JP4756251B2

JP4756251B2 - 電気自動車搭載用ｄｃブラシレスモータの制御方法

Info

Publication number: JP4756251B2
Application number: JP2000237618A
Authority: JP
Inventors: 周三三宅
Original assignee: Tokyo R&D Co Ltd
Current assignee: Tokyo R&D Co Ltd
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2020-08-04
Also published as: JP2002058277A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車（電気スクータ等の二輪車両を含む）に用いるＤＣブラシレスモータの制御方法に関し、基底回転数を超えた領域においても回生制御を行うことができる前記制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＣブラシレスモータは、永久磁石により界磁を形成するもので、効率がよく、電気自動車用の駆動機として広く利用されている。
【０００３】
この種のＤＣブラシレスモータは、界磁に永久磁石が形成されたロータの回転位置に同期して、ステータ巻線に流れる電流（ステータ電流）をモータドライバにより制御し、力行モードでは所定の出力トルクを発生させ、回生モードでは所定の電力を電源に返している。
【０００４】
ＤＣブラシレスモータは、入力電圧を変化させることで、トルクに応じた回転数を得ており、入力電圧を高くすることで、回転数をより高くすることができる。ところが、入力電圧は、電気自動車に搭載された電源電圧に依ることから、回転数をある値より高くはできない。
【０００５】
この不都合を解消するために、力行モードにおいて、弱め界磁制御により回転数を基底回転数（通常の制御における最大回転数）以上に上昇させる技術が知られている。この制御技術によれば、ステータ巻線に、ロータに形成された永久磁石の界磁を減殺するような電流を流すことで、当該界磁を弱め、入力電圧を高くすることなく、回転数を基底回転数以上に上昇させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電気自動車が、力行モードで高速走行しているときに、上述した弱め界磁制御を行う場合、最大回転数は基底回転数以上となっている。この状態で、回生モードに移行すると、回転数は基底回転数を超えたままであるため、ＤＣブラシレスモータの制御が、通常の方法では不能となる。
【０００７】
回生モード時に、基底回転数以上でＤＣブラシレスモータが動作すると電源電圧よりも高い電圧を発生するが、これが継続すると、電池等の電源に過大な負荷がかかり、システム故障が生じるおそれがある。
【０００８】
本発明の目的は、回生モード時に、基底回転数以上でＤＣブラシレスモータが駆動される場合においても、電源に余計な負荷がかかることがない電気自動車用ＤＣブラシレスモータの制御方法を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、従来技術では制御でき得なかった動作領域での回生制御が可能となる上記制御方法を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに他の目的は、ハードウェアの追加を必要とせずに、制御プログラムの変更のみで実施が可能な、または構成が可能な上記制御方法を構成することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の制御方法は、電気自動車搭載用ＤＣブラシレスモータに適用されるものであって、回生モードにおいて、弱め界磁制御を行うことを特徴とする。本発明が適用されるＤＣブラシレスモータは、インナロータタイプ、アウタロータタイプの双方を含み、ステータは、集中巻き、分布巻きの何れであってもよい。なお、本発明において、電気自動車には４輪のものが含まれることはもちろん、電気スクータ等の電気車両も含まれる。
【００１２】
回生モードにおける弱め界磁制御は、通常界磁制御（弱め界磁を行わない制御）における最大回転数（基底回転数）以上の回転域において行うこともできる。
【００１３】
本発明の制御方法では、基底回転数以上でＤＣブラシレスモータが駆動されても、入力電圧が異常に高くなることはないので、電源に余計な負荷がかかることはない。
【００１４】
本発明のＤＣブラシレスモータの制御方法は、力行モードにおいて、回転数が通常界磁制御における最大値より大きいときに弱め界磁制御を行っている場合において、力行モードから回生モードに遷移する際に、弱め界磁制御を連続して行うことができる。弱め界磁制御を両モードで連続して行うことにより、力行モードから回生モードへの遷移がスムーズに行われる。
【００１５】
本発明の制御方法の実施に適した電気自動車の駆動システムは、ＤＣブラシレスモータ、ＤＣブラシレスモータのロータ回転位置を検出するロータ位置センサ、ＤＣブラシレスモータに通電波形を出力するモータドライバ、モータドライバに電力を供給する直流電源、および、ロータ位置センサからの信号と直流電源の端子電圧信号とモータ駆動設定信号とを入力しモータドライバに制御信号を出力するコントローラを有してなり、コントローラは、回生モードにおいては、ＤＣブラシレスモータが弱め界磁動作するように、制御信号をモータドライバに出力することを特徴とする。
【００１６】
上記の電気自動車の駆動システムにおいて、ＤＣブラシレスモータは、上述した制御方法におけると同様にインナロータタイプ、アウタロータタイプの双方を含む。また、ロータ位置センサとして、ＤＣブラシレスモータのステータ側に設けたホール素子、あるいはホール素子が一体化構成されたホールＩＣが使用される。モータドライバは、サイリスタ、ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子からなるインバータにより構成される。直流電源は、基本的には電池である。もちろん、電池とコンデンサとの並列回路、あるいはＤＣ／ＤＣコンバータも、上記の電源とすることができる。コントローラはインバータを、ＰＷＭ（パルス幅変調）等により制御する。
【００１７】
コントローラは、回転数が通常界磁制御における最大値より大きいときに、ＤＣブラシレスモータが弱め界磁動作する制御信号をモータドライバに出力することができる。コントローラは、力行モードにおいて、回転数が通常界磁制御における最大値より大きいときは、ＤＣブラシレスモータが弱め界磁動作する制御信号をモータドライバに出力し、力行モードから回生モードに遷移する際に、ＤＣブラシレスモータが連続して弱め界磁動作する制御信号を前記モータドライバに出力することができる。上記の駆動システムでは、制御プログラムの変更のみでの実施が可能なので、ハードウェアの追加は必要としない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は、電気自動車の駆動システム１００の概略を示す図である。駆動システム１００は、ＤＣブラシレスモータ１、ＤＣブラシレスモータ１に通電波形を出力するインバータ（モータドライバ）２、インバータ２に電力を供給する直流電源３、ホールＩＣ（ロータ位置センサ）１４１からの信号と直流電源３の端子電圧信号とモータ駆動設定信号とを入力しインバータ２に制御信号を出力するコントローラ４を有している。
【００１９】
図１において、ＤＣブラシレスモータ１のヨーク１１に取り付けられたステータ１２のステータ巻線１２１は、分布巻きとなるように構成されている。また、ＤＣブラシレスモータ１のロータ１３には、永久磁石１３１が４つ形成されている。本実施形態のロータ１３は、ＩＰＭ形（埋込み磁石形）構造としてあるが、これに代えてＳＰＭ形（表面磁石形）構造とすることもできる。また、ＤＣブラシレスモータ１のブラケット１４（破線で示す）には、ＤＣブラシレスモータ１のロータ回転位置を検出するホールＩＣ１４１が取り付けられている。
【００２０】
本実施形態では、インバータ２は、コントローラ４からの制御信号に基づき、ステータ巻線１２１を１２０°通電動作または１８０°通電動作を行う。力行モードでは、インバータ２は、直流電源３からの直流電力を三相交流電力に変換してＤＣブラシレスモータ１に出力することができ、また回生モードではＤＣブラシレスモータ１からの三層交流電力を直流電力に変換して直流電源３に返すことができる。
【００２１】
図２に示すように、ステータ巻線１２１に流れる電流（電機子電流Ｉ）は、界磁磁束Φと同相の成分（以下、「ｑ成分」）Ｉ_qと、Ｉ_qよりも９０゜進んだ成分（以下、「ｄ成分」）Ｉ_dのベクトル和と考えることができる。ｄ成分Ｉ_dは界磁によりステータ巻線に励起される逆起電力と同じ向きであり（後述する図４参照）、Ｉ_dが大きくなると電機子電流Ｉの位相が、ｑ成分Ｉ_qに対してβ進む。ｑ成分Ｉ_qによる起電力Ｖｑ（Ｉ_qよりも９０°遅れている）ｄ成分Ｉ_dによる起電力Ｖ_d（Ｉ_dよりも９０°遅れている）が、出力トルクＴを決定する。
【００２２】
入力電圧をＶ_t、界磁による誘起電圧をＶ_ψ（∝Ｎ）、Ｉ_qによる抵抗降下電圧をＶ_qR（∝Ｒ）、Ｉ_dによる抵抗降下電圧をＶ_dR、インダクタンスによる誘導電圧をＶ_L（∝Ｎ）とすると、Ｖは下記の（１）式で表される。ここでＮは、ＤＣブラシレスモータの回転数、Ｒはステータ巻線抵抗である。なお、本明細書において、ベクトルは括弧記号、< >で表すものとする。
【００２３】
<Ｖ_t>＝＜Ｖ_ψ＞＋＜Ｖ_qR＞＋＜Ｖ_dR＞＋＜Ｖ_L＞（１）
＜Ｖ_L＞は、Ｉ_qによるインダクタンスＬ_qに起因するる起電力と、Ｉ_dによるインダクタンスＬ_dに起因する起電力との和である。したがって、Ｉ_d＝０のときには、
＜Ｖ_L＞＝＜Ｖ_Lq＞（２）
（Ｖ_Ld＝Ｎ×Ｌ_d×Ｉ_d）
となる。また、Ｉ_d≠０のときには
＜Ｖ_L＞＝＜Ｖ_Lq＞＋＜Ｖ_Ld＞（３）
（Ｖ_Lq＝Ｎ×Ｌ_q×Ｉ_d）
となる。なお、前述したように、Ｉ_dはＩ_qよりも位相が９０°進んでいるので、Ｖ_LdはＶ_Lqよりも位相が９０°進む。
【００２４】
図３（Ａ），（Ｂ）は、通常界磁制御において、入力電圧Ｖ_tを最大のＶ_tMAXにして力行制御を行う場合のベクトル図であり、（Ａ）は（Ｂ）に比較してトルクが大きく、回転数が低い場合を示している。
【００２５】
また、図３（Ｃ），（Ｄ）は、通常界磁制御において、入力電圧Ｖ_tを最大のＶ_tMAXにして回生制御を行う場合のベクトル図であり、（Ｃ）は（Ｄ）に比較して、ロータ１３がステータ１２に与える回生トルクが小さく、回転数が高い場合を示している。
【００２６】
通常界磁制御では、力行モード、回生モードともに、入力電圧Ｖ_tが最大になるように（すなわち入力電圧値Ｖ_tが電圧制限円上にあるように）ＤＣブラシレスモータ１を制御したとしても、回転数Ｎは、基底回転数以上にはならない。図３では、回転数Ｎは、入力電圧Ｖ_tが電圧制限円上にある場合（入力電圧Ｖ_tMが最大の場合）を示している。
【００２７】
図４（Ａ）は、弱め界磁制御において、入力電圧Ｖ_tを最大のＶ_tMAXにして力行制御を行う場合のベクトル図である。また、図４（Ｂ）は、弱め界磁制御において、入力電圧Ｖ_tを最大のＶ_tMAXにして回生制御を行う場合のベクトル図である。
【００２８】
弱め界磁制御では、力行モード、回生モードともに、入力電圧Ｖ_tが最大とならなくてもＤＣブラシレスモータ１の回転数Ｎを基底回転数以上として制御することができる。図４（Ａ），（Ｂ）では入力電圧値Ｖ_tが電圧制限円上にあり、最大となっている場合を示している。
【００２９】
図５は、入力電圧Ｖ_tが最大Ｖ_tmaxの場合の、回転数ＮとトルクＴとの関係、および制御領域を示す図である。トルク−回転数曲線ＴＮおよびトルクゼロの軸により、分割される各領域が、通常界磁力行制御領域Ｉ，通常界磁回生制御領域ＩＩ，弱め界磁力行制御領域ＩＩＩ，弱め界磁回生制御領域ＩＶである。なお、参考のため、図５に、入力電圧Ｖ_tを最大Ｖ_tmax以下にして制御した場合のトルク−回転数曲線ＴＮを破線により示しておく。
【００３０】
図６は、ＤＣブラシレスモータ１を弱め界磁する場合のトルク−回転数曲線ＴＮを示す図である。ＤＣブラシレスモータを力行モードで弱め界磁駆動し（図４（Ａ）参照）、さらに回転数を高くして、無負荷駆動（トルクゼロ）を経て回生モードでの弱め界磁駆動する（図４（Ｂ）参照）様子が示されている。このときのモード遷移の様子を、矢印Ｆで示す。
【００３１】
なお、進み角β（図２参照）が大きくなるに従って、回転数Nが高くなる様子を図７にトルク−回転数曲線として示すとともに、ことのきの電流−回転数曲線を図８に示す。
【００３２】
以下、図１のコントローラ４における処理を図９のフローチャートにしたがって説明する。
【００３３】
コントローラ４は、図１に示したように、ＤＣブラシレスモータ１に設けられたホールＩＣ１４１からロータ１３の位置データを、駆動システム１００外部からトルク指示値Ｔ^*を、直流電源３から電源電圧Ｖについてのデータを取得する（Ｓ１１０）。なお、ホールＩＣ１４１から取得した位置データから回転数が算出される。
【００３４】
そして、制御領域が、図５に示した通常界磁力行制御領域Ｉまたは通常界磁回生制御領域ＩＩであるか、あるいは弱め界磁力行制御領域ＩＩＩまたは弱め界磁回生制御領域領域ＩＶであるかの判断を行う（Ｓ１２０）。ステップＳ１２０において、弱め界磁力行制御領域ＩＩＩまたは弱め界磁回生制御領域領域ＩＶで制御すると判断された場合（回生モードで制御する場合）には、ステップＳ１１０において取得してある、モータ回転数Ｎ、トルク指示値Ｔ^*、電源電圧Ｖから進角制御量を算出し（Ｓ１３０）、これに基づく弱め界磁力行制御または弱め界磁回生制御を行う（Ｓ１４０）。Ｓ１２０において、通常界磁力行制御領域Ｉまたは通常界磁回生制御領域ＩＩで制御すると判断された場合には、通常界磁力行制御または通常界磁回生制御を行う（Ｓ１５０）。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
【００３６】
（１）回生モード時において、基底回転数以上でＤＣブラシレスモータが駆動される場合においても、電源に余計な負荷がかかることはない。
【００３７】
（２）従来技術では制御でき得なかった動作領域での回生制御が可能となる。
【００３８】
（３）ハードウェアの追加を必要とせずに制御プログラムの変更のみで、本発明の制御方法を実施でき、また本発明の駆動システムを構成することができるのでコストが高騰することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における電気自動車の駆動システムの概略を示す図である。
【図２】電機子電流Ｉと、Ｉのｑ成分と、Ｉのｄ成分との関係を示す図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、通常界磁制御において、最大電圧で力行制御を行う場合のベクトル図であり、（Ｃ），（Ｄ）は、通常界磁制御において、最大電圧で回生制御を行う場合のベクトル図である。
【図４】（Ａ）は、弱め界磁制御において最大電圧で力行制御を行う場合のベクトル図であり、（Ｂ）は、弱め界磁制御において最大電圧で回生制御を行う場合のベクトル図である。
【図５】ＤＣブラシレスモータの入力電圧が最大の場合の、回転数ＮとトルクＴとの関係を示すトルク−回転数曲線ＴＮ、および通常界磁力行制御領域、通常回生制御領域、弱め界磁力行制御領域、弱め界磁回生制御領域を示す図である。
【図６】ＤＣブラシレスモータを弱め界磁する場合のトルク−回転数曲線ＴＮを示す図である。
【図７】進み角βが大きくなるに従って、回転数Nが高くなる様子示すトルク−回転数曲線である。
【図８】進み角βが大きくなるに従って、回転数Nが高くなる様子示す電流−回転数曲線である。
【図９】図１のコントローラにおける処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ＤＣブラシレスモータ
２インバータ
３直流電源
４コントローラ
１１ヨーク
１２ステータ
１３ロータ
１４ブラケット
１００駆動システム
１２１ステータ巻線
１３１永久磁石
１４１ホールＩＣ

Claims

力行モードおよび回生モードにおいて、回転数が通常界磁制御における最大値より大きいときに弱め界磁制御を行う電気自動車搭載用ＤＣブラシレスモータの制御方法であって、
弱め界磁制御を行っている力行モードから回生モードに遷移する際に、入力電圧が電圧制限の最大となるように弱め界磁制御を連続して行うことを特徴とする電気自動車搭載用ＤＣブラシレスモータの制御方法。