ABS/ESC機能を対象とした...1 /29 1. JMAABでの取り組みと目的 2. ABS/ESC機能を実現するブレーキ油圧回路の概要 3. ブレーキ油圧回路のSimscapeを用いたモデル化

ABS/ESC機能を対象とした Simscapeを用いたプラントモデリング手法の紹介

MathWorks Automotive Conference 2014 講演資料

6月27日(金)＠御茶ノ水ソラシティカンファレンスセンター

MathWorks Automotive Conference 2014

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1. JMAABでの取り組みと目的 2. ABS/ESC機能を実現するブレーキ油圧回路の概要

3. ブレーキ油圧回路のSimscapeを用いたモデル化 4. 車両モデルへの接続 5. まとめ

目次


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1．JMAABでの取り組みと目的


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経緯

JMAAB プラントモデリングWS（PMWS）活動の目標

「プラントモデルの再利用性向上および流通促進」

JMAABにて、Simulink版プラントモデルガイドラインを発行

2007

2010

モデリング手法検討、ツール紹介

2011

2012

2013

PMWS1 (MathWorks）

PMWS2&3 MuPAD数式処理、ワークフロー検討

R2007a

Simscape Release!

PMWS4 Simscapeを中心にモデリング検討

Simscapeモデル増加

(ヘルプ、Matlab central)

Mathworksのプラントモデリングに関わるツールについて、トライアルや評価を実施してきた ※JMAAB：Japan MBD Automotive Advisory Board

日本の自動車業界のMATLABプロダクトファミリユーザがモデルベース開発の推進させるためのユーザ会

Mupadの入門書を発行


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PMWS４活動の目的と概要

１）Simscape活用検討

• 各社課題/悩み事の整理

• 基礎＋新機能の紹介

（未経験者でも参加できるように）

２）物理モデリング手法の普及検討

• 流通・再利用の観点からの考え方/課題を整理

PMWS4の狙い「Simscapeを題材にモデリング手法を検討」

(E.g.) ・Simple Vehicle model ・Battery model ・Power Window model ・Brake model ・Engine Cooling model etc.

活動目的

１）Simscape language レクチャー

・基礎＋新機能の学習・カスタムコンポーネントの作成方法

２）Simscape 課題共有用モデルの作成トライ

・実際にモデルを作りながらコツ/課題を共有

活動内容各社の取り組み


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今回のSimscapeモデルを作成する観点

・制御モデルとの接続性、拡張性

以下の観点で課題共有用のモデルを作成した

・そのプラントモデルは、車両開発の中で、どのようなことに活用/応用できそうか

課題共有モデルの対象領域

（ABS/ESC）ブレーキ油圧モデル + 車両モデル

・プラントモデリングのしやすさ（可視性、可読性）

ブレーキシステム


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プラントモデルを活用するワークフロー

対象モデルの分析

プラントモデル作成

制御設計と性能評価

対象モデルの立式

MuPAD© SimscapeTM Simulink© /Stateflow©

同定

検証

（数式的アプローチにて基本原理の解明）

MathWorksが提供するツール

・制御設計・性能評価シミュレーション

・プラントモデリング諸元/特性入力

・対象についての運動方程式の立式/整理

・モデル化方針・モデル化範囲決め

（部品ベースのモデリング）


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2. ABS/ESC機能を実現するブレーキ油圧回路の概要


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■ABSシステム概要急制動や滑りやすい路面で制動するとき、車輪のロックを防止することで車両の姿勢を安定させ、ハンドルの効きを確保しようとする装置

※ABS(Antilock Brake System)

ロックを回避するためにブレーキ圧を減圧

■ESCシステム概要

ESCは急なハンドル操作時や滑りやすい路面を走行中に車両の横滑りを感知すると、自動的に、車両の進行方向を保つように車両を制御

VSAとは

適切に個々の車輪にブレーキを使用したり、エンジン出力を制御して車両の向きを修正して横滑りを防止する制御

※ESC(Electronic Stablity Control)

早い回頭性のために

外輪のブレーキを増圧

挙動を収束させるために内輪ブレーキを増圧

安定挙動

赤：ESC装着車青：ESC非装着車


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ブレーキ用油圧回路構成要素・マスターシリンダー・カットバルブ・Inletバルブ・Outletバルブ・サクションバルブ・リザーバ・ポンプ・キャリパー

再現したい事象マスタシリンダ圧/INLET/OUTLETバルブとキャリパ圧の関係

ABS動作中

油圧回路中のバルブ開閉をコントロールすることにより、ブレーキ液圧に対する増圧、減圧、保持を実現

Inlet バルブ

Outlet バルブ

キャリパ圧減圧

増圧

Inlet バルブ

Outlet バルブ

リザーバ

ポンプモータ M

P

マスターシリンダ

開

閉

開

閉

キャリパー

カットバルブサクションバルブ

M

P

Inlet バルブ

Outlet バルブ

リザーバ

カットバルブ

サクションバルブ

ｼｽﾃﾑ構成

ポンプ

動作イメージ

通常制動時（システム非作動時）

ポンプモータ

■油圧回路の動作イメージ(1)

■油圧回路の動作イメージ(2)

M

P

Inlet バルブ

Outlet バルブ

リザーバ


ｼｽﾃﾑ構成

ポンプ

ABS制動時（減圧作動）

ポンプモータ

カットバルブ

逃がした液はポンプによって戻される

ドライバのフットペダル動作

M

P

Inlet バルブ

Outlet バルブ

リザーバ


ｼｽﾃﾑ構成

ポンプ

ESC作動時（非ブレーキ中の増圧）

ポンプモータ

余剰分はリリーフ調圧

吸い込み

カットバルブ

■油圧回路の動作イメージ(3) ドライバのフットペダル動作なし


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3.ブレーキ油圧回路の Simscapeを用いたモデル化


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モデル対象範囲と入出力信号

①ABS制御：メイン（指示液圧計算）

②ABS制御:サブ（油圧バルブコントロール）

車両モデル

③ブレーキ油圧回路（ABS/ESCアクチュエータ）

車輪速

車速

マスター圧

Inletバルブ信号

Outletバルブ信号

Motor指示信号

増圧量

減圧量

各車輪へのキャリパー圧

Simscape/ SimHydaulics

Stateflow Simulink

ABS/ESC制御からのバルブ信号を元に、車輪へのキャリパー圧まで計算

入力出力


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ヘルプ画面を見ながら、コンポーネントの特性を押さえてモデリングを実施

Simscape/SimHydaulicsライブラリ SimScapeモデル

モデル作成手法

ヘルプ画面

に照らし合わせて配置

バルブ要素（コンポーネント）を表現

諸元設定画面

バルブ要素

2-Way Directional Valve


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ブレーキ油圧モデルの構成

ABS/ESCアクチュエータ


カットバルブ

Inletバルブ

Outletバルブ

SimHydaulicsのライブラリを用いることで概念図とほぼ同じ構成で、油圧モデルを作成することが可能

マスタシリンダ

リザーバ

コントローラからのバルブ指示


/29 18

0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 10

0.5

1

1.5Inletバルブ指示

0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 10

0.5

1

1.5Outletバルブ指示

0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 10

10

20

30

40

50キャリパー圧

油圧モデルを用いた計算結果

ABS制動時動作

Inlet/Outletバルブの開閉動作にて、キャリパ圧の減圧/保持/増圧を表現

Inletバルブ指示

Outletバルブ指示

キャリパ圧減圧

増圧

カットバルブ

[閉]

[開]

[bar]

[時間]


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油圧モデルを用いた計算結果

ポンプを作動させ、カット/サクションバルブの開閉動作にて、キャリパ圧の増圧を表現

ESC時動作(非ブレーキ中の増圧)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

0.5

1

1.5Pump

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

0.5

1

1.5レギュレータバルブ指示

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

0.5

1

1.5サクションバルブ指示

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

50

キャリパー圧

ポンプ動作指示

カットバルブ指示

サクションバルブ指示

キャリパ圧

カットバルブ

[閉]

[開]

[bar]

[ON]


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5. 車両モデルへの接続


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車両モデルに結合し、ブレーキシステムのダイナミクスの影響を加味した車輪速、エンジントルク、回転数等を表現したい

アクセルを踏んで車両を加速させ、コースティングになった状態での急ブレーキを踏んだ時にABS作動のシミュレーション

車速

時間

加速定常走行急減速 ABS作動時の制動距離はどのくらい？

車両モデルに接続して表現したいこと

車輪速変化幅はどのくらい？

車輪速

エンジン回転数

影響？

車輪速変化のパワープラントへの影響は？


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車両全体システムの構成

既存のSimscape車両モデルに、構築したブレーキシステムを接続

接続接続

①ABS制御：メイン（指示液圧計算）

②ABS制御:サブ（油圧バルブコントロール）

車両モデル

③ブレーキ油圧回路（ABS/ESCアクチュエータ）

車輪速

車速

ブレーキペダル量

Inletバルブ信号

Outletバルブ信号

Motor指示信号

増圧量

減圧量各車輪へのキャリパー圧

Simscape/ SimHydaulics

Stateflow Simulink

入力

出力


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コントローラ(Simulink)との接続

ABS制御：メイン（指示液圧計算）

ABS制御:サブ（油圧バルブコントロール）

ブレーキ油圧モデル

コントローラ（Simulink）との接続性は高い

コンバータを介することで油圧モデル（物理ドメイン）とコントローラを容易に接続


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車両モデル＋ブレーキ油圧モデルの概観

＜ブレーキペダル指示＞

＜アクセルペダル指示＞＜車両挙動＞

エンジンモデル

トルクコンバータトランスミッション

トランスミッションECU

ブレーキトルク


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車両モデルを用いた計算の一例アクセルを踏んで、車体を加速させコースティングの状態になった時に急ブレーキを踏んだ時のABS作動状態を表現する

0 5 10 15 20 25 300

50

スロットル開度、ブレーキペダル

0 5 10 15 20 25 300

100

200エンジントルク

0 5 10 15 20 25 300

5000

10000ブレーキトルク(ABSシステム指示)

0 5 10 15 20 25 300

100

200車体速度、車輪速度

0 5 10 15 20 25 300

1000

2000Engine回転数

0 5 10 15 20 25 300

1000

2000トランスミッション回転数

■ABSブレーキ中計算結果

変動する

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 300

20

40

60

80


20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 300

20

40

60

80

100


20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 300

500

1000

1500

2000Engine回転数

拡大する

走る、止まるに関する車両ダイナミクスをパワープラントの状態を含めて表現

ABS作動中の車輪速の変化

する


の変化する

ブレーキトルク指示

ABSシステムの

液圧指示する

2３秒後からブレーキペダルを踏む

スロットルペダル、ブレーキペダル

ブレーキトルク

車輪速、車速



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プラントモデル活用シーン


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プラントモデルの活用シーン

開発の初期段階にて、基本諸元にて構成されたブレーキの影響を考慮したパワープラント系のダイナミクス（エンジン回転数、トルク、シフト位置）を表現することができれば・・

・ESC/エンジン制御コンセプトと役割分担の考え方

・走る、止まる機能が必要なACCなどのADAS領域への応用

・ABS/ESC制御設計とメカブレーキの諸元設計

- ブレーキのメカ諸元を考慮した制御設計、効果確認

機能がまたがる部署間やメーカ/サプライヤ間での仕様決めする際の共通言語として活用ができる

活用場面（例）

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 300

20

40

60

80


20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 300

20

40

60

80

100


20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 300

500

1000

1500

2000Engine回転数

車体速度/車輪速度


- シチュエーション別における制御協調、調停のすりあわせ


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実車テスト

【実車】

＜制御モデル＞

ﾛｼﾞｯｸ再検討

【制御骨格確認】

実車テスト

【実車】

【制御チューニング】

ﾛｼﾞｯｸ再検討

プラントモデルを活用した制御開発

従来の実車を使った制御開発

プラントモデルを活用し、制御設計や制御確認を机上で実施することで開発のフロントローディングが可能

プラントモデルを活用する効果

要求仕様

要求仕様

【制御骨格確認】

実車テスト

【実車】


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・SimscapeはMATLAB/Simulinkとの親和性が高く、開発初期段階での初期の制御コンセプト、特に複数ドメイン・デバイスをまたがるような協調制御や干渉の効果確認する上では有効・ Simscapeの基本的な考え方、概念図やI/Fが事前に考慮できていれば、つながて動かすというレベルまでのモデリングはしやすい・見た目が概念図と相対しやすいため可読性がよく、他人とも共有しやすい

まとめ


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ご静聴ありがとうございました

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ABS/ESC機能を対象とした...1 /29 1. JMAABでの取り組みと目的 2. ABS/ESC機能を実現するブレーキ油圧回路の概要 3. ブレーキ油圧回路のSimscapeを用いたモデル化