JP3863719B2 - 電気自動車の制御装置および制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の制御装置および制御方法に関し、詳しくは、少なくとも電動機からのトルクを用いて駆動可能な電気自動車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の電気自動車の制御装置としては、電動機からのトルクにより走行する電気自動車において、フィードフォワード制御に外乱トルクを考慮して車両の振動を抑制するものが提案されている（例えば、特開２０００−２１７２０９号公報など）。この装置では、実プラントの伝達関数に近似する伝達関数をもつプラントモデルと、このプラントモデルの伝達関数の逆関数を用いて電動機トルクを設定して実プラント側とプラントモデルとに入力するフィードフォワード制御手段と、実プラントの出力値とプラントモデルの出力値との偏差に基づいて外乱トルクを推定すると共にこの推定した外乱トルクによりフィードフォワード制御手段から実プラント側に入力される電動機トルクを補正する補正手段とを備え、フィードフォワード制御では除去できない不可避的な外乱をプラントモデルを用いて除去するものとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした電気自動車の制御装置では、フィードフォワード制御に加えてフィードバック制御をも行なうものであるから、制御に必要な演算量が多く、演算速度の遅いＣＰＵを用いることができない。
【０００４】
また、電動機からのトルクにより走行する車両に限定されるから、振動を抑制する制御を内燃機関と電動機とからのトルクにより走行するハイブリッド電気自動車に適用した場合、内燃機関から出力されるトルクは外乱として処理されてしまい、内燃機関から出力されるトルクを走行に用いることができないものとなってしまう。
【０００５】
本発明の電気自動車の制御装置および制御方法は、内燃機関の有無に拘わらず車両のトルク変動などに伴う振動を抑制することを目的の一つとする。また、本発明の電気自動車の制御装置および制御方法は、演算量の少ない制御により車両のトルク変動などに伴う振動を抑制することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の電気自動車の制御装置および制御方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の電気自動車の制御装置は、
少なくとも電動機からのトルクを用いて駆動可能な電気自動車の制御装置であって、
前記電動機の回転数を検出または推定する電動機回転数検出推定手段と、
駆動輪の回転数を検出または推定する駆動輪回転数検出推定手段と、
前記電動機回転数検出推定手段により検出または推定された前記電動機の回転数と前記駆動輪回転数検出推定手段により検出または推定された前記駆動輪の回転数とに基づいて車両の振動を抑制するよう前記電動機のトルク指令を補正するトルク指令補正手段と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の電気自動車の制御装置では、検出または推定された電動機の回転数と駆動輪の回転数とに基づいて電動機のトルク指令を補正することにより、車両の振動を抑制する。電動機の回転数と駆動輪の回転数とを用いる演算による制御だから、フィードフォワード制御に加えてフィードバック制御を行なう制御に比して、制御に必要な演算量を少なくすることができる。この結果、演算速度の遅いＣＰＵでも用いることができる。
【０００９】
こうした本発明の電気自動車の制御装置において、前記トルク指令補正手段は、前記検出または推定された電動機の回転数の前記駆動輪に相当する相当回転数と前記検出または推定された駆動輪の回転数との回転数偏差に所定のゲインを乗じて得られる補正値を前記トルク指令から減じることにより該トルク指令を補正する手段であるものとすることもできる。この態様の本発明の電気自動車の制御装置において、前記所定のゲインは、前記電動機の回転数と前記駆動輪の回転数と駆動軸のねじり角度とを変数として記述される前記電気自動車の駆動系の運動方程式と、前記回転数偏差にゲインを乗じて前記トルク指令から減じて記述される前記電動機の入力トルクとを用いた制御系の状態方程式における特性方程式の極を実数となるよう定められるものとすることもできる。
【００１０】
また、本発明の電気自動車の制御装置において、前記駆動輪回転数検出推定手段は、少なくとも前記電動機の回転数と制御系に入力される前記補正されたトルク指令とに基づいて前記駆動輪の回転数を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１１】
さらに、本発明の電気自動車の制御装置において、前記電動機回転数検出推定手段は、低い分解能で検出された前記電動機の回転数と制御系に入力される前記補正されたトルク指令とに基づいて前記電動機の回転数を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１２】
あるいは、本発明の電動機の制御装置において、前記トルク指令補正手段により補正されたトルク指令と前記検出または推定された電動機の回転数の前記駆動輪に相当する相当回転数と前記検出または推定された駆動輪の回転数とに基づいて外乱を推定する外乱推定手段を備え、前記トルク指令補正手段は、前記外乱推定手段により推定された外乱に基づいて前記トルク指令を補正する手段であるものとすることもできる。こうすれば、外乱による車両の振動をも効果的に抑制することができる。
【００１３】
内燃機関からのトルクをも用いて駆動可能で駆動輪の回転数や電動機の回転数を推定する態様の本発明のハイブリッド電気自動車の制御装置において、前記内燃機関の出力トルクを推定する出力トルク推定手段を備え、前記駆動輪回転数検出推定手段は前記出力トルク推定手段により推定された出力トルクに基づいて前記駆動輪の回転数を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１４】
この推定された内燃機関の出力トルクに基づいて駆動輪の回転数を推定する態様の本発明の電気自動車の制御装置において、前記電動機回転数検出推定手段は、前記出力トルク推定手段により推定された出力トルクに基づいて前記電動機の回転数を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１５】
外乱推定手段を備えると共に推定された内燃機関の出力トルクに基づいて駆動輪の回転数を推定する態様の本発明の電気自動車の制御装置において、前記外乱推定手段は、前記出力トルク推定手段により推定された出力トルクに基づいて前記外乱を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１６】
本発明の電気自動車の制御方法は、
少なくとも電動機からのトルクを用いて駆動可能な電気自動車の制御方法であって、
（ａ）前記電動機の回転数と駆動輪の回転数を検出または推定し、
（ｂ）該検出または推定された電動機の回転数と駆動輪の回転数とに基づいて車両の振動を抑制するよう前記電動機のトルク指令を補正する
ことを要旨とする。
【００１７】
この本発明の電気自動車の制御方法によれば、検出または推定された電動機の回転数と駆動輪の回転数とに基づいて電動機のトルク指令を補正することにより、車両の振動を抑制することができる。しかも、電動機の回転数と駆動輪の回転数とを用いる演算による制御だから、フィードフォワード制御に加えてフィードバック制御を行なう制御に比して、制御に必要な演算量を少なくすることができる。この結果、演算速度の遅いＣＰＵを用いて制御することもできる。
【００１８】
こうした本発明の電気自動車の制御方法において、前記ステップ（ｂ）は、前記検出または推定された電動機の回転数の前記駆動輪に相当する相当回転数と前記検出または推定された駆動輪の回転数との回転数偏差に所定のゲインを乗じて得られる補正値を前記トルク指令から減じることにより該トルク指令を補正するステップであるものとすることもできる。この態様の本発明の電気自動車の制御方法において、前記ステップ（ｂ）は、前記電動機の回転数と前記駆動輪の回転数と駆動軸のねじり角度とを変数として記述される前記電気自動車の駆動系の運動方程式と、前記回転数偏差にゲインを乗じて前記トルク指令から減じて記述される前記電動機の入力トルクとを用いた制御系の状態方程式における特性方程式の極が実数となるよう定められた前記ゲインを前記所定のゲインとして用いるステップであるものとすることもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である電気自動車の制御装置５０を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車２０は、図示するように、エンジン２２と、複数のプラネタリピニオンギヤ３０を連結してなるプラネタリキャリア３２にエンジン２２からの動力を入力するプラネタリギヤ２４と、プラネタリギヤ２４のサンギヤ２６に接続された発電機３４と、プラネタリギヤ２４のリングギヤ２８に接続された回転軸３５を出力軸とする電動機３６と、回転軸３５の回転数を減速して駆動系シャフト３９の回転数とする減速機３８と、駆動系シャフト３９にデファレンシャルギヤ４０を介して接続された駆動輪４２，４４と、電動機３６のトルク制御を行なう実施例の電気自動車の制御装置５０とを備える。なお、実施例では、発電機３４と電動機３６に発電可能な発電電動機を用いている。
【００２０】
実施例の電気自動車の制御装置５０は、電動機３６の回転数ωＭを検出する電動機回転数センサ５２と、駆動輪４２，４４の回転数を検出する駆動輪回転数センサ５４と、回転数センサ５４により検出された駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂに変換する駆動輪回転数変換部６４と、電動機回転数センサ５２により検出された電動機３６の回転数ωＭを減速機３８の減速比ｉｄで割って電動機３６の回転数ωＭの駆動輪４２，４４に相当する相当回転数ωＭ’に変換する相当回転数変換部５６と、相当回転数ωＭ’から駆動輪回転数センサ５４により検出された駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂを減じて回転数偏差Δωを演算する第１減算部５８と、回転数偏差Δωにゲインｋを乗じて補正値τ’を演算する乗算部６０と、トルク指令τＭ _refから補正値τ’を減じて電動機３６に入力する入力トルクτＭを演算する第２減算部６２とを備える。電気自動車の制御装置５０の構成のうち電動機回転数センサ５２と駆動輪回転数センサ５４を除く各部は制御ブロックとして記載されており、ハード構成としてはＣＰＵを中心として構成されるマイクロプロセッサが相当する。
【００２１】
乗算部６０のゲインｋは、振動を抑制するため、次式（１）により定められる値とする。実施例では、振動を抑制するゲインの中で応答が最速となる式（２）により定められる値をゲインｋとして利用した。なお、式（１）および式（２）中、Ｊ１はプラネタリギヤ２４に接続されたエンジン２２や発電機３４の慣性モーメントも考慮に含めた電動機の慣性モーメントであり、Ｊ２は車両の等価慣性モーメントとタイヤの慣性モーメントの和であり、Ｃｓは駆動系シャフト３９とタイヤの粘性係数を合成した値であり、Ｋｓは駆動系シャフト３９とタイヤのばね定数を合成した値である。
【００２２】
【数１】
【００２３】
式（１）または式（２）により得られるゲインｋにより車両の振動を抑制することができる理由は次のとおりである。まず、実施例の電気自動車２０の制御系を設計するモデルとして、駆動系シャフト３９とタイヤの剛性を考慮し、そのねじれ振動の１次成分に特化することで低次元化を施したもの、即ち図２に例示するモデルについて考える。このモデルの運動方程式は、次式（３）により記述できる。ここで、式（３）中、θは駆動系シャフト３９のねじれ角度であり、τＥはエンジン２２のトルクであり、αはプラネタリギヤ２４のプラネタリキャリア３２からサンギヤ２６への減速比である。
【００２４】
【数２】
【００２５】
図１の電気自動車の制御装置５０に示すように、電動機３６に入力する入力トルクτＭは、次式（４）により表わされるから、式（３）と式（４）とにより制御系を構成した閉ループの状態方程式は式（５）となり、この状態方程式の特性方程式はラプラス演算子ｓを用いることで式（６）として表わされる。
【００２６】
【数３】
【００２７】
この特性方程式が値０となるときのｓが閉ループの極であり、次式（７）により表わされる。
【００２８】
【数４】
【００２９】
式（７）の右辺第２項が共役複素極であることから、振動成分を含むことが解る。この極を非振動的にするには、式（７）の右辺第２項が実数になるようにゲインｋを設定すればよい。図３に根軌跡を示す。ゲインｋを値０から無限大まで変化させると、図３に示すように、閉ループの極は、図中の（ａ）の共役複素極から（ｂ）の重根を経て（ｃ）の無限遠と原点に移動することから、閉ループの極が実数となるゲインが存在することが解る。即ち、閉ループの極が（ｂ）または（ｃ）となるゲインｋに設定すれば、振動を抑制することができる。非振動的な特性を示す（ｂ）または（ｃ）となるゲインｋは、式（７）の右辺第２項の値が実数となるように定める。つまり、ゲインｋは、次式（８）を満足する式（１）の値に定める。
【００３０】
【数５】
【００３１】
非振動的な特性を示す（ｂ）または（ｃ）のうち応答が最速となるのは（ｂ）の重根のときであるから、応答性も考慮したゲインｋは、式（７）の右辺第２項を値０とした次式（９）を解くことにより求めることができる。なお、式（９）の解は二つあるが、一方はｋ＜０となってネガティブフィードバックとなるから除外し、ｋ＞０となる式（１）により得られる値をゲインｋとして採用する。
【００３２】
【数６】
【００３３】
発進時には電動機３６からのトルクだけで走行し、所定の条件を満たしたときにエンジン２２を始動してエンジン２２と電動機３６からのトルクにより走行する駆動に対して実施例の電気自動車の制御装置５０による制御を適用した場合と適用しなかった場合の電動機３６の回転数の変化の一例を図４に示す。図示するように、実施例の電気自動車の制御装置５０による制御を適用することにより、電動機３６の回転数の振動、即ち車両の振動を良好に抑制することができるのが解る。
【００３４】
以上説明した実施例の電気自動車の制御装置５０によれば、車両の振動を良好に抑制することができる。しかも、電動機３６の回転数と駆動輪４２，４４の平均回転数だけを用いてフィードバック制御するから、演算量を少なくすることができる。この結果、演算速度の遅いＣＰＵでも用いることができる。
【００３５】
実施例の電気自動車の制御装置５０では、電動機回転数センサ５２により検出される電動機３６の回転数ωＭと駆動輪回転数センサ５４により検出される駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂとを用いて制御したが、駆動輪回転数センサ５４の分解能が粗い場合には、図５の変形例の制御ブロックに示すように、次式（１０）で表わされるオブザーバを用いて精度を高めた駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂ＊を推定し、フィードバック制御に用いるものとしてもよい。式（１０）中、「＊」は推定値を示し、Ｆｏｘｘはオブザーバのゲインである。「＊」とＦｏｘｘについては以下の式についても同様である。こうしたオブザーバを用いる際、図６の変形例の制御ブロックに示すように、電動機３６の回転数の推定値ωＭ’＊を用いるものとしてもよい。
【００３６】
【数７】
【００３７】
また、駆動輪回転数センサ５４を備えず、図７の変形例の制御ブロックに示すように、次式（１１）で表わされるオブザーバを用いて駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂ＊を推定し、フィードバック制御に用いるものとしてもよい。この際、図８の変形例の制御ブロックに示すように、電動機３６の回転数の推定値ωＭ’＊を用いるものとしてもよい。
【００３８】
【数８】
【００３９】
これらのオブザーバを利用するものでは、式（３）で示す数式モデルをもとに推定するから、数式中のパラメータ値が実際のシステムの値と異なっている場合もあり、その場合には良好な制御が行なえない。また、低次元化したモデルを利用しているためモデルの構造自体にも誤差を含んでいる可能性もあり、この場合にも良好な制御を行なうことができない。そこで、これらのモデル化誤差を外乱として除去するために、図１および図５ないし図８に例示した変形例の制御ブロックに示されるオブザーバに代えて、図９ないし図１３の変形例の制御ブロックに示すような外乱オブザーバを利用することができる。この際、次式（１２）や式（１３）を上述の式（１０）や式（１１）に代えて用いればよい。ここで、式（１２）は図９ないし図１１の変形例の制御ブロックに対応する駆動輪回転数センサ５４を利用する場合の外乱オブザーバであり、式（１３）は図１１や図１２の変形例の制御ブロックに対応する駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂを検出することができない場合の外乱オブザーバである。また、式（１２）および式（１３）中、τｄｉｓ＊は推定される外乱である。
【００４０】
【数９】
【００４１】
実施例の電気自動車２０のようなハイブリッド電気自動車では、図１４や図１５の変形例の制御ブロックに示すように、オブザーバにエンジン２２の推定トルクτＥ＊を用いるものとすることもできる。この場合のオブザーバは次式（１４）のように記述することができる。ここで、エンジントルク推定器としては、エンジン２２の回転数ωＥや電動機３６の回転数ωＭ，発電機３４の回転数ωＧ，電動機３６のトルク，電動機３６のトルクから運動方程式により推定トルクτＥ＊を推定するものや、アクセル開度とエンジン２２の回転数ωＥとの関数により推定トルクτＥ＊を推定するもの、エンジン２２の筒内圧から推定トルクτＥ＊を推定するもの、エンジン２２の吸入空気量とエンジン２２の回転数ωＥとから推定するものなど種々のものを用いることができる。
【００４２】
【数１０】
【００４３】
また、駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂを検出することができない場合には、図１６や図１７の変形例の制御ブロックに示すように、次式（１５）で例示されるオブザーバを用いることもできる。
【００４４】
【数１１】
【００４５】
さらに、図１８ないし図２２の変形例の制御ブロックに示すように、次式（１６）や式（１７）で表わされる外乱オブザーバを用いるものとしてもよい。なお、式（１６）は図１８ないし図２０の変形例の制御ブロックに対応する駆動輪回転数センサ５４を利用する場合の外乱オブザーバであり、式（１７）は図２１や図２２の変形例の制御ブロックに対応する駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂを検出することができない場合の外乱オブザーバである。
【００４６】
【数１２】
【００４７】
実施例の電気自動車の制御装置５０は、エンジン２２と電動機３６とから駆動系シャフト３９にトルクを出力可能な電気自動車２０に搭載されるものとしたが、式（３）の運動方程式では、プラネタリギヤ２４に接続されたエンジン２２や発電機３４の慣性モーメントも考慮に含めて電動機３６の慣性モーメントＪ１を考えているから、エンジン２２や発電機３４を備えない電気自動車にも実施例の制御装置５０を搭載して振動を抑制する制御を行なうことができるのは明らかである。この場合、電動機３６は、減速機３８を介して駆動系シャフト３９に接続される必要がなく、直接駆動系シャフト３９に接続するものとしてもよい。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である電気自動車の制御装置５０を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 電気自動車２０の制御系を設計する際のモデルを例示する説明図である。
【図３】 特性方程式の根軌跡と振動状態を説明する説明図である。
【図４】 実施例の電気自動車の制御装置５０による制御を適用した場合と適用しなかった場合の電動機３６の回転数の変化の一例を示す説明図である。
【図５】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図６】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図７】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図８】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図９】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１０】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１１】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１２】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１３】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１４】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１５】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１６】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１７】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１８】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１９】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図２０】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図２１】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図２２】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【符号の説明】
２０ 電気自動車、２２ エンジン、２４ プラネタリギヤ、２６ サンギヤ、２８ リングギヤ、３０ プラネタリピニオンギヤ、３２ プラネタリキャリア、３４ 発電機、３５ 回転軸、３６ 電動機、３８ 減速機、３９ 駆動系シャフト、４０ デファレンシャルギヤ、４２，４４ 駆動輪、５０ 電気自動車の制御装置、５２ 電動機回転数センサ、５４ 駆動輪回転数センサ、５６ 相当回転数変換部、５８ 第１減算部、６０ 乗算部、６２ 第２減算部、６４駆動輪回転数変換部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の制御装置および制御方法に関し、詳しくは、少なくとも電動機からのトルクを用いて駆動可能な電気自動車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の電気自動車の制御装置としては、電動機からのトルクにより走行する電気自動車において、フィードフォワード制御に外乱トルクを考慮して車両の振動を抑制するものが提案されている（例えば、特開２０００−２１７２０９号公報など）。この装置では、実プラントの伝達関数に近似する伝達関数をもつプラントモデルと、このプラントモデルの伝達関数の逆関数を用いて電動機トルクを設定して実プラント側とプラントモデルとに入力するフィードフォワード制御手段と、実プラントの出力値とプラントモデルの出力値との偏差に基づいて外乱トルクを推定すると共にこの推定した外乱トルクによりフィードフォワード制御手段から実プラント側に入力される電動機トルクを補正する補正手段とを備え、フィードフォワード制御では除去できない不可避的な外乱をプラントモデルを用いて除去するものとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした電気自動車の制御装置では、フィードフォワード制御に加えてフィードバック制御をも行なうものであるから、制御に必要な演算量が多く、演算速度の遅いＣＰＵを用いることができない。
【０００４】
また、電動機からのトルクにより走行する車両に限定されるから、振動を抑制する制御を内燃機関と電動機とからのトルクにより走行するハイブリッド電気自動車に適用した場合、内燃機関から出力されるトルクは外乱として処理されてしまい、内燃機関から出力されるトルクを走行に用いることができないものとなってしまう。
【０００５】
本発明の電気自動車の制御装置および制御方法は、内燃機関の有無に拘わらず車両のトルク変動などに伴う振動を抑制することを目的の一つとする。また、本発明の電気自動車の制御装置および制御方法は、演算量の少ない制御により車両のトルク変動などに伴う振動を抑制することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の電気自動車の制御装置および制御方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の電気自動車の制御装置は、
少なくとも電動機からのトルクを用いて駆動可能な電気自動車の制御装置であって、
前記電動機の回転数を検出または推定する電動機回転数検出推定手段と、
駆動輪の回転数を検出または推定する駆動輪回転数検出推定手段と、
前記電動機回転数検出推定手段により検出または推定された前記電動機の回転数と前記駆動輪回転数検出推定手段により検出または推定された前記駆動輪の回転数とに基づいて車両の振動を抑制するよう前記電動機のトルク指令を補正するトルク指令補正手段と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の電気自動車の制御装置では、検出または推定された電動機の回転数と駆動輪の回転数とに基づいて電動機のトルク指令を補正することにより、車両の振動を抑制する。電動機の回転数と駆動輪の回転数とを用いる演算による制御だから、フィードフォワード制御に加えてフィードバック制御を行なう制御に比して、制御に必要な演算量を少なくすることができる。この結果、演算速度の遅いＣＰＵでも用いることができる。
【０００９】
こうした本発明の電気自動車の制御装置において、前記トルク指令補正手段は、前記検出または推定された電動機の回転数の前記駆動輪に相当する相当回転数と前記検出または推定された駆動輪の回転数との回転数偏差に所定のゲインを乗じて得られる補正値を前記トルク指令から減じることにより該トルク指令を補正する手段であるものとすることもできる。この態様の本発明の電気自動車の制御装置において、前記所定のゲインは、前記電動機の回転数と前記駆動輪の回転数と駆動軸のねじり角度とを変数として記述される前記電気自動車の駆動系の運動方程式と、前記回転数偏差にゲインを乗じて前記トルク指令から減じて記述される前記電動機の入力トルクとを用いた制御系の状態方程式における特性方程式の極を実数となるよう定められるものとすることもできる。
【００１０】
また、本発明の電気自動車の制御装置において、前記駆動輪回転数検出推定手段は、少なくとも前記電動機の回転数と制御系に入力される前記補正されたトルク指令とに基づいて前記駆動輪の回転数を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１１】
さらに、本発明の電気自動車の制御装置において、前記電動機回転数検出推定手段は、低い分解能で検出された前記電動機の回転数と制御系に入力される前記補正されたトルク指令とに基づいて前記電動機の回転数を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１２】
あるいは、本発明の電動機の制御装置において、前記トルク指令補正手段により補正されたトルク指令と前記検出または推定された電動機の回転数の前記駆動輪に相当する相当回転数と前記検出または推定された駆動輪の回転数とに基づいて外乱を推定する外乱推定手段を備え、前記トルク指令補正手段は、前記外乱推定手段により推定された外乱に基づいて前記トルク指令を補正する手段であるものとすることもできる。こうすれば、外乱による車両の振動をも効果的に抑制することができる。
【００１３】
内燃機関からのトルクをも用いて駆動可能で駆動輪の回転数や電動機の回転数を推定する態様の本発明のハイブリッド電気自動車の制御装置において、前記内燃機関の出力トルクを推定する出力トルク推定手段を備え、前記駆動輪回転数検出推定手段は前記出力トルク推定手段により推定された出力トルクに基づいて前記駆動輪の回転数を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１４】
この推定された内燃機関の出力トルクに基づいて駆動輪の回転数を推定する態様の本発明の電気自動車の制御装置において、前記電動機回転数検出推定手段は、前記出力トルク推定手段により推定された出力トルクに基づいて前記電動機の回転数を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１５】
外乱推定手段を備えると共に推定された内燃機関の出力トルクに基づいて駆動輪の回転数を推定する態様の本発明の電気自動車の制御装置において、前記外乱推定手段は、前記出力トルク推定手段により推定された出力トルクに基づいて前記外乱を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１６】
本発明の電気自動車の制御方法は、
少なくとも電動機からのトルクを用いて駆動可能な電気自動車の制御方法であって、
（ａ）前記電動機の回転数と駆動輪の回転数を検出または推定し、
（ｂ）該検出または推定された電動機の回転数と駆動輪の回転数とに基づいて車両の振動を抑制するよう前記電動機のトルク指令を補正する
ことを要旨とする。
【００１７】
この本発明の電気自動車の制御方法によれば、検出または推定された電動機の回転数と駆動輪の回転数とに基づいて電動機のトルク指令を補正することにより、車両の振動を抑制することができる。しかも、電動機の回転数と駆動輪の回転数とを用いる演算による制御だから、フィードフォワード制御に加えてフィードバック制御を行なう制御に比して、制御に必要な演算量を少なくすることができる。この結果、演算速度の遅いＣＰＵを用いて制御することもできる。
【００１８】
こうした本発明の電気自動車の制御方法において、前記ステップ（ｂ）は、前記検出または推定された電動機の回転数の前記駆動輪に相当する相当回転数と前記検出または推定された駆動輪の回転数との回転数偏差に所定のゲインを乗じて得られる補正値を前記トルク指令から減じることにより該トルク指令を補正するステップであるものとすることもできる。この態様の本発明の電気自動車の制御方法において、前記ステップ（ｂ）は、前記電動機の回転数と前記駆動輪の回転数と駆動軸のねじり角度とを変数として記述される前記電気自動車の駆動系の運動方程式と、前記回転数偏差にゲインを乗じて前記トルク指令から減じて記述される前記電動機の入力トルクとを用いた制御系の状態方程式における特性方程式の極が実数となるよう定められた前記ゲインを前記所定のゲインとして用いるステップであるものとすることもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である電気自動車の制御装置５０を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車２０は、図示するように、エンジン２２と、複数のプラネタリピニオンギヤ３０を連結してなるプラネタリキャリア３２にエンジン２２からの動力を入力するプラネタリギヤ２４と、プラネタリギヤ２４のサンギヤ２６に接続された発電機３４と、プラネタリギヤ２４のリングギヤ２８に接続された回転軸３５を出力軸とする電動機３６と、回転軸３５の回転数を減速して駆動系シャフト３９の回転数とする減速機３８と、駆動系シャフト３９にデファレンシャルギヤ４０を介して接続された駆動輪４２，４４と、電動機３６のトルク制御を行なう実施例の電気自動車の制御装置５０とを備える。なお、実施例では、発電機３４と電動機３６に発電可能な発電電動機を用いている。
【００２０】
実施例の電気自動車の制御装置５０は、電動機３６の回転数ωＭを検出する電動機回転数センサ５２と、駆動輪４２，４４の回転数を検出する駆動輪回転数センサ５４と、回転数センサ５４により検出された駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂに変換する駆動輪回転数変換部６４と、電動機回転数センサ５２により検出された電動機３６の回転数ωＭを減速機３８の減速比ｉｄで割って電動機３６の回転数ωＭの駆動輪４２，４４に相当する相当回転数ωＭ’に変換する相当回転数変換部５６と、相当回転数ωＭ’から駆動輪回転数センサ５４により検出された駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂを減じて回転数偏差Δωを演算する第１減算部５８と、回転数偏差Δωにゲインｋを乗じて補正値τ’を演算する乗算部６０と、トルク指令τＭ _refから補正値τ’を減じて電動機３６に入力する入力トルクτＭを演算する第２減算部６２とを備える。電気自動車の制御装置５０の構成のうち電動機回転数センサ５２と駆動輪回転数センサ５４を除く各部は制御ブロックとして記載されており、ハード構成としてはＣＰＵを中心として構成されるマイクロプロセッサが相当する。
【００２１】
乗算部６０のゲインｋは、振動を抑制するため、次式（１）により定められる値とする。実施例では、振動を抑制するゲインの中で応答が最速となる式（２）により定められる値をゲインｋとして利用した。なお、式（１）および式（２）中、Ｊ１はプラネタリギヤ２４に接続されたエンジン２２や発電機３４の慣性モーメントも考慮に含めた電動機の慣性モーメントであり、Ｊ２は車両の等価慣性モーメントとタイヤの慣性モーメントの和であり、Ｃｓは駆動系シャフト３９とタイヤの粘性係数を合成した値であり、Ｋｓは駆動系シャフト３９とタイヤのばね定数を合成した値である。
【００２２】
【数１】
式（１）または式（２）により得られるゲインｋにより車両の振動を抑制することができる理由は次のとおりである。まず、実施例の電気自動車２０の制御系を設計するモデルとして、駆動系シャフト３９とタイヤの剛性を考慮し、そのねじれ振動の１次成分に特化することで低次元化を施したもの、即ち図２に例示するモデルについて考える。このモデルの運動方程式は、次式（３）により記述できる。ここで、式（３）中、θは駆動系シャフト３９のねじれ角度であり、τＥはエンジン２２のトルクであり、αはプラネタリギヤ２４のプラネタリキャリア３２からサンギヤ２６への減速比である。
【００２４】
【数２】
図１の電気自動車の制御装置５０に示すように、電動機３６に入力する入力トルクτＭは、次式（４）により表わされるから、式（３）と式（４）とにより制御系を構成した閉ループの状態方程式は式（５）となり、この状態方程式の特性方程式はラプラス演算子ｓを用いることで式（６）として表わされる。
【００２６】
【数３】
この特性方程式が値０となるときのｓが閉ループの極であり、次式（７）により表わされる。
【００２８】
【数４】
式（７）の右辺第２項が共役複素極であることから、振動成分を含むことが解る。この極を非振動的にするには、式（７）の右辺第２項が実数になるようにゲインｋを設定すればよい。図３に根軌跡を示す。ゲインｋを値０から無限大まで変化させると、図３に示すように、閉ループの極は、図中の（ａ）の共役複素極から（ｂ）の重根を経て（ｃ）の無限遠と原点に移動することから、閉ループの極が実数となるゲインが存在することが解る。即ち、閉ループの極が（ｂ）または（ｃ）となるゲインｋに設定すれば、振動を抑制することができる。非振動的な特性を示す（ｂ）または（ｃ）となるゲインｋは、式（７）の右辺第２項の値が実数となるように定める。つまり、ゲインｋは、次式（８）を満足する式（１）の値に定める。
【００３０】
【数５】
非振動的な特性を示す（ｂ）または（ｃ）のうち応答が最速となるのは（ｂ）の重根のときであるから、応答性も考慮したゲインｋは、式（７）の右辺第２項を値０とした次式（９）を解くことにより求めることができる。なお、式（９）の解は二つあるが、一方はｋ＜０となってネガティブフィードバックとなるから除外し、ｋ＞０となる式（１）により得られる値をゲインｋとして採用する。
【００３２】
【数６】
発進時には電動機３６からのトルクだけで走行し、所定の条件を満たしたときにエンジン２２を始動してエンジン２２と電動機３６からのトルクにより走行する駆動に対して実施例の電気自動車の制御装置５０による制御を適用した場合と適用しなかった場合の電動機３６の回転数の変化の一例を図４に示す。図示するように、実施例の電気自動車の制御装置５０による制御を適用することにより、電動機３６の回転数の振動、即ち車両の振動を良好に抑制することができるのが解る。
【００３４】
以上説明した実施例の電気自動車の制御装置５０によれば、車両の振動を良好に抑制することができる。しかも、電動機３６の回転数と駆動輪４２，４４の平均回転数だけを用いてフィードバック制御するから、演算量を少なくすることができる。この結果、演算速度の遅いＣＰＵでも用いることができる。
【００３５】
実施例の電気自動車の制御装置５０では、電動機回転数センサ５２により検出される電動機３６の回転数ωＭと駆動輪回転数センサ５４により検出される駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂとを用いて制御したが、駆動輪回転数センサ５４の分解能が粗い場合には、図５の変形例の制御ブロックに示すように、次式（１０）で表わされるオブザーバを用いて精度を高めた駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂ＊を推定し、フィードバック制御に用いるものとしてもよい。式（１０）中、「＊」は推定値を示し、Ｆｏｘｘはオブザーバのゲインである。「＊」とＦｏｘｘについては以下の式についても同様である。こうしたオブザーバを用いる際、図６の変形例の制御ブロックに示すように、電動機３６の回転数の推定値ωＭ’＊を用いるものとしてもよい。
【００３６】
【数７】
また、駆動輪回転数センサ５４を備えず、図７の変形例の制御ブロックに示すように、次式（１１）で表わされるオブザーバを用いて駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂ＊を推定し、フィードバック制御に用いるものとしてもよい。この際、図８の変形例の制御ブロックに示すように、電動機３６の回転数の推定値ωＭ’＊を用いるものとしてもよい。
【００３８】
【数８】
これらのオブザーバを利用するものでは、式（３）で示す数式モデルをもとに推定するから、数式中のパラメータ値が実際のシステムの値と異なっている場合もあり、その場合には良好な制御が行なえない。また、低次元化したモデルを利用しているためモデルの構造自体にも誤差を含んでいる可能性もあり、この場合にも良好な制御を行なうことができない。そこで、これらのモデル化誤差を外乱として除去するために、図１および図５ないし図８に例示した変形例の制御ブロックに示されるオブザーバに代えて、図９ないし図１３の変形例の制御ブロックに示すような外乱オブザーバを利用することができる。この際、次式（１２）や式（１３）を上述の式（１０）や式（１１）に代えて用いればよい。ここで、式（１２）は図９ないし図１１の変形例の制御ブロックに対応する駆動輪回転数センサ５４を利用する場合の外乱オブザーバであり、式（１３）は図１１や図１２の変形例の制御ブロックに対応する駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂを検出することができない場合の外乱オブザーバである。また、式（１２）および式（１３）中、τｄｉｓ＊は推定される外乱である。
【００４０】
【数９】
実施例の電気自動車２０のようなハイブリッド電気自動車では、図１４や図１５の変形例の制御ブロックに示すように、オブザーバにエンジン２２の推定トルクτＥ＊を用いるものとすることもできる。この場合のオブザーバは次式（１４）のように記述することができる。ここで、エンジントルク推定器としては、エンジン２２の回転数ωＥや電動機３６の回転数ωＭ，発電機３４の回転数ωＧ，電動機３６のトルク，電動機３６のトルクから運動方程式により推定トルクτＥ＊を推定するものや、アクセル開度とエンジン２２の回転数ωＥとの関数により推定トルクτＥ＊を推定するもの、エンジン２２の筒内圧から推定トルクτＥ＊を推定するもの、エンジン２２の吸入空気量とエンジン２２の回転数ωＥとから推定するものなど種々のものを用いることができる。
【００４２】
【数１０】
また、駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂを検出することができない場合には、図１６や図１７の変形例の制御ブロックに示すように、次式（１５）で例示されるオブザーバを用いることもできる。
【００４４】
【数１１】
さらに、図１８ないし図２２の変形例の制御ブロックに示すように、次式（１６）や式（１７）で表わされる外乱オブザーバを用いるものとしてもよい。なお、式（１６）は図１８ないし図２０の変形例の制御ブロックに対応する駆動輪回転数センサ５４を利用する場合の外乱オブザーバであり、式（１７）は図２１や図２２の変形例の制御ブロックに対応する駆動輪４２，４４の平均回転数ωｂを検出することができない場合の外乱オブザーバである。
【００４６】
【数１２】
実施例の電気自動車の制御装置５０は、エンジン２２と電動機３６とから駆動系シャフト３９にトルクを出力可能な電気自動車２０に搭載されるものとしたが、式（３）の運動方程式では、プラネタリギヤ２４に接続されたエンジン２２や発電機３４の慣性モーメントも考慮に含めて電動機３６の慣性モーメントＪ１を考えているから、エンジン２２や発電機３４を備えない電気自動車にも実施例の制御装置５０を搭載して振動を抑制する制御を行なうことができるのは明らかである。この場合、電動機３６は、減速機３８を介して駆動系シャフト３９に接続される必要がなく、直接駆動系シャフト３９に接続するものとしてもよい。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である電気自動車の制御装置５０を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 電気自動車２０の制御系を設計する際のモデルを例示する説明図である。
【図３】 特性方程式の根軌跡と振動状態を説明する説明図である。
【図４】 実施例の電気自動車の制御装置５０による制御を適用した場合と適用しなかった場合の電動機３６の回転数の変化の一例を示す説明図である。
【図５】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図６】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図７】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図８】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図９】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１０】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１１】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１２】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１３】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１４】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１５】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１６】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１７】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１８】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図１９】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図２０】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図２１】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【図２２】 変形例の制御ブロックを例示するブロック図である。
【符号の説明】
２０ 電気自動車、２２ エンジン、２４ プラネタリギヤ、２６ サンギヤ、２８ リングギヤ、３０ プラネタリピニオンギヤ、３２ プラネタリキャリア、３４ 発電機、３５ 回転軸、３６ 電動機、３８ 減速機、３９ 駆動系シャフト、４０ デファレンシャルギヤ、４２，４４ 駆動輪、５０ 電気自動車の制御装置、５２ 電動機回転数センサ、５４ 駆動輪回転数センサ、５６ 相当回転数変換部、５８ 第１減算部、６０ 乗算部、６２ 第２減算部、６４駆動輪回転数変換部。
Claims (8)
- 少なくとも電動機からのトルクを用いて駆動可能な電気自動車の制御装置であって、
前記電動機の回転数（ωＭ）を検出または推定する電動機回転数検出推定手段と、
駆動輪の回転数（ωｂ）を検出または推定する駆動輪回転数検出推定手段と、
前記電動機の回転数（ωＭ）に相当する駆動輪の回転数（ωＭ’）と、前記駆動輪の回転数（ωｂ）との偏差に所定のゲイン（ｋ）を乗じて得られる補正値（τ’）を電動機のトルク指令（τＭ _ref ）から減じることにより、車両の振動を抑制するよう補正して前記電動機のトルク指令（τＭ）を算出するトルク指令補正手段と、
を備え、
前記所定のゲイン（ｋ）は、
前記電動機が含まれる動力装置の総慣性モーメント（Ｊ１）、車両およびタイヤの等価慣性モーメント ( Ｊ２）、前記電動機から前記駆動輪までの減速比（ｉｄ）、駆動系シャフトとタイヤの合成された粘性係数（Ｃｓ）、駆動系シャフトとタイヤの合成されたバネ定数（Ｋｓ）に基づき、
ｋ≧｛ａ 11 − a21 ＋２√（ａ 23 −ａ 13 ）｝／ｂ 1
ここで ａ 11 ＝−｛Ｃｓ／（Ｊ１×ｉｄ ２ ）｝
ａ 13 ＝−｛Ｋｓ／（Ｊ１×ｉｄ ２ ）｝
ａ 21 ＝Ｃｓ／Ｊ２
ａ 23 ＝Ｋｓ／Ｊ２
ｂ 1 ＝１／（Ｊ１×ｉｄ）
と定められる、
電気自動車の制御装置。 - 前記駆動輪回転数検出推定手段は、少なくとも前記電動機の回転数と制御系に入力される前記補正されたトルク指令とに基づいて前記駆動輪の回転数を推定する手段である請求項１に記載の電気自動車の制御装置。
- 前記電動機回転数検出推定手段は、低い分解能で検出された前記電動機の回転数と制御系に入力される前記補正されたトルク指令とに基づいて前記電動機の回転数を推定する手段である請求項２記載の電動機の制御装置。
- 請求項１ないし３いずれか記載の電気自動車の制御装置であって、
前記トルク指令補正手段により補正されたトルク指令と前記検出または推定された電動機の回転数の前記駆動輪に相当する相当回転数と前記検出または推定された駆動輪の回転数とに基づいて外乱を推定する外乱推定手段を備え、
前記トルク指令補正手段は、前記外乱推定手段により推定された外乱に基づいて前記トルク指令を補正する手段である
電気自動車の制御装置。 - 内燃機関からのトルクをも用いて駆動可能な請求項２ないし４いずれか記載のハイブリッド電気自動車の制御装置であって、
前記内燃機関の出力トルクを推定する出力トルク推定手段を備え、
前記駆動輪回転数検出推定手段は、前記出力トルク推定手段により推定された出力トルクに基づいて前記駆動輪の回転数を推定する手段である
電気自動車の制御装置。 - 前記電動機回転数検出推定手段は、前記出力トルク推定手段により推定された出力トルクに基づいて前記電動機の回転数を推定する手段である請求項３に係る請求項５記載の電気自動車の制御装置。
- 前記外乱推定手段は、前記出力トルク推定手段により推定された出力トルクに基づいて前記外乱を推定する手段である請求項４に係る請求項５、または請求項６記載の電気自動車の制御装置。
- 少なくとも電動機からのトルクを用いて駆動可能な電気自動車の制御方法であって、
（ａ）前記電動機の回転数（ωＭ）と駆動輪の回転数（ωｂ）を検出または推定し、
（ｂ）該検出または推定された電動機の回転数（ωＭ）に相当する駆動輪の回転数（ωＭ’）と、駆動輪の回転数（ωｂ）との偏差に所定のゲイン（ｋ）を乗じて得られる補正値（τ’）を電動機のトルク指令（τＭ _ref ）から減じることにより、車両の振動を抑制するよう補正して前記電動機のトルク指令（τＭ）を算出する、
電気自動車の制御方法であって、
前記所定の制御ゲイン（ｋ）は、
前記電動機が含まれる動力装置の総慣性モーメント（Ｊ１）、車両およびタイヤの等価慣性モーメント ( Ｊ２）、前記電動機から前記駆動輪までの減速比（ｉｄ）、駆動系シャフトとタイヤの合成された粘性係数（Ｃｓ）、駆動系シャフトとタイヤの合成されたバネ定数（Ｋｓ）に基づき、
ｋ≧｛ａ 11 − a21 ＋２√（ａ 23 −ａ 13 ）｝／ｂ 1
ここで ａ 11 ＝−｛Ｃｓ／（Ｊ１×ｉｄ ２ ）｝
ａ 13 ＝−｛Ｋｓ／（Ｊ１×ｉｄ ２ ）｝
ａ 21 ＝Ｃｓ／Ｊ２
ａ 23 ＝Ｋｓ／Ｊ２
ｂ 1 ＝１／（Ｊ１×ｉｄ）
と定められる、
電気自動車の制御方法。
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