JP6864611B2 - 車両の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両の制御装置に関し、特に２つのモータのトルクを遊星機構で合流させる車両を制御する制御装置に関する。
２つのモータのトルクを遊星機構で合流させて駆動力を得る車両が知られている。例えば特許文献１には、２つのモータから得られるトルクを遊星歯車機構を介して１つの車両駆動軸に伝達する電動車両と、その電動車両の制御装置が記載されている。特許文献１には、２つのモータのうち、一方のモータのトルクが所定トルクとなるように制御（トルク制御）し、他方のモータの回転数を制御（回転数制御）する電動車両の制御装置が記載されている。
特開２００７−６８３０１号公報
例えば、特許文献１に記載されるように、２つのモータのうち、一方のモータをトルク制御して他方のモータを回転数制御する場合に、２つのモータ間の回転数差を変更しようとすると、回転数制御されているモータから得られるトルクが大きく変動してしまい、その変動が出力トルクに影響を与えてしまう場合がある。出力トルクが制御の目標値から変動してしまうと、例えば出力トルクに意図しない変動があると、車両の運転者に違和感を与えてしまうことも考えられる。
本発明の目的は、２つのモータのトルクを遊星機構で合流させて出力トルクを得る車両の制御において、２つのモータの回転運動差の目標値と出力トルクの目標値を両立させる制御を実現することにある。
本発明の具体例である車両の制御装置は、第１モータのトルクと第２モータのトルクを遊星機構で合流させて出力トルクを得る合流システムを備えた車両を制御する制御装置であって、前記第１モータと前記第２モータの回転運動差の目標値と前記出力トルクの目標値を取得する目標値取得部と、前記合流システムに対応した運動モデルの逆モデルを利用することにより、前記回転運動差の目標値と前記出力トルクの目標値を両立させる前記第１モータのトルク指令値と前記第２モータのトルク指令値を導出する指令値導出部と、を有することを特徴とする。
上記具体例において、遊星機構は２つのモータのトルクを合流させる。例えば、第１モータから得られるトルクと第２モータから得られるトルクが遊星機構において加算され、その加算結果に対応した出力トルクが得られる。また、上記具体例における回転運動差は第１モータと第２モータの回転運動を比較して得られる制御量である。回転運動差の具体例には、例えば回転角速度差や回転角加速度差などが含まれる。
そして、上記具体例では、第１モータのトルクと第２モータのトルクを遊星機構で合流させて出力トルクを得る合流システムに対応した運動モデルの逆モデルを利用することにより、回転運動差の目標値と出力トルクの目標値を両立させる第１モータのトルク指令値と第２モータのトルク指令値が導出される。こうして、例えば、上記具体例により導出されたトルク指令値に基づいて第１モータと第２モータが制御される。
このように、上記具体例によれば、２つのモータの回転運動差の目標値と出力トルクの目標値を両立させる制御が実現される。例えば、２つのモータの回転運動差の目標値と出力トルクの目標値を互いに干渉させることなく、それら２つの目標値の両方に追従できる制御が実現される。
また、例えば、前記指令値導出部は、前記合流システム内の運動に対応した運動方程式から得られる前記運動モデルの逆モデルを利用して前記第１モータと前記第２モータの２つのトルク指令値を導出してもよい。
また、例えば、前記指令値導出部は、前記第１モータのトルクと前記第２モータのトルクから前記回転運動差と前記出力トルクを得る前記運動モデルについての逆モデルを利用してもよい。
また、例えば、前記指令値導出部は、前記回転運動差と前記出力トルクの２つの目標値から、前記運動モデルに対応した行列の逆行列を用いた演算により、前記第１モータと前記第２モータの２つのトルク指令値を算出してもよい。
また、例えば、前記制御装置は、前記回転運動差の実測値をフィードバックして前記第１モータと前記第２モータの２つのトルク指令値を導出することにより、前記回転運動差の実測値が目標値に追従するように制御してもよい。
本発明により、２つのモータのトルクを遊星機構で合流させて出力トルクを得る車両の制御において、２つのモータの回転運動差の目標値と出力トルクの目標値を両立させる制御が実現される。例えば、本発明の具体例によれば、２つのモータの回転運動差の目標値と出力トルクの目標値を互いに干渉させることなく、それら２つの目標値の両方に追従できる制御が実現される。
本発明の実施において好適な車両の制御装置の具体例を示す図である。 合流システムの運動モデルとその逆モデルの具体例を示す図である。 図１，図２における記号の定義を示す図である。 遊星機構の構成例を示す図である。 運動モデルの変数とパラメータを示す図である。 図１に例示する制御装置１０による制御結果の具体例を示す図である。 比較例の制御装置を示す図である。 図７に示す比較例による制御結果を示す図である。
図１は、本発明の実施において好適な車両の制御装置の具体例を示す図である。図１には、制御装置１０を備えた車両の具体例が図示されている。図１に示す具体例において、車両は、制御装置１０の他に、第１モータ２１と第２モータ２２と遊星機構２４で構成される合流システム２０を備えており、第１モータ２１と第２モータ２２の２つのモータ（電動機）から得られる動力（トルク）を遊星機構２４で合流させて駆動力（出力トルク）を得る。
図１に例示する車両の制御装置１０は、目標値取得部１２とトルク指令値導出部１４を備えている。目標値取得部１２は、第１モータ２１と第２モータ２２の回転運動差の目標値と出力トルクの目標値を取得する。図１に示す具体例では、回転運動差の目標値として第１モータ２１と第２モータ２２の回転角速度差の目標値が取得される。回転角速度差の目標値は、例えばモータ効率や車両の走行条件などに応じて決定される。また、出力トルクの目標値は、例えば車両の運転者により操作されるアクセルの開度などに応じて決定される。
トルク指令値導出部１４は、合流システム２０に対応した運動モデルの逆モデルを利用することにより、回転運動差の目標値と出力トルクの目標値を両立させる第１モータ２１のトルク指令値と第２モータ２２のトルク指令値を導出する。
図２は、合流システム２０の運動モデルとその逆モデルの具体例を示す図である。なお図１，図２における記号の定義は図３に示すとおりである。
図２に示す具体例では、運動モデルとして、合流システム２０内の運動に対応した運動方程式から得られる行列Ａによる数学モデルが利用される。つまり、第１モータ２１のトルクと第２モータ２２のトルクから、行列Ａを用いた演算により、第１モータ２１と第２モータ２２の回転運動差（回転角速度差または回転角加速度差）と出力トルクを得る数学モデルが利用される。
また、図２に示す具体例では、運動モデルの逆モデルとして、行列Ａの逆行列Ａ−１による数学モデルが利用される。つまり、制御装置１０のトルク指令値導出部１４が、回転運動差（回転角速度差または回転角加速度差）の目標値と出力トルクの目標値から、逆行列Ａ−１を用いた演算により、第１モータ２１のトルク指令値と第２モータ２２のトルク指令値を導出する。
このように、図２に示す具体例では、制御装置１０において、回転運動差の目標値と出力トルクの目標値から、逆行列Ａ−１を用いた演算により、第１モータ２１のトルク指令値と第２モータ２２のトルク指令値が導出される。そして、導出された２つのトルク指令値により、第１モータ２１と第２モータ２２のトルクが制御される。さらに、合流システム２０において、第１モータ２１のトルクと第２モータ２２のトルクから、行列Ａに対応した運動モデルに従って回転運動差と出力トルクが得られる。行列Ａと逆行列Ａ−１の乗算結果は単位行列となるため、理論上、合流システム２０から得られる制御量である回転運動差と出力トルクがそれぞれの目標値に等しい値となる。
また、図１に示す具体例では、回転運動差の実測値をフィードバックして第１モータ２１と第２モータ２２の２つのトルク指令値を導出することにより、回転運動差の実測値が目標値に追従するように制御される。例えば、第１モータ２１に取り付けられたセンサＳと第２モータ２２に取り付けられたセンサＳから得られる２つの回転角速度（実測値）の差である回転角速度差（実測値）が制御装置１０にフィードバックされる。
そして、目標値取得部１２が、回転角速度差の目標値と実測値の差ｅに対して、比例ゲインｋｐと積分ゲインｋｉによるＰＩ（Proportional-Integral）演算を実行し、その結果に対して微分演算を実行することにより回転角加速度差（目標値）が得られる。こうして得られた回転角加速度差がトルク指令値導出部１４に入力される。
なお、制御装置１０は、例えばＣＰＵやプロセッサ等のハードウェアを利用して実現することができる。例えば目標値取得部１２とトルク指令値導出部１４がＣＰＵやプロセッサ等の演算デバイスにより実現される。また、制御装置１０の実現において、必要に応じてメモリ等のデバイスや電気電子回路が利用されてもよい。
合流システム２０に対応した運動モデル（例えば図２に示す具体例）は遊星機構２４の構造に応じて決まる。図１に示す具体例では、様々な構造（タイプ）の遊星機構２４を利用することができる。そこで、遊星機構２４の代表的な構成例を以下に説明する。なお、図１に示す遊星機構２４の具体例は、以下に説明する代表的な構成例に限定されない。
図４は、遊星機構２４の構成例を示す図である。図４に例示する遊星機構２４は、第１モータ２１が接続される第１サンギアＳ１と、第２モータ２２が接続される第２サンギアＳ２を備えている。より具体的には、第１モータ２１の出力軸３１が入力歯車対３４を介して第１サンギアＳ１の入力軸３５に接続されており、第２モータ２２の出力軸３２が入力歯車対３６を介して第２サンギアＳ２の入力軸３７に接続されている。
なお、第２モータ２２から第２サンギアＳ２までの伝達系には、車両が前進するときの第２サンギアＳ２の回転を許容し、後進方向の回転を阻止するクラッチ要素の具体例として、入力軸３７にワンウェイクラッチ４４が設けられている。
また、図４に例示する遊星機構２４は、第１サンギアＳ１と噛み合う複数の内側ピニオン（内側プラネタリピニオン）Ｐｉと、第２サンギアＳ２と噛み合う複数の外側ピニオン（外側プラネタリピニオン）Ｐｏを備えている。なお、対応関係にある各外側ピニオンＰｏと各内側ピニオンＰｉも互いに噛み合っている。さらに、図４に示す構成例の遊星機構２４は、複数の外側ピニオンＰｏと複数の内側ピニオンＰｉを回転可能に支持するキャリア（プラネタリキャリア）Ｃを備えている。
図４に例示する遊星機構２４の３要素である第１サンギアＳ１と第２サンギアＳ２とキャリアＣは、共通の回転軸線周りを回転する。図４に示す構成例では、第１サンギアＳ１と第２サンギアＳ２が２つの入力要素となり、第１サンギアＳ１の歯数ＺＳ１と第２サンギアの歯数ＺＳ２の比（ＺＳ１／ＺＳ２）が遊星歯車比λとなる（λ＝ＺＳ１／ＺＳ２）。また、出力要素となるキャリアＣは出力ギア３８を備えており、出力ギア３８は被駆動ギア４０と最終減速機４２を介して駆動輪５２に接続されている。
なお、図４に例示する遊星機構２４を備えた合流システム２０に対応した運動モデルの変数とパラメータは図５に示すとおりである。そこで、図５に示した運動モデルの変数とパラメータを利用して、合流システム２０内の運動に対応した運動方程式から得られる数学モデルの具体例について説明する。
図４に例示する遊星機構２４を備えた合流システム２０内では、第１モータ２１軸上における回転運動と、第２モータ２２軸上における回転運動と、キャリアＣ軸上における回転運動について、次式に示す運動方程式が成立している。
Figure 0006864611
また、第１モータ２１の回転角速度と第２モータ２２の回転角速度との間には、次式に示す回転数拘束条件が成立する。
Figure 0006864611
そして、数１式の運動方程式と数２式の回転数拘束条件から、数３式に示す運動モデルが導出される。数３式に示す運動モデルは、第１モータ２１のトルクと第２モータ２２のトルクから、行列Ａを用いた演算により、遊星歯車軸上での第１モータ２１と第２モータ２２の回転角加速度差と出力トルクを得る数学モデルである。
Figure 0006864611
さらに、行列Ａの逆行列Ａ−１を行列Ｂとすると、行列Ｂを構成する各要素は次式のとおりとなる。
Figure 0006864611
図１のトルク指令値導出部１４は、例えば数４式に示す逆行列Ａ−１（行列Ｂ）を用いた演算により、回転運動差（回転角加速度差）の目標値と出力トルクの目標値から、第１モータ２１のトルク指令値と第２モータ２２のトルク指令値を導出する。
図６は、図１に例示する車両の制御装置１０による制御結果の具体例を示す図である。図６には、アクセル開度，回転角速度差，出力トルク，第１モータのトルク，第２モータのトルクに関する時間変化を示す波形が図示されている。
図６に示す具体例では、時刻１秒において、アクセル操作（アクセルＯＮ）により、アクセル開度が０から５０パーセント程度にまで急激に変化している。そして、その変化に追従するように第１モータのトルクと第２モータのトルクが高められ、その結果、アクセル操作に追従するように出力トルクが素早く高められている。
また、図６に示す具体例では、時刻４秒において、第１モータ２１と第２モータ２２の回転角度差が０から−２５０ｒｐｍに変更されている。その変更において、つまり時刻４秒の時点において、出力トルクは目標値を維持し続けており、破線で示す円内において回転角度差の変更の影響を受けていない。
図７は、比較例の制御装置を示す図である。図７には、第１モータ２１のトルクが目標値となるように制御（トルク制御）し、第２モータ２２を回転角速度差の目標値に応じて制御（回転数制御）する制御装置１０´が記載されている。
図７に示す比較例では、第１モータ２１に取り付けられたセンサＳと第２モータ２２に取り付けられたセンサＳから得られる２つの回転角速度の差である回転角速度差（実測値）が制御装置１０´にフィードバックされる。そして、回転角速度差の目標値と実測値の差ｅに対して比例ゲインｋｐと積分ゲインｋｉによるＰＩ（Proportional-Integral）演算が実行され、その結果として得られたトルク指令値により第２モータ２２が制御される。なお、第１モータ２１は、第１モータ２１に対応したトルク指令値（目標値）により制御される。
図８は、図７に示す比較例による制御結果を示す図である。図８には、アクセル開度，回転角速度差，出力トルク，第１モータのトルク，第２モータのトルクに関する時間変化を示す波形が図示されている。
図８に示す比較例では、時刻１秒において、アクセル操作（アクセルＯＮ）により、アクセル開度が０から５０パーセント程度にまで急激に変化している。そして、その変化に追従するように第１モータのトルクと第２モータのトルクが高められ、その結果、アクセル操作に追従するように出力トルクが素早く高められている。
また、図８に示す比較例では、時刻４秒において、第１モータ２１と第２モータ２２の回転角度差が０から−２５０ｒｐｍに変更されている。その変更において、つまり時刻４秒の時点において、回転数制御されている第２モータ２２のトルクが大きく変化し、その変化が出力トルクに影響を与えてしまい、破線で示す円内において出力トルクが目標値からずれてしまう（ショック有）。
このように、図８に示す比較例では、第１モータ２１がトルク制御されているものの、第２モータ２２が回転数制御されており、２つのモータのトルクを協調できないため、出力トルクが回転角度差の変更の影響を受けてしまう。
これに対し、図１に例示する制御装置１０によれば、トルク制御と回転数制御を合成した複合的な制御により、第１モータ２１と第２モータ２２の各々が制御されており、２つのモータのトルクを協調できるため、例えば図６に示す具体例のように、出力トルクが回転角度差の変更の影響を受けない制御が実現できる。
このように、図１に例示する車両の制御装置１０によれば、２つのモータの回転運動差の目標値と出力トルクの目標値を両立させる制御が実現される。例えば、２つのモータの回転運動差の目標値と出力トルクの目標値を互いに干渉させることなく、それら２つの目標値の両方に追従する制御が可能になる。例えば、２つのモータの回転運動差を目標値に追従させることにより、２つのモータに対する最適な回転数配分を実現しつつ、さらに、出力トルクを目標値に追従させることにより、振動が無い（目標値からずれてしまうショックが無い）高応答な出力トルクを実現することが可能になる。
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。
１０ 制御装置、１２ 目標値取得部、１４ トルク指令値導出部、２０ 合流システム、２１ 第１モータ、２２ 第２モータ、２４ 遊星機構。

Claims (5)

  1. 第１モータのトルクと第２モータのトルクを遊星機構で合流させて出力トルクを得る合流システムを備えた車両を制御する制御装置であって、
    前記第１モータと前記第２モータの回転運動差の目標値と前記出力トルクの目標値を取得する目標値取得部と、
    前記合流システムに対応した運動モデルの逆モデルを利用することにより、前記回転運動差の目標値と前記出力トルクの目標値を両立させる前記第１モータのトルク指令値と前記第２モータのトルク指令値を導出する指令値導出部と、
    を有する、
    ことを特徴とする車両の制御装置。
  2. 請求項１に記載の車両の制御装置において、
    前記指令値導出部は、前記合流システム内の運動に対応した運動方程式から得られる前記運動モデルの逆モデルを利用して前記第１モータと前記第２モータの２つのトルク指令値を導出する、
    ことを特徴とする車両の制御装置。
  3. 請求項１または２に記載の車両の制御装置において、
    前記指令値導出部は、前記第１モータのトルクと前記第２モータのトルクから前記回転運動差と前記出力トルクを得る前記運動モデルについての逆モデルを利用する、
    ことを特徴とする車両の制御装置。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の車両の制御装置において、
    前記指令値導出部は、前記回転運動差と前記出力トルクの２つの目標値から、前記運動モデルに対応した行列の逆行列を用いた演算により、前記第１モータと前記第２モータの２つのトルク指令値を算出する、
    ことを特徴とする車両の制御装置。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の車両の制御装置において、
    前記回転運動差の実測値をフィードバックして前記第１モータと前記第２モータの２つのトルク指令値を導出することにより、前記回転運動差の実測値が目標値に追従するように制御する、
    ことを特徴とする車両の制御装置。
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