JP4842011B2 - 電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機の制御装置に係り、特に、エンジンによる回転力で発電機を駆動し、発電機により発電された電力により直接交流モータを駆動する電動機システムに用いられる電動機の制御装置に関する。

近年、モータを動力源として走行する自動車が増加している。電気自動車やハイブリッド車に代表される環境対応自動車である。これら環境対応自動車の主な特徴として、バッテリを搭載し、その電力を利用してモータからトルクを発生させてタイヤを駆動し走行することが挙げられる。最近はこのモータには永久磁石同期モータに代表される交流モータが用いられ、小型化（高パワー密度化）が進められている。さらにバッテリの直流電力を交流モータに供給するためにはインバータが用いられ、バッテリからの直流電力を交流電力に変換する。このインバータを制御することにより、交流モータの可変速制御が可能となる。

以上の環境対応自動車では、モータへの電力供給源としてバッテリを搭載しているため、インバータには常に安定した電力供給が行われ、受電電圧はほぼ一定となる。よって、電力供給源に対して常に効率のよいトルク制御が可能である。

さらに最近では、前輪をエンジンで駆動し、後輪をモータで駆動する電動４輪駆動車が普及し始めている。この電動４輪駆動車は、別途、専用の発電機をエンジンに接続し、エンジンの回転力により発電機から直流電力を発電し、この直流電力を用いて後輪駆動用として搭載されたＤＣ（直流）モータからトルクを発生し車両を駆動する（例えば、特許文献１参照）。このような電動４輪駆動車においては、後輪を応答性に優れるモータで駆動するため、滑りやすい路面条件においても安定に走行することが可能である。さらに電力源にバッテリを用いずに発電機（発電された交流電力をダイオードブリッジで整流するオルタネータタイプ）を用いていることから、低コストで搭載性に優れている。

このＤＣモータ搭載の電動４輪駆動車では、発電機の発電量（直流電力）が直接（電力変換なしで）ＤＣモータに供給される非常に安定なシステムであった。このＤＣモータを搭載した電動４輪駆動システムは、搭載性の点から主に１リッタークラスの小型自動車への適用が主流となっている。このＤＣモータを用いた電動４輪駆動車においては、車両搭載性の面からモータ出力を増加させることに限界があり、２リッタークラス程度の自動車に適用することは困難となる。そこで、このような２リッタークラス程度の自動車に適用するためには、ＤＣモータに比べパワー密度に優れ、小型化を実現できるＡＣ（交流）モータを用いた電動４輪駆動車が考えられる。

特開平２００１−９２３９８５２号公報

このような後輪をモータで駆動する電動４輪駆動車は低コスト化を実現するためにバッテリレスタイプが採用され、エンジンに連結された発電機による電力によって動力を得る。通常この発電機は発電された交流電力を直流電力に変換するためにダイオードブリッジが出力部分に配置される「オルタネータ」である。このオルタネータは固定子側の電流は制御できないため、界磁巻線に流れる界磁電流制御のみにより発電電力を調整する。よって、電力の制御は通常のインバータ制御に比べ応答が遅いものとなっている。これに対し、電動４輪駆動車では、滑りやすい低μ路でエンジンによって駆動される前輪がスリップしたときなどにおいて、急な立ち上がり勾配を有する後輪のモータトルクが要求される場合がある。このとき、発電機の界磁電流の立ち上がりが十分でないと、モータの出力トルク増大（すなわち、モータの消費電力の増大）に対して発電機の発電電力の増大が追従できず、発電機の出力が落ちこみ、後輪のモータからは所要のトルクが出力されず、必要な走行性能が得られないという問題が生じる。

本発明の目的は、後輪のモータに急なトルク指令の立ち上がりが入力された場合においても発電機の出力落ち込みを生じることなく、安定に電力供給を行うことができる電動機の制御装置を提供するにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関により駆動される発電機が出力する直流電力を、インバータにより交流電力に変換した後、交流モータに供給することにより、前記交流モータが直接駆動されるものであり、前記発電機は、発電された交流電力を直流電力に変換するためのダイオードブリッジが出力部分に配置されたオルタネータであり、該オルタネータは、界磁巻線に流れる電流の制御のみによって、その発電電力を調整するものであり、前記発電機と前記インバータの間にはバッテリが備えられないバッテリレスタイプであり、前記発電機の界磁電圧を制御して前記発電機の出力電力を制御する制御手段を有する電動機の制御装置において、前記制御手段は、前記交流モータに対するトルク指令の変化率が所定値以上であった場合に、前記発電機の出力電力の目標値が前記交流モータに対する駆動エネルギーの目標値を超えるように、前記発電機の出力電力の目標値を増加させるトルク指令変化率演算部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、後輪のモータに急なトルク指令の立ち上がりが入力された場合においても発電機の出力落ち込みを生じることなく、安定に電力供給を行い得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記トルク指令変化率演算部は、前記発電機のエンジン回転数に応じた最大目標電力Ｐｍａｘと現在の出力パワーＰｏｕｔの差分ΔＰを前記発電機からの出力電流Ｉｄｃで除して、前記発電機の出力電圧の目標値の増加分を算出するようにしたものである。

本発明によれば、後輪のモータに急なトルク指令の立ち上がりが入力された場合においても発電機の出力落ち込みを生じることなく、安定に電力供給を行うことができる。

以下、図１〜図６を用いて、本発明の一実施形態による電動機の制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による電動機の制御装置を適用する電動４輪駆動車のシステム構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置を適用する電動４輪駆動車のシステム構成図である。

電動４輪駆動車１は、前輪２を駆動するエンジン３に専用の発電機４を接続しており、この発電機４で発電される発電電力をもとにして交流モータ６から動力を発生させる。ここで、電動４輪駆動車に適用されるモータは低速域での大トルクと高速駆動を実現するような広動作範囲を実現できる界磁巻線型同期モータが用いられることがある。交流モータ６により発生された動力により後輪５は駆動されることになるが、この動力はデフ７で左右に分配され、後輪５に伝達される。

また、モータ６とデフ７の間には、動力伝達経路を開閉する４ＷＤクラッチ１０が設けられている。また、交流モータ６のトルクを所要の値に制御できるようにインバータ８が設けられており、発電機４から出力された直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を交流モータ６に供給する。ここで、インバータ８の入力部分は、パワー素子のスイッチング動作によりかなり脈動を持った電力となる。これを平滑するのがコンデンサ９である。

インバータ８，交流モータ６及び発電機４は、コントローラ１５によって制御される。

以上が交流モータを用いた電動４輪駆動車の構成である。この電動４輪駆動車においては、低コストを意識したシステムとなっており、バッテリを搭載していないバッテリレスであり、発電機４による発電電力のみによってモータを駆動する。

次に、図２を用いて、本実施形態による電動機の制御装置を適用する電動４輪駆動車における電力フローについて説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置を適用する電動４輪駆動車の電力フロー図である。なお、図２において、図１と同一符号は、同一部分を示している。

図２は、電動４輪駆動車における発電機４と交流モータ６との間の電力フローを示している。通常のハイブリッド車などでは、コンデンサ９と並列に、電力発生源および電力回収元としてバッテリが接続される。しかしながら、電動４輪駆動車では、従来のメカ４輪駆動車以下にコストを低く抑えるといった課題があり、この低コスト化の面からバッテリは搭載しないことが多いものである。

このように、交流モータを用いた電動４輪駆動システムでは、電力を吸収するバッテリを持たないため、エンジン３により駆動される発電機４により出力される発電エネルギーＰｇと、インバータ８・交流モータ６に入力される駆動エネルギーＰｍとが等しくなるように、電力の協調制御を行う必要がある。

しかし、発電エネルギーＰｇと駆動エネルギーＰｍのバランスが崩れた場合、例えば、発電エネルギーＰｇが駆動エネルギーＰｍよりも大きかった場合は余剰の電力が平滑用のコンデンサ９に流れ込み、ＤＣバス部の電圧が上昇することになる。ＤＣバス部の電圧が許容値を超えた場合には、コンデンサ９やインバータ８のパワー素子を破壊する恐れがある。また、発電エネルギーＰｇが駆動エネルギーＰｍよりも小さかった場合には、コンデンサ９に蓄えられた電力がインバータ８・交流モータ６に消費されるために電圧が低下し、所要のトルクが出力できなくなり、発電機４の出力電圧が低下することになる。

次に、図３及び図４を用いて、本実施形態による電動機の制御装置による発電機４とモータ６／インバータ８間の電力協調制御方式について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置による発電機とモータ／インバータ間の電力協調制御方式のハード構成図である。図４は、本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置による発電機とモータ／インバータ間の電力協調制御方式の制御ブロック図である。なお、図３，図４において、図１及び図２と同一符号は、同一部分を示している。

ここでは、ＤＣバス部電圧（平滑コンデンサ電圧）をフィードバックする「ＤＣ電圧フィードバック制御方式」について述べる。図４に示すコンデンサ電圧指令Ｖｄｃ*が、ＤＣバス電圧の指令値に相当する。協調制御では、電圧指令Ｖｄｃ*に対してコンデンサ電圧Ｖｄｃをフィードバック制御する。このように電圧指令Ｖｄｃ*に対してコンデンサ電圧Ｖｄｃが安定に制御できれば、発電機とモータ・インバータ間で電力の協調制御が行えることになる。

ここで、コンデンサ電圧指令Ｖｄｃ*は、発電機の動作状態、およびモータの動作点（モータ回転数、モータトルク）に応じて決定される。このようにＤＣバス部の電圧Ｖｄｃをもとにして、コントローラ１５のモータ制御部２０はモータ制御を行い、インバータ８に対してＰＷＭ指令、モータ６に対して界磁電圧指令を出力する。それに対し、コントローラ１５の発電制御部２１は、コンデンサ電圧Ｖｄｃが指令値Ｖｄｃ*となるように、発電機（専用のオルタネータ）４の発電制御を行う。発電機４の発電電力は回転数と界磁により決定される。このうち回転数はエンジン回転数で決まるため、発電制御部２１で操作する量は界磁電圧ということになる。コンデンサ電圧Ｖｄｃが指令値Ｖｄｃ*に一致している（または一致しているとみなされる）ときは、モータ制御と発電制御がバランスよく行われている協調状態である。

ここで、図５を用いて、本実施形態による電動機の制御装置に用いる発電制御部２１の構成及び動作について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置に用いる発電制御部の構成を示すブロック図である。なお、図５において、図４と同一符号は、同一部分を示している。

発電制御部２１は、図４に示すコンデンサ電圧指令Ｖｄｃ*がＤＣバス電圧（コンデンサ電圧）の指令値に相当し、この電圧指令Ｖｄｃ*に対してコンデンサ電圧Ｖｄｃをフィードバック制御する。

図５に示すように、モータ制御部２０からの電圧指令Ｖｄｃ*に対して、発電制御部２１の減算器２１Ａは、電圧指令Ｖｄｃ*とコンデンサ電圧Ｖｄｃの差を演算し、この差分を、ＰＩ制御器２１Ｂに入力して、界磁電圧指令値Ｖｇｆを出力することにより、指令値Ｖｄｃ*に対しコンデンサ電圧Ｖｄｃをフィードバック制御する。ここでは、制御器としてＰＩ制御器２１Ｂを図示しているが、これに限定されるものではない。また、応答性を改善するために、ＰＩ制御器２１Ｃの出力部にフィードフォワード項で制御量を補償しても良い。なお、発電制御の操作量は発電機４の界磁電圧Ｖｇｆであり、この界磁電圧Ｖｇｆにより界磁電流を調整し、発電機４の発電電力を制御する。

以上に述べたように、電圧指令Ｖｄｃ*に対してコンデンサ電圧Ｖｄｃを安定に制御できれば、発電機４とモータ６・インバータ８間では電力がバランスするため、結果電力の協調制御が行えることになる。

ここで、駆動力源となる交流モータ６は固定子側の電気的時定数が数ｍｓ〜１０ｍｓ程度であり、それをインバータ８で制御することから高応答で高精度な制御が可能である。これに対して発電機４は変換器がダイオードブリッジで構成されるオルタネータであった場合には固定子側の電流制御ができないため、固定子よりも二桁相当応答が遅い界磁巻線側の制御のみを行うこととなる。

このように制御応答性が大きく異なる発電機とモータを協調させて動作させるためには、基本的に応答の遅い発電機の発電状態に合わせて、モータからパワーを出力することが必要である。しかしながら、このように制御を行った場合、電動４輪駆動車の特長が出せる低μ路での坂道発進等、急なトルクの立ち上がりが必要な走行シーンにおいて、その４駆性能を損なう可能性がある。そのような場合には、モータ制御部２０は、あらかじめ要求トルク指令の急変度合いを予測し、発電電力を増しておく。これは通常の駆動に対し、発電機の励磁を増すことで実現できる。本実施例にてこれを実現するためには、界磁の応答遅れを考慮し、あらかじめ大き目のコンデンサ電圧指令Ｖｄｃ*を出力する。

次に、図６を用いて、本実施形態による電動機の制御装置に用いるモータ制御部２０の構成及び動作について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置に用いるモータ制御部の構成を示すブロック図である。なお、図６において、図４と同一符号は、同一部分を示している。

コントローラ１５内のモータ制御部２０は、後輪の交流モータ６が発生すべきトルクの指令Ｔｒ*と現在のモータ回転数ωｍが入力され、この要求動作点に対し、モータ６のトルク制御を行う。

モータ制御部２０は、電流指令マップ２０Ａと、コンデンサ電圧指令演算部２０Ｂと、トルク指令変化率演算部２０Ｃと、加算部２０Ｄを備えている。電流指令マップ２０Ａは、入力したモータのトルク指令ＴＲ*とモータ回転数ωｍに基づいて、その動作点における電流指令Ｉｄ*、Ｉｑ*を出力する。電流指令Ｉｄ*、Ｉｑ*は、交流モータの制御に用いられる回転座標ｄ−ｑ軸上での電流指令値であり、通常一般的にベクトル制御で用いられる電流成分である。モータ制御部２０は、この電流指令Ｉｄ*、Ｉｑ*からインバータ８に対するＰＷＭ指令を生成する。

また、コンデンサ電圧指令演算部２０Ｂは、電流指令マップ２０Ａが出力する電流指令Ｉｄ*、Ｉｑ*と、入力したモータ回転数ωｍに基づいて、そのモータ動作点に最低必要な電圧、すなわちコンデンサ電圧の指令値Ｖｄｃ*を演算する。コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ*の演算方法の一例は、以下に示すとおりである。

まず、以下の式（１），式（２）に示すように、電流指令Ｉｄ*、Ｉｑ*から、回転座標ｄ−ｑ軸上での電圧指令Ｖｄ*、Ｖｑ*を演算する。

ここで、Ｒは巻線抵抗、ωｍはモータ各速度、Ｌｄ，Ｌｑはｄ−ｑ軸上でのインダクタンス、φは界磁主磁束をそれぞれ示している。

さらに、コンデンサ電圧Ｖｄｃ１*は、一例として、以下の式（３）により演算される。

通常走行時の電動４輪駆動車では、式（３）に示す電圧Ｖｄｃ１*を出力電圧の指令としてオルタネータの発電制御を行う。オルタネータの出力電圧が電圧指令Ｖｄｃ１*と同等になっていたならば、結果としてモータ６はインバータ８のコントロールにより指令値通りのトルクを発生することができる。そしてこの場合は、モータのトルク指令を発電機の界磁応答速度に合わせて入力した場合に相当する。

しかしながら、電動４輪駆動車の挙動としては常に発電機の応答に合わせたトルク発生で機能を発揮できるわけではなく、後輪トルクに急激な立ち上がりを要求される場合もある。たとえば、圧雪道路など摩擦抵抗が非常に低くなった坂道登坂においてエンジンで駆動される前輪がスリップした場合には当然ずり下がりが生じてしまうため、できるだけ早く後輪のトルクを発生させて前輪をグリップさせる必要がある。しかしながら前述のように発電機は、応答が遅い界磁の制御のみ可能であるため、そのままモータのトルク指令を急増させた場合に発電機側の電圧落ち込み等の不安定動作を引き起こす可能性がある。

そこで、本実施形態では、図６に示すように、トルク指令変化率演算部２０Ｃを設けている。トルク指令変化率演算部２０Ｃは、常にモータトルク指令の変化率を監視しておき、界磁立ち上がり遅れを考慮して、モータトルク指令の変化率に応じて、コンデンサ電圧指令Ｖｄｃ１*の上乗せ分（電圧指令増加分ΔＶｄｃ*）を演算する。

トルク指令変化率演算部２０Ｃは、例えば、次のように動作する。まず、オルタネータは、現在のエンジンの回転数によって発電出力可能な電力が決定されるため、そのときのエンジン回転数に応じた最大目標電力Ｐｍａｘを設定する。次に、所定のサンプリング周期毎のトルク指令変化率ΔＴｒ*を演算する。このとき、モータ速度は、随時計測されているため、所定のサンプリング毎のモータ出力パワー変化率ΔＰｏｕｔを得ることができる。さらに、前記最大目標電力Ｐｍａｘに対し、現在のモータ出力パワーの変化率ΔＰｏｕｔがオルタネータの発電応答速度を超えると判断した場合において、現在の出力パワーＰｏｕｔと、最大目標電力Ｐｍａｘとの差分ΔＰに相当するコンデンサ電圧指令増加分ΔＶｄｃ*を演算する。例えば、ΔＶｄｃ*の演算式は、以下の式（４）で表すことができる。

ここで、Ｉｄｃは、オルタネータからの出力電流である。

そして、加算器３０Ｄは、上記のようにして得られたΔＶｄｃ*を、現在のコンデンサ電圧Ｖｄｃ１*に加算して、最終電圧指令Ｖｄｃ*とする。発電制御部２１は、この加算された電圧指令Ｖｄｃ*を目標にオルタネータの界磁電流を制御するため、この動作によって界磁電流の増加する速度を通常の応答速度に対して早くすることが可能となる。

このように、電圧指令を増加させた場合には図５に示す発電制御部において界磁が増加する方向に作用するため、発電パワーが増加し、より応答の速いトルク指令に追従できるようになる。

本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置を適用する電動４輪駆動車のシステム構成図である。 本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置を適用する電動４輪駆動車の電力フロー図である。 本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置による発電機とモータ／インバータ間の電力協調制御方式のハード構成図である。 本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置による発電機とモータ／インバータ間の電力協調制御方式の制御ブロック図である。 本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置に用いる発電制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による電動機の制御装置に用いるモータ制御部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…電動４輪駆動車
２…前輪
３…エンジン
４…発電機
５…後輪
６…交流モータ
７…デファレンシャルギヤ
８…インバータ
９…平滑用コンデンサ
１０…４ＷＤクラッチ
１５…コントローラ
２０…モータ制御部
２０Ａ…電流指令マップ
２０Ｂ…コンデンサ電圧指令演算部
２０Ｃ…トルク指令変化率演算部
２１…発電制御部
２１Ｂ…ＰＩ演算器

Claims (2)

1. 内燃機関により駆動される発電機が出力する直流電力を、インバータにより交流電力に変換した後、交流モータに供給することにより、前記交流モータが直接駆動されるものであり、
   前記発電機は、発電された交流電力を直流電力に変換するためのダイオードブリッジが出力部分に配置されたオルタネータであり、
   該オルタネータは、界磁巻線に流れる電流の制御のみによって、その発電電力を調整するものであり、
   前記発電機と前記インバータの間にはバッテリが備えられないバッテリレスタイプであり、
   前記発電機の界磁電圧を制御して前記発電機の出力電力を制御する制御手段を有する電動機の制御装置において、
   前記制御手段は、前記交流モータに対するトルク指令の変化率が所定値以上であった場合に、前記発電機の出力電力の目標値が前記交流モータに対する駆動エネルギーの目標値を超えるように、前記発電機の出力電力の目標値を増加させるトルク指令変化率演算部を備えることを特徴とする電動機の制御装置。
2. 請求項１記載の電動機の制御装置において、
   前記トルク指令変化率演算部は、前記発電機のエンジン回転数に応じた最大目標電力Ｐｍａｘと現在の出力パワーＰｏｕｔの差分ΔＰを前記発電機からの出力電流Ｉｄｃで除して、前記発電機の出力電圧の目標値の増加分を算出することを特徴とする電動機の制御装置。

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