JP5406238B2

JP5406238B2 - 車両用モータ制御装置

Info

Publication number: JP5406238B2
Application number: JP2011081540A
Authority: JP
Inventors: 一幸田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: JP2012217284A

Description

本発明は、電気自動車もしくはハイブリッド自動車における走行用の車両モータ（電動機、回転電機）を制御する車両用モータ制御装置に関するものである。

従来、車両の駆動源として走行用モータを備える電気自動車あるいは内燃機関と走行用モータとの両方を備えるハイブリッド自動車においては、走行用モータ駆動時に発生するトルクリプル（あるいはトルクリップル、トルク脈動とも云う）などの振動源が車両のサスペンションなどの弾性系の共振を発生させることが知られている。この共振によって車両に振動や騒音を発生させ搭乗者のフィーリングが悪化するという問題があり、その対策が求められていた。

このような走行用モータのトルクリプルなどの振動源に起因する車両の共振対策として、例えば、特許文献１に示される電気自動車の走行制御装置では、電子制御装置５０内のＣＰＵ５２は、運転者によるアクセルペダル６０の操作量に基づいて、走行モータ３０のトルク目標値を算出し、検出された走行モータ３０の回転数を用いて回転脈動に同期させつつ、このモータの回転脈動を抑制する方向にトルク目標値を補正し、補正されたトルク出力値により走行モータ３０を制御することにより、走行モータ３０の回転数の脈動成分を抑制することを実現している。

また、特許文献２に示される車両の制御装置では、ＥＣＵ３０は、トルク算出部５２と、時定数決定部５３と、１次遅れフィルタ５４とを備えており、トルク算出部５２は、モータジェネレータＭＧの出力可能なパワーＰｍとモータ回転数ＭＲＮとに基づいてトルク指令値ＴＲｂの基本値を算出し、また、時定数決定部５３は、モータ回転数ＭＲＮに基づいて時定数Ｔを決定し、１次遅れフィルタ５４は、モータ回転数ＭＲＮの変動によってトルク指令値ＴＲｂの基本値に生じる周波数成分を除去して、トルク指令値ＴＲｂを出力する。時定数決定部５３は、モータ回転数ＭＲＮが所定値より高いときの時定数Ｔよりもモータ回転数ＭＲＮが所定値より低いときの時定数Ｔが大きくなるように時定数Ｔを決定する。すなわち、１次遅れフィルタ５４は、モータ回転数ＭＲＮに応じて決定された時定数Ｔに応じて、トルク指令値ＴＲｂの基本値を処理して、回転数ＭＲＮの変動によって基本値に生じる周波数成分を除去することにより、モータの回転数が低い領域におけるトルク変動を抑制することを可能にしている。

なお、ここで、車両の共振とはトルクリプルなどの振動源により車両全体が固有振動を起こすことを指す。車両の共振周波数は、車両の重量とサスペンションなどの弾性系のバネ定数および粘性係数によって定まる固有周波数である。すなわち、車両によって一意に決まる共振の固有周波数に対してトルクリプルなどの振動源の周波数成分が重なった場合に、車両の共振として現れる。

特開平１０−２３６１４号公報特開２００７−２２１８９６号公報

しかしながら、特許文献１の電気自動車の走行制御装置にあっては、車両の共振周波数
以外の周波数成分に対してもトルクリプルの補正を行なうため、結果的に車両の振動や騒音の原因にならないトルクリプル成分に対しても補正を行なうことになる。この補正制御により余計な高調波成分が発生し、新たな振動や騒音の原因になり得るという問題があった。

また、特許文献１では、レゾルバを用いてロータ回転角を取得し、ロータ回転角の時間変化を元に回転数を得る回転数センサが例示されているが、ロータ回転角から得られる回転数や回転数から得られるトルクリプル成分に時間的な遅延が発生し、トルクリプル抑制のために付与する補正トルクと実際のトルクリプル成分との間に位相差が発生し、抑制効果が十分に得られない可能性があった。

また、特許文献２に示される車両の制御装置にあっては、モータへの出力指令値とモータの回転数からモータのトルク指令を算出するため、モータへのトルク指令によりモータを駆動させるシステムには不適であるという問題や、トルク補正に１次遅れフィルタを用いるため、結果的に車両の共振の原因にならないトルクリプル成分に対して補正を行なっているという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、車両用モータのトルクリプルに起因する車両の共振を解消できる車両用モータ制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の車両用モータ制御装置は、車両用モータに取り付けられたモータ電気角センサにより検出されたモータ電気角から共振補償トルク値を算出する車両共振補償演算部と、車両制御装置から出力された前記車両用モータを駆動させるトルク指令値を前記共振補償トルク値にて補償処理し、モータ駆動トルク値を算出する補償演算器と、前記モータ駆動トルク値に基づき、バッテリの直流を三相交流に変換するインバータに、前記車両用モータを駆動させる駆動電流を指令する駆動電流指令演算部と、を備えたことを特徴とするものである。

また、請求項２に係る車両用モータ制御装置は、前記車両共振補償演算部には補償ゲイン演算部が備えられ、前記補償ゲイン演算部は、前記モータ電気角センサからモータ発生トルクのトルクリプル成分を求め、当該トルクリプル成分の値を正負反転させ、前記共振補償トルク値として出力することを特徴とするものである。

また、請求項３に係る車両用モータ制御装置は、前記車両共振補償演算部には前記車両用モータの個体毎に予め計測された前記車両の共振周波数を記録する記録部を有し、前記トルクリプル成分の周波数を制限する周波数制限部が備えられ、前記周波数制限部は、前記共振周波数と前記トルクリプル成分の周波数とを比較し、前記トルクリプル成分の周波数が前記車両の共振源となり得る周波数内であると判定された場合に、前記共振補償トルク値を出力させることを特徴とするものである。

本発明の車両用モータ制御装置によれば、車両用モータの角速度から得られるトルクリプルの中で車両の共振周波数成分に関するものをフィードフォワードすることにより、車両の共振を解消できる車両用モータ制御装置を実現することができる。

実施の形態１に係る車両用モータ制御装置を含む車両システムの全体構成図である。実施の形態１におけるモータ電気角とモータ発生トルクの関係を示す図である。実施の形態１におけるトルクリプル成分と共振補償トルク値との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る車両用モータ制御装置について、図１、図２及び図３に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る車両用モータ制御装置を含む車両システムの全体構成図であり、図２は、実施の形態１の動作を説明するためのモータ電気角とモータ発生トルクの関係を示す図であり、また、図３は、トルクリプル成分と共振補償トルク値との関係を示す図である。

図１に示すように、車両用モータ制御装置１は、車両制御装置２から出力されたトルク指令値Ｔｒｅｆと車両共振補償演算部２３から出力された共振補償トルク値Ｔｃｍｐによりトルク指令値Ｔｒｅｆに補償処理する補償演算器２０と、補償演算器２０から算出されたモータ駆動トルク値Ｔｒｅf ｃｍｐにより各種演算処理を実施し、バッテリ８の直流をインバータ２２により三相交流に変換、車両用モータ３を駆動させる電流指令演算部２１と、車両用モータ３に取り付けられたモータ電気角センサ（レゾルバ）４により検出されたモータ電気角θから共振補償トルク値Ｔｃｍｐを算出する車両共振補償演算部２３と、により構成されている。また、車両共振補償演算部２３は、角速度を算出する角速度検出部２４と、モータ電気角θからモータ発生トルクのトルクリプル（成分脈流成分）Ｔｒを算出し、共振補償トルク値Ｔｃｍｐを出力する補償ゲイン演算部２５と、補償ゲイン演算部２５から出力された共振補償トルク値Ｔｃｍｐを角速度検出部２４から得られた角速度のトルクリプル周波数Ｆｒによりその出力の可否を判定する周波数制限部２６と、共振補償トルク値Ｔｃｍｐの上限値及び下限値の調整を行い、共振補償トルク値Ｔｃｍｐを補償演算器２０に出力するリミッタ２７と、により構成されている。

次に、車両用モータ制御装置１の動作の詳細について説明する。
まず、車両制御装置１には、各種センサ７が接続されており、各運転状態量が検知される。ここでは、ドライバのアクセルペダルの踏み込み量を検知するアクセルポジションセンサ（図示せず）、ブレーキペダルの踏み込み量を検知するブレーキポジションセンサ（図示せず）、車両の速度を検知する車速センサ（図示せず）が接続され、車両制御装置１は、ドライバからのアクセルやブレーキの入力量と車速に応じて、車両用モータ制御装置
１へのトルク指令値Ｔｒｅｆを決定する。

車両用モータ制御装置１では、車両制御装置２が出力するトルク指令値Ｔｒｅｆと車両共振補償演算部２３が算出する共振補償トルク値Ｔｃｍｐとから、補償演算器２０が車両用モータ３を駆動するモータ駆動トルク値Ｔｒｅf ｃｍｐを算出し、電流指令演算部２１は、このモータ駆動トルク値Ｔｒｅf ｃｍｐを元に、ｄｑ軸変換、三相変換などの各種演算を行い、三相交流の制御条件を決定し、バッテリ８からの直流成分を所望の三相交流波形を出力するようインバータ２２内のパワースイッチング素子に働きかけ、車両用モータ３を駆動させる。

車両用モータ３はトランスミッション（Ｔ／Ｍ）５を介して車両の駆動輪６に接続され、駆動輪６は車両用モータ３のトルクによって回転され地面からの反力によって、車両は推進力を得ることができる。なお、ここで、トランスミッションは単なる減速機であってもよいし、数段の減速比を変更できる機構を備えた変速機であってもよい。

続いて、車両共振補償演算部２３が算出する共振補償トルク値Ｔｃｍｐについて説明する。トルクリプルは基本的には、電圧の高調波成分、モータ形状、巻き線方式などによって発生し、一般的にモータ周波数の６倍の周波数成分（６ｆ成分）が多いとされる。本実施の形態における車両共振補償演算部２３は、この６ｆ成分を除去／軽減する共振補償トルク値Ｔｃｍｐを演算により算出する。

図２（ａ）は、モータ電気角θとモータ発生トルクＴとの関係を示すもので、モータ発生トルクＴに６ｆ成分の脈動が含まれている様子を示すグラフである。図２（ｂ）は、その部分拡大図である。図２において、モータ発生トルクＴは、トルク指令値Ｔｒｅｆに対して脈動し、その脈動の周期はモータ電気角θの周期に対して１／６となる。すなわち、モータ電気角θの６倍の周波数（６ｆ）となる。また、モータ発生トルクＴのトルクリプル成分Ｔｒは、初期位相θ₀、振幅Ｇ₀およびモータ電気角θによって特定することができ、初期位相θ₀と振幅Ｇ₀はモータ固有の値として計測可能である。

車両共振補償演算部２３には、車両用モータ３に設けられたモータ電気角センサ４からモータ電気角θが入力される。補償ゲイン演算部２５には、事前に計測した初期位相θ₀と振幅Ｇ₀とが記録されており、初期位相θ₀、振幅Ｇ₀およびモータ電気角θによってモータ発生トルクＴのトルクリプル成分Ｔｒを求め、求めた値を正負反転し共振補償トルク値Ｔｃｍｐとして出力する。図３に、トルクリプル成分Ｔｒと共振補償トルク値Ｔｃｍｐとの関係を示す。次いで、補償演算器２０により共振補償トルク値Ｔｃｍｐにトルク指令値Ｔｒｅｆが加算処理され、モータ駆動トルク値Ｔｒｅf ｃｍｐとして電流指令演算部２１に送られ、これに基づき、電流指令演算部２１はインバータ２２に指示を与え、車両用モータ３を駆動することでトルクリプル成分Ｔｒが打ち消される。

ここで、車両共振補償演算部２３に入力されるモータ電気角θとしては、モータ電気角センサ４からの出力値を用いてもよいし、モータトルク、モータ電流から推定されるモータ電気角θを用いてもよい。

次に、周波数制限部２６の動作について説明する。周波数制限部２６は、角速度検出部２４によりモータ電気角θの時間変化から検出された車両用モータ３の角速度ωが入力され、この角速度ωからトルクリプルの周波数Ｆｒ（６ｆ）を算出する。また、周波数制限部２６には、事前に計測された車両の共振周波数Ｆ₀を記録させておき、周波数制限部２６は、この車両の共振周波数Ｆ₀と６ｆ成分の周波数とを比較し、６ｆ成分が車両共振の振動源と成り得ると判定された場合には共振補償トルク値Ｔｃｍｐを出力する。

一例として、６ｆ成分の周波数が、車両の共振周波数Ｆ₀の±５％の範囲にある場合には、補償ゲイン演算部２５の共振補償トルク値Ｔｃｍｐが出力され、それ以外の周波数の場合には、共振補償トルク値Ｔｃｍｐが出力されず、出力値として“０”が出力されるように周波数制限部２６により制限が加えられる。

ここでは、周波数制限部２６は、出力する共振補償トルク値Ｔｃｍｐをモータ電気角センサ４から出力される電気角θから角速度ωを求めて決定しているが、車両用モータ３に角速度センサを設けて直接、角速度ωを検出してもよいし、車両に備えられた車速センサや車両の上下加速度、前後加速度センサの出力からトルクリプルが車両共振の振動源となり得るかを判定し、抑制すべき周波数帯域を決定してもよい。

また、ここでは、周波数制限部２６は、車速、モータ角速度、車体の加速度等の車両の運転状態量によって共振補償トルク値Ｔｃｍｐの出力の有無を切り替えるように構成されているが、共振補償トルク値Ｔｃｍｐの値を調整するように構成してもよい。

さらに、リミッタ２７は、共振補償トルク値Ｔｃｍｐに対して予め設定された上限値および下限値の調整を行なう。すなわち、予期せぬ外乱等により共振補償トルク値Ｔｃｍｐとして大きな値が発生した場合に、リミッタ２７は、インバータ２２や車両用モータ３の制御に悪影響を与えないよう共振補償トルク値Ｔｃｍｐの値に制限を加える働きをする。

車両共振補償演算部２３は、６ｆ成分の周波数が車両共振の振動源となり得る場合において、６ｆ成分を除去／軽減するように構成されている。しかし、車両の慣性モーメントは、高車速になるにつれて上がり、振動源に起因した車両の共振は高車速域では発生せず低車速域でのみ発生する特徴をもつ。このため、車速が低速の場合においてのみ、共振補償トルク値Ｔｃｍｐを出力する構成にしてもよい。

これにより、車両用モータの角速度から得られるトルクリプルの中で車両の共振周波数成分に関するものをフィードフォワードし、車両の共振周波数成分を補償し、車両の共振を解消することができる。

このように、実施の形態１における車両用モータ制御装置によれば、車両の車両用モータの角速度から車両共振の振動源となるトルクリプル成分を算出し、このトルクリプル成分に対して正負反転した共振補償トルク値を求め、トルク指令値に加算することによって、迅速にトルクリプル成分のみを除去／軽減することができ、車両の共振を解消できる車両用モータ制御装置を実現することができるという顕著な効果が期待できる。

なお、図１で示す実施の形態１の全体構成図では、車両として電気自動車（ＥＶ）を想定した場合について説明したが、適用される車両は電気自動車だけではなく、内燃機関と車両用モータの両方を備えるハイブリッド自動車であってもよく、電気自動車の場合、各車輪に車両用モータを備えるインホイールモータタイプのものであってもよい。

また、上記実施の形態１では、車両共振補償演算や電流指令演算に関する演算を行なう制御部とインバータ部が別体である場合について説明を行なったが、制御部とインバータ部を一体としてもよい。また、車両用モータは三相交流モータであれば、永久磁石式のものであってもよいし、誘導モータ式のものであってもよい。これらの場合も、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

さらに、本発明の実施の形態の例として、実施の形態１について詳述したが、本発明はこの実施の形態１に限定されるものではなく、種々の設計変更を加えることが可能である。

１車両用モータ制御装置
２車両制御装置
３車両用モータ
４モータ電気角センサ（レゾルバ）
５トランスミッション（Ｔ／Ｍ）
６駆動輪
７各種センサ
８バッテリ
２０補償演算器
２１電流指令演算部
２２インバータ
２３車両共振補償演算部
２４角速度検出部
２５補償ゲイン演算部
２６周波数制限部
２７リミッタ

Claims

車両用モータに取り付けられたモータ電気角センサにより検出されたモータ電気角から共振補償トルク値を算出する車両共振補償演算部と、
車両制御装置から出力された前記車両用モータを駆動させるトルク指令値を前記共振補償トルク値にて補償処理し、モータ駆動トルク値を算出する補償演算器と、
前記モータ駆動トルク値に基づき、バッテリの直流を交流に変換するインバータに、前記車両用モータを駆動させる駆動電流を指令する駆動電流指令演算部と、を備えたことを特徴とする車両用モータ制御装置。
前記車両共振補償演算部には補償ゲイン演算部が備えられ、前記補償ゲイン演算部は、前記モータ電気角センサからモータ発生トルクのトルクリプル成分を求め、当該トルクリプル成分の値を正負反転させ、前記共振補償トルク値として出力することを特徴とする請求項１に記載の車両用モータ制御装置。
前記車両共振補償演算部には前記車両用モータの個体毎に予め計測された前記車両の共振周波数を記録する記録部を有し、前記トルクリプル成分の周波数を制限する周波数制限部が備えられ、前記周波数制限部は、前記共振周波数と前記トルクリプル成分の周波数とを比較し、前記トルクリプル成分の周波数が前記車両の共振源となり得る周波数内であると判定された場合に、前記共振補償トルク値を出力させることを特徴とする請求項２に記載の車両用モータ制御装置。