(57)【要約】【課題】  モータの全回転領域において、制御性と効率が最適になるような制御が行え、装置内での処理も簡単なインバータ装置を提供する。【解決手段】  電流指令に従ってインバータ５をＰＷＭ制御するＰＷＭドライバ６、および電流指令をＰＷＭドライバ６に与えるモータ駆動制御部９とを備えたインバータ装置１に適用される。ＰＷＭドライバ６は、パルス数可変のＰＷＭパルスに従ってスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する構成である。モータ２に設けられた角度センサ１３で検出されるロータ電気角に連動して、モータ２のロータ電気角１周期当たりのパルス数が設定値となるＰＷＭパルスを生成するＰＷＭパルス生成手段１０を設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦして直流電流を交流電流に変換するインバータと、モータを制御するための電流指令を出力するモータ駆動制御部と、前記電流指令に従って前記インバータをＰＷＭ制御するＰＷＭドライバとを備えたインバータ装置において、
前記ＰＷＭドライバが、入力されたパルス数可変のＰＷＭパルスに従って前記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する構成であり、前記モータに設けられた角度センサで検出されるロータ電気角に連動して、前記モータのロータ電気角１周期当たりのパルス数が設定値となるＰＷＭパルスを生成し前記ＰＷＭドライバに入力するＰＷＭパルス生成手段を設けたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のインバータ装置において、前記ＰＷＭパルス生成手段は、前記角度センサで検出されるロータ電気角の３６０°を前記設定値であるパルス数に分割し、前記ＰＷＭドライバは、前記分割された角度をＰＷＭ制御におけるＯＮ／ＯＦＦの１周期とし、前記ＰＷＭパルスのＯＮまたはＯＦＦのタイミングにつき、前記電流指令から演算されるデューティー比を前記分割された角度に割り当てて、前記角度センサで検出されるロータ電気角と一致したときに、前記ＯＮまたはＯＦＦにするインバータ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のインバータ装置において、設定した回転数領域では、前記ＰＷＭドライバを一定周波数によるＰＷＭ制御とする所定領域周波数固定部を設けたインバータ装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のインバータ装置を備え、走行用のモータの駆動を前記インバータ装置で行う電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気自動車等のモータの制御に用いられるインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高精度モータはロータの回転角度に合わせて正弦波状の電流を出力する、ベクトル制御と呼ばれる制御方法を用いている。モータコイルにつながる電流出力回路にはＰＷＭ制御が用いられ、高効率駆動を可能としている。ＰＷＭ制御には上限周波数があり、ロータ回転数が上昇すると電気角１周期内に出力できる駆動パルス数が減少し、制御性を悪化させる原因となる。このため、一般には電気角１周期内のパルス数が少なくとも１０以上となるよう上限回転数を制限している。
上記とは逆に、パルス数が多すぎた場合は、インバータのスイッチング素子 (IGBTやMOS-FET)や還流ダイオードのスイッチング損失が大きくなるため、インバータの効率が悪化する。
【０００３】
上記のような課題を解消するものとして、モータ回転速度が低くなるほど、ＰＷＭパルスを生成するためのクロック周波数が低くなるように変更するモータ制御装置が提案されている（特許文献１）。
また、指令信号と三角波を出力してＰＷＭ信号を生成するモータ制御装置において、出力された三角波の位相角とロータ電気角との位相差の値が予め定められた閾値を超えたときに、前記三角波の周波数を変更することが提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５２１８６６号公報
【特許文献２】特許第４４５０１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のＰＷＭパルスを可変とする技術は、制御性と効率をある程度は向上させることができる。しかし、ＰＷＭパルスの周波数の変更が段階的な変更であるため、今一つ十分に制御性と効率との両方を向上させることができない。特許文献２の三角波の周波数を変更技術は、処理が煩雑という課題がある。また、ある程度のずれが出ないと、すなわち閾値を超えないと周波数を切り替えることができず、これも、制御性と効率との両方を十分には向上させることができない。
【０００６】
この発明の目的は、モータの全回転領域において、制御性と効率が最適になるような制御が行え、装置内での処理も簡単なインバータ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のインバータ装置１は、複数のスイッチング素子５ａをＯＮ／ＯＦＦして直流電流を交流電流に変換するインバータ５と、モータ２を制御するための電流指令を出力するモータ駆動制御部９と、前記電流指令に従って前記インバータ５をＰＷＭ制御するＰＷＭドライバ６とを備えたインバータ装置において、
前記ＰＷＭドライバ６が、入力されたパルス数可変のＰＷＭパルスに従って前記スイッチング素子５ａをＯＮ／ＯＦＦ制御する構成であり、前記モータ２に設けられた角度センサ１３で検出されるロータ電気角に連動して、前記モータ２のロータ電気角１周期当たりのパルス数が設定値となるＰＷＭパルスを生成し前記ＰＷＭドライバ６に入力するＰＷＭパルス生成手段１０を設けたことを特徴とする。
【０００８】
この構成によると、ロータ電気角１周期当たりのパルス数が設定値となる可変のＰＷＭパルスでモータ２をＰＷＭ制御する。そのため、高速回転時に電気角１周期内に出力されるパルス数が不足することが回避されて優れた制御性が得られ、かつ低速回転時に無駄にパルス数が多くなって、インバータ５のスイッチング素子５ａや還流ダイオード５ｂのスイッチング損失が大きくなることが回避されて、インバータ５の効率低下が防止される。ロータ電気角１周期当たりのパルス数を一定とするため、ロータ回転速度に応じて単に段階的にＰＷＭパルスのパルス数を変えるものと異なり、ロータ回転速度に連動してリニアにＰＷＭパルスの周波数が変わる。そのため、モータ２のいずれの回転領域においてもＰＷＭパルスを最適なパルス数とでき、制御性と効率との両方を十分に満足させることができる。前記ロータ電気角１周期当たりのパルス数が設定値となるＰＷＭパルスは、角度センサ１３で検出されるロータ電気角に連動して生成するため、簡単な構成で生成することができる。
【０００９】
この発明において、前記ＰＷＭパルス生成手段１０は、前記角度センサ１３で検出されるロータ電気角の３６０°を前記設定値であるパルス数に分割し、前記ＰＷＭドライバ６は、前記分割された角度をＰＷＭ制御におけるＯＮ／ＯＦＦの１周期とし、前記ＰＷＭパルスのＯＮまたはＯＦＦのタイミングにつき、前記電流指令から演算されるデューティー比を前記分割された角度に割り当てて、前記角度センサ１３で検出されるロータ電気角と一致したときに、前記ＯＮまたはＯＦＦにする構成としても良い。
この構成とすることで、可変のＰＷＭパルスを用いて電流指令に対応するデューティー比とする電流制御を簡単な構成で実現できる。
【００１０】
この発明において、設定した回転数領域では、前記ＰＷＭドライバ６を一定周波数によるＰＷＭ制御とする所定領域周波数固定部１５を設けても良い。
ロータ電気角に連動したＰＷＭパルスとする場合、モータ２の速度領域によっては、例えばモータ２のロータが止まっているような起動時には、インバータ５におけるスイッチング素子５ａが通電状態で固定されてしまう可能性がある。このような場合に、一定周波数によるＰＷＭ制御とすることで、スイッチング素子５ａが通電状態で固定されてしまうような弊害を回避することができる。
【００１１】
この発明の電気自動車は、この発明の上記いずれかの構成のインバータ装置１を備え、走行用のモータ２の駆動を前記インバータ装置１で行う。なお、ここで言う電気自動車は、バッテリ駆動によるモータ２だけで走行する自動車に限らす、ハブリッド車や、燃料電池車等のモータ２を走行駆動源として用いる自動車一般を言う。
自動車はモータ回転速度の変更範囲が広く、かつモータ回転数が頻繁に、また急激に変わることがある。しかも据え付けられた産業機械に比べ、車載機で制御可能なように処理の簡易化が要求される。そのため、この発明のインバータ装置１を走行用のモータ２の制御に用いることで、この発明のインバータ装置１の制御性と効率を最適とできる効果、および制御のための処理が簡単と言う効果が、より有効に発揮される。
【発明の効果】
【００１２】
この発明のインバータ装置は、複数のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦして直流電流を交流電流に変換するインバータと、モータを制御するための電流指令を出力するモータ駆動制御部と、前記電流指令に従って前記インバータをＰＷＭ制御するＰＷＭドライバとを備えたインバータ装置において、前記ＰＷＭドライバが、入力されたパルス数可変のＰＷＭパルスに従って前記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する構成であり、前記モータに設けられた角度センサで検出されるロータ電気角に連動して、前記モータのロータ電気角１周期当たりのパルス数が設定値となるＰＷＭパルスを生成し前記ＰＷＭドライバに入力するＰＷＭパルス生成手段を設けたため、モータの全回転領域において、制御性と効率が最適になるような制御が行え、装置内での処理も簡単という効果が得られる。
【００１３】
この発明の電気自動車は、この発明のインバータ装置を備えるため、その全回転領域において制御性と効率が最適になるような制御が行え、インバータ装置内での処理も簡単という効果がより効果的に発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の一実施形態に係るインバータ装置の概念構成を示すブロック図である。
【図２】そのインバータを主として示す回路図である。
【図３】ロータ電気角とＲ／Ｄコンバータ出力との関係例を示すグラフである。
【図４】ロータ電気角とＵ相電圧と各パルスと時間の関係を示すグラフである。
【図５】ＰＷＭ制御されたＵ相の電圧と電流の関係を示すグラフである。
【図６】同インバータ装置におけるモータ駆動制御部の一例のブロック図である。
【図７】同インバータ装置を搭載した電気自動車の概念構成の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。このインバータ装置１は、図１に示すように、モータ２を駆動する装置であって、パワー回路部３と、このパワー回路部３を制御するモータコントロール部４とで構成される。モータ２は、永久磁石形の同期モータ等の３相交流で駆動されるモータである。パワー回路部３は、直流電流を３相の交流電流に変換するインバータ５と、このインバータ５をＰＷＭ制御するＰＷＭドライバ６とで構成される。パワー回路部３におけるＰＷＭドライバ６、およびモータコントロール部４は、マイクロコンピュータ等を含む電子回路で構成される。
【００１６】
図２に示すように、インバータ５は、各相Ｕ，Ｖ，Ｗ毎の上下のスイッチング素子５ａ（Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎ）で構成されるブリッジ回路により構成され、バッテリ７の直流電流を前記スイッチング素子５ａの開閉により疑似的な正弦波状の３相の交流電流に変換する。スイッチング素子５ａには、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子が用いられる。各スイッチング素子５ａには還流ダイオード５ｂが並列にそれぞれ接続されている。また、バッテリ７と並列に平滑用のコンデンサ８が接続されている。インバータ５の各相の出力端はモータ２の各相の入力端に接続される。
【００１７】
ＰＷＭドライバ６は、与えられた電流指令に従ってインバータ５をＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）する。この制御は、ＰＷＭドライバ６で各スイッチング素子５ａを適切なタイミングで開閉することにより行われる。ＰＷＭドライバ６は、この例では、外部から入力されたパルス数可変のＰＷＭパルスに従って前記スイッチング素子５ａをＯＮ／ＯＦＦ制御する構成とされている。ＰＷＭパルスは、ＰＷＭドライバ６のクロックとなるパルス信号である。前記電流指令およびＰＷＭパルスは、モータコントロール部４から与えられる。
【００１８】
図１において、モータコントロール部４は、モータ駆動制御部９、ＰＷＭパルス生成手段１０、およびＲ／Ｄコンバータ１１を有する。モータ駆動制御部９は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）１２等の上位制御手段から与えられた指令トルクに応じ、モータ２のロータ電気角や各相電流に応じたベクトル制御等により、モータ２を効率良く所望のトルクで回転させる電流指令を生成し、ＰＷＭドライバ６へ出力する。モータ２のロータ電気角は、モータ２に設けられた角度センサ１３で検出し、モータ２の各相電流は電流センサ１４から得る。
【００１９】
角度センサ１３は、この実施形態ではレゾルバが用いられる。一般にベクトル制御を行うモータ制御方法では、モータのロータ角検出にレゾルバなどに代表される絶対角度センサを用いることが多く、高精度に制御するために角度分解能も大きくとられる。この実施形態においても、角度分解能が大きなレゾルバが用いられる。このレゾルバからなる角度センサ１３の出力はアナログ信号であるため、Ｒ／Ｄコンバータ１１によりディジタルデータ化してモータ駆動制御部９に入力される。
【００２０】
ＰＷＭパルス生成手段１０は、モータ２に設けられた前記角度センサ１３で検出されるロータ電気角に連動してＰＷＭパルスを生成し、前記可変のＰＷＭパルスで駆動されるＰＷＭドライバ６に入力する手段である。ＰＷＭパルス生成手段１０は、具体的には、モータ２のロータ電気角１周期当たりのパルス数が設定値となるＰＷＭパルスを生成する。前記設定値は任意に定められる値であり、設計によって適切な値とされる。ＰＷＭパルス生成手段１０への角度センサ１３によるロータ電気角の検出値の入力は、前記Ｒ／Ｄコンバータ１１を介して行われる。
【００２１】
ＰＷＭパルス生成手段１０は、より具体的には、角度センサ１３で検出されるロータ電気角の３６０°を前記設定値であるパルス数に分割し、その分割された角度毎にパルスを出力する。
前記ＰＷＭドライバ６は、上記のように分割された角度をＰＷＭ制御におけるＯＮ／ＯＦＦの１周期とし、前記ＰＷＭパルスのＯＮまたはＯＦＦのタイミングにつき、前記電流指令から演算されるデューティー比を前記分割された角度に割り当てて、前記角度センサで検出されるロータ電気角と一致したときに、前記ＯＮまたはＯＦＦにする。これについては後に図４と共に説明する。
【００２２】
上記構成の動作を説明する。ＰＷＭパルス生成手段１０は、角度センサ１３より得られるロータ電気角と連動したＰＷＭパルスを生成する。角度センサ１３は、この実施形態ではレゾルバを用いており、レゾルバはアナログ出力であるため、Ｒ／Ｄコンバータ１１でディジタル値に変換する。この場合に、Ｒ／Ｄコンバータ１１は、レゾルバからなる角度センサ１３の励磁用コイル（図示せず）に励磁信号を与える。角度センサ１３は、前記励磁信号が与えられると、２つの検出コイル（図示せず）からモータ２の電気角のロータ角度であるロータ電気角の信号として、sin 信号とcos 信号を出力する。Ｒ／Ｄコンバータ１１は、その２つの信号よりロータ電気角を算出し、ディジタル値として出力する。ロータ電気角とＲ／Ｄコンバータ１１の出力値とは図３に示す関係となる。
【００２３】
ＰＷＭパルス生成手段１０は、このように検出されるロータ電気角の３６０°を前記設定値であるパルス数に分割し、その分割された角度毎にパルスを出力する。
例えば、角度センサ１３として、モータ２のロータ電気角度１周期を４０９６分割できる検出器を用いた場合、図４のようにＲ／Ｄコンバータ１１から得られる角度センサ出力の０〜２５６をパルス１、２５６〜５１２をパルス２、・・・、３８４０〜４０９６( ０) をパルス１６としてＰＷＭパルスを生成する。このＰＷＭパルスをＰＷＭドライバ６に入力する。
【００２４】
ＰＷＭドライバ６がロータ電気角に連動するＰＷＭパルスによって電流制御を行う様子を、図４を参照して説明する。図４はＵ相電圧を示す。前述のようにＰＷＭパルス生成手段１０は、角度センサ１３で検出されるロータ電気角の３６０°を前記設定値であるパルス数に分割したＰＷＭパルスを生成し、ＰＷＭドライバ６に入力する。
ＰＷＭドライバ６は、前記分割された角度をＰＷＭ制御におけるＯＮ／ＯＦＦの１周期とし、前記ＰＷＭパルスのＯＮまたはＯＦＦのタイミングにつき、前記電流指令から演算されるデューティー比を前記分割された角度に割り当てて、前記角度センサ１３で検出されるロータ電気角と一致したときに、前記ＯＮまたはＯＦＦにする。
図４の例では、前記分割された各角度の始まりを示すＰＷＭパルスのＯＮ時にＵ相電圧オンとし、前記電流指令から演算されるデューティー比となる角度でＵ相電圧をオフとする。すなわち、０bit 、256bit、512bit、…の時点でＵ相電圧の各パルス１，２，３…がオンとなり、立ち上がるが、この立ち上がり時から、Ｕ相電圧の各パルス１，２，３…に割り当てられたデューティー比に相当する角度(bit)で、Ｕ相電圧の各パルス１，２，３…が立ち下がり、ＯＦＦとなる。
このようにＵ、Ｖ、Ｗの各相電圧が制御されることで、各相の電流が正弦波状となる。
図５は、Ｕ相電圧とＵ相電流の関係を示す。
【００２５】
これにより、図５のように、ＰＷＭドライバ６で駆動するインバータ５の出力となる正弦波の１周期の中のパルス数は必ず１６パルスとなり、全回転領域において制御性を保ちつつ効率も最適となる。また、１パルスは１／２５６の分解能で生成できるためパルスデューティの誤差は±０．１９５％となり、このため制御性を低下させることのない十分な精度を確保できる。
【００２６】
この構成のインバータ装置１によると、このようにして、ロータ電気角１周期当たりのパルス数が設定値となる可変のＰＷＭパルスでモータ２をＰＷＭ制御する。そのため、ベクトル制御のような高度な制御を行う場合も、高速回転時に電気角１周期内に出力されるパルス数が不足することが回避されて優れた制御性が得られ、かつ低速回転時に無駄にパルス数が多くなって、インバータ５のスイッチング素子５ａや還流ダイオード５ｂのスイッチング損失が大きくなることが回避され、インバータ１の効率低下が防止される。
ロータ電気角１周期当たりのパルス数を一定とするため、ロータ回転速度に応じて単に段階的にＰＷＭパルスのパルス数を変えるものと異なり、ロータ回転速度に連動してリニアにＰＷＭパルスの周波数が変わる。そのため、モータ２のいずれの回転領域においてもＰＷＭパルスを最適なパルス数とでき、制御性と効率との両方を十分に満足させることができる。前記ロータ電気角１周期当たりのパルス数が設定値となるＰＷＭパルスは、角度センサ１３で検出されるロータ電気角に連動して生成するため、簡単な構成で生成することができる。
【００２７】
但し、この方法であると、モータ２のロータが止まっているような起動時には、インバータ５におけるIGBTなどのスイッチング素子５ａ（図２参照）が通電状態で固定されてしまう可能性があるため、図１に示すように、ＰＷＭドライバ６に所定領域周波数固定部１５を設けている。所定領域周波数固定部１５は、この実施形態では、例えば人が歩行する程度の極低速回転（５Ｋｍ／ｈ以下等）では、一定周波数のＰＷＭパルスを出力し、ＰＷＭドライバ６は、一定周波数のＰＷＭ制御を行う。これにより、インバータ５のスイッチング素子５ａが通電状態で固定されてしまうような弊害が回避できる。
なお、所定領域周波数固定部１５は、ＰＷＭパルス生成手段１０とは独立して設け、設定した回転数領域では、ＰＷＭパルス生成手段１０が動作せず、またはＰＷＭパルス生成手段１０の出力がＰＷＭドライバ６に入力されないようにし、ＰＷＭドライバ６を一定周波数のＰＷＭパルスで動作させるようにした構成であっても良い。
【００２８】
図６は、図１のモータコントロール部４におけるモータ駆動制御部９がベクトル制御する場合の構成例を示す。電流指令部２２はＥＣＵ１２のトルク指令部から与えられた指令トルクに応じてｄ軸電流Ｏ＿Ｉｄ、ｑ軸電流Ｏ＿Ｉｑを出力する。電流ＰＩ制御部２３は、前記ｄ軸電流Ｏ＿Ｉｄおよびｑ軸電流Ｏ＿Ｉｑの値と、３相・２相変換部２５から出力される２相電流Ｉｄ，Ｉｑとから、ＰＩ制御による電圧値による制御量Ｖｄ，Ｖｑを算出する。前記３相・２相変換部２５は、各相モータ電流の検出値、および角度センサ１３で検出されたロータ回転角から２相電流Ｉｄ，Ｉｑを計算し、その結果を電流ＰＩ制御部２３に入力する。なお、モータ電流は、２つの相につき検出されると、残り１相については計算で求まるため、電流検出は２相だけとしている。電流ＰＩ制御部２３で算出された前記ＰＩ制御による電圧値による制御量Ｖｄ，Ｖｑは、２相・３相変換部２４において角度センサ１３で検出されたロータ回転角とから３相のＰＷＭデューティＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する。パワー回路部３は、電力変換部であって図１と共に前述したものであり、ＰＷＭデューティＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗに従って、図４と共に前述したようにインバータ５をＰＷＭ制御し、モータ２を駆動する。
【００２９】
このようなベクトル制御をするモータ駆動制御部９では、その高精度な制御を効果的とするために、ＰＷＭ制御で出力するパルスがある程度以上多いことが望まれるが、この実施形態によると、前述のようにロータ電気角１周期当たりのパルス数を一定とするため、高速時においても必要なパルス数を確保できる。
【００３０】
図７は、この実施形態のインバータ装置を備えた電気自動車の概念図である。車体３０の前部に設けられた前輪３１が操舵輪とされ、後輪３２が前記モータ２で制御される。モータ２の回転はギヤボックス３３および車軸３４を介して後輪３２に伝達される。
なお、この発明は、図７のような車台上の１つのモータ２で駆動される形式の他に、車台上の２つのモータ２で左右の後輪３２を独立に駆動する形式や、後輪３２にモータ２を設けて左右の後輪３２を独立に駆動するインホイールモータとする場合にも適用することができる。
【００３１】
以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３２】
１…インバータ装置
２…モータ
３…パワー回路部
４…モータコントロール部
５…インバータ
５ａ…スイッチング素子
６…ＰＷＭドライバ
９…モータ駆動制御部
１０…ＰＷＭパルス生成手段
１１…Ｒ／Ｄコンバータ
１３…角度センサ
１５…所定領域周波数固定部
【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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