JP2011041342A - 車両の走行用モータ制御装置 - Google Patents

車両の走行用モータ制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】車両の走行用モータ制御装置において、レゾルバの形状ばらつき等により該レゾルバの出力波形歪みがあっても回転角度検出精度の低下を抑えて走行用モータの良好な制御性能を確保する。
【解決手段】走行用モータの回転角度センサとしてレゾルバを備えた車両に用いられる走行用モータ制御装置は、レゾルバ13から出力される回転検出信号Sa,Sbから、角度出力値φを求めるRDC(Resolver Digital Converter)35を備え、その角度出力値φに基づいてモータへの通電を制御する。そして、RDC35は、回転検出信号Sa,Sbと現在の角度出力値φとから「sin(θ−φ)」を制御偏差εとして求め(θはレゾルバの電気角)、そのεにゲイン(=Ka・Kb)を乗じた値を角加速度として求めて、それを2回積分して次の角度出力値φを求めるが、モータが等速度回転状態であると判定すると上記ゲインを減少させるゲイン制御部53を有している。
【選択図】図2

Description

本発明は、車両の走行用モータを制御する装置に関する。
例えば電気自動車やハイブリッド自動車といった電動車両において、走行動力源となる走行用モータを制御する装置では、その走行用モータに供給する電流のベクトルを、該走行用モータの回転角度(詳しくは、走行用モータのロータの回転角度)に応じて回転させる(例えば、特許文献1参照)。
このため、走行用モータ制御装置においては、走行用モータの回転角度を正確に検出する必要がある。そして、一般に、走行用モータの回転角度を検出するための回転角度センサとしては、レゾルバが用いられる。更に、レゾルバから出力されるアナログ信号をデジタル化する信号処理装置として、トラッキング方式のRDC(Resolver Digital Converter)が知られている(例えば、特許文献2参照)。
それらの概要を説明すると、まず、一般に、レゾルバは、一定周波数の励磁信号F(t)が一次コイルに供給されることにより、二次コイルから、モータの回転角度に応じた回転検出信号として、励磁信号F(t)をsinθで振幅変調した波形の第1の回転検出信号「F(t)・sinθ」と、励磁信号F(t)をcosθで振幅変調した波形の第2の回転検出信号「F(t)・cosθ」とを出力する。尚、θは、モータの回転角度である機械角を1以上の整数n倍した角度であり、一般に電気角と呼ばれる。また、nは、モータの一回転あたりにθが回転する回数(即ち、機械角に対する電気角の倍速比)であり、一般に軸倍角と呼ばれる。
そして、RDCは、レゾルバから出力される第1及び第2の回転検出信号から、θの検出値であるデジタル形式の角度出力値φを出力するが、そのφをθと等しくさせる(厳密には、φをθに追従させる)ために、該φを演算の入力値としてフィードバックするトラッキングループの演算を一定時間毎に行う。
そのトラッキングループの演算では、レゾルバからの第1及び第2の回転検出信号「F(t)・sinθ」,「F(t)・cosθ」と、現在の角度出力値φを元に生成したsinφ及びcosφとを相互演算して、「〔F(t)・sinθ・cosφ〕−〔F(t)・cosθ・sinφ〕=F(t)・sin(θ−φ)」を第1出力信号として得ると共に、その第1出力信号「F(t)・sin(θ−φ)」を、同期検波し励磁成分F(t)を除去することで、第2出力信号「sin(θ−φ)」を制御偏差εとして求め、その制御偏差εに所定のゲインを乗じた値を積分し、該積分結果を更に積分することで、次の角度出力値φを得るようになっており、このループ演算によりφ=θとなるようにしている。尚、特許文献2には、制御偏差εにゲインを乗じることについて明記はされていないが、本来極小さい制御偏差εを適切に処理してトラッキングループを適正化するためには、制御偏差εに一定値のゲインを乗じることとなる。また、走行用モータ制御装置では、RDCからの角度出力値φに基づいて、走行用モータの回転角度を把握し該走行用モータに供給する電流のベクトルを決定することとなる。
ところで、RDCは、レゾルバから出力される2相の回転検出信号の振幅が等しく、また、それら回転検出信号にオフセットが無い場合に、理想的に機能し、回転角度の検出精度が良好になる。そして、レゾルバからの回転検出信号の振幅及びオフセットを補正可能な技術として、特許文献3に記載のものがある。
その特許文献3では、正弦波エンコーダから位相が90°ずれた状態で出力されるA相とB相の正弦波信号(以下単に、A相、B相という)に基づいて回転体の回転角度を検出するものにおいて、正弦波エンコーダの出力周期毎に、A相、B相それぞれの最大値と最小値とを求めると共に、該最大値と最小値とから求められるA相及びB相出力の振幅と、基準とする振幅値との比から、振幅変動比を演算し、回転角度を検出するためのA相、B相の信号値を、一周期前の上記最大値及び最小値から演算した上記振幅変動比を用いて補正している。また、特許文献3では、上記最大値及び最小値の差を2で割ることで、A相、B相それぞれのオフセット量を演算し、回転角度を検出するためのA相、B相の信号値から、一周期前の上記最大値及び最小値に基づく上記オフセット量を減算することで、オフセット補正を行っている。
特開平10−215504号公報 特許第3442316号公報 特許第3365063号公報[特に、オフセット補正については式(1)〜(4)、振幅補正については式(5),(6),(9),(10)]
上記特許文献3の技術を、RDCに適用すれば、レゾルバからの回転検出信号におけるsinθ成分とcosθ成分の振幅とオフセットの補正は可能になると考えられる。
しかし、レゾルバでは、それを構成するロータやステータの形状が製造誤差によってばらつくことがあり、主にそのようなレゾルバの形状ばらつきにより、回転検出信号におけるsinθ成分及びcosθ成分の波形が正しい正弦波(余弦波)の形状にならないことがある。尚、本明細書では、このことを、レゾルバの出力波形歪みと言う。
そして、このような出力波形歪みがあると、やはりRDCが理想的に機能しないため、そのRDCからの角度出力値φの誤差が増えて(即ち、回転角度の検出精度が低下して)、走行用モータの制御精度低下を招くこととなるが、上記特許文献3の技術では、このようなレゾルバの出力波形歪みによる回転角度検出精度の低下を抑制することができない。
例えば、レゾルバの出力波形歪みがあると、図9の実線で例示するように、モータが等速度で回転している場合であっても、RDCからの角度出力値φが時間に対して比例せずに非線形になってしまう。すると、走行用モータ制御装置では、そのRDCからの角度出力値φに基づいて、走行用モータの回転角度を把握し該走行用モータに供給する電流のベクトルを決定するため、その電流のベクトルが適切値にならず、走行用モータの制御精度が低下してしまうこととなる。尚、図9の一点鎖線は、等速度回転時におけるφの理想値を示している。
更に具体的な現象としては、走行用モータ制御装置が、車両運転者の要求を示す情報(例えばアクセルペダルの操作量など)に従って、車両を定速走行させるべく走行用モータを等速度で回転させようとしている場合に、レゾルバの出力波形歪みに起因した回転角度検出誤差により、走行用モータを実際の回転角度とは異なった角度に基づき制御してしまうと、該走行用モータの発生トルクが増減して、それにより車両に前後方向の加速度(以下、この加速度を、角度検出誤差による不要加速度という)が発生し、運転者を含む車両の乗員に不快感を与えてしまう可能性がある。尚、本明細書において、「加速」とは、特に正と負の区別をしない場合には、正の加速と負の加速(即ち減速)との両方の意味を含んでいる。また、このことは、「加速度」についても同様である。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、車両の走行用モータ制御装置において、レゾルバの出力波形歪みがあっても回転角度検出精度の低下を抑えて走行用モータの良好な制御性能を確保することを目的としている。
請求項1の車両の走行用モータ制御装置(以下単に、走行用モータ制御装置という)が用いられる車両は、走行用の動力源になるモータ(以下、走行用モータともいう)と、回転角度センサとしてのレゾルバとを備えている。そして、レゾルバは、励磁信号が供給されることにより、走行用モータの回転角度に応じた回転検出信号として、励磁信号をsinθ(θは走行用モータの回転角度を1以上の整数n倍した角度)で振幅変調した波形の第1の回転検出信号と、励磁信号をcosθで振幅変調した波形の第2の回転検出信号とを出力する。尚、既述したように、θは電気角と呼ばれ、nは軸倍角と呼ばれるものである。
また、請求項1の走行用モータ制御装置は、レゾルバから出力される第1及び第2の回転検出信号から、θの検出値である角度出力値φを出力する手段として、トラッキング方式のRDC(Resolver Digital Converter)を備えている。そのRDCは、一定時間毎に、レゾルバの出力である第1及び第2の回転検出信号と現在の角度出力値φとから「sin(θ−φ)」を制御偏差εとして求めると共に、その制御偏差εに所定値であるゲインを乗じた値を積分し該積分結果を更に積分することで次の角度出力値φを求める。
そして、走行用モータ制御装置は、RDCから出力される角度出力値φに基づいて走行用モータへの通電を制御する。自明であるが、走行用モータ制御装置は、RDCからの角度出力値φに基づいて、走行用モータの回転角度を検出する。このとき、角度出力値φを軸倍角nで割れば走行用モータの回転角度(機械角)が得られる。そして、走行用モータ制御装置は、検出した回転角度に応じて、走行用モータに供給する電流のベクトルを変化させる。
ここで特に、請求項1の走行用モータ制御装置は、判定手段とゲイン調整手段とを備えており、判定手段は、前記制御偏差εに基づいて、走行用モータが等速度回転状態であるか否かを判定する。そして、ゲイン調整手段は、判定手段により走行用モータが等速度回転状態であると判定された場合に、RDCにおける前記ゲインを減少させる。
つまり、RDCでは、制御偏差εにゲインを乗じた値(=ε×ゲイン)を、2回積分することで角度出力値φを求めるため、その「ε×ゲイン」は、θの加速度(即ち角加速度)の検出値に相当すると言える。そこで、請求項1の走行用モータ制御装置では、制御偏差εに基づき走行用モータが等速度回転状態であると判定した場合には、制御偏差εのゲインを減少させて、角加速度の検出値を0に近づけることにより、角度出力値φが時間に対し極力比例して変化するようにしている。
このため、走行用モータを等速度回転させる場合に、前述したレゾルバの出力波形歪みがあっても回転角度検出精度の低下を抑えて走行用モータの良好な制御性能を確保することができ、具体的には、前述した角度検出誤差による不要加速度を抑制して、車両の乗員に不快感を与えてしまうのを回避することができる。
また、この走行用モータ制御装置では、走行用モータが等速度回転状態であると判定しなければ、制御偏差εのゲインを減少させないため、走行用モータを加速させる制御を行って該走行用モータを加速させる場合には、その走行用モータの加速に対して、RDCからの角度出力値φが応答良く変化することとなり、走行用モータの回転を応答性良く制御することができる。尚、走行用モータを加速させる制御を行う場合には、その制御による車両の加速度が角度検出誤差による不要加速度よりも格段に大きくなる。このため、その不要加速度を車両の乗員が感じてしまう可能性は非常に小さく問題はないと考えられる。
次に、請求項2の走行用モータ制御装置では、請求項1の走行用モータ制御装置において、ゲイン調整手段は、判定手段により走行用モータが等速度回転状態ではないと判定されると、ゲインを前記所定値に戻す。
この構成によれば、走行用モータを等速度で回転させている制御状態から、走行用モータを加速させる制御状態に移行して、走行用モータが実際に加速しだし、判定手段により走行用モータが等速度回転状態ではないと判定されると、ゲインが即座に元の所定値に戻り(即ち、ゲインの減少調整が停止され)、RDCからの角度出力値φが走行用モータの加速に対して応答良く変化することとなる。このため、走行用モータを等速から加速させる際の制御応答性を損ねないようにすることができる。
次に、請求項3の走行用モータ制御装置では、請求項1,2の走行用モータ制御装置において、判定手段は、第1の回転検出信号におけるsinθ成分の周期のN倍(Nは1以上の整数)の周期時間において、前記制御偏差εを積分し、その周期時間分の積分値の絶対値が所定の閾値以下であれば、走行用モータが等速度回転状態であると判定する。尚、第1の回転検出信号におけるsinθ成分の周期とは、θの一回転分(360°分)の周期であり、また、第2の回転検出信号におけるcosθ成分の周期と同じ意味である。
つまり、制御偏差εは、走行用モータが等速度で回転している場合に、理想的には0になるが、実際には、レゾルバの出力波形歪みによって誤差を持つため、0付近で変動することとなる。そして、この制御偏差εの誤差が、角度出力値φの誤差につながっている。
このため、制御偏差εが0か否かで、走行用モータが等速度回転状態であるか否かを判定することはできないし、また、そのような判定を行うようにすると、そもそも0の制御偏差εに乗ずるゲインを変えることになり、そのゲイン調整の意味がなくなる。
そこで、請求項3の走行用モータ制御装置では、上記周期時間における制御偏差εの積分値の絶対値が所定の閾値以下であれば、誤差を持つ制御偏差εが0付近に停滞していると考えられることから、走行用モータが等速度回転状態であると判定するようにしている。
そして、この請求項3の構成によれば、誤差を持つ制御偏差εから、走行用モータが等速度回転状態であるか否かを精度良く判定することができる。特に、レゾルバの出力波形歪みによって、制御偏差εが、該制御偏差εの算出周期(即ち、RDCの動作周期)毎に比較的大きくばらつくような場合でも、判定の確かさを確保することができる。
また、請求項4の走行用モータ制御装置では、請求項1,2の走行用モータ制御装置において、判定手段は、第1の回転検出信号におけるsinθ成分の周期のN倍(Nは1以上の整数)の周期時間において、前記制御偏差εが正の値(即ち、正の加速を示す値)になった回数である正回数と、前記制御偏差εが負の値(即ち、負の加速を示す値)になった回数である負回数とを、それぞれ計数し、その周期時間分の正回数と負回数との差の絶対値が所定の閾値以下であれば、走行用モータが等速度回転状態であると判定する。
つまり、上記周期時間分の正回数と負回数との差の絶対値が所定の閾値以下であれば、制御偏差εが0付近で正負に均等に変動していると考えられることから、走行用モータが等速度回転状態であると判定するようにしている。
そして、この構成によれば、請求項3の構成と比較すると、判定の正確性はやや劣るものの、処理が簡単という点で有利である。
一方、請求項5の走行用モータ制御装置では、請求項1,2の走行用モータ制御装置において、判定手段は、RDCにて制御偏差εが新たに算出される毎に、その算出された制御偏差εの絶対値が所定の閾値以下か否かを判定して、その絶対値が閾値以下であれば、走行用モータが等速度回転状態であると判定する。
この構成によれば、処理が非常に簡単であると共に、制御偏差εが算出される毎に判定を行うため、走行用モータが加速状態から等速度回転状態に移行した際にゲインを低減させる応答性が良くなる、という点で有利である。
次に、請求項6の走行用モータ制御装置では、請求項1〜5の走行用モータ制御装置において、ゲイン調整手段は、走行用モータの回転速度に応じて、該回転速度が小さい場合ほど、前記ゲインを減少させる量を大きくする(即ち、ゲインをより小さくする)。
この構成によれば、走行用モータを特に低速で等速度回転させる場合に、レゾルバの出力波形歪みによる角度出力値φの誤差を更に抑制して、走行用モータの制御精度を向上させることができる。
なぜなら、RDCは、一定時間毎に、制御偏差εを算出すると共に、その制御偏差εにゲインを乗じた値(=制御偏差ε×ゲイン)を2回積分して角度出力値φを求めるため、θの一回転分の角度出力値φは、走行用モータの回転速度が小さくなって、θ一回転分の時間が長くなる場合ほど、多い数の「制御偏差ε×ゲイン」が積算された値となり、制御偏差εにレゾルバの出力波形歪みに起因する誤差が含まれていると、その制御偏差εの誤差にゲインを乗じた値が、より多く積算されることとなる。そこで、請求項6の走行用モータ制御装置では、走行用モータの回転速度が小さい場合ほど、ゲインを小さくすることで、レゾルバの出力波形歪みに起因する誤差が角度出力値φに積算されるのを抑制しており、これにより、角度出力値φの正確性を向上させている。
次に、請求項7の走行用モータ制御装置では、請求項1〜6の走行用モータ制御装置において、ゲイン調整手段は、前記ゲインを減少させる際に、該ゲインを段階的に減少させる。そして、この構成によれば、RDCにおけるトラッキングループ(即ち、θにφを追従させるための演算ループ)が安定するまでの時間を短くすることができ、φのθへの追従性を向上させることができる。
尚、ゲインを段階的に減少させるには、ある時間毎にゲインを減少させていくこととなるが、そのある時間としては、例えば、一定の時間でも良いし、また、第1の回転検出信号におけるsinθ成分の周期のN倍(Nは1以上の整数)の時間でも良いし、RDCの動作周期の時間でも良い。
実施形態の電気自動車の制御システムを表す構成図である。 実施形態のRDCの構成を表す構成図である。 ゲイン制御部のゲイン制御動作を表すフローチャートである。 第1実施形態のゲイン制御部の回転状態判定動作を表すフローチャートである。 第1実施形態の作用を説明する説明図である。 第2実施形態のゲイン制御部の回転状態判定動作を表すフローチャートである。 第3実施形態のゲイン制御部の回転状態判定動作を表すフローチャートである。 第4実施形態を説明する説明図である。 従来技術の問題を説明する説明図である。
以下に、本発明が適用された実施形態の、車両の走行用モータ制御装置について説明する。尚、本実施形態の走行用モータ制御装置は、車両としての電気自動車に搭載されて、その電気自動車の動力源となる走行用モータを制御するものである。
[第1実施形態]
まず、図1は、実施形態の電気自動車の制御システムを表す構成図である。
図1に示すように、本実施形態の電気自動車には、公知の交流同期モータからなる走行用モータ(以下単に、モータという)1と、直流電源であるバッテリ3と、バッテリ3の直流出力電圧を三相交流に変換し、該変換したU相、V相及びW相の三相交流電流によってモータ1を駆動する公知のインバータ5と、インバータ5を介してモータ1を制御する走行用モータ制御装置(以下、ECUという)7と、が搭載されている。そして、モータ1の出力軸1aは、ディファレンシャルギヤ9を介して左右の駆動輪11に連結されている。
尚、インバータ5は、例えばIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等からなる6個のスイッチング素子と、それらスイッチング素子を駆動する駆動回路とを備え、その駆動回路が、ECU7から入力されるパルス幅変調信号UU,UV,UWに基づいて、上記スイッチング素子をオン/オフさせることにより、バッテリ3の直流を三相交流に変換する。
更に、モータ1の出力軸1aには、該モータ1の回転角度(詳しくは、モータ1のロータの回転角度)を検出するためのセンサとして、レゾルバ13が設けられている。
レゾルバ13は、ステータと、そのステータ内に回転自在に配置されると共に、モータ1の出力軸1aに固定されて該出力軸1aと共に回転するロータとを備えている。尚、以下の説明では、レゾルバ13のステータとロータのことを、モータ1の構成部品と区別するために、それぞれ、「レゾルバステータ」、「レゾルバロータ」という。
そして、レゾルバ13は、レゾルバロータとレゾルバステータとの間のリラクタンスが、レゾルバロータの回転位置(モータ1の回転角度でもある)によって変化するように構成されており、そのリラクタンスの変化に応じて(即ち、モータ1の回転角度に応じて)正弦波状に振幅が変わると共に位相が電気角で90°ずれた2つの回転検出信号を出力する。
より詳しく説明すると、レゾルバ13において、レゾルバステータには、図2に示すように、一次コイル15と、2つの二次コイル17,19とが設けられている。そして、一次コイル15に、一定周波数の正弦波である下記の励磁信号f(t)が供給されることで、二次コイル17,19の各々から、モータ1の回転角度に応じた下記の第1の回転検出信号Sa及び第2の回転検出信号Sbが出力される。
f(t)=E・sinωt
Sa=K・f(t)・sinθ=K・E・sinωt・sinθ
Sb=K・f(t)・cosθ=K・E・sinωt・cosθ
尚、Eは、励磁信号f(t)の振幅であり、Kは、一次コイル15と二次コイル17,19との変圧比であり、θは、既述した通り、モータ1の回転角度(機械角)をn倍(nは1以上の整数である軸倍角)した角度であって、レゾルバ13の電気角である。また、本実施形態では軸倍角n=1になっている。つまり、本実施形態において、レゾルバ13は、レゾルバロータとレゾルバステータとの間のリラクタンス変化の一周期であって、回転検出信号Sa,Sbの一周期(詳しくは、基本波成分であるsinθ及びcosθの一周期)が、レゾルバロータの一回転(=モータ1の一回転)に対応するように構成されており、レゾルバ13の電気角θと機械角とが同じになっている。但し、そのような構成に限らず、レゾルバ13は、軸倍角nが2以上のものであっても良い。
一方更に、図1に示す如く、インバータ5からモータ1への各相の電流供給線21,22,23の各々には、電流センサ25,26,27が配設されている。そして、電流センサ25は、モータ1のU相電流レベルを検出してこれに対応するU相電流信号を出力する。同様に、電流センサ26は、モータ1のV相電流レベルを検出してこれに対応するV相電流信号を出力し、電流センサ27は、モータ1のW相電流レベルを検出してこれに対応するW相電流信号を出力する。そして、電流センサ25〜27からの各相の電流信号は、ECU7に入力される。
また更に、電気自動車には、その電気自動車の運転状態を検出するためのセンサとして、アクセルセンサ31、ブレーキセンサ32、及びシフトポジションセンサ33等が設けられている。
アクセルセンサ31は、運転者によって操作される図示しないアクセルペダルに付設されており、同アクセルペダルの踏み込み量(操作量)に対応したアクセル開度信号を出力する。ブレーキセンサ32は、運転者によって操作される図示しないブレーキペダルに付設されており、同ブレーキペダルの踏み込み量に対応したブレーキ油圧信号を出力する。シフトポジションセンサ33は、運転者によって操作される図示しないシフトレバーに付設されており、当該レバーが車両の前進、ニュートラル、後退、駐車の各モードのいずれかに選択的に操作されたかを検出しこれをシフトポジション信号として出力する。
そして、それら各センサ31〜33からの信号(アクセル開度信号,ブレーキ油圧信号,シフトポジション信号)も、車両運転情報としてECU7に入力される。
ECU7は、レゾルバ13に励磁信号f(t)を供給すると共に、レゾルバ13から出出力される回転検出信号Sa,Sbを入力して、その回転検出信号Sa,Sbから、電気角θ(本実施形態ではモータ1の回転角度と同じ)の検出値であるデジタル形式の角度出力値φを出力するデジタルトラッキング方式のRDC(Resolver Digital Converter)35と、周知のCPU、ROM、RAM、及びI/O回路等からなるマイコン37と、パルス幅変調回路(PWM回路)39とを備えている。
パルス幅変調回路39は、マイコン37からの制御信号に従って、三相交流電流の各相に対応したパルス幅変調信号UU,UV,UWを生成し、それら各パルス幅変調信号UU,UV,UWをインバータ5に出力する。これにより、インバータ5からモータ1へ、U相、V相及びW相の三相交流電流が供給される。
マイコン37は、RDC35からの角度出力値φを、モータ1の回転角度の検出値として入力すると共に、例えば、その角度出力値φの単位時間あたりの変化分から、モータ1の回転速度(回転数)を算出する。
そして、マイコン37は、モータ1の回転情報である回転角度及び回転数と、電流センサ25〜27や他のセンサ31〜33からの信号などに基づいて、インバータ5を駆動することにより、車両の運転状態に応じた所望のトルクをモータ1に発生させる。尚、こうしたモータ1の制御自体は公知のものであるが、簡単に説明しておく。
即ち、マイコン37は、モータ1の回転角度及び回転数と、車両運転情報(アクセル開度信号、ブレーキ油圧信号及びシフトポジション信号)などに基づいて、モータ1に発生させるべきトルクの要求量を演算し、その要求量に基づいて公知のベクトル演算によりモータ1を通電するための電流指令ベクトルを演算する。そして、その演算結果に基づいて、上記要求量のトルクをモータ1に発生させるための制御信号を、パルス幅変調回路39に出力する。更に、このとき、マイコン37は、電流センサ25〜27からの電流信号のうちの少なくとも2つ(例えば、U相電流信号とW相電流信号)に基づいて、モータ1に流れる三相の各電流が目標値となるように、パルス幅変調回路39への制御信号(延いては、パルス幅変調回路39からインバータ5へのパルス幅変調信号UU,UV,UW)をフィードバック制御する。
次に、RDC35について、図2を用い説明する。
図2に示すように、RDC35は、レゾルバ13の一次コイル15に励磁信号f(t)を供給する励磁回路41を備えている。そして、RDC35は、図2の構成により、角度出力値φをレゾルバの電気角θと等しくさせるためのトラッキングループの演算を、一定時間毎に繰り返し行う。
即ち、RDC35では、cosφ生成部42が、現在の角度出力値φから、電圧値がcosφである信号(以下、cosφ信号という)を生成して出力し、同様に、sinφ生成部43が、現在の角度出力値φから、電圧値がsinφである信号(以下、sinφ信号という)を生成して出力する。
そして、乗算器44が、レゾルバ13からの第1の回転検出信号Saと、cosφ生成部42からのcosφ信号とを乗算すると共に、その乗算結果を変圧比Kで割ることで、下記の第1の乗算信号S1を出力する。
S1=f(t)・sinθ・cosφ
同様に、乗算器45が、レゾルバ13からの第2の回転検出信号Sbと、sinφ生成部43からのsinφ信号とを乗算すると共に、その乗算結果を変圧比Kで割ることで、下記の第2の乗算信号S2を出力する。
S2=f(t)・cosθ・sinφ
そして、減算器46が、第1の乗算信号S1から第2の乗算信号S2を減算することで、下記の減算信号S3を出力する。
S3=f(t)・〔(sinθ・cosφ)−(cosθ・sinφ)〕
=f(t)・sin(θ−φ)
更に、検波器47が、減算信号S3を励磁信号f(t)に基づき同期検波して、その減算信号S3から励磁信号f(t)の成分を除去した制御偏差信号(=sin(θ−φ))を出力する。
そして、A/D変換器(ADC)48が、検波器47からの制御偏差信号をデジタル変換して、デジタル形式の制御偏差ε(=sin(θ−φ))を出力する。尚、「sin(θ−φ)」は「θ−φ」と近似できるため、制御偏差εは、θとφとの差分であるとも言える。
そのA/D変換器48からの制御偏差εには、増幅器としての乗算器49によって固定のゲインKaが乗算され、更に、増幅器としての乗算器50によって、可変のゲインKbが乗算される。尚、乗算器50でのゲインKbは、後述するゲイン制御部53により、1以下で且つ0よりも大きい値に制御される。
そして、乗算器50の出力(=ε・Ka・Kb)が、周知の補償フィルタ付きの積分器51で積分され、更に、その積分器51の出力(積分結果)が次段の積分器52で積分され、該積分器52の出力が、当該RDC35の次の角度出力値φとなる。
このようなRDC35では、2つの乗算器49,50でのトータルゲイン(=Ka・Kb)が、制御偏差εから角加速度(θの加速度)を得るためのゲインであって、請求項1に記載のゲインに相当している。そして、デジタルデータを扱う部分42,43,48〜52が、動作クロックに同期して一定時間毎に動作することにより、その一定時間毎に、トラッキングループの演算が実施されて新たな角度出力値φが出力される。
尚、上記一定時間は、モータ1が一回転する理論上の最短時間よりも非常に短い時間に設定されている。
また、図2に示すRDC35の各部のうち、乗算器50とゲイン制御部53とを除く部分は、従来から既知のRDCと同じである。このため、乗算器49でのゲインKaは、レゾルバ13からの回転検出信号Sa,Sbが歪みのない理想的な波形で、且つ、乗算器50でのゲインKbが1である場合(つまり、乗算器49の出力が積分器51に入力される場合)に、RDC35が理想的に機能して正しい角度出力値φを出力できる正の値に設定されている。
そこで次に、本発明の特徴部分に相当するゲイン制御部53について説明する。
ゲイン制御部53は、後述する回転状態判定動作により、乗算器49の出力(=ε・Ka)に基づいて、モータ1が等速度回転状態(一定の回転速度で回転している状態)であるか否かを判定するようになっている。尚、乗算器49の出力は、制御偏差εに固定のゲインKaを乗じた値であるため、結局は、制御偏差εに基づき判定している。
そして、ゲイン制御部53は、例えば、後述する回転状態判定動作で判定結果が更新される毎に、図3に示すゲイン制御動作を行う。
図3に示すように、そのゲイン制御動作では、回転状態判定動作による判定結果を参照して、その判定結果が等速度回転状態であれば(S110:YES)、乗算器50でのゲインKbを1よりも小さい正の値に設定する(S120)。また、回転状態判定動作による判定結果が等速度回転状態でなければ(S110:NO)、乗算器50でのゲインKbを1に設定する(S130)。
このため、ゲイン制御部53は、モータ1が等速度回転状態であると判定すると(S110:YES)、2つの乗算器49,50でのトータルゲイン(=Ka・Kb)を、本来のKaから、それよりも小さい値に減少させることとなり(S120)、また、モータ1が等速度回転状態ではないと判定すると(S110:NO)、上記トータルゲイン(=Ka・Kb)を、本来のKaへと即座に戻すこととなる(S130)。
次に、ゲイン制御部53の回転状態判定動作について説明する。
ゲイン制御部53は、乗算器49の出力が更新される毎に(換言すれば、RDC35にて制御偏差εが新たに算出される毎に)、図4に示す回転状態判定動作を行う。
図4に示すように、ゲイン制御部53は、まず、乗算器49の出力(=ε・Ka)を積分する(S210)。ここでの積分とは、積算(累積加算)のことである。また、制御偏差ε及び「ε・Ka」は、「θ>φ」ならば正になり、「θ<φ」ならば負になるため、ここでの積分は、「ε・Ka」を正負の符号付きで累積加算するものである。
また、ゲイン制御部53は、第1の回転検出信号Saにおけるsinθ成分の一周期(つまり、θの一回転分の周期)TsのN倍の周期時間が経過したか否かを判定する(S220)。尚、本実施形態ではN=1であり、sinθ成分の一周期Tsが経過したか否かを判定するが、Nは2以上の整数であっても良い。また、その一周期Tsが経過したか否かは、例えば、当該RDC35の角度出力値φがθの一回転分(360°)に相当する値に達したか否かで判断することができる。一方、その一周期Tsの時間や、その一周期Tsが経過したことの情報を、マイコン37側から受け取って、その一周期Tsが経過したか否かを判定するようになっていても良い。
ここで、一周期Tsが経過していなければ(S220:NO)、そのまま当該回転状態判定動作を一旦終了するが、一周期Tsが経過したならば(S220:YES)、その時点での「ε・Ka」の積分値の絶対値が所定の閾値Ith以下であるか否かを判定し(S230)、積分値の絶対値が閾値Ith以下ならば(S230:YES)、モータ1が等速度回転状態であると判定して、判定結果を、等速度回転状態に設定する(S240)。そして、積分値を0に初期化し(S260)、当該回転状態判定動作を終了する。
また、上記積分値の絶対値が閾値Ith以下でなければ(S230:NO)、モータ1が等速度回転状態ではなく、加速状態(加減速状態)であると判定して、判定結果を、加速状態に設定する(S250)。そして、この場合も積分値を0に初期化し(S260)、当該回転状態判定動作を終了する。
つまり、図4の回転状態判定動作では、乗算器49の出力(=ε・Ka)を、θが一回転する各周期Tsにおいて積分し、その積分値の絶対値が閾値Ith以下か否かで、モータ1が等速度回転状態であるか否かを判定している。
以上のように、本実施形態のECU7に備えられたRDC35では、モータ1が等速度回転状態であると判定すると、制御偏差εから角加速度を得るためのトータルゲイン(=Ka・Kb)を減少させるようになっている。すると、乗算器50から積分器51に入力される角加速度の検出値(「ε・Ka・Kb」であり、以下、検出角加速度という)が0に近づくこととなり、角度出力値φが時間に対し極力比例して変化するようになる。
ここで、図5は、時間を横軸にし、RDC35にて積分器51に入力される検出角加速度(=ε・Ka・Kb)を縦軸にして示したものである。この図5においては、検出角加速度が0ならば等速度回転状態、検出角加速度が正ならば正の加速状態、検出角加速度が負ならば負の加速状態(減速状態)を意味するが、前述したレゾルバの出力波形歪みがあると、モータ1が等速度回転状態であっても、検出角加速度は0で安定せずに0付近で変動する。そこで、本実施形態では、検出角加速度(=ε・Ka・Kb)と同様の変化をする「ε・Ka」を、θが一回転する各周期Tsにおいて積分し、その積分値の絶対値が閾値Ith以下であれば、モータ1が等速度回転状態であると判定して、ゲインKbを1未満に設定することよりトータルゲイン(=Ka・Kb)を減少させ、図5における右側のように検出角加速度を0に近づけるようにしている。そして、それにより、モータ1が等速度で回転している場合にRDC35からマイコン37へ出力される角度出力値φの線形性を高めて、モータ1の回転角度検出精度を向上させている。
このため、本実施形態のECU7によれば、モータ1を等速度回転させる場合に、前述したレゾルバの出力波形歪みがあっても、マイコン37における回転角度の検出精度が良好となり、延いては、モータ1の良好な制御性能を確保することができる。よって、前述した角度検出誤差による不要加速度を抑制して、車両の乗員に不快感を与えてしまうのを回避することができる。
また、ECU7において、RDC35のゲイン制御部53は、モータ1が等速度回転状態であると判定しなければ、トータルゲインの減少調整を実施しないため、マイコン37が、モータ1を加速させる制御を行って該モータ1を加速させる場合には、そのモータ1の加速に対して、RDC35からの角度出力値φが応答良く変化することとなり、モータ1の回転を応答性良く制御することができる。
また、RDC35のゲイン制御部53は、モータ1が等速度回転状態ではないと判定すると、即座にゲインKbを1にしてトータルゲインを本来のKaに戻すため、マイコン37が、モータ1を等速度で回転させる制御状態から加速させる制御状態に移行して、モータ1が実際に加速しだした場合には、トータルゲインが即座に元のKaに戻り、RDC35からの角度出力値φがモータ1の加速に対して応答良く変化することとなる。このため、モータ1を等速から加速させる際の制御応答性を損ねないようにすることができる。尚、モータ1を加速させる制御を行う場合には、その制御による車両の加速度が、前述した角度検出誤差による不要加速度よりも格段に大きくなると考えられるため、その不要加速度を車両の乗員が感じてしまう可能性は非常に小さい。
また更に、図4の回転状態判定動作によれば、乗算器49の出力(=ε・Ka)の積分値からモータ1の回転状態を判定するため、レゾルバの出力波形歪みによって、制御偏差εが、該制御偏差εの算出周期毎に比較的大きくばらつくような場合でも、判定の確かさを確保することができる。
ところで、本実施形態では、ゲイン制御部53のうち、図4の動作を行う部分が、判定手段に相当し、図3の動作を行う部分が、ゲイン調整手段に相当している。
一方、乗算器49の出力は、制御偏差εに固定のゲインKaを乗じた値であるため、図4の回転状態判定動作では、制御偏差εを積算して判定しているのと同じである。このため、図4のS210にて、制御偏差εを積分するように構成しても良い。そして、モータ1が等速度回転状態であるか否かを判定するのに、「ε・Ka」に代えて、制御偏差εを用いても良いことは、後述する他の実施形態についても同様である。
また、図4の回転状態判定動作では、正の加速を示す正の値の「ε・Ka」の積分と、負の加速(減速)を示す負の値の「ε・Ka」の積分とを、別々に行い、図4のS230では、その別々に行った両積分値の絶対値同士の差を、一周期Ts分の「ε・Ka」の積分値として求め、その求めた差の絶対値が閾値Ith以下か否かを判定しても良い。
尚、演算処理における正/負とは、必ずしも符号付きの正/負を意味しているわけではない。つまり、演算の構造上、符号付きの数値を扱うことができない場合には、所定の正の基準値を0として演算を行う場合があるが、そのような演算形態の場合には、当然、上記基準値よりも大きい値が正の値であり、上記基準値よりも小さい値が負の値ということになる。
[第2実施形態]
第2実施形態のECU7では、第1実施形態と比較すると、RDC35のゲイン制御部53が、乗算器49の出力が更新される毎に、図4の回転状態判定動作に代えて、図6の回転状態判定動作を行う点が異なっている。
図6に示すように、ゲイン制御部53は、今回の乗算器49の出力(=ε・Ka)が正ならば(S310:YES)、カウンタCaを1カウントアップし(S320)、また、今回の乗算器49の出力(=ε・Ka)が負ならば(S330:NO)、カウンタCbを1カウントアップする(S340)。尚、「ε・Ka」が正でも負でもなく0であれば、カウンタCa,Cbのカウントアップは行わない。
そして、ゲイン制御部53は、図4のS220と同様に、第1の回転検出信号Saにおけるsinθ成分の一周期(θの一回転分の周期)TsのN倍の周期時間が経過したか否かを判定する。尚、本第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、N=1であり、一周期Tsが経過したか否かを判定するが、Nは2以上の整数であっても良い。
ここで、一周期Tsが経過していなければ(S350:NO)、そのまま当該回転状態判定動作を一旦終了するが、一周期Tsが経過したならば(S350:YES)、その時点での両カウンタCa,Cbの値の差を求めて、その差の絶対値が所定の閾値Cth以下であるか否かを判定する(S360)。
そして、上記差の絶対値が閾値Cth以下ならば(S360:YES)、モータ1が等速度回転状態であると判定して、判定結果を、等速度回転状態に設定する(S370)。そして、カウンタCa,Cbを0に初期化し(S390)、当該回転状態判定動作を終了する。
また、上記差の絶対値が閾値Cth以下でなければ(S360:NO)、モータ1が等速度回転状態ではなく、加速状態(加減速状態)であると判定して、判定結果を、加速状態に設定する(S380)。そして、この場合もカウンタCa,Cbを0に初期化し(S390)、当該回転状態判定動作を終了する。
つまり、図6の回転状態判定動作では、θが一回転する各周期Tsにおいて、乗算器49の出力(=ε・Ka)が正の値(正の加速を示す値)になった回数(正回数)をカウンタCaで計数すると共に、乗算器49の出力(=ε・Ka)が負の値(負の加速を示す値)になった回数(負回数)をカウンタCbで計数し、その一周期Ts分における両回数の差の絶対値が閾値Cth以下であれば、「ε・Ka」が0付近で正負に均等に変動していると考えられることから、モータ1が等速度回転状態であると判定している。
そして、このような図6の回転状態判定動作をゲイン制御部53が行うように構成すれば、第1実施形態と比較すると、判定の正確性はやや劣るものの、処理が簡単になるという点で有利である。
[第3実施形態]
第3実施形態のECU7では、第1実施形態と比較すると、RDC35のゲイン制御部53が、乗算器49の出力が更新される毎に、図4の回転状態判定動作に代えて、図7の回転状態判定動作を行う点が異なっている。
図7に示すように、ゲイン制御部53は、今回の乗算器49の出力(=ε・Ka)の絶対値が所定の閾値Dth以下であるか否かを判定する(S410)。そして、「ε・Ka」の絶対値が閾値Dth以下ならば(S410:YES)、モータ1が等速度回転状態であると判定して、判定結果を、等速度回転状態に設定する(S420)。また、「ε・Ka」の絶対値が閾値Dth以下でなければ(S410:NO)、モータ1が等速度回転状態ではなく、加速状態(加減速状態)であると判定して、判定結果を、加速状態に設定する(S430)。
そして、このような図7の回転状態判定動作をゲイン制御部53が行うように構成すれば、第1実施形態と比較すると、判定の正確性は劣るものの、処理が非常に簡単になるという点で有利である。また、制御偏差εが算出される毎に判定を行うこととなるため、モータ1が加速状態から等速度回転状態に移行した際にトータルゲイン(=Ka・Kb)を低減させる応答性が良くなる、という点で有利である。
[第4実施形態]
次に、第4実施形態のECU7では、第1〜第3の各実施形態ECU7に対して、下記の機能を追加している。
即ち、RDC35のゲイン制御部53は、図3のS120でゲインKbを1よりも小さい値に設定する際に、そのゲインKbの値を、図8に示すように、モータ1の回転速度に応じて設定する。具体的には、回転速度が小さい場合ほど、ゲインKbを小さい値に設定して、トータルゲイン(=Ka・Kb)をより小さくする。
尚、ゲイン制御部53は、モータ1の回転速度を、マイコン37から取得するようになっていても良いし、また、ゲイン制御部53自身が、角度出力値φの単位時間あたりの変化分からモータ1の回転速度を算出するようになっていても良い。
そして、このような第4実施形態のECU7によれば、モータ1を特に低速で等速度回転させる場合に、レゾルバの出力波形歪みによる角度出力値φの誤差を更に抑制して、モータ1の制御精度を向上させることができる。その理由は、請求項6の走行用モータ制御装置について既述した通りである。
[他の実施形態]
第1〜第4の各実施形態ECU7において、RDC35のゲイン制御部53が、図3のS120でゲインKbを1よりも小さい値に設定する場合に、そのゲインKbを段階的に小さくしていくように構成によれば、RDC35におけるトラッキングループが安定するまでの時間を短くすることができ、φのθへの追従性(延いては、回転角度の検出精度)を向上させることができる。
具体的には、ゲイン制御部53は、モータ1が等速度回転状態であると判定すると、その判定結果が継続している期間において、一定の時間毎に、ゲインKbの値を所定値ずつ小さくしていくように構成することができる。また、θが一回転する周期Ts毎、あるいは該周期Tsの整数倍の周期毎に、ゲインKbの値を所定値ずつ小さくしていくように構成することもできる。また、RDC35の動作周期であってトラッキングループの演算周期(前述の一定時間)毎に、ゲインKbの値を所定値ずつ小さくしていくように構成することもできる。
一方、上記各実施形態において、RDC35に、動作モードの切替手段を設け、その切替手段が、ゲイン調整不要を意味するモード切替信号を当該RDC35の外部から受けると、ゲイン制御部53の機能を停止させて乗算器50のゲインKbを1に固定するか、あるいは乗算器49の出力を積分器51に直接入力させるように構成することもできる。
そして、このように構成したRDC35ならば、ゲインの調整をしなくてもモータの十分な制御性能が得られる形態のECUにも、そのRDC35を用いることができるようになり、汎用性が向上する。尚、上記モード切替信号は、RDC35の外部に設けたスイッチによって与えられるようにしても良いし、また例えば、マイコン37から信号線を介して与えるようにしても良い。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
例えば、制御対象のモータは、ハイブリッド型自動車にて走行動力源となるモータであっても良いし、電車の走行用モータであっても良い。
また、RDC35は、減算器46の出力を検波する構成ではなく、以下のように構成しても良い。即ち、乗算器44からの乗算信号S1が第1の検波器で検波されて、その乗算信号S1から励磁信号f(t)の成分が除去され、同様に、乗算器45からの乗算信号S2が第2の検波器で検波されて、その乗算信号S2から励磁信号f(t)の成分が除去され、その両検波器の各出力信号が減算器46に入力されて、該減算器46の出力信号がA/D変換器48に入力されるように構成しても良い。
1…走行用モータ、1a…出力軸、3…バッテリ、5…インバータ、7…ECU(走行用モータ制御装置)、9…ディファレンシャルギヤ、11…駆動輪、13…レゾルバ、15…一次コイル、17,19…二次コイル、21〜13…電流供給線、25〜17…電流センサ、31…アクセルセンサ、32…ブレーキセンサ、33…シフトポジションセンサ、35…RDC、37…マイコン、39…パルス幅変調(PWM)回路、41…励磁回路、42…cosφ生成部、43…sinφ生成部、44,45…乗算器、46…減算器、47…検波器、48…A/D変換器、49,50…乗算器、51,52…積分器、53…ゲイン制御部

Claims (7)

  1. 走行用の動力源になるモータと、
    励磁信号が供給されることにより、前記モータの回転角度に応じた回転検出信号として、前記励磁信号をsinθ(θは前記モータの回転角度を1以上の整数n倍した角度)で振幅変調した波形の第1の回転検出信号と、前記励磁信号をcosθで振幅変調した波形の第2の回転検出信号とを出力する回転角度センサとしてのレゾルバと、
    を備えた車両に用いられ、
    前記レゾルバから出力される前記第1及び第2の回転検出信号から、前記θの検出値である角度出力値φを出力する手段として、一定時間毎に、前記第1及び第2の回転検出信号と現在の角度出力値φとから「sin(θ−φ)」を制御偏差εとして求めると共に、その制御偏差εに所定値であるゲインを乗じた値を積分し該積分結果を更に積分することで次の角度出力値φを求める、トラッキング方式のRDC(Resolver Digital Converter)を備えており、
    前記RDCから出力される前記角度出力値φに基づいて前記モータへの通電を制御する車両の走行用モータ制御装置であって、
    前記制御偏差εに基づいて、前記モータが等速度回転状態であるか否かを判定する判定手段と、
    前記判定手段により前記モータが等速度回転状態であると判定された場合に、前記ゲインを減少させるゲイン調整手段と、
    を備えていることを特徴とする車両の走行用モータ制御装置。
  2. 請求項1に記載の車両の走行用モータ制御装置において、
    前記ゲイン調整手段は、前記判定手段により前記モータが等速度回転状態ではないと判定されると、前記ゲインを前記所定値に戻すこと、
    を特徴とする車両の走行用モータ制御装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の車両の走行用モータ制御装置において、
    前記判定手段は、前記第1の回転検出信号におけるsinθ成分の周期のN倍(Nは1以上の整数)の周期時間において、前記制御偏差εを積分し、その周期時間分の積分値の絶対値が所定の閾値以下であれば、前記モータが等速度回転状態であると判定すること、
    を特徴とする車両の走行用モータ制御装置。
  4. 請求項1又は請求項2に記載の車両の走行用モータ制御装置において、
    前記判定手段は、前記第1の回転検出信号におけるsinθ成分の周期のN倍(Nは1以上の整数)の周期時間において、前記制御偏差εが正の値になった回数である正回数と、前記制御偏差εが負の値になった回数である負回数とを、それぞれ計数し、その周期時間分の正回数と負回数との差の絶対値が所定の閾値以下であれば、前記モータが等速度回転状態であると判定すること、
    を特徴とする車両の走行用モータ制御装置。
  5. 請求項1又は請求項2に記載の車両の走行用モータ制御装置において、
    前記判定手段は、前記RDCにて前記制御偏差εが新たに算出される毎に、その算出された制御偏差εの絶対値が所定の閾値以下か否かを判定して、前記絶対値が前記閾値以下であれば、前記モータが等速度回転状態であると判定すること、
    を特徴とする車両の走行用モータ制御装置。
  6. 請求項1ないし請求項5の何れか1項に記載の車両の走行用モータ制御装置において、
    前記ゲイン調整手段は、前記モータの回転速度に応じて、該回転速度が小さい場合ほど、前記ゲインを減少させる量を大きくすること、
    を特徴とする車両の走行用モータ制御装置。
  7. 請求項1ないし請求項6の何れか1項に記載の車両の走行用モータ制御装置において、
    前記ゲイン調整手段は、前記ゲインを減少させる際に、該ゲインを段階的に減少させること、
    を特徴とする車両の走行用モータ制御装置。
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