JP6439588B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明はモータ制御装置に関する。

二輪倒立型移動体が開発、実用化されている。例えば、特許文献１には、倒立型移動体において、バッテリの出力電圧低下を抑制し、倒立制御の継続性を向上させるために、バッテリの残量、温度及び劣化度の少なくとも１つに基づいて、モータの回転数及び出力トルクを制限することが記載されている。

このような倒立型移動体では、小さなバッテリから最大限の出力を取り出すことが望ましい。そのためには、搭乗者の操作から必要とされるモータ性能と、現状の倒立型移動体の状態から出力可能なモータ性能とを確実に見積もることが、非常に重要となる。つまり、バッテリの温度、残量及び劣化度により倒立型移動体が出力できるモータ性能は大きく変化するが、搭乗者がこれを上回るようなモータ性能を必要とする操作をしてしまうと、出力不足により倒立型移動体が転倒するリスクが大きくなる。

また、一般に、モータが回転すると、モータの回転数と磁束との積に比例した逆起電力が発生する。このために、モータを駆動させるインバータへの入力電圧と逆起電力とが等しくなる回転数以上にモータを高速で回転させることができない。
そこで、トルクに変換される方向の電流（ｑ軸電流）と磁束を変化させる方向の電流（ｄ軸電流）との関係によって制御されるベクトル制御で駆動する３相交流モータでは、モータの磁束を弱める側にｄ軸電流（弱め界磁電流）を流すことで、モータの逆起電力を小さく抑え、モータがさらに高速で回転できるようにする弱め界磁制御を採用している。

例えば、特許文献２には、モータの回転数とトルクとｄ軸電流との関係を規定したＴＮマップのようなテーブルを参照して、ｄ軸電流を制御することが記載されている。
倒立型移動体においても、このような弱め界磁制御を採用して、モータがさらに高速で回転できるようにすることを検討している。

特開２０１５−０６６９６５号公報 特開平０７−１０７７７２号公報

上述のように、二輪倒立型移動体では、搭乗者の転倒を防ぐために、現在の状態で出力可能なモータ性能（回転数、トルク）の範囲を確実に知ることが不可欠である。
一方で、バッテリはその残量や出力する電流値によって出力電圧が変動するため、逆起電力と釣り合う回転数がその都度変動し、期待通りの弱め界磁制御の効果を得ることが困難である。例えば、上述のテーブルを使用する方法では、その都度成り行きで回転数を上げることはできるが、どの回転数までならば弱め界磁が可能であるのかを適切に認識することができず、最大限の出力を取り出せないことがあった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、弱め界磁の範囲を適切に認識して、小さなバッテリから最大限の出力を取り出すことができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係るモータ制御装置は、弱め界磁制御を行うモータ制御装置であって、トルク‐回転数マップに基づきｄ軸電流を決定する手段を備え、当該マップをバッテリの開放端電圧及び内部抵抗に基づいて複数備えるものである。

本発明により、弱め界磁の範囲を適切に認識して、小さなバッテリから最大限の出力を取り出すモータ制御装置を提供することができる。

実施の形態に係る二輪倒立型移動体１の概略システム構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る開放端電圧ＶＢの特性を示す図である。 実施の形態に係る内部抵抗Ｒｂの特性を示す図である。 実施の形態に係るＴＮマップの一例である。 実施の形態に係るＴＮマップの別の例である。 実施の形態に係るモータ制御装置１０の動作手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本実施の形態に係るモータ制御装置について説明する。
まず、本実施の形態に係るモータ制御装置１０の構成について、モータ制御装置１０が組み込まれた二輪倒立型移動体１のシステム構成に基づいて説明する。
図１は、本実施の形態に係る二輪倒立型移動体１の概略システム構成を示すブロック図である。倒立型移動体１の全体的な構成や動作については、例えば、特許文献１、特開２０１５−０６６９６４号公報などを参照されたい。
倒立型移動体１は、モータ制御装置１０、バッテリ２０、インバータ３０、モータ４０、回転計５０などを備えている。

モータ制御装置１０は、バッテリ２０から出力されるバッテリ２０の残量、温度及び劣化度に関する情報、回転計５０から出力されるモータ４０の回転数、出力トルクに関する情報、倒立型移動体１の搭乗者の動作を検出するジャイロセンサ（図示せず）から出力される角速度信号に関する情報などに基づいて、倒立型移動体１の倒立状態を維持するようにモータ４０を制御するための指令値、つまり、ｑ軸電流値、ｄ軸電流値をインバータ３０に出力する。このために、モータ制御装置１０は、入力部１１、記憶部１２、制御部１３などを有している。入力部１１は、例えば、上記したバッテリ２０の残量、温度及び劣化度に関する情報などを入力する。記憶部１２は、後述するバッテリ開放端電圧特性テーブル、バッテリ内部抵抗特性テーブル、複数のＴＮマップなどを記憶する。制御部１３は、モータ制御装置１０の動作全体を制御する。

バッテリ２０は、モータ４０を駆動するための電流をインバータ３０に供給する。また、バッテリ２０は、バッテリ２０の残量、温度及び劣化度を示す信号を生成するセンサなど（図示せず）を有しており、この信号をモータ制御装置１０に出力する。
インバータ３０は、バッテリ２０から供給される電流から、上記指令値に基づいた駆動電流を生成してモータ４０に供給する。

モータ４０は、入力した駆動電流により倒立型移動体１の左右の車輪を回転させる。
回転計５０は、モータ４０の回転数、出力トルクなどを計測して、その情報をモータ制御装置１０に出力する。
そして、本実施の形態に係るモータ制御装置１０は、バッテリ２０の残量、温度及び劣化度から、バッテリの開放端電圧及び内部抵抗を算出し、開放端電圧及び内部抵抗毎に用意したＴＮマップを参照して、ｄ軸電流を決定する。

なお、モータ制御装置１０が実現する各構成要素は、例えば、コンピュータであるモータ制御装置１０が備える制御部１３の制御によって、プログラムを実行させることによって実現できる。より具体的には、モータ制御装置１０は、例えば、記憶部１２に格納されたプログラムを主記憶装置（図示せず）にロードし、制御部１３の制御によってプログラムを実行して実現する。また、各構成要素は、プログラムによるソフトウェアで実現することに限ることなく、ハードウェア、ファームウェア、及びソフトウェアのうちのいずれかの組み合わせ等により実現しても良い。

上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。

また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されても良い。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

続いて、本実施の形態に係るモータ制御装置１０の動作について説明する。
特許文献１にも記載されているように、バッテリの供給電圧Ｖｉｎと供給電流Ｉとの関係は、バッテリの開放端電圧Ｖｂ、内部抵抗Ｒｂを用いて、式（１）のように表すことができる。

Ｖｉｎ ＝ Ｖｂ − ＲＢ × Ｉ ・・・式（１）

バッテリは、一般的に、バッテリの残量が少なくなるほど、開放端電圧Ｖｂが低くなり、バッテリの残量が多くなるほど、開放端電圧Ｖｂが高くなる。
図２は、本実施の形態に係る開放端電圧ＶＢの特性を示す図である。横軸はバッテリの残容量比率（ＲＳＯＣ、Relative State of Charge）を示し、縦軸は開放端電圧Ｖｂを示す。バッテリ開放端電圧特性テーブルは、記憶部１２に記憶されている。

また、バッテリは、一般的に、バッテリ残量が少なくなるほど、また、バッテリの温度が低くなるほど、内部抵抗Ｒｂが大きくなり、バッテリの残量が多くなるほど、また、バッテリの温度が高くなるほど、内部抵抗Ｒｂが小さくなる。
図３は、本実施の形態に係る内部抵抗Ｒｂの特性を示す図である。横軸はバッテリの残容量比率を示し、縦軸は内部抵抗Ｒｂを示す。バッテリ内部抵抗特性テーブルも、記憶部１２に記憶されている。

そこで、本実施の形態に係るモータ制御装置１０は、バッテリの残量、温度及び劣化度を検出し、記憶部１２に記憶したバッテリ開放端電圧特性テーブル、バッテリ内部抵抗特性テーブルを参照して、開放端電圧Ｖｂ、内部抵抗Ｒｂを算出する。

また、ＴＮマップにおいて、出力可能領域、すなわち、通常界磁領域と弱め界磁領域とを合わせた領域は、開放端電圧Ｖｂ、内部抵抗Ｒｂによって大きく変化する。
図４は、本実施の形態に係るＴＮマップの一例である。開放端電圧が高く、内部抵抗が低い場合、例えば、バッテリが満充電に近い、温度が高い、劣化していない場合におけるＴＮマップである。横軸は回転数ｒｐｍを、縦軸はトルクＮｍを示す。このＴＮマップはモータの回転数とトルクとｄ軸電流との関係を規定している。ＴＮマップも記憶部１２に記憶されている。

図５は、本実施の形態に係るＴＮマップの別の例である。開放端電圧が低く、内部抵抗が高い場合、例えば、バッテリが空っぽに近い、温度が低い、劣化している場合におけるＴＮマップである。
このように、内部抵抗値を考慮することで、モータの出力変化によるインバータ電圧の変動を内包したマップ又はテーブルを作成することができる。

そこで、本実施の形態に係るモータ制御装置１０は、バッテリ開放端電圧及びバッテリ内部抵抗毎にＴＮマップを用意して、弱め界磁の範囲を適切に認識し、小さなバッテリから最大限の出力を取り出すことができるように、ｄ軸電流値を決定する。
なお、ＴＮマップを開放端電圧の何Ｖ毎、又は、内部抵抗の何ｍΩ毎に用意するかは、二輪倒立型移動体１の動作などに応じて適切に判断すればよい。例えば、モータ出力の低下が懸念されるバッテリの残量少、温度低のような状況、すなわち、開放端電圧が低く、内部抵抗が高いような状況に対してはＴＮマップを多く用意し、そうではない、開放端電圧が高く、内部抵抗が低いような通常の状況に対しては、ＴＮマップを少なく用意しても良い。
また、ＴＮマップは、バッテリの残量毎、温度毎又は劣化度毎に用意しても良い。

図６は、本実施の形態に係るモータ制御装置１０の動作手順を示すフローチャートである。前述したように、モータ制御装置１０の動作は主に制御部１３が制御する。
まず、二輪倒立型移動体１のジャイロセンサ（図示せず）からの情報などに基づいて、トルク、回転数に関する指令値を生成する（ステップＳ１０）。
また、モータの回転数及び出力トルク、バッテリの残量、温度及び劣化度を検出する（ステップＳ２０）。検出したモータの回転数及び出力トルクの現在値は、上記指令値との差分を取って、例えば、動作の急激な変更を抑制するのに用いる。
なお、ステップＳ１０及びステップＳ２０の動作の順番は逆でも良い。

次に、図２、３に示したようなバッテリ開放端電圧特性テーブル、バッテリ内部抵抗特性テーブルを参照して、ステップＳ２０で検出したバッテリの残量、温度及び劣化度からバッテリ開放端電圧、バッテリ内部抵抗を算出する（ステップＳ３０）。バッテリの残量、温度及び劣化度は、急激に変動しないパラメータであり、これらのテーブルを頻繁に参照する必要はない。
次に、ステップＳ３０で算出した開放端電圧、内部抵抗に対応するＴＮマップを選択する（ステップＳ４０）。

次に、ステップＳ１０で生成した指令値のトルク、回転数が、ステップＳ４０で選択したＴＮマップの出力可能範囲内にあるか判断する（ステップＳ５０）。出力可能範囲は、通常界磁領域と弱め界磁領域とを合わせた領域であり、例えば、図４では通常界磁領域はｄ軸電流が０Ａの領域であり、弱め界磁領域は、ｄ軸電流が５Ａ〜１５Ａの領域である。
そして、トルク、回転数が出力可能範囲内のとき（ステップＳ５０のＹｅｓ）は、ステップＳ１０で生成した指令値のトルク、回転数が、ステップＳ４０で選択したＴＮマップの弱め界磁領域内であるか判断する（ステップＳ７０）。

トルク、回転数が弱め界磁領域内のとき（ステップＳ７０のＹｅｓ）は、当該トルク、回転数を含む領域に該当するｄ軸電流値を求める（ステップＳ８０）。
そして、モータ制御装置１０は、ステップＳ１０で生成した指令値のトルク、回転数、及び、ステップＳ８０で算出したｄ軸電流値により、モータの制御を開始する（ステップＳ９０）。

なお、ステップＳ１０で生成した指令値のトルク、回転数が、ステップＳ４０で選択したＴＮマップの出力可能範囲内にないとき（ステップＳ５０のＮｏ）は、出力可能範囲内に入るように指令値のトルク、回転数を制限（変更）して（ステップＳ６０）、ステップＳ７０に進む。
また、ステップＳ１０で生成した指令値のトルク、回転数が、ステップＳ４０で選択したＴＮマップの弱め界磁領域内にないとき（ステップＳ７０のＮｏ）は、モータ制御装置１０は、当該トルク、回転数により、モータの制御を開始する（ステップＳ９０）。すなわち、弱め界磁制御は行わず、ｄ軸電流値も０Ａである。

以上、説明したように、本実施の形態に係るモータ制御装置１０は、弱め界磁制御を行うモータ制御装置であって、トルク‐回転数マップに基づきｄ軸電流を決定する手段１３を備え、当該マップをバッテリの開放端電圧及び内部抵抗に基づいて複数備えるものである。

このような構成により、弱め界磁の範囲を適切に認識して、小さなバッテリから最大限の出力を取り出すことができる。そして、バッテリからの電流の引き過ぎを抑制することができ、バッテリの出力電圧が低下することを抑制することができる。
また、モータの指令値や現在値から検出する現在の状況と、出力可能範囲とを認識することで、適切な危険回避動作、例えば、警告動作や倒立ゲインを上げて車両のピッチ角を起す動作などを採ることができる。

１ 二輪倒立型移動体
１０ モータ制御装置
１１ 入力部
１２ 記憶部
１３ 制御部
２０ バッテリ
３０ インバータ
４０ モータ
５０ 回転計

Claims (1)

1. 弱め界磁制御を行うモータ制御装置であって、
   トルク‐回転数マップに基づきｄ軸電流を決定する手段を備え、
   前記マップをバッテリの開放端電圧及び内部抵抗に基づいて複数備え、
   前記開放端電圧が低く、前記内部抵抗が高いような状況に対しては前記マップを多く用意し、前記開放端電圧が高く、前記内部抵抗が低いような状況に対しては、前記マップを少なく用意する
   モータ制御装置。

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