WO2015075807A1 - 電気車両の制御システム - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a control system for an electric vehicle driven by a rotary electric motor, and more particularly to a technique for preventing an electric vehicle that is stopped on a slope from moving in an unintended direction.
  • FIG. 6 shows the prior art described in Patent Document 1.
  • the motor controller 100 supplies a three-phase AC voltage to the induction motor 200 for driving the vehicle by the power converter 108.
  • Reference numeral 301 denotes a speed detector attached to the induction motor 200
  • 302 denotes a gear
  • 303 denotes a wheel
  • 304 denotes a mechanical brake.
  • reference numeral 101 denotes a command calculator, which is based on the accelerator opening detection value, the brake opening detection value, the shift lever position detection value, and the mechanical brake operation detection value.
  • I d * , q-axis current command value I q * , and frequency command value ⁇ 1 * are generated.
  • the current of each phase output from the power converter 108 is detected by the current detector 109 and converted into the d-axis current detection value I d and the q-axis current detection value I q by the three-phase / 2-phase converter 110.
  • the d-axis current controller 102 generates the d-axis current command value I d ** so that the deviation between the d-axis current command value I d * and the d-axis current detection value I d is zero, and the q-axis current control is performed.
  • the device 103 generates the q-axis current command value I q ** so that the deviation between the q-axis current command value I q * and the q-axis current detection value I q is zero.
  • the voltage command computing unit 104 generates a d-axis voltage command value V d * and a q-axis voltage command based on the frequency command value ⁇ 1 * , the d-axis current command value I d **, and the q-axis current command value I q **. Generate the value V q * . Further, the integrator 106 integrates the frequency command value ⁇ 1 * to calculate the phase ⁇ .
  • the two-phase / three-phase converter 105 converts the d-axis voltage command value V d * and the q-axis voltage command value V q * into the three-phase voltage command values V u * , V v * , V w * using the phase ⁇ . And output to the pulse generator 107.
  • the pulse generator 107 sends drive pulses generated from these voltage command values V u * , V v * , and V w * to the power converter 108 to drive the internal semiconductor switching elements.
  • the mechanical brake 304 brakes the wheel 303 in accordance with the mechanical brake operation command output from the mechanical brake controller 111, and the mechanical brake operation detection value is input to the mechanical brake controller 111. Has been.
  • the DC voltage (or ⁇ 1 to +1 [Hz]) is applied to the stator of the induction motor 200.
  • the electric vehicle is stopped by applying an AC voltage having a frequency between the two. More specifically, when the voltage applied to the stator of the induction motor 200 is a DC voltage, for example, when an electric vehicle stopped on an uphill starts to move backward, the rotor of the induction motor 200 is Since the rotation is reversed and a positive slip frequency is generated between the stator and the rotor, the induction motor 200 starts to output a positive torque.
  • the slip frequency increases, the torque generated increases, and eventually the slip frequency increases until the torque generated by the induction motor 200 balances with the torque that the vehicle moves due to gravity.
  • the induction motor 200 has a negative speed corresponding to the slip frequency. Strictly speaking, the induction motor 200 moves backward on the slope, but the slip frequency is small, and a gear 302 is provided between the induction motor 200 and the wheel 303. Therefore, it can be considered that the electric vehicle is almost completely stopped. As described above, according to the conventional technique described in Patent Document 1, it is possible to almost completely stop the vehicle on the slope without using the mechanical brake 304 by applying a DC voltage to the induction motor 200. .
  • JP 2011-72189 A paragraphs [0012] to [0024], FIG. 1 etc.
  • Example 2 of Patent Document 1 discloses a technique for calculating a DC voltage according to a road surface inclination detection value and a vehicle weight detection value. Does not have to add a sensor, but increases the cost.
  • Patent Document 1 adopts a method of applying a constant voltage to the induction motor 200 when stopping the electric vehicle, and actively controlling the torque required to stop the electric vehicle from the control device. Since it is not a thing, when it sees from the induction motor 200, it cannot be said that it is an optimal operation state. Furthermore, although Patent Document 1 is intended only for an electric vehicle driven by an induction motor, in recent years, a permanent magnet synchronous motor is often used in the electric vehicle. When a DC voltage is applied to the permanent magnet synchronous motor, a constant torque can be output. However, unlike the induction motor, since there is no mechanism for increasing the output frequency by increasing the slip frequency, it is described in Patent Document 1. However, this conventional technique has a problem that the movement of the electric vehicle driven by the permanent magnet synchronous motor cannot be prevented.
  • An object of the present invention is to provide an electric vehicle control system that can be stopped reliably.
  • the present invention maintains a stopped state of an electric vehicle based on the speed of a rotating motor that drives the electric vehicle and a forward or reverse operation mode indicated by an operation of a shift lever or the like.
  • Such torque is generated.
  • the invention according to claim 1 is an electric vehicle control system including a rotary electric motor controlled by a power converter as a drive source.
  • An electric motor control device for causing the rotary electric motor to output torque according to the torque command of the rotary electric motor; Torque command correction for preventing the electric vehicle from moving in the direction opposite to the traveling direction in the operation mode based on the operation mode for instructing the electric vehicle to move forward or backward and the speed of the rotary motor.
  • Torque calculating means for calculating a value; Means for inputting an addition value of the torque command and the torque command correction value to the motor control device as a final torque command.
  • the invention according to claim 2 is the electric vehicle control system according to claim 1,
  • the torque calculation means includes Feedback control means for calculating the torque command correction value so that the speed of the rotary motor follows the target speed, and limiting means for limiting the torque command correction value with a torque upper limit value and a torque lower limit value according to the operation mode. And.
  • the invention according to claim 3 is the electric vehicle control system according to claim 2,
  • the torque calculation means sets the target speed to zero or a positive value when a forward movement is instructed as the operation mode, sets the torque upper limit value to a positive value equal to or less than a positive torque maximum value, and The torque lower limit value is set to zero or a positive value.
  • the invention according to claim 4 is the electric vehicle control system according to claim 2,
  • the torque calculation means sets the target speed to zero or a negative value when the reverse operation is instructed as the operation mode, sets the torque upper limit value to zero or a negative value, and sets the torque lower limit value to The value is from zero to the maximum negative torque value.
  • the invention according to claim 5 is the electric vehicle control system according to any one of claims 2 to 4, wherein the feedback control means includes a controller (for example, a PI controller, PID controller), and the output of the integral element is limited by the torque upper limit value and the torque lower limit value.
  • a controller for example, a PI controller, PID controller
  • the speed of the rotary motor may be directly acquired by a speed sensor or a position sensor attached to the rotary motor as described in claim 6, or estimated by a motor control device as described in claim 7. You may do it.
  • speed feedback control is performed so that the electric vehicle does not move in the direction opposite to the operation mode, and a torque command necessary for maintaining the stopped state is obtained.
  • speed feedback control is performed so that the electric vehicle does not move in the direction opposite to the operation mode, and a torque command necessary for maintaining the stopped state is obtained.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an electric vehicle control system according to this embodiment.
  • 1 is a rotary motor (hereinafter also simply referred to as an electric motor) such as a permanent magnet synchronous motor or an induction motor that drives an electric vehicle
  • 2 is a sensor for detecting the position or rotational speed of the rotor of the motor 1.
  • 3 is a PWM power converter for driving the electric motor 1
  • 4 is an electric motor controller for controlling the electric power converter 3 so that torque according to the torque command is output from the electric motor 1
  • 5 is an operation mode (shift lever) of the electric vehicle
  • An addition means for calculating a final torque command by adding the calculated torque command correction value.
  • FIG. 2 is a block diagram of the motor control device 4 in FIG. Since AC rotary motors such as permanent magnet synchronous motors and induction motors can be controlled in the same manner as DC motors, a dq axis coordinate system comprising a d axis parallel to the magnetic flux axis of the rotor and a q axis perpendicular thereto. In general, the current is controlled by the above.
  • a current command calculation means 41 calculates a d-axis current command value i d * and a q-axis current command value i q * based on the final torque command Trq * in FIG.
  • the input currents i v and i w of the electric motor 1 are detected by the current sensors 42 and 43, and the two-phase (or three-phase) AC current is detected by the coordinate conversion means 44 as the d-axis current detection values i d and q-axis.
  • the current detection value i q is converted.
  • the subtracting means 45 and 46 calculate deviations between the d-axis current command value i d * and the q-axis current command value i q * and the d-axis current detection value i d and the q-axis current detection value i q , respectively.
  • the units 47 and 48 operate so as to make each deviation zero, and generate the d-axis voltage command value V d * and the q-axis voltage command value V q * .
  • the coordinate conversion means 49 converts the d-axis voltage command value V d * and the q-axis voltage command value V q * into three-phase voltage command values V u * , V v * , and V w * , and the PWM power converter 3 Output to.
  • FIG. 3 is a block diagram of the torque calculation means 5 of FIG.
  • 51 is a subtracting means for obtaining a deviation between the target speed and the motor speed
  • 52 is a proportional element that performs a proportional operation on the speed deviation
  • 53 is an integral element that performs an integral operation on the speed deviation
  • 54 is: First limiting means for limiting the output of the integrating element 53 with the torque upper limit value and the torque lower limit value
  • 55 is an adding means for adding the output of the proportional element 52 and the output of the integrating element 53 that has passed through the first limiting means 54.
  • , 56 is a second limiting means for outputting a signal obtained by limiting the output of the adding means 55 with a torque upper limit value and a torque lower limit value as a torque command correction value
  • 57, 58 are operation modes (indicated by operation of the shift lever). It is a switch for switching the torque upper limit value and torque lower limit value of each of the limiting means 54, 56 according to the forward mode or reverse mode). Needless to say, the torque upper limit value is always larger than the torque lower limit value.
  • the target speed is input to the subtracting means 51 by operating the shift lever as in the operation mode, and the proportional element 52 and the integral element 53 are configured as a PI controller.
  • the subtracting means 51, the proportional element 52 and the integrating element 53 constitute a feedback control means together with the adding means 55.
  • the switch 57 when the forward mode is instructed, the switch 57 selects zero, the switch 58 selects the positive maximum torque value (T max ), and when the reverse mode is instructed, the switch 57 sets the negative torque maximum value ( ⁇ T max ), and the switch 58 selects zero.
  • the upper limit values of the limiting means 54 and 56 become the positive maximum torque value (T max ), and the lower limit value becomes zero.
  • T max positive maximum torque value
  • the mechanical brake for wheel braking is released while the electric vehicle is stopped on an uphill.
  • the electric vehicle starts to move backward on the slope due to the influence of gravity (so-called “sliding down”), and the actual speed of the electric motor 1 (the electric motor speed in FIG. 3) becomes a negative value.
  • the proportional element 52 and the integral element 53 in FIG. 4 perform speed feedback control so that the motor speed matches the target speed (here, zero), and output a positive torque that balances the gravity applied to the vehicle.
  • the output of the integrating element 53 is added as it is to the output of the proportional element 52 by the adding means 55 without being restricted by the restricting means 54, and the output of the adding means 55 is directly restricted without being restricted by the restricting means 56. Output as a correction value.
  • the electric vehicle when the electric vehicle is moved forward by the driver's operation from the stop state, the torque command by the driver and the torque command correction value from the torque calculating means 5 described above are added by the adding means 6 in FIG. 4, the electric vehicle quickly transitions from the stopped state to the forward state.
  • the output of the subtracting means 51 in FIG. 4 becomes a negative value, and the calculation results of the proportional element 52 and the integral element 53 become negative in order to make the motor speed coincide with the target speed (here, zero).
  • the output of the adding means 55 that is, the torque command correction value is zero. Therefore, the torque command correction value does not affect the motor control device 4 and only the torque command by the driver's operation is input to the motor control device 4.
  • the output of the subtracting means 51 that is, the speed deviation of the electric motor 1 is a negative value
  • the integration element 53 is saturated to a negative value as a result of integration with respect to this value. If the vehicle stops again in this state, it may not be possible to maintain the vehicle in a stopped state until the output of the integrating element 53 is canceled to a negative value.
  • the output of the integration element 53 is always limited by a lower limit value (here, zero) to prevent saturation of the output of the integration element 53.
  • the upper limit values of the limiting means 54 and 56 become zero, and the lower limit value becomes a negative maximum value ( ⁇ T max ).
  • ⁇ T max negative maximum value
  • the vehicle starts to move forward on the slope and the motor speed becomes a positive value.
  • the proportional element 52 and the integral element 53 in FIG. 5 perform speed feedback control so that the motor speed matches the target speed (here, zero), and output a negative torque that balances the gravity applied to the vehicle.
  • the output of the integrating element 53 is added as it is to the output of the proportional element 52 by the adding means 55 without being restricted by the restricting means 54, and the output of the adding means 55 is directly restricted without being restricted by the restricting means 56. Output as a correction value.
  • the output of the subtracting means 51 of FIG. 5 becomes a positive value, and the calculation results of the proportional element 52 and the integral element 53 become positive in order to make the motor speed coincide with the target speed (here, zero).
  • the output of the adding means 55 that is, the torque command correction value is zero. Therefore, the torque command correction value does not affect the motor control device 4 and only the torque command by the driver's operation is input to the motor control device 4.
  • the torque calculation means 5 performs a predetermined torque command correction according to the operation mode. By generating the value, a torque that prevents the vehicle from moving in an unintended direction can be output from the electric motor 1.
  • the controller in the torque calculation means 5 is constituted by a PID controller including a proportional element, an integral element, and a differential element in addition to a PI controller composed of a proportional element 52 and an integral element 53. Also good.
  • the target speed input to the subtraction means 51 in the torque calculation means 5 is set to zero, but a positive value is input as the target speed in the forward mode, and a negative value is input in the reverse mode. Also good.
  • the torque lower limit value may be a positive value instead of zero, and the torque upper limit value may be a positive torque maximum value instead of zero. It may be a value up to the maximum torque value. Alternatively, the torque upper limit value may not be provided.
  • the torque upper limit value may be a negative value instead of zero, and the torque lower limit value may be a negative torque maximum value instead of zero. It may be a value up to the maximum torque value. Or it is not necessary to provide a torque lower limit.
  • the torque upper limit value and the torque lower limit value are common to the two limiting means 54 and 56, but the torque upper limit value and the torque lower limit value are individually set for each of the limiting means 54 and 56. You may do it.
  • the actual speed is directly detected by attaching the sensor 2 to the rotary electric motor 1, but in the case of speed sensorless control without a speed sensor, the output current of the power conversion device is controlled by the motor control device.
  • rotational speed information estimated using an output voltage or the like may be used.

Abstract

　電力変換装置により制御される回転電動機を駆動源として備えた電気車両の制御システムにおいて、最終トルク指令に従って回転電動機１にトルクを出力させるための電動機制御装置４と、電気車両に対して前進または後退を指示する動作モードと回転電動機１の速度とに基づいて、前記動作モードによる進行方向とは反対の方向に電気車両が移動するのを防止するためのトルク指令補正値を演算するトルク演算手段５と、トルク指令とトルク指令補正値との加算値を最終トルク指令として電動機制御装置４に入力する加算手段６とを備える。これにより、路面の傾斜や車両重量を検出するセンサを追加することなく、各種の回転電動機に適用可能であって、坂道においても機械式ブレーキを使用せずに電気車両の停止状態を維持可能とした制御システムを実現する。

Description

電気車両の制御システム
　本発明は、回転電動機により駆動される電気車両の制御システムに関し、詳しくは、坂道において停車中の電気車両が、意図しない方向へ移動するのを防止するための技術に関するものである。
　回転電動機により駆動される電気車両が坂道において停止し、または停止状態から発車する時に、車両が重力によって意図しない方向へ移動することがある。これを防止する対策として、機械式ブレーキを使用する方法があるが、この方法では、車両が重力によって受ける力と回転電動機の出力トルクとが釣り合うタイミングで機械式ブレーキを解除する等の操作が必要であり、機械式ブレーキと回転電動機との協調制御が難しく、機械式ブレーキが摩耗する等の問題もある。
　このため、従来から、機械式ブレーキを用いずに回転電動機にトルクを出力させて車両の移動を防止する技術が提案されている。
　例えば、図６は、特許文献１に記載された従来技術を示している。図６において、電動機制御器１００は、電力変換器１０８により車両駆動用の誘導電動機２００に三相交流電圧を供給する。３０１は誘導電動機２００に取り付けられた速度検出器、３０２はギア、３０３は車輪、３０４は機械式ブレーキである。
　また、電動機制御器１００において、１０１は指令演算器であり、アクセル開度検出値、ブレーキ開度検出値、シフトレバー位置検出値、及び機械式ブレーキ操作検出値に基づいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊，ｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊、及び周波数指令値ω１ ＊を生成する。
　電力変換器１０８から出力される各相の電流は電流検出器１０９により検出され、３相／２相変換器１１０によりｄ軸電流検出値Ｉｄ，ｑ軸電流検出値Ｉｑに変換される。ｄ軸電流制御器１０２は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊とｄ軸電流検出値Ｉｄとの偏差をゼロにするようにｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊＊を生成し、ｑ軸電流制御器１０３は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊とｑ軸電流検出値Ｉｑとの偏差をゼロにするようにｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊＊を生成する。　　電圧指令演算器１０４は、周波数指令値ω１ ＊とｄ軸電流指令値Ｉｄ ＊＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ ＊＊に基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ ＊を生成する。また、積分器１０６は周波数指令値ω１ ＊を積分して位相θを演算する。
　２相／３相変換器１０５は、位相θを用いてｄ軸電圧指令値Ｖｄ ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ ＊を３相の電圧指令値Ｖｕ ＊，Ｖｖ ＊，Ｖｗ ＊に変換し、パルス発生器１０７に出力する。パルス発生器１０７では、これらの電圧指令値Ｖｕ ＊，Ｖｖ ＊，Ｖｗ ＊から生成した駆動パルスを電力変換器１０８に送り、内部の半導体スイッチング素子を駆動する。
　ここで、機械式ブレーキ３０４は、機械式ブレーキ制御器１１１から出力される機械式ブレーキ動作指令に従って車輪３０３を制動するものであり、機械式ブレーキ制御器１１１には機械式ブレーキ操作検出値が入力されている。
　この従来技術では、指令演算器１０１が、電気車両が機械式ブレーキの非作動状態で停止していることを検出した時に、誘導電動機２００の固定子に直流電圧（または－１～＋１[Ｈｚ]の間にある周波数の交流電圧）を印加することにより、電気車両を停止させている。
　より具体的に説明すると、誘導電動機２００の固定子に印加される電圧が直流電圧である場合、例えば上り坂で停止している電気車両が後方へ移動し始めると、誘導電動機２００の回転子が逆転し、固定子と回転子との間に正のすべり周波数が発生するので、誘導電動機２００が正のトルクを出力し始める。すべり周波数が大きくなるにつれて発生するトルクは大きくなり、最終的には、誘導電動機２００が発生するトルクと重力により車両が移動するトルクとが釣り合う状態まで、すべり周波数が大きくなる。誘導電動機２００は、すべり周波数分だけは負の速度を持つことになり、厳密には坂道を後方へ移動するが、このすべり周波数は小さく、また、誘導電動機２００と車輪３０３との間にギア３０２が介在しているため、電気車両としてはほぼ完全に停止している状態と見なすことができる。
　このように、特許文献１に記載された従来技術では、誘導電動機２００に直流電圧を印加することにより、機械式ブレーキ３０４を用いずに車両を坂道にてほぼ完全に停止させることが可能である。
特開２０１１－７２１８９号公報（段落[００１２]～[００２４]、図１等）
　しかしながら、特許文献１に係る従来技術では、誘導電動機２００に印加する直流電圧の大きさが明確に規定されていない。この直流電圧が低過ぎると、十分なトルクを発生することができないため、電気車両の移動速度が過大になって車両を停止できない恐れがあり、直流電圧が高過ぎると、誘導電動機２００が発熱するという問題がある。
　また、誘導電動機２００に印加される直流電圧が一定であるため、坂道の勾配が大きい場合には、車両の重量による移動量に対応したトルクが大きくなり、車両を停止させることができない場合がある。この問題に対して、特許文献１の実施例２には、路面の傾斜検出値及び車両の重量検出値に応じて直流電圧を算出する技術が開示されているが、各検出値を得るためにはセンサを追加しなくではならず、コストの上昇を招く。
　いずれにしても、特許文献１では、電気車両を停止させる時に誘導電動機２００に一定電圧を印加する方法を採っており、電気車両を停止させるのに必要なトルクを制御装置から積極的に制御するものではないため、誘導電動機２００から見ると、最適な動作状態であるとは言えない。
　更に、特許文献１は誘導電動機により駆動される電気車両のみを対象としているが、近年、電気車両においては永久磁石同期電動機がよく使用されている。永久磁石同期電動機に直流電圧を印加すると、一定のトルクを出力することが可能であるが、誘導電動機のようにすべり周波数を大きくして出力トルクを大きくするメカニズムを持たないため、特許文献１記載の従来技術では、永久磁石同期電動機により駆動される電気車両の移動を防ぐことができないという問題がある。
　そこで、本発明の解決課題は、路面の傾斜や車両重量を検出するセンサを追加することなく、各種の回転電動機に適用可能であって、坂道においても機械式ブレーキを使用せずに電気車両を確実に停止させることができる電気車両の制御システムを提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明は、電気車両を駆動する回転電動機の速度と、シフトレバー等の操作によって指示される前進または後退の動作モードとに基づいて、電気車両の停止状態を維持するようなトルクを生成するものである。
　すなわち、請求項１に係る発明は、電力変換装置により制御される回転電動機を駆動源として備えた電気車両の制御システムにおいて、
　前記回転電動機のトルク指令に従って前記回転電動機にトルクを出力させるための電動機制御装置と、
　前記電気車両に対して前進または後退を指示する動作モードと前記回転電動機の速度とに基づいて、前記動作モードによる進行方向の反対方向に前記電気車両が移動するのを防止するためのトルク指令補正値を演算するトルク演算手段と、
　前記トルク指令と前記トルク指令補正値との加算値を最終トルク指令として前記電動機制御装置に入力する手段と、を備えたものである。
　請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電気車両の制御システムにおいて、
　前記トルク演算手段は、
　前記回転電動機の速度が目標速度に追従するように前記トルク指令補正値を演算するフィードバック制御手段と、前記動作モードに応じて前記トルク指令補正値をトルク上限値及びトルク下限値により制限する制限手段と、を備えたものである。
　請求項３に係る発明は、請求項２に記載した電気車両の制御システムにおいて、
　前記トルク演算手段は、前記動作モードとして前進が指示された時に、前記目標速度を零または正の値に設定すると共に、前記トルク上限値を正のトルク最大値以下の正の値とし、かつ、前記トルク下限値を零または正の値とするものである。
　請求項４に係る発明は、請求項２に記載した電気車両の制御システムにおいて、
　前記トルク演算手段は、前記動作モードとして後退が指示された時に、前記目標速度を零または負の値に設定すると共に、前記トルク上限値を零または負の値とし、かつ、前記トルク下限値を零から負のトルク最大値までの値とするものである。
　請求項５に係る発明は、請求項２～４の何れか１項に記載した電気車両の制御システムにおいて、前記フィードバック制御手段は、少なくとも比例要素及び積分要素を含む制御器（例えばＰＩ制御器やＰＩＤ制御器）を有し、前記積分要素の出力を前記トルク上限値及び前記トルク下限値により制限するものである。
　なお、回転電動機の速度は、請求項６に記載するように、回転電動機に取り付けた速度センサまたは位置センサにより直接取得しても良いし、請求項７に記載するように、電動機制御装置によって推定しても良い。
　本発明によれば、指示された動作モードと回転電動機の速度とに基づいて、電気車両が動作モードとは反対方向に移動しないように速度フィードバック制御を行い、停止状態の維持に必要なトルク指令補正値を自動的に生成することにより、路面の傾斜や車両重量を検出するセンサ、及び機械式ブレーキを使用しなくても、電気車両の停止状態を維持することができる。このため、回転電動機のトルクと機械式ブレーキとの間の協調シーケンスも不要である。
　また、回転電動機の速度を速度または位置センサから直接取得できない場合には、電動機制御装置により推定した速度を用いればよく、いわゆる速度センサレス制御システムにも本発明を適用することができる。
　更に、本発明は、誘導電動機や永久磁石同期電動機等の交流電動機のほか、直流電動機を含む回転電動機全般に適用可能である。
本発明の実施形態に係る制御システムの構成図である。 図１における電動機制御装置の構成図である。 図１におけるトルク演算手段の構成図である。 電気車両の前進モードにおけるトルク演算手段の構成図である。 電気車両の後退モードにおけるトルク演算手段の構成図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。
　以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
　図１は、この実施形態に係る電気車両の制御システムの構成図である。図１において、１は電気車両を駆動する永久磁石同期電動機や誘導電動機等の回転電動機（以下、単に電動機ともいう）、２は電動機１の回転子の位置または回転速度を検出するためのセンサ、３は電動機１を駆動するＰＷＭ電力変換装置、４は、電動機１からトルク指令通りのトルクを出力させるように電力変換装置３を制御する電動機制御装置、５は、電気車両の動作モード（シフトレバーの操作により指示される前進モードまたは後退モード）の反対方向に電動機１が回転して電気車両が移動するのを防止するために、電動機制御装置４がセンサ２の出力信号から検出した電動機速度と上記動作モードとに基づいてトルク指令補正値を演算するトルク演算手段、６は、運転手の操作により入力されるトルク指令とトルク演算手段５により演算されたトルク指令補正値とを加算して最終トルク指令を演算する加算手段である。
　図２は、図１における電動機制御装置４の構成図である。永久磁石同期電動機や誘導電動機等の交流の回転電動機は、直流電動機と同様に制御可能であるため、回転子の磁束軸に平行なｄ軸とこれに直交するｑ軸とからなるｄｑ軸座標系により電流を制御することが一般的である。
　図２において、電流指令演算手段４１は、図１における最終トルク指令Ｔｒｑ＊に基づいてｄ軸電流指令値ｉｄ ＊，ｑ軸電流指令値ｉｑ ＊をそれぞれ演算する。一方、電流センサ４２，４３により電動機１の入力電流ｉｖ，ｉｗを検出し、その２相（または３相）の交流電流を、座標変換手段４４によりｄ軸電流検出値ｉｄ，ｑ軸電流検出値ｉｑに変換する。
　減算手段４５，４６は、ｄ軸電流指令値ｉｄ ＊，ｑ軸電流指令値ｉｑ ＊とｄ軸電流検出値ｉｄ，ｑ軸電流検出値ｉｑとの偏差をそれぞれ演算し、電流制御器４７，４８は各偏差を零にするように動作してｄ軸電圧指令値Ｖｄ ＊，ｑ軸電圧指令値Ｖｑ ＊を生成する。座標変換手段４９は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ ＊，ｑ軸電圧指令値Ｖｑ ＊を三相の電圧指令値Ｖｕ ＊，Ｖｖ ＊，Ｖｗ ＊に変換し、ＰＷＭ電力変換装置３に出力する。
　図３は、図１のトルク演算手段５の構成図である。図３において、５１は目標速度と電動機速度との偏差を求める減算手段、５２は速度偏差に対して比例演算を行う比例要素、５３は速度偏差に対して積分演算を行う積分要素、５４は、積分要素５３の出力をトルク上限値及びトルク下限値により制限する第１の制限手段、５５は、比例要素５２の出力と第１の制限手段５４を経た積分要素５３の出力とを加算する加算手段、５６は加算手段５５の出力をトルク上限値及びトルク下限値により制限した信号をトルク指令補正値として出力する第２の制限手段、５７，５８は、シフトレバーの操作により指示された動作モード（前進モードまたは後退モード）に応じて前記各制限手段５４，５６のトルク上限値及びトルク下限値を切り替えるスイッチである。なお、トルク上限値は常にトルク下限値より大きいことは言うまでもない。
　ここで、前記目標速度は、動作モードと同様にシフトレバーの操作によって減算手段５１に入力されており、比例要素５２及び積分要素５３はＰＩ制御器として構成されている。また、これらの減算手段５１、比例要素５２及び積分要素５３は、加算手段５５と共にフィードバック制御手段を構成している。
　図３では、前進モードが指示された時にスイッチ５７が零、スイッチ５８が正のトルク最大値（Ｔｍａｘ）を選択し、後退モードが指示された時にスイッチ５７が負のトルク最大値（－Ｔｍａｘ）を選択し、スイッチ５８が零を選択するようになっている。
　例えば、シフトレバーにより前進モードが指示されると、図４に示すように、制限手段５４，５６の上限値は正のトルク最大値（Ｔｍａｘ）となり、下限値は零となる。
　いま、電気車両が上り坂で停止している状態において、車輪制動用の機械式ブレーキを解除する場合を想定する。この時には、電気車両は重力の影響により坂道の後方へ移動し始め（いわゆる、ずり下がり）、電動機１の実際の速度（図３における電動機速度）は負の値となる。図４の比例要素５２及び積分要素５３は、電動機速度を目標速度（ここでは零）に一致させるように速度フィードバック制御を行い、車両に加わる重力と釣り合う正のトルクを出力する。積分要素５３の出力は制限手段５４により制限されることなくそのまま加算手段５５にて比例要素５２の出力と加算され、また、加算手段５５の出力は制限手段５６により制限されることなくそのままトルク指令補正値として出力される。
　このとき、図１の加算手段６にはトルク指令補正値のみが入力されるので（運転手の操作によるトルク指令は零）、このトルク指令補正値が最終トルク指令として電動機制御装置４に与えられる。
　その結果、電気車両は速度が零になるように制御され、完全停止状態に維持されるようになる。このようにして電動機１の速度は目標速度の零に追従するため、坂道の勾配に応じて必要な出力トルクを自動的に調整することができ、勾配の大小によらず電気車両を確実に停止させることができる。
　また、停止状態から運転手の操作により電気車両を前進させる時には、運転手によるトルク指令と上述したトルク演算手段５からのトルク指令補正値とが図１の加算手段６により加算されて電動機制御装置４へ入力されるため、電気車両は停止状態から前進状態に素早く遷移する。
　そして、電気車両が前進走行することにより、電動機速度は正の値となる。このため、図４の減算手段５１の出力は負の値となり、電動機速度を目標速度（ここでは零）に一致させるために比例要素５２及び積分要素５３の演算結果は負となる。しかし、制限手段５４，５６の下限値は何れも零になっているため、加算手段５５の出力すなわちトルク指令補正値は零となる。従って、トルク指令補正値が電動機制御装置４に影響を与えることはなく、電動機制御装置４には運転手の操作によるトルク指令のみが入力されることになる。
　この時、減算手段５１の出力、すなわち電動機１の速度偏差は負の値になっていて積分要素５３はこの値に対して積分を行う結果、負の値で飽和してしまう。このような状態で再び上り坂で停止すると、積分要素５３の出力が負の値を解消するまで車両を停止させた状態で維持できないおそれがあるため、その対策として、前進モードでは制限手段５４により積分要素５３の出力を常に下限値（ここでは零）により制限し、積分要素５３の出力の飽和を防止している。
　また、シフトレバーにより後退モードが指示されると、図５に示すように、制限手段５４，５６の上限値は零となり、下限値は負の最大値（－Ｔｍａｘ）となる。
　電気車両が下り坂で停止している状態において、車輪制動用の機械式ブレーキを解除した場合には、車両が坂道の前方へ移動し始め、電動機速度は正の値となる。図５の比例要素５２及び積分要素５３は、電動機速度を目標速度（ここでは零）に一致させるように速度フィードバック制御を行い、車両に加わる重力と釣り合う負のトルクを出力する。積分要素５３の出力は制限手段５４により制限されることなくそのまま加算手段５５にて比例要素５２の出力と加算され、また、加算手段５５の出力は制限手段５６により制限されることなくそのままトルク指令補正値として出力される。
　このとき、前進モードの場合と同様に、図１の加算手段６にはトルク指令補正値のみが入力されるので（運転手の操作によるトルク指令は零）、このトルク指令補正値が最終トルク指令として電動機制御装置４に与えられる。
　その結果、電動機１の速度すなわち電気車両の速度は目標速度の零に追従するため、坂道の勾配に応じて必要な出力トルクを自動的に調整することができ、勾配の大小によらず電気車両を確実に停止させることができる。
　また、停止状態から運転手の操作により電気車両を後退させる時には、運転手によるトルク指令と上述したトルク演算手段５からのトルク指令補正値とが図１の加算手段６により加算されて電動機制御装置４へ入力されるため、電気車両は停止状態から、後退状態に素早く遷移する。
　そして、電気車両が後退走行することにより、電動機速度は負の値となる。このため、図５の減算手段５１の出力は正の値となり、電動機速度を目標速度（ここでは零）に一致させるために比例要素５２及び積分要素５３の演算結果は正となる。しかし、制限手段５４，５６のトルク上限値は何れも零になっているため、加算手段５５の出力すなわちトルク指令補正値は零となる。従って、トルク指令補正値が電動機制御装置４に影響を与えることはなく、電動機制御装置４には運転手の操作によるトルク指令のみが入力されることになる。
　上述したように、この実施形態によれば、車両が上り坂または下り坂で停止している状態で機械式ブレーキを解除した場合でも、動作モードに応じてトルク演算手段５が所定のトルク指令補正値を生成することにより、意図しない方向への車両の移動を防止するようなトルクを電動機１から出力させることができる。
　なお、上記実施形態において、トルク演算手段５内の制御器は、比例要素５２及び積分要素５３からなるＰＩ制御器のほか、比例要素，積分要素及び微分要素を備えたＰＩＤ制御器により構成しても良い。
　また、上記実施形態では、トルク演算手段５内の減算手段５１に入力する目標速度を零としているが、前進モードでは目標速度として正の値を入力し、後退モードでは負の値を入力しても良い。
　更に、各制限手段５４，５６の制限値として、前進モードではトルク下限値を零とする代わりに正の値にしても良く、トルク上限値を正のトルク最大値とする代わりに、零から正のトルク最大値までの値にしても良い。あるいは、トルク上限値を設けなくても良い。
　また、各制限手段５４，５６の制限値として、後退モードではトルク上限値を零とする代わりに負の値にしても良く、トルク下限値を負のトルク最大値とする代わりに、零から負のトルク最大値までの値にしても良い。あるいは、トルク下限値を設けなくても良い。
　上記実施形態では、トルク上限値、トルク下限値として、二つの制限手段５４，５６に共通の値を用いているが、制限手段５４，５６のそれぞれに個別にトルク上限値、トルク下限値を設定しても良い。
　また、本実施形態では、回転電動機１にセンサ２を取り付けて実際の速度を直接検出しているが、速度センサを持たない速度センサレス制御の場合には、電動機制御装置により電力変換装置の出力電流、出力電圧等を用いて推定した回転速度情報を用いても良い。
１　回転電動機
２　センサ
３　ＰＷＭ電力変換装置
４　電動機制御装置
５　トルク演算手段
６　加算手段
４１　電流指令演算手段
４２，４３　電流センサ
４４，４９　座標変換手段
４５，４６　減算手段
４７，４８　電流制御手段
５１　減算手段
５２　比例要素
５３　積分要素
５４，５６　制限手段
５５　加算手段
５７，５８　スイッチ

Claims (7)

  1. 　電力変換装置により制御される回転電動機を駆動源として備えた電気車両の制御システムにおいて、
    　前記回転電動機のトルク指令に従って前記回転電動機にトルクを出力させるための電動機制御装置と、
    　前記電気車両に対して前進または後退を指示する動作モードと前記回転電動機の速度とに基づいて、前記動作モードによる進行方向の反対方向に前記電気車両が移動するのを防止するためのトルク指令補正値を演算するトルク演算手段と、
    　前記トルク指令と前記トルク指令補正値との加算値を最終トルク指令として前記電動機制御装置に入力する手段と、
    　を備えたことを特徴とする電気車両の制御システム。
  2. 　請求項１に記載した電気車両の制御システムにおいて、
    　前記トルク演算手段は、
    　前記回転電動機の速度が目標速度に追従するように前記トルク指令補正値を演算するフィードバック制御手段と、
    　前記動作モードに応じて前記トルク指令補正値をトルク上限値及びトルク下限値により制限する制御手段と、
    　を備えたことを特徴とする電気車両の制御システム。
  3. 　請求項２に記載した電気車両の制御システムにおいて、
    　前記トルク演算手段は、
    　前記動作モードとして前進が指示された時に、前記目標速度を零または正の値に設定すると共に、前記トルク上限値を正のトルク最大値以下の正の値とし、かつ、前記トルク下限値を零または正の値とすることを特徴とする電気車両の制御システム。
  4. 　請求項２に記載した電気車両の制御システムにおいて、
    　前記トルク演算手段は、
    　前記動作モードとして後退が指示された時に、前記目標速度を零または負の値に設定すると共に、前記トルク上限値を零または負の値とし、かつ、前記トルク下限値を零から負のトルク最大値までの値とすることを特徴とする電気車両の制御システム。
  5. 　請求項２～４の何れか１項に記載した電気車両の制御システムにおいて、
    　前記フィードバック制御手段は、少なくとも比例要素及び積分要素を含む制御器を有し、前記積分要素の出力を前記トルク上限値及び前記トルク下限値により制限することを特徴とする電気車両の制御システム。
  6. 　請求項１に記載した電気車両の制御システムにおいて、
    　前記回転電動機の速度を、前記回転電動機に取り付けた速度センサまたは位置センサにより直接取得することを特徴とする電気車両の制御システム。
  7. 　請求項１に記載した電気車両の制御システムにおいて、
    　前記回転電動機の速度を、前記電動機制御装置により推定することを特徴とする電気車両の制御システム。
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