JP6977849B1 - 車両システムの振動抑制制御装置および振動抑制制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(b)バンドパスフィルタの特性を有する伝達特性H(s)
(c)車両として希望しているトルク入力からモータ回転速度までの伝達特性Gm(s)
これを組み合わせて、トルク指令から共振周波数成分を除去する帯域遮断フィルタと、モータ速度検出を使用したフィードバック制御による振動抑制制御を構成している。
(2)制御方式をサンプル値系に実装したときに生じる離散時間による誤差の抑制
(3)電流制御や速度検出などの遅れ時間(ムダ時間)による誤差成分の抑制。
特許文献1では、車両システムのモデルをGp(s)として表している。このモデルは「モータ、タイヤ、車体」などの複数の慣性体が存在しているので、伝達関数で表すと高次式になる。しかし高次式のままでは特性が把握しにくいし、また振動抑制制御の設計も複雑になる。そこで、モデルを「積分と二次式との積」の伝達関数に近似し、そしてそれを利用した振動抑制制御の設計法を提案する。
特許文献1、2には記載されていないが、制御に使用するモデル誤差も問題となる。車両の使用状況は大きく変化するので、例えばスリップしやすい路面ではタイヤ係数が小さくなる。一般的には制御内部のモデルは固定されているので、プラントとモデルのパラメータ誤差が生じる。これにより制御性能が低下するので、路面が変化しても性能低下が少ないロバスト性が望まれる。
本発明で対策する「ムダ時間」には、背景技術の(2)と(3)で示したように2種類の成分が存在する。特許文献1ではCPUに実装するためにサンプル値系に変換することにより生じる離散時間による誤差を課題とし、特許文献2では、速度検出遅れなどの制御上のムダ時間を課題としている。
伝達機構のギヤにはバックラッシュ成分が存在する。この非線形要素によりハンチングなどの不安定現象が発生しやすい。特許文献1の振動抑制方式ではモデルの逆関数1/Gp(s)を使用しており、この特性は共振周波数の帯域のゲインは低いが、逆に反共振周波数付近のゲインが高くなる。そのため非線形性やモデル誤差によって生じる振動成分は、反共振周波数付近の低い周波数で発生するようになる。この不安定現象の抑制も必要である。
トルク制御機能を有するモータ駆動装置により弾性軸を介して車両を駆動する車両システムにおいて、
出力トルク指令Tmを入力する近似モデルを有し、
前記近似モデルを利用し、モータ回転速度の速度検出成分ωmを微分することにより、モータ加速トルク成分TmA *を求め、モータ加速トルク成分TmA *に振動抑制制御フィルタFcomp(s)を通した補償トルク成分TFcompを、入力トルク指令Trefから減算することで前記出力トルク指令Tmを算出するフィードバック制御構成を備え、
前記振動抑制制御フィルタFcomp(s)は(13)式から成る、ことを特徴とする。
s:ラプラス演算子
ωr=√(Kd・(1/TJm+1/TJwM)
ωa=√(Kd・(1/TJwM))
ζr=(Kd・Ds)/(2・ωr)
ζa=(Kd・Ds)/(2・ωa)
ζA:調整要素
Ds=TJM/(TJw+TJM)・Kt
TJm:モータのイナーシャ相当の時定数
TJw:駆動輪のイナーシャ相当の時定数(複数輪の合成値)
TJM:車両の質量相当の時定数
Kd:駆動系のねじれ剛性係数
Kt:タイヤと路面の摩擦に関する係数
TJwM=TJw+TJM
請求項2に記載の車両システムの振動抑制制御装置は、請求項1において、
前記近似モデルは、前記出力トルク指令Tmから、外乱トルクオブザーバで求めた外乱推定トルク^Tobsおよび軸ねじれトルク^Tdを減算して推定モータ加速トルク成分^TmAを出力する減算器と、前記推定モータ加速トルク成分^TmAをモータの慣性モーメントに相当する時定数で除算してモータ側の加速度を求めるブロックと、前記軸ねじれトルク^Tdをタイヤと車体の合成慣性モーメントで除算して車体側の加速度を求めるブロックと、前記モータ側の加速度と車体側の加速度の差分を時間積分してモータおよび車体の相対速度を求めるブロックと、前記軸ねじれトルク^Tdにすべり係数^Dsを乗算してタイヤのすべり速度を求めるブロックと、前記モータおよび車体の相対速度と前記タイヤのすべり速度との差分を時間積分して弾性軸のねじれ位相に変換した後、駆動系のねじれ剛性係数^Kdを乗算して前記軸ねじれトルク^Tdを得るブロックと、を備えて構成され、
前記推定モータ加速トルク成分^TmAと、モータ回転速度の速度検出成分ωmを微分して求めたモータ加速トルク成分TmA *との偏差に対して、モータ慣性モーメントに相当する時定数の積分演算を施し、その積分演算結果にオブザーバゲインKgを乗算して外乱推定トルク^Tobsを求め、前記外乱推定トルク^Tobsを前記減算器に入力する外乱トルクオブザーバを設けたことを特徴とする。
前記振動抑制制御フィルタFcomp(s)の入力を、前記モータ加速トルク成分TmA *に代えて、前記推定モータ加速トルク成分^TmAとすることを特徴とする。
前記推定モータ加速トルク成分^TmAを遅延して、モータ回転速度の速度検出成分と推定モータ加速トルク成分^TmAの時間整合をとる遅延補償手段を備えたことを特徴とする。
前記モータ加速トルク成分TmA *と、前記推定モータ加速トルク成分^TmAとの偏差を遅延させる低域通過フィルタを備えたことを特徴とする。
前記モータ加速トルク成分TmA *と、前記推定モータ加速トルク成分^TmAに、可変の重み係数を各々乗算する乗算器と、前記各乗算器の出力を加算する加算器を備え、
前記加算器の出力を前記振動抑制制御フィルタFcomp(s)の入力としたことを特徴とする。
トルク制御機能を有するモータ駆動装置により弾性軸を介して車両を駆動する車両システムにおいて、
モータ回転位相および時間の計測値から演算したモータ回転検出速度ωm_detと、出力トルク指令Tmを入力する車両モデルにより推定したモータ回転推定速度^ωmを、速度検出側の遅れ時間を含めた遅延時間の総和と等しい時間遅延させて得た^ωm_dlyとの偏差情報により外乱推定トルク^Tobsを求める外乱トルクオブザーバと、
入力トルク指令Trefに前置フィルタを通したトルク指令Tref_LPFから、前記車両モデルにより求めた推定モータ加速トルク成分^TmAに振動抑制制御フィルタを通した補償トルク成分ΔTcompを減算することで前記出力トルク指令Tmを算出するフィードバック制御構成を備え、
前記外乱トルクオブザーバは、サンプル値系のモデルで構成され、前記出力トルク指令Tmから外乱推定トルク^Tobsを減算した^Tmを入力とし、該^Tmから推定モータ加速トルク成分^TmAを求めるブロックであり、^Tmから軸ねじれトルク^Tdを減算して^TmAを出力する減算器と、推定モータ加速トルク成分^TmAを近似積分して得た^ωmから、^Tdを近似積分して得た車体速度^ωWmおよび^Tdにすべり係数^Dsを乗じたタイヤすべり速度を減算して軸ねじれ速度^ωdを求め、^ωdに積分係数^Kd・Tcを乗算したものを近似積分した後遅延器を通して前記軸ねじれトルク^Tdとする機能とを備えたブロックか、又は(12)式の二次伝達関数から係数を設計した二次フィルタにより構成された^Tm−^TmA変換ブロックと、
s:ラプラス演算子
ωr=√(Kd・(1/TJm+1/TJwM)
ωa=√(Kd・(1/TJwM))
ζr=(Kd・Ds)/(2・ωr)
ζa=(Kd・Ds)/(2・ωa)
Ds=TJM/(TJw+TJM)・Kt
TJm:モータのイナーシャ相当の時定数
TJw:駆動輪のイナーシャ相当の時定数(複数輪の合成値)
TJM:車両の質量相当の時定数
Kd:駆動系のねじれ剛性係数
Kt:タイヤと路面の摩擦に関する係数
TJwM=TJw+TJM
前記推定モータ加速トルク成分^TmAを近似積分した^ωmを、速度検出側の遅れ時間を含めた遅延時間の総和と等しい時間遅延させて得た^ωm_dlyと前記モータ回転検出速度ωm_detの偏差にオブザーバゲインKgを乗算するゲイン乗算器と、ゲイン乗算器の出力を遅延して前記^Tobsとする遅延器と、を備え、
前記ωm_detと^ωmの偏差は、モータ回転位相の過去のサンプル値との位相差を時間差で除算したωm_detと、^ωmを遅延ブロックにより遅延させた^ωm_dlyとの偏差をとるか、モータ回転位相の過去のサンプル値との位相差を固定サンプル周期で除算したωm_detと、^ωmを遅延ブロックにより遅延させた^ωm_dlyとの偏差をとるか、位相計測値に対してサンプル値系の一次遅れフィルタを構成し、一次遅れフィルタの積算部の入力信号をサンプル周期Tcで除算したωm_detと、^ωmを前記一次遅れフィルタと同じ係数の一次遅れフィルタを有した遅延ブロックにより遅延させた^ωm_dlyとの偏差をとるか、のいずれかのサンプル値系のモデルの演算によって行われ、
前記振動抑制制御フィルタFcomp(s)は(13)式から成る、ことを特徴とする。
s:ラプラス演算子
ωr=√(Kd・(1/TJm+1/TJwM)
ωa=√(Kd・(1/TJwM))
ζr=(Kd・Ds)/(2・ωr)
ζa=(Kd・Ds)/(2・ωa)
ζA:調整要素
Ds=TJM/(TJw+TJM)・Kt
TJm:モータのイナーシャ相当の時定数
TJw:駆動輪のイナーシャ相当の時定数(複数輪の合成値)
TJM:車両の質量相当の時定数
Kd:駆動系のねじれ剛性係数
Kt:タイヤと路面の摩擦に関する係数
TJwM=TJw+TJM
請求項8に記載の車両システムの振動抑制制御装置は、
トルク制御機能を有するモータ駆動装置により弾性軸を介して車両を駆動する車両システムにおいて、
モータ回転位相および時間の計測値から演算したモータ回転検出速度ωm_detの時間微分成分TmA_detと出力トルク指令Tmに基づいて外乱推定トルク^Tobsを求める外乱トルクオブザーバと、
入力トルク指令Trefに前置フィルタを通したトルク指令Tref_LPFから、前記車両モデルにより求めた推定モータ加速トルク成分^TmAに振動抑制制御フィルタを通した補償トルク成分ΔTcompを減算することで前記出力トルク指令Tmを算出するフィードバック制御構成を備え、
前記外乱トルクオブザーバは、サンプル値系のモデルで構成され、前記出力トルク指令Tmから外乱推定トルク^Tobsを減算した^Tmを入力とし、該^Tmから推定モータ加速トルク成分^TmAを求めるブロックであり、^Tmから軸ねじれトルク^Tdを減算して^TmAを出力する減算器と、
^TmAに積分係数Tc/^TJmを乗算したものから^Tdに積分係数Tc/^TJwMを乗算したものを減算し、該減算出力に対して第1の近似積分を施し、第1の近似積分出力から、^Tdにすべり係数^Dsを乗じたタイヤすべり速度を減算して軸ねじれ速度^ωdを求め、^ωdに積分係数^Kd・Tcを乗算したものに対して第2の近似積分を施した後遅延器に通して前記軸ねじれトルク^Tdとする機能とを備えたブロックか、又は(12)式の二次伝達関数から係数を設計した二次フィルタにより構成された^Tm−^TmA変換ブロックと、
前記ΔTmA_detの演算は、
モータ回転位相の過去のサンプル値との位相差を時間差で除算したωm_detを、遅延させた後係数TJm/Tcにより微分して得た^TmA_detと、^TmAを遅延ブロックにより遅延させた^TmA_dlyとの偏差をとるか、
モータ回転位相の過去のサンプル値との位相差を固定サンプル周期で除算したωm_detを、遅延させた後係数TJm/Tcにより微分して得た^TmA_detと、^TmAを遅延ブロックにより遅延させた^TmA_dlyとの偏差をとるか、
位相計測値を微分したωm_detに対してサンプル値系の一次遅れフィルタを構成し、一次遅れフィルタの積算部の入力信号^TmA_detと、^TmAを前記一次遅れフィルタと同じ係数の一次遅れフィルタを有した遅延ブロックにより遅延させた^TmA_dlyとの偏差をとるか、のいずれかのサンプル値系のモデルの演算によって行われ、
前記振動抑制制御フィルタFcomp(s)は(13)式から成る、ことを特徴とする。
s:ラプラス演算子
ωr=√(Kd・(1/TJm+1/TJwM)
ωa=√(Kd・(1/TJwM))
ζr=(Kd・Ds)/(2・ωr)
ζa=(Kd・Ds)/(2・ωa)
ζA:調整要素
Ds=TJM/(TJw+TJM)・Kt
TJm:モータのイナーシャ相当の時定数
TJw:駆動輪のイナーシャ相当の時定数(複数輪の合成値)
TJM:車両の質量相当の時定数
Kd:駆動系のねじれ剛性係数
Kt:タイヤと路面の摩擦に関する係数
TJwM=TJw+TJM
請求項9に記載の車両システムの振動抑制制御装置は、請求項7又は8において、
バックラッシュ期間を検出するバックラッシュ期間検出部と、
前記入力トルク指令Trefを、高周波数帯域を制限する前置フィルタに通したTref_LPFから、前記補償トルク成分ΔTcompを減算して出力トルク指令Tmを出力する補償トルク減算器と、
前記補償トルク減算器から出力される出力トルク指令Tmを制限するリミッタであって、第1のトルクリミット値を有する第1のトルクリミッタおよび第1のトルクリミット値よりも小さい第2のトルクリミット値を有する第2のトルクリミッタと、
第1のトルクリミッタ又は第2のトルクリミッタの出力を選択するスイッチであり、前記バックラッシュ期間検出部がバックラッシュ期間を検出したときに第2のトルクリミッタの出力が選択される切替スイッチと、
前記切替スイッチで選択されたトルクリミッタの出力を前記補償トルク成分ΔTcompと加算して前記前置フィルタにフィードバックする加算器と、を備え、
前記バックラッシュ期間検出部は、
前記^Tmと^TmAの差分である推定ねじれトルク^Tdを入力して推定軸ねじれ位相^θdに変換するトルク−位相変換部と、
前記推定軸ねじれ位相^θdの零クロス点をバックラッシュ期間の開始タイミングとして検出するバックラッシュ開始タイミング検出部と、
前記推定軸ねじれ位相^θdを時間微分して軸ねじれ速度を推定するねじれ速度推定部と、
出力トルク指令Tmを時間積分してバックラッシュ期間中の速度の変化成分を推定する変化速度推定部と、
前記ねじれ速度推定部で推定された軸ねじれ速度を、前記バックラッシュ開始タイミング検出部で検出されたバックラッシュの開始タイミングにより保持した初期ねじれ速度と、前記変化速度推定部で推定されたバックラッシュ期間中の速度の変化成分を加算し、時間積分してバックラッシュに相当する推定位相変化量^ΔθBLを推定するねじれ変位推定部と、
設定したバックラッシュの位相幅の絶対値^θdおよび余裕幅Δθと、前記ねじれ変位推定部で推定された位相変化量^ΔθBLの比較に基づいてバックラッシュ期間の終了を検出するバックラッシュ終了検出部と、を備え、
前記バックラッシュ開始タイミング検出部で検出されたバックラッシュ開始タイミングと前記バックラッシュ終了検出部で検出されたバックラッシュ終了信号に基づいてバックラッシュ期間を検出することを特徴とすることを特徴としている。
前記トルク−位相変換部は、前記^Tdに代えて前記Tmを入力して^θdに変換することを特徴としている。
請求項1から10のいずれか1項に記載の車両システムの振動抑制制御装置を実行することを特徴としている。
(2)請求項1に記載の発明によれば、近似モデルの伝達関数の次数を二次に低減することができる。この低減されたフィルタの二次式を利用することで、振動抑制制御を構築するために必要な(13)式のフィルタ特性を簡単に設計することができる。
(3)請求項2に記載の発明によれば、振動抑制制御にて計算しているモータ加速トルク成分TmA *を流用して外乱トルクオブザーバを実現することができ、この外乱トルクオブザーバにより、外乱トルクを推定することができる。
(4)請求項3に記載の発明によれば、外乱トルクオブザーバの外乱推定機能が振動抑制に寄与するので、バックラッシュを要因とする振動(ハンチング)や、タイヤ係数が変動した場合などのモデル誤差による外乱成分を抑制することができる。
(5)請求項4、5に記載の発明によれば、外乱トルクオブザーバのモータ加速トルクと速度検出の微分成分との時間的整合をとることができ、トルク指令が急変したときの振動抑制制御の特性が改善される。
(6)請求項6に記載の発明によれば、振動抑制制御に使用するモータ加速トルクを、速度検出を微分した成分と外乱トルクオブザーバ側のモータ加速トルクとで切り替えたり、両者を合成したり、各々に重み係数を付与したりすることができる。
(7)請求項7に記載の発明によれば、共振帯域のトルク成分を除去したトルク指令を出力することができる。
(8)請求項8に記載の発明によれば、速度検出から得たモータ加速トルク成分TmA_detと車両モデルから得た推定モータ加速トルク成分^TmAとの偏差に基づいて外乱推定トルク^Tobsを求めているので、外乱トルクオブザーバの構成を簡単化することができる。
(9)請求項9、10に記載の発明によれば、バックラッシュの開始時刻と終了時刻を推定することができ、さらにバックラッシュ期間中はトルク指令を小さくしたモータの加速量を抑制できる。これにより加速による運動エネルギーが小さくなり、バックラッシュ終了時にギヤの歯が衝突したときのショックを小さくすることができる。
TJw:駆動輪のイナーシャ相当の時定数(複数輪の合成値)
TJM:車両の質量相当の時定数
Kd:駆動系のねじれ剛性係数
Kt:タイヤと路面の摩擦に関する係数
ωm:モータの角速度
ωw:駆動輪の角速度
ωM:車両の速度
Tm:モータのトルク
Td:駆動輪のトルク
Tt:タイヤと接地面間のトルク
TF:車両に加えられる外力(外乱トルク成分)
上記では、トルクと時定数とを混同しないように、トルクに関する変数は「T」を使用し、慣性モーメントから変換した時定数については「TJ」を使用している。
s:ラプラス演算子
ωr=√(Kd・(1/TJm+1/TJwM)
ωa=√(Kd・(1/TJwM))
ζr=(Kd・Ds)/(2・ωr)
ζa=(Kd・Ds)/(2・ωa)
Ds=TJM/(TJw+TJM)・Kt
TJm:モータのイナーシャ相当の時定数
TJw:駆動輪のイナーシャ相当の時定数(複数輪の合成値)
TJM:車両の質量相当の時定数
Kd:駆動系のねじれ剛性係数(ギヤ・弾性軸やシャフト等)
Kt:タイヤと路面の摩擦に関する係数
TJwM=TJw+TJM
^GP(s):制御内のモデル
Kg:オブザーバゲイン
^ωm:制御モデルによるモータの推定速度
Tmdist:モータ軸トルクに換算した外乱トルク成分
^Tobs:外乱推定トルク
本来は登坂路のような勾配などの影響は車体の外力として作用し、またブレーキによる減速力はタイヤ軸の外乱トルクとして作用する。しかし検出情報はモータ速度だけなので、これらの外乱トルク成分をまとめてモータ軸に換算したTmdistとして定義し、外乱トルクオブザーバによりこの外乱トルクを^Tobsとして推定する。
本発明は、振動抑制制御の特性を改善することが目的であるので、ステップ応答などの過渡応答を数値シミュレーションで調べることにより作用・効果を検証する。
TMdist(t):車体に加わる外乱力(トルク換算)
Gp(s):車両を模擬したプラントモデル(図12)
±θBL:実モデルのギヤのバックラシュ位相(零設定のときはバックラシュ無し)
KKt:実モデルの路面変化用の調整係数(1.0:実路面の摩擦がモデルと一致、<1:路面がスリップ状態の場合)
^GPTmA2(s):外乱トルクオブザーバに用いるモデル((12)式)
^TJm:モデルのモータ慣性モーメント相当の時定数
Kg:外乱トルクオブザーバのフィードバックゲイン
Fcomp(s):振動抑制制御のフィルタ部((13)式、ζA=1)
KFB:振動抑制制御のフィードバック成分のゲイン補正(零設定のときは補償無し)
LPF1:速度検出遅れを模擬した低域通過フィルタ(τLPF1:時時定、τLPF1=0は遅延なし)
LPF2:オブザーバ内の速度検出遅れと整合させる低域通過フィルタ(τLPF2:時定数、τLPF2=0は遅延なし)
^Tobs:外乱トルクオブザーバによる推定トルク
TFcomp:振動抑制制御の補償トルク成分
TmA_dly:実機プラント側のモータ速度検出の微分成分(遅延あり)
^TmA、^TmA_dly:モデル側のモータ速度検出の微分成分(遅延なし)、(遅延あり)
過渡応答特性を調べるために、入力トルク指令Tref(t)と負荷外乱トルクTMdist(t)の入力パターンは図14のように設定した。これは、トルク指令の応答特性と車体に加わる反力を過渡的に変化したときの振動成分、および零トルクに戻した時のバックラシュの影響を評価するための特性例である。
t=2.0〜4.0s :0%トルクで惰行走行
t=4.0〜5.0s :50%トルクの反力(上り勾配)により減速
t=5.0s〜:0%トルクの反力、惰行走行
しかし、実際のトルク指令はこのような急峻に変化するステップ波形ではないので、低域通過フィルタ93のLPF3(10ms)を追加して少し立ち上がりを緩和させてある。後述する波形には、このフィルタ93の出力を「TrefLp」として示している。
図15は実施例1に使用するモデル近似の妥当性を示すために、(2)式のGTdWw(s)と(7)式のGTdWw2(s)の特性をbode線図にて比較したものである。(a)図より、ゲインに差が生じるのは50Hz以上であり、共振周波数である10Hzより高い周波数成分にだけ差が生じている。さらに(b)図にて、モータの入力トルクからモータ速度までの伝達関数である(3)式のGp(s)と(10)式・(11)式のGp2(s)を比較してみると、ほぼ2つの特性が重なっていることから近似モデルの誤差は少なく、この近似を適用したモデルも制御に使用できることが分かる。
前項に示した図16と図17では、図3の近似モデルを用いた図6の構成の外乱トルクオブザーバの推定機能のみ有効にしてある(Kg≠0)。この図16と図17の一点鎖線で示した推定外乱トルク^Tobsの推定動作を確認すると、t=1sとt=2sには微小成分が生じているが直ぐに無負荷に戻り、t=4sとt=5sの外乱トルクの開始及び解除時には、応答遅れがあるものの、安定に外乱トルクを推定できている。
実施例3の作用を示す前に、解決したい2種類の課題を説明する波形例を示しておく。
図18と同じバックラシュのみ設定した条件に対して、電流制御や速度検出の遅れ時間をLPF1(τLPF1)として模擬したものが図23の特性例である。振動抑制制御は実施例3の条件のままであり、まだオブザーバ側の時間整合対策は適用しないのでLPF2は遅延なし(τLPF2=0)に設定している。また、課題の特徴を明確にするために、トルク指令の入力部に挿入したLPF3も時定数を零に変更(τLPF3=10→0ms)して、トルク指令をステップ状に急変させている。本特性の改善効果は、トルク指令の変化時に現れるので、波形はt=0.5〜2.5sの期間のみ時間軸方向に拡大して描いてある。外乱トルク時には低周波成分だけなので安定性に差が無いため省略した。
(オブザーバの構成方法と速度検出方式との組み合わせ、および時間整合対策)
実施例1〜実施例5に記載された基本原理は連続系のモデルと伝達関数式を利用して示されている。しかし、実用に供する際にはディジタル制御として実装する必要があり、これにはいくつかの課題がある。
車両の伝達機構には減速ギヤが使用されているが、ギヤにはバックラッシュと呼ばれる遊びがある。これはモータトルクの極性が正負に切り替わる零トルク付近で発生し、ギヤの歯が噛み合っていないため伝達力つまりモータ軸への反力も零の状態になる。そのためモータの慣性モーメントが小さければ、モータトルクがそれほど大きくなくてもモータ速度は急加速する。そしてバックラッシュ期間の終了時にはギヤの歯同士が衝突する状態になり、「ガタ詰めショック」と呼ばれる異常な振動や音が生じる。
実施例1〜5では、連続系のモデルにて構成を示している。しかし、近年では制御器にCPU(Central Processing Unit)と呼ばれるコンピュータのプロセッサを使用することが多く、制御アルゴリズムは離散時間のディジタル値として取り扱うディジタル制御として実装されている。
連続の入力信号であっても、離散時間のサンプル値に変換して取り扱われる。内部の状態量もサンプルタイミングを基準にして更新される。プログラムの実行には時間を要するので、出力信号には最大1サンプルの遅延が発生する。
信号の量も符号化されたディジタル値として取り扱うので、有効桁数や分解能の問題が生じる。固定小数点や浮動小数点などの符号化方法によりダイナミックレンジも変化する。
サンプル値系のディジタル制御において、連続系に近い結果を得るには、積分を近似するためにルンゲクッタ法のような繰り返し演算を適用する方法がある。また多くの積分要素が有り、またフィードバックループを含む構成については、多変数の状態方程式などに変換して連立微分法的式を解くなどの方法もある。一方で、後進差分法などを用いて、多少の誤差を含むが簡単に実装する方法もある。
Tref:入力トルク指令、上位の指令装置からモータの軸出力トルクを要求された値
ΔTcomp:振動抑制制御の出力(振動抑制制御フィルタ150の出力)である補償トルク成分
Tm:本制御装置の出力トルク指令、また外乱トルクオブザーバ120の入力でもある。後段のモータ駆動装置にてこのトルクを発生する。
θm,t:実モータの回転位相と時間であり、これらをRD変換器130によりサンプル時刻でラッチし、その時間差成分より後段の速度演算部140で速度を演算する。
^ωm:外乱トルクオブザーバ内の規範モデル(121)におけるモータ速度推定出力
^TmA:外乱トルクオブザーバ内の規範モデル(121)におけるモータ加速トルク推定出力
^ωm_dly:速度演算部140の「遅延1:e-L1s」と整合させるために、^ωmを遅延部62の「遅延2:e-L2s」により遅延した信号成分
Δωm:モデルの推定モータ速度(^ωm_dly)とモータの速度検出(ωm_det)との偏差を減算器51でとった速度偏差成分、これにオブザーバゲインKg倍をゲイン乗算器43で乗算して推定トルク^Tobsとする。
(a)前置フィルタ部(PRE-LPF)100:外部からのトルク指令Trefから高い周波数成分を除去するフィルタ、上下限を制限するトルクリミッタもここに内蔵されている、この出力Tref_LPFを振動抑制制御の入力とする。
推定ねじれトルク^Tdを入力して“=d”側に固定したスイッチswBと、推定軸ねじれ位相^θdに変換する除算器210(トルク−位相変換部)と、
前記推定軸ねじれ位相^θdの零クロス点をバックラッシュ期間の開始タイミングとして検出するバックラッシュ開始タイミング検出部220と、
前記推定軸ねじれ位相^θdを時間微分して軸ねじれ速度^ωd_divTdを推定するねじれ速度推定部230と、
図37の出力トルク指令であるTmをモータ慣性モーメント相当の時定数^TJmにて時間積分してバックラッシュ期間中のモータ速度の変化成分^Δωd_BLを推定する変化速度推定部240と、
前記ねじれ速度推定部230で推定された軸ねじれ速度を、前記バックラッシュ開始タイミング検出部220で検出されたバックラッシュの開始タイミングでラッチ回路sh1により保持した初期ねじれ速度^ωd_iniと、前記変化速度推定部240で推定されたバックラッシュ期間中の速度の変化成分^Δωd_BLとを加算器251で加算し、さらにそれを時間積分してバックラッシュに相当する推定位相変化量^ΔθBLを推定するねじれ変位推定部250と、
設定したバックラッシュの位相幅の絶対値^θBLおよび余裕幅Δθと、前記ねじれ変位推定部250で推定された位相変化量^ΔθBLの比較に基づいてバックラッシュ期間の終了を検出するバックラッシュ終了検出部260と、を備え、
前記バックラッシュ開始タイミング検出部220で検出されたバックラッシュ開始タイミング(トリガ信号E_Set)と前記バックラッシュ終了検出部260で検出されたバックラッシュ終了(S_Rst)に基づいてバックラッシュ期間を検出するように構成されている。
12…Gm(s)ブロック
14…Gd(s)ブロック
16…Gw(s)ブロック
18…Ktブロック
20…GM(s)ブロック
21…Dsブロック
22…1/TJwM・sブロック
23、83、108、241…加算器
25、26、210、233…除算器
28、52、87…積分器
31…微分器
43…ゲイン乗算器
61、62…遅延部
65,103、124、126、132、135、141、143、161、202、203、231…遅延器
66、67…移動平均演算部
70、91、92、93…低域通過フィルタ
80…信号選択重み制御部
81、82、85、95…乗算器
86…位相非線形関数器
88…Kdブロック
100…前置フィルタ部
101、102…トルクリミッタ
110…プラント
120…外乱トルクオブザーバ
122、128、241、253…積算部
130…RD変換器
140、141…速度演算部
150…振動抑制制御フィルタ
200…バックラッシュ期間検出部
220…バックラッシュ開始タイミング検出部
221、262…論理和回路
230…ねじれ速度推定部
240…変化速度推定部
250…ねじれ変位推定部
260…バックラッシュ終了検出部
261p、261n…基準位相設定部
swA,swB,sw2f,sw2r,sw3,sw4…スイッチ
sh1,sh2f,sh2r…ラッチ回路
cmpf,cmpr…比較器
sr1…フリップフロップ
Claims (11)
- トルク制御機能を有するモータ駆動装置により弾性軸を介して車両を駆動する車両システムにおいて、
出力トルク指令Tmを入力する近似モデルを有し、
前記近似モデルを利用し、モータ回転速度の速度検出成分ωmを微分することにより、モータ加速トルク成分TmA *を求め、モータ加速トルク成分TmA *に振動抑制制御フィルタFcomp(s)を通した補償トルク成分TFcompを、入力トルク指令Trefから減算することで前記出力トルク指令Tmを算出するフィードバック制御構成を備え、
前記振動抑制制御フィルタFcomp(s)は(13)式から成る、ことを特徴とする車両システムの振動抑制制御装置。
s:ラプラス演算子
ωr=√(Kd・(1/TJm+1/TJwM)
ωa=√(Kd・(1/TJwM))
ζr=(Kd・Ds)/(2・ωr)
ζa=(Kd・Ds)/(2・ωa)
ζA:調整要素
Ds=TJM/(TJw+TJM)・Kt
TJm:モータのイナーシャ相当の時定数
TJw:駆動輪のイナーシャ相当の時定数(複数輪の合成値)
TJM:車両の質量相当の時定数
Kd:駆動系のねじれ剛性係数
Kt:タイヤと路面の摩擦に関する係数
TJwM=TJw+TJM - 前記近似モデルは、前記出力トルク指令Tmから、外乱トルクオブザーバで求めた外乱推定トルク^Tobsおよび軸ねじれトルク^Tdを減算して推定モータ加速トルク成分^TmAを出力する減算器と、前記推定モータ加速トルク成分^TmAをモータの慣性モーメントに相当する時定数で除算してモータ側の加速度を求めるブロックと、前記軸ねじれトルク^Tdをタイヤと車体の合成慣性モーメントで除算して車体側の加速度を求めるブロックと、前記モータ側の加速度と車体側の加速度の差分を時間積分してモータおよび車体の相対速度を求めるブロックと、前記軸ねじれトルク^Tdにすべり係数^Dsを乗算してタイヤのすべり速度を求めるブロックと、前記モータおよび車体の相対速度と前記タイヤのすべり速度との差分を時間積分して弾性軸のねじれ位相に変換した後、駆動系のねじれ剛性係数^Kdを乗算して前記軸ねじれトルク^Tdを得るブロックと、を備えて構成され、
前記推定モータ加速トルク成分^TmAと、モータ回転速度の速度検出成分ωmを微分して求めたモータ加速トルク成分TmA *との偏差に対して、モータ慣性モーメントに相当する時定数の積分演算を施し、その積分演算結果にオブザーバゲインKgを乗算して外乱推定トルク^Tobsを求め、前記外乱推定トルク^Tobsを前記減算器に入力する外乱トルクオブザーバを設けたことを特徴とする請求項1に記載の車両システムの振動抑制制御装置。 - 前記振動抑制制御フィルタFcomp(s)の入力を、前記モータ加速トルク成分TmA *に代えて、前記推定モータ加速トルク成分^TmAとすることを特徴とする請求項2に記載の車両システムの振動抑制制御装置。
- 前記推定モータ加速トルク成分^TmAを遅延して、モータ回転速度の速度検出成分と推定モータ加速トルク成分^TmAの時間整合をとる遅延補償手段を備えたことを特徴とする請求項3に記載の車両システムの振動抑制制御装置。
- 前記モータ加速トルク成分TmA *と、前記推定モータ加速トルク成分^TmAとの偏差を遅延させる低域通過フィルタを備えたことを特徴とする請求項4に記載の車両システムの振動抑制制御装置。
- 前記モータ加速トルク成分TmA *と、前記推定モータ加速トルク成分^TmAに、可変の重み係数を各々乗算する乗算器と、前記各乗算器の出力を加算する加算器を備え、
前記加算器の出力を前記振動抑制制御フィルタFcomp(s)の入力としたことを特徴とする請求項3又は4又は5に記載の車両システムの振動抑制制御装置。 - トルク制御機能を有するモータ駆動装置により弾性軸を介して車両を駆動する車両システムにおいて、
モータ回転位相および時間の計測値から演算したモータ回転検出速度ωm_detと、出力トルク指令Tmを入力する車両モデルにより推定したモータ回転推定速度^ωmを、速度検出側の遅れ時間を含めた遅延時間の総和と等しい時間遅延させて得た^ωm_dlyとの偏差情報により外乱推定トルク^Tobsを求める外乱トルクオブザーバと、
入力トルク指令Trefに前置フィルタを通したトルク指令Tref_LPFから、前記車両モデルにより求めた推定モータ加速トルク成分^TmAに振動抑制制御フィルタを通した補償トルク成分ΔTcompを減算することで前記出力トルク指令Tmを算出するフィードバック制御構成を備え、
前記外乱トルクオブザーバは、サンプル値系のモデルで構成され、前記出力トルク指令Tmから外乱推定トルク^Tobsを減算した^Tmを入力とし、該^Tmから推定モータ加速トルク成分^TmAを求めるブロックであり、^Tmから軸ねじれトルク^Tdを減算して^TmAを出力する減算器と、推定モータ加速トルク成分^TmAを近似積分して得た^ωmから、^Tdを近似積分して得た車体速度^ωWmおよび^Tdにすべり係数^Dsを乗じたタイヤすべり速度を減算して軸ねじれ速度^ωdを求め、^ωdに積分係数^Kd・Tcを乗算したものを近似積分した後遅延器を通して前記軸ねじれトルク^Tdとする機能とを備えたブロックか、又は(12)式の二次伝達関数から係数を設計した二次フィルタにより構成された^Tm−^TmA変換ブロックと、
s:ラプラス演算子
ωr=√(Kd・(1/TJm+1/TJwM)
ωa=√(Kd・(1/TJwM))
ζr=(Kd・Ds)/(2・ωr)
ζa=(Kd・Ds)/(2・ωa)
Ds=TJM/(TJw+TJM)・Kt
TJm:モータのイナーシャ相当の時定数
TJw:駆動輪のイナーシャ相当の時定数(複数輪の合成値)
TJM:車両の質量相当の時定数
Kd:駆動系のねじれ剛性係数
Kt:タイヤと路面の摩擦に関する係数
TJwM=TJw+TJM
前記推定モータ加速トルク成分^TmAを近似積分した^ωmを、速度検出側の遅れ時間を含めた遅延時間の総和と等しい時間遅延させて得た^ωm_dlyと前記モータ回転検出速度ωm_detの偏差にオブザーバゲインKgを乗算するゲイン乗算器と、ゲイン乗算器の出力を遅延して前記^Tobsとする遅延器と、を備え、
前記ωm_detと^ωmの偏差は、モータ回転位相の過去のサンプル値との位相差を時間差で除算したωm_detと、^ωmを遅延ブロックにより遅延させた^ωm_dlyとの偏差をとるか、モータ回転位相の過去のサンプル値との位相差を固定サンプル周期で除算したωm_detと、^ωmを遅延ブロックにより遅延させた^ωm_dlyとの偏差をとるか、位相計測値に対してサンプル値系の一次遅れフィルタを構成し、一次遅れフィルタの積算部の入力信号をサンプル周期Tcで除算したωm_detと、^ωmを前記一次遅れフィルタと同じ係数の一次遅れフィルタを有した遅延ブロックにより遅延させた^ωm_dlyとの偏差をとるか、のいずれかのサンプル値系のモデルの演算によって行われ、
前記振動抑制制御フィルタFcomp(s)は(13)式から成る、ことを特徴とする車両システムの振動抑制制御装置。
s:ラプラス演算子
ωr=√(Kd・(1/TJm+1/TJwM)
ωa=√(Kd・(1/TJwM))
ζr=(Kd・Ds)/(2・ωr)
ζa=(Kd・Ds)/(2・ωa)
ζA:調整要素
Ds=TJM/(TJw+TJM)・Kt
TJm:モータのイナーシャ相当の時定数
TJw:駆動輪のイナーシャ相当の時定数(複数輪の合成値)
TJM:車両の質量相当の時定数
Kd:駆動系のねじれ剛性係数
Kt:タイヤと路面の摩擦に関する係数
TJwM=TJw+TJM - トルク制御機能を有するモータ駆動装置により弾性軸を介して車両を駆動する車両システムにおいて、
モータ回転位相および時間の計測値から演算したモータ回転検出速度ωm_detの時間微分成分TmA_detと出力トルク指令Tmに基づいて外乱推定トルク^Tobsを求める外乱トルクオブザーバと、
入力トルク指令Trefに前置フィルタを通したトルク指令Tref_LPFから、前記車両モデルにより求めた推定モータ加速トルク成分^TmAに振動抑制制御フィルタを通した補償トルク成分ΔTcompを減算することで前記出力トルク指令Tmを算出するフィードバック制御構成を備え、
前記外乱トルクオブザーバは、サンプル値系のモデルで構成され、前記出力トルク指令Tmから外乱推定トルク^Tobsを減算した^Tmを入力とし、該^Tmから推定モータ加速トルク成分^TmAを求めるブロックであり、^Tmから軸ねじれトルク^Tdを減算して^TmAを出力する減算器と、
^TmAに積分係数Tc/^TJmを乗算したものから^Tdに積分係数Tc/^TJwMを乗算したものを減算し、該減算出力に対して第1の近似積分を施し、第1の近似積分出力から、^Tdにすべり係数^Dsを乗じたタイヤすべり速度を減算して軸ねじれ速度^ωdを求め、^ωdに積分係数^Kd・Tcを乗算したものに対して第2の近似積分を施した後遅延器に通して前記軸ねじれトルク^Tdとする機能とを備えたブロックか、又は(12)式の二次伝達関数から係数を設計した二次フィルタにより構成された^Tm−^TmA変換ブロックと、
前記ΔTmA_detの演算は、
モータ回転位相の過去のサンプル値との位相差を時間差で除算したωm_detを、遅延させた後係数TJm/Tcにより微分して得た^TmA_detと、^TmAを遅延ブロックにより遅延させた^TmA_dlyとの偏差をとるか、
モータ回転位相の過去のサンプル値との位相差を固定サンプル周期で除算したωm_detを、遅延させた後係数TJm/Tcにより微分して得た^TmA_detと、^TmAを遅延ブロックにより遅延させた^TmA_dlyとの偏差をとるか、
位相計測値を微分したωm_detに対してサンプル値系の一次遅れフィルタを構成し、一次遅れフィルタの積算部の入力信号^TmA_detと、^TmAを前記一次遅れフィルタと同じ係数の一次遅れフィルタを有した遅延ブロックにより遅延させた^TmA_dlyとの偏差をとるか、のいずれかのサンプル値系のモデルの演算によって行われ、
前記振動抑制制御フィルタFcomp(s)は(13)式から成る、ことを特徴とする車両システムの振動抑制制御装置。
s:ラプラス演算子
ωr=√(Kd・(1/TJm+1/TJwM)
ωa=√(Kd・(1/TJwM))
ζr=(Kd・Ds)/(2・ωr)
ζa=(Kd・Ds)/(2・ωa)
ζA:調整要素
Ds=TJM/(TJw+TJM)・Kt
TJm:モータのイナーシャ相当の時定数
TJw:駆動輪のイナーシャ相当の時定数(複数輪の合成値)
TJM:車両の質量相当の時定数
Kd:駆動系のねじれ剛性係数
Kt:タイヤと路面の摩擦に関する係数
TJwM=TJw+TJM - バックラッシュ期間を検出するバックラッシュ期間検出部と、
前記入力トルク指令Trefを、高周波数帯域を制限する前置フィルタに通したTref_LPFから、前記補償トルク成分ΔTcompを減算して出力トルク指令Tmを出力する補償トルク減算器と、
前記補償トルク減算器から出力される出力トルク指令Tmを制限するリミッタであって、第1のトルクリミット値を有する第1のトルクリミッタおよび第1のトルクリミット値よりも小さい第2のトルクリミット値を有する第2のトルクリミッタと、
第1のトルクリミッタ又は第2のトルクリミッタの出力を選択するスイッチであり、前記バックラッシュ期間検出部がバックラッシュ期間を検出したときに第2のトルクリミッタの出力が選択される切替スイッチと、
前記切替スイッチで選択されたトルクリミッタの出力を前記補償トルク成分ΔTcompと加算して前記前置フィルタにフィードバックする加算器と、を備え、
前記バックラッシュ期間検出部は、
前記^Tmと^TmAの差分である推定ねじれトルク^Tdを入力して推定軸ねじれ位相^θdに変換するトルク−位相変換部と、
前記推定軸ねじれ位相^θdの零クロス点をバックラッシュ期間の開始タイミングとして検出するバックラッシュ開始タイミング検出部と、
前記推定軸ねじれ位相^θdを時間微分して軸ねじれ速度を推定するねじれ速度推定部と、
出力トルク指令Tmを時間積分してバックラッシュ期間中の速度の変化成分を推定する変化速度推定部と、
前記ねじれ速度推定部で推定された軸ねじれ速度を、前記バックラッシュ開始タイミング検出部で検出されたバックラッシュの開始タイミングにより保持した初期ねじれ速度と、前記変化速度推定部で推定されたバックラッシュ期間中の速度の変化成分を加算し、時間積分してバックラッシュに相当する推定位相変化量^ΔθBLを推定するねじれ変位推定部と、
設定したバックラッシュの位相幅の絶対値^θdおよび余裕幅Δθと、前記ねじれ変位推定部で推定された位相変化量^ΔθBLの比較に基づいてバックラッシュ期間の終了を検出するバックラッシュ終了検出部と、を備え、
前記バックラッシュ開始タイミング検出部で検出されたバックラッシュ開始タイミングと前記バックラッシュ終了検出部で検出されたバックラッシュ終了信号に基づいてバックラッシュ期間を検出することを特徴とする請求項7又は8に記載の車両システムの振動抑制制御装置。 - 前記トルク−位相変換部は、前記^Tdに代えて前記Tmを入力して^θdに変換することを特徴とする請求項9に記載の車両システムの振動抑制制御装置。
- 請求項1から10のいずれか1項に記載の車両システムの振動抑制制御装置を実行することを特徴とする車両システムの振動抑制制御方法。
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