JP2005210772A - 車両推進用のdcブラシレスモータ駆動制御装置及び方法 - Google Patents

車両推進用のdcブラシレスモータ駆動制御装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】昇圧器を使用してDCブラシレスモータを駆動するDCブラシレスモータの駆動制御装置において、モータ全体の損失を最小化する。
【解決手段】目標回転数が基底回転数Rbを超える領域において、弱め界磁損失と昇圧損失との和が最小となる弱め界磁電流と昇圧比によりインバータと昇圧器を制御する(図6の(c))。このようにすれば、DCブラシレスモータの駆動制御装置全体として最良の効率でDCブラシレスモータを駆動制御することができる。すなわち、昇圧器を使用したDCブラシレスモータにおいてモータ全体の損失を最小とする弱め界磁制御を行うことができる。
【選択図】図6

Description

この発明は、車両推進用のDCブラシレスモータ駆動制御装置及び方法に関し、特に、昇圧器を介してDCブラシレスモータを駆動制御する電気自動車に適用して好適な車両推進用のDCブラシレスモータ駆動制御装置及び方法に関する。
従来から、EV(電気自動車)やHEV(ハイブリッド電気自動車)では、DCブラシレスモータ(以下、単にモータともいう。)が用いられている。
このモータの駆動制御は、バッテリのバッテリ電圧Vbをインバータによりモータ端子電圧Vmとモータ電流Imに変換しモータに供給することで実行される。
DCブラシレスモータでは、広い回転数(回転速度)範囲をカバーするために、弱め界磁制御技術が提案されている。
弱め界磁制御技術は、図7に示すように、モータ端子電圧Vmと誘起電圧(逆起電圧)Eとの差電圧に相当するモータ電流Imが、界磁コイルに流れて大きなトルクTを発生する低回転域から、回転数が基底回転数Rbより高回転域になってきたときに適用される技術であり、ベクトル制御による界磁電流(d軸電流)指令Idを大きくしてロータの永久磁石による磁束(主磁束)を打ち消し、誘起電圧(逆起電圧)Eを抑えることにより、出力を一定に保持する制御である。
しかし、弱め界磁制御を行うと、主磁束を打ち消すことを原因としてモータの損失が増加(効率が悪化)するという問題がある。
この問題を解決する技術が、特許文献1に提案されている。この技術では、バッテリとモータとの間に昇圧器を配置し、回転数が基底回転数Rbより高回転域になったときにはバッテリ電圧Vbを昇圧した昇圧電圧をインバータに供給することで、弱め界磁制御を行わずにモータを大きなトルクで駆動する。
特開平10−66383号(図1)
しかしながら、特許文献1に係るモータの永久磁石型同期駆動制御装置においては、昇圧器における昇圧損失が考慮されていないのでモータ全体の損失を考えたとき、特に高回転域において、損失が増大するという問題があることをこの出願の発明者が見いだした。
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、昇圧器を使用した場合においてもモータ全体の損失を最小にすることを可能とする車両推進用のDCブラシレスモータ駆動制御装置及び方法を提供することを目的とする。
この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。従って、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
この発明装置は、バッテリ14により駆動される車両推進用のDCブラシレスモータ駆動制御装置において、前記バッテリのバッテリ電圧Vbを昇圧して昇圧電圧Vsを発生する昇圧器16と、前記バッテリ電圧、あるいは前記昇圧電圧、を入力としてモータ端子電圧Vmとモータ電流Imをモータ12に出力するインバータ22と、前記モータの目標回転数が基底回転数を超える領域において、前記昇圧器の昇圧電圧の制御、及び前記モータの弱め界磁制御を行う制御装置24とを備え、前記制御装置は、前記目標回転数及び目標トルクに応じて、前記弱め界磁制御に対応する弱め界磁損失と前記昇圧電圧に対応する昇圧損失を求め、求めた弱め界磁損失と昇圧損失との和が最小となる弱め界磁電流と昇圧比により前記インバータと前記昇圧器とを制御することを特徴とする(請求項1記載の発明)。
この発明方法は、バッテリのバッテリ電圧、あるいは前記バッテリ電圧を昇圧器で昇圧した昇圧電圧、を入力としてインバータから出力されるモータ端子電圧とモータ電流により駆動される車両推進用のDCブラシレスモータ駆動制御方法において、前記モータの目標回転数が基底回転数を超える領域において、前記目標回転数と目標トルクに応じて、弱め界磁制御に対応する弱め界磁損失と前記昇圧器の昇圧電圧に対応する昇圧損失を求めるステップと、求めた弱め界磁損失と昇圧損失との和が最小となる弱め界磁電流と昇圧比により前記インバータと前記昇圧器とを制御するステップとを有することを特徴とする(請求項2記載の発明)。
この発明によれば、DCブラシレスモータの目標回転数が基底回転数を超える領域において、弱め界磁損失と昇圧損失との和が最小となる弱め界磁電流と昇圧比によりインバータと昇圧器を制御するようにしているので、DCブラシレスモータの駆動制御装置全体として最良の効率で駆動制御することができる。すなわち、昇圧器を使用したDCブラシレスモータにおいてモータ全体の損失を最小とする弱め界磁制御を行うことができる。
この発明によれば、DCブラシレスモータを駆動する際に昇圧器を使用した場合においても、弱め界磁制御を併用することで、モータ全体の損失が最小となるようにすることができる。この発明は、特に、EV、HEVに適用して好適である。
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、この発明の実施形態に係る車両推進用のDCブラシレスモータの駆動制御装置10の構成を示している。
この駆動制御装置10は、基本的には、ロータが永久磁石でステータが3相の界磁をつくる電磁石からなるDCブラシレスモータ(以下、単にモータともいう。)12を、バッテリ電圧Vbが100[V]を超える比較的に高電圧のバッテリ14により駆動する装置である。
バッテリ14のバッテリ電圧Vbは、昇圧器16の入力電圧、あるいは半導体のスイッチ20が閉状態であるとき、直接インバータ22の入力電圧Vinとして供給される。
また、スイッチ20が開状態であるとき、バッテリ電圧Vbが昇圧比Brの昇圧器16により昇圧された昇圧電圧Vs(Vs=Br×Vb)がインバータ22の入力電圧Vinとして供給される。なお、インバータ22の入力電圧Vinは、コンデンサ23により平滑される。
インバータ22への入力電圧Vinである直流電圧は、インバータ22において制御装置24からのスイッチ信号に基づきスイッチングされ、3相の相電圧であるモータ端子電圧Vm及び相電流であるモータ電流Imに変換されてモータ12に供給される。図1中、モータ端子電圧Vmとモータ電流Imは、1相分のみ描いている。
この場合、制御装置24には、ホール素子等の磁極位置センサ26からのロータの磁極位置、電圧センサ28、30からのバッテリ電圧Vbとインバータ入力電圧Vin、及び電流センサ32からの相電流Imが、それぞれ検出値として供給される。制御装置24は、磁極位置の時間的変化からモータ12の回転数等を検出することができる。
この制御装置24は、演算・制御・処理手段等として有するCPU(Central Processing Unit)40と、メモリ42{プログラムやマップ等が記憶されるROM(Read Only Memory)とメインメモリ等として使用されるRAM(Random Access Memory)からなる。}と、計数・計時手段であるタイマ44と、A/D変換器・D/A変換器・ドライバ等のインタフェース(I/F)46が搭載された制御基板により構成されている。
制御装置24(のCPU40)は、上述した検出値である、磁極位置、バッテリ電圧Vb、インバータ入力電圧Vin(バッテリ電圧Vbあるいは昇圧電圧Vs)、相電流Imの他、ドライバ(運転者)の操作に係わるアクセル開度、シフトポジション等の各種入力に対応して、前記プログラムを実行し、目標回転数及び目標トルク、すなわち目標出力を算出する。
そして、制御装置24は、この目標出力を得るための所定のモータ端子電圧Vmに対応するインバータ入力電圧Vinを計算し、所定のモータ端子電圧Vmを出力するためのベクトル制御に係わるd軸成分電圧(d軸電圧ともいう。)指令Vdと、q軸成分電圧(q軸電圧ともいう。)指令Vqを計算して、インバータ22のスイッチング制御を行う。なお、d軸は界磁軸(ロータ磁束軸)であり、q軸はこれより90[゜]進み位相のトルク軸(誘起電圧軸)である。
ここで、指令電圧である電圧VdとVqは、たとえば次の(1)、(2)式に示す周知のベクトル制御の電圧方程式により算出される。
Vd=(r+pLd)×Id−ω1・Lq×Iq …(1)
Vq=ω1・Ld×Id+(r+pLq)×Iq+Ke・ω1 …(2)
r:巻線抵抗、p:微分演算子、Ld:d軸インダクタンス、Id:界磁電流指令、ω1:回転電気角速度指令、Lq:q軸インダクタンス、Iq:トルク電流指令、Ke:相誘起電圧定数
インバータ22のスイッチング制御に先立ち、制御装置24は、昇圧器16の昇圧制御及びスイッチ20の開閉制御を行う。
昇圧器16には、制御装置24から所定のモータ端子電圧Vmを出力するために必要な昇圧電圧Vs、換言すれば所定のインバータ入力電圧Vinを発生させる昇圧比Brが供給される。
このとき、スイッチ20は、制御装置24により開閉制御され、モータ12が基底回転数Rb以下で回転しているとき、及びドライバのブレーキ操作等に伴うモータ12の回生時には閉状態とされ、閉状態であるとき、バッテリ電圧Vbが昇圧器16をバイパスしてインバータ22に供給され、あるいはモータ12の回生電圧が、制御装置24により回生動作を行うインバータ22を介してバッテリ14に供給される。その一方、スイッチ20は、モータ12が基底回転数Rb以上で回転しているとき、開状態とされ、開状態であるとき、昇圧器16でバッテリ電圧Vbが昇圧された昇圧電圧Vsがインバータ22に供給される。
この実施形態に係る車両推進用のDCブラシレスモータの駆動制御装置10は、基本的には以上のように構成され且つ動作するものであり、次に、車両走行中におけるインバータ22に対するインバータ入力電圧Vinの電圧調整動作等について、図2に示す制御装置24により実行されるフローチャートに基づいて詳しく説明する。
ステップS1において、現時点での、磁極位置センサ26に基づく現車速に対応するモータ回転数、電圧センサ28からのバッテリ電圧Vb、電圧センサ30からのインバータ入力電圧Vin、電流センサ32からの相電流Im、及びドライバの操作に係わるアクセル開度等の各種信号が取り込まれる。
次に、ステップS2において、アクセル開度に基づく目標車速に対応する目標回転数が計算され、この目標回転数を得るためのトルク指令(目標トルクともいう。)Tが計算され、このトルク指令Tに基づき、ベクトル制御の電流指令(Id,Iq)を算出する。
次に、ステップS3において、上記(1)式及び(2)式に基づき、ベクトル制御の電圧指令(Vd,Vq)を算出する。
次に、ステップS4において、ステップS2で求めた界磁電流指令Idが正の値であるかどうかが判断される(Id>0)。
界磁電流指令Idが正の値である場合には、弱め界磁制御を行う必要がないので、ステップS5において、スイッチ20を閉状態とし、バッテリ電圧Vbをインバータ22の入力電圧Vinとして供給する。
そこで、ステップS6において、入力電圧Vinとしてバッテリ電圧Vbが供給されるインバータ22を、ステップS3で求めた電圧指令(Vd,Vq)に基づきスイッチング駆動しフィードバック制御を行う。
一方、ステップS4において、ステップS2で求めた界磁電流指令Idが負の値である場合には、弱め界磁制御が必要と判断され、以下、ステップS11〜S18において、弱め界磁損失と昇圧損失の和が最小となる昇圧比Br及び弱め界磁電流Id等の再決定処理が行われる。
なお、この実施形態においては、図3に示すように、目標回転数が基底回転数Rbを超える回転数領域であるとき、インバータ入力電圧Vinを、後述するモータ要求昇圧電圧Vsxから弱め界磁制御による電圧成分を減算した昇圧電圧Vsに設定している。目標回転数が基底回転数Rb以下である場合、インバータ入力電圧Vinは、バッテリ電圧Vbとされる。換言すれば、この実施形態において、モータ12は、基底回転数Rb以下の領域で駆動制御されるときには、バッテリ電圧Vbにより駆動され、基底回転数Rbを超える領域で駆動制御されるときには、昇圧電圧Vsと弱め界磁電流Idとにより制御されるように構成されている。
次に、ステップS11において、モータ端子電圧Vmのインバータ入力電圧Vinへ換算した昇圧電圧(モータ要求昇圧電圧)Vs(Vsxとする。)を、換算係数をkとして、次の(3)式により計算する。
Vsx=k×Vm=k(Vd2+Vq21/2 …(3)
この昇圧電圧Vsxは、電圧ベクトル図(横軸はトルク軸であるq軸、縦軸は界磁軸であるd軸)で表示すれば、図4の(a)に示すように、電圧円表示のバッテリ電圧Vbに対して、電圧円表示の昇圧電圧Vsx上、q軸上の誘起電圧ベクトルω1Keと抵抗損失ベクトルrIqの合成ベクトルと、d軸上のインダクタンス損失ベクトルLqIqとの合成ベクトルで表される。
次に、ステップS12において、この昇圧電圧Vsxに対応する弱め界磁損失Pmが算出される。なお、弱め界磁損失Pmは、目標出力(目標トルクT×目標回転数)及びバッテリ電圧Vbをパラメータとして昇圧電圧Vsxとの関係により予め求めておくことができ、図5の(a)に示すように、昇圧電圧Vsxに対する弱め界磁損失Pmのマップとしてメモリ42に記憶している。
また、ステップS13において、ステップS11で求めた昇圧電圧Vsxに対応する昇圧損失Psを算出する。この昇圧損失Psは、目標出力(目標トルクT×目標回転数)をパラメータとして昇圧電圧Vsxとの関係により予め求めておくことができ、図5の(b)に示すように、昇圧電圧Vsxに対する昇圧損失Psのマップとしてメモリ42に記憶している。
なお、図5の(a)、図5の(b)において、目標出力がマップ外の値となる場合には、内挿計算あるいは外挿計算により、所望の弱め界磁損失Pm及び昇圧損失Psを算出することができる。
次に、ステップS14において、ステップS12で計算した弱め界磁損失PmとステップS13で計算した昇圧損失Psとの和(加算値、合成値)Pa(Pa=Pm+Ps)を計算してメモリ42に記憶する。
次いで、ステップS15において、ステップS11で計算した昇圧電圧Vsxを所定量ずつ減らし、その度毎に、ステップS12〜S14の処理を繰り返し、合成損失(全損失)Paを求め、その合成損失Paの最小値を求める。
この場合、図5の(c)に示すように、昇圧電圧Vsxを減らしていくと、合成損失Paの最小点である最小合成損失Pminが存在する。この最小合成損失Pminを発生する昇圧電圧Vsxを、昇圧器16で実際に発生させる昇圧電圧Vs(=インバータ入力電圧Vin)とする。
図4の(b)の電圧ベクトル図上に、最小合成損失Pminを発生する昇圧電圧Vs(=Vin)を描いている。この昇圧電圧Vs(=Vin)は、バッテリ電圧Vbより大きく、弱め界磁制御を全く行わない場合の(3)式で計算した要求昇圧電圧Vsxより小さい値である。
次に、ステップS16において、昇圧比BrをBr=Vs/Vbとして昇圧器16に設定する{図4の(c)の電圧ベクトル図参照}。
そこで、ステップS17において、昇圧器16によりバッテリ電圧Vbが昇圧電圧Vsに昇圧された後、インバータ22に対してインバータ入力電圧Vinとして供給される。
次いで、ステップS18では、図4の(d)に示すように、電圧ベクトル図上で、弱め界磁電流Idを算出する。この弱め界磁電流Idは、上述の(1)〜(3)式を参照して、次の(4)〜(6)式を解くことにより算出することができる。
Vds=(r+pLd)×Id−ω1・Lqs×Iqs …(4)
Vqs=ω1・Ld×Id+(r+pLq)×Iqs+Ke・ω1 …(5)
Vs=k(Vds2+Vqs21/2 …(6)
Vds:昇圧電圧Vs時のd軸成分電圧、Vqs:昇圧電圧Vs時のp軸成分電圧、Iqs:トルク指示電流
次いで、ステップS6において、この算出した弱め界磁電流Idを、(1)式及び(2)式に代入し、再びd軸成分電圧指令Vdとq軸成分電圧指令Vqを再計算し、再計算した電圧指令(Vd,Vq)に基づきインバータ22をスイッチング制御する。
モータ入力電圧Vin(=Vs)が入力されているインバータ22は、このd軸成分電圧指令Vdとq軸成分電圧指令Vqに基づくスイッチング信号により、PWM(パルス幅変調)制御がなされ、対応するモータ端子電圧Vmとモータ電流Imをモータ12に出力する。このとき、制御装置24は、磁極位置センサ26からのロータの磁極位置、電圧センサ28、30からのバッテリ電圧Vbとインバータ入力電圧Vin、及び電流センサ32からの相電流Imを検出し、フィードバック値に基づき計算した(Vd,Vq)が、電圧指令(Vd,Vq)となるようにフィードバック制御を行う。
以下、微小時間で、ステップS1→S6あるいはステップS1→S4「否定」→S11→S6の処理が、繰り返し実行される。
以上説明したように、上述した実施形態によれば、目標回転数が基底回転数Rbを超える回転数領域において、弱め界磁損失Pmと昇圧損失Psとの和である合成損失Paが最小となる弱め界磁電流Idと昇圧比Brによりインバータ22と昇圧器16を制御するようにしているので、DCブラシレスモータ12の駆動制御装置10全体として最良の効率でDCブラシレスモータ12を駆動制御することができる。すなわち、昇圧器16を使用したDCブラシレスモータ12においてモータ全体の損失を最小とする弱め界磁制御を行うことができる。
具体的に、図6の(a)〜(c)を参照して、従来の技術と比較して、この実施形態の合成損失(全損失)Paを説明すれば、まず、基底回転数Rbを超える領域で全て弱め界磁制御を行う従来技術1によれば、図6の(a)に示すように、全損失Paは、許容最大回転数Rmaxにおいて、相当大きな値Pall1(鉄損+銅損+弱め界磁損失)となるが、これを図6の(b)に示すように、特許文献1に係る弱め界磁制御なしでの昇圧器のみの制御を行う従来技術2とした場合には、全損失Pall2(鉄損+銅損+昇圧器損失)なる。これに対して、この発明を適用したこの実施形態では、基底回転数Rbを超える回転数領域において、図6の(c)に示すように、弱め界磁制御と昇圧器制御を同時に行うことにより、より小さな全損質Pall3(鉄損+銅損+昇圧器損失+弱め界磁損失)以下に抑えることができる。
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
この発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。 図1例の動作説明に供されるフローチャートである。 この実施形態に係るインバータ制御の概念図である。 図1例の動作説明に供される電圧ベクトル図である。 弱め界磁損失と、昇圧損失と、合成損失の説明図である。 従来技術と、この実施形態の全損失の対比説明図である。 弱め界磁制御技術の一般的な説明図である。
符号の説明
10…DCブラシレスモータ駆動制御装置
12…DCブラシレスモータ 14…バッテリ
16…昇圧器 20…スイッチ
22…インバータ 23…コンデンサ
24…制御装置 26…磁極位置センサ
28、30…電圧センサ 32…電流センサ
40…CPU

Claims (2)

  1. バッテリにより駆動される車両推進用のDCブラシレスモータ駆動制御装置において、
    前記バッテリのバッテリ電圧を昇圧して昇圧電圧を発生する昇圧器と、
    前記バッテリ電圧、あるいは前記昇圧電圧、を入力としてモータ端子電圧とモータ電流を前記モータに出力するインバータと、
    前記モータの目標回転数が基底回転数を超える領域において、前記昇圧器の昇圧電圧の制御、及び前記モータの弱め界磁制御を行う制御装置とを備え、
    前記制御装置は、前記目標回転数及び目標トルクに応じて、前記弱め界磁制御に対応する弱め界磁損失と前記昇圧電圧に対応する昇圧損失を求め、求めた弱め界磁損失と昇圧損失との和が最小となる弱め界磁電流と昇圧比により前記インバータと前記昇圧器とを制御する
    ことを特徴とする車両推進用のDCブラシレスモータ駆動制御装置。
  2. バッテリのバッテリ電圧、あるいは前記バッテリ電圧を昇圧器で昇圧した昇圧電圧、を入力としてインバータから出力されるモータ端子電圧とモータ電流により駆動される車両推進用のDCブラシレスモータ駆動制御方法において、
    前記モータの目標回転数が基底回転数を超える領域において、前記目標回転数と目標トルクに応じて、弱め界磁制御に対応する弱め界磁損失と前記昇圧器の昇圧電圧に対応する昇圧損失を求めるステップと、
    求めた弱め界磁損失と昇圧損失との和が最小となる弱め界磁電流と昇圧比により前記インバータと前記昇圧器とを制御するステップと
    を有することを特徴とする車両推進用のDCブラシレスモータ駆動制御方法。

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