(57)【要約】【課題】本発明は、モータ制御装置に係り、高回転域で確実にＰＷＭ制御から矩形波制御へ切り替えることで処理負荷の低減を図ることにある。【解決手段】モータ制御装置は、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換してモータに供給するインバータと、インバータを構成するスイッチング素子をオン／オフさせることにより、モータを少なくともＰＷＭ駆動するＰＷＭ制御と矩形波駆動する矩形波制御とで切り替えて駆動制御する制御手段と、ＰＷＭ制御の実行中に制御手段での処理負荷が所定以上になるか否かを判別する処理負荷判別手段と、上記処理負荷が上記所定以上になると判別される場合に、インバータに入力する直流電圧を下げる入力電圧制限手段と、を備える。【選択図】図１
2013230052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換してモータに供給するインバータと、
前記インバータを構成するスイッチング素子をオン／オフさせることにより、前記モータを少なくともＰＷＭ駆動するＰＷＭ制御と矩形波駆動する矩形波制御とで切り替えて駆動制御する制御手段と、
前記ＰＷＭ制御の実行中に前記制御手段での処理負荷が所定以上になるか否かを判別する処理負荷判別手段と、
前記処理負荷判別手段により前記処理負荷が前記所定以上になると判別される場合に、前記インバータに入力する直流電圧を下げる入力電圧制限手段と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ制御装置に係り、特に、モータの駆動制御を、インバータを構成するスイッチング素子のオン／オフにより、少なくともＰＷＭ駆動するＰＷＭ制御と矩形波駆動する矩形波制御とで切り替えて行うモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換してモータに供給するインバータを備えるモータ制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このモータ制御装置は、インバータを構成するスイッチング素子をオン／オフさせる制御回路を備えている。制御回路は、スイッチング素子をオン／オフさせることにより、モータを、少なくともＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）駆動するＰＷＭ制御と矩形波駆動する矩形波制御とで切り替えて駆動制御する。ＰＷＭ制御は、正弦波状の電圧指令値と搬送波（三角波）との電圧比較を行うことで、所定期間内でモータ入力電圧が正弦波状に変化するようにスイッチング素子のオン／オフのディーティ比を制御するものである。また、矩形波制御は、モータの回転位置に応じて所定期間内で矩形波１パルスがモータに入力されるようにスイッチング素子のオン期間とオフ期間との比を一対一に制御するものである。
【０００３】
ＰＷＭ制御によれば、モータのトルク制御が容易でありかつその回転が比較的低い回転域であっても滑らかなものとすることが可能である。また、矩形波制御によれば、直流電源の最大電圧をモータに印加することが可能であるので、比較的高い回転域であっても出力を向上させることが可能である。更に、弱め界磁電流を減少させることが可能であるのでモータでの銅損の発生を抑えることが可能であり、かつ、インバータでのスイッチング回数を減らすことが可能であるのでスイッチング損失の発生を抑えることが可能であり、その結果として、エネルギ効率を向上させることが可能である。従って、モータの制御モードとして、比較的低回転域ではＰＷＭ制御が選択され、一方、比較的高回転域では矩形波制御が選択されることで、モータを適切に駆動制御することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１３５３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、モータの高回転域までＰＷＭ制御を実施する必要がある場合には、制御安定性を確保するため、モータ回転数の上昇に合わせてＰＷＭ制御のキャリア周波数を上昇させることが必要である。しかし、モータの高回転時にＰＷＭ制御が実行されると、制御周期が過度に短くなることで、制御回路の有するＣＰＵの処理負荷が圧迫される懸念がある。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、高回転域で確実にＰＷＭ制御から矩形波制御へ切り替えることで処理負荷の低減を図ったモータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的は、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換してモータに供給するインバータと、前記インバータを構成するスイッチング素子をオン／オフさせることにより、前記モータを少なくともＰＷＭ駆動するＰＷＭ制御と矩形波駆動する矩形波制御とで切り替えて駆動制御する制御手段と、前記ＰＷＭ制御の実行中に前記制御手段での処理負荷が所定以上になるか否かを判別する処理負荷判別手段と、前記処理負荷判別手段により前記処理負荷が前記所定以上になると判別される場合に、前記インバータに入力する直流電圧を下げる入力電圧制限手段と、を備えるモータ制御装置により達成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高回転域で確実にＰＷＭ制御から矩形波制御へ切り替えることで処理負荷の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例であるモータ制御装置の構成図である。
【図２】ＰＷＭ制御でのＣＰＵ処理と矩形波制御でのＣＰＵ処理とを比較した図である。
【図３】モータ回転数とＰＷＭ制御でのキャリア周波数との関係を表した図である。
【図４】モータの制御モードを規定するモータ回転数とトルクとの関係を表した一例のマップである。
【図５】本実施例のモータ制御装置において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を用いて、本発明に係るモータ制御装置の具体的な実施の形態について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施例であるモータ制御装置１０の構成図を示す。本実施例のモータ制御装置１０は、例えば電気自動車又はハイブリッド自動車の駆動装置に用いられ、インバータにより車載バッテリの直流電力を交流電力に変換して駆動用モータに供給する装置である。
【００１２】
本実施例のモータ制御装置１０を搭載する車両は、充放電可能な直流電源としてのバッテリ１２と、自車両の車輪を駆動させることが可能な動力源としてのモータ１４と、を備えている。バッテリ１２は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等であって、例えば２４４ボルトの電圧を出力することが可能である。また、モータ１４は、例えば三相同期型交流モータであって、バッテリ１２から供給される電力に基づいて回転駆動することが可能である。
【００１３】
モータ制御装置１０は、バッテリ１２とモータ１４との間に介在する昇圧コンバータ１６及びインバータ１８を備えている。昇圧コンバータ１６とインバータ１８とは、相互に接続されている。昇圧コンバータ１６は、リアクトル２０と、一対のスイッチング素子２２，２４と、を有している。昇圧コンバータ１６は、一対のスイッチング素子２２，２４が交互にオン／オフされることにより、バッテリ１２から出力される直流電圧をリアクトル２０のエネルギ蓄積作用を利用して昇圧する回路である。昇圧コンバータ１６で昇圧された直流電圧は、インバータ１８に供給される。尚、昇圧コンバータ１６は、インバータ１８からの直流電圧を降圧してバッテリ１２側へ供給する降圧コンバータとして機能するものであってもよい。
【００１４】
インバータ１８は、モータ１４の各相に対応して一対のスイッチング素子２６，２８を有している。各相の一対のスイッチング素子２６，２８は、正極用電源と負極用電源との間に直列接続されている。正極用電源側のスイッチング素子２６は上アームを構成し、負極用電源側のスイッチング素子２８は下アームを構成する。このスイッチング素子２６，２８は、例えばＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどのパワートランジスタである。インバータ１８は、スイッチング素子２６，２８が交互にオン／オフされることにより、昇圧コンバータ１６から供給される直流電圧を交流電圧に変換する。例えば、モータ１４が三相交流モータであるときは、直流電圧を三相交流電圧に変換する。
【００１５】
インバータ１８には、上記のモータ１４が接続されている。インバータ１８により変換された交流電圧は、モータ１４に供給される。モータ１４は、バッテリ１２から昇圧コンバータ１６及びインバータ１８を介して供給される電力により回転駆動される。モータ１４が回転駆動されると、その動力が変速機などを介して車軸に伝達されることにより車輪が回転する。
【００１６】
昇圧コンバータ１６及びインバータ１８の各スイッチング素子２２〜２８には、マイクロコンピュータを主体に構成される制御コントローラ３０が接続されている。制御コントローラ３０は、バッテリ１２からの直流電圧を昇圧コンバータ１６で昇圧させる際、昇圧コンバータ１６のスイッチング素子２２，２４をオン／オフする指令信号を出力する。制御コントローラ３０は、昇圧コンバータ１６での昇圧が所望の電圧値となるように指令信号を生成することができ、モータ１２の動作状況に応じて最適な電圧値にバッテリ電圧を昇圧させることができる。昇圧コンバータ１６は、制御コントローラ３０からの指令信号に従ってスイッチング素子２２，２４をオン／オフし、バッテリ１２からの直流電圧を所望の電圧値に昇圧してインバータ１８へ出力する。
【００１７】
昇圧コンバータ１６は、モータ１４の動作状況などに応じて、出力する昇圧電圧を変更することが可能である。尚、昇圧コンバータ１６から出力される電圧は、その昇圧コンバータ１６の不作動によりバッテリ電圧がそのままインバータ１８に出力されるときに最小値となり、一方、その昇圧コンバータ１６の性能などから定まる上限値（最大値）を有する。
【００１８】
また、制御コントローラ３０は、昇圧コンバータ１６で昇圧された直流電圧を交流電圧に変換させる際、インバータ１８の各相のスイッチング素子２６，２８をオン／オフすることでモータ１４の駆動制御を行う。具体的には、モータ１４に印加する電圧を演算し、スイッチング素子２６，２８をオン／オフする指令信号を生成し、その指令信号をスイッチング素子２６，２８に供給する。インバータ１８は、制御コントローラ３０からの指令信号に従ってスイッチング素子２６，２８をオン／オフし、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換してモータ１４へ出力する。
【００１９】
制御コントローラ３０には、電流センサ３２が接続されている。電流センサ３２は、インバータ１８とモータ１４との間に実際に流れるモータ電流に応じた信号を制御コントローラ３０へ向けて出力する機器である。制御コントローラ３０は、電流検出器３２から供給される信号に基づいてインバータ１８とモータ１４との間に実際に流れるモータ電流を検出し、スイッチング素子２２〜２８に供給すべき指令信号を生成するうえでのフィードバックを行う。
【００２０】
また、制御コントローラ３０には、例えばレゾルバ等からなる回転角センサ３４が接続されている。回転角センサ３４は、モータ１４のステータに対するロータの回転角度位置（ロータ角）に応じた信号を制御コントローラ３０へ向けて出力する機器である。制御コントローラ３０は、回転角センサ３４から供給される信号に基づいてモータ１４のロータ角及び回転速度を検出し、スイッチング素子２２〜２８に供給すべき指令信号を生成するうえでのフィードバックを行う。
【００２１】
本実施例のモータ制御装置１０においては、制御コントローラ３０によりモータ１４を制御するインバータ１８の制御モードとして、ＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation；パルス幅変調）制御と、矩形波制御と、の２つの制御モードがある。尚、過変調制御を含めて３つの制御モードがあってもよい。
【００２２】
ＰＷＭ制御は、正弦波状の電圧指令値と三角波状の搬送波との電圧比較を行うことでパルス幅が変調するＰＷＭ信号を生成し、そのＰＷＭ信号によりモータ１４の各相アームにおけるスイッチング素子２６，２８のオン／オフを制御するものである。そして、上アームスイッチング素子２６をオンしかつ下アームスイッチング素子２８をオフする第１期間と、上アームスイッチング素子２６をオフしかつ下アームスイッチング素子２８をオンする第２期間と、を交互に繰り返すことにより、所定期間内でインバータ１８から出力されてモータ１４に入力される電圧が正弦波状に変化するように各スイッチング素子２４のデューティ比を制御するものである。
【００２３】
インバータ１８が上記のＰＷＭ制御によりＰＷＭ信号に従って電力変換を行うと、モータ１４に入力される電圧波形が実質的に正弦波状になる。かかるＰＷＭ制御によれば、モータ１４が比較的低い回転域で回転駆動されても、トルク制御を容易に行うことができ、滑らかな回転を得ることが可能である。
【００２４】
一方、矩形波制御は、モータ１４の回転位置に応じた矩形波信号を生成し、その矩形波信号によりモータ１４の各相アームにおけるスイッチング素子２６，２８のオン／オフを制御するものである。そして、所定期間内でインバータ１８から出力されてモータ１４に入力される電圧が矩形波状になるようにすなわち矩形波１パルスがモータ１４に入力されるように各スイッチング素子２６，２８のオン期間とオフ期間とを一対一に制御するものであり、モータ各相の半周期分（電気角１８０°）を１パルスとして出力するものである。尚、矩形波制御において、インバータ１８から出力される電圧の振幅は固定されており、モータ１４の出力制御はインバータ１８の出力電圧の位相を変化させることにより実現される。
【００２５】
例えば、モータ１４が三相交流モータであるとき、制御コントローラ３０は、モータ１４に印加する電圧のベクトルを、電気角３６０°を６等分した６パターンの位相区間のベクトルに分け、所望のトルクを発生させるために必要な電圧ベクトルの位相を演算し、その位相を実現するための位相区間を設定し、各相それぞれに印加すべき電圧パルスのパターンを設定する。各位相区間の期間はそれぞれ、モータ１４の電気角回転周期の約１／６である。尚、モータ各相のオン／オフは、電気角１２０°ずつ位相をずらして行われる。
【００２６】
インバータ１８が上記の矩形波制御により矩形波信号に従って電力変換を行うと、モータ１４に入力される電圧波形がその回転位置に応じて矩形波状になる。かかる矩形波制御によれば、インバータ１８への入力電圧に対するモータ１４への入力電圧の振幅の比を、上記のＰＷＭ制御に比べて高めることができるので、モータ１４が比較的高い回転域かつ比較的高いトルク域で回転駆動されても、容易に制御を行うことができる。また、弱め界磁制御などを行うＰＷＭ制御に比べて、モータ１４での鉄損の発生を抑えてエネルギ効率を向上させることが可能であると共に、インバータ１８でのスイッチング回数を少なくすることができるため、スイッチング損失を抑えることが可能である。
【００２７】
本実施例において、制御コントローラ３０は、アクセル操作量やモータ回転数などに基づいてモータ１４が出力すべきトルクを決定し、そのトルクに対応するトルク指令値を求め、そのトルク指令値に従ってインバータ１８のスイッチング素子２６，２８へ供給する信号を生成する。制御コントローラ３０は、モータ回転数及びモータトルクに応じて、インバータ１８の制御モードをＰＷＭ制御と矩形波制御とで切り替える。
【００２８】
制御コントローラ３０は、ＰＷＭ制御モードでは、上記の如く求めたトルク指令値からｄ−ｑ軸座標上のｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を求めると共に、モータ１４の各相に実際に流れるモータ電流から励磁電流ｉｄ及びトルク電流ｉｑを求める。そして、これらの指令値及び電流値に基づいて電圧指令値ｖｄ，ｖｑを求め、その座標変換を行ったうえで、その電圧指令値と搬送波とを比較して、パルス幅変調されたＰＷＭ信号を生成する。
【００２９】
また、制御コントローラ３０は、矩形波制御モードでは、モータ１４の各相に実際に流れるモータ電流から励磁電流ｉｄ及びトルク電流ｉｑを求め、その電流値からモータ１４に生じているトルクを求める。そして、このトルクと上記のトルク指令値とを比較して、矩形波の位相を決定し、その位相をロータ角に加算して矩形波信号を生成する。
【００３０】
図２は、ＰＷＭ制御でのＣＰＵ処理と矩形波制御でのＣＰＵ処理とを比較した図を示す。図３は、モータ回転数とＰＷＭ制御でのキャリア周波数との関係を表した図を示す。図４は、モータ１４の制御モードを規定するモータ回転数とトルクとの関係を表した一例のマップを示す。また、図５は、本実施例のモータ制御装置１０において制御コントローラ３０が実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。
【００３１】
ところで、モータ１４の高回転域までＰＷＭ制御を実施するうえでは、制御安定性を確保するため、図３に示す如くモータ回転数の上昇に合わせてＰＷＭ制御のキャリア周波数を上昇させることが必要である。しかし、ＰＷＭ制御においては、電圧指令値と三角波状の搬送波とを比較してＰＷＭ信号を生成するうえで三角波の頂点（山点及び谷点の双方）ごとに制御コントローラ３０でのＣＰＵ処理を実行することが必要であるので、モータ１４の高回転時には制御周期が過度に短くなり、制御コントローラ３０でのＣＰＵ処理の負荷が圧迫される懸念がある。
【００３２】
一方、矩形波制御においては、矩形波信号を生成するうえで、モータ１４の所定電気角（例えば電気角６０°）ごとに制御コントローラ３０でのＣＰＵ処理を実行すれば十分であるので、モータ１４の高回転時、制御周期がＰＷＭ制御のものに比べて長くなり、制御コントローラ３０でのＣＰＵ処理負荷がＰＷＭ制御のものに比べて少なくなる。
【００３３】
そこで、本実施例のモータ制御装置１０においては、モータ１４の比較的高い回転域で確実にＰＷＭ制御から矩形波制御へ切り替えることで制御コントローラ３０での処理負荷の低減を図ることとしている。
【００３４】
すなわち、本実施例のモータ制御装置１０において、制御コントローラ３０は、まず、回転角センサ３４によるロータ角などに基づいて、モータ１４の回転駆動が高回転域に達しているか否かを判別する（ステップ１００）。尚、この高回転域は、ＰＷＭ制御で処理負荷がオーバーすると判断されるモータ回転速度のことである。その結果、モータ１４が高回転域で回転駆動されていないと判別される場合は、以後何ら処理を進めることなく今回のルーチンを終了する。
【００３５】
一方、モータ１４が高回転域で回転駆動されていると判別される場合は、次に、インバータ１８の制御モードがＰＷＭ制御モードであるか否かを判別する（ステップ１１０）。その結果、制御モードがＰＷＭ制御モードでないと判別される場合は、以後何ら処理を進めることなく今回のルーチンを終了する。一方、制御モードがＰＷＭ制御モードであると判別される場合は、次に、インバータ１８に入力する電圧を低下させる処理を実行する（ステップ１２０）。具体的には、バッテリ１２からの直流電圧を昇圧コンバータ１６で昇圧させる度合いを通常よりも低下させる、すなわち、昇圧コンバータ１６から出力させる電圧を通常よりも低下させる。
【００３６】
昇圧コンバータ１６の出力電圧が低下されてインバータ１８の入力電圧が低下されると、インバータ１８から出力される電圧が低下するので、モータ１４に入力される電圧パルスのレベルが低下して、モータ回転数とトルクとの関係が変化する。具体的には、図４に示す如く、インバータ１８への入力電圧の低下実施前後で、モータ回転数が同じであるとすると、インバータ１８への入力電圧の低下後のトルクが、インバータ１８への入力電圧の低下前のトルクに比べて小さくなる。
【００３７】
このため、インバータ１８に入力される電圧が低下される前は、モータ回転数とトルクとの関係を示すマップ上でＰＷＭ制御が実行される動作点を、インバータ１８に入力される電圧が低下された後は、モータ回転数とトルクとの関係を示すマップ上で矩形波制御が実行される動作点に変更することができる。そして、インバータ１８への入力電圧が低下された後は、図４（Ｂ）に示す変化後のモータ回転数とトルクとの関係に基づいて制御モードの切り替えを行うことが可能である。
【００３８】
このように、本実施例のモータ制御装置１０によれば、モータ１４をＰＷＭ駆動するインバータ１８に対するＰＷＭ制御の実行中、モータ１４が、制御コントローラ３０の処理負荷が過大となる高回転域で回転駆動される場合に、インバータ１８に入力する直流電圧を下げることで、インバータ入力電圧を下げない場合と比較して、モータ１４の高回転域でインバータ１８の制御モードをＰＷＭ制御から矩形波制御へ切り替え易くすることができる。
【００３９】
従って、本実施例によれば、モータ１４の高回転域で確実にインバータ１８の制御モードをＰＷＭ制御から矩形波制御へ切り替えることができ、その結果として、モータ１４の高回転域で、制御コントローラ３０での処理負荷を確実に低減することができると共に、エネルギ効率の高い制御モードを実現することができる。
【００４０】
尚、上記の実施例においては、制御コントローラ３０が特許請求の範囲に記載した「制御手段」に相当している。制御コントローラ３０が、図５に示すルーチン中ステップ１００，１１０の処理を実行することにより特許請求の範囲に記載した「処理負荷判別手段」が、ステップ１２０の処理を実行することにより特許請求の範囲に記載した「入力電圧制限手段」が、それぞれ実現されている。
【００４１】
ところで、上記の実施例においては、制御コントローラ３０がモータ１４の回転駆動が高回転域に達しているか否かを判別することにより、制御コントローラ３０の処理負荷が所定以上にオーバーになるか否かを判別することとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば直接的に処理負荷を演算することにより、制御コントローラ３０の処理負荷が所定以上にオーバーになるか否かを判別することとしてもよい。
【００４２】
また、上記の実施例においては、制御コントローラ３０が、モータ１４の回転駆動が高回転域に達していると判別した後に、インバータ１８の制御モードがＰＷＭ制御モードであるか否かを判別してＰＷＭ制御の実行有無を判別することとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、制御コントローラ３０が、インバータ１８の制御モードがＰＷＭ制御モードであることでＰＷＭ制御が実行されていると判別した後に、モータ１４の回転駆動が高回転域に達しているか否かを判別することとしてもよい。
【００４３】
また、上記の実施例においては、インバータ１８の制御モードとしてＰＷＭ制御と矩形波制御との２つの制御モードがあるものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、モータ１４の中回転域で、ＰＷＭ制御と矩形波制御との間の中間的な制御方式である過変調制御を実行させるものとし、インバータ１８の制御モードとしてかかる過変調制御を含めて３つの制御モードがあるものとしてもよい。かかる変形例においては、モータ１４の高回転域で確実にインバータ１８の制御モードを過変調制御から矩形波制御へ切り替えるものとする。
【符号の説明】
【００４４】
１０  モータ制御装置
１２  バッテリ
１４  モータ
１６  昇圧コンバータ
１８  インバータ
２２〜２８  スイッチング素子
３０  制御コントローラ
【図１】
2013230052.tif 000003
【図２】
2013230052.tif 000004
【図３】
2013230052.tif 000005
【図４】
2013230052.tif 000006
【図５】
2013230052.tif 000007