(57)【要約】【課題】電気自動車などで変速時に電動機を変速機側の回転速度と同期する回転速度にフィードフォワード制御する。【解決手段】変速時に変速機側の回転速度と同期するのに必要な電動機の回転速度を算出し、該必要回転速度から電動機へ出力される交流電力の周波数を算出する。該周波数の交流電力を直流電力をスイッチング制御して得るのに必要な、１ヘルツ分のセグメント数とセグメント幅を算出し、現在の電動機軸角度を基準として算出した出力セグメント毎に通電量を求め、得られた通電量から通電クロック数と休止クロック数とを算出し、該算出値に応じて電力スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ信号を出力して電動機を目標回転速度にフィードフォワード制御する。【選択図】　図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械式変速機が接続された電動機の制御装置であって、
変速位置固定状態での通常運転時は、目標トルクに応じた制御量を設定してトルク制御を行い、変速中の無負荷運転時は、目標回転速度に応じた制御量を設定して回転速度制御に切り換え、
かつ、上記回転速度制御は、交流周波数の電機子電流が流れるように制御信号を形成し、該制御信号を供給して電動機を目標回転速度にフィードフォワード制御することを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項２】
電動機が同期電動機であり、無負荷運転時に目標回転速度に同期した交流周波数の電機子電流が流れるように制御信号を形成することを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
電動機が誘導電動機であり、無負荷運転時に目標回転速度に応じたすべり率を持つ交流周波数の電機子電流が流れるように制御信号を形成することを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
【請求項４】
前記制御信号は、前記交流周波数の位相に対応するパルス幅を有するパルス幅変調信号により直流電源をスイッチング制御して得られる交流信号であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機の制御装置。
【請求項５】
前記目標回転速度が高いときは、前記スイッチングの周期を短く調整することを特徴とする請求項４に記載の電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の制御、特に機械式変速機が接続された電動機の変速時の制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電動機を単独若しくは内燃機関と組み合わせたハイブリッド原動機として使用する自動車の開発が盛んである。自動車の通常運転時には内燃機関による制御と同様、走行負荷に見合って電動機のトルクを制御している。
一方、走行性を考慮して電動機に機械式変速機を接続し、変速を行う場合、電動機を変速後の回転速度に同期させて変速を行うことにより、トルクショックの無い滑らかな変速を行える。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、変速時に電動機を、実際の回転速度を検出しながらフィードバック制御するものもあるが、目標回転速度への収束に遅れを生じる。すなわち、目標回転速度と実回転速度との偏差に応じてフィードバック制御しようとしても、電動機の動力伝達を遮断した瞬間に電動機の回転速度が急激に増大して目標回転速度との偏差が増大し、オーバーシュート、アンダーシュートを繰り返して収束が遅れてしまい、変速完了が長引いてしまう。変速機に機械的なシンクロ機構を備えたものもあるが、電動機の回転を制動により強制的に減速させるため、トルクショックを十分に吸収することができず、コストも高くつく。
【０００４】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、変速時に電動機を、実回転速度を検出することなく、かつ、速やかに目標回転速度に収束させることにより、滑らかでかつ応答性の良い変速が行えるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、機械式変速機が接続された電動機を、変速位置固定状態での通常運転時は目標トルクに制御するトルク制御を行う一方、変速中の無負荷運転時は、交流周波数の電機子電流が流れるように制御信号を形成し、該制御信号を供給して電動機を目標回転速度にフィードフォワード制御する回転速度制御に切り換える構成とした。
【０００６】
これにより、変速時には、目標回転速度に応じて形成された制御信号を電動機に供給すると、目標回転速度に応じた交流周波数の電機子電流が流れ、目標回転速度に速やかに収束し、入出力軸間を同期した回転速度として滑らかな変速を、応答良く行うことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態に用いる同期電動機の原理を示す。最も簡単な例として２極機の場合を示したが、実際には４極以上の多極機が使用されることが多い。
電動機が回転力を発生するのは、ステータ側に生成した磁極と、ロータ側に生成した磁極との相互作用により、同極は反力を発生し、異極は引力を発生するという原理によっている。したがって、ステータのＮ極（Ｓ極）とロータのＳ極（Ｎ極）が位相的に一定するときは、通常ステータのＳ極（Ｎ極）とロータのＮ極（Ｓ極）も位相が一致するが、この場合は安定した状態となって回転力（トルク）を発生しない。この状態を「相差角＝０」とする。
【０００８】
図１（Ａ）には、電動機の出力軸が図示時計周りに回転する場合を「正転」とすれば、６０°の相差角をもち、ロータ（回転子）Ｒを正転させるような磁極をステータ（界磁）Ｓに発生した場合を描いている。
同期電動機ではロータの磁極は出力軸に対して固定的な位置に設けられている。他方、ステータに発生させる磁極は、そのコイルに対する通電の方法によって任意に調節できる。すなわち、同じコイルでも電流の向きを変えれば直前とは異なる磁極を生成することも可能である。
【０００９】
通常、交流電力によってステータに磁極を生成する場合、交流の１ヘルツをコイルに供給することによって磁極が一周する。図１では、２極機を示したので、交流１ヘルツの間に出力軸も１周するが、４極機では電気角の１周は機械角の１８０°に相当する。同様に６極機では電気角の３６０°は機械角の１２０°に相当する。ステータに与える交流電力波形のポイントによって、ステータに発生する磁極の位置を制御することができる。
【００１０】
図１（Ｂ）において、ステータに交流電力の、電気角９０°に相当する電流を与えたために、ステータの９０°の位置にＮ極が発生している。１８０°に相当する電流を与えれば、ステータの１８０°の位置にＮ極を発生する。以下同様に、交流電力の２７０°相当の電流を与えればステータの２７０°の位置にＮ極を発生する。そして、ステータのＮ極の位置に対して相差角だけ遅れた位置にロータのＳ極が位置することになる。これらの関係は、電気角と機械角の関係を適用すれば多極機についても同様である。
【００１１】
なお、同図において、交流波形の中点を境に電流の方向が逆転するように、スイッチング素子をブリッジ状に構成し、及びその制御回路を構成してある。さらに、この図は模式的な表示のみで、具体的なコイルの形状を記載していないが、使用する電力が単相交流、三相交流などの別、および極数によって相違するが、電気角０及び１８０°の位置付近では、その付近のコイルによって磁極を生成できるように構成されている。相差角制御では、ロータの現在位置をレゾルバなどの検出器によって検出し、そのロータ現在位置に対して駆動力を得たい場合は進めた位置の交流波形から通電量を求め、制動力及び発電作用を必要とするときには遅れた位置の交流波形から通電量を求めて、通電量を実際の電流に変換してステータに与える。するとステータには、ロータ位相に対して進んだ、または、遅れた位置に磁極を発生することができる。
【００１２】
磁極の吸引力と反発力の関係から、一般的には磁極ピッチの半分程度の相差角を与えた場合に最大トルクを発生する。磁極ピッチを超える相差角を与えた場合は急激に反転力を発生するために「脱調」現象を起こし、運転不能に陥る。実用的には、相差角が磁極ピッチの半分を超えると発生トルクが減少するために脱調に陥りやすく、使用できない。
【００１３】
図２に、上記の同期電動機を原動機とする電気自動車の実施形態のシステム概要図を示す。
同期電動機で構成される電動機１の出力軸１ａに、変速機２が連結され、変速機２の出力軸２ａには、図示しない減速機及び車軸を介して駆動輪３が連結されている。前記電動機２の出力軸２ａには、該出力軸２ａの現在位置（軸角度）を検出するレゾルバなどで構成される軸角度センサ４が装着されている。前記変速機２は、複数の歯車と中立点を有し、複数の歯車の噛み合わせを切り換えることにより、電動機１の回転速度を変速する機械式変速機である。
【００１４】
電力制御装置（インバータ）５は、制御コンピュータ６からの制御信号に基づいてバッテリ７からの直流電力を交流電力に変換して電動機１に供給し、電動機を駆動する。
変速比選択装置８は、前記変速機２を制御して変速比を選択する。変速機２の出力軸２ａには、該出力軸２ａの回転速度を検出する回転速度センサ９が備えられている。該回転速度センサ９で検出される回転速度は、変速時における電動機１の回転速度制御に用いる他、車速に比例するから車速信号としても用いることができる。
【００１５】
前記制御コンピュータ６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，各種インタフェース等を備え、前記軸角度センサ４、回転速度センサ９の他、アクセルペダル踏込み量を検出するアクセルセンサ１０等からの検出信号に基づいて形成した制御信号を前記電力制御装置５に供給し、該電力制御装置５を介して電動機１を制御する。ここで、通常運転時は電動機１の出力トルクを目標トルクとするように、相差角によるトルク制御を行うが、変速時は電動機１の回転速度を駆動輪側の回転速度と同期する回転速度制御を行うように制御信号を形成する。また、制御コンピュータ６は、変速比選択装置８を介して変速機２の変速比を制御する。
【００１６】
図３は、電動機１の上記トルク制御と回転速度制御を切り換えるフローを示す。
ステップ１で、変速要求が発生したかを判定し、発生していない通常運転時には、ステップ２で電動機１をトルク制御し、変速要求発生時にはステップ３で電動機１を回転速度制御するように切り換える。
【００１７】
図４は、前記ステップ２での電動機１のトルク制御のフローを示す。
ステップ１１では、運転者による要求駆動力を表すアクセルセンサ９からの検出値等に基づいて、電動機１の目標トルクに相当する相差角Δθを算出する。
ステップ１２では、前記軸角度センサ４により検出される電動機１の（ロータの）現在の軸角度θ０を読み込む。
【００１８】
ステップ１３では、前記現在の軸角度θ０に前記相差角Δθを加算して、ステータの磁極角度（電気角）θｓを算出する。これは、交流電機子電流の位相を意味する。
ステップ１４では、前記算出したステータの磁極角度θｓが３６０°より大きいかを判定し、３６０°より大きいときは、電気的に次のサイクルに入っているので、ステップ１５で磁極角度θｓから３６０°を減じた値を新たな磁極角度θｓとして設定する。
【００１９】
また、ステップ１４で磁極角度θｓが３６０°以下のときは、ステップ１６で磁極角度θｓが負であるかを判定する。制動力を発生している局面では、必要な相差角が負になることがあり、このようなときには磁極角度も負になる場合がある。これは３６０°を加算した位相と同等であるので、負となっているときはステップ１７で磁極角度θｓに３６０°を加算する。
【００２０】
ステップ１８では、上記のように０〜３６０°の範囲に調整した磁極角度θｓに対応する通電量を獲得する。具体的には、０〜３６０°の範囲でサインカーブを所定数に分割したセグメント毎に通電量（通電デューティ）を設定したテーブル（数表）をＲＯＭに記憶し、磁極角度θｓに対応するセグメントの通電量を検索して求めればよい。なお、上記のように２π（３６０°）分のデータを設定するほか、対称性を利用してπ（１８０°）分、π／２（９０°）分のデータを設定して処理することも可能である。
【００２１】
ステップ１９では、上記のようにして獲得した通電量に対応して、通電を制御するための１セグメントについて、通電クロック数と遮断クロック数を計算する。クロックは制御コンピュータ６の水晶発振器によって規定された周波数の矩形波として生成される。
ステップ２０では、該通電クロック数と遮断クロック数に基づいて、前記電力制御装置５の電力スイッチング素子を制御する。ここで、スイッチング素子をセグメント１００％にわたって通電すれば、能力一杯の電流を流すことになり、遮断すれば電流を流さないことになる。
【００２２】
このようにして電動機１に回転力を求める運転領域、すなわち通常走行時には、相差角を可変とするトルク制御による運転を行う。
次に、本発明の特徴である変速時の回転速度制御について説明する。自動車用として機械式歯車変速機と連結して原動機とするとき、精密な回転速度制御を必要とするのは歯車の噛み合わせ時である。このときは当初の歯車の噛み合わせを解除し、歯車としては中立状態にあるときにあたる。このとき電動機は負荷から解放され、同期電動機の場合過激な速度変化を指示しなければ与えられる動力電源の周波数に同期して追随できる。従来、供給する動力電源の周波数を厳密に制御することによって電動機の回転速度をフィードフォワード制御することは行われていなかった。
【００２３】
この制御のためには精密な動力電源の周波数制御を必要とするが、たとえば１００ヘルツの交流を発生するとして、次のような条件を仮定して説明する。図５に、参考のために以下の条件で、１サイクル分の交流波形に相当するセグメント数と、１セグメント当たりのクロック数の関係を示した。
使用するクロック　　　　　　１６メガヘルツ
使用するキャリアー周波数　　約１０キロヘルツ
１００ヘルツの交流１サイクルに要する所要時間は１／１００秒である。１６メガヘルツのクロックを使用するので、１／１００秒間のクロック数は１６０キロ個である。ここでキャリアー周波数が約１０キロヘルツなので、キャリアー波形の１サイクル分を１セグメントとすれば、交流波形の１サイクル分は１００セグメントで表現でき、さらにクロック数で表現すれば１セグメント当たり１６００クロックとなる。
【００２４】
つまり、逆にたどれば、１６００／１６００００００秒の幅を持つセグメントを１００回実行すれば１／１００秒となり、１サイクル分の所要時間となる。１サイクルの所要時間を変更することによって任意の周波数の交流を発生することができる。たとえば１０ヘルツの交流を生成するには上記と同じ条件で、１サイクルを１０００セグメントによって構成すればよい。このときの１サイクル当たり所要時間は１／１０秒となるから、１０ヘルツの交流を発生できる。
【００２５】
同様にして、４００ヘルツの交流を発生したいときには、上記と同様の条件では２５セグメントで１サイクルを構成すればよい。ただし、１サイクルを構成するセグメント数が少なくなるにつれて発生可能な交流波形に歪みを伴うようになりがちなので、セグメント数は１００を保ち、１セグメントを構成するクロック数を１６００から４００に減じてもよい。細かな端数値の出力周波数を必要とする場合は、セグメント数とクロック数の積が必要な１サイクルの所要時間を構成するように決めればよい。
【００２６】
まず、本実施形態における変速時制御の概要を、図６のフローチャートと、歯車の同期制御により変速動作を行う原理を示す図７とに基づいて説明する。回転速度調節装置１１は電動機１及び電力制御装置５に、ギアシフトソレノイド１２及びシフトフォーク１３は変速比選択装置８に相当する。また、この図は、駆動力が入力される入力軸側の図であって、歯車１５を介して出力軸側に駆動力が伝達される。
【００２７】
図６において、ステップ２１では、電動機１を無負荷運転する。無負荷運転するには、例えば、電動機１の相差角を略零にすればよい。無負荷運転に移行したとき、ステップ２２→２３に進み、変速機２を中立点にシフトする。これにより、歯車１４はフリーとなる。
ステップ２４では、回転速度センサ９により、検出された歯車１５の回転速度に基づいて回転速度調節装置１１を介して歯車１４の回転速度を調節し、歯車１４の周速を歯車１５の周速に同期させる。
【００２８】
歯車１４の周速が歯車１５の周速に略同期したとき、即ち、歯車１４と歯車１５の周速差が所定値以下になったとき、ギアシフトソレノイド１２を駆動してシフトフォークを制御し、歯車１５をシフトする。尚、動力の遮断と伝動の切換動作を実行する際、原則として、歯車と歯車との周速を一致させてから変速動作を実行すべきであるが、実際には、毎分１回転程度の速度差になったとき、歯車の噛み合わせを切り換える。その方が円滑に切換動作を行える。
【００２９】
図８は、前記図６ステップ２４での変速時における電動機１の回転速度制御のフローを示す。
ステップ３１では、前記回転速度センサ９で検出される出力側（駆動輪側）の回転速度と入力側（電動機側）の回転速度を等しくして歯車の噛み合わせを行うのに必要な電動機１の回転速度（目標回転速度）を算出する。
【００３０】
ステップ３２では、上記目標回転速度に応じて電動機１に供給する交流電力の周波数を算出する。具体的には、採用した電動機の極数などに応じて、前記目標回転速度を得るために必要な周波数を計算する。たとえば６極同期電動機において毎分３０００回転を得るためには１５０ヘルツの電力を供給する必要がある。ステップ３３では、上記目標周波数に基づいて交流電力１ヘルツ分のセグメント数とセグメント幅（パルス幅）を算出し、セグメント幅に応じたクロック数を算出する。
【００３１】
例えば、上記にように１５０ヘルツの交流を生成するには１／１５０秒で交流波形の１サイクル分を生成すればよい。この１／１５０秒を構成するセグメント数と、そのセグメントを構成するクロック数を決定する。
この計算を一般的な数式にすると、
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たとえば、ＳＥＧ＝１００、ＣＳＵ＝１６００、ＣＬＫ＝１６００００００とすればＨＬＺ＝１００
ただし、ＳＥＧは交流波形の１サイクルを制御する区画数にあたるので、少なくしすぎると階段状の制御となり、波形に歪みを生じるので、１２を下回らないように決定した方がよい。望ましくは２０以上とする。１セグメントを構成するクロック数は、電力スイッチング素子の通電と遮断を制御し、出力電流の強度に影響するので少なくとも１０区分、望ましくは１００区分程度の分解能を確保した方がよい。
【００３２】
上記の水晶発振器を使用して実現できる最高速度はセグメント数２０、クロック数１００を採用して、８０００ヘルツを実現できるので、実用上十分に必要速度領域をカバーしている。しかし、このような高速領域では、クロック数を仮に１０１とした場合、７９２０．７９２ヘルツとなり、約１％（８０ヘルツ分）の制御不能領域を生む。そのため、４００ヘルツ程度（制御不能領域約０．０２５％）が精度良く制御できる上限となろう。４００ヘルツは６極電動機を採用した場合毎分８０００回転に相当するので、変速が必要な領域は毎分約４０００回転程度以下である実情からすれば（それ以上の速度ではトップかオーバードライブギアーで走行する）十分に変速制御に適用可能である。
【００３３】
ステップ３４では、前記軸角度センサ４により現在の電動機出力軸の軸角度θｒを検出し、この軸角度を出力原点とする。
ステップ３５では、出力セグメントの基準点からの数を計算する。最初はステップ３４で求めた出力原点（０）であり、その後このステップ３５に戻る毎に１ずつカウントアップする。
【００３４】
ステップ３６では、出力セグメントから必要な通電量をＲＯＭに記憶してある予め定めた数表などから検索して決定する。
ステップ３７では、上記通電量から、出力セグメントの通電クロック数と休止クロック数とを算出する。
ステップ３８では、前記通電クロック数に応じた期間、電力スイッチング素子を通電し、休止クロック数に応じた期間電力スイッチング素子を遮断するスイッチング制御を行う。
【００３５】
ステップ３９では、１ヘルツの最終セグメントであるかを判定し、最終セグメントに達するまではステップ３５へ戻り、最終セグメントに達して１ヘルツ分の制御を終了すると、再度ステップ３１で必要回転速度を算出しなおして同様の制御を繰り返していく。
このように、変速時に電動機１を、目標回転速度に応じた交流周波数の電機子電流が流れるようにフィードフォワード制御することにより、電動機側の回転速度を検出するフィードバック制御のように、回転速度センサを用いることなく、速やかに、かつ、極めて滑らかにトルクショックを有することなく変速を行うことができる。
【００３６】
電動機としては上記実施形態に示したように同期電動機を用いるのが、高精度なフィードフォワード制御を確保する上で望ましいが、誘導電動機を用いたフィードフォワード制御を行うことも可能である。既述のように、回転速度制御の必要な変速時は、歯車が中立位置にあり、無負荷運転状態であるため、誘導電動機でもすべり率が比較的小さく、そのすべり率は気温などによって若干変化するものの実験によって得たすべり率が長く保たれる。ベアリングなどの劣化により、スリップ量が変化する事態はモータの使用限度に至った場合でもあり、そのような場合を除外すれば、変速比毎に決まっている目標回転速度について、予めすべり率を算出しておき、目標回転速度にすべり率を加算した駆動電源の周波数に制御すればよい。
【００３７】
なお、誘導電動機を用いたフィードフォワード制御でも回転速度の検出は当然に不要であり、通常運転時にすべり率でトルク制御する場合に電動機の回転速度を知る必要があるが、変速機出力軸の回転速度と変速比とで電動機の回転速度を求められるので、結局電動機の回転速度を検出するセンサは不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に用いる同期電動機の動作原理を示す図。
【図２】本発明の実施形態のシステム構成を示す図。
【図３】同上実施形態で電動機のトルク制御と回転速度制御を切り換えるフローチャート。
【図４】同上の電動機トルク制御のフローチャート。
【図５】１サイクル分の交流波形に相当するセグメント数と、１セグメント当たりのクロック数の関係を示した図。
【図６】同上実施形態における変速時制御の概要を示すフローチャート。
【図７】同上実施形態における歯車の同期制御により変速動作を行う原理を示す図。
【図８】同上実施形態の変速時における電動機回転速度制御のフローチャート。
【符号の説明】
１…電動機　　１ａ…電動機の出力軸　　２…変速機　　３…駆動輪
４…軸角度センサ　　５…電力制御装置　　６…制御コンピュータ　　９…回転速度センサ
【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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