(57)【要約】  モータ及び発電機として機能する回転電機を制御する制御装置であって、バッテリから回転電機に駆動電流を供給するインバータとしての機能と回転電機の発電出力を整流してバッテリに供給する整流器としての機能とを果たす電力変換回路と、バッテリが変換回路から外されて変換回路の直流出力電圧が過大になったときに回転電機の三相の電機子コイルを短絡し、その後変換回路の直流出力電圧が設定された低電圧まで低下したときに電機子コイルの一相の短絡を解除して二相のみを短絡した状態にするように変換回路を制御するコントローラとを備えた。
2012063287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石により界磁を構成した回転子と、三相の電機子コイルを有する固定子とを備えて、交流発電機またはモータとして動作させられる回転電機を制御する制御装置であって、
各アームが、スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを備えた三相フルブリッジ回路からなっていて、直流電源の両端に接続される一対のＤＣ端子と前記電機子コイルの三相の端子にそれぞれ接続される三相のＡＣ端子とを有する電力変換回路と、
前記電力変換回路のＤＣ端子間に接続された平滑用コンデンサと、
前記電力変換回路のＤＣ端子間の電圧から得た制御用直流電圧を電源電圧として動作するように設けられて、前記回転電機をモータとして動作させる際に前記電力変換回路をインバータとして機能させて前記直流電源から前記回転電機に電機子電流を供給し、前記回転電機を交流発電機として動作させる際に前記電力変換回路を整流器として機能させて前記電機子コイルから前記直流電源に充電電流を供給するように前記電力変換回路のスイッチ素子を制御するコントローラとを具備し、
前記コントローラは、前記電力変換回路のＤＣ端子間の電圧値が設定された過電圧判定値以上になったときに、前記電力変換回路の上アームの３つのスイッチ素子または下アームの３つのスイッチ素子を同時にオン状態にすることにより前記三相の電機子コイルを短絡した状態にする三相短絡制御と、前記電力変換回路のＤＣ端子間の電圧値が、前記過電圧判定値よりも低く、コントローラの電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値以上の値に設定された低電圧判定値まで低下したときに前記三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にして、二相の電機子コイルのみを短絡した状態にする二相短絡制御とを行うように構成されている回転電機の制御装置。
【請求項２】
前記二相短絡制御を行う際に前記三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にするタイミングは、オフ状態にしようとするスイッチ素子に逆並列接続されている帰還ダイオードに順方向電流が流れている期間内に収まるように設定されている請求項１に記載の回転電機の制御装置。
【請求項３】
前記二相短絡制御は、前記電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が低電圧判定値まで低下した時に順方向電流が流れている帰還ダイオードに並列接続されているスイッチ素子をオフ状態にすることにより行う請求項１に記載の回転電機の制御装置。
【請求項４】
前記回転電機を交流発電機として動作させている状態で前記電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値以上になる状態が生じたときに前記回転電機の回転速度を低下させるかまたは該回転電機の回転速度を停止させる制御を行う制御装置が設けられ、
前記コントローラは、前記回転電機の回転速度が設定された安全速度以下になったときに前記三相短絡制御及び二相短絡制御を終了させるように構成されている請求項１に記載の回転電機の制御装置。
【請求項５】
前記回転電機を交流発電機として動作させている状態で前記電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値以上になる状態が生じたときに前記回転電機の回転速度を低下させるかまたは該回転電機の回転速度を停止させる制御を行う制御装置が設けられ、
前記コントローラは、前記回転電機の回転速度が設定された安全速度以下になったときに前記三相短絡制御及び二相短絡制御を終了させるように構成されている請求項２に記載の回転電機の制御装置。
【請求項６】
前記回転電機を交流発電機として動作させている状態で前記電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値以上になる状態が生じたときに前記回転電機の回転速度を低下させるかまたは該回転電機の回転速度を停止させる制御を行う制御装置が設けられ、
前記コントローラは、前記回転電機の回転速度が設定された安全速度以下になったときに前記三相短絡制御及び二相短絡制御を終了させるように構成されている請求項３に記載の回転電機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石により界磁を構成した回転子と、三相の電機子コイルを有する固定子とを備えて、交流発電機またはモータとして動作させられる回転電機を制御する制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両、船舶、建設機械、発動発電機等に搭載される内燃機関に取り付けられる回転電機として、機関を始動するモータと、機関により駆動されてバッテリを充電するための出力を発生する発電機とが用いられてきたが、近年、設置スペースの節約と、コストの低減と、回転電機の高機能化とを図るために、発電機としてもモータとしても機能する回転電機を車両に搭載することが検討されるようになった。【０００３】
この種の回転電機を動作させるためには、例えば特許文献１に示されているように、バッテリと回転電機との間に設けられた電力変換回路と、この電力変換回路を制御するコントローラとを備えた制御装置を必要とする。電力変換回路としては、通常、三相フルブリッジ型の回路が用いられる。三相フルブリッジ型の電力変換回路は、スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを備えたアームを上下に有するレグを３つ備えて、これら３つのレグが互いに並列に接続された構成を有する。この種の電力変換回路は、フルブリッジ回路の両端から引出された一対のＤＣ端子（直流側端子）と、フルブリッジ回路の３つのレグのそれぞれの上アームと下アームとの接続点から引出された三相のＡＣ端子（交流側端子）とを有している。一対のＤＣ端子は、バッテリの両端に接続され、三相のＡＣ端子はそれぞれ回転電機の電機子コイルの三相の端子に接続される。電力変換回路の一対のＤＣ端子間には平滑用コンデンサが接続される。【０００４】
電力変換回路のスイッチ素子を制御するコントローラは、マイクロプロセッサと、電力変換回路のスイッチ素子に駆動信号を与えるスイッチ駆動回路とを備えていて、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧から一定の直流電圧を生成する制御電源回路から電源電圧が与えられて動作するように設けられる。コントローラは、回転電機を内燃機関始動用モータとして動作させる際に電力変換回路をインバータとして機能させて直流電源から回転電機に電機子電流を供給するように電力変換回路のスイッチ素子を制御する。コントローラはまた、回転電機を内燃機関により駆動して交流発電機として動作させる際に、電力変換回路を整流器として機能させて電機子コイルから直流電源に充電電流を供給するとともに、バッテリの両端の電圧を設定範囲に保つための制御を行う。【０００５】
バッテリの充電電圧を制御する方法としては、回転電機の構成に応じて適宜の方法がとられる。例えば、回転子の界磁が永久磁石により構成されている回転電機（以下永久磁石式回転電機という。）を制御する場合には、バッテリの充電電圧を制御する方法として、バッテリの端子電圧が設定値を超えたときに、電力変換回路を構成するフルブリッジ回路の下アームまたは上アームのスイッチ素子を同時にオン状態にして三相の電機子コイルを短絡する動作と、電機子コイルの短絡を解除する動作とを繰り返すことにより、バッテリの端子電圧を設定値付近に保つ方法がとられる。【０００６】
回転電機の回転子が界磁コイルを有している場合には、バッテリの充電電圧を制御する方法として、界磁コイルに供給する電流を制御することにより回転電機の出力電圧を調整する方法がとられる。【０００７】
上記のように構成された回転電機の制御装置において、回転電機が内燃機関により回転駆動されてバッテリを充電している状態で、バッテリを電力変換回路に接続している配線が切断されたり、バッテリを電力変換回路に接続しているリレー等のスイッチ手段が故障したりして、バッテリが電力変換回路から切り離されると、コントローラが発電出力を制御し切れなくなって、電力変換回路のＤＣ端子間に過大な電圧が発生し、この過電圧により、電力変換回路のＤＣ端子間に接続されている回路の構成部品が破壊されるという問題が生じる。【０００８】
上記のような問題が生じるのを防ぐために、回転子に界磁コイルが設けられている回転電機に対して、特許文献２に示された制御装置が提案されている。この制御装置においては、バッテリ等の直流電源と回転電機との間に電力変換回路を設けて、回転電機を発電機として動作させて直流電源を充電する際に、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧を設定値に保つように界磁電流を制御することにより、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧を設定値に保つ制御を行っている。【０００９】
特許文献２に示された制御装置は、電力変換回路の直流出力電圧が所定の値を超える状態が設定時間の間継続したときに過電圧が発生したことを検出する手段を備えていて、過電圧の発生が検出されたときに界磁電流を零にするとともに、電力変換回路の下アームのスイッチ素子及び上アームのスイッチ素子の内の何れか一方を同時にオン状態にすることにより、三相の電機子コイルを短絡して回転電機の出力電圧を零にする制御を行うように構成されている。【００１０】
特許文献２に示された制御装置によれば、直流電源を電力変換回路に接続している配線が切断されて電力変換回路のＤＣ端子間に過電圧が発生したときに、回転電機の出力を抑制する動作が行われるため、直流電源が外されたときに電力変換回路のＤＣ端子間に接続されている回路が過電圧により破壊されるのを防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１８４７１２号公報
【特許文献２】特開２００４−１５９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献２に示された制御装置では、回転電機が発電機として運転されている状態で直流電源が電力変換回路から切り離されて、電力変換回路のＤＣ端子間に過電圧が発生したときに、界磁電流を零にすると共に、三相の電機子コイルを短絡することにより発電機の出力を零にするため、やがて平滑用コンデンサの両端の電圧が低下して、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が、コントローラを動作状態に保持するための電源電圧を制御電源回路から発生させるために必要な電圧範囲の下限値よりも低い電圧まで低下する。このような状態になると、コントローラの機能が停止して電力変換回路のスイッチ素子のゲートに駆動信号が与えられなくなるため、電機子コイルを短絡していたスイッチ素子がオフ状態になる。特許文献２に示された制御装置では、過電圧が検出されたときに界磁電流が零にされるため、コントローラの機能が停止したときに回転電機が未だ回転を続けていても、その発電出力は零の状態に保持される。従って、回転電機が発電機として運転されている状態で直流電源が電力変換回路から切り離されたときに、電力変換回路のＤＣ端子間に接続されている回路の構成部品が過電圧により破壊されるのを防ぐことができる。【００１３】
しかしながら、回転電機が永久磁石式の回転電機である場合には、以下の理由で、特許文献２に示された構成をそのまま採用することができない。【００１４】
回転子の界磁が永久磁石により構成される場合も、回転電機が発電機として運転されている状態で直流電源が電力変換回路から切り離されたときに、三相の電機子コイルが短絡されると、回転電機の発電出力が零にされ、やがて電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が、コントローラの電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値よりも低い状態になって、コントローラが機能を停止する。コントローラの機能が停止すると、電力変換回路のスイッチ素子のゲートに駆動信号が与えられなくなるため、三相の電機子コイルを短絡していた３つのスイッチ素子が同時にオフ状態になって、三相の電機子コイルの短絡が一気に解除される。回転子の界磁が永久磁石により構成されている場合には、電機子コイルの短絡が解除された時点で回転電機が未だ回転を続けていると、その回転速度に応じた大きさの電圧が回転電機から出力される。また三相の電機子コイルの短絡が一気に解除されると、それまで流れていた短絡電流が遮断されるため、三相の電機子コイルに昇圧された電圧が誘起する。このとき直流電源が電力変換回路から切り離されていると、回転電機が出力するエネルギを吸収するのは平滑用コンデンサのみであるため、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が急激に上昇する。電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が上昇すると、制御電源回路の出力が回復して、コントローラを構成するマイクロプロセッサが動作を再開する。このときコントローラのマイクロプロセッサは、先ずＣＰＵのリセットと各部のイニシャライズとを行った後、過電圧保護動作のタスク処理を行うタイミングが到来したときに、過電圧保護動作を開始する。そのため、電機子コイルの短絡を解除した時に発生する電圧の急上昇に過電圧保護動作が追いつかず、保護動作が開始されて電機子コイルが短絡される前に、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が過大になって、電力変換回路のＤＣ端子間に接続されている回路が破壊されることがある。【００１５】
直流電源が切り離されて過電圧が発生したときに、電機子コイルを短絡すると同時に、内燃機関を停止させる制御を行うことが考えられる。しかしながら、内燃機関を停止させる制御を行っても、内燃機関及び内燃機関に接続されている回転電機の慣性により、内燃機関が実際に停止するまでにある程度の時間がかかるため、電機子コイルに誘起する電圧が急上昇する状況では、電力変換回路のＤＣ端子間に接続された回路の構成部品が過電圧により破壊されるのを確実に防ぐことができない。【００１６】
本発明の目的は、回転電機が発電機として運転されて電力変換回路を通して直流電源を充電している状態で、電力変換回路から直流電源が切り離されたときに、電力変換回路のＤＣ端子間に接続された回路の構成部品が過電圧により破損するのを確実に防ぐことができる回転電機の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、永久磁石により界磁を構成した回転子と、三相の電機子コイルを有する固定子とを備えて、交流発電機またはモータとして動作させられる回転電機を制御する制御装置を対象とする。【００１８】
本発明に係わる制御装置は、各アームが、スイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを備えた三相フルブリッジ回路からなっていて、直流電源の両端に接続される一対のＤＣ端子（直流側端子）と電機子コイルの三相の端子にそれぞれ接続される三相のＡＣ端子（交流側端子）とを有する電力変換回路と、電力変換回路のＤＣ端子間に接続された平滑用コンデンサと、電力変換回路を制御するコントローラとを備えている。コントローラは、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧から得た制御用直流電圧を電源電圧として動作するように設けられて、回転電機をモータとして動作させる際に電力変換回路をインバータとして機能させて直流電源から回転電機に電機子電流を供給し、回転電機を交流発電機として動作させる際に電力変換回路を整流器として機能させて電機子コイルから直流電源に充電電流を供給するように電力変換回路のスイッチ素子を制御する。【００１９】
本発明においては、上記コントローラが、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧値が設定された過電圧判定値以上になったときに、電力変換回路の上アームの３つのスイッチ素子または下アームの３つのスイッチ素子を同時にオン状態にすることにより三相の電機子コイルを短絡した状態にする三相短絡制御と、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧値が、過電圧判定値よりも低く、コントローラの電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値以上の値に設定された低電圧判定値まで低下したときに三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にして、二相の電機子コイルのみを短絡した状態にする二相短絡制御とを行うように構成されている。【００２０】
上記のように構成すると、回転電機が発電機として運転されている状態で直流電源が電力変換回路から切り離されて、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値まで上昇したときに、三相の電機子コイルが短絡されて、回転電機の出力が零にされるため、電力変換回路のＤＣ端子間に接続されている回路の構成部品が過電圧により破壊されるのを防ぐことができる。【００２１】
回転電機の出力が零にされると、平滑用コンデンサの両端の電圧が低下していくため、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が低下していく。電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が設定された低電圧判定値まで低下すると、三相の電機子コイルを短絡していた３つのスイッチ素子の内の一つがオフ状態にされて、二相の電機子コイルのみが短絡された状態に切り替えられるため、電機子コイルは単相交流電圧を発生する状態になる。このとき、電力変換回路のＤＣ端子間には、回転電機の一相の電機子コイルに誘起する単相交流電圧を半波整流した電圧が現れる。このように、直流電源が切り離されたときに回転電機の一相の誘起電圧の半波整流出力のみが電力変換回路の直流出力端子間に現れるようにしておけば、ＤＣ端子間の電圧上昇を緩やかにすることができるため、次にＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値まで上昇したときの三相短絡制御を的確に行うことができ、電力変換回路のＤＣ端子間に接続された回路の構成部品が破壊されるのを防ぐことができる。上記の三相短絡制御と二相短絡制御とを繰り返すことで、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧を、コントローラの電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値以上のレベルに保つことができるため、過電圧保護制御を行っている間、コントローラの電源電圧を確保して、コントローラを動作可能な状態に保持することができる。従って、直流電源が電力変換回路から切り離された状態で電機子コイルの短絡が解除されて電力変換回路のＤＣ端子間に過大な電圧が現れるのを防ぐことができ、過電圧保護動作を確実に行わせることができる。【００２２】
上記の態様において、二相短絡制御を行う際に三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にするタイミングは、オフ状態にしようとするスイッチ素子に逆並列接続されている帰還ダイオードに順方向電流が流れている期間内に収まるように設定されることが好ましい。【００２３】
三相の電機子コイルを短絡している状態で、電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうち、回転電機から電力変換回路方向に向かう極性の短絡電流が流れているスイッチ素子をオフ状態にして、一相の短絡動作を解除すると、短絡電流が遮断されるため、電機子コイルに昇圧された電圧が誘起して、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が過大になるおそれがある。これに対し、上記のように、電機子コイルの短絡制御を三相短絡制御から二相短絡制御に切り替える際に、三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にするタイミングを、オフ状態にしようとするスイッチ素子に逆並列接続されている帰還ダイオードに順方向電流が流れている期間内に設定しておくと、一相の短絡を解除する際に短絡電流が遮断されることがないため、短絡制御を三相短絡制御から二相短絡制御に切り替える際に、電機子コイルに昇圧された電圧が誘起されて、電力変換回路のＤＣ端子間に過大な電圧が生じるのを防ぐことができる。【００２４】
上記の態様において、二相短絡制御は、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が低電圧判定値まで低下した時に順方向電流が流れている帰還ダイオードに並列接続されているスイッチ素子をオフ状態にすることにより行うことが好ましい。【００２５】
上記のように構成した場合も、短絡電流を遮断することなく、一つのスイッチ素子をオフ状態にして、電機子コイルの一相の短絡を解除することができるため、電力変換回路のＤＣ端子間に過大な電圧を生じさせることなく、電機子コイルの短絡制御を三相短絡制御から二相短絡制御に切り替えて、コントローラの電源電圧を確保することができる。【００２６】
上記の各態様においては、安全のために、回転電機を交流発電機として動作させている状態で電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値以上になる状態が生じたときに回転電機の回転速度を低下させるかまたは該回転電機の回転速度を停止させる制御を行う制御装置を設けておくことが好ましい。【００２７】
上記のような制御装置を設けておくと、直流電源が電力変換回路から切り離されたときに、回転電機の回転速度が低下していく。二相短絡制御による保護制御が働いている状態で回転電機の回転速度が低下していくと、やがて制御系の電源が確保できなくなり、保護制御が解除される。この保護制御が解除されるタイミングは管理されたタイミングではないので、保護制御を続けていると、意図しないタイミングで保護制御が解除されることになる。このように、意図しないタイミングで保護制御が解除されて、ＤＣ端子間の電圧が過大になるのを防ぐため、コントローラは、回転電機の回転速度が設定された安全速度以下になったときに二相短絡制御を終了させるように構成されていることが好ましい。安全速度は、回転電機の無負荷誘起電圧が機器を破損することがない電圧値になる回転速度に設定しておく。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧値が設定された過電圧判定値以上になったときに、三相の電機子コイルを短絡した状態にする三相短絡制御を行い、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧値が、過電圧判定値よりも低く、コントローラの電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値以上の値に設定された低電圧判定値まで低下したときに、電機子コイルの短絡制御を、二相の電機子コイルのみを短絡した状態にする二相短絡制御に切り替えるようにしたので、電力変換回路のＤＣ端子間に接続された回路を過電圧から保護する動作を行っている間コントローラの電源電圧を確保して、コントローラを動作状態に保持することができる。従って、過電圧保護動作を行っている間にコントローラの動作が停止して、電力変換回路のＤＣ端子間に過電圧が発生するのを防ぐことができ、過電圧保護動作を確実に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明に係わる回転電機の制御装置の一実施形態の全体的な構成を示したブロック図である。
【図２】図２は本実施形態の制御装置において、マイクロプロセッサによりコントローラ内に構成される各種の機能実現手段を、本実施形態で用いる電力変換回路の構成と共に示した構成図である。
【図３】図３は、本実施形態で用いるベクトル演算手段の構成例を示したブロック図である。
【図４】図４は、本実施形態において、三相の電機子コイルを短絡した際に流れる電流が記入された電力変換回路の回路図である。
【図５】図５は、本実施形態において、二相の電機子コイルを短絡した際に流れる電流が記入された電力変換回路の回路図である。
【図６】図６は、本発明に係わる制御装置において、過電圧が検出された際にマイクロプロセッサにより実行される処理のアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図７】図７は、本発明が対象とする制御装置においてバッテリが外された際の直流電源電圧の変化の一例を概略的に示したグラフである。
【図８】図８は、二相の電機子コイルを短絡した際に電力変換回路のＤＣ端子間に現れる電圧の平滑前の波形を示した波形図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態の全体的な構成を示したもので、同図において、１は内燃機関、２は回転子と固定子とを有して、回転子が内燃機関１のクランク軸に結合された永久磁石式の回転電機、３は直流電源、４は回転電機２を制御する制御装置である。【００３１】
回転電機２の回転子は、永久磁石により構成された界磁を有し、固定子は、三相の電機子コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗ（図４または図５参照）を有している。回転電機２は、直流電源３から後記する電力変換回路を通して電力が与えられることにより内燃機関１を始動させるモータとして動作し、内燃機関１により回転子が駆動されることにより交流発電機として動作する。【００３２】
図示されてないが、回転電機２の回転子は例えば、カップ状に形成された回転子ヨークと、回転子ヨークの周壁部の内周に取り付けられた永久磁石とからなっていて、回転子ヨークの底壁部の中央に設けられたボス部が内燃機関１のクランク軸に連結されることにより内燃機関１に取り付けられる。【００３３】
回転電機２の固定子は、回転子の界磁の磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心と、電機子鉄心に巻回された三相の電機子コイルＬｕ〜Ｌｗとにより構成される。固定子は、内燃機関のケース等に設けられた固定子取り付け用のフレームに固定されて、その電機子鉄心の磁極部が回転子の磁極にギャップを介して対向させられる。【００３４】
回転電機１の回転子の回転角度位置を検出するため、回転位置検出器５が設けられている。回転位置検出器５は、例えば、三相の電機子コイルのそれぞれに対して設定された３つの検出位置にそれぞれ配置された３つのホールＩＣにより構成される。この場合、回転位置検出器５は、ホールＩＣが検出している回転子の磁極の極性が変る毎に低レベルから高レベルに、または高レベルから低レベルにレベルが変化する矩形波状の信号を三相の電機子コイルのそれぞれに対して出力する。【００３５】
直流電源３は、電気エネルギを蓄える機能を有する電源で、バッテリやキャパシタ等のエネルギ蓄積デバイスにより構成される。本実施形態では、直流電源３を構成するエネルギ蓄積デバイスがバッテリからなっている。【００３６】
制御装置４は、回転電機２と直流電源３との間に設けられた電力変換回路６と、電力変換回路６を制御するコントローラ７とを備えている。【００３７】
図２、図４または図５に示されているように、電力変換回路６は、互いに直列に接続された上下のアームを有して、各アームがスイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとからなる３つのレグ６０１ないし６０３を備えて、これら３つのレグが並列に接続された構成を有する三相フルブリッジ回路からなっている。【００３８】
図示の例では、Ｑｕ，Ｑｖ及びＱｗがそれぞれレグ６０１，６０２及び６０３の上アームのスイッチ素子を示し、Ｄｕ，Ｄｖ及びＤｗがそれぞれスイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ及びＱｗに逆並列接続された上アームの帰還ダイオードを示している。またＱｘ，Ｑｖ及びＱｚがそれぞれレグ６０１，６０２及び６０３の下アームのスイッチ素子を示し、Ｄｘ，Ｄｙ及びＤｚがそれぞれスイッチ素子Ｑｘ，Ｑｖ及びＱｚに逆並列接続された下アームの帰還ダイオードを示している。【００３９】
電力変換回路６は、そのフルブリッジ回路の両端から引出された一対のＤＣ端子６ａ，６ｂと、フルブリッジ回路の３つのレグ６０１ないし６０３のそれぞれの上アームと下アームとの接続点から引き出された三相のＡＣ端子６ｕ，６ｖ及び６ｗとを有している。電力変換回路６の一対のＤＣ端子６ａ及び６ｂは直流電源３の両端に接続され、三相のＡＣ端子６ｕ，６ｖ，６ｗはそれぞれ回転電機２の電機子コイルの三相の端子２ｕ，２ｖ，２ｗに接続されている。ＤＣ端子６ａ及び６ｂはそれぞれプラス側及びマイナス側の端子で、ＤＣ端子６ａ及び６ｂがそれぞれ直流電源３のプラス端子及びマイナス端子に接続されている。図示の例では、マイナス側端子６ｂが接地されている。電力変換回路６の一対のＤＣ端子６ａ，６ｂ間には平滑用コンデンサ８が接続されている。図２，図４及び図５において、ｒは、電力変換回路６を通して流れる電流を検出するためにプラス側のＤＣ端子６ａと平滑用コンデンサ８の非接地側端子との間に挿入された電流検出手段である。本実施形態では、この電流検出手段がシャント抵抗により構成されている。【００４０】
電力変換回路６の各スイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチ素子からなっていて、上アームのスイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ及び下アームのスイッチ素子Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚのそれぞれのゲートには、コントローラ７に設けられたスイッチ駆動回路７０１から駆動信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ及びＳｘ，Ｓｙ，Ｓｚが与えられる。電力変換回路６の各アームのスイッチ素子は、駆動信号が与えられたときにオフ状態からオン状態に遷移して駆動信号が与えられている間オン状態を保持し、駆動信号が除去された際にオフ状態に遷移する。【００４１】
回転電機２をモータとして駆動する際には、電力変換回路６をインバータとして機能させて、回転電機２を所定の方向に回転させるべく、直流電源３から回転電機２の三相の電機子コイルＬｕないしＬｗに、所定の順序で転流する駆動電流を流すように、スイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ及びＱｘ，Ｑｙ，Ｑｚのそれぞれに駆動信号を与えるタイミングが制御される。また電力変換回路の上アームのスイッチ素子または下アームのスイッチ素子が所定のデューティ比でオンオフさせられることにより、回転電機から所望のトルクを出力させるように、回転電機の電機子コイルに流す駆動電流がＰＷＭ制御される。【００４２】
回転電機２が発電機として動作する際には、電力変換回路６のフルブリッジ接続された帰還ダイオードＤｕ〜Ｄｗ及びＤｘ〜Ｄｚが全波整流器として機能して、回転電機１の電機子コイルが発生する交流出力を直流出力に変換し、この直流出力を直流電源３に供給して直流電源（本実施形態ではバッテリ）３を充電する。【００４３】
コントローラ７は、中央演算装置（ＣＰＵ）７Ａ、不揮発性メモリ（ＲＯＭ）７Ｂ、揮発性メモリ（ＲＡＭ）７Ｃ、入力インターフェース７Ｄ及び出力インターフェース７Ｅ等を有するマイクロプロセッサ７００と、スイッチ駆動回路７０１とを備えている。コントローラ７のＣＰＵ７Ａには、回転位置検出器５から得られる位置検出信号と、電力変換回路６のＤＣ端子６ａ，６ｂ間の電圧を検出する電源電圧検出回路９の出力と、電力変換回路６から回転電機２に与えられる駆動電流を検出する電流検出回路１０の出力とが入力インターフェース７Ｄを通して入力されている。【００４４】
コントローラ７を構成するマイクロプロセッサ７００の出力インターフェース７Ｅは、電力変換回路６のスイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ及びＱｘ，Ｑｙ，Ｑｚにそれぞれ対応する出力端子を有していて、スイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ及びＱｘ，Ｑｙ，Ｑｚにそれぞれ対応する出力端子からスイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ及びＱｘ，Ｑｙ，Ｑｚをそれぞれオン状態にすることを指令するオン指令信号ｕ，ｖ，ｗ及びｘ，ｙ，ｚを所定のタイミングで出力する。スイッチ駆動回路７０１は、スイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ及びＱｘ，Ｑｙ，Ｑｚにそれぞれ対応する入力端子と出力端子とを有し、出力インターフェース７Ｅの出力端子から出力されるオン指令信号ｕ，ｖ，ｗ及びｘ，ｙ，ｚが、スイッチ駆動回路７０１の対応する入力端子に入力されている。【００４５】
スイッチ駆動回路７０１は、各入力端子に入力されたオン指令信号を増幅して対応する出力端子から出力する増幅器を備えていて、マイクロプロセッサ７００の出力インターフェース７Ｅからスイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ及びＱｘ，Ｑｙ，Ｑｚにそれぞれ対応するオン指令信号が出力されたときに、これらのオン指令信号を増幅して、増幅された信号を電力変換回路６のスイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ及びＱｘ，Ｑｙ，Ｑｚのゲートに駆動信号（各スイッチ素子をオン状態にするために各スイッチ素子のゲートに与える信号）Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ及びＳｘ、Ｓｙ，Ｓｚとして供給する。【００４６】
回転電機２をモータとして動作させる際には、その出力トルクを制御するために直流電源３から回転電機２に供給する駆動電流をＰＷＭ制御する。そのため、出力インターフェース７Ｅが出力するオン指令信号のうち、下アームのスイッチ素子に対するオン指令信号または上アームのスイッチ素子に対するオン指令信号が所定のデューティ比で断続するように変調された波形とされ、この変調されたオン指令信号が増幅されて電力変換回路６の所定のスイッチ素子のゲートに駆動信号として与えられる。これにより、電力変換回路６の下アームのスイッチ素子または上アームのスイッチ素子が所定のデューティ比でオンオフさせられて、回転電機２に供給される駆動電流がＰＷＭ制御される。【００４７】
電力変換回路６のＤＣ端子６ａ，６ｂ間の電圧を入力として一定の直流電圧を生成する制御電源回路１２が設けられ、この制御電源回路１２からコントローラ７に電源電圧が与えられている。図示の制御電源回路１２は、マイクロプロセッサ７００を駆動するための電源電圧（例えば５ボルト）と、スイッチ駆動回路７０１を駆動するための電源電圧（例えば１０ボルト）とを出力する。この場合、コントローラ７を動作状態に保持するためには、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が１０ボルト以上である必要がある。【００４８】
コントローラ７を構成するマイクロプロセッサは、所定のプログラムを実行することにより、回転電機２を制御するために必要な各種の機能を実現する手段を構成する。図２を参照すると、コントローラ７のマイクロプロセッサにより構成される機能実現手段の一例が、電力変換回路６の構成例とともに示されている。【００４９】
図２において、図１に示した各部と同等の部分には、図１と同じ符号が付されている。図２に示した例では、マイクロプロセッサ７００（図１参照）が所定のプログラムを実行することにより、モータ出力トルク指示手段１３と、発電電圧指示手段１４と、回転位置演算手段１５と、ベクトル演算手段１６と、過電圧判定手段１７と、低電圧判定手段１８と、駆動パターン生成手段１９とを構成する。【００５０】
モータ出力トルク指示手段１３は、回転電機２をモータとして動作させる際の出力トルクの指示値を与える手段である。モータ出力トルク指示手段１３は、内燃機関を始動する際に回転電機２から出力させるトルクの指示値をＲＯＭから読み出してベクトル演算手段１６に与える。【００５１】
発電電圧指示手段１４は、回転電機２を発電機として動作させてバッテリを充電する際に回転電機２から出力させる電圧の上限値と下限値の指示値を与える手段である。発電電圧指示手段１４は、内燃機関の始動が完了した後、回転電機を発電機として動作させる際に、発電電圧の指示値をＲＯＭから読み出してベクトル演算手段１６に与える。【００５２】
回転位置演算手段１５は、回転電機２に設けられている回転位置検出器５が出力する三相の位置検出信号を入力として、回転電機の回転子の回転位置（電気角）を演算する手段である。【００５３】
過電圧判定手段１７は、電源電圧検出回路９により検出された電圧と、予め設定されてＲＯＭ７Ｂに記憶された過電圧判定値とを比較して、電源電圧検出回路９により検出された電源電圧が過電圧判定値以上になったか否かを判定する手段であり、低電圧判定手段１８は、電源電圧検出回路９により検出される電圧が設定された低電圧判定値まで低下したか否かを判定する手段である。【００５４】
過電圧判定値は、バッテリの端子電圧の許容範囲の上限値よりは高く、かつ電力変換回路６のＤＣ端子間に接続された回路の構成部品が破壊する電圧よりは低い値に設定される。【００５５】
また低電圧判定値は、過電圧判定値よりは低く、かつコントローラ７の電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値以上に設定される。バッテリの定格電圧が１２ボルトである場合、過電圧判定値は例えば２０ボルトに設定され、低電圧判定値は例えば１０ボルト（スイッチ駆動回路７０１を動作させるために必要な電圧の下限値）に設定される。【００５６】
ベクトル演算手段１６は、回転電機をベクトル制御するために設けられたもので、図３に示すように、相電流検出手段１６Ａと、第１の座標変換手段１６Ｂと、制御電圧演算手段１６Ｃと、第２の座標変換手段１６Ｄとにより構成されている。【００５７】
図３において、相電流検出手段１６Ａは、電流検出回路１０により検出された電流値と、駆動パターン生成手段１９が生成している駆動パターンと、回転位置演算手段１５により演算された回転電機２の回転子の界磁の回転位置（電気角）とから、固定子側に設定された静止座標系でのＵ，Ｖ，Ｗ三相の電流の大きさと位相とを演算する。【００５８】
第１の座標変換手段１６Ｂは、回転位置演算手段１５により演算された回転電機の回転子の界磁の回転位置（電気角）を用いて、上記静止座標系を、各永久磁石の中心と回転子の中心とを通る軸をｄ軸とし、ｄ軸に対して電気角で９０°位相がずれた軸をｑ軸とした回転座標系に変換して、相電流検出手段１６Ａにより検出された静止座標系における各相の電流を、ｄ軸方向の電流成分とｑ軸方向の電流成分とに変換する演算を行う。【００５９】
制御電圧演算手段１６Ｃは、回転電機をモータとして駆動して内燃機関を始動する際に、モータ出力トルク指示手段１３から与えられるモータ出力トルクの指示値に従って、指示されたトルクを発生させるために必要なｄ軸駆動電圧と、ｑ軸駆動電圧とを演算する。  【００６０】
制御電圧演算手段１６Ｃはまた、回転電機を内燃機関により駆動することにより発電機として動作させて直流電源３のバッテリを充電する際に、発電電圧指示手段１４から与えられる発電電圧の指示値と電源電圧検出回路９により検出される電源電圧との偏差に基づいて、電源電圧（ＤＣ端子間の電圧）を指示された発電電圧に等しくする制御を行わせるために必要なｄ軸駆動電圧とｑ軸駆動電圧とを出力する。【００６１】
本実施形態の制御電圧演算手段１６Ｃは、電源電圧検出回路９により検出される電源電圧（直流電源３の両端の電圧）が、直流電源３の両端の電圧の許容範囲の下限を与える設定値以下であるとき（発電量が不足しているとき）に、ｄ軸電流を増磁方向に変化させ、検出される電源電圧が許容範囲の上限を与える設定値を超えているとき（発電量が過剰であるとき）には、ｄ軸電流を減磁方向に変化させるように、電源電圧検出回路により検出される電源電圧に応じてｄ軸電流成分をフィードバック制御する。ベクトル制御において、ｄ軸電流成分は界磁制御電流に相当する。直流電源３がバッテリからなっていて、その定格電圧が１２ボルトである場合、直流電源３の両端の電圧の許容範囲の上限を与える設定値は例えば１４ボルトに設定される。【００６２】
第２の座標変換手段１６Ｄは、回転位置演算手段１５により演算された回転子の界磁の回転位置（電気角）に応じて、制御電圧演算手段１６Ｃにより演算されたｄ軸駆動電圧とｑ軸駆動電圧とを静止座標系におけるＵ，Ｖ，Ｗ各相の駆動電圧に変換する。【００６３】
第２の座標変換手段１６Ｄにより演算されたＵ相駆動電圧、Ｖ相駆動電圧及びＷ相駆動電圧は、駆動パターン生成手段１９に与えられる。駆動パターン生成手段１９は、第２の座標変換手段１６Ｄから与えられたＵ相駆動電圧、Ｖ相駆動電圧及びＷ相駆動電圧に基づいて、ＵＶＷ各相のレグのＰＷＭデューティを算出し，算出されたＰＷＭデューティに従って、電力変換回路６の所定のスイッチ素子をオン状態にすべきことを指令するオン指令信号をスイッチ駆動回路７０１に与える。【００６４】
図２に示された駆動パターン生成手段１９は、回転電機が発電機として運転されている状態で、何らかの原因で直流電源３が電力変換回路６から切り離されて、電源電圧検出回路９により検出される電圧が過電圧判定値以上になったときに、電力変換回路の上アームのすべてのスイッチ素子を同時のオン状態にするか、または下アームのすべてのスイッチ素子を同時にオン状態にして三相の電機子コイルを短絡した状態にする三相短絡制御を行った後、平滑用コンデンサ８が放電して、電源電圧検出回路９により検出される電圧が、上記過電圧判定値よりも低く、コントローラ７の電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値以上の値に設定された低電圧判定値まで低下したときに、回転電機の三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にして、電機子コイルを短絡する短絡制御を、二相の電機子コイルのみを短絡した状態にする二相短絡制御に切り替える制御動作を行わせるようにスイッチ素子の駆動パターンを決定し、決定した駆動パターンに従ってスイッチ駆動回路７０１にオン指令信号を出力する。【００６５】
図２において、２０は直流電源３の正極端子とプラス側ＤＣ端子６ａとの間に挿入された常開接点２０ａと、励磁コイル２０ｂとを有するメインリレーであり、２１はメインリレー２０を制御するメインリレー制御手段である。メインリレー制御手段２１は、図示しないキースイッチがオン状態にされた時に励磁コイル２０ｂを励磁して接点２０ａをオン状態にし、キースイッチがオフ状態にされたときに励磁コイル２０ｂの励磁を解いて接点２０ａをオフ状態にする制御や、電流検出回路１０により過電流が流れたことが検出された時に励磁コイル２０ｂの励磁を解いて接点２０ａをオフ状態にする制御等を行う手段である。図２においては、リレー２０が励磁された状態にあり、接点２０ａが閉じた状態にある。【００６６】
以下、本実施形態の制御装置の動作について説明する。
本実施形態で用いるコントローラ７は、直流電源３が電力変換回路６に正しく接続されているときに、回転電機２をモータとして動作させるべく、電力変換回路６のスイッチ素子を制御するモータ駆動制御と、回転電機２を交流発電機として動作させて回転電機２の出力で電力変換回路６を通して直流電源３を充電する際に直流電源の両端の電圧を設定範囲に保つための充電制御とを行い、回転電機が発電機として運転されている状態で直流電源３が電力変換回路６から切り離されて、電力制御回路６のＤＣ端子６ａ，６ｂ間に過電圧が発生したときに、電力変換回路６のＤＣ端子間に接続された回路を過電圧から保護するための過電圧保護制御を行う。モータ駆動制御、バッテリ充電制御及び過電圧保護制御は下記のようにして行われる。【００６７】
［モータ駆動制御］
コントローラ７のマイクロプロセッサ７００は、内燃機関１を始動する際にモータ駆動制御を行う。この制御では、指示トルクと回転速度とからｄ軸電流及びｑ軸電流を求め、これらの電流にそれぞれ一致するようにｄ軸駆動電圧及びｑ軸駆動電圧を求める。次いで第２の座標変換手段により、これらの駆動電圧を回転位置に応じて座標変換してＵＶＷ各相の駆動電圧の指示値を求め、この指示値に応じてＵＶＷ各相をＰＷＭ駆動する。回転電機２をモータとして動作させる際に電力制御回路を制御する方法は、ブラシレスＤＣモータを制御する際に用いられるベクトル制御方法である。【００６８】
［バッテリ充電制御］
バッテリ充電制御において、マイクロプロセッサ７００は、電源電圧検出回路９により検出される電圧を設定された充電電圧に一致させるべく、発電電圧が不足しているときにはｄ軸電流を増磁方向に変化させ、発電電圧が過剰であるときにはｄ軸電流を減磁方向に変化させて、電源電圧検出回路の検出出力に応じて発電電圧をフィードバック制御する。【００６９】
［過電圧保護制御］
回転電機２を発電機として運転している状態で、直流電源と電力変換回路との間を接続している配線が切断されたり、リレー２０が故障して接点２０ａが開いたりして、直流電源３が電力変換回路６から切り離されると、コントローラ７が回転電機を制御し切れなくなってその出力電圧が上昇し、電力変換回路６のＤＣ端子６ａ，６ｂ間の電圧が過大になる。電力変換回路のＤＣ端子６ａ，６ｂ間に接続された回路を上記の過電圧から保護するため、過電圧保護制御を行わせる必要がある。【００７０】
先に述べたように、従来の回転電機の制御装置においては、回転電機が発電機として運転されている状態で、直流電源３が切り離されて電力変換回路６のＤＣ端子間に過電圧が発生したときに、回転電機の三相の電機子コイルをすべて短絡することにより、電機子コイルの出力電圧を零にして、ＤＣ端子間に接続されている回路を保護するようにしていた。【００７１】
図７は、従来の制御装置において、過電圧保護動作が行われる際に電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が示す変化を示している。図７の横軸は時間ｔを示し、縦軸は電力変換回路のＤＣ端子間の電圧（直流電源電圧）Ｅを示している。回転電機が発電機として運転されている状態で、図７に示された時刻ｔ1においてバッテリが外されると、回転電機の出力がバッテリに吸収されなくなるため、回転電機の出力を制御しきれなくなって、直流電源電圧Ｅが上昇していく。時刻ｔ2において直流電源電圧Ｅが過電圧判定値ＥＨに達すると、電力変換回路のすべての下アームのスイッチ素子またはすべての上アームのスイッチ素子に同時に駆動信号が与えられ、回転電機の出力が零にされる。回転電機の出力が零になっている間、電力変換回路のＤＣ端子間に接続された平滑用コンデンサが放電していき、その放電に伴って直流電源電圧Ｅが低下していく。【００７２】
時刻ｔ3において直流電源電圧Ｅが下限値ＥＬよりも低くなって、制御電源回路１２の出力電圧がコントローラ７のマイクロプロセッサを動作させることができる電圧範囲の下限を下回ると、コントローラ７が動作を停止し、回転電機２の電機子コイルの短絡が解除される。これにより、回転電機の出力電圧が上昇に転じ、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が上昇していく。電機子コイルの短絡が解除されたときには、電機子コイルに昇圧された電圧が誘起するため、ＤＣ端子間の電圧は急峻な上昇を示す。ＤＣ端子間の電圧が上昇すると、マイクロプロセッサの電源電圧が回復する。マイクロプロセッサは、その電源電圧が回復したときに先ずＣＰＵのリセット動作を行った後、各部のイニシャライズを行い、次いで直流電源電圧が過電圧判定値ＥＨより高くなっていれば、過電圧保護制御を開始する。しかし、時刻ｔ3でマイクロプロセッサが一旦動作を停止した後、過電圧保護動作が再開されるまでの間に長い時間がかかり、その間に、時刻ｔ4においてＤＣ端子間の電圧が機器を破壊する電圧Ｅｄを超えてしまうことがある。【００７３】
上記のように、従来の制御装置によった場合には、電力変換回路６のＤＣ端子間から直流電源３が外されて、過電圧保護制御が行われるときに、マイクロプロセッサの電源電圧が一旦喪失してしまうため、回転電機の出力電圧が上昇に転じたときに、過電圧保護動作が再開されるまでに長い時間がかかり、その間に電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が機器を破壊する電圧まで上昇するおそれがあった。【００７４】
上記のような不具合が生じるのを防ぐため、本発明においては、ＤＣ端子６ａ，６ｂ間の電圧が過電圧判定値以上になったことが検出された時に先ず三相の電機子コイルを短絡する三相短絡制御を行った後、ＤＣ端子６ａ，６ｂ間の電圧がマイクロプロセッサを動作状態に保持するために必要な電圧範囲の下限値を下回る前に、電機子コイルの一相の短絡を解除して、電機子コイルの短絡制御を、二相の電機子コイルのみを短絡した状態にする二相短絡制御に切り替える。【００７５】
本実施形態で用いるコントローラ７のマイクロプロセッサは、電力変換回路のＤＣ端子間から直流電源３が切り離されて、電力変換回路６のＤＣ端子間の電圧が、直流電源３の両端の電圧の許容範囲の上限を与える設定値よりも高く、機器を破壊するおそれがある電圧値よりは低く設定された過電圧判定値に達したときに、電力変換回路６のＤＣ端子間に接続された回路の構成要素を過電圧から保護する過電圧保護制御を行わせるための処理を開始する。直流電源３がバッテリであって、その定格電圧が１２ボルトである場合、過電圧判定値は例えば２０ボルトに設定される。【００７６】
この処理が開始されると、先ず電力変換回路６の上アームの３つのスイッチ素子または下アームの３つのスイッチ素子を同時にオン状態にすることにより回転電機２の三相の電機子コイルを短絡した状態にする三相短絡制御が行われる。次いで、電力変換回路６のＤＣ端子間の電圧値が、過電圧判定値よりも低く、コントローラ７の電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値以上の値に設定された低電圧判定値まで低下したときに回転電機の三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にして、電機子コイルの短絡制御を、二相の電機子コイルのみを短絡した状態にする二相短絡制御に切り替える。コントローラ７のマイクロプロセッサ７００を動作させるために必要な電源電圧は例えば５ボルトであり、スイッチ駆動回路１１を動作させるために必要な電源電圧は例えば１０ボルトである。この場合、上記低電圧判定値は１０ボルト以上に設定する。【００７７】
上記のように構成すると、回転電機２が発電機として運転されている状態で直流電源３が電力変換回路６から切り離されて、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値まで上昇したときに、三相の電機子コイルＬｕないしＬｗが短絡されて、回転電機の出力が零にされるため、電力変換回路のＤＣ端子間に接続されている回路の構成部品が過電圧により破壊されるのを防ぐことができる。【００７８】
上記のような制御を行うと、過電圧が発生したときに、先ず三相の電機子コイルがすべて短絡されて、回転電機の出力が零にされるため、平滑用コンデンサの両端の電圧が低下していき、電力変換回路６のＤＣ端子間の電圧が低下していく。電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が設定された低電圧判定値まで低下すると、三相の電機子コイルを短絡していた３つのスイッチ素子の内の一つがオフ状態にされて、二相の電機子コイルのみが短絡された状態に切り替えられるため、電機子コイルは単相交流電圧を発生する状態になる。このとき、電力変換回路６のＤＣ端子間には、回転電機が出力する単相交流電圧を半波整流した波形の電圧が現れる。このように、直流電源３が電力変換回路６から切り離されたときに回転電機の一相の交流電圧の半波整流出力のみが電力変換回路の直流出力端子間に現れるようにしておくと、ＤＣ端子間の電圧上昇を緩やかにすることができるため、次にＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値まで上昇したときの三相短絡制御を的確に行うことができ、電力変換回路のＤＣ端子間に接続された回路の構成部品が破壊されるのを防ぐことができる。【００７９】
前述の三相短絡制御と二相短絡制御とを繰り返すことで、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧を、コントローラの電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値以上のレベルに保つことができるため、過電圧保護制御を行っている間、コントローラの電源電圧を確保して、マイクロプロセッサ７００を動作状態に保持し、かつスイッチ駆動回路７０１を動作可能な状態に保持することができる。従って、直流電源が電力変換回路から切り離された状態で電機子コイルの短絡が解除されて電力変換回路のＤＣ端子間に過大な電圧が現れるのを防ぐことができ、過電圧保護動作を確実に行わせることができる。【００８０】
過電圧保護制御において、電機子コイルの短絡制御を三相短絡制御から二相短絡制御に切り替えるために三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にするタイミングを、オフ状態にしようとするスイッチ素子を通して短絡電流が流れている期間内に設定すると、一つのスイッチ素子をオフ状態にした際に一相の短絡電流が遮断されるため、電機子コイルに昇圧された電圧が誘起し、電力変換回路のＤＣ端子間に過大な電圧が発生するおそれがある。【００８１】
図４は、電力変換回路６の下アームのスイッチ素子Ｑｘ，Ｑｙ及びＱｚを同時にオン状態にして、三相の電機子コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗを短絡している過程で、Ｕ相の電機子コイルＬｕから電力変換回路６側に向かう短絡電流Ｉｕが流れている状態を示している。この状態では、Ｕ相の電機子コイルＬｕから流れ出した電流Ｉｕがスイッチ素子Ｑｘを通してアース側に流れた後、帰還ダイオードＤｙ及びＤｚに分流し、帰還ダイオードＤｙを通してＶ相の電機子コイルＬｖに電流Ｉｖが流れ込むと共に、帰還ダイオードＤｚを通してＷ相の電機子コイルＬｗに電流Ｉｗが流れ込む。【００８２】
この状態で、短絡電流Ｉｕが流れているスイッチ素子Ｑｘをオフ状態にして、半波整流された単相交流電流Ｉｕ′を制御電源回路側に流すようにすると、短絡電流Ｉｕが遮断された際に電機子コイルＬｕに昇圧された電圧が誘起する。この電圧は電力変換回路６のＤＣ端子間に現れるため、短絡電流Ｉｕの遮断値が大きい場合には、電機子コイルの短絡制御を三相短絡制御から二相短絡制御に切り替えた際に、ＤＣ端子間に過大な電圧が発生するおそれがある。【００８３】
上記のような問題が発生するのを防ぐため、過電圧保護制御において、電機子コイルの短絡制御を三相短絡制御から二相短絡制御に切り替えるために三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にするタイミングは、オフ状態にしようとするスイッチ素子に逆並列接続されている帰還ダイオードに順方向電流が流れている期間内に収まるように設定するのが好ましい。【００８４】
すなわち、二相短絡制御は、電力変換回路のＤＣ端子間の電圧が低電圧判定値まで低下した時に順方向電流が流れている帰還ダイオードに並列接続されているスイッチ素子をオフ状態にすることにより行うことが好ましい。【００８５】
図５は、回転電機が発電機として運転されている状態で、直流電源３が電力変換回路６から切り離されたときに、電力変換回路６の下アームのスイッチ素子Ｑｘ，Ｑｙ及びＱｚを同時にオン状態にして、三相の電機子コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗを短絡している過程で、Ｖ相の電機子コイルＬｖから電力変換回路６側に向かう短絡電流Ｉｖが流れている状態を示している。この状態では、Ｖ相の電機子コイルＬｖから流れ出した電流Ｉｖがスイッチ素子Ｑｙを通してアース側に流れた後、帰還ダイオードＤｘ及びＤｚに分流し、帰還ダイオードＤｘを通してＵ相の電機子コイルＬｕに電流Ｉｕが流れ込むと同時に、帰還ダイオードＤｚを通してＷ相の電機子コイルＬｗに電流Ｉｗが流れ込む。【００８６】
この状態で、順方向電流Ｉｕが流れている帰還ダイオードＤｘに並列接続されているスイッチ素子Ｑｘをオフ状態にすると、スイッチ素子Ｑｘをオフ状態にした際に電流が遮断されることがないため、電機子コイルに昇圧された電圧を誘起させることなしに、二相の電機子コイルのみを短絡した状態にすることができる。スイッチ素子Ｑｘをオフ状態にした後、Ｕ相の電機子コイルＬｕから電力変換回路側に電流Ｉｕ′が流れるようになると、この電流が帰還ダイオードＤｕを通して平滑コンデンサ８側に流れる。このとき平滑コンデンサ８に印加される電圧は、図８に示すように単相交流電圧を半波整流した電圧になる。【００８７】
このように、本実施形態においては、ＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値に達した時に三相の電機子コイルを短絡する三相短絡制御を行った後、電機子コイルの短絡制御を、二相の電機子コイルのみを短絡した状態にする二相短絡制御に切り替えて、一相の電機子コイルから、コントローラ７を動作させるために必要な電圧範囲の下限値以上の電圧を出力させるので、過電圧保護制御を行っている間中、制御電源回路１２がコントローラ７を動作させるための電源電圧を出力する状態を維持して、過電圧保護動作を支障なく行わせることができ、電力変換回路のＤＣ端子間に接続された回路を過電圧から確実に保護することができる。【００８８】
なお図５の状態において、短絡電流Ｉｗが順方向電流として流れている帰還ダイオードＤｗに並列接続されているスイッチ素子Ｑｚをオフ状態にすることにより、電機子コイルの短絡制御を三相短絡制御から二相短絡制御に切り替えるようにしてもよいのはもちろんである。【００８９】
電機子コイルの短絡制御を三相短絡制御から二相短絡制御に切り替えるタイミングは、回転位置検出器５が発生する位置検出信号から検出することができる。【００９０】
上記の実施形態において、直流電源３が切り離された状態で、回転電機の回転速度が低下していくと、いずれ制御系の電源が確保できなくなり、保護制御（二相短絡制御）が解除される。意図しないタイミングで保護制御が解除されるのを防ぐため、コントローラ７は、回転電機２の回転速度が安全速度以下になったときに三相短絡制御及び二相短絡制御を終了させるようにするのが好ましい。安全速度は、回転電機の無負荷誘起電圧が機器を破損することがない電圧値になる回転速度、例えば１０００ｒ／ｍｉｎに設定する。回転電機２の回転速度は、例えば、回転位置検出器５が出力する位置検出信号の周波数から検出することができる。【００９１】
上記した各制御を行わせるため、図３に示された制御電圧演算手段１６Ｃは、回転電機をモータとして動作させる際に、指示トルクと回転速度とからｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とを求め、これらの電流成分にそれぞれ一致するｄ軸駆動電圧及びｑ軸駆動電圧を求める。【００９２】
第２の座標変換手段１６Ｄは、制御電圧演算手段１６Ｃにより演算された上記のｄ軸駆動電圧及びｑ軸駆動電圧を回転位置に応じて座標変換してＵＶＷ各相の駆動電圧（指示値）を求める。【００９３】
また駆動パターン生成手段１９は、第２の座標変換手段１６Ｄから与えられたＵ相駆動電圧、Ｖ相駆動電圧及びＷ相駆動電圧に基づいて、ＵＶＷ各相のレグのＰＷＭデューティを算出し，電力変換回路６の上アームのスイッチ素子をオン状態にすることを指示するオン指令信号または下アームのスイッチ素子をオン状態にすることを指示するオン指令信号を、演算されたＰＷＭデューティで断続する波形とする。これにより、回転電機２に与える駆動電流を、モータ出力トルクの指示値に応じてＰＷＭ制御して、回転電機２から指示されたトルクを出力させる。【００９４】
また、制御電圧演算手段１６Ｃは、回転電機２を内燃機関により駆動して発電機として動作させる際に、電源電圧検出回路により検出される電圧が充電設定電圧に一致させる制御を行なわせるため、発電電圧が不足しているときにはｄ軸電流を増磁方向に変化させ、発電電圧が過剰なときにはｄ軸電流を減磁方向に変化させるようにフィードバック制御する。【００９５】
駆動パターン生成手段１９は、過電圧判定手段９により、電力変換回路６のＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値に達したと判定されたときに、電力変換回路２の上アームのすべてのスイッチ素子に同時にオンデューティが１００％の駆動信号を与えるか、または下アームのすべてのスイッチ素子に同時にオンデューティが１００％の駆動信号を与えることにより、上アームのすべてのスイッチ素子または下アームのすべてのスイッチ素子を同時にオン状態にして、三相の電機子コイルを短絡した状態にする三相短絡制御を行った後、電源電圧検出回路９により検出される電源電圧が過電圧判定値よりも低く、コントローラ７の電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値以上の値に設定された低電圧判定値まで低下したときに回転電機の三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にして二相の電機子コイルのみを短絡した状態にする二相短絡制御を行わせるように、電力変換回路６のスイッチ素子の駆動パターンを生成して、生成した駆動パターンに基づいてスイッチ駆動回路７０１にオン指令信号を与える。【００９６】
本実施形態では、駆動パターン生成手段１９が、過電圧保護制御手段を構成する。この過電圧保護制御手段は、過電圧判定手段１７によりＤＣ端子６ａ，６ｂ間の電圧が過電圧状態にあると判定されたときに電力変換回路６の上アームの３つのスイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗまたは下アームの３つのスイッチ素子Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚを同時にオン状態にして三相の電機子コイルを短絡した状態にする三相短絡制御を行い、低電圧判定手段１８によりＤＣ端子６ａ，６ｂ間の電圧が低電圧状態にあると判定されたときに三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にして二相の電機子コイルのみを短絡した状態にする二相短絡制御を行うように電力変換回路６のスイッチ素子を制御する。【００９７】
上記のように、本実施形態で用いるコントローラ７のマイクロプロセッサ７００は、電力変換回路６のＤＣ端子６ａ，６ｂ間の電圧値が設定された過電圧判定値以上になったときに、電力変換回路６の上アームの３つのスイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗまたは下アームの３つのスイッチ素子Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚを同時にオン状態にすることにより三相の電機子コイルを短絡した状態にする三相短絡制御を行い、電力変換回路６のＤＣ端子間の電圧値が、過電圧判定値よりも低く、コントローラの電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値以上の値に設定された低電圧判定値まで低下したときに三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にして、二相の電機子コイルのみを短絡した状態にする二相短絡制御を行うように、電力変換回路のスイッチ素子を制御するためのプログラムを実行する。【００９８】
換言すると、本実施形態で用いるコントローラ７は、電力変換回路６のＤＣ端子間の電圧値が設定された過電圧判定値以上になったときにＤＣ端子間の電圧が過電圧状態にあると判定する過電圧判定手段１７と、電力変換回路６のＤＣ端子間の電圧値が過電圧判定値よりは低く、コントローラの電源電圧を確保するために必要な電圧範囲の下限値以上の値に設定された低電圧判定値まで低下したときにＤＣ端子間の電圧が低電圧状態にあると判定する低電圧判定手段１９と、過電圧判定手段によりＤＣ端子間の電圧が過電圧状態にあると判定されたときに電力変換回路の上アームの３つのスイッチ素子または下アームの３つのスイッチ素子を同時にオン状態にすることにより三相の電機子コイルを短絡した状態にする三相短絡制御を行い、低電圧判定手段によりＤＣ端子間の電圧が低電圧状態にあると判定されたときに前記三相の電機子コイルを短絡している３つのスイッチ素子のうちの一つをオフ状態にして二相の電機子コイルのみを短絡した状態にする二相短絡制御を行うように電力変換回路のスイッチ素子を制御する過電圧保護制御手段とを備えている。【００９９】
図６を参照すると、電力変換回路６のＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値に達したと判定された時にマイクロプロセッサ７００に実行させる処理のアルゴリズムを示すフローチャートが示されている。図６の処理は、回転電機を発電機として運転している状態で、過電圧判定手段１７により、電力変換回路６のＤＣ端子間の電圧が過電圧判定値に達したとの判定が最初に行われた時に開始される。【０１００】
図６の処理が開始されると、先ずステップＳ１０１で電力変換回路６の下アームの３つのスイッチ素子Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚのすべてに同時に駆動信号を与えるか、または、電力変換回路６の３つの上アームのスイッチ素子Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚのすべてに同時に駆動信号を与えることにより、三相の電機子コイルを短絡する三相短絡制御を行う。【０１０１】
次いでステップＳ１０２に進んで、ＤＣ端子６ａ，６ｂ間の電圧（電源電圧）が低電圧判定値（本実施形態では１０ボルト）以下になったか否かを判定する。その結果電源電圧が低電圧判定値まで低下してないと判定さえたときには、ステップＳ１０１に戻って電源電圧が低電圧判定値まで低下するのを待つ。【０１０２】
ステップＳ１０２で電源電圧が低電圧判定値まで低下したと判定されたときには、ステップＳ１０３に移行して、回転電機の駆動電流の電気角が設定された範囲内にあるか否か（オフ状態にしようとするスイッチ素子に並列接続されている帰還ダイオードを通して順方向電流が流れている期間であるか否か）を判定する。その結果、回転電機の駆動電流の電気角が設定された範囲内にないと判定されたときには、駆動電流の電気角が設定された範囲内に入るのを待つ。ステップＳ１０３で駆動電流の電気角が設定された範囲内にあると判定されたとき、即ち、オフ状態に使用とするスイッチ素子に並列接続されている帰還ダイオードを通して順方向電流が流れていると判定されたときに、ステップＳ１０４に移行して、三相の電機子コイルＬｕないしＬｗを短絡していた３つのスイッチ素子の内、順方向電流が流れている帰還ダイオードに並列接続されている一つのスイッチ素子への駆動信号の供給を停止して、該スイッチ素子をオフ状態にすることにより、一相の電機子コイルの短絡を解除して、電機子コイルの短絡制御を二相短絡制御に切り替える。【０１０３】
次いでステップＳ１０５でＤＣ端子６ａ，６ｂ間の電圧（電源電圧）が過電圧判定値（２０ボルト）以上であるか否かを判定する。その結果、電源電圧が過電圧判定値以上であると判定された場合には、ステップＳ１０１に戻り、電源電圧が過電圧判定値未満であると判定されたときにはステップＳ１０６に移行する。ステップＳ１０６では、回転電機の回転速度が、安全速度（１０００ｒ／min）以下であるか否かを判定し、回転速度が、安全速度（１０００ｒ／min）を超えている場合には、ステップＳ１０５に戻る。ステップＳ１０６で回転電機の回転速度が安全速度（１０００ｒ／min）以下であると判定されたときに、電力変換回路のスイッチ素子への駆動信号の供給を停止して、過電圧保護制御を停止させる。【０１０４】
上記の実施形態において、直流電源が電力変換回路から切り離されたときには、安全のために、回転電機の回転速度を、回転電機の無負荷誘起電圧がＤＣ端子間に接続された機器を破損するおそれがない電圧値になる安全速度以下に低下させるようにしておくことが好ましい。従って、直流電源が電力変換回路から外されたときに、回転電機の回転速度を安全速度まで低下させるか、または回転電機を停止させる制御を行う制御装置を設けておくことが好ましい。【０１０５】
上記のような回転電機２は、上記の実施形態のように、その回転子が内燃機関１のクランク軸に取り付けられて、内燃機関を始動する際に内燃機関始動用モータとして動作させられ、機関が始動した後は、バッテリを充電する交流発電機として動作させられることが多い。この場合には、内燃機関側に設けられる内燃機関用制御装置（図示せず。）を、バッテリが電力変換回路から外されたことが検出されたときに、内燃機関１の回転速度を安全速度以下に低下させるか、または内燃機関１を停止させる制御を行うように構成することが好ましい。【０１０６】
内燃機関の回転速度を低下させる制御は、例えば、バッテリが外されたことが検出されたときに機関の点火時期を遅角させることにより行うことができる。また内燃機関を停止させる制御は、バッテリが外されたことが検出されたときに内燃機関を失火させたり、内燃機関への燃料の供給を停止したり、内燃機関用制御装置や点火装置に電源を供給するリレーの接点をオフにすることにより行うことができる。【０１０７】
バッテリが外されたことの検出は、内燃機関用制御装置側で行っても良く、回転電機を制御するコントローラ７側で行っても良い。回転電機を制御するコントローラ７側では、電力変換回路６のＤＣ端子間の電圧値が、過電圧判定値に達したことからバッテリが外されたことを検出することができる。バッテリが外されたことを検出する検出手段をコントローラ側に設ける場合には、該検出手段によりバッテリが外されたことが検出されたときに内燃機関用制御装置に停止指令を与えて、該内燃機関用制御装置に機関を停止させるための処理を行わせる。【０１０８】
上記の実施形態では、回転電機の制御をベクトル制御により行なうとしたが、本発明はベクトル制御による場合に限定されない。【０１０９】
上記の実施形態では、図３に示した各手段をマイクロプロセッサにより構成するとしたが、各手段をロジック回路により構成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明によれば、永久磁石式回転電機と、バッテリ等のエネルギー蓄積デバイスからなる直流電源との間に電力変換回路を設けて、回転電機にモータとしての機能と、直流電源を充電するための発電機としての機能とを持たせるように電力変換回路を制御する場合に、直流電源が電力変換回路から切り離された際に過電圧が発生するのを確実に防ぐことができるので、永久磁石式回転電機の信頼性を高めて、その利用価値を高めることができる。
【符号の説明】
【０１１１】
１  内燃機関
２  永久磁石式回転電機
２ｕ〜２ｗ  回転電機の電機子コイルの三相の端子
３  直流電源
４  回転電機制御装置
５  回転位置検出器
６  電力変換回路
６ａ  プラス側ＤＣ端子
６ｂ  マイナス側ＤＣ端子
６ｕ〜６ｗ  ＡＣ端子
７  コントローラ
８  平滑用コンデンサ
９  電源電圧検出回路
１０  電流検出回路
１２  制御電源回路
１３  モータ出力トルク指示手段
１４  発電電圧指示手段
１５  回転位置演算手段
１６  ベクトル演算手段
１７  過電圧判定手段
１８  低電圧判定手段
１９  駆動パターン発生手段
２０  メインリレー
２１  メインリレー制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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