JP2014158361A - 電気自動車の駆動・制御方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】永久磁石同期電動機の界磁制御に伴う問題を解消することが可能な電気自動車の駆動制御装置及びその方法を提供する。
【解決手段】PWMインバータ装置15により電気自動車11を駆動する永久磁石同期電動機12のトルク制御を行う電気自動車の駆動・制御において、PWMインバータ装置15は、永久磁石同期電動機12の速度が基底速度以上又は負荷電圧が基底電圧以上であることを検出する手段25と、速度が基底速度を超過した又は電圧が基底電圧を超過したことを検知する手段26と、超過分信号を入力とする1/2乗関数発生器27とを有し、1/2乗関数発生器27から必要な電流制限指令値を生成させ、電流制限指令値をPWMインバータ装置15のトルク制御装置29の電流指令値に代数的に加算することによって、PWMインバータ装置15によって、永久磁石同期電動機12の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行する。
【選択図】図2
【解決手段】PWMインバータ装置15により電気自動車11を駆動する永久磁石同期電動機12のトルク制御を行う電気自動車の駆動・制御において、PWMインバータ装置15は、永久磁石同期電動機12の速度が基底速度以上又は負荷電圧が基底電圧以上であることを検出する手段25と、速度が基底速度を超過した又は電圧が基底電圧を超過したことを検知する手段26と、超過分信号を入力とする1/2乗関数発生器27とを有し、1/2乗関数発生器27から必要な電流制限指令値を生成させ、電流制限指令値をPWMインバータ装置15のトルク制御装置29の電流指令値に代数的に加算することによって、PWMインバータ装置15によって、永久磁石同期電動機12の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行する。
【選択図】図2
Description
本発明は、電気自動車の駆動制御装置及びその方法に係わり、詳しくは、ハイブリッド式電気自動車、蓄電池電源式電気自動車、又は燃料電池電源式電気自動車の車輪駆動(動力源)に永久磁石同期電動機を適用する場合に、基底速度以上あるいは基底電圧以上の運転において、永久磁石同期電動機の界磁制御を行なうことなく、必要なトルク制御を行うことができる電気自動車の駆動制御装置及びその方法に関する。
従来、永久磁石同期電動機を基底速度以上で運転する場合、永久磁石同期電動機の出力を制限する方法、例えば、定出力特性を得る方法として、永久磁石同期電動機の界磁制御、即ち、永久磁石同期電動機に永久磁石の磁束を弱める電流成分と必要なトルク電流成分を流すと共に、電動機の周波数を上昇することが行われている。
永久磁石同期電動機の界磁制御では、永久磁石同期電動機の回転速度上昇に比例して大きくなる永久磁石同期電動機の誘起電圧を抑制するために、一般に、磁束を弱める電流成分は、永久磁石同期電動機の回転速度にほぼ比例して大きくなるように制御されている。この場合、永久磁石同期電動機に流れる相電流は、磁束を弱める電流成分とトルク電流成分のベクトル和になる。ここで、永久磁石同期電動機を基底速度以上で運転する場合、トルク電流成分は速度増加に反比例して減少するが、磁束を弱める電流成分は、速度増加にほぼ比例して増加するために、両電流成分のベクトル和である相電流は、基底速度以上の範囲に存在するある速度までは減少するが、ある速度を超えると逆に大きくなる特性を有するので、永久磁石同期電動機の効率が低下するという問題がある。
また、永久磁石同期電動機の界磁制御を行う場合、磁束を弱める電流及びトルク電流をそれぞれ設定する電流指令器及び負荷角指令器では複雑な演算を行う必要があり、一般に、電流指令器及び負荷角指令器の構成が複雑になるという問題がある。更に、永久磁石同期電動機の界磁制御では、磁束を弱める電流成分を流すために、永久磁石同期電動機の永久磁石に経年的減磁劣化が生じる懸念があると共に、永久磁石同期電動機の界磁制御によって、永久磁石同期電動機が基底速度以上の高速運転を行なっている時、磁束を弱める電流成分の制御が失敗した場合、永久磁石同期電動機のトルク制御を行う可変電圧可変周波数制御装置、例えばPWMインバータ装置に過大な電圧が印加されるという問題が生じる。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、永久磁石同期電動機の界磁制御に伴う問題、即ち、永久磁石同期電動機を基底速度以上で運転する際の永久磁石同期電動機の効率低下の問題、制御機器構成の複雑化の問題、永久磁石の経年的減磁劣化の問題、及び磁束を弱める電流成分の制御失敗時に発生する過電圧印加の問題をそれぞれ解消することが可能な電気自動車の駆動・制御方法及びその装置を提供することを目的とする。
前記目的に沿う第1の発明に係る電気自動車の駆動・制御方法及び第3の発明に係る電気自動車の駆動・制御装置は、永久磁石同期電動機で駆動される電気自動車にて、エンジンで発電機を回転して駆動電力を得、更にPWMインバータ装置により可変電圧・可変周波数制御を行って、前記永久磁石同期電動機のトルク制御を行う電気自動車の駆動・制御方法及び装置において、前記PWMインバータ装置は、1)前記永久磁石同期電動機の速度が基底速度以上、又は該永久磁石同期電動機の負荷電圧が基底電圧以上であることを検出する手段と、2)前記速度が前記基底速度を超過した又は前記電圧が前記基底電圧を超過した分を超過分信号aとして検知する手段と、3)前記超過分信号aを入力とする1/2乗関数発生器又は順次勾配が小さくなる折れ線近似関数発生器とを有し、該1/2乗関数発生器又は前記順折れ線近似関数発生器から必要な電流制限指令値bを生成させ、該電流制限指令値bを前記PWMインバータ装置のトルク制御装置の電流指令値cに代数的に加算することによって、前記PWMインバータ装置によって、前記永久磁石同期電動機の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行している。
前記目的に沿う第2の発明に係る電気自動車の駆動・制御方法及び第4の発明に係る電気自動車の駆動・制御装置は、永久磁石同期電動機で駆動される電気自動車にて、エンジンで発電機を回転して駆動電力を得、更にPWMインバータ装置により可変電圧・可変周波数制御を行って、前記永久磁石同期電動機のトルク制御を行う電気自動車の駆動・制御方法及び装置において、前記PWMインバータ装置は、前記永久磁石同期電動機の速度が基底速度以上又は該永久磁石同期電動機の負荷電圧が基底電圧以上であることを条件として、該永久磁石同期電動機の出力dを検出する手段と、該永久磁石同期電動機の目標出力eを設定する手段とを有し、該永久磁石同期電動機の出力dと前記目標出力eとの差を演算して出力超過分fを検出し、該出力超過分fを前記永久磁石同期電動機の速度又は電圧で割算することにより必要な電流制限指令値gを生成させ、該電流制限指令値gを前記PWMインバータ装置に置かれたトルク制御装置の電流指令値hに代数的に加算することによって、前記PWMインバータ装置によって、前記永久磁石同期電動機の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行している。
第1、第2の発明に係る電気自動車の駆動・制御方法及び第3、第4の発明に係る電気自動車の駆動・制御装置において、前記エンジン駆動の発電機に代えて、前記駆動電力を蓄電池又は燃料電池から得て、該蓄電池又は該燃料電池の負荷を許容値以下に制限することができる。
第1、第2の発明に係る電気自動車の駆動制御装置及び第3、第4の発明に係る電気自動車の駆動制御方法においては、基底速度以上のトルク制御に、従来の永久磁石同期電動機の界磁制御を採用しない。代わって、エンジン並びに発電機の負荷、あるいは、蓄電池や燃料電池の負荷を許容値に制限するために、永久磁石同期電動機の出力を制限する手段をPWMインバータ装置に設ける。その結果、従来の永久磁石同期電動機の界磁制御を行うトルク制御方式よりも、基底速度以上にて永久磁石同期電動機の効率を数%高く出来る。また、界磁制御を行わないため、車の安全運転の目的で設けられる速度制限制御が、界磁制御を行なう従来方式より正確で安定になる。結果として、車の運転操作が容易になり、安全性が増す効果がある。また、永久磁石同期電動機の界磁制御を行うための制御装置が不要になり、制御装置が簡単化され、信頼性が向上する。とりわけ、永久磁石同期電動機の永久磁石の磁束を磁束弱め電流成分で弱める制御がないので、永久磁石の経年的減磁劣化の問題が少なくなり、信頼性の向上が期待出来る。加えて、従来方式で問題とされている、界磁弱め電流成分制御失敗時の過電圧の問題を解消出来る効果がある。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電気自動車の駆動・制御装置10(図2参照)を適用した単一電動機駆動、ハイブリッド方式の電気自動車11の全体構成を示している。電気自動車11は、永久磁石同期電動機12で駆動され、エンジン13で発電機14を回転して駆動電力を得、更にPWMインバータ装置15により可変電圧・可変周波数制御を行って、永久磁石同期電動機12のトルク制御を行っている。発電機14は、エンジン13に直結又は減速機を介して連結されている。永久磁石同期電動機12の出力軸16は、減速機と差動歯車から構成された機械的伝達機構17を介して車輪18、19を駆動している。符号20は、永久磁石同期電動機12が回生制動運転に入り、PWMインバータ装置15の中間回路直流電圧が予め設定された電圧を超えた時に、蓄電池の充・放電回路をONする充・放電制御電子スイッチ装置、符号21は、回生制動エネルギーを蓄積する蓄電池装置である。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電気自動車の駆動・制御装置10(図2参照)を適用した単一電動機駆動、ハイブリッド方式の電気自動車11の全体構成を示している。電気自動車11は、永久磁石同期電動機12で駆動され、エンジン13で発電機14を回転して駆動電力を得、更にPWMインバータ装置15により可変電圧・可変周波数制御を行って、永久磁石同期電動機12のトルク制御を行っている。発電機14は、エンジン13に直結又は減速機を介して連結されている。永久磁石同期電動機12の出力軸16は、減速機と差動歯車から構成された機械的伝達機構17を介して車輪18、19を駆動している。符号20は、永久磁石同期電動機12が回生制動運転に入り、PWMインバータ装置15の中間回路直流電圧が予め設定された電圧を超えた時に、蓄電池の充・放電回路をONする充・放電制御電子スイッチ装置、符号21は、回生制動エネルギーを蓄積する蓄電池装置である。
永久磁石同期電動機12が回生制動運転から解除されると、中間回路直流電圧が予め設定された電圧以下となり、充・放電制御電子スイッチ装置20は、その充電回路をOFFし、蓄電池装置21への充電を停止する。他方、電気自動車11が加速する運転では、充・放電制御電子スイッチ装置20は、その放電回路をONし、蓄電池装置21に蓄積されたエネルギーを永久磁石同期電動機12に供給する。つまり、加速運転では、永久磁石同期電動機12は、発電機14と蓄電池装置21の両方から電力の供給を受けるように制御される。
図3に、電気自動車11の変形例であって、エンジン発電機に代えて、駆動電力を蓄電池を備えた蓄電池装置22から得て、蓄電池の負荷を許容値以下に制限する電気自動車23の全体構成を示す。電気自動車23は、電気自動車23が停止中に、蓄電池装置22を充電するための充電装置24と、永久磁石同期電動機12が電動運転中には、蓄電池装置22の電力を永久磁石同期電動機12に供給し、永久磁石同期電動機12が回生制動運転中では、その回生エネルギーを蓄電池装置22に充電するための充・放電制御電子スイッチ装置20を備えている。つまり、蓄電池装置22の出力は、充・放電制御電子スイッチ装置20を介して、その出力をPWMインバータ装置15aに与えている。永久磁石同期電動機12の出力軸16は、減速機と差動歯車から構成された機械的伝達機構17を介して車輪18、19を駆動している。
続いて、第1の実施の形態に係る電気自動車の駆動・制御装置10について、図2を用いて説明する。
電気自動車の駆動・制御装置10は、PWMインバータ装置15に搭載され、永久磁石同期電動機12の速度が基底速度以上、又は永久磁石同期電動機12の電圧が基底電圧以上であることを検出する比較手段25と、速度が基底速度を超過した又は電圧が基底電圧を超過した分を超過分信号aとして検知する測定手段26と、超過分信号aを入力とする1/2乗関数発生器27とを備えた電流制限制御装置(CLMC)28を有し、1/2乗関数発生器27から必要な電流制限指令値bを生成させ、電流制限指令値bをPWMインバータ装置15のトルク制御装置(PMTC)29の電流指令値cに代数的に加算している。その結果、PWMインバータ装置15によって、永久磁石同期電動機12の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行している。なお、1/2乗関数発生器27の代わりに、順次勾配が小さくなる折れ線近似関数発生器を使用することもできる。
電気自動車の駆動・制御装置10は、PWMインバータ装置15に搭載され、永久磁石同期電動機12の速度が基底速度以上、又は永久磁石同期電動機12の電圧が基底電圧以上であることを検出する比較手段25と、速度が基底速度を超過した又は電圧が基底電圧を超過した分を超過分信号aとして検知する測定手段26と、超過分信号aを入力とする1/2乗関数発生器27とを備えた電流制限制御装置(CLMC)28を有し、1/2乗関数発生器27から必要な電流制限指令値bを生成させ、電流制限指令値bをPWMインバータ装置15のトルク制御装置(PMTC)29の電流指令値cに代数的に加算している。その結果、PWMインバータ装置15によって、永久磁石同期電動機12の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行している。なお、1/2乗関数発生器27の代わりに、順次勾配が小さくなる折れ線近似関数発生器を使用することもできる。
本発明の電流制限制御装置28の動作を説明するに先立ち、図2のトルク制御装置29について説明する。ここで、符号30はPWMインバータ装置15の部分制御装置(PWM INV)、符号31は永久磁石同期電動機12で駆動される負荷、符号32は、永久磁石同期電動機12の磁極位置を検出するエンコーダである。また、符号33、34は、永久磁石同期電動機12の、b、c相電流ibs(A)、ics(A)をそれぞれ検出するための電流センサである。なお、a相電流ias(A)は、図示していないが、ibs(A)とics(A)のベクトル演算によって検出する。
永久磁石同期電動機12の相電流ias(A)、ibs(A)、ics(A)は、それぞれ電流指令器(dq/abc)35の指令電流ias *(A)、ibs *(A)、ics *(A)と比較され、その偏差がゼロになるよう、部分制御装置30によって電流制御される。電流指令器35は、d、q座標で表した相電流指令is *(A)と位相角指令θs *(rad)を三相a、b、c座標の指令電流ias *(A)、ibs *(A)、ics *(A)に変換する。位相角指令器の位相角指令θs *(rad)は、負荷角設定器(δS)36で設定された負荷角設定値δ*(rad)とエンコーダ32で測定される永久磁石同期電動機12の回転角度θr(rad)との和によって与えられる。δ*(rad)がπ/2(rad)に設定され磁石磁束一定の場合、後述のように、永久磁石同期電動機12のトルクは相電流に比例する。よって、必要なトルクを得るための相電流指令is *(A)を一次遅れ演算器(LAG)37の出力に生成せしめる。トルク制御装置29の電流指令値cであるトルク電流指令iqss(A)は、リミッタ(LIM)38の出力で、その入力iqs(A)は、トルク指令電流iqT(A)と速度制限動作時のトルク電流iqsL(A)の差によって与えられる。
トルク指令電流iqT(A)は、ランプ関数発生器39の傾斜を調整する増幅器40と最大トルク電流を設定するリミッタ(LIM)41によって与えられる。つまり、速度制限動作時の速度制限制御用トルク電流iqsL(A)がゼロである場合には、ランプ関数発生器39及び増幅器40によって定まる傾斜で立ち上がり、最大、最小値がそれぞれリミッタ41の上下限設定値となるトルク指令電流iqT(A)が、リミッタ38に入力されることになる。従って、リミッタ41の設定値を手動で調整すれば、リミッタ38を介してトルク電流指令iqss(A)が調整され、永久磁石同期電動機12のトルク制御が可能になる。
他方、速度制限動作は、次のように動作する。
トルク指令電流iqT(A)は、速度制限制御用トルク電流iqsL(A)と代数的に加算されている。速度制限制御用トルク電流iqsL(A)は、永久磁石同期電動機12の負荷が軽負荷の場合や、電気自動車11が下り坂を走行する場合等でマイナス負荷となる場合に、永久磁石同期電動機12の過速を防止するために、トルク指令電流iqT(A)を制限する働きをする。このために、ステップ関数発生器42と、増幅器43と、リミッタ(LIM)44と、係数器(KN)45を介して、制限速度nL(rpm)が設定される。制限速度nL(rpm)は、速度検出器(ND)46によって検出した永久磁石同期電動機12の実際の速度nI(rpm)と比較され、その偏差を高増幅率(例えば、100倍以上)の増幅器47に入力する。その出力は、リミッタ(LIM)48に与えられる。
トルク指令電流iqT(A)は、速度制限制御用トルク電流iqsL(A)と代数的に加算されている。速度制限制御用トルク電流iqsL(A)は、永久磁石同期電動機12の負荷が軽負荷の場合や、電気自動車11が下り坂を走行する場合等でマイナス負荷となる場合に、永久磁石同期電動機12の過速を防止するために、トルク指令電流iqT(A)を制限する働きをする。このために、ステップ関数発生器42と、増幅器43と、リミッタ(LIM)44と、係数器(KN)45を介して、制限速度nL(rpm)が設定される。制限速度nL(rpm)は、速度検出器(ND)46によって検出した永久磁石同期電動機12の実際の速度nI(rpm)と比較され、その偏差を高増幅率(例えば、100倍以上)の増幅器47に入力する。その出力は、リミッタ(LIM)48に与えられる。
リミッタ48の設定値は、上限値はゼロ、下限値は−1である。よって、永久磁石同期電動機12の速度nI(rpm)が、制限速度nL(rpm)を超過すると、リミッタ48の出力は−1になる。この値は、絶対値演算器(|u|)49によって、絶対値に変換され掛算器50に与えられる。他方、永久磁石同期電動機12の速度nI(rpm)と制限速度nL(rpm)との偏差は、絶対値演算器(|u|)51によって絶対値に変換され、掛算器50に与えられる。掛算器50の出力は、速度制御器(SR)52の入力である。ここで、速度制御器52は、例えば、PI制御(比例・積分制御)を行なう演算増幅器である。つまり、永久磁石同期電動機12の速度nI(rpm)が制限速度nL(rpm)を超過すると、速度制御器52の出力に、速度制御ループの出力として、速度制限制御用トルク電流iqsL(A)が生成される。従って、トルク指令電流iqT(A)と速度制限制御用トルク電流iqsL(A)の差であるiqs(A)(リミッタ38の入力)は減少し、過速を防止する。
リミッタ38は、トルク要求を許容値に制限するもので、その上下限値は、q軸定格電流の例えば±200%.に設定されている。従って、永久磁石同期電動機12の速度nI(rpm)が制限速度nL(rpm)以下である場合、ランプ関数発生器39、増幅器40、リミッタ41、38、一次遅れ演算器37、電流指令器35、部分制御装置30、負荷角設定器36、電流センサ33、34によって、永久磁石同期電動機12のベクトル制御によるトルク制御系が構成されることになる。
他方、永久磁石同期電動機12の速度nI(rpm)が制限速度nL(rpm)を超過した場合には、ステップ関数発生器42、増幅器43、リミッタ44、係数器45、増幅器47、リミッタ48、絶対値演算器49、51、掛算器50、速度制御器52、リミッタ38、一次遅れ演算器37、電流指令器35、部分制御装置30、負荷角設定器36、電流センサ33、34によって、永久磁石同期電動機12のベクトル制御による速度制御系が構成されることになる。
他方、永久磁石同期電動機12の速度nI(rpm)が制限速度nL(rpm)を超過した場合には、ステップ関数発生器42、増幅器43、リミッタ44、係数器45、増幅器47、リミッタ48、絶対値演算器49、51、掛算器50、速度制御器52、リミッタ38、一次遅れ演算器37、電流指令器35、部分制御装置30、負荷角設定器36、電流センサ33、34によって、永久磁石同期電動機12のベクトル制御による速度制御系が構成されることになる。
本発明の第1の実施の形態の電気自動車の駆動・制御装置10は、負荷角を一定値に設定して行う永久磁石同期電動機12のトルク制御に加えて速度制限制御が可能なように構成したトルク制御装置29に、更に電流制限制御装置28を追加して構成されている。以下、電流制限制御装置28の動作を、図2を用いて説明する。
ここで、符号53は係数器(K)、符号54は絶対値演算器(|u|)、符号55は符号判別器(±1)、符号56は一次遅れ演算器(G1)、符号57、58は掛算器である。また、符号59は電流制限開始電圧を設定する電圧設定器(K)、符号60は増幅器(例えば、増幅率が100倍以上)、符号61はリミッタであり、上限値を1.0、下限値を0に設定している。更に、符号62は掛算器、符号63は一次遅れ演算器(G2)、符号64はリミッタである。なお、トルク制御装置29には、電圧制限制御のために、永久磁石同期電動機12の相電圧を検出する電圧検出器(VD)65が設けられており、比較手段25は、電圧検出器65の出力に電圧設定器59の出力を代数的に加算することにより構成されている。また、測定手段26は、増幅器60、リミッタ61、及び掛算器62から構成されている。
ここで、符号53は係数器(K)、符号54は絶対値演算器(|u|)、符号55は符号判別器(±1)、符号56は一次遅れ演算器(G1)、符号57、58は掛算器である。また、符号59は電流制限開始電圧を設定する電圧設定器(K)、符号60は増幅器(例えば、増幅率が100倍以上)、符号61はリミッタであり、上限値を1.0、下限値を0に設定している。更に、符号62は掛算器、符号63は一次遅れ演算器(G2)、符号64はリミッタである。なお、トルク制御装置29には、電圧制限制御のために、永久磁石同期電動機12の相電圧を検出する電圧検出器(VD)65が設けられており、比較手段25は、電圧検出器65の出力に電圧設定器59の出力を代数的に加算することにより構成されている。また、測定手段26は、増幅器60、リミッタ61、及び掛算器62から構成されている。
今、電流制限制御装置28の一次遅れ演算器56の出力がゼロであると仮定する。そうすると、iqss(A)は、一次遅れ演算器37を通して永久磁石同期電動機12の相電流指令is *(A)となる。他方、負荷角は、負荷角設定器36でδ*(rad)に設定されている。よって、永久磁石同期電動機12の回転角度θr(rad)+δ*(rad)にて位相角指令θs *(rad)が作られる。相電流指令is *(A)と位相角指令θs *(rad)は、電流指令器35によって、相電流指令ias *(A)、ibs *(A)、ics *(A)に変換され、部分制御装置30によって電流制御が遂行される。つまり、図2のトルク制御装置29は、負荷角を一定値に設定した永久磁石同期電動機12のベクトル制御によるトルク制御を遂行する。
電圧検出器65で相電圧に比例した直流電圧VqI(V)を検出し、直流電圧VqI(V)と電圧設定器59に設定された電流制限制御開始電圧Vqsb(V)と比較し、比較結果は増幅器60を介してリミッタ61に与えられる。従って、VqI(V)>Vqsb(V)になると、リミッタ61の出力は1.0になる。その結果、超過分信号aであるVqI(V)−Vqsb(V)の値が掛算器62を通して、一次遅れ演算器63に入力される。一次遅れ演算器63の出力は、1/2乗関数発生器27に入力される。1/2乗関数発生器27の出力は、本発明の電流制限制御値の最大値を設定するリミッタ64に与えられている。つまり、VqI(V)−Vqsb(V)の値から、一次遅れ演算器63及び1/2乗関数発生器27をそれぞれ介して得られる値が、加速と減速によって符号を切替えるために置いた掛算器58を通し、更に、本発明の電流制限制御の比例ゲインを調整する掛算器57を介し、一次遅れ演算器56に与えられる。一次遅れ演算器56の出力であって、電流制限指令値bであるiqL(A)は、前述のq軸電流指令iqss(A)と代数的に加算され、電流制限動作を遂行する。
係数器53は、電流制限制御の比例ゲイン調整回路を構成しており、トルク制御装置29のリミッタ38の出力が上、下限値である場合、係数器53の出力を±1.0にするように設定されている。よって、永久磁石同期電動機12の電流指令iqss(A)がリミッタ38の上、下限設定値で動作している場合、つまり、電流制限動作で加減速運転している時は、掛算器57に1.0を与え、掛算器58の出力をそのまま、一次遅れ演算器56に伝達する。加速制限、又は減速制限から解除される場合には、絶対値演算器54の出力は1.0より小さくなり、無負荷の場合にはゼロになる。つまり、加、減速制限状態が解除されると、掛算器58の出力に1.0より小さい値を掛算することにより一次遅れ演算器56の出力である電流制限指令iqL(A)を小さい値になる様に調整する。
次に、本発明の図2の構成によって、出力制限特性が得られることを説明する。
図4は、図1の電気自動車11にて、発電機14の電圧を一定と仮定して、その運転特性をシミュレーションで求めたものである。図4では、図2のリミッタ38の上限設定値を電動機トルクの200%に設定し、ステップ状のトルク指令200%(2.0p.u.)によって、永久磁石同期電動機12を速度制限速度まで加速した場合の加速特性を、速度に対してプロットしたものである。出力は、速度1.0p.u.以上、即ち、永久磁石同期電動機12の基底速度以上において、ほぼ、2.0p.u.に制限されており、電動機トルクは、1.0p.u.速度で約1.95p.u.、2.0p.u.速度で約1.0p.u.に制御されている。
図4は、図1の電気自動車11にて、発電機14の電圧を一定と仮定して、その運転特性をシミュレーションで求めたものである。図4では、図2のリミッタ38の上限設定値を電動機トルクの200%に設定し、ステップ状のトルク指令200%(2.0p.u.)によって、永久磁石同期電動機12を速度制限速度まで加速した場合の加速特性を、速度に対してプロットしたものである。出力は、速度1.0p.u.以上、即ち、永久磁石同期電動機12の基底速度以上において、ほぼ、2.0p.u.に制限されており、電動機トルクは、1.0p.u.速度で約1.95p.u.、2.0p.u.速度で約1.0p.u.に制御されている。
図5は、永久磁石同期電動機12の負荷トルクとして、最高速度で空気抵抗分トルクを0.25p.u.、転がり抵抗分トルクをゼロに近似して、ステップ状のトルク指令2.0p.u.にて制限速度まで加速し、その後、−1.0p.u.のトルク指令にて減速を行ない、速度ゼロ付近でトルク指令をゼロに操作した場合の加減速特性を求めたものである。図5に示すように、加速中の出力は、ほぼ2.0p.u.に制限され、減速中の出力は、ほぼ−1.0p.u.に制限されており、スムースな加速と減速制御が遂行されている。つまり、本発明の図2の電気自動車の駆動・制御装置10によって、トルク制御を遂行しつつ、実用上の精度で出力制限制御が遂行されていることが証明されている。
次に本発明の方法が、永久磁石同期電動機12の界磁制御の方法よりも基底速度以上にて、電動機効率に優れることを説明する。
図4の出力、トルク制限シミュレーション特性を求めるために設定した電気自動車の永久磁石同期電動機の定格は、27KW、900/2520rpm、140/400V、60/168Hzで、p.u.抵抗RSn=0.059P.u.、d軸p.u.インダクタンスLdn=0.189p.u.、q軸p.u.インダクタンスLqn=0.299p.u.である。ここで、q軸電圧、d軸電圧のp.u.値は、ベース電圧VB=114.3V、ベース電流IB=165.7Aとし、回転子速度のp.u.値、ωrn(p.u.)を変数にとり、それぞれ、後述の(8)式で計算する。
図4の出力、トルク制限シミュレーション特性を求めるために設定した電気自動車の永久磁石同期電動機の定格は、27KW、900/2520rpm、140/400V、60/168Hzで、p.u.抵抗RSn=0.059P.u.、d軸p.u.インダクタンスLdn=0.189p.u.、q軸p.u.インダクタンスLqn=0.299p.u.である。ここで、q軸電圧、d軸電圧のp.u.値は、ベース電圧VB=114.3V、ベース電流IB=165.7Aとし、回転子速度のp.u.値、ωrn(p.u.)を変数にとり、それぞれ、後述の(8)式で計算する。
図6は、以上の条件で求めた従来方式の効率と本発明の効率を比較したものである。ただし、効率計算における永久磁石同期電動機の鉄損を、ベース速度900rpmで129W、トップ速度2520rpmで431Wと推定し、摩擦損失を電動機容量の1%、風損を電動機容量の最高速度で2%と仮定して計算している。図6において、第1の実施の形態の電気自動車の駆動・制御装置10は、2.8p.u.速度で3.0%、3.0p.u.速度で3.3%だけ、従来の永久磁石同期電動機の界磁制御方式よりも効率が良くなっている。
図2の電流制限制御装置28の電流制限制御は、電圧検出器65で検出した永久磁石同期電動機12の電圧が、電圧設定器59の設定値を超えたときに電流制限動作を開始するように構成している。ここで、電圧検出器65が備えられていなければ、速度検出器46の出力に、定格電圧(V)/定格速度(rpm)の係数を掛けた電圧を検出し、電圧設定器59の設定値と比較するように構成することもできる。また、図示していないが、電圧設定器59を基底速度設定器に変更し、速度検出器46の電動機速度と比較するように構成することもできる。この場合には、基底速度より超過した速度分から、一次遅れ演算器63及び1/2乗関数発生器27をそれぞれ介して得られる値を用いて、永久磁石同期電動機12の出力制限を行う電流制限電流iqL(A)を得る構成となる。
次に、図1のエンジン13で駆動される発電機14の制御について説明する。
エンジン13は、図示していないがエンジン制御装置によって、発電機14の電圧をほぼ一定に保ち、かつ、発電機14の出力が要求負荷を供給できるように制御されている。なお、エンジン制御装置は、エンジンスロットル制御装置とエンジンの燃料制御装置によって構成されている。電気自動車11が停止中に、エンジン13を始動せしめると、エンジン13は、発電機14の定格電圧を発生せしめる速度にて、エンジン13に連結された補助機器の負荷と発電機14の機械損負荷の合計負荷を供給する出力に制御される。つまり、エンジン13は、定格速度、軽負荷運転となる。この状態から電気自動車11が始動すると、図1のPWMインバータ装置15から永久磁石同期電動機12の出力信号がエンジン制御装置に送られ、エンジン13の出力を増加せしめる。この結果、もし、エンジン13の速度変動によって、発電機14の電圧変動が大きい場合には、図1のPWMインバータ装置15の入力側に置かれた交流電源整流装置を電圧調整可能な整流装置、例えば、サイリスタ式やトランジスタ式の整流装置に変更し、定電圧制御を行う対策を採用する。
エンジン13は、図示していないがエンジン制御装置によって、発電機14の電圧をほぼ一定に保ち、かつ、発電機14の出力が要求負荷を供給できるように制御されている。なお、エンジン制御装置は、エンジンスロットル制御装置とエンジンの燃料制御装置によって構成されている。電気自動車11が停止中に、エンジン13を始動せしめると、エンジン13は、発電機14の定格電圧を発生せしめる速度にて、エンジン13に連結された補助機器の負荷と発電機14の機械損負荷の合計負荷を供給する出力に制御される。つまり、エンジン13は、定格速度、軽負荷運転となる。この状態から電気自動車11が始動すると、図1のPWMインバータ装置15から永久磁石同期電動機12の出力信号がエンジン制御装置に送られ、エンジン13の出力を増加せしめる。この結果、もし、エンジン13の速度変動によって、発電機14の電圧変動が大きい場合には、図1のPWMインバータ装置15の入力側に置かれた交流電源整流装置を電圧調整可能な整流装置、例えば、サイリスタ式やトランジスタ式の整流装置に変更し、定電圧制御を行う対策を採用する。
次に、電気自動車11の変形例である電気自動車23について説明する。
電気自動車23は、電気自動車11のエンジン13、発電機14、及びPWMインバータ装置15を、蓄電池充電装置24、蓄電池装置22、蓄電池の充・放電制御電子スイッチ装置20、及び交流電源整流装置を省いたPWMインバータ装置15aに置き換えたものに等しい。つまり、図2に示す電気自動車の駆動・制御装置10は、図3の蓄電池装置22を電源とする電気自動車23の永久磁石同期電動機12の制御に適用できる。従って、図4の出力、トルク制限シミュレーション特性、図5の加減速特性、図6の効率特性は、図3の電気自動車23にも適用できることは明らかである。
電気自動車23は、電気自動車11のエンジン13、発電機14、及びPWMインバータ装置15を、蓄電池充電装置24、蓄電池装置22、蓄電池の充・放電制御電子スイッチ装置20、及び交流電源整流装置を省いたPWMインバータ装置15aに置き換えたものに等しい。つまり、図2に示す電気自動車の駆動・制御装置10は、図3の蓄電池装置22を電源とする電気自動車23の永久磁石同期電動機12の制御に適用できる。従って、図4の出力、トルク制限シミュレーション特性、図5の加減速特性、図6の効率特性は、図3の電気自動車23にも適用できることは明らかである。
次に、図2に示す電気自動車の駆動・制御装置10に適用する電気自動車の駆動・制御方法が、永久磁石同期電動機12の従来の界磁制御を行なう方法より簡単になることを説明する。
ここで、図7は、永久磁石同期電動機12に対して従来の界磁制御によるトルク制御を行うトルク制御装置66の代表的ブロック線図である。図7において、永久磁石同期電動機12は、PWMインバータ装置の部分制御装置67によって可変電圧・可変周波数制御されている。符号68、69は、永久磁石同期電動機12の相電流ibs(A)ics(A)を検出する電流センサである。ただしias(A)は、図示していないが、ibs(A)ics(A)のベクトル演算によって検出する。この値は、それぞれ電流指令器(dq/abc)70の相電流指令ias *(A)、ibs *(A)、ics *(A)と比較され、その偏差がゼロになるよう、部分制御装置67によって電流制御される。電流指令器70は、d、q座標で表した相電流指令is *(A)と位相角指令θs *(rad)を、三相a、b、c座標の相電流指令ias *(A)、ibs *(A)、ics *(A)に変換する。位相角指令θs *(rad)は、負荷角指令δ*(rad)と永久磁石同期電動機12の回転角度θr(rad)との和によって与えられている。
ここで、図7は、永久磁石同期電動機12に対して従来の界磁制御によるトルク制御を行うトルク制御装置66の代表的ブロック線図である。図7において、永久磁石同期電動機12は、PWMインバータ装置の部分制御装置67によって可変電圧・可変周波数制御されている。符号68、69は、永久磁石同期電動機12の相電流ibs(A)ics(A)を検出する電流センサである。ただしias(A)は、図示していないが、ibs(A)ics(A)のベクトル演算によって検出する。この値は、それぞれ電流指令器(dq/abc)70の相電流指令ias *(A)、ibs *(A)、ics *(A)と比較され、その偏差がゼロになるよう、部分制御装置67によって電流制御される。電流指令器70は、d、q座標で表した相電流指令is *(A)と位相角指令θs *(rad)を、三相a、b、c座標の相電流指令ias *(A)、ibs *(A)、ics *(A)に変換する。位相角指令θs *(rad)は、負荷角指令δ*(rad)と永久磁石同期電動機12の回転角度θr(rad)との和によって与えられている。
符号71、72は、基底速度以下の電圧制御と基底速度以上の界磁制御の制御切替えを行う切替スイッチで、その切替操作を、切替え接点で模擬的に示したものである。切替スイッチ71、72は、基底速度以下の電圧制御では、それぞれの接点1と2が閉路され、基底速度以上の界磁制御では、それぞれの接点1と3が閉路するようになっている。つまり、基底速度以下では、電流指令isv *(A)がis *(A)となり、負荷角指令δv *(rad)がδ*(rad)となる。符号73、74は関数発生器で、リミッタ75の出力であるq軸電流指令iqss(A)を受けて、電流指令isv *(A)と負荷角指令δv *(rad)を生成する。ただし、電流指令isv *(A)とq軸電流指令iqss(A)の間には、電流指令を滑らかにするために一次遅れ演算器(LAG)76を介在せしめ、iqss *(A)を生成している。
従来方式のトルク制御装置66は、トルク制御に速度制限制御を加えた場合で説明する。トルク制御と速度制限制御の切替えを行うために、切替えスイッチ77を置き、この切替え操作を切替え接点で模擬的に示している。トルク制御の場合には、切替えスイッチ77の接点1と2が閉路し、速度制限制御では、接点1と3が閉路する。この切り替え操作は図示していないが、永久磁石同期電動機12の速度nI(rpm)と速度制限速度nL(rpm)を比較し、nI(rpm)<nL(rpm)では、切替えスイッチ77の接点1と2が閉路してトルク制御が選択され、nI(rpm)≧nL(rpm)では、切替えスイッチ77の接点1と3が閉路してトルク制御から速度制限制御に切り替わるように構成されている。従って、リミッタ75、一次遅れ演算器76の入力は、トルク制御の場合には、遅れ関数発生器78の出力iqT(A)を選択し、速度制限制御の場合には、速度制御器(SR)79の出力iqsL(A)を選択する。
ここで、速度制限制御に切り替わった場合を説明する。
速度制御器79は、例えば、PI制御(比例・積分制御)を行なう演算増幅器である。速度制御器79は、係数器(Kn)80の出力である速度制限速度nL(rpm)と永久磁石同期電動機12の回転位置を微分する速度検出器(ND)81によって検出した永久磁石同期電動機12の速度nI(rpm)との偏差を比例・積分増幅して、q軸電流指令iqsL(A)を生成する。速度制限速度nL(rpm)は、ステップ関数発生器82と増幅器83とリミッタ(LIM)84と係数器80によって設定される。速度制御器79の出力iqsL(A)は、切替えスイッチ77の接点1と3を介し、iqs(A)となり、リミッタ75に入力され、その出力としてq軸電流指令iqss(A)を作っている。
速度制御器79は、例えば、PI制御(比例・積分制御)を行なう演算増幅器である。速度制御器79は、係数器(Kn)80の出力である速度制限速度nL(rpm)と永久磁石同期電動機12の回転位置を微分する速度検出器(ND)81によって検出した永久磁石同期電動機12の速度nI(rpm)との偏差を比例・積分増幅して、q軸電流指令iqsL(A)を生成する。速度制限速度nL(rpm)は、ステップ関数発生器82と増幅器83とリミッタ(LIM)84と係数器80によって設定される。速度制御器79の出力iqsL(A)は、切替えスイッチ77の接点1と3を介し、iqs(A)となり、リミッタ75に入力され、その出力としてq軸電流指令iqss(A)を作っている。
次に、永久磁石同期電動機12の速度が基底速度以上である場合を説明する。基底速度以上では、切替スイッチ71、72の接点1と接点3が閉じ、電圧・界磁制御相電流演算器85の出力であるisF *(A)とδF *(rad)が電流指令is *(A)、負荷角指令δ*(rad)となる。符号86は、基底速度以上にて、永久磁石同期電動機12に要求される特性、例えば、定出力特性となるように速度上昇に比例してq軸電流成分を低下せしめるq軸電流演算器である。q軸電流演算器86は、リミッタ75の入力であるiqs(A)と電動機速度nI(rpm)を入力として、iqs *(A)を演算する。その詳細は、後述する。符号87は、永久磁石同期電動機12の永久磁石の磁束を界磁制御中に弱める電流を求めるd軸電流成分演算器で、電動機速度nI(rpm)を入力として、ids *(A)を演算する。
iqs *(A)とids *(A)の信号は、電圧・界磁制御相電流演算器85にてベクトル和演算され、相電流指令isF *(A)とδF *(rad)を生成する。つまり、nI(rpm)がnL(rpm)を超過し、切替えスイッチ77の接点の1と3が閉路し、トルク制御から速度制限制御に切り替わった場合、トルク制御装置66は、nL(rpm)を速度設定値とし、nI(rpm)を実際速度とする速度制御装置として動作する。つまり、速度制御器79、切替えスイッチ77、q軸電流演算器86、d軸電流成分演算器87、電圧・界磁制御相電流演算器85、切替スイッチ71、72、電流指令器70、部分制御装置67、速度検出器81、電流センサ68、69によって、永久磁石式同期電動機12のベクトル制御による基底速度以上の界磁制御方式の速度制限制御系が構成されることになる。
次に、トルク制御として動作する場合を説明する。この場合、切替えスイッチ77の接点の1と2が閉路し、リミッタ75の入力は、遅れ関数発生器78の出力iqT(A)が選択される。ここで、トルク指令iqT(A)は、ランプ関数発生器88、増幅器89、リミッタ90、遅れ関数発生器78によって設定される。遅れ関数発生器78の出力iqT(A)は、切替えスイッチ77の接点の1と2を介して、リミッタ75に入力され、q軸電流指令iqss(A)を作っている。上記の速度制限制御の場合と同様に、永久磁石同期電動機12が基底速度以上である場合を考えると、切替スイッチ71、72の各接点の1と3が閉じ、電圧・界磁制御相電流演算器85の出力であるisnF *(A)(図7では、isF *(A)と示す)とδF *(rad)が電流指令is *(A)、負荷角指令δ*(rad)となる。つまり、遅れ関数発生器78、切替えスイッチ77、q軸電流演算器86、d軸電流成分演算器87、電圧・界磁制御相電流演算器85、切替スイッチ71、72、電流指令器70、部分制御装置67、速度検出器81、電流センサ68、69によって、永久磁石式同期電動機12のベクトル制御方式の界磁制御による基底速度以上のトルク制御系が構成されることになる。
図7に示す永久磁石同期電動機12の界磁制御の構成と、本発明の第1の実施の形態に係る電気自動車の駆動・制御装置10(図8に示す本発明の第2の実施の形態に係る電気自動車の駆動・制御装置91の場合も同様)の制御構成を比較すると、明らかに、本発明の方式が簡単な制御構成になっている。
図7に示す永久磁石同期電動機12の界磁制御の構成と、本発明の第1の実施の形態に係る電気自動車の駆動・制御装置10(図8に示す本発明の第2の実施の形態に係る電気自動車の駆動・制御装置91の場合も同様)の制御構成を比較すると、明らかに、本発明の方式が簡単な制御構成になっている。
次に、図2において、負荷角設定δsがπ/2(rad)に設定され、永久磁石の磁束が一定の場合、永久磁石同期電動機12のトルクが相電流ias、ibs、icsに比例することを説明する。
今、永久磁石同期電動機12の相電流をias、ibs、icsとする。この電流は、
ias=issin(ωrt+δ)・・・・・・・・・・・・(1)
ibs=issin(ωrt+δ−2π/3)・・・・・・・(2)
ics=issin(ωrt+δ+2π/3)・・・・・・・(3)
で与えられる。
ここで、isは相電流の振幅値、ωrは回転子速度(rad/sec)、δは負荷角(又はトルク角)として知られる回転子磁界と固定子電流の位相(rad)である。この電流の回転子基準座標、即ち、d、q座標におけるd軸電流ids、q軸電流iqsは、(4)式で与えられる。(4)式に(1)式、(2)式及び(3)式を代入することにより、(5)式が得られる。
今、永久磁石同期電動機12の相電流をias、ibs、icsとする。この電流は、
ias=issin(ωrt+δ)・・・・・・・・・・・・(1)
ibs=issin(ωrt+δ−2π/3)・・・・・・・(2)
ics=issin(ωrt+δ+2π/3)・・・・・・・(3)
で与えられる。
ここで、isは相電流の振幅値、ωrは回転子速度(rad/sec)、δは負荷角(又はトルク角)として知られる回転子磁界と固定子電流の位相(rad)である。この電流の回転子基準座標、即ち、d、q座標におけるd軸電流ids、q軸電流iqsは、(4)式で与えられる。(4)式に(1)式、(2)式及び(3)式を代入することにより、(5)式が得られる。
他方、回転子基準座標d、q軸で表した永久磁石同期電動機12の電圧Vqs、Vdsは、(6)式によって与えられている。
ここに、Rsは、q軸、d軸の固定子巻線抵抗(Ω)、Lq及びLdは、それぞれq軸及びd軸のインダクタンス(H)、λafは回転子磁束鎖交(Wb−turn)、pは時間微分演算子d/dtである。また、トルクTeは、Pを極数として、(7)式によって与えられている。
Te=(3/2)・(P/2)・〔λafiqs+(Ld−Lq)iqsids〕・・・・・(7)
Te=(3/2)・(P/2)・〔λafiqs+(Ld−Lq)iqsids〕・・・・・(7)
ここで、記述を簡明にするために、電圧、電流、速度、トルク、固定子巻線抵抗、d軸及びq軸のインダクタンスを単位法(p.u.法)で表す。今、基底電圧(ベース電圧)をVB、基底電流(ベース電流)をIB、基底速度(ベース速度)をωBとすると、基底抵抗(ベース抵抗)RBはVB/IB(Ω)、ベースインダクタンスLBはVB/(ωB・IB)(H)となり、それぞれのp.u.値が、Rsn=Rs/RB、Ldn=Ld/LB、Lqn=Ld/LBと決定できる。また、q軸電圧Vqsn、d軸電圧Vdsnのp.u.値は、それぞれVqsn=Vqs/VB(p.u.)、Vdsn=Vds/VB(p.u.)で表され、回転子速度のp.u.値ωrnは、ωn=ωr/ωB(p.u.)、回転子磁束鎖交λafnは、λafn=λaf/λafB(p.u.)となる。ここに、λafBは、ベース磁束鎖交である。ここで、べーストルクTBを、TB=(3/2)・(P/2)・λafBIBと定義する。そうすると、トルクTeのp.u.値Tenは、Ten=Te/TB(p.u.)で表される。この結果、(6)式、(7)式は、単位法で記述するとそれぞれ(8)式、(9)式のように表すことができる。
ここで、トルク制御手段29では、δs=π/2に設定しているので、(9)式は、(9)´式となる。
Ten=isn×λafn・・・・・・・・・・・・・・・・(9)´
即ち、単位法によるTenは、λafnが一定では、単位法による相電流isnに比例する。つまり、トルクは、相電流に比例することになる。
Ten=isn×λafn・・・・・・・・・・・・・・・・(9)´
即ち、単位法によるTenは、λafnが一定では、単位法による相電流isnに比例する。つまり、トルクは、相電流に比例することになる。
次に、従来方式の永久磁石同期電動機の界磁制御が複雑になることを数式を使って説明する。
永久磁石の磁束を弱めるためには、永久磁石の磁束を弱める向きにd軸電流を与えることが必要になる。このd軸電流の与え方に、永久磁石同期電動機12の速度だけの関数として与える方法と、永久磁石同期電動機12の速度及びトルク両方の関数として与える方法が知られている。ここでは、簡単な前者の界磁弱め制御方式(直接界磁弱め制御方式)で説明する。ある速度で運転中の永久磁石同期電動機12の電圧Vqsn、Vdsnは、(8)式にp=0を代入して、(10)式、(11)式のようになる。
Vqsn=Rsniqsn+ωrn(Ldnidsn+λafn)・・・・・・・・(10)
Vdsn=−ωrnLqniqsn+Rsnidsn・・・・・・・・・・・・(11)
ここで、iqsn=0の場合の相電圧Vsnは、(12)式で求まる。
Vsn 2=Vqsn 2+Vdsn 2
=ωrn 2(Ldnidsn+λafn)2+Rsn 2idsn 2・・・・・(12)
(12)式から、界磁弱め制御で達成可能な最大速度ωrn(max)が(13)式で、また、最大許容界磁弱めd軸電流成分idsnが(14)式のように計算できる。
永久磁石の磁束を弱めるためには、永久磁石の磁束を弱める向きにd軸電流を与えることが必要になる。このd軸電流の与え方に、永久磁石同期電動機12の速度だけの関数として与える方法と、永久磁石同期電動機12の速度及びトルク両方の関数として与える方法が知られている。ここでは、簡単な前者の界磁弱め制御方式(直接界磁弱め制御方式)で説明する。ある速度で運転中の永久磁石同期電動機12の電圧Vqsn、Vdsnは、(8)式にp=0を代入して、(10)式、(11)式のようになる。
Vqsn=Rsniqsn+ωrn(Ldnidsn+λafn)・・・・・・・・(10)
Vdsn=−ωrnLqniqsn+Rsnidsn・・・・・・・・・・・・(11)
ここで、iqsn=0の場合の相電圧Vsnは、(12)式で求まる。
Vsn 2=Vqsn 2+Vdsn 2
=ωrn 2(Ldnidsn+λafn)2+Rsn 2idsn 2・・・・・(12)
(12)式から、界磁弱め制御で達成可能な最大速度ωrn(max)が(13)式で、また、最大許容界磁弱めd軸電流成分idsnが(14)式のように計算できる。
つまり、従来方式の永久磁石同期電動機12の界磁制御では、(14)式の制限を満足し永久磁石同期電動機12の速度の関数としてidsn(p.u.)の指令値を発生せしめることが必要になる。図7のd軸電流成分演算器87がこの働きをする。ただし、d軸電流成分演算器87の出力はidsn *(p.u.)を電流値に変換してids *で示している。
速度に対するd軸電流指令idsn *(p.u.)が決定されると、例えば、定出力特性を得るためのトルクからq軸電流指令iqsn *(p.u.)が計算できる。この演算は、図7のq軸電流演算器86によって行われる。同様にその出力は、iqsn *(p.u.)を電流値に変換してiqs *(A)で示している。idsn *(p.u.)とiqsn *(p.u.)が求まると、電圧・界磁制御相電流演算器85によって、相電流指令isnF *(p.u.)と負荷角指令δF *(p.u.)が、(15)式、(16)式で計算される。但し、同様に図7では、電圧・界磁制御相電流演算器85の出力の相電流指令は、isnF *(p.u.)を電流値に変換してisF *(A)で示している。
isnF *=(idsn *2+iqsn *2)1/2 ・・・・・・・・(15)
δF *=tan−1(iqsn */idsn *) ・・・・・・・(16)
isnF *=(idsn *2+iqsn *2)1/2 ・・・・・・・・(15)
δF *=tan−1(iqsn */idsn *) ・・・・・・・(16)
電圧・界磁制御相電流演算器85の出力はそれぞれ、isF *(A)とδF *(rad)として、切替スイッチ72の接点の1と3、並びに、切替スイッチ71の接点の1と3を介して電流指令器70に与えられ、基底速度以上の界磁制御を遂行する。但し、求めた相電流指令isF *(A)が部分制御装置67の最大許容電流を超える場合には、isF *(A)を最大許容電流値に制限する。以上に述べたように、従来方式の永久磁石同期電動機12の界磁制御では、相電流指令is *(A)、位相角指令θs *(rad)を生成するには、複雑な演算処理が必要である。
次に、図8に示す本発明の第2の実施の形態に係る電気自動車の駆動・制御装置91について説明する。
電気自動車の駆動・制御装置91は、図1の電気自動車11と同一の構成を有する図示しない電気自動車のPWMインバータ装置に搭載され、永久磁石同期電動機92の速度が基底速度以上又は永久磁石同期電動機92の負荷電圧が基底電圧以上であることを条件として、永久磁石同期電動機92の出力dを検出する検知手段93と、永久磁石同期電動機92の目標出力eを設定する手段の一例である出力設定器94とを備えた電流制限制御装置(CLMC)95を有し、永久磁石同期電動機92の出力dと、出力設定器94の出力である目標出力eとの差を演算して出力超過分fを検出し、出力超過分fを永久磁石同期電動機92の速度又は電圧で割算することにより必要な電流制限指令値gを生成させ、電流制限指令値gをPWMインバータ装置に置かれたトルク制御装置96の電流指令値hに代数的に加算している。その結果、PWMインバータ装置によって、永久磁石同期電動機92の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行している。
電気自動車の駆動・制御装置91は、図1の電気自動車11と同一の構成を有する図示しない電気自動車のPWMインバータ装置に搭載され、永久磁石同期電動機92の速度が基底速度以上又は永久磁石同期電動機92の負荷電圧が基底電圧以上であることを条件として、永久磁石同期電動機92の出力dを検出する検知手段93と、永久磁石同期電動機92の目標出力eを設定する手段の一例である出力設定器94とを備えた電流制限制御装置(CLMC)95を有し、永久磁石同期電動機92の出力dと、出力設定器94の出力である目標出力eとの差を演算して出力超過分fを検出し、出力超過分fを永久磁石同期電動機92の速度又は電圧で割算することにより必要な電流制限指令値gを生成させ、電流制限指令値gをPWMインバータ装置に置かれたトルク制御装置96の電流指令値hに代数的に加算している。その結果、PWMインバータ装置によって、永久磁石同期電動機92の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行している。
従って、電気自動車の駆動・制御装置91は、図2に示す電気自動車の駆動・制御装置10と比較して、電流制限制御装置28の代わりに電流制限制御装置95を設けたことが特徴となっている。このため、電流制限制御装置95についてのみ説明し、電気自動車の駆動・制御装置10と同一の構成要素には同一の符号を付して、説明は省略する。
電流制限制御装置95において、符号97は係数器(K)、符号98は絶対値演算器(|u|)、符号99は符号判別器(±1)、符号100は一次遅れ演算器(G1)、符号101、102は掛算器である。また、符号103は、電流制限開始電圧を設定する電圧設定器(K)、符号104は、100倍以上の増幅率を持つ増幅器、符号105はリミッタ、符号106は掛算器、符号107は一次遅れ演算器(G3)、符号108はリミッタである。更に、符号109は絶対値演算器(|u|)、符号110は、トルク制御装置96の電流指令値である電流指令iqss(A)をp.u.値に変換する係数器(K)、符号111は掛算器、符号112はリミッタ、符号113は電圧VqI(V)をp.u.値に変換する係数器(K)、符号114はリミッタ112の出力を係数器113の出力で除する割算器である。従って、検知手段93は、絶対値演算器109、係数器110、掛算器111、及び係数器113で構成され、掛算器111の出力が永久磁石同期電動機92の出力dと符号94の係数器(K)即ち、出力設定器94で設定された目標出力eとの差である出力超過分fは、符号112のリミッタの出力として生成される。
電圧設定器103で設定された電流制限制御開始電圧Vqsb(V)は、電圧検出器65で相電圧に比例した直流電圧VqI(V)と比較されている。増幅器104の出力は、上限値1.0、下限値0に設定されたリミッタ105に与えられる。従って、VqI(V)>Vqsb(V)になると、リミッタ105の出力は1.0になる。その結果、割算器114の出力が掛算器106を通して、符号107の一次遅れ演算器(G3)に入力される。一次遅れ演算器107の出力は、電流制限制御の最大値を設定するリミッタ108に与えられている。つまり、割算器114の出力値に、符号107の一次遅れ演算器(G3)の演算値を乗じた値が、加速中と減速中によって符号を切替えるために置いた掛算器102を通し、更に、本発明の電流制限制御の比例ゲイン調整する掛算器101を介し、符号100の一次遅れ演算器(G1)に与えられる。一次遅れ演算器100の出力は、前述のq軸電流指令iqss(A)と代数的に加算される電流制限電流iqL(A)を生成している。
電流制限制御の比例ゲイン調整回路の一部を構成している係数器97は、トルク制御装置96のリミッタ38がその上、下限設定値を出力する場合、係数器97の出力が±1.0になる値に設定されている。よって、永久磁石同期電動機92の電流指令iqss(A)がリミッタ38の上、下限設定値で動作している場合、つまり、電流流制限動作で加減速中では掛算器101に1.0を与え、掛算器102の出力をそのまま一次遅れ演算器100に与える。加速中、又は減速中から解除される場合には、絶対値演算器98の出力は1.0より小さくなり、無負荷の場合にはゼロになる。つまり、加減速リミット状態が解除されると、掛算器102の出力に1.0より小さい値を掛算することにより一次遅れ演算器100の出力である電流制限指令iqL(A)が小さい値になるように調整している。
ここで、割算器114の出力から電流制限指令が得られることを説明する。
リミッタ38の出力である電流指令iqss(A)は、絶対値演算器109で絶対値に変換され、係数器110でp.u.値に変換される。つまり、電流指令iqss(p.u.)の絶対値が掛算器111に与えられる。他方、電圧検出器65の電圧VqI(V)は、係数器113でp.u.値、つまり、VqIn(p.u.)に変換され、掛算器111に与えられている。よって、掛算器111の出力には、p.u.電流×p.u.電圧、つまり、p.u.電動機出力が得られる。このp.u.電動機出力は、出力設定器94の設定値と比較され、リミッタ112に与えられる。出力設定器94の設定値は、例えば、2.0p.u.に設定される。リミッタ112の設定値は、例えば、上限値7.0、下限値0である。従って、出力が2.0p.u.を超過すると、出力超過分に比例したp.u.出力値が割算器114に与えられ、この値をp.u.電圧、VqIn(p.u.)で割算することにより出力超過分に比例したp.u.トルク値が割算器114の出力に得られる。割算器114の出力値は、掛算器106、一次遅れ演算器107、リミッタ108、掛算器102、101、一次遅れ演算器100を介して電流制限指令iqL(A)を生成し、本発明の出力制限制御を遂行する。
リミッタ38の出力である電流指令iqss(A)は、絶対値演算器109で絶対値に変換され、係数器110でp.u.値に変換される。つまり、電流指令iqss(p.u.)の絶対値が掛算器111に与えられる。他方、電圧検出器65の電圧VqI(V)は、係数器113でp.u.値、つまり、VqIn(p.u.)に変換され、掛算器111に与えられている。よって、掛算器111の出力には、p.u.電流×p.u.電圧、つまり、p.u.電動機出力が得られる。このp.u.電動機出力は、出力設定器94の設定値と比較され、リミッタ112に与えられる。出力設定器94の設定値は、例えば、2.0p.u.に設定される。リミッタ112の設定値は、例えば、上限値7.0、下限値0である。従って、出力が2.0p.u.を超過すると、出力超過分に比例したp.u.出力値が割算器114に与えられ、この値をp.u.電圧、VqIn(p.u.)で割算することにより出力超過分に比例したp.u.トルク値が割算器114の出力に得られる。割算器114の出力値は、掛算器106、一次遅れ演算器107、リミッタ108、掛算器102、101、一次遅れ演算器100を介して電流制限指令iqL(A)を生成し、本発明の出力制限制御を遂行する。
図9は、本発明の第2の実施の形態に係る電気自動車の駆動・制御装置91を適用した電気自動車の加減速特性を示したものである。永久磁石同期電動機92の負荷トルクとして、最高速度で空気抵抗分トルクを0.25p.u.、転がり抵抗分トルクをゼロに近似して、ステップ状のトルク指令2.0p.u.にて速度制限速度まで加速し、その後、−2.0p.u.のトルク指令にて減速を行ない、速度ゼロ付近でトルク指令をゼロに操作した場合の加減速特性を求めたものである。図9に示すように、加速中の出力は、ほぼ2.0p.u.に制限され、減速中の出力も、ほぼ−2.0p.u.に制限され、安定でスムーズな加速と減速の制御が遂行されている。図10は、図9のシミュレーショントルクと出力を速度に対してプロットした出力、トルク制限シミュレーション特性である。加速中、減速中に出力が、ほぼ一定に制御されていることが分かる。
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
更に、本実施の形態とその他の実施の形態や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合わせたものも、本発明に含まれる。
例えば、第1の実施の形態の変形例として、エンジン発電機に代えて、駆動電力を蓄電池を備えた蓄電池装置から得る場合を説明したが、駆動電力を燃料電池を備えた燃料電池装置から得る構成とすることもできる。
更に、第2の実施の形態の変形例として、エンジン発電機に代えて、駆動電力を蓄電池を備えた蓄電池装置又は燃料電池を備えた燃料電池装置から得る構成とすることもできる。
更に、本実施の形態とその他の実施の形態や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合わせたものも、本発明に含まれる。
例えば、第1の実施の形態の変形例として、エンジン発電機に代えて、駆動電力を蓄電池を備えた蓄電池装置から得る場合を説明したが、駆動電力を燃料電池を備えた燃料電池装置から得る構成とすることもできる。
更に、第2の実施の形態の変形例として、エンジン発電機に代えて、駆動電力を蓄電池を備えた蓄電池装置又は燃料電池を備えた燃料電池装置から得る構成とすることもできる。
10:電気自動車の駆動・制御装置、11:電気自動車、12:永久磁石同期電動機、13:エンジン、14:発電機、15、15a:PWMインバータ装置、16:出力軸、17:機械的伝達機構、18、19:車輪、20:充・放電制御電子スイッチ装置、21、22:蓄電池装置、23:電気自動車、24:充電装置、25:比較手段、26:測定手段、27:1/2乗関数発生器、28:電流制限制御装置、29:トルク制御装置、30:部分制御装置、31:負荷、32:エンコーダ、33、34:電流センサ、35:電流指令器、36:負荷角設定器、37:一次遅れ演算器、38:リミッタ、39:ランプ関数発生器、40:増幅器、41:リミッタ、42:ステップ関数発生器、43:増幅器、44:リミッタ、45:係数器、46:速度検出器、47:増幅器、48:リミッタ、49:絶対値演算器、50:掛算器、51:絶対値演算器、52:速度制御器、53:係数器、54:絶対値演算器、55:符号判別器、56:一次遅れ演算器、57、58:掛算器、59:電圧設定器、60:増幅器、61:リミッタ、62:掛算器、63:一次遅れ演算器、64:リミッタ、65:電圧検出器、66:トルク制御装置、67:部分制御装置、68、69:電流センサ、70:電流指令器、71、72:切替スイッチ、73、74:関数発生器、75:リミッタ、76:一次遅れ演算器、77:切替えスイッチ、78:遅れ関数発生器(一次遅れ演算器)、79:速度制御器、80:係数器、81:速度検出器、82:ステップ関数発生器、83:増幅器、84:リミッタ、85:電圧・界磁制御相電流演算器、86:q軸電流演算器、87:d軸電流成分演算器、88:ランプ関数発生器、89:増幅器、90:リミッタ、91:電気自動車の駆動・制御装置、92:永久磁石同期電動機、93:検知手段、94:出力設定器、95:電流制限制御装置、96:トルク制御装置、97:係数器、98:絶対値演算器、99:符号判別器、100:一次遅れ演算器、101、102:掛算器、103:電圧設定器、104:増幅器、105:リミッタ、106:掛算器、107:一次遅れ演算器、108:リミッタ、109:絶対値演算器、110:係数器、111:掛算器、112:リミッタ、113:係数器、114:割算器
Claims (6)
- 永久磁石同期電動機で駆動される電気自動車にて、エンジンで発電機を回転して駆動電力を得、更にPWMインバータ装置により可変電圧・可変周波数制御を行って、前記永久磁石同期電動機のトルク制御を行う電気自動車の駆動・制御方法において、
前記PWMインバータ装置は、1)前記永久磁石同期電動機の速度が基底速度以上、又は該永久磁石同期電動機の負荷電圧が基底電圧以上であることを検出する手段と、2)前記速度が前記基底速度を超過した又は前記電圧が前記基底電圧を超過した分を超過分信号aとして検知する手段と、3)前記超過分信号aを入力とする1/2乗関数発生器又は順次勾配が小さくなる折れ線近似関数発生器とを有し、該1/2乗関数発生器又は前記順折れ線近似関数発生器から必要な電流制限指令値bを生成させ、該電流制限指令値bを前記PWMインバータ装置のトルク制御装置の電流指令値cに代数的に加算することによって、前記PWMインバータ装置によって、前記永久磁石同期電動機の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行することを特徴とする電気自動車の駆動・制御方法。 - 永久磁石同期電動機で駆動される電気自動車にて、エンジンで発電機を回転して駆動電力を得、更にPWMインバータ装置により可変電圧・可変周波数制御を行って、前記永久磁石同期電動機のトルク制御を行う電気自動車の駆動・制御方法において、
前記PWMインバータ装置は、前記永久磁石同期電動機の速度が基底速度以上又は該永久磁石同期電動機の負荷電圧が基底電圧以上であることを条件として、該永久磁石同期電動機の出力dを検出する手段と、該永久磁石同期電動機の目標出力eを設定する手段とを有し、該永久磁石同期電動機の出力dと前記目標出力eとの差を演算して出力超過分fを検出し、該出力超過分fを前記永久磁石同期電動機の速度又は電圧で割算することにより必要な電流制限指令値gを生成させ、該電流制限指令値gを前記PWMインバータ装置に置かれたトルク制御装置の電流指令値hに代数的に加算することによって、前記PWMインバータ装置によって、前記永久磁石同期電動機の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行することを特徴とする電気自動車の駆動・制御方法。 - 請求項1又は2記載の電気自動車の駆動・制御方法において、前記エンジン駆動の発電機に代えて、前記駆動電力を蓄電池又は燃料電池から得て、該蓄電池又は該燃料電池の負荷を許容値以下に制限することを特徴とする電気自動車の駆動・制御方法。
- 永久磁石同期電動機で駆動される電気自動車にて、エンジンで発電機を回転して駆動電力を得、更にPWMインバータ装置により可変電圧・可変周波数制御を行って、前記永久磁石同期電動機のトルク制御を行う電気自動車の駆動・制御装置において、
前記PWMインバータ装置は、1)前記永久磁石同期電動機の速度が基底速度以上、又は該永久磁石同期電動機の負荷電圧が基底電圧以上であることを検出する手段と、2)前記速度が前記基底速度を超過した又は前記電圧が前記基底電圧を超過した分を超過分信号aとして検知する手段と、3)前記超過分信号aを入力とする1/2乗関数発生器又は順次勾配が小さくなる折れ線近似関数発生器とを有し、該1/2乗関数発生器又は前記順折れ線近似関数発生器から必要な電流制限指令値bを生成させ、該電流制限指令値bを前記PWMインバータ装置のトルク制御装置の電流指令値cに代数的に加算することによって、前記PWMインバータ装置によって、前記永久磁石同期電動機の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行することを特徴とする電気自動車の駆動・制御装置。 - 永久磁石同期電動機で駆動される電気自動車にて、エンジンで発電機を回転して駆動電力を得、更にPWMインバータ装置により可変電圧・可変周波数制御を行って、前記永久磁石同期電動機のトルク制御を行う電気自動車の駆動・制御装置において、
前記PWMインバータ装置は、前記永久磁石同期電動機の速度が基底速度以上又は該永久磁石同期電動機の負荷電圧が基底電圧以上であることを条件として、該永久磁石同期電動機の出力dを検出する手段と、該永久磁石同期電動機の目標出力eを設定する手段とを有し、該永久磁石同期電動機の出力dと前記目標出力eとの差を演算して出力超過分fを検出し、該出力超過分fを前記永久磁石同期電動機の速度又は電圧で割算することにより必要な電流制限指令値gを生成させ、該電流制限指令値gを前記PWMインバータ装置に置かれたトルク制御装置の電流指令値hに代数的に加算することによって、前記PWMインバータ装置によって、前記永久磁石同期電動機の出力制限制御を遂行しつつ、必要なトルク制御を遂行することを特徴とする電気自動車の駆動・制御装置。 - 請求項4又は5記載の電気自動車の駆動・制御装置において、前記エンジン駆動の発電機に代えて、前記駆動電力を蓄電池又は燃料電池から得て、該蓄電池又は該燃料電池の負荷を許容値以下に制限することを特徴とする電気自動車の駆動・制御装置。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2016103909A1 (ja) * | 2014-12-26 | 2016-06-30 | 三菱電機株式会社 | 電動機の診断装置 |
CN113858949A (zh) * | 2021-09-11 | 2021-12-31 | 西安中车永电电气有限公司 | 一种带有永磁发电机的辅助变流供电*** |
-
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CN113858949A (zh) * | 2021-09-11 | 2021-12-31 | 西安中车永电电气有限公司 | 一种带有永磁发电机的辅助变流供电*** |
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