スムーズな走行を指向する変速機制御

特集

_{環境との調和を目指したカー工レクロトロニクス技術}

スムーズな走行を指向する変速機制御

一駆動トルク推定法を用いた自動変速機制御技術-AutomaticTransmis$ionControISystem

Enhanced byTorqueEstimationTechno10gy

射場本

正彦*

此方αゐZ々〝乃d∽0わ 佐 藤 一 彦** ムbz〟ゐ才力0滋J♂ 駆動トルク トルクコンバータ 遊星ギヤ 油圧回路 電磁弁 スロットル弁 エンジン エンジン･AT制御用 コントロールユニット 世監ミ+ヽ一正ぺ

○

基本変速制御 ップ 変速線 速 4 ク レ ト 自動変速機 クラッチ

⇒

車 速 ライン圧制御 黒

岩

弘* 〟gr(ノざJ∼オ∬z′γ√フォ乙川 箕 輪 利 通*** ¶ノ∫カJル∼∠r如〟g仙∼U〟 ●運転感覚に合わせる変速制御 ●チュ ングエ数を低減する フィードバック方式

フィ竺雫人1ご芸制御

御 道路こ ＼ ぅ配推定 駆動ト

臣

ヒ

注:略語説明 _{AT(AutomaticTra[Smission)} 駆動トルク推定法を用いた制御アルゴリズム 新たなセンサを付加せず,ソフトだけでトルクを推定して,走行条件の変化に対応できるフィードバック系を構成する｡

最近の乗用車は8割以上がATを搭載しており,

マイコン(マイクロコンピュータ)を用いた電子制御

ATも多くなってきている｡しかし電子化されても

変速マップによるプログラム制御を行っており,メ

カニカルATの制御方法を継承している｡変速マッ

プはギヤ比の使用領域を決めておくもので,その境

界を変速線と呼んでおり,車速とスロットル開度の

関数として設定される｡したがって,上り坂でも下

り坂でも一律に制御するので,運転感覚に合わない

*11立製作所 自軌車載

..ヒ

ギヤ比 トルクコンバータ特性 ことがある｡

そこで日立製作所は,エンジンの駆動力に応じて

変速するために,駆動トルクを推定する方法を開発

し,変速機制御に応用することとした｡新しい方式

として駆動トルクに応じて変速線や油圧特性を変化

させる制御,チューニング工数を低減するフィード

バック制御,道路こう配を推定して変速線を変化さ

せる制御などの応用制御アルゴリズムを開発している｡

**rl立オートモティブエンジニアリング株式会社 ***H立製作所 日立研究所

山

はじめに 車両の駆動力制御は,速度および加速度をパラメータ

として行うのが一般的である｡例えば電車の場合,自動

運転するときは目標速度曲線に追従し,揺れないように

加速度を考慮しながら制御される｡来り心地を最優先で

追求した乗り物であるエレベーターは,さらに加速度の 微分項まで考慮して制御される｡これらは結局駆動トル クを制御しているわけであるが,電動機の場合は電流が

トルクに比例しているので,電流フィードバック制御と

するだけでトルク制御ができる｡

自動車の駆動力制御は,乗り心地を追求するだけでは

ないところに特徴があり,アクセルやブレーキの操作に

機敏に反応して,運扱者の意志どおりに動作することも

要求される｡したがって電車やエレベーター以上に積梅

的にトルクを制御すべきものであり,運転者の意図を認 識して目標トルクを設定し,それに基づいて駆動トルク を制御するのが理想的である｡

しかし自動車の場合は,エンジントルクが簡単に検出

できないこともあって,あらかじめ決められたとおりに

動かすプログラム制御とするのが普通である｡

(a)エンジントルク特性から求める方法 そこで,エンジンやトルクコンバータの特性をメモリ に記憶させておけばトルクを推定計算できることに前[-i し,トルクセンサを円いずに,フィードバック系を構成

することを検討した｡

ここでは,駆動トルク推定方法およびそれを応用した

変速機の制御アルゴリズムと評価結果について述べる｡

凶

トルク推定技術

駆動トルクの推定計算方法としては推定精度を高める ために二つのアルゴリズムを併用した｡一つは図1(a)に 示すエンジントルク特性から求める方法で,計測したエ ンジン回転数肋とスロットル開度rlのを,同図(i)のエ ンジントルク王障性マップに人力してエンジントルク了セ

を検索する｡

一方,エンジン回転数肋とタービン回転数+7W(トルク コンバータ出力側回転数)の比を求めて滑り率ピとし,こ れを図=ii)にホすトルクコンバータのトルク比特性マッ プに人力すると,トルク増幅率才が求まる｡これを先に求 めたエンジントルク了セに掛けてタービントルク77を求

め,さらにギヤ比を掛けて駆動トルク7七を算出するもの

である｡ (b)トルクコンバータ特性から求める方法

Ⅴ｡(i)言ンジントルク特性

腎莞,…

〃e･管

娼 〃e2

T盲･⑭rL･㊥

rO Cp Ⅳe e Cp 乃 e 〃舌 e (ji)トルク比特性 〃e (ii)トルク比特性 〃e.e 亡 よ _ギヤ比 e 亡 e 〃f e ー___-______________-_____________一______________.J ■_ エンジン回転数几k ス タービン回転数〃亡 ロットル開度TVO･rvol l l ハ 〃e 八rg エンジン 了t (乃) ギヤ トレイン トルク コンバータ 7も ギヤ比 r亡

注i黒雲翌トル,),帥レ,コンパ刊カトルク),仙レク増幅率,,e(トルクコンバータ滑｡率=忍),｡p(トルクコンバータ入力脚数,

図l駆動トルク推定アルゴリズム ニつのアルゴリズムがあり,トルクの大きさによって使い分ける｡ 駆動 トルク ro

スムーズな走行を指向する変速機制御 161 もう一つは,トルクコンバータ持株だけを使って求め る方法である〔匡==b)参照〕｡ri訓叫(iiDの人力容量係数マッ

プに滑l)率どを与えて人力容量係数C少を検索し,これに

エンジン回転数の二乗を掛けることでトルクコンバータ 入力トルク7予を貸出する｡以￣F同様に同国(ii)のマップか ら得られたトルク増幅率才を掛けてタービントルク77を 求め,さらにギヤ比を掛けて駆動トルク7もを算出する｡ これらの方法はそれぞれ得意の領域があl),例えばト ルクの人きなところは,トルクコンバータ特性を仕った ほうが精度が良し､ので図=(b)の方法を採用し,エンジン ブレーキによる負のトルク領域や,トルクコンバータを 甘結(ロックアップ)したときには同図(a)の方式を採川す るなど,使い分けて全体の精度を高めることができた｡

定常走行時の駆動トルク推定精度を図2に示す｡いず

れか適した方法が選択された結果,実測トルクと良く一 致しているのがわかる｡

田

自動変速機の新しい制御方式

もしトルクが検出できるならば,積載量の変化や通路

こう配などに細かく対応して運転しやすい変速制御がで きることになる｡そこで推定したトルクを用し-た密通拙

制御について検討した｡

260 200 /昌 Z Q [･｢ t＼ __ゝ 一+100 ヤギ 斐 せ ▽ 100 -100 0 100 200 26 実測トルク(Nm) (a)エンジントルク特性による トルク推定 (b)トルクコンパmタ特性による トルク推定 ★(20km/h)◆(60km/h)■(1(氾km/h) ▼(40km/h)▲(80km/h)●(120km/h) -◇(60km/h)□(100km/h) ▽(40km/h)△(80km/h)○(120km州 図2 駆動トルクの推定精度 大トルク域はトルクコンバータ特性から,負のトルク域はエンジ ントルク特性から,中間は両者からそれぞれ推定する｡ 3.1変速点可変制御 変速マップは標準走行栄作で最適な変速繰を設定して いるので,逆転モードや走行条件によって変更する必要 があり,変速マップを切り替えるのが一般的である｡今 実際に.11りJしている駆軌トルクと,もし変速したと仮左 した場合にトルクがいくらになるかを常時計算してお き,両者を比較判断して最適な変速比を選択すれば,状 況変化にさらに細かく対応できる｡ 3.2 変速ショック低減制御 変速過池畔のトルク変軌を抑えるためには,駆動トル

クが検知されているほうが制御しやすい｡駆重力トルクを

フィードバ､ソクして,必要なときに必要なだけⅠ二￣1軌的に エンジン川力やライン庄(油k)を変化させ,チューニン グの要らない変速ショック低減方式とすることで,開発 _】二数の削減が可能になる｡ 3.3 油圧制御 自動変速機は助力伝達経路を切り替えるために,締結 したいギヤのクラッチに油圧を加える｡油帖が高ければ クラッチ滑l)は年三じないが,むだな庄力を掛けることに なる｡トルクを推定す才tばそのクラッチの伝達トルクが

計算できるので,滑らない範帥で必要最小限のライン圧

に抑え,油はポンプの損失を減らして燃質向上を図るこ とができる｡ 3.4 _{こう配対応制御}

遵車云状況に人きく影響する安岡の一つとして道路こう

配があり,これに合わせて変速繰を変える必要がある｡ 推定トルクから道路こう配を計算で求め,変速点制御に 連動させて坂道に適した変速比を選択する｡これにより 長い上り坂でのギヤ比のハンチング現象を避けたり､下

り坂で自動的にエンジンブレーキを掛ける制御などが英

二呪できる｡

以⊥二のようにトルクを検知できれば,運転者の意映=こ

こたえる駆動ノJ制御として,前述の3.1∼3.4のような応

用制御ができる｡これらのうち日立製作所が開発してい

る二つの事例について以下に述べる｡

田

_{変速ショック低減制御}

例えば1速ギヤから2速ギヤにシフトアップする場 合,ギヤ比は小さくなるのに申達は変わらないので,エ ンジン凶車云が急激に低下する｡このとき,エンジン部分 の慣性モーメントに蓄えられていたエネルギーが放パー1さ れ,一時日加こトルクが噌人して変速ショックとなる｡そ の対策として,変速時のライン圧を【一時的に下げたり,

目標パターン発生

呈亡妄言=二

＋ 点火時期 制御 遅角度 _エンジン 制御装置 スロットル開度 エンジン 初期値設定 Tbα トリガ信号 サンプル ホールド 変速開始点 検出 駆動トルク ライン圧制御 PJα タービン トルク トルク推定 エンジン回転数 車速 AT トルク増人に合わせてエンジン出力を低減させる方法が 一般に行われている｡しかし,このときのライン庄の値 やエンジン出力低減の開始･終了タイミングは,チュー ニングによって設定しており,機種ごとに調整しなけれ ばならず多大のチューニング+二数を要している｡

そこでトルク変動を検｢hしてフィードバックすること

により,チューニングの不要な方式を開発した｡詣Ij御フ､ ロック図を図3に,変速時の波形を図4に示す｡トルク 推定部は常時,駆動トルクおよびタービントルクを計算

している｡変速拍二前の駆動トルクをサンプルホールドし,

その値7七〟から必要なライン庄Pわを設定する｡一方, サンプルホールドした駆動トルク了もαに基づく値を初期 値として目標トルクパターンを発生させる｡その開始時

期は,タービントルクの急変を検出することによって決

める｡このトルクパターンと駆動トルクとの偏差が発生

すると,エンジンの点火時期が制御され,その結果自動 的に最適タイミングでエンジン出ノJ低減制御が行われ, チューニングが不要になる｡ この新方式で変速させた結果を図5に示す｡変速中の 変速信号 タービントルク rf 推定駆動トルク m 点火時期信号 ライン圧 サンプル ホールド値

＼

7もα PJα パターン 起点 偏差

凸

ク ルン ト一 標タ [日パ 遅角度 図4 トルクフィードバック方式による変速中の波形 変速信号機発生後にトルクをサンプルホールドし,変速開始時 にこの値を起点に目標トルクパターンを発生させる｡ 0 0 0 0 3 2 1 (訂で)軸耳増 1,000 (∈Z) ヘミュ榊斐 1,000 (∈Z) ヘミ+コ無雑 0 0 (欝ヱ雌低地 1･0 (∈Z) ヘミ+蕪雑 0 0 0 0 3 2 1 度 角 進 火 占州 推定駆動トルク 実測駆動トルク 圧 ン イ 一フ 図3 トルク推定による 変速ショック低減方式 トルクを推定して目標トル クパターンを発生させるととも に,フィードバックして偏差 を求め,偏差に応じた点火時 期およびライン圧制御を行う｡ 遅角度 目標トルクパターン 変速時間 ト←-1 100ms (a)新方式の変速時トルク波形

l遅角度

点火進角度 実測駆動トルク 変速時間 ライン庄 ト=+ 100ms

∞(メ呈出ミ小0

β 50 0 0 0 500 (申聖)世人†小 (b)従来方式の変速時トルク波形 図5 駆動トルク推定法による変速ショック低減制御の評価 結果(3′000cc4速AT車で,スロットル全開時のl→2変速波形) トルクパターンと推定トルクの偏差が負になったとき,自動的 に最適なタイミングで点火時期制御が行われる｡

スムーズな走行を指向する変速機制御 163 ライン仔をトルクに応じて最適化することで,トルク変 動のピーク他を抑えながら,∴ミミ火時期制御によって変速 時間を従来方式より延ばさないように制御できた｡

トルクを桧山するのではなくて推定するために,計算

誤差やエンジン特性などの経年変化による影響などが心

配される｡しかしこの方式は,同じ推定低から作られた

臼標パターンとフィードバック信1j▲を相対比較している ので,誤差の影響はキャンセルされ,l‡f】踵とはならなし-｡

向

_{こう配対応制御}

駆動トルクから走行抵抗分を除いたトルクが車体の加 速に使われる｡走行抵抗は,図6に示すように-ド地走行 抵抗と,こう配抵抗に分けられる｡したがって,推定さ れた駆動トルクから,平地走行抵抗分と加速成分を除け ばこう配抵抗分が得られる｡こう配推左アルゴリズムを 図7に示す｡ 平地走行抵抗トルクは,中速の二乗で変化する空力抵 抗トルクと,ほぼ一定の転がり抵抗トルクに分けられる が,申穐によって決まるのでマップとして記憶しておき,

中速を人力して検索する｡一方,中速を微分して加速度

を求め,車両質量を掛けて加速トルクを計算し,これら

を駆動トルク推定値から引いてこう配を算出する｡実際

には加速度を計算するのは難しく,急加速峠,ブレーキ

を掛けたとき,およびでこぼこ道などで中速が変動する ときには,誤ったこう配計算をしないようにマスクする などのくふうが要る｡ 各こう配他に設定した試験装置の上を走行したときの 駆動トルク 加速トルク く＼ _ゝ ..+ 空力抵抗 トルク 転がり抵抗 トルク 二う配抵抗 トルク 平地走行 抵抗 走行抵抗 車 速 図6 車速と走行抵抗トルクの関係 推定された駆動トルクから,加速トルク成分と平地走行抵抗分を 引いてこう配抵抗トルクを求める｡ 車速 駆動トルク推定 平地走行抵抗マッフ

三』

微分 加速度 ＋ 了､0 車両 質量 ＋ 加速トルク ニう配トルク 図7 _{こう配推定アルゴリズム} 平地走行抵抗は車種によってほぼ決まるので,マップとして与え ておく｡ (㌔) 山胤小り澹哨 12 8 4 0 -8 -12 20 40 60 80 100 120 140 車 _速(km/h) 注:●(エンジントルク特性から推定) 0(トルクコンバータ特性から推定) 図8 道路こう配の推定精度 各二う配条件(破線)に設定した試験装置のローラ上を走行させ たときの推定値を示す｡ 推定結米を図8に示す｡同図からわかるように設立仙と の差は±1.5%こう配に収まっている｡ このように木方式は傾斜センサなどを川いることな く,道路こう配を認識できるという特拉があり,A′1｢制御 で望まれている違和感のない変速制御として,トリ収で のビジーシフトの防止や,下り坂でのエンジンブレーキ 制御などがリー能になる｡ 実際にl-11道を走行したときの波形を図9にホす｡山∴( の峠を越えて下り板になると,BノたでF-t軌エンジンプレ

A う範 上n 道路形状 下り6%こ う配 下り4%ニう配 (%) 12 道路こう配推定値 8 4 >･､ ＼ 0 -4

(G)l-8

ヽ､､ ､ 車 速 車速の微分値 (km/h) 100 0.1 -0,1

一二書巨

ギヤポジション シフトダウンしない場合 一一一-一一一一一一---■■■---スロットル開度 5s 一■---･-→-4速 2速 _2速 図9 山道走行時のこう配推定値の波形 こう配推定値は全体的に傾斜に追従している｡B点で自動のエンジンブレーキが掛かり,通常は破線のように上昇す る車速が抑制されている｡

ーキ制御が働いてシフトダウンしているのがわかる｡通

常は車速が破線のように上昇するのに対し,自動エンジ

ンブレーキによってほぼ一定の速度で坂道を下ることが できる｡

田

おわりに

ここでは,自動車の駆動力制御の自由度を高めるトル

ク推定技術とその応用制御の一例について述べた｡

この技術を無段変速機に適用すると,変速比変化によ

ってトルクアクチュエータとしての機能を発揮できるの で,有段変速機以上に効果的な応用制御が可能になる｡ さらに今後は,電子制御スロットルバルブをf￣rいて積 極的にトルクを制御するパワートレイン総合制御システ

ムへと発展させていく考えである｡

参考文献 1) 2 3 射場本,外:トルクフィードバック方式による変速過渡 時制御,自動車技術会1994年秋季学術講演会前刷集 9436602 箕輪,外:簡易モデルを用いた駆動トルク制御による自 勅変速機搭載車の加速性能向上, No.9432255 1､ Minowa,etal 自動車技術会論文集, :"SmoothGearShiftControISystem 4 5 UsingEstimated Torque, No.941013(1994) SAE TechnicalPaper,

M.Schwab:``Electronic Controlof _a4-Speed

Auto- maticTransmissionwithLock-UpClutch''sAETech-nicalPaperNo.朗0448(1984)

佐藤,外:変速時におけるトルク変動抑制方式の検討,n 動卓抜術会1993年春季学術講演会前刷集9302772