JP6506196B2 - 車輪制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、車両の駆動輪に与える駆動力を制御する車輪制御技術に関する。
特開２０１４−２１２６１４号公報には、４輪のそれぞれにモータが設けられ、モータにより各輪が独立に駆動される車両の車輪制御に関する技術が開示されている。この公報に開示された車輪制御技術は、旋回走行中に各車輪に作用する旋回走行抵抗に基づいて各車輪への駆動力の配分を決定し、それにより旋回走行時に消費されるエネルギーを低減させるというものである。
上記公報に開示された車輪制御技術は、４輪のそれぞれが独立したモータで駆動されるという前提の下で成立する技術である。しかし、４輪駆動車両の中には、前輪側と後輪側の一方の側は１つのモータで左右両輪を駆動し、他方の側は左右の各輪をそれぞれ独立したモータで駆動する車両がある。そのような３モータ４輪駆動車両では、４つのモータで４輪を駆動する車両に比べて駆動力の配分に制約があるため、上記公報に開示された車輪制御技術は適用することができない。
そこで、本発明の課題は、前輪側と後輪側の一方の側は１つの走行用モータで左右両輪を駆動し、他方の側は左右の各輪をそれぞれ独立した走行用モータで駆動する３モータ４輪駆動車両において、各輪への適切な駆動力の配分によって旋回走行時に消費されるエネルギーを低減することができる車輪制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係る車輪制御装置は、前輪側と後輪側の一方の側は１つの走行用モータで左右両輪を駆動し、他方の側は左右の各輪をそれぞれ独立した走行用モータで駆動する車両の車輪制御装置であって、以下を備えることを特徴とする。
すなわち、本発明に係る車輪制御装置は、車両に対する要求駆動力を算出する手段と、車両の走行状態を表す物理量を計測する手段と、計測された物理量に基づいて車輪の接地面で散逸するパワーを最小にするダイレクトヨーモーメント及び前後駆動力配分比を算出する手段と、要求駆動力とダイレクトヨーモーメントと前後駆動力配分比とに基づいて各輪に対する駆動力配分を決定する手段と、決定した駆動力配分に従って各走行用モータを制御する手段とを備えて構成される。ここで、ダイレクトヨーモーメントを算出する手段は、ダイレクトヨーモーメントの計算に定式化された３モータ４輪駆動車両のモデルを使用するように構成される。
上記のように構成される本発明に係る車輪制御装置によれば、各輪への適切な駆動力の配分によって車輪の接地面で散逸するパワーを最小にすることができ、結果的に、旋回走行時に消費されるエネルギーを低減することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る車両１０の構成が示されている。この車両１０は前後に左右２輪ずつ備える４輪車である。左右前輪１１，１２と左右後輪１３，１４の全てが駆動輪である。ただし、左右後輪１３，１４には、それぞれに駆動用の走行用モータ２１，２２が設けられているのに対し、左右前輪１１，１２は、一つの走行用モータ２３によって駆動される。つまり、この車両１０は、３つの走行用モータ２１，２２，２３によって４つの車輪１１，１２，１３，１４を駆動する３モータ４輪駆動車両である。
走行用モータ２１，２２，２３が交流同期モータである場合、図示しないインバータを介して図示しないバッテリの直流電力が交流電力に変換され、その交流電力が各走行用モータ２１，２２，２３に供給される。これにより各走行用モータ２１，２２，２３が駆動されて、各輪１１，１２，１３，１４に駆動方向又は制動方向の駆動力が付与される。各走行用モータ２１，２２，２３は、各輪１１，１２，１３，１４の回転エネルギーを利用して回生制御することも可能である。この場合、駆動方向を力行方向といい、制動方向を回生方向という。なお、後輪駆動用の各走行用モータ２１，２２は対応する車輪に内蔵されるインホイールモータとすることができる。この場合、各走行用モータ２１，２２はそれぞれが対応する車輪と直結された構造であってもよいし、対応する車輪と減速機を介して接続された構成であってもよい。または、走行用モータ２１，２２は車両１０に取り付けられていて、ドライブシャフトを介して対応する車輪を駆動する構造であってもよい。
車両１０は、各走行用モータ２１，２２，２３に供給する電力を制御するコントローラ４０を備える。コントローラ４０は、本発明の「車輪制御装置」に相当するものであり、走行用モータ２１，２２，２３に供給する電力を個別に制御することにより、各輪１１，１２，１３，１４に配分する駆動力を制御するように構成されている。以下、コントローラ４０により行われる各輪１１，１２，１３，１４へ駆動力を配分する制御を駆動力配分制御という。コントローラ４０は、少なくとも１つのメモリと少なくとも１つのプロセッサとを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。メモリには、駆動力配分制御に用いる各種のプログラムやマップを含む各種のデータが記憶されている。プロセッサがメモリからプログラムを読みだして実行することにより、コントローラ４０には駆動力配分制御に関係する様々な機能が実現される。
コントローラ４０が駆動力配分制御を行う上では、車両１０の走行状態を表す様々な物理量が情報として必要とされる。このため、駆動力配分制御に関連する物理量を計測する各種のセンサが、車両内に構築された通信ネットワークを介してコントローラ４０に接続されている。コントローラ４０に接続されるセンサには、例えば、車両１０の前後方向に作用する加速度を計測するための前後加速度センサ５１、車両１０の横方向に作用する加速度を計測するための横加速度センサ５２、車両１０に発生したヨーレートを計測するためのヨーレートセンサ５３、車速を計測するための車速センサ５４等が含まれる。また、コントローラ４０には、運転者によるアクセルペダルの操作量に応じた信号を出力するアクセルポジションセンサ５５も接続されている。アクセルポジションセンサ５５の信号は、駆動力配分制御において、運転者が車両１０に要求する駆動力の計算に用いられる。
駆動力配分制御では、車輪の接地面で熱として散逸するパワーが最小になるように、各輪１１，１２，１３，１４に配分する駆動力が計算される。各輪１１，１２，１３，１４に配分する駆動力の計算は、３モータ４輪駆動車両のモデルを定式化することによって得られた計算式にしたがって行われる。以下、各輪１１，１２，１３，１４に配分する駆動力の計算方法について説明する。
まず、車輪の接地面で熱として散逸するパワーは、式(1)のように、各輪のタイヤ発生力ベクトルとそのときのすべり速度ベクトルとの内積で表すことができる。ここで、Ｐｖは接地面で散逸するパワー、Ｆｊは各輪のタイヤ発生力ベクトル、Ｖｓｊはすべり速度ベクトルである。
式(1)を最小化することで、車輪の接地面で散逸するパワーを低減することができ、結果的に消費エネルギーを低減することができる。各輪のスリップ率及びスリップ角を用いると、式(1)は式(2)で表すことができる。ここで、ｓｊは各輪のスリップ率、αｊは各輪のスリップ角、Ｋｙｊは各輪のコーナリングスティフネス、Ｋｘｊは各輪のドライビングスティフネス、Ｖｊは各輪における車速である。
各輪のスリップ率ｓｊは、式(3)から式(6)で表すことができる。また、各輪のスリップ角αｊは、式(7)及び式(8)で表すことができる。ここで、ζｘは前後駆動力配分比、Ｆｘｄは車両全体の駆動力、Ｆｙｄは車両全体の横力、ｔｒは後輪のトレッド、ｌはホイールベース、ｌｆは前輪中心より重心までの水平距離、ｌｒは後輪中心より重心までの水平距離、Ｍｚはダイレクトヨーモーメントである。なお、ここでは、車両１０の運動はヨーレートの変化がない定常円旋回或いは準定常円旋回であるとし、車両重心周りのヨーモーメントはゼロとみなしている。
式(3)から式(8)で表される各輪のスリップ率ｓｊ及びスリップ角αｊを式(2)に代入し評価関数Ｊとして再定義すると、式(9)のようになる。ここで、Ｖは車速センサ５４により計測される車両全体の車速である。各輪における車速Ｖｊは車両全体の車速Ｖに等しいと仮定する。
式(9)の評価関数Ｊが最小化されるとき、接地面で散逸するパワーは最小化される。式(9)の評価関数Ｊを最小化するダイレクトヨーモーメントＭｚ及び前後駆動力配分比ζｘは、式(10)及び式(11)を解くことによって求めることができる。
式(10)及び式(11)を解くことで、接地面で散逸するパワーを最小化するダイレクトヨーモーメントＭｚは、式(12)のように求められる。
また、接地面で散逸するパワーを最小化する前後駆動力配分比ζｘは、式(12)で表されるダイレクトヨーモーメントＭｚを用いて、式(13)のように求められる。
式(12)及び式(13)に含まれる各輪のドライビングスティフネスＫｘｊ及びコーナリングスティフネスＫｙｊは、式(14)及び(15)で表されるように、接地荷重に比例するとみなすことができる。ここで、Ｆｚｊは各輪の接地荷重、Ｃｘ及びＣｙは車輪に固有の係数である。
準定常円旋回時では前後加速度により各輪の接地荷重Ｆｚｊは変化する。前後加速度及び横加速度による荷重変化量を考慮した各輪の接地荷重Ｆｚｊは式(16)から式(19)で表すことができる。ここで、Ｆｚｆ，Ｆｚｒは前後輪の荷重、ρｆ,ρｒは左右荷重移動量の前後配分比、ｈは重心高、ｔｆ，ｔｒは前後のトレッド、ｍは車両重量、Ａｘは前後加速度センサ５１により計測される前後加速度、Ａｙは横加速度センサ５２により計測される横加速度である。
式(12)より求まるダイレクトヨーモーメントＭｚと式(13)より求まる前後駆動力配分比ζｘとを式(20)から式(23)までの各式に入力することによって、車輪の接地面で散逸するパワーを最小化する各輪１１，１２，１３，１４の駆動力を算出することができる。ここで、Ｆｘ１は左前輪１１に配分する駆動力、Ｆｘ２は右前輪１２に配分する駆動力、Ｆｘ3は左後輪１３に配分する駆動力、Ｆｘ4は右後輪１４に配分する駆動力である。また、駆動力Ｆｘｄには、アクセルポジションセンサ５５の信号に基づいて計算される要求駆動力が入力される。
ここで、図２は、車速Ｖが４０ｋｍ／ｈで、前後加速度と横加速度がともに０．２Ｇであった場合の接地面散逸パワーとダイレクトヨーモーメントとの関係を示す図である。点線は駆動力の方向が回生方向のとき関係を示し、実線は駆動力の方向が力行方向のときの関係を示している。図２より、回生時には負のダイレクトヨーモーメントにより、力行時には正のダイレクトヨーモーメントにより接地面散逸パワーを最小化できることが確認できる。接地面散逸パワーが最小化されれば、結果的に、旋回走行時に消費されるエネルギーは低減される。
以上説明した各輪１１，１２，１３，１４に配分する駆動力の計算方法は、コントローラ４０が駆動力配分制御において実行するルーチンに反映されている。以下、コントローラ４０により実行される駆動力配分制御のルーチンについて図３のフローチャートを用いて説明する。なお、このフローチャートに示すルーチンは所定の制御周期で繰り返し実行されている。
ステップＳ１０では、コントローラ４０は、アクセルポジションセンサ５５の信号に基づいて、運転者の車両１０に対する要求駆動力を算出する。
ステップＳ２０では、コントローラ４０は、車両の走行状態を表す物理量である前後加速度、横加速度、ヨーレート、及び車速をセンサ５１〜５４により計測する。
ステップＳ３０では、コントローラ４０は、ステップＳ２０で計測された各種物理量に基づいて式(9)の評価関数Ｊを最小化するダイレクトヨーモーメントＭｚと前後駆動力配分比ζｘとを算出する。ダイレクトヨーモーメントＭｚと前後駆動力配分比ζｘの計算は、式(12)及び式(13)を毎回計算することでもよいし、ステップＳ２０で計測される各種物理量の値とダイレクトヨーモーメントＭｚ及び前後駆動力配分比ζｘの各値とを関連付けたマップを予め作成しておくことでもよい。前者の方法を採る場合には、計算に用いられる式が定式化された３モータ４輪駆動車両のモデルに相当し、後者の方法を採る場合には、マップが定式化された３モータ４輪駆動車両のモデルに相当にする。
ステップＳ４０では、コントローラ４０は、ステップＳ１０で算出した要求駆動力とステップＳ３０で算出したダイレクトヨーモーメントＭｚ及び前後駆動力配分比ζｘとに基づいて、式(20)から式(23)までの各式より各輪１１，１２，１３，１４に配分する駆動力を算出する。
ステップＳ５０では、コントローラ４０は、式(22)により算出される駆動力が左後輪１３に配分されるように走行用モータ２１に供給する電力を制御し、式(23)により算出される駆動力Ｆｘ4が右後輪１４に配分されるように走行用モータ２２に供給する電力を制御し、且つ、式(20)により算出される駆動力が左前輪１１に配分され式(21)により算出される駆動力が右前輪１２に配分されるように走行用モータ２３に供給する電力を制御する。これにより、車輪１１〜１４の接地面で散逸するパワーは最小化され、結果的に、旋回走行時に消費されるエネルギーを低減することができる。
なお、本実施の形態の車両１０は後輪１３，１４を左右独立した走行用モータ２１，２２で駆動し、前輪１１，１２を１個の走行用モータ２３で駆動する３モータ４輪駆動車両であったが、本発明は、図４に示す車両１００のように、前輪１１，１２を左右独立した走行用モータ２４，２５で駆動し、後輪１３，１４を１個の走行用モータ２６で駆動する３モータ４輪駆動車両にも適用することができる。
１０，１００ 車両
１１，１２ 前輪
１３，１４ 後輪
２１，２２，２３，２４，２５，２６ 走行用モータ
２３ 前輪駆動
４０ コントローラ（車輪制御装置）
５１ 前後加速度センサ
５２ 横加速度センサ
５３ ヨーレートセンサ
５４ 車速センサ
５５ アクセルポジションセンサ
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５１ 前後加速度センサ
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５４ 車速センサ
５５ アクセルポジションセンサ
Claims (1)
- 前輪側と後輪側の一方の側は１つの走行用モータで左右両輪を駆動し、他方の側は左右の各輪をそれぞれ独立した走行用モータで駆動する車両の車輪制御装置であって、
前記車両に対する要求駆動力を算出する手段と、
前記車両の走行状態を表す物理量を計測する手段と、
定式化された前記車両のモデルを用いて、車輪の接地面で散逸するパワーを最小にするダイレクトヨーモーメント及び前後駆動力配分比を前記物理量に基づいて算出する手段と、
前記要求駆動力と前記ダイレクトヨーモーメントと前記前後駆動力配分比とに基づいて各輪に対する駆動力配分を決定する手段と、
決定した駆動力配分に従って各走行用モータを制御する手段と、
を備えることを特徴とする車輪制御装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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