JP2004005153A

JP2004005153A - スライディングモード制御装置

Info

Publication number: JP2004005153A
Application number: JP2002159422A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yuasa; 湯浅　弘之
Original assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】自動変速機のレンジ切換バルブをモータで駆動する電動式レンジ切換装置において、制御に不必要な高周波振動モードによるチャタリングを抑制する。
【解決手段】制御偏差ｅの積分値に基づいて切り換え関数σを設定し、該切り換え関数σに応じて設定される非線形制御入力項ｕ_ｎｌと、等価制御入力項ｕ_ｅｑとからモータの制御入力ｕを演算する。ここで、前記制御入力ｕをローパスフィルタで処理することで、位置制御に必要のない制御信号の高周波成分をカットして、高周波振動モードの制御による励振を防ぐ。また、前記ローパスフィルタの時定数を、シフトの種類に応じて切り換え、更に、レンジ切換バルブの位置検出データの脈動幅に応じて学習する。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動変速機の電動式レンジ切換装置においてレンジ切換バルブを駆動するモータのフィードバック制御に好適なスライディングモード制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動変速機のレンジ切換バルブをモータで駆動する構成とし、レンジ切換バルブの位置を検出して、該検出位置と目標レンジに対応する目標位置との偏差に基づいて、前記モータをフィードバック制御する電動式レンジ切換装置が知られている（特開平７−３０５７７０号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フィードバック制御においてスライディングモード制御理論を用いる場合、チャタリング防止のために不連続な関数を連続的な近似の飽和関数に置き換えることが知られている。
しかし、上記のような電動式レンジ切換装置にスライディングモード制御を適用した場合、モデル化されていない高周波領域のダイナミックスを励起し、上記の飽和関数を用いる方法のみでは、チャタリングを十分に抑制できないという問題があった。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、制御対象物の検出位置と目標位置との制御偏差に応じてアクチュエータの制御入力をフィードバック制御するスライディングモード制御装置において、制御に不必要な高周波振動モードによる励振を防ぐことができ、以って、チャタリングを十分に抑制することができるスライディングモード制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１記載の発明では、制御入力の高周波域を減衰させるフィルタ処理を施す構成とした。
上記構成によると、アクチュエータに対して出力する制御入力の高周波域を減衰させる、所謂ローパスフィルタをかけるようにする。
【０００６】
従って、位置制御に必要のない制御信号の高周波成分がカットされ、高周波振動モードの制御による励振を防ぐことができ、以って、チャタリングを十分に抑制することができる。
請求項２記載の発明では、目標位置のステップ変化量に応じてフィルタ処理の時定数を設定する構成とした。
【０００７】
上記構成によると、例えば電動式レンジ切換装置のフィードバック制御であれば、要求レンジの変化に伴って制御対象物（レンジ切換バルブ）をどれだけ変位させる必要が生じたかによって、フィルタの時定数を変化させる。
従って、目標のステップ変化に対する応答性と、チャタリングの抑制とを両立させることができる。
【０００８】
請求項３記載の発明では、制御対象物の検出位置の脈動幅に応じてフィルタ処理の時定数を学習する構成とした。
上記構成によると、例えば目標のステップ変化量に応じて予め設定された時定数によって制御を行わせたときの検出位置の脈動幅に基づいて、前記時定数の適正を判断し、より好ましい時定数を学習する。
【０００９】
従って、種々のばらつき要因によって適正な時定数が変化しても、これに追従して時定数を変化させることができ、安定してチャタリングの抑制を図ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係るスライディングモード制御装置が適用される車両用自動変速機の電動式レンジ切換装置のシステム構成図である。
この図１において、車両用自動変速機１には、電動式レンジ切換装置のアクチュエータとしてのモータ２が取り付けられる。
【００１１】
前記モータ２の出力軸には減速歯車機構３が設けられ、該減速歯車機構３を介してレンジ切換シャフト４（制御対象物）を回転駆動するよう構成される。
前記レンジ切換シャフト４には、該レンジ切換シャフト４を複数のレンジにそれぞれ対応する角度に位置決めするためのディテント機構５が取り付けられる。
前記ディテント機構５は、図２に示すように、レンジ切換シャフト４に固定されて一体に回転するディテントレバー５Ａ、及び、ディテントレバー５Ａの周縁に各レンジに対応して形成される凹部に係合するローラを支持すると共に、該ローラを切欠きに向けて押圧付勢するディテントスプリング５Ｂから構成される。
【００１２】
そして、該ディテント機構５は、レンジ切換シャフト４を、Ｐレンジ，Ｒレンジ，Ｎレンジ，Ｄレンジ，２レンジ，１レンジのいずれかに対応する角度に位置決めする。
前記レンジ切換シャフト４の回転運動は、ディテントレバー５Ａとレンジ切換バルブ６（スプールバルブ）との係合によって、レンジ切換バルブ６の軸方向運動に変換される。
【００１３】
レンジ切換バルブ６がバルブボディ７内で軸方向に変位すると、油圧ポートの開閉が切り換えられ、各シフトレンジを設定するための摩擦係合要素の解放・締結が制御される。
前記ディテントレバー５Ａに一端が取り付けられるロッド８の他端には、カム９が取り付けられ、揺動可能に支持されたパーキングポール１０が前記カム９との摺接によって揺動駆動され、Ｐレンジ位置においては、パーキングポール１０の爪１０ａがパーキングギヤ１１の凹部１１ａに噛み合って、パーキングギヤ１１が固定されるようになっている。
【００１４】
また、前記レンジ切換シャフト４には、該レンジ切換シャフト４（ディテントレバー５Ａ）の角度を検出するポテンショメータ２１が備えられる一方、各レンジのいずれに切り換えられているかを検出するインヒビタースイッチ２２が設けられる。
また、運転者によって操作されるＡ／Ｔセレクト操作部でＰ，Ｒ，Ｎ，Ｄ，２，１のいずれのレンジが選択されているかを検出するレンジセレクトスイッチ２３が設けられている。
【００１５】
前記ポテンショメータ２１，インヒビタースイッチ２２及びレンジセレクトスイッチ２３からの信号は、Ａ／Ｔコントロールユニット（Ａ／Ｔ　Ｃ／Ｕ）２４に入力される。
前記Ａ／Ｔコントロールユニット２４は、レンジセレクトスイッチ２３からの信号に基づき運転者が選択しているレンジを判定し、該選択レンジに対応する位置にレンジ切換シャフト４（レンジ切換バルブ６）を駆動すべく、前記ポテンショメータ２１で検出される実際の角度に基づいて前記モータ２の印加電圧をフィードバック制御する。
【００１６】
以下、前記Ａ／Ｔコントロールユニット２４によるモータ印加電圧のフィードバック制御の詳細を、以下に説明する。
前記Ａ／Ｔコントロールユニット２４におけるモータ印加電圧のフィードバック制御においてはスライディングモード制御理論が用いられ、該スライディングモード制御理論に基づくモータ制御は、図３のブロック線図に示すようにして行われる。
【００１７】
図３のブロック線図において、レンジセレクトスイッチ２３による要求レンジに対応するレンジ切換シャフト４の目標角度ｒと、ポテンショメータ２１で検出されるレンジ切換シャフト４の実際の角度ｙとの偏差が、加合せ点１０１において制御偏差ｅ（ｅ＝ｒ−ｙ）として演算される。
次いで、加合せ点１０２において、前記制御偏差ｅから、後述するアンチワインドアップ制御器の出力であるＨ（ｙ_ｆ−ｕ_ｈ）が減算される。
【００１８】
尚、前記ｙ_ｆは要求制御入力（要求の印加電圧指示値）で、前記ｕ_ｈは前記要求制御入力ｙ_ｆをリミッタ制御した後の最終的な制御入力（最終的な印加電圧指示値）で、前記Ｈは予め設定されたゲインである。
また、本実施形態では、モータ２の制御入力がプラス又はマイナスに設定され、この制御入力のプラス・マイナスでモータ２の正転・逆転を制御するようになっている。
【００１９】
ここで、前記減算結果ｒ−ｙ−Ｈ（ｙ_ｆ−ｕ_ｈ）が積分器１０３で積分され、該積分結果が状態変数ｘ_３として出力される。
【００２０】
【数１】

前記状態変数ｘ_３には定数ｃ_ｆ３が乗算器１０４で乗算され、また、状態変数ｘ_１には定数ｃ_ｆ１が乗算器１０５で乗算され、更に、状態変数ｘ_２には定数ｃ_ｆ２が乗算器１０６で乗算される。
【００２１】
尚、状態変数ｘ_１，ｘ_２は、前記ポテンショメータ２１による検出角度ｙや最終的な制御入力ｕ_ｈから推定される値であり、ｘ_１は検出遅れのないそのときの角度、ｘ_２は角加速度である。
そして、これらｘ_１・ｃ_ｆ１，ｘ_２・ｃ_ｆ２，ｘ_３・ｃ_ｆ３、及び、後述する積分値ｘ_ｆが、加合せ点１０７で加算され、該加算結果が切り換え関数σとして出力される。
【００２２】
尚、後述するように、等価制御入力項ｕ_ｅｑと非線形制御入力項ｕ_ｎｌとの加算値として算出される制御入力ｕからｘ_ｆ・ｆ_１を減じた値を積分した値がｘ_ｆで、換言すれば、
【００２３】
【数２】

あり、更に、該積分値ｘ_ｆに係数ｆ_２を乗算した結果が前記要求制御入力ｙ_ｆである。
【００２４】
【数３】

前記切り換え関数σは、状態変数ｚを
【００２５】
【数４】

としたときに、
【００２６】
【数５】

として演算されることになる。
前記切り換え関数σの値は、変換器１０８において、σ＞０であるときに１で、σ＜０であるときに−１に変換される。
【００２７】
該変換器１０８の出力には、定数Ｍが乗算器１０９で乗算されて、該乗算結果が非線形制御入力項ｕ_ｎｌとして出力される。
即ち、非線形制御入力項ｕ_ｎｌは、非線形ゲインＭを用いて、
【００２８】
【数６】

として算出される。
尚、実際には、飽和関数を用いることで切換超平面に境界層を導入し、この境界層内で非線形制御入力項ｕ_ｎｌが切換関数の連続近似がなされるようにして、チャタリングの防止を図る。
【００２９】
一方、等価制御入力項ｕ_ｅｑが以下のようにして算出される。
前記状態変数ｘ_１に乗算器１１０で、（−ｃ_ｆ３／Ｎ）を乗算し、状態変数ｘ_２に乗算器１１１で｛ｃ_ｆ１−（ｋ_ｖｋ_ｆｃ_ｆ２）／ＪＲ｝を乗算し、目標角度ｒに乗算器１１２でｃ_ｆ３を乗算する。
更に、前記積分値ｘ_ｆには、乗算器１１３で｛（ｋ_ｆ／ＪＲ）ｆ_２ｃ_ｆ２−ｆ_１｝が乗算される。
【００３０】
そして、前記乗算器１１０〜１１３の乗算結果が、加合せ点１１４で加算され、該加算結果が、等価制御入力項ｕ_ｅｑとして出力される。
即ち、前記等価制御入力項ｕ_ｅｑは、
【００３１】
【数７】

として算出される。
ここで、Ｊはモータのイナーシャ、Ｒは抵抗値、ｋ_ｆはトルク定数、Ｎは減速歯車機構３のギヤ比、ｋ_ｖは逆起電力定数である。
【００３２】
そして、前記等価制御入力項ｕ_ｅｑと非線形制御入力項ｕ_ｎｌとは、加合せ点１１５で加算され、制御入力ｕとして出力される。
ｕ＝ｕ_ｅｑ＋ｕ_ｎｌ
前記制御入力ｕからは、加合せ点１１６においてｘ_ｆ・ｆ_１が減じられ、この（−ｘ_ｆ・ｆ_１＋ｕ）が積分器１１７で積分され、該積分結果が、前記ｘ_ｆとして出力される。
【００３３】
前記積分結果ｘ_ｆは、前記加合せ点１０７及び乗算器１１３に出力される一方、乗算器１１８において係数ｆ_１が乗じられて、前記加合せ点１１６に出力される。
また、前記積分結果ｘ_ｆには、乗算器１１９で係数ｆ_２が乗じられ、この乗算結果が要求制御入力ｙ_ｆとして出力される。
【００３４】
前記加合せ点１１６，積分器１１７及び乗算器１１８，１１９で、ローパスフィルタを構成するものであり、前記制御入力ｕの高周波域を減衰させる処理が行われる。
即ち、
【００３５】
【数８】

なる関係で、前記加合せ点１１６，積分器１１７及び乗算器１１８，１１９で構成されるローパスフィルタは一次遅れ系を構成する。
上記のように、ローパスフィルタで制御入力を処理する構成であれば、モータ制御に必要のない高周波振動モードの制御による励振が防がれ、チャタリングを抑制することができる。
【００３６】
前記要求制御入力ｙ_ｆ（要求の印加電圧指示値）は、リミッタ処理部１２０において、予め設定されたリミッタ値（例えば±９Ｖ）内に制限され、制限処理後の値が最終的な制御入力ｕ_ｈ（最終的な印加電圧の指示値）として、モータ２の駆動回路（図示省略）に出力される。
前記モータ駆動回路では、モータ２の通電を高周波でオン・オフ切り換えするデューティ制御におけるデューティ比を、前記制御入力ｕ_ｈに応じて設定することで、平均印加電圧を前記制御入力ｕ_ｈに相当する値に制御すると共に、前記制御入力ｕ_ｈのプラス・マイナスで電圧の印加方向を切り換えて、モータ２の回転方向を切り換える。
【００３７】
尚、前記制御入力のリミッタ値は、１００％ＯＮデューティでモータ２を駆動したときの印加電圧であり、モータ２の電源電圧に相当する。
また、要求制御入力ｙ_ｆ（要求の印加電圧指示値）からリミッタ処理後の最終的な制御入力ｕ_ｈを減算する演算が、加合せ点１２１で行われ、該加合せ点１２１の出力に乗算器１２２で定数Ｈが乗算され、係るＨ（ｙ_ｆ−ｕ_ｈ）が前記加合せ点１０２に出力される。
【００３８】
上記加合せ点１１５及び乗算器１１６で、アンチワインドアップ制御器が構成される。
本実施形態では、プラス（マイナス）の制御偏差ｅの絶対値を減少させるモータ２の回転方向を正転方向（逆転方向）とし、制御入力ｕ_ｈがプラス（マイナス）であるときにモータ２が正転（逆転）されるものとする。
【００３９】
従って、例えばプラスの制御偏差ｅを減少させるべく、プラスの要求制御入力ｕが算出されたものの、該要求制御入力ｕがプラスの限界値（＋９Ｖ）よりも高く、制御入力ｕ_ｈとして限界値（＋９Ｖ）が出力されるときには、Ｈ（ｕ−ｕ_ｈ）がプラスの値として出力され、結果、プラスの制御偏差ｅを減少させる補正が行なわれる。
【００４０】
これにより、制御入力ｕ_ｈが限界値に飽和しているときに、切り換え関数σの演算に用いられる制御偏差｛ｒ−ｙ−Ｈ（ｕ−ｕ_ｈ）｝は、実際よりも絶対値の小さい値に補正されることになる。
このため、制御偏差｛ｒ−ｙ−Ｈ（ｕ−ｕ_ｈ）｝の積分値である状態変数ｘ_３が、制御入力ｕ_ｈの飽和状態で過大になってオーバーシュートが生じることを回避でき、かつ、見かけの状態を切換超平面に速やかに収束させて、外乱影響に強いロバスト性に優れた制御を行わせることができる。
【００４１】
従って、レンジ切換の時間を目標時間内とするために、モータの制御入力をある程度飽和させても、オーバーシュートのない、然も、ロバスト性に優れた制御を行わせて、レンジ切換を目標時間内でかつ高い収束安定性で行わせることができる。
ところで、前記ローパスフィルタの設計パラメータｆ_１，ｆ_２は、固定値であっても良いが、本実施形態の電動式レンジ切換装置では、目標位置のステップ変化量を示すレンジの切り換えの種類に応じて切り換えることが好ましい。
【００４２】
例えば、同じＰレンジからのシフト時であっても、切り換え後のレンジがＲレンジである場合と、Ｄレンジである場合とでは、レンジ切換シャフト４の回転角（目標角度のステップ変化量）が異なり、該回転角の要求でフィルタ時定数の要求が異なる。
回転角が小さい隣同士のレンジ切り換え（例えばＰ→Ｒレンジ切り換え）のときには、レンジ切換シャフト４の平均回転速度が速いので、時定数を大きくして高周波振動を抑止することが好ましい。
【００４３】
一方、例えば、途中で他のレンジ位置を通過する回転角が大きなレンジ切り換え（例えばＰ→Ｄレンジ切り換え）のときには、レンジ切換シャフト４の平均回転速度が遅くなるので、時定数を比較的小さくしても、チャタリングの発生を十分に抑制できる。
従って、レンジ切換シャフト４の要求回転角（目標位置のステップ変位量）が小さいときほど、時定数を大きくすることが好ましく、例えばシフトの種類毎に、そのシフトでの回転角に対応する時定数（パラメータｆ_１，ｆ_２）を予め記憶しておき、該記憶データを参照して、ローパスフィルタの時定数（パラメータｆ_１，ｆ_２）を切り換えるようにすることが好ましい。
【００４４】
更に、スライディングモード制御を行っているときのポテンショメータ２１による検出角度ｙの脈動幅を求め、該脈動幅から時定数（パラメータｆ_１，ｆ_２）の適正を判断して、時定数（パラメータｆ_１，ｆ_２）を学習する構成とすれば、応答性とチャタリング抑制とをより高い次元で両立させることができる。
図４のフローチャートは、シフトの種類（目標位置のステップ変化量）に応じた時定数（パラメータｆ_１，ｆ_２）を、検出角度ｙの脈動幅に応じて学習補正する構成を示す。
【００４５】
ステップＳ１では、シフト要求発生の有無を判断する。
シフト要求が発生すると、ステップＳ２へ進み、シフトの種類毎に更新可能に記憶されている時定数（パラメータｆ_１，ｆ_２）を読み出す。
ステップＳ３では、検出角度ｙの脈動幅（ピークツウピーク）の検出を行う。
ステップＳ４では、前記脈動幅が閾値よりも大きいか否かを判別する。
【００４６】
そして、前記脈動幅が閾値よりも大きい場合には、ステップＳ５へ進み、そのときのローパスフィルタの時定数がより大きくなるようにパラメータｆ_１，ｆ_２を修正する。
次のステップＳ６では、前記ステップＳ５における修正結果を、それまでの記憶データに代えて更新記憶させ、前記脈動幅に応じて時定数を学習させる。
【００４７】
ステップＳ７では、シフトの終了判断を行い、シフトが終了すると本ルーチンを終了させる。
尚、上記実施形態では、電動式レンジ切換装置のモータ制御に本発明に係るスライディングモード制御装置を適用する構成としたが、アクチュエータによる駆動によって変位する制御対象物の位置を検出し、該検出位置と目標位置との制御偏差に応じて前記アクチュエータの制御入力をフィードバック制御する構成のものであれば、上記実施形態のスライディングモード制御装置を適用することが可能であり、制御対象を電動式レンジ切換装置のレンジ切換シャフトに限定するものではない。
【００４８】
また、フィルタ処理を、デジタルフィルタで構成する代わりに、アナログフィルタで行わせる構成であっても良い。
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項１〜３のいずれか１つに記載のスライディングモード制御装置において、前記フィルタ処理後の制御入力の飽和状態において、前記制御偏差をより小さな値に補正演算し、該補正した制御偏差に基づいて切り換え関数を設定することを特徴とするスライディングモード制御装置。
【００４９】
上記構成によると、制御入力が飽和すると、実際の制御偏差よりも制御に用いる制御偏差をより小さい値に補正して、この実際よりも小さい制御偏差に基づいて切り換え関数を設定する。
従って、制御入力が飽和すると、見かけ上、制御偏差がより小さな値に変化するので、切換超平面に早く収束することになり、たとえ積分器や遅いダイナミックスが含まれていても、オーバーシュートを発生させることなく、かつ、外乱に強い安定した制御を行え、前記フィルタ処理によるチャタリング抑制効果と相まって、より高い収束安定性を得ることができる。
（ロ）請求項１〜３又は（イ）のいずれか１つに記載のスライディングモード制御装置において、前記フィルタ処理が一次遅れ系であることを特徴とするスライディングモード制御装置。
【００５０】
上記構成によると、モータに出力される制御入力が一次遅れ系の過渡応答を示すようにフィルタ処理される。
従って、簡便な構成でチャタリングの抑制効果を得られるフィルタ処理を行わせることができる。
（ハ）請求項１〜３，（イ）又は（ロ）のいずれか１つに記載のスライディングモード制御装置において、前記制御対象物が、車両用自動変速機のレンジ切換バルブであって、該レンジ切換バルブを駆動するアクチュエータとしてのモータの制御入力をフィードバック制御することを特徴とするスライディングモード制御装置。
【００５１】
上記構成によると、レンジ切換バルブをモータで駆動して要求レンジ位置に変位させる車両用自動変速機の電動式レンジ切換装置において、モータへの制御入力の高周波域を減衰させるフィルタ処理を施す。
従って、レンジ切換バルブの位置制御に必要のない制御信号の高周波成分がカットされ、高周波振動モードの制御による励振を防ぐことができ、以って、チャタリングを十分に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】自動変速機の電動式レンジ切換装置を示すシステム構成図。
【図２】レンジ切換シャフトの駆動機構を示す斜視図。
【図３】レンジ切換シャフトを駆動するモータのスライディングモード制御を示すブロック線図。
【図４】ローパスフィルタの時定数の学習処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…自動変速機、２…モータ、３…減速機構、４…レンジ切換シャフト、５…ディテント機構、６…レンジ切換バルブ、２１…ポテンショメータ、２３…レンジセレクトスイッチ、２４…Ａ／Ｔコントロールユニット

Claims

アクチュエータによる駆動によって変位する制御対象物の位置を検出し、該検出位置と目標位置との制御偏差に応じて前記アクチュエータの制御入力をフィードバック制御するスライディングモード制御装置であって、
前記制御入力の高周波域を減衰させるフィルタ処理を施すことを特徴とするスライディングモード制御装置。
前記目標位置のステップ変化量に応じて前記フィルタ処理の時定数を設定することを特徴とする請求項１記載のスライディングモード制御装置。
前記制御対象物の検出位置の脈動幅に応じて前記フィルタ処理の時定数を学習することを特徴とする請求項１又は２記載のスライディングモード制御装置。