JP7788945B2 - 左右独立駆動車両の運動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の運動を制御する制御装置の構成に係り、特に、左右輪を独立にモータで駆動する車両の運動制御装置に関する。

脱炭素及び自動運転社会へ向けて自動車の電動化が進んでいる。モータを用いて左右輪を独立に駆動する車両においては、独立に駆動力を制御することによって車両にヨーモーメント、ピッチモーメント、ロールモーメントを付加したり、タイヤの持てる能力を有効に使うことで車両の運動性能や安定性を高めることができる。

しかしながら、左右輪の駆動力の制御精度が低くて意図した駆動力を与えることが出来ない場合には、かえって車両の運動性や安定性を悪化させてしまうため、左右輪の駆動力の制御精度を高めることが課題となっている。

この課題を解決するために、例えば特許文献１に記載の技術が提案されている。特許文献１では、電気自動車において左右の駆動輪をそれぞれ独立して駆動する２基の走行用モータを備え、トルク指令手段からの指令値に基づいて２基の走行用モータを駆動している。走行用モータは、モータの製作制度、組立精度、インバータとの整合調整のレベル、経年変化等によってトルク出力特衛に違いが生じることがある。この課題を解決するために、特許文献１では、トルク差発生判定手段と駆動力差低減手段を設けている。トルク差発生判定手段は、トルク指令手段が、ステアリング操舵トルクの情報から２基の走行用モータへ同一のトルク指令値ＴＬ＊、ＴＲ＊を与えているにも係わらずに実際の左右の駆動輪の駆動力ＴＬ、ＴＲの間に差が生じている状態を判定する。そして、駆動力差低減手段は、トルク差発生判定手段により左右の駆動輪の間に設定値以上の駆動力差が生じていると判定されると、その駆動力差を低減させるように走行している車両を制御する。

特開２０１３－１５８１２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、ステアリング装置に作用するステアリング操舵トルク情報から、同一のトルク指令値を与えているにも係わらず、実際の左右の駆動輪における駆動力の間に差が生じている状態を判定する際に、操舵トルク情報に変化が出る原因が、左右輪のモータの駆動力差であるのか、道路勾配などの外部的なものであるのかが区別できない。このため、モータの駆動力差を適切に補正することができず、左右輪の駆動力の制御精度を上げることができない場合がある。例えば、車両が左右の何れかのモータの駆動力を増加させて上り坂を走行している場合、上り坂が終わるとモータの駆動力を増加させている側の駆動力が過大となり、車両が不安定になる可能性がある。

本発明の目的は、道路勾配などの外部的な影響を考慮してモータのトルク差を補正し、左右輪の駆動力の制御精度を高めることができる左右独立駆動車両の運動制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、運転者の操作情報、或いは上位の運転装置の操作指示から算出した車両の状態量基準と、車両の運動及び姿勢に関する情報から算出した実車両の状態量との差分からホイールトルク値を算出し、前記ホイールトルク値に基づいて複数のモータを制御して左右の車輪をそれぞれ独立駆動する左右独立駆動車両の運動制御装置であって、前記運動制御装置は、車輪回転速度及びタイヤ舵角に基づいて算出した推定横加速度と、前記車両の前後加速度、横加速度、ヨーレートに基づいて算出した実横加速度との差分から運動量誤差を算出し、前記運動量誤差に関する周波数特性から前記車両に対する外乱成分を分離して前記モータのトルク差に起因する運動量誤差を抽出し、抽出した前記モータのトルク差に起因する運動量誤差に基づいてホイールトルク補正量を算出し、前記ホイールトルク値に前記ホイールトルク補正量を加算して前記複数のモータにホイールトルク指令を出力することを特徴とする。

本発明によれば、道路勾配などの外部的な影響を考慮してモータのトルク差を補正し、左右輪の駆動力の制御精度を高めることができる左右独立駆動車両の運動制御装置を提供できる。

本発明の実施例１に係る車両の運動制御装置２を搭載した車両１の概略構成を示す平面図である。 本発明の実施例１に係る車両の構成部品と車両の運動制御装置との接続関係を示した図である。 本発明の実施例１に係る車両の運動制御装置２内の制御ブロックを示した図である。 左右のモータにトルク差がある場合の特性を示した図である。 左右のモータにトルク差がある場合の車両の運動例を示した図である。 車両への前後加速度指令とモータのトルク差がある場合、及びモータのトルク差が無い場合の横加速度を示した図である。 周波数と横加速度強度の関係を示す図である。 一般的な各挙動の周波数と横加速度強度の関係を示す図である。 周波数軸での車両に発生する横加速度のモータトルク差による特性を示した図である。 複数のバンドパスフィルタを搭載した車両の運動制御装置２の構成を示す図である。 四輪独立駆動の場合のトルク大小と姿勢変化の状態を示す図である。

以下、本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、同様の説明は繰り返さない。

本発明の各種の構成要素は必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、或る構成要素が別の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複すること、などを許容する。

図１から図１1を用いて、左右独立駆動車両の運動制御装置について説明する。本実施例では以下説明するように、車両の左右に独立した複数のモータを備えており、ホイールトルク値に基づいて複数のモータを制御して左右の車輪をそれぞれ独立駆動している。

図１は、本発明の実施例１に係る車両の運動制御装置２を搭載した車両１の概略構成を示す平面図である。

図１において本実施例の車両１は、車両運動量センサ３、アクセルペダル４、ブレーキペダル５、ハンドル６Ａ、転舵機構６Ｂ、インホイールモータ（左前７ＦＬ、右前７Ｆｒ、左後７ＲＬ、右後７Ｒｒ）、タイヤ（左前８ＦＬ、右前８Ｆｒ、左後８ＲＬ、右後８Ｒｒ）、各機器を接続するコントローラーエリアネットワーク９を備える。

なお、これ以外の構成部品や各機器への電源配線などについては通常の車両と同様であるが、本実施例の説明では不要であるため、図示および説明を割愛する。また、説明に用いる座標系は、車両１の前後方向をｘ軸（前方向を正）、左右方向をｙ軸（左方向を正）、上下方向をｚ軸（上方向を正）とする。

車両１の駆動は、アクセルペダルの入力を参照して各々の車輪のインホイールモータに駆動力を発生させて実施する。なお、本実施例では、各々のタイヤは独立して駆動と制動のトルクを発生することが可能であり、走行状況等に応じて調整することができる。

車両の進行方向の変更は、ハンドル６Ａの入力を参照して転舵機構６Ｂで前輪を転舵して実施する。なお、本実施例ではハンドルと転舵機構の間を電線で接続するバイワイヤシステムである。

車両の制動はブレーキペダル５の入力を参照して各々の車輪のインホイールモータに制動力を発生させて実施する。なお、各インホイールモータで制御できない領域への対応では、摩擦ブレーキを使用あるいは併用するが、前述のように本実施例の説明には不要な構成部品であるため割愛する。

図２は、本発明の実施例１に係る車両の構成部品と車両の運動制御装置２との接続関係を示した図である。車両の運動制御装置２は、車両運動量センサ３から車両の運動と姿勢にかかわる情報を受信し、アクセルペダル４、ブレーキペダル５、ハンドル６Ａから運転者の操作情報を受信する。そして、車両の運動制御装置２は、所望の車両運動を実現するために前輪の転舵角と各々の車輪の制駆動トルクを計算し、転舵機構６Ｂ、各インホイールモータ（左前７ＦＬ、右前７Ｆｒ、左後７ＲＬ、右後７Ｒｒ）へのトルク指令を出力する。また、同時に転舵機構６Ｂ、各インホイールモータからは、転舵角、転舵力、車輪回転数などの機器情報を受信する構成となっている。なお、車両の運動及び姿勢に関する情報とは、前後加速度、横加速度、ロールレート、ピッチレート、ヨーレートなどである。また、車両の運動及び姿勢に関する情報は、上記以外に、モータ間の回転数差、回転角度差であっても良い。

図３は、本発明の実施例１に係る車両の運動制御装置２内の制御ブロックを示した図である。車両の運動制御装置２の入力は、機器情報としての転舵機構、各インホイールモータからの車輪回転速度、タイヤ舵角、また車両の運動と姿勢に関する情報としての車両運動量センサからの前後加速度、横加速度、ヨーレート、また運転者の操作情報としてのアクセルペダル、ブレーキペダル、ハンドルからのアクセル位置、ブレーキ位置、ハンドル位置である。車両の運動制御装置２の出力は各ホイールトルク指令とタイヤ舵角指令である。

また、本発明は、手動で運転する車両と自動運転装置で運転される車両のいずれも同様に適用可能であり、運転者の操作情報の代わりに、自動運転装置などの上位の運転装置の操作指示を車両の運動制御装置２の入力として用いることが可能である。

車両の運動制御装置２での処理は大きく２つに分けられる。一つ目は、車両状態を制御する部分であり、二つ目はホイールトルク値の補正量を計算する部分である。

一つ目の車両状態を制御する部分は、上述した運転者の操作情報から車両状態量基準入力要素２Ｃで車両状態量基準を算出する。また、車両の運動及び姿勢に関する情報から実車両状態量計算要素２Ｄで実車両状態量を算出する。次に、車両状態量基準と実車両状態量の差分から車両状態量誤差を計算し、この誤差に基づいて、車両状態制御器２Ｇで操作量であるホイールトルク値とタイヤ舵角を算出する。

二つ目のホイールトルク値の補正量を計算する部分は、上述した機器情報から運動量基準入力要素２Ａで運動量基準を算出する。また、車両の運動及び姿勢に関する情報から実運動量計算要素２Ｂで実運動量を算出する。次に運動量基準と実運動量の差分から運動量誤差を計算し、この誤差から分離手段２Ｅでモータのトルク差に起因する運動量誤差を抽出し、この抽出された誤差から補正量計算手段２Ｆでホイールトルク補正量を計算する。最終的に一つ目の車両状態を制御する部分で計算されたホイールトルク値を二つ目のホイールトルク値の補正量を計算する部分で計算されたホイールトルク補正量を加算して補正し、ホイ―ルトルク指令として運動制御装置２から出力する。なお、タイヤ舵角指令は、一つ目の車両状態を制御する部分で計算された値をそのまま、タイヤ舵角指令として運動制御装置２から出力する。

なお、本実施例では、運転者が車両に乗車し運転操作を行う車両としたが、これに限定するものではなく、例えば、車両の運動制御装置２への入力は上位の自動運転制御装置から与える構成であっても良い。また、本実施例では四輪インホイールモータの車両としたが、これに限定するものではなく、例えば、前輪二輪だけ、あるいは、後輪二輪だけを駆動する車両であっても良いし、インホイールモータでは無く、車両の車体に搭載された２つのモータで左右の車輪を駆動する構成であっても良い。

以下本実施例による具体的な動作について、後輪だけに駆動力を与えて直進加速する走行を例にとり説明する。図４は、左右のモータにトルク差がある場合の特性を示した図である。図４に示すように後輪に配置した左右のモータには個体差があり、同一のホイールトルク指令に対して、右モータのトルクＦ４２は左モータのトルクＦ４１より大きい状態にある。

車両が直進加速を行う場合、運転者によってアクセルが操作される。車両の運動制御装置２では、その入力を受けて車両状態量基準入力要素２Ｃで基準前後加速度を計算し、車両状態量基準とする。ここで車両状態制御器２Ｇは、現在の前後加速度が基準前後加速と等しくなるようにホイールトルク指令を計算し出力する。この状態で直進であるので左右のホイールトルクは等しい値が指令される。

図５は、左右のモータにトルク差がある場合の車両の運動例を示した図である。車両状態制御器２Ｇが出力するホイールトルク指令に基づき、インホイールモータはトルクを発生させ、車両を前方に進めるけん引力を発生させる。ここで左右のインホイールモータ（左後７ＲＬ、右後７Ｒｒ）には個体差があるため、右側けん引力Ｆ５３の方が左側けん引力Ｆ５２より大きい状態となり（Ｆ５３＞Ｆ５２）、車両運動は進路Ｆ５１のように左旋回となる。左旋回により車両には、プラスのヨーレートとプラスの横加速度が生じる。このように車両の運動制御装置２からの指令としては、左右のホイールトルクは等しくし直進加速を出しているにもかかわらず、モータの実トルクの差により車両は左旋回を行ってしまう結果となる。

図６は、車両への前後加速度指令とモータのトルク差がある場合、及びモータのトルク差が無い場合の横加速度を示した図である。

車両への前後加速度指令Ｆ６１によってホイールトルク値を発生させた場合、左右のモータにトルク差があると、上述の動作のようにプラス方向の横加速度Ｆ６２が発生する。この際に、横加速度はモータのトルク差以外に路面の凹凸であるロードノイズやサスペンション動作や各部たわみによる車両運動の影響を受け、図示のようにひずんだ形状となる。一方、左右のモータにトルク差が無い場合は、正常横加速度Ｆ６３のように路面の凹凸であるロードノイズやサスペンション動作や各部たわみによる車両運動の影響のみが観測される。

図７は、周波数と横加速度強度の関係を示す図である。図７では、モータのトルク差がある場合の横加速度Ｆ６２（図６）を周波数分析した結果を示している。周波数が低い方からピークが３点観測されている。それぞれのピークは、モータのトルク差に起因する挙動Ｆ７１、車両運動Ｆ７２、ロードノイズＦ７３となっている。

ここで、一般的な各挙動の周波数特性について説明する。図８は、一般的な各挙動の周波数と横加速度強度の関係を示す図である。図８において、周波数が低い方から、モータのトルク差に起因する挙動Ｆ８１、車両運動Ｆ８２、ロードノイズＦ８３の周波数特性となる。図８に示すように、横加速度強度に対する周波数の違いから、モータのトルク差に起因する挙動Ｆ８１、車両運動Ｆ８２、ロードノイズＦ８３を識別することができる。

以上のことから、横加速度に周波数領域でのフィルタをかけることで、車両に発生する横加速度のうちモータのトルク差に起因する成分のみを抽出することができる。具体的にはローパスフィルタをかけ、モータのトルク差に起因する成分のみを抽出する。

本実施例の車両の運動制御装置２では、この原理を用いてホイールトルク補正量を算出する。すなわち、運動量基準入力要素２Ａが車輪回転速度、タイヤ舵角に基づいて推定横加速度を算出して運動量基準とし、実運動量計算要素２Ｂが前後加速度、横加速度、ヨーレートに基づいて実横加速度を算出して実運動量とし、運動量基準との差分（運動量誤差）を算出する。

この差分（運動量誤差）を分離手段２Ｅでローパスフィルタをかけてモータのトルク差に起因する運動量誤差を抽出する。差分としての運動量誤差は横加速度成分であるので、周波数特性の違いからローパスフィルタを介して車両に対する外乱成分を分離し、モータのトルク差に起因する運動量誤差のみを抽出することができる。さらに補正量計算手段２Ｆでは、本実施例で用いた横加速度とホイールトルク差の関係式からホイールトルク補正量を計算する。このホイールトルク補正量を車両状態制御器２Ｇで算出したホイールトルク値に加算し、ホイールトルク指令として車両の運動制御装置２の出力とする。ホイールトルク指令は、左右のモータのそれぞれに出力される。

以上の動作により、ホイールトルク指令は、モータのトルク差の分だけ指令値を補正された状態となり、最終的に車両に発生するけん引力は左右で等しくなり車両は直進加速する指令に対して旋回運動を行うこと無く、正しく直進加速を実施できる。図５の場合、右側けん引力Ｆ５３の方が左側けん引力Ｆ５２より大きいので、右側けん引力Ｆ５３と左側けん引力Ｆ５２が等しくなるように、例えば、左側のホイールトルク指令を右側のホイールトルク指令に対して５％高くする。若しくは、右側のホイールトルク指令を左側のホイールトルク指令に対して５％低くする。

また、ホイールトルク補正量の計算において、モータのトルク差以外に路面の凹凸であるロードノイズやサスペンション動作や各部たわみによる車両運動の影響を除去し、左右のモータのトルク差のみを正しく補正しているので、間違った補正をかけてしまうことを抑制し、左右輪の駆動力の制御精度を高めることができる車両の運動制御装置を提供することができる。

なお、図９に示すように分離手段２Ｅにおける周波数領域の分離をさらに細かく行うと、モータのトルク差に起因する成分からモータの個体差など恒常的な差に起因する挙動Ｆ９１と温度等による一時的な差に起因する挙動Ｆ９２に分離することができる。このように構成することにより、さらに正確な補正を行って左右輪の駆動力の制御精度を高めることができる車両の運動制御装置を提供することができる。これを実現するための構成を図１０に示す。

図１０は、複数のバンドパスフィルタを搭載した車両の運動制御装置２の構成を示す図である。

分離手段２Ｅの内部には、ｎ個のバンドパスフィルタを搭載している。バンドパスフィルタ（第１～第ｎバンドパスフィルタ）では、通過する周波数帯域を異ならせて設置し、分離手段２Ｅに入力した信号から各々対象とする原因の影響を抽出する。

また、補正量計算手段２Ｆの内部には、それぞれのバンドパスフィルタに対応した複数の積分器（第１～第ｎ積分器）を実装し補正量を各々計算し、合成してホイールトルク補正量を計算する構成である。計算されたホイールトルク補正量は、補正量計算手段２Ｆの横加速度制御器から出力される。

以上で説明したように、本実施例の車両の運動制御装置２によれば、車両運動量の推定値と実際の値の差を周波数で分離し、モータ間の駆動トルク差による成分と、車両外乱による成分とに分け、モータの駆動トルク差の補正を正確に行い補正することで、駆動トルク差を正確に補正することができる車両の運動制御装置２を提供することができる。

なお、本実施例では単純な直進加速で説明したがこれに限定するものでは無く、例えば、高速道路の加速レーンでの加速、幹線道路への合流加速、一般道での信号停止（制動トルクでの挙動で補正量を計算する）、登坂での挙動などの走行時に補正をかけても良い。また、常時補正量を計算する形態でも良い。

〔変形例〕
４つのモータを制御して４つの車輪を駆動する四輪独立駆動の場合について、図１１を用いて説明する。図１１は、四輪独立駆動の場合のトルク大小と姿勢変化の状態を示す図である。図１１に示すように、トルクの大小の関係と姿勢変化への現れ方には相関がある。

例えば、左側のモータトルクが右側のモータトルクに比べて過大である場合であっても、モータトルクが過大であるモータの前後の位置によって、車両の姿勢変化に違いが生じる。図１１において、左前のモータトルクが右前、右後、左後より過大である場合、車両はロールレート及びヨーレートが負の変化を示し、ピッチレートが正の変化を示す。同じ左側でも左後のモータトルクが右前、右後、左前より過大である場合、車両はロールレート及びピッチレートが正の変化を示し、ヨーレートが負の変化を示す。

本実施例では、上記の関係を利用して、姿勢変化（車両の運動及び姿勢に関する情報）に基づいて４つのモータに関する運動量誤差を算出し、ホイールトルク値の補正量を計算することでより正確にホイールトルク補正量を算出できる。よって、この仕組みを用いて運動制御装置２を構成することで、さらに駆動力の制御精度を高めることができる車両の運動制御装置を提供することができる。

本実施例では、運転者の操作情報から車両の状態量基準を算出するようにしたが、例えば上位の運転装置、所謂自動運転装置等の操作指示から車両の状態量基準を算出するようにしても良い。

１…車両、２…運動制御装置、２Ｅ…分離手段、２Ｆ…補正量計算手段、３…車両運動量センサ、４…アクセルペダル、５…ブレーキペダル、６Ａ…ハンドル、６Ｂ…転舵機構、７ＦＬ…左前インホイールモータ、７Ｆｒ…右前インホイールモータ、７ＲＬ…左後インホイールモータ、８Ｒｒ…右後インホイールモータ、８ＦＬ…左前タイヤ、８Ｆｒ…右前タイヤ、８ＲＬ…左後タイヤ、８Ｒｒ…右後タイヤ、９…コントローラーエリアネットワーク

Claims (2)

1. 運転者の操作情報、或いは上位の運転装置の操作指示から算出した車両の状態量基準と、車両の運動及び姿勢に関する情報から算出した実車両の状態量との差分からホイールトルク値を算出し、前記ホイールトルク値に基づいて複数のモータを制御して左右の車輪をそれぞれ独立駆動する左右独立駆動車両の運動制御装置であって、
   前記運動制御装置は、車輪回転速度及びタイヤ舵角に基づいて算出した推定横加速度と、前記車両の前後加速度、横加速度、ヨーレートに基づいて算出した実横加速度との差分から運動量誤差を算出し、前記運動量誤差に関する周波数特性から前記車両に対する外乱成分を分離して前記モータのトルク差に起因する運動量誤差を抽出し、抽出した前記モータのトルク差に起因する運動量誤差に基づいてホイールトルク補正量を算出し、前記ホイールトルク値に前記ホイールトルク補正量を加算して前記複数のモータにホイールトルク指令を出力することを特徴とする左右独立駆動車両の運動制御装置。
2. 請求項１に記載の左右独立駆動車両の運動制御装置であって、
   前記運動制御装置は、前記モータのトルク差に起因する運動量誤差から、周波数特性に応じてモータの個体差による恒久的な差に起因する挙動、温度による一時的な差に起因する挙動を分離することを特徴とする左右独立駆動車両の運動制御装置。