JP3716534B2

JP3716534B2 - モータ制御装置及び電動車両

Info

Publication number: JP3716534B2
Application number: JP04350197A
Authority: JP
Inventors: 康彦北島; 一真大蔵
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2017-02-27
Also published as: JPH10243680A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ制御装置に関し、特にモータを高効率で駆動する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータを制御する場合、電力消費を出来る限り抑えるためにも、モータをいかに高効率で駆動するかが重要である。
ところで、図７はモータの効率曲線の例を示すが、この図からも分かるように、モータの効率は、回転速度とトルクとによって異なってくる。
【０００３】
特に電気自動車のように限られたエネルギでモータを駆動するシステムでは、有効にエネルギを使用する観点から可能な限り高効率で駆動することが望まれる。また、発熱の点からも高効率で駆動することが望ましい。従って、モータを効率の良い動作点で使用することが重要になってくる。
かかる高効率でモータを駆動するようにしたモータ制御装置としては、自動変速機を用いてその変速比を最適に制御することによりモータを効率の良い動作点で駆動するようにしたものがある（特開平５−１７６４１９号公報等参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、かかる従来のモータ制御装置では、変速機を使用しているため、以下のような不都合がある。
まず第１に、通常、モータを使ったシステムでは自動変速機を備えないのが一般的であるが、自動変速機を備えていないシステムでは、この手法を用いることができない。
【０００５】
第２に、変速機で変速するのに伴い、変速機の回転部を加減速しなければならず、効率を向上させることが難しい。
第３に、モータと自動変速機の協調制御が必要になり、コスト、サイズが大きくなる。
第４に、変速機の変速応答性はモータのトルクの応答性に比べて劣り、出力の応答性を向上させることが難しい。
【０００６】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、変速機を用いないでモータを制御することにより、低コスト、高効率を実現し、応答性の良好なモータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の発明にかかる装置は、モータの出力トルクをトルク指令値に追従させるようにモータを駆動制御するモータ制御装置において、モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、モータの回転速度における目標効率を演算する目標効率演算手段と、検出されたモータの回転速度と演算された目標効率とに基づいて、目標効率で駆動するための目標効率トルクを演算する目標効率トルク演算手段と、指定された所望の第１のトルク指令値と演算された目標効率トルクとに基づいて、第２のトルク指令値として時間平均値が第１のトルク指令値に一致し、波高値が目標効率トルク値に一致するパルス信号を生成する第２のトルク指令値生成手段と、生成された第２のトルク指令値に基づいてモータを駆動制御する駆動制御手段と、を備えるようにした。
【０００８】
かかる構成によれば、モータの回転速度は回転速度検出手段により検出され、モータの目標効率は、目標効率演算手段により演算される。そして、検出されたモータの回転速度と目標効率とに基づいて、目標効率トルク演算手段により、目標効率で駆動するための目標効率トルクが演算される。また、第１のトルク指令値と目標効率トルク値とに基づいてパルス状の第２のトルク値が第２のトルク指令値生成手段により生成される。この第２のトルク指令値の時間平均値が、指定された所望の第１のトルク指令値に一致し、第２のトルク指令値の波高値が、目標効率トルク値に一致するので、駆動制御手段により第２のトルク指令値に基づいてモータが駆動制御されたときは、モータは第１のトルク指令値で追従するように駆動され、しかも目標効率トルクの動作点で駆動される。
【０００９】
請求項２の発明にかかるモータ制御装置では、前記目標効率は、回転速度検出手段により検出された回転速度におけるモータの最高効率である。
かかる構成によれば、モータは最高効率の動作点で駆動される。
請求項３の発明にかかるモータ制御装置では、前記第２のトルク指令値の周波数は、適用されるモータ駆動系の固有振動数より十分高い値に設定されている。
【００１０】
かかる構成によれば、モータは適用されるモータ駆動系の固有振動数より十分高い周波数のパルス状のトルクで駆動制御されるため、モータの回転速度がパルス信号に応じて大きく変化することはなく、振動は殆ど発生しない。
請求項４の発明にかかる電動車両では、複数のモータと、各モータと対をなす請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のモータ制御装置と、を備えた電動車両において、各モータ制御装置の第２のトルク指令値の位相を異ならせるように位相制御する位相制御手段を備えている。
【００１１】
かかる構成によれば、各モータ制御装置から出力される第２のトルク指令値の位相が位相制御手段に制御されれて異なるようになり、駆動輪の合計出力トルクが均等化されるとともに、モータに供給する電力が平均化される。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１の発明にかかるモータ制御装置によれば、変速機を用いないでモータを目標効率で駆動することができ、効率が向上する。また、変速機を用いないので、低コストであり、応答性も良好となる。
請求項２の発明にかかるモータ制御装置によれば、モータを最高効率の動作点で駆動することができる。
【００１３】
請求項３の発明にかかるモータ制御装置によれば、機械的な振動が発生しなくなる。
請求項４の発明にかかる電動車両によれば、モータに供給する電力が平均化され、効率良くモータを駆動することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
本実施の形態を示す図１において、モータ７には、モータの回転速度を検出する回転速度検出手段としての回転速度センサ８と、モータ７の電流値を検出する電流センサ６と、が備えられている。
【００１５】
尚、本実施の形態では、モータ７には、例えば、誘導電動機、同期電動機等の交流電動機を用いるものとする。
最高効率トルク演算手段９には、図２に示すようなモータ７に特有の総合効率特性が予め備えられている。尚、図２において、実線は等効率曲線を示す。そして、最高効率トルク演算手段９は、回転速度センサ８から入力された回転速度信号及びこの特性に基づいて、モータ７の回転速度における最高効率駆動点の最高効率トルクを演算する。この図２に示す総合効率特性が目標効率演算手段に相当し、最高効率トルク演算手段９が目標効率トルク演算手段に相当する。
【００１６】
トルク指令演算手段１は、最高効率トルク演算手段９から最高効率トルクを入力し、外部からモータ７に要求する第１のトルク指令値を入力し、この第１のトルク指令値と最高効率トルクとに基づいてパルス状の第２のトルク指令値を演算する。このトルク指令演算手段１が第２のトルク指令生成手段に相当する。
電流指令演算手段２は、トルク指令演算手段１により演算された第２のトルク指令値に、出力トルクを追従させるために必要な電流の指令値を演算するものである。
【００１７】
電流制御手段３は、電流指令演算手段２により演算された電流指令及び電流センサ６により検出されたモータ電流を入力し、モータ７にこの電流指令の電流が通電されるようにモータ７に印加する電圧の指令値を演算する手段である。
インバータ４は、電流制御手段３からの電圧指令値に基づいて、直流電源５からの直流電力をＰＷＭ(Pulse width modulation)制御して正弦波の交流電圧に変換し、この交流電圧をモータ７に印加する電力変換手段である。
【００１８】
この電流指令演算手段２、電流制御手段３、インバータ４、直流電源５、電流センサ６が駆動制御手段に相当する。
尚、本実施の形態では、モータ７に交流電動機を使用したために電力変換手段としてインバータ４を用いたが、モータ７に直流電動機を用いることもでき、そのときは、電力変換手段にチョッパ制御装置が用いられる。
【００１９】
次に、作用を説明する。
モータ７の回転速度は回転速度センサ８により検出されて最高効率トルク演算手段９に入力され、最高効率トルク演算手段９では、検出された回転速度における最高効率トルクが演算される。
即ち、モータ７の総合効率特性を示す図２において、例えば、モータ７の回転速度がＮ１であって、トルクがＴ１であったとする（動作点Ａ）。動作点Ａはモータ回転速度Ｎ１における効率が最高となる動作点ではなく、この回転数における最高効率動作点はＡ’なので、モータ７の回転速度から、この動作点Ａ’のトルクＴＥが求められる。
【００２０】
この最高効率トルクＴＥはトルク指令演算手段１に入力される。
トルク指令演算手段１には、外部から第１のトルク指令値が入力され、最高効率トルク演算手段９から最高効率トルクＴＥが入力される。そして、第１のトルク指令値と最高効率トルク演算手段９から入力された最高効率トルクＴＥとに基づいて、図４に示すようなパルス状の第２のトルク指令値が生成される。
【００２１】
その処理内容を図３のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ（図中では「Ｓ」と記してあり、以下同様とする）１では、第１のトルク指令Ｔ１と最高効率トルクＴＥとのトルク比Ｔ１／ＴＥを演算する。
ステップ２では、このトルク比Ｔ１／ＴＥが１以上であるか否かを判定する。
トルク比Ｔ１／ＴＥが１以上であるときは、モータ７に要求されるトルクＴ１が最高効率トルクＴＥ以上であるので、そのときは、ステップ３に進み、第１のトルク指令値Ｔ１をそのまま第２のトルク指令値として出力する。
【００２２】
また、トルク比Ｔ１／ＴＥが１未満であるときは、モータ７に要求されるトルクＴ１が最高効率トルクＴＥ未満となったので、ステップ４に進む。
ステップ４では、最高効率トルクＴＥを出力する時間ｔonをパルスの周期ｔｓとトルク比Ｔ１／ＴＥとの積に基づいて求める。
尚、モータ７の回転速度がパルスに応じて変化することがないように、第２のトルク指令値のパルスの周波数を、モータ７の出力軸が結合されている駆動系（図示せず）の固有振動数よりも十分高い周波数に設定しておく。例えば、電気自動車の駆動系の固有振動数は数Ｈｚであるので、第２のトルク指令値のパルス周波数を１００Ｈｚ程度、あるいはそれ以上に設定しておく。
【００２３】
ステップ５では、大きさ０のトルクを出力する時間ｔoff を時間ｔs 、時間ｔonとの差から求める。
ステップ６では、第２のトルク指令値として最高効率トルクＴＥを時間ｔonの間出力し、時間ｔoff でトルク０を出力する。
このような処理を行うことにより、演算された第２のトルク指令値はパルス状となり、その時間平均値は第１のトルク指令Ｔ１と等しくなり、波高値は最高効率トルクＴＥと等しくなる。
【００２４】
即ち、モータ７に要求されるトルクＴ１が最高効率トルクＴＥ以上であるときは第１のトルク指令値Ｔ１がそのまま連続値として出力され、モータ７に要求されるトルクＴ１が最高効率トルクＴＥ未満となったときは、パルス状の第２のトルク指令値が出力され、その時間平均値は第１のトルク指令Ｔ１と等しくなるので、モータ７の出力トルクは第１のトルク指令Ｔ１に追従するようになり、また、第２のトルク指令の値が最高効率トルクＴＥであるときは、その回転速度における最高効率点Ａ’となり、トルク０であるときは損失が０となるので、等価的に動作点Ａと同じ動作をしながら、効率は最高効率駆動点であるＡ’と等しくなる。
【００２５】
電流指令演算手段２では、この第２のトルク指令値に基づいて電流指令値が演算され、電流制御手段３では、前記電流指令値及び電流センサ６により検出されたモータ電流に基づいてモータ７に印加する電圧指令値を演算し、インバータ４では、前記電圧指令値に基づいて直流電源５の直流電力がＰＷＭ制御されてモータ７に印加される。
このようにして、モータ７は回転速度に影響されることなく、常に最高効率点Ａ’で駆動される。
【００２６】
かかる構成によれば、生成された第２のトルク指令値の時間平均値が第１のトルク指令Ｔ１と等しく、波高値が最高効率トルクＴＥと等しいので、この第２のトルク指令値に基づいてモータ７を高効率で駆動することができ、従来のような変速機を用いないので低コストとなり、応答性の良いモータ駆動装置を実現できる。
【００２７】
また、第２のトルク指令のパルスの周波数がモータ駆動系の固有振動数より十分高い周波数に設定されているので、出力トルクがパルス波形であっても、モータ７の回転速度がパルスに応じて大きく変化することはなく、振動は発生しない。
尚、以上の制御は、マイクロプロセッサを用いれば簡単に実現され、処理も高速に行うことが可能となる。
【００２８】
次に第２の実施の形態について説明する。
このものは、第１の実施の形態のモータ制御装置を電動車両である電気自動車に適用したものである。
図５は、第２の実施の形態の構成を示す図である。
尚、第１の実施の形態と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
【００２９】
第２の実施の形態では、図５に示すように、第１の実施の形態のモータ制御装置が駆動輪１１、１１’毎に備えられている。
一方のモータ制御装置のトルク指令演算手段１には、第１のトルク指令値が入力され、この第１のトルク指令値と最高効率トルク演算手段９から出力された最高効率トルクとに基づいて第２のトルク指令値が出力される。
【００３０】
もう一方のモータ制御装置のトルク指令演算手段１’には、第３のトルク指令値が入力され、この第３のトルク指令値と最高効率トルク演算手段９’から出力された最高効率トルクとに基づいて第４のトルク指令値が出力される。
タイミング信号発生装置１２は、両モータ制御装置のトルク指令演算手段１、１’に、夫々、位相を異ならせるタイミング信号１、２を出力するものであり、位相制御手段に相当する。そのタイミングは夫々のモータ制御装置の第２のトルク指令値のパルスが１／（モータの数）周期ずつずれるようにする。本実施の形態では、モータの数が２つであるので、１／２周期だけずらすようにする。
【００３１】
尚、直流電源５は、２つのインバータ４、４’に共通して使用される。
次に第２の実施の形態の作用を図６に基づいて説明する。
パルスタイミング信号１は、図６（Ａ）に示すように周期Ｔｓ毎に、タイミング信号発生装置１２からトルク指令演算手段１に出力され、パルスタイミング信号２は、（Ｂ）に示すように周期Ｔｓ毎に、タイミング信号発生装置１２からトルク指令演算手段１’に出力され、パルスタイミング信号１、２の出力タイミングは時間Ｔ s/２だけずれている。
【００３２】
そして、トルク指令演算手段１では、（Ｃ）に示すように、時刻ｔ₁〜ｔ₂、ｔ₃〜ｔ₄、．．．において、第１の実施の形態と同様に第２のトルク指令値が生成され、トルク指令演算手段１' では、（Ｄ）に示すように、時刻ｔ₂〜ｔ₃、ｔ₄〜ｔ₅、．．．において、第１の実施の形態と同様に第４のトルク指令値が生成される。
【００３３】
従って、モータ７、７’が、夫々、高効率で駆動されると共に、（Ｅ）に示すように、直流電源５の出力電力は時間Ｔ s/２だけずれた例えば等間隔のパルス波形となり、パルスのデューティが５０％を越えるまで２つのモータ制御装置には電力が同時に供給されることがない。
かかる構成によれば、２つのモータ７、７’を制御するとき、各第２のトルク指令値の位相を異ならせるようにしたので、２つのモータ制御装置には、パルスのデューティが５０％を越えるまで電力が同時に供給されることがなく、瞬時供給電力を小さくすることができ、効率の良い駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示すブロック図。
【図２】図１の作用説明図。
【図３】図１の第２トルク指令の演算方法を示すフローチャート。
【図４】本発明の第１の実施例における第１のトルク指令と第２のトルク指令の関係を示す図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の構成を示すブロック図。
【図６】図５の動作を示す信号波形図。
【図７】モータの作用説明図。
【符号の説明】
１トルク指令演算手段
６電流センサ
７モータ
８回転速度センサ
９最高効率トルク演算手段

Claims

モータの出力トルクをトルク指令値に追従させるようにモータを駆動制御するモータ制御装置において、
モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
モータの回転速度における目標効率を演算する目標効率演算手段と、
検出されたモータの回転速度と演算された目標効率とに基づいて、目標効率で駆動するための目標効率トルクを演算する目標効率トルク演算手段と、
指定された所望の第１のトルク指令値と演算された目標効率トルクとに基づいて、第２のトルク指令値として時間平均値が第１のトルク指令値に一致し、波高値が目標効率トルク値に一致するパルス信号を生成する第２のトルク指令値生成手段と、
生成された第２のトルク指令値に基づいてモータを駆動制御する駆動制御手段と、
を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
前記目標効率は、回転速度検出手段により検出された回転速度におけるモータの最高効率であることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
前記第２のトルク指令値の周波数は、適用されるモータ駆動系の固有振動数より十分高い値に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置。
複数のモータと、各モータと対をなす請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のモータ制御装置と、を備えた電動車両において、各モータ制御装置の第２のトルク指令値の位相を異ならせるように位相制御する位相制御手段を備えたことを特徴とする電動車両。