(57)【要約】【課題】回転電機制御システムにおいて、正弦波制御モードから過変調制御モードに切り替わる際に電圧振幅の段差が生じることを抑制することである。【解決手段】回転電機制御システム１０は、回転電機１２と、これに接続される電源回路２０と、これらの構成要素の動作を全体として制御する制御部４０とを含んで構成される。制御部４０の電圧振幅補正モジュール５０は、回転電機の運転状況に基づいて正弦波制御モードから過変調制御モードへ切り替えたいタイミングから、実際に過変調制御モードに切り替わるタイミングまでの間において、過変調制御モードにおいて実行される電圧振幅補正と同様の電圧振幅補正を行う機能を有する。【選択図】図１
2010220285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも正弦波制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える回転電機制御システムであって、
回転電機の運転状況に基づいて正弦波制御モードと過変調制御モードとの間のモード切替を判定する判定手段と、
回転電機の運転状況に基づいて正弦波制御モードから過変調制御モードへ切り替えたいタイミングから、実際に過変調制御モードに切り替わるタイミングまでの間において、過変調制御モードにおいて実行される電圧振幅補正と同様の電圧振幅補正を行う手段と、
を備えることを特徴とする回転電機制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機制御システムに係り、特に、少なくとも正弦波制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える回転電機制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機をインバータによって駆動する場合に、その制御方法として、正弦波制御モードと過変調制御モードと矩形波制御モードとを使い分けることが行われている。すなわち、回転電機の高出力化と小型化とを両立させるためには、１パルススイッチングを用いる矩形波制御モードが必要であり、低速領域で優れた特性を有する正弦波制御モードと、中速領域で用いられる過変調制御モードとの間のモード切替を行いながら、最適に回転電機を制御している。
【０００３】
ここで、正弦波制御モードと過変調制御モードとは、電流フィードバック制御であり、電圧指令と搬送波（キャリア）とを比較することでパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）パターンを回転電機に出力する制御である。一方、矩形波制御モードは、電気角に応じて１パルススイッチング波形を回転電機に出力する制御であり、電圧振幅は最大値に固定され、位相を制御することでトルクをフィードバック制御している。
【０００４】
ここで、正弦波制御モードから過変調制御モード、過変調制御モードから矩形波制御モードの３つのモードの間の切替は、変調率、あるいは変調率に相当する電圧指令振幅によって行われる。
【０００５】
例えば、特許文献１には、交流電動機の駆動制御装置として、電圧振幅が基準三角波のピーク値の１．００倍を超えたらＰＷＭ電流制御モードから過変調制御モードに切り替え、電圧振幅が基準三角波のピーク値の１．２７倍を超えたら矩形波電圧位相制御モードに切り替え、一方実電流位相の絶対値が電流指令位相の絶対値未満となったら矩形波電圧位相制御モードから過変調制御モードに切り替えることが述べられている。
【０００６】
そして、特許文献２には、交流電動機の駆動制御装置として、相電圧指令振幅が三角波キャリアのピーク値を超える過変調ＰＷＭ制御においては、相電圧指令振幅の直線的増加に対して、インバータから出力されるパルス幅変調電圧の基本波成分の振幅が相電圧指令振幅に比べて小さくなるので、電圧指令値の補正を行うことが述べられている。ここでは、パルス幅変調電圧の基本波振幅が電圧指令振幅通りになるように、三角波キャリアと比較される相電圧指令を設定周期ごとに更新し、具体的には、ｄ軸電圧指令ｖｄBｑ軸電圧指令ｖｑBを相電圧指令１周期あたりの三角波キャリアの数である同期数Ｋに応じて補正することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１１６８２号公報
【特許文献２】特開２００８−３１２４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように回転電機の運転状況に応じて、正弦波制御モード、過変調制御モード、矩形波制御モードとが使い分けられるが、これらの制御モードの間の切り替わりの際に問題が生じることがある。正弦波制御モードと過変調制御モードとは、ともにＰＷＭ技術を用いるものであるが、特許文献２で述べられているように、過変調制御モードではパルス幅変調電圧の基本波成分の振幅が相電圧指令振幅と合うように補正が行われるが、正弦波制御モードではそのような補正の必要がない。
【０００９】
このことから、正弦波制御モードから過変調制御モードに切り替わる際に、切替判定の遅れ等によって、本来は過変調制御モードを行うべき電圧指令が正弦波制御モードの下で用いられることが生じる。このような場合、実際に切替が行われると同時に過変調制御モードで働く電圧振幅補正が実施されるので、電圧振幅に段差が生じることがある。電圧振幅に不連続な段差が生じると、制御に乱れが生じることになる。
【００１０】
本発明の目的は、正弦波制御モードから過変調制御モードに切り替わる際に電圧振幅の段差が生じることを抑制できる回転電機制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る回転電機制御システムは、少なくとも正弦波制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える回転電機制御システムであって、回転電機の運転状況に基づいて正弦波制御モードと過変調制御モードとの間のモード切替を判定する判定手段と、回転電機の運転状況に基づいて正弦波制御モードから過変調制御モードへ切り替えたいタイミングから、実際に過変調制御モードに切り替わるタイミングまでの間において、過変調制御モードにおいて実行される電圧振幅補正と同様の電圧振幅補正を行う手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成により、回転電機制御システムは、回転電機の運転状況に基づいて正弦波制御モードから過変調制御モードへ切り替えたいタイミングから、実際に過変調制御モードに切り替わるタイミングまでの間において、過変調制御モードにおいて実行される電圧振幅補正と同様の電圧振幅補正を行う。これによって、実際に過変調制御モードに切り替わる際には、すでに電圧振幅補正を行っている状態であるので、切り替わりに際しての電圧振幅段差が生じることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施の形態における回転電機制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の回転電機制御システムにおける正弦波制御モードから過変調制御モードに切り替わる際の作用を説明する図である。
【図３】図２と比較のため、従来技術における正弦波制御モードから過変調制御モードに切り替わる際の作用を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機制御システムが用いられるものとして回転電機が搭載される車両を説明するが、これは例示であって、少なくとも正弦波制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える回転電機制御システムを用いるものであればよい。
【００１５】
また、この車両には、回転電機として、モータ機能と発電機機能とを有するモータ・ジェネレータを１台用いるものとして説明するが、これは例示であって、モータ機能のみを有する回転電機を１台、発電機機能のみを有する回転電機を１台用いるものとしてもよい。また、モータ・ジェネレータを２台以上用いるものとしてもよい。なお、車両としては、回転電機の他に、エンジンを搭載するものとしてもよい。
【００１６】
以下では、回転電機に接続される電源回路として、蓄電装置、電圧変換器、インバータ、平滑コンデンサを含む構成を説明するが、これは例示であって、これら以外の要素を含むものとしてもよい。例えばシステムメインリレー、低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ等を含むことができる。また、蓄電装置とは別に、燃料電池を電源として含むものとしてもよい。
【００１７】
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。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００１８】
図１は、車両に搭載される回転電機についての回転電機制御システム１０についてその構成を示す図である。回転電機制御システム１０は、回転電機１２と、これに接続される電源回路２０と、これらの構成要素の動作を全体として制御する制御部４０とを含んで構成される。
【００１９】
回転電機１２は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって、電力が供給されるときは電動機として機能し、制動時には発電機として機能する三相同期型回転電機である。
【００２０】
電源回路２０は、蓄電装置２２、蓄電装置側の平滑コンデンサ２４、電圧変換器２６、インバータ側の平滑コンデンサ２８、インバータ３０を含んで構成される。
蓄電装置２２は、充放電可能な２次電池である。蓄電装置２２としては、例えば、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池、またはキャパシタ等を用いることができる。
【００２１】
蓄電装置２２と電圧変換器２６との間に設けられる蓄電装置側の平滑コンデンサ２４は、低電圧側の電圧変動を抑制する機能を有するコンデンサである。
【００２２】
電圧変換器２６は、リアクトルと、複数のスイッチング素子を含んで構成される昇降圧回路である。電圧変換器２６は、蓄電装置２２側の約２００Ｖから約３００Ｖ程度の低電圧を、リアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して、例えば約６００Ｖの高電圧に昇圧する機能を有する回路で、昇圧コンバータとも呼ばれる。また、電圧変換器２６は双方向機能を有し、インバータ３０の側からの電力を蓄電装置２２側に充電電力として供給するときには、インバータ３０の側の高電圧を蓄電装置２２に適した低電圧に降圧する作用も有する。
【００２３】
電圧変換器２６とインバータ３０の間に設けられるインバータ側の平滑コンデンサ２８は、高電圧側の電圧変動を抑制する機能を有するコンデンサである。
【００２４】
インバータ３０は、高圧直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機１２に供給する機能と、逆に回転電機１２からの交流三相回生電力を高圧直流充電電力に変換する機能とを有する回路である。
【００２５】
インバータ３０は、図１に示すように、２つのスイッチング素子が直列に接続され、さらに各スイッチング素子にそれぞれダイオードが並列に接続される構成を各相アームと呼ばれる単位として、回転電機１２の三相の各相に対応して、これらの各相アームが３つ並列に接続される。そして、各相アームにおける２つのスイッチング素子の接続点からそれぞれ駆動信号線が引き出され、回転電機１２を構成する各相コイルの端子に接続される。
【００２６】
制御部４０は、上記の各要素の作動を全体として制御する機能を有する。特にここでは、回転電機１２の運転状況に応じて制御モードを切り替え、さらには、正弦波制御モードから過変調制御モードに切り替える際に電圧振幅の段差が生じることを抑制する制御を行う機能を有する。かかる制御部４０は、車両の搭載に適した制御装置、例えば車載用コンピュータによって構成することができる。
【００２７】
制御部４０は、回転電機１２の制御について、正弦波制御モードを実行する正弦波制御モジュール４２、過変調制御モードを実行する過変調制御モジュール４４、矩形波制御モードを実行する矩形波制御モジュール４６を含んで構成される。さらに、回転電機１２の運転状況に応じて各制御モードの間の切替を行うか否かを判定するモード切替判定モジュール４８と、正弦波制御モードから過変調制御モードに切り替える際に、電圧振幅に段差が生じないように電圧振幅補正を行う電圧振幅補正モジュール５０を含んで構成される。
【００２８】
正弦波制御モジュール４２は、正弦波制御モードの制御を実行する機能を有する。すなわち、回転電機１２の実際の各相電流値をｄ軸電流値とｑ軸電流値とに変換し、一方でトルク指令値からｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を算出し、ｄ軸電流指令値に実際のｄ軸電流値をフィードバックし、ｑ軸電流指令値に実際のｑ軸電流値をフィードバックする電流フィードバックが行われる。
【００２９】
そして、このフィードバックによって得られるｄ軸電流偏差とｑ軸電流偏差について所定のゲインの下で比例積分制御を行ってこれらに対応する制御偏差を求め、その制御偏差に応じたｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値を算出し、これを各相電圧指令値に変換する。この各相電圧指令値と、三角波キャリア信号との比較によって、インバータ３０を構成する各スイッチング素子に対する制御信号を発生し、これによって得られる各相のパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）信号が回転電機１２に供給されることになる。
【００３０】
過変調制御モジュール４４も正弦波制御モジュール４２と基本的に同様な電流フィードバック機能と、ＰＷＭ信号生成機能を有するが、電圧振幅補正の機能を有する点が相違する。すなわち、各相電圧指令の電圧振幅が三角波キャリア信号のピーク値を超える過変調制御モードにおいては、各相電圧指令の電圧振幅の直線的増加に対して、インバータ３０から出力されるパルス幅変調信号の基本波成分の電圧振幅が各相電圧指令の電圧振幅に比べて小さくなる。そこで、各相電圧指令の電圧振幅が三角波キャリア信号のピーク値以内である正弦波制御モードでは必要のない電圧振幅の補正が、過変調制御モードで行われることになる。
【００３１】
矩形波制御モジュール４６は、矩形波制御モードの制御を実行する機能を有する。すなわち、回転電機１２の各相電流値をｄ軸電流値とｑ軸電流値とに変換し、このｄ軸電流値とｑ軸電流値とからトルク推定値を算出し、これをトルク指令値にフィードバックするトルクフィードバックが行われる。
【００３２】
そして、トルク指令値とトルク推定値との間の偏差を、回転電機１２について予め求められている電圧位相とトルクとの関係に基づき、所定ゲインの下で比例積分制御を行ってトルク偏差に対応する制御偏差を求め、その制御偏差に応じた電圧位相を算出し、算出された電圧位相に基づいて、矩形波パルスである各相電圧指令値を発生し、これがインバータ３０を構成する各スイッチング素子に制御信号として供給される。これによって、電圧位相に従った３相の矩形波パルスが回転電機１２に供給されることになる。
【００３３】
モード切替判定モジュール４８は、回転電機１２の運転状況に応じて、正弦波制御モードと過変調制御モードとの間のモード切替、過変調制御モードと矩形波制御モードとの間のモード切替について、切替が必要であるか否かを判定する機能を有する。制御モードの間の切替判定の基準としては、変調率、あるいは変調率に相当する電圧指令の電圧振幅によって行われる。変調率とは、インバータ３０の出力電圧振幅に対する入力信号振幅の比である。
【００３４】
正弦波と三角波の比較によるＰＷＭ方式の場合は、変調率の最大が｛（３）1/2｝／２｛（２）1/2｝＝０．６１であり、矩形波を信号振幅とするときの変調率の最大が｛（６）1/2｝／π＝０．７８である。そこで、変調率が０．６１以下のときに正弦波制御モード、変調率が０．６１から０．７８の間は過変調制御モード、変調率が０．７８となれば矩形波制御モードを用いるように制御モードを切り替えるものとできる。
【００３５】
電圧振幅補正モジュール５０は、回転電機１２の運転状況に基づいて正弦波制御モードから過変調制御モードへ切り替えたいタイミングから、実際に過変調制御モードに切り替わるタイミングまでの間において、過変調制御モードにおいて実行される電圧振幅補正と同様の電圧振幅補正を行う機能を有する。
【００３６】
これらの機能は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、回転電機制御プログラムの中の制御モード切替パートを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアによって実現するものとしてもよい。
【００３７】
上記構成の作用、特に制御部４０における電圧振幅補正モジュール５０の機能について図２、図３を用いて以下に詳細に説明する。これらの図において、横軸は時間、縦軸は電圧指令の電圧振幅である。なお、電圧指令は、ｄ軸電圧指令でもｑ軸電圧指令でも同様な傾向を示すので、ここでは代表して、ｑ軸電圧指令の電圧振幅を示してある。
【００３８】
これらの図において、時間ｔ1は、モード切替判定モジュール４８において、回転電機１２の運転状況からみて、正弦波制御モードから過変調制御モードに切り替えたいとされるタイミングである。例えば、変調率が次第に大きくなって、０．６１となったタイミングである。時間ｔ2は、制御部４０が時間ｔ1における変調率の検出を取得してから、モード切替判定モジュール４８によって実際に制御モード切替指令が電源回路２０に伝送され、電源回路２０において実際に正弦波制御モードから過変調制御モードに切り替わったタイミングである。上記の判定処理、伝送処理、回路切替処理等に時間遅れが全くなければｔ2＝ｔ1となるが、実際には処理時間による遅れが生じる。
【００３９】
図２は、制御部４０の電圧振幅補正モジュール５０の機能によって、時間ｔ1のタイミングから、実際に過変調制御モードに切り替わるタイミングである時間ｔ2までの過渡期間において、過変調制御モードにおいて実行される電圧振幅補正と同様の電圧振幅補正が行われるときの様子を示す図である。この場合、正弦波制御モードにおける電圧振幅特性線６０と、時間ｔ1以後における電圧振幅特性線６２，６４とが、電圧振幅段差を生じることなく、滑らかに接続される。
【００４０】
すなわち、時間ｔ1から時間ｔ2においては、変調率が実際には０．６１を超えていて、正弦波制御モードにおける電圧振幅特性線６０から次第に離れていく電圧振幅特性となることになるが、時間ｔ1から過変調制御モードにおいて実行される電圧振幅補正が行われるので、制御部４０における電圧指令の電圧振幅が時間ｔ1において、正弦波制御モードにおける電圧振幅特性線６０と、過変調制御モードにおける電圧振幅補正が行われる電圧振幅特性線６２，６４とが連続的に接続されることができる。
【００４１】
これに対し、図３は、従来技術における様子を示すもので、ここでは、過変調制御モードにおける電圧振幅補正は、実際に過変調制御モードに切り替わるタイミングである時間ｔ2において初めて実行が開始される。したがって、時間ｔ1から時間ｔ2の間は、変調率が実際には０．６１を超えていて、正弦波制御モードにおける電圧振幅特性線６０から次第に離れていく電圧振幅特性６３を有しながら、電圧振幅補正が行われないため、正弦波制御モードにおける電圧振幅特性線６０の延長の電圧振幅特性線６６となる。
【００４２】
そして、時間ｔ2において、実際に過変調制御モードに切り替わると同時に、電圧振幅補正が行われて、正弦波制御モードにおける電圧振幅特性線６６の状態から、変調率が実際には０．６１を超えているときの電圧振幅特性線６４に、一気に電圧振幅が変化する。これによって、電圧指令の電圧振幅にΔＶの不連続な電圧振幅段差が生じることになる。
【００４３】
これが、本発明において解決すべき課題である。上記のように、時間ｔ1のタイミングから、実際に過変調制御モードに切り替わるタイミングである時間ｔ2までの過渡期間において、過変調制御モードにおいて実行される電圧振幅補正と同様の電圧振幅補正を行うことで、電圧指令の電圧振幅に不連続な段差を生じることが抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係る回転電機制御システムは、車両に搭載される回転電機の制御の他に、一般的に、正弦波制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードの切替が行われる回転電機の制御に利用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１０  回転電機制御システム、１２  回転電機、２０  電源回路、２２  蓄電装置、２４，２８  平滑コンデンサ、２６  電圧変換器、３０  インバータ、４０  制御部、４２  正弦波制御モジュール、４４  過変調制御モジュール、４６  矩形波制御モジュール、４８  モード切替判定モジュール、５０  電圧振幅補正モジュール、６０，６２，６４，６６  電圧振幅特性線、６３  電圧振幅特性。
【図１】
2010220285.tif 000003
【図２】
2010220285.tif 000004
【図３】
2010220285.tif 000005