JP5904583B2 - モータの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、交流モータの制御装置に関する。
従来、交流モータの制御装置としては例えば特許文献1に記載の装置がある。こうした制御装置では、直流を交流に変換するインバータを制御することによって交流モータの駆動が制御される。尚、特許文献1に記載の交流モータは、交流電源からの電力によって駆動されるものである。
また、例えば電気自動車の駆動輪を駆動する交流モータのようにバッテリからの電力によって駆動される交流モータの場合、モータ回転速度ωe及びバッテリ電圧Vbは常に変動することから、トルク指令値T*に見合ったトルクをモータに効率よく出力させるための電流指令値(d軸電流指令値Id*、q軸電流指令値Iq*)は、これらモータ回転速度ωe、バッテリ電圧Vb、及びトルク指令値T*によって異なる。
そこで、モータ回転速度ωe、バッテリ電圧Vb、及びトルク指令値T*と、各電流指令値Id*,Iq*との関係が規定された3次元マップを参照することによって、モータ回転速度ωe、バッテリ電圧Vb、及びトルク指令値T*に基づいてそのときどきの状態に適した各電流指令値Id*,Iq*が導出される。そして、これら電流指令値Id*,Iq*に応じた電流がモータに流れるようにインバータが制御される。
また、モータに実際に流れる電流(d軸電流Id、q軸電流Iq)を検出するとともに、これら電流の実値Id,Iqと、上記各電流指令値Id*,Iq*との乖離度合に基づいてインバータを制御するための信号がフィードバック制御される。
特開2001―95300号公報
ところで、例えば電気自動車のように交流モータによって車両の駆動輪を駆動する構成の場合、車両の高速走行中に制御されるトルクの方向が急に変ったり、駆動輪の回転方向が急に変ったりすることで、モータの出力軸に作用する外部負荷が急激に変化することがある。このときモータが駆動輪によって駆動される状態、すなわち回生状態となって、モータからインバータに対して過度に大きい回生電流が流れるおそれがある。
こうした問題に対して、特許文献1に記載の技術では、モータが回生状態になった場合に回生トルクが発生しないように出力トルクに基づいてd軸電流指令値が設定される。ここでd軸電流は常に負の値となるものであり、d軸電流が負側に大きくされるほど、リラクタンストルクが大きくなり、モータの発電電圧(誘起電圧)が小さくされる。しかしながら、この場合には、モータが回生状態になると常に、モータの回生トルクが発生しないようにされることから、回生エネルギを回収することができない。
本発明の目的は、回生エネルギを好適に回収しつつも、モータからインバータに対して過度に大きい回生電流が流れることを好適に抑制することのできるモータの制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に従うモータの制御装置は、トルク指令値に基づいてd軸電流指令値及びq軸電流指令値を導出するとともに、これらd軸電流指令値及びq軸電流指令値に応じた電流がモータに流れるようにインバータを制御する。また、モータの回生時において、モータの出力トルクに基づいて導出されるd軸電流指令値が前記トルク指令値に基づいて導出されるd軸電流指令値よりも負側に大きい場合には、モータの出力トルクに基づいて導出されるd軸電流指令値によりインバータを制御する。
同構成によれば、回生エネルギを好適に回収しつつも、モータからインバータに対して過度に大きい回生電流が流れることを好適に抑制することができる。
同態様によれば、これらd軸電流指令値の大小比較に基づいてインバータを制御するためのd軸電流指令値を適切に設定することができる。
この場合、バッテリ電圧、モータ回転速度、及びモータのトルクの値とd軸電流指令値との関係が規定されたマップを備え、前記マップを参照して前記トルク指令値に基づいてd軸電流指令値を導出するとともに、モータの回生時には、前記マップを参照して前記トルク指令値及びモータの出力トルクに基づいてd軸電流指令値をそれぞれ導出する、といった態様が好ましい。
また、q軸電流の実値とモータ回転速度とに基づいてモータが回生状態であるか否かを判断する、といった態様が好ましい。
モータが回生状態である場合としては、モータは前進方向に回転しているものの出力トルクが負である場合と、モータは後進方向に回転しているものの出力トルクが正である場合との2つの場合がある。このため、上記態様によれば、モータの回転方向と相関のあるモータ回転速度と、モータの出力トルクと相関のあるq軸電流の実値とに基づいてモータが回生状態であるか否かを的確に判断することができる。
本発明の一実施形態に係るモータの制御装置の概略構成図。 モータ回転速度及びq軸電流とモータの運転状態との関係を示すグラフ。 (a)はd軸電流指令値を導出するためのマップ、(b)はq軸電流指令値を導出するためのマップ。 同実施形態におけるd軸電流指令値を設定する処理の実行手順を示すフローチャート。 モータの回生時におけるインバータの電圧とモータの電圧との関係を示すグラフ。 従来のモータ制御が実行された場合におけるd軸電流指令値、d軸電流の実値の推移の一例を示すタイミングチャート。 同実施形態のモータ制御が実行された場合における各d軸電流指令値、d軸電流の実値の推移の一例を示すタイミングチャート。
以下、図1〜図7を参照して本発明に係るモータの制御装置を、電気自動車の駆動輪を駆動する交流モータの制御装置として具体化した一実施形態について説明する。尚、本実施形態では、交流モータとして永久磁石式同期モータ(以下、単にモータ1と称する)を例に説明をする。
図1に示すように、バッテリ3からの直流電力はインバータ2によって可変電圧及び可変周波数の交流電力に変換される。そして、インバータ2から出力される交流電力によってモータ1が任意の回転速度(モータ回転速度ωe)にて駆動される。モータ1の出力軸には車両の駆動輪が連結されており、この出力軸の回転に伴って駆動輪が回転される。
モータ1の制御は電子制御装置10によって行なわれる。電子制御装置10は、バッテリ電圧Vb、モータ回転速度ωe、及びトルク指令値T*に基づいてインバータ2を制御することによりモータ1に流れる電流(d軸電流Id,q軸電流Iq)を制御する。
電子制御装置10は、電流指令値設定部11、電流制御部12、パルス生成部13、出力トルク演算部14、回生状態判定部15、及び開閉器16を備えている。また、電子制御装置10には、バッテリ電圧Vbやモータ回転速度ωe、モータ1に流れる電流(d軸電流Id、q軸電流Iq)が入力される。尚、バッテリ電圧Vbを検出する電圧センサ21、モータ回転速度ωeを検出するレゾルバ22、及び各電流(d軸電流Id、q軸電流Iq)を検出する電流センサ23が設けられている。尚、d軸電流は、モータ1に流れる1次電流において同モータ1の磁界の向きの成分である。また、q軸電流は、同1次電流においてモータ1の磁界の向きに対して直交する方向の成分である。
出力トルク演算部14には上記各電流の実値Id,Iqが入力される。出力トルク演算部14はこれら各電流の実値Id,Iqに基づき以下の式(1)に従ってモータ1の出力トルクToutを算出する。

Tout = p×{φ+(Ld−Lq)×Id}×Iq ・・・(1)

ここで、pはモータ1の極対数であり、φは鎖交磁束数であり、Ldはd軸インダクタンスであり、Lqはq軸インダクタンスである。
回生状態判定部15にはq軸電流の実値Iq及びモータ回転速度ωeが入力される。回生状態判定部15はこれらq軸電流の実値Iqとモータ回転速度ωeとに基づいてモータ1が回生状態であるか否かが判断される。
すなわち、図2に示すように、モータ1が力行状態である場合には、モータ1が前進方向に回転しており、出力トルクToutが正である場合(ωe>0,Tout>0)と、モータ1が後進方向に回転しており、出力トルクToutが負である場合(ωe<0,Tout<0)との2つの場合がある。
また、モータ1が回生状態である場合には、モータ1は前進方向に回転しているものの出力トルクToutが負である場合(ωe>0,Tout<0)と、モータ1は後進方向に回転しているものの出力トルクToutが正である場合(ωe<0,Tout>0)との2つの場合がある。
これらの関係から、以下の不等式(2)が成立する場合にモータ1が回生状態である旨判断される。

Iq×ωe < 0 ・・・(2)

回生状態判定部15によってモータ1が回生状態であると判断されているときには、開閉器16がオン状態とされる。このため、出力トルク演算部14によって算出されたモータ1の出力トルクToutが電流指令値設定部11に対して出力される。
電流指令値設定部11にはバッテリ電圧Vb、モータ回転速度ωe、及びトルク指令値T*が常に入力される。また、開閉器16がオン状態とされているとき(モータ1の回生時)には更に出力トルクToutが入力される。電流指令値設定部11はバッテリ電圧Vb、モータ回転速度ωe、及びモータ1のトルクの値T(トルク指令値T*、出力トルクTout)とd軸電流指令値Id*との関係が規定されたマップを備えている(図3(a)参照)。電流指令値設定部11はこれらバッテリ電圧Vb、モータ回転速度ωe、及びモータ1のトルクの値T(トルク指令値T*、出力トルクTout)に基づいて上記マップを参照してd軸電流指令値Id*を導出する。
すなわち、電流指令値設定部11は常にトルク指令値T*(Tref*)に基づいてd軸電流指令値IdTref*を導出するとともに、モータ1の回生時には更に、モータ1の出力トルクToutに基づいてd軸電流指令値IdTout*を導出する。
また、電流指令値設定部11はバッテリ電圧Vb、モータ回転速度ωe、及びトルク指令値T*とq軸電流指令値Iq*との関係が規定されたマップを備えている(図3(b)参照)。電流指令値設定部11はこれらバッテリ電圧Vb、モータ回転速度ωe、及びトルク指令値T*に基づいて上記マップを参照してq軸電流指令値Iq*を導出する。
こうして導出されたd軸電流指令値Id*及びq軸電流指令値Iq*は電流制御部12に対して出力される。
ここで、モータ1の力行時には、d軸電流指令値Id*としてトルク指令値T*に基づいて導出された値IdTref*が電流制御部12に対して出力される。一方、モータ1の回生時には、モータ1の出力トルクToutに基づいて導出されたd軸電流指令値IdTout*とトルク指令値T*に基づいて導出されたd軸電流指令値IdTref*との大小比較が行なわれて、負側に大きい方の値が出力される。ちなみに、d軸電流の実値Id、及びその指令値IdTref*,IdTout*は常に負の値となるものである。d軸電流Idは「弱め界磁電流」とも称され、上記(1)を変形した以下の式(3)からも明らかなように、d軸電流Idが流れるほどリラクタンストルク(=p×(Ld−Lq)×Iq×Id)が大きくなり、モータ1の発電電圧(誘起電圧)が小さくなる。

Tout = p×φ×Iq + p×(Ld−Lq)×Iq×Id ・・・(3)

電流制御部12には上記各電流指令値Id*,Iq*、バッテリ電圧Vb、及びd軸電流の実値Id、q軸電流の実値Iqが入力される。電流制御部12はこれら上記各電流指令値Id*,Iq*、バッテリ電圧Vb、及び各電流の実値Id,Iqに基づいて各電流の実値Id,Iqを上記各電流指令値Id*,Iq*に見合った大きさとするための直流電圧指令値(d軸直流電圧指令値Vd*、q軸直流電圧指令値Vq*)を導出する。すなわち、モータ1に実際に流れる電流Id,Iqと、上記各電流指令値Id*,Iq*との乖離度合に基づいて各直流電圧指令値Vd*,Vq*がフィードバック制御される。
パルス生成部13には上記各直流電圧指令値Vd*,Vq*が入力される。パルス生成部13はこれら各直流電圧指令値Vd*,Vq*に基づいてインバータ2を駆動するためのパルス信号を生成する。そして、このパルス信号がインバータ2に対して出力されることでモータ1の駆動が制御される。
次に、図4を参照して、d軸電流指令値Id*の設定処理の実行手順について説明する。尚、図4に示される一連の処理は所定期間(例えば数ミリ秒)毎に電子制御装置10によって繰り返し実行される。
図4に示すように、この一連の処理では、まず、ステップS1において、図3(a)に示すマップを参照してトルク指令値T*に基づいてd軸電流指令値IdTref*が導出される。次に、プログラムがステップS2に進み、上記不等式(2)に基づいてモータ1が回生状態であるか否かが判断される。
その結果、モータ1が回生状態ではないと判断された場合(ステップS2:「NO」)には、モータ1が力行状態であるとして、プログラムがステップS3に進み、電流制御部12に出力されるd軸電流指令値Id*に対して上記ステップS1において導出された値IdTref*を設定して、この一連の処理が一旦終了される。
一方、ステップS2において、モータ1が回生状態であると判断された場合(ステップS2:「YES」)には、次に、プログラムがステップS4に進み、図3(a)に示すマップを参照してモータ1の出力トルクToutに基づいてd軸電流指令値IdTout*が導出される。そして、次に、プログラムがステップS5に進み、このd軸電流指令値IdTout*が上記ステップS1において導出された値IdTref*よりも小さいか否か、すなわち負側に大きいか否かが判断される。
その結果、否定判断された場合(ステップS5:「NO」)には、次に、プログラムがステップS3に進み、電流制御部12に出力するd軸電流指令値Id*に対して上記ステップS1において導出された値IdTref*を設定して、この一連の処理が一旦終了される。
一方、モータ1の出力トルクToutに基づいて導出されたd軸電流指令値IdTout*が、トルク指令値T*に基づいて導出されたd軸電流指令値IdTref*よりも小さいと判断された場合(ステップS5:「YES」)、すなわち上記値IdTout*が上記値IdTref*よりも負側に大きい場合には、次に、ステップS6に移行される。そして、電流制御部12に出力するd軸電流指令値Id*に対して上記ステップS4において導出された値IdTout*を設定して、この一連の処理が一旦終了される。
次に、図5〜図7を参照して、本実施形態の作用について説明する。
尚、図6に、従来のモータ制御におけるd軸電流指令値Id*(IdTref*)の推移を破線にて示すとともに、d軸電流の実値Idの推移を実線にて示す。
また、図7に、本実施形態のモータ制御におけるd軸電流指令値IdTref*の推移を破線にて示すとともに、d軸電流指令値IdTout*の推移を一点鎖線にて示す。また、d軸電流の実値Idの推移を実線にて示す。
またこれら図6、7の横軸はトルク指令値T*が正の値から負の値に急激に反転されてからの経過時間(ms)である。
例えば車両の高速走行中において制御されるトルクの方向が急に変ったり、駆動輪の回転方向が急に変ったりすることで、モータ1の出力軸に作用する外部負荷が急激に変化することがある。このときモータ1が回生状態となって、図5に鎖線にて示すように、モータ1の回生電圧Vmotが過度に上昇して同図に一点鎖線にて示すインバータ2の電圧Vinvの上限値よりも高くなることがある。
その結果、従来のモータ制御においては、図6に破線にて示すようにd軸電流指令値IdTref*が設定されることで、図6に実線にて示すように、モータ1からインバータ2に対して過度に大きい回生電流が流れる場合がある。尚、図6ではd軸電流Idが負側に急激に増大する様子が実線にて示されているが、q軸電流Iqも同様にして急激に増大する。
これに対して、本実施形態によれば、モータ1が回生状態となって、モータ1の出力トルクToutに基づいて導出されるd軸電流指令値IdTout*がトルク指令値T*に基づいて導出されるd軸電流指令値IdTref*よりも負側に大きくなった場合には、同出力トルクToutに基づいて導出されるd軸電流指令値IdTout*によってインバータ2が制御される。このため、図5に実線にて示すように、モータ1の回生電圧Vmotが過度に上昇することが抑制される。
その結果、図7に実線にて示すように、モータ1からインバータ2に対して過度に大きい回生電流が流れることが抑制される。
一方、モータ1の回生時であってもモータ1の出力トルクToutに基づいて導出されるd軸電流指令値IdTout*がトルク指令値T*に基づいて導出されるd軸電流指令値IdTref*よりも負側に大きくない場合には、モータ1の回生電圧が過度に上昇するおそれがないとして、トルク指令値T*に基づいて導出されるd軸電流指令値IdTref*によってインバータ2が制御される。このため、モータ1からインバータ2に対して回生電流が好適に流れることとなる。
以上説明した本実施形態に係るモータの制御装置によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
(1)電子制御装置10は、バッテリ電圧Vb、モータ回転速度ωe、及びモータ1のトルクの値Tとd軸電流指令値Id*、q軸電流指令値Iq*との関係がそれぞれ規定されたマップを備えている。そして、このマップを参照してトルク指令値T*に基づいてd軸電流指令値Id*及びq軸電流指令値Iq*が導出されるとともに、これらd軸電流指令値Id*及びq軸電流指令値Iq*に応じた電流がモータ1に流れるようにインバータ2が制御される。また、モータ1の回生時には、上記マップを参照してトルク指令値T*及びモータ1の出力トルクToutに基づいてd軸電流指令値IdTref*,IdTout*がそれぞれ導出される。そして、モータ1の出力トルクToutに基づいて導出されるd軸電流指令値IdTout*がトルク指令値T*に基づいて導出されるd軸電流指令値IdTref*よりも負側に大きい場合には、モータ1の出力トルクToutに基づいて導出されるd軸電流指令値IdTout*によりインバータ2が制御される。こうした構成によれば、回生エネルギを好適に回収しつつも、モータ1からインバータ2に対して過度に大きい回生電流が流れることを好適に抑制することができる。
(2)q軸電流の実値Iqとモータ回転速度ωeとに基づいてモータ1が回生状態であるか否かが判断される。こうした構成によれば、モータ1の回転方向と相関のあるモータ回転速度ωeと、モータ1の出力トルクToutと相関のあるq軸電流の実値Iqとに基づいてモータ1が回生状態であるか否かを的確に判断することができる。
尚、本発明に係るモータの制御装置は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。
・上記実施形態では、同一のマップを参照することによって、トルク指令値T*及びモータ1の出力トルクToutに基づいてそれぞれd軸電流指令値IdTref*,IdTout*を導出するようにしたが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、モータ1の回生時においてモータ1の出力トルクToutがトルク指令値T*に対して過度に増大或いは低下する状況下において、トルク指令値T*に基づいて導出される値IdTref*よりも負側に大きい値を設定し、この設定されたd軸電流指令値によりインバータ2を制御するものであればよい。従って、トルク指令値T*に基づいて導出される値IdTref*から所定値を減じることによってインバータ2を制御するためのd軸電流指令値を設定するようにしてもよい。また、モータ1の回生時においてモータ1の出力トルクToutの絶対値|Tout|とトルク指令値T*の絶対値|T*|との大小比較を行ない、モータ1の出力トルクToutの絶対値|Tout|がトルク指令値T*の絶対値|T*|よりも大きい場合(|Tout|>|T*|)、他の条件が同一であれば、上述した状況下であると判断すればよい。
・本実施形態では電気自動車の駆動輪を駆動する交流モータの制御装置に対して本発明を適用したが、車両の駆動輪が内燃機関と交流モータとの双方によって駆動されるハイブリッド自動車に対して本発明を適用することもできる。
・本発明を車両に搭載されないモータの制御装置として具体化することもできる。また、本発明は永久磁石式同期モータの制御装置に限られるものではなく、他の交流モータを制御する制御装置に対して適用することもできる。
1…モータ、2…インバータ、3…バッテリ、10…電子制御装置、11…電流指令値設定部、12…電流制御部、13…パルス生成部、14…出力トルク演算部、15…回生状態判定部、16…開閉器、21…電圧センサ、22…レゾルバ、23…電流センサ。

Claims (3)

  1. トルク指令値に基づいてd軸電流指令値及びq軸電流指令値を導出するとともに、これらd軸電流指令値及びq軸電流指令値に応じた電流がモータに流れるようにインバータを制御するモータの制御装置において、
    モータの回生時において、モータの出力トルクに基づいて導出されるd軸電流指令値が前記トルク指令値に基づいて導出されるd軸電流指令値よりも負側に大きい場合には、モータの出力トルクに基づいて導出されるd軸電流指令値によりインバータを制御する、
    ことを特徴とするモータの制御装置。
  2. 請求項1に記載のモータの制御装置において、
    バッテリ電圧、モータ回転速度、及びモータのトルクの値とd軸電流指令値との関係が規定されたマップを備え、
    前記マップを参照して前記トルク指令値に基づいてd軸電流指令値を導出するとともに、モータの回生時には、前記マップを参照して前記トルク指令値及びモータの出力トルクに基づいてd軸電流指令値をそれぞれ導出する、
    ことを特徴とするモータの制御装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載のモータの制御装置において、
    q軸電流の実値とモータ回転速度とに基づいてモータが回生状態であるか否かを判断する、
    ことを特徴とするモータの制御装置。
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