JP5343119B2 - 電気自動車の誘導電動機のトルク制御システム及びその方法 - Google Patents

電気自動車の誘導電動機のトルク制御システム及びその方法 Download PDF

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Description

本発明は、誘導電動機のトルク制御システム及びその方法に関し、より詳細には電気自動車の誘導電動機のトルクを制御する時に磁束の飽和現象、電動機の諸定数及びバッテリー電圧の変動による制御の問題をルックアップテーブル（ｌｏｏｋ−ｕｐ ｔａｂｌｅ)を利用して解決することによって、トルク制御の精度を高められる電気自動車の誘導電動機のトルク制御システム及びその方法に関する。
ハイブリッド(ｈｙｂｒｉｄ)車両の駆動モーターの埋込構造永久磁石同期電動機の温度変化によるトルク変動を補償するために、従来にはトルク補償ロジックを利用する方式を適用した。しかし、このような従来方式は、誘導電動機のトルク制御において誘導電動機の温度だけを考慮したもので、誘導電動機の磁束の飽和現象やバッテリー電圧の変動のような要素に対しては対応が不十分であり、従って誘導電動機のトルクを精度よく制御しにくい問題があった。
本発明は、前記事項を考慮して創出されたもので、本発明の目的は、電気自動車の誘導電動機のトルクを制御する時の磁束の飽和現象、電動機の諸定数及びバッテリー電圧の変動による制御の問題を予めシミュレーションによって作成したルックアップテーブル(一種のデータテーブル)を利用して解決することによって、トルク制御の精度を高められる電気自動車の誘導電動機のトルク制御システム及びその方法を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明に係る電気自動車の誘導電動機のトルク制御システムは、
２次元ルックアップテーブルを利用して、パワー指令と誘導電動機の回転速度から静止座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令
を出力し、前記出力されたｄ軸電流指令
を基に１次元ルックアップテーブルを利用して相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)を出力する電流指令部、
前記電流指令部からの相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)の入力を各々受けて、誘導電動機の磁束を制御し、回転子のスリップを計算し、これを反映して前記電流指令部からのｄ軸及びｑ軸電流指令
に対するｄ軸及びｑ軸電圧指令
を出力する磁束／電流制御部、
前記磁束／電流制御部からのｄ軸及びｑ軸電圧指令
の入力を受けてパルス幅を変調し、トランジスタのゲート駆動電圧を出力するパルス幅変調／ゲートドライバー、及び
前記パルス幅変調／ゲートドライバーからの出力の入力を受けて誘導電動機の駆動のための交流電圧を出力するインバータを含むことを特徴とする。
ここで、前記２次元ルックアップテーブルは、パワー指令と電動機回転速度からシミュレーションを介して得られた電流指令のデータテーブル形態であってもよい。
また、前記１次元ルックアップテーブルは、シミュレーションを介して得られた電流指令に対する相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)のデータテーブル形態であってもよい。
また、前記磁束／電流制御部は、前記電流指令部から出力された相互インダクタンス(Ｌｍ)の入力を受けて、それを基に誘導電動機の磁束を制御する磁束制御機と、前記電流指令部から出力された回転子トルク(Ｔｒ)の入力を受けて、それを基に回転子のスリップ(ｓｌｉｐ)を計算するスリップ計算機を含んでもよい。
また、前記目的を達成するために、本発明に係る電気自動車の誘導電動機のトルク制御方法は、電流指令部、磁束／電流制御部、パルス幅変調／ゲートドライバー、インバータを含む電気自動車の誘導電動機のトルク制御システムによる電気自動車の誘導電動機のトルク制御方法であって、
ａ）前記電流指令部によって２次元ルックアップテーブルを利用してパワー指令と誘導電動機の回転速度から静止座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令
を出力する段階、
ｂ）前記出力されたｄ軸電流指令
を基に前記電流指令部によって１次元ルックアップテーブルを利用して相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)を出力する段階、
ｃ）前記磁束／電流制御部によって、前記電流指令部からの相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)の入力を各々受けて誘導電動機の磁束を制御し、回転子のスリップを計算し、これを反映して前記電流指令部からのｄ軸及びｑ軸電流指令
に対するｄ軸及びｑ軸電圧指令
を出力する段階、
ｄ）前記パルス幅変調／ゲートドライバーによって、前記磁束／電流制御部からのｄ軸及びｑ軸電圧指令
の入力を受けてパルス幅を変調し、トランジスタのゲート駆動電圧を出力する段階、及び
ｅ）前記インバータによって前記パルス幅変調／ゲートドライバーからの出力の入力を受けて、誘導電動機の駆動のための交流電圧を出力する段階を含むことを特徴とする。
ここで、前記段階ａ）における２次元ルックアップテーブルは、パワー指令と電動機回転速度からシミュレーションを介して得られた電流指令のデータテーブル形態であってもよい。
また、前記段階ｂ）における前記１次元ルックアップテーブルは、シミュレーションを介して得られた電流指令に対する相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)のデータテーブル形態であってもよい。
このように本発明によると、電気自動車の誘導電動機のトルクを制御する時、磁束の飽和現象、電動機の諸定数及びバッテリー電圧の変動による制御の問題を予めシミュレーションによって作成したルックアップテーブル(一種のデータテーブル)を利用して解決することによって、トルク制御の精度を高められ、これにより電気自動車の走行性能と燃費を改善できる長所がある。
本発明に係る電気自動車の誘導電動機のトルク制御システムの構成を概略的に示した図である。 本発明に係る電気自動車の誘導電動機のトルク制御方法の実行過程を示したフローチャートである。 本発明の方法に採用されるパワー指令と電動機回転速度から電流指令を出力する２次元ルックアップテーブルを示した図である。 本発明の方法に採用されるパワー指令と電動機回転速度から電流指令を出力する２次元ルックアップテーブルを示した図である。 本発明の方法に採用されるｄ軸電流指令により相互インダクタンス(Ｌｍ)を出力する１次元ルックアップテーブルを示した図である。 本発明の方法に採用されるｄ軸電流指令により回転子トルク(Ｔｒ)を出力する１次元ルックアップテーブルを示した図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電気自動車の誘導電動機のトルク制御システムの構成を概略的に示した図である。
図１を参照すると、本発明に係る電気自動車の誘導電動機のトルク制御システムは電流指令部１１０、磁束／電流制御部１２０、パルス幅変調／ゲートドライバー１３０、インバータ１４０を含む。
前記電流指令部１１０は、２次元ルックアップテーブルを利用して、パワー指令
と誘導電動機１５０の回転の速度
から静止座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令
を出力することができる。それから、電流指令部１１０は、前記出力されたｄ軸電流指令
を基に１次元ルックアップテーブルを利用して相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)を出力することができる。ここで、このような電流指令部１１０は、一つのソフトウェアとしてのモジュールで構成される。
前記磁束／電流制御部１２０は、前記電流指令部１１０からの相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)の入力を各々受けて誘導電動機１５０の磁束を制御し、回転子のスリップを計算できる。さらに磁束／電流制御部１２０は、前記磁束の制御または回転子のスリップを反映して、前記電流指令部１１０からのｄ軸及びｑ軸電流指令
に対するｄ軸及びｑ軸電圧指令
を出力することができる。ここで、このような磁束／電流制御部１２０は、一つのソフトウェアとしてのモジュールで構成される。
前記パルス幅変調／ゲートドライバー１３０は、前記磁束／電流制御部１２０からのｄ軸及びｑ軸電圧指令
の入力を受けてパルス幅を変調し、トランジスタ(即ち、後続されるインバータ１４０の半導体スイッチング素子としてのトランジスタ)のゲート駆動電圧を出力することができる。ここで、このようなパルス幅変調／ゲートドライバー１３０としては、空間ベクターパルス幅変調(Ｓｐａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ:ＳＶＰＷＭ)ゲートドライバーが使われる。
前記インバータ１４０は、前記パルス幅変調／ゲートドライバー１３０からの出力の入力を受けて、誘導電動機１５０の駆動のための交流電圧を出力する。
ここで、前記電流指令部１１０により利用される前記２次元ルックアップテーブルは、パワー指令
と電動機回転の速度
からシミュレーションを介して得られた電流指令のデータテーブル形態であってもよい。さらに前記パワー指令
は、トルク指令
と電動機回転の速度
との乗算で表現される。
また、前記電流指令部１１０によって利用される前記１次元ルックアップテーブルは、シミュレーションを介して得られた、電流指令(例えば、ｄ軸電流指令
に対する相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)のデータテーブル形態であってもよい。
また、前記磁束／電流制御部１２０は、前記電流指令部１１０から出力された相互インダクタンス(Ｌｍ)の入力を受けて、それを基に誘導電動機１５０の磁束を制御する磁束制御機１２１と、前記電流指令部１１０から出力された回転子トルク(Ｔｒ)の入力を受けて、それを基に回転子のスリップ(ｓｌｉｐ)を計算するスリップ計算機１２２を含んでもよい。
それでは、以上のような構成を有する本発明に係る電気自動車の誘導電動機のトルク制御システムによる誘導電動機のトルク制御方法について説明する。
図２は、本発明に係る電気自動車の誘導電動機のトルク制御方法の実行過程を示したフローチャートである。
図２を参照すると、本発明に係る電気自動車の誘導電動機のトルク制御方法は、前述のような電流指令部１１０、磁束／電流制御部１２０、パルス幅変調／ゲートドライバー１３０、インバータ１４０を含む電気自動車の誘導電動機のトルク制御システムによる電気自動車の誘導電動機のトルク制御方法である。まず、前記電流指令部１１０により２次元ルックアップテーブルを利用して、パワー指令
と誘導電動機の回転の速度
から静止座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令
を出力する(段階Ｓ２０１)。図３及び図４は実測データから電流と電圧を効率的に利用できるように予め計算されて、パワー指令と電動機回転速度から電流指令を出力する２次元ルックアップテーブルを示したものであり、図３の（Ａ）は電動運転ｄ軸電流指令、（Ｂ）は電動運転ｑ軸電流指令、図４の（Ａ）は回復運転ｄ軸電流指令、（Ｂ）は回復運転ｑ軸電流指令を各々示した図である。
ここで、このような２次元ルックアップテーブルは、パワー指令
と誘導電動機の回転の速度
から電流指令を出力する一つの電流指令データテーブル形態であってもよく、このような電流指令データテーブルは本発明のシステム設計者によって予めシミュレーションを介して得られる。
一方、前記パワー指令
は、トルク指令
と電動機回転の速度
との積であり、インバータ１４０の直流端電圧が変動する場合、基準電圧に対する比によって２次元ルックアップテーブルの他の入力の電動機回転速度を変化して与えられた直流端電圧で出力可能な電流指令を生成する。また、電流指令は、ＭＴＰＡ(Ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｏｒｑｕｅ Ｐｅｒ Ａｍｐｅｒｅ)曲線とＭＦＰＴ(Ｍａｘｉｍｕｍ Ｆｌｕｘ Ｐｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ)曲線に沿って動くように計算されて、銅損(ｃｏｐｐｅｒ ｌｏｓｓ)を最小化して電圧使用率を高めることを可能にする。
以上によって、静止座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令
が出力されると、その出力されたｄ軸電流指令
を基に前記電流指令部１１０により１次元ルックアップテーブルを利用して、相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)を出力する(段階Ｓ２０２)。ここで、前記１次元ルックアップテーブルは、シミュレーションを介して得られた、電流指令に対する相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)のデータテーブル形態であってもよい。
図５は、ｄ軸電流指令により相互インダクタンス(Ｌｍ)を出力する１次元ルックアップテーブルを示した図であり、図６は、ｄ軸電流指令により回転子トルク(Ｔｒ)を出力する１次元ルックアップテーブルを示した図である。
図５の相互インダクタンス(Ｌｍ)を出力する１次元ルックアップテーブルは、弱界磁制御時の磁束の飽和現象を考慮して精度よい制御を可能にする。そして、図６の回転子トルク(Ｔｒ)を出力する１次元ルックアップテーブルは、間接ベクター制御時の電動機の諸定数の変動を考慮することによってトルク制御の精度を高められる。
即ち、１次元ルックアップテーブルの出力である相互インダクタンス(Ｌｍ)が、２次元ルックアップテーブルの実測データの測定誤差を補正し、弱界磁制御を可能にする磁束制御機１２１の一つの入力として反映されて、磁束の飽和現象を考慮した弱界磁制御が可能である。そして、他の１次元ルックアップテーブルは、回転子トルク(Ｔｒ)を出力して、間接ベクター制御時のスリップの計算に利用されることによって、磁束の飽和現象と電動機の温度変化による諸定数変化を反映して、より精度よいトルク制御を可能にする。
一方、このようにして、相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)が出力されると、前記磁束／電流制御部１２０により前記電流指令部１１０からの相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)の入力を各々受けて、誘導電動機１５０の磁束を制御し、回転子のスリップを計算し、これを反映して、前記電流指令部１１０からのｄ軸及びｑ軸電流指令
に対するｄ軸及びｑ軸電圧指令
を出力する(段階S２０３)。
その後、前記パルス幅変調／ゲートドライバー１３０により前記磁束／電流制御部１２０からのｄ軸及びｑ軸電圧指令
の入力を受けてパルス幅を変調し、トランジスタ(後述されるインバータ１４０の半導体スイッチング素子としてのトランジスタ)のゲート駆動電圧を出力する(段階Ｓ２０４)。
その後、前記インバータ１４０により前記パルス幅変調／ゲートドライバー１３０からの出力の入力を受けて、誘導電動機１５０の駆動のための交流電圧を出力する(段階Ｓ２０５)。
以上の説明のように、本発明に係る電気自動車の誘導電動機のトルク制御方法は、電気自動車の誘導電動機のトルクを制御する時の磁束の飽和現象、電動機の諸定数及びバッテリー電圧の変動による制御の問題を２次元及び１次元ルックアップテーブル(一種のデータテーブル)を利用して解決することによって、インバータ直流端の幅広い電圧範囲において電動機の磁束の飽和現象と諸定数変動を反映した精度よいトルク制御が可能である。従って、電気自動車の走行性能と燃費を改善できる長所がある。
以上、望ましい実施形態を介して本発明について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるのではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で多様に変更、応用できることは当業者には自明である。従って、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によって解釈されるべきであり、これと同等な範囲内にある全ての技術的思想は、本発明の権利範囲に含まれると解釈されるべきである。
１１０ 電流指令部
１２０ 磁束／電流制御部
１２１ 磁束制御機
１２２ スリップ計算機
１３０ パルス幅変調／ゲートドライバー
１４０ インバータ
１５０ 誘導電動機

Claims (7)

  1. シミュレーションを介して作成されたルックアップテーブルを利用する誘導電動機のトルク制御システムであって、
    ２次元ルックアップテーブルを利用して、パワー指令と誘導電動機の回転速度から静止座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令
    を出力し、前記出力されたｄ軸電流指令
    を基に１次元ルックアップテーブルを利用して、相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)を出力する電流指令部、
    前記電流指令部からの相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)の入力を各々受けて、誘導電動機の磁束を制御し、回転子のスリップを計算し、これを反映して前記電流指令部からのｄ軸及びｑ軸電流指令
    に対するｄ軸及びｑ軸電圧指令
    を出力する磁束／電流制御部、
    前記磁束／電流制御部からのｄ軸及びｑ軸電圧指令
    の入力を受けて、パルス幅を変調して、トランジスタのゲート駆動電圧を出力するパルス幅変調／ゲートドライバー、及び
    前記パルス幅変調／ゲートドライバーからの出力の入力を受けて、誘導電動機の駆動のための交流電圧を出力するインバータを含むことを特徴とする、電気自動車の誘導電動機のトルク制御システム。
  2. 前記２次元ルックアップテーブルは、パワー指令と電動機回転速度からシミュレーションを介して得られた電流指令のデータテーブル形態であることを特徴とする、請求項１に記載の電気自動車の誘導電動機のトルク制御システム。
  3. 前記１次元ルックアップテーブルは、シミュレーションを介して得られた、電流指令に対する相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)のデータテーブル形態であることを特徴とする、請求項１または２に記載の電気自動車の誘導電動機のトルク制御システム。
  4. 前記磁束／電流制御部は、前記電流指令部から出力された相互インダクタンス(Ｌｍ)の入力を受けて、それを基に誘導電動機の磁束を制御する磁束制御機、及び
    前記電流指令部から出力された回転子トルク(Ｔｒ)の入力を受けて、それを基に回転子のスリップ(ｓｌｉｐ)を計算するスリップ計算機を含むことを特徴とする、請求項１乃至３のうち一つに記載の電気自動車の誘導電動機のトルク制御システム。
  5. シミュレーションを介して作成されたルックアップテーブルを利用して、電流指令部、磁束／電流制御部、パルス幅変調／ゲートドライバー、インバータを含む電気自動車の誘導電動機のトルク制御システムによる電気自動車の誘導電動機のトルク制御方法であって、
    ａ）前記電流指令部によって、２次元ルックアップテーブルを利用して、パワー指令と誘導電動機の回転速度から静止座標系のｄ軸及びｑ軸電流指令
    を出力する段階、
    ｂ）前記出力されたｄ軸電流指令
    を基に前記電流指令部によって、１次元ルックアップテーブルを利用して、相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)を出力する段階、
    ｃ）前記磁束／電流制御部によって、前記電流指令部からの相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)の入力を各々受けて、誘導電動機の磁束を制御して、回転子のスリップを計算し、これを反映して、前記電流指令部からのｄ軸及びｑ軸電流指令
    に対するｄ軸及びｑ軸電圧指令
    を出力する段階、
    ｄ）前記パルス幅変調／ゲートドライバーによって、前記磁束／電流制御部からのｄ軸及びｑ軸電圧指令
    の入力を受けて、パルス幅を変調して、トランジスタのゲート駆動電圧を出力する段階、及び
    ｅ）前記インバータによって、前記パルス幅変調／ゲートドライバーからの出力の入力を受けて、誘導電動機の駆動のための交流電圧を出力する段階を含むことを特徴とする、電気自動車の誘導電動機のトルク制御方法。
  6. 前記段階ａ）における２次元ルックアップテーブルは、パワー指令と電動機回転速度からシミュレーションを介して得られた電流指令のデータテーブル形態であることを特徴とする、請求項５に記載の電気自動車の誘導電動機のトルク制御方法。
  7. 前記段階ｂ）における前記１次元ルックアップテーブルは、シミュレーションを介して得られた、電流指令に対する相互インダクタンス(Ｌｍ)と回転子トルク(Ｔｒ)のデータテーブル形態であることを特徴とする、請求項５または６に記載の電気自動車の誘導電動機のトルク制御方法。
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