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【発明の名称】 電動機を駆動力源とした車両の制振装置
【発明者】 【氏名】塚野 聡弘

【氏名】山田 徳康
【要約】 【課題】モータの出力で走行する場合の駆動力の変化に伴う振動を抑制もしくは防止する。

【解決手段】車両の動力伝達系統である実プラントに入力する電動機のトルクを制御する電動機を駆動力源とした車両の制振装置において、実プラント２１の伝達関数ＧR(s)に近似した伝達関数Ｇ(s)をもつプラントモデル２２と、そのプラントモデル２２の伝達関数Ｇ(s)の逆関数に基づいて構成され、実プラント２１とプラントモデル２２とに入力する電動機トルクＴm を設定するフィードフォワード制御手段Ｆ(s)と、実プラント２１の出力値θ1 とプラントモデル２２で求められる出力推定値θ1eとの偏差ｅを求める比較手段２３と、その比較手段２３で求められた偏差ｅに基づいて外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段２４と、その外乱トルク推定手段２４で推定された外乱トルクによって実プラントに入力される電動機トルクを補正する補正手段２０とを備えている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 電動機から駆動輪に到る動力伝達系統である実プラントに入力する電動機のトルクを制御する電動機を駆動力源とした車両の制振装置において、前記実プラントの伝達関数に近似した伝達関数をもつプラントモデルと、そのプラントモデルの伝達関数の逆関数に基づいて構成され、前記実プラントとプラントモデルとに入力する電動機トルクを設定するフィードフォワード制御手段と、前記実プラントの出力値と前記プラントモデルで求められる出力推定値との偏差を求める比較手段と、その比較手段で求められた偏差に基づいて外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、その外乱トルク推定手段で推定された外乱トルクによって前記実プラントに入力される電動機トルクを補正する補正手段とを備えていることを特徴とする電動機を駆動力源とした車両の制振装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、電気自動車やハイブリッド車などの電動機（モータ）を動力源として備えている車両における制振装置に関し、特に、その電動機の出力トルクの変動に伴う振動を抑制する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】車両における動力源から駆動輪に到る動力伝達系統は、その構成部材が完全には剛体ではないうえに、振動や騒音などを防止するために、弾性部材が介在されているので、その全体が弾性系を構成している。そのため、動力源から出力されるトルクが変動した場合、弾性的に捩り変形が生じ、これが原因となって振動が生じ、乗り心地の悪化や車両の挙動の不安定要因になるなどの不都合がある。そこで例えば、特開平９−１０９６９４号公報に記載されたハイブリッド車では、エンジンを始動することに伴うトルク変動を演算し、その演算結果に基づいて電動機の出力トルクを補正することにより、出力軸のトルク変動を抑制するように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記の公報に記載されたハイブリッド車では、エンジンを始動することによりその出力トルクが、変速機を主体とする動力伝達系統に作用するが、そのエンジントルクによる出力軸トルクの変動を抑制するように電動機のトルクを制御することにより、エンジン始動時の過渡的な出力軸トルクの急変およびそれに起因するショックを未然に解消することができる。また、上記のエンジンと電動機とが、動力伝達系統に連結されているうえに、電動機の出力トルクはエンジントルクよりも容易に制御できるので、発進時のみならず走行途中でのエンジン出力の変化に伴う出力軸トルクの変化を滑らかにし、また振動を抑制するように電動機を制御することができる。
【０００４】このような車両における出力軸トルクの振動を抑制するための制御は、動力源の慣性モーメントおよび車体側の慣性モーメントが大きいので、２慣性系あるいは２自由度の制御対象として把握し、フィードバック制御やフィードフォワード制御系として構成することができる。しかしながら、電動機などを支持している弾性部材や駆動輪などから外乱が入力されるので、これらの外乱を加味した制御をおこなわなければ、充分に振動を抑制することができない。例えば単純なフィードフォワード制御では、事前に予測している外乱と実際の外乱とに差があるために、振動を完全に防止することが困難であり、車両における出力軸トルクの変動抑制のためには、さらに改善の余地がある。また、外乱オブザーバーを使用したフィードバック制御では、モータ回転数を滑らかにすることができるが、出力軸トルクの振動を防止することはできない。このような状況は、電動機を単独で駆動力源として動作させる場合も同様である。
【０００５】この発明は、上記の事情を背景としてなされたものであって、電動機の出力トルクを制御して駆動トルクもしくは車両の振動を効果的に防止することのできる装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、電動機から駆動輪に到る動力伝達系統である実プラントに入力する電動機のトルクを制御する電動機を駆動力源とした車両の制振装置において、前記実プラントの伝達関数に近似した伝達関数をもつプラントモデルと、そのプラントモデルの伝達関数の逆関数に基づいて構成され、前記実プラントとプラントモデルとに入力する電動機トルクを設定するフィードフォワード制御手段と、前記実プラントの出力値と前記プラントモデルで求められる出力推定値との偏差を求める比較手段と、その比較手段で求められた偏差に基づいて外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、その外乱トルク推定手段で推定された外乱トルクによって前記実プラントに入力される電動機トルクを補正する補正手段とを備えていることを特徴とするものである。
【０００７】したがって請求項１の発明では、フィードフォワード制御手段によって得られた電動機トルクが実プラントに入力されるが、パラメータ誤差があると実プラントからの出力に外乱に応じた振動が生じる。一方、プラントモデルの伝達関数とフィードフォワード制御手段の伝達関数とは互いに逆関数の関係にあるので、プラントモデルで求められる出力推定値は、外乱を含まない振動のないものとなる。したがって比較手段で得られる偏差すなわち実プラントの出力とプラントモデルで得られる出力推定値との偏差は、外乱に基づくものである。その偏差から外乱トルク推定手段によって外乱トルクが推定され、実プラントに入力される電動機トルクが、その推定された外乱トルクによって補正される。その結果、想定される外乱は、フィードフォワード制御手段によって抑制され、その他の外乱が補正手段によってフィードバック補正され、電動機のトルク変化が生じた場合、駆動トルクは電動機トルクに追従して変化し、振動が生じることがない。
【０００８】
【発明の実施の形態】つぎにこの発明を図に示す具体例に基づいて説明する。先ず、この発明で対象とする車両の動力伝達系統の一例について説明すると、図５は、前輪駆動式のハイブリッド車の動力伝達系統を模式的に示しており、エンジン（内燃機関）１の出力トルクとモータ（電動機）２の出力トルクとを、遊星歯車機構３を介して合成もしくは分配するように構成されている。ここでエンジン１は、要は、液体燃料や気体燃料を燃焼して動力を出力する装置であって、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンがその例である。そしてエンジン１の出力軸（クランクシャフト）がダンパー４に連結されている。またモータ２は、要は、電力が供給されることによって回転して動力を出力するものであり、好ましくは発電機能を備えた電動機が使用される。
【０００９】さらに、遊星歯車機構３は、図５に示す例では、いわゆるシングルピニオン型の遊星歯車機構であり、外歯歯車であるサンギヤ５と同心円上に、内歯歯車であるリングギヤ６が配置され、これらサンギヤ５とリングギヤ６とに噛合して自転かつ公転するピニオンギヤがキャリヤ７によって保持されている。そのリングギヤ６に前記ダンパー４の出力側の部材が連結され、またサンギヤ５にモータ２のロータ軸が連結されている。さらに、リングギヤ６とキャリヤ７との間には、両者を選択的に連結する一体化クラッチ８が設けられており、この一体化クラッチ８を係合させることにより遊星歯車機構３の二要素が連結されてその全体が一体化されるようになっている。
【００１０】遊星歯車機構３の出力側に変速機９が配置されている。この変速機９は、要は、入力側の部材と出力側の部材との回転数の比率を適宜に設定することのできる装置であって、有段式もしくは無段式の変速機が採用され、また自動変速機および手動変速機のいずれであってもよい。この変速機９が一対のギヤ１０を介してデファレンシャル１１に連結され、このデファレンシャル１１から左右の駆動輪１２にトルクが伝達されるようになっている。
【００１１】上記のエンジン１から駆動輪１２に到るまでの動力伝達系統における各構成部材の間に不可避的なガタが存在し、またそれぞれの構成部材が完全には剛体ではなく、また回転部材同士の間に設けたカップリング（図示せず）には振動の吸収のための弾性材が介在させられていることがある。したがってこの動力伝達系統は全体として弾性系を構成しており、そのモータ２から駆動輪１２（すなわち車体）までを制御対象である実プラントとして模式化すれば、図６のとおりである。すなわち、慣性モーメントがＩ1 でかつモータトルクＴm が入力されるモータと、慣性モーメントがＩ2 の車体との間には、ドライブシャフトに代表される捩り弾性（弾性系数Ｋd ）とその捩り動作に対する抵抗（粘性減衰係数Ｃd ）とが存在する。
【００１２】上記の図６に示す制御対象についてのこの発明に係る制振装置をブロック図で示すと図１のとおりである。アクセル開度などに応じて決定されるモータトルク指示値Ｔmiが、フィードフォワード制御器Ｆ(s) に入力され、ここからモータトルクＴm として出力される。このモータトルクＴm は補正器（加算器）２０で補正されて実プラント２１に入力される。この実プラント２１は上述したモータ２を含む制御対象であって、その伝達関数をＧR(s)で表す。またこの実プラント２１の出力は、モータ回転角度θm もしくは回転速度ωm として検出することができる。
【００１３】一方、フィードフォワード制御器Ｆ(s) から出力されるモータトルクＴm は、プラントモデル２２に入力される。このプラントモデル２２は、実プラント２１をモデル化したものであって、その伝達関数Ｇ(s) は実プラント２１の伝達関数と近似した関数として設定されている。前記モータトルクＴm に基づいてこのプラントモデル２２から得られる出力値は、モータトルクＴm を実プラント２１に入力した場合の実プラント２１の出力を推定した値となる。したがってこのプラントモデル２２で得られる推定値は、モータ回転角度推定値θmeもしくはモータ回転速度推定値ωmeである。
【００１４】実プラント２１の出力値θm とプラントモデル２２での推定値θmeとの偏差ｅを演算する比較器２３が設けられている。この偏差ｅに基づいて外乱トルクを推定する外乱トルク推定器２４が設けられている。これは外乱推定逆モデルであって偏差ｅが角度で求められている場合には、これをトルクに変換するために二階微分器Ｊs２によって構成されている。
【００１５】この外乱トルク推定器２４で演算された外乱トルク推定値がフィルターＬ(s)に入力され、ここで所定の周波数領域の外乱トルクが除去された後、前記補正器２０でモータトルクＴm に加算されてモータトルクＴm が補正される。
【００１６】ここで、上記のフィードフォワード制御器Ｆ(s) について更に説明する。図１に示すシステムとは別にフィードバック制御を併用しないフィードフォワード制御システムを想定する。その対象とするプラントは図６に示す構成であり、モータトルクが入力され、かつ出力としてドライブシャフトにトルクが現れるものとし、その伝達関数をＧ’(s)とする。
【００１７】これは、１自由度系として把握でき、その状態方程式は下記の（１）式で表され、また出力方程式は（２）式のようになる。
【式１】

【式２】

【００１８】したがって目標モータトルクのラプラス変換をＴm(s)、出力であるドライブシャフトトルクのラプラス変換をＴd(s)とすると、Ｔd(s)＝Ｇ’(s)・Ｆ(s)・Ｔm(s)となる。ここで、モータトルクＴm(s)とドライブシャフトトルクＴd(s)との比（Ｔd(s)／Ｔm(s)）は、これらの間に設けられている変速機９で設定されている変速比であるから、Ｆ(s)＝Ｇ’(0)／Ｇ’(s)となる。すなわちフィードフォワード制御器Ｆ(s)は、プラントの伝達関数の逆関数として構成される。しかしながら、このままでは、敏感な制御器となってしまうので、好ましくはＦ(s)＝Ｇ’(0)／｛Ｇ’(s)・（τs＋１）２｝
として２次遅れなどの遅れ要素をつけて安定性を高くする。図１に示すフィードフォワード制御器Ｆ(s) は、上記の伝達関数Ｇ’(s)のプラントを想定して構成されたものであり、その伝達関数Ｇ’(s) の逆関数に基づいて構成されている。したがってプラントの共振点を打ち消し、過渡振動を抑制するように作用する。
【００１９】上記の想定したプラントと実プラントとに誤差がなければ、出力に振動が生じないが、パラメータ誤差があればそれに応じた振動が残る。これを補償するために前記プラントモデル２２が設けられている。その状態方程式は（３）式のとおりであり、また出力方程式は（４）式のとおりである。
【式３】

【式４】

【００２０】前記フィードフォワード制御器Ｆ(s) は、上記のように、このプラントモデル２２の伝達関数の逆関数に基づいて構成されているので、その出力推定値θ1eは振動を伴わない。したがって実プラント２１の出力θ1 とプラントモデル２２によって推定された出力θ1eとの偏差ｅは、実プラント２１における外乱によって生じたものとなる。
【００２１】外乱トルク推定器２４ではその偏差ｅを２階微分してトルクに置き換える。フィルターＬ(s) はその置換された外乱推定トルクのうちの所定の周波数成分を除去するためのものであり、例えば微分操作では高周波領域でのＳ／Ｎ比が悪化するので、これを防止するためにローパスフィルターが用いられる。また、制動トルクを外乱とみなしてフィードバックすることによる制動性能に対する悪影響を防止するためにハイパスフィルターも併せて用いることができる。
【００２２】フィルターＬ(s) で処理された外乱推定トルクが補正器２０でモータトルクＴm に加算され、モータトルクＴm の補正がおこなわれる。すなわち、外乱に相当するトルクが補正され、その結果、ドライブシャフトトルクの振動が防止もしくは抑制される。
【００２３】上述した制振装置による制御例を図２を参照して説明する。先ず、モータトルクＴm を実プラント２１に入力した場合のモータ回転角θ1 を観測量として検出する（ステップＳ１）。そのモータ回転角θ1 から回転速度ω1 を演算する（ステップＳ２）。すなわち回転角θ1 の微分値を求める。
【００２４】一方、プラントモデル（オブザーバー）２２によって、モータトルクＴm に基づく出力推定値ω1eを求める（ステップＳ３）。この出力推定値ω1eが目標とする出力であるから、実プラント２１で生じている外乱による振動成分を求めるために、比較器２３で偏差ｅ（＝ω1e−ω1 ）を求める（ステップＳ４）。この偏差ｅが外乱に起因するものであるから、これをトルクに置き換える（ステップＳ５）。これは、前記の外乱トルク推定器２４によっておこなうことができ、その場合、ステップＳ４では回転速度として偏差ｅが演算されているので、外乱トルク推定器２４では、１階微分をおこなうとともにこれに所定の慣性モーメントを掛けて外乱推定トルクとする。
【００２５】そして、この外乱推定トルクを加味してモータ制御トルクを算出し（ステップＳ６）、かつその算出値に応じてモータトルクの制御を実行する（ステップＳ７）。ここで、モータ制御トルクの算出は、例えばアクセル開度に基づいてマップなどを参照して指示値を決定し、その指示値をフィードフォワード制御器Ｆ(s)でモータトルクＴm に変換し、さらにこれに外乱推定トルクを加算しておこなわれる。なお、モータトルクＴm に加算される外乱推定トルクはフィルターＬ(s)で処理した値である。
【００２６】上記のこの発明に係る制振装置では、プラントモデル２２のパラメータを適宜に設定することにより、ドライブシャフトトルクの振動およびそれに伴う車両の前後加速度（Ｇ）を効果的に抑制することができる。図３は、その効果を確認するためにおこなったシュミレーションの結果を示しており、モータ指示トルクＴmiをステップトルクとした場合の例である。これは、車両がモータ駆動によって発進する場合に相当する。この発明に係る装置によれば、車両の前後加速度（Ｇ）は、Ａ1 線で示すように、入力に対して２次遅れで生じるものの、殆ど振動することなく直ちに安定する。これに対して、フィードフォワード制御のみをおこなった場合には、Ｂ1 線で示すように、車両前後Ｇが入力に対して２次遅れで生じ、かつその後に小さい振幅の振動が所定時間継続し、次第に安定する。この振動はフィードフォワード制御のパラメータ誤差に基づくものであると考えられる。また、まったく制御をおこなわない場合には、破線のＣ1 線で示すように、車両前後Ｇが大きく生じ、安定するまでに長時間を要する。
【００２７】また図４は、モータ指示トルクＴmiをインパルストルクとした場合であり、これは走行中にアクセルペダルを一時的に踏み込みあるいは戻すことによりモータトルクが変化する場合に相当する。この発明に係る制振装置によれば、Ａ2 線で示すように、車両前後Ｇが入力に応じて立ち上がった後に所定の遅れをもって低下し、かつ殆ど振動せずに安定する。これに対してフィードフォワード制御のみでは、Ｂ2 線で示すように、車両前後Ｇが入力に応じて立ち上がった後に所定の遅れをもって低下するが、その後に僅かな振動を伴いつつ次第に安定する。この振動はフィードフォワード制御のパラメータ誤差に基づくものであると考えられる。また、まったく制御をおこなわない場合には、破線のＣ2 線で示すように、車両前後Ｇが大きく生じ、安定するまでに長時間を要する。
【００２８】なお、上記の具体例ではこの発明をハイブリッド車においてモータ走行する場合の制御に適用した例を示したが、この発明は上記の具体例に限定されないのであって、モータのみを駆動力源として備えた電気自動車の制振装置に適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によれば、実プラントとプラントモデルとに同一のモータトルクを入力し、実プラントから得られる出力値（観測量）とプラントモデルによって推定される出力値（推定観測量）との偏差を求め、その偏差に基づいて外乱推定トルクを算出し、その外乱推定トルクに基づいて、実プラントに入力されるモータトルクを補正するから、フィードフォワード制御では除去することのできない不可避的な外乱を、プラントモデルを用いて除去することができ、そのため、電動機での発進時あるいは走行時における駆動トルクの振動やそれに起因する車体の振動もしくはショックを防止でき、車両の乗り心地や走行安定性を向上させることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【出願日】 平成１１年１月２２日（１９９９．１．２２）
【代理人】 【識別番号】１０００８３９９８
【弁理士】
【氏名又は名称】渡辺 丈夫
【公開番号】 特開２０００−２１７２０９（Ｐ２０００−２１７２０９Ａ）
【公開日】 平成１２年８月４日（２０００．８．４）
【出願番号】 特願平１１−１４８３９