JP5259052B2 - 電気駆動車両用のブレーキ制御システム - Google Patents

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Description

本発明の明細書は、車両の制動を制御するためのシステムおよび方法に関する。より詳しくは、本明細書は、電気駆動車両の制動を制御するためのシステムおよび方法に関する。
掘削機またはローダのような土工機械または車両では、ブレーキが重要な機能を果たす。ブレーキは、電気駆動車両を含む車両のパワー管理のために使用される。典型的に、電気駆動車両は、車両を推進する電動モータと、車両を減速するブレーキとを含む。ブレーキを係合させることによって、車両は、例えば、障害物を回避するかまたはその移動方向を変更するために、迅速に減速することができる。このように、土工車両は、安全ならびにそれらの運転効率のためにブレーキを必要とする。
所定の運転条件下で、車両は、減速または再生モードで運転される。典型的に、減速または再生は、車両がその現在の速度から減速するかあるいは車両が重力のため引っ張られるときに行われる。車両は、例えば、車両が急勾配の丘陵を下るとき、減速モードを経験することがある。このような場合、車両は、その速度を落とすかまたは維持するためにエネルギを散逸させる必要がある。急勾配の傾斜を下るとき、車両がエネルギを散逸させないまたは吸収しないならば、車両は、ますます速い速度に簡単に加速する。同様に、車両は、減速のためにエネルギを散逸させるかまたは吸収する必要がある。
減速モードにおいて、より優れた車両性能および安全のため余分のエネルギまたはパワーを散逸させるために、ブレーキが頻繁に使用される。ブレーキはすべての土工車両の重要な部分であるが、ブレーキは不必要に車両性能に干渉すべきでない。例えば、モータパワー限度に達する前に、ブレーキ制御はモータ速度制御に干渉すべきでない。同様に、ブレーキ制御は車両の運転に安定性を提供すべきである。
このような制動制御を提供するために、いくつかの試みがなされてきた。例えば、特許文献1は、作業機械用の減速器システムを開示している。減速システムは、エンジン制御、トランスミッション制御、およびブレーキ制御を含む機械制御装置を有する。機械制御装置は、エンジン制御信号、トランスミッション制御信号、およびブレーキ制御信号を受信する。特許文献1に開示された減速器システムは、車両を減速するための優れたシステムを提供するが、モータおよびブレーキの自動的な統合制御を提供するブレーキ制御システムが望まれている。より堅牢な安定性を有し、かつ車両性能を犠牲にしない自動ブレーキ制御システムを提供することがさらに望ましい。システムの不確かさを処理できる統合されたモータ/ブレーキ制御システムに、優れた安定性を提供することも望ましい。
米国特許第6,551,212号明細書
したがって、本発明のブレーキ制御システムは、従来技術の設計と関連する欠陥の1つ以上の解決、およびより大きな安定性を有し、かつ車両性能に対する干渉がより小さい制動制御システムの提供に関する。
一形態では、モータとブレーキとを有する車両の制動を制御するための方法が提供される。本方法は、モータの実際の動作パラメータを感知するステップと、モータの所望の動作パラメータを受信するステップとを含む。モータは、モータの実際の動作パラメータと所望の動作パラメータとに基づき制御される。ブレーキは、モータの実際の動作パラメータと所望の動作パラメータとモータ制御部からの出力とに基づき制御される。
他の形態では、モータとブレーキとを有する車両の制動を制御するためのシステムが提供される。システムは、モータ動作パラメータセンサと操作者入力ユニットとを含む。制御ユニットは、モータ動作パラメータセンサと操作者入力ユニットとに結合される。制御ユニットは、モータ制御出力を決定して、モータ動作パラメータセンサおよび操作者入力ユニットからの信号に基づきモータを制御するように構成されたモータ制御器を含む。ブレーキ制御器は、モータ制御器と、モータ動作パラメータセンサと、操作者入力ユニットとに結合される。ブレーキ制御器は、ブレーキ制御出力を決定して、モータ動作パラメータセンサ、操作者入力ユニット、およびモータ制御出力からの信号に基づきブレーキを制御するように構成される。
本明細書の一部に組み込まれかつそれを構成する添付図は、本発明の例示的な実施形態を例示し、また説明と共に本発明の原理を説明するために使用される。
次に、添付図に例示される例示的な実施形態を詳細に参照する。可能な限り、同一または同様の部分を指すために、同一の参照番号が図面全体にわたって使用される。
図1は、例示的な一実施形態によるブレーキ制御システムを有する電気駆動車両を示している。電気駆動車両10は、電動モータ12と、モータ12に結合されたトランスミッションユニット14と、トランスミッションユニット14に結合された駆動伝達系16と、制御ユニット18とを含む。電動モータ12は、ギヤ減速ユニット20を介してトランスミッションユニット14に結合される。トランスミッションユニットには、ブレーキ22と伝動装置がある(図示せず)。トランスミッションユニット14は、駆動伝達系16を介して1対のスプロケット24に結合され、スプロケット24は、それらを駆動する駆動履帯26に連結される。
ブレーキ22は、車両に減速トルクを提供するためにトランスミッションユニット14のシャフトに取り付けられる。ブレーキ22のそれぞれは、制御ユニット18(1つの対のみへの連結が図に示されている)によって制御される油圧弁23によって制御される。この実施形態では、電流のような信号が制御ユニット18から弁23に送られる。弁23は、ブレーキ22が信号に対応する制御圧力を提供することを可能にする。圧力制御弁23は、制御ユニット18によって調整できる電流によって制御される。弁制御電流とブレーキ22の制御圧力との関係は、弁23の力学的な特徴に応じて線形にまたは非線形にマッピング可能である。たいていの場合、圧力制御弁23が線形システムであるならば、制御電流入力と制御圧力出力との間のマッピングを示すために、一次伝達関数で十分である。
減速トルクは、ブレーキディスクの間の摩擦に比例して発生される。摩擦およびブレーキ制御圧力は、線形関係または非線形関係にあると考えられ、またブレーキ制御圧力は、ブレーキ22が生成する減速トルクを制御すると考えることができる。
制御ユニット18は、操作者入力ユニット28とモータ動作パラメータセンサ30とに結合される。一実施形態において、操作者入力ユニット28は、車両を駆動するために車両の操作者が移動するレバーでもよく、モータ動作パラメータセンサ30はモータ速度センサでもよい。モータ速度センサ30は、モータ12の回転速度を測定できるトランスデューサであり得るが、モータ速度を測定するための公知の他の任意のセンサを使用してもよい。
モータ速度センサ30に加えて、車両10は、モータ12のトルクを測定するためのモータトルクセンサ29を含むことが可能である。モータトルクセンサ29についてここで詳述しないが、モータトルクを感知するための公知の任意の種類のセンサであり得る。例えば、モータトルクセンサ29はモータ制御電流センサでもよい。モータ制御電流を測定することによって、モータトルクを容易に認識し得る。
一実施形態において、ブレーキ制御システムは、モータ12が減速モードにあるときにのみ作動されるべきである。制御ユニット18は、モータ12が減速モードで動作しているかどうかを決定し得る。モータは、例えば、感知されたモータ速度と感知されたモータトルクとの乗算値がゼロ未満であるときに減速モードにある。
同様に、ブレーキ制御システムは、モータ12の通常動作に干渉すべきでない。モータ電力またはトルクが、感知されたモータ速度においてモータトルク限度未満にある場合、システムを作動すべきでない。典型的に、モータ電力限度値は特定のモータに基づき決定される。したがって、異なるモータは、特定のモータ速度において異なるモータ電力限度値を有し得る。
図2に示したように、制御ユニット18は、操作者入力ユニット28に結合されたモータ制御器32を含む。モータ制御器32は、モータ制御出力を決定してモータ12を制御するように構成される。制御ユニット18はまた、モータ制御器32と操作者入力ユニット28とに結合されたブレーキ制御器34を有する。ブレーキ制御器34は、ブレーキ制御出力を決定してブレーキ22を制御するように構成される。
車両の操作者は、操作者入力ユニット28を操作して、所望のモータ速度信号ωを送る。モータ動作パラメータセンサ30は、実際のモータ速度を感知して、モータ速度信号ωを送るモータ速度センサ(図示せず)である。
図2に示した実施形態において、制御ユニット18はブレーキパワー制御器36も有し、その機能については、後に詳述する。ブレーキパワー制御器36は、ブレーキパワー限度に基づきモータ速度修正信号δωを出力する。修正器37において、操作者入力ユニット28からの所望のモータ速度信号ωは、ブレーキパワー制御器36からのモータ速度修正信号δωによって修正される。この実施形態では、モータ速度修正信号δωが所望のモータ速度信号ωから差し引かれ、修正されたモータ速度信号ω’を生成し、修正器39に送られる。修正器39において、修正されたモータ速度信号ω’はモータ速度信号ωによってさらに修正される。図2において、修正器39は、修正されたモータ速度信号ω’からモータ速度信号ωを差し引き、ω’−ωの値である修正された値が、モータ制御器32に送られる。修正された値は、修正されたモータ速度信号ω’とモータ速度信号ωとの差である。
モータ制御器32は、修正器39から送られた修正された値に基づきモータ制御トルクTを決定する。モータ制御器32は、この実施形態では比例−積分−微分(PID)制御器であるが、修正された値からモータ制御トルクTを決定するために適切な任意の他の種類の制御器でもよい。
モータ制御器32からのモータ制御トルクTは、モータトルク−電流変換器38に送られる。モータトルク−電流変換器38は、モータ12のトルク−電流関係を規定して、モータ制御トルクTからモータ制御電流Iを決定する式またはマップを含むことが可能である。モータ12のトルク−電流関係は線形または非線形であり得る。特定のモータの関係は、モータを試験することによって経験的に決定してもよい。
変換器38が、モータ制御トルクに対応するモータ制御電流Iを決定すると、モータ制御電流がモータ12に送られる。この結果、モータ12は、モータ制御電流Iに対応するモータ速度を提供する。
図2に示したように、次に、モータ速度信号ωは修正器39に送って戻され、修正されたモータ速度信号ω’から差し引かれる。この結果、制御ユニット18はモータ速度の閉ループ制御を行う。また、モータ速度はトランスミッションユニット14のモータブレーキ(上方)部分40に伝送され、トランスミッション上部40は信号を修正器41に供給する。
図2の例示的な実施形態では、修正されたモータ速度信号ω’とモータ速度信号ωとの差も、修正器39からブレーキ制御器34に送られる。ω’−ωの値に加えて、ブレーキ制御器34は、モータ制御器32からモータ制御トルクTと、モータ12からモータ速度信号ωを受信する。ω’−ωの値と、モータ制御トルクTと、モータ速度信号ωとに基づき、ブレーキ制御器34は、ブレーキ制御圧力Pの関数で、ブレーキ制御トルクTを決定して、出力する。他の実施形態では、ブレーキ制御器34は、ブレーキ制御トルクTの代わりにブレーキ制御圧力Pを出力することが可能である。
ブレーキ制御トルクTは、ブレーキ制御34から修正器41に送られる。この実施形態では、ブレーキ制御トルクTは、修正器41においてトランスミッション上部40から出力を加えることによって修正される。次に、加えられた値は、車両を減速するために対応するブレーキ圧力がブレーキ22によって加えられるように、ブレーキ圧力弁を介してブレーキ22に送られる。適用されたブレーキ圧力の結果として、ブレーキ22のディスクはωの回転速度で回転する。
ブレーキ回転速度ωは、トランスミッションユニット14のブレーキスプロケット(下方)部分42に伝送される。車両10がその運転中にさらされる様々な自動車の負荷が考慮されると、車両10の速度Vがトランスミッション下部42から出力される。
この例示的な実施形態では、ブレーキ回転速度ωも増倍器44に伝送される。増倍器44において、ブレーキ回転速度ωは、ブレーキ制御器34からのブレーキ制御トルクTで乗算される。乗算(T*ω)の結果、ブレーキパワーが獲得され、修正器46に送られる。修正器46において、増倍器44からのこのブレーキパワー出力は、ブレーキパワー限度Powb,limから差し引かれる。ブレーキパワー限度Powb,limは、ブレーキによって散逸させられたパワーがその限度を超える点に設定されるべきである。T*ωの絶対値がブレーキパワー限度を超えたことが決定された場合、ブレーキパワー制御器36において、T*ωの絶対値とブレーキパワー限度との差が決定される。
ブレーキパワー制御器36は、T*ωの値とブレーキパワー限度との差に基づきモータ速度修正信号δωの値を決定する。ブレーキパワー制御器36は、PID制御器あるいはモータ速度修正信号δωを決定するために適切な当業者に公知の他の任意の制御器でもよい。図2に示した実施形態では、モータ制御器32およびブレーキ制御器34は、閉ループで車両10の自動制動制御を実行する。
図3は、図2に示した制御ユニット18の一部の単純化した図を示している。図3では、ωはスプロケット24の回転速度であり、Ntrはトランスミッションユニットの伝達比である。また、Tはスプロケット24に及ぼされた自動車の負荷を表し、ばね定数kはモータ12とスプロケット24との間の剛性を示している。TとTは、それぞれ電動モータ12およびブレーキ22の制御トルクである。分析のため、トランスミッションユニットの構成要素の慣性を無視することができる。しかし、一般的に言って、実際のスプロケット回転速度ωは、モータ12とスプロケット24との間の有限の剛性のため、上記の前提の下で計算されたものと異なるであろう。すなわち、ω/Ntr−ω≠0となろう。伝達比は、Ntr=Nmb*Nbs=(ω/ω)*(ω/ω)と表すことができる。
ニュートンの法則によって、
Figure 0005259052
Figure 0005259052
すべての積分項についてゼロの初期条件を前提として、ラプラス変換によって次式が得られる。
(s)−Tbm(s)/Nmb=(Js+c)ω(s)
(s)+Tbm(s)=k/sNbs[ω(s)/Ntr−ω(s)]
−T(s)=(Js+c)ω(s)+k/s[ω(s)−ω(s)/Ntr
さらに、
ω(s)={Ntr (J+cs+k)[T(s)/Nmb+T(s)]−kNtr(s)}/{Jtr +Ntr (J+J)s+(kJtr +kJ+Ntr )s+k(c+Ntr
次に、ブレーキ制御システムの制御ロジックは図4のように示すことができる。図4は、ブレーキパワー制御器36を有する制御ユニット18の制御ロジックを示している。可能な場合、図2に示した要素について同一の参照番号が図4に使用されている。図4では、
P(s)=Ntr (J+cs+k)/{Jtr +Ntr (J+J)s+(kJtr +kJ+Ntr )s+k(c+Ntr
D(s)=k/[Ntr(J+cs+k)]
上述の分析および図4に基づき、閉ループ制御でモータ速度制御を安定化する制御器は、1/Nmbの減衰で、閉ループ制御でブレーキ制御も安定化することができる。したがって、モータ12がその減速モード下で動作しているとき、ブレーキ制御器34によるモータ速度の制御は、モータ速度制御器32によるモータ速度の制御と同一の機能を有するべきである。
図4の実施形態において、制御ユニット18は3つの制御ループを有する。この結果、制御ユニット18のブレーキ制御システムは非線形になることがある。非線形性に取り組むために2つの方法が使用可能である。
モータ速度とブレーキ制御圧力との間の関係が図5にプロットされている。図5に示したように、車両は2つの状態下で運転可能である。1つの例では、ブレーキは、包絡線O−Pbo−A−B−ωmo内で通常操作され、この場合、ブレーキパワーはブレーキ限度未満である。他の例では、ブレーキは曲線A−Bに沿って操作され、この場合、Pboおよびωmoは、それぞれ最大制御圧力および最大モータ速度を示す。この場合、ブレーキは一定のパワー散逸下で操作される。
所望のモータ速度がω(t)であり、ブレーキのパワー限度がWである場合、修正されたモータ速度信号ω’は次のように決定される。
ω’=ω(t)、Pω<kである場合
ω’=k/P、Pω≧kである場合、ここで、kは、ブレーキモータ伝達比および他のパラメータと関係する定数である。一実施形態において、制御システムのチャタリングを防止するためにローパスフィルタまたは境界制御を付加することが可能である。
他の方法では、図4に示したように、δωを加算することによって所望のモータ速度ωを修正してもよい。したがって、修正されたモータ速度信号ω’は次のように表される。
ω’=ω−δω=ω−f(k−Pω,t)、ここで、f(,)は、ブレーキパワーの誤差に応じて広範囲に境界付けられたダイナミックマップである。したがって、
δω=0、Pω<kである場合
δω=kbpp(k−Pω)+I(k−Pω)dt、Pω≧kである場合。
図1を参照するに、ブレーキ制御システムを有する車両10は、2つの状態に基づき制御システムを作動すべきかどうかを決定することが可能である。第1に、制御システムは、それぞれモータ速度センサ30およびモータトルクセンサ29においてモータ速度ωとモータ制御トルクTとを感知することによって、モータ12が減速モードにあるかどうかを決定する。モータ速度ωとモータ制御トルクTとの乗算値がゼロ未満である場合、モータ12が減速モードで動作していることが決定される。
第2に、制御システムはモータ制御トルクTを感知して、モータ制御トルクTが、モータ速度ωにおいてモータ12のモータトルク限度を越えているかどうかを確認する。モータ12が減速モードで動作しており、かつモータ制御トルクがモータ速度においてモータトルク限度を超えた場合、ブレーキ制御システムを作動することが可能である。作動用のこれらの2つの条件を用意することによって、ブレーキ制御は、その通常運転範囲内のモータ速度制御に干渉すべきでない。
ブレーキ制御が作動されると、上記の部分に記述した一実施形態の操作によるモータおよびブレーキに対する自動的な統合制御が提供される。
自動的な車両ブレーキ制御は、モータ電力限度によるモータ減速モード下で作動される。また、一実施形態において、ブレーキ制御は、ブレーキパワー限度内で車両の所望の軌道をたどる目的で車両速度を調整するための一定のブレーキ制御圧力を提供するために、安定した閉ループ制御スキームを提供する。
開示したシステムおよび方法において、本発明の範囲または精神から逸脱することなく様々な修正と変更をなし得ることが当業者には明白であろう。本発明の他の実施形態は、ここに開示した本発明の明細書と実施を考慮すれば当業者には明白であろう。説明および例は例示的なものに過ぎないと考えられ、本発明の真の範囲は、特許請求の範囲によって示されることが意図される。
例示的な一実施形態によるブレーキ制御システムを有する電気駆動車両の概略図である。 図1に示したブレーキ制御システムの概略図である。 図2のブレーキ制御システムの一部の単純化した概略図である。 図2のブレーキ制御システムの制御ロジックの概略図である。 例示的な一実施形態によるモータ速度とブレーキ制御圧力との間の関係を示すグラフである。
符号の説明
10 車両
12 電動モータ
14 トランスミッションユニット
16 駆動伝達系
18 制御ユニット
20 ギヤ減速ユニット
22 ブレーキ
23 圧力制御弁
24 スプロケット
26 駆動履帯
28 操作者入力ユニット
29 モータトルクセンサ
30 モータ速度センサ
32 モータ制御器
34 ブレーキ制御器
36 ブレーキパワー制御器
37 修正器
38 モータトルク−電流変換器
39 修正器
40 トランスミッション上部
41 修正器
42 トランスミッション下部
44 増倍器
46 修正器

Claims (6)

  1. モータとブレーキとを有する車両の制動を制御するための方法であって、
    モータの実際の動作パラメータを感知するステップと、
    モータの所望の動作パラメータを受信するステップと、
    モータの実際の動作パラメータと所望の動作パラメータとに基づきモータを制御するステップと、
    モータの実際の動作パラメータと所望の動作パラメータとモータ制御部からの出力とに基づきブレーキを制御するステップとを含み、
    モータの実際の動作パラメータがモータ速度であり、モータの所望の動作パラメータが所望のモータ速度であり、
    ブレーキパワーのフィードバック値とブレーキパワー限度とを比較して、比較に基づきブレーキパワーがブレーキパワー限度内となるように所望のモータ速度を修正するステップをさらに含む方法。
  2. モータ速度とモータトルクとを感知することによってモータの動作モードを決定するステップと、モータトルクがモータのトルク限界を越えているかどうかを決定するステップとをさらに含み、決定されたモータの動作モードが減速モードである場合およびモータトルクがモータのトルク限界を越えている場合、モータおよびブレーキが制御される、請求項1に記載の方法。
  3. モータが、モータ制御トルクを決定することによって制御され、ブレーキが、ブレーキ制御トルクを決定することによって制御され、モータおよびブレーキが閉ループで制御される、請求項1に記載の方法。
  4. モータとブレーキとを有する車両の制動を制御するためのシステムであって、
    モータ動作パラメータセンサと、
    操作者入力ユニットと、
    モータ動作パラメータセンサと操作者入力ユニットとに結合された制御ユニットとを備え、制御ユニットが、
    モータ制御出力を決定して、モータ動作パラメータセンサおよび操作者入力ユニットからの信号に基づきモータを制御するように構成されたモータ制御器と、
    モータ制御器と、モータ動作パラメータセンサと、操作者入力ユニットとに結合されたブレーキ制御器であって、ブレーキ制御出力を決定して、モータ動作パラメータセンサ、操作者入力ユニットおよびモータ制御出力からの信号に基づきブレーキを制御するように構成されるブレーキ制御器とを含み、
    モータ制御出力がモータ制御トルクであり、ブレーキ制御出力がブレーキ制御トルクであり
    ブレーキパワー制御器をさらに含み、ブレーキパワー制御器が、操作者入力ユニットからの所望のモータ速度の信号を修正するために、ブレーキ制御出力のフィードバック値とブレーキパワー限度との比較に基づき、ブレーキパワーがブレーキパワー限度内となるように修正信号を提供するように構成されるシステム。
  5. 動作パラメータセンサがモータ速度を感知し、操作者入力ユニットが所望のモータ速度を提供する、請求項4に記載のシステム。
  6. 制御ユニットが、モータがモータ速度とモータトルクとに基づく減速モードにあるかどうか、かつモータトルクがモータのトルク限界を越えているかどうかを決定し、またモータが減速モードにある場合およびモータトルクがモータのトルク限界を越えている場合、モータおよびブレーキが制御される、請求項4に記載のシステム。
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