JP2016083977A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 快適性の確保と放電時間の短縮の両立を図ることである。【解決手段】 本発明に係るモータ制御装置は、車両を走行させる駆動力を発生する第１モータと、前記第１モータを制御する第１インバータと、前記第１モータとは異なる第２モータと、前記第２モータを制御する第２インバータと、前記第１インバータと前記第１モータ及び前記第２インバータと第２モータに電力を供給するバッテリと、前記第１インバータ及び前記第２インバータと前記バッテリとの間に電気的に並列に接続されるキャパシタと、を備えたモータシステムを制御するモータ制御装置であって、前記バッテリ１０１と前記キャパシタが電気的に切り離された状態において、前記第２モータによる前記キャパシタに蓄えられた電荷の放電を継続しながら、前記第１モータの発生許容トルクに応じて、前記第１モータにより放電する電荷量を決定する。【選択図】 図２

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車を駆動するための駆動用モータは、インバータ回路によって制御される。当該インバータ回路には、バッテリからの電力を平滑化するキャパシタが備えられ、安全性の観点から、このキャパシタを急速に放電することが求められている。

特許文献１と２に記載の技術のように、車両を走行させる駆動力を発生するモータの巻き線を利用して、トルクが発生しないようにキャパシタを急速放電する技術がある。
しかし、モータの角度検出値や電流検出値に誤差がある場合や、急速放電開始の電圧が高い場合には、意図しないトルクが発生する可能がある。これは、急速放電時の車両の振動につながるため、乗員の快適性を損なう恐れがある。

一方、特許文献３と４に記載の発明のように、補助用電動機のみによるキャパシタ放電を実施することで車両を走行させるトルクを発生させずにキャパシタの放電を実施する技術が提案されているが、低出力な補助用電動機を使用するため、放電に時間を要する可能性がある。

特許第3289567号 特許第5439262号 特許第3422286号 特許第5384476号

本発明が解決しようとする課題は、快適性の確保と放電時間の短縮の両立を図ることである。

上記課題を解決するための、本発明に係るモータ制御装置は、車両を走行させる駆動力を発生する第１モータ（１０４）と、前記第１モータを制御する第１インバータ（１０３）と、前記第１モータとは異なる第２モータ（１０６）と、前記第２モータを制御する第２インバータ（１０５）と、前記第１インバータと前記第１モータ及び前記第２インバータと第２モータに電力を供給するバッテリ（１０１）と、前記第１インバータ及び前記第２インバータと前記バッテリとの間に電気的に並列に接続されるキャパシタ（１０７、１０８）と、を備えたモータシステムを制御するモータ制御装置（１１０）であって、前記バッテリ１０１と前記キャパシタが電気的に切り離された状態において、前記第２モータによる前記キャパシタに蓄えられた電荷の放電を継続しながら、前記第１モータの発生許容トルクに応じて、前記第１モータにより放電する電荷量を決定する。

本発明により、快適性の確保と放電時間の短縮の両立することができる。

本実施形態に用いられるシステムのブロック構成図である。 本実施形態であるキャパシタ放電処理を実行した場合の、第１モータ１０４に流れる電流値と、第２モータ１０６に流れる電流値の時間推移を示すタイムチャートである。 第２の実施の形態である放電処理の実施から完了までの流れを説明するフロー図である。 第２の実施の形態である、第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の放電処理を実行した場合の、第１モータ１０４に印加される電圧値と、第２モータ１０６に流れる電流値の時間推移を示すタイムチャートである。

本発明の実施するための形態を図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態に用いられるシステムのブロック構成図である。バッテリ１０１は、ニッケル水素バッテリやリチウムイオンバッテリなどが用いられる。コンタクタ１０２は、バッテリ１０１と第１インバータ１０３及び第２インバータ１０５の間に配置され、コンタクタ１０２がオフの時にバッテリ１０１と第１インバータ１０３及び第２インバータ１０５は電気的に遮断され、コンタクタ１０２がオンの時にバッテリ１０１と第１インバータ１０３及び第２インバータ１０５は電気的に接続され、バッテリ１０１の電力が第１インバータ１０３及び第２インバータ１０５に供給される。

第１キャパシタ１０７は、第１インバータ１０３の入力電力を平滑化する。第２キャパシタ１０８は、第２インバータ１０５の入力電力を平滑化する。

第１インバータ１０３は、直流側が平滑キャパシタ１０７に接続され、３相交流側は第１モータ１０４の固定子に接続される。第１インバータ１０３は、Ｕ相の上下アームのスイッチング素子Tr１、Tr２と、Ｖ相の上下アームのスイッチング素子Tr３、Tr４と、Ｗ相の上下アームのスイッチング素子Tr５、Tr６を有する。第１モータ１０４は、車両を走行させる駆動力を発生するモータである。

第２インバータ１０５は、直流側が平滑キャパシタ１０８に接続され、３相交流側は第２モータ１０６の固定子に接続される。第２インバータ１０５は、Ｕ相の上下アームのスイッチング素子Tr７、Tr８と、Ｖ相の上下アームのスイッチング素子Tr９、Tr１０と、Ｗ相の上下アームのスイッチング素子Tr１１、Tr１２を有する。第２モータ１０６は、第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の放電時に機械的に車軸と切り離された状態となるモータである。第２モータ１０６は、例えば、車軸と切られた駆動モータ、電動オイルポンプ、電動ファン、電動コンプレッサー、油圧モータ、オルタネーターなどである。つまり第２モータ１０６は、モータにトルクが発生しても、車両に振動を与えないものである。 そのため、第２モータ１０６により第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８に蓄えられた電荷がを放電しても快適性に影響を与えない。
電圧センサ１０９は、第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８と並列に接続されており、キャパシタ１０７及びキャパシタ１０８の両端の電圧値を検出する。

第１電流センサ１１１は、第１モータ１０４に流れる電流値を検出する。第１磁極位置検出回路１１２は、第１モータ１０４の角度を検出する。第２電流センサ１１３は、第２モータ１０６に流れる電流値を検出する。第２磁極位置検出回路１１４は、第２モータ１０６の角度を検出する。部品ばらつきや環境温度の変化、経年劣化等により、これら検出回路の検出結果には、検出誤差が含まれる。

制御装置１１０は、第１電流センサ１１１で検出した第１モータ１０４に流れる電流値と、第１磁極位置検出回路１１２検出した第１モータ１０４の磁極角度と、第２電流センサ１１３で検出した第２モータ１０６に流れる電流値と、第２磁極位置検出回路１１４で検出した第２モータ１０６の磁極角度と、電圧センサ１０９で検出した第１キャパシタ１０７、１０８の電圧値に基づいて、第１インバータ１０３のスイッチング素子、第２インバータ１０５のスイッチング素子を制御する。

図２は、本実施形態であるキャパシタ放電処理を実行した場合の、第１モータ１０４に流れる電流値と、第２モータ１０６に流れる電流値の時間推移を示すタイムチャートである。

第１モータ１０４の発生許容トルクＴＱ１は、車両駆動装置（例えばトランスミッション）のギア、モータの回転子などの摩擦抵抗力により決定されるトルクである。

第１モータ１０４の発生トルクＴＱ２は、第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の放電時に、角度検出値や電流検出値の誤差により第１モータ１０４に発生するトルクである。

時刻Ｔ１１において、制御装置１１０は放電処理を開始する。この時、コンタクタ１０２は、オフ状態にあり、バッテリ１０１と第１インバータ１０３及び第２インバータ１０５は電気的に切り離された状態にある。

また、第１モータ１０４の放電処理の要求信号は、オン状態にある。第２モータ１０６の放電処理の要求信号は、オン状態にある。第１インバータ１０３は、制御装置１１０から受信したPWM信号に基づきスイッチング動作を行う。第２インバータ１０５は、制御装置１１０から受信したPWM信号に基づきスイッチング動作を行う。

この時、第１モータ１０４の電流値Ｉ１１は、第１モータ１０４の発生トルクＴＱ２が第１モータ１０４の発生許容トルクＴＱ１より小さくなるように決定されている。また、第２モータの電流値Ｉ１２は、第２モータにおいて放電できる電荷量が最大となるように決定される。時刻Ｔ１２において、放電処理終了する。

これによれば、コンタクタ１０２が遮断されたときに第１キャパシタ１０７の両端間電圧が所定値以下になるまで、車両を走行させる駆動力を発生しない第２モータ１０６による放電を継続しながら、車両を走行させる駆動力を発生させる第１モータ１０４も利用して放電させるので、二つの第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８に残留している電荷を速やかに放電することができる。なお、第１モータ１０４の発生許容トルクＴＱ１に応じて、第１モータ１０４により放電する電荷量を決定することによって、第１モータ１０４の最大発生トルクを抑えることができるので、第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の放電時に意図しないトルクの発生に起因する振動を防止することができる。つまり、快適性の確保と放電時間の短縮の両立することができる。

また、車両を走行させる駆動力を発生するモータの巻き線を利用して、トルクが発生しないｄ軸電流が流れるようにｄ軸電流指令に値を設定するが、モータの角度検出値や電流検出値に誤差がある場合には、意図しないトルクが発生する可能がある。 これは、急速放電時の車両の振動につながるため、乗員の快適性を損なう恐れがある。
第１モータ１０４の発生許容トルクＴＱ１は、車軸を回転させないトルクであり、車両駆動装置（例えばトランスミッション）のギア、モータ回転子などの摩擦抵抗力を超えない値である。

第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の放電時に、第１モータ１０４の電流を小さく抑えることによって、第１モータ１０４にトルクが発生しても、車両に振動を与えず、乗員の快適性を確保できる。

図３は、第２の実施の形態である放電処理の実施から完了までの流れを説明するフロー図である。

ステップＳ２１において、制御装置１１０は放電処理を開始する。コンタクタはオフの状態である。

ステップＳ２２において、第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の残留電圧を取得する。

ステップＳ２３において、第１インバータ１０３は、スイッチング動作を停止し、第１モータ１０４に電流が流れないようにする。第２インバータ１０５は、制御装置１１０から受信したPWM信号に基づきスイッチング動作を行い、第２モータ１０６の電流は電流値Ｉ２２に制御される
ステップＳ２４において、第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の残留電圧が電圧閾値１より低下した場合、ステップＳ２５に移行し、そうでない場合は、ステップＳ２３に再度遷移する。

ステップＳ２５において、第１インバータ１０３は、制御装置１１０から受信したＰＷＭ信号に基づきスイッチング動作を行い、第１モータ１０４に第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の残留電圧を印加する。第２インバータ１０５は、制御装置１１０から受信したPWM信号に基づきスイッチング動作を行い、第２モータ１０６の電流は電流値Ｉ２２に制御される。

ステップＳ２６において、放電処理の完了判定が実施される。第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の残留電圧が電圧閾値２より低下した場合、ステップＳ２７に移行し、そうでない場合は、ステップＳ２５に再度遷移する。ステップＳ２７において、放電処理を完了する。

図４は、第２の実施の形態である、第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の放電処理を実行した場合の、第１モータ１０４に印加される電圧値と、第２モータ１０６に流れる電流値の時間推移を示すタイムチャートである。

キャパシタ残留電圧Ｖｄｃは、第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の電圧値である。電圧値Ｖ２１は、第１モータ１０４に印可される電圧であり、その値は第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の電圧と第１インバータ１０３のスイッチング動作によって決定される。

時刻Ｔ２１において、制御装置１１０は図３に記載したフローチャートのステップＳ２１とＳ２２の処理を開始する。この時、コンタクタ２は、オフ状態にあり、バッテリ１０１とインバータ１０３、１０５は電気的に遮断された状態にある。第１インバータ１０３は、スイッチング動作を停止する。第１モータ１０４に印加される電圧値V２１は、ゼロである。第２インバータ１０５は、制御装置１１０から受信したＰＷＭ信号に基づきスイッチング動作を行い、第２モータ１０６の電流は電流値Ｉ２２に制御される。

時刻Ｔ２２において、キャパシタ残留電圧Ｖｄｃが閾値１より低下した場合、制御装置１１０は図３に記載したフローチャートのステップＳ２３の処理を開始する。この時、第１インバータ１０３は、制御装置１１０から受信したＰＷＭ信号に基づきスイッチング動作を行う。この時、第１モータ１０４に、第１モータ１０４の任意の２相間に流れる電流の平均値が略ゼロ、且つ電流の周期が前記第１モータ１０４の機械的時定数よりも十分短くなるように電圧を印加する。この時、第２インバータ１０５は、制御装置１１０から受信したＰＷＭ信号に基づきスイッチング動作を行い、第２モータ１０６の電流は電流値Ｉ２２に制御される。

時刻Ｔ２３において、キャパシタ残留電圧Ｖｄｃは電圧閾値２より低下した場合、放電処理を終了する。

従来技術では、車両を走行させる駆動力を発生するモータの巻き線を利用して、モータが回転しないよう短い周期の交流電圧をモータの２相間に印可することで、キャパシタを急速放電する。

しかし、急速放電開始時のキャパシタ電圧が高い場合には、一時的に意図しないトルクの発生によりモータが回転する可能があるため、急速放電開始時のキャパシタ電圧は低い方が望ましい。
そこで、第２モータ１０６により第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８に蓄えられた電荷の放電を継続しながら、第１キャパシタ１０７及び第２キャパシタ１０８の残留電圧が第１モータ１０４の発生許容トルクより決定される所定値を下回ったら、第１モータ１０４に第１モータ１０４の任意の２相間に流れる電流の平均値が略ゼロ、且つ電流の周期が前記第１モータ１０４の機械的時定数よりも十分短くなるように電圧を印加して、キャバシタ１０７，１０８に蓄えられた電荷を放電する。
これにより、第１モータ１０４に印可する電圧を抑えることで、第１モータ１０４の電流が抑えられるので、第１モータ１０４に発生するトルクを低減することができる。第１モータ１０４の電流値の制御が不要なため、電流制御に必要なモータ角度検出回路や電流検出回路が故障していても、放電することが可能である。

１０１…バッテリ、１０２…コンタクタ、１０３…第１インバータ、１０４…第１モータ、１０５…第２インバータ、１０６…第２モータ、１０７…第１キャバシタ、１０８…第２キャバシタ、１０９…電圧センサ、１１０…制御装置、１１１…第１電流センサ、１１２…第１磁極位置検出回路、１１３…第２電流センサ、１１４…第２磁極位置検出回路 、Tr１…Ｕ相の上アームのスイッチング素子、Tr２…Ｕ相の下アームのスイッチング素子、Tr３…Ｖ相の上アームのスイッチング素子、Tr４…Ｖ相の下アームのスイッチング素子、Tr５…Ｗ相の上アームのスイッチング素子、Tr６…Ｗ相の下アームのスイッチング素子、Tr７…Ｕ相の上アームのスイッチング素子、Tr８…Ｕ相の下アームのスイッチング素子、Tr９…Ｖ相の上アームのスイッチング素子、Tr１０…Ｖ相の下アームのスイッチング素子、Tr１１…Ｗ相の上アームのスイッチング素子、Tr１２…Ｗ相の下アームのスイッチング素子、ＴＱ１…発生許容トルク、ＴＱ２…発生トルク、Ｖｄｃ…キャパシタ残留電圧

Claims (5)

1. 車両を走行させる駆動力を発生する第１モータ（１０４）と、
   前記第１モータを制御する第１インバータ（１０３）と、
   前記第１モータとは異なる第２モータ（１０６）と、
   前記第２モータを制御する第２インバータ（１０５）と、
   前記第１インバータと前記第１モータ及び前記第２インバータと第２モータに電力を供給するバッテリ（１０１）と、
   前記第１インバータ及び前記第２インバータと前記バッテリとの間に電気的に並列に接続されるキャパシタ（１０７、１０８）と、を備えたモータシステムを制御するモータ制御装置（１１０）であって、
   前記バッテリ１０１と前記キャパシタが電気的に切り離された状態において、
   前記第２モータによる前記キャパシタに蓄えられた電荷の放電を継続しながら、前記第１モータの発生許容トルクに応じて、前記第１モータにより放電する電荷量を決定するモータ制御装置。
2. 請求項１に記載されたモータ制御装置であって、
   前記第２モータは、前記キャパシタの放電時に機械的に車軸と切り離された状態であるモータ制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置であって、
   前記発生許容トルクにより決定される電流を前記第１モータに流すことで前記第１モータにより放電する電荷量を決定するモータ制御装置。
4. 請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置であって、
   前記キャパシタの残留電圧を検出する電圧検出手段を備え、
   前記電圧検出手段により検出された前記キャパシタの残留電圧が前記第１モータの発生許容トルクにより決定される所定値を下回ったら、前記第１モータに電圧を印加することで前記第１モータ１０４により放電する電荷量を決定するモータ制御装置。
5. 請求項４に記載のモータ制御装置であって、
   前記第１モータの任意の２相間に流れる電流の平均値が略ゼロ、かつ当該電流の周期が前記第１モータの機械的時定数よりも短くなるように、前記第１モータに電圧を印加するモータ制御装置。