JP4835480B2 - 車両の制振制御装置 - Google Patents
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Description
図1(A)は、本発明の制振制御装置の好ましい実施形態が搭載される自動車等の車両を模式的に示している。同図に於いて、左右前輪12FL、12FRと、左右後輪12RL、12RRを有する車両10には、通常の態様にて、運転者によるアクセルペダル14の踏込みに応じて後輪に駆動力又は駆動トルクを発生する駆動装置20が搭載される。駆動装置20は、図示の例では、エンジン22から、トルクコンバータ24、自動変速機26、差動歯車装置28等を介して、駆動トルク或いは回転駆動力が後輪12RL、12RRへ伝達されるよう構成される。しかしながら、エンジン22に代えて電動機が用いられる電気式、或いは、エンジンと電動機との双方を有するハイブリッド式の駆動装置であってもよい。また、車両は、四輪駆動車又は前輪駆動車であってもよい。なお、簡単のため図示していないが、車両10には、通常の車両と同様に各輪に制動力を発生する制動系装置と前輪又は前後輪の舵角を制御するためのステアリング装置が設けられる。
車両に於いて、運転者の駆動要求に基づいて駆動装置が作動して車輪トルクの変動が生ずると、図2(A)に例示されている如き車体10に於いて、車体の重心Cgの鉛直方向(z方向)のバウンス振動と、車体の重心周りのピッチ方向(θ方向)のピッチ振動が発生し得る。また、車両の走行中に路面から車輪上に外力又はトルク(外乱)が作用すると、その外乱が車両に伝達され、やはり車体にバウンス方向及びピッチ方向の振動が発生し得る。そこで、図示の実施形態に於いては、車体のピッチ・バウンス振動の運動モデルを構築し、そのモデルに於いて要求駆動トルク(を車輪トルクに換算した値)と、現在の車輪トルク(の推定値)とを入力した際の車体の変位z、θとその変化率dz/dt、dθ/dt、即ち、車体振動の状態変数を算出し、モデルから得られた状態変数が0に収束するように、即ち、ピッチ/バウンス振動が抑制されるよう駆動装置の駆動トルクが調節される(要求駆動トルクが修正される。)。
本発明の実施形態に於ける制振制御に於いては、既に触れたように、まず、車体のバウンス方向及びピッチ方向の力学的運動モデルを仮定して、運転者要求車輪トルクTw0と車輪トルク推定値Tw(外乱)とを入力としたバウンス方向及びピッチ方向の状態変数の状態方程式を構成する。そして、かかる状態方程式から、最適レギュレータの理論を用いてバウンス方向及びピッチ方向の状態変数を0に収束させる入力(トルク値)を決定し、得られたトルク値に基づいて要求駆動トルクが修正される。
dX(t)/dt=A・X(t)+B・u(t) …(2a)
ここで、X(t)、A、Bは、それぞれ、
a1=-(kf+kr)/M、a2=-(cf+cr)/M、
a3=-(kf・Lf-kr・Lr)/M、a4=-(cf・Lf-cr・Lr)/M、
b1=-(Lf・kf-Lr・kr)/I、b2=-(Lf・cf-Lr・cr)/I、
b3=-(Lf2・kf+Lr2・kr)/I、b4=-(Lf2・cf+Lr2・cr)/I
である。また、u(t)は、
u(t)=T
であり、状態方程式(2a)にて表されるシステムの入力である。従って、式(1b)より、行列Bの要素p1は、
p1=h/(I・r)
である。
u(t)=−K・X(t) …(2b)
とおくと、状態方程式(2a)は、
dX(t)/dt=(A−BK)・X(t) …(2c)
となる。従って、X(t)の初期値X0(t)をX0(t)=(0,0,0,0)と設定して(トルク入力がされる前には振動はないものとする。)、状態変数ベクトルX(t)の微分方程式(2c)を解いたときに、X(t)、即ち、バウンス方向及びピッチ方向の変位及びその時間変化率、の大きさを0に収束させるゲインKが決定されれば、ピッチ・バウンス振動を抑制するトルク値u(t)が決定されることとなる。
J=1/2・∫(XTQX+uTRu)dt …(3a)
(積分範囲は、0から∞)
の値が最小になるとき、状態方程式(2a)に於いてX(t)が安定的に収束し、評価関数Jを最小にする行列Kは、
K=R−1・BT・P
により与えられることが知られている。ここで、Pは、リカッティ方程式
-dP/dt=ATP+PA+Q−PBR−1BTP
の解である。リカッティ方程式は、線形システムの分野に於いて知られている任意の方法により解くことができ、これにより、ゲインKが決定される。
図2(B)の制振制御器のフィードバック制御部分に於いて、フィードフォワード制御部分へ外乱として入力される車輪トルクは、理想的には、各輪にトルクセンサを設け、実際に検出されればよい。しかしながら、既に述べた如く、通常の車両の各輪にトルクセンサを設けることは困難なので、走行中の車両に於けるその他の検出可能な値から車輪トルク推定器(C6)にて推定された車輪トルク推定値が用いられる。
Tw=M・r2・dω/dt …(5)
と推定することができる。ここに於いて、Mは、車両の質量であり、rは、車輪半径である。[駆動輪が路面の接地個所に於いて発生している駆動力の総和が、車両の全体の駆動力M・G(Gは、加速度)に等しいとすると、車輪トルクTwは、
Tw=M・G・r …(5a)
にて与えられる。車両の加速度Gは、車輪速度r・ωの微分値より、
G=r・dω/dt …(5b)
で与えられるので、車輪トルクは、式(5)の如く推定される。]
ωe=ne×トランスミッション(変速機)ギア比×デフ(差動装置)ギア比 …(8)
により与えられる。また、変速機の出力軸の回転速noを用いる場合には、
ωo=no×デフギア比 …(9)
により与えられる。そして、式(8)又は(9)の駆動輪の車輪回転速ωの推定値は、式(5)に代入され、車輪トルク推定値が算出される。
(a)車輪速センサの信号に異常が発生し、「異常状態」と判定されたとき。
(b)ABS、VSC、TRC等のその他の制御装置又は制動制御装置50b(図1B)に於いて、車輪速センサの異常を判定したとき。
(c)車輪速センサの信号から算出される車輪速と、駆動装置の出力軸の回転速から式(8)により算出される車輪速との差が、所定期間、所定値を越えているとき。
(d)車輪速センサの信号から算出される車輪速と、変速機の出力軸の回転速から式(9)により算出される車輪速との差が、所定期間、所定値を越えているとき。
制振制御の実行により発生又は増幅される車両の前後方向振動に於いて、振動周波数が車速の関数である成分、即ち、車速依存の成分が含まれる場合がある。かかる車速依存の振動成分は、以下の要因により増幅又は発生する。
実際に車両の車輪に使用されるタイヤに於いては、質量、寸法又は剛性上のアンバランス又はフラットスポット等の所謂「タイヤのアンバランス」が存在する。かかるタイヤのアンバランスが存在すると、車輪が一回転する間に車輪速又は車輪上に作用するトルクが変動する。通常の車両の組立時に於いては、タイヤのアンバランスは、トルクの変動が許容可能なレベルまで低減されるよう調整されるので、通常走行中(制振制御を実行していない場合)には、かかるトルクの変動による車両の前後方向振動は、問題にならないレベルである。しかしながら、制振制御装置が作動し、車輪が回転する毎に、タイヤのアンバランスによるトルク変動が、低レベルであっても、車輪速センサによる車輪速値又はエンジン回転センサによる回転速に乗って制振制御装置に入力されると、そのトルク変動の周波数は、(一回転に数回のトルク変動が発生するものとすると)車輪の回転周波数の整数倍になり、要求駆動トルクの制御指令に車輪速の関数、即ち、車速の関数である周波数成分が重畳する。そして、この場合、トルク変動の周波数が、ピッチ・バウンス振動の共振周波数(約1〜2Hz程度)よりも高く、駆動トルクの制御応答の遅れが発生する場合には、タイヤのアンバランスによるトルク変動が増幅されるよう駆動トルクが制御されてしまうこととなり得る。
典型的な車輪速センサは、当業者に於いて知られているように、車輪とともに回転するロータの周囲に形成された複数のセレーション(歯)が電磁ピックアップ等の信号発生手段の前を通過する毎に、信号発生手段からパルスが発生させられ、そのパルスの単位時間当たりの発生頻度から車輪速値が換算される。このような形式の場合、例えば、ロータ上のセレーションの間隔にむらが在ったり、欠損があると、車輪が一回転する間に車輪速値が変動することとなる。また、車輪速センサにより得られる車輪速値に於いて、センサの精度等その他の理由で、車輪が一回転する間に車輪速値が変動する場合も在り得る。そのような車輪速値に基づいて推定された車輪トルク推定値が制振制御装置の外乱入力へ入力され、制振制御による要求駆動トルクの修正が実行されると、要求駆動トルクの指令値に、車輪の回転周波数の整数倍の周波数の成分が発生し、かかる周波数の駆動トルクの変動が駆動装置から出力されることとなる。この場合、実際の車輪トルクに於いて変動はないにもかかわらず、駆動トルクが変動することになるので、周波数によらず、車輪トルクが変動し、本来の制振効果を損ねたり、車両の前後方向振動を発生することになる。
制振制御の実行により発生又は増幅される車両の前後方向振動に於いて、更に、振動周波数がエンジンの回転速の関数である成分、即ち、回転速依存の成分が含まれている場合がある。かかる回転速依存の振動成分は、以下の要因により増幅又は発生する。
通常の自動車等の車両に搭載される多気筒エンジンに於いては、気筒毎に発生トルクやエネルギー損失に差、即ち、ばらつき、が在ることにより、エンジンの出力軸が数回転する間の出力トルクに変動が生ずる場合があり(4気筒の場合、2回転又は4回転する間に一度)、これにより、車両に於いて前後方向振動が発生することとなる。従って、通常の車両の組立時に於いては、“気筒のばらつき”は、通常走行に於いて問題にならない許容可能なレベルまで低減されるよう調整されている。しかしながら、制振制御装置が作動し、エンジン出力軸が回転する毎に、気筒のばらつきによるトルク変動が車輪速センサによる車輪速値又はエンジン回転センサによる回転速値に乗って制振制御装置に入力されると、エンジン回転速の関数である周波数成分が要求駆動トルクの制御指令に重畳する。この場合のトルク変動は、低レベルであっても、その周波数は、エンジン回転数の回転周波数を整数で除した値であるから、通常、ピッチ・バウンス振動の共振周波数(約1〜2Hz程度)よりも高いので、駆動トルクの制御応答の遅れの影響が重なって、気筒のばらつきによるトルク変動が増幅されるよう駆動トルクが制御されてしまうこととなり得る。
エンジンの回転速センサの信号出力に於いても、車輪速センサの場合に類似して、エンジンの出力軸が一回転する間の検出値に於いて、むら、即ち、アンバランスが発生する場合がある。その場合、そのような回転速値に基づいて推定された車輪トルク推定値が制振制御装置の外乱入力へ入力され、制振制御による要求駆動トルクの修正が実行されると、要求駆動トルクの指令値に、エンジン出力軸の回転周波数の整数倍の周波数の成分が発生し、かかる周波数の駆動トルクの変動が駆動装置から出力され、車両の前後方向振動が発生することになる。
車両に搭載されるエンジン、エンジンからの出力トルクを駆動輪まで伝達する動力伝達装置及びこれらの装置及び駆動輪を懸架するための懸架装置を含む駆動系機構に於いては、当業者に於いて理解される如く、或る周波数帯域(通常、7〜11Hz程度)の力が与えられると共振し、これにより、車輪に於いて、その共振周波数のトルク変動が発生する。そこで、通常の車両の設計時及び組立時に於いては、そのような共振が車両の走行上問題にならないレベルまで低減されるよう各装置の構造が調整される。しかしながら、制振制御装置が作動し、駆動系機構の共振によるトルク変動が車輪速センサによる車輪速値又はエンジン回転センサによる回転速に乗って制振制御装置に入力されると、その共振周波数の周波数成分が要求駆動トルクの制御指令に重畳する。駆動系共振の周波数は、ピッチ・バウンス振動の共振周波数(約1〜2Hz程度)よりも高いので、駆動トルクの制御応答の遅れの影響が重なって、駆動系共振のトルク変動が増幅されるよう駆動トルクが制御されてしまうこととなり得る。
上記の如き制振制御による車両の前後方向振動の発生又は増幅を回避するべく、本実施形態の制振制御装置に於いては、車輪トルク推定器C6の入力の前にノイズ振動を除去するバンドカットフィルターC7が組み込まれる(図2B参照)。
Nw=kw×Vx[km/hour]/3.6[(m/sec)/(km/hour)]/2πRw[m/rot] …(10)
によって推定することができる。ここで、Vx、Rwは、それぞれ、車速、車輪半径である。kwは、車輪が一回転する間に、タイヤ又は車輪速センサの信号出力のアンバランスに起因して発生する信号の変動の回数である。従って、かかる車速依存のノイズ振動を除去するためのバンドカットフィルターの除去周波数帯域[Nw]は、Nwをパラメータとして参照して、Nwを略中心とする所定の半値幅ΔNwの帯域(図4(A)参照)となるよう設定される。ΔNwの値、除去振幅比及び除去周波数帯域のスペクトル特性(プロファイルの形状)は、想定されるノイズ振動の振幅、車両に於ける制御指令に対する駆動トルクの応答速度を考慮して、理論的に又は実験的に決定されてよい。車輪が一回転する間に発生するトルク変動の回数kwは、車両の組立時に、タイヤの形状の計測、車輪速センサの信号出力の計測をすることにより、或いは、制振制御装置を作動せずに、車両をテスト走行させることにより計測することができる。
Ne1=ke1×ne[rot/min]/60[(sec/min)] …(11a)
及び
Ne2=1/ke2×ne[rot/min]/60[(sec/min)] …(11b)
によって推定することができる。ここで、neは、エンジンの回転速である。ke1は、エンジン回転速が一回転する間に、回転速センサの信号出力のアンバランスに起因して発生する信号の変動の回数であり、ke2は、1度のトルク変動が発生するまでのエンジンの回転数である。従って、かかる回転速依存のノイズ振動を除去するためのバンドカットフィルターの除去周波数帯域[Ne1]又は[Ne2]は、Ne1及びNe2をパラメータとして参照して、Ne1及びNe2を略中心とする所定の半値幅ΔNe1又はΔNe2の帯域(図4(B)参照)となるよう設定される。ΔNe1、ΔNe2の値、除去振幅比及び除去周波数帯域のスペクトル特性は、想定されるノイズ振動の振幅、車両に於ける制御指令に対する駆動トルクの応答速度を考慮して、理論的に又は実験的に決定されてよい。ke1及びke2の値は、車両の組立時に、回転速センサの信号出力の計測及び各気筒の発生トルクの計測をすることにより、或いは、制振制御装置を作動せずに、車両をテスト走行させることにより計測することができる。
Nthi<Nwlo …(12a)又は
Nwhi<Ntlo …(12b)
が成立するときには(ここで、Nwlo、Nwhiは、除去周波数帯域[Nw]の最低及び最高周波数であり、Ntlo、Nthiは、ピッチ・バウンス振動の制振周波数帯域[Nt]の最低及び最高周波数である。)、ステップ30の処理後の車輪速値ωは、除去周波数帯域[Nw]のバンドカットフィルターに通され(ステップ60)、式(5)を用いた車輪トルク推定値Twの算出(ステップ70)が実行される。これにより、車輪トルク推定値に於いては、車両の前後方向振動を発生又は増幅するノイズ振動成分が除去された状態となり、車輪トルク推定値Twは、制御ゲインFBが乗算されて(ステップ80)、運動モデルC4(図2B)の演算に使用される。
FBx=FB×(f−fo)/f …(13)
により与えられてよい。ここで、FBは、通常時の制御ゲインであり、foは、予め計測された(車輪速値に於ける)ノイズ振動の振幅であり、fは、現在の車輪速値の振幅である。なお、本実施形態の運動モデルは、線形モデルであるので、車輪トルク推定値Twに低減された制御ゲインFBxを乗ずることにより、車輪トルク推定値Twに対応する要求駆動トルクの修正量は低減する。
Nthi<Nxlo …(12a’)又は
Nxhi<Ntlo …(12b’)
が成立するか否かにより判定されてよい(Nxには、Ne1、Ne2、Nwが順に設定される。)。また、制御ゲインの低減は、ノイズ振動の振幅fox(帯域[Ne1]、[Ne2]、[Nw]のそれぞれのノイズ振動の振幅)が予め概ね推定できる場合には、
FB←FB−FB(fox/f)
により、即ち、FB(fox/f)を制御ゲインFBから差し引くことにより為されてよい。(従って、[Ne1]又は[Ne2]と[Nw]とが共に[Nt]に重複するときには、最終的なFBの値は、FB(1−foNE1又はNE2/f−fow/f)となる。)なお、制御ゲインFBの低減が、任意の所定値を引き算又は乗算することにより為されてもよい。
12FL、FR、RL、RR…車輪
14…アクセルペダル
20…駆動装置
30FL、FR、RL、RR…車輪速センサ
50…電子制御装置
Claims (6)
- 車両の駆動出力を制御することにより前記車両のピッチ又はバウンス振動を抑制する車両の制振制御装置であって、前記車両の車輪と路面との接地個所に於いて発生する車輪に作用する車輪トルクの推定値を車輪速又は前記車両の駆動装置の出力軸の回転速に基づいて推定する車輪トルク推定部と、前記車輪トルク推定値を受容し該車輪トルク推定値に基づいて前記ピッチ又はバウンス振動振幅を抑制するよう前記車両の駆動トルクを制御する駆動トルク制御部とを含み、前記車両の車輪又は駆動装置の構造に起因して発生し前記車輪速又は前記駆動装置の回転速の信号に含まれる振動の成分にしてその周波数帯域が予め推定可能なノイズ周波数成分の前記駆動トルク制御部への入力を低減する周波数成分除去手段が設けられ、前記ノイズ周波数成分の周波数帯域が前記車両の車速又は前記車両の駆動装置の出力軸の回転速の関数であり、前記ノイズ周波数成分の周波数帯域が前記制振制御装置により抑制されるべき前記ピッチ又はバウンス振動の周波数帯域と重なるときには、前記駆動トルク制御部による制振制御のための制御ゲインを低減することを特徴とする車両の制振制御装置。
- 請求項1の装置であって、前記ノイズ周波数成分が、前記駆動トルク制御部に入力されると前記車両に於いて前後方向の振動を発生又は増幅する駆動トルクを生ずる成分であることを特徴とする装置。
- 請求項1の装置であって、前記車輪速又は前記駆動装置の回転速の信号が前記ノイズ周波数成分が除去された後に前記車輪トルク推定部へ入力されることを特徴とする装置。
- 請求項1の装置であって、前記ノイズ周波数成分が前記車輪のタイヤのアンバランス又は車輪速センサの信号出力のアンバランスにより発生する成分であることを特徴とする装置。
- 請求項1の装置であって、前記駆動装置が複数の気筒を有するエンジンであり、前記ノイズ周波数成分が前記エンジンの出力に於ける気筒間のばらつきにより発生する成分であることを特徴とする装置。
- 請求項1の装置であって、前記ノイズ周波数成分が前記車両の駆動系機構の共振により発生する成分であり、前記周波数成分除去手段が除去する周波数成分の周波数帯域が前記駆動系機構の共振周波数を含むことを特徴とする装置。
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