JP2019123436A - 車両用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧の変動によるトルクの変動がユーザに感知されることを抑制できるようにした車両用制御装置を提供する。【解決手段】ＣＰＵ４２は、バッテリ３２の充電率ＳＯＣに応じてオルタネータ３０の出力電圧を可変設定する。ＣＰＵ４２は、車両が車線を逸脱しそうになる場合、ユーザによるステアリングホイール１８の操作とは独立に、転舵アクチュエータＰＳＡの電動機２０のトルクを操作するアシスト処理を実行する。ＣＰＵ４２は、アシスト処理が実行されている場合、オルタネータ３０の出力電圧を固定する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機のトルクによって転舵輪を転舵させる転舵アクチュエータと、前記転舵アクチュエータに供給される電力を蓄電する蓄電装置と、を備える車両に適用される車両用制御装置に関する。

たとえば下記特許文献１には、電動パワーステアリング装置（転舵アクチュエータ）の電源電圧が低い場合、転舵アクチュエータによる操舵のアシストを停止する装置が記載されている。これは、転舵アクチュエータの電動機を駆動する駆動回路のトランジスタのゲート電圧が過度に低い場合、トランジスタの発熱量が過度に大きくなることなどが理由である。

特開２００５−１９３７５１号公報

ところで、転舵アクチュエータの電源電圧が過度に低くならない状況において、電源電圧が変動する場合、その変動の影響によって電動機のトルクの制御性が低下するおそれがある。特に近年、ユーザによるステアリングの操作をアシストするアシストトルクを付与するのみならず、ユーザに代わって操舵をするために電動機のトルクを生成する操舵処理が実用化されるにつれ、転舵アクチュエータの電動機のトルクが大きくなる傾向にあり、電源電圧の変動によるトルクの変動がユーザに感知されやすくなってきている。

上記課題を解決すべく、車両用制御装置は、電動機のトルクによって転舵輪を転舵させる転舵アクチュエータと、前記転舵アクチュエータに供給される電力を蓄電する蓄電装置と、前記蓄電装置に電圧を印加する電圧印加回路と、を備える車両に適用され、前記電圧印加回路を操作して、前記蓄電装置に印加する電圧を可変設定しつつ前記蓄電装置または該蓄電装置を電源とする補機類への供給電力を制御する可変制御処理と、前記車両が車線に沿って走行するように操舵制御をすべく前記転舵アクチュエータを操作する操舵処理と、ユーザによる操舵と前記操舵処理との双方がなされている場合、前記可変制御処理によって前記蓄電装置に印加する電圧の変化速度を小さい側に制限する制限処理と、を実行する。

上記構成では、ユーザによる操舵がなされているときに操舵処理が実行されている場合、可変制御処理によるバッテリに印加する電圧の変化速度を制限する。これにより、転舵アクチュエータへの入力電圧の変化速度を小さい側に制限することができることから、電動機のトルクの変動を抑制することができる。このため、電源電圧の変動によるトルクの変動がユーザに感知されることを抑制できる。

第１の実施形態にかかる制御装置および車両の駆動系を示す図。 同実施形態にかかる制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図。 同実施形態の効果を示すタイムチャート。 第２の実施形態にかかる制御装置および車両の駆動系を示す図。 同実施形態にかかる制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図。

＜第１の実施形態＞
以下、車両用制御装置にかかる第１の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１に示すドライブシャフト１０には、駆動輪１２が連結されている。駆動輪１２には、ドライブシャフト１０を介して内燃機関１４のトルクが付与される。駆動輪１２は、その切れ角である転舵角を変更可能な転舵輪となっており、転舵アクチュエータＰＳＡによって、転舵角が変更される。すなわち、転舵アクチュエータＰＳＡは、ラック軸１６と、ステアリングシャフト１７と、ステアリングシャフト１７を介してラック軸１６を軸方向に変位させる電動機２０と、インバータ２２とを備えており、電動機２０によってラック軸１６が軸方向に変位されることにより、駆動輪１２が転舵される。本実施形態において、インバータ２２は、３相インバータであり、電動機２０の３つの端子のそれぞれに、上側アームのスイッチング素子ＳＷｐおよび下側アームのスイッチング素子ＳＷｎの接続点が接続されている。なお、ステアリングシャフト１７は、ステアリングホイール１８に連結されており、ラック軸１６は、ステアリングホイール１８の操作によっても軸方向に変位可能である。

内燃機関１４のクランク軸１４ａの回転動力によって、オルタネータ３０の回転軸３０ａが回転し、オルタネータ３０は、この回転エネルギを電気エネルギに変換する。オルタネータ３０は、その出力電圧Ｖｏｕｔを、バッテリ３２に印加する。バッテリ３２は、鉛蓄電池である。また、本実施形態では、バッテリ３２として、開放端電圧がたとえば１２Ｖ程度のものを例示する。

制御装置４０は、車両を制御対象とし、その制御量としての車両の走行経路を制御すべく、転舵アクチュエータＰＳＡを操作する。詳しくは、本実施形態において、制御装置４０は、ユーザによるステアリングホイール１８の操作がなされているときに、車両が車線を外れそうになる場合、車両を車線に沿って走行させるために、転舵アクチュエータＰＳＡを操作する。制御装置４０は、制御量の制御のために、回転角センサ５０によって検出される電動機２０の回転軸２０ａの回転角度θや、電圧センサ５２によって検出されるバッテリ３２の端子電圧Ｖｂ、電流センサ５４によって検出されるバッテリ３２の充放電電流Ｉを参照する。また制御装置４０は、トルクセンサ５６によって検出されるステアリングホイール１８から入力される操舵トルクＴｒｑｓや、車両の外部の情報を取得すべく、車両の外部の画像を撮影するカメラ５８による画像データを参照する。

制御装置４０は、回転角度θの積算処理によって、転舵角θｓを算出する。また、制御装置４０は、端子電圧Ｖｂに基づき、インバータ２２の上側アームのスイッチング素子ＳＷｐおよび下側アームのスイッチング素子ＳＷｎを交互にオン・オフ操作する周期に対するスイッチング素子ＳＷｐをオン操作する時間の時比率Ｄを設定する。これにより、端子電圧Ｖｂが異なっても、電動機２０に印加する電圧を同一とする。

さらに、本実施形態において、制御装置４０は、オルタネータ３０の出力電圧Ｖｏｕｔを操作してバッテリ３２の充電率ＳＯＣを制御する。ここで、充電率ＳＯＣは、規定の電荷量に対する実際の充電電荷量の割合を示す量であり、ＣＰＵ４２により、たとえば充放電電流Ｉの積算処理によって算出される。

制御装置４０は、ＣＰＵ４２およびＲＯＭ４４を備えており、ＲＯＭ４４に記憶されたプログラムをＣＰＵ４２が実行することにより制御量の制御を実現する。
図２に、制御装置４０が実行する処理の手順を示す。図２に示す処理は、ＲＯＭ４４に記憶されたプログラムをＣＰＵ４２がたとえば所定周期で繰り返し実行することにより実現される。なお、以下では、先頭に「Ｓ」が付与された数字によって各処理のステップ番号を表現する。

図２に示す一連の処理において、ＣＰＵ４２は、まず車両が車線を逸脱することを回避するためのアシスト処理を実行しているときであるか否かを判定する（Ｓ１０）。ＣＰＵ４２は、カメラ５８による画像データに基づき、車両が白線を超えそうになる場合、ユーザによるステアリングホイール１８の操作とは独立に、車両が白線を超えず車線に沿った走行経路を走行するように転舵角を制御すべく、転舵アクチュエータＰＳＡを操作する。この処理が実行されている場合、ＣＰＵ４２は、アシスト処理を実行していると判定し（Ｓ１０：ＹＥＳ）、車両が白線を超えず車線に沿った走行経路を走行するように転舵角を制御すべく、インバータ２２に操作信号ＭＳ１を出力する（Ｓ１２）。そしてＣＰＵ４２は、オルタネータ３０の出力電圧の指令値である出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を固定値Ｖ１とする（Ｓ１４）。

これに対し、ＣＰＵ４２は、アシスト処理を実行していないと判定する場合（Ｓ１０：ＮＯ）、出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊をバッテリ３２の充電率ＳＯＣに応じて可変設定する（Ｓ１６）。詳しくは、ＣＰＵ４２は、充電率ＳＯＣが小さい場合に大きい場合よりも出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を大きい値に設定し、バッテリ３２の充電電流を増加させる。

なお、ＣＰＵ４２は、Ｓ１４，Ｓ１６の処理が完了する場合、図２に示す一連の処理を一旦終了する。ちなみに、ＣＰＵ４２は、Ｓ１０の処理によって否定判定する場合にインバータ２２に対する操作信号ＭＳ１の出力を停止するわけではなく、また電動機２０のトルクをゼロに制御するとも限らない。すなわち、ＣＰＵ４２は、Ｓ１０の処理において否定判定する場合、操舵トルクＴｒｑｓに応じてユーザによるステアリングホイール１８の操作をアシストするためのトルクを電動機２０によって生成する制御を実行する。

ここで、本実施形態の作用および効果について説明する。
図３に、アシスト処理の有無、Ｓ１４の処理によるオルタネータ３０の出力電圧Ｖｏｕｔの固定値Ｖ１への制御である定電圧の指示の有無、および出力電圧Ｖｏｕｔの推移を示す。

図３において、時刻ｔ１からｔ２の期間は、車線の逸脱を回避するためのアシスト処理が実行されていない期間である。この期間においては、ＣＰＵ４２は、バッテリ３２の充電率ＳＯＣに応じて出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を可変設定する。これに対し、ＣＰＵ４２は、時刻ｔ２に、車両が車線を逸脱しそうになると判定すると、アシスト処理を開始し、また出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を固定値Ｖ１とする。そしてＣＰＵ４２は、アシスト処理が完了する時刻ｔ３以降、バッテリ３２の充電率ＳＯＣに応じて出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を可変設定する。

このように、アシスト処理がなされる場合には、オルタネータ３０の出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を固定値Ｖ１とすることにより、インバータ２２の入力電圧の変動を抑制できる。このため、電動機２０のトルクの制御性が、インバータ２２の入力電圧の変動によって低下することを十分に抑制できる。このため、電動機２０のトルクの変動によってユーザに違和感を与えることを抑制できる。

ちなみに、上述したように、ＣＰＵ４２は、端子電圧Ｖｂに基づき時比率Ｄを設定するため、端子電圧Ｖｂの変化速度が小さい場合、電動機２０のトルクの制御性を高く維持することができる。しかし、端子電圧Ｖｂの変化速度が大きい場合には、時比率Ｄの可変設定によっては、インバータ２２の入力電圧の変動を十分に吸収することができず、電動機２０のトルクが狙いとするトルクからずれるおそれがある。

インバータ２２の入力電圧の変動によって電動機２０のトルクの制御性が低下すること自体は、転舵アクチュエータＰＳＡをステアリングホイール１８の操作をアシストするためにのみ利用する場合であっても生じうる。しかしステアリングホイール１８の操作をアシストする場合には、本実施形態のように車線を維持するためのアシスト処理と比較すると電動機２０のトルクが小さくなる。このため、電動機２０のトルクの制御性の低下が、ユーザによるステアリングホイール１８の操作を通じてユーザに感知される蓋然性が低くなる。これに対し、本実施形態では、ユーザによるステアリングホイール１８の操作とは独立に、車線を維持するために駆動輪１２の転舵角を制御するために、電動機２０のトルクが大きくなり、ひいてはトルクの制御性の低下がユーザに違和感として感知されやすい。

＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図４に、本実施形態にかかる制御装置および駆動系を示す。なお、図４において図１に示した部材に対応する部材については、便宜上同一の符号を付している。
図４に示すように、本実施形態では、車両の推力を生成する車載原動機として、モータジェネレータ６０を備えている。モータジェネレータ６０には、インバータ６２が接続されており、インバータ６２には、バッテリ３２よりも端子電圧が高い、たとえばリチウムイオン２次電池等の高電圧バッテリ６４の電圧が印加される。高電圧バッテリ６４は、その開放端電圧が、バッテリ３２の開放端電圧よりも高いものであり、たとえば１００Ｖ以上となるものである。高電圧バッテリ６４の電力はＤＣＤＣコンバータ６６を介してバッテリ３２に供給可能となっている。以下では、ＤＣＤＣコンバータ６６がバッテリ３２に印加する電圧をＤＣＤＣコンバータ６６の出力電圧と称する。

なお、図４には、モータジェネレータ６０のみを記載しているが、駆動輪１２に動力を付与する車載原動機として内燃機関をさらに備える、パラレルハイブリッド車やシリーズパラレルハイブリッド車であってもよい。さらに、たとえば、高電圧バッテリ６４を充電するための電力を発電する発電機と発電機を駆動するための内燃機関とを備えたシリーズハイブリッド車であってもよい。

本実施形態において、制御装置４０は、バッテリ３２の充電率ＳＯＣに応じてＤＣＤＣコンバータ６６の出力電圧を操作することによって、バッテリ３２の充電率ＳＯＣを制御する。また、本実施形態では、室内カメラ７０を備え、制御装置４０は、室内カメラ７０によるステアリングホイール１８付近の画像データに基づき、ユーザがステアリングホイール１８から手を放している場合、車両の自動操舵処理を実行する。

図５に、制御装置４０が実行する処理の手順を示す。図５に示す処理は、ＲＯＭ４４に記憶されたプログラムをＣＰＵ４２がたとえば所定周期で繰り返し実行することにより実現される。

図５に示す一連の処理において、ＣＰＵ４２は、まず自動操舵中であるか否かを判定する（Ｓ２０）。そしてＣＰＵ４２は、自動操舵中と判定する場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、カメラ５８の画像データに基づき車線に沿った目標走行軌跡を算出し、目標走行軌跡となるように目標転舵角θｓ＊を算出し、転舵角θｓを目標転舵角θｓ＊にフィードバック制御するためにインバータ２２に操作信号ＭＳ１を出力する（Ｓ２２）。次に、ＣＰＵ４２は、転舵角θｓと目標転舵角θｓ＊との差の絶対値が所定値Δθｓ以上であるか否かを判定する（Ｓ２４）。この処理は、電動機２０のトルクの制御性が低下する場合に、自動操舵処理の制御性の低下によって車両の挙動に及ぼされる影響がユーザに感知される程度であるか否かを判定する処理である。そしてＣＰＵ４２は、所定値Δθｓ以上であると判定する場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、ＤＣＤＣコンバータ６６の出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を固定値Ｖ１とする（Ｓ２６）。

一方、ＣＰＵ４２は、自動操舵処理の実行中ではないと判定する場合（Ｓ２０：ＮＯ）、自動操舵から手動操舵への切り替え時であるか否かを判定する（Ｓ２８）。ここで、ＣＰＵ４２は、室内カメラ７０の画像データに基づき、ユーザがステアリングホイール１８を握ることを検知することなどを条件に、手動操舵への切り替え時であると判定する。なお、ＣＰＵ４２は、手動操舵への切り替え時には、自動操舵処理によって電動機２０に要求されるトルクから、操舵トルクＴｒｑｓに応じてステアリングホイール１８の操作をアシストするアシストトルクへと電動機２０のトルクを徐々に移行させる処理を実行する。ＣＰＵ４２は、手動操舵への切り替え時であると判定する場合（Ｓ２８：ＹＥＳ）、Ｓ２６の処理に移行する。

これに対し、ＣＰＵ４２は、Ｓ２４，Ｓ２８の処理において否定判定する場合、ＤＣＤＣコンバータ６６の出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を、バッテリ３２の充電率ＳＯＣに基づき可変設定する（Ｓ３０）。なお、ＣＰＵ４２は、Ｓ２６，Ｓ３０の処理が完了する場合、図５に示す一連の処理を一旦終了する。

ここで、本実施形態の作用および効果について説明する。
ＣＰＵ４２は、自動操舵処理から手動操舵に切り替わるときであると判定すると、ＤＣＤＣコンバータ６６の出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を固定値Ｖ１とする。これにより、インバータ２２の入力電圧の変動が抑制され、電動機２０のトルクの制御性の低下を抑制できる。手動操舵へと切り替える場合、相対的にトルクの大きさが大きい自動操舵処理のトルクから相対的にトルクの大きさが小さい手動操舵時のトルクへと電動機２０のトルクの大きさが徐々に減少されるため、切替直後には、切替完了後と比較して、電動機２０のトルクの絶対値が大きい値となっている。このため、インバータ２２の入力電圧の変動に起因して電動機２０のトルクの制御性が低下すると、ステアリングホイール１８の操作を通じてユーザに電動機２０のトルク変動が感知されやすい。このため、インバータ２２の入力電圧の変動を抑制すべく、ＤＣＤＣコンバータ６６の出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を固定値Ｖ１とする。

また、ＣＰＵ４２は、自動操舵処理を実行しているときであっても、転舵角θｓと目標転舵角θｓ＊との差の絶対値が大きい場合には、ＤＣＤＣコンバータ６６の出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を固定値Ｖ１とする。自動操舵処理時には、転舵角θｓが目標転舵角θｓ＊にフィードバック制御されるため、電動機２０のトルクの変動がこのフィードバック制御によって補償される。しかし、転舵角θｓと目標転舵角θｓ＊との差の絶対値が大きい場合には、電動機２０のトルクの制御性の低下に起因して上記フィードバック制御の制御性の低下が顕著となる懸念がある。そこで本実施形態では、こうした場合にもインバータ２２の入力電圧の変動を抑制すべく、ＤＣＤＣコンバータ６６の出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を固定値Ｖ１とする。

＜対応関係＞
上記実施形態における事項と、上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項との対応関係は、次の通りである。蓄電装置は、バッテリ３２に対応し、電圧印加回路は、オルタネータ３０やＤＣＤＣコンバータ６６に対応し、補機類は、制御装置４０および電動機２０に対応する。可変制御処理は、Ｓ１６，３０の処理に対応し、操舵処理は、Ｓ１２，Ｓ２２の処理に対応し、制限処理は、Ｓ１４，Ｓ２６の処理に対応する。

＜その他の実施形態＞
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・図１の構成において、自動操舵処理を実行し、図５と同様の処理を実行してもよい。また、図４の構成において、車線の逸脱を回避するアシスト処理のみを実行し、図２と同様の処理を実行してもよい。

・図５の処理においては、転舵角θｓと目標転舵角θｓ＊との差の絶対値が所定値Δθｓ以上である場合に、自動操舵処理による制御量と目標値との乖離が所定以上であるとして、出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を固定したが、これに限らない。たとえば、車両の目標走行軌跡に対する車両の重心の距離が所定値以上である場合に、自動操舵処理による制御量と目標値との乖離が所定以上であるとして、出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を固定してもよい。

・上記実施形態では、出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を固定値Ｖ１とするとし、その値がどのような値であるかについては特に言及しなかった。この固定値Ｖ１は、予め定められた単一の値であってもよいが、たとえば、出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊の固定制御の開始直前における出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊としてもよい。

・上記実施形態では、路面情報や障害物情報等を検知するための装置としてカメラ５８を例示したが、これに限らない。たとえばレーダ装置を用いてもよく、またカメラおよびレーダ装置を併用してもよい。

・上記実施形態では、ステアリングホイール１８がラック軸１６に直結されている例を示したが、これに限らない。たとえば、ステアリングホイール１８と、ラック軸１６に係合されるピニオン軸とが、可変ギア装置を介して接続されたものであってもよい。さらに、駆動輪１２に加えられる力がステアリングホイール１８に伝達可能な構成に限らず、ステアバイワイヤであってもよい。この場合であっても、たとえば転舵角等を入力として駆動輪１２側に加わる力を模擬した力が反力アクチュエータによってステアリングホイール１８に付与される場合には、上記実施形態と同様の課題を有するため、インバータ２２の入力電圧の変動を抑制する処理が有効である。

・上記実施形態において、バッテリ３２とインバータ２２との間に、インバータ２２の入力電圧を安定させるためのＤＣＤＣコンバータを備えてもよい。この場合であっても、バッテリ３２側の電圧の変化速度が急激である場合にはＤＣＤＣコンバータの応答性に起因してインバータ２２の入力電圧の変動が無視できなくなる懸念があるため、オルタネータ３０やＤＣＤＣコンバータ６６の出力電圧を固定値Ｖ１とすることが有効である。なお、バッテリ３２とインバータ２２との間にインバータ２２の入力電圧を安定させるためのＤＣＤＣコンバータを備えるなら、オルタネータ３０やＤＣＤＣコンバータ６６の出力電圧の変化速度を小さい値に制限することとするものの、固定値としないことも可能である。これは、たとえば、最新の充電率ＳＯＣに応じて定まる出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊と、現在の出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊との指数移動平均処理値によって、出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を更新することによって実現できる。またたとえば、出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊の上限ガード値と下限ガード値とを設け、それら上限ガード値と下限ガード値との差を小さい値に制限することによっても実現できる。

・上記実施形態では、転舵アクチュエータＰＳＡによって転舵角が変更される転舵輪を駆動輪としたが、これに限らない。
・電動機に接続される駆動回路としては、３相インバータに限らず、たとえばＨブリッジ回路であってもよい。

１０…ドライブシャフト、１２…駆動輪、１４…内燃機関、１４ａ…クランク軸、１６…ラック軸、１７…ステアリングシャフト、１８…ステアリングホイール、２０…電動機、２０ａ…回転軸、２２…インバータ、３０…オルタネータ、３０ａ…回転軸、３２…バッテリ、４０…制御装置、４２…ＣＰＵ、４４…ＲＯＭ、５０…回転角センサ、５６…トルクセンサ、５８…カメラ、６０…モータジェネレータ、６２…インバータ、６４…高電圧バッテリ、６６…ＤＣＤＣコンバータ、７０…室内カメラ。

Claims (1)

1. 電動機のトルクによって転舵輪を転舵させる転舵アクチュエータと、前記転舵アクチュエータに供給される電力を蓄電する蓄電装置と、前記蓄電装置に電圧を印加する電圧印加回路と、を備える車両に適用され、
   前記電圧印加回路を操作して、前記蓄電装置に印加する電圧を可変設定しつつ前記蓄電装置または該蓄電装置を電源とする補機類への供給電力を制御する可変制御処理と、
   前記車両が車線に沿って走行するように操舵制御をすべく前記転舵アクチュエータを操作する操舵処理と、
   ユーザによる操舵と前記操舵処理との双方がなされている場合、前記可変制御処理によって前記蓄電装置に印加する電圧の変化速度を小さい側に制限する制限処理と、を実行する車両用制御装置。