JP6165378B1 - 車速制御装置 - Google Patents

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Abstract

複数のモータの各モータの回転速度を検出する速度センサーからの速度信号とフィードバック用目標車速信号との偏差に基づいて各モータのフィードバックトルク指令を生成する、複数のモータの数に対応した数のフィードバック制御部と、入力目標車速信号に基づいて車両全体としてのフィードフォワードトルク指令を演算して求めるフィードフォワード制御部と、フィードフォワードトルク指令を各モータのフィードフォワードトルク指令に分配するトルク配分部とを備え、各モータのフィードバックトルク指令と各モータのフィードフォワードトルク指令とを加算して各モータを制御するようにした。

Description

この発明は、複数の駆動モータにより走行する車両の車速制御装置に関するものである。
自動車の運転支援システムとして、クルーズコントロール（ＣＣ）やアダプティブクルーズコントロール（ＡＣＣ）のように、運転者による操作あるいはシステムにより生成された目標速度に車両を自動で追従制御させる技術がある。このような車速制御技術は、自動運転システムにおいても用いられる。従来、複数の駆動モータを搭載する車両では、車速制御するとき、車両全体として与えるべきトルク指令の総和を計算した上で、トルク配分算出部において各モータやエンジンにトルクを配分する構成がとられている。（例えば特許文献１）
また、インホイールモータ車両において、運転者のアクセル操作など加速操作に対応して、ステアリング操作による内外輪差が生じた場合の各モータの制御をフィードフォワード制御とフィードバック制御を組み合わせた制御により行う方法が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００８−６２８９４号公報 特開２０１１−１３９５６１号公報
特許文献１に記載された車速制御装置にあっては、車両全体として与えるべき総トルク指令を一括で計算するため、追従の速さはその一括計算を担う制御装置の設定に依存する。しかしながら、複数の駆動モータにより走行する車両では、各モータから各車輪までのギヤ、シャフトなど機械的要素により構成される駆動系がそれぞれ異なる。従来の制御装置のパラメータは、追従性能を上げにくい駆動系に合わせて設計しなければならない。また特許文献２に記載された車速制御装置においても、各モータから各車輪までの駆動系が異なることへの考慮がなされていない。
ここで、追従性能を上げにくいことに関して補足説明する。追従性能とは、目標速度に向けた車速の立ち上がりと収束の速やかさ、および外乱により車速が変動した際の、目標速度への復帰の速やかさを指すものとする。車両の駆動系は完全な剛体ではないため、その共振特性に起因して、特定の周波数帯域のトルク入力に対して振動が励起される。一般的に車速制御装置としては速度フィードバック（ＦＢ）制御が用いられ、ＦＢゲインを上げると追従性能も上がる。しかしながら、ＦＢ制御系内をまわる信号の周波数帯域も高周波側に広がるため、これが共振周波数を含むようになると車体振動が発生する。ゆえに、乗り心地の悪化や駆動系の破損につながる。したがって、共振周波数が低い駆動系に合わせて制御装置の追従速度を抑えなければならない。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、複数モータ駆動の車両の車速制御において、目標速度への追従性能を向上させる車速制御装置を得ることを目的とする。
本発明は、車輪を駆動するモータを複数備えた車両の複数のモータを制御することにより、当該車両の車速を、入力される入力目標車速信号の車速に追従するよう制御する車速制御装置において、複数のモータのそれぞれのモータの回転速度を検出するそれぞれの速度センサーからのそれぞれの速度信号と入力目標車速信号が目標車速フィルタにより整形されたフィードバック用目標車速信号との偏差に基づいてそれぞれのモータのフィードバックトルク指令を生成する、複数のモータの数に対応した数のフィードバック制御部と、入力目標車速信号を入力とし、車両全体としてのフィードフォワードトルク指令を出力とする伝達関数を用いて車両全体としてのフィードフォワードトルク指令を演算するフィードフォワード制御部と、フィードフォワードトルク指令をそれぞれのモータのフィードフォワードトルク指令に分配するトルク配分部とを備え、伝達関数は、車両並進方向の力の総和を入力として車両の速度を出力とする車両の伝達関数の逆モデルと目標車速フィルタの伝達関数とを掛け合わせた伝達関数であり、それぞれのモータのフィードバックトルク指令とそれぞれのモータのフィードフォワードトルク指令とを加算してそれぞれのモータを制御するようにしたものである。
この発明によれば、各モータに対して速度フィードバック制御系を構成することで、各モータの駆動系の共振特性に応じて、できる限り追従性能を上げるようにフィードバック制御部を調整できる。また、全てのモータに共通のフィードフォワード制御部を用意するため、フィードフォワードトルク指令をトルク配分部により状況に応じて各モータにトルク配分することで、好適な追従性能を得ることができる。
本発明の実施の形態１による車速制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明による車速制御装置を適用するモータユニットの構成を示すブロック図である。 本発明による車速制御装置を適用する車両の構成の一例を示す概念ブロック図である。 本発明による車速制御装置を適用する車両の構成の別の例を示す概念ブロック図である。 本発明による車速制御装置を適用する車両の構成のさらに別の例を示す概念ブロック図である。 本発明による車速制御装置を適用する車両の構成のさらに別の例を示す概念ブロック図である。 本発明の車速制御装置を備えるシステムのハードウエア構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２による車速制御装置の構成を説明するための第一のボード線図である。 本発明の実施の形態２による車速制御装置の動作を説明するための車両の力学モデルを示す図である。 本発明の実施の形態２による車速制御装置の構成を説明するためのＦＢ制御部の開ループを示すブロック図である。 本発明の実施の形態２による車速制御装置の構成を説明するための第二のボード線図である。 本発明の実施の形態２による車速制御装置の構成を説明するための第三のボード線図である。 本発明の実施の形態２による車速制御装置の構成を説明するためのＦＢ制御部の開ループを示す第二のブロック図である。 本発明の実施の形態３による車速制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３による車速制御装置の目標車速補正部の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態３による車速制御装置の目標車速補正部の動作を説明するための図９の一部を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態４による車速制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５による車速制御装置の動作を説明する線図である。 本発明の実施の形態６による車速制御装置の動作を示すフロー図である。 本発明の実施の形態７による車速制御装置の動作を示すフロー図である。 本発明の実施の形態７による車速制御装置の動作を示す線図である。 本発明の実施の形態７による車速制御装置を含むシステムの構成を示すブロック図である。
実施の形態１．
図３は本発明の車速制御装置１００を搭載した車両１の構成の一例を表す。左前輪２１、右前輪２２、左後輪２３、右後輪２４はそれぞれ４機のモータユニット１１〜１４の各モータにより駆動される。各モータユニット１１〜１４の各モータの出力トルクは、減速機、ドライビングシャフトなどの機械的要素により構成される駆動系を介して各車輪２１〜２４へと伝わる。各モータユニット１１〜１４の各モータは車輪２１〜２４と一体化したインホイールモータであってもよい。本発明を適用する車両は、３機または２機のモータを搭載した車両でもよく、本発明は、モータが複数搭載された車両に適用することができる。３機のモータを搭載した車両１の一例として、左右後輪２３、２４をそれぞれ駆動するモータユニット１３、１４を、前輪２１、２２を駆動するモータユニット１１を搭載した車両１を図４に示す。モータユニット１１のモータの出力トルクはディファレンシャルギヤ３１を介して２つの車輪２１、２２に伝達される。なお、車両１の前後のモータ数と駆動系の構成は、前後逆でもよい。２機のモータを搭載する車両１の一例として、前輪側にモータユニット１１、後輪側にモータユニット１３を搭載した車両を図５に示す。この場合、モータユニット１１、１３の各モータの出力トルクは、それぞれディファレンシャルギヤ３１、３２を介して左右前輪２１、２２と左右後輪２３、２４に伝達される。２機のモータを搭載する車両１のもう一つの例として、左右前輪２１、２２がそれぞれモータユニット１１、１２の各モータにより駆動されるものを図６に示す。以下、本発明の車速制御装置１００の構成を、４機のモータユニット１１〜１４を搭載する車両について述べる。４機以外の数のモータを搭載する車両の場合、車速制御装置１００内の各モータユニットに対応する制御部を適宜増減させればよい。
図１は本発明の実施の形態１による車速制御装置１００の構成を示すブロック図である。車速制御装置１００は、フィードフォワード（以降ＦＦと称することもある）制御部１０１と、目標車速フィルタ１２０と、トルク配分部１０２と、モータ制御部１５１〜１５４とを備える。各モータ制御部１５１〜１５４は、フィードバック（以降ＦＢと称することもある）制御部１１１〜１１４と、速度信号フィルタ１２１〜１２４とを有する。車速制御装置１００の出力は、各モータユニット１１〜１４に対するトルク指令Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４である。各トルク指令Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、それぞれＦＢ制御部１１１〜１１４によるＦＢトルク指令Ｔｆｂ１、Ｔｆｂ２、Ｔｆｂ３、Ｔｆｂ４と、トルク配分部１０２を介したＦＦ制御部１０１によるＦＦトルク指令Ｔｆｆ１、Ｔｆｆ２、Ｔｆｆ３、Ｔｆｆ４の和である。すなわち、Ｔ１＝Ｔｆｂ１＋Ｔｆｆ１、Ｔ２＝Ｔｆｂ２＋Ｔｆｆ２、Ｔ３＝Ｔｆｂ３＋Ｔｆｆ３、Ｔ４＝Ｔｆｂ４＋Ｔｆｆ４となる。
ここで、モータユニットの構成について図２を用いて説明する。各モータユニット１１〜１４は、モータと、モータに電圧を印加するインバータと、モータの回転速度を検出する速度センサーとを有する。トルク指令Ｔｉ（ｉ＝１、２、３、４）がインバータに入力され、電圧指令Ｖｉ（ｉ＝１、２、３、４）に変換されてモータに印加される。各速度センサーは、各モータの速度Ｖｍｉ（ｉ＝１、２、３、４）を検出し、車速制御装置１００の各モータ制御部１５１〜１５４に出力する。
車両の車速の目標値である入力目標車速信号Ｖｒｅｆは上位の制御システムや運転者の操作により与えられる。ＦＢ制御部１１１〜１１４は、入力目標車速信号Ｖｒｅｆを目標車速フィルタ１２０に通した信号であるフィードバック用目標車速信号ＶｒｅｆＦと、各モータユニットの速度センサーから得られる各モータの速度信号Ｖｍ１、Ｖｍ２、Ｖｍ３、Ｖｍ４に対して速度信号フィルタ１２１〜１２４をそれぞれ通した速度信号ＶｍＦ１、ＶｍＦ２、ＶｍＦ３、ＶｍＦ４との差分にもとづき、各モータユニット１１〜１４へのＦＢトルク指令Ｔｆｂ１、Ｔｆｂ２、Ｔｆｂ３、Ｔｆｂ４を演算する。演算手段としては比例・積分（ＰＩ）制御を用いてもよい。入力目標車速信号Ｖｒｅｆは運転者のスイッチ操作などによる設定変更に応じてステップ状に変化する可能性があるが、目標車速フィルタ１２０によりこれを整形することで滑らかな車速変化を実現する。速度信号フィルタ１２１〜１２４は各モータ速度信号のノイズを除去する効果があり、ノイズ自体が少ない場合は省略してもよい。
ＦＦ制御部１０１は、入力目標車速信号ＶｒｅｆにもとづきＦＦトルク指令Ｔｆｆを演算する。演算手段としては、目標車速フィルタ１２０の伝達関数と、車両１の伝達関数の逆モデルをかけ合わせたものを用いてもよい。車両１の伝達関数としては、車両１を１つの質点とみなし、車両並進方向の力の総和を入力とし、質点の速度を出力として導出したものを用いてもよい。車両並進方向の力は、各モータユニット１１〜１４へのトルク指令について、駆動系の減速比と車輪半径などを考慮して換算することで得られる。また、質点に対して転がり抵抗や空気抵抗の作用を考慮して伝達関数を導出してもよい。外乱やモデル化誤差がない理想的な状況下においては、ＦＦトルク指令を与えることで、車両１はフィルタリング後のフィードバック用目標車速信号ＶｒｅｆＦに追従できる。
トルク配分部１０２は、ＦＦトルク指令Ｔｆｆを入力とし、各モータに対するＦＦトルク指令Ｔｆｆ１、Ｔｆｆ２、Ｔｆｆ３、Ｔｆｆ４を出力する。このとき、Ｔｆｆ＝Ｔｆｆ１＋Ｔｆｆ２＋Ｔｆｆ３＋Ｔｆｆ４とする。Ｔｆｆ１、Ｔｆｆ２、Ｔｆｆ３、Ｔｆｆ４の符号はＴｆｆの符号に揃えると、トルク配分の計算の範囲を絞ることができる。
このような構成により、本発明の車速制御装置１００は、ＦＦトルク指令を目標車速への追従のベースとしつつ、モデル化誤差や外乱による各輪の目標車速からのずれを各ＦＢ制御部１１１〜１１４で補正する。各ＦＢ制御部１１１〜１１４は各車輪の駆動系の特性、例えば共振特性にあわせて追従性能を上げるように設計できることから、本発明の車速制御装置１００により、複数モータ駆動の車両１に適した形で好適な追従性能が得られる車速制御を実現できる。
また、速度制御では追従性能を向上させるためにＦＦ制御を追加した２自由度制御の構成がしばしばとられる。ＦＦ制御系は一般的に外乱を考慮せずに設計されるが、複数モータ駆動の車両の場合、各モータに対して個別に２自由度制御を採用すると、お互いのＦＦトルク指令が外乱として作用して所望の追従性能を得ることができない。これに対して本発明は、すべてのモータに共通のＦＦ制御部を用意する。すべてのモータに共通のＦＦ制御部を用意するため、ＦＦトルク指令をトルク配分部により状況に応じて各モータにトルク配分することで、好適な追従性能を得ることができる。さらに、トルク配分部の自由度を利用することで、車両運動性能を考慮して車両を速度制御できる。
図７は、実施の形態１に係る車速制御装置１００を備えるシステムのハードウエア構成の一例を示すブロック図である。車速制御装置１００は、ハードウェアとしてのプロセッサ２００と、記憶装置２０１とにより実現される。記憶装置２０１は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを備える。また、記憶装置２０１は、図示していないが、不揮発性の補助記憶装置の代わりにハードディスク等の補助記憶装置とを具備してもよい。
プロセッサ２００は、記憶装置２０１から入力されたプログラムを実行する。プログラムは、車速制御装置１００のアルゴリズムに相当する。記憶装置２０１が補助記憶装置と揮発性記憶装置とを備えるため、プロセッサ２００に、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプログラムが入力される。また、プロセッサ２００は、演算結果等のデータを記憶装置２０１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置に前記データを保存してもよい。
プロセッサ２００は上位制御系２０２から目標車速Ｖｒｅｆを受け取る。上位制御系２０２はレーダ、カメラ、ソナー、レーザ、ＧＰＳ、地図情報などのセンサにより取得した車両の周辺環境の情報、および車速、加速度、ヨーレートなどの車両の運動状態の情報にもとづきＶｒｅｆを決定してもよい。また、運転者のアクセル操作、ブレーキ操作、スイッチ操作、シフト操作などにもとづきＶｒｅｆを決定してもよい。
プロセッサは車速制御装置１００のアルゴリズムにより演算したトルク指令Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４を各モータユニット１１〜１４に対して出力する。また、モータ速度Ｖｍ１、Ｖｍ２、Ｖｍ３、Ｖｍ４を各モータユニットの速度センサーから取得する。
また、図１におけるフィードフォワード（ＦＦ）制御部１０１と、目標車速フィルタ１２０と、トルク配分部１０２と、モータ制御部１５１〜１５４とは、記憶装置２０１に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ２００、または図示していないシステムＬＳＩ等の処理回路により実現される。複数のプロセッサ２００および複数の記憶装置２０１が連携して上記機能を実行してもよい。また、複数のプロセッサ２００および複数の記憶装置２０１が連携して上記機能を実行してもよいし、複数の処理回路が連携して上記機能を実行してもよい。また、複数のプロセッサ２００および複数の記憶装置２０１と、複数の処理回路との組み合わせにより連携して上記機能を実行してもよい。
なお、以下に述べる実施の形態１以外の実施の形態の車速制御装置１００も、図７に示したハードウエア構成における記憶装置２０１に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ２００、または図示していないシステムＬＳＩ等の処理回路により実施の形態１と同様に実現される。
実施の形態２．
実施の形態１で説明したように、各ＦＢ制御部１１１〜１１４は各車輪の駆動系の特性に合わせて追従性能を上げるように設計できることを特徴としている。前輪と後輪ではその機械的特性が異なるため、前輪を駆動するモータを制御するＦＢ制御部と後輪を駆動するモータを制御するＦＢ制御部の制御特性とを各車輪の特性に合わせて異ならせることができる。例えば、各車輪の駆動系の共振特性は異なるため、その共振特性に合わせて各ＦＢ制御部の周波数特性が異なるように設定することで、追従性能を上げながら各車輪に適した制御ができる。
図８に、正弦波状のトルク指令を周波数を徐々に変化させながら１つのモータに対して指令し、このモータの回転速度を計測して得られるボード線図の例を示す。図８のボード線図は入力がトルク指令値、出力がモータ速度であり、本発明におけるモータユニットの共振特性に該当する。例示したボード線図は共振特性として反共振点と共振点を１つずつもつ。このような結果は、車両に搭載されて駆動系と接続されたモータユニットの特性としてしばしば得られることが知られており、力学的には車両をモータ軸の慣性と車体の慣性がばねとダンパで接続された２慣性系としてモデル化できる。一例としてモータを前輪駆動用と後輪駆動用にそれぞれ１機ずつ搭載した車両の力学モデルを図示すると、図９のように表現できる。このような共振特性を考慮しながら、各モータに対するＦＢ制御部をそれぞれ調整すればよい。
次に、駆動系の共振特性に合わせたＦＢ制御部の調整方法の一例として、比例・積分ゲインの経験的な調整方法について述べる。図１０に示すように、ＦＢ制御部とモータユニットを直列に接続した開ループ系を考える。ここでは簡単のため、トルクフィルタと速度信号フィルタは除いて考える。はじめに積分ゲインを０に設定し、比例ゲインのみを変化させ、ＦＢ制御部への入力からモータユニットの出力までのボード線図を解析する。比例ゲインを大きくすると、図８のボード線図は上方向へ移動し、比例ゲインを小さくすると、下方向へ移動する。図１１のように、反共振点と共振点の中間で０ｄＢを通過するようになったときの比例ゲインを適切な値とする。次に、比例ゲインの値を固定したままで、積分ゲインを調整する。外乱を抑制する観点では積分ゲインは大きいことが望ましいが、同時に位相遅れも大きくなるため、ＦＢ制御部の安定性が劣化する。図１２のように積分ゲインは、目安として位相余裕が４０度以上となる範囲で、できる限り大きくするとよい。
なお、前記プロセスで決定した比例・積分ゲインでＦＢ制御を実施しても、実車の制御周期の影響などで十分な安定性が得られないことがある。その場合は、図１３のように、制御周期を模擬した遅延要素、トルクフィルタや速度信号フィルタも含めた開ループ系の安定余裕を解析し、目安としてゲイン余裕が１０ｄＢ〜２０ｄＢ、位相余裕が４０度〜６０度となるように比例・積分ゲインとフィルタのカットオフ周波数を調整するとよい。
以上のプロセスにより決定される比例・積分ゲインの値は、駆動系の共振特性をあらわすボード線図に応じて異なるものとなる。すなわち、例えば前輪を駆動するモータを制御するＦＢ制御部と後輪を駆動するモータを制御するＦＢ制御部では、比例・積分ゲインの値が異なるものとなる。
ＦＢ制御部のその他の設計法として、力学モデルを伝達関数や状態方程式で表現したモデルにもとづき、ＦＢトルク指令の計算方法として比例・積分制御に限らず最適制御やロバスト制御など各種制御理論を適用してもよい。そのときに各駆動系の力学モデルに応じて好適な追従性能が得られるように制御部を調整することで、車両全体として好適な追従性能が得られる。
このように、本発明は、それぞれのフィードバック制御部のうち、少なくとも一のフィードバック制御部の制御特性、特にゲインおよび位相の少なくとも一方の周波数特性が他のフィードバック制御部の制御特性と異なることを一つの特徴としている。
実施の形態３．
図１４は、本発明の実施の形態３による車速制御装置の構成を示すブロック図である。図１の構成では各モータのＦＢ制御部１１１〜１１４にはフィルタリング後のフィードバック用目標車速信号ＶｒｅｆＦが共通して与えられる。しかしながら、車両１は旋回時に内輪と外輪には物理的に速度差が生じる。これを考慮して各ＦＢ制御部１１１〜１１４に与える目標車速を変えることで、追従精度や旋回性能を向上できる。図１４に示す実施の形態３による車速制御装置１００は、フィルタリング後のフィードバック用目標車速信号ＶｒｅｆＦを目標車速補正部１３１〜１３４に通した上で各ＦＢ制御部１１１〜１１４に与える構成となっている。目標車速補正部１３１〜１３４を通して補正した目標車速は、各モータユニット１１〜１４に対応づけてＶｒｅｆＦ１、ＶｒｅｆＦ２、ＶｒｅｆＦ３、ＶｒｅｆＦ４とする。
旋回時の内輪と外輪の速度差を考慮した目標車速の補正を実施する方法として、例えば車両１の車速と、ステアリング角度と、各車輪２１〜２４の接地点の幾何学的位置関係と、横すべり角とを考慮する方法がある。以下、図１５を参照して具体的な方法を述べる。
図１５は車両を上部から見た図である。車両１を左右対称に分けるように前後方向にｘ軸を設定し、ｘ軸上の任意の点に原点Ｏをとる。例えば、原点Ｏは車両１の重心点としてもよいし、左右後輪の中心点を結んだ線と、ｘ軸との交点としてもよい。ｘ軸の正の方向は、車両１の前進方向とする。また、原点Ｏを通りｘ軸と垂直な方向にｙ軸をとる。ｙ軸の正の方向は、車両１の前進方向に対して左方向とする。これらの座標軸は車両１に固定する。
ここでは、原点Ｏの速度をＶｒｅｆＦに制御することを考える。このとき、ＶｒｅｆＦをｘ軸方向成分Ｕｘ、ｙ軸方向成分Ｕｙに分けることを考えると、次式が成立する。
Figure 0006165378
Figure 0006165378
βは原点Ｏにおける車両１の横すべり角である。βは運動中の車両１の横すべり角の値を用いてもよい。横すべり角としてはセンサによる取得値を用いてもよいし、推定値を用いてもよい。また、βは目標走行速度、ステアリング角度、路面状態などにもとづき適切な値を目標車速補正部１３１〜１３４で与えてもよい。特に、車両１が大きな横すべり角で走行し、タイヤが発生可能な横力が飽和するような場合には、目標車速補正部１３１〜１３４で決定した小さいβを与えると、車両１の安定化に効果的である。
ここで、ｙ軸から左右前輪、左右後輪の中心点までの距離をそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４とする。ｘ軸から左右前輪、左右後輪の中心点までの距離をそれぞれＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４とする。左右前輪、左右後輪のステアリング角度をそれぞれδ１、δ２、δ３、δ４とする。また、車両のヨーレートをγとし、左右前輪、左右後輪の横すべり角をそれぞれβ１、β２、β３、β４とする。このとき目標車速補正部１３１〜１３４は、ＶｒｅｆＦ１、ＶｒｅｆＦ２、ＶｒｅｆＦ３、ＶｒｅｆＦ４を次式で計算する。
Figure 0006165378
Figure 0006165378
Figure 0006165378
Figure 0006165378
この計算式は幾何学的な関係式にもとづき決定しており、図１６に左前車輪２１に着目した拡大図を示す。各車輪２１〜２４の横すべり角は、センサで取得した運動中の値を用いてもよいし、推定値を用いてもよい。もしくは、車両の幾何学的関係にもとづき次式で計算してもよい。
Figure 0006165378
Figure 0006165378
Figure 0006165378
Figure 0006165378
車両のヨーレートγは、ヨーレートセンサで取得したものを用いてもよいし、目標走行速度、ステアリング角度、路面状態などにもとづき適切な値を目標車速補正部１３１〜１３４で与えてもよい。
なお、図４のように３機のモータを搭載する車両１の場合、もしくは図５のように２機のモータで左右前輪と左右後輪をそれぞれ駆動する場合、ディファレンシャルギヤ３１、３２を介して２つの車輪を駆動するモータが存在することになる。このモータに対する目標車速補正方法としては、はじめは４輪を４機のモータでそれぞれ駆動することを仮定してＶｒｅｆＦ１、ＶｒｅｆＦ２、ＶｒｅｆＦ３、ＶｒｅｆＦ４を計算し、駆動する２つの車輪に対応する目標車速の平均値を補正後の目標車速としてもよい。例えば、図５の場合、（ＶｒｅｆＦ１＋ＶｒｅｆＦ２）／２をモータ１１に対する補正後の目標車速とすればよい。
実施の形態４．
図１７は、本発明の実施の形態４による車速制御装置の構成を示すブロック図である。ＦＢ制御部１１１〜１１４は車両１の振動の励起を避けるために追従性能を落とす必要があったが、各モータユニット１１〜１４への最終的なトルク指令は、ＦＢトルク指令とＦＦトルク指令の和のＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４である。したがって、より積極的に車体振動を低減するためには、図１７に示すように、各モータユニット１１〜１４の入力の前段にトルクフィルタ１４１〜１４４をそれぞれ挿入し、その出力のＴ１Ｆ、Ｔ２Ｆ、Ｔ３Ｆ、Ｔ４Ｆを最終的なトルク指令として用いることが効果的である。このフィルタのカットオフ周波数は、各モータユニット１１〜１４の各モータに対応する駆動系の共振周波数を考慮して共振周波数を含む周波数に設定して共振周波数をカットするとよい。この共振周波数は一般的に１０Ｈｚ前後であることが知られているため、トルクフィルタのカットオフ周波数は１〜１０Ｈｚ程度にすると効果が得られやすい。トルクフィルタ１４１〜１４４の挿入により追従性能は緩やかになるが、車体振動低減による乗り心地向上とのバランスを見てフィルタを調整するとよい。
実施の形態５．
モータの速度ＦＢ制御系としてＰＩ制御がしばしば用いられる。複数モータで駆動する車両１においては、各モータ１１〜１４に対してＦＢ制御部１１１〜１１４を構成すると、各モータ１１〜１４への目標車速と車両の物理的、幾何的な制約に不整合が生じたときに課題が生じる。具体例を挙げると、旋回時は物理的に各車輪２１〜２４に速度差が生じるが、各モータへの目標車速として共通にフィードバック用目標車速信号ＶｒｅｆＦを与えると、必ず速度偏差が残り続けるため、Ｉ制御の効果でＦＢトルク指令が増加または減少し続ける。この増加または減少し続けたトルクが過大になると、車輪２１〜２４のスリップを引き起こす可能性がある。実施の形態３で述べた目標車速補正部１３１〜１３４の導入により速度偏差を小さくすることができ、Ｉ制御によりトルク指令が蓄積されるペースは軽減できるが、悪影響をより低減できることが望ましい。特に、走行速度やステアリング角度が増すほど、旋回時の速度偏差は大きくなる。これを解決する手段の一つとして、Ｉ制御のゲインをモータ速度またはステアリング角度、もしくはその両方にもとづき、これらが大きくなるほどＩゲインを小さくすればよい。例として、図１８にモータ速度にもとづきＩゲインに対して掛け算する値のマップを示す。図１８ではモータ速度の第１閾値まではＩゲイン＝１をかけ、モータ速度の第２閾値まではＩゲインを減少させ、モータ速度の第２閾値以降は０とする。このようにすることによって、低速域ではＩ制御を活用して外乱などを抑制できるとともに、高速域ではＩ制御により生じ得るデメリットを低減できる。
なお、Ｉゲインを小さくする代わりに、もしくはそれと組み合わせる形で、Ｉ制御によるトルク指令の絶対値の上限を走行速度やステアリング角度にもとづき下げてもよい。また、モータ速度の代わりに車輪速度または車体速度を用いてもよい。
実施の形態６．
本発明のトルク配分部１０２の自由度を利用することで、車両１の運動性能を上げる方法を述べる。車両１は、加速時に前輪よりも後輪の接地荷重が大きくなり、減速時は後輪よりも前輪の接地荷重が大きくなる。タイヤにより得られる路面摩擦力は、荷重増加とともに大きくなる。したがって、車両１が加速するときは前輪側に、減速するときは後輪側に重点的にトルク指令を配分する方が、力学的に得ることが可能な路面摩擦力を車両全体として効率的に利用することができる。これにより、制動時および駆動時に達成可能な加減速度の範囲が広がる。また、路面摩擦力の成分には車両の進行方向と横方向がある。路面摩擦力の効率的な利用は、横力を発生させる余裕を確保することにつながり、車両の安定性を保つためにも有効である。
本発明の実施の形態６による車速制御装置１００のトルク配分部１０２においては、前後輪のトルク指令配分として、例えば以下の方法がある。図１９に示すフローチャートに沿って述べる。フローが開始されると（ステップＳ１０１）、トルク配分部１０２は、フィルタリング後のフィードバック用目標車速信号ＶｒｅｆＦの加減速度に対応づけてあらかじめ決定しておいた並進方向の前後駆動力配分比率Ｒｆ：Ｒｒを読み込む（ステップＳ１０２）。そして、前輪の総駆動力｛Ｋ１×（Ｔｆｂ１＋Ｔｆｆ１）＋Ｋ２×（Ｔｆｂ２＋Ｔｆｆ２）｝と後輪の総駆動力｛Ｋ３×（Ｔｆｂ３＋Ｔｆｆ３）＋Ｋ４×（Ｔｆｂ４＋Ｔｆｆ４）｝の比が前記比率に近付くようにＴｆｆ１、Ｔｆｆ２、Ｔｆｆ３、Ｔｆｆ４を決定し（ステップＳ１０３）、フローを終了する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０３の具体的な方法として、例えば次の評価指標Ｊ２を用いてもよい。
Figure 0006165378
Ｊ２が小さくなるＴｆｆ１、Ｔｆｆ２、Ｔｆｆ３、Ｔｆｆ４を見つければよく、それには各種最適化計算手法を用いてもよいし、ランダムもしくは総当たり的に代入してもよい。このとき、Ｋ１×（Ｔｆｂ１＋Ｔｆｆ１）＝Ｋ２×（Ｔｆｂ２＋Ｔｆｆ２）かつＫ３×（Ｔｆｂ３＋Ｔｆｆ３）＝Ｋ４×（Ｔｆｂ４＋Ｔｆｆ４）の拘束条件を追加することで、左右輪のトルク差によるヨーモーメント発生を低減するとともに、計算負荷を減らしてもよい。
この例では４機のモータを搭載する車両を対象としたが、モータ搭載数が異なる車両に対しても、同様の考え方が適用できる。
実施の形態７．
本発明の車速制御装置１００においてＦＦ制御部１０１は追従性能向上の主たる役割を担う。しかしながら、車両１の前後付近に他車両や障害物などが存在する場合、衝突を避けることが優先的であるため、ＦＦ制御による追従性能が過剰となる場合がある。この問題を解決する方法を、実施の形態７として以下に述べる。
例として、車両１が前進、または前進しようとしている状態でのフローを図２０に示す。フローが開始されると（ステップＳ２０１）、はじめに車両前方での物体の有無を判定する（ステップＳ２０２）。物体が存在しない場合、フローは終了する（ステップＳ２０６）。物体が存在する場合、フィルタリング後のフィードバック用目標車速信号ＶｒｅｆＦの加速度の符号をチェックする（ステップＳ２０３）。ＶｒｅｆＦの加速度が０以上の場合、次のステップＳ２０４を実行し、そうでない場合はフローを終了する。
ステップＳ２０４を実行する段階では、車両前方に物体が存在し、車両１が前方への加速指令を受けている状況である。ステップＳ２０４では加減速抑制条件を満たすかどうかをチェックする。この加減速抑制条件は、前方の物体との相対距離や相対速度にもとづき、ＦＦトルク指令Ｔｆｆの絶対値を抑制する必要性を判定するためのものである。例えば、相対距離のみを考慮するのであれば、現在の相対距離Ｄｃ≦相対距離制限値Ｄｃｍを加減速抑制条件としてもよい。相対距離と相対速度の両者を用いた条件とするのであれば、現在の車間時間Ｔｃ≦車間時間制限値Ｔｃｍを加減速抑制条件としてもよい。車間時間とは、前方の物体がある地点を通過した後で、車両１が前記地点を通過するまでの時間のことである。加減速抑制条件が満たされない場合はフローを終了する。
加減速抑制条件が満たされる場合は、Ｔｆｆの代わりに用いるＦＦ制御トルクＴｆｆ＊を計算し（ステップＳ２０５）、フローを終了する。Ｔｆｆ＊の計算方法として、例えば図２１に示すように相対距離に対応させて正の実数をマップ化しておき、Ｔｆｆにこの実数を乗じてもよい。マップは車間時間にもとづき作成してもよい。
フローが終了し、Ｔｆｆ＊を用いる場合、トルク配分部１０２は各モータ１１〜１４に対してＴｆｆ＊＝Ｔｆｆ１＋Ｔｆｆ２＋Ｔｆｆ３＋Ｔｆｆ４を満たすようにトルクを配分する。このとき、Ｔｆｆ１、Ｔｆｆ２、Ｔｆｆ３、Ｔｆｆ４の符号はＴｆｆ＊の符号に揃えると、トルク配分の計算の範囲を絞ることができる。
なお、車両１が後退、または後退しようとしているときの、車両後方の物体との衝突を避ける手段に関しても、同様の考え方を用いることができる。車両前後方向の物体との相対距離、相対速度は、ミリ波レーダ、カメラ、レーザー、ソナーなどにより取得できる。ここでは、車両前後方向の物体との相対距離、相対速度を取得するセンサーを障害物検知センサーと呼ぶことにする。図１の構成に障害物検知センサー２０を付加したシステムの構成図を図２２に示す。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、組み合わせ、変形、省略したりすることが可能である。
１ 車両、１１、１２、１３、１４ モータユニット、２０ 障害物検知センサー、２１、２２、２３、２４ 車輪、１００ 車速制御装置、１０１ フィードフォワード制御部、１０２ トルク配分部、１１１、１１２、１１３、１１４ フィードバック制御部、１２０ 目標車速フィルタ、１２１、１２２、１２３、１２４ 速度信号フィルタ、１３１、１３２、１３３、１３４ 目標車速補正部、１４１、１４２、１４３、１４４ トルクフィルタ、Ｖｒｅｆ 入力目標車速信号、ＶｒｅｆＦ フィードバック用目標車速信号。

Claims (12)

  1. 車輪を駆動する複数のモータを備えた車両の前記複数のモータを制御することにより、当該車両の車速を、入力される入力目標車速信号の車速に追従するよう制御する車速制御装置において、
    前記複数のモータのそれぞれのモータの回転速度を検出するそれぞれの速度センサーからのそれぞれの速度信号と前記入力目標車速信号が目標車速フィルタにより整形されたフィードバック用目標車速信号との偏差に基づいてそれぞれのモータのフィードバックトルク指令を生成する、前記複数のモータの数に対応した数のフィードバック制御部と、
    前記入力目標車速信号を入力とし、前記車両全体としてのフィードフォワードトルク指令を出力とする伝達関数を用いて前記車両全体としてのフィードフォワードトルク指令を演算するフィードフォワード制御部と、前記フィードフォワードトルク指令を前記それぞれのモータのフィードフォワードトルク指令に分配するトルク配分部とを備え、
    前記伝達関数は、車両並進方向の力の総和を入力として車両の速度を出力とする車両の伝達関数の逆モデルと目標車速フィルタの伝達関数とを掛け合わせた伝達関数であり、
    前記それぞれのモータのフィードバックトルク指令と前記それぞれのモータのフィードフォワードトルク指令とを加算して前記それぞれのモータを制御することを特徴とする車速制御装置。
  2. 車輪を駆動する複数のモータを備えた車両の前記複数のモータを制御することにより、当該車両の車速を、入力される入力目標車速信号の車速に追従するよう制御する車速制御装置において、
    前記複数のモータのそれぞれのモータの回転速度を検出するそれぞれの速度センサーからのそれぞれの速度信号と前記入力目標車速信号が目標車速フィルタにより整形されたフィードバック用目標車速信号との偏差に基づいてそれぞれのモータのフィードバックトルク指令を生成する、前記複数のモータの数に対応した数のフィードバック制御部と、
    前記入力目標車速信号に基づいて前記車両全体としてのフィードフォワードトルク指令を演算して求めるフィードフォワード制御部と、前記フィードフォワードトルク指令を前記それぞれのモータのフィードフォワードトルク指令に分配するトルク配分部とを備え、
    前記それぞれのフィードバック制御部は、前記入力目標車速信号が目標車速フィルタにより整形されたフィードバック用目標車速信号を、前記それぞれのフィードバック制御部
    に備えられたそれぞれの目標車速補正部により、前記車両の車速と、ステアリング角度と、前記車両の各車輪の接地点の幾何学的位置関係と、横滑り角と、ヨーレートと、に基づいて補正し、補正されたそれぞれの前記フィードバック用目標車速信号と、前記それぞれの速度信号との偏差に基づいてそれぞれのモータのフィードバックトルク指令を生成し、前記それぞれのモータのフィードバックトルク指令と前記それぞれのモータのフィードフォワードトルク指令とを加算して前記それぞれのモータを制御することを特徴とする車速制御装置。
  3. 前記車両が、左右前輪と左右後輪の合計４輪の車輪を備えており、ディファレンシャルギアを介して左右２つの車輪を駆動するモータを有する車両である場合において、前記左右２つの車輪を駆動するモータに対する前記目標車速補正部により、前記車両の４輪に対する目標車速を計算し、前記左右２つの車輪に対応する前記目標車速の平均値を、前記フィードバック用目標車速信号とすることを特徴とする請求項２に記載の車速制御装置。
  4. 車輪を駆動する複数のモータを備えた車両の前記複数のモータを制御することにより、当該車両の車速を、入力される入力目標車速信号の車速に追従するよう制御する車速制御装置において、
    前記複数のモータのそれぞれのモータの回転速度を検出するそれぞれの速度センサーからのそれぞれの速度信号と前記入力目標車速信号が目標車速フィルタにより整形されたフィードバック用目標車速信号との偏差に基づいてそれぞれのモータのフィードバックトルク指令を生成する、前記複数のモータの数に対応した数のフィードバック制御部と、
    前記入力目標車速信号に基づいて前記車両全体としてのフィードフォワードトルク指令を演算して求めるフィードフォワード制御部と、前記フィードフォワードトルク指令を前記それぞれのモータのフィードフォワードトルク指令に分配するトルク配分部とを備え、
    前記それぞれのフィードバック制御部の制御はそれぞれの積分制御を含み、前記それぞれのモータの回転速度、または前記車両のステアリング角度が大きくなるほど、前記それぞれの積分制御のゲインを小さくするとともに、
    前記それぞれのモータのフィードバックトルク指令と前記それぞれのモータのフィードフォワードトルク指令とを加算して前記それぞれのモータを制御することを特徴とする車速制御装置。
  5. 車輪を駆動する複数のモータを備えた車両の前記複数のモータを制御することにより、当該車両の車速を、入力される入力目標車速信号の車速に追従するよう制御する車速制御装置において、
    前記複数のモータのそれぞれのモータの回転速度を検出するそれぞれの速度センサーからのそれぞれの速度信号と前記入力目標車速信号が目標車速フィルタにより整形されたフィードバック用目標車速信号との偏差に基づいてそれぞれのモータのフィードバックトルク指令を生成する、前記複数のモータの数に対応した数のフィードバック制御部と、
    前記入力目標車速信号に基づいて前記車両全体としてのフィードフォワードトルク指令を演算して求めるフィードフォワード制御部と、前記フィードフォワードトルク指令を前記それぞれのモータのフィードフォワードトルク指令に分配するトルク配分部とを備え、
    前記フィードフォワード制御部は、前記車両の前後の障害物との距離を検知する障害物検知センサーにより検知した障害物と前記車両との相対速度に基づいて、フィードフォワードトルク指令値を減ずるとともに、
    前記それぞれのモータのフィードバックトルク指令と前記それぞれのモータのフィードフォワードトルク指令とを加算して前記それぞれのモータを制御することを特徴とする車速制御装置。
  6. 前記フィードフォワード制御部は、前記車両の前後の障害物との距離を検知する障害物検知センサーにより検知した障害物と前記車両との相対距離と、前記検知した障害物と前
    記車両との相対速度と、に基づいた車間時間に基づいて、フィードフォワードトルク指令値を減ずることを特徴とする請求項５に記載の車速制御装置。
  7. 前記それぞれのフィードバック制御部のうち、少なくとも一のフィードバック制御部の制御特性であるゲインまたは位相の少なくとも一方が他のフィードバック制御部の制御特性と異なることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の車速制御装置。
  8. 前記それぞれのフィードバック制御部のうち、前記車輪のうち前輪を駆動するモータを制御するフィードバック制御部と、後輪を駆動するモータを制御するフィードバック制御部の制御特性が異なることを特徴とする請求項７に記載の車速制御装置。
  9. 前記異なる制御特性は、周波数特性であることを特徴とする請求項７または８に記載の車速制御装置。
  10. それぞれの前記速度センサーからのそれぞれの前記速度信号は、前記それぞれのフィードバック制御部に備えられたそれぞれの速度信号フィルタによりフィルタリングされた速度信号であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の車速制御装置。
  11. 前記それぞれのモータのフィードバックトルク指令と前記それぞれのモータのフィードフォワードトルク指令とを加算した後、前記それぞれのフィードバック制御部に備えられたそれぞれのトルクフィルタによりそれぞれフィルタリングしたトルク指令によりそれぞれのモータを制御することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の車速制御装置。
  12. 前記トルク配分部は、前記フィードバック用目標車速信号の加減速度に基づいて、前記車輪のうち前輪を駆動するモータに配分するフィードフォワードトルク指令と、前記車輪のうち後輪を駆動するモータに配分するフィードフォワードトルク指令との配分比を決定することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の車速制御装置。
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