JP2006158048A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッテリ残量が少なくなりバッテリ電圧が低下しても低回転領域でバッテリに充電することが可能なモータ制御装置を提供する。
【解決手段】 パワードライブユニット３を介してバッテリ２からの電力を授受するモータ１の制御を回転子の磁極位置を検出する磁極センサ７の検出結果に基づいて行うモータ制御装置において、モータ１の磁束成分と、この成分と直交するトルク成分との座標系を用いたベクトル制御を行う際に、前記モータ１に電力を供給するバッテリ２の電圧が所定値以下の場合には、予め設定された充電量に基づいて前記磁束成分と前記トルク成分とを決定することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ベクトル制御を用いてモータを制御するモータ制御装置に関するものである。

従来から、ハイブリッド車両に走行用として用いられる３相ブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータと呼ぶ）をベクトル制御するためのモータ制御装置が知られている。このモータ制御装置は、回転子の界磁方向をｄ軸、これと直交する方向をｑ軸とするｄｑ座標系上の等価回路を用いてモータの制御処理を行うものである（例えば、特許文献１参照。）。
具体的には、上記ｄｑ座標系を用いたベクトル制御では、モータはｄ軸上のｄ軸電機子とｑ軸上のｑ軸電機子とから成る２相の等価回路に変換して扱われ、ｄ軸電機子を流れるｄ軸電流とｑ軸電機子に流れるｑ軸電流とをそれぞれ指令値に従わせるようにフィードバック制御則により、ｄ軸電機子の印加電圧指令値とｑ軸電圧指令値とを生成している。

この場合、モータの実際の電機子の各相を流れる電流は、電流検出器により検出され、これを磁極位置センサの検出結果に基づいて座標変換することで、実際の電機子電流に対応するｄ軸電流及びｑ軸電流を検出している。そして、ｄ軸電流及びｑ軸電流の検出値と、ｄ軸電流及びｑ軸電流の指令値とに基づいて、これらを一致させるようにフィードバック制御則によりｄｑ座標系でのｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値とを求めている。さらに、回転子の磁極位置に基づいて、ｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値とを、実際の電機子の各相の印加電圧の指令値に変換し、この指令値に応じてインバータの各相のＰＷＭデューティを制御している。

このようなモータ制御装置では、バッテリ電圧が著しく低下した状態で電流のフィードバック制御を行うと制御が不安定になることがあるため、バッテリ電圧に応じてモータの上限トルクを段階的に低下させ、最終的には電流のフィードバック制御を停止させるべくモータの制御自体を停止させてしまうものがある。この一例を図７に基づいて説明すると、同図は縦軸をトルク制限割合、横軸を電圧とした場合のモータの制御領域を示したものであり、前記バッテリ電圧が第一の電圧Ｖａ（例えば、バッテリ残量ＳＯＣ約９０％に相当する電圧）よりも高い領域ではトルク制限割合が１００％の通常のベクトル制御を行い、バッテリ電圧が第一の電圧よりも下の領域では前記バッテリ電圧が低下するのに応じてトルク制限割合を徐々に低下させるトルク制限つきのベクトル制御を行い、そして、バッテリ電圧が第二の電圧Ｖｂ（例えば、バッテリ残量ＳＯＣ約７０％に相当する電圧）を下回った場合にはトルク制限割合を０％つまりモータに給電するインバータのゲートを全てＯＦＦにしてモータの制御を停止している。
特開２００４−１２９３５９号公報

しかしながら、このように、バッテリ電圧が低下した状態でトルク制限割合を０％にしてしまうと、エンジン回転数が低回転の領域ではバッテリを充電することができないという問題がある。

そこで、この発明は、バッテリ残量が少なくなりバッテリ電圧が低下してもエンジン回転数が低回転領域でバッテリに充電することが可能なモータ制御装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、インバータ（例えば、実施の形態におけるインバータ回路３ａ）を介してバッテリ（例えば、実施の形態におけるバッテリ２）からの電力を授受するモータ（例えば、実施の形態におけるモータ１）の制御を、回転子の磁極位置を検出する磁極位置センサ（例えば、実施の形態における磁極センサ７）の検出結果に基づいて行うモータ制御装置において、モータの磁束成分と、この成分と直交するトルク成分との座標系を用いたベクトル制御を行う際に、前記モータに電力を供給するバッテリの電圧が所定値（例えば、実施の形態における電圧Ｖ１）以下の場合には、予め設定された充電量に基づいて前記磁束成分と前記トルク成分とを決定することを特徴とする。
このように構成することで、バッテリ電圧が低下してもインバータの回生動作によりバッテリを充電することができる。

請求項２に記載した発明は、インバータを介してバッテリからの電力を授受するモータの制御を、回転子の磁極位置を検出する磁極位置センサの検出結果に基づいて行うモータの制御装置において、前記磁極位置センサの検出結果に基づいて、前記モータの磁束成分と、この成分と直交するトルク成分との座標系を用いたベクトル制御を行う際に、前記バッテリの電圧が所定値以下の場合には、前記インバータのデューティ比を予め決められたデューティ比に設定することを特徴とする。
このように構成することで、インバータを停止させることなく予め決められたデューティ比で回生動作させることができる。

請求項３に記載した発明は、前記インバータのデューティ比を制御する際に、スイッチングのＯＮ時間を制御することでモータを制御することを特徴とする。
このように構成することで、モータやインバータにおける通電量を低下させることができる。

請求項４に記載した発明は、前記モータはエンジンを備えたハイブリッド車両の駆動及び回生動作を行うモータであって、前記バッテリの電流を検出する電流センサ（例えば、実施の形態における電流センサ４ｂ）とエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ（例えば、実施の形態におけるエンジン回転数センサＳ１）とを設け、バッテリの電圧を検出する電圧センサ（例えば、実施の形態におけるバッテリ電圧センサ４ａ）又は前記モータの磁極位置センサが故障した場合には、前記エンジン回転数センサ又は前記電流センサの検出結果に基づいてモータを制御することを特徴とする。
このように構成することで、バッテリの電圧センサや磁極位置センサが故障してもエンジンの回転数センサ又は電流センサの検出結果に基づいてモータの発電量を推定してモータ制御を行うことができる。

請求項１に記載した発明によれば、バッテリ電圧が低下してもインバータの回生動作によりバッテリを充電することができるため、バッテリ上がりを防止して商品性を向上することができる効果がある。

請求項２に記載した発明によれば、インバータを停止させることなく予め決められたデューティ比で回生動作させることができるため、最低限の発電量を維持することができるため、バッテリ上がりを防止して商品性を向上することができる効果がある。

請求項３に記載した発明によれば、請求項２の効果に加え、モータやインバータにおける通電量を低下させることができるため、モータやインバータの過熱と、バッテリへの過充電とを防止しつつバッテリへの充電を行うことができる効果がある。

請求項４に記載した発明によれば、上述の効果に加え、バッテリの電圧センサや磁極位置センサが故障してもエンジンの回転数センサ又は電流センサの検出結果に基づいてモータの発電量を推定してモータ制御を行うことができるため、バッテリ上がりを防止して商品性を向上することができる効果がある。

次に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。この実施の形態では本発明のモータ制御装置を、駆動源としてエンジンとモータとを備え、モータの回転子とエンジンのクランクシャフトが直結されたタイプのハイブリッド車両に適用した一例を示している。
図１は本発明のモータ制御装置の構成を示し、同図において１はモータを示している。このモータ１は３相の電機子巻線を備えたいわゆる三相ブラシレスタイプのモータで、このモータ１の回転子にはエンジンのクランクシャフトが直接的に結合され、バッテリ２から直流の電力を得るととともに、該直流電力を３相の交流電力へ変換してモータ１を駆動し、一方、モータ１の回生電力を直流電力へ変換してバッテリ２を充電するインバータ回路（ＩＮＶ）３ａを有したパワードライブユニット（ＰＤＵ）３が接続されている。前記バッテリ２にはこの電圧を検出するバッテリ電圧センサ４ａと電流センサ４ｂとが接続され、この検出信号は後述する制御装置５に向けて出力されている。

また、前記モータ１と前記パワードライブユニット３とを接続する３相の電源ラインには、モータ１のＵ相とＷ相との相電流を測定するために相電流センサ６，６が取り付けられ、前記モータ１にはモータ１の回転子の回転角度を電圧変化として出力するレゾルバ等の磁極センサ７が取り付けられている。前記相電流センサ６，６と前記磁極センサ７とパワードライブユニット３とは、様々な制御処理を行う制御装置（ＥＣＵ）５に接続されている。

前記磁極センサ７にはこの磁極センサ７の検出信号を回転子の角速度（ω）及び回転子の角度（θ）の信号に変換するＲ／Ｄ変換器８が接続され、このＲ／Ｄ変換器８には後述する２つのフィードバック制御器９，９の出力信号の干渉を除去する非干渉制御器１０と３相の電流信号をｄ，ｑ座標上のトルク分電流Ｉｄと磁束分電流Ｉｑとに変換する３相／ｄ，ｑ変換器１１が接続されている。前記３相／ｄ，ｑ変換器１１にはトルク電流指令値、界磁電流指令値と前記トルク分電流Ｉｄ、磁束分電流Ｉｑとのそれぞれの偏差ΔＩｄ，ΔＩｑを演算する電流演算器１２，１２が接続されている。そして、前記電流演算器１２，１２にはフィードバック制御器９，９が接続され、さらに、このフィードバック制御器９，９には各入力信号の電圧値の偏差を演算する電圧演算器１３，１３が接続されている。

一方、前記非干渉制御器１０には前記３相／ｄ，ｑ変換器１１と前記電圧演算器１３，１３とが接続され、さらに、前記電圧演算器１３，１３にはｄ，ｑ軸電圧Ｖｄ，Ｖｑを３相電圧に変換するｄ，ｑ／３相電圧変換器１４が接続されている。そして、前記ｄ，ｑ／３相電圧変換器１４にはパワードライブユニット３のＰＷＭデューティを設定するＰＷＭタイマ１５が接続されており、このＰＷＭタイマ１５には前述したパワードライブユニット３が接続されている。さらに、前記ＰＷＭタイマ１５には詳細を後述するオープン制御時のＰＷＭデューティをＰＷＭタイマ１５に対して出力するオープン制御装置１６が接続されており、このオープン制御装置１６にはエンジン回転数センサＳ１や角速度センサＳ２等の各種センサからの検出信号に基づいてエンジンを制御するエンジンＥＣＵ１７が接続されている。

図２は縦軸をトルク制限割合（％）、横軸をバッテリ電圧（Ｖ）とした場合のモータ１の制御領域を示している。ここで、バッテリ電圧センサ４ａにより検出されるバッテリ電圧が電圧Ｖ１（例えば、残容量ＳＯＣ７０〜９０％に相当する電圧）よりも高電圧の領域では相電流のフィードバック制御を用いたベクトル制御によってモータ１を制御する領域（以下、単にフィードバック制御領域と呼ぶ）が設定されている。このフィードバック制御領域は１００％のトルク制限割合、つまり、モータ１の最高トルク、最大出力電力の範囲内でトルクが目標トルクとなるように制御される領域である。

ここで、前記フィードバック制御領域において前記モータ１の突極性を考慮した場合、モータ極対数をＰ、鎖交磁束をφとすると、モータ１のトルクＴとトルク分電流Ｉｄ，磁束分電流Ｉｑとの関係は

となり、トルク分電流Ｉｄは

となる。そして、磁束分電流Ｉｑに対する最適なトルク分電流Ｉｄは

と表すことができる。

一方、バッテリ電圧がＶ１以下の低電圧の領域では前記フィードバック制御を行わない電圧オープン（ＯＰＥＮ）制御領域が設定されている。この電圧オープン制御領域は前記オープン制御装置１６で行われるものであり、目標トルク等のトルクをパラメータとした制御は行われず、エンジンが低回転領域であっても一定の電力量、つまり、一定の充電電圧が得られるようにパワードライブユニット３によってモータ１の回生制御が行われるようになっている。

上述した前記電圧オープン制御領域での制御方法としては、大別して３つの態様がある。以下、この３つの態様について順次説明する。まず、第一の態様を図３に基づいて具体的に説明する。
図３は縦軸をｑ軸電圧（Ｖｑ）、横軸をｄ軸電圧（Ｖｄ）とした場合のオープン制御領域での充電電圧のベクトルを示している。この図３では、予め決められた充電電圧のベクトルを、前記エンジン回転数に基づいて算出されるモータ１の逆起電力分（ωφ）の電圧のベクトルとｄ軸電圧である回生分（ωＬｑＩｑ＝Ｖｄ１）の電圧のベクトルとで表している。前記ｄ軸電圧Ｖｄ１は車両の補機類の電力消費分（例えば、１ｋｗ〜２ｋＷ程度）を補うために最低限必要な充電電圧を決定するものである。

したがって、上記電圧オープン制御の第一の態様は予め決められた充電電圧となるようにエンジン回転数センサＳ１の検出結果に基づいてモータ発電量に対応したｄ軸電圧Ｖｄを図示しない回転数マップを用いて持ち替えることで一定の電力量を確保することができるのである。尚、モータ１の回転数と電流指令値とから一定の充電電圧が得られるように非干渉制御器１０によって非干渉電圧を演算してｄ軸電圧Ｖｄを決定するようにしても良い。同様に、ｑ軸電圧Ｖｑも非干渉電圧を演算して決定しても良い。

次に、図４に基づいて電圧オープン制御領域の第二の態様を説明する。
図４は縦軸を電圧、横軸を時間とした場合のパワードライブユニット３のインバータ回路３ａのゲート信号を示している。この図４ではインバータ回路３ａのスイッチング動作を５０％デューティで所定時間行う５０％デューティ区間とスイッチング動作を行わないゲートＯＦＦ区間とを交互に設け、５０％デューティのスイッチング動作が一定時間毎に断続的に行われるようになっている。ここで、前記ゲートＯＦＦ区間の長さはエンジン回転数センサＳ１、角速度センサＳ２、バッテリ電圧センサ４ａ、電流センサ４ｂ等の検出結果に基づいてバッテリ２が過充電とならないように制御される。

したがって、この第二の態様はバッテリ２に対して一定の電力を供給するために、パワードライブユニット３のインバータ回路３ａを用いて予め設定されたデューティ比でスイッチング動作を断続的に行い、バッテリ２への充電を行いつつパワードライブユニット３が過熱しないように、且つ、バッテリ２が過充電とならないようにしているのである。尚、上記第二の態様ではパワードライブユニット３からの出力が０電圧である５０％デューティとしたがこれに限られるものではなく、例えば、前記バッテリ２が過充電とならないデューティ比であれば適宜選択して用いても良い。

次に、図５、図６に基づいて電圧オープン制御領域の第三の態様を説明する。この第三の態様は、モータ１からバッテリ２に対して補機類の消費電力に相当する一定電力を供給するものであり、パワードライブユニット３のインバータ回路３ａの上アームと下アームとが両方ＯＦＦの状態となるいわゆるデッドタイムＴｄの長さを制御するものである。

図５は縦軸を電圧、横軸を時間とした場合の前記上アームと下アームとのスイッチング波形を３周期分示したものである。この図５に示すように、インバータ回路３ａのスイッチング波形の第１周期では上アームがＯＮの時（図中、時間ｔａ１で示す）には下アームがＯＦＦ、上アームがＯＦＦの時には下アームがＯＮとなり、常に上アームと下アームの何れかがＯＮ状態の通常のスイッチング制御となっている。そして、上アームのＯＮ時間と下アームのＯＮ時間とを加算したものが第１周期の時間Ｔ１と等しくなっている。

一方、第２周期と第３周期とでは、ＰＷＭタイマ１５によりインバータ回路３ａのＯＮ時間を制御してデッドタイムＴｄの長さを制御したものである。具体的には、第２周期では、上アームがＯＦＦで下アームのＯＮとなる時間ｔｂ１経過後、下アームがＯＦＦとなり上アームと下アームとの両者がＯＦＦとなるデッドタイムＴｄが経過した後に上アームが時間ｔａ２だけＯＮとなる。そして、再び上アームがＯＦＦとなりデッドタイムＴｄが経過した後に下アームが時間ｔｂ２の間ＯＮ状態となった後、第３周期に移行する。すなわち、第２周期の時間Ｔ２に対して上アームと下アームとの両者のＯＮ時間を加算したものはデッドタイムＴｄの分だけ短くなることとなる。

さらに、第３周期では第２周期よりも上アームと下アームとのＯＮしている時間ｔａ３，ｔｂ３，ｔｂ４は、それぞれ第２周期の時間ｔａ２，ｔｂ１，ｔｂ２よりも短く設定され、デッドタイムＴｄが長く設定されている。ここで、前記デッドタイムＴｄでは前記インバータ回路３ａには電流が流れないため、このデッドタイムＴｄを短く設定することで前記モータ１の発電量が上昇し、一方、デッドタイムＴｄを長く設定することで前記モータ１の発電量が低下することとなる。

図６は縦軸を発電量、横軸をエンジン回転数とした場合のインバータ回路３ａのＯＮ時間を調整するＯＮ時間調整スイッチング領域を示している。このように、５０％デューティからゲートＯＦＦである０％デューティまでの範囲内でエンジン回転数に基づきインバータ回路３ａのデッドタイムＴｄの長さを制御することでバッテリ２が過充電されることなく前記モータ１の発電量つまりバッテリ２の充電電圧を制御することができるのである。

したがって、上記第三の態様はバッテリ２に対して一定の電力を供給するために、インバータ回路３ａのＯＮ時間を調整してモータ１の発電量を制御することができるため、前述した電圧オープン制御の各態様と同様に、パワードライブユニット３の過熱を防止するとともにバッテリ２の過充電を防止し、バッテリ２を充電することができる。

すなわち、ハイブリッド車両が長期間放置され自然放電によりバッテリ電圧が低下して電流フィードバック制御を行えない場合であっても、前記エンジンＥＣＵ１７に入力されたエンジン回転数センサＳ１や角速度センサＳ２等の各種センサの検出信号に基づいて、ＰＷＭタイマ１５を所定のＰＷＭデューティで駆動させる電圧オープン制御の第一の態様、第二の態様、第三の態様の何れかを行い、早急にバッテリ２の残量を回復させることができるのである。
ところで、バッテリ電圧（ＶＰＩＮ）センサ４ａや磁極センサ７が故障したような場合でも前述した電圧オープン制御を行うことができる。この詳細を以下の表に示す。

ここで、バッテリ電圧センサ４ａと磁極センサ７とが正常状態（表中、○で示す）である場合には、電圧オープン制御の第一の態様（表中、（１）で示す）、第二の態様（表中、（２）で示す）、第三の態様（表中、（３）で示す）の全ての態様で電圧オープン制御が可能となる。更に、バッテリ電圧センサが正常状態で磁極センサ７が故障状態（表中×で示す）である場合、エンジン回転数センサＳ１の検出結果に基づいてモータ１による発電量が推定でき、さらに、バッテリ２の電流センサによってバッテリ残量が推定できるため、電圧オープン制御の第二の態様、第三の態様での制御が可能となる。

一方、バッテリ電圧センサ４ａが故障状態で磁極センサ７が正常状態である場合、磁極センサ７によってモータ１の回転数が推定できるため、モータ１による発電量が推定でき、図示しないバッテリ残量（ＩＳＯＣ）センサ等の検出結果に基づいてバッテリ２が過充電とならないように監視することで、前記電圧オープン制御の第二の態様、第三の態様によって制御することが可能となる。

さらに、バッテリ電圧センサ４ａと磁極センサ７の両者が故障状態である場合、エンジン回転数センサＳ１又はバッテリ残量センサの何れかが正常であれば、これらの検出結果に基づいて、モータ１の発電量又はバッテリ２の残量を推定することができるため、電圧オープン制御の第二の態様と第三の態様との何れかを用いて制御することが可能となる。尚、上記バッテリ残量を電流センサ４ｂの検出結果に基づき算出しても良い。

したがって、上述の実施の形態によれば、長期間の放置等によりバッテリ電圧が低下してもモータ１の回生動作によりバッテリ２を充電することができるため、バッテリ上がりを防止して商品性を向上することができる。

また、パワードライブユニット３のスイッチング動作を停止させることなく予め決められたデューティ比でパワードライブユニット３を回生動作させることができるため、車両の補機類に使用する最低限の電力を確保することができるため、バッテリ上がりを防止して商品性を向上することができる。

さらに、パワードライブユニット３の発熱量を抑制することができるため、パワードライブユニット３を過熱させることなしにバッテリ２への充電を行うことができる。
そして、エンジン回転数センサＳ１又は電流センサ４ｂの検出結果に基づいてモータ１の発電量を推定してモータ制御を行うことができるため、バッテリ上がりを防止して商品性を向上することができる。

尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、相電流をフィードバック制御するベクトル制御と電圧オープン制御領域の間にトルク制限つきのベクトル制御領域を設けてもよい。また、上記実施の形態では、モータの回転子とエンジンのクランクシャフトが直結している場合について説明したが、これらが直結されていないハイブリッド車両に用いても良い。

本発明の実施の形態におけるモータ制御装置のシステム構成図である。 本発明の実施の形態における制御領域を示すグラフである。 本発明の実施の形態における電圧オープン制御の第一の態様を示すグラフである。 本発明の実施の形態における電圧オープン制御の第二の態様を示すグラフである。 本発明の実施の形態における電圧オープン制御の第三の態様を示すグラフである。 本発明の実施の形態における電圧オープン制御の第三の態様のスイッチング領域を示すグラフである。 従来の図２に相当するグラフである。

符号の説明

１ モータ
２ バッテリ
３ａ インバータ回路（インバータ）
７ 磁極センサ（磁極位置センサ）
Ｖ１ 電圧
４ｂ 電流センサ
Ｓ１ エンジン回転数センサ
４ａ バッテリ電圧センサ（電圧センサ）

Claims (4)

1. インバータを介してバッテリからの電力を授受するモータの制御を、回転子の磁極位置を検出する磁極位置センサの検出結果に基づいて行うモータ制御装置において、モータの磁束成分と、この成分と直交するトルク成分との座標系を用いたベクトル制御を行う際に、前記モータに電力を供給するバッテリの電圧が所定値以下の場合には、予め設定された充電量に基づいて前記磁束成分と前記トルク成分とを決定することを特徴とするモータ制御装置。
2. インバータを介してバッテリからの電力を授受するモータの制御を、回転子の磁極位置を検出する磁極位置センサの検出結果に基づいて行うモータの制御装置において、前記磁極位置センサの検出結果に基づいて、前記モータの磁束成分と、この成分と直交するトルク成分との座標系を用いたベクトル制御を行う際に、前記バッテリの電圧が所定値以下の場合には、前記インバータのデューティ比を予め決められたデューティ比に設定することを特徴とするモータ制御装置。
3. 前記インバータのデューティ比を制御する際に、スイッチングのＯＮ時間を制御することでモータを制御することを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記モータはエンジンを備えたハイブリッド車両の駆動及び回生動作を行うモータであって、前記バッテリの電流を検出する電流センサとエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサとを設け、バッテリの電圧を検出する電圧センサ又は前記モータの磁極位置センサが故障した場合には、前記エンジン回転数センサ又は前記電流センサの検出結果に基づいてモータを制御することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のモータ制御装置。
   

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