JP3982129B2 - 車両用加速度制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンなどの走行駆動源や有段あるいは無段変速機を制御して、自動車の加速度をその目標値に追従させる車両用加速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アクセルペダルの踏み込み量に応じた目標加速度を設定するとともに、車速を微分して車両の実加速度を求め、実加速度が目標加速度に一致するようにフィードバック制御し、変速したり道路勾配や積載荷重が変化しても常に一定の加速度が得られるようにした車両用加速度制御装置が知られている（例えば、特開平０６−０１７６８４号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の車両用加速度制御装置では、例えば平坦路から登坂路へ、あるいは平坦路から降坂路へ道路勾配が変化しても加速度が変化せず、登坂路や降坂路にさしかかった時の道路環境の変化が感じられず、かえって違和感があるという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、車両の加速度を目標値に追従させながら道路環境の変化を体感させて運転感覚を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態の目標加速度補正ルーチンを示す図４に対応付けて本発明を説明すると、
（１） 請求項１の発明は、車両の前後加速度が目標前後加速度に一致するようにフィードバック制御する車両用加速度制御装置に適用され、道路勾配抵抗を推定する推定手段（Ｓ６１）と、登坂路を走行する場合は道路勾配抵抗推定値に応じて目標前後加速度を低減し、降坂路を走行する場合は道路勾配抵抗推定値に応じて目標前後加速度を増加する補正手段（Ｓ６２〜Ｓ６３）とを備え、これにより上記目的を達成する。
（２） 請求項２の車両用加速度制御装置は、推定手段によって、車両前後加速度と車両重量とを積算して加速力を演算し、現在のエンジントルクに基づいて演算した車両駆動力から加速力を減算して全走行抵抗を求め、全走行抵抗から平坦路走行抵抗を減算して勾配抵抗を推定するようにしたものである。
【０００６】
上述した課題を解決するための手段の項では、説明を分かりやすくするために一実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が一実施の形態に限定されるものではない。
【０００７】
【発明の効果】
（１） 請求項１の発明によれば、登坂路では負荷が重くなるのでその分だけ減速し、降坂路では負荷が軽くなるのでその分だけ加速する、というごく自然な体感を乗員に与えることができ、車両の加速度をその目標値に追従させながら道路環境の変化に対する運転感覚を向上させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は一実施の形態の構成を示す図である。
一実施の形態の車両のパワートレインはエンジン１、ロックアップクラッチ付きトルクコンバーター２および無段変速機（ＣＶＴ）３から構成される。エンジン１は、電子制御式スロットルバルブアクチュエーター（不図示）による吸入空気量制御と、インジェクター（不図示）による燃料噴射制御と、点火装置（不図示）による点火時期制御とにより、エンジントルクが制御される。ロックアップクラッチ付きトルクコンバーター２のロックアップクラッチは、極低速域でのみ開放して停車と発進とを可能にし、さらに振動をダンピングする。一方、中高速域ではロックアップクラッチを締結して伝達効率を向上させる。
【０００９】
無段変速機３は、ベルトを張るプライマリープーリーとセカンダリープーリーの有効半径を油圧機構（不図示）で調節して変速比を可変にする。なお、無段変速機３はベルト式に限定されず、例えばトロイダル式でもよい。また、無段変速機の代わりに有段変速機を用いたパワートレインに対しても本発明を適用することができる。
【００１０】
加減速度コントローラー４、エンジントルクコントローラー５およびＣＶＴ＆クラッチコントローラー６はそれぞれ、マイクロコンピューターとＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバーター、各種タイマーなどの周辺回路や、通信回路、各種アクチュエーターの駆動回路などを備え、互いに高速通信線１４を介して通信を行う。
【００１１】
加減速度コントローラー４は、マイクロコンピューターのソフトウエア形態により図２に示すような制御ブロック４ａ〜４ｅを備え、アクセルペダル踏み込み量（以下、アクセル開度と呼ぶ）と駆動輪の回転速度（以下、車輪速と呼ぶ）による目標加速度の設定（４ａ）、車輪速のバンドパスフィルター処理による加速度推定値の演算（４ｂ）、車輪速、エンジン回転速度、スロットルバルブ開度および加速度推定値による道路勾配の推定（４ｃ）、道路勾配推定値による目標加速度の補正（４ｄ）、補正済み目標加速度と加速度推定値による加速度フィードバック制御（４ｅ）などを行う。加減速度コントローラー４には、スロットルバルブの開度を検出するスロットルセンサー７、アクセル開度を検出するアクセルセンサー８、駆動輪１３の周速（以下、車輪速と呼ぶ）を検出するための車輪速センサー９が接続される。
【００１２】
エンジントルクコントローラー５は、吸入空気量制御、燃料噴射制御および点火時期制御によりエンジン１のトルクを制御する。エンジントルクコントローラー５には、エンジン１の回転速度を検出するためのクランク角センサー１０が接続される。ＣＶＴ＆クラッチコントローラー６は、油圧機構（不図示）を制御して無段変速機３の変速比を制御する。ＣＶＴ＆クラッチコントローラー６には無段変速機３のプライマリープーリーの回転速度を検出するためのプライマリー速度センサー１１と、セカンダリープーリーの回転速度を検出するためのセカンダリー速度センサー１２とが接続される。
【００１３】
図３は、車両の加速度、エンジントルクおよび無段変速機３の変速比を制御する制御プログラムを示すフローチャートである。また、図４は目標加速度の補正ルーチンを示すフローチャートである。これらのフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。
加減速度コントローラー４のマイクロコンピューターは、所定の時間間隔、例えば１０msecごとにこの制御プログラムを実行する。ステップ１において、アクセルセンサー８からアクセル開度Ａpoを読み込む。
【００１４】
ステップ２では、車輪速センサー９からのパルス信号を計測してタイヤの有効半径Ｒに対する駆動輪１３の車輪速Ｖwを検出する。この実施の形態では、駆動輪１３の車輪速Ｖwが車速に等しいとする。続くステップ３で、ＣＶＴ＆クラッチコントローラー６から高速通信線１４を介して無段変速機３のプライマリープーリーの回転速度ωp、セカンダリープーリーの回転速度ωsおよび変速比Ｉp（＝ωp／ωs）を読み込むとともに、エンジントルクコントローラー５から高速通信線１４を介してエンジン１の回転速度ωeを読み込む。さらに、スロットルセンサー７によりスロットルバルブ開度ＴＶＯを検出する。
【００１５】
ステップ４において、アクセル開度Ａpoと車輪速Ｖwとに基づいて駆動輪１３の目標加速度αw^*を演算する。この実施の形態では、駆動輪１３の目標加速度αw^*が車両の目標加速度に等しいとする。具体的には、図５に示すようなアクセル開度Ａpoと車輪速Ｖwに対する目標加速度αw^*のマップを設定しておき、検出したアクセル開度Ａpoと車輪速Ｖwに対する目標加速度αw^*を表引き演算する。なお、目標加速度αw^*の設定方法はこの実施の形態の設定方法に限定されず、例えばアクセル開度Ａpoのみに応じて目標加速度αw^*を設定するようにしてもよい。
【００１６】
ステップ５では、車輪速Ｖwをバンドパスフィルター処理して加速度推定値αwfを演算する。以下、加速度推定値αwfの演算方法を説明する。
まず、車輪速Ｖwを入力とし加速度推定値αwfを出力とする連続時間系の伝達関数Ｇbp(s)を次のように記述する。
【数１】

数式１において、ｓはラプラス演算子、ωnは固有角周波数、ζnは減衰率であり、ωnとζnは車輪速Ｖwの検出値に含まれるノイズレベルに応じて決定する。
【００１７】
次に、この伝達関数Ｇbp(s)を状態ベクトルによる表現に変換すると、図６に示すブロック線図で表され、状態変数ベクトルＸfを用いた状態方程式と出力方程式は次のように記述される。
【数２】
d(Ｘf)/dt＝Ａf・Ｘf＋Ｂf・Ｖw，
αwf＝Ｃf・Ｘf＋Ｄf・Ｖw ・・・（２）
数式２において、Ａf、Ｂf、Ｃf、Ｄfは固有角周波数ωnや減衰率ζnから決まる定数行列である。なお、状態変数ベクトルＸfはバンドパスフィルターの特性を表す変数である。
【００１８】
バンドパスフィルターの出力である加速度推定値αwf以外に、バンドパスフィルターの内部状態変数ベクトルＸfを算出する場合に、加速度制御用状態フィードバック補償器の設計を連続時間系で行うため、連続時間系の状態方程式と出力方程式の形で演算を行う。積分演算をオイラー積分とすると、上記数式２の状態方程式と出力方程式を、実際にマイクロコンピューターのソフトウエアで実行可能な差分方程式として次のように表すことができる。
【数３】
Ｘf(k)＝Ｘf(k-1)＋Ｔsmp｛Ａf・Ｘf(k-1)＋Ｂf・Ｖw(k)｝，
αwf(k)＝Ｃf・Ｘf(k)＋Ｄf・Ｖw(k) ・・・（３）
数式３において、Ｔsmpはサンプリング周期であり、この実施の形態では１０msecである。また、（ｋ）は現在値、（ｋ−ｎ）はｎサンプリング前の値を示す。この数式３を実行して加速度推定値αwfを求める。
【００１９】
ステップ６において、図４に示す目標加速度補正ルーチンを実行し、道路勾配抵抗推定値Ｆkoubaiを演算し、道路勾配抵抗推定値Ｆkoubaiに応じた目標加速度補正値Δαwにより目標加速度αw^*を補正する。
【００２０】
図４のステップ６１において、予め設定したスロットル開度ＴＶＯとエンジン回転速度ωeに対するエンジントルクＴeのマップから、現在のスロットル開度ＴＶＯとエンジン回転速度ωeに対するエンジントルクＴeを表引き演算する。そして、無段変速機３の変速比Ｉpと、無段変速機３と駆動軸１５との間に設置される減速機１６（図１参照）のギヤ比ＩfをエンジントルクＴeに乗じて駆動軸トルクＴdとし、さらにこの駆動軸トルクＴdを駆動輪１３のタイヤの有効半径ｒで除して駆動軸力推定値Ｆdを得る。
【数４】
Ｆd＝Ｔe・Ｉp・Ｉf／ｒ ・・・（４）
【００２１】
次に、加速度推定値αwfに車両重量Ｍを乗じて車両を加速するために必要な駆動軸力Ｆdrealを求める。
【数５】
Ｆdreal＝αwf・Ｍ ・・・（５）
ここで、駆動軸力推定値Ｆdと実駆動軸力Ｆdrealとの差が全走行抵抗値Ｆdisallに相当する。
【数６】
Ｆdisall＝Ｆd−Ｆdreal ・・・（６）
【００２２】
また、予め設定した車輪速Ｖwに対する平坦路走行抵抗Ｆdisflatのマップから、現在の車輪速Ｖwに対する平坦路走行抵抗値Ｆdisflatを表引き演算する。そして、すでに算出した全走行抵抗値Ｆdisallと平坦路走行抵抗値Ｆdisflatとの差を道路勾配抵抗値Ｆkoubaiとして求める。
【数７】
Ｆkoubai＝Ｆdisall−Ｆdisflat ・・・（７）
【００２３】
続くステップ６２では、予め設定した道路勾配抵抗値Ｆkoubaiに対する目標加速度補正値Δαwのマップ（図７参照）を用いて、算出した道路勾配抵抗値Ｆkoubaiに対応する目標加速度補正値Δαwを表引き演算する。ステップ６３では、算出した目標加速度補正値Δαwをステップ４で求めた目標加速度αw^*に加算して補正する。
【００２４】
目標加速度αw^*を補正後、ふたたび図３の制御プログラムへリターンしてステップ７へ進む。ステップ７では、目標エンジントルクＴe^*から実際のエンジントルクＴeまでを簡易な一次遅れモデルとし、目標エンジントルクＴe^*に対するエンジントルクＴeを推定する。まず、目標エンジントルクＴe^*からエンジントルクＴeまでの連続時間系の伝達関数を次のように記述する。
【数８】

数式８において、Ｔengは時定数である。
【００２５】
数式８をタスティン近似などで離散化し、実際にマイクロコンピューターのソフトウエアで実行可能な差分方程式を求めて実行する。
【数９】
Ｔe(k)＝TEN０・Ｔe^*(k)＋TEN１・Ｔe^*(k-1)＋TED１・Ｔe(k-1)・・・（９）
数式９において、TEN０、TEN１、TED１は、時定数Ｔengおよびサンプリング周期Ｔsmpから決まる定数である。なお、後述するステップ９において目標エンジントルクＴe^*を演算して更新するまでは、前回このプログラムを実行したときに演算した値をＴe^*に代入する。
【００２６】
ステップ８では、予め設定したエンジン運転点拘束線マップ（図８参照）からエンジントルク推定値Ｔeに対応するエンジン回転速度ωeを表引き演算する。エンジン運転点拘束線マップ図８において、正のトルク域ではエンジン最適燃費（効率）運転線を拘束線として用い、負のトルク域ではエンジンブレーキ特性線を拘束線として用いる。なお、エンジン最適燃費運転線はエンジン等出力線上の最も燃料消費量が少ないエンジン運転点を連ねた特性線である。また、エンジンブレーキ特性線はスロットルバルブ全閉で、且つ燃料カット時のエンジン運転点であり、このエンジンブレーキ特性線に沿って制御することにより、無段変速機３のダウンシフト時のエンジンブレーキ制御を可能にする。
【００２７】
この実施の形態では、トルクコンバーター２のロックアップクラッチが締結された状態のみを考えるので、エンジン回転速度ωeは無段変速機３のプライマリープーリーの回転速度ωpに等しい。そこで、図８のマップから表引き演算して求めたエンジン回転速度ωeを目標プライマリー回転速度ωp^*とする。そして、目標プライマリー回転速度ωp^*と実際のプライマリープーリーの回転速度ωpとの偏差を積分した値Ｚを算出する。
【数１０】
Ｚ(k)＝Ｚ(k-1)＋Ｔsmp｛ωp^*(k)−ωp(k)｝ ・・・（１０）
【００２８】
ステップ９では、加減速制御用フィードバック補償器の演算を行う。この実施の形態では、実用的な線形制御手法の一つであるモデルフォローイング制御手法を用いる。以下にその制御系設計手法を説明する。
【００２９】
まず、制御系設計用のプラントモデルの導出を行う。この実施の形態では、実際のパワートレインモデルに対して、上述したバンドパスフィルターモデルと、上述したエンジン運転点拘束条件に関する偏差積分モデル（状態変数Ｚ）を結合した拡大系モデルを制御系設計用プラントモデルとする。なお、エンジン運転点拘束条件に関する偏差積分モデルは、非線形マップを特定点で線形近似した次式を用いる。
【数１１】
dＺ/dt＝ｋa・Ｔp−ωp ・・・（１１）
数式１１において、Ｔpは無段変速機３の入力トルクであり、ｋaは図８に示すエンジン運転点拘束線の傾き、すなわちｋa＝ωe／Ｔeである。
【００３０】
拡大系モデルを、図９に示す状態ベクトルを用いたブロック線図で表し、連続時間系の状態方程式および出力方程式の形で次のように記述する。ただし、この実施の形態ではトルクコンバーター２のロックアップクラッチの締結状態のみを考えるので、無段変速機３の入力トルクＴpはエンジントルクＴeに等しいとする。
【数１２】

数式１２において、入力数２、出力数１、状態数６であり、Ａp、Ｂp、Ｃp、Ｄpは定数行列である。また、Ｔp^*は無段変速機３の目標入力トルク、Ｉp^*は無段変速機３の目標変速比、ｘf1、ｘf2は数式１に示す二次式で表したバンドパスフィルターの内部状態変数Ｘfの要素である。
【００３１】
目標加速度αw^*に対する推定加速度αwfの望ましい応答性を示す規範モデルを一次遅れとし、その伝達関数、状態方程式および出力方程式を次のように表す。
【数１３】
Ｇm(s)＝αref(s)／αw^*(s)＝１／（Ｔαw・ｓ＋１），
d(ｘm)/dt＝Ａm・ｘm＋Ｂm・αw^*，
αref＝Ｃm・ｘm＋Ｄm・αw^* ・・・（１３）
数式１３において、Ｔαwは時定数である。
【００３２】
以上の拡大系モデルと規範モデルに、状態フィードバックを用いたモデルフォローイング制御手法を用いて加速度フィードバック制御系を構成した場合の制御ブロック線図を図１０に示す。なお、図１０において太線はベクトルを表し、細線はスカラーを表す。
このような加速度フィードバック補償器を構成することによって、規範モデル加速度αrefに推定加速度αwfが定常偏差なく追従する。また同時に、状態フィードバックによってすべての状態変数が安定化される。つまり、状態変数の一つであるプライマリープーリーの回転速度偏差積分量Ｚも安定化されるため、結果として無段変速機３のプライマリープーリーの目標回転速度ωp^*に実回転速度ωpが定常偏差なく追従する。
【００３３】
図１０に示される状態フィードバックゲインＫ（定数行列）は、拡大系プラントモデルと規範モデルをさらに結合した下記結合モデルに対して、一般的な最適レギュレーター手法などを用いて求める。ただし、規範モデル加速度αrefと推定加速度αwfの偏差積分量をＸiとする。
【数１４】

【００３４】
次に、実際の処理をマイクロコンピューターのソフトウエアで実行可能な差分方程式の形に表す。まず、規範モデルの演算は次の差分方程式により実行する。
【数１５】
αref(k)＝MAN０・αw^*(k)＋MAN１・αw^*(k-1)＋MAD１・αref(k-1)・・・（１５）
数式１５において、MAN０、MAN１、MAD１は上記数式１３をタスティン近似などで離散化して得られた定数である。次に、加速度の偏差積分演算は次の差分方程式により実行する。
【数１６】
Ｘi(k)＝Ｘi(k-1)＋Ｔsmp｛αref(k)−αwf(k)｝ ・・・（１６）
さらに、状態フィードバック演算は次の差分方程式により実行する。
【数１７】

また、目標エンジントルクＴe^*の決定は、トルクコンバーター２のロックアップクラッチが締結されている状態で、
【数１８】
Ｔe^*＝Ｔp^* ・・・（１８）
とする。
【００３５】
ステップ１０において、加速度制御用モデルフォローイング補償器で演算された目標エンジントルクＴe^*、目標変速比Ｉp^*に上下限リミッター処理を施し、エンジントルクコントローラー５およびＣＶＴ＆クラッチコントローラー６で達成可能な値にそれぞれ制限し、最終的なエンジントルク指令値Ｔe^*および変速比指令値Ｉp^*とする。続くステップ１１では、エンジントルク指令値Ｔe^*をエンジントルクコントローラー５へ、変速比指令値Ｉp^*をＣＶＴ＆クラッチコントローラー６へそれぞれ高速通信線１４を介して出力する。エンジントルクコントローラー５はエンジントルクＴeが指令値Ｔe^*となるように制御し、ＣＶＴ＆クラッチコントローラー６は無段変速機３の変速比Ｉpが指令値Ｉp^*となるように制御する。
【００３６】
図１１は、この実施の形態による加速度制御結果を示すタイムチャートである。
車両が平坦路から登坂路（Ｔ１〜Ｔ４）を走行し、続いて降坂路（Ｔ５〜Ｔ８）を走行した場合に、従来の加速度フィードバック制御では、初期状態の加速度αwを一定に保ちながら登坂路と降坂路を走行する。この時、乗員は視覚的に登坂路と降坂路を認識できるものの、走行環境の変化が車両から伝わってこない。つまり、登坂路では負荷が重くなるのでその分だけ減速し、降坂路では負荷が軽くなるのでその分だけ加速する、というごく自然な体感がまったくなく、かえって違和感を感じる。
【００３７】
この実施の形態では、道路勾配抵抗推定値Ｆkoubaiにより登坂路と降坂路を判定し、加速度フィードバック制御系に入力される目標加速度αw^*を補正する。つまり、登坂路と判定した場合には、図７に示す目標加速度補正マップにより目標加速度αw^*のマイナス補正を行い、目標加速度αw^*を低減してわざと減速し、登坂路にさしかかったことを乗員に体感させる。また、降坂路と判定した場合には、目標加速度補正マップにより目標加速度αw^*のプラス補正を行い、目標加速度αw^*を増加してわざと加速し、降坂路にさしかかったことを乗員に体感させる。これにより、車両の加速度を目標値に追従させながら道路環境の変化を体感させて運転感覚を向上させることができる。
【００３８】
ただし、登坂路および降坂路における目標加速度αw^*の補正量Δαwには、従来の加速度フィードバック制御における乗員の要求駆動力の実現を損なわないように、最適な運転感覚が得られる程度の値を設定する必要がある。
【００３９】
以上の実施の形態の構成において、加減速度コントローラー４の道路勾配推定ブロック４ｃが推定手段を、加減速度コントローラー４の目標加速度補正ブロック４ｂが補正手段をそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】 加減速度コントローラーの制御ブロック図である。
【図３】 車両の加速度、エンジントルクおよび変速機の変速比を制御する制御プログラムを示すフローチャートである。
【図４】 目標加速度の補正ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】 目標加速度を設定するためのマップ例を示す図である。
【図６】 車輪速を入力とし加速度推定値を出力とする連続時間系の伝達関数を状態ベクトルにより表現したブロック線図である。
【図７】 道路勾配抵抗値に対する目標加速度補正値のマップ例を示す図である。
【図８】 エンジン回転速度に対するエンジントルクの特性曲線を示す図である。
【図９】 制御系設計用拡大モデルを状態ベクトルにより表現したブロック線図である。
【図１０】 モデルフォローイング制御手法を用いた加速度フィードバック制御系を示す制御ブロック図である。
【図１１】 一実施の形態の加速度制御結果を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
２ ロックアップクラッチ付きトルクコンバーター
３ 無段変速機
４ 加減速度コントローラー
５ エンジントルクコントローラー
６ ＣＶＴ＆クラッチコントローラー
７ スロットルセンサー
８ アクセルセンサー
９ 車輪速センサー
１０ クランク角センサー
１１ プライマリー速度センサー
１２ セカンダリー速度センサー
１３ 駆動輪
１４ 高速通信線
１５ 駆動軸
１６ 減速機

Claims (2)

1. 車両の前後加速度が目標前後加速度に一致するようにフィードバック制御する車両用加速度制御装置において、
   道路勾配抵抗を推定する推定手段と、
   登坂路を走行する場合は道路勾配抵抗推定値に応じて目標前後加速度を低減し、降坂路を走行する場合は道路勾配抵抗推定値に応じて目標前後加速度を増加する補正手段とを備えることを特徴とする車両用加速度制御装置。
2. 請求項１に記載の車両用加速度制御装置において、
   前記推定手段は、車両前後加速度と車両重量とを積算して加速力を演算し、現在のエンジントルクに基づいて演算した車両駆動力から前記加速力を減算して全走行抵抗を求め、全走行抵抗から平坦路走行抵抗を減算して勾配抵抗を推定することを特徴とする車両用加速度制御装置。

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