JP7175446B2 - タイヤ試験装置のタイヤ駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、タイヤ試験装置のタイヤ駆動制御装置に関する。より詳しくは、本発明は、タイヤ試験装置において試験対象であるタイヤのタイヤ駆動軸における軸トルクを制御するタイヤ駆動制御装置に関する。

四輪の自動車や自動二輪車等の多くの車両には、少なくとも２つのタイヤが装着される。タイヤの性能は、その材質、形状、空気圧、路面への接触荷重、及び温度等の様々な要因によって変化する。このようなタイヤの性能を評価するタイヤ試験装置として、ベルトやローラ等の模擬路面上でタイヤを回転させながら、そのキャンバー角、スリップ角、及び垂直荷重等を調整しつつ、この際にタイヤに加わる力や転がり抵抗等を測定するものが公知となっている。このようなタイヤ試験装置によれば、タイヤを現実の車両に装着したり、さらにこの実車両をテストコースで実際に走行させたりすることなく、タイヤ単体で性能を評価できるため、試験にかかる時間が短く利便性が高い。

また近年では、上記のようなタイヤ試験装置で現実のタイヤを用いることで得られた情報を入力として、車両モデルを用いたシミュレーションによって車両全体の挙動を再現し、さらにこのシミュレーションによって得られた情報をタイヤ試験装置において現実のタイヤを運動させるアクチュエータにフィードバックする試験装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このように、現実の装置（上記の例では、現実のタイヤ及びそのタイヤ試験装置）をシミュレーションに組み込んだ試験装置は、ＨＩＬ（Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｉｎ ｔｈｅ Ｌｏｏｐ）シミュレータとも呼称されている。

このような試験装置では、車両の挙動を再現するシミュレーションによって得られた情報をタイヤ試験装置に入力することにより、より実走行条件に近い条件でタイヤの試験を行うことができる。またタイヤは、ゴム、有機繊維、金属等の複合素材で構成され、大きな変化を伴う弾性体であり、路面状態や温度によって性能が大きく変化すること等から、タイヤの挙動を精度良く再現できるタイヤモデルを構築することは困難である。これに対し、上記試験装置によれば、実タイヤから得られた情報を用いて、シミュレーションによって車両の挙動を再現することにより、より実走行条件に近い条件で精密な車両挙動の解析が可能となる。

特開２０１８－１４６４２１号公報

ところで一般的な車両において、エンジンで発生した動力をタイヤに伝達するドライブトレインには、クラッチやドライブシャフト等の様々なばね要素が存在する。このため実際の車両では、エンジントルクを急激に変化させると、これらばね要素のねじり振動によってタイヤを駆動するタイヤ駆動軸の軸トルクが振動する。しかしながら特許文献１に記載の発明では、このようなタイヤ駆動軸の軸トルクの振動現象については十分に検討されていない。

本発明は、タイヤ駆動軸における軸トルクの振動現象を再現できるタイヤ試験装置のタイヤ駆動制御装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るタイヤ駆動制御装置（例えば、後述のタイヤ駆動制御装置６０）は、タイヤ（例えば、後述のタイヤＴ）の駆動軸（例えば、後述のタイヤ駆動軸４２）に連結されたタイヤ駆動モータ（例えば、後述のタイヤ駆動モータ３８）と、前記駆動軸における軸トルクに応じた軸トルク検出信号（例えば、後述のタイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈ）を生成する軸トルクセンサ（例えば、後述のタイヤ軸トルクセンサ４０）と、前記タイヤの速度に応じた速度検出信号（例えば、後述のタイヤ回転速度検出信号ωｔｉｒｅ）を生成する速度センサ（例えば、後述のタイヤ回転速度センサ４１）と、前記タイヤを模擬路面（例えば、後述の模擬路面２５ａ）に対し接地させるタイヤ接地装置（例えば、後述の垂直荷重調整モータ３７）と、を備えるタイヤ試験装置（例えば、後述のタイヤ試験装置Ｓ）を制御対象とし、前記タイヤを構成要素の一部とする仮想車両の動力発生源に対する上位トルク指令信号（例えば、後述のエンジントルク指令信号Ｔｅｎｇ）、前記軸トルク検出信号及び前記速度検出信号に基づいて前記タイヤ駆動モータに対する制御入力（例えば、後述のモータトルク指令信号Ｉｔｉｒｅ）を生成する。前記タイヤ駆動制御装置は、前記上位トルク指令信号及び前記速度検出信号に基づいて前記軸トルク検出信号に対する軸トルク指令信号（例えば、後述のタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄ）を生成するタイヤ駆動車両モデル演算部（例えば、後述のタイヤ駆動車両モデル演算部６１）と、前記軸トルク指令信号と前記軸トルク検出信号との偏差が無くなるように前記制御入力を生成するタイヤ軸トルク制御器（例えば、後述のタイヤ軸トルク制御器６２）と、を備え、前記タイヤ駆動車両モデル演算部は、前記上位トルク指令信号に応じたトルクを発生する慣性体（例えば、後述の慣性体Ｍ１）と、前記速度検出信号に応じた速度で回転する回転体（例えば、後述の回転体Ｍ６）と、前記回転体に接続された出力軸（例えば、後述の出力軸Ｍ５）と、入力軸（例えば、後述の入力軸Ｍ３）と前記出力軸との間で変速してトルクを伝達する変速要素（例えば、後述の変速要素Ｍ４）と、前記慣性体と前記入力軸とを連結するばね要素（例えば、後述のばね要素Ｍ２）と、を備える車両モデル（例えば、後述の車両モデルＭ）において、前記出力軸で発生する軸トルクを前記軸トルク指令信号として生成することを特徴とする。

（２）この場合、前記タイヤ駆動車両モデル演算部は、所定のサンプリング周期Ｔｓの下で前記車両モデルの運動方程式を用いた演算を行うことにより前記軸トルク指令信号を生成し、ｚ変換された前記運動方程式は、下記式によって表されることが好ましい。

ここで上記式において、“ｚ”は複素数であり、“Ｔｅｎｇ”は前記上位トルク指令信号であり、“ωｔｉｒｅ”は前記速度検出信号であり、“Ｔｓｈ＿ｃｍｄ”は前記軸トルク指令信号であり、“ωｅｎｇ”は前記慣性体の速度に相当し、“Ｔ１”は前記入力軸における軸トルクに相当し、“ＥＧＪ”は前記慣性体の慣性モーメントに相当し、“Ｋ”は前記ばね要素のばね剛性に相当し、“ｇ”は前記変速要素のギヤ比に相当する。

（３）この場合、前記ばね剛性Ｋは、下記式によって設定されることが好ましい。

ここで上記式において、“Ｋｃｌ”は前記仮想車両において前記動力発生源と前記タイヤとの間に設けられるクラッチのばね剛性に相当し、“Ｋｄｓ”は前記仮想車両において前記クラッチと前記タイヤとの間に設けられるドライブシャフトのばね剛性に相当する。

（１）本発明に係るタイヤ駆動制御装置は、タイヤ試験装置のタイヤを構成装置の一部とする仮想車両の仮想的な動力発生源に対する上位トルク指令信号及び速度センサの速度検出信号に基づいて軸トルクセンサの軸トルク検出信号に対する軸トルク指令信号を生成するタイヤ駆動車両モデル演算部と、軸トルク指令信号と軸トルク検出信号との偏差が無くなるようにタイヤ試験装置におけるタイヤ駆動モータに対する制御入力を生成するタイヤ軸トルク制御器と、を備える。また本発明において、タイヤ駆動車両モデル演算部では、上位トルク指令信号に応じたトルクを発生する慣性体と、速度検出信号に応じた速度で回転する回転体と、この回転体に接続された出力軸と、この出力軸と入力軸との間で変速してトルクを伝達する変速要素と、慣性体と入力軸とを連結するばね要素と、を備える車両モデルを用いることによって軸トルク指令信号を生成する。すなわち、タイヤ駆動車両モデル演算部では、上位トルク指令信号及び速度検出信号を上記車両モデルに入力したときに、この車両モデルの出力軸で発生する軸トルクを軸トルク指令信号として生成する。このように本発明によれば、仮想車両における動力発生源を模した慣性体や仮想車両におけるクラッチやドライブシャフト等を模したばね要素等を含む車両モデルを用いて軸トルク指令信号を生成し、これをタイヤ軸トルク制御器に入力することにより、タイヤ駆動軸における軸トルクの振動現象を再現できる。

（２）本発明に係るタイヤ駆動制御装置において、タイヤ駆動車両モデル演算部は、所定のサンプリング周期Ｔｓの下で、上記式（１－１）～（１－３）で表される運動方程式を用いた演算を行うことによって軸トルク指令信号を生成し、タイヤ軸トルク制御器に入力する。後に図７～図１２等を参照して説明するように、上記式（１－１）～（１－３）に示す運動方程式に基づいて軸トルク指令信号を生成することにより、軸トルク制御を発散させることなくタイヤ駆動軸における軸トルクの振動現象を再現できる。

（３）一般的な車両のドライブトレインを構成する様々な部品のうち、軸トルクの振動現象の原因となるばね要素の主要なものは、クラッチ及びドライブシャフトの２つである。これに対し上記車両モデルに含まれるばね要素は１つのみである。そこで本発明では、車両モデルにおけるばね要素のばね剛性Ｋを、仮想車両におけるクラッチのばね剛性Ｋｃｌ及びドライブシャフトのばね剛性Ｋｄｓを用いて、上記式（２）に示すように設定する。後に図７～図１２等を参照して説明するように、このようにしてばね剛性Ｋを設定することにより、１つのばね要素しか含まない車両モデルであっても実際の車両で生じ得る軸トルクの振動現象を精度良く再現できる。

本発明の一実施形態に係るタイヤ試験装置の構成を示す図である。 タイヤ試験装置に設けられる複数のモータ及び複数のセンサを模式的に示す図である。 模擬路面上におけるスリップ角を示す図である。 模擬路面上におけるキャンバー角を示す図である。 模擬路面上で運動するタイヤに作用する力を示す図である。 総括制御装置のうちタイヤ軸トルク制御に係る制御モジュールの構成を示す図である。 タイヤ駆動車両モデル演算部において参照される車両モデルの構成を模式的に示す図である。 タイヤ駆動車両モデル演算部の制御回路の構成を示す図である。 参考例及び比較例のタイヤ駆動車両モデル演算部において参照される車両モデルの構成を模式的に示す図である。 参考例のタイヤ駆動車両モデル演算部（連続時間系のコントローラ）の制御回路の構成を示す図である。 参考例のタイヤ駆動制御装置に対しステップ状に変化するエンジントルク指令信号を入力したときにおけるタイヤ軸トルク指令信号及びタイヤ軸トルク検出信号の応答を示す図である。 比較例のタイヤ駆動車両モデル演算部（離散時間系のデジタルコントローラ）の制御回路の構成を示す図である。 比較例のタイヤ駆動制御装置に対しステップ状に変化するエンジントルク指令信号を入力したときにおけるタイヤ軸トルク指令信号及びタイヤ軸トルク検出信号の応答を示す図である。 上記実施形態に係るタイヤ駆動制御装置に対しステップ状に変化するエンジントルク指令信号を入力したときにおけるタイヤ軸トルク指令信号及びタイヤ軸トルク検出信号の応答を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るタイヤ試験装置Ｓの構成を示す図である。
図２は、タイヤ試験装置Ｓに設けられる複数のモータ及び複数のセンサを模式的に示す図である。

タイヤ試験装置Ｓは、複数のモータを用いて現実のタイヤＴに様々な外力を加えることによってタイヤＴを運動させるタイヤ試験ユニット１と、タイヤ試験ユニット１を制御する総括制御装置６と、を備える。

タイヤ試験装置Ｓは、タイヤ試験ユニット１において現実のタイヤＴを用いて得らえた情報を総括制御装置６への入力とし、総括制御装置６ではタイヤＴを構成要素の一部とした仮想車両の挙動を、モデルを用いたシミュレーションによって再現し、さらにこのシミュレーションによって得られた情報をタイヤ試験ユニット１にフィードバックする。なお以下では、タイヤ試験装置Ｓにおいて想定する仮想車両は、エンジンを動力発生源とした四輪の自動車とするが、仮想車両の車輪の数や動力発生源はこれらに限らない。またタイヤＴは、この仮想車両における動力発生源からの動力が伝達する駆動輪でありかつ運転者が操作可能なステアリングによって操舵角を変化させることができる転舵輪である場合について説明するが、仮想車両におけるタイヤＴの役割はこれに限らない。

タイヤ試験ユニット１は、ホイールにリム組みされたタイヤＴと、タイヤＴが接する路面模擬装置２と、タイヤＴをそのハブを中心として回転駆動しつつこのタイヤＴを路面模擬装置２に対し所定の姿勢で支持するタイヤ支持機構３と、を備える。

路面模擬装置２は、水平な床面に固定された基台２１と、この基台２１に対し垂直な鉛直方向に沿った回動軸ＯＳＡを中心として回動自在に設けられたベルトユニット２２と、このベルトユニット２２を、回動軸を中心として回動させるスリップ角モータ２３（図２参照）と、スリップ角センサ２９（図２参照）と、を備える。

ベルトユニット２２は、回転可能に設けられた一対の筒状のベルトドラム２４ａ，２４ｂと、これらベルトドラム２４ａ．２４ｂの外周に架け渡された無端帯状のフラットベルト２５と、を備える。フラットベルト２５の外周面には、実路面を模した加工が施されている。これにより、フラットベルト２５の外周面のうち鉛直上方の面は、タイヤＴが接する模擬路面２５ａとなっている。これらベルトドラム２４ａ，２４ｂの回転軸は、互いに平行でありかつ上記回動軸ＯＳＡに対し垂直となっている。

またベルトドラム２４ａには、その出力軸がベルトドラム２４ａに連結された路面駆動モータ２６（図２参照）と、路面駆動モータ２６の出力軸の回転速度を検出するベルト回転速度センサ２７（図２参照）と、出力軸に発生する軸トルクを検出するベルト軸トルクセンサ２８（図２参照）と、が設けられている。路面駆動モータ２６は、総括制御装置６からの指令信号に応じてドラム２４ａを回転駆動する。これにより、模擬路面２５ａは、ベルトドラム２４ａの回転速度に応じた速度で、回動軸ＯＳＡに対し垂直な平面内を、路面進行方向ＦＲに沿って流れる。ベルト回転速度センサ２７は、出力軸の回転速度、すなわちベルトドラム２４ａの回転速度を検出し、検出値に応じたベルト回転速度検出信号ωｂｅｌを総括制御装置６へ送信する。またベルト軸トルクセンサ２８は、出力軸に発生する軸トルクを検出し、検出値に応じたベルト軸トルク検出信号Ｔｂｅｌを総括制御装置６へ送信する。

スリップ角モータ２３は、総括制御装置６からの信号に応じてベルトユニット２２を、回動軸ＯＳＡを中心として回動させる。路面模擬装置２では、スリップ角モータ２３を用いてベルトユニット２２を回動させることにより、図３Ａに示すように、模擬路面２５ａ上におけるタイヤＴの回転軸Ｒと垂直なタイヤ進行方向ＦＴと路面進行方向ＦＲとの成す角αであるスリップ角を調整することができる。スリップ角センサ２９は、スリップ角に応じたスリップ角検出信号θＳＡを生成し、総括制御装置６へ送信する。

タイヤ支持機構３は、ベルトユニット２２のベルト送り方向である路面進行方向ＦＲの両端側の床面に固定された一対の台座３１ａ，３１ｂと、これら台座３１ａ，３１ｂによって両端部が支持された弧状のフレーム３３と、このフレーム３３によって支持された棒状の支持アーム３５と、このアーム３５の先端部に設けられた回転駆動ユニット３６と、を備える。

フレーム３３は、フラットベルト２５の鉛直上方を延びる。フレーム３３の両端部は、それぞれ、台座３１ａ，３１ｂによってフラットベルト２５の延在方向と略垂直な回動軸ＯＣＡを中心として回動自在に支持されている。また台座３１ａには、フレーム３３を、回動軸ＯＣＡを中心として回動駆動するキャンバー角調整モータ３２（図２参照）と、フレーム３３の模擬路面２５ａに対する角度を検出するキャンバー角センサ３４と、が設けられている。キャンバー角調整モータ３２は、総括制御装置６からの指令信号に応じてフレーム３３を、回動軸ＯＣＡを中心として回動させる。タイヤ支持機構３では、このキャンバー角調整モータ３２を用いてフレーム３３及びこれに支持された支持アーム３５を回動させることにより、図３Ｂに示すように、模擬路面２５ａ上におけるタイヤＴの回転軸Ｒと模擬路面２５ａとの成す角、すなわち模擬路面２５ａの法線と回転軸Ｒと垂直な面との成す角βであるキャンバー角を調整することができる。キャンバー角センサ３４は、キャンバー角に応じたキャンバー角検出信号θＣＡを生成し、総括制御装置６へ送信する。

支持アーム３５は、模擬路面２５ａに対し垂直な鉛直方向に沿って延びる。支持アーム３５の基端部は、フレーム３３によって支持アーム３５の延在方向に沿って摺動自在に支持されている。フレーム３３には、支持アーム３５を、支持アーム３５の延在方向に沿って変位させる垂直荷重調整モータ３７（図２参照）が設けられている。垂直荷重調整モータ３７は、総括制御装置６からの指令信号に応じて、支持アーム３５を、その延在方向に沿って変位させる。タイヤ支持機構３では、この垂直荷重調整モータ３７を用いて支持アーム３５を変位させることにより、タイヤＴを模擬路面２５ａに対し接地させたり、タイヤＴを模擬路面２５ａに対し離間させたりする。またタイヤ支持機構３では、この垂直荷重調整モータ３７を用いて支持アーム３５を変位させることにより、タイヤＴを模擬路面２５ａに押さえつける力である垂直荷重を調整することも可能となっている。

回転駆動ユニット３６は、支持アーム３５の先端部において、タイヤＴを回転自在に支持する。図２に示すように、回転駆動ユニット３６は、タイヤ駆動モータ３８と、力センサ３９と、タイヤ軸トルクセンサ４０と、タイヤ回転速度センサ４１と、タイヤ駆動軸４２と、を備える。

タイヤ駆動軸４２は、支持アーム３５に対し略垂直に延び、タイヤ駆動モータ３８とタイヤＴとを連結する。タイヤ駆動軸４２の先端側は、タイヤＴのハブに連結され、基端側は、タイヤ駆動モータ３８の出力軸に連結されている。タイヤ駆動モータ３８は、総括制御装置６からの指令信号に応じてタイヤＴを回動駆動する。タイヤ回転速度センサ４１は、タイヤ駆動モータ３８の出力軸の回転速度、すなわちタイヤＴの回転速度に応じたタイヤ回転速度検出信号ωｔｉｒｅを生成し、このタイヤ回転速度検出信号ωｔｉｒｅを総括制御装置６へ送信する。

力センサ３９は、模擬路面２５ａ上で運動するタイヤＴに作用する力を検出する。この力センサ３９には、例えば、図３Ｃに示すようにタイヤＴに作用する６分力のうちの５つを検出する５分力計が用いられる。より具体的には、力センサ３９は、タイヤＴの進行方向軸Ｘに沿った前後力に応じた前後力検出信号Ｆｘと、タイヤＴの横方向軸Ｙに沿った横力に応じた横力検出信号Ｆｙと、タイヤＴの縦方向軸Ｚに沿った垂直荷重に応じた垂直荷重検出信号Ｆｚと、タイヤＴの進行方向軸Ｘ周りのモーメントに応じたオーバターニング検出信号Ｍｘと、及びタイヤＴの縦方向軸周りのモーメントに応じたセルフアライニングトルク検出信号Ｍｚと、を総括制御装置６へ送信する。なお以下では、力センサ３９によって生成される上記５つの信号Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｚをまとめて“Ｆ５”と表記する。

タイヤ軸トルクセンサ４０は、タイヤ駆動軸４２における軸トルク、すなわちタイヤＴの横方向軸周りのモーメントに応じたタイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈを生成し、このタイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈを総括制御装置６へ送信する。

総括制御装置６は、各種センサ２７，２８，２９，３４，３９，４０，４１等から送信される入力信号をＡ／Ｄ変換したり、各種モータ２３，２６，３２，３７，３８等へ入力される出力信号をＤ／Ａ変換したりするＩ／Ｏインターフェース、各種プログラムに従って演算処理を実行するＣＰＵ、各種データを記憶するＲＯＭ及びＲＡＭ等の記憶手段、作業者が各種指令を入力するために操作可能な入力手段、並びに演算結果等を作業者が視認可能な態様で表示する表示手段等のハードウェアによって構成されるコンピュータである。

総括制御装置６では、各種センサ２７，２８，２９，３４，３９，４０，４１等から送信される入力信号に基づいて、タイヤＴを構成要素の一部とした仮想車両の挙動を再現するシミュレーション演算を行うとともに、このシミュレーション演算によって各種モータ２３，２６，３２，３７，３８等への出力信号を生成し、各種モータ２３，２６，３２，３７，３８等へ入力する。

図４は、総括制御装置６のうちタイヤ駆動軸４２に作用するタイヤ軸トルク制御に係る制御モジュールであるタイヤ駆動制御装置６０の構成を示す図である。タイヤ駆動制御装置６０は、タイヤ軸トルク制御に係る制御モジュールとして、タイヤ駆動車両モデル演算部６１と、タイヤ軸トルク制御器６２と、を備える。

タイヤ駆動制御装置６０は、エンジントルク指令信号Ｔｅｎｇと、タイヤ回転センサ４１から送信されるタイヤ回転速度検出信号ωｔｉｒｅと、タイヤ軸トルクセンサ４０から送信されるタイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈと、に基づいて、タイヤ駆動モータ３８に対する制御入力に相当するモータトルク指令信号Ｉｔｉｒｅを生成し、このモータトルク指令信号Ｉｔｉｒｅをタイヤ駆動モータ３８へ入力する。ここでエンジントルク指令信号Ｔｅｎｇは、仮想車両の動力発生源である仮想的なエンジンで発生するエンジントルクに対する指令信号であり、仮想車両におけるアクセルペダルの開度に相当する。このエンジントルク指令信号Ｔｅｎｇは、図示しないシミュレーション演算によって算出される。

タイヤ駆動車両モデル演算部６１は、エンジントルク指令信号Ｔｅｎｇ及びタイヤ回転速度検出信号ωｔｉｒｅに基づいて、タイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈに対する目標に相当するタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄを生成し、このタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄをタイヤ軸トルク制御器６２へ入力する。

一般的な車両において、エンジンで発生したトルクをタイヤに伝達するドライブトレインには、クラッチやドライブシャフト等の様々なばね要素が存在する。このため、例えばエンジントルクを急激に変化させると、これらばね要素のねじり振動によって、タイヤを駆動する軸トルクが振動する。そこでタイヤ駆動車両モデル演算部６１では、このような実車両において発生し得る軸トルクの振動現象を再現するべく、エンジントルク指令信号Ｔｅｎｇ及びタイヤ回転速度検出信号ωｔｉｒｅに基づいて、仮想車両におけるドライブトレインの入出力特性を模した車両モデルを用いた演算を行うことによってタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄを生成する。

図５は、タイヤ駆動車両モデル演算部６１において参照される車両モデルＭの構成を模式的に示す図である。図５に示すように、車両モデルＭは、慣性体Ｍ１と、ばね要素Ｍ２と、入力軸Ｍ３と、変速要素Ｍ４と、出力軸Ｍ５と、回転体Ｍ６と、を直列に連結して構成される。

慣性体Ｍ１は、仮想車両におけるエンジンに相当し、所定のエンジン慣性モーメントＥＧＪによって特徴付けられる。車両モデルＭにおいて、慣性体Ｍ１は、エンジン慣性モーメントＥＧＪの下でエンジントルク指令信号Ｔｅｎｇに応じたトルクを発生する。

ばね要素Ｍ２は、仮想車両のドライブトレインにおけるクラッチやドライブシャフト等に相当し、所定のばね剛性Ｋによって特徴付けられる。車両モデルＭにおいて、ばね要素Ｍ２は、ばね剛性Ｋの下で慣性体Ｍ１と入力軸Ｍ３とを連結する。

変速要素Ｍ４は、仮想車両のドライブトレインにおけるトランスミッション等に相当し、所定のギヤ比ｇによって特徴付けられる。車両モデルＭにおいて、変速要素Ｍ４は、入力軸Ｍ３と出力軸Ｍ５との間においてギヤ比ｇの下で変速してトルクを伝達する。

出力軸Ｍ５は、タイヤ試験装置Ｓにおけるタイヤ駆動軸４２に相当する。車両モデルＭにおいて、出力軸Ｍ５は、変速要素Ｍ４と回転体Ｍ６とを連結する。

回転体Ｍ６は、タイヤ試験装置ＳにおけるタイヤＴに相当する。車両モデルＭにおいて、回転体Ｍ６は、タイヤ回転速度検出信号ωｔｉｒｅに応じた速度で回転する。

タイヤ駆動車両モデル演算部６１では、以上のような車両モデルＭに対しエンジントルク指令信号Ｔｅｎｇ及びタイヤ回転速度検出信号ωｔｉｒｅを入力したときに、この車両モデルＭの出力軸Ｍ５で発生する軸トルクをタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄとして生成する。

次に、図６を参照しながらタイヤ駆動車両モデル演算部６１におけるタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄを生成する具体的な手順について説明する。

図６は、タイヤ駆動車両モデル演算部６１の制御回路の構成を示す図である。
タイヤ駆動車両モデル演算部６１は、離散時間系のデジタルコントローラであり、所定のサンプリング周期Ｔｓの下で上述の車両モデルＭの運動方程式を用いた演算を行うことによってタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄを生成する。ここで車両モデルＭの運動方程式をｚ変換したものは、下記式（３－１）～（３－３）によって表される。

ここで上記式（３－１）～（３－３）及び図６において、“ｚ”は複素数であり、“ωｅｎｇ”は車両モデルＭの慣性体Ｍ１の速度に相当し、“Ｔ１”は車両モデルＭの入力軸Ｍ３における軸トルクに相当する。また上記式（３－１）～（３－３）及び図６においてエンジン慣性モーメントＥＧＪ及びギヤ比ｇの具体的な値は、仮想車両として想定する車両の設計値が用いられる。またばね剛性Ｋの具体的な値は、仮想車両として想定する車両の設計値に基づいて設定される。なおこのばね剛性Ｋの具体的な値を設定する手順については、後に説明する。

図４に戻り、タイヤ軸トルク制御器６２は、タイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈと上述のタイヤ駆動車両モデル演算部６１によって生成されるタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄとに基づいて、タイヤ駆動モータ３８に対する制御入力に相当するモータトルク指令信号Ｉｔｉｒｅを生成し、このモータトルク指令信号Ｉｔｉｒｅをタイヤ駆動モータ３８へ入力する。より具体的には、タイヤ軸トルク制御器６２は、タイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄとタイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈとの偏差が無くなるように、所定のフィードバック制御アルゴリズムに従ってモータトルク指令信号Ｉｔｉｒｅを生成し、タイヤ駆動モータ３８へ入力する。

次に、以上のようなタイヤ駆動制御装置６０の効果について、参考例及び比較例のタイヤ駆動制御装置と比較しながら説明する。

ここで参考例及び比較例のタイヤ駆動制御装置は、本実施形態に係るタイヤ駆動制御装置６０と、タイヤ駆動車両モデル演算部６１の構成が異なる。より具体的には、参考例及び比較例のタイヤ駆動車両モデル演算部では、図７に示すような車両モデルＭ´に基づいてタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄを生成する。

図７に示すように、参考例及び比較例の車両モデルＭ´は、第１慣性体Ｍ１´と、第１ばね要素Ｍ２´と、変速要素Ｍ３´と、第２慣性体Ｍ４´と、第２ばね要素Ｍ５´と、出力軸Ｍ６´と、回転体Ｍ７´と、を直列に連結して構成される。

第１慣性体Ｍ１´は、仮想車両におけるエンジンに相当し、所定のエンジン慣性モーメントＥＧＪによって特徴付けられる。車両モデルＭ´において、第１慣性体Ｍ１´は、エンジン慣性モーメントＥＧＪの下でエンジントルク指令信号Ｔｅｎｇに応じたトルクを発生する。

第１ばね要素Ｍ２´は、仮想車両のドライブトレインにおけるクラッチに相当し、所定のばね剛性Ｋｃｌによって特徴付けられる。車両モデルＭ´において、第１ばね要素Ｍ２´は、ばね剛性Ｋｃｌの下で第１慣性体Ｍ１´と変速要素Ｍ３´とを連結する。

変速要素Ｍ３´は、仮想車両のドライブトレインにおけるトランスミッション等に相当し、所定のギヤ比ｇによって特徴付けられる。車両モデルＭ´において、変速要素Ｍ３´は、第１ばね要素Ｍ２´と第２慣性体Ｍ４´との間においてギヤ比ｇの下で変速してトルクを伝達する。

第２慣性体Ｍ４´は、仮想車両のドライブトレインにおけるトランスミッション等に相当し、所定のトランスミッション慣性モーメントＪｃによって特徴付けられる。車両モデルＭ´において、第２慣性体Ｍ４´は、トランスミッション慣性モーメントＪｃの下で変速要素Ｍ３´と第２ばね要素Ｍ５´とを連結する。

第２ばね要素Ｍ５´は、仮想車両のドライブトレインにおけるドライブシャフトに相当し、所定のばね剛性によって特徴付けられる。車両モデルＭ´において、第２ばね要素Ｍ５´は、ばね剛性Ｋｄｓの下で第２慣性体Ｍ４´と出力軸Ｍ６´とを連結する。

出力軸Ｍ６´は、タイヤ試験装置Ｓにおけるタイヤ駆動軸４２に相当する。車両モデルＭ´において、出力軸Ｍ６´は、第２ばね要素Ｍ５´と回転体Ｍ７´とを連結する。

回転体Ｍ７´は、タイヤ試験装置ＳにおけるタイヤＴに相当する。車両モデルＭ´において、回転体Ｍ７´は、タイヤ回転速度検出信号ωｔｉｒｅに応じた速度で回転する。

以上のように、参考例及び比較例の車両モデルＭ´（図７参照）と本実施形態に係る車両モデルＭ（図５参照）とを比較すると、車両モデルＭは１つのばね要素Ｍ２及び１つの慣性体Ｍ１を備えるのに対し、参考例及び比較例の車両モデルＭ´は２つのばね要素Ｍ２´，Ｍ５´及び２つの慣性体Ｍ１´，Ｍ４´を備える点において異なる。すなわち、参考例及び比較例の車両モデルＭ´は、ドライブトレインを構成する複数の部品のうち主なばね要素であるクラッチ及びドライブシャフトをその位置を考慮して独立して扱っており、さらにトランスミッションの慣性モーメントを考慮している点において、本実施形態に係る車両モデルＭよりも現実の車両に則したものとなっている。

図８は、参考例のタイヤ駆動制御装置のタイヤ駆動車両モデル演算部の制御回路の構成を示す図である。参考例のタイヤ駆動車両モデル演算部は、連続時間系のコントローラであり、その制御回路は、図７に示す車両モデルＭ´に基づいて図８に示すように構築される。ここで車両モデルＭ´の運動方程式をラプラス変換したものは、下記式（４－１）～（４－４）によって表される。

ここで上記式（４－１）～（４－４）及び図８において、“ｓ”はラプラス演算子であり、“Ｔｃｌ”は車両モデルＭ´の第１ばね要素Ｍ２´と変速要素Ｍ３´との間の軸トルクに相当し、“ωｃ”は車両モデルＭ´の第２慣性体Ｍ４´の速度に相当する。

図９は、参考例のタイヤ駆動制御装置に対しステップ状に変化するエンジントルク指令信号Ｔｅｎｇを入力したときにおけるタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄ（図９中太破線）及びタイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈ（図９中の細線）の応答を示す図である。図９の例では、エンジントルク指令信号Ｔｅｎｇを時刻ｔ０において０から正の所定値にステップ状に変化させた。また図９の例では、エンジン慣性モーメントＥＧＪの値を“０．２”とし、ばね剛性Ｋｃｌの値を“２０００”とし、ギヤ比ｇの値を“１５”とし、トランスミッション慣性モーメントＪｃの値を“０．０１”とし、ばね剛性Ｋｄｓの値を“１００００”とした。

図９に示すように、参考例のタイヤ駆動制御装置によれば、エンジントルク指令信号Ｔｅｎｇを時刻ｔ０において急激に変化させると、これに応じてタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄは振動し、さらにタイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈはこれに追従するように振動する。上述のように参考例のタイヤ駆動車両モデル演算部において参照する車両モデルＭ´は、本実施形態に係る車両モデルＭよりも現実の車両に則したモデルとなっている。このため連続時間系のコントローラである参考例のタイヤ駆動制御装置による制御結果は、離散時間系のデジタルコントローラである本実施形態に係るタイヤ駆動制御装置に対する規範となる。

図１０は、比較例のタイヤ駆動制御装置のタイヤ駆動車両モデル演算部の制御回路の構成を示す図である。比較例のタイヤ駆動車両ｃモデル演算部は、離散時間系のデジタルコントローラであり、その制御回路は、図７に示す車両モデルＭ´に基づいて図１０に示すように構築される。ここで車両モデルＭ´の運動方程式をｚ変換したものは、下記式（５－１）～（５－４）によって表される。

図１１は、比較例のタイヤ駆動制御装置に対しステップ状に変化するエンジントルク指令信号Ｔｅｎｇを入力したときにおけるタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄ（図１１中の太破線）及びタイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈ（図１１中の細線）の応答を示す図である。図１１の例では、エンジントルク指令信号Ｔｅｎｇを時刻ｔ０において０から正の所定値にステップ状に変化させた。また図１１の例では、サンプリング周期Ｔｓの値を“０．００１”とし、他の慣性モーメントＥＧＪ等の値は図９の参考例と同じとした。

図１１に示すように、比較例のタイヤ駆動制御装置によれば、エンジントルク指令信号Ｔｅｎｇを時刻ｔ０において急激に変化させると、これに応じてタイヤ軸トルク指令信号及びタイヤ軸トルク検出信号は直ちに発散する。このように比較例のタイヤ駆動制御装置は上述の参考例のタイヤ駆動制御装置と同じ車両モデルＭ´に基づいて構築されたものであるにも関わらず、軸トルク制御が発散する。これは以下のような理由による。

離散時間系の安定条件は、閉ループ伝達関数の特性多項式Ｈ（ｚ）において、Ｈ（ｚ）＝０とする全ての解の絶対値が１未満であることが知られている。ここで上記運動方程式（５－１）～（５－４）に基づいて導出される特性多項式Ｈ（ｚ）は、下記式（６）のようになる。また下記特性多項式Ｈ（ｚ）において、上述のようなパラメータの設定の下では、Ｈ（ｚ）＝０とする４つの解の絶対値は、［４４，０．０２，１，１］となり、上記安定条件を満たさない。

以上のように、より現実の車両に則した車両モデルＭ´に基づいて構築された離散時間系のタイヤ駆動車両モデル演算部では、軸トルク制御を安定して行うことができない。

図１２は、本実施形態に係るタイヤ駆動制御装置６０に対しステップ状に変化するエンジントルク指令信号Ｔｅｎｇを入力したときにおけるタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄ（図１２中の太破線）及びタイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈ（図１２中の細線）の応答を示す図である。図１２の例では、エンジントルク指令信号Ｔｅｎｇを時刻ｔ０において０から正の所定値にステップ状に変化させた。

また図１２の例では、ばね剛性Ｋの値は、下記式（７）によって設定した。また図１２の例では、サンプリング周期Ｔｓや他の慣性モーメントＥＧＪ等の値は、図１１の比較例と同じとした。

ここでばね剛性Ｋの設定式（７）の導出過程について説明する。規範となる図７に示す参考例の車両モデルＭ´では２つのばね要素Ｍ２´，Ｍ５´が定義されている。しかしながら図９に示す振動波形は、ばね要素を１つのみ含む機械モデルにおいて実現される振動波形と類似している。このため、ばね要素Ｍ２を１つのみ含む図５に示す本実施形態に係る車両モデルＭであっても、このばね要素Ｍ２のばね剛性Ｋを調整することによって、図９に示す振動波形を精度良く再現できると考えられる。

図７に示すように、クラッチを模した第１ばね要素Ｍ２´は、トランスミッションを模した変速要素Ｍ３´よりもエンジンを模した第１慣性体Ｍ１´側に存在するが、これをドライブシャフトを模した第２ばね要素Ｍ５´側に換算すると、ばね剛性はＫｃｌ×ｇ^２となる。ここでトランスミッションを模した第２慣性体Ｍ４´の慣性モーメントＪｃは、エンジン慣性モーメントＥＧＪやタイヤＴに作用する車体慣性よりも小さいと考えられる。このため第１ばね要素Ｍ２´を変速要素Ｍ３´よりも回転体Ｍ７´側に移動させた場合、その総合的なばね剛性は、ばね剛性がＫｃｌ×ｇ^２のばね要素とばね剛性がＫｄｓのばね要素を直列に接続したもののばね剛性と同じになると考えられる。またこれら２つのばね要素を直列接続したものの等価ばね剛性Ｋｘは、下記式（８）によって表される。

またこのばね剛性Ｋｘは、変速要素Ｍ３´よりも第２ばね要素Ｍ５´側での等価ばね剛性であるので、このばね剛性を変速要素Ｍ３´よりも第１慣性体Ｍ１´側に移動させることにより（すなわち、ばね剛性Ｋｘをｇ^２で割ることにより）、下記式（９）に示すように、図５に示す車両モデルＭにおけるばね要素Ｍ２のばね剛性Ｋに対する設定式が導出される。

図１２に戻り、以上のようにばね剛性Ｋが設定されたタイヤ駆動制御装置６０によれば、エンジントルク指令信号Ｔｅｎｇを時刻ｔ０において急激に変化させると、これに応じてタイヤ軸トルク指令信号Ｔｓｈ＿ｃｍｄは振動し、さらにタイヤ軸トルク検出信号Ｔｓｈはこれに追従するように振動する。すなわち、図１２と図９とを比較して明らかなように、本実施形態に係るタイヤ駆動制御装置６０によれば、安定した軸トルク制御を実現でき、かつより実際の車両に則した車両モデルＭ´に基づいて構築した連続時間系のコントローラと同様にタイヤ駆動軸の軸トルクの振動現象を再現できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

Ｓ…タイヤ試験装置
１…タイヤ試験ユニット
Ｔ…タイヤ
２…路面模擬装置
２５ａ…模擬路面
３…タイヤ支持機構（タイヤ接地装置）
３７…垂直荷重調整モータ（タイヤ接地装置）
３６…回転駆動ユニット
３８…タイヤ駆動モータ
４０…タイヤ軸トルクセンサ（軸トルクセンサ）
４１…タイヤ回転速度センサ（速度センサ）
４２…タイヤ駆動軸（駆動軸）
６…総括制御装置
６０…タイヤ駆動制御装置
６１…タイヤ駆動車両モデル演算部
Ｍ…車両モデル
Ｍ１…慣性体
Ｍ２…ばね要素
Ｍ３…入力軸
Ｍ４…変速要素
Ｍ５…出力軸
Ｍ６…回転体
６２…タイヤ軸トルク制御器

Claims (3)

1. タイヤの駆動軸に連結されたタイヤ駆動モータと、前記駆動軸における軸トルクに応じた軸トルク検出信号を生成する軸トルクセンサと、前記タイヤの速度に応じた速度検出信号を生成する速度センサと、前記タイヤを模擬路面に対し接地させるタイヤ接地装置と、を備えるタイヤ試験装置を制御対象とし、前記タイヤを構成要素の一部とする仮想車両の動力発生源に対する上位トルク指令信号、前記軸トルク検出信号及び前記速度検出信号に基づいて前記タイヤ駆動モータに対する制御入力を生成するタイヤ試験装置のタイヤ駆動制御装置であって、
   前記上位トルク指令信号及び前記速度検出信号に基づいて前記軸トルク検出信号に対する軸トルク指令信号を生成するタイヤ駆動車両モデル演算部と、
   前記軸トルク指令信号と前記軸トルク検出信号との偏差が無くなるように前記制御入力を生成するタイヤ軸トルク制御器と、を備え、
   前記タイヤ駆動車両モデル演算部は、前記上位トルク指令信号に応じたトルクを発生する慣性体と、前記速度検出信号に応じた速度で回転する回転体と、前記回転体に接続された出力軸と、入力軸と前記出力軸との間で変速してトルクを伝達する変速要素と、前記慣性体と前記入力軸とを連結するばね要素と、を備え、かつ前記慣性体と前記ばね要素と前記入力軸と前記変速要素と前記出力軸と前記回転体とをこの順で直列に連結して構成される車両モデルにおいて、前記出力軸で発生する軸トルクを前記軸トルク指令信号として生成することを特徴とするタイヤ試験装置のタイヤ駆動制御装置。
2. 前記タイヤ駆動車両モデル演算部は、所定のサンプリング周期Ｔｓの下で前記車両モデルの運動方程式を用いた演算を行うことにより前記軸トルク指令信号を生成し、
   ｚ変換された前記運動方程式は、下記式によって表されることを特徴とする請求項１に記載のタイヤ試験装置のタイヤ駆動制御装置。
   

   

   ここで上記式において、“ｚ”は複素数であり、“Ｔｅｎｇ”は前記上位トルク指令信号であり、“ωｔｉｒｅ”は前記速度検出信号であり、“Ｔｓｈ＿ｃｍｄ”は前記軸トルク指令信号であり、“ωｅｎｇ”は前記慣性体の速度に相当し、“Ｔ１”は前記入力軸における軸トルクに相当し、“ＥＧＪ”は前記慣性体の慣性モーメントに相当し、“Ｋ”は前記ばね要素のばね剛性に相当し、“ｇ”は前記変速要素のギヤ比に相当する。
3. 前記ばね剛性Ｋは、下記式によって設定されることを特徴とする請求項２に記載のタイヤ試験装置のタイヤ駆動制御装置。
   

   

   ここで上記式において、“Ｋｃｌ”は前記仮想車両において前記動力発生源と前記タイヤとの間に設けられるクラッチのばね剛性に相当し、“Ｋｄｓ”は前記仮想車両において前記クラッチと前記タイヤとの間に設けられるドライブシャフトのばね剛性に相当する。
   

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