JP2010136583A - 電動機のトルク制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機のトルク制御をおこないつつ電動機の運転状態を適切に制御する。
【解決手段】電動機のトルク制御装置１０は、モータ１１から出力されるモータトルクＴｍのうち負荷に作用する負荷トルクＴｌの目標値である設定トルクＴｍｃを生成する設定トルク発生器２１と、負荷トルク分電流Ｉｔｌに応じたトルク推定値Ｔｔｌを推定する外乱トルクオブザーバ３４および電流−トルク監視器３７と、トルク推定値Ｔｔｌが設定トルクＴｍｃに収束するように制御をおこなう電流制御器２６および速度制御器３３とを備え、速度制御器３３は、モータ１１の実回転速度ωｍが所定の回転速度変化特性に応じて変化するようにして回転速度制御をおこなう。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機のトルク制御装置に関する。

従来、例えば車両駆動用の電動機と車輪との間に設けられて動力を断接するクラッチと、クラッチ締結用の油圧を蓄圧するアキュームレータと、このアキュームレータに油圧を供給する電動オイルポンプとを備え、圧力検出手段によりアキュームレータの圧力が所定値以上になるようにして電動オイルポンプの運転を制御する車両の制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−５４２７９号公報

ところで、上記従来技術に係る車両の制御装置においては、モータは単に所望のトルクを出力するようにして駆動制御されるだけであり、モータの駆動装置はモータの運転状態とアキュームレータの圧力との対応関係を把握していないことから、例えば油圧回路での漏れなどの異常が発生した場合であっても、アキュームレータの圧力を増大させるようにしてモータの回転数が過剰に増大されてしまう虞があり、制御装置全体として適切な運転状態であるか否かを把握することができないという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電動機のトルク制御をおこないつつ電動機の運転状態を適切に制御することが可能な電動機のトルク制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係る電動機のトルク制御装置は、電動機への通電を制御する通電制御手段（例えば、実施の形態でのモータ駆動装置２７）と、前記電動機から出力されるトルクのうち負荷に作用する負荷トルクに対するトルク指令値を生成するトルク指令値生成手段（例えば、実施の形態での設定トルク発生器２１）と、前記負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段（例えば、実施の形態での外乱トルクオブザーバ３４および電流−トルク監視器３７）と、前記負荷トルク推定手段により推定された前記負荷トルクが前記トルク指令値生成手段により生成された前記トルク指令値に収束するように制御をおこなう制御手段（例えば、実施の形態での電流制御器２６および速度制御器３３）とを備え、前記制御手段は、前記電動機の回転速度が所定の回転速度変化特性に応じて変化するようにして回転速度制御をおこなう。

本発明の第２態様に係る電動機のトルク制御装置は、前記負荷トルク推定手段により推定された前記負荷トルクが前記トルク指令値生成手段により生成された前記トルク指令値に収束したか否かを判定する判定手段（例えば、実施の形態でのトルク到達判定器３８）と、前記判定手段の判定結果において前記負荷トルクが前記トルク指令値に収束したと判定された場合に、前記電動機の回転速度が所定範囲以内であるか否かに応じて異常の有無を判定する異常判定手段（例えば、実施の形態での異常判定器３９）とを備える。

本発明の第１態様に係る電動機のトルク制御装置によれば、電動機のトルクを制御しつつ回転速度の回転速度変化特性を制御することから、制御装置全体としての制御安定性を向上させることができる。
本発明の第２態様に係る電動機のトルク制御装置によれば、制御装置全体としての異常の有無を適切に判定することができ、電動機の回転速度が過剰に増大するなどの不具合の発生を防止することができる。

以下、本発明の電動機のトルク制御装置の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施形態による電動機のトルク制御装置１０（以下、単に、トルク制御装置１０と呼ぶ）はモータ１１のトルクを制御し、例えば図１に示すように、設定トルク発生器２１と、トルク−電流変換器２２と、指令電流出力部２３と、ローパスフィルタ２４と、電流偏差算出部２５と、電流制御器２６と、モータ駆動装置２７と、指令速度発生器３１と、速度偏差算出部３２と、速度制御器３３と、外乱トルクオブザーバ３４と、負荷トルク電流出力部３５と、指令電流発生器３６と、電流−トルク監視器３７と、トルク到達判定器３８と、異常判定器３９とを備えて構成されている。

設定トルク発生器２１は、モータ１１から出力されるトルクのうち、モータ１１の加速度に寄与する加速度トルク以外であってモータ１１により駆動される負荷に作用する負荷トルクＴｌに対し、この負荷トルクＴｌの目標値である設定トルクＴｍｃを出力する。例えばモータ１１が電動オイルポンプに具備される場合には、電動オイルポンプによる油圧の発生に寄与するトルクが負荷トルクとなる。

トルク−電流変換器２２は、設定トルク発生器２１から出力される設定トルクＴｍｃを、設定トルクＴｍｃに応じた電流値Ｉｔｍｃに変換する。
指令電流出力部２３は、例えば図２に示すように、トルク−電流変換器２２から出力される電流値Ｉｔｍｃの値および異符号の値を指令電流Ｉｍｃｃに対する上限値および下限値として、指令電流発生器３６から出力される指令電流Ｉｍｃに対してリミット処理をおこない、指令電流Ｉｍｃｃを生成する。なお、電流値Ｉｔｍｃの異符号の値は、システムを考慮した任意の値が設定されてもよい。

ローパスフィルタ２４は、例えばモータ１１が接続される駆動力伝達系での共振を除去するようにして、指令電流Ｉｍｃｃの高周波成分を除去する。
電流偏差算出部２５は、ローパスフィルタ２４から出力される指令電流Ｉｍｃｃと、モータ１１に通電される実電流を検出あるいは推定して出力する実電流出力部４１から出力される実電流Ｉｍとの電流偏差ΔＩｍ（＝Ｉｍｃｃ−Ｉｍ）を算出する。

電流制御器２６は、電流偏差算出部２５から出力される電流偏差ΔＩｍを、例えばＰＩ（比例・積分）動作などにより制御増幅して、電圧指令Ｖｃを演算する。
モータ駆動装置２７は、例えば、指令電流Ｉｍｃｃに応じた電流をモータ１１に通電するためのインバータなどを具備し、電流制御器２６から出力される電圧指令Ｖｃに基づきインバータを駆動して、モータ１１を制御する。

指令速度発生器３１は、モータ１１の実回転速度ωｍに対する指令値として、所定の回転速度変化特性（例えば、一定加速度による回転速度変化特性、１次遅れ応答特性など）に応じた指令回転速度ωｍｃを出力する。
速度偏差算出部３２は、指令速度発生器３１から出力される指令回転速度ωｍｃと、角度センサ４２から出力されるモータ１１の回転角（所定の基準回転位置からのロータの磁極の回転角度）に応じた実回転速度ωｍとの速度偏差Δωｍを算出する。
速度制御器３３は、速度偏差算出部３２から出力される速度偏差Δωｍを、例えばＰＩ（比例・積分）動作などにより制御増幅して、指令電流Ｉｍａを演算する。

外乱トルクオブザーバ３４は、図３に示すように、例えば０次外乱オブザーバであって、実電流出力部４１から出力される実電流Ｉｍと角度センサ４２から出力される実回転速度ωｍとに応じて、モータ１１のトルク定数Ｋｔとモータ１１の慣性モーメントＪとラプラス演算子ｓと外乱オブザーバゲインｇｄとに基づき、負荷トルクＴｌに対応する負荷トルク分電流Ｉｔｌを演算する。

負荷トルク電流出力部３５は、外乱トルクオブザーバ３４から出力される負荷トルク分電流Ｉｔｌまたは所定値（例えば、ゼロなど）の何れかを選択して、新たに負荷トルク分電流Ｉｔｌとして出力する。
指令電流発生器３６は、速度制御器３３から出力される指令電流Ｉｍａと、負荷トルク電流出力部３５から出力される負荷トルク分電流Ｉｔｌとを加算して、指令電流Ｉｍｃを演算する。

電流−トルク監視器３７は、外乱トルクオブザーバ３４から出力される負荷トルク分電流Ｉｔｌを、負荷トルク分電流Ｉｔｌに応じたトルク推定値Ｔｔｌに変換する。
トルク到達判定器３８は、電流−トルク監視器３７から出力されるトルク推定値Ｔｔｌと、設定トルク発生器２１から出力される設定トルクＴｍｃに基づき、トルク推定値Ｔｔｌが設定トルクＴｍｃに収束したか否かを判定する。

異常判定器３９は、トルク到達判定器３８の判定結果においてトルク推定値Ｔｔｌが設定トルクＴｍｃに収束したと判定された場合に、角度センサ４２から出力される実回転速度ωｍが所定正常範囲以内であるか否かを判定し、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、負荷（例えば、油圧回路）が正常であると判定し、一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、負荷（例えば、油圧回路）が異常であると判定する。
また、異常判定器３９は、モータ１１の実回転速度ωｍが所定速度に到達した時点でのトルク推定値Ｔｔｌが、所定の正常トルク範囲内であるか否かを判定し、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、負荷（例えば、油圧回路）が正常であると判定し、一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、負荷（例えば、油圧回路）が異常であると判定する。

本実施の形態による電動機のトルク制御装置１０は上記構成を備えており、次に、このトルク制御装置１０の動作について説明する。

例えば図４に示すように、モータ１１の動作が正常である場合には、適宜の初期トルク値Ｔｌｉｎｉｔの負荷トルクＴｌに対応するモータトルクＴｍがモータ１１から出力されていることに伴いトルク推定値Ｔｔｌが初期トルク値Ｔｌｉｎｉｔになっている時刻ｔ１において、適宜の設定トルクＴｍｃが出力されると、この時刻ｔ１以降において負荷トルクＴｌおよびモータトルクＴｍは設定トルクＴｍｃに収束するようにして増大傾向に変化し、トルク推定値Ｔｔｌも設定トルクＴｍｃに収束するようにして増大傾向に変化する。
このとき、所定の回転速度変化特性として、例えば所定の一定加速度での回転速度の増大が設定されていると、指令回転速度ωｍｃは所定の一定加速度で増大し、これに伴い、実回転速度ωｍは指令回転速度ωｍｃに追従するようにして所定の一定加速度で増大傾向に変化する。そして、このように実回転速度ωｍが所定の一定加速度で増大する場合には、モータトルクＴｍは一定の加速度トルクだけ負荷トルクＴｌよりも大きい値を維持した状態で増大傾向に変化する。

例えばモータ１１が電動オイルポンプに具備される場合には、電動オイルポンプによる油圧の発生に寄与するトルクが負荷トルクＴｌとなり、電動オイルポンプを備える油圧回路での作動油の流速はモータ１１の実回転速度ωｍに応じた値となる。そして、正常状態の油圧回路において作動油の流速と油圧との対応関係が既知であれば、実際の油圧が所定の目標油圧に到達した際に作動油の流速が取り得る正常流速範囲が既知となる。
そして、負荷トルクＴｌが設定トルクＴｍｃに近づくにつれて油圧が目標油圧に近づき、作動油の流速が正常流速範囲に近づくことから、実回転速度ωｍの増大つまり所定の一定加速度での増大は鈍くなり、加速度トルクが減少することで、モータトルクＴｍと負荷トルクＴｌとが収束するようになる。
そして、負荷トルクＴｌおよびモータトルクＴｍが設定トルクＴｍｃに一致した時刻ｔ２においては、トルク推定値Ｔｔｌも設定トルクＴｍｃに一致する。このとき、モータ１１の実回転速度ωｍは、油圧回路での作動油の流速が取り得る正常流速範囲に応じた所定正常範囲以内の値となる。なお、このモータ１１の実回転速度ωｍに対する所定正常範囲は、指令回転速度ωｍｃの上限値よりも小さな値の範囲に設定され、指令回転速度ωｍｃの上限値ωｕは、例えばモータ１１あるいは負荷（例えば、電動オイルポンプなど）の動作に異常が生じない程度の値とされる。

一方、例えば油圧回路の異常などに起因して負荷トルクＴｌが異常である場合には、図５に示すように、負荷トルクＴｌおよびモータトルクＴｍおよびトルク推定値Ｔｔｌが設定トルクＴｍｃに一致した時刻ｔ２において、モータ１１の実回転速度ωｍが所定正常範囲よりも小さくなったり、図６に示すように、負荷トルクＴｌおよびモータトルクＴｍおよびトルク推定値Ｔｔｌが設定トルクＴｍｃに一致した時刻ｔ２において、モータ１１の実回転速度ωｍが所定正常範囲よりも大きくなる。
これにより、トルク到達判定器３８の判定結果においてトルク推定値Ｔｔｌが設定トルクＴｍｃに収束したと判定された場合に、回転速度演算器３０から出力される実回転速度ωｍが所定正常範囲以内で無ければ、油圧回路が異常であると判定される。

また、例えば油圧回路の異常などに起因して負荷トルクＴｌが過小である場合には、例えば図７に示すように、モータ１１の実回転速度ωｍが指令回転速度ωｍｃの上限値に到達するまで増大する。このため、モータ１１の実回転速度ωｍが所定速度に到達した時点でのトルク推定値Ｔｔｌが、所定の正常トルク範囲内で無ければ、油圧回路が異常であると判定される。

上述したように、本実施形態による電動機のトルク制御装置１０によれば、モータ１１の負荷トルクＴｌのトルク推定値Ｔｔｌを演算し、このトルク推定値Ｔｔｌが設定トルクＴｍｃに収束したか否かを監視しつつモータ１１のモータトルクＴｍを制御すると共に実回転速度ωｍの回転速度変化特性を制御することから、制御装置全体としての制御安定性を向上させることができる。
さらに、モータ１１の負荷トルクＴｌのトルク推定値Ｔｔｌに対応する負荷トルク分電流Ｉｔｌを、指令電流Ｉｍａにフィードバックすることから、負荷トルクＴｌが急激に変動することを防止することができる。
しかも、トルク推定値Ｔｔｌが設定トルクＴｍｃに収束した際の実回転速度ωｍが所定正常範囲以内であるか否かを判定することで負荷（例えば、油圧回路）の異常の有無を適切に判定することができる。
さらに、負荷トルクＴｌが過小であったとしても、モータ１１の実回転速度ωｍは指令回転速度ωｍｃの上限値に到達するまで制御されることから、負荷（例えば、油圧回路）が異常であるか否かを判定することができると共に、モータ１１の実回転速度ωｍが過剰に増大するなどの不具合の発生を防止することができる。

なお、上述した実施の形態においては、モータ１１は電動オイルポンプに具備され、負荷トルクＴｌが電動オイルポンプによる油圧の発生に寄与するとしたが、これに限定されず、電動オイルポンプ以外の他の負荷に作用する負荷トルクＴｌに対してトルク制御をおこなってもよい。

なお、上述した実施の形態においては、例えば角度センサ４２を省略して、モータ１１の磁極位置を推定する磁極位置推定装置を備えてもよい。
なお、上述した実施の形態においては、実電流出力部４１として、例えば３相交流のブラシレスＤＣモータからなるモータ１１に通電される各相電流を直接的に検出する相電流センサを備えてもよい。あるいは、相電流センサの代わりに、モータ駆動装置２７のインバータのブリッジ回路とバッテリなどの電源の負極側端子あるいは正極側端子との間においてインバータのブリッジ回路の直流側電流を検出する直流側電流センサを設けてもよい。この場合には、直流側電流センサから出力される検出信号と、モータ駆動装置２７のインバータに入力されるゲート信号とに基づき各相電流を推定すればよい。
なお、上述した実施の形態において、モータ１１は、例えば３相交流のブラシレスＤＣモータ、あるいは、他の種類のモータであってもよい。

本発明の実施形態に係る電動機のトルク制御装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る指令電流Ｉｍｃと指令電流Ｉｍｃｃとの対応関係を示すグラフ図である。 本発明の実施形態に係る外乱トルクオブザーバの構成図である。 本発明の実施形態に係るモータの動作が正常である場合の回転速度およびトルクおよびトルク推定値Ｔｔｌの時間変化の一例を示すグラフ図である。 本発明の実施形態に係るモータの動作が異常である場合の回転速度およびトルクおよびトルク推定値Ｔｔｌの時間変化の一例を示すグラフ図である。 本発明の実施形態に係るモータの動作が異常である場合の回転速度およびトルクおよびトルク推定値Ｔｔｌの時間変化の一例を示すグラフ図である。 本発明の実施形態に係るモータの動作が異常である場合の回転速度およびトルクおよびトルク推定値Ｔｔｌの時間変化の一例を示すグラフ図である。

符号の説明

１０ 電動機のトルク制御装置
１１ モータ
２１ 設定トルク発生器（トルク指令値生成手段）
２６ 電流制御器（制御手段）
２７ モータ駆動装置（通電制御手段）
３３ 速度制御器（制御手段）
３４ 外乱トルクオブザーバ（負荷トルク推定手段）
３７ 電流−トルク監視器（負荷トルク推定手段）
３８ トルク到達判定器（判定手段）
３９ 異常判定器（異常判定手段）

Claims (2)

1. 電動機への通電を制御する通電制御手段と、
   前記電動機から出力されるトルクのうち負荷に作用する負荷トルクに対するトルク指令値を生成するトルク指令値生成手段と、
   前記負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段と、
   前記負荷トルク推定手段により推定された前記負荷トルクが前記トルク指令値生成手段により生成された前記トルク指令値に収束するように制御をおこなう制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記電動機の回転速度が所定の回転速度変化特性に応じて変化するようにして回転速度制御をおこなうことを特徴とする電動機のトルク制御装置。
2. 前記負荷トルク推定手段により推定された前記負荷トルクが前記トルク指令値生成手段により生成された前記トルク指令値に収束したか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段の判定結果において前記負荷トルクが前記トルク指令値に収束したと判定された場合に、前記電動機の回転速度が所定範囲以内であるか否かに応じて異常の有無を判定する異常判定手段と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の電動機のトルク制御装置。

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