JP2005295800A - 誘導モータの制御方式 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッテリから供給される電力によってトルクを発生する誘導モータのモータ効率を上げる。
【解決手段】 制御部１は、バッテリ状態検出部１０から通知されるバッテリ残量に基づいて、アクセル２の踏み角に応じたトルクを誘導モータ７に発生させるための指令値を求めて出力する。この指令値は、誘導モータ７に供給される交流電流の振幅および周波数を指示する情報である。パワー部５は、その指令値に基づいたモータ電流ＩM をバッテリ６から誘導モータ７に供給する。誘導モータ７は、モータ電流ＩM によりトルクを発生する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バッテリから電力が供給される誘導モータの制御方式に係わる。

電力を供給することによってトルクを発生する電動機の１つとして誘導型のモータが知られている。誘導モータは、固定子と回転子とから構成され、固定子が発生する回転磁界によって回転子の導体（コイル）に電磁誘導による起電力を発生させる。このことにより、回転子にコイル電流が流れる。そして、このコイル電流と回転磁界との間の電磁力により回転子が回転する。なお、回転磁界は、通常、固定子を構成する巻線に三相交流電源を接続することにより発生させる。

図７は、誘導モータを制御する従来の方式の一例を示す図である。ここでは、誘導モータを電動車両の走行用モータとして使用し、バッテリ（直流電源）から供給される電力をインバータで交流に変換してその交流電流で走行用モータを駆動する例を示す。

図７において、ＣＰＵ１０１は、アクセル１０２の踏み角を検出すると、その踏み角に応じたトルクを誘導モータ１０６に発生させるように誘導モータ１０６に供給する電流を制御する。誘導モータ１０６に供給する電流は、バッテリ１０５から供給される電力をドライバ１０４で交流に変換したものである。また、メモリ１０３は、検出したアクセル踏み角に従ってその踏み角に応じたモータトルクを発生させるための制御パラメータを格納する。制御パラメータとしては、誘導モータ１０６に供給するモータ電流およびすべりｓ等を格納する。そして、ＣＰＵ１０１は、アクセル踏み角に応じてメモリ１０３から取り出した制御パラメータに従って誘導モータ１０６を駆動する。
特開平７−２２２３０９号公報 特開昭６２−２５０８０２号公報

上述の構成では、誘導モータ１０６の電源としてバッテリ１０５を使用しているが、一般にバッテリは、図８に示すように、その放電量が増加するにつれて出力電圧が低下する。ところが、その一方で、コントローラ１００は、バッテリ電圧が低下した場合であっても、検出したアクセル踏み角に対して所定のトルクを発生させることが要求される。この要求を満たすためには、バッテリ１０５の残量が減少した場合、すなわちバッテリ電圧が低下した場合を想定し、その低下したバッテリ電圧においても最大アクセル踏み角に対応するトルクを発生させられるようにしなければならない。

このため、従来の制御方式では、バッテリ１０５の出力電圧が低下した場合においても最大アクセル踏み角に対応するトルクを発生させられるような制御パラメータを設定しておき、その制御パラメータに従って誘導モータ１０６を駆動していた。すなわち、たとえば、バッテリ電圧としてバッテリ１０５が８０パーセント放電した状態となったときの電圧Ｖ1 を想定し、その状態で最大アクセル踏み角に対応するトルクを発生させられるようなモータ電流およびすべりｓをメモリ１０３に設定していた。

ところが、バッテリ１０５が満充電に近いときには、バッテリ電圧Ｖ0 は、図８に示すように、制御パラメータの設定の基準となった電圧（電圧Ｖ1 ）よりも高い。このため、メモリ１０３に格納されている制御パラメータに従って誘導モータ１０５を駆動すると、モータ効率が悪く、消費電力が必要以上に大きくなっていた。そして、この結果、バッテリの稼働時間が短くなっていた。

このように、従来の制御方式では、ある１つのバッテリ状態を基準として誘導モータを駆動するための制御パラメータを設定しておき、バッテリ状態が変化する場合であってもその制御パラメータに従って誘導モータを駆動していたので、モータ効率が低下することがあった。

本発明の課題は、バッテリから供給される電力によってトルクを発生する誘導モータの効率を上げることである。

本発明の誘導モータの制御方式は、バッテリから供給される電力によってトルクを発生する誘導モータを制御する方式を前提とし、上記誘導モータに所定のトルクを発生させるためのパラメータを上記バッテリの残量に従って変化させながらそのパラメータに基づいて上記誘導モータを駆動する際に、上記パラメータとして、上記誘導モータに供給されるモータ電流および上記誘導モータのすべりを使用する。

モータ効率は、上記パラメータの設定に依存する。上記本発明の構成では、モータ効率が高くなるようにバッテリ残量に応じて上記パラメータを制御する。

本発明は、誘導モータに発生させるトルクを指示するトルク指示信号を検出するトルク指示検出手段と、上記バッテリの残量を検出するバッテリ残量検出手段と、上記トルク指示検出手段によって検出されたトルク指示信号および上記バッテリ残量検出手段によって検出されたバッテリ残量に基づいて上記誘導モータに上記トルク指示信号が指示するトルクを発生させるための制御信号を生成する制御手段と、該制御手段によって生成される制御信号に従って上記誘導モータを駆動する駆動手段と、上記誘導モータの回転数を検出する回転数検出手段を、有する構成であってもよい。この場合、上記制御手段は、上記誘導モータに供給するモータ電流および上記誘導モータのすべりをパラメータとして上記制御信号を生成する構成であり、上記回転数検出手段によって検出された上記誘導モータの回転数および上記パラメータとしてのすべりから上記誘導モータに供給する交流電流の周波数を決定し、上記パラメータとしてのモータ電流から上記交流電流の振幅を決定する。

上記バッテリの残量は、例えば、バッテリの出力電圧から求められる。また、上記バッテリ残量は、容量計を用いて求めるようにしてもよいし、上記バッテリから放出される電流を積分することにより求めるようにしてもよい。

少なくとも２以上のバッテリ残量値に対して、トルク指示に対応するモータ電流およびすべり値を格納する格納手段をさらに有する構成であってもよい。この場合、上記制御手段は、上記バッテリ残量検出手段により検出されたバッテリ残量を利用して上記格納手段から対応するモータ電流およびすべり値を取得し、それらに基づいて上記制御信号を生成する。

バッテリから電力が供給される誘導モータの駆動制御において、そのバッテリの残量に応じて誘導モータの制御パラメータを変化させるので、常に効率良くモータを駆動でき、消費電力が低下する。この結果、バッテリの稼働時間を長くすることができる。

本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下では、誘導モータを電動車両の走行用モータとして使用し、バッテリ（直流電源）から供給される電力をインバータで交流に変換してその交流電流で走行用モータを駆動する例を示す。また、一実施形態としてベクトル制御方式で誘導モータを制御する構成を示す。

図１は、本実施形態のシステムの構成図である。同図に示すシステムでは、トルク指示検出手段および制御手段としての制御部１が、トルク指示信号としてのアクセル２の踏み角に応じたトルクを誘導モータ７に発生させるための指令値を求めて出力し、パワー部５がその指令値に基づいた電流をバッテリ６から誘導モータ７に供給することにより、誘導モータ７を駆動する。上記モータ駆動制御において、制御部１は、バッテリ状態検出部１０から通知されるバッテリ状態に基づいて上記指令値を求める。以下、各ブロックの説明をする。

制御部１は、アクセル２の踏み角を検出するとともに、回転センサ９の出力に基づいて誘導モータ７の回転数を検出する。そして、これらの検出値に基づいてアクセル２の踏み角に応じたトルクを誘導モータ７に発生させるためのトルク指示信号としての電流指令値を求めて電流制御回路３に出力する。電流指令値は、誘導モータ７に供給する交流電流（モータ電流ＩM ）の周波数と振幅を指示する信号である。なお、制御部１は、バッテリ状態検出部１０によって検出されるバッテリ６の状態（たとえば、バッテリ電圧、バッテリ残量など）に基づいて上記電流指令値を求める。電流指令値の求め方については後述する。

アクセル２は、運転者の指示、すなわち誘導モータ７に要求するトルクを制御部１に入力する。アクセル２は、例えばその踏み角に応じて抵抗値が変化する可変抵抗器を含んだセンサを備え、制御部１は、そのセンサの出力を受信する。

電流制御回路３は、電流センサ８の出力をフィードバック信号として受信し、誘導モータ７に供給するモータ電流ＩM を制御部１から受信した電流指令値によって指示される電流に一致させるようなパルス指令信号を出力する。ＰＷＭ（パルス幅変調）信号発生回路４は、パルス指令信号に基づいてパルス信号を出力する。

パワー部５は、ＰＷＭ信号発生回路４から受信したパルス信号に基づいてバッテリ６から誘導モータ７にモータ電流ＩM を供給する。モータ電流ＩM は、たとえば、三相交流である。バッテリ６は、繰り返し充電可能な二次電池であり、例えば、鉛系、ニッケル水素系、あるいはリチウム系の蓄電池である。バッテリ状態検出部１０は、バッテリ６の出力電圧、または電池残量などのバッテリ状態を検出して制御部１に知らせる。電池残量を検出する方法は、公知の技術であり、たとえばバッテリ電圧から推測する手法や、放出された電流を積分して求める手法などが知られている。あるいは、既存の容量計を用いてもよい。

誘導モータ７は、ここでは走行用モータとして使われており、モータ電流ＩMによって駆動されてトルクを発生する。電流センサ８は、直接的あるいは間接的にモータ電流ＩM を検出してその検出値を電流制御回路３に出力する。回転数検出手段としての回転センサ９は、誘導モータ７の回転数を検出して制御部１に出力する。

図２（ａ）は、誘導モータの等価回路である。また、図２（ｂ）は、誘導モータのベクトル図である。誘導モータを駆動する際には、モータ電流ＩM （一次電流）を供給する。モータ電流ＩM を供給すると、固定子側に励磁電流Ｉf が流れるとともに、回転子には電磁誘導によってトルク電流Ｉt が流れる。すなわち、モータ電流ＩM は、励磁電流Ｉf とトルク電流Ｉt とに分配される。励磁電流Ｉf とトルク電流Ｉt との分配比は、誘導モータのすべりｓによって決まる。すべりｓは、回転磁界の回転速度をＮ0 、回転子の回転速度をＮとすると、
ｓ＝（Ｎ0 −Ｎ）／Ｎ0
で表される。なお、図１のシステムにおいては、回転磁界の回転速度Ｎ0 は、電流指令値で指定される周波数の逆数であり、回転子の回転速度Ｎは、回転センサ９によって検出される誘導モータ７の実際の回転数である。

ところで、誘導モータのトルクは、発生する磁束とトルク電流Ｉt との積に比例するが、この磁束は励磁電流Ｉf に比例する。したがって、誘導モータのトルクは、励磁電流Ｉf とトルク電流Ｉt との積に比例する。すなわち、誘導モータのトルクは、図２（ｂ）に示す長方形の面積に比例する。

長方形の面積は、その対角線の長さ（モータ電流ＩM の大きさ）と長方形を構成する２つの辺の長さの比（励磁電流Ｉf とトルク電流Ｉt との分配比）を用いて定義できる。ここで、長方形を構成する２つの辺の長さの比、すなわち励磁電流Ｉf とトルク電流Ｉt との分配比は、上述したように、すべりｓを変えることにより制御できる。したがって、モータ電流ＩM およびすべりｓを決めれば、図２（ｂ）に示す長方形の面積が決まる。すなわち、モータ電流ＩM およびすべりｓをパラメータとして誘導モータのトルクを制御することができる。

このように、モータ電流ＩM およびすべりｓ（周波数および位相）を制御することにより、モータ電流ＩM を誘導モータの内部で設定値どおりの励磁電流Ｉfとトルク電流Ｉt とに分配して所望のトルクを得るようにしている。

図３は、制御部１の構成図である。制御部１は、ＣＰＵ１１およびメモリ１２から構成される。メモリ１２は、ＲＡＭ領域およびＲＯＭ領域を含み、制御ソフト１３およびテーブル１４を格納している。制御ソフト１３は、本実施形態の制御処理を記述したソフトウェアプログラムであり、ＣＰＵ１１によって実行される。テーブル１４は、バッテリ６が満充電状態であったときに高いモータ効率が得られる制御パラメータ、およびバッテリ６が８０パーセント放電状態であったときに高いモータ効率が得られる制御パラメータを格納している。各バッテリ状態ごとに格納するデータは、アクセル踏み角に対応するトルクを発生させる際にモータ効率（モータに入力する電力に対するモータの機械的出力の割合）が出来るだけ高くなるように選んだモータ電流ＩM およびすべりｓである。これらの値は、例えば、実験あるいはシミュレーション等により求める。また、モータ電流ＩM およびすべりｓは、アクセル踏み角をキーとして格納されており、ＣＰＵ１１は、アクセル踏み角をキーとしてテーブル１４にアクセスしてモータ電流ＩMおよびすべりｓを取り出す。

図４は、テーブル１４に格納されているデータに従ってモータを駆動したときの動作例を示す図である。同図は、バッテリ状態が異なると、最適なモータ効率を得るための動作状態が異なることを示している。

図５は、制御部１の処理を説明するフローチャートである。このフローチャートの各機能は、制御ソフト１３としてメモリ１２に格納されるソフトウェアプログラムに記述されており、ＣＰＵ１１がそのプログラムを実行する。また、このフローチャートの処理は、所定間隔（たとえば、１０ｍｓ）毎に実行される。

ステップＳ１では、アクセル２の踏み角を検出する。ステップＳ２では、バッテリ状態検出部１０の出力によりバッテリ状態を検出する。ここでは、バッテリ残量を検出する。ステップＳ３では、ステップＳ１で検出したアクセル踏み角をキーとしてテーブル１４にアクセスして制御パラメータを取り出す。すなわち、検出したアクセル踏み角に対応するモータ電流ＩM およびすべりｓを取り出す。このとき、満充電時のデータと８０パーセント放電時のデータを両方とも取り出す。

ステップＳ４では、ステップＳ２で検出したバッテリ状態に対応したモータ電流ＩM およびすべりｓを算出する。ここでは、ステップＳ３で取り出した２つのバッテリ状態における各モータ電流ＩM およびすべりｓに基づいて現在のバッテリ残量における最適なモータ電流ＩM およびすべりｓを算出する。たとえば、バッテリ残量の変化に対して最適なモータ電流ＩM およびすべりｓが直線的に変化するものとして近似する。この場合、たとえば、バッテリ６が４０パーセント放電状態であれば、満充電状態のモータ電流ＩM およびすべりｓと８０パーセント放電状態のモータ電流ＩM およびすべりｓとの平均値を算出することになる。

ステップＳ５では、回転センサ９の出力から誘導モータ７の回転速度Ｎを検出する。続いて、ステップＳ６では、ステップＳ４で算出したすべりｓおよびステップＳ５で検出した回転速度Ｎから回転磁界の回転速度Ｎ0 を算出する。すなわち、すべりｓの定義が、
ｓ＝（Ｎ0 −Ｎ）／Ｎ0
なので、回転磁界の回転速度Ｎ0 は、
Ｎ0 ＝Ｎ／（１−ｓ）
を算出することにより求める。

ステップＳ７では、誘導モータ７に供給する交流電流を指定する電流指令値を出力する。すなわち、ステップＳ４で算出したモータ電流ＩM に相当する振幅を表す信号、およびステップＳ６で算出した回転磁界の回転速度Ｎ0 に相当する周波数を表す信号を出力する。

上記ステップＳ１〜Ｓ７により、アクセル踏み角に応じたトルクを発生させるための電流指令値をその瞬間のバッテリ状態に応じてモータ効率が最適になるように補正して出力される。

図６は、本実施形態の方式による誘導モータ制御のベクトル図の一例である。(a) 〜(c) は、バッテリ６が満充電のときのベクトル図であり、(d) 〜(f) は、バッテリ６が８０パーセント放電状態のときのベクトル図である。また、(a) および(d) は、アクセル踏み角が３０パーセントのときのベクトル図、(b) および(e) は、アクセル踏み角が６０パーセントのときのベクトル図、(c) および(f)は、アクセル踏み角が最大のときのベクトル図である。

ところで、電動車両の運転操作性を考えると、バッテリ６の残量の変化に伴ってアクセル踏み角とモータトルクとの関係が変化することは望ましくない。すなわち、電動車両は、バッテリ６の残量が変化したとしても、ある所定のアクセル踏み角に対して常に同じモータトルクを出力するように設計すべきである。したがって、本実施形態では、上記条件を満たすために、(a) と(d) 、(b) と(e) 、および(c) と(f) の各長方形の面積がそれぞれ互いに等しくなるようにモータ電流ＩM およびすべりｓを決定する。

なお、あるバッテリ状態においてアクセル踏み角が変化すると、(a) 〜(c) または(d) 〜(f) に示すように、励磁電流Ｉf を固定したままトルク電流Ｉt を変化させることにより長方形の面積、すなわち誘導モータ７のトルクを変化させている。

図６を参照しながら本実施形態と従来方式とを比較する。本実施形態では、制御パラメータ（モータ電流ＩM およびすべりｓ）をバッテリ状態に応じて変化させているのに対し、従来方式では、ある１つのバッテリ状態において設定した制御パラメータを全バッテリ状態に渡って使っていた。

従来方式では、例えば上述したように、バッテリが８０パーセント放電した状態となったときのバッテリ電圧を想定し、その状態で最大アクセル踏み角に対応するトルクを発生させられるような制御パラメータを設定していた。すなわち、従来方式では、バッテリ状態に係わらず、常に図６(d) 〜(f) の状態で誘導モータが駆動されていた。このため、バッテリが満充電に近い状態では、８０パーセント放電時における電圧（図８のＶ1 ）よりも高い電圧（図８のＶ0 ）が出力されるにも係わらず、その高い電圧を有効に利用できておらず、電力を無駄にしていた。

これに対して、本実施形態では、バッテリ残量が高いときには励磁電流Ｉf を大きくしてモータ効率を向上させている。ここで、モータ効率は、誘導モータ７への入力電力に対する誘導モータ７の機械的出力（トルク）の割合であるので、図６に示すベクトル図では、同じ面積の長方形を形成する際にその対角線の長さに対応するモータ電流ＩM を小さくできればモータ効率が高くなる。たとえば、図６においてアクセル踏み角が最大のときを比較すると、(c) および(f) に示す各長方形の面積は互いに同じであるが、(c) におけるモータ電流ＩM は、(f) におけるモータ電流ＩM よりも小さくなっていることがわかる。このため、誘導モータの消費電力が低下し、バッテリの可動時間が長くなる。

なお、上述した実施形態では、２つのバッテリ状態において制御パラメータを設定しておき、それらのパラメータから任意のバッテリ状態におけるパラメータを算出する方式を示したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、たとえば、多数のバッテリ状態のそれぞれに対して最適な制御パラメータを設定しておき、上記多数のバッテリ状態の中から現在のバッテリ状態に近いものを選択し、その選択された状態に対して設定された制御パラメータ使って誘導モータを駆動するようにしてもよい。また、上記実施例では、回転数検出手段として回転センサを用いているが、回転数検出手段はこれに限定はされず、例えばセンサを用いずに電圧等の他のパラメータから回転数を推定して検出する構成であってもよい。

また、本発明は、誘導モータを電動車両の走行モータとして使用する場合に限定されず、誘導モータに発生させるトルクを指示するトルク指示信号に基づいて誘導モータを駆動するすべての構成に適用される。

本実施形態のシステムの構成図である。 （ａ）は、誘導モータの等価回路を示す図であり、（ｂ）は、そのベクトル図である。 制御部の構成図である。 テーブルに格納されているデータに従ってモータを駆動したときの動作を示す図である。 制御部の処理を説明するフローチャートである。 本実施形態の方式による誘導モータ制御のベクトル図の一例である。 誘導モータを制御する従来の方式の一例を示す図である。 バッテリ放電量とバッテリ電圧の関係を示す図である。

符号の説明

１ 制御部
２ アクセル
３ 電流制御回路
４ ＰＷＭ信号発生回路
５ パワー部
６ バッテリ
７ 誘導モータ（走行用モータ）
８ 電流センサ
９ 回転センサ
１０ バッテリ状態検出部
１１ ＣＰＵ
１２ メモリ
１３ 制御ソフト
１４ テーブル

Claims (5)

1. バッテリから供給される電力によってトルクを発生する誘導モータを制御する方式であって、
   上記誘導モータに所定のトルクを発生させるためのパラメータを上記バッテリの残量に従って変化させながらそのパラメータに基づいて上記誘導モータを駆動する際に、上記パラメータとして、上記誘導モータに供給されるモータ電流および上記誘導モータのすべりを使用することを特徴とする誘導モータの制御方式。
2. バッテリから供給される電力によってトルクを発生する誘導モータを制御する方式であって、
   上記誘導モータに発生させるトルクを指示するトルク指示信号を検出するトルク指示検出手段と、
   上記バッテリの残量を検出するバッテリ残量検出手段と、
   上記トルク指示検出手段によって検出されたトルク指示信号および上記バッテリ残量検出手段によって検出されたバッテリ残量に基づいて上記誘導モータに上記トルク指示信号が指示するトルクを発生させるための制御信号を生成する制御手段と、
   該制御手段によって生成される制御信号に従って上記誘導モータを駆動する駆動手段と、
   上記誘導モータの回転数を検出する回転数検出手段を、有し、
   上記制御手段は、上記誘導モータに供給するモータ電流および上記誘導モータのすべりをパラメータとして上記制御信号を生成する構成であり、上記回転数検出手段によって検出された上記誘導モータの回転数および上記パラメータとしてのすべりから上記誘導モータに供給する交流電流の周波数を決定し、上記パラメータとしてのモータ電流から上記交流電流の振幅を決定することを特徴とする誘導モータの制御方式。
3. 上記バッテリの残量は、上記バッテリの出力電圧から求められる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の誘導モータの制御方式。
4. 上記バッテリの残量は、容量計を用いて、または上記バッテリから放出される電流を積分することにより求められる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の誘導モータの制御方式。
5. 少なくとも２以上のバッテリ残量値に対して、トルク指示に対応するモータ電流およびすべり値を格納する格納手段をさらに有し、
   上記制御手段は、上記バッテリ残量検出手段により検出されたバッテリ残量を利用して上記格納手段から対応するモータ電流およびすべり値を取得し、それらに基づいて上記制御信号を生成する
   ことを特徴とする請求項２に記載の誘導モータの制御方式。
   

Images