JP5590959B2 - モータ駆動機構、モータ制御装置、及び、モータ駆動車両 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動機構、モータ制御装置、及び、これらを用いたモータ駆動車両に関し、特に、インバータからモータに供給される多相電流（典型的には３相電流）を検出して該インバータを制御するように構成されたモータ駆動機構に関する。

３相モータの制御においては、当該多相モータに供給される３相電流の実測値に応答してインバータが制御されることがある。例えば、ｄ軸電流とｑ軸電流とを独立に制御するベクトル制御においては、３相モータに供給される３相電流の実測値からｄ軸電流及びｑ軸電流の実測値が算出される。そのｄ軸電流及びｑ軸電流の実測値と、それぞれの指令値の差分に応答して、インバータから当該３相モータに供給される３相電流が制御される。

３相電流の実測値に基づいた制御における一つの問題は、各相の電流を検出する電流センサにオフセット誤差が存在することである。電流センサにオフセット誤差が存在すると、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流にアンバランスが生じる。このアンバランスは、モータ駆動機構において様々な問題を発生させる。例えば、特開２００６−１３１０５９号公報は、電動パワーステアリング装置においては、電流センサにおけるオフセット誤差が、運転者がステアリングホイールを操作するときに左操作と右操作との操舵感覚にアンバランスが感じられるという現象になって現れることを開示している。

また、発明者の検討によると、電流センサにおけるオフセット誤差の存在は、モータにおける微小振動の発生という現象として現れる。例えば、モータ駆動機構を電気自動車やハイブリッドカーのようなモータ駆動車両の駆動輪の駆動に用いた場合には、電流センサのオフセット誤差は、車体の微小振動という現象になって現れる。この微小振動は、特に、停車時において顕著に表れる。即ち、電流センサにおけるオフセット誤差は、モータ駆動車両の運転者には停車時の微小振動として体感され、運転者に不快感を生じさせる。

電流センサのオフセット誤差の問題に対処する一つの方法は、電流センサのオフセット誤差を補正することである。上述の特開２００６−１３１０５９号公報は、電流センサのオフセット誤差を補正する技術を開示している。この公報は、少なくとも目標電流値とモータ回転数に基づいてモータ端子間電圧値が零と見なせる状態を判定し、モータ端子間電圧値が零と見なせる状態のとき、目標モータ端子間電圧値が零となるようにモータ電流検出値を補正するオフセット補正値を演算することを開示している。

しかしながら、電流センサのオフセット誤差は動作温度その他の要因によって常に変動し得るので、特に３相モータが常にサーボオンの状態（インバータ及び３相モータが動作した状態）にあるようなモータ駆動機構においては、オフセット誤差を適正に補正することは、実際上は困難である。このような背景から、電流センサのオフセット誤差の問題に対処するための他のアプローチの提供が求められている。

特開２００６−１３１０５９号公報

したがって、本発明の目的は、電流検出手段（電流センサ）のオフセット誤差に起因する微小振動の発生を回避するための技術を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明では、電流検出手段の零点近傍に不感帯を設定するという手法を採用する。ただし、単に不感帯を設定するという手法では、電流波形の歪みや制御ゲインの低下という新たな問題が生じる。そこで、本発明では、多相モータの速度が低い場合又はトルクが小さい場合にのみ選択的に不感帯を設定するという手法を採用する。

具体的には、本発明の一の観点では、モータ駆動機構が、多相モータと、多相モータに多相電流を供給するインバータと、多相モータに供給される多相電流を検出する電流検出手段と、多相電流に応答してインバータを制御するインバータコントローラとを備えている。インバータコントローラは、多相モータの実際の速度と速度指令値の少なくとも一方に応答して第１電流制御と第２電流制御とを選択的に行う。ここで、第１電流制御では、電流検出手段によって得られた多相電流の各相の検出電流値について、検出電流値が０を含む所定区間内にある相の電流値が０であり、検出電流値が０を含む所定区間内にない相の電流値が検出電流値に一致するとして多相電流が制御される。第２電流制御では、電流検出手段によって得られた多相電流の検出電流値をそのまま用いて多相電流が制御される。

一実施形態では、多相モータの実際の速度が所定値より小さい場合に第１電流制御が行われ、多相モータの実際の速度が所定値より大きい場合に第２電流制御が行われる。他の実施形態では、速度指令値が所定値より小さい場合に第１電流制御が行われ、速度指令値が所定値より大きい場合に第２電流制御が行われる。

このようなモータ駆動機構は、モータ駆動車両において、駆動輪を駆動するために使用されることが好適である。

本発明の他の観点では、多相モータに多相電流を供給するインバータを制御するためのモータ制御装置が、電流検出手段によって検出された多相電流に応答してインバータを制御する制御手段を備えている。制御手段は、多相モータの実際の速度と速度指令値の少なくとも一方に応答して第１電流制御と第２電流制御とを選択的に行う。ここで、第１電流制御では、電流検出手段によって得られた多相電流の各相の検出電流値について、検出電流値が０を含む所定区間内にある相の電流値が０であり、検出電流値が０を含む所定区間内にない相の電流値が検出電流値に一致するとして多相電流が制御される。第２電流制御では、電流検出手段によって得られた多相電流の検出電流値をそのまま用いて多相電流が制御される。

本発明によれば、モータ駆動機構における電流検出手段のオフセット誤差に起因する微小振動の発生を回避するための技術が提供される。

本発明の一実施形態のモータ駆動機構の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態におけるモータ駆動機構の動作、特に、不感帯について説明する図である。

図１は、本発明の一実施形態のモータ駆動機構１の構成を示すブロック図である。モータ駆動機構１は、３相の３相モータ２と、インバータ３と、バッテリ４と、エンコーダ５と、電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗと、インバータコントローラ７とを備えている。インバータ３は、バッテリ４から供給される直流電圧から３相の駆動電圧を生成し、生成した駆動電流を３相モータ２に供給する。エンコーダ５は、３相モータ２のロータ位置θを逐次に検出する。電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗは、それぞれ、３相モータ２に供給されるｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流を検出する。ここで、電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗが検出したｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流の電流値を、それぞれ、検出電流値ｉｕ＿ｄｅｔ、ｉｖ＿ｄｅｔ、ｉｗ＿ｄｅｔと記載する。インバータコントローラ７は、エンコーダ５によって検出されたロータ位置θと、電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗから出力された検出電流値ｉｕ＿ｄｅｔ、ｉｖ＿ｄｅｔ、ｉｗ＿ｄｅｔと、外部から与えられたトルク指令Ｔ^＊とに応答して、インバータ３を制御する。

このような構成のモータ駆動機構１は、例えば、電気自動車やハイブリッドカーのようなモータ駆動車両の駆動輪を駆動する駆動系に用いられる。この場合、３相モータ２が発生する駆動力が駆動輪に伝達される。モータ駆動車両の駆動輪を駆動するモータ駆動機構においては、電流センサのオフセット誤差は、停車時の微小振動という現象になって現れ、これがモータ駆動車両の運転者には不快に感じられることは上述の通りである。

本実施形態のモータ駆動機構１では、電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗのオフセット誤差の問題を解決するために、回転数に応じてｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流の電流値に不感帯が設定するという手法が採用されている。即ち、３相モータ２の回転数が低速であると判断される場合にはｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流の電流値に不感帯が設定される。一方、３相モータ２の回転数が高速であると判断された場合には不感帯は無効にされる。以下では、このような手法の有効性について議論する。

不感帯を導入することは、電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗのオフセット誤差に起因するｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流のアンバランスを解消するために有効である。上述のように、電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗのオフセット誤差は、ｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流のアンバランスを生じさせ、３相モータ２における微小振動の発生を引き起こす。不感帯を導入することにより、オフセット誤差に起因するｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流のアンバランスを解消し、このような微小振動の発生を防ぐことができる。

その一方で、不感帯を導入すると、電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗの入出力特性に非線形が生じ、電流波形の歪みやゼロトルクのずれという問題が発生する。電流波形の歪みは、例えば、高調波の発生による振動の発生という問題を生じさせ得る。また、ゼロトルクのずれは、無駄な電力の消費を招いて燃費低下の問題を生じさせ得る。

ここで、発明者の一つの知見は、電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗのオフセット誤差に起因する微小振動の問題は、３相モータ２が低速で運転される場合にのみ顕著に表れる一方で、高速で運転される場合には重大な問題にならないということである。即ち、電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗのオフセット誤差に起因する微小振動の振動周波数は、３相モータ２の回転数に比例する。従って、３相モータ２が高速で運転される場合においては、３相モータ２のロータのイナーシャ（慣性）の存在によって微小振動の影響は小さくなり、微小振動は、高速時には問題にならない。このような知見の下、本実施形態のモータ駆動機構１では、３相モータ２の回転数が低速であると判断される場合に不感帯が設定され、高速であると判断された場合には該不感帯は無効にされる。これにより、不感帯の導入による不利益を抑えながら、電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗのオフセット誤差に起因する微小振動の問題を解消することができる。

以下、本実施形態のモータ駆動機構１の動作について、詳細に説明する。インバータコントローラ７は、エンコーダ５によって逐次に検出された３相モータ２のロータ位置θから、３相モータ２の回転速度ωの実測値を算出する。回転速度ωの実測値が所定値よりも小さい場合、インバータコントローラ７は、回転速度ωが低速であると判断し、低速モードで動作する。そうでない場合、インバータコントローラ７は、回転速度ωが高速であると判断し、高速モードで動作する。

高速モード（即ち、回転速度ωが高速であると判断された場合）では、インバータコントローラ７は、電流センサ６ｕ、６ｖ、６ｗによって検知された検出電流値ｉｕ＿ｄｅｔ、ｉｖ＿ｄｅｔ、ｉｗ＿ｄｅｔを、そのまま用いてインバータ３を制御する。詳細には、インバータコントローラ７において電流制御に実際に用いられるｕ相電流の電流値、ｖ相電流の電流値、ｗ相電流の電流値をそれぞれ、電流値ｉｕ＿ｆｂ、ｉｖ＿ｆｂ、ｉｗ＿ｆｂとしたとき、電流値ｉｕ＿ｆｂ、ｉｖ＿ｆｂ、ｉｗ＿ｆｂは、それぞれ、検出電流値ｉｕ＿ｄｅｔ、ｉｖ＿ｄｅｔ、ｉｗ＿ｄｅｔに一致する。インバータコントローラ７は、電流値ｉｕ＿ｆｂ、ｉｖ＿ｆｂ、ｉｗ＿ｆｂに応答してインバータ３を制御する。

一方、低速モード（即ち、回転速度ωが低速であると判断された場合）では、ｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流の電流値に不感帯が設定される。詳細には、図２に図示されているように、ｕ相の検出電流値ｉｕ＿ｄｅｔが０を含む所定区間にある場合、具体的には、−ｉ２よりも大きく＋ｉ１よりも小さい場合（ｉ１、ｉ２は、いずれも正の所定値）には、インバータ３の制御に実際に用いられるｕ相電流の電流値ｉｕ＿ｆｂが０に設定される。ここで、ｉ１、ｉ２は、同一値であることが好ましい。一方、検出電流値ｉｕ＿ｄｅｔが当該所定区間の外側にある場合には、インバータ３の制御に実際に用いられるｕ相電流の電流値ｉｕ＿ｆｂが検出電流値ｉｕ＿ｄｅｔと同一の値に設定される。

ｖ相電流、ｗ相電流についても同様である。低速モードが設定されると、ｖ相の検出電流値ｉｖ＿ｄｅｔが０を含む所定区間にある場合には、インバータ３の制御に実際に用いられるｖ相電流の電流値ｉｖ＿ｆｂが０に設定され、検出電流値ｉｖ＿ｄｅｔが当該所定区間の外側にある場合には、電流値ｉｖ＿ｆｂが検出電流値ｉｖ＿ｄｅｔと同一の値に設定される。更に、ｗ相の検出電流値ｉｗ＿ｄｅｔが０を含む所定区間にある場合には、インバータ３の制御に実際に用いられるｗ相電流の電流値ｉｗ＿ｆｂが０に設定され、検出電流値ｉｗ＿ｄｅｔが当該所定区間の外側にある場合には、ｗ相電流の電流値ｉｖ＿ｆｂが検出電流値ｉｕ＿ｄｅｔと同一の値に設定される。

ここで、ｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流のそれぞれについて、不感帯は同一に設定される。言い換えれば、ｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流のそれぞれについてｉ１が、同一値に設定され、ｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流のそれぞれについてｉ２が、同一値に設定される。

インバータコントローラ７は、上記のようにして決定されたｕ相、ｖ相、ｗ相の電流値ｉｕ＿ｆｂ、ｉｖ＿ｆｂ、ｉｗ＿ｆｂに応答して、インバータ３から３相モータ２に供給される３相電流を制御する。

このように、本実施形態のモータ駆動機構１は、回転速度ωが低速であると判断された場合に不感帯を設定することにより、微小振動の問題を有効に解消する。その一方で、回転速度ωが高速であると判断された場合には不感帯を無効化し、これにより、電流波形の歪み、及び、ゼロトルクのずれの問題を回避している。

以上には本発明の実施形態が具体的に記述されているが、本発明は、上記の実施形態に限定して解釈してはならず、本発明の実施形態には様々な変更が可能である。例えば、上記のモータ駆動機構１では、３相モータ２のロータ位置θから回転速度ωの実測値を算出し、その回転速度ωが所定値より小さい場合に３相モータ２の回転数が低速であると判断しているが、３相モータ２の回転数の判断については、様々な手法が採用され得る。例えば、インバータコントローラ７が、３相モータ２の回転速度を指示する速度指令値ω^＊が生成されるような制御系として構成される場合、速度指令値を用いて３相モータ２の回転数を判断してもよい。例えば、速度指令値ω^＊が所定値よりも小さい場合に３相モータ２の回転数が低速であると判断し、そうでない場合に３相モータ２の回転数が高速であると判断してもよい。更に、回転速度ωの実測値と速度指令値ω^＊の両方を用いて３相モータ２の回転数を判断してもよい。

また、上記の実施形態では、モータ駆動機構１が３相モータ２を備えるとして説明がなされているが、３相モータ以外の多相モータ（例えば、５相モータ）が使用されることも可能である。この場合にも、各相の電流を測定する電流センサの出力に対して回転数が低速であると判断された場合に不感帯を設定することにより、微小振動の問題を有効に解消することができる。

１：モータ駆動機構
２：３相モータ
３：インバータ
４：バッテリ
５：エンコーダ
６ｕ、６ｖ、６ｗ：電流センサ
７：インバータコントローラ

Claims (5)

1. 多相モータと、
   前記多相モータに多相電流を供給するインバータと、
   前記多相モータに供給される多相電流を検出する電流検出手段と、
   前記多相電流に応答して前記インバータを制御するインバータコントローラ
   とを備え、
   前記インバータコントローラは、前記多相モータの実際の速度に応答して第１電流制御と第２電流制御とを選択的に行い、
   前記第１電流制御では、前記電流検出手段によって得られた前記多相電流の各相の検出電流値について、前記検出電流値が０を含む所定区間内にある相の電流値が０であり、前記検出電流値が０を含む所定区間内にない相の電流値が前記検出電流値に一致するとして前記多相電流が制御され、
   前記第２電流制御では、前記電流検出手段によって得られた前記多相電流の検出電流値をそのまま用いて前記多相電流が制御され、
   前記多相モータの実際の速度が所定値より小さい場合に前記第１電流制御が行われ、
   前記多相モータの実際の速度が所定値より大きい場合に前記第２電流制御が行われる
   モータ駆動機構。
2. 多相モータと、
   前記多相モータに多相電流を供給するインバータと、
   前記多相モータに供給される多相電流を検出する電流検出手段と、
   前記多相電流に応答して前記インバータを制御するインバータコントローラ
   とを備え、
   前記インバータコントローラは、前記多相モータの速度指令値に応答して第１電流制御と第２電流制御とを選択的に行い、
   前記第１電流制御では、前記電流検出手段によって得られた前記多相電流の各相の検出電流値について、前記検出電流値が０を含む所定区間内にある相の電流値が０であり、前記検出電流値が０を含む所定区間内にない相の電流値が前記検出電流値に一致するとして前記多相電流が制御され、
   前記第２電流制御では、前記電流検出手段によって得られた前記多相電流の検出電流値をそのまま用いて前記多相電流が制御され、
   前記速度指令値が所定値より小さい場合に前記第１電流制御が行われ、
   前記速度指令値が所定値より大きい場合に前記第２電流制御が行われる
   モータ駆動機構。
3. 多相モータに多相電流を供給するインバータを制御するためのモータ制御装置であって、
   電流検出手段によって検出された前記多相電流に応答して前記インバータを制御する制御手段
   を備え、
   前記制御手段は、前記多相モータの実際の速度に応答して第１電流制御と第２電流制御とを選択的に行い、
   前記第１電流制御では、前記電流検出手段によって得られた前記多相電流の各相の検出電流値について、前記検出電流値が０を含む所定区間内にある相の電流値が０であり、前記検出電流値が０を含む所定区間内にない相の電流値が前記検出電流値に一致するとして前記多相電流が制御され、
   前記第２電流制御では、前記電流検出手段によって得られた前記多相電流の検出電流値をそのまま用いて前記多相電流が制御され、
   前記多相モータの実際の速度が所定値より小さい場合に前記第１電流制御が行われ、
   前記多相モータの実際の速度が所定値より大きい場合に前記第２電流制御が行われる
   モータ制御装置。
4. 多相モータに多相電流を供給するインバータを制御するためのモータ制御装置であって、
   電流検出手段によって検出された前記多相電流に応答して前記インバータを制御する制御手段
   を備え、
   前記制御手段は、前記多相モータの速度指令値に応答して第１電流制御と第２電流制御とを選択的に行い、
   前記第１電流制御では、前記電流検出手段によって得られた前記多相電流の各相の検出電流値について、前記検出電流値が０を含む所定区間内にある相の電流値が０であり、前記検出電流値が０を含む所定区間内にない相の電流値が前記検出電流値に一致するとして前記多相電流が制御され、
   前記第２電流制御では、前記電流検出手段によって得られた前記多相電流の検出電流値をそのまま用いて前記多相電流が制御され、
   前記速度指令値が所定値より小さい場合に前記第１電流制御が行われ、
   前記速度指令値が所定値より大きい場合に前記第２電流制御が行われる
   モータ制御装置。
5. 請求項１又は２に記載のモータ駆動機構と、
   駆動輪
   とを具備し、
   前記駆動輪がモータ駆動機構によって駆動される
   モータ駆動車両。

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