JP2014230384A - 電気自動車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気自動車において、車輪駆動用のモータの回転角度を検出する回転角度センサにより検出される電気角としての回転角度の検出誤差を補正し、前記モータを精度良く制御することができる電気自動車の制御装置を提供する。
【解決手段】 この電気自動車は、車輪２を駆動するモータ６と、ＥＣＵ２１と、直流電力をモータ６の駆動に用いる交流電力に変換するインバータ３１を含むパワー回路部２８およびＥＣＵ２１の制御に従って少なくともパワー回路部２８を制御するモータコントロール部２９を有するインバータ装置２２とを備える。モータ６の回転角度を検出する回転角度センサ３６と、モータ６の回転数に対する電気角および補正角の関係を定めたマップ３９と、回転角度センサ３６により検出される電気角としての回転角度の検出誤差を、モータ６の回転数からマップ３９に照らして補正する回転角度補正部３８とを設けた。
【選択図】 図２

Description

この発明は、電気自動車の制御装置に関し、モータの力行制御時および回生制御時において、モータ回転角度センサにより検出される電気角とした回転角度の検出誤差を補正し、車両走行用モータを精度良く制御できる技術に関する。

電気自動車において、駆動輪となる左右の車輪が、それぞれ独立の走行用のモータにより駆動される自動車が公知である（特許文献１）。前記モータの回転は、減速機および車輪用軸受を介して車輪に伝達される。前記モータとして、例えば、ＩＰＭモータ（埋込磁石型同期モータ）が適用される。

また電気自動車の駆動用モータにおいて、特定間隔におけるモータの回転速度を使用し、速度を平均し積分することで生成される角度により、特定間隔におけるモータの回転角度の誤差を補正する技術が提案されている（特許文献２）。

特開２０１２−１７８９１９号公報 特開２０１２−４２４１１号公報

前記ＩＰＭモータは、モータ回転角度センサにより検出される回転角度に基づいて、モータへの通電を制御するため、その回転角度センサにより検出される回転角と実際のモータロータの回転位置とを整合させることが重要である。しかし、実際は、回転角度センサのセンサ形状のばらつきや、回転角度センサの出力特性などの原因により、検出された電気角としての回転角は、そのモータロータの回転位置に対応する機械角との関係が非線形関係であるため、トルク制御の変動の一つの原因となる。そこで、モータを精度良く制御できる技術が必要である。

特許文献２の平均化処理および積分処理は、処理遅れが発生し、モータの制御精度の悪化に繋がる。

この発明の目的は、電気自動車において、車輪駆動用のモータの回転角度を検出する回転角度センサにより検出される電気角としての回転角度の検出誤差を補正し、前記モータを精度良く制御することができる電気自動車の制御装置を提供することである。

この発明の電気自動車の制御装置は、車輪２，３を駆動するモータ６と、車両全般を制御する電気制御ユニットであるＥＣＵ２１と、直流電力を前記モータ６の駆動に用いる交流電力に変換するインバータ３１を含むパワー回路部２８および前記ＥＣＵ２１の制御に従って少なくとも前記パワー回路部２８を制御するモータコントロール部２９を有するインバータ装置２２とを備えた電気自動車において、
前記モータ６の回転角度を検出する回転角度センサ３６と、
前記モータ６の回転数に対する電気角および補正角の関係を定めた関係設定手段３９と、
前記回転角度センサ３６により検出される電気角としての回転角度の検出誤差を、前記モータ６の回転数から前記関係設定手段３９に照らして補正する回転角度補正部３８とを設けたことを特徴とする。

この構成によると、モータコントロール部２９は、例えば、モータ力行および回生制御時、ＥＣＵ２１から与えられるトルク指令等による加速・減速指令に基づき、パワー回路部２８を制御し、モータ６の出力をトルク制御により実施する。モータ６の回転角度は回転角度センサ３６により検出され、ベクトル制御等に用いられる。モータ６の回転数に対する電気角および補正角の関係は、関係設定手段３９に定められる。例えば、モータ６を定められた回転数毎に回し、回転角度センサ３６により電気角を測定しつつ補正角の解析を行うことで、関係設定手段３９にモータ６の回転数に対する電気角および補正角の関係が定められる。
回転角度補正部３８は、回転角度センサ３６により検出される電気角としての回転角度の検出誤差を、モータ６の回転数から関係設定手段３９に照らして補正する。このように回転角度の検出誤差を、モータ６の回転数から関係設定手段３９に照らして補正するため、平均化処理および積分処理を行う従来技術のような処理遅れが発生することなく、モータ６を精度良く制御することができる。

前記関係設定手段３９は、前記ＥＣＵ２１または前記インバータ装置２２に設けられた記録手段に記録されたマップ３９であり、前記回転角度補正部３８は、前記マップ３９から前記モータ６の回転数に応じた補正角を取込み、電気角の位相補正を実施するものとしても良い。モータ６の回転数に対する電気角および補正角の関係をマップ３９に木目細かく設定することで、モータ６を容易に且つ高精度に制御することができる。
前記マップ３９は、前記モータ６の回転方向に応じて、２種類の位相補正マップを含むものとしても良い。モータ６の回転方向によっては、モータ６の回転数に対する電気角および補正角の関係が異なる場合がある。モータ６の回転方向に応じて、２種類の位相補正マップを用意することで、モータ６をより木目細かく制御することができる。

前記マップ３９は、電気角の定められた間隔毎に設けられ、前記回転角度補正部３８は、電気角が定められていない中間の電気角の補正角を、電気角が定められている両隣の補正角から線形補間により算出する線形補間算出部３８ａを有するものとしても良い。この場合、マップ３９に、モータ６の回転数に対する電気角および補正角の関係を例えば必要最小限設定しておき、線形補間算出部３８ａは、中間の電気角の補正角を線形補間により算出する。よって、マップ３９の記憶領域を確保できると共に、演算処理負荷の軽減を図ることができる。

前記モータ６は、一部または全体が車輪内に配置されて前記モータ６と車輪用軸受４と減速機７とを含むインホイールモータ駆動装置８を構成するものとしても良い。

この発明の電気自動車の制御装置は、車輪を駆動するモータと、車両全般を制御する電気制御ユニットであるＥＣＵと、直流電力を前記モータの駆動に用いる交流電力に変換するインバータを含むパワー回路部および前記ＥＣＵの制御に従って少なくとも前記パワー回路部を制御するモータコントロール部を有するインバータ装置とを備えた電気自動車において、前記モータの回転角度を検出する回転角度センサと、前記モータの回転数に対する電気角および補正角の関係を定めた関係設定手段と、前記回転角度センサにより検出される電気角としての回転角度の検出誤差を、前記モータの回転数から前記関係設定手段に照らして補正する回転角度補正部とを設けたため、電気自動車において、車輪駆動用のモータの回転角度を検出する回転角度センサにより検出される電気角としての回転角度の検出誤差を補正し、前記モータを精度良く制御することができる。

この発明の第１の実施形態に係る電気自動車を平面図で示す概念構成のブロック図である。 同電気自動車のインバータ装置等の概念構成のブロック図である。 同電気自動車のＩＰＭモータの概念構成図である。 同電気自動車のモータコントロール部のトルク制御系のブロック図である。 モータ回転方向ＣＣＷ時およびＣＷ時の回転角度センサの実測値と補正値の波形を示す図である。 モータの回転角度センサにより検出される電気角としての回転角度の検出誤差を補正するマップを表す図である。

この発明の第１の実施形態に係る電気自動車の制御装置を図１ないし図６と共に説明する。図１は、この実施形態に係る電気自動車を平面図で示す概念構成のブロック図である。同図１に示すように、この電気自動車は、車体１の左右の後輪となる車輪２が駆動輪とされ、左右の前輪となる車輪３が従動輪の操舵輪とされた４輪の自動車である。駆動輪および従動輪となる車輪２，３は、いずれもタイヤを有し、それぞれ車輪用軸受４，５を介して車体１に支持されている。

車輪用軸受４，５は、図１にてハブベアリングの略称「Ｈ／Ｂ」を付してある。駆動輪となる左右の車輪２，２は、それぞれ独立の走行用のモータ６，６により駆動される。モータ６の回転は、減速機７および車輪用軸受４を介して車輪２に伝達される。これらモータ６、減速機７、および車輪用軸受４は、互いに一つの組立部品であるインホイールモータ駆動装置８を構成しており、インホイールモータ駆動装置８は、一部または全体が車輪２内に配置される。減速機７は例えばサイクロイド減速機からなる。各車輪２，３には、電動式のブレーキ９，１０が設けられている。また左右の前輪となる操舵輪である車輪３，３は、転舵機構１１を介して転舵可能であり、操舵手段１２により操舵される。

図２は、同電気自動車のインバータ装置等の概念構成のブロック図である。
同図２に示すように、この電気自動車は、自動車全般の制御を行う電気制御ユニットであるＥＣＵ２１と、このＥＣＵ２１の指令に従って走行用のモータ６の制御を行うインバータ装置２２とを有する。ＥＣＵ２１は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、並びに各種の電子回路等で構成される。ＥＣＵ２１は、トルク配分手段２１ａと、力行・回生制御指令部２１ｂとを有する。

トルク配分手段２１ａは、アクセル操作手段１６の出力する加速指令と、ブレーキ操作手段１７の出力する減速指令と、操舵手段１２からの旋回指令とから、左右輪の走行用のモータ６，６に与える加速・減速指令をトルク指令値として生成し、インバータ装置２２へ出力する。トルク配分手段２１ａは、ブレーキ操作手段１７の出力する減速指令があったときに、モータ６を回生ブレーキとして機能させる制動トルク指令値と、前記電動式のブレーキ９，１０を動作させる制動トルク指令値とに配分する機能を持つ。回生ブレーキとして機能させる制動トルク指令値は、前記左右輪のモータ６，６に与える加速・減速指令をトルク指令値に反映させる。ブレーキ９，１０を動作させる制動トルク指令値は、ブレーキコントローラ２３へ出力する。
力行・回生制御指令部２１ｂは、加速（力行）・減速（回生）の切換えを行うための指令フラグを、後述するモータコントロール部２９のモータ力行・回生制御部３３に与える。

インバータ装置２２は、各モータ６に対して設けられたパワー回路部２８と、このパワー回路部２８を制御するモータコントロール部２９とを有する。パワー回路部２８は、バッテリ１９の直流電力をモータ６の力行および回生に用いる３相の交流電力に変換するインバータ３１と、このインバータ３１を制御するＰＷＭドライバ３２とを有する。モータ６は、３相の同期モータ等からなる。このモータ６には、同モータのロータの電気角としての回転角度を検出する回転角度センサ３６が設けられている。インバータ３１は、複数の半導体スイッチング素子で構成され、ＰＷＭドライバ３２は、入力された電流指令をパルス幅変調し、前記各半導体スイッチング素子にオンオフ指令を与える。

モータコントロール部２９は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、および電子回路により構成され、その基本となる制御部としてモータ力行（駆動）・回生制御部３３を有している。このモータ力行・回生制御部３３は、上位制御手段であるＥＣＵ２１から与えられるトルク指令等による加速（力行）・減速（回生）指令に従い、電流指令に変換して、パワー回路部２８のＰＷＭドライバ３２に電流指令を与える手段である。加速（力行）・減速（回生）の切換は、ＥＣＵ２１の力行・回生制御指令部２１ｂからの指令フラグにより行う。モータ力行・回生制御部３３は、力行制御手段３３ａと、回生制御手段３３ｂとを有し、力行・回生制御指令部２１ｂからの指令フラグにより力行制御手段３３ａおよび回生制御手段３３ｂのいずれか一方が選択的に用いられる。

モータ力行・回生制御部３３は、前記指令フラグにより、インバータ内部に予め設定したトルクマップを用い、モータ６に指令電流値を生成する。このときモータ６に実際に流れる電流値を検出し、この電流値を指令電流と一致させるために、モータ６をＰＩ制御で制御する。
またモータコントロール部２９は、制御パラメータ調整部３４および回転角度補正部３８を備えている。制御パラメータ調整部３４は、モータ６を制御するときに用いるＰＩ制御ゲインを調整する。一方、回転角度補正部３８は、モータ６のロータの電気角としての回転角度を、回転角度センサ３６から得て、取得した回転角度の検出誤差を、モータ６の回転数から後述するマップ３９（関係設定手段）に照らして補正する。これによりベクトル制御を精度良く実現し得る。
なおＥＣＵ２１、インバータ装置２２、ブレーキコントローラ２３、操舵手段１２と４者間の信号転送は、コントローラー・エリア・ネットワーク（ＣＡＮ）通信で行われている。

図３は、この電気自動車のＩＰＭモータの概念構成図である。
図３（ａ）に示すように、車輪を駆動するモータがＩＰＭモータつまり埋込磁石型同期モータの場合は、磁石軸であるｄ軸方向よりそれと直交するｑ軸方向の磁気抵抗が小さくなるため、突極構造となり、ｄ軸インダクタンスＬｄよりｑ軸インダクタンスＬｑが大きくなる。
この突極性により、磁石トルクＴｍ以外にリラクタンストルクＴｒが併用でき、高トルクおよび高効率とすることもできる。
磁石トルクＴｍ：回転子の永久磁石による磁界と巻線による回転子磁界と吸引反発して発生するトルクである。
リラクタンストルクＴｒ：巻線による回転磁界に回転子の突極部が吸引されて発生するトルクである。

モータが発生する総トルクは下記のようになる。
Ｔ＝ｐ×｛Ｋｅ×Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ｝
＝Ｔｍ＋Ｔｒ
ｐ：磁極対
Ｌｄ：モータのｄ軸インダクタンス
Ｌｑ：モータのｑ軸インダクタンス
Ｋｅ：モータ誘起電圧定数実効値

図３（ｂ）に示すように、ＩＰＭモータに流す１次電流Ｉａを、トルク生成電流ｑ軸電流Ｉｑと、磁束生成電流ｄ軸電流Ｉｄとに分離し、それぞれ独立に制御できるベクトル制御手法が周知である。
Ｉｄ＝−Ｉａ×ｓｉｎβ
Ｉｑ＝Ｉａ×ｃｏｓβ
β：電流進角

図４は、この電気自動車のモータコントロール部のトルク制御系のブロック図である。図２も参照しつつ説明する。
モータコントロール部２９は、モータ駆動電流を制御する手段であって、電流指令部４０を含む。この電流指令部４０は、モータ６に印加する駆動電流を回転角度センサ３６で検出した検出値と、ＥＣＵ２１のトルク配分手段２１ａで生成した加速・減速指令によるトルク指令値とから、インバータ装置２２のインバータ内部に予め設定したトルクマップを用い、相応の指令電流を生成する。つまりＥＣＵ２１からのトルク指令値に応じて、インバータ内部に生成された指令電流値の偏差を無くすためのＰＩフィードバック制御を行う。前記指令電流の方向は、ＥＣＵ２１の力行・回生制御指令部２１ｂから与えられる指令フラグにより切換えられる。

モータ力行・回生制御部３３は、モータ６のロータの回転角を回転角度センサ３６から得て、ベクトル制御を行う。ここで車体の左右の後輪２に設けられたモータ６は、力行時と回生時とでトルク発生方向が互いに異なる。つまり前記モータ６をこの出力軸の方向から見ると、左側の後輪駆動用のモータ６はＣＷ方向のトルクを発生し、右側の後輪駆動用のモータ６はＣＣＷ方向のトルクが発生する。左右両モータ６のそれぞれ発生したトルクは、前記減速機７および車輪用軸受４を介して、トルク方向を反転し、タイヤに伝達される。前記左右両モータ６における回生時のトルク発生方向は、力行時のトルク発生方向と異なっている特徴を持つ。

前記トルクマップに関しては、アクセル信号とモータ６の回数数とに応じて、最大トルク制御テーブルから、相応なトルク指令値を算出する。電流指令部４０は、算出された前記トルク指令値に基づき、モータ６の１次電流（Ｉａ）と電流位相角（β）の指令値を生成する。指令電流部４０は、これら１次電流（Ｉａ）と電流位相角（β）の値に基づき、ｄ軸電流（界磁成分）Ｏ＿Ｉｄと、ｑ軸電流（トルク成分）Ｏ＿Ｉｑの二つの指令電流を生成する。

電流ＰＩ制御部４１は、電流指令部４０から出力されたｄ軸電流Ｏ＿Ｉｄ、ｑ軸電流Ｏ＿Ｉｑの値と、モータ電流および回転子角度から３相・２相変換部４２で計算された２相電流Ｉｄ，Ｉｑとから、ＰＩ制御による電圧値による制御量Ｖｄ，Ｖｑを算出する。３相・２相変換部４２では、電流センサ４３で検出されるモータ６のｕ相電流（Ｉｕ）とｗ相電流（Ｉｗ）の検出値から、次式Ｉｖ＝−（Ｉｕ＋Ｉｗ）で求められるｖ相電流（Ｉｖ）を算出し、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの３相電流からＩｄ，Ｉｑの２相電流に変換する。この変換に使われるモータ６の回転子角度は、回転角度センサ３６から取得する。

２相・３相変換部４４は、入力された２相の制御量Ｖｄ，Ｖｑと、回転角度（位相）補正部３８により補正された値とから、３相のＰＷＭデューティＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する。電力変換部４５は、ＰＷＭデューティＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗに従ってインバータ３１をＰＷＭ制御し、モータ６を駆動する。

図５（ａ）は、モータがＣＣＷ回転時、回転角度センサで検出された電気角の実測値と補正値の波形を示す図であり、図５（ｂ）は、モータがＣＷ回転時、回転角度センサで検出された電気角の実測値と補正値の波形を示す図である。
図５（ａ），（ｂ）において、実線は実測値、虚線は補正値を示す。
回転角度センサのセンサ形状のばらつきや、回転角度センサの出力特性などの原因により、検出された電気角としての回転角は、そのモータロータの回転位置に対応する機械角との関係が非線形関係である。このため、トルク制御の変動の一つの原因となる。
そこで、前記回転角度補正部３８（図２）は、後述するマップからモータの回転数に応じた補正角を取込み、電気角の位相補正を実施する。

図６は、モータの回転角度センサにより検出される電気角としての回転角度の検出誤差を補正するマップを表す図である。このマップは、例えば、インバータ装置に設けられた記録手段であるＲＯＭに記録される。
ωi：電気角の角速度（i：マップの数）
ΘＡ０〜ΘＡｎ：モータの回転角度センサにより検出される電気角
ΘＢ０〜ΘＢｎ：補正角
前記マップは、モータの回転方向（ＣＣＷとＣＷ）に応じて、２種類の位相補正マップを含む。モータの回転方向によっては、モータの回転数に対する電気角および補正角の関係が異なる場合があるためである。モータの回転方向に応じて、２種類の位相補正マップを用意することで、モータをより木目細かく制御し得る。

前記位相補正マップは、モータ回転数の定間隔毎、例えば、０〜１０００ｒｐｍ、１０００〜２０００ｒｐｍ（以下略）に作成される。このマップ作成時、モータ動力ケーブルがオープンの状態で、モータを一定の回転数毎に回し、回転角度センサにより電気角を測定する。そして、例えば、パーソナルコンピュータにおけるプログラムにて解析を行って、補正角の解析値を用い、位相補正マップを作成することとする。

位相補正マップにおいて、モータの回転角度センサにより検出される電気角の範囲は、０〜３６０度とし、位相補正角の範囲も同様の０〜３６０度である。位相補正マップは、電気角の定間隔毎に設けることとする。また図２に示すように、回転角度補正部３８は線形補間算出部３８ａを有する。この線形補間算出部３８ａは、電気角が定められていない中間の電気角の補正角を、電気角が定められている両隣の補正角から、線形補間により算出する。

作用効果について説明する。
モータコントロール部２９は、モータ力行および回生制御時、ＥＣＵ２１から与えられるトルク指令等による加速・減速指令に基づき、パワー回路部２８を制御し、モータ６の出力をトルク制御により実施する。モータ６の回転角度は回転角度センサ３６により検出され、ベクトル制御に用いられる。モータ６の回転数に対する電気角および補正角の関係は、関係設定手段であるマップ３９に定められる。
回転角度補正部３８は、回転角度センサ３６により検出される電気角としての回転角度の検出誤差を、モータ６の回転数からマップ３９に照らして補正する。このように回転角度の検出誤差を、モータ６の回転数からマップ３９に照らして補正するため、平均化処理および積分処理を行う従来技術のような処理遅れが発生することなく、モータ６を精度良く制御することができる。

回転角度補正部３８の線形補間算出部３８ａは、電気角が定められていない中間の電気角の補正角を、電気角が定められている両隣の補正角から線形補間により算出する。この場合、マップ３９に、モータ６の回転数に対する電気角および補正角の関係を例えば必要最小限設定しておき、線形補間算出部３８ａは、中間の電気角の補正角を線形補間により算出する。よって、マップ６の記憶領域を確保できると共に、演算処理負荷の軽減を図ることができる。

他の実施形態として、マップは、例えば、ＥＣＵに設けられた記録手段に記録されても良い。
前記実施形態では、後輪がインホイールモータ装置で駆動される電気自動車に適用した場合につき説明したが、この発明は、車輪２を個別のモータで駆動する形式として、インホイールモータ形式に限らず、オンボート形式等の車輪外のモータで駆動される電気自動車にも適用することができる。さらに、４輪とも個別のモータで駆動される電気自動車や、１台のモータで複数の車輪を走行駆動する電気自動車にも適用することができる。

２，３…車輪
４，５…車輪用軸受
６…モータ
７…減速機
８…インホイールモータ駆動装置
２１…ＥＣＵ
２２…インバータ装置
２８…パワー回路部
２９…モータコントロール部
３１…インバータ
３６…回転角度センサ
３８…回転角度補正部
３８ａ…線形補間算出部
３９…マップ（関係設定手段）

Claims (5)

1. 車輪を駆動するモータと、車両全般を制御する電気制御ユニットであるＥＣＵと、直流電力を前記モータの駆動に用いる交流電力に変換するインバータを含むパワー回路部および前記ＥＣＵの制御に従って少なくとも前記パワー回路部を制御するモータコントロール部を有するインバータ装置とを備えた電気自動車において、
   前記モータの回転角度を検出する回転角度センサと、
   前記モータの回転数に対する電気角および補正角の関係を定めた関係設定手段と、
   前記回転角度センサにより検出される電気角としての回転角度の検出誤差を、前記モータの回転数から前記関係設定手段に照らして補正する回転角度補正部と、
   を設けたことを特徴とする電気自動車の制御装置。
2. 請求項１記載の電気自動車の制御装置において、前記関係設定手段は、前記ＥＣＵまたは前記インバータ装置に設けられた記録手段に記録されたマップであり、前記回転角度補正部は、前記マップから前記モータの回転数に応じた補正角を取込み、電気角の位相補正を実施する電気自動車の制御装置。
3. 請求項２記載の電気自動車の制御装置において、前記マップは、前記モータの回転方向に応じて、２種類の位相補正マップを含む電気自動車の制御装置。
4. 請求項２または請求項３記載の電気自動車の制御装置において、前記マップは、電気角の定められた間隔毎に設けられ、前記回転角度補正部は、電気角が定められていない中間の電気角の補正角を、電気角が定められている両隣の補正角から線形補間により算出する線形補間算出部を有する電気自動車の制御装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電気自動車の制御装置において、前記モータは、一部または全体が車輪内に配置されて前記モータと車輪用軸受と減速機とを含むインホイールモータ駆動装置を構成する電気自動車の制御装置。

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