JP2018134899A

JP2018134899A - サスペンション装置および制御装置

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Publication number: JP2018134899A
Application number: JP2017028956A
Authority: JP
Inventors: 朋之工藤; Tomoyuki Kudo; 友夫窪田; Tomoo Kubota
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2018-08-30

Abstract

【課題】低コストで外乱によるプラントの出力の振動成分を除去できる制御装置を提供する。
【解決手段】本発明のサスペンション装置は、タイヤＴを有して路面Ｒを走行する車輪Ｗと、車体Ｂと、車輪Ｗと車体Ｂとの間に介装される懸架ばねＳとを有するシステムＶにおける車体Ｂの振動を制御可能なアクチュエータＡを制御する制御器２を備え、路面Ｒの変位Ｘ_０から車体Ｂの変位Ｘ_２までの伝達関数Ｇｒと、アクチュエータＡに対する制御指令Ｕ_０から車体Ｂの変位Ｘ_２までの伝達関数Ｇｕと、路面Ｒの変位情報とに基づいて制御指令を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サスペンション装置および制御装置に関する。

車両が走行中に車輪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車体を支持する支持力が変動するため、車体が振動する。この車体振動を抑制するため、車両には、減衰力可変ダンパやアクチュエータを用いて車体の振動を抑制するサスペンション装置が用いられる場合がある。

このようなサスペンション装置では、車体と車輪との間に介装されるアクチュエータや減衰力可変ダンパが発揮する荷重（制御力）を制御して車体の振動を抑制する。制御力をどのように求めるかは、制御則によって異なるが、一般的には、車体を制振するには車体の振動情報から求められる。

このサスペンション装置は、パッシブダンパのみを利用した場合に比較して、効果的に車体振動を抑制できるが、車体の振動状況を把握してからアクチュエータ等が制御力を発揮するため、制御力の発生に時間遅れがあって車体振動を抑制し難い場合がある。そこで、路面の凹凸を予めセンシングしておき、車輪が路面の凹凸を乗り越える際に車体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装置が開発されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平７−３１５０２８号公報

このような予見制御を行うサスペンション装置では、路面変位をプレビューセンサでセンシングして車体振動を予測できるから、アクチュエータ等が発生する制御力で予測される車体振動を打ち消す制御が可能となる。

しかしながら、アクチュエータ等が発揮すべき制御力を演算するには、路面入力から車体に加わると推測される伝達力を演算し、伝達力を打ち消す制御力を求めるといった複雑な演算が必要であった。

そこで、本発明は、簡単な演算処理で外乱の影響を打ち消す制御指令を生成可能なサスペンション装置および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装置は、制御器が路面の変位から車体の変位、速度或いは加速度までの伝達関数とアクチュエータに対する制御指令から車体の変位、速度或いは加速度までの伝達関数と路面の変位情報とに基づいて外乱の影響を打ち消す制御指令を生成する。よって、本発明のサスペンション装置では、路面入力による車体の振動を相殺して、車体の振動を抑制できる。

また、サスペンション装置がスカイフック制御を併用する場合には、車体が振動しても、この振動を減衰させて車体が振動するのを効果的に抑制できる。

さらに、サスペンション装置が車輪の振動を抑制するダイナミックダンパを備える場合には、車輪が振動しても、この振動を低減でき、車体の振動を効果的に抑制できる。

そして、制御装置は、外乱の入力に対して外乱の影響が時間遅れで出力されるシステムにおける出力を制御可能な制御対象を制御する制御器を備えており、外乱の入力からシステムの出力までの伝達関数とシステムの出力を制御する制御対象に対する制御指令から前記出力までの伝達関数とシステムに入力される外乱情報とに基づいて出力から外乱の影響を打ち消す制御指令を生成してもよい。このように構成された制御装置では、出力から外乱の影響を打ち消せる。

本発明のサスペンション装置或いは制御装置によれば、簡単な演算処理で外乱の影響を打ち消す制御指令を生成可能である。

一実施の形態におけるサスペンション装置が適用された車両のモデル図である。一実施の形態におけるサスペンション装置における制御器の制御ブロック図である。一実施の形態の一変形例のサスペンション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装置が適用された車両のモデル図である。制振装置が適用された構造物のモデル図である。

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および図２に示すように、一実施の形態における制御装置は、車体Ｂの制振するサスペンション装置Ｃに適用されている。

制御装置をサスペンション装置Ｃに適用するに当たり、外乱を路面変位Ｘ_０とし、システムを車両Ｖとし、出力を車体Ｂの変位Ｘ_２とし、出力を制御可能な制御対象をアクチュエータＡとしている。

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、タイヤＴ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Ｔをばね定数Ｋ_１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_２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、サスペンション装置Ｃは、路面Ｒの変位情報として予め車輪Ｗが将来通過する路面変位（路面の上下方向の変位）Ｘ_０をセンシングするセンサ１を備えている。センサ１は、たとえば、路面Ｒとの距離を検出する距離センサと、車体Ｂの上下方向加速度を検出する加速度センサを備えており、路面Ｒと車体Ｂとの距離と、加速度センサの出力から求めた車体Ｂの上下方向変位とに基づいて路面変位Ｘ_０を検知する。なお、センサ１の構成は、前記したところに限られない。また、予め路面変位Ｘ_０をサスペンション装置Ｃ側で把握している場合には、センサ１を省略できる。

さらに、サスペンション装置Ｃは、制御指令Ｕ_０を生成する制御器２と、制御器２が制御する制御対象として車輪Ｗと車体Ｂと間に介装されるアクチュエータＡを備えている。制御器２は、図２に示すように、路面変位Ｘ_０の入力によりアクチュエータＡへ与える制御指令Ｕ_０を生成し、アクチュエータＡは、制御指令Ｕ_０の入力により伸縮して車体Ｂを上下方向へ加振できる。アクチュエータＡは、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を利用できる。

本例では、システムの出力が車体Ｂの振動であるので、制御器２は、センサ１が検知した路面変位Ｘ_０からアクチュエータＡに推力と伸縮方向を指示する制御指令Ｕ_０を生成する。なお、路面Ｒの変位情報が既知である場合、制御器２は、車両Ｖの走行地点情報と前記変位情報とを参照して、車輪Ｗの現在の路面変位Ｘ_０を把握すればよい。

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_１とし、車体Ｂの上下方向の変位をＸ_２とし、上向きの変位を正として考え、路面変位Ｘ_０から車体Ｂの変位Ｘ_２までの伝達関数をＧｒを以下の式（１）で定義する。

次に、制御指令をＵ_０とし、車体Ｂの上下方向の変位をＸ_２とし、上向きの変位を正として考え、制御指令Ｕ_０から車体Ｂの変位Ｘ_２までの伝達関数をＧｕを以下の式（２）で定義する。

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_２と、制御指令Ｕ_０によりアクチュエータＡが伸縮して動かされる車体Ｂの変位Ｘ_２が全く逆の大きさになれば両者が相殺される。よって、車体Ｂを動かさないようにさせるには、以下の式（３）が成り立てばよい。

この式（３）を変形して、制御指令Ｕ_０について解くと以下の式（４）となる。伝達関数Ｇｒと伝達関数Ｇｕは、車両（システム）Ｖのモデルから一義的に求まり既知であるから、式（４）中の右辺で路面変位Ｘ_０が検出できれば、制御指令Ｕ_０を求め得る。

路面変位Ｘ_０は、センサ１で検知できるので、本発明のサスペンション装置（制御装置）Ｃは、わざわざ、車体Ｂへの伝達力を求めるといった複雑な演算を要せずに路面変位Ｘ_０から直接に制御指令Ｕ_０を求め得るのである。外乱の入力から外乱の影響が出力に現れるまでに時間遅れがあるシステムでは、このように制御指令Ｕ_０を生成してアクチュエータＡを制御すれば、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装置（制御装置）Ｃによれば、簡単な演算処理で外乱の影響を打ち消す制御指令を生成でき、外乱入力である路面変位Ｘ_０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。

車両Ｖが鉄道車両であるような場合には、決まった軌道上を走行するため、走行区間における軌道の変位を予め把握可能であり、地点情報は車両モニタから入手できるので、センサを利用せずとも軌道の変位を把握でき、車体Ｂの振動を抑制する制御を実行できる。

戻って、実際に制御を考えると、制御指令Ｕ_０からアクチュエータＡの動作に関わる無駄時間τや動作遅れを考慮する必要があるが、図３に示すように、制御指令Ｕ_０を得て、無駄時間と動作遅れの補償を行えばよい。なお、制御指令Ｕ_０から車体Ｂの変位Ｘ_２までの伝達関数Ｇｕに、無駄時間と動作遅れを組み込んでおいてもよい。無駄時間に関しては、センサ１が車輪Ｗが将来通過する路面Ｒの路面変位Ｘ_０を検知しており、車輪Ｗから車両Ｖの速度に無駄時間τを乗じた距離だけ手前の路面変位Ｘ_０を用いれば無駄時間を補償できる。車両Ｖの速度は、車両に搭載される車速センサやＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）から得ればよい。また、動作遅れに関しては、伝達関数Ｇｕに組み込む場合、線形モデルとして組み込んで補償すればよい。

前述したところでは、単輪のモデルであったが、四輪自動車の車体Ｂの制振制御を行うには、以下のようにすればよい。実際の四輪自動車では、四つの車輪Ｗのいずれか一つが路面Ｒの凹凸を通過すると、その影響は四輪全輪の直上の車体Ｂの振動に影響を与える。また、四輪自動車の車体Ｂの制振制御を行う場合、サスペンション装置Ｃは、四つの車輪Ｗと車体Ｂとの間にそれぞれに介装されるアクチュエータＡを制御する。そして、四つのアクチュエータＡのうちいずれか一つでも伸縮動作させると、その影響は四輪全輪の直上の車体Ｂの振動に影響を与える。

よって、四輪自動車の場合には、四輪の車輪Ｗが通過する路面Ｒの路面変位をそれぞれＸ_０１，Ｘ_０２，Ｘ_０３，Ｘ_０４とし、各車輪Ｗの直上の車体Ｂの上下方向変位Ｘ_２１，Ｘ_２２，Ｘ_２３，Ｘ_２４とすると、式（１）は以下の式（５）のように表現できる。ただし、Ｇｒ_ｍｎは、路面変位Ｘ_０ｎから車体Ｂの変位Ｘ_２ｍまでの伝達関数である。

また、四輪のアクチュエータＡの制御指令をそれぞれＵ_０１，Ｕ_０２，Ｕ_０３，Ｕ_０４とし、各車輪Ｗの直上の車体Ｂの上下方向変位Ｘ_２１，Ｘ_２２，Ｘ_２３，Ｘ_２４とすると、式（２）は以下の式（６）のように表現できる。ただし、Ｇｕ_ｍｎは、制御変位Ｕ_０ｎから車体Ｂの変位Ｘ_２ｍまでの伝達関数である。

よって、四輪の場合、式（３）は、以下の式（７）のように表現できる。

このように、式（７）を式（４）のように変形すれば、単輪モデルを四輪モデルに拡張して制御指令Ｕ_０１，Ｕ_０２，Ｕ_０３，Ｕ_０４を生成できる。式（７）を式（４）へ変形するには、伝達関数Ｇｕ_ｍｎでなる行列の逆行列を式（７）の右辺へ乗じればよく、そうすれば、路面変位Ｘ_０１，Ｘ_０２，Ｘ_０３，Ｘ_０４から制御指令Ｕ_０１，Ｕ_０２，Ｕ_０３，Ｕ_０４を得られる。

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の上下方向速度を検知して、前記上下方向速度Ｂ_Ｖにスカイフック減衰係数Ｃ_Ｓを乗じたスカイフック制御力Ｆ（Ｆ＝−Ｃ_Ｓ・Ｂ_Ｖ）を前記アクチュエータＡに発揮させるスカイフック制御指令Ｕ_Ｓを求める。そして、スカイフック制御指令Ｕ_Ｓに前記伝達力を発揮させる制御指令Ｕ_０を加算して求めた制御指令を最終の制御指令として、前記アクチュエータＡに与えればよい。このように伝達力を打ち消す制御に加えてスカイフック制御を併用すれば、車体Ｂが振動しても、この振動を減衰させて車体Ｂが振動するのを効果的に抑制できる。

また、本発明のサスペンション装置Ｃが前記伝達力を打ち消す制御だけでアクチュエータＡを制御したのでは、アクチュエータＡは、車輪Ｗの振動を減衰させる減衰力を発揮できない。そこで、図４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３とばね３に弾性支持される錘４とで構成されており、タイヤＴ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３と錘４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４の破線で示すように、錘４と車輪Ｗとの間に減衰力を発揮するダンパ５を並列して構成されてもよい。ダンパ５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蔵ホイールは、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。

また、前述したサスペンション装置Ｃでは、システムの出力を車体Ｂの変位Ｘ_２としているが、出力を車体Ｂの加速度或いは速度として、車体Ｂの振動抑制を実現してもよい。

さらに、前述したところでは、制御装置をサスペンション装置Ｃとした場合を例に本発明を説明したが、制御装置は、車両Ｖのサスペンション装置Ｃ以外にも利用可能である。

たとえば、図５に示すように、制御装置１０は、構造物１１を制振するマスダンパＭＤの制御に利用できる。この場合、制御装置１０は、構造物１１に図５中左右方向へ移動可能に設置される可動マス１２と、可動マス１２を駆動するシリンダ装置１３とを制御する。制御装置１０は、地盤Ｇに設置されて地盤Ｇの水平横方向の変位を検知する変位センサ１４と、変位センサ１４で検知した地盤変位からシリンダ装置１３へ与える制御指令を生成する制御器１５とを備えて構成される。

この場合、構造物１１は、図５に示したモデル図のように、各階層をばね１６と質量１７と表現したばねマスシステムとして表現できる。そして、地震動による地盤Ｇの変位を外乱とし、構造物１１の最上階の変位を出力とすると、構造物１１は、入力の影響が出力に現れるまでに時間遅れが生じるシステムとして示せる。また、制御対象であるマスダンパＭＤは、可動マス１２をシリンダ装置１３で駆動して構造物１１の最上階の変位を制御できる。よって、地震動による地盤Ｇの変位を外乱から構造物１１の最上階の変位までの伝達関数と、マスダンパＭＤへの制御指令から前記最上階の変位までの伝達関数とから、地盤Ｇの変位によって構造物１１の最上階へ伝達される伝達力を打ち消す制御が可能となる。なお、地盤Ｇの速度や加速度を外乱としてもよいのは当然である。また、出力は、構造物１１の最上階以外の階層の変位であってもよいし、構造物１１の任意の階層の速度や加速度であってもよい。

このように、本発明の制御装置は、サスペンション装置Ｃ以外にも適用可能であって、外乱の入力からシステムの出力に外乱の影響が現れるのに時間遅れが生じるシステムに対して、出力を制御する制御対象へ与える制御指令の生成に利用でき、外乱の影響を出力から取り除ける。

そして、本発明の制御装置は、外乱の入力からシステムの出力までの伝達関数と、システムの出力を制御する制御対象に対する制御指令から出力までの伝達関数と、システムに入力される外乱情報とに基づいて出力から外乱の影響を打ち消す制御指令を生成するので、簡単な演算処理で外乱の影響を打ち消す制御指令を生成できる。なお、外乱情報は、センシングして得てもよいし、既知であれば制御装置内に保有されてもよい。外乱情報が制御装置内に保有される場合、制御器１５が制振対象であるマスダンパＭＤを制御する際に外乱情報を適宜参照すればよい。

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、Ｃ・・・サスペンション装置（制御装置）、Ｄ・・・ダイナミックダンパ、Ｒ・・・路面、Ｓ・・・懸架ばね、Ｔ・・・タイヤ、Ｖ・・・車両（システム）、Ｗ・・・車輪、２，１５・・・制御器、１０・・・制御装置、１１・・・構造物（システム）

Claims

タイヤを有して路面を走行する車輪と、車体と、前記車輪と前記車体との間に介装される懸架ばねとを有するシステムにおける車体の振動を制御可能なアクチュエータを制御する制御器を備え、
前記制御器は、
前記路面の変位から前記車体の変位、速度或いは加速度までの伝達関数と、
前記アクチュエータに対する制御指令から前記車体の変位、速度或いは加速度までの伝達関数と、
前記路面の変位情報とに基づいて制御指令を生成する
ことを特徴とするサスペンション装置。
前記制御器は、
前記アクチュエータにスカイフック制御を発揮させるスカイフック制御指令を前記制御指令に加算して前記アクチュエータを制御する
ことを特徴とする請求項１に記載のサスペンション装置。
前記車輪の振動を抑制するダイナミックダンパを備えた
ことを特徴とする請求項１または２に記載のサスペンション装置。
外乱の入力に対して前記外乱の影響が時間遅れで出力されるシステムにおける出力を制御可能な制御対象を制御する制御器を備え、
前記外乱の入力から前記システムの出力までの伝達関数と、
前記システムの出力を制御する制御対象に対する制御指令から前記出力までの伝達関数と、
前記システムに入力される外乱情報とに基づいて前記出力から前記外乱の影響を打ち消す制御指令を生成する
ことを特徴とする制御装置。