電気自動車用全電気ブレーキシステムの制御特性

電気自動車用全電気ブレーキシステムの制御特性

Control Characteristics of Full Electric Braking System for Electric Vehicles

精密工学専攻

22

Taizo Sakamoto

1. 緒言

近年，自動車分野では地球温暖化問題に伴う排出ガス規制 などの環境対応技術や，安心，安全に関わる技術開発に関し，

様々な要素部品の技術向上が活発に行なわれている⁽¹⁾． その中で電気自動車（EV）は，プラグインハイブリッド 登場の流れからも明らかなように，有望な環境対応自動車と して注目されている．EV の特徴として回生ブレーキの技術 により，高精度，高応答なブレーキ力の発生，及びエネルギ ー回収が可能といった利点が挙げられる．

また自動車基幹部品は動力エネルギーの電気へのシフト，

高性能，高効率化の要求により，エレクトロニクス技術と融 合することで電動化が進められてきた．ブレーキ分野におい てはサーボモータとウェッジ機構により高精度で高速なブ レーキトルクが得られる電動ブレーキの研究が行なわれて

いる⁽²⁾⁽³⁾．しかし，現状では油圧システムによるブレーキが

主流である．

そのような背景を踏まえ，ブレーキを全て電気で制御する 全電気ブレーキシステムが提案されており，回生，電動ブレ ーキを併用した基本構想⁽⁴⁾や，摩擦係数変動などのパラメー タ変動に関する制御手法の検討⁽⁵⁾が行われてきた．しかしシ ミュレーション上では可能としているブレーキトルク検出 や，協調制御における問題点はシミュレーションの域を脱せ ず実機による検討は行われていない．

そこで本研究では，車両慣性を模擬した実験システムを製 作し，その基本特性を明らかにすると共に，実機による実験 により全電気ブレーキシステムの問題点を明らかにする．ま た電動ブレーキの試作を行う．

2. 全電気ブレーキシステム

2.1 全体構成

Fig.１に全電気ブレーキシステムの全体構成を示す．シス テムにおけるブレーキ装置は電気ブレーキおよび電動ブレ ーキから構成されている．また各輪のブレーキ力はそれぞれ 独立に制御される構造である．

2.1.1 電気ブレーキ

EV の駆動用モータで発生することができるブレーキは三 種ある．それぞれのブレーキの特徴について下記に記す．① はエネルギーについて，②はブレーキ力の特長を示している．

－回生ブレーキ：①バッテリへ一部回収可能

②低速，高速域で弱い

－逆転ブレーキ：①バッテリから供給 ②変換器容量まで可能 －発電ブレーキ：①抵抗で消費

②低速，高速域で弱い 回 生 ブ レ ー キ 及 び

発電ブレーキは，Fig.2 に 示 すよ う に低 速 域 で は 誘起 電 圧の 低 下 に よ り， 高 速域 で は

IPMSM の弱め界磁制

御 の 影響 に より 制 限 される．そのため不足

分のブレーキトルクを補う装置が必要となる．

逆転ブレーキは低速，高速域に渡って変換器容量一杯まで 使うことができるが，バッテリの消費電力が大きくなる．

2.1.2 電動ブレーキ 本研究の特徴として，

電気ブレーキトルクの不 足を補うために，ウェッ ジ機構を備えた電動ブレ ーキを導入している⁽²⁾⁽³⁾．

Fig.2に概要図を示す．電

動ブレーキは従来の油圧 による駆動をサーボモー タに置き換えることで，

高精度，高応答な押し付

け力の制御を可能としたブレーキ装置である．またウェッジ の巻き込みにより，トルクの自己増幅機能を発生させること ができ，電力消費を少なくすることができる．

2.2 制御方式の問題点

2.1 節に記したとおり回生ブレーキはトルク不足分を電動 Control signal Power supply line Fig.1 Configuration of full electric brake system

Motor , Inverter

Brake disc

Wedge brake

Battery Controller

Pedal unit Tire

Brake force

Brake force

Brake force Brake force

Caliper Servo motor

Wedge Brake pad

Brake disc

Caliper Servo motor

Wedge Brake pad

Brake disc

Fig.3 Configuration of wedge brake Fig.2 Characteristic of

electric brake torque

Vehicle speed Regenerative braketorque Low speed area

Fie ld weakening area

Vehicle speed Regenerative braketorque Low speed area

Fie ld weakening area

Brake Torque

ブレーキで補わなければならない．全電気ブレーキシステム のオープンループ制御方式は，Fig.4 に示すように回生ブレ ーキトルクをフィードバックし，不足分のみを電動ブレーキ が補う構成としている．すなわち回生ブレーキと電動ブレー キの協調制御が必要となる．

一方電動ブレーキは，クリアランスを所持しており，また ゲイン値を外部から調整できない．これより回生ブレーキと 比べて立ち上がり等の応答特性が異なる．

これは，たとえばFig.5 のように協調制御を行うときトー タルブレーキトルクが二段階にわたってかかるといった問 題が発生すると考えられる．しかしこのような協調制御に関 する問題はシミュレーション上で検討を行ったのみで，制御 や応答特性の観点から実際に影響があるかは定かではない．

以上のことから協調制御の検討を行うことができる実験シ ステムを試作すると共に，実験検討を行う必要がある．

3. 実験システム

シミュレーションでは 2.2 節に示した問題のほかに，摩擦 係数などのパラメータ変動，電動ブレーキトルクの検出，機 械的，機構的制限等の問題が挙げられる．これらは実車での 検討が望ましいが，安全性，実験場所確保等の問題から困難 である．そこで本研究では，車両慣性部およびブレーキ部を 模擬した電気，電動ブレーキ協調制御の実験システムを試作 した．

3.1 全体構成

試作した実験システムの写真をFig.6, 7 に示す．

装置は実車のブレーキ性能（ブレーキトルク）の1/50を基 準として模擬したものであり，機械部は約 1050mm，幅

250mm，高さ350mmの大きさとなる．構成は主に機械部と

回路部に分けられる．主な機械部パラメータをTable 1に示 す．なお慣性モーメント等のパラメータは，すべてモータ軸 換算で表記する．

3.2 モータ，車両模擬部

機械部は駆動，電気ブレーキ用モータ部，車両模擬部，電 動ブレーキ部から構成される．

Experiment Inertia kg･m² 0.0197

Gear Ratio 9

Maximum Motor Torque Nm 3.64

Maximum Motor Speed rpm 3000

Torque Constant N・m/A 0.119

Encorder Specification C/T 4000

3.2.1 駆動，電気ブレーキ用モータの選定

駆動及び電気ブレーキ用モータは200W DCサーボモータ を使用した．シミュレーション上で想定するブレーキトルク

は約180 Nmである．よって必要トルクに縮小率1/50をかけ

た値である，3.6 Nmを基準とし選定を行った．

また模擬実験として時速約30 km/hからのブレーキ実験が 可能となる設計とした．タイヤ半径rが0.26 mの実車におい

て秒速V m/sとすると，タイヤ回転数 Ｎrpmは

π

× 60

= r

N V

で表せる．秒速 8.33 m/s [=時速30 km/h]とするとタイヤ回

転数は305 rpmとなり，これに減速比9をかけた値を満たす

ためである．よってモータ最高回転数は3000 rpmとした．

3.2.2 車両模擬部の設計

車両重量はフライホイールによる慣性で模擬する設計と している．シミュレーションでの車両慣性JVは1.2 kgm²であ ることからその1/50の慣性が必要となる．フライホイール慣 性をJM，モータ慣性をJM，ギヤ慣性をJG，主軸慣性をJSブ レーキディスク慣性をJD，減速比γをとすると

) (

50 )

( 1

γ

D S G M V

F

J J J

J J

J +

+ +

−

×

=

で計算することができる．なお主軸，ディスク慣性は，フラ イホイール慣性に比べ十分小さいため無視することができ る．これよりフライホイール慣性を 19.7×10^-3kg･m²に設計 Fig.4 Open loop brake system using wedge brake

Brake Torque Command

Regenerative Brake Torque Total

Brake Torque

Vehicle Speed

Friction Brake Torque Motor

Vehicle Dynamics Wedge

Brake +

+ - +

torque

brake torque brake

torque speed

dynamics brake

brake torque command

Brake Torque Command

Regenerative Brake Torque Total

Brake Torque

Vehicle Speed

Friction Brake Torque Motor

Vehicle Dynamics Wedge

Brake +

+ - +

torque

brake torque brake

torque speed

dynamics brake

brake torque command

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

0 50 100 150

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

0 50 100 150

Ti me [s]

Initial vehicle speed 80 [km/h]

Regenerative Brake Torque Wedge Brake Torque Total Brake Torque [Nm]Brake Torque [Nm]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

0 50 100 150

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

0 50 100 150

Ti me [s]

Initial vehicle speed 80 [km/h]

Regenerative Brake Torque Wedge Brake Torque Total Brake Torque [Nm]Brake Torque [Nm]

Fig.5 100Nm Step response (motor torque is saturated)

Fig.7 Circuit department of brake simulated experiment Table 1 Experimental parameters

Fig.6 Machinery department of brake simulated

Motor for driving

& electric brake

Equivalent inertia

weight of vehicle Reduction gear Electromech.

brake

Motor for electromech. brake Motor for driving

& electric brake

Equivalent inertia

weight of vehicle Reduction gear Electromech.

brake

Motor for electromech. brake

Microcomputer

Interface Circuit for Power inverter

Interface Circuit for electromech.

motor Power inverter

Circuit Electromech.

motor driver

Microcomputer

Interface Circuit for Power inverter

Interface Circuit for electromech.

motor Power inverter

Circuit Electromech.

motor driver

した．

3.3 電動ブレーキ

電動ブレーキは従来の油圧 駆動をモータ駆動に置き換え たものだが，未だ製品化はされ ておらず既存のものを応用す ることができないため，自ら設 計を行った．設計および試作は，

比較のため 2.1.2 項に述べた ウェッジ機構を設けた電動ブ レーキと，モータでパッドを押

し込むだけの構造の二種について行った．ウェッジ機構のモ

デル図をFig.8に示す．

パッドとブレーキディスクが接触した位置をウェッジ位 置ｘ_ｗの原点とする．ここでウェッジにかかる力（摩擦力）

FBは，ウェッジ角α，キャリパ剛性KCAL，ブレーキパッドと ディスクの摩擦係数をµBとすると式（3）で表せる．

α µ

tan

B

K X

F =

ブレーキトルクτBは，ブレーキ有効半径をrBとすると

τ

= 2 r

F

Fig.9に，設計したCAD

モデルを示す．モータは矢 印方向へウェッジ①を押 し込む．そしてウェッジ② を図上の斜め左上方向へ 押し込むことでブレーキ パッドをブレーキディス クへ押し付ける構造であ る．このときパッドはウェ ッジの効果によりディス

ク側に巻き込まれる力が働き，結果自己増幅作用が発生する．

3.4 制御装置

Fig.10 に制御装置の構成を示す．制御装置の回路は駆動，

電気ブレーキ用モータと電動ブレーキ用モータでそれぞれ 分離されており，マイコン同士が同期動作を行う構成である．

モータ制御およびブ レーキ特性を調べる ために使用するセン サを Table.2 にまと めて示す．

Fig.10 に お け る 電力変換回路部分は 三 菱 電 機 製 ASIPM を使用し，三相イン バータの二相分のみ を使用してH型ブリ ッジを構成している．

本IPMは最大電圧値450V，最大電流値±20A（ピーク値±

40A）となっている．

制御方法は駆動，電気ブレーキ用モータは電流制御，電動 ブレーキ用モータは位置制御を基本としている．

4. 実験検討

製作した実験システムにおいて，駆動用モータを利用した 電気ブレーキの基本特性および電動ブレーキの動作につい て検討を行った．

4.1 電気ブレーキの実験検討

電気ブレーキについて，今回は消費電力，バッテリ量によ るブレーキトルク制限などの検討は行わないため，逆転ブレ ーキにより電気ブレーキの検討を行った．

4.1.1 逆転ブレーキの概要

逆転ブレーキはモータ回転方向を，力行方向と反転させる ことでトルクを得るブレーキである．Fig.11 に逆転ブレーキ 時のH型ブリッジの回路動作を示す．正転時は，S1→モータ

→S4と電流が流れているが，逆転ブレーキ時はFig.11 (a)， (b) の切り替え動作を調節することでモータに流れる電流 i_m を 制御することができる．

4.1.2 惰性による停止

Fig.12 に摩擦等による惰性停止時のモータ速度波形，トル

ク応答波形を示す．モータトルクは電流値にトルク定数を乗 算することで求めることができる．実験は電流制御系におい て電流指令値を2.0A とし，十分に加速時間を設け速度が定 常になった時点で，電流指令値を0Aにし持続させた．実験 システムには約4 kgのフライホイールが接続されているた め，完全停止までに約6秒の時間を要する事がわかる．

Fig.8 Model of wedge brake

FM

TM

FN

KCAL

FA

FB

XW

α Motor

Roller Screw

Wedge Abutment Brake pad

FB

Brake Disc

τSM

disc

screw xW

fSM

fN

fA

fB

fB

Servo m otor

FM

TM

FN

KCAL

FA

FB

XW

α Motor

Roller Screw

Wedge Abutm ent Brake pad

FB

Brake Disc

τSM

disc

screw xW

fSM

fN

fA

fB

fB

Servo m otor

Push Direciton of motor Push Direciton of motor

Fig.9 Caliper model

Incremental encoder Pulce numer C/T 4000 Current censor Measurement range A

（error %） ±48 (±0.2) Position pulse Pulce number　C/T 600 Motor for electromechanical brake

for driving for electric brake Motor

Table.2 Sensor used each motor

Fig.11 Circuit operation of reversed phase brake

Power inverter circuit Motor current

PWM (Brake) command Dedicated driver

Motor current Position pulse

Position

Encoder pulse

Interface circuit

Microcomputer Feedback

signal’s

PWM Current

voltage

Position (Brake) command

Interface circuit

Microcomputer Feedback

signal’s

Motor for Driving &

electric brake

Electromechanical brake

Encoder

Motor for electromechanical

brake

Power inverter circuit Motor current

PWM (Brake) command Dedicated driver

Motor current Position pulse

Position

Encoder pulse

Interface circuit

Microcomputer Feedback

signal’s

PWM Current

voltage

Position (Brake) command

Interface circuit

Microcomputer Feedback

signal’s

Motor for Driving &

electric brake

Electromechanical brake

Encoder

Motor for electromechanical

brake

Fig.10 Configuration of control system

+ －

Ld

Rd Em

S1

S2

S3

S4

D1 D2

D3 D4

Eb

im

+ －

Ld

Rd Em

S1

S2

S3

S4

D1 D2

D3 D4

Eb

im

(a) S2 ON (b) S2 OFF

1 2

Fig.12 Response of stop for experiment inertia

0 100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6 7

Time s

Motor speed rpm

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

0 1 2 3 4 5 6 7

Time s

Motor torque Nm

またグラフより角加速度は約-8.73 rad/s²と計算する事がで きる．これらの応答波形および角加速度を基準とし，比較検 討すればよい．

4.1.3 逆転ブレーキによる停止

Fig.13 に逆転ブレーキ時のモータ速度波形，トルク応答波

形を示す．装置は約3秒で停止しており，その角加速度は約

-17.5 rad/s² と計算できる．逆転時のトルク応答からわかるよ

うにブレーキ指令後，装置は遅れ時間無く逆転ブレーキを作 動させている．

またブレーキ後，モータトルクに高周波の脈動成分が共に 出力されている．これはモータを駆動する電力変換回路のス イッチングにより，電流値にノイズとして表れるものと考え られる．電流値はシミュレーション上でブレーキトルクを制 御するための重要な制御パラメータである．しかし実験機で は，フィードバックに使用するための十分な精度を持つ値が 満足に検出できていないことが明らかになった．

4.1.4 二段階に分けた逆転ブレーキ

電流制御系における電流指令値を，測定開始後2.0 Aから

1.5 Aにし，その2秒後に逆転ブレーキを行った波形をFig.14

に示す．これは実車においてアクセルスロットを緩めた後，

ブレーキ動作を開始する動作に相当する．

電流指令を減少させた後，トルクは正常に指令値に減少す ると共に，速度は慣性により減速している．その後正常

に逆転ブレーキを開始し減速を始めている．なおこのときの 角加速度は約-23.6 rad/s²である．

4.1.5 システムの問題点

これらの実験から，本実験システムにおいて電気ブレーキ の実験検討が有用であることがわかった．しかし駆動用モー タによる逆転ブレーキでは，総じてモータトルクに脈動成分 が出力される．またその影響を受け，ブレーキ時のモータ速 度も脈動をしている．これらの問題点は協調制御に影響を与 えると考えられるため，今後改良していく必要がある．

4.2 電動ブレーキ実験

電動ブレーキについては，オープンループにより機械的動 作の確認を行った．しかし電動ブレーキ用モータに制御上で 問題が発生し，位置制御動作を行えない．そのため十分な制 御検討を行うことができなかった．ただし，機械的動作は確 認できていることから制御部分を改良し，電動ブレーキの基 本特性を測定すると共に，自己増幅作用などの実証検討を行 えるようにしていく．

5. 結言

駆動用モータを利用した電気ブレーキと電動ブレーキの 協調制御検討について以下の結果を得た．

(1) 車両慣性を模擬した全電気ブレーキシステムの実験シ ステムを試作した．また自己増幅作用が得られる電動ブ レーキを専用設計し，試作を行った．

(2) 駆動用モータを利用した電気ブレーキについて，基礎検 討によりその有用性を確認した．またノイズ等の問題点 があることがわかった．

今後の課題として，電動ブレーキを制御動作させることで，

電動ブレーキの基礎特性および問題点を明らかにする．また 本実験システムでは電気ブレーキと電動ブレーキの協調制 御検討を行えることから，それを最大限活用し，全電気ブレ ーキの実験検討を行う．

参考文献

(1) 藤堂安人 他, 安全・環境基準が変える 2010年のクルマ, 日経 Automotive Technology, 日経BP社, 東京 (2006.7) pp.74-99.

(2) Richard Roberts, et al., Modeling and Validation of the Mechatronic Wedge Brake, SAE Technical Papers, Document Number 2003-01-3331 (2003) pp.1-11.

(3) M. Semsch, New mechatronic part disc brake, Advanced Brake Technology, SAE Book R-352, (2003) pp.205-227 (4) Sakamoto T., Hirukawa K., Ohmae T., Cooperative Control

of Full Electric Braking System With Independently Driven Four Wheels, IEEE Advanced Motion Control 2006, Part2 (2006.3) pp. 602-606.

(5) 比留川国朗，電気自動車における回生ブレーキと電動ブ レーキの協調制御システム，中央大学大学院修士論文

（2006）

Fig.14 Response of two stage reversed phase brake Fig.13 Response of reversed phase brake

-100 0 100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6 7

Time s

Motor speed rpm

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

0 1 2 3 4 5 6 7

Time s

Motor torque Nm

-100 0 100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6 7

Time s

Motor speed rpm

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

0 1 2 3 4 5 6 7

Time s

Torque Nm