(57)【要約】【課題】高出力領域におけるスイッチング効率を上昇する。【解決手段】モータ１４の中性点には、補機バッテリ１８の正極が接続されるとともに、補機負荷２０が接続されている。そして、この補機負荷２０への電源ラインにおける電圧を電圧計２２で検出し、制御回路２４に供給し、中性点電圧を制御する。ここで、モータ１４にはレゾルバ２６が設けられており、ロータ角度を高精度で検出する。そして、制御回路２４はレゾルバ２６の出力に応じて、始動時において始動時においてキャリア振幅と同等の振幅を有する各相電流の電圧制御信号を発生し、これをキャリアと比較する。そこで、インバータ１２制御用のゲート信号として、キャリア周波数と同様周波数の信号が得られ、インバータ１２のスイッチングにおいて、すべてオンまたはすべてオフという期間を減少して大きな中性点電流が発生することを防止できる。【選択図】　　　　図１
2004048923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムにおいて、
前記インバータのスイッチングは、正弦波の電圧指令と、キャリアの比較からゲート信号を得て、このゲート信号に基づいてインバータのスイッチング素子のオンオフを制御することによって行い、前記正弦波の電圧指令をキャリア振幅から所定以内のものに限定することを特徴とする多相モータ駆動用インバータシステム。
【請求項２】
高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムにおいて、
前記交流モータの駆動制御には、少なくとも停止モードおよび発電モードがあり、これらモードの過渡状態においては中性点電圧指令にフィードフォワード要素を含めることを特徴とする多相モータ駆動用インバータシステム。
【請求項３】
高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムの制御方法において、
前記インバータのスイッチングは、正弦波の電圧指令と、キャリアの比較からゲート信号を得て、このゲート信号に基づいてインバータのスイッチング素子のオンオフを制御することによって行い、前記正弦波の電圧指令をキャリア振幅から所定以内のものに限定することを特徴とする多相モータ駆動用インバータシステムの制御方法。
【請求項４】
高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムの制御方法において、
前記交流モータの駆動制御には、少なくとも停止モードおよび発電モードがあり、これらモードの過渡状態においては中性点電圧指令にフィードフォワード要素を含めることを特徴とする多相モータ駆動用インバータシステムの制御方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載のシステムまたは方法において、
前記交流モータが車両用交流モータである多相モータ駆動用インバータシステムまたは多相モータ駆動用インバータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータにて駆動されまた発電を行う交流モータと、この交流モータの中性点に接続された電源と、を有する多相モータ駆動用インバータシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、各種の機器の動力源として交流モータが広く利用されており、電気自動車や、ハイブリッド自動車などにおいても、通常はバッテリからの直流電力をインバータで所望の交流電力に変換してモータに供給するシステムが採用されている。このシステムによって、出力トルクの広範囲な制御が可能となり、また回生制動による電力をバッテリの充電に利用できるというメリットもある。
【０００３】
ここで、大出力のモータの電源としては高電圧のものが効率がよく、電気自動車やハイブリッド自動車では、そのインバータの入力側に接続する主バッテリとして、数１００Ｖという高電圧のものを利用している。一方、スター結線のモータコイルの中性点では、インバータ入力電圧の１／２の電圧が通常得られている。そこで、この中性点にバッテリを接続することで、システムから２種類の直流電圧を出力することができ、またモータコイルをチョッパ制御することなどによって２つのバッテリ間による電力の授受を制御することもできる。
【０００４】
従って、ハイブリッド自動車などでは、モータを発電機としても利用することで、得られた発電電力を２つのバッテリの充電に利用して、２つの電源電圧を得るシステムが採用可能となる。特に、バッテリに代えてコンデンサを用いることもできる。このようなシステムは特開平１１−１７８１１４号公報などに示されている。
【０００５】
ここで、車両には、各種の電気機器が搭載されており、これらの補機バッテリとして通常１２Ｖ（充電時１４Ｖ）程度のものが搭載されている。上述のモータ中性点の電圧は、インバータ入力側の電圧の１／２程度であり、通常の電気自動車やハイブリッド自動車では、中性点電圧といえどもかなりの高電圧となり、補機バッテリをここに接続することは困難である。そこで、補機バッテリの充電には、別に設けたＤＣＤＣコンバータを利用している。
【０００６】
一方、このようなシステムの実用的な応用例として、３６Ｖ電源と１２Ｖ電源を備える、いわゆる２電源システムも検討されている。この２電源システムにおいては、３６Ｖ電源の充電時にはインバータ入力電圧を４２Ｖ程度とし、１２Ｖ電源を充電する場合には、中性点電圧を１４Ｖ程度にすればよいため、モータコイルを利用して２つの電源間の電力の授受が行える。
【０００７】
従って、この多相モータ駆動用インバータシステムによれば、高圧側バッテリと低圧側バッテリ間の電荷の移動をモータコイルを利用して行うことができ、ＤＣＤＣコンバータが不要であるという利点が得られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上述の従来のシステムにおいては、通常位置センサにホールセンサを用いており、ロータの位置を６０度毎にしか検出していない。そして、モータの始動時に、十分な始動トルクを得たい。このため、通常は始動時において、１８０度通電を行う。すなわち、図６に示すように、３相の矩形波の電圧指令（上図において、実線、破線、一点鎖線で示す）を用いて、矩形波のインバータのスイッチング制御信号（ゲート信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗ）を作成する。従って、モータ駆動電流は矩形波通電となる。３相のモータであれば、１２０度ずつずれた１８０度通電のゲート信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗが発生され、これによってモータが駆動される。そこで、２相共に、オンまたはオフという期間が電流周期の１／６の期間発生する。さらに、各相電流について、電流値が所定値になったときにその相についてオフする最大電流規制をかけると、３相ともにオンまたはオフの期間が発生することになる。
【０００９】
そして、このように、インバータにおいて比較的長い期間、同じスイッチング状態が続き、かつ中性点電位と低電圧系目標電圧のずれ量が大きくなると、中性点電流が大きく変動し、低電圧系の電源ラインが大きく変動してしまうという問題があった。
【００１０】
なお、特開２００−３２４８５７号公報では、低電圧電源と中性点の間にリレーを配置し、始動時にリレーによって低電圧系電源ラインを中性点から切り離すことが示されている。この構成によれば、始動時における低電圧系電源ラインの電圧変動を抑制することができるが、別途リレーを設け、これをオンオフしなければならない。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、始動時における中性点電流の大きな変動を効果的に抑制することができる多相モータ駆動用インバータシステムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムにおいて、前記インバータのスイッチングは、正弦波の電圧指令と、キャリアの比較からゲート信号を得て、このゲート信号に基づいてインバータのスイッチング素子のオンオフを制御することによって行い、前記正弦波の電圧指令をキャリア振幅から所定以内のものに限定することを特徴とする。
【００１３】
このように、正弦波の電圧指令をキャリア振幅から所定以内のものに限定することによって、キャリア周波数と同一周波数のゲート信号が得られる。従って、長期間スイッチングパターンが同一となり、中性点電流として大きな電流が流れてしまうことを防止することができる。
【００１４】
また、高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムにおいて、前記交流モータの駆動制御には、少なくとも停止モードおよび発電モードがあり、これらモードの過渡状態においては中性点電圧指令にフィードフォワード要素を含めることを特徴とする。
【００１５】
これによって、制御過渡期において、中性点電圧制御が遅れてしまうことを防止して、安定した制御を行うことができる。
【００１６】
また、本発明は、上述のようなシステムの制御方法に関する。
【００１７】
また、前記交流モータが車両用交流モータであることが好適である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、実施形態に係る多相モータ駆動用インバータシステムの全体構成を示す図である。主電源である３６Ｖ（充電時４２Ｖ）バッテリ１０には、インバータ１２が接続されている。すなわち、インバータ１２の正極母線、負極母線間にバッテリ１０の出力である３６Ｖが印加される。
【００２０】
インバータ１２は、例えば内部に正極母線、負極母線間に２つのスイッチング素子（トランジスタ）を配置したアームを３本並列して設け、各アームのトランジスタ間を３相のモータ出力端としている。
【００２１】
そして、このインバータの３相モータ出力端には、３相の交流モータ１４の３相モータコイル端が接続される。従って、インバータ１２の１つの上側トランジスタを順次オンし、１つの上側トランジスタがオンしている間に他のアームのトランジスタを順次オンして、交流モータ１４の各相コイルに１２０°位相の異なったモータ電流を供給する。
【００２２】
また、交流モータ１４の中性点には、リアクトル１６を介し、補機バッテリ１８の正極および各種の補機負荷２０が接続されている。そして、リアクトル１６より補機バッテリ１８側の補機バッテリ１８の電源ラインの電圧を検出する電圧計２２が設けられており、この電圧計２２の出力（バッテリ電圧：Ｖｂｓ）は制御回路２４に供給されている。
【００２３】
そして、制御回路２４は、通常は電圧計２２の出力Ｖｂｓに基づいて、インバータ１２をスイッチングを制御してモータ１４への供給電流を制御することで、電圧Ｖｂｓが所望の値（例えば、１４Ｖ）となるようにモータ１４の発電を制御する。
【００２４】
すなわち、インバータ１２における上側トランジスタのオンデューティーと、下側トランジスタのオンデューティーの比を変更することで、中性点電圧を制御することができる。すなわち、両者のオン期間が同一であれば、中性点電圧はインバータ入力電圧（バッテリ１０電圧）に等しくなる。一方、下側トランジスタのオン期間「１」に対し、上側電圧のオン期間が「２」であれば、中性点電圧は、バッテリ１０電圧の１／３の電圧になる。
【００２５】
例えば、バッテリ１０電圧が３６Ｖ（充電時４２Ｖ）の場合に、補機バッテリ１８電圧は１２Ｖ（充電時１４Ｖ）になる。そして、バッテリ１０からの電力によって、交流モータ１４を駆動して車両発進時などトルクアシストを行い、補機バッテリ１８からの電力によって各種の補機負荷２０を動作させる。
【００２６】
また、本実施形態では、レゾルバ２６を設け、モータ１４の回転角を検出している。このレゾルバは、交流モータに似た構成を有し、一次コイルの回転角に応じて二次コイルに９０度位相の異なる正弦波を発生する高精度角度センサである。このレゾルバ２６の出力は、制御回路２４に供給され、モータ１４の各相電流制御に用いられるが、特に始動時においては、このレゾルバ２６の出力に応じて、正弦波の各相電圧指令値を作成する。そして、この各相電圧指令値をキャリアの振幅を超えない範囲あるいは大きくは超えない所定範囲に設定する。
【００２７】
例えば、図２に示すように、各相電圧指令値がキャリア振幅より若干小さい値に設定される。これによって、キャリア周波数と同一周波数のゲート信号が得られる。従って、長期間スイッチングパターンが同一となり、中性点電流として大きな電流が流れてしまうことを防止することができる。
【００２８】
なお、中性点電位は、各相電圧指令値の平均値であり、平均値を目標中性点電圧に設定することで、中性点電圧を目標値に制御することができる。図２においては、便宜的に中性点電圧がインバータ入力電圧の１／２にある例を示したが、１／３の場合でも基本的に異なることはなく、キャリア周波数でオンオフするゲート信号が発生できるように、各相電圧指令の振幅を調整すればよい。
【００２９】
図３には、制御回路２４内のゲート信号作成のための回路が示されている。トルク指令Ｔｍｇ＊、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、レゾルバ位置信号θは電圧指令演算部３０に供給される。この電圧指令演算部３０は、図２における互いに１２０度位相がずれかつ振幅が三角波のキャリアの振幅と同等の各相電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを演算算出し、これを補正回路３２に供給する。
【００３０】
この補正回路３２には、中性点電圧指令Ｖｎ＊と、バッテリ１０電圧Ｖｂｍが供給されている。中性点電圧指令Ｖｎ＊は、補機バッテリ１８の電源ライン電圧Ｖｂｓと、その目標電圧値Ｖｂｓ＊の差からフィードバック（Ｆ／Ｂ）部３４が算出したものである。そして、補正回路３２は供給されるＶｎ＊とＶｂｍとから各相電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの平均値をＶｎ＊に合わせるとともに、Ｖｂｍがその目標値Ｖｂｍ＊に一致するように出力トルクＴｍｇ＊を補正する。これによって、補正された各相電圧指令Ｖｕ’、Ｖｖ’、Ｖｗ’が補正回路３２から出力され、キャリア比較回路３６に供給される。
【００３１】
キャリア比較回路３６には、キャリアである三角波が供給されており、ここで各相電圧指令Ｖｕ’、Ｖｖ’、Ｖｗ’とキャリアが比較され、図２に示すゲート信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗが出力される。
【００３２】
ここで、本実施形態では、電圧指令演算部３０における演算によって、各相電圧指令の振幅が所定値以内に抑制されている。そこで、ゲート信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗがキャリア周波数でオンオフを繰り返す信号となり、これによって中性点電圧が大きく変動することを防止することができる。
【００３３】
図４には、他の実施形態の構成が示されている。この実施形態では、中性点電流Ｉｎを計測する電流計２８を有している。そして、制御回路２４がこの中性電流Ｉｎを用いて、制御モードの切替時において、中性点電圧指令をフィードフォワード的に制御する。
【００３４】
本システムにおいて、モータ１４の制御モードとしては、停止モード、始動モード、発電モードなどがあり、停止モードから始動モードへの移行、発電モードから停止モードへの移行など制御モードの切り替わりによる制御の過渡状態においては、中性点電圧を目標電電圧に制御するフィードバック制御が追いつかず、過渡的に補機電源ライン目標電圧からずれ、同時に中性点電流も変動してしまう。
【００３５】
図５には、この実施形態における制御回路２４の構成が示されている。このように、本実施形態では、この構成では、Ｖｎ演算部３８を有しており、ここでリアクトルによる電圧降下分を考慮して、補機電源ラインの目標電圧Ｖｂｓ＊、中性点電流Ｉｎより、Ｖｎ＊＝Ｖｂｓ＊＋ＲＩ×Ｉｎにより中性点電圧指令Ｖｎ＊を算出する。
【００３６】
そして、このＶｎ演算部３８の出力であるＶｎ＊と、フィードバック（Ｆ／Ｂ）部３４の出力であるＶｎ＊の両方を切替部４０に入力し、ここで始動時はＶｎ演算部３８の出力を選択し、始動後はフィードバック（Ｆ／Ｂ）部３６の出力を選択し、選択されたＶｎ＊を補正回路３２に供給する。
【００３７】
これによって、フィードバックされるのはＩｎだけであり、Ｖｂｓ＊は常に正しい目標値を用いることができ、フィードフォワード要素の入ったフィードフォワード的な中性点電圧制御を行うことができる。これによって、中性点電圧が、Ｖｂｓ＊から大きく変動することを有効に防止することができ、制御過渡期において、安定した制御を行うことができる。
【００３８】
このような制御は、停止モードから発電モードに移る始動時だけでなく、発電モードから停止モードに移る時にも有効である。
【００３９】
また、この制御は、上述の各相電圧指令をキャリアの振幅に合わせて調整する制御と組み合わせて行うことが好適である。
【００４０】
ここで、本実施形態の交流モータ１４は、車両に搭載される車両用のものであることが好適である。補機負荷２０は車両に搭載される各種の補機が挙げられる。また、車載される交流モータ１４としては、特開２００２−１５５７７３号公報に記載されたエコランシステム用のモータジェネレータなどが好適である。
【００４１】
すなわち、このモータジェネレータは、（ｉ）車両停止中にエンジンを停止するアイドルストップ制御を行った後の発進時におけるエンジンを自動始動しながらの車両走行、（ｉｉ）車両減速時に駆動系を介して車輪の回転が伝達されることにより行われる回生発電、（ｉｉｉ）車両停止によるエンジン停止時におけるエアコン用コンプレッサやパワーステアリングようポンプなどの駆動、（ｉｖ）エンジン駆動時における発電、（ｖ）運転を停止したエンジンの回転制御を行いエンジン停止時の振動発生を抑制する制御、（ｖｉ）減速時にエンジンへの燃料供給をカットし、その後燃料供給を開始した際にエンジン回転数を回復させるエンジンストール防止、などに利用される。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、正弦波の電圧指令をキャリア振幅から所定以内のものに限定することによって、キャリア周波数と同一周波数のゲート信号が得られる。従って、長期間スイッチングパターンが同一となり、中性点電流として大きな電流が流れてしまうことを防止することができる。
【００４３】
また、本発明によれば、モードの過渡状態においては中性点電圧指令にフィードフォワード要素を含めることで、中性点電圧制御が遅れてしまうことを防止して、安定した制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るシステムの構成を示す図である。
【図２】同実施形態のキャリア比較の動作を示す図である。
【図３】同実施形態の制御回路の構成を示す図である。
【図４】他の実施形態に係るシステムの構成を示す図である。
【図５】同実施形態の制御回路の構成を示す図である。
【図６】従来例のキャリア比較の動作を示す図である。
【符号の説明】
１０　主バッテリ、１２　インバータ、１４　交流モータ、１６　リアクトル、１８　補機バッテリ、２０　補機負荷、２２　電圧計、２４　制御回路、２６レゾルバ、２８　電流計、３０電圧指令演算部、３２　補正回路、３４　切替部、３６　キャリア比較回路。
【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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