| 【発明の名称】 |
小型電動車両のモータ駆動制御方法および装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】松井 太憲
【氏名】斉藤 幹夫
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| 【要約】 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車両に搭載したバッテリを電源とし、モータの駆動力をトルク指令値に基づいて制御しながら走行する小型電動車両のモータ駆動制御方法において、バッテリ電流がバッテリ保護のためのバッテリ電流制限値に達するとモータ電流を滑らかに減少させることによりモータ駆動力の脈動発生を防ぐことを特徴とする小型電動車両のモータ駆動制御方法。
【請求項２】 バッテリ平均電流ＩBmを求め、バッテリ電流（ｉB）がバッテリ電流制限値（ＩBMAX）に達すると、(a) モータ電流指令値（上限値）ＩH*(ｎ)を次式により求める；
ＩH*(ｎ)＝（ＩBMAX／ＩBm）・Ｉ*(ｎ−１)（但しＩ*(ｎ−１)は前回のモータ電流指令値）
(b) モータ電流指令値（上限値）ＩH*(ｎ)の補正値Ｉa(ｎ)を次式により求める；
Ｉa(ｎ)＝Ｉ*(ｎ−１)±（ＩH*(ｎ)−Ｉ*(ｎ−１)）・Ｂ（但しＢは定数）
(c) ＩH*(ｎ)とＩa(ｎ)との小さい方［ＩH*(ｎ)，Ｉa(ｎ)］ｍｉｎを求める；
(d) ［ＩH*(ｎ)，Ｉa(ｎ)］ｍｉｎを新しいモータ電流指令値Ｉ*(ｎ)とする；
(e) モータ電流の現在地ｉｍをこのモータ電流指令値Ｉ*(ｎ)に一致させるように制御する；
(f) (ｎ)を(ｎ＋１)として以上(a)〜(e)の動作を所定の周期で繰り返す：以上の処理を行う請求項１の小型電動車両のモータ駆動制御方法。
【請求項３】 バッテリ電流（瞬時値）ｉBを求め、バッテリ電流ｉBがバッテリ電流制限値ｉBMAXに達すると、(A) 次式によりモータ電流指令値ｉ*(Ｎ)を求める；
ｉ*(Ｎ)＝ｉ*(Ｎ−１)×Ａ（但しｉ*(Ｎ−１)は前回のモータ電流指令値、Ａは定数）
(B) モータ電流ｉMをこの指令値ｉ*(Ｎ)にするように制御する；
(C) ＮをＮ＋１にして(A)〜(B)の動作を繰り返す；
以上の処理を前記請求項２の処理サイクルよりも高速のサイクルで行う請求項２の小型電動車両のモータ駆動制御方法。
【請求項４】 車両に搭載したバッテリを電源としモータの駆動力をトルク指令値に基づいて制御しながら走行する小型電動車両のモータ駆動制御装置において、モータ電流検出手段と、バッテリ電流制限値を求めるバッテリ電流制限値演算部と、モータ電流がバッテリ電流制限値に達するとモータ電流を滑らかに減少させながら前記バッテリ電流制限値以下にするモータ電流指令値補正部とを備えることを特徴とする小型電動車両のモータ駆動制御装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、車両に搭載した電池を電源とする小型電動車両に適用するモータ駆動制御方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電動補助機能付自転車等に使用される電池を、ある限界以上まで放電させると、電池が早期に劣化して寿命が短くなることが知られている。このため上記のような電動車両においては電池から出力される電流量の制限値を設定して、過放電とならないよう電池の保護を行っている。
【０００３】その保護方法として、電池から出力される電流（以下、「電池電流」と称する）が所定の閾値まで低下したら電池電流を制限することも考えられる。しかし、上記電動補助機能付自転車等の小型電動車両には、運転者の操作力（例えば踏力）に比例した補助トルクをモータから供給するように構成しており、このような小型電動車両では、電池の放電電流が時々刻々と変化するため、電池電圧もその内部抵抗による電圧降下のために変化する。
【０００４】従って電池電流の制限を行うための電池電圧の閾値を一定にしておくと、電池から大きな電流が流れた際に電池残量があるにもかかわらず電池電圧が閾値を割ってしまう。そこで電池電流に対応して最適な電池電圧の閾値を連続的に設定して、深放電を防止して電池の寿命を維持するように制御することが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このように電池電流量に制限値を設定することで深放電は防止されるが、次のような新たな問題が生ずる。一般にコントローラは一定の制御周期で電池電流を検出してその値が前記制限値を越えたらモータ電流指令値を制限するようにしている。
【０００６】ところが上述のような小型電動車両の運転を電池電流量の制限値付近で行った場合、通常の制御周期で上記の制御を行うと、電池電流の時定数は一般的に非常に小さいため、モータ電流が制限値を越えたと判断して電流制限を行ってから、次の制御周期までに電池電流は一気に下がってしまい、電池電流は制限値以下となるので、コントローラはまた目標のモータ電流指令値となるようにモータを通電制御する。このように電池電流の制限値付近では、このような制御を繰り返すので電池電流は制限値を中心に増減を繰り返すこととなる。
【０００７】この電池電流の増減が駆動力の変動として現れ、車体と共振した場合運転者に不快な振動を与えることとなる。この振動を解決するための方法としては、前記コントローラの制御周期を、電池電流の時定数よりも速い周期とすることにより電池電流の増減の幅を小さくすることが考えられるが、高速処理が可能なＭＰＵが必要となり、コスト面から実質的に不可能である。
【０００８】この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、小型電動車両の走行を制御するモータ駆動制御装置に演算処理速度の速いＭＰＵを使用する必要をなくして、コントローラのコストを上げることなく電池を保護すると共に、電池電流の制限値付近での電池電流の変動およびモータの出力の変動を抑えることが可能なモータ駆動制御方法を提供することを第１の目的とする。またこの方法の実施に直接使用するモータ駆動制御装置を提供することを第２の目的とする。
【０００９】
【発明の構成】この発明によれば第１の目的は、車両に搭載したバッテリを電源とし、モータの駆動力をトルク指令値に基づいて制御しながら走行する小型電動車両のモータ駆動制御方法において、バッテリ電流がバッテリ保護のためのバッテリ電流制限値に達するとモータ電流を滑らかに減少させることによりモータ駆動力の脈動発生を防ぐことを特徴とする小型電動車両のモータ駆動制御方法、により達成される。
【００１０】この場合演算速度が異なる２種の制御を組合せることが可能である。すなわち長いサイクル時間（例えば５ｍｓｅｃ）ごとにモータ電流指令値Ｉa(ｎ)を演算しながらモータ制御（低速演算制御）する一方、この低速での演算制御の間ではこれよりも短いサイクル時間（例えば６２．５μｓｅｃ）ごとにモータ電流指令値ｉa(Ｎ)を演算しながらモータ制御（高速演算制御）するものである。
【００１１】低速演算制御は、次のように行うことができる。すなわち、バッテリ平均電流ＩBmを求め、バッテリ電流（ｉB）がバッテリ電流制限値に達すると、(a) モータ電流指令値（上限値）ＩH*(ｎ)を次式により求める；
ＩH*(ｎ)＝（ＩBMAX／ＩBm）・Ｉ*(ｎ−１)（但しＩ*(ｎ−１)は前回のモータ電流指令値）
(b) 次式によりモータ電流指令値（上限値）ＩH*(ｎ)の補正値Ｉa(ｎ)を次式により求める；
Ｉa(ｎ)＝Ｉ*(ｎ−１)±（ＩH*(ｎ)−Ｉ*(ｎ−１)）・Ｂ（但しＢは定数）
(c) ＩH*(ｎ)とＩa(ｎ)との小さい方［ＩH*(ｎ)，Ｉa(ｎ)］minを求める；
(d) ［ＩH*(ｎ)，Ｉa(ｎ)］minを新しいモータ電流指令値Ｉ*(ｎ)とする；
(e) モータ電流の現在地ｉｍをこのモータ電流指令値Ｉ*(ｎ)に一致させるように制御する；
(f) (ｎ)を(ｎ＋１)として以上(a)〜(e)の動作を所定の周期で繰り返す：以上の処理を行う請求項１の小型電動車両のモータ駆動制御方法である。
【００１２】高速演算制御は次のように行うことができる。すなわち、バッテリ電流（瞬時値）ｉBを求め、バッテリ電流ｉBがバッテリ電流制限値（瞬時値）ｉBMAXに達すると、(A) 次式によりモータ電流指令値ｉ*(Ｎ)を求める；
ｉ*(Ｎ)＝ｉ*(Ｎ−１)×Ａ（但しｉ*(Ｎ−１)は前回のモータ電流指令値、Ａは定数）
(B) モータ電流ｉMをこの指令値ｉ*(Ｎ)にするように制御する；
(C) ＮをＮ＋１にして(A)〜(B)の動作を繰り返す；
以上の処理を前記請求項２の処理サイクルよりも高速のサイクルで行う請求項２の小型電動車両のモータ駆動制御方法である。
【００１３】第２の目的は、車両に搭載したバッテリを電源としモータの駆動力をトルク指令値に基づいて制御しながら走行する小型電動車両のモータ駆動制御装置において、モータ電流検出手段と、バッテリ電流制限値を求めるバッテリ電流制限値演算部と、モータ電流がバッテリ電流制限値に達するとモータ電流を滑らかに減少させながら前記バッテリ電流制限値以下にするモータ電流指令値補正部とを備えることを特徴とする小型電動車両のモータ駆動制御装置、により達成される。
【００１４】
【実施態様】図１は本発明を電動補助自転車に適用した場合の動力伝達系統を示す図、図２はモータの制御装置の説明図、図３はインバータの構成を説明する図、図４は制御装置の構成を説明するブロック図、図５は低速演算処理の動作流れ図、図６は高速演算処理の動作流れ図、図７は従来装置と本発明による装置における各部の電流波形を比較して示す図である。
【００１５】図１において、運転者の踏力は、ペダル（図示せず）により駆動されるクランク軸１と一方向クラッチ２とを介して合力軸３に伝えられる。また３相直流無整流子モータ４の出力は、減速部５および一方向クラッチ６を介して合力軸３に伝えられる。合力軸３の回転はフリーホイールクラッチ７を介して駆動輪である後輪８に伝えられる。
【００１６】人力駆動系はクランク軸１から後輪８に至る伝動系であり、電動駆動系はモータ４から後輪８に至る伝動系である。人力駆動系の駆動力すなわち踏力ＴPは一方向クラッチ２と合力軸３の間から踏力センサ９により検出される。
【００１７】１０はモータ４の制御装置である。この制御装置１０は踏力センサ９が検出する踏力ＴPと、車速センサ１１が検出する車速ＶSPとに基づいてモータ４の出力トルクＴMすなわちモータ電流を制御する。１２は電池などの直流電源である。ここに車速センサ１１は、後輪８や前輪（図示せず）や駆動系の回転部分などの回転速度を検出するセンサ（図示せず）で形成することができる。また車速センサ１１は、モータ４の電機子コイルに誘起される逆起電圧により回転速度を検出する回路で構成したり、後記する推定部１７で検出する回転速度ｖと減速比とを用いて計算により求めるもので構成することもできる。
【００１８】この制御装置１０は図２，４に示すようにインバータ部１３とゲート駆動部１４と演算処理部１５とを有する。インバータ部１３は図３に示すように公知の３相ブリッジ回路で構成される。すなわちＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラトランジスタなどのスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ6を２個ずつ直列接続した各組を電源１２に並列接続する一方、各組のスイッチング素子Ｑ1とＱ2、Ｑ3とＱ4、Ｑ5とＱ6の間をモータ４の各相の電機子コイルに接続したものである。ゲート駆動部１４はスイッチング素子Ｑ1〜Ｑ6を選択的にオン・オフするためのゲート信号を各スイッチング素子Ｑ1〜Ｑ6のゲートに送る。
【００１９】演算処理部１５は図４に示すように構成され、マイクロコンピュータ（MicroProcessor Unit ,MPU）や種々のメモリなどによって構成される。この実施態様では、モータ４の回転子（ロータ）Ｒの回転角θと回転速度ｖとに基づいて、電機子（ステータ）ＳＴに供給する電機子電流ｉU、ｉV、ｉWの大きさと位相とを示す電流指令値ｉ*を計算で求める。すなわちベクトル制御を行うものである。
【００２０】回転子Ｒの回転角θと速度ｖは、電機子ＳＴの３つの相についてそれぞれ設けた回転位置検出器としてのホールＩＣ１６（１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗ）が出力する位置信号Ｐ（ＰU、ＰV、ＰW）に基づいて、推定部１７で推定する。すなわちホールＩＣ１６は電気角で６０°ごとに設けられ、回転子Ｒが６０°回転する度にいずれかの位置信号Ｐがオン・オフ変化する。
【００２１】推定部１７では、この位置信号Ｐの変化から回転子Ｒが電気角６０°回ったことを検出し、位置信号Ｐが変化せずに一定に保たれる時間間隔から回転速度ｖを検出する。またこの回転速度ｖを用いて位置信号Ｐが変化しない時間間隔内における回転角θを演算により求める。この結果回転子Ｒの回転中における回転角θを高い分解能で求めることができる。
【００２２】この推定部１７で求めた回転角θと回転速度ｖの推定値は電流計算部１８に入力される。この電流計算部１８は目標トルク演算部１９で求めたトルク目標値ＴMと、回転角θおよび回転速度ｖとに基づいて、電流指令値ｉ*の大きさと位相とを計算する。
【００２３】目標トルク演算部１９は、車速ＶSPと踏力ＴPとに基づいて目標とするモータトルクＴMを求める。例えば高速域で車速ＶSPの増加に伴ってモータ補助率η（＝ＴM／ＴP）が漸減する補助特性に従って、モータトルクＴMの目標値をＴM＝ＴP・ηとして求める。このモータ４ではトルクＴMは実際の電機子電流ｉR（ｉU、ｉV、ｉW）に対応する。電流計算部１８はこの目標トルク値ＴMを発生させるために必要となる電機子電流ｉRの大きさと位相とをベクトル計算により求め、電流指令値ｉ*として出力する。
【００２４】なおこの電流指令値ｉ*は、実際にはＵ、Ｖ、Ｗの各相に対して別々に出力される。すなわち電流計算部１８は、メモリ２０に記憶した正弦波パターンデータを用いて各相の互いに電気角で１２０°位相がずれた電流指令値ｉ*（ｉ*U、ｉ*V、ｉ*W）を出力する。各相の電流指令値ｉ*は目標トルク値ＴMの大きさによって振幅が変化する正弦波であり、その振幅と位相は回転角θと回転速度ｖと回転部の慣性などに基づいて演算されたものである。
【００２５】この発明では、この電流指令値ｉ*が補正部２１においてバッテリ電流制限値ＩBMAX、ｉBMAXに基づいて補正される。すなわちバッテリ電流がバッテリ電流制限値ＩBMAX、ｉBMAXに到達するとモータ電流ｉRを滑らかに減少させることにより、モータ電流ｉRの断続に伴うモータ駆動力の脈動発生を防ぐものである。この補正部２１では、例えば５ｍｓｅｃの周期で演算する低速処理と、この低速処理の処理期間内で行う例えば６２．５μｓｅｃの周期で演算する高速処理とを同時並行的に行う。なおｉBMAXは高速処理を行う場合のバッテリ電流制限値である。
【００２６】低速処理は例えば図５に示すように行う。まずホールＣＴでモータ電流ｉR（ステータコイル電流）を検出する（図５のステップＳ１００）。このモータ電流ｉRはモータ電流の瞬時値ｉMに等しい。このモータ電流の瞬時値ｉMからバッテリ電流の瞬時値ｉBを求め、一定期間の平均値（バッテリ平均電流）ＩBmを計算する（ステップＳ１０２）。
【００２７】バッテリ１２にはバッテリの充放電状態を監視してその状態に応じた管理や制御を行い、充放電履歴などを記憶するメモリを搭載したコントローラが組込まれ、バッテリパックとして取扱われる。前記演算処理部１５はバッテリ電流制限値演算部２２を持ち、ここではバッテリパックから読出したバッテリ１２の充放電状態（残存エネルギー）や履歴、電圧、温度などに基づいて、バッテリ電流制限値ＩBMAXを計算する（ステップＳ１０４）。
【００２８】なお本実施態様では、バッテリ平均電流ＩBMやバッテリ電流制限値ＩBMAXの計算は、モータを制御する制御装置１１内の演算部１５にて行っている。しかし前記バッテリパック内のコントローラでこの計算を行って、バッテリ平均電流ＩBMとバッテリ電流制限値ＩBMAXとをデータとして前記演算部１５に伝送するようにしてもよい。
【００２９】補正部２１はＩBmとＩBMAXとを比較し（ステップＳ１０６）、ＩBm≧ＩBMAX、ならこのバッテリ電流制限値ＩBMAXと、前回の演算処理で求めたモータ電流指令値（上限値）Ｉ*（ｎ−１）とを用いて、次式から今回のモータ電流指令値ＩL*（ｎ）を求める（ステップＳ１０８）。
【００３０】
【数１】
ＩH*（ｎ）＝（ＩBMAX／ＩBm）・Ｉ*（ｎ−１） ・・・（１）
【００３１】補正部２１は次にこのモータ電流指令値ＩH*（ｎ）の補正値Ｉa（ｎ）を次式に基づいて求める。
【００３２】
【数２】
Ｉa（ｎ）＝Ｉ*（ｎ−１）±［ＩH*（ｎ）−Ｉ*（ｎ−１）］・Ｂ ・・・（２）
【００３３】この式（２）においてＢは定数であり、例えば０．９とする（ステップＳ１１０）。
【００３４】次にＩL*（ｎ）とＩa（ｎ）とを比較して、小さい方［ＩH*（ｎ）、Ｉa（ｎ）］minを求める（ステップＳ１１２）。ＩH*（ｎ）、Ｉa（ｎ）］minを新しいモータ電流指令値Ｉ*（ｎ）とする（ステップＳ１１４）。補正部２１は、電流計算部１８で求めた電流指令値ｉ*に代えてこのモータ電流指令値Ｉ*（ｎ）を新しい電流指令値として減算器２３に出力する（ステップＳ１１６）。またステップＳ１０６で、ＩBm＜ＩBMAX、なら通常の制御を行う。すなわち電流制御部１８が求めた指令値ｉ*を用いる（ステップＳ１１８）。以上の動作Ｓ１００〜１１８を一定の周期（５ｍｓｅｃ）で繰り返す（ステップＳ１２０）。
【００３５】次に高速処理につき図６を用いて説明する。この高速処理は前記したように図５に示した低速処理（５ｍｓｅｃ）の演算期間内で繰り返し行うものであり、例えば６２．５μｓｅｃの周期で繰り返される。この場合６２．５μｓｅｃ×８０＝５ｍｓｅｃであるから、低速処理の間にこの高速処理は８０回繰り返され、電流指令値ｉ*（Ｎ）が求められる。まず補正部２１ではモータ電流の瞬時値ｉM（＝ｉR）を求め、バッテリ電流（瞬時値）ｉBを求める（ステップＳ１５０）。またバッテリ電流制限値演算部２２は、バッテリ電流制限値（瞬時値）ｉBMAXを計算する（ステップＳ１５２）。
【００３６】そしてｉBとｉBMAXとを比較し（ステップＳ１５４）、ｉB≧ｉBMAX、なら前回の演算で求めたモータ電流指令値ｉ*（Ｎ−１）×Ａを今回のモータ電流指令値ｉ*（Ｎ）とする。ここにＡは定数であり、例えば０．９とする（ステップＳ１５６）。補正部２１はこのようにして求めた指令値ｉ*（Ｎ）を新しいモータ電流指令値ｉ*Mとして制御を行う（ステップＳ１５８）。また前記ステップＳ１５４で、ｉB＜ｉBMAX、なら通常の制御に戻る。すなわち電流計算部１８が求めた指令値ｉ*を用いてモータを制御する（ステップＳ１６０）。
【００３７】以上のようにして求めた電流指令値Ｉ*（ｎ）、Ｉ*（Ｎ）あるいはｉ*（以下これらを単にｉ*として説明する）は減算器２３で、電機子ＳＴの実際の電流値ｉRとの差（ｉ*−ｉR）が各相ごとに別々に求められる。この電流値ｉRは、電機子ＳＴのＵＶ相巻線の電流（ｉU、ｉV）をホールＣＴ（Current Transformer、変流器）（ＣＴU、ＣＴV）などで検出し、Ｗ相の電流を計算で求めることができる。この差（ｉ*−ｉR）は電機子電流誤差信号となり、電流制御部２４に入力される。電流制御部２４ではインバータ１３のゲートを駆動するゲート駆動信号が作られ、ゲート駆動部１４に送られる。この結果モータ４が目標トルク値ＴMを発生し、このモータ出力ＴMと踏力ＴPとによって自転車は走行することができる。
【００３８】ここに電流指令値ｉ*は、バッテリ電流ＩB、ｉBが電流制限値ＩBMAX、ｉBMAXに到達すると補正部２１によって新しい指令値Ｉ*（ｎ）、ｉ*（Ｎ）に変えられる。このため指令値ｉ*は滑らかに変化し、モータ電流ｉRは激しく変化せずモータ駆動力の脈動が防止される。図８の（Ｂ）は、この時のバッテリ電流ＩB、ｉBと、モータ電流指令値Ｉ*（ｎ）、ｉ*（Ｎ）と、トルク指令値ＴPの変化の様子を示す。なお図８（Ａ）は比較のために従来方式による場合を示すものである。このように本発明によれば、モータ電流指令値は従来方式に比べて滑らかに変化するから、所期の目的が達成されるものである。
【００３９】
【発明の効果】本発明は以上のように、バッテリ電流がバッテリ電流制限値に達するとモータ電流を滑らかに減少させるから、モータ駆動力の脈動を防ぐことができる。このためこのモータを車両に適用した場合には乗り心地を向上させることができる。
【００４０】従って処理速度が速いＭＰＵを使用する必要がなくなり、コントローラのコストを上げることなく、電池を保護することができる。請求項４の発明によれば請求項１の方法の実施に直接使用する装置が得られる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００１００７６
【氏名又は名称】ヤマハ発動機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１０月２１日（１９９９．１０．２１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８２２２３
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 文雄 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１１９８０３（Ｐ２００１−１１９８０３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年４月２７日（２００１．４．２７） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２９９２７９ |
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