JP5272949B2 - 車両の制振制御装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の制振制御装置の好ましい実施形態が搭載される自動車等の車両を模式的に示している。同図に於いて、左右前輪12FL、12FRと、左右後輪12RL、12RRを有する車両10には、通常の態様にて、運転者によるアクセルペダル14の踏込みに応じて後輪に駆動力又は駆動トルクを発生する駆動装置20が搭載される。駆動装置20は、図示の例では、図1に例示されている如く、駆動トルク或いは回転駆動力が、エンジン22から、トルクコンバータ24、自動変速機26、差動歯車装置28等を介して、後輪12RL、12RRへ伝達されるよう構成される。しかしながら、駆動装置は、エンジン22に代えて電動機が用いられる電気式、或いは、エンジンと電動機との双方を有するハイブリッド式の駆動装置が用いられてもよい。なお、車両は、四輪駆動車又は前輪駆動車であってもよい。また、簡単のため図示していないが、車両10には、通常の車両と同様に、ブレーキペダル16の踏込みに応じて各輪に制動力を発生する制動系装置と前輪又は前後輪の舵角を制御するためのステアリング装置が設けられる。
以下、図2に例示の装置で実行される制振制御の構成及び作動について説明する。なお、制振制御装置は、図示の例では、駆動制御装置に於いて、補償成分決定部52を主要な構成要素として実現されることは理解されるべきである。補償成分決定部52にて算出される補償成分によるピッチ・バウンス制振制御は、以下の如き態様にて行われてよい。
車両に於いて、運転者の駆動要求に基づいて駆動装置が作動して車輪トルクの変動が生ずると、図3(A)に例示されている如き車体10に於いて、車体の重心Cgの鉛直方向(z方向)のバウンス振動と、車体の重心周りのピッチ方向(θ方向)のピッチ振動が発生し得る。また、車両の走行中に路面状態の変化や風の影響により車輪上に力又はトルク(外乱)が作用すると、その外乱が車両に伝達され、やはり車体にバウンス方向及びピッチ方向の振動が発生し得る。そこで、ここに例示するピッチ・バウンス振動制振制御に於いては、車体のピッチ・バウンス振動の運動モデル(車体振動モデル)を構築し、そのモデルに於いて駆動トルク要求値を車輪トルクに換算した値(車輪トルク要求値)及び/又は現在の車輪トルク推定値を入力した際の車体の変位z、θとその変化率dz/dt、dθ/dt、即ち、車体振動の状態変数(振動状態値)を算出し、モデルから得られた状態変数が0に収束するように、即ち、ピッチ/バウンス振動が抑制されるよう駆動装置(エンジン)の駆動トルクが調節される(駆動トルク要求値が補償される。)。
dX(t)/dt=A・X(t)+B・u(t) …(2a)
ここで、X(t)、A、Bは、それぞれ、
a1=-(kf+kr)/M、a2=-(cf+cr)/M、
a3=-(kf・Lf-kr・Lr)/M、a4=-(cf・Lf-cr・Lr)/M、
b1=-(Lf・kf-Lr・kr)/I、b2=-(Lf・cf-Lr・cr)/I、 …(2b)
b3=-(Lf2・kf+Lr2・kr)/I、b4=-(Lf2・cf+Lr2・cr)/I
である。また、u(t)は、
u(t)=T
であり、状態方程式(2a)にて表されるシステムの入力である。従って、式(1b)より、行列Bの要素p1は、
p1=h/(I・r)
である。
u(t)=−K・X(t) …(2c)
とおくと、状態方程式(2a)は、
dX(t)/dt=(A−BK)・X(t) …(2d)
となる。従って、X(t)の初期値X0(t)をX0(t)=(0,0,0,0)と設定して(トルク入力がされる前には振動はないものとする。)、状態変数ベクトルX(t)の微分方程式(2d)を解いたときに、X(t)、即ち、バウンス方向及びピッチ方向の変位及びその時間変化率、の大きさを0に収束させるゲインKが決定されれば、ピッチ・バウンス振動を抑制するトルク値u(t)が決定されることとなる。かかるトルク値u(t)をエンジンの駆動トルク要求値に変換した値が制振制御によりエンジンに与えられる補償成分である。
J=1/2・∫(XTQX+uTRu)dt …(3a)
(積分範囲は、0から∞)
の値が最小になるとき、状態方程式(2a)に於いてX(t)が安定的に収束し、評価関数Jを最小にする行列Kは、
K=R−1・BT・P …(3b)
により与えられることが知られている。ここで、Pは、リカッティ方程式
-dP/dt=ATP+PA+Q−PBR−1BTP
の解である。リカッティ方程式は、線形システムの分野に於いて知られている任意の方法により解くことができ、これにより、ゲインKが決定される。
図3(B)、(C)に於ける車体振動モデルに対してトルク入力Tとして、入力されるトルクのうち、外乱の作用として入力される現に発生している車輪トルクの値Twは、理想的には、各輪にトルクセンサを設け、実際に検出されればよいが、通常の車両の各輪にトルクセンサを設けることは困難である。そこで、図示の例では、車輪トルクの外乱入力として、走行中の車両に於けるその他の検出可能な値から車輪トルク推定器52c(図2)にて推定された車輪トルク推定値が用いられる。車輪トルク推定値Twは、典型的には、駆動輪の車輪速センサから得られる車輪回転速ω又は車輪速値r・ωの時間微分を用いて、
Tw=M・r2・dω/dt …(5)
と推定することができる。ここに於いて、Mは、車両の質量であり、rは、車輪半径である。[駆動輪が路面の接地個所に於いて発生している駆動力の総和が、車両の全体の駆動力M・G(Gは、加速度)に等しいとすると、車輪トルクTwは、
Tw=M・G・r …(5a)
にて与えられる。車両の加速度Gは、車輪速度r・ωの微分値より、
G=r・dω/dt …(5b)
で与えられるので、車輪トルクは、式(5)の如く推定される。]なお、車輪トルク推定値は、車輪速ではなく、エンジン回転速、変速機回転速、タービン回転速など、駆動輪に作動的に連結した駆動系の回転軸の回転速から推定されるようになっていてもよい。駆動装置のエンジン又はモータの出力軸の回転速neを用いる場合には、駆動輪の車輪回転速は、
ωe=ne×トランスミッション(変速機)ギア比×デフ(差動装置)ギア比 …(6)
により与えられる。また、変速機の出力軸の回転速noを用いる場合には、
ωo=no×デフギア比 …(7)
により与えられる。そして、式(6)又は(7)の駆動輪の車輪回転速ωの推定値は、式(5)に代入され、車輪トルク推定値が算出される。
図3(D)は、上記のピッチ・バウンス制振制御のための補償成分Uを算出する図2の補償成分決定部52内部の制御処理の基本構成を概略的に示したものである。図3(D)の制御構成に於いては、まず、車体振動モデルの車輪トルク入力端へ、駆動トルク要求決定部51からの駆動トルク要求値を車輪トルクに換算して得られる車輪トルク要求値Twoと現に車輪に於いて発生している車輪トルク(の推定値)Twが、それぞれ、入力される(更に、図中点線の如く、ブレーキ操作量又はステアリング操作量に対応する車輪トルク推定値が入力されるようになっていてよい。)。次いで、モデル演算器に於いて、そのトルク入力値T(=Two+Tw)を用いて式(2a)の微分方程式を解くことにより、状態変数ベクトルX(t)が算出される。そして、その状態変数ベクトルX(t)に、上記の如く状態変数ベクトルX(t)を0又は最小値に収束させるべく決定されたゲインKを乗じた値K・X(=−u(t))が算出され、そのK・Xがエンジンの駆動トルク要求値単位の補償成分Uに換算される。かくして算出された補償成分は、加算器a1へ送信され、加算器a1に於いて、駆動トルク要求値に重畳され、これにより、K・X(t)の値に相当する成分が駆動トルク要求値から差し引かれることとなる。車体のピッチ・バウンス振動システムは、図3(B)又は(C)からも理解される如く、共振システムであり、任意の入力に対して状態変数ベクトルX(t)の値は、実質的には、システムの固有振動数を概ね中心とした或るスペクトル特性を有する帯域(通常、1〜5Hz程度)の周波数成分のみとなっている。従って、上記の如く、駆動トルク要求値からK・X(t)を差し引く構成により、駆動トルク要求値或いは現に発生している車輪トルクのうち、システムの固有振動数の成分、即ち、車体に於いてピッチ・バウンス振動を引き起こす成分が低減又は除去され、車体に於けるピッチ・バウンス振動が抑制されることとなる。
上記に説明されている如きモデル演算器は、既に触れた如く、所定のビット数のディジタル計算機により構成され、所定の容量桁数を有する。即ち、モデル演算器の分解能、即ち、1ビット当たりの数値幅を細かくするほど、算出値の精度は向上するが、その分、処理可能な数値範囲が狭くなり、オーバーフローを起し易くなる。そして、一旦、オーバーフローを起すと、算出値の振幅が頭打ちになることで、振動波形が変形することとなり、エンジンへ制御指令として送られる補償成分内に制振制御に於いて予定してしない周波数成分・位相成分が発生することとなると共に、モデル演算器には、積分器が含まれているので(典型的には、積分器の出力値がそのまま状態変数ベクトルの各要素値となっている。)、それ以後の演算結果が不正確になる。従って、モデル演算器の分解能は、モデル演算に於いて算出される数値に要求される精度と、モデル演算器に於いて出現すると想定される数値の範囲とを考慮して決定される必要がある。
図4(A)は、車体振動モデルとして、図3(B)にて例示された式(1a)−(1b)又は(2a)−(2b)により表されるばね上振動モデルを採用した場合のモデル演算器であって、本発明による改良を更に含む構成をより詳細に制御ブロック図の形式にて表したものである。同図を参照して、図示のモデル演算器に於いては、概して述べれば、状態変数ベクトルXの時間微分dX/dtの各要素をそれぞれ積分して、対応する状態変数ベクトルの各要素の値を算出する積分器100a、100b、100c、100dと、状態変数ベクトルXと行列Aとの乗算A・Xを実行する行列演算器100eと、車輪トルクTと行列Bとの乗算B・Tを実行する乗算器100gとが設けられる。かかる構成に於いて、基本的な処理としては、まず、行列演算器100eと乗算器100gは、図から理解される如く、各積分器から出力される状態変数ベクトルの要素値[z、dz/dt、θ、dθ/dt]を受信し、或いは、車輪トルクTを受容して、最終的に、式(1a)、(1b)の左辺に於いて表されているd2z/dt2、d2θ/dt2を算出する(ここに於いて、行列演算器100eからの値は、次の演算サイクルに供されることになるので、遅延器100a’、b’により与えられる前回値である。)。これらの算出値は、それぞれ、積分器100a、100bの端子i2へ与えられて積分され、dz/dt、dθ/dtが算出され、さらに、これらの算出値が、それぞれ、積分器100c、100dの端子i2へ与えられて積分され、z、θが算出される。そして、算出された状態変数ベクトルの要素値[z、dz/dt、θ、dθ/dt]は、行列演算器100eに送られると共に、状態変数ベクトルXとゲイン行列Kとの乗算である補償成分K・Xを算出する行列演算器100fにも送信される。各積分器100a、100b、100c、100dは、それぞれ、図4(B)に示されている如き構成を有しており、その各々に於いて、基本的には、入力i2から受信される状態変数ベクトルXの各要素の時間微分値[d2z/dt2、dz/dt、d2θ/dt2、dθ/dt]に対して乗算器102aに於いて微小時間dtを乗じた値と、遅延器102dから与えられるそれまでに累積した各時間微分値と微小時間dtとの積の積分値とが加算器102bに於いて加算されることにより、それぞれ、状態変数ベクトルXの各要素[dz/dt、z、dθ/dt、θ]が算出され、スイッチsw1を通過して出力される。モデル演算器は、通常は、上記の処理を繰り返し実行し、これにより、逐次的に、式(2a)の微分方程式を解きつつ、状態変数ベクトルの要素値を出力し、補償成分K・Xが出力されることとなる。
例1
一つの態様に於いて、モデル演算器(の積分器)から出力される状態変数ベクトルの要素のうちの少なくとも一つに於いて、その絶対値が所定値に到達しガードON信号が発せられたときには、制振制御が中止されるようになっていてよい。具体的には、OR演算器100hの出力がONになったときには、図2の制御ゲイン52eのゲインλoutが0に設定され、これにより、補償成分が駆動トルク要求値に重畳されることが阻止されるようになっていてよい。ガードに設定される所定値は、実際の車両に於いて起こり得る変位及び変位の時間変化率の大きさの最大値に設定されてよく、モデル演算器の分解能は、最大値がモデル演算器を構成するディジタル計算機の容量桁数の限界にて表現されるよう設定されてよい。即ち、
所定値←[1ビット当たりの数値幅]×[容量桁数に対応するビット数−1]
と設定されてよい(−1は、正負符号に割り当てられるビット数を引くことに対応している。)。制振制御が中止された場合、モデル演算器内の演算は、実行されてもされなくてもよい。かかる構成によれば、所定値で頭打ちになった状態変数ベクトルの要素値(振動状態値)から算出された補償成分が駆動トルク要求値に重畳されないこととなり、制振制御で予期しない周波数成分・位相成分の制御指令がエンジンへ与えられることが回避されることとなる。なお、制振制御の復帰は、下記の例5又は6に従って為されてよい。
もう一つの態様に於いて、モデル演算器(の積分器)から出力される状態変数ベクトルの要素のうちの少なくとも一つに於いて、その絶対値が所定値に到達し、ガードON信号が発せられたときには、モデル演算器の分解能を粗くする、即ち、1ビット当たりの数値幅を増大し、モデル演算器に於いて処理可能な数値範囲を拡大するようになっていてよい。具体的には、OR演算器100hの出力がONになったときには、まず、全ての積分器のガード102の出力側に於いて点線にて示されている乗算器102e(図4(B))に於いて、算出値に1/ξを乗じて、絶対値が低減される(ξは、正の定数)。そして、行列演算器100fの出力側に於いて点線にて示されている乗算器100j(図4(A))に於いて、算出値にξを乗じて、出力値の絶対値が元に戻される。これ以降のサイクルに於いては、乗算器100gの入力側に設けられた点線にて示されている乗算器100i(図4(A))に於いて、車輪トルク入力値に1/ξを乗じて、その絶対値が低減され、乗算器100jに於いて算出値にξを乗じて出力値の絶対値が元に戻される(乗算器102eの演算は、OR演算器100hの出力がONになった直後のみ実行され、それ以降は実行されない。)。ガードに設定される所定値は、実際の車両に於いて通常発生する変位及び変位の時間変化率の大きさの最大値に設定されてよく、モデル演算器の分解能は、かかる最大値がモデル演算器を構成するディジタル計算機の容量桁数の限界内にて表現されるよう設定される(最大値は、容量桁数の限界に相当する値よりも若干小さい値に設定されてよい。)
上記の例2の態様を更に発展させた態様として、モデル演算器で算出される状態変数ベクトルの要素値の絶対値が大きくなるほど、モデル演算器の分解能が粗くなるよう設定し、モデル演算器に於いて処理可能な数値範囲が拡大できるようになっていてもよい。具体的には、各積分器のガード102cに於いて、積分値の利用ビット数が(所定値に相当する)所定のビット数に到達したときには、例2に説明した態様にて、乗算器102eにより積分値の利用ビット数を低減した後(積分値の絶対値を低減することに相当)、乗算器100iにより車輪トルク入力値の絶対値を、一段階低減し、乗算器100jにより低減された補償成分の絶対値を元に戻す処理が行なわれる。その後、更に、積分値の利用ビット数が所定のビット数に到達する度に、乗算器102eにより積分値の利用ビット数を低減した後、乗算器100iにより車輪トルク入力値の絶対値を、もう1段階、低減し(積分値の利用ビット数の所定のビット数への到達がn回目であれば、1/ξnを乗ずる)、乗算器100jにより低減された補償成分の絶対値を元に戻す処理が実行されるようにする(ξnを乗ずる)。かかる構成によれば、モデル演算器の分解能がモデル演算器で算出される値の絶対値の大きさに応じて変更され、モデル演算器に於いてオーバーフローの発生の可能性を低減されることが可能となる。また、かかる分解能可変の構成により、初めに於いて、モデル演算器の分解能が細かく設定され、従って、モデル演算器で処理可能な数値範囲が比較的狭くても(つまり、ガード102cに於ける所定値が比較的小さくても)、オーバーフローを発生させずに振動状態値の推定演算を継続することが可能となる。ただし、一旦、分解能を粗くしたときには、モデル演算器内の算出値の精度は低下しているので、再度、分解能を戻すときには、下記の例5又は6に従って為されることが好ましい。
更に別の態様として、車両に電子制御サスペンションなどの装置のための上下方向Gセンサなどの車体のピッチ・バウンス方向の変位を検出できるセンサ或いはその他のピッチ・バウンス方向の変位を検出できる手段(他の手法によりピッチ・バウンス方向の変位を推定する場合を含む。)が搭載されている場合には、モデル演算器(の積分器)から出力される状態変数ベクトルの要素のうちの少なくとも一つに於いてその絶対値が所定値に到達しガードON信号が発せられたときに、上記の如きセンサ又はその他の手段から取得される値を用いて状態変数ベクトルの各要素値を決定し、それらを用いて補償成分K・Xを算出するようになっていてもよい(状態値の代用)。[上下方向Gセンサ等のセンサ検出値の場合、一般に、気温の変化等の理由によって時間が経過するにつれてドリフト現象が発生し、これにより、長期間使用する場合には、検出値の精度が低下する。従って、センサ又はその他の手段から取得される状態変数ベクトルの各要素値を用いる構成の使用は、限定的に行われるべきである。]かかる構成によれば、所定値で頭打ちになった振動状態値から算出された補償成分が駆動トルク要求値に重畳されないこととなり、制振制御で予期しない周波数成分・位相成分の制御指令がエンジンへ与えられることが回避されることとなる。なお、モデル演算器の出力値を用いた制振制御の復帰は、下記の例5又は6に従って為されてよい。
ところで、既に触れたように、各積分器の積分操作は、算出値を逐次的に累積する態様にて為されるので、算出値に一旦誤差が進入すると、それ以降、誤差が残存し、また、継続的に誤差が発生すると、誤差が蓄積されることとなる(シミュレーション実験によれば、車輪トルク入力が或る有意な値から0となった後、振動状態値が0に収束するまでに数秒を要することが見出されている。)。そこで、図4(A)、(B)に示されている如く、各積分器は、後に説明するいくつかの条件が成立したとき、端子i1にリセット信号が与えられ、これにより、スイッチsw1が切り替わり、出力値に0が与えられ、リセットされる(遅延器102dの出力が0に設定される)よう構成されるようになっていてよい。かかる構成によれば、各積分器がリセットされたときに、それまでに算出値に蓄積又は残存する誤差が解消され、制振制御を精度よく再開することが可能となる。なお、モデル演算器から出力される状態変数ベクトルの要素のうちの少なくとも一つに於いてその絶対値が所定値に到達しガードON信号が発せられた後に於いて、上記の例1〜4に記載されている如くモデル演算器の演算処理の態様又は制振制御の態様に変更が為された場合、モデル演算器内の算出値の精度は低下していることになるので、そのまま変更前の状態が復帰することは好ましくない。そこで、例1〜4に記載の変更が為された場合、リセット信号が発せられ、積分器のリセットが為された後、変更前の状態が復帰されるようになっていてよい。以下、リセット信号が発せられる条件の例について説明する。
車両が停車しているときには、ピッチ・バウンス振動は発生しない。そこで、一つの態様として、車両が停車したときに、積分器を強制的にリセットするリセット信号が発せられるようになっていてよい。車両の停車の判定ついて、例えば、車速が0.5〜1秒間に亙って0となったときに、車両が停車したと判定するようになっていてよい。
上記までの説明から理解される如く、車輪トルクが実質的に0であるときには、車体振動は発生していないはずである。そこで、別の態様として、車輪速微分値=0の状態が所定の時間(例えば、数秒間)継続したときには、積分器を強制的にリセットするリセット信号が発せられるようになっていてよい。
かくして、本発明の装置では、モデル演算器から出力される状態変数ベクトルの要素のうちの少なくとも一つに於いてその絶対値が所定値に到達しガードON信号が発せられたときに、例1〜4のいずれかの態様にて制御の態様を変更し、例5〜6のいずれかの条件(復帰条件)が成立したとき、制御の態様を変更前の状態に戻す処理が実行される。図5は、かかる処理をフローチャートの形式にて表したものである。同図を参照して、同処理に於いては、まず、制御態様が既に変更されているか否か、即ち、制振制御が停止中か否か(例1の場合)、分解能が変更中か否か(例2、3の場合)、或いは、状態値として他のセンサ又は手段にて得られた値を使用しているか否か(例4の場合)、が判定され(ステップ10)、制御態様の変更が為されていないときには、振動状態値の大きさのいずれかが所定値を逸脱しているか否か(つまり、ガードON信号が発せられているか否か)が判定される(ステップ20)。そして、いずれの振動状態値の大きさも所定の範囲内にあれば、通常の制振制御(例1〜4の態様の変更なし)が実行される(ステップ50)。他方、振動状態値の大きさのいずれかが所定値を逸脱しているときには、制御態様の変更(制振制御停止、分解能変更又は状態値代用)が実行される(ステップ30)。また、ステップ30の制御態様の変更が実行された場合には、ステップ10の判定の後、復帰条件が成立しているか否かが判定され(ステップ40)、復帰条件が成立していなければ、変更された制御態様が継続され、復帰条件が成立していたときには、これまでの積分器の算出値を0にリセットし(ステップ45)、通常の制振制御が復帰される(ステップ50)。
12FL、FR、RL、RR…車輪
14…アクセルペダル
20…駆動装置
30FL、FR、RL、RR…車輪速センサ
50…電子制御装置
50a…駆動制御装置
50b…制動制御装置
Claims (3)
- 車輪と路面との接地個所に於いて発生する車輪トルクを制御することにより前記車両の車体振動を抑制する車両の制振制御装置であって、前記車両の車体振動モデルに基づいて前記車両の車体の振動振幅を低減するよう前記車輪トルクの要求値に重畳されて前記車輪トルクを補償するための補償成分を算出する補償成分決定部を含み、前記補償成分決定部が前記補償成分を算出するためのモデル演算器を含み、前記モデル演算器の出力値の大きさが所定値に到達したときには、前記所定値に到達したモデル演算器の出力値に基づいて算出される前記補償成分が前記車輪トルクの要求値に重畳されず、前記車両の車体振動を抑制する車輪トルクの制御が中止されることを特徴とする装置。
- 請求項1の装置であって、前記モデル演算器が積分器を含み、前記積分器の出力値の大きさが前記所定値に到達した後、前記車両の車輪速微分値が所定期間に亙って実質的に0となったとき、前記積分器の出力値を0に設定し、前記積分器の出力値に基づいて算出される前記補償成分の前記車輪トルクの要求値への重畳を再開することを特徴とする装置。
- 請求項1又は2の装置であって、前記モデル演算器が積分器を用いて前記車両の車体振動モデルに基づいて前記車体の振動変位及びその微分値を予測するモデル演算器であり、前記補償成分が前記予測される車体の振動変位及びその微分値に基づいて決定されることを特徴とする装置。
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