JP6192263B2 - 電気自動車用モータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車用モータ制御方法に係り、より詳しくは、バッテリ電圧が変化しても基本的な制御安定性が維持され、制御の確実性および正確度を向上させた電気自動車用モータ制御方法に関する。

電気自動車（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）は、バッテリの電源を利用することによって走行が可能な自動車であって、バッテリだけの電源を利用して走行する純粋電気自動車（ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）、内燃機関エンジン（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ）とバッテリ電源を共に使用するハイブリッド電気自動車（ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）などを含む。
ハイブリッド自動車などの電気自動車の駆動モータには、比較的に高い効率と単位体積あたりの高いトルクを得ることができる埋込構造永久磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅ）が使用される。

多くの場合、埋込構造永久磁石同期電動機のトルク制御のために、一定のバッテリ出力電圧（インバータ入力電圧）条件で試験を通じて構築された速度基盤電流制御命令マップを適用する。このような速度基盤電流マップを構築するためには、速度およびトルク制御命令別に多数の試験データを確保しなければならないため、開発に多くの時間が費やされる。また、車両において、バッテリ電圧が電流マッピング基準電圧よりも小さいときには電圧が不足して電流制御が不安定になり、電流マッピング基準電圧よりも高い場合にはシステム効率を極大化できないという問題があり、付加的なアルゴリズムを適用して問題を改善しなければならない（例えば、特許文献１，２参照）。

図６は、従来の技術に係る速度基盤電流制御命令決定方法の概念図である。
使用する三相交流電動機は、三相の電圧と電流が印加される。この三相の変数を変換してｄ、ｑ、０軸からなる直交座標系上の変数に変換することを座標変換と言い、通常は交流機のモデリングまたは解釈時にこの方式が採用される。
図６に示したとおり、従来の電流制御命令決定方法は、予め決定されたテーブルを使用してトルク制御命令とモータ速度に該当するｄ軸電流制御命令（ｉ^ｒ＊ _ｄｓ）とｑ軸電流制御命令（ｉ^ｒ＊ _ｑｓ）を決定する。
この方法は、安定したトルク制御が可能であるという長所があるが、次のような短所があり、付加的なアルゴリズムが必要となる。すなわち、トルク制御命令とモータ速度だけを電流制御命令生成器の入力とするため、バッテリ電圧が変動する場合には電圧変動分に対して対処することができず、モータシステムを効率的に利用することができない。また、これを防止するために、バッテリ出力電圧が不足する場合には電圧利用率制限ロジックが必要となり、バッテリ出力電圧に余裕がある場合には電圧変動補償ロジックのような追加のアルゴリズムが必要となる。

さらに、電流制御命令生成のためにすべての速度でスイープデータを確保しなければならず、また、制御安定性と出力向上の相反する課題を抱えるという短所がある。
速度基盤電流制御命令マップ方式も、バッテリ電圧変動を反映するロジック（電圧変動補償ロジック）が追加されており、制限的にバッテリ電圧変動を反映する。しかし、この方法はオフ−ライン制御構造であり、バッテリ電圧変動時に電流制御命令マップ入力値にモータ速度値を変化させる間接的な方法であるため、実際には車両状態を１００％反映することができず、電圧変動を反映することに限界がある。

特開平０８−０９８６００号公報 特開２０００−１６６００９号公報

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、バッテリ電圧が変化しても基本的な制御安定性が維持され、制御の確実性および正確度を向上させた電気自動車用モータ制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の電気自動車用モータ制御方法は、モータに駆動電源を提供するバッテリの出力電圧と前記モータの速度およびトルクが入力される段階、前記バッテリの出力電圧と前記モータの速度およびトルクを利用して磁束基盤電流制御命令マップを生成する段階、および前記磁束基盤電流制御命令マップを利用して電流制御命令を生成する段階、を含む電気自動車用モータ制御方法であって、前記バッテリの出力電圧（Ｖｄｃ）と前記モータの速度（ωｒ）から運転点比率（１／λｍａｘ）を生成し、前記モータの速度およびトルクを利用してトルク制御命令を生成する段階をさらに含み、前記運転点比率と前記トルク制御命令を利用して磁束基盤電流制御命令マップを生成することを特徴とする。

電流制御命令から電圧制御命令を生成する段階をさらに含むことを特徴とする。
バッテリの出力電圧（Ｖｄｃ）とモータの速度（ωｒ）および運転点比率（１／λｍａｘ）は、数１の関係を有することを特徴とする。

（数１において、λｄはｄ軸鎖交磁束であり、λｑはｑ軸鎖交磁束であり、λｍａｘはＶｄｃとωｒの比率である。）

電圧利用率制御器において、電圧制御命令をフィードバックして運転点比率（１／λ_ｍａｘ）生成に反映する段階を含むことを特徴とする。
電圧利用率制御器は、ｄ軸電圧制御命令とｑ軸電圧制御命令からフィードバック値（Ｖ_{ｄ、ｑ＿ｒｅｆ}）を受信し、これを反映して電圧利用率が１となるように運転点比率（１／λ_ｍａｘ）を変更することを特徴とする。
電圧制御命令から相電圧制御命令を生成する段階をさらに含むことを特徴とする。

本発明の電気自動車用モータ制御方法によれば、既存の速度基盤電流制御命令マップの場合とは異なり自動抽出方式によってマップが生成されるため、マップ生成期間が短縮され、マップ内部にバッテリ出力電圧の変動が既に反映されている構成であるため、バッテリ電圧が変化しても基本的な制御安定性が維持される効果がある。
また、モータパラメータ分布およびモデル自体の誤差によって発生し得る限界を克服するために、閉ループ方式の電圧利用率（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ）制御段階を適用することにより、制御の確実性および正確度を向上させることができる効果がある。
さらに、少数運転点のトルク制御命令補償テーブルを適用することにより、モデル基盤制御の誤差を最小化し、一つの駆動マップだけで４相の運転が可能となる効果を有する。

本発明の実施形態に係る電気自動車用モータ制御システムの構成図である。 本発明の実施形態に係る電気自動車用モータ制御方法のフローチャートである。 本発明の実施形態に係る電気自動車用モータ制御方法のブロック図である。 本発明の実施形態に係る電気自動車用モータ制御方法の実験グラフである。 従来の技術に係るモータ制御方法の実験グラフである。 従来の技術に係るモータ制御方法のブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を基に詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電気自動車用モータ制御システムの構成図である。図２は、本発明の実施形態に係る電気自動車用モータ制御方法のフローチャートである。図３は、本発明の実施形態に係る電気自動車用モータ制御方法のブロック図である。
図１〜図３に示したとおり、本発明の実施形態に係る電気自動車用モータ制御方法は、モータに駆動電源を提供するバッテリの出力電圧とモータの速度およびトルクが入力される段階（Ｓ１０）と、バッテリ出力電圧とモータ速度の比率である運転点比率（１／λ_ｍａｘ）を生成し、モータの速度およびトルクを利用してトルク制御命令（Ｔ^＊ _ｅ）を生成する段階（Ｓ２０）と、バッテリ出力電圧とモータの速度およびトルクを利用して磁束基盤電流制御命令マップを生成する段階（Ｓ３０）と、磁束基盤電流制御命令マップを利用して電流制御命令を生成する段階（Ｓ４０）と、電流制御命令から電圧制御命令を生成する段階（Ｓ５０）と、電圧利用率制御器で電圧制御命令をフィードバックして運転点比率（１／λ_ｍａｘ）生成に反映する段階（Ｓ６０）と、電圧制御命令から相電圧制御命令を生成する段階（Ｓ７０）とを含む。

本発明の実施形態に係る電気自動車用モータ制御方法に適用されるモータ駆動システムは、インバータ１０、バッテリ（図示せず）、およびモータ（図示せず）などを含んで構成される。
バッテリはメイン動力源であって、電気自動車に適用されるモータに駆動電源を供給する。
インバータ１０は、一般的に複数のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）スイッチ素子で構成され、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号によるスイッチングによってバッテリから供給されるＤＣ電圧を変換させ、モータ駆動のための相電圧として供給する。
インバータ１０は、モータ制御器（Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０の役割を行い、ＨＣＵ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１００から印加されるモータの動き制御の信号とＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）２００から印加されるバッテリの状態情報、ＴＣＵ（Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３００から印加されるモータの動きトルク制御信号により、モータの動きを制御するためのＰＷＭ信号を出力して動作を制御する。

図２、図３に示したとおり、本発明の実施形態に係る電気自動車用モータ制御方法の場合、電圧利用率制御器４００からモータの速度（ω_ｒ）とトルク（Ｔ）およびモータに駆動電源を提供するバッテリの出力電圧（Ｖ_ｄｃ）が入力される（Ｓ１０）。
また、トルク制御器３００では、入力されたモータの速度とトルク情報からトルク制御命令（Ｔ^＊ _ｅ）を生成し、電圧利用率制御器４００は、バッテリ出力電圧（Ｖ_ｄｃ）とモータの速度（ω_ｒ）から運転点比率（１／λ_ｍａｘ）を生成する（Ｓ２０）。運転点比率（１／λ_ｍａｘ）は最大磁束（λ_ｍａｘ）の逆数で定義されるものであって、本発明は磁束に基づいて電流制御を行う。
その後、上記のとおり生成されたトルク制御命令（Ｔ^＊ _ｅ）と運転点比率（１／λ_ｍａｘ）を利用し、電流制御部５００で磁束基盤電流制御命令マップを生成する（Ｓ３０）。従来の技術では、モータの速度とトルクの２種類の変数だけで電流制御命令マップを生成していたが、本発明では、電流制御部５００からモータの速度（ω_ｒ）とトルク（Ｔ）およびバッテリ出力電圧（Ｖ_ｄｃ）という３つの変数が入力され、これを利用して電流制御命令マップを生成する。
ここで、バッテリ出力電圧（Ｖ_ｄｃ）とモータの速度（ω_ｒ）および運転点比率（１／λ_ｍａｘ）は，数１の関係を有している。

数１において、λ_ｄはｄ軸鎖交磁束（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｉｎｔｅｒｌｉｎｋａｇｅ）であり、λ_ｑはｑ軸鎖交磁束であり、λ_ｍａｘはＶ_ｄｃとω_ｒの比率であり、最大磁束を意味する。数１の左辺はλ_ｍａｇと定義し、モータ内部の鎖交磁束の大きさとなる。

数１は、数２と数３から導き出される。

数２および数３において、ｖ_ｄとｖ_ｑはそれぞれｄ軸電圧とｑ軸電圧であり、ｉ_ｄとｉ_ｑはそれぞれｄ軸電流とｑ軸電流である。また、Ｒ_ｓは固定子相抵抗、λ_ｄとλ_ｑはそれぞれｄ軸鎖交磁束とｑ軸鎖交磁束を示す。ω_ｒとＶ_ｄｃはそれぞれ電気角速度とバッテリ出力電圧を示す。
λ_ｄ＝Ｌ_ｄｉ_ｄ＋λ_ＰＭ、λ_ｑ＝Ｌ_ｑｉ_ｑで表現してもよい。ここで、Ｌ_ｄはｄ軸インダクタンスであり、Ｌ_ｑはｑ軸インダクタンスであり、λ_ＰＭは永久磁石の磁束の大きさである。

数２の電圧方程式において、相抵抗成分と正常状態で電流変化率を考慮しなくなれば数３となり、数３を電圧制限式に代入すれば数１が導き出される。
１つまたは多数の実施形態において、磁束基盤電流制御命令マップは、数１を満たすｉ_ｄ、ｉ_ｑ領域とトルク関係を利用して生成される。
１つまたは多数の実施形態において、モータを一定速度に制御した状態で、電流の大きさと角度によってｄ軸とｑ軸の電圧およびトルクを測定する。このデータを利用することにより、運転点のトルクおよび運転点比率（１／λ_ｍａｘ）が求められる。
また、電流制御部５００は、マップ抽出ツールなどを用いることにより、各運転点比率（１／λ_ｍａｘ）による数１を満たすｉ_ｄ、ｉ_ｑ領域を抽出する。抽出された各トルク曲線が接するｉ_ｄ、ｉ_ｑ値のうちで最小の電流大きさを有するｉ_ｄ、ｉ_ｑ値を電流制御命令生成器のテーブル値として用いる。このような過程を通じて自動的にマップを抽出し、磁束基盤電流制御命令マップを生成する。
また、電流制御部５００において、磁束基盤電流制御命令マップを利用して電流制御命令を生成する（Ｓ４０）。具体的に、電流制御命令は、図３に示したとおり、ｄ軸電流制御命令（ｉ^ｒ＊ _ｄｓ）とｑ軸電流制御命令（ｉ^ｒ＊ _ｑｓ）に分けて生成される。

したがって、バッテリの出力電圧が電流制御命令マップ入力に反映されるため、車両の状態をリアルタイムで反映してトルク制御を実施することができ、これによって最適な電流制御命令値が生成される。
ｄ軸電流制御命令（ｉ^ｒ＊ _ｄｓ）とｑ軸電流制御命令（ｉ^ｒ＊ _ｑｓ）がＰＩ制御器（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）６００を経てｄ軸電圧制御命令（ｖ^ｒ＊ _ｄｓ）とｑ軸電圧制御命令（ｖ^ｒ＊ _ｑｓ）として生成される（Ｓ５０）。
一方、図３に示すように、ｄ軸電圧制御命令（ｖ^ｒ＊ _ｄｓ）とｑ軸電圧制御命令（ｖ^ｒ＊ _ｑｓ）は、フィードバック（Ｆｅｅｄｂａｃｋ）して電圧利用率制御器４００に送信される。
電圧利用率制御器４００は、ｄ軸電圧制御命令とｑ軸電圧制御命令からフィードバック値（Ｖ_{ｄ、ｑ＿ｒｅｆ}）を受信し、これを反映して電圧利用率が１となるように運転点比率（１／λ_ｍａｘ）を変更する（Ｓ６０）。
電圧利用率制御器４００は、閉回路（Ｆｕｌｌ−Ｃｌｏｓｅｄ Ｌｏｏｐ）制御方式により、制御対象モータの特性が反映されたＶ_{ｄ、ｑ＿ｒｅｆ}値がフィードバックされて電圧利用率が１となるように運転点比率（１／λ_ｍａｘ）を変更する。これにより、電圧利用率が常に１となるため、電流制御性が安定化する。

また、図１〜図３に示したとおり、相電圧制御部７００で生成されたｄ軸電圧制御命令（ｖ^ｒ＊ _ｄｓ）とｑ軸電圧制御命令（ｖ^ｒ＊ _ｑｓ）を受信し、これを利用してモータ駆動のための相電圧制御命令を生成する（Ｓ７０）。
図４は、本発明の実施形態に係る電気自動車モータ制御方法を適用して実験したグラフである。図５は、従来の技術に係るモータ制御方法を適用して実験したグラフである。
図５に示したとおり、従来の技術に係るモータ制御方法を適用した場合、バッテリの出力電圧（Ｖ_ｄｃ）の変動時に電流制御命令に変動がなく、電流制御命令の制御が不可能になる。また、インバータ入力電圧の変動時に、電圧利用率の維持も不可能になる。
しかし、本発明の実施形態に係る電気自動車モータ制御方法の場合、図４に示したとおり、バッテリの出力電圧（Ｖ_ｄｃ）が変われば、電流制御命令マップ入力値の運転点比率（１／λ_ｍａｘ）、すなわち、Ｖ_ｄｃとω_ｒの比率が変わるため、最適な電流制御命令を出すことができ、電流制御命令の制御も可能になる。したがって、運転点ごとに最適な電流制御命令および制御が可能となるため、モータシステムの効率が向上する。

上記のとおり、本発明の実施形態に係る電気自動車用モータ制御方法によれば、既存の速度基盤電流制御命令マップの場合とは異なり自動抽出方式によってマップが生成されるため、マップ生成期間が短縮し、マップ内部にバッテリ出力電圧の変動が既に反映されている構成のため、バッテリ電圧が変化しても基本的な制御安定性が維持される。さらに、モータパラメータ散布およびモデル自体の誤差によって発生し得る限界を克服するために、閉ループ方式の電圧利用率（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ）制御段階（Ｓ６０）を適用することにより、制御強健性および正確度を向上させる。
また、少数運転点のトルク制御命令補償テーブルを適用することにより、モデル基盤制御の極小の誤差を最小化し、一つの駆動マップだけで４相の運転が可能となる。

以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明の範囲は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって解釈されなければならない。また、この技術分野で通常の知識を有する者なら、本発明の技術的範囲内で多くの修正と変形ができることはいうまでもない。

１０ インバータ
１００ ＨＣＵ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）
２００ ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）
３００ ＴＣＵ（Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、トルク制御器
４００ 電圧利用率制御器
５００ 電流制御部
６００ ＰＩ制御器（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）
７００ 相電圧制御部
λ_ｍａｘ 最大磁束
１／λ_ｍａｘ 運転点比率
ω_ｒ モータの速度
ｉ^ｒ＊ _ｄｓ ｄ軸電流制御命令
ｉ^ｒ＊ _ｑｓ ｑ軸電流制御命令
Ｔ トルク
Ｔ^＊ _ｅ トルク制御命令
Ｖ_{ｄ、ｑ＿ｒｅｆ} フィードバック値
Ｖ_ＤＣ， Ｖ_ｄｃ バッテリの出力電圧
ｖ^ｒ＊ _ｄｓ ｄ軸電圧制御命令
ｖ^ｒ＊ _ｑｓ ｑ軸電圧制御命令

Claims (6)

1. モータに駆動電源を提供するバッテリの出力電圧と前記モータの速度およびトルクが入力される段階、
   前記バッテリの出力電圧と前記モータの速度およびトルクを利用して磁束基盤電流制御命令マップを生成する段階、および
   前記磁束基盤電流制御命令マップを利用して電流制御命令を生成する段階、を含む電気自動車用モータ制御方法であって、
   前記バッテリの出力電圧（Ｖｄｃ）と前記モータの速度（ωｒ）から運転点比率（１／λｍａｘ）を生成し、前記モータの速度およびトルクを利用してトルク制御命令を生成する段階をさらに含み、
   前記運転点比率と前記トルク制御命令を利用して磁束基盤電流制御命令マップを生成することを特徴とする電気自動車用モータ制御方法。
2. 前記電流制御命令から電圧制御命令を生成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用モータ制御方法。
3. 前記バッテリの出力電圧（Ｖｄｃ）と前記モータの速度（ωｒ）および前記運転点比率（１／λｍａｘ）は、下記数１の関係を有することを特徴とする請求項２に記載の電気自動車用モータ制御方法。
   

   

   （前記数１において、前記λｄはｄ軸鎖交磁束であり、前記λｑはｑ軸鎖交磁束であり、前記λｍａｘはＶｄｃとωｒの比率である。）
4. 電圧利用率制御器において、前記電圧制御命令をフィードバックして前記運転点比率（１／λｍａｘ）生成に反映する段階を含むことを特徴とする請求項２に記載の電気自動車用モータ制御方法。
5. 前記電圧利用率制御器は、ｄ軸電圧制御命令とｑ軸電圧制御命令からフィードバック値（Ｖｄ、ｑ＿ｒｅｆ）を受信し、これを反映して電圧利用率が１となるように前記運転点比率（１／λｍａｘ）を変更することを特徴とする請求項４に記載の電気自動車用モータ制御方法。
6. 前記電圧制御命令から相電圧制御命令を生成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の電気自動車用モータ制御方法。
   

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