▶ ヴィテスコ テクノロジーズ ジャーマニー ゲー・エム・ベー・ハーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-05-29
(45)【発行日】2023-06-06
(54)【発明の名称】ドッグクラッチを制御する方法
(51)【国際特許分類】
B60W 10/10 20120101AFI20230530BHJP
B60K 6/36 20071001ALI20230530BHJP
B60K 6/442 20071001ALI20230530BHJP
B60W 20/00 20160101ALI20230530BHJP
F16D 11/10 20060101ALI20230530BHJP
【ＦＩ】
B60W10/10 900
B60K6/36 ZHV
B60K6/442
B60W20/00
F16D11/10 Z
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2021557199
(86)(22)【出願日】2020-03-26
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-05-25
(86)【国際出願番号】 EP2020058524
(87)【国際公開番号】W WO2020193697
(87)【国際公開日】2020-10-01
【審査請求日】2021-09-24
(31)【優先権主張番号】102019204294.5
(32)【優先日】2019-03-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】519453607
【氏名又は名称】ヴィテスコ テクノロジーズ ジャーマニー ゲー・エム・ベー・ハー
【氏名又は名称原語表記】Ｖｉｔｅｓｃｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｇｅｒｍａｎｙ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓｓｔｒａｓｓｅ １２，９３０５５ Ｒｅｇｅｎｓｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100098501
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 拓
(74)【代理人】
【識別番号】100116403
【弁理士】
【氏名又は名称】前川 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100134315
【弁理士】
【氏名又は名称】永島 秀郎
(74)【代理人】
【識別番号】100162880
【弁理士】
【氏名又は名称】上島 類
(72)【発明者】
【氏名】エドゥアルド クインテロ マンリケス
(72)【発明者】
【氏名】オスカー エドゥアルド サルミエント
(72)【発明者】
【氏名】アンドレアス ケルム
(72)【発明者】
【氏名】マリオ アルベルト チンチラ サボリオ
(72)【発明者】
【氏名】セヨン パーク
【審査官】清水 康
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－１４９０２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１０／１０３８１０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０１－２０９５０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０９８９６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開第００５４５５９７（ＥＰ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００５／０２３４６２５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】仏国特許出願公開第０２９０５４３７（ＦＲ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ６０Ｋ ６／２０ － ６／５４７
Ｂ６０Ｗ １０／００ － ２０／５０
Ｂ６０Ｌ １／００ － ３／１２
Ｂ６０Ｌ ７／００ － １３／００
Ｂ６０Ｌ １５／００ － ５８／４０
Ｆ１６Ｄ １１／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アクチュエータアーム（２０）を介してドッグクラッチ（８．１，８．２）を移動させるように構成されたＤＣモータ（１５）により、ドッグクラッチ（８．１，８．２）を制御する方法であって、前記方法は、前記ＤＣモータ（１５）に、制御アルゴリズム（１０）によって形成されたデューティ比を有するパルス幅変調電圧を供給するステップを含み、
前記制御アルゴリズム（１０）は、４次のトラジェクトリプランニングアルゴリズムに基づいて前記アクチュエータアーム（２０）の所望の位置を生成するトラジェクトリプランナ（１１）と、前記アクチュエータアーム（２０）の所望の位置をトラッキングするためのスライディングモード理論に基づくモーションコントローラとを含み、
前記モーションコントローラは、滑り曲面を規定するスライディングモード制御を適用し、
スライディングモードコントローラは、２次のスライディングモードコントローラに基づくｓｕｐｅｒ－ｔｗｉｓｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍを含む、
方法。
【請求項2】
前記トラジェクトリプランナ（１１）は、前記モーションコントローラのための前記アクチュエータアーム（２０）の所望の位置を規定する、請求項１記載の方法。
【請求項3】
前記アクチュエータアーム（２０）の所望の位置は、導出された躍度プロフィルに基づいて提示される、請求項２記載の方法。
【請求項4】
前記ドッグクラッチ（８．１，８．２）の係合プロセスのための前記アクチュエータアーム（２０）の所望の位置は、３つのフェーズ、すなわち接近、接触、および挿入によって規定される、請求項２または３記載の方法。
【請求項5】
前記３つのフェーズによる係合プロセスは、１５０ｍｓ以内で実行される、請求項４記載の方法。
【請求項6】
スライディングモードコントローラは、トルクリップルおよび制御変数のチャタリングを回避するために、前記ＤＣモータ（１５）のモータ電流から独立している、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項7】
前記アクチュエータアーム（２０）の位置に対する単一のトラッキングエラー変数の関数として、スライディングモードコントローラのために、縮小された滑り曲面が規定される、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項8】
前記縮小された滑り曲面は、漸近的に前記滑り曲面に到達するためのおよびハイゲイン制御を回避するための安定化項に基づいており、さらにモデル化されていないダイナミクスを拒絶するためのおよび定常状態誤差を低減するための積分項に基づいている、請求項７記載の方法。
【請求項9】
前記縮小された滑り曲面は、システムパラメータ（Ｒ，Ｌ，ｋｔ，ｋｅ，Ｊ）およびギヤジオメトリから独立している、請求項７または８記載の方法。
【請求項10】
前記ｓｕｐｅｒ－ｔｗｉｓｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍは、前記デューティ比の推定に用いられる制御変数を計算するために使用される、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項11】
ギヤボックス（１）およびギヤアクチュエータを備えた装置であって、前記ギヤボックス（１）は、複数のギヤ（２１，２２）と、該ギヤ（２１，２２）のうちの少なくとも１つに係合するように構成されたドッグクラッチ（８．１，８．２）とを含み、
前記ギヤアクチュエータは、アクチュエータアーム（２０）を介して前記ドッグクラッチ（８．１，８．２）を移動させるように構成され、かつ請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法によって前記ドッグクラッチ（８．１，８．２）を制御するように構成された、ＤＣモータ（１５）を備えている、装置。
【請求項12】
前記ギヤボックス（１）は、ハイブリッド専用トランスミッションである、請求項１１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
ハイブリッド専用トランスミッション（ＤＨＴ）では、燃料消費、効率および運転性能を改善するために、２次パワー源、例えば電気モータが内燃機関に統合されている。自動化マニュアルトランスミッション（ＡＭＴ）は、種々のパワー源を統合するシャフトの回転速度を同期させながら要求トルクを伝達するためのパワートレーン内の低コストのソリューションである。
【0002】
自動車およびトラックでの乾式クラッチの自動的な係合は、典型的には、エネルギフロー管理の作動のために使用されている。このことは、燃料消費および汚染物質排出の低減に併せた安全性、快適性、信頼性、シフト品質および運転性能の改善に関して、多くの利点を提供する。例えばファジー論理、最適化制御、フィードバック線形化およびＰＩ制御のような技術に基づく係合のための幾つかの制御アルゴリズムが文献において提案されている。
【0003】
ギヤシフトのための機械的なハイブリッドトランスミッションにおける代替手段はドッグクラッチシステムであり、これは、スリップなく、乾式クラッチよりも少ない摩耗で、２つのシャフトが同じ速度で回転するという利点を有する。自動制御が、迅速かつ平滑な係合を実現するためにドッグクラッチシステムにおいて適用される。これら２つの性能目標は対立的である。平滑なギヤシフトを達成するには、ギヤ係合時間がギヤへの応力を低減させるための長さを有さなければならない。反対に、迅速な係合はドッグクラッチの衝撃力を増大させるので、係合は平滑とならない。
【0004】
ドッグクラッチの係合のための種々の制御装置が提案されている。１つの制御装置では、電磁コイルの磁力によってドッグクラッチ部材が非接続位置から接続位置へ向かって移動され、クラッチリンクによってドッグの係合が補助される。文献で提案されている第２の任意選択手段では、ストローク位置センサのフィードバックを使用して、リニアアクチュエータおよびコントローラにより、自動化トランスミッションのギヤが移動される。
【0005】
低コストのシステムでは、ドッグクラッチは、システムを単純化しかつ小さくするために同期コーンまたは同期リングを有さない。また、制御アルゴリズムはコストを低く抑えるために標準的なセンサ、および実装のためのリソースが制限されたマイクロコントローラのみが使用されるように制限されている。これらの条件から、ドッグクラッチシステムの係合および解離のためのロバストかつシンプルな位置制御アルゴリズムが要求される。
【0006】
乾式クラッチを備えたトランスミッションでは、
・乾式クラッチの摺動がシステムの性能に影響し、
・摩耗が交換の高いコストを誘起する、
という基本的な問題が存在する。
・乾式クラッチの摺動がシステムの性能に影響し、
・摩耗が交換の高いコストを誘起する、
という基本的な問題が存在する。
【0007】
ドッグクラッチトランスミッション機構では、
・平滑な係合による迅速かつ平滑な係合プロセスには長い時間を要し、迅速な係合ではドッグでの衝撃力が増大し、
・同期コーンまたは同期リングにより係合プロセスは支援されるが、より複雑であることによってコストが増大する、
という主たる問題が存在する。
・平滑な係合による迅速かつ平滑な係合プロセスには長い時間を要し、迅速な係合ではドッグでの衝撃力が増大し、
・同期コーンまたは同期リングにより係合プロセスは支援されるが、より複雑であることによってコストが増大する、
という主たる問題が存在する。
【0008】
同期コーンまたは同期リングを用いない迅速かつ平滑な係合のための制御アルゴリズムについての需要が存在する。文献では、
・乾式クラッチの係合時間は約０．４ｓ～０．８ｓであってきわめて短い時間ではなく、運転者がシフトを知覚しうることとなり、
・低コストのマイクロコントローラに実装するには制御ストラテジが過度に複雑であり、
・制御アルゴリズムがシステムパラメータに大きく依存する、
という問題を考慮したクラッチシステムの係合および解離について、種々の制御ストラテジが開発されてきている。
・乾式クラッチの係合時間は約０．４ｓ～０．８ｓであってきわめて短い時間ではなく、運転者がシフトを知覚しうることとなり、
・低コストのマイクロコントローラに実装するには制御ストラテジが過度に複雑であり、
・制御アルゴリズムがシステムパラメータに大きく依存する、
という問題を考慮したクラッチシステムの係合および解離について、種々の制御ストラテジが開発されてきている。
【0009】
改善されたドッグクラッチを制御する方法についての需要も存在する。
【0010】
本開示によれば、アクチュエータアームを介してドッグクラッチを移動させるように構成された電気モータにより、ドッグクラッチを制御する方法であって、当該方法は、電気モータに、制御アルゴリズムによって形成されたデューティ比を有するパルス幅変調電圧を供給することを含み、制御アルゴリズムは、４次のトラジェクトリプランニングアルゴリズム(trajectory planning algorithm)に基づいてアクチュエータアームの所望の位置を生成するトラジェクトリプランナと、アクチュエータアームの所望の位置をトラッキングするためのスライディングモード理論に基づくモーションコントローラとを含む、方法が提供される。
【0011】
例示的な一実施形態では、トラジェクトリプランナは、モーションコントローラのためのアクチュエータアームの所望の位置を規定する。
【0012】
例示的な一実施形態では、アクチュエータアームの所望の位置は、導出された躍度プロフィル(jerk profile)に基づいて提示される。
【0013】
例示的な一実施形態では、ドッグクラッチの係合プロセスのためのアクチュエータアームの所望の位置は、３つのフェーズ、すなわち接近、接触および挿入によって規定される。
【0014】
例示的な一実施形態では、３つのフェーズによる係合プロセスは、１５０ｍｓ以内で実行される。
【0015】
例示的な一実施形態では、モーションコントローラは、滑り曲面(sliding surface)を規定するスライディングモード制御を適用する。
【0016】
例示的な一実施形態では、スライディングモードコントローラは、２次のスライディングモードコントローラに基づくｓｕｐｅｒ－ｔｗｉｓｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍを含む。例示的な一実施形態では、スライディングモードコントローラは、トルクリップルおよび制御変数のチャタリングを回避するために、電気モータのモータ電流から独立している。
【0017】
例示的な一実施形態では、アクチュエータアームの位置に対する単一のトラッキングエラー変数の関数として、スライディングモードコントローラのために、縮小された滑り曲面（a reduced sliding surface）が規定される。
【0018】
例示的な一実施形態では、縮小された滑り曲面は、漸近的に滑り曲面に到達するためのおよびハイゲイン制御を回避するための安定化項に基づいており、さらにモデル化されていないダイナミクスを拒絶するためのおよび定常状態誤差を低減するための積分項に基づいている。
【0019】
例示的な一実施形態では、縮小された滑り曲面は、システムパラメータ、例えばＲ，Ｌ，ｋｔ，ｋｅ，Ｊおよびギヤジオメトリから独立している。
【0020】
例示的な一実施形態では、ｓｕｐｅｒ－ｔｗｉｓｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍは、デューティ比の推定に用いられる制御変数を計算するために使用される。
【0021】
本開示の一態様によれば、ギヤボックスおよびギヤアクチュエータを備えた装置であって、ギヤボックスは、複数のギヤと、当該ギヤのうちの少なくとも１つに係合するように構成されたドッグクラッチとを含み、ギヤアクチュエータは、アクチュエータアームを介してドッグクラッチを移動させるように構成され、かつ上述した方法によってドッグクラッチを制御するように構成された、電気モータを含む、装置が提供される。
【0022】
例示的な一実施形態では、ギヤボックスは、ハイブリッド専用トランスミッションである。
【0023】
本開示は、ドッグクラッチシステムを係合および解離させるために、ＤＣモータがギヤアクチュエータを介して力を伝達するようにするトラジェクトリプランニング制御アルゴリズムによってドッグクラッチを制御する方法に関する。さらに、提案している制御アルゴリズムは、
・例えば１５０ｍｓ以下の迅速な係合プロセス、
・例えば１５０ｍｓ以下の迅速な解離プロセス、
・ドッグへの衝撃を低減するための平滑な運動プロフィルのトラッキング、
・低コストのマイクロコントローラへの実装のためのロバストかつシンプルな制御アルゴリズム、
・システムパラメータへの非依存性、
・同期コーンまたは同期リングなしのドッグクラッチシステムでの適用可能性、
の利点を有することができる。
・例えば１５０ｍｓ以下の迅速な係合プロセス、
・例えば１５０ｍｓ以下の迅速な解離プロセス、
・ドッグへの衝撃を低減するための平滑な運動プロフィルのトラッキング、
・低コストのマイクロコントローラへの実装のためのロバストかつシンプルな制御アルゴリズム、
・システムパラメータへの非依存性、
・同期コーンまたは同期リングなしのドッグクラッチシステムでの適用可能性、
の利点を有することができる。
【0024】
本発明は、以下に与えられる詳細な説明と添付の図面とからより完全に理解されるが、図面は説明のためのものにすぎず、よって本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】ドッグクラッチを備えたギヤボックスの概略図である。
【図2】ギヤボックスの概略的な斜視図である。
【図3】トラジェクトリプランニング制御アルゴリズム、ギヤアクチュエータおよびドッグクラッチのシステムアーキテクチャの概略図である。
【図4】解離位置にあるドッグクラッチの概略図である。
【図5A】１つの位置にあるドッグクラッチの概略図である。
【図5B】異なる位置にあるドッグクラッチの概略図である。
【図5C】異なる位置にあるドッグクラッチの概略図である。
【図6】例示的な係合および解離のプロフィルを示す概略的なグラフである。
【図7】導出された躍度に基づく運動プロフィルの生成を示す概略的なグラフである。
【図8】電気モータおよび回転負荷に結合されたメッシングギヤを備えた２段ギヤトレーンの概略図である。
【0026】
最初に、制御アルゴリズムが実装されるシステムのイントロダクションが提示される。ギヤボックス１、特にハイブリッド専用トランスミッション（ＤＨＴ）の概略図が図１に示されている。
【0027】
ギヤボックス１は、内燃機関３に接続された第１の入力シャフト２を有しており、当該内燃機関３はコストの点で効率的なマルチポイントインジェクションシステムであってよい。ギヤボックス１の第２の入力シャフト４は、第１の電気駆動機構５、例えば電気トラクションドライブに接続可能である。ギヤボックス１の第３の入力シャフト６は第２の電気駆動機構７、例えばベルトスタータジェネレータに接続可能である。ギヤボックス１は電気駆動機構５，７の高速適用に対応可能なものであってよい。ギヤボックス１は、単純化されたトランスミッションと最小数のギヤとを可能にしてローンチ要素またはデカップリング要素を必要としない、いわゆるハイブリッド専用トランスミッション（ＤＨＴ）であってよい。
【0028】
ギヤボックス１は、複数のシフト状態Ｓ１～Ｓ４、例えば４つのシフト状態Ｓ１～Ｓ４を駆動するための複数のドッグクラッチ８．１，８．２、例えば２つのドッグクラッチ８．１，８．２を有する。ドッグクラッチ８．１，８．２を駆動するためのギヤアクチュエータに対して、電気制御ユニットを設けることができる。電気制御ユニットは、以下に示す制御アルゴリズムを使用して動作可能である。
【0029】
図２は、ギヤボックス１の概略的な斜視図である。
【0030】
簡明性のために、単一のドッグクラッチ８．１について制御アルゴリズムを説明するが、当該制御アルゴリズムはドッグクラッチ８．１，８．２の双方に適用可能である。ギヤアクチュエータおよびドッグクラッチ８．１，８．２のシステムアーキテクチャのスキーマは、図３に示されている。
【0031】
例示的な一実施形態では、システムアーキテクチャは、シフト信号Ｓを供給する外部ユニットであってよい主制御ユニット９を含み、シフト信号Ｓは、例えば、
・ギヤ１の係合、
・ギヤ２の係合、
・解離
を表す。
・ギヤ１の係合、
・ギヤ２の係合、
・解離
を表す。
【0032】
例示的な制御アルゴリズム１０は、トラジェクトリプランナ１１とモーションコントローラ１２とを含む。トラジェクトリプランナ１１は、モーションコントローラ１２のための所望のアーム位置を生成する。
【0033】
システムアーキテクチャの例示的な電気トポロジ１３は、電圧供給部１４、ＤＣモータ１５、Ｈブリッジ１６、およびＰＷＭインタフェース１７を含む。電圧供給部１４は、Ｈブリッジ１６に、ＤＣモータ１５への給電のための電圧を供給する。Ｈブリッジ１６は、ＰＷＭインタフェース１７により生成されるＰＷＭ信号によって制御される。ＰＷＭ信号のデューティ比は、スライディングモード理論に基づいてモーションコントローラ１２により計算される。
【0034】
ＰＷＭインタフェース１７は、Ｈブリッジ１６内のパワースイッチ、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのためのＰＷＭ信号を、モーションコントローラ１２が計算したデューティ比に依存して生成する。ＤＣモータ１５は機械トポロジ１８のためのトルクを形成する。
【0035】
機械トポロジ１８は、ギヤトレーン１９、アクチュエータアーム２０、およびドッグクラッチ８．１を含む。
【0036】
ギヤトレーン１９は、ＤＣモータ１５からのトルクを増幅し、速度を低減する。アクチュエータアーム２０は、角度運動を線形運動へ変換する。ドッグクラッチ８．１は、アクチュエータアーム２０により移動される要素である。その機能は、ギヤボックス１内の種々のギヤを機械的に係合または解離させることである。
【0037】
図４は、挿入距離ＩＤおよびクリアランス距離ＣＤで（例えばアクチュエータアーム２０が０ｍｍの位置を有する）解離位置にあるドッグクラッチ８．１の概略図である。ドッグクラッチ８．１は、１つもしくは複数のドッグ２１．１を有する第１のギヤ２１、１つもしくは複数のドッグ２２．１を有する第２のギヤ２２、および第１のギヤ２１と第２のギヤ２２との間に配置されておりかつ第１のギヤ２１のドッグ２１．１に係合する１つもしくは複数のドッグ２３．１と第２のギヤ２２のドッグ２２．１に係合する１つもしくは複数のドッグ２３．２とを有する摺動スリーブ２３を含み、ここで、摺動スリーブ２３は、図４に示されているニュートラル位置では第１のギヤ２１および第２のギヤ２２のいずれにも係合しないか、またはこれらのうちの一方のみに係合する。挿入距離ＩＤはドッグ２１．１，２３．１または２２．１，２３．２が互いに係合可能な深さである。クリアランス距離ＣＤは、摺動スリーブ２３がニュートラル位置にある場合の、ドッグ２２．１，２３．１間のスペースおよび２２．１，２３．２間のスペースである。
【0038】
第１のギヤ２１、第２のギヤ２２および摺動スリーブ２３はシャフトの周囲に配置されており、摺動スリーブ２３は回転可能に前記シャフトに結合されており、第１のギヤ２１および第２のギヤ２２は前記シャフトを中心として回転可能である。
【0039】
アクチュエータアーム２０の位置は、摺動スリーブ２３の位置と同じであり、当該アクチュエータアーム２０によって摺動スリーブ２３に力が印加される。第１のギヤ２１の係合プロセスは、第２のギヤ２２の係合プロセスと同じである。
【0040】
【0041】
接近とも称されうるフェーズである図５Ａに示されている第１のフェーズＰ１では、摺動スリーブ２３が、シャフトに沿って、第１のギヤ２１のドッグ２１．１に向かって加速される。
【0042】
接触とも称されうるフェーズである図５Ｂに示されている第２のフェーズＰ２では、摺動スリーブ２３がいわゆる当接点に近づき、第１のギヤ２１のドッグ２１．１にほぼ接触するまで減速される。低速で移動した後、摺動スリーブ２３と第１のギヤ２１のドッグ２１．１との間の所定の接触が、小さな大きさの接触力で行われる。
【0043】
挿入とも称されうるフェーズである図５Ｃに示されている第３のフェーズＰ３では、第１のギヤ２１の各ドッグ２１．１を摺動スリーブ２３のドッグ２３．１のクリアランスに挿入するために、印加される力と第１のギヤ２１に向かって生じる摺動スリーブ２３の速度とが徐々に増大される。最終的に、第１のギヤ２１と摺動スリーブ２３とは同じ速度で回転する。
【0044】
解離プロセスＤはより単純であり、摺動スリーブ２３が、解離位置へ向かって加速され、第１のギヤ２１のドッグ２１．１から係合解除されて解離位置へ近づくと、解離位置に到達して加速度がゼロとなるまで減速される。トラジェクトリプランナ１１は、導出された躍度プロフィルが規定されて運動プロフィルの取得のために４回の積分が行われる４次のトラジェクトリプランニングアルゴリズムに基づいて、アクチュエータアーム２０の所望の位置を生成する。
【0045】
図６は、アクチュエータアーム２０の位置に対する所望のトラジェクトリとしての例示的な係合および解離のプロフィルを示すグラフである。図７には、導出された躍度に基づく運動プロフィルがどのように生成されるかの一例を示すグラフが示されている。このように、衝撃力を低減するための迅速かつ平滑な加速プロフィルが生成される。
【0046】
モーションコントローラ１２を設計するために、ＤＣモータ１５の離散時間モデルが、
として示されている。上記の式中、状態ｘは、
θ ロータ位置
ω ロータ速度
ｉ 電機子電流
τｍ 機械トルク
である。パラメータは、
Ｒ 電機子レジスタンス
Ｌ 電機子インダクタンス
ｋｔ トルク定数
ｋｅ 逆起電力（ＣＥＭＦ）定数
Ｊ モータ慣性
ＴＳ サンプリング時間
ｕ 電機子電圧
である。τＬは負荷トルクでありかつ未知の擾乱であると見なされ、添え字ｋはサンプリング時点である。さらに、電機子電圧はｕ＝デューティ比・ＶＤＣに等しく、ここで、ＶＤＣは給電電圧の大きさである。
【数1】
θ ロータ位置
ω ロータ速度
ｉ 電機子電流
τｍ 機械トルク
である。パラメータは、
Ｒ 電機子レジスタンス
Ｌ 電機子インダクタンス
ｋｔ トルク定数
ｋｅ 逆起電力（ＣＥＭＦ）定数
Ｊ モータ慣性
ＴＳ サンプリング時間
ｕ 電機子電圧
である。τＬは負荷トルクでありかつ未知の擾乱であると見なされ、添え字ｋはサンプリング時点である。さらに、電機子電圧はｕ＝デューティ比・ＶＤＣに等しく、ここで、ＶＤＣは給電電圧の大きさである。
【0047】
ギヤトレーン１９および慣性作用を考慮して、等価慣性が使用されている。ＤＣモータ１５および回転負荷２４に結合されたメッシングギヤＧ１，Ｇ２およびＧ３，Ｇ４を備えた２段ギヤトレーン１９が、図８に示されているように想定される。
【0048】
【0049】
Ｊｘｘは、種々の要素の回転慣性（ｋｇｍ２）を表す。項Ｎ１／Ｎ２およびＮ３／Ｎ４は、ギヤ比の逆数である。最後に、項Ｊｌｏａｄは、アクチュエータアーム２０の線形慣性がアクチュエータアームモデルにおいて既に考慮されているためにこの場合はゼロに等しい、アクチュエータアーム２０の変換された回転慣性を表す。
【0050】
等価慣性を観察すると、モータおよび第１のギヤの慣性が優勢であるのに対して、残りのギヤの作用は縮小（the reduction）により消去されている。項（Ｎ１／Ｎ２）２および（Ｎ３／Ｎ４）２は相当に小さくなり、さらにこれらを乗算した慣性の作用も最小化される。したがって、モータ慣性Ｊは、ＤＣモータ１５の数学的モデルにおける等価慣性Ｊｅｑによって置換される。
【0051】
この場合、角度位置センサは、速度を推定するために使用可能である。角度位置センサは、ギヤボックス１とアクチュエータアーム２０との間に配置可能である。この場合、ギヤボックス１の縮小がＤＣモータ１５の数学的モデルのために考慮されなければならない。ＤＣモータ１５により適用されるパワーはギヤボックス１の入力側と出力側とで等しく、τ’ｍおよびω’はギヤボックス１の出力側でのトルクおよび速度であるので、これは、
τ’ｍω’＝τｍω
と記述することができ、ここで、ｎを縮小量として、ω’＝ω／ｎおよびτ’ｍ＝ｎτｍであり、またアクチュエータアーム２０での角度位置もθ’＝θ／ｎで表される。測定に利用可能な変数であるアクチュエータアーム２０の位置θ’に従って、ＤＣモータ１５の数学的モデルは、
縮小された滑り曲面を有するスライディングモードコントローラ
として規定される。
τ’ｍω’＝τｍω
と記述することができ、ここで、ｎを縮小量として、ω’＝ω／ｎおよびτ’ｍ＝ｎτｍであり、またアクチュエータアーム２０での角度位置もθ’＝θ／ｎで表される。測定に利用可能な変数であるアクチュエータアーム２０の位置θ’に従って、ＤＣモータ１５の数学的モデルは、
縮小された滑り曲面を有するスライディングモードコントローラ
【数3】
【0052】
ここで提案しているモーションコントローラの目的は、Ｒ，Ｌ，ｋｔ，ｋｅ，Ｊのようなシステムパラメータへの依存性を回避すること、ならびにリップルトルクおよび制御変数におけるチャタリングを緩和するためにモータ電流変数の使用を回避することである。モーションコントローラの出力変数はＰＷＭインタフェース１７のデューティ比であり、図３に制御スキーマが示されている。制御合成を記述するために、状態変数、測定された変数、およびｘ＝［θ’，ω’，ｉ，τｍ，ｋ］，η＝［θ’，ｉ］およびｙ＝θ’として制御されるべき変数が、それぞれ規定される。
【0053】
まず、トラッキングエラーが、
ｚ１，ｋ＝θ’ｋ－θ’ｄ，ｋ
として規定され、ここで、θ’ｄ，ｋは、トラジェクトリプランナによって規定される、アクチュエータアーム２０の角度位置の所望の値であり、有界の増分によって適切に有界を有する信号である。
ｚ１，ｋ＝θ’ｋ－θ’ｄ，ｋ
として規定され、ここで、θ’ｄ，ｋは、トラジェクトリプランナによって規定される、アクチュエータアーム２０の角度位置の所望の値であり、有界の増分によって適切に有界を有する信号である。
【0054】
ついで、アクチュエータアーム２０の位置のトラッキングエラーの関数としてのみ、縮小された滑り曲面が、
として提示される。安定化項ｃは、漸近的に滑り曲面に到達し、かつハイゲイン制御が回避されるように加えられ、積分項ｃｄは、モデル化されていないダイナミクスが拒絶されかつ定常状態誤差が低減されるように加えられる。
【数4】
【0055】
ついで、２次のスライディングモードコントローラに基づき、かつ
として規定されるｓｕｐｅｒ－ｔｗｉｓｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍを用いて、制御変数ｕが計算される。ここで、γは、ｓｕｐｅｒ－ｔｗｉｓｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍの状態であり、
は、正の制御利得である。この場合、閉ループシステムは、有限時間において滑り多様体ｓ＝０に到達するので、アクチュエータアーム２０の位置のトラッキングエラーはゼロへ向かう。
【数5】
【数6】
【0056】
角度単位での所望のトラジェクトリプロフィルは図６に示されており、ここでの目的は、提案しているスライディングモードコントローラを使用した、１５０ｍｓの時間内での係合および解離である。
【0057】
制御アルゴリズムの性能は適切であり、係合プロセスおよび解離プロセスＤの時間は１５０ｍｓより短くなる。
【0058】
提案しているコントローラ、すなわち縮小された滑り曲面を有するスライディングモードコントローラは、実装が簡単である。さらに、当該コントローラは、モータ電流変数を必要とせず、当該コントローラ内の保護のために使用されるのみであって、パラメータの知識も必要ない。
【0059】
本開示、特に縮小された滑り曲面を有するスライディングモードコントローラによる方法により、例えば、
・１５０ｍｓ以内の係合プロセス、
・１５０ｍｓ以内の解離プロセスＤ、
・ドッグクラッチシステムのアクチュエータとしてのＤＣモータ１５の制御、
・低コストのマイクロコントローラへの実装のためのロバストかつシンプルな制御アルゴリズム、
・ドッグへの衝撃を低減するための平滑な運動プロフィルのトラッキング、
・システムパラメータへの非依存性、
の各特性に併せて、迅速かつ平滑なドッグクラッチシステムの係合および解離が可能となる。
・１５０ｍｓ以内の係合プロセス、
・１５０ｍｓ以内の解離プロセスＤ、
・ドッグクラッチシステムのアクチュエータとしてのＤＣモータ１５の制御、
・低コストのマイクロコントローラへの実装のためのロバストかつシンプルな制御アルゴリズム、
・ドッグへの衝撃を低減するための平滑な運動プロフィルのトラッキング、
・システムパラメータへの非依存性、
の各特性に併せて、迅速かつ平滑なドッグクラッチシステムの係合および解離が可能となる。
【0060】
ドッグクラッチシステムは、同期コーンまたは同期リングを必要とせず、システムを単純化しかつ小さくするが、同時に係合の困難性を増大させる。制御アルゴリズムは、種々のドッグクラッチジオメトリへの実装のためのフレキシビリティを提供する。
【0061】
制御アルゴリズムは、迅速かつ平滑なトラジェクトリプロフィルのトラッキングのためのアクチュエータとしてのＤＣモータ１５によって位置制御すべきあらゆるシステムに適用可能である。無段変速機（ＣＶＴ）における他のアプリケーションも可能である。
【0062】
提案している制御アルゴリズムはテストベンチ上で実現された。当該テストベンチは、
・トルクの増幅とＤＣモータ１５の速度の低減とに使用されるギヤトレーン１９、
・ドッグクラッチ８．１のシフトフォークに力を印加するための、トルクを力へ変換するアクチュエータアーム２０、
・ギヤボックス１内の種々のギヤを機械的に係合または解離させるためのドッグクラッチ８．１、ここで、ドッグクラッチ８．１は、２つのギヤ２１，２２と、シフトフォークに印加される力によってハブ上を摺動する摺動スリーブ２３とを含む、
の各機械要素を含む。
・トルクの増幅とＤＣモータ１５の速度の低減とに使用されるギヤトレーン１９、
・ドッグクラッチ８．１のシフトフォークに力を印加するための、トルクを力へ変換するアクチュエータアーム２０、
・ギヤボックス１内の種々のギヤを機械的に係合または解離させるためのドッグクラッチ８．１、ここで、ドッグクラッチ８．１は、２つのギヤ２１，２２と、シフトフォークに印加される力によってハブ上を摺動する摺動スリーブ２３とを含む、
の各機械要素を含む。
【0063】
さらに、テストベンチは、
・ギヤトレーン１９のためのトルクを形成するＤＣモータ１５、
・ギヤトレーン１９とアクチュエータアーム２０との間のシャフトの位置を測定する角度センサ、
・電圧供給部１４、
・トラジェクトリプランナ１１およびモーションコントローラ１２が実装され、Ｈブリッジ１６、ＰＷＭインタフェース１７およびマイクロコントローラを統合した電気制御ユニット、
の種々の電気要素を含む。
・ギヤトレーン１９のためのトルクを形成するＤＣモータ１５、
・ギヤトレーン１９とアクチュエータアーム２０との間のシャフトの位置を測定する角度センサ、
・電圧供給部１４、
・トラジェクトリプランナ１１およびモーションコントローラ１２が実装され、Ｈブリッジ１６、ＰＷＭインタフェース１７およびマイクロコントローラを統合した電気制御ユニット、
の種々の電気要素を含む。
【0064】
アクチュエータアームのための角度単位での所望のトラジェクトリプロフィルでは、係合プロセスにおいて提案している３つのフェーズ、すなわち接近、接触および挿入が１５０ｍｓ以内で適用され、また解離プロセスＤも１５０ｍｓ以内で実行される。
【0065】
結果は、挿入時の障害、機械的トレランスおよびギヤでのバックラッシュのない、１５０ｍｓの時間内での満足のいく係合および解離を示している。さらに、制御アルゴリズムは、挿入されたギヤの未知の相対位置に従ってトラジェクトプロフィルを適応化し、ギヤ間の種々の速度での係合および種々のトルク負荷での解離を行うことができる。
【符号の説明】
【0066】
１ ギヤボックス
２ 第１の入力シャフト
３ 内燃機関
４ 第２の入力シャフト
５ 第１の電気駆動機構
６ 第３の入力シャフト
７ 第２の電気駆動機構
８．１，８．２ ドッグクラッチ
９ 制御ユニット
１０ 制御アルゴリズム
１１ トラジェクトリプランナ
１２ モーションコントローラ
１３ 電気トポロジ
１４ 電圧供給部
１５ ＤＣモータ
１６ Ｈブリッジ
１７ ＰＷＭインタフェース
１８ 機械トポロジ
１９ ギヤトレーン
２０ アクチュエータアーム
２１ 第１のギヤ
２１．１，２２．１，２３．１，２３．２ ドッグ
２２ 第２のギヤ
２３ 摺動スリーブ
２４ 回転負荷
ＣＤ クリアランス距離
Ｄ 解離プロセス
Ｇ１～Ｇ４ ギヤ
ＩＤ 挿入距離
Ｎ１～Ｎ４ 歯数
Ｐ１ 第１のフェーズ
Ｐ２ 第２のフェーズ
Ｐ３ 第３のフェーズ
Ｓ シフト信号
Ｓ１～Ｓ４ シフト状態
２ 第１の入力シャフト
３ 内燃機関
４ 第２の入力シャフト
５ 第１の電気駆動機構
６ 第３の入力シャフト
７ 第２の電気駆動機構
８．１，８．２ ドッグクラッチ
９ 制御ユニット
１０ 制御アルゴリズム
１１ トラジェクトリプランナ
１２ モーションコントローラ
１３ 電気トポロジ
１４ 電圧供給部
１５ ＤＣモータ
１６ Ｈブリッジ
１７ ＰＷＭインタフェース
１８ 機械トポロジ
１９ ギヤトレーン
２０ アクチュエータアーム
２１ 第１のギヤ
２１．１，２２．１，２３．１，２３．２ ドッグ
２２ 第２のギヤ
２３ 摺動スリーブ
２４ 回転負荷
ＣＤ クリアランス距離
Ｄ 解離プロセス
Ｇ１～Ｇ４ ギヤ
ＩＤ 挿入距離
Ｎ１～Ｎ４ 歯数
Ｐ１ 第１のフェーズ
Ｐ２ 第２のフェーズ
Ｐ３ 第３のフェーズ
Ｓ シフト信号
Ｓ１～Ｓ４ シフト状態
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7】
【図8】