JP2013059154A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動車両がスリップを起こした場合にモータ５０の過電流を抑制すると共に、トルクの減少を抑制する。
【解決手段】電動車両を駆動するモータ５０の回転数Ｎとトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに応じてモータ５０に印加する電圧波形を矩形波形又は非矩形波形に設定するマップを含み、マップに基づいてモータ５０を制御する電動車両のモータ制御装置であって、電動車両がスリップしたと判定した際に、マップの矩形波形を印加する領域の中に矩形波形を印加することを禁止する矩形禁止領域Ａを設定し、モータ５０の回転数Ｎとトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍとが矩形禁止領域Ａに入った場合に、モータ５０に印加する電圧波形を矩形波形から非矩形波形に切り替えるとともに、モータ５０の制御方式を最大トルク制御から弱め界磁制御に切り替える。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動車両を駆動するモータを制御するモータ制御装置に関する。

インバータにより直流電力をスイッチング制御して交流モータや交流モータジェネレータを駆動する方法が多く用いられている。インバータによる駆動方式は、正弦波ＰＷＭによるものが制御性もよく一般的であるが、正弦波ＰＷＭでは電圧の利用率に限界があり、高出力が得られない。一方、交流モータに矩形波を印加して駆動する場合には、正弦波ＰＷＭよりも高出力を得られるので、正弦波ＰＷＭと矩形波を必要に応じて切り替えて交流モータに印加する方法が多くなってきている。更に、正弦波ＰＷＭと矩形波との間に過変調ＰＷＭを印加する方法も多く用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。

しかしながら、矩形波を印加して交流モータを駆動する方法は、制御の応答性が悪く、トルク指令値や回転数が急変する場合に電圧指令値が最大電圧を超えるなど制御が不安定となる場合がある。そこで、トルク指令値や回転数が急変する過渡変化時において、電圧指令値が最大電圧値を超えている場合には、トルク指令値を引き下げて電圧指令値を再計算し、電圧指令値が最大電圧を超えないようにする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、インバータ制御による交流モータを電動車両の駆動モータとする場合、車両がスリップした後、すぐにグリップした場合には、駆動モータの回転数、出力トルクは大きく変動し、駆動モータに矩形波を印加して駆動している場合には、昇圧コンバータの出力電圧が過電圧になってしまう場合がある。このため、車両がスリップを起こした直後にグリップした場合には、駆動モータに印加する電圧波形を矩形波から正弦波ＰＷＭ波形、過変調ＰＷＭ波形に切り替えて過電圧を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−３５８３９３号公報 特開２００７−０２０３８３号公報

ところで、車両がスリップを起こした直後にグリップした場合には、交流モータに流れる電流が瞬間的に大きくなり過電流となる場合がある。この場合、特許文献２に記載された従来技術のように、駆動モータに印加する電圧波形を矩形波から正弦波ＰＷＭ波形、過変調ＰＷＭ波形に切り替えることによって過電圧と同様に過電流を抑制することが可能である。しかし、駆動モータに印加する電圧波形を矩形波から正弦波ＰＷＭ波形、過変調ＰＷＭ波形に切り替えた場合には、トルク出力が大きく絞られてしまい、場合によってはゼロとなってしまう場合があるという問題がある（特許文献２、段落０１８０参照）。

そこで、本発明は、電動車両がスリップを起こした場合に電動車両を駆動するモータの過電流を抑制すると共に、トルクの減少を抑制することを目的とする。

本発明のモータ制御装置は、電動車両を駆動するモータの回転数とトルク指令値に応じて前記モータに印加する電圧波形を矩形波形又は非矩形波形に設定するマップを含み、前記マップに基づいて前記モータを制御する電動車両のモータ制御装置であって、前記電動車両がスリップしたと判定した際に、前記マップの矩形波形を印加する領域の中に矩形波形を印加することを禁止する矩形禁止領域を設定し、前記モータの回転数とトルク指令値とが前記矩形禁止領域に入った場合に、前記モータに印加する電圧波形を前記矩形波形から前記非矩形波形に切り替えるとともに、前記モータの制御方式を最大トルク制御から弱め界磁制御に切り替えること、を特徴とする。

本発明のモータ制御装置において、前記モータの回転数と、トルク指令値に応じて前記矩形禁止領域の前記電圧波形を正弦波ＰＷＭ波形と前記矩形波形との間で変化させ、前記電圧波形が前記矩形波形に近い波形となると判断された場合には、前記電圧波形のスイッチング回数を増加させること、としても好適である。

本発明のモータ制御装置において、前記弱め界磁制御は、弱め界磁電流の指令マップを用いた電流フィードバック制御、又は、トルクフィードバック制御で電圧位相を変更すること、としても好適である。

本発明は、電動車両がスリップを起こした場合に電動車両を駆動するモータの過電流を抑制すると共に、トルクの減少を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態におけるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの全体構成を示す系統図である。 本発明の実施形態においてモータに印加される電圧波形を示す説明図である。 本発明の実施形態においてモータに印加されるスリット入り矩形波を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における電圧波形と制御方式の切り替え領域を示す説明図である。 本発明の実施形態における本発明の実施形態によって制御方式を切り替えた際のｄ軸電流、ｑ軸電流の変化を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるモータ制御装置で実行される電流フィードバック制御のブロック図である。 本発明の実施形態におけるモータ制御装置で実行されるトルクフィードバック制御のブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本発明の制御装置６０を用いたモータ駆動システム１０は、バッテリ１１と、バッテリ１１から出力される低圧の直流電力を昇圧して高圧の直流電力として出力する昇圧コンバータ２０と、昇圧コンバータ２０によって昇圧された高圧の直流電力をモータ５０駆動用の三相交流電力に変換して出力するインバータ３０と、バッテリ１１と昇圧コンバータ２０との間にバッテリ１１と並列に設けられた低圧側コンデンサ１３と、低圧側コンデンサ１３の両端の電圧を検出する低圧側電圧検出器５４と、昇圧コンバータ２０とインバータ３０との間に並列に設けられた高圧側コンデンサ１４と、高圧側コンデンサ１４の両端の電圧を検出する高圧側電圧検出器５５と、高圧側コンデンサ１４と並列に設けられた放電抵抗１５と、低圧側コンデンサ１３とバッテリ１１との間に設けられ、バッテリ１１とモータ駆動システム１０とを遮断するシステムメインリレー１２と、モータ５０の制御を行う制御装置６０とを備えている。モータ駆動システム１０のインバータ３０はモータ５０に接続されている。モータ５０はＵ，Ｖ，Ｗの３相のコイル５１，５２，５３と永久磁石を備える三相の回転電機で、ロータの角度位置を検出するレゾルバ５６と、Ｖ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗを検出する電流センサ５８，５９が設けられている。

昇圧コンバータ２０は、基準電路４９がバッテリ１１のマイナス側とインバータ３０のマイナス側との間に共通に接続され、入力側の低圧電路４８がバッテリ１１のプラス側に接続され、昇圧した後の高圧側の高圧電路４７がインバータ３０のプラス側に接続されている非絶縁双方向型のコンバータである。

図１に示すように、昇圧コンバータ２０は、スイッチング素子である上アームトランジスタ２１と、下アームトランジスタ２２と、電磁エネルギーを蓄積するリアクトル２５とを備えている。上アームトランジスタ２１と下アームトランジスタ２２とは、上アームトランジスタ２１のエミッタ端子と下アームトランジスタ２２のコレクタ端子とが直列に接続され、上アームトランジスタ２１のコレクタ端子は高圧電路４７に接続され、下アームトランジスタ２２のエミッタ端子は基準電路４９に接続されている。上アームトランジスタ２１及び下アームトランジスタ２２の各ベース端子は制御装置６０に接続され、各トランジスタ２１，２２は制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。

各トランジスタ２１，２２の各エミッタ端子とコレクタ端子との間には、各エミッタ端子からコレクタ端子に向かう方向が順方向になるように、逆並列に上アームダイオード２３と下アームダイオード２４とが接続されている。

上アームトランジスタ２１と下アームトランジスタ２２との接続点５７は、低圧電路４８に接続され、低圧電路４８の接続点５７とバッテリ１１のプラス側との間に電磁エネルギーを蓄積するリアクトル２５が設けられている。

図１に示すように、インバータ３０は、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のスイッチング動作を行う複数のトランジスタと各トランジスタに逆並列に接続された各ダイオードとを備えている。図１に示すように、Ｕ相上アームトランジスタ３１のエミッタ端子とＵ相下アームトランジスタ３２のコレクタ端子は直列に接続され、Ｕ相上アームトランジスタ３１のコレクタ端子は高圧電路４７に接続され、Ｕ相下アームトランジスタ３２のエミッタ端子は基準電路４９に接続されている。Ｕ相上アームトランジスタ３１とＵ相下アームトランジスタ３２の接続点はモータ５０のＵ相コイル５１に接続されている。Ｕ相の各トランジスタ３１，３２の各エミッタ端子とコレクタ端子との間には、各エミッタ端子からコレクタ端子に向かう方向が順方向になるように、逆並列にＵ相上アームダイオード３３とＵ相下アームダイオード３４とが接続されている。Ｕ相上アームトランジスタ３１及びＵ相下アームトランジスタ３２の各ベース端子は制御装置６０に接続され、Ｕ相の各トランジスタ３１，３２は制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。

Ｖ相、Ｗ相も同様に、Ｖ相上アームトランジスタ３５、Ｖ相下アームトランジスタ３６、Ｖ相上アームダイオード３７、Ｖ相下アームダイオード３８、Ｗ相上アームトランジスタ３９、Ｗ相下アームトランジスタ４０、Ｗ相上アームダイオード４１、Ｗ相下アームダイオード４２が接続され、各トランジスタ３５〜４０の各ベース端子は制御装置６０に接続され、制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。

制御装置６０は、内部に信号処理や演算を行うＣＰＵと、プログラム、制御データなどを格納するメモリを含むコンピュータである。低圧側電圧検出器５４と高圧側電圧検出器５５は制御装置６０に接続され、制御装置６０は各電圧検出器５４，５５の検出信号を取得することができ、システムメインリレー１２も制御装置６０に接続され、制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。モータ５０のロータの角度位置を検出するレゾルバ５６と、モータ５０のＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗを検出する電流センサ５８，５９とは制御装置６０に接続され、制御装置６０はモータ５０のロータの角度位置とＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗとを取得することができる。また、制御装置６０はレゾルバ５６の信号に基づいてモータ５０の回転数を取得することができる。

制御装置６０は、低圧側電圧検出器５４で検出した低圧側電圧ＶＬと、高圧側電圧検出器５５で検出した高圧側電圧ＶＨとによって昇圧コンバータ２０の昇圧動作を制御する。また、制御装置６０は後で説明する図５に示すようなモータ５０の回転数Ｎとトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに応じてモータ５０に印加する電圧波形を選定するマップを内蔵しており、このマップと、制御装置６０に入力されるトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと、レゾルバ５６の出力から計算したモータ５０の回転数Ｎと、モータ５０のＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗと、ロータの角度位置θとに基づいてインバータ３０の各相の出力電圧の電圧波形を変化させてモータ５０の回転数Ｎと出力トルクの制御を行っている。

図２に示すように、本発明の実施の形態によるモータ駆動システム１０は、制御装置６０の指令によってインバータ３０の各トランジスタ３１から４０をオンオフ動作させてから正弦波ＰＷＭ波形、過変調ＰＷＭ波形、矩形波形の３つの電圧波形を出力する。また、モータ５０の運転状態によっては、図３に示すスリット入り矩形波形を出力する。

正弦波ＰＷＭ波形は、一般的なＰＷＭ波形として用いられるものであり、正弦波状の基本波と搬送波（代表的には三角波）との電圧比較に従って各トランジスタ３１から４０をオンオフさせ、各上アームトランジスタ３１，３５，３９のオン期間に対応するハイレベル期間と、各下アームトランジスタ３２，３６，４０のオン期間に対応するローレベル期間との集合について、一定期間内でその基本波成分が正弦波となるように各トランジスタ３１〜４０のオンオフのデューティ比を制御する。つまり、正弦波ＰＷＭ波形は、その電圧の平均値が疑似的に正弦波となる様にパルスの幅を変化させたパルスの集合である。正弦波ＰＷＭ波形では、基本波成分の電圧をインバータ入力電圧の０．６１倍までしか高めることができない。

一方、矩形波形は、上記一定期間内で、各トランジスタ３１〜４０のオンオフのデューティ比を最大値に維持した場合に相当し、ハイレベル期間およびローレベル期間の比が１：１の矩形波形１パルス分を交流モータ印加する。これにより、変調率は０．７８まで高められる。また、過変調ＰＷＭ波形は、搬送波の振幅を縮小するように歪ませた上で上記正弦波ＰＷＭ波形と同様に各トランジスタ３１〜４０のオンオフさせるものであり、電圧の平均値が疑似的に歪んだ正弦波となる様にパルスの幅を変化させたパルスの集合である。過変調ＰＷＭ波形は、基本波成分を歪ませることによって、変調率を０．６１〜０．７８の範囲まで高めることができる。

正弦波ＰＷＭ波形は、トルク変動が小さいこと、各トランジスタ３１〜４０のオンオフのデューティ比によって基本波成分の電圧を変化させることができることから、モータ５０の制御性が良いという特徴がある。一方の矩形波形は、変調率が高く電源電圧の利用効率が高いので、モータ５０の出力トルクを増大させる場合に有効であるが、基本波形の電圧を変更することができないため、制御性が良くないという欠点を持つ。可変調ＰＷＭ波形は、正弦波ＰＷＭ波形と矩形波形との間の特性を持ち、中間速度領域での出力を向上させる場合に有効である。

また、図３に示すスリット入り矩形波形は、矩形波形の最初の部分と最後の部分とに電圧をオンオフするスリットＳを入れるようにしたもので、矩形波形によってモータ５０を駆動した際の一時的な過電流を抑制する効果がある波形である。このスリット入り矩形波形は、変調率を高くした過変調ＰＷＭ波形と類似した波形であるが、基本波と搬送波を用いず、矩形波形の最初と最後の部分にいくつかのスリットを入れるようにしたものである。

図２、図３に示す様に、矩形波形は、電気角１８０°の間のパルスの数が１つであり、矩形波形以外の正弦波ＰＷＭ波形、過変調ＰＷＭ波形、スリット入り矩形波形は電気角１８０°の間のパルスの数が複数となっている。本実施形態では、この矩形波形以外の正弦波ＰＷＭ波形、過変調ＰＷＭ波形、スリット入り矩形波形は非矩形波形に分類する。

以上のように構成されたモータ駆動システム１０の動作について図４から図７を参照しながら説明する。図４に示すフローチャートに従ったモータ駆動システム１０の動作について説明する前に、図５を参照しながら図４のフローチャートに記載されている、矩形禁止領域、正弦波ＰＷＭ駆動可能領域、過変調ＰＷＭ駆動可能範囲、スリット入り矩形波駆動可能範囲について説明する。

先に説明したように、本実施形態の制御装置６０は、図５に示すようにモータ５０の回転数Ｎとトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに応じてモータ５０に印加する電圧波形を設定するマップを内蔵している。このマップの中の点ｕと点ｄを結ぶ線Ｌ_１、点ｄから点ｃを通って右下に向かって延びる斜めの曲線Ｌ_２は、モータ５０の回転数Ｎに対してモータ５０が出力できるトルクの上限値（許容できるトルク指令値の上限値）を示す境界線であり、モータ５０は、この線Ｌ_１，Ｌ_２の下側の領域であればどこの点でも運転することが可能である。例えば、回転数Ｎが点ｕのゼロから点ｄのＮ_５までの回転数Ｎの範囲であれば、モータのトルク指令値ＴｒｑｃｏｍがゼロからＴ_０の間であればどの点でも運転が可能である。そして、回転数Ｎが点ｄのＮ_５を超えると、モータ５０の許容できるトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの上限値は、当初のＴ_０から曲線Ｌ_２に沿って次第に低下し、回転数ＮがＮ_１０の点ｃでは、Ｔ_１まで低下する。そして、更にモータの回転数Ｎが大きくなるとモータ５０の許容できるトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの上限値は曲線Ｌ_２に沿ってＮ_１０から更に小さくなっていく。

図５に示すマップの点ａから斜め下の点ｗに向かって延びる曲線Ｌ_３は、モータ５０に印加する電圧波形の切り替え線であり、曲線Ｌ_３の左側の領域、即ち、点ｕ，点ｖ、点ｗ、点ａで囲まれる略台形の領域Ｂ_１では、図２に示した正弦波ＰＷＭ波形が印加され、曲線Ｌ_３の右側の領域Ｃでは、矩形波形が印加される。また、曲線Ｌ_３の左側の領域Ｂ_１では、モータ５０の制御方式は最大トルク制御である。

図５に示す点ｄから右下に向かって延びる点線Ｌ_１０は、モータ５０の制御方式を最大トルク制御から弱め界磁制御に切り替える切り替え線である。点線Ｌ_１０の左側の領域、即ち、点ｕ，点ｖ、点ｗ、点ａで囲まれる略台形の領域Ｂ_１と、点ａ，点ｗ、点ｘ、点ｄで囲まれる略平行四辺形の領域Ｃ_１では、モータ５０は最大トルク制御によって制御され、点線Ｌ_１０の右側の領域Ｃ_２では、モータ５０は弱め界磁制御によって制御される。従って、図５に示す点ｕ，点ｖ、点ｗ、点ａで囲まれる略台形の領域Ｂ_１は、正弦波ＰＷＭ波形が印加されて最大トルク制御によって制御され、点ａ，点ｗ、点ｘ、点ｄで囲まれる略平行四辺形の領域Ｃ_１は、矩形波形が印加されて最大トルク制御で制御され、点線Ｌ_１０の右側の領域Ｃ_２は、矩形波形が印加され、弱め磁界制御で制御される。

最大トルク制御とは、固定子の回転磁界とロータの磁石のＮ極方向との電気角の角度差が最大のトルクを発生する角度差となるように電流を制御する制御方式である。この制御方式は、例えば、図６に示すように、ｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑのグラフの上で最大トルク制御線Ｆに沿ってｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑを変化させる制御である。最大トルク制御方式は、大きなトルクを出力させることができるが、モータ５０の回転数Ｎが高くなると、逆起電圧が大きくなるので、回転数Ｎが高くなるに従って、図６に示す最大トルク制御線Ｆに沿ってｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑを減少させて電圧の上昇を抑えることが必要となる。従って、最大トルク制御方式では、モータ５０の回転数Ｎが高くなると電流が制限され、トルク出力が低下する。

弱め界磁制御とは、ロータに取り付けられている永久磁石を減磁する方向に磁束を調整することによって電圧の上昇を抑えて高回転で大きなトルク出力が得られる制御方法である。この制御方式は、例えば、図６に示すように、ｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑのグラフの上で弱め界磁制御線Ｇに沿ってｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑを変化させる制御である。つまり、モータ５０の回転数Ｎが高くなると、マイナス方向にｄ軸電流ｉ_ｄを増加させて行く制御方法である。弱め界磁制御方式は、高速回転でも大きなトルクを出力させることができるが、永久磁石の減磁に注意する必要がある。制御装置６０は、弱め界磁制御を行う際の弱め界磁制御線Ｇを規定するｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値のマップを内蔵しており、このマップからｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値を取得して制御を行う。

図４に示す矩形禁止領域Ａは、図５に示す点ａ、点ｂ、点ｃ、点ｄによって囲まれる略台形の領域をいい、通常運転では、モータ５０に印加する電圧波形が矩形波形となる領域Ｃの中で、トルク指令値ＴｒｑｃｏｍがＴ_１以上となる領域である。矩形波形を印加した場合にはモータ５０の制御性がよくないので、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが大きく、回転数Ｎが低い領域においてモータ５０に矩形波形を印加して駆動した場合、モータ５０のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍ或いは回転数Ｎが急変するとモータ５０に過電流が流れてしまう場合がある。そこで、モータ５０の運転状態が大きく変動した際に過電流が流れる可能性のある領域においてモータ５０に矩形波形の電圧波形を印加することを禁止するのが矩形禁止領域Ａである。矩形禁止領域Ａでは、モータ５０に非矩形波形の電圧波形を印加してモータ５０を駆動するのであるが、どのような電圧波形を印加するかによって矩形禁止領域Ａは、正弦波ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_１、過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２、スリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３、トルク指令値低減領域Ａ_４の４つの領域に区分されている。

正弦波ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_１は、図５に示す点ａ、点ｂ、点ｒで囲まれる略三角形の領域で、図５の中で、右斜め下に向かうハッチングされている領域である。正弦波ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_１の右側は、点ａと点ｒを結ぶ曲線Ｌ_８によって区画されているが、この曲線Ｌ_８は、正弦波ＰＷＭ波形を印加して弱め界磁制御でモータ５０の制御を行った場合のモータ回転数Ｎに対するトルク出力或いはトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの限界線である。正弦波ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_１の下限は、矩形禁止領域Ａの下限であるトルク指令値ＴｒｑｃｏｍがＴ_１一定の直線Ｌ_９である。正弦波ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_１ではモータ５０に印加する電圧波形は正弦波ＰＷＭ波形であり、モータ５０は弱め界磁制御によって制御される。

過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２は、図５に示す点ｐ、点ｓ、点ｑで囲まれる略平行四辺形の領域で、図５の中で、左斜め下に向かうハッチングされている領域である。モータに過変調ＰＷＭ波形を印加する場合、変調率が大きいほど矩形波形に近づいて大きなトルク出力が出せるが、電圧波形が矩形波形に近づくにつれて制御性が低下する。従って、矩形禁止領域Ａの中で過変調ＰＷＭ波形を印加する場合、モータ５０を制御するために必要な変調率の上限がある。この上限値は、モータ５０の種類、特性等によって変化する。変調率をこの上限変調率とした場合、モータ５０の出力することのできるトルクの上限値或いはトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの上限値は、矩形波形を印加する場合のＴ_１からＴ_３に減少する。従って、変調率が上限変調率の場合、過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２の上限はトルク指令値ＴｒｑｃｏｍがＴ_３一定の点ｐと点ｑとを結ぶ直線Ｌ_６によって区画される。また、過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２の右側は、点ｑと点ｓを結ぶ曲線Ｌ_７によって区画されている。この曲線Ｌ_７は、過変調ＰＷＭ波形を印加して弱め界磁制御でモータ５０の制御を行った場合のモータ回転数Ｎに対するトルク出力或いはトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの限界線である。また、過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２の下限は、矩形禁止領域Ａの下限であるトルク指令値ＴｒｑｃｏｍがＴ_１一定の直線Ｌ_９である。過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２ではモータ５０に印加する電圧波形は上限変調率の過変調ＰＷＭ波形であり、モータ５０は弱め界磁制御によって制御される。

図５に示すように、スリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３は、過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２の上側と右側に沿って、くの字型に折れ曲がった帯状の領域であり、図５において、網かけがされている領域である。先に述べたように、制御性を保ちながら過変調ＰＷＭ波形を印加する場合には変調率に上限値があり、この上限変調率を超えるとモータ５０の過渡制御特性が低下してしまう。そこで、上限変調率とした場合でも、モータ５０のトルク出力あるいはトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが不足する場合には、矩形波形にスリットを入れたスリット入り矩形波形を印加する。このスリット入り矩形波形を印加した場合には、上限変調率の過変調ＰＷＭ波形を印加するよりもトルク出力或いはトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの上限値をＴ_３からＴ_２に、弱め界磁制御の場合の上限曲線を曲線Ｌ_７から曲線Ｌ_５のように右側にずらすことができる。従って、スリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３の上限はトルク指令値ＴｒｑｃｏｍがＴ_２一定の点ｆと点ｇとを結ぶ直線Ｌ_４によって区画され、スリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３の右側は、スリット入り矩形波形を印加して弱め界磁制御でモータ５０の制御を行った場合のモータ回転数Ｎに対するトルク出力或いはトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの限界線である点ｇと点ｔを結ぶ曲線Ｌ_５によって区画されている。また、スリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３の下限は、矩形禁止領域Ａの下限であるトルク指令値ＴｒｑｃｏｍがＴ_１一定の直線Ｌ_９である。スリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３ではモータ５０に印加する電圧波形はスリット入り矩形波形であり、モータ５０は弱め界磁制御によって制御される。

矩形禁止領域Ａにおいて、モータ５０に印加する電圧波形がスリット入り矩形波形よりも矩形波形に近づいてしまうと、矩形波形と同様に制御性が悪くなってしまうので、スリット入り矩形波形以上に矩形波に近い電圧波形を印加することはできない。従って、スリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３と矩形波形を印加する場合の出力トルク或いはトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの上限値との間にある、くの字型に折れ曲がった帯状の領域、つまり、図５において、クロスハッチングされている領域では、モータ５０の制御性を保つことができない。従って、回転数Ｎやトルク出力或いはトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが急変する状態では、この領域でモータ５０を駆動することができなくなるので、モータ５０の運転点がこの領域に入った場合には、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍをその回転数Ｎにおけるスリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３の上限トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍまで低減する。この領域がトルク指令値低減領域Ａ_４である。

次に、図４のフローチャートを参照しながら、本実施形態の制御装置６０を用いたモータ駆動システム１０の動作について説明する。制御装置６０は図７に示す様な電流フィードバック部２００Ａを有する制御ブロックにより電流フィードバックによってモータ５０の制御を行うように構成されている。

図４のステップＳ１０１に示すように、制御装置６０は、モータ５０の搭載されている電動車両がスリップを起こしたかどうかを判断する。電動車両がスリップを起こすと、同一のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが出力されている場合にはモータ５０の回転数Ｎが急上昇し、これによりモータ５０の消費電力が上昇するので、モータ５０のＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗを検出してその電流値と電圧とから消費電力を計算し、この消費電力が所定の値を検出した際にスリップが発生したと判断してもよいし、図７に示す座標変換部２２０によってＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗをｄ軸電流、ｑ軸電流に変換し、ｑ軸電流が所定の値以上となった場合にスリップが発生したと判断してもよい。

図４のステップＳ１０２に示すように、制御装置６０は、スリップが発生したと判断したら、図５を参照して説明した矩形禁止領域Ａと、正弦波ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_１、過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２、スリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３、トルク指令値低減領域Ａ_４の４つの領域を設定する。そして、制御装置６０は、図４のステップＳ１０３に示すように、図７に示すレゾルバ５６から取得したロータの角度位置の信号からモータ５０の回転数Ｎを計算し、この回転数Ｎと、図１に示す様に外部から入力されるトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍとによって、図７に示す電圧波形選択部１５０において、モータ５０の運転領域が先に設定した矩形禁止領域Ａに入っているかどうかを判断する。そして、図４のステップＳ１０４に示す様に、制御装置６０の電圧波形選択部１５０は、モータ５０の回転数Ｎとトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと正弦波ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_１に入っているかどうかを判断する。図４のステップＳ１０５に示す様に、モータ５０の運転点が正弦波ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_１に入っている場合には、電圧波形選択部１５０は、モータ５０に印加する電圧波形を正弦波ＰＷＭ波形に切り替えると共に、図４のステップＳ１０６に示す様に、モータ５０の制御方式を最大トルク制御から弱め界磁制御に切り替える。そして、電圧波形選択部１５０は、電圧波形を正弦波ＰＷＭ波形とする信号と、制御方式を弱め界磁制御とする信号と、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍとを電流指令生成部２１０に出力する。電流指令生成部２１０は、入力された各信号と内部の電流マップに基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄｃｏｍ，ｑ軸電流指令値Ｉｑｃｏｍを出力する。出力されたｄ軸電流指令値Ｉｄｃｏｍ，ｑ軸電流指令値Ｉｑｃｏｍは、電流センサ５８，５９から取得したＶ相、Ｗ相の電流ｉｖ，ｉｗを変換したｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑとの差分をとって、その差分をＰＩ演算部２４０で演算し、ｄ軸、ｑ軸の各電圧指令値Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊とし、この各電圧Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊を座標変換部２５０によってＵ，Ｖ，Ｗ相の各電圧に変換してＰＷＭ部２６０に入力する（電流フィードバック）。ＰＷＭ部２６０は、入力された各相の電圧信号に基づいて、インバータ３０の各トランジスタ３１〜４０をオンオフする信号を出力する。このオンオフ信号によってインバータ３０から正弦波ＰＷＭ波形がモータ５０に印加される。

スリップが発生した際のモータ５０の運転点の変化について、図５と図６とを参照しながら説明する。モータ５０が図５、図６に記載されている点Ｐ_１において運転されていた際にスリップが発生すると、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍはそのままで、回転数Ｎが急上昇してモータ５０の運転点は図５に示す点Ｐ_２に移動する。点Ｐ_１は、正弦波ＰＷＭ波形で最大トルク制御される領域であるので、モータ５０の回転数Ｎが増加すると、図６に示す最大トルク制御線Ｆに沿ってｄ軸電流、ｑ軸電流が低下し、出力トルクが低下してしまう。そして、電圧波形が正弦波ＰＷＭ波形に切り替っても、制御方式が最大トルク制御のままの場合は、運転点は図６に示す点Ｐ_２´に移動してしまい、モータ５０のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍは図５に示すＴ_１まで低下してしまう。しかし、本実施形態では、モータ５０に印加する電圧波形は正弦波ＰＷＭ波形としたまま、モータ５０の制御方式を弱め界磁制御とするので、図６に示す様にモータ５０の運転点は、図６の点Ｐ_１から弱め界磁制御の制御線Ｇに沿ってＰ_２に移動する。つまり、ｄ軸のマイナス方向の電流を増加させ、図６に示す位相βが大きくなるようにｄ軸電流、ｑ軸電流を制御していく。この弱め界磁制御を行った場合、モータ５０のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの上限は、図５の点ａと点ｒの間の線Ｌ_８によって制限される。図５に示す点Ｐ_２はこの線Ｌ_８よりも下の領域に入っているので、モータ５０のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍは制限を受けず、モータ５０は、最初の運転点Ｐ_１のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを保ったまま、回転数Ｎを増加した点Ｐ_２の運転点に移行することができる。そして、モータ５０に印加する電圧波形を正弦波ＰＷＭ波形としているので、モータ５０の制御性を保つことができ、スリップの際にも安定してモータ５０を制御することができる。

電圧波形選択部１５０は、図４のステップＳ１０４で運転点が正弦波ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_１に入らないと判断した場合、図４のステップＳ１０７に示す様に、過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２に入っているかどうかを判断する。そして、モータ５０の運転点が過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２に入っている場合には、図４のステップＳ１０８，Ｓ１０６に示す様に、印加電圧を上限変調率の過変調ＰＷＭ波形に切り替え、モータ５０の制御方式を弱め界磁制御に切り替え、その信号を電流指令生成部２１０に出力する。これによって先に説明したと同様、制御装置６０は、モータ５０を過変調ＰＷＭ波形の弱め界磁制御で運転する。

電圧波形選択部１５０は、図４のステップＳ１０７で運転点が過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２に入らないと判断した場合、図４のステップＳ１０９に示す様に、スリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３に入っているかどうかを判断する。そして、モータ５０の運転点がスリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３に入っている場合には、図４のステップＳ１１０，Ｓ１０６に示す様に、印加電圧をスリット入り矩形波形に切り替え、モータ５０の制御方式を弱め界磁制御に切り替え、その信号を電流指令生成部２１０に出力する。これによって先に説明したと同様、制御装置６０は、モータ５０をスリット入り矩形波形の弱め界磁制御で運転する。

電圧波形選択部１５０は、図４のステップＳ１０７で運転点がスリット入り矩形波駆動可能領域Ａ_３に入らないと判断した場合、モータ５０の運転点は、トルク指令値低減領域Ａ_４にあると判断し、図５のステップＳ１１１に示す様に、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを正弦波ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_１、過変調ＰＷＭ駆動可能領域Ａ_２、スリット入り矩形は駆動可能領域Ａ_３のいずれかの領域に入るようにトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを低減する。そして、新たに移動した領域に対して図４に示すステップＳ１０４からＳ１０６を繰り返し、適切な電圧波形を選択してモータ５０を駆動する。

以上説明したように、本実施形態は、電動車両がスリップを起こした場合に電動車両を駆動するモータ５０に印加する電圧波形を非矩形波形である正弦波ＰＷＭ波形、過変調ＰＷＭ波形、スリット入り矩形波形に切り替えることにより、矩形波形により駆動する場合に発生する過電流を抑制することができると共に、モータ５０の制御方式を最大トルク制御から弱め界磁制御に切り替えることでモータ５０の出力トルクあるいはトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの減少を抑制することができるものである。

以上述べた実施形態では、制御装置６０は、電流フィードバック部２００Ａを有し、モータ５０のモータ５０のトルク出力或いはトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの弱め界磁制御は、内蔵している図６に示す弱め界磁制御線Ｇを規定するｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値のマップからｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値を取得し、ｄ軸電流、ｑ軸電流のフィードバックを行う電流フィードバックを行うこととして説明したが、弱め界磁制御の方法はこれに限らず、図８に示す様に、トルクフィードバック部２００Ｂを有し、電流センサ５８，５９によって取得した電流からモータ５０のトルクを推定し、この推定値とトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍとを比較してトルクフィードバックにより電圧位相を変更することとしてもよい。この場合も先に述べた実施形態と同様、電圧波形選択部１５０は、モータ５０の運転領域を判断し、どの電圧波形を印加するかの信号と、モータの制御方式を弱め界磁制御とする信号とをＰＩ演算部４３０に出力し、ＰＩ演算部４３０は、この信号に基づいて電圧位相φＶを計算、ＰＷＭ部４４０に出力する。信号発生部４５０は、ＰＷＭ部４４０からの指令によりインバータ３０のトランジスタ３１〜４０をオンオフ制御する信号を出力し、インバータ３０は正弦波ＰＷＭ波形、過変調ＰＷＭ波形等の電力波形をモータ５０に印加する。本実施形態も先に述べた実施形態と同様の効果を奏する。

１０ モータ駆動システム、１１ バッテリ、１２ システムメインリレー、１３ 低圧側コンデンサ、１４ 高圧側コンデンサ、１５ 放電抵抗、２０ 昇圧コンバータ、２１，２２，３１，３２，３５，３６，３９，４０ トランジスタ、２３，２４，３３，３４，３７，３８，４１，４２ ダイオード、２５ リアクトル、３０ インバータ、４７ 高圧電路、４８ 低圧電路、４９ 基準電路、５０ モータ、５１，５２，５３ コイル、５４，５５ 電圧検出器、５６ レゾルバ、５７ 接続点、５８，５９ 電流センサ、６０ 制御装置、１５０ 電圧波形選択部、２００Ａ 電流フィードバック部、２００Ｂ トルクフィードバック部、２１０ 電流指令生成部、２２０，２５０ 座標変換部、２４０ 演算部、２６０，４４０ ＰＷＭ部、４３０ ＰＩ演算部、４５０ 信号発生部、Ａ 矩形禁止領域、Ａ_１ 正弦波ＰＷＭ駆動可能領域、Ａ_２ 過変調ＰＷＭ駆動可能領域、Ａ_３ 矩形波駆動可能領域、Ａ_４ トルク指令値低減領域、Ｓ スリット、β 位相、θ 角度位置、φＶ 電圧位相。

Claims (3)

1. 電動車両を駆動するモータの回転数とトルク指令値に応じて前記モータに印加する電圧波形を矩形波形又は非矩形波形に設定するマップを含み、前記マップに基づいて前記モータを制御する電動車両のモータ制御装置であって、
   前記電動車両がスリップしたと判定した際に、前記マップの矩形波形を印加する領域の中に矩形波形を印加することを禁止する矩形禁止領域を設定し、前記モータの回転数とトルク指令値とが前記矩形禁止領域に入った場合に、前記モータに印加する電圧波形を前記矩形波形から前記非矩形波形に切り替えるとともに、前記モータの制御方式を最大トルク制御から弱め界磁制御に切り替えること、
   を特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記モータの回転数と、トルク指令値に応じて前記矩形禁止領域の前記電圧波形を正弦波ＰＷＭ波形と前記矩形波形との間で変化させ、
   前記電圧波形が前記矩形波形に近い波形となると判断された場合には、前記電圧波形のスイッチング回数を増加させること、
   を特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１または２に記載のモータ制御装置であって、
   前記弱め界磁制御は、弱め界磁電流の指令マップを用いた電流フィードバック制御、又は、トルクフィードバック制御で電圧位相を変更すること、
   を特徴とするモータ制御装置。

Images