JP2017011945A - 電磁カップリングモータを制御する制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁カップリングモータを制御する制御装置として、車軸に伝達されるトルク振動をより適切に低減できるものを提供する。【解決手段】制御装置４０は、エンジン３０に接続されたインナーモータ２０を制御する。インナーモータ２０はインナーロータ１１およびアウターロータ１２を備え、制御装置４０は、インナーロータ１１の回転数検出値を処理する可変ノッチフィルタ４１を備える。制御装置４０は、インナーロータ１１の回転数指令値ω＊ｉｒと、可変ノッチフィルタ４１によって処理されたインナーロータ１１の処理済回転数検出値ω’ｉｒとに基づいて、インナーモータ２０のトルク指令値を決定する。可変ノッチフィルタ４１の遮断周波数ωｎｆは、エンジン３０の回転数ωｅｇに応じて変更可能である。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関に接続された電磁カップリングモータを制御する制御装置に関する。

内燃機関の動力を車軸に伝達するパワートレインにおいて、内燃機関のトルク振動が車軸に伝達されてしまうと、パワートレインのみならず、シャシーやボディの共振振動が励起され、こもり音が発生したり、乗り心地が悪化したりといったＮＶ（ノイズ・バイブレーション）性能劣化に繋がる。とくに少気筒エンジンの場合には、トルク振動の周波数がパワートレインの共振周波数に近く、かつ振幅が大きいので、ＮＶ性能の劣化が問題となる可能性が高い。

このような問題を解決するための技術の例として、特許文献１には、制御系への入力から所定の周波数領域を除去する構成が記載されている。

特開２００７−１１２２４８号公報

しかしながら、従来の技術では、トルク振動が必ずしも適切に低減されないという問題があった。

たとえば特許文献１の構成では、遮断される周波数帯域が固定されているので、必ずしも適切にトルク振動を低減することができない。

たとえば、遮断周波数帯域を広く設定すると制御に有用な周波数まで遮断されてしまう可能性があり、一方で、遮断周波数帯域を狭く設定するとエンジンのトルク振動の周波数変動範囲を十分にカバーできず、共振を十分に低減できない可能性がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、電磁カップリングモータを制御する制御装置として、車軸に伝達されるトルク振動をより適切に低減できるものを提供することを目的とする。

上述の問題を解決するため、この発明に係る制御装置は、内燃機関に接続された電磁カップリングモータを制御する制御装置であって、電磁カップリングモータは、第一回転子と、第一回転子に電磁的に結合された第二回転子とを備え、制御装置は、第一回転子の回転数検出値を処理する可変ノッチフィルタを備え、制御装置は、第一回転子の回転数指令値と、可変ノッチフィルタによって処理された第一回転子の処理済回転数検出値とに基づいて、電磁カップリングモータのトルク指令値を決定し、可変ノッチフィルタの遮断周波数は、内燃機関の回転数に応じて変更可能である。

この発明によれば、トルク指令値を決定する際に、可変ノッチフィルタの遮断周波数が内燃機関の回転数に応じて変化する。

制御装置は、第一回転子の回転数指令値から第一回転子の処理済回転数検出値を減算してもよい。
可変ノッチフィルタの遮断周波数は、内燃機関の回転数に近づくよう変更されてもよい。

この発明によれば、可変ノッチフィルタの遮断周波数が内燃機関の回転数に応じて変化するので、車軸に伝達されるトルク振動をより適切に低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る電磁カップリングモータを含む構成の例を示す図である。 図１の２ロータモータを備えるパワートレインシステムの構成の例を示す図である。 図１のインナーモータを制御する制御装置の機能の一部を表すブロック図である。 図２のパワートレインシステムを制御する制御系のブロック図である。 可変ノッチフィルタの伝達関数Ｆ_ｎｆ（ｓ）を実現するための具体的なブロック図の例である。 エンジンの回転数と可変ノッチフィルタの周波数特性との関係の例を示すグラフである。 エンジンのトルク出力とアウターモータへの伝達トルクとの間の伝達関数の周波数特性の例を示すグラフである。 実施の形態１による振動遮断効果の具体例を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、本発明の実施の形態１に係る電磁カップリングモータを含む構成の例を示す。本実施形態では、電磁カップリングモータは後述のようにインナーモータ２０として構成される。

２ロータモータ１０は、回転軸に対し径方向内側から外側に向かって、インナーロータ１１（第一回転子）と、アウターロータ１２（第二回転子）と、ステータ１３（固定子）とを備える。インナーロータ１１およびアウターロータ１２は同軸に回転可能である。ステータ１３は、図示しない構造（モータケーシング等）に固定されてもよい。

インナーロータ１１は、スリップリング１４と電気的に接続されたコイルが設けられた巻線ロータである。ステータ１３にもコイルが設けられる。アウターロータ１２は、インナーロータ１１およびステータ１３それぞれのコイルに対応する磁石を備える磁石ロータである。

２ロータモータ１０は、インナーモータ２０およびアウターモータ２１を備える。インナーモータ２０は、インナーロータ１１およびアウターロータ１２を備え、インナーロータ１１およびアウターロータ１２が電磁的に結合されてモータを形成する。また、アウターモータ２１は、アウターロータ１２およびステータ１３を備え、アウターロータ１２およびステータ１３が電磁的に結合されてモータを形成する。

このように、インナーロータ１１およびアウターロータ１２は、いずれも電磁カップリングモータであり、機械的結合によらずトルクを伝達することができる。たとえば、インナーロータ１１において発生したトルクは、インナーロータ１１とアウターロータ１２との電磁的カップリングを介して、反力としてアウターロータ１２に伝達される。このような構成により、２ロータモータ１０はたとえば公知の２ロータモータとして機能する。

図２は、２ロータモータ１０を備えるパワートレインシステムの構成の例である。このパワートレインシステムは車両に搭載される。２ロータモータ１０の入力側にはエンジン３０（内燃機関）が接続されており、このエンジン３０は、たとえばフライホイールダンパー３１および増速ギア３２を介して２ロータモータ１０の入力軸に連結される。また、２ロータモータ１０の出力側には車軸３５が接続されており、この車軸３５は、たとえば減速ギア３３およびデファレンシャルギア３４を介して２ロータモータ１０の出力軸に連結される。

このような構成により、図２のパワートレインシステムは、エンジン３０から車軸３５へと動力を伝達することができる。また、上述のようにインナーロータ１１のコイルにはスリップリング１４を介して電力を供給可能であり、図２のパワートレインシステムは、図示しない電源（車載バッテリ等）から供給される電力を動力に変換して車軸３５へと伝達することができる。

図３は、インナーモータ２０を制御する制御装置４０（たとえばインバータ）の機能の一部を表すブロック図である。制御装置４０は、インナーロータ１１の回転数指令値ω^＊ _ｉｒと、インナーロータ１１の回転数検出値ω_ｉｒとに基づいて、インナーモータ２０のトルク指令値τ^＊ _ｉｍを決定または算出することができる。

図４は、図２のパワートレインシステムを制御する制御系のブロック図である。制御系は制御装置４０を含む。この制御系の作用の一部として、インナーロータ１１の回転数が制御される。

制御装置４０は、可変ノッチフィルタ４１と、差分器４２と、回転数フィードバック補償器４３とを含む。可変ノッチフィルタ４１の伝達関数をＦ_ｎｆ（ｓ）と表し、回転数フィードバック補償器４３の伝達関数をＣ_ｆｂ（ｓ）と表す。可変ノッチフィルタ４１は、インナーロータ１１の回転数検出値ω_ｉｒを入力として取得し、これを処理して処理済回転数検出値ω’_ｉｒを出力する。回転数検出値ω_ｉｒは、たとえば図示しないセンサ等により検出されてもよい。

可変ノッチフィルタ４１による処理は、たとえば入力された信号から所定の周波数成分または所定の周波数帯域成分を除去しまたは減衰させる処理である。ここで、除去されまたは減衰する周波数成分の周波数または周波数帯域は、変更可能である。

差分器４２は、インナーロータ１１の回転数指令値ω^＊ _ｉｒと、インナーロータ１１の処理済回転数検出値ω’_ｉｒとを入力として取得し、回転数指令値ω^＊ _ｉｒから処理済回転数検出値ω’_ｉｒを減算し、減算の結果を出力する。回転数指令値ω^＊ _ｉｒは、車両ＥＣＵ等の、他の制御装置から提供されてもよい。回転数フィードバック補償器４３は、差分器４２から出力される結果を入力として取得し、これに基づいてインナーモータ２０のトルク指令値τ^＊ _ｉｍを決定して出力する。このように、制御装置４０は、インナーロータ１１の回転数指令値ω^＊ _ｉｒと、可変ノッチフィルタ４１によって処理されたインナーロータ１１の処理済回転数検出値ω’_ｉｒとに基づいて、インナーモータ２０のトルク指令値τ^＊ _ｉｍを決定し出力する。

制御系は、インナーモータ２０のトルク指令値τ^＊ _ｉｍをインナーモータ電流ｉ_ｉｍに変換する機構を備える。この機構は、たとえばインバータハードウェア６０により実現可能である。インバータハードウェア６０の伝達関数をＣ_ｉｎｖ（ｓ）と表す。インバータハードウェア６０は、たとえばスリップリング１４を介してインナーロータ１１に供給されるインナーモータ電流ｉ_ｉｍを制御する。また、制御系は、伝達関数Ｐ_ｉｍ（ｓ）によりインナーモータ電流ｉ_ｉｍをインナーモータ２０のトルク出力τ_ｉｍに変換する。

インナーモータ２０のトルク出力τ_ｉｍは、アウターロータ１２に伝達される。これは図４の例では差分器６１によって表され、アウターモータ２１のトルク出力τ_ｏｍからインナーモータ２０のトルク出力τ_ｉｍを減算した値がアウターロータ１２への伝達トルクτ_ｏｒとなることが示されている。

また、インナーモータ２０のトルク出力τ_ｉｍと、エンジン３０のトルク出力τ_ｅｇとに基づき、インナーロータ１１の回転数が決定される。これは図４の例ではエンジン／インナーロータ軸機械系５０を用いて表される。機械系５０は、エンジン３０のトルク出力τ_ｅｇからインナーロータ１１の回転数検出値ω_ｉｒへの伝達関数５１と、インナーモータ２０のトルク出力τ_ｉｍからインナーロータ１１の回転数検出値ω_ｉｒへの伝達関数５２と、加算器５３とを備える。加算器５３が、伝達関数５１の出力と伝達関数５２の出力とを加算してインナーロータ１１の回転数検出値ω_ｉｒを出力する。

なお、図４の制御系のうち、制御装置４０以外の部分（たとえば、機械系５０、インバータハードウェア６０および差分器６１等）の構成および表現は、図示のものに限らず、実際のパワートレインの構成に対応するものであればどのように表現されてもよい。

可変ノッチフィルタ４１の伝達関数Ｆ_ｎｆ（ｓ）は、たとえば次のように表せる。ただしω_ｎｆは遮断周波数であり、可変である。また、ζ_ｎｆｎおよびζ_ｎｆｄは定数である。

図５は、離散的制御において伝達関数Ｆ_ｎｆ（ｓ）を実現するための具体的なブロック図の例である。可変ノッチフィルタ４１は、入力信号ｕに基づいて出力信号ｙを生成し出力することにより、伝達関数Ｆ_ｎｆ（ｓ）の作用を実現する。図６の例では、Ｆ_ｎｆ（ｓ）は、４個の遅延要素（伝達関数はｚ^−１である）と、６個の乗算器（利得はそれぞれ１／ａ_０，ａ_１，ａ_２，ｂ_０，ｂ_１，ｂ_２である）と、２個の加算器とを備え、各乗算器の利得はエンジン３０の回転数ω_ｅｇの関数として決定または算出される。各乗算器の利得を決定する具体的関数は、当業者が適宜設計可能である。

このように、可変ノッチフィルタ４１の遮断周波数ω_ｎｆは、エンジン３０の回転数に応じて変更可能である。ここで参照するエンジン３０の回転数は、指令値であってもよいし、検出値であってもよい。また、エンジン３０の回転数を算出または決定するために用いられる他の値を用いてもよい。たとえば、本実施形態のようにエンジン３０の回転数とインナーロータ１１の回転数とが実質的に比例する場合には、インナーロータ１１の回転数検出値ω_ｉｒを用いてもよい。

図６は、エンジン３０の回転数ω_ｅｇと可変ノッチフィルタ４１の周波数特性との関係の例を示すグラフである。エンジン３０の回転数ω_ｅｇがある定数ω_１に等しい場合（ω_ｅｇ＝ω_１）には、ω_ｎｆ＝ω_１となるように可変ノッチフィルタ４１の周波数特性が設定される。たとえば図５の例では、ω_ｎｆ＝ω_１となるように各乗算器の利得が決定される。その後、たとえばエンジン３０の回転数ω_ｅｇが変動して別の定数ω_２に等しくなった場合（ω_ｅｇ＝ω_２）には、ω_ｎｆ＝ω_２となるように可変ノッチフィルタ４１の周波数特性が変更される。

ここで、可変ノッチフィルタ４１の遮断周波数の変更は、たとえば制御装置４０によって行われるが、他の制御装置（車両ＥＣＵ等）が関与してもよい。また、可変ノッチフィルタ４１の遮断周波数は、必ずしもエンジン３０の回転数ω_ｅｇに厳密に一致するよう変更される必要はなく、エンジン３０の回転数ω_ｅｇに実質的に一致するよう変更されてもよいし、少なくともエンジン３０の回転数ω_ｅｇに近づくよう変更されればよい。

このような構成によれば、可変ノッチフィルタ４１の作用によって、インナーロータ１１の回転数検出値ω_ｉｒの周波数成分のうち、遮断周波数ω_ｎｆに対応する特定周波数成分のみを抑制した部分が、差分器４２に入力される。そして、エンジン３０の回転数ω_ｅｇに応じて可変ノッチフィルタ４１のフィルタ係数を変化させることにより、遮断周波数ω_ｎｆがエンジン３０の回転数ω_ｅｇに追従して変動する。

図４の制御系において、エンジン３０のトルク出力τ_ｅｇとアウターロータ１２への伝達トルクτ_ｏｒとの間の伝達特性は、次の伝達関数で表される。

図７は、この伝達関数の周波数特性の例を示すグラフである。可変ノッチフィルタ４１の作用により、エンジン３０の回転数ω_ｅｇに対応する周波数成分が遮断されている。ここで、エンジン３０のトルク出力τ_ｅｇに現れるトルク振動の周波数は、エンジン３０の回転数ω_ｅｇに一致するので、エンジン３０の回転数ω_ｅｇに対応する周波数成分を遮断することにより、効率的にトルク振動を遮断することができる。

図８は、このような振動遮断効果の具体例を示すグラフである。破線はエンジン３０のトルク出力τ_ｅｇを表し、実線は本発明によるアウターロータ１２への伝達トルクτ_ｏｒを表す。また、対比のために、従来の構成によるアウターロータへの伝達トルクを一点鎖線によって表す。図示のように、本発明によるアウターロータ１２への伝達トルクτ_ｏｒではトルク振動が大きく減少している。

このように、本発明の実施の形態１に係る制御装置４０によれば、車軸３５に伝達されるトルク振動をより適切に低減することができる。

また、図８に示すように、トルクの非振動成分は、減衰せず（または振動成分ほど大幅には減衰せず）アウターロータ１２に伝達されるので、車両の走行に対する影響は小さく抑えることができる。

上述の実施の形態１において、次のような変形を施すことができる。
電磁カップリングモータは、２ロータモータ１０の一部として構成される必要はない。たとえばステータ１３を省略し、インナーロータ１１およびアウターロータ１２のみによって構成されるインナーモータ２０を用いてもよい。

実施の形態１では、可変ノッチフィルタ４１は、インナーロータ１１の回転数検出値ω_ｉｒと差分器４２との間に配置される。すなわち、制御装置４０は、インナーロータ１１の回転数検出値ω_ｉｒを可変ノッチフィルタ４１によって処理した後に、インナーロータ１１の回転数指令値ω^＊ _ｉｒから減算する。このように構成すると、可変ノッチフィルタ４１は指令値には影響を与えないので、より適切な制御を実現することができる。しかしながら、可変ノッチフィルタ４１をこれ以外の位置に配置してもよい。たとえば、差分器４２と回転数フィードバック補償器４３との間に配置してもよく、回転数フィードバック補償器４３とインバータハードウェア６０との間に配置してもよい。このような変形例によっても、車軸３５に伝達されるトルク振動については低減することが可能である。

制御装置４０の入力（または可変ノッチフィルタ４１の入力）は、インナーロータ１１の回転数検出値ω_ｉｒである必要はなく、インナーロータ１１の実際の回転数を算出または決定できる値であればどのような値でもよい。たとえばエンジン３０の回転数が入力される場合には、制御装置４０は入力された回転数に所定の定数（たとえば増速ギア３２のギア比）を乗算することにより、インナーロータ１１の実際の回転数を算出することができる。

実施の形態１では可変ノッチフィルタ４１は単一の断周波数ω_ｎｆを有するものであるが、有限幅の遮断周波数帯域を有するものであってもよい。この場合には、遮断周波数帯域に属する周波数のうち任意のものを、遮断周波数として定義可能である。たとえば、遮断周波数帯域の中心周波数を遮断周波数としてもよいし、遮断周波数帯域の上限周波数または下限周波数を遮断周波数としてもよい。

実施の形態１では、制御装置４０はインバータのみによって構成され他の制御装置（車両ＥＣＵ等）や機器等を含まないが、他の制御装置や機器等を含んでもよい。たとえば、制御装置４０はインナーロータ１１の回転数指令値ω^＊ _ｉｒを外部から取得するのではなく、自らこれを決定または算出する機能を備えてもよい。あるいは、制御装置４０はインナーモータ２０のトルク指令値τ^＊ _ｉｍを外部に出力するのではなく、自らインナーモータ２０のトルクを制御する機能を備えてもよい。

１１ インナーロータ（第一回転子）、１２ アウターロータ（第二回転子）、２０ インナーモータ（電磁カップリングモータ）、３０ エンジン（内燃機関）、４１ 可変ノッチフィルタ、ω^＊ _ｉｒ インナーロータの回転数指令値（第一回転子の回転数指令値）、ω_ｉｒ インナーロータの回転数検出値（第一回転子の回転数検出値）、ω’_ｉｒ インナーロータの処理済回転数検出値（第一回転子の処理済回転数検出値）、τ^＊ _ｉｍ インナーモータのトルク指令値（電磁カップリングモータのトルク指令値）。

Claims (3)

1. 内燃機関に接続された電磁カップリングモータを制御する制御装置であって、
   前記電磁カップリングモータは、第一回転子と、前記第一回転子に電磁的に結合された第二回転子とを備え、
   前記制御装置は、前記第一回転子の回転数検出値を処理する可変ノッチフィルタを備え、
   前記制御装置は、前記第一回転子の回転数指令値と、前記可変ノッチフィルタによって処理された前記第一回転子の処理済回転数検出値とに基づいて、前記電磁カップリングモータのトルク指令値を決定し、
   前記可変ノッチフィルタの遮断周波数は、前記内燃機関の回転数に応じて変更可能である、制御装置。
2. 前記制御装置は、前記第一回転子の回転数指令値から前記第一回転子の前記処理済回転数検出値を減算する、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記可変ノッチフィルタの遮断周波数は、前記内燃機関の回転数に近づくよう変更される、請求項１または２に記載の制御装置。

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