JP2007083813A - 電磁サスペンション装置および電磁サスペンション装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータによるエネルギ回生を効率的に行うことができる電磁サスペンション装置およびその制御装置を提供することである。
【解決手段】 一方部材１と、一方部材１に対し相対運動を呈する他方部材２と、該相対運動を少なくとも抑制可能なモータＭとを備えた電磁サスペンション装置において、モータＭに電力を供給する電源の電圧が所定値以下となるとモータＭの発電によって電源を充電することが可能な回生領域Ｋ内で荷重を発生することを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、車両に最適となる電磁サスペンション装置および電磁サスペンション装置の制御装置の改良に関する。

この種、電磁サスペンション装置としては、たとえば、車両のバネ上部材もしくはバネ下部材の一方に連結される筒と、バネ上部材もしくはバネ下部材の一方に連結され筒内に挿通されるロッドと、ロッドの外周に軸方向に並べて装着される複数の永久磁石と、筒の内周に設けられ上記永久磁石に対向する複数の巻線とでリニアモータを構成し、リニアモータの電磁力をロッドと筒との軸方向の相対運動を抑制する荷重（制御力）として利用している。

そして、このリニアモータにおける巻線は、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相とされ、リニアモータとして構成された電磁サスペンション装置は、インバータによってＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御され、発生する減衰力を可変にすることが可能とされ、また、この電磁サスペンション装置にあっては、荷重発生源をリニアモータとしているので、上記ロッドと筒との相対運動における運動エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ回生を行うことが可能である。
特開２００３−１０４０２５号公報（発明の詳細な説明欄，図１５）

上記した電磁サスペンション装置では、上述したように、エネルギ回生を行うことができるので、車両に搭載された際に、電源となるバッテリに充電することが可能となり、また、車両速度に応じて荷重を発生する領域を制限してモータが発電して得られる電流を有効に使用して省電力化を図るようにしている点で有用ではあるが、以下の不具合があると指摘される可能性がある。

すなわち、従来電磁サスペンション装置における完全にエネルギ回生を行える回生領域については限られた範囲であって、上述の制御によっては、必ずしもバッテリに充電可能な回生領域内で荷重を発生できるとは限らず、必ずしも省電力につながらない場合がある。

そして、近年では、モータとガソリンエンジンとを搭載し燃費向上を図ったハイブリッド自動車や完全にモータのみで駆動する電気自動車の開発が盛んとなってきており、このような電力消費が激しくなることが予想される車両への搭載を考えると、電磁サスペンション装置での電力消費は車両の駆動に影響を与えるがことがあり得るので、従来電磁サスペンション装置では、電力消費の点で充分でない場合がある。

また、従来電磁サスペンション装置にあっては、上記省電力化を達成するためには、都度、伸縮ストロークやその速度によって制御範囲を決定する複雑な制御が必要であり、車両の挙動が制御の切り替わりによって変化することも考えられ、車両搭乗者に違和感や不安感を抱かせて結果的に車両における乗り心地を損ないかねない。

そこで、上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、モータによるエネルギ回生を効率的に行うことができる電磁サスペンション装置およびその制御装置を提供することである。また、他の目的は、効率的なエネルギ回生を行うと同時に車両における乗り心地を向上することができる電磁サスペンション装置およびその制御装置を提供することである。

上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段における電磁サスペンション装置は、一方部材と、一方部材に対し相対運動を呈する他方部材と、該相対運動を少なくとも抑制可能なモータとを備え、モータに電力を供給する電源の電圧が所定値以下となるとモータの発電によって電源を充電することが可能な回生領域内で荷重を発生するようにした。

また、本発明の課題解決手段における電磁サスペンション装置の制御装置は、一方部材と、一方部材に対し相対運動を呈する他方部材と、該相対運動を少なくとも抑制可能なモータとを備えた電磁サスペンション装置を制御する制御装置であって、モータに電力を供給する電源の電圧が所定値以下となるとモータの発電によって電源を充電することが可能な回生領域内で荷重を発生させる回生制御を行うようにした。

本発明の電磁サスペンション装置およびその制御装置によれば、電源の電圧が低下した場合には、必ず、回生領域Ｋ内で荷重を発生するので、電源の電力を消費せず、さらには、電源を充電することができることになり、省電力化が達成されるとともに、電源の充電が必要なときに必ず充電することが可能となることからモータによるエネルギ回生を効率的に行うことができる。

そして、電源の電圧が通常制御を充分に行うことができないような状態で、通常制御を行うことを回避可能であり、電源の電圧が低い状態のまま通常制御が行われて、却って車両における乗り心地を悪化させてしまうような事態の発生が防止され、さらには、電源の電圧が低下したまま通常制御が行われつづけてしまい、結果、電源の頻繁に交換しなくてはならなくなるような事態をも防止可能である。

また、この回生領域内で荷重を発生する場合に、回生制御中のストローク速度−荷重特性を、パッシブダンパのストローク速度−荷重特性に近似するものとしておくことによって車両における乗り心地を確保しつつ効率的なエネルギ回生を行うことが可能である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１は、一実施の形態における電磁サスペンション装置の概念図である。図２は、電磁サスペンション装置の制御装置のシステム図である。図３は、ＰＷＭ回路を示す図である。図４は、回生領域を示す図である。図５は、電源Ｅを最も効率よく充電することが可能なストローク速度と荷重との関係を示す図である。図６は、回生効率が５０％以上となる範囲を示す図である。図７は、任意のストローク速度に対して発生される荷重と回生電流値との関係を示す図である。

一実施の形態における電磁サスペンション装置は、図１に示すように、一方部材たる螺子軸１と、螺子軸１に対し相対運動を呈するボール螺子ナット２と、モータＭと、上記モータＭに接続される制御装置２０と、警告灯５０および警告音発生源５１とを備えて構成されている。

詳しくは、螺子軸１は、ボール螺子ナット２に回転自在に螺合されるとともに、螺子軸１の図１中上端は、モータＭのロータＲに連結されている。他方のボール螺子ナット２は、螺子軸１が挿入される筒４の上端に固着されており、この筒４を介して車両のバネ上部材およびバネ下部材のうち一方に連結することが可能なようになっている。

また、螺子軸１は、車両のバネ上部材およびバネ下部材の他方に回転自在に連結されるようになっており、具体的には、上記車両のバネ上部材およびバネ下部材の他方に設けたボールベアリングに軸支されるか、モータＭを上記車両のバネ上部材およびバネ下部材の他方に固定するなどとされる。

したがって、螺子軸１とボール螺子ナット２が軸方向の直線相対運動を呈すると、螺子軸１が回転運動を呈することになり、この螺子軸１の回転運動がモータＭのロータＲに伝達されることになる。ここで、螺子軸１の回転速度を歯車機構等で構成される減速機を介して減速して上記螺子軸１の回転運動をロータＲに伝達するようにしてもよい。

なお、上記螺子軸１とボール螺子ナット２が軸方向の直線相対運動を呈するときに、螺子軸１を回転不能として代わりにボール螺子ナット２を回転させるようにする場合には、このボール螺子ナット２の回転運動をモータＭのロータＲに伝達するようにしてもよい。具体的には、螺子軸１を車両のバネ上部材およびバネ下部材の一方に回転不能に連結し、他方のボール螺子ナット２を車両のバネ上部材およびバネ下部材の他方にボールベアリング等を介して回転自在に連結し、ボール螺子ナット２の回転運動を歯車機構や摩擦車機構等を介してモータＭのロータＲに伝達してやればよい。

そして、モータＭは、この場合、筒状のフレーム１０と、フレーム１０の内周側に設けた電機子であるステータと、フレーム１０に回転自在に軸支されるロータＲとを備え三相ブラシレスモータとして構成され、詳しくは、ステータは、複数のティースを備えた環状のステータコア１１と、各ティースに巻回されたＵ，Ｖ，Ｗ相の各相における巻線１２とを備えており、他方のロータＲは、シャフト１３と、シャフト１３の中間部外周に装着された駆動用磁石１４とを備えている。

なお、駆動用磁石１４は、所定数の極数を実現できるようにブロック化された磁石で構成されてシャフト１３に埋め込まれており、本モータＭは、埋め込み磁石型とされている。無論、駆動用磁石１４を所定数の極数を実現できるようにブロック化してシャフト１３の外周に接着したり、環状に形成して分割着磁されてシャフト１３の外周に嵌着するようにしたりしてもよい。

また、このモータＭには、ロータＲの回転角を検出するために、回転角センサ１５が搭載されており、具体的にはたとえば、回転角センサ１５は、シャフト１３に設けたレゾルバコアとフレーム１０に設けられるレゾルバコアに対向するレゾルバステータとで構成されればよく、他にも、光学式のエンコーダを採用してもよいし、ロータＲにセンシング用磁石を設ける場合にはホール素子やＭＲ素子等の磁気センサをフレーム１０に設けるとした構成としてもよい。

上述のように、この電磁サスペンション装置にあっては、駆動源をモータＭとしているので、モータＭに電気エネルギを与えて駆動する場合には、螺子軸１を回転駆動させて螺子軸１とボール螺子ナット２とを積極的に相対直線運動させる、すなわち、ストロークさせることができ、アクチュエータとしての機能を発揮できる。

また、モータＭは、螺子軸１から強制的に回転運動が入力されると、誘導起電力や電源からの電力によって巻線１２に電流が流れて磁界が形成されて電磁力が発生し、螺子軸１の回転運動を抑制するトルクを発生するので、螺子軸１とボール螺子ナット２の相対直線運動を抑制するように機能する。すなわち、この場合には、モータＭが外部から入力される運動エネルギを回生して電気エネルギに変換して得られる電力によって、あるいは、この回生に加えて電源から供給される電力によって、発生するトルクで螺子軸１とボール螺子ナット２の相対直線運動を抑制することができる。

したがって、この電磁サスペンション装置は、モータＭをアクチュエータとしてもジェネレータとしても機能させ得るので、上記螺子軸１とボール螺子ナット２の相対直線運動を抑制することができると同時に、アクチュエータとしての機能を生かして車両の車体の姿勢制御も同時に行うことができ、これにより、アクティブサスペンションとしての機能をも発揮することができる。

そして、上記モータＭの巻線１２に流れる電流を制御するために、具体的には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の巻線１２は、制御装置２０に接続され、このモータＭは、制御装置２０によって駆動制御される。

この制御装置２０は、図２に示すように、基本的には、上記巻線１２の三相のうち二相に流れる電流をｄｑ変換してｄ相電流値およびｑ相電流値を演算する二相電流演算手段２１と、電流目標値演算部２６によって決定される各電流目標値と上記ｄ相およびｑ相の電流値とに基づいてｄ相電圧指令値およびｑ相電圧指令値を演算する比例積分制御部２２と、上記ｄ相電圧指令値およびｑ相電圧指令値をＵ，Ｖ，Ｗの各相の電圧指令値に変換する三相変換演算手段２３と、三相ブラシレスモータのＵ，Ｖ，Ｗのうち二相に流れる電流値を検出する電流検出器２４と、モータ駆動回路としてのＰＷＭ回路２５と、ＰＷＭ回路２５が具備する電源Ｅの電圧を検出する電圧センサ２８とを備えて構成されている。

そして、この制御装置２０は、電流目標値演算部２６によって決定されるｄ相およびｑ相の各電流目標値と、二相電流演算手段２１の演算結果として得られるｄ相、ｑ相の電流値とのそれぞれの偏差に基づいてモータＭを比例積分制御する。なお、偏差を微分して得られる要素を追加して比例微分積分制御を行うようにしてもよい。

ここで、電流目標値演算部２６は、トルク指令としてｄ相およびｑ相の電流目標値を上記比例積分制御部２２に出力するものであるが、車体姿勢を所定の制御則に則り制御する通常制御時および後述するモータＭのエネルギ回生によって後述の電源Ｅを充電する回生制御時に必要な情報となる車速、操舵角や、バネ上およびバネ下の速度・加速度、ストローク速度、電源Ｅの電圧等は、回転角センサ１５、電圧センサ２８以外に適宜車両に設けられる各種センサ等から電圧信号等として電流目標値演算部２６に入力されるようになっている。

なお、この電磁サスペンション装置の伸縮量、ストローク速度や伸縮加速度については、回転角センサ１５から得られる回転角θと螺子軸１のピッチ、減速比から演算すればよく、別途センサを設ける必要は無い。

そして、具体的にたとえば、通常制御時の制御則にスカイフック理論を採用する場合には、車両におけるバネ上速度が電流目標値演算部２６に入力されるようにしておけばよく、この場合には電流目標値演算部２６は、上記バネ上速度からトルク指令としてのｄ相およびｑ相の電流目標値を演算して上記比例積分制御部２２に出力する。

なお、この電流値目標演算部２６は、基本的に、後述する回生制御を行う以外では、上記した通常制御時の制御則に則ってｄ相電流目標値とｑ相電流指令値を演算するようになっており、特に、通常制御時には、基本的にはｄ相電流目標値を０としてｑ相電流目標値を演算するようになっている。

また、電流検出器２４としては、ホール素子や巻線等を用いた非接触型や、三相の巻線１２のそれぞれに直列介装した抵抗の電圧降下から電流値を得る電流センサを用いればよい。

なお、上記電流検出器２４は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のうち二相に流れる電流値を検出すればよく、これは、二相の電流値が分かればロータＲの電気角θから後述する下記（１）式を用いてｄ相およびｑ相の電流値に変換可能であるからである。

さらに、ＰＷＭ回路２５は、図３に示すように、電源Ｅと、モータＭにおける三相各相の巻線１２に電流供給を行う６つのスイッチング素子４１と、各スイッチング素子４１にＰＷＭパルス信号を与えるマルチバイブレータ等の図示しないパルス発生器とを備えて構成されており、このＰＷＭ回路２５は、比例積分制御部２１が出力する各電圧指令値に基づいて所定のＰＷＭデューティ比で上記各相に電流供給を行う。なお、電源Ｅについては、車両に搭載されるバッテリとしておけばよい。

そして、二相電流演算手段２１は、電気角θを用いて、以下の（１）式に示したように、上記各電流値ｉｖ，ｉｕをｄ相およびｑ相の電流値ｉｄ，ｉｑへ変換する演算を行い、この変換されたｄ相およびｑ相の電流値ｉｄ，ｉｑを比例積分制御部２２へ出力する。

比例積分制御部２２は、各電流目標値ｉｄ*，ｉｑ*と電流値ｉｄ，ｉｑの各偏差εｄ，εｑを算出し、算出された偏差εｄ，εｑを積分して得られた積分値に所定の積分ゲインを乗じ、さらには、各偏差εｄ，εｑに所定の比例ゲインを乗算し、積分ゲイン乗算後の値と比例ゲイン乗算後の値を加算して、各電圧指令値Ｖｄ，Ｖｑを出力する。

そして、さらに、ｄ相電圧指令値Ｖｄおよびｑ相電圧指令値Ｖｑは、上記したようにＵ，Ｖ，Ｗの各相の電圧指令値に変換する三相変換演算手段２３に入力され、この三相変換演算手段２３は、下記（２）式の演算によって、上記ｄ相電圧指令値Ｖｄおよびｑ相電圧指令値Ｖｑを実際のＵ，Ｖ，Ｗ各相の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗへ変換し、この変換された電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，ＶｗをＰＷＭ回路２５に出力する。

また、このモータ制御装置は、リミッタ２７を備えており、このリミッタ２７は、三相変換演算手段２３が出力する上記各電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗのうち、ＰＷＭ開度が全開、すなわち、ＰＷＭデューティ比が最大値以上となる場合に、ＰＷＭデューティ比を最大値とする値に電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを制限する。

そして、上記制御装置２０のＰＷＭ回路２５以外の各部は、ハードウェアとして、具体的にはたとえば、電流検出器２４、回転角センサ１５、電圧センサ２８および車体姿勢制御に必要な各種センサが出力する各信号を増幅するためのアンプと、アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｓｓｅｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、水晶発振子及びこれらを連絡するバスラインとを備えた図示しない周知のコンピュータシステムとして構成され、また、ＰＷＭ回路２５に電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを出力することができるようになっている。なお、このハードウェアとして制御装置２０のＰＷＭ回路２５以外の各部は、車両に搭載されるＥＣＵに統合されてもよい。

そして、この場合、上記電流目標値演算部２６における目標値の演算のための通常制御を行うための処理手順と後述する回生制御を行うための処理手順は、プログラムとしてＲＯＭや他の記憶装置に予め格納されている。

ところで、この電磁サスペンション装置は、モータＭのロータＲが回転すると、ロータＲの駆動用磁石１４の磁束が巻線１２を横切るので、巻線１２に誘導起電力が生じて回生電流が流れることから、巻線１２には、ＰＷＭ回路２５で備える電源Ｅによる電流と上記誘導起電力による回生電流が流れることになるが、モータＭの巻線１２の誘導起電力によって電源Ｅを充電可能な回生を行うことができる回生領域Ｋは、原点を通り短絡特性Ｔにおけるストローク速度と荷重の曲線に対して接する接線Ｓとストローク速度軸とで囲まれる範囲となり、図４に示すように、短絡特性Ｔによって決することができる。なお、モータＭのロータＲの回転速度は、螺子軸１とボール螺子ナット２の相対速度、すなわち、電磁サスペンション装置のストローク速度に比例し、また、モータＭの出力トルクは電磁サスペンション装置の荷重に比例することから、上記短絡特性Ｔは、モータＭ自体の回転速度とトルクの関係である短絡特性を上記電磁サスペンション装置のストローク速度と荷重との関係に変換したものである。そして、本明細書で短絡特性という場合、特に断らなければ、上記したようにモータを短絡した状態における電磁サスペンション装置のストローク速度と荷重との関係を言う。

ここで、ストローク速度とは、螺子軸１に対するボール螺子ナット２の軸方向の直線相対移動速度であって、荷重とは、モータＭが発生するトルクによって生じる螺子軸１とボール螺子ナット２の直線相対運動を抑制あるいは助長する力のことである。

図４中、ストローク速度軸において、電磁サスペンション装置が収縮する方向のストローク速度を便宜的に正の値とすると、原点より右方側は収縮方向のストローク速度を示し、電磁サスペンション装置が伸長する方向のストローク速度を便宜的に負の値とすると、原点より左方側は伸長方向のストローク速度を示している。他方、荷重軸において、電磁サスペンション装置を伸長させる方向の荷重を便宜的に正の値とすると原点より上方側は伸長方向の荷重を示し、電磁サスペンション装置を収縮させる方向の荷重を便宜的に負の値とすると原点より下方側は収縮方向の荷重を示している。

したがって、図４中、第１象現は、電磁サスペンション装置は、収縮する方向にストロークするのに対しそのストロークを抑制する荷重を発生している状態を示し、第２象現は、電磁サスペンション装置は、伸長する方向にストロークするのに対しそのストロークを助長する方向に荷重を発生している状態を示し、第３象現は、伸長する方向にストロークするのに対しそのストロークを抑制する荷重を発生している状態を示し、第４象現は、収縮する方向にストロークするのに対しそのストロークを助長する荷重を発生している状態を示している。

上述のように回生領域Ｋは、原点を通り短絡特性Ｔにおけるストローク速度と荷重の曲線に対して接する接線Ｓとストローク速度軸とで囲まれる範囲（図４中斜線部分）となり、短絡特性Ｔによって決することができ、さらには、この接線Ｓにおける傾きは、モータＭのトルク定数およびの巻線１２とＰＷＭ回路２５の全体の抵抗、すなわち回路中の抵抗器以外にもリード線の内部抵抗を含んだ全体の抵抗によっても決まる値であるので、トルク定数および上記全体の抵抗の設定によっても回生領域Ｋを決定することができる。また、上記接線Ｓの傾きは、螺子軸１のリードによっても調整することも可能である。

なお、図４中の各象現の最大あるいは最小荷重を決する水平線ａは、電流目標値演算部２６で演算されるｑ相電流目標値ｉｑ*を制限することで決せられる荷重発生可能な領域と不可能な領域とを仕切る線であり、また、曲線ｂもまた荷重発生可能な領域と不可能な領域とを仕切る線である。

上記した短絡特性Ｔは、ストローク速度を増速していくと、あるストローク速度で荷重のピークを迎え、その後のストローク速度の増速に対しては、荷重が漸減していくような曲線を描く。これは、荷重ピークを迎えるまでは、モータＭのロータＲが強制的に回転させられることによる発電によって得られる電流がストロークを抑制するトルクを有効に発生させるように各相の巻線１２に流れるが、荷重ピークを過ぎる程度までストローク速度が速くなるとトルクに寄与しない無効電流が増えて荷重が小さくなることによるものである。なお、このことは、回生領域Ｋに影響を与えるものではない。

なお、モータＭの巻線１２とＰＷＭ回路２５の全体の抵抗、すなわち回路中の抵抗器以外にもリード線の内部抵抗を含んだ全体の抵抗、さらには、螺子軸１のリードを変化させると、短絡特性Ｔをストローク速度軸に沿って圧縮伸長させることができ、上記抵抗を小さくするか螺子軸１のリードを小さくすれば、短絡特性Ｔはストローク速度軸に沿って原点側に向けて圧縮され、逆に、抵抗を大きくするか螺子軸１のリードを大きくすれば、短絡特性Ｔはストローク速度軸に沿って高速側に向けて伸長され、これによって接線Ｓの傾きを変化させることができる。また、トルク定数を大きくすれば接線Ｓの傾きを大きくでき、逆にトルク定数を小さくすれば接線Ｓの傾きを小さくすることができる。そして、特に、上記全体の抵抗を小さくするか、あるいは、トルク定数を大きくするか、あるいは、螺子軸１のリードを小さくするか、あるいは、それらの任意の組み合わせで、電磁サスペンション装置は、ストローク速度が低くても大きな荷重が得られ、上記回生領域Ｋも大きくなることになる。

ここで、この電磁サスペンション装置においては、電圧センサ２８で検出する電源Ｅの電圧が所定値以下となる場合には、基本的には、上記制御装置２０は、電磁サスペンション装置にモータＭの発電によって電源を充電することが可能な回生領域Ｋ内で荷重を発生させる回生制御を行う。なお、上記所定値は、任意に設定されればよいが、具体的にたとえば、電磁サスペンション装置がアクティブサスペンションとして充分機能しえなくなる程度の値とされるとよいであろう。

すなわち、制御装置２０は、上記した通常制御を行いつつ、電源Ｅの電圧を電圧センサ２８で検出してモニタし、電源Ｅの電圧が所定値以下となると、電磁サスペンション装置のストローク速度と該ストローク速度に対応して発生させる荷重で一義的に決まる点が図４中の回生領域Ｋ内となるように制御する。

具体的には、この回生制御中にあたり、電流目標値演算部２６は、回生制御用の制御則に則りｄ相およびｑ相電流目標値を演算する。そして、回生制御用の制御則は、たとえば、いわゆる油圧ダンパ等のパッシブダンパのストローク速度−荷重特性に近似するものとし、そのストローク速度−荷重特性で描かれるラインが回生領域Ｋ内に入るように設定されるようにしておくとよい。

そうすることで、電源Ｅを充電しつつ、油圧ダンパ相当のストローク速度−荷重特性が得られるので、乗り心地を満足させることができる。

また、この回生制御中、電流目標値演算部２６に、任意のストローク速度に対して一義的に荷重を演算可能なように、接線Ｓの傾きを示す係数より小さい係数を回転角センサθに基づいて演算されるストローク速度を乗算して得られる荷重を発生すべくｄ相およびｑ相の電流目標値を演算させるようにしてもよい。このようにしても、回生領域Ｋ内で荷重を発生させるように制御可能である。

なお、回生制御中のストローク速度−荷重特性については、車両に適するように、経験的、実験的に得られるものであってもよい。

このように、この電磁サスペンション装置およびその制御装置によれば、電源Ｅの電圧が低下した場合には、必ず、回生領域Ｋ内で荷重を発生するので、電源Ｅの電力を消費せず、さらには、電源Ｅを充電することができることになり、省電力化が達成されるとともに、電源Ｅの充電が必要なときに必ず充電することが可能となることからモータＭによるエネルギ回生を効率的に行うことができる。

そして、電源Ｅの電圧が通常制御を充分に行うことができないような状態で、通常制御を行うことを回避可能であり、電源Ｅの電圧が低い状態のまま通常制御が行われて、却って車両における乗り心地を悪化させてしまうような事態の発生が防止され、さらには、電源Ｅの電圧が低下したまま通常制御が行われつづけてしまい、結果、電源Ｅを頻繁に交換しなくてはならなくなるような事態をも防止可能である。

なお、特に、上記電源Ｅが車両のバッテリとされる場合には、電源Ｅの電圧が低下してしまうと、ハイブリッド車等のモータを駆動源とする車両では、走行性に影響を与えることになるが、この電磁サスペンション装置およびその制御装置によれば、確実に電圧低下した状態の電源Ｅを充電することができることから、そのような車両の走行性を向上することができる。

また、この回生領域Ｋ内で荷重を発生する場合に、回生制御中のストローク速度−荷重特性を、パッシブダンパのストローク速度−荷重特性に近似するものとしておくことによって車両における乗り心地を確保しつつ効率的なエネルギ回生を行うことが可能である。

そして、電源Ｅが上記充電によって、その電圧が所定値を超える値となると、今度は回生制御から通常制御へ切換られ、制御装置２０は電磁サスペンション装置に通常制御に則った荷重を発生させることになる。

ここで、上記した通常制御と回生制御の切換手法について説明すると、通常制御中に、突然に回生制御が行われると、車体姿勢が異なる制御則に従って制御されることになり、このときの車体の挙動が変化してしまう。なお、電源ＥがモータＭのエネルギ回生によって充分充電され、電圧が所定値を超えた時に生じる回生制御から通常制御への切換の場合にも、同様に、車体の挙動変化が生じることになる。

そこで、この電磁サスペンション装置およびその制御装置にあっては、車両の速度がゼロとなることをトリガとして回生制御を行うようにしてある。また、回生制御から通常制御への切換についても、同様に、車速がゼロとなったことを持ってして通常制御へ切り換える。

すなわち、電源Ｅの電圧が所定値以下となった場合に、突然通常制御から回生制御に切換るのではなくて、車速がゼロとなるまで上記切換を行わないようになっている。

具体的には、所定ルーチンで電源Ｅの電圧を都度モニタしておき、車速がゼロをもってして、回生制御に切換るようにしておけばよい。

したがって、このように、車速がゼロとなるまで回生制御が行わないので、車両走行中に突然制御が切換ってしまい、車体の挙動を変化させてしまうような事態が防止されることになる。すなわち、この電磁サスペンション装置およびその制御装置によれば、車両の搭乗者に上記挙動変化によって違和感や不安感を与えるような事態が防止され、車両における乗り心地を向上することができるのである。

また、この通常制御から回生制御に切換るときには、運転室内に設けた警告灯５０および警告音発生源５１の一方あるいはその両方を作動させて、搭乗者に電磁サスペンション装置の制御が回生制御に切換る旨を知らせる。そうすることで、搭乗者に通常制御とは異なる回生制御に制御が切換ったことを搭乗者に気づかせることができ、搭乗者に車体の挙動変化による不安感や違和感を与えてしまうことがない。なお、警告灯５０のみならず警告音を発生させることで、搭乗者が警告灯５０の点灯を目視しなかった場合にも確実に上記制御の切換りに気づかせることができる利点がある。また、この警告灯５０の点灯や警告音発生源５１の作動については回生制御から通常制御への切換時点においても行うようにしてもよい。

上述のように、この電磁サスペンション装置およびその制御装置にあっては、基本的に車速がゼロとなるまでは回生制御を行わないようになっているが、電源Ｅが電圧低下の状態のまま、車両が走行を続けてしまう恐れがある。

そこで、この電磁サスペンション装置およびその制御装置にあっては、電源Ｅの電圧が所定値以下となってから所定時間が経過しても車速がゼロとならない場合、つまり、車両が走行を続けている場合には、上記警告灯５０の点灯および警告音発生源５１の作動の一方あるいはその両方を行い、さらに、この警告灯５０の点灯等から一定時間経過を持って車速がゼロでなくとも通常制御から回生制御に切換るようにしている。

したがって、この電磁サスペンション装置およびその制御装置では、電源Ｅが電圧低下の状態のまま、車両が走行を続けてしまうことが防止され、電源Ｅの充電実施と車両における乗り心地の向上とを両立することができる。

また、上記した車両走行中における通常制御から回生制御への切換時には、先んじて警告灯５０や警告音発生源５１を作動させるので、これをきっかけとして搭乗者に車両を停車させることを促せるとともに、そのまま車両を走行させ続ける場合に合っても、上述の制御切換を先んじて搭乗者に知らしめることが可能であり、搭乗者に車体の挙動変化による違和感や不安感を与えずにすむ。

つづいて、一実施の形態の一変形例における電磁サスペンション装置およびその制御装置について説明する。

この一変形例における電磁サスペンション装置およびその制御装置にあっても、一実施の形態の電磁サスペンション装置およびその制御装置とハードウェアとしては同様の構成を備えており、回生制御中に回生領域Ｋ内で荷重を発生するようになっているが、一変形例においては、通常制御から回生制御への切換手法が異なる。なお、一変形例にあっても、回生制御の手法については上述したところと変わりはない。

この一変形例の一実施の形態と異なる点は、通常制御から回生制御への切換においては、電源Ｅの電圧が所定値以下となると通常制御をフェードアウトさせつつ回生制御をフェードインし、また、回生制御から通常制御への切換において、電源Ｅの電圧が所定値を超えると回生制御をフェードアウトさせつつ通常制御をフェードインするようにしてある点である。

具体的には、通常制御から回生制御へ切り換える場合には、電流目標値演算部２６は、通常制御の制御則によって演算されるｑ相の電流目標値ｉｑ’に係数α（０≦α≦１）を乗算したものと回生制御の制御側によって演算されるｑ相の電流目標値ｉｄ”，ｉｑ”とに係数β（０≦β≦１）を乗算したものを合算した電流目標値ｉｄ*，ｉｑ*として出力する。ここで、係数αと係数βはβ＝１−αの関係を持っており、電流目標値演算部２６は、αの値を任意の時間経過で１から０へ変化させて、電流目標値ｉｑ*を演算する。なお、ｑ相のみ電流目標値のみをフェードインフェードアウトの対象とするのは、ｄ相電流目標値は０とされているからである。

他方、回生制御から通常制御へ切り換える場合には、電流目標値ｉｑ*の演算は、通常制御から回生制御への切換と同様であるが、こんどは、電流目標値演算部２６は、αの値を任意の時間経過で０から１へ変化させて電流目標値ｉｄ*，ｉｑ*を演算する。

なお、αの変化は時間経過に比例するように変化させてもよいし、指数関数的に変化させるようにしてもよく、また、０から１へおよび１から０への変化に要する任意の時間は、その車両に適するように設定されればよい。

このように、この一変形例にあっては、通常制御から回生制御への切換および回生制御から通常制御への切換は、上述のように回生制御がフェードインフェードアウトを用いられて行われることから、車体の挙動が急激に変化するようなことが防止され、車両における乗り心地が向上することになる。

なお、この一変形例の上記切換手法を、一実施の形態における車両走行中の切換時に適用することも可能であり、この場合にも、同様に車両における乗り心地を向上することが可能となる。

さらに、一実施の形態の他の変形例における電磁サスペンション装置およびその制御装置について説明する。この他の変形例にあっても、ハードウェアは一実施の形態における電磁サスペンション装置およびその制御装置と同様の構成を備えており、回生制御中に回生領域Ｋ内で荷重を発生するようになっているが、一変形例においては、通常制御から回生制御への切換手法が異なる。なお、他の変形例にあっても、回生制御の手法については上述したところと変わりはない。

この他の変形例の一実施の形態と異なる点は、通常制御から回生制御への切換および回生制御から通常制御への切換においては、電源Ｅの電圧が所定値以下となると通常制御の電流目標値と回生制御の電流目標値とが同じ値あるいは交差することを持ってして行われる点である。

具体的には、電流目標値演算部２６は、通常制御の制御則によって演算されるｑ相の電流目標値ｉｑ’と、回生制御の制御側によって演算されるｑ相の電流目標値ｉｑ”とが同じ値となるか、または、それまで電流目標値ｉｑ”を上回っている電流目標値ｉｑ’が電流目標値ｉｑ”を下回る状態、あるいは、それまで電流目標値ｉｑ”を下回っている電流目標値ｉｑ’が電流目標値ｉｑ”を上回る状態、すなわち、通常制御時の電流目標値ｉｑ’と回生制御時の電流目標値ｉｑ”が交差する場合に、通常制御から回生制御へ切り換えるときは電流目標値ｉｑ”を電流目標値ｉｑ*として、回生制御から通常制御へ切り換えるときは電流目標値ｉｑ’を電流目標値ｉｑ*として出力する。

なお、上記交差時にも切り換えるのは、電流目標値がデジタルであるときには、分解能によって、必ずしも上記交差時に電流目標値ｉｑ’と電流目標値ｉｑ”が同じにならない場合があるからであり、また、ｑ相のみ電流目標値を比較するのは、ｄ相電流目標値は０とされているからである。

したがって、この他の変形例にあっては、通常制御と回生制御の相互の切換前後において、電磁サスペンション装置が発生する荷重が変化しないのであり、そのようにすることで、搭乗者に車体の挙動変化による違和感や不安感を与えずにすむことから、車両における乗り心地を向上することができる。

つづいて、他の実施の形態における電磁サスペンション装置およびその制御装置について説明する。この他の実施の形態における電磁サスペンション装置およびその制御装置にあっても、一実施の形態の電磁サスペンション装置およびその制御装置とハードウェアとしては同様の構成を備えており、回生制御中に回生領域Ｋ内で荷重を発生するようになっているが、この他の実施の形態にあっては、その回生制御中のストローク荷重−荷重特性を最も効率的に電源Ｅを充電することが可能なラインに設定してある。

ここで、電源Ｅを最も効率よく充電すること可能なラインは、図５に示すように、原点を通り短絡特性Ｔにおけるストローク速度と荷重の曲線に対して接する接線Ｓの傾きの２分の１の傾きを持ち原点を通る直線Ａとなる。

したがって、回生制御中にストローク速度−荷重特性が上記直線Ａ上に乗るように、すなわち、ストローク速度に対して荷重が上記直線Ａ上となるように制御してやることで、最も効率のよい電源Ｅの充電が可能となる。この場合には、パッシブダンパ相当のストローク速度−荷重特性の実現はできなくはなるが、電源Ｅを最も効率的に充電することが可能となるので、電源Ｅをもともと発揮していた電圧まで早急に回復させることができることになる。

また、最も効率的に電源Ｅを充電することが可能であるから、電源Ｅの充電期間、すなわち、回生制御を短縮することができ、通常制御への切換を早めることができる。すなわち、どうしても回生制御中には、電磁サスペンション装置に回生領域Ｋ内で荷重を発生させるため車両における乗り心地の点で通常制御時より劣ることになるが、この回生制御期間を短縮することでより早く通常制御にシフトすることが可能となるので、この点で車両における乗り心地を向上することがきる。

なお、この他の実施の形態においても、通常制御から回生制御への切換時、および、回生制御から通常制御への切換時には、上述した一実施の形態、その一変形例、さらには他の変形例で説明したような切換手法を採用してよいことを無論であって、そうすることでより一層車両における乗り心地を向上することができることは言うまでもない。また、警告灯５０や警告音発生源５１を併設してもよい。

さらに、他の実施の形態の変形例について説明する。この他の実施の形態の変形例については、この他の実施の形態の変形例における電磁サスペンション装置およびその制御装置にあっても、一実施の形態の電磁サスペンション装置およびその制御装置とハードウェアとしては同様の構成を備えており、回生制御中に回生領域Ｋ内で荷重を発生するようになっているが、この他の実施の形態にあっては、そのストローク荷重−荷重特性を効率的に電源Ｅを充電することが可能なライン近傍となるように設定してある。

具体的には、この他の実施の形態における変形例にあっては、図６に示すように、回生制御中、ストローク速度が所定速度範囲内にあっては、ストローク速度−荷重特性が直線Ｈと直線Ｌで囲まれた回生効率５０％以上となる範囲Ｙ（図６中斜線部分）内になるように設定されている。

なお、回生効率が５０％以上であることは、図７に示すように、任意のストローク速度で発生される荷重に対して生じる回生電流が最大値となることをもって１００％とすると、電磁サスペンション装置が発生する荷重に対しモータが出力する回生電流値が回生電流最大値の５０％以上の値となることであって、図７中、回生領域Ｋは接線Ｓで仕切られ、回生領域Ｋにおける最大荷重の値の半分の荷重で回生電流値が最大値となることから回生効率が１００％となるのは、接線Ｓの２分の１の傾きの図５中直線Ａとなることがこの図７から容易に理解できる。

そして、図６中の直線Ｈと直線Ｌは、任意のストローク速度とそのストローク速度に対して回生効率５０％を実現する荷重とで決まる点の軌跡である。

なお、ストローク速度における上記所定速度範囲は、任意に決定されればよく、この電磁サスペンション装置が採りうる全ストローク速度範囲とされてもよい
上述のように、ストローク速度が所定速度範囲内にあっては、ストローク速度−荷重特性が回生効率５０％以上の範囲Ｙ内になるように設定されているので、ストローク速度−荷重特性が採りうる軌跡を上記範囲Ｙ内である程度任意に設定することが可能である。

したがって、一方では電源Ｅの電圧が低下した場合には、電源Ｅの電力を消費せず、より効率的に電源Ｅを充電することができることになり、より省電力化が達成されるとともに、他方では上記ストローク速度−荷重特性をパッシブな緩衝器のストローク速度−荷重特性に近似させることが可能となって車両における乗り心地を向上することができる。

すなわち、この他の実施の形態の変形例における電磁サスペンション装置およびその制御装置にあっては、効率的な電源Ｅの充電と車両における乗り心地の向上を両立することが可能である。

なお、上記所定速度範囲であるが、上記したように任意に設定することが可能であるが、この所定速度範囲を伸縮時のストローク速度が０．１ｍ／ｓから０．３ｍ／ｓの範囲内（伸縮方向で正負の符号を付する場合には−０．３ｍ／ｓから−０．１ｍ／ｓおよび０．１ｍ／ｓから０．３ｍ／ｓの範囲内）とするとより効果的である。

というのは、伸縮時のストローク速度が０．１ｍ／ｓ以下の場合には、比較的高い荷重を発生した方が車両における乗り心地に貢献できる一方、モータＭのロータＲの回転速度は低く回生電流も小さいので電源Ｅの充電量は小さいため、このような速度領域では積極的に電源Ｅを充電するために回生効率を高めるよりは車両における乗り心地を向上させる方が好ましい。

転じて、伸縮時のストローク速度が０．１ｍ／ｓから０．３ｍ／ｓの範囲内では、回生効率５０％の範囲Ｙ内で発生可能な荷重にはある程度巾があり、この範囲Ｙを接線Ｓの設定によって、すなわち、トルク定数、短絡特性Ｔの設定によって乗り心地に寄与可能な荷重を発生できるように設定しておくことによって車両における乗り心地を確保でき、他方、この０．１ｍ／ｓから０．３／ｓの範囲ではモータＭのロータＲの回転速度も電源Ｅを充分に充電することが可能な程度となっていることから、この伸縮時のストローク速度が０．１ｍ／ｓから０．３ｍ／ｓの範囲内では回生効率を高めておく方が好ましいことになる。

上記のように設定されることで、伸縮時のストローク速度が０．３ｍ／ｓ以下となる領域は頻繁に使用される領域であり回生効率が高められ、特に、最も頻繁に使用される０．１ｍ／ｓ以下の領域では回生効率は若干劣るものの車両における乗り心地を確保できることから、上記したように、所定速度範囲を伸縮時のストローク速度が０．１ｍ／ｓから０．３ｍ／ｓの範囲内に設定しておくと、乗り心地の向上と効率的な電源Ｅの充電とを高次元で両立させることができるのである。

なお、この他の実施の形態の変形例においても、通常制御から回生制御への切換時、および、回生制御から通常制御への切換時には、上述した一実施の形態、その一変形例、さらには他の変形例で説明したような切換手法を採用してよいことを無論であって、そうすることでより一層車両における乗り心地を向上することができることは言うまでもない。また、警告灯５０や警告音発生源５１を併設してもよい。

また、電磁サスペンション装置を、図８に示す他の電磁サスペンション装置のように、一方部材である筒３１と、筒３１に対し相対運動を呈する他方部材であるロッド３２と、該相対運動を少なくとも抑制可能なモータＭ２とで構成するようにしてもよい。

詳しくは、筒３１は、車両のバネ上部材およびバネ下部材の一方に連結され、この筒３１内には、車両のバネ上部材およびバネ下部材の他方に連結されるロッド３２が相通される。

また、モータＭ２は、ロッド３２の外周に軸方向にＳ極とＮ極が交互に現われるように装着される駆動用磁石３３と、筒３１内に駆動用磁石３３と対向する巻線３４とを備えて構成され、巻線３４は所定の長さにわたり筒３１の軸方向に添ってＵ，Ｖ，Ｗの各相が交互に並ぶように配置されている。

なお、筒３１に設けられた巻線３４は環状に成型され、少なくとも内周側は、樹脂等によってコーティングされ、この巻線３４の内周と、ロッド３２の外周あるいは駆動用磁石３３と、の間には図示しない環状の軸受が配在され、筒３１に対してロッド３２の軸ぶれが防止されている。

すなわち、この他の電磁サスペンション装置にあっては、筒３１に対しロッド３２が進退して相対運動を呈すると、駆動用磁石３３が巻線３４に対して相対移動する、いわゆるリニアモータ型の構成となっており、この他の電磁サスペンション装置にあっても、上記した一実施の形態における電磁サスペンション装置と同様に、モータＭ２は、モータとしてもジェネレータとしても機能し、モータＭ２の動作はモータＭと同様である。

したがって、この他の電磁サスペンション装置にあっても、上記した各実施の形態と同様に、電源Ｅの電圧が所定値以下になると回生領域Ｋ内で荷重を発生させるようにしておけば、上記した各実施の形態と同様の作用効果を奏することができるのである。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

一実施の形態における電磁サスペンション装置の概念図である。 電磁サスペンション装置の制御装置のシステム図である。 ＰＷＭ回路を示す図である。 回生領域を示す図である。 電源Ｅを最も効率よく充電することが可能なストローク速度と荷重との関係を示す図である。 回生効率が５０％以上となる範囲を示す図である。 任意のストローク速度に対して発生される荷重と回生電流値との関係を示す図である。 他の電磁サスペンション装置の概念図である。

符号の説明

１ 一方部材たる螺子軸
２ 他方部材たるボール螺子ナット
１０ フレーム
１１ ステータコア
１２，３３ 巻線
１３ シャフト
１４，３４ 駆動用磁石
１５ 回転角センサ
２０ 制御装置
２１ 二相電流演算手段
２２ 比例積分制御部
２３ 三相変換演算手段
２４ 電流検出器
２５ ＰＷＭ回路
２６ 電流目標値演算部
２７ リミッタ
２８ 電圧センサ
３１ 一方部材である筒
３２ 他方部材であるロッド
４１ スイッチング素子
５０ 警告灯
５１ 警告音発生源
Ｅ 電源
Ｍ モータ
Ｒ ロータ

Claims (16)

1. 一方部材と、一方部材に対し相対運動を呈する他方部材と、該相対運動を少なくとも抑制可能なモータとを備えた電磁サスペンション装置において、モータに電力を供給する電源の電圧が所定値以下となるとモータの発電によって電源を充電することが可能な回生領域内で荷重を発生することを特徴とする電磁サスペンション装置。
2. ストローク速度が所定範囲内ではモータが出力する回生電流値が回生電流最大値の５０％以上の値となるように荷重を発生することを特徴とする請求項１に記載の電磁サスペンション装置。
3. ストローク速度が０．１ｍ／ｓから０．３ｍ／ｓの範囲でモータが出力する回生電流値が回生電流最大値の５０％以上の値となるように荷重を発生することを特徴とする請求項１または２に記載の電磁サスペンション装置。
4. ストローク速度に対し最も効率よく電源を充電可能な荷重を発生することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電磁サスペンション装置。
5. ストローク速度に対し荷重を、回生領域を仕切るストローク速度と荷重との関係を示す直線における傾きの２分の１の傾きを持ち原点を通る直線上に乗るように発生することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電磁サスペンション装置。
6. 一方部材と他方部材に対し他方部材が直線相対運動を呈すると一方部材が回転運動を呈し、該一方部材の回転運動がモータに伝達されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電磁サスペンション装置。
7. 一方部材と、一方部材に対し相対運動を呈する他方部材と、該相対運動を少なくとも抑制可能なモータとを備えた電磁サスペンション装置の制御装置において、モータに電力を供給する電源の電圧が所定値以下となるとモータの発電によって電源を充電することが可能な回生領域内で荷重を発生させる回生制御を行うことを特徴とする電磁サスペンション装置の制御装置。
8. ストローク速度が所定範囲内ではモータが出力する回生電流値が回生電流最大値の５０％以上の値となるように荷重を発生させる回生制御を行うことを特徴とする請求項７に記載の電磁サスペンション装置の制御装置。
9. ストローク速度が０．１ｍ／ｓから０．３ｍ／ｓの範囲でモータが出力する回生電流値が回生電流最大値の５０％以上の値となるように荷重を発生させる回生制御を行うことを特徴とする請求項７または８に記載の電磁サスペンション装置の制御装置。
10. ストローク速度に対し最も効率よく電源を充電可能な荷重を発生させる回生制御を行うことを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の電磁サスペンション装置の制御装置。
11. ストローク速度に対し荷重を、回生領域を仕切るストローク速度と荷重との関係を示す直線における傾きの２分の１の傾きを持ち原点を通る直線上に乗るように発生させる回生制御を行うことを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の電磁サスペンション装置の制御装置。
12. 車速がゼロであることをトリガとして回生制御を行うことを特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載の電磁サスペンション装置の制御装置。
13. 電源電圧が所定値以下となっても所定時間以内に車速がゼロとならない場合に車両の運転室内に設けた警告灯および警告音発生源の一方あるいは両方を作動させたうえで一定時間経過後に回生制御を行う請求項１２に記載の電磁サスペンション装置の制御装置。
14. 車両の運転室内に設けた警告灯および警告音発生源の一方あるいは両方を作動させたうえで回生制御を行う請求項７から１２のいずれかに記載の電磁サスペンション装置の制御装置。
15. 回生制御はフェードインフェードアウトを用いて開始終了されることを特徴とする請求項７から１４のいずれかに記載の電磁サスペンション装置の制御装置。
16. 車体姿勢を所定の制御則に則り制御する通常制御でモータに与える電流目標値と回生制御でモータに与える電圧指令値が同じ値となるとき、あるいは、交差するときに、通常制御から回生制御へ切換および回生制御から通常制御へ切換の一方あるいはその両方を行う請求項７から１１のいずれかに記載の電磁サスペンション装置の制御装置。

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