JP2006050871A

JP2006050871A - モータ駆動システム

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Publication number: JP2006050871A
Application number: JP2004232101A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Sugita; 秀彦杉田; Yasuro Matsunaga; 康郎松永
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-08-09
Also published as: JP4506344B2

Abstract

【課題】ジェネレータからモータまでのシステム全体の効率を最大にすることのできるモータ駆動システムを提供する。
【解決手段】モータ５の駆動トルクとインバータ４の直流電圧及び直流電流との関係を示すトルクマップと、ジェネレータ２の効率と直流電圧及び直流電流との関係を示すジェネレータ効率マップとを記録しておき、モータ５の駆動トルクに基づいてトルクマップを選択し、ジェネレータ２の回転数に基づいてジェネレータ効率マップを選択し、選択されたトルクマップとジェネレータ効率マップとに基づいて、システム全体の効率であるトータル効率が最大となるモータ５のｄ軸電流及びｑ軸電流を求めてモータ５を駆動することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動システムに係り、特にジェネレータからモータまでのシステム全体の効率を向上させたモータ駆動システムに関する。

従来、例えばエンジンなどによって駆動される発電機と、この発電機によって発電された電力で駆動される電動機とを備えたモータ駆動システムによる車両が知られている。このような車両の交流電源装置の従来例としては、例えば特開２０００−２７８８０８号公報（特許文献１）が開示されている。

この公報で開示された従来の交流電源装置では、通常、運転者が操作したアクセルの操作量から目標トルクを算出し、この目標トルクを満足し、なお且つ最も効率が良くなる電流を電動機に供給することによって、電動機の効率を向上させている。
特開２０００−２７８８０８号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、電動機の効率が最も良くなるような電流で電動機を駆動するようにしており、電動機の運転効率は良くなるものの、発電機の運転効率を考慮していないため、発電機の効率が悪くなってしまう場合があり、この場合にはシステム全体として運転効率が悪くなってしまうという課題があった。

上述した課題を解決するために、本発明のモータ駆動システムは、エンジンの回転によってジェネレータを発電させ、発電した電力をインバータで変換してモータを回転させるモータ駆動システムにおいて、ジェネレータ〜インバータ間の効率を表すジェネレータ効率マップと、モータ〜インバータ間の効率を表すトルクマップとを用いて、システム全体の効率であるトータル効率が最大となる点を選択し、その点の電流値に基づいて前記モータを駆動することを特徴とする。

本発明に係るモータ駆動システムでは、トルクマップとジェネレータ効率マップとに基づいて、システム全体の効率であるトータル効率が最大となる点の電流値を求め、この電流値によってモータを駆動するようにしたので、モータの効率だけでなく、ジェネレータからモータまでのシステム全体としての効率を最大にすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態となる実施例を図面を参照しながら説明する。

図２は、実施例１に係るモータ駆動システムを搭載した車両のシステム構成を説明するための図である。図２に示すように、本実施例の車両は、左右前輪１１Ｌ、１１Ｒが、内燃機関であるエンジン１２によって駆動される主駆動輪であり、左右後輪１３Ｌ、１３Ｒが、モータ５によって駆動可能な従駆動輪である。

次に、エンジン１２の吸気管路１４（例えばインテークマニホールド）には、メインスロットルバルブ１５が介装されており、このメインスロットルバルブ１５は、アクセルペダル１７の踏み込み量を検出するアクセルセンサ４０の踏み込み量検出値に応じて、エンジンコントローラ１８が電気的に調整制御することで、そのスロットル開度が調整される。上述したアクセルセンサ４０の踏み込み量検出値は、４ＷＤコントローラ６にも出力される。

また、エンジン１２には、エンジン１２の回転数を検出するエンジン回転数検出センサ２１が備えられ、このエンジン回転数検出センサ２１は、検出した信号をエンジンコントローラ１８及び４ＷＤコントローラ６に出力する。

また、上記エンジン１２の回転トルクＴｅの一部は、無端ベルトを介してジェネレータ２に伝達され、ジェネレータ２はエンジン１２の回転数Ｎｅにプーリ比を乗じた回転数Ｎｈで回転する。

そして、ジェネレータ２が発電した電力は、整流器３、インバータ４を介してモータ５に供給可能となっており、途中にはジャンクションボックス１０が設けられている。このジャンクションボックス１０内には電流センサ２３が設けられ、電流センサ２３は、ジェネレータ２からモータ５に供給される電力の電流値を検出し、検出した電機子電流信号を４ＷＤコントローラ６に出力する。

そして、ジェネレータ２から取り出された電力はインバータ４で直流から三相交流に変換されてモータ５に供給される。

モータ５は、４ＷＤコントローラ６のトルク指令に基づいてモータコントローラ７によって制御されており、モータ５の駆動軸には、モータ５の回転数Ｎｍを検出するモータ用回転数センサ２６が備えられ、このモータ用回転数センサ２６は、検出したモータ５の回転数信号をモータコントローラ７に出力する。

さらに、モータ５の駆動軸は、減速機３１及びクラッチ３２を介して後輪１３Ｌ、１３Ｒに接続可能となっている。

また、各車輪１１Ｌ、１１Ｒ、１３Ｌ、１３Ｒには、各車輪速センサ２７ＦＬ、２７ＦＲ、２７ＲＬ、２７ＲＲが設けられ、対応する車輪１１Ｌ、１１Ｒ、１３Ｌ、１３Ｒの回転数に応じたパルス信号を車輪速検出値として４ＷＤコントローラ６に出力している。

次に、本実施例のモータ駆動システムの構成を図１に基づいて説明する。図１に示すように、本実施例のモータ駆動システム１は、エンジンの回転によって駆動されて発電するジェネレータ２と、このジェネレータ２で発電された三相交流を直流に整流する整流器３と、この整流器３で整流された直流を三相交流に変換するインバータ４と、このインバータ４で変換された三相交流によって駆動されるモータ５と、このモータ５に発生させる駆動トルクを決定してトルク指令を出力する４ＷＤコントローラ６と、このトルク指令に基づいてインバータ４を制御してモータ５を駆動するモータコントローラ７とを備えて構成されている。

ここで、ジェネレータ２は、４ＷＤコントローラ６からの界磁電流によって界磁巻線に磁束を発生して発電を行っている。

インバータ４は、ジェネレータ２とモータ５との間に設けられ、ジェネレータ２によって発電された直流電力を三相交流に変換するとももに、この三相交流をモータコントローラ７の指令に基づいて制御してモータ５に供給することにより、モータ５に駆動トルクを発生させている。

モータ５は、界磁巻線付きモータであり、インバータ４から供給される電力によって駆動される。

４ＷＤコントローラ６は、発電電圧目標値とジェネレータ２の回転数に応じてジェネレータ２の界磁電流をコントロールするとともに、モータ５で必要となる駆動トルクを決定してトルク指令をモータコントローラ７に送信する。

モータコントローラ７は、４ＷＤコントローラ６からのトルク指令に基づいてモータ５へ供給する電力を算出し、さらに算出された電力に基づいて発電電圧目標値を算出する。そして、インバータ４のスイッチパターン及び後述の図３に示すようなモータ５の界磁巻線制御を行う。また、算出した発電電圧目標値を４ＷＤコントローラ６へ送信する。

次に、本実施例に係るモータ駆動システム１によるモータ５の駆動処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。

図３に示すように、まずモータコントローラ７は、４ＷＤコントローラ６からのトルク指令とモータ５の回転数に応じて、モータ５に流すｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとの組み合わせをすべて求める（Ｓ３０１）。

このとき、トルク指令によって指定されたモータ５の駆動トルクＴを出力するために必要となるｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑの組み合わせは次式を満たすものであればよい。

Ｔ＝ｐ｛Φ・Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・Ｉｄ・Ｉｑ｝
Ｉｄ：ｄ軸電流、Ｉｑ：ｑ軸電流、
ｐ：モータ極対数、Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、
Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス、Φ：ロータ磁束
したがって、組み合わせは複数存在する。ここで、組み合わせの数は任意にとることができるが、できるだけ多く取ることによって精度を上げることができる。

また、モータコントローラ７は、トルク指令とモータ５の回転数とに基づいて界磁電流指令値Ｉｆｍを決定する（Ｓ３０２）。

次に、ステップＳ３０１で求めたｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑの各組み合わせに対して、ｄ軸電流Ｉｄを流すためのｄ軸電圧Ｖｄと、ｑ軸電流Ｉｑを流すためのｑ軸電圧Ｖｑとを演算し（Ｓ３０３）、モータ５が矩形波駆動の場合には例えば電気角６０度おきに電圧位相を演算してインバータ４を駆動するスイッチパターンを決定する（Ｓ３０４）。

また、モータ５がＰＷＭ駆動の場合には、ｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑとを二相三相変換し、三相正弦波と三角波との比較によりＰＷＭ指令を発生する（Ｓ３０５）。

一方、ステップＳ３０３において求められたｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑとから必要となる直流電圧Ｖｄｃと、そのときに流れる直流電流Ｉｄｃを求め（Ｓ３０６）、ジェネレータ２が直流電圧Ｖｄｃを満たして駆動するように４ＷＤコントローラ６に対し直流電圧Ｖｄｃの値（発電電圧目標値）を送信する。

そして、モータコントローラ７は現在のジェネレータ２の回転数に基づいてジェネレータ効率マップを一つ選択する（Ｓ３０７）。

ここで、ジェネレータ効率マップはジェネレータ２の回転数毎に用意されており、ある回転数におけるジェネレータ効率マップは、図４に示すように各格子点にジェネレータ効率の値を持ち、直流電圧Ｖｄｃ及び直流電流Ｉｄｃが格子点の間を示すときには線形補間によってジェネレータ効率を求める。図４では、あるジェネレータ回転数で使える上限を曲線Ａで示している。

また、現在のジェネレータ２の回転数が、用意されているマップとマップの間になるときには、現在の回転数の前後のマップからジェネレータ効率を求めて、ジェネレータ２の回転数で線形補間し、中間の値を求めるようにする。

次に、トルク指令で指定されたモータ５の駆動トルクに基づいてトルクマップを一つ選択する（Ｓ３０８）。このトルクマップには、図５に示すように等トルク線が引かれており、この等トルク線はｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑの各組み合わせに対して、必要な直流電圧Ｖｄｃと直流電流Ｉｄｃとからインバータ効率を求めて、縦軸Ｖｄｃ、横軸Ｉｄｃのグラフにプロットしたものである。このようにしてプロットすると、図５に示すような曲線Ｂが描かれ、この曲線Ｂ上ではいずれの点においても同一のトルクを出力するようになり、等トルク線となる。

そして、このような曲線をあらゆる駆動トルクに対して計算してトルクマップとして保持しておき、トルク指令で指定されたモータ５の駆動トルクに基づいて選択する。

なお、トルクマップ及びジェネレータ効率マップは、図示しない記憶手段に記憶され、例えばモータコントローラ７内に保持されている。

そして、選択した等トルク線とステップＳ３０７で選択したジェネレータ効率マップとを重ね合わせて、図６に示すようなグラフを生成し、これらの線上の数点でジェネレータ効率を求め（Ｓ３０９）、このジェネレータ効率を利用してジェネレータ２からモータ５までのトータルでの効率を表すトータル効率の数値を
トータル効率＝ジェネレータ効率／（Ｉｄｃ・Ｖｄｃ）
の式によって演算する（Ｓ３１０）。

ここで、出力されるべきトルク×回転数は予め決まっているので、１／（Ｖｄｃ・Ｉｄｃ）の値が大きくなればなるほど、インバータ４とモータ５との間の効率は良くなる。したがって、ジェネレータ効率と１／（Ｖｄｃ・Ｉｄｃ）との積であるトータル効率の値が大きくなると、ジェネレータ２の効率だけでなくインバータ４とモータ５との間の効率も良くなり、システム全体の効率を良くすることができる。

そして、モータコントローラ７は、こうして求めたトータル効率の中で最大のものを選択し、そのときのｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑを界磁制御電流とし、モータ５を駆動する電流値として決定する（Ｓ３１１）。そして、このｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑに基づいてインバータ４を制御することによって、モータ５へ供給する交流電力を制御し、モータ５を駆動して本実施例のモータ駆動システム１によるモータ５の駆動処理を終了する。

このように、本実施例に係るモータ駆動システム１では、トルクマップとジェネレータ効率マップとに基づいて、システム全体の効率であるトータル効率が最大となるモータ５のｄ軸電流及びｑ軸電流を求め、このｄ軸電流及びｑ軸電流によってモータ５を駆動するようにしたので、モータ５の効率だけでなく、ジェネレータ２からインバータ４、モータ５までのシステム全体としての効率を最大にすることができる（請求項１の効果）。

以上、本発明に係わるモータ駆動システムを実施例１に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は少なくとも同等の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

なお、本実施例においては、エンジンによって前輪を駆動するとともに、ジェネレータを駆動して発電を行い、ジェネレータの発電電力を用いて後輪駆動用のモータを駆動する４輪駆動システムを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばエンジンによってジェネレータのみを駆動し、モータによって車両を駆動するシリーズハイブリッド車等に適用することもできる。

モータ駆動システムに係り、特にモータの効率だけでなく、ジェネレータからインバータ、モータまでのシステム全体としての効率を最大にするための技術として極めて有用である。

本発明の実施例１に係るモータ駆動システムの構成を説明するためのブロック図である。本発明の実施例１に係るモータ駆動システムを搭載した車両のシステム構成を説明するための図である。本発明の実施例１に係るモータ駆動システムによるモータの駆動処理を説明するためのフローチャートである。ジェネレータ効率マップの一例を示す図である。トルクマップの一例を示す図である。トータル効率の算出方法を説明するための図である。

符号の説明

１…モータ駆動システム
２…ジェネレータ
３…整流器
４…インバータ
５…モータ
６…４ＷＤコントローラ
７…モータコントローラ
１０…ジャンクションボックス
１２…エンジン
１４…吸気管路
１５…メインスロットルバルブ
１７…アクセルペダル
１８…エンジンコントローラ
２１…エンジン回転数検出センサ
２３…電流センサ
２６…モータ用回転数センサ
３１…減速機
３２…クラッチ
４０…アクセルセンサ

Claims

エンジンの回転によってジェネレータを発電させ、発電した電力をインバータで変換してモータを回転させるモータ駆動システムにおいて、
ジェネレータ〜インバータ間の効率を表すジェネレータ効率マップと、モータ〜インバータ間の効率を表すトルクマップとを用いて、システム全体の効率であるトータル効率が最大となる点を選択し、その点の電流値に基づいて前記モータを駆動することを特徴とするモータ駆動システム。
少なくとも、エンジンの回転によって直流電力を発生するジェネレータと、前記ジェネレータで発生した直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータで変換された交流電力により回転するモータと、与えられたトルク指令に基づいて選択した電流値を前記モータに供給するコントローラとを備えたモータ駆動システムであって、
前記ジェネレータの効率と前記インバータの直流電圧及び直流電流との関係を前記ジェネレータの回転数毎に求めたジェネレータ効率マップ、並びに前記モータの駆動トルクと前記インバータの直流電圧及び前記直流電流との関係を前記駆動トルク毎に求めたトルクマップを記憶する記憶手段を備え、
前記コントローラは、トルク指令で指定された駆動トルクに基づいて前記トルクマップの一つを選択し、また前記ジェネレータの回転数に基づいて前記ジェネレータ効率マップの一つを選択するとともに、選択した前記トルクマップと前記ジェネレータ効率マップとに基づいて、システム全体の効率であるトータル効率が最大となる点のｄ軸電流及びｑ軸電流を選択し、
前記インバータは、前記変換した交流電力と前記コントローラで選択されたｄ軸電流及びｑ軸電流とに基づいて前記モータに供給する交流電力を制御すること、
を特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。