JP2008222168A - ４輪駆動車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータトルク制御の応答性を高め、４輪駆動車の旋回性能を向上することを課題とする。
【解決手段】エンジン１５で前輪１２，１３が駆動され、モータ２５で後輪２２，２３が選択的に駆動される４輪駆動車１００が旋回時に、４輪駆動車１００の車両状態に基づいてニュートラルステアとなる目標車速を算出し、この目標車速となるために必要なモータ２５の目標モータトルクを算出し、モータ２５を駆動制御するベクトル制御手法におけるｄ軸電流とｑ軸電流を算出し、算出されたｄ軸電流とｑ軸電流とに基づいて、モータ２５のトルクが目標モータトルクとなるようにモータ２５を駆動制御して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、主駆動輪が内燃機関（エンジン）で駆動制御され、従駆動輪が電動機（モータ）で駆動制御される４輪駆動車の旋回時に、モータで制御される駆動トルクを改善した４輪駆動車の制御装置に関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献１に記載されたような４輪駆動車の制御技術においては、車両の走行中におけるコーナリング（旋回）時には、アクセルの操作に対応して車両の駆動力が変化するので、車両の進行方向の旋回ラインが操舵角に比して外側に膨らむアンダーステアや、内側に切れ込むオーバーステアの傾向を示す場合があった。

これらの旋回特性に対して、モータのトルクを制御することで車輪に適切な制動力を与え、旋回時の走行安定性を向上させる制御装置が種々に提案されている。
特開２００５−１２４３９９

このような従来の４輪駆動車の制御装置においては、モータに電力を供給するオルターネータ（車載用の発電機）及びバッテリの電力をインバータで制御しモータへの電力供給量を調整することでモータのトルクを可変制御している。しかし、上記バッテリを備えていないシステムでは、インバータにより電力供給量を制御してもモータで発生する誘起電圧等により所望のモータトルクに制御することができない場合があった。このため、モータのトルクを所望の値に制御するためには、オルターネータで発電される電力を制御し、モータへの電力供給量を調整せざるを得なかった。このような制御手法を採用した場合には、モータのトルク応答性は、オルターネータの電圧制御の応答性に依存することになる。

このオルターネータの電圧制御の応答速度は、良好とは言えず、応答性の良いモータトルク制御を実現するためには、必ずしも適切な方法ではなかった。

一方、旋回時における旋回特性を安定させるためには、常に操舵角に対応した旋回ラインがニュートラルステアとなる必要がある。旋回ラインがニュートラルステアとなるためには、旋回時に刻々と変化する車両の状態に対して応答良く追従するモータトルクが要求される。すなわち、旋回時におけるモータへの要求トルクの変化速度に対して、十分に速い応答速度でモータトルクを変化させる必要がある。

しかしながら、上述したようなオルターネータの電圧制御によるモータトルクの制御にあっては、モータトルクの高速な応答性を得ることは難しく、オーバーステアやアンダーステアを回避する適切なモータトルク制御を行うことはできなかった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、モータトルク制御の応答性を高め、旋回性能を向上した４輪駆動車の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、内燃機関で駆動される主駆動輪と、前記内燃機関で駆動される発電機で得られた電力で動作する電動機で駆動される従駆動輪と、前記従駆動輪に前記電動機で得られた動力を選択的に伝達制御するクラッチと
を備えた４輪駆動車の走行を制御する４輪駆動車の制御装置において、前記４輪駆動車が旋回時に、前記４輪駆動車の車両状態に基づいて、前記４輪駆動車が旋回時にニュートラルステアとなる旋回要件を算出する旋回要件算出手段と、前記旋回要件算出手段で算出された旋回要件を満足させて、前記４輪駆動車をニュートラルステアにするために必要な前記電動機の目標電動機トルクを算出する電動機トルク算出手段と、前記電動機を駆動制御するベクトル制御手法におけるｄ−ｑ座標系のｄ軸電流とｑ軸電流を演算し、演算結果のｄ軸電流とｑ軸電流とに基づいて、前記電動機のトルクが前記トルク算出手段で算出された目標電動機トルクとなるように前記電動機を駆動制御する電動機制御手段とを有することを特徴とする。

上記特徴の請求項１に記載の発明によれば、車両の旋回時に要求されるモータトルクの出力応答性を高め、車両の旋回時に迅速に車両をニュートラルステアに制御することが可能となり、旋回時の操縦安定性を向上することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記旋回要件算出手段は、前記４輪駆動車の操舵角を検出する操舵角検出手段と、前記４輪駆動車のヨーレートを検出するヨーレート検出手段と、前記操舵角検出手段で検出された操舵角と、前記ヨーレート検出手段で検出されたヨーレートと、前記４輪駆動車のホイールベールとに基づいて、前記４輪駆動車の操縦安定性を示す指標を算出する指標算出手段と、前記指標算出手段で算出された指標が、前記４輪駆動車がニュートラルステアであることを示すための要件（前記旋回要件）を算出する算出手段とを有することを特徴とする。

上記特徴の請求項２に記載の発明によれば、車両が旋回時に、車両がニュートラルステアとなるための旋回要件を的確に得ることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記指標算出手段で算出された指標が、前記４輪駆動車がニュートラルステアであることを示すための要件（前記旋回要件）は、前記指標をスタビリティファクタとした際に、前記スタビリティファクタがニュートラルステアとなる目標車速であることを特徴とする。

上記特徴の請求項３に記載の発明によれば、スタビリティファクタを用いて車両がニュートラルステアであるか否かを判別することで、車両がニュートラルステアであるか否かを容易に判別することが可能となり、車両がニュートラルステアとなるための要件を目標車速とすることで、ニュートラルステアとなる要件を容易に求めることが可能となる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る制御装置を搭載した４輪駆動車の構成を示す図である。図１において、４輪駆動車１００における車体１０の前部側には第一の車軸となる前輪車軸１１が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１の両端には前輪１２，１３が取り付けられている。前輪車軸１１の中央部には、差動式の動力伝達機構である前輪側デファレンシャルギヤ（以下、前輪側ＤＥＦと呼称する）１４が設けられている。

前輪車軸１１には、車両の走行方向を操作するステアリング１５が取り付けられ、またステアリング１５の操舵によって決まる舵角を検出する舵角センサ１６が設けられている車体１０には、旋回方向への回転角が変化する速度（ヨーレート）を検出するヨーレートセンサ１７が設置されている。

前輪１２，１３は、内燃機関であるエンジン１８の回転動力が、トルクコンバータ１９と変速機機構２０とを備えてなる自動変速機により変速されて前輪側ＤＥＦ１４に伝達され、前輪側ＤＥＦ１４から前輪車軸１１に伝達されることにより、車両の走行範囲全域において駆動される。

すなわち、エンジン１８、トルクコンバータ１９と変速機機構２０とを備えてなる自動変速機及び前輪側ＤＥＦ１４から構成された動力系は、いわゆる前輪駆動車と同じ構成であり、主駆動系を構成している。なお、自動変速機は多段或いは無段のどちらのものを用いてもよい。
車体１０の後部側には第二の車軸となる後輪車軸２１が回転可能に軸支されている。後輪車軸２１の両端には後輪２２，２３が取り付けられている。後輪車軸２１の中央部には、差動式の動力伝達機構である後輪側デファレンシャルギヤ（以下、後輪側ＤＥＦと呼称する）２４が設けられている。
後輪２２，２３は、電動機（モータ）２５の回転動力が減速機２６により減速されて、電磁クラッチ２７を介して後輪側ＤＥＦ２４に伝達され、後輪側ＤＥＦ２４から後輪車軸２１に伝達されることにより、車両走行の一部分、例えば車両の発進時から前輪１２，１３の駆動のみ（エンジン１８の駆動のみ）による走行速度に達するまでの間において駆動される。また、後輪２２，２３は、前輪１２，１３にスリップが発生した場合にも駆動されるようになっている。すなわち、モータ２５，減速機２６，電磁クラッチ２７及び後輪側ＤＥＦ２４から構成された動力系は従駆動系を構成している。なお、減速機２６及び電磁クラッチ２７は、後輪側ＤＥＦ２４と一体に設けられていてもよい。モータ２５には、モータ２５の回転数を検出する回転センサ２８が設けられている。

エンジン１８には、車載電装用発電機（図示せず）ならびに駆動専用発電機２９が機械的に連結されている。両発電機は、エンジン１８の回転動力を受けて作動し、車両の運転状態に応じてそれぞれ用途の異なる電力を発生する。駆動専用発電機２９は、モータ２５の駆動用電力を専ら発生するモータ２５の電源として機能し、車載電装用発電機よりも高い電圧を出力する車載４２Ｖ系電源を構成し、車両の運転状態に応じて０Ｖ〜６０Ｖ程度の範囲で可変出力が可能となる。駆動専用発電機２９は、界磁巻線と永久磁石とを備えたルンデル型回転子（爪形磁極回転子）を有する水冷密閉型の発電機で構成され、エンジン１８の一方の補機取付側部に取り付けられている。

両発電機は、エンジン１８と共にエンジンルーム内に配置されている。駆動専用発電機２９は、エンジン１８のプーリと駆動専用発電機２９のプーリとの間に１本のプーリベルト３０が掛架されることにより、エンジン１８に機械的に連結され、エンジン１８の動力を受けることができる。
モータ２５は、例えば界磁巻線と永久磁石を備えたルンデル型（爪形磁極回転子）他励式交流電動機で構成され、車両の後部座席からトランクルームに至る床下の狭いスペースに設置され、かつ後輪側ＤＥＦ２４近傍に配置されている。

４輪駆動車１００の内部には、エンジンコントロールユニット３１、変速機コントロールユニット３２、ドライブユニット３４を備えたモータコントロールユニット３３、ならびに車両コントロールユニット３５を含む複数の車載制御装置が設けられている。これら複数の車載制御装置は、図示省略された車内通信網によって電気的に接続されており、各制御装置が所有する情報を信号伝送によってお互いに共有することが可能に構成されている。
エンジンコントロールユニット３１は、エンジン１８に搭載された絞り弁や燃料噴射弁などのエンジン機器の作動を制御してエンジン１８から出力される動力を制御するためのものである。変速機コントロールユニット３２は、自動変速機の変速機機構２０の作動を制御して自動変速機から前輪側ＤＥＦ１４に伝達される動力を制御するためのものである。

モータコントロールユニット３３は、モータ２５の駆動に必要な電機子電流や界磁電流のモータ駆動電流を従来公知のベクトル制御の手法で制御し、車両コントロールユニット３５から与えられる目標モータトルクでモータ２５を駆動制御する。このベクトル制御は、３相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のモータ駆動電流を、磁束鎖交数ベクトルの位相を基準として、固定子巻線に流れる電流を磁束を形成する電流（ｄ軸電流）成分と、それに直交してトルク出力に寄与する電流（ｑ軸電流）成分とに分解し、それぞれのｄ軸ならびにｑ軸電流成分をそれぞれ独立して演算し、得られたｄ軸ならびにｑ軸電流を再び３相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のモータ駆動電流に変換してモータを駆動制御する。したがって、この実施例では、このようなベクトル制御において、磁束形成電流となるｄ軸電流を一定にした状態で、トルク寄与分電流となるｑ軸電流を高速に演算制御することで、俊敏にモータトルクを可変制御するようにしている。

モータコントロールユニット３３に備えられたドライブユニット３４は、駆動専用発電機２９で得られた直流電力を受けて、この直流電力を交流電力に変換するインバータで構成され、上述したベクトル制御の結果にしたがってモータコントロールユニット３３から与えられる指令に基づいて、変換で得られた交流電力を調整してモータ２５にモータ駆動電力を供給する。

車両コントロールユニット３５は、４輪駆動車１００の運転走行を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。車両コントロールユニット３５は、上記舵角センサ１６、ヨーレートセンサ１７、回転センサ２８ならびにこれらのセンサで得られない車輪速等の本４輪駆動車１００の運転走行に必要な情報を収集するセンサ類（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、駆動専用発電機２９、モータコントロールユニット３３を含む本４輪駆動車１００の制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明する旋回時のモータトルクの制御を含む本４輪駆動車１００の運転走行に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

車両コントロールユニット３５は、上記各種センサで取得された情報ならびにエンジンコントロールユニット３１から与えられるエンジン制御の情報に基づいて、車両がニュートラルステアとなる目標車速ならびに車両がこの目標車速となる目標モータトルクを演算し、得られた目標モータトルクをモータコントロールユニット３３に与える。

次に、図２のフローチャートを参照して、図１に示す４輪駆動車１００の旋回時におけるモータ２５のトルク制御の手順を説明する。なお、図２に示すステップＳ１０１〜ステップＳ１０４の処理は、主に車両コントロールユニット３５で実行され、ステップＳ１０５で示す処理は、主にエンジンコントロールユニット３１ならびに車両コントロールユニット３５で実行され、ステップＳ１０６で示す処理は主にモータコントロールユニット３３で実行される。

図２において、先ず舵角センサ１６で得られた検出信号にしたがって車両の舵角量（δ）を算出する（ステップＳ１０１）。

次に、得られた舵角量に基づいて、車両が転舵されているか否か（旋回が開始されているか否か）を判別する（ステップＳ１０２）。判別の結果、転舵されている場合には、続いてヨーレートセンサ１７で得られた検出信号にしたがって車両のヨーレート（ｒ）を算出する（ステップＳ１０３）。

次に、これらの車両情報に基づいて、旋回している車両がニュートラルステアとなるために必要な目標車速を算出する（ステップＳ１０４）。先ず、車両がニュートラルステアであるか否かを判別するための指標となるスタビリティファクタ（Ｋ）を算出する。このスタビリティファクタは、操縦安定性のポテンシャルを表す指標の一つとして従来より知られており、図３に示すように、Ｋ＜０でアンダーステア、Ｋ＞０でオーバーステア、Ｋ＝０でニュートラルステアとなることが一般的に知られている。このスタビリティファクタは、次式により算出される。

（数１）
Ｋ＝｛δ×（Ｖｍ／ｒ）−ｌ｝／Ｖｍ^２
ここで、Ｋはスタビリティファクタ、δは舵角量、Ｖｍは目標車速、ｒはヨーレート、ｌはホイールベースである。上式からＫ＝０（ニュートラルステア）となる目標車速は、次式で求められる。

（数２）
Ｖｍ＝ｒ×（ｌ／δ）
次に、車両が上記目標車速となるためにモータ２５に要求される目標モータトルクを算出する（ステップＳ１０５）。先ず、車両がニュートラルステアとなるために必要な車両全体としての目標車両トルク（Ｔ）を算出する。車輪速センサ（図示せず）等で検出された車両の現在の車速（Ｖ０）を上記目標車速（Ｖｍ）にするためには、車両の駆動力を調整制御すればよい。そこで、車両の駆動力（Ｆ）は、よく知られた次式の運動方程式で表すことができる。

（数３）
Ｆ＝ｍα
ここで、Ｆは車両の駆動力、ｍは車両総重量、αは加速度である。また、車速と加速度との関係は、よく知られた次式の等加速度運動の方程式で表すことができる。

（数４）
Ｖｍ＝Ｖ０＋αｔ
ここで、Ｖｍは目標車速、Ｖ０は現在の車速、ｔは図２に示す一連の制御処理を繰り返し実行する際の処理周期である。

上記（数３）と（数４）で示す関係に基づいて、上記車両の駆動力（Ｆ）は、次式により算出される。

（数５）
Ｆ＝ｍ×｛（Ｖｍ−Ｖ０）／ｔ｝
このようにして算出される駆動量（Ｆ）をタイヤ半径（Ｗｒ）で除すことで、次式により目標車両トルク（Ｔ）は算出される。

（数６）
Ｔ＝［ｍ×｛（Ｖｍ−Ｖ０）／ｔ｝］／Ｗｒ
このようにして算出される目標車両トルク（Ｔ）は、エンジン１８で発生される目標エンジントルク（Ｔｅ）と、モータ２５で得られたトルクが減速機２６、電磁クラッチ２７を介して後輪車軸２１に伝達された際の車軸部におけるトルク（以下、目標モータ車軸部トルク（Ｔｍｇ）と呼ぶ）との和（Ｔｅ＋Ｔｍｇ）で表される。したがって、目標モータ車軸部トルク（Ｔｍｇ）は、次式で算出される。

（数７）
Ｔｍｇ＝Ｔ−Ｔｅ
ここで、エンジントルク（Ｔｅ）は、エンジンの回転数やスロットル開度等のエンジンの状態を示す各種情報に基づいてエンジンコントロールユニット３１で算出される。また、上記（数７）で算出される目標モータ車軸部トルクＴｍｇから目標モータトルクを求めるには、次式に示すように目標モータ車軸部トルクＴｍｇを減速機２６のギア比で除すことで算出される。

（数８）
Ｔｍ＝Ｔｍｇ／Ｇ
ここで、Ｔｍは目標モータトルク、Ｇは減速機２６のギア比である。

最後に、上述したようにして算出した目標モータトルク（Ｔｍ）に基づいて、先に触れたモータ２５のベクトル制御におけるｄ−ｑ座標系の電流成分となる、目標ｄ軸電流と目標ｑ軸電流を算出する（ステップＳ１０６）。このｄ軸電流ならびにｑ軸電流は、上記モータトルクならびにモータ回転数と相関関係がある。したがって、ｄ軸電流、ｑ軸電流、モータトルクならびにモータ回転数をパラメータとして、車両の定常走行時におけるｄ軸電流、モータトルクならびにモータ回転数との相関関係、ｑ軸電流、モータトルクならびにモータ回転数との相関関係を実験や机上検討のシミュレーション等で予め求め、求めた結果を例えば図４に示すようなマップとして用意し、これらのマップをモータコントロールユニット３３もしくは車両コントロールユニット３５を構成するマイクロコンピュータの記憶装置に格納記憶させておく。

そして、先のステップＳ１０５で算出した目標モータトルク（Ｔｍ）と回転センサ２８で検出されたモータ回転数（Ｒｍ）に基づいて、図４に示すマップを参照して目標モータトルクに対応した目標ｄ軸電流ならびに目標ｑ軸電流を算出し、算出された目標ｄ軸電流ならびに目標ｑ軸電流に基づいて、モータ２５のトルクが目標モータトルクとなるように制御される。

なお、上記相関関係は、図４に示すようなマップの他に、例えば演算式として表現して用意し同様に記憶させ、演算式を用いて目標ｄ軸電流ならびに目標ｑ軸電流を算出するようにしてもよい。

このように、上記実施例においては、車両の旋回時に車両がニュートラルステアになるために要求されるモータトルクを応答性よく確保することが可能となる。これにより、車両の旋回時に速やかに車両をニュートラルステアに制御することが可能となり、旋回時の操縦安定性を向上することができる。

また、操舵角センサ１６で検出された操舵角と、ヨーレートセンサ１７で検出されたヨーレートと、４輪駆動車１００のホイールベールとに基づいて、４輪駆動車１００の操縦安定性を示すスタビリティファクタを算出し、このスタビリティファクタを用いて車両がニュートラルステアであるか否かを判別することで、車両がニュートラルステアであるか否かを容易に判別することが可能となる。

さらに、このスタビリティファクタに基づいて車両が旋回時にニュートラルステアとなるための目標車速を算出することで、車両がニュートラルステアとなるための旋回要件となる目標車速を的確かつ容易に得ることができる。

本発明の実施例１に係る制御装置を備えた４輪駆動車の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る処理動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る４輪駆動車の旋回特性を示す図である。 目標モータトルクとモータのベクトル制御電流成分との関係を示す図である。

符号の説明

１０…車体
１１…前輪車軸
１２，１３…前輪
１４…前輪側デファレンシャルギヤ
１５…ステアリング
１６…舵角センサ
１７…ヨーレートセンサ
１８…エンジン
１９…トルクコンバータ
２０…変速機機構
２１…後輪車軸
２２，２３…後輪
２４…後輪側デファレンシャルギヤ
２５…モータ
２６…減速機
２７…電磁クラッチ
２８…回転センサ
２９…駆動専用発電機
３０…プーリベルト
３１…エンジンコントロールユニット
３２…変速機コントロールユニット
３３…モータコントロールユニット
３４…ドライブユニット
３５…車両コントロールユニット
１００…４輪駆動車

Claims (3)

1. 内燃機関で駆動される主駆動輪と、
   前記内燃機関で駆動される発電機で得られた電力で動作する電動機で駆動される従駆動輪と、
   前記従駆動輪に前記電動機で得られた動力を選択的に伝達制御するクラッチと
   を備えた４輪駆動車の走行を制御する４輪駆動車の制御装置において、
   前記４輪駆動車が旋回時に、前記４輪駆動車の車両状態に基づいて、前記４輪駆動車が旋回時にニュートラルステアとなる旋回要件を算出する旋回要件算出手段と、
   前記旋回要件算出手段で算出された旋回要件を満足させて、前記４輪駆動車をニュートラルステアにするために必要な前記電動機の目標電動機トルクを算出する電動機トルク算出手段と、
   前記電動機を駆動制御するベクトル制御手法におけるｄ−ｑ座標系のｄ軸電流とｑ軸電流を演算し、演算結果のｄ軸電流とｑ軸電流とに基づいて、前記電動機のトルクが前記トルク算出手段で算出された目標電動機トルクとなるように前記電動機を駆動制御する電動機制御手段と
   を有することを特徴とする４輪駆動車の制御装置。
2. 前記旋回要件算出手段は、
   前記４輪駆動車の操舵角を検出する操舵角検出手段と、
   前記４輪駆動車のヨーレートを検出するヨーレート検出手段と、
   前記操舵角検出手段で検出された操舵角と、前記ヨーレート検出手段で検出されたヨーレートと、前記４輪駆動車のホイールベールとに基づいて、前記４輪駆動車の操縦安定性を示す指標を算出する指標算出手段と、
   前記指標算出手段で算出された指標が、前記４輪駆動車がニュートラルステアであることを示すための要件（前記旋回要件）を算出する算出手段と
   を有することを特徴とする請求項１記載の４輪駆動車の制御装置。
3. 前記指標算出手段で算出された指標が、前記４輪駆動車がニュートラルステアであることを示すための要件（前記旋回要件）は、前記指標をスタビリティファクタとした際に、前記スタビリティファクタがニュートラルステアとなる目標車速である
   ことを特徴とする請求項２に記載の４輪駆動車の制御装置。

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