JP2006311645A - 車両用駆動制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電機と交流モータとの組み合わせで、安定したモータトルク制御を行うことができる車両用駆動制御装置を提供する。
【解決手段】トルク指令値Ttに関係なく予め設定された所定の条件、又は所定のモータトルクを出力するのに必要な電力を出力可能なように発電機7を制御する。例えば、発電機7に常時、一定の界磁電流Ifgを流すようにしたり、常時、一定の界磁電流制御信号(PWMデューティ比D)で発電機7の界磁を制御したりする。
【選択図】 図1
【解決手段】トルク指令値Ttに関係なく予め設定された所定の条件、又は所定のモータトルクを出力するのに必要な電力を出力可能なように発電機7を制御する。例えば、発電機7に常時、一定の界磁電流Ifgを流すようにしたり、常時、一定の界磁電流制御信号(PWMデューティ比D)で発電機7の界磁を制御したりする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、主駆動軸を駆動する熱機関(例えば、エンジン)で発電機を駆動し、その発電機の出力で交流モータを駆動する車両用駆動制御装置に関するものである。
従来の車両用駆動制御装置としては、従駆動軸を発電機の電力で駆動される直流モータで駆動し、この直流モータの界磁電流を制御することで駆動トルクを制御するというものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−239852号公報
しかしながら、上記従来の車両用駆動制御装置にあっては、直流モータを適用してモータトルクを制御しているので、トルクアップをするためには直流モータの電機子電流を増加させる必要があるが、直流モータのブラシの寿命に限界があるため、電機子電流の増加に限界があり、質量の重い車両への適用が困難であったり4WD性能の向上が図れなかったりという未解決の課題がある。
ところで、直流モータの代わりに交流モータ+インバータの構成を適用してモータトルクを制御することも考えられるが、一般に発電機の制御応答性は低く、インバータによるモータ制御の応答性は高いことが知られている。このような発電機とインバータとを組み合わせた場合、モータで必要なトルクを発生するためにはまず発電機の出力を上昇させる必要があるが、発電機の応答性が低いためにモータトルクが指令値に達するまでに時間がかかり、結果として低μ路での発進性や加速性能の大幅な向上に限界があるという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、発電機と交流モータとの組み合わせで、安定したモータトルク制御を行うことができる車両用駆動制御装置を提供することを目的としている。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、発電機と交流モータとの組み合わせで、安定したモータトルク制御を行うことができる車両用駆動制御装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明に係る車両用駆動制御装置は、発電機制御手段で、交流モータの要求する駆動力指令値と無関係な予め設定された所定の条件、又は所定のモータトルクを出力するのに必要な電力を出力可能なように、発電機を制御する。
本発明によれば、モータトルク指令値とは関係なく必要な電力より大きめの電力を予め出力可能なように発電機を発電させておくことで、モータトルク指令値が増加した場合に、応答性良くモータがトルクを発生することができ、応答性の低い発電機と応答性の良いインバータ・モータ制御との組み合わせであっても、低μ路での発進性能や加速性能の向上が得られるという効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明を四輪駆動車両に適用した場合の概略構成図である。
この図1に示すように、本実施形態の車両は、左右前輪1L、1Rが、熱機関であるエンジン2によって駆動される主駆動輪であり、左右後輪3L、3Rが、モータ4によって駆動可能な従駆動輪である。
図1は、本発明を四輪駆動車両に適用した場合の概略構成図である。
この図1に示すように、本実施形態の車両は、左右前輪1L、1Rが、熱機関であるエンジン2によって駆動される主駆動輪であり、左右後輪3L、3Rが、モータ4によって駆動可能な従駆動輪である。
前記エンジン2の吸気管路には、例えばメインスロットルバルブとサブスロットルバルブとが介装されている。メインスロットルバルブは、アクセルペダルの踏込み量等に応じてスロットル開度が調整制御される。サブスロットルバルブは、ステップモータ等をアクチュエータとし、そのステップ数に応じた回転角により開度が調整制御される。従って、サブスロットルバルブのスロットル開度をメインスロットルバルブの開度以下等に調整することによって、運転者のアクセルペダルの操作とは独立して、エンジンの出力トルクを減少させることができる。つまり、サブスロットルバルブの開度調整が、エンジン2による前輪1L、1Rの加速スリップを抑制する駆動力制御となる。
上記エンジン2の出力トルクTeは、トランスミッション及びデファレンスギヤ5を通じて左右前輪1L、1Rに伝達される。また、エンジン2の出力トルクTeの一部は、無端ベルト6を介して発電機7に伝達されることで、発電機7は、エンジン2の回転数Neにプーリ比を乗じた回転数Ngで回転する。
上記発電機7は、4WDコントローラ8によって調整される界磁電流Ifgに応じてエンジン2に対し負荷となり、その負荷トルクに応じた発電をする。この発電機7の発電電力の大きさは、回転数Ngと界磁電流Ifgとの大きさにより決定される。なお、発電機7の回転数Ngは、エンジン2の回転数Neからプーリ比に基づき演算することができる。
上記発電機7は、4WDコントローラ8によって調整される界磁電流Ifgに応じてエンジン2に対し負荷となり、その負荷トルクに応じた発電をする。この発電機7の発電電力の大きさは、回転数Ngと界磁電流Ifgとの大きさにより決定される。なお、発電機7の回転数Ngは、エンジン2の回転数Neからプーリ比に基づき演算することができる。
図2は、本発明の第1の実施形態における発電機7の界磁電流駆動回路の構造を示す図である。この回路は、界磁電流電源として車両の14Vバッテリ7aのような定電圧電源を適用しており、界磁電流電源のプラス側を界磁コイル7bに繋げて、トランジスタ7cをスイッチングするように構成されている。
発電機7が発電した電力は、ジャンクションボックス10及びインバータ9を介してモータ4に供給可能となっている。前記モータ4の駆動軸は、減速機11及びクラッチ12を介して後輪3L、3Rに接続可能となっている。なお、本実施形態のモータ4は交流モータである。また、図中の符号13はデファレンスギヤを示す。
発電機7が発電した電力は、ジャンクションボックス10及びインバータ9を介してモータ4に供給可能となっている。前記モータ4の駆動軸は、減速機11及びクラッチ12を介して後輪3L、3Rに接続可能となっている。なお、本実施形態のモータ4は交流モータである。また、図中の符号13はデファレンスギヤを示す。
ジャンクションボックス10内には、インバータ9と発電機7とを接続・遮断するリレーが設けられている。そして、このリレーが接続されている状態で、発電機7から図示しない整流器を介して供給された直流の電力は、インバータ9内で三相交流に変換されてモータ4を駆動する。
また、ジャンクションボックス10内には、発電電圧を検出する発電機電圧センサと、インバータ9の入力電流である発電電流を検出する発電機電流センサとが設けられ、これらの検出信号は4WDコントローラ8に出力される。また、モータ4の駆動軸にはレゾルバが連結されており、モータ4の磁極位置信号θを出力する。
また、ジャンクションボックス10内には、発電電圧を検出する発電機電圧センサと、インバータ9の入力電流である発電電流を検出する発電機電流センサとが設けられ、これらの検出信号は4WDコントローラ8に出力される。また、モータ4の駆動軸にはレゾルバが連結されており、モータ4の磁極位置信号θを出力する。
また、前記クラッチ12は、例えば湿式多板クラッチであって、4WDコントローラ8からの指令に応じて締結及び開放を行う。なお、本実施形態においては、締結手段としてのクラッチを湿式多板クラッチとしたが、例えばパウダークラッチやポンプ式クラッチであってもよい。
また、各車輪1L、1R、3L、3Rには、車輪速センサ27FL、27FR、27RL、27RRが設けられている。各車輪速センサ27FL、27FR、27RL、27RRは、対応する車輪1L、1R、3L、3Rの回転速度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8に出力する。
また、各車輪1L、1R、3L、3Rには、車輪速センサ27FL、27FR、27RL、27RRが設けられている。各車輪速センサ27FL、27FR、27RL、27RRは、対応する車輪1L、1R、3L、3Rの回転速度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8に出力する。
前記4WDコントローラ8は、例えばマイクロコンピュータ等の演算処理装置を備えて構成され、前記各車輪速度センサ27FL〜27RRで検出される車輪速度信号、ジャンクションボックス10内の電圧センサ及び電流センサの出力信号、モータ4に連結されたレゾルバの出力信号及びアクセルペダル(不図示)の踏込み量に相当するアクセル開度等が入力される。
4WDコントローラ8は、図3に示すように、発電機制御手段としての発電機制御部8A、目標モータトルク演算部8B、モータ制御部8C、TCS制御部8D、クラッチ制御部8Eを備える。
4WDコントローラ8は、図3に示すように、発電機制御手段としての発電機制御部8A、目標モータトルク演算部8B、モータ制御部8C、TCS制御部8D、クラッチ制御部8Eを備える。
発電機制御部8Aは、モータ4の要求する駆動力指令値、即ちモータトルク指令値によらずに発電機7の発電電力を制御する。具体的には、本実施形態では、図2に示す界磁コイル7bに、常時、一定の界磁電流Ifgを流すようにする。ここで、当該一定の界磁電流Ifgは、発電機7の最大回転速度ωgmaxに対してシステムの上限電圧Vmaxを超えない程度の電流値とし、このような界磁電流Ifgを流すことで、常時、モータトルク指令値とは関係なく所定の電力を出力可能なように発電機7が発電される。
目標モータトルク演算部8Bは、4輪の車輪速度信号に基づいて算出される前後輪の車輪速度差とアクセルペダル開度信号とから、モータトルク指令値Ttを算出する。
目標モータトルク演算部8Bは、4輪の車輪速度信号に基づいて算出される前後輪の車輪速度差とアクセルペダル開度信号とから、モータトルク指令値Ttを算出する。
図4は、目標モータトルク演算部8Aの詳細を示すブロック図である。先ず、前後回転差演算部81で、4輪の車輪速度信号Vfr〜Vrrに基づいて次式をもとに前後回転差ΔVを算出する。
ΔV=(Vfr+Vfl)/2−(Vrr−Vrl)/2 ………(1)
そして、前後回転差ΔVに基づいて、第1モータ駆動力演算部82で予め格納されたマップを参照し、第1モータ駆動力TΔVを算出して後述するセレクトハイ部に出力する。この第1モータ駆動力TΔVは、前後回転差ΔVが大きくなると共に比例的に大きく算出されるように設定されている。
ΔV=(Vfr+Vfl)/2−(Vrr−Vrl)/2 ………(1)
そして、前後回転差ΔVに基づいて、第1モータ駆動力演算部82で予め格納されたマップを参照し、第1モータ駆動力TΔVを算出して後述するセレクトハイ部に出力する。この第1モータ駆動力TΔVは、前後回転差ΔVが大きくなると共に比例的に大きく算出されるように設定されている。
車速演算部83では、4輪の車輪速度信号と車両が発生する総駆動力Fとをセレクトローして車速信号Vを算出する。ここで、総駆動力Fは、トルクコンバータ滑り比から推定される前輪駆動力とモータトルク指令値Ttから推定される後輪駆動力との和によって求められる。
第2モータ駆動力演算部84では、第2モータ駆動力Tvを算出する。具体的には、車速演算部83から出力された車速Vとアクセル開度Accとに基づいて、予め格納されたマップを参照して、算出する。この第2モータ駆動力Tvは、アクセル開度Accが大きくなるほど大きく、また車速Vが大きくなるほど小さく算出されるように設定されている。
第2モータ駆動力演算部84では、第2モータ駆動力Tvを算出する。具体的には、車速演算部83から出力された車速Vとアクセル開度Accとに基づいて、予め格納されたマップを参照して、算出する。この第2モータ駆動力Tvは、アクセル開度Accが大きくなるほど大きく、また車速Vが大きくなるほど小さく算出されるように設定されている。
次にセレクトハイ部85で、前記第1モータ駆動力演算部82から出力された第1モータ駆動力TΔVと、前記第2モータ駆動力演算部84から出力された第2モータ駆動力Tvとをセレクトハイした値を、目標トルクTttとして後輪TCS制御部86に出力する。
そして、後輪速Vrl,Vrr、車速Vに基づいて、公知の方法により後輪トラクションコントロール制御を行って、最終的なモータ4のトルク指令値Ttを出力する。
そして、後輪速Vrl,Vrr、車速Vに基づいて、公知の方法により後輪トラクションコントロール制御を行って、最終的なモータ4のトルク指令値Ttを出力する。
モータ制御部8Cは、後述する目標モータトルク決定部8Cから出力されるトルク指令値Tmとモータ回転速度Vmとから、図5に示す公知のベクトル制御を行う。そして、インバータ9に3相パワー素子のスイッチング制御信号を出力して3相交流電流を制御する。
TCS制御部8Dは、エンジントルク制御コントローラ(ECM)からのエンジン発生駆動トルクデマンド信号Tet、前輪回転速度Vfr,Vfl、車速Vに基づいて、公知の方法によりECMに対してエンジン発生駆動トルクデマンド信号Teを送り返すことにより前輪トラクションコントロール制御を行う。
クラッチ制御部8Eは、上記クラッチ12の状態を制御し、4輪駆動状態と判定している間はクラッチ12を接続状態に制御する。
TCS制御部8Dは、エンジントルク制御コントローラ(ECM)からのエンジン発生駆動トルクデマンド信号Tet、前輪回転速度Vfr,Vfl、車速Vに基づいて、公知の方法によりECMに対してエンジン発生駆動トルクデマンド信号Teを送り返すことにより前輪トラクションコントロール制御を行う。
クラッチ制御部8Eは、上記クラッチ12の状態を制御し、4輪駆動状態と判定している間はクラッチ12を接続状態に制御する。
ところで、一般に発電機の制御応答性は低く(時定数で0.数秒)、インバータによる制御応答性は高い(数ms〜10ms)ことが知られている。駆動力の指令値が与えられた場合、モータで必要なトルクを発生するためには、先ず発電機の出力が上昇する必要があるが、前述したように発電機の制御応答性が低いため、結果としてモータトルクが指令値に達するまでに0.1〜0.5秒程度の遅れが生じ、低μ路での発進性能や加速性能が悪いという問題があった。
また、従来の発電機制御は、刻々と変化するモータトルク指令値に基づいて必要電力が出力できるように界磁電流を刻々と変化させる制御であるため、発電機出力の変動が大きくなり、音振面で不利になるという問題があった。
これに対し、本実施形態では、発電機7に常時、一定の界磁電流Ifgを流すようにするので、発電機7の制御応答性を懸念する必要がない。つまり、トルク指令値に関係なく必要な電力より大きめの電力を予め出力可能なように、常時、一定の界磁電流Ifgを流し続けるので、モータ4で必要なトルクを発生するために発電機7の出力の上昇を待つ必要がなくなり、応答良く所望のモータトルクを発生することができる。
これに対し、本実施形態では、発電機7に常時、一定の界磁電流Ifgを流すようにするので、発電機7の制御応答性を懸念する必要がない。つまり、トルク指令値に関係なく必要な電力より大きめの電力を予め出力可能なように、常時、一定の界磁電流Ifgを流し続けるので、モータ4で必要なトルクを発生するために発電機7の出力の上昇を待つ必要がなくなり、応答良く所望のモータトルクを発生することができる。
このように、上記第1の実施形態では、予めトルク指令値に無関係な所定の電力を出力可能なように発電機を発電させておくので、モータトルク指令値が増加した場合に、応答性良く所望のモータトルクを発生することができ、低μ路での発進性能や加速性能を大幅に向上することができる。
また、刻々と変化するモータトルク指令値に基づいて必要電力が出力できるように界磁電流を刻々と動かす制御とはせず、常時、一定の界磁電流を流し続ける固定制御とするので、発電機出力の変動がなく、音振面の劣化をなくすことができる。
また、刻々と変化するモータトルク指令値に基づいて必要電力が出力できるように界磁電流を刻々と動かす制御とはせず、常時、一定の界磁電流を流し続ける固定制御とするので、発電機出力の変動がなく、音振面の劣化をなくすことができる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
この第2の実施形態は、前述した第1の実施形態において、発電機に常時、一定の界磁電流を流しているのに対し、常時、一定の界磁電流制御信号(PWMデューティ比)を印加するようにしたものである。
図6は、第2の実施形態における発電機7の界磁電流駆動回路の構造を示す図である。この回路は、界磁電流電源として車両の14Vバッテリ7aのような定電圧電源と発電機自身の出力電圧とを選択する構成を適用し、界磁電流電源のプラス側を界磁コイル7bに繋げて、トランジスタ7cをスイッチングするように構成されている。この場合、発電機出力がバッテリ電圧Vbを下回っている状態では、他励領域となってバッテリ電圧Vbが界磁コイル7bの電源となり、発電機出力が増加して出力電圧Vgがバッテリ電圧Vb以上となると、自励領域となって発電機の出力電圧Vgが選ばれて界磁コイル7bの電源となる。即ち、界磁電流値を発電機の電源電圧により増大することができるので、大幅な発電機出力の増加が可能である。
この第2の実施形態は、前述した第1の実施形態において、発電機に常時、一定の界磁電流を流しているのに対し、常時、一定の界磁電流制御信号(PWMデューティ比)を印加するようにしたものである。
図6は、第2の実施形態における発電機7の界磁電流駆動回路の構造を示す図である。この回路は、界磁電流電源として車両の14Vバッテリ7aのような定電圧電源と発電機自身の出力電圧とを選択する構成を適用し、界磁電流電源のプラス側を界磁コイル7bに繋げて、トランジスタ7cをスイッチングするように構成されている。この場合、発電機出力がバッテリ電圧Vbを下回っている状態では、他励領域となってバッテリ電圧Vbが界磁コイル7bの電源となり、発電機出力が増加して出力電圧Vgがバッテリ電圧Vb以上となると、自励領域となって発電機の出力電圧Vgが選ばれて界磁コイル7bの電源となる。即ち、界磁電流値を発電機の電源電圧により増大することができるので、大幅な発電機出力の増加が可能である。
第2の実施形態における図3の発電機制御部8Aでは、発電機7をPWMデューティ比Dで制御するものとし、常時、一定の界磁電流制御信号(PWMデューティ比D)を印加するようにする。
図7はPWMデューティ比Dと界磁電流Ifgとの関係を示す特性図であり、横軸はPWMデューティ比D、縦軸は界磁電流Ifgである。この特性図に示すように、デューティ比Dが0%のとき界磁電流Ifgは流れず、デューティ比Dが100%に近づくにつれて界磁電流Ifgはたくさん流れるようになっている。
図7はPWMデューティ比Dと界磁電流Ifgとの関係を示す特性図であり、横軸はPWMデューティ比D、縦軸は界磁電流Ifgである。この特性図に示すように、デューティ比Dが0%のとき界磁電流Ifgは流れず、デューティ比Dが100%に近づくにつれて界磁電流Ifgはたくさん流れるようになっている。
また、この特性は、界磁電源電圧Vfが大きいほど傾きが大きく、界磁コイルの抵抗が小さいほど傾きが大きくなるようになっており、発電機出力電圧Vgがバッテリ電圧Vb以下であるときIfg=a×Dで表され、Vg>VbであるときIfg=a×Vf×Dで表される。ここでaは定数である。
したがって、常時、PWMデューティ比Dを一定とすることにより、発電機出力電圧Vgがバッテリ電圧Vb以下であるときには一定の界磁電流Ifgが流れ、発電機出力電圧Vgが上昇してVg>Vbとなると、それに応じて界磁電流Ifgも増加することになる。
したがって、常時、PWMデューティ比Dを一定とすることにより、発電機出力電圧Vgがバッテリ電圧Vb以下であるときには一定の界磁電流Ifgが流れ、発電機出力電圧Vgが上昇してVg>Vbとなると、それに応じて界磁電流Ifgも増加することになる。
ここで、上記一定のPWMデューティ比Dは、界磁電源電圧Vfが最大であるとき、発電機7の最大回転速度ωgに対して、システムの上限電圧Vmaxを超えない程度の界磁電流Ifgを流せる値に設定する。
このように、上記第2の実施形態では、発電機に常時、一定の界磁電流制御信号を印加するので、モータトルク指令値が増加した場合に、応答性良く所望のモータトルクを発生して、低μ路での発進性能や加速性能を大幅に向上することができると共に、発電機出力の変動を少なくして音振面の劣化を抑制することができる。
このように、上記第2の実施形態では、発電機に常時、一定の界磁電流制御信号を印加するので、モータトルク指令値が増加した場合に、応答性良く所望のモータトルクを発生して、低μ路での発進性能や加速性能を大幅に向上することができると共に、発電機出力の変動を少なくして音振面の劣化を抑制することができる。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
この第3の実施形態は、モータの最大トルクを発生できるように発電機の界磁電流を制御するようにしたものである。
第3の実施形態における発電機7の界磁電流駆動回路の構造は、前述した第1及び第2の実施形態の何れか一方における界磁電流駆動回路の構造を適用するものとする。
この第3の実施形態は、モータの最大トルクを発生できるように発電機の界磁電流を制御するようにしたものである。
第3の実施形態における発電機7の界磁電流駆動回路の構造は、前述した第1及び第2の実施形態の何れか一方における界磁電流駆動回路の構造を適用するものとする。
図8は、発電機7の発電制御を行う発電機制御部8Aの詳細を示すブロック図である。
この発電機制御部8Aは、モータ必要電力演算部101と、目標発電電力演算部102と、発電電力制限部103と、目標発電電力決定部104と、目標動作点設定部105と、現在動作点検出部106と、発電電力制御部107とで構成され、発電機7の界磁電流Ifgを制御する。
この発電機制御部8Aは、モータ必要電力演算部101と、目標発電電力演算部102と、発電電力制限部103と、目標発電電力決定部104と、目標動作点設定部105と、現在動作点検出部106と、発電電力制御部107とで構成され、発電機7の界磁電流Ifgを制御する。
モータ必要電力演算部101は、先ず、モータ回転速度(従駆動軸速度)Vmに基づいて、モータ最大トルクTtmを算出する。具体的には、図9に示すモータ最大トルク算出マップを参照して算出する。このモータ最大トルク算出マップは、横軸にモータ回転速度Vm、縦軸にモータ最大トルクTtmをとり、モータ回転速度Vmが大きいほどモータ最大トルクTtmは小さく算出されるように設定されている。この処理が、最大トルク演算手段に対応している。
次に、このように算出されたモータ最大トルクTtmに基づいて、次式をもとにモータ4に必要な電力Pmを算出する。
Pm=Ttm×Vm ………(2)
目標発電電力演算部102では、モータ必要電力演算部101から出力されるモータ必要電力Pmに基づいて、次式をもとに発電機7が出力すべき発電機必要電力Pgを算出する。
Pg=Pm/Иm ………(3)
ここで、Иmはモータ効率である。つまり、発電機必要電力Pgはモータ必要電力Pmよりモータ効率分多く出力しなければならないことになる。
Pm=Ttm×Vm ………(2)
目標発電電力演算部102では、モータ必要電力演算部101から出力されるモータ必要電力Pmに基づいて、次式をもとに発電機7が出力すべき発電機必要電力Pgを算出する。
Pg=Pm/Иm ………(3)
ここで、Иmはモータ効率である。つまり、発電機必要電力Pgはモータ必要電力Pmよりモータ効率分多く出力しなければならないことになる。
発電電力制限部103では、発電機7が出力可能な電力上限値としての発電電力の制限値PL1及びPL2を出力する。電力制限値PL1は、発電電力が発電機7を駆動するベルトの伝達可能トルクに応じて決まる電力を上回らないようにするための上限値であり、次式をもとに算出する。
PL1=Tb×ωg×Иg ………(4)
ここで、Tbはベルト伝達可能トルク、ωgは発電機7の回転速度、Иgは発電機効率であり、PL1はベルト伝達可能トルクがTbであるときに発電機7が発電可能な最大発電量に相当する。
PL1=Tb×ωg×Иg ………(4)
ここで、Tbはベルト伝達可能トルク、ωgは発電機7の回転速度、Иgは発電機効率であり、PL1はベルト伝達可能トルクがTbであるときに発電機7が発電可能な最大発電量に相当する。
つまり電力制限値PL1は、図10(a)に示すように、発電機7の回転速度ωgが大きくなるにつれて比例的に大きく算出されることになる。
また、電力制限値PL2は、発電電力が、エンジンの負荷過大によるエンストや運転性劣化を起こす可能性のある電力を上回らないようにするための上限値である。この制限値PL2は、エンジントルク制御コントローラ(ECM)から与えられる。
この電力制限値PL2は、図10(b)に示すように、発電機7の回転速度ωgが大きくなるほど、またアクセル開度Accが大きくなるほど大きく算出されることになる。
また、電力制限値PL2は、発電電力が、エンジンの負荷過大によるエンストや運転性劣化を起こす可能性のある電力を上回らないようにするための上限値である。この制限値PL2は、エンジントルク制御コントローラ(ECM)から与えられる。
この電力制限値PL2は、図10(b)に示すように、発電機7の回転速度ωgが大きくなるほど、またアクセル開度Accが大きくなるほど大きく算出されることになる。
そして、目標発電電力演算部102及び発電電力制限部103の演算結果が目標発電電力決定部104に入力されて、発電機必要電力Pgと電力制限値PL1,PL2とがセレクトローされ、発電機の目標出力電力PGが算出される。
図10(c)は、発電機必要電力Pgと電力制限値PL1,PL2とのうち、発電機必要電力Pgが最も小さい場合を示しており、この場合、現在速度での発電機必要電力Pgが目標出力電力PGとして選択される。
図10(c)は、発電機必要電力Pgと電力制限値PL1,PL2とのうち、発電機必要電力Pgが最も小さい場合を示しており、この場合、現在速度での発電機必要電力Pgが目標出力電力PGとして選択される。
目標動作点設定部105では、先ず目標発電電力決定部104から出力される目標出力電力PG即ちモータ使用可能電力に基づいて、次式をもとにモータトルク指令値Tを算出する。
T=(PG×Иm)/Vm ………(5)
次に、このモータトルク指令値Tを効率良く発生することができるインバータ9の入力電圧及び入力電流即ち発電機7の目標電圧Vt及び目標電流Itをモータ使用可能電力PGの範囲内で決定する。具体的には、図11に示すように、モータ使用可能電力PGに相当する電力一定線Pと、破線で示す最大効率動作点線ηとの交点を発電機7の目標動作点(Vt,It)として選定する。
T=(PG×Иm)/Vm ………(5)
次に、このモータトルク指令値Tを効率良く発生することができるインバータ9の入力電圧及び入力電流即ち発電機7の目標電圧Vt及び目標電流Itをモータ使用可能電力PGの範囲内で決定する。具体的には、図11に示すように、モータ使用可能電力PGに相当する電力一定線Pと、破線で示す最大効率動作点線ηとの交点を発電機7の目標動作点(Vt,It)として選定する。
一般に発電機効率は高電圧・低電流時が高く、モータ効率は微小電流時を除けば大きい変化がないことから、発電機効率とモータ効率とをあわせた総合効率の良い高電圧・低電流で動作することが望ましい。また、システムには上限電圧Vmax(例えば、60V)や上限電流Imax(インバータ素子の定格や発電機・モータの設計上決まる。例えば、30A)が存在するので、電圧が上限電圧Vmaxに近づいたら、電圧は略一定もしくは微増で電流値が増加する動作点が選ばれ、最終的には電流値増加も上限電流Imaxまでとなる。これらの動作点を連続した線が最大効率動作点線ηであり、この最大効率動作点線ηは予め格納しておく。
図12は、発電機7の出力即ちインバータ9の入力における動作点(電圧・電流)を示す図である。図中実線は、発電機の回転速度と界磁電流とをパラメータとした発電機出力特性線(発電機の出力可能特性線)であり、ある回転速度である界磁電流が与えられているとき、発電機はこの出力可能特性線上の電圧・電流を発生する。
実際の出力可能特性線は非線形な線であるが、制御領域における出力可能特性線は単調減少であることから、本実施形態では線形近似を用いる。つまり、出力可能特性線の線形近似式は次式で表される。
V=−a×I+V0 ………(6)
実際の出力可能特性線は非線形な線であるが、制御領域における出力可能特性線は単調減少であることから、本実施形態では線形近似を用いる。つまり、出力可能特性線の線形近似式は次式で表される。
V=−a×I+V0 ………(6)
ここで、V0は電圧軸切片(V軸切片)であり、電流が零であるときの電圧である。また、aは発電機の特性から予め設定された定数である。なおaは、高精度を得るために、回転速度や界磁電流の大きさをパラメータとする可変常数としてもよい。
次に、目標動作点(Vt,It)を含む出力可能特性線Stの目標V軸切片V0tを算出する。具体的には、目標電圧Vt及び目標電流Itをもとに、出力可能特性線Stの線形近似式Vt=−a×It+V0tに基づいて、目標V軸切片V0tを算出する。
次に、目標動作点(Vt,It)を含む出力可能特性線Stの目標V軸切片V0tを算出する。具体的には、目標電圧Vt及び目標電流Itをもとに、出力可能特性線Stの線形近似式Vt=−a×It+V0tに基づいて、目標V軸切片V0tを算出する。
現在動作点検出部106では、図12に示す現在の動作点(V,I)を含む出力可能特性線SのV軸切片V0を算出する。具体的には、現在の電圧V及び電流Iをもとに、出力可能特性線Sの線形近似式V=−a×I+V0に基づいて、V軸切片V0を算出する。
発電電力制御部107では、V軸切片V0と目標V軸切片V0tとの大小関係に応じて、発電機7の界磁電流Ifgの増減を制御する。
発電電力制御部107では、V軸切片V0と目標V軸切片V0tとの大小関係に応じて、発電機7の界磁電流Ifgの増減を制御する。
例えば、インバータ側の入力インピーダンスの変動により発電機の電圧及び電流が変化しても、その電圧及び電流は発電機の出力可能特性線上を動くので、V軸切片が変化することはない。したがって、V軸切片V0を目標V軸切片V0tに一致させることで、現在の出力可能特性線Sと目標の出力可能特性線Stとの差をなくすと共に、インバータ側の制御の変動により発電機側の負荷が変動した場合であっても、発電機制御系の変動を防止することができる。
図8において、モータ必要電力演算部101が必要電力演算手段に対応し、発電電力制限部103が電力上限値演算手段に対応し、モータ必要電力演算部101、目標発電電力演算部102、発電電力制限部103及び目標発電電力決定部104が目標出力電力演算手段に対応し、目標動作点設定部105、現在動作点検出部106及び発電電力制御部107が発電機出力制御手段に対応している。
以上、第3の実施形態においては、モータ回転速度Vmに基づいてモータ最大トルクTtmを算出したが、これに代わり、車速に基づいてモータ最大トルクTtmを算出することができる。これにより、2駆走行から4駆走行へ移行する際にも、必要な電力を速やかに供給することができる。
図13は、第3の実施形態における発電電力制御部107を示すブロック図である。ここでは、目標V軸切片V0tとV軸切片V0との偏差が零となるように、実際の発電機界磁電流Ifgをモニタしながら発電機界磁電流値をフィードバックする。
図13は、第3の実施形態における発電電力制御部107を示すブロック図である。ここでは、目標V軸切片V0tとV軸切片V0との偏差が零となるように、実際の発電機界磁電流Ifgをモニタしながら発電機界磁電流値をフィードバックする。
先ず、目標動作点設定部105からの目標V軸切片V0tと現在動作点検出部106からのV軸切片V0との偏差ΔV0がPID制御部121に入力され、PID制御部121は、偏差ΔV0が零となるような目標界磁電流Iftを出力する。
本実施形態では、界磁電流検出手段としての界磁電流センサを設けて実際の発電機界磁電流Ifgを検出する。そして、界磁電流センサにより検出された実界磁電流Ifgと目標界磁電流Iftとの偏差ΔIfを求めてPID制御部122に出力する。PID制御部122は、偏差ΔIfが零となるように実界磁電流Ifgを制御する。
本実施形態では、界磁電流検出手段としての界磁電流センサを設けて実際の発電機界磁電流Ifgを検出する。そして、界磁電流センサにより検出された実界磁電流Ifgと目標界磁電流Iftとの偏差ΔIfを求めてPID制御部122に出力する。PID制御部122は、偏差ΔIfが零となるように実界磁電流Ifgを制御する。
これにより、V軸切片V0は目標V軸切片V0tに一致することになる。つまり、発電機7は、モータ4が必要とする電力Pmから算出される発電機7が出力すべき目標出力電力PGに応じたトルク指令値Tを、効率良く発生することができる動作点で作動されることになる。
ところで、発電機7の出力特性は界磁電流Ifgと回転速度ωgとをパラメータとしており、界磁電流Ifgが一定であるとすると、発電機7の出力は回転速度ωgが大きくなるほど比例的に大きくなる。つまり、単に界磁電流Ifgを一定として発電機制御を行った場合、回転速度が小さい領域では発電機出力も小さいため、要求されたモータトルクを発生できない領域が存在することになる。
ところで、発電機7の出力特性は界磁電流Ifgと回転速度ωgとをパラメータとしており、界磁電流Ifgが一定であるとすると、発電機7の出力は回転速度ωgが大きくなるほど比例的に大きくなる。つまり、単に界磁電流Ifgを一定として発電機制御を行った場合、回転速度が小さい領域では発電機出力も小さいため、要求されたモータトルクを発生できない領域が存在することになる。
これに対して、本実施形態では、車速(モータ4の回転速度Vm)に応じて発電機7の界磁電流Ifgを制御するので、例えば車速の小さい領域では界磁電流Ifgを大きく設定して発電機出力を大きくすることで、要求されたモータトルクを発生できない領域をなくすことができる。
このように、上記第3の実施形態では、モータ最大トルクから発電機が出力すべき目標出力電力を算出して界磁制御を行うので、予め当該モータ最大トルクを発生できるように発電機を作動させておくことができ、モータトルク指令値が増加した場合に、応答良くモータが所望のトルクを発生することができ、低μ路での発進性能や加速性能を大幅に向上することができる。
このように、上記第3の実施形態では、モータ最大トルクから発電機が出力すべき目標出力電力を算出して界磁制御を行うので、予め当該モータ最大トルクを発生できるように発電機を作動させておくことができ、モータトルク指令値が増加した場合に、応答良くモータが所望のトルクを発生することができ、低μ路での発進性能や加速性能を大幅に向上することができる。
また、刻々と変化するモータトルク指令値に基づいて必要電力が出力できるように発電機の界磁電流を刻々と動かす制御とせず、変化の遅い発電機制御であるため、発電機出力の変動が少なく、音振面の劣化を少なくすることができる。
さらに、モータの回転速度に基づいてモータ最大トルクを算出し、この最大トルクから発電機が出力すべき目標出力電力を算出するので、現在のモータ回転状態に応じて適切に発電機の界磁制御を行うことができ、所望のモータトルクを確実に発生することができる。
さらに、モータの回転速度に基づいてモータ最大トルクを算出し、この最大トルクから発電機が出力すべき目標出力電力を算出するので、現在のモータ回転状態に応じて適切に発電機の界磁制御を行うことができ、所望のモータトルクを確実に発生することができる。
なお、上記第3の実施形態においては、モータ最大トルクTtmを出力するのに必要なモータ必要電力Pmに基づいて、発電機7の界磁制御を行う場合について説明したが、これに限定されるものではなく、モータ4が予め設定された所定のモータトルクを出力するのに必要な電力を算出し、この電力に基づいて発電機7の界磁制御を行うようにしてもよい。この場合、上記所定のモータトルクは、モータ4の所定間隔の回転数毎に予め設定された値とする。
なお、上記第3の実施形態においては、発電電力制御部106で発電機7の実界磁電流Ifgをモニタしながら目標界磁電流Iftに追従させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図14に示すように、目標V軸切片V0tと実V軸切片V0との偏差が零となるように、発電機界磁電流をPWM制御するようにしてもよい。この場合、先ず目標V軸切片V0tと実V軸切片V0との偏差ΔV0をPID制御部123に出力する。
PID制御部123は、偏差ΔV0に応じて、発電機7の界磁電流駆動回路のPWMデューティ比Dを制御する。具体的には、V0t>V0であるときPWMデューティ比Dを増加し、V0t<V0であるときPWMデューティ比Dを減少する。
例えば、以下のようなPID制御を施す。
D=α×(V0t−V0)+β×∫(V0t−V0) ………(7)
このようにして出力されたPWMデューティ比DをPWM駆動部124で制御することで、界磁電流Ifgを制御することができ、結果としてV軸切片V0が目標V軸切片V0tとなるように制御することができる。
例えば、以下のようなPID制御を施す。
D=α×(V0t−V0)+β×∫(V0t−V0) ………(7)
このようにして出力されたPWMデューティ比DをPWM駆動部124で制御することで、界磁電流Ifgを制御することができ、結果としてV軸切片V0が目標V軸切片V0tとなるように制御することができる。
これにより、界磁電流の電圧変動や界磁コイルの抵抗値変動等による界磁電流制御の誤差要因を全部含めて、出力電圧と目標電圧の大きいループで制御することができるので、界磁電流センサを設ける必要がなくなり、コストを削減することができる。
また、発電電力制御部106で界磁電源電圧VfとPWMデューティ比Dとの乗算値をフィードバック制御するようにしてもよい。この場合、図14のPID制御部123で、下記(8)式に示すPID制御を施してPWMデューティ比Dを出力する。
Vf×D=α×(V0t−V0)+β×∫(V0t−V0)
D={α×(V0t−V0)+β×∫(V0t−V0)}/Vf ………(8)
また、発電電力制御部106で界磁電源電圧VfとPWMデューティ比Dとの乗算値をフィードバック制御するようにしてもよい。この場合、図14のPID制御部123で、下記(8)式に示すPID制御を施してPWMデューティ比Dを出力する。
Vf×D=α×(V0t−V0)+β×∫(V0t−V0)
D={α×(V0t−V0)+β×∫(V0t−V0)}/Vf ………(8)
前述したように、Vg>Vbにおいて界磁電流Ifg=a×Vf×Dであり、この関係から(Vf×D)を界磁電流Ifgと見立ててフィードバック制御することが可能となる。つまり、界磁電源電圧VfとPWMデューティ比Dとの積をフィードバック制御することで、実質的に界磁電流Ifgをフィードバック制御しているような制御効果を得ることができる。また、界磁電源電圧Vfが大きい領域では、PWMデューティ比の重みを低電圧時と比べて小さく設定することができるので、界磁電源電圧の大きさを考慮した適切な制御を行うことができる。
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。
この第4の実施形態は、前述した第3の実施形態において、モータの最大トルクに基づいて発電機の目標出力電力を算出しているのに対し、発電機の電力上限値のみに基づいて目標出力電力を算出するようにしたものである。
すなわち、第4の実施形態の発電機制御部8Aのブロック図を図15に示すように、図7に示す第3の実施形態の発電機制御部8Aのブロック図において、モータ必要電力演算部101と目標発電電力演算部102とが削除されていることを除いては図8と同様の構成を有し、図8と同様の構成を有する部分には同符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この第4の実施形態は、前述した第3の実施形態において、モータの最大トルクに基づいて発電機の目標出力電力を算出しているのに対し、発電機の電力上限値のみに基づいて目標出力電力を算出するようにしたものである。
すなわち、第4の実施形態の発電機制御部8Aのブロック図を図15に示すように、図7に示す第3の実施形態の発電機制御部8Aのブロック図において、モータ必要電力演算部101と目標発電電力演算部102とが削除されていることを除いては図8と同様の構成を有し、図8と同様の構成を有する部分には同符号を付し、その詳細な説明は省略する。
このような構成により、発電電力制限部103で算出された電力制限値PL1とPL2とが目標発電電力決定部104に入力され、これらの電力制限値がセレクトローされて目標発電電力PGが算出される。
このように、上記第4の実施形態では、発電機が出力可能な電力上限値のみに基づいて目標出力電力を算出して発電機の界磁制御を行うので、予め出力可能な最大電力で発電機を作動させておくことができ、モータトルク指令値が増加した場合に、応答良くモータが所望のトルクを発生することができ、低μ路での発進性能や加速性能を大幅に向上することができる。
このように、上記第4の実施形態では、発電機が出力可能な電力上限値のみに基づいて目標出力電力を算出して発電機の界磁制御を行うので、予め出力可能な最大電力で発電機を作動させておくことができ、モータトルク指令値が増加した場合に、応答良くモータが所望のトルクを発生することができ、低μ路での発進性能や加速性能を大幅に向上することができる。
なお、上記各実施形態においては、モータ制御部8Cで、目標モータトルク演算部8Aで算出されたトルク指令値Ttに基づいて直接モータ制御を行う場合について説明したが、これに限定されるものではなく、発電機7の出力電圧V及び出力電流Iからモータ制御を行うためのトルク指令値Ttを決定し、このトルク指令値Ttに基づいてモータ制御を行うようにしてもよい。
この場合、4WDコントローラ8の詳細を図16に示すように、発電機7の出力電圧V及び出力電流Iからモータ制御を行うためのトルク指令値Ttを決定する目標モータトルク決定部8Fを設け、この目標モータトルク決定部8Fで決定したトルク指令値Ttをモータ制御部8Cに出力するようにする。具体的には、目標モータトルク決定部8Fでは、発電機7の出力電圧V及び出力電流Iに基づいて、現在の発電機出力の動作点(電圧・電流)に相当するモータトルクを次式をもとに算出し、これをトルク指令値Ttとして出力する。
Tt=(V×I×Иm)/Vm ………(9)
Tt=(V×I×Иm)/Vm ………(9)
なお、上記(9)式のように発電機7の出力電圧V及び出力電流Iから直接トルク指令値Ttを算出するのではなく、発電機7の現在の動作点(V,I)を含む出力可能特性線上で、発電機効率とモータ効率とをあわせた総合効率が最適となる目標の動作点(Vt,It)から前記トルク指令値Ttを算出するようにしてもよい。この場合、目標動作点(Vt,It)は、前記出力可能特性線と予め格納された最大効率動作点線ηとの交点として設定する。
また、発電機7の現在の動作点(V,I)を含む出力可能特性線上で、発電機7の出力電力が最大となる動作点を、目標動作点(Vt,It)として設定するようにしてもよい。
さらに、発電機7の現在の動作点(V,I)を含む出力可能特性線上で、発電機効率が最適となる動作点や、モータ効率が最適となる動作点を目標動作点(Vt,It)として設定するようにしてもよい。
さらにまた、発電機7の現在の動作点(V,I)を含む出力可能特性線上で、発電機及びモータの総合効率と、発電機の出力電力との積が最大となる動作点を目標動作点(Vt,It)として設定するようにしてもよい。
さらに、発電機7の現在の動作点(V,I)を含む出力可能特性線上で、発電機効率が最適となる動作点や、モータ効率が最適となる動作点を目標動作点(Vt,It)として設定するようにしてもよい。
さらにまた、発電機7の現在の動作点(V,I)を含む出力可能特性線上で、発電機及びモータの総合効率と、発電機の出力電力との積が最大となる動作点を目標動作点(Vt,It)として設定するようにしてもよい。
1L、1R 前輪
2 エンジン
3L、3R 後輪
4 モータ
6 ベルト
7 発電機
8 4WDコントローラ
8A 目標モータトルク演算部
8B 発電機制御部
8C モータ制御部
8D TCS制御部
8E クラッチ制御部
8F 目標モータトルク決定部
9 インバータ
10 ジャンクションボックス
11 減速機
12 クラッチ
27FL、27FR、27RL、27RR 車輪速センサ
101 モータ必要電力演算部
102 目標発電電力演算部
103 発電電力制限部
104 目標発電電力決定部
105 目標動作点設定部
106 現在動作点検出部
107 発電電力制御部
2 エンジン
3L、3R 後輪
4 モータ
6 ベルト
7 発電機
8 4WDコントローラ
8A 目標モータトルク演算部
8B 発電機制御部
8C モータ制御部
8D TCS制御部
8E クラッチ制御部
8F 目標モータトルク決定部
9 インバータ
10 ジャンクションボックス
11 減速機
12 クラッチ
27FL、27FR、27RL、27RR 車輪速センサ
101 モータ必要電力演算部
102 目標発電電力演算部
103 発電電力制限部
104 目標発電電力決定部
105 目標動作点設定部
106 現在動作点検出部
107 発電電力制御部
Claims (8)
- 主駆動輪を駆動する熱機関と、その熱機関で駆動される発電機と、当該発電機により発電された電力がインバータを介して供給されて従駆動輪を駆動する交流モータとを備える車両用駆動制御装置において、
予め設定された所定の条件で前記発電機を制御する発電機制御手段を備えることを特徴とする車両用駆動制御装置。 - 前記発電機制御手段は、界磁電流を一定にして前記発電機を制御することを特徴とする請求項1に記載の車両用駆動制御装置。
- 前記発電機制御手段は、一定のPWMデューティ比で前記発電機の界磁を制御することを特徴とする請求項1に記載の車両用駆動制御装置。
- 主駆動輪を駆動する熱機関と、その熱機関で駆動される発電機と、当該発電機により発電された電力がインバータを介して供給されて従駆動輪を駆動する交流モータとを備える車両用駆動制御装置において、
前記交流モータが、予め設定された所定のモータトルクを出力するのに必要な電力を算出する必要電力演算手段と、該必要電力演算手段で算出された電力に基づいて、前記発電機の界磁を制御する発電機制御手段とを備えることを特徴とする車両用駆動制御装置。 - 前記所定のモータトルクは、前記交流モータの所定の間隔の回転数毎に設定されていることを特徴とする請求項4に記載の車両用駆動制御装置。
- 主駆動輪を駆動する熱機関と、その熱機関で駆動される発電機と、当該発電機により発電された電力がインバータを介して供給されて従駆動輪を駆動する交流モータとを備える車両用駆動制御装置において、
前記交流モータの回転速度に基づいて、前記交流モータが出力可能な最大トルクを算出する最大トルク演算手段と、該最大トルク演算手段で算出された最大トルクを出力するのに必要な電力を算出する必要電力演算手段と、該必要電力演算手段で算出された電力に基づいて、前記発電機の界磁を制御する発電機制御手段とを備えることを特徴とする車両用駆動制御装置。 - 車両の主駆動輪を駆動する熱機関と、その熱機関で駆動される発電機と、当該発電機により発電された電力がインバータを介して供給されて車両の従駆動輪を駆動する交流モータとを備える車両用駆動制御装置において、
前記車両の走行速度に基づいて、前記交流モータが出力可能な最大トルクを算出する最大トルク演算手段と、該最大トルク演算手段で算出された最大トルクを出力するのに必要な電力を算出する必要電力演算手段と、該必要電力演算手段で算出された電力に基づいて、前記発電機の界磁を制御する発電機制御手段とを備えることを特徴とする車両用駆動制御装置。 - 主駆動輪を駆動する熱機関と、その熱機関で駆動される発電機と、当該発電機により発電された電力がインバータを介して供給されて従駆動輪を駆動する交流モータとを備える車両用駆動制御装置において、
前記発電機の回転速度に基づいて、前記発電機が出力可能な電力上限値を算出する電力上限値演算手段と、該電力上限値演算手段で算出された電力上限値に基づいて、前記発電機の界磁を制御する発電機制御手段とを備えることを特徴とする車両用駆動制御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
JP2010149648A (ja) * | 2008-12-25 | 2010-07-08 | Nissan Motor Co Ltd | 四輪駆動車の電動機トルク制御装置および方法 |
WO2022059106A1 (ja) * | 2020-09-16 | 2022-03-24 | 三菱電機株式会社 | 電力変換装置および駆動制御装置 |
-
2005
- 2005-04-26 JP JP2005128010A patent/JP2006311645A/ja active Pending
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