JP6770466B2 - サスペンション制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、サスペンション制御装置に関する。

車両が走行中にばね下部材が路面の凹凸を乗り越えると、懸架ばねが伸縮して懸架ばねがばね上部材を支持する支持力が変動するため、ばね上部材が振動する。このばね上部材の振動を抑制するために、車両におけるばね下部材とばね上部材との間に介装されるアクチュエータを介装し、このアクチュエータが発揮する推力を制御して、ばね上部材の振動を抑制するサスペンション制御装置がある。

このようなサスペンション制御装置は、ばね上部材の上下方向速度を検知して、ばね上部材の振動を抑制するスカイフック制御を行うものが知られている。スカイフック制御では、ばね上部材を架空のスカイフックダンパで空中から吊るした状態をアクチュエータが発揮する推力の制御によって疑似的に実現して、ばね上部材の振動を抑制する（たとえば、特許文献１参照）。

また、これから車両が走行する車両の前方の路面の凹凸を予めセンシングしておき、ばね下部材が路面に凹凸を乗り越える際にばね上部材に生じる振動を予測する予見制御を行って、乗心地の更なる向上を図るサスペンション制御装置が開発されている（たとえば、特許文献２参照）。予見制御では、路面の凹凸からこれから起こりうるばね下部材の振動を前もって検知し、ばね下部材の振動がばね上部材へ伝達されないようにアクチュエータの推力を制御して、ばね上部材の振動を抑制する。

特開平７−１１７４４７号公報 特開平７−３１５０２８号公報

スカイフック制御を行うサスペンション制御装置は、ばね上部材の速度を検知して、アクチュエータでばね上部材の振動を抑制するが、ばね上部材の動きに対してこれを抑制する推力をアクチュエータに発揮させる。そのため、スカイフック制御を行うサスペンション制御装置にあっては、ばね上部材の振動を低減できるものの、振動抑制効果の向上が求められる。

また、予見制御を行うサスペンション制御装置では、路面の凹凸の検知精度がよくないと、ばね下部材からばね上部材に伝わる振動を精度よく予見できない。さらに、アクチュエータの制御指令から出力までの応答遅れがある。よって、予見制御を行うサスペンション制御装置では、ばね下部材からばね上部材に伝わる振動をうまく打ち消せない場合があり、振動抑制効果の向上が求められる。

そこで、本発明は、ばね上部材の振動抑制効果を向上できるサスペンション制御装置の提供を目的としている。

上記した目的を達成するため、本発明のサスペンション制御装置は、車両におけるばね下部材とばね上部材との間に懸架ばねとともに介装されるアクチュエータを制御する制御器を備え、制御器は、ばね下部材の振動情報と、懸架ばねのばね定数と、アクチュエータの制御指令に対する応答遅れ情報とに基づいて、ばね下部材からばね上部材に伝達される伝達力を打ち消す制御指令を求める。このようにサスペンション制御装置が構成されると、アクチュエータの応答遅れを補償しつつばね下部材からばね上部材へ伝わる伝達力を打ち消せる。

また、サスペンション制御装置は、アクチュエータが一次遅れ系である場合、懸架ばねのばね定数をＫ_Ｓとし、ばね下部材の変位をＸ_２とし、アクチュエータの制御指令から出力までの伝達関数における時定数をＴとし、ゲインをｋとすると、以下の式（１）を演算して制御指令を求めてもよい。このように制御指令を求めると、一次遅れのアクチュエータに適した制御指令を生成できる。

さらに、サスペンション制御装置は、アクチュエータが二次遅れ系である場合、懸架ばねのばね定数をＫ_Ｓとし、ばね下部材の変位をＸ_２とし、アクチュエータの制御指令から出力までの伝達関数における固有角周波数をωとし、アクチュエータの制御指令から出力までの伝達関数における減衰率をζとすると、以下の式（２）を演算して制御指令を求めてもよい。このように制御指令を求めると、二次遅れのアクチュエータに適した制御指令を生成できる。

また、サスペンション制御装置は、ばね上部材の振動を抑制するばね上スカイフック制御力を加味して制御指令を求めてもよい。このように制御指令を求めると、アクチュエータがばね下部材からばね上部材へ伝達する伝達力を打ち消すだけでなく、ばね上部材の振動を抑制するばね上スカイフック制御力をも発揮するので、車両における乗心地が向上する。

そして、サスペンション制御装置は、ばね下部材の振動を抑制するばね下スカイフック制御力を加味して制御指令を求めてもよい。このように制御指令を求めると、アクチュエータがばね下部材からばね上部材へ伝達する伝達力を打ち消すだけでなく、ばね下部材の振動を抑制するばね下スカイフック制御力をも発揮するので、車両における乗心地が向上する。

本発明のサスペンション制御装置によれば、ばね上部材の振動抑制効果を向上できる。

一実施の形態におけるサスペンション制御装置を示した図である。 一実施の形態の一変形例のサスペンション制御装置における制御器の制御ブロック図である。 一実施の形態における他の変形例のサスペンション制御装置の構造を示す図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１に示すように、一実施の形態におけるサスペンション制御装置Ｃは、車両Ｖのばね下部材である車輪Ｗとばね上部材である車体Ｂとの間に懸架ばねＳとともに介装されるアクチュエータＡを制御して車体Ｂの振動を抑制する。

以下、各部について詳細に説明する。図１に示すように、システムである車両Ｖは、外周にタイヤＴｉを有する車輪Ｗと、車体Ｂと、車輪Ｗと車体Ｂとの間に介装されて車体Ｂを弾性支持する懸架ばねＳとで構成されている。

車両Ｖは、タイヤＴｉをばね定数Ｋ_ｔのばねとし、車輪Ｗを質量Ｍ_１のマスとし、懸架ばねＳをばね定数Ｋ_Ｓのばねとし、車体Ｂを質量Ｍ_２のマスとする二質点二自由度のばねマスシステムであり、図１に示すばねマスシステムのモデルで表現できる。また、路面変位をＸ_０とし、車体Ｂの上下方向の変位をＸ_１とし、車輪Ｗの上下方向の変位をＸ_２とし、図１中で上向きを正としている。

サスペンション制御装置Ｃは、ばね下部材である車輪Ｗの振動情報を検知するためのセンサ１とアクチュエータＡに与える制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}を求める制御器２とを備えている。

サスペンション制御装置Ｃは、本例では、ばね下部材である車輪Ｗの振動情報として車輪Ｗの上下方向の変位Ｘ_２と速度ｄＸ_２／ｄｔを検知するために、センサ１は、加速度センサとされている。センサ１は、車輪Ｗの上下方向の加速度ｄ^２Ｘ_２／ｄｔ^２を検出し、制御器２へ入力する。

制御器２は、図１に示すように、センサ１から入力される加速度ｄ^２Ｘ_２／ｄｔ^２を積分して車輪Ｗの上下方向の速度ｄＸ_２／ｄｔを求める速度演算部２１と、加速度ｄ^２Ｘ_２／ｄｔ^２を二階積分して車輪Ｗの上下方向の変位Ｘ_２を求める変位演算部２２と、ばね下部材である車輪Ｗの振動情報としての変位Ｘ_２と速度ｄＸ_２／ｄｔに基づいて制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}を生成してアクチュエータＡへ入力する制御指令演算部２３とを備えている。

このように、制御器２は、車輪Ｗの上下方向の変位Ｘ_２と速度ｄＸ_２／ｄｔからアクチュエータＡへ与える制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}を生成してアクチュエータＡへ与える。制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}は、アクチュエータＡへ伸縮の方向と推力の大きさを指示する指令である。

アクチュエータＡは、懸架ばねＳに並列されて車体Ｂと車輪Ｗとの間に介装されており、たとえば、油圧や空圧を利用したテレスコピック型のシリンダや電動リニアアクチュエータ等とされており、動力源を有している。そして、アクチュエータＡは、制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}の入力により制御指令通りの方向と大きさの推力を発揮して伸縮し、車体Ｂおよび車輪Ｗを上下方向へ加振する。

そして、図１に示すように、路面変位をＸ_０とし、車輪Ｗの上下方向の変位をＸ_２とし、車体Ｂの上下方向の変位をＸ_１とし、アクチュエータＡの出力である推力をｆ_ａとし、上向きを正として考えると、ばね上部材である車体Ｂの上下方向の釣り合いから車体Ｂの運動方程式は、以下の式（３）のように示せる。

また、ばね下部材である車輪Ｗの上下方向の釣り合いから車輪Ｗの運動方程式は、以下の式（４）のように示せる。

さらに、アクチュエータＡを一次遅れ系とし、アクチュエータＡの制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}から出力である推力ｆ_ａまでの応答遅れにおける時定数をＴとすると、アクチュエータＡの応答に関する微分方程式は、以下の式（５）のように示せる。

式（３）を分解すると以下の式（６）となる。

ここで、路面変位Ｘ_０の変動（外乱）によって車輪Ｗが振動するが、車輪Ｗの振動によって車体Ｂへ伝達される伝達力を打ち消せば、車体Ｂへ車輪Ｗの振動の伝達をキャンセルして絶縁できる。つまり、路面変位Ｘ_０の変動（外乱）によって動かされる車体Ｂの変位Ｘ_１と、アクチュエータＡが推力ｆ_ａを発揮して動かされる車体Ｂの変位Ｘ_１が全く逆の大きさになれば両者が相殺される。車輪Ｗの変位Ｘ_２によって車体Ｂに作用する伝達力は、車輪Ｗの変位Ｘ_２によって懸架ばねＳが伸縮して懸架ばねＳが発揮するばね力となるから、アクチュエータＡの推力ｆ_ａが車輪Ｗの変位によって懸架ばねＳが発揮するばね力Ｋ_ＳＸ_２の符号を反転した値に等しくなればよい。

なお、式（３）では、Ｋ_Ｓ（Ｘ_２−Ｘ_１）と推力ｆ_ａの値が異符号で数値が等しい関係となれば、車体Ｂには加速度が生じないことを示しているように思える。つまり、推力ｆ_ａ＝−Ｋ_Ｓ（Ｘ_２−Ｘ_１）とすればよいようにも思える。ところが、（Ｘ_２−Ｘ_１）は、車体Ｂと車輪Ｗの相対変位であり、相対変位の変化は、旋回、制動或いは加速による車体Ｂの姿勢変化や車体Ｂへの積載荷重の変化によるものか路面変位に起因するものか判別がつかない。たとえば、ピッチングによって車体Ｂの前方が沈み込んで懸架ばねＳを縮める場合、ｆ_ａ＝−Ｋ_Ｓ（Ｘ_２−Ｘ_１）としてアクチュエータＡに推力を発揮させると、車体Ｂの沈み込みを助長する方向に推力を発揮してしまう。車体Ｂが浮き上がる場合には、浮き上がりを助長してしまう。このように、車体Ｂと車輪Ｗの相対変位をフィードバックする制御では、車体Ｂの姿勢が安定せず、却って、車体Ｂの振動が発振してしまうモードが存在する。よって、アクチュエータＡの推力ｆ_ａが車輪Ｗの変位Ｘ_２によって懸架ばねＳが発揮するばね力Ｋ_Ｓ・Ｘ_２を伝達力として、この伝達力を打ち消すように、アクチュエータＡの推力ｆ_ａを求めればよい。以上を踏まえると、以下の式（７）が成り立てばよい。

他方、ラプラス演算子をｓとして、式（５）の制御指令とアクチュエータＡの推力の関係を伝達関数で表現すると、伝達関数は、以下の式（８）で表現される。

この式（８）を式（７）に代入すると、式（９）となる。なお、式（９）中で、ｋはゲインである。この式（９）は、アクチュエータＡの制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}の入力から推力ｆ_ａを出力するまでの応答遅れが勘案された式となる。

ラプラス演算子ｓが乗算される変数は微分されるので、式（９）を展開して整理すると、以下の式（１０）が得られる。

式（１０）から理解できるように、変位Ｘ_２に対して位相が進む速度を利用してアクチュエータＡの応答遅れを補償できる制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}を求める。この式（１０）において、アクチュエータＡの制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}の入力から推力ｆ_ａを出力するまでの応答遅れについて、予め、実機において時定数Ｔとゲインｋに計測すれば足り、車輪Ｗの変位Ｘ_２と速度ｄＸ_２／ｄｔをセンサ１で検知する加速度ｄ^２Ｘ_２／ｄｔ^２から得られる。よって、制御指令演算部２３は、式（１０）を演算すれば制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}を求め得る。このように制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}を求めてアクチュエータＡへ入力するとアクチュエータＡは、推力ｆ_ａを発揮して車輪Ｗからの伝達力を打ち消せるので、路面からの外乱入力による車体Ｂの振動を相殺して、車体Ｂの振動を抑制できる。

以上より、本発明のサスペンション制御装置Ｃによれば、簡単な演算処理でアクチュエータＡの応答遅れを補償しつつ外乱の影響を打ち消せるので、外乱入力である路面変位Ｘ_０の変化による車体Ｂの振動を効果的に相殺でき、車体Ｂの振動抑制効果を向上できる。

なお、車輪Ｗの変位Ｘ_２に懸架ばねＳのばね定数Ｋ_Ｓを乗じて符号を反転させた−Ｋ_ＳＸ_２をそのまま制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}とする場合でも車体Ｂの振動を抑制できるが、アクチュエータＡの応答遅れの補償ができないため、振動抑制効果が劣ってしまう。これに対して、本発明のサスペンション制御装置Ｃによれば、アクチュエータＡの応答遅れを補償しつつ外乱の影響を打ち消す制御力を求めるので、車体Ｂの振動抑制効果が向上するのである。

なお、アクチュエータＡが二次遅れの特性を備えている場合には、固有角周波数をωとし、減衰率をζとすると、ゲインをｋとすると、制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}から推力ｆ_ａまでの伝達関数は、以下の式（１１）のように示される。

この式（１１）を式（７）に代入すると、式（１２）となる。式（１２）は、アクチュエータＡの制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}の入力から推力ｆ_ａを出力するまでの二次の応答遅れが勘案された式となる。

ラプラス演算子ｓが乗算される変数は微分され、ラプラス演算子ｓの二乗が乗算される変数は二階微分となるので、式（１２）を展開して整理すると、以下の式（１３）が得られる。

式（１３）から理解できるように、アクチュエータＡが二次の応答遅れ位の特性を備えている場合、一次遅れのアクチュエータＡに比較して、変位Ｘ_２から位相が進んだ速度ｄＸ_２／ｄｔに加えて、更に位相が進んだ加速度ｄ^２Ｘ_２／ｄｔ^２を加味して、制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}を求めればよい。つまり、二次遅れのアクチュエータＡの場合、制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}を求めるために利用するばね下部材である車輪Ｗの振動情報は、変位Ｘ_２、速度ｄＸ_２／ｄｔおよび加速度ｄ^２Ｘ_２／ｄｔ^２となる。このようにすれば、アクチュエータＡの応答遅れを補償しつつ、路面からの外乱入力による車体Ｂの振動を相殺して、車体Ｂの振動を抑制できる。よって、アクチュエータＡが高次の応答遅れとなれば、車輪Ｗの変位Ｘ_２から位相が次数分進んだ情報を加味すれば、アクチュエータＡの応答遅れの特性に対応して車体Ｂの振動を抑制できる。よって、制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}を得るためのばね下部材である車輪Ｗの振動情報は、アクチュエータＡの応答遅れの次数に応じて、前述のように決定すればよい。

前述したところから理解できるように、本発明のサスペンション制御装置Ｃでは、路面変位を外乱として捉えて、外乱の入力によってシステムである車両Ｖにおける車体Ｂに伝達される力（伝達力）を打ち消す制御を実行している。よって、前記制御のみでアクチュエータＡを制御する場合、アクチュエータＡは、車体Ｂが振動した場合に振動を減衰させる減衰力を発揮できない。そこで、外乱入力によって前記伝達力を完全に打ち消せず車体Ｂが振動する場合も考慮して、前記制御に車体Ｂの振動を抑制するスカイフック制御を併用するとよい。

スカイフック制御を行うには、車体Ｂの上下方向である車体速度ｄＸ_１／ｄｔを検知して、前記車体速度ｄＸ_１／ｄｔからばね上スカイフック制御力Ｆ_ｂｓｋｙを求め、ばね上スカイフック制御力Ｆ_ｂｓｋｙを車輪Ｗの変位Ｘ_２による伝達力を打ち消す力−Ｋ_ｓＸ_２に加算して、アクチュエータＡの推力ｆ_ａを求めればよい。車体速度ｄＸ_１／ｄｔを検知するには、図２に示すように、車体Ｂに車体Ｂの上下方向の加速度を検知する加速度センサ３を設け、制御器２に加速度センサ３で検知した加速度を積分して車体速度ｄＸ_１／ｄｔを得る車速演算部２４を設ければよい。また、制御指令演算部２３は、車体速度ｄＸ_１／ｄｔにばね上スカイフック減衰係数Ｃ_ｂｓｋｙを乗じてばね上スカイフック制御力Ｆ_ｂｓｋｙ（Ｆ_ｂｓｋｙ＝Ｃ_ｂｓｋｙｄＸ_１／ｄｔ）を求め、ばね上スカイフック制御力Ｆ_ｂｓｋｙと車輪Ｗの変位Ｘ_２による伝達力を打ち消す力−Ｋ_ｓＸ_２とを加算して、アクチュエータＡの推力ｆ_ａを求めればよい。このようにして、求めた推力ｆ_ａを式（８）に代入して展開すると、以下の式（１４）が得られる。

式（１４）を用いて制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}を求めれば、アクチュエータＡは、伝達力を打ち消す力に加えてばね上スカイフック制御力Ｆ_ｂｓｋｙも発揮するので、車体Ｂが振動しても車体Ｂが制振されて車両における乗心地が向上する。

スカイフック制御は、ばね下部材である車輪Ｗの制振に適用されてもよい。この場合には、車輪Ｗの上下方向の速度ｄＸ_２／ｄｔにばね下スカイフック減衰係数Ｃ_ｗｓｋｙを乗じてばね下スカイフック制御力Ｆ_ｗｓｋｙ（Ｆ_ｗｓｋｙ＝Ｃ_ｗｓｋｙｄＸ_２／ｄｔ）を得て、車輪Ｗの変位Ｘ_２による伝達力を打ち消す力−Ｋ_ｓＸ_２に加算して、アクチュエータＡの推力ｆ_ａを求めればよい。このようにして、求めた推力ｆ_ａを式（８）に代入して展開すると、以下の式（１５）が得られる。

式（１５）を用いて制御指令ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}を求めれば、アクチュエータＡは、伝達力を打ち消す力に加えてばね下スカイフック制御力Ｆ_ｗｓｋｙも発揮するので、車輪Ｗの振動を抑制できるので、車体Ｂにおける振動も抑制されて車両における乗心地が向上する。なお、車輪Ｗの制振にスカイフック制御を利用する場合、図１に示したサスペンション制御装置Ｃの構成を変更せずに適用可能である。

なお、車体Ｂと車輪Ｗの双方の制振にスカイフック制御を適用する場合には、式（１４）の右辺に式（１５）の右辺の第三項と第四項を加算して制御指令を求めればよい。

また、図３に示すように、車輪Ｗの振動を抑制するダイナミックダンパＤを設けると、車輪Ｗの振動の抑制も可能となる。ダイナミックダンパＤは、車輪Ｗにばね４とばね４に弾性支持される錘５とで構成されており、タイヤＴｉと懸架ばねＳによって弾性支持される車輪Ｗの固有周波数にばね４と錘５とでなるばねマスシステムの固有周波数を一致させてある。このように、車輪Ｗの固有振動数にダイナミックダンパＤの固有振動数を一致させると車輪Ｗの振動を抑制できる。このように伝達力を打ち消す制御に加えてダイナミックダンパＤを併用すれば、車輪Ｗが振動しても、この振動を低減でき、車体Ｂの振動も効果的に抑制できる。また、ダイナミックダンパＤは、車輪Ｗの振動を抑制できればよいので、回転慣性を利用したものでもよい。さらに、ダイナミックダンパＤは、図３の破線で示すように、錘５と車輪Ｗとの間に減衰力を発揮するダンパ６を並列して構成されてもよい。ダンパ６を設ける場合、車輪Ｗの固有振動数とダイナミックダンパＤの固有振動数がずれても、振動抑制が全くできなくなる事態とならず、ある程度、車輪Ｗの振動を抑制できる利点がある。また、車輪Ｗの制振にあたっては、特開２００３−１９１７０２、特開２００３−１９１７０３或いは特開２００３−２００７０２に開示されているようなサスペンション内蔵ホイールを用いてもよい。なお、ダイナミックダンパＤやサスペンション内臓ホイールは、スカイフック制御に干渉しないので、伝達力を打ち消す制御とともに両者を併用してもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、及び変更が可能である。

Ａ・・・アクチュエータ、Ｂ・・・車体（ばね上部材）、Ｃ・・・サスペンション制御装置、Ｓ・・・懸架ばね、Ｖ・・・車両、Ｗ・・・車輪（ばね下部材）、２・・・制御器

Claims (5)

1. 車両におけるばね下部材とばね上部材との間に懸架ばねとともに介装されるアクチュエータを制御する制御器を備え、
   前記制御器は、前記ばね下部材の振動情報と、前記懸架ばねのばね定数と、前記アクチュエータの制御指令に対する応答遅れ情報とに基づいて、前記ばね下部材から前記ばね上部材に伝達される伝達力を打ち消す制御指令を求める
   ことを特徴とするサスペンション制御装置。
2. 前記制御器は、前記アクチュエータが一次遅れ系である場合、前記懸架ばねのばね定数をＫ_Ｓとし、前記ばね下部材の変位をＸ_２とし、前記アクチュエータの制御指令から出力までの伝達関数における時定数をＴとし、ゲインをｋとすると、以下の式（１６）を演算して前記制御指令を求める
   ことを特徴とする請求項１に記載のサスペンション制御装置。
   

   
3. 前記制御器は、前記アクチュエータが二次遅れ系である場合、前記懸架ばねのばね定数をＫ_Ｓとし、前記ばね下部材の変位をＸ_２とし、前記アクチュエータの制御指令から出力までの伝達関数における固有角周波数をωとし、前記アクチュエータの制御指令から出力までの伝達関数における減衰率をζとすると、以下の式（１７）を演算して前記制御指令を求める
   ことを特徴とする請求項１に記載のサスペンション制御装置。
   

   
4. 前記制御器は、スカイフック制御に基づいて前記ばね上部材の振動を抑制するばね上スカイフック制御力を求め、前記ばね下部材の振動情報、前記懸架ばねのばね定数、前記アクチュエータの制御指令に対する応答遅れ情報および前記ばね上スカイフック制御力と基づいて前記制御指令を求める
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のサスペンション制御装置。
5. 前記制御器は、スカイフック制御に基づいて前記ばね下部材の振動を抑制するばね下スカイフック制御力を求め、前記ばね下部材の振動情報、前記懸架ばねのばね定数、前記アクチュエータの制御指令に対する応答遅れ情報および前記ばね下スカイフック制御力と基づいて前記制御指令を求める
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のサスペンション制御装置。

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