JP2008259362A - 電動車両用駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動車両用駆動装置において、無負荷回転数以上の回転数になった場合の回生エネルギの増加によるフリクション増大を低減する。
【解決手段】モータＭを加減速制御する制御装置１に惰走スイッチ１８を接続し、回転速度が無負荷回転速度以上になった条件と惰走スイッチ信号入力とに基づいて進角制御回路２４により進角制御を行う。電動車両用駆動装置の駆動源としてのモータが長い下り坂走行などで無負荷回転速度以上になった場合に、そのままでは回転速度が高まった分に相当する回生電流がコントローラから電源バッテリへ流れてその回生エネルギの増分によりモータのフリクションが増大してしまうのに対して回生電流を抑制することができ、フリクション増大を防止し得ると共に、回生電流を抑制することによりモータの回転速度の上限を高めることができ、電動車両の惰走時の走行性能を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両用駆動装置に関するものである。

従来、ＤＣブラシレスモータを電動自動車の駆動源として用いたものがあり、長い下り坂走行で内燃機関自動車におけるエンジンブレーキと同様の制動を行うようにするためにモータの回生制御を行うようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−５８２７７号公報

しかしながら、上記したような電動自動車にあっては、長い下り坂で増速してモータの無負荷回転数以上に回転数が上がってしまうことがあり、その場合には、制御装置（コントローラ）から電源（バッテリ）へ流れる回生電流を制御することができない。そのため、例えば電源がバッテリの場合には過充電となったり、回生エネルギの増加分に応じてモータのフリクションが増大したりするという問題があった。

このような課題を解決して、電動車両用駆動装置において、無負荷回転数以上の回転数になった場合の回生エネルギの増加によるフリクション増大を低減することを実現するために本発明に於いては、駆動源に電動モータを用いた電動車両用モータ制御装置であって、前記モータの回転を検出する回転センサと、前記コイル巻線に駆動電流を供給する駆動電流供給回路と、前記駆動電流供給回路に前記供給の基準となるパルス幅変調された制御信号を出力する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記モータを運転する指令信号を発生する出力指令信号発生手段と、前記指令信号に応じて前記駆動電流の基準となる出力デューティ決定信号を発生する出力デューティ決定手段と、前記出力デューティ決定信号に応じてパルス幅変調した駆動信号に基づいて前記パワー素子回路を制御するＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号発生手段と、前記回転センサによる回転検出信号に基づいて前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度が前記モータの無負荷回転速度以上になった場合に回生電流を抑制する回生電流抑制手段とを有するものとした。

特に、前記回生電流抑制手段が、前記無負荷回転速度以上になった場合に前記ＰＷＭ信号発生手段から出力される前記各信号の位相を前記回転速度に応じて進角させる進角制御手段であること、または、前記回生電流抑制手段が、前記無負荷回転速度以上になった場合に前記ＰＷＭ信号発生手段から出力される前記各信号のベクトル制御におけるｄ軸電流を前記回転速度に応じて低減するｄ軸電流制御手段であると良い。

あるいは、前記モータが、複数の磁石及び複数の電機子コイルの一方を周方向に配設された回転子と、前記複数の磁石及び複数の電機子コイルの他方を周方向に配設された固定子とを備え、前記回転子と前記固定子との相対距離を前記回転子の回転軸の軸線方向に可変可能にするアクチュエータを設け、前記回生電流抑制手段が、前記無負荷回転速度以上になった場合に前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を増大させる移動信号を前記アクチュエータに出力するアクチュエータ位置制御手段であると良い。

このように本発明によれば、電動車両用駆動装置の駆動源としてのモータが長い下り坂走行などで無負荷回転速度以上になった場合に、そのままでは回転速度が高まった分に相当する回生電流がコントローラから電源バッテリへ流れてその回生エネルギの増分によりモータのフリクションが増大してしまうのに対して回生電流を抑制することができ、フリクション増大を防止し得ると共に、回生電流を抑制することによりモータの回転速度の上限を高めることができ、電動車両の惰走時の走行性能を高めることができる。

特に、回生電流抑制手段が進角させる制御を行うものとすることにより、例えば駆動時に進角制御する進角制御回路を設けた場合に回生用として進角制御回路を新たに設ける必要が無く、進角制御回路を流用できるなど安価に上記効果を奏し得る。また、ｄ軸電流を制御して界磁を低減することにより回生電流を低減するようにしても良く、その場合にはブラシレスモータの公知の制御回路を用いることができ、簡単に回路を構成できる。また、モータの固定子を回転子の軸線方向に回転子との相対距離を可変可能にして、固定子と回転子との対向面積を減少させることにより界磁を弱めて、それにより回生電流を低減するようにしても良く、その場合には進角やｄ軸電流の制御に比べて界磁弱めの範囲が大きくなり、回生電流の低減幅を大きくすることができ、より一層広範な制御が可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明に基づくモータのモータ制御装置のブロック回路図である。また、電動自動車の駆動源に用いられるモータＭのモータ制御装置であり、図示例ではアウタロータ型のモータを用い、そのアウタロータに車輪を取り付けたものである。なお、図示例では３相のブラシレスモータＭについて示しているが、一例であり、制御対象となるモータを限定するものではない。

図示例では、車載バッテリＢＴを電源とし、モータＭを制御する制御手段としての制御装置１が示されている。図に示されるように、バッテリＢＴに、ＦＥＴを用いたブリッジ回路が構成された駆動電流供給回路としてのインバータ２を介してモータＭの各相（Ｕ・Ｖ・Ｗ相）コイル３が接続されている。なお、特に断らない限り以下に示す各回路などは制御装置１内に設けられている。

バッテリＢＴとインバータ２とを接続する電源線には電流検出センサ４が設けられており、電流検出センサ４により検出された電流検出信号が対応する電流検出回路６に入力するようになっている。モータＭには固定子としてのステータ８に対する回転子としてのロータ９の回転角度を検出する回転角度センサ１１が設けられており、その回転角度信号が回転角度検出回路１２と回転速度検出回路１３とに入力し、回転角度検出回路１２ではロータ９の回転位置を求め、回転速度検出回路１３では回転数（回転速度）を算出する。

制御装置１の外部には車両の所定の位置に運転手による操作指令を出すためのアクセル１４が設けられている。また、制御装置１内には惰走指令回路１５ａと加減速指令回路１５ｂとにより構成された運転操作入力回路１５が設けられており、アクセル１４が操作された状態に対応するアクセル操作信号が入力された場合には加減速指令回路１５ｂからアクセル操作量および増減変化に応じて加減速指令信号が出力電流指令回路１６に出力される。アクセル１４が操作されていない状態（初期位置）に対応するアクセル操作信号が入力された場合には加減速指令回路１５ｂから惰走指令信号が惰走電流指令回路１７に出力される。

また、制御装置１の外部には回生電流抑制スイッチとしての惰走スイッチ１８が設けられており、惰走スイッチ１８からのオン信号が惰走指令回路１５ａに入力されたら惰走指令回路１５ａから惰走指令信号が惰走電流指令回路１７に出力される。

上記回転速度検出回路１３からの回転速度検出値が回転速度比較回路１９に入力し、回転速度比較回路１９ではメモリ２０に予め記憶されている第１の惰走許可回転速度記憶値（否惰走状態から惰走状態に移行する回転速度）を読み出して回転速度検出値と比較し、回転速度検出値が第１の惰走許可回転速度記憶値以上になったと判定された場合にはその第１判定信号を第２の惰走許可回転速度記憶値（惰走状態から否惰走状態に移行する回転速度）を読み出して回転速度検出値と比較し、回転速度検出値が第２の惰走許可回転速度記憶値以下になったと判定された場合にはその第２判定信号を惰走電流指令回路１７に出力する。

惰走指令電流回路１７では、運転操作入力回路１５からの惰走指令信号と回転速度比較回路１９からの判定回路との論理和に応じて惰走電流指令値信号を電流比較回路２１に出力する。電流比較回路２１には、電流検出回路６からの電流検出値信号が入力されると共に、出力電流指令回路１６からの出力電流指令値信号も入力される。

電流比較回路２１では、電流検出値と、入力される惰走電流指令値または出力電流指令値とを比較し、比較結果（電流偏差）を出力決定回路２２に出力する。出力決定回路２２では、電流の比較結果に基づいてモータＭを制御する出力決定値をＤｕｔｙ制御回路２３と進角制御回路２４とに並列に出力する。

なお、上記惰走電流指令回路１７から惰走フラグ信号も出力された場合にはその惰走フラグ信号が出力決定回路２２に入力する。出力決定回路２２では、惰走フラグ信号が未入力の場合には出力決定値をＤｕｔｙ制御回路２３に出力し、惰走フラグ信号が入力された場合には出力決定値を進角制御回路２４に出力する。

Ｄｕｔｙ制御回路２３にあっては、出力決定値に基づいて駆動（加減速）出力制御におけるデューティ比を決定し、そのデューティ比決定信号をＰＷＭ信号生成回路２５に出力する。また、進角制御回路２４にあっては、出力決定値に基づいて進角制御における進角値を決定し、その進角決定信号をＰＷＭ信号生成回路２５に出力する。

ＰＷＭ信号生成回路２５は、ブラシレスモータに対する公知のＰＷＭ制御におけるパルス幅変調されかつデューティ比に応じた制御信号としてのＰＷＭ信号を決定する。そして、ＰＷＭ信号生成回路２５にあっては、回転角度検出回路１２からの回転位置信号が入力し、その信号に合わせて上記ＰＷＭ信号および進角信号によりインバータ２を制御する。なお、回生制御にあっては、図示例の３相ブラシレスモータであってインバータ２がＦＥＴを用いたＨ型ブリッジ回路で構成されている場合にはＦＥＴをチョッピング制御する。チョッピング・デューティが０で回生力最大となり、チョッピング・デューティ０では、全てのＦＥＴがオフし、ＦＥＴの寄生ダイオードを介して回生電流が全波整流される。

なお、各回路はＩＣを用いて構成されるものと、ＣＰＵのプログラム制御により構成されるものとを含むものであって良い。また、図示された回路名称及び信号線により理解される部分についてはその詳しい説明を省略する。

次に、本発明に基づく駆動制御要領を図２を参照して以下に示す。ステップＳＴ１では惰走フラグＦＬＧが立っているか否かを判別し、惰走フラグＦＬＧが立っていない（＝０）場合にはステップＳＴ２に進む。ステップＳＴ２では惰走スイッチ１８がオンであるか否かを判別し、オンの場合にはステップＳＴ３に進む。ステップＳＴ３では第１の惰走許可回転速度記憶値としての車速Ｖが２０ｋｍ／ｈより高いか否かを判別し、高い場合にはステップＳＴ４に進む。なお、車速Ｖを特に算出しなくても、その車速に相当するモータＭの回転速度（減速機付きの場合には減速比も含める）をもって判定して良い。

ステップＳＴ４ではアクセル１４が操作されている（オン）か否（オフ）かを判別し、アクセル１４が操作されていない場合にはステップＳＴ５に進む。ステップＳＴ５では回生制御が行われているか否かを判別する。なお、回生制御中の判定は例えば電流比較回路２１で出力電流指令値に対して電流検出値が高い場合であって良い。

ステップＳＴ５で回生制御が行われていないと判定された場合にはステップＳＴ６に進む。ステップＳＴ６では上記ステップＳＴ２〜５の条件により惰走制御を行うとして惰走フラグを立てる（ＦＬＧ＝１）。ここで、惰走とは、車両の走行抵抗以下の微弱な駆動状態にしてモータＭをフリーランに近い状態にした場合である。

ステップＳＴ６の次には図３に示されるステップＳＴ７に進む。ステップＳＴ７では惰走フラグＦＬＧが立っているか否かを判別する。なお、上記ステップＳＴ２で惰走スイッチ１８がオフであると判定された場合、ステップＳＴ３で車速Ｖが２０ｋｍ／ｈ以下であると判定された場合、ステップＳＴ４でアクセル１４がオフ（操作量０）であると判定された場合、ステップＳＴ５で回生制御中であると判定された場合にはステップＳＴ７に進む。

また、ステップＳＴ１で惰走フラグが立っている（ＦＬＧ＝１）と判定された場合にはステップＳＴ８に進み、そこでは惰走スイッチ１８がオンであるか否かを判別する。ステップＳＴ８で惰走スイッチがオンであると判定された場合にはステップＳＴ９に進み、そこでは第２の惰走許可回転速度記憶値としての車速Ｖが１０ｋｍ／ｈ以下であるか否かを判別する。車速Ｖが１０ｋｍ／ｈより高いと判定された場合にはステップＳＴ７に進む。

また、ステップＳＴ８で惰走スイッチがオフであると判定された場合、ステップＳＴ９で車速Ｖが１０ｋｍ／ｈ以下であると判定された場合にはステップＳＴ１０に進む。ステップＳＴ１０では惰走フラグを立てない（ＦＬＧ＝０）ようにしてステップＳＴ７に進む。惰走スイッチ１８がオフであれば惰走制御しないので対応するフラグＦＬＧを立てず、また車速１０ｋｍ／ｈ以下の場合にはモータＭが過回転にならないので惰走制御の対象外としてフラグＦＬＧを立てない。

次にステップＳＴ７以降の制御について図３を参照して以下に示す。ステップＳＴ７では惰走フラグが立っているか否かを判別する。惰走フラグが立っている（ＦＬＧ＝１）と判定された場合にはステップＳＴ１１に進み、立っていない（ＦＬＧ＝０）と判定された場合にはステップＳＴ１に戻る。

ステップＳＴ１１では電流検出値（現在流れている電流値）Ｉｓと惰走電流指令値（無負荷回転速度時の電流）Ｉｉとが一致しているか否かを判別し、不一致の場合にはステップＳＴ１２に進み、一致している場合にはステップＳＴ１に戻る。なお、電流値の一致の判定にあっては、厳密なものである必要はなく、制御の精度に合わせた一致範囲を設定して良い。

ステップＳＴ１２では電流検出値Ｉｓが惰走電流指令値Ｉｉより小さいか否かを判別し、小さいと判定された場合にはステップＳＴ１３に進む。ステップＳＴ１３ではＤｕｔｙ制御回路２３によるデューティ比決定信号（駆動デューティ比）Ｄｕｔｙが１００％に達しているか否かを判別する。ステップＳＴ１３でデューティ比決定信号Ｄｕｔｙが１００％に達していないと判定された場合にはステップＳＴ１４に進み、そこで駆動デューティ比を高めてステップＳＴ１に戻る。この駆動デューティ比の増加分は電流比較回路２１による電流比較結果に基づいて設定することができる。

上記ステップＳＴ１２で電流検出値Ｉｓが惰走電流指令値Ｉｉより大きいと判定された場合にはステップＳＴ１５に進む。ステップＳＴ１５では、進角制御回路２４からの進角決定信号が発生している（進角値α＞０度）か否かを判別し、進角決定信号が発生していない（α＝０度）と判定された場合にはステップＳＴ１６に進む。

ステップＳＴ１６では、デューティ比決定信号が発生している（デューティ比Ｄｕｔｙ＞０％）か否かを判別し、デューティ比決定信号が発生している（デューティ制御中）と判定された場合にはステップＳＴステップＳＴ１７に進み、そこでは駆動デューティ比Ｄｕｔｙを減らしてステップＳＴ１に戻る。この駆動デューティ比Ｄｕｔｙの減少分も電流比較回路２１による電流比較結果に基づいて設定することができる。なお、ステップＳＴ１６でデューティ比決定信号が発生していない（Ｄｕｔｙ＝０％）と判定された場合にはステップＳＴ１に戻る。

ステップＳＴ１４またはステップＳＴ１７に進む場合は、駆動デューティ比Ｄｕｔｙが０％と１００％との間にある場合であり、デューティ制御範囲であることから上記したように電流の状態に応じて駆動デューティ比の増減制御を行う。

次に、ステップＳＴ１３で駆動デューティ比Ｄｕｔｙが１００％に達していると判定された場合、すなわちデューティ制御の上限に達してそれ以上駆動デューティ比Ｄｕｔｙの増減による電流増減制御ができなくなった場合にはステップＳＴ１８に進む。ステップＳＴ１８では進角決定信号による進角値αが進角最大値αmaxに達しているか否かを判別し、進角値αが進角最大値αmaxより小さいと判定された場合にはステップＳＴ１９に進み、進角値αが進角最大値αmaxに達していると判定された場合にはステップＳＴ１に戻る。

ステップＳＴ１９では、ステップＳＴ１２の分岐条件から検出電流値Ｉｓが惰走電流指令値Ｉｉより小さいすなわち惰走電流指令値Ｉｉに達していないため、無負荷回転数（無負荷回転速度）を高めることができると共にステップＳＴ１８の分岐条件により進角最大値αmaxまで余裕があることから進角値αを増し（進め）て、ステップＳＴ１に戻る。これにより電流検出値（現在電流値）Ｉｓが惰走電流指令値Ｉｉに達するまで回転速度を高めることができるため、同一モータＭにおいて進角を行わない場合の無負荷回転数以上に回転速度を高めることができ、惰走における走行性能を高めることができる。

また、ステップＳＴ１５で進角値αが０度ではない（α＞０度）と判定された場合にはステップＳＴ２０に進み、ステップＳＴ１２の分岐条件から検出電流値Ｉｓが惰走電流指令値Ｉｉ以上であるため、無負荷回転数を下げることが望ましいと共にステップＳＴ１５の分岐条件により進角していることから進角値αを減らし（戻し）て、ステップＳＴ１に戻る。これにより、惰走電流指令値Ｉｉ以上となった現在電流値（Ｉｓ）を減らすことができ、惰走における過回転状態を防止することができる。

このようにして、無負荷回転数以上にモータＭが回転してもある程度の高速回転まで回生電流のバッテリＢＴへの流れを抑制することができ、従来の問題点として述べたように、インバータ２からバッテリＢＴへ回生電流が流れて、その回生エネルギの分に相当するモータＭのフリクションが増大となってしまうことを防止できる。

なお、上記図示例では進角制御により無負荷回転数以上の制御を行うようにしたが、進角制御に代えてｄ軸電流を変化させる制御を行うことができる。ｄ軸成分は励磁電流であり、励磁電流を低減する弱め界磁制御により高速回転領域での誘起電圧の上昇を抑えてインバータの耐圧条件を緩和することができ、無負荷回転数を高めることができるため、上記と同様の効果を奏し得る。

また、界磁量を制御して回生量を制御するようにしても良く、その場合のモータＭの構造の一例を図４に模式的に示す。なお、図にあっては、内周面に永久磁石Ｍｇを配設されたロータ９に車輪Ｗが一体的に設けられている。図に示されるように、ステータ８をロータ９の軸線方向に変位可能に設けると共に、進角制御回路２４に置き換えてアクチュエータ位置制御手段としてのステータ位置制御回路２６と、ステータ位置制御回路２６により駆動制御されるアクチュエータＡとを設けることにより、出力決定値に応じてステータ位置制御回路２６からステータ８の位置を決定するステータ位置信号を出力して、そのステータ位置信号に応じてアクチュエータＡによりステータ８を変位させることができる。

ステータ８を矢印Ｂに示されるように永久磁石Ｍｇから離脱させる方向に変位させることにより、その変位に応じてステータ８と永久磁石Ｍｇとの互いの対向面積が減少し、界磁量が減少する。なお、アクチュエータＡによりステータ８を戻す（入れる）方向に変位させることにより界磁量を増大することができ、ステータ８と永久磁石Ｍｇとを正対させてデューティ制御を行うようにすることができる。

なお、低回転でモータＭの発電電圧を上昇させる方法としては、図示例にあっては、インバータ２の下段ＦＥＴ群をオフにし、上段ＦＥＴ群をスイッチングによりオン／オフすることにより可能である。さらに、スイッチングの代わりに、モータ駆動の進角を通常よりも遅らせる遅角通電を行うことで発電電圧を上昇させるようにしても良い。

また、ＳＴ３、ＳＴ９の速度条件を無くす（または、第１の惰走許可回転速度と第２の惰走許可回転速度とを０にする）ことによって、停車時にも微弱な駆動トルクを発生させることで機械ブレーキを緩めるだけでゆっくり走行できるクリープ現象と同じ効果を出すことが可能となる。

本発明にかかる電動車両用駆動装置は、無負荷回転速度を高めることができ、長い下り坂走行等の走行性能性を向上することができ、電動自動車の駆動装置等として有用である。

本発明に基づく駆動装置の回路ブロック図である。 本発明に基づく制御フローの前半を示す図である。 本発明に基づく制御フローの後半を示す図である。 可変界磁可能なモータ構造を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 制御装置
２ インバータ
８ ステータ
９ ロータ
１１ 回転角度センサ
１３ 回転速度検出回路
１４ アクセル
１５ａ 惰走指令回路
１７ 惰走電流指令回路
１８ 惰走スイッチ
１９ 回転速度比較回路
２２ 出力決定回路
２４ 進角制御回路
２６ ステータ位置制御回路
Ａ アクチュエータ
Ｍ モータ

Claims (4)

1. 駆動源に電動モータを用いた電動車両用モータ制御装置であって、
   前記モータの回転を検出する回転センサと、前記コイル巻線に駆動電流を供給する駆動電流供給回路と、前記駆動電流供給回路に前記供給の基準となるパルス幅変調された制御信号を出力する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記モータを運転する指令信号を発生する出力指令信号発生手段と、前記指令信号に応じて前記駆動電流の基準となる出力デューティ決定信号を発生する出力デューティ決定手段と、前記出力デューティ決定信号に応じてパルス幅変調した駆動信号に基づいて前記パワー素子回路を制御するＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号発生手段と、前記回転センサによる回転検出信号に基づいて前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度が前記モータの無負荷回転速度以上になった場合に回生電流を抑制する回生電流抑制手段と、前記回生電流抑制手段による前記回生電流の抑制を行わせるための回生電流抑制スイッチとを有することを特徴とする電動車両用駆動装置。
2. 前記回生電流抑制手段が、前記無負荷回転速度以上になった場合に前記ＰＷＭ信号発生手段から出力される前記各信号の位相を前記回転速度に応じて進角させる進角制御手段であることを特徴とする請求項１に記載の電動車両用駆動装置。
3. 前記回生電流抑制手段が、前記無負荷回転速度以上になった場合に前記ＰＷＭ信号発生手段から出力される前記各信号のベクトル制御におけるｄ軸電流を前記回転速度に応じて低減するｄ軸電流制御手段であることを特徴とする請求項１に記載の電動車両用駆動装置。
4. 前記モータが、複数の磁石及び複数の電機子コイルの一方を周方向に配設された回転子と、前記複数の磁石及び複数の電機子コイルの他方を周方向に配設された固定子とを備え、
   前記回転子と前記固定子との相対距離を前記回転子の回転軸の軸線方向に可変可能にするアクチュエータを設け、
   前記回生電流抑制手段が、前記無負荷回転速度以上になった場合に前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を増大させる移動信号を前記アクチュエータに出力するアクチュエータ位置制御手段であることを特徴とする請求項１に記載の電動車両用駆動装置。

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