JP5515787B2 - 回転電機制御システム - Google Patents

Description

本発明は、回転電機制御システムに係り、特に、ＰＷＭ制御モードと矩形波制御モードを滑らかに切り替える回転電機制御システムに関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車及び燃料電池車等は、回転電機の駆動力によって車両を走行させている。走行に用いられる回転電機としては、一般的に三相交流モータが採用され、回転電機制御システムでは、主バッテリからの直流電力をインバータに供給させ、インバータにより直流電力を交流電力に変換して三相交流モータを制御している。

回転電機制御システムにおける回転電機の制御方法には、一般的な正弦波ＰＷＭ制御モードに加えて、ＰＷＭデューティ比を最大値に固定した矩形波制御モードならびに、正弦波ＰＷＭ制御モードと矩形波制御モードとの中間的な電圧波形を利用する過変調ＰＷＭ制御モードを用いたものがある。この回転電機の制御方法は、正弦波ＰＷＭ制御モード、過変調ＰＷＭ制御モード及び矩形波制御モードの３モードを、例えば、回転電機の回転数、トルク等の運転条件に応じて切り替えて制御を行うことで、回転電機の中回転領域及び高回転領域で大きな出力を得るものである。

本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１には、電動機械と、電動機械トルクの目標値を表す電動機械目標トルク及び電動機械回転速度に基づいて指令値を算出する指令値算出処理手段と、上記指令値に基づいてそれぞれ駆動信号を発生させる複数の信号発生処理手段とを備える構成が開示されている。さらに、電圧飽和の発生しやすさを表す電圧飽和変量を算出する電圧飽和変量算出処理手段と、上記電圧飽和変量に基づいて制御を非同期ＰＷＭ制御と同期ＰＷＭ制御とで切り替えるための切替条件が成立したかどうかを判断する制御切替判定処理手段と、該制御切替判定処理手段による判断結果に基づいて上記駆動信号を選択して出力し、制御を非同期ＰＷＭ制御と同期ＰＷＭ制御とで切り替える制御切替処理手段とを有する構成が開示されている。

また、本発明に関連する別の技術として、例えば、特許文献２には、直流電圧を、交流モータを駆動するための交流電圧に変換するインバータと、上記インバータへ入力される上記直流電圧を電圧指令値に従って可変制御するコンバータと、上記交流モータがトルク指令値に従ったトルクを出力するように、上記交流モータの運転状態に関連し、かつ、少なくとも上記トルク指令値を含む複数の変数に応じて、上記インバータから上記交流モータへ印加される矩形波電圧の位相を設定するように構成された第１のモータ制御部とを備える構成が開示されている。

さらに、特許文献２には、上記第１のモータ制御部は、上記複数の変数のうちの上記トルク指令値を除く一部の変数について正規化した特性に基づいて、上記複数の変数から上記一部の変数を除いた残りの変数の値に対応して上記位相の基準値を設定するように構成された正規化値設定部とを備える構成が開示されている。そして、上記正規化値設定部により設定された上記基準値を、上記一部の変数の値に基づいて補正することによって、上記位相の指令値を設定するように構成された補正処理部とを含む構成が開示されている。

特開２００５−０７３３０７号公報 特開２００９−２０１２５０号公報

ところで、正弦波ＰＷＭ制御モード、過変調ＰＷＭ制御モード、矩形波制御モードの３モードを切り替えて回転電機を制御する場合において、正弦波ＰＷＭ制御モードと過変調ＰＷＭ制御モードとを併せたＰＷＭ制御モードのための演算と、矩形波制御モードのための演算とを常時演算し、制御モードのモード切替を滑らかに行うことができる。しかし、回転電機の運転条件によっては、ＰＷＭ制御モードのための演算と矩形波制御モードのための演算の合計２つの演算を常時行う必要がない場合もあり、このような場合にも２つの演算を行うとＣＰＵ等の制御部にとって不要な処理負荷となり、余分な放熱等が発生することもある。

本発明の目的は、回転電機制御システムの制御部において、余分な演算処理による負荷を軽減しつつ滑らかに制御モードの切り替えを行うことである。

本発明に係る回転電機制御システムは、低回転数領域で用いられるＰＷＭ制御モードと、前記低回転数領域よりも回転数の高い高回転数領域で用いられる矩形波制御モードのモード切替を滑らかに行いながら回転電機を制御する回転電機制御システムにおいて、前記回転電機の回転数が、前記低回転数領域と前記高回転数領域との間の境界よりも高い回転数に設定された回転数閾値以上のときは、前記矩形波制御モードのための演算を行い、前記ＰＷＭ制御モードのための演算は停止し、前記回転電機の回転数が前記回転数閾値未満のときは、前記ＰＷＭ制御モード及び前記矩形波制御モードのそれぞれの制御モードのための演算を行う制御部を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、制御部は、回転電機のトルクに基づいて、所定の回転数閾値を算出する算出手段を有することが好ましい。

また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、制御部は、回転電機のトルクと、回転電機を駆動するインバータの両端電圧であるシステム電圧に基づいて、所定の回転数閾値を算出する算出手段を有することが好ましい。

上記構成の回転電機制御システムによれば、回転電機の回転数が所定の回転数閾値よりも大きいときは、矩形波制御モードによる制御が行われると断定して、ＰＷＭ制御モードのための演算を停止することができる。これにより、矩形波制御モードによる制御が行われると断定できる回転数領域では、制御部において余分な演算処理による負荷を軽減でき、矩形波制御モードによる制御が行われると断定できない回転数領域では、両制御モードのための演算を行うことで滑らかな制御モードの切り替えを行うことができる。

本発明の実施の形態において、回転電機制御システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態において、回転電機制御システムの制御部に記録されている制御マップを示す図である。 本発明の実施の形態において、各制御モードのための演算を効率よく実行させるための手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の第１変形例において、各制御モードのための演算を効率よく実行させるための手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の第２変形例において、各制御モードのための演算を効率よく実行させるための手順を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、回転電機制御システム１０の構成を示す図である。回転電機制御システム１０は、バッテリ１１と、システムメインリレー（ＳＲ１，ＳＲ２）と、バッテリ１１の電圧を昇圧するコンバータ１５と、平滑コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）と、インバータ１６と、三相交流で作動する回転電機１７と、これらを制御する制御部２１と、制御部２１に接続された電圧センサ２２，２４と電流センサ２３とレゾルバ２５と、を有している。

コンバータ１５は、リアクトルＬ１と、電力用半導体スイッチング素子（スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２）と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを備えている。電力用半導体スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、電力用ＭＯＳトランジスタ又は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。

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１２との間に接続される。また、平滑コンデンサＣ１は、バッテリ１１からのバッテリ電圧が供給されている電力線１２およびアース線１３の間に接続される。そして、平滑コンデンサＣ２は、高電圧の電力線１４およびアース線１３との間に接続されている。

コンバータ１５に接続されたインバータ１６は、電力線１４およびアース線１３の間に設けられ、Ｕ相アーム１８と、Ｖ相アーム１９と、Ｗ相アーム２０と、を有し、制御部２１によりスイッチング制御されている。

回転電機１７は、三相交流モータであり、インバータ１６に接続されたＵ，Ｖ，Ｗ相の三つのコイルの一端が中点において共通接続されている。

コンバータ１５は、昇圧動作時において、バッテリ１１から供給されたバッテリ電圧を昇圧して高電圧化し、システム電圧としてインバータ１６へ供給する。また、降圧動作時には、コンバータ１５は、平滑コンデンサＣ２を介してインバータ１６から供給されたシステム電圧を降圧してバッテリ１１を充電することができる。なお、システム電圧は、コンバータ１５の昇圧比によって連続的に可変させることができる。

制御部２１には、外部の電子制御ユニット（ＥＣＵ）から入力されたトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍ、電圧センサ２２で検出されたバッテリ電圧ＶＢ、電流センサ２３で検出された電流値ＩＢ、電圧センサ２４で検出されたシステム電圧ＶＨ、Ｖ相アームの電流値ｉｖ、Ｗ相アームの電流値ｉｗ、レゾルバ２５からの回転角θ等が入力されている。制御部２１はこれらの入力信号に基づいて、回転電機１７の回転数と回転電機１７の出力トルクを演算により求める。そして、回転電機１７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１５とインバータ１６とを制御する。

図２は、回転電機制御システム１０の制御部２１に記録されている制御マップを示す図である。制御部２１は上述した入力信号と制御マップ等により、正弦波ＰＷＭ制御モードと、過変調ＰＷＭ制御モードと、矩形波制御モードと、の三つの制御モードを切り替えて、コンバータ１５とインバータ１６を制御する。ここで、正弦波ＰＷＭ制御モードと過変調ＰＷＭ制御モードとを併せて単にＰＷＭ制御モードと呼ぶ。

交流モータである回転電機１７は、回転数や出力トルクが増加すると誘起電圧が高くなり、これにより誘起電圧に打ち勝ってモータを回転させるモータ必要電圧も高くなる。そこで、コンバータ１５によって供給されるシステム電圧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には限界値があり、最大のシステム電圧ＶＨをＶＨ最大電圧という。

従って、図２の左半分に示す低回転数領域（領域ａ（正弦波ＰＷＭ制御モード領域）と領域ｂ（過変調ＰＷＭ制御モード領域）とを併せた領域で示されるＰＷＭ制御モード領域）において、モータ必要電圧がＶＨ最大電圧より低い領域では、正弦波ＰＷＭ制御モード又は過変調ＰＷＭ制御モードによる最大トルク制御が適用され、ベクトル制御に基づいてモータ電流制御により出力トルクが制御される。

また、図２の右半分に示す高回転数領域（領域ｃで示される矩形波制御モード領域）において、モータ必要電圧がＶＨ最大電圧に達すると、システム電圧ＶＨを維持した上で弱め界磁制御に基づいて矩形波制御モードが適用される。矩形波制御モードでは、基本波成分の振幅が固定されるため、電力演算によって求められる出力トルク（実績値）とトルク指令値との偏差に応じて出力トルクが制御される。

上述した三つの制御モードによる特性として、システム電圧ＶＨに対するモータ必要電圧（誘起電圧）の比である変調率によって表すことができる。正弦波ＰＷＭ制御モードは、各相アームにおけるスイッチング素子のオン・オフを正弦波状の電圧指令値と搬送波との電圧比較により制御する。これにより、所定の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比が制御される。このような制御により正弦波ＰＷＭ制御モードでは、例えば、基本波成分振幅をシステム電圧ＶＨの０．６１倍（変調率）まで高めることができる。

過変調ＰＷＭ制御モードは、搬送波の振幅を縮小させて上記正弦波ＰＷＭ制御モードと同様のＰＷＭ制御を行うものである。この制御により、基本波成分が歪むことで、例えば、変調率を０．６１〜０．７８の範囲まで高めることができる。

一方、矩形波制御モードでは、所定の期間内でスイッチ素子のオン・オフの比が一対一の矩形波１パルス分を交流モータに印可する。これにより、例えば、変調率を０．７８まで高めることができる。

ここで、制御部２１の特徴的な機能について説明する。制御部２１は、回転数閾値設定処理部２１２と、制御モード処理部２１４とを含んで構成される。

回転数閾値設定処理部２１２は、予めシミュレーションや実験等によって求められた回転数閾値（当該回転数閾値よりも大きい回転数では、制御モードが矩形波制御モードと断定できる閾値）を回転数閾値として設定する機能を有する。例えば、図２において、回転電機１７の回転数が回転数閾値（回転数ｒ）よりも大きければ矩形波制御モードと断定することができるため、回転数ｒを回転数閾値として設定する。

制御モード処理部２１４は、回転電機１７の回転数が回転数閾値設定処理部２１２によって設定された回転数閾値よりも大きいか否かを判断する機能を有する。また、制御モード処理部２１４は、回転電機１７の回転数が回転数閾値よりも小さいときは、正弦波ＰＷＭ制御モードと過変調ＰＷＭ制御モードとを併せたＰＷＭ制御モードのための演算及び矩形波制御モードのための演算を行う。そして、制御モード処理部２１４は、回転電機１７の回転数が回転数閾値よりも大きいときは、ＰＷＭ制御モードのための演算を停止して、矩形波制御モードのための演算のみを行う。

ここで、ＰＷＭ制御モードのための演算とは、正弦波ＰＷＭ制御モードあるいは過変調ＰＷＭ制御モードによって、コンバータ１５とインバータ１６の制御を行うためのスイッチングパターンを演算による求めることをいう。また、矩形波制御モードのための演算とは、矩形波制御モードによって、コンバータ１５とインバータ１６の制御を行うためのスイッチングパターンを演算による求めることをいう。

続いて、上記構成の回転電機制御システム１０の動作について図１〜図３を用いて説明する。図３は、制御部２１において、各制御モードのための演算を効率よく実行させるための手順を示すフローチャートである。制御部２１において、演算効率化プログラムが起動されると、まず、ＰＷＭ制御モードのための演算について停止可能か否かを判断するための回転数閾値を設定する（Ｓ１０）。この工程は、制御部２１の回転数閾値設定処理部２１２の機能によって実行される。

次に、回転電機１７の回転数が回転数閾値よりも大きいか否かを判断する（Ｓ１２）。この工程は、制御部２１の制御モード処理部２１４の機能によって実行される。Ｓ１２において、回転電機１７の回転数が回転数閾値よりも大きいと判断すれば、ＰＷＭ制御モードのための演算を停止し、矩形波制御モードのための演算のみを実行する（Ｓ１４）。この工程は、制御部２１の制御モード処理部２１４の機能によって実行される。Ｓ１４の後はリターン処理へと進む。

Ｓ１２において、回転電機１７の回転数が回転数閾値よりも小さいと判断すれば、ＰＷＭ制御モードおよび矩形波制御モードのための演算を実行する（Ｓ１６）。この工程は、制御部２１の制御モード処理部２１４の機能によって実行される。Ｓ１６の後はリターン処理へと進む。このように、回転電機１７の回転数が回転数閾値よりも大きい領域であれば、ＰＷＭ制御モードによって制御する可能性はなく、矩形波制御モードによる制御を行うことと断定できるため、ＰＷＭ制御モードのための演算を停止する。これにより、矩形波制御モードによる制御を行うことと断定できる回転数領域では、制御部２１において不要な演算処理による負荷を軽減でき、また制御部２１による放熱も軽減することができる。また、矩形波制御モードによる制御を行うことと断定できない回転数領域では、ＰＷＭ制御モードのための演算および矩形波制御モードのための演算の合計２つの演算を常時行うため、滑らかな制御モード切替を行うことができる。

次に、回転電機制御システム１０の第１変形例について説明する。回転電機制御システム１０の第１変形例と回転電機制御システム１０の相違は、回転数閾値設定処理部２１２の機能のみであるため、その点を中心に説明する。

回転数閾値設定処理部２１２は、Ｖ相アームの電流値ｉｖ、Ｗ相アームの電流値ｉｗ、レゾルバ２５からの回転角θ等によって回転電機１７の出力トルクを求め、当該出力トルクと制御マップ（図２参照）とに基づいて回転数閾値を算出し、その算出した回転数閾値を閾値として設定する機能を有する。なお、上記では回転電機１７の出力トルクと制御マップに基づいて回転数閾値を算出するものとして説明したが、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと制御マップに基づいて回転数閾値を算出するものとしてもよい。

続いて、上記回転電機制御システム１０の第１変形例の動作について図４等を用いて説明する。図４は、回転電機制御システム１０の第１変形例の制御部２１において、各制御モードのための演算を効率よく実行させるための手順を示すフローチャートである。制御部２１において、演算効率化プログラムが起動されると、まず、回転電機１７の出力トルクと制御マップに基づいて回転数閾値を算出する（Ｓ８）。この工程は、制御部２１の回転数閾値設定処理部２１２の機能によって実行される。

次に、Ｓ８の工程で算出された回転数閾値を閾値として設定する（Ｓ１０）。この工程は、制御部２１の回転数閾値設定処理部２１２の機能によって実行される。そして、Ｓ１０の後工程であるＳ１２〜Ｓ１６については、回転電機制御システム１０と同様の処理を行うため詳細な説明は省略する。

このように、回転電機制御システム１０の第１変形例によれば、回転電機１７の出力トルクの状態を考慮して回転数閾値を再設定することが可能であるため、回転電機制御システム１０の運転条件に適した回転数閾値に変更することができる。したがって、回転電機制御システム１０の第１変形例によれば、より好適に、制御部２１において余分な演算処理による負荷を軽減しつつ、滑らかな制御モード切替を行うことができる。

次に、回転電機制御システム１０の第２変形例について説明する。回転電機制御システム１０の第２変形例と回転電機制御システム１０の相違は、回転数閾値設定処理部２１２の機能のみであるため、その点を中心に説明する。

回転数閾値設定処理部２１２は、コンバータ１５の昇圧比によって連続的に可変するシステム電圧ＶＨを電圧センサ２４から取得し、Ｖ相アームの電流値ｉｖ、Ｗ相アームの電流値ｉｗ、レゾルバ２５からの回転角θ等によって回転電機１７の出力トルクを求める。そして、回転数閾値設定処理部２１２は、当該システム電圧ＶＨと、当該回転電機１７の出力トルクと、制御マップに基づいて回転数閾値を算出し、その算出した回転数閾値を閾値として設定する機能を有する。

続いて、上記回転電機制御システム１０の第２変形例の動作について図５等を用いて説明する。図５は、回転電機制御システム１０の第２変形例の制御部２１において、各制御モードのための演算を効率よく実行させるための手順を示すフローチャートである。制御部２１において、演算効率化プログラムが起動されると、まず、システム電圧ＶＨと回転電機１７の出力トルクと制御マップに基づいて回転数閾値を算出する（Ｓ９）。この工程は、制御部２１の回転数閾値設定処理部２１２の機能によって実行される。

次に、Ｓ９の工程で算出された回転数閾値を閾値として設定する（Ｓ１０）。この工程は、制御部２１の回転数閾値設定処理部２１２の機能によって実行される。そして、Ｓ１０の後工程であるＳ１２〜Ｓ１６については、回転電機制御システム１０と同様の処理を行うため詳細な説明は省略する。

このように、回転電機制御システム１０の第２変形例によれば、回転電機１７の出力トルクの状態に加え、さらにシステム電圧ＶＨを考慮して回転数閾値を設定するため、回転電機制御システム１０の運転条件に適した回転数閾値を算出することができる。したがって、回転電機制御システム１０の第２変形例によれば、より好適に、制御部２１において余分な演算処理による負荷を軽減しつつ、滑らかな制御モード切替を行うことができる。

１０ 回転電機制御システム、１１ バッテリ、１２，１４ 電力線、１３ アース線、１５ コンバータ、１６ インバータ、１７ 回転電機、１８ Ｕ相アーム、１９ Ｖ相アーム、２０ Ｗ相アーム、２１ 制御部、２２，２４ 電圧センサ、２３ 電流センサ、２５ レゾルバ、２１２ 回転数閾値設定処理部、２１４ 制御モード処理部。

Claims (3)

1. 低回転数領域で用いられるＰＷＭ制御モードと、前記低回転数領域よりも回転数の高い高回転数領域で用いられる矩形波制御モードのモード切替を滑らかに行いながら回転電機を制御する回転電機制御システムにおいて、
   前記回転電機の回転数が、前記低回転数領域と前記高回転数領域との間の境界よりも高い回転数に設定された回転数閾値以上のときは、前記矩形波制御モードのための演算を行い、前記ＰＷＭ制御モードのための演算は停止し、
   前記回転電機の回転数が前記回転数閾値未満のときは、前記ＰＷＭ制御モード及び前記矩形波制御モードのそれぞれの制御モードのための演算を行う制御部を備えることを特徴とする回転電機制御システム。
2. 請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
   制御部は、
   回転電機のトルクに基づいて、所定の回転数閾値を算出する算出手段を有することを特徴とする回転電機制御システム。
3. 請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
   制御部は、
   回転電機のトルクと、回転電機を駆動するインバータの両端電圧であるシステム電圧に基づいて、所定の回転数閾値を算出する算出手段を有することを特徴とする回転電機制御システム。

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