JP2008259361A - 電動車両用駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＤＣブラシレスモータなどを用いた電動車両において、無負荷回転数以上の回転数になった場合の回生制御を簡単かつ高精度に実現する。
【解決手段】回転速度が無負荷回転速度よりも高いことを例えば回生デューティ比が０％である場合により判断し、その場合には検出された回生電流が目標回生電流よりも小さい場合にはコアを入れて界磁を増大し、回生電流が目標回生電流よりも大きい場合にはコアを抜いて界磁を減少して、回生電流を制御できることから、過回転を防止すると共に、無負荷回転速度を超えて走行する場合の回転速度を回生電流に基づいて適切に調整することができる。その制御をステータとロータとの距離の増減制御という簡単な構造で効果的に行うことができ、回生制御を簡単かつ高精度に実現し得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動車両用駆動装置に関するものである。
従来、ＤＣブラシレスモータを電動自動車の駆動源として用いたものがあり、長い下り坂走行で内燃機関自動車におけるエンジンブレーキと同様の制動を行うようにするためにモータの回生制御を行うようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−５８２７７号公報
しかしながら、駆動制御を停止した状態で長い下り坂を走行する場合には自然に増速されていってモータの無負荷回転数以上に回転数が上がってしまうことがあり、その場合には、制御装置（コントローラ）から電源（バッテリ）へ流れる回生電流を制御することができない。そのため、例えば電源がバッテリの場合には過充電となったり、回生エネルギの増加分に応じてモータのフリクションが増大したりするという問題が生じる。
上記特許文献１では、トルク−回転数曲線において通常界磁力行制御領域・通常界磁回生領域・弱め界磁力行制御領域・弱め界磁回生領域の４つの領域に分け、例えばＤＣブラシレスモータを力行モードで弱め界磁駆動し、さらに回転数を高くして、無負荷駆動（トルクゼロ）を経て回生モードでの弱め界磁駆動するようにしている。
一方、界磁電流を弱める方法としては、界磁コイルを短絡したり、回路に抵抗を挿入したり、また界磁チョッパ制御や界磁添加励磁制御などがあるが、簡単ではあるが高精度な制御ができなかったり、高精度な制御ができるが回路や制御が複雑化したりするという問題があった。
このような課題を解決して、ＤＣブラシレスモータなどを用いた電動車両において、無負荷回転数以上の回転数になった場合の回生制御を簡単かつ高精度に実現するために本発明に於いては、駆動源に電動モータを用いた電動車両用駆動装置であって、前記モータが、ステータと、前記ステータに対して同軸かつ回転可能に設けられたロータと、前記ステータおよび前記ロータの磁束が通る面同士の距離を可変にするべく前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記ロータの軸線方向へ移動可能にする移動手段と、前記ステータと前記ロータとの一方に設けられたコイル巻線と、前記ステータと前記ロータとの他方に前記コイル巻線に対向して配設された永久磁石とを備え、前記ステータに対する前記ロータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記モータの駆動電流と回生電流とを制御するモータ電流制御回路と、前記電流を検出する電流検出手段と、前記モータ電流制御回路に前記電流の制御基準となるパルス幅変調された制御信号を出力する制御手段とを有するモータ駆動装置において、前記制御手段が、回生制御において、前記回転速度が前記モータの無負荷回転速度より高いときに、前記回生電流が無負荷回転速度時の上限電流よりも大きいと判定された場合には前記移動手段により前記ステータおよび前記ロータの前記距離を増大させる制御を行い、前記回生電流が回生時の上限電流以下と判定された場合には前記移動手段により前記ステータおよび前記ロータの前記距離を減少させる制御を行うものとした。
特に、前記制御手段が、前記パルス幅変調された制御信号のデューティ比を決定するデューティ信号を出力する回生デューティ決定回路と、前記ステータおよび前記ロータの前記距離を増大させる制御を行うときに前記回生デューティ決定回路により前記デューティ比が０となる前記デューティ信号を出力させる出力固定指令信号を前記回生デューティ決定回路に出力する出力固定指令回路とを有すると良い。
このように本発明によれば、電動車両において回生制御を行う場合に、そのときの回生電流が無負荷回転速度時の上限回生電流と比較して、回生電流の方が大きい場合にはステータとロータとの距離を離して界磁を弱めることにより、回生電流を抑制してそれ以上の回生電流の増大を防止することができる。また、回生電流の方が小さい場合には電流を流す余裕があることから、ステータとロータとの距離を減少させて（戻して）界磁を強くすることにより回生電流を大きくすることができ、それにより過回転を防止すると共に、無負荷回転速度を超えて走行する場合の回転速度を回生電流に基づいて適切に調整することができる。
特に、ステータおよびロータの距離を増大させる制御を行うときに、回生デューティ決定回路によりデューティ比が０となるデューティ信号を出力させることにより、ステータおよびロータの距離制御のみによる界磁増大制御を行うことができ、制御を簡単にすることができる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は電動自動車の駆動輪Ｗに適用された例を示す模式的断面図である。図において、車体１にその側方に突出するように固定支持軸２が固定されており、その固定支持軸２には一対の軸受３ａ・３ｂを介してモータのアウタロータとなるロータ４が回転自在に支持されている。ロータ４の外周部にはホイールを介して駆動輪Ｗが取り付けられている。
ロータ４は、有底円筒形状をなしかつその中心部にボス部を有する形状であり、ボス部を形成する小径周壁部４ａと、その小径周壁部を同軸に外囲する大径周壁部４ｂとを有する。図に示されるように、ロータ４の両周壁部４ａ・４ｂ間の空間が車体１側に開放されている。大径周壁部４ｂの内周面には周方向にＮ・Ｓ極を並べた永久磁石としての複数のマグネット５が配設されている。また、両周壁部４ａ・４ｂによる空間に受容されるようにステータ６が設けられている。
固定支持軸２の車体１に固設された部分には外向フランジが形成されており、その外向フランジには小径周壁部４ａを外囲するガイド部材７が固設されている。ガイド部材７には例えばセレーションにより固定支持軸２の軸線方向に移動自在にされたスライド部材８が支持されている。スライド部材８の外周面には半径方向外向きの鍔が突設されており、その鍔に例えばビス止めされたブラケットを介してステータ６が支持されている。
ステータ６は、積層鋼板により形成された環状部分及びその環状部分から半径方向外向きに突出する複数のティースからなるコア６ａと、それらティースに巻回されたコイル巻線としてのコイル９とを有し、上記したようにスライド部材８と一体のブラケットにコア６ａの環状部分が適所でねじ止めされている。このようにして構成されたステータ６と上記ロータ４とにより本発明が適用されるモータＭとなる部分が構成されている。なお、図示例ではステータ６にコイル９を設け、ロータ４にマグネット５を設けたが、これに限られるものではなく、ステータ６にマグネットを設け、ロータ４にコイル９を設ける構造であっても良い。
スライド部材８は、モータ回転型の電動アクチュエータ１１により上記固定支持軸２の軸線方向に往復駆動されるようになっており、一体のステータ６も同様に往復移動するようになっている。図示例では、固定支持軸２の外向フランジにブラケットを介してアクチュエータ１１が固定されていると共に、アクチュエータ１１の回転軸に設けられた大ギアと噛み合う小ギアを同軸に有する駆動軸１２が、スライド部材８の移動方向に延在するように固定支持軸２の外向フランジ及び上記ブラケットにより軸支されている。その駆動軸１２のスライド部材８側には例えば台形ねじ部１２ａが設けられており、その台形ねじ部１２ａに螺合するナット部材１３がスライド部材８の鍔に固着されている。このようにして移動手段が構成されている。
この移動手段によりモータＭの有効磁束を調整することができる。すなわち、アクチュエータ１１を回転駆動することにより駆動軸１２が回転し、そのねじ部１２ａに螺合しているナット部材１３が駆動軸１２の軸線方向に移動するため、スライド部材８と一体のコア６ａが駆動軸１２と平行になる固定支持軸２の軸線方向（図の矢印Ａ方向）に移動し得る。これにより、コア６ａのティース突出端面がマグネット５の磁極面と重なる量が変化し、マグネット５とコア６ａとの間の磁束が増減するため、可変界磁型のブラシレスモータが構成される。
なお、コア６ａが図１の実線で示されるように位置する方向にコア６ａが入ると表現し、二点鎖線で示されるように位置する方向に対してはコア６ａを抜くと表現するものとする。界磁弱め制御を行わない場合には最大に入れて有効磁束が最大になるようにする（図１の実線）。コア６ａを入れる（回転子と固定子との間の相対距離を減少させる）ことにより磁束が増えるため、コイル９に流せる電流を増大させることができ、コア６ａを抜く（回転子と固定子との間の相対距離を増大させる）ことにより磁束が減るため、コイル９に流せる電流を減少させることができる。
次に、本発明に基づく制御要領について、図２のブロック回路図を参照して示す。なお、図示例のモータＭの基本形にあっては３相のブラシレスモータと同様のものであって良い。
図示例では、電源としての車載バッテリＢＴに、ＦＥＴを用いたブリッジ回路が構成された駆動電流供給回路としてのインバータ２１を介してモータＭの各相コイル９が接続されている。なお、バッテリＢＴとインバータ２１とを接続する電源線には電流センサ２２と電圧センサ２３とが設けられており、それぞれにより検出された電流検出信号と電圧検出信号とが、制御手段を構成する制御回路ＥＣＵの電流検出回路２５と電圧検出回路２６とに入力するようになっている。モータＭにはロータ４の回転角度を検出する回転センサ２４が設けられており、その回転角度信号が回転角度検出回路２７と回転速度検出回路４１とに入力し、回転角度検出回路２７ではロータ４のステータ６に対する回転（角度）位置を算出し、回転速度検出回路４１ではロータ４のステータ６に対する回転速度を算出する。
また、制御回路ＥＣＵ内には、外部の例えばアクセル開度センサ（図示せず）からの入力信号であって良い運転操作信号に応じて加減速制御信号を出力する運転操作入力回路２８と、運転操作入力回路２８からの加速制御信号が入力する出力電流指令回路２９と、運転操作入力回路２８からの減速制御信号が入力する回生電流指令回路３０と、出力電流指令回路２９および電流検出回路２５からの各出力信号が入力する出力電流比較回路３１と、回生電流指令回路３０および電流検出回路２５からの各出力信号が入力する回生電流比較回路３２と、出力電流比較回路３１からの出力信号が入力する出力Ｄｕｔｙ決定回路３３と、回生電流比較回路３２からの出力信号が入力する回生デューティ決定回路としての回生Ｄｕｔｙ決定回路３４と、回生Ｄｕｔｙ決定回路３４に接続されかつモータ特性に合わせて回転速度に応じて設定した回生デューティ比を予め記憶されたマップ３５と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３からのデューティ決定信号が入力するデューティ判定手段としての出力Ｄｕｔｙ判定回路３６と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３と回生Ｄｕｔｙ決定回路とからの各デューティ決定信号に基づいてパルス幅変調されかつデューティ比に応じた制御信号としてのＰＷＭ信号をインバータ２１に出力するパルス幅変調信号発生手段としてのＰＷＭ信号生成回路３８と、回生Ｄｕｔｙ決定回路３４からのデューティ決定信号に基づいて回生時のデューティ制御の可否を判定してデューティ制御の限度を判定する回生Ｄｕｔｙ判定回路４２と、出力電流比較回路３１または回生電流比較回路３２からの出力信号と電圧検出回路２６からの電圧検出信号と回生Ｄｕｔｙ判定回路４２からの判定信号とに基づいてステータ６の位置を決めるステータ位置制御回路３７と、ステータ位置制御回路３７または外部のステータ位置操作手段からのステータ位置信号に基づいてアクチュエータ１１に駆動信号を出力する移動制御手段としての位置駆動回路４０と、ステータ位置制御回路３７からのステータ位置制御出力信号に基づいて出力固定指令信号を出力Ｄｕｔｙ決定回路３３と回生Ｄｕｔｙ決定回路３４とに出力する出力固定指令回路４３とが設けられている。
なお、ステータ位置制御回路３７では、各入力信号の優先順位または組み合わせを設定して、それに応じてステータ位置信号を出力するようにして良い。また、各回路はＩＣを用いて構成されるものと、ＣＰＵのプログラム制御により構成されるものとを含むものであって良い。また、図示された回路名称及び信号線により理解される部分についてはその詳しい説明を省略する。
本願発明による図示例のモータＭにあっては、上記したようにステータ６とロータ４との相対距離を可変にして界磁を可変制御するものであり、その場合の概略を説明する。上記ステータ位置制御回路３９にてステータ６（コア６ａ）の設定位置（目標位置）を算出し、それに応じた位置制御信号が位置駆動回路４０からアクチュエータ１１に出力されて、アクチュエータ１１によりステータ６（コア６ａ）を駆動しかつ上記目標位置で停止状態にする。これにより、上記したようにマグネット５の磁極面とコア６ａのティース突出端面との重なり量（互いに対向する部分の面積；以下、対向面積と称する）が増減し、対向面積を通ることになる有効磁束が増減するため、モータＭの特性を、対向面積を大きくした場合には低回転・高トルク型とし、対向面積を小さくした場合には高回転・低トルク型とすることができる。
次に、本発明に基づく駆動制御要領を図３および図４を参照して以下に示す。なお、自動車におけるアクセル踏み込み量に相当する操作量に応じて運転操作入力回路２８から操作信号を出力電流指令回路２９に出力し、その操作信号に応じてデューティ比による加減速制御を行う点については、公知のＰＷＭ制御と同じであって良く、その詳しい説明を省略する。
ステップＳＴ１では電圧検出回路２６により電源電圧Ｖを検出し、電流検出回路２５により電源線に流れる回生電流Ｉを検出する。回生電流Ｉの検出にあっては、電流センサ２２では駆動電流も検出することになるが、本ルーチンの実行条件として例えば回生電流指令回路３０から回生電流指令値信号が出力されているとして、それにより本ルーチン実行中における電流検出値を回生電流値とすることであって良い。
次のステップＳＴ２では電源電圧Ｖが電圧上限値Ｖmax以上であるか否かを判別する。電圧Ｖが電圧上限値Ｖmaxに達していないと判定された場合にはステップＳＴ３に進む。ステップＳＴ３では回生電流Ｉが回生電流上限値Ｉmaxより大きいか否かを判別し、回生電流上限値Ｉmax以下であると判定された場合にはステップＳＴ４に進む。
ステップＳＴ４では界磁Ｆが界磁最大Ｆmaxか否かを判別する。界磁Ｆの大きさとして、図示例では上記したようにステータ６をアクチュエータ１１により変位させて界磁を可変にしている。したがって、例えばステータ位置制御回路３７からのステータ位置信号に基づき、ステータ６を最大収納位置（図１の実線）から移動させた位置に相当するステータ位置信号が出力されているか否（界磁最大Ｆmax）かで判別できる。
ステップＳＴ４で界磁Ｆが界磁最大Ｆmaxであると判定された場合にはステップＳＴ５に進み、そこで目標回生電流Ｉｏに対して検出された（現在）回生電流Ｉが小さいか否かを判別する。この判別は回生電流比較回路３２により行うものであって良く、目標回生電流Ｉｏは回生電流指令回路３０の回生電流指令値となる。
回生電流Ｉが小さいと判定された場合にはステップＳＴ６に進み、そこでは回生電流を大きくするべく回生デューティ比ＦＤを増大させる。この場合の回生デューティ比ＦＤの増大にあっては、回生電流比較回路３２からの比較結果信号に基づいて回生Ｄｕｔｙ決定回路３４によりデューティ比を決定して行う。次のステップＳＴ７では、マップデューティ比ＭＤをマップ３５から読み出す。マップ３５には回転速度に対して最大効率となるマップデューティ比ＭＤがマップデータとして記憶されている。
次のステップＳＴ８ではステップＳＴ６で増大された回生デューティ比ＦＤがステップＳＴ７で読み出されたマップデューティ比ＭＤより大きいか否かを判別する。回生デューティ比ＦＤの方が大きいと判定された場合にはステップＳＴ９に進む。ステップＳＴ９では回生デューティ比ＦＤをマップデューティ比ＭＤとして、ステップＳＴ１０に進む。
また、上記ステップＳＴ５で回生電流Ｉが大きいと判定された場合にはステップＳＴ１１に進み、そこでは回生電流を小さくするべく回生デューティＦＤ比を減少させ、ステップＳＴ１０に進む。なお、上記ステップＳＴ８で回生デューティ比ＦＤがマップデューティ比ＭＤいかであると判定された場合にもステップＳＴ１０に進む。
ステップＳＴ１０では回生デューティ比ＦＤが０％か否かを判別し、回生デューティ比ＦＤが０％であると判定された場合にはステップＳＴ１２に進む。この判定にあっては、回生Ｄｕｔｙ決定回路３４から回生デューティ比ＦＤが０％の信号が出力されているか否かを回生Ｄｕｔｙ判定回路４２で判定する。
ステップＳＴ１２では回生電流Ｉが目標回生電流Ｉｏより小さいか否かを判別する。回生電流Ｉの方が小さいと判定された場合にはステップＳＴ１３に進み、回生電流Ｉが目標回生電流Ｉｏ以上であると判定された場合にはステップＳＴ１４に進む。ステップＳＴ１３ではコア６ａを入れて界磁Ｆを増大させ、ステップＳＴ１４ではコア６ａを抜いて界磁Ｆを減少させる。これにより界磁Ｆの増減に応じて効率良く回生電流Ｉを目標回生電流Ｉｏに一致させることができる。
なお、上記ステップＳＴ２で電圧Ｖが電圧上限値Ｖmax以上であると判定された場合、または上記ステップＳＴ３で電流Ｉが回生電流上限値Ｉmaxより大きいと判定された場合にはフェイルセーフ処理としてステップＳＴ１４に進み、上記したようにコア６ａを抜く。これにより界磁Ｆが減少し、回生電流Ｉの増大を防止し得る。
上記ステップＳＴ１０で回生デューティ比ＦＤが０％である場合はそれ以上のデューティ制御による回転速度上昇を抑制することができない状態であることから、ステップＳＴ１０からステップＳＴ１２に進んだ場合には回転速度が無負荷回転速度より高いと判断できる。そして、ステップＳＴ１２で回生電流Ｉと目標回生電流Ｉｏとを比較して、上記したようにコアを入れたり抜いたりして、無負荷回転速度以上での好適な制御を行うことができ、それにより無負荷回転速度以上での走行が可能になる。このとき、チョッピングデューティは「０」、すなわちインバータ２１のＦＥＴは全てオフとなっている。
なお、回転速度が目標回転速度より低い場合には、ステップＳＴ４で界磁Ｆが界磁最大Ｆmaxであると判定された場合にはコア６ａが最大に入っている場合であり、その場合にはステップＳＴ５の電流Ｉの大きさに応じて回生デューティ比ＦＤの増減を行い、それに応じてＰＷＭ制御による回生を行う。このときのチョッピング周波数は一定となる。
また、回転速度の上昇中で回転速度が無負荷回転速度と一致する場合には、回生Ｄｕｔｙ決定回路３４からのチョッピングデューティが「０」になったと回生Ｄｕｔｙ判定回路４２が判定したら、ステータ位置制御回路３７によりコア６ａを抜き始める位置信号を出力すると共に、出力固定指令回路４３からチョッピングデューティを「０」に固定する指令値が出力される。回転速度の下降中で回転速度が無負荷回転速度と一致する場合には、回生電流比較回路３２からの信号により、現在電流Ｉが目標電流Ｉｏより大きくなったらコア６ａを抜く信号をステータ位置制御回路３７に出力し、現在電流Ｉが小さくなったらコア６ａを入れる信号をステータ位置制御回路３７に出力する。そして、回転速度が小さくなってコア６ａを全部入れた状態になった場合には、ステータ位置制御回路３７から出力固定指令回路４３にチョッピングデューティ「０」を解除する指令が出力される。
電動自動車の駆動輪Ｗに適用された例を示す模式的断面図である。 本発明に基づく駆動装置のブロック回路図である。 本発明に基づく制御フローを示す図である。 図３に続くフローを示す図である。
符号の説明
４ ロータ
６ ステータ、６ａ コア
９ コイル
１１ アクチュエータ
２１ インバータ
２２ 電流センサ
２３ 電圧センサ
３０ 回生電流指令回路
３２ 回生電流比較回路
３４ 回生Ｄｕｔｙ決定回路
３５ マップ
３７ ステータ位置制御回路
３８ ＰＷＭ信号生成回路
４０ 位置駆動回路
４２ 回生Ｄｕｔｙ判定回路
４３ 出力固定指令回路
ＥＣＵ 制御回路
Ｍ モータ

Claims (2)

  1. 駆動源に電動モータを用いた電動車両用駆動装置であって、
    前記モータが、ステータと、前記ステータに対して同軸かつ回転可能に設けられたロータと、前記ステータおよび前記ロータの磁束が通る面同士の距離を可変にするべく前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記ロータの軸線方向へ移動可能にする移動手段と、前記ステータと前記ロータとの一方に設けられたコイル巻線と、前記ステータと前記ロータとの他方に前記コイル巻線に対向して配設された永久磁石とを備え、
    前記ステータに対する前記ロータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記モータの駆動電流と回生電流とを制御するモータ電流制御回路と、前記電流を検出する電流検出手段と、前記モータ電流制御回路に前記電流の制御基準となるパルス幅変調された制御信号を出力する制御手段とを有するモータ駆動装置において、
    前記制御手段が、回生制御において、前記回転速度が前記モータの無負荷回転速度より高いときに、前記回生電流が回生時の上限電流よりも大きいと判定された場合には前記移動手段により前記ステータおよび前記ロータの前記距離を増大させる制御を行い、前記回生電流が無負荷回転速度時の上限電流以下と判定された場合には前記移動手段により前記ステータおよび前記ロータの前記距離を減少させる制御を行うことを特徴とする電動車両用駆動装置。
  2. 前記制御手段が、前記パルス幅変調された制御信号のデューティ比を決定するデューティ信号を出力する回生デューティ決定回路と、前記ステータおよび前記ロータの前記距離を増大させる制御を行うときに前記回生デューティ決定回路により前記デューティ比が０となる前記デューティ信号を出力させる出力固定指令信号を前記回生デューティ決定回路に出力する出力固定指令回路とを有することを特徴とする請求項１に記載の電動車両用駆動装置。
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