JP7050624B2 - モータ制御装置及びこれを備えた電動ブレーキ装置 - Google Patents

モータ制御装置及びこれを備えた電動ブレーキ装置 Download PDF

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Description

本発明はモータ制御装置及びこれを備えた電動ブレーキ装置に関する。
自動車の電動化が進むにつれ電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)の搭載個数が増加している。1台の自動車には、エンジン制御用、ブレーキ制御用など、補機として複数のECUが搭載されており、またこれら複数のECUを統括制御する主機としてのEUCが備えられている。複数のECUで構成された車両システムでは、各ECU間で信号を通信して制御している。このような車両システムでは、ECU間の通信に伴う信号の遅延が発生し制御が不安定になりやすいため、遅延があるシステムを安定に制御する技術が望まれている。遅延があるシステムを安定にする制御では、指令値やフィードバック値を使用して遅延を推定することで、遅延の影響を排除し安定な制御を実現している。このような技術として例えば、特許文献1に記載の技術が提案されている。
特開2005―304155号公報
遅延があるシステムにおけるモータ制御では、安定性だけでなく出来る限り高応答にし、定常状態でフィードバック値と指令値が一致することも求められる。従来は、特許文献1に記載のように、指令値やフィードバック値を用いて遅延を推定することで遅延の影響を排除し、安定に制御していた。ところが、モータのパラメータ変動や負荷、モータ自身の発熱(本明細書では、これらを外乱トルクと呼ぶ)が生じると、推定する遅延の中に外乱トルクの情報が含まれてしまい高精度に遅延を推定できない。外乱の影響を考慮するものとして、特許文献1の図7には、外乱を推定する外乱推定器を設けた技術が開示されているが、外乱推定は遅延推定後に行っているため、外乱の影響による遅延が反映できなかった。特許文献1は、遅延時間の変動が生じた場合、遅延を高精度に推定できないものである。遅延が高精度に推定できない場合には、制御が不安定になり、また応答性の劣化が発生、さらには定常状態で指令値とフィードバック値が一致しない現象(本明細書では、これを定常偏差と呼ぶ)が発生していた。
本発明の目的は上記課題を解決し、外乱トルクや遅延時間の変動があった場合にも、高精度に遅延を推定し、遅延の影響を抑制することのできるモータ制御装置及びこれを備えた電動ブレーキ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の特徴とするところは、モータと、前記モータの回転を制御する下位制御装置と、指令値を基に下位制御装置にトルク指令を送る上位制御装置と、を有し、前記上位制御装置は、外乱推定部と、遅延推定部とを備え、前記外乱推定部は、前記下位制御装置に入力されるトルク指令と、前記モータのフィードバック値とを用いて外乱を推定し、前記遅延推定部は、前記上位制御装置から出力されるトルク指令と、前記モータのフィードバック値と、前記外乱推定部で推定された外乱トルクとを用いて遅れを推定するところにある。
本発明によれば、外乱トルクや遅延時間の変動があった場合にも、高精度に遅延を推定し、遅延の影響を抑制することのできるモータ制御装置及びこれを備えたブレーキ装置を提供することができる。
本発明の第1実施例に係るモータMTRの機能構成を模式的にブロックで示した図である。 本発明の第1実施例に係るモータとECUの機能構成を模式的にブロックで示した図である。である。 本発明の第1実施例に係る制御ブロック図である。 本発明の第1実施例に係る外乱推定ブロックの構成図である。 本発明の第1実施例に係る遅れ推定ブロックの構成図である。 本実施例におけるトルク指令値とモータ速度との関係を示す図である。 比較例1におけるトルク指令値とモータ速度との関係を示す図である。 比較例2におけるトルク指令値とモータ速度との関係を示す図である。 本発明の第2実施例に係る外乱推定ブロックの構成図である。 本発明の第3実施例に係る遅れ推定ブロックの構成図である。 本発明の第4実施例に係るモータ模擬モデルの構成図である。 本発明の第5実施例に係る電動ブレーキ装置の構成図である。
本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
以下、本発明の第1実施例について、図1~図5に基づき説明する。まず、本発明の制御対象であるモータMTRの構成について簡単に説明する。図1は、本発明の第1実施例に係るモータMTRの機能構成を模式的にブロックで示した図である。モータMTRは,トルク発生部30と、回転運動部40から構成されている。図1において、「s」はラプラス演算子、「T」はトルク時定数、「J」はイナーシャ、「D」は粘性摩擦係数を示している。制御対象のモータMTRには、図示しない制御装置から制御指令値であるトルク指令(τ*B)が入力され、トルク時定数(T)で制御量であるモータトルク(τ)が発生する。発生したモータトルク(τ)とモータ速度(ω)の関係は、イナーシャ(J)や粘性摩擦係数(D)を使って次の運動方程式(1)で表すことができる。
Figure 0007050624000001
なお、ブロックで表した場合は図1のようになる。本実施例は、図1においてモータMTRに入力するトルク指令(τ*B)を生成する場合を示している。
図2は、本発明の第1実施例に係るモータとECUの機能構成を模式的にブロックで示した図である。図2に示すように、モータMTRは上位制御装置であるECU1と下位制御装置であるECU2によって制御されている。
下位制御装置であるECU2とは、例えばエンジン制御用、ブレーキ制御用、安全制御用などの補機としての複数のECUである。第1実施例では、ECU2はモータMTRの回転を制御する装置としている。また、上位制御装置であるECU1とは、複数のECUを統括制御する主機としてのEUCである。第1実施例では指令値を基にECU2にトルク指令を送信する装置としている。近年の自動車は数十個のECUが搭載され、これら複数のECUは車載LANで接続されるようになってきた。本実施例においてもECU1とECU2の間は車載LANで接続され、互いに信号の送受信を行っている。通信方式としては、例えばCAN(Controller Area Network)通信プロトコルが用いられる。
ECU1の信号は、第一の遅れ10Aの時間だけ遅れてECU2に送られている。ECU2の信号は、第二の遅れ10Bの時間だけ遅れてECU1に送られている。なお、第一の遅れ10Aと第二の遅れ10Bは時々刻々と変化してもよい。ECU1は図示しない制御装置から送られる速度指令(ω*)に後述のモータ速度(ωB)を追従させるようにトルク指令(τ*A)を生成する速度制御ブロック20を備えている。トルク指令(τ*A)は第一の遅れ10Aの時間でECU2に送られてECU2に入力され、ECU2内でトルク指令(τ*B)として認識される。モータMTRはトルク指令(τ*B)に基づいて駆動されるものである。モータMTRの速度であるモータ速度(ωA)は第二の遅れ10Bの時間でECU1に送られ、ECU1内でモータ速度(ωB)として認識される。モータ速度(ωB)は第二の遅れ10Bを含んだモータのフィードバック値となる。
ところで、第一の遅れ10Aや第二の遅れ10Bがあると、ECU1で認識するモータ速度(ωB)とECU2で認識するモータ速度(ωA)に乖離が生じる。また、ECU1で生成したトルク指令(τ*A)はモータMTRに直ちに反映されないので、モータ速度(ωB)を速度指令(ω*)に追従させようとすると制御が不安定になりモータ速度(ωA)やモータ速度(ωB)が振動してしまう。
さらに、実際のモータMTRでは、トルク発生部30のトルク時定数(T)の通りにモータトルク(τ)が発生することは稀であり、モータMTR固有のイナーシャ(J)や粘性摩擦係数(D)が正確に把握できることも少ない。また、一般にモータMTRには何らかの負荷が作用する場合が多く、入力したトルク指令(τ*B)がすべてモータ速度(ωA)に寄与することは殆どない。
以下に説明する実施例では、これらのパラメータのばらつきや負荷などを、全て外乱トルク(τd)として、図1に示すようにモータMTRのトルク(τ)に加える形で表すことにする。
図3は、本発明の第1実施例に係る制御ブロック図である。図2と同様にECU1とECU2によってモータMTRが制御され、ECU1とECU2の間は第一の遅れ10Aと第二の遅れ10Bで信号を送受信している。
ECU1は、速度制御ブロック20と、外乱推定部としての外乱推定ブロック100と、遅延推定部としての遅れ推定ブロック200を備えている。なお、図3では、制御ブロックとして示しているが、実際には、マイクロコンピュータのような機器によってソフトウエアによって実行される機能であるので、制御ブロックは「制御機能」として捉えることが出来る。また、図3以降においても、制御ブロックは「制御機能」として捉えることが出来る。
ここで、図3に示す外乱推定ブロック100は、モータMTRに入力されるトルク指令(τ*B)を第二の遅れ10Bを介してECU1内で認識されるトルク指令(τ*C)と、モータ速度(ωB)とから、外乱トルク(τd)を求める(推定する)機能を備えている。外乱推定ブロック100は、同じ遅れである第二の遅れ10Bを介して認識するモータ速度(ωB)とトルク指令(τ*C)を使用するので外乱トルクのみを求める(推定する)ことができる。外乱推定ブロック100は推定外乱トルク(τd)として出力する。換言すると、外乱推定ブロック100は、ECU1の入力されるトルク指令(τ*C)と、モータMTRのフィードバック値であるモータ速度(ωB)を用いて外乱を推定している。
また、遅れ推定ブロック200は、速度制御ブロック20が生成したトルク指令(τ*A)と、モータ速度(ωB)と、推定外乱トルク(τd)とから、遅れを推定しモータ速度(ωB)を補正して補正後モータ速度(ωC)として出力するものである。
本実施例では、遅れのないトルク指令(τ*A)と遅れのあるモータ速度(ωB)を遅れ推定ブロック200に入力することにより、遅れを推定することができる。モータ速度(ωB)には外乱トルク(τd)の情報が含まれている。そこで、本実施例では、推定外乱トルク(τd)を遅れ推定ブロック200に入力することにより、外乱トルク(τd)と遅れを分離して推定し、外乱トルク(τd)や、遅れ量の変動が生じた場合にも高精度に遅れを推定する。遅れ推定ブロック200は遅れを推定し、モータ速度(ωB)を補正して補正後モータ速度(ωC)を計算し速度制御ブロック20に送る。ここで、補正後モータ速度(ωC)は、モータ速度(ωA)に一致するように(もしくは誤差が小さくなるように)モータ速度(ωB)を補正したものである。
速度制御ブロック20は補正後モータ速度(ωC)を使用することで、モータ速度(ωA)或いはモータ速度(ωB)が速度指令(ω*)に追従するようにトルク指令(τ*A)を生成することができ、高応答で安定でありながらも、定常偏差を生じずに制御することができる。
次に、図4を参照して本実施例に用いる外乱推定ブロック100を説明する。図4は、本発明の第1実施例に係る外乱推定ブロックの構成図である。図4に示すように、外乱推定ブロック100は逆算トルク演算部としての逆算トルク演算ブロック101と、推定外乱トルク演算部としての推定外乱トルク演算ブロック102と、ローパスフィルタ103等から構成されている。
逆算トルク演算ブロック101は、モータMTRのフィードバック値であるモータ速度(ωB)を逆算して逆算トルクを(τr)を算出する。具体的には、逆算トルク演算ブロック101は、モータ速度(ωB)を微分し、これにモータMTRのイナーシャ(J)を乗じて逆算トルク(τr)を算出している。この算出結果は外乱トルク(τd)を含むモータMTRのトルク(τ)と実質的に等価なものである。そして、この逆算トルク(τr)は、推定外乱トルク演算ブロック102に入力される。
推定外乱トルク演算ブロック102には、逆算トルク(τr)とは別に、トルク指令(τ*C)が入力されており、トルク指令(τ*C)と逆算トルク(τr)の差分を求めている。これによって、外乱トルク(τd)を差分トルク(τdA)として推定している。推定外乱トルク演算ブロック102で求められた差分トルク(τdA)は、ローパスフィルタ103に入力され、高周波ノイズ等が除去されて、推定外乱トルク(τdB)として後段の遅れ推定ブロック200に送られ、入力される。
次に、図5を参照して本実施例に使用する遅れ推定ブロック200を説明する。図5は、本発明の第1実施例に係る遅れ推定ブロックの構成図である。遅れ推定ブロック200は、逆算トルク演算ブロック201と、外乱トルク除去ブロック202と、ローパスフィルタ203と、遅延トルク演算ブロック204と、モータ模擬モデル300等から構成されている。
逆算トルク演算ブロック201は、モータMTRのフィードバック値であるモータ速度(ωB)を逆算して逆算トルクを(τr)を算出する。具体的には、逆算トルク演算ブロック201は、モータ速度(ωB)を微分し、これにモータMTRのイナーシャ(J)を乗じて逆算トルク(τr)を算出している。この算出結果は外乱トルク(τd)を含むモータMTRのトルク(τ)と実質的に等価なものである。そして、この逆算トルク(τr)は、外乱トルク除去ブロック202に入力される。
外乱トルク除去ブロック202には、逆算トルク(τr)とは別に、推定外乱トルク(τdB)が入力されており、逆算トルク(τr)と推定外乱トルク(τdB)の差分を求めている。これによって、逆算トルク(τr)から推定外乱トルク(τdB)を除去し、発生トルク(τaA)として演算している。発生トルク(τaA)は、ローパスフィルタ203へ入力され、高周波ノイズ等が除去され発生トルク(τaB)となり、遅延トルク演算ブロック204へ入力される。
遅延トルク演算部としての遅延トルク演算ブロック204は、モータMTRのフィードバック値であるモータ速度(ωB)と、外乱トルク(τd)と、トルク指令(τ*A)に基づいて遅延トルクを推定している。具体的には、遅延トルク演算ブロック204には、発生トルク(τaB)とは別に、トルク指令(τ*A)が入力されており、発生トルク(τaB)とトルク指令(τ*A)の差分を求めている。これによって、第一の遅れ10Aと第二の遅れ10Bによる遅れに相当する遅延トルク(τi)を推定し、推定遅延トルク(τiA)としてモータ模擬モデル300に入力している。
モータ模擬モデル300は、モータMTRを模擬したモデルとなっており、フィルタ301と、補正量演算ブロック302等から構成されている。モータ模擬モデル300は、遅延トルクを入力し、ECU1が認識するモータのフィードバック値を補正するものである。より具体的には、モータ模擬モデル300には、推定遅延トルク(τiA)が入力され、遅延トルク(τi)によるモータ速度(ωB)の変動分を計算している。
フィルタ301は、例えば図1におけるトルク発生部30を模擬したものである。フィルタ301には、推定遅延トルク(τiA)が入力され、出力を推定遅延トルク(τiB)として補正量演算ブロック302に入力している。
補正量演算ブロック302は、例えば図1におけるモータMTRのイナーシャ(J)を模擬したものである。推定遅延トルク(τiB)を積分し、モータMTRのイナーシャ(J)で除すことで補正量(ωX)を求めている。求められた補正量(ωX)は、モータ速度補正ブロック205に入力されている。
モータ速度補正ブロック205は、補正量(ωX)とは別に、モータ速度(ωB)を入力とし、モータ速度(ωB)と補正量(ωX)の差分を求めることで、モータ速度(ωB)から、第一の遅れ10Aや第二の遅れ10Bの影響を除去して補正後モータ速度(ωC)を算出している。
速度制御ブロック20は、図3に示すように、速度指令(ω*)と補正後モータ速度(ωC)を入力としてトルク指令(τ*A)を算出するものである。ここで、速度制御ブロック20の構成は補正後モータ速度(ωC)が速度指令(ω*)に一致するようにトルク指令(τ*A)を演算するものであり、特に速度制御ブロック20の構成を限定しない。例えばPI制御であってもよい。
次に図6を用いて第1実施例と比較例との関係を説明する。図6Aは、本実施例におけるトルク指令値とモータ速度との関係を示す図、図6Bは、比較例1におけるトルク指令値とモータ速度との関係を示す図、図6Cは、比較例2におけるトルク指令値とモータ速度との関係を示す図である。
図6Bに示す比較例1は遅れ推定・外乱推定無し制御であり、破線はトルク指令値、実線はモータ速度を示している。モータ回転中にトルクを増加するトルク指令値が出力された場合、図6Bでは遅れ推定・外乱推定制御が無いので、トルク指令値に対し遅れてモータ速度が追従する。このように、比較例1は、速度制御ブロック20に入力されるモータ速度(ωB)は、第一の遅れ10Aや第二の遅れ10Bによって遅れた信号であったので、これを速度指令(ω*)に一致させようとすると、制御が不安定となる課題があった。また、トルク指令(τ*A)とモータ速度(ωB)から遅れを推定してモータ速度(ωB)を補正する技術もあったが、外乱推定が無かったので、推定した遅れの中に外乱トルク(τd)の情報が含まれてしまい、高精度に遅れを推定できず、適切にモータ速度(ωB)を補正できなかった。
次に図6Cに示す比較例2は遅れ推定後に外乱推定を行う制御であり、破線はトルク指令値、実線はモータ速度を示している。モータ回転中にトルクを増加するトルク指令値が出力された場合、図6Cでは遅れ推定後に外乱推定制御を行っているので、モータのパラメータ変動や負荷の変化が生じた場合、制御が不安定となり、トルク指令値に対し進んでモータ速度が立ち上がったり、或いは遅れてモータ速度が追従する。
図6Aは本実施例の制御であり、破線はトルク指令値、実線はモータ速度を示している。モータ回転中にトルクを増加するトルク指令値が出力された場合、本実施例では外乱推定をし、その後遅延推定制御を行っているので、高精度に遅れを推定でき、モータ速度(ωB)を補正することができる。これにより、本実施例では、トルク指令に対してほぼ遅れなくモータ速度が追従させることができ、高応答で安定な制御装置を提供することができる。
以上述べたとおり、本実施例では、モータの外乱トルクのみを推定する外乱推定ブロックを設けると共に、遅れのないトルク指令と遅れのあるモータ速度と外乱推定ブロックの出力に基づいてモータ速度を補正する遅れ推定ブロックを設け、外乱トルクが発生すれば、外乱トルクの推定結果を遅れ推定ブロックに反映させる構成とした。本実施例によれば、外乱トルクや遅れの変動があった場合にも、外乱トルクと遅れを分離して推定すると共に、遅れを高精度に推定することができ、遅延があるシステムに対して高応答で安定でありながらも、定常偏差を生じない制御装置を提供することができる。
第1実施例では、上位制御装置であるECU1と下位制御装置であるECU2によってモータMTRを制御する例を説明したが、本実施例はこの構成に限定されるものでは無い。例えば、上位制御装置(制御装置)に電力変換装置を接続するように構成しても良い。
制御装置には上述した外乱推定部と遅延推定部を備える。
制御装置ではモータMTRに入力するためのトルク指令を生成し、電力変換装置に送る。電力変換装置では制御装置からのトルク指令を受け取り、トルク指令に基づきモータMTRに電圧を印加する。
外乱推定部は、モータMTRの制御量となるフィードバック値と、モータMTRに印加される電圧から外乱を推定する。遅延推定部は、トルク指令と、モータMTRのフィードバック値と、推定された外乱とから遅延を推定する。
モータMTRは、負荷がかかっていない無負荷運転をしている場合がある。モータMTRが無負荷運転している場合には、モータMTRの発熱も少なく、モータMTR固有の特性による制御量の影響も小さい。すなわち、モータMTRが無負荷運転している場合には、外乱トルクの影響が小さい。そこで、モータMTRが無負荷運転している間は外乱推定部の機能を停止させる。そして、遅延推定部はトルク指令と、モータMTRのフィードバック値とから遅延を推定し、外乱推定部の入力となる電圧に推定した遅延を設定する。
このような実施例によれば、モータMTRが無負荷運転している間は外乱推定部の機能を停止させ、遅延推定部がトルク指令と、モータMTRのフィードバック値とから遅延を推定するようにしているので、消費電力を抑制することができる。
次に、本発明の第2実施例のモータ制御装置について図7を用いて説明する。図7は、本発明の第2実施例に係る外乱推定ブロックの構成図である。第2実施例は、第1実施例に使用されている外乱推定ブロック100を、オブザーバ(状態観測器)やカルマンフィルタ等で構成して、制御システムの状態が直接的に観測できない場合の状態推定を行なうものである。換言すると、オブザーバやカルマンフィルタは状態推定部として機能する。
第1実施例では、外乱推定ブロック100は図4に示しているように、トルク指令(τ*C)と、モータ速度(ωB)から求めた逆算トルク(τr)の差分から推定外乱トルク(τdB)を求めていた(推定していた)。ところが、図4に示した外乱推定ブロック100は、近似的にせよ微分演算が必要であり、実際の適用面からすると雑音が殆ど含まれていない場合に限られる。また、外乱トルク(τd)のすべてを直接的に推定することは困難な面があり、検出センサの追加が生じて製品コストが増大してしまう可能性がある。
そこで、第2実施例では、新たな検出センサを追加することなく、また雑音が含まれていても問題なく外乱トルク(τd)を推定して、遅れ推定の精度を高め、遅れに対してより頑強な制御装置を提案するものである。第2実施例になるモータ制御装置の構成は、基本的には第1実施例と同様であるが、外乱推定ブロック100がオブザーバで構成されている点で異なっている。
このオブザーバは、モータMTRの内部状態を推定するための数学的モデルを与えるものであり、モータMTRの制御指令であるトルク指令(τ*C)とモータ速度(ωB)の測定から外乱トルクを推定するものであり、数学的モデルとしてマイクロコンピュータ等の演算装置に実装される。なお、オブザーバはカルマンフィルタであっても良い。
外乱トルク(τd)を推定する数学的モデルとは、次の式で表されるものである。
Figure 0007050624000002
式(2)は、モータMTRに入力される外乱トルク(τd)を状態量として記述したものである。式(2)で表される数学的モデルに対し、オブザーバゲイン(L1)を使って状態を推定する方式がある。式で示すと、式(3)になる。
Figure 0007050624000003
ここで、オブザーバゲイン(L1)は、外乱トルク(τd)の推定が収束するまでの時間の規定や、外乱推定ブロックを安定化する目的等で設定すればよいものである。式(3)で表されるオブザーバは、図3における外乱推定ブロック100に実装されるもので、ブロックで示すと図7となる。
第2実施例における外乱推定ブロック100Aは、入力行列ブロック104、オブザーバゲインブロック105、オブザーバシステム行列ブロック106、積分演算ブロック107、及び出力行列ブロック108から構成されている。入力行列ブロック104にはトルク指令(τ*C)が入力され、オブザーバゲインブロック105にはモータ速度(ωB)が入力されている。また、オブザーバシステム行列ブロック106には積分演算ブロック107の出力である推定状態(XA)が入力されている。入力行列ブロック104、オブザーバゲインブロック105、オブザーバシステム行列ブロック106の出力は、それぞれ加算されて積分演算ブロック107に入力されて推定状態(XA)として出力されている。積分演算ブロック107の出力である推定状態(XA)は、出力行列ブロック108に入力され、推定外乱トルク(τdB)として出力されている。入力行列ブロック104、オブザーバゲインブロック105、及びオブザーバシステム行列ブロック106は、式(3)で表される状態方程式の定数行列である。このように、状態方程式で外乱トルク(τd)を状態として表すことで、外乱トルク(τd)を求める(推定する)ことが出来る。
第2実施例における外乱推定ブロック100Aは、一般には同一次元オブザーバと呼ばれる構成となっているが、必要に応じて最小次元オブザーバや、線形関数オブザーバ等を使用することもでき、更には同一次元オブザーバを最適化した定常カルマンフィルタ等の様々な外乱推定手法を適用しても良いことはいうまでもない。
なお、外乱推定ブロック100Aは、外乱トルク(τd)を推定する目的に加え、その他の状態量を推定する目的で使用することも可能である。
第2実施例によれば、第1実施例で説明した外乱推定ブロック100のような微分を必要としないため雑音に強い装置を提供することができる。さらに第2実施例によれば、特別な検出センサを付加する必要がないため、製品コストの増大を抑えることが出来る。
次に、本発明の第3実施例のモータ制御装置について図8を用いて説明する。図8は、本発明の第3実施例に係る遅れ推定ブロックの構成図である。第3実施例は、第1実施例、及び第2実施例で使用されている遅れ推定ブロック200を、オブザーバ(状態観測器)やカルマンフィルタ等で構成して、制御システムの状態が直接的に観測できない場合の状態推定を行なうものである。
第1実施例、及び第2実施例では、遅れ推定ブロック200は図5に示しているように、トルク指令(τ*A)と、推定外乱トルク(τdB)と、モータ速度(ωB)から、第一の遅れ10Aと第二の遅れ10Bに相当する遅れの推定遅延トルク(τiA)を求めていた(推定していた)。ところが、図5に示した遅れ推定ブロック200は、近似的にせよ微分演算が必要であり、実際の適用面からすると雑音が殆ど含まれていない場合に限られる。また、遅延外乱のすべてを直接的に推定することは困難な面があり、検出センサの追加が生じて製品コストが増大してしまう可能性があった。
そこで、第3実施例では、新たな検出センサを追加することなく、また雑音が含まれていても問題なく遅れを推定して、遅れ推定の精度を高め、遅れに対してより頑強な制御装置を提案するものである。第3実施例になるモータ制御装置の構成は、基本的には第1乃至第2実施例と同様であるが、遅れ推定ブロック200がオブザーバで構成されている点で異なっている。
このオブザーバは、モータMTRの内部状態を推定するための数学的モデルを与えるものであり、モータMTRの制御指令であるトルク指令(τ*C)とモータ速度(ωB)の測定から遅延トルク(τi)を推定するものであり、数学的モデルとしてマイクロコンピュータ等の演算装置に実装される。なお、オブザーバはカルマンフィルタであっても良い。
第3実施例の遅れ推定における数学的モデルは次の式(4)で表される。
Figure 0007050624000004
式(4)は、外乱トルク(τd)に加えて遅延トルク(τi)を状態として表現したところが特徴である。また、出力方程式にモータ速度(ω)だけでなく、外乱トルク(τd)を選んでいる。外乱トルク(τd)は、本来直接的には観測できない場合が多いが、第1実施例における外乱推定ブロック100や第2実施例における外乱推定ブロック100Aで推定外乱トルク(τdB)として推定しているので、これを観測量として選ぶことにより、外乱トルク(τd)と遅延トルク(τi)を分離したオブザーバを構成することができる。第3実施例におけるオブザーバを式で示すと、オブザーバゲイン(L2)を使って式(5)で表すことができる。
Figure 0007050624000005
ここで、オブザーバゲイン(L2)は推定遅延トルク(τiA)の推定が収束するまでの時間の規定や、遅れ推定ブロックを安定化する目的等で設定すればよいものである。(式5)で表されるオブザーバは、図3における遅れ推定ブロック200に実装されるもので、ブロックで示すと図8となる。
第3実施例における遅れ推定ブロック200Aは、入力行列ブロック206、オブザーバゲインブロック207、オブザーバシステム行列ブロック208、積分演算ブロック209、出力行列ブロック210、及びモータ模擬モデル300から構成されている。入力行列ブロック206にはトルク指令(τ*A)が入力され、オブザーバゲインブロック207にはモータ速度(ωB)と推定外乱トルク(τdB)が入力されている。また、オブザーバシステム行列ブロック208には積分演算ブロック209の出力である推定状態(XB)が入力されている。入力行列ブロック206、オブザーバゲインブロック207、オブザーバシステム行列ブロック208の出力は、それぞれ加算されて積分演算ブロック209に入力されて推定状態(XB)として出力されている。積分演算ブロック209の出力である推定状態(XB)は、出力行列ブロック210に入力され、推定遅延トルク(τiA)として出力されている。推定遅延トルク(τiA)は、第1実施例で説明したようにモータ模擬モデル300に入力され、モータ速度(ωB)を補正する補正量(ωX)の算出に使用されている。
入力行列ブロック206、オブザーバゲインブロック207、オブザーバシステム行列ブロック208、及び出力行列ブロック210は、式(5)で表される状態方程式の定数行列である。このように、推定外乱トルク(τdB)をオブザーバゲインブロック207に入力し、遅延トルク(τi)を状態として表すことで、遅延トルク(τi)を求める(推定する)ことが出来る。
第3実施例における遅れ推定ブロックは、一般には同一次元オブザーバと呼ばれる構成となっているが、必要に応じて最小次元オブザーバや、線形関数オブザーバ等を使用することもでき、更には同一次元オブザーバを最適化した定常カルマンフィルタ等の様々な推定手法を適用しても良いことはいうまでもない。
なお、遅れ推定ブロック200Aは、遅延トルク(τi)を推定する目的に加え、その他の状態を推定する目的で使用することも可能である。
本実施例によれば、第1実施例で説明した遅れ推定ブロック200のような微分を必要としないため雑音に強い利点を備えている。更に、特別な検出センサを付加する必要がないため、製品コストの増大を抑えることが出来るようになる。
次に、本発明の第4実施例のモータ制御装置について図9を用いて説明する。図9は、本発明の第4実施例に係るモータ模擬モデルの構成図である。第4実施例は、第1、第2実施例で使用されている遅れ推定ブロック200や、第3実施例で使用されている遅れ推定ブロック200Aのモータ模擬モデル300を、モータMTRの機械的応答よりも早くなるように設定したものである。具体的には、モータ模擬モデル300を、モータMTRの機械的時定数よりも速い応答になるように設定したものである。
第4実施例におけるモータ模擬モデル300Aは、トルク応答模擬ブロック303と、回転運動模擬ブロック305と、モータ速度補正ブロック205から構成されている。
トルク応答模擬ブロック303には、推定遅延トルク(τiA)が入力され、遅延トルク応答304として出力している。遅延トルク応答304は、回転運動模擬ブロック305に入力され、推定遅延トルク(τiA)による回転運動を求めて(推定して)補正量(ωX)として出力している。モータ速度補正ブロック205には、モータ速度(ωB)と、補正量(ωX)が入力され、モータ速度(ωB)と補正量(ωX)の差分を求めている。モータ速度(ωB)と補正量(ωX)の差分は、補正後モータ速度(ωC)として出力され、速度制御ブロック20に送られている。
トルク応答模擬ブロック303は、図1におけるトルク発生部30を模擬したものである。第4実施例におけるトルク応答模擬ブロック303は、図8に示したように時定数Tの一次遅れで模擬されている。
回転運動模擬ブロック305は、図1におけるモータMTRの回転運動部40を模擬したものである。第4実施例では、図8に示したように粘性摩擦係数DとイナーシャJを使って時定数の一次遅れとして模擬している。
第1乃至第3実施例では、モータ模擬モデル300は図3に示しているように、推定遅延トルク(τiA)から求めた補正量(ωX)と、モータ速度(ωB)の差分から補正後モータ速度(ωC)を求めていた。図9に示したモータ模擬モデル300Aは、基本的にはモータMTRの設計値に基づいて作成されるものであるが、実際のモータMTRが設計値どおりのイナーシャや粘性摩擦係数であることは殆どないことが多く、周囲の環境(温度など)によって変動によっても変動するものである。例えば、周囲の環境温度が低くなった場合、一般にモータMTRの粘性摩擦係数は大きくなることが知られている。イナーシャが温度変化の前後で同一であったとしても、粘性摩擦係数が大きくなると、モータMTRの機械的時定数は小さくなる。このようにして、モータMTRの機械的時定数が変動してしまうと、モータ模擬モデルとモータMTRのモデル化誤差が生じるため、遅れ推定ブロック200で推定した推定遅延トルク(τiA)が精度良く推定できていたとしても補正量(ωX)が正しく求められないことがある。とくに、モータ模擬モデル300Aの応答がモータMTRの応答よりも遅いと、補正量(ωX)が不足してしまい、第一の遅れ10Aや第二の遅れ10Bの影響を除去することができない課題がある。
第4実施例では、モータ模擬モデル300Aの応答を決定付けるトルク応答模擬ブロック303の時定数と、回転運動模擬ブロック305の時定数を、モータMTRの応答よりも速く設定するものである。
モータ模擬モデル300Aの応答をモータMTRよりも速くしておくと、補正量(ωX)の収束が速くなる。そのため、補正後モータ速度(ωC)が安定状態になるまでの時間が短くなるため、速度制御ブロック20によってモータ速度(ωC)を安定化しやすくなるという特徴がある。
トルク応答模擬ブロック303の時定数Tと、回転運動模擬ブロック305の時定数は、式(1)などで示されるように、予め設計されたトルク応答(T)、イナーシャ(J)、及び粘性摩擦係数(D)を参照して、モータMTRより速い応答に設定しておけばよい。また、トルク応答模擬ブロック303の時定数Tと、回転運動模擬ブロック305の時定数は、固定値である必要はなく、モータMTRのパラメータを同定する同定機能などを備えて適宜調整するものでも良い。
第4実施例によれば、モータ模擬モデル300Aの応答をモータMTRより速くしておくことで、補正量(ωX)が収束する時間が短くなり、補正後モータ速度(ωC)が安定化する。これにより、速度制御ブロック20によってモータ速度(ωC)を安定化しやすくなるため、モータ速度(ωC)の応答性向上などが期待できる。
次に実施例1乃至4を電動ブレーキ装置に適用した場合について説明する。
次に、上述した各実施例のモータ制御装置を電動ブレーキ装置に適用した例を図10に基づき簡単に説明する。図10は本発明の第5実施例に係る電動ブレーキ装置の構成図である。図10においては、液圧ブレーキ装置に換えてモータの回転力によってブレーキキャリパを制御する電動ブレーキ装置の構成を示している。
図10において電動ブレーキ装置は、ブレーキ機能を与えるブレーキキャリパ50を備えており、このブレーキキャリパ50を構成するキャリパ本体51の内部にはピストン52が配置され、このピストン52は、第1ブレーキパッド53を駆動する機能を備えている。また、キャリパ本体51の一端には第2ブレーキパッド54が取り付けられており、第1ブレーキパッド53と第2ブレーキパッド54の間には、車軸に固定されたディスクロータ55が配置されている。このディスクロータ55は、第1ブレーキパッド53と第2ブレーキパッド54に挟まれて制動されるものである。
キャリパ本体51に配置されたピストン52は、回転/直動変換機構56を介して減速機構57と連結されている。回転/直動変換機構56は滑りねじを使用したものであり、外周に形成した螺旋状のねじ面を有する回転軸と、この回転軸のねじ面に螺合するねじ面を内部に備えた直動部材より構成されている。直動部材はピストン52と一体的に連結されており、回転軸の回転によって直動部材はピストン12を回転軸の軸方向に移動することができるものである。
また、第5実施例では回転/直動変換機構56にはセルフロック機能部が備えられており、回転軸を回転させれば直動部材は直動運動するが、回転軸の回転を停止すれば、直動部材に直動方向に力が作用しても直動部材はその位置を保持するものである。すなわち、回転軸と直動部材は、摩擦角より進み角が小さい螺旋状のねじ面を有しており、これによってセルフロック機能を得ているものである。この種のねじ面を利用した回転/直動変換機構56は良く知られている。
図10に示すように、回転軸は減速機構57の大径歯車58に固定されており、大径歯車58は小径歯車59と噛み合っている。小径歯車59はモータMTRによって回転されるものであり、モータMTRの回転は小径歯車59、大径歯車58に伝えられて減速されるものである。大径歯車58が回転されることによって、モータMTRの回転トルクは増幅されて回転軸に固定された回転/直動変換機構56に伝えられるものである。
モータMTRへの電力(トルク指令)の供給は、上述した図1~図5、図6~図9に示したモータ制御機能部を備える電子制御手段60によって制御されており、モータ制御機能部は周知のマイクロプロセッサ61や入出力回路62等からなっている。第5実施例においては、電子制御手段60は上位制御装置(ECU1)に相当し、モータMTRには下位制御装置(ECU1)を含むものとする。そして、制動動作を行なう場合は、電子制御手段60からモータMTRに所定の電力を供給してモータMTRを回転し、この回転は減速機構57の各歯車58、59を介して回転軸を回転させるものである。回転軸が回転すると直動部材及びピストン52が、図10で左側に移動してブレーキパッド53を所定の推力(押付力)でディスクロータ55に押し付けて制動をかけるものである。
そして、この種の電動ブレーキ装置においては、ブレーキペダルを踏み込んだ時に、制御応答性が高くないと制動力を速やかにディスクロータに伝えることができないという現象や、オーバーシュートするとディスクロータに制動力がかかりすぎるという現象を生じる。
また、このような電動ブレーキ装置では、ディスクロータ55付近にモータMTRが設置されることから、モータMTRはディスクロータ55で発生する摩擦熱の影響を受けやすい。更に、制動力を維持するためにモータMTRを一定位置で保つ場合、モータMTRへ電力(トルク指令)を供給し続ける必要があり、モータMTRの温度上昇につながる。
このように、電動ブレーキ装置においては、モータMTRは温度が上昇しやすい環境下に置かれている。
そして、モータMTRの温度が過度に上昇した場合には、例えば、電子制御手段60による電力(トルク指令)の供給量を一時的に制限するような対策で温度上昇を防ぐことができる。しかしながら、この場合においてはモータMTRの制御指令と制御量を一致させることができず、定常偏差が生じるようになる。その他にも、機構側の固渋や経年変化による摩擦力の増加などによって、定常偏差が生じる。
このような定常偏差が生じた状態で、例えば、ブレーキペダルの急操作によって制御指令が急峻に変更(いわゆる、ステップ変化)された場合、電子制御手段60内に積分制御機能が備えられていると、前述の通りオーバーシュートを引き起こし、ディスクロータ55に制動力がかかりすぎる、或いはモータMTRが逆回転し過ぎて機構が破損する、といった現象を生じることがある。
これに対して、第5実施例の電動ブレーキ装置においては、上述した図1~図5、図6~図9に示したモータ制御機能部を備える。電子制御手段60は、外乱推定部と、遅延推定部とを備えている。
外乱推定部は、モータに入力されるトルク指令と、モータのフィードバック値とを用いて外乱を推定する。遅延推定部は、トルク指令と、モータのフィードバック値と、外乱推定部で推定された外乱トルクとを用いて遅れを推定するようにしている。
また、外乱推定部は、モータのフィードバック値を逆算して逆算トルクを求める逆算トルク演算部と、逆算トルク演算部によって演算された逆算トルクとトルク指令の差分から外乱を外乱トルクとして推定する推定外乱トルク演算部を備えており、遅延推定部に外乱トルクを送るようにしている。
また、遅延推定部は、モータのフィードバック値と、外乱トルクと、トルク指令に基づいて遅延トルクを演算する遅延トルク演算部を備えている。
さらに遅延推定部は、モータを模擬したモータ模擬モデルを備え、遅延トルクをモータ模擬モデルに入力することにより、電子制御手段60が認識するモータのフィードバック値を補正するようにしている。
上記構成によって、第5実施例によれば、ブレーキペダルの踏込量に対応した制動力に速やかに整定して所定の制動動作を得ることができる。このため、ブレーキペダルを踏み込んだ時に、制動力を速やかにディスクロータに伝えることができないという現象や、オーバーシュートするとディスクロータに制動力がかかりすぎるという現象を低減することが可能となる。
また、第5実施例によれば、モータMTRの温度上昇や機構側の固渋や経年変化による摩擦力の増加等によって定常偏差が生じ、ブレーキペダルの急操作に伴う制御指令の急峻な変更が生じた場合であっても、図1~図5、図6~図9のいずれかに示したモータ制御機能部を備えることによって、ディスクロータ55に過度な制動力が作用する、或いはモータMTRの過度な逆回転を抑制するという効果を奏することが可能となる。
なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
10A…第一の遅れ、10B…第二の遅れ、20…速度制御ブロック、30…トルク発生部、40…回転運動部、50…ブレーキキャリパ、51…キャリパ本体、52…ピストン、53…第1ブレーキパッド、54…第2ブレーキパッド、55…ディスクロータ、56…回転/直動変換機構、57…減速機構、58…大径歯車、59…小径歯車、60…電子制御手段、61…マイクロプロセッサ、62…入出力回路、100…外乱推定ブロック、100A…外乱推定ブロック、101…逆算トルク演算ブロック、102…推定外乱トルク演算ブロック、103…ローパスフィルタ、104…入力行列ブロック、105…オブザーバゲインブロック、106…オブザーバシステム行列ブロック、107…積分演算ブロック、108…出力行列ブロック、200…遅れ推定ブロック、200A…遅れ推定ブロック、201…逆算トルク演算ブロック、202…外乱トルク除去ブロック、203…ローパスフィルタ、204…遅延トルク演算ブロック、205…モータ速度補正ブロック、206…入力行列ブロック、207…オブザーバゲインブロック、208…オブザーバシステム行列ブロック、209…積分演算ブロック、210…出力行列ブロック、300…モータ模擬モデル、300A…モータ模擬モデル、301…フィルタ、302…補正量演算ブロック、303…トルク応答模擬ブロック、304…遅延トルク応答、305…回転運動模擬ブロック

Claims (12)

  1. モータと、前記モータの回転を制御する下位制御装置と、指令値を基に下位制御装置にトルク指令を送る上位制御装置と、を有し、
    前記上位制御装置は、外乱推定部と、遅延推定部とを備え、
    前記外乱推定部は、前記下位制御装置に入力されるトルク指令と、前記モータのフィードバック値とを用いて外乱を推定し、
    前記遅延推定部は、前記上位制御装置から出力されるトルク指令と、前記モータのフィードバック値と、前記外乱推定部で推定された外乱トルクとを用いて遅れを推定することを特徴とするモータ制御装置。
  2. 請求項1において、
    前記外乱推定部は、前記モータのフィードバック値を逆算して逆算トルクを求める逆算トルク演算部と、前記逆算トルク演算部によって演算された前記逆算トルクと前記トルク指令の差分から前記外乱を外乱トルクとして推定する推定外乱トルク演算部を備え、前記遅延推定部に前記外乱トルクを送ることを特徴とするモータ制御装置。
  3. 請求項1において、
    前記遅延推定部は、前記モータのフィードバック値と、前記外乱トルクと、前記トルク指令に基づいて遅延トルクを演算する遅延トルク演算部を備えることを特徴とするモータ制御装置。
  4. 請求項3において、
    前記遅延推定部は、前記モータを模擬したモータ模擬モデルを備え、前記遅延トルクを前記モータ模擬モデルに入力することにより、前記上位制御装置が認識する前記モータのフィードバック値を補正することを特徴とするモータ制御装置。
  5. 請求項4において、
    前記モータ模擬モデルは、前記モータの機械的応答より速く応答することを特徴とするモータ制御装置。
  6. 請求項1乃至4の何れか1項において、
    前記外乱推定部は、前記モータの内部状態を推定するための数学的モデルを与えるものであり、前記トルク指令と前記モータのフィードバック値から前記外乱トルクを推定するオブザーバ、或いはカルマンフィルタからなる状態推定部を備え、前記遅延推定部に前記外乱トルクを入力することを特徴とするモータ制御装置。
  7. 請求項3または4において、
    前記遅延推定部は、前記モータの内部状態を推定するための数学的モデルを与えるものであり、前記トルク指令と前記モータのフィードバック値と前記外乱トルクから前記遅延トルクを推定するオブザーバ、或いはカルマンフィルタからなる状態推定機能を備えることを特徴とするモータ制御装置。
  8. モータと、前記モータに入力するトルク指令を生成する制御装置と、前記トルク指令に基づき前記モータに電圧を印加する電力変換装置を有し
    前記制御装置は、前記モータの制御量であるフィードバック値と、前記モータに印加される電圧から前記モータの外乱を推定する外乱推定部と、
    前記トルク指令と前記フィードバック値と前記外乱とから遅延を推定する遅延推定部と、を備え
    前記外乱推定部は、前記モータが無負荷運転している間は機能を停止し、
    前記遅延推定部は、前記モータが無負荷運転している間は前記トルク指令と前記フィードバック値とから遅延を推定し、
    前記外乱推定部の入力である前記電圧に前記遅延を設定することを特徴とするモータ制御装置。
  9. ディスクロータへブレーキバッドを押し付けるピストンと、モータによって出力される回転運動を直動運動に変換して前記ピストンを推進する回転/直動変換機構と、前記モータの回転を制御する電子制御手段とを備えた電動ブレーキ装置において、
    前記電子制御手段は、外乱推定部と、遅延推定部とを備え、
    前記外乱推定部は、前記モータに入力されるトルク指令と、前記モータのフィードバック値とを用いて外乱を推定し、
    前記遅延推定部は、前記トルク指令と、前記モータのフィードバック値と、前記外乱推定部で推定された外乱トルクとを用いて遅れを推定することを特徴とする電動ブレーキ装置。
  10. 請求項9において、
    前記外乱推定部は、前記モータのフィードバック値を逆算して逆算トルクを求める逆算トルク演算部と、前記逆算トルク演算部によって演算された前記逆算トルクと前記トルク指令の差分から前記外乱を外乱トルクとして推定する推定外乱トルク演算部を備え、前記遅延推定部に前記外乱トルクを送ることを特徴とする電動ブレーキ装置。
  11. 請求項9または10において、
    前記遅延推定部は、前記モータのフィードバック値と、前記外乱トルクと、前記トルク指令に基づいて遅延トルクを演算する遅延トルク演算部を備えることを特徴とする電動ブレーキ装置。
  12. 請求項11において、
    前記遅延推定部は、前記モータを模擬したモータ模擬モデルを備え、前記遅延トルクを前記モータ模擬モデルに入力することにより、前記電子制御手段が認識する前記モータのフィードバック値を補正することを特徴とする電動ブレーキ装置。
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