トルク制御装置
【課題】発電機で発電される電力の変動を抑制するトルク制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン１により駆動される発電機を備えたハイブリッド車両に用いられるトルク制御装置において、ハイブリッド車両の走行状態に応じて設定された発電機２の目標発電電力に基づいて、エンジントルク指令値及び前記発電機の回転数指令値を演算する指令値演算手段と、回転数演算値を回転数指令値に一致させるための発電機トルク指令値を演算する発電機トルク指令値演算手段と、発電機トルク指令値に基づき発電機２を制御する発電機制御手段と、発電機２の回転数を検出する回転数検出手段と、回転数検出手段により検出された回転数検出値から、エンジン１の脈動による回転数の脈動成分を除去し、回転数演算値を演算する脈動除去フィルタとを備える。
【解決手段】エンジン１により駆動される発電機を備えたハイブリッド車両に用いられるトルク制御装置において、ハイブリッド車両の走行状態に応じて設定された発電機２の目標発電電力に基づいて、エンジントルク指令値及び前記発電機の回転数指令値を演算する指令値演算手段と、回転数演算値を回転数指令値に一致させるための発電機トルク指令値を演算する発電機トルク指令値演算手段と、発電機トルク指令値に基づき発電機２を制御する発電機制御手段と、発電機２の回転数を検出する回転数検出手段と、回転数検出手段により検出された回転数検出値から、エンジン１の脈動による回転数の脈動成分を除去し、回転数演算値を演算する脈動除去フィルタとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルク制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関と、内燃機関に連結され、内燃機関により回転駆動され、界磁電流による界磁制御に基づいて駆動される回転数に応じた電力を発電する発電機と、発電機により発電される電力を蓄える蓄電装置と、蓄電装置から供給される電力に基づいて回転駆動される走行モータと、内燃機関を最適なトルク特性に基づいて回転駆動させるとともに、その時々の走行状態に基づいて必要とする発電量を演算し、その発電量と内燃機関の最適なトルク特性とに基づいて発電量に対応する発電機を制御する目標とする目標回転数を演算し、その目標回転数に基づいて、発電機を界磁制御し、内燃機関の回転による発生トルクとに対して発電機の駆動トルクがバランスする回転数で発電機を回転駆動する発電制御装置とを備えた電気自動車が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１７８７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、エンジンのトルク脈動により、発電機で発電される電力が変動する、という問題があった。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、発電機で発電される電力の変動を抑制するトルク制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、回転検出手段により検出された回転数検出値から、エンジンの脈動による回転数脈動値を除去し、回転数演算値を演算する脈動除去フィルタを備えることによって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、エンジンのトルク脈動に起因する脈動成分を除去した回転数を回転数指令値に一致させるよう、発電機のトルクを制御するため、発電機のトルク脈動を抑制し、発電機の電力変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るトルク制御装置を含む車両のブロック図である。
【図２】図１のエンジン、発電機、エンジンコントローラ、発電機コントローラ及び発電制御部のブロック図を示す。
【図３】（ａ）は図１の発電機２の発電電力の特性を示すグラフであり、（ｂ）は図１の発電機２の回転数の特性を示すグラフであり、（ｃ）は図１の発電機２のトルク特性を示すグラフであり、（ｄ）は図１のエンジン１のトルク特性を示すグラフである。
【図４】本発明の他の実施形態に係るトルク制御装置に含まれる、エンジン、発電機、エンジンコントローラ、発電機コントローラ及び発電制御部のブロック図を示す。
【図５】本発明の他の実施形態に係るトルク制御装置に含まれる、エンジン、発電機、エンジンコントローラ、発電機コントローラ及び発電制御部のブロック図を示す。
【図６】図５のゲイン調整部におけるゲイン特性を示すグラフである。
【図７】本発明の他の実施形態に係るトルク制御装置に含まれる、エンジン、発電機、エンジンコントローラ、発電機コントローラ及び発電制御部のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
《第１実施形態》
図１は、発明の実施形態に係るトルク制御装置を含む車両の概要を示すブロック図である。以下、本例のトルク制御装置をシリーズ型のハイブリッド車両に提供した例を挙げて説明するが、本例のトルク制御装置は、例えばエンジン及びモータを駆動源とするパラレル型のハイブリッド車両にも適用可能である。
【００１１】
図１に示すように、本例のトルク制御装置を含む車両は、エンジン１と、発電機２と、回転角センサ３と、発電機インバータ４と、バッテリ５と、駆動インバータ６と、駆動モータ７と、減速機８と、駆動輪９と、エンジンコントローラ２１と、発電機コントローラ２２と、バッテリコントローラ２３と、駆動モータコントローラ２４と、システムコントローラ１００とを備えている。
【００１２】
エンジン１は、ガソリン、軽油その他の燃料を燃焼させてエネルギを出力軸に出力し、エンジンコントローラ２１からの制御信号に基づいて、スロットルバルブのバルブ開度や燃料噴射バルブの燃料噴射量等を制御して駆動する。発電機２は、エンジン１の出力軸に連結され、エンジン１により駆動される。また発電機２はエンジン１の始動時にエンジン１をクランキングしたり、また発電機２の駆動力を利用してエンジン１を力行回転させることで電力を消費させたりする。回転角センサ３は、発電機２のロータの回転角を検出するレゾルバ等で構成され、発電機２の回転数を検出するセンサであり、検出値をシステムコントローラ１００に出力する。
【００１３】
発電機インバータ４は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を複数備え、発電機コントローラ２２からのスイッチング信号により当該スイッチング素子のオン及びオフを切り替えることで、発電機２から出力される交流電力を直流電力に変換し、または直流電力から交流電力に逆変換する変換回路である。発電機インバータ４は、バッテリ５及び駆動インバータ６に接続されている。また発電機インバータ４には、図示しない電流センサが設けられて、電流センサなどの検出値は発電機コントローラ２２に出力される。バッテリ５は、発電機インバータ４と駆動インバータ６との間に接続され、駆動インバータ６に電力を供給し、発電機インバータ４からの電力により充電される二次電池である。駆動インバータ６は、発電機インバータ４あるいはバッテリ５から出力される直流電力を交流電力に変換して、駆動モータ７に当該交流電力を出力する変換回路である。駆動インバータ６は、駆動モータコントローラ２４の制御信号に基づき制御される。また駆動インバータ６には、図示しない電流センサが設けられて、電流センサなどの検出値は駆動モータコントローラ２４に出力される。
【００１４】
駆動モータ７は、駆動インバータ６からの交流電力により駆動し、車両を駆動する駆動源である。また駆動モータ７には、図示しない回転角センサが接続され、当該回転角センサの検出値は駆動モータコントローラ２４に出力される。駆動モータ７の出力軸は、減速機８及び左右のドライブシャフトを介して、左右の駆動輪９に連結されている。また駆動モータ７は、駆動輪９の回転により、回生駆動力を発生させることで、エネルギを回生する。
【００１５】
エンジンコントローラ２１は、システムコントローラ１００から送信されるエンジントルク指令値（ＴｅＣＭＤ）及びエンジン１に設けられた空燃比センサ（図示しない）、酸素センサ（図示しない）の検出値、温度センサ等に基づいて、スロットルバルブのバルブ開度や燃料噴射バルブの燃料噴射量、点火時期等を設定して、エンジン１を制御するためのコントローラである。発電機コントローラ２２は、システムコントローラ１００から送信される発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）及び発電機インバータ４に設けられている電流センサ（図示しない）の検出値に基づいて、発電機インバータ４に含まれるスイッチング素子のスイッチング信号を設定して、発電機インバータ４を制御する。
【００１６】
バッテリコントローラ２３は、バッテリ５の電圧を検出する電圧センサ、バッテリ５の電流を検出する電流センサ等の検出値から、バッテリ５の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を計測して、バッテリ５の出力可能な電力量及び充電可能な充電電力量を管理する。駆動モータコントローラ２４は、システムコントローラ１００からの制御信号及び駆動モータ７に設けられる電流センサ（図示しない）の検出値や回転数に基づいて、駆動インバータを制御する。
【００１７】
システムコントローラ１００は、発電制御部１０を有し、車両全体を制御するコントローラであって、エンジンコントローラ２１、発電機コントローラ２２、バッテリコントローラ２３及び駆動モータコントローラ２４を制御する。システムコントローラ１００は、エンジンコントローラ２１を介してエンジンの状態を管理し、発電機コントローラ２２を介して発電機インバータ４の制御状態を管理し、バッテリコントローラ２３を介してバッテリ５の状態を管理し、駆動モータコントローラ２４を介して駆動インバータ６及び駆動モータ７を管理する。
【００１８】
またシステムコントローラ１００は、図示しない車速センサにより検出される車速、図示しないアクセル開度センサにより検出されるアクセルペダル操作量、及び、傾斜センサにより検出される勾配から車両の走行状態を検出して、バッテリコントローラ２３で管理され、バッテリ５の入出力可能電力、発電機２の発電電力に応じて、駆動モータ７に電力を供給するために発電機２で発電される発電電力の目標値を設定する。発電制御部１０は、発電電力の目標値（Ｐｍ（以下、目標発電電力と称す。））を実現するために、エンジントルク指令値（ＴｅＣＭＤ）及び発電トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を演算する。
【００１９】
次に、図２を用いて、発電制御部１０の構成を説明する。図２は、エンジン１、発電機２、エンジンコントローラ２１、発電機コントローラ２２及び発電制御部１０のブロック図を示す。発電制御部１０は、運転点演算部１１と、回転数制御部１２と、脈動除去フィルタ１３とを備えている。
【００２０】
運転点演算部１１は、目標発電電力（Ｐｍ）を発電機２で発電させるために、エンジン１で最適なトルクになるよう、エンジントルク指令値（ＴｅＣＭＤ）及び発電機２の回転数指令値（ωＣＭＤ）を設定し、エンジンコントローラ２１及び回転数制御部１２に出力する。運転点演算部１１には、目標発電電力（Ｐｍ）に対してエンジン１の最適なトルク特性を示すマップが予め格納されており、運転点演算部１１は、目標発電電力（Ｐｍ）を入力として当該マップを参照することで、エンジントルク指令値（ＴｅＣＭＤ）及び発電機２の回転数指令値（ωＣＭＤ）を演算する。
【００２１】
回転数制御部１２は、回転数指令値（ωＣＭＤ）と後述する脈動除去フィルタ１３からの出力される回転数演算値（ωｐ）とを入力して、発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を発電機コントローラ２２に出力する。回転数制御部１２はＰＩＤ補償器で構成され、以下の式（１）を用いて、発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）出力する。
【数１】
ただし、ＫＰは比例ゲイン、ＫＩは積分ゲイン、ＫＤは微分ゲイン、ＴＤは近似微分の時定数、ｓはラプラス演算子である。
【００２２】
後述するように、回転数演算値（ωｐ）は発電機２の回転数を脈動除去フィルタ１３に通し、フィードバック制御することで演算される値であるため、回転数制御部１２は、式（１）を用いることで、回転数演算値（ωｐ）を回転数指令値（ωＣＭＤ）に一致させるように、発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を演算する。
【００２３】
脈動除去フィルタ１３は、制御対象モデル（Ｇｐ）１３１と、減算器１３２、１３４と、バンドパスフィルタ１３３とを備えている。制御対象モデル１３１は、本例における制御対象をモデル化（線形化）した伝達関数によって表され、以下の式（２）で表される。
【数２】
Ｊは発電機２の出力軸の軸周りイナーシャ、Ｄは潤滑油の粘性摩擦係数である。
【００２４】
制御対象モデル１３１は、発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を入力として、式（２）を用いて、推定値（Ｇｐ・ＴｍＣＭＤ）を推定する。
【００２５】
減算器１３２は、回転角センサ３の検出値に相当する、発電機２の回転数検出値（ωＧ）から制御対象モデル１３１の推定値を減算し、回転数（ω１）をバンドパスフィルタ１３３に出力する。すなわち、回転数（ω１）は以下の式（３）により演算される。
【数３】
【００２６】
バンドパスフィルタ１３３は、エンジン１のトルク脈動に起因し、発電機２の回転数に含まれる脈動成分をフィルタリングするためのフィルタであり、少なくともエンジン１の間欠燃焼周波数を通過周波数とするフィルタにより構成され、回転数脈動値（ωｓ）を除去するためのフィードバック要素となる。バンドパスフィルタ１３３の伝達特性（ＧＢＰＦ）は以下の式（４）により表される。
【数４】
ζは減衰係数である。ωnは固有振動数であり、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数のうち、中心周波数に相当する。固有振動数（ωn）は、エンジン１の間欠燃焼周波数と一致するように調整される周波数である。エンジン１の間欠燃焼周波数は、多気筒のエンジン１の燃焼周期により設定される周波数である。
【００２７】
減衰器１３２の出力値である回転数（ω１）がバンドパスフィルタ１３３を通過し、バンドパスフィルタ１３３から回転数（ω２）が出力される。回転数（ω２）は、式（５）により表される。
【数５】
回転数（ω２）は、回転数検出値（ωＧ）の脈動量に相当し、回転数脈動値（ωｓ）に相当する。
【００２８】
減算器１３４は、回転数検出値（ωＧ）から回転数（ω２）を減算することで、回転数演算値（ωｐ）を算出する。そして、回転数演算値（ωｐ）を回転数制御部１２にフィードバックさせる。これにより、脈動除去フィルタ１３により回転数検出値（ωＧ）に含まれる脈動成分を除去し、回転数制御部１２により、脈動成分を含まない検出値（ωｐ）を回転数指令値（ωＣＭＤ）に一致させるための発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を演算する。
【００２９】
次に、本例のトルク制御装置における、発電電力の特性、回転数の特性及びトルク特性を、シミュレーション結果である図３を用いて説明する。シミュレーションの前提条件として、エンジン１が停止状態で発電機２が一定の回転数で回転している時点から開始し、１秒後の時点でエンジントルク脈動を印加する。また図３のうち、グラフａは本例のトルク制御装置の特性を示し、グラフｂは本例に対する比較例であり、脈動除去フィルタ１３を用いたフィードバック制御を行わない場合の特性である。またグラフｃは回転数演算値（ωｐ）の特性を示す。図３（ａ）は発電機２の発電電力の時間特性を示し、図３（ｂ）は発電機２の回転数（または、エンジン１の回転数）の時間特性を示し、図３（ｃ）は発電機２のトルクの時間特性を示し、図３（ｄ）はエンジン１のトルクの時間特性を示す。
【００３０】
時刻１秒の時点で、図３（ｄ）に示すようなエンジントルク脈動を印加すると、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、比較例では発電機トルク及び回転数に脈動が含まれているため、図３（ａ）に示すように、発電電力が大きく変動している。一方、本例では、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、発電機トルク及び回転数の脈動が抑制され、図３（ａ）に示すように、発電電力の変動が抑制されている。また図３（ｂ）に示すように、本例における、エンジントルクの入力に対する回転数のオーバーシュート量は比較例と同等であるため、本例は耐外乱性を損なうことなく発電電力の変動を抑制することができる。
【００３１】
上記のように、本例は、回転数演算値（ωｐ）を回転数指令値（ωＣＭＤ）に一致させるための発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を演算する回転数制御部１２と、回転角センサ３により検出される回転数検出値（ωＧ）から、エンジン１の脈動による回転数の脈動を除去し、回転数演算値（ωｐ）を演算する脈動除去フィルタ１３とを備える。これにより、エンジントルク脈動に起因する回転数の脈動を除去した値に基づいてトルクを制御することで、発電機２のトルク脈動を抑制し、発電電力の変動を抑制することができる。
【００３２】
ところで、本例と異なり脈動除去フィルタ１３を用いることなく、回転数指令値と回転数検出値とが一致するように、発電機２のトルクを制御する場合には、エンジン回転数が高い運転領域において、エンジントルク脈動に起因する脈動回転数の周波数が高く、回転数の検出遅れが存在するため、回転数の脈動を抑制することができず、発電機トルクも脈動し、発電電力の変動が大きくなってしまう。このような運転領域では、回転数制御の際のゲインを小さくすることで、発電機トルク脈動を小さくし、発電電力の脈動を抑えることも考えられる。しかし、ゲインを小さくした場合には、耐外乱性が悪化するという問題があった。
【００３３】
またエンジン回転数が低い運転領域においても、エンジントルク脈動が発電機２の発生可能な最大トルクより大きい場合には、エンジントルク脈動を抑制することができない。発電機２は、発電時にエンジン１のトルクによって駆動し、目標回転数を維持させつつ、エンジントルクと釣り合うような回生トルクを連続的に発生させる。そのため、発電機２の最大トルクはできる限り小さく設計することが求められる。従って、発電機２によって、過大なエンジントルク脈動を抑制するよう、発電機２を設計した場合には、発電機２のサイズやコストが大きくなってしまう、という問題があった。
【００３４】
さらに、内燃機関の出力軸にモータジェネレータを結合し、フィードフォワードで当該モータジェネレータにおける脈動補償トルクを算出し、出力軸で発生するトルク脈動を抑制するハイブリッド原動機のトルク変動制御装置が知られている。当該トルク変動制御装置において、エンジン回転数が高い場合には、モータジェネレータの応答遅れによって、モータジェネレータの出力トルクがエンジンのトルク脈動に追従することができず、トルク脈動を抑制することができない、という問題があった。また、エンジン回転数が低い場合であっても、エンジントルク脈動がモータジェネレータの発生可能な最大トルクより大きい時には、エンジントルク脈動を抑制することができないという問題があった。
【００３５】
本例では、脈動除去フィルタ１３により、エンジン１の脈動による回転数の脈動を除去し、脈動成分を含まない回転数演算値（ωｐ）と回転数指令値（ωＣＭＤ）とを用いて発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を演算し、発電機２のトルクを制御する。すなわち、本例では、エンジントルク脈動に起因する脈動回転数の周波数が高い場合であっても、脈動除去フィルタ１３により、脈動回転数に含まれる脈動成分が除去されるため、発電機２のトルク脈動を抑制することができる。また、トルク脈動の抑制を目的として、ゲインを下げてフィードバック制御していないため、耐外乱性が悪化することもない。また本例は、発電機２によりエンジントルク脈動を抑制するように、発電機２を設計させる必要がないため、発電機２のサイズを小型化し、発電機２のコストを抑制することができる。
【００３６】
また本例は、上記の従来のような、エンジン１の出力トルクに発電機２の出力トルクを追随させる制御を行っておらず、エンジン回転数が高く発電機２の応答遅れなどにより、エンジントルクが脈動し回転数が脈動したとしても、フィードバック制御の際には、脈動除去フィルタ１３を用いて、回転数の脈動が除去されるため、発電機２のトルク脈動を抑制し、発電電力の変動を抑制することができる。
【００３７】
また本例は、制御対象モデル１３１により推定される推定値と回転数検出値（ωＧ）との差から回転数脈動値（ωｓ）を演算し、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数とエンジン１の間欠燃焼周波数とが一致しているバンドパスフィルタ１３３と、回転数検出値（ωＧ）と前記回転数脈動値（ωｓ）との差に基づいて、回転数演算値（ωｐ）を演算する第１の減算器１３４とを備えている。これにより、本例は制御の安定性及び耐外乱性を悪化させることなく、発電機２のトルク脈動を抑制し、発電電力の変動を押させることができる。
【００３８】
すなわち、本例とは異なり、回転数検出値から回転数脈動を除去するために、単純なバンドエリミネーションフィルタ（ノッチフィルタ）を使用した時には、脈動する回転数の周波数帯域と制御周波数帯域が非常に近い場合に、回転数の検出が遅れ、安定性が著しく悪化する問題点があった。一方、本例では、回転数検出値（ωＧ）から脈動成分を含む回転数を演算し、回転数検出値（ωＧ）から演算した回転数を差し引いた演算値をフィードバック要素に用いて制御するため、かかる問題点を解決しつつ、制御の安定性を維持しつつ、耐外乱性の悪化を防ぐことができる。
【００３９】
なお、上記運転点演算部１１は本発明に係る「指令値演算手段」に相当し、回転数制御部１２が本発明の「発電機トルク指令値演算手段」に、回転角センサ３が本発明の「回転数検出手段」に、減算器１３４が本発明の「第１の減算手段」に、制御モデル１３１が本発明の「制御モデル推定手段」に相当する。
【００４０】
《第２実施形態》
図４は、発明の他の実施形態に係るトルク制御装置のうち、エンジン１、発電機２、エンジンコントローラ２１、発電機コントローラ２２及び発電制御部１０のブロック図を示す。本例では上述した第１実施形態に対して、バンドパスフィルタ１３３の固有振動数（ωn）を、回転数検出値（ωＧ）または回転数指令値（ωＣＭＤ）に基づいて設定する点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を援用する。
【００４１】
図４に示すように、バンドパスフィルタ１３３には、回転数検出値（ωＧ）が入力され、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数に相当する固有振動数（ωn）が、回転数検出値（ωＧ）に基づいて、設定される。固有振動数（ωn）は、回転数検出値（ωＧ）を用いて、エンジン１が４気筒のエンジンである場合に、以下の式（６）により表される。なお、ωｎの単位はｒａｄ／ｓ、ωＧまたはωＣＭＤの単位は１／ｍｉｎである。
【数６】
【００４２】
エンジン１の間欠燃焼周波数はエンジン１の回転数により変化し、エンジン１の回転数は発電機２の回転数に相当する。そして本例では、発電機２の回転数を用いて、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数を調整するため、エンジン１の回転数が変化しエンジン１の間欠燃焼周波数が変化した場合でも、エンジン１の間欠燃焼周波数をバンドパスフィルタ１３３の通過周波数の帯域に含めることができる。
【００４３】
上記のように、本例はバンドパスフィルタ１３３の通過周波数を、回転数検出値（ωＧ）に基づいて設定する。エンジン１の間欠燃焼周波数はエンジン１の回転数に応じて変化し、本例ではエンジン１の回転数（回転数検出値（ωＧ）に相当）に応じて、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数が調整されるため、エンジン回転数が変化した場合でも発電機２のトルク脈動を抑制し、発電電力の変動を抑制することができる。
【００４４】
なお、本例は、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数を、回転数検出値（ωＧ）に基づいて設定したが、回転数指令値（ωＣＭＤ）に基づいて設定してもよい。すなわち、式（６）において、回転数検出値（ωＧ）の代わりに回転数指令値（ωＣＭＤ）用いて、固有振動数（ωn）を算出すればよい。
【００４５】
《第３実施形態》
図５は、発明の他の実施形態に係るトルク制御装置のうち、エンジン１、発電機２、エンジンコントローラ２１、発電機コントローラ２２及び発電制御部１０のブロック図を示す。図６は、ゲイン調整部１３５における、回転数検出値（ωＧ）に対するゲイン特性を示すグラフである。本例では上述した第２実施形態に対して、脈動抑制フィルタ１３にゲイン調整部１３５を設ける点が異なる。これ以外の構成は上述した第２実施形態と同じであるため、その記載を援用する。
【００４６】
図５に示すように、脈動除去フィルタ１３は、制御対象モデル（Ｇｐ）１３１と、減算器１３２、１３４と、バンドパスフィルタ１３３と、ゲイン調整部１３５を備えている。ゲイン調整部１３５は、バンドパスフィルタ１３３と減算器１３４との間に設けられ、バンドパスフィルタ１３３から出力される回転数（ω２）のゲインを調整し、減算器１３４に回転数（ω２）を出力する。
【００４７】
ゲイン調整部１３５には、回転数の周波数に応じてゲインを調整するための閾値周波数（ω０）が設定されている。図６に示すように、回転数検出値（ωＧ）がゼロからω０まではゲイン（ｋ）は回転数検出値（ωＧ）に対して比例関係にあり、回転数検出値（ωＧ）がω０以上である場合には、ゲイン（ｋ）１となる。すなわち、回転数検出値（ωＧ）がω０未満である場合にはゲインを１より低く設定してゲイン調整が行われ、回転数検出値（ωＧ）がω０以上である場合にはゲインを１に設定し入力値に対するゲイン調整は行わない。
【００４８】
そして、減算器１３４から出力される回転数演算値（ωｐ）は、以下の式（７）により表される。
【数７】
エンジン１が停止状態で発電機２を力行させて、エンジン１の回転数を上昇させる場合に、エンジン１の回転数は低回転領域となり、回転数検出値（ωＧ）はω０より小さくなる。このような低回転数領域では、ゲイン（ｋ）が１より小さい値に設定されているため、回転数検出値（ωＧ）から除去される回転脈動の割合が少なくする。これにより、本例は低回転領域における回転数の脈動を発電機２のトルクにより抑制する。
【００４９】
上記のように、本例は、バンドパスフィルタ１３３の出力値に、発電機２の回転数に基づいて設定されるゲインを乗算するゲイン調整部１３５を、脈動除去フィルタ１３５に設ける。これにより、エンジン１が低回転領域で共振点を有する場合であっても、回転数の脈動を抑制しつつ、当該共振点における振動及び騒音を防ぐことができ、その結果として、発電機２の発電電力の変動を抑制することができる。
【００５０】
なお、本例ではバンドパスフィルタ１３３の出力側にゲイン調整部１３５を設けたが、バンドパスフィルタ１３３の入力側にゲイン調整部１３５を設け、回転数（ω１）に対して、上記と同様にゲイン調整を行ってもよい。
【００５１】
《第４実施形態》
図７は、発明の他の実施形態に係るトルク制御装置のうち、エンジン１、発電機２、エンジンコントローラ２１、発電機コントローラ２２及び発電制御部１０のブロック図を示す。本例では上述した第１実施形態に対して、脈動抑制フィルタ１３５にハイパスフィルタ１３６、１３７を設ける点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を援用する。
【００５２】
図７に示すように、脈動除去フィルタ１３は、制御対象モデル（Ｇｐ）１３１と、減算器１３２、１３４と、バンドパスフィルタ１３３と、ハイパスフィルタ１３６、１３７と、減算器１３８と、加算器１３９とを備えている。ハイパスフィルタ１３６は、減算器１３２から出力される回転数（ω１）を入力とし、後述するフィルタ特性を有するフィルタを通過させて、回転数（ω３）を減算器１３８に出力する。バンドパスフィルタ１３３は、演算された回転数（ω２）を、ハイパスフィルタ１３７及び加算器１３９に出力する。ハイパスフィルタ１３７は、バンドパスフィルタ１３３から出力される回転数（ω２）を入力とし、後述するフィルタ特性を有するフィルタを通過させて、回転数（ω４）を減算器１３８に出力する。減算器１３８は、回転数（ω３）から回転数（ω４）を減算して加算器１３９に出力する。加算器１３９は、減算器１３８により演算された演算値と、回転数（ω２）とを加算して、減算器１３４に出力する。
【００５３】
ハイパスフィルタ１３６、１３７の伝達特性（ＧＨＰＦ）は以下の式（８）により表される。
【数８】
ωＨはハイパスフィルタ１３６、１３７のカットオフ周波数であり、エンジン１の間欠燃焼周波数より高い周波数に設定され、エンジン１が４気筒のエンジンである場合には、ωＨは、以下の式（９）で表される。
【数９】
ただし、発電機２で制御される制御周波数帯域が、０以上ωＧＮ以下の周波数帯域である場合には、カットオフ周波数（ωＨ）の下限値をωＧＮとする。これにより、ハイパスフィルタ１３６、１３７のカットオフ周波数（ωＨ）は、エンジン１の間欠燃焼周波数より高く、かつ、発電機２の制御周波数帯域の上限周波数以上の周波数となる。
【００５４】
ハイパスフィルタ１３６は、回転数検出値（ωＧ）から、エンジン１のピストン及びクランク機構の往復動を起因としたトルク脈動によって生じる回転数の脈動成分及び高周波ノイズ成分をフィルタリングするためのフィルタである。当該脈動成分に相当する回転数（ω３）は以下の式（１０）により算出される。
【数１０】
【００５５】
ハイパスフィルタ１３７は、回転数（ω３）に含まれ、エンジン１の間欠燃焼を起因としたエンジントルク脈動によって生じる回転数の脈動成分をフィルタリングするフィルタである。当該脈動成分に相当する回転数（ω４）は以下の式（１１）により算出される。
【数１１】
【００５６】
そして、減算器１３４から出力される回転数演算値（ωｐ）は、回転数検出値（ωＧ）から、加算器１３９の演算値を減算することで算出され、以下の式（１２）により算出される。
【数１２】
これにより、回転数制御部１２にフィードバックされる回転数演算値（ωｐ）は、回転数検出値（ωＧ）から、エンジン１の間欠燃焼に起因する回転数の脈動成分と、エンジン１のピストン及びクランク機構の往復動を起因とする回転数の脈動成分及び高周波ノイズとを除去した値となる。
【００５７】
上記のように、制御対象モデル１３１の推定値と回転数検出値（ωＧ）との差から回転数（ω３）を演算するハイパスフィルタ１３６と、回転数（ω２）から回転数（ω４）を演算するハイパスフィルタ１３７と、回転数（ω３）と回転数（ω４）との差をとる減算器１３８と、減算器１３８の演算値と回転数（ω２）とを加算する加算器１３９とを備える。これにより、本例は、回転数検出値（ωＧ）からエンジン１の間欠燃焼に起因する脈動成分と、エンジン１のピストン及びクランク機構の往復動に起因する脈動成分及び高周波ノイズ成分とを除去した上で、フィードバック制御するため、発電機２のトルク脈動を抑制し、発電電力の変動を抑えることができる。
【００５８】
また本例において、ハイパスフィルタ１３６、１３７のカットオフ周波数は、エンジン１の間欠燃焼周波数より高く、かつ、発電機２の制御周波数帯域の上限周波数以上の周波数に設定される。ハイパスフィルタ１３６、１３７のカットオフ周波数を、発電機２の制御周波数帯域内の周波数に設定した場合には、発電機２のトルク応答性が悪くなり、耐外乱性が悪化する場合がある。本例では、ハイパスフィルタ１３６、１３７のカットオフ周波数の下限周波数を、当該制御周波数帯域の上限周波数以上に設定しているため、発電機２のトルク応答性をよくし、耐外乱性の悪化を防ぎつつ、回転数の脈動を防ぐことができる。
【００５９】
上記のハイパスフィルタ１３６が本発明に係る「第１のハイパスフィルタ」に相当し、回転数（ω３）が本発明の「第１の高周波回転数脈動値」に相当し、ハイパスフィルタ１３７が本発明の「第２のハイパスフィルタ」に相当し、回転数（ω４）が「第２の高周波回転数脈動値」に相当し、減算器１３８が「第２の減算手段」に、加算器１３９が「加算手段」に相当する。
【符号の説明】
【００６０】
１…エンジン
２…発電機
３…回転角センサ
４…発電機インバータ
５…バッテリ
６…駆動インバータ
７…駆動モータ
８…減速機
９…駆動輪
２１…エンジンコントローラ
２２…発電機コントローラ
２３…バッテリコントローラ
２４…駆動モータコントローラ
１００…システムコントローラ
１０…発電制御部
１１…運転点演算部
１２…回転数制御部
１３…脈動除去フィルタ
１３１…制御対象モデル
１３２、１３４、１３８…減算器
１３３…バンドパスフィルタ
１３５…ゲイン調整部
１３６、１３７…ハイパスフィルタ
１３９…加算器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルク制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関と、内燃機関に連結され、内燃機関により回転駆動され、界磁電流による界磁制御に基づいて駆動される回転数に応じた電力を発電する発電機と、発電機により発電される電力を蓄える蓄電装置と、蓄電装置から供給される電力に基づいて回転駆動される走行モータと、内燃機関を最適なトルク特性に基づいて回転駆動させるとともに、その時々の走行状態に基づいて必要とする発電量を演算し、その発電量と内燃機関の最適なトルク特性とに基づいて発電量に対応する発電機を制御する目標とする目標回転数を演算し、その目標回転数に基づいて、発電機を界磁制御し、内燃機関の回転による発生トルクとに対して発電機の駆動トルクがバランスする回転数で発電機を回転駆動する発電制御装置とを備えた電気自動車が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１７８７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、エンジンのトルク脈動により、発電機で発電される電力が変動する、という問題があった。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、発電機で発電される電力の変動を抑制するトルク制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、回転検出手段により検出された回転数検出値から、エンジンの脈動による回転数脈動値を除去し、回転数演算値を演算する脈動除去フィルタを備えることによって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、エンジンのトルク脈動に起因する脈動成分を除去した回転数を回転数指令値に一致させるよう、発電機のトルクを制御するため、発電機のトルク脈動を抑制し、発電機の電力変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るトルク制御装置を含む車両のブロック図である。
【図２】図１のエンジン、発電機、エンジンコントローラ、発電機コントローラ及び発電制御部のブロック図を示す。
【図３】（ａ）は図１の発電機２の発電電力の特性を示すグラフであり、（ｂ）は図１の発電機２の回転数の特性を示すグラフであり、（ｃ）は図１の発電機２のトルク特性を示すグラフであり、（ｄ）は図１のエンジン１のトルク特性を示すグラフである。
【図４】本発明の他の実施形態に係るトルク制御装置に含まれる、エンジン、発電機、エンジンコントローラ、発電機コントローラ及び発電制御部のブロック図を示す。
【図５】本発明の他の実施形態に係るトルク制御装置に含まれる、エンジン、発電機、エンジンコントローラ、発電機コントローラ及び発電制御部のブロック図を示す。
【図６】図５のゲイン調整部におけるゲイン特性を示すグラフである。
【図７】本発明の他の実施形態に係るトルク制御装置に含まれる、エンジン、発電機、エンジンコントローラ、発電機コントローラ及び発電制御部のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
《第１実施形態》
図１は、発明の実施形態に係るトルク制御装置を含む車両の概要を示すブロック図である。以下、本例のトルク制御装置をシリーズ型のハイブリッド車両に提供した例を挙げて説明するが、本例のトルク制御装置は、例えばエンジン及びモータを駆動源とするパラレル型のハイブリッド車両にも適用可能である。
【００１１】
図１に示すように、本例のトルク制御装置を含む車両は、エンジン１と、発電機２と、回転角センサ３と、発電機インバータ４と、バッテリ５と、駆動インバータ６と、駆動モータ７と、減速機８と、駆動輪９と、エンジンコントローラ２１と、発電機コントローラ２２と、バッテリコントローラ２３と、駆動モータコントローラ２４と、システムコントローラ１００とを備えている。
【００１２】
エンジン１は、ガソリン、軽油その他の燃料を燃焼させてエネルギを出力軸に出力し、エンジンコントローラ２１からの制御信号に基づいて、スロットルバルブのバルブ開度や燃料噴射バルブの燃料噴射量等を制御して駆動する。発電機２は、エンジン１の出力軸に連結され、エンジン１により駆動される。また発電機２はエンジン１の始動時にエンジン１をクランキングしたり、また発電機２の駆動力を利用してエンジン１を力行回転させることで電力を消費させたりする。回転角センサ３は、発電機２のロータの回転角を検出するレゾルバ等で構成され、発電機２の回転数を検出するセンサであり、検出値をシステムコントローラ１００に出力する。
【００１３】
発電機インバータ４は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を複数備え、発電機コントローラ２２からのスイッチング信号により当該スイッチング素子のオン及びオフを切り替えることで、発電機２から出力される交流電力を直流電力に変換し、または直流電力から交流電力に逆変換する変換回路である。発電機インバータ４は、バッテリ５及び駆動インバータ６に接続されている。また発電機インバータ４には、図示しない電流センサが設けられて、電流センサなどの検出値は発電機コントローラ２２に出力される。バッテリ５は、発電機インバータ４と駆動インバータ６との間に接続され、駆動インバータ６に電力を供給し、発電機インバータ４からの電力により充電される二次電池である。駆動インバータ６は、発電機インバータ４あるいはバッテリ５から出力される直流電力を交流電力に変換して、駆動モータ７に当該交流電力を出力する変換回路である。駆動インバータ６は、駆動モータコントローラ２４の制御信号に基づき制御される。また駆動インバータ６には、図示しない電流センサが設けられて、電流センサなどの検出値は駆動モータコントローラ２４に出力される。
【００１４】
駆動モータ７は、駆動インバータ６からの交流電力により駆動し、車両を駆動する駆動源である。また駆動モータ７には、図示しない回転角センサが接続され、当該回転角センサの検出値は駆動モータコントローラ２４に出力される。駆動モータ７の出力軸は、減速機８及び左右のドライブシャフトを介して、左右の駆動輪９に連結されている。また駆動モータ７は、駆動輪９の回転により、回生駆動力を発生させることで、エネルギを回生する。
【００１５】
エンジンコントローラ２１は、システムコントローラ１００から送信されるエンジントルク指令値（ＴｅＣＭＤ）及びエンジン１に設けられた空燃比センサ（図示しない）、酸素センサ（図示しない）の検出値、温度センサ等に基づいて、スロットルバルブのバルブ開度や燃料噴射バルブの燃料噴射量、点火時期等を設定して、エンジン１を制御するためのコントローラである。発電機コントローラ２２は、システムコントローラ１００から送信される発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）及び発電機インバータ４に設けられている電流センサ（図示しない）の検出値に基づいて、発電機インバータ４に含まれるスイッチング素子のスイッチング信号を設定して、発電機インバータ４を制御する。
【００１６】
バッテリコントローラ２３は、バッテリ５の電圧を検出する電圧センサ、バッテリ５の電流を検出する電流センサ等の検出値から、バッテリ５の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を計測して、バッテリ５の出力可能な電力量及び充電可能な充電電力量を管理する。駆動モータコントローラ２４は、システムコントローラ１００からの制御信号及び駆動モータ７に設けられる電流センサ（図示しない）の検出値や回転数に基づいて、駆動インバータを制御する。
【００１７】
システムコントローラ１００は、発電制御部１０を有し、車両全体を制御するコントローラであって、エンジンコントローラ２１、発電機コントローラ２２、バッテリコントローラ２３及び駆動モータコントローラ２４を制御する。システムコントローラ１００は、エンジンコントローラ２１を介してエンジンの状態を管理し、発電機コントローラ２２を介して発電機インバータ４の制御状態を管理し、バッテリコントローラ２３を介してバッテリ５の状態を管理し、駆動モータコントローラ２４を介して駆動インバータ６及び駆動モータ７を管理する。
【００１８】
またシステムコントローラ１００は、図示しない車速センサにより検出される車速、図示しないアクセル開度センサにより検出されるアクセルペダル操作量、及び、傾斜センサにより検出される勾配から車両の走行状態を検出して、バッテリコントローラ２３で管理され、バッテリ５の入出力可能電力、発電機２の発電電力に応じて、駆動モータ７に電力を供給するために発電機２で発電される発電電力の目標値を設定する。発電制御部１０は、発電電力の目標値（Ｐｍ（以下、目標発電電力と称す。））を実現するために、エンジントルク指令値（ＴｅＣＭＤ）及び発電トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を演算する。
【００１９】
次に、図２を用いて、発電制御部１０の構成を説明する。図２は、エンジン１、発電機２、エンジンコントローラ２１、発電機コントローラ２２及び発電制御部１０のブロック図を示す。発電制御部１０は、運転点演算部１１と、回転数制御部１２と、脈動除去フィルタ１３とを備えている。
【００２０】
運転点演算部１１は、目標発電電力（Ｐｍ）を発電機２で発電させるために、エンジン１で最適なトルクになるよう、エンジントルク指令値（ＴｅＣＭＤ）及び発電機２の回転数指令値（ωＣＭＤ）を設定し、エンジンコントローラ２１及び回転数制御部１２に出力する。運転点演算部１１には、目標発電電力（Ｐｍ）に対してエンジン１の最適なトルク特性を示すマップが予め格納されており、運転点演算部１１は、目標発電電力（Ｐｍ）を入力として当該マップを参照することで、エンジントルク指令値（ＴｅＣＭＤ）及び発電機２の回転数指令値（ωＣＭＤ）を演算する。
【００２１】
回転数制御部１２は、回転数指令値（ωＣＭＤ）と後述する脈動除去フィルタ１３からの出力される回転数演算値（ωｐ）とを入力して、発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を発電機コントローラ２２に出力する。回転数制御部１２はＰＩＤ補償器で構成され、以下の式（１）を用いて、発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）出力する。
【数１】
ただし、ＫＰは比例ゲイン、ＫＩは積分ゲイン、ＫＤは微分ゲイン、ＴＤは近似微分の時定数、ｓはラプラス演算子である。
【００２２】
後述するように、回転数演算値（ωｐ）は発電機２の回転数を脈動除去フィルタ１３に通し、フィードバック制御することで演算される値であるため、回転数制御部１２は、式（１）を用いることで、回転数演算値（ωｐ）を回転数指令値（ωＣＭＤ）に一致させるように、発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を演算する。
【００２３】
脈動除去フィルタ１３は、制御対象モデル（Ｇｐ）１３１と、減算器１３２、１３４と、バンドパスフィルタ１３３とを備えている。制御対象モデル１３１は、本例における制御対象をモデル化（線形化）した伝達関数によって表され、以下の式（２）で表される。
【数２】
Ｊは発電機２の出力軸の軸周りイナーシャ、Ｄは潤滑油の粘性摩擦係数である。
【００２４】
制御対象モデル１３１は、発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を入力として、式（２）を用いて、推定値（Ｇｐ・ＴｍＣＭＤ）を推定する。
【００２５】
減算器１３２は、回転角センサ３の検出値に相当する、発電機２の回転数検出値（ωＧ）から制御対象モデル１３１の推定値を減算し、回転数（ω１）をバンドパスフィルタ１３３に出力する。すなわち、回転数（ω１）は以下の式（３）により演算される。
【数３】
【００２６】
バンドパスフィルタ１３３は、エンジン１のトルク脈動に起因し、発電機２の回転数に含まれる脈動成分をフィルタリングするためのフィルタであり、少なくともエンジン１の間欠燃焼周波数を通過周波数とするフィルタにより構成され、回転数脈動値（ωｓ）を除去するためのフィードバック要素となる。バンドパスフィルタ１３３の伝達特性（ＧＢＰＦ）は以下の式（４）により表される。
【数４】
ζは減衰係数である。ωnは固有振動数であり、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数のうち、中心周波数に相当する。固有振動数（ωn）は、エンジン１の間欠燃焼周波数と一致するように調整される周波数である。エンジン１の間欠燃焼周波数は、多気筒のエンジン１の燃焼周期により設定される周波数である。
【００２７】
減衰器１３２の出力値である回転数（ω１）がバンドパスフィルタ１３３を通過し、バンドパスフィルタ１３３から回転数（ω２）が出力される。回転数（ω２）は、式（５）により表される。
【数５】
回転数（ω２）は、回転数検出値（ωＧ）の脈動量に相当し、回転数脈動値（ωｓ）に相当する。
【００２８】
減算器１３４は、回転数検出値（ωＧ）から回転数（ω２）を減算することで、回転数演算値（ωｐ）を算出する。そして、回転数演算値（ωｐ）を回転数制御部１２にフィードバックさせる。これにより、脈動除去フィルタ１３により回転数検出値（ωＧ）に含まれる脈動成分を除去し、回転数制御部１２により、脈動成分を含まない検出値（ωｐ）を回転数指令値（ωＣＭＤ）に一致させるための発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を演算する。
【００２９】
次に、本例のトルク制御装置における、発電電力の特性、回転数の特性及びトルク特性を、シミュレーション結果である図３を用いて説明する。シミュレーションの前提条件として、エンジン１が停止状態で発電機２が一定の回転数で回転している時点から開始し、１秒後の時点でエンジントルク脈動を印加する。また図３のうち、グラフａは本例のトルク制御装置の特性を示し、グラフｂは本例に対する比較例であり、脈動除去フィルタ１３を用いたフィードバック制御を行わない場合の特性である。またグラフｃは回転数演算値（ωｐ）の特性を示す。図３（ａ）は発電機２の発電電力の時間特性を示し、図３（ｂ）は発電機２の回転数（または、エンジン１の回転数）の時間特性を示し、図３（ｃ）は発電機２のトルクの時間特性を示し、図３（ｄ）はエンジン１のトルクの時間特性を示す。
【００３０】
時刻１秒の時点で、図３（ｄ）に示すようなエンジントルク脈動を印加すると、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、比較例では発電機トルク及び回転数に脈動が含まれているため、図３（ａ）に示すように、発電電力が大きく変動している。一方、本例では、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、発電機トルク及び回転数の脈動が抑制され、図３（ａ）に示すように、発電電力の変動が抑制されている。また図３（ｂ）に示すように、本例における、エンジントルクの入力に対する回転数のオーバーシュート量は比較例と同等であるため、本例は耐外乱性を損なうことなく発電電力の変動を抑制することができる。
【００３１】
上記のように、本例は、回転数演算値（ωｐ）を回転数指令値（ωＣＭＤ）に一致させるための発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を演算する回転数制御部１２と、回転角センサ３により検出される回転数検出値（ωＧ）から、エンジン１の脈動による回転数の脈動を除去し、回転数演算値（ωｐ）を演算する脈動除去フィルタ１３とを備える。これにより、エンジントルク脈動に起因する回転数の脈動を除去した値に基づいてトルクを制御することで、発電機２のトルク脈動を抑制し、発電電力の変動を抑制することができる。
【００３２】
ところで、本例と異なり脈動除去フィルタ１３を用いることなく、回転数指令値と回転数検出値とが一致するように、発電機２のトルクを制御する場合には、エンジン回転数が高い運転領域において、エンジントルク脈動に起因する脈動回転数の周波数が高く、回転数の検出遅れが存在するため、回転数の脈動を抑制することができず、発電機トルクも脈動し、発電電力の変動が大きくなってしまう。このような運転領域では、回転数制御の際のゲインを小さくすることで、発電機トルク脈動を小さくし、発電電力の脈動を抑えることも考えられる。しかし、ゲインを小さくした場合には、耐外乱性が悪化するという問題があった。
【００３３】
またエンジン回転数が低い運転領域においても、エンジントルク脈動が発電機２の発生可能な最大トルクより大きい場合には、エンジントルク脈動を抑制することができない。発電機２は、発電時にエンジン１のトルクによって駆動し、目標回転数を維持させつつ、エンジントルクと釣り合うような回生トルクを連続的に発生させる。そのため、発電機２の最大トルクはできる限り小さく設計することが求められる。従って、発電機２によって、過大なエンジントルク脈動を抑制するよう、発電機２を設計した場合には、発電機２のサイズやコストが大きくなってしまう、という問題があった。
【００３４】
さらに、内燃機関の出力軸にモータジェネレータを結合し、フィードフォワードで当該モータジェネレータにおける脈動補償トルクを算出し、出力軸で発生するトルク脈動を抑制するハイブリッド原動機のトルク変動制御装置が知られている。当該トルク変動制御装置において、エンジン回転数が高い場合には、モータジェネレータの応答遅れによって、モータジェネレータの出力トルクがエンジンのトルク脈動に追従することができず、トルク脈動を抑制することができない、という問題があった。また、エンジン回転数が低い場合であっても、エンジントルク脈動がモータジェネレータの発生可能な最大トルクより大きい時には、エンジントルク脈動を抑制することができないという問題があった。
【００３５】
本例では、脈動除去フィルタ１３により、エンジン１の脈動による回転数の脈動を除去し、脈動成分を含まない回転数演算値（ωｐ）と回転数指令値（ωＣＭＤ）とを用いて発電機トルク指令値（ＴｍＣＭＤ）を演算し、発電機２のトルクを制御する。すなわち、本例では、エンジントルク脈動に起因する脈動回転数の周波数が高い場合であっても、脈動除去フィルタ１３により、脈動回転数に含まれる脈動成分が除去されるため、発電機２のトルク脈動を抑制することができる。また、トルク脈動の抑制を目的として、ゲインを下げてフィードバック制御していないため、耐外乱性が悪化することもない。また本例は、発電機２によりエンジントルク脈動を抑制するように、発電機２を設計させる必要がないため、発電機２のサイズを小型化し、発電機２のコストを抑制することができる。
【００３６】
また本例は、上記の従来のような、エンジン１の出力トルクに発電機２の出力トルクを追随させる制御を行っておらず、エンジン回転数が高く発電機２の応答遅れなどにより、エンジントルクが脈動し回転数が脈動したとしても、フィードバック制御の際には、脈動除去フィルタ１３を用いて、回転数の脈動が除去されるため、発電機２のトルク脈動を抑制し、発電電力の変動を抑制することができる。
【００３７】
また本例は、制御対象モデル１３１により推定される推定値と回転数検出値（ωＧ）との差から回転数脈動値（ωｓ）を演算し、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数とエンジン１の間欠燃焼周波数とが一致しているバンドパスフィルタ１３３と、回転数検出値（ωＧ）と前記回転数脈動値（ωｓ）との差に基づいて、回転数演算値（ωｐ）を演算する第１の減算器１３４とを備えている。これにより、本例は制御の安定性及び耐外乱性を悪化させることなく、発電機２のトルク脈動を抑制し、発電電力の変動を押させることができる。
【００３８】
すなわち、本例とは異なり、回転数検出値から回転数脈動を除去するために、単純なバンドエリミネーションフィルタ（ノッチフィルタ）を使用した時には、脈動する回転数の周波数帯域と制御周波数帯域が非常に近い場合に、回転数の検出が遅れ、安定性が著しく悪化する問題点があった。一方、本例では、回転数検出値（ωＧ）から脈動成分を含む回転数を演算し、回転数検出値（ωＧ）から演算した回転数を差し引いた演算値をフィードバック要素に用いて制御するため、かかる問題点を解決しつつ、制御の安定性を維持しつつ、耐外乱性の悪化を防ぐことができる。
【００３９】
なお、上記運転点演算部１１は本発明に係る「指令値演算手段」に相当し、回転数制御部１２が本発明の「発電機トルク指令値演算手段」に、回転角センサ３が本発明の「回転数検出手段」に、減算器１３４が本発明の「第１の減算手段」に、制御モデル１３１が本発明の「制御モデル推定手段」に相当する。
【００４０】
《第２実施形態》
図４は、発明の他の実施形態に係るトルク制御装置のうち、エンジン１、発電機２、エンジンコントローラ２１、発電機コントローラ２２及び発電制御部１０のブロック図を示す。本例では上述した第１実施形態に対して、バンドパスフィルタ１３３の固有振動数（ωn）を、回転数検出値（ωＧ）または回転数指令値（ωＣＭＤ）に基づいて設定する点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を援用する。
【００４１】
図４に示すように、バンドパスフィルタ１３３には、回転数検出値（ωＧ）が入力され、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数に相当する固有振動数（ωn）が、回転数検出値（ωＧ）に基づいて、設定される。固有振動数（ωn）は、回転数検出値（ωＧ）を用いて、エンジン１が４気筒のエンジンである場合に、以下の式（６）により表される。なお、ωｎの単位はｒａｄ／ｓ、ωＧまたはωＣＭＤの単位は１／ｍｉｎである。
【数６】
【００４２】
エンジン１の間欠燃焼周波数はエンジン１の回転数により変化し、エンジン１の回転数は発電機２の回転数に相当する。そして本例では、発電機２の回転数を用いて、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数を調整するため、エンジン１の回転数が変化しエンジン１の間欠燃焼周波数が変化した場合でも、エンジン１の間欠燃焼周波数をバンドパスフィルタ１３３の通過周波数の帯域に含めることができる。
【００４３】
上記のように、本例はバンドパスフィルタ１３３の通過周波数を、回転数検出値（ωＧ）に基づいて設定する。エンジン１の間欠燃焼周波数はエンジン１の回転数に応じて変化し、本例ではエンジン１の回転数（回転数検出値（ωＧ）に相当）に応じて、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数が調整されるため、エンジン回転数が変化した場合でも発電機２のトルク脈動を抑制し、発電電力の変動を抑制することができる。
【００４４】
なお、本例は、バンドパスフィルタ１３３の通過周波数を、回転数検出値（ωＧ）に基づいて設定したが、回転数指令値（ωＣＭＤ）に基づいて設定してもよい。すなわち、式（６）において、回転数検出値（ωＧ）の代わりに回転数指令値（ωＣＭＤ）用いて、固有振動数（ωn）を算出すればよい。
【００４５】
《第３実施形態》
図５は、発明の他の実施形態に係るトルク制御装置のうち、エンジン１、発電機２、エンジンコントローラ２１、発電機コントローラ２２及び発電制御部１０のブロック図を示す。図６は、ゲイン調整部１３５における、回転数検出値（ωＧ）に対するゲイン特性を示すグラフである。本例では上述した第２実施形態に対して、脈動抑制フィルタ１３にゲイン調整部１３５を設ける点が異なる。これ以外の構成は上述した第２実施形態と同じであるため、その記載を援用する。
【００４６】
図５に示すように、脈動除去フィルタ１３は、制御対象モデル（Ｇｐ）１３１と、減算器１３２、１３４と、バンドパスフィルタ１３３と、ゲイン調整部１３５を備えている。ゲイン調整部１３５は、バンドパスフィルタ１３３と減算器１３４との間に設けられ、バンドパスフィルタ１３３から出力される回転数（ω２）のゲインを調整し、減算器１３４に回転数（ω２）を出力する。
【００４７】
ゲイン調整部１３５には、回転数の周波数に応じてゲインを調整するための閾値周波数（ω０）が設定されている。図６に示すように、回転数検出値（ωＧ）がゼロからω０まではゲイン（ｋ）は回転数検出値（ωＧ）に対して比例関係にあり、回転数検出値（ωＧ）がω０以上である場合には、ゲイン（ｋ）１となる。すなわち、回転数検出値（ωＧ）がω０未満である場合にはゲインを１より低く設定してゲイン調整が行われ、回転数検出値（ωＧ）がω０以上である場合にはゲインを１に設定し入力値に対するゲイン調整は行わない。
【００４８】
そして、減算器１３４から出力される回転数演算値（ωｐ）は、以下の式（７）により表される。
【数７】
エンジン１が停止状態で発電機２を力行させて、エンジン１の回転数を上昇させる場合に、エンジン１の回転数は低回転領域となり、回転数検出値（ωＧ）はω０より小さくなる。このような低回転数領域では、ゲイン（ｋ）が１より小さい値に設定されているため、回転数検出値（ωＧ）から除去される回転脈動の割合が少なくする。これにより、本例は低回転領域における回転数の脈動を発電機２のトルクにより抑制する。
【００４９】
上記のように、本例は、バンドパスフィルタ１３３の出力値に、発電機２の回転数に基づいて設定されるゲインを乗算するゲイン調整部１３５を、脈動除去フィルタ１３５に設ける。これにより、エンジン１が低回転領域で共振点を有する場合であっても、回転数の脈動を抑制しつつ、当該共振点における振動及び騒音を防ぐことができ、その結果として、発電機２の発電電力の変動を抑制することができる。
【００５０】
なお、本例ではバンドパスフィルタ１３３の出力側にゲイン調整部１３５を設けたが、バンドパスフィルタ１３３の入力側にゲイン調整部１３５を設け、回転数（ω１）に対して、上記と同様にゲイン調整を行ってもよい。
【００５１】
《第４実施形態》
図７は、発明の他の実施形態に係るトルク制御装置のうち、エンジン１、発電機２、エンジンコントローラ２１、発電機コントローラ２２及び発電制御部１０のブロック図を示す。本例では上述した第１実施形態に対して、脈動抑制フィルタ１３５にハイパスフィルタ１３６、１３７を設ける点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を援用する。
【００５２】
図７に示すように、脈動除去フィルタ１３は、制御対象モデル（Ｇｐ）１３１と、減算器１３２、１３４と、バンドパスフィルタ１３３と、ハイパスフィルタ１３６、１３７と、減算器１３８と、加算器１３９とを備えている。ハイパスフィルタ１３６は、減算器１３２から出力される回転数（ω１）を入力とし、後述するフィルタ特性を有するフィルタを通過させて、回転数（ω３）を減算器１３８に出力する。バンドパスフィルタ１３３は、演算された回転数（ω２）を、ハイパスフィルタ１３７及び加算器１３９に出力する。ハイパスフィルタ１３７は、バンドパスフィルタ１３３から出力される回転数（ω２）を入力とし、後述するフィルタ特性を有するフィルタを通過させて、回転数（ω４）を減算器１３８に出力する。減算器１３８は、回転数（ω３）から回転数（ω４）を減算して加算器１３９に出力する。加算器１３９は、減算器１３８により演算された演算値と、回転数（ω２）とを加算して、減算器１３４に出力する。
【００５３】
ハイパスフィルタ１３６、１３７の伝達特性（ＧＨＰＦ）は以下の式（８）により表される。
【数８】
ωＨはハイパスフィルタ１３６、１３７のカットオフ周波数であり、エンジン１の間欠燃焼周波数より高い周波数に設定され、エンジン１が４気筒のエンジンである場合には、ωＨは、以下の式（９）で表される。
【数９】
ただし、発電機２で制御される制御周波数帯域が、０以上ωＧＮ以下の周波数帯域である場合には、カットオフ周波数（ωＨ）の下限値をωＧＮとする。これにより、ハイパスフィルタ１３６、１３７のカットオフ周波数（ωＨ）は、エンジン１の間欠燃焼周波数より高く、かつ、発電機２の制御周波数帯域の上限周波数以上の周波数となる。
【００５４】
ハイパスフィルタ１３６は、回転数検出値（ωＧ）から、エンジン１のピストン及びクランク機構の往復動を起因としたトルク脈動によって生じる回転数の脈動成分及び高周波ノイズ成分をフィルタリングするためのフィルタである。当該脈動成分に相当する回転数（ω３）は以下の式（１０）により算出される。
【数１０】
【００５５】
ハイパスフィルタ１３７は、回転数（ω３）に含まれ、エンジン１の間欠燃焼を起因としたエンジントルク脈動によって生じる回転数の脈動成分をフィルタリングするフィルタである。当該脈動成分に相当する回転数（ω４）は以下の式（１１）により算出される。
【数１１】
【００５６】
そして、減算器１３４から出力される回転数演算値（ωｐ）は、回転数検出値（ωＧ）から、加算器１３９の演算値を減算することで算出され、以下の式（１２）により算出される。
【数１２】
これにより、回転数制御部１２にフィードバックされる回転数演算値（ωｐ）は、回転数検出値（ωＧ）から、エンジン１の間欠燃焼に起因する回転数の脈動成分と、エンジン１のピストン及びクランク機構の往復動を起因とする回転数の脈動成分及び高周波ノイズとを除去した値となる。
【００５７】
上記のように、制御対象モデル１３１の推定値と回転数検出値（ωＧ）との差から回転数（ω３）を演算するハイパスフィルタ１３６と、回転数（ω２）から回転数（ω４）を演算するハイパスフィルタ１３７と、回転数（ω３）と回転数（ω４）との差をとる減算器１３８と、減算器１３８の演算値と回転数（ω２）とを加算する加算器１３９とを備える。これにより、本例は、回転数検出値（ωＧ）からエンジン１の間欠燃焼に起因する脈動成分と、エンジン１のピストン及びクランク機構の往復動に起因する脈動成分及び高周波ノイズ成分とを除去した上で、フィードバック制御するため、発電機２のトルク脈動を抑制し、発電電力の変動を抑えることができる。
【００５８】
また本例において、ハイパスフィルタ１３６、１３７のカットオフ周波数は、エンジン１の間欠燃焼周波数より高く、かつ、発電機２の制御周波数帯域の上限周波数以上の周波数に設定される。ハイパスフィルタ１３６、１３７のカットオフ周波数を、発電機２の制御周波数帯域内の周波数に設定した場合には、発電機２のトルク応答性が悪くなり、耐外乱性が悪化する場合がある。本例では、ハイパスフィルタ１３６、１３７のカットオフ周波数の下限周波数を、当該制御周波数帯域の上限周波数以上に設定しているため、発電機２のトルク応答性をよくし、耐外乱性の悪化を防ぎつつ、回転数の脈動を防ぐことができる。
【００５９】
上記のハイパスフィルタ１３６が本発明に係る「第１のハイパスフィルタ」に相当し、回転数（ω３）が本発明の「第１の高周波回転数脈動値」に相当し、ハイパスフィルタ１３７が本発明の「第２のハイパスフィルタ」に相当し、回転数（ω４）が「第２の高周波回転数脈動値」に相当し、減算器１３８が「第２の減算手段」に、加算器１３９が「加算手段」に相当する。
【符号の説明】
【００６０】
１…エンジン
２…発電機
３…回転角センサ
４…発電機インバータ
５…バッテリ
６…駆動インバータ
７…駆動モータ
８…減速機
９…駆動輪
２１…エンジンコントローラ
２２…発電機コントローラ
２３…バッテリコントローラ
２４…駆動モータコントローラ
１００…システムコントローラ
１０…発電制御部
１１…運転点演算部
１２…回転数制御部
１３…脈動除去フィルタ
１３１…制御対象モデル
１３２、１３４、１３８…減算器
１３３…バンドパスフィルタ
１３５…ゲイン調整部
１３６、１３７…ハイパスフィルタ
１３９…加算器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンにより駆動される発電機を備えたハイブリッド車両に用いられるトルク制御装置において、
前記ハイブリッド車両の走行状態に応じて設定された前記発電機の目標発電電力に基づいて、エンジントルク指令値及び前記発電機の回転数指令値を演算する指令値演算手段と、
回転数演算値を前記回転数指令値に一致させるための発電機トルク指令値を演算する発電機トルク指令値演算手段と、
前記発電機トルク指令値に基づき前記発電機を制御する発電機制御手段と、
前記発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記回転数検出手段により検出された回転数検出値から、前記エンジンの脈動による回転数の脈動成分を除去し、前記回転数演算値を演算する脈動除去フィルタとを備える
ことを特徴とするトルク制御装置。
【請求項２】
前記脈動除去フィルタは、
前記発電機トルク指令値を入力として、制御対象をモデル化した制御対象モデルの出力を推定する制御対象モデル推定手段と、
前記制御対象モデル推定手段により推定される推定値と前記回転数検出値との差から回転数脈動値を演算するバンドパスフィルタと、
前記回転数検出値と前記回転数脈動値との差に基づいて、前記回転数演算値を演算する第１の減算手段とを備え、
前記バンドパスフィルタの通過周波数が前記エンジンの間欠燃焼周波数と一致している
ことを特徴とする請求項１記載のトルク制御装置。
【請求項３】
前記通過周波数は、前記回転数検出値に基づいて設定される
ことを特徴とする請求項２記載のトルク制御装置。
【請求項４】
前記脈動除去フィルタは、
前記バンドパスフィルタへの入力値又は出力値に、前記発電機の回転数に基づいて設定されるゲインを乗算するゲイン調整手段を備え、
前記第１の減算手段は、
前記ゲイン調整手段の出力値に基づいて、前記回転数演算値を演算する
ことを特徴とする請求項２又は３記載のトルク制御装置。
【請求項５】
前記脈動除去フィルタは、
前記推定値と前記回転数検出値との差から第１の高周波回転数脈動値を演算する第１のハイパスフィルタと、
前記回転数脈動値から第２の高周波回転数脈動値を演算する第２のハイパスフィルタと、
前記第１の高周波回転数脈動値と前記第２の高周波回転数脈動値との差をとる第２の減算手段と、
前記回転数脈動値に、前記第２の減算手段により演算された値を加算する加算手段とを備え、
前記第１の減算手段は、
前記加算手段により演算された値に基づいて、前記回転数演算値を演算する
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のトルク制御装置。
【請求項６】
前記第１のハイパスフィルタのカットオフ周波数及び前記第２のハイパスフィルタのカットオフ周波数は、
前記エンジンの間欠燃焼周波数より高い周波数であり、かつ、前記発電機の制御周波数帯域の上限周波数以上の周波数である
ことを特徴とする請求項５記載のトルク制御装置。
【請求項１】
エンジンにより駆動される発電機を備えたハイブリッド車両に用いられるトルク制御装置において、
前記ハイブリッド車両の走行状態に応じて設定された前記発電機の目標発電電力に基づいて、エンジントルク指令値及び前記発電機の回転数指令値を演算する指令値演算手段と、
回転数演算値を前記回転数指令値に一致させるための発電機トルク指令値を演算する発電機トルク指令値演算手段と、
前記発電機トルク指令値に基づき前記発電機を制御する発電機制御手段と、
前記発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記回転数検出手段により検出された回転数検出値から、前記エンジンの脈動による回転数の脈動成分を除去し、前記回転数演算値を演算する脈動除去フィルタとを備える
ことを特徴とするトルク制御装置。
【請求項２】
前記脈動除去フィルタは、
前記発電機トルク指令値を入力として、制御対象をモデル化した制御対象モデルの出力を推定する制御対象モデル推定手段と、
前記制御対象モデル推定手段により推定される推定値と前記回転数検出値との差から回転数脈動値を演算するバンドパスフィルタと、
前記回転数検出値と前記回転数脈動値との差に基づいて、前記回転数演算値を演算する第１の減算手段とを備え、
前記バンドパスフィルタの通過周波数が前記エンジンの間欠燃焼周波数と一致している
ことを特徴とする請求項１記載のトルク制御装置。
【請求項３】
前記通過周波数は、前記回転数検出値に基づいて設定される
ことを特徴とする請求項２記載のトルク制御装置。
【請求項４】
前記脈動除去フィルタは、
前記バンドパスフィルタへの入力値又は出力値に、前記発電機の回転数に基づいて設定されるゲインを乗算するゲイン調整手段を備え、
前記第１の減算手段は、
前記ゲイン調整手段の出力値に基づいて、前記回転数演算値を演算する
ことを特徴とする請求項２又は３記載のトルク制御装置。
【請求項５】
前記脈動除去フィルタは、
前記推定値と前記回転数検出値との差から第１の高周波回転数脈動値を演算する第１のハイパスフィルタと、
前記回転数脈動値から第２の高周波回転数脈動値を演算する第２のハイパスフィルタと、
前記第１の高周波回転数脈動値と前記第２の高周波回転数脈動値との差をとる第２の減算手段と、
前記回転数脈動値に、前記第２の減算手段により演算された値を加算する加算手段とを備え、
前記第１の減算手段は、
前記加算手段により演算された値に基づいて、前記回転数演算値を演算する
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のトルク制御装置。
【請求項６】
前記第１のハイパスフィルタのカットオフ周波数及び前記第２のハイパスフィルタのカットオフ周波数は、
前記エンジンの間欠燃焼周波数より高い周波数であり、かつ、前記発電機の制御周波数帯域の上限周波数以上の周波数である
ことを特徴とする請求項５記載のトルク制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−３８８６８（Ｐ２０１３−３８８６８Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１５５４（Ｐ２０１１−１７１５５４）
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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