JP2004080998A - Drive control device and method for permanent magnet type synchronous motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、永久磁石型同期モータ(以下PMモータと呼ぶ)を制御する駆動制御装置に関する。 The present invention relates to a drive control device for controlling a permanent magnet type synchronous motor (hereinafter referred to as PM motor).
電気自動車の車両走行用モータに対しては、その小形化が強く要請されている。励磁束の発生手段として永久磁石を用いたモータであるPMモータは、単位体積当たり界磁起磁力が大きく従ってその他の種類のモータに比べその小形化が容易であることから、その車両走行用モータとしてPMモータを使用した電気自動車がこれまで各種提案されている。 小 There is a strong demand for miniaturization of electric vehicle motors. A PM motor, which is a motor using a permanent magnet as a means for generating an exciting magnetic flux, has a large field magnetomotive force per unit volume and is therefore easily miniaturized compared to other types of motors. Various electric vehicles using PM motors have been proposed.
電気自動車の車両走行用モータに対しては、同時に、広い速度範囲(回転数範囲)をカバーできることも要請されている。この要請に応える手法としてこれまで用いられてきているのが、ベクトル制御の一部分である弱め界磁制御である。ここに、ベクトル制御とは、モータ電流IMをトルク電流成分Iq及び界磁電流成分Idに別けて目標制御する方法である。これらの成分のうち、Iqは主磁束即ち永久磁石にて得られる励磁束との鎖交によってトルク(マグネットトルク)を発生させる成分である。また、Idは主磁束を部分的に補助し又は打ち消す励磁束を発生させる成分であり、モータに突極性がある場合にはIdもId・Iqに比例するトルク(リラクタンストルク)を発生させる。モータの速度範囲を拡張しようとすると、即ちより高速回転の領域までモータの動作可能領域を延ばそうとすると、速度起電力ω・E0即ち主磁束E0にて生じモータの回転角速度ωに比例する起電力が原因となって、一般には回転数Nの上昇に応じてモータの端子電圧が上昇し、しばしば電源電圧たるバッテリ電圧VBに相当する値を上回ってしまう。これを防ぐためE0を打ち消す方向の励磁束をIdの制御により発生させ、モータの動作可能領域を通常界磁領域よりも高回転側の弱め界磁領域まで延ばす手法(図6参照)が、上掲の弱め界磁制御であり、これを実行することにより、比較的小出力のモータでも高速回転領域をカバーできる。なお、ベクトル制御には絶対値及びトルク角による態様もあるが、Id,Iqによる態様と等価であるため、以下の説明では区別しない。 At the same time, there is a demand for electric motor vehicles to cover a wide speed range (rotation speed range). A field-weakening control, which is a part of the vector control, has been used as a technique to meet this demand. Here, the vector control is a method of performing target control by dividing the motor current IM into a torque current component Iq and a field current component Id. Among these components, Iq is a component that generates torque (magnet torque) by interlinking with the main magnetic flux, that is, the exciting magnetic flux obtained by the permanent magnet. Id is a component that generates an excitation magnetic flux that partially assists or cancels the main magnetic flux. When the motor has saliency, Id also generates a torque (reluctance torque) proportional to Id · Iq. In an attempt to extend the speed range of the motor, that is, to extend the operable range of the motor to a higher-speed rotation range, the speed electromotive force ω · E0, that is, the electromotive force generated in the main magnetic flux E0 and proportional to the rotational angular speed ω of the motor. As a result, the terminal voltage of the motor generally increases with an increase in the rotation speed N, and often exceeds a value corresponding to the battery voltage VB, which is a power supply voltage. In order to prevent this, a method of generating an exciting magnetic flux in the direction of canceling E0 by controlling Id and extending the operable region of the motor to a weakening field region on the higher rotation side than the normal field region (see FIG. 6) is described above. The above-described field weakening control is performed, and by executing this, even a motor having a relatively small output can cover a high-speed rotation region. Although vector control has a mode based on an absolute value and a torque angle, it is not distinguished in the following description because it is equivalent to a mode based on Id and Iq.
弱め界磁制御には、このような利点がある反面、効率低下という側面もある。例えば、弱め界磁制御を行っているときのId(以下、弱め界磁電流とも呼ぶ)が多すぎると、トルク発生に寄与しない又は寄与しにくい電流成分であるIdが増えることによって損失が増えてしまう。逆に、弱め界磁電流が少なすぎると弱め界磁本来の目的の達成に支障となる。即ち、モータ出力制御のため電源たるバッテリと駆動対象たるモータの間に設けた電力変換器にストレスが加わる他、必要なIqを出力できなくなる等の支障も生じる。これらを緩和する方法として、本願出願人は、先に、VBに応じて弱め界磁電流の値を変化させる方法を提案している(特開平7−107772号公報参照)。この方法によれば、弱め界磁制御にて発生する損失を、バッテリの電圧あるいは充電状態との関連においては最小化最適化できる。 Weak field control has these advantages, but also has the aspect of reduced efficiency. For example, if the Id during field-weakening control is too large (hereinafter also referred to as field-weakening current), the loss increases due to an increase in Id, which is a current component that does not or hardly contributes to torque generation. Conversely, if the field weakening current is too small, it will hinder achievement of the original purpose of the field weakening. That is, stress is applied to a power converter provided between a battery serving as a power supply and a motor to be driven for motor output control, and other problems such as a failure to output necessary Iq occur. As a method of alleviating these, the applicant of the present application has previously proposed a method of changing the value of the field weakening current according to VB (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-107772). According to this method, the loss generated by the field weakening control can be minimized and optimized in relation to the battery voltage or the state of charge.
しかしながら、弱め界磁制御を行っている限り、弱め界磁電流に起因した損失の発生やこれによるシステム効率の低下を無くすことはできない。本発明の目的の一つは、バッテリ電圧の昇圧という手段を新たに採用することによって、弱め界磁制御を不要とし、ひいてはシステム効率の改善を実現することにある。本発明の目的の一つは、PMモータの目標動作点の位置に応じて昇圧制御を行うことによって、PMモータの動作可能な速度範囲を従来と同程度以上に維持確保することにある。本発明の目的の一つは、バッテリ電圧が低いときには昇圧を行わないようにすることによって、昇圧回路における損失の発生を抑制し、システム効率を更に改善することにある。本発明の目的の一つは、昇圧回路を自律的にバイパスする手段を提供することによって、より自動化されたシステムを実現することにある。本発明の目的の一つは、昇圧回路を強制的にバイパスする手段を提供することによって、回生制動等必要が生じたときに昇圧回路をバイパスできるようにすることにある。本発明の目的の一つは、昇圧回路の利用によって、突入防止回路を廃止できるようにすることにある。 However, as long as the field-weakening control is performed, it is not possible to eliminate the loss caused by the field-weakening current and the decrease in the system efficiency due to the loss. An object of the present invention is to eliminate the need for field-weakening control and to achieve an improvement in system efficiency by newly adopting means for increasing the battery voltage. One of the objects of the present invention is to maintain and secure the operable speed range of the PM motor at or above the conventional level by performing boost control according to the position of the target operating point of the PM motor. An object of the present invention is to suppress the occurrence of a loss in a booster circuit by preventing boosting when the battery voltage is low, and to further improve system efficiency. One of the objects of the present invention is to realize a more automated system by providing a means for autonomously bypassing the booster circuit. An object of the present invention is to provide a means for forcibly bypassing a booster circuit so that the booster circuit can be bypassed when regenerative braking or the like becomes necessary. An object of the present invention is to make it possible to eliminate an inrush prevention circuit by using a booster circuit.
このような目的を達成するため、本発明は、バッテリと車両走行用のPMモータの間に接続されVBをIMに変換する電力変換器を用い、速度起電力を有するPMモータを制御する駆動制御装置において、上記電力変換器への供給に先立ちかつ指令に応じ、上記VBを昇圧する昇圧回路と、モータトルクTと回転数Nにて定められる車両運転領域にある上記PMモータの目標動作点がその出力可能領域に属しているか否かを、上記VBの検出値及び上記昇圧回路による昇圧後の電圧値に基づき判定する判定手段と、判定手段にて属していないと判定されたときに、上記目標動作点の位置に応じ上記昇圧回路に昇圧比を指令することにより、当該目標動作点が属することになるよう上記出力可能領域を拡張する手段と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides a drive control for controlling a PM motor having a speed electromotive force by using a power converter connected between a battery and a PM motor for driving a vehicle, which converts VB into IM. In the device, a booster circuit for boosting the VB prior to supply to the power converter and in response to a command, and a target operating point of the PM motor in a vehicle operating region defined by a motor torque T and a rotation speed N Determining means for determining whether or not it belongs to the output enabled area based on the detected value of VB and the voltage value after boosting by the boosting circuit; Means for commanding a boosting ratio to the booster circuit in accordance with the position of the target operating point, thereby extending the output possible area so that the target operating point belongs. That.
かかる構成においては、例えば、PMモータの目標動作点が現在のVBの下での出力可能領域よりも高回転側に位置しているときに、この目標動作点が出力可能領域に含まれることになるよう、VBが昇圧される。このように、Idの発生乃至増大を招かない本発明の手法においては、Idに起因した損失の発生やこれによるシステム効率の低下を無くすことが可能になる。また、本発明の手法は、力行可能領域の拡張という点では弱め界磁制御と同じ性格を有しているため、PMモータの動作可能な速度範囲を従来と同程度以上に維持確保できる。 In such a configuration, for example, when the target operating point of the PM motor is located on the higher rotation side than the output enabled area under the current VB, this target operating point is included in the output enabled area. So that VB is boosted. As described above, in the method of the present invention that does not cause the generation or increase of Id, it is possible to eliminate the occurrence of loss due to Id and the decrease in system efficiency due to the loss. In addition, the method of the present invention has the same characteristics as the field weakening control in terms of extending the powerable region, so that the operable speed range of the PM motor can be maintained and ensured to be equal to or greater than the conventional range.
また、本発明は、トルク指令(T*)に応じて、バッテリ電圧(VB)を電流指令(Id*、Iq*)に変換して車両走行用の永久磁石型同期モータに供給するモータの駆動制御方法において、車両各部からの情報に基づき、モータ出力トルクの目標値であるトルク指令(T*)を決定するステップと、このトルク指令(T*)に基づき、電流指令(Id*、Iq*)を決定するステップと、この電流指令(Id*、Iq*)に基づき、トルク指令(T*)と車両情報に含まれるモータ回転数(N)とを実現するのに必要な直流端子側のモータ端子電圧(V)を求めるステップと、このモータ端子電圧(V)とバッテリ電圧(VB)とを比較するステップと、V>VBの条件が成立したときに、バッテリ電圧(VB)を所定の昇圧比で昇圧して永久磁石型同期モータへ供給するステップと、を含むことを特徴とする。 Further, according to the present invention, a drive of a motor which converts a battery voltage (VB) into a current command (Id * , Iq * ) in accordance with a torque command (T * ) and supplies the current command (Id * , Iq * ) to a permanent magnet type synchronous motor for vehicle running. In the control method, a step of determining a torque command (T * ), which is a target value of the motor output torque, based on information from each part of the vehicle, and a current command (Id * , Iq * ) based on the torque command (T * ) . ) And based on the current commands (Id * , Iq * ), the DC terminal side necessary to realize the torque command (T * ) and the motor speed (N) included in the vehicle information. A step of obtaining the motor terminal voltage (V); a step of comparing the motor terminal voltage (V) with the battery voltage (VB); and a step of: setting the battery voltage (VB) to a predetermined value when the condition of V> VB is satisfied. Boost at boost ratio Characterized in that it comprises a step for supplying to a permanent magnet synchronous motor.
さらに、本発明は、バッテリと車両走行用の永久磁石型同期モータの間に接続されバッテリ電圧をモータ電流に変換する電力変換器を用い、車両各部からの情報に基づき、モータ出力トルクの目標値であるトルク指令(T*)を決定し、このトルク指令(T*)に応じて、バッテリ電圧(VB)を電流指令(Id*、Iq*)に変換して永久磁石型同期モータに供給する、速度起電力を有する永久磁石型同期モータを制御する駆動制御装置において、上記電力変換器への供給に先立ちかつ指令に応じ、上記バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路と、モータトルクTと回転数Nにて定められる車両運転領域にある上記永久磁石型同期モータの目標動作点がその出力可能領域に属しているか否かを、電流指令(Id*、Iq*)に基づき、トルク指令(T*)と車両情報に含まれるモータ回転数(N)とを実現するのに必要な直流端子側のモータ端子電圧(V)、上記バッテリ電圧(VB)及び上記昇圧回路による昇圧後の電圧値に基づき判定する判定手段と、V>VBの条件が成立したときに、上記目標動作点の位置に応じかつ速度起電力に基づき上記昇圧回路に昇圧比を指令することにより、当該目標動作点が属することになるよう、バッテリ電圧(VB)を所定の昇圧比で昇圧して永久磁石型同期モータへ供給し、上記出力可能領域を拡張する手段と、を備えることを特徴とする。 Further, the present invention uses a power converter connected between a battery and a permanent magnet type synchronous motor for vehicle running to convert a battery voltage into a motor current, and based on information from each part of the vehicle, a target value of a motor output torque. determining a torque command (T *) is supplied in accordance with the torque command (T *), the battery voltage (VB) a current command (Id *, Iq *) is converted into the permanent magnet synchronous motor A drive control device for controlling a permanent magnet type synchronous motor having a speed electromotive force, wherein a booster circuit for boosting the battery voltage prior to supply to the power converter and in response to a command, a motor torque T and a rotation speed N whether the target operating point of the permanent magnet synchronous motor in a vehicle operating region defined belongs to the output area at, based on the current command (Id *, Iq *), the torque command T *) and motor speed contained in the vehicle information (N) and the DC terminal of the motor terminal voltage required to achieve the (V), the battery voltage (VB) and the voltage value after boosting by the booster circuit A determination means for determining the target operating point according to the position of the target operating point and a boosting ratio based on the speed electromotive force when the condition of V> VB is satisfied. Means for boosting the battery voltage (VB) at a predetermined boosting ratio and supplying the boosted battery voltage to the permanent magnet type synchronous motor to extend the output possible area.
本発明は、昇圧回路を常時用いる構成に限定されるものではない。例えば、昇圧回路を介さない導通経路を昇圧回路前後の電圧差に応じバッテリと電力変換器の間に形成/遮断する自律型ゲート素子(例えばダイオード)を設けることにより、昇圧を実行していないときに昇圧回路を自律型ゲート素子にてバイパスすることができる。即ち、VBが低いときに昇圧を行わないようにすることで、昇圧回路における損失の発生を抑制し、システム効率を更に改善することができる。また、このバイパス形成/遮断は自律型ゲート素子により自律的に即ち自動的に実行されるため、そのための制御装置又は手順は不要である。あるいは、昇圧回路を介さない導通経路を指令に応じバッテリと電力変換器の間に形成/遮断する可制御型ゲート素子(例えばサイリスタ)と、目標動作点が回生側に属しているときに可制御型ゲート素子に指令を与え上記導通経路を強制的に形成させる手段とを、設けることにより、回生制動等の必要に応じ昇圧回路をバイパス可能になる。 The present invention is not limited to the configuration in which the booster circuit is always used. For example, when boosting is not performed by providing an autonomous gate element (for example, a diode) that forms / cuts off a conduction path that does not pass through the booster circuit between the battery and the power converter in accordance with the voltage difference before and after the booster circuit. Then, the booster circuit can be bypassed by the autonomous gate element. That is, by not performing boosting when VB is low, it is possible to suppress the occurrence of loss in the booster circuit and further improve system efficiency. In addition, since the formation / cutoff of the bypass is performed autonomously, that is, automatically, by the autonomous gate element, a control device or a procedure therefor is unnecessary. Alternatively, a controllable gate element (for example, a thyristor) that forms / cuts off a conduction path that does not pass through a booster circuit between a battery and a power converter according to a command, and is controllable when a target operating point belongs to a regenerative side. Means for giving a command to the mold gate element to forcibly form the conduction path makes it possible to bypass the booster circuit as required by regenerative braking or the like.
本発明は、昇圧回路を昇圧のみに利用する構成に限定されるものではない。例えば、昇圧回路として、バッテリから放電されるエネルギを蓄積する受動素子(昇圧リアクトル等)と、指令に応じこの受動素子を電力変換器の正側及び負側入力端子に切替接続する能動素子(トランジスタ等)とを有する回路を用いるのであれば、回生時の経路形成にこれらの素子を利用でき、また、突入防止回路、即ち一般に電力変換器直流端子間に設けられている平滑コンデンサの充電により生じる電流を防止する回路を、これらの素子を利用して廃止できる。それには、目標動作点が力行側に属しているときには判定手段における判定の結果及び当該目標動作点の位置に応じて、また当該目標動作点が回生側に属しているとき及び/又は上記永久磁石型同期モータを始動するときには上記受動素子を介した電流経路が上記バッテリと上記電力変換器との間に形成されるよう、上記能動素子に指令するようにすればよい。 The present invention is not limited to the configuration in which the booster circuit is used only for boosting. For example, as a booster circuit, a passive element (boost reactor or the like) that accumulates energy discharged from a battery, and an active element (transistor that switches and connects the passive element to a positive side input terminal and a negative side input terminal of a power converter according to a command) If these circuits are used, these elements can be used for forming a path during regeneration, and the inrush prevention circuit, that is, a charge generated by charging a smoothing capacitor generally provided between the DC terminals of the power converter. The circuit for preventing current can be eliminated by using these elements. When the target operating point belongs to the power running side, it depends on the result of the determination by the determining means and the position of the target operating point, and when the target operating point belongs to the regenerative side, and / or When starting the type synchronous motor, the active element may be commanded so that a current path via the passive element is formed between the battery and the power converter.
本発明によれば、PMモータの目標動作点がその出力可能領域に属していないときに、当該目標動作点の位置に応じVBを昇圧して電力変換器に供給し、これにより、当該目標動作点が属することになるようPMモータの出力可能領域を拡張するようにしたため、PMモータの動作可能な速度範囲を従来と同程度以上に維持確保しながら、弱め界磁制御の廃止ひいてはシステム効率の改善を実現できる。特に、自律型ゲート素子を設けることにより、そのための制御装置又は手順なしで、昇圧回路における損失の発生を抑制し、システム効率を更に改善することができる。また、可制御型ゲート素子やその制御手段を設けることにより、回生制動等の必要に応じ昇圧回路をバイパスできる。そして、昇圧リアクトル等の受動素子を、改正の経路形成や、一般に電力変換器直流端子間に設けられている平滑コンデンサの充電に利用でき、これにより突入防止回路の廃止等回路の簡素化を達成できる。 According to the present invention, when the target operating point of the PM motor does not belong to the output available area, VB is boosted according to the position of the target operating point and supplied to the power converter, whereby the target operation is performed. The output range of the PM motor has been expanded so that the points belong to it, so while maintaining and maintaining the operable speed range of the PM motor at or above the conventional level, the field-weakening control was abolished and the system efficiency improved. realizable. In particular, by providing the autonomous gate element, it is possible to suppress the occurrence of loss in the booster circuit and to further improve the system efficiency without a control device or procedure therefor. Further, by providing a controllable gate element and its control means, the booster circuit can be bypassed as required for regenerative braking or the like. Passive elements such as boost reactors can be used to form revised paths and to charge smoothing capacitors generally provided between DC terminals of power converters, thereby achieving simplification of circuits, such as eliminating inrush prevention circuits. it can.
以上の説明では、本発明を「駆動制御装置」に係る発明として表現したが、本発明は例えば「駆動制御方法」「駆動装置」「駆動方法」「電力供給装置」「電力供給方法」等としても表現できる。更に、純粋な電気自動車への応用を想定したが、本発明は電気車やいわゆるハイブリッド車等の他、産業用・民生用の別を問わず各種の用途に適用できる。また、制御対象たる永久磁石型同期モータは、三相交流モータに限定されるものではなく、またリラクタンストルクの利用有無も問わない。 In the above description, the present invention is described as an invention relating to a “drive control device”. However, the present invention is described as, for example, a “drive control method”, a “drive device”, a “drive method”, a “power supply device”, a “power supply method”, and the like. Can also be expressed. Further, the present invention is assumed to be applied to a pure electric vehicle, but the present invention can be applied to various uses irrespective of industrial use or consumer use other than electric vehicles and so-called hybrid vehicles. Further, the permanent magnet type synchronous motor to be controlled is not limited to the three-phase AC motor, and it does not matter whether reluctance torque is used.
更に、モータの出力トルクを回転数検出値に基づきオープンループ制御する構成を前提として説明を行ったが、出力トルクの制御(トルク制御)ではなく回転数の制御(速度制御)を行う構成にも、またオープンループ制御ではなくクローズドループ制御を行う構成にも、更には回転数検出値ではなく回転数推定値に基づき制御を行う構成にも、本発明を適用できる。加えて、モータの動作点を専らトルク回転数空間で表現したが、モータ電圧電流空間等、モータの出力を表現できるのであればその他の種類の空間に準拠してもよい。 Further, the description has been given on the assumption that the output torque of the motor is controlled in an open loop based on the detected value of the number of revolutions. However, the control is not limited to the control of the output torque (torque control) but the control of the number of revolutions (speed control). The present invention can be applied to a configuration in which closed loop control is performed instead of open loop control, and further, a configuration in which control is performed based on a rotation speed estimation value instead of a rotation speed detection value. In addition, although the operating point of the motor is exclusively represented in the torque rotation speed space, other types of spaces such as a motor voltage / current space may be used as long as the output of the motor can be represented.
また、バッテリ電圧が低いときにこれを昇圧しモータの逆起電力を上回るよう調整する例を述べたが、バッテリ電圧が高い領域(の一部)で逆に降圧するようにしてもよい。また、回生時に昇(降)圧を行わない例を示したが、行うようにしてもよい。その場合、IPM内のスイッチング素子等を利用できる。昇(降)圧回路の具体的な構成には、様々な変形が可能である。更に、昇降圧双方の機能を有する回路を用いる場合には、昇圧回路をバイパスするためのスイッチ、ダイオード、サイリスタ等の素子を、廃止することができる。また、前述の第1実施形態ではダイオードとサイリスタの並列回路を用いているが、これに代え双方向サイリスタ等の素子を用いても構わない。昇圧回路の動作に関してはその詳細を省略したが、当該動作は当業者には周知である。 Also, although an example has been described in which the battery voltage is raised when the battery voltage is low and adjusted so as to exceed the back electromotive force of the motor, the voltage may be stepped down in (a part of) the region where the battery voltage is high. In addition, although an example in which the pressure is not increased (reduced) during regeneration is shown, the pressure may be increased. In that case, a switching element or the like in the IPM can be used. Various modifications can be made to the specific configuration of the step-up (step-down) circuit. Furthermore, when a circuit having both functions of step-up and step-down is used, switches, diodes, thyristors, and other elements for bypassing the step-up circuit can be eliminated. In the first embodiment, a parallel circuit of a diode and a thyristor is used. However, an element such as a bidirectional thyristor may be used instead. Although the details of the operation of the booster circuit have been omitted, the operation is well known to those skilled in the art.
なお、上述の実施形態の変形、特にこの欄にて述べた趣旨のものについては、当業者であれば本願の開示に基づき容易に実行できる。 It should be noted that modifications of the above-described embodiment, particularly those having the purport described in this section, can be easily executed by those skilled in the art based on the disclosure of the present application.
以下、本発明の好適な実施形態に関し図面に基づき説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、本発明の一実施形態に係る電気自動車のシステム構成を示す。この実施形態においては三相PMモータ10が車両走行用モータとして用いられている。モータ10の駆動電力は、バッテリ12からインテリジェントパワーモジュール(IPM)14を介し供給される。すなわち、バッテリ12の放電出力は、平滑コンデンサCにて平滑されたうえでIPM14にて直流から三相交流に変換され、その結果得られた電流iu,iv,iwがモータ10の各相巻線に供給される。また、モータ10の出力トルクはコントローラ16によって制御されている。すなわち、コントローラは、車両操縦者によるアクセル、ブレーキ、シフト等の操作に応じ、かつレゾルバ等の回転センサ18にて検出されるモータ10の回転数(またはロータ角度位置)に応じ、スイッチング信号を発生させ、これにより、IPM14を構成するスイッチング素子のスイッチングパターンを制御する。このような制御を実行することによって、モータ10の出力トルクを、車両操縦者のアクセル操作等に応じたトルクとすることができる。この制御にあたっては、モータ10の各巻線に対応して設けられている電流センサ20u,20v,20wによってモータ10の各相電流iu,iv,iwが検出され、コントローラ16にフィードバックされる。
FIG. 1 shows a system configuration of an electric vehicle according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, a three-
また、バッテリ12とIPM14の間には、突入防止回路22、ダイオードDf及びサイリスタDr並びに昇圧回路24が設けられている。これらのうち突入防止回路22は、バッテリ12をIPM14に接続した直後に平滑コンデンサCの充電によって流れる突入電流を抑制乃至防止するための回路であり、イグニッション(IG)の操作に応じオン/オフされる並列接続された2個のスイッチSW1及びSW2、並びにスイッチSW2に直列接続された抵抗Rsから、構成されている。また、昇圧回路24は本発明の特徴の一部をなしており、バッテリ12の端子電圧VBをコントローラ16の制御の下により高い電圧VIに昇圧してIPM14の直流端子間に印加する。ダイオードDfは昇圧回路24の入力端と出力端の間に大きな電位差が発生していないときすなわち昇圧回路24が昇圧動作を実行していないときにこの昇圧回路24をバイパスする手段である。サイリスタDrはコントローラ16から供給される信号にてターンオン/オフし、ダイオードDfによって定まる電流方向とは逆方向の電流経路を発生させる。なお、図中符号25及び26で示されているのはそれぞれVB及びVIを検出するための電圧センサである。また、昇圧回路24の一例構成として、IPM14の直流端子間に順方向直列接続された2個のトランジスタTr1及びTr2、これらのトランジスタに逆並列接続されたダイオードD1及びD2、並びにトランジスタTr1及びTr2の接続点にその一端がまたバッテリ12側に他端が接続された昇圧リアクトルLを備える構成を、示している。
(4) Between the
図2に、この実施形態におけるモータ10の速度範囲拡張の原理を示す。この図において領域Aとして表されている領域は図6において通常界磁領域として表された領域に相当している。従来は、モータ回転数Nの上昇に応じて弱め界磁電流Idを増大させることにより、図2中実線で示される特性、すなわち図6中弱め界磁領域として示されている領域まで、モータ10の出力可能領域を拡張していた。これに対し、本実施形態においては、Idの制御によらずに、昇圧回路24の制御によって、モータ10の出力可能領域を拡張している。すなわち、現在の目標動作点(T,N)が、現在のVB又はVIにて実現できる領域よりも高回転側に位置しているときに、本実施形態においては、例えば領域AからBへ、BからCへ、さらにはCからDへ、…というように、モータ10の出力可能領域が広がっていくよう、昇圧回路24により昇圧比を高め、VIを高めている。また、この原理による出力可能領域乃至速度範囲拡張にはIdの制御は関与していないため、従来の弱め界磁制御と異なり、そのような原因によってシステム効率が損われることがない。
FIG. 2 shows the principle of extending the speed range of the
図3及び図4に、このような原理を実現するためコントローラ16により実行される手順の一例を示す。まず、図3に示されるように、コントローラ16はIGオン直後に突入防止回路22のスイッチSW2をオンさせ、その後しばらく時間が経過した後にスイッチSW1をオンさせる(100)。すなわち、IGオン直後しばらくの間は抵抗Rsを充電抵抗として平滑コンデンサCを充電し、その後平滑コンデンサCが十分充電されたとみなせる時点でSW1をオンさせ抵抗Rsの両端を短絡する。この後、コントローラ16の動作は、モータ10の出力トルク制御のための一連の繰り返し手順に移行する。
FIGS. 3 and 4 show an example of a procedure executed by the
モータ10の出力トルクを制御するに際しては、コントローラ16は、まず、車両各部から信号を入力する(102)。例えば、アクセル開度、ブレーキ踏力、シフトレバーのポジション、モータ回転数N、モータ電流iu,iv,iw、バッテリ電圧VB、IPM入力電圧VI等を入力する。その後、コントローラ16は、アクセル開度、ブレーキ踏力、シフトポジション、モータ回転数N等の情報に基づきトルク指令T* すなわちモータ10から出力させるべきトルクの目標値を決定する(104)。コントローラ16は、このようにして決定したトルク指令T* に基づき、かつモータ10のシステム効率が最大になるよう、電流指令(Id* ,Iq* )を決定する。ここにいう電流指令のうちId* は界磁電流成分Idに関する指令であり、Iq* はトルク電流成分Iqに関する指令である。コントローラ16は、このようにして決定した電流指令(Id* ,Iq* )を利用しIPM入力電圧VIの調整を行った後(108)、IPM14その他に信号を出力する(110)。すなわち、電流指令(Id* ,Iq* )に応じた電流iu,iv,iwが流れるようIPM14に対しスイッチングパターンを示す信号を出力し、また、トルク指令T* が回生領域(図2中T<0の領域)に属しているときにはサイリスタDrにターンオンする旨の指令を与える。以上ステップ102〜110の動作は、車両操縦者によってIGがオフされるまで繰り返される(112)。IGがオフされると、コントローラ16はスイッチSW1及びSW2をオフさせ(114)、バッテリ12からモータ10への電力の供給を断つ。
When controlling the output torque of the
ステップ108に示されているIPM入力電圧の調整は図4に示されるような手順にて実行される。すなわち、コントローラ16は、例えば次の式
(数1)
Vd=(R+pLd)・Id* −ω・Lq・Iq*
Vq= ω・Ld・Id* +(R+pLq)・Iq* +ω・E0
但し、R:モータ巻線の抵抗
Ld,Lq:モータ巻線のd軸,q軸インダクタンス
ω:モータ電気角速度
E0:主磁束
p:微分演算子
に従い(Vd* ,Vq* )を算出する(200)。あるいは、これに代え、次の式
(数2)
Vd=Kp・ΔId+Ki・∫ΔId−ω・Lq・Iq
Vq=Kp・ΔIq+Ki・∫ΔIq+ω・Ld・Id+ωE0
但し、ΔId=Id* −Id
ΔIq=Iq* −Iq
に従い(Vd* ,Vq* )を求めてもよい。このようにして得られた(Vd* ,Vq* )は、トルク指令T* を実現するのに、あるいは電流指令(Id* ,Iq* )を実現するのに必要な電圧を表している。コントローラ16は、さらに、次の式
(数3)
V=k・(Vd2 +Vq2 )1/2
但し、k:モータ端子電圧をIPM入力電圧に換算するための係数に従い電圧Vを求める。このようにして得られる電圧Vは、モータ10の目標動作点すなわち(T* ,N)を実現するのに必要なモータ10の端子電圧をIPM14の直流端子側の値に換算したものである。コントローラ16は、この電圧VがVBを上回っているか否か(204)及びVIを上回っているか否か(206)を判定する。これらの判定条件のうちV>VBの条件が成立していないときには、現在のバッテリ電圧VBをほぼそのまますなわちダイオードDfを介してIPM14にVIとして印加したとき目標動作点(T* ,N)を実現できるとみなせるため、コントローラ16は昇圧回路24による昇圧なしで、ステップ110に移行する。また、V>VBの条件が成立しているときは、そのとき昇圧回路24がその動作を開始していないのであればV>VIも必ず成り立つから、コントローラ16の動作はステップ208すなわち昇圧回路24に対する昇圧比の指令動作に移行する。ステップ208においては、コントローラ16は、V<VIを満たすVIが得られるよう、トランジスタTr1及びTr2を制御する動作を開始する。さらに、昇圧回路24による昇圧動作が始まった後でも、昇圧比の不足によってV>VIの条件が成立することがあり、この場合(206)にもステップ208が実行される。
The adjustment of the IPM input voltage shown in
Vd = (R + pLd) · Id * −ω · Lq · Iq *
Vq = ω · Ld · Id * + (R + pLq) · Iq * + ω · E0
Here, R: resistance of the motor winding Ld, Lq: d-axis and q-axis inductance of the motor winding ω: motor electrical angular velocity E0: main magnetic flux p: calculate (Vd * , Vq * ) according to the differential operator (200) ). Or, instead of this, the following equation (Equation 2)
Vd = Kp · ΔId + Ki · ∫ΔId−ω · Lq · Iq
Vq = Kp · ΔIq + Ki · ∫ΔIq + ω · Ld · Id + ωE0
Where ΔId = Id * −Id
ΔIq = Iq * −Iq
(Vd * , Vq * ) according to the following equation. (Vd * , Vq * ) thus obtained represents a voltage required to realize the torque command T * or to realize the current command (Id * , Iq * ). The
V = k · (Vd 2 + Vq 2 ) 1/2
Here, k: The voltage V is obtained according to a coefficient for converting the motor terminal voltage into the IPM input voltage. The voltage V obtained in this manner is obtained by converting the terminal voltage of the
以上のような制御手順により、本実施形態においては、図2に示す原理による力行可能領域(特に速度範囲)の確保及びモータシステム効率の改善を実現している。 According to the control procedure described above, in the present embodiment, a powerable area (particularly, a speed range) is secured and the motor system efficiency is improved according to the principle shown in FIG.
図5に、本発明の第2の実施形態に係る電気自動車のシステム構成を示す。この実施形態においては、突入防止回路22に代えて、バッテリ12をIPM14側と昇圧回路24側とに切替接続するためのスイッチSWが用いられており、かつダイオードDf及びサイリスタDrは廃止されている。また、これに伴い、コントローラ16の動作の手順にも変更が発生している。
FIG. 5 shows a system configuration of an electric vehicle according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, a switch SW for switching and connecting the
まず、前述の実施形態においては図3のステップ100においてスイッチSW1及びSW2の時間差オン制御が行われていたが、実施形態においては、ステップ100においてまずスイッチSWが(1)側に倒され、バッテリ12が昇圧回路24に接続される。昇圧回路24には前述のように昇圧リアクトルLが内蔵されている。コントローラ16は、上側のトランジスタTr1をオンさせ、下側のトランジスタTr2をオフさせることにより、昇圧リアクトルL、ダイオードD1を介しバッテリ12がIPM14側に接続された状態を形成し、昇圧リアクトルLを介し平滑コンデンサCを充電することによって第1実施形態における突入防止回路22と同様の機能を達成している。
First, in the above-described embodiment, the time difference ON control of the switches SW1 and SW2 is performed in
また、コントローラ16は、平滑コンデンサCが十分充電されたとみなせる程度の時間が経過した後にスイッチSWを(3)側に倒し、バッテリ12をIPM14側に接続する。これ以降は、前述の第1実施形態と同様、ステップ102〜110にかかる手順が、車両操縦者がIGをオフするまで繰り返し実行される。ただし、トルク指令T* が回生領域に属しているときには、サイリスタDrをターンオンする制御に代えて、スイッチSWを(1)に倒し、トランジスタTr1をオンさせトランジスタTr2をオフさせる制御が実行される。このような制御により、IGオン直後と同様、昇圧リアクトルLを介した電流経路が形成されるため、バッテリ12へ制動エネルギを回生することが可能になる。また制動エネルギを回生する手段として、スイッチを(3)に倒し、昇圧リアクトルLを介さないで回生することも可能である。また、IGがオフされた後は、コントローラ16はスイッチSWを(2)に倒し、バッテリ12をIPM14からもまた昇圧回路24からも切り離す。
In addition, the
このような構成及び手順によっても、前述の第1実施形態と同様、モータ10の出力可能領域を拡張しかつシステム効率を改善することができる。さらに、この実施形態では、突入防止回路その他を廃止することができる。
According to such a configuration and procedure, the output possible area of the
10 モータ、12 バッテリ、14 IPM、16 コントローラ、18 レゾルバ、24 昇圧回路、25,26 電圧センサ、Df ダイオード、Dr サイリスタ、L 昇圧リアクトル、Tr1,Tr2 昇圧用トランジスタ、SW スイッチ、C 平滑コンデンサ。 {10} motor, 12 battery, 14 IPM, 16 controller, 18 resolver, 24 booster circuit, 25, 26 voltage sensor, Df diode, Dr thyristor, L boost reactor, Tr1, Tr2 boost transistor, SW switch, C smoothing capacitor.
Claims (6)
車両各部からの情報に基づき、モータ出力トルクの目標値であるトルク指令(T*)を決定するステップと、
このトルク指令(T*)に基づき、電流指令(Id*、Iq*)を決定するステップと、
この電流指令(Id*、Iq*)に基づき、トルク指令(T*)と車両情報に含まれるモータ回転数(N)とを実現するのに必要な直流端子側のモータ端子電圧(V)を求めるステップと、
このモータ端子電圧(V)とバッテリ電圧(VB)とを比較するステップと、
V>VBの条件が成立したときに、バッテリ電圧(VB)を所定の昇圧比で昇圧して永久磁石型同期モータへ供給するステップと、
を含むことを特徴とする永久磁石型同期モータの駆動制御方法。 A motor drive control method for converting a battery voltage (VB) into a current command (Id * , Iq * ) according to a torque command (T * ) and supplying the current command (Id * , Iq * ) to a permanent magnet type synchronous motor for vehicle running,
Determining a torque command (T * ), which is a target value of the motor output torque, based on information from various parts of the vehicle;
Determining a current command (Id * , Iq * ) based on the torque command (T * );
Based on the current commands (Id * , Iq * ), the motor terminal voltage (V) on the DC terminal side required to realize the torque command (T * ) and the motor speed (N) included in the vehicle information is calculated. The steps required,
Comparing the motor terminal voltage (V) with the battery voltage (VB);
When the condition of V> VB is satisfied, a step of boosting the battery voltage (VB) at a predetermined boosting ratio and supplying the boosted battery voltage to the permanent magnet type synchronous motor;
A drive control method for a permanent magnet type synchronous motor, comprising:
上記電力変換器への供給に先立ちかつ指令に応じ、上記バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路と、
モータトルクTと回転数Nにて定められる車両運転領域にある上記永久磁石型同期モータの目標動作点がその出力可能領域に属しているか否かを、電流指令(Id*、Iq*)に基づき、トルク指令(T*)と車両情報に含まれるモータ回転数(N)とを実現するのに必要な直流端子側のモータ端子電圧(V)、上記バッテリ電圧(VB)及び上記昇圧回路による昇圧後の電圧値に基づき判定する判定手段と、
V>VBの条件が成立したときに、上記目標動作点の位置に応じかつ速度起電力に基づき上記昇圧回路に昇圧比を指令することにより、当該目標動作点が属することになるよう、バッテリ電圧(VB)を所定の昇圧比で昇圧して永久磁石型同期モータへ供給し、上記出力可能領域を拡張する手段と、
を備えることを特徴とする駆動制御装置。 Using a power converter connected between the battery and the permanent magnet type synchronous motor for running the vehicle to convert the battery voltage into a motor current, based on information from each part of the vehicle, a torque command (T * ) Is determined, and in response to the torque command (T * ), the battery voltage (VB) is converted into a current command (Id * , Iq * ) and supplied to the permanent magnet type synchronous motor. In a drive control device for controlling a permanent magnet type synchronous motor,
Prior to supply to the power converter and according to a command, a booster circuit that boosts the battery voltage,
Based on current commands (Id * , Iq * ), it is determined whether or not the target operating point of the permanent magnet type synchronous motor in the vehicle operation region defined by the motor torque T and the rotation speed N belongs to the output possible region. , The motor terminal voltage (V) on the DC terminal side required to realize the torque command (T * ) and the motor speed (N) included in the vehicle information, the battery voltage (VB), and the boosting by the boosting circuit. Determining means for determining based on the subsequent voltage value;
When the condition of V> VB is satisfied, a boost ratio is instructed to the booster circuit in accordance with the position of the target operating point and based on the speed electromotive force, so that the target operating point belongs. Means for boosting (VB) at a predetermined boosting ratio and supplying the boosted voltage to a permanent magnet type synchronous motor to extend the output possible area;
A drive control device comprising:
上記昇圧回路を介さない導通経路を当該昇圧回路前後の電圧差に応じ上記バッテリと上記電力変換器の間に形成/遮断する自律型ゲート素子を備え、
昇圧を実行していないときに上記昇圧回路が上記自律型ゲート素子により自動的にバイパスされることを特徴とする駆動制御装置。 The drive control device according to claim 2,
An autonomous gate element that forms / cuts off a conduction path that does not pass through the booster circuit between the battery and the power converter according to a voltage difference before and after the booster circuit;
A drive control device wherein the booster circuit is automatically bypassed by the autonomous gate element when boosting is not being performed.
上記昇圧回路を介さない導通経路を指令に応じ上記バッテリと上記電力変換器の間に形成/遮断する可制御型ゲート素子と、
上記目標動作点が回生側に属しているときに上記可制御型ゲート素子に指令を与え上記導通経路を強制的に形成させる手段と、
を備えることを特徴とする駆動制御装置。 The drive control device according to claim 2,
A controllable gate element for forming / cutting off a conduction path not via the booster circuit between the battery and the power converter in accordance with a command;
Means for instructing the controllable gate element when the target operating point belongs to the regenerative side and forcibly forming the conduction path;
A drive control device comprising:
上記昇圧回路が、上記バッテリから放電されるエネルギを蓄積する受動素子と、指令に応じ上記受動素子を上記電力変換器の正側及び負側入力端子に切替接続する能動素子と、を有し、
上記駆動制御装置が、上記目標動作点が力行側に属しているときには判定手段
における判定の結果及び当該目標動作点の位置に応じて、また当該目標動作点が回生側に属しているとき及び/又は上記永久磁石型同期モータを始動するときには上記受動素子を介した電流経路が上記バッテリと上記電力変換器との間に形成されるよう、上記能動素子に指令する手段を備えることを特徴とする駆動制御装置。 The drive control device according to claim 2,
The booster circuit has a passive element that stores energy discharged from the battery, and an active element that switches and connects the passive element to positive and negative input terminals of the power converter according to a command,
When the target operating point belongs to the power running side, the drive control device determines whether the target operating point belongs to the regenerative side according to the result of the determination by the determination means and the position of the target operating point, and / or Alternatively, there is provided a means for instructing the active element such that a current path through the passive element is formed between the battery and the power converter when starting the permanent magnet synchronous motor. Drive control device.
上記バッテリと上記昇圧回路及び電力変換器との間に、上記電力変換器の直流端子間に設けたコンデンサの充電による突入電流を抑える突入防止回路を設けたことを特徴とする駆動制御装置。
The drive control device according to claim 2,
A drive control device comprising an inrush prevention circuit for suppressing an inrush current caused by charging a capacitor provided between DC terminals of the power converter, between the battery, the booster circuit, and the power converter.
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