JP2004061217A - 電流検出装置とその方法及び電動機装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】コアレスセンサにより適切に電流を検出し、小型化、構成の簡略化をすることのできる電流検出装置とその方法及び電動機制御装置を提供する。
【解決手段】バッテリ１１０から入力された直流電力は、インバータ１３０でＰＷＭ処理されて３相電力に変換され、バスパー１４０を介してモータ１６０に印加される。この３相電力は、コアレス電流センサで検出され、電流値補正部１８２で補正される。電流値補正部１８２は、まずインバータ・モータ間バスパー１４０の中央のｖ相の電流値を、検出された電流値に所定のゲインを乗ずることにより補正し、次に、両側のｕ，ｗ相の電流値を、検出した電流値から、位相関係に基づいてマップ等を参照して決める係数Ｂをｖ相の電流値に乗じて求めたｖ相の影響分を減算することによって補正する。補正された電流値に従ってコントローラ１８０が制御信号を生成し、インバータ１３０を制御する。
【選択図】 図１
【解決手段】バッテリ１１０から入力された直流電力は、インバータ１３０でＰＷＭ処理されて３相電力に変換され、バスパー１４０を介してモータ１６０に印加される。この３相電力は、コアレス電流センサで検出され、電流値補正部１８２で補正される。電流値補正部１８２は、まずインバータ・モータ間バスパー１４０の中央のｖ相の電流値を、検出された電流値に所定のゲインを乗ずることにより補正し、次に、両側のｕ，ｗ相の電流値を、検出した電流値から、位相関係に基づいてマップ等を参照して決める係数Ｂをｖ相の電流値に乗じて求めたｖ相の影響分を減算することによって補正する。補正された電流値に従ってコントローラ１８０が制御信号を生成し、インバータ１３０を制御する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は、例えば電気自動車等に用いられる電動機において、供給される電流を検出する電流検出装置と電流検出方法、及び、電流を適切に検出することにより電動機を所望の状態に適切に制御する電気自動車等に適用して好適な電動機装置に関し、特に、装置を小型化することができ、かつ精度良く電流を検出し電動機の制御を適切に行うことができる電流検出装置とその方法及び電動機装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来、電気自動車の駆動用の３相交流モータ等に印加される電流を検出する電流検出装置としては、例えば特開平９−３０４４４７号公報に記載されている電流検出装置等が知られている。具体的には、例えば前記公報には、３相交流電力の各相の電力供給ライン（バスバー）ごとに、そのバスバーを通すようにコアが設け、このコアに設けられた磁界検出素子（ホール素子）により各バスバーを流れる電流の電流レベルや電流位相を検出するようにした電流検出装置が開示されている。すなわち、流れる電流によって発生する磁束をコアによって集磁し、この集磁された磁束をホール素子で検出することにより電流を検出する電流センサが広く用いられている。
【０００３】
ところで、近年、コアを用いず直接磁束を検出して電力ラインを流れる電流を検出する、いわゆるコアレス電流センサが提案されており、徐々に使用されつつある。コアを用いる必要がなければ、装置を小型化することができ、また部品点数を削減することができるため、どのような装置に適用される場合であっても非常に有効である。
しかしながら、例えば３相交流モータの各相の電力供給ラインに対して単純にコアレス電流センサを適用しようとすると、各コアレス電流センサが他の電力供給ラインに流れる電流による磁束を捕捉してその影響を受けることとなり、正確に各相の電流値を検出できないという問題が生じる。
【０００４】
具体的には、例えば、ｕ相，ｖ相、ｗ相の３相の電力供給ラインが平行に近接して配置されている場合、中央のｖ相の電力供給ラインを流れる電流を検出するため設けられた電流センサは、ｖ相の電流によって発生する磁束に加えて、隣接するｕ相及びｗ相を流れる電流によって発生する磁束をもホール素子で検出してしまうこととなり、純粋にｖ相を流れる電流の電流値を検出することができない。また、両側のｕ相及びｗ相の電流センサも、ｕ相及びｗ相の電流による磁束に加えて隣接するｖ相の電流による磁束も検出してしまうこととなり、同様に純粋にｕ相及びｗ相を流れる電流の電流値を検出することができない。
なお、ｕ相及びｗ相の電流センサに対しては、反対側のｗ相及びｕ相の電力供給ラインを流れる電流も何らかの影響を与えることが理論上は考えられるが、これら反対側の電力供給ラインは中央のｖ相の電力供給ラインを挟んで常にある程度離れた位置に配置されるため、実質的には電流値に影響を与える可能性は低い。従って、ここではこれは考慮しない。
【０００５】
特に、コアレス電流センサを使用する場合は、装置の小型化を目的としてバスバーがより近接して配置される場合が多く、その結果、そのような隣接するバスバーを流れる電流による磁束の影響はより大きくなる。
その結果、コアレス電流センサを用いてもバスバーを近接させて配置することができず、装置の小型化に結びつかないという問題を生じる。
一方、多少の影響を無視してバスバーを近接して配置したとすると、各相の電流の電流値を精度良く求めることができず、適切な電動機の制御信号を生成することができず、結果的に電動機を所望の状態で適切に駆動することができないという問題が生じる。
【０００６】
【発明の開示】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、電流の検出精度を悪化させることなく適切な電動機の制御を行いつつ、電動機装置の小型化を図ることのできる電流検出装置及び電流検出方法を提供することにある。
また本発明の他の目的は、電流の検出精度を悪化させることなく適切な電動機の制御を行いつつ、装置を小型化することのできる電動機装置を提供することにある。
【０００７】
前記目的を達成するために本発明の第１の観点によれば、本発明の電流検出装置は、まず、３相交流電力の各相に対応する３本の電力線の各々対して、その電力線の近傍に、その電力線を流れる電流によって生じる磁束を検出してその電力線を流れる電流の電流値を検出する電流センサを設ける。なお、この電流センサは好適には、コアレス電流センサである。そして、本来電流値を検出すべき電力線以外の他の電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を受けることとなった電流センサであって、特に、他の２つの電力線を流れる電流による磁束の影響の両方を受ける電流センサについて、その電流センサとその他の２つの電力線との距離に基づいて、その電流センサにより検出された電流値を補正する電流値補正部を具備するようにした。
【０００８】
このような構成の電流値補正装置によれば、３相交流電力の各相に流れる電流の電流値を、まず一次的に３個の電流センサにおいて各々検出する。そして、例えば電力線が相互に近接して配置されること等により、本来電流値を検出すべき電力線以外の他の電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を受けることとなった電流センサであって、特に、他の２つの電力線を流れる電流による磁束の影響を同程度に両方から受ける電流センサがあった場合には、その電流センサで検出された電流値を電流値補正部において補正する。
ここで、３相交流電動機に印加される３相交流電力は、周波数と大きさが同一で位相のみが互いに２π／３だけずれている対称３相交流電力であるから、１つの相の電流によって生じる磁束に対して、残りの２つの相の電流によって生じる磁束の合成磁束は、位相が１８０°ずれたものとなる。すなわち、ある１つの相の電流に対して残り２つの相によって生じる合成磁束は、その大きさを一定の割合で打ち消すように作用する。その結果、このような状態で元の１つの相の電流に対して検出された電流値は、真の電流値と比較して所定の割合で小さい値となる。また、その割合は、その電流センサと、その残りの２つの相の電力線までの距離により決まり、距離が短いほど合成磁束の影響が大きく電流値は小さく検出され、距離が遠いほど合成磁束の影響は少なく電流値は真の電流値に近い値で検出される。
従って、電流値補正部においては、例えば、電力線の距離に基づいて予め設定した所定の係数（ゲイン：１以上の係数）を、検出した電流値に乗ずることにより、近接した電力線による電力センサへの影響を補正することができる。そしてこのように、電流値の補正が適切かつ簡単に行えることは、精度良く電流値を検出して３相交流電動機の制御を適切に行えることをもたらし、電力線を近接させて配置させることが可能となり、ひいては装置の小型化を実現することができる。
【０００９】
また、本発明の第２の観点によれば、本発明の電流検出方法は、３相交流方式により供給される電力の供給電流を検出する電流検出方法であって、３相交流電力の各相に対応する３本の電力線に対して各々電流センサを配置し、前記各電流センサにより、前記電力線を流れる電流によって生じる磁束を検出することにより、各電力線を流れる電流の電流値を検出し、前記検出された電流値のうち、電流値検出対象の電力線以外の他の２つの電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を実質的に受けている電流センサにより検出された電流値を、当該電流センサと前記他の２つの電力線との距離に基づいて補正する。
【００１０】
また、本発明の第３の観点によれば、本発明の電動機装置は、３相交流電動機と、入力される制御信号に基づいて、前記３相交流電動機を所望の状態に駆動するための３相交流電力を生成するインバータ回路と、前記生成された３相交流電力を前記３相交流電動機に供給する、各相に対応する少なくとも３本の電力線が平行に配置された電力供給線部と、前記３本の電力線の各近傍に設けられ、各々が、前記電力線を流れる電流によって生じる磁束を検出することにより、前記近傍の電力線を流れる電流の電流値を検出する３つの電流センサと、電流値検出対象の電力線以外の他の２つの電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を実質的に受けている電流センサにより前記検出された電流値を、当該電流センサと前記他の２つの電力線との距離に基づいて補正する電流値補正部と、前記３本の電力線を流れる電流の前記検出された電流値又は前記補正がなされた場合には前記補正された電流値に基づいて、前記３相交流電動機を所望の状態に制御する制御信号を生成し、前記インバータ回路に出力する制御回路とを有する。
【００１１】
このような構成の電動機装置によれば、まず、インバータ回路において生成された３相交流電力が、各相に対応する少なくとも３本の電力線が平行に配置された電力供給線部を介して３相交流電動機に印加される。その際、電力供給線部を流れる各相の電流が、３本の電力線の各近傍に設けられた３つの電力センサにより、電力線を流れる電流によって生じる磁束を検出することにより検出される。そして、この検出された各電流は、電流値補正部において、その電流センサと前記他の２つの電力線との距離に基づいて補正されて、各電流線を流れる電流の電流値が精度良く求められ、制御回路に入力される。
なお、電流値補正部においては、まず、電流値検出対象の電力線以外の他の２つの電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を実質的に受けている電流センサにより前記検出された電流値を、当該電流センサと前記他の２つの電力線との距離に基づいて補正するようにしているため、前述したように、単に電流センサで検出した電流値に所定のゲインを乗ずるだけで、簡単かつ正確に補正を行うことができる。
そして、補正された電流値を用いて、制御回路において電動機を所望の状態で駆動するための制御処理が適切に行われ、制御信号が生成され、これがインバータ回路に印加されて実際に電動機を駆動するための３相交流電力が生成され、電力供給線部を介して電動機に印加される。
【００１２】
なお、これら本発明において、補正を行うための電力センサと電力線との距離は、電力線が等間隔で平行に配置され電力センサも各電力線に対応して等間隔で配置されている通常の状態では、対応する各電力線の距離と実質的に等価となる。従って、電力線間の距離に基づいて補正を行うとした場合も、実質的に電力センサと電力線との距離に基づいて補正を行った場合とみなせるものである。
【００１３】
このように本発明によれば、電流の検出精度を悪化させることなく適切な電動機の制御を行いつつ、電動機装置の小型化を図ることのできる電流検出装置及び電流検出方法を提供することができる。
また、電流の検出精度を悪化させることなく適切な電動機の制御を行いつつ、装置を小型化することのできる電動機装置を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図１〜図４を参照して説明する。
本実施の形態においては、電気自動車の電動機制御システムを例示して本発明を説明する。
図１は、その電動機制御システムの構成を示すブロック図である。
電動機制御システム１００は、バッテリ１１０、バッテリ・インバータ間バスバー１２０、インバータ１３０、インバータ・モータ間バスバー１４０、電流センサ１５０、モータ１６０、レゾルバ１７０及びモータコントローラ１８０を有する。
また、モータコントローラ１８０は、磁極位置・モータ速度検出部１８１、電流値補正部１８２、３相２相変換部１８３、高効率電流テーブル１８４、電流制御部１８５、２相３相変換部１８６及びＰＷＭ変換部１８７を有する。
まず、電動機制御システム１００の各部の構成について説明する。
【００１５】
バッテリ１１０は、電動機制御システム１００を駆動するための電力を供給する直流電源であって、例えば電気自動車の蓄電池である。
【００１６】
バッテリ・インバータ間バスバー１２０は、バッテリから出力される直流電力をインバータ１３０に供給するための電力供給ラインであって、正負両極に対応した２本のバスバーである。
【００１７】
インバータ１３０は、バッテリ１１０よりバッテリ・インバータ間バスパー１２０を介して印加される直流電力に対して、モータコントローラ１８０のＰＷＭ変換部１８７から入力されるＰＷＭ信号に基づいてＰＷＭ処理を行い、モータ１６０を駆動するための３相交流電力を生成する。そしてこれを、インバータ・モータ間バスパー１４０を介してモータ１６０に印加し、モータ１６０を所望の状態で駆動する。
具体的には、インバータ１３０は、スイッチング素子、平滑化用コンデンサ及び逆流防止用のダイオード等を有するスイッチング回路がｕ相、ｖ相及びｗ相の３相の各相に対応して設けられた構成である。スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））であって、各スイッチング回路に１つ又は２つ設けられる。これらのスイッチング素子が、ＰＷＭ変換部１８７より入力されるｕ相、ｖ相及びｗ相に対応した各スイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ、Ｐｗに基づいてオン／オフされ、所望の３相交流電力が生成される。
【００１８】
インバータ・モータ間バスパー１４０は、インバータ１３０で生成されたモータ駆動用の３相電流をモータ１６０に供給するための電力供給ラインであって、３相の各相に対応した３本のバスバーを有する。３本のバスバーは、ｕ相、ｖ相、ｗ相の順番で、平行に、また装置の小型化の障害とならないように近接して配置される。
【００１９】
電流センサ１５０は、インバータ・モータ間バスパー１４０のｕ相、ｖ相及びｗ相の３本のバスパーに流れる電流に対応して検出される電流値Ｉｕｓ，Ｉｖｓ、Ｉｗｓを各々検出し、モータコントローラ１８０の電流補正部１８に出力する。電流センサ１５０は、各相に対応して設けられた３つのセンサを有する。その各センサ１５１は、図２に示すように、フェライト等のコアを具備せず、バスバー１４１に流れる電流により発生する磁束を直接ホール素子で検出するコアレス電流センサであり、インバータ・モータ間バスパー１４０の各バスバー上に、そのバスバーを流れる電流による磁束とセンサの集磁面とが直交するように配置され、電流により発生する磁束を検出することで電流値を検出する。
【００２０】
モータ１６０は、インバータ１３０よりインバータ・モータ間バスパー１４０を介して印加される電力により回転し、車輪を駆動し電気自動車を走行させる。具体的には、モータ１６０は、３相交流電力により回転する３相同期電動機である。
【００２１】
レゾルバ１７０は、モータ１６０の回転速度、回転角度の検出のために、モータ１６０の軸の回転角度に応じた２相の電気信号を生成し、磁極位置・モータ速度検出部１８１に出力する。
【００２２】
モータコントローラ１８０は、例えばドライバー（運転者）のアクセスペダルの開度に応じて入力されるトルク指令τｒに応じて、電気自動車がドライバーの指示に基づいた所望の速度で走行するように、モータ１６０を制御するためのＰＷＭ信号を生成し、インバータ１３０に出力する。モータコントローラ１８０は、トルク指令τｒに加えて、さらに電流センサ１５０より入力されるインバータ・モータ間バスパー１４０のｕ相、ｖ相及びｗ相の３本のバスパーに流れる電流に対応して検出される電流値Ｉｕｓ，Ｉｖｓ、Ｉｗｓ及びレゾルバ１７０において検出されたモータ１６０の軸の回転角度に応じた信号に基づいて、ＰＷＭ信号を生成する。
【００２３】
モータコントローラ１８０の磁極位置・モータ速度検出部１８１は、レゾルバ１７０より入力される信号に基づいて、モータ１６０の磁極の位置θ及び速度ωｍを検出する。そして、検出した磁極の位置θを３相２相変換部１８３及び２相３相変換部１８６に、また、検出した速度ｗｍを高効率電流テーブル１８４に各々出力する。
【００２４】
電流値補正部１８２は、モータ１６０に３相電源を供給するためのインバータ・モータ間バスパー１４０の３本のバスバー上に設けられた３つのコアレス電流センサにおいて検出された電流値Ｉｕｓ，Ｉｖｓ，Ｉｗｓに対して、これらのバスバーが近接して配置されていることによる他のバスバーの磁束による影響の補正を行い、適切な各相の電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出し、３相２相変換部１８３に出力する。
なお、電流値補正部１８２における電流値の補正方法については、後に詳細に説明する。
【００２５】
３相２相変換部１８３は、電流値補正部１８２より入力される補正された３相電源の各相に対応した電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、磁極位置・モータ速度検出部１８１より入力されるモータ１６０の磁極の位置θに基づいて、２相の直流電流値ｉｄ，ｉｑに変換し、電流制御部１８５に出力する。
【００２６】
高効率電流テーブル１８４は、図示せぬさらに上位の制御装置から入力されるトルク指令τｒ及び磁極位置・モータ速度検出部１８１より入力されるモータ速度ωｍに基づいて、高効率電流テーブルを参照し、２相直流としてのｄ軸及びｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を算出し、電流制御部１８５に出力する。
【００２７】
電流制御部１８５は、高効率電流テーブル１８４より入力される電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊と、３相２相変換部１８３より入力される電流値ｉｄ，ｉｑとを比較し、これらの差が０となるようにＰＩ制御を行い、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を検出する。具体的には、電流制御部１８５は、次式（１）に基づいて、電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を求める。
【００２８】
【数１】
ｖｄ＊＝Ｋｐｄ（ｉｄ＊−ｉｄ）＋Ｋｉｄ∫（ｉｄ＊−ｉｄ）ｄｔ
ｖｑ＊＝Ｋｐｑ（ｉｑ＊−ｉｑ）＋Ｋｉｑ∫（ｉｑ＊−ｉｑ）ｄｔ…（１）
但し、Ｋｐｄ，Ｋｐｑは、ｄ軸及びｑ軸の比例ゲイン、
Ｋｉｄ，Ｋｉｑは、ｄ軸及びｑ軸の積分ゲイン
である。
【００２９】
２相３相変換部１８６は、電流制御部１８５より入力される２相電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を、磁極位置・モータ速度検出部１８１より入力されるモータ１６０の磁極の位置θに基づいて、３相の交流電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換し、ＰＷＭ変換部１８７に出力する。
【００３０】
ＰＷＭ変換部１８７は、２相３相変換部１８６より入力される３相の交流電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を、所定の搬送波と比較することにより、インバータ１３０の各相に対応して設けられているスイッチング素子のスイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗを生成し、インバータ１３０に出力する。本実施の形態においてＰＷＭ変換部１８７は、３相の交流電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を、１０ｋＨｚの三角波と比較することにより、スイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗを生成する。
【００３１】
次に、本発明に関わるモータコントローラ１８０の電流値補正部１８２における電流値の補正方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。
前述したように、インバータ１３０からモータ１６０に３相電力を供給するインバータ・モータ間バスパー１４０の３本のバスバーは、ｕ相、ｖ相、ｗ相の順番に近接して配置されており、各バスバーに対応して電流センサ１５０のコアレス電流センサが設けられている。
まず、電流値補正部１８２は、これら３つのコアレス電流センサより、３つのバスバーに対応する電流値Ｉｕｓ，Ｉｖｓ及びＩｗｓを取り込む（ステップＳ１）。
【００３２】
次に、取り込んだ電流値Ｉｕｓ，Ｉｖｓ及びＩｗｓに対して補正を行うが、まず、３本のバスバーの中央のバスバーを流れる電流、すなわちｖ相の電流の電流値の補正を行う（ステップＳ２）。
ｖ相のバスバーに設けられた電流センサが検出する磁束は、ｖ相のバスバーに流れる電流による磁束Φｖと、ｖ相の両脇のｕ相及びｗ相のバスバーに流れる電流の影響による磁束Φｕ１及び磁束Φｗ１の合成となる。ここで、そもそもモータ１６０に印加される３相交流電流は、図４（Ａ）にその波形を示すように、周波数と大きさが同一で位相のみが２π／３だけずれている対称３相電力であるので、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０の関係が成り立つ。従って、ｖ相の電流センサからｕ相のバスバーまでの距離及びｗ相のバスバーまでの距離が等しいとすると、換言すれば、ｕ相とｖ相のバスバーの距離ｘとｖ相とｗ相のバスバーの距離ｙがほぼ等しいとすると、図４（Ｂ）に各波形を示すように、ｕ相の電流の影響による磁束Φｕ１とｗ相の電流の影響による磁束Φｗ１の合成磁束Φｕｗ１は、ｖ相電流による磁束Φｖと１８０度ずれた位相となる。従って、同じく図４（Ｂ）に示すように、ｖ相の電流検出値Ｉｖｓは、実電流Ｉｖと位相が同じで大きさが小さい値が検出されることとなる。すなわち、ｖ相のバスバーに流れる電流による本来の磁束Φｖは、ｖ相の電流センサが検出する磁束Φｖｓに所定のゲインを乗じたものと等価となる。
【００３３】
従って、電流値補正部１８２は、ｖ相のバスバーを流れる真の電流Ｉｖの電流値を、電流センサ１５０で検出したｖ相の電流値Ｉｖｓに基づいて、次式（２）により検出する。
【００３４】
【数２】
Ｉｖ＝Ａ・Ｉｖｓ …（２）
但し、Ｉｖｓは、ｖ相電流センサによる電流検出値、
Ａは、バスバー間の距離に基づいて予め設定されている定数
である。
【００３５】
なお、ｕ相及びｗ相の電流の影響による磁束Φｕ１及び磁束Φｗ１は、ｕ相とｖ相のバスバーの距離ｘ及びｖ相とｗ相のバスバーの距離ｙが各々近くなるほど、換言すれば、３本のバスバーが近接して間隔が狭くなるほど大きくなり、これらの合成磁束Φｕｗ１の大きさも大きくなる。そしてその結果、検出されるｖ相の電流値Ｉｖｓは真の電流値Ｉｖよりもより小さくなるので、真の電流値Ｉｖを求めるための定数Ａは大きくする必要がある。
【００３６】
次に、電流値補正部１８２は、３本のバスバーの両側のバスバーについての取り込んだ電流値Ｉｕｓ及びＩｗｓの補正を行う（ステップＳ３）。
まず、３本のバスバーの一方の端に配置されたｕ相のバスバー上に設けられた電流センサで検出される電流値は、隣接する中央のｖ相のバスバーを流れる電流による磁束の影響は受けるが、他方の端のバスバーであるｗ相のバスバーを流れる電流による磁束の影響は、それら両側のバスバー間の距離が十分に大きいために無視することができる。
従って、電流値補正部１８２は、ｕ相電流Ｉｕを、電流センサ１５０で検出したｕ相の電流値Ｉｕｓ及び式（２）により検出したｖ相電流Ｉｖに基づいて、次式（３）により検出する。
【００３７】
【数３】
Ｉｕ＝Ｉｕｓ−Ｂ・Ｉｖ …（３）
但し、Ｉｕｓは、ｕ相電流センサによる電流検出値、
Ｂは、バスバー間の距離及びｕ相とｖ相の位相関係に基づいて定まる係数、
Ｉｖは、補正されたｖ相の電流値
である。
【００３８】
なお、ｕ相の電流とｖ相の電流とは位相が１２０°ずれているため、ｖ相の電流による磁束の影響は、ｕ相とｖ相との位相関係によって逐次異なるものとなる。従って、補正のための係数Ｂは、理論的な解析に基づいて、あるいはまた予め実験等を行って、各位相ごとにマップあるいは表形式で予め記憶しておくのが好ましい。
【００３９】
また、３本のバスバーの他方の端に配置されたｗ相の電流値Ｉｗも、ｕ相の電流値Ｉｕと同様に、電流値補正部１８２により、電流センサ１５０で検出したｗ相の電流値Ｉｗｓ、及び、隣接するバスバーを流れる電流値である式（２）により検出したｖ相電流Ｉｖに基づいて、次式（４）により検出される。
【００４０】
【数４】
Ｉｗ＝Ｉｗｓ−Ｂ・Ｉｖ …（４）
但し、Ｉｗｓは、ｗ相電流センサによる電流検出値、
Ｂは、バスバー間の距離及びｗ相とｖ相の位相関係に基づいて定まる係数、
Ｉｖは、補正されたｖ相の電流値
である。
【００４１】
このようにして、隣接するバスバーを流れる電流による磁束の影響を考慮した各バスバーを流れる真の電流値Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗを求めたら、電流値補正部１８２は、これらの電流値を３相２相変換部１８３に出力する（ステップＳ４）。
【００４２】
最後に、電動機制御システム１００の動作をまとめて説明する。
まず、電気自動車の蓄電池等のバッテリ１１０からバッテリ・インバータ間バスパー１２０を介して入力された直流電力は、インバータ１３０において、モータコントローラ１８０のＰＷＭ変換部１８７から入力されるＰＷＭ制御信号に基づいてＰＷＭ処理されて、モータ１６０を所望の状態で回転させるための３相の交流電力に変換され、インバータ・モータ間バスパー１４０を介してモータ１６０に印加される。
そしてモータ１６０の回転状態は、レゾルバ１７０により２相の信号として検出され、これに基づいてモータコントローラ１８０の磁極位置・モータ速度検出部１８１において、モータ１６０の磁極の位置θ及び速度ωｍが求められる。
【００４３】
またこの時、インバータ・モータ間バスパー１４０の各バスバーに流れる、３相交流電力の各相に対応する電流値が、各バスバーに設けられたコアレス電流センサである電流センサ１５０により検出され、モータコントローラ１８０の電流値補正部１８２に取り込まれる。
電流値補正部１８２においては、まずインバータ・モータ間バスパー１４０の３本のバスバーの中央のバスバーであるｖ相の電流値Ｉｖを、式（２）に基づいて、すなわち電流センサ１５０で検出されたそのｖ相の電流値Ｉｖｓに予め定めた所定のゲインＡを乗ずることによって求める。
次に、このｖ相の電流値Ｉｖを用いて、３本のバスバーの両側のバスバーであるｕ相及びｗ相の電流値Ｉｕ、Ｉｗを、式（３）及び式（４）に基づいて、すなわち電流センサ１５０で検出されたそのｕ相又はｗ相の電流値Ｉｕｓ又はＩｗｓより、ｕ相とｖ相又はｗ相とｖ相の位相関係に基づいて適宜マップ等を参照して決定される係数Ｂをｖ相の電流値Ｉｖに乗じて求められるｖ相の影響分を減算することによって求める。
そして、補正された各相の電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、３相２相変換部１８３において、磁極位置・モータ速度検出部１８１より入力されるモータ１６０の磁極の位置θに基づいて、２相の直流電流値ｉｄ，ｉｑに変換される。
【００４４】
そして、図示せぬさらに上位の制御装置から入力されるトルク指令τｒに従って、高効率電流テーブル１８４は、磁極位置・モータ速度検出部１８１で検出されたモータ速度ωｍを参照して２相直流のｄ軸及びｑ軸としての電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を算出し、この電流指令値と３相２相変換部１８３において変換された電流値ｉｄ，ｉｑとの差が０となるようにするＰＩ制御を電流制御部１８５で行い、得られた電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊をモータ１６０の磁極の位置θに基づいて２相３相変換部１８６が３相の交流電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換し、これに基づいてインバータ１３０の各相のスイッチング素子をオン／オフするスイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，ＰｗをＰＷＭ変換部１８７が生成して、インバータ１３０に印加する。
これにより、インバータ１３０のスイッチングが制御されて、モータ１６０が所望の状態に制御される。
【００４５】
このように、本実施の形態の電動機制御システム１００においては、電動機に印加する３相交流電流を検出するセンサとしてコアレス電流センサを用いた場合においても、他の相の電流による影響を適切に補正して、各相の電流を適切に検出することができる。従って、これに基づく電動機の動作の制御等が適切に行いつつ、制御装置あるいは電動機装置の構成を簡単にすることができる。また、バスバーを近接して配置しても適切な電流の検出及び制御を行うことができるので、装置を小型化することができる。
また、その電流値の補正は、例えば対称３相電流の各相に対応するバスバーの電流値のうち、他の２つの相の電流の影響を同等に受けているものに対しては、単に所定のゲインを乗ずるだけで適切かつ正確に行うことができる。その結果、簡単な制御システムの構成で精度良く補正を行うことができ、ひいては適切な制御を行うことができる。
また、前述したように単にゲインを乗ずることができない場合においても、本実施の形態の電動機制御システム１００のように、影響を受ける電流との位相関係に応じた補正値をマップあるいは表形式で予め記憶しておくようにすれば、各相の電流の位相関係に基づく複雑な補正も、簡単に行うことができる。
【００４６】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。従って、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態の電動機制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示した電動機制御システムの電流センサの構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、図１に示した電動機制御システムの電流値補正部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】図４は、図１に示した電動機制御システムのインバータからモータに印加される電流の各波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１００…電動機制御システム
１１０…バッテリ
１２０…バッテリ・インバータ間バスパー
１３０…インバータ
１４０…インバータ・モータ間バスパー
１５０…電流センサ
１６０…モータ
１７０…レゾルバ
１８０…モータコントローラ
１８１…磁極位置・モータ速度検出部
１８２…電流値補正部
１８３…３相２相変換部
１８４…高効率電流テーブル
１８５…電流制御部
１８６…２相３相変換部
１８７…ＰＷＭ変換部
【技術分野】
本発明は、例えば電気自動車等に用いられる電動機において、供給される電流を検出する電流検出装置と電流検出方法、及び、電流を適切に検出することにより電動機を所望の状態に適切に制御する電気自動車等に適用して好適な電動機装置に関し、特に、装置を小型化することができ、かつ精度良く電流を検出し電動機の制御を適切に行うことができる電流検出装置とその方法及び電動機装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来、電気自動車の駆動用の３相交流モータ等に印加される電流を検出する電流検出装置としては、例えば特開平９−３０４４４７号公報に記載されている電流検出装置等が知られている。具体的には、例えば前記公報には、３相交流電力の各相の電力供給ライン（バスバー）ごとに、そのバスバーを通すようにコアが設け、このコアに設けられた磁界検出素子（ホール素子）により各バスバーを流れる電流の電流レベルや電流位相を検出するようにした電流検出装置が開示されている。すなわち、流れる電流によって発生する磁束をコアによって集磁し、この集磁された磁束をホール素子で検出することにより電流を検出する電流センサが広く用いられている。
【０００３】
ところで、近年、コアを用いず直接磁束を検出して電力ラインを流れる電流を検出する、いわゆるコアレス電流センサが提案されており、徐々に使用されつつある。コアを用いる必要がなければ、装置を小型化することができ、また部品点数を削減することができるため、どのような装置に適用される場合であっても非常に有効である。
しかしながら、例えば３相交流モータの各相の電力供給ラインに対して単純にコアレス電流センサを適用しようとすると、各コアレス電流センサが他の電力供給ラインに流れる電流による磁束を捕捉してその影響を受けることとなり、正確に各相の電流値を検出できないという問題が生じる。
【０００４】
具体的には、例えば、ｕ相，ｖ相、ｗ相の３相の電力供給ラインが平行に近接して配置されている場合、中央のｖ相の電力供給ラインを流れる電流を検出するため設けられた電流センサは、ｖ相の電流によって発生する磁束に加えて、隣接するｕ相及びｗ相を流れる電流によって発生する磁束をもホール素子で検出してしまうこととなり、純粋にｖ相を流れる電流の電流値を検出することができない。また、両側のｕ相及びｗ相の電流センサも、ｕ相及びｗ相の電流による磁束に加えて隣接するｖ相の電流による磁束も検出してしまうこととなり、同様に純粋にｕ相及びｗ相を流れる電流の電流値を検出することができない。
なお、ｕ相及びｗ相の電流センサに対しては、反対側のｗ相及びｕ相の電力供給ラインを流れる電流も何らかの影響を与えることが理論上は考えられるが、これら反対側の電力供給ラインは中央のｖ相の電力供給ラインを挟んで常にある程度離れた位置に配置されるため、実質的には電流値に影響を与える可能性は低い。従って、ここではこれは考慮しない。
【０００５】
特に、コアレス電流センサを使用する場合は、装置の小型化を目的としてバスバーがより近接して配置される場合が多く、その結果、そのような隣接するバスバーを流れる電流による磁束の影響はより大きくなる。
その結果、コアレス電流センサを用いてもバスバーを近接させて配置することができず、装置の小型化に結びつかないという問題を生じる。
一方、多少の影響を無視してバスバーを近接して配置したとすると、各相の電流の電流値を精度良く求めることができず、適切な電動機の制御信号を生成することができず、結果的に電動機を所望の状態で適切に駆動することができないという問題が生じる。
【０００６】
【発明の開示】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、電流の検出精度を悪化させることなく適切な電動機の制御を行いつつ、電動機装置の小型化を図ることのできる電流検出装置及び電流検出方法を提供することにある。
また本発明の他の目的は、電流の検出精度を悪化させることなく適切な電動機の制御を行いつつ、装置を小型化することのできる電動機装置を提供することにある。
【０００７】
前記目的を達成するために本発明の第１の観点によれば、本発明の電流検出装置は、まず、３相交流電力の各相に対応する３本の電力線の各々対して、その電力線の近傍に、その電力線を流れる電流によって生じる磁束を検出してその電力線を流れる電流の電流値を検出する電流センサを設ける。なお、この電流センサは好適には、コアレス電流センサである。そして、本来電流値を検出すべき電力線以外の他の電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を受けることとなった電流センサであって、特に、他の２つの電力線を流れる電流による磁束の影響の両方を受ける電流センサについて、その電流センサとその他の２つの電力線との距離に基づいて、その電流センサにより検出された電流値を補正する電流値補正部を具備するようにした。
【０００８】
このような構成の電流値補正装置によれば、３相交流電力の各相に流れる電流の電流値を、まず一次的に３個の電流センサにおいて各々検出する。そして、例えば電力線が相互に近接して配置されること等により、本来電流値を検出すべき電力線以外の他の電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を受けることとなった電流センサであって、特に、他の２つの電力線を流れる電流による磁束の影響を同程度に両方から受ける電流センサがあった場合には、その電流センサで検出された電流値を電流値補正部において補正する。
ここで、３相交流電動機に印加される３相交流電力は、周波数と大きさが同一で位相のみが互いに２π／３だけずれている対称３相交流電力であるから、１つの相の電流によって生じる磁束に対して、残りの２つの相の電流によって生じる磁束の合成磁束は、位相が１８０°ずれたものとなる。すなわち、ある１つの相の電流に対して残り２つの相によって生じる合成磁束は、その大きさを一定の割合で打ち消すように作用する。その結果、このような状態で元の１つの相の電流に対して検出された電流値は、真の電流値と比較して所定の割合で小さい値となる。また、その割合は、その電流センサと、その残りの２つの相の電力線までの距離により決まり、距離が短いほど合成磁束の影響が大きく電流値は小さく検出され、距離が遠いほど合成磁束の影響は少なく電流値は真の電流値に近い値で検出される。
従って、電流値補正部においては、例えば、電力線の距離に基づいて予め設定した所定の係数（ゲイン：１以上の係数）を、検出した電流値に乗ずることにより、近接した電力線による電力センサへの影響を補正することができる。そしてこのように、電流値の補正が適切かつ簡単に行えることは、精度良く電流値を検出して３相交流電動機の制御を適切に行えることをもたらし、電力線を近接させて配置させることが可能となり、ひいては装置の小型化を実現することができる。
【０００９】
また、本発明の第２の観点によれば、本発明の電流検出方法は、３相交流方式により供給される電力の供給電流を検出する電流検出方法であって、３相交流電力の各相に対応する３本の電力線に対して各々電流センサを配置し、前記各電流センサにより、前記電力線を流れる電流によって生じる磁束を検出することにより、各電力線を流れる電流の電流値を検出し、前記検出された電流値のうち、電流値検出対象の電力線以外の他の２つの電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を実質的に受けている電流センサにより検出された電流値を、当該電流センサと前記他の２つの電力線との距離に基づいて補正する。
【００１０】
また、本発明の第３の観点によれば、本発明の電動機装置は、３相交流電動機と、入力される制御信号に基づいて、前記３相交流電動機を所望の状態に駆動するための３相交流電力を生成するインバータ回路と、前記生成された３相交流電力を前記３相交流電動機に供給する、各相に対応する少なくとも３本の電力線が平行に配置された電力供給線部と、前記３本の電力線の各近傍に設けられ、各々が、前記電力線を流れる電流によって生じる磁束を検出することにより、前記近傍の電力線を流れる電流の電流値を検出する３つの電流センサと、電流値検出対象の電力線以外の他の２つの電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を実質的に受けている電流センサにより前記検出された電流値を、当該電流センサと前記他の２つの電力線との距離に基づいて補正する電流値補正部と、前記３本の電力線を流れる電流の前記検出された電流値又は前記補正がなされた場合には前記補正された電流値に基づいて、前記３相交流電動機を所望の状態に制御する制御信号を生成し、前記インバータ回路に出力する制御回路とを有する。
【００１１】
このような構成の電動機装置によれば、まず、インバータ回路において生成された３相交流電力が、各相に対応する少なくとも３本の電力線が平行に配置された電力供給線部を介して３相交流電動機に印加される。その際、電力供給線部を流れる各相の電流が、３本の電力線の各近傍に設けられた３つの電力センサにより、電力線を流れる電流によって生じる磁束を検出することにより検出される。そして、この検出された各電流は、電流値補正部において、その電流センサと前記他の２つの電力線との距離に基づいて補正されて、各電流線を流れる電流の電流値が精度良く求められ、制御回路に入力される。
なお、電流値補正部においては、まず、電流値検出対象の電力線以外の他の２つの電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を実質的に受けている電流センサにより前記検出された電流値を、当該電流センサと前記他の２つの電力線との距離に基づいて補正するようにしているため、前述したように、単に電流センサで検出した電流値に所定のゲインを乗ずるだけで、簡単かつ正確に補正を行うことができる。
そして、補正された電流値を用いて、制御回路において電動機を所望の状態で駆動するための制御処理が適切に行われ、制御信号が生成され、これがインバータ回路に印加されて実際に電動機を駆動するための３相交流電力が生成され、電力供給線部を介して電動機に印加される。
【００１２】
なお、これら本発明において、補正を行うための電力センサと電力線との距離は、電力線が等間隔で平行に配置され電力センサも各電力線に対応して等間隔で配置されている通常の状態では、対応する各電力線の距離と実質的に等価となる。従って、電力線間の距離に基づいて補正を行うとした場合も、実質的に電力センサと電力線との距離に基づいて補正を行った場合とみなせるものである。
【００１３】
このように本発明によれば、電流の検出精度を悪化させることなく適切な電動機の制御を行いつつ、電動機装置の小型化を図ることのできる電流検出装置及び電流検出方法を提供することができる。
また、電流の検出精度を悪化させることなく適切な電動機の制御を行いつつ、装置を小型化することのできる電動機装置を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図１〜図４を参照して説明する。
本実施の形態においては、電気自動車の電動機制御システムを例示して本発明を説明する。
図１は、その電動機制御システムの構成を示すブロック図である。
電動機制御システム１００は、バッテリ１１０、バッテリ・インバータ間バスバー１２０、インバータ１３０、インバータ・モータ間バスバー１４０、電流センサ１５０、モータ１６０、レゾルバ１７０及びモータコントローラ１８０を有する。
また、モータコントローラ１８０は、磁極位置・モータ速度検出部１８１、電流値補正部１８２、３相２相変換部１８３、高効率電流テーブル１８４、電流制御部１８５、２相３相変換部１８６及びＰＷＭ変換部１８７を有する。
まず、電動機制御システム１００の各部の構成について説明する。
【００１５】
バッテリ１１０は、電動機制御システム１００を駆動するための電力を供給する直流電源であって、例えば電気自動車の蓄電池である。
【００１６】
バッテリ・インバータ間バスバー１２０は、バッテリから出力される直流電力をインバータ１３０に供給するための電力供給ラインであって、正負両極に対応した２本のバスバーである。
【００１７】
インバータ１３０は、バッテリ１１０よりバッテリ・インバータ間バスパー１２０を介して印加される直流電力に対して、モータコントローラ１８０のＰＷＭ変換部１８７から入力されるＰＷＭ信号に基づいてＰＷＭ処理を行い、モータ１６０を駆動するための３相交流電力を生成する。そしてこれを、インバータ・モータ間バスパー１４０を介してモータ１６０に印加し、モータ１６０を所望の状態で駆動する。
具体的には、インバータ１３０は、スイッチング素子、平滑化用コンデンサ及び逆流防止用のダイオード等を有するスイッチング回路がｕ相、ｖ相及びｗ相の３相の各相に対応して設けられた構成である。スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））であって、各スイッチング回路に１つ又は２つ設けられる。これらのスイッチング素子が、ＰＷＭ変換部１８７より入力されるｕ相、ｖ相及びｗ相に対応した各スイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ、Ｐｗに基づいてオン／オフされ、所望の３相交流電力が生成される。
【００１８】
インバータ・モータ間バスパー１４０は、インバータ１３０で生成されたモータ駆動用の３相電流をモータ１６０に供給するための電力供給ラインであって、３相の各相に対応した３本のバスバーを有する。３本のバスバーは、ｕ相、ｖ相、ｗ相の順番で、平行に、また装置の小型化の障害とならないように近接して配置される。
【００１９】
電流センサ１５０は、インバータ・モータ間バスパー１４０のｕ相、ｖ相及びｗ相の３本のバスパーに流れる電流に対応して検出される電流値Ｉｕｓ，Ｉｖｓ、Ｉｗｓを各々検出し、モータコントローラ１８０の電流補正部１８に出力する。電流センサ１５０は、各相に対応して設けられた３つのセンサを有する。その各センサ１５１は、図２に示すように、フェライト等のコアを具備せず、バスバー１４１に流れる電流により発生する磁束を直接ホール素子で検出するコアレス電流センサであり、インバータ・モータ間バスパー１４０の各バスバー上に、そのバスバーを流れる電流による磁束とセンサの集磁面とが直交するように配置され、電流により発生する磁束を検出することで電流値を検出する。
【００２０】
モータ１６０は、インバータ１３０よりインバータ・モータ間バスパー１４０を介して印加される電力により回転し、車輪を駆動し電気自動車を走行させる。具体的には、モータ１６０は、３相交流電力により回転する３相同期電動機である。
【００２１】
レゾルバ１７０は、モータ１６０の回転速度、回転角度の検出のために、モータ１６０の軸の回転角度に応じた２相の電気信号を生成し、磁極位置・モータ速度検出部１８１に出力する。
【００２２】
モータコントローラ１８０は、例えばドライバー（運転者）のアクセスペダルの開度に応じて入力されるトルク指令τｒに応じて、電気自動車がドライバーの指示に基づいた所望の速度で走行するように、モータ１６０を制御するためのＰＷＭ信号を生成し、インバータ１３０に出力する。モータコントローラ１８０は、トルク指令τｒに加えて、さらに電流センサ１５０より入力されるインバータ・モータ間バスパー１４０のｕ相、ｖ相及びｗ相の３本のバスパーに流れる電流に対応して検出される電流値Ｉｕｓ，Ｉｖｓ、Ｉｗｓ及びレゾルバ１７０において検出されたモータ１６０の軸の回転角度に応じた信号に基づいて、ＰＷＭ信号を生成する。
【００２３】
モータコントローラ１８０の磁極位置・モータ速度検出部１８１は、レゾルバ１７０より入力される信号に基づいて、モータ１６０の磁極の位置θ及び速度ωｍを検出する。そして、検出した磁極の位置θを３相２相変換部１８３及び２相３相変換部１８６に、また、検出した速度ｗｍを高効率電流テーブル１８４に各々出力する。
【００２４】
電流値補正部１８２は、モータ１６０に３相電源を供給するためのインバータ・モータ間バスパー１４０の３本のバスバー上に設けられた３つのコアレス電流センサにおいて検出された電流値Ｉｕｓ，Ｉｖｓ，Ｉｗｓに対して、これらのバスバーが近接して配置されていることによる他のバスバーの磁束による影響の補正を行い、適切な各相の電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出し、３相２相変換部１８３に出力する。
なお、電流値補正部１８２における電流値の補正方法については、後に詳細に説明する。
【００２５】
３相２相変換部１８３は、電流値補正部１８２より入力される補正された３相電源の各相に対応した電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、磁極位置・モータ速度検出部１８１より入力されるモータ１６０の磁極の位置θに基づいて、２相の直流電流値ｉｄ，ｉｑに変換し、電流制御部１８５に出力する。
【００２６】
高効率電流テーブル１８４は、図示せぬさらに上位の制御装置から入力されるトルク指令τｒ及び磁極位置・モータ速度検出部１８１より入力されるモータ速度ωｍに基づいて、高効率電流テーブルを参照し、２相直流としてのｄ軸及びｑ軸の電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を算出し、電流制御部１８５に出力する。
【００２７】
電流制御部１８５は、高効率電流テーブル１８４より入力される電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊と、３相２相変換部１８３より入力される電流値ｉｄ，ｉｑとを比較し、これらの差が０となるようにＰＩ制御を行い、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を検出する。具体的には、電流制御部１８５は、次式（１）に基づいて、電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を求める。
【００２８】
【数１】
ｖｄ＊＝Ｋｐｄ（ｉｄ＊−ｉｄ）＋Ｋｉｄ∫（ｉｄ＊−ｉｄ）ｄｔ
ｖｑ＊＝Ｋｐｑ（ｉｑ＊−ｉｑ）＋Ｋｉｑ∫（ｉｑ＊−ｉｑ）ｄｔ…（１）
但し、Ｋｐｄ，Ｋｐｑは、ｄ軸及びｑ軸の比例ゲイン、
Ｋｉｄ，Ｋｉｑは、ｄ軸及びｑ軸の積分ゲイン
である。
【００２９】
２相３相変換部１８６は、電流制御部１８５より入力される２相電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を、磁極位置・モータ速度検出部１８１より入力されるモータ１６０の磁極の位置θに基づいて、３相の交流電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換し、ＰＷＭ変換部１８７に出力する。
【００３０】
ＰＷＭ変換部１８７は、２相３相変換部１８６より入力される３相の交流電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を、所定の搬送波と比較することにより、インバータ１３０の各相に対応して設けられているスイッチング素子のスイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗを生成し、インバータ１３０に出力する。本実施の形態においてＰＷＭ変換部１８７は、３相の交流電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を、１０ｋＨｚの三角波と比較することにより、スイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗを生成する。
【００３１】
次に、本発明に関わるモータコントローラ１８０の電流値補正部１８２における電流値の補正方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。
前述したように、インバータ１３０からモータ１６０に３相電力を供給するインバータ・モータ間バスパー１４０の３本のバスバーは、ｕ相、ｖ相、ｗ相の順番に近接して配置されており、各バスバーに対応して電流センサ１５０のコアレス電流センサが設けられている。
まず、電流値補正部１８２は、これら３つのコアレス電流センサより、３つのバスバーに対応する電流値Ｉｕｓ，Ｉｖｓ及びＩｗｓを取り込む（ステップＳ１）。
【００３２】
次に、取り込んだ電流値Ｉｕｓ，Ｉｖｓ及びＩｗｓに対して補正を行うが、まず、３本のバスバーの中央のバスバーを流れる電流、すなわちｖ相の電流の電流値の補正を行う（ステップＳ２）。
ｖ相のバスバーに設けられた電流センサが検出する磁束は、ｖ相のバスバーに流れる電流による磁束Φｖと、ｖ相の両脇のｕ相及びｗ相のバスバーに流れる電流の影響による磁束Φｕ１及び磁束Φｗ１の合成となる。ここで、そもそもモータ１６０に印加される３相交流電流は、図４（Ａ）にその波形を示すように、周波数と大きさが同一で位相のみが２π／３だけずれている対称３相電力であるので、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０の関係が成り立つ。従って、ｖ相の電流センサからｕ相のバスバーまでの距離及びｗ相のバスバーまでの距離が等しいとすると、換言すれば、ｕ相とｖ相のバスバーの距離ｘとｖ相とｗ相のバスバーの距離ｙがほぼ等しいとすると、図４（Ｂ）に各波形を示すように、ｕ相の電流の影響による磁束Φｕ１とｗ相の電流の影響による磁束Φｗ１の合成磁束Φｕｗ１は、ｖ相電流による磁束Φｖと１８０度ずれた位相となる。従って、同じく図４（Ｂ）に示すように、ｖ相の電流検出値Ｉｖｓは、実電流Ｉｖと位相が同じで大きさが小さい値が検出されることとなる。すなわち、ｖ相のバスバーに流れる電流による本来の磁束Φｖは、ｖ相の電流センサが検出する磁束Φｖｓに所定のゲインを乗じたものと等価となる。
【００３３】
従って、電流値補正部１８２は、ｖ相のバスバーを流れる真の電流Ｉｖの電流値を、電流センサ１５０で検出したｖ相の電流値Ｉｖｓに基づいて、次式（２）により検出する。
【００３４】
【数２】
Ｉｖ＝Ａ・Ｉｖｓ …（２）
但し、Ｉｖｓは、ｖ相電流センサによる電流検出値、
Ａは、バスバー間の距離に基づいて予め設定されている定数
である。
【００３５】
なお、ｕ相及びｗ相の電流の影響による磁束Φｕ１及び磁束Φｗ１は、ｕ相とｖ相のバスバーの距離ｘ及びｖ相とｗ相のバスバーの距離ｙが各々近くなるほど、換言すれば、３本のバスバーが近接して間隔が狭くなるほど大きくなり、これらの合成磁束Φｕｗ１の大きさも大きくなる。そしてその結果、検出されるｖ相の電流値Ｉｖｓは真の電流値Ｉｖよりもより小さくなるので、真の電流値Ｉｖを求めるための定数Ａは大きくする必要がある。
【００３６】
次に、電流値補正部１８２は、３本のバスバーの両側のバスバーについての取り込んだ電流値Ｉｕｓ及びＩｗｓの補正を行う（ステップＳ３）。
まず、３本のバスバーの一方の端に配置されたｕ相のバスバー上に設けられた電流センサで検出される電流値は、隣接する中央のｖ相のバスバーを流れる電流による磁束の影響は受けるが、他方の端のバスバーであるｗ相のバスバーを流れる電流による磁束の影響は、それら両側のバスバー間の距離が十分に大きいために無視することができる。
従って、電流値補正部１８２は、ｕ相電流Ｉｕを、電流センサ１５０で検出したｕ相の電流値Ｉｕｓ及び式（２）により検出したｖ相電流Ｉｖに基づいて、次式（３）により検出する。
【００３７】
【数３】
Ｉｕ＝Ｉｕｓ−Ｂ・Ｉｖ …（３）
但し、Ｉｕｓは、ｕ相電流センサによる電流検出値、
Ｂは、バスバー間の距離及びｕ相とｖ相の位相関係に基づいて定まる係数、
Ｉｖは、補正されたｖ相の電流値
である。
【００３８】
なお、ｕ相の電流とｖ相の電流とは位相が１２０°ずれているため、ｖ相の電流による磁束の影響は、ｕ相とｖ相との位相関係によって逐次異なるものとなる。従って、補正のための係数Ｂは、理論的な解析に基づいて、あるいはまた予め実験等を行って、各位相ごとにマップあるいは表形式で予め記憶しておくのが好ましい。
【００３９】
また、３本のバスバーの他方の端に配置されたｗ相の電流値Ｉｗも、ｕ相の電流値Ｉｕと同様に、電流値補正部１８２により、電流センサ１５０で検出したｗ相の電流値Ｉｗｓ、及び、隣接するバスバーを流れる電流値である式（２）により検出したｖ相電流Ｉｖに基づいて、次式（４）により検出される。
【００４０】
【数４】
Ｉｗ＝Ｉｗｓ−Ｂ・Ｉｖ …（４）
但し、Ｉｗｓは、ｗ相電流センサによる電流検出値、
Ｂは、バスバー間の距離及びｗ相とｖ相の位相関係に基づいて定まる係数、
Ｉｖは、補正されたｖ相の電流値
である。
【００４１】
このようにして、隣接するバスバーを流れる電流による磁束の影響を考慮した各バスバーを流れる真の電流値Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗを求めたら、電流値補正部１８２は、これらの電流値を３相２相変換部１８３に出力する（ステップＳ４）。
【００４２】
最後に、電動機制御システム１００の動作をまとめて説明する。
まず、電気自動車の蓄電池等のバッテリ１１０からバッテリ・インバータ間バスパー１２０を介して入力された直流電力は、インバータ１３０において、モータコントローラ１８０のＰＷＭ変換部１８７から入力されるＰＷＭ制御信号に基づいてＰＷＭ処理されて、モータ１６０を所望の状態で回転させるための３相の交流電力に変換され、インバータ・モータ間バスパー１４０を介してモータ１６０に印加される。
そしてモータ１６０の回転状態は、レゾルバ１７０により２相の信号として検出され、これに基づいてモータコントローラ１８０の磁極位置・モータ速度検出部１８１において、モータ１６０の磁極の位置θ及び速度ωｍが求められる。
【００４３】
またこの時、インバータ・モータ間バスパー１４０の各バスバーに流れる、３相交流電力の各相に対応する電流値が、各バスバーに設けられたコアレス電流センサである電流センサ１５０により検出され、モータコントローラ１８０の電流値補正部１８２に取り込まれる。
電流値補正部１８２においては、まずインバータ・モータ間バスパー１４０の３本のバスバーの中央のバスバーであるｖ相の電流値Ｉｖを、式（２）に基づいて、すなわち電流センサ１５０で検出されたそのｖ相の電流値Ｉｖｓに予め定めた所定のゲインＡを乗ずることによって求める。
次に、このｖ相の電流値Ｉｖを用いて、３本のバスバーの両側のバスバーであるｕ相及びｗ相の電流値Ｉｕ、Ｉｗを、式（３）及び式（４）に基づいて、すなわち電流センサ１５０で検出されたそのｕ相又はｗ相の電流値Ｉｕｓ又はＩｗｓより、ｕ相とｖ相又はｗ相とｖ相の位相関係に基づいて適宜マップ等を参照して決定される係数Ｂをｖ相の電流値Ｉｖに乗じて求められるｖ相の影響分を減算することによって求める。
そして、補正された各相の電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、３相２相変換部１８３において、磁極位置・モータ速度検出部１８１より入力されるモータ１６０の磁極の位置θに基づいて、２相の直流電流値ｉｄ，ｉｑに変換される。
【００４４】
そして、図示せぬさらに上位の制御装置から入力されるトルク指令τｒに従って、高効率電流テーブル１８４は、磁極位置・モータ速度検出部１８１で検出されたモータ速度ωｍを参照して２相直流のｄ軸及びｑ軸としての電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を算出し、この電流指令値と３相２相変換部１８３において変換された電流値ｉｄ，ｉｑとの差が０となるようにするＰＩ制御を電流制御部１８５で行い、得られた電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊をモータ１６０の磁極の位置θに基づいて２相３相変換部１８６が３相の交流電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換し、これに基づいてインバータ１３０の各相のスイッチング素子をオン／オフするスイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，ＰｗをＰＷＭ変換部１８７が生成して、インバータ１３０に印加する。
これにより、インバータ１３０のスイッチングが制御されて、モータ１６０が所望の状態に制御される。
【００４５】
このように、本実施の形態の電動機制御システム１００においては、電動機に印加する３相交流電流を検出するセンサとしてコアレス電流センサを用いた場合においても、他の相の電流による影響を適切に補正して、各相の電流を適切に検出することができる。従って、これに基づく電動機の動作の制御等が適切に行いつつ、制御装置あるいは電動機装置の構成を簡単にすることができる。また、バスバーを近接して配置しても適切な電流の検出及び制御を行うことができるので、装置を小型化することができる。
また、その電流値の補正は、例えば対称３相電流の各相に対応するバスバーの電流値のうち、他の２つの相の電流の影響を同等に受けているものに対しては、単に所定のゲインを乗ずるだけで適切かつ正確に行うことができる。その結果、簡単な制御システムの構成で精度良く補正を行うことができ、ひいては適切な制御を行うことができる。
また、前述したように単にゲインを乗ずることができない場合においても、本実施の形態の電動機制御システム１００のように、影響を受ける電流との位相関係に応じた補正値をマップあるいは表形式で予め記憶しておくようにすれば、各相の電流の位相関係に基づく複雑な補正も、簡単に行うことができる。
【００４６】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。従って、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態の電動機制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示した電動機制御システムの電流センサの構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、図１に示した電動機制御システムの電流値補正部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】図４は、図１に示した電動機制御システムのインバータからモータに印加される電流の各波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１００…電動機制御システム
１１０…バッテリ
１２０…バッテリ・インバータ間バスパー
１３０…インバータ
１４０…インバータ・モータ間バスパー
１５０…電流センサ
１６０…モータ
１７０…レゾルバ
１８０…モータコントローラ
１８１…磁極位置・モータ速度検出部
１８２…電流値補正部
１８３…３相２相変換部
１８４…高効率電流テーブル
１８５…電流制御部
１８６…２相３相変換部
１８７…ＰＷＭ変換部
Claims (17)
- ３相交流方式により供給される電力の供給電流を検出する電流検出装置であって、
３相交流電力の各相に対応する３本の電力線の各近傍に設けられ、各々が、前記電力線を流れる電流によって生じる磁束を検出することにより、前記近傍の電力線を流れる電流の電流値を検出する３つの電流センサと、
電流値検出対象の電力線以外の他の２つの電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を実質的に受けている電流センサにより前記検出された電流値を、当該電流センサと前記他の２つの電力線との距離に基づいて補正する電流値補正部と
を有する電流検出装置。 - 前記電流値補正部は、前記検出された補正対象の電流値に対して、所定のゲイン（１以上の乗算係数）を乗ずることにより前記補正を行う
請求項１に記載の電流検出装置。 - 前記ゲインは、前記電流センサと前記他の２つの電力線との距離が近いほど大きく、当該距離が遠いほど小さい値である
請求項２に記載の電流検出装置。 - 前記電流値補正部は、さらに、電流値検出対象の電力線以外の他の１つの電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を実質的に受けている電流センサにより前記検出された電流値を、当該電流センサと前記他の１つの電力線との距離に基づいて補正する
請求項１〜３のいずれかに記載に電流検出装置。 - 前記３本の電力線は、実質的に同一平面上に平行に配置されており、
前記電流値補正部は、前記３本の電力線の中央の電力線について検出された電流値を、当該中央の電力線の前記電流センサと前記３本の電力線の両側の電力線との距離に基づいて補正する
請求項１〜４のいずれかに記載の電流検出装置。 - 前記電流値補正部は、さらに、前記３本の電力線の両側の電力線について検出された電流値を、前記中央の電力線の前記補正された電流値及び当該両側の電力線の電流センサと前記中央の電力線との距離に基づいて補正する
請求項５に記載の電流検出装置。 - 前記電流補正部は、前記電力線間の距離を前記電流センサと前記電力線との距離として、前記補正を行う
請求項１〜６のいずれかに記載の電流検出装置。 - 前記電流センサは、コアレス電流センサである
請求項１〜７のいずれかに記載の電流検出装置。 - ３相交流方式により供給される電力の供給電流を検出する電流検出方法であって、
３相交流電力の各相に対応する３本の電力線に対して各々電流センサを配置し、
前記各電流センサにより、前記電力線を流れる電流によって生じる磁束を検出することにより、各電力線を流れる電流の電流値を検出し、
前記検出された電流値のうち、電流値検出対象の電力線以外の他の２つの電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を実質的に受けている電流センサにより検出された電流値を、当該電流センサと前記他の２つの電力線との距離に基づいて補正する
電流検出方法。 - ３相交流電動機と、
入力される制御信号に基づいて、前記３相交流電動機を所望の状態に駆動するための３相交流電力を生成するインバータ回路と、
前記生成された３相交流電力を前記３相交流電動機に供給する、各相に対応する少なくとも３本の電力線が平行に配置された電力供給線部と、
前記３本の電力線の各近傍に設けられ、各々が、前記電力線を流れる電流によって生じる磁束を検出することにより、前記近傍の電力線を流れる電流の電流値を検出する３つの電流センサと、
電流値検出対象の電力線以外の他の２つの電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を実質的に受けている電流センサにより前記検出された電流値を、当該電流センサと前記他の２つの電力線との距離に基づいて補正する電流値補正部と、
前記３本の電力線を流れる電流の前記検出された電流値又は前記補正がなされた場合には前記補正された電流値に基づいて、前記３相交流電動機を所望の状態に制御する制御信号を生成し、前記インバータ回路に出力する制御回路と
を有する電動機装置。 - 前記電流値補正部は、さらに、電流値検出対象の電力線以外の他の１つの電力線を流れる電流によって生じる磁束の影響を実質的に受けている電流センサにより前記検出された電流値を、当該電流センサと前記他の１つの電力線との距離に基づいて補正する
請求項１０に記載に電流検出装置。 - 前記電力供給線部は、同一平面上に平行に配置された前記３相交流電力の各相に対応する３本のバスバーを有する
請求項１０又は１１に記載の電動機装置。 - 前記電流値補正部は、前記３本のバスバーの中央のバスバーについて検出された電流値を、当該中央のバスバーの前記電流センサと前記３本のバスバーの両側のバスバーとの距離に基づいて補正する
請求項１２に記載の電動機装置。 - 前記電流値補正部は、さらに、前記３本のバスバーの両側のバスバーについて検出された電流値を、前記３本のバスバーの中央のバスバーの前記補正された電流値及び当該両側のバスバーの電流センサと前記中央のバスバーとの距離に基づいて補正する
請求項１３に記載の電動機装置。 - 前記電流値補正部は、前記バスバー間の距離を前記電流センサと前記バスバーとの距離として、前記補正を行う
請求項１２〜１４のいずれかに記載の電動機装置。 - 前記制御回路は、前記３相交流電動機を所望の状態にＰＷＭ制御するＰＷＭ制御信号を生成し、
前記インバータ回路は、前記生成されたＰＷＭ制御信号に基づいてＰＷＭ制御を行い、前記３相交流電動機を所望の状態に駆動するためのＰＷＭ制御された３相交流電力を生成する
請求項１０〜１５のいずれかに記載の電動機装置。 - 前記電流センサは、コアレス電流センサである
請求項１０〜１６のいずれかに記載の電動機装置。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2002217957A JP2004061217A (ja) | 2002-07-26 | 2002-07-26 | 電流検出装置とその方法及び電動機装置 |
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2002
- 2002-07-26 JP JP2002217957A patent/JP2004061217A/ja active Pending
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