JP5862436B2 - 電動車両の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両の制御装置に関する。

従来、アクセル開度や車速などから算出される駆動モータの駆動トルク要求値に対して、車両のトルク伝達系の固有振動周波数成分を除去又は低減するフィルタリング処理を行い、駆動トルク目標値を算出し、駆動モータのトルクが駆動トルク目標値に一致するように、駆動モータの電流を制御する電気自動車のモータ制御装置が知られている（特許文献１参照）。

また、特許文献２に記載の車両の制振制御装置では、特許文献１に記載の方法により決定した駆動トルク目標値に対して、駆動トルク目標値からモータ特性モデルを考慮してモータ回転速度推定値を算出し、実モータ回転速度との偏差を、駆動力伝達系の固有振動周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタとモータ特性モデルの逆系で構成されたフィルタに通して算出したトルク指令値を加えることによって、最終駆動トルク目標値を算出している。これにより、道路勾配やトルク伝達系の外乱やモータ特性モデル誤差などによる影響を除去し、かつ、車両のトルク伝達系の固有振動周波数成分を除去または低減することにより、制振効果と急峻なトルクの立ち上がりを両立することができる。

特開２００１−４５６１３号公報 特開２００３−９５６６号公報

しかしながら、コーストや減速から加速するようなシーンでは、ギアのバックラッシュの影響により、駆動モータトルクが車両の駆動軸トルクに伝達されない不感帯が発生するため、駆動軸トルクを急峻に立ち上げる場合には、特許文献１や特許文献２に記載の制御を用いても、出力軸トルクの振動が発生してしまう。

本発明は、車両の駆動力伝達系において、モータトルクが車両の駆動軸トルクに伝達されない不感帯が発生する場合でも、駆動軸トルクの振動を抑制することを目的とする。

本発明による電動車両の制御装置は、モータトルクが車両の駆動軸トルクに伝達されない不感帯を有する車両の駆動力伝達系の固有振動周波数を低減するフィルタリング処理をモータトルク指令値に施し、フィルタリング処理を施すことによって求められる最終トルク指令値に従ってモータトルクを制御する。

本発明によれば、コーストや減速からの加速時等でも、不感帯を有する車両の駆動力伝達系の固有振動周波数を低減することができ、駆動軸トルクの振動を抑制することができる。

図１は、第１の実施形態における電動車両の制御装置を備えた電気自動車の主要構成を示すブロック図である。 図２は、電動モータコントローラによって行われるモータ電流制御の処理の流れを示すフローチャートである。 図３は、アクセル開度−トルクテーブルの一例を示す図である。 図４は、第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を設定する処理を行う制御ブロック図の一例である。 図５は、車両の駆動力伝達系をモデル化した図である。 図６は、伝達関数Ｈ（ｓ）の特性を示す図である。 図７は、制振制御ＦＦ演算部のブロック図である。 図８は、第１の実施形態における電動車両の制御装置による制御結果の一例を示す図である。 図９は、車両の駆動力伝達系の固有振動周波数成分を低減する処理を行う際に、バックラッシュによる影響を考慮しない特開２００３−９５６６号公報に記載の制御装置による制御結果の一例を示す図である。 図１０は、第２の実施形態における電動車両の制御装置において、第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を設定する処理を行う制御ブロック図の一例である。 図１１は、第２の実施形態における誤差補償演算部のブロック図である。 図１２は、第３の実施形態における電動車両の制御装置において、第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を設定する処理を行う制御ブロック図の一例である。 図１３は、第３の実施形態における制振制御ＦＦ演算部の構成を示す図である。 図１４は、第３の実施形態における制振制御ＦＦ演算部の別の構成別を示す図である。 図１５は、第３の実施形態における制振制御ＦＢ演算部の詳細なブロック構成図である 図１６は、制振制御ＦＦ演算部で算出した駆動軸捻り角のリミット値Ｓｔ（θ）を、伝達関数Ｇｐｓ（ｓ）の入力とした構成を示すブロック図である。 図１７は、第３の実施形態における電動車両の制御装置による制御結果の一例を示す図である。

−第１の実施形態−
図１は、第１の実施形態における電動車両の制御装置を備えた電気自動車の主要構成を示すブロック図である。本発明の電動車両の制御装置は、車両の駆動源の一部または全部として電動モータを備え、電動モータの駆動力により走行可能な電動車両に適用可能であり、電気自動車だけでなく、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車に適用可能である。

電動モータコントローラ２は、車速Ｖ、アクセル開度θ、電動モータ（三相交流モータ）４の回転子位相α、電動モータ４の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ等の車両状態を示す信号をデジタル信号として入力し、入力された信号に基づいて、電動モータ４を制御するためのＰＷＭ信号を生成する。また、生成したＰＷＭ信号に応じてインバータ３の駆動信号を生成する。

インバータ３は、例えば、各相ごとに２個のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴ等のパワー半導体素子）を備え、駆動信号に応じてスイッチング素子をオン／オフすることにより、バッテリ１から供給される直流の電流を交流に変換し、電動モータ４に所望の電流を流す。

電動モータ４は、インバータ３から供給される交流電流により駆動力を発生し、減速機５および駆動軸８を介して、左右の駆動輪９ａ、９ｂに駆動力を伝達する。また、車両の走行時に駆動輪９ａ、９ｂに連れ回されて回転するときに、回生駆動力を発生させることで、車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。この場合、インバータ３は、電動モータ４の回生運転時に発生する交流電流を直流電流に変換して、バッテリ１に供給する。

電流センサ７は、電動モータ４に流れる３相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。ただし、３相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの和は０であるため、任意の２相の電流を検出して、残りの１相の電流は演算により求めてもよい。

回転センサ６は、例えば、レゾルバやエンコーダであり、電動モータ４の回転子位相αを検出する。

図２は、電動モータコントローラ２によって行われるモータ電流制御の処理の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ２０１では、車両状態を示す信号を入力する。ここでは、車速Ｖ（ｋｍ／ｈ）、アクセル開度θ（％）、電動モータ４の回転子位相α（ｒａｄ）、電動モータ４の回転数Ｎｍ（ｒｐｍ）、電動モータ４に流れる三相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、バッテリ１とインバータ３間の直流電圧値Ｖｄｃ（Ｖ）を入力する。

車速Ｖ（ｋｍ／ｈ）は、図示しない車速センサや、図示しないブレーキコントローラ等の他のコントローラより通信にて取得する。または、モータ回転速度ωｍにタイヤ動半径Ｒを乗算し、ファイナルギアのギア比で除算することにより車速ｖ（ｍ／ｓ）を求め、３６００／１０００を乗算することにより単位変換して、車速Ｖ（ｋｍ／ｈ）を求める。

アクセル開度θ（％）は、図示しないアクセル開度センサから取得するか、図示しない車両コントローラ等の他のコントローラから通信にて取得する。

電動モータ４の回転子位相α（ｒａｄ）は、回転センサ６から取得する。電動モータ４の回転数Ｎｍ（ｒｐｍ）は、回転子の角速度ω（電気角）を電動モータ４の極対数で除算して、電動モータ４の機械的な角速度であるモータ回転速度ωｍ（ｒａｄ／ｓ）を求め、求めたモータ回転速度ωｍに６０／（２π）を乗算することによって求める。回転子の角速度ωは、回転子位相αを微分することによって求める。

電動モータ４に流れる電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ（Ａ）は、電流センサ７から取得する。

直流電圧値Ｖｄｃ（Ｖ）は、バッテリ１とインバータ３間の直流電源ラインに設けられた電圧センサ（不図示）、または、図示しないバッテリコントローラから送信される電源電圧値から求める。

ステップＳ２０２では、第１のトルク指令値Ｔｍ１^＊を設定する。具体的には、ステップＳ２０１で入力されたアクセル開度θおよび車速Ｖに基づいて、図３に示すアクセル開度−トルクテーブルを参照することにより、第１のトルク指令値Ｔｍ１^＊を設定する。

ステップＳ２０３では、ステップＳ２０２で設定された第１のトルク指令値Ｔｍ１^＊とモータ回転速度ωｍとを入力し、駆動軸トルクの応答を犠牲にすることなく、駆動力伝達系振動（駆動軸８のねじり振動など）を抑制する第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を設定する。第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を設定する方法の詳細については、後述する。

ステップＳ２０４では、ステップＳ２０３で設定した第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊、モータ回転速度ωｍおよび直流電圧値Ｖｄｃに基づいて、ｄ軸電流目標値ｉｄ^＊、ｑ軸電流目標値ｉｑ^＊を求める。

ステップＳ２０５では、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑをそれぞれ、ステップＳ２０４で求めたｄ軸電流目標値ｉｄ^＊およびｑ軸電流目標値ｉｑ^＊と一致させるための電流制御を行う。このため、まず初めに、ステップＳ２０１で入力された三相交流電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと、電動モータ４の回転子位相αとに基づいて、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを求める。続いて、ｄ軸、ｑ軸電流指令値ｉｄ^＊、ｉｑ^＊と、ｄ軸、ｑ軸電流ｉｄ、ｉｑとの偏差から、ｄ軸、ｑ軸電圧指令値ｖｄ、ｖｑを算出する。

次に、ｄ軸、ｑ軸電圧指令値ｖｄ、ｖｑと、電動モータ４の回転子位相αから、三相交流電圧指令値ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを求める。そして、求めた三相交流電圧指令値ｖｕ、ｖｖ、ｖｗと直流電圧値Ｖｄｃから、ＰＷＭ信号ｔｕ（％）、ｔｖ（％）、ｔｗ（％）を求める。このようにして求めたＰＷＭ信号ｔｕ、ｔｖ、ｔｗにより、インバータ３のスイッチング素子を開閉することによって、電動モータ４をトルク指令値で指示された所望のトルクで駆動することができる。

図４は、第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を設定する処理を行う制御ブロック図の一例である。第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を設定する制振制御演算部４００は、制振制御フィードバック演算部４０１（以下、制振制御ＦＢ演算部４０１と呼ぶ）と、制振制御フィードフォワード演算部４０２（以下、制振制御ＦＦ演算部４０２と呼ぶ）と、加算器４９とを備える。

制振制御ＦＢ演算部４０１は、Ｇｍ（ｓ）／Ｇｐ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック４１と、Ｇｐ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック４２と、Ｈ（ｓ）／Ｇｐ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック４３と、減算器４４と、加算器４５とを備える。

Ｇｐ（ｓ）は、車両へのモータトルク入力とモータ回転速度との間の伝達特性を示す線形プラントモデルであり、ギアのバックラッシュによる不感帯は考慮していない。Ｇｍ（ｓ）は、車両へのモータトルク入力とモータ回転速度の応答目標との間の伝達特性を示す理想モデルである。伝達特性Ｈ（ｓ）は、伝達特性Ｈ（ｓ）の分母次数と分子次数との差分が伝達特性Ｇｐ（ｓ）の分母次数と分子次数との差分以上となるように設定されている。

制御ブロック４１は、第１のトルク指令値Ｔｍ１^＊を入力し、ＦＦ_out2を出力する。

制御ブロック４２は、後述する第３のトルク指令値Ｔｍ３^＊を入力し、モータ回転速度の推定値ωｍ＾を出力する。

減算器４４は、モータ回転速度の推定値ωｍ＾と、実モータ回転速度ωｍとの差を演算する。

制御ブロック４３は、モータ回転速度の推定値ωｍ＾と実モータ回転速度ωｍとの差を入力し、推定外乱ｄ＾を出力する。

加算器４５は、制御ブロック４１からの出力ＦＦ_out2と、推定外乱ｄ＾とを加算することによって、第３のトルク指令値Ｔｍ３^＊を求める。

続いて、車両へのモータトルク入力とモータ回転速度との間の伝達特性を示す線形プラントモデルＧｐ（ｓ）について説明する。図５は、車両の駆動力伝達系をモデル化した図であり、同図における各パラメータは、以下に示す通りである。
Ｊｍ：モータのイナーシャ
Ｊｗ：駆動輪のイナーシャ
Ｍ：車両の質量
Ｋｄ：駆動系のねじり剛性
Ｋｔ：タイヤと路面の摩擦に関する係数
Ｎ：オーバーオールギア比
ｒ：タイヤの荷重半径
ωｍ：モータ回転速度
Ｔｍ^＊：モータトルク指令値
Ｔｄ：駆動輪のトルク
Ｆ：車両に加えられる力
Ｖ：車両の速度
ωｗ：駆動輪の角速度
そして、図５より、以下の運動方程式を導くことができる。

運動方程式（１）〜（５）に基づいて、モータトルク指令値Ｔｍ^＊からモータ回転速度ωｍの伝達特性を示す線形プラントモデルＧｐ（ｓ）を求めると、次式（６）〜（１４）となる。

式（６）を変形して、次式（１５）のように表す。一般的な車両では、式（１５）の伝達関数の極と零点を調べると、１つの極と１つの零点は極めて近い値を示す。これは、式（１５）のαとβが極めて近い値を示すことに相当する。ここで、ζｐは駆動ねじり振動系の減衰係数であり、ωｐは固有振動周波数である。

従って、式（１５）における極零相殺（α＝βと近似する）を行うことにより、次の式（１６）に示すように、分母が３次で分子が２次の伝達特性Ｇｐ（ｓ）を構成する。

次に、伝達関数Ｈ（ｓ）について説明する。Ｈ（ｓ）は、バンドパスフィルタとした場合に、振動のみを低減するフィードバック要素となる。この際、図６に示すようにフィルタの特性を設定すると、最も大きな効果を得ることができる。即ち、伝達関数Ｈ（ｓ）は、ローパス側およびハイパス側での減衰特性が略一致し、かつ、駆動系のねじり共振周波数が対数軸（ｌｏｇスケール）上で通過帯域の中央部近傍となるように設定されている。そして、例えば、Ｈ（ｓ）を１次のハイパスフィルタと１次のローパスフィルタで構成する場合、周波数ｆｐを駆動系のねじり共振周波数とし、ｋを任意の値として、式（１７）のように構成する。

ただし、τ_Ｌ＝１／（２πｆ_ＨＣ）、ｆ_ＨＣ＝ｋ・ｆ_ｐ、τ_Ｈ＝１／（２πｆ_ＬＣ）、ｆ_ＬＣ＝ｆ_ｐ／ｋである。

次に、車両へのトルク入力に対するモータ回転速度の応答目標を示す理想モデルＧｍ（ｓ）と伝達関数Ｇｍ（ｓ）／Ｇｐ（ｓ）について説明する。理想モデルＧｍ（ｓ）を式（１８）で表すと、Ｇｍ（ｓ）／Ｇｐ（ｓ）は、式（１９）で表される。

ただし、ζｍとωｍはそれぞれ、理想モデルの減衰係数と固有振動周波数である。

続いて、制振制御ＦＦ演算部４０２で行われる制御内容について説明する。

図５の車両モデルに対して、車輪モデルを省略し、バックラッシュによる不感帯を線形関数と飽和関数の差分で表現すると、車両の運動方程式は、次式（２０）〜（２３）で近似できる。

ただし、Ｔｃは駆動軸周りの仮想粘性摩擦トルク、Ｃｄは駆動軸周りの仮想粘性摩擦係数、Ｊｖは車両と車輪の等価慣性モーメント、Ｓｔ（）は、飽和関数（リミット）であり、上限値をｂ、下限値を−ｂとすると、Ｓｔ（ａ）は、次式の特徴を示す関数とする。

ｚ＝（ωｍ／Ｎ−ωｗ）／ｓとおき、運動方程式（２０）〜（２３）に基づいて、モータトルク指令値Ｔｍ^＊からモータ回転速度ωｍまでの伝達特性を示す非線形プラントモデルＧｐ’（ｓ）を求めると、次式（２５）〜（２９）で表せる。

また、車両へのトルク入力に対するモータ回転速度の応答目標を示す理想モデルＧｍ（ｓ）を式（３０）で表す。

ただし、ζｍは目標応答の減衰係数、ωｍは固有振動周波数であり、式（１９）の値と一致する。

式（２５）および式（３０）より、不感帯を有する車両のトルク伝達の固有振動周波数成分を低減するフィルタを式（３１）で表す。

さらに、式（３１）に対して等価変換するために、出力をｙ、入力をｕ、内部変数をｘとして、式（３２）、（３３）を定義する。

式（３２）、（３３）より、式（３１）は、次式（３４）、（３５）のように等価変換することができる。

また、変数ｚは、式（２０）〜（２３）より、次式（３６）、（３７）で表せる。

式（３６）について、ｘ＝ｚ／γ、ζｐ＝ζｍ、Ｔｍ＝ｕとすると、式（３４）は、次式（３８）で表せる。

従って、式（３５）、（３８）より、制振制御ＦＦ演算部４０２のブロック図は、図７で表される。すなわち、制振制御ＦＦ演算部４０２は、１／（ｓ^２＋２ζｍ・ωｍ・ｓ＋ωｍ^２）なる伝達特性を有する制御ブロック７１と、式（２４）で表される特性のリミッタ７２と、ωｍ^２を乗算する制御ブロック７３と、加算器７４と、ωｍ^２を乗算する制御ブロック７５と、加算器７６と、（ｓ^２＋２ζｐ・ωｐ・ｓ＋ωｐ^２）／（ｓ^２＋２ζｍ・ωｍ・ｓ＋ωｍ^２）なる伝達特性を有する制御ブロック７７と、ωｐ^２を乗算する制御ブロック７８と、減算器７９とを備える。

このとき、制振制御ＦＦ演算部４０２の飽和関数Ｓｔ（ｘ）（リミッタ７２）の上下限値を±θ_dead／２γとすることにより、複雑な演算（例えば、初期化、条件判定、切替）をすることなく、不感帯補償量を算出することができる。ただし、θ_deadはギアのバックラッシュ量を駆動軸換算した値である。

図８は、第１の実施形態における電動車両の制御装置による制御結果の一例を示す図である。図８（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、トルク指令値、駆動軸トルク、モータ回転数、加速度の時間変化を示している。

コースト状態から時刻ｔ１でアクセルをステップ的に踏み込み、目標トルク指令値が急激に立ち上がった場合に、バックラッシュによる不感帯を有する駆動力伝達系の振動周波数成分を抑制するようにトルク指令値を出力することにより、図９を用いて説明する特開２００３−９５６６号公報に記載の制御装置では発生する駆動軸トルクのオーバーシュートおよび加速度の振動を抑制することができる。

図９は、車両の駆動力伝達系の固有振動周波数成分を低減する処理を行う際に、バックラッシュによる影響を考慮しない特開２００３−９５６６号公報に記載の制御装置による制御結果の一例を示す図である。図９（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、トルク指令値、駆動軸トルク、モータ回転数、加速度の時間変化を示している。

コースト状態から時刻ｔ１でアクセルをステップ的に踏み込み、目標トルク指令値が急激に立ち上がった場合、時刻ｔ２からｔ３の間でギアのバックラッシュによる不感帯によってトルクが伝達されないため、駆動軸トルクがゼロとなる。時刻ｔ３から駆動軸トルクが伝達されるが、不感帯の誤差を補正するためにトルク指令値を加速側に発生させることにより、駆動軸トルクがオーバーシュートしている。これにより、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間で加速度の振動（ショック）が発生している。

以上、第１の実施形態における電動車両の制御装置によれば、車両情報に基づいてモータトルク指令値を設定し、駆動輪につながるモータのトルクを制御する制御装置であって、モータトルクが車両の駆動軸トルクに伝達されない不感帯を有する車両の駆動力伝達系の固有振動周波数を低減するフィルタリング処理をモータトルク指令値に施し、フィルタリング処理後の最終トルク指令値に従ってモータトルクを制御する。これにより、コーストや減速からの加速時でも不感帯を有する車両の駆動力伝達系の固有振動周波数成分を低減することができ、駆動軸トルクの振動を抑制することができる。従って、乗員ショックや不快な振動を感じさせることなく、滑らかでありながら、レスポンスを損なうことのない急峻な加速性能を実現することができる。

特に、第１の実施形態における電動車両の制御装置では、モータトルク指令値を入力してフィードフォワード演算を行う制振制御ＦＦ演算部４０２と、車両の状態を示す車両状態量（モータ角速度）の検出値および車両状態量の推定値に基づいてフィードバック演算を行う制振制御ＦＢ演算部４０１（フィードバック演算手段）と、フィードフォワード演算結果およびフィードバック演算結果に基づいて、最終トルク指令値を演算する加算器４９（最終トルク指令値演算手段）とを備え、フィルタリング処理は、フィードフォワード演算の一部を構成する。これにより、不感帯を有する非線形な車両の駆動力伝達系に対して、振動抑制効果を発揮することができる。

また、フィルタリング処理を行う制御ブロック４７は、線形フィルタである制御ブロック７７と、上下限値を制限するリミッタ７２とを備えるので、不感帯の有無（バックラッシュの有無）でフィルタ構成を変更する必要がなく、複雑な演算（初期化、条件判定、切替など）をする必要がない。

リミッタ７２の上下限値は、ギアのバックラッシュ量に基づいた値とすることにより、バックラッシュ補正量を算出することができる。

線形の車両モデルに基づいて設計される制振制御ＦＢ演算部４０１が非線形の車両モデルに基づいて設計される制御ブロック４７の影響を受けないように構成されているので、制振制御ＦＢ演算部４０１によって外乱やモータ特性モデル誤差を除去することができる。特に、制振制御ＦＢ演算部４０１は、線形の車両モデルに基づいて設計され、モータトルク指令値を入力してフィードフォワード演算を行う制御ブロック４１（フィードフォワード補償器）を備え、制御ブロック４１の出力を用いてフィードバック演算を行う。これにより、フィードバック制御を適切に行うことができる。

−第２の実施形態−
図１０は、第２の実施形態における電動車両の制御装置において、第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を設定する処理を行う制御ブロック図の一例である。第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を設定する制振制御演算部４００Ａは、制振制御ＦＢ演算部４０１Ａと、制振制御ＦＦ演算部４０２と、誤差補償演算部４０３とを備える。なお、図４に示す構成と同じ構成の制御ブロックについては、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。

図１０に示す制振制御ＦＦ演算部４０２は、図４に示す制振制御ＦＦ演算部４０２と同じ構成であり、式（２０）〜（３８）を用いて説明した処理を行うことにより、第１のトルク指令値Ｔｍ１^＊を入力し、ＦＦ_out1を出力する。

加算器４９は、制振制御ＦＦ演算部４０２から出力されるＦＦ_out1と、制振制御ＦＢ演算部４０１Ａの出力である推定外乱ｄ＾とを加算する。

加算器１００は、加算器４９からの出力と、後述する誤差補償演算部４０３からの出力ＦＦ_out3とを加算して、加算結果である第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を出力する。

制振制御ＦＢ演算部４０１Ａは、Ｇｐ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック４２と、Ｈ（ｓ）／Ｇｐ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック４３と、減算器４４とを備える。

制御ブロック４２は、後述する第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を入力し、モータ回転速度の推定値ωｍ＾を出力する。

減算器４４は、モータ回転速度の推定値ωｍ＾と、実モータ回転速度ωｍとの差を演算する。

制御ブロック４３は、モータ回転速度の推定値ωｍ＾と実モータ回転速度ωｍとの差を入力し、推定外乱ｄ＾を出力する。

誤差補償演算部４０３Ａは、フィードフォワード演算に使用する非線形のプラントモデルと、フィードバック演算に使用する線形のプラントモデルの誤差を補償するため、第１のトルク指令値Ｔｍ１^＊を入力し、ＦＦ_out3を出力する。

簡略化のために、式（１９）、（３５）、（３８）について、目標応答の固有振動周波数をωｍ＝ωｐとして、入力をＴｍ１^＊、線形ＦＦ補償器の出力をｙ１、本実施形態のＦＦ補償器の出力をｙ２、内部変数をｘとすると、それぞれ、次式（３９）〜（４１）で表せる。

従って、誤差補償演算部４０３の出力ＦＦ_out3は、次式（４２）、（４３）により表せる。

上式より、誤差補償演算部４０３のブロック図は、図１１で表される。すなわち、誤差補償演算部４０３は、１／（ｓ^２＋２ωｐ・ｓ＋ωｐ^２）なる伝達特性を有する制御ブロック１１１と、式（２４）で表される特性のリミッタ１１２と、ωｐ^２を乗算する制御ブロック１１３と、２（１−ζｐ）ωｐ・ｓ／（ｓ^２＋２ωｐ・ｓ＋ωｐ^２）なる伝達特性を有する制御ブロック１１４と、加算器１１５とを備える。

以上、第２の実施形態における電動車両の制御装置によれば、フィルタリング手段でもある制振制御ＦＦ演算部４０２の出力を制振制御ＦＢ演算部４０１Ａの入力とする構成であって、線形の車両モデルに基づいて設計され、フィルタリング処理を構成要素の一部としないフィードフォワード演算手段の出力と、フィルタリング処理を構成要素の一部とするフィードフォワード演算手段である制振制御ＦＦ演算部４０２の出力との差分をモータトルク指令値に加算する誤差補償演算部４０３備える。これにより、フィードバック制御を適切に行うことができる。

−第３の実施形態−
図１２は、第３の実施形態における電動車両の制御装置において、第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を設定する処理を行う制御ブロック図の一例である。第２のトルク指令値Ｔｍ２^＊を設定する制振制御演算部４００Ｂは、制振制御ＦＢ演算部４０１Ｂと、制振制御ＦＦ演算部４０２Ｂとを備える。

制振制御ＦＦ演算部４０２Ｂで行われるフィードフォワード演算処理について説明する。バックラッシュによる不感帯を線形関数と飽和関数の差分で表現すると、車両の運動方程式は、次式（４４）〜（４９）で表される。

ここで、各パラメータは、下記の通りである。
Ｊｍ：モータイナーシャ
Ｊｗ：駆動輪イナーシャ（１軸分）
Ｋｄ：駆動軸のねじり剛性
Ｋｔ：タイヤと路面の摩擦に関する係数
Ｎ_al：オーバーオールギア比
ｒ：タイヤ荷重半径
ωｍ：モータ角速度
ωｗ：駆動輪角速度
Ｔｍ：モータトルク
Ｔｄ：駆動輪トルク
Ｆ：駆動力（２軸分）
Ｖ：車体速度
θ：駆動軸のねじり角
ただし、式（４７）におけるＳｔ（θ）は、飽和関数であり、次式（５０）により定義する。

式（５０）中のθ_BLは、モータから駆動軸までのオーバーオールでのギアバックラッシュ量である。

式（４４）〜（４９）より、トルク指令値から駆動軸ねじり角までの伝達特性は、次式（５１）〜（５３）で表せる。

ただし、式（５２）、（５３）中のｐ１、ｐ０、ａ３、ａ２、ａ１、ａ０はそれぞれ、式（５４）〜（５９）により表される。また、ζｐは駆動トルク伝達系の減衰係数であり、ωｐは駆動トルク伝達系の固有振動周波数である。

従って、駆動軸トルクは、式（４７）、（５１）より、次式（６０）で表される。

ここで、駆動軸トルクの規範応答を、次式（６１）、（６２）で定義する。

ここで、ζｍとωｍはそれぞれ理想モデルの減衰係数と固有振動周波数である。

駆動軸トルクＴｄとモータトルクＴｍが一致するようなトルク指令値を求めると、次式（６３）、（６４）となる。

従って、車両のトルク伝達の固有振動周波数成分を低減する線形フィルタＧ_INV（ｓ）と、駆動軸ねじり角を演算するフィルタＧｔ（ｓ）、飽和関数（リミッタ）、駆動軸ねじり角の車輪イナーシャとタイヤ摩擦力による位相ずれを補償するフィルタＦｓ（ｓ）より、制振制御ＦＦ演算部４０２Ｂの構成は、図１３で表される。すなわち、制振制御ＦＦ演算部４０２Ｂは、Ｇ_INV（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック１３１と、Ｇｔ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック１３２と、式（５０）で表される特性のリミッタ１３３と、Ｆｓ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック１３４と、加算器１３５と、加算器１３６と、減算器１３７とを備える。

式（５１）に式（６３）を代入すると、次式（６５）と等価変換することができる。

従って、制振制御ＦＦ演算部４０２Ｂは、車両のトルク伝達の固有振動周波数成分を低減する線形フィルタＧ_INV（ｓ）と、駆動軸ねじり角の理想応答を演算するフィルタＧｔｍ（ｓ）と、飽和関数（リミッタ）と、駆動軸ねじり角の車輪イナーシャとタイヤ摩擦力による位相ずれを補償するフィルタＦｓ（ｓ）により、図１４のように構成することもできる。図１４に示す構成によれば、制振制御ＦＦ演算部４０２Ｂは、Ｇ_INV（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック１３１と、式（５０）で表される特性のリミッタ１３３と、Ｆｓ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック１３４と、加算器１３６と、減算器１３７と、Ｇｔｍ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック１４０と、加算器１４１とを備える。

続いて、制振制御ＦＢ演算部４０１Ｂで行われるフィードバック演算処理について説明する。図１５は、制振制御ＦＢ演算部４０１Ｂの詳細なブロック構成図である。制振制御ＦＢ演算部４０１Ｂは、Ｇｐ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック１５１と、Ｇｐｓ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック１５２と、Ｈ（ｓ）／Ｇｐ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック１５３と、加算器１５４と、減算器１５５と、Ｇｔ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック１５６と、式（５０）で表される特性のリミッタ１５７と、Ｆｓ（ｓ）なる伝達特性を有する制御ブロック１５８と、加算器１５９とを備える。

Ｇｐ（ｓ）は、車両へのモータトルク入力に対するモータ回転速度の伝達特性を示す線形プラントモデルであり、Ｇｐｓ（ｓ）は、モータ回転速度のバックラッシュ補償分を算出する伝達関数である。Ｇｔ（ｓ）は、駆動軸捻り角を演算するフィルタである。また、Ｆｓ（ｓ）は、駆動軸捻り角の車輪イナーシャとタイヤ摩擦力による位相ずれを補償するフィルタであり、具体的には、式（５２）、（５３）で表される。

制振制御ＦＢ演算部４０１Ｂは、制振制御後トルク指令値Ｔｍ２^＊と制振制御ＦＦ演算部４０２Ｂの出力ＦＦ_outを入力として、線形プラントモデルＧｐ（ｓ）、フィルタＧｔ（ｓ）、フィルタＦｓ（ｓ）、飽和関数（リミッタ）、伝達関数Ｇｐｓ（ｓ）より、モータ回転速度推定値ωｍ＾を演算する。さらに、算出したモータ回転速度推定値ωｍ＾と実モータ回転速度ωｍの差分を入力として、伝達関数Ｈ（ｓ）／Ｇｐ（ｓ）より、制振制御ＦＢ演算部４０１Ｂの出力ＦＢ_outを演算する。伝達特性Ｈ（ｓ）は、伝達特性Ｈ（ｓ）の分母次数と分子次数との差分が伝達特性Ｇｐ（ｓ）の分母次数と分子次数との差分以上となるように設定されており、上述したように、図６に示すようなフィルタの特性を設定する。

また、図１６に示すように、制振制御ＦＦ演算部４０２Ｂで算出した駆動軸捻り角のリミット値Ｓｔ（θ）を、伝達関数Ｇｐｓ（ｓ）の入力としてもよい。

以下、車両へのモータトルク入力に対するモータ回転速度の伝達特性を示す線形プラントモデルＧｐ（ｓ）、モータ回転速度のバックラッシュ補償分を算出する伝達関数Ｇｐｓ（ｓ）について説明する。

式（４４）〜（４９）をラプラス変換して、トルク指令値からモータ角速度までの伝達特性を求めると、次式（６６）〜（６８）で表せる。

ただし、式（６７）、（６８）中の各パラメータは、次式（６９）〜（７４）で表される。

式（６７）を整理して、次式（７５）のように表す。一般的な車両では、式（７５）の伝達関数の極と零点を調べると、１つの極と１つの零点は極めて近い値を示す。これは、式（７５）のαとβが極めて近い値を示すことに相当する。ここで、ζｐとωｐはそれぞれ、駆動ねじり振動系の減衰係数と固有振動周波数である。

従って、式（７５）における極零相殺（α＝βと近似）を行うことにより、次式（７６）に示すように、（２次）／（３次）の伝達特性Ｇｐ（ｓ）を構成する。

なお、伝達関数Ｈ（ｓ）は、式（１７）で表される。

図１７は、第３の実施形態における電動車両の制御装置による制御結果の一例を示す図である。図１７（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、トルク指令値、モータ回転数、駆動軸トルク、加速度の時間変化を示している。

コースト状態から時刻ｔ１でアクセルをステップ的に踏み込み、目標トルク指令値が急激に立ち上がった場合、第１の実施形態における電動車両の制御装置では、フィードフォワード演算において、駆動軸ねじり角の車輪イナーシャとタイヤ摩擦力による位相遅れを考慮していないため、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間で駆動軸トルクが若干オーバーシュートしている（図８参照）。また、フィードバック演算では、バックラッシュの影響を考慮していないため、オーバーシュートを完全に抑制することができない。

これに対して、第３の実施形態における電動車両の制御装置では、不感帯を有する車両の駆動力伝達系の固有振動周波数の低減とともに、車輪特性による位相ずれも抑制するフィルタリング処理をモータトルク指令値に施すので、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間で駆動軸トルクのオーバーシュートの発生が抑制されている。これにより、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間で加速度の振動（ショック）も抑制されている。

以上、第３の実施形態における電動車両の制御装置によれば、不感帯を有する車両の駆動力伝達系の固有振動周波数の低減とともに、車輪特性による位相ずれも抑制するフィルタリング処理をモータトルク指令値に施すので、コーストや減速からの加速時でも不感帯を有する車両の駆動力伝達系の固有振動周波数成分を低減することができ、駆動軸トルクの振動を抑制することができ、かつ、車輪特性による位相ずれも抑制することができる。

また、制振制御ＦＦ演算部４０２Ｂは、車両の駆動力伝達系の固有振動周波数成分を低減する線形フィルタ（制御ブロック１３１）と、駆動軸ねじり角を算出するフィルタ（制御ブロック１３２）と、上下限値を制限するリミッタ（リミッタ１３３）と、駆動軸ねじり角の車輪イナーシャとタイヤ摩擦力による位相ずれを補償するフィルタ（制御ブロック１３４）とを備える。これにより、外乱やモデル誤差が無い場合はフィードフォワード補償のみで車輪特性による位相ずれやギアによる不感帯を有する車両の駆動力伝達系の固有振動周波数成分を低減することができる。また、不感帯の有無でフィルタ構成を変更する必要がないので、複雑な演算（初期化、条件判定、切替など）をする必要がない。

また、制振制御ＦＢ演算部４０１Ｂの制御対象モデルは、少なくとも線形フィルタおよび上下限値を制限するリミッタにより構成されているので、バックラッシュ以外の外乱やモデル化誤差を補償することができる。

さらに、リミッタ１３３、１５７の上下限値を、ギアのバックラッシュ量に基づいた値とすることにより、バックラッシュ補正量を算出することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されることはない。

２…電動モータコントローラ（モータトルク制御手段）
６…回転センサ（車両状態量検出手段）
４１…制御ブロック
４９…加算器（最終トルク指令値演算手段）
４０１、４０１Ａ…制振制御ＦＢ演算部（フィードバック演算手段、車両状態量推定手段）
４０２…制振制御ＦＦ演算部（フィードフォワード演算手段）
４０３…誤差補償演算部（モデル誤差補償手段）

Claims (11)

1. 車両情報に基づいてモータトルク指令値を設定し、駆動輪につながるモータのトルクを制御する電動車両の制御装置において、
   モータトルクが車両の駆動軸トルクに伝達されない不感帯を有する車両の駆動力伝達系の固有振動周波数を低減するフィルタリング処理を前記モータトルク指令値に施すフィルタリング手段と、
   前記モータトルク指令値にフィルタリング処理が施されることによって求められる最終トルク指令値に従ってモータトルクを制御するモータトルク制御手段と、
   前記モータトルク指令値を入力して、車両の駆動力伝達系の振動を抑制するためのフィードフォワード演算を行うフィードフォワード演算手段と、
   車両の状態を示す車両状態量を検出する車両状態量検出手段と、
   前記車両状態量を推定する車両状態量推定手段と、
   前記車両状態量の検出値および前記車両状態量の推定値に基づいて、車両の駆動力伝達系の振動を抑制するためのフィードバック演算を行うフィードバック演算手段と、
   前記フィードフォワード演算結果および前記フィードバック演算結果に基づいて、前記最終トルク指令値を演算する最終トルク指令値演算手段と、を備え、
   前記フィルタリング手段は、前記フィードフォワード演算手段の構成要素の一部である、
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
2. 請求項１に記載の電動車両の制御装置において、
   前記フィルタリング手段は、線形フィルタと、上下限値を制限するリミッタとを備える、
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
3. 請求項２に記載の電動車両の制御装置において、
   前記リミッタの上下限値は、ギアのバックラッシュ量に基づいた値である、
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
4. 請求項１に記載の電動車両の制御装置において、
   線形の車両モデルに基づいて設計されるフィードバック演算手段が非線形の車両モデルに基づいて設計されるフィルタリング手段の影響を受けないように構成されている、
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
5. 請求項４に記載の電動車両の制御装置において、
   前記フィードバック演算手段は、線形の車両モデルに基づいて設計され、前記モータトルク指令値を入力してフィードフォワード演算を行うフィードフォワード補償器を備え、前記フィードフォワード補償器の出力を用いて前記フィードバック演算を行う、
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
6. 請求項４に記載の電動車両の制御装置において、
   前記線形の車両モデルと前記非線形の車両モデルとの誤差を補償するモデル誤差補償演算手段をさらに備える、
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
7. 請求項１に記載の電動車両の制御装置において、
   前記フィルタリング手段は、前記不感帯を有する車両の駆動力伝達系の固有振動周波数の低減とともに、車輪特性による位相ずれも抑制するフィルタリング処理を前記モータトルク指令値に施す、
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
8. 請求項７に記載の電動車両の制御装置において、
   前記フィードフォワード演算手段は、車両の駆動力伝達系の固有振動周波数成分を低減する線形フィルタと、駆動軸ねじり角を算出するフィルタと、上下限値を制限するリミッタと、駆動軸ねじり角の車輪イナーシャとタイヤ摩擦力による位相ずれを補償するフィルタとを備える、
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
9. 請求項８に記載の電動車両の制御装置において、
   前記フィードバック演算手段の制御対象モデルは、少なくとも線形フィルタおよび上下限値を制限するリミッタにより構成されている、
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
10. 請求項８または請求項９に記載の電動車両の制御装置において、
    前記リミッタの上下限値は、ギアのバックラッシュ量に基づいた値である、
    ことを特徴とする電動車両の制御装置。
11. 車両情報に基づいてモータトルク指令値を設定し、駆動輪につながるモータのトルクを制御する電動車両の制御方法において、
    モータトルクが車両の駆動軸トルクに伝達されない不感帯を有する車両の駆動力伝達系の固有振動周波数を低減するフィルタリング処理を前記モータトルク指令値に施す工程と、
    前記モータトルク指令値にフィルタリング処理が施されることによって求められる最終トルク指令値に従ってモータトルクを制御する工程と、
    前記モータトルク指令値を入力して、車両の駆動力伝達系の振動を抑制するためのフィードフォワード演算を行う工程と、
    車両の状態を示す車両状態量を検出する工程と、
    前記車両状態量を推定する工程と、
    前記車両状態量の検出値および前記車両状態量の推定値に基づいて、車両の駆動力伝達系の振動を抑制するためのフィードバック演算を行う工程と、
    前記フィードフォワード演算結果および前記フィードバック演算結果に基づいて、前記最終トルク指令値を演算する工程と、
    備え、
    前記フィルタリング処理を行う工程は、前記フィードフォワード演算を行う工程の一部である、
    ことを特徴とする電動車両の制御方法。