JP2016075380A - 能動型防振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータへの印加電圧を検出することなくアクチュエータの制御を実現できる能動型防振装置を提供する。【解決手段】両端に一対の弾性接続部６１，６２を有し、当該一対の弾性接続部を連結するロッド本体６３と、前記ロッド本体に支持された慣性マス６４１と、前記慣性マスを前記ロッド本体の軸方向に往復動させる磁力発生手段を含むアクチュエータ６４と、前記磁力発生手段に流れる電流値を検出する電流検出手段６８と、前記ロッド本体の軸方向Ｃの変位速度に応じた力が前記慣性マスに生じるように、前記アクチュエータを制御する制御手段６５と、を備えた能動型防振装置６において、前記制御手段は、前記電流検出手段で検出された電流を観測量として前記アクチュエータの制御信号を算出する状態推定手段を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、能動型防振装置に関するものである。

自動車車体に装着される能動型自動車用制振装置において、補助質量を往復動させるアクチュエータの電機子に流れる電流と、アクチュエータに印加されている端子電圧とを検出し、これら検出された電流と端子電圧とに基づいて、アクチュエータの誘起電圧を算出し、さらに当該誘起電圧を基にアクチュエータの相対速度を算出し、この算出されたアクチュエータの相対速度に基づいて減衰特性を重畳することで、アクチュエータの可動部とばね要素とで構成される共振系の共振倍率を低減するように、アクチュエータを駆動制御するものが知られている（特許文献１）。

特許第５１３６４０８号公報

しかしながら、上記従来の能動型防振装置では、アクチュエータをデジタルアンプでＰＷＭ駆動する場合には出力波形が矩形波であるため、ある瞬間の電流値と端子電圧値を計測できず、したがって逆起電力、ひいては相対速度を算出できないという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、アクチュエータへの印加電圧を検出することなくアクチュエータの制御を実現できる能動型防振装置を提供することである。

本発明は、慣性マスをロッド本体の軸方向に往復動させる磁力発生手段を含むアクチュエータと、磁力発生手段に流れる電流値を検出する電流検出手段と、ロッド本体の軸方向の変位速度に応じた力が慣性マスに生じるように、アクチュエータを制御する制御手段と、を備えた能動型防振装置において、電流検出手段で検出された電流を観測量としてアクチュエータの制御信号を算出する状態推定手段を含む能動型防振装置により、上記課題を解決する。

本発明によれば、状態推定手段により磁力発生手段に流れる電流と当該磁力発生手段に発生する逆起電力との関係が定義されているので、電圧を検出することなく、対象物の振動を抑制することができる。

本発明に係る能動型防振装置の一実施の形態をエンジンと車体とを接続するアッパトルクロッドに適用した一例を示す分解斜視図である。 図１のアッパトルクロッドの一例を示す断面図である。 図２のアクチュエータの電気等価回路である。 図２の制御装置のフィードバック制御ロジックを説明するアクチュエータを含めた２自由度系モデルを示す図である。 図２の制御装置を示すブロック図である。

最初に本発明に係る能動型防振装置の一実施の形態を、ペンデュラムマウント方式で車体に搭載したエンジン１のアッパトルクロッド６に適用した一例について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るエンジン、エンジンマウント及びトルクロッドを示す分解斜視図である。なお、以下に示すアッパトルクロッド６は、本発明に係る能動型防振装置の一例であって、トルクロッド以外の防振装置にも適用することができる。また、本発明の能動型防振装置は、ペンデュラムマウント方式エンジンにのみ限定されずこれ以外の支持方式によるエンジンにも適用することができる。

ペンデュラムマウント方式によるエンジン１の支持構造とは、エンジン１の慣性主軸Ｌを図示のとおりに配置した、たとえば直列４気筒横置きエンジン１に対して、エンジン１を主として支持する２個の支持点３，４が、平面視においては、エンジン１の慣性主軸Ｌ上の、エンジン１の重心Ｇを挟んで互いに軸方向反対側に位置し、正面視においては、支持点３は慣性主軸Ｌ上に、支持点４は慣性主軸Ｌの車両上方に位置するように設けられた支持構造をいう。なお、２個の支持点３，４は、具体的には、右エンジンマウント３と左エンジンマウント４により構成される。右エンジンマウント３は、エンジン１に固定される右エンジンマウントブラケット３１と、当該右エンジンマウントブラケット３１と車体との間に固定される右エンジンマウントインシュレータ３２とを含んで構成されている。また、左エンジンマウント４は、エンジン１に固定される左エンジンマウントブラケット４１と、左エンジンマウントブラケットサポート４２と、当該左エンジンマウントブラケットサポート４２と車体との間に固定される左エンジンマウントインシュレータ４３とを含んで構成されている。

ペンデュラムマウント方式によるエンジンの支持構造は、エンジン１を振り子のように吊り下げて支持するとともに、それらの支持点３，４を結ぶ直線の周りを揺動するエンジンの重心Ｇを、一端が車体に取り付けられたトルクロッドアッセンブリ５，６（以下、アッパトルクロッド６、ロアトルクロッド５ともいう。）のような棒状部材で抑えるように構成され、少ない点数の部品で従来と同様の制振効果が得られるといったメリットがある。すなわち、ペンデュラムマウント方式で車体に搭載されたエンジン１では、エンジン１の運転時に回転慣性力によって２つの支持点３，４を結んだ軸の回り（ピッチング方向）にエンジン１が傾く。この傾きを防止してエンジン１を支持するために、エンジン１のほぼ上半分と車体側部材とを連結するアッパトルクロッド６と、エンジン１の残り下半分と車体側部材とを連結するロアトルクロッド５とを備える。アッパトルクロッド６が車両右上側からエンジン１に、もう一つのロアトルクロッド５が車両下側からエンジン１に連結され、これら２つのトルクロッド５，６により、ペンデュラムマウント方式で搭載されたエンジン１が傾くことを防止する。

本実施形態に係る能動型防振装置であるアッパトルクロッド６について説明する。図２は、図１に示すアッパトルクロッド６の一例を示す断面図であり、本実施形態のアッパトルクロッド６は、両端のそれぞれに第１弾性接続部６１及び第２弾性接続部６２を有するロッド本体６３と、このロッド本体６３に支持された電磁気式アクチュエータ６４(以下、単にアクチュエータ６４ともいう)と、このアクチュエータ６４を制御する制御部６５と、この制御部６５に電力を供給する電源６６と、制御部６５から出力された制御信号を増幅する増幅器６７と、アクチュエータ６４のコイル６４２に流れる電流を検出する電流センサ６８と、を備える。

ロッド本体１３は、鉄やアルミニウムなどの金属材料又は合成樹脂材料で構成され、その一端に第１弾性接続部６１の外筒６１１が一体的に形成され、その他端に第２弾性接続部６２の外筒６２１が一体的に形成されている。第１弾性接続部６１が車体に接続され、第２弾性接続部６２がエンジン１に接続される。なお、車体及びエンジン１への接続レイアウトの都合で第１弾性接続部６１の軸と第２弾性接続部６２の軸は９０°位相しているが、本発明に係るアッパトルクロッド６にあっては同位相又は他の位相角度であってもよい。また、第１弾性接続部６１をエンジン１に接続し、第２弾性接続部６２を車体に接続してもよい。

第１弾性接続部６１は、円筒状の外筒６１１と、外筒６１１と同心の円筒状の内筒６１３と、これら外筒６１１と内筒６１３とを連結する弾性体（防振材，インシュレータともいう）６１２とからなる。内筒６１３に対して図１に示すボルトＢ１によって第１弾性接続部６１は車体フレームに固定される。弾性体６１２は、ばね機能と減衰機能を兼ね備えた部材であり、例えば弾性ゴムを用いることができる。弾性体６１２は外筒６１１及び内筒６１３のそれぞれに接着剤などにより固定されている。

第２弾性接続部６２も、上記第１弾性接続部６１と同様に、円筒状の外筒６２１と、外筒６２１と同心の円筒状の内筒６２３と、これら外筒６２１と内筒６２３とを連結する弾性体（防振材）６２２とからなる。内筒６２３に対して図１に示すボルトＢ２によって第２弾性接続部６２はエンジン１に固定される。弾性体６２２は、ばね機能と減衰機能を兼ね備えた部材であり、例えば弾性ゴムを用いることができる。弾性体６２２は外筒６２１及び内筒６２３のそれぞれに接着剤などにより固定されている。

第１弾性接続部６１の弾性体６１２及び第２弾性接続部６２の弾性体６２２のそれぞれの剛性（ばね定数）は、これら２つの弾性体６１２，６２２の間のロッド本体６３の質量（各第１弾性接続部６１及び第２弾性接続部６２の外筒部分を含む）を考慮して、上述したエンジン１の剛体共振Ａおよびロッド本体６３の剛体共振Ｂが、エンジン１の曲げ・捩りの共振周波数より小さい周波数となる値にそれぞれ定められている。このように、エンジン１の剛体共振Ａおよびロッド本体６３の剛体共振Ｂを２つの異なる周波数、つまり７０Ｈｚ前後の低周波域の周波数ｆ１と、１５０Ｈｚ前後の中周波数域の周波数ｆ２との２箇所で生じさせて、エンジン１から車体フレームに伝達する振動を防止する効果が２重防振の効果である。ただし、本実施形態のトルクロッド６は、第１弾性接続部６１及び第２弾性接続部６２の外筒６１１，６２１及び内筒６１３，６２３の径を相違させるのは必須ではなく、これら第１弾性接続部６１及び第２弾性接続部６２を同じ構造としてもよい。

本例のロッド本体６３の中央部には、アクチュエータ６４を収容する断面が矩形のアクチュエータ室６３１が形成されている。アクチュエータ６４は、コイル６４２と、角筒状のコア６４３と、永久磁石６４４と、慣性マス６４１と、弾性支持バネ６４５と、アクチュエータ室６３１のロッド軸上に架設されたシャフト６４６とを含むリニアタイプ、いわゆる直線運動型の電磁気式アクチュエータであり、慣性マス６４１をシャフト６４６のロッド軸方向に往復動させる。

慣性マス６４１は、磁性を有する金属材料等からなり、シャフト６４６の周囲にシャフト６４６と同軸に設けられている。シャフト６４６のロッド軸方向に見た慣性マス６４１の断面は、シャフト６４６の中心（重心）を中心にした点対称な形状であると共に、慣性マス６４１の重心がシャフト６４６の中心に一致している。本例の慣性マス６４１は角筒形状とされ、慣性マス６４１のロッド軸方向の両端（図２では上下端）が、それぞれ弾性支持バネ６４５を介してシャフト６４６に連結されている。弾性支持バネ６４５は、たとえば比較的小さな剛性を有する板バネからなる。慣性マス６４１の内壁には、図２に示す磁極配列となるように永久磁石６４４が固定されている。

コイル６４２の磁路を構成するコア６４３は、積層鋼鈑から構成され、シャフト６４６に固定されている。コア６４３は、アクチュエータ６４の組立前には複数個の部材に分割されており、これら複数個の部材を、接着剤を用いてシャフト６４６の周囲に接着することにより、全体として角筒状のコア６４３が構成される。コイル６４２は、この角筒状のコア６４３に巻回されている。慣性マス６４１の内壁に固定された永久磁石６４４は、コア６４３及びコイル６４２に対面するように設けられている。

このように構成された本例のアクチュエータ６４は、コイル６４２と永久磁石６４４とが発生する磁界によるリラクタンストルクによって、慣性マス６４１をリニアに、つまり慣性マス６４１をシャフト６４６のロッド本体の軸方向Ｃに往復動するように駆動させる。本例のコイル６４２の巻線は、アクチュエータ６４の駆動回路を含む制御部６５に接続され、電源６６からの電力が供給される。電流センサ６８は、コイル６４２に流れる電流値を検出してこれを制御部６５へ出力する。制御部６５は、この電流値に基づいて、ロッド本体６３の軸方向Ｃの変位速度に応じた力が慣性マス６４１に生じるように、アクチュエータ６４への制御信号を算出する。そして、この制御信号は、アナログ増幅器又はデジタル増幅器で構成される増幅器６７で増幅され、アクチュエータ６４のコイル６４２に印加される（電圧の制御を行なう）。この制御方法については後述する。なお、電流センサ６８は、コイル６４２に流れる電流値を検出するために専用で設けるほか、制御部６５又は増幅器６７に設けられる電流センサを共用してもよい。

本実施形態のアッパトルクロッド６は、センサレスかつモデルフリーの振動制御法を用いた能動型防振装置であるり、電磁気式アクチュエータ６４を用いることで、加速度センサなどを省略したセンサレス化を行う。すなわち、電磁気アクチュエータ６４で発生する逆起電圧と永久磁石６４４に対するコイル６４２の相対速度とが比例関係にあることを利用し、逆起電圧からエンジン１に対するアクチュエータ６４の相対速度を得ることによりセンサレス化を実現させる。次に、アクチュエータモデルのみを用いてカルマンフィルタを設計し、エンジン１の取り付け点の状態を含めたアクチュエータ６４の状態量を推定する。最後に、カルマンフィルタにより推定された状態量を用いて、エンジン１のアクチュエータの取り付け点での直接速度フィードバックを実現させる制御入力をアクチュエータ６４で作用させる。

ここでセンサレス化の原理について簡便に説明する。図３は電磁気アクチュエータ６４の電気等価回路を示す。図３において、抵抗Ｒ、アクチュエータ６４で発生する逆起電圧Ｅ、アクチュエータ６４への入力電圧Ｖ_ｓ、アクチュエータ６４に加わる電圧Ｖ_ｃ、アクチュエータ６４を流れる電流Ｉ_ｃ、コイル６４２のインピーダンスＺ_ｃ ^＊をそれぞれ表す。なお、Ｚ_ｃ ^＊はコイル６４２の抵抗およびインダクタンスを用いて表されることもある。また以下の説明において、慣性マス６４１を含むアクチュエータ６４の質量ｍ_０、アクチュエータ６４の剛性ｋ_０、アクチュエータ６４の減衰係数ｃ_０、コイル６４２（＝慣性マス６４１）の変位ｘ_０、永久磁石６４４（＝エンジン１）の変位ｘ_１をそれぞれ表すものとする。

図３に示すアクチュエータ６４で発生する逆起電圧Ｅ（ｔ）と、永久磁石６４４に対するコイル６４２の相対速度Ｓｘ_ｒｅｌ（ｔ）（＝ｄｘ_ｒｅｌ／ｄｔ）は、比例定数Ｋ_ａを用いると、下記式１のような関係が成り立つ。なお、永久磁石６４４に対するコイル６４２の相対速度Ｓｘ_ｒｅｌ（ｔ）は、図１に示す実システムではエンジン１に対するアクチュエータ６４の相対速度に対応する。（なお、「ｘドット」の微分記号は日本国電子出願の仕様により明細書の本文中で使用できないため、これに代えて記号Ｓを用いるが、イメージデータによる数式においては「ｘドット」を用いることもある。）

逆起電圧Ｅ（ｔ）を直接計測し、式１を用いれば相対速度Ｓｘ_ｒｅｌ（ｔ）が得られるが、入力電圧Ｖ_ｓが作用している場合に、逆起電圧Ｅ（ｔ）はコイル６４２内で発生するため直接計測できない。そこで、図３に示したアクチュエータ６４の電気等価回路より次のような関係を導く。

これら式１及び式２より、相対速度Ｓｘ_ｒｅｌ（ｔ）は、以下のように求めることができる。

このように相対速度Ｓｘ_ｒｅｌ（ｔ）を式３から得ることにより、相対速度検出に関するセンサレス化が可能になる。すなわち、上記式３においてコイル６４２のインピーダンスＺ_ｃ ^＊、比例定数Ｋ_ａは既知であるから、アクチュエータ６４に加わる電圧Ｖ_ｃと、アクチュエータ６４を流れる電流Ｉ_ｃを計測すれば、エンジン１に対するアクチュエータ６４の相対速度Ｓｘ_ｒｅｌ、つまり従来加速度センサにて検出していたエンジン１の加速度を、加速度センサを設けることなく求めることができる。ただしこの場合には、アクチュエータ６４に加わる電圧Ｖ_ｃと、アクチュエータ６４を流れる電流Ｉ_ｃとをそれぞれ計測する２つのセンサが必要となる。本実施形態では、以下に説明する状態推定モデルを工夫して、アクチュエータ６４に加わる電圧Ｖ_ｃを検出することなく、アクチュエータ６４を流れる電流Ｉ_ｃのみを計測することで、エンジン１に対するアクチュエータ６４の相対速度Ｓｘ_ｒｅｌを求める。

本実施形態のアッパトルクロッド６では、モデルフリー制御を実現するため、アクチュエータモデルのみを用いたカルマンフィルタを設計し、状態量を推定する。つまり、制振対象物であるエンジン１のモデルを用いることなく、アクチュエータモデルのみを用いたモデルフリーの制御方法を採用する。本実施形態のアクチュエータ６４のモデルを図４に示す。同図に示すように、アクチュエータ６４は１自由度系モデルで表され、各記号はそれぞれアクチュエータ６４の質量ｍ_０，アクチュエータ６４の剛性ｋ_０，アクチュエータ６４の減衰係数ｃ_０であり、Ｆは電磁気アクチュエータ６４の発生力、すなわち制御入力を示す。またｘ_０はアクチュエータ６４の質量の変位，ｘ_１は制振対象物(エンジン１)への取り付け点の変位を表す。

上述したセンサレス化の手法により相対速度Ｓｘ_ｒｅｌ（ｔ）が得られるとして、カルマンフィルタを設計する。図４より、アクチュエータ６４の運動方程式は下記式４で表される。

ただし、Ｋａは推力定数（Ｆ＝ＫａＩ）である。ここで、下記式５とおく。

この式５の関係を用いると、式４から下記式６が得られる。

上記式３と図３の等価回路図から、相対速度Ｓｘ_ｒｅｌは以下のように表すことができる。

以上より、カルマンフィルタ設計のための状態方程式は以下の式８のようになる。

ここで、上記式８におけるｘ_ａ，ｙ_ａ，Ａ_ａ，Ｂ_ａ，Ｇ_ａ，Ｃ_ａ，Ｄ_ａ，Ｈ_ａは以下のとおりである。

これより、制振対象物であるエンジン１のアクチュエータ６４の取り付け点の状態を含めたアクチュエータ６４の状態量は、カルマンフィルタにより推定が可能になる。カルマンフィルタの状態空間は以下のように表される。下記状態空間行列式のとおり、電流Ｉｃを観測出力とするカルマンフィルタを構成することで、アクチュエータ６４に加わる電圧Ｖ_ｃを検出することなく、アクチュエータ６４を流れる電流Ｉ_ｃのみを計測することで、エンジン１に対するアクチュエータ６４の相対速度Ｓｘ_ｒｅｌを求めることが可能となる。

本実施形態のトルクロッド６においては、加速度センサを設けることなく、かつアクチュエータ６４に加わる電圧Ｖ_ｃを検出することなく、アクチュエータ６４を流れる電流Ｉ_ｃのみを計測することで、エンジン１に対するアクチュエータ６４の相対速度Ｓｘ_ｒｅｌを求めるために、上述したとおりカルマンフィルタを導入するとともに、上述したとおりフィードバックコントローラーを導出した。これらを用いて制御系を構成すると図５のようになる。同図において、Ｐ（ｓ）は任意の制振対象物(本例ではエンジン１)、ｚは評価応答で制振対象物(エンジン１)の変位、ｙａは観測出力で制振対象物(エンジン１)に対するアクチュエータ６４の相対速度、Ｖｓは制御入力、ｗは外乱入力、Ｋはフィードバックゲインである。

以上述べたとおり、本実施形態のアッパトルクロッド６によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）本実施形態のアッパトルクロッド６の制御部６５において、電磁気アクチュエータ６４に流れる電流Ｉｃと当該電磁気アクチュエータ６４で発生する逆起電力Ｅとの関係を定義したカルマンフィルタを含むオブザーバを用いて、検出された電流Ｉｃを観測量としてアクチュエータ６４のコイル６４２に出力する制御信号を算出し、当該制御信号に基づく状態フィードバック制御によりアクチュエータを制御するので、加速度センサを設けることなく、かつアクチュエータ６４に加わる電圧Ｖ_ｃも検出する必要がない。したがって、トルクロッド６の小型化及び低コスト化が実現できる。

（２）また本実施形態のアッパトルクロッド６によれば、制御部６５から出力される制御信号を増幅器６７により増幅させてコイル６４２に当該制御信号を印加するが、増幅器６７をアナログアンプで構成すると、アクチュエータ６４に流れる電流がアナログ信号になるため、電流センサ６８による検出精度が向上する。また、増幅器６７をデジタルアンプで構成しＰＷＭ制御によりアクチュエータ６４を制御する場合には、ある瞬間の電圧値が測定できないものの、本実施形態では電圧値の測定は不要であるため、アクチュエータ６４の制御が可能となる。またデジタルアンプの場合は消費電力が小さく高効率であるという利点がある。

（３）また本実施形態のアッパトルクロッド６において、電流センサ６８を制御部６５又は増幅器６７に設けられた電流センサと共用することで、アクチュエータ６４の制御専用の電流センサを省略することができ、より小型化及び低コスト化が実現できる。

上記コイル６４２及び上記永久磁石６４４が本発明の磁力発生手段に相当し、上記制御部６５が本発明に係る制御手段に相当し、上記増幅器が本発明のアナログ増幅器及びデジタル増幅器に相当し、上記電流センサ６８が本発明の電流検出手段に相当し、上記カルマンフィルタを含むオブザーバが本発明の状態推定手段に相当する。

１…エンジン
２…サブフレーム
３…右エンジンマウント
４…左エンジンマウント
５…ロアトルクロッド
６…アッパトルクロッド
６１…第１弾性接続部
６１１…外筒
６１２…弾性体
６１３…内筒
６２…第２弾性接続部
６２１…外筒
６２２…弾性体
６２３…内筒
６３…ロッド本体
６３１…アクチュエータ室
６３２，６３３，６３４…通孔
６４…アクチュエータ
６４１…慣性マス
６４２…コイル
６４３…コア
６４４…永久磁石
６４５…弾性支持バネ
６４６…シャフト
６５…制御部
６６…電源
６７…増幅器
６８…電流センサ
Ｃ…ロッド本体の軸方向
Ｂ１，Ｂ２…ボルト

Claims (5)

1. 両端に一対の弾性接続部を有し、当該一対の弾性接続部を連結するロッド本体と、
   前記ロッド本体に支持された慣性マスと、
   前記慣性マスを前記ロッド本体の軸方向に往復動させる磁力発生手段を含むアクチュエータと、
   前記磁力発生手段に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
   前記ロッド本体の軸方向の変位速度に応じた力が前記慣性マスに生じるように、前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備えた能動型防振装置において、
   前記制御手段は、前記電流検出手段で検出された電流を観測量として前記アクチュエータの制御信号を算出する状態推定手段を含む能動型防振装置。
2. 前記制御手段から前記アクチュエータへ出力される制御信号を増幅するアナログ増幅器又はデジタル増幅器をさらに備える請求項１に記載の能動型防振装置。
3. 前記電流検出手段は、前記制御手段又は前記アナログ増幅器若しくは前記デジタル増幅器に流れる電流を検出するセンサである請求項２に記載の能動型防振装置。
4. 前記慣性マスの固有振動数は、制振対象物の固有振動数より低い請求項１〜３のいずれか一項に記載の能動型防振装置。
5. 前記状態推定手段は、前記磁力発生手段に流れる電流と前記磁力発生手段で発生する逆起電力との関係を定義したカルマンフィルタを含むオブザーバを用いて、検出された電流を観測量として前記アクチュエータの制御信号を算出し、
   前記制御手段は、前記制御信号に基づく状態フィードバック制御により前記アクチュエータを制御する請求項１〜４のいずれか一項に記載の能動型防振装置。

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