(57)【要約】【課題】三相モータの回転数が何らかの原因により急上昇した場合に、電動機の回転数検出値が所定値を超えるときは、回生時制御パターンによる制御によらずに、回生電力を制限する。【解決手段】電池１００と、回生動作するインバータ１２と、インバータ１２を制御するコントローラ１１とを備えた電動機制御回路１において、コントローラ１１は、三相モータ２が所定の回転数を超えて発電するときは、インバータ１２に力行時進角制御パターンを送出することを特徴とする。【選択図】 図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
前記直流電源からの電力を交流電力に変換して電動機に供給するとともに、前記電動機からの発電電力の全部または一部を回生電力として前記直流電源に戻す電力変換器と、
前記電力変換器を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラが、前記電動機が所定の回転数を超えて発電するときは、前記電力変換器に力行時進角制御パターンを送出する電動機制御回路において、
前記所定の回転数が、前記電動機が無負荷発電して動作させた場合においてその発電電圧が前記直流電源の電圧と釣り合う回転数であることを特徴とする電動機制御回路。
【請求項２】
前記コントローラは、前記電動機が前記所定の回転数以上または前記所定の回転数を超える回転数で発電するときは、前記電力変換器に力行時進角制御パターンを送出することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御回路。
【請求項３】
前記コントローラは、前記電動機が前記所定の回転数以下または未満、かつ所定のトルク以下または未満で発電する場合において、前記直流電源の電圧が所定電圧以下または未満であるときは、前記電力変換器に、回転数が現回転数よりも大きいときの回生時制御パターンを送出することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御回路。
【請求項４】
直流電源からの直流電力を交流電力に変換して電動機に供給するとともに、前記電動機からの発電電力の全部または一部を回生電力として前記直流電源に戻し、
前記電動機が所定の回転数を超えて発電するときは、前記電力変換器を力行時進角制御パターンで動作させる電動機制御方法において、
前記所定の回転数が、前記電動機が無負荷発電して動作させた場合においてその発電電圧が前記直流電源の電圧と釣り合う回転数であることを特徴とする電動機制御方法。
【請求項５】
前記電動機が前記所定の回転数以上または前記所定の回転数を超える回転数で発電するときは、前記電力変換器に力行時進角制御パターンを送出することを特徴とする請求項４に記載の電動機制御方法。
【請求項６】
前記電動機が前記所定の回転数以下または未満、かつ所定のトルク以下または未満で発電する場合において、前記直流電源の電圧が所定電圧以下または未満であるときは、前記電力変換器に、回転数が現回転数よりも大きいときの回生時制御パターンを送出することを特徴とする請求項４または５に記載の電動機制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の力行制御・回生制御を行なう電動機制御回路において、高回転領域にて動作する場合または何らかの原因で回転数が急上昇した場合に、電力変換器の破壊、電池の過充電を防止することができる電動機制御回路および電動機制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車（電動式の自動二輪車，自転車等の二輪車を含む）に搭載される電動機は、減速時等には発電機として動作し回生電力を発生する。図１はこの種の電動機の制御装置を示すシステム構成図である。図１において、三相モータ９を駆動する電動機制御回路８は、コントローラ８１と、インバータ８２と、回生時余剰電力消費用抵抗８３と、  磁極位置検出回路８４と、電池電圧検出回路８５とを備えている。なお、図１では説明の便宜上、負荷をシンボルとして符号３００で示してある。
【０００３】
コントローラ８１は、力行制御モード（アクセルが「開」となっている場合）には、トルク指令Ｓおよび磁極位置検出回路８４からの磁極位置信号を取得して、インバータ８２に各相の電気量の実効値を決定するパルスを出力することができ、回生制御モード（アクセルが「閉」となっている場合）には三相モータ９からの電力を電池２００に戻すことができる。
【０００４】
インバータ８２は直流を交流に変換し電動機を駆動する半導体スイッチ素子からなる。磁極位置検出回路８４は、ロータ位置検出センサ９１からの検出信号を取得して、磁極位置信号をコントローラ８１に出力し、コントローラ８１は回転速度を求めることができる。
電池電圧検出回路８５は、電池２００の端子電圧を検出することができる。
【０００５】
図２は、力行制御モードにおけるコントローラ８１による電動機制御回路８の制御原理を示す図である。図２において、横軸は三相モータ９の回転数Ｎ（ｒｐｍ）を示し、縦軸はトルクを示しており、発電電力の一部は電池２００に回生され、一部は回生時余剰電力消費用抵抗８３により消費される。また、デューティの計算値が１００％を超えてしまうときは、最大電気角を６０°として進角制御を行なう。
【０００６】
図３は、回生制御モードにおけるコントローラ８１による電動機制御回路８の制御原理を示す図である。回生制御モードでは、過充電とならないように、発電電力の一部を図示しない抵抗等に消費させることにより回生電力を制御する必要がある。図３において、横軸は三相モータ９の回転数Ｎ（ｒｐｍ）を示し、縦軸は電力を示しており、電動機制御回路８の発電電力Ｗｍの一部は電池２００に回生され（回生電力をＷａとして示す）、一部は消費用抵抗８３により消費される（抵抗消費電力Ｗｒとして示す）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、たとえば力行制御モードで運転中に三相モータ９の回転数が、高回転領域にて動作する場合または何らかの原因で回転数が急上昇した場合に、電圧により、インバータ８２を構成するスイッチ素子が破壊されることがある。また、回生時には電池へ大電流が流れ、電池が損傷することがある。
【０００８】
本発明の目的は、三相モータの回転数が何らかの原因により急上昇した場合に、電動機の回転数検出値が所定値を超えるときは、回生時制御パターンによる制御によらずに、回生電力を制限することができる電動機制御回路および電動機制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電動機制御回路は、直流電源と、前記直流電源からの電力を交流電力に変換して電動機に供給するとともに、前記電動機からの発電電力の全部または一部を回生電力として前記直流電源に戻す電力変換器と、前記電力変換器を制御するコントローラとを備え、前記コントローラが、前記電動機が所定の回転数を超えて発電するときは、前記電力変換器に力行時進角制御パターンを送出する電動機制御回路において、
前記所定の回転数が、前記電動機が無負荷発電して動作させた場合においてその発電電圧が前記直流電源の電圧と釣り合う回転数であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の電動機制御回路では、前記コントローラは、前記電動機が前記所定の回転数以上または前記所定の回転数を超える回転数で発電するときは、前記電力変換器に力行時進角制御パターンを送出するように構成できる。また、前記コントローラは、前記電動機が所定の回転数以下または未満、かつ所定のトルク以下または未満で発電する場合において、前記直流電源の電圧が前記所定電圧以下または未満であるときは、前記電力変換器に、回転数が現回転数よりも大きいときの回生時制御パターンを送出することができる。
【００１１】
本発明の電動機制御方法は、直流電源からの直流電力を交流電力に変換して電動機に供給するとともに、前記電動機からの発電電力の全部または一部を回生電力として前記直流電源に戻し、前記電動機が所定の回転数を超えて発電するときは、前記電力変換器を力行時進角制御パターンで動作させる電動機制御方法において、前記所定の回転数が、前記電動機が無負荷発電して動作させた場合においてその発電電圧が前記直流電源の電圧と釣り合う回転数であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の電動機制御方法では、前記電動機が所定の回転数以上または前記回転数を超える回転数で発電するときは、前記電力変換器に力行時進角制御パターンを送出することができる。
【００１３】
本発明の電動機制御方法では、前記電動機が前記所定の回転数以下または未満、かつ所定のトルク以下または未満で発電する場合において、前記直流電源の電圧が所定電圧以下または未満であるときは、前記電力変換器に、回転数が現回転数よりも大きいときの回生時制御パターンを送出することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、電動機の回転数が高速となり、あるいは何らかの原因により急上昇した場合に、力行時進角制御における負のトルク領域の回転数−トルク特性を利用して電動機の回生電力を制限するので、電力変換器を構成するスイッチ素子の破壊や電源電池の過充電を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図４は、本発明の電動機制御回路の一実施形態を示すシステム構成図である。図４において、三相モータ２を駆動する電動機制御回路１は、コントローラ１１と、インバータ（本発明の電力変換器）１２と、磁極位置検出回路１３と、電池電圧検出回路１４とを備えている。なお、図４では説明の便宜上、負荷をシンボルとして符号３００で示してある。
【００１６】
コントローラ１１は、力行制御モード（アクセルが「開」となっている場合）では、トルク指令Ｓおよび磁極位置検出回路１３からの磁極位置信号を取得するとともに回転速度（回転数）を求め、インバータ１２に各相の電気量の実効値を決定するパルスを出力することができ、回生制御モード（アクセルが「閉」となっている場合）では三相モータ２からの電力を電池１００に戻すことができる。
【００１７】
インバータ１２は直流を交流に変換し三相モータ２を駆動する半導体スイッチ素子からなる。磁極位置検出回路１３は、ホール素子センサ２１からの検出信号を取得して、前述したように磁極位置信号をコントローラ１１に出力することができる。電池電圧検出回路１４は、電池１００の端子電圧を検出することができる。
【００１８】
図５（Ａ）は三相モータ２による制御領域を示す図であり、本実施形態では、三相モータ２の回転数Ｎと駆動トルクＴｑの関係が、力行時制御領域（力行時電圧制御領域，力行時進角制御領域）（Ｉ）、回生時電圧補正なしの制御領域（ＩＩ）、回生時電圧補正ありの制御領域（ＩＩＩ）、回生／高回転時制御領域（ＩＶ）の何れに属するかにより、これらの領域に応じた制御が行なわれる。なお、回生時電圧補正ありの制御領域（ＩＩＩ）は、後述するように回生時電圧補正なしの制御領域（ＩＩ）の下限のラインを意味している。これらのモデルを、図５（Ｂ）に（Ｉ）〜（ＩＶ）に示す。
【００１９】
力行電圧制御領域（Ｉ）における制御は以下のように行なわれる。
コントローラ１１は、アクセル開度（トルク指令Ｓ）を受け取ると、現在の回転数を基にデューティ指示値Ｄｆを求め、このデューティ指示値Ｄｆを電池電圧Ｖｂに応じて補正する。
補正後デューティ指示値Ｄｇは、電池電圧基準値をＶｂ０として、
Ｄｇ＝Ｄｆ×Ｖｂ０／Ｖｂ        ・・・（１）
により求められる。
【００２０】
補正後デューティ指示値Ｄｇが１００％を超えているときは、コントローラ１１は、インバータ１２に送出する制御信号のディユーティを１００％に設定し、進角制御を行なう。これにより、電池電圧Ｖｂの所定範囲で一定の正のトルクを出力することができる。進角量φは、
φ＝（Ｄｇ−１００）／（Ｐ（Ｖ）×ＲＮ＋Ｑ（Ｖ））＋ΔＦ        ・・・（２）
により決定することができる。ＲＮは無負荷回転数比、Ｐ（Ｖ），Ｑ（Ｖ）は、電池電圧Ｖｂの関数であり、ΔＦは定数である。
【００２１】
無負荷回転数比ＲＮは、現在の回転数をＮ、無負荷回転数をＮ０として、
ＲＮ＝Ｎ／Ｎ０        ・・・（３）
で表される。無負荷回転数Ｎ０は、三相モータ２を無負荷運転して発電動作させた場合においてその発電電圧が前記直流電源の電圧と釣り合う回転数である。
【００２２】
無負荷回転数Ｎ０は、
Ｎ０＝Ａ×Ｖｂ＋Ｂ        ・・・（４）
で表されるものとする。Ａ，Ｂは、図６に示すように、異なる電池電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２での無負荷回転数Ｎ０１，Ｎ０２を求め（α１，α２参照）、２つの式、Ｎ０１＝Ａ×Ｖｂ１＋Ｂ，Ｎ０２＝Ａ×Ｖｂ２＋Ｂから求めることができる。
【００２３】
進角制御により、電源電圧が低下しても、進角制御（弱め界磁制御）により回転数を大きくすることができ、結果として三相モータ２のコイルを流れる電流を大きくして、負荷に応じたトルクを発生することができる。
【００２４】
回生時電圧補正なしの制御領域（ＩＩ）における制御は以下のように行なわれる。
回生時には三相モータ２は発電機として動作し、発電電力が電源側に返される。このとき、電池電圧Ｖｂが低すぎると、電池１００に流入する電流が過大となり、インバータ１２が破壊される危険があるため、回生電流を制限する必要がある。
【００２５】
本実施形態では、回生時電圧補正なしの制御領域（ＩＩ）における制御において、電源電圧Ｖｂが所定電圧ＶＬを超えるときは、コントローラ１１は回生制御におけるスイッチ素子のオン時間を所定のマップにより求め、当該オン時間によりインバータ１２を制御する。
【００２６】
回生時電圧補正ありの制御領域（ＩＩＩ）における制御は以下のように行なわれる。
上述したように、回生時には三相モータ２は発電機として動作し、発電電力が電源側に返される。この場合、電池電圧Ｖｂが所定電圧ＶＬに対して低いときはもちろん高いときでも、電池１００に流入する電流が過大となりインバータ１２が破壊されたり電池１００が過充電となり電池寿命を短くしたりする危険がある。このため、回生時電圧補正ありの制御領域（ＩＩＩ）では、マイナストルクが大きくならないように、デューティを設定し（デューティの値は、予め作成してある所定マップから取得することができる）発電を制限する。たとえば、図７（Ａ）に示すように、三相モータ２の回転数Ｎが４０００〔ｒｐｍ〕であるときにデューティが８０パーセントで制御すると、トルクＴｑは、−２〔Ｎｍ〕となり、電池１００に流入する電流が過大となる。したがって、この場合にはデューティをトルクＴｑが−１〔Ｎｍ〕となるまで低くして（ここでは、５０パーセント）、電池１００に流入する電流を抑えている。
【００２７】
回生時電圧補正ありの制御領域（ＩＩＩ）における制御では、コントローラ１１は、三相モータ２が、所定の回転数（ここでは無負荷回転数Ｎ０）以下、かつ所定のトルク以下で発電する場合において、電源電圧Ｖｂが所定電圧ＶＬ以下であるときは、インバータ１２に、回転数が現回転数Ｎよりも大きいときの回生時制御パターンを送出することができる。また、回生時電圧補正ありの制御領域（ＩＩＩ）における制御において、電源電圧Ｖｂが所定電圧ＶＬ以下のときは、新たな回転数Ｎ′を、現在の回転数Ｎに、基準電池電圧Ｖｂ０と現在の電池電圧Ｖｂとの比（Ｖｂ０／Ｖｂ）を乗じた値とする。具体的には、上記マップの参照位置を電圧比に応じてシフトさせてその値を取得する。
【００２８】
なお、図５（Ａ）および図７（Ａ）では、回生時電圧補正なしの制御領域（ＩＩ）の下限値（すなわち回生時電圧補正ありの制御領域（制御ライン）（ＩＩＩ）を示す値β）を一定値（−１〔Ｎｍ〕）としたが、回転数Ｎにより異なる値とすることもできる。
【００２９】
回生／高回転時制御領域（ＩＶ）における制御は以下のように行なわれる。
たとえば、本発明の電動機制御回路が電気自動車に搭載されているものとする。この電気自動車が、下り坂を高速で走行することで回転数が高くなり、あるいは何らかの外的要因により三相モータ２の回転数が異常に高くなることがある。これにより、三相モータ２のコイルの逆起電圧が高くなり、電池１００に流入する電流が過大となり、インバータ１２が破壊されたり電池１００が過充電となり寿命を短くしたりする危険がある。
【００３０】
このため、回生／高回転時制御領域（ＩＶ）では、高回転領域での逆起電圧からインバータ１２を保護し、電池１００に流れ込む回生電流を制限し、発電電力を小さくする必要がある。
本実施形態では、コントローラ１１は、三相モータ２が無負荷回転数Ｎ０を超えて発電するときは（すなわち、回生モードにあるときであっても）、インバータ１２に力行時進角制御パターンを送出する。これにより、発電電圧Ｖｇを抑え、強制的にトルクが０〔Ｎｍ〕付近となるように制御することができる。
【００３１】
図７（Ｂ）は、回生／高回転時制御領域（ＩＶ）での回転数−トルクの特性を示す説明図である。この制御領域では進角制御を上述した（２）式により求める。
また、この制御領域では、進角量下限値というパラメータによって、たとえば進角量の計算値が小さい場合であっても、積極的に進角制御を行なうべく進角量が大きくなるように設定をし直して、起電圧相殺処理を行なうことができる。すなわち、現在の回転数が無負荷回転数よりも大きい場合において、進角量計算値が進角量下限値φＬよりも小さいときは、進角量φを進角量下限値φＬにセットする。
【００３２】
ここで、進角量下限値φＬは、図８に示すように、回転数Ｎごとのマップ形式になっている。現在の回転数Ｎに電圧比（基準電圧Ｖｂ０／現在の電池電圧値Ｖｂ）を乗算して得られる回転数（下限値参照回転数）ＮＬ（ＮＬ／Ｎ＝Ｖｂ０／Ｖｂ）を使用してマップの参照位置をずらし、電池電圧に応じた値を取得できるように構成されている。なお、回生／高回転時制御領域（ＩＶ）では、トルクの値が−１〔Ｎｍ〕となるように、進角量φを所定のマップを参照して制御するようにもできる。また、回生／高回転時制御領域（制御ライン）（ＩＶ）を一定値（−１〔Ｎｍ〕）とせずに、回転数Ｎにより異なる値とすることもできる。
【００３３】
本実施形態では、モータの速度変動があったときに即応できるように、全てのモードについてモータ制御に必要なパラメータを逐次演算している。図９および図１０のフローチャートにより、本実施形態で使用するパラメータの導出方法を説明する。
【００３４】
コントローラ１１は電池電圧検出回路１４から電池電圧Ｖｂを、磁極位置検出回路１３から回転数Ｎを取得し（Ｓ１０１，Ｓ１０２）、無負荷回転数Ｎ０（＝電池電圧Ｖｂ×Ａ＋Ｂ：（４）式参照）を算出する（Ｓ１０３）。本実施形態では、制御モードを遷移させる無負荷回転数Ｎ０に補正を加え（Ｓ１０４）、この補正した回転数を制御遷移回転数Ｎｔ（無負荷回転数Ｎ０＋Ｃ）としている。つぎに回転数比Ｒｒ（回転数Ｎ÷無負荷回転数Ｎ０）を算出し（Ｓ１０５）、マップを参照して回転数Ｎに対応するデューティ上限値ＤＭを取得する（Ｓ１０６）。
【００３５】
そして、補正後回転数Ｎ′＝回転数Ｎ×Ｖｂ０÷電池電圧Ｖｂを求め、マップを参照して補正後回転数Ｎ′に対応する進角量下限値φＬ、および回生デューティＤｒを取得する（Ｓ１０７，Ｓ１０８）。
【００３６】
また、アクセルａｃｃ・回転数Ｎ・所定の係数から、デューティ計算値Ｄｃを算出し（Ｓ１０９）、デューティ計算値Ｄｃがデューティ制限値Ｄｓを超えているか否かを判断し（Ｓ１１１）、超えていないときは、デューティ計算値Ｄｃをデューティ指示値Ｄｆとし（Ｓ１１２）、超えているときはデューティ制限値Ｄｓをデューティ指示値Ｄｆとする（Ｓ１１３）。そして、デューティ指示値Ｄｆを電圧補正し、補正後デューティ指示値Ｄｆを、デューティ制限値Ｄｓ×Ｖｂ０÷電池電圧Ｖｂとして求める（Ｓ１１４）。
【００３７】
つぎに、回転数比が１．０を超えたか否か（すなわち回転数Ｎが無負荷回転数Ｎｎを超えたか否か）を判断し（Ｓ１１５）、超えていないときはそのデューティ指示値Ｄｆをデューティ値Ｄとし、超えているときはデューティ指示値Ｄｆを１００％とした値をデューティ値Ｄとする（Ｓ１１６）。
そして、デューティ指示値が１００％を超えているか否かを判断し（Ｓ１１７）、超えていないときは進角指示値φｆを０とし（Ｓ１１８）、超えているときは進角指示値φｆを計算する（Ｓ１１９）。そして、進角指示値が最大値（６０°）以下か否かを判断し（Ｓ１２０）、６０°を超えているときは進角値指示値φｆを６０°とし（Ｓ１２１）、６０°未満であるときはその進角指示値φｆをそのまま維持する。
【００３８】
次に、回転数比＜１．０か（無負荷回転数Ｎ０以上かを判断し（Ｓ１２２）、１．０を超えているときはφｆを現在の値に確定する（Ｓ１２５）。回転数比が１．０未満であるときは、現在の進角指示値φｆが進角下限値φＬ未満であるかを判断し（Ｓ１２３）比較し、進角指示値φｆが進角下限値φＬ以上であるときはφｆを現在の値に確定し（Ｓ１２５）、未満であるときは進角指示値φｆを進角下限値φＬとして（Ｓ１２４）、φｆを確定する（Ｓ１２５）。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来の電動機制御回路を示すシステム構成図である。
【図２】図１の電動機制御回路の力行制御モードにおける制御原理を示す図である。
【図３】図１の電動機制御回路の回生制御モードにおける制御原理を示す図である。
【図４】本発明の電動機制御回路の一実施形態を示すシステム構成図である。
【図５】（Ａ）は図４の電動機制御回路による制御領域を示す図、（Ｂ）は各領域のインバータが授受する電力を示すモデルである。
【図６】無負荷回転数を決定するための係数を求めるための回転数−トルクの負荷時の特性を示す図である。
【図７】（Ａ）は図５（Ａ）の回生時電圧補正ありの制御領域における動作を説明するための回転数−トルク特性図、（Ｂ）は図５（Ａ）の回生／高回転時制御領域における動作を説明するための回転数−トルク特性図である。
【図８】回転数Ｎと進角下限値φＬとの関係を示すマップである。
【図９】本実施形態で使用するパラメータの導出方法を説明するためのフローチャートの前半を示す図である。
【図１０】本実施形態で使用するパラメータの導出方法を説明するためのフローチャートの後半を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  電動機制御回路
２  三相モータ
１１  コントローラ
１２  インバータ
１３  磁極位置検出回路
１４  電池電圧検出回路
２１  ホール素子センサ
１００  電池
【図１】
2011019397.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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