JP7399583B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、走行用の動力を発生するモータを制御するモータ制御装置に関する。

たとえば、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）では、電池（バッテリ）に蓄えられている電力によりモータが駆動され、モータのトルクが駆動輪に伝達される。モータの制御では、車速およびアクセル開度に基づいて、トルク指令値が設定され、モータの発生トルクがトルク指令値に応じたトルクと一致するように、モータに電力が供給される。

電池には、入出力（充放電）可能な電力に上限がある。その上限を超える電力が電池に入出力され続けると、電池の寿命を縮めるだけではなく、発火・発煙などの異常が発生するおそれがある。そのため、高速走行時や登坂走行時などには、電池から出力される電力が入出力可能な電力の上限を超えないように、モータの軸出力およびその軸出力以外のエアコンディショナなどによる消費電力などが考慮されて、トルク指令値が制限される。

特開２０１１－２２３７９１号公報

モータの軸出力は、モータのトルクおよび回転数から算出することができる。トルクおよび回転数は、それぞれセンサの検出信号から求められ、その各データには、振動やノイズの高周波成分が含まれる。高周波成分が含まれる振動的なデータをモータの制御に用いると、車両の挙動が振動的となり、車両の乗り心地や操作性に悪影響を及ぼす。

これを防止するため、モータのトルクや回転数のデータがローパスフィルタ処理されて、そのフィルタ処理後のデータが軸出力の計算に使用される。ところが、フィルタ処理後のデータは、図５に実線で示されるように、極値（極大値および極小値）付近がなまされたものとなるので、フィルタ処理後のデータからは、実際のデータの極値を正確に得ることができない。そのため、モータの軸出力が実際よりも低く算出されて、制限値の設定が実際よりも大きく算出され、トルク指令値が正しく制限されず、電池から入出力可能な電力の上限を超える電力が出力されるおそれがある。

本発明の目的は、振動的なパラメータ（外部から入力されるデータ）をなますことができながら、極値を正確に取得できる、モータ制御装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係るモータ制御装置は、入出力可能な電力の上限となる入出力上限電力が設定された電池と、電池の電力を消費して走行用の動力を発生するモータとを搭載した車両に用いられて、モータのトルク制御を行う装置であって、電池から出力される電力が入出力上限電力を超えないように、トルク制御のトルク指令値の上限となる制限値を設定する制限値設定手段と、制限値設定手段により設定される制限値を上限として、トルク指令値を制限する制限手段と、制限値の設定に用いられるパラメータをローパスフィルタ処理するフィルタ処理手段とを含み、制限値設定手段は、フィルタ処理手段によるローパスフィルタ処理後のパラメータを用いて、制限値を設定し、フィルタ処理手段は、パラメータの増加時と減少時とで異なるカットオフ周波数のローパスフィルタ処理を適用する。

この構成によれば、モータは、電池の電力を消費して、車両の走行用の動力を発生する。モータのトルク制御では、トルク指令値が設定され、モータの発生トルクがトルク指令値に応じたトルクと一致するように、モータに電力が供給される。電池から出力される電力が入出力上限電力を超えないように、トルク指令値には、その上限となる制限値が設けられる。

制限値の設定には、ローパスフィルタ処理されたパラメータが用いられる。パラメータがノイズや振動の高周波成分により振動的であっても、ローパスフィルタ処理により、その振動的なパラメータをなますことができる。

ローパスフィルタ処理では、パラメータの増加時と減少時とで異なるカットオフ周波数のローパスフィルタが適用される。たとえば、パラメータの減少時には、カットオフ周波数が高周波成分を除去可能な周波数に設定されたフィルタを適用し、増加時には、カットオフ周波数が無限大に設定されたフィルタが適用される。これにより、パラメータの極大値がなまされず、その極大値を正確に取得することができる。パラメータの増加時には、カットオフ周波数が高周波成分を除去可能な周波数に設定されたフィルタを適用し、減少時には、カットオフ周波数が無限大に設定されたフィルタが適用される。これにより、パラメータの極小値がなまされず、その極小値を正確に取得することができる。

本発明によれば、パラメータがノイズや振動の高周波成分により振動的であっても、その振動的なパラメータをなますことができながら、パラメータの極値を正確に取得することができる。

本発明の一実施形態に係るＥＣＵが搭載された車両の要部構成を示す図である。 トルク指令値を設定するための構成を示すブロック図である。 モータジェネレータの回転数をローパスフィルタ処理するための構成を示すブロック図である。 ローパスフィルタ処理前およびローパスフィルタ処理後のモータジェネレータの回転数の時間変化の一例を示す図である。 従来のローパスフィルタ処理前およびローパスフィルタ処理後のモータジェネレータの回転数の時間変化の一例を示す図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜車両の要部構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るＥＣＵ７が搭載された車両１の要部構成を示す図である。

車両１は、たとえば、モータジェネレータ（ＭＧ）２を走行用の駆動源として搭載した電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）である。モータジェネレータ２は、たとえば、回転子に永久磁石を用いた永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ：Permanent Magnet Synchronous Motor）である。

車両１は、電池（駆動用電池）３およびＰＣＵ（Power Control Unit：パワーコントロールユニット）４を搭載している。電池３は、複数の二次電池を組み合わせた組電池であり、たとえば、直流電圧を出力する。ＰＣＵ４は、インバータやマイコン（マイクロコントローラ）などを内蔵している。インバータは、２個の半導体スイッチング素子の直列回路をモータジェネレータ２のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相に対応して設け、それらの直列回路を互いに並列に接続した回路構成を有している。

モータジェネレータ２を電動機として機能させる力行運転時には、電池３から出力される直流電力がＰＣＵ４のインバータで交流電力に変換され、その交流電力がモータジェネレータ２に供給される。これにより、モータジェネレータ２が動力を発生し、その動力がデファレンシャルギヤなどを介して左右の駆動輪５に伝達される。

一方、モータジェネレータ２を発電機として機能させる回生運転時には、モータジェネレータ２で駆動輪５からの動力が交流電力に変換される。このとき、モータジェネレータ２が駆動系の抵抗となり、その抵抗による回生制動力が駆動輪５に作用する。モータジェネレータ２で発生した交流電力は、ＰＣＵ４のインバータで直流電力に変換されて、電池３に充電される。

また、車両１は、車内（車室内）を空調するエアコンディショナ（エアコン）６を搭載している。エアコンディショナ６は、冷凍サイクル回路の構成を有している。すなわち、エアコンディショナ６は、電動コンプレッサ、コンデンサ、エキスパンションバルブおよびエバポレータを備えている。エアコンディショナ６では、電動コンプレッサで圧縮された半液体の冷媒がコンデンサに供給され、その冷媒がコンデンサで冷却されることにより液化する。コンデンサで液化された冷媒は、エキスパンションバルブからエバポレータに噴射され、エバポレータから熱を奪って一気に気化することにより、エバポレータを冷却する。また、エアコンディショナ６は、電動ファンを備えており、この電動ファンからの送風が冷却されたエバポレータを通過することにより冷風となり、その冷風が車内に供給される。

車両１には、マイコンを含む構成のＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）７が搭載されている。マイコンには、たとえば、ＣＰＵ、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリおよびＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの揮発性メモリが内蔵されている。図１には、１個のＥＣＵ７のみが示されているが、車両１には、各部を制御するため、複数のＥＣＵが搭載されている。ＥＣＵ７を含む複数のＥＣＵは、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信プロトコルによる双方向通信が可能に接続されている。

ＥＣＵ７には、制御に必要な各種センサが接続されている。各種センサには、たとえば、車速センサ８およびアクセルセンサ９が含まれる。

車速センサ８は、たとえば、車両１の走行に伴って回転する磁性体からなるロータと、ロータと非接触に設けられた電磁ピックアップとを備え、ロータが一定角度回転する度に電磁ピックアップから出力されるパルス信号を出力する。このパルス信号の周波数は、車両１の実車速に対応している。ＥＣＵ７では、車速センサ８から入力される信号の周波数が求められて、その周波数が車速に換算される。

アクセルセンサ９は、車両１のユーザ（ドライバ）により操作されるアクセルペダルの操作量に応じた検出信号を出力する。ＥＣＵ７では、アクセルセンサ９の検出信号から、たとえば、アクセルペダルの最大操作量に対する操作量の割合、つまりアクセルペダルが踏み込まれていないときを０％とし、アクセルペダルが最大に踏み込まれたときを１００％とする百分率であるアクセル開度が求められる。

また、ＥＣＵ７には、ＰＣＵ４に内蔵されているマイコンから、モータジェネレータ２の軸出力として、電池３に対して入出力される電流および電圧の情報が入力される。

ＥＣＵ７は、各種のセンサの検出信号から求めた値や外部から入力される情報などに基づいて、各種の制御を実行する。ＥＣＵ７は、ＰＣＵ４のインバータの動作を制御することにより、モータジェネレータ２の力行運転および回生運転を制御する。また、車両１は、自動空調機能（オートエアコン機能）を有しており、ＥＣＵ７は、各種のセンサの検出信号から求めた値などに基づいて、内気温がユーザにより設定された温度に近づくように、エアコンディショナ６の電動コンプレッサおよび電動ファンの駆動を制御する。たとえば、インストルメントパネルには、温度設定のために操作される温度設定スイッチが配置されている。

モータジェネレータ２の力行運転の制御では、ＥＣＵ７およびＰＣＵ４により、モータジェネレータ２のトルク制御が行われる。すなわち、ＥＣＵ７は、モータジェネレータ２の発生トルクがトルク指令値に応じたトルクと一致するように、ＰＣＵ４のマイコンにトルク指令値を設定し、ＰＣＵ４のマイコンは、内蔵されたインバータからモータジェネレータ２に供給される電流を制御する。

＜トルク指令値設定処理＞
図２は、トルク指令値を設定するための構成を示すブロック図である。

ＥＣＵ７は、モータジェネレータ２のトルク制御に用いられるトルク指令値の設定に必要な機能処理部として、消費電力算出部１１、制限値設定部１２、トルク要求値設定部１３およびトルク指令値設定部１４を実質的に備えている。これらの機能処理部は、プログラム処理によってソフトウエア的に実現されるか、もしくは、論理回路などのハードウェアにより実現されるか、または、それらの組合せにより実現される。

消費電力算出部１１は、車両１における現在の消費電力を算出する。消費電力には、モータジェネレータ２の軸出力のほか、たとえば、エアコンディショナ６の消費電力、ＰＣＵ４に冷却水を流通させる電動ウォータポンプなどの補機類の消費電力および車両１の各部での損失が含まれる。

制限値設定部１２は、電池３の入出力上限電力および消費電力算出部１１により算出される消費電力に基づいて、トルク指令値の上限値である制限値を設定する。電池３には、入出力（充放電）可能な電力に上限があり、その上限となる入出力上限電力は、電池３から連続して入出力されても電池３の異常劣化を回避し、発火・発煙などの異常が発生しない定格電力に設定されている。制限値設定部１２は、たとえば、電池３の入出力上限電力から現在の消費電力を減算し、その減算により算出される値からトルク指令値の上げ幅の最大値を算出し、現在のトルク指令値にその算出した最大値を加算することにより、制限値を設定する。

トルク要求値設定部１３は、車速およびアクセル開度に応じたトルク要求値を設定する。すなわち、ＥＣＵ７の不揮発性メモリには、車速およびアクセル開度に対するモータジェネレータ２の発生トルクの特性（関係）がマップの形態でトルク要求値マップとして記憶されており、トルク要求値設定部１３は、そのトルク要求値マップに従って、車速およびアクセル開度に応じたトルク要求値を設定する。トルク要求値マップは、たとえば、車両１が現在の車速からユーザの加速要求に対応するアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に応じた加速を示し、ユーザが加速要求に応じた加速感を得られるように作成されている。

トルク指令値設定部１４は、トルク要求値設定部１３が設定するトルク要求値が制限値設定部１２により設定される制限値以下である場合には、そのトルク要求値をそのままトルク指令値に設定する。一方、トルク要求値設定部１３が設定するトルク要求値が制限値設定部１２により設定される制限値を超える場合には、トルク要求値そのままではなく、制限値をトルク指令値として設定する。

＜フィルタ処理＞
図３は、モータジェネレータ２の回転数をローパスフィルタ処理するための構成を示すブロック図である。図４は、ローパスフィルタ処理前のモータジェネレータ２の回転数およびローパスフィルタ処理後のモータジェネレータ２の回転数の時間変化の一例を示す図である。

ＥＣＵ７は、モータジェネレータ２の回転数（以下、「モータ回転数」という）のローパスフィルタ処理のため、増減判定部２１およびローパスフィルタ処理部２２を備えている。増減判定部２１およびローパスフィルタ処理部２２は、プログラム処理によってソフトウエア的に実現されるか、もしくは、論理回路などのハードウェアにより実現されるか、または、それらの組合せにより実現される。

モータ回転数は、たとえば、ＰＣＵ４により、モータ回転センサの出力信号から算出され、ＥＣＵ７に送信される。すなわち、モータ回転センサからモータジェネレータ２のロータの回転に同期したパルス信号が出力され、ＰＣＵ４では、そのパルス信号の周波数がモータ回転数に換算され、ＥＣＵ７はその値をＣＡＮ通信により受信する。

増減判定部２１は、モータ回転数が増加しているか減少しているかを判定する。

ローパスフィルタ処理部２２は、増加時用と減少時用のカットオフ周波数の異なるローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low-pass filter）を備えている。ローパスフィルタは、カットオフ周波数より低い周波数の成分をほとんど減衰させず、カットオフ周波数より高い周波数の成分（高周波成分）を減衰させるフィルタである。ローパスフィルタ処理部２２は、増減判定部２１による判定結果を参照して、モータ回転数を増加減に応じたローパスフィルタに通すことにより、その回転数に含まれるカットオフ周波数より高い周波数成分を減衰させて（ローパスフィルタ処理）、その高周波成分が減衰されたモータ回転数（ローパスフィルタ処理後のモータ回転数）を出力する。

また、ローパスフィルタ処理部２２は、増減判定部２１による判定結果を参照して、モータ回転数の増加時には、カットオフ周波数を無限大に設定された増加時用のローパスフィルタにより、図４に実線で示されるように、モータ回転数は、全周波数域で減衰されずに、ローパスフィルタ処理部２２から出力される。

一方、モータ回転数の減少時には、カットオフ周波数をロータの振動やノイズの高周波成分を除去可能な周波数に設定されたローパスフィルタ処理部２２により、モータ回転数の減少時には、図４に実線で示されるように、モータ回転数は、高周波成分が減衰されて、ローパスフィルタ処理部２２から出力される。

図２に示される消費電力算出部１１では、消費電力を算出するため、モータジェネレータ２の軸出力が算出される。モータジェネレータ２の軸出力は、モータジェネレータ２のトルクおよびモータ回転数の各値と２π／６０（π：円周率）を乗じることにより算出することができる。この軸出力の算出に、ローパスフィルタ処理部２２によるローパスフィルタ処理後のモータ回転数が用いられる。制限値設定部１２では、消費電力算出部１１により算出される消費電力を用いて、トルク指令値の上限値である制限値が設定される。したがって、制限値の設定には、ローパスフィルタ処理部２２によるローパスフィルタ処理後のモータ回転数が用いられていることになる。

＜作用効果＞
以上のように、トルク指令値の上限となる制限値の設定には、ローパスフィルタ処理されたモータ回転数が用いられる。モータ回転数がノイズや振動の高周波成分により振動的であっても、ローパスフィルタ処理により、その振動的なモータ回転数をなますことができる。

ローパスフィルタ処理では、モータ回転数の増加時と減少時とでカットオフ周波数が異なるフィルタが適用される。モータ回転数の減少時には、カットオフ周波数が高周波成分を除去可能なフィルタが適用され、増加時には、カットオフ周波数が無限大のフィルタが適用される。これにより、モータ回転数の極大値がなまされず、その極大値を正確に取得することができる。

消費電力算出部１１では、車両１における現在の消費電力を算出するため、モータジェネレータ２の軸出力が算出され、その軸出力の算出に、ローパスフィルタ処理後のモータ回転数が用いられる。ローパスフィルタ処理後のモータ回転数からその極大値を正確に取得できるので、モータジェネレータ２の軸出力の算出にローパスフィルタ処理後のモータ回転数を用いることにより、軸出力を正確に算出することができ、ひいては、消費電力を正確に算出することができ、消費電力を用いて設定されるトルク指令値の制限値を正確に設定することができる。

その結果、トルク指令値を適切に設定できるので、電池３から入出力上限電力を超える電力が出力されることを抑制できながら、電池３からモータジェネレータ２に最大限の電力を供給することができ、車両１の動力性能の向上を図ることができる。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、モータ回転数の極大値を正確に取得可能な構成について説明したが、モータ回転数の極小値を正確に取得するには、モータ回転数の増加時に、カットオフ周波数が高周波成分を除去可能な周波数に設定されたローパスフィルタを適用し、減少時には、カットオフ周波数が無限大のローパスフィルタを適用するとよい。これにより、モータ回転数の極小値がなまされず、その極小値を正確に取得することができる。

また、モータ回転数の増加時および減少時に設定されるカットオフ周波数は、例示した以外にも、増加時と減少時とで互いに独立して、それぞれ任意の値に設定することができる。

本発明に係る技術は、電気自動車以外にも、エンジンの動力で発電する発電用モータと、電力を消費して走行用の動力を発生する駆動用モータとを搭載した、いわゆるシリーズ方式のハイブリッド車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）に適用することもできる。さらに、本発明の技術は、シリーズ方式以外にも、シリーズ・パラレル方式など、他の方式のハイブリッド車に適用することもできる。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１：車両
２：モータジェネレータ（モータ）
３：電池
７：ＥＣＵ（モータ制御装置）
１２：制限値設定部（制限値設定手段）
１４：トルク指令値設定部（制限手段）
２２：ローパスフィルタ処理部（フィルタ処理手段）

Claims (1)

1. 入出力可能な電力の上限となる入出力上限電力が設定された電池と、前記電池の電力を消費して走行用の動力を発生するモータとを搭載した車両に用いられて、前記モータのトルク制御を行う装置であって、
   前記電池から出力される電力が前記入出力上限電力を超えないように、前記トルク制御のトルク指令値の上限となる制限値を設定する制限値設定手段と、
   前記制限値設定手段により設定される前記制限値を上限として、前記トルク指令値を制限する制限手段と、
   前記制限値の設定に用いられるパラメータをローパスフィルタ処理するフィルタ処理手段と、を含み、
   前記制限値設定手段は、前記フィルタ処理手段によるローパスフィルタ処理後の前記パラメータを用いて、前記制限値を設定し、
   前記フィルタ処理手段は、前記パラメータの増加時と減少時とで異なるカットオフ周波数のローパスフィルタを適用する、モータ制御装置。

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