JP2012200051A - 車両用モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の共振周波数を解消できる車両用モータ制御装置を提供する。
【解決手段】各種センサ７からの車両の状態量に応じて第１のトルク指令値Ｔｒｅｆを生成する車両制御装置１と、走行用モータ３の電気角ωから検知できるトルクリプル成分の中で車両共振を発生させる周波数成分を車両共振成分抽出フィルタ２４で抽出し、その周波数成分に対してフィードバック制御を行うための共振補償値である第２のトルク指令値Ｔｃｍｐを生成する車両共振補償演算部２３と、第１のトルク指令値Ｔｒｅｆから第２のトルク指令値Ｔｃｍｐを減算してトルク指令値Ｔｒｅｆ＿ｃｍｐを生成する加算器２０とを備え、当該トルク指令値により走行用モータ３を制御する。これにより、走行用モータ３のトルクリプルによる車両の共振が抑制できる。
【選択図】図１

Description

この発明は車両用モータ制御装置に関し、特に、自動車等の車両の駆動源となるモータ（電動機、回転電機）を制御するための車両用モータ制御装置に関する。

車両の駆動源として、モータを備える電気自動車、あるいは、内燃機関とモータの両方を備えるハイブリッド自動車において、モータ駆動時に発生するトルクリプル（あるいはトルクリップル、トルク脈動）などの振動源が車両のサスペンションなどの弾性系の共振を発生させる事が知られている。この共振によって車両に振動や騒音が発生し、搭乗者のフィーリングが悪化するという問題があった。

このようなモータのトルクリプルなどの振動源に起因する車両の共振対策として、例えば、特許文献１では、モータの回転情報を用いてトルクリプルを抑制する方向にトルク補償を行なうものが提案されている。

また、特許文献２では、モータへの出力指令値とモータの回転数からモータトルク指令値を算出すると、モータの回転変動に応じたトルクリプルが発生する事となるため、当該トルクリプルを抑えるために、モータ回転数に応じて決定した時定数を用いて、１次遅れフィルタにより、モータトルク指令値のトルクリプル成分を抑制するものが提案されている。

特開平１０−２３６１４号公報 特開２００７−２２１８９６号公報

ここで、車両の共振とは、上記のトルクリプルなどの振動源により車両全体が固有振動を起こすことを指す。車両の共振周波数は、車両の重量とサスペンションなどの弾性系のバネ定数および粘性係数によって定まる固有周波数である。すなわち、車両によって一意に決まる共振の固有周波数に対してトルクリプルなどの振動源の周波数成分が重なった場合に、車両の共振として表れる（図４参照）。

特許文献１は車両の共振周波数以外の周波数成分に対してもトルクリプルの補正を行なうため、結果的に車両としての振動や騒音の原因にならないトルクリプル成分に対しても補正を行なっていることになる。この補正制御により、余計な高調波成分が発生し、新たな振動や騒音が発生する可能性があるという問題点がある。

特許文献２はモータへの出力指令値とモータの回転数からモータのトルク指令を算出しているため、モータへのトルク指令によりモータを駆動させるシステムには不適であるという問題や、トルク補正に一次遅れフィルタを用いるため、結果的に車両としての振動や騒音の原因にならなないトルクリプル成分に対しても補正を行なっているという問題点がある。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、モータのトルクリプルなどの振動源に起因する車両の共振を解消できる車両用モータ制御装置を提供することを目的としている。

この発明は、車両に搭載された走行用モータを制御するための車両用モータ制御装置であって、前記車両に設けられた１以上の各種センサからの車両の状態量に応じて、前記走行用モータを駆動制御するための第１のトルク指令値を生成する第１のトルク生成部と、前記車両用モータ駆動時に発生する前記車両の振動源の周波数成分のうちの前記車両の共振を発生させる周波数成分を抽出して、抽出した前記周波数成分に基づいて、前記第１のトルク指令値に対する共振補償値としての第２のトルク指令値を生成する第２のトルク生成部と、前記第１のトルク生成部で生成された前記第１のトルク指令値から前記第２のトルク生成部で生成された前記第２のトルク指令値を減算して、前記走行用モータの駆動トルク指令値として出力する、駆動トルク生成部とを備え、前記駆動トルク指令値に基づいて前記走行用モータを駆動することを特徴とする車両用モータ制御装置である。

この発明は、車両に搭載された走行用モータを制御するための車両用モータ制御装置であって、前記車両に設けられた１以上の各種センサからの車両の状態量に応じて、前記走行用モータを駆動制御するための第１のトルク指令値を生成する第１のトルク生成部と、前記車両用モータ駆動時に発生する前記車両の振動源の周波数成分のうちの前記車両の共振を発生させる周波数成分を抽出して、抽出した前記周波数成分に基づいて、前記第１のトルク指令値に対する共振補償値としての第２のトルク指令値を生成する第２のトルク生成部と、前記第１のトルク生成部で生成された前記第１のトルク指令値から前記第２のトルク生成部で生成された前記第２のトルク指令値を減算して、前記走行用モータの駆動トルク指令値として出力する、駆動トルク生成部とを備え、前記駆動トルク指令値に基づいて前記走行用モータを駆動することを特徴とする車両用モータ制御装置であるので、モータのトルクリプルなどの振動源に起因する車両の共振を解消でき、共振により発生する振動や騒音を抑え、搭乗者に快適なフィーリングを与えることができる。

この発明の実施の形態１に係る車両用モータ制御装置を含む車両システムの全体構成を示した全体構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用モータ制御装置における車両共振成分を抽出する一次進み遅れフィルタをグラフで示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用モータ制御装置での車両共振補償に関するフィードバック処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る車両の共振周波数とモータのトルクリプル等の振動周波数の関係を表す説明図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る車両用モータ制御装置を添付図面に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態１に係る車両用モータ制御装置の全体構成を示す図であり、好ましい形態の１つを示している。

本実施の形態で説明する車両は電気自動車（ＥＶ）であり、全体構成を図１に示す。なお、本発明が適用される車両は電気自動車だけではなく、内燃機関とモータの両方を備えるハイブリッド自動車でもよい。また、電気自動車の場合は、モータは１つではなく、各車輪にモータを備えるインホイールモータにしてもよい。

図１に示すように、この発明の実施の形態１に係る車両用モータ制御装置２（以下、単に、モータ制御装置２とする。）には、車両制御装置１と、バッテリ８と、走行用モータ３（電動機）とが接続されている。この発明のモータ制御装置２は、モータ駆動時に発生するトルクリプル（あるいは、トルクリップル、トルク脈動）などの振動源の周波数成分の中の車両共振を発生させる周波数成分を抽出し、その周波数成分に対してフィードバック制御を行い、車両用モータの振動源による車両の共振を抑制するためのものである。

走行用モータ３には、モータ電気角センサ４（レゾルバ）が設けられており、走行用モータ３の電気角が検出される。また、走行用モータ３はトランスミッション（Ｔ／Ｍ）５を介して駆動輪６に接続され、駆動輪６は走行用モータ３のトルクによって回転され、地面からの反力によって車両は推進力を得ることができる。ここでトランスミッション５は単なる減速機でもよいし、数段の減速比を変更できる機構を備えた変速機でもよい。

モータ制御装置２内には、加算器２０と、電流指令演算部２１と、インバータ２２と、車両共振補償演算部２３とが設けられている。また、車両共振補償演算部２３内には、車両共振成分抽出フィルタ２４と、ゲイン関数部２５と、リミッタ２６とが設けられている。なお、車両共振成分抽出フィルタ２４は、１次進み遅れフィルタから構成されている。

車両制御装置１には、各種センサ７が接続されており、車両の各状態量を検知する。ここでは、各種センサ７として、ドライバーのアクセルペダルの踏み込み量を検知するアクセルポジションセンサ（図示せず）、ブレーキペダルの踏み込み量を検知するブレーキポジションセンサ（図示せず）、車両の速度を検知する車速センサ（図示せず）が接続され、車両制御装置１ではこれらのドライバーからのアクセルやブレーキの入力量と車速に応じて、モータ制御装置２へのトルク指令値を決定し、当該トルク指令値を、第１のトルク指令Ｔｒｅｆとして出力する。なお、この第１のトルク指令値の計算方法は、通常用いられている一般的な周知の技術のうちのいずれかを用いればよいため、ここではその説明を省略する。なお、ここでは、各種センサ７として、アクセルポジションセンサ、ブレーキポジションセンサ、および、車速センサの３つのセンサが設けられていると説明したが、その場合に限らず、センサの個数は３以上でも３より多くてもよく、また、センサの種別もここに記載したもの以外でもよい。

モータ制御装置２では、まず、車両共振補償演算部２３で、車両の共振に伴う振動を抑制するための共振補償値の算出を行ない、当該共振補償値を第２のトルク指令Ｔｃｍｐとして出力する。次に、加算器２０により、上記の車両制御装置１により算出された第１のトルク指令から当該第２のトルク指令が減算されて、それらのトルク指令の差が算出される。当該加算器２０からの出力は、電流指令演算部２１でｄｑ軸変換および３相変換されて、それに基づき、バッテリ８からの直流成分が所望の３相交流波形を出力するようにインバータ２２内のパワースイッチング素子（図示せず）が駆動され、走行用モータ３の駆動制御が行われる。

ここで、図４を用いて、トルクリプルと車両の共振の関係について説明する。トルクリプルは、基本的に電圧の高調波成分などによって発生するものであり、一般的にモータ周波数の６ｆ成分が多いとされる。そのため、モータ回転数によってトルクリプルの周波数は変化し、さらにモータ形状、巻き線方式などによっても、トルクリプルの周波数は変化する。

一方、車両の共振とは、トルクリプルなどの振動源により車両全体が固有振動を起こすことを指す。車両の共振周波数は、車両の重量とサスペンションなどの弾性系のバネ定数および粘性係数によって定まる固有周波数である。すなわち、車両によって一意に決まる共振の固有周波数に対して、モータのトルクリプルなどの振動源の周波数成分が重なった場合に、車両の共振が現れる（図４の左図参照）。一方、車両の共振の固有周波数に対して、トルクリプル等の振動源の周波数成分が重ならない場合には、車両の共振は現れない（図４の右図参照）。

モータのトルクリプルはモータのトルクが脈動することを意味しており、モータ回転数に影響するため、逆に考えると、モータの電気角によってモータのトルクリプル成分を特定することができる。車両共振補償演算部２３では、基本的には、モータ電気角によるフィードバック制御によりトルク補償を行い、車両の共振に関するトルクリプル成分を除去する。当該制御は、所定の短時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。

次に、このトルク補償値の演算ルーチンについて、図３のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ２０１で、車両共振補償演算部２３に対して、走行用モータ３に設けられたモータ電気角センサ４からモータの電気角ωが入力される。なお、ここでは、走行用モータ３の駆動状態（データ）として、モータの電気角ωがモータ電気角センサ４から入力される例について説明したが、その場合に限定されず、例えば、電気角ω、モータ速度、モータトルク、モータ電流、モータ電流等から推定されるモータ電気角、あるいは、モータトルク等から推定されるモータ速度のうちの少なくともいずれか１つを、走行用モータ３の駆動状態（データ）として用いてもよい。

次に、ステップＳ２０２では、車両共振成分抽出フィルタ２４にて、モータの電気角ωから車両の共振周波数成分を抜き出したωｆｉｌを算出する。車両共振成分抽出フィルタ２４は、次式（１）に示す、進み遅れ要素の伝達特性Ｇ（ｓ）を持つ。

Ｇ（ｓ）＝（τ２ｓ＋１）／（τ1ｓ＋１） （１）

ここで、ｓはラプラス演算子である。τ１とτ２は時定数であり、それぞれ、次式（２），（３）で表される。

τ１＝１／２・π・ｆｍａｘ （２）
τ２＝１／２・π・ｆｍｉｎ （３）

ここで、図２に示す通り、ｆｍｉｎは車両共振周波数の最小値、ｆｍａｘは車両共振周波数の最大値であり、車両共振成分抽出フィルタ２４は、車両の共振周波数帯域（またはその近傍も含む）の周波数成分を持つ信号を抽出することを目的としている。例えば、車両共振成分抽出フィルタ２４は、ｆｍｉｎは８Ｈｚ、ｆｍａｘは２５Ｈｚと設定したとき、それらの値を用いて、上式（２），（３）の演算により時定数τ１およびτ２を決定し、８Ｈｚから２５Ｈｚまでの周波数成分のみを抽出する。

ここで、車両共振周波数の最小値ｆｍｉｎおよび車両共振周波数の最大値ｆｍａｘ（すなわち、時定数τ１およびτ２）は固定としてもよいが、車両の状態により可変としてもよい。すなわち、車両が加速度センサなどの振動検出手段（図示せず）を車両共振周波数検出手段として持ち、検出された加速度の値により、実際発生している車両共振周波数を検出し、それに応じて、車両共振周波数の最小値ｆｍｉｎおよび車両共振周波数の最大値ｆｍａｘ（すなわち、時定数τ１およびτ２）を変更することで、予期せぬ外的要因により車両共振が発生した場合も共振を抑制することが可能になる。

また、加速度センサなどの振動検出手段がない場合も、弾性系とともに共振周波数を決める要素である車両重量や路面の勾配によって車両の共振周波数が変わることは自明であるため、車両共振周波数検出手段として、車両重量や路面の勾配を検出する手段（センサ）を備え、当該検出値に基づいて、車両共振周波数の最小値ｆｍｉｎおよび車両共振周波数の最大値ｆｍａｘ（すなわち、時定数τ１およびτ２）を変更することで、共振を抑えるようにしてもよい。

例えば、車両重量が増加した場合は、車両共振周波数が低くなるため、車両共振周波数の最小値ｆｍｉｎおよび車両共振周波数の最大値ｆｍａｘを低く設定する必要がある。また、路面の勾配により共振源となる弾性系にかかる重量が増加した場合にも同様に車両共振周波数の最小値ｆｍｉｎおよび車両共振周波数の最大値ｆｍａｘを低く設定する必要がある。これらの車両重量や勾配のセンサ（図示せず）によって、車両共振周波数の最小値ｆｍｉｎおよび車両共振周波数の最大値ｆｍａｘを自動的に変更する構成をとった場合は、より効果的に車両の共振を抑制することが可能になる。

次に、ステップＳ２０３では、ゲイン関数部２５にて、車両共振成分抽出フィルタ２４で抽出された周波数成分ωｆｉｌと予め設定されたゲインｋによって、以下の計算を行い、Ｔｆｉｌを求める。

Ｔｆｉｌ＝ｋ・ωｆｉｌ （４）

次に、Ｓ２０４では、リミッタ２６にて、車両共振補償成分の調整を行なう。リミッタ２６の主目的は、予期せぬ外乱によりモータ角速度に大きな値が発生し、制御への悪影響を与えるのを防止する事である。リミッタ２６は、車両共振補償演算部２３で生成する車両の共振に伴う振動を抑制するための共振補償値である第２のトルク指令値に上下限値を設けるためのものである。すなわち、リミッタ２６は、ゲイン関数部２５で生成されたＴｆｉｌの値が所定の上限値以上である場合には、当該Ｔｆｉｌの値を当該上限値で置き換え、ゲイン関数部２５で生成されたＴｆｉｌの値が所定の下限値以下である場合には、当該Ｔｆｉｌの値を当該下限値で置き換える操作を行う。

リミッタ２６の動作としては、他の例でもよい。一般に、車両共振周波数は低周波数であるため、振動源に起因した車両の共振は、振動源の周波数が低周波数つまり低車速域でのみ発生する特徴をもつ。このため、車速センサ（図示せず）から得られる車速情報に基づき、共振補償を低車速側のみで行なうに動作するリミッタ２６を持つようにしてもよい。具体的には、リミッタ２６が、車両に設けられた車速センサからの信号を入力する車両の速度入力部を備え、前記車速に応じて、リミッタ２６により、第２のトルク指令値の加算器２０への出力のＯＮ／ＯＦＦ（実施／非実施）を切り替えるようにしてもよい。すなわち、前記車速が予め設定された所定の閾値以上であれば、第２のトルク指令値Ｔｃｍｐの加算器２０への出力は行わずに、共振補償を行わない車両制御装置１で生成したままの第１のトルク指令値Ｔｒｅｆで走行用モータ３の制御を行い、一方、前記車速が予め設定された所定の閾値未満であれば、第２のトルク指令値を加算器２０に対して出力し、それにより、第１のトルク指令値の補償を行って、共振補償後のトルク指令値Ｔｒｅｆ＿ｃｍｐで、走行用モータ３の駆動を制御するようにしてもよい。あるいは、リミッタ２６で車速による切り替えをおこなわずに、車両共振補償演算部２３で切り替えるようにしてもよい。すなわち、車両共振補償演算部２３が、車両に設けられた車速センサからの信号を入力する車両の速度入力部を備え、前記車速に応じて、車両共振補償演算部２３による第２のトルク指令値の生成動作のＯＮ／ＯＦＦ（実施／非実施）を切り替えるようにしてもよい。すなわち、前記車速が予め設定された所定の閾値以上であれば、第２のトルク指令値Ｔｃｍｐの生成は行わず、一方、前記車速が予め設定された所定の閾値未満であれば、車両共振補償演算部２３が第２のトルク指令値Ｔｃｍｐを生成するようにしてもよい。

次に、ステップＳ２０５では、リミッタ２６による演算後の数値を、トルク補償値として用いるための第２のトルク指令値Ｔｃｍｐに決定する。

ステップＳ２０６では、加算器２０により、車両共振補償演算２３で算出された共振補償値Ｔｃｍｐ（第２のトルク指令値）は、車両制御装置１から入力されるトルク指令値Ｔｒｅｆ（第１のトルク指令値）と、以下の計算式（５）により、共振補償後のトルク指令値Ｔｒｅｆ＿ｃｍｐを算出する。

Ｔｒｅｆ＿ｃｍｐ
＝Ｔｒｅｆ（第１のトルク指令値） − Ｔｃｍｐ（第２のトルク指令値） （５）

図３のトルク補償値の演算ルーチンにより、こうして、トルクリプル補償後のトルク指令値Ｔｒｅｆ＿ｃｍｐが求められると、次に、電流指令演算部２１で、当該トルクリプル補償後のトルク指令値Ｔｒｅｆ＿ｃｍｐを元に、ｄｑ軸変換、３相変換などの各種の演算を行い、３相交流の制御を決定し、バッテリ８からの直流成分を所望の３相交流波形を出力するようインバータ２２内のパワースイッチング素子（図示せず）を動かし、走行用モータ３を駆動させる。

走行用モータ３はトランスミッション５を介して駆動輪６に接続され、駆動輪６は走行用モータ３のトルクによって回転され、地面からの反力によって車両は推進力を得ることができる。ここでトランスミッションは単なる減速機でもよいし、数段の減速比を変更できる機構を備えた変速機でもよい。

以上のように、本実施の形態によると、各種センサ７からの車両の状態量に応じて第１のトルク指令値Ｔｒｅｆを生成する車両制御装置１と、走行用モータ３の電気角ωなどのモータ駆動状態から検知できるトルクリプルなどの振動源成分の中で車両共振を発生させる周波数成分を車両共振成分抽出フィルタ２４で抽出し、その周波数成分に対してフィードバック制御を行うための共振補償値である第２のトルク指令値Ｔｃｍｐを生成する車両共振補償演算部２３と、第１のトルク指令値Ｔｒｅｆから第２のトルク指令値Ｔｃｍｐを減算してトルク指令値Ｔｒｅｆ＿ｃｍｐを生成する加算器３０とを備え、当該トルク指令値により走行用モータ３を制御するようにしたので、モータの角速度ωなどのモータ駆動状態から得られるトルクリプルなどの振動源の中で車両の共振周波数成分をフィードバック制御し、車両の共振周波数を解消でき、共振によって車両に発生する振動や騒音を抑え、搭乗者に快適なフィーリングを与えることが可能な、好適な車両用モータ制御装置を提供できる。

なお、上記の説明においては、車両共振補償演算部２３や電流指令演算部２１に関する演算を行なう制御部とインバータ部は一体で説明を行なったが、制御部とインバータ部を別体としてもよい。すなわち、インバータ２２を、モータ制御装置２の外部に設けるようにしてもよい。

また、走行用モータ３は３相交流モータで、永久磁石式でも誘導モータでもよいし、トルクリプルの発生しうる全てのモータに適用可能である。これらの場合も、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、車両共振成分抽出フィルタ２４は１次進み遅れフィルタを用いて説明を行なったが、２次のフィルタでもよく、共振周波数近傍の信号を抽出する事ができる公知のフィルタが適用可能である。この場合、より周波数を限定して制御が可能である。

以上、本発明の実施の形態を詳述したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能である。

１ 車両制御装置、２ モータ制御装置、３ 走行用モータ（電動機）、４ モータ電気角センサ（レゾルバ）、５ トランスミッション（Ｔ／Ｍ）、６ 駆動輪、７ 各種センサ、８ バッテリ、２０ 加算器、２１ 電流指令演算部、２２ インバータ、２３ 車両共振補償演算部、２４ 車両共振成分抽出フィルタ、２５ ゲイン関数部、２６ リミッタ。

Claims (7)

1. 車両に搭載された走行用モータを制御するための車両用モータ制御装置であって、
   前記車両に設けられた１以上の各種センサからの車両の状態量に応じて、前記走行用モータを駆動制御するための第１のトルク指令値を生成する第１のトルク生成部と、
   前記車両用モータ駆動時に発生する前記車両の振動源の周波数成分のうちの前記車両の共振を発生させる周波数成分を抽出して、抽出した前記周波数成分に基づいて、前記第１のトルク指令値に対する共振補償値としての第２のトルク指令値を生成する第２のトルク生成部と、
   前記第１のトルク生成部で生成された前記第１のトルク指令値から前記第２のトルク生成部で生成された前記第２のトルク指令値を減算して、前記走行用モータの駆動トルク指令値として出力する、駆動トルク生成部と
   を備え、
   前記駆動トルク指令値に基づいて前記走行用モータを駆動する
   ことを特徴とする車両用モータ制御装置。
2. 前記第２のトルク生成部は、前記走行用モータの駆動状態から前記振動源の前記車両の共振を発生させる周波数成分を抽出して、前記第２のトルク指令値を生成するものであって、
   前記走行用モータの駆動状態は、前記走行用モータのモータ電気角、モータ電気角推定値、モータ速度、モータ速度推定値、モータトルク、モータ電流の少なくともいずれか１つである
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用モータ制御装置。
3. 前記走行用モータは、前記走行用モータの駆動状態を検出するための駆動状態検出手段を備えているものであって、
   前記第２のトルク生成部は、前記駆動状態検出手段によって検出された前記走行用モータの駆動状態から前記振動源の前記車両の共振を発生させる周波数成分を抽出して、前記第２のトルク指令値を生成する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用モータ制御装置。
4. 前記第２のトルク生成部は一次進み遅れフィルタを備え、当該一次進み遅れフィルタを用いて前記第２のトルク指令値を生成する
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の車両用モータ制御装置。
5. 前記車両は、前記車両の共振周波数を検出するための車両共振周波数検出手段を備えているものであって、
   前記第２のトルク生成部は、検出された前記車両の共振周波数に応じて、前記一次進み遅れのフィルタの時定数を変更する
   ことを特徴とする請求項４に記載の車両用モータ制御装置。
6. 前記第２のトルク生成部は、前記第２のトルク指令値に上下限値を設けるためのリミッタをさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の車両用モータ制御装置。
7. 前記第２のトルク生成部は、前記車両の速度が入力される車速入力部をさらに備え、前記車速に応じて前記第２のトルク指令値の生成動作のＯＮ／ＯＦＦを切り替える
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の車両用モータ制御装置。

Images