JP2008131757A - 電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の回転数が高い領域においても演算処理の負荷が大きくなることを招くことのない、電動機制御装置を提供すること。
【解決手段】本発明の電動機制御装置１は、電動機２を駆動する駆動手段３と、電動機２の電気角を検出する電気角検出手段４と、電動機２の三相交流電流を検出する電流検出手段５と、電流検出手段５の検出した三相交流電流をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段６と、Ａ／Ｄ変換手段６が変換した三相交流電流を座標変換してトルクを求めてトルク指令値との比較のもとに駆動手段３をフィードバック制御する制御手段７、８、９、１０とを備えると共に、Ａ／Ｄ変換手段６がＡ／Ｄ変換の周期を電気角より求めた回転数が所定値以上の場合において一定周期とすることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機を駆動制御する電動機制御装置であって、特には高速回転域における演算負荷を軽減することができる電動機制御装置に関する。

通常、ハイブリッド車や電気自動車に適用される電動機を駆動制御する電動機制御装置においては、特許文献１に記載されているように、電流又はトルクをパラメータとしてフィードバック制御が行われており、制御の応答性と収束性を高めることが行われている。このような電動機制御装置においては、より具体的には電流又はトルクをパラメータとしてフィードバック制御するＰＷＭ制御や、電流又はトルクをパラメータとしてフィードバック制御する矩形制御などの制御方式が適用されることが多く、電動機制御装置の演算負荷を軽減する目的の下では、後者の矩形制御を用いることが有利である。

このような電動機制御装置は、例えば、直流電源をもとに三相交流電圧を発生して電動機を駆動するインバータと、電動機の電気角を検出するレゾルバと、電動機の三相交流電流を検出する電流センサと、電流センサの検出した三相交流電流を所定の電気角毎にＡ／Ｄ変換してｄｑ軸に座標変換してトルクを求めて外部から入力されたトルク指令値との比較のもとに、トルクのフィードバック制御を行うＥＣＵ(Electronic Control Unit)が備えて構成される。
特開２００２−１７６７９１号公報

ところが、電動機の回転数が高い領域においては、所定の電気角毎に三相交流電流をＡ／Ｄ変換すると、Ａ／Ｄ変換の周期が短くなって、ＥＣＵの演算処理の負荷が大きくなるという問題が生じる。特に、近年のハイブリッド車や電気自動車に適用される電動機においては高回転化が要求されているため、ＥＣＵの演算処理能力を超える回転数となった場合には所望の周期でＡ／Ｄ変換できなくなると言う問題も生じる。

そこで本発明は、電動機の回転数が高い領域においても演算処理の負荷が大きくなることを招くことのない、電動機制御装置を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明に係る電動機制御装置は、
電動機を駆動する駆動手段と、前記電動機の電気角を検出する電気角検出手段と、前記電動機の三相交流電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出した三相交流電流をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段が変換した前記三相交流電流を座標変換してトルクを求めてトルク指令値との比較のもとに前記駆動手段をフィードバック制御する制御手段とを備えると共に、
前記Ａ／Ｄ変換手段が前記Ａ／Ｄ変換の周期を前記電気角より求めた回転数が所定値以上の場合において一定周期とすることを特徴とする。

なお、前記駆動手段とは具体的には半導体スイッチング素子よりなるインバータであり、前記電気角検出手段とは具体的にはレゾルバ又はエンコーダであり、前記電流検出手段とは具体的には電流センサであり、前記Ａ／Ｄ変換手段および前記制御手段は一つのＥＣＵまたはマイクロコンピュータにより構成される。また、電動機は典型的には三相交流同期電動機や三相交流誘導電動機を指す。

このような構成によれば、電動機の回転数が高い領域においては、前記Ａ／Ｄ変換の周期を前記電気角に依存しない一定周期とすることができるので、電動機の回転数が高い領域において前記Ａ／Ｄ変換の周期が短くなりすぎて、前記Ａ／Ｄ変換手段の演算処理の負荷が増大することを防止することができる。

また、前記Ａ／Ｄ変換手段の演算処理の負荷低減と共に前記制御手段の演算処理の負荷を低減できるため、前記駆動手段の発生する電圧の周波数を高めて、電動機の多極化を図り、電動機の制御をより有利なものとすることができる。

なお上述したような構成は、ＰＷＭ制御の電動機制御装置にも矩形制御の電動機制御装置にも適用可能であるが、後者の矩形制御の電動機制御装置においてより、演算負荷を軽減する要請が大きいことから、後者の矩形制御の電動機制御装置に適用してより効果的である。

本発明によれば、演算処理の負荷が大きくなることを招くことのない、電動機制御装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明による電動機制御装置の一実施例を示す模式ブロック図であり、図２は、本発明による電動機制御装置の一実施例の出力波形を示す模式図である。

本実施例の電動機制御装置１は、三相交流同期電動機２を駆動するインバータ３と、レゾルバ４と、電流センサ５と、Ａ／Ｄ変換手段６と、三相二相変換手段７と、トルク推定手段８と、ＰＩ演算手段９と、矩形波発生手段１０とを備える。

三相交流同期電動機２は、ロータに永久磁石が埋設された４極対の永久磁石型の同期電動機であり、ステータを構成するコアのスロットに巻回されて構成されるコイルに三相交流電流が印加されると、周方向に回転磁界が発生して、ロータに埋設された永久磁石が吸引反発されてロータが回転するものである。

レゾルバ４は、例えば三相交流同期電動機２を構成するロータの軸端部に設けられたホール素子と永久磁石とから構成され、ロータの軸端部に設けられた永久磁石の磁界の角度及び回転をステータ側に設けられたホール素子により検出して、三相交流同期電動機２を構成するロータの電気角を検出するものである。

電流センサ５は例えばクランプ式の電流センサであり、三相交流同期電動機２のステータの各相のコイルの三相交流電流を検出するものである。なお、三相交流同期電動機２のそれぞれの三相交流電流の合計は０であるため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流の内、ここではＵ相とＶ相の電流を検出し、Ｗ相についてはＵ相及びＶ相の電流の和を０から差し引くことにより求める。

Ａ／Ｄ変換手段６は電流センサ５の検出した各三相交流電流とレゾルバ４の検出した電気角をＡ／Ｄ変換して、トルク推定手段８に供給するとともに、電気角から回転数を演算して、回転数に基づいてＡ／Ｄ変換の周期を異ならせるものである。

ここでは、Ａ／Ｄ変換手段６は、回転数が１２０００ｒｐｍ以下においては、電気角６０度毎にＡ／Ｄ変換を行う。つまり、回転数をＮ（ｒｐｍ）とすると、三相交流同期電動機２は４極対であるからその周期は１／（Ｎ×４／６０×（３６０／６０））（ｓｅｃ）となり、回転数Ｎ＝１２０００ｒｐｍのとき周期は１／４８００（ｓｅｃ）となる。

さらに、Ａ／Ｄ変換手段６は、回転数が１２０００ｒｐｍ以上の場合において、三相交流同期電動機２の三相交流電流のＡ／Ｄ変換の周期を、１／４８００（ｓｅｃ）の一定周期とする。すなわち、回転数Ｎ＝１２０００ｒｐｍの前後においてＡ／Ｄ変換の周期は連続となるように設定する。

三相二相変換手段７は、Ａ／Ｄ変換手段６が変換した三相交流電流を電気角に基づいて三相から二相に座標変換してｄ軸電流およびｑ軸電流を求めるものである。

トルク推定手段８は、三相二相変換手段７が求めたｄ軸電流およびｑ軸電流を用いて三相交流同期電動機２のトルク（実トルク）を推定するものである。

ＰＩ演算手段９は、トルク推定手段８の推定したトルクと外部から入力されたトルク指令値との差に基づいて位相φをＰＩ演算する。なお外部とは、例えばアクセルペダルのストロークを検出するＨＶＥＣＵを指す。また、ＰＩとは、フィードバック制御において、入力値を出力値と目標値の偏差及び偏差の積分値に比例させて制御することを言う。

矩形波発生手段１０は、ＰＩ演算手段９の演算した位相φに基づいて、位相φだけ遅らせた矩形波を発生してこの矩形波をもとにインバータ３を制御する。

インバータ３はスイッチング素子を組み合わせた周知の構成のものであり、図示しない直流電源をもとに、図２に示すような矩形波状の位相φだけ遅れた三相交流電圧を発生して三相交流同期電動機２を駆動する駆動手段を構成する。Ｕ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧は相互に１２０度位相がずれた１２０度通電波形をなしており、それぞれの通電電気角は１８０度である。

例えば、図２において、Ｕ相電圧は２７０度−φから９０度−φまでオンとなり、Ｖ相電圧は３０度−φから２１０度−φまでオンとなり、Ｗ相電圧は１５０度−φから３３０度−φまでオンとなる。このように各相の三相交流電流を電気角に対して、トルクとトルク指令値の差に基づいてＰＩ演算された位相φだけ遅らせることにより、トルクをパラメータとしたフィードバック制御がなされる。

すなわち、Ａ／Ｄ変換手段６、三相二相変換手段７、トルク推定手段８、ＰＩ演算手段９、矩形波発生手段１０は一つの制御ＥＣＵ(Electronic Control Unit)により構成され、三相二相変換手段７、トルク推定手段８、ＰＩ演算手段９、矩形波発生手段１０はトルクをパラメータとしてフィードバック制御を行う制御手段を構成する。

この制御ＥＣＵは例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびそれらを接続するデータバスから構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従い、ＣＰＵが上述したＡ／Ｄ変換手段６、三相二相変換手段７、トルク推定手段８、ＰＩ演算手段９、矩形波発生手段１０それぞれの所定の処理を行うものである。

以上述べた本実施例の電動機制御装置１は、以下に述べる制御ＥＣＵのＡ／Ｄ変換手段６の制御内容に基づいて実行される。図３に、本実施例の電動機制御装置１の制御ＥＣＵのＡ／Ｄ変換手段６の制御内容を示すフローチャートを示す。以下このフローチャートを用いてＡ／Ｄ変換手段６の制御内容を説明する。

Ｓ１において、Ａ／Ｄ変換手段６はレゾルバ４より三相交流同期電動機２の電気角を取得し、Ｓ２において、Ａ／Ｄ変換手段６は電流センサ５により三相交流同期電動機２の各Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電流を取得する。Ｓ３において、Ａ／Ｄ変換手段６は電気角から三相交流同期電動機２の回転数を演算する。

Ｓ４において、Ａ／Ｄ変換手段６は、回転数が１２０００ｒｐｍ以上であるかどうかを判定し、回転数が１２０００ｒｐｍ以下であればＳ５にすすみ、回転数が１２０００ｒｐｍ以上であればＳ６にすすむ。

Ｓ５において、Ａ／Ｄ変換手段６は電気角６０度毎に電流センサ５から取得した三相交流電流のＡ／Ｄ変換を行い、Ｓ６において、Ａ／Ｄ変換手段６は、１／４８００ｓｅｃ毎に電流センサ５から取得した三相交流電流のＡ／Ｄ変換を行う。

上述した制御内容により実現される本実施例によれば、三相交流同期電動機２の回転数が高い領域においては、Ａ／Ｄ変換手段６によるＡ／Ｄ変換の周期を電気角に依存しない一定周期とすることができるので、Ａ／Ｄ変換手段６の演算処理の負荷が増大することを防止することができる。

加えて、Ａ／Ｄ変換手段６の演算処理の負荷低減と共に、制御ＥＣＵのＡ／Ｄ変換手段６以外の部分である制御手段つまりは、三相二相変換手段７、トルク推定手段８、ＰＩ演算手段９、矩形波発生手段１０の演算処理の負荷を低減できるため、インバータ３の発生する三相交流電圧の周波数を高めて、三相交流同期電動機２の多極化を図り、電動機の制御をより有利なものとすることができる。

さらに、本実施例ではトルクをパラメータとしたフィードバック制御において、回転数１２０００ｒｐｍ以上の領域においてＡ／Ｄ変換の周期を１／４８００ｓｅｃの一定周期としているため、回転数の高い領域においてトルクは一定値に近くなることに起因して、Ａ／Ｄ変換の周期を一定周期として、電気角６０度毎にＡ／Ｄ変換することに比べてその周期を長くしても、制御性が低下することを防止することができる。

以上本発明の一実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例においては、Ａ／Ｄ変換の周期を一定とする所定の回転数を１２０００ｒｐｍとしたが、もちろんこれは例示的なものであり、この数値は制御ＥＣＵのスペックにより決定されるものであって、適宜他の数値とすることも可能である。

また、所定の回転数以下の領域において電気角６０度毎にＡ／Ｄ変換手段６がＡ／Ｄ変換を行ったが、これも例示的なものであり、他の数値の電気角毎にＡ／Ｄ変換を行うことも可能である。

また、上記実施例の電動機制御装置１は、力率、効率、制御性能の優れる三相交流同期電動機２に適用したが、三相交流誘導電動機に適用してもちろん良い。

さらに、上記実施例ではインバータ３を矩形制御のものとしたが、ＰＷＭ制御のものとしてもよい。

加えて、本実施例ではトルクをパラメータとしたフィードバック制御において、回転数１２０００ｒｐｍ以上の領域においてＡ／Ｄ変換の周期を１／４８００ｓｅｃの一定周期としているが、これは、回転数の高い領域においてトルクは一定値に近くなるために、Ａ／Ｄ変換の周期を一定周期としても制御性が低下することがないためである。つまり、単に制御ＥＣＵひいては制御手段の演算負荷の低減を図る意味では、電流をパラメータとしたフィードバック制御において、回転数の高い領域においてＡ／Ｄ変換周期を一定周期とすることも可能である。

本発明は、ハイブリッド車や電気自動車に適用される電動機の電動機制御装置に関するものであり、高速回転域における演算処理の負荷が増大することを防止して、電動機の多極化や制御性の向上を図ることができるので、種々の自動車に適用可能であるとともに有用なものである。

本発明による電動機制御装置の一実施例を示す模式ブロック図である。 本発明による電動機制御装置の一実施例の出力波形を示す模式図である。 本発明による電動機制御装置の一実施例の制御内容の一部を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 電動機制御装置
２ 三相交流同期電動機
３ インバータ
４ レゾルバ
５ 電流センサ
６ Ａ／Ｄ変換手段
７ 三相二相変換手段
８ トルク推定手段
９ ＰＩ演算手段
１０ 矩形波発生手段

Claims (1)

1. 電動機を駆動する駆動手段と、前記電動機の電気角を検出する電気角検出手段と、前記電動機の三相交流電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出した三相交流電流をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段が変換した前記三相交流電流を座標変換してトルクを求めてトルク指令値との比較のもとに前記駆動手段をフィードバック制御する制御手段とを備えると共に、前記Ａ／Ｄ変換手段が前記Ａ／Ｄ変換の周期を前記電気角より求めた回転数が所定値以上の場合において一定周期とすることを特徴とする電動機制御装置。

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