JP2019118197A - 電動モータ装置および電動ブレーキ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
1.電動モータ、直動機構および減速機を使用した電動ブレーキ装置(特許文献1)。
2.電動モータの無効電力に基づいて制御する電動モータ装置(特許文献2)。
例えば、特許文献1の電動ブレーキ装置、またはその他の車載電装機器である電動ステアリング装置等において、電動モータの消費電力が所定の容量を超えると、EV、HEVにおける高圧電源からのDC/DCコンバータ、またはエンジン車におけるオルタネータからの給電が不足してバッテリの電力が低下する問題が発生する場合がある。また、バッテリへの負荷が大きくなることで、想定よりバッテリ寿命が低下する場合がある。
前記制御装置2は、
前記電動モータ1の電流および電圧を推定し、この推定した電流および電圧から前記電動モータ1の消費電力を推定する消費電力推定機能部19と、
前記電動モータ1の角速度を推定する角速度推定手段15と、
前記制御装置2に与えられたモータ動作指令から生成されるトルク指令値、電流指令値、電圧指令値の少なくともいずれかの指令値が、前記角速度推定手段15で推定される角速度を含む定められた条件に基づき、閾値を超過しないように制限して制限済値として出力する出力制限機能部8と、
この出力制限機能部8から与えられた制限済値に基づいて、前記電動モータ1を駆動させる駆動回路6と、を備え、
前記出力制限機能部8は、前記消費電力推定機能部19で推定される消費電力が定められた値より大きいとき、前記指令値が定められた値まで小さくなるよう前記制限済値を調整する可変制限部20を有する。
前記定められた条件、前記閾値、前記各定められた値は、それぞれ設計等によって任意に定める条件、閾値、値であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な条件、閾値、値を求めて定められる。
前記定められた比率は、設計等によって任意に定める比率であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な比率を求めて定められる。
この場合、推定される消費電力の超過分にゲインを介した値を、指令値を減少させる調整量とするよりも、より正確に推定消費電力を導出することができるため、モータ消費電力をより適切に制限し得る。
前記定められた最大消費電力は、電動モータ1に固有の最大消費電力であり、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な最大消費電力を求めて定められる。この場合、電動モータ1の消費電力を厳密に管理するうえで優位である。
前記定められた最大消費電力は、電動モータ1に固有の最大消費電力であり、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な最大消費電力を求めて定められる。この場合、モータ出力を制限するLUT等が不要となり、メモリ等のリソースを節約するうえで優位である。
前記複数の電動モータ装置DMにおける推定消費電力の総和が、定められたシステム最大消費電力を超過しないよう各電動モータ装置DMの最大消費電力を定める電力配分手段27を備える。
前記定められたシステム最大消費電力は、それぞれ設計等によって任意に定めるシステム最大消費電力であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切なシステム最大消費電力を求めて定められる。
前記複数の電動モータ装置DMのうち、前記電力消費度合が基準値よりも高い電動モータ装置DMと、前記電力消費度合が基準値よりも低い電動モータ装置DMが混在している場合に、前記電力配分手段27は、前記電力消費度合が高い電動モータ装置DMの最大消費電力を定められた値よりも大きく設定し、前記電力消費度合が低い電動モータ装置DMの最大消費電力を定められた値よりも小さく設定するものであってもよい。
前記基準値、前記定められた値は、それぞれ設計等によって任意に定める基準値、値であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な基準値、値を求めて定められる。
前記電動ブレーキ装置の最大消費電力を可変とする電力可変機能部27aを備え、この電力可変機能部27aから与えられた最大消費電力に基づいて、前記出力制限機能部8における制限済値が調整される。このように、電動ブレーキ装置の最大消費電力を可変としたうえで、電力可変機能部27aから与えられた最大消費電力に基づいて、出力制限機能部8における制限済値が調整されるため、許容範囲内の電力を最大限使用して電動ブレーキ装置の性能を向上することが可能となる。
前記複数の電動ブレーキ装置DBにおける推定消費電力の総和が、定められた電動ブレーキシステム最大消費電力を超過しないよう各電動ブレーキ装置DBの最大消費電力を定める電力配分手段27と、
前記複数の電動ブレーキ装置DBをそれぞれ搭載する複数の車輪の回転速度である車輪速を推定する車輪速推定手段28と、
この車輪速推定手段28で推定される複数の車輪速を含む情報を用いて、個別の車輪のスリップ状態を推定するスリップ状態推定手段29と、
このスリップ状態推定手段29で推定されるスリップ状態が閾値を超過したとき、スリップ状態が抑制されるよう前記電動ブレーキ装置DBのブレーキ力を調整するアンチスキッド制御を行うアンチスキッド制御機能部30と、を備え、
前記複数の電動ブレーキ装置DBのうち、アンチスキッド制御を行っている電動ブレーキ装置DBと、アンチスキッド制御を行っていない電動ブレーキ装置DBが混在している場合に、前記電力配分手段27は、アンチスキッド制御を行っている電動ブレーキ装置DBの最大消費電力を定められた値よりも大きく設定し、アンチスキッド制御を行っていない電動ブレーキ装置DBの最大消費電力を定められた値よりも小さく設定する。
前記電動ブレーキ装置の最大消費電力を可変とする電力可変機能部を備え、この電力可変機能部から与えられた最大消費電力に基づいて、前記出力制限機能部における制限済値が調整される。このため、モータ特性変動等によらずモータ最大消費電力を適切に制限し、かつ許容範囲内の電力を最大限に使用して電動モータの出力性能を向上することができる。
<電動モータ装置の構成例>
図1に示すように、この電動モータ装置は、電動モータ1と、この電動モータ1を制御する制御装置2と、電源装置3と、各種指令手段とを備える。前記各種指令手段は、モータ動作指令手段4と、最大消費電力制限手段5とを有する。
モータ動作指令手段4は、例えば、車両統合制御装置(VCU)または試験装置シーケンサ等の上位ECUであってもよく、ブレーキペダルまたは操作ボリューム等の操作インターフェースであってもよい。
制御装置2は、制御演算を行う各種制御演算器と、駆動回路としてのモータドライバ6と、センサ類とを備える。前記各種制御演算器は、トルク指令演算器7、出力制限機能部としてのモータ出力制限器8、電圧推定器9、電流推定器10、電流指令演算器11、モータ電流制御器12、制御電源13、電流推定器14、および角速度推定手段としての回転運動推定器15を有する。前記センサ類は、電流センサ16,17、電圧センサ18等を含む。
可変制限部20は、複数(この例では第一および第二)のトルク制限部(制限部)21,22と、前記複数のトルク制限部21,22の出力結果を結合するトルク制限値結合部(制限値結合部)23とを備え、所定の消費電力となるようなトルク指令値を導出する機能を有する。
例えば、第一のトルク制限部21を、モータコイル電流密度、コイル発熱の放熱特性、熱容量、モータ駆動素子の電流容量等に基づいて定められる電動モータ装置に異常を発生させずに通電可能な最大電流条件下における最大出力に基づくトルク制限部とする。
第二のトルク制限部22を、力率ないし所定の最大力率の条件下で最大消費電力となる電流条件下における最大出力に基づくトルク制限部に定める。
このように第一および第二のトルク制限部21,22の出力変化幅を定めると、あらゆる特性変動に対し可能な限り消費電力を調整できる自由度を持つこととなる。あるいは、予め電動モータ装置に発生し得る特性変動に基づいて、第一および第二のトルク制限部21,22の出力変化幅を適宜設定してもよい。
T=α・T1+(1−α)・T2 (α=Ka・(Pmax−Pm),0≦α≦1)
ゲインKaは線形としてもよく、偏差(Pmax−Pm)等に基づいて変化する非線形ゲインであってもよい。また、例えば、偏差(Pmax−Pm)の微分または積分を用いてαを演算するものであってもよい。その他、実際の演算は上記数式の通りでなくても、最終的に上記数式と概ね等価となる演算過程であってもよい。
最終的に、モータ出力制限器8に入力されたトルク指令値が、トルク制限値Tを超過する場合、前記トルク指令値はトルク制限値Tに制限され、トルク制限値Tを超過しない場合はトルク指令値が制限されることなく後段の機能ブロック(この図1の例では電流指令演算部11)に伝達される。なお、前記制限とは、トルクの符号によらず、その大きさを制限することを意味する。
制御電源13は、各種制御演算器およびモータドライバ6等の弱電系へ電力を供給する。
図2は、前記電動モータ装置を用いて、所定のモータ角度への位置決めを行う例を示す。
図2(a),(b)において、従来例の電動モータ装置の動作例を点線で示し、実施形態の電動モータ装置の動作例を実線で示す。
図2(a)は、特性バラツキを有する電動モータにおいて、所定の想定値より損失が増加した場合を示す。従来例の電動モータ装置においては、モータ損失増加に伴い最大消費電力が制限値を超過するが、実施形態の電動モータ装置では、特に前記モータ出力制限器8(図1)により、所定の最大消費電力に制限される。
図3は、実施形態に係る電動モータ装置を用いた電動ブレーキ装置DBの構成例を示すブロック図である。この電動ブレーキ装置DBは、電動モータ装置DMと、摩擦ブレーキBRとを備える。電動ブレーキシステムは、この電動ブレーキ装置DBを複数備える。
すなわち、駆動電力が必要な電動ブレーキ装置DBと、駆動電力を必要としていない電動ブレーキ装置DBが混在している場合、電力可変機能部27aは、駆動電力が必要な緊急動作状態の電動ブレーキ装置DBの制限電力値(制限値)を増加させることで、電動ブレーキ装置DBの応答性を向上することができる。
したがって、複数の電動ブレーキ装置DBのうち、アンチスキッド制御を行っている電動ブレーキ装置DBと、アンチスキッド制御を行っていない電動ブレーキ装置DBが混在している場合に、電力可変機能部27aは、アンチスキッド制御を行っていない電動ブレーキ装置DBの電力制限値を比較的小さく設定し、その余剰分でアンチスキッド制御中の電動ブレーキ装置DBの電力制限値を向上することで、アンチスキッド制御性能を向上することができる。
電動アクチュエータ1Aは、前述の電動モータ1(図1)に加え、後述の摩擦ブレーキBRの摩擦材を動作させるねじ機構またはボールランプ機構等の摩擦材操作手段を備える。また、電動アクチュエータ1Aは、ブレーキ力を制御するうえで前記摩擦材の押圧力を検出する荷重センサ等を設けてもよい。
摩擦ブレーキBR(後述する)は、車輪と同期して回転するブレーキロータ32と、このブレーキロータ32と当接して制動力を発生させる摩擦材33とを備える。
図4は、四輪自動車における電動ブレーキシステムの動作例を示す。同図中、F1,F2は左右の前輪の電動ブレーキ装置の動作、R1,R2は左右の後輪の電動ブレーキ装置の動作を示す。
図4(B)は、従来例の電動ブレーキシステムにおいて、最大消費電力を常に一定とする例を示す。
図5に示すように、電動ブレーキ装置DBは、電動アクチュエータ1Aと、摩擦ブレーキBRとを備える。摩擦ブレーキBRは、車両の車輪と連動して回転するブレーキロータ32と、このブレーキロータ32と接触して制動力を発生させる摩擦材33とを有する。この摩擦材33はブレーキロータ近傍に配置される。摩擦材33を電動アクチュエータ1Aにより操作してブレーキロータ32に押圧し、摩擦力によって制動力を発生させる機構を用いることができる。前記ブレーキロータ32および摩擦材33は、例えば、ブレーキディスクおよびキャリパを用いたディスクブレーキ装置であってもよく、あるいはドラムおよびライニングを用いたドラムブレーキ装置であってもよい。
減速機構34は、電動モータ1の回転を減速する機構であり、一次歯車36、中間歯車37、および三次歯車38を含む。この例では、減速機構34は、電動モータ1のロータ軸1aに取り付けられた一次歯車36の回転を、中間歯車37により減速して、回転軸39の端部に固定された三次歯車38に伝達可能としている。
以上説明した構成によると、モータ出力制限器8は、トルク指令演算器7から与えられたトルク指令値を角速度等に基づいて、閾値を超過しないように制限する。これにより、電動モータ1を使用できる出力まで最大限使用することができ、電動モータ1の出力性能を向上し得る。したがって、電動ブレーキ装置DB等の応答性が不所望に低下することを防止することができる。所定の電流条件における消費電力が変動するとき、第一および第二のトルク制限部21,22によって最大消費電力を調整可能とすることで、モータ特性変動によらず所定の最大消費電力に制限することができる。また図1のモータ出力制限器8の構成は、モータ消費電力を厳密に扱う上で好ましく、例えば、角度または角速度等の制御系を上位に設ける場合、モータ出力制限に伴う飽和補償制御が容易になる面で優位である。図1の電力演算部19は、モータドライバ6の一次側の電圧および電流から、電動モータ1の消費電力を導出するため、より直接的に消費電力を管理する上で優位である。
以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
可変制限部20は、第一および第二の電流制限部(制限部)21A,22Aと、電流制限値結合部(制限値結合部)23Aとを備える。
図6に示すように、例えば、第一の電流制限部21Aを、モータコイル電流密度、コイル発熱の放熱特性、熱容量、モータ駆動素子の電流容量、等に基づいて定められる電動モータ装置に異常を発生させずに通電可能な最大電流制限としてもよく、第二の電流制限部22Aを、力率ないし所定の最大力率の条件下で最大消費電力となる最大電流制限としてもよい。あるいは、予め電動モータ装置に発生し得る特性変動に基づいて、前記第一および第二の電流制限部21A,22Aを最大電流値が所定量異なる任意の関係に適宜設定してもよい。
電力演算部19は、図7の電力演算部19と同様、現在の電流および出力する電圧から、電力を計算する機能を有する。前記電力は、例えば、所定の電気角位相で直交軸変換された電圧および電流を用いて、同軸の電圧および電流から有効電力を求める機能であってもよく、交流電圧および電流から有効電力を求める機能であってもよい。
本図8の構成は電動モータ1の消費電力をさらに厳密に管理する上で優位である。
電力演算部19は、前述のいずれかの実施形態に係る電力演算部19と同様の機能を有する。可変制限部としての出力調整量演算部44は、最大消費電力と、前記電力演算部19にて演算された消費電力とを比較し、所定の調整量を出力する機能を有する。前記所定の調整量は、例えば、最大消費電力に対して出力が超過している場合、その超過量(超過分)に所定のフィードバックゲインを乗じた結果であってもよい。
図9の構成は、制限LUT等が不要となり、メモリ等のリソース制約の上で優位である。
図1、図6〜図9の実施形態は設計者が任意の設計思想の元で選択でき、あるいは適宜併用することもできる。
例えば、図10(A)に示すように、いずれかの電動モータ装置を複数(この例では二つ)備えた電動モータシステムとして、この電動モータシステムをインホイールモータ駆動形式の車両に適用してもよい。
図10(B)に示すように、いずれかの電動モータ装置を複数(この例では二つ)備えた電動モータシステムとして、この電動モータシステムを二モータオンボード形式の車両に適用してもよい。
2…制御装置
6…モータドライバ(駆動回路)
8…モータ出力制限器(出力制限機能部)
15…回転運動推定器(角速度推定手段)
19…電力演算部(消費電力推定機能部)
20…可変制限部
21…第一のトルク制限部(第一の制限部)
21A…第一の電流制限部(第一の制限部)
22…第二のトルク制限部(第二の制限部)
22A…第二の電流制限部(第二の制限部)
23…トルク制限値結合部(制限値結合部)
23A…電流制限値結合部(制限値結合部)
27…電力配分演算器(電力配分手段)
27a…電力可変機能部
28…車輪速推定手段
29…スリップ状態推定手段
30…アンチスキッド制御機能部
32…ブレーキロータ
33…摩擦材
35…直動機構(摩擦材操作手段)
43…電圧制限部(可変制限部)
DM…電動モータ装置
Claims (9)
- 電動モータと、この電動モータを制御する制御装置とを備えた電動モータ装置において、
前記制御装置は、
前記電動モータの電流および電圧を推定し、この推定した電流および電圧から前記電動モータの消費電力を推定する消費電力推定機能部と、
前記電動モータの角速度を推定する角速度推定手段と、
前記制御装置に与えられたモータ動作指令から生成されるトルク指令値、電流指令値、電圧指令値の少なくともいずれかの指令値が、前記角速度推定手段で推定される角速度を含む定められた条件に基づき、閾値を超過しないように制限して制限済値として出力する出力制限機能部と、
この出力制限機能部から与えられた制限済値に基づいて、前記電動モータを駆動させる駆動回路と、を備え、
前記出力制限機能部は、前記消費電力推定機能部で推定される消費電力が定められた値より大きいとき、前記指令値が定められた値まで小さくなるよう前記制限済値を調整する可変制限部を有する電動モータ装置。 - 請求項1に記載の電動モータ装置において、前記出力制限機能部の可変制限部は、前記消費電力推定機能部で推定される消費電力が定められた値より小さいとき、前記指令値が定められた値まで大きくなるよう制限済値を調整する電動モータ装置。
- 請求項1または請求項2に記載の電動モータ装置において、前記出力制限機能部の可変制限部は、第一の制限部と、消費電力が前記第一の制限部よりも相対的に小さくなる第二の制限部と、前記第一および第二の制限部による出力制限値を定められた比率によって結合した値を前記出力制限機能部から最終的に出力する制限済値として導出する制限値結合部とを有し、この制限値結合部は、前記定められた比率を、前記消費電力推定機能部で推定される消費電力に基づいて調整する電動モータ装置。
- 請求項1または請求項2に記載の電動モータ装置において、前記出力制限機能部の可変制限部は、定められた最大消費電力と、前記消費電力推定機能部で推定される電流とから、最大消費電力となり得る電圧値を導出し、前記電動モータに印加する電圧を、導出された前記電圧値に制限する電動モータ装置。
- 請求項1または請求項2に記載の電動モータ装置において、前記出力制限機能部の可変制限部は、定められた最大消費電力に対し、前記消費電力推定機能部で推定される消費電力の超過分にゲインを介した値を、前記指令値を減少させる調整量として、前記トルク指令値、電流指令値、電圧指令値のいずれかに作用させる電動モータ装置。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の電動モータ装置を複数備えた電動モータシステムであって、
前記複数の電動モータ装置における推定消費電力の総和が、定められたシステム最大消費電力を超過しないよう各電動モータ装置の最大消費電力を定める電力配分手段を備える電動モータシステム。 - 請求項6に記載の電動モータシステムにおいて、前記電力配分手段は、前記電動モータ装置における最大消費電力と推定消費電力との比較に基づいて、前記電動モータ装置の電力消費の度合である電力消費度合を判断する機能を有し、
前記複数の電動モータ装置のうち、前記電力消費度合が基準値よりも高い電動モータ装置と、前記電力消費度合が基準値よりも低い電動モータ装置が混在している場合に、前記電力配分手段は、前記電力消費度合が高い電動モータ装置の最大消費電力を定められた値よりも大きく設定し、前記電力消費度合が低い電動モータ装置の最大消費電力を定められた値よりも小さく設定する電動モータシステム。 - 請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の電動モータ装置と、ブレーキロータと、このブレーキロータと接触して制動力を発生させる摩擦材と、この摩擦材を前記電動モータによって操作可能とする摩擦材操作手段と、を備えた電動ブレーキ装置において、
前記電動ブレーキ装置の最大消費電力を可変とする電力可変機能部を備え、この電力可変機能部から与えられた最大消費電力に基づいて、前記出力制限機能部における制限済値が調整される電動ブレーキ装置。 - 請求項8に記載の電動ブレーキ装置を複数備えた電動ブレーキシステムであって、
前記複数の電動ブレーキ装置における推定消費電力の総和が、定められた電動ブレーキシステム最大消費電力を超過しないよう各電動ブレーキ装置の最大消費電力を定める電力配分手段と、
前記複数の電動ブレーキ装置をそれぞれ搭載する複数の車輪の回転速度である車輪速を推定する車輪速推定手段と、
この車輪速推定手段で推定される複数の車輪速を含む情報を用いて、個別の車輪のスリップ状態を推定するスリップ状態推定手段と、
このスリップ状態推定手段で推定されるスリップ状態が閾値を超過したとき、スリップ状態が抑制されるよう前記電動ブレーキ装置のブレーキ力を調整するアンチスキッド制御を行うアンチスキッド制御機能部と、を備え、
前記複数の電動ブレーキ装置のうち、アンチスキッド制御を行っている電動ブレーキ装置と、アンチスキッド制御を行っていない電動ブレーキ装置が混在している場合に、前記電力配分手段は、アンチスキッド制御を行っている電動ブレーキ装置の最大消費電力を定められた値よりも大きく設定し、アンチスキッド制御を行っていない電動ブレーキ装置の最大消費電力を定められた値よりも小さく設定する電動ブレーキシステム。
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