JP2010268566A - 独立車輪駆動電動車の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】駆動輪を駆動する永久磁石式同期電動機の永久磁石が減磁している場合にも、左右車輪トルクのアンバランスを適切に是正して安定した駆動を行うことができるようにする。
【解決手段】電流指令値演算部11の機能構成として減磁判定ブロック22と減磁時の電流指令値演算ブロック25とを設け、第1のモータ1の磁石磁束推定値ψa1と第2のモータ2の磁石磁束推定値ψa2とに基づいて、減磁判定ブロック22にて第1のモータ1と第2のモータ2のいずれかが減磁状態となっているか否かを判定する。そして、いずれかのモータが減磁状態となっていれば、減磁時の電流指令値演算ブロック25において、減磁状態となっているモータで実現可能なトルク範囲内で各モータの出力トルクが一致するように、各モータ1,2に対する電流指令値を各々算出する。
【選択図】図3
【解決手段】電流指令値演算部11の機能構成として減磁判定ブロック22と減磁時の電流指令値演算ブロック25とを設け、第1のモータ1の磁石磁束推定値ψa1と第2のモータ2の磁石磁束推定値ψa2とに基づいて、減磁判定ブロック22にて第1のモータ1と第2のモータ2のいずれかが減磁状態となっているか否かを判定する。そして、いずれかのモータが減磁状態となっていれば、減磁時の電流指令値演算ブロック25において、減磁状態となっているモータで実現可能なトルク範囲内で各モータの出力トルクが一致するように、各モータ1,2に対する電流指令値を各々算出する。
【選択図】図3
Description
本発明は、車両の複数の駆動輪を複数の永久磁石式同期電動機で個別に駆動する独立車輪駆動電動車の制御装置に関する。
車両の複数の駆動輪を複数の電動機で個別に駆動する独立車輪駆動電動車では、左右の駆動輪を駆動する電動機の間で出力トルクのアンバランスが生じると、意図しないヨーモーメントが発生して車両挙動に悪影響を与えることから、このトルクアンバランスを適切に是正することが求められる。
同一軸内の左右車輪トルクのアンバランスを是正するための技術としては、例えば、下記特許文献1に記載された技術が知られている。この特許文献1記載の技術は、同一軸内の左右車輪トルクの大きさを推定し、その結果にアンバランスがあれば電動機への電流増減によって左右同一トルクとなるようにしたり、左右のトルク差が閾値より大きい場合はトルクを双方ともゼロにするというものであり、これにより、意図しないヨーモーメントを発生させることなく、安定的に車両を駆動できるようにしている。
しかしながら、駆動輪を駆動する電動機として永久磁石式同期電動機を用いた場合は、電動機の永久磁石が減磁することにより電動機の出力トルクが低下している場合もある。そして、このような状況で、左右車輪トルクのアンバランスを是正するために減磁状態となっている電動機への電流を増加させると、この電流増加により永久磁石の減磁がさらに促進され、左右車輪トルクのアンバランスがさらに拡大するといった問題がある。
本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みて創案されたものであって、駆動輪を駆動する永久磁石式同期電動機の永久磁石が減磁している場合にも、左右車輪トルクのアンバランスを適切に是正して安定した駆動を行うことができる独立車輪駆動電動車の制御装置を提供することを目的としている。
本発明に係る独立車輪駆動電動車の制御装置は、車両の複数の駆動輪を各々個別に駆動する複数の電動機に通電する電流の指令値を演算する電流指令値演算手段と、複数の電動機への通電電流を電流指令値演算手段で演算した指令値に近づけるように制御する電流制御手段と、複数の電動機の磁石磁束を推定する磁石磁束推定手段とを備える。電流指令値演算手段は、磁石磁束推定手段による推定結果に基づいて複数の電動機のうちいずれかが減磁状態となっているか否かを判定し、いずれかの電動機が減磁状態となっている場合には、減磁した電動機で実現可能なトルク範囲内で複数の電動機の出力トルクが一致するように、複数の電動機に対する電流指令値を各々演算する。
本発明に係る独立車輪駆動電動車の制御装置によれば、複数の電動機のうちいずれかが減磁状態となっているか否かを判定して、減磁状態となっている電動機があればその電動機で実現可能なトルク範囲内で複数の電動機の出力トルクを一致させるようにしているので、トルクアンバランスを適切に是正して安定した駆動を行うことができる。
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明を適用した独立車輪駆動電動車の概要を示す模式図である。独立車輪駆動電動車は、左右の駆動輪を各々独立に駆動するための電動機として、第1のモータ1及び第2のモータ2を備える。これらのモータ1,2は、ロータ側に永久磁石を備えた永久磁石式同期電動機として構成されている。第1のモータ1には第1のインバータ3が接続されている。第1のインバータ3は、コントローラ10からのPWM信号に応じてスイッチング素子のオン/オフが制御され、これにより、バッテリ5からの供給電力が所望の3相交流電流に変換されて第1のモータ1に供給される。また、第2のモータ2には第2のインバータ4が接続されている。第2のインバータ4も同様に、コントローラ10からのPWM信号に応じてスイッチング素子のオン/オフが制御され、これにより、バッテリ5からの供給電力が所望の3相交流電流に変換されて第2のモータ2に供給される。
第1のインバータ3から第1のモータ1に供給される3相電流iu1,iv1,iw1は、電流センサなどで常時モニタリングされて、フィードバック信号としてコントローラ10に入力される。また、第1のモータ1のロータ回転位置θe1は、位置センサなどで常時モニタリングされて、フィードバック信号としてコントローラ10に入力される。コントローラ10は、これらのフィードバック信号iu1,iv1,iw1、θe1を用いて第1のインバータ3を制御するためのPWM信号を生成し、第1のモータ1への電流供給を制御することによってその動作を制御する。
同様に、第2のインバータ4から第2のモータ2に供給される3相電流iu2,iv2,iw2は、電流センサなどで常時モニタリングされて、フィードバック信号としてコントローラ10に入力される。また、第2のモータ2のロータ回転位置θe2は、位置センサなどで常時モニタリングされて、フィードバック信号としてコントローラ10に入力される。コントローラ10は、これらのフィードバック信号iu2,iv2,iw2、θe2を用いて第2のインバータ4を制御するためのPWM信号を生成し、第2のモータ2への電流供給を制御することによってその動作を制御する。
図2は、コントローラ10内部の機能構成を示すブロック図である。コントローラ10は、例えば、CPU、ROM、RAM、入出力回路等を備えたマイクロコンピュータとして構成され、所定の制御プログラムを実行することによって、図2に示す電流指令値演算部11、第1の電流制御部12、第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13、第2の電流制御部14、第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15の各制御機能を実現する。
電流指令値演算部11は、第1のモータ1に対するトルク指令値τ1*、第2のモータに対するトルク指令値τ2*、第1のインバータ3のスイッチング素子の温度検出値(もしくは推定値)Temp_s1及びコンデンサの温度検出値(もしくは推定値)Temp_c1、第2のインバータ4のスイッチング素子の温度検出値(もしくは推定値)Temp_s2及びコンデンサの温度検出値(もしくは推定値)Temp_c2をコントローラ10外部から入力するとともに、第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13から第1のモータ1の磁石磁束推定値ψa1、d軸インダクタンス推定値Ld1、q軸インダクタンス推定値Lq1を入力し、第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部14からは第2のモータ2の磁石磁束推定値ψa2、d軸インダクタンス推定値Ld2、q軸インダクタンス推定値Lq2を入力し、第1のモータ1に対する電流指令値id1*,iq1*と、第2のモータ2に対する電流指令値id2*,iq2*とを生成して出力する。電流指令値演算部11から出力された第1のモータ1に対する電流指令値id1*,iq1*は、第1の電流制御部12及び第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13に入力される。また、電流指令値演算部11から出力された第2のモータ2に対する電流指令値id2*,iq2*は、第2の電流制御部14及び第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15に入力される。
第1の電流制御部12は、第1のモータ1のロータ回転位置θe1及び3相電流iu1,iv1,iw1と、電源電圧Vdcとをコントローラ10外部から入力するとともに、電流指令値演算部11から第1のモータ1に対する電流指令値id1*,iq1*を入力し、第1のインバータ3を制御するためのPWM信号を生成して出力する。また、第1の電流制御部12は、演算に用いた第1のモータ1の実電気角回転数ωe1を電流指令値演算部11及び第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13に対して出力するとともに、第1のモータ1のd軸磁束λd1及びq軸磁束λq1を演算して第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13に出力する。
第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13は、電流指令値演算部11から第1のモータ1に対する電流指令値id1*,iq1*を入力するとともに、第1の電流制御部12から第1のモータ1の実電気角回転数ωe1、d軸磁束λd1及びq軸磁束λq1を入力し、第1のモータ1の磁石磁束、d軸インダクタンス、q軸インダクタンスをそれぞれ推定して、その推定値ψa1,Ld1,Lq1を電流指令値演算部11に出力する。
第2の電流制御部14は、第2のモータ2のロータ回転位置θe2及び3相電流iu2,iv2,iw2と、電源電圧Vdcとをコントローラ10外部から入力するとともに、電流指令値演算部11から第2のモータ2に対する電流指令値id2*,iq2*を入力し、第2のインバータ4を制御するためのPWM信号を生成して出力する。また、第2の電流制御部14は、演算に用いた第2のモータ2の実電気角回転数ωe2を電流指令値演算部11及び第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15に対して出力するとともに、第2のモータ2のd軸磁束λd2及びq軸磁束λq2を演算して第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15に出力する。
第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15は、電流指令値演算部11から第2のモータ2に対する電流指令値id2*,iq2*を入力するとともに、第2の電流制御部14から第2のモータ2の実電気角回転数ωe2、d軸磁束λd2及びq軸磁束λq2を入力し、第2のモータ2の磁石磁束、d軸インダクタンス、q軸インダクタンスをそれぞれ推定して、その推定値ψa2,Ld2,Lq2を電流指令値演算部11に出力する。
図3は、電流指令値演算部11の詳細を示すブロック図である。電流指令値演算部11の機能は、図3に示すように、異常判定ブロック21と、減磁判定ブロック22と、インバータ温度による電流制限値演算ブロック23と、通常時の電流指令値演算ブロック24と、減磁時の電流指令値演算ブロック25と、切り替えブロック26及び切り替えブロック27からなる。
異常判定ブロック21は、第1のモータ1と第2のモータ2との間でd軸インダクタンスまたはq軸インダクタンスに乖離が発生した場合に、どちらかのモータの磁気回路またはコイルに異常があったと判定して異常信号eを出力する。
具体的には、異常判定ブロック21は、図4に示すように、第1のモータ1のd軸インダクタンスLd1と第2のモータ2のd軸インダクタンスLd2との差分の絶対値Δdを求め、その値を所定の閾値Lfdと比較するとともに、第1のモータ1のq軸インダクタンスLq1と第2のモータ2のq軸インダクタンスLq2との差分の絶対値Δqを求め、その値を所定の閾値Lfqと比較する。そして、いずれかの値が閾値を超えている場合に、異常信号eを出力する。異常判定ブロック21から出力された異常信号eは、切り替えブロック27に入力される。
異常判定ブロック21から異常信号eが出力されると、切り替えブロック27において、第1のモータ1に対する電流指令値id1*,iq1*と第2のモータ2に対する電流指令値id2*,iq2*とがゼロに切り替えられる。これにより、第1のモータ1及び第2のモータ2の駆動力はゼロとなる。なお、このように第1のモータ1及び第2のモータ2の駆動力をゼロとする制御を行う場合には、例えば警告音の出力などによりドライバに対して警告を行うようにすることが望ましい。
減磁判定ブロック22は、第1のモータ1の永久磁石や第2のモータ2の永久磁石が減磁(永久減磁)しているか否かを、各モータ1,2の磁石磁束推定値ψa1,ψa2に基づいて判定する。
すなわち、減磁判定ブロック22は、図5に示すように、第1のモータ1の磁石磁束推定値ψa1に基づいて第1のモータ1の永久磁石の減磁を判定するとともに、第2のモータ2の磁石磁束推定値ψa2に基づいて第2のモータ2の永久磁石の減磁を判定し、どちらかのモータの永久磁石が減磁していると判定した場合には減磁発生信号fを出力し、さらに、第1のモータ1の永久磁石が減磁している場合は減磁発生信号f1、第2のモータ2の永久磁石が減磁している場合は減磁発生信号f2を合わせて出力する。減磁判定ブロック22から出力された減磁発生信号fは切り替えブロック26に入力され、減磁発生信号f1,f2は減磁時の電流指令値演算ブロック25に入力される。
各モータ1,2の磁石磁束推定値ψa1,ψa2から永久磁石の減磁を判定する方法としては、最も簡単な例として、磁石磁束の現在値を初期値と比較する方法が考えられる。すなわち、各モータ1,2の磁石磁束の初期値を記憶しておき、磁石磁束推定値ψa1,ψa2が入力されるたびにその値が磁石磁束の初期値に対してどの程度小さくなっているかを見ることで、減磁の有無を判定できる。磁石温度を考慮しても、磁石磁束推定値ψa1,ψa2が磁石磁束の初期値から50%も低くなっていれば減磁しているものとみなすことができる。
減磁判定ブロック22から減磁発生信号fが出力されていない間は、切り替えブロック26において、各モータ1,2に対する電流指令値id1*,iq1*,id2*,iq2*として通常時の電流指令値演算ブロック24の出力が選択され、減磁判定ブロック22から減磁発生信号fが出力されると、切り替えブロック26において、各モータ1,2に対する電流指令値id1*,iq1*,id2*,iq2*が減磁時の電流指令値演算ブロック25の出力へと切り替えられる。
インバータ温度による電流制限値演算ブロック23は、第1のインバータ3のスイッチング素子の温度Temp_s1やコンデンサ温度Temp_c1、第2のインバータ4のスイッチング素子の温度Temp_s2やコンデンサ温度Temp_c2に応じて、これらの温度が高温になると許容電流Imaxを下げることによって、第1のインバータ3及び第2のインバータ4を保護する。
具体的には、インバータ温度による電流制限値演算ブロック23は、図6に示すように、第1のインバータ3のスイッチング素子の温度Temp_s1に対応した電流制限値I_s1maxと、第1のインバータ3のコンデンサ温度Temp_c1に対応した電流制限値I_c1maxとを求めて、そのうちの低い方を第1のインバータ3に対応する電流制限値Imax1として選択する。また、インバータ温度による電流制限値演算ブロック23は、第2のインバータ4のスイッチング素子の温度Temp_s2に対応した電流制限値I_s2maxと、第2のインバータ4のコンデンサ温度Temp_c2に対応した電流制限値I_c2maxとを求めて、そのうちの低い方を第2のインバータ4に対応する電流制限値Imax2として選択する。そして、第1のインバータ3に対応する電流制限値Imax1と第2のインバータ4に対応する電流制限値Imax2のうち、低い方を許容電流Imaxとして出力する。インバータ温度による電流制限値演算ブロック23から出力された許容電流Imaxは、通常時の電流指令値演算ブロック24及び減磁時の電流指令値演算ブロック25に入力される。
通常時の電流指令値演算ブロック24は、各モータ1,2に対応するトルク指令値τ1*,τ2*と、実電気角回転数ωe1,ωe2と、磁石磁束推定値ψa1,ψa2と、インバータ温度による電流制限値演算ブロック23から出力された許容電流Imaxとに基づいて、許容電流Imaxを超えない電流範囲内において、各モータ1,2に対する目標電流id1_final*,iq1_final*,id2_final*,iq2_final*を生成して出力する。
具体的には、通常時の電流指令値演算ブロック24は、図7に示すような演算により、第1のモータ1と第2のモータ2との間でトルク差が生じないように、各モータ1,2に対する目標電流id1_final*,iq1_final*,id2_final*,iq2_final*を生成する。
すなわち、まず、第1のモータ1の実電気角回転数ωe1とトルク指令値τ1*とに基づいて、第1のモータ1に対応するdq軸目標電流id1*,iq1*を演算するとともに、第2のモータ2の実電気角回転数ωe2とトルク指令値τ2*とに基づいて、第2のモータ2に対応するdq軸目標電流id2*,iq2*を演算する。ここで、第1のモータ1に対するトルク指令値τ1*と第2のモータ2に対するトルク指令値τ2*とが同一の場合であっても、各モータ1,2の定数、特に磁石磁束に差異があるとトルク差が生ずるので、独立車輪駆動電動車においてドライバの意図しないヨーモーメントが発生することを防止するために、各モータ1,2の磁石磁束に差異が発生していても電流を調整することでトルク差を小さくまたは0にする必要がある。そこで、第1のモータ1の磁石磁束推定値ψa1と第2のモータ2の磁石磁束推定値ψa2とを用いてモータ1,2間の磁石磁束の大小を判断し、相対的に磁石磁束が小さい方のモータに対応するdq軸目標電流を変更することで、磁石磁束が相対的に小さいモータのトルクを磁石磁束が相対的に大きいモータのトルクに合わせるようにする。なお、このとき磁石磁束が相対的に大きいモータに対応するdq軸目標電流は変更しない。
ここで、磁石磁束が相対的に小さい方のモータに対応するdq軸目標電流を変更する場合、磁石磁束が相対的に大きいモータと比較して、q軸電流が大きくなり、またd軸電流は結果的に小さくなるように変更する。すなわち、磁石磁束が相対的に小さいモータに対応するdq軸目標電流は、磁石磁束をさらに低下させないようにするために、d軸電流をできるだけ流さない、またはd軸電流が正となる(つまり界磁を強める)目標電流となるようにする。電動車で一般的に使用されるモータは、いわゆる弱め界磁タイプの永久磁石式同期電動機であり、負のd軸電流により電圧を低減しながらトルクを大きくすることが可能である。しかしながら、磁石磁束が小さくなっているモータに対して負のd軸電流を大きくすると、磁石磁束がさらに低下して磁石が永久減磁する場合がある。そこで、磁石磁束が相対的に小さいモータに対応したdq軸目標電流idq*は、図12に示すように、磁石磁束が相対的に大きいモータで得られるトルクと同一の等トルク曲線上で電流ベクトルの向きを調整し、d軸電流成分がゼロとなる目標電流idq*’、またはd軸電流成分がプラスとなる目標電流idq*’’とする。これにより、磁石磁束のさらなる低下を防止することができ、また、強め界磁により磁石の最低磁束密度、またはパーミアンス係数を大きくすることが可能となる。
次に、以上のように求めた各モータ1,2に対するdq軸目標電流の絶対値√id2+iq2を各々演算し、どちらか大きな方が許容電流Imaxよりも大きい場合は、そのdq軸目標電流の絶対値√id2+iq2に対する許容電流Imaxの比(<=1)を計算して、これを各モータ1,2に対するdq軸目標電流に乗ずることで、各モータ1,2に対する最終的な目標電流id1_final*,iq1_final*,id2_final*,iq2_final*を生成する。なお、各モータ1,2に対するdq軸目標電流の絶対値√id2+iq2がいずれも許容電流Imax以下であれば、dq軸目標電流をそのまま最終的な目標電流id1_final*,iq1_final*,id2_final*,iq2_final*とする。
減磁時の電流指令値演算ブロック25は、各モータ1,2に対応するトルク指令値τ1*,τ2*と、実電気角回転数ωe1,ωe2と、減磁判定ブロック22から出力された減磁発生信号f1,f2と、インバータ温度による電流制限値演算ブロック23から出力された許容電流Imaxとに基づいて、許容電流Imaxを超えない電流範囲内において、減磁に対応した目標電流id1_final*,iq1_final*,id2_final*,iq2_final*を生成して出力する。
具体的には、減磁時の電流指令値演算ブロック25は、図8に示すような演算により、第1のモータ1の永久磁石または第2のモータ2の永久磁石が減磁した状態であっても、実現できる範囲でトルクが得られ、且つ、第1のモータ1と第2のモータ2との間でトルク差が生じないようにするための目標電流id1_final*,iq1_final*,id2_final*,iq2_final*を生成する。
すなわち、まず、各モータ1,2に対するトルク指令値τ1*,τ2*をトルク制限係数(正常時の最大トルクに対する磁石磁束=0のときの最大トルクの比で1より小さい)倍して、トルク指令値を下方修正する。
次に、第1のモータ1の実電気角回転数ωe1と下方修正したトルク指令値とに基づいて、第1のモータ1が減磁していない場合のdq軸目標電流id1_n*,iq1_n*と、第1のモータ1が減磁している場合のdq軸目標電流id1_0*,iq1_0*とを演算する。このとき、第1のモータ1が減磁している場合のdq軸目標電流id1_0*,iq1_0*は、第1のモータ1の磁石磁束がゼロである場合に対応した目標電流として求める。
また、第2のモータ2の実電気角回転数ωe2と下方修正したトルク指令値とに基づいて、第2のモータ2が減磁していない場合のdq軸目標電流id2_n*,iq2_n*と、第2のモータ2が減磁している場合のdq軸目標電流id2_0*,iq2_0*とを演算する。このとき、第2のモータ2が減磁している場合のdq軸目標電流id2_0*,iq2_0*は、第2のモータ2の磁石磁束がゼロである場合に対応した目標電流として求める。
ここで、減磁しているモータに対応したdq軸目標電流idq*は、更なる減磁を生じさせないようにするために、d軸電流をできるだけ流さない、またはd軸電流が正となる(つまり界磁を強める)目標電流となるようにすることが望ましい。すなわち、図12に示したように、等トルク曲線上で電流ベクトルの向きを調整し、d軸電流成分がゼロとなる目標電流idq*’、またはd軸電流成分がプラスとなる目標電流idq*’’とする。これにより、減磁しているモータのさらなる減磁を防止することができ、また、強め界磁により磁石の最低磁束密度、またはパーミアンス係数を大きくすることが可能となる。
次に、減磁判定ブロック22から出力された減磁発生信号f1,f2に基づいて、各モータ1,2に対応するdq軸目標電流の切り替えを行う。すなわち、減磁発生信号f1のみが出力されている場合には、第1のモータ1が減磁している場合のdq軸目標電流id1_0*,iq1_0*を、第1のモータ1に対応するdq軸目標電流id1*,iq1*として選択するとともに、第2のモータ2が減磁していない場合のdq軸目標電流id2_n*,iq2_n*を、第2のモータ2に対応するdq軸目標電流id2*,iq2*として選択する。また、減磁発生信号f2のみが出力されている場合には、第1のモータ1が減磁していない場合のdq軸目標電流id1_n*,iq1_n*を、第1のモータ1に対応するdq軸目標電流id1*,iq1*として選択するとともに、第2のモータ2が減磁している場合のdq軸目標電流id2_0*,iq2_0*を、第2のモータ2に対応するdq軸目標電流id2*,iq2*として選択する。また、減磁発生信号f1と減磁発生信号f2の双方が出力されている場合には、第1のモータ1が減磁している場合のdq軸目標電流id1_0*,iq1_0*を、第1のモータ1に対応するdq軸目標電流id1*,iq1*として選択するとともに、第2のモータ2が減磁している場合のdq軸目標電流id2_0*,iq2_0*を、第2のモータ2に対応するdq軸目標電流id2*,iq2*として選択する。
次に、以上のように求めた各モータ1,2に対するdq軸目標電流の絶対値√id2+iq2を各々演算し、どちらか大きな方が許容電流Imaxよりも大きい場合は、そのdq軸目標電流の絶対値√id2+iq2に対する許容電流Imaxの比(<=1)を計算して、これを各モータ1,2に対するdq軸目標電流に乗ずることで、各モータ1,2に対する最終的な目標電流id1_final*,iq1_final*,id2_final*,iq2_final*を生成する。なお、各モータ1,2に対するdq軸目標電流の絶対値√id2+iq2がいずれも許容電流Imax以下であれば、dq軸目標電流をそのまま最終的な目標電流id1_final*,iq1_final*,id2_final*,iq2_final*とする。
電流指令値演算部11は、以上説明した各制御ブロックの働きによって、第1のモータ1と第2のモータ2のいずれにも減磁が発生していなければ、第1のインバータ3及び第2のインバータ4を保護しつつ、各モータ1,2にトルク差を生じさせない電流指令値id1*,iq1*,id2*,iq2*を出力し、第1のモータ1と第2のモータ2のいずれかに減磁が発生していれば、減磁したモータに対応する最低限のトルクが得られ、且つ、第1のインバータ3及び第2のインバータ4を保護しつつ、各モータ1,2にトルク差を生じさせない電流指令値id1*,iq1*,id2*,iq2*を出力することができる。また、第1のモータ1と第2のモータ2のいずれかの磁気回路またはコイルに異常が生じた場合には、電流指令値id1*,iq1*,id2*,iq2*をゼロとして各モータ1,2の駆動力をゼロにすることができる。
次に、第1の電流制御部12及び第2の電流制御部13について説明する。なお、第1の電流制御部12と第2の電流制御部13は共通の構成であるため、以下、これらを区別せずに電流制御部と総称して説明する。
図9は、電流制御部の詳細を示すブロック図である。電流制御部は、図9に示すように、PI制御部31,32と、非干渉補正演算部33と、dq→3相演算部34と、PWM信号生成部35と、3相→dq演算部36と、位相補正演算部37と、速度演算部38とを備える。
PI制御部31は、電流指令値演算部11から入力されるd軸電流指令値id*と後述する3相→dq演算部36から入力されるd軸電流Idとの偏差(id*−Id)に対してPI(比例・積分)演算を行うことにより、d軸電圧指令値Vdを算出する。また、PI制御部32は、電流指令値演算部11から入力されるq軸電流指令値iq*と後述する3相→dq演算部36から入力されるq軸電流Iqとの偏差(iq*−Iq)に対してPI(比例・積分)演算を行うことにより、q軸電圧指令値Vqを算出する。
非干渉補正演算部33は、電流指令値演算部11から入力される電流指令値id*,iq*と、後述する速度演算部38から入力される実電気角回転数ωeとに基づいて、d軸電圧指令値Vdに対する非干渉補正値Vd_comp及びq軸電圧指令値Vqに対する非干渉補正値Vq_compを算出する。
dq→3相演算部34は、補正後のd軸電圧指令値Vd及び補正後のq軸電圧指令値Vqを、後述する位相補正演算部37で算出される位相θe'と電源電圧Vdcとに基づいて、3相交流電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に変換する。
PWM信号生成部35は、dq→3相演算部34により算出された3相交流電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*とキャリア信号(三角波)との比較によって、インバータ(第1のインバータ3または第2のインバータ4)を制御するためのPWM信号を生成する。
3相→dq演算部36は、位置センサなどでモニタリングされるロータ回転位置θeに基づいて、電流センサなどでモニタリングされる3相電流iu,iv,iwをd軸電流id及びq軸電流iqに変換する。
位相補正演算部37は、位置センサなどでモニタリングされるロータ回転位置θeに基づき、回転位相θe'を演算する。
速度演算部38は、位置センサなどでモニタリングされるロータ回転位置θeに基づいて、実電気角回転数ωeを算出する。
以上のように構成される電流制御部では、dq→3相演算部34に入力される補正後のd軸電圧指令値Vd及び補正後のq軸電圧指令値Vqを、速度演算部38で算出した実電気角回転数ωeで除算することによって、d軸磁束λd及びq軸磁束λqを演算することができる。第1のモータ1に対応した第1の電流制御部12は、このように演算したd軸磁束λd1及びq軸磁束λq1と実電気角回転数ωeとを、第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13に対して出力する。また、第2のモータ2に対応した第2の電流制御部14は、このように演算したd軸磁束λd2及びq軸磁束λq2と実電気角回転数ωeとを、第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15に対して出力する。
次に、第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13及び第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15について説明する。なお、第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13及び第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15は共通の構成であるため、以下、これらを区別せずにd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部と総称して説明する。
d軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部は、独立車輪駆動電動車の駆動状態が所定条件を満たしている間に、電流指令値演算部11で生成される電流指令値id*,iq*と、これに対応して電流制御部により算出されるd軸磁束λd及びq軸磁束λqとを一定期間に亘って記憶し、その期間でのd軸電流指令値id*に対するd軸磁束λdの関係と、q軸電流指令値iq*に対するq軸磁束λqとの関係から、d軸インダクタンスLd、q軸インダクタンスLq、磁石磁束ψaをそれぞれ推定する。
図10は、d軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部が電流指令値id*,iq*とd軸磁束λd及びq軸磁束λqとを記憶する車両駆動範囲を示したものである。d軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部は、各モータ1,2が低負荷、中速の領域、つまり、図10に示すように、独立車輪駆動電動車の車速がVSP_L〜VSP_Hの間で、且つ、駆動力がTDRV_L〜TDRV_Hの間(データ記憶領域)であることを条件として、電流指令値id*,iq*とd軸磁束λd及びq軸磁束λqとを一定期間に亘り記憶する。これは、例えば独立車輪駆動電動車の駆動力が大きい領域、つまりモータでいえば磁気飽和の傾向が強くなる領域や、独立車輪駆動電動車の速度が極端に低く領域、つまりモータの誘起電圧が小さい領域などでは、演算結果にばらつきが大きくなって推定の精度が悪化することが想定されるためである。
d軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部は、電流制御部から出力される実電気角回転数ωeに基づいて、独立車輪駆動電動車の駆動状態がこの図10に示すデータ記憶領域内であるか否かを判断する。そして、独立車輪駆動電動車の駆動状態がデータ記憶領域内にある間に、電流指令値演算部11で生成される電流指令値id*,iq*と、これに対応して電流制御部により算出されるd軸磁束λd及びq軸磁束λqとを保存する。なお、このデータ記憶領域は、第1のモータ1及び第2のモータ2の特性に応じて決めておけばよい。
図11は、d軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部がd軸インダクタンスLd、q軸インダクタンスLq、磁石磁束ψaを推定する方法を説明する図であり、(a)は一定期間に亘って記憶したd軸電流指令値id*とd軸磁束λdとの関係を示すグラフ図、(b)は一定期間に亘って記憶したq軸電流指令値iq*とq軸磁束λqとの関係を示すグラフ図である。図11(a)に示すように、一定期間に亘って記憶したd軸電流指令値id*とd軸磁束λdとの関係を表す複数の点を、例えば直線に最小近似すると、その傾きからd軸インダクタンスLdを求めることができ、切片から磁石磁束ψaを求めることができる。また、図11(b)に示すように、一定期間に亘って記憶したq軸電流指令値iq*とq軸磁束λqとの関係を表す複数の点を同様に直線に近似すれば、q軸インダクタンスLqを求めることができる。
このような演算によって、第1のモータ1に対応したd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13では、第1のモータ1に対する電流指令値id*1,iq*1とd軸磁束λd1及びq軸磁束λq1とから第1のモータ1の磁石磁束ψa1、d軸インダクタンスLd1及びq軸インダクタンスLq1を推定し、第2のモータ2に対応したd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15では、第2のモータ2に対する電流指令値id*2,iq*2とd軸磁束λd2及びq軸磁束λq2とから第2のモータ2の磁石磁束ψa2、d軸インダクタンスLd2及びq軸インダクタンスLq2を推定する。これらの推定値は、電流指令値演算部11に入力されて、d軸インダクタンス推定値Ld1,Ld2及びq軸インダクタンス推定値Lq1,Lq2は、上述したように異常判定ブロック21での判定に用いられ、磁石磁束推定値ψa1,ψa2は、上述したように減磁判定ブロック22での判定に用いられる。
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本発明を適用した独立車輪駆動電動車のコントローラ10は、電流指令値演算部11の機能構成として減磁判定ブロック22と減磁時の電流指令値演算ブロック25とを有する。そして、第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13において推定された第1のモータ1の磁石磁束と、第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15において推定された第2のモータ2の磁石磁束とに基づいて、減磁判定ブロック22にて第1のモータ1と第2のモータ2のいずれかが減磁状態となっているか否かを判定し、いずれかのモータが減磁状態となっていれば、減磁時の電流指令値演算ブロック25において、減磁状態となっているモータで実現可能なトルク範囲内で各モータの出力トルクが一致するように、第1のモータ1に対する電流指令値と第2のモータ2に対する電流指令値とをそれぞれ算出するようにしている。したがって、減磁状態となっているモータの永久磁石がより一層減磁してしまうことを有効に防止しながら、独立車輪駆動電動車の左右車輪のトルクアンバランスを適切に是正して安定した駆動を行うことができる。
また、減磁時の電流指令値演算ブロック25では、減磁状態となっているモータに対する電流指令値を、負のd軸電流成分がゼロに近付くように、あるいはd軸電流が正となるように算出するようにしているので、減磁状態となっているモータの永久磁石のさらなる減磁を確実に防止することができる。
また、本発明を適用した独立車輪駆動電動車のコントローラ10は、電流指令値演算部11の機能構成として通常時の電流指令値演算ブロック24を有し、減磁判定ブロック22にて第1のモータ1と第2のモータ2のいずれも減磁状態となっていないと判定された場合に、これらのモータ間の磁石磁束に差異があれば、通常時の電流指令値演算ブロック24において、磁石磁束が相対的に小さいモータへの通電電流を増加させることで各モータのトルクが一致するように、第1のモータ1に対する電流指令値と第2のモータ2に対する電流指令値とをそれぞれ算出するようにしている。したがって、第1のモータ1と第2のモータ2のいずれかに、減磁状態には至っていない一時的な磁束の低下が発生している場合には、ドライバの意図する駆動力を実現しつつ、左右車輪のトルクアンバランスを適切に是正して安定した駆動を行うことができる。
また、通常時の電流指令値演算ブロック24では、磁石磁束が相対的に小さいモータに対する電流指令値を、負のd軸電流成分がゼロに近付くように、あるいはd軸電流が正となるように算出するようにしているので、磁石磁束が相対的に小さいモータの永久磁束がさらに低下して減磁に至ってしまう不都合を有効に防止することができる。
また、本発明を適用した独立車輪駆動電動車のコントローラ10は、電流指令値演算部11の機能構成として異常判定ブロック21を有し、第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13において推定された第1のモータ1のd軸インダクタンス及びq軸インダクタンスと、第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15において推定された第2のモータ2のd軸インダクタンス及びq軸インダクタンスとに基づいて、異常判定ブロック21において、第1のモータ1と第2のモータ2のいずれかに巻線短絡やコアの破損などの異常があるかどうかを判定するようにしている。そして、いずれかのモータに巻線短絡やコアの破損などの重大な異常があると判定した場合には、第1のモータ1及び第2のモータ2の双方の駆動力をゼロとする電流指令値を算出するようにしている。したがって、第1のモータ1と第2のモータ2のいずれかに重大な異常が発生した場合には、独立車輪駆動電動車を安全に停止させることができる。
また、第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13及び第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15は、電流指令値演算部11で生成される各モータ1,2に対するdq軸電流指令値と、これに対応して電流制御部により算出される各モータ1,2のd軸磁束及びq軸磁束を一定期間に亘って記憶し、その期間でのd軸電流指令値に対するd軸磁束の関係から各モータ1,2のd軸インダクタンス及び磁石磁束を推定し、q軸電流指令値に対するq軸磁束の関係から各モータ1,2のq軸インダクタンスを推定するようにしている。したがって、各モータ1,2の磁石磁束やd軸インダクタンス及びq軸インダクタンスの推定を精度良く行うことができる。特に、第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部13及び第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部15は、独立車輪駆動電動車の車速及び駆動力が所定範囲内にある間、具体的には各モータ1,2が低負荷、中速領域のときに、上記のデータを記憶するようにしているので、例えば各モータ1,2の磁気的な飽和に起因するインダクタンスのバラつきや、低速度域で誘起電圧が小さいことによるバラつきなどの影響を回避することができ、各モータ1,2の磁石磁束やd軸インダクタンス及びq軸インダクタンスを極めて高い精度で推定することができる。
また、本発明を適用した独立車輪駆動電動車のコントローラ10は、電流指令値演算部11の機能構成としてインバータ温度による電流制限値演算ブロック23を有し、第1のインバータ3のスイッチング素子やコンデンサの温度と、第2のインバータ5のスイッチング素子やコンデンサの温度とに基づいて、インバータ温度による電流制限値演算ブロック23にて、第1のインバータ3及び第2のインバータ5を保護するための電流制限値(許容電流)を算出するようにしている。そして、この電流制限値の範囲内で、第1のモータ1に対する電流指令値と第2のモータ2に対する電流指令値とをそれぞれ算出するようにしている。したがって、第1のインバータ3や第2のインバータ5が過温度となって誤作動あるいは破損することを有効に防止しながら、独立車輪駆動電動車を安定的に駆動することができる。
なお、以上説明した独立車輪駆動電動車のコントローラ10は、本発明の具体的な実施形態を例示したものであり、本発明の技術的範囲は以上の実施形態として開示した内容に限定されるものではなく、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含まれることは勿論である。例えば、上記の実施形態では、独立車輪駆動電動車が2つの駆動輪を駆動する2つのモータ1,2を備え、コントローラ10がこれら2つのモータ1,2の出力トルクをバランスさせる場合を例示したが、例えば4つの駆動輪を駆動する4つのモータを備える場合にも、本発明は有効に適用可能である。この場合には、コントローラ10は、4つのモータのいずれかが減磁状態となっているかを判定し、いずれかのモータが減磁状態となっていれば、そのモータで実現可能なトルク範囲内で4つのモータの出力トルクをバランスさせるようにし、減磁状態となっているモータがなければ、磁石磁束が最も高いモータのトルクに合わせて、他のモータへの通電電流を増加させることで、4つのモータの出力トルクをバランスさせるようにすればよい。
1 第1のモータ
2 第2のモータ
3 第1のインバータ
4 第2のインバータ
10 コントローラ
11 電流指令値演算部
12 第1の電流制御部
13 第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部
14 第2の電流制御部
15 第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部
21 異常判定ブロック
22 減磁判定ブロック
23 インバータ温度による電流制限値演算ブロック
24 通常時の電流指令値演算ブロック
25 減磁時の電流指令値演算ブロック
2 第2のモータ
3 第1のインバータ
4 第2のインバータ
10 コントローラ
11 電流指令値演算部
12 第1の電流制御部
13 第1のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部
14 第2の電流制御部
15 第2のd軸q軸インダクタンス・磁石磁束推定部
21 異常判定ブロック
22 減磁判定ブロック
23 インバータ温度による電流制限値演算ブロック
24 通常時の電流指令値演算ブロック
25 減磁時の電流指令値演算ブロック
Claims (12)
- 車両の複数の駆動輪を複数の永久磁石式同期電動機で個別に駆動する独立車輪駆動電動車の制御装置であって、
前記複数の電動機に通電する電流の指令値を演算する電流指令値演算手段と、
前記複数の電動機への通電電流を前記電流指令値演算手段で演算した指令値に近づけるように制御する電流制御手段と、
前記複数の電動機の磁石磁束を推定する磁石磁束推定手段とを備え、
前記電流指令値演算手段は、前記磁石磁束推定手段による推定結果に基づいて前記複数の電動機のうちいずれかが減磁状態となっているか否かを判定し、いずれかの電動機が減磁状態となっている場合は、減磁した電動機で実現可能なトルク範囲内で前記複数の電動機の出力トルクが一致するように、前記複数の電動機に対する電流指令値を各々演算することを特徴とする独立車輪駆動電動車の制御装置。 - 前記磁石磁束推定手段は、前記電流指令値演算手段により算出されるd軸電流指令値及び当該d軸電流指令値に対応した前記複数の電動機のd軸磁束を一定期間に亘り記憶し、記憶したd軸電流指令値とd軸磁束との関係に基づいて、前記複数の電動機の磁石磁束を各々推定することを特徴とする請求項1に記載の独立車輪駆動電動車の制御装置。
- 前記磁石磁束推定手段は、独立車輪駆動電動車の車速及び駆動力が所定範囲内にある間に、前記電流指令値演算手段により算出されるd軸電流指令値及び当該d軸電流指令値に対応した前記複数の電動機のd軸磁束を一定期間に亘り記憶することを特徴とする請求項2に記載の独立車輪駆動電動車の制御装置。
- 前記電流指令値演算手段は、減磁状態となっている電動機に対する電流指令値を、減磁状態となっていない電動機に対する電流指令値と比べて、負のd軸電流がゼロに近付くように算出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の独立車輪駆動電動車の制御装置。
- 前記電流指令値演算手段は、減磁状態となっている電動機に対する電流指令値を、d軸電流が正となるように算出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の独立車輪駆動電動車の制御装置。
- 前記複数の電動機のd軸インダクタンス及びq軸インダクタンスを推定するd軸q軸インダクタンス推定手段をさらに備え、
前記電流指令値演算手段は、前記d軸q軸インダクタンス推定手段により推定されたd軸インダクタンスとq軸インダクタンスの少なくとも一方が、前記複数の電動機の間で所定値以上乖離している場合は、前記複数の電動機の出力トルクがともにゼロとなるように前記電流指令値を算出することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の独立車輪駆動電動車の制御装置。 - 前記d軸q軸インダクタンス推定手段は、前記電流指令値演算手段により算出されるd軸電流指令値及び当該d軸電流指令値に対応した前記複数の電動機のd軸磁束と、前記電流指令値演算手段により算出されるq軸電流指令値及び当該q軸電流指令値に対応した前記複数の電動機のq軸磁束とを一定期間に亘り記憶し、記憶したd軸電流指令値とd軸磁束との関係に基づいて前記複数の電動機のd軸インダクタンスを各々推定するとともに、記憶したq軸電流指令値とq軸磁束との関係に基づいて前記複数の電動機のq軸インダクタンスを各々推定することを特徴とする請求項6に記載の独立車輪駆動電動車の制御装置。
- 前記d軸q軸インダクタンス推定手段は、独立車輪駆動電動車の車速及び駆動力が所定範囲内にある間に、前記電流指令値演算手段により算出されるd軸電流指令値及び当該d軸電流指令値に対応した前記複数の電動機のd軸磁束と、前記電流指令値演算手段により算出されるq軸電流指令値及び当該q軸電流指令値に対応した前記複数の電動機のq軸磁束とを一定期間に亘り記憶することを特徴とする請求項7に記載の独立車輪駆動電動車の制御装置。
- 前記電流指令値演算手段は、前記複数の電動機のいずれも減磁状態ではないが前記複数の電動機間で磁石磁束に差異がある場合は、磁石磁束が相対的に小さい電動機への通電電流の振幅を増加させることで前記複数の電動機の出力トルクが一致するように、前記複数の電動機に対する電流指令値を各々算出することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の独立車輪駆動電動車の制御装置。
- 前記電流指令値演算手段は、磁石磁束が相対的に小さい電動機に対する電流指令値を、磁石磁束が相対的に大きい電動機に対する電流指令値と比べて、負のd軸電流がゼロに近付くように算出することを特徴とする請求項9に記載の独立車輪駆動電動車の制御装置。
- 前記電流指令値演算手段は、磁石磁束が相対的に小さい電動機に対する電流指令値を、d軸電流が正となるように算出することを特徴とする請求項9に記載の独立車輪駆動電動車の制御装置。
- 前記複数の電動機に接続されたインバータの温度状態に基づいて電流制限値を演算する電流制限値演算手段をさらに備え、
前記電流指令値演算手段は、前記電流制限値演算手段により算出された電流制限値を超えない範囲で、記複数の電動機に対する電流指令値を各々算出することを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の独立車輪駆動電動車の制御装置。
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