JP2022011947A

JP2022011947A - モータ制御装置

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Publication number: JP2022011947A
Application number: JP2020113381A
Authority: JP
Inventors: 誠田原; Makoto Tawara; 光男植田; Mitsuo Ueda
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2040-06-30
Also published as: JP7490310B2

Abstract

【課題】制限値の設定に用いられる回転数とモータの実際の回転数との乖離を小さくでき、トルク指令値を適切に制限できる、モータ制御装置を提供する。【解決手段】トルク指令値の上限となる制限値の設定には、モータ回転数が用いられる。その回転数を算出するため、モータ回転センサから出力されるパルス信号の周波数が回転数データに換算されて取得される。回転数データが新たに取得されると、過去の回転数データが用いられて、モータ回転数の変化の傾向を反映する演算が行われ、モータ回転数の予測値が算出される。そして、その算出されたモータ回転数の予測値が制限値の設定に用いられる。【選択図】図３

Description

本発明は、走行用の動力を発生するモータを制御するモータ制御装置に関する。

たとえば、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）では、電池（バッテリ）に蓄えられている電力によりモータが駆動され、モータのトルクが駆動輪に伝達される。モータの制御では、車速およびアクセル開度に基づいて、トルク指令値が設定され、モータの発生トルクがトルク指令値に応じたトルクと一致するように、モータに電力が供給される。

電池には、入出力（充放電）可能な電力に上限がある。その上限を超える電力が電池に入出力され続けると、電池の寿命を縮めるだけではなく、発火・発煙などの異常が発生するおそれがある。そのため、高速走行時や登坂走行時などには、電池から出力される電力が入出力可能な電力の上限を超えないように、モータの軸出力およびその軸出力以外のエアコンディショナなどによる消費電力などが考慮されて、トルク指令値が制限される。

特開２０１１－２２３７９１号公報

モータの軸出力は、モータのトルクおよび回転数から算出することができる。モータを制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）では、モータ回転センサにより検出されるモータの回転数のデータが取得される。そして、その回転数データから求まる回転数を用いて、モータの軸出力が算出される。

ところが、ＥＣＵで軸出力の算出に用いられる回転数は、信号伝送や演算処理の影響により、実際の値よりも遅れた値となる。とくに、タイヤスリップなどに起因するモータの回転数の急激な変化が発生したときには、ＥＣＵで軸出力の算出に用いられる回転数とモータの実際の回転数との乖離が顕著に表れる。ＥＣＵで軸出力の算出に用いられる回転数がモータの実際の回転数から乖離していると、モータの軸出力が実際よりも低く算出されて、トルク指令値が正しく制限されず、電池から入出力可能な電力の上限を超える電力が出力されるおそれがある。

本発明の目的は、制限値の設定に用いられる回転数とモータの実際の回転数との乖離を小さくでき、トルク指令値を適切に制限できる、モータ制御装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係るモータ制御装置は、入出力可能な電力の上限となる入出力上限電力が設定された電池と、電池の電力を消費して走行用の動力を発生するモータとを搭載した車両に用いられて、モータのトルク制御を行う装置であって、モータの回転数を算出する回転数算出手段と、回転数算出手段により算出される回転数を用いて、電池から出力される電力が入出力上限電力を超えないように、トルク制御のトルク指令値の上限となる制限値を設定する制限値設定手段と、制限値設定手段により設定される制限値を上限として、トルク指令値を制限する制限手段とを含み、回転数算出手段は、モータの回転数に対応する回転数データを周期的に取得して記憶し、回転数データを新たに取得したことに応じて、過去に取得した回転数データを用いて、モータの回転数の変化の傾向を反映する演算を行うことにより、制限値設定手段に用いられる回転数として、モータの回転数の予測値を算出する。

この構成によれば、モータは、電池の電力を消費して、車両の走行用の動力を発生する。モータのトルク制御では、トルク指令値が設定され、モータの発生トルクがトルク指令値に応じたトルクと一致するように、モータに電力が供給される。電池から出力される電力が入出力上限電力を超えないように、トルク指令値には、その上限となる制限値が設けられる。

制限値の設定には、モータの回転数が用いられる。その回転数を算出するため、回転数データが周期的に取得される。回転数データが新たに取得されると、過去の回転数データを用いる演算が行われて、モータの回転数の予測値が算出される。そして、その算出されたモータの回転数の予測値が制限値の設定に用いられる。これにより、制限値の設定に用いられる回転数とモータの実際の回転数との乖離を小さくすることができる。その結果、トルク指令値を適切に制限することができる。

回転数算出手段は、過去に取得した回転数データから、モータの回転数が増加傾向であるか否かを判断し、増加傾向であるときには、モータの回転数の予測値を算出し、増加傾向でないときには、新たに取得した回転数データからモータの現在の回転数を算出する構成であってもよい。

この構成では、回転数算出手段の負荷を軽減することができる。

本発明によれば、制限値の設定に用いられる回転数とモータの実際の回転数との乖離を小さくでき、トルク指令値を適切に制限することができる。

本発明の一実施形態に係るＥＣＵが搭載された車両の要部構成を示す図である。トルク指令値を設定するための構成を示すブロック図である。モータジェネレータの回転数の時間変化の一例を示す図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜車両の要部構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るＥＣＵ７が搭載された車両１の要部構成を示す図である。

車両１は、たとえば、モータジェネレータ（ＭＧ）２を走行用の駆動源として搭載した電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）である。モータジェネレータ２は、たとえば、回転子に永久磁石を用いた永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ：Permanent Magnet Synchronous Motor）である。

車両１は、電池（駆動用電池）３およびＰＣＵ（Power Control Unit：パワーコントロールユニット）４を搭載している。電池３は、複数の二次電池を組み合わせた組電池であり、たとえば、直流電圧を出力する。ＰＣＵ４は、インバータやマイコン（マイクロコントローラ）などを内蔵している。インバータは、２個の半導体スイッチング素子の直列回路をモータジェネレータ２のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相に対応して設け、それらの直列回路を互いに並列に接続した回路構成を有している。

モータジェネレータ２を電動機として機能させる力行運転時には、電池３から出力される直流電力がＰＣＵ４のインバータで交流電力に変換され、その交流電力がモータジェネレータ２に供給される。これにより、モータジェネレータ２が動力を発生し、その動力がデファレンシャルギヤなどを介して左右の駆動輪５に伝達される。

一方、モータジェネレータ２を発電機として機能させる回生運転時には、モータジェネレータ２で駆動輪５からの動力が交流電力に変換される。このとき、モータジェネレータ２が駆動系の抵抗となり、その抵抗による回生制動力が駆動輪５に作用する。モータジェネレータ２で発生した交流電力は、ＰＣＵ４のインバータで直流電力に変換されて、電池３に充電される。

また、車両１は、車内（車室内）を空調するエアコンディショナ（エアコン）６を搭載している。エアコンディショナ６は、冷凍サイクル回路の構成を有している。すなわち、エアコンディショナ６は、電動コンプレッサ、コンデンサ、エキスパンションバルブおよびエバポレータを備えている。エアコンディショナ６では、電動コンプレッサで圧縮された半液体の冷媒がコンデンサに供給され、その冷媒がコンデンサで冷却されることにより液化する。コンデンサで液化された冷媒は、エキスパンションバルブからエバポレータに噴射され、エバポレータから熱を奪って一気に気化することにより、エバポレータを冷却する。また、エアコンディショナ６は、電動ファンを備えており、この電動ファンからの送風が冷却されたエバポレータを通過することにより冷風となり、その冷風が車内に供給される。

車両１には、マイコンを含む構成のＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）７が搭載されている。マイコンには、たとえば、ＣＰＵ、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリおよびＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの揮発性メモリが内蔵されている。図１には、１個のＥＣＵ７のみが示されているが、車両１には、各部を制御するため、複数のＥＣＵが搭載されている。ＥＣＵ７を含む複数のＥＣＵは、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信プロトコルによる双方向通信が可能に接続されている。

ＥＣＵ７には、制御に必要な各種センサが接続されている。各種センサには、たとえば、車速センサ８、アクセルセンサ９およびモータ回転センサ１０が含まれる。

車速センサ８は、たとえば、車両１の走行に伴って回転する磁性体からなるロータと、ロータと非接触に設けられた電磁ピックアップとを備え、ロータが一定角度回転する度に電磁ピックアップから出力されるパルス信号を出力する。このパルス信号の周波数は、車両１の実車速に対応している。ＥＣＵ７では、車速センサ８から入力される信号の周波数が求められて、その周波数が車速に換算される。

アクセルセンサ９は、車両１のユーザ（ドライバ）により操作されるアクセルペダルの操作量に応じた検出信号を出力する。ＥＣＵ７では、アクセルセンサ９の検出信号から、たとえば、アクセルペダルの最大操作量に対する操作量の割合、つまりアクセルペダルが踏み込まれていないときを０％とし、アクセルペダルが最大に踏み込まれたときを１００％とする百分率であるアクセル開度が求められる。

モータ回転センサ１０は、モータジェネレータ２の回転に同期したパルス信号を出力する。ＥＣＵ７では、モータ回転センサ１０から出力される信号に基づいて、モータジェネレータ２の回転数が算出される。この回転数の算出については、後に詳述する。

また、ＥＣＵ７には、ＰＣＵ４に内蔵されているマイコンから、モータジェネレータ２の軸出力として、電池３に対して入出力される電流および電圧の情報が入力される。

ＥＣＵ７は、各種のセンサの検出信号から求めた値や外部から入力される情報などに基づいて、各種の制御を実行する。ＥＣＵ７は、ＰＣＵ４のインバータの動作を制御することにより、モータジェネレータ２の力行運転および回生運転を制御する。また、車両１は、自動空調機能（オートエアコン機能）を有しており、ＥＣＵ７は、各種のセンサの検出信号から求めた値などに基づいて、内気温がユーザにより設定された温度に近づくように、エアコンディショナ６の電動コンプレッサおよび電動ファンの駆動を制御する。たとえば、インストルメントパネルには、温度設定のために操作される温度設定スイッチが配置されている。

モータジェネレータ２の力行運転の制御では、ＥＣＵ７およびＰＣＵ４により、モータジェネレータ２のトルク制御が行われる。すなわち、ＥＣＵ７は、モータジェネレータ２の発生トルクがトルク指令値に応じたトルクと一致するように、ＰＣＵ４のマイコンにトルク指令値を設定し、ＰＣＵ４のマイコンは、内蔵されたインバータからモータジェネレータ２に供給される電流を制御する。

＜トルク指令値設定処理＞
図２は、トルク指令値を設定するための構成を示すブロック図である。

ＥＣＵ７は、モータジェネレータ２のトルク制御に用いられるトルク指令値の設定に必要な機能処理部として、消費電力算出部１１、制限値設定部１２、トルク要求値設定部１３およびトルク指令値設定部１４を実質的に備えている。これらの機能処理部は、プログラム処理によってソフトウエア的に実現されるか、もしくは、論理回路などのハードウェアにより実現されるか、または、それらの組合せにより実現される。

消費電力算出部１１は、車両１における現在の消費電力を算出する。消費電力には、モータジェネレータ２の軸出力のほか、たとえば、エアコンディショナ６の消費電力、ＰＣＵ４に冷却水を流通させる電動ウォータポンプなどの補機類の消費電力および車両１の各部での損失が含まれる。

制限値設定部１２は、電池３の入出力上限電力および消費電力算出部１１により算出される消費電力に基づいて、トルク指令値の上限値である制限値を設定する。電池３には、入出力（充放電）可能な電力に上限があり、その上限となる入出力上限電力は、電池３から連続して入出力されても電池３の異常劣化を回避し、発火・発煙などの異常が発生しない定格電力に設定されている。制限値設定部１２は、たとえば、電池３の入出力上限電力から現在の消費電力を減算し、その減算により算出される値からトルク指令値の上げ幅の最大値を算出し、現在のトルク指令値にその算出した最大値を加算することにより、制限値を設定する。

トルク要求値設定部１３は、車速およびアクセル開度に応じたトルク要求値を設定する。すなわち、ＥＣＵ７の不揮発性メモリには、車速およびアクセル開度に対するモータジェネレータ２の発生トルクの特性（関係）がマップの形態でトルク要求値マップとして記憶されており、トルク要求値設定部１３は、そのトルク要求値マップに従って、車速およびアクセル開度に応じたトルク要求値を設定する。トルク要求値マップは、たとえば、車両１が現在の車速からユーザの加速要求に対応するアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に応じた加速を示し、ユーザが加速要求に応じた加速感を得られるように作成されている。

トルク指令値設定部１４は、トルク要求値設定部１３が設定するトルク要求値が制限値設定部１２により設定される制限値以下である場合には、そのトルク要求値をそのままトルク指令値に設定する。一方、トルク要求値設定部１３が設定するトルク要求値が制限値設定部１２により設定される制限値を超える場合には、トルク要求値そのままではなく、制限値をトルク指令値として設定する。

＜モータ回転数算出＞
図３は、モータジェネレータ２の回転数の時間変化の一例を示す図である。

ＥＣＵ７では、所定の制御周期ごとに、モータジェネレータ２の回転数（以下、単に「モータ回転数」という。）に対応する回転数データが取得される。すなわち、モータジェネレータ２の運転中、モータ回転センサ１０からモータジェネレータ２の回転に同期したパルス信号が出力され、ＥＣＵ７では、所定の制御周期ごとに、モータ回転センサ１０から出力されるパルス信号の周波数（周期）が回転数データに換算されて取得される。回転数データは、ＥＣＵ７に内蔵されている揮発性メモリに記憶される。

ＥＣＵ７では、回転数データが新たに取得される度に、揮発性メモリから過去に取得された複数の回転数データ（以下、「過去データ」という。）が読み出されて、モータ回転数が増加傾向であるか否かが判断される。モータ回転数が増加傾向である場合、先に参照された複数の過去データから、それらの過去データが取得された期間におけるモータ回転数の増分が求められる。そして、最新に取得された回転数データから算出されるモータ回転数に増分が加算されることにより、モータ回転数の予測値が算出される。一方、モータ回転数が増加傾向でないときには、最新に取得された回転数データからモータ回転数が算出される。

図２に示される消費電力算出部１１では、消費電力を算出するため、モータジェネレータ２の軸出力が算出される。モータジェネレータ２の軸出力は、モータジェネレータ２のトルクおよびモータ回転数の各値と２π／６０（π：円周率）を乗じることにより算出することができる。この軸出力の算出に、前述の手法により算出されるモータ回転数が用いられる。制限値設定部１２では、消費電力算出部１１により算出される消費電力を用いて、トルク指令値の上限値である制限値が設定される。したがって、制限値の設定には、モータ回転数が用いられていることになる。

＜作用効果＞
以上のように、制限値の設定には、モータ回転数が用いられる。その回転数を算出するため、モータ回転センサ１０から出力されるパルス信号の周波数がモータ回転数に換算されて、その換算により得られるモータ回転数を二値化した値が回転数データとして取得される。回転数データが新たに取得されると、過去の回転数データが用いられて、モータ回転数の変化の傾向を反映する演算が行われ、モータ回転数の予測値が算出される。そして、その算出されたモータ回転数の予測値が制限値の設定に用いられる。

これにより、新たに取得された回転数データから算出されるモータ回転数が実際のモータ回転数から遅れた値であっても、制限値の設定には、モータの実際の回転数との乖離が小さいモータ回転数を用いることができる。その結果、軸出力を正確に算出することができ、ひいては、消費電力を正確に算出することができ、消費電力を用いて設定されるトルク指令値の制限値を正確に設定することができる。

トルク指令値を適切に設定できるので、電池３から入出力上限電力を超える電力が出力されることを抑制できながら、電池３からモータジェネレータ２に最大限の電力を供給することができ、車両１の動力性能の向上を図ることができる。

また、過去に取得した回転数データから、モータ回転数が増加傾向であるか否かが判断されて、増加傾向であるときには、モータ回転数の予測値が算出され、増加傾向でないときには、新たに取得した回転数データからモータの現在の回転数が算出される。これにより、モータ回転数の予測値の算出回数が少なくすむので、ＥＣＵ７の負荷を軽減することができる。

なお、回転数データは、モータ回転センサ１０から出力されるパルス信号の周波数をモータ回転数に換算して得られる値に限らず、たとえば、ＰＣＵ４からＣＡＮ通信により取得した値であってもよい。

また、過去データには、新たに取得された回転数データが含まれてもよい。すなわち、回転数データが新たに取得される度に、その新たに取得された回転数データを含めた過去データから、モータ回転数が増加傾向であるか否かが判断されてもよい。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、モータ回転数が増加傾向であるときに、モータ回転数の予測値が算出されるとしたが、モータ回転数が減少傾向であるときにも、モータ回転数の予測値が算出されてもよい。この場合、モータ回転数が減少傾向であるときには、複数の過去データから、それらの過去データが取得された期間におけるモータ回転数の減分が求められる。そして、その減分が最新に取得された回転数データに係るモータ回転数に加算されることにより、モータ回転数の予測値が算出される。

本発明に係る技術は、電気自動車以外にも、エンジンの動力で発電する発電用モータと、電力を消費して走行用の動力を発生する駆動用モータとを搭載した、いわゆるシリーズ方式のハイブリッド車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）に適用することもできる。さらに、本発明の技術は、シリーズ方式以外にも、シリーズ・パラレル方式など、他の方式のハイブリッド車に適用することもできる。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１：車両
２：モータジェネレータ（モータ）
３：電池
７：ＥＣＵ（モータ制御装置、回転数算出手段）
１２：制限値設定部（制限値設定手段）
１４：トルク指令値設定部（制限手段）

Claims

入出力可能な電力の上限となる入出力上限電力が設定された電池と、前記電池の電力を消費して走行用の動力を発生するモータとを搭載した車両に用いられて、前記モータのトルク制御を行う装置であって、
前記モータの回転数を算出する回転数算出手段と、
前記回転数算出手段により算出される回転数を用いて、前記電池から出力される電力が前記入出力上限電力を超えないように、前記トルク制御のトルク指令値の上限となる制限値を設定する制限値設定手段と、
前記制限値設定手段により設定される前記制限値を上限として、前記トルク指令値を制限する制限手段と、を含み、
前記回転数算出手段は、前記モータの回転数に対応する回転数データを周期的に取得して記憶し、前記回転数データを新たに取得したことに応じて、過去に取得した前記回転数データを用いて、前記モータの回転数の変化の傾向を反映する演算を行うことにより、前記制限値設定手段に用いられる回転数として、前記モータの回転数の予測値を算出する、モータ制御装置。
前記回転数算出手段は、過去に取得した前記回転数データから、前記モータの回転数が増加傾向であるか否かを判断し、増加傾向であるときには、前記モータの回転数の予測値を算出し、増加傾向でないときには、新たに取得した前記回転数データから前記モータの現在の回転数を算出する、請求項１に記載のモータ制御装置。