電動車の横安定性に革新制御
電動モビリティの進化が著しい今日、性能と安全性は自動車開発の核心的テーマである。この中で、車両の横方向安定性を高次元で確保する新たな制御技術が登場し、業界に新たな風を吹き込んでいる。長沙理工大学の張志勇（ZHANG Zhiyong）、俞佳棟（YU Jiadong）、杜栄華（DU Ronghua）らの研究チームは、分散型駆動電動車両に特化した「飽和防止スライディングモード制御」戦略を開発した。この画期的な成果は、電動車両の走行安定性を極限状態でも維持する可能性を大きく高め、自動車技術の進化に貢献するものとして注目されている。研究成果は『長沙理工大学学報（自然科学版）』に掲載され、その詳細な検証と実用性の高さが評価されている。
分散型駆動電動車両は、各車輪に独立したホイールモータを搭載し、個別にトルクを制御することで、従来の駆動方式にはない機敏な走行性能とエネルギー効率の向上を実現する。この構造は、特にアクティブセーフティや高度運転支援システム（ADAS）の性能を最大限に引き出す鍵となる。しかし、その利点の裏には、新たな技術的課題が存在する。特に、緊急回避や低μ路での高速コーナリングといった極限走行状況下では、車両の横滑りを抑制するために非常に大きなヨーイングモーメントが瞬時に要求される。このモーメントを生成するためには、ホイールモータに急激で大きなトルク指令が発生する。
ここで問題となるのが「飽和」現象である。ホイールモータは物理的な構造の制約から、出力できる最大トルク（ピークトルク）と、そのトルクを変化させる速度（応答速度）に明確な上限がある。従来の制御手法では、理論上の最適なヨーイングモーメントを計算し、それをそのままモータに指令する。しかし、その指令値がモータの物理的限界を超えると、モータは「飽和」状態に陥る。つまり、要求されたトルクを出力できず、指令値に追従できなくなる。これにより、実際の車両が発生できるヨーイングモーメントは、理論値に届かず、制御性能が著しく低下する。さらに、過大なトルク指令はタイヤのグリップ限界を超えてスリップを誘発し、車両の横滑りやスピンといった危険な状態を引き起こす可能性がある。また、急激なトルク変化指令に対してモータが追従できず、遅れが生じることも、安定性制御の信頼性を損なう要因となる。
長沙理工大学の研究チームは、この根本的な課題に正面から取り組んだ。彼らが開発した「飽和防止スライディングモード制御」は、従来のスライディングモード制御に「二重飽和関数」という新たな概念を組み合わせたものである。スライディングモード制御は、外部の摂動やモデルの不確かさに対して強いロバスト性を持つため、車両制御分野で広く用いられている。しかし、その制御出力が理論的に無限大になり得るため、実際のアクチュエータの限界を無視するという欠点があった。今回の研究では、この欠点を補完する形で、制御出力そのものに制限をかける。
具体的には、まず、対象となるホイールモータの実際の性能データを徹底的に分析した。実験用の試験台でモータが発揮できる最大トルクと、指令トルクに対する実際の応答速度のデータを収集し、それらをもとに、システム全体で許容できる「直接ヨーイングモーメントの最大値」と「その変化率の上限値」を定量化した。この上限値は、単にモータのスペックだけでなく、路面の摩擦係数や車両の重量配分（各車輪にかかる垂直荷重）といったリアルな走行条件も考慮したものであり、非常に実用的な設計指針となっている。
そして、この上限値を組み込んだ「二重飽和関数」が、制御ループの核心を担う。この関数は、まず理論的に計算されたヨーイングモーメント指令値を受け取り、それを物理的に実現可能な範囲内に「制限」する。さらに、その制限後の値の「変化の急激さ」（変化率）も、事前に設定した上限値を超えないように「滑らかに」調整する。この二段階のフィルタリングにより、最終的にモータに送られる指令信号は、常にモータの能力とタイヤのグリップ限界の範囲内に収まることが保証される。言い換えれば、制御システムが「無理な要求」をすることを事前に防ぎ、モータが常に「余裕を持って」正確に応答できる状態を維持する。
この制御戦略の有効性は、高度な共同シミュレーションで検証された。研究チームは、15自由度の詳細な車両ダイナミクスモデルを備えたAMESimプラットフォームと、制御アルゴリズムを構築するためのMATLAB/Simulinkを連携させ、現実に近い環境でのシミュレーションを実施した。極限状況として、車両が時速110kmでμ=0.3の非常に滑りやすい路面を走行中に、急激な「二重レーンチェンジ」を行うシナリオが設定された。このシナリオは、ヨーイングモーメントの要求が瞬時に極大になる非常に過酷な条件である。
シミュレーションの結果は顕著だった。従来のスライディングモード制御では、要求されるヨーイングモーメントが理論値を大きく超え、モータはすぐに飽和状態に陥った。その結果、実際のヨーイングモーメントは理論値から大きく乖離し、制御の精度が著しく低下した。さらに、過大なトルク指令により、後輪のタイヤが完全にロックする（ホイールロック）という危険な状態にまで至り、車両は制御不能の状態に陥った。
一方、新開発の「飽和防止」制御を適用した場合、ヨーイングモーメントの指令値は常に事前に設定した上限値の範囲内で、滑らかに変化した。その結果、モータは飽和することなく、指令に正確に追従できた。実際のヨーイングモーメントは、制御指令と非常に高い精度で一致し、車両の横滑り角（スリップアングル）やヨー角速度は、理想的な値に非常に近い状態を維持できた。横滑り率も非常に低いレベルに抑えられ、タイヤは常にグリップ限界内での作動を保った。統計データによると、従来の制御手法と比較して、横滑り角の誤差の二乗平均（RMS）は15.4%、ヨー角速度の誤差RMSは30.6%削減され、横方向安定性は約23%向上した。これは、極限状況下でも車両を安全に制御できる可能性を示す、極めて信頼性の高い数値である。
この研究成果の意義は、単に理論的な性能向上にとどまらない。まず、制御アルゴリズムの設計段階からアクチュエータ（モータ）の物理的制約を明示的に考慮した点が画期的である。これにより、シミュレーション上の理想的な性能と、実際の車両に搭載した際の実用的性能とのギャップを大きく縮めることができる。これは、開発コストの削減と、市場投入までの期間短縮に直結する重要な進歩である。
第二に、この制御戦略は、自動運転技術の安全性を支える基盤技術としてのポテンシャルを秘めている。自動運転車は、センサー情報に基づいて自律的に判断し、アクチュエータを制御する。その判断が誤っていた場合や、予期せぬ事態に遭遇した場合でも、アクチュエータが物理的に出せる以上の要求を出さないことで、システム全体の安全性が保たれる。つまり、制御ループ内に「安全弁」が組み込まれた形であり、これにより、より信頼性の高い自動運転システムの実現が近づく。
第三に、この研究は、中国の学術機関が世界の自動車技術の最前線で果たしている役割を示している。本研究は、中国国家自然科学基金や湖南省自然科学基金などの支援を受けており、国際的な学術誌に発表されたことで、その成果の質の高さが国際的に認められた。これは、グローバルな自動車技術の進化が、もはや特定の地域に限らず、世界中で活発に行われていることを象徴している。
今後の展望として、研究チームは、さらなる検証のためのハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）シミュレーションや、実車での試験の重要性を指摘している。シミュレーションは非常に有効な手段だが、実際の車両の複雑な挙動やセンサーのノイズなどを完全に再現するのは難しい。HIL試験では、実際のECU（電子制御ユニット）とリアルタイムシミュレータを接続し、より現実に近い環境で制御性能を評価できる。実車試験を経て、この技術が実際に市販車に搭載される日も、そう遠くない未来にあるかもしれない。
結論として、長沙理工大学の研究チームが発表した「飽和防止スライディングモード制御」は、分散型駆動電動車両の横方向安定性を極限状態でも確保する、極めて実用的で信頼性の高い解決策を提供した。それは、理論と現実の橋渡しを果たし、自動車の安全性を次のレベルへと引き上げる、重要な一歩である。これからのモビリティ社会において、こうした「知恵」の結晶が、私たちの安全な移動を支えていくのである。
張志勇，俞佳棟，杜栄華，長沙理工大学学報（自然科学版），DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20220114002