JP2009142108A - スリップ率推定装置及びスリップ率制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スリップ率推定装置は、モータのトルクで駆動輪を駆動する自動車に実装され、駆動輪の回転速度ωおよび回転加速度ωdotを算出する車両モデル演算装置と、モータトルク測定手段が測定したトルクTと車両モデル演算装置が算出した回転速度ωおよび回転加速度ωdotを用いて、スリップ率λhatを算出するスリップ率演算装置からなる。スリップ率演算装置がスリップ率の時間変化を考慮した常微分方程式を解くことにより、車体速度を検出することなく高精度なスリップ率推定を行うことができる。
【選択図】図12
Description
・モータがエンジンに比べて小さいため、各車輪に分散配置が可能
・モータがエンジンに対して、トルク応答が数百倍速い
・発生トルクを正確に把握できる
1.車両の運動方程式
図1に、車両の各部に働く力を模式的に示す。モータの時定数が非常に小さいと仮定するとき、後輪二輪駆動の場合、車両に働く力は図1のようになり、車両の運動方程式は以下の式で表現できる。
〈2・1〉駆動力オブザーバによる推定法(従来技術)
〈2・1・1〉推定式の導出
ここでは式(2)第3項の走行抵抗を無視できるとし、Vについて解き、積分すれば以下のように車体速度を推定することができる。
〈2・1・2〉推定誤差
実際には真値の車体速度と推定した車体速度には誤差がある。ここで車体速度の真値と推定値の誤差をev、スリップ率の真値と推定値の誤差をeλiとすると以下のようになる。
〈2・2〉スリップ率の時間変化を考慮した推定法(本発明)
〈2・2・1〉推定式の導出
式(4)をVについて解き、この両辺を時間で微分し、式(1)、(2)、(3)を代入してVω、Fiを消去し、λdotについて解くと次式が得られる。
式(2)より、車体にとって走行抵抗Fdrは外乱とみなせるので、駆動力Fiと加速度axから走行抵抗Fdrを推定する。駆動力Fiは図4の駆動力オブザーバにより推定したFihatを用いる。その結果、図5のような外乱オブザーバを2段組んだようなブロック図となる(非特許文献3参照)。また、図5のDFO内のLPFと加速度にかかるLPFは同一のものである。
ここで式(10)、(12)より推定誤差は、以下のようになる。またFdrhatの推定値はDFOの時定数に従って真値に収束する。よってFdr≒Fdrhatとすると、
〈3・1〉シミュレーションによる検証
〈3・1・1〉シミュレーション条件
前章までに説明した推定法に関して、収束性の理論検討のためSREとDRE−SREは初期誤差がない場合と、初期誤差がある場合とでスリップ率推定のシミュレーションを行う。実際に電気自動車に適用する場合、発明者らが以前に提案した加速時の推定法(非特許文献3参照)と本発明の減速時の推定法を切り替えて使うことになる。その切り替えの時に誤差が生じる可能性があるため、初期誤差がある場合の検討は実用上も意味があるものである。但し、本願明細書では簡単化のため減速時のスリップ率のみを推定し、加速時のスリップ率は推定しない。またDFOによる推定法も、実用上は加速時から式(7)によって車体速度を推定するので、今回のシミュレーションは加速時に生じる車体速度の誤差を考慮し、初期誤差をもたせた検討を行っている。
図6(b)に、DFOに基づくスリップ率の真値と推定値を示す。スリップ率の絶対値が大きいところでは車輪速度が車体速度に比べて小さくなりλ≒−V/Vとなるので推定値は−1に収束する。しかしVhatの初期誤差によって、スリップ率の絶対値が小さなところでは大きな誤差が確認できる。積分する時間が長くなるにつれ図6(a)の誤差は大きくなるので推定法としては問題がある。そして車体速度が零になったとき走行抵抗の影響によって推定した車体速度は零にはならないという問題もある。
図6(c)に初期誤差無しのSREに基づくスリップ率の真値と推定値を示し、図6(d)に初期誤差有りのSREに基づくスリップ率の真値と推定値を示す。このように走行抵抗を考慮していない場合、低μ路において空転しているとき、すなわちスリップ率の絶対値が大きなところでは推定値が真値に漸近することが確認できるが、高μ路に突入しタイヤが粘着すると式(14)を満たさなくなり、推定誤差が拡大することが確認できる。
〈3・2〉オフライン実験による検証
今回の実験には本研究室で製作した電気自動車FPEV2−Kanonを用いた。FPEV2−Kanonには東洋電機製アウターロータ型インホイールモータを後輪2輪に装着している。本モータはダイレクトドライブ方式であり、減速ギヤによるバックラッシュの影響がない。従って反力情報がギヤで失われることなくモータ側にもどるため、本研究室で提案している各種推定法を行うにあたり非常に有効であると考えられる。表1にモータのスペックを示す。
今回提案した手法に関して、オフライン実験による検証を行った。低μ路はアルミの板を地面に敷き、そこに洗剤と水をまくことによって実現を図っている。モータが搭載されている後輪がアルミの板に乗るまで加速をし、その後左右どちらかの車輪速度が零になるまで−180Nm一定のトルク指令を与え、車輪速度が一度零になった後はトルク指令を与えない。車体速度はCORRSYS−DATRON社製CORREVIT S−400の光学式センサを用いることにより測定する。ただし測定した車体速度は検証のみに使用し、推定には使用しない。
〈4・1〉車輪速度制御
図6(e)のようなスリップ率推定ができるときのスリップ率制御のシミュレーションを行う。図2に示すように、スリップ率が−0.2付近で摩擦係数が最小値をとるため、このとき最大の制動力が得られる。この最適スリップ率になるように車輪速度を制御すれば、制御無しで急制動し、タイヤがロックしてしまったときよりも制動距離が縮む。
シミュレーション開始と共に制御をかけ、スリップ率を−0.2に収束させる。路面状態は常に低μ路(μmax=0.2)する。また、車体速度と車輪速度の初期値は8m/sec(=28.8km/h)とする。その他の条件は〈3・1・1〉節と同じものを用いる。
本願明細書を作成するにあたり、スリップ率推定には不可欠であった車体速度を用いないスリップ率推定法を提案し、シミュレーションとオフライン実験を行った。駆動力オブザーバによる推定法は推定時間が長ければ長いほど走行抵抗を考慮してないことによって推定誤差が広がってしまうが、提案した推定法は初期誤差がなければ走行抵抗を考慮しなくてもそれほど大きな誤差拡大は確認されず推定が行えていることが確認できた。また、原理的には初期誤差があっても正確なスリップ率の推定を可能にする走行抵抗を考慮したスリップ率推定方法を実現できた。
Claims (7)
- モータのトルクで駆動輪を駆動する自動車において、当該モータのトルクTを測定するモータトルク測定手段と、当該自動車の車体加速度axを測定する加速度測定手段とを有したスリップ率推定装置において、
駆動輪の回転速度ωおよび回転加速度ωdotを算出する車両モデル演算手段と、
前記自動車の駆動力Fdの推定値を算出する駆動力演算手段と、
前記駆動力演算手段が算出した推定駆動力
前記モータトルク測定手段が測定したトルクTと、前記車両モデル演算手段が算出した回転速度ωおよび回転加速度ωdotと、前記走行抵抗演算手段が算出した推定走行抵抗
を備えたことを特徴とするスリップ率推定装置。
- モータのトルクで駆動輪を駆動する自動車において、予め指定された駆動輪の回転速度から当該モータに対するトルク指令を演算する手段と、当該モータのトルクを当該トルク指令に基づき制御する手段とを有したスリップ率制御装置において、
請求項1又は2に記載のスリップ率推定装置を備え、当該スリップ率推定装置が算出する推定スリップ率が所望の値をとるようにモータの当該トルクを制御することを特徴とするスリップ率制御装置。 - モータのトルクで駆動輪を駆動する自動車において、予め指定された駆動輪の回転速度から当該モータに対するトルク指令を演算する手段と、当該モータのトルクを当該トルク指令に基づき制御する手段とを有したスリップ率制御装置において、
入力される駆動輪の回転速度から目標トルクTを算出する比例積分制御手段と、
前記目標トルクTから前記駆動輪の回転速度ω及び回転加速度ωdotを算出する車両モデル演算手段と、
前記比例積分制御手段が算出した目標トルクT、前記車両モデル演算手段が算出した駆動輪の回転速度ω及び回転加速度ωdotを用いてスリップ率に関する常微分方程式(A)を計算して推定スリップ率λhatを算出するスリップ率演算手段と、
前記スリップ率推定装置が算出した推定スリップ率から車体速度を算出し、当該車体速度から目標スリップ率に対する駆動輪の目標回転速度を算出する車輪速度演算手段とを備え、
前記比例積分制御手段は、前記スリップ率演算手段が算出した推定スリップ率に応じて当該制御ゲインを変化させ、前記トルク指令を演算する手段は、当該比例積分制御手段から算出された前記目標トルクTに基づいて演算することを特徴とするスリップ率制御装置。
- モータのトルクで駆動輪を駆動する自動車において、当該モータに対するトルク指令を演算する手段と、当該モータのトルクTを当該トルク指令に基づき制御する手段と、当該自動車の車体加速度axを測定する加速度測定手段とを有したスリップ率制御装置において、
入力される駆動輪の回転速度から目標トルクTを算出する比例積分制御手段と、
前記目標トルクTから前記駆動輪の回転速度ω及び回転加速度ωdotを算出する車両モデル演算手段と、
前記自動車の駆動力Fdの推定値を算出する駆動力演算手段と、
前記駆動力演算手段が算出した推定駆動力Fdhatと前記加速度測定手段が測定した前記車体加速度axとから走行抵抗Fdrの推定値を算出する走行抵抗演算手段と、
前記比例積分制御手段が算出したトルクTと、前記車両モデル演算手段が算出した駆動輪の回転速度ωおよび回転加速度ωdotと、前記走行抵抗演算手段が算出した推定走行抵抗Fdrhatを用いて、スリップ率に関する常微分方程式を計算することにより推定スリップ率λhatを算出するスリップ率演算手段と
前記スリップ率演算手段が算出した推定スリップ率λhatから車体速度を算出し、当該車体速度から目標スリップ率λ*に対する駆動輪の目標回転速度を算出する車輪速度演算手段とを備え、
前記比例積分制御手段は、前記スリップ率推定装置が算出した推定スリップ率に応じて当該制御ゲインを変化させ、前記トルク指令を演算する手段は、当該比例積分制御手段から算出された前記トルクTに基づいて演算することを特徴とするスリップ率制御装置。
- モータのトルクで駆動輪を駆動する自動車において、請求項1又は2に記載のスリップ率推定装置を備え、当該スリップ率推定装置が算出する推定スリップ率が所望の値をとるようにモータの前記トルクを制御することを特徴とする自動車。
- モータのトルクで駆動輪を駆動する自動車において、モータの当該トルクを制御する請求項3乃至5のいずれかに記載のスリップ率制御装置を備えたことを特徴とする自動車。
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