることができるが、出力軸トルクの振動を防止
することはできない。このような状況は、電動機を単独
で駆動力源として動作させる場合も同様である。

【０００５】この発明は、上記の事情を背景としてなさ
れたものであって、電動機の出力トルクを制御して駆動
トルクもしくは車両の振動を効果的に防止することので
きる装置を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するため、請求項１の発明は、電動機から駆動
輪に到る動力伝達系統である実プラントに入力する電動
機のトルクを制御する電動機を駆動力源とした車両の制
振装置において、前記実プラントの伝達関数に近似した
伝達関数をもつプラントモデルと、そのプラントモデル
の伝達関数の逆関数に基づいて構成され、前記実プラン
トとプラントモデルとに入力する電動機トルクを設定す
るフィードフォワード制御手段と、前記実プラントの出
力値と前記プラントモデルで求められる出力推定値との
偏差を求める比較手段と、その比較手段で求められた偏
差に基づいて外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段
と、その外乱トルク推定手段で推定された外乱トルクに
よって前記実プラントに入力される電動機トルクを補正
する補正手段とを備えていることを特徴とするものであ
る。

【０００７】したがって請求項１の発明では、フィード
フォワード制御手段によって得られた電動機トルクが実
プラントに入力されるが、パラメータ誤差があると実プ
ラントからの出力に外乱に応じた振動が生じる。一方、
プラントモデルの伝達関数とフィードフォワード制御手
段の伝達関数とは互いに逆関数の関係にあるので、プラ
ントモデルで求められる出力推定値は、外乱を含まない
振動のないものとなる。したがって比較手段で得られる
偏差すなわち実プラントの出力とプラントモデルで得ら
れる出力推定値との偏差は、外乱に基づくものである。
その偏差から外乱トルク推定手段によって外乱トルクが
推定され、実プラントに入力される電動機トルクが、そ
の推定された外乱トルクによって補正される。その結
果、想定される外乱は、フィードフォワード制御手段に
よって抑制され、その他の外乱が補正手段によってフィ
ードバック補正され、電動機のトルク変化が生じた場
合、駆動トルクは電動機トルクに追従して変化し、振動
が生じることがない。

【０００８】

【発明の実施の形態】つぎにこの発明を図に示す具体例
に基づいて説明する。先ず、この発明で対象とする車両
の動力伝達系統の一例について説明すると、図５は、前
輪駆動式のハイブリッド車の動力伝達系統を模式的に示
しており、エンジン（内燃機関）１の出力トルクとモー
タ（電動機）２の出力トルクとを、遊星歯車機構３を介
して合成もしくは分配するように構成されている。ここ
でエンジン１は、要は、液体燃料や気体燃料を燃焼して
動力を出力する装置であって、ガソリンエンジンやディ
ーゼルエンジンがその例である。そしてエンジン１の出
力軸（クランクシャフト）がダンパー４に連結されてい
る。またモータ２は、要は、電力が供給されることによ
って回転して動力を出力するものであり、好ましくは発
電機能を備えた電動機が使用される。

【０００９】さらに、遊星歯車機構３は、図５に示す例
では、いわゆるシングルピニオン型の遊星歯車機構であ
り、外歯歯車であるサンギヤ５と同心円上に、内歯歯車
であるリングギヤ６が配置され、これらサンギヤ５とリ
ングギヤ６とに噛合して自転かつ公転するピニオンギヤ
がキャリヤ７によって保持されている。そのリングギヤ
６に前記ダンパー４の出力側の部材が連結され、またサ
ンギヤ５にモータ２のロータ軸が連結されている。さら
に、リングギヤ６とキャリヤ７との間には、両者を選択
的に連結する一体化クラッチ８が設けられており、この
一体化クラッチ８を係合させることにより遊星歯車機構
３の二要素が連結されてその全体が一体化されるように
なっている。

【００１０】遊星歯車機構３の出力側に変速機９が配置
されている。この変速機９は、要は、入力側の部材と出
力側の部材との回転数の比率を適宜に設定することので
きる装置であって、有段式もしくは無段式の変速機が採
用され、また自動変速機および手動変速機のいずれであ
ってもよい。この変速機９が一対のギヤ１０を介してデ
ファレンシャル１１に連結され、このデファレンシャル
１１から左右の駆動輪１２にトルクが伝達されるように
なっている。

【００１１】上記のエンジン１から駆動輪１２に到るま
での動力伝達系統における各構成部材の間に不可避的な
ガタが存在し、またそれぞれの構成部材が完全には剛体
ではなく、また回転部材同士の間に設けたカップリング
（図示せず）には振動の吸収のための弾性材が介在させ
られていることがある。したがってこの動力伝達系統は
全体として弾性系を構成しており、そのモータ２から駆
動輪１２（すなわち車体）までを制御対象である実プラ
ントとして模式化すれば、図６のとおりである。すなわ
ち、慣性モーメントがＩ1 でかつモータトルクＴm が入
力されるモータと、慣性モーメントがＩ2 の車体との間
には、ドライブシャフトに代表される捩り弾性（弾性系
数Ｋd ）とその捩り動作に対する抵抗（粘性減衰係数Ｃ
d ）とが存在する。

【００１２】上記の図６に示す制御対象についてのこの
発明に係る制振装置をブロック図で示すと図１のとおり
である。アクセル開度などに応じて決定されるモータト
ルク指示値Ｔmiが、フィードフォワード制御器Ｆ(s) に
入力され、ここからモータトルクＴm として出力され
る。このモータトルクＴm は補正器（加算器）２０で補
正されて実プラント２１に入力される。この実プラント
２１は上述したモータ２を含む制御対象であって、その
伝達関数をＧR(s)で表す。またこの実プラント２１の出
力は、モータ回転角度θm もしくは回転速度ωm として
検出することができる。

【００１３】一方、フィードフォワード制御器Ｆ(s) か
ら出力されるモータトルクＴm は、プラントモデル２２
に入力される。このプラントモデル２２は、実プラント
２１をモデル化したものであって、その伝達関数Ｇ(s)
は実プラント２１の伝達関数と近似した関数として設定
されている。前記モータトルクＴm に基づいてこのプラ
ントモデル２２から得られる出力値は、モータトルクＴ
m を実プラント２１に入力した場合の実プラント２１の
出力を推定した値となる。したがってこのプラントモデ
ル２２で得られる推定値は、モータ回転角度推定値θme
もしくはモータ回転速度推定値ωmeである。

【００１４】実プラント２１の出力値θm とプラントモ
デル２２での推定値θmeとの偏差ｅを演算する比較器２
３が設けられている。この偏差ｅに基づいて外乱トルク
を推定する外乱トルク推定器２４が設けられている。こ
れは外乱推定逆モデルであって偏差ｅが角度で求められ
ている場合には、これをトルクに変換するために二階微
分器Ｊs^２によって構成されている。

【００１５】この外乱トルク推定器２４で演算された外
乱トルク推定値がフィルターＬ(s)に入力され、ここで
所定の周波数領域の外乱トルクが除去された後、前記補
正器２０でモータトルクＴm に加算されてモータトルク
Ｔm が補正される。

【００１６】ここで、上記のフィードフォワード制御器
Ｆ(s) について更に説明する。図１に示すシステムとは
別にフィードバック制御を併用しないフィードフォワー
ド制御システムを想定する。その対象とするプラントは
図６に示す構成であり、モータトルクが入力され、かつ
出力としてドライブシャフトにトルクが現れるものと
し、その伝達関数をＧ’(s)とする。

【００１７】これは、１自由度系として把握でき、その
状態方程式は下記の（１）式で表され、また出力方程式
は（２）式のようになる。

【式１】

【式２】

【００１８】したがって目標モータトルクのラプラス変
換をＴm(s)、出力であるドライブシャフトトルクのラプ
ラス変換をＴd(s)とすると、 Ｔd(s)＝Ｇ’(s)・Ｆ(s)・Ｔm(s) となる。ここで、モータトルクＴm(s)とドライブシャフ
トトルクＴd(s)との比（Ｔd(s)／Ｔm(s)）は、これらの
間に設けられている変速機９で設定されている変速比で
あるから、 Ｆ(s)＝Ｇ’(0)／Ｇ’(s) となる。すなわちフィードフォワード制御器Ｆ(s)は、
プラントの伝達関数の逆関数として構成される。しかし
ながら、このままでは、敏感な制御器となってしまうの
で、好ましくは Ｆ(s)＝Ｇ’(0)／｛Ｇ’(s)・（τs＋１）^２｝ として２次遅れなどの遅れ要素をつけて安定性を高くす
る。図１に示すフィードフォワード制御器Ｆ(s) は、上
記の伝達関数Ｇ’(s)のプラントを想定して構成された
ものであり、その伝達関数Ｇ’(s) の逆関数に基づいて
構成されている。したがってプラントの共振点を打ち消
し、過渡振動を抑制するように作用する。

【００１９】上記の想定したプラントと実プラントとに
誤差がなければ、出力に振動が生じないが、パラメータ
誤差があればそれに応じた振動が残る。これを補償する
ために前記プラントモデル２２が設けられている。その
状態方程式は（３）式のとおりであり、また出力方程式
は（４）式のとおりである。

【式３】

【式４】

【００２０】前記フィードフォワード制御器Ｆ(s) は、
上記のように、このプラントモデル２２の伝達関数の逆
関数に基づいて構成されているので、その出力推定値θ
1eは振動を伴わない。したがって実プラント２１の出力
θ1 とプラントモデル２２によって推定された出力θ1e
との偏差ｅは、実プラント２１における外乱によって生
じたものとなる。

【００２１】外乱トルク推定器２４ではその偏差ｅを２
階微分してトルクに置き換える。フィルターＬ(s) はそ
の置換された外乱推定トルクのうちの所定の周波数成分
を除去するためのものであり、例えば微分操作では高周
波領域でのＳ／Ｎ比が悪化するので、これを防止するた
めにローパスフィルターが用いられる。また、制動トル
クを外乱とみなしてフィードバックすることによる制動
性能に対する悪影響を防止するためにハイパスフィルタ
ーも併せて用いることができる。

【００２２】フィルターＬ(s) で処理された外乱推定ト
ルクが補正器２０でモータトルクＴm に加算され、モー
タトルクＴm の補正がおこなわれる。すなわち、外乱に
相当するトルクが補正され、その結果、ドライブシャフ
トトルクの振動が防止もしくは抑制される。

【００２３】上述した制振装置による制御例を図２を参
照して説明する。先ず、モータトルクＴm を実プラント
２１に入力した場合のモータ回転角θ1 を観測量として
検出する（ステップＳ１）。そのモータ回転角θ1 から
回転速度ω1 を演算する（ステップＳ２）。すなわち回
転角θ1 の微分値を求める。

【００２４】一方、プラントモデル（オブザーバー）２
２によって、モータトルクＴm に基づく出力推定値ω1e
を求める（ステップＳ３）。この出力推定値ω1eが目標
とする出力であるから、実プラント２１で生じている外
乱による振動成分を求めるために、比較器２３で偏差ｅ
（＝ω1e−ω1 ）を求める（ステップＳ４）。この偏差
ｅが外乱に起因するものであるから、これをトルクに置
き換える（ステップＳ５）。これは、前記の外乱トルク
推定器２４によっておこなうことができ、その場合、ス
テップＳ４では回転速度として偏差ｅが演算されている
ので、外乱トルク推定器２４では、１階微分をおこなう
とともにこれに所定の慣性モーメントを掛けて外乱推定
トルクとする。

【００２５】そして、この外乱推定トルクを加味してモ
ータ制御トルクを算出し（ステップＳ６）、かつその算
出値に応じてモータトルクの制御を実行する（ステップ
Ｓ７）。ここで、モータ制御トルクの算出は、例えばア
クセル開度に基づいてマップなどを参照して指示値を決
定し、その指示値をフィードフォワード制御器Ｆ(s)で
モータトルクＴm に変換し、さらにこれに外乱推定トル
クを加算しておこなわれる。なお、モータトルクＴm に
加算される外乱推定トルクはフィルターＬ(s)で処理し
た値である。

【００２６】上記のこの発明に係る制振装置では、プラ
ントモデル２２のパラメータを適宜に設定することによ
り、ドライブシャフトトルクの振動およびそれに伴う車
両の前後加速度（Ｇ）を効果的に抑制することができ
る。図３は、その効果を確認するためにおこなったシュ
ミレーションの結果を示しており、モータ指示トルクＴ
miをステップトルクとした場合の例である。これは、車
両がモータ駆動によって発進する場合に相当する。この
発明に係る装置によれば、車両の前後加速度（Ｇ）は、
Ａ1 線で示すように、入力に対して２次遅れで生じるも
のの、殆ど振動することなく直ちに安定する。これに対
して、フィードフォワード制御のみをおこなった場合に
は、Ｂ1 線で示すように、車両前後Ｇが入力に対して２
次遅れで生じ、かつその後に小さい振幅の振動が所定時
間継続し、次第に安定する。この振動はフィードフォワ
ード制御のパラメータ誤差に基づくものであると考えら
れる。また、まったく制御をおこなわない場合には、破
線のＣ1 線で示すように、車両前後Ｇが大きく生じ、安
定するまでに長時間を要する。

【００２７】また図４は、モータ指示トルクＴmiをイン
パルストルクとした場合であり、これは走行中にアクセ
ルペダルを一時的に踏み込みあるいは戻すことによりモ
ータトルクが変化する場合に相当する。この発明に係る
制振装置によれば、Ａ2 線で示すように、車両前後Ｇが
入力に応じて立ち上がった後に所定の遅れをもって低下
し、かつ殆ど振動せずに安定する。これに対してフィー
ドフォワード制御のみでは、Ｂ2 線で示すように、車両
前後Ｇが入力に応じて立ち上がった後に所定の遅れをも
って低下するが、その後に僅かな振動を伴いつつ次第に
安定する。この振動はフィードフォワード制御のパラメ
ータ誤差に基づくものであると考えられる。また、まっ
たく制御をおこなわない場合には、破線のＣ2 線で示す
ように、車両前後Ｇが大きく生じ、安定するまでに長時
間を要する。

【００２８】なお、上記の具体例ではこの発明をハイブ
リッド車においてモータ走行する場合の制御に適用した
例を示したが、この発明は上記の具体例に限定されない
のであって、モータのみを駆動力源として備えた電気自
動車の制振装置に適用することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、実プラントとプラントモデルとに同一のモータト
ルクを入力し、実プラントから得られる出力値（観測
量）とプラントモデルによって推定される出力値（推定
観測量）との偏差を求め、その偏差に基づいて外乱推定
トルクを算出し、その外乱推定トルクに基づいて、実プ
ラントに入力されるモータトルクを補正するから、フィ
ードフォワード制御では除去することのできない不可避
的な外乱を、プラントモデルを用いて除去することがで
き、そのため、電動機での発進時あるいは走行時におけ
る駆動トルクの振動やそれに起因する車体の振動もしく
はショックを防止でき、車両の乗り心地や走行安定性を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係る制振装置の一例を説明するた
めのブロック図である。

【図２】 その制振装置による制御例を説明するための
フローチャートである。

【図３】 この発明の係る制振装置の効果を確認するた
めにおこなったシュミレーションの結果を示す線図であ
って、ステップ入力に伴う車体前後加速度の時間的変化
を比較例と共に示す図である。

【図４】 この発明の係る制振装置の効果を確認するた
めにおこなったシュミレーションの結果を示す線図であ
って、インパルス入力に伴う車体前後加速度の時間的変
化を比較例と共に示す図である。

【図５】 この発明で対象とする車両の動力伝達系統の
一例を模式的に示す図である。

【図６】 図５に示す実プラントをモデル化して示す図
である。

【符号の説明】

２…モータ、 ３…遊星歯車機構、 ９…変速機、 １
１…デファレンシャル、 １２…駆動輪、 ２０…補正
器、 ２１…実プラント、 ２２…プラントモデル、
２３…比較器、 ２４…外乱トルク推定器。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3D039 AA02 AA03 AA04 AA07 AA31 AB27 AC02 AC24 AC33 AD06 AD11 AD53 5H115 PG04 PI22 PU01 PU22 PU23 PU25 QN11 QN24 QN28 RB08 SE04 SE08 SE09 TB01 TO04 TO21 TO30

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電動機から駆動輪に到る動力伝達系統で
   ある実プラントに入力する電動機のトルクを制御する電
   動機を駆動力源とした車両の制振装置において、 前記実プラントの伝達関数に近似した伝達関数をもつプ
   ラントモデルと、 そのプラントモデルの伝達関数の逆関数に基づいて構成
   され、前記実プラントとプラントモデルとに入力する電
   動機トルクを設定するフィードフォワード制御手段と、 前記実プラントの出力値と前記プラントモデルで求めら
   れる出力推定値との偏差を求める比較手段と、 その比較手段で求められた偏差に基づいて外乱トルクを
   推定する外乱トルク推定手段と、 その外乱トルク推定手段で推定された外乱トルクによっ
   て前記実プラントに入力される電動機トルクを補正する
   補正手段とを備えていることを特徴とする電動機を駆動
   力源とした車両の制振装置。