(57)【要約】  【課題】インバータの入力に備えられたコンデンサによる応答遅れを解消し、電動機の空転時における安定性を向上させる。  【解決手段】電動機９の空転を検出する空転検出手段１１と、空転検出手段が電動機の空転を検知し、かつ、電動機の回転速度から求めた誘起電圧が所定値以上であった場合には、リアクトル電流指令値に所定値を加算する空転制御手段３６と、を備えた車両用電動機の制御装置。空転制御手段は、例えば前記の加算する所定値として電動機の回転加速度に所定の定数を乗算した値を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータの出力を入力し、交流電力に変換して電動機を駆動するインバータと、
前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記インバータに入力する電圧を検出する入力電圧検出手段と、
前記回転速度検出手段によって検出された電動機の回転速度と、前記入力電圧検出手段によって検出された前記インバータの入力電圧とに基づいて電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、
前記電圧指令値に基づいて昇圧コンバータのリアクトル電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、を備え、前記リアクトル電流指令値に基づいて前記リアクトル電流を制御することにより前記昇圧コンバータの出力電圧を制御する車両用電動機の制御装置において、
前記電動機の空転を検出する空転検出手段と、
前記空転検出手段が電動機の空転を検知し、かつ、前記電動機の回転速度から求めた誘起電圧が所定値以上であった場合には、前記リアクトル電流指令値に所定値を加算する空転制御手段と、を備えたことを特徴とする車両用電動機の制御装置。
【請求項２】
前記空転制御手段は、前記の加算する所定値として電動機の回転加速度に応じた値を用いることを特徴とする請求項１に記載の車両用電動機の制御装置。
【請求項３】
前記空転制御手段は、前記の加算する所定値として電動機の回転加速度に所定の定数を乗算した値を用いることを特徴とする請求項１に記載の車両用電動機の制御装置。
【請求項４】
前記空転検出手段は、前記回転速度検出手段で検出した前記電動機の回転速度を時間微分して回転加速度を求め、その回転加速度が所定値以上である場合に空転と判断することを特徴とする請求項１に記載の車両用電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用電動機の制御装置に関し、特に電動機の空転時における制御の安定性向上技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の制御装置としては下記特許文献１に記載のものがある。  
この特許文献１に記載のようなバッテリ電圧を昇圧して出力可能な昇圧コンバータを備えた電動機の制御装置においては、通常、電動機の回転速度に応じて昇圧コンバータの出力電圧指令値ＶＤ＊を算出し、この出力電圧指令値ＶＤ＊と実際の電圧値ＶＤとの差に基づいて昇圧コンバータのリアクトル電流指令値ＩＬ＊を算出し、リアクトル電流指令値ＩＬ＊と実際のリアクトル電流ＩＬとの差に基づいてリアクトル電流を制御することによって、昇圧コンバータの出力電圧が電動機の誘起電圧以上となるように制御している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２１８７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような昇圧システムにおいては、昇圧コンバータとインバータによるリップル電圧を平滑するためのコンデンサが設けられているため、インバータに入力する電圧に遅れが発生する。そのため例えば車輪が空転した時のように電動機の速度が急激に変化した場合には、インバータ入力電圧（昇圧コンバータの出力電圧）が電動機の誘起電圧以下となって電動機の制御が不安定になることがある、という問題があった。  
本発明は、上記の問題を解決するものであり、電動機の空転時においても安定に制御することの出来る車両用電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本発明においては、電動機の空転を検知し、かつ、電動機の回転速度から求めた誘起電圧が所定値以上であった場合には、リアクトル電流指令値に所定値を加算するように構成している。
【発明の効果】
【０００６】
上記の構成により、本発明においては、リアクトル電流の立上りを速くすることができるので、インバータ入力電圧の指令値への追従性が良くなり、電動機の空転時のような過渡状態時における制御の安定性を向上させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（実施例１）
図１は、本発明に係る車両用電動機の制御装置のブロック図である。  
図１において、１は直流電源、２はリアクトルであり、昇圧コンバータ４によって生じるリップル電流を平滑する。３は電流センサで、リアクトル２に流れる電流を検出する。４は昇圧コンバータ、４ａ、４ｂは昇圧コンバータのスイッチング素子であり、スイッチング素子４ａ、４ｂがスイッチングしてリアクトル２に流れる電流を調整することにより昇圧率を制御して直流電源１の電圧を昇圧する。５はコンデンサで、昇圧コンバータ４とインバータ７によるスイッチングリップル電圧を平滑する。６は電圧センサで、インバータ入力電圧（昇圧コンバータの出力電圧）を検出する。７はインバータであり、電動機を駆動する。８は電流センサで、電動機の各相に流れる電流を検出する。９は電動機であり、ここでは３相電動機を示している。１０は速度センサであり、電動機９の回転速度を検出する。１１は空転検出手段であり、電動機９の空転を検出する（詳細後述）。２０は制御装置であり、昇圧コンバータ４とインバータ７にゲート信号を与え、通流率を制御する。
【０００８】
図１の装置は、昇圧コンバータ４を用いて直流電源１の電圧を昇圧してインバータ７に供給し、電動機９を上記インバータ７で駆動するシステムである。このようなシステムでは、昇圧コンバータ４で直流電源１の電圧を昇圧することで、電動機の高回転域の出力を増やすことができる。以下、説明する。
【０００９】
図２は、昇圧コンバータがある場合とない場合におけるインバータ入力電圧ＶＤと電動機トルクＴＭの特性を示す図である。縦軸は電圧、横軸は電動機の回転速度を表す。また、ＶＤはインバータ入力電圧、ＶＭは電動機の誘起電圧である。  
電動機制御では、電動機の線間誘起電圧がインバータ入力電圧に達する回転速度以上では弱め界磁制御を行う必要があるが、昇圧コンバータを用いると、インバータ入力電圧を大きくすることができるため、線間誘起電圧がインバータ入力電圧に達する回転速度を大きくすることができる。図２に示すように、昇圧コンバータがない場合は、インバータ入力電圧は回転速度に無関係にＶＤ１で一定であるが、昇圧コンバータがある場合は、電動機誘起電圧がＶＤ１に達してもインバータ入力電圧をＶＤ２まで昇圧できる。
【００１０】
したがって、昇圧コンバータがない場合は、電動機の回転速度がＮＭ１以下であれば最大トルクＴＭ０を出力することができるが、回転速度がＮＭ１より大きくなると弱め界磁制御領域として、電動機トルクを低下させる必要がある。一方、昇圧コンバータがある場合は、弱め界磁制御領域に入る回転速度をＮＭ２まで大きくすることができ、その結果、ＮＭ２まで最大トルクＴＭ０を出力することができるので、高速回転域の電動機出力を増やすことができる。
【００１１】
なお、ＮＭ１以下の領域では昇圧コンバータ４を停止（スイッチング素子４ａをオン、スイッチング素子４ｂをオフに固定）させておけばよく、この状態では直流電源１の電圧ＶＤ１がインバータ入力電圧ＶＤとなる。
【００１２】
図３は、実施例１における制御装置２０の構成を示すブロック図である。図３の制御ブロックは電動機制御部（インバータ制御部）と昇圧コンバータ制御部に分けられる。はじめに電動機制御部を説明する。  
一般に、車両用電動機の制御装置ではトルク制御を行うため、電動機９に対するトルク指令を与えるように構成されている。２１は電流指令演算器であり、トルク指令と電動機の回転速度とに基いて、電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を演算する。なお、トルク指令は例えば車両のアクセル開度、直流電源１の充電状態、電動機と車輪との間に介在する変速機のギヤ比等に応じて決められる値であり、制御装置２０の外部から与えられる。
【００１３】
また、ベクトル制御を用いた車両用電動機の制御装置では、信号を扱いやすいようにｄ軸ｑ軸の直流成分として扱い、電流指令もｄ軸指令・ｑ軸指令となる。２２は三相ｄｑ軸変換器であり、検出した電動機電流（電流センサ８で検出した実際の電流値）をｄｑ軸に座標変換し、電流検出値Ｉｄ、Ｉｑとして出力する。２３ａ、２３ｂは減算器であり、それぞれｄ軸とｑ軸の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と電流検出値Ｉｄ、Ｉｑとの差を求める。２４ａ、２４ｂは電流制御器であり、一般にＰＩ（比例積分）制御器で構成され、ｄｑ軸成分のインバータ出力電圧指令を出力する。
【００１４】
２５は電圧指令演算器であり、ｄｑ軸電圧指令を回転速度に応じた交流電圧指令に座標変換する。４１はキャリア信号発生器であり、スイッチング周波数を決めるキャリア信号を出力する。５１ａ、５１ｂ、５１ｃはコンパレータであり、交流電圧指令とキャリア信号とを比較してインバータの通流率を決めるゲート信号（上アーム用のＰＷＭ信号）に変換する。５２ａ、５２ｂ、５２ｃは論理反転回路であり、コンパレータ５１ａ、５１ｂ、５１ｃの信号を反転してインバータの下アーム用のゲート信号とする。
【００１５】
なお、図１に示したように、インバータ７は上アームのスイッチング素子７ａと下アームのスイッチング素子７ｂとが直列に接続された回路が相数分（図１では３相分）設けられており、両スイッチング素子が逆位相でオン・オフすることによって電動機９に電流を供給する。また、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆはデッドタイム回路であり、上下アームの短絡防止のためのデッドタイムを設ける。  
上記の２１、２２、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、２５、４１、４２、５１ａ〜５１ｃ、５２ａ〜５２ｃ、５３ａ〜５３ｆの構成は、通常の交流電動機のトルク制御の構成と同様である。
【００１６】
次に昇圧コンバータ制御部を説明する。３１はインバータ入力電圧指令演算器であり、電動機の回転速度に応じてインバータ入力電圧指令ＶＤ＊を演算する。３２は減算器であり、インバータ入力電圧指令ＶＤ＊と電圧検出値ＶＤ（電圧センサ６で検出した実際の入力電圧値）の差を求める。３３は電圧制御器であり、一般にＰＩ制御を行ってリアクトル電流指令値ＩＬ＊を演算する。
【００１７】
３７は加減算器であり、リアクトル電流指令値ＩＬ＊とリアクトル電流検出値ＩＬ（電流センサ３で検出した実際のリアクトル電流値）と空転制御演算器３６からの信号（詳細後述）とを加減算し、その結果を電流制御器３５へ送る。空転制御演算器３６からの信号のない通常時は、リアクトル電流指令値ＩＬ＊とリアクトル電流検出値ＩＬとの差が電流制御器３５へ送られる。
【００１８】
電流制御器３５は、一般にＰＩ制御を行って昇圧コンバータの出力電圧（インバータ入力電圧）信号を出力する。４２はキャリア信号発生器であり、昇圧コンバータのスイッチング周波数を決めるキャリア信号を出力する。５１ｄはコンパレータであり、昇圧コンバータの出力電圧信号とキャリア信号とを比較し、昇圧コンバータの通流率を決めるゲート信号（上アーム４ａ用のＰＷＭ信号）に変換する。５２ｄは論理反転回路であり、コンパレータ５１ｄの信号を反転してインバータの下アーム４ｂ用のゲート信号とする。５３ｇ、５３ｈはデッドタイム回路であり、上下アームの短絡防止のためのデッドタイムを設ける。
【００１９】
また、３６は空転制御演算器であり、図１の空転検出手段１１からの空転検出信号と回転速度とインバータ入力電圧検出値とを入力し、電動機の空転時には後述するようにリアクトル電流指令値ＩＬ＊に加算する補正量を算出する。
【００２０】
図４は、インバータ入力電圧指令演算器３１におけるインバータ入力電圧指令演算の方法を説明するための図である。  
図４において、ＶＭは電動機線間誘起電圧、ＶＤはインバータ入力電圧を表す。前述のように、インバータ入力電圧ＶＤは電動機誘起電圧ＶＭより大きくする必要があるが、実際にはスイッチング素子、配線および電動機巻線の抵抗による電圧降下△Ｖがあるので、ＶＤ−△Ｖ＞ＶＭとなるようにする必要がある。すなわち、ＶＤ−△Ｖ＜ＶＭの範囲は制御不能領域である。
【００２１】
ＶＤ−△Ｖ＞ＶＭ＞ＶＤ−△Ｖ−αの領域は、定常的には安定に制御できるが、過渡的には制御不能となる領域であり、定常安定動作領域と名付ける。αは過渡的にも安定に制御するためのマージン電圧を表す。αの大きさはシステムによって異なり、実験で求める必要がある。  
ＶＤ−△Ｖ−α＜ＶＭの領域は、定常的・過渡的ともに安定に制御できる領域であり、安定動作領域である。
【００２２】
図３に示した制御系において、電動機の負荷が急に脱落し、電動機が空転状態（無負荷状態）となったときについて考える。このような負荷脱落は、自動車においては雨や雪によるタイヤのスリップ、凹凸路面走行によるタイヤの空転等が考えられる。また、電車においては、雨や雪による車輪の空転等が考えられる。制御装置２０ではトルク制御を行っているため、負荷が脱落しても一定のトルクを出そうと制御するので、電動機の回転速度が急激に上昇する。これによって、誘起電圧も急激に増加するので、インバータ入力電圧も急激に増加させなければ制御不能となる。しかし、インバータ入力部にはコンデンサ５が接続されているため、インバータ入力電圧を急速に立ち上げるためにはコンデンサ５の充電を急速に行わなければならない。充電を急速に行うためには大電流で充電すればよいが、昇圧コンバータ４の電流容量で制限される電流以上は流せない。このため、昇圧コンバータ４の電流容量とコンデンサ５の静電容量で決まる電圧上昇率を超えることはできない。また、昇圧コンバータ４の電流容量を増やすとコスト増となる。電圧制御器３３のゲインを大きくすることでインバータ入力電圧の立上りを速くすることができるが、このゲインを大きくすると、インバータ７と昇圧コンバータ４のスイッチングリップルを増幅してしまい、制御系が不安定になるのでこのゲインをあまり大きくすることはできない。
【００２３】
図８は、負荷脱落が発生して、電動機の回転速度が急上昇したときの応答を示す図である。  
図８においては、上から電動機回転速度ＮＭ、インバータ入力電圧指令ＶＤ＊、インバータ入力電圧ＶＤ、電圧制御器３３出力（ＰＩ制御の比例項と積分項の出力も含む）、リアクトル電流ＩＬを示す。  
時間ｔ０で負荷脱落が発生して回転速度ＮＭが急上昇している。それに伴い、インバータ入力電圧指令ＶＤ＊も急増している。しかし、電圧制御器３３のゲインを大きくできないので、電圧制御器３３出力（リアクトル電流指令ＩＬ＊）の立上りが遅く、リアクトル電流ＩＬの立上りも遅い。したがって、インバータ入力電圧ＶＤの立上りが遅く、指令値ＶＤ＊との差が大きくなっている。この差を埋めるものが前述の電圧マージンαであり、空転が発生した場合のＶＤの立上りが遅いとαを大きくしなければならない。なお、電流制御器３５のゲインは一般に大きくできるので、図８ではＩＬはＩＬ＊によく追従するものとした。
【００２４】
上記のように、電圧マージンαが必要なため、ＶＤ＞ＶＭ＋△Ｖ＋αとなるようにインバータ入力電圧ＶＤをαの分だけ大きくしなければならない。ＶＤを大きくすると、インバータ７や昇圧コンバータ４のスイッチング損失が大きくなり、また、電動機電流のリップルが大きくなるために損失が増える。損失が大きくなると、効率の低下および装置の大型化によってコスト増となる。したがって、αはなるべく小さくすることが望ましい。  
そのため図１の実施例においては、空転検出手段１１と空転制御演算器３６を設けている。空転検出手段１１は空転を検出すると空転検出信号を制御装置２０の空転制御演算器３６へ送信する。
【００２５】
図５は、空転制御演算器３６における演算を示すフローチャートである。  
図５において、ステップ１０１では、空転検出手段１１からの空転検出信号の有無を判断し、空転検出信号がある場合はステップ１０２に進み、無い場合はステップ１０６に進む。  
ステップ１０２では、電動機の回転速度ＮＭから電動機誘起電圧ＶＭを演算する。  
ステップ１０３では、ＶＭ＞ＶＤ−△Ｖ−αとなっているか否かを判断し、Ｙｅｓであればステップ１０４に進み、Ｎｏであればステップ１０６に進む。  
ステップ１０４では、電動機の回転速度ＮＭを時間微分して回転加速度を演算する。  
ステップ１０５では、回転加速度にゲインＫＤ（定数）を乗算して出力する。この出力は加減算器３７でリアクトル電流指令ＩＬ＊に加算され、その指令値の応答を速めるための補正量となる。  
ステップ１０６は、空転制御の必要がない場合に処理され、零を出力する。
【００２６】
なお、ステップ１０５においては、回転加速度にゲインＫＤを乗算した値を補正量として出力し、加減算器３７においてリアクトル電流指令ＩＬ＊に加算しているが、これは（１）所定値を加算する、（２）回転加速度に応じた値を加算する、（３）上記のように回転加速度に定数（ゲインＫＤ）を乗算した値を加算する、の何れの構成を用いてもよい。
【００２７】
図９は、上記の制御を実施したときの応答を示す図である。  
図示のように、空転制御演算器３６の出力が補正量となるため、リアクトル電流ＩＬの立上りが速く、インバータ入力電圧ＶＤの指令値への迫従性も図８の場合より良くなっている。このため、電圧マージンαを小さくすることができ、これによって、スイッチング損失やリップル損失を低減できる。
【００２８】
ここで図１の空転検出手段１１について説明する。  
空転検出手段１１としては、例えば、ブレーキ制御用にタイヤのスリップ（空転）を検出する手段を備えた自動車においては、タイヤと電動機が機械的に接続されているので、タイヤのスリップを電動機の空転として検出するように構成してもよい。タイヤのスリップを検出する手段としては、自動車の対地速度を検出するセンサ（ドップラレーダ等）の出力から、その対地速度に相当するタイヤの回転速度を演算し、実際のタイヤの回転速度との比較によって空転の有無を検出する装置がある。
【００２９】
また、列車のように、連結された車両と車輪数の多い場合には、多数の車輪の回転速度の平均値を基準として、個々の車輪の回転速度と比較すれば、空転の有無を検出することが出来る。上記のように、スリップを検出する他の手段がある場合には、それを本制御用に兼用することにより、新たなセンサを設ける必要がなくなる。
【００３０】
（実施例２）
図６は、本発明の第２の実施例を示すブロック図である。  
この実施例においては、独立した空転検出手段１１を用いず、電動機の回転速度から空転を検出するように構成している。すなわち、図６においては、空転制御演算手段３６の入力としては、回転速度検出値とインバータ入力電圧検出値との２つのみになっている。
【００３１】
図７は、図６の空転制御演算手段３６における演算を示すフローチャートである。  
図７において、ステップ１０２では、電動機の回転速度ＮＭから電動機の誘起電圧ＶＭを演算する。  
ステップ１０３では、ＶＭ＞ＶＤ−△Ｖ−αとなっているか否かを判断し、Ｙｅｓであればステップ１０４に進み、Ｎｏであればステップ１０６に進む。  
ステップ１０４では、電動機の回転速度ＮＭを時間微分して回転加速度を演算する。  
ステップ１０７では、回転加速度が所定値以上であるか否かを判断する。Ｙｅｓであれば空転状態と判断してステップ１０５に進み、Ｎｏであればステップ１０６に進む。
【００３２】
ステップ１０７の回転加速度を判断する所定値は、システムによって異なり、電動機の発生トルクおよび無負荷時の回転加速度、インバータ入力電圧の応答性等を考慮して実験で求める。回転加速度が所定値以上であれば空転状態と判断する。
【００３３】
ステップ１０５では、回転加速度にゲインＫＤを乗算して出力する。  
ステップ１０６は、空転制御の必要がない場合に処理され、零を出力する。  
なお、実施例２においてもステップ１０５における補正量の演算においては、前記実施例１に記載した（１）〜（３）の何れの構成を用いてもよい。
【００３４】
上記のように電動機の回転速度を微分することで回転加速度を演算し、回転加速度が所定値以上の場合に空転状態と判断するように構成することにより、独立した空転検出手段１１が不要となり、コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る車両用電動機の制御装置のブロック図。
【図２】昇圧コンバータがある場合とない場合におけるインバータ入力電圧ＶＤと電動機トルクＴＭの特性を示す図。
【図３】実施例１における制御装置２０の構成を示すブロック図。
【図４】インバータ入力電圧指令演算器３１におけるインバータ入力電圧指令演算の方法を説明するための図。
【図５】実施例１の空転制御演算器３６における演算を示すフローチャート。
【図６】実施例２における制御装置２０の構成を示すブロック図。
【図７】実施例２の空転制御演算器３６における演算を示すフローチャート。
【図８】本発明の構成を持たない装置において、負荷脱落が発生して、電動機の回転速度が急上昇したときの応答を示す図。
【図９】本発明において、負荷脱落が発生して、電動機の回転速度が急上昇したときの応答を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１…直流電源                          ２…リアクトル
３…電流センサ                        ４…昇圧コンバータ
４ａ、４ｂスイッチング素子            ５…コンデンサ
６…電圧センサ                        ７…インバータ
８…電流センサ                        ９…電動機
１０…速度センサ                      １１…空転検出手段
２０…制御装置                        ２１…電流指令演算器
２２…三相ｄｑ軸変換器                ２３ａ、２３ｂ…減算器
２４ａ、２４ｂ…電流制御器            ２５…電圧指令演算器
４１、４２…キャリア信号発生器
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ…コンパレータ
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ…論理反転回路
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆ、５３ｇ、５３ｈ…デッドタイム回路
３１…インバータ入力電圧指令演算器    ３２…減算器
３３…電圧制御器                      ３５…電流制御器
３６…空転制御演算器                  ３７…加減算器
【図１】
2006050866.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006050866.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006050866.tif 000008
【図７】
2006050866.tif 000009
【図８】
2006050866.tif 000010
【図９】
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