JP4862348B2 - インホイールモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動輪と一体に設置され、任意トルクを出力可能なインホイールモータを制御するインホイールモータ制御装置に関する。

従来、この種のインホイールモータを備えた車両にあっては、インホイールモータがトルクを出力すると、駆動輪が回転駆動され、駆動輪から路面に駆動力が出力されると共に、その駆動力の反力が前記インホイールモータを支持するサスペンションに加わり、各駆動輪で舵角の変化（コンプライアンスステア）を生じていた。
そのため、このような車両にあっては、一般に、各駆動輪でコンプライアンスステアを生じても、車両の走行状態が不安定なものとならないように、サスペンションの構造を工夫するようになっている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記従来の技術にあっては、特殊構造のサスペンションを用いるようになっているため、従来のサスペンションと構造の互換性がない、サスペンション性能に制約がある、適用車種毎に反力の影響を計算して設計する必要がある等の問題があった。
本発明は、上記従来の技術の未解決の問題を解決することを目的とするものであって、種々のサスペンション形式でも目標通りの制御結果を得ることができるインホイールモータ制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、目標ヨーレートと実際のヨーレートとの差を基に、各駆動輪の駆動力によって発生するヨーモーメントおよび各駆動輪の駆動力反力によって生じる駆動輪の舵角変化によって発生するヨーモーメントの合計値を示す目標付加ヨーモーメントを算出し、算出した目標付加ヨーモーメントを基に各駆動輪の目標駆動力を算出することを特徴とする。

したがって、本発明によれば、駆動反力による駆動輪の舵角の変化の影響を見込んだ目標駆動力を算出することで、走行状態への影響を相殺するような車両運動を実現することができ、種々のサスペンション形式でも目標通りの制御結果を得ることができる。

以下、本発明のインホイールモータ制御装置を、各車輪それぞれにインホイールモータを搭載した車両に用いた実施形態を図面に基づいて説明する。
即ち、この車両は、インホイールモータでトルクを出力し、駆動輪を回転駆動して、駆動輪から路面に駆動力を出力するように構成されている。なお、その際、その駆動力の反力が前記インホイールモータを支持するサスペンションに加わると、各駆動輪で舵角の変化、つまり、コンプライアンスステアを生じるようになっている。

＜インホイールモータ制御装置の構成＞
図１は、本発明のインホイールモータ制御装置の第１実施形態を示す構成図である。この図１に示すように、インホイールモータ制御装置１は、操舵角センサ２、アクセルペダルセンサ３、ブレーキペダルセンサ４、ヨーレートセンサ５、制御ユニット６、モータインバータ７ＦＬ〜７ＲＲ、及び電源ユニット８を含んで構成される。

操舵角センサ２は、ステアリングホイール９操作による操舵輪の操舵角δf及び操舵角速度ｄδf/ｄｔを検出し、その検出結果を制御ユニット６に出力する。
アクセルペダルセンサ３は、ドライバによるアクセルペダル１０の操作量（アクセル指令値）を検出し、その検出結果を制御ユニット６に出力する。
ブレーキペダルセンサ４は、ドライバによるブレーキペダル１１の操作量（ブレーキ指令値）を検出し、その検出結果を制御ユニット６に出力する。
ヨーレートセンサ５は、車両のヨー方向の挙動を計測し（ヨーレートｄφ/ｄｔを検出し）、その検出結果を制御ユニット６に出力する。

制御ユニット６は、イグニッションがオン状態とされるとモータ駆動処理を実行する。そして、モータ駆動処理が実行されると、まず、操舵角センサ２から出力される検出結果に基づいて目標ヨーレートｄφ*/ｄｔを算出し、その目標ヨーレートｄφ*/ｄｔと実際のヨーレートｄφ/ｄｔとが一致するように目標付加ヨーモーメントＭl*を算出する。次に、その算出された目標付加ヨーモーメントＭl*に基づいて各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの目標駆動力Ｆxfl*、Ｆxfr*、Ｆxrl*、Ｆxrr*を算出し、その目標駆動力Ｆxfl*、Ｆxfr*、Ｆxrl*、Ｆxrr*を各インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲに出力させる駆動指令をモータインバータ７ＦＬ〜７ＲＲに出力する。

モータインバータ７ＦＬ〜７ＲＲは、制御ユニット６から出力される駆動指令に基づいて、インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲを駆動するための駆動電流を各インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲに出力する。ここで、インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲは、搭載された各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲと共にサスペンション１４ＦＬ〜１４ＲＲによって車体に懸架されている。また、モータインバータ７ＦＬ〜７ＲＲは、各インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲの回転数を制御ユニット６に出力する。
電源ユニット８は、各インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲを駆動するための駆動電流を各モータインバータ７ＦＬ〜７ＲＲに供給する.

＜制御ユニットの動作＞
次に、制御ユニット６で実行されるモータ駆動処理を図２のフローチャートに従って説明する。このモータ駆動処理は、車両のイグニッションがオン状態となると実行される処理であって、図２に示すように、まず、そのステップＳ１０１では、ヨーレートセンサ５からヨーレートｄφ/ｄｔを取得し、モータインバータ７ＦＬ〜７ＦＲから各インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲの回転数を取得して車速Ｖを算出する。

次にステップＳ１０２に移行して、操舵角センサ２から操舵角δf及び操舵角速度ｄδf/ｄｔを取得し、アクセルペダルセンサ３からアクセル指令値を取得し、ブレーキペダルセンサ４からブレーキ指令値を取得する。
次にステップＳ１０３では、前記ステップＳ１０１及びＳ１０２で取得された検出結果等に基づき、所定の計算式に従って目標ヨーレートｄφ*/ｄｔを算出する。例えば、目標ヨーレートｄφ*/ｄｔを操舵角δfの一次遅れで変化させる場合には、前記所定の計算式として、下記（１）の計算式を用いる。
ｄφ*/ｄｔ＝Ｇ(V)/（１＋τｓ）δf ・・・（１）
但し、Ｇ(V)は車速Ｖに応じて決まるヨーレートゲインである。

次にステップＳ１０４に移行して、前記ステップＳ１０３で算出された目標ヨーレートｄφ*/ｄｔと前記ステップＳ１０１で取得されたヨーレートｄφ/ｄｔとに基づいて目標付加ヨーモーメントＭl*を算出する。具体的には、目標ヨーレートｄφ*/ｄｔと実際のヨーレートｄφ/ｄｔとの差を入力としたＰＩ制御により、下記（２）式（後述）のｄ2φ/ｄｔ2の制御量を決定し、その制御量となるように目標付加ヨーモーメントＭl*を算出する。

但し、図３に示すように、Ｉは車両の慣性モーメントであり、ｌfは車両の重心点から前輪１３ＦＬ、１３ＦＲまでの長さであり、Ｃfは前輪１３ＦＬ、１３ＦＲのコーナリングパワーであり、ａfは前輪１３ＦＬ、１３ＦＲのコンプライアンスステア係数（予め定められた定数）であり、Ｆxflは左前輪の駆動力であり、βは車体スリップ角であり、δfrは後輪の操舵角であり、Ｆxfrは右前輪の駆動力であり、ｌrは重心点から後輪１３ＲＬ、１３ＲＲまでの長さであり、Ｃrは後輪１３ＲＬ、１３ＲＲのコーナリングパワーであり、ａrは後輪１３ＲＬ、１３ＲＲのコンプライアンスステア係数（予め定められた定数）であり、Ｆｘrlは後左輪の駆動力であり、Ｆｘrrは後右輪の駆動力である。

次にステップＳ１０５に移行して、前記ステップＳ１０４で算出された目標付加ヨーモーメントＭl*に基づき、インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲによる駆動反力がサスペンション１４ＦＬ〜１４ＲＲに加わって生じる駆動輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの舵角の変化を考慮した下記（３）式（後述）に従って、各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの目標駆動力Ｆxfl*、Ｆxfr*、Ｆxrl*、Ｆxrr*を算出する。

但し、ｄは左右輪の間のトレッドである。
次にステップＳ１０６に移行して、前記ステップＳ１０５で算出された目標駆動力Ｆxfl*、Ｆxfr*、Ｆxrl*、Ｆxrr*を各インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲに出力させる駆動指令をモータインバータ７ＦＬ〜７ＲＲに出力した後、前記ステップＳ１０１に移行する。
＜数式の導出方法＞
次に、インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲによる駆動反力がサスペンション１４ＦＬ〜１４ＲＲに加わって生じる駆動輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの舵角の変化を考慮した上記（２）式及び（３）式の導出方法を説明する。
まず、車両のヨーモーメントの運動方程式は、下記（４）式で表される。

但し、Ｆyfl、Ｆyfr、Ｆyrl、Ｆyrrは各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの横力であり、Ｍは各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの駆動力Ｆxfl、Ｆxfr、Ｆxrl、Ｆxrrによって発生するヨーモーメントである。
ここで、インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲによる駆動反力がサスペンション１４ＦＬ〜１４ＲＲに加わって生じる駆動輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの舵角の変化を考慮した各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの横力は、下記（５）〜（８）式で表される。
Ｆyfl＝Ｃf（δfl＋Δfl―（ｌf/Ｖ）ｄφ/ｄｔ―β） ・・・（５）
Ｆyfr＝Ｃf（δfr＋Δfr―（ｌf/Ｖ）ｄφ/ｄｔ―β） ・・・（６）
Ｆyrl＝Ｃr（Δrl＋（ｌf/Ｖ）ｄφ/ｄｔ―β） ・・・（７）
Ｆyrr＝Ｃr（Δrr＋（ｌf/Ｖ）ｄφ/ｄｔ―β） ・・・（８）
但し、Δfl、Δfr、Δrl、Δrrはコンプライアンスステアによる各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの舵角の変化量である。

また、コンプライアンスステアよる各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの舵角の変化量Δfl、Δfr、Δrl、Δrrは、下記（９）〜（１２）で表される。
Δfl＝ａfＦxfl ・・・（９）
Δfr＝―ａfＦxfr ・・・（１０）
Δrl＝ａfＦxrl ・・・（１１）
Δrr＝―ａrＦxrr ・・・（１２）
さらに、ヨーモーメントＭは、下記（１３）式のように表される。
Ｍ＝ｄ/２（―Ｆxfl＋Ｆxfr―Ｆxrl＋Ｆxrr） ・・・（１３）
したがって、車両のヨーモーメントの運動方程式（上記（２）式）は、上記（４）〜（１３）式に基づいて、下記（１４）式のように導出される。

但し、δf＝（δfl＋δfr）/２である。
以上より、インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲによる駆動反力がサスペンション１４ＦＬ〜１４ＲＲに加わって生じる駆動輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの舵角の変化量Δfl、Δfr、Δrl、Δrrを考慮した付加ヨーモーメントＭlの算出式（上記（３）式）は、下記（１５）式のように導出される。

ちなみに、前記舵角の変化量Δfl、Δfr、Δrl、Δrrを考慮しない場合の付加ヨーモーメントＭoの算出式は、下記（１６）式のようになる。

したがって、本実施形態のインホイールモータ制御装置にあっては、目標付加ヨーモーメントＭl*を付加するために必要な各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの目標駆動力Ｆxfl*、Ｆxfr*、Ｆxrl*、Ｆxrr*を算出する際に、各駆動輪１２ＦＬ〜１２ＲＲのコンプライアンスステアの影響も考慮した数式（上記（１５）式）を用いる本実施形態の方法によれば、左右の駆動力差とトレッド幅によるヨーモーメントの発生分しか考慮しない数式（上記（１６）式）を用いる方法に比べ、より精度の高い車両制御を実現することができる。

具体的には、後左輪１３ＲＬによって発生するヨーモーメントＭlを算出するための係数（上記（１６）式の右辺第３項の係数）は、ｌr＝１７００(mm)、Ｃr＝８００００(N/rad)、ａr＝―１００(μdeg/N)、ｄ＝１５５０(mm)とすると、ｌrＣrａr≒０．２３７(m)、ｄ/２＝０．７７５(m)となる。そのため、当該係数（ｌrＣrａr、ｄ/２）によって算出される後左輪１３ＲＬのヨーモーメントの精度は約３０％向上する。

また、前輪１３ＦＬ、１３ＦＲは、サスペンション１４ＦＬ〜１４ＲＲに操舵系が付いているので、コンプライアンスステア係数は大きくなり（ａf＞ａr）、後輪１３ＲＬ、１３ＲＲの場合よりもさらに車両制御の精度を向上することができる。具体的には、ｌf＝１１００(mm)、Ｃf＝６００００(N/rad)、ａf＝―４７０(μdeg/N)、Ｆxfl＝Ｆxrl、Ｆxfr=Ｆxrr＝１．２Ｆflであると、図４のグラフに示す算出結果となる。

このように本実施形態のインホイールモータ制御装置にあっては、インホイールモータ１２ＦＬ〜１２ＲＲによる駆動反力がサスペンション１４ＦＬ〜１４ＲＲに加わって生じる各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの舵角の変化量Δfl、Δfr、Δrl、Δrrを考慮した数式に基づいて目標駆動力Ｆxfl*、Ｆxfr*、Ｆxrl*、Ｆxrr*を算出するようにした。そのため、駆動反力による各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの舵角の変化量Δfl、Δfr、Δrl、Δrrの影響を見込んだ目標駆動力Ｆxfl*、Ｆxfr*、Ｆxrl*、Ｆxrr*を算出し、駆動反力による車両挙動の変化を予め想定した駆動指令を出力することができ、その結果、走行状態への影響を相殺するような車両運動を実現し、サスペンション１４ＦＬ〜１４ＲＲの形式によらず（従来のサスペンションでも）、目標通りの制御結果を得ることができる。

また、駆動力Ｆxfl、Ｆxfr、Ｆxrl、Ｆxrrと各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの舵角の変化量Δfl、Δfr、Δrl、Δrrとの関係を線形的に表す関係式を用いるようにしたため、駆動輪が複数ある場合でも、全ての駆動輪に対して駆動反力を考慮した目標駆動力を算出することができる。即ち、駆動力Ｆxを出力している各車輪１３ＦＬ〜１３ＲＲの駆動反力がヨーモーメントに与える誤差Δは、車両の重心から該駆動輪までの距離をｌfr、該駆動輪のタイヤのコーナリングパワーをＣpとすれば、Δ＝ｌfr・Ｃp・a×Ｆxという比例関係で表すことができるため、複雑な計算処理を行わなくても実現することができる。
また、複雑な計算処理を行わず、計算量を少なくすることができるため、高性能な計算手段を用いなくても、実走行に十分な処理速度で目標駆動力を算出することができる。

次に、本発明のインホイールモータ装置の第２実施形態を図面に基づいて説明する。
図５は、第２実施例のモータ駆動処理を示すフローチャートである。この図５に示すように、第２実施形態は、上記（２）（３）式の係数ａf、ａrを推定するようにした点が前記第１実施形態とは異なる。即ち、第２実施形態は、図２のステップＳ１０６の後にステップＳ２０７〜Ｓ２０９を設けるようにした点が前記第１実施形態と異なる。

具体的には、ステップＳ２０７では、ヨーレートセンサ５から、前記ステップＳ１０６の駆動指令による駆動力発生後の車両のヨーレートｄφ/ｄｔを取得する。
次にステップＳ２０８に移行して、前記ステップＳ１０３で算出された目標ヨーレートｄφ*/ｄｔと前記ステップＳ１０１で取得された実際のヨーレートｄφ/ｄｔとの差が所定値ｄφth/ｄｔより小さいか否かを判定する。そして、前記所定値ｄφth/ｄｔより小さい場合には（Ｙｅｓ）前記ステップＳ１０１に移行し、前記所定値ｄφth/ｄｔ以上である場合には（Ｎｏ）ステップＳ２０９に移行する。

前記ステップＳ２０９では、前記ステップＳ１０３で算出された目標ヨーレートｄφ*/ｄｔと前記ステップＳ１０１で取得された実際のヨーレートｄφ/ｄｔとの差に基づいて係数ａf、ａrを更新する。具体的には、目標ヨーレートｄφ*/ｄｔと実際のヨーレートｄφ/ｄｔとの差に基づき、上記（２）式に基づいて付加ヨーモーメントの誤差量を算出し、その算出結果に基づいて係数ａf、ａrの値を推定して更新する。なお、係数ａf、ａrの初期としては、「０」等の任意の値を設定すればよい。

このように、本実施形態のインホイールモータ制御装置にあっては、目標ヨーレートｄφ*/ｄｔと実際のヨーレートｄφ/ｄｔとの差に基づいて係数ａf、ａrを推定するようにした。そのため、予めサスペンション１４ＦＬ〜１４ＲＲの特性を計測しなくても、目標駆動力Ｆxfl*、Ｆxfr*、Ｆxrl*、Ｆxrr*を精度のよく算出することができる。
なお、本実施形態では、目標ヨーレートｄφ*/ｄｔと実際のヨーレートｄφ/ｄｔとの差が所定値ｄφth/ｄｔ以上である場合に係数ａf、ａrを更新する例を示したが、これに限られるものではない。例えば、目標ヨーレートｄφ*/ｄｔと実際のヨーレートｄφ/ｄｔとの差が所定値ｄφth/ｄｔ未満である場合に係数ａf、ａrを更新するようにしてもよい。即ち、駆動輪が瞬間的に低μ路面に入ったり、小石に乗り上げたりして外乱が入ったことで、目標ヨーレートｄφ*/ｄｔと実際のヨーレートｄφ/ｄｔとの差が大きくなった場合には係数ａf、ａrの更新を禁止することもできる。

以上、上記実施形態では、図２及び図５のステップＳ１０４が特許請求の範囲に記載の駆動力算出手段を構成し、以下同様に、図２及び図５のステップＳ１０５が駆動力制御手段を構成し、図２及び図５のステップＳ１０２が操舵角検出手段を構成し、図２及び図５のステップＳ１０３が目標ヨーレート算出手段を構成し、図２及び図５のステップＳ１０４が目標付加ヨーモーメント算出手段を構成する。
なお、本発明のインホイールモータ制御装置は、上記実施の形態の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
また、上記実施形態では、各輪１３ＦＬ〜１３ＲＲを独立した駆動輪とする例を示したが、これに限られるものではない。例えば、駆動力配分による車両挙動制御が実現できる構成となっていれば、駆動輪の数はいくつでもよい。

本発明のインホイールモータ制御装置の第１実施形態を示す構成図である。 図１の制御ユニットで実行されるモータ駆動処理を示すフローチャートである。 目標付加ヨーモーメントの算出式を説明するための説明図である。 第１実施形態の動作を説明するための説明図である。 本発明のインホイールモータ制御装置の第２実施形態を示すフローチャートである。

符号の説明

１はインホイールモータ制御装置、２は操舵角センサ、３はアクセルペダルセンサ、４はブレーキペダルセンサ、５はヨーレートセンサ、６は制御ユニット、７ＦＬ〜７ＲＲはモータインバータ、８は電源ユニット、９はステアリングホイール、１０はアクセルペダル、１１はブレーキペダル、１２ＦＬ〜１２ＲＲはインホイールモータ、１３ＦＬ〜１３ＲＲは車輪

Claims (7)

1. 各駆動輪の目標駆動力を算出する駆動力算出手段と、
   その目標駆動力に基づいて各駆動輪に設置されたインホイールモータにトルクを出力させる駆動力制御手段と、を備えたインホイールモータ制御装置であって、
   操舵輪の操舵角を検出する操舵角検出手段と、
   その操舵角に基づいて目標ヨーレートを算出する目標ヨーレート算出手段と、
   前記目標ヨーレートと実際のヨーレートとの差に基づいて、各駆動輪の駆動力によって発生するヨーモーメントおよび各駆動輪の駆動力反力によって生じる駆動輪の舵角変化によって発生するヨーモーメントの合計値を示す目標付加ヨーモーメントを算出する目標付加ヨーモーメント算出手段とを備え、
   前記駆動力算出手段は、前記目標付加ヨーモーメントに基づいて前記目標駆動力を算出することを特徴とするインホイールモータ制御装置。
2. 前記駆動力算出手段は、前記目標付加ヨーモーメントに基づき、予め定められた係数を有する数式に従って前記目標駆動力を算出することを特徴とする請求項１に記載のインホイールモータ制御装置。
3. 前記駆動力算出手段は、前記目標付加ヨーモーメントに基づき、前記目標ヨーレートと実際のヨーレートとの差に基づいて推定された係数を有する数式に従って前記目標駆動力を算出することを特徴とする請求項１に記載のインホイールモータ制御装置。
4. 前記係数は、前記駆動輪に作用する車両前後方向の外力と当該外力による前記駆動輪の舵角の変化量との関係を線形的に表す数式の係数であることを特徴とする請求項２または３に記載のインホイールモータ制御装置。
5. 前記係数は、前記駆動輪に作用する車両前後方向の外力と当該外力によって生じるコンプライアンスステアによる駆動輪の舵角の変化量との関係を線形的に表す数式の係数を用いることを特徴とする請求項４に記載のインホイールモータ制御装置。
6. 前記係数は、前記駆動輪に作用する車両前後方向の外力Ｆと当該外力によって生じるコンプライアンスステアによる駆動輪の舵角の変化量Δとの関係をΔ=aＦと表す数式の係数ａであることを特徴とする請求項５に記載のインホイールモータ制御装置。
7. 前記数式は、
   

   

   であることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載のインホイールモータ制御装置。

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