(57)【要約】【課題】磁極位置センサレス制御により起動から高速まで高効率、低騒音で永久磁石モータを駆動することができるハイブリット自動車を提供する。【解決手段】ハイブリット自動車１は、動力源としての内燃機関と永久磁石モータ３とを搭載しており、この永久磁石モータ３を駆動するインバータ１１は、永久磁石モータ３の回転数が零から前記内燃機関のアイドリング回転数未満の範囲では、永久磁石モータ３のロータ角度に応じて磁気回路中の磁気抵抗が変化することによりステータコイルのインダクタンスが変化することを利用してそのロータの磁極位置を推定する第１の磁極位置推定手段２２の磁極位置推定値により制御され、アイドリング回転数以上のときには、永久磁石モータ３の回転中にステータコイルに発生する誘起電圧を利用してそのロータの磁極位置を推定する第２の磁極位置推定手段２３の磁極位置推定値により制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源としての内燃機関と、
動力源としての永久磁石モータと、
この永久磁石モータを駆動するインバータと、
前記永久磁石モータのロータ角度に応じて磁気回路中の磁気抵抗が変化することによりステータコイルのインダクタンスが変化することを利用してそのロータの磁極位置を推定する第１の磁極位置推定手段と、該永久磁石モータの回転中にステータコイルに発生する誘起電圧を利用してそのロータの磁極位置を推定する第２の磁極位置推定手段とを有する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記インバータを、前記永久磁石モータの回転数が前記内燃機関のアイドリング回転数以上のときには、前記第２の磁極位置推定手段による磁極位置推定値により制御することを特徴とするハイブリット自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力源として内燃機関と永久磁石モータとを備えたハイブリット自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリット自動車としては、内燃機関の他に永久磁石モータを備え、これらの動力源を切換えて走行するようにしたものがある。
この場合、永久磁石モータをインバータにより高精度高速に制御するためには、永久磁石形のロータの磁極位置を検出してステータコイルに流す電流を制御すべく磁極位置センサを設ける必要である。しかしながら、磁極位置センサは、比較的体積が大きいので、設置上の制約を受けたり、センサ出力をインバータを制御する制御装置に伝送するための配線が必要になる問題がある。
【０００３】
このため従来では、永久磁石モータの回転中にステータコイルに発生する誘起電圧を利用してそのロータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段を備えた磁極位置センサレス制御装置（例えば特許文献１参照）や、永久磁石モータのロータ角度に応じて磁気回路中の磁気抵抗が変化することによりステータコイルのインダクタンスが変化することを利用してそのロータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段を備えた磁極位置センサレス制御装置軸置（例えば特許文献２参照）が提案されている。
【特許文献１】特許第３６９２０８５号公報
【特許文献２】特許第３７１９９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来構成において、誘起電圧を利用する装置では、ロータが回転していないと誘起電圧が発生しないので、ロータの磁極位置を推定することはできない。また、インダクタンスの変化を利用する装置では、一般的に、磁極位置検出用信号としての高周波電圧若しくは高周波電流を永久磁石モータを制御するための電圧指令若しくは電流指令に重畳する必要があるので、永久磁石モータおよびインバータの電力損失が大きくなって、全体の効率が悪くなり、更に、高周波成分が増加するので、永久磁石モータの騒音が大きくなる等の問題がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁極位置センサレス制御により起動から高速まで高効率、低騒音で永久磁石モータを駆動することができるハイブリット自動車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のハイブリット自動車は、動力源としての内燃機関と、動力源としての永久磁石モータと、この永久磁石モータを駆動するインバータと、前記永久磁石モータのロータ角度に応じて磁気回路中の磁気抵抗が変化することによりステータコイルのインダクタンスが変化することを利用してそのロータの磁極位置を推定する第１の磁極位置推定手段および該永久磁石モータの回転中にステータコイルに発生する誘起電圧を利用してそのロータの磁極位置を推定する第２の磁極位置推定手段を有する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記インバータを、前記永久磁石モータの回転数が前記内燃機関のアイドリング回転数以上のときには、前記第２の磁極位置推定手段による磁極位置推定値により制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のハイブリット自動車によれば、永久磁石モータを駆動するインバータを、前記永久磁石モータの回転数が内燃機関のアイドリング回転数以上のときには、第２の磁極位置推定手段による磁極位置推定値により制御するようにしたので、起動から高速まで高効率、低騒音で永久磁石モータを駆動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施例につき、図面を参照して説明する。
先ず、全体構成を示す図２において、ハイブリット自動車１には、動力源として内燃機関２および永久磁石モータ３が搭載されている。ここで、永久磁石モータ３は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相のステータコイルを有するステータと、このステータの界磁空間に配置された永久磁石形のロータとを備えた同期モータである。これらの内燃機関２および永久磁石モータ３の並列運転によって、クラッチ４、変速機５、出力軸６および差動ギヤ７を介して後側ホイール８、８の車軸９、９が駆動されるようになっている。この場合、クラッチ４の断続と変速機５のレンジシフトとは、マニュアル車ではドライバによって操作される。
【０００９】
ハイブリット自動車１には、ニッケル水素蓄電池等の充電可能なバッテリ１０が搭載されており、このバッテリ１０からの直流電源がインバータ１１によって交流電源に変換されて前記永久磁石モータ３に供給されるようになっている。前記内燃機関２は、内燃機関ＥＣＵ１２により制御されるようになっている。インバータ１１は、制御装置たるインバータＥＣＵ１３により制御されるようになっている。バッテリ１０は、バッテリＥＣＵ１４により残量および温度などの監視が行なわれるようになっている。内燃機関ＥＣＵ１２、インバータＥＣＵ１３およびバッテリＥＣＵ１４の情報は、ハイブリットＥＣＵ１５に与えられるようになっており、ハイブリットＥＣＵ１５は、これらの内燃機関ＥＣＵ１２、インバータＥＣＵ１３およびバッテリＥＣＵ１４を、燃費性能、動力性能などに鑑みて最適な動作となるように、統括的に制御するようになっている。
【００１０】
次に、図１に基づいて磁極位置センサレスのベクトル制御を行なうインバータＥＣＵ１３について説明する。
インバータＥＣＵ１３は、電流指令演算部１６と、電流制御部１７と、加算器１８と、電圧座標変換部１９と、ＰＷＭ制御部２０と、電流座標変換部２１と、第１の磁極位置推定手段２２および第２の磁極位置推定手段２３を含む永久磁石モータ３のロータの磁極位置推定部２４と、速度検出部２５を含む磁極位置切換部２６とを備える。
【００１１】
インバータ５と永久磁石モータ３との間に接続された電流検出器２７ｕ、２７ｗにより検出された２相電流Ｉｕ、Ｉｗは、電流座標変換部２１に与えられる。電流座標変換部２１は、２相電流Ｉｕ、Ｉｗより３相電流を演算し、これを３相／２相変換してこれと等価な２相電流を求め、更に、ベクトル回転により変換してｄ軸、ｑ軸成分の電流Ｉｄ、Ｉｑを求める。この電流座標変換部２１による変換演算の際、後述する磁極位置推定値θが用いられる。ここでｄ軸、ｑ軸は、ロータの永久磁石が作る磁束方向をｄ軸、これと直交する方向をｑ軸とする回転座標軸である。
【００１２】
電流指令演算部１６は、ハイブリットＥＣＵ１５からトルク指令Ｔ＊を受けてｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流司令値Ｉｑ＊を決定する。電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊および前記電流Ｉｄ、Ｉｑは、電圧座標変換部１７に与えられる。電圧座標変換部１７は、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と電流Ｉｄ、Ｉｑとの偏差を求め、更に、これを比例積分することで電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを得る。電圧指令値Ｖｑは、電圧座標変換部１９にそのままｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊として与えられ、電圧指令値Ｖｄは、電圧座標変換部１９に加算器１８を介してｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊として与えられる。電圧座標変換部１９は、電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を座標変換して３相の電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換し、これらの電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを基にＰＷＭ制御部２０にて３相のパルス幅変調信号が形成される。この電圧座標変換部１９における変換演算にも後述する磁極位置推定値θが用いられる。ＰＷＭ制御部２０からのパルス幅変調信号は、インバータ１１に与えられ、永久磁石モータ３のステータコイルに電圧が印加される。このようにしてインバータＥＣＵ１３により、永久磁石モータ３に対して給電が行なわれるが、その電流は電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に依存する。
【００１３】
電流座標変換部２１および電圧座標変換部１９における演算に必要なロータの磁極位置は、永久磁石モータ３に取り付けたエンコーダなどの磁極位置センサで検出する方法もあるが、図１の構成では、電流Ｉｄ、Ｉｑ等から推定する磁極位置センサレス方式を採用している。
【００１４】
以下、図３を参照して、磁極位置推定部２４の原理について説明する。
（第１の磁極位置推定手段２２について）
第１の磁極位置推定手段２２は、突極性を有する永久磁石モータ３について、ロータ角度に応じて磁気回路中の磁気抵抗が変化し、ステータコイルのインダクタンスが変化することを利用したものである。
【００１５】
永久磁石モータ３は、図３に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のステータコイルと、ロータシャフト中心回りに回転する永久磁石とを有する等価回路により表される。この等価回路において、永久磁石のＮ極側を正方向として貫く軸をｄ軸（ロータ突方向）と定義し、それに直交する軸をｑ軸（ロータ突方向と直角方向）と定義する。
このように定義すると、永久磁石モータ３のトルクを主に支配するのはｑ軸方向の磁界となる。なお、ｄ軸方向に磁界を生じるように電圧を印加した場合のステータコイルのインダクタンスをＬｄとし、同じくｑ軸方向についてのインダクタンスをＬｑとする。
【００１６】
この永久磁石モータ３を制御するインバータＥＣＵ１３（第１の磁極位置推定手段２２）が推定した磁極位置が前記ｄ軸、ｑ軸に対し、ｄｃ軸、ｑｃ軸であったとした場合、現実の電気角（磁極位置）θとは誤差Δθが生じている。この状態で、電気角θを検出するために、第１の磁極位置推定手段２２は、加算器１８に回転周波数と異なる高周波成分の磁極位置検出用信号たる回転電圧指令Ｖｄｈを与え、電流制御部１７の出力であるｄ軸電圧指令Ｖｄに回転電圧指令Ｖｄｈを重畳してｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とし、ｄｃ軸方向に印加する。そして、その結果のｄｃ方向およびｑｃ方向に流れる電流を検出する。仮に第１の磁極位置推定手段２２が推定しているｄｃ軸がｄ軸と一致している場合（Δθ＝０°）には、ｑｃ軸方向の電流は検出されないはずである。しかし、電気角に誤差Δθを生じている場合には、ｑｃ軸方向の電流が検出される。従って、これらの検出電流に基づいて誤差Δθを演算することができ、ひいては電気角θを検出（推定）することができる。
【００１７】
しかしながら、この手法は、インダクタンスが１８０°周期で変化するので、推定可能範囲が１８０°に限定され、得られる磁極位置がＮ極方向か、Ｓ極方向か判断することができない。そのため、起動時に極性を判別する手段を備える。
【００１８】
極性判別手段の一例について永久磁石モータ３の磁気飽和特性を利用した手法を説明する。永久磁石モータ３は、ロータが永久磁石による磁束を有しているために、ｄ軸電流が零のときでも磁束が存在する。この磁気特性により、インダクタンスＬｄの特性は、ｄ軸電流の正負の符号の違いによりその大きさが異なる領域が存在する。よって、このインダクタンスＬｄの大きさが異なる領域に対応する所定バイアス成分を有するｄ軸電圧を印加すれば、極性の違いがステータコイルに流れる電流の振幅の大きさに現れることになる。
【００１９】
（第２の磁極位置推定手段２３について）
第２の磁極位置推定手段２３は、永久磁石の磁束に起因して回転中に発生する永久磁石モータ３の逆起電圧を利用したものである。
図３に示す永久磁石モータ３の等価回路において、永久磁石のＮ極側を正方向として貫く軸をｄ軸（永久磁石磁束方向）と定義し、それに直交する軸をｑ軸（永久磁石磁束方向と直交方向）と定義する。
【００２０】
このように定義した場合、永久磁石モータ３が回転することによる逆起電圧はｑ軸方向にのみ発生する。従って、この永久磁石モータ３を制御するインバータＥＣＵ１３（第２の磁極位置推定手段２３）が推定した磁極位置が前記ｄ軸、ｑ軸に対し、ｄｃ軸、ｑｃ軸であったとした場合、ｄｃ軸方向の誘起電圧が零となるように磁極位置推定値を逐次補正すると、ｄ軸、ｑ軸に対してｄｃ軸、ｑｃ軸が一致し、真の磁極位置θを推定することができる。
【００２１】
以上のようにして第１の磁極位置推定手段２２および第２の磁極位置推定手段２３により推定された磁極位置推定値θは、磁極位置切換部２６に入力されるが、磁極位置切換部２６は、速度検出部２５で検出(推定)された速度ωによって磁極位置推定値θの切換えを行なうようになっている。すなわち、磁極位置切換部２６は、例えば、速度ωが零（起動時）から前記内燃機関２のアイドリング回転数（例えば６００ｒｐｍ）未満の範囲では、前記第１の磁極位置推定手段２２による磁極位置推定値θを出力し、速度ωがアイドリング回転数以上のときには、前記第２の磁極位置推定手段２３による磁極位置推定値θを出力する。そして、磁極位置推定部２４は、速度ωを入力するようになっており、第２の磁極位置推定手段２３に切換えられている速度領域では、第１の磁極位置推定手段２２からの磁極位置検出用信号たる回転電圧指令Ｖｄｈの出力を停止させる。
【００２２】
このように本実施例によれば、永久磁石モータ３を駆動するインバータ１１を、前記永久磁石モータ３の回転数が零から内燃機関２のアイドリング回転数未満の範囲では、ロータ角度に応じて磁気回路中の磁気抵抗が変化し、ステータコイルのインダクタンスが変化することを利用した第１の磁極位置推定手段２２による磁極位置推定値により制御し、アイドリング回転数以上のときには、永久磁石の磁束に起因して回転中に発生する永久磁石モータ３の逆起電圧を利用した第２の磁極位置推定手段２３による磁極位置推定値により制御するようにしたので、永久磁石モータ３を、起動から高速まで高効率、低騒音を駆動することができる。
【００２３】
すなわち、第１の磁極位置推定手段２２による磁極位置推定値を用いた制御は、永久磁石モータ３およびインバータ１１の電力損失が大きくなって、全体の効率が悪くなり、更に、高周波成分が増加するので、永久磁石モータ３の騒音が大きくなるなどの問題があるが、本実施例では、この第１の磁極位置推定手段２２による磁極位置推定値を用いた制御は、久磁石モータ３の回転数が零から内燃機関２のアイドリング回転数未満の範囲だけであるので、全体として高効率、低騒音を維持することができる。
【００２４】
なお、上記実施例では、インバータＥＣＵ１３を制御装置として説明したが、内燃機関ＥＣＵ１２、バッテリＥＣＵ１４およびハイブリットＥＣＵ１５を含めて制御装置としてもよい。
その他、本発明は上記しかつ図面に示す実施例にのみ限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変形して実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例を示すインバータＥＣＵのブロック線図
【図２】ハイブリット自動車の構成図
【図３】永久磁石モータの等価回路図
【符号の説明】
【００２６】
図面中、１はハイブリット自動車、２は内燃機関、３は永久磁石モータ、１０はバッテリ、１１はインバータ、１２は内燃機関ＥＣＵ、１３はインバータＥＣＵ（制御装置）、１５はハイブリットＥＣＵ、２２は第１の磁極位置推定手段、２３は第２の磁極位置推定手段を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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