JP5224039B2

JP5224039B2 - サスペンション制御装置

Info

Publication number: JP5224039B2
Application number: JP2008092177A
Authority: JP
Inventors: 紀章板垣
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009241813A

Description

本発明は、車両のサスペンション制御装置に関するものである。

従来、車両の走行状態に応じて懸架バネのバネ力、油圧ダンパの減衰力等のサスペンション特性を調整して車体の姿勢制御及び振動制御を行うことにより、車両の走行安定性及び乗り心地を向上させるようにしたサスペンション制御装置が知られている。この種のサスペンション制御装置では、車両の走行状態を検出する車速センサ、加速度センサ等の各種センサの検出信号に基づいて、コントローラによって、サスペンション装置に装着された減衰力調整式油圧ダンパの減衰力、エアスプリングのバネ力、車高調整用のシリンダ装置の推力等を調整することによって車体の姿勢制御及び振動制御を行っている。

この種のサスペンション制御装置においては、多数のセンサを用いて車両の走行状態を表す各状態量を直接的に検出することにより、高精度の制御を実行することができるが、センサ数が多くなるとコストも増大することになる。そこで、例えば特許文献１には、車輪速センサが検出する車輪速度に基づいてコントローラによって車体の振動レベルを演算することにより、簡単な構成でサスペンション特性を的確に制御することができるようにしたサスペンション制御装置が開示されている。これにより、車体の振動レベルを検出するために圧電素子等のセンサが不要となり、構造の簡略化及びコストの低減を図ることができる。
特開平６−５５９１９号公報

しかしながら、上記特許文献１では、車輪速度の変動量の大きさのみを抽出しており、その大きさが、ある基準値を超えるとき、減衰力をハードにするという単純なものである。そのため、時々刻々変化する様々な振動に対処し得る制御則ではない。したがって、ばね上共振付近での制振効果は望めるとしても、ばね上共振以上の振動成分を励起する路面に対しては、制御効果が望めないと考えられる問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、ばね上共振以上の振動成分を励起する路面に対しても制御効果が期待できる上、必要な状態量を検出するためのセンサ数が少なくてすむ車両のサスペンション制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、車輪の回転速度から、車軸路面間の相対変位を抽出する車軸路面間相対変位抽出手段と、
車輪の回転速度から路面外乱影響分車輪角速度を抽出する路面外乱影響分車輪角速度抽出手段と、
前記車軸路面間相対変位抽出手段によって抽出した車軸路面間の相対変位、及び、前記路面外乱影響分車輪角速度抽出手段によって抽出した路面外乱影響分車輪角速度に基づいて、車輪と車体との間の振動状態を演算する振動演算手段と、を備え、
前記振動演算手段によって演算した車輪と車体との間の振動状態に基づいて前記サスペンション特性を調整することを特徴とする。

本発明によれば、車輪速に基づいて車両の振動状態を演算することにより、車高センサや上下加速度センサ等が不要となるので、センサ数が少なくてすむ。このとき、路面の外乱による車輪の回転速度の変動を抽出することにより、振動状態の演算精度を高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の第１実施形態について、図１乃至図３を参照して説明する。本実施形態に係る自動車のサスペンション制御装置の概略構成を図１に示す。図１に示すように、サスペンション制御装置１は、車体２と各車輪３（１輪のみ図示する）との間に懸架バネ４及び減衰力可変ダンパ５が並列に介装され、車体２には、車両速度（車速）を検出する車速センサ６（車速検出手段）が設けられ、また、各車輪３の回転速度（車輪速度）を検出する車輪速センサ７（車輪速検出手段）が設けられている。そして、車速センサ６及び車輪速センサ７の検出信号を含む当該車両の走行状態を表すパラメータを入力して減衰力可変ダンパ５に制御信号を供給するコントローラ８が設けられている。なお、図１中、符号Ｒは、路面を示す。

減衰力可変ダンパ５は、油液が封入されたシリンダ内に、ピストンロッドが連結されたピストンが摺動可能に嵌装され、ピストンロッドの伸縮に対して、シリンダ内のピストンの摺動によって生じる油液の流れをオリフィス及びディスクバルブ等からなる減衰力発生機構で制御して減衰力を発生させるようになっている。また、減衰力発生機構の減衰力特性を調整する減衰力調整機構及び減衰力調整機構を作動させるアクチュエータを備えている。そして、ピストン速度に応じた減衰力を発生させ、コントローラ８からの制御電流に応じて減衰力特性を調整することができる。減衰力可変ダンパ５は、このほか、例えば、作動流体として磁性流体を用いて、制御電流によって磁性流体に作用させる磁界によって、その粘度を変化させることより、減衰力を調整するものでもよく、コントローラ８からの制御信号に応じて減衰力特性を制御できるものであればよい。

コントローラ８は、マイクロプロセッサベースの制御回路であり、信号抽出演算処理部９と、減衰力演算部１０と、アクチュエータ駆動部１１とを備えている。信号抽出演算処理部９は、さらに、路面外乱影響分車輪角速度抽出部１２（以下、外乱角速度抽出部１２という）（抽出手段）及び車輪−路面間相対変位抽出部１３（以下、相対変位抽出部１３という）を備えている。

外乱角速度抽出部１２は、車輪速センサ７が検出する車輪３の回転速度及び車速センサ６が検出する車速から、路面の凹凸等の車両の走行状態に影響する路面外乱による車輪角速度を抽出し、また、相対変位抽出部１３は、車輪速センサ７が検出する車輪３の回転速度及び車速センサ６が検出する車速に基づいて、車輪３の中心（車軸）と路面Ｒとの間の相対変位を抽出する。

外乱角速度抽出部１２及び相対変位抽出部１３について、図２の一輪モデルを用いて説明する。図２において、各パラメータは、ｒ_０：車輪３の半径、ｒ：路面Ｒと車輪３の中心（車軸）との距離、Ｉ_Ｔ：車輪３の慣性モーメント、Ｄ_Ｔ：回転抵抗の減衰係数、μ：路面摩擦係数、ｍ_ｂ：車体２の質量、ｋ_ｓ：懸架バネ４のバネ剛性、ｃ_ｓ（．）：減衰力可変ダンパ５の可変減衰係数、ｍ_ｔ：車輪３の質量、ｋ_ｔ：車輪３のバネ剛性、Ｔ：車輪３の駆動トルク、Ｖ：車両速度、ｘ_ｂ：車体２の上下変位、ｘ_ｔ：車輪３の上下変位、θ：車輪３の回転角度、ｚ：路面Ｒの変位である。

図２から、車輪３の中心周りのモーメントは、次式（数式１）で表される。
Ｉ_Ｔθ´´＋Ｄ_Ｔθ´＋μｋ_ｔ（ｒ_０−ｒ）ｒ＝Ｔ … （数式１）
ここで、
ｒ_０−ｒ＝ｘ_ｔ−ｚ … （数式２）
であり、車輪３の中心（車軸）と路面Ｒとの相対変位（ｘ_ｔ−ｚ）が微小と仮定して、
（ｘ_ｔ−ｚ）^２≒０ … （数式３）
とすると、（数式１）は、次式（数式４）となる。
Ｉ_Ｔθ´´＋Ｄ_Ｔθ´＋μｋ_ｔｒ_０（ｘ_ｔ−ｚ）＝Ｔ … （数式４）

（数式４）より、車輪３の角速度と、車輪３（車軸）−路面Ｒ間の相対変位とに相関があることから、車輪角速度θ´に基づいてサスペンション制御を実行することが可能であることがわかる。しかしながら、車輪３の角速度θ´の変化は路面Ｒの凹凸等による路面外乱の影響よりも、車輪３への入力トルク（駆動トルク、制動トルク）による影響の方が大きいので、車輪角速度θ´に基づいてサスペンション制御を実行した場合、充分な制御精度を得ることは困難である。そこで、本発明では、車輪３の入力トルクによる影響分を除いた路面外乱による影響分の車輪角速度を抽出してサスペンション制御に用いることにより、制御精度を高めている。

路面外乱影響分車輪角速度θ_ｗ´を抽出する際、車速Ｖに路面外乱による影響が現れず、車輪３の半径ｒ_０が一定であると仮定する。仮想車輪回転角度をθ_Ｖとすると、微小なθ_Ｖに対して円の中心角と円弧の長さの関係から次式（数式５）が成り立つ。
ｒ_０θ_Ｖ´＝Ｖ … （数式５）
路面外乱による影響分の車輪角速度をθ_ｗ´とすると、θ_ｗ´は次式（数式６）で表される。
θ_ｗ´＝θ´−θ_Ｖ´ … （数式６）
そして、（数式５）と（数式６）とから次式（数式７）が導かれる。
θ_ｗ´＝θ´−Ｖ／ｒ_０ … （数式７）
したがって、車輪３の角速度θ´と車速Ｖとから、路面外乱影響分車輪角速度θ_ｗ´を得ることができる。

次に、相対変位抽出部１３について説明する。上記と同様、車速Ｖに路面外乱の影響が現れないと仮定して、仮想車輪回転角度θ_Ｖを用いると、車輪３の回転中心周りのモーメント式は次式（数式８）のように表される。
Ｉ_Ｔθ_Ｖ´´＋Ｄ_Ｔθ_Ｖ´＝Ｔ … （数式８）
以上の関係から、（数式５）を（数式８）に代入すると、車速Ｖと車両加速度Ｖ´に依存する次式（数式９）が得られる。
（Ｉ_Ｔ／ｒ_０）Ｖ´＋（Ｄ_Ｔ／ｒ_０）Ｖ＝Ｔ … （数式９）
ここで、入力トルクＴは等しいので、（数式４）と（数式９）とからθ´´は、次式（数式１０）で表される。
θ´´＝−（Ｄ_Ｔ／Ｉ_Ｔ）θ´−（μｋ_ｔｒ_０／Ｉ_Ｔ）（ｘ_ｔ−ｚ）
＋（１／ｒ_０）Ｖ´＋（Ｄ_Ｔ／Ｉ_Ｔｒ_０）Ｖ … （数式１０）
（数式１０）を変形して、次式（数式１１）により、車輪（車軸）−路面間相対変位（ｘ_ｔ−ｚ）を得ることができる。
ｘ_ｔ−ｚ＝（Ｉ_Ｔ／μｋ_ｔｒ_０）（−θ´´−（Ｄ_Ｔ／Ｉ_Ｔ）θ´
＋（１／ｒ_０）Ｖ´＋（Ｄ_Ｔ／Ｉ_Ｔｒ_０）Ｖ） … （数式１１）

次に、減衰力演算部１０による演算処理について、図３を参照して説明する。
減衰力演算部１０では、外乱角速度抽出部１２によって得た路面外乱影響分車輪角速度（θ_ｗ´）、相対変位抽出部１３によって得た車輪（車軸）−路面間相対変位（ｘ_ｔ−ｚ）及び現在の減衰力可変ダンパ５の減衰力に基づいて、観測器１４（振動演算手段）によって、車体２と車輪３との間の振動状態及び車体２と車輪３との間の相対速度を演算し、ロバスト制御器１５によって振動状態に応じて目標減衰力を演算し、減衰力調整器１６によって、目標減衰力及び車体−車輪間相対速度に基づいて減衰力指令信号を出力する。また、減衰力指令信号を観測器１４にフィードバックして振動状態及び車体−車輪間相対速度の演算に使用する。

観測器１４では、カルマンフィルタによって、外乱角速度抽出部１２によって得た路面外乱影響分車輪角速度（θ_ｗ´）及び車輪−路面間相対変位（ｘ_ｔ−ｚ）に基づいて車体２及び車輪３の振動状態を演算するが、このほか、可変構造制御の一つであるＶＳＳオブザーバや拡張カルマンフィルタ等を適用してもよい。また、演算精度が落ちる場合もあるが、外乱角速度抽出部１２によって得た路面外乱影響分車輪角速度（θ_ｗ´）を除いて演算してもよい。

ロバスト制御器１５では、推定精度の低下や摩擦係数μの不確かさを考慮するため、モデル化誤差を補償できるロバスト制御理論、例えばＨ∞制御理論等を適用することができる。また、上記第１実施形態の変形例として、図４に示すように、車両のエンジン制御を行うエンジンＥＣＵ１７及びアンチロックブレーキ制御を行うＡＢＳコントローラ１８からエンジントルク及び制動トルクすなわち回転トルクＴを表す信号及び路面摩擦係数μを表す信号を得て、これらの入力信号に基づいて振動状態を演算することにより、演算精度を高めることができる。演算精度が一定の高さにあれば、スカイフック理論に基づく振動制御等の高度な制御を実行することが可能になる。なお、図４において、上記図１に示すものと同様の部分には同一の符号を付してある。

また、車両がスピン状態等の制御不能状態に陥った場合には、各車輪３の回転速度を監視し、各車輪３の空転状態に基づいて制御不能状態を判断し、その場合には、制御を停止し、減衰力可変ダンパ５の減衰力を所定値に固定してパッシブ状態とする。

そして、減衰力演算部１０が出力する減衰力指令信号に基づいてアクチュエータ駆動部１１から減衰力可変ダンパ５へ制御電流を出力して減衰力可変ダンパ５の減衰力を調整することにより、車両の走行状態に応じて車体２の姿勢制御及び振動制御を行う。

このようにして、車高センサや上下加速度センサ等を用いることなく、車速センサ６及び車輪速センサ７の検出に基づいて振動状態を演算することができるので、必要な精度を維持しつつ、必要な状態量を検出するためのセンサ数を減少させることができ、コストの削減を達成することができる。さらに、上記実施形態において、各車輪３の車輪速センサ７の検出に基づいて車速を推定することができるので、これにより、車速センサ６を省略することも可能である。この場合、各車輪速センサ７の検出値の平均値を用いることにより、車速の推定精度を向上させることができる。

次に、本発明の第２実施形態について、図５及び図６を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記第１実施形態に対して、同様の部分には同一の符号を付して異なる部分についてのみ詳細に説明する。

本実施形態は、本発明に係るサスペンション制御装置をいわゆるアクティブサスペンション装置に適用したものであり、図５に示すように、上記第１実施形態のものに対して、減衰力可変ダンパ５の代りに、減衰力特性が固定されたダンパ１９及び車体２と車輪３との間に制御力を作用させる油圧シリンダ等のアクチュエータ２０が設けられている。また、車速センサ６が省略されている。

そして、コントローラ８には、減衰力演算部１０の代りに、アクチュエータ２０の制御力を演算する制御力演算部２１が設けられ、制御力演算部２１が出力する制御力発生信号に基づいてアクチュエータ駆動部１１によってアクチュエータ２０に制御電流を供給してアクチュエータ２０の推力（制御力）を制御する。なお、車速センサ６が省略されているので、車速については、上述の第１実施形態の変形例と同様、各車輪３に設けられた車輪速センサ７の検出に基づいて推定する。

次に、制御力演算部２１による演算処理について、図６を参照して説明する。
制御力演算部２１では、相対変位抽出部１３によって得た車輪−路面間相対変位（ｘ_ｔ−ｚ）及びダンパ１９の減衰力等に基づいて、観測器１４によって、車体２、車輪３の振動状態を演算し、ロバスト制御器２２によって、その振動状態に応じてアクチュエータ２０の目標制御力を演算し、制御力発生信号変換器２３によって、目標制御力に基づいて制御力発生信号を出力する。

そして、制御力演算部２１が出力する制御力指令信号に基づいてアクチュエータ駆動部１１からアクチュエータ２０へ制御電流を出力してアクチュエータ２０の推力（制御力）を調整することにより、車両の走行状態に応じて車体２の姿勢制御及び振動制御を行う。

このようにして、車高センサや上下加速度センサ等を用いることなく、車輪速センサ７の検出に基づいて振動状態を演算することができるので、必要な精度を維持しつつ、必要な状態量を検出するためのセンサ数を減少させることができ、コストの削減を達成することができる。

本発明の第１実施形態に係るサスペンション制御装置の概略構成を示すブロック図である。図１のサスペンション制御装置の一輪分をモデル化して示す図である。図１のサスペンション制御装置の減衰力演算部の概略構成を示すブロック図である。図１のサスペンション制御装置の変形例の概略構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係るサスペンション制御装置の概略構成を示すブロック図である。図５のサスペンション制御装置の減衰力演算部の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１サスペンション制御装置、２車体、３車輪、６車速センサ、７車輪速センサ、１２外乱角速度抽出部（抽出手段）、１４観測器（振動演算手段）

Claims

車両の走行状態に応じてサスペンション特性を調整することにより、車両の振動制御を行なうサスペンション制御装置において、
車輪の回転速度から、車軸路面間の相対変位を抽出する車軸路面間相対変位抽出手段と、
車輪の回転速度から路面外乱影響分車輪角速度を抽出する路面外乱影響分車輪角速度抽出手段と、
前記車軸路面間相対変位抽出手段によって抽出した車軸路面間の相対変位、及び、前記路面外乱影響分車輪角速度抽出手段によって抽出した路面外乱影響分車輪角速度に基づいて、車輪と車体との間の振動状態を演算する振動演算手段と、を備え、
前記振動演算手段によって演算した車輪と車体との間の振動状態に基づいて前記サスペンション特性を調整することを特徴とするサスペンション制御装置。
車輪の空転状態に基づいて制御不能状態を判断し、制御不能状態と判断した場合には、制御を停止することを特徴とする請求項１に記載のサスペンション制御装置。