JP2015201979A

JP2015201979A - 電動機の制御装置

Info

Publication number: JP2015201979A
Application number: JP2014079810A
Authority: JP
Inventors: 篤起田淵; Atsuki Tabuchi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2015-11-12

Abstract

【課題】少ない枚数の電流マップを利用して所望の出力性能を得ることができる電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】電動機１の制御装置１０は、第１及び第２の電流マップと、これらの電流マップに基づいて、電動機の回転速度、トルク指令値及び電源電圧に応じた電流指令値を演算する演算部１２とを有している。この演算部１２は、電動機１の出力が線形的に変化する電圧領域における線形関係である第１の直線と、電動機１の出力が一定となる電圧領域における出力一定を規定する第２の直線と、第１及び第２の電流マップ同士とを線形補間して得られる第３の直線と、を設定する。そして、演算部は、第１から第３の直線に基づいて電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を決定することとしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の制御装置に関する。

従来より、電動機に供給する電流をｄｑ座標系におけるｄ軸電流とｑ軸電流とに分けて扱うベクトル制御により電動機を駆動制御する電動機の制御装置が知られている。この電動機の制御装置では、電動機の回転速度、トルク指令値及び電源電圧に基づいて、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を求めることとしている。

この制御装置では、複数の電源電圧に対応した電流マップを保持している。そして、この制御装置は、電源電圧に対応する電流マップを利用して、電動機の回転速度及びトルク指令値に応じた電流指令値を演算する。また、電源電圧が電流マップに対応する電圧以外の電圧である場合には、その両側に位置する電圧の電流マップから補間して電流指令値を得ることとしている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−８０８９６号公報

しかしながら、補間演算を用いる場合には、電動機の出力特性が非線形的に変化するような電圧領域において、電動機の出力特性に合致した適切な出力となる電流指令値を求めることができない可能性がある。これに対して、非線形的な出力特性をカバーするように多数の電圧点を指定して電流マップを保持した場合には、演算負荷が増加するとともに制御装置のメモリ容量の増大を招くという不都合がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、少ない枚数の電流マップを利用して所望の出力性能を得ることができる電動機の制御装置を提供することである。

かかる課題を解決するために、本発明に係る電動機の制御装置は、複数の電流マップと、これらの電流マップに基づいて、電動機の回転速度、トルク指令値及び電源電圧に応じた電流指令値を演算する演算部を有している。この演算部は、電動機の出力が線形的に変化する第１の電圧領域における線形関係である第１の直線と、電動機の出力が一定となる第２の電圧領域における出力一定を規定する第２の直線と、電流マップ同士とを線形補間して得られる第３の直線と、を設定する。そして、演算部は、第１の直線と、第２の直線と、第３の直線とに基づいて電流指令値を決定することとしている。

本発明によれば、第１から第３の直線を考慮することで、第１の電圧と第２の電圧との間に電流マップを追加することなく、適切な出力に対応する電流指令値を得ることができる。これにより、少ない枚数の電流マップを利用して所望の出力性能を得ることができる。

本実施形態に係る電動機の制御装置の構成を模式的に示す説明図電流指令値演算の概念を示す説明図電動機の出力特性を示す説明図

図１は、本実施形態に係る電動機の制御装置の構成を模式的に示す説明図である。本実施形態では、電気自動車の駆動源として適用される電動機を制御する電動機の制御装置について説明を行う。電気自動車は、電動機１と、電源２と、制御装置１０と、パワーモジュール１１とを備えている。

電動機１は、例えば、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線からなる３つの相巻線を有する電動機である。この電動機１は、パワーモジュール１１内で変換された３相の交流電圧が各相に印加されることにより生じる磁界と、回転子の永久磁石が作る磁界との相互作用により回転駆動する。

電源２は、高電圧を印加可能な直流電源であり、例えば積層型リチウムイオンバッテリである。

制御装置１０は、電動機１を制御するものであり、例えばマイクロコンピュータにより実現することができる。制御装置１０は、パワーモジュール１１に対して電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*を出力し、このパワーモジュール１１を通じて電動機１の制御を行う。制御装置１０の詳細については後述する。

パワーモジュール１１は、スイッチング素子を備えており、制御装置１０からの電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*に基づいて、電源２の直流電圧を三相の交流電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗにそれぞれ変換する。そして、パワーモジュール１１は、変換した交流電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗを電動機１の各相にそれぞれ印加する。

制御装置１０は、これを機能的にとらえた場合、電流指令値演算部１２と、電流制御部１３と、座標変換部１４と、座標変換部１５とを主体に構成されている。この制御装置１０は、電動機１に供給する電流を励磁電流成分（ｄ軸）とトルク電流成分（ｑ軸）との２軸に分離して制御を行うこととしている。

電流指令値演算部１２には、トルク指令値Ｔ^*、電動機１の回転速度である回転子角速
度ω及び電源２の電源電圧Ｖ_dcが入力される。電流指令値演算部１２は、トルク指令値Ｔ^*、回転子角速度ω及び電源電圧Ｖ_dcに基づいて、励磁電流成分の電流指令値であるｄ軸
電流指令値Ｉ_d ^*と、トルク電流成分の電流指令値であるｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*とを算出する。電流指令値演算部１２は、マップ演算により、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*と、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*とをそれぞれ算出するものであり、その詳細については後述する。

電流指令値演算部１２において、トルク指令値Ｔ^＊は、例えば電気自動車を制御するコントローラ（図示せず）から入力され、回転子角速度ωは、後述する角速度演算部１６から入力される。また、電源電圧Ｖ_ｄｃは、例えば電源２を管理するバッテリーコントローラ（図示せず）から入力される。

電流制御部１３には、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*及びｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*と、ｄ軸電流検出値Ｉ_d及びｑ軸電流検出値Ｉ_qとがそれぞれ入力される。電流制御部１３は、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*と、ｄ軸電流検出値Ｉ_dとの比較により、ｄ軸の電圧指令値Ｖ_d ^*を算出する。また、
電流制御部１３は、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*と、ｑ軸電流検出値Ｉ_qとの比較により、ｑ軸の
電圧指令値Ｖ_q ^*を算出する。

電流制御部１３において、ｄ軸電流検出値Ｉ_d及びｑ軸電流検出値Ｉ_qは、座標変換部１５から入力される。

座標変換部１４には、ｄ軸の電圧指令値Ｖ_d ^*、ｑ軸の電圧指令値Ｖ_q ^*及び回転子位相θが入力される。座標変換部１５は、ｄ軸及びｑ軸からなる二軸座標系から、三相交流座標系（ｕｖｗ軸）への変換を行なう。具体的には、座標変換部１５は、ｄ軸の電圧指令値Ｖ_d ^*、ｑ軸の電圧指令値Ｖ_q ^*及び回転子位相θに基づいて、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相に係る電圧指令値Ｖ_u ^＊、Ｖ_v ^＊、Ｖ_w ^＊を算出する。

座標変換部１４において、回転子位相θは、後述する位置検出部１７から入力される。

一方、座標変換部１５には、ｕ相電流検出値Ｉ_u，ｖ相電流検出値Ｉ_v，ｗ相電流検出値Ｉ_w及び回転子位相θが入力される。座標変換部１５は、ｕ相電流検出値Ｉ_u，ｖ相電流検出値Ｉ_v，ｗ相電流検出値Ｉ_w及び回転子位相θに基づいて、ｄ軸電流検出値Ｉ_d及びｑ軸
電流検出値Ｉ_qを算出する。

座標変換部１５において、ｕ相電流検出値Ｉ_u，ｖ相電流検出値Ｉ_v，ｗ相電流検出値Ｉ_wは電流センサ（図示せず）から入力される。

角速度演算部１６は、位置検出部１７から入力された回転子位相θに基づいて、その時間変化率より回転子角速度ωを算出する。

位置検出部１７は、位置センサ１９から出力される回転子位置（角度）に応じた信号に基づいて、回転子位相θを演算する。

図２は、電流指令値演算の概念を示す説明図である。本実施形態において、電流指令値演算部１２は、回転子角速度ω及びトルク指令値Ｔ^*に応じて電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を決
定するために、電源電圧Ｖ_dc毎に設定された複数の電流マップを保持している。図２に示す例では、電流指令値演算部１２は、１００Ｖ、２００Ｖ、４００Ｖ、５００Ｖに対応した４つの電流マップを保持している。そして、電流指令値演算部１２は、これらの電流マップに基づいて、回転子角速度ω、トルク指令値Ｔ^*及び電源電圧Ｖ_dcに応じた電流指令
値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を演算する。

図３は、電動機１の出力特性を示す説明図である。１００Ｖから２００Ｖまでの電圧領域では、電動機１の出力特性は電源電圧Ｖ_dcに依存することとなり、電源電圧Ｖ_dcに応じて線形的に変化する。したがって、電源電圧Ｖ_dcが１００Ｖから２００Ｖまでの電圧領域では、１００Ｖにおける電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*と、２００Ｖにおける電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*とを線形補間することで、当該電圧に対応する電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を得ることができる。

また、４００Ｖから５００Ｖまでの電圧領域では、電動機１の出力特性は、電動機１の特性により出力が頭打ちされるため、電源電圧Ｖ_dcに関わらず一定となる。したがって、電源電圧Ｖ_dcが４００Ｖから５００Ｖまでの電圧領域では、４００Ｖにおける電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*と、５００Ｖにおける電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*とを線形補間することで、当該電圧に対応する電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を得ることができる。

これに対して、２００Ｖから４００Ｖまでの出力特性は、電源電圧Ｖ_dcに対して折れ線状に（非線形的に）変化する。したがって、電源電圧Ｖ_dcが２００Ｖから４００Ｖまでの電圧領域では、線形補間にて電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を演算すると、実際には電動機１の出
力を得られる状態であるにも拘わらず、それよりも低い出力となる電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*が求められてしまうこととなる。したがって、図３に示すハッチングに相当する領域について、その出力を得ることができなくなってしまうこととなる。

本実施形態では、電流指令値演算部１２は、電動機１の出力が非線形的に変化する電圧領域では、次に示す手法により、電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を演算することとしている。まず、電流指令値演算部１２は、少なくとも、第１の電流マップと、第２の電流マップとを備えている。

第１の電流マップは、電源電圧Ｖ_dcに応じて電動機１の出力が線形的に変化する第１の電圧領域のうち上限電圧となる第１の電圧Ｖ１に対応する電流マップである。図２に示す例では、１００Ｖから２００Ｖが第１の電圧領域に対応し、第１の電圧Ｖ１が２００Ｖに対応する。したがって、第１の電流マップは２００Ｖに対応する電流マップに相当する。

第２の電流マップは、電源電圧Ｖ_dcに関わらず電動機１の出力が一定となる第２の電圧領域のうち下限電圧となる第２の電圧Ｖ２に対応する電流マップである。すなわち、図２に示す例では、４００Ｖから５００Ｖが第２の電圧領域に対応し、第２の電圧Ｖ２が４００Ｖに対応する。したがって、第２の電流マップは４００Ｖに対応する電流マップに相当する。

また、電流指令値演算部１２は、第１の直線Ｌ１、第２の直線Ｌ２及び第３の直線Ｌ３からなる３つの直線を設定する。第１の直線Ｌ１は、第１の電圧領域における線形関係である直線に相当する。また、第２の直線Ｌ２は、第２の電圧領域における出力一定を規定する直線に相当する。そして、第３の直線Ｌ３は、第１の電圧Ｖ１における電動機１の出力と第２の電圧Ｖ２における電動機１の出力とを線形補間して得られる直線に相当する。

そして、電流指令値演算部１２は、電源電圧Ｖ_dcが第１の電圧Ｖ１から第２の電圧Ｖ２までの電圧である場合に、第１の直線Ｌ１と、第２の直線Ｌ２と、第３の直線Ｌ３とに基づいて電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を決定する。

具体的には、電流指令値演算部１２は、第３の直線Ｌ３から得られる電動機１の出力と、第１の直線Ｌ１又は第２の直線Ｌ２から得られる電動機１の出力とに基づいて、電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を決定する。

ここで、第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２との交点となる電圧を第３の電圧Ｖ３とする。電流指令値演算部１２は、電源電圧Ｖ_dcが第１の電圧Ｖ１から第３の電圧Ｖ３までの電圧Ｖ４である場合、第１の直線Ｌ１から得られる電動機の出力Ｐ１１と、第３の直線Ｌ３から得られる電動機１の出力Ｐ１３とに基づいて、当該電圧Ｖ４における電動機１の出力を求める。この出力の定め方としては、出力Ｐ１１と出力Ｐ１３との間の中間値としてもよいし、電動機１の出力特性を考慮した所定の比率に応じて定まる値としてもよい。そして、電流指令値演算部１２、この電動機１の出力をベースに、電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を決定する。

一方、電流指令値演算部１２は、電源電圧Ｖ_dcが第３の電圧Ｖ３から第２の電圧Ｖ２まで電圧Ｖ５である場合、第２の直線Ｌ２から得られる電動機１の出力Ｐ２２と、第３の直線Ｌ３から得られる電動機１の出力Ｐ２３とに基づいて、当該電圧Ｖ５における電動機１の出力を求める。この出力の定め方としては、出力Ｐ２２と出力Ｐ２３との間の中間値としてもよいし、電動機１の出力特性を考慮した所定の比率に応じて定まる値としてもよい。そして、電流指令値演算部１２は、この電動機１の出力をベースに、電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を決定する。

このように本実施形態によれば、第１から第３の直線Ｌ１〜Ｌ３を考慮することで、第１の電圧Ｖ１と第２の電圧Ｖ２との間に電流マップを追加することなく、適切な出力に対応する電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を得ることができる。これにより、少ない枚数の電流マップを利用して所望の出力性能を得ることができる。

また、本実施形態によれば、第１の直線Ｌ１又は第２の直線Ｌ２を考慮することで、線形補間により得られる出力（第３の直線Ｌ３）に対して不足する分の出力を補うように電流指令値を決定することができる。これにより、所望の出力性能を得ることができる。

さらに、本実施形態において、電流指令値演算部１２は、電源電圧Ｖ_dcが第１の電圧Ｖ１から第３の電圧Ｖ３までの電圧である場合、第１の直線Ｌ１から得られる電動機１の出力と、第３の直線Ｌ３から得られる電動機１の出力とに基づいて、電流指令値を決定する。また、電流指令値演算部１２は、電源電圧Ｖ_dcが第３の電圧Ｖ３から第２の電圧Ｖ２まで電圧である場合、第２の直線Ｌ２から得られる電動機１の出力と、第３の直線Ｌ３から得られる電動機１の出力とに基づいて、電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*を決定する。

かかる構成によれば、第１の直線Ｌ１又は第２の直線Ｌ２を考慮することで、線形補間により得られる出力（第３の直線Ｌ３）に対して不足する分の出力を補うように電流指令値を決定することができる。これにより、所望の出力性能を得ることができる。

以上、本発明の実施形態にかかる電動機の制御装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能であることはいうまでもない。電動機の適用は、電気自動車のみならず電動機を搭載する各種の車両や、それ以外のものであってもよい。

１電動機
２電源
１０制御装置
１１パワーモジュール
１２電流指令値演算部
１３電流制御部
１４座標変換部
１５座標変換部
１６角速度演算部
１７位置検出部
１９位置センサ

Claims

電動機の回転速度及びトルク指令値に応じて電流指令値を決定するために、電源電圧毎に設定された複数の電流マップと、
前記複数の電流マップに基づいて、電動機の回転速度、トルク指令値及び電源電圧に応じた電流指令値を演算する演算部と、を有し、
前記複数の電流マップは、
電源電圧に応じて前記電動機の出力が線形的に変化する第１の電圧領域のうち上限電圧となる第１の電圧に対応する第１の電流マップと、
前記電源電圧に関わらず前記電動機の出力が一定となる第２の電圧領域のうち下限電圧となる第２の電圧に対応する第２の電流マップと、を含み、
前記演算部は、
前記第１の電圧領域における線形関係である第１の直線と、
前記第２の電圧領域における出力一定を規定する第２の直線と、
前記第１の電圧における前記電動機の出力と前記第２の電圧における前記電動機の出力とを線形補間して得られる第３の直線と、を設定し、
前記電源電圧が前記第１の電圧から前記第２の電圧までの電圧である場合に、前記第１の直線と、前記第２の直線と、前記第３の直線とに基づいて電流指令値を決定することを特徴とする電動機の制御装置。
前記演算部は、前記第３の直線から得られる前記電動機の出力と、前記第１の直線又は前記第２の直線から得られる前記電動機の出力とに基づいて、電流指令値を決定することを特徴とする請求項１に記載された電動機御の制御装置。
前記第１の直線と前記第２の直線との交点となる電圧を第３の電圧と規定し、
前記演算部は、前記電源電圧が前記第１の電圧から前記第３の電圧までの電圧である場合に、前記第１の直線から得られる前記電動機の出力と、前記第３の直線から得られる前記電動機の出力とに基づいて、電流指令値を決定し、
前記電源電圧が前記第３の電圧から前記第２の電圧まで電圧である場合に、前記第２の直線から得られる前記電動機の出力と、前記第３の直線から得られる前記電動機の出力とに基づいて、電流指令値を決定することを特徴とする請求項２に記載された電動機御の制御装置。