JP2004011668A

JP2004011668A - スライディングモード制御装置

Info

Publication number: JP2004011668A
Application number: JP2002161742A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yuasa; 湯浅　弘之
Original assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2004-01-15

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、モータの制御入力（印加電圧）が飽和しても、オーバーシュートの発生を回避できるようにする。
【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を演算し、該制御入力ｕを所定の限界値内に制限して、最終的な制御入力ｕ_ｈとして出力する。ここで、前記制御入力ｕと制御入力ｕ_ｈとの偏差によって制御偏差ｅを補正することで、制御入力ｕが限界値を超える飽和状態では、見かけ上の制御偏差ｅを小さくして、飽和状態で制御偏差の積分値が過大になることを防止する。
【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、上記の電動式レンジ切換装置の位置フィードバック制御において、レンジ切換の時間を目標時間内とするためには、モータの制御入力をある程度飽和させる必要があるが、制御入力を飽和させた場合、ロバスト性の高いスライディングモード制御理論を適用したフィードバック制御器であっても、制御装置内の積分器や遅いダイナミックスによって、オーバーシュートが生じたり、制御が不安定になる可能性がある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、制御対象物の位置を制御変数とするスライディングモード制御において、制御入力が飽和しても、オーバーシュートが生じたり、制御が不安定になることを回避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、検出位置と目標位置との制御偏差に応じて設定される切り換え関数を、制御入力の飽和状態に応じて切り換える構成とした。
上記構成によると、制御入力が飽和状態であるか否かによって、制御偏差に応じて設定される切り換え関数が切り換えられ、切り換え関数に基づく非線形項が切り換えられる。
【０００６】
従って、制御入力の飽和状態に応じて切り換え関数を切り換えることで、制御入力が飽和しても、見かけ上切換超平面に早く収束させることが可能となり、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うことが可能となる。
請求項２記載の発明では、制御入力の飽和状態において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構成とした。
【０００７】
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構成とした。
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る。
【０００８】
請求項３記載の発明では、制御入力を所定の限界値内に制限して出力する構成であって、制限前の制御入力と制限後の制御入力との偏差にゲインを乗算した値に基づいて、前記制御偏差を補正演算する構成とした。
上記構成によると、要求の制御入力が限界値に制限される飽和状態では、要求の制御入力と実際にアクチュエータに入力される制御入力との偏差を求め、該偏差にゲインを乗算した値によって、制御偏差をより小さな値に補正する。
【０００９】
従って、要求制御入力が限界値を大きく超える状態であっても、その要求制御入力が制限された大きさに応じて制御偏差が補正され、制御偏差の積分等によってオーバーシュートを発生させることをより確実に回避でき、かつ、外乱に強い安定した制御を行える。
【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（ｕ−ｕ_ｈ）が減算される。
【００１８】
前記ｕは要求制御入力（要求の印加電圧指示値）で、前記ｕ_ｈはリミッタ制御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。
尚、本実施形態では、前記制御入力ｕ，ｕ_ｈがプラス又はマイナスに設定され、該制御入力ｕ，ｕ_ｈ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（ｕ−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】

【００２１】
前記状態変数ｘ_３には、定数ｃ_２が乗算器１０４で乗算され、また、状態変数ｘ_１には、定数ｃ_１が乗算器１０５で乗算され、これらｘ_３・ｃ_２，ｘ_１・ｃ_１及び状態変数ｘ_２が、加合せ点１００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。
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。
【００２２】
即ち、切り換え関数σは、定数ｃ_１，ｃ_２を用いて、
【００２３】
【数２】

【００２４】
として演算される。
前記切り換え関数σの値は、変換器１０６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。
該変換器１０６の出力には、定数Ｍが乗算器１０７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。
【００２５】
即ち、非線形制御入力項ｕ_ｎｌは、非線形ゲインＭを用いて、
【００２６】
【数３】

【００２７】
として算出される。
尚、飽和関数を用いることで切換超平面で境界層を導入し、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も良い。
一方、前記状態変数ｘ_１に乗算器１０８で（−ｃ_２／Ｎ）を乗算した結果と、状態変数ｘ_２に乗算器１０９で（ｃ_１−ｋ_ｖｋ_ｆ／ＪＲ）を乗算した結果と、目標角度ｒに乗算器１１０でｃ_２を乗算した結果とが、加合せ点１１１で加算され、更に、該加合せ点１１１における加算出力に対して乗算器１１２でＪＲ／ｋ_ｆが乗算され、該乗算結果が、等価制御入力項ｕ_ｅｑとして出力される。
【００２８】
即ち、前記等価制御入力項ｕ_ｅｑは、
【００２９】
【数４】

【００３０】
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。
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１１３で加算され、要求制御入力ｕとして出力される。
【００３１】
ｕ＝ｕ_ｅｑ＋ｕ_ｎｌ
前記要求制御入力ｕ（要求の印加電圧指示値）は、リミッタ処理部１１４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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
ここで、本発明に係るスライディングモード制御装置の特徴的な構成として、要求制御入力ｕ（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１１５で行われ、該加合せ点１１５の出力に乗算器１１６で定数Ｈが乗算され、係るＨ（ｕ−ｕ_ｈ）が前記加合せ点１０２に出力される。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
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。
【００３８】
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２又は３記載のスライディングモード制御装置において、制御偏差の積分値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。
【００３９】
上記構成によると、制御偏差の積分値に基づいて切り換え関数を設定されるが、この切り換え関数の設定に用いる積分値は、制御入力の飽和状態で補正された値を積分した結果となる。
従って、制御入力の飽和状態で制御偏差の積分値が過大になることを回避して、オーバーシュートの発生を防止できると共に、定常偏差をスライディングモード制御によって吸収することが可能となる。
（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。
【００４０】
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飽和状態に応じて切り換え関数（非線形制御入力項）が切り換えられる。
従って、モータの制御入力の飽和状態になっても、積分器などの影響でオーバーシュートが発生することを回避でき、かつ、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レンジ切り換え制御を行わせることができる。
（ハ）請求項（ロ）記載のスライディングモード制御装置において、前記モータの制御入力が、印加電圧の指示値であり、該印加電圧の指示値が所定の限界値内に制限されることを特徴とするスライディングモード制御装置。
【００４１】
上記構成によると、モータの印加電圧の指示値が、例えば電源電圧等によって規定される限界値内に制限され、印加電圧が限界値に制限される飽和状態では、切り換え関数が切り換えられる（制御偏差が補正される）。
従って、目標のレンジ切り換え時間を達成すべく、最大限の電圧（電源電圧）をモータに印加させるようにしても、オーバーシュートの発生を回避することが可能となる。
【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。
【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、
前記制御偏差に応じて設定される切り換え関数を、前記制御入力の飽和状態に応じて切り換えることを特徴とするスライディングモード制御装置。
前記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。
前記制御入力を所定の限界値内に制限して出力する構成であって、制限前の制御入力と制限後の制御入力との偏差にゲインを乗算した値に基づいて、前記制御偏差を補正演算することを特徴とする請求項２記載のスライディングモード制御装置。