WO2014199878A1 - 電気自動車の制御装置 - Google Patents

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    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a control device for an electric vehicle, for example, at the time of vector control calculation using the angular velocity of the rotor electrical angle and the differential of the angular velocity of the electrical angle according to the command torque during power running control and regenerative control of the motor.
  • the present invention relates to a technique for correcting the rotor phase (electrical angle) in
  • An electric vehicle in which left and right wheels serving as driving wheels are driven by independent driving motors (Patent Document 1).
  • the rotation of the motor is transmitted to the wheel via a reduction gear and a wheel bearing.
  • an IPM motor embedded magnet type synchronous motor
  • the motor is applied as the motor.
  • a CPU rotation function detects a rotation angle by a motor rotation angle sensor, and controls the motor by supplying a three-phase current to the IPM motor based on the detected rotation angle.
  • the rotation angle of the rotor when detecting the three-phase current (Iu, Iv, Iw) (time t_A) and the rotation angle of the rotor when detecting the rotation angle (electrical angle) of the rotor (time t_B) In the meantime, the rotational angle shifts due to the difference in the time of capture.
  • the motor cannot be controlled accurately due to the deviation between the two rotation angles. This problem is described in detail below.
  • t_A, t_B, t_C and ⁇ _A, ⁇ _B, ⁇ _C are defined.
  • t_A detection time of the three-phase current (Iu, Iv, Iw).
  • t_B Time to acquire the rotation angle (electrical angle) of the rotor.
  • t_C Time when a three-phase command voltage (Vu, Vv, Vw) is applied to the motor.
  • ⁇ _A is the rotor phase (electrical angle) at the time of three-phase detection current (Iu, Iv, Iw).
  • ⁇ _B The rotor phase (electrical angle) at the time when the rotational angle (electrical angle) of the rotor is acquired.
  • ⁇ _C is a rotor phase (electrical angle) when a three-phase command voltage (Vu, Vv, Vw) is applied to the motor.
  • Vu, Vv, Vw three-phase command voltage
  • T_A, t_B, t_C CPU calculation times, which are times measured and set in advance.
  • the CPU interrupt function detects the three-phase current (Iu, Iv, Iw) at t_A and the rotation angle (electrical angle) of the rotor at t_B. Based on the detected value, the two-phase current is converted from the three-phase detection current. Convert to However, there is a characteristic that the three-phase current (Iu, Iv, Iw) and the rotation angle (electrical angle) of the rotor cannot be detected at the same time by the CPU interrupt function. Therefore, when converting from the three-phase detection current to the two-phase Is not the angle at t_A.
  • a two-phase command voltage is generated by PI control of the obtained two-phase current, and coordinate conversion from the generated two-phase command voltage to a three-phase command voltage (Vu, Vv, Vw) is performed. Thereafter, the three-phase command voltages (Vu, Vv, Vw) generated at t_C are applied to the motor.
  • the rotation angle (electrical angle) of the rotor at t_C uses the rotation angle acquired at t_B, so that the motor cannot be controlled with high accuracy.
  • Patent Document 2 a technique that can correct a control timing delay and control a motor with high accuracy has been proposed (Patent Document 2).
  • a permanent magnet type synchronous motor (PM) motor is employed as a drive source, and a vector control device is used to control the rotational drive of the PM motor.
  • This control method calculates the current command values O_Id and O_Iq (two-phase current command values) of the motor current from the torque command T, detects the actual current, and matches the command current with the three-phase current. Apply.
  • the flow of control is as follows.
  • the above-described rotor phase ⁇ 1 and rotor phase ⁇ 6 are a method by which the motor can be accurately controlled by calculating from the detected rotor phase ⁇ 2, the calculation time difference, and the rotation speed of the motor at that time.
  • the error of the value for correcting the delay of the control timing becomes large at the time of sudden acceleration or deceleration of the motor, and there arises a problem that the motor cannot be controlled accurately.
  • An object of the present invention is to provide a control device for an electric vehicle that can control the motor with high accuracy without causing a delay in control timing when the motor suddenly accelerates or decelerates. It is to be.
  • the motor 6 drives either one or both of the front wheel 3 and the rear wheel 2 of the vehicle, and constitutes an in-wheel motor drive device 8 including the motor 6, the wheel bearing 4, and the speed reducer 7. Also good.
  • FIG. 1 is a block diagram of a conceptual configuration showing an electric vehicle according to a first embodiment of the present invention in a plan view. It is a block diagram of conceptual composition, such as an inverter device of the electric vehicle.
  • FIG. 1 is a block diagram of a conceptual configuration showing the electric vehicle according to this embodiment in a plan view.
  • this electric vehicle is a four-wheeled vehicle in which the left and right rear wheels 2 of the vehicle body 1 are drive wheels, and the left and right front wheels 3 are driven wheels. It is.
  • Each of the wheels 2 and 3 serving as the driving wheel and the driven wheel has a tire and is supported by the vehicle body 1 via wheel bearings 4 and 5, respectively.
  • the wheel bearings 4 and 5 are abbreviated as “H / B” in FIG.
  • the left and right wheels 2, 2 serving as driving wheels are driven by independent traveling motors 6, 6, respectively.
  • the rotation of the motor 6 is transmitted to the wheel 2 via the speed reducer 7 and the wheel bearing 4.
  • the motor 6, the speed reducer 7, and the wheel bearing 4 constitute an in-wheel motor driving device 8 that is one assembly part, and the in-wheel motor driving device 8 is partially or entirely inside the wheel 2.
  • the speed reducer 7 is a cycloid speed reducer, for example.
  • the wheels 2 and 3 are provided with electric brakes 9 and 10, respectively. Further, the wheels 3 and 3 which are the steering wheels as the left and right front wheels can be steered via the steering mechanism 11 and are steered by the steering means 12 such as a steering wheel.
  • FIG. 2 is a block diagram of a conceptual configuration of an inverter device and the like of the electric vehicle.
  • the electric vehicle includes an ECU 21 that is an electric control unit that controls the entire vehicle, and an inverter device 22 that controls the motor 6 for traveling in accordance with a command from the ECU 21.
  • the ECU 21 includes a computer, a program executed by the computer, and various electronic circuits.
  • the ECU 21 includes a torque distribution unit 21a and a power running / regeneration control command unit 21b.
  • the torque distribution means 21a gives to the motors 6 and 6 for traveling of the left and right wheels from the acceleration command output from the accelerator operation means 16, the deceleration command output from the brake operation means 17, and the turning command from the steering means 12.
  • An acceleration / deceleration command is generated as a torque command value and output to the inverter device 22.
  • the torque distribution means 21a includes a braking torque command value that causes the motor 6 to function as a regenerative brake and a braking torque command value that causes the electric brakes 9 and 10 to operate when a deceleration command output from the brake operating means 17 is received. It has the function to allocate to.
  • the braking torque command value that functions as a regenerative brake reflects the acceleration / deceleration command given to the left and right wheel motors 6 and 6 in the torque command value.
  • a braking torque command value for operating the brakes 9 and 10 is output to the brake controller 23.
  • the power running / regeneration control command unit 21b gives a command flag for switching between acceleration (power running) and deceleration (regeneration) to the motor power running / regeneration control unit 33 of the motor control unit 29 described later.
  • the inverter device 22 includes a power circuit unit 28 provided for each motor 6 and a motor control unit 29 that controls the power circuit unit 28.
  • the power circuit unit 28 includes an inverter 31 that converts the DC power of the battery 19 into three-phase AC power used for powering and regeneration of the motor 6, and a PWM driver 32 that controls the inverter 31.
  • the motor 6 is composed of a three-phase synchronous motor or the like.
  • the motor 6 is provided with a rotation angle sensor 36 that detects a rotation angle as an electrical angle of a rotor of the motor.
  • the inverter 31 is composed of a plurality of semiconductor switching elements, and the PWM driver 32 performs pulse width modulation on the input current command and gives an on / off command to each of the semiconductor switching elements.
  • the motor control unit 29 includes a computer, a program executed on the computer, and an electronic circuit, and has a motor power running (drive) / regeneration control unit 33 as a basic control unit.
  • the motor power running / regeneration control unit 33 converts the motor power running / regeneration control unit 33 into a current command in accordance with an acceleration (power running) / deceleration (regeneration) command based on a torque command or the like given from the ECU 21 which is the host control means, and the PWM driver 32 of the power circuit unit 28. This is a means for giving a current command to. Switching between acceleration (power running) and deceleration (regeneration) is performed by a command flag from the power running / regeneration control command unit 21b of the ECU 21.
  • the motor power running / regeneration control unit 33 includes a power running control unit 33a and a regeneration control unit 33b, and either the power running control unit 33a or the regeneration control unit 33b is controlled by a command flag from the power running / regeneration control command unit 21b. Used selectively.
  • the motor power running / regeneration control unit 33 generates a command current value to the motor 6 by using the torque map preset in the inverter by the command flag.
  • the motor power running / regeneration control unit 33 detects the current value actually flowing to the motor 6 at this time, and controls the motor 6 by PI control in order to make this current value coincide with the command current.
  • the motor control unit 29 includes a control parameter adjustment unit 34 and a rotation angle (phase) correction unit 38.
  • the control parameter adjustment unit 34 adjusts the PI control gain used when controlling the motor 6.
  • the rotation angle (phase) correction unit 38 obtains the rotation angle as the electrical angle of the rotor of the motor 6 from the rotation angle sensor 36 and corrects it as will be described later, thereby realizing vector control with high accuracy. .
  • signal rolling between the ECU 21, the inverter device 22, the brake controller 23, the steering means 12, and the four parties is performed by controller area network (CAN) communication.
  • CAN controller area network
  • FIG. 3 is a conceptual configuration diagram of the IPM motor of the electric vehicle.
  • the motor for driving the wheel is an IPM motor, that is, an embedded magnet type synchronous motor
  • q which is orthogonal to the d axis is determined by the magnetic resistance in the d axis direction which is the magnet axis of the rotor. Since the axial magnetic resistance is reduced, the rotor has a salient pole structure, and the q-axis inductance Lq is larger than the d-axis inductance Ld. Due to this saliency, reluctance torque Tr can be used in addition to magnet torque Tm, and high torque and high efficiency can be achieved.
  • Magnet torque Tm A torque generated by attracting and repelling the magnetic field generated by the permanent magnet of the rotor and the rotor magnetic field generated by the winding.
  • Reluctance torque Tr A torque generated when a salient pole portion of a rotor is attracted to a rotating magnetic field by a winding.
  • Ld d-axis inductance of motor
  • Lq q-axis inductance of motor
  • Ke effective value of motor induced voltage constant
  • FIG. 4 is a block diagram including a torque control system of the motor control unit 29 of the electric vehicle.
  • the motor control unit 29 is a means for controlling the motor drive current, and includes a current command unit 40.
  • This current command unit 40 is based on the detected value detected by the rotation angle sensor 36 for the drive current applied to the motor 6 and the torque command value based on the acceleration / deceleration command generated by the torque distribution means 21a of the ECU 21.
  • a corresponding command current is generated using a torque map preset in the inverter. That is, according to the torque command value from the ECU 21, PI feedback control is performed to eliminate the deviation of the command current value generated inside the inverter.
  • the direction of the command current (code of the command current) is switched by a command flag given from the power running / regenerative control command unit 21b of the ECU 21.
  • the motor power running / regeneration control unit 33 obtains the rotation angle of the rotor of the motor 6 from the rotation angle sensor 36 and performs vector control.
  • the motors 6 provided on the left and right rear wheels 2 of the vehicle body have different directions of torque generation during power running and during regeneration. That is, when the motor 6 is viewed from the direction of the output shaft, the left rear wheel driving motor 6 generates torque in the CW direction, and the right rear wheel driving motor 6 generates torque in the CCW direction ( The left and right sides are determined from the direction seen from the rear of the vehicle). Torques generated by the left and right motors 6 are transmitted to the tire by reversing the torque direction via the speed reducer 7 and the wheel bearing 4. Further, the direction of torque generation during regeneration in the motor 6 for the left and right tires is different from the direction of torque generation during power running.
  • a corresponding torque command value is calculated from the maximum torque control table according to the accelerator signal and the rotational speed of the motor 6.
  • the current command unit 40 generates a command value for the primary current (Ia) and current advance angle ( ⁇ ) of the motor 6 based on the calculated torque command value.
  • the current command unit 40 generates two command currents, a d-axis current (field component) O_Id and a q-axis current O_Iq, based on the values of the primary current (Ia) and the current advance angle ( ⁇ ).
  • the current PI control unit 41 is a two-phase current calculated by the three-phase / two-phase conversion unit 42 from the values of the d-axis current O_Id and q-axis current O_Iq output from the current command unit 40 and the motor current and the rotor angle. From the two-phase currents Id ′ and Iq ′ obtained by adjusting Id and Iq by the control parameter adjusting unit 34, control amounts Vdc and Vqc based on voltage values by PI control are calculated.
  • the following formula Iv ⁇ ( A v-phase current (Iv) obtained by (Iu + Iw) is calculated and converted from a three-phase current of Iu, Iv, and Iw to a two-phase current of Id and Iq.
  • the rotor angle of the motor 6 used for this conversion is acquired from the rotation angle sensor 36.
  • the detected (angle) value of the rotation angle is corrected by the rotation angle (phase) correction unit 38, and the motor 6 can be controlled with high accuracy.
  • the two-phase / three-phase conversion unit 44 converts the two-phase control amounts Vd, Vq and the values corrected by the rotation angle (phase) correction unit 38 into three-phase PWM duties Vu, Vv, Vw. Convert.
  • the power conversion unit 45 corresponds to the power circuit unit 28 of FIG. 2, performs PWM control of the inverter 31 according to the PWM duties Vu, Vv, and Vw, and drives the motor 6.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an image for calculating a calculation formula when the rotor of the motor is directed from the angle A0 (electrical angle) to the angle B0 (electrical angle).
  • Angle A0 (electrical angle): ⁇ _A0
  • Angle B0 (electrical angle): ⁇ _B0 ⁇ : Angular velocity of rotor electrical angle (angular velocity at the time when the rotor starts angle A0)
  • t_A0 Time when the rotor starts the angle A0
  • t_B0 Time when the rotor arrives at the angle B0
  • Rotation state 1 When going from angle A0 to angle B0, it can be divided into three rotation states of rotation states 1, 2, and 3.
  • Rotation state 1 When the rotor rotates at a constant speed, the calculation formula of the angle B0 is as follows (the solid line in the figure).
  • Angle B0 electric angle
  • angle A0 electric angle
  • Rotation state 2 When the rotor accelerates and rotates (broken line in the figure)
  • Angle B0 (electrical angle): angle A0 (electrical angle) + ⁇ ⁇ (t_B0 ⁇ t_A0) + 1 ⁇ 2 ⁇ d ⁇ / dt ⁇ (t_B0 ⁇ t_A0) ⁇ 2
  • d ⁇ / dt is positive
  • + 1/2 ⁇ d ⁇ / dt ⁇ (t_B0 ⁇ t_A0) ⁇ 2 is an angle component that has advanced due to acceleration.
  • Rotation state 3 When the rotor rotates at a reduced speed (shown in dotted line) Angle B0 (electrical angle): the same as the formula of the rotation state 2 However, since the value of d ⁇ / dt is negative, + 1/2 ⁇ d ⁇ / dt ⁇ (t_B0 ⁇ t_A0) ⁇ 2 is an angle delayed due to deceleration Become an ingredient.
  • FIG. 6 is a flowchart for adjusting the rotor rotation angle (phase) of the motor. This flowchart is executed by a CPU interrupt function at regular time intervals. After the start of this process, an accelerator signal is taken in and a current command value is generated (step S1). Next, the detection process of the three-phase current of the motor is performed, and the rotor phase at this time is set to ⁇ _A and the processing time is set to t_A (step S2). Next, the rotor rotation angle (phase) is detected (step S3). At this time, the rotor phase is ⁇ _B, and the processing time is t_B.
  • step S4 coordinate conversion from the three-phase detection current (Iu, Iv, Iw) to the two-phase current (Id, Iq) is performed.
  • the coordinate conversion formula from the three-phase detection current to the two-phase current is the following coordinate conversion formula.
  • Id ⁇ 2 ⁇ [Iv ⁇ sin ⁇ Iu ⁇ sin ( ⁇ 2 ⁇ / 3)]
  • Iq ⁇ 2 ⁇ [Iv ⁇ cos ⁇ Iu ⁇ cos ( ⁇ 2 ⁇ / 3)]
  • Iw -(Iu + Iv).
  • is calculated by the following phase correction formula 1 in the rotation angle phase correction unit 38 (FIG. 2).
  • the value of d ⁇ / dt is positive.
  • step S5 the PI calculation of the two-phase current control is performed by the current PI control unit 41 (FIG. 4) to generate the two-phase command voltage (Vd, Vq) (step S5).
  • step S6 coordinate conversion from the two-phase command voltage (Vd, Vq) to the three-phase command voltage (Vu, Vv, Vw) is performed (step S6).
  • the coordinate conversion formula from the two-phase command voltage to the three-phase command voltage is the following coordinate conversion formula.
  • Vu ⁇ (2/3) ⁇ [Vd ⁇ cos ⁇ Vq ⁇ sin ⁇ ]
  • Vv ⁇ (2/3) ⁇ [Vd ⁇ cos ( ⁇ 2 ⁇ / 3) ⁇ Vq ⁇ sin ( ⁇ 2 ⁇ / 3)]
  • Vw -(Vu + Vv) (Vd: d-axis voltage, Vq: q-axis voltage) ⁇ is calculated by the following phase correction formula 2 in the rotation angle phase correction unit 38 (FIG. 2).
  • the motor control unit 29 controls the power circuit unit 28 based on an acceleration / deceleration command based on a torque command or the like given from the ECU 21 and torque-controls the output of the motor 6.
  • the rotation angle of the motor 6 is detected by a rotation angle sensor 36 and used for vector control.
  • the rotation angle correction unit 38 in the motor control unit 29 responds to a torque command from the ECU 21 and the angular velocity ⁇ of the electrical angle, which is the rotation angle detected by the rotation angle sensor 36, and the differential value d ⁇ / dt of the electrical angle. Is used to correct the rotation angle of the rotor of the motor 6.
  • the control timing delay is corrected at the time of sudden acceleration or deceleration of the motor.
  • the error of the value becomes large and the motor cannot be controlled accurately.
  • not only the angular velocity ⁇ of the electrical angle but also the differential value d ⁇ / dt of the angular velocity of the electrical angle is used to correct the rotation angle of the motor 6 so that the motor 6 is suddenly accelerated or suddenly decelerated.
  • there is no delay in control timing and the motor 6 can be controlled with high accuracy.
  • the rotation angle correction unit 38 rotates the motor 6 without using the differential value d ⁇ / dt of the angular velocity of the electrical angle, that is, using only the angular velocity ⁇ of the electrical angle.
  • the angle can be accurately controlled.
  • the three-phase / two-phase converter 42 converts the three-phase current (Iu, Iv, Iw) that flows through the motor 6 into the two-phase current (Id, Iq) based on the coordinate conversion formula.
  • the coordinate conversion formula by adding a term that takes into account the differential value d ⁇ / dt of the angular velocity of the electrical angle, that is, 1/2 ⁇ d ⁇ / dt ⁇ (t_B ⁇ t_A) ⁇ 2, the motor 6 is accelerated or decelerated. Regardless, the rotational angle of the electrical angle of the rotor of the motor 6 can be accurately corrected.
  • the two-phase command voltage (Vd, Vq) is converted into the three-phase command voltage (Vu, Vv, Vw) based on the coordinate conversion formula.
  • the coordinate conversion formula by adding a term that takes into account the differential value d ⁇ / dt of the angular velocity of the electrical angle, that is, 1/2 ⁇ d ⁇ / dt ⁇ (t_C ⁇ t_B) ⁇ 2, the motor 6 is accelerated or decelerated. Regardless, the rotational angle of the electrical angle of the rotor of the motor 6 can be accurately corrected.
  • the present invention can be applied not only to the in-wheel motor type as a type for driving the wheels by individual motors but also to an electric vehicle driven by a motor outside the wheel such as an on-boat type. Furthermore, the present invention can also be applied to an electric vehicle in which all four wheels are driven by individual motors, and an electric vehicle in which a plurality of wheels are driven to travel by one motor.

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Abstract

 電気自動車の走行用のモータにおいて、このモータの急加速時または急減速時の制御タイミングの遅れがなく、同モータを制御よく制御することができる電気自動車の制御装置を提供する。電気自動車の制御装置は、ECU21と、モータコントロール部29を有するインバータ装置22とを備える。モータ6の回転角度を検出する回転角度センサ36を設け、モータコントロール部29に、回転角度センサ36により検出される回転角度である電気角の角速度、および、この電気角の角速度の微分値を用いて、ベクトル制御に用いるモータ6のローターの回転角度を補正する回転角度補正部38を設けた。

Description

電気自動車の制御装置 関連出願
 本出願は、2013年6月13日出願の特願2013-124312の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
 この発明は、電気自動車の制御装置に関し、例えば、モータの力行制御時および回生制御時において、指令トルクに応じて、ローター電気角の角速度および電気角の角速度の微分を用い、ベクトル制御の演算時におけるローター位相(電気角)を補正する技術に関する。
 電気自動車において、駆動輪となる左右の車輪が、それぞれ独立の走行用のモータにより駆動される自動車が公知である(特許文献1)。前記モータの回転は、減速機および車輪用軸受を介して車輪に伝達される。前記モータとして、例えば、IPMモータ(埋込磁石型同期モータ)が適用される。
特開2012-178919号公報 特開2004-40906号公報
 IPMモータの制御方法に関して、CPUの割込み関数にて、モータ回転角度センサにより回転角度を検出し、この検出される回転角度に基づき、IPMモータに3相電流を供給することで、モータを制御する。しかし、3相電流(Iu,Iv,Iw)を検出する時(時刻t_A)のローターの回転角度と、ローターの回転角度(電気角)を検出する時(時刻t_B)のローターの回転角度との間に、取り込む時刻の違いによる回転角度のずれが発生する。上記の2つの回転角度のずれにより、モータの制御を精度良く行うことができない問題がある。この問題を下記にて詳細に説明する。
 まず、t_A,t_B,t_CとΘ_A,Θ_B,Θ_Cを定義する。
 t_A:3相電流(Iu,Iv,Iw)の検出時刻である。
 t_B:ローターの回転角度(電気角)を取得する時刻である。
 t_C:3相指令電圧(Vu,Vv,Vw)をモータへ印加する時刻である。
 Θ_A:3相検出電流(Iu,Iv,Iw)時のローター位相(電気角)である。
 Θ_B:ローターの回転角度(電気角)を取得する時刻のローター位相(電気角)である。
 Θ_C:3相指令電圧(Vu,Vv,Vw)をモータへ印加する時のローター位相(電気角)である。
 (t_A,t_B,t_C:CPUの演算時刻であり、予め計測して設定した時刻である。)
 そして、CPUの割込み関数にて、t_A時に3相電流(Iu,Iv,Iw)とt_B時にローターの回転角度(電気角)を検出し、その検出値に基づき、3相検出電流から2相電流へ変換する。しかし、3相電流(Iu,Iv,Iw)とローターの回転角度(電気角)をCPUの割込み関数にて同一時刻で検出できない特性があり、そのため、3相検出電流から2相へ変換する時のローター角度は、t_A時の角度ではない。
 また、得られた2相電流をPI制御にて2相指令電圧を生成し、生成した2相指令電圧から3相指令電圧(Vu,Vv,Vw)への座標変換を行う。その後、t_C時に生成された3相指令電圧(Vu,Vv,Vw)をモータへ印加する。t_C時のローターの回転角度(電気角)はt_B時に取得した回転角度を使用する問題があり、そのため、モータの制御を精度良く行うことができない。
 例えば、下記の従来技術では、制御タイミングの遅れを補正し、精度よくモータを制御し得る技術が提案されている(特許文献2)。この従来技術における電気自動車では、駆動源として永久磁石式同期電動機(PM)モータが採用されており、そのPMモータの回転駆動制御をするために、ベクトル制御装置が使用されている。この制御方法は、トルク指令Tからモータ電流の電流指令値O_Id、O_Iq(2相の電流指令値)を算出し、実際の電流を検出し、指令電流と一致させるために、モータに3相電流を印加する。制御の流れは下記のようになる。
 (1)モータ電流検出処理(ローター位相θ1)
 (2)位相検出処理(ローター位相θ2)
 (3)検出電流の座標変換処理(3相→2相)
 (4)電流制御PI演算処理
 (5)指令電圧の座標変換処理(2相→3相)
 (6)指令電圧のモータへの印加(ロータ位相θ6)
 上記のローター位相θ1とローター位相θ6は、検出したローター位相θ2、演算時間差およびその時のモータの回転数から演算することで、モータを精度よく制御できる方法である。しかし、この従来技術では、モータの急加速時または急減速時において制御タイミングの遅れを補正する値の誤差が大きくなり、モータを精度よく制御できない問題が生じる。
 この発明の目的は、電気自動車の走行用のモータにおいて、このモータの急加速時または急減速時の制御タイミングの遅れがなく、同モータを精度よく制御することができる電気自動車の制御装置を提供することである。
 以下、本発明について、理解を容易にするために、便宜上実施形態の符号を参照して説明する。
 前記モータ6は、車両の前輪3および後輪2のいずれか一方、または両方を駆動し、前記モータ6と車輪用軸受4と減速機7とを含むインホイールモータ駆動装置8を構成するものとしても良い。
 請求の範囲および/または明細書および/または図面に開示された少なくとも2つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の2つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
 本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、本発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。本発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の第1の実施形態に係る電気自動車を平面図で示す概念構成のブロック図である。 同電気自動車のインバータ装置等の概念構成のブロック図である。 (a)同電気自動車のIPMモータの概念構成図、および(b)IPMモータに流す1次電流をd軸電流およびq軸電流に分離した例を説明する図である。 同電気自動車のモータコントロール部のトルク制御系を含むブロック図である。 同モータのローターが角度A0から角度B0へ向かう場合の計算式を算出するイメージを表す図である。 同モータのローター回転角度(位相)の調整フローチャートである。
 この発明の第1の実施形態に係る電気自動車の制御装置を図1ないし図6と共に説明する。図1は、この実施形態に係る電気自動車を平面図で示す概念構成のブロック図である。同図1に示すように、この電気自動車は、車体1の左右の後輪となる車輪2が駆動輪とされ、左右の前輪となる車輪3が従動輪の操舵輪とされた4輪の自動車である。駆動輪および従動輪となる車輪2,3は、いずれもタイヤを有し、それぞれ車輪用軸受4,5を介して車体1に支持されている。
 車輪用軸受4,5は、図1にてハブベアリングの略称「H/B」を付してある。駆動輪となる左右の車輪2,2は、それぞれ独立の走行用のモータ6,6により駆動される。モータ6の回転は、減速機7および車輪用軸受4を介して車輪2に伝達される。これらモータ6、減速機7、および車輪用軸受4は、互いに一つの組立部品であるインホイールモータ駆動装置8を構成しており、インホイールモータ駆動装置8は、一部または全体が車輪2内に配置される。減速機7は例えばサイクロイド減速機からなる。各車輪2,3には、電動式のブレーキ9,10が各々設けられている。また左右の前輪となる操舵輪である車輪3,3は、転舵機構11を介して転舵可能であり、ステアリングホイールのような操舵手段12により操舵される。
 図2は、同電気自動車のインバータ装置等の概念構成のブロック図である。図2に示すように、この電気自動車は、自動車全般の制御を行う電気制御ユニットであるECU21と、このECU21の指令に従って走行用のモータ6の制御を行うインバータ装置22とを有する。ECU21は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、並びに各種の電子回路等で構成される。ECU21は、トルク配分手段21aと、力行・回生制御指令部21bとを有する。
 トルク配分手段21aは、アクセル操作手段16の出力する加速指令と、ブレーキ操作手段17の出力する減速指令と、操舵手段12からの旋回指令とから、左右輪の走行用のモータ6,6に与える加速・減速指令をトルク指令値として生成し、インバータ装置22へ出力する。トルク配分手段21aは、ブレーキ操作手段17の出力する減速指令があったときに、モータ6を回生ブレーキとして機能させる制動トルク指令値と、前記電動式のブレーキ9,10を動作させる制動トルク指令値とに配分する機能を持つ。回生ブレーキとして機能させる制動トルク指令値は、前記左右輪のモータ6,6に与える加速・減速指令をトルク指令値に反映させる。ブレーキ9,10を動作させる制動トルク指令値は、ブレーキコントローラ23へ出力する。
 力行・回生制御指令部21bは、加速(力行)・減速(回生)の切換えを行うための指令フラグを、後述するモータコントロール部29のモータ力行・回生制御部33に与える。
 インバータ装置22は、各モータ6に対して設けられたパワー回路部28と、このパワー回路部28を制御するモータコントロール部29とを有する。パワー回路部28は、バッテリ19の直流電力をモータ6の力行および回生に用いる3相の交流電力に変換するインバータ31と、このインバータ31を制御するPWMドライバ32とを有する。モータ6は、3相の同期モータ等からなる。このモータ6には、同モータのローターの電気角としての回転角度を検出する回転角度センサ36が設けられている。インバータ31は、複数の半導体スイッチング素子で構成され、PWMドライバ32は、入力された電流指令をパルス幅変調し、前記各半導体スイッチング素子にオンオフ指令を与える。
 モータコントロール部29は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、および電子回路により構成され、その基本となる制御部としてモータ力行(駆動)・回生制御部33を有している。このモータ力行・回生制御部33は、上位制御手段であるECU21から与えられるトルク指令等による加速(力行)・減速(回生)指令に従い、電流指令に変換して、パワー回路部28のPWMドライバ32に電流指令を与える手段である。加速(力行)・減速(回生)の切換は、ECU21の力行・回生制御指令部21bからの指令フラグにより行う。モータ力行・回生制御部33は、力行制御手段33aと、回生制御手段33bとを有し、力行・回生制御指令部21bからの指令フラグにより力行制御手段33aおよび回生制御手段33bのいずれか一方が選択的に用いられる。
 モータ力行・回生制御部33は、前記指令フラグにより、インバータ内部に予め設定したトルクマップを用い、モータ6への指令電流値を生成する。モータ力行・回生制御部33は、このときモータ6に実際に流れる電流値を検出し、この電流値を指令電流と一致させるために、モータ6をPI制御で制御する。
 またモータコントロール部29は、制御パラメータ調整部34および回転角度(位相)補正部38を備えている。制御パラメータ調整部34は、モータ6を制御するときに用いるPI制御ゲインを調整する。一方、回転角度(位相)補正部38は、モータ6のローターの電気角としての回転角度を、回転角度センサ36から得て、後述のように補正することで、ベクトル制御を精度よく実現し得る。
 本実施形態では、ECU21、インバータ装置22、ブレーキコントローラ23、操舵手段12と4者間の信号転走は、コントローラー・エリア・ネットワーク(CAN)通信で行われている。
 図3は、この電気自動車のIPMモータの概念構成図である。図3(a)に示すように、車輪を駆動するモータがIPMモータつまり埋込磁石型同期モータの場合は、回転子の磁石軸であるd軸方向の磁気抵抗より、d軸と直交するq軸方向の磁気抵抗が小さくなるため、回転子は突極構造となり、d軸インダクタンスLdよりq軸インダクタンスLqが大きくなる。この突極性により、磁石トルクTm以外にリラクタンストルクTrが併用でき、高トルクおよび高効率とすることもできる。
 磁石トルクTm:回転子の永久磁石による磁界と巻線による回転子磁界とが吸引反発して発生するトルクである。
 リラクタンストルクTr:巻線による回転磁界に回転子の突極部が吸引されて発生するトルクである。
 モータが発生する総トルクは下記のようになる。
 T=p×{Ke×Iq+(Ld-Lq)×Id×Iq}
  =Tm+Tr
  p:極対数
 Ld:モータのd軸インダクタンス
 Lq:モータのq軸インダクタンス
 Ke:モータ誘起電圧定数実効値
 図3(b)に示すように、IPMモータに流す1次電流Iaを、トルク生成電流q軸電流Iqと、磁束生成電流d軸電流Idとに分離し、それぞれ独立に制御できるベクトル制御手法が周知である。
 Id=-Ia×sinβ
 Iq=Ia×cosβ
 β:電流進角
 図4は、この電気自動車のモータコントロール部29のトルク制御系を含むブロック図である。図2も参照しつつ説明する。モータコントロール部29は、モータ駆動電流を制御する手段であって、電流指令部40を含む。この電流指令部40は、モータ6に印加する駆動電流を回転角度センサ36で検出した検出値と、ECU21のトルク配分手段21aで生成した加速・減速指令によるトルク指令値とから、インバータ装置22のインバータ内部に予め設定したトルクマップを用い、相応の指令電流を生成する。つまりECU21からのトルク指令値に応じて、インバータ内部に生成された指令電流値の偏差を無くすためのPIフィードバック制御を行う。前記指令電流の方向(指令電流の符号)は、ECU21の力行・回生制御指令部21bから与えられる指令フラグにより切換えられる。
 モータ力行・回生制御部33は、モータ6のローターの回転角を回転角度センサ36から得て、ベクトル制御を行う。ここで車体の左右の後輪2に設けられたモータ6は、力行時と回生時とでトルク発生方向が互いに異なる。つまり前記モータ6をこの出力軸の方向から見ると、左側の後輪駆動用のモータ6はCW方向のトルクを発生し、右側の後輪駆動用のモータ6はCCW方向のトルクが発生する(左、右側は車両後ろから見た方向で決定される)。左、右側のモータ6でそれぞれ発生したトルクは、前記減速機7および車輪用軸受4を介して、トルク方向を反転し、タイヤに伝達される。また、左、右タイヤのモータ6における回生時のトルク発生方向は、力行時のトルク発生方向と異なっている特徴を持つ。
 前記トルクマップに関しては、アクセル信号とモータ6の回転数とに応じて、最大トルク制御テーブルから、相応なトルク指令値を算出する。電流指令部40は、算出された前記トルク指令値に基づき、モータ6の1次電流(Ia)と電流進角(β)の指令値を生成する。電流指令部40は、これら1次電流(Ia)と電流進角(β)の値に基づき、d軸電流(界磁成分)O_Idと、q軸電流O_Iqの二つの指令電流を生成する。
 電流PI制御部41は、電流指令部40から出力されたd軸電流O_Id、q軸電流O_Iqの値と、モータ電流および回転子角度から3相・2相変換部42で計算された2相電流Id,Iqに制御パラメータ調整部34で調整を加えた2相電流Id’,Iq’とから、PI制御による電圧値による制御量Vdc,Vqcを算出する。3相・2相変換部42では、モータ電流検出手段である電流センサ43で検出されるモータ6のu相電流(Iu)とw相電流(Iw)の検出値から、次式Iv=-(Iu+Iw)で求められるv相電流(Iv)を算出し、Iu,Iv,Iwの3相電流からId,Iqの2相電流に変換する。この変換に使われるモータ6の回転子角度は、回転角度センサ36から取得する。検出された回転角度の(位相)値は、回転角度(位相)補正部38により補正され、モータ6を精度よく制御し得る。
 2相・3相変換部44は、入力された2相の制御量Vd,Vqと、回転角度(位相)補正部38により補正された値とから、3相のPWMデューティVu,Vv,Vwに変換する。電力変換部45は、図2のパワー回路部28に相当し、PWMデューティVu,Vv,Vwに従ってインバータ31をPWM制御し、モータ6を駆動する。
 図5は、モータのローターが角度A0(電気角)から角度B0(電気角)へ向かう場合の計算式を算出するイメージを表す図である。
 角度A0(電気角):Θ_A0
 角度B0(電気角):Θ_B0
 ω:ローター電気角の角速度(ローターが角度A0を始動する時刻での角速度)
 t_A0:ローターが角度A0を始動する時刻
 t_B0:ローターが角度B0に到着する時刻
 角度A0から角度B0へ向かう場合、回転状態1、2、3の三つの回転状態に分けることができる。
 回転状態1:ローターが等速で回転する場合、角度B0の計算式は下記のようになる(図示実線)。
 角度B0(電気角):角度A0(電気角)+ω×(t_B0-t_A0)
 回転状態2:ローターが加速して回転する場合(図示破線)
 角度B0(電気角):角度A0(電気角)+ω×(t_B0-t_A0)+1/2×dω/dt×(t_B0-t_A0)^2
 しかしdω/dtの値は正であるため、+1/2×dω/dt×(t_B0-t_A0)^2は加速の原因で進行した角度成分となる。
 回転状態3:ローターが減速して回転する場合(図示点線)
 角度B0(電気角):前記回転状態2の式と同様
 しかしdω/dtの値は負であるため、+1/2×dω/dt×(t_B0-t_A0)^2は減速の原因で遅延した角度成分となる。
 図6は、モータのローター回転角度(位相)の調整フローチャートである。本フローチャートは、一定時間間隔でCPUの割込み関数により実行される。本処理開始後、アクセル信号を取込み、電流指令値を生成する(ステップS1)。次に、モータの3相電流の検出処理を行い、このときのローター位相をΘ_A、処理時刻をt_Aとする(ステップS2)。次に、ローター回転角度(位相)の検出を行う(ステップS3)。このときのローター位相をΘ_B、処理時刻をt_Bとする。
 次に、ステップS4に移行し、3相検出電流(Iu,Iv,Iw)から2相電流(Id,Iq)への座標変換を行う。この場合の3相検出電流から2相電流への座標変換式は、下記の座標変換式になる。
 Id=√2×[Iv×sinΘ-Iu×sin(Θ-2π/3)]
 Iq=√2×[Iv×cosΘ-Iu×cos(Θ-2π/3)]
 ただし、Iw=-(Iu+Iv)で換算。
 前記Θは、前記回転角度位相補正部38(図2)にて、次の位相補正式1により算出される。
 位相補正式1:
 Θ=Θ_A=Θ_B-ω×(t_B-t_A)-1/2×dω/dt×(t_B-t_A)^2
 力行制御を行う場合:dω/dtの値は正である。
 回生制御を行う場合:dω/dtの値は負である。
 (ωとdω/dtは他の割込み関数で演算される。)
 次に、電流PI制御部41(図4)にて、2相電流制御のPI演算を行い、2相指令電圧(Vd,Vq)を生成する(ステップS5)。次に、2相指令電圧(Vd,Vq)から3相指令電圧(Vu,Vv,Vw)への座標変換を行う(ステップS6)。この場合の2相指令電圧から3相指令電圧への座標変換式は、下記の座標変換式になる。
 Vu=√(2/3)×[Vd×cosΘ-Vq×sinΘ]
 Vv=√(2/3)×[Vd×cos(Θ-2π/3)-Vq×sin(Θ-2π/3)]
 Vw=-(Vu+Vv)
 (Vd:d軸電圧、Vq:q軸電圧)
 前記Θは、前記回転角度位相補正部38(図2)にて、次の位相補正式2により算出される。
 位相補正式2:
 Θ=Θ_C=Θ_B+ω×(t_C-t_B)+1/2×dω/dt×(t_C-t_B)^2
 力行制御を行う場合:dω/dtの値は正である。
 回生制御を行う場合:dω/dtの値は負である。
 次に、ステップS7に移行し、3相指令電圧をモータへ印加する。このときのローター位相をΘ_C、処理時刻をt_Cとする。その後本処理を終了する。
 作用効果について説明する。
 モータコントロール部29は、ECU21から与えられるトルク指令等による加速・減速指令に基づき、パワー回路部28を制御し、モータ6の出力をトルク制御する。モータ6の回転角度は、回転角度センサ36により検出され、ベクトル制御に用いられる。モータコントロール部29における回転角度補正部38は、ECU21からのトルク指令に応じて、回転角度センサ36により検出される回転角度である電気角の角速度ω、および、この電気角の微分値dω/dtを用いて、モータ6のローターの回転角度を補正する。
 従来技術のように、検出されるモータの回転角度である電気角の角速度のみを用いて、モータの回転角度を補正する場合、モータの急加速時または急減速時において制御タイミングの遅れを補正する値の誤差が大きくなり、モータを精度よく制御できない。この実施形態では、電気角の角速度ωだけでなく、この電気角の角速度の微分値dω/dtを用いて、モータ6の回転角度を補正することで、モータ6の急加速時または急減速時においても制御タイミングの遅れがなく、モータ6を精度よく制御することができる。なおモータ6が定回転で回転している場合、回転角度補正部38は、電気角の角速度の微分値dω/dtを加味することなくつまり電気角の角速度ωのみを用いて、モータ6の回転角度を精度よく制御し得る。
 3相・2相変換部42は、座標変換式に基づいて、モータ6に流す3相電流(Iu,Iv,Iw)を2相電流(Id,Iq)に変換する。前記座標変換式において、電気角の角速度の微分値dω/dtを加味した項、つまり1/2×dω/dt×(t_B-t_A)^2を入れることにより、モータ6の加速時、減速時にかかわらず、モータ6のローターの電気角の回転角度を精度よく補正することができる。
 2相・3相変換部44においても、座標変換式に基づいて、2相指令電圧(Vd,Vq)を3相指令電圧(Vu,Vv,Vw)に変換する。前記座標変換式において、電気角の角速度の微分値dω/dtを加味した項、つまり1/2×dω/dt×(t_C-t_B)^2を入れることにより、モータ6の加速時、減速時にかかわらず、モータ6のローターの電気角の回転角度を精度よく補正することができる。
 この発明は、車輪を個別のモータで駆動する形式として、インホイールモータ形式に限らず、オンボート形式等の車輪外のモータで駆動される電気自動車にも適用することができる。さらに、4輪とも個別のモータで駆動される電気自動車や、1台のモータで複数の車輪を走行駆動する電気自動車にも適用することができる。
 以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。
2,3…車輪
4…車輪用軸受
6…モータ
7…減速機
8…インホイールモータ駆動装置
21…ECU
22…インバータ装置
28…パワー回路部
29…モータコントロール部
31…インバータ
33a…力行制御手段
33b…回生制御手段
36…回転角度センサ
38…回転角度補正部
42…3相・2相変換部
44…2相・3相変換部

Claims (6)

  1.  車両全般を制御する電気制御ユニットであるECUと、直流電力を走行用のモータの駆動に用いる交流電力に変換するインバータを含むパワー回路部、および前記ECUからのトルク指令に従って前記パワー回路部を制御するモータコントロール部を有するインバータ装置と、前記モータの回転角度を検出する回転角度センサとを備え、
     前記モータコントロール部は、前記モータのローターの回転角度を前記回転角度センサから得てベクトル制御を行う電気自動車の制御装置であって、
     前記モータコントロール部に、
     前記回転角度センサにより検出される回転角度である電気角の角速度、および、この電気角の角速度の微分値を用いて、前記回転角度センサで検出され前記ベクトル制御に用いる前記モータのローターの回転角度を補正する回転角度補正部を設けた電気自動車の制御装置。
  2.  請求項1記載の電気自動車の制御装置において、前記モータの電流を検出するモータ電流検出手段を設け、
     前記モータコントロール部は、前記モータ電流検出手段で検出される電流および前記回転角度センサで検出される前記モータの回転角度から、前記モータに流す3相電流(Iu,Iv,Iw)を2相電流(Id,Iq)に変換する3相・2相変換部を有し、この3相・2相変換部における、3相電流(Iu,Iv,Iw)から2相電流(Id,Iq)への座標変換式を下記の座標変換式とした電気自動車の制御装置。
     Id=√2×[Iv×sinΘ-Iu×sin(Θ-2π/3)]
     Iq=√2×[Iv×cosΘ-Iu×cos(Θ-2π/3)]
     ここで、Θ=Θ_A=Θ_B-ω×(t_B-t_A)-1/2×dω/dt×(t_B-t_A)^2
  3.  請求項2記載の電気自動車の制御装置において、前記モータコントロール部は、前記モータを力行制御する力行制御手段と、前記モータを回生制御する回生制御手段とを有し、前記回転角度補正部は、前記力行制御手段で前記モータを力行制御するとき、前記角速度の微分値dω/dtの値を正とし、前記座標変換式における1/2×dω/dt×(t_B-t_A)^2を、加速の原因で進行した角度成分とし、前記回生制御手段で前記モータを回生制御するとき、前記角速度の微分値dω/dtの値を負とし、前記座標変換式における1/2×dω/dt×(t_B-t_A)^2を、減速の原因で遅延した角度成分とした電気自動車の制御装置。
  4.  請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の電気自動車の制御装置において、前記モータコントロール部は、2相指令電圧(Vd,Vq)を3相指令電圧(Vu,Vv,Vw)に変換する2相・3相変換部を有し、この2相・3相変換部における、2相指令電圧(Vd,Vq)から3相指令電圧(Vu,Vv,Vw)への座標変換式を下記の座標変換式とした電気自動車の制御装置。
     Vu=√(2/3)×[Vd×cosΘ-Vq×sinΘ]
     Vv=√(2/3)×[Vd×cos(Θ-2π/3)-Vq×sin(Θ-2π/3)]
     Vw=-(Vu+Vv)
     ここで、Θ=Θ_C=Θ_B+ω×(t_C-t_B)+1/2×dω/dt×(t_C-t_B)^2
  5.  請求項4記載の電気自動車の制御装置において、前記モータコントロール部は、前記モータを力行制御する力行制御手段と、前記モータを回生制御する回生制御手段とを有し、前記回転角度補正部は、前記力行制御手段で前記モータを力行制御するとき、前記角速度の微分値dω/dtの値を正とし、前記座標変換式における1/2×dω/dt×(t_C-t_B)^2を、加速の原因で進行した角度成分とし、前記回生制御手段で前記モータを回生制御するとき、前記角速度の微分値dω/dtの値を負とし、前記座標変換式における1/2×dω/dt×(t_C-t_B)^2を、減速の原因で遅延した角度成分とした電気自動車の制御装置。
  6.  請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の電気自動車の制御装置において、前記モータは、車両の前輪および後輪のいずれか一方、または両方を駆動し、前記モータと車輪用軸受と減速機とを含むインホイールモータ駆動装置を構成する電気自動車の制御装置。
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