(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
要求動作点となる可変の要求回転数および要求トルクに基づき、実際の出力動作点である出力回転数および出力トルクを前記要求動作点に一致させるように電気入力を制御する電動機の制御方法であって、
所定の単位時間を通して、前記要求回転数に前記出力回転数を継続的に一致させるとともに、前記要求回転数の条件下で最も高い効率が得られるトルク値である最高効率トルク値と、前記電気入力をなくしたときのゼロトルク値とを前記単位時間内の時間比率で組み合わせて前記電動機が実際に出力する瞬時トルクを変遷させ、
前記瞬時トルクの前記単位時間を通した時間平均値で求められる前記出力トルクが前記要求トルクに一致するように前記電気入力を制御し、
前記要求回転数および前記要求トルクが一定である間、前記単位時間を略一定に維持しつつ、
時間経過に伴い前記単位時間ごとに前記時間比率および前記最高効率トルク値および前記ゼロトルク値の少なくともひとつをわずかに変化させ、あるいは揺動させる電動機の制御方法。
【請求項２】
請求項１において、時間経過に伴い前記単位時間をわずかに変化させ、あるいは揺動させる電動機の制御方法。
【請求項３】
要求動作点となる可変の要求回転数および要求トルクに基づき、実際の出力動作点である出力回転数および出力トルクを前記要求動作点に一致させるように電気入力を制御する電動機の制御方法であって、
所定の単位時間を通して、前記要求回転数に前記出力回転数を継続的に一致させるとともに、前記要求回転数の条件下で最も高い効率が得られるトルク値である最高効率トルク値と、前記電気入力をなくしたときのゼロトルク値とを前記単位時間内の時間比率で組み合わせて前記電動機が実際に出力する瞬時トルクを変遷させ、
前記瞬時トルクの前記単位時間を通した時間平均値で求められる前記出力トルクが前記要求トルクに一致するように前記電気入力を制御し、
前記要求回転数および前記要求トルクが一定である間、前記単位時間を略一定に維持しつつ、
時間経過に伴い前記単位時間をわずかに変化させ、あるいは揺動させる電動機の制御方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、
前記電気入力の制御方式は、繰り返すキャリア周期内で矩形波電圧のデューティ比を可変に制御する電圧型パルス幅変調制御方式であり、
前記単位時間は、前記キャリア周期の２倍以上であり、前記要求回転数および前記要求トルクに応じて設定される電動機の制御方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において、前記電動機の出力側に前記瞬時トルクの変遷を吸収して瞬時変化を抑制するトルク変遷吸収装置を設けた電動機の制御方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、前記要求回転数および前記要求トルクが所定の条件を満たすときに、前記単位時間を通して前記要求回転数に前記出力回転数を継続的に一致させるとともに前記高効率トルク値を含んで前記瞬時トルクを変遷させ、前記所定の条件を満たさないときに、前記単位時間を通して前記要求回転数に前記出力回転数を継続的に一致させるとともに前記要求トルクに前記瞬時トルクを継続的に一致させる電動機の制御方法。
【請求項７】
請求項６において、前記所定の条件は、前記要求回転数および前記要求トルクの時間変化率が所定の閾値以下となる条件である電動機の制御方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項において、前記電動機はハイブリッド車両または電気自動車に搭載されて走行駆動源に用いられる電動機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機の制御方法に関し、より詳細には、要求動作点となる要求回転数および要求トルクに実際の出力回転数および出力トルクを一致させるように電気入力を制御する電動機の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車両では、走行駆動源としてエンジンおよび電動機を搭載し、エンジンによる駆動を電動機でアシストしたり、電動機単独で駆動したりできるようになっている。電動機には三相交流電動機を用い、電気入力を制御することにより出力回転数および出力トルクを可変に制御するのが一般的である。電気入力の制御には、インバータ装置によりキャリア周波数の１周期内で矩形波電圧のデューティ比を制御して、実効値を可変に制御する電圧型パルス幅変調制御方式を用いる場合が多い。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、エンジンを主動力、モータを補助動力とするハイブリッド車用モータの技術例が開示されている。このモータは、ＤＣブラシレスモータであり、補助動力源の機能に加え、エンジンからの駆動による発電機能、および車両制動時のエネルギ回生機能を有している。そして、車両駆動システムとしての機能を実現するために、システム制御部から要求される回転数およびトルクに合致する動作点で駆動制御されるようになっている。このモータの高効率領域は、実際に動作する機会の多い実使用領域より若干高回転側に設定されている。
【０００４】
また、特許文献１には、ドライバーが要求したトルクを正確に発生できる車両用のモーター制御システムが開示されている。このモーター制御システムは、交流形電気モーター、直流形電源、および制御部を含み、トルク命令に基づきトルク電流と磁束電流を発生するのに有効なトルク制御部と、トルク命令を正確に満たすように複相電圧信号をモーターに供給する空間ベクトル・パルス幅変調部とを有している。さらに、従属請求項および実施形態では、交流形電気モーターとして三相誘導モーターが例示され、空間ベクトル・パルス幅変調部としてＩＧＢＴ装置（電圧型パルス幅変調制御を行うインバータ装置の一種と解釈できる）が例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１４２５００号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】嶋田明吉「ホンダにおけるハイブリッド車・燃料電池車用モータの開発について」、第２２次モータ技術フォーラム第７回配布資料、２００３年、日本能率協会主催
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、非特許文献１や特許文献１の技術では、車載の電動機（モータ）はシステム制御部やドライバーなど外部から要求される要求動作点、すなわち要求回転数および要求トルクに合致した出力動作点で動作する。一般的に、車両が発進するときや急坂路を登坂するときに必要とされる最大トルクを考慮して電動機の出力範囲が設定されるが、通常の平地走行で必要とされるトルクは最大トルクよりもかなり小さい。このため、電動機の高効率領域は最大トルクに依存して比較的大きなトルクの側に偏移しがちになり、平地走行時の動作点は高効率領域よりも小さなトルク側に外れる。つまり、効率が低い領域で動作する場合が多くなり、多くの損失が発生して車両の燃費が低下する。したがって、燃費の向上には、動作時間の多くを占め比較的小さなトルクが要求される低負荷時の効率を向上することが重要である。
【０００８】
なお、上述の問題点は、車載の走行駆動用の電動機に限定されるものではなく、用途は異なっても出力範囲の設定に対して通常時に低負荷で動作する電動機に共通している。また、上述の問題点は．電動機の電源の種類すなわち直流か単相交流か三相交流かに限定されず、同期形や誘導形などの形式にも限定されず、さらには制御方式や内部構造などの差異にも限定されず共通している。
【０００９】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、低負荷時の効率を従来よりも向上できる電動機の制御方法を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する請求項１に係る電動機の制御方法の発明は、要求動作点となる可変の要求回転数および要求トルクに基づき、実際の出力動作点である出力回転数および出力トルクを前記要求動作点に一致させるように電気入力を制御する電動機の制御方法であって、所定の単位時間を通して、前記要求回転数に前記出力回転数を継続的に一致させるとともに、前記要求回転数の条件下で最も高い効率が得られるトルク値である最高効率トルク値と、前記電気入力をなくしたときのゼロトルク値とを前記単位時間内の時間比率で組み合わせて前記電動機が実際に出力する瞬時トルクを変遷させ、前記瞬時トルクの前記単位時間を通した時間平均値で求められる前記出力トルクが前記要求トルクに一致するように前記電気入力を制御し、前記要求回転数および前記要求トルクが一定である間、前記単位時間を略一定に維持しつつ、時間経過に伴い前記単位時間ごとに前記時間比率および前記最高効率トルク値および前記ゼロトルク値の少なくともひとつをわずかに変化させ、あるいは揺動させる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１において、時間経過に伴い前記単位時間をわずかに変化させ、あるいは揺動させる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、要求動作点となる可変の要求回転数および要求トルクに基づき、実際の出力動作点である出力回転数および出力トルクを前記要求動作点に一致させるように電気入力を制御する電動機の制御方法であって、所定の単位時間を通して、前記要求回転数に前記出力回転数を継続的に一致させるとともに、前記要求回転数の条件下で最も高い効率が得られるトルク値である最高効率トルク値と、前記電気入力をなくしたときのゼロトルク値とを前記単位時間内の時間比率で組み合わせて前記電動機が実際に出力する瞬時トルクを変遷させ、前記瞬時トルクの前記単位時間を通した時間平均値で求められる前記出力トルクが前記要求トルクに一致するように前記電気入力を制御し、前記要求回転数および前記要求トルクが一定である間、前記単位時間を略一定に維持しつつ、時間経過に伴い前記単位時間をわずかに変化させ、あるいは揺動させる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記電気入力の制御方式は、繰り返すキャリア周期内で矩形波電圧のデューティ比を可変に制御する電圧型パルス幅変調制御方式であり、前記単位時間は、前記キャリア周期の２倍以上であり、前記要求回転数および前記要求トルクに応じて設定される。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記電動機の出力側に前記瞬時トルクの変遷を吸収して瞬時変化を抑制するトルク変遷吸収装置を設けた。
【００１７】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記要求回転数および前記要求トルクが所定の条件を満たすときに、前記単位時間を通して前記要求回転数に前記出力回転数を継続的に一致させるとともに前記高効率トルク値を含んで前記瞬時トルクを変遷させ、前記所定の条件を満たさないときに、前記単位時間を通して前記要求回転数に前記出力回転数を継続的に一致させるとともに前記要求トルクに前記瞬時トルクを継続的に一致させる。
【００１８】
請求項７に係る発明は、請求項６において、前記所定の条件は、前記要求回転数および前記要求トルクの時間変化率が所定の閾値以下となる条件である。
【００１９】
請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか一項において、前記電動機はハイブリッド車両または電気自動車に搭載されて走行駆動源に用いられる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１および請求項３に係る電動機の制御方法の発明では、単位時間を通して要求回転数に出力回転数を継続的に一致させて一定とし、出力トルクは一定とせずに最高効率トルク値とゼロトルク値とを単位時間内の時間比率で組み合わせて瞬時トルクを変遷させる。このとき、瞬時トルクが最高効率トルク値となっている時間帯の効率は文字通り最高効率となり、瞬時トルクがゼロトルク値となっている時間帯では損失が少ない。そして、瞬時トルクの時間平均値で求められる出力トルクが要求トルクに一致するように電気入力を制御する。一方、従来の制御技術では、単位時間を通して要求トルクに瞬時トルクを継続的に一致させて一定に保っていた。したがって、本発明における単位時間を通した平均効率は、従来の制御技術の効率と比較して格段に向上し、この効果は動作時間の多くを占める低負荷時に発生する。また、この効果は、電動機の電源の種類すなわち直流か単相交流か三相交流かに限定されず、同期形や誘導形などの形式にも限定されず、さらには制御方式や内部構造などの差異にも限定されずに発生する。
【００２３】
さらに、請求項１および請求項３に係る発明では、要求回転数および要求トルクが一定である間、単位時間を略一定に維持するので、制御が簡素化される。
【００２４】
さらに、請求項１に係る発明では、時間経過に伴い単位時間ごとに時間比率および最高効率トルク値およびゼロトルク値の少なくともひとつをわずかに変化させ、あるいは揺動させる。また、請求項２および請求項３に係る発明では、時間経過に伴い単位時間をわずかに変化させ、あるいは揺動させる。ここで、「揺動」とは、所定の目標値を中心として各回の制御値を適宜上下にばらつかせ、長い時間が経過すると毎回の制御値を平均した平均制御値が目標値に収束するように制御することを意味する。また、「揺動」以外の制御が「変化」であり、例えば、各回の制御値を徐々に増加させる制御が該当する。このように、時間比率、最高効率トルク値、ゼロトルク値、単位時間の少なくともひとつをわずかに変化させ、あるいは揺動させることで、有害な共振現象や振動および騒音などの発生を防止できる。仮に、これらの制御量を完全に一定に保つと、単位時間の逆数で求められる周波数と電動機の特定部位の固有振動数とが近似して有害な現象の発生するおそれがある。
【００２５】
請求項４に係る発明では、電気入力の制御方式は電圧型パルス幅変調制御方式とされ、単位時間はキャリア周期の２倍以上とされ、要求回転数および要求トルクに応じて設定される。本発明は、例えばインバータ装置を用いて電圧型パルス幅変調制御方式により電気入力を制御する構成で実施でき、電動機に入力する矩形波電圧のデューティ比を可変に制御することで容易に瞬時トルクを変遷させることができる。
請求項５に係る発明では、電動機の出力側に瞬時トルクの変遷を吸収して瞬時変化を抑制するトルク変遷吸収装置が設けられる。これにより、有害な共振現象や振動および騒音などの発生を防止できる。また、トルク変遷吸収装置を設けない場合と比較して、出力トルクが円滑化される。
【００２６】
請求項６に係る発明では、要求回転数および要求トルクの条件に応じて、高効率トルク値を含んで瞬時トルクを変遷させる制御と、要求トルクに瞬時トルクを継続的に一致させる従来の制御とを取捨選択する。さらに、請求項７に係る発明では、要求回転数および要求トルクの時間変化率が所定の閾値以下となる条件が成立しているときに、高効率トルク値を含んで瞬時トルクを変遷させる制御を実施する。つまり、要求回転数および要求トルクが比較的緩やかに変化する場合に瞬時トルクを変遷させる制御を実施し、少なくとも一方が急激に変化する過渡期に瞬時トルクを変遷させる制御を中断する。これにより、過渡期に適正な単位時間を確保できなくなるおそれを回避でき、電動機の動作を安定して制御できる。
【００２７】
請求項８に係る発明では、電動機はハイブリッド車両または電気自動車に搭載されて走行駆動源に用いられるので、平地走行などの低負荷時の効率を向上できる。これにより、車両の燃費が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態の電動機の制御方法を行う装置構成の例を説明する図である。
【図２】（１）は電動機の出力特性および車両の走行性能線図を示し、（２）は電動機の効率マップおよび車両の走行重心点を示している。
【図３】車両の走行パターンと電動機の出力動作点との関係を例示した図であり、（１）は車両の車速および電動機から出力されるトルクの時間的変化を示し、（２）は電動機の出力特性上の出力動作点の位置の変化を示している。
【図４】実施形態の電動機の制御方法を説明する図であり、（１）は電動機の出力特性上で本制御方法を説明する図、（２）は本制御方法を実施したときの瞬時トルクの時間波形である。
【図５】実施形態の電動機の制御方法で、インバータ装置による電動機の矩形波電圧制御の方法を説明する図であり、（１）は瞬時トルクの時間波形、（２）は矩形波電圧の時間波形、（３）は電流の時間波形を示している。
【図６】実施形態の電動機の制御方法で、所定の条件を満たさないときに要求トルクに出力トルクを継続的に一致させる制御方法を説明する図であり、（１）は瞬時トルクの時間波形、（２）は矩形波電圧の時間波形、（３）は電流の時間波形を示している。
【図７】実施形態の電動機の制御方法を行う際の制御処理フローを説明する図である。
【図８】電動機に有害な共振現象や振動および騒音などが発生することを防止する装置構成を原理的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の実施形態の電動機の制御方法について、図１〜図８を参考にして説明する。図１は、実施形態の電動機の制御方法を行う装置構成の例を説明する図である。図中の矢印は、電力および情報の流れを示している。電動機１は、副走行駆動源として車両９に搭載されている。車両９は、主走行駆動源として図略のエンジンも搭載されたハイブリッド車両である。ただし、車両９はこれに限定されず、電動機１のみを走行駆動源とする電気自動車や燃料電池車などのいずれであってもよい。電動機１は、三相同期電動機や三相誘導電動機が好適であり、これに限定されない。
【００３０】
電動機１の電源として、直流電源２およびインバータ装置３が用いられる。直流電源２には、バッテリや燃料電池などを用いることができる。インバータ装置３は、パワー素子を内蔵しており、後述する電動機ＥＣＵ４からの制御信号Ｃｔに基づいて、キャリア周波数の１周期内でのデューティ比を制御する。これにより、直流電源2の直流電圧Ｖｄｃをオン／オフ制御した後の矩形波電圧Ｖを電動機１に印加する。インバータ装置３には、周知の電圧型パルス幅変調制御方式の装置を用いることができる。
【００３１】
電動機１の制御装置として電動機ＥＣＵ４が用いられる。電動機ＥＣＵ４は、マイコンを内蔵してソフトウェアで動作する電子制御装置である。電動機ＥＣＵ４は、図1に示されるように、車両ＥＣＵ５からアクセル情報Ａｃ、ブレーキ情報Ｂｒ、舵角情報Ｓｔ、車速ｖなどの車両状態に関する情報を取得する。電動機ＥＣＵ４は、これらの情報に基づいて要求動作点となる要求回転数Ｎｒおよび要求トルクＴｒを決定する。要求動作点は、例えば、各種情報をパラメータとするデータマップとして電動機ＥＣＵ４の記憶部内に保持することができる。この場合に電動機ＥＣＵ４は、取得した情報に該当する要求動作点をデータマップ上で求めて読み込むことにより、前述の要求回転数Ｎｒおよび要求トルクＴｒを決定できる。
【００３２】
さらに、電動機ＥＣＵ４は、要求動作点を実現するようにインバータ装置３に制御信号Ｃｔを送出し、インバータ装置３を介して電動機１の動作を制御する。制御信号Ｃｔは、要求回転数Ｎｒを実現するための電流通電タイミングの情報と、要求トルクＴｒを発生するために必要な電流値の情報もしくは電流値から導かれる電圧値の情報とを含んでいる。
【００３３】
車両ＥＣＵ５も電子制御装置であり、電動機ＥＣＵ４の上位装置として車両９の走行全般を制御する。車両ＥＣＵ５は、前述のアクセル情報Ａｃ、ブレーキ情報Ｂｒ、舵角情報Ｓｔ、車速ｖなどの情報を図略のセンサ類から取得する。また、車両ＥＣＵ５は、図略のエンジンＥＣＵと情報を交換してエンジンＥＣＵによるエンジン制御を支援し、さらに図略の変速機ＥＣＵやブレーキＥＣＵなどとも連携して走行全般を制御する。
【００３４】
電動機ＥＣＵ４からの制御でインバータ装置３が矩形波電圧Ｖを印加することにより電動機１は動作し、車両９が走行する。電動機１の回転子の回転角度情報θや内部温度ｔｍｐ１の情報は、電動機ＥＣＵ４にフィードバックされる。また、インバータ装置３から、装置内部温度ｔｍｐ２および電動機１に流れる電流Ｉの情報が、電動機ＥＣＵ４にフィードバックされる。
【００３５】
次に、電動機１の出力特性および効率マップと車両９の走行性能線図および走行重心点について説明する。図2の（１）は電動機１の出力特性および車両９の走行性能線図を示し、（２）は電動機１の効率マップおよび車両９の走行重心点を示している。（１）（２）ともに、横軸は電動機１の回転数Ｎ、縦軸は出力されるトルクＴである。図示されるように、電動機１は、回転数Ｎ＝０〜最大回転数Ｎｍａｘ、トルクＴ＝０〜最大トルクＴｍａｘの間で、中太線で示される範囲を出力範囲としている。なお、図示されていないが、電動機１は、車両９が制動されるときのエネルギ回生機能を有しており、制動トルクＴｘ（以降は便宜上負値で記載する）が入力されて発電を行う場合も生じ得る。
【００３６】
図２の（１）で、車両９の路面走行負荷として路面勾配Ｋがパラメータとされ、路面勾配Ｋ＝０％、５％、１０％、および３０％における各走行性能線が細線で示されている。走行性能線は、路面勾配Ｋが一定であると回転数Ｎの増加につれてトルクＴが増加する右上がりの特性を有している。また、路面勾配Ｋが大きくなるにつれて、走行性能線全体が大きなトルクＴ側（図の上方）にシフトし、図の例では路面勾配Ｋ＝３０％で走行性能線は最大トルクＴｍａｘに近づく。
【００３７】
図２の（２）で、電動機１の効率ηがパラメータとされ、効率η＝８５％、９０％、および９５％における等効率線が細線で示されている。また、各回転数Ｎにおける効率ηが最高となる動作点を結んだ最高効率線Ｅｍａｘが太線で示されている。図示されるように、最高効率線Ｅｍａｘは、中庸の回転数Ｎで最もトルクＴが大きくなる山状カーブの特性を有している。ここで、最高効率線Ｅｍａｘよりも下側の領域は、最高効率を発生するトルクよりも実際に出力されるトルクＴが小さくなる領域であり、便宜的に低負荷領域ＡＬと名付ける。
【００３８】
また、図２の（２）の効率η＝８５％の等効率線の概ね線上の高回転数側に高速巡航重心点ＧＨ、低回転数側に市街地走行重心点ＧＬが位置している。高速巡航重心点ＧＨは、車両９が高速道路などを走行する際の電動機１の平均的な動作点を示している。市街地走行重心点ＧＬは、車両９が市街地の一般道を走行する際の電動機１の平均的な動作点を示している。高速巡航重心点ＧＨおよび市街地走行重心点ＧＬはともに、低負荷領域ＡＬ内にある。つまり、車両９に搭載された電動機１では、低負荷領域ＡＬで動作する場合が動作時間の多くを占める。
【００３９】
次に、車両９の走行パターンと電動機１の実際の出力動作点との関係について例示説明する。出力動作点は、電動機１から実際に出力される回転数ＮおよびトルクＴを意味し、図２に示される出力特性の図に一点で示される。図３は、車両９の走行パターンと電動機１の出力動作点との関係を例示した図であり、（１）は車両９の車速ｖおよび電動機１から出力されるトルクＴの時間的変化を示し、（２）は電動機１の出力特性上の出力動作点の位置の変化を示している。なお、図3は一例であって、実際の走行パターンは当然ながら毎回の走行に依存して変化する。
【００４０】
図３の（１）において、時刻ｔ１で電動機１が始動されてトルクＴが発生し車両9が発進する。トルクＴは、時刻ｔ１から時刻ｔ２を経て時刻ｔ３まで漸増し、これに伴い車速ｖが増加してゆく。時刻ｔ３から時刻ｔ4の間でトルクＴは最大となり、車速ｖは急加速される。時刻ｔ４以降は時刻ｔ５を経て時刻ｔ６までトルクＴが漸減されると、車速ｖは増加が緩み、時刻ｔ６で図示される範囲内の最大車速に達する。時刻ｔ６から時刻ｔ７までの間は、わずかなトルクＴによって最大車速が維持されている。時刻ｔ７でトルクＴがなくなると車両９は慣性走行となり、車速ｖはわずかに減少傾向を示す。
【００４１】
時刻ｔ８で、ブレーキペダルが踏み込み操作されると、制動トルクＴが油圧ブレーキと電動機１の回生機能とに配分される。これにより、電動機１は回生トルクＴｘが入力されて発電機として動作する。時刻ｔ８から時刻ｔ９までの間、制動トルクＴは図示される範囲内の最大値とされ、時刻ｔ９以降は車速ｖが減少し、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１にかけて制動トルクＴも漸減される。時刻ｔ１１で車速ｖが０になって、車両９が停止する。
【００４２】
上記の走行パターンにおける電動機１の出力動作点の変化は、図３の（２）に太線で示され、時刻ｔ１〜ｔ１１が併記されている。図３の（２）でトルクＴが正値の領域は、電動機１がトルクＴを出力する力行域であり、トルクＴが負値（回生トルクＴｘ）の領域は電動機１に回生トルクＴｘが入力されて発電を行う回生域である。図示されるように、時刻ｔ１〜ｔ２の間および時刻ｔ4〜ｔ８の間、出力動作点は力行域内でかつ最高効率線ＥｍａｘよりもトルクＴの小さい低負荷領域ＡＬ内を移動している。また、時刻ｔ２〜ｔ４の間、出力動作点は力行域内でかつ最高効率線ＥｍａｘよりもトルクＴの大きい領域内を移動している。時刻ｔ８〜ｔ１１の間、出力動作点は回生域内を移動している。
【００４３】
次に、実施形態の電動機の制御方法について説明する。実施形態の電動機の制御方法は、電動機１に要求される要求動作点が低負荷領域ＡＬ内にある場合に実施可能となる。したがって、図3の例では、時刻ｔ１〜ｔ２の間および時刻ｔ4〜ｔ８の間で実施可能となる。図４は、実施形態の電動機の制御方法を説明する図であり、（１）は電動機１の出力特性上で本制御方法を説明する図、（２）は本制御方法を実施したときの瞬時トルクＴ（ｔ）の時間波形である（なお、力行域での制御方法の説明となるが、回生域でも同様である）。
【００４４】
図４の（１）で、要求動作点Ｄは低負荷領域ＡＬ内にあり、要求回転数Ｎｒ＝ｎ１および要求トルクＴｒ＝Ｔｎ１である。このとき、要求回転数Ｎｒ＝ｎ１の条件下で最も高い効率が得られるトルク値である最高効率トルク値Ｔｎ１ｅ−ｍａｘは、最高効率線Ｅｍａｘ上で回転数ｎ１となっている最高効率点Ｄｍａｘから求められる。また、最高効率トルク値Ｔｎ１ｅ−ｍａｘは、要求トルクＴｒ＝Ｔｎ１よりも大きくなっている。
【００４５】
実施形態の電動機の制御方法では、単位時間ｔＡを通して要求回転数Ｎｒ＝ｎ１に出力回転数を継続的に一致させるとともに、最高効率トルク値Ｔｎ１ｅ−ｍａｘと電気入力をなくしたときのゼロトルク値とを単位時間ｔＡ内の時間比率Ｒｔで組み合わせて瞬時トルクＴ（ｔ）を図4の（２）に示されるように変遷させる。詳述すると、時刻ｔ２１〜ｔ２３までの単位時間ｔＡ中で、時刻ｔ２１〜ｔ２２までの通電時間ｔＢに電動機１に電圧を印加して通電することで最高効率トルク値Ｔｎ１ｅ−ｍａｘを発生させ、時刻ｔ２２〜ｔ２３までの間は電圧を印加せずにゼロトルク値とする。
【００４６】
さらに、瞬時トルクＴ（ｔ）の単位時間ｔＡを通した時間平均値で求められる実効的な出力トルクＴが要求トルクＴｒ＝Ｔｎ１に一致する条件を満足するように電圧を制御する。この条件を満たす時間比率Ｒｔは、時間比率Ｒｔ＝（ｔＢ／ｔＡ）＝（Ｔｎ１／Ｔｎ１ｅ−ｍａｘ）で求められる。電圧の制御による瞬時トルクＴ（ｔ）の変化は急峻であるので、立ち上がりおよび立ち下がりの時間遅れは無視して考えることができる。
【００４７】
なお、要求トルクＴｒが最高効率線Ｅｍａｘよりも大きい側の領域にある場合、最高効率トルク値Ｔｎ１ｅ−ｍａｘとゼロトルク値とを時間比率で組み合わせて瞬時トルクＴ（ｔ）を変遷させても、時間平均値で求められる出力トルクを要求トルクＴｒに一致させることはできない。
【００４８】
次に、電圧型パルス幅変調制御方式のインバータ装置３による電動機１の矩形波電圧Ｖ制御の方法について説明する。図５は、実施形態の電動機の制御方法で、インバータ装置３による電動機１の矩形波電圧Ｖ制御の方法を説明する図であり、（１）は瞬時トルクＴ（ｔ）の時間波形、（２）は矩形波電圧Ｖの時間波形、（３）は電流Ｉの時間波形を示している。（１）〜（３）の各横軸は、共通の時間ｔである。なお、図５の（１）は、図４の（２）の時刻ｔ２１〜ｔ２３までの範囲を拡大した波形である。
【００４９】
本実施形態では、インバータ装置３は、繰り返すキャリア周期ｔＣ内で矩形波電圧Ｖのデューティ比Ｒｄを可変に制御する。具体的にインバータ装置３は、図５の（２）に示される単位時間ｔＡ内の前側の時刻ｔ２１〜ｔ２２までの通電時間ｔＢの間では或るデューティ比Ｒｄで矩形波電圧Ｖを発生し、後側の時刻ｔ２２〜ｔ２３の間では矩形波電圧Ｖを発生させない。ここで、矩形波電圧Ｖの波高値は、直流電源４の直流電圧Ｖｄｃである。また、矩形波電圧Ｖの直流電圧Ｖｄｃが発生している時間幅すなわちオンデューティ時間ｔｄとすると、通電時間ｔＢ中のデューティ比Ｒｄ＝（ｔｄ／ｔＣ）で求められる。通電時間ｔＢを通した矩形波電圧Ｖの実効値Ｖ２であり、単位時間ｔＡを通した矩形波電圧Ｖの実効値Ｖ１（Ｖ１＜Ｖ２）となる。
【００５０】
図５の（２）に示される矩形波電圧Ｖが印加されると、電動機１には図５の（３）に示される電流Ｉが流れる。電流Ｉの波形は、通電時間ｔＢ中でリップル分を含む直流波形となり、矩形波電圧Ｖが印加されない時刻ｔ２２〜ｔ２３の間では概ねゼロとなる。通電時間ｔＢを通した電流Ｉの実効値Ｉ２であり、単位時間ｔＡを通した電流Ｉの実効値Ｉ１（Ｉ１＜Ｉ２）となる。そして、電流Ｉの実効値Ｉ１で得られる平均的な出力トルクＴが、要求トルクＴｒ＝Ｔｎ１に一致する。
【００５１】
なお、電圧型パルス幅変調制御方式のインバータ装置３では、通電時間ｔＢおよび通電しない時間帯を区分して設けるために、単位時間ｔＡは最短でもキャリア周期ｔＣの２倍以上にする必要がある。図５の例では、単位時間ｔＡはキャリア周期ｔＣの９倍とされている。また、単位時間ｔＡを長く設定すると、車両９の乗員が不快を感じたり、車両９の走行がスムーズでなくなったりするおそれが生じるので、最長値にも限度がある。単位時間ｔＡは、要求回転数Ｎｒおよび要求トルクＴｒに応じて設定され、かつ要求回転数Ｎｒおよび要求トルクＴｒが一定である間は略一定に維持されることが好ましい。単位時間ｔＡは、例えば、要求回転数Ｎｒおよび要求トルクＴｒをパラメータとするデータマップもしくは計算式を電動機ＥＣＵ５内に保持し、これを用いて決定することができる。
【００５２】
次に、所定の条件を満たさないときに最高効率トルク値Ｔｎ１ｅ−ｍａｘを含んで瞬時トルクＴ（ｔ）を変遷させる制御を中断し代替して行う制御方法について、図５と対比して説明する。図６は、実施形態の電動機の制御方法で、所定の条件を満たさないときに要求トルクに瞬時トルクを継続的に一致させる制御方法を説明する図である。図６の（１）は瞬時トルクＴ（ｔ）の時間波形、（２）は矩形波電圧Ｖの時間波形、（３）は電流Ｉの時間波形を示し、図５と同一の時刻ｔ２１〜ｔ２３までの時間範囲が例示されている。所定の条件とは、要求回転数Ｎｒおよび要求トルクＴｒの時間変化率が所定の閾値以下である条件であり、これを満たさないときに要求動作点が急激に変化する過渡期であると判断できる。
【００５３】
過渡期に代替して行う制御方法では、単位時間ｔＡを通して要求回転数Ｎｒ＝ｎ１に出力回転数を継続的に一致させるとともに、図６の（１）に示されるように、要求トルクＴｒ＝Ｔｎ１に瞬時トルクＴ（ｔ）を継続的に一致させて一定に保つ。インバータ装置３は、図６の（２）に示されるように単位時間ｔＡ内で一定のデューティ比で継続的に矩形波電圧Ｖを発生する。この矩形波電圧Ｖが印加されると、電動機１には図６の（３）に示される電流Ｉが流れる。電流Ｉの波形は、単位時間ｔＡを通してリップル分を含む直流波形となる。単位時間ｔＡを通した電圧Ｖの実効値Ｖ１となり、電流Ｉの実効値Ｉ１となって、図５の場合と一致する。図６に示される制御方法は、従来から行われている制御方法と概ね同様である。
【００５４】
次に、実施形態の電動機の制御方法を行う際の制御処理フローについて、図７を参考にして説明する。図７に示される制御処理フローは、電動機ＥＣＵ４によって実行制御される。
【００５５】
図７のステップＳ１で、電動機ＥＣＵ４は、まず要求動作点となる要求回転数Ｎｒおよび要求トルクＴｒを読み込む。次にステップＳ２で、要求動作点が低負荷領域ＡＬ内にあるか否かを判定し、否のときステップＳ６に進む。要求動作点が低負荷領域ＡＬ内にあるときステップＳ３に進み、タイマが経過時間ｔの計時を実施していなければ、作動させて経過時間ｔの計時を開始する。続くステップＳ４で、経過時間ｔが所定時間ｔ０に達したか否か判定し、否のときステップＳ６に進む。
【００５６】
経過時間ｔが所定時間ｔ０に達しているとステップＳ５に進み、要求回転数Ｎｒおよび要求トルクＴｒの所定時間ｔ０以前からの変化量が閾値以下であるか否かを判定する。変化量が閾値よりも大きいとき、要求動作点が急激に変化している過渡期と判定でき、ステップＳ６に進む。変化量が閾値以下のとき、要求動作点が一定あるいは緩やかに変化していると判定でき、ステップＳ７に進む。なお、閾値は、ステップＳ７の制御の実施および中断を切り替え制御することにより車両９の挙動がスムーズに保たれるか否か、ステップＳ７の制御の効果が期待できるか否か、トルク制御による応答遅れ時間などを適宜考慮して定めることができる。
【００５７】
ステップＳ６は、ステップＳ２で要求動作点が低負荷領域ＡＬ内にない高負荷のとき、ステップＳ４で所定時間ｔ０が経過せず要求動作点の変化の緩急を判定できないとき、およびステップＳ６で要求動作点が急激に変化している過渡期のときに実行される。ステップＳ６では、図６で説明した瞬時トルクＴ（ｔ）を一定に保つ制御の演算が行われる。一方、ステップＳ７は、Ｓ６で要求動作点が一定または緩慢に変化しているときに実行される。ステップＳ７では、図５で説明した瞬時トルクＴ（ｔ）を遷移させる制御の演算が行われる。ステップＳ６およびステップＳ７はステップＳ８で合流し、電動機ＥＣＵ４は、演算結果に基づいてインバータ装置３に制御信号Ｃｔを送出する。インバータ装置３は、制御信号Ｃｔに基づき、図５または図６に示された矩形波電圧Ｖを電動機１に印加する。ステップＳ８によって電動機１制御の１サイクルが終了し、ステップＳ１に戻り、以降繰り返される。
【００５８】
実施形態の電動機の制御方法によれば、要求トルクＴｒ＝Ｔｎ１が比較的小さい低負荷時に高効率トルク値が存在し、高効率トルク値を含んで瞬時トルクＴ（ｔ）を適正に変遷させると、高効率トルク値における高い効率の効果によって単位時間ｔＡを通した平均効率が従来よりも向上する。特に、図５に示されるように最高効率トルク値Ｔｎ１ｅ−ｍａｘとゼロトルク値とを単位時間ｔＡ内の時間比率で組み合わせて瞬時トルクＴ（ｔ）を変遷させている。このとき、瞬時トルクＴ（ｔ）が最高効率トルク値Ｔｎ１ｅ−ｍａｘとなっている時間帯の効率は文字通り最高効率となり、瞬時トルクＴ（ｔ）がゼロトルク値となっている時間帯では損失が少ない。したがって、単位時間ｔＡを通した平均効率は、単位時間ｔＡを通して要求トルクＴｒに瞬時トルクＴ（ｔ）を継続的に一致させる従来の制御技術（図６）の効率と比較して格段に向上し、この効果は動作時間の多くを占める低負荷時に発生する。
【００５９】
また、電気入力の制御方式は、インバータ装置３による電圧型パルス幅変調制御方式とされており、矩形波電圧Ｖのデューティ比Ｒｄを可変に制御することで、容易に瞬時トルクＴ（ｔ）を変遷させることができる。さらに、要求回転数Ｎｒおよび要求トルクＴｒが一定である間、単位時間ｔＡを略一定に維持するので、制御が簡素化される。また、要求回転数Ｎｒおよび要求トルクＴｒの時間変化率が所定の閾値よりも大きいときに、高効率トルク値を含んで瞬時トルクを変遷させる制御を中断する。これにより、過渡期に適正な単位時間ｔＡを確保できなくなるおそれを回避でき、電動機１の動作を安定して制御できる。
【００６０】
さらに、電動機１は車両９に搭載されて走行駆動源に用いられるので、平地走行などの低負荷時の効率を向上できる。これにより、車両９の燃費が向上する。
【００６１】
次に、有害な共振現象や振動および騒音などの発生を防止する方法について説明する。図８は、電動機１に有害な共振現象や振動および騒音などが発生することを防止する装置構成を原理的に説明する図である。図８の電動機１は、図１と同じ構成を用いて図２〜図７で説明した同じ制御が行われる。車両９内で、電動機１の出力軸１１は減速機６に直結されており、かつ出力軸１１にはトルク変遷吸収装置７が設けられている。トルク変遷吸収装置７には、例えば、車載エンジンの出力軸に設けられ、慣性質量と緩衝スプリングからなる従来のダンパ装置を用いることができる。
【００６２】
図８の構成では、電動機１の出力側に瞬時トルクＴ（ｔ）の変遷を吸収して瞬時変化を抑制するトルク変遷吸収装置７が設けられている。したがって、単位時間ｔＡの逆数で求められる周波数と電動機１の特定部位、例えば出力軸１１の固有振動数とが近似しても、トルク変遷吸収装置７により有害な共振現象や振動および騒音などの発生を防止できる。また、トルク変遷吸収装置７を設けない場合と比較して、減速機６に入力されるトルクＴが円滑化される。
【００６３】
さらに、トルク変遷吸収装置７に代えて、あるいはトルク変遷吸収装置７に併用して、有害な共振現象や振動および騒音などの発生を防止する電動機ＥＣＵ４からの制御方法がある。すなわち、電動機ＥＣＵ４からの制御により、時間比率Ｒｔ（＝ｔＢ／ｔＡ）、最高効率トルク値Ｔｎ１ｅ−ｍａｘ、ゼロトルク値、単位時間ｔＡの少なくともひとつをわずかに変化させ、あるいは揺動させることで、有害な共振現象や振動および騒音などの発生を防止できる。つまり、これらを変化させあるいは揺動させることで起振力特性の尖鋭度を鈍らせることができるので、共振現象が生じにくくなる。仮に、これらの制御量を完全に一定に保つと、単位時間ｔＡの逆数で求められる周波数と電動機１の特定部位の固有振動数とが近似して有害な現象の発生するおそれがある。
【００６４】
なお、実施形態で最高効率トルク値Ｔｎ１ｅ−ｍａｘとゼロトルク値とを時間比率で組み合わせ、二段階で瞬時トルクＴ（ｔ）を変遷させているが、これに限定されない。すなわち、必ずしも最高効率トルク値Ｔｎ１ｅ−ｍａｘでなくとも、要求回転数Ｎｒの条件下で要求トルクＴｒを継続的に出力することによって得られる効率よりも高い効率が得られる高効率トルク値を含んで変遷させれば、効果は発生する。また、高効率トルク値を含む三段階以上の変遷や、高効率トルク値を含む連続的な変化による変遷を行うようにしてもよい。さらに、車両９に搭載された電動機１では、運転者の運転癖を学習することによりアクセルやブレーキなどの操作に基づいて運転者の意思を推定し、瞬時トルクＴ（ｔ）の変遷を実施するか否かを判断し、あるいは単位時間ｔＡの設定を考慮するようにしてもよい。
【００６５】
本発明は、電動機１の電源の種類や、同期形や誘導形などの形式、および制御方式や内部構造などの差異に限定されずに実施でき、車載の走行駆動用以外の用途の電動機でも実施できる。本発明は、その他さまざまな変形や応用が可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１：電動機    １１：出力軸
２：直流電源    ３：インバータ装置    ４：電動機ＥＣＵ
５：車両ＥＣＵ    ６：減速機    ７：トルク変遷吸収装置    ９：車両
Ｎ：回転数    Ｎｍａｘ：最大回転数
Ｔ：トルク、制動トルク    Ｔｍａｘ：最大トルク    Ｔｘ：回生トルク
Ｋ：路面勾配    η：効率    Ｅｍａｘ：最高効率線    ＡＬ：低負荷領域
ＧＨ：高速巡航重心点    ＧＬ：市街地走行重心点    ｖ：車速
Ｄ：要求動作点    ｎ１：要求回転数    Ｔｎ１：要求トルク
Ｄｍａｘ：最高効率点    Ｔｎ１ｅ−ｍａｘ：最高効率トルク値
ｔＡ：単位時間    ｔＢ：通電時間    ｔＣ：キャリア周期
Ｖｄｃ：直流電圧    Ｖ：矩形波電圧    Ｉ：電流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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