(57)【要約】      （修正有）【課題】電気自動車用の誘導電動機を全負荷範囲で高い効率で運転させる。【解決手段】電気自動車用の誘導電動機１７の効率最適化するために、最適化制御装置２０に、負荷率算出するアルゴリズム９で稼動負荷率をリアルタイムで獲得して、ω検出６で回転速度ωを、ＰＦ演算４で力率ＰＦを、Ｉｄ，Ｉｑ変換アルゴリズム５でトルク電流成分Ｉｑ及び界磁電流成分Ｉｄを、それぞれ獲得します。そして、ω制御１で周波数（回転速度）制御量Ｆｑを，、Ｆａｚｚｙ制御２で界磁電流の制御量Ｉｄｋを、ＰＦ制御３で力率の制御量ＰＦｋを、それぞれの算出して、最適電圧演算アルゴリズム７に入力し、最適電圧制御量Ｕｄを算出します。最適電圧制御量Ｕｄ及び周波数（回転速度）制御量ＦｑよりＳＰＷＭ生成８の波形を調整し、電力調整ユニット１２で誘導電動機１７の入力電力は自動的に最小値に、高い効率に調整される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電動機の負荷率をリアルタイムで検知し、最適化アルゴリズムを通じて変動負荷率及び任意の周波数において誘導電動機を常に高い効率で運転させる電圧及び周波数の制御量を算出する。及び算出された電圧及び周波数の制御量をもとに、誘導電動機の入力電圧と周波数をリアルタイムで調整し、誘導電動機の入力電力が常に誘導電動機の負荷率に適応することを確保することを特徴とする新しい誘導電動機の効率最適化する制御方法。
【請求項２】
誘導電動機の負荷率をリアルタイムで検知し、最適化アルゴリズムを通じて変動負荷率及び任意の周波数において誘導電動機を常に高い効率で運転させる電圧及び周波数の制御量を算出することと、その前に誘導電動機の入力電流、入力電圧、負荷率及び回転速度を含む誘導電動機の各関連パラメータ値をリアルタイムで獲得することを特徴とする請求項１に記載される誘導電動機の効率最適化する制御方法。
【請求項３】
誘導電動機の負荷率をリアルタイムで検知し、最適化アルゴリズムを通じて変動負荷率及び任意の周波数において誘導電動機を常に高い効率で運転させる電圧及び周波数の制御量を算出する。及び計算により稼動力率、トルク電流成分、界磁電流成分及び回転速度制御量を含む誘導電動機の各関連パラメータ値をそれぞれ取得し、獲得した誘導電動機の稼動力率を設定した力率指令値と比較して、その偏差値に対して補償制御演算を行い、力率制御係数を求める。獲得した誘導電動機の界磁電流成分を設定した界磁電流の指令値と比較して、その偏差値及び偏差値の変化率に対してファジィ推論を行い、励磁電流制御係数を求める。取得した力率制御係数に励磁電流制御係数をかけて負荷率係数を求める。獲得した誘導電動機のトルク電流成分及び回転速度を設定した回転速度の指令値と比較して、その偏差値に対してカスケード制御演算を行い、周波数の制御量を求める。以下の式により前記の電圧制御量を求める。Ｕｄ＝Ｆｑ×ｋｌ×Ｐｋ式中、Ｕｄは電圧制御量、Ｆｑは周波数の制御量、ｋｌはＶ／Ｆ比係数，Ｐｋは負荷率係数をそれぞれ表す。以上を特徴とする請求項２に記載される誘導電動機の効率最適化する制御方法。
【請求項４】
前記の回転速度制御量は、リアルタイムで獲得した回転速度を設定した回転速度の指令値と比較して、その偏差値に対してカスケード制御演算を行って得られることを特徴とする請求項４に記載される誘導電動機の効率最適化する制御方法。
【請求項５】
誘導電動機の負荷率をリアルタイムで検知し、最適化アルゴリズムを通じて変動負率及び任意の周波数において誘導電動機を常に高い効率で運転させる電圧と周波数の制御量を算出するための最適化アルゴリズム。及び算出された電圧と周波数の制御量をもとに、誘導電動機の入力電圧と周波数をリアルタイムで調整し、誘導電動機の入力電力を常に誘導電動機の負荷率に適応させるための調整アルゴリズムを含むことを特徴とする誘導電動機の効率最適化制御装置。
【請求項６】
誘導電動機の入力電流、入力電圧、負荷率及び回転速度を含む誘導電動機の各関連パラメータ値をリアルタイムで獲得するための獲得アルゴリズムを含むことを特徴とする請求項５に記載される誘導電動機の効率最適化制御装置。
【請求項７】
前記の最適化アルゴリズムの具体的な用途は次の通り：計算により稼動力率、界磁電流成分、トルク電流成分及び回転速度の制御量を含む誘導電動機の各関連パラメータ値をそれぞれ獲得し、獲得した誘導電動機の稼動力率を設定した力率指令値と比較して、その偏差値に対して補償制御演算を行い、力率制御係数を求める。獲得した誘導電動機の界磁電流成分を設定した界磁電流の指令値と比較して、その偏差値及び偏差値の変化率に対してファジィ推論を行い、励磁電流制御係数を求める。算出した力率制御係数に励磁電流制御係数をかけて、負荷率係数を求める。獲得した誘導電動機のトルク電流成分及び回転速度を設定した回転速度の指令値と比較して、その偏差値に対してカスケード制御演算を行い、周波数の制御量を求める。以下の式により前記の電圧制御量を求める：Ｕｄ＝Ｆｑ×ｋｌ×Ｐｋ式中、Ｕｄは電圧制御量，Ｆｑは周波数の制御量，ｋｌはＶ／Ｆ比係数，Ｐｋは負荷率係数をそれぞれ表す。以上を特徴とする請求項６に記載される誘導電動機の効率最適化制御装置。
【請求項８】
請求項４〜７の何れか１つに記載される装置、誘導電動機及び出力電圧調整ユニットから構成され、請求項４〜７のいずれか一つに記載される装置は、前記の交流出力電圧調整ユニット及び誘導電動機と接続し、前記の誘導電動機を常に高い効率で運転させる機能を持つことを特徴とする誘導電動機の効率最適化制御装置。
【請求項９】
前記の請求項７に記載される電圧制御量で、前記の交流出力電圧調整ユニットを駆動する任意の周波数と電圧を可変できるＳＰＷＭ波形を生成する方法。
【請求項１０】
請求項８に記載される制御装置と車体から構成され、請求項８に記載される制御装置は車体の駆動軸と接続し、前記の車体を変動負荷率及び任意の回転速度において常に高い効率で運転させる役割を持つことを特徴とする誘導電動機の効率最適化制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電気自動車における誘導電動機の制御分野、具体的には誘導電動機の効率最適化する制御方法、装置、システムに関わる。
【背景技術】
【０００２】  電気自動車用の誘導電動機の制御装置は電気自動車の重要な部分の一つとして、主な用途は電気自動車を決められた方向、速度、角度、反応時間に沿って動作させ、誘導電動機の出力効率を最大限に引き上げることである。
誘導電動機は、低コスト、高い安定性、高速、低トルク変動／騒音と位置センサーレス等のメリットがあることから、今や電気自動車に最も適した誘導電動機として幅広く導入されている。しかし、誘導電動機は、中、低負荷の状態で稼働していると、誘導電動機の無効電力の増加により銅損、鉄損も増加し、誘導電動機の運転効率、力率が大幅に低下して深刻な無駄電力の消費が発生するという大きい問題が存在している。電気自動車の場合は、充電した電池の使用時間や行走距離がかなり短縮してしまう。
本発明は、電気自動車の誘導電動機の総合負荷が大きく変化の時、負荷率及び回転速度の変動をリアルタイムで検知することで、誘導電動機の入力電力を常に電気自動車の総合負荷に合わせることが可能となった。電気自動車の総合負荷が誘導電動機の入力電力を下回ると、誘導電動機の入力電力は自動的最小値に調整される；電気自動車の最大負荷に達した場合には、電気自動車の誘導電動機入力電力は自動的に最大値に調整するという効率最適化方法及び制御装置であり、主な役割は、誘導電動機の関連パラメータの制御を通じて誘導電動機の出力効率を高めることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  今現在、業界の電気自動車用の誘導電動機の制御技術において、主に下記の制御方法が、（１）従来のインバーター制御方法；（２）ベクトル制御方法などが使われている、これらの技術では、駆動トルクが注目されているが、常に定格固定電圧で稼動しているので、電気自動車の走行の過程で様々な要素（例えば走行の速度、上り坂、下り坂、道路状況、重量ベアリング等）の影響により誘導電動機の負荷が変動することが無視される、これはこれらの技術には共通の欠陥である。これは本発明が解決しようとする課題。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  この課題を解決するために、本発明は、誘導電動機の負荷率をリアルタイムで瞬時、精確に獲得し、最適化アルゴリズムを通じて変動負荷率及び任意の周波数において誘導電動機を常に高い効率で運転させる電圧及び周波数の制御量をもとに、誘導電動機の入力電圧と周波数をリアルタイムで調整し、誘導電動機の入力電力が常に誘導電動機の負荷率に適応する新しい誘導電動機の効率最適化する方法及び装置を提案した。
提案した誘導電動機の効率最適化方法では、最適化アルゴリズムを通じて変動負荷率及び任意の周波数（回転速度）において誘導電動機を常に高い効率な状態で運転させる電圧及び周波数の制御量を一括かつ瞬時、精確に獲得し、この電圧及び周波数の制御量をもとに、誘導電動機の入力電圧と周波数をリアルタイムで調整し、誘導電動機の入力電力を常に誘導電動機の負荷率に適応させ、最小電流と最適電圧の省エネ状態において誘導電動機を高い効率で運転させることを確保したことで、従来の技術であるよく見かける中低負荷の誘導電動機だと無効電力の増加により銅損、鉄損も増加し、誘導電動機の運転効率、力率の大幅な低下と深刻な無駄電力の消耗が生じるという技術的な課題を解決した。
【発明の効果】
【０００５】  本発明により、誘導電動機の最小電流と最適電圧での省エネ状態運転を実現した。この方法には次のような効果がある：
１）誘導電動機の銅損、鉄損が大幅に低減し、運転効率が向上した；
２）誘導電動機の無効電力が大幅に低減し、力率が向上した；
３）誘導電動機の有効電力が大幅に低減し、有効電力を節約した；
４）誘導電動機の運転温度上昇と騒音が大幅に低減し、誘導電動機の寿命を伸ばした；
５）誘導電動機の無効電力と有効電力とも蓄電池の電力なので、無効電力と有効電力が節約されることにより、充電後の電気自動車蓄電池の航続時間及び走行距離の大幅に延長した。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】  誘導電動機の運転効率ηモデルである。
【図２】  誘導電動機の効率最適化方法の第一実施例のフローチャートを示す説明図である。
【図３】  本発明に係る誘導電動機の効率最適化方法における誘導電動機の高い効率運転点を示す説明図である。
【図４】  誘導電動機の効率最適化方法における３相交流座標系と３相直流座標系で表せるベクトル図である。
【図５】  本発明に係る誘導電動機の効率最適化制御装置の第二実施例の構造図である。
【図６】  本発明に係る誘導電動機の効率最適化方法の第二実施例のフローチャートを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】  次に、第一実施例と説明図を使って本発明について詳述する。
図１に示す誘導電動機の運転効率ηモデルより、誘導電動機の運転効率ηを次の式で算出できる：
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式中：
Ｐ１は誘導電動機の入力容量を表す；
Ｐ２は誘導電動機の出力容量（軸の出力容量）を表す；
Ｐｃｕ１は固定子の銅損を表し、即ち固定子電流が固定子巻線に流れた時に生じる電力損失で、その大きさは負荷に依存する；
Ｐｃｕ２は回転子銅損を表し、即ち電流が固定子巻線に流れた時に生じる電力損失で、その大きさは負荷に依存する；
ＰＦｅは鉄損を表し、即ち回転磁場が固定子鉄心の中で生じる励磁損失で、その大きさは主に励磁起電力によって左右（誘導電動機入力電圧の平方とは正比例をなす）されるため、負荷に依存しない；
Ｐｍｅｃは機械損失を表し、即ち軸受、ファン等による摩擦を発生する際に損失する電力で、その大きさはほぼ変わらない；
Ｐａｄは附属品損失を表し、即ち固定子、回転子鉄心溝付及び調波により生じる損失で、その大きさは負荷に依存するが、無視できる。
（Ｐｃｕ１＋Ｐｃｕ２）は負荷に依存するため可変損失（銅損）と、（ＰＦｅ＋Ｐｍｅｃ＋Ｐａｄ）は負荷に殆ど依存しないため不変損失（鉄損）とそれぞれ呼ばれる。效率ηの公式を見てもわかるように、Ｐ２が変わらない場合において、誘導電動機を省エネの状態で運転させるには、誘導電動機の效率を上げ、即ちあらゆる損失の合計値を低減させる必要がある。誘導電動機の原理より、エネルギー保存則からもわかるように、銅損と鉄損が同じとき、即ち（Ｐｃｕ１＋Ｐｃｕ２）＝（ＰＦｅ＋Ｐｍｅｃ＋Ｐａｄ）の時は、図３の交点（最適効率点）に示すように、誘導電動機の損失が最も低く、運転効率が最も高くなる。
図２誘導電動機の効率最適化方法のフローチャートに示すように、誘導電動機における鉄損Ｐｆ＝Ｖ１２×ｇ０、銅損Ｐｃ＝Ｉ２×（Ｒ１＋Ｒ２）、（Ｐｃｕ１＋Ｐｃｕ２）＝（ＰＦｅ＋Ｐｍｅｃ＋Ｐａｄ）の時、即ちＰｆ＝Ｐｃ＝Ｖ１２×ｇ０＝（Ｖ１／Ｚ）２×（Ｒ１＋Ｒ２）の時は、Ｖ１２／Ｉ２＝Ｚ２＝（Ｒ１＋Ｒ２）／ｇ０となり、即ち誘導特性の誘導電動機は抵抗負荷を呈し、この時の誘導電動機の運転効率と力率は最高水準となる、誘導電動機の変動負荷に対して、アルタイムでＰｆ＝Ｐｃまで入力電圧を瞬時、精確的に調整すれば、誘導電動機が最適効率で運転できることがわかる。
【０００８】図５では、本発明における誘導電動機の効率最適化制御を実現する方法の第二実施例のフローチャートで、この方法の実施ステップについて詳述する：
誘導電動機の入力電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃ，入力電圧ｕａ、ｕｂ、ｕｃ及位相角を含む誘導電動機の各関連パラメータ値をリアルタイムで獲得するステップ３０。
このうち位相角は誘導電動機の負荷率と密接に関係しており、位相角は誘導電動機の負荷率とは反比例を成し、即ち位相角が大きいほど負荷率が小さく、位相角が小さいほど負荷率が大きい。
計算により稼動力率ＰＦ、界磁電流成分ｉｄ、トルク電流成分ｉｑ及回転速度ωを含む誘導電動機の各関連パラメータ値を獲得するステップ３１，
本実施例における界磁電流成分ｉｄ、トルク電流成分ｉｑはベクトル変換により求められる。図４に示す３相交流座標系と２相直流座標系に含まれるベクトルを示す説明図を参照されたい。
誘導電動機３相巻線Ａ、Ｂ、Ｃと２相巻線の間にある座標変換ことで、Ａ、Ｂ、Ｃの３相励磁電流を誘導電動機の回転子トルク電流と固定子界磁電流に変えることができる。誘導電動機３相Ａ、Ｂ、Ｃと二つの座標系に含まれるベクトルは二つの座標系の原点を重ね、ひいてはＡ軸をα軸と重ねている。起磁力同一の等価原理に基づき、３相合成起磁力は２相合成起磁力と等しく、故にｑｄ軸上の二つの巻線起磁力の投影も同じであるため、下記の行列式とした。
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獲得した誘導電動機の稼動力率ＰＦを設定した力率の指令値と比較して偏差値を獲得し、その偏差値に対して補償制御演算を行い、その力率制御係数ＰＦｋを求めるステップ３２。
獲得した誘導電動機の界磁電流成分Ｉｄを設定した界磁電流の指令値と比較して偏差値を獲得し、その偏差値に対してファジィ推論を行い、励磁電流制御係数Ｉｄｋを求める３３。
算出された力率制御係数ＰＦｋに励磁電流制御係数Ｉｄｋをかけて、負荷率係数Ｐｋを求めるステップ３４。
獲得した誘導電動機のトルク電流成分Ｉｑ及び回転速度ωを設定した回転速度の指令値と比較して偏差値を獲得し、その偏差値に対してカスケード制御演算を行って、周波数制御量Ｆｑを求める３５。
以下の式により電圧制御量を求めるステップ３６：
Ｕｄ＝Ｆｑ×ｋｌ×Ｐｋ
式中，Ｕｄは電圧制御量，Ｆｑは周波数（回転速度）の制御量，ｋｌはＶ／Ｆ係数（定格電圧Ｖ／定格周波数Ｆをそれぞれ表す。例えば、誘導電動機の定格電圧Ｖが２００Ｖ、定格周波数Ｆが５０Ｈｚの時は、Ｖ／Ｆ係数は２００／５０、即ち４．０とする。ここにおける定格電圧Ｖは２００Ｖとは限らず、定格周波数Ｆも５０Ｈｚとは限らない。
ほかの定格電圧、例えば６０Ｖ〜７００Ｖ、ほかの定格周波数，例えば１０Ｈｚ〜５００Ｈｚの時も本発明に適用する。），Ｐｋは負荷率係数を表す。
獲得した電圧制御量Ｕｄと周波数制御量Ｆｑをもとに、ＳＰＷＭ生成の波形を調整し、電圧調整ユニットで誘導電動機の３相入力電圧ｕａ、ｕｂ、ｕｃ（電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃは電圧の変化に応じて変化する）と周波数（回転速度）をリアルタイム調整して、誘導電動機の入力電力が常に誘導電動機の負荷率に適応できるようにするステップ３７。
本実施例では、さらに前記の誘導電動機の効率最適化制御を実現する装置、誘導電動機及び電圧調整ユニットから構成される一つの誘導電動機の効率最適化制御装置を提案した。前記の誘導電動機の効率最適化制御装置は誘導電動機及び電圧調整ユニットと接続し、誘導電動機を常に高い効率で運転させるのに用いられる。
本実施例ではさらに前記の誘導電動機の効率最適化制御装置と車体から構成される一つの電気自動車を提案した。前記の誘導電動機の効率最適化制御装置は車体の駆動軸と接続し、変動負荷率及び任意の回転速度（周波数）において車体を常に高い効率で稼働させるのに用いられ、これにより電気自動車の蓄電池を充電した後の使用時間や電気自動車の走行距離を伸ばした。
上記の本発明で提案した各ステップ及び演算アルゴリズムは、一つの計算装置に集成させたり、複数の計算装置を繋ぐネットワークに分布させたりと、一般的な計算装置でもって実現することができる。また、別の選択肢として、計算装置にインストールされたプログラムにより実現できるため、それらを記憶装置に保存して計算装置に実行させるか、或はそれぞれの集積回路モジュール或はプリント基板に制作し、もしくはそれに含まれる複数の各ステップ及び演算アルゴリズムを一つの集積回路モジュール或はプリント基板にして実現できることを意味し、よって本発明は、いかなるハードとソフトの結合にも制限されないことはこの分野の技術者にとって自明である。
また、上記の内容は、本発明の一最優先実施例に過ぎず、その実施形態に限定されるものではなく、この分野の技術者にとって、さまざまな変更が可能であるが、本発明の理念と原則に沿ったものであれば、本発明に対するいかなる修正、導価入れ替え、改良などは、いずれも本発明の保護対象と見なされる。
【産業上の利用可能性】
【０００９】電気自動車で応用でき、電気自動車の走行の過程で様々な要素（例えば上り坂、下り坂、道路状況、重量ベアリング等）の影響により、誘導電動機が変動負荷率（例えば低負荷、中負荷、重負荷）のもとで、本発明の誘導電動機が最小電流と最適電圧の高い効率の状態で運転できるようにして、充電後の電気自動車蓄電池の航続時間及び走行距離の延長が可能になりました。
【符号の説明】
【００１０】１    カスケード制御器
２    ファジィ推論器
３    力率補償制御器
４    力率演算制御器
５    電流変換演算器
６    速度検出器
７    最適電圧演算器
８    駆動波形生成器
９    負荷率獲得演算器
１０  動力バッテリ
１１  コンデンサ
１２  電圧調整ユニット
１３  駆動ケーブル
１４  電圧検出センサー
１５  電流検出センサー
１６  出力端子台
１７  誘導電動機
２０  効率最適化装置
【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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