JP5633639B2 - 電動機の制御装置およびそれを備える電動車両、ならびに電動機の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、電動機の制御装置およびそれを備える電動車両、ならびに電動機の制御方法に関し、特に、トルク指令に従って位相制御される矩形波電圧を電動機に印加することによって電動機を制御する矩形波電圧制御の技術に関する。

環境に配慮した車両として、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両が近年注目されている。電気自動車は、蓄電装置とインバータとインバータによって駆動される電動機とを走行用の動力源として搭載する。ハイブリッド自動車は、内燃機関に加え、蓄電装置とインバータと電動機とを走行用の動力源として搭載する。

このような電動車両において、特開２００５−５１８５０号公報（特許文献１）には、電動機により駆動される駆動輪のスリップが検出されると、駆動軸に出力されるトルクを制限するように電動機を制御することが開示されている（特許文献１参照）。

ところで、電動機の制御については、パルス幅変調（ＰＷＭ）された電圧を電動機に印加するＰＷＭ制御がよく知られている。また、ＰＷＭ制御よりも電圧利用率を高めることができる制御として、トルク指令（トルク目標値）に従って位相制御される矩形波電圧を電動機に印加する矩形波電圧制御が知られている。

特開２０００−５０６８９号公報（特許文献２）には、電動機の矩形波電圧制御について、電動機のトルク検出値とトルク指令値との偏差に基づいて矩形波電圧の電圧位相を制御することが開示されている（特許文献２参照）。

特開２００５−５１８５０号公報 特開２０００−５０６８９号公報 特開２００８−１６７５５７号公報

電動機の制御については、制御の安定性とともに、トルク指令に対する実際の出力トルクの追従性（トルク応答性）が重要である。上記の特開２００５−５１８５０号公報に開示される技術は、スリップ発生時にトルクを制限することによって電動機を保護するものであるが、電動機の制御性（安定性および応答性）については特に検討されていない。また、特開２０００−５０６８９号公報に開示される技術は、矩形波電圧制御についてトルク偏差を小さくするものであるが、スリップ時やスリップ後のグリップ時に発生する回転速度やトルクの急峻な変動に対する電動機の制御性については、特に検討されていない。

それゆえに、この発明の目的は、電動機の矩形波電圧制御について、制御安定性およびトルク応答性を両立可能な電動機の制御装置およびそれを備える電動車両を提供することである。

また、この発明の別の目的は、電動機の矩形波電圧制御について、制御安定性およびトルク応答性を両立可能な電動機の制御方法を提供することである。

この発明によれば、電動機の制御装置は、電圧指令生成部と、変化率制限部とを備える。電圧指令生成部は、トルク指令に従って電動機を動作させるように位相制御された矩形波電圧指令を生成する。変化率制限部は、矩形波電圧指令の変化率を制限する。そして、変化率制限部は、電動機の回転速度の急変を示す所定値よりも電動機の回転速度の変化率が大きいとき、矩形波電圧指令の変化率の制限を緩和する。

好ましくは、変化率制限部は、電動機の回転速度の変化が増速方向のとき、矩形波電圧指令の位相を進める側のみの制限を緩和し、電動機の回転速度の変化が減速方向のとき、矩形波電圧指令の位相を遅らせる側のみの制限を緩和する。

好ましくは、変化率制限部は、さらに、トルク指令の急変を示すもう１つの所定値よりもトルク指令の変化率が大きいとき、矩形波電圧指令の変化率の制限を緩和する。

また、この発明によれば、電動車両は、上述したいずれかの電動機の制御装置と、制御装置によって制御される電動機と、電動機によって駆動される駆動輪とを備える。

好ましくは、制御装置の変化率制限部は、駆動輪のスリップまたはスリップ後の駆動輪のグリップが検知されると、矩形波電圧指令の変化率の制限を緩和する。

さらに好ましくは、変化率制限部は、スリップが検知されると、矩形波電圧指令の位相を進める側のみの制限を緩和し、グリップが検知されると、矩形波電圧指令の位相を遅らせる側のみの制限を緩和する。

好ましくは、変化率制限部は、さらに、トルク指令の急変を示すもう１つの所定値よりもトルク指令の変化率が大きいとき、矩形波電圧指令の変化率の制限を緩和する。

また、この発明によれば、電動機の制御方法は、トルク指令に従って電動機を動作させるように位相制御された矩形波電圧指令を生成するステップと、矩形波電圧指令の変化率を制限するステップと、電動機の回転速度の急変を示す所定値よりも電動機の回転速度の変化率が大きいとき、矩形波電圧指令の変化率の制限を緩和するステップとを含む。

好ましくは、変化率の制限を緩和するステップは、電動機の回転速度の変化が増速方向のとき、矩形波電圧指令の位相を進める側のみの制限を緩和するステップと、電動機の回転速度の変化が減速方向のとき、矩形波電圧指令の位相を遅らせる側のみの制限を緩和するステップとを含む。

好ましくは、変化率の制限を緩和するステップは、トルク指令の急変を示すもう１つの所定値よりもトルク指令の変化率が大きいとき、矩形波電圧指令の変化率の制限を緩和するステップを含む。

この発明においては、矩形波電圧指令の変化率が制限される。これにより、矩形波電圧制御において、電動機の回転速度が変化する際に電圧指令の位相変化に伴ない発生するモータ電流のオフセットが抑制され、電動機制御の安定性が高まる。一方、電動機の回転速度の急変を示す所定値よりも電動機の回転速度の変化率が大きいときは、矩形波電圧指令の変化率の制限が緩和される。これにより、電動機の回転速度の急変時については、トルク追従が優先され、電動機制御の応答性が高められる。

したがって、この発明によれば、電動機の矩形波電圧制御について、制御安定性およびトルク応答性を両立させることができる。

この発明の実施の形態１による電動機の制御装置が適用される電動車両の全体構成図である。 図１に示す電動機の制御モードを説明する図である。 交流電動機の動作状態と図２に示す制御モードとの対応関係を説明する図である。 図１に示す制御装置の構成を機能的に説明する機能ブロック図である。 図４に示す矩形波電圧制御部の詳細な構成を機能的に説明する機能ブロック図である。 図４に示すＰＷＭ制御部の詳細な構成を機能的に説明する機能ブロック図である。 図１に示す制御装置により実行される電圧位相の変化率制限処理に関するフローチャートである。 変形例における矩形波電圧制御部の構成を機能的に説明する機能ブロック図である。 変形例における制御装置により実行される電圧位相の変化率制限処理に関するフローチャートである。 実施の形態２における制御装置により実行される電圧位相の変化率制限処理に関するフローチャートである。 実施の形態３における制御装置により実行される電圧位相の変化率制限処理に関するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による電動機の制御装置が適用される電動車両の全体構成図である。図１を参照して、電動車両１００は、直流電圧発生部１０♯と、平滑コンデンサＣ０と、インバータ１４と、電動機Ｍ１と、駆動輪ＤＷと、制御装置３０とを備える。

直流電圧発生部１０♯は、蓄電装置Ｂと、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２と、平滑コンデンサＣ１と、コンバータ１２とを含む。蓄電装置Ｂは、代表的には、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池や、電気二重層キャパシタ等により構成される。蓄電装置Ｂの電圧Ｖｂおよび蓄電装置Ｂに対して入出力される電流Ｉｂは、それぞれ電圧センサ１０および電流センサ１１によって検知される。システムリレーＳＲ１は、蓄電装置Ｂの正極端子と電力線６との間に接続され、システムリレーＳＲ２は、蓄電装置Ｂの負極端子と電力線５との間に接続される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置３０からの信号ＳＥによりオン／オフされる。

コンバータ１２は、リアクトルＬ１と、電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、電力線７と電力線５の間に直列に接続される。電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン／オフは、制御装置３０からの制御信号Ｓ１，Ｓ２によって制御される。

なお、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称する。）としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に逆並列に接続される。リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードと電力線６との間に接続される。平滑コンデンサＣ０は、電力線７と電力線５との間に接続される。

インバータ１４は、電力線７と電力線５との間に並列に設けられる、Ｕ相上下アーム１５と、Ｖ相上下アーム１６と、Ｗ相上下アーム１７とを含む。各相上下アームは、電力線７と電力線５との間に直列接続されたスイッチング素子によって構成される。たとえば、Ｕ相上下アーム１５は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４から成り、Ｖ相上下アーム１６は、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６から成り、Ｗ相上下アーム１７は、スイッチング素子Ｑ７，Ｑ８から成る。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８には、それぞれダイオードＤ３〜Ｄ８が逆並列に接続される。そして、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のオン／オフは、制御装置３０からの制御信号Ｓ３〜Ｓ８によって制御される。

電動機Ｍ１は、代表的には永久磁石型三相交流同期電動機であり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通接続されて構成される。各相コイルの他端は、各相上下アーム１５〜１７のスイッチング素子の中間点に接続される。そして、電動機Ｍ１は、インバータ１４によって駆動され、駆動輪ＤＷを駆動するためのトルクを発生する。なお、電動機Ｍ１は、車両の制動時等に駆動輪ＤＷによって駆動される発電機の機能を併せ持つように構成されてもよい。

コンバータ１２は、基本的には、各スイッチング周期内でスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が相補的かつ交互にオン／オフするように制御される。コンバータ１２は、昇圧動作時には、蓄電装置Ｂから供給される電圧Ｖｂを電圧ＶＨ（インバータ１４への入力電圧に相当するこの直流電圧を以下「システム電圧」とも称する）へ昇圧する。この昇圧動作は、スイッチング素子Ｑ２のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積される電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１を介して電力線７へ供給することにより行なわれる。

また、コンバータ１２は、降圧動作時には、電圧ＶＨを電圧Ｖｂに降圧する。この降圧動作は、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積される電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ２およびダイオードＤ２を介して電力線６へ供給することにより行なわれる。これらの昇圧動作または降圧動作における電圧変換比（ＶＨおよびＶｂの比）は、上記スイッチング周期に対するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン期間比（デューティ比）により制御される。なお、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をそれぞれオン，オフに固定すれば、ＶＨ＝Ｖｂ（電圧変換比＝１．０）とすることもできる。

平滑コンデンサＣ０は、コンバータ１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１４へ供給する。電圧センサ１３は、平滑コンデンサＣ０の両端の電圧すなわちシステム電圧ＶＨを検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。

インバータ１４は、電動機Ｍ１のトルク指令値（トルク目標値）Ｔｒｑｃｏｍが正の場合には、制御装置３０からの制御信号Ｓ３〜Ｓ８に応答したスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング動作により直流電圧を交流電圧に変換し、正のトルクを出力するように電動機Ｍ１を駆動する。また、インバータ１４は、電動機Ｍ１のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが零の場合には、制御信号Ｓ３〜Ｓ８に応答したスイッチング動作により直流電圧を交流電圧に変換し、トルクが零になるように電動機Ｍ１を駆動する。これにより、電動機Ｍ１は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍによって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。

さらに、車両の制動時には、電動機Ｍ１のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが負に設定される。この場合には、インバータ１４は、制御信号Ｓ３〜Ｓ８に応答したスイッチング動作により、電動機Ｍ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンバータ１２へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、車両を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。

電流センサ２４は、電動機Ｍ１に流れるモータ電流を検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。なお、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの瞬時値の和は零であるので、電流センサ２４は、２相分のモータ電流（たとえばＶ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗ）を検出するように配置すれば足りる。

回転角センサ（レゾルバ）２５は、電動機Ｍ１のロータの回転角θを検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。制御装置３０は、回転角θに基づいて電動機Ｍ１の回転速度（回転数）および角速度ω（ｒａｄ／ｓ）を算出できる。なお、回転角センサ２５については、回転角θを制御装置３０にてモータ電圧や電流から直接演算することによって配置を省略してもよい。

制御装置３０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ（Electronic Control Unit））により構成され、予め記憶されたプログラムを図示しないＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理および／または専用の電子回路によるハードウェア処理により、電動車両１００の動作を制御する。

代表的な機能として、制御装置３０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍや、電圧センサ１０によって検出された電圧Ｖｂ、電流センサ１１によって検出された電流Ｉｂ、電圧センサ１３によって検出されたシステム電圧ＶＨ、電流センサ２４からのモータ電流ｉｖ，ｉｗ、回転角センサ２５からの回転角θ等に基づいて、後述の制御方式により電動機Ｍ１がトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに従ったトルクを出力するように、コンバータ１２およびインバータ１４の動作を制御する。すなわち、制御装置３０は、コンバータ１２およびインバータ１４を制御するための制御信号Ｓ１〜Ｓ８を生成してコンバータ１２およびインバータ１４へ出力する。

次に、制御装置３０による電動機Ｍ１の制御についてさらに詳しく説明する。
（制御モードの説明）
図２は、図１に示した電動機Ｍ１の制御モードを説明する図である。図２を参照して、この電動車両１００では、電動機Ｍ１の制御、すなわちインバータ１４における電力変換について、ＰＷＭ制御モードと矩形波電圧制御モードとを切替えて使用する。

ＰＷＭ制御モードは、正弦波ＰＷＭ制御と過変調ＰＷＭ制御とを含む。正弦波ＰＷＭ制御では、正弦波状の電圧指令と搬送波（代表的には三角波）との電圧比較に従って、各相上下アーム素子のオン／オフが制御される。この結果、上アーム素子のオン期間に対応するハイレベル期間と、下アーム素子のオン期間に対応するローレベル期間との集合について、一定期間内でその基本波成分が正弦波となるようにデューティが制御される。なお、正弦波状の電圧指令の振幅が搬送波振幅以下の範囲に制限されるこの正弦波ＰＷＭ制御では、電動機Ｍ１への印加電圧（以下、単に「モータ印加電圧」とも称する。）の基本波成分を入力電圧の約０．６１倍程度までしか高めることができない。以下では、インバータ１４の入力電圧（すなわちシステム電圧ＶＨ）に対するモータ印加電圧（線間電圧）の基本波成分（実効値）の比を「変調率」と称する。

過変調ＰＷＭ制御は、電圧指令（正弦波成分）の振幅が搬送波振幅より大きい範囲で上記正弦波ＰＷＭ制御と同様のＰＷＭ制御を行なうものである。特に、電圧指令を本来の正弦波波形から歪ませること（振幅補正）によって基本波成分を高めることができ、変調率を正弦波ＰＷＭ制御での最高変調率から０．７８の範囲まで高めることができる。なお、過変調ＰＷＭ制御では、電圧指令（正弦波成分）の振幅が搬送波振幅より大きいため、電動機Ｍ１に印加される線間電圧は、正弦波ではなく歪んだ電圧となる。

一方、矩形波電圧制御では、上記一定期間内で、ハイレベル期間およびローレベル期間の比が１：１の矩形波１パルス分が交流電動機に印加される。これにより、矩形波電圧制御では、変調率は０．７８まで高められる。

電動機Ｍ１においては、回転数や出力トルクが増加すると誘起電圧が高くなるので、必要となる駆動電圧（モータ必要電圧）が高くなる。コンバータ１２による昇圧電圧すなわちシステム電圧ＶＨは、このモータ必要電圧よりも高く設定する必要がある。一方、システム電圧ＶＨには、限界値（ＶＨ最大電圧）が存在する。したがって、電動機Ｍ１の動作状態に応じて、正弦波ＰＷＭ制御または過変調ＰＷＭ制御によるＰＷＭ制御モードと、矩形波電圧制御モードとが選択的に適用される。なお、矩形波電圧制御では、モータ印加電圧の振幅が固定されるので、トルク指令に対するトルク偏差（トルク実績値（推定値）とトルク指令値との差）に基づく矩形波電圧パルスの位相制御によってトルク制御が実行される。

図３は、交流電動機の動作状態と図２に示した制御モードとの対応関係を説明する図である。図３を参照して、概略的には、低回転数域Ｒ１では、トルク変動を小さくするために正弦波ＰＷＭ制御が用いられ、中回転数域Ｒ２では過変調ＰＷＭ制御、高回転数域Ｒ３では矩形波電圧制御が適用される。特に、過変調ＰＷＭ制御および矩形波電圧制御の適用により、交流電動機Ｍ１の出力向上が実現される。このように、図２に示した制御モードのいずれを用いるかについては、基本的には、実現可能な変調率の範囲内で決定される。

（制御装置の構成）
図４は、図１に示した制御装置３０の構成を機能的に説明する機能ブロック図である。図４を参照して、制御装置３０は、矩形波電圧制御部２００と、ＰＷＭ制御部４００と、制御モード切替部４９０とを含む。

矩形波電圧制御部２００は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと、モータ電流ｉｖ，ｉｗと、回転角θとを受ける。そして、矩形波電圧制御部２００は、これらの信号に基づいて、インバータ１４に印加する電圧の位相をトルクフィードバック制御により設定し、その設定された電圧位相に基づいて、インバータ１４を駆動するための制御信号Ｓ３〜Ｓ８を生成して制御モード切替部４９０へ出力する。

ＰＷＭ制御部４００は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと、電流センサ２４によって検出されるモータ電流ｉｖ，ｉｗと、回転角センサ２５により検出される回転角θとを受ける。そして、ＰＷＭ制御部４００は、これらの信号に基づいて、インバータ１４に印加する電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃を電流フィードバック制御により生成し、生成された電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃に基づいて、インバータ１４を駆動するための制御信号Ｓ３〜Ｓ８を生成して制御モード切替部４９０へ出力する。なお、過変調ＰＷＭ制御時は、電圧振幅が補正され、電圧指令値の基本波成分が高められる。

制御モード切替部４９０は、ＰＷＭ制御部４００から電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃を受け、電圧センサ１３（図１）からシステム電圧ＶＨを受ける。そして、制御モード切替部４９０は、システム電圧ＶＨと電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃とから算出される変調率に基づいて、ＰＷＭ制御モードから矩形波電圧制御モードへの切替を行なう。詳しくは、制御モード切替部４９０は、変調率が０．７８に達するとＰＷＭ制御モードから矩形波電圧制御モードへ切替える。

一方、矩形波電圧制御モードでは変調率は０．７８一定であるので、矩形波電圧制御モードからＰＷＭ制御モードへの切替は、電流位相に基づいて行なわれる。制御モード切替部４９０は、モータ電流ｉｖ，ｉｗおよび回転角θを受ける。そして、制御モード切替部４９０は、これらの信号を用いて電流位相に基づいて矩形波電圧制御モードからＰＷＭ制御モードへの切替を行なう。

（制御モードの構成）
図５は、図４に示した矩形波電圧制御部２００の詳細な構成を機能的に説明する機能ブロック図である。図５を参照して、矩形波電圧制御部２００は、電力演算部２１０と、トルク演算部２２０と、ＰＩ演算部２３０と、変化率リミッタ２３５と、矩形波発生器２４０と、信号発生部２５０とを含む。

電力演算部２１０は、電流センサ２４によって検出されるＶ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗから求められる各相電流と、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとにより、下記（１）式に従って電動機Ｍ１への供給電力（モータ電力）Ｐｍｔを算出する。この際、検出されたモータ電流（ｉｖ，ｉｗ）から歪み成分を除去するためのフィルタ処理が併せて実行される。

Ｐｍｔ＝ｉｕ・Ｖｕ＋ｉｖ・Ｖｖ＋ｉｗ・Ｖｗ …（１）
トルク演算部２２０は、電力演算部２１０によって算出されたモータ電力Ｐｍｔと、回転角センサ２５によって検出される電動機Ｍ１の回転角θから算出される角速度ωとを用いて、実際のトルクを示すトルク推定値Ｔｒｑを下記（２）式に従って算出する。

Ｔｒｑ＝Ｐｍｔ／ω …（２）
ＰＩ演算部２３０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに対するトルク偏差ΔＴｒｑ（ΔＴｒｑ＝Ｔｒｑｃｏｍ−Ｔｒｑ）についてＰＩ（比例積分）演算を行なうことにより制御偏差を算出し、その制御偏差に応じて矩形波電圧の位相φｖ（以下、単に「電圧位相φｖ」と称する。）を設定する。具体的には、ＰＩ演算部２３０は、正トルク（Ｔｒｑｃｏｍ＞０）の場合には、トルク不足時には電圧位相φｖを進め、トルク過剰時には電圧位相φｖを遅らせる。一方、負トルク（Ｔｒｑｃｏｍ＜０）の場合には、ＰＩ演算部２３０は、トルク不足時には電圧位相φｖを遅らせ、トルク過剰時には電圧位相φｖを進める。

変化率リミッタ２３５は、電圧位相φｖの変化率を制限する。すなわち、矩形波電圧制御においては、スリップ等の外乱により電動機Ｍ１の回転速度が変化すると、トルクを維持するために電圧位相φｖを変化させる。詳しくは、回転速度が上昇すると、トルクを維持するために電圧位相φｖを進め、回転速度が低下すると、電圧位相φｖを遅らせる。しかしながら、この電圧位相φｖの位相変化に伴ない三相モータ電流にオフセットが生じ、電圧位相φｖの変化率が大きいほどオフセット量が大きくなる。この電流オフセット量が大きくなると矩形波電圧制御の安定性が損なわれるので、電圧位相φｖの変化率を制限するための変化率リミッタ２３５が設けられる。

一方で、電圧位相φｖの変化率を制限すると、制御の応答性が阻害される。駆動輪ＤＷのスリップ時やスリップ後のグリップ時において電動機Ｍ１の回転速度が急変する場合には、制御の応答性（トルク応答性）を優先させることが望ましい。特に、スリップ後のグリップ時においては、トルク応答性が低いと、実際の出力トルクがトルク指令に対して過大となるトルク偏差が発生するので、トルク応答性が要求される。そこで、この実施の形態１においては、電動機Ｍ１の回転速度が急変した場合には、変化率リミッタ２３５の変化率制限が緩和される。

矩形波発生器２４０は、電圧位相φｖに従って各相電圧指令値（矩形波パルス）Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する。信号発生部２５０は、各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて制御信号Ｓ３〜Ｓ８を生成する。そして、インバータ１４が制御信号Ｓ３〜Ｓ８に従ったスイッチング動作を行なうことにより、電圧位相φｖに従った矩形波パルスがモータの各相電圧として印加される。

なお、電力演算部２１０およびトルク演算部２２０に代えてトルクセンサを配置することによって、当該トルクセンサの検出値に基づいてトルク偏差ΔＴｒｑを求めてもよい。

図６は、図４に示したＰＷＭ制御部４００の詳細な構成を機能的に説明する機能ブロック図である。図６を参照して、ＰＷＭ制御部４００は、電流指令生成部４１０と、座標変換部４２０，４５０と、電圧指令生成部４４０と、ＰＷＭ変調部４６０とを含む。

電流指令生成部４１０は、予め作成されたマップ等に基づいて、電動機Ｍ１のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに対応するｄ軸電流指令値Ｉｄｃｏｍおよびｑ軸電流指令値Ｉｑｃｏｍを生成する。座標変換部４２０は、電動機Ｍ１の回転角θを用いた座標変換（ｕｖｗ３相→ｄｑ２相）により、電流センサ２４によって検出されるｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗをｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに変換する。

電圧指令生成部４４０は、ｄ軸電流偏差ΔＩｄ（ΔＩｄ＝Ｉｄｃｏｍ−Ｉｄ）およびｑ軸電流偏差ΔＩｑ（ΔＩｑ＝Ｉｑｃｏｍ−Ｉｑ）の各々についてＰＩ演算を行なうことにより制御偏差を算出し、その制御偏差に応じたｄ軸電圧指令値Ｖｄ♯およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ♯を生成する。

座標変換部４５０は、電動機Ｍ１の回転角θを用いた座標変換（ｄｑ２相→ｕｖｗ３相）によって、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ♯およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ♯をＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する。ＰＷＭ変調部４６０は、各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと搬送波との比較に基づいて、インバータ１４を駆動するための制御信号Ｓ３〜Ｓ８を生成する。なお、搬送波は、所定周波数の三角波やのこぎり波によって構成される。

図７は、図１に示した制御装置３０により実行される電圧位相φｖの変化率制限処理に関するフローチャートである。なお、このフローチャートの処理は、一定時間毎または所定の条件が成立する毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。

図７を参照して、制御装置３０は、制御モードが矩形波電圧制御モードであるか否かを判定する（ステップＳ１０）。制御モードが矩形波電圧制御モードであると判定されると（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、制御装置３０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに対するトルク偏差ΔＴｒｑについてＰＩ演算を行なうことにより、矩形波電圧の電圧位相φｖを算出する（ステップＳ２０）。

次いで、制御装置３０は、電動機Ｍ１の回転速度が急変したか否かを判定する（ステップＳ３０）。一例として、電動機Ｍ１の回転速度の急変を示すしきい値が予め設定され、回転速度の変化率がそのしきい値を超えると回転速度が急変したものと判定される。

そして、電動機Ｍ１の回転速度が急変したと判定されると（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、制御装置３０は、電圧位相φｖの変化率制限を緩和する（ステップＳ４０）。具体的には、制御装置３０は、変化率リミッタ２３５（図５）のリミット値に通常時よりも大きい拡大値を設定する。なお、変化率リミッタ２３５の通常時のリミット値および上記拡大値は、予め設定される。一方、ステップＳ３０において回転速度は急変していないと判定されたときは（ステップＳ３０においてＮＯ）、ステップＳ４０は実行されずにステップＳ５０へ処理が移行される。

次いで、制御装置３０は、変化率リミッタ２３５によって電圧位相φｖの変化率制限処理を実行する（ステップＳ５０）。そして、電圧位相φｖの変化率制限処理が実行されると、制御装置３０は、電圧位相φｖに従って各相電圧指令値（矩形波パルス）Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する（ステップＳ６０）。

なお、ステップＳ１０において制御モードが矩形波電圧制御モードでないと判定された場合には（ステップＳ１０においてＮＯ）、制御装置３０は、上述のＰＷＭ制御を実行する（ステップＳ７０）。

以上のように、この実施の形態１においては、矩形波電圧制御において、変化率リミッタ２３５により矩形波電圧の電圧位相φｖの変化率が制限される。これにより、電動機Ｍ１の回転速度が変化する際に矩形波電圧の位相変化に伴ない発生するモータ電流のオフセットが抑制され、電動機制御の安定性が高まる。一方、電動機Ｍ１の回転速度の急変を示す所定値よりも回転速度の変化率が大きいときは、電圧位相φｖの変化率の制限が緩和される。これにより、電動機Ｍ１の回転速度の急変時については、トルク追従が優先され、電動機制御の応答性が高められる。したがって、この実施の形態１によれば、電動機Ｍ１の矩形波電圧制御について、制御安定性およびトルク応答性を両立させることができる。

［変形例］
上記の実施の形態１では、電圧位相φｖの変化率を制限するための変化率制限部として変化率リミッタ２３５が用いられたが、変化率制限部としてフィルタを用い、フィルタの時定数を変えることによって電圧位相φｖの変化率を変更（緩和）可能としてもよい。

図８は、この変形例における矩形波電圧制御部の構成を機能的に説明する機能ブロック図である。図８を参照して、矩形波電圧制御部２００Ａは、図５に示した実施の形態１における矩形波電圧制御部２００の構成において、変化率リミッタ２３５に代えてフィルタ２３６を含む。

フィルタ２３６は、電圧位相φｖの変化率を制限するために設けられ、たとえば、時定数可変なローパスフィルタによって構成される。そして、電動機Ｍ１の回転速度が急変した場合には、フィルタ２３６の時定数を小さくすることによってフィルタ２３６によるフィルタリング機能を緩和し、電圧位相φｖの変化率の制限を緩和する。

なお、矩形波電圧制御部２００Ａのその他の構成は、図５に示した矩形波電圧制御部２００と同じである。

図９は、この変形例における制御装置３０により実行される電圧位相φｖの変化率制限処理に関するフローチャートである。なお、このフローチャートの処理も、一定時間毎または所定の条件が成立する毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。

図９を参照して、このフローチャートは、図７に示したフローチャートにおいて、ステップＳ４０，Ｓ５０に代えてステップＳ４２，Ｓ５２を含む。すなわち、ステップＳ３０において電動機Ｍ１の回転速度が急変したと判定されると（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、制御装置３０は、フィルタ２３６（図８）の時定数を通常時よりも小さくする（ステップＳ４２）。なお、フィルタ２３６の通常時の時定数および上記変更値は、予め設定される。一方、ステップＳ３０において回転速度は急変していないと判定されたときは（ステップＳ３０においてＮＯ）、ステップＳ４２は実行されずにステップＳ５２へ処理が移行される。

次いで、制御装置３０は、フィルタ２３６によって電圧位相φｖのフィルタ処理を実行する（ステップＳ５２）。これにより、電圧位相φｖの変化率が制限される。そして、電圧位相φｖのフィルタ処理が実行されると、ステップＳ６０へ処理が移行され、電圧位相φｖに従って各相電圧指令値（矩形波パルス）Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが生成される。

以上により、この変形例によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
［実施の形態２］
駆動輪ＤＷのスリップやスリップ後のグリップ時など電動機Ｍ１の回転速度が外乱により急変した場合、回転速度の変化が増速方向のときは、トルクを維持するためにはトルクフィードバック制御により電圧位相φｖを進める必要がある。逆に、回転速度の変化が減速方向のときは、トルクを維持するためにはトルクフィードバック制御により電圧位相φｖを遅らせる必要がある。

そこで、この実施の形態２では、電動機Ｍ１の回転速度が急変したと判定された場合、回転速度の変化が増速方向のときは、電圧位相φｖを進める側のみ、電圧位相φｖの変化率の制限を緩和し、回転速度の変化が減速方向のときは、電圧位相φｖを遅らせる側のみ、電圧位相φｖの変化率の制限を緩和する。これにより、不必要な変化率制限の緩和を無くし、制御の安定性を確保する。

この実施の形態２における電動車両１００および制御装置３０の全体構成は、実施の形態１と同じである。

図１０は、実施の形態２における制御装置３０により実行される電圧位相φｖの変化率制限処理に関するフローチャートである。なお、このフローチャートの処理も、一定時間毎または所定の条件が成立する毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。

図１０を参照して、このフローチャートは、図７に示したフローチャートにおいて、ステップＳ４０に代えてステップＳ４４，Ｓ４６，Ｓ４８を含む。すなわち、ステップＳ３０において電動機Ｍ１の回転速度が急変したと判定されると（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、制御装置３０は、回転速度の変化が増速方向か否かを判定する（ステップＳ４４）。回転速度の変化が増速方向であると判定されると（ステップＳ４４においてＹＥＳ）、制御装置３０は、電圧位相φｖを進める側のみ電圧位相φｖの変化率制限を緩和する（ステップＳ４６）。すなわち、電圧位相φｖを遅らせる側については、電圧位相φｖの変化率制限は緩和されない。

一方、ステップＳ４４において回転速度の変化が減速方向であると判定されると（ステップＳ４４においてＮＯ）、制御装置３０は、電圧位相φｖを遅らせる側のみ電圧位相φｖの変化率制限を緩和する（ステップＳ４８）。すなわち、電圧位相φｖを進める側については、電圧位相φｖの変化率制限は緩和されない。

そして、ステップＳ４６またはステップＳ４８の処理が実行されると、ステップＳ５０へ処理が移行され、電圧位相φｖの変化率制限処理が実行される。

なお、上記においては、実施の形態１をベースにして電圧位相φｖの変化率を変化率リミッタ２３５により制限する場合について説明したが、電圧位相φｖの変化率をフィルタ２３６により制限する場合（実施の形態１の変形例）にも同様に適用可能である。すなわち、電圧位相φｖを進める側と遅らせる側とでフィルタ２３６の時定数を別々に設定可能とし、回転速度の変化が増速方向の場合には、電圧位相φｖを進める側のみの時定数を通常値よりも小さくし、回転速度の変化が減速方向の場合には、電圧位相φｖを遅らせる側のみの時定数を小さくしてもよい。

以上のように、この実施の形態２においては、回転速度の変化が増速方向のときは、電圧位相φｖを進める側のみ、一方、回転速度の変化が減速方向のときは、電圧位相φｖを遅らせる側のみ、電圧位相φｖの変化率の制限を緩和するようにしたので、変化率制限の緩和が最小限に抑えられる。したがって、この実施の形態２によれば、実施の形態１よりも矩形波電圧制御の安定性を高めることができる。

［実施の形態３］
上記の各実施の形態においては、電動機Ｍ１の回転速度が急変した場合に電圧位相φｖの変化率の制限を緩和するものとしたが、この実施の形態３では、電動機Ｍ１のトルク指令が急変した場合に電圧位相φｖの変化率の制限が緩和される。これにより、トルク指令の急変時のトルク応答性が高められる。

この実施の形態３における電動車両１００および制御装置３０の全体構成は、実施の形態１と同じである。

図１１は、実施の形態３における制御装置３０により実行される電圧位相φｖの変化率制限処理に関するフローチャートである。なお、このフローチャートの処理も、一定時間毎または所定の条件が成立する毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。

図１１を参照して、このフローチャートは、図７に示したフローチャートにおいて、ステップＳ３０に代えてステップＳ３２を含む。すなわち、ステップＳ２０において矩形波電圧の電圧位相φｖが算出されると、制御装置３０は、電動機Ｍ１のトルク指令が急変したか否かを判定する（ステップＳ３２）。一例として、電動機Ｍ１のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの急変を示すしきい値が予め設定され、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの変化率がそのしきい値を超えるとトルク指令が急変したものと判定される。

そして、電動機Ｍ１のトルク指令が急変したと判定されると（ステップＳ３２においてＹＥＳ）、ステップＳ４０へ処理が移行され、電圧位相φｖの変化率制限が緩和される。一方、ステップＳ３２においてトルク指令は急変していないと判定されたときは（ステップＳ３２においてＮＯ）、ステップＳ４０は実行されずにステップＳ５０へ処理が移行される。

なお、上記においては、実施の形態１をベースにして電圧位相φｖの変化率を変化率リミッタ２３５により制限する場合について説明したが、電圧位相φｖの変化率をフィルタ２３６により制限する場合（実施の形態１の変形例）にも同様に適用可能である。すなわち、トルク指令が急変した場合に、フィルタ２３６の時定数を通常時よりも小さくするようにしてもよい。

また、実施の形態２と同様に、電動機Ｍ１のトルク指令が急変した場合に、トルク指令の変化が増大方向のときは、電圧位相φｖを進める側のみ、電圧位相φｖの変化率の制限を緩和し、トルク指令の変化が減少方向のときは、電圧位相φｖを遅らせる側のみ、電圧位相φｖの変化率の制限を緩和するようにしてもよい。

また、上記の実施の形態１，２（変形例含む）にこの実施の形態３を併せることによって、電動機Ｍ１の回転速度またはトルク指令が急変した場合に電圧位相φｖの変化率の制限を緩和するようにしてもよい。

以上のように、この実施の形態３によっても、電動機Ｍ１の矩形波電圧制御について、制御安定性およびトルク応答性を両立させることができる。

なお、上記の各実施の形態において、駆動輪ＤＷの回転速度（回転数）や電動機Ｍ１の回転角θの検出値に基づいて駆動輪ＤＷのスリップおよびグリップを検知し、電動機Ｍ１の回転速度が急変したか否かを、駆動輪ＤＷのスリップまたはスリップ後のグリップが発生したか否かによって判定してもよい。また、上記の実施の形態２において、電動機Ｍ１の回転速度が急変した場合に回転速度の変化が増速方向に変化したか否かを、駆動輪ＤＷのスリップが発生したかによって判定してもよい。

なお、この発明は、図１に示した電動車両１００の基本構成を有する様々な車両に適用可能である。たとえば、図１に示した構成にエンジンをさらに搭載するハイブリッド自動車や、蓄電装置Ｂに加えて燃料電池を直流電源として搭載する燃料電池自動車等にもこの発明は適用可能である。

なお、上記において、ＰＩ演算部２３０は、この発明における「電圧指令生成部」の一実施例に対応し、変化率リミッタ２３５およびフィルタ２３６の各々は、この発明における「変化率制限部」の一実施例に対応する。

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と考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。

５〜７ 電力線、１０，１３ 電圧センサ、１０＃ 直流電圧発生部、１１，２４ 電流センサ、１２ コンバータ、１４ インバータ、１５ Ｕ相上下アーム、１６ Ｖ相上下アーム、１７ Ｗ相上下アーム、２５ 回転角センサ、３０ 制御装置、１００ 電動車両、２００，２００Ａ 矩形波電圧制御部、２１０ 電力演算部、２２０ トルク演算部、２３０ ＰＩ演算部、２３５ 変化率リミッタ、２３６ フィルタ、２４０ 矩形波発生器、２５０ 信号発生部、４００ ＰＷＭ制御部、４１０ 電流指令生成部、４２０，４５０ 座標変換部、４４０ 電圧指令生成部、４６０ ＰＷＭ変調部、４９０ 制御モード切替部、Ｂ 蓄電装置、ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー、Ｃ０，Ｃ１ 平滑コンデンサ、Ｑ１〜Ｑ８ スイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｌ１ リアクトル、Ｍ１ 電動機、ＤＷ 駆動輪。

Claims (10)

1. トルク指令に従って電動機を動作させるように位相制御された矩形波電圧指令を生成するための電圧指令生成部と、
   前記矩形波電圧指令の変化率を制限するための変化率制限部とを備え、
   前記変化率制限部は、前記電動機の回転速度の急変を示す所定値よりも前記電動機の回転速度の変化率が大きいとき、前記矩形波電圧指令の変化率の制限を緩和する、電動機の制御装置。
2. 前記変化率制限部は、前記電動機の回転速度の変化が増速方向のとき、前記矩形波電圧指令の位相を進める側のみの前記制限を緩和し、前記電動機の回転速度の変化が減速方向のとき、前記矩形波電圧指令の位相を遅らせる側のみの前記制限を緩和する、請求項１に記載の電動機の制御装置。
3. 前記変化率制限部は、さらに、前記トルク指令の急変を示すもう１つの所定値よりも前記トルク指令の変化率が大きいとき、前記制限を緩和する、請求項１に記載の電動機の制御装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動機の制御装置と、
   前記制御装置によって制御される電動機と、
   前記電動機によって駆動される駆動輪とを備える電動車両。
5. 前記制御装置の変化率制限部は、前記駆動輪のスリップまたは前記スリップ後の前記駆動輪のグリップが検知されると、前記矩形波電圧指令の変化率の制限を緩和する、請求項４に記載の電動車両。
6. 前記変化率制限部は、前記スリップが検知されると、前記矩形波電圧指令の位相を進める側のみの前記制限を緩和し、前記グリップが検知されると、前記矩形波電圧指令の位相を遅らせる側のみの前記制限を緩和する、請求項５に記載の電動車両。
7. 前記変化率制限部は、さらに、前記トルク指令の急変を示すもう１つの所定値よりも前記トルク指令の変化率が大きいとき、前記制限を緩和する、請求項４に記載の電動車両。
8. 電動機の制御方法であって、
   トルク指令に従って電動機を動作させるように位相制御された矩形波電圧指令を生成するステップと、
   前記矩形波電圧指令の変化率を制限するステップと、
   前記電動機の回転速度の急変を示す所定値よりも前記電動機の回転速度の変化率が大きいとき、前記矩形波電圧指令の変化率の制限を緩和するステップとを含む、電動機の制御方法。
9. 前記変化率の制限を緩和するステップは、
   前記電動機の回転速度の変化が増速方向のとき、前記矩形波電圧指令の位相を進める側のみの前記制限を緩和するステップと、
   前記電動機の回転速度の変化が減速方向のとき、前記矩形波電圧指令の位相を遅らせる側のみの前記制限を緩和するステップとを含む、請求項８に記載の電動機の制御方法。
10. 前記変化率の制限を緩和するステップは、前記トルク指令の急変を示すもう１つの所定値よりも前記トルク指令の変化率が大きいとき、前記制限を緩和するステップを含む、請求項８に記載の電動機の制御方法。

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