(57)【要約】【課題】コストアップを招くことなく、界磁巻線式同期発電電動機の特性を改善する。【解決手段】電機子巻線と界磁巻線を有し発電電動機として動作する回転電機と、前記回転電機に接続され前記回転電機を制御する機能を有する電力変換部と、前記回転電機の回転子位置を検出する位置検出手段と、前記回転電機の回転子の基準位置からの、前記回転電機の特性を改善することが可能な補正量を記憶する補正量記憶部と、前記位置検出手段の値と前記補正量記憶部の値から位置情報の補正演算を行う位置補正演算部と、前記回転電機の基準位置からの、前記回転電機の各電機子巻線への通電位相を記憶した通電位相記憶部と、前記位置補正演算部の値と前記通電位相記憶部の値から前記電力変換部へ、前記回転電機の各電機子巻線への矩形波印加電圧を指示する矩形波印加電圧指令部とを備え、前記回転電機の特性を改善するようにした。【選択図】図３
2007159353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線と界磁巻線を有し発電電動機として動作する回転電機と、
前記回転電機に接続され前記回転電機を制御する機能を有する電力変換部と、
前記回転電機の回転子位置を検出する位置検出手段と、
前記回転電機の回転子の基準位置からの、前記回転電機の特性を改善することが可能な補正量を記憶する補正量記憶部と、
前記位置検出手段の値と前記補正量記憶部の値から位置情報の補正演算を行う位置補正演算部と、
前記回転電機の基準位置からの、前記回転電機の各電機子巻線への通電位相を記憶した通電位相記憶部と、
前記位置補正演算部の値と前記通電位相記憶部の値から前記電力変換部へ、前記回転電機の各電機子巻線への矩形波印加電圧を指示する矩形波印加電圧指令部とを備え、
前記回転電機の特性を改善するようにしたことを特徴とする界磁巻線式同期発電電動機。
【請求項２】
前記通電位相記憶部は、前記回転電機の基準位置からの、前記回転電機の各電機子巻線への通電位相の中心位相を記憶していることを特徴とする請求項１記載の界磁巻線式同期発電電動機。
【請求項３】
前記回転電機の界磁巻線への指令値を記憶する界磁巻線電流指令記憶部を備え、この界磁巻線電流指令記憶部の指令値に応じて界磁巻線へ界磁電流を通電するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の界磁巻線式同期発電電動機。
【請求項４】
前記補正量記憶部は、その補正量を、
前記回転電機の回転速度、前記電力変換部の直流入力端子間電圧もしくは蓄電池の端子間電圧、前記回転電機の温度、前記回転電機のトルク指令量、及び、前記回転電機の電機子巻線への矩形波印加電圧の通電幅のうちいずれか一つ以上をパラメータとして記憶することを特徴とする請求項１〜請求項３記載のいずれか１項に記載の界磁巻線式同期発電電動機。
【請求項５】
前記界磁巻線電流指令記憶部は、その指令値を、
前記回転電機の回転速度、前記電力変換部の直流入力端子間電圧もしくは蓄電池の端子間電圧、前記回転電機の温度、前記回転電機のトルク指令量、及び、前記回転電機の電機子巻線への矩形波印加電圧の通電幅のうちいずれか一つ以上をパラメータとして記憶することを特徴とする請求項３記載の界磁巻線式同期発電電動機。
【請求項６】
前記界磁巻線電流指令記憶部の指令値を決定するパラメータは、前記補正量記憶部の補正量を決定するパラメータと共通である請求項５記載の界磁巻線式同期発電電動機。
【請求項７】
前記補正量記憶部の補正量は、前記回転電機の駆動時用及び発電時用として、どちらか一方を記憶していることを特徴とする請求項１，請求項２又は請求項４記載の界磁巻線式同期発電電動機。
【請求項８】
前記界磁巻線電流指令記憶部の指令値は、前記回転電機の駆動時用及び発電時用として、どちらか一方を記憶していることを特徴とする請求項３又は請求項５記載の界磁巻線式同期発電電動機。
【請求項９】
前記補正量記憶部の補正量は、前記回転電機の駆動時用及び発電時用として、それぞれ別個に記憶していることを特徴とする請求項１，請求項２又は請求項４記載の界磁巻線式同期発電電動機。
【請求項１０】
前記界磁巻線電流指令記憶部の指令値は、前記回転電機の駆動時用及び発電時用として、それぞれ別個に記憶していることを特徴とする請求項３又は請求項５記載の界磁巻線式同期発電電動機。
【請求項１１】
前記位置補正演算部は、前記回転電機の誘起電圧の基準位置からのズレ量をオフセットするオフセット量でズレ量を補正するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の界磁巻線式同期発電電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主に車輌に搭載され、内燃機関の始動時には電動機として動作すると共に、始動後には発電機としても動作する電機子巻線及び界磁巻線を有する界磁巻線式同期発電電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護や燃費向上を目的として、内燃機関とそれ以外の動力源、例えば発電電動機などを備えた、いわゆるハイブリッド車と呼ばれるものの開発・実用化が進んでいる。このような車輌においては、走行状況に応じて内燃機関とそれ以外の動力源の使い分けを行う。例えば、アイドリング時の不必要な燃料消費を抑制するため、信号にて停車した場合などに内燃機関を停止させ、アクセルオンやブレーキオフなどの運転者による発進の意志を感知した場合、発電電動機にて内燃機関の再始動を行ったりするアイドルストップと呼ばれる技術がある。
【０００３】
このような車輌に搭載される発電電動機は、内燃機関にトルクを授受可能な形態で搭載されるため、運転者のアクセル操作や内燃機関のフリクションの影響などにより回転速度が大きく変化する。そのため、内燃機関の回転速度によらず、発電電動機の誘起電圧を制御可能な形態として、回転子に永久磁石を内蔵したものではなく、界磁電流にて制御可能な界磁巻線式となり、効率面などから３相交流同期発電電動機が採用されてきた。
【０００４】
さて、発電電動機を電動機として使用する際は、車輌に搭載される蓄電池からの直流を交流に変換する電力変換器を介し、発電電動機に電力が供給される。しかし、発電電動機が発生する誘起電圧が蓄電池の電圧よりも高くなった場合には、発電電動機に電力が供給できなくなる。一般に、誘起電圧は、回転速度、電機子巻線の巻数及び主磁束に比例している。一方、車輌に搭載される蓄電池は、垂下特性を持っているため、発電電動機に通電を開始すると蓄電池の端子間電圧は、通電する電流量に略比例して降下する。
【０００５】
そこで、この垂下特性を持った蓄電池の電圧を効率良く利用する手法として、直流交流変換器のスイッチング回数を減らすことで、スイッチングロス低減や電圧利用率向上を狙った手法、すなわち任意の通電幅を持った矩形波を印加する手法があるが、印加する電圧の幅を制御するだけのため、正確に電流を制御できないという欠点がある。また、正確に電流を制御するために矩形波上のパルスの一部分をＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）スイッチング化するなどの技術もあるが、スイッチングを行うために平滑コンデンサなどが必要となり、低コスト・小型化が図れないという欠点がある。
【０００６】
過去にも、ＤＣブラシレスモータを対象とした矩形波通電に関する発明は数多くあったが、誘起電圧を検出する装置や電機子に流れる電流を検出する装置などが必要であったため、低コスト・小型化には不向きであった。また、一般的にＤＣブラシレスモータは、回転子に永久磁石を備えているため、回転速度が一定の条件下では発生する誘起電圧も略一定となる。なお、同様な類似技術を示すものとして、特許文献１〜特許文献４がある。
【０００７】
【特許文献１】特許第３１８３３５６号明細書
【特許文献２】特許第３３３３４４２号明細書
【特許文献３】特許第３５７４０４６号明細書
【特許文献４】特開平６−１５３５８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、本願の発電電動機のように主として車輌の内燃機関にトルクを授受可能な形態で搭載される場合には、前述のとおり回転速度が大きく変化するため誘起電圧も大きく変化し制御性を損なうという問題点があった。
この発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、主磁束を界磁巻線にて制御可能な界磁巻線式とし、誘起電圧を制御可能な界磁巻線式同期発電電動機への矩形波電圧を指示する制御に関し、コストアップを招くことなく、界磁巻線式同期発電電動機の特性を改善しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係わる界磁巻線式同期発電電動機は、電機子巻線と界磁巻線を有し発電電動機として動作する回転電機と、前記回転電機に接続され前記回転電機を制御する機能を有する電力変換部と、前記回転電機の回転子位置を検出する位置検出手段と、前記回転電機の回転子の基準位置からの、前記回転電機の特性を改善することが可能な補正量を記憶する補正量記憶部と、前記位置検出手段の値と前記補正量記憶部の値から位置情報の補正演算を行う位置補正演算部と、前記回転電機の基準位置からの、前記回転電機の各電機子巻線への通電位相を記憶した通電位相記憶部と、前記位置補正演算部の値と前記通電位相記憶部の値から前記電力変換部へ、前記回転電機の各電機子巻線への矩形波印加電圧を指示する矩形波印加電圧指令部とを備え、前記回転電機の特性を改善するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の界磁巻線式同期発電電動機によれば、回転子の基準位置からの補正量を記憶する補正量記憶部を持つことにより演算時間を短縮でき、補正量記憶部の値により非線形に変化する回転電機の特性を補完でき、巻線界磁式同期発電電動機の特性を改善することができる。また、電機子電流検出手段を必要としないものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下にこの発明の実施の形態を説明する。図１はこの発明の実施の形態１である界磁巻線式同期発電電動機を車両に適用したときの接続構成図を示す。図において、駆動源となる例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関１０１と界磁巻線式同期発電電動機１０２は、直接結合又はベルトやプーリーなどの結合手段１０４を介して互いにトルクが授受可能な状態で配置されている。また、界磁巻線式同期発電電動機１０２は、蓄電池１０３と電気的に接続されている。この蓄電池１０３は、他の車両用負荷と共用する蓄電池でも、界磁巻線式同期発電電動機１０２専用のものでも良い。
【００１２】
図２は、実施の形態１の界磁巻線式同期発電電動機における回転電機と電力変換部を一体化した電力変換部付き回転電機体１０５を示すブロック構成図である。図２のとおり電力変換部付き回転電機体１０５は、３相のＹ型もしくはΔ型結線された電機子巻線２０１（なお、３相に限らず、２相や６相であってよい。）と界磁巻線２０２からなる回転電機（発電電動機）２００と、その制御機能を有する電力変換部１１０からなる。
【００１３】
回転電機２００と電力変換部１１０を一体化することにより次のようなメリットがある。電機子巻線２０１や界磁巻線２０２と電力変換部１１０間の配線が最短となり、配線ドロップなどの影響も軽減でき、限られた電圧を有効利用することができるため、特性アップが図られる。加えて、電機子巻線２０１と電力変換部１１０の配線は通常、線径の太いものが使用されるため、重量・コスト・信頼性などの面で非常に優位である。
【００１４】
電力変換部１１０は、いわゆる３相インバータ（なお、３相インバータに限らず、電機子巻線に応じて２相インバータや６相インバータであってもよい。）であり、回転電機２００の電機子巻線２０１の各相に接続された６個の電力変換用スイッチング素子２２０ａ〜２２０ｃ、２２１ａ〜２２１ｃと、これらのスイッチング素子を駆動する駆動回路２１０、回転電機２００の界磁巻線２０２に接続された界磁巻線電流用スイッチング素子２１１およびフライホイールダイオード２１２から構成される。蓄電池１０３はその端子間電圧Ｐ―Ｎを電力変換部１１０の直流端子に印加している。駆動回路２１０では、入力された各相及び界磁巻線へのオン・オフ指令に基づいて、電力変換用スイッチング素子２２０ａ〜２２０ｃ、２２１ａ〜２２１ｃおよび界磁巻線電流用スイッチング素子２１１を駆動し、回転電機２００の駆動及び発電などの制御を行う構成となっている。
【００１５】
図３は実施の形態１に関し、電機巻線各相のオン・オフ指令が電力変換部に伝達されるデータフローを示す図である。図４は実施の形態１における位置補正演算部の演算方法を説明する図である。順を追って説明していく。まず、位置検出手段１２１により、図４上段のように、回転電機２００の回転子の位置θ１を得る。なお、図４の上段，中段，下段は、横軸が時間を、縦軸が角度を示している。ここでの位置検出手段１２１は、レゾルバ、エンコーダ、ホール素子などのセンサにより位置情報を得るものでも、誘起電圧のように電気特性から位置情報を推測するものでも良い。なお、位置情報の分解能が小さいほど、次項以降において緻密に制御可能となる。
【００１６】
また、図２のように、回転電機２００に電力変換部１１０を一体化することにより、位置検出手段１２１にセンサを用いた場合は、電力変換部１１０までの配線が最短となり、軽量化・低コスト化・高信頼化を達成することができる。回転電機２００の回転子位置情報は、制御上の原点（例えば、Ｕ相誘起電圧のゼロクロス立ち上がりなど）からの位置が絶対位置の場合は、オフセット演算部１２３のオフセット量θ３は０°としてオフセットを加味しない。一方、制御上の原点（例えば、Ｕ相誘起電圧のゼロクロス立ち上がりなど）からの位置が相対位置の場合は、図４の中段のようにオフセット演算部１２３のオフセット量を制御原点からのズレ量θ３とすれば良い（例えば、Ｕ相誘起電圧のゼロクロス立ち上がり位置から５０°ずれた位置がθ１の０°の場合は、θ３＝５０°とする）。
【００１７】
これにより前者の場合は、演算が容易となり、後者の場合は、例えば位置検出手段１２１にセンサを用いたときは、取付け位置精度や機械加工精度などに関係なく、オフセットを加味することで正確な位置情報を得ることができるため、安価で小型化・高信頼化が可能である。また、取付け工程での位置合わせなどを行わずにセンサを取付け、その後外部から回転を与え、その時に発生する誘起電圧などで、センサ取付け位置のオフセット量を算出するなどすると、取付け工程での煩雑な位置合わせなどの工程が必要で無くなり、生産性が向上する。さらに、センサのズレなどの影響もオフセット演算部１２３で補正することで吸収可能である。
【００１８】
次にこの発明の主要部である補正量記憶部１２２の説明を行う。補正量記憶部１２２には、回転電機２００の特性を改善すべく、回転子の位置についての制御上の原点からのズラシ量が記憶されている。この原理について図５及び図６を用いて説明する。図５は、界磁巻線式同期発電電動機の誘起電圧特性を示す特性図である。パラメータは界磁巻線に通電する界磁電流であり、Ｉｆ１＜Ｉｆ２＜Ｉｆ３の関係が成立している。例えば、界磁電流をＩｆ３一定とすると、誘起電圧は回転速度の上昇とともに略比例して上昇する。そのため、回転速度が上昇していくと、“蓄電池の端子間電圧Ｖｄｃ＜誘起電圧”の関係が成立し、回転電機の電機子巻線に対して通電できなくなってしまうので、図６の“補正無し”特性のように、ある回転速度から急激に駆動トルクが減少してしまう。図６は界磁巻線式同期発電電動機の駆動トルク特性を示す特性図である。
【００１９】
そこで、駆動（電動）の場合は、誘起電圧の位相よりも電機子巻線に印加する電圧の位相を進め（電流位相を進め）、最適の電流位相にすることで、より高速まで駆動トルクを発生することができるので、補正量を正の値とすると、図６の“補正有り”の特性のようになる。なお、回転電機を発電機として使用する場合は、上記の逆（正負を逆転させて、電流位相を遅らす）が成立するため、駆動と発電で別々の補正量を持つか、駆動時の補正量を基準に発電時の補正量を演算すると良い。駆動と発電で別々の補正量を持つことにより、各モードにおいて最適な特性を得ることが可能である。また、駆動時の補正量を基準に発電時の補正量を演算すると、駆動と発電で別々の補正量を持つよりも記憶容量や校正作業が少なくて済む。
【００２０】
この補正量を演算するために補正量記憶部１２２に記憶された補正量θ２を読み出し、位置補正演算部１２６に入力する。位置補正演算部１２６では、上述のように位置検出手段１２１で検出した回転子の位置θ１（図４上段）とオフセット量θ３により、図４中段のオフセット演算後の位置情報を得る。これに対し、補正量記憶部１２２の補正量θ２を加算し、位置補正演算後の位置情報θｎｅｗ（図４下段）を得る。これにより、特別な電流検出手段を必要とせず、また、同一の電機子巻線仕様の回転電機においても、駆動の場合は高速まで駆動トルクを発生させることができ、発電の場合は低速から発電を開始させることができる。図７は駆動の場合で、回転速度Ｎｍｇ[ｒ／ｍｉｎ]に対する回転子の位置の最適補正量[deg]の一例を示す特性図である。補正量（ズラシ量）は回転速度と共に上昇しており、この例では、補正量記憶部１２２の補正量θ２を３０°として記憶している。これにより、位置補正演算後の位置情報θｎｅｗを得て、駆動の場合はより高速まで駆動トルクを発生させることができる。
【００２１】
その後、位置補正演算後の位置情報θｎｅｗは、矩形波印加電圧指令部１２７に入力される。この矩形波印加電圧指令部１２７には、通電位相記憶部１２４に記憶されている各相への通電タイミングＸＨθｃｅｎｔｅｒ／ＸＬθｃｅｎｔｅｒ｛Ｘ：回転電機が３相の場合Ｕ相／Ｖ相／Ｗ相、Ｈ：スイッチング素子の上アーム（２２０ａ〜２２０ｃ）、Ｌ：スイッチング素子の下アーム（２２１ａ〜２２１ｃ）｝も入力される。この値は、制御上の原点（例えば、Ｕ相誘起電圧立ち上がりゼロクロスなど）を基準として、各相両アームのオン・オフタイミングを指示するものである。なお、ＸＨθｃｅｎｔｅｒ／ＸＬθｃｅｎｔｅｒは、各相両アームの通電タイミングの中心位相を示し、この中心位相を中心に両側に所望の通電幅をとり、オンタイミングとオフタイミングを決定している。
【００２２】
この通電タイミングＸＨθｃｅｎｔｅｒ／ＸＬθｃｅｎｔｅｒと位置補正演算後の位置情報θｎｅｗから、各相両アームのオンタイミングＸＨ_ＯＮＴｉｍｅ／ＸＬ_ＯＮＴｉｍｅと各相両アームのオフタイミングＸＨ_ＯＦＦＴｉｍｅ／ＸＬ_ＯＦＦＴｉｍｅを算出する。つまり、駆動の場合は、通常より、各相両アームのオンタイミングと各相両アームのオフタイミングが、位置情報θｎｅｗだけ進み位相となる。このタイミングは、マイコンなどに搭載されているタイマ機能を使用してタイマ出力しても良いし、単なるポートとして定周期毎に出力更新するものでも良い。しかし、後者の場合は出力更新タイミング設定（定周期設定）により、高速回転域で出力更新遅れを生じる恐れがあるため注意が必要である。なお、マイコンのタイマ機能を使用した場合は、タイマの分解能まで正確にタイマ出力できるため優位である。
【００２３】
これらの各相両アームのオン・オフタイミングを電力変換部１１０に伝送する。電力変換部１１０では、オン・オフタイミングに応じて駆動回路２１０にて各相のスイッチング素子２２０ａ〜２２０ｃ、２２１ａ〜２２１ｃを駆動する。
これにより、駆動の場合は“補正なし”のトルク特性よりも高速領域まで駆動トルクを発生させることができ、発電の場合は、逆に、より低回転速度域から発電を開始させることができて、特性を改善することができる。
【００２４】
このように、実施の形態１のものは、補正量記憶部１２２を持つことにより演算時間を短縮でき、補正量記憶部の値により非線形に変化する回転電機の特性を補完でき、巻線界磁式同期発電電動機の特性を改善することができる。また、界磁電流を制御するようにすれば、より幅広い動作領域を確保できる。また、電機子電流検出手段を必要としないし、誘起電圧や相電圧の検出手段を不要にすることができる。矩形波通電であるため、スイッチング回数が少なく平滑コンデンサを不要にすることもできる。スイッチング回数が少ないため、スイッチングロスの影響も低減され、効率アップを図ることができる。冷却構造なども小型化できる。さらに、各電機子巻線への通電の中心位相を記憶することで、中心位相から通電幅を任意に変更できる。
【００２５】
実施の形態２．
図８は実施の形態２に関し、電機巻線各相のオン・オフ指令生成までのデータフローを示す図である。上述した実施の形態１の図３の場合と比較して、補正量記憶部１２２への入力と矩形波印加電圧指令部１２７への入力が追加されている。これらを中心に説明し、それ以外の箇所は実施の形態１と同様であるため割愛する。図８において補正量記憶部１２２への入力に回転速度算出手段１３１からの回転速度Ｎｍｇと直流入力端子間電圧算出手段１３２からの直流電圧値Ｖｄｃが追加となっている。まず、これについて説明する。補正量記憶部１２２には、界磁巻線式同期発電電動機１０２の特性を最大限引き出すための補正量が記憶されている。この補正量は、実施の形態１のように常に一定値でも良いが、図８のように回転速度や直流電圧値によって変化させるとなお良い。
【００２６】
その理由は以下のとおりである。回転電機２００の電機子巻線２０１への通電電流Ｉは、回転電機２００の誘起電圧をＥ、回転電機２００への伝送線路抵抗をＲ、インダクタンスをＬ、回転電機２００への印加電圧をＶ、回転電機２００の角回転速度をωとすると
Ｉ＝（Ｖ−Ｅ）／（Ｒ＋ωＬ）として表される。・・・式１
なおＩ，Ｖ，Ｅは、ベクトル量を表す。
【００２７】
式１より、回転電機２００の電機子巻線２０１への通電電流Ｉは、Ｅ，Ｖ，Ｒ，ω，Ｌにより変化するため、(1)誘起電圧Ｅ、(2)印加電圧Ｖ、(3)伝送線路抵抗Ｒ、(4)インダクタンスＬ、(5)角回転速度ωにて制御可能である。(4)インダクタンスＬは、(3)伝送線路抵抗Ｒと同様に電力変換器、回転電機及びそれぞれの間の配線インダクタンスであり、主磁束やトルク指令などにより変化する。上記(1)〜(5)のうち、回転速度によって変化するものは、(1)誘起電圧（図５）、(4)インダクタンスＬと(5)角回転速度である。そこで、回転速度に関係なく常に最適な特性を得るための電流を通電するために、回転速度Ｎｍｇにより補正量θ２を変化させると良い。特に本願を車両用に適用した際は、回転速度が運転者のアクセル操作や内燃機関のフリクションの変化などにより大きく変化するため、回転速度Ｎｍｇにより補正量θ２を段階的に変えることにより、これらの回転速度変化に対する特性も大幅に改善できるので有益である。つまり、図７に示すように、駆動の場合は、回転速度Ｎｍｇの変化により、補正量θ２を変えるとよい。図９は界磁電流を一定にしたときの位相補正量（ズラシ量）[deg]と発生トルク[Ｎｍ]との関係を示す特性図である。
回転速度Ｎｍｇをパラメータとし、Ｎｍｇ１＞Ｎｍｇ２＞Ｎｍｇ３としたときの最適位相ズラシ量の位置をＸ印でそれぞれ示している。回転速度が上昇するにつれて最適位相ズラシ量は大きくなっていることが分かる。
【００２８】
また、同様に上記(1)〜(5)のうち、直流電圧即ち電力変換部の直流入力端子間電圧（≒蓄電池の端子間電圧）Ｖｄｃにより変化するものは(2)印加電圧であるため、この値により補正量を変化させればよい。つまり、駆動の場合は、図１０に示すように、印加電圧が上昇するにつれて、補正量θ２を小さくするとよい。このようにして、回転速度Ｎｍｇの変化と印加電圧の変化により、補正量θ２を段階的に変化させるとよい。また、回転速度Ｎｍｇの変化あるいは印加電圧の変化のいずれか一方の変化のみで、段階的に変化させるようにしてもよい。なお、図２のように回転電機２００と電力変換部１１０を一体化することにより、伝送線路の電圧ドロップの影響が小さくなり、直流電圧検出精度が向上するという利点がある。
【００２９】
また、図１１は実施の形態２に関する他の補正量記憶部１２２を示す図である。図１１に示すように、回転速度算出手段１３１からの回転速度Ｎｍｇと直流入力端子間電圧算出手段１３２からの直流電圧値Ｖｄｃに加えて、さらに、回転電機温度算出手段１３３からの温度Ｔｅｍｐ、回転電機のトルク指令算出手段１３４からのトルク指令量Ｔｒｑ、回転電機の電機子巻線への矩形波印加電圧の通電幅算出部１２５からの通電幅θｗｉｄｔｈにより、補正量記憶部１２２の補正量θ２を変化させると、より一層回転電機２００の特性を最大限引き出すことができると同時に応用としての適用範囲が大幅に広がる。
【００３０】
それは以下のとおりである。ただし、図１１に示すものは、５つの物理量をパラメータとしているが、これらすべてが必要な訳ではなく、使用するアプリケーションに適したパラメータを適宜選択すると良い。上記(1)〜(5)のうち、回転電機２００の温度Ｔｅｍｐにより、(3)伝送線路抵抗Ｒが大きく変動する。特に低速回転領域においては、式１の分母でのＲが支配的となる。一般的に伝送線路に使用される線材は銅であり、温度が１００℃上昇すると抵抗は約１．５倍の値となり、図１０でＶｄｃが下がったと同様になる。
【００３１】
そのため、車両用に適用した場合、朝一番の駆動（雰囲気１０℃）と充分走行した後のアイドルストップ始動（雰囲気１００℃）では通電される電流が異なることになる。このような温度による影響を緩和するために回転電機２００の温度により補正量を変化させると良い。つまり、駆動の場合は、回転電機２００の温度が上昇するにつれて、補正量θ２を大きくするとよい。なお、回転電機２００の温度は、サーミスタなどを用いて回転電機の温度を直接検出しても良いし、電力変換部１１０の温度や車輌に適用した場合は、車輌の温度センサなどから推測する方法でも良い。また、温度センサを使用せずに動作時間などから予測する手法でも良い。
【００３２】
つぎに、トルク指令Ｔｒｑをパラメータに設定する利点について記載する。トルク指令算出手段１３４からのトルク指令Ｔｒｑにより補正量θ２を変化させることで、駆動時においては、最大トルク特性だけでなく部分トルク特性を実現できるため、回転電機としてのアプリケーション範囲が大幅に広がる。つまり、トルク指令Ｔｒｑが大のときは、最適な補正量を選択し、そうでないときは、最適な補正量をずらしてもよい。また、発電においてはトルク指令を変化させることで発電量を緻密にコントロールできるため、発電特性を大幅に改善することができる。
【００３３】
つづいて、通電幅θｗｉｄｔｈにより補正量θ２を変化させる長所を説明する。通電幅θｗｉｄｔｈの大小によって、(2)印加電圧が変わるため通電電流Ｉを制御することができる。そのため、回転電機の特性を最大限発揮できるように通電幅θｗｉｄｔｈよって補正量を変化させると良い。つまり、駆動の場合は、通電幅θｗｉｄｔｈが上昇するにつれて、補正量θ２を小さくするとよい。また、トルク指令Ｔｒｑと組み合わせて使用することで、より緻密なトルクコントロールが可能となる。
【００３４】
さらに、直流入力電圧と組み合わせて使用すると、電圧が低下した場合に通電幅θｗｉｄｔｈを絞ることで通電電流Ｉを減少させ、より一層の電圧低下を阻止することができるため、システムとしての信頼性が向上する。その上、極低温時においては伝送線路抵抗が小さくなるため、通電電流Ｉが予想以上に流れる可能性がある。それを阻止するために、回転電機の温度と組み合わせ、極低温時は通電幅θｗｉｄｔｈを絞るようにすることで通電電流Ｉを減少させることができる。
【００３５】
上述から、回転速度、直流電圧、回転電機の温度、トルク指令、通電幅などを単独もしくは組み合わせて使用することで、補正量記憶部１２２の補正量θ２を変化させると、様々な環境因子の影響によらず最適な特性を得ることができ、より一層回転電機２００の特性を最大限引き出すことができると同時に応用としての適用範囲が大幅に広がるる。また、回転速度、直流電圧、回転電機の温度、トルク指令、通電幅の全てをパラメータに持つと最良の特性を得ることができるが、記憶容量が膨大になったり、校正作業が増えたりするなどの恐れがあるため、所望の特性とこれらの欠点を勘案しパラメータを決定するとよい。また、上記補正量は演算によっても算出することは可能であるが、演算に使用するパラメータの校正作業やオンラインにて演算するため演算処理時間が問題となる可能性があるが、この実施の形態のように記憶手段を持つことにより、演算時間を短縮でき、比較的安価なマイコンでも制御を行うことができる。
【００３６】
次に、もう一つの追加点である矩形波印加電圧指令部１２７への入力値について説明する。図８において実施の形態１記載のそれと比べて通電幅算出部１２５からの通電幅θｗｉｄｔｈが追加になっている。これにより、実施の形態１では各相のオン・オフタイミングを指示するテーブルが必要であったため、通電幅を変化させる際は、通電幅θｗｉｄｔｈごとにこれらのテーブルが必要であった。しかし、この実施の形態のように通電位相記憶部１２４に制御上の原点を基準として、各相両アームの通電位相の中心位相ＸＨθｃｅｎｔｅｒ／ＸＬθｃｅｎｔｅｒを記憶すると、その中心位相に通電幅÷２の値を加減算して算出した値がオンタイミングを表すため、通電幅毎のテーブルは必要なく、容易に任意の通電幅にすることができる。このように、各電機子巻線への通電の中心位相を記憶することで、中心位相から通電幅を任意に変更できる。
【００３７】
例えば、Ｕ相上アームの中心位相を９０°、下アームの中心位相を２７０°と記憶しておく。この状態で、通電幅θｗｉｄｔｈが１８０°の指示が来た場合は、Ｕ相上アームのオンタイミングは、９０−（１８０／２）＝０°  〜  ９０＋（１８０／２）＝１８０°すなわち、０°〜１８０°区間はオン（但しデッドタイム補償処理を除く）となり、Ｕ相下アームのオンタイミングは、２７０−（１８０／２）＝１８０°  〜  ２７０＋（１８０／２）＝３６０°すなわち、１８０°〜３６０°区間がオンタイミングとなる。
【００３８】
さらに、通電幅θｗｉｄｔｈが１２０°の時は、Ｕ相上アームのオンタイミングは、９０−（１２０／２）＝３０°  〜  ９０＋（１２０／２）＝１５０°  すなわち３０°〜１５０°がＵ相上アームオンとなり、同様にＵ相下アームは２１０°（２７０−１２０／２）〜３３０°（２７０＋１２０／２）がオンとなる。これらの演算を矩形波印加電圧指令部１２７にて行う。このようにすることにより、通電幅毎のテーブルを必要としないのでＲＯＭ容量がその分削減でき、任意に通電幅を変更可能であるため、通電幅の漸増・漸減処理なども容易に行え、適用範囲が大幅に広がる。
【００３９】
実施の形態３．
実施形態１、２においては、回転電機２００の界磁巻線２０２への指令を一定として扱っていたが、実施の形態３では、図１２に示すように、界磁電流指令記憶部１４１の界磁電流指令Ｉｆ*を可変する方法について説明する。図１２は実施の形態３に関し、界磁電流制御指令が電力変換部に伝達されるデータフローを示す図である。この界磁電流指令Ｉｆ*は、オンラインで計算して算出する方法もあるが、複雑な多項式となるため演算時間が長くなる。また、複雑な多項式演算を高速に行うためにＤＳＰ（digitalsignal processor）などを搭載した高機能マイコンを搭載する必要があり、安価・小型化を目指したシステムには不向きである。
【００４０】
界磁電流指令記憶部１４１の界磁電流指令Ｉｆ*は、図１３に示すように、５つの物理量パラメータから抽出すると良い。図１３は実施の形態３に関する界磁電流指令記憶部１４１を示す図である。なお、これら５つすべてが必要な訳ではなく、使用するアプリケーションに適したパラメータを以下に記載の効果に応じて適宜選択すると良い。
【００４１】
この界磁電流指令記憶部１４１には界磁電流指令Ｉｆ*が記憶されているが、この界磁電流指令は、電流値を記載したものでもＤｕｔｙ値を記載したものでも良い。図１２では、実際の界磁電流を界磁電流検出部１４２にて検出するものを記載している。当然ながら、実際の界磁電流を検出し、界磁電流制御部１４３にてフィードバック制御を行った方が正確なコントロールが可能となるが、安価・小型なシステムを構築する上では、界磁電流指令記憶部１４１にＤｕｔｙを記憶し、いわゆるオープンループ制御を行えば、界磁電流検出部１４２の実際の界磁電流検出は特に必要ない。
【００４２】
それでは、界磁電流指令記憶部１４１の界磁電流指令Ｉｆ＊を物理量に応じて抽出する方法と効果について説明する。界磁電流は、回転電機２００における主磁束に略比例するので回転電機２００の特性に大きな影響を与えるため、以下の方法により指令量を変化させると一段と最適な特性を満足させることができる。
【００４３】
はじめに、界磁電流に対し回転速度Ｎｍｇをパラメータとして抽出する利点は、以下のとおりである。界磁電流が一定の場合、回転速度の上昇と共に誘起電圧も略一定で増加する。また、界磁電流がＩｆ１＜Ｉｆ２＜Ｉｆ３の関係が成立している場合、回転速度が一定のとき発生する誘起電圧もＩｆ１による誘起電圧＜Ｉｆ２による誘起電圧＜Ｉｆ３による誘起電圧の関係が成り立つ。（図５）。
一方、回転電機が発生する誘起電圧が蓄電池の電圧よりも高くなった場合には、発電電動機に電力が供給できなくなる。そのため、界磁電流が一定の場合には、高速回転まで駆動領域を拡大することができない。しかし、界磁電流を一定とせず、高速領域に行くほど界磁電流を小さくする手段を講じると、誘起電圧＜蓄電池の端子間電圧（≒電力変換部の直流入力端子間電圧）の関係が高速回転まで成立し、駆動領域を拡大させることができる。つまり、図６の“補正有り”に比べて“界磁＋補正有り”の方が駆動動作領域を拡大できる。
【００４４】
また、補正有りのみ（界磁電流一定）の場合、駆動時においても高速回転になるほど、誘起電圧＜蓄電池の関係を保つために、弱め界磁電流と呼ばれるトルクに寄与しない無効な電機子電流をたくさん通電する必要がでてくるため、結果的に電機子電流量のわりに駆動トルクが小さいという現象を引き起こし、結果的に効率悪化を招くことになる。しかし、高速回転につれて界磁電流を絞ると、誘起電圧も必然的に低くなるので弱め界磁のための電流も少なくて済むので効率が良い。上記理由により、界磁電流指令を回転速度に応じて変化させると良い。
【００４５】
次に界磁電流を電力変換部の直流入力端子間電圧（≒蓄電池の端子間電圧）Ｖｄｃにより変化させる理由について述べる。前述したように回転速度が一定の場合、界磁電流が大きいほど発生する誘起電圧も大きくなる。一方、直流入力端子間電圧が小さくなると回転電機２００への電力を供給可能な誘起電圧レベルも下がり、直流入力端子間電圧が大きい時は逆に供給可能な誘起電圧レベルも上がる。そのため、直流入力端子間電圧が小さいときは、界磁電流指令を小さく、逆に直流入力端子間電圧が大きいときは界磁電流指令を大きくすると良い。
【００４６】
界磁電流は、直流入力端子間電圧または蓄電池の端子間電圧を電圧源としているため、これらの電圧が降下すると必然的に界磁電流に通電可能な電流も減少する（Ｉｆ=Ｖ/Ｒｆ、Ｉｆは界磁電流，Ｖは直流入力端子間電圧，Ｒｆは界磁回路部の抵抗）。そのため、界磁電流をフィードバックして電流制御を行うようなシステムでは、これらの電圧により界磁電流指令を変化させると、電圧が低下した場合に通電不可能な電流を指令することなく、安定した界磁電流制御が可能である。また、十分な電圧が確保可能な場合には、より多くの界磁電流指令とすることで、十分な主磁束を得ることができ、駆動時にはより大きなトルク、発電時にはより大きな発電量を得ることができる。
【００４７】
一方、界磁電流指令記憶部１４１にＤｕｔｙ指令を記憶するようなシステムでは、Ｄｕｔｙが同一でも直流入力端子間電圧により通電される界磁電流量が変わるため、直流入力端子間電圧により変化させる意義がある。上記理由により、直流入力端子間電圧または蓄電池の端子間電圧をパラメータにして界磁電流指令を記憶すると良い。
【００４８】
さらに、界磁電流Ｉｆ、回転速度Ｎｍｇと誘起電圧Ｅには式２のような関係がある。
Ｅ＝Ｋ  ×  Ｎｍｇ  ×  Ｉｆ  （Ｋ：係数）・・・式２
また、上記記載のとおり、直流入力端子間電圧と誘起電圧Ｅは、回転電機への電力供給可能判定に関係しているため、界磁電流指令を回転速度と直流入力端子間電圧の２つのパラメータから抽出するとなお良い。
【００４９】
つづいて、回転電機の温度Ｔｅｍｐをパラメータにする理由について次に説明する。上記記載のように界磁電流Ｉｆ=Ｖ/Ｒｆの関係が成り立っている。ここで、Ｒｆは界磁回路部の抵抗であり、この値は、温度により変化する。そのため、界磁電流をフィードバックして電流制御を行うようなシステムでは、高温の場合に焼損防止や通電不可能な界磁電流指令とすることのないように、界磁電流指令を小さく設定し、逆に低温の場合には焼損の恐れなど無く、またより多くの電流が通電可能なため界磁電流指令を大きくすると、低温時から高温時まで十分な特性を得ることができるとともに、信頼性も向上する。
【００５０】
一方、界磁電流指令記憶部１４１にＤｕｔｙ指令を記憶するようなシステムでは、Ｄｕｔｙが同一でも、回転電機２００の温度により界磁回路部の抵抗（＝Ｒｆ）が変わり通電される界磁電流量が変わるため、回転電機２００の温度をパラメータに設定すると良い。なお、回転電機２００の温度は、実施の形態２の記載の通り、サーミスタなどを用いて回転電機２００の温度を直接検出しても良いし、電力変換部１１０の温度や車輌に適用した場合は、車輌の温度センサなどから推測する方法でも良い。また、温度センサを使用せずに動作時間などから予測する手法でも良い。
【００５１】
つぎに、トルク指令Ｔｒｑをパラメータに設定する利点について次に説明する。一般的に回転電機２００のトルクは主磁束量に比例する。この主磁束は、界磁電流にて調整可能であるため、トルクを変化させるためには、界磁電流を変化させれば良い。そのようにすることで、駆動時においては、最大トルク特性だけでなく部分トルク特性も効率よく実現できるため、回転電機としての適用範囲が広がる。また、発電時は、界磁電流により発電量をコントロールすることが可能となるため、緻密な発電コントロールが可能となる。
【００５２】
最後に、通電幅θｗｉｄｔｈにより界磁電流を変化させる利点について言及する。例えば、３相同期発電電動機において通電角が１８０度の時には、各相の上下スイッチング素子のうちどちらか一つがオンとなり、６つの素子のうち３つが必ずオンになっている（デッドタイム中を除く）。一方、１２０度通電の時には、６つの素子のうち２つしかオンしない状態が発生する。このとき、高速かつ界磁電流が多い状態の場合には、オンしていない素子にてダイオード整流状態となり駆動状態にあるにも係わらず発電する可能性がある。そのため、通電幅が小さい時は、界磁電流を絞ることで予期せぬ発電誤動作を防止することができる。なお、回転速度Ｎｍｇと組み合わせて界磁電流指令を参照すると上記理由により、さらに効果が大きくなる。
【００５３】
加えて、実施の形態では、発電電動機の場合、界磁電流は、最大トルク発生時の短時間駆動の主磁束を基準に設定されている。一般に発電機として機能する場合は、連続使用が大前提であるため、駆動時の界磁電流をそのまま発電時に通電すると、焼損などの影響も考えられるため、駆動と発電で界磁電流指令Ｉｆ＊を別々にすると、これを回避できる。また、駆動・発電において界磁電流指令Ｉｆ＊を別々に持つことにより最適な特性を効率よく満足させることができる。なお、ＲＯＭ容量の制約などで両方の記憶領域を確保できない場合は、どちらか一方のみを記憶しておき、ある係数により補正して使用すると良い。例えば、駆動時の界磁電流指令のみを記憶しておき、発電時は駆動時の界磁電流指令に一定の係数で除算する方法である。さらに、一定の係数ではなく、例えば実施の形態３記載の物理量５つをパラメータとして、係数を適宜算出しても良い。
【００５４】
このようにして得られた界磁電流指令Ｉｆ＊は、界磁電流制御部１４３に入力される。実施の形態３では、界磁電流指令Ｉｆ＊が物理量としての電流の場合、界磁電流検出部１４２から実際の界磁電流Ｉｆを入力し、指令値と実際値をＰＩ制御などの制御器に入力して、フィードバック制御により最適な値を算出する。一方、界磁電流指令記憶部１４１にＤｕｔｙ指令を記憶するようなシステムでは、オープンループにて界磁電流を制御するため界磁電流検出部１４２の実際の界磁電流検出は特に必要なく、フェイル（fail）、例えば、界磁回路部の短絡や断線などの異常状態でない限り、Ｄｕｔｙ指令をそのまま出力するだけで良い。
【００５５】
その後、界磁Ｄｕｔｙ指令ＩｆＤｕｔｙは電力変換部１１０に伝送され、界磁Ｄｕｔｙ指令ＩｆＤｕｔｙに応じて駆動回路２１０にて界磁巻線電流用スイッチング素子２１１を駆動する。上述により、界磁電流指令を可変にすることで、より一層の動作領域拡大を行え、かつ巻線界磁式同期発電電動機の特性を改善することができ、効率良く運転することが可能となる。なお、回転電機の回転速度、電力変換部の直流入力端子間電圧もしくは蓄電池の端子間電圧、回転電機の温度、回転電機のトルク指令量、及び、回転電機の電機子巻線への矩形波印加電圧の通電幅における全てをパラメータに持つと最良の特性を得ることができるが、記憶容量が膨大になったり、校正作業が増えたりするなどの恐れがあるため、所望の特性とこれらの欠点を勘案し、いずれか一つ以上をパラメータとして、界磁巻線電流指令記憶部の指令値を段階的に決定し記憶すると良い。
【００５６】
実施の形態４．
図１４は実施の形態４に関し、電機巻線各相及び界磁巻線のオン・オフ指令生成までのデータフローを示す図である。図１４からも分かるように、実施の形態４は、基本的に実施の形態１〜３記載の機能の和であるが、補正量記憶部１２２と界磁電流指令記憶部１４１からそれぞれの記憶値（補正量，指令量）を抽出するためのパラメータを同一のものとしている。
【００５７】
すなわち、回転速度算出手段１３１からの回転速度Ｎｍｇ、直流入力端子間電圧算出手段１３２からの直流電圧Ｖｄｃ、回転電機温度算出手段１３３からの回転電機の温度Ｔｅｍｐ、トルク指令算出手段１３４からのトルク指令Ｔｒｑと通電幅算出部１２５からの通電幅θｗｉｄｔｈのうちのいずれか一つ以上をパラメータとして、補正量記憶部１２２から補正量θ２を参照する。また、補正量記憶部１２２から補正量θ２を抽出するためのパラメータと同一のパラメータを使用して、界磁電流指令記憶部１４１から界磁電流指令Ｉｆ＊を参照する。
【００５８】
このようにする効果は、以下のとおりである。上述の実施の形態２，３おいて、補正量θ２と界磁電流指令Ｉｆ＊を、それぞれのパラメータから抽出し決定する利点を記載したが、それぞれの利点にて両者は互いに関連する部分が多々あった。一例を挙げると、誘起電圧は、回転速度と主磁束に比例しているため、動作領域を高速回転側までより拡大させたい場合には、補正量を回転速度により変化させるだけでなく、界磁電流も高速回転側で小さな電流指令とするように、両者を回転速度によって変化させることにより動作領域をより拡大させることが可能となり、補正量θ２と界磁電流指令Ｉｆ＊の個別による設定よりも、より最適な特性を満足することができる。
【００５９】
また、補正量θ２と界磁電流指令Ｉｆ＊を別々のパラメータとした場合、それぞれにおいてパラメータ算出手段（１３１〜１３４、１２５）が必要となるが、同一とすることにより、算出手段を最小化でき、またそれにかかる処理も一度で済むため処理速度を向上させることができる。
【００６０】
さて、実施の形態２では、電機子巻線各相の通電位相の中心位相を記憶することで、少ないＲＯＭ容量にて通電幅を任意に可変できる手法について述べた。一方、実施の形態３では、界磁電流指令をさまざまなパラメータ毎に持つことによる、特性上の利点を述べた。この実施の形態４にてこれらの機能を融合することにより、少ないＲＯＭ容量にて最良の特性を満足させることができる。
【００６１】
なぜなら、実施の形態２のように、電機子巻線各相の通電位相の中止位相を記憶する方式にすることにより、大幅にＲＯＭ容量が削減できる。ＲＯＭ容量が削減できた分を界磁電流指令記憶部１４１や補正量記憶部１２２に割り当て、より特性を改善をすることができる。つまり、特性／ＲＯＭ容量の比率が最も良いシステムを提供することができる。さらには、ＲＯＭ容量の大小はコストに直接影響を与えるため、特性／コストの比率バランスが最も優れた界磁巻線式同期発電電動機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】この発明の実施の形態１である界磁巻線式同期発電電動機を車両に適用したときの接続構成図を示す。
【図２】実施の形態１の界磁巻線式同期発電電動機における回転電機と電力変換部を一体化したものを示すブロック構成図である。
【図３】実施の形態１に関し、電機巻線各相のオン・オフ指令が電力変換部に伝達されるデータフローを示す図である。
【図４】実施の形態１における位置補正演算部の演算方法を説明する図である。
【図５】界磁巻線式同期発電電動機の誘起電圧特性を示す特性図である。
【図６】界磁巻線式同期発電電動機の駆動トルク特性を示す特性図である。
【図７】駆動の場合で、回転速度に対する回転子の位置の最適補正量の一例を示す特性図である。
【図８】実施の形態２に関し、電機巻線各相のオン・オフ指令生成までのデータフローを示す図である。
【図９】界磁電流を一定にしたときの位相補正量（ズラシ量）と発生トルクとの関係を示す特性図である。
【図１０】印加電圧と補正量記憶部の補正量との関係を示す特性図である。
【図１１】実施の形態２に関する他の補正量記憶部を示す図である。
【図１２】実施の形態３に関し、界磁電流制御指令が電力変換部に伝達されるデータフローを示す図である。
【図１３】実施の形態３に関する界磁電流指令記憶部を示す図である。
【図１４】実施の形態４に関し、電機巻線各相及び界磁巻線のオン・オフ指令生成までのデータフローを示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０１  内燃機関                        １０２  界磁巻線式同期発電電動機
１０３  蓄電池                          １０４  結合手段
１０５  電力変換部付き回転電機体        １１０  電力変換部
１２１  位置検出手段                    １２２  補正量記憶部
１２３  オフセット演算部                １２４  通電位相記憶部
１２５  通電幅算出部                    １２６  位置補正演算部
１２７  矩形波印加電圧指令部            １３１  回転速度算出手段
１３２  直流入力端子間電圧算出手段      １３３  回転電機温度算出手段
１３４  トルク指令算出手段              １４１  界磁電流指令記憶部
１４２  界磁電流検出部                  １４３  界磁電流制御部
２００  回転電機                        ２０１  電機子巻線
２０２  界磁巻線                        ２１０  駆動回路
２１１  界磁巻線電流用スイッチング素子
２１２  フライホイールダイオード
２２０ａ〜２２０ｃ、２２１ａ〜２２１ｃ  電力変換用スイッチング素子
【図１】
2007159353.tif 000003
【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】
2007159353.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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