JP3542741B2 - 電気車の制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車の制御装置及び制御方法に係り、特に、回転センサの出力を基に演算される位相角を補正する位相補正部を内蔵した電気車の制御装置及び制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石により励磁される同期機を使用する場合には、レゾルバ等の回転センサにより同期機の永久磁石（ロータ）の磁極位置と回転角度を検出し、同期機電流を制御している。しかし、レゾルバ等のセンサやセンサ出力処理回路は誤差、特に、速度に依存した位相誤差を含んでいるため、同期機のロータの位置を正確に検出することは不可能である。
【０００３】
このような、回転センサの位相誤差を補正するものとして、特開平１０−３０４６７６号公報には、電気車の停止信号ＩＧＮＯＦＦ時に電力変換器用平滑コンデンサを放電する際、回転センサの位相誤差を補正する発明が記載されている。この発明では、同期機停止時にのみ位相補正を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
回転センサの出力は温度変化、経年変化や速度に依存した位相誤差を生ずる。この誤差は、同期機停止時の平滑コンデンサ放電時のみだけでなく、通常の運転時にも影響を及ぼす。同期機停止時にのみ位相補正を行うものでは、回転センサの出力に誤差があると、例えば、回転中トルク指令値がゼロの場合、不要な力行あるいは回生トルクを発生してバッテリーの不要な充放電が生じる。
【０００５】
本発明は、同期機の全運転範囲にわたって、回転センサの位相誤差を補正する電気車の制御装置とその制御方法を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、同期機と、前記同期機の磁極位置と回転角度を検出する回転センサと、前記同期機を駆動する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備えた電気車の制御装置であって、前記制御装置が、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を発生する電流指令発生部と、ｄｑ軸電流指令と同期機電流からのｄｑ軸電流を検出値をもとにｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、座標変換処理を行って交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算するｄｑ軸電流制御部と、前記交流電圧指令値をもとに電力変換器の駆動信号を発生するＰＷＭ制御部と、前記回転センサの出力から座標変換処理で使用する位相及び速度を演算する位相演算部及び速度演算部を備えた電気車の制御装置において、前記位相演算部の位相を補正する位相補正部を有し、該位相補正部は、前記回転センサの位相誤差特性に基づいて、前記位相演算部で演算された位相の補正を行なうことにある。
【０００７】
本発明の他の特徴は、前記電気車の制御装置において、前記位相補正部は、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出された入力電力状態に基づいて、前記位相演算部で演算された位相の補正を行なうことにある。
【０００８】
本発明の他の特徴は、前記電気車の制御装置において、前記位相補正部が、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した電力変換器の入力電力と、電力変換器と同期機の損失ＷＴに加えてトルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正をすることにある。
【０００９】
本発明の他の特徴は、前記電気車の制御装置において、前記位相補正部が、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した前記電力変換器の入力電力と、トルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正をすることにある。
【００１０】
本発明によれば、同期機の全運転範囲にわたって、回転センサの温度変化、経年変化や速度に依存する位相誤差を電力変換器の入力電力情報から随時補正するので、トルク指令値に追従した同期機の制御が可能である。例えば、トルク指令値ゼロ時に、位相誤差による不要な力行あるいは回生トルクを発生してバッテリーの不要な充放電を行うようなことを防止できる。
【００１１】
【発明の実施の型態】
以下、本発明に係る電気車の制御装置の一実施例について、図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施例における電気自動車のシステム構成を示す回路図である。図において、バッテリー１０は、キースィッチにより開閉制御されるメインコンタクタ１１を介して電力変換器１２に接続されている。電力変換器１２は、バッテリー１０からの直流電流を交流電力に変換して電気車駆動用の永久磁石型同期機１３に供給するものである。メインコンタクタ１１と電力変換器１２の間には、直流電力を平滑化するための電解コンデンサがバッテリー１０に並列に接続されている。電力変換器１２は複数のスイッチング素子を有しており、これらのスイッチング素子は制御装置２０によりオンオフ制御される。
【００１３】
力行時及び回生時、トルク指令発生部により、それぞれアクセル開度とモータ回転数（速度）に対応したトルク指令τＭ＊が生成され、このトルク指令τＭ＊が制御装置２０に送られる。
【００１４】
永久磁石型同期機１３の磁極位置及び回転角度はレゾルバ１５で、また、同期機電流は電流検出器１６で検出され、これらの検出値は制御装置２０に送られる。
【００１５】
制御装置２０は、電流検出器１６の各検出値と、トルク指令発生部から送られてきたトルク指令τＭ＊を基に、電力変換器１２のスイッチング素子のオンオフを制御するＰＷＭ信号を生成する。なお、１４は電気自動車の変速機、１７はタイヤを示す。また、１８、１９は、電力変換器１２の入力電力状態、すなわち入力電流ＩＢと入力電圧ＶＢを検出するための電流検出器及び電圧検出器である。
【００１６】
制御装置２０は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊を発生する電流指令発生部２１と、ｄｑ軸電流指令と同期機電流からのｄｑ軸電流の検出値をもとにｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、座標変換処理を行って交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算するｄｑ軸電流制御部（ｄｑ−ＡＣＲ）２２と、交流電圧指令値をもとに電力変換器の駆動信号を発生するＰＷＭ制御部２３を備えている。
【００１７】
制御装置２０は、さらに、レゾルバ１５の出力をＲ／Ｄ変換するＲ／Ｄ変換部２４と、このＲ／Ｄ変換部２４の出力である磁極位置信号Ｕ、Ｖ、Ｗ及び角度信号Ａ、Ｂから、位相演算により位相θ0を演算する位相演算部２５及び速度ωMを演算する速度演算部２６を備えている。
【００１８】
２７は位相補正部であり、位相演算部２５で演算された位相θ0を、本発明のレゾルバ１５の位相誤差特性に基づいて補正し、ｄｑ軸電流制御部２２で使用する位相θを出力する。位相補正値演算部２８において、上記位相θ0の誤差を補正するための補正値Δθが、電流検出器１８及び電圧検出器１９により検出された電力変換器１２の入力電力状態、及び速度演算部２６で演算された速度ωMに基づいて演算される。
【００１９】
図２に位相補正値演算部２８の詳細構成を示す。２８０は制御モード選択部、２８１は予め求められたレゾルバ１５やＲ／Ｄ変換部２４の位相誤差特性（レゾルバ、Ｒ／Ｄにより図示特性とは異なる場合がある。）であり、横軸が速度ωM、縦軸が誤差Δθ1である。また、２８２は同期機と電力変換器の全損失マップであり、トルク指令τM*をパラメータとして、横軸が速度ωM、縦軸が全損失WTである。２８３は補正演算の結果を記録するＥ２ＰＲＯＭなどのメモリ部、２８４は入力電圧ＶＢ×電流ＩＢの演算を行う乗算器、２８７は加算器である。２８５、２８６、２８９（Ａ、Ｂ、Ｃ）はスイッチ部であり、制御モードに応じてり、制御モード選択部２８０で切替られる。
【００２０】
また、３００は、トルク指令τＭ＊と速度ωＭの乗算から目標出力ＷＴ＊を算出する目標出力演算部であり、３０１は加算器である。
【００２１】
本実施例の位相補正では、次の３つの制御モードを設定できる。
【００２２】
（制御モード１）：レゾルバやＲ／Ｄ変換部の位相誤差特性に基つく補正であり、電力変換器の入力電力状態に基づく補正はしない。
【００２３】
（制御モード２）：電力変換器の入力電力状態に基づく補正であり、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した電力変換器の入力電力と、電力変換器と同期機の全損失ＷＴに加えてトルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正をする。すなわち、τＭ＊＝０のときは、ＶＢ×ＩＢ＝ＷＴということになり、実質軸出力をゼロにするように位相を補正する。この制御モードは力行時に有効である。
【００２４】
（制御モード３）：電力変換器の入力電力状態に基づく補正であり、電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢの入力電力とトルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正をする。すなわち、τＭ＊＝０のときは、ＶＢ×ＩＢ＝０となるように補正する。この制御モードは回生時に有効である。
【００２５】
次に、本発明の実施例の動作について説明する。
電流指令発生部２１において、トルク分電流に相当するｑ軸電流の指令値Ｉｑ*が、トルク指令値τＭ*をもとに算出される。一方、ｄ軸電流の指令値Ｉｄ*は、トルク指令値τＭ*とレゾルバ１５からのパルス信号から速度演算部２６で演算した速度ωMをもとに、損失最小となるＩｄ*を得るための高効率制御テーブルを参照して算出する。このようにして、制御装置２０は、高効率制御に必要な電流指令値Ｉｑ*、Ｉｄ*を算出する。
【００２６】
ｄｑ軸電流制御部（ｄｑ−ＡＣＲ）２２は、電流検出器１６で検出した同期機電流の３相交流電流について３相／２相の座標変換して算出したｄ、ｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑと指令値Ｉｑ＊、Ｉｄ＊及び位相θをもとに、比例あるいは比例積分電流制御処理を行い、電圧指令値Ｖｑ＊、Ｖｄ＊を算出し、さらに、２相／３相の座標変換して３相交流電圧指令値ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊を算出する。ＰＷＭ制御部２３は、この電圧指令値ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊から三角波信号の搬送波信号との比較処理を行って、電力変換器１２のＰＷＭ信号を発生する。このようにして同期機１３にＰＷＭ制御された電圧を印加することにより、同期機電流を電流指令値Ｉｑ＊、Ｉｄ＊に制御する。このような処理を行って、同期機１３はトルク指令値τＭ＊のトルクで、かつ損失最小の高効率で制御される。
【００２７】
同期機の出力トルクは（１）式で示される。
τＭ＝Ｐｎ［｛Ｅ０＋（１−ρ）ＬｄＩｄ｝Ｉｑ］……（１）
ただし、Ｐｎは定数、ρはＬｑとＬｄの比、Ｅ０は誘起電圧である。
【００２８】
（１）式において、右辺第１項は同期トルク、第２項はリアクタンストルクと呼ばれており、同期トルク及びリアクタンストルクの和が発生トルクτＭである。
【００２９】
図３に示すように、Ｒ／Ｄ変換部からは、磁極位置信号Ｕ、Ｖ、Ｗ及び角度信号Ａ、Ｂが出力される。磁極位置信号Ｕ、Ｖ、Ｗは、同期機の誘起電圧位相に同期している。
【００３０】
ところで、レゾルバ１５やＲ／Ｄ変換部２４に位相誤差が有る場合、Ｒ／Ｄ変換部２４からの出力信号Ｕ、Ｖ、Ｗにも、位相誤差（進み：＋θR、遅れ：−θR）を生ずる。図４（ａ）に示した同期機のベクトル図において、＋θRの位相誤差があった場合、Ｉｄ*、Ｉｑ*の指令に対して同期機の内部電流がＩｄM、ＩｑMとなり、出力トルクに誤差が生じる。
【００３１】
また、（１）式で示される同期機の出力トルクτＭに関して、同期機へのｄｑ軸電流一定とした場合の、進み角βを横軸としたトルク特性を、図４（ｂ）に示す。（１）式のρが１よりも大きい逆突極特性をもつ同期機は進み角βが４５度付近で最大トルクを発生するので、通常、この角度以上で同期機は制御される。
【００３２】
ここで、トルク指令τＭ*が０の場合、図４（ｂ）のベクトル図に示すように、同期機は進み角β＝９０度付近で運転される。もし、レゾルバ１５やＲ／Ｄ変換部２４に位相誤差が有り位相誤差（θR1＝β−θR、θR 2＝β＋θR）を生じた場合について考えると、θR１の位相誤差があった場合は＋τM1の力行トルクを生じる。また、θR 2の位相誤差があった場合は−τM1の回生トルクを生じる。このように、レゾルバ１５の出力に位相誤差が有ると、トルク指令τＭ*が０であるにもかかわらず、＋τM1、−τM1の誤差トルクを生じる。特に、進み角β＝９０度付近は、トルク特性の勾配が急なので、位相誤差の影響が大きくなる。
【００３３】
本発明では、電力変換器１２の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢの入力電力状態に基づいて、位相演算部２５で演算された位相を補正する位相補正部２７及び位相補正値演算部２８を有しており、トルク指令値τＭ＊がゼロの時には、不要な力行（＋τＭ１）あるいは回生（−τＭ１）を発生しバッテリーの不要な充放電を行うことを防止する。
【００３４】
まず、（制御モード１）では、位相補正値演算部２８のスイッチ部２８９Ｂが閉じられ、他のスイッチ部は全て開かれる。速度演算部２６で演算された速度ωＭと位相誤差特性２８１に基づいて、誤差Δθ１が求められる。この誤差Δθ１が位相補正値演算部２８のΔθとして出力される。
【００３５】
従って、図４（ａ）に示した同期機のベクトル図において、位相誤差が有り、＋θＲの位相誤差があった場合でも、これに対応したΔθの補正が行なわれ、同期機電流はＩｄ＊＝ＩｄＭ、Ｉｑ＊＝ＩｑＭに制御される。
【００３６】
次に、（制御モード２）の場合、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した入力電力ＷＢと、電力変換器と同期機の全損失ＷＴに目標出力（τＭ＊×ωＭ）を加えた値が等しくなるように補正をする。全損失ＷＴ＝電力変換器の損失ＩＷＴ＋同期機の損失ＭＷＴであり、ＩＷＴは、パワー素子ＩＧＢＴのＯＮ損失＋スイッチング損失、ＭＷＴは、銅損＋鉄損＋機械損＋漂遊損を含む。
【００３７】
制御モード２の場合、スイッチ部２８５、２８９Ｃが閉じられ、他のスイッチ部は全て開かれる。まず、速度ωＭをもとに全損失マップ２８２から、全損失ＷＴと目標出力ＷＴ＊を加算器３０１で得た値を、スイッチ部２８５を介して加算器２８７に入力される。一方、電力変換器１２の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢの入力電力ＷＢが加算器２８７に入力され、これら全損失ＷＴ＋目標出力ＷＴ＊と入力電力ＷＢの差をもとに、制御補償部２８８を介して、位相角Δθを出力する。換言すると、全損失ＷＴ＋目標出力ＷＴ＊と入力電力ＷＢが等しくなるようにフィードバック制御して、位相角Δθを算出する。例えば、τＭ＊＝０の場合には、全損失分ＷＴ相当の入力電力を供給することになる。全損失マップ２８２のＷＴは予め、トルク指令τＭ＊をパラメータに計算と実験でマッチングしておく。すなわち、実質の軸出力がゼロになるように位相を補正する。
【００３８】
また、（制御モード３）の場合、スイッチ部２８６、２８９Ｃが閉じられ、他のスイッチ部は全て開かれる。（制御モード３）において、位相補正値演算部２８は、電力変換器１２の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した入力電力ＷＢとトルク指令τＭ＊×速度ωＭで算出した目標出力ＷＴ＊が等しくなるように、（制御モード２）同様にフィードバック制御して、位相角Δθを算出する。従って、軸出力は目標出力に対して、全損失分ＷＴ相当分増減する。しかし、目標出力＝０（τＭ＊＝０）の場合には、入力電力ＷＢ＝０とすることができる。
【００３９】
ＶＢ×ＩＢ＝ＷＴ＊＝ｋ（τＭ＊×ωＭ）
ＷＴ損失分は、負荷側より供給される。
【００４０】
バッテリー１０の電圧ＶＢがほぼ一定とみなせる場合は、ＩＢを基に、 入力電力ＷＢを算出しても良い。
【００４１】
なお、上記（制御モード２）、（制御モード３）の終了時、あるいは制御装置の停止時、これらの制御で得られた補正値を次回利用するために、スイッチ部２８９Ａを閉じられ、Ｅ２ＰＲＯＭに保持する。従って、次の制御の開始に先立って、スイッチ部２８９Ａが閉じられ、前回保持された補正値を読み出し、初期値として利用する。
【００４２】
また、本発明の実施例の位相補正演算部２８を、同期機を駆動中τＭ＊＝０時のみ演算するなど、特定の場合に限定させて動作させても良い。
【００４３】
図５は、本発明の他の実施例であり、電気自動車の駆動源として２台の同期機（ＳＭ１、ＳＭ２）１３Ａ、１３Ｂとエンジン（図示略）を備えたハイブリット型の電気自動車に、本発明を適用した例である。制御装置２０の位相補正部２７、２８は、電力変換器１２Ａ、１２Ｂに共通に供給される入力電圧ＶＢ×電流ＩＢから算出した入力電力ＷＢをもとに位相角を補正する。
【００４４】
車速が数１０ｋｍ／ｈｒ以上で、同期機（ＳＭ１）運転からエンジン単独運転で、かつ、同期機ＳＭ２が発電運転をしていないとき、すなわち、トルク指令τＭ１＊＝τＭ２＊＝０という特定の場合のみ制御モード２あるいは３の制御を行う。この場合、同期機ＳＭ１、ＳＭ２用の制御装置２０の位相を交互に１ステップ、例えば、Δθ０＝を０．２度ずつ補正するフィードバック制御を行い、その結果を見ながら最適の補正値を求める。
【００４５】
ＳＭ２が発電運転中や中高速でのＳＭ１による加速運転時には、位相補正部２７、２８による補正を行わない。
【００４６】
図６は、本発明の他の実施例であり、電気自動車の駆動源として２台の同期機（ＳＭ１、ＳＭ２）１３Ａ、１３Ｂとエンジン（図示略）を備え、油圧制御機構などの補機の駆動源として１台の同期機（ＳＭ３）１３Ｃを備えたハイブリット型の電気自動車に、本発明を適用した例である。エンジン単独運転で、同期機による発電はなく、補機の駆動も行っていないとき、τＭ１＊＝τＭ２＊＝τＭ３＊＝０という特定の場合のみ、制御装置２０の位相補正部２７、２８は、電力変換器１２の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢの入力電力状態をもとに位相角を補正する。すなわち、本発明の（制御モード２）あるいは（制御モード３）による位相補正処理を実行する。その場合、図５で説明したように、制御装置２０は各同期機（ＳＭ１、ＳＭ２、ＳＭ３）１３Ａ〜１３Ｃ用の電力変換器１２Ａ〜１２Ｃの位相を順次、ステップ的に位相補正して、最適値を算出する。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、回転センサの温度変化、経年変化や速度に依存した位相誤差を電力変換器の入力電力情報から随時位相補正を行なうので、トルク指令値に追従した同期機制御が可能である。特に、トルク指令値ゼロ時にバッテリーの不要な充放電を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における電気自動車のシステム構成を示す回路図である。
【図２】図１の位相補正値演算部の詳細構成を示す図である。
【図３】Ｒ／Ｄ変換部の出力特性の説明図である。
【図４】同期機のベクトル図及び同期機のトルク特性を示す図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０…バッテリー、１１…メインコンタクタ、１２…電力変換器、１３…永久磁石型同期機、１５…レゾルバ、１８…電流検出器、１９…電圧検出器、２０…制御装置、２５…位相演算部２５、２６…速度演算部、２７…位相補正部、２８…位相補正値演算部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車の制御装置及び制御方法に係り、特に、回転センサの出力を基に演算される位相角を補正する位相補正部を内蔵した電気車の制御装置及び制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石により励磁される同期機を使用する場合には、レゾルバ等の回転センサにより同期機の永久磁石（ロータ）の磁極位置と回転角度を検出し、同期機電流を制御している。しかし、レゾルバ等のセンサやセンサ出力処理回路は誤差、特に、速度に依存した位相誤差を含んでいるため、同期機のロータの位置を正確に検出することは不可能である。
【０００３】
このような、回転センサの位相誤差を補正するものとして、特開平１０−３０４６７６号公報には、電気車の停止信号ＩＧＮＯＦＦ時に電力変換器用平滑コンデンサを放電する際、回転センサの位相誤差を補正する発明が記載されている。この発明では、同期機停止時にのみ位相補正を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
回転センサの出力は温度変化、経年変化や速度に依存した位相誤差を生ずる。この誤差は、同期機停止時の平滑コンデンサ放電時のみだけでなく、通常の運転時にも影響を及ぼす。同期機停止時にのみ位相補正を行うものでは、回転センサの出力に誤差があると、例えば、回転中トルク指令値がゼロの場合、不要な力行あるいは回生トルクを発生してバッテリーの不要な充放電が生じる。
【０００５】
本発明は、同期機の全運転範囲にわたって、回転センサの位相誤差を補正する電気車の制御装置とその制御方法を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、同期機と、前記同期機の磁極位置と回転角度を検出する回転センサと、前記同期機を駆動する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備えた電気車の制御装置であって、前記制御装置が、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を発生する電流指令発生部と、ｄｑ軸電流指令と同期機電流からのｄｑ軸電流を検出値をもとにｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、座標変換処理を行って交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算するｄｑ軸電流制御部と、前記交流電圧指令値をもとに電力変換器の駆動信号を発生するＰＷＭ制御部と、前記回転センサの出力から座標変換処理で使用する位相及び速度を演算する位相演算部及び速度演算部を備えた電気車の制御装置において、前記位相演算部の位相を補正する位相補正部を有し、該位相補正部は、前記回転センサの位相誤差特性に基づいて、前記位相演算部で演算された位相の補正を行なうことにある。
【０００７】
本発明の他の特徴は、前記電気車の制御装置において、前記位相補正部は、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出された入力電力状態に基づいて、前記位相演算部で演算された位相の補正を行なうことにある。
【０００８】
本発明の他の特徴は、前記電気車の制御装置において、前記位相補正部が、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した電力変換器の入力電力と、電力変換器と同期機の損失ＷＴに加えてトルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正をすることにある。
【０００９】
本発明の他の特徴は、前記電気車の制御装置において、前記位相補正部が、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した前記電力変換器の入力電力と、トルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正をすることにある。
【００１０】
本発明によれば、同期機の全運転範囲にわたって、回転センサの温度変化、経年変化や速度に依存する位相誤差を電力変換器の入力電力情報から随時補正するので、トルク指令値に追従した同期機の制御が可能である。例えば、トルク指令値ゼロ時に、位相誤差による不要な力行あるいは回生トルクを発生してバッテリーの不要な充放電を行うようなことを防止できる。
【００１１】
【発明の実施の型態】
以下、本発明に係る電気車の制御装置の一実施例について、図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施例における電気自動車のシステム構成を示す回路図である。図において、バッテリー１０は、キースィッチにより開閉制御されるメインコンタクタ１１を介して電力変換器１２に接続されている。電力変換器１２は、バッテリー１０からの直流電流を交流電力に変換して電気車駆動用の永久磁石型同期機１３に供給するものである。メインコンタクタ１１と電力変換器１２の間には、直流電力を平滑化するための電解コンデンサがバッテリー１０に並列に接続されている。電力変換器１２は複数のスイッチング素子を有しており、これらのスイッチング素子は制御装置２０によりオンオフ制御される。
【００１３】
力行時及び回生時、トルク指令発生部により、それぞれアクセル開度とモータ回転数（速度）に対応したトルク指令τＭ＊が生成され、このトルク指令τＭ＊が制御装置２０に送られる。
【００１４】
永久磁石型同期機１３の磁極位置及び回転角度はレゾルバ１５で、また、同期機電流は電流検出器１６で検出され、これらの検出値は制御装置２０に送られる。
【００１５】
制御装置２０は、電流検出器１６の各検出値と、トルク指令発生部から送られてきたトルク指令τＭ＊を基に、電力変換器１２のスイッチング素子のオンオフを制御するＰＷＭ信号を生成する。なお、１４は電気自動車の変速機、１７はタイヤを示す。また、１８、１９は、電力変換器１２の入力電力状態、すなわち入力電流ＩＢと入力電圧ＶＢを検出するための電流検出器及び電圧検出器である。
【００１６】
制御装置２０は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊を発生する電流指令発生部２１と、ｄｑ軸電流指令と同期機電流からのｄｑ軸電流の検出値をもとにｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、座標変換処理を行って交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算するｄｑ軸電流制御部（ｄｑ−ＡＣＲ）２２と、交流電圧指令値をもとに電力変換器の駆動信号を発生するＰＷＭ制御部２３を備えている。
【００１７】
制御装置２０は、さらに、レゾルバ１５の出力をＲ／Ｄ変換するＲ／Ｄ変換部２４と、このＲ／Ｄ変換部２４の出力である磁極位置信号Ｕ、Ｖ、Ｗ及び角度信号Ａ、Ｂから、位相演算により位相θ0を演算する位相演算部２５及び速度ωMを演算する速度演算部２６を備えている。
【００１８】
２７は位相補正部であり、位相演算部２５で演算された位相θ0を、本発明のレゾルバ１５の位相誤差特性に基づいて補正し、ｄｑ軸電流制御部２２で使用する位相θを出力する。位相補正値演算部２８において、上記位相θ0の誤差を補正するための補正値Δθが、電流検出器１８及び電圧検出器１９により検出された電力変換器１２の入力電力状態、及び速度演算部２６で演算された速度ωMに基づいて演算される。
【００１９】
図２に位相補正値演算部２８の詳細構成を示す。２８０は制御モード選択部、２８１は予め求められたレゾルバ１５やＲ／Ｄ変換部２４の位相誤差特性（レゾルバ、Ｒ／Ｄにより図示特性とは異なる場合がある。）であり、横軸が速度ωM、縦軸が誤差Δθ1である。また、２８２は同期機と電力変換器の全損失マップであり、トルク指令τM*をパラメータとして、横軸が速度ωM、縦軸が全損失WTである。２８３は補正演算の結果を記録するＥ２ＰＲＯＭなどのメモリ部、２８４は入力電圧ＶＢ×電流ＩＢの演算を行う乗算器、２８７は加算器である。２８５、２８６、２８９（Ａ、Ｂ、Ｃ）はスイッチ部であり、制御モードに応じてり、制御モード選択部２８０で切替られる。
【００２０】
また、３００は、トルク指令τＭ＊と速度ωＭの乗算から目標出力ＷＴ＊を算出する目標出力演算部であり、３０１は加算器である。
【００２１】
本実施例の位相補正では、次の３つの制御モードを設定できる。
【００２２】
（制御モード１）：レゾルバやＲ／Ｄ変換部の位相誤差特性に基つく補正であり、電力変換器の入力電力状態に基づく補正はしない。
【００２３】
（制御モード２）：電力変換器の入力電力状態に基づく補正であり、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した電力変換器の入力電力と、電力変換器と同期機の全損失ＷＴに加えてトルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正をする。すなわち、τＭ＊＝０のときは、ＶＢ×ＩＢ＝ＷＴということになり、実質軸出力をゼロにするように位相を補正する。この制御モードは力行時に有効である。
【００２４】
（制御モード３）：電力変換器の入力電力状態に基づく補正であり、電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢの入力電力とトルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正をする。すなわち、τＭ＊＝０のときは、ＶＢ×ＩＢ＝０となるように補正する。この制御モードは回生時に有効である。
【００２５】
次に、本発明の実施例の動作について説明する。
電流指令発生部２１において、トルク分電流に相当するｑ軸電流の指令値Ｉｑ*が、トルク指令値τＭ*をもとに算出される。一方、ｄ軸電流の指令値Ｉｄ*は、トルク指令値τＭ*とレゾルバ１５からのパルス信号から速度演算部２６で演算した速度ωMをもとに、損失最小となるＩｄ*を得るための高効率制御テーブルを参照して算出する。このようにして、制御装置２０は、高効率制御に必要な電流指令値Ｉｑ*、Ｉｄ*を算出する。
【００２６】
ｄｑ軸電流制御部（ｄｑ−ＡＣＲ）２２は、電流検出器１６で検出した同期機電流の３相交流電流について３相／２相の座標変換して算出したｄ、ｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑと指令値Ｉｑ＊、Ｉｄ＊及び位相θをもとに、比例あるいは比例積分電流制御処理を行い、電圧指令値Ｖｑ＊、Ｖｄ＊を算出し、さらに、２相／３相の座標変換して３相交流電圧指令値ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊を算出する。ＰＷＭ制御部２３は、この電圧指令値ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊から三角波信号の搬送波信号との比較処理を行って、電力変換器１２のＰＷＭ信号を発生する。このようにして同期機１３にＰＷＭ制御された電圧を印加することにより、同期機電流を電流指令値Ｉｑ＊、Ｉｄ＊に制御する。このような処理を行って、同期機１３はトルク指令値τＭ＊のトルクで、かつ損失最小の高効率で制御される。
【００２７】
同期機の出力トルクは（１）式で示される。
τＭ＝Ｐｎ［｛Ｅ０＋（１−ρ）ＬｄＩｄ｝Ｉｑ］……（１）
ただし、Ｐｎは定数、ρはＬｑとＬｄの比、Ｅ０は誘起電圧である。
【００２８】
（１）式において、右辺第１項は同期トルク、第２項はリアクタンストルクと呼ばれており、同期トルク及びリアクタンストルクの和が発生トルクτＭである。
【００２９】
図３に示すように、Ｒ／Ｄ変換部からは、磁極位置信号Ｕ、Ｖ、Ｗ及び角度信号Ａ、Ｂが出力される。磁極位置信号Ｕ、Ｖ、Ｗは、同期機の誘起電圧位相に同期している。
【００３０】
ところで、レゾルバ１５やＲ／Ｄ変換部２４に位相誤差が有る場合、Ｒ／Ｄ変換部２４からの出力信号Ｕ、Ｖ、Ｗにも、位相誤差（進み：＋θR、遅れ：−θR）を生ずる。図４（ａ）に示した同期機のベクトル図において、＋θRの位相誤差があった場合、Ｉｄ*、Ｉｑ*の指令に対して同期機の内部電流がＩｄM、ＩｑMとなり、出力トルクに誤差が生じる。
【００３１】
また、（１）式で示される同期機の出力トルクτＭに関して、同期機へのｄｑ軸電流一定とした場合の、進み角βを横軸としたトルク特性を、図４（ｂ）に示す。（１）式のρが１よりも大きい逆突極特性をもつ同期機は進み角βが４５度付近で最大トルクを発生するので、通常、この角度以上で同期機は制御される。
【００３２】
ここで、トルク指令τＭ*が０の場合、図４（ｂ）のベクトル図に示すように、同期機は進み角β＝９０度付近で運転される。もし、レゾルバ１５やＲ／Ｄ変換部２４に位相誤差が有り位相誤差（θR1＝β−θR、θR 2＝β＋θR）を生じた場合について考えると、θR１の位相誤差があった場合は＋τM1の力行トルクを生じる。また、θR 2の位相誤差があった場合は−τM1の回生トルクを生じる。このように、レゾルバ１５の出力に位相誤差が有ると、トルク指令τＭ*が０であるにもかかわらず、＋τM1、−τM1の誤差トルクを生じる。特に、進み角β＝９０度付近は、トルク特性の勾配が急なので、位相誤差の影響が大きくなる。
【００３３】
本発明では、電力変換器１２の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢの入力電力状態に基づいて、位相演算部２５で演算された位相を補正する位相補正部２７及び位相補正値演算部２８を有しており、トルク指令値τＭ＊がゼロの時には、不要な力行（＋τＭ１）あるいは回生（−τＭ１）を発生しバッテリーの不要な充放電を行うことを防止する。
【００３４】
まず、（制御モード１）では、位相補正値演算部２８のスイッチ部２８９Ｂが閉じられ、他のスイッチ部は全て開かれる。速度演算部２６で演算された速度ωＭと位相誤差特性２８１に基づいて、誤差Δθ１が求められる。この誤差Δθ１が位相補正値演算部２８のΔθとして出力される。
【００３５】
従って、図４（ａ）に示した同期機のベクトル図において、位相誤差が有り、＋θＲの位相誤差があった場合でも、これに対応したΔθの補正が行なわれ、同期機電流はＩｄ＊＝ＩｄＭ、Ｉｑ＊＝ＩｑＭに制御される。
【００３６】
次に、（制御モード２）の場合、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した入力電力ＷＢと、電力変換器と同期機の全損失ＷＴに目標出力（τＭ＊×ωＭ）を加えた値が等しくなるように補正をする。全損失ＷＴ＝電力変換器の損失ＩＷＴ＋同期機の損失ＭＷＴであり、ＩＷＴは、パワー素子ＩＧＢＴのＯＮ損失＋スイッチング損失、ＭＷＴは、銅損＋鉄損＋機械損＋漂遊損を含む。
【００３７】
制御モード２の場合、スイッチ部２８５、２８９Ｃが閉じられ、他のスイッチ部は全て開かれる。まず、速度ωＭをもとに全損失マップ２８２から、全損失ＷＴと目標出力ＷＴ＊を加算器３０１で得た値を、スイッチ部２８５を介して加算器２８７に入力される。一方、電力変換器１２の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢの入力電力ＷＢが加算器２８７に入力され、これら全損失ＷＴ＋目標出力ＷＴ＊と入力電力ＷＢの差をもとに、制御補償部２８８を介して、位相角Δθを出力する。換言すると、全損失ＷＴ＋目標出力ＷＴ＊と入力電力ＷＢが等しくなるようにフィードバック制御して、位相角Δθを算出する。例えば、τＭ＊＝０の場合には、全損失分ＷＴ相当の入力電力を供給することになる。全損失マップ２８２のＷＴは予め、トルク指令τＭ＊をパラメータに計算と実験でマッチングしておく。すなわち、実質の軸出力がゼロになるように位相を補正する。
【００３８】
また、（制御モード３）の場合、スイッチ部２８６、２８９Ｃが閉じられ、他のスイッチ部は全て開かれる。（制御モード３）において、位相補正値演算部２８は、電力変換器１２の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した入力電力ＷＢとトルク指令τＭ＊×速度ωＭで算出した目標出力ＷＴ＊が等しくなるように、（制御モード２）同様にフィードバック制御して、位相角Δθを算出する。従って、軸出力は目標出力に対して、全損失分ＷＴ相当分増減する。しかし、目標出力＝０（τＭ＊＝０）の場合には、入力電力ＷＢ＝０とすることができる。
【００３９】
ＶＢ×ＩＢ＝ＷＴ＊＝ｋ（τＭ＊×ωＭ）
ＷＴ損失分は、負荷側より供給される。
【００４０】
バッテリー１０の電圧ＶＢがほぼ一定とみなせる場合は、ＩＢを基に、 入力電力ＷＢを算出しても良い。
【００４１】
なお、上記（制御モード２）、（制御モード３）の終了時、あるいは制御装置の停止時、これらの制御で得られた補正値を次回利用するために、スイッチ部２８９Ａを閉じられ、Ｅ２ＰＲＯＭに保持する。従って、次の制御の開始に先立って、スイッチ部２８９Ａが閉じられ、前回保持された補正値を読み出し、初期値として利用する。
【００４２】
また、本発明の実施例の位相補正演算部２８を、同期機を駆動中τＭ＊＝０時のみ演算するなど、特定の場合に限定させて動作させても良い。
【００４３】
図５は、本発明の他の実施例であり、電気自動車の駆動源として２台の同期機（ＳＭ１、ＳＭ２）１３Ａ、１３Ｂとエンジン（図示略）を備えたハイブリット型の電気自動車に、本発明を適用した例である。制御装置２０の位相補正部２７、２８は、電力変換器１２Ａ、１２Ｂに共通に供給される入力電圧ＶＢ×電流ＩＢから算出した入力電力ＷＢをもとに位相角を補正する。
【００４４】
車速が数１０ｋｍ／ｈｒ以上で、同期機（ＳＭ１）運転からエンジン単独運転で、かつ、同期機ＳＭ２が発電運転をしていないとき、すなわち、トルク指令τＭ１＊＝τＭ２＊＝０という特定の場合のみ制御モード２あるいは３の制御を行う。この場合、同期機ＳＭ１、ＳＭ２用の制御装置２０の位相を交互に１ステップ、例えば、Δθ０＝を０．２度ずつ補正するフィードバック制御を行い、その結果を見ながら最適の補正値を求める。
【００４５】
ＳＭ２が発電運転中や中高速でのＳＭ１による加速運転時には、位相補正部２７、２８による補正を行わない。
【００４６】
図６は、本発明の他の実施例であり、電気自動車の駆動源として２台の同期機（ＳＭ１、ＳＭ２）１３Ａ、１３Ｂとエンジン（図示略）を備え、油圧制御機構などの補機の駆動源として１台の同期機（ＳＭ３）１３Ｃを備えたハイブリット型の電気自動車に、本発明を適用した例である。エンジン単独運転で、同期機による発電はなく、補機の駆動も行っていないとき、τＭ１＊＝τＭ２＊＝τＭ３＊＝０という特定の場合のみ、制御装置２０の位相補正部２７、２８は、電力変換器１２の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢの入力電力状態をもとに位相角を補正する。すなわち、本発明の（制御モード２）あるいは（制御モード３）による位相補正処理を実行する。その場合、図５で説明したように、制御装置２０は各同期機（ＳＭ１、ＳＭ２、ＳＭ３）１３Ａ〜１３Ｃ用の電力変換器１２Ａ〜１２Ｃの位相を順次、ステップ的に位相補正して、最適値を算出する。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、回転センサの温度変化、経年変化や速度に依存した位相誤差を電力変換器の入力電力情報から随時位相補正を行なうので、トルク指令値に追従した同期機制御が可能である。特に、トルク指令値ゼロ時にバッテリーの不要な充放電を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における電気自動車のシステム構成を示す回路図である。
【図２】図１の位相補正値演算部の詳細構成を示す図である。
【図３】Ｒ／Ｄ変換部の出力特性の説明図である。
【図４】同期機のベクトル図及び同期機のトルク特性を示す図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０…バッテリー、１１…メインコンタクタ、１２…電力変換器、１３…永久磁石型同期機、１５…レゾルバ、１８…電流検出器、１９…電圧検出器、２０…制御装置、２５…位相演算部２５、２６…速度演算部、２７…位相補正部、２８…位相補正値演算部
Claims (7)
- 同期機と、該同期機の回転子の磁極位置と回転角度を検出する回転センサと、前記同期機の駆動を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御するものであって、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を発生する電流指令発生部と、ｄｑ軸電流指令と同期機電流からのｄｑ軸電流を検出値をもとにｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を算出しさらに座標変換処理を行って交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算するｄｑ軸電流制御部と、前記交流電圧指令値をもとに電力変換器の駆動信号を発生するＰＷＭ制御部と、前記回転センサの出力から座標変換処理で使用する位相及び速度を演算する位相演算部及び速度演算部を備えた制御装置とを有する電気車の制御装置において、
前記位相演算部の位相を補正する位相補正部を有し、
該位相補正部は、前記回転センサの位相誤差特性、もしくは前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した入力電力状態の選択に基づいて、前記位相演算部で演算された位相の補正を行なうことを特徴とする電気車の制御装置。 - 請求項１において、前記位相補正部は、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した電力変換器の入力電力と、電力変換器と同期機の損失ＷＴに加えてトルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正をすることを特徴とする電気車の制御装置。
- 請求項１において、前記位相補正部は、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した前記電力変換器の入力電力と、トルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正をすることを特徴とする電気車の制御装置。
- 同期機と、該同期機の回転子の磁極位置と回転角度を検出する回転センサと、前記同期機の駆動を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御するものであって、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を発生する電流指令発生部と、ｄｑ軸電流指令と同期機電流からのｄｑ軸電流を検出値をもとにｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を算出しさらに座標変換処理を行って交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算するｄｑ軸電流制御部と、前記交流電圧指令値をもとに電力変換器の駆動信号を発生するＰＷＭ制御部と、前記回転センサの出力から座標変換処理で使用する位相及び速度を演算する位相演算部及び速度演算部を備えた制御装置とを有する電気車の制御装置において、
前記位相演算部の位相を補正する位相補正部を有し、
該位相補正部は、前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した入力電力状態に基づいて、前記位相演算部で演算された位相の補正であってトルク指令がゼロのときに、実質軸出力をゼロもしくは入力電力ＶＢ×電流ＩＢ＝０となるように選択して位相の補正を行なうことを特徴とする電気車の制御装置。 - 同期機と、該同期機の回転子の磁極位置と回転角度を検出する回転センサと、前記同期機の駆動を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御するものであって、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を発生する電流指令発生部と、ｄｑ軸電流指令と同期機電流からのｄｑ軸電流を検出値をもとにｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を算出しさらに座標変換処理を行って交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算するｄｑ軸電流制御部と、前記交流電圧指令値をもとに電力変換器の駆動信号を発生するＰＷＭ制御部と、前記回転センサの出力から座標変換処理で使用する位相及び速度を演算する位相演算部及び速度演算部を備えた制御装置とを有する電気車の制御装置において、
前記位相演算部の位相を補正する位相補正部を有し、
該位相補正部は、前記回転センサの位相誤差特性に基づいて、前記位相演算部で演算された位相の補正、
前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した電力変換器の入力電力と、電力変換器と同期機の損失ＷＴに加えてトルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正、及び
前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した前記電力変換器の入力電力と、トルク指令τＭ＊×速度ωＭから算出した目標出力が等しくなるように補正を、選択的に切換して行うことを特徴とする電気車の制御装置。 - 同期機と、該同期機の回転子の磁極位置と回転角度を検出する回転センサと、前記同期機の駆動を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は電流指令発生部、ｄｑ軸電流制御部、ＰＷＭ制御部、位相演算部及び速度演算部を有する電気車の制御方法において、
前記電流指令発生部により、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令を発生し、
前記ｄｑ軸電流制御部により、ｄｑ軸電流指令と同期機電流からのｄｑ軸電流をもとにｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を算出しさらに座標変換処理を行って交流電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算し、
前記ＰＷＭ制御部で、前記交流電圧指令値をもとに電力変換器の駆動信号を発生し、
前記位相演算部及び速度演算部で、前記回転センサの出力から座標変換処理で使用する位相及び速度を演算し、
前記位相演算部の位相補正部において、前記回転センサの位相誤差特性、もしくは前記電力変換器の入力電圧ＶＢ×電流ＩＢで算出した入力電力状態の選択に基づいて、前記位相演算部で演算された位相の補正を行なうことを特徴とする電気車の制御方法。 - 車両を駆動する同期機と、該同期機に供給される電力を制御して前記同期機の駆動を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御するための駆動信号を発生する制御装置とを備え、前記制御装置は、トルク指令値、前記電力変換器から前記同期機に供給される電流値及び前記同期機に設けられた回転センサの出力を入力とするものであって、
前記駆動信号を発生させるための指令値を、前記トルク指令値及び前記電流値をもとに求められた指令値と、前記同期機に設けられた回転センサの出力から求められた位相とをもとに求めると、共に求めた指令値から前記駆動信号を発生し、発生した全気宇Ｋどう信号を前記電力変換器に出力するものであり、
さらには、前記同期機に設けられた回転センサの位置誤差特性に基づく位相補正値と前記電力変換器に入力される入力電力の状態に基づく位相補正値のいずれかを、車両の運転状態に応じて選択し、選択された前記位相補正値に基づいて、前記同期機に設けられた回転センサの出力から求められた位相を補正するものであることを特徴とする電気車の制御装置。
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