TWI622503B - 振動控制裝置及振動控制系統 - Google Patents

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TWI622503B TW105108269A TW105108269A TWI622503B TW I622503 B TWI622503 B TW I622503B TW 105108269 A TW105108269 A TW 105108269A TW 105108269 A TW105108269 A TW 105108269A TW I622503 B TWI622503 B TW I622503B
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Abstract

一種藉由控制車輛的驅動輸出來抑制該車輛的俯仰/彈跳振動的振動消減控制裝置包括一振動消減控制單元，其根據被施加至該車輛的輪子上且被產生在輪子和路面接觸處的輪子扭力來控制該車輛的驅動扭力，用以減小俯仰/彈跳振動、及一補償分量調整單元，其減小一補償分量的振幅(amplitude)，該補償分量修正該振動消減控制單元計算出來之輪子扭力，用以在該車輛的轉向角速度(steering angle velocity)增加時抑制該俯仰/彈跳振動。

Description

振動控制裝置及振動控制系統
本發明係有關於一種車輛(譬如，汽車)的振動消減控制裝置。更具體地，本發明係關於一種振動消減控制裝置，其可藉由控制該車輛(其具有一引擎作為輸出單元)的驅動輸出(驅動力或驅動力矩)來抑制車體的振動。
在車輛的行進期間(譬如，俯仰及彈跳振動)，振動會因為在車輛的加速或減速期間作用在車體上的煞車力或驅動力(或慣性力)或作用在車體上的其它外力而被產生。在此時，這些力被“輪子扭力”反映出來(一種被施加在輪子和與輪子接觸的路面之間的扭力)，其被輪子(當該車輛被開動時是該驅動輪)施加於路面上。因此，在車輛振動消減控制的領域中已被提出的是透過對車輛的引擎或其它驅動單元的驅動輸出的控制來調整該輪子扭力，用以抑制車輛行進期間車體的振動(例如，參見日本專利公開案第2004-168148 (JP 2004-168148 A)號，日本專利公開案第2006-69472(JP 2006-69472 A)號，日本專利公開案第2008-105471(JP 2008-105471 A)號，日本專利公開案第2008-105472(JP 2008-105472 A)號及日本專利公開案第2009-40163(JP 2009-40163 A)號)。在使用上文所述的驅動輸出控制的振動消減控制裝置中，在作出車輛加速/減速要求時或在外力(擾動)作用在車體上並造成輪子扭力的波動時產生於車體內的俯仰/彈跳振動可使用根據一被稱為車體的簧載質量振動或簧載質量及非簧載質量振動的動態模型建構的運動模型來預測，且該車輛的驅動單元的驅動輸出被調整以抑制該被預測的振動。此類型的振動消減控制的好處在於，該振動消減操作被很快地實施，且能源效率很好。這是因為振動能的產生可藉由調整產生該振動的力量的來源來加以屏蔽或抑制，而不是藉由例如使用懸吊系統的振動消減控制來吸收該振動能藉以抑制被產生的振動能。而且，在如上文所述的振動消減控制中，一待控制的目標物被限制在輪子扭力或輪子的煞車力或驅動力；因此，該控制可被相對容易地調整。
於此之際，在該車輛的轉彎期間，轉彎力(cornering force)、轉彎拉引力(cornering drag)等等會作用在每一輪子的輪胎上。而且，該輪子扭力會改變，因為在轉彎期間接地負荷(grounding load)或道路接觸負荷在離心力下會改變。因此，較佳地是以一種不同於車輛筆直行進時的方式來調整在振動消減控制時經由上文描 述的驅動輸出控制而被回饋的輪子扭力輸入。更具體地，如果一轉向角度在該車輛的轉彎期間被給予一輪胎的話，則一轉彎拉引力被產生在一和該車輛的行進方向相反的方向上，且轉彎拉引力的分量和輪子在轉動方向上的轉彎力(滾動阻力)的總合發生在和該轉動方向相反的方向上。該合力被施加在一減小該輪子扭力的方向上以降低輪子的轉動。因此，在日本專利第2008-105471 A號中被提出的是在車輛的轉彎期間增加用於振動消減控制的控制量，用以補償輪子扭力的減小。另一方面，如果在該車輛開始轉彎時該輪子扭力開始改變於減小的方向上且該驅動扭力被增加用以在振動消減控制下增加輪子扭力的話，則在回應輪子扭力的減小時，如果轉向角度快速改變的話，則驅動扭力快速地提高，且車輛很快地轉彎。因此，駕駛者會感覺到不安全。因此，在日本專利第2008-105471 A號中被提出的是，當轉向角速度大於一預定值時，停止根據輪子扭力的驅動力控制。
車輛在藉由控制驅動輸出以實施用於抑制車體的振動的振動消減控制期間轉彎的車輛運動情形將被更詳細的描述。一開始，通常當駕駛者操作方向盤且車輛開始轉彎時，每一輪子上的滾動阻力會如上所述地增加(轉彎阻力)。因此，會發生車體的車頭下壓(nose-down)現象。然後，前輪的接地負荷(grounding load)會因為車頭下壓現象而增加。因此，轉彎力會增加，且鉗夾力矩(jaw moment)會增加，使得鉗夾率(jaw rate)有效地 出現或增加。然而，如果該振動消減控制在轉向期間在車輛開始轉彎時被實施的話，則該控制可發揮作用以消除該車頭下壓現象，相較於該振動消減控制沒有被實施的情形，前輪的接地負荷可被減小。因此，該鉗夾力矩被減小，且該鉗夾率的反應(增加的速度)被衰減。該鉗夾率的反應的衰減會讓駕駛者感覺奇怪且不舒服。與此同時，即使是該振動消減控制如日本專利第2008-105472 A號般地在轉向操作期間完全被停止，駕駛者仍會感覺奇怪且不舒服。這是因為振動消減控制的效果突然消失，或該鉗夾率的反應被快速改變。關於此點，類似的現象亦會在車輛的轉彎期間轉向角度回復至0時發生。
本發明提供一種振動消減裝置及振動消減系統，其透過驅動輸出控制藉由控制輪子扭力來實施抑制車體振動的振動消減控制，同時抑止源於車輛轉彎期間實施振動消減控制所造成之鉗夾率的衰減，使得駕駛者較不會或極不可能感覺到奇怪或不舒服。
一種依據本發明的第一態樣之控制車輛的驅動輸出以抑制車輛的俯仰(pitch)或跳動所造成的俯仰/跳動振動的振動消減控制裝置包括：一振動消減控制單元，其根據施加在該車輛的輪子上且被產生在輪子和路面接觸的地方的輪子扭力來控制該車輛的驅動扭力以減小俯仰/跳動振動的振幅(amplitude)、及一控制增益調整單 元，其在該車輛的轉向角速度的量值增加時，減小一補償分量(其修正被該振動消減控制單元計算出來的該輪子扭力)的振幅，用以抑制該俯仰/跳動振動。在此處，“輪子扭力”可以是實際上被產生在輪子上的一偵測到的扭力值、或可以是從輪子的輪子速度估計出來的一估計的輪子扭力值。“補償分量”是在振動消減控制之下的一被給予該驅動輸出控制單元的控制量，用來調整“輪子扭力”以減小俯仰或跳動振動的振幅。
如同在描述於JP 2004-168148 A、JP 2006-69472 A、JP 2008-105471 A、JP 2008-105472 A、及JP 2009-40163 A中的振動消減控制裝置，本發明的振動消減控制裝置基本上係被建構來控制驅動輸出以改變在一可抵消或抑制車體的俯仰或跳動振動的方向上的輪子扭力。藉由被如此地建造的裝置，當該車輛的輪子的轉向角度正在改變時，亦即，當一明顯的轉向角速度正在被產生時，隨著該車輛的轉向角速度的量值增加，該補償分量的量值被減小。藉由此配置，在輪子的轉向角度被改變(於它的量值會增加的方向上)的同時，亦即，在該車輛內的鉗夾力矩被增加且車輛的轉向角度被改變的同時，該振動消減控制用於抑制俯仰或跳動振動的效果被降低。因此，某個程度的車頭下壓會發生在該車體上，且相較於穩定行進期間的鉗夾力矩及接地負荷，在該鉗夾力矩被顯著增加的同時，該接地負荷被增加；因此，導因於振動消減控制之鉗夾率反應的衰減可某種程度地被 抑制。而且，藉由隨著該車輛的轉向角速度的量值增加，該補償分量的量值被減小的配置，並不會讓振動消減控制的作用被突然消除；因此，不會發生驅動輸出及車體的振動狀態的快速改變，且駕駛者的奇怪感覺可被降低。就此點而言，即使是在轉向角度被改變成將回到0，用以讓在轉彎狀態中的車輛回到直線行進的狀態的時候，該補償分量的量值亦可如上所述地被減小。當該轉向角度被改變成回返至0時，每一個輪胎的滾動阻力被減小；因此，(如果沒有振動消減控制的話)車體的姿態係改變於一車頭上抬的方向上，前輪的接地負荷因而被減小、轉彎力被減小、且鉗夾率被快速地降低。然而，當振動消減控制被實施時，該控制功能抵消了該車體姿態在車頭上抬方向上的改變，且相較於該振動消減控制沒有被實施的情況，前輪的接地負荷被增加。因此，該轉彎力以一減小率被減小，且該鉗夾率的反應(減小的迅速程度)被降低。因此，如果補償量(控制量)係如上所述地根據角速度被減小的話，則該車體姿態在車頭上抬方向上的改變該鉗夾率的反應不太可能或不會被衰減。
在本發明的上述態樣中，該補償分量的控制增益(亦即，當該驅動輸出被給予該補償分量時，一決定該補償分量的量值(magnitude)的增益)可以是該轉向角速度的量值的函數，且該控制增益調整單元可設定該補償分量的該增益，使得當該車輛的轉向角速度的量值小於一預定的速度時，該增益在該車輛的轉向角速度的量值增 加時單調地減小。藉由此構造，當該車輛的轉向角速度改變時，該補償分量的控制增益持續地改變；因此，該振動消減控制的效果被持續地改變，且駕駛者對於控制的改變不太可能或不會感覺到奇怪或不舒服。
又，關於上述的振動消減控制，振動消減控制的效果會隨著該車輛的轉向角速度的量值的增加而減小；然而，較佳的是仍將振動消減控制效果維持在一定的程度而不完全消除它。因此，依據本發明的上述態樣的該裝置可被建構成當該車量的轉向角速度的量值大於一預定的速度時不會進一步減小該補償分量的量值。在本發明的上述態樣中，該控制增益調整單元在該車輛的該轉向角速度的量值超過一預定的速度時，可相對於該俯仰/彈跳振動常數的振幅實施該補償分量的振幅的減小率。當被給予該驅動輸出的補償分量的量值被一控制增益決定時，該控制增益被減小該轉向角速度的量值。然而，當該轉向角速度的量值達到該預定的速度時，或當該控制增益被減小至一預定的數值時，該控制增益不會被進一步減小。
依據本發明的第二態樣的一振動消減控制系統包括一驅動單元，其在一車輛的輪子產生驅動力、一輪子速度感測器，其偵測該車輛的每一個輪子的轉動速度、一轉向角度感測器，其偵測該車輛的方向盤(steering wheels)的轉向角速度、及一電子控制單元，其依據一加速踏板的下壓量來獲得一第一驅動力，並根據該第一驅動力及該轉動速度用一第二驅動力來驅動該驅動單元，該第 二驅動力是由一補償分量來決定，該第一驅動力是用該補償分量來修正，用以抑制該車輛的俯仰/彈跳振動。在該系統中，當從轉向角度獲得的轉向角速度增加時，該電子控制單元減小該補償分量的振幅。
因此，依據上文所述的本發明，例如，當駕駛者在操作該方向盤時，且輪子的轉向角度在改變時，被給予該驅動輸出控制之用於振動消減控制的輪子扭力的補償分量(控制量)則依據該轉向角速度的增加而被減小。藉由此控制的操作，當該車輛開始轉彎時，或當轉彎的方向被改變至會增加該轉向角的量值會增加的方向上時，振動消減的功能或效果(它會造成車頭下壓)被減小，使得鉗夾力矩會必顯著地產生或增加，且鉗夾率會被更快速地增加。當該車輛停止轉彎或該轉彎方向被改變至會減小該轉向角度的量值的方向上時，振動消減的功能或效果(它會造成車頭上抬)被減小，使得鉗夾力矩會被更快速地減小，且鉗夾率會被更及時地減小。然後，因為該振動消減控制效果的減小程度係隨著該轉向角速度的量值的改變而改變，所以該振動消減控制的效果並不是被突然地改變，且駕駛者不太可能或不會感覺奇怪或不舒服。在上述的構造中應被瞭解的是，只有在該轉向角度速度是一很大的數值的例子中，該振動消減控制的效果才會依據本發明被減小。亦即，當該車輛是直線行進時，或當該車輛是在處在穩定的轉彎動作中時(該轉向角度是固定值，且轉向角速度等於0時)，依據本發明的振動消減控制的效果沒有被 減小。因此，如果沒有其它用於減小該振動消減控制的效果的控制的話，則在該車輛的穩定轉彎期間，該振動消減控制的效果是以正常的程度被實施或被提供，且該俯仰/彈跳振動被抑制。依據本發明的該振動消減控制效果的減小只有在該車輛的轉彎方向被改變時才會被實施，且該鉗夾率被改變(亦即，該轉向角度被改變使得輪胎的滾動阻力被改變，且輪子扭力被改變)。
依據本發明的上述態樣，該振動消減控制裝置被改善，使得振動消減控制的效果不會在駕駛者轉向操作期間快速地改變。
10‧‧‧車輛
12FL‧‧‧左前輪
12FR‧‧‧右前輪
12RL‧‧‧左後輪
12RR‧‧‧右後輪
14‧‧‧加速踏板
16‧‧‧驅動單元
18‧‧‧引擎
30‧‧‧轉向裝置
20‧‧‧傳動軸
32‧‧‧方向盤
36L‧‧‧拉桿
36R‧‧‧拉桿
34‧‧‧轉向齒輪機構
50‧‧‧電子控制單元
40i‧‧‧輪子速度感器
δ‧‧‧轉向角度
32a‧‧‧轉向軸
32b‧‧‧轉向角度感測器
Er‧‧‧引擎轉速
θ a‧‧‧加速踏板下壓量
Vwi‧‧‧輪子速度
50a‧‧‧驅動控制單元
50b‧‧‧煞車控制單元
ω‧‧‧轉速
r‧‧‧輪子半徑
Cg‧‧‧重心
z‧‧‧位移
θ‧‧‧位移
C4‧‧‧運動模型
C6‧‧‧輪子扭力評估器
C1a‧‧‧加法器
TW0‧‧‧被要求的輪子扭力
TW‧‧‧被預估的輪子扭力值
C8‧‧‧控制增益調整單元
S‧‧‧剛體
M‧‧‧質量
I‧‧‧慣性矩
kf‧‧‧彈性模數
cf‧‧‧阻尼率
kr‧‧‧彈性模數
cr‧‧‧阻尼率
K‧‧‧控制增益
本發明的示範性實施例的特徵、優點及技術和工業重要性將於下文中參考附圖被描述，圖中相同的標號代表相同的元件，其中：圖1A是一車輛的示意圖，本發明的一較佳實施例的振動消減控制狀置被使用於該車輛中；圖1B是一示意圖，其更詳細地顯示圖1A的電子控制單元的內部構造；圖2A是一用來說明被本發明的一較佳實施例的振動消減控制裝置抑制的車體振動的狀態變化的圖式；圖2B是一控制方塊圖形式的圖式，其顯示依據本發明的較佳實施例的振動消減控制裝置的構造；圖3A及3B是例示設想依據本發明的較佳實施例的 該振動消減控制裝置中的車體振動的動態運動模型的圖式，其中圖3A顯示使用簧載質量振動模型的例子，及圖3B顯示使用簧載質量/非簧載質量振動模型；圖4是一用來說明產生在一被方向盤轉動的輪子內的滾動阻力的圖式；圖5A是一圖表形式的圖式，其顯示一補償分量(輪子扭力係用它來修正)相對於該轉向角速度的控制增益；及圖5B是一流程圖形式的圖式，其例示用來決定該控制增益的處理。
本發明的一些較佳的實施例將參考附圖加以詳細描述。在圖式中，相同的標號標示相同的部件或構件。
裝置的構造
圖1A示意地顯示一車輛，依據本發明的較佳實施例的振動消減控制裝置被安裝在該車輛上。在圖1A中，具有左及右前輪12FL，12FR和左及右後輪12RL，12RR的該車輛10配備有一驅動單元16，其在一正常的模式中根據駕駛者下壓加速踏板14來產生驅動前輪的驅動力、及一轉向裝置30，其將左及右前輪轉向。在被示出的實施例中，該驅動單元16被建構來將驅動扭力或轉動驅動力 透過一傳動軸20從引擎18傳送至前輪12FL，12FR。該驅動單元16可以是一用電動馬達取代引擎18的電動驅動單元，或是一具有引擎及電動馬達這兩者的混合式驅動單元。該轉向裝置30透過轉向齒輪機構34來將駕駛者轉動方向盤32的轉動傳遞至拉桿36L，36R，用以將前輪12FL，12FR轉向。該車輛可以是四輪傳動車輛，驅動力被傳送至後輪以及前輪。雖然為了簡化的目的而未在圖中被示出，但車輛10設有煞車系統，其如同一般車輛一樣對個別的輪子產生煞車力。
驅動單元16的操作是由一電子控制單元50來控制。該電子控制單元50可包括一具有CPU、ROM、RAM的微處理器及一輸入/輸出埠裝置，它們透過普通類型的雙向共同匯流排彼此連接、以及一驅動電路。本發明的振動消減控制裝置的每一單元的構造及操作如稍後所描述的，可由該電子控制單元(電腦)50根據程式的操作來實施。該電子控制單元50接受來自安裝在個別輪子上的輪子速度感器40i(i=FL，FR，RL，RR)代表輪子速度Vwi(i=FL，FR，RL，RR)的訊號、及譬如引擎轉速Er的訊號、及來自設置在該車輛的各個部分內的感測器的加速踏板下壓量θ a的訊號、以及來自一設置在一轉向軸32a上的轉向角度感測器32b的轉向角度δ的訊號。應被瞭解的是，除了上述訊號之外，該電子控制單元50亦可接受各種偵測訊號以獲得將在此實施例的車輛中被實施的各種控制所需要的各種參數。例如，該電子控制單元 50可接受由一鉗夾率感測器所測得之鉗夾率、由一G感測器測得的側向加速度、及一變速箱的齒輪位置資訊。
圖1B是一示意圖，其更詳細地顯示該電子控制單元50的內部構造。該電子控制單元50可包含一驅動控制單元50a，其控制該驅動單元16的操作、及一煞車控制單元50b，其控制一煞車系統(未示出)的操作。該煞車控制單元50b接受一來自每一輪子的輪子速度感測器40i的訊號並計算輪子的轉速ω。然後，藉由將該轉速ω乘上輪子的半徑r來算出每一輪子的輪子速度值，且輪子速度值被傳送至該驅動控制單元50a以使用在輪子扭力估計值的計算中，這將於下文中被描述。用來將輪子轉速轉變成輪子速度的運算可由該驅動控制單元50a來實施。在此例子中，該輪子轉速從該煞車控制單元50b被提供至該驅動控制單元50a。而且，為了將於下文中被更詳細地描述的目的，該轉向角度δ從該轉向角度感測器32b被提供給該驅動控制單元50a。
在該驅動控制單元50a中，一來自駕駛者的驅動壓求(即，駕駛者所要求的該驅動單元的目標輸出扭力(駕駛者要求的扭力)係根據加速踏板下壓量θ a(即車輛速度，齒輪位置資訊等等)來決定。然而，本發明的該驅動控制單元修正該駕駛者要求的扭力以透過驅動力控制來在車體上實施俯仰/彈跳振動消減控制，並送出一相應於該經過修正的被要求的扭力的控制指令至該驅動單元16。(1)根據施加在驅動輪和路面之間的力來計算驅動 輪的輪子扭力的估計值、(2)根據車體振動的運動模式來計算俯仰/彈跳振動狀態的量值、及(3)輪子扭力的補償分量(修正量)(其抑制或減小俯仰/彈跳振動的狀態量值)的計算及根據該補償分量之該被要求的扭力的補償在該俯仰/彈跳振動消減控制中被實施。應被理解的是，本發明的振動消減控制裝置係透過處理操作(1)-(3)被實現。
用來在車體上實施俯仰/彈跳振動消減控制的驅動力控制的構造
例如，在圖2A所示的車輛10中，如果該驅動單元根據駕駛者的驅動要求操作且輪子扭力波動的話，則彈跳振動會發生在車體的重心Cg的垂直方向(z方向)上，且俯仰振動會發生在繞著車體的重心的俯仰方向(θ方向)上。而且，如果在車輛的行進期間外力或力矩(擾動)從路面被施加於輪子上的話，則該擾動會被傳遞至該車輛，且振動會被產生在該車體內的該彈跳方向及該俯仰方向上。因此，在被示出的實施例中，該車體的俯仰/彈跳振動的運動模型被建構，且車體振動的狀態變數(即，位移z，θ)及當該模型接受到該駕駛者要求的扭力(即，一由該駕駛者要求的扭力所轉變而成的輪子扭力值)時，其改變率dz/dt，d θ/dt以及目前的輪子扭力(它被預估的數值)被計算出來。然後，該驅動單元的驅動扭力被調整(該駕駛者要求的扭力被修正)，使得從該模型獲得的狀 態變數被收斂至0，亦即，該俯仰/彈跳振動被抑制。
圖2B以方塊圖的形式示意地例示依據本發明的此實施例的該驅動力控制的組態。每一控制方塊的操作是由該電子控制單元50的該驅動控制單元50a或該煞車控制單元50b來實施(C0，C3除外)。參考圖2B，本發明的此實施例的驅動力控制的配置大致上由一驅動控制器(其提供駕駛者的驅動要求給該車輛)、及一振動消減控制器(其調整該駕駛者的驅動要求以抑制車體的俯仰/彈跳振動)所構成。在該驅動控制器中，該駕駛者的驅動要求(亦即，該加速踏板的下壓量(C0))以正常方式被轉變成駕駛者要求的扭力(C1)，然後，該駕駛者要求的扭力被轉換成一用於該驅動單元的控制指令(C2)，且被傳送至該取動單元(C3)。當該驅動單元是一汽油引擎時，該控制指令是一目標風門(throttle)開口大小、當該驅動單元是一柴油引擎時，該控制指令是一目標注油量、而當該驅動單元是一馬達時，該控制指令是一目標電流量。
在另一方面，該振動消減控制器包含一前饋控制區及一回饋控制區。該前饋控制區具有所謂的最適調節器的組態，在此組態中，該車體的俯仰/彈跳振動的運動模型區(C4)接受一數值(駕駛者要求的輪子扭力Tw0)，它是藉由將C1的該駕駛者要求的扭力轉換成輪子扭力而獲得的數值。在該運動模型區(C4)中，回應該被接受到的扭力的該車體的狀態變數被計算出來。在該前饋控制部分中，用來將狀態變數最小化的該駕駛者要求的 輪子扭力的一修正量(亦即，用來調整輪子扭力的一補償分量)被計算出來(C5)。在另一方面，在該回饋控制部分中，該輪子扭力預估值Tw在一輪子扭力預估器(C6)中藉由稍後將被描述的處理而被計算出來。然後，該輪子扭力預估值被乘上一FB增益(在該運送模型中一用來調整該駕駛者要求的輪子扭力Tw0和該輪子扭力預估值Tw的貢獻之間的平衡的增益)，然後被當作一擾動輸入被加至該駕駛者要求的扭力，用以被該運動模型區(C4)接受。以此方式，用於該駕駛者要求的輪子扭力之相對於該擾動的補償分量亦被計算出來。C5的該駕駛者要求的輪子扭力的該補償分量被轉變成該驅動單元的被要求的扭力的一個單位，且被傳送至加法器(C1a)。以此方式，在該駕駛者要求的扭力(其已被調整使得沒有俯仰/彈跳振動被產生)被轉變成該控制訊號(C2)之後，它接著被傳送至該驅動單元(C3)。
在上述的組態中，為了要抑制該鉗夾率的反應因為振動消減控制的執行而降低，且為了要讓駕駛者感覺較不奇怪或不舒服，在本發明的例子中，在驅動輪(前輪)的轉向角度在車輛轉彎期間改變時，該加法器C1a接受到的該輪子扭力的補償分量的振幅隨著轉向角速度的增加而減小。為此，在上文所描述的此實施例的該振動消減控制裝置中，一控制增益調整單元(C8)如圖2所示地被提供，用以根據該轉向角速度參考從該轉向角度感測器獲得之被偵測到的轉向角度數值來調整該輪子扭力的補償分 量的控制增益。該被偵測到的轉向角度數值被傳送通過一濾波器(其將雜訊從該被偵測到的數值中去除掉)，然後被傳送至該控制增益調整單元(C8)。
振動消減控制的原理
在依據本發明的此實施例的振動消減控制中，車體在彈跳方向及俯仰方向的動態運動模型被考量，且當接受到該駕駛者要求的輪子扭力Tw0和該輪子扭力預估值Tw(擾動)作為輸入時，在該彈跳及俯仰方向上的狀態變數的狀態等式被建構。然後，從該等狀態等式，一使用最適調節器的理論(theory of optimum regulator)將該彈跳及俯仰方向上的狀態變數減小至0的輸入(扭力值)被決定，且該駕駛者要求的扭力根據該被獲得的扭力值被修正。
作為車體在彈跳方向及俯仰方向的動態運動模型，該車體被視為一具有質量M及慣性矩I的剛體S，且該剛體S應被一具有彈性模數kf及阻尼率cf的前輪懸吊器及一具有彈性模數kr及阻尼率cr的後輪懸吊器支撐，例如如圖3A所示。亦即，圖3A中的該動態運動模型是車體的一簧載質量振動模型。在此例子中，該車體的重心在彈跳方向上的運動等式及在俯仰方向上的運動等式被表示為下面的等式1(a)及等式1(b)。
其中Lf，Lr是從重心分別到前輪的輪軸及到後輪的輪軸的距離，r是輪子半徑，及h是重心離路面的高度。在等式1(a)中，第一及第二項代表來自前輪輪軸的力的分量，及第三及第四項代表後輪輪軸的力的分量。在等式1(b)中，第一項代表來自前輪輪軸的力的力矩分量，及第二項代表後輪輪軸的力的力矩分量。等式1(b)中的第三項代表輪子扭力T(=Tw0+Tw)所提供的力的力矩分量，它被產生在車體的重心周圍的驅動輪處。
上述的等式1(a)及1(b)可被寫成下面的等式2(a)所示的(一線性系統的)狀態等式，其中車體的位移z、θ、及其改變率dz/dt，d θ/dt構成一狀態變數向量X(t)。
dX(t)/dt=A．(×)X(t)+B．(×)u(t) (2a)其中X(t)、A及B為：
矩陣A的代表性元素a1-a4及b1-b4係藉由收集等式1(a)及1(b)中的z、θ、dz/dt及d θ/dt的係數來提供，且被表示為：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,b3=-(Lf2．kf+Lr2．kr)/I,b4=-(Lf2．cf+Lr2．cr)/I。而且，u(t)等於T(u(t)=T)，且是狀態等式(2a)所代表的系統的一輸入。因此，矩陣B的元素係如下地被表示：來自等式(1b)之p1=h/(I．r)。
在狀態等式(2a)中當u(t)等於-K．X(t)(u(t)=-K．X(t)(2b))時，狀態等式(2a)將會是：dX(t)/dt=(A-BK)．X(t)(2c)。因此，當X(t)的初始值X0(t)被設定，使得X0(t)=(0，0，0，0)(假設在接受到扭力之前沒有振動)，且該狀態變數向量X(t)的微分等式(2c)被解出來，則抑制彈跳/俯仰振動的該扭力值u(t)被決定，如果一用來將X(t)的量值(即，在彈跳方向及俯仰方向上的位移以及其改變率)收斂至零的增益K被決定的話。
該增益K可藉由使用俗稱最適調節器(optimum regulator)的理論來決定。根據此理論，當一估算函數：J=1/2．ʃ(XTQX+uTRu)dt(3a)(它是二次函數)(其整數的範圍是從0到∞)被最小化時，X(t)在等式(2a)中被穩定地收斂，且將該估算函數J最小化的矩陣K係由K=R-1．BT．P來給定。在此處，P是Riccati’s等式：-dP/dt=ATP+PA+Q-PBR-1BTP的解。該Riccati’s可用線性系統領域中任何已知的方法來解，且該增益K是藉由解此等式來決定的。
在該估算函數J及Riccati’s等式中的Q和R分別是被隨意地設定之半正定對稱矩陣(semi-positive symmetric matrix)及正定對陣矩陣，且它們是該系統的設計者所決定之該估算函數J的加權矩陣。例如，在本文所考量的該運送模型的例子中，如果Q和R下所列地被設定：
且等式(3a)中的狀態向量的特定分量(例如，dz/dt，d θ/dt)的定額(norm)(量值)被設定為大於其它分量(例如，z，θ)的定額的話，則定額被設定得較大的分量將相對穩定地被收斂。如果Q的分量被增加的話，則一瞬變特性(transient characteristic)被強調，亦即，狀態向量的數值被快速地收斂至穩定的數值。如果R的數值被增加的話，則消耗能被減小。
在圖2B的方塊圖所示的實際的振動消減控制中，該狀態變數向量X(t)在運動模型C4中係藉由使用扭力輸入值解出等式(2a)的微分式來計算出來。然後，在C5中，一藉由將該狀態向量X(t)(其為該運動模型C4的輸出)乘上該增益K而獲得的補償分量U(t)(其被用來如上所述地將該狀態變數向量X(T)收斂至零或該最小值)被轉變成該驅動單元的扭力，且在該加法器(C1a)中從該駕駛者要求的扭力中被扣減掉。為了運動模型C4的運算，該補償分量U(t)亦被回饋至該運動模型C4的扭力輸入值(狀態回饋)。等式(1a)及等式(1b)所代表的該系統是一諧振系統，且回應任何被給予的輸入的該狀態變 數向量的數值實質上只是該系統的天然頻率分量。因此，如果該系統被建構來將U(t)(它被轉變的數值Uc)從該駕駛者要求的扭力中扣減掉的話，則該駕駛者要求的扭力中的該系統的自然頻率分量(即，誘發該車體中的俯仰/彈跳振動的分量)被修正，且該車體中的俯仰/彈跳振動被抑制。如果該系統的自然頻率分量從駕駛者要求的扭力中被消除掉的話，則在該驅動單元所接受到的該被要求的扭力指令中的該系統的自然頻率分量只有-U(t)，且導因於Tw(擾動)的振動位移被收斂。
除了圖3A的配置之外，一如3B圖所示之將前輪及後輪的輪胎的彈簧彈性考量進去的模型(車體的簧載質量及非簧載質量振動模型)可被用作為在該車體的彈跳方向及俯仰方向上的動態運動模型。如從圖3B中所瞭解的，如果前輪及後輪的輪胎分別具有kft，kfr的彈性模數的話，則該車體的重心在彈跳方向上的運動的等式以及在俯仰方向上的運動的等式係如下面的等式(4a)至等式(4d)所示。
其中xf，xr是前輪及後輪的非簧載質量位移的量， 及mf，mr是前輪及後輪的未簧載質量。等式(4a)-等式(4d)構成如圖3A的例子的等式(2a)所示的一狀態等式(其中矩陣A是8x8的矩陣，矩陣B是8x1的矩陣)，其中z，θ，xf，xr及這些變數的時間導數值被用於該狀態變數向量。然後，一可將該狀態變數向量的量值收斂至零的增益矩陣K可根據該最適調節器的理論來決定。實際的振動消減控制和圖3的例子類似。
(輪子扭力的預估值的計算)
在圖2B的振動消減控制器的回饋控制區中，被該回饋控制區接受作為一擾動的該輪子扭力Tw可藉由使用任何已知的方法預估實際被產生在輪子處的輪子扭力來獲得。例如，輪子扭力可根據下面的等式(5)藉由使用從驅動輪的輪速感測器獲得的輪子的轉速ω或輪子速度r‧ω的時間導數值來預估。
Tw=M．r2．dω/dt…(5)在等式(5)中，M是車輛的質量，及r是輪子的半徑。如果產生在驅動輪接觸路面的點的驅動力的總和是等於車輛的整體驅動力M‧G(其中G是加速度)的話，則下面的等式(5a)可給出輪子扭力。
Tw=M．G．r…(5a)因為該車輛的加速度G是用下面的等式(5b)由輪子速度r‧ω的導數來提供，所以輪子扭力是依據等式(5)來估算。
G=r．dω/dt…(5b)
(振動消減控制在車輛轉彎期間的修正)
當輪子被方向盤轉彎時，如圖4所示意地顯示的，“滾動阻力”會在和輪子的轉動方向相反的方向上發生在該輪子上。如此技術領域中所習知的，如果該輪子的轉動方向相對於該車輛的行進方向(圖4中往上的方向)是偏斜的話，則該輪子的輪胎被歪曲，轉彎力(cornering force)藉此發生在和該車輛的行進方向垂直的方向上，且一轉彎拉引力發生在和該車輛的行進方向相反的方向上。在此時，該轉彎力和該轉彎拉引力在該輪子的轉動方向上的分量的總和(滾動阻力)出現在和該輪子的轉動方向相反的方向上，且此力量提供了將輪子的轉動減小的扭力。因此，如果輪子(驅動輪)在車輛的驅動間被方向盤轉向，且該輪子的轉動方向偏離車輛的行進方向的話，則該輪子扭力的一分量會出現在和輪子的轉動方向相反的方向上。因為該輪子扭力在和輪子的轉動方向相反的方向上的分量是如煞車力般地被施加於該輪子上，所以該煞車力係被施加於作為一可轉向的輪子的前輪上，且一車頭下壓的行為會發生在該車體上。因此，該前輪的一接地負荷增加，且該轉彎力被有效地產生，使得該鉗夾力矩被產生或增加於轉彎方向上，且該鉗夾率被增加。
然而，在上述的振動消減控制被實施於轉彎被實施且輪子扭力的分量被產生在和輪子的轉動方向相反 的方向上的例子中，該輪子扭力的補償分量讓該輪子扭力被修正於一個可以消除在和該輪子的轉動方向相反的方向上的分量的方向上。因此，該車體的車頭下壓行為被抑制，且該接地負荷沒有被增加。因此，發生在該轉彎方向上的鉗夾力矩被減小(和沒有實施振動消減控制的情形相比)，且該鉗夾率的增加率被減小。亦即，該鉗夾率的反應被衰減。這些現象只發生在該轉向角度正在改變的時候。因此，當該轉向角度是在一固定值的狀態，且該車輛正在進行穩定的轉彎時，抑制因為路面擾動或類此者所造成的輪子扭力的波動所引發的車體的振動是較佳的。
因此，依據本發明，該轉向角速度是用來自於轉向角度感測器之被偵測到的轉向角度數值計算出來的，如上文中參考圖2B所說明的。當該轉向角速度是一重大的值時(即，當轉向角度持續增加且滾動阻力持續增加時)，該振動消減控制的效果會根據該轉向角速度而被降低，用以抑制該鉗夾率的反應的衰減。
更具體地，在圖2B的控制增益調整單元中，該補償分量Uc一控制增益G(其為該轉向角速度的函數)。
Uc←GUc…(6)更具體地，G可以是一隨著該轉向角速度的量值的增加而減小的函數，且可以是下列的函數： 其例如如同圖5A所示地改變。在等式(7a)中，dδo/dt 是一參考值，其可如需地被設定。在此例子中，當該轉向角速度等於0時，G被設定為1.0(G=1.0)。
而且，即使是在該轉向角速度的量值變得很大時，該振動消減控制的效果被保持在相同的程度是較佳的。因此，如圖5A所示，當依據等式(7a)算出來的該控制增益G變成小於一預定的低限值Gmin時，該實際被使用的控制增益G即可被保持在Gmin。因此，該控制增益可用下面的等式來提供。
圖5B以流程圖的形式例示在該控制增益調整單元內實施的控制增益計算的處理。參考圖5B，當依據等式(7a)計算出來的G大於Gmin(步驟S10)時，等式(7a)的值以其原狀被使用(步驟S20)。當依據等式(7a)計算出來的G小於Gmin(步驟S30)時，Gmin被使用作為該控制增益(步驟S30)。因為當該控制增益G被固定在Gmin時該轉向角速度dδth/dt是由下面的等式(8)來提供，所以是否是下面的等式(8)可在上述的步驟S10中被決定。
dδth/dt=dδo/dt(1-Gmin)…(8)。
在使用上文所述的該控制增益調整的例子中，如果轉向是在車輛的行進期間被開始的話，則該振動消減控制的效果會隨著轉向角速的增加而逐漸減小，使得駕駛者較不可能或不會感覺奇怪或不舒服，因為該效果被 防止快速地改變。於此同時，車體的車頭下壓被允許發生，且該鉗夾率的反應的衰減被抑制。而且，因為該控制增益的減小被限制在Gmin，所以該振動消減控制的效果並沒有完全被消除。例如，當一和轉向操作無關的路面擾動被接受到時，該擾動所造成的振動可被減小。
於此同時，當該轉向角度的量值被改變於一減小的方向上時，在一已在轉向動作中的車輛中，該振動消減控制的效果可依據該轉向角速度以上文所述的方式被減小。當該轉向角度的量值被改變於一增加的方向上時，該輪胎的滾動阻力被減小；因此，該煞車力被減小，且該車體的姿態以比以前更大的程度的方式改變於車頭上抬的方向上。因此，前輪的接地負荷被減小，且該轉彎力被減小，其造成該鉗夾率的快速減小。關於此點，該振動消減控制發揮作用以抵消該車體的姿態在車頭上抬方向上的改變，前輪的接地負荷因而沒有被減小，且該轉彎力以一小的速率被減小，同時，該鉗夾率的反應(減小的快速程度)被衰減。因此，如果該振動消減控制的效果如上所述地依據該轉向角速度被減小的話，則該車體的姿態在該車頭上抬方向上亦作相應的改變，使得該鉗夾率的反應的衰減可被抑制。亦即，不論該轉向角速度的改變的方向為何，計算該控制增益G(其為轉向角速度的大小的函數)的處理都可被實施。
雖然上面的描述係關於本發明的實施例，但熟習此技藝者將會瞭解的是，該實施例的許多點可被輕易 地修改或改變，本發明並不侷限於上文所例示的實施例，且本發明可被應用至各種裝置或系統上而不偏離本發明的概念。
例如，將被瞭解的是，即使是如上文所述的圖2B的該控制增益調整單元C8被安插在該回饋區內的該輪子扭力估算器(C6)的輸出和該運動模型部分C4的輸入之間的任何被給定的位置，仍可獲得實質相同的效果。在此例子中，該補償分量的振幅的調整被施加至該回饋控制輸入部分，而不是被施加至和一扭力(被要求的輪子扭力Tw0)(其和駕駛者的驅動要求相對應)相對應的補償分量。然而，因為用於被要求的輪子扭力Tw0的補償分量只有在駕駛者操作踏板時才會實質地採用一大的數值，它通常對於發生在轉向操作期間的車頭下壓行為的發生沒有實質的影響。然而，該控制增益調整單元C8被有利地設置在圖2B所示的位置，用以確實地降低該振動消減控制在轉向期間的效果。

Claims (4)

  1. 一種振動消減控制裝置，其控制車輛的驅動輸出以抑制該車輛的俯仰或彈跳所造成的俯仰/彈跳振動，該振動消減控制裝置的特徵在於包含：一振動消減控制單元，其根據施加至該車輛的輪子的輪子扭力來控制該車輛的驅動扭力以減小該俯仰/彈跳振動的振幅，該輪子扭力被產生在該輪子和路面接觸的位置處；及一控制增益調整單元，其在該車輛的轉向角速度的量值增加時，減小一用來修正該振動消減控制單元計算出來的該輪子扭力的補償分量的振幅，用以在該車輛轉向角速度的量值增加時可抑制俯仰/彈跳振動。
  2. 如申請專利範圍第1項之振動消減控制裝置，其中該控制增益調整單元在該車輛的該轉向角速度的量值超過一預定的速度時，讓該補償分量的振幅的一減小速率相對於該俯仰/彈跳振動的振幅而言是一定值。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之振動消減控制裝置，其中：該補償分量的一控制增益是該轉向角速度的量值的函數；及該控制增益調整單元設定該補償分量的該控制增益，使得當該車輛的該轉向角速度的量值小於一預定的數值時，該控制增益在該車輛的該轉向角速度的量值增加時單調地減小。
  4. 一種振動消減控制系統，其特徵在於包含：一驅動單元，其在一車輛的輪子處產生驅動力；一輪速感測器，其偵測該車輛的該每一輪子的轉動速度；一轉向角度感測器，其偵測該車輛的方向盤的轉向角度；及一電子控制單元，其依據一加速踏板的下壓量來獲得一第一驅動力，並根據該第一驅動力及該轉動速度用一第二驅動力來驅動該驅動單元，該第二驅動力是由一補償分量來決定，該第一驅動力是用該補償分量來修正，用以抑制該車輛的俯仰/彈跳振動，其中當從該轉向角度獲得的轉向角速度的量值增加時，該電子控制單元減小該補償分量的振幅。
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