JP7303910B2 - 制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、制御装置に関する。
従来、電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両は、長時間の高速走行や坂道の登坂などによりモータの過負荷状態が継続すると、モータの温度が上昇し過熱状態になることで故障する恐れがある。そのため、モータの温度状態によって出力トルクを制限する技術が求められる。
本願発明の背景技術として、下記の特許文献が知られている。特許文献１には、回生制御でのモータ出力の制限が開始される温度を、力行制御の温度よりも低くすることにより、回生制御時のモータの発熱をより効果的に抑制できる技術が開示されている。また、特許文献２には、モータ温度の変化率の所定基準により、モータの温度制限を変化させ、モータの温度保護と性能発揮を同時にできる技術が開示されている。
特許文献１の技術では、温度検出の過程で発生する遅れによるハンチングを抑制するために、トルク制限を開始するモータ温度を低くすると、モータの出力制限に入りやすくなり、加速時における高出力時間が短くなることが課題であった。
また、特許文献２の技術では、温度変化によってトルク制限マップの傾きを変える方式があるが、モータ温度と制限トルクがつりあうポイントがトルク制限開始前の温度上昇量よって変化してしまい、連続で出力できるトルクが低くなることで、モータの性能を十分に発揮できないことが課題であった。
本発明による制御装置は、インバータにPWM駆動信号を出力するPWM生成部と、上位制御部からのトルク指令とモータ温度とに基づいて、前記PWM生成部に制限後トルク指令を出力するトルク制限部と、を備え、前記トルク制限部は、前記モータ温度に基づいてトルク制限係数を算出するトルク制限係数算出部と、前記上位制御部からの前記トルク指令と、前記トルク制限係数算出部から出力される前記トルク制限係数に基づいて、前記PWM生成部に前記制限後トルク指令を出力する制限後トルク算出部と、を有し、前記トルク制限係数算出部は、前記モータ温度が所定の温度よりも高い場合には、前記モータ温度に基づいてモータの出力トルクを制限し、前記モータ温度の時間変化率が所定値より大きい場合には、前記モータ温度の時間変化率が前記所定値以下の場合に比べて、トルクが緩やかに変化するように前記トルクを制限する。
本発明によれば、モータの出力が必要以上に低下しない。
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
（制御装置の構成、および第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る制御装置について図１～６を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す制御装置６０の構成を表す図である。
本発明の第１の実施形態に係る制御装置について図１～６を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す制御装置６０の構成を表す図である。
制御装置６０のシステム方式は、直流電源１０の電圧を、コンタクタ２０を介したインバータ４０に出力して直流電圧を交流電圧に変換し、変換した交流電圧を交流モータ３０(IPMSM。以降、モータ３０)に電力供給するとともに、モータ３０の制御を行うものである。例えば、ハイブリッド自動車の駆動系などへ適用された場合には、直流電源１０はニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの２次電池が使用される。その際、電圧は数百Vとなることが想定され、モータ３０の出力軸は車軸へ接続されることが想定される。
また、インバータ４０は、IGBTなどの高速でスイッチングを行う素子が、直流電源１０の正極側と負極側にそれぞれ３相分ずつ配置されている。この合計６つのスイッチング素子４１のスイッチングにより、インバータ４０から発生する電圧のパルス幅を変化させ、所定の電圧をモータ３０へ印加する、パルス幅変調方式などが採用される。
制御装置６０は、トルク制限部と、PWM生成部６３と、を備える。トルク制限部は、トルク制限係数算出部６１と、制限後トルク算出部６２と、を有する。
トルク制限係数算出部６１は、モータ３０の温度(以降、モータ温度)を検出するモータ温度センサ５０（以降、センサ５０）から取得したモータ温度値Tmに基づいて、トルク制限係数Lmtを制限後トルク算出部６２に算出する。トルク制限係数Lmtの具体的な算出方法については、図２で後述する。
制限後トルク算出部６２は、上位コントローラ(上位制御部)からのトルク指令Trqに、トルク制限係数算出部６１から取得したトルク制限係数Lmtをかけて、制限後トルク指令Trq*をPWM生成部６３に出力する。
PWM生成部６３では制限後トルク算出部６２から取得した制限後トルク指令Trq*に基づいて、実際値に近いトルクが出力されるようにPWM駆動信号を生成する。生成されたPWM駆動信号はインバータ４０へ出力される。
図２は本発明の第１の実施形態に係る制御装置６０のフローチャート例である。なお、各ステップの詳細な説明に際して、図３～図５を用いる。
ステップＳ１０では、トルク制限処理開始時に、トルク制限係数算出部６１がモータ温度を検出するセンサ５０からモータ温度値Tmを取得する。
ステップＳ２０では、ステップＳ１０から取得したモータ温度値Tmが０℃を超えるかどうかを判定する。モータ温度値Tmが０℃を超える場合にはステップＳ４０へ進み、０℃以下の場合にはステップＳ３０へ進む。
ステップＳ３０では、トルク制限は不要と判定し、トルク制限係数を１００％と算出してステップＳ９０に進む。
ステップＳ４０では、モータ温度前回値Tmzとモータ温度値Tmの偏差とから、モータ温度変化率ΔTmを算出する。
ステップＳ５０では、ステップＳ４０で算出したモータ温度変化率ΔTmが、所定値を超えているかどうかを判定する。モータ温度変化率ΔTmが所定値を超えている場合は、ステップＳ７０に進み、所定値以下の場合はステップＳ６０に進む。
ステップＳ６０では、初期値のトルク指令係数マップからトルク制限係数Lmtを算出し、ステップＳ９０に進む。
ステップＳ７０では、モータ温度変化率ΔTmからトルク制限係数マップの傾きを新規に生成する。
ステップＳ７０に係る図３の説明をする。図３はトルク制限係数マップである。なお、図３(ａ)は従来のトルク制限係数マップで、図３(b)が本発明のトルク制限係数マップである。
ステップＳ５０でモータ温度変化率ΔTmが所定値を超えている場合は、モータ温度変化率ΔTmに基づいて、ある一定値のモータ温度T１からT２の区間で、図３(b)のようにトルク制限係数マップの傾きを変化させる。具体的には、モータ温度T１とT２の中間温度であるT３においてのトルク制限係数を支点に、ΔTmが大きいほどT１とT２時のトルク制限値が近くなるように、トルク制限係数マップを水平方向に傾ける。
ステップＳ８０では、ステップＳ７０で算出した傾き変更後のトルク制限係数マップからモータ温度値Tmに該当するトルク制限係数Lmtを算出する。
ステップＳ９０では、ステップＳ３０またはステップＳ６０またはステップＳ８０で算出したトルク制限係数Lmtを、上位コントローラから取得したトルク指令Trqに掛けて、制限後トルク指令Trq*を算出し、フローチャートを終了する。
以上フローチャートのように、トルク制限部は、モータ温度値Tmが所定の温度よりも高い場合には、モータ温度に基づいて制限されたトルク指令を算出し、モータの出力トルクを制限する。
つづいて、ステップＳ９０に関連する図４と図５の説明をする。図４は従来方式でのモータ加熱時のトルク制限の内容の図で、図５は本発明に係るトルク制限係数マップの傾きの推移を表す図である。
まず、図４の従来方式の説明をする。上位コントローラからTrq*１相当のトルク指令が出力されている場合、モータ温度Tmは徐々に上昇していく。図４におけるトルク制限係数が１００%の状態から開始され、図４のモータ温度T１に達するとトルク制限が開始される。
図４の第一の制限温度T１(横軸の時間t１)からトルク制限をかけるが、電流から発熱への変換遅れやモータ温度値Tmの検出の遅れにより、モータ温度値Tmに対する制御装置６０の反応に遅れが生じる。よって、時間t２の時には、制限後トルクが図４のようにTrq*２まで一時的に低下する現象が発生する。その後、制限トルクはハンチングしながら、図４のt３の時点において、所定の制限後トルク値でモータ温度値Tmとつり合う点ができ(連続定格値)、グラフが収束する。連続定格値は、モータ回転数などの運転条件や雰囲気温度、冷却装置の状態などにより変化する。
次に、図５を用いて本発明の制御装置６０の機能の説明をする。図５の上のグラフは、図４と同様のモータ温度値Tmのグラフである。図５の下のグラフはそれぞれ時間tを横軸にした、モータ温度の時間変化率(以降、温度変化率ΔTCm)を表すグラフとトルク制限係数マップの傾きを表すグラフである。
本発明の実施形態に係るトルク制限係数マップの傾きの可変の割合は、モータ温度変化率ΔTCmに基づいて決まる。ここで、第一の温度変化率をΔTCm１とする。
通常、一定以上のトルク指令を連続で印加した場合には、図５の真ん中のグラフに示すように、トルク制限を開始する時間t１までに温度変化率ΔTCmが高い状態となる。この時、温度変化率ΔTCmは第１の温度変化率ΔTCm１より大幅に大きいため、トルク制限係数マップの傾きを小さく(水平方向に)する。これが図３のトルク制限係数マップの傾きの水平方向の変化にあたる。
トルク制限係数マップの傾きは、図５の下のグラフに示すように、第一の傾きＳ１から第二の傾きＳ２の範囲内で変更可能とし、可変角度を制限する。これにより、図３(b)の可変範囲R内でトルク制限係数マップの傾きが可変する。
時間t１では、温度変化率ΔTCmが大きいため、トルク制限係数マップの傾きは下限のＳ１となる。制限開始時間t１を過ぎると、トルク制限が開始されてモータ温度上昇も緩やかになるため、温度変化率ΔTCmが低下する。
時間t２では、モータ温度値Tmが最高点となるところで温度変化率ΔTCmは０となる。ここから、モータ温度値Tmは下降に転じるため温度変化率ΔTCmは再び上昇し、第一の温度変化率ΔTCm１を超えたところでトルク制限係数マップの傾きを再び減らす方向に動作させる。
この後、第一の温度変化率ΔTCm１を温度変化率ΔTCmが上下するたびに、トルク制限係数マップの傾きを増減させ、時間ｔ３に到達するとモータ温度値Tmとトルク制限値がつり合い、制限トルクがサチレーションする。この過程で、温度変化率ΔTCmがΔTCm１以内で収まるようになるとトルク制限係数マップの傾きがＳ２に定着、つまり初期状態のトルク制限係数マップの制限傾きになる。
なお、図５におけるトルク制限係数マップの傾きは、第一の温度変化率ΔTCm１とモータ温度値Tmの偏差に所定のゲインを乗算し、かつ過度な傾き変化を抑制するために一時遅れフィルタを追加したものである。
よって、図３の説明の通り、トルク制限部は、モータ温度の時間変化率が所定値より大きい場合には、モータ温度の時間変化率が所定値以下の場合に比べて、トルクが緩やかに変化するようにトルクを制限する。また、モータ温度とトルク制限率の関係式であるトルク制限係数マップの傾きを変化させることでトルク制限量を可変とする。さらに、モータ温度の変化率が大きい場合は、モータ温度とトルク制限率の関係式の傾きを小さくすることができ、モータ温度の変化に対してトルクが緩やかに変化するように、モータに流れる電流を制限する。
以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）制御装置６０は、制御装置６０は、インバータ４０にPWM駆動信号を出力するPWM生成部６３と、上位制御部からのトルク指令とモータ温度とに基づいて、前記PWM生成部６３に制限後トルク指令を出力するトルク制限部と、を備え、前記トルク制限部は、前記モータ温度に基づいてトルク制限係数を算出するトルク制限係数算出部６１と、前記上位制御部からの前記トルク指令と、前記トルク制限係数算出部６１から出力される前記トルク制限係数に基づいて、前記PWM生成部６３に前記制限後トルク指令を出力する制限後トルク算出部６２と、を有し、前記トルク制限係数算出部６１は、前記モータ温度が所定の温度よりも高い場合には、前記モータ温度に基づいてモータ３０の出力トルクを制限し、前記モータ温度の時間変化率が所定値より大きい場合には、前記モータ温度の時間変化率が前記所定値以下の場合に比べて、トルクが緩やかに変化するように前記トルクを制限する。このようにしたので、モータの出力が必要以上に低下せず、モータの保護も可能となる。
（２）制御装置６０のトルク制限係数算出部６１は、モータ温度とトルク制限率の関係式の傾きを変化させることでトルク制限量を可変とする。このようにしたので、モータ温度の変化率に応じて、ハンチングを抑制できる。
（３）制御装置６０のトルク制限係数算出部６１は、モータ温度の変化率が大きいほど、モータ温度とトルク制限率の関係式の傾きを小さくする。このようにしたので、モータ温度が急激に上昇し始めた過渡状態であっても、過度なトルク制限とならずにハンチングが抑制できる。
（４）制御装置６０のトルク制限部は、モータ温度の変化に対してトルクが緩やかに変化するように、モータ３０に流れる電流を制限する。このようにしたので、車両の出力が変化せず、性能が低下しない。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図６を用いて説明する。図６は本発明の第２の実施形態を示す制御装置６０Ａの構成を表す図である。
本発明の第２の実施形態について図６を用いて説明する。図６は本発明の第２の実施形態を示す制御装置６０Ａの構成を表す図である。
制御装置６０Ａは、図１で説明した制御装置６０にモータ温度補正部６４を加えている。第１の実施形態では、トルク制限係数算出部６１でモータ温度値Tmを入力することとしていたが、図６のようにモータ温度値Tmの検出遅れや検出誤差を補正したモータ温度推定値TmＡをモータ温度補正部６４で生成し入力する。
第１の実施形態で示した、図４のようなトルク制限係数マップを用いたトルク制限を実施する場合に、モータ温度補正値を入力するとしても少なからず遅れ成分が含まれ、トルクハンチングが発生する可能性がある。そのため、図６のように、トルク制限係数算出部６１の前の段階で、センサ５０により検出した温度に対して実際のモータ温度に近づくようにモータ温度補正をする構成を適用することで、よりトルクハンチングの低減が可能となる。
以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（５）制御装置６０が検出するモータ温度は、センサ５０により検出した温度に対して実際のモータ温度に近づくように補正された温度である。このようにしたので、トルク制限の際のハンチングをさらに低減できる。
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について図７を用いて説明する。図７は本発明の第３の実施形態を示す制御装置６０Ｂのトルク制限係数マップである。
本発明の第３の実施形態について図７を用いて説明する。図７は本発明の第３の実施形態を示す制御装置６０Ｂのトルク制限係数マップである。
図７のトルク制限係数マップは、第１の実施形態である図３のトルク制限係数マップに、運転条件や冷却条件等によりT１とT２の間の交点T３を変化させている。つまり、モータ温度とトルク制限率の関係式の傾きの変化させる際の支点を可変としている。
図７の例を挙げる。たとえば、制御装置の雰囲気温度が高い場合に、制限トルクがサチレーションするポイントが図３で示すようなT３よりもT２に近いポイントであることが想定されるケースがある。その場合に、モータ温度値TmがT３より高い状態でトルク制限係数マップの傾きを水平方向にすると、図７の領域Ａ内でトルク制限をする時間が増えるため、一時的に想定以上のトルクの出力となる可能性がある。そこで、交点T３をT３ＢのようにT１よりもT２に近いポイントとすることで、想定以上の温度上昇も抑制しながらトルクハンチングを低減することができる。
以上説明した本発明の第３の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（６）制御装置６０のトルク制限係数算出部６１は、モータ温度とトルク制限率の関係式の傾きの変化させる際の支点を可変とする。このようにしたので、環境条件による想定以上の温度上昇を抑制しながら、トルクハンチングを低減することができる。
以上、本発明は、負荷として３相交流モータが搭載されるシステムに上記実施形態を適用した場合について述べたが、これに限定されるものではなく、回転機を備えたシステムにも適用が可能である。
また、本発明はモータ制御装置のモータ温度に関するトルク制限機能について述べたが、ほかの発熱部位に対する温度での出力制限に対しても適応可能である。例えば、モータ駆動装置のインバータに温度検出回路があり、かつ検出温度を入力に出力を制限することでインバータを保護する場合には、電流から熱への変換に遅れが生じるため、本発明の構成を採用することでトルクハンチングを抑制できる可能性がある。
また、各実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。同時に、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
１０ 直流電源
２０ コンタクタ
３０ 交流モータ
４０ インバータ
４１ スイッチング素子
５０ モータ温度センサ
６０ 制御装置
６１ トルク制限係数算出部
６２ 制限後トルク算出部
６３ PWM生成部
６４ モータ温度補正部
２０ コンタクタ
３０ 交流モータ
４０ インバータ
４１ スイッチング素子
５０ モータ温度センサ
６０ 制御装置
６１ トルク制限係数算出部
６２ 制限後トルク算出部
６３ PWM生成部
６４ モータ温度補正部
Claims (5)
- インバータにPWM駆動信号を出力するPWM生成部と、
上位制御部からのトルク指令とモータ温度とに基づいて、前記PWM生成部に制限後トルク指令を出力するトルク制限部と、を備え、
前記トルク制限部は、
前記モータ温度に基づいてトルク制限係数を算出するトルク制限係数算出部と、
前記上位制御部からの前記トルク指令と、前記トルク制限係数算出部から出力される前記トルク制限係数に基づいて、前記PWM生成部に前記制限後トルク指令を出力する制限後トルク算出部と、を有し、
前記トルク制限係数算出部は、前記モータ温度が所定の温度よりも高い場合には、前記モータ温度に基づいてモータの出力トルクを制限し、前記モータ温度の時間変化率が所定値より大きい場合には、前記モータ温度の時間変化率が前記所定値以下の場合に比べて、トルクが緩やかに変化するように前記トルクを制限し、
前記トルク制限係数算出部は、前記モータ温度とトルク制限率の関係式の傾きを変化させることで前記制限後トルク指令のトルク制限量を可変とする
制御装置。 - 請求項１に記載の制御装置であって、前記トルク制限係数算出部は、前記モータ温度の変化率が大きいほど、前記モータ温度とトルク制限率の関係式の傾きを小さくする制御装置。
- 請求項１に記載の制御装置であって、前記モータ温度は、センサにより検出した温度に対して実際の前記モータ温度に近づくように補正された温度である制御装置。
- 請求項１に記載の制御装置であって、前記トルク制限係数算出部は、前記モータ温度とトルク制限率の関係式の傾きを変化させる際の支点を可変とする制御装置。
- 請求項１に記載の制御装置であって、前記トルク制限部は、前記モータ温度の変化に対して前記トルクが緩やかに変化するように、前記モータに流れる電流を制限する制御装置。
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-
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