CN108667387A - 感应电动机的控制装置和电动汽车 - Google Patents

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Abstract

提供一种即使在车辆转向时也能适当驱动两个转子的感应电动机的控制装置。具备：电动机(2)，隔着规定的间隙在其定子(21)的两侧的轴向面上配置有第1转子(22)和第2转子(23)；以及ECU(5)，其根据第1转子(22)和第2转子(23)的转矩分配和对电动机(2)要求的目标总转矩算出第1转子(22)和第2转子(23)各自的目标转矩，根据第1转子(22)和第2转子(23)各自的目标转矩以及第1转子(22)和第2转子(23)各自的旋转速度选定第1转子(22)和第2转子(23)共用的驱动频率。

Description

感应电动机的控制装置和电动汽车
技术领域
本发明涉及感应电动机的控制装置。
背景技术
专利文献1记载了一种使用由交流电压驱动的感应电动机作为驱动源的电动汽车，其中，为了减少装置重量，用一个定子使与左右驱动轮对应的两个转子独立旋转，从而不使用差动齿轮，而利用单一的逆变器和感应电动机来进行左右两轮的驱动控制。
具体地说，基于与左驱动轮对应的转子的旋转速度和与右驱动轮对应的转子的旋转速度的平均值决定用于驱动感应电动机的电压，根据该电压选择某个滑差率-转矩曲线，在所选择的滑差率-转矩曲线上决定转矩。
并且，为了防止在转向时对内轮分配比外轮多的转矩导致产生与方向盘操作相反方向的转向力，进行控制从而在使感应电动机的同步速度增加的方向上进行更新，使外轮侧的转子转矩比内轮侧的转子转矩大。
而且，为了在转向时实现与前进时相同的加速感，而减少用于驱动感应电动机的电压，变更滑差率-转矩曲线，从而使前进时的驱动转矩和转向时的左右转子的转矩的平均值一致。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特许第2827502号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，如专利文献1所述，在根据左右转子的旋转速度的平均值决定驱动感应电动机的同步速度的情况下，在转向时进行高速旋转的外轮侧的旋转速度会比感应电动机的同步速度高。因此，会导致在滑差率-转矩曲线中外轮侧的转子转矩成为负值，使外轮侧的转子产生再生转矩，无法使车辆适当转向。
因此，本发明的目的在于提供一种即使在车辆转向时也能适当驱动两个转子的感应电动机的控制装置。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明是一种感应电动机的控制装置，上述感应电动机具有两个转子，该两个转子设置成能够以相互不同的旋转速度旋转，上述感应电动机的控制装置具备控制部，上述控制部根据上述两个转子的转矩分配和对上述感应电动机要求的目标总转矩算出上述两个转子各自的目标转矩，根据该两个转子各自的目标转矩和上述两个转子各自的旋转速度选定上述两个转子共用的驱动频率。
发明效果
这样，根据本发明，即使在车辆转向时也能适当驱动两个转子。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的感应电动机的控制装置的概要构成图。
图2是本发明的一个实施例的感应电动机的控制装置的定子的立体图。
图3是本发明的一个实施例的感应电动机的控制装置的转子的立体图。
图4是本发明的一个实施例的感应电动机的控制装置的定子和转子的截断立体图。
图5是示出车辆转向时的状态的图。
图6是示出本发明的一个实施例的感应电动机的控制装置的滑差率-转矩映射的例子的图。
图7是本发明的一个实施例的感应电动机的控制装置的控制系统的框图。
图8是示出本发明的一个实施例的感应电动机的控制装置的滑差率-转矩映射的变化的图。
附图标记说明
1：车辆
2：电动机(感应电动机)
3：逆变器
5：ECU(控制部)
21：定子
22：第1转子
23：第2转子
76：左驱动轮速传感器
77：右驱动轮速传感器
211：定子铁芯
212：电枢线圈
213：定子齿
221：转子铁芯
222：导体条
223：转子齿
231：转子铁芯
232：导体条。
具体实施方式
本发明的一个实施方式的感应电动机的控制装置是具有设置成能以相互不同的旋转速度旋转的两个转子的感应电动机的控制装置，构成为具备控制部，控制部根据两个转子的转矩分配和对感应电动机要求的目标总转矩算出两个转子各自的目标转矩，根据两个转子各自的目标转矩和两个转子各自的旋转速度选定两个转子共用的驱动频率。由此，即使在车辆转向时也能适当驱动两个转子。
实施例
以下，参照附图详细说明本发明的实施例的感应电动机的控制装置。
在图1中，搭载有本发明的一个实施例的感应电动机的控制装置的车辆1具备：作为感应电动机的电动机2、逆变器3、电池4以及作为控制部的ECU(Electronic ControlUnit：电子控制单元)5。
电动机2具备：圆环状的定子21、圆盘状的第1转子22以及圆盘状的第2转子23。电动机2构成为第1转子22和第2转子23的一个面分别与定子21的两侧的轴向面相对。
在第1转子22的与面向定子21的面相反侧的面上，在面的中心处与面垂直地连结有第1输出轴24。第1转子22以第1输出轴24为旋转轴进行旋转。
第1输出轴24与左驱动轮61连结。左驱动轮61随着第1转子22的旋转而旋转。
在第2转子23的与面向定子21的面相反侧的面上，在面的中心处与面垂直地连结有第2输出轴25。第2转子23以第2输出轴25为旋转轴进行旋转。
第2输出轴25与右驱动轮62连结。右驱动轮62随着第2转子23的旋转而旋转。第1转子22和第2转子23也可以通过齿轮等分别与第1输出轴24或者第2输出轴25连接。
第1输出轴24和第2输出轴25不直接连结，第1转子22和第2转子23能以独立的旋转速度进行旋转。第1输出轴24和第2输出轴25的旋转中心与通过定子21的中心的与定子21的轴向面垂直相交的直线(中心线)一致。
如图2所示，定子21具备环状的定子铁芯211和卷绕于该定子铁芯211的电枢线圈212。定子铁芯211包括高磁导率的磁性材料。
定子铁芯211包括：未图示的环状的定子磁轭；以及在周向上按规定间隔设置于该定子磁轭的多个定子齿213。
此外，“周向”表示以中心线为中心的圆周方向。另外，“轴向”表示中心线所延伸的方向。
另外，“径向”是与中心线所延伸的方向正交的方向，表示以中心线为中心的辐射方向。“径向的外侧”是在径向上离中心线远的一侧，“径向的内侧”是在径向上离中心线近的一侧。
定子齿213从定子磁轭的表面突出，形成为从轴向观察为梯形并且周向的截面为矩形的形状。在本实施例中，在定子磁轭的周向上按规定间隔设有36个定子齿213。
电枢线圈212以定子铁芯211的相邻的定子齿213之间为槽，以环形卷绕的方式缠绕于环状的定子磁轭。环形卷绕是指交替通过定子磁轭的环的内侧和外侧，将绕组卷绕于定子磁轭来进行卷线的方法。
这样，通过形成环形卷绕，能使线圈端部在径向内侧集中而使线圈端部变小，能使电动机2小型化。通过使线圈端部在径向内侧集中，能在径向外侧设置热路径，能提高散热性。
电枢线圈212对应于三相交流电的U相、V相、W相中的任意一相。电枢线圈212以分布卷绕方式缠绕于定子磁轭。电枢线圈212以环形卷绕形成，因此通过使线圈端部集中在径向内侧，只要切换线圈端部的连线就能形成分布卷绕。
如图3所示，第1转子22具备转子铁芯221和导体条222。在转子铁芯221的与定子21相对的面设有转子齿223。转子齿223形成为从转子铁芯221沿轴向突出。转子齿223从轴向观察形成为梯形。转子齿223按规定间隔设于周向。在本实施例中，在周向上按规定间隔设有40个转子齿223。
在转子铁芯221的形成有转子齿223的面上，在整个面设有导体条222。导体条222例如由铜、铝形成。导体条222形成为使转子齿223的突出的顶端的面露出。这样，第1转子22构成为笼型感应转子。
第2转子23具备转子铁芯231和导体条232。虽然在图中被隐藏，但在转子铁芯221的与定子21相对的面上，与第1转子22同样地设有转子齿。
在转子铁芯231的形成有转子齿的面上，与第1转子22同样地在整个面设有导体条232。这样，第2转子23构成为笼型感应转子。
第1转子22和第2转子23以相同的结构(槽数、转子铁芯形状、导体条的电阻)形成。
如图4所示，第1转子22和第2转子23隔着规定的间隙配置在定子21的两侧的轴向面。
当电动机2向定子21的电枢线圈212提供三相交流的电力，定子21中产生旋转磁场时，会在第1转子22的导体条222和第2转子23的导体条232中产生感应电流，该电流与旋转的磁场的相互作用使第1转子22和第2转子23旋转。即，电动机2构成为感应电动机。
在图1中，逆变器3将电池4的直流电转换为三相交流电，而提供给电枢线圈212。另外，逆变器3将由电枢线圈212产生的三相交流电转换为直流电，而对电池4进行充电。
电池4例如包括镍蓄电池、锂蓄电池等，是将多个单体电池以串联的方式连接而构成的。电池4通过逆变器3向电动机2提供电力。
ECU5包括计算机单元，该计算机单元具备CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)、闪存、输入端口以及输出端口。
该计算机单元的ROM中存储有各种控制常量、各种映射等，并且存储有用于使该计算机单元作为ECU5发挥功能的程序。
即，CPU执行ROM中存储的程序，由此该计算机单元作为ECU5发挥功能。
ECU5的输入端口连接有包括加速器开度传感器71、制动器油压传感器72、操舵角传感器73、车速传感器74、角速度传感器75、左驱动轮速传感器76、右驱动轮速传感器77的各种传感器类。
加速器开度传感器71检测由驾驶员操作的未图示的加速器踏板的开度即加速器开度。
制动器油压传感器72例如根据由制动器操作得到的制动器油压而输出传感器信息(电压信号)，当制动器的踩踏量变大时传感器信息的电压变高。ECU5根据该传感器信息的电压来检测制动器的操作量。
操舵角传感器73检测未图示的方向盘的操舵角。车速传感器74检测车辆1的速度。角速度传感器75检测车辆1的重心处的横摆率、横向加速度。
左驱动轮速传感器76检测与左驱动轮61连结的第1输出轴24的旋转速度。右驱动轮速传感器77检测与右驱动轮62连结的第2输出轴25的旋转速度。
ECU5的输出端口连接有包括逆变器3的各种控制对象类。
ECU5根据加速器开度、制动器操作量算出左驱动轮61和右驱动轮62的目标总转矩。ECU5根据目标总转矩算出左驱动轮61的目标转矩和右驱动轮62的目标转矩。ECU5根据左驱动轮61的目标转矩、右驱动轮62的目标转矩、左驱动轮61的旋转速度、右驱动轮62的旋转速度、滑差率-转矩特性来求出驱动电动机2的基波旋转磁场的频率(也称为“驱动频率”)和电流指令值，基于它们控制逆变器3来驱动电动机2。
当由操舵角传感器73检测出驾驶员要使车辆1转向时，ECU5算出控制电动机2的基波旋转磁场的频率和电流指令值以使车辆1适当转向。ECU5例如在由操舵角传感器73检测出的操舵角超过规定值的情况下，判断为驾驶员要使车辆1转向。
如图5所示，ECU5根据第1转子22的旋转速度n1、第2转子23的旋转速度n2、加速器开度Ka、制动器操作量Kb、操舵角δ、车速V、车辆重心G处的横摆率γ、横向加速度Ay，算出车辆重心G处的目标横摆率γ＊和目标横向加速度Ay ＊。
ECU5例如利用映射从各检测值算出车辆重心G处的目标横摆率γ＊和目标横向加速度Ay ＊。
ECU5根据目标横摆率γ＊和目标横向加速度Ay ＊，根据左驱动轮61和右驱动轮62的转矩差ΔT算出施加到车辆1的重心G附近的目标横摆力矩Mr ＊。
在左驱动轮61和右驱动轮62产生旋转速度差的车辆1的转向时，例如在横向加速度Ay小于目标横向加速度Ay ＊的情况下或横摆率γ小于目标横摆率γ＊的情况下，算出与横摆率γ相同方向的目标横摆力矩Mr ＊。
另一方面，在车辆1的转向时，例如在横向加速度Ay大于目标横向加速度Ay ＊的情况下或横摆率γ大于目标横摆率γ＊的情况下，算出与横摆率γ相反方向的目标横摆力矩Mr ＊。
ECU5根据目标横摆力矩Mr ＊算出左驱动轮61和右驱动轮62的目标转矩差ΔTr ＊。即，ECU5算出第1转子22和第2转子23的转矩分配。
ECU5根据加速器开度Ka、制动器操作量Kb算出左驱动轮61和右驱动轮62的目标总转矩ΣTr ＊。例如，在加速器开度Ka＞0并且制动器操作量Kb＝0的情况下，将目标总转矩ΣTr ＊设定为驱动侧(与旋转方向相同方向)，相对于加速器开度Ka的增加，目标总转矩ΣTr ＊向驱动侧增加。
ECU5根据目标转矩差ΔTr ＊和目标总转矩ΣTr ＊，算出左驱动轮61的目标转矩T1 ＊和右驱动轮62的目标转矩T2 ＊。
在感应电动机中，根据其动作原理，转子比定子的旋转磁场的旋转速度(同步速度)延迟旋转从而产生转矩。将该同步速度与转子的旋转速度的速度差相对于同步速度的比率称为“滑差率”。即，“滑差率”通过下式算出。
滑差率＝(同步速度-转子旋转速度)÷同步速度
这种表示“滑差率”与转矩的关系的滑差率-转矩曲线表示为如图6所示的那样。在图6中，ns表示同步速度。
根据这样的滑差率-转矩曲线，从第1转子22的滑差率N1、第2转子23的滑差率N2可知左驱动轮61的转矩T1、右驱动轮62的转矩T2。
ECU5根据左驱动轮61的目标转矩T1 ＊、右驱动轮62的目标转矩T2 ＊、第1转子22的旋转速度n1、第2转子23的旋转速度n2、滑差率-转矩映射来求出电动机2的基波旋转磁场的频率和电流指令值，基于它们控制逆变器3来驱动电动机2。
ECU5例如图7的控制框图那样进行电动机2的控制。
因此，ECU5具备滑差率-转矩映射选择部51、速度控制部(ASR：Automated SpeedRegulator：自动调速器)52、积分部53、运算部54、电流指令值运算部55以及电流控制部56。
ECU5关于转子的旋转速度，选定2个转子中的在不稳定动作区域中进行驱动的转子，例如选定转向时的外侧转子来进行控制。转向时的外侧转子以比内侧转子高的速度旋转，因此其旋转速度的控制范围大，能通过细微改变旋转速度来使施加到车辆1的重心G的横摆力矩细微改变。在以下的说明中，将第1转子22的旋转速度设为转子的旋转速度。
如图8所示，滑差率-转矩映射选择部51选择满足左驱动轮61的目标转矩T1 ＊、右驱动轮62的目标转矩T2 ＊、第1转子22的旋转速度n1、第2转子23的旋转速度n2的滑差率-转矩映射。在图8中，示出了将图6所示的左驱动轮61的转矩T1、右驱动轮62的转矩T2控制为左驱动轮61的目标转矩T1 ＊、右驱动轮62的目标转矩T2 ＊的情况。
在ECU5的ROM中存储有通过电磁场解析等得到的多个滑差率-转矩映射。滑差率-转矩映射选择部51从这些滑差率-转矩映射中选择满足上述条件的映射。滑差率-转矩映射可以通过实验等求出，也可以从等效电路求出。
滑差率-转矩映射选择部51从所选择的滑差率-转矩映射求出定子21的旋转磁场的目标同步旋转速度ns ＊。滑差率-转矩映射选择部51根据目标同步旋转速度ns ＊算出励磁磁通电流im ＊、同步角速度ωst ＊、第1转子22的目标角速度ω1 ＊。
速度控制部52根据第1转子22的目标角速度ω1 ＊与当前的第1转子22的角速度ω1的偏差，算出转矩电流iτ1 ＊以消除偏差。
积分部53将同步角速度ωst ＊按时间进行积分来算出同步旋转角θst。运算部54根据同步旋转角θst算出第1转子22的旋转角θ1，输出cosθ1、sinθ1。
电流指令值运算部55根据励磁磁通电流im ＊、转矩电流iτ1 ＊、来自运算部54的cosθ1、sinθ1对三相交流电的电流指令值ia1 ＊、ib1 ＊、ic1 ＊(静止坐标上的电流)进行运算。
电流控制部56根据作为电流指令值ia1 ＊，ib1 ＊，ic1 ＊与检测出的三相交流电流的偏差的电流指令值iu＊、iv＊、iw＊，算出用于驱动电压控制型的逆变器3所需的各相的电压指令值vu ＊、vv ＊、vw ＊。
逆变器3是电压指令型的逆变器，根据电压指令值vu ＊、vv ＊、vw ＊，输出驱动电动机2所需的三相交流电流。
此外，在本实施例中，根据滑差率-转矩映射求出了同步旋转速度ns，但是只要能求出同步旋转速度ns即可，也可以是用电磁场解析求出的电磁场解析映射、用实验等求出的映射等。
另外，在本实施例中，示出了定子21的槽为36槽，第1转子22、第2转子23的槽为40槽的情况，但是其它槽组合时也能同样进行控制。
另外，在本实施例中，示出了第1转子22、第2转子23为导体条短路的笼形的情况，但是绕组转子型时也同样能进行控制。
另外，在本实施例中，示出了用1个定子驱动2个转子的情况，但是也能同样应用于用1个逆变器驱动2个同样构成的电动机的情况。
这样，在上述实施例中，根据目标转矩差ΔTr ＊和目标总转矩ΣTr ＊算出左驱动轮61的目标转矩T1 ＊和右驱动轮62的目标转矩T2 ＊。从满足左驱动轮61的目标转矩T1 ＊、右驱动轮62的目标转矩T2 ＊、第1转子22的旋转速度n1、第2转子23的旋转速度n2的滑差率-转矩映射算出定子21的基波旋转磁场的频率f0和电流指令值A0。
由此，在用一个定子21驱动能以相互不同的旋转速度旋转的第1转子22、第2转子23时，能以所希望的转矩分配对第1转子22、第2转子23进行驱动。
其结果是，例如在将本实施例的电动机2应用于电动汽车的驱动源的情况下，选定在车辆转向时使外轮侧的转矩比内轮侧的转矩大的驱动频率，即使在车辆转向时也能适当驱动两个转子。
另外，从多个滑差率-转矩映射选择符合左驱动轮61的目标转矩T1 ＊、右驱动轮62的目标转矩T2 ＊的滑差率-转矩映射，选定定子21的基波旋转磁场的频率f0和电流指令值A0。由此，能容易地选定驱动频率。
另外，关于转子的旋转速度，根据转矩小而不稳定的外轮侧的转子旋转速度对旋转速度进行控制。
由此，与根据内轮侧的转子旋转速度来控制旋转速度的情况相比，车辆转向时的车辆稳定性提高。
另外，在定子21的两侧的轴向面上隔开规定的间隙配置有第1转子22和第2转子23。
因此，不需要设置差动齿轮或对2个转子分别设置定子和逆变器，能不增加部件数量而以低成本实现具备差动功能的感应电动机。其结果是，能实现车辆重量的减轻、电动机2和逆变器3的低成本化。
虽然公开了本发明的实施例，但是显然本领域技术人员能不脱离本发明的范围而施加变更。希望将全部的这种修正和等价物包含于权利要求中。

Claims (4)

1.一种感应电动机的控制装置，上述感应电动机具有两个转子，该两个转子设置成能够以相互不同的旋转速度旋转，上述感应电动机的控制装置的特征在于，
具备控制部，上述控制部根据上述两个转子的转矩分配和对上述感应电动机要求的目标总转矩算出上述两个转子各自的目标转矩，根据该两个转子各自的目标转矩和上述两个转子各自的旋转速度选定上述两个转子共用的驱动频率。
2.根据权利要求1所述的感应电动机的控制装置，
上述控制部从表示上述两个转子的转矩与旋转速度的关系的多个映射中选择符合上述两个转子各自的目标转矩和上述两个转子各自的旋转速度的上述映射，根据该映射选定上述驱动频率。
3.一种电动汽车，具备：感应电动机，其具有两个转子，该两个转子设置成能够以相互不同的旋转速度旋转；以及权利要求1或者权利要求2所述的感应电动机的控制装置，上述电动汽车将上述两个转子分别作为左右驱动轮的驱动源，其特征在于，
上述转矩分配是上述电动汽车转向时所要求的转矩分配，
上述目标总转矩是上述电动汽车所要求的转矩，
上述控制部在上述电动汽车转向时根据外轮侧的转子的旋转速度进行上述感应电动机的控制。
4.根据权利要求3所述的电动汽车，
上述感应电动机是一个定子的两侧轴向面上配置有上述两个转子的轴向间隙型电动机，
上述两个转子配置成隔着上述定子相互相对。
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