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JP7238982B2 - 回転電機制御システム - Google Patents

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JP7238982B2
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Description

本発明は、複数のコイルセットを備えた交流の回転電機を制御対象とする回転電機制御システムに関する。
特開2018-130007号公報には、複数のコイルセットとしての複数系統のステータ巻線(180,280)を備えた回転電機(80)を制御する回転電機制御装置(10)が開示されている(背景技術において括弧内の符号は参照する文献のもの。)。この回転電機制御装置(10)は、2系統のステータ巻線(180,280)に位相が30度ずれた相電流が通電されるように制御する(「位相差通電」と称す。)。位相差通電を行うと位相差通電を行わない場合に比べて出力トルクが向上すると共に、高調波のトルクリップルも低減され、騒音や振動も軽減される。
特開2018-130007号公報
但し、当該文献では明示されていないが、このような位相差通電を行う場合、それぞれのコイルセットのステータ巻線が隣接して配置されることになる。従って、隣接するステータ巻線同士の相互インダクタンスが無視できなくなる。そして、この相互インダクタンスにも関連して、隣接するステータ巻線間の線間起電力の影響も大きくなる。特に、インバータのスイッチング周波数が低い場合には、低周波数の電流高調波(例えば5次高調波、7次高調波)と、スイッチング周波数の高調波の双方により、回転電機の鉄損を増加させ、システム効率を低下させる。例えば、インバータのスイッチング周波数を高くすることで、対応することも考えられるが、より高いスイッチング周波数に対応可能なスイッチング素子を用いる必要があり、システムコストを増大させる可能性がある。
上記背景に鑑みて、2つのコイルセットを備えた交流の回転電機を制御対象とするシステムにおいて、システムコストの増大を抑制しつつ、システム効率を向上させることが望まれる。
上記に鑑みた回転電機制御システムは、1つの態様として、N相(Nは自然数)の第1コイルセット及びN相の第2コイルセットが同一のステータコアに配置された交流の回転電機を制御する回転電機制御システムであって、直流電源及び前記第1コイルセットに接続されて直流とN相の交流との間で電力を変換する第1インバータと、前記直流電源及び前記第2コイルセットに接続されて直流とN相の交流との間で電力を変換する第2インバータと、前記第1インバータ及び前記第2インバータのそれぞれを個別に制御するスイッチング制御信号を生成して、前記第1コイルセット及び前記第2コイルセットにそれぞれ異なる位相の電流が流れるように前記第1インバータ及び前記第2インバータを制御するインバータ制御装置と、を備え、前記インバータ制御装置は、前記第2インバータを停止させると共に前記第1インバータをスイッチング制御して、直流とN相の交流との間で電力を変換させる、又は、前記第1インバータ及び前記第2インバータの双方をスイッチング制御して、直流と2N相の交流との間で電力を変換させるものであり、前記第1インバータを構成するスイッチング素子は、オフ状態とオン状態との間での遷移時間が前記第2インバータを構成するスイッチング素子よりも短く、スイッチング損失が小さい。
2つのコイルセットを備えた回転電機の利点の1つは、2つのコイルセットに対応して2つのインバータを備えることで、各インバータの負荷を低減し、より大きい交流電流を流すことを可能として回転電機のトルクを増大させることにある。しかし、要求トルクによっては、1つのインバータで対応可能な交流電流により回転電機に必要なトルクを出力させることも可能である。第2インバータを停止させると共に第1インバータをスイッチング制御した場合、第2コイルセットには第2インバータから電流が供給されないため、第1コイルセットと第2コイルセットとの相互インダクタンスに起因する鉄損も抑制される。一方、例えば要求トルクが高く、2つのインバータで対応すべき交流電流が必要な場合には、2N相の交流電流を回転電機に流すことができるので、N相の交流電流を回転電機に流す場合に比べて出力トルクを高くすることができる。即ち、本構成によれば、必要に応じて、1つのインバータを用いる制御と、2つのインバータを用いる制御とで、制御形態を切り替えることが可能である。この場合、単独で動作する第1インバータは常に動作することになるが、第2インバータは停止する場合がある。より稼働率の高い第1インバータを構成するスイッチング素子が、第2インバータを構成するスイッチング素子に比べてスイッチング損失が小さい素子であると、システム全体の損失を低減させることができる。一般的に、そのようにスイッチング損失が小さいスイッチング素子は高価であるから、2つのインバータの内の一方である第1インバータのみに用いることで、システム全体のコストの増加を抑制することができる。即ち、本構成によれば、2つのコイルセットを備えた交流の回転電機を制御対象とするシステムにおいて、システムコストの増大を抑制しつつ、システム効率を向上させることができる。
回転電機制御システムのさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する実施形態についての以下の記載から明確となる。
回転電機制御システムの一例を示すブロック図 第1コイルセット及び第2コイルセットの配置例を示す図 電流-トルク特性において6相交流と3相交流とを比較する図 回転速度-トルク特性において6相交流と3相交流とを比較する図 起磁力の高調波成分の分布を示す図 逆起電圧の一次成分に対する高調波成分の割合を示す図 6相交流の逆起電圧の一例を示す波形図 3相交流の逆起電圧の一例を示す波形図 6相交流の電流波形の一例を示す波形図 6相交流の電流波形の一例を示す波形図 6相交流の電流波形の一例を示す波形図 1つのコイルセットによる3相交流の電流波形の一例を示す波形図 1つのコイルセットによる3相交流の電流波形の一例を示す波形図 回転電機の速度-トルクマップ dq軸直交ベクトル座標系と3相座標系との関係を示す説明図 dq軸直交座標系における回転電機の動作点を示す図 比較例のインバータを備えた回転電機制御システムのブロック図 比較例のインバータを備えた回転電機制御システムのブロック図 インバータ制御装置の一例を示すブロック図 回転電機制御システムの比較例を示すブロック図 比較例の第1コイルセット及び第2コイルセットの配置を示す図
以下、回転電機制御システムの実施形態を図面に基づいて説明する。回転電機制御システムは、例えば、車両の駆動力源となる回転電機を駆動制御する。図1のブロック図は、回転電機制御システム100のシステム構成を模式的に示している。回転電機制御システム100は、N相(Nは自然数)のコイルセット8を2個(第1コイルセット81と第2コイルセット82)を備えた交流の回転電機80を制御対象とする。2個のコイルセット8は、同じ仕様(同じ構成及び同じ電気的仕様)のコイルセット8であり、本実施形態では、共に3相(N=3)のコイルセット8である。
回転電機制御システム100による駆動対象の回転電機80は、同一のステータコアに2つのコイルセット8が配置されたステータ80s(図2,図15参照)と、ロータコアに永久磁石80mが配置されたロータ80r(図15参照)とを有する永久磁石型回転電機(PMSM:Permanent Magnet Synchronous Motor)である。本実施形態では、第1コイルセット81及び第2コイルセット82は、図1に示すように、それぞれ3相のステータコイル(U相コイル8u,V相コイル8v,W相コイル8w)が中性点NPで短絡されたスター結線(Y字結線)により構成されている。尚、回転電機80は、電動機としても発電機としても機能することができる。
回転電機制御システム100は、直流電源41及びそれぞれのコイルセット8に接続されて直流とN相の交流との間で電力を変換する2個のインバータ50を備えている。本実施形態では、図1に示すように、回転電機制御システム100は、直流電源41及び第1コイルセット81に接続されて直流とN相(ここでは3相)の交流との間で電力を変換する第1インバータ51と、直流電源41及び第2コイルセット82に接続されて直流とN相(ここでは3相)の交流との間で電力を変換する第2インバータ52とを備えている。つまり、回転電機制御システム100は、2つのコイルセット8に対応して、2つのインバータ50を備えている。図1に示すように、第1インバータ51と、第2インバータ52とは、異なる仕様(回路構成は同一で異なる電気的仕様)のインバータ50である。尚、後述するように、それぞれのインバータ50は、第1コイルセット81及び第2コイルセット82にそれぞれ異なる位相の電流が流れるように、それぞれ異なるタイミングでスイッチング制御される。このため、2つのインバータ50により、直流電源41と回転電機80との間で、直流と2N相(ここでは6相)の交流との間で電力が変換される。
直流電源41は、例えば、リチウムイオン電池などの充電可能な二次電池(バッテリ)や、電気二重層キャパシタなどにより構成されている。回転電機80が、車両の駆動力源の場合、直流電源41は、大電圧大容量の直流電源であり、定格の電源電圧は、例えば200~400[V]である。インバータ50の直流側には、正極と負極との間の電圧(直流リンク電圧“Vdc”)を平滑化する平滑コンデンサ(直流リンクコンデンサ42)が備えられている。
それぞれのインバータ50は、複数のスイッチング素子5を有して構成される。各スイッチング素子5には、負極から正極へ向かう方向(下段側から上段側へ向かう方向)を順方向として、並列にフリーホイールダイオード5Dが備えられている。スイッチング素子5には、シリコン(Si)を基材としたSi-IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やSi-MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、炭化ケイ素(SiC)を基材としたSiC-MOSFET(Silicon Carbide - Metal Oxide Semiconductor FET)やSiC-SIT(SiC - Static Induction Transistor)、SiC-IGBT、窒化ガリウム(GaN)を基材としたGaN-MOSFET(Gallium Nitride - MOSFET)などのパワー半導体素子が用いられる。図1には、スイッチング素子5として、第2インバータ52には一般的なSi-IGBTが用いられ、第1インバータ51には、オフ状態とオン状態との間での遷移時間が第2インバータを構成するスイッチング素子(Si-IGBT)よりも短く、スイッチング損失が小さい、SiC-MOSFETが用いられる形態を例示している。
従来、インバータ50のスイッチング素子5としては、ケイ素(Si)を基材としたSi-IGBTが広く利用されてきた。近年、電力用のMOSFETやIGBTの基材として、炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などの半導体材料も実用化されてきている。SiCやGaNなどの半導体材料は、Siに比べてバンドギャップが広く(ワイドバンドギャップ半導体)、絶縁破壊強度もSiよりも高いなど、半導体材料の素材としての基本性能がSiよりも高い。絶縁破壊強度が高いことより、SiCやGaNを基材とする電力用高耐圧素子(パワースイッチング素子)では、ドリフト層の膜厚を、Siを基材とする素子よりも薄くすることができる。電力用高耐圧素子の抵抗成分の多くは、このドリフト層の厚みに起因するので、SiCやGaNを基材とする電力用高耐圧素子では、Si基材の素子と比べて、単位面積当たりのオン抵抗が非常に低い素子を実現できる。
Siを基材とする電力用高耐圧素子では、高耐圧化に伴うオン抵抗の増大を改善するために、少数キャリアデバイスであるバイポーラトランジスタの構造を備えたIGBT(Si-IGBT)が主流となっている。IGBTは、1つの半導体素子上において、入力段にFET構造を、出力段にバイポーラトランジスタ構造を持つスイッチング素子である。但し、IGBTは、例えばMOSFETに比べると、スイッチング損失が大きく、その結果として発生する熱の影響もあって、高周波数でのスイッチングには限界がある。SiCやGaNを基材とする電力用高耐圧素子では、上述したようにドリフト層が薄く構成できるので、高速なデバイス構造であり、多数キャリアデバイスであるMOSFET構造であっても、高耐圧化に伴うオン抵抗の増大を抑制することができる。つまり、SiCやGaNを基材とする電力用高耐圧素子は、高耐圧、低オン抵抗、高周波数動作を実現することができる。
例えば、Si-IGBTに比べて、SiC-MOSFETは、さらに高速スイッチングが可能であり、より高いスイッチング周波数での利用が可能である。また、インバータ50の損失の低減も期待できる。但し、SiCやGaNは、Siに比べて高価であり、インバータ50やインバータ50を含む回転電機制御システム100のコストを上昇させるおそれがある。
それぞれのインバータ50は、上段側スイッチング素子5Hと下段側スイッチング素子5Lとの直列回路により構成された交流1相分のアームを複数組(ここでは3組)備えている。本実施形態では、それぞれのコイルセット8のU相、V相、W相に対応するステータコイル(8u,8v,8w)のそれぞれに一組の直列回路(アーム)が対応したブリッジ回路が構成される。アームの中間点、つまり、上段側スイッチング素子5Hと下段側スイッチング素子5Lとの接続点は、それぞれのコイルセット8のU相、V相、W相に対応するステータコイル(8u,8v,8w)にそれぞれ接続される。
図1に示すように、それぞれのインバータ50は、インバータ駆動装置30により制御される。インバータ駆動装置30は、インバータ制御装置10(CTRL)とドライブ回路20(DRV)とを備えている。詳細は図19を参照して後述するが、インバータ制御装置10は、第1インバータ51を制御する第1制御部10aと第2インバータ52を制御する第2制御部10bとを備えており、第1インバータ51及び第2インバータ52のスイッチング制御信号をそれぞれ独立して生成して第1インバータ51及び第2インバータ52を制御する。そして、第1インバータ51及び第1制御部10aに対して第1ドライブ回路21が備えられ、第2インバータ52及び第2制御部10bに対応して第2ドライブ回路22が備えられている。
インバータ制御装置10は、マイクロコンピュータ等のプロセッサを中核部材として構築されている。例えば、インバータ制御装置10は、上位の制御装置の1つである不図示の車両制御装置等の他の制御装置等から要求信号として提供される回転電機80の目標トルク(トルク指令T:図19参照)に基づいて、ベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御を行って、インバータ50を介して回転電機80を制御する。図15に示すように、ベクトル制御法では、回転電機に流れる実電流(Iu,Iv,Iw)を、ロータ80rに配置された永久磁石80mが発生する磁界(磁束)の方向であるd軸と、d軸に直交する方向(磁界の向きに対して電気角でπ/2進んだ方向)のq軸とのベクトル成分(Id,Iq)に座標変換してフィードバック制御を行う。尚、“Ia”はベクトル合成された合成電流を示している。図19を参照して後述するように、インバータ駆動装置30(インバータ制御装置10)は、dq軸直交ベクトル座標系において、回転電機80のトルク指令Tに基づく電流指令(I)と、実電流との偏差に基づいて回転電機80をフィードバック制御する。
図1に示すように、回転電機80(コイルセット8)を流れる実電流は2つの電流センサ6(SEN-I)により検出され、インバータ制御装置10はその検出結果を取得する。本実施形態では、第1コイルセット81に流れる各相の交流電流を検出する第1電流センサ61と、第2コイルセット82に流れる各相の交流電流を検出する第2電流センサ62とが備えられている。図1には、電流センサ6が、全相の交流電流を検出する形態を例示しているが、例えば3相交流の場合には3相は平衡しており、その瞬時値の和はゼロであるから2相のみの電流を検出して残りの1相はインバータ制御装置10が演算によって取得してもよい。
また、図1に示すように、回転電機80のロータ80rの各時点での磁極位置(電気角θ:図15、図19参照)やロータ80rの回転速度(角速度ω(図19参照))は、例えばレゾルバなどの回転センサ7(SEN-R)により検出され、インバータ制御装置10はその検出結果を取得する。インバータ制御装置10は、電流センサ6及び回転センサ7の検出結果を用いて、電流フィードバック制御を実行する。
インバータ50を構成する各スイッチング素子5の制御端子(例えばIGBTやFETのゲート端子)は、ドライブ回路20を介してインバータ制御装置10に接続されており、各スイッチング素子5はそれぞれ個別にスイッチング制御される。スイッチング制御信号を生成するインバータ制御装置10は、上述したように、マイクロコンピュータなどを中核として構成され、その動作電圧は、例えば5[V]、3.3[V]、2.5[V]等である。一方、インバータ50は、上述したように定格の電源電圧が例えば200~400[V]の直流電源41に接続されており、スイッチング素子5の制御端子には、例えば15~20[V]の駆動信号を入力する必要がある。ドライブ回路20は、インバータ制御装置10が生成したスイッチング制御信号の駆動能力(例えば電圧振幅や出力電流など、後段の回路を動作させる能力)をそれぞれ高めて、インバータ50に中継する。
図2は、回転電機80のステータ80sに形成されたスロット8sに巻き回された第1コイルセット81のステータコイル(81u,81v,81w)及び第2コイルセット82のステータコイル(82u,82v,82w)の配置例を示している。これは、上述したような6相(2N相)交流に対応したものである。図2に示すように、ステータコイルは、第1コイルセット81の第1U相コイル81u、第2コイルセット82の第2U相コイル82u、第1コイルセット81の第1V相コイル81v、第2コイルセット82の第2V相コイル82v、第1コイルセット81の第1W相コイル81w、第2コイルセット82の第2W相コイル82wの順に繰り返し配置されている。第1コイルセット81(第1系統)のステータコイルと第2コイルセット82(第2系統)のステータコイルとが隣接するため、系統間における相互インダクタンスが存在する。
第1コイルセット81の同相のコイルは、電気角で180度離れて配置されている。同様に第2コイルセット82の同相のコイルも、電気角で180度離れて配置されている。第1コイルセット81と第2コイルセット82とは、電気角で30度離れて配置されている。例えば、第1U相コイル81uと第2U相コイル82u、第1V相コイル81vと第2V相コイル82v、第1W相コイル81wと第2W相コイル82wは、それぞれ電気角で30度離れて配置されている。インバータ制御装置10は、第1コイルセット81及び第2コイルセット82にそれぞれ異なる位相の電流が流れるように、第1インバータ51及び第2インバータ52のそれぞれを個別に制御するスイッチング制御信号を生成して、第1インバータ51及び第2インバータ52を制御する。
図20は、図1に対する比較例の回転電機制御システム100を例示しており、図21は、図2に対する比較例としてのステータコイルの配置例を示している。図20に示すように、それぞれのインバータ50は、同じタイミングでスイッチング制御され、直流電源41と回転電機80との間で、直流とN相(ここでは3相)の交流との間で電力が変換される。図21に示すように、第1コイルセット81は、第1U相コイル81u、2つの第1V相コイル81v、2つの第1W相コイル81w、第1U相コイル81uを1組として、ここでは4回繰り返し配置され、続いて第2コイルセット82が、第2U相コイル82u、2つの第2V相コイル82v、2つの第2W相コイル82w、第2U相コイル82uを1組として、同様に4回繰り返し配置されている。この場合には、第1コイルセット81(第1系統)のステータコイルと第2コイルセット82(第2系統)のステータコイルとがU相の一部を除いて隣接しないため、系統間における相互インダクタンスがほとんど存在しない。
図20及び図21に示す比較例においては、第1コイルセット81と第2コイルセット82の同相のコイルには同じ位相の電流が流れる。例えば第1U相コイル81u同士、第2U相コイル82u同士は電気角で180度離れて配置されているが、第1U相コイル81u及び第2U相コイル82uには同じ位相の電流が流れるため、結果として、第1コイルセット81の同相コイル及び第2コイルセット82の同相コイルは、電気角で150度離れて配置されていることになる。また、例えば第1U相コイル81uと第2U相コイル82uとには、同じ位相の電流が流れるため、第1コイルセット81と第2コイルセット82とは、同じ電気角に配置されていることになる。
図3に示すように、回転電機80に6相交流を流して駆動した場合は、3相交流を流して駆動した場合に比べて同じ実効値の電流であっても大きなトルクが出力される。発明者らによる実験やシミュレーションによれば、3相交流に比べて6相交流では、電流が大きい側において概ね4%程度トルクが増加することが判った。回転速度との関係では、図4に示すように、相対的に回転速度が低い領域において、3相交流に比べて6相交流では、トルクが概ね2%増加し、高効率化することが判った。回転速度が高くなってくると3相交流の方が、トルクが大きくなっているがトルクの差は回転速度が低い領域よりも小さい。尚、回転速度が高い領域において、6相交流の方がトルクが小さくなるのは、図6~図8を参照して後述するように逆起電圧が関係していると考えられる。
図5は、起磁力の高調波成分の分布を示している。6相交流による起磁力は、3相交流による起磁力に比べて、5次、7次の高調波成分が少なくなっている。これにより、鉄損が低減される。
一方、図2を参照して上述したように、回転電機80を6相交流で駆動する場合には、位相の異なる電流が流れる第1コイルセット81のステータコイルと第2コイルセット82のステータコイルとが隣接している。このため、3相交流により回転電機80を駆動する場合と比べて、回転電機80を6相交流で駆動する場合には、線間逆起電圧の影響が大きくなる。図6は、線間逆起電圧の一次成分に対する高調波成分の割合を示している。回転電機80を6相交流で駆動する場合には、回転電機80を3相交流で駆動する場合に比べて、特に5次高調波成分、7次高調波成分が大きいことが判る。
図7の波形図は、回転電機80を6相交流で駆動した場合の逆起電圧の一例を示しており、図8の波形図は、回転電機80を3相交流で駆動した場合の逆起電圧の一例を示している。回転電機80を6相交流で駆動した場合、上述したような5次高調波成分、7次高調波成分に起因して、回転電機80を3相交流で駆動した場合に比べて、逆起電圧の波形の歪みが大きくなっている。上述したように、本実施形態におけるステータコイルの構成では、第1コイルセット81(第1系統)のステータコイルと第2コイルセット82(第2系統)のステータコイルとが隣接するため、系統間における相互インダクタンスが存在する。この相互インダクタンスが逆起電圧の波形の歪みの一因となっている。この歪みは、高調波成分であり、電磁ノイズや可聴ノイズの原因となる。
下記式(1)は、第1コイルセット81の3相電圧方程式を示し、式(2)は、第2コイルセット82の3相電圧方程式を示している。また、下記式(3)は、第1コイルセット81の2相電圧方程式を示し、式(4)は、第2コイルセット82の2相電圧方程式を示している。式中において、“u,v,w”の添え字は、それぞれU相、V相、W相を、“d,q”の添え字は、それぞれd軸、q軸を示し、“a”の添え字は、第1コイルセット81及び第2コイルセット82のそれぞれの全体(3相の合成)を示している。“R”はコイルセット8の抵抗成分であり、“L”は各相のステータコイル(8u,8v,8w)の自己インダクタンス、“M”は相互インダクタンス、“MI”は起電力係数(トルク係数)を示している。“p”は微分演算子である。
Figure 0007238982000001
Figure 0007238982000002
Figure 0007238982000003
Figure 0007238982000004
詳細は図19を参照して後述するが、インバータ制御装置10は、上記式(1)~式(4)の電圧方程式に基づいて、電流フィードバック制御を実行してインバータ50をスイッチング制御する。図9は、インバータ制御装置10により制御されて生成された6相電流波形の一例を示している。電流フィードバック制御では、インバータ制御装置10(後述する電流制御部12(図19参照))のカットオフ周波数を高くしてフィードバック制御におけるゲインを高くすると、原理的には目標(指令)に速く到達する。しかし、相互インダクタンスなどに起因する、フィードバックループに対する外乱要素が存在する場合には、カットオフ周波数を高くしてフィードバックゲインを高くすると、制御が収束せず、電流制御できない場合がある。図10に示す波形は、制御が収束していない状態を例示している。
これは、インバータ制御装置10(後述する変調部14(図19参照))の変調周波数(キャリア周波数)を高くすることによって改善することができる。例えば、カットオフ周波数を高くしてフィードバックゲインを高くした状態(図10の波形が出力されるような状態)で、変調周波数を高くすると、制御が収束し、図11に示す波形のように交流電流波形が安定する。カットオフ周波数が低くフィードバックゲインも低い図9の波形よりも、変調周波数が高い図11の波形の方が歪みも小さくなっている。図9及び図10の波形に対して、図11の波形は、変調周波数が約2倍である。
つまり、より高い変調周波数で変調することによって、歪みの少ない交流電流をコイルセット8に流すことができる。但し、高い変調周波数で変調されたスイッチング制御信号でインバータ50をスイッチング制御するためには、高い周波数でのスイッチングに対応したスイッチング素子5を用いてインバータ50を構成する必要がある。例えば、図1に例示した形態では、第1インバータ51を構成するスイッチング素子5としてSiC-MOSFETを用いているが、比較例の図17に例示するように、第2インバータ52を構成するスイッチング素子5にもSiC-MOSFETを用いると、高い変調周波数への対応が可能となる。しかし、上述したように、SiC-MOSFETのようなスイッチング素子5は部品単価が高いため、回転電機制御システム100のコストを上昇させることになる。
ところで、図7及び図8を参照して上述したように、6相交流に比べて3相交流の方が逆起電圧の歪みは小さいため、交流電流波形の歪みも小さくなる。従って、一方のインバータ50のみを使い、一方のコイルセット8にのみ3相の交流電流を通電させると、カットオフ周波数を高くしてフィードバックゲインを高くすると共に、変調周波数を維持しても、図12に例示するように、フィードバック制御を収束させることができる。但し、第1コイルセット81及び第2コイルセット82に流す電流を、1つのコイルセット8(例えば、第1コイルセット81のみ)に流すため、交流電流の実効値は2倍となる。従って、回転電機80の要求トルクが小さく、1つのコイルセット8、1つのインバータ50で対応可能な交流電流で十分な場合には、このような制御形態を選択することができる。つまり、1つのコイルセット8に流れる交流電流の実効値が2倍となることを考慮すれば、相対的に交流電流の実効値が低い回転電機80の動作領域であれば、1つのコイルセット8を用いて3相交流電流を流すことで、交流電流波形の歪みを低減させることができる。
ここで、さらに変調周波数を高くすると、図13に例示するように、交流電流の歪みはさらに低減される。つまり、一方のインバータ50のみを使い、一方のコイルセット8にのみ3相の交流電流を通電させ、変調周波数を高くすると、カットオフ周波数を高くしてフィードバックゲインを高くしても、図13に例示するように、フィードバック制御を収束させることができる。この場合、変調周波数を高くするのは、一方のインバータ50で十分である。従って、図1に例示するように、第1インバータ51のみスイッチング素子5としてSi-IGBTが用いられ、第2インバータ52のスイッチング素子5としてSi-IGBTが用いられる形態であれば、コストの上昇を抑制することができる。つまり、比較例の図17に示すように、第1インバータ51及び第2インバータ52の双方のスイッチング素子5としてSiC-MOSFETが用いられる形態に比べて、インバータ50のコストを低減することができる。
この場合、インバータ制御装置10は、第2インバータ52を停止させると共に第1インバータ51をスイッチング制御して、直流とN相(ここでは3相)の交流との間で電力を変換させる、又は、第1インバータ51及び第2インバータ52の双方をスイッチング制御して、直流と2N相(ここでは6相)の交流との間で電力を変換させる。また、インバータ制御装置10は、第1インバータ51を第1スイッチング周波数でスイッチング制御し、第2インバータ52を第1スイッチング周波数よりも低い第2スイッチング周波数でスイッチング制御すると好適である。図11と図13との比較により明らかなように、波形の歪みは、図13の方が少なくなっている。つまり、比較例の図17に示すように、第1インバータ51及び第2インバータ52の双方をSiC-MOSFETで構成して高い変調周波数で変調された信号で駆動する場合に比べて、第1インバータ51をSiC-MOSFETで構成すると共に第2インバータ52をSi-IGBTで構成し、第2インバータ52を停止させて第1インバータ51のみを高い変調周波数で変調された信号で駆動する方が、低コストで波形の歪みも抑制される。
ところで、図12を参照して上述したように、一方のインバータ50のみを使い、一方のコイルセット8にのみ3相の交流電流を通電させると、変調周波数を高くしなくても、カットオフ周波数を高くしてフィードバックゲインを高くした状態でフィードバック制御を収束させることができる。つまり、比較例の図18に示すように、第1インバータ51及び第2インバータ52の双方がSi-IGBTにより構成されている場合であっても、ある程度、波形の歪みを低減させることは可能である。しかし、図12と図13との比較により明らかなように、第1インバータ51をさらに高い変調周波数で変調された信号で駆動することにより、より歪みの少ない波形を得ることができる。
ところで、例えば車両の駆動力源となる回転電機80では、発進、加速、登坂、巡航など、様々なトルクによる駆動が求められる。特に、発進、加速、登坂などでは、相対的に大きなトルクが必要である。回転電機80の動作領域は、様々な運転条件に対応できるように設定されているが、頻度の高い動作領域は、そのように大きなトルクが必要な動作領域ではない。相対的に、低トルク且つ低回転速度或いは中間回転速度の動作領域である。ここで、例えば図14に例示するように、回転電機80の動作領域に、相対的に低トルク且つ中低速度の第1領域R1と、第1領域R1よりも高トルク側の第2領域R2とを設定する。
例えば、インバータ制御装置10は、回転電機80のトルクと回転速度によって規定される回転電機80の動作領域の内、第1領域R1では、第2インバータ52を停止させると共に第1インバータ51をスイッチング制御して、直流とN相(ここでは3相)の交流との間で電力を変換させる。一方、第1領域R1よりも高トルク側の領域である第2領域R2では、第1インバータ51及び第2インバータ52をスイッチング制御して、直流と2N相(ここでは6相)の交流との間で電力を変換させる。
尚、ここでは、図14のようなトルクと回転数とによる回転電機80の動作領域を用いて、当該動作領域における第1領域R1及び第2領域R2を例示した。しかし、第1領域R1及び第2領域R2は、この形態に限定されるものではなく、例えば、直流リンク電圧“Vdc”と逆起電圧とに基づいて設定されていてもよい。
当然ながら、回転電機80の動作点は、第1領域R1と第2領域R2との間でも遷移する。従って、インバータ制御装置10は、第2インバータ52を停止させると共に第1インバータ51をスイッチング制御する状態と、第1インバータ51及び第2インバータ52をスイッチング制御する状態との間で制御形態を切り替えることになる。切り替えの前後において、回転電機80は同じトルクを出力することが好ましい。例えば、インバータ制御装置10は、回転電機80の動作領域が第1領域R1から第2領域R2へ移行する場合に、回転電機80の出力トルクを維持した状態で、第1コイルセット81に流す電流を低下させ、当該低下する電流に相当する電流を第2コイルセット82に流すように、第1インバータ51及び第2インバータ52をスイッチング制御する。
図16は、dq軸直交座標系における電流(d軸電流、q軸電流)により回転電機80の動作点を示している。符号“L3”は、第1インバータ51のみをスイッチング制御して3相交流により回転電機80を駆動する場合に最も高い効率でトルクを出力する動作点のベクトル軌跡を示す最大効率ライン(3相最大効率ライン)である。符号“L6”は、第1インバータ51及び第2インバータ52をスイッチング制御して6相交流により回転電機80を駆動する場合に最も高い効率でトルクを出力する場合の1つのインバータ5の動作点のベクトル軌跡を示す最大効率ライン(6相最大効率ライン)である。符号“LT”は、同じトルクを出力する動作点のベクトル軌跡である等トルクラインである。
図16には、回転電機80の動作点が第1動作点P1であり、第1インバータ51のみがスイッチング制御される状態から、第1インバータ51及び第2インバータ52がスイッチング制御される動作点である第3動作点P3に遷移する場合を例示している。インバータ制御装置10は、回転電機80の出力トルクを維持した状態で、第1コイルセット81に流す電流を3相最大トルクラインL3に沿って矢印Y1の方向に向かって低下させていく。同時に、インバータ制御装置10は、当該低下する電流に相当する電流を第2コイルセット82に流し始める。第2コイルセット82に流される電流は、3相最大トルクラインL3に沿って矢印Y2の方向に向かって上昇していく。つまり、第1コイルセット81及び第2コイルセット82に流れる電流によって規定される動作点は、共に3相最大効率ラインL3に沿って第2動作点P2に近づいていく。1つの動作点(第2動作点P2)を挟む位置から、2つの動作点が3相最大トルクラインL3に沿って矢印Y3の方向に移動するため、高いシステム効率で、動作点を移動させることができる。
第1コイルセット81及び第2コイルセット82に流れる電流によって規定される動作点が共に第2動作点P2に達すると、インバータ制御装置10は、等トルクラインLTに沿って、等トルクラインLTと6相最大効率ラインL6との交点に位置する第3動作点P3へと動作点を移動させる。動作点は、等トルクラインLTに沿って移動するため、制御の誤差を除けばトルク変動は生じない。詳細な説明は省略するが、第3動作点P3から第1動作点P1へと動作点を移動させる場合も同様である。このように、インバータ制御装置10は、第2インバータ52を停止させると共に第1インバータ51をスイッチング制御する状態と、第1インバータ51及び第2インバータ52をスイッチング制御する状態との間で制御形態を円滑に切り替えることができる。
第2動作点P2及び第3動作点P3、即ち等トルクラインLT上では、第1コイルセット81及び第2コイルセット82に流れる電流の実効値は同じである。即ち、インバータ制御装置10は、第2領域R2では、第1コイルセット81及び第2コイルセット82に実効値が同じ電流が流れるように、第1インバータ51及び第2インバータ52をスイッチング制御する。
尚、第1領域R1におけるフィードバックゲインは、第2領域R2におけるフィードバックゲインよりも高い値に設定されていると好適である。2つのインバータ50を介して2つのコイルセット8に通電されている場合には、2つのコイルセット8の間の相互インダクタンスの影響により外乱が発生し易く、フィードバックゲインが高くなるほど、制御が収束しにくくなる。一方、1つのインバータ50(第1インバータ51)を介して1つのコイルセット8(第1コイルセット81)にのみ通電されている場合には、相互インダクタンスの影響による外乱はほぼ発生せず、2つのコイルセット8が通電されている場合に比べてフィードバックゲインを高くし易い。そして、フィードバックゲインが高いほど、収束時間は短くなる。従って、回転電機80の動作領域の内での頻度が高い第1領域R1におけるフィードバック制御では、第2領域R2におけるフィードバック制御の際のフィードバックゲインよりも高い値のフィードバックゲインを用いるとシステム効率を向上させることができる。
以下、インバータ制御装置10の詳細について説明する。図19に示すように、インバータ制御装置10は、電流フィードバック制御のために種々の機能部を有して構成されており、各機能部は、マイクロコンピュータ等のハードウエアとソフトウエア(プログラム)との協働により実現される。
本実施形態では、インバータ制御装置10は、電流指令演算部11と、電流制御部12と、電圧制御部13と、変調部14と、3相2相座標変換部15とを備えている。インバータ制御装置10には、第1インバータ51を制御対象とする第1制御部10aと、第2インバータ52を制御対象とする第2制御部10bとが含まれる。電流制御部12、電圧制御部13、変調部14、及び3相2相座標変換部15は、第1制御部10aに含まれる機能部(第1電流制御部12a、第1電圧制御部13a、第1変調部14a、及び3相2相第1座標変換部15a)と、第2制御部10bに含まれる機能部(第2電流制御部12b、第2電圧制御部13b、第2変調部14b、及び3相2相第2座標変換部15b)との2つずつ備えられている。また、電流指令演算部11は、トルク指令Tを、第1制御部10aに対する第1トルク指令T と第2制御部10bに対する第2トルク指令T とに分配するトルク指令分配部110(DIV)と、第1トルク指令T に基づいて第1電流指令I (第1d軸電流指令I d1、第1q軸電流指令I q1)を演算する第1電流指令演算部11aと、第2トルク指令T に基づいて第2電流指令I (第2d軸電流指令I d2、第2q軸電流指令I q2)を演算する第2電流指令演算部11bとを備えている。
インバータ制御装置10は、回転電機80の目標トルク(トルク指令T)に基づいて設定される第1コイルセット81の電流指令である第1電流指令(I d1,I q1)と第1コイルセット81に流れる電流(Id1,Iq1)との偏差に基づいて第1インバータ51をスイッチング制御すると共に、回転電機80の目標トルク(トルク指令T)に基づいて設定される第2コイルセット82の電流指令である第2電流指令I と第2コイルセット82に流れる電流(Id2,Iq2)との偏差に基づいて第2インバータ52をスイッチング制御して、回転電機80を電流フィードバック制御する。
以下、はじめに第1制御部10aについて説明し、続いて第2制御部10bについて説明するが、第1制御部10aと第2制御部10bとは基本的に同一の構造であるから、同一箇所については適宜説明を省略する場合がある。第1電流制御部12aは、2相の電流指令(I d1,I q1)と、回転電機80の実電流(U相電流iu1ph、V相電流iv1ph、W相電流iw1ph)が座標変換された2相の実電流(Id1,Iq1)との偏差に基づいて、第1コイルセット81に印加する電圧の指令である2相の電圧指令(V d1,V q1)を演算する。第1電流制御部12aは、d軸比例積分制御部121(PI)、q軸比例積分制御部122(PI)、q軸非干渉制御部123(CRS)、d軸非干渉制御部124(CRS)を備えている。
d軸比例積分制御部121は、d軸電流指令(I d1)とd軸電流(Id1)との偏差に基づいて下記式(5)に示すような演算を行い、q軸比例積分制御部122は、q軸電流指令(I q1)とq軸電流(Iq1)との偏差に基づいて下記式(6)に示すような演算を行う。式(5)、式(6)において、“(P)Id1”及び“(P)Iq1”は比例ゲインであり、それぞれd軸q軸における自己インダクタンス(Ld1又はLq1)と、カットオフ周波数との積である。また、“(I)Id1”及び “(I)Iq1”は、第1コイルセット81の合成抵抗値“Ra”と、制御周期[秒]と、カットオフ周波数との積である。特に、第1インバータ51のみがスイッチング制御される際には、短い制御周期且つ高いカットオフ周波数が設定されると好適である。第1インバータ51及び第2インバータ52の双方がスイッチング制御される場合には、相互インダクタンスに起因する外乱電圧の影響を抑制するために、低いカットオフ周波数が設定されると好適である。高いカットオフ周波数は、低いカットオフ周波数の2~2.5倍程度である。
Figure 0007238982000005

Figure 0007238982000006
q軸非干渉制御部123は、d軸電流指令(I d1)とd軸電流(Id1)との偏差に基づいて下記式(7)に示すような演算を行い、d軸非干渉制御部124は、q軸電流指令(I q1)とq軸電流(Iq1)との偏差に基づいて下記式(8)に示すような演算を行う。式(7)において、“(I)Idq1” は、回転速度(角速度ω)と、d軸自己インダクタンスLd1と、制御周期[秒]と、カットオフ周波数との積であり、式(8)において、“(I)Iqd1” は、回転速度(角速度ω)と、q軸自己インダクタンスLq1と、制御周期[秒]と、カットオフ周波数との積である。
Figure 0007238982000007

Figure 0007238982000008
また、インバータ制御装置10は、図19には不図示であるが、フィードフォワード演算部を備えており、d軸フィードフォワード値(Vd1FF)及びq軸フィードフォワード値(Vq1FF)が演算されている。理論的には、d軸フィードフォワード値(Vd1FF)及びq軸フィードフォワード値(Vq1FF)は、下記式(9)、式(10)で示される。
Figure 0007238982000009

Figure 0007238982000010
しかし、式(9)の第3項、式(10)の第4項の微分項については、電流指令(I d1,I q1)を微分することができないため、これらの項は除外し、下記式(11)、式(12)に基づいて、d軸フィードフォワード値(Vd1FF)及びq軸フィードフォワード値(Vq1FF)が演算される。
Figure 0007238982000011

Figure 0007238982000012
第1電流制御部12aは、下記式(13)に示すように、d軸比例積分制御部121の演算結果(Vd1FB)と、d軸非干渉制御部124の演算結果(Vd1cross)と、別途演算されたd軸フィードフォワード値(Vd1FF)とを加算して、d軸電圧指令(V d1)を演算する。また、第1電流制御部12aは、下記式(14)に示すように、q軸比例積分制御部122の演算結果(Vq1FB)と、q軸非干渉制御部123の演算結果(Vq1cross)と、別途演算されたq軸フィードフォワード値(Vq1FF)とを加算して、d軸電圧指令(V q1)を演算する。
Figure 0007238982000013

Figure 0007238982000014
尚、第1コイルセット81の3相の実電流(U相電流iu1ph、V相電流iv1ph、W相電流iw1ph)から、2相の実電流(Id1,Iq1)への座標変換は、3相2相第1座標変換部15aにより実行される。3相2相第1座標変換部15aは、回転センサ7(SEN-R)により検出されたロータ80rの各時点での回転位置(磁極位置、電気角θ)である第1電気角θ1(=θ)に基づいて座標変換を行う。
第1電圧制御部13aは、dq軸直交ベクトル座標系の2相電圧指令(V d1,V q1)に基づいて、第1コイルセット81に対応した3相の電圧指令を演算する。第1電圧制御部13aは、直流リンク電圧“Vdc”に基づいて2相電圧を演算する電圧演算部131と、2相電圧を3相の電圧指令に変換する2相3相座標変換部132とを備えている。
第1変調部14aは、3相の電圧指令のそれぞれに基づいて、第1インバータ51のスイッチング制御信号を生成する。ここでは、第1変調部14aが第1スイッチング周波数のキャリアに基づいて、パルス幅変調(PWM)によりスイッチング制御信号を生成する形態を例示している。本実施形態では、図1に示すように、第1インバータ51のスイッチング素子5は、SiC-MOSFETであり、Si-IGBTに比べて高いスイッチング周波数によるスイッチングが可能である。従って、第1スイッチング周波数は、第2スイッチング周波数よりも高い周波数(例えば、2~2.5倍程度)であると好適である。
続いて第2制御部10bについて説明するが、第1制御部10aと同一の箇所について適宜説明を省略する。第2電流制御部12bは、2相の電流指令(I d2,I q2)と、回転電機80の実電流(U相電流iu2ph、V相電流iv2ph、W相電流iw2ph)が座標変換された2相の実電流(Id2,Iq2)との偏差に基づいて、インバータ50に印加する電圧の指令である2相の電圧指令(V d2,V q2)を演算する。
図19に示すように、第2電流制御部12bも第1電流制御部12aと同様の機能部を備えている。d軸比例積分制御部121は、d軸電流指令(I d2)とd軸電流(Id2)との偏差に基づいて下記式(15)に示すような演算を行い、q軸比例積分制御部122は、q軸電流指令(I q2)とq軸電流(Iq2)との偏差に基づいて下記式(16)に示すような演算を行う。式(15)、式(16)において、“(P)Id2”及び“(P)Iq2”は比例ゲインであり、それぞれd軸q軸における自己インダクタンス(Ld2又はLq2)と、カットオフ周波数との積である。また、“(I)Id2”及び “(I)Iq2”は、第2コイルセット82の合成抵抗値“Ra”と、制御周期[秒]と、カットオフ周波数との積である。
Figure 0007238982000015

Figure 0007238982000016
q軸非干渉制御部123は、d軸電流指令(I d2)とd軸電流(Id2)との偏差に基づいて下記式(17)に示すような演算を行い、d軸非干渉制御部124は、q軸電流指令(I q2)とq軸電流(Iq2)との偏差に基づいて下記式(18)に示すような演算を行う。式(17)において、“(I)Idq2” は、回転速度(角速度ω)と、d軸自己インダクタンスLd2と、制御周期[秒]と、カットオフ周波数との積であり、式(18)において、“(I)Iqd2” は、回転速度(角速度ω)と、q軸自己インダクタンスLq2と、制御周期[秒]と、カットオフ周波数との積である。
Figure 0007238982000017

Figure 0007238982000018
また、インバータ制御装置10は、図19には不図示であるが、フィードフォワード演算部を備えており、d軸フィードフォワード値(Vd2FF)及びq軸フィードフォワード値(Vq2FF)が演算されている。理論的には、d軸フィードフォワード値(Vd2FF)及びq軸フィードフォワード値(Vq2FF)は、下記式(19)、式(20)で示される。
Figure 0007238982000019

Figure 0007238982000020
しかし、式(19)の第3項、式(20)の第4項の微分項については、電流指令(I d2,I q2)を微分することができないため、これらの項は除外し、下記式(21)、式(22)に基づいて、d軸フィードフォワード値(Vd2FF)及びq軸フィードフォワード値(Vq2FF)が演算される。
Figure 0007238982000021

Figure 0007238982000022
第2電流制御部12bは、下記式(23)に示すように、d軸比例積分制御部121の演算結果(Vd2FB)と、d軸非干渉制御部124の演算結果(Vd2cross)と、別途演算されたd軸フィードフォワード値(Vd2FF)とを加算して、d軸電圧指令(V d2)を演算する。また、第2電流制御部12bは、下記式(24)に示すように、q軸比例積分制御部122の演算結果(Vq2FB)と、q軸非干渉制御部123の演算結果(Vq2cross)と、別途演算されたq軸フィードフォワード値(Vq2FF)とを加算して、d軸電圧指令(V q2)を演算する。
Figure 0007238982000023

Figure 0007238982000024
第2コイルセット82の3相の実電流(U相電流iu2ph、V相電流iv2ph、W相電流iw2ph)から、2相の実電流(Id2,Iq2)への座標変換は、3相2相第2座標変換部15bにより実行される。3相2相第2座標変換部15bは、回転センサ7(SEN-R)により検出されたロータ80rの各時点での回転位置(磁極位置、電気角θ)に基づいて、座標変換を行う。図2を参照して上述したように、第1コイルセット81と、第2コイルセット82とには、30度(π/6)位相が異なる電流が流れるように制御される。従って、3相2相第2座標変換部15bにおける座標変換で用いられる第2電気角θ2は、3相2相第1座標変換部15aにおける座標変換で用いられる第1電気角θ1と、30度(π/6)位相が異なる。第2電気角θ2は、回転センサ7により検出された電気角θから30度(π/6)位相が遅れた“θ-π/6”である。
第2電圧制御部13bは、dq軸直交ベクトル座標系の2相電圧指令(V d1,V q1)に基づいて、第2コイルセット82に対応した3相の電圧指令を演算する。第2電圧制御部13bは、直流リンク電圧“Vdc”に基づいて2相電圧を演算する電圧演算部131と、2相電圧を3相の電圧指令に変換する2相3相座標変換部132とを備えている。
第2変調部14bは、3相の電圧指令のそれぞれに基づいて、第2インバータ52のスイッチング制御信号を生成する。ここでは、第2変調部14bが第2スイッチング周波数のキャリアに基づいて、パルス幅変調によりスイッチング制御信号を生成する形態を例示している。
本実施形態では、図1に示すように、第1インバータ51のスイッチング素子5は、SiC-MOSFETであり、Si-IGBTに比べて高いスイッチング周波数によるスイッチングが可能である。従って、上述したように、第1スイッチング周波数は、第2スイッチング周波数よりも高い周波数(例えば、2~2.5倍程度)であると好適である。また、第1インバータ51は、単独で駆動される場合があり、その際には、図11や図13を参照して上述したように、スイッチング周波数がより高いことが好ましい。
〔実施形態の概要〕
以下、上記において説明した回転電機制御システム(100)の概要について簡単に説明する。
1つの態様として、N相(Nは自然数)の第1コイルセット(81)及びN相の第2コイルセット(82)が同一のステータコアに配置された交流の回転電機(80)を制御する回転電機制御システム(100)は、直流電源(41)及び前記第1コイルセット(81)に接続されて直流とN相の交流との間で電力を変換する第1インバータ(51)と、前記直流電源(41)及び前記第2コイルセット(82)に接続されて直流とN相の交流との間で電力を変換する第2インバータ(52)と、前記第1インバータ(51)及び前記第2インバータ(52)のそれぞれを個別に制御するスイッチング制御信号を生成して、前記第1コイルセット(81)及び前記第2コイルセット(82)にそれぞれ異なる位相の電流が流れるように前記第1インバータ(51)及び前記第2インバータ(52)を制御するインバータ制御装置(10)と、を備え、前記インバータ制御装置(10)は、前記第2インバータ(52)を停止させると共に前記第1インバータ(51)をスイッチング制御して、直流とN相の交流との間で電力を変換させる、又は、前記第1インバータ(51)及び前記第2インバータ(52)の双方をスイッチング制御して、直流と2N相の交流との間で電力を変換させるものであり、前記第1インバータ(51)を構成するスイッチング素子(5)は、オフ状態とオン状態との間での遷移時間が前記第2インバータ(52)を構成するスイッチング素子よりも短く、スイッチング損失が小さい。
2つのコイルセット(8)を備えた回転電機(80)の利点の1つは、2つのコイルセット(8)に対応して2つのインバータ(50)を備えることで、インバータ(50)の負荷を低減し、より大きい交流電流を流すことを可能として回転電機(80)のトルクを増大させることにある。しかし、要求トルクによっては、1つのインバータ(50)で対応可能な交流電流により回転電機(80)に必要なトルクを出力させることも可能である。第2インバータ(52)を停止させると共に第1インバータ(51)をスイッチング制御した場合、第2コイルセット(82)には第2インバータ(52)から電流が供給されないため、第1コイルセット(51)と第2コイルセット(52)との相互インダクタンスに起因する鉄損も抑制される。一方、例えば要求トルクが高く、2つのインバータ(50)で対応すべき交流電流が必要な場合には、2N相の交流電流を回転電機(80)に流すことができるので、N相の交流電流を回転電機(80)に流す場合に比べて出力トルクを高くすることができる。即ち、本構成によれば、必要に応じて、1つのインバータ(50)を用いる制御と、2つのインバータ(50)を用いる制御とで、制御形態を切り替えることが可能である。この場合、単独で動作する第1インバータ(51)は常に動作することになるが、第2インバータ(52)は停止する場合がある。より稼働率の高い第1インバータ(51)を構成するスイッチング素子(5)が、第2インバータ(52)を構成するスイッチング素子(5)に比べてスイッチング損失が小さい素子であると、システム全体の損失を低減させることができる。一般的に、そのようにスイッチング損失が小さいスイッチング素子(5)は高価であるから、2つのインバータ(50)の内の一方である第1インバータ(51)のみに用いることで、システム全体のコストの増加を抑制することができる。即ち、本構成によれば、2つのコイルセット(8)を備えた交流の回転電機(80)を制御対象とするシステムにおいて、システムコストの増大を抑制しつつ、システム効率を向上させることができる。
また、前記インバータ制御装置(10)は、前記第1インバータ(51)を第1スイッチング周波数でスイッチング制御し、前記第2インバータ(52)を前記第1スイッチング周波数よりも低い第2スイッチング周波数でスイッチング制御すると好適である。
一般的により高いスイッチング周波数でインバータ(50)をスイッチング制御する方が歪みの少ない交流を得ることができる。このような歪みは、鉄損や、振動、騒音の原因ともなるため、交流の歪みは少ない方が好ましい。第1インバータ(51)を構成するスイッチング素子(5)は、オフ状態とオン状態との間での遷移時間が第2インバータ(52)を構成するスイッチング素子よりも短く、スイッチング損失が小さい素子である。従って、第2インバータ(52)を構成するスイッチング素子に比べて、第1インバータ(51)を構成するスイッチング素子は、より高いスイッチング周波数でも効率的に動作することができる。従って、第1インバータ(51)を第1スイッチング周波数でスイッチング制御し、第2インバータ(52)を第1スイッチング周波数よりも低い第2スイッチング周波数でスイッチング制御することによって、システム効率を向上させることができる。
また、前記インバータ制御装置(10)は、前記回転電機(80)のトルクと回転速度によって規定される前記回転電機(80)の動作領域の内、第1領域(R1)では、前記第2インバータ(52)を停止させると共に前記第1インバータ(51)をスイッチング制御して、直流とN相の交流との間で電力を変換させ、前記第1領域(R1)よりも高トルク側の領域である第2領域(R2)では、前記第1インバータ(51)及び前記第2インバータ(52)をスイッチング制御して、直流と2N相の交流との間で電力を変換させると好適である。
一般的に、回転電機(80)の動作領域の内で最も頻度が高いのは、相対的に低トルク側の領域であることが多い。上述したように、2つのコイルセット(8)を備えた回転電機(80)の利点の1つは、2つのコイルセット(8)に対応して2つのインバータ(50)を備えることで、インバータ(50)の負荷を低減し、より大きい交流電流を流して回転電機(80)のトルクを増大させることにある。しかし、相対的に低トルク側であれば、1つのインバータ(50)で対応可能な交流電流により回転電機(80)に必要なトルクを出力させることも可能である。第2インバータ(52)を停止させると共に第1インバータ(51)をスイッチング制御した場合、第2コイルセット(82)には第2インバータ(52)から電流が供給されないため、第1コイルセット(81)と第2コイルセット(82)との相互インダクタンスに起因する鉄損も抑制される。本構成によれば、回転電機(80)の動作領域の内、相対的に低トルク側の領域である第1領域(R1)において、インバータ制御装置(10)は、第2インバータ(52)を停止させると共に第1インバータ(51)をスイッチング制御して、直流とN相の交流との間で電力を変換させる。つまり、回転電機(80)の動作領域の内、最も頻度が高いと考えられる第1領域(R1)における鉄損が低減されるので、システム効率を向上させることができる。相対的に高トルク側の第2領域(R2)では、インバータ制御装置(10)は、第1インバータ(51)及び第2インバータ(52)をスイッチング制御して、直流と2N相の交流との間で電力を変換するため、回転電機(80)に要求されるトルクを出力させることができる。この場合、相互インダクタンスに起因する鉄損は生じる。しかし、第2領域(R2)における回転電機(80)の運転頻度は第1領域(R1)における回転電機(80)の運転頻度に比べて低いため、システム効率を低下させる影響は、第1領域(R1)に比べて小さい。
ここで、前記インバータ制御装置(10)は、前記第1コイルセット(81)と前記第2コイルセット(82)とに、(π/2N)位相が異なる電流が流れるように、前記第1インバータ(51)及び前記第2インバータ(52)を制御すると好適である。
この構成によれば、インバータ制御装置(10)は、第1インバータ(51)及記第2インバータ(52)を個別にスイッチング制御して、適切に直流と2N相の交流との間で電力を変換させることができる。
また、前記第1領域(R1)及び前記第2領域(R2)は、前記回転電機(80)のトルクと回転速度とに基づいて設定されている、或いは、前記第1インバータ(51)及び前記第2インバータ(52)の直流側の電圧と前記回転電機(80)の逆起電圧とに基づいて設定されている、と好適である。
回転電機(80)の動作領域は、トルクと回転速度との関係や、インバータ(50)の直流側の電圧と逆起電圧との関係等で規定することができる。そして、そのような動作領域の中で、相対的に使用頻度の高い動作領域と、使用頻度の低い動作領域とを特定することができる。従って、第1領域(R1)及び第2領域(R2)が上記のように設定されていると、適切に第1インバータ(51)及び第2インバータ(52)の双方を用いて電力を変換する制御モードと、第2インバータ(52)を停止させて第1インバータ(51)のみで電力を変換する制御モードとを選択することができる。
また、前記インバータ制御装置(10)は、前記回転電機(80)の動作領域が前記第1領域(R1)から前記第2領域(R2)へ移行する場合に、前記回転電機(80)の出力トルクを維持した状態で、前記第1コイルセット(81)に流す電流を低下させ、当該低下する電流に相当する電流を前記第2コイルセット(82)に流すように、前記第1インバータ(51)及び前記第2インバータ(52)をスイッチング制御すると好適である。
2つのコイルセット(8)に通電して回転電機(80)を制御する場合と、1つのみのコイルセット(8)に通電して回転電機(80)を制御する場合とでは、当然ながら、最適な動作条件が異なる。そのため、1つのみのコイルセット(8)に通電する状態から、2つのコイルセット(8)に通電する状態へと制御形態を切り替える際、例え出力トルクが同じであったとしても、それぞれのインバータ(50)の動作条件を変更する必要があり、制御形態を急激に切り替えると、トルク変動を生じる可能性がある。本構成によれば、2つのコイルセット(8)に流れる電流の差が縮まるように制御することによって、円滑に制御形態を切り替えることができる。
また、前記インバータ制御装置(10)は、前記第2領域(R2)では、前記第1コイルセット(81)及び前記第2コイルセット(82)に実効値が同じ電流が流れるように、前記第1インバータ(51)及び前記第2インバータ(52)をスイッチング制御すると好適である。
この構成によれば、安定した2N相の交流を得ることができるので、適切に回転電機(80)を駆動することができる。
) また、前記インバータ制御装置(10)は、前記回転電機(80)の目標トルク(T)に基づいて設定される前記第1コイルセット(81)の電流指令である第1電流指令(I d1,I q1)と前記第1コイルセット(81)に流れる電流(Id1,Iq1)との偏差に基づいて前記第1インバータ(51)をスイッチング制御すると共に、前記回転電機(80)の目標トルク(T)に基づいて設定される前記第2コイルセット(82)の電流指令である第2電流指令(I d2,I q2)と前記第2コイルセット(82)に流れる電流(Id2,Iq2)との偏差に基づいて前記第2インバータ(52)をスイッチング制御して、前記回転電機(80)を電流フィードバック制御するものであり、前記第1領域(R1)におけるフィードバックゲインが、前記第2領域(R2)におけるフィードバックゲインよりも高い値に設定されていると好適である。
2つのインバータ(50)を介して2つのコイルセット(8)に通電されている場合には、2つのコイルセット(8)の間の相互インダクタンスの影響により外乱が発生し易く、フィードバックゲインが高くなるに従って、制御が収束しにくく易くなる。一方、1つのインバータ(50)を介して1つのコイルセット(8)にのみ通電されている場合には、相互インダクタンスの影響による外乱は少なく、2つのコイルセット(8)が通電されている場合に比べてフィードバックゲインを高くし易い。そして、フィードバックゲインが高くなるに従って、収束時間は短くなる。従って、回転電機(80)の動作領域の内での頻度が高い第1領域(R1)におけるフィードバック制御では、第2領域(R2)におけるフィードバック制御の際のフィードバックゲインよりも高い値のフィードバックゲインを用いるとシステム効率を向上させることができる。
5 :スイッチング素子
10 :インバータ制御装置
41 :直流電源
51 :第1インバータ
52 :第2インバータ
80 :回転電機
81 :第1コイルセット
82 :第2コイルセット
100 :回転電機制御システム
d1,I q1:第1電流指令
d2,I q2:第2電流指令
d1,Iq1 :第1コイルセットに流れる電流
d2,Iq2 :第2コイルセットに流れる電流
R1 :第1領域
R2 :第2領域
:目標トルク

Claims (9)

  1. N相(Nは自然数)の第1コイルセット及びN相の第2コイルセットが同一のステータコアに配置された交流の回転電機を制御する回転電機制御システムであって、
    直流電源及び前記第1コイルセットに接続されて直流とN相の交流との間で電力を変換する第1インバータと、
    前記直流電源及び前記第2コイルセットに接続されて直流とN相の交流との間で電力を変換する第2インバータと、
    前記第1インバータ及び前記第2インバータのそれぞれを個別に制御するスイッチング制御信号を生成して、前記第1コイルセット及び前記第2コイルセットにそれぞれ異なる位相の電流が流れるように前記第1インバータ及び前記第2インバータを制御するインバータ制御装置と、を備え、
    前記インバータ制御装置は、
    前記第2インバータを停止させると共に前記第1インバータをスイッチング制御して、直流とN相の交流との間で電力を変換させる、又は、
    前記第1インバータ及び前記第2インバータの双方をスイッチング制御して、直流と2N相の交流との間で電力を変換させるものであり、
    前記第1インバータを構成するスイッチング素子は、オフ状態とオン状態との間での遷移時間が前記第2インバータを構成するスイッチング素子よりも短く、スイッチング損失が小さ
    前記インバータ制御装置は、
    前記回転電機のトルクと回転速度によって規定される前記回転電機の動作領域の内、第1領域では、前記第2インバータを停止させると共に前記第1インバータをスイッチング制御して、直流とN相の交流との間で電力を変換させ、
    前記第1領域よりも高トルク側の領域である第2領域では、前記第1インバータ及び前記第2インバータをスイッチング制御して、直流と2N相の交流との間で電力を変換させる、回転電機制御システム。
  2. 前記インバータ制御装置は、前記第1インバータを第1スイッチング周波数でスイッチング制御し、前記第2インバータを前記第1スイッチング周波数よりも低い第2スイッチング周波数でスイッチング制御する、請求項1に記載の回転電機制御システム。
  3. 前記インバータ制御装置は、前記第1コイルセットと前記第2コイルセットとに、(π/2N)位相が異なる電流が流れるように、前記第1インバータ及び前記第2インバータを制御する、請求項1又は2に記載の回転電機制御システム。
  4. 前記第1領域及び前記第2領域は、前記回転電機のトルクと回転速度とに基づいて設定されている、或いは、前記第1インバータ及び前記第2インバータの直流側の電圧と前記回転電機の逆起電圧とに基づいて設定されている、請求項1から3の何れか一項に記載の回転電機制御システム。
  5. 前記インバータ制御装置は、前記回転電機の動作領域が前記第1領域から前記第2領域へ移行する場合に、前記回転電機の出力トルクを維持した状態で、前記第1コイルセットに流す電流を低下させ、当該低下する電流に相当する電流を前記第2コイルセットに流すように、前記第1インバータ及び前記第2インバータをスイッチング制御する、請求項からの何れか一項に記載の回転電機制御システム。
  6. 前記インバータ制御装置は、前記第2領域では、前記第1コイルセット及び前記第2コイルセットに実効値が同じ電流が流れるように、前記第1インバータ及び前記第2インバータをスイッチング制御する、請求項からの何れか一項に記載の回転電機制御システム。
  7. 前記インバータ制御装置は、前記回転電機の目標トルクに基づいて設定される前記第1コイルセットの電流指令である第1電流指令と前記第1コイルセットに流れる電流との偏差に基づいて前記第1インバータをスイッチング制御すると共に、前記回転電機の目標トルクに基づいて設定される前記第2コイルセットの電流指令である第2電流指令と前記第2コイルセットに流れる電流との偏差に基づいて前記第2インバータをスイッチング制御して、前記回転電機を電流フィードバック制御するものであり、
    前記第1コイルセットのみに電流が流れて前記第1コイルセットと前記第2コイルセットとの相互インダクタンスによる外乱の影響が少ない前記第1領域におけるフィードバックゲインが、前記第1領域に比べて当該相互インダクタンスによる外乱の影響が大きい前記第2領域におけるフィードバックゲインよりも高い値に設定されている、請求項からの何れか一項に記載の回転電機制御システム。
  8. N相(Nは自然数)の第1コイルセット及びN相の第2コイルセットが同一のステータコアに配置された交流の回転電機を制御する回転電機制御システムであって、
    直流電源及び前記第1コイルセットに接続されて直流とN相の交流との間で電力を変換する第1インバータと、
    前記直流電源及び前記第2コイルセットに接続されて直流とN相の交流との間で電力を変換する第2インバータと、
    前記第1インバータ及び前記第2インバータのそれぞれを個別に制御するスイッチング制御信号を生成して、前記第1コイルセット及び前記第2コイルセットにそれぞれ異なる位相の電流が流れるように前記第1インバータ及び前記第2インバータを制御するインバータ制御装置と、を備え、
    前記インバータ制御装置は、
    前記第2インバータを停止させると共に前記第1インバータをスイッチング制御して、直流とN相の交流との間で電力を変換させる、又は、
    前記第1インバータ及び前記第2インバータの双方をスイッチング制御して、直流と2N相の交流との間で電力を変換させるものであり、
    前記第1インバータを構成するスイッチング素子は、オフ状態とオン状態との間での遷移時間が前記第2インバータを構成するスイッチング素子よりも短く、スイッチング損失が小さく、
    前記インバータ制御装置は、
    前記回転電機のトルクと回転速度によって規定される前記回転電機の動作領域の内、第1領域では、前記第2インバータを停止させると共に前記第1インバータをスイッチング制御して、直流とN相の交流との間で電力を変換させ、
    前記第1領域よりも高トルク側の領域である第2領域では、前記第1インバータ及び前記第2インバータをスイッチング制御して、直流と2N相の交流との間で電力を変換させ、
    前記インバータ制御装置は、前記回転電機の動作領域が前記第1領域から前記第2領域へ移行する場合に、前記回転電機の出力トルクを維持した状態で、前記第1コイルセットに流す電流を低下させ、当該低下する電流に相当する電流を前記第2コイルセットに流すように、前記第1インバータ及び前記第2インバータをスイッチング制御するものであり、
    前記インバータ制御装置は、前記回転電機のロータに配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるd軸と、d軸に直交するq軸とのdq軸直交座標系において前記回転電機を電流フィードバックするものであり、
    前記dq軸直交座標系において、前記第1インバータのみをスイッチング制御してN相交流により前記回転電機を駆動する場合に最も高い効率でトルクを出力する動作点のベクトル軌跡を示す最大効率ラインをN相最大効率ラインとし、
    前記dq軸直交座標系において、同じトルクを出力する動作点のベクトル軌跡を等トルクラインとし、
    前記第1領域における前記第1インバータの動作点を第1動作点とし、
    前記第1領域から前記第2領域への移行時における前記第2領域での目標トルクに対する前記等トルクラインとN相最大トルクラインとの交点を第2動作点とし、
    前記回転電機の動作領域が前記第1領域から前記第2領域へ移行する場合に、
    前記第1インバータの動作点を前記第1動作点から前記第2動作点へ前記N相最大トルクラインに沿って移動させると共に、
    前記第2インバータの動作点を前記dq軸直交座標系の原点から前記第2動作点へ前記N相最大トルクラインに沿って移動させる、回転電機制御システム。
  9. 前記dq軸直交座標系において、前記第1インバータ及び前記第2インバータをスイッチング制御して2N相交流により前記回転電機を駆動する場合に最も高い効率でトルクを出力する場合の1つのインバータの動作点のベクトル軌跡を示す最大効率ラインを2N相最大効率ラインとし、
    前記等トルクラインと前記2N相最大効率ラインとの交点を第3動作点として、
    前記回転電機の動作領域が前記第1領域から前記第2領域へ移行する場合に、
    前記第1インバータの動作点及び前記第2インバータの動作点が、共に前記第2動作点に到達した後、前記第1インバータの動作点及び前記第2インバータの動作点を前記等トルクラインに沿って、前記第3動作点まで移動させる、請求項8に記載の回転電機制御システム。
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