JP4702120B2 - 車両用駆動制御装置 - Google Patents
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Description
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、発電機と交流モータとの組み合わせで、4WD性能を向上することができる車両用駆動制御装置を提供することを目的としている。
図1は、本発明を四輪駆動車両に適用した場合の概略構成図である。
この図1に示すように、本実施形態の車両は、左右前輪1L、1Rが、熱機関(内燃機関)であるエンジン2によって駆動される主駆動輪であり、左右後輪3L、3Rが、モータ4によって駆動可能な従駆動輪である。
上記発電機7は、4WDコントローラ8によって調整される界磁電流Ifgに応じてエンジン2に対し負荷となり、その負荷トルクに応じた発電をする。この発電機7の発電電力の大きさは、回転数Ngと界磁電流Ifgとの大きさにより決定される。なお、発電機7の回転数Ngは、エンジン2の回転数Neからプーリ比に基づき演算することができる。
発電機7が発電した電力は、ジャンクションボックス10及びインバータ9を介してモータ4に供給可能となっている。前記モータ4の駆動軸は、減速機11及びクラッチ12を介して後輪3L、3Rに接続可能となっている。なお、本実施形態のモータ4は交流モータである。また、図中の符号13はデファレンスギヤを示す。
また、ジャンクションボックス10内には、発電電圧を検出する発電機電圧センサと、インバータ9の入力電流である発電電流を検出する発電機電流センサとが設けられ、これらの検出信号は4WDコントローラ8に出力される。また、モータ4の駆動軸にはレゾルバが連結されており、モータ4の磁極位置信号θを出力する。
また、各車輪1L、1R、3L、3Rには、車輪速センサ27FL、27FR、27RL、27RRが設けられている。各車輪速センサ27FL、27FR、27RL、27RRは、対応する車輪1L、1R、3L、3Rの回転速度に応じたパルス信号を車輪速検出値として4WDコントローラ8に出力する。
目標モータトルク演算部8Aは、従駆動輪である後輪3L,3Rの要求駆動力、例えば、4輪の車輪速度信号に基づいて算出される前後輪の車輪速度差とアクセルペダル開度信号とから、モータトルク指令値Ttを算出する。
Pg=Tt×Nm/Иm ………(1)
ここで、Иmはインバータ効率である。即ち、発電機供給電力Pgは、トルク指令値Ttとモータ回転数Nmとの積により求められるモータに必要な電力Pm(=Tt×Nm)よりインバータ効率Иm分多い値となる。
Idc*=Pg/Vdc* ………(2)
図4は、発電機7の発電制御を行う発電機制御部8Dの詳細を示すブロック図である。
P制御部101では、前記(2)式により算出された発電電流指令値Idc*と実発電電流値Idcとの偏差に基づいてP制御を行う。先ず、発電電流指令値Idc*と実発電電流値Idcとの偏差に所定のゲインを乗算する。そして、発電機の回転数変動に対してゲインの感度を一定にするために、この値に発電機回転数Ngの逆数を乗算し、これをP制御における制御量Vpとして後述する制御量加算部104に出力する。
Vff=D1×Vdc* ………(3)
なお、本実施形態においては、PWMデューティ比D1と発電電圧指令値Vdc*とに基づいて制御量Vffを算出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、発電機7の界磁電流Ifと界磁コイル抵抗Rfとに基づいて制御量Vffを算出するようにしてもよい。
界磁制御部105では、実発電電圧値Vdcが発電機7の界磁電流電源としてのバッテリ電圧Vb以下であるか否かを判定し、Vdc≦Vbであるときには下記(4)式をもとに界磁電圧PWMのデューティ比C1を算出する。
C1=Vf/Vb ………(4)
一方、Vdc>Vbであるときには、下記(5)式をもとに界磁電圧PWMデューティ比C1を算出する。
C1=Vf/Vdc ………(5)
そして、このようにして算出されたデューティ比C1に応じて、発電機7の界磁電流Ifgを制御する。
なお、ここではフィードバック制御に用いる制御手法としてPI補償を適用しているが、これに限定されるものではなく、系を安定にする制御手法であればよい。
このモータ制御部8Eは、Id,Iq指令値演算部201と、Vd,Vq指令値演算部202と、Vdc*指令値演算部203と、2相/3相変換部204と、PWM制御部205と、界磁電流指令値演算部206と、界磁磁束演算部207とで構成され、目標モータトルク演算部8Aで算出されたトルク指令値Ttが入力されて実モータトルクTがトルク指令値Ttとなるようにインバータ9の3相のパワー素子をスイッチング制御する。
Vd,Vq指令値演算部202では、Id,Iq指令値演算部201から入力される電流指令値Id*、Iq*と、モータ回転数Nmと、後述する界磁磁束演算部207から入力されるモータパラメータ(インダクタンスLd,Lq、界磁磁束Φ)とに基づいて、d軸電流値Idをd軸電流指令値Id*にするためのd軸電圧指令値Vd*と、q軸電流値Iqをq軸電流指令値Iq*にするためのq軸電圧指令値Vq*とを演算する。
Vdc*=2√2/√3・√(Vd*2+Vq*2) ………(6)
また、2相/3相変換部204では、Vd,Vq指令値演算部202で演算されたdq軸電圧指令値Vd*,Vq*を3相正弦波指令値である3相座標系のU相電圧指令値Vu*、V相電圧指令値Vv*、W相電圧指令値Vw*に変換し、PWM制御部205に出力する。
上記三角波比較の際、本実施形態では、直流電圧指令値である発電電圧指令値Vdc*を用いて、例えばU相の場合、Vu*/Vdc*により正弦波振幅の正規化を行い、この正弦波指令値と三角波とを比較することでU相のスイッチング信号を出力する。これにより、発電機から見たインバータのインピーダンスは、トルク指令値Tt、モータ回転数Nmの組み合わせ毎に固定となる。つまりこれは、PWM波電圧のパルス幅をトルク指令値Tt、モータ回転数Nmごとに固定することに相当する。
したがって、このモータ制御部8Eでは、要求されるモータ出力に対し、インバータの動作を、要求電圧が満足されたときに行われるスイッチングパターンで固定している。
また、図3のTCS制御部8Fは、図示しないエンジントルク制御コントローラ(ECM)からのエンジン発生駆動トルクデマンド信号Tet、左右前輪の回転速度VFR,VFL、車速Vに基づいて、公知の方法によりECMに対してエンジン発生駆動トルクデマンド信号Teを送り返すことにより前輪トラクションコントロール制御を行う。
クラッチ制御部8Gは、上記クラッチ12の状態を制御し、4輪駆動状態と判定している間はクラッチ12を接続状態に制御する。
今、発電機7の動作点が図8のα0にあり、そのときのモータトルク指令値に相当する電力一定線が曲線PAであるものとする。この状態から車輪速及びアクセルペダル開度に基づいてモータトルク指令値Ttが急増したものとすると、発電機供給電力演算部8Bにおいて、トルク指令値Tt、モータ回転数Nmに基づいて、発電機供給電力Pgが演算される。発電機供給電力Pgに相当する電力一定線は、図8の発電機7の特性図における曲線PBで表される。
直流電圧Vdcが直流電圧指令値Vdc*より低い場合は、Vu*/Vdcの結果、図9の下段に示すように正弦波指令値振幅が小さくなるため、スイッチングのON時間が長くなり(発電機から見てインバータのインピーダンスが小さくなり)、直流電流Idcが増加することで電力が合うようになっている。一方、直流電圧Vdcが直流電圧指令値Vdc*より高い場合は、スイッチングのON時間が短くなり(発電機から見てインバータのインピーダンスが大きくなり)、直流電流Idcが減少することで電力が合うようになっている。
このように、上記第1の実施形態では、インバータの負荷を固定とするので、発電機動作点が発電能力に合わせて所定の負荷一定線上を動作することになり、発電機の電圧上昇と電流上昇とが一対一の関係となる。そのため、トルク指令値が急激に増減する場合であっても、電圧の落ち込みや過電圧が生じることを防止することができ、安定したモータトルク制御を実現することができる。
さらに、過電圧となることがないため、発電機出力電圧がフェイル電圧を超えることに起因する部品の破損を防止することができる。
さらにまた、インバータ制御における三角波比較の際、従来の実電圧を用いた正弦波振幅の正規化の代わりに、直流電圧指令値を用いた正規化を行うため、要求されるモータ出力に対し、インバータの動作を、要求電圧が満足されたときに行われるスイッチングパターンで固定することができる。
なお、上記第1の実施形態においては、直流電圧指令値Vdc*を用いて正弦波振幅の正規化を行う場合について説明したが、インバータインピーダンスを固定にする方法であれば、これに限定されるものではなく、例えば、モータの効率が最も良い動作点での電圧を用いて正弦波振幅の正規化を行うこともできる。
この第2の実施形態は、モータの要求電力(発電機供給電力)が、発電機が安定して出力できる出力可能電力を上回ったときにインバータの負荷を固定とするようにしたものである。
即ち、第2の実施形態における4WDコントローラ8のブロック図を図11に示すように、インバータの負荷を固定する負荷固定制御を行うか否かを判断する負荷固定判断部8Hを追加し、モータ制御部8Eを、負荷固定判断部8Hによる判断結果をもとにインバータ9によりモータ4を制御するモータ制御部8Iに置換したことを除いては、図3と同様の構成を有するため、その詳細な説明は省略する。
ステップS2では、発電機7の最大出力電力線を決定する。この最大出力電力線は、エンジン回転数Ngごとに決定する線であり、発電機7の各出力可能特性線上の動作点において、発電機7の出力電力が最大となる点を結んでできる線である。
次に、ステップS4でモータ回転数Nmを検出してステップS5に移行し、モータトルク指令値Ttを検出する。そして、ステップS6では、モータ回転数Nmとモータトルク指令値Ttとそのときのモータ効率Иmとから、発電機7に供給すべき発電機供給電力Pg(モータ4が必要とする必要電力)を算出し(Pg=Tt×Nm/Иm)、ステップS7に移行する。
そして、発電機7の現在の動作点が安定領域内に存在する場合には、ステップS10に移行し、負荷固定フラグFcを、インバータの負荷固定制御を行わないことを意味する“0”にリセットしてから後述するステップS14に移行する。
そして、ステップS14では、負荷固定フラグ値及び界磁電流制御フラグ値をモータ制御部8Iに出力して、負荷固定判断処理を終了する。
図14は、第2の実施形態のモータ制御部8Iの詳細を示すブロック図である。
このモータ制御部8Iは、2相/3相変換部301と、Id,Iq指令値演算部302と、PID制御部303と、Vd,Vq指令値演算部304と、制御切換部305と、Vdc*指令値演算部306と、2相/3相変換部307と、PWM制御部308と、界磁電流指令値演算部309と、界磁磁束演算部310と、非干渉制御部311とで構成され、目標モータトルク演算部8Aで算出されたトルク指令値Ttが入力されて実モータトルクTがトルク指令値Ttとなるようにインバータ9の3相のパワー素子をスイッチング制御する。
2相/3相変換部301では、電流センサにより検出された3相の交流電流値であるU相電流値Iu、V相電流値Iv、W相電流値Iwを2相の直流電流値であるd軸電流値Id、q軸電流値Iqに変換し、出力する。
PID制御部303では、2相/3相変換部301から出力される電流値Id、IqとId,Iq指令値演算部302から出力される電流指令値Id*、Iq*との偏差に対してPID制御を施し、Vd,Vq指令値演算部304にフィードバックする。
Vdc*=2√2/√3・√(Vd*2+Vq*2) ………(6)
また、2相/3相変換部307では、dq軸電圧指令値Vd*,Vq*を3相正弦波指令値である3相座標系のU相電圧指令値Vu*、V相電圧指令値Vv*、W相電圧指令値Vw*に変換し、PWM制御部308に出力する。
一方、界磁電流制御フラグFi=1であるときには、先ず、弱め界磁率Ifm/IfmMAXに応じて、図16に示す目標界磁電流係数マップを参照し、界磁電流指令値If*を演算するための補正係数K(K≧1)を算出する。次いで、現在のモータ界磁電流Ifmに前記補正係数Kを乗じることで、増加補正された界磁電流指令値If*を演算し(If*=Ifm×K)、界磁磁束演算部310に出力する。
非干渉制御部311では、モータトルク指令値Ttとモータ回転数Nmとに基づいて所定のdq軸電圧指令値Vd*,Vq*を演算し、出力する。この非干渉制御部311では、前述した2相/3相変換部301〜Vd,Vq指令値演算部304のようにフィードバック制御を行わずに、モータトルク指令値Tt及びモータ回転数Nmごとに固定のdq軸電圧指令値Vd*,Vq*を演算することになる。
今、発電機7の動作点が図17のα0にあり、そのときのモータトルク指令値に相当する電力一定線が曲線PAであるものとする。この状態から車輪速及びアクセルペダル開度に基づいてモータトルク指令値Ttが急増したものとすると、発電機供給電力演算部8Bにおいて、トルク指令値Tt、モータ回転数Nmに基づいて、発電機供給電力Pgが演算される。発電機供給電力Pgに相当する電力一定線は、図17の発電機7の特性図における曲線PBで表される。そして、発電機制御部8Dで、発電機供給電力Pgから算出される発電電流指令値Idc*と実発電電流値Idcとの偏差に対してPI制御が施され、実発電電流値Idcが発電電流指令値Idc*に追従するように発電機7の界磁電流Ifgが制御される。
そのため、モータ制御部8IではF/B制御が中止され、非干渉制御部311で演算された、トルク指令値Tt及びモータ回転数Nmごとに固定にされたdq軸電圧指令値Vd*,Vq*を用いてインバータのスイッチング制御が行われることにより、インバータの負荷一定線が一点鎖線Aに固定される。
ところで、エンジン回転数Ngが上昇すると、発電機の出力電流と出力電力との増加減の関係が比例する領域の電圧が上昇していき、またある所定の電圧範囲(高電圧フェイル閾値)以内で出力できる電力が減少していく。つまり、図18に示すように、最大出力線ηはエンジン回転数Ngに応じて変化するため、エンジン回転数Ngが上昇すると、発電機を安定に制御できる制御可能範囲が狭くなっていく。
インバータの負荷が固定となった場合、3相電流F/B制御を禁止しているため、モータトルクの応答性やシステム効率は悪化してしまう。そのため、本実施形態のように、インバータの負荷固定制御中にモータ界磁電流を上昇させて発電機動作点が早く安定領域に移行するようにすることで、上記モータトルクの応答性やシステム効率を早く復帰させることができる。
また、負荷固定制御を開始した後、エンジン回転数の減少、モータ回転数の上昇(誘起電圧の上昇)、モータトルク指令値の減少等により発電機動作点が安定領域に移行し、且つモータ要求電力が発電機の出力可能電力以下であると判断されたとき、負荷固定制御を解除して安定領域で動作させるので、常に負荷固定制御を作動して効率の悪い動作点で動作し続けることを回避することができる。
なお、上記第2の実施形態においては、図12のステップS9で発電機の現在の動作点が安定領域に存在するか否かの判断において、最大出力電力線ηを用いる場合について説明したが、この最大出力電力線ηにマージン(例えば、5V程度)をもたせた最大出力電力線η’を用いて、発電機の現在の動作点が安定領域に存在するか否かの判断を行うようにしてもよい。これにより、負荷固定制御と通常制御とのハンチングを抑制することができる。
また、上記第2の実施形態においては、弱め界磁率−目標界磁電流係数マップをもとに補正係数Kを算出して、界磁電流指令値If*を算出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、一律に所定の補正係数(例えば、K=1.1)を用いて界磁電流指令値If*を算出するようにしてもよい。
この第3の実施形態は、発電機の現在の動作点が不安定領域に存在するとき、インバータの負荷を固定とするようにしたものである。
すなわち、第3の実施形態では、図11に示す第2の実施形態の4WDコントローラのブロック図において、負荷固定判断部8Hで、図12に示す負荷固定判断処理の代わりに図20に示す負荷固定判断処理を実行するようにしたことを除いては、図11と同様の構成を有するため、その詳細な説明は省略する。
次いで、ステップS13に移行して、エンジン回転数Ngを検出し、ステップS14に移行する。
ステップS14では、エンジン回転数Ngをもとに最大出力電力線ηを求め、この最大出力電力線ηから安定領域及び不安定領域を設定し、ステップS15に移行する。
ステップS16では、負荷固定フラグFcをインバータの負荷固定制御を行うことを意味する“1”にセットしてからステップS17に移行する。
図20の処理において、ステップS15及びS16の処理が負荷固定判断手段に対応し、ステップS17及びS18の処理が界磁電流制御手段に対応し、ステップS20及びS21の処理が負荷固定解除手段に対応している。
今、発電機7の動作点が図21のα0にあり、そのときのモータトルク指令値に相当する電力一定線が曲線PAであるものとする。この状態から車輪速及びアクセルペダル開度に基づいてモータトルク指令値Ttが急増したものとすると、発電機供給電力演算部8Bにおいて、トルク指令値Tt、モータ回転数Nmに基づいて、発電機供給電力Pgが演算される。発電機供給電力Pgに相当する電力一定線は、図21の発電機7の特性図における曲線PBで表される。そして、発電機制御部8Dで、発電機供給電力Pgから算出される発電電流指令値Idc*と実発電電流値Idcとの偏差に対してPI制御が施され、実発電電流値Idcが発電電流指令値Idc*に追従するように発電機7の界磁電流Ifgが制御される。
このように、発電機7の動作点が移動し、この動作点が不安定領域内に存在すると、インバータの負荷固定制御を行うものと判断して、図20のステップS15の判定によりステップS16に移行する。そして、負荷固定フラグFc=1にセットされるため、モータ制御部8IではF/B制御が中止され、非干渉制御部311でトルク指令値Tt及びモータ回転数Nmごとに固定にされたdq軸電圧指令値Vd*,Vq*を用いてインバータのスイッチング制御が行われることにより、インバータの負荷一定線が一点鎖線Aに固定される。これにより、発電機7の界磁電流Ifgの上昇により電力一定線PBと負荷一定線Aとの交点α*を目標動作点として負荷一定線A上を動作するので、発電機7の電圧が落ち込むことなくトルク指令値Ttを出力することができる。
このように、上記第3の実施形態では、発電機動作点が不安定領域に存在するとき、インバータの負荷を固定するので、発電電圧の落ち込みや過電圧を防止することができる。
また、上記各実施形態においては、界磁電流推定部202で前記(8)式をもとに界磁電流Ifgを推定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、発電機7の界磁コイルに流れる電流を電流センサで直接検出するようにしてもよい。
2 エンジン
3L、3R 後輪
4 モータ
6 ベルト
7 発電機
8 4WDコントローラ
8A 目標モータトルク演算部
8B 発電機供給電力演算部
8C 発電電流指令演算部
8D 発電機制御部
8E モータ制御部
8F TCS制御部
8G クラッチ制御部
8H 負荷固定判断部
8I モータ制御部
9 インバータ
10 ジャンクションボックス
11 減速機
12 クラッチ
27FL、27FR、27RL、27RR 車輪速センサ
101 P制御部
102 I制御部
103 FF制御部
104 制御量加算部
105 界磁制御部
201 Id,Iq指令値演算部
202 Vd,Vq指令値演算部
203 Vdc*指令値演算部
204 2相/3相変換部
205 PWM制御部
206 界磁電流指令値演算部
207 界磁磁束演算部
301 2相/3相変換部
302 Id,Iq指令値演算部
303 PID制御部
304 Vd,Vq指令値演算部
305 制御切換部
306 Vdc*指令値演算部
307 2相/3相変換部
308 PWM制御部
309 界磁電流指令値演算部
310 界磁磁束演算部
311 非干渉制御部
Claims (7)
- 主駆動輪を駆動する熱機関と、その熱機関で駆動される発電機と、当該発電機の電力がインバータを介して供給されて従駆動輪を駆動する交流モータとを備える車両用駆動制御装置において、
前記従駆動輪の要求駆動力に基づいて、前記交流モータが必要とするモータ必要電力を演算するモータ必要電力演算手段と、前記モータ必要電力に基づいて、前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記インバータの負荷が一定のときに前記発電機が取り得る出力電圧及び出力電流から決定する動作点を示す負荷一定線を、前記発電機の目標電圧及び目標電流から決定する目標動作点を通る線で固定した状態で前記インバータを制御する負荷固定制御を行う負荷固定手段を備えることを特徴とする車両用駆動制御装置。 - 前記負荷固定制御を行うことを判断する負荷固定判断手段を備え、前記負荷固定手段は、前記負荷固定判断手段で前記負荷固定制御を行うと判断されたとき、当該負荷固定制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の車両用駆動制御装置。
- 前記負荷固定判断手段は、前記交流モータが必要とする必要出力電力が、発電機が安定して出力できる出力可能電力より大きいとき、前記負荷固定制御を行うと判断することを特徴とする請求項2に記載の車両用駆動制御装置。
- 前記負荷固定判断手段は、前記発電機の回転速度及び界磁電流をパラメータとする各発電機出力特性線上の動作点の出力電力が出力電流の増加に伴って増加する所定領域を設定し、前記発電機の出力電圧及び出力電流から決定する動作点が前記所定領域外に存在するとき、前記負荷固定制御を行うと判断することを特徴とする請求項2又は3に記載の車両用駆動制御装置。
- 前記インバータを制御して前記交流モータにPWM波電圧を印加するPWM制御手段を有し、前記負荷固定手段は、前記PWM波電圧のパルス幅を固定することで前記負荷一定線を固定することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の発電機電力制御装置。
- 前記発電機の回転速度及び界磁電流をパラメータとする各発電機出力特性線上の動作点の出力電力が出力電流の増加に伴って増加する所定領域を設定し、前記発電機の出力電圧及び出力電流から決定する動作点が前記所定領域内に存在するとき、前記負荷固定制御を解除する負荷固定解除手段を備えることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の車両用駆動制御装置。
- 前記負荷固定制御が行われているとき、前記交流モータの界磁電流を増加制御する界磁電流制御手段を備えることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の車両用駆動制御装置。
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