JP6304401B2 - 電動機の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

この発明は電動機の制御装置及び制御方法に関する。

モータ（電動機）の制御において、過電流や電流指示の異常が起こった場合に回路を保護するための仕組みが必要となる。

ＪＰ０８−１０７６０２Ａには、異常発生時に一定時間以下のものは通電停止後、再度通電し、一定時間以上異常の場合は通電を停止するモータの制御回路が開示されている。

電動機の制御装置は、トルク指令に基づいて電流値及び電流の位相、電圧の位相等を制御している。ここで、あるトルク指令で電動機を制御しているときに、電流制限を行った場合は、電圧の位相と電流の位相とが乖離して、電動機の駆動トルクがトルク指令を満たせなくなり、電動機の駆動トルクが過渡的に低下する可能性がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされてものであり、過電流を制限する場合にも、トルク指令と時委委細のトルクとが乖離しないように制御する電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様によると、電動機と、電動機に電力を供給する駆動部と、トルク指令に基づいて駆動部が制御して、電動機の駆動トルクを制御する電圧指令部と、駆動部と電動機との間の電流値が所定値を超えた場合に、駆動部が出力する電力を制限する制限信号を出力する電流制限部と、電流制限部が駆動部へと制限信号の出力を許可するか禁止するかを判定する制限許可判定部と、を備える電動機の制御装置に適用される。制限許可判定部は、電流制限部が制限信号を出力した場合に、電動機の駆動トルクがトルク指令を満たせない場合は、電流制限部が駆動部へと制限信号の出力を禁止することを特徴とする。

図１は、本発明の実施形態の電動機の制御装置の機能を示す機能ブロック図である。 図２は、本発明の実施形態の電動機の制御装置の構成を示す説明図である。 図３は、本発明の実施形態のインバータが電流制限を行った場合の電流及び電圧の位相の変化を示す説明図である。 図４は、本発明の実施形態の制限許可判定部の制限許可マップの一例の説明図である。 図５Ａは、本発明の実施形態のＰＷＭ信号生成部におけるトルク指令とモータの駆動トルクの時間推移と、ベクトル制御におけるモータの電流値及び電圧値の時間推移を示す。 図５Ｂは、本発明の実施形態のモータの三相電圧の各電流値の時間推移と、電圧位相及び電流位相の時間推移を示す。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態の電動機の制御装置１００の機能を示す機能ブロック図である。

図１は、本実施形態の電動機の制御装置１００が実現する機能を示す機能ブロック図であり、本発明の実施形態の上位概念を示す図である。

三相交流モータ（以降、「モータ」と呼ぶ）４は、駆動部１２０から供給される三相の交流電力を受けて駆動する。

モータ４は、例えば永久磁石同期電動機により構成され、インバータ３から供給される三相交流により巻線に磁束が発生し、永久磁石との作用により回転して駆動トルクを発生する。

駆動部１２０は、電圧指令生成部１１０により生成された電圧指令に基づき、バッテリ等の電源から三相交流を生成し、モータ４に供給する。電圧指令生成部１１０は、運転者からのトルク指令を受け、モータ４の回転速度を検出する回転数検出部１３０と、モータ４に供給される三相交流の各相の電流を検出する電流センサ６の出力値とによりモータ４の動作をフィードバック制御しながら、電圧指令を生成する。

電流制限部１５０は、電流センサ６の検出値から過電流を検出する。電流制限部１５０は、過電流が検出されたときに駆動部１２０にゲートオフ信号を出力して、モータ４への電力の供給を制限する。

制限許可判定部１４０は、運転者のトルク指令と、回転数検出部１３０の出力値とから、電流制限部１５０がゲートオフ信号の出力を許可するか否かを指示する回路動作許可信号を出力する。

図２は、本発明の実施形態の電動機の制御装置１００の構成を示す説明図である。

電動機の制御装置１００は、例えば電気自動車に搭載され、電気自動車の駆動力源として機能する。

モータ４は、インバータ３からの三相交流が供給されて動作する。インバータ３には、バッテリ１からの直流電力がメインリレー２を介して供給される。メインリレー２は、バッテリ１とインバータ３との間の回路を開閉して電力を流通及び遮断する。バッテリ１とインバータ３との間には直流電力を平滑化するコンデンサ５が並列に備えられる。

インバータ３は、複数のスイッチング素子Ｔｒ（Ｔｒ１〜Ｔｒ６）と、各スイッチング素子Ｔｒに並列に接続され、スイッチング素子Ｔｒへの逆方向電流を阻止する整流素子（ダイオード）Ｄ（Ｄ１〜Ｄ６）を備える。

インバータ３は、スイッチング素子Ｔｒの動作によりバッテリ１の直流電力を交流電力に変換してモータ４に供給する。本実施形態では、一対のスイッチング素子Ｔｒを直列に接続した３対の回路がバッテリ１に対して並列に接続され、一対のスイッチング素子Ｔｒの間の出力が、モータ４に入力される三相電力の一つの相となる。

インバータ３からモータ４へと供給される三相電力のそれぞれには、各相の電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する電流センサ６が備えられる。電流センサ６は、検出した電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをコントローラ１０に出力する。

モータ４には、レゾルバやエンコーダ等から構成される回転子位置センサ７が備えられる。回転子位置センサ７は、モータ４の回転子位置θを示す位置センサ信号をコントローラ１０に出力する。

コンデンサ５の両端子間には、コンデンサ５の両端子間の電圧を検出する電圧センサ８が備えられる。電圧センサ８は、検出したコンデンサ５の両端子間の電圧信号をコントローラ１０に出力する。

インバータ３において、スイッチング素子Ｔｒ１とＴｒ２、スイッチング素子Ｔｒ３とＴｒ４及びスイッチング素子Ｔｒ５とＴｒ６が、それぞれ直列に接続される。スイッチング素子Ｔｒ１とＴｒ２の間がモータ４のＵ相に、スイッチング素子Ｔｒ３とＴｒ４の間がモータ４のＶ相に、スイッチング素子Ｔｒ５とＴｒ６の間がモータ４のＷ相に、それぞれ接続されている。

インバータ３には、ゲート駆動回路９と電流制限回路１２とが備えられる。ゲート駆動回路９は、コントローラ１０からの指示により、各スイッチング素子ＴｒのゲートのＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。電流制限回路１２は、モータ４に供給される三相電力の各相の電流値を監視し、電流値が電流制限閾値を超えた場合に過電流の発生を判定して、ゲート駆動回路９にゲートオフ信号を出力する。ゲートオフ信号が出力された場合は、インバータ３の各スイッチング素子ＴｒがＯＦＦに制御され、インバータ３が出力する電力が制限される。

コントローラ１０は、インバータ３の動作を制御するＰＷＭ信号生成部１１を備える。

ＰＷＭ信号生成部１１は、運転者からのトルク指令値に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成し、生成した信号をゲート駆動回路９に出力する。ゲート駆動回路９は、ＰＷＭ信号生成部１１からのＰＷＭ信号に基づいて、インバータ３の各スイッチング素子Ｔｒを所定のタイミングでＯＮ／ＯＦＦ制御する。

ＰＷＭ信号生成部１１は、回転子位置センサ７から出力されるモータ４の回転子位置θを示す位置センサ信号を取得する。また、ＰＷＭ信号生成部１１は、電流センサ６から出力されるインバータ３からモータ４に供給される三相電力の各相の電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、電圧センサ８から出力されるコンデンサ５の両端子間の電圧信号を、ゲート駆動回路９を介して取得する。ＰＷＭ信号生成部１１は、これら取得した各信号とトルク指令値とに基づいて、ゲート駆動回路９に出力するＰＷＭ信号を生成する。

コントローラ１０は、制限許可判定部１３を備える。制限許可判定部１３は、後述するように、インバータ３の電流制限回路１２が過電流を検出したときにゲート駆動回路９にゲートオフ信号を出力することを許可するか否かを決定する制限許可信号を生成する。

電流制限回路１２は、電流センサ６から出力される三相電力の各相の電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを取得して、過電流が発生しているか否かを判定する。電流制限回路１２は、過電流が発生したと判定した場合は、制限許可信号が入力されているときに限り、ゲート駆動回路９に対してゲートオフ信号を出力する。ゲート駆動回路９にゲートオフ信号が入力された場合は、インバータ３の各スイッチング素子Ｔｒがターンオフされ、インバータ３の出力が制限される。

次に、本発明の実施形態の制限許可判定部１３の動作を説明する。

図２のように構成した電動機の制御装置１００において、電流制限回路１２は、電流センサ６が検出した電流値が電流制限閾値を超えた場合に過電流の発生を判定し、ゲートオフ信号を出力してインバータ３のスイッチング素子ＴｒをＯＦＦに制御する。

このような電流制限回路１２の制御において、インバータ３がモータ４をトルク要求に基づいて動作させているときに、ＯＮに制御されているスイッチング素子Ｔｒがゲートオフ信号によりＯＦＦに制御される。このときモータ４に逆起電力が発生し、スイッチング素子Ｔｒに逆向きの電圧が印可される。この逆向きの電圧により、インバータ３が出力する電圧の位相が変化する。一方で、インバータ３が出力する電流はゲートオフ信号により制限されるため、インバータ３が出力する電流の位相も変化する。

図３は、本発明の実施形態のインバータ３が電流制限を行った場合の電流及び電圧の位相の変化を示す説明図である。

図３に示す図は、モータ４がある駆動トルクで動作している場合の、電流位相αと電圧位相βとがそれぞれ変化した場合の状態を示す。

電流位相αの変化量が電圧位相βの変化量よりも大きい領域（図３における（１）及び（２）の領域）では、電流制限回路１２によりゲートオフ信号が出力されて、インバータ３の出力が制限された場合は、まず電流位相αが増加する。そしてこれに伴って電圧位相βも増加方向に変化する。結果として、電流位相αと電圧位相βとは増加方向に変化するので、これらが乖離することはない。

一方で、電流位相αの変化量が電圧位相βの変化量よりも小さい領域（図３における（３））では、電流制限により、電流位相の増加と電圧位相の減少のサイクルが繰り返されるため、矢印で示すように、元の動作点から乖離した状態に遷移する。

このように、ゲートオフ信号によりインバータ３における電圧及び電流の位相がそれぞれ変化する。特に、モータ４を指示トルクに基づいて駆動させているときに、電流制限回路１２によりゲートオフ信号が出力された場合は、電圧及び電流の位相が乖離し、モータ４の駆動トルクが低下する場合がある。なお、電圧及び電流の位相が乖離してモータ４の駆動トルクが低下する状態を「乖離モード」と呼ぶ。

乖離モードに移行することにより、モータ４の駆動トルクが過渡的に低下する。そこで、本発明の実施形態では、次のように制御することにより、乖離モードへの移行を抑制する。

制限許可判定部１３は、ＰＷＭ信号生成部１１から出力される各種信号に基づいてモータ４の動作状態を取得し、モータ４の動作状態に基づいて、制限許可信号を出力するか否かを判定する。

制限許可判定部１３の判定に用いられるモータ４の動作状態の一例として、指示トルクとモータ４の回転速度との関係に基づいて、制限許可信号を出力するか否かを判定することができる。

図４は、本発明の実施形態の制限許可判定部１３の制限許可マップの一例の説明図である。

制限許可判定部１３は、ＰＷＭ信号生成部１１から、モータ４の指示トルクとモータ４の実回転速度を取得する。制限許可判定部１３は、取得した指示トルク及び実回転速度を図４に示すマップに照合して、許可信号を出力するか制限許可信号を出力するかを判定する。

図４に示す制限許可判定マップでは、比較的トルクが低い領域が制限禁止領域に設定されている。モータ４のトルクが低い領域では、モータ４に供給する電流値も低くなる。このような運転状態では、モータ４に印加される電流値は低いため、通常は過電流と判定される電流制限閾値を超える電流が流れることはない。

一方で、制御装置内部の故障や電流センサ６の故障等により、検出された電流値の値が異常な値であった場合に、インバータ３の出力が制限されることが防止できる。

次に、制限許可判定部１３の動作の別の例を説明する。

制限許可判定部１３は、インバータ３からモータ４に供給される電力の電圧位相α及び電流位相βの大小関係が次に示す数式１を満たす場合に、電流制限回路１２に制限許可信号を出力する。

図３で前述したように、電圧位相αが電流位相βよりも大きい場合（図３における領域（１）及び（２））には、電流制限回路１２がゲートオフ信号を出力してインバータ３の出力電流が制限させた場合にも、乖離モードには移行しない。すなわち、インバータの出力電力が制限されて、電圧位相αが変化したとしても、電流位相βにより電圧位相αの変化を縮小させる方向に変化させるので、電圧位相αと電流位相βとは乖離しない。

一方で、電圧位相αが電流位相βよりも小さい場合（図３における領域（３））には、インバータの出力電力が制限されて、電圧位相αが変化した場合に、電流位相βにより電圧位相αの変化が拡大し、電圧位相αと電流位相βとが乖離する。この場合は、制限許可判定部１３は制限許可信号を出力せず、電流制限回路１２による制限を禁止する。

次に、制限許可判定部１３の動作のさらに別の例を説明する。

制限許可判定部１３は、インバータ３からモータ４に供給される電力において次の数式２を満たす場合に、電流制限回路１２に制限許可信号を出力する。

ただし、φａは磁石磁束、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｉａは回転子位置センサ信号θと各相の電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとに基づき、次の数式３を用いて変換されるｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとから算出される値である。

数式２について、モータ４に印加される三相電流によりコイル側で発生する磁束密度ＬｄＩａが、モータ４の永久磁石側の磁束密度φａを打ち消すほど強い場合は、ターンオフ信号によりインバータ３の出力電力を制限した場合にも駆動トルクの低下量が少なく、乖離モードには移行しない。

一方で、コイル側の磁束密度ＬｄＩａが、永久磁石側の磁束密度φａよりも小さい場合は、インバータ３の出力電力を制限した場合に乖離モードに移行する可能性がある。そこで、前述の数式３を満たす場合には、制限許可判定部１３は制限許可信号を出力せず、電流制限回路１２による制限を禁止する。

次に、過電流発生時の別の制御の例を説明する。

前述のように、制限許可判定部１３は、インバータ３によるモータ４の制御に基づいて、電流制限回路１２による制限の禁止を判定した。

これに対して、電流制限回路１２が、電流センサ６が検出した電流値が電流制限閾値を超えて過電流の発生を判定したときには、制限許可判定部１３は常に許可を発行しゲートオフ信号の出力を許可する。そして、コントローラ１０は、規定時間が経過するまで、ＰＷＭ信号生成部１１に対して、コントローラ１０に入力されたトルク指令よりもトルクを減少させるトルク減少指令を出力する。

このように制御することによっても、乖離モードに移行することを防止することができる。

図５Ａ及び５Ｂは、本発明の実施形態の制限許可判定部１３による電流制限動作の制御の一例の説明図である。

図５Ａは、ＰＷＭ信号生成部１１におけるトルク指令とモータ４の駆動トルクの時間推移と、ベクトル制御におけるモータ４の電流値Ｉａ及び電圧値Ｖａの時間推移を示す。図５Ｂは、モータ４の三相電圧の各電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの電流値の時間推移と、モータ４における電圧位相α及び電流位相βの時間推移を示す。

電流制限回路１２が過電流を検出した場合は、電流制限回路１２は、ゲートオフ信号をインバータ３に出力する。これにより、インバータ３の出力電流が制限される（タイミングｔ１）。

このとき、電流制限回路１２は、過電流を検出したことをＰＷＭ信号生成部１１にも通知する。ＰＷＭ信号生成部１１は、過電流を検出しことを通知された場合は、過電流に対応して、インバータ３により駆動されるモータ４の駆動トルクのトルクダウン制御を実行する（タイミングｔ２）。

このように制御することにより、トルク指令を減少させることでインバータ３が出力する電流が減少するため、電流値が電流制限閾値以下となり、電流制限回路１２によるゲートオフ信号の出力が停止され、インバータ３の制限が解除される。すなわち、ゲートオフ信号によりインバータ３の出力が制限されたとしても、トルク減少指令によりトルクを減少させることでモータ４の駆動トルクを減少させて、前述のような乖離モードに移行することを防止できる。

以上説明したように、本発明の実施形態の電動機の制御装置１００は、モータ４（電動機）と、モータ４に電力を供給する駆動部と、トルク指令に基づいて駆動部１２０を制御して、モータ４の駆動トルクを制御する電圧指令生成部１１０と、駆動部１２０とモータ４との間の電流値が所定値を超えた場合に、駆動部１２０が出力する電力を制限する制限信号を出力する電流制限部１５０と、電流制限部１５０が駆動部１２０へとゲートオフ信号（制限信号）の出力を許可するか禁止するかを判定する制限許可判定部１４０と、を備える電動機の制御装置１００に適用される。

制限許可判定部１４０は、電流制限部１５０が制限信号を出力した場合にモータ４の駆動トルクがトルク指令を満たせない場合は、電流制限部１５０が駆動部へと制限信号の出力を禁止することを特徴とする。

このように構成することによって、モータ４の電流値が所定値を超えた場合に駆動部１２０の電流値を抑制させてモータ４や駆動部１２０等の破損やモータ４の永久磁石が減磁することを防止することができる。さらに、制限信号を出力した場合にモータ４の駆動トルクがトルク指令を満たせない場合は電流制限を行わないので、モータ４の駆動トルクがトルク指令を満たせない状態となることを回避することができる。

以上説明した本発明の実施形態では、モータ４により駆動する電気自動車を例に説明したが、これに限られない。例えば、エンジンを搭載し、モータ４とエンジンとで走行するハイブリッド自動車においても、同様に適用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する主旨ではない。

Claims (6)

1. 電動機と、
   前記電動機に電力を供給する駆動部と、
   トルク指令に基づいて前記駆動部を制御して、前記電動機の駆動トルクを制御する電圧指令部と、
   前記駆動部と前記電動機との間の電流値が所定値を超えた場合に、前記駆動部が出力する電力を制限する制限信号を出力する電流制限部と、
   前記電流制限部が前記駆動部へと前記制限信号の出力を許可するか禁止するかを判定する制限許可判定部と、
   を備え、
   前記制限許可判定部は、前記電流制限部が前記制限信号を出力した場合に、前記電動機の駆動トルクが前記トルク指令を満たせない場合は、前記電流制限部が前記駆動部へと前記制限信号の出力を禁止することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載の電動機の制御装置であって、
   前記制限許可判定部は、前記電動機の駆動トルク及び回転速度に基づいて、前記電流制限部が前記駆動部に前記制限信号の出力を禁止することを特徴とする電動機の制御装置。
3. 請求項１に記載の電動機の制御装置であって、
   前記制限許可判定部は、前記電動機に供給される電力の電圧位相及び電流位相に基づいて、前記電流制限部が前記駆動部に前記制限信号の出力を禁止することを特徴とする電動機の制御装置。
4. 請求項１に記載の電動機の制御装置であって、
   前記制限許可判定部は、前記駆動部が供給する電力を制御することで前記電動機のコイルが発生する磁束密度が、前記電動機の永久磁石が発生する磁束密度よりも大きい場合は、前記電流制限部が前記駆動部に前記制限信号の出力を許可することを特徴とする電動機の制御装置。
5. 請求項１に記載の電動機の制御装置であって、
   前記制限許可判定部は、
   前記電流制限部が前記駆動部に前記制限信号の出力を許可する場合は、
   規定時間のみ前記制限信号の出力を許可すると共に、前記電圧指令部は、前記規定時間中に、前記電動機の駆動トルクを減少させることを特徴とする電動機の制御装置。
6. 電動機と、前記電動機に電力を供給する駆動部と、トルク指令に基づいて前記駆動部が供給する電力を制御することで前記電動機の駆動トルクを制御する電圧指令部と、を備える電動機の制御装置における制御方法であって、
   前記駆動部と前記電動機との間の電流値が所定値を超えた場合に、前記駆動部が出力する電力を制限する制限信号を出力すると共に、
   前記制限信号を出力した場合に、前記電動機の駆動トルクが前記トルク指令を満たせない場合は、前記制限信号の出力を禁止する
   ことを特徴とする電動機の制御方法。

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