JP2014014220A - インバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】安全性を担保するインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両を提供する。
【解決手段】受信したトルク指令に応じて、電流振幅と、トルク指令に対応する第１電流位相およびトルク指令の値よりも低く同じ符号の出力トルク又はゼロの出力トルクに対応する第２電流位相の一方である電流位相とを出力する振幅位相設定部３６Ｘと、電流振幅と、電流位相と、電動機１０に供給される電流と、回転子１２の位置および向きとから、電圧指令を出力する電流制御部３６Ｃと、電流制御部３６Ｃへ磁極位置判定指令を出力し、磁極位置判定指令により電動機１０へ供給される電流を受信して回転子１２の位置を判定する磁極位置判定部３６Ｅと、電流制御部３６Ｃへ磁極向き判定指令を出力し、磁極向き判定指令により電動機１０へ供給される電流を受信して回転子１２の磁極の向きを判定する磁極向き判定部３６Ｆと、を備えた特徴とするインバータ制御装置。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、インバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両に関する。

永久磁石電動機を駆動する際には、所望のトルクを発生させるために回転子の磁極位置および磁極向きに対応した適切な位相で駆動電流をコイルに供給する必要がある。従来は、永久磁石電動機の回転中にコイルに発生する誘起電圧を利用して回転子の磁極位置を検出する方法が提案されている。

しかしながら、回転子の磁極向きを誤って検出した場合、エンジンを搭載した車両では逆走することはないが、例えば電動車両において、ノイズの影響や永久磁石電動機の故障等により回転子の磁極向きを誤って検出した場合、車両が逆走する可能性があった。

特開２０１０−９５０２９号公報 特許第３３１２４７２号公報

本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、安全性を担保するインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両を提供することを目的とする。

実施形態によれば、電気的突極性を有する回転子を備えた電動機と、前記電動機を駆動するインバータとを備えた電動車両に適用されるインバータ制御装置であって、受信したトルク指令に応じて、電流振幅と、前記トルク指令に対応する第１電流位相および前記トルク指令の値よりも低く同じ符号の出力トルクあるいはゼロの出力トルクを実現する第２電流位相のいずれか一方である電流位相とを出力する振幅位相設定部と、電流振幅と電流位相と、前記電動機に供給される電流と、前記回転子の位置と、前記回転子の磁極の向きとから、電圧指令を出力する電流制御部と、前記電圧指令を受信して前記インバータのスイッチング信号を出力するＰＷＭ制御部と、前記電流制御部へ磁極位置判定指令を出力し、磁極位置判定指令により前記電動機へ供給される電流を受信して前記回転子の位置を判定する磁極位置判定部と、前記電流制御部へ磁極向き判定指令を出力し、磁極向き判定指令により前記電動機へ供給される電流を受信して前記回転子の磁極の向きを判定する磁極向き判定部と、を備えた特徴とするインバータ制御装置が提供される。

図１は、第１実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の一構成例を概略的に示す図である。 図２は、図１に示す電動車両の永久磁石電動機の一構成例を概略的に示す図である。 図３は、電流位相と永久磁石電動機１０の出力トルクとの関係の一例を示す図である。 図４は、電流位相と永久磁石電動機１０の出力トルクとの関係の他の例を示す図である。 図５は、第１実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の動作の一例を説明するフローチャートである。 図６は、第１実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の他の構成例を概略的に示す図である。 図７は、第２実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の一構成例を概略的に示す図である。 図８は、第２実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の動作の一例を説明するフローチャートである。 図９は、第３実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の一構成例を概略的に示す図である。 図１０は、第４実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の一構成例を概略的に示す図である。 図１１は、第４実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の動作の一例を説明するフローチャートである。

以下、第１実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の一構成例を概略的に示す図である。

本実施形態の電動車両は、永久磁石電動機１０と、バッテリ２０と、インバータ３０と、車両ブレーキ４０と、車輪５０Ｌ、５０Ｒと、永久磁石電動機１０の回転動力を車輪５０Ｌ、５０Ｒへ伝達する車軸６０と、を備えている。

図２は、永久磁石電動機１０の一構成例を概略的に示す図である。
永久磁石電動機１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のコイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗを有するステータと、このステータの界磁空間に配置された永久磁石の回転子１２とを備えた同期モータである。永久磁石電動機１０はインバータ３０から印加された電流によってトルクを発生する。永久磁石電動機１０で発生したトルクは車軸６０により車輪５０Ｌ、５０Ｒに伝達されて、電動車両の前進または後進の動力となる。

バッテリ２０は、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の蓄電池を搭載している。バッテリ２０から出力された直流電力はインバータ３０へ供給されるとともに、インバータ３０を介して接続されている機器が発電する電気エネルギーを充電する。

インバータ３０は、バッテリ２０の直流電力を３相の交流電力に変換して永久磁石電動機１０へ供給する。インバータ３０は、インバータスイッチ部３２と、電流検出部３４と、インバータ制御装置３６と、を有している。

インバータスイッチ部３２は、インバータ制御装置３６から受信したスイッチング信号により切り替わる複数のスイッチを備え、バッテリ２０とＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力ラインとの間の接続を切り替えて、永久磁石電動機１０に所定の電流を印加する。

電流検出部３４は、インバータスイッチ部３２から永久磁石電動機１０へ出力される電流（電動機電流）を検出する。検出された電動機電流はインバータ制御装置３６へ出力される。

インバータ制御装置３６は、外部からトルク指令を受け取り、電流検出部３４で検出された電動機電流情報をもとに、永久磁石電動機１０が指令のトルクを出力するように、インバータスイッチ部３２にスイッチング信号を出力する。

インバータ制御装置３６は、振幅位相設定部３６Ｘと、電流制御部３６Ｃと、ＰＷＭ制御部３６Ｄと、磁極位置判定部３６Ｅと、磁極向き判定部３６Ｆと、を有している。振幅位相設定部３６Ｘは、電流指令設定部３６Ａと、電流位相角補正部３６Ｂとを備えている。

電流指令設定部３６Ａは、外部からトルク指令を受信して、そのトルクを実現する永久磁石電動機１０の電流振幅および電流位相を出力する。電流指令設定部３６Ａは、トルクを出すために最も効率のよい動作点（最適動作点）における電流振幅（第１電流振幅）と電流位相（第１電流位相）とを格納した第１テーブルＴＢ１を備える。

電流位相角補正部３６Ｂは、電流指令設定部３６Ａから出力された電流振幅および電流位相と、磁極位置判定部３６Ｅから出力された永久磁石電動機１０の回転数を受信する。電流位相角補正部３６Ｂは第２テーブルＴＢ２を備えている。第２テーブルＴＢ２は、受信した電流振幅に対応する位相選択範囲（図３および図４に示す第２位相範囲）から選択された第２電流位相を格納する。

電流位相角補正部３６Ｂは、第２テーブルＴＢ２を用いて第２位相範囲から選ばれた値を電流位相として出力するとともに、受信した電流振幅とを出力する。このとき、第２位相範囲から選択される値は、予めユーザにより設定された値である。電流位相角補正部３６Ｂは、インバータ３０が起動してから、受信した回転数が所定値以下である間は上記処理を行い、回転数が所定値より大きくなると処理を停止し、受信した電流振幅と電流位相とをそのまま出力する。

電流位相と永久磁石電動機１０の出力トルクとの関係は、永久磁石電動機１０の電気的特性、永久磁石電動機１０の回転数、および、バッテリ２０の電圧によって変化する。そのため、本実施形態では、電流位相と永久磁石電動機１０の出力トルクとの関係を格納したテーブルＴＢ１、ＴＢ２を電流指令設定部３６Ａおよび電流位相角補正部３６Ｂに予め記憶している。

図３は、電流位相と永久磁石電動機１０の出力トルクとの関係の一例を示す図である。なお、
電流指令設定部３６Ａの第１テーブルＴＢ１には、外部から受け取ったトルク指令を永久磁石電動機１０が最も効率良く発生するときに、永久磁石電動機１０に印加される電流の電流振幅と電流位相とが格納されている。ここでは、電流指令設定部３６Ａが電流位相角補正部３６Ｂへ出力する電流位相はβである。

電流位相角補正部３６Ｂの第２テーブルＴＢ２には、電流指令設定部３６Ａから受信する電流振幅と電流位相βに基づいて、第２位相範囲からユーザにより選択された第２電流位相が予め格納されている。

第２位相範囲は、電流位相βの場合と同じ符号又はゼロの出力トルクが得られる位相範囲（第１位相範囲）であって、かつ、電気角で１８０°ずれた位相で同じ符号又はゼロの出力トルクが得られる位相範囲である。なお、電流位相βは電気角で１８０°ずれた位相では異なる符合の出力トルクが得られるため、第２位相範囲には含まれない。

図４は、電流位相と永久磁石電動機１０の出力トルクとの関係の他の例を示す図である。ここでは、電流位相角補正部３６Ｂが電流指令設定部３６Ａから受信する電流位相はβであるとして説明する。

この場合も図４に示す場合と同様に、第２位相範囲は、電流位相βの場合と同じ符号又はゼロの出力トルクが得られる位相範囲（第１位相範囲）であって、かつ、電気角で１８０°ずれた位相で同じ符号又はゼロの出力トルクが得られる位相範囲である。なお、電流位相βは電気角で１８０°ずれた位相では異なる符合の出力トルクが得られるため、第２位相範囲には含まれない。

このような第２電流位相範囲から第２電流位相を選択すると、例えば永久磁石電動機１０の回転子１２の磁極向き判定が誤っている場合であっても、所望のトルクと逆のトルクが発生することがない。

ユーザが第２電流位相を第２位相範囲から選択して、第２電流位相は所定の電流振幅に対応する第２電流位相として第２テーブルＴＢ２に格納される。例えば、ユーザは第２位相範囲から位相αを選択すると、永久磁石電動機１０の駆動時に、選択可能な出力トルク中の最大値を得ることができる。

また、第２テーブルＴＢ２には、電流位相βから第２電流位相へ電流位相を変更することにより減少する出力トルク量を補正した電流振幅が格納されていてもよい。この場合には、振幅位相設定部３６Ｘは、第１電流位相と第２電流位相とのいずれか一方を電流位相として出力するとともに、前記第１電流振幅と、１電流位相を第２電流位相とすることにより減少したトルクを補正した第２電流振幅とのいずれか一方を電流振幅として出力する。このことにより、電流位相を第２電流位相にした場合であっても所望のトルクを実現することができる。

電流制御部３６Ｃは、電流位相角補正部３６Ｂから電流振幅と電流位相とを受信し、電流検出部３４から電動機電流を受信し、磁極位置判定部３６Ｅから磁極位置と磁極位置判定指令とを受信し、磁極向き判定部３６Ｆから磁極向き判定指令を受信する。電流制御部３６Ｃは、受信した電流振幅、電流位相角、磁極位置、および、電動機電流、を用いて、永久磁石電動機１０への電圧指令を演算し、出力する。後述するように、磁極位置判定指令は高周波電圧指令であり、磁極向き判定指令は磁極位置に対向する電流指令である。

ＰＷＭ制御部３６Ｄは、電流制御部３６Ｃから電圧指令を受信して、位相をずらした複数の搬送波と電圧指令とを比較することにより、インバータスイッチ部３２へのスイッチング信号を生成し、インバータスイッチ部３２へ出力する。

磁極位置判定部３６Ｅは、永久磁石電動機１０の回転子１２の磁極位置を検出する。磁極位置判定部３６Ｅは、高周波電圧である磁極位置判定指令を電流制御部に入力して、その磁極位置判定指令の高周波電圧と、電流検出部３４で検出する電動機電流の高周波成分とをもとに磁極位置を検出する。なお、磁極位置判定部３６Ｅは、磁極位置判定指令により永久磁石電動機１０の磁極位置のみを検出し、回転子１２の磁極の向きを判定せず、後述する磁極向き判定部３６Ｆから磁極向き（Ｎ極向き）を受信して、Ｎ極向きと磁極位置とを合わせて判定磁極位置として出力する。

また、磁極位置判定部３６Ｅは、自身で検出した磁極位置の時間変化により、永久磁石電動機１０の回転数を演算して、電流位相角補正部３６Ｂへ出力する。

磁極向き判定部３６Ｆは、磁極位置判定部３６Ｅから判定指令を受信すると、磁極位置判定部３６Ｅで検出した磁極位置に対向する電流指令である磁極向き判定指令を電流制御部に入力する。その時の磁極位置判定部３６Ｅの磁極位置判定指令と、電流検出部３４が検出する電動機電流の高周波成分とから、磁極位置に対向する電流によって回転子１２内の磁束が飽和した量、つまりインダクタンスの変化量を求めて、磁石の磁極向きを判定する。磁極向き判定部３６Ｆは図示しないメモリに判定した結果を記憶する。なお、磁極向き判定部３６Ｆは、インバータ制御装置３６の起動時に一度磁極向きを判定し、判定結果を記憶すれば磁極向き判定指令を停止する。

車両ブレーキ４０は、その車両が意図せず前進および後進させないために車軸の回転を抑止し、車輪を回転させない機能を有する。

図５は、本実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の動作の一例を説明するフローチャートである。図５では、電動車両が起動してから、所定の走行速度となるまでの間の動作の一例を示している。

まず、電動車両が起動する。このときに永久磁石電動機１０およびインバータ３０が起動する。
その後、磁極位置判定部３６Ｅは、磁極位置判定指令として高周波電圧を電流制御部へ出力し、電流検出部３４で検出された電動機電流の高周波成分から回転子１２の磁極位置を検出する（ステップＳＴＡ１）。

続いて、磁極向き判定部３６Ｆは、磁極位置に対向する電流指令である磁極向き判定指令を電流制御部３６Ｃへ出力し、その時の磁極位置判定部３６Ｅの磁極位置判定指令と、電流検出部３４が検出する電動機電流の高周波成分とから、磁極位置に対向する電流によって回転子１２内の磁束が飽和した量、つまりインダクタンスの変化量を求めて、磁石のＮ極の向きを判定する。磁極向き判定部３６Ｆは、判定したＮ極の向きを記憶するとともに磁極位置判定部３６Ｅへ出力する（ステップＳＴＡ２）。

磁極位置判定部３６Ｅは、磁極向き判定部３６ＦからＮ極向きを受信して、Ｎ極向きを考慮した磁極位置を判定磁極位置として電流制御部３６ＣとＰＷＭ制御部３６Ｄとへ出力する。

続いて、電流指令設定部３６Ａは外部からトルク指令を受信し、第１テーブルＴＢ１を用いてトルク指令に対応する電流振幅と電流位相とを取得し、電流位相角補正部３６Ｂへ出力する（ステップＳＴＡ３）。

電流位相角補正部３６Ｂは、第２テーブルＴＢ２を用いて、電流指令設定部３６Ａから受信した電流振幅に対応する第２電流位相を電流位相として出力する（ステップＳＴＡ４）。なお、第２テーブルＴＢ２に電流位相βから第２電流位相へ電流位相を変更することにより減少する出力トルク量を補正した電流振幅が格納されている場合には、電流位相角補正部３６Ｂは第２電流位相を出力するとともに、受信した電流振幅に替えて第２テーブルＴＢ２に格納された電流振幅を出力する。

すなわち、振幅位相設定部３６Ｘは、受信したトルク指令に応じて、電流振幅と、前記トルク指令に対応する第１電流位相および前記トルク指令の値よりも低く同じ符号の出力トルクあるいはゼロの出力トルクを実現する第２電流位相のいずれか一方である電流位相とを出力する。

続いて、電流制御部３６Ｃは、電流位相角補正部３６Ｂから受け取る電流振幅と電流位相とを実現するために、電流検出部３４が検出した電動機電流と磁極位置判定部３６Ｅから受信した判定磁極位置とをもとに永久磁石電動機１０に印加する電圧指令を設定する（ステップＳＴＡ５）。なお、この電圧指令には磁極位置判定部３６Ｅが磁極位置を判定するための高周波電圧（磁極位置判定指令）と、磁極向き判定部３６Ｆが磁石の磁極向きを判定するために永久磁石電動機の回転子の永久磁石のＮ極またはＳ極に対向するように流す電流（磁極向き判定指令）のための電圧が重畳される。

続いて、ＰＷＭ制御部３６Ｄは、電流制御部３６Ｃから受信した電圧指令を実現するために、判定磁極位置に基づいてインバータスイッチ部３２のスイッチを切り替えるスイッチング信号を生成する（ステップＳＴＡ６）。

インバータスイッチ部３２は受信したスイッチング信号に従って、複数のスイッチの接続を切り替えて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電力を出力する。インバータスイッチ部３２から出力された電流により永久磁石電動機１０が駆動される（ステップＳＴＡ７）。

電流制御部３６ＣとＰＷＭ制御部３６Ｄとは、判定磁極位置を使用することで、外部から入力されるトルク指令を実現するインバータスイッチ部３２のスイッチング信号を生成可能である。

続いて、磁極位置判定部３６Ｅは、演算した永久磁石電動機１０の回転数と電流検出部３４から受信する電動機電流とトルク指令から磁極向き判定を誤ったか否かを判断する（ステップＳＴＡ８）。すなわち、磁極向き判定が誤った場合、永久磁石電動機１０の出力は本来の電流位相とは電気角で１８０°異なる位相となり、永久磁石電動機１０が発生するトルクが異なる値になり、永久磁石電動機１０の回転数の変化が影響する。よって、磁極位置判定部３６Ｅは、演算した永久磁石電動機１０の回転数と電流検出部３４から受信する電動機電流とトルク指令とから磁極向き判定を誤ったか否かを判断する。

なお、なんらかの異常により、磁極向き判定部３６Ｆが、誤ってＳ極の向きを磁極位置判定部３６Ｅに入力した場合、永久磁石電動機１０に印加される電動機電流の位相は図３および図４の位相αから電気角で１８０°ずれるが、外部からのトルク指令の反対符号の出力トルクは発生しない。

磁極向き判定を誤ったと判断した場合には、磁極位置判定部３６Ｅは磁極向き判定部３６Ｆへ判定指令を出力してステップＳＴＡ１の処理に戻る。磁極向き判定部３６Ｆは磁極向きを判定し、磁極位置判定部３６Ｅは新たに判定された磁極向きを磁極向き判定部３６Ｆから出得して判定磁極位置を出力する。

このとき判定を誤った回数Ｋが所定回数以上か否かを判断し（ステップＳＴＡ９）、所定回数以上判定を誤った場合には故障の可能性があるため、磁極位置判定部３６Ｆは、例えば車両ＥＣＵへ異常（あるいは停止要求）を通知することによりインバータ３０を停止してユーザに故障の可能性を知らせる。この場合には電動車両は停止する。なお、磁極向き確認制御部３６Ｇは、処理を終了するまでに誤り判定回数Ｋをゼロとする。

磁極向き判定が誤っていない場合には、磁極位置判定部３６Ｅは、磁極向き判定部３６Ｆに記憶されたＮ極の向きを用いて判定磁極位置を出力する（ステップＳＴＡ１０）。

続いて、磁極位置判定部３６Ｅは電流位相角補正部３６Ｂへ回転数を送信する。電流位相角補正部３６Ｂは、磁極位置判定部３６Ｅから受信した回転数の絶対値が所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳＴＡ１１）。

回転数の絶対値が所定値以上である場合、電流位相角補正部３６Ｂは動作を停止する（ステップＳＴＡ１２）。すなわち、車両が低速運転でなくなったら、電流指令設定部３６Ａで設定される電流振幅および電流位相が電流制御部３６Ｃへ入力される。回転数の絶対値が所定値未満である場合、ステップＳＴＡ２へ戻って磁極位置判定部３６Ｅが磁極位置を検出する。電流位相角補正部３６Ｂは車両が起動してから低速運転の間だけ動作する。

永久磁石電動機１０の回転数が所定値未満である場合、電動車両は低速運転していることとなる。したがって、電動車両が低速運転の間は、電流位相角補正部３６Ｂにより電流位相が第２位相範囲内の値に設定される。

なお、磁極位置判定部３６Ｅは、永久磁石電動機１０の回転数が低速領域（所定値未満）では、高周波電圧を重畳する第１磁極位置判定手段を用いる。永久磁石電動機１０の回転数が中速および高速領域（所定値以上）では、磁極位置判定部３６Ｅは、永久磁石電動機１０のコイルに生じる誘起電圧から回転子１２の磁極位置判定する第２磁極位置判定手段を用いる。その第２磁極位置判定手段は磁石の磁極向きを判定することができる。

磁極位置判定部３６Ｅは、第１磁極位置判定手段と第２磁極位置判定手段との少なくともいずれかにより、永久磁石電動機１０の回転数を演算する。その回転数が低速領域であれば、第１磁極位置判定手段を実施し、回転数が中速および高速領域であれば第２磁極位置判定手段を実施する。ここで、第２磁極位置判定手段を実施するときには、電流位相角補正部３６Ｂを停止させて、最適動作点における電流振幅と電流位相βとを電流制御部３６Ｃに入力することで、外部からのトルク指令に対して、インバータ３０および永久磁石電動機１０の効率の良い動作点で電動機の電流制御を実施する。

上記のように、本実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両では、電動車両の起動時に、磁極向き判定を誤った場合であっても、永久磁石電動機１０で要求されたトルクの逆符号のトルクが発生することがない。すなわち、電動車両が起動時に逆走することを回避することができる。したがって、本実施形態によれば、安全性を担保するインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両を提供することができる。

図６は、第１実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の他の構成例を概略的に示す図である。

この例では、インバータ制御装置３６は電流位相角補正部３６Ｂを備えず、電流指令設定部３６Ａが第３テーブルＴＢ３を備え、電流指令設定部３６Ａから出力された電流振幅および電流位相が電流制御部３６Ｃに入力される点が図１に示す場合と異なっている。

第３テーブルＴＢ３は、トルク指令に対応する電流振幅と電流位相との値を予め格納している。第３テーブルＴＢ３に格納されている電流位相は第２位相範囲に含まれる。すなわち、この例では、電流指令設定部３６Ａは、常に第２位相範囲に含まれる電流位相を出力する。
なお、電流指令設定部３６Ａは永久磁石電動機１０の回転速度が一定速度以上となったら最適動作点の電流位相に切り替える機能を有していても良い。

なお、この例においても、第３テーブルＴＢ３には、電流位相を第２位相範囲から選択した場合に減少する出力トルク量を補正する電流振幅が格納されていてもよい。

電流指令設定部３６Ａはトルク指令を受信すると、第３テーブルＴＢ３を参照して電流振幅と電流位相とを取得し、電流制御部３６Ｃへ出力する。本実施形態では、電流位相角補正部３６Ｂを設けず、電動車両の速度に応じた値が格納された第３テーブルＴＢ３を用いるため、永久磁石電動機１０の回転数に応じて電流位相角補正部３６Ｂを停止することもなくなる。

上記以外は図１に示す電動車両と同様である。したがって、この例によっても同様に、安全性を担保するインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両を提供することができる。

次に、第２実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では上述の第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

図７は、第２実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の一構成例を概略的に示す図である。本実施形態では、インバータ制御装置３６の構成が上述の第１実施形態と異なっている。

インバータ制御装置３６は、電流指令設定部３６Ａと、電流制御部３６Ｃと、ＰＷＭ制御部３６Ｄと、磁極位置判定部３６Ｅと、磁極向き判定部３６Ｆと、磁極向き確認制御部３６Ｇとを備えている。

磁極向き確認制御部３６Ｇは、判定磁極位置と、車両速度と、ブレーキ状態とを受信し、ブレーキ要求と磁極（Ｎ極）向き確認トルク指令とを出力する。磁極向き確認制御部３６Ｇは、外部の車両ＥＣＵへブレーキ要求を出力し、外部から受信した車両速度と、ブレーキ状態とから車両が停止していることを確認した後、磁極（Ｎ極）向き確認トルク指令を電流指令設定部３６Ａへ出力する。

磁極向き確認制御部３６Ｇ以外の構成は上述の第１実施形態と同様である。
以下、本実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の動作の一例について説明する。

図８は、第２実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の動作の一例を説明するフローチャートである。

電動車両が起動すると、最初に永久磁石電動機１０の磁極位置を検出する。まず、永久磁石電動機１０の回転子１２の磁極位置を設定するために、磁極位置判定部３６Ｅは高周波電圧である磁極位置判定指令を電流制御部３６Ｃに入力し、その高周波電圧と電流検出部３４が検出する電動機電流の高周波成分とに基づいて磁極位置を検出する（ステップＳＴＢ１）。磁極位置判定部３６Ｅは、永久磁石電動機１０の磁極位置を検出することができるが、その磁極がＮ極であるかＳ極であるか判定することができない。

続いて、磁極向き判定部３６Ｆは、磁極位置判定部３６Ｅから判定指令を受信すると、磁極位置判定部３６Ｅで検出した磁極位置に対向する電流指令である磁極向き判定指令を電流制御部３６Ｃに入力する。その時の磁極位置判定部３６Ｅの磁極位置判定指令と電流検出部３４が検出する電動機電流の高周波成分とから、磁極位置に対向する電流によって回転子１２内の磁束が飽和した量、つまりインダクタンスの変化量を求めて、磁石の磁極向きを判定する（ステップＳＴＢ２）。磁極向き判定部３６Ｆは判定した磁極向きを磁極位置判定部３６Ｅへ出力し、判定した磁極向きを記憶する。

磁極向き判定部３６Ｆは判定した結果を磁極位置判定部３６Ｅへ出力し、磁極向きを記憶する。磁極向き判定部３６Ｆは、インバータ制御装置３６の起動時に一度磁極向きを判定し、判定結果を記憶すれば磁極向き判定指令を停止する。磁極位置判定部３６Ｅは、磁極向き判定部３６Ｆに記憶した磁極向きを取得して、磁極向きを考慮した判定磁極位置を設定する。

続いて、磁極向き確認制御部３６Ｇは、判定磁極位置を受信すると、外部の車両ＥＣＵへブレーキ要求を出力する（ステップＳＴＢ３）。

続いて、磁極向き確認制御部３６Ｇは、外部からブレーキ状態と、車両速度とを受信して、電動車両が停止しているか否かを確認する（ステップＳＴＢ４）。磁極向き確認制御部３６Ｇは、ブレーキがかかっている状態でかつ車両速度がゼロであるときに電動車両が停止していると判断する。

電動車両が停止していないと判断した場合、磁極向き確認制御部３６Ｇは、ステップＳＴＢ２へ戻りブレーキ要求を出力する。

電動車両が停止していると判断した場合、磁極向き確認制御部３６Ｇは、車両が前進する方向のトルク指令と、車両が後進する方向のトルク指令を磁極（Ｎ極）向き確認トルク指令として、電流指令設定部３６Ａに入力する。

例えば、磁極向き確認制御部３６Ｇは、まず、電動車両が前進する方向のトルク指令を電流指令設定部３６Ａへ入力する（ステップＳＴＢ５）。電流指令設定部３６Ａは、トルク指令を受信すると、第１テーブルＴＢ１よりトルクを実現する最適動作点となる電流振幅及び電流位相を電流制御部３６Ｃへ出力する。電流制御部３６Ｃは、受信した電流振幅と電流位相と判定磁極位置とに基づいて、電圧指令を生成しＰＷＭ制御部３６Ｄへ出力する。ＰＷＭ制御部３６Ｄは、受信した電圧指令と判定磁極位置とに基づいて、インバータスイッチ部３２の複数のスイッチについてスイッチング信号を生成し、インバータスイッチ部３２へ出力する。インバータスイッチ部３２は、受信したスイッチング信号に基づいて複数のスイッチを切り替えて、永久磁石電動機１０へ電流を出力する。

このとき、ブレーキがかかっているため、永久磁石電動機１０は駆動しないが、永久磁石電動機１０と車輪５０Ｌ、５０Ｒとの間にはクラッチやギヤのバックラッシや伝達シャフトのたわみがあるため、永久磁石電動機１０は微小角度だけ回転することができる。そこで、磁極向き確認制御部３６Ｇは、永久磁石電動機１０の微小回転方向を磁極位置判定部３６Ｅの判定磁極位置から求め、微小回転方向が電動車両の進行方向を検出する（ステップＳＴＢ６）。

続いて、磁極向き確認制御部３６Ｇは、電動車両の進行方向が電動車両を前進させる方向か否かを判断する（ステップＳＴＢ７）。

微小回転方向が電動車両を前進させる方向でない場合、磁石Ｎ極向きは正常に判定されていないため、磁極向き確認制御部３６Ｇは、誤り判定回数Ｋに１を加算して、誤り判定回数Ｋが所定値以上か否か判断する（ステップＳＴＢ８）。

誤り判定回数Ｋが所定値未満である場合には、磁極向き確認制御部３６Ｇは、ステップＳＴＢ１に戻り、磁極位置の検出を行う。

誤り判定回数Ｋが所定値以上である場合には故障の可能性があるため、磁極向き確認制御部３６Ｇは、例えば車両ＥＣＵへ異常（あるいは停止要求）を通知することによりインバータ３０を停止してユーザに故障の可能性を知らせる。この場合には電動車両は停止する。なお、磁極向き確認制御部３６Ｇは、処理を終了するまでに誤り判定回数Ｋをゼロとする。

微小回転方向が電動車両を前進させる方向である場合には、磁石の磁極向きは正常に判定されているため、磁極向き確認制御部３６Ｇは続いて、電動車両が後進する方向のトルク指令を電流指令設定部３６Ａへ入力する（ステップＳＴＢ９）。

前進の場合と同様に、磁極向き確認制御部３６Ｇは、永久磁石電動機１０の微小回転方向を磁極位置判定部３６Ｅの判定磁極位置から求め、微小回転方向から電動車両の進行方向を検出する（ステップＳＴＢ１０）
続いて、磁極向き確認制御部３６Ｇは、微小回転方向が電動車両を後進させる方向か否かを判断する（ステップＳＴＢ１１）。

微小回転方向が電動車両を後進させる方向でない場合、磁石Ｎ極向きは正常に判定されていないため、磁極向き確認制御部３６Ｇは、誤り判定回数Ｋに１を加算して、誤り判定回数Ｋが所定値以上か否か判断する（ステップＳＴＢ８）。

誤り判定回数Ｋが所定値未満である場合には、磁極向き確認制御部３６Ｇは、ステップＳＴＢ１に戻り、磁極位置の検出を行う。

誤り判定回数Ｋが所定値以上である場合には故障の可能性があるため、例えばインバータを停止してユーザに故障の可能性を知らせる。なお、磁極向き確認制御部３６Ｇは、処理を終了するまでに誤り判定回数Ｋをゼロとする。

微小回転方向が電動車両を後進させる方向である場合には、磁石磁極向きは正常に判定されているため、磁極向き確認制御部３６Ｇは続いて、車両ＥＣＵへのブレーキ要求を解除する（ステップＳＴＢ１２）。

上記のように、電動車両が起動した後に、永久磁石電動機１０へ磁極（Ｎ極）向き確認トルク指令による電流を印加して、その回転方向を検出することにより磁極位置およびＮ極向きが正しく検出されているか否かを判断することができる。したがって、磁極位置およびＮ極向きの判定が誤ったことにより、起動時に電動車両が所望の方向と逆に走行することを回避することができる。

すなわち、本実施形態によれば、安全性を担保するインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両を提供することができる。

次に、第３実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両について図面を参照して説明する。

図９は、第３実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の一構成例を概略的に示す図である。本実施形態では、電動車両が駆動シャフト回転センサ７０を更に備えるとともに、インバータ制御装置３６の構成が上述の第１実施形態および第２実施形態と異なっている。

駆動シャフト回転センサ７０は、永久磁石電動機１０の回転数を検出して、車両ＥＣＵへ出力する。車両ＥＣＵは、通信バスを介して永久磁石電動機１０の回転数をインバータ３０へ出力する。

磁極向き確認制御部３６Ｇは外部の車両ＥＣＵから永久磁石電動機１０の回転数を受信する。磁極向き確認制御部３６Ｇは、永久磁石電動機１０の回転数の符号から永久磁石電動機１０の回転方向、すなわち、電動車両の進行方向を判定する。

本実施形態のインバータ制御装置３６、インバータ３０、および、電動車両の上記以外の構成は第２実施形態と同様である。

本実施形態では、上記のように外部の車両ＥＣＵから駆動シャフトの回転数情報を受け取ることで、磁極向き判定部３６Ｆだけでなく、磁極位置判定部３６Ｅが判定した判定磁極位置が誤っている場合も誤り検出として判定することができる。

すなわち、本実施形態によれば、安全性を担保するインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両を提供することができる。

次に、第４実施形態のインバータ制御装置、インバータ、および、電動車両について図面を参照して説明する。

図１０は、第４実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の一構成例を概略的に示す図である。

本実施形態の電動車両は、磁極向き判定部３６Ｆを備えていない。すなわち、インバータ制御装置３６は、電流指令設定部３６Ａと、電流位相角補正部３６Ｂと、電流制御部３６Ｃと、ＰＷＭ制御部３６Ｄと、磁極位置判定部３６Ｅと、を有している。

他の実施形態と同様に、磁極位置判定部３６Ｅは、永久磁石電動機１０の磁極位置を判定することができるが、その磁極がＮ極であるか、Ｓ極であるか判定することができない。そこで、本実施形態では、磁極位置判定部３６Ｅは永久磁石の磁極向きの判定を実施せずに任意に設定して記憶する。

図１１は、第４実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両の動作の一例を説明するフローチャートである。

まず、電動車両が起動する。このときに永久磁石電動機１０およびインバータ３０が起動する。

その後、磁極位置判定部３６Ｅは、磁極位置判定指令として高周波電圧を電流制御部へ出力し、電流検出部３４で検出された電動機電流の高周波成分から回転子１２の磁極位置を検出する（ステップＳＴＣ１）。

続いて、磁極位置判定部３６Ｅは、磁極の任意の方向をＮ極としてＮ極向きを設定する（ステップＳＴＣ２）。磁極位置判定部３６Ｅは磁極位置および任意に設定したＮ極向きに基づいて、判定磁極位置を電流制御部３６ＣおよびＰＷＭ制御部３６Ｄへ出力する。

続いて、電流指令設定部３６Ａは外部からトルク指令を受信し、第１テーブルＴＢ１を用いてトルク指令に対応する電流振幅と電流位相とを取得し、電流位相角補正部３６Ｂへ出力する（ステップＳＴＣ３）。なお、第１テーブルＴＢ１には、外部から受け取ったトルク指令を永久磁石電動機１０が最も効率良く発生するときに、永久磁石電動機１０に印加する電流振幅と電流位相とが格納されている。

電流位相角補正部３６Ｂは、第２テーブルＴＢ２を用いて、第２電流位相範囲から選択された第２電流位相を電流位相として出力する（ステップＳＴＣ４）。

続いて、電流制御部３６Ｃは、電流位相角補正部３６Ｂから受け取る電流振幅と電流位相とを実現するために、電流検出部３４が検出した電動機電流と磁極位置判定部３６Ｅが検出した磁極位置とをもとに永久磁石電動機１０に印加する電圧指令を設定する（ステップＳＴＣ５）。なお、この電圧指令には磁極位置判定部３６Ｅが磁極位置を検出するための高周波電圧（磁極位置判定指令）が重畳される。

続いて、ＰＷＭ制御部３６Ｄは、電流制御部３６Ｃから受信した電圧指令を実現するために、判定磁極位置に基づいてインバータスイッチ部３２が有するスイッチのスイッチング信号を生成する（ステップＳＴＣ６）。

インバータスイッチ部３２は受信したスイッチング信号に従って、複数のスイッチの接続を切り替えて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電力を出力する。インバータスイッチ部３２から出力された電流により永久磁石電動機１０が駆動される（ステップＳＴＣ７）。

電流制御部３６ＣとＰＷＭ制御部３６Ｄとは、判定磁極位置を使用することで、外部から入力されるトルク指令を実現するインバータスイッチ部３２のスイッチング信号を生成可能である。

例えば、任意に設定されたＮ極の向きが正しいＮ極の向きであった場合、永久磁石電動機１０に印加される電動機電流の位相は図４および図５の位相αとなり、外部からのトルク指令と同じ量の出力トルクを発生する。

任意に設定されたＮ極の向きが誤っている（任意に設定したＮ極の向きが実際のＳ極の向きである）場合、永久磁石電動機１０に印加される電動機電流の位相は図４および図５の位相αから電気角で１８０度ずれるが、外部からのトルク指令の反対符号の出力トルクは発生しない。

磁極位置判定部３６Ｅは、トルク指令と電流検出部３４から受信する電動機電流と永久磁石電動機１０の回転数の変化とからＮ極の向き判定を誤ったか判断することができる。（ステップＳＴＣ８）。

磁極位置判定部３６Ｅが任意に設定した磁石のＮ極の向きが実際の電動機回転子１２の永久磁石のＮ極の向きと一致している場合、磁極位置判定部３６Ｅは電流位相角補正部３６Ｂに停止指令を出力し、電流位相角補正部３６Ｂが停止する（ステップＳＴＣ９）。

磁極位置判定部３６Ｅが任意に設定した磁石のＮ極の向きが実際の電動機回転子１２の永久磁石のＮ極の向きと一致している場合、永久磁石電動機１０に印加される電動機電流の位相は図３および図４の電流位相αとなり、外部からのトルク指令と略等しい出力トルクを実現することができる。この時、電動機回転子１２の永久磁石Ｎ極向きの判定を実施しないことにより、インバータ制御装置３６の起動を早くすることができる。その結果、電動車両を起動してから走行開始までに要する時間を短縮することができる。

磁極位置判定部３６Ｅが任意に設定したＮ極の向きが実際の電動機回転子１２の永久磁石のＳ極の向きと一致している場合、永久磁石電動機１０に印加される電動機電流の位相は図３および図４の電流位相αから電気角で１８０度ずれるが、外部からのトルク指令の反対符号の出力トルクは発生しないため、車両が逆走することは無い。この場合、磁極位置判定部３６Ｅは上位制御手段である車両ＥＣＵへ異常（あるいは停止要求）を通知してインバータ３０を停止する。この場合には電動車両は走行せずに停止する。

上記のように、本実施形態のインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両では、電動車両の起動時に、Ｎ極の向き判定を行わず、任意に設定したＮ極の向きを用いて永久磁石電動機１０を駆動するため、電動車両の起動から走行開始までに要する時間を短縮することができる。さらに、例え任意に設定したＮ極の向きが誤っている場合であっても、電動車両が逆走することがない。したがって、本実施形態によれば、安全性を担保するインバータ制御装置、インバータ、及び、電動車両を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

ＴＢ１…第１テーブル、ＴＢ２…第１テーブル、ＴＢ３…第３テーブル、１０…永久磁石電動機、１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗ…コイル、１２…回転子、２０…バッテリ、３０…インバータ、３２…インバータスイッチ部、３４…電流検出部、３６…インバータ制御装置、３６Ａ…電流指令設定部、３６Ｂ…電流位相角補正部、３６Ｃ…電流制御部、３６Ｄ…ＰＷＭ制御部、３６Ｅ…磁極位置判定部、３６Ｆ…磁極向き判定部、３６Ｇ…磁極向き確認制御部、４０…車両ブレーキ、５０Ｌ、５０Ｒ…車輪、６０…車軸、７０…駆動シャフト回転センサ。

Claims (11)

1. 電気的突極性を有する回転子を備えた電動機と、前記電動機を駆動するインバータとを備えた電動車両に適用されるインバータ制御装置であって、
   受信したトルク指令に応じて、電流振幅と、前記トルク指令に対応する第１電流位相および前記トルク指令の値よりも低く同じ符号の出力トルクあるいはゼロの出力トルクを実現する第２電流位相のいずれか一方である電流位相とを出力する振幅位相設定部と、
   電流振幅と電流位相と、前記電動機に供給される電流と、前記回転子の位置と、前記回転子の磁極の向きとから、電圧指令を出力する電流制御部と、
   前記電圧指令を受信して前記インバータのスイッチング信号を出力するＰＷＭ制御部と、
   前記電流制御部へ磁極位置判定指令を出力し、磁極位置判定指令により前記電動機へ供給される電流を受信して前記回転子の位置を判定する磁極位置判定部と、
   前記電流制御部へ磁極向き判定指令を出力し、磁極向き判定指令により前記電動機へ供給される電流を受信して前記回転子の磁極の向きを判定する磁極向き判定部と、
   を備えた特徴とするインバータ制御装置。
2. 前記振幅位相設定部は、前記トルク指令を実現する第１電流振幅と第１電流位相とを格納する第１テーブルを備え、前記第１電流振幅と前記第１電流位相とを出力する電流指令設定部と、
   前記第１電流位相のときと同じ符号又はゼロの出力トルクが得られる位相範囲であって、かつ、電気角で１８０°ずれた位相で同じ符号又はゼロの出力トルクが得られる位相範囲に含まれる前記第２電流位相を前記第１電流振幅と関連付けて格納した第２テーブルを備え、前記第１電流振幅と前記第２電流位相とを出力する電流位相角補正部と、を備えたことを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
3. 前記磁極位置判定部は、前記回転子の位置の変化から前記回転子の単位時間当たりの回転数を検出する手段を備え、
   前記電流位相角補正部は、前記単位時間当たりの回転数の絶対値が所定値以上である場合に処理を停止することを特徴とする請求項２記載のインバータ制御装置。
4. 前記振幅位相設定部は、前記トルク指令を実現する前記第１電流振幅と、前記１電流位相を前記第２電流位相とすることにより減少したトルクを補正した第２電流振幅とのいずれか一方を電流振幅として出力することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のインバータ制御装置。
5. 前記第２電流位相は、前記第１電流位相のときと同じ符号又はゼロの出力トルクが得られる位相範囲であって、かつ、電気角で１８０°ずれた位相で同じ符号又はゼロの出力トルクが得られる位相範囲において、最も大きいトルクが得られる電流位相であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のインバータ制御装置。
6. 電気的突極性を有する回転子を備えた電動機と、前記電動機を駆動するインバータとを備えた電動車両に適用されるインバータ制御装置であって、
   受信したトルク指令に応じて、電流振幅および電流位相を出力する電流指令設定部と、
   電流振幅と、電流位相と、前記電動機に供給される電流と、前記回転子の位置と、前記回転子の磁極の向きとから、電圧指令を出力する電流制御部と、
   前記電圧指令を受信して前記インバータのスイッチング信号を出力するＰＷＭ制御部と、
   前記電流制御部へ磁極位置判定指令を出力し、磁極位置判定指令により前記電動機へ供給される電流を受信して前記回転子の位置を判定する磁極位置判定部と、
   前記電流制御部へ磁極向き判定指令を出力し、磁極向き判定指令により前記電動機へ供給される電流を受信して前記回転子の磁極の向きを判定する磁極向き判定部と、
   電動車両が停止しているときに、前記電動機の第１回転方向に対応する第１トルク指令と、第２回転方向に対応する第２トルク指令とを前記電流指令設定部へ出力し、前記磁極位置判定部で判定された前記回転子の位置から前記磁極向き判定部で判定された前記回転子の磁極の向きが正しいか否か判断し、前記回転子の向きが所定回数以上誤って判断された場合に上位制御手段へ停止要求を出力する磁極向き確認制御部と、を備えることを特徴とするインバータ制御装置。
7. 前記磁極向き確認制御部は、外部からブレーキ状態と速度とを受信し、速度がゼロでありかつブレーキがかかっているときに前記電動車両が停止していると判断することを特徴とする請求項６記載のインバータ制御装置。
8. 前記磁極向き確認制御部は、外部から駆動シャフト回転数を受信し、前記駆動シャフト回転数がゼロであるときに前記電動車両が停止していると判断することを特徴とする請求項６記載のインバータ制御装置。
9. 電気的突極性を有する回転子を備えた電動機と、前記電動機を駆動するインバータとを備えた電動車両に適用されるインバータ制御装置であって、
   受信したトルク指令に応じて、電流振幅と、前記トルク指令に対応する第１電流位相および前記トルク指令の値よりも低く同じ符号の出力トルクあるいはゼロの出力トルクを実現する第２電流位相のいずれか一方である電流位相とを出力する振幅位相設定部と、
   電流振幅と、電流位相と、前記電動機に供給される電流と、前記回転子の位置と、前記磁極の向きとから、電圧指令を出力する電流制御部と、
   前記電圧指令を受信して前記インバータのスイッチング信号を出力するＰＷＭ制御部と、
   前記電流制御部へ磁極位置判定指令を出力し、磁極位置判定指令により前記電動機へ供給される電流を受信して前記回転子の位置を判定し、判定した前記回転子の位置と任意に設定した前記磁極の向きとを前記電流制御部へ出力するとともに、判定した前記回転子の位置と任意に設定した前記回転子の向きとに基づいて前記電動機へ供給される電流から任意に設定した前記磁極の向きが誤っているか否かを判定し、任意に設定した磁極の向きが異なる場合に停止要求を出力する磁極位置判定部と、を備えたことを特徴とするインバータ制御装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のインバータ制御装置と、
    バッテリに接続され、前記ＰＷＭ制御部から受信したスイッチング信号により切り替わる複数のスイッチを備えたインバータスイッチ部と、
    前記インバータスイッチ部から出力される電流を検出する電流検出部と、を備えたことを特徴とするインバータ。
11. バッテリと、
    請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のインバータ制御装置と、前記バッテリに接続され、前記ＰＷＭ制御部から受信したスイッチング信号により切り替わる複数のスイッチを備えたインバータスイッチ部と、前記インバータスイッチ部から出力される電流を検出する電流検出部と、を備えたインバータと、
    回転子に電気的突極性を有し、前記インバータスイッチ部から出力された電流により駆動する電動機と、
    前記電動機の動力を車輪に伝達する車軸と、を備えたことを特徴とする電動車両。

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