JP2014512996A - サスペンション制御システム - Google Patents

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Abstract

車輪を駆動させるためのトルクを車輪に加えるように構成される電気モーターを備える車両のマウント位置に搭載されるサスペンション装置を介して車両に搭載される車輪を備える車両用のサスペンション制御システムであって、サスペンション制御システムは、車両のマウント位置に対して相対変位する車輪の前後方向移動に基づいて電気モーターによって車輪に加えられるトルクを調節するように構成される制御装置を備える。
【選択図】図5

Description

本発明は、サスペンション制御システム、特に電気モーターによって駆動する車輪を備える車両用のサスペンション制御システムに関する。
車両のサスペンションシステムは、2つの基本的な機能を有する。１つは、道路からの入力を車本から分離してその入力と車両乗客とを分離する機能であり、もう１つは、車輪と地面との間の負荷変動を抑制することによって車両の路面保持性能を向上させる機能である。
車両のサスペンションシステムの挙動は、サスペンションシステムの垂直及び前後方向コンプライアンスによって特徴づけることができる。
車両サスペンションシステムの垂直コンプライアンスは、乗客の快適性とハンドリング特性との良好な妥協点をもたらすように調節されるスプリング-ダンパーシステムによって典型的には作り出される。スプリングは、約0.7Hzから2Hzの共振振動数を有するばね上部分が選択される。より低い共振振動数は乗り物酔いを引き起こす一方で、より高い周波数は路面入力抑制性能を低下させる。固い減衰特性は乗り心地を荒くするが、柔らかい減衰特性は車輪と道路との間の乱れ及び大きな負荷変動の後に長く車体が動き続ける。
逆に、良好な車輪制御を維持するために、車両の前後方向コンプライアンスは、その垂直コンプライアンスよりも一般には著しく固い。そうでなければ、制動装置又は動力伝達装置によって提供されるトルクは柔らかいサスペンションシステムを通じて車体に作用するため、車両制御を維持する運転性能が低下する。その結果、車両サスペンションシステムの前後方向コンプライアンスは、主にブッシュによって典型的にはもたらされる。
サスペンションシステムの垂直コンプライアンスと同様に、前後方向コンプライアンスに関しても、乗客の快適性(これは、減衰特性を柔らかくすることによって高まるもの)と、良好な車両制御を維持するためにキャビンの振動を弱める必要性との間に妥協点が存在する。
例えば、道にできた穴のような路面の乱れは、車輪に対して前後方向に加わる力の衝撃を引き起こし、この前後方向の力が、車両の同乗者が感じる初期衝撃を引き起こし、続いて振動が生じる。前後方向の剛性を高めると初期衝撃は強まるが、所定の道の乱れによるその後の振動期間が短くなる。
前後方向のサスペンションシステムの挙動は、図1に示す簡潔な4分の1-車体における自由度2のモデルで図示することができる。muはばね下部分(例えば車輪及び付随する部品)を表し、msはばね上部分（4分の1-車体）を表す。サスペンションの前後方向コンプライアンスは、ばね定数k及び減衰定数bを有するスプリング-ダンパー系によって表される。前後方向のばね下及びばね上部分の位置は、それぞれxu及びxsとして示される。ばね下部分に対して路面によって与えられる力の前後方向の成分は、Fr(t)として示される。
不完全な路面に応答するばね上部分の動作が、車両における乗客の快適性を一般には決定する。乗客の不快感に関係する動作の鍵となる特徴は、加速度変化率(別名、車両加加速度として知られているもの)の大きさ及び期間であり、これは路面の欠陥から生じる。
路面にできた穴に当たった車輪によって引き起こされるような衝撃に応じて、最初に強い強度の加加速度が生じて次に振動が続く。これら両方の特徴は、車両の乗客に不快感を与える可能性がある。しかしながら、最初の加加速度を最小にする最適な手段には弱い減衰特性が必要である一方で、それとは対照的に、その後の振動を最小にする最適な手段には強い減衰特性が必要である。
図2は、受動的サスペンションシステムの前後方向コンプライアンスに関して強い減衰特性の要件と弱い減衰特性の要件とが両立しないことを示すものであり、図2の左側のプロット20は、強い減衰装置の加速度変化率対時間を反映する。図2の右側のプロット22は、弱い減衰装置の加速度変化率対時間を反映する。図2に図示されるプロットに関して、このプロットは、パラメーターとしてmu=50kg、ms=400kg、k=444N/mmを用いた図1の簡潔な4分の1車体における自由度2のモデルに基づいている。強い減衰特性はb=1.5Ns/mmにてプロットされ、弱い減衰特性はb=0.3Ns/mmにてプロットされる。両部分は、最初は15m/sで動き出し、道にできた穴への衝突は正弦曲線の半周期を5ms、振幅を10000NとしたFr(t)を構成してシミュレーションされる。これは、ばね下部分(即ち、車輪)に約200m/s/sの初期加速を与える。図2に図示されるプロットは、ばね上部分(即ち、車体)に関する時間の関数から得られる加加速度を示す。
図2に図示される上方のプロットは、弱い減衰系は長期の前後方向振動を車体にもたらす一方で、強い減衰系は初期衝突の後に振動が急速に抑制されることを示す。下方のプロットは、時間の尺度を拡張した同一データを示しており、衝突した後の車体の加速度変化率を示している。強く減衰するケースの加加速度の上限強度は約1100m/s/s/sである一方で、弱く減衰するケースでは約700m/s/s/sである。この図は、車両の同乗者が感じる初期衝撃を表す。
このように、強いダンパーシステムか弱いダンパーシステムによって規定される前後方向コンプライアンスを有するサスペンションシステムは、最適な車両制御及び車両乗客に対する乗り心地を提供することができない。
この状況を向上させることは、望ましい。
本発明の態様に従って、添付の請求項によるサスペンション制御システムが提供される。
これは、前後方向コンプライアンスの減衰特性を能動的に変えることができる利点を提供するものであり、車輪に加えられる前後方向の減衰力は、車輪の相対的な移動に基づいて電気モーターから車輪に加えられるトルクを変えることによって変化させることができる。例えば、弱い減衰力は、最初に生じる前後方向の加加速度に対して初めに適用させることができ、それと同時に、車輪に加えられるトルクを変えることによって段階的に減衰力を増加させてその後の振動を更に減衰する。従って、本発明は、強い減衰特性による振動抑制性と、弱く減衰させるケースである初期衝突に対する柔軟性との組合せを可能にする。
このように、車両は、前後方向に柔らかく減衰する受動的サスペンションシステムであって、電気モーターを用いて車輪に加わるトルクを調節しながら、初期衝撃後に前後方向の減衰特性を強化してその後の振動を最小にするために用いるサスペンションシステムを備えることができる。
本発明は、添付の図面を参照しながら、一例としてここに記載する。
図1は、前後方向のサスペンションシステムの挙動モデルを図示する。
図2は、強い減衰特性及び弱い減衰特性を有するサスペンションシステムに対する外側からの前後方向の力に関する効果を図示する。
図3は、本発明の一実施形態による車両を図示する。
図4は、本発明の一実施形態において用いられる、電気モーターの分解図を図示する。
図5は、受動的サスペンション構成の一例を図示する。
図6は、別の角度からみた図2に示される電気モーターの分解図を図示する。
図7は、本発明の一実施形態による電気モーターのためのコイルセットの構成の一例を図示する。
図8は、本発明の一実施形態による、前後方向のサスペンションシステムの挙動モデルを図示する。
図9は、本発明の一実施形態による能動的減衰サスペンションに加えられる前後方向の加速から生じる加速度変化のプロットを図示する。
図3は、4つの車輪101を有する車両100(例えば車又はトラック) を図示するものであり、2つの車輪は、それぞれ、車両前方位置の手前側と奥側の位置に配置される。同様に、2つの更なる車輪は、それぞれ車両後方位置の手前側と奥側の位置に配置され、典型的には、従来型の自動車の構成のようである。しかしながら、当業者によって理解されるように、車両は任意の数の車輪を備えることができる。
以下に詳細に記載されている通り、各車輪101内に組み込まれるものは、インホイール電気モーターである。現在の実施形態には、各車輪101に付随するインホイール電気モーターを備える車両が記載されているが、当業者によって理解されている通り、車輪101のサブセットだけがインホイール電気モーターを備えてもよい。例えば、4輪自動車に関しては、2つの前輪だけがインホイールモーターを伴ってもよく、あるいは、2つの後輪だけがインホイールモーターを伴ってもよく、また、一つの車輪だけがインホイール電気モーターを伴ってもいてもよい。本実施形態は、各インホイール電気モーターによって駆動される車輪を記載しているが、各電気モーターは車両中の任意の位置に設置することができる。
各車輪及び付随するインホイール電気モーターは、サスペンション装置(例えばサスペンションアーム)に接続し、車体の主要な部分(例えば車両シャシー)における固定マウント位置に接続する。サスペンション装置は、車体と、車輪に加えられる路面入力とを分離するものであり、車輪及び電気モーターは車両のばね下部分に相当し、車体は車両のばね上部分に相当する。
サスペンション構成の一例の図は図5に示され、車輪52及びそれに付随するベアリングは、スプリング式減衰装置56とサスペンション制御アーム58の両方に取り付けられている直立機械要素54に取り付けられる。サスペンション制御アーム58及びスプリング式減衰装置56(例えばコイルスプリング)は、車体の主要部分に取り付けられる。
インホイール電気モーターの操作を制御する(例えばインホイール電気モーターによって生じるトルクを制御する)車両制御装置102は、各インホイール電気モーターに接続する。
加えて、車両は、電力をインホイール電気モーターに供給するバッテリーを備える。
図示のために、インホイール電気モーターは、ホイールに着設した一組の磁石を備えるローターによって放射状に囲まれる、車両へ着設したステーターの部品に一組のコイルを備えるタイプを示す。しかしながら、当業者によって理解されるように、本発明は他のタイプの電気モーターに応用できる。
図4にて図示したように、インホイール電気モーター40は、アセンブリの筐体に関して最初の部品を形成しているリア部分230と、多重コイル及びコイルを駆動するための電子装置を含む放熱器及び駆動装置231と、を含むステーター252を備える。コイル駆動装置231はリア部分230に固定され、車両に固定可能ではあるが使用の際には回転しないステーター252を形成する。コイル自体は、駆動装置231及びリア部分230と共にステーター252を形成する歯様の層板構造上に形成される。
ローター240は、実質的にステーター252を囲むカバーを形成するフロント部分220及び円柱型部分221を備える。ローターは、円柱型部分221の内側周辺に配置される複数の磁石242を備える。したがって、アセンブリ231のコイルによって発生する磁場がローター240の円柱型部分221の内側周辺に配置される磁石242と協同するように、磁石はアセンブリ231上のコイルに非常に接近して、ローター240の回転を引き起こす。
ローター240は、ベアリングブロック223によってステーター252に取り付けられる。ベアリングブロック223は、例えば上記の通り、ベアリングブロックがサスペンション装置に搭載された状態で、このモーターアセンブリが適する車両において使用される基準ベアリングブロックとすることができる。ベアリングブロックは、2つの部品、ステーターに固定される第一部品と、ローターに固定される第二部品とを備える。ベアリングブロックは、ステーター252に関する壁230の中央部分233に固定され、ローター240に関する筐体壁220の中央部分225に固定される。したがって、ローター240は、ローター240の中央部分225でベアリングブロック223を介して、使用される車両に回転可能に固定する。これは、以下の有利な点を有する：ホイールリム及びタイヤは、通常の車輪ボルトを使用してローター240の中央部分225に固定することでホイールリムをローターの中央部分に固定することができ、その結果、ベアリングブロック223の回動可能面上へ確実に固定できる。車輪ボルトは、ローターの中央部分225を通ってベアリングブロック自体を通過して結合させてもよい。ローター240とベアリングブロック223に搭載されている車輪の両方については、ローターと車輪の回転角との間に1対1の対応関係がある。
図6は、リアステーター壁230とコイル及び電子回路アセンブリ231を含むステーター252を反対側から示す、図4と同じアセンブリの分解図を示す。ローター240は、外側ローター壁220と磁石242が円周方向に配置される環状壁221とを具備している。前述したように、ステーター252は、ローター及びステーター壁の中央部分でのベアリングブロックを介してローター240に連結される。
加えて、制御電子装置(モーター駆動制御装置又はインバーターとしても知られる)を備える回路基板80が図4に示される。
V型シール350は、ローターの環状壁221とステーター筐体230の外縁との間に設けられている。
ローターは、ローターの位置検出のための焦点リング及び磁石227を備え、ステーターに搭載のセンサーと連動して、ステーターとの相対的なローター位置を正確に測定することができる。
図7は、本発明の実施形態による、電気モーター40の例を概略的に示す。この例では、モーターは、通常は円形である。しかしながら、本発明の実施形態は他の形態を採用できることはいうまでもない。例えば、線形に移動するコイルの線形配置が想定される。
この例におけるモーター40は、8つのコイルセット60を具備し、各コイルセット60は各制御装置64に接続する3つのコイルサブセット61、62、63を備え、各制御装置64及び各コイルサブセットは、他のサブモーターと独立して制御できる三相論理的又はサブ電気モーターを形成する。制御装置64が三相電圧源を用いて各サブモーターを駆動させることによって、各コイルサブセットは回転磁界を発生させることができる。本実施形態では、各コイルセット60は3つのコイルサブセット61、62、63を備えると記述されているが、本発明はこれに限定されず、各コイルセット60は2又は3以上のコイルサブセットを備えることができると理解されるだろう。同時に、本実施形態では8つのコイルセット60(即ち8つのサブモーター)を備える電気モーターが記述されているが、モーターは関連する制御装置と共に2又は3以上のコイルセット(即ち2又は3以上のサブモーター)を備えることができる。
各制御装置は、6つのスイッチを含む三相ブリッジインバーター(当業者にとって周知)を備える。三相ブリッジインバーターは、コイルセット60の3つのサブセットコイルに接続して三相電気モーター構成を形成する。従って、上記のように、モーターは、8つの三相サブモーターを備え、各三相サブモーターは、コイルセット60の3つのサブセットコイルに接続する制御装置64を備える。
車両制御装置102の制御下で、各三相ブリッジインバーターは、各コイルサブセット61、62、63にわたってPMW電圧制御を行うように配置されて、必要トルクを各サブモーターに提供する。
所定のコイルセットに関して、制御装置64の三相ブリッジスイッチは、コイルサブセット61、62、63の各々にわたって単一の電圧位相を印加するように配置される。
本実施形態に記載されているインホイール電気モーターは、複数の論理サブモーターを備えているが、電気モーターは、論理サブモーターを用いない従来の設計であってもよい。
本実施形態において、各制御装置80は、実質的に楔形である。この形状が複数の制御装置80をモーター内で互いに隣接して設置することを可能にするため、ファンのような配置を形成する。
制御装置80のスイッチとしては、半導体装置(例えばMOSFET又はIGBT)を挙げることができる。本実施例では、スイッチには、IGBTが含まれる。しかしながら、任意の適切な公知のスイッチング回路を電流制御のために使用することができる。かかるスイッチング回路の1つの周知の例は、三相電気モーターを駆動するように構成された6つのスイッチを備える三相ブリッジ回路である。6つのスイッチは、2つのスイッチが3つ並列するセットとして構成され、スイッチの各対は、直列に設置され、三相ブリッジ回路の脚部を形成する。
車両の運転手からの加速又は制動要求に応じて、車両制御装置102は、各制御装置80を介して各モーターにおける電流の流れを制御するように構成される。これによって、各モーターによって生じるトルクが制御される。加えて、車両制御装置102は、各サスペンション装置を車両100に搭載するための各マウント位置に対して相対変位する車輪101の前後方向又は垂直方向移動又は変位に依存して、各モーターによって加えられるトルクを調節するように構成される。言い換えると、車両制御装置102は、車両のばね下とばね上部分との相対的な前後方向又は垂直方向移動又は変位に依存して、各モーターによって加えられるトルクを調節するように構成される。
車両のばね下部分とばね上部分との相対的な移動又は変位は、任意の適切な手段によって(例えば加速度計又は速度、力、位置又はたわみセンサーの使用を介して)測定することができる。
車両のばね下部分とばね上部分との相対的な移動又は変位に基づいて、車両制御装置102は、各インホイール電気モーターによって各車輪に加えられるトルク(その結果、車輪における前後方向の力Ft(t))を変化させて、前後方向のサスペンション挙動を変えるように構成される。
例えば、xの正方向に動いている車両100に関して、車両100の車輪101が道にできた穴に当たると、車輪と車体との間に変位が生じる。車輪101が車体の方へ押し込まれるにつれて、車両制御装置102は、センサーから、車輪101と車体との間に相対的な移動が生じた(即ち、変位が生じた)という情報を認識し、車両制御装置102が各インホイール電気モーターによって加えられる正のトルクを手配することで、車輪に正の減衰力が生じる。
加えて、車輪の上下移動は、車輪の前後方向移動の指標として使用することができるため、前後方向のサスペンション挙動を変える、車輪における前後方向の力を発生させるための適切なトルクを決定するのに用いることができる。
図1と同様で、図7は、各電気モーターによって車輪101に生じる更なる前後方向の力Ft(t)を含む、簡潔な4分の1-車体における自由度2のモデルを図示するものであり、muはばね下部分を表し、msはばね上部分を表す。サスペンションの前後方向コンプライアンスは、ばね定数k及び減衰定数bを有するスプリング-ダンパー系によって表される。前後方向のばね下及びばね上部分の位置は、それぞれxu及びxsとして示される。ばね下部分に対して路面から与えられる力の前後方向の成分は、Fr(t)として示される。
好ましくは、各インホイール電気モーターによって生じるトルクは、サスペンション装置によってもたらされる減衰効果が好ましい減衰特性に従って変化するように車両100のばね下部分及びばね上部分の各前後方向移動に基づいてトルクを算出する制御アルゴリズムを使用して決定される。ばね下部分とばね上部分との相対的な移動を決定するための任意の適切な手段を使用してもよい。例えば、速度の変化、変位の変化又は加速の変化であってもよい。本実施形態のために、使用する制御アルゴリズムは、車輪に加えられるトルクが以下の方程式
から決定されるスカイフック(Sky-Hook)技術に基づくものであり、
は、値1.2Ns/mmの能動減衰係数であり、
は、ばね上部分の速度であり、
は、ばね下部分の速度であり、
は、車輪の回転半径である。
制御アルゴリズムから決定されるトルクは、車両100の運転手によるスロットル要求によってインホイール電気モーターが発生させている現在のトルクを調節する。
本実施形態はスカイフック技術に基づく制御アルゴリズムを使用するが、任意の適切な制御アルゴリズム(例えば、ばね下とばね上部分との相対的な速度、加速又は変位を、トルクを加えることによって目標値へと制御するPID(線形積分微分(Proportional Integral Differential))制御、即ち、目標値からの偏差、目標値からの偏差の積分及び目標値からの偏差の微分に関する3つの条件の各線形和)を使用してもよい。
あるいは、トルク値を決定するための他の手段を使用してもよい。例えば、車両制御装置102は、特定のトルク値と、ばね上部分とばね下部分との間の特定の相対的な移動とを結びつける表にアクセス可能であってもよい。
図9は、本発明の一実施形態による能動的減衰サスペンションに加えられる前後方向の加速から生じる加速度変化のプロットを図示する。
図9に図示される加速度変化のプロットは、受動的サスペンションの機械要素が各インホイール電気モーターを調節して初期衝撃後の減衰特性を高めるように構成されている車両制御装置102を備え、b=0.3Ns/mmの減衰定数を有するサスペンションシステムに基づくものである。これによって、強く減衰するサスペンションの性能に、弱く減衰する受動的サスペンションの初期衝突に対する柔軟性が組み合わされる。能動的サスペンションシステムの減衰性能は、b=1.5Ns/mmの受動的サスペンションの減衰性能に等しい。これは、受動的減衰係数とそれに相当するスカイフック減衰係数b2との合計である。しかしながら、車体に伝わる初期衝撃は、b=0.3Ns/mmの減衰定数を有する柔らかい受動的サスペンションシステムのものに等しい。
理想的には、電気モーターによって加えられるトルクは、ばね上部分とばね下部分との相対的な速度、加速又は変位の変化に応じて瞬間的でなければならない。しかしながら、実際の系においては、センサー、車両制御装置102及び電気モーター並びにこれらの構成要素間での通信により遅延が生じるだろう。これによって、システムの応答が全体的に遅延する。好ましくは、遅延の合計が数ミリ秒を超えてはならない。
路面に乱れがない場合、車両のばね上部分とばね下部分との相対的な速度は、運転手の要求により加えられたトルクの変化の結果として変わるだろう。能動的サスペンションシステムが車両100の運転手によってなされるトルク要求に反して働くのを回避するために、好ましくは、車両制御装置102は、運転手のトルク要求を妨害するトルク発生を回避するように構成される。しかしながら、運転手のトルク要求を理解し、そして車輪の前後方向コンプライアンスの特性も理解されるにつれて、能動的減衰トルクはそれに応じて修正可能である。
好ましくは、車両制御装置102は、荒い衝突を示すものであるが通常の加速又は減速では起こらない車輪及び車体の大きな相対速度又は変位に応じて、能動的サスペンショントルクだけを提供するためにトルクを調節するように構成される。即ち、車両制御装置102は、ばね上部分とばね下部分との相対的な速度、加速又は変位が所定の値を超えると、電気モーターのトルクを調節するためだけに構成される。
上記実施形態は、前後方向の初期衝撃が車輪に加わった後にサスペンションシステムの減衰係数を高めるために用いる車両制御装置102に基づくものであるが、別の実施形態において、高減衰係数を有する強く減衰する受動的サスペンションを用いてもよい。この実施形態において、車両制御装置102は、衝突の間、大きな値の加加速度に抗うことによって、加えられる前後方向の初期衝撃に対して減衰係数を減らすように構成される。初期衝撃が発生した後、電気モーターによってもたらされる減衰効果を低下させることによって、基礎となる受動的サスペンションがもたらす強い減衰係数に依存することになる。

Claims (10)

  1. 車体、車輪及びサスペンション装置を備える車両用のサスペンション制御システムであって、
    前記車輪は、サスペンション装置に搭載され、
    前記サスペンション装置は、前記車輪を駆動させるためのトルクを前記車輪に加えるように構成される電気モーターを備える前記車体におけるマウント位置において前記車体に搭載され、
    前記サスペンション制御システムは、前記車体の前記マウント位置に対して相対変位する前記車輪の前後方向又は垂直方向移動に基づいて前記車体の前記マウント位置と相対変位する前記車輪の前後方向移動を減衰させるために前記電気モーターによって前記車輪に加えられるトルクを調節するように構成される制御装置を備える、サスペンション制御システム。
  2. 前記制御装置は、前記車輪に加えられるトルクを調節し、前記車体の前記マウント位置と相対変位する前記車輪移動を増やすように構成される、請求項1に記載のサスペンション制御システム。
  3. 前記制御装置は、
    に基づいて前記車輪に加えられるトルクを調節するように構成され、
    は、減衰係数であり、
    は、前記車両のばね上部分の速度であり、
    は、前記車両のばね下部分の速度であり、
    は、前記車輪の回転半径である、請求項1又は2に記載のサスペンション制御システム。
  4. 前記制御装置は、前記マウント位置と相対変位する前記車輪の前後方向の加速度変化率が所定の値を超える場合、前記車輪に加えられるトルクを調節するように構成される、請求項1から3のいずれかに記載のサスペンション制御システム。
  5. 前記制御装置は、前記車体の前記マウント位置に対する前記車輪の前後方向の加速度変化率に基づいて前記車輪に加えられるトルクを調節するように構成される、請求項1から4のいずれかに記載のサスペンション制御システム。
  6. 前記制御装置は、前記車体の前記マウント位置に対する前記車輪の前後方向の速度変化率に基づいて前記車輪に加えられるトルクを調節するように構成される、請求項1から5のいずれかに記載のサスペンション制御システム。
  7. 請求項1から6のいずれかに記載のサスペンション制御システムを含む車両。
  8. 前記マウント位置と相対変位する前記車輪の相対的前後方向移動を測定するためのセンサーを更に備える、請求項7に記載の車両。
  9. 前記電気モーターは、インホイール電気モーターである、請求項7又は8に記載の車両。
  10. 前記車体の前記マウント位置に搭載される各サスペンション装置を介して前記車両に搭載される複数の車輪を更に備え、
    前記車輪のうちの少なくとも2つは、各電気モーターによって駆動されるように構成され、
    前記制御装置は、前記車体の各マウント位置に対して相対変位する、各電気モーターによって駆動される前記車輪の前後方向移動に基づいて各電気モーターのトルクを調節するように構成される、請求項7から9のいずれかに記載の車両。
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