JP3831264B2

JP3831264B2 - 電気自動車の制御装置

Info

Publication number: JP3831264B2
Application number: JP2002011302A
Authority: JP
Inventors: 和俊永山; 利貞三井
Original assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2022-01-21
Also published as: JP2003219514A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機（この明細書ではモーターと呼ぶ）を走行駆動源とする電気自動車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モーターを走行駆動源とする電気自動車、あるいは内燃機関とモーターの両方を備え、常時または一時的にモーターのみの駆動力により走行するハイブリッド自動車では、駆動系の細い駆動軸の両端にモーターの慣性と自動車の慣性とが接続された共振系となり、発進時や追い越し加速時などのモーターが大きな駆動力を発生するときに、駆動軸を含む駆動系のねじれによる共振が発生し、自動車に振動が発生して運転フィーリングが低下するという問題がある。
【０００３】
そこで、モータートルクを入力とし車速を出力とする自動車の数式化モデルを設定し、この自動車モデルにトルク指令値を入力してモーター速度を演算により推定し、実際のモーター速度と自動車モデルによるモーター速度推定値との速度差に応じた振動補償トルクを算出し、この振動補償トルクによりモーターのトルク指令値を補正することによって、モーター駆動時の共振振動を抑制するようにした電気自動車の制御装置が提案されている（例えば特開平０７−１６３０１１号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の電気自動車の制御装置では、モータートルクがトルク指令値に一致するようにモーターに流れる電流を制御しており、電流制御系の応答遅れのためにトルク指令値に対して実際のモータートルクに遅れが生じる。そのため、モーター電流制御系のカットオフ周波数が抑制したい共振周波数に近い場合には、モータートルクが振動補償後のトルク指令値に追従せず、充分な振動抑制効果が得られないという問題がある。
【０００５】
図５はモーター電流制御系を１次遅れの系と仮定した場合の周波数応答特性を示し、図６は振動補償後のトルク指令値に対する実際のモータートルクのトルク減衰と位相ずれを示す。モーター電流制御系の周波数応答特性を１次遅れ、
【数１】
１／（１＋ｓ・τ）（ｓ；ラプラス演算子、τ；時定数）
の系と仮定した場合に、ω・τ（ωは角速度）が１を超えるとトルク指令値と実際のモータートルクとの間の位相ずれφとトルク減衰量Ｋがともに増大し、必要なモータートルクが得られないために共振を抑制する性能が低下する。
【０００６】
本発明の目的は、駆動系の共振周波数とモーター電流制御系のカットオフ周波数とが近接していても充分な振動抑制効果が得られる電気自動車の制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態の構成を示す図１に対応づけて本発明を説明すると、
（１）請求項１の発明は、自動車を走行駆動するモーター５と、自動車の駆動系の共振を抑制するための振動補償トルクＴhを演算する振動補償トルク演算手段２１〜２４と、振動補償トルクＴhに対してモーター電流制御系の応答遅れを補償するために、モーター電流制御系のカットオフ周波数近傍において位相を進ませ、且つゲインを増加させる位相進み補償手段２５と、自動車を走行駆動させるためのモータートルク指令値Ｔ^＊に、位相進み補償手段２５による位相進み補償後の振動補償トルクＴxを加算して補正するトルク指令値補正手段２６と、トルク指令値補正手段２６による補正後のモータートルク指令値Ｔrefに応じたモーター電流指令値Ｉ^＊を演算する電流指令値演算手段２７と、モーター５に流れる電流Ｉfbがモーター電流指令値Ｉ^＊に一致するように電流制御を行う電流制御手段２８とを備え、これにより上記目的を達成する。
（２）請求項２の発明は、自動車を走行駆動するモーター５と、モーター５の回転速度を検出する回転速度検出手段１１，２１と、モータートルクを入力としモーター回転速度を出力として制御対象の自動車の動作を模擬する自動車の数式化モデルを有し、数式化モデルによりモータートルク指令値に対するモーター回転速度推定値Ｎ ^Ｓを演算する回転速度推定手段２２，２３と、モーター回転速度検出値Ｎとモーター回転速度推定値Ｎ ^Ｓとの差に応じた振動補償トルクＴ h を演算する補償トルク演算手段２４と、振動補償トルクＴ h に対してモーター電流制御系の応答遅れを補償するために、モーター電流制御系のカットオフ周波数近傍において位相を進ませ、且つゲインを増加させる位相・ゲイン調整手段２５と、位相・ゲイン調整手段２５による調整後の振動補償トルクＴ x をモータートルク指令値Ｔ ^＊に加算する加算手段２６と、加算手段２６による加算値Ｔ ref に応じたモーター電流指令値Ｉ ^＊を演算する電流指令値演算手段２７と、モーター電流Ｉ fb を検出する電流検出手段１０と、モーター電流検出値Ｉ fb がモーター電流指令値Ｉ ^＊に一致するように電流制御を行う電流制御手段２８とを備え、これにより上記目的を達成する。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、モーター電流制御系のカットオフ周波数が抑制したい共振周波数に近い場合でも、実際のモータートルクが振動補償後のトルク指令値に追従し、充分な共振振動抑制効果が得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は一実施の形態の構成を示す。車両コントローラー１は、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサー（不図示）からの加速信号、ブレーキペダルの踏み込み圧力を検出するブレーキセンサー（不図示）からの減速信号、車速センサー（不図示）からの車速信号などに基づいて、自動車を走行駆動するためのトルク指令値Ｔ^＊を演算し、モーターコントローラー２へ出力する。
【００１０】
モーターコントローラー２は、トルク指令値Ｔ^＊、モーター回転速度Ｎなどに基づいてモーター電流指令値Ｉ^＊を演算し、モーター電流Ｉfbがモーター電流指令値Ｉ^＊に一致するように電流制御を行い、モーター電圧指令値Ｖ^＊を演算してインバーター３を制御する。モーターコントローラー２はまた、自動車の数式化モデルを用いてモーター回転速度推定値Ｎ^Ｓを演算し、実際のモーター回転速度Ｎと推定値Ｎ^Ｓとに基づいて振動補償トルクＴhを演算し、トルク指令値Ｔ^＊を補正する。
【００１１】
インバーター３はバッテリー４の直流電力を交流電力に変換し、３相交流モーター５に供給する。なお、３相交流モーター５は永久磁石同期モーターでもよいし、誘導モーターでもよい。モーター５の駆動力は変減速機６へ伝達され、さらに駆動軸７ａ、７ｂを介して駆動輪８ａ、８ｂに伝達される。
【００１２】
電圧センサー９はバッテリー電圧Ｖbを検出する。また、電流センサー１０はモーター５に流れる電流Ｉfb（この実施の形態では３相交流電流Ｉu、Ｉv、Ｉw）を検出する。さらに、回転センサー１１はモーター５の所定の回転角度ごとにパルス信号を発生する。
【００１３】
次に、モーターコントローラー２の振動抑制機能について詳細に説明する。モーターコントローラー２はマイクロコンピューターとその周辺部品から構成され、マイクロコンピューターのソフトウエア形態により図１に示す制御ブロック２１〜２８を構成する。回転速度検出部２１は、回転センサー１１から出力されるパルス信号の単位時間当たりの個数および周期に基づいてモーター５の実際の回転速度Ｎを検出する。加算器２２は、車両コントローラー１から入力したトルク指令値Ｔ^＊と、後述する振動補償トルクＴhとの和ＴL（＝Ｔ^＊＋Ｔh）を算出する。
【００１４】
回転速度推定部２３は、自動車の駆動トルクに相当するモーター５の出力トルクを入力とし、車速に相当するモーター５の回転速度を出力とする自動車モデルＧvを有する。自動車モデルＧvには簡易的なものから厳密なものまで種々考えられるが、この実施の形態では次式に示す簡易的な数式化モデルを採用する。
【数２】
Ｇv(s)＝１／（Ｊv・ｓ）
数式２において、Ｊvはモーター５の出力軸に換算したモーター５と自動車の慣性である。回転速度推定部２３は、数式２に示す自動車モデルＧvに対してトルク指令値Ｔ^＊と振動補償トルクＴhとの和ＴLを入力し、モーター５の回転速度推定値Ｎ^Ｓを演算により推定する。
【数３】
Ｎ^Ｓ＝ＴL・Ｇv(s)＝ＴL／（Ｊv・ｓ）
【００１５】
振動補償トルク演算部２４は、駆動系のねじれによる共振振動を抑制するための振動補償トルクＴhを演算する。自動車の駆動系は、図１に示すように、細い駆動軸７ａ、７ｂの両端に走行駆動源であるモーター５の慣性と自動車の慣性とが接続された共振系であり、自動車の発進時や追い越し加速時にモーター５が大きな駆動力を発生すると、駆動軸７ａ、７ｂにおける軸トルクが振動する。ところが、自動車の慣性はモーター５の慣性に対して非常に大きいので、共振振動にともなってモーター５の回転速度Ｎが振動しても車速はほとんど振動しない。このことから、自動車モデルＧvを用いて演算したモーター回転速度推定値Ｎ^Ｓは、実際の車速に比例していると考えることができる。したがって、実際のモーター回転速度Ｎとモーター回転速度推定値Ｎ^Ｓとの速度差は、駆動系のねじれによる共振振動により発生していると見なすことができる。振動補償トルク演算部２４は、モーター回転速度Ｎとモーター回転速度推定値Ｎ^Ｓとの速度差（Ｎ^Ｓ−Ｎ）に所定のゲインＫ1を乗じて振動補償トルクＴhを演算する。
【数４】
Ｔh＝Ｋ1・（Ｎ^Ｓ−Ｎ）
【００１６】
位相・ゲイン調整部２５は、車両コントローラー２のトルク指令値Ｔ^＊に加算する振動補償トルクＴhの位相とゲインを調整することによって、モーター電流制御系の応答遅れ起因したトルク指令値Ｔ^＊に対する実際のモータートルクの遅れを補償する。位相・ゲイン調整部２５は、次式に示す進み遅れ要素の伝達特性を有する。
【数５】
Ｇa(s)＝（１＋Ｔ1・ｓ）／（１＋Ｔ2・ｓ）
数式５において、Ｔ1、Ｔ2は時定数である。具体的には、数式５に示す進み遅れ要素と等価な次式により振動補償トルクＴhに対して位相とゲイン調整を行い、補正トルクＴxを演算する。
【数６】
Ｔx＝Ｋ2（Ｔh−Ｔx1），
Ｔx1＝Ｔx／（１＋τ・ｓ）
数式６において、Ｋ2はゲイン、τは時定数である。図２に位相・ゲイン調整部２５の制御ブロック図を示す。
【００１７】
図３(ａ)は位相・ゲイン調整部２５のゲイン特性を示し、図３(ｂ)は位相・ゲイン調整部２５の位相特性を示す。位相・ゲイン調整部２５では、図３(ａ)に示すように所定の周波数より高い波数領域におけるゲインを増加し、図３(ｂ)に示すように所定の周波数付近の位相を進ませる。この所定の周波数がモーター電流制御系のカットオフ周波数近傍の値となるように上記数式６の時定数τを設定し、図３に示すような特性の位相・ゲイン調整を振動補償トルクＴhに対して施すことによって、振動補償トルクＴhの所定の周波数、すなわちモーター電流制御系のカットオフ周波数近傍の位相を進ませ、且つゲインを増加させることができる。
【００１８】
加算器２６は、車両コントローラー１のトルク指令値Ｔ^＊に位相・ゲイン調整後の振動補償トルクＴxを加算して補正し、補正後のトルク指令値Ｔrefを出力する。
【数７】
Ｔref＝Ｔ^＊＋Ｔx
トルク指令値Ｔ^＊に対して、所定の周波数より高い波数領域におけるゲインを増加させ、所定の周波数付近の位相を進ませた位相・ゲイン調整後の振動補償トルクＴxを加算、補正することによって、図６に示すようなトルク指令値Ｔ^＊に対する実際のモータートルクのトルク減衰Ｋと位相のずれφを抑制することができる。これにより、モーター電流制御系のカットオフ周波数が抑制したい共振周波数に近い場合でも、実際のモータートルクが振動補償後のトルク指令値に追従し、充分な共振振動抑制効果が得られる。
【００１９】
電流指令値演算部２７は、補正後のトルク指令値Ｔref、バッテリー電圧Ｖbおよびモーター回転速度Ｎに基づいてモーター電流指令値Ｉ^＊（この実施の形態では３相交流電流指令値Ｉu^＊、Ｉv^＊、Ｉw^＊）を演算する。電流制御部２８は、モーター電流指令値Ｉ^＊（Ｉu^＊、Ｉv^＊、Ｉw^＊）とモーター電流検出値Ｉfb（Ｉu、Ｉv、Ｉw）との偏差に対して例えばＰＩ（比例積分）制御を施し、モーター電流検出値Ｉfbをその指令値Ｉ^＊に一致させるためのモーター電圧指令値Ｖ^＊（この実施の形態では３相交流電圧指令値Ｖu^＊、Ｖv^＊、Ｖw^＊）を演算する。
【００２０】
図４は、モーターコントローラー２のモーター制御プログラムを示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を整理して説明する。モーターコントローラー２は自動車のメインスイッチが投入されると、このモーター制御プログラムを繰り返し実行する。
【００２１】
ステップ１において、回転センサー１１のパルス信号に基づいてモーター回転速度Ｎを検出する。続くステップ２で、自動車モデルＧvを用いて上記数式３によりモーター回転速度推定値Ｎ^Ｓを算出する。なお、このとき、数式３の振動補償トルクＴhには前回のモーター制御プログラム実行時に算出した値を用いて今回のモーター回転速度推定値Ｎ^Ｓを算出する。ステップ３では、上記数式４により実際のモーター回転速度Ｎとモーター回転速度推定値Ｎ^Ｓとの速度差に応じた振動補償トルクＴhを演算する。
【００２２】
ステップ４において、振動補償トルクＴhに対して位相とゲイン調整を施し、所定周波数付近の位相を進ませるとともに、所定周波数より高い周波数領域のゲインを増加する。ステップ５で、位相とゲイン調整後の振動補償トルクＴxをトルク指令値Ｔ^＊に加算して補正し、トルク指令値Ｔrefを求める。ステップ６では、補正後のトルク指令値Ｔref、バッテリー電圧Ｖbおよびモーター回転速度Ｎに基づいてモーター電流指令値Ｉ^＊を演算する。そしてステップ７で、モーター電流指令値Ｉ^＊と実際のモーター電流Ｉfbとに基づいて電流制御を行い、モーター電圧指令値Ｖ^＊を演算、出力する。
【００２３】
なお、上述した一実施の形態ではモーター電流制御系が一次遅れの系であると仮定して位相・ゲイン調整部２５の特性を決定したが、モーター電流制御系が一次遅れ以外の応答遅れ特性の場合には、モーター電流制御系の応答遅れ特性を改善できるような位相・ゲイン調整部２５の特性とすればよい。
【００２４】
また、上述した一実施の形態ではモーターのみを走行駆動源とする電気自動車を例に上げて説明したが、内燃機関とモーターの両方を備え、常時または一時的にモーターのみの駆動力により走行するハイブリッド自動車に対しても本願発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】位相・ゲイン調整部の詳細な構成を示す図である。
【図３】位相・ゲイン調整部の特性を示す図である。
【図４】一実施の形態のモーター制御プログラムを示すフローチャートである。
【図５】モーター電流制御系を一次遅れの系と仮定した場合の周波数応答特性を示す図である。
【図６】振動補償後のトルク指令値に対する実際のモータートルクのトルク減衰と位相ずれを示す図である。
【符号の説明】
１車両コントローラー
２モーターコントローラー
３インバーター
４バッテリー
５モーター
６変減速機
７ａ、７ｂ駆動軸
８ａ、８ｂ駆動輪
９電圧センサー
１０電流センサー
１１回転センサー
２１回転速度検出部
２２加算器
２３回転速度推定部
２４振動補償トルク演算部
２５位相・ゲイン調整部
２６加算器
２７電流指令演算部
２８電流制御部

Claims

自動車を走行駆動するモーターと、
自動車の駆動系の共振を抑制するための振動補償トルクを演算する振動補償トルク演算手段と、
前記振動補償トルクに対してモーター電流制御系の応答遅れを補償するために、モーター電流制御系のカットオフ周波数近傍において位相を進ませ、且つゲインを増加させる位相進み補償手段と、
自動車を走行駆動させるためのモータートルク指令値に、前記位相進み補償手段による位相進み補償後の振動補償トルクを加算して補正するトルク指令値補正手段と、
前記トルク指令値補正手段による補正後のモータートルク指令値に応じたモーター電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、
前記モーターに流れる電流が前記モーター電流指令値に一致するように電流制御を行う電流制御手段とを備えることを特徴とする電気自動車の制御装置。
自動車を走行駆動するモーターと、
前記モーターの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
モータートルクを入力としモーター回転速度を出力として制御対象の自動車の動作を模擬する自動車の数式化モデルを有し、前記数式化モデルによりモータートルク指令値に対するモーター回転速度推定値を演算する回転速度推定手段と、
前記モーター回転速度検出値と前記モーター回転速度推定値との差に応じた振動補償トルクを演算する補償トルク演算手段と、
前記振動補償トルクに対してモーター電流制御系の応答遅れを補償するために、モーター電流制御系のカットオフ周波数近傍において位相を進ませ、且つゲインを増加させる位相・ゲイン調整手段と、
前記位相・ゲイン調整手段による調整後の振動補償トルクを前記モータートルク指令値に加算する加算手段と、
前記加算手段による加算値に応じたモーター電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、
モーター電流を検出する電流検出手段と、
前記モーター電流検出値が前記モーター電流指令値に一致するように電流制御を行う電流制御手段とを備えることを特徴とする電気自動車の制御装置。