JP5784787B1 - 電動車両のモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流制御の応答遅れや電流制御の高周波での応答振幅が変化するような高回転でのトルクリプルに起因する駆動系の振動や騒音の発生を防止する。【解決手段】トルクリプル振幅マップ１０、２０、トルクリプル位相マップ１１、２１、トルクリプル演算部１６、２２を有し、同一次数のトルクリプルを計算する同一次数トルクリプル計算部と、上記同一次数トルクリプル計算部で計算されて出力されるトルクリプルの出力倍率を、モータ２の回転数に応じて変更して加算する出力倍率設定部１７、２３と、含むトルクリプル補償手段を複数種類有するトルクリプル演算手段５を備えた。【選択図】図２

Description

この発明は、電動車両のモータ制御装置に関し、特にモータのトルクリプルによって生じる電動車両の振動を防止する電動車両のモータ制御装置に関するものである。

従来の電動車両のモータ制御装置では、トルク指令に対してモータの発生トルクが追従するようにモータ電流を制御することが行われている。さらに、電動車両のモータ制御装置では、車両がクリープ走行する際にモータが発生するトルクリプルが車両振動を誘発するため、トルクリプルによる車両振動を防止し、運転者に快適な乗り心地を提供することが求められている。

モータのトルクリプルを抑制して振動を低減する従来の装置として、例えば特開２０１０−２３９６８１号公報（特許文献１）、特開２００５−２４７５７４号公報（特許文献２）に記載のものがある。これらの特許文献に記載された装置は、モータの発生するトルクに応じたトルクリプルの振幅と位相に関するテーブルを作成し、このテーブルを参照してトルクリプルの振幅および位相が抑制されるように、トルク指令値に対応したトルクリプル補償値を算出することでトルクリプルによって生じるモータ軸振動を抑制するものである。

特開２０１０−２３９６８１号公報 特開２００５−２４７５７４号公報

上記特許文献１あるいは特許文献２に記載されたモータ制御装置にあっては、トルク指令、速度情報、電動機の回転位置ごとに関連付けられたトルクリプルの振幅、位相を用いてトルクリプルを低減している。しかし、特許文献１あるいは特許文献２に記載のモータ制御装置を電動車両の高回転でのトルクリプル低減に適用しようとすると、電流制御の応答遅れや電流制御の高周波での応答振幅の変化により、高回転のトルクリプルが十分低減できない課題があった。
特に、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両では、駆動系の機械共振が複数存在するため、状態が悪い場合には、トルクリプルと機械共振の周波数が一致し、騒音が生じたり、持続的な車体振動が生じたりするなどの課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、特に電流制御の応答遅れや電流制御の高周波での応答振幅が変化するような高回転でのトルクリプルに起因する駆動系の振動や騒音の発生を防止する電動車両のモータ制御装置の提供を目的とするものである。

この発明は、トルク指令を生成するモータトルク設定手段と、モータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、上記モータトルク設定手段で生成されたトルク指令と上記回転位置検出手段で検出された回転位置とからトルクリプル補償信号を出力するトルクリプル演算手段と、上記モータトルク設定手段で生成されたトルク指令に、上記トルクリプル演算手段から出力されたトルクリプル補償信号を加算あるいは減算した信号を新たなトルク指令として上記モータの電流を制御する手段と、を備え、
上記トルクリプル演算手段は、同一次数のトルクリプルを計算する同一次数トルクリプル計算部を複数種類有し、各同一次数トルクリプル計算部は、トルクリプル振幅マップ、トルクリプル位相マップ、トルクリプル演算部をそれぞれ有し、上記同一次数トルクリプル計算部で計算されて出力される各トルクリプルの出力倍率を、上記モータの回転数に応じてそれぞれ変更する出力倍率設定部を有し、前記出力倍率設定部により変更された各トルクリプルを加算するトルクリプル補償手段から構成されるものである。

この発明は、トルクリプル演算手段が、同一次数のトルクリプルを計算する同一次数トルクリプル計算部を複数種類有し、各同一次数トルクリプル計算部は、トルクリプル振幅マップ、トルクリプル位相マップ、トルクリプル演算部をそれぞれ有し、上記同一次数トルクリプル計算部で計算されて出力される各トルクリプルの出力倍率を、上記モータの回転数に応じてそれぞれ変更する出力倍率設定部を有し、前記出力倍率設定部により変更された各トルクリプルを加算するトルクリプル補償手段から構成されるので、電流制御の応答遅れや電流制御の高周波での応答振幅の変化により、高回転のトルクリプルを従来よりも容易に低減可能である。また、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両では、駆動系の機械共振が複数存在するために、トルクリプルと機械共振の周波数が一致して生じる騒音や車体振動を従来よりも低減することが可能である。

この発明の実施の形態１に係る電動車両のモータ制御装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電動車両のモータ制御装置のトルクリプル演算手段の詳細を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電動車両のモータ制御装置で制御されるモータのトルクリプルの振幅を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動車両のモータ制御装置のトルクリプル振幅マップ、トルクリプル位相マップに用いるデータを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動車両のモータ制御装置の電流制御手段の周波数応答を示す図である。 実施の形態１に係る電動車両のモータ制御装置の効果を説明する図である。

以下、この発明に係る電動車両のモータ制御装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電動車両のモータ制御装置を示すブロック構成図である。図１において、電動車両のモータ制御装置は、モータトルク設定手段１によって設定されたトルク指令は、モータ２の回転位置を検出する回転位置検出手段３からの角度情報と、回転位置検出手段３からの角度情報を入力として回転数算出手段４によって算出された回転数情報に基づいて、トルクリプル演算手段５で算出したトルク補償指令が加算され、新たなトルク指令としてトルク−電流変換手段６に入力される。

トルク−電流変換手段６は、電流制御手段７への電流指令を算出し出力する。トルク−電流変換手段６によって出力された電流指令と、電流検出手段８によって検出したモータ２の電流情報との偏差が電流制御手段７に入力されて、モータ２を駆動するための電圧を生成する電圧制御手段９に出力するようにしている。

電流制御手段７は、トルク−電流変換手段６によって出力された電流指令と、電流検出手段８によって検出したモータ２の電流情報との偏差を入力とするＰＩ制御が一般的によく用いられる。ＰＩ制御は、制御演算の遅れ、電圧制御の遅れ、電流検出のノイズ低減、電流制御安定化の理由により、モータ２に流れる電流が電流指令の変化周波数が大きくなるほど遅れが大きくなり、応答振幅も電流指令の変化周波数が大きくなるほど低下する特性を有することが一般的によく知られている。

次に、図２により実施の形態１におけるトルクリプル演算手段５の詳細な構成を説明する。トルクリプル演算手段５は、回転位置検出手段３からの角度情報と、モータトルク設定手段１からのトルク指令を入力として、例えば、低速での６次トルクリプルの振幅を設定する第１の６次トルクリプル振幅マップ１０によって、モータ２の発生するトルクリプルの６次成分の振幅を算出する。また、例えば、低速での６次トルクリプルの位相を設定する第１の６次トルクリプル位相マップ１１によって、モータ２の発生するトルクリプルの６次成分の位相を算出する。第１の６次トルクリプル振幅マップ１０からの振幅を倍率補正マップ１２から出力される倍率補正値を乗算手段１３で乗算して新たな振幅を算出する。第１の６次トルクリプル位相マップ１１からの位相に、位相進み補正マップ１４からの位相進み補正量を加算手段１５で加算して、新たな位相を算出する。

第１の６次トルクリプル演算部１６は、第１の６次トルクリプル振幅マップ１０からの振幅と倍率補正マップ１２から出力される倍率補正値とを乗算して得られる新たな６次トルクリプル振幅と、第１の６次トルクリプル位相マップ１１からの位相に、位相進み補正マップ１４からの位相進み補正量を加算した新たな６次トルクリプル位相とから、モータ２のトルクリプルを正弦波の重ね合わせでモデル化した次式１を用いて６次トルクリプルの値を計算している。

ここで、
ｎ：トルクリプル次数（本実施の形態ではｎ＝６としている。）
Ｔｎ：ｎ次トルクリプル振幅
αｎ：ｎ次トルクリプル位相
θ：角度（電気角）
である。

第１の６次トルクリプル演算部１６で算出された６次トルクリプルは、回転数ごとに設定した出力倍率（０〜１の値）を設定して演算する第１の出力倍率設定部１７の出力である出力倍率と乗算手段１８で乗算され、トルクリプル加算手段１９に入力される。

ここで、第１の６次トルクリプル振幅マップ１０、第１の６次トルクリプル位相マップ１１、倍率補正マップ１２、乗算手段１３、位相進み補正マップ１４、加算手段１５、第１の６次トルクリプル演算部１６により、低速時の６次数トルクリプル計算部を構成し、この低速時の６次数トルクリプル計算部と、第１の出力倍率設定部１７、及び乗算手段１８により、低速時のトルクリプル補償手段を構成している。

同様に、回転位置検出手段３からの角度情報と、モータトルク設定手段１からのトルク指令を入力として、例えば、高速での６次トルクリプルの振幅を設定する第２の６次トルクリプル振幅マップ２０によって、モータ２の発生するトルクリプルの６次成分の振幅を算出する。また、例えば、高速での６次トルクリプルの位相を設定する第２の６次トルクリプル位相マップ２１によって、モータ２の発生するトルクリプルの６次成分の位相を算出する。

第２の６次トルクリプル演算部２２は、第２の６次トルクリプル振幅マップ２０からの６次トルクリプル振幅と、第２の６次トルクリプル位相マップ２１からの６次トルクリプル位相とから、モータ２のトルクリプルを正弦波の重ね合わせでモデル化した次式２を用いて６次トルクリプルの値を計算している。

ここで、
ｎ：トルクリプル次数（本実施の形態ではｎ＝６としている。）
Ｔｎ：ｎ次トルクリプル振幅
αｎ：ｎ次トルクリプル位相
θ：角度（電気角）
である。

第２の６次トルクリプル演算部２２で算出された６次トルクリプルは、回転数ごとに設定した出力倍率（０〜１の値）を設定して演算する出力倍率設定部２３からの出力である出力倍率と乗算手段２４で乗算され、トルクリプル加算手段１９に入力される。

トルクリプル加算手段１９では、乗算手段１８からの６次トルクリプルと、乗算手段２４からの６次トルクリプルとを加算して、トルクリプル補償値として出力する。即ち、トルクリプル加算手段１９では、電流制御手段７の遅れが小さい範囲の低速の６次トルクリプルと、電流制御手段７の遅れが大きい範囲の高速の６次トルクリプルとが加算されて、電流制御手段７の応答周波数の１／５から１／１０程度のトルクリプル補償値が生成され出力される。

ここで、第２の６次トルクリプル振幅マップ２０、第２の６次トルクリプル位相マップ２１、第２の６次トルクリプル演算部２２、により、高速時の６次数トルクリプル計算部を構成し、この高速時の６次数トルクリプル計算部と、第２の出力倍率設定部２３、及び乗算手段２４により、高速時のトルクリプル補償手段を構成している。

上記において、第１の６次トルクリプル振幅マップ１０及び第１の６次トルクリプル位相マップ１１と、第２の６次トルクリプル振幅マップ２０及び第２の６次トルクリプル位相マップ２１とは、モータ２の角度に対して同一の次数（本実施の形態ではｎ＝６）であるが、それぞれ異なる回転数におけるモータ２のトルクリプルを相殺するように設定したデータとしている。

なお、上記においては６次のトルクリプルで示しているが、それ以外の次数であってもよく、例えば、６次、１２次、１８次などの複数の次数のトルクリプルを補償した場合には、それぞれの次数に対応したトルクリプルを並列に演算させて、これらを加算したものを新たなトルクリプル補償指令とすればよい。

図３は、モータ２を低速回転（１００ｒｐｍ以下）させたときのモータ２のトルクリプルの振幅を示す図である。多くのモータでは、図３の結果のように、モータの電気角に対して６次のトルクリプル成分が顕著である場合が多い。

図４は、図３のトルクリプル振幅、およびモータ２の角度からの位相ずれ（トルクリプル位相）を、６次、１２次、１８次についてプロットした図である。本実施の形態では、例えば図３の６次成分（図４中に６ｆと記載したもの）を、第１の６次トルクリプル振幅マップ１０、第１の６次トルクリプル位相マップ１１に用いる。

図５は、図１のモータ制御装置の上記電流指令からモータ２の電流までの、周波数応答、即ち、電流制御手段７の周波数応答を示す図である。この図５から、電流振幅と電流位相は高回転になるほど振幅は小さくなり、位相ずれも大きくなることがわかる。倍率補正マップ１２、位相進み補正マップ１４は、図５の電流制御の周波数応答の遅れや演算の遅れなどを補償するように、トルクリプルの周波数（例えば、６ｆであれば電気角周波数の６倍の周波数）に相当する振幅、位相をモータ２の回転数ごとに設定する。例えば、電流振幅が０．１倍になる場合には、トルクリプル振幅を１０倍にするように倍率補正マップ１２を設定する。電流位相が４５度遅れる場合には、トルクリプル位相を４５度進めるように位相進み補正マップ１４を設定する。

このようにすることで、モータ２を低速回転（１００ｒｐｍ以下）でまわしたときのトルクリプルに基づくデータを第１の６次トルクリプル振幅マップ１０、第１の６次トルクリプル位相マップ１１に用いたとしても、モータ２に流れる電流の遅れや応答振幅の変化を補償し、良好なトルクリプルの補償効果が得られることは容易に想像できる。

ただし、上記電流制御の特性は高回転になるほど、データのあわせこみが大変になる、制御装置の遅れやモータの特性により、図３の特性が成立しなくなる。このため、トルクリプルの補償誤差が増大する。

実施の形態１では、第１の出力倍率設定部１７を例えば５００ｒｐｍ以下で１倍に設定し、第２の出力倍率設定部２３を例えば電動車両の振動加速度、または騒音が大きくなる付近でのみ１倍になるように設定している。第２の６次トルクリプル振幅マップ２０、第２の６次トルクリプル位相マップ２１を、モータ２や電動車両の振動加速度、または騒音が最小になるように設定することで、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両におけるトルクリプルと機械共振の周波数が一致して生じる騒音や車体振動を従来よりも低減することが可能である。

図６は、実施の形態１に係る電動車両のモータ制御装置の効果を説明する図であって、電動車両の駆動系の振動を測定した結果を示す図である。図６（ａ）は実施の形態１を適用しない場合であり、モータ２のトルクリプルの６次成分が機械共振に一致した場合の振動加速度である。図６（ｂ）は本実施の形態１を適用した場合であり、モータ２のトルクリプルの６次成分が機械共振に一致した場合の振動加速度は図６（ａ）に比べて大幅に低減できている。

なお、上記においては実施の形態１に係る電動車両のモータ制御装置について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ モータトルク設定手段、２ モータ、３ 回転位置検出手段、４ 回転数算出手段、５ トルクリプル演算手段、６ トルク-電流演算手段、７ 電流制御手段、８ 電流検
出手段、９ 電圧制御手段、１０ 第１の６次トルクリプル振幅マップ、１１ 第１の６次トルクリプル位相マップ、１２ 倍率補正マップ、１３、１８、２４ 乗算手段、１４
位相進み補正マップ、１５ 加算手段、１６ 第１の６次トルクリプル演算部、１７ 第１の出力倍率設定部、１９ トルクリプル加算手段、２０ 第２の６次トルクリプル振幅マップ、２１ 第２の６次トルクリプル位相マップ、２２ 第２の６次トルクリプル演算部、２３ 第２の出力倍率設定部。

Claims (3)

1. トルク指令を生成するモータトルク設定手段と、
   モータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
   上記モータトルク設定手段で生成されたトルク指令と上記回転位置検出手段で検出された回転位置とからトルクリプル補償信号を出力するトルクリプル演算手段と、
   上記モータトルク設定手段で生成されたトルク指令に、上記トルクリプル演算手段から出力されたトルクリプル補償信号を加算あるいは減算した信号を新たなトルク指令として上記モータの電流を制御する手段と、
   を備え、
   上記トルクリプル演算手段は、
   同一次数のトルクリプルを計算する同一次数トルクリプル計算部を複数種類有し、各同一次数トルクリプル計算部は、トルクリプル振幅マップ、トルクリプル位相マップ、トルクリプル演算部をそれぞれ有し、上記同一次数トルクリプル計算部で計算されて出力される各トルクリプルの出力倍率を、上記モータの回転数に応じてそれぞれ変更する出力倍率設定部を有し、前記出力倍率設定部により変更された各トルクリプルを加算するトルクリプル補償手段から構成されることを特徴とする電動車両のモータ制御装置。
2. 上記出力倍率設定部で設定される出力倍率は、それぞれ異なる回転数で増幅率が大きくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の電動車両のモータ制御装置。
3. 上記トルクリプル補償手段の少なくとも１種類は、トルクリプル振幅マップ、トルクリプル位相マップを振動加速度または騒音が最小になるように設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の電動車両のモータ制御装置。