JP6187242B2 - 車両の駆動力制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、主駆動輪を内燃機関(エンジン)で駆動し、従駆動をモータで駆動する車両の駆動力制御装置に関する。
主駆動輪を内燃機機関で従駆動輪をモータで駆動する駆動力制御装置としては、例えば特許文献1に記載の技術がある。この技術では、上記内燃機関で駆動される発電機をモータの駆動力源とし、上記発電機の界磁電流を制御することで該発電機が発電した電力をモータに供給する。
上記界磁制御は、発電機(オルタネータ等)の界磁コイルへの通電で行われ、その界磁電流駆動回路は、例えば定電圧原を使用する他励回路と自励回路との並列回路からなる。また、界磁電流駆動回路としては、他励回路だけからなる回路構成も使用される。
特開2006−306144号公報
上記界磁電流駆動回路が、他励回路のみから構成される場合、通常自励回路にて界磁電流を供給する高電圧の範囲で界磁電流が不足して、発電量が低下するおそれがあった。発電量が低下すると、従駆動輪で発生可能なモータトルクが低下し、4輪駆動性能が悪化する。また、狙い通りの発電制御が行えないことでモータのトルク変動が生じて、ショック等を発生するおそれもある。
本発明は、上記のような点に着目したもので、モータに対してより適切な発電電力を供給可能とすることを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明の一態様の車両の駆動力制御装置は、主駆動輪を駆動する内燃機関と、上記内燃機関で駆動される発電機と、上記発電機の発電する電力が供給されて従駆動輪を駆動するモータと、上記発電機の界磁電流を制御する発電機制御部と、を備える。上記界磁電流の制御は、他励回路によって実施され、上記発電機制御部は、上記発電機の発電電圧が予め設定した設定電圧以上の場合に、上記界磁電流を増加補正する界磁補正部を有する。
本発明の一態様によれば、予め設定した電圧以上の発電電圧領域では発電時における発電上昇に伴う界磁電流の不足を増加補正する。この結果、モータに対してより適切な発電電力を供給することが可能となる。
本発明の実施形態を示す概略構成図である。 発電機の界磁電流用の界磁電流駆動回路を示す図であり、(a)が他自励並列回路を、(b)が他励回路のみの構成を示す図である。 本実施形態の4WDコントローラの構成を示すブロック図である。 モータ制御部の構成例を示すブロック図である。 発電機制御部の構成例を示すブロック図である。 FF制御部及び増加補正演算部の構成を示すブロック図である。 回転数毎の発電機特性マップを示す図である。 増加補正量を求めるための特性マップを示す図である。 界磁電流駆動回路の出力特性を示す図である。 フル発電に対する出力可能電力比率を示す図である。 界磁電流とD1との関係における補正量の算出例を説明する図である。 発電回転数に対するゲインg−1の関係を示す特性マップを説明する図である。
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明を4輪駆動車両に適用した場合の概略構成図である。
この図1に示すように、本実施形態の車両は、左右前輪1L、1Rが、内燃機関であるエンジン2によって駆動される主駆動輪であり、左右後輪3L、3Rが、モータ4によって駆動可能な従駆動輪である。
上記エンジン2の吸気管路には、例えばメインスロットルバルブとサブスロットルバルブとが介装されている。メインスロットルバルブは、アクセルペダルの踏込み量等に応じてスロットル開度が調整制御される。サブスロットルバルブは、ステップモータ等をアクチュエータとし、そのステップ数に応じた回転角により開度が調整制御される。従って、サブスロットルバルブのスロットル開度をメインスロットルバルブの開度以下等に調整することによって、運転者のアクセルペダルの操作とは独立して、エンジンの出力トルクを減少させることができる。つまり、サブスロットルバルブの開度調整が、エンジン2による前輪1L、1Rの加速スリップを抑制する駆動力制御となる。
上記エンジン2の出力トルクTeは、トランスミッション及びデファレンスギヤ5を通じて左右前輪1L、1Rに伝達される。また、エンジン2の出力トルクTeの一部は、無端ベルト6を介して発電機7に伝達されることで、発電機7は、エンジン2の回転数Neにプーリ比を乗じた回転数Ngで回転する。
上記発電機7は、4WDコントローラ8によって調整される界磁電流Ifgに応じてエンジン2に対し負荷となり、その負荷トルクに応じた発電をする。この発電機7の発電電力の大きさは、回転数Ngと界磁電流Ifgとの大きさにより決定される。なお、発電機7の回転数Ngは、エンジン2の回転数Neからプーリ比に基づき演算することができる。
図2は発電機の界磁電流駆動回路の構造の例を示す図である。
図2(a)に示す界磁電流駆動回路は、界磁電流電源として車両の12Vバッテリのような定電圧電源7aと発電機自身の出力電圧とを選択する構成を適用し、界磁電流電源のプラス側を界磁コイル7bに繋げて、トランジスタ7cをスイッチングするように構成されている。この場合、発電機出力がバッテリ電圧VBを下回っている状態では、他励領域となってバッテリ電圧VBが界磁コイル7bの電源となり、発電機出力が増加して出力電圧Vgがバッテリ電圧VB以上となると、自励領域となって発電機の出力電圧Vgが選ばれて界磁コイル7bの電源となる。即ち、界磁電流値を発電機の電源電圧により増大することができるので、大幅な発電機出力の増加が可能である。図2(b)に示す界磁電流駆動回路は、界磁電流電源として車両の12Vバッテリのような定電圧電源7aのみ(他励領域のみ)を使用する他励回路だけからなる場合の構成である。
本実施形態では、界磁電流駆動回路は、図2(b)に示すような他励回路のみからなる構成とする。
発電機7が発電した電力は、ジャンクションボックス10及びインバータ9を介してモータ4に供給可能となっている。上記モータ4の駆動軸は、減速機11及びクラッチ12を介して後輪3L、3Rに接続可能となっている。なお、本実施形態のモータ4は交流モータである。また、図中の符号13はデファレンスギヤを示す。
ジャンクションボックス10内には、インバータ9と発電機7とを接続・遮断するリレーが設けられている。そして、このリレーが接続されている状態で、発電機7から図示しない整流器を介して供給された直流の電力は、インバータ9内で三相交流に変換されてモータ4を駆動する。なお、この実施形態では、モータ4として交流モータを例示するが、モータ4は直流モータであっても良い。
また、ジャンクションボックス10内には、発電電圧を検出する発電機電圧センサと、インバータ9の入力電流である発電電流を検出する発電機電流センサとが設けられ、これらの検出信号は4WDコントローラ8に出力される。また、モータ4の駆動軸にはレゾルバが連結されており、モータ4の磁極位置信号Θを出力する。
上記クラッチ12は、例えば湿式多板クラッチであって、4WDコントローラ8からの指令に応じて締結及び開放を行う。なお、本実施形態においては、締結手段としてのクラッチを湿式多板クラッチとしたが、例えばパウダークラッチやポンプ式クラッチであってもよい。
また、各車輪1L、1R、3L、3Rには、車輪速センサ27FL、27FR、27RL、27RRが設けられている。各車輪速センサ27FL、27FR、27RL、27RRは、対応する車輪1L、1R、3L、3Rの回転速度に応じたパルス信号を車輪速検出値として4WDコントローラ8に出力する。
上記4WDコントローラ8は、例えばマイクロコンピュータ等の演算処理装置を備えて構成され、上記各車輪速度センサ27FL〜27RRで検出される車輪速度信号、ジャンクションボックス10内の電圧センサ及び電流センサの出力信号、モータ4に連結されたレゾルバの出力信号及びアクセルペダル(不図示)の踏込み量に相当するアクセル開度等が入力される。
4WDコントローラ8は、図3に示すように、目標モータトルク演算部8A、発電機供給電力演算部8B、発電電流指令演算部8C、発電機制御部8D、モータ制御部8E、クラッチ制御部8Fを備える。
目標モータトルク演算部8Aは、従駆動輪である後輪3L,3Rの要求駆動力、例えば、4輪の車輪速度信号に基づいて算出される前後輪の車輪速度差とアクセルペダル開度信号とから、モータトルク指令値Ttを算出する。
発電機供給電力演算部8Bは、モータトルク指令値Tt、モータ回転数Nmに基づいて、次式をもとに発電機供給電力Pgを演算する。
Pg=Tt×Nm/Иm ・・・(1)
ここで、Иmはインバータ効率である。即ち、発電機供給電力Pgは、トルク指令値Ttとモータ回転数Nmとの積により求められるモータに必要な電力Pm(=Tt×Nm)よりインバータ効率Иm分多い値となる。
モータ制御部8Eは、トルク指令値Ttとモータ回転速度Nmとから、公知のベクトル制御を行う。そして、インバータ9に3相パワー素子のスイッチング制御信号を出力して3相交流電流を制御する。
図4は、インバータ9によりモータ4を制御する上記モータ制御部8Eの処理の一例を示すブロック図である。この図4に示されるモータ制御部8Eは、2相/3相変換部301と、Id,Iq指令値演算部302と、PID制御部303と、Vd,Vq指令値演算部304と、Vdc指令値演算部306と、2相/3相変換部307と、PWM制御部308と、界磁電流指令値演算部309と、界磁磁束演算部310と、で構成され、目標モータトルク演算部8Aで算出されたトルク指令値Ttが入力されて実モータトルクTがトルク指令値Ttとなるようにインバータ9の3相のパワー素子をスイッチング制御する。
2相/3相変換部301では、電流センサにより検出された3相の交流電流値であるU相電流値Iu、V相電流値Iv、W相電流値Iwを2相の直流電流値であるd軸電流値Id、q軸電流値Iqに変換し、出力する。
Id,Iq指令値演算部302では、トルク指令値Ttとモータ回転数Nmとに基づいて、このトルク指令値Ttに一致するトルクを出力するためのd軸電流とq軸電流との指令値Id、Iqを演算し、出力する。
PID制御部303では、2相/3相変換部301から出力される電流値Id、IqとId,Iq指令値演算部302から出力される電流指令値Id、Iqとの偏差に対してPID制御を施し、Vd,Vq指令値演算部304にフィードバックする。
Vd,Vq指令値演算部304では、PID制御部303から入力されるフィードバック値と、モータ回転数Nmと、後述する界磁磁束演算部310から入力されるモータパラメータ(インダクタンスLd,Lq、界磁磁束Φ)とに基づいて、d軸電流値Idをd軸電流指令値Idにするためのd軸電圧指令値Vdと、q軸電流値Iqをq軸電流指令値Iqにするためのq軸電圧指令値Vqとを演算する。
Vdc指令値演算部306では、電圧指令値Vd、Vqに基づいて、発電電圧指令値Vdc*を演算し、発電機制御部8Dに出力する。
Vdc=2√2/√3・√(Vd*2+Vq*2) ・・・(2)
また、2相/3相変換部307では、dq軸電圧指令値Vd,Vqを3相正弦波指令値である3相座標系のU相電圧指令値Vu、V相電圧指令値Vv、W相電圧指令値Vwに変換し、PWM制御部308に出力する。
PWM制御部308では、2相/3相変換部307から入力される3相正弦波指令値をもとに三角波との大小比較をしてPWM指令を演算し、インバータ9に出力するスイッチング信号を生成する。インバータ9は、このスイッチング信号に応じたPWM波電圧を生成してモータ4へ印加し、これによりモータ4が駆動される。
この三角波比較の際、直流電圧指令値である発電電圧指令値Vdcを用いて、例えばU相の場合、Vu/Vdcにより正弦波振幅の正規化を行い、この正弦波指令値と三角波とを比較することでU相のスイッチング信号を出力する。
また、界磁電流指令値演算部309では、界磁電流指令値Ifを演算する。界磁磁束演算部310では、界磁磁束Φを演算して、前述したVd,Vq指令値演算部304に出力する。
クラッチ制御部8Fは、上記クラッチ12の状態を制御し、4輪駆動状態と判定している間はクラッチ12を接続状態に制御する。
発電電流指令演算部8Cは、上記発電機供給電力演算部8Bで算出された発電機供給電力Pgと、上記モータ制御部8Eで算出される発電電圧指令値Vdcとに基づき、次式をもとに発電電流指令値Idcを演算する。
Idc=Pg/Vdc ・・・(3)
次に、発電機制御部8Dの処理について説明する。
図5は、発電機7の発電制御を行う発電機制御部8Dの詳細を示すブロック図である。
この発電機制御部8Dは、P制御部101と、I制御部102と、FF制御部103と、制御量加算部104と、界磁制御部105と、増加補正演算部106と、で構成され、界磁電圧PWMデューティ比C1を決定して発電機7の界磁電流IfgをPWM制御する。
P制御部101では、上記算出された発電電流指令値Idcと実発電電流値Idcとの偏差に基づいてP制御を行う。先ず、発電電流指令値Idcと実発電電流値Idcとの偏差に所定のゲインを乗算する。そして、発電機の回転数変動に対してゲインの感度を一定にするために、この値に発電機回転数Ngの逆数を乗算し、これをP制御における制御量Vpとして後述する制御量加算部104に出力する。
I制御部102では、上記算出された発電電流指令値Idcと実発電電流値Idcとの偏差に基づいてI制御を行う。つまり、発電電流指令値Idcと実発電電流値Idcとの偏差を積分していく。ここで、積分値は上限値及び下限値をもつ。そして、上記P制御同様、この積分値に発電機回転数Ngの逆数を乗算し、これをI制御における制御量Viとして後述する制御量加算部104に出力する。
FF制御部103は、図6に示すように、PWMデューティ比算出部103Aと、デューティ比加算部103Bと、制御量算出部103Cとを備える。
PWMデューティ比算出部103Aでは、図7に示すような予め格納された回転数毎の発電機特性マップを参照し、発電電圧指令値Vdcと発電電流指令値Idcとに基づいて、フィードフォワードで発電機界磁電圧のPWMデューティ比D1を求める。この図7において、曲線a1〜a4は、発電機7の自励領域において界磁電圧PWMデューティ比D1を固定とし、発電機7の負荷を徐々に変化させた場合の動作点の軌跡であり、曲線a1〜a4はデューティ比D1の違いを示している。
デューティ比加算部103Bは、上記PWMデューティ比算出部103Aが算出した界磁電圧PWMデューティ比D1に、後述の増加補正演算部106が算出したデューティ比補正量ΔDを加算して増加補正後の界磁電圧PWMデューティ比D2を求める。
制御量算出部103Cは、上記補正後のPWMデューティ比D2と発電電圧指令値Vdcとに基づいて、次式をもとにFF制御における制御量Vffを算出し、制御量加算部104に出力する。
Vff=D1×Vdc ・・・(4)
制御量加算部104では、制御量Vpと制御量Viと制御量Vffとを加算し、これを界磁コイルにかける電圧Vfとして界磁制御部105に出力する。
界磁制御部105では、実発電電圧値Vdcが発電機7の界磁電流電源としてのバッテリ電圧VB以下であるか否かを判定し、Vdc≦VBであるときには下記(5)式をもとに界磁電圧PWMのデューティ比C1を算出する。
C1=Vf/VB ・・・(5)
一方、Vdc>VBであるときには、下記(6)式をもとに界磁電圧PWMデューティ比C1を算出する。
C1=Vf/Vdc ・・・(6)
そして、このようにして算出されたデューティ比C1に応じて、発電機7の界磁電流Ifgを制御する。
つまりこの発電機制御部8Dでは、トルク指令値Ttから決まる発電機供給電力Pgを実現する発電機動作点をフィードフォワードで指定すると共に、発電電流指令値Idcと実発電電流値Idcとの偏差をPI補償にてフィードバックすることにより、実発電電流値Idcを発電電流指令値Idcに追従させる。これにより、モータ4の要求に応じた電力をインバータ9に供給するように発電機7の界磁電流Ifgが制御される。
ここで、ここではフィードバック制御に用いる制御手法としてPI補償を適用しているが、これに限定されるものではなく、系を安定にする制御手法であればよい。
また、モータが直流モータの場合には、発電電圧指令値Vdc、発電電流指令値Idcとして、発電機の出力電圧、目標モータ電機子電流を使用すればよい。ただし、発電機の出力電圧は、パワーケーブル電圧降下分を補正して電圧の適正化を行う。
次に、増加補正演算部106の処理について説明する。
増加補正演算部106は、図6に示すように、補正量演算部106Aと、界磁補正調整部106Bと、最終補正量演算部106Cと、を備える。
補正量演算部106Aでは、PWMデューティ比算出部103Aが算出した界磁電圧PWMデューティ比D1と、発電電圧指令値Vdc*とに基づき、デューティ比補正量ΔD0を算出する。
具体的には、図8に示すような、発電電圧指令値Vdc(横軸)と界磁電圧PWMデューティ比D1(縦軸)をパラメータとしたマップに基づき、デューティ比補正量ΔD0を算出する。
次に、図8に示す特性マップについて説明する。
図9(a)は、自他励並列回路の発電特性を示し、図9(b)は、他励のみ回路の発電特性を示す。この図9から分かるように、自他励並列回路の発電機では、発電指令値のデューティ比に比例した発電電流特性であるのに対し、他励回路のみの発電機では電圧の上昇とともに出力の低下が生じる。
図10に自他励並列回路と他励回路のみの出力特性の差を示す。縦軸をフル発電(デューティ100%)に対する出力可能電流比率としてプロットすると、他励回路のみでは電圧の上昇に伴い比例関係が成立しないことが分かる。これは出力電流が小さいほど顕著である。
そこで、図11に示すように、電圧に応じた不足界磁電流を発電指令デューティ比に換算し、不足分として補正(加算)すべきデューティ比を発電機の出力特性から算出する。これは、指令に対して足りない比率を補正値として加算して、本願の指令電流を確保するためである。
図11の方法にて算出した結果を指令値のデューティ比に応じた補正量をマップ化すると、上述の図8のようになる。
この図8のマップでは、電圧が12V未満では、デューティ比補正量ΔD0=0である。12Vは、界磁コイルの電力を供給するバッテリの電圧VBに相当する。
界磁補正調整部106Bでは、図12のようなマップを参照して、発電機回転数からゲインを求める。このゲインg−1は、回転数が増加するほど小さくなる値となっている。
この図12に示すマップは、図8を求めたときの発電機回転数と同じ回転数で、ゲインg−1が1となるように調整されている。
最終補正量演算部106Cでは、下記式のように、補正量演算部106Aが算出したデューティ比補正量ΔD0に対し、界磁補正調整部106Bが算出したゲインg−1を乗算して、最終的なデューティ比補正量ΔDを求める。
ΔD = g−1 ×ΔD0
ここで、上記説明では、補正量演算部106Aが算出したデューティ比補正量ΔD0に対し、界磁補正調整部106Bが算出したゲインg−1を乗算して、最終的なデューティ比補正量ΔDを求める場合を例示したが、図8のマップを発電機回転数分用意して使用するようにしてもよい。この場合には、界磁補正調整部106B、最終補正量演算部106Cは不要となる。
(動作その他)
主駆動輪をエンジンにより従動輪をモータにより駆動するモータ駆動車両の制御装置において、モータの駆動力源である電力はエンジンに搭載された発電機の電流量をコントロールすることでモータトルクを発生させる。発電機の電流量は発電機のロータに設置された界磁コイルへ通電する電流量と発電機の回転数および発電電圧により決定する。
ここで、本実施形態のシステムの発電機は約10〜60Vの範囲で電圧可変として使用するとする。このとき、自励回路を伴う発電機を採用した場合には前述の発電機界磁コイルへの電源供給用パワー素子が通常の補機用のオルタネータで使用しているパワー素子を使うことが出来ないうえ、本電圧範囲で使用できる汎用パワー素子が存在しない。
一方、他励回路のみでの発電制御(界磁制御)を行う場合、他励回路のみでは通常自励回路にて界磁電流を供給する高電圧(12V以上)の範囲で界磁電流が不足し、発電量が低下し、従駆動輪のモータトルクが低下し、4輪駆動性能が悪化するおそれがある。また、狙い通りの発電制御が行えないことでモータ4のトルク変動が生じて、ショック等を発生するおそれもある。
これに対し、本実施形態では、発電電力が上がり、発電電圧が予め設定した設定電圧以上の発電電力領域に上昇すると、界磁電流が不足する分を電圧に応じた界磁電流分だけ増加補正することで、適切な発電量を確保できる。これによって、要求される四輪駆動性能を確保することが出来る。
また、上記増加補正量を、発電機の回転数に応じて調整する。すなわち、発電機の特性により、発電機の回転数に応じた発電特性の差を回転数に応じて発電指令値を調整する。この結果、適切な発電量を制御でき、指令値に追従することでトルク変動等によるショックの抑制が出来る。
ここで、増加補正演算部106とデューティ比加算部103Bとは、界磁補正部を構成する。
(本実施形態の効果)
(1)上記界磁電流の制御は、他励回路によって実施される。発電機制御部8Dは、上記発電機の発電電圧が予め設定した設定電圧以上の場合に、上記界磁電流を増加補正する界磁補正部を有する。
他励回路を採用することで、予め設定した電圧以上の発電時における発電上昇に伴う界磁電流が不足する。この電圧が高い動作領域での出力不足分を増加補正することで、より適切な発電量が確保可能とすることが可能となる。
(2)界磁補正調整部106Bは、上記界磁補正部による増加補正の補正量を上記発電機の発電回転数によって調整する。上記界磁補正調整部106Bは、発電機回転数が大きいほど上記補正量を小さくする。
上記増加補正量を、発電機の回転数に応じて調整する。すなわち、発電機の特性により、発電機の回転数に応じた発電特性の差を回転数に応じて発電指令値を調整する。この結果、適切な発電量を制御でき、指令値に追従することでトルク変動等によるショックの抑制が出来る。
1L、1R 左右前輪(主駆動輪)
2 エンジン(内燃機関)
3L,3R 後輪(従駆動輪)
4 モータ
7 発電機
7A 定電圧電源
7B 界磁コイル
8 4WDコントローラ
8A 目標モータトルク演算部
8B 発電機供給電力演算部
8C 発電電流指令演算部
8D 発電機制御部
8E モータ制御部
8F クラッチ制御部
101 P制御部
102 I制御部
103 FF制御部
103A PWMデューティ比算出部
103B デューティ比加算部
103C 制御量算出部
104 制御量加算部
105 界磁制御部
106 増加補正演算部
106A 補正量演算部
106B 界磁補正調整部
106C 最終補正量演算部

Claims (2)

  1. 主駆動輪を駆動する内燃機関と、上記内燃機関で駆動される発電機と、上記発電機の発電する電力が供給されて従駆動輪を駆動するモータと、上記発電機の界磁電流を制御する発電機制御部と、を備え、
    上記界磁電流の制御は、他励回路によって実施され、
    上記発電機制御部は、上記発電機の発電電圧が予め設定した設定電圧以上の場合に、上記界磁電流を増加補正する界磁補正部を有することを特徴とする車両の駆動力制御装置。
  2. 上記界磁補正部による上記増加補正の補正量を上記発電機の発電回転数によって調整する界磁補正調整部を備え、
    上記界磁補正調整部は、上記発電機回転数が大きいほど上記補正量を小さくすることを特徴とする請求項1に記載した車両の駆動力制御装置。
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