モータ駆動制御システムおよびそれを搭載する車両、ならびにモータ駆動制御システムの制御方法
【課題】交流電動機を駆動するモータ駆動制御システムにおいて、矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えの際の制御安定性を向上する。
【解決手段】モータ駆動制御システム１００は、インバータ１４０により交流電動機２００を駆動する。ＥＣＵ３００は、矩形波制御モードおよびパルス幅変調制御モードのいずれかの制御モードによってインバータ１４０を制御する。ＥＣＵ３００は、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機２００へ印加される電流位相φi#がしきい値φthに到達したことに応じて、矩形波制御モードからパルス幅変調制御モードへ切換える。そして、ＥＣＵ３００は、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機２００へ印加される電圧位相φｖの変化に基づいて電流位相φi#のしきい値φthを変化させる。
【解決手段】モータ駆動制御システム１００は、インバータ１４０により交流電動機２００を駆動する。ＥＣＵ３００は、矩形波制御モードおよびパルス幅変調制御モードのいずれかの制御モードによってインバータ１４０を制御する。ＥＣＵ３００は、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機２００へ印加される電流位相φi#がしきい値φthに到達したことに応じて、矩形波制御モードからパルス幅変調制御モードへ切換える。そして、ＥＣＵ３００は、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機２００へ印加される電圧位相φｖの変化に基づいて電流位相φi#のしきい値φthを変化させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動制御システムおよびそれを搭載する車両、ならびにモータ駆動制御システムの制御方法に関し、より特定的には、矩形波制御およびパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）制御が適用される交流電動機の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電源を用いて交流電動機を駆動制御するために、インバータを用いた駆動方法が一般的に採用される。インバータは、インバータ駆動回路によりスイッチング制御されており、たとえばＰＷＭ制御に従ってスイッチングされた電圧が交流電動機に印加される。
【０００３】
また、電圧利用率を向上させてモータ回転数の高い領域で高出力を得るために、正弦波ＰＷＭ制御よりもモータ印加電圧の基本波成分が大きい変調方式による交流電動機制御として、過変調ＰＷＭ制御および矩形波制御が適用される場合がある。
【０００４】
特開２００５−２１８２９９号公報（特許文献１）には、矩形波制御で動作している場合に、交流電動機に供給される実電流位相の絶対値が所定の切換電流位相の絶対値を下回ると、矩形波制御からＰＷＭ制御へ切換える構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１８２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＰＷＭ制御および矩形波制御が適用される交流電動機の制御においては、電圧位相を制御する矩形波制御から電流フィードバックによるＰＷＭ制御への切換えの際に、２つの制御モードが頻繁に切換わる、いわゆるチャタリングを防止するために、制御モードの理想的な切換点を少し行き過ぎた動作ポイントにおいて制御モードを切換えるように、ヒステリシスが付与された制御がなされることがある。
【０００７】
このような制御においては、矩形波制御からＰＷＭ制御に切換わった直後にＰＷＭ制御における電流指令が不連続に変化することによって、交流電動機に印加されるインバータの出力電圧がステップ状に変化してしまい、瞬間的にトルクが大きく変動する可能性がある。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、交流電動機を駆動するモータ駆動制御システムにおいて、矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えの際の制御安定性を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるモータ駆動制御システムは、交流電動機の駆動電圧を制御するインバータと、インバータを制御するための制御装置とを備える。インバータは、交流電動機に印加される矩形波電圧の電圧位相を制御することによって交流電動機を駆動する矩形波制御モード、および交流電動機を動作させるための交流電圧指令と搬送波との比較に基づくパルス幅変調制御を行なうことによって交流電動機を駆動するパルス幅変調制御モードにより制御される。制御装置は、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機へ印加される電流位相がしきい値に到達したことに応じて、矩形波制御モードからパルス幅変調制御モードへの切換えを実行する。そして、制御装置は、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機へ印加される電圧位相の変化に基づいてしきい値を変更する。
【００１０】
好ましくは、制御装置は、電圧位相が加速方向へ変化しているときは、電圧位相が変化しないときに比べて、矩形波制御モードからパルス幅変調制御モードへの切換えが遅くなるようにしきい値を変更する。
【００１１】
好ましくは、制御装置は、電圧位相が減速方向へ変化しているときは、電圧位相が変化しないときに比べて、矩形波制御モードからパルス幅変調制御モードへの切換えが早くなるようにしきい値を変更する。
【００１２】
好ましくは、制御装置は、電圧位相の時間的変化の大きさが第１の基準値より大きい場合に、しきい値を変更する。
【００１３】
好ましくは、制御装置は、交流電動機に印加される電圧指令値の時間的変化の大きさが第２の基準値より小さい場合は、しきい値の変更を禁止する。
【００１４】
好ましくは、電圧位相は、交流電動機に印加される電圧指令値についての、ｑ軸電圧指令値に対するｄ軸電圧指令値に基づいて定められる。
【００１５】
好ましくは、電流位相は、交流電動機に流れる電流のｑ軸電流値に対するｄ軸電流値に基づいて定められる。
【００１６】
本発明による車両は、蓄電装置と、交流電動機と、上記いずれかのモータ駆動制御システムとを備える。
【００１７】
本発明によるモータ駆動制御システムの制御方法は、インバータにより交流電動機を駆動するモータ駆動制御システムについての制御方法である。制御方法は、交流電動機に印加される矩形波電圧の電圧位相を制御することによって交流電動機を駆動する矩形波制御モードを選択するステップと、交流電動機を動作させるための交流電圧指令と搬送波との比較に基づくパルス幅変調制御を行なうことによって交流電動機を駆動するパルス幅変調制御モードを選択するステップと、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機へ印加される電流位相がしきい値に到達したことに応じて、矩形波制御モードからパルス幅変調制御モードへ切換えるステップと、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機へ印加される電圧位相の変化に基づいてしきい値を変更するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、交流電動機を駆動するモータ駆動制御システムにおいて、矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えの際の制御安定性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に従うモータ駆動制御システムの全体ブロック図である。
【図２】本実施の形態による、モータ駆動システムにおける交流電動機の制御モードを概略的に説明する図である。
【図３】本実施の形態による、交流電動機の動作状態と各制御モードとの対応関係を説明する図である。
【図４】本実施の形態による、モータ駆動システムの制御構成を示す機能ブロック図である。
【図５】矩形波制御およびＰＷＭ制御でのｄ−ｑ軸平面上のｄ軸，ｑ軸電流指令値の変化を示す概念図である。
【図６】矩形波制御からＰＷＭ制御への切換時の、ｄ−ｑ軸平面上のｄ軸，ｑ軸電流指令値の変化を示す概念図である。
【図７】本実施の形態における、モード切換制御の概要を説明するための第１の図である。
【図８】本実施の形態における、モード切換制御の概要を説明するための第２の図である。
【図９】本実施の形態における、モード切換制御の概要を説明するための第３の図である。
【図１０】本実施の形態において、ＥＣＵで実行されるモード切換制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【図１１】図１０のステップＳ１５０における処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２１】
（電動機制御の全体構成）
図１は、本発明の実施の形態に従うモータ駆動制御システム１００を搭載した車両１０の全体ブロック図である。
【００２２】
図１を参照して、車両１０は、モータ駆動制御システム１００と、交流電動機２００と、駆動輪２１０とを備える。モータ駆動制御システム１００は、直流電圧発生部１０５と、コンデンサＣ１と、インバータ１４０と、制御装置（以下、ＥＣＵ「Electronic Control Unit」とも称する。）３００とを含む。
【００２３】
交流電動機２００は、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車や燃料電池車等の電気エネルギによって車両駆動力を発生する車両において、駆動輪２１０を駆動するためのトルクを発生する駆動用電動機である。あるいは、この交流電動機２００は、エンジン（図示せず）によって駆動される発電機の機能を持つように構成されてもよく、または電動機および発電機の機能を併せ持つように構成されてもよい。さらに、交流電動機２００は、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。すなわち、本実施の形態において、「交流電動機」は、交流駆動の電動機、発電機および電動発電機（モータジェネレータ）を含むものである。
【００２４】
直流電圧発生部１０５は、直流電源１１０と、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２と、コンデンサＣ２と、コンバータ１２０と、電圧センサ１５０，１７０と、電流センサ１６０とを含む。
【００２５】
直流電源１１０は、代表的には、ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池等の二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電装置により構成される。電圧センサ１５０は、直流電源１１０が出力する直流電圧ＶＢを検出する。電流センサ１６０は、直流電源１１０に入出力される直流電流ＩＢを検出する。そして、これらの検出値は、ＥＣＵ３００へ出力される。
【００２６】
システムリレーＳＲ１は、直流電源１１０の正極端子と電力線ＰＬ１との間に接続される。システムリレーＳＲ２は、直流電源１１０の負極端子と接地線ＮＬ１との間に接続される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥにより制御され、直流電源１１０とコンバータ１２０との間での電力の供給と遮断とを切換える。
【００２７】
コンバータ１２０は、リアクトルＬ１と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、電力線ＰＬ２と接地線ＮＬ１との間に直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、ＥＣＵ３００からのスイッチング制御信号ＰＷＣによって制御される。
【００２８】
本実施の形態においては、スイッチング素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対しては、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が配置される。リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードと電力線ＰＬ１との間に接続される。
【００２９】
コンデンサＣ２は、電力線ＰＬ１および接地線ＮＬ１の間に接続され、電力線ＰＬ１と接地線ＮＬ１との間の電圧変動を低減する。電圧センサ１７０は、コンデンサＣ２の両端の電圧ＶＬを検出し、その検出値をＥＣＵ３００へ出力する。
【００３０】
コンバータ１２０は、基本的には、各スイッチング周期内でスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が相補的かつ交互にオン・オフするように制御される。コンバータ１２０は、昇圧動作時には、直流電源１１０から供給された直流電圧ＶＬを直流電圧ＶＨ（インバータ１４０への入力電圧に相当するこの直流電圧を、以下「システム電圧」とも称する）に昇圧する。この昇圧動作は、スイッチング素子Ｑ２のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ１および逆並列ダイオードＤ１を介して、電力線ＰＬ２へ供給することにより行なわれる。
【００３１】
また、コンバータ１２０は、降圧動作時には、直流電圧ＶＨを直流電圧ＶＬに降圧する。この降圧動作は、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ２および逆並列ダイオードＤ２を介して、接地線ＮＬ１へ供給することにより行なわれる。これらの昇圧動作および降圧動作における電圧変換比（ＶＨおよびＶＬの比）は、上記スイッチング周期におけるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン期間比（デューティ比）により制御される。なお、スイッチング素子Ｑ１をオンに、スイッチング素子Ｑ２をオフにそれぞれ固定すれば、ＶＨ＝ＶＬ（電圧変換比＝１．０）とすることもできる。
【００３２】
コンデンサＣ１は、コンバータ１２０からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１４０へ供給する。電圧センサ１３０は、コンデンサＣ１の両端の電圧、すなわち、システム電圧ＶＨを検出し、その検出値をＥＣＵ３００へ出力する。
【００３３】
インバータ１４０は、電力線ＰＬ２と接地線ＮＬ１との間に並列に設けられる、Ｕ相上下アーム１４１と、Ｖ相上下アーム１４２と、Ｗ相上下アーム１４３とを含んで構成される。各相上下アームは、電力線ＰＬ２と接地線ＮＬ１との間に直列接続されたスイッチング素子を含む。たとえば、Ｕ相上下アーム１４１はスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を含み、Ｖ相上下アーム１４２はスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６を含み、Ｗ相上下アーム１４３はスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８を含む。また、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８に対して、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続される。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８は、ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＩによって制御される。
【００３４】
交流電動機２００は、代表的には３相の永久磁石型同期電動機であり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相における３つのコイルの一方端が中性点に共通に接続される。さらに、各相コイルの他方端は、各相上下アーム１４１〜１４３におけるスイッチング素子の接続ノードに接続される。
【００３５】
インバータ１４０は、交流電動機２００のトルク指令値が正（Ｔｒｑｃｏｍ＞０）の場合には、ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＩに応答したスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング動作により、コンデンサＣ１から供給される直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するように交流電動機２００を駆動する。また、インバータ１４０は、交流電動機２００のトルク指令値が零の場合（Ｔｒｑｃｏｍ＝０）には、制御信号ＰＷＩに応答したスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるように交流電動機２００を駆動する。これにより、交流電動機２００は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍによって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。
【００３６】
さらに、モータ駆動制御システム１００が搭載された車両の回生制動時には、交流電動機２００のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍは負に設定される（Ｔｒｑｃｏｍ＜０）。この場合には、インバータ１４０は、制御信号ＰＷＩに応答したスイッチング動作により、交流電動機２００が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧（システム電圧ＶＨ）を、コンデンサＣ１を介してコンバータ１２０へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、車両を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。
【００３７】
電流センサ２４０は、交流電動機２００に流れるモータ電流ＭＣＲＴを検出し、その検出したモータ電流をＥＣＵ３００へ出力する。なお、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの瞬時値の和は零であるので、図１に示すように電流センサ２４０は２相分のモータ電流（たとえば、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗ）を検出するように配置すれば足りる。
【００３８】
回転角センサ（レゾルバ）２５０は、交流電動機２００の回転角θを検出し、その検出した回転角θをＥＣＵ３００へ出力する。ＥＣＵ３００では、回転角θに基づき交流電動機２００の回転速度ＭＲＴおよび角速度ω（ｒａｄ／ｓ）を算出できる。なお、回転角センサ２５０については、ＥＣＵ３００にてモータ電圧や電流から回転角θを直接演算することによって、配置を省略してもよい。
【００３９】
ＥＣＵ３００は、電子制御ユニット（制御装置）により構成され、予め記憶されたプログラムを図示しないＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理、および／または、専用の電子回路によるハードウェア処理によって、モータ駆動制御システム１００の動作を制御する。
【００４０】
代表的な機能として、ＥＣＵ３００は、入力されたトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍ、電圧センサ１５０，１７０によって検出された直流電圧ＶＢ，ＶＬ、電流センサ１６０によって検出された直流電流ＩＢ、電圧センサ１３０によって検出されたシステム電圧ＶＨおよび電流センサ２４０からのモータ電流ｉｖ，ｉｗ、回転角センサ２５０からの回転角θ等に基づいて、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに従ったトルクを交流電動機２００が出力するように、コンバータ１２０およびインバータ１４０の動作を制御する。すなわち、ＥＣＵ３００は、コンバータ１２０およびインバータ１４０を制御するための制御信号ＰＷＣ，ＰＷＩを生成して、コンバータ１２０およびインバータ１４０へ出力する。
【００４１】
コンバータ１２０の昇圧動作時には、ＥＣＵ３００は、システム電圧ＶＨをフィードバック制御し、システム電圧ＶＨが電圧指令値に一致するように制御信号ＰＷＣを生成する。
【００４２】
また、ＥＣＵ３００は、車両が回生制動モードに入ったことを示す回生信号ＲＧＥを外部制御装置から受けると、交流電動機２００で発電された交流電圧を直流電圧に変換するように制御信号ＰＷＩを生成してインバータ１４０へ出力する。これにより、インバータ１４０は、交流電動機２００で発電された交流電圧を直流電圧に変換してコンバータ１２０へ供給する。そして、ＥＣＵ３００は、インバータ１４０から供給された直流電圧を降圧するように制御信号ＰＷＣを生成し、コンバータ１２０へ出力する。これにより、交流電動機２００が発電した交流電圧は、直流電圧に変換かつ降圧されて直流電源１１０に供給される。
【００４３】
（制御モードの説明）
ＥＣＵ３００による交流電動機２００の制御についてさらに詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態に従うモータ駆動制御システム１００における交流電動機２００の制御モードを概略的に説明する図である。
【００４４】
図２に示すように、本発明の実施の形態に従うモータ駆動制御システム１００では、交流電動機２００の制御、すなわち、インバータ１４０における電力変換について、３つの制御モード（正弦波ＰＷＭ制御，過変調ＰＷＭ制御，矩形波制御）を切換えて使用する。
【００４５】
正弦波ＰＷＭ制御は、一般的なＰＷＭ制御として用いられるものであり、各相上下アーム素子のオン・オフを、正弦波状の電圧指令と搬送波（代表的には三角波）との電圧比較に従って制御する。この結果、上アーム素子のオン期間に対応するハイレベル期間と、下アーム素子のオン期間に対応するローレベル期間との集合について、一定期間内でその基本波成分が正弦波となるようにデューティが制御される。周知のように、正弦波状の電圧指令の振幅が搬送波振幅以下の範囲に制限される正弦波ＰＷＭ制御では、交流電動機２００への印加電圧（以下、単に「モータ印加電圧」とも称する）の基本波成分をインバータの直流リンク電圧の約０．６１倍程度までしか高めることができない。以下、本明細書では、インバータ１４０の直流リンク電圧（すなわち、システム電圧ＶＨ）に対するモータ印加電圧（線間電圧）の基本波成分（実効値）の比を「変調率」と称する。
【００４６】
正弦波ＰＷＭ制御では、正弦波の電圧指令の振幅が搬送波振幅以下の範囲であるため、交流電動機２００に印加される線間電圧が正弦波となる。
【００４７】
矩形波制御では、上記一定期間内で、ハイレベル期間およびローレベル期間の比が１：１の矩形波１パルス分を交流電動機に印加する。これにより、変調率は０．７８まで高められる。
【００４８】
過変調ＰＷＭ制御は、電圧指令（正弦波成分）の振幅が搬送波振幅より大きい範囲で上記正弦波ＰＷＭ制御と同様のＰＷＭ制御を行なうものである。特に、電圧指令を本来の正弦波波形から歪ませる振幅補正によって基本波成分を高めることができ、変調率を正弦波ＰＷＭ制御モードでの最高変調率から０．７８の範囲まで高めることができる。過変調ＰＷＭ制御では、電圧指令（正弦波成分）の振幅が搬送波振幅より大きいため、交流電動機２００に印加される線間電圧は、正弦波ではなく歪んだ電圧となる。
【００４９】
交流電動機２００では、回転数や出力トルクが増加すると誘起電圧が高くなるため、必要となる駆動電圧（モータ必要電圧）が高くなる。コンバータ１２０による昇圧電圧、すなわちシステム電圧ＶＨは、このモータ必要電圧よりも高く設定する必要がある。その一方で、コンバータ１２０による昇圧電圧すなわち、システム電圧ＶＨには限界値（ＶＨ最大電圧）が存在する。
【００５０】
したがって、交流電動機２００の動作状態に応じて、モータ電流のフィードバックによってモータ印加電圧（交流）の振幅および位相を制御するＰＷＭ制御モード（正弦波ＰＷＭ制御または過変調ＰＷＭ制御）、および、矩形波制御モードのいずれかが選択的に適用される。なお、矩形波制御では、モータ印加電圧の振幅が固定されるため、制御可能なパラメータはモータ印加電圧の位相のみとなる。矩形波制御においては、目標のトルク指令値とトルク実績値との偏差に基づいて、矩形波電圧パルスの位相を直接制御するトルクフィードバック制御を実行する場合、および、ＰＷＭ制御と同様にモータ電流のフィードバックによって、モータ印加電圧の位相を制御する場合がある。
【００５１】
図３には、交流電動機２００の動作状態と上述の制御モードとの対応関係が示される。図３を参照して、概略的には、低回転数域Ａ１ではトルク変動を小さくするために正弦波ＰＷＭ制御が用いられ、中回転数域Ａ２では過変調ＰＷＭ制御、高回転数域Ａ３では、矩形波制御が適用される。特に、過変調ＰＷＭ制御および矩形波制御の適用により、交流電動機２００の出力向上が実現される。このように、図２に示した制御モードのいずれを用いるかについては、基本的には、実現可能な変調率の範囲内で決定される。
【００５２】
（制御装置の構成）
図４は、本実施の形態におけるＥＣＵ３００の制御構成を示す機能ブロック図である。図４で説明されるブロック図に記載された各機能ブロックは、ＥＣＵ３００によるハードウェア的あるいはソフトウェア的な処理によって実現される。
【００５３】
図４を参照して、ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御部３１０と、矩形波制御部３２０と、制御モード選択部３３０とを含む。なお、ＰＷＭ制御部３１０は、正弦波ＰＷＭ制御部３１２および過変調ＰＷＭ制御部３１４を含み、図２および図３で説明したように、変調率に応じて、正弦波ＰＷＭ制御および過変調ＰＷＭ制御が選択的に実行される。
【００５４】
ＰＷＭ制御モードおよび矩形波制御モードにおける制御動作の概要について説明する。なお、各制御モードにおける制御の詳細については、当業者によく知られているのでここでは説明しない。
【００５５】
まず、ＰＷＭ制御モードが選択されている場合について説明する。ＰＷＭ制御部３１０は、上位の制御装置（図示せず）からのトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと、モータ電流ｉｖ，ｉｗおよび回転角θとを受ける。そして、ＰＷＭ制御部３１０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍから算出されるｄ軸，ｑ軸の電流指令値と、モータ電流検出値をｄ軸、ｑ軸に変換した電流検出値とを用いて電流フィードバック制御を行ない、インバータ１４０に印加する電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃を生成する。生成した電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃は、制御モード選択部３３０へ出力される。さらに、ＰＷＭ制御部３１０は、電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃に基づいて、インバータ１４０を駆動する制御信号ＰＷＩを生成してインバータ１４０へ出力する。
【００５６】
また、ＰＷＭ制御部３１０において、過変調ＰＷＭ制御が選択される場合には、過変調ＰＷＭ制御部３１４が選択される。過変調ＰＷＭ制御部３１４は、上記の正弦波ＰＷＭ制御に電圧振幅補正を行なう機能が追加されており、これにより電圧指令値の基本波成分を高めて、正弦波ＰＷＭ制御よりも大きな出力を発生する。
【００５７】
次に、矩形波制御モードが選択されている場合について説明する。矩形波制御部３２０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと、モータ電流ｉｖ，ｉｗおよび回転角θとを受ける。そして、矩形波制御部３２０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと、モータ電流検出値ｉｖ，ｉｗおよび現在の各相の電圧指令値から算出されるトルクとを比較してトルクフィードバック制御を行ない、インバータ１４０に印加する電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃を生成する。なお、矩形波制御においては、電圧指令の振幅（ＶＲ＝（Ｖｄ＃2＋Ｖｑ＃2）1/2）はシステム電圧ＶＨに対応したものに固定されるので、結果的に電圧指令の位相φｖのみが制御されるように電流，電圧指令値が生成されることになる。
【００５８】
電流指令値Ｉｄ＃，Ｉｑ＃の生成については、たとえば、ｑ軸電流値のみをフィードバック制御により設定する一方で、ｄ軸電流については、電圧指令の大きさが所定の大きさとなるように逆算することによって算出することもできる。矩形波制御部３２０は、このようにして生成した電流指令値Ｉｄ＃，Ｉｑ＃を、制御モード選択部３３０へ出力する。
【００５９】
このように、矩形波制御モードの適用時には、トルクフィードバック制御により、モータトルク制御を行なうことができる。ただし、ＰＷＭ制御モードではモータ印加電圧の振幅および位相が操作量となるのに対し、矩形波制御モードではモータ印加電圧の位相のみが操作量となる。このため、矩形波制御モードの適用時には、ＰＷＭ制御モードの適用時に比較して制御応答性が低下する。
【００６０】
制御モード選択部３３０は、システム電圧ＶＨと、ＰＷＭ制御部３１０からの電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃と、矩形波制御部３２０からの電流指令値Ｉｄ♯，Ｉｑ♯と、モータ電流ｉｖ，ｉｗおよび回転角θとを受ける。そして、制御モード選択部３３０は、システム電圧ＶＨと電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃とから算出される変調率に基づいてＰＷＭ制御モードから矩形波制御モードへの切換要否の判定を行なう。また、制御モード選択部３３０は、電流指令値Ｉｄ♯，Ｉｑ♯から算出されるインバータ１４０から交流電動機２００に供給される交流電流位相（実電流位相）φi#に基づいて、矩形波制御モードからＰＷＭ制御モードへの切換要否の判定を行なう。
【００６１】
（矩形波制御からＰＷＭ制御への切換時の問題点）
次に、矩形波制御からＰＷＭ制御への切換時におけるモータ制御の問題点について説明する。特に、交流電動機２００が高出力領域から出力低下することによって、制御モードが矩形波制御からＰＷＭ制御へと移行する際における、制御安定性上の問題点について説明する。なお、以降の説明においては、理解を容易にするために力行動作の場合を例として説明する。
【００６２】
図５に、矩形波制御およびＰＷＭ制御における、ｄ−ｑ軸平面上のｄ軸，ｑ軸電流指令値の変化の様子についての例が示される。図５を参照して、図の横軸および縦軸は、それぞれｄ軸およびｑ軸の電流指令値を示す。そして、Ｗ１０がＰＷＭ制御における電流指令ラインを示している。このＰＷＭ制御における電流指令ラインは、ｄ−ｑ軸平面上において、同一電流に対してトルクが最大となる電流位相を示す電流ベクトルの軌跡を表したものである。したがって、この電流指令ラインに沿った電流指令によってモータを駆動することで、モータ電流に対して最も効率的にトルクを発生することができる。また、Ｗ２０は、矩形波制御において、目標トルクを出力するための電圧位相が達成できるように定められた電流指令の軌跡を示すラインである。
【００６３】
矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えにおいては、矩形波制御モードにおいて、出力低下とともに、Ｗ２０の電流指令ラインに沿って図中の矢印ＡＲ１０に示す方向に電流指令が変化する。そして、理想的には、Ｗ１０とＷ２０の交点Ｐ１となったときに、矩形波制御からＰＷＭ制御に制御モードが切換えられ、その後はＷ１０に沿って電流指令が変化する。
【００６４】
なお、出力が増加する場合は、図中の矢印ＡＲ１０と逆の方向に変化する。すなわち、ＰＷＭ制御によってＷ１０に沿って電流指令が変化し、交点Ｐ１となったときにＰＷＭ制御から矩形波制御に制御モードが切換えられる。そして、その後はＷ２０に沿って矩形波制御が実行される。
【００６５】
ただし、このような切換えの場合、交点Ｐ１近傍では、矩形波制御およびＰＷＭ制御の両制御モードの切換えが頻繁に繰返される、いわゆるチャタリングが発生する可能性がある。そのため、実際の制御においては、このチャタリングを防止するために、図６のように、矩形波制御を実行中に、Ｗ２０に沿って交点Ｐ１を少し行き過ぎた動作点Ｐ２０となったときに、矩形波制御からＰＷＭ制御へ制御モードを切換えるようなヒステリシスを付与した手法が採用される場合がある。
【００６６】
この、矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えを行なう動作点Ｐ２０は、電流指令値の位相φi#についてのしきい値を設定することによって定められる。具体的には、電流指令値が動作点Ｐ２０となるときの電流位相のしきい値がφth0であるとすると、電流指令値の位相φi#の大きさがしきい値φth0よりも小さくなったことに応答して、制御モードが矩形波制御からＰＷＭ制御へ切換えられる。
【００６７】
しかしながら、このような切換手法では、図６のＰ２０からＰ１０に電流指令が不連続に変化するため、制御モードの切換え直後の電流偏差が大きくなってしまう場合がある。そして、この電流偏差に対して、ＰＷＭ制御における電流フィードバックが行なわれることによって過大なトルクが出力される。これによって、トルクショックや振動が発生し、制御安定性が損なわれる可能性がある。特に、出力トルクが大きい場合には、この電流の変動幅が大きくなるのでその影響が顕著になる。
【００６８】
（モード切換制御の説明）
そこで、本実施の形態においては、図７に示すように、制御モードがＰＷＭ制御へ切換わった後の電流指令値の変動方向を考慮して、矩形波制御からＰＷＭ制御へ切換えるためのしきい値φthを変更するモード切換制御を実行する。
【００６９】
より具体的には、矩形波制御からＰＷＭ制御へ制御モードが切換えられて動作点がＰ１０に移行した後に、矢印ＡＲ１１に示すような加速方向（出力増加方向）に電流指令値が遷移する場合には、再びＰＷＭ制御から矩形波制御へ制御モードが戻されることになる。この場合は、矩形波制御からＰＷＭ制御へ、そして、ＰＷＭ制御から矩形波制御へと制御モードが頻繁に切換わるので、しきい値φthの大きさ小さい値としておくとチャタリングが発生する可能性が高い。そのため、このような場合には、トルクショックの発生よりもチャタリングの防止を優先して、しきい値φthの大きさをより小さく、言い換えれば矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えが遅くなるようにしきい値φthを設定する。これにょりヒステリシスを大きくできるので、チャタリングの発生を抑制できる。
【００７０】
一方、動作点がＰ１０に移行した後に、矢印ＡＲ１２に示すような減速方向（出力減少方向）に電流指令値が遷移する場合にはＰＷＭ制御が引き続き継続されることになる。この場合には、チャタリングの発生する可能性は少ないので、トルクショックおよび振動の発生の抑制を優先し、しきい値φthの大きさをより大きく、言い換えれば、切換えの動作点を曲線Ｗ１０とＷ２０との交点である点Ｐ１に近づけて矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えが早くなるようにしきい値φthを設定する。
【００７１】
このとき、上述のように、矩形波制御における制御パラメータは電圧位相であるので、電流位相の変化では、動作ポイントが加速方向に遷移しているのか、減速方向に遷移しているのかを正しく判断できない。そのため、本実施の形態においては、矩形波制御における電圧位相の変化状態によって、動作ポイントの遷移方向を判定する。
【００７２】
図８は、ＰＷＭ制御および矩形波制御を行なう際の、ｄ−ｑ軸平面上での電圧指令値の変化を示す。図８において、曲線Ｗ３０はＰＷＭ制御における電圧指令値の軌跡を示し、円周上を移動する曲線Ｗ３１は矩形波制御における電圧指令値の軌跡を示す。そして、車両のアクセルが踏込まれて加速するような場合には、図８中の実線の矢印ＡＲ３１に示す方向に電圧指令値が変化し、点Ｐ３０においてＰＷＭ制御から矩形波制御へ切換わる。一方、ブレーキが踏まれて減速するような場合は、図８中の破線の矢印ＡＲ３２に示す方向に電圧指令値が変化し、矩形波制御からＰＷＭ制御へ切換わる。
【００７３】
このとき、ＰＷＭ制御においては、電圧指令値の増加（減少）に伴って電圧位相φｖも増加（減少）する。一方、矩形波制御においては、電圧指令値の大きさはＶＨに固定されるので電圧位相φｖのみが変化する。そして、加速方向のときには電圧位相φｖが増加、すなわち進角方向に変化し、減速方向のときには電圧位相φｖが減少、すなわち戻角方向に変化する。
【００７４】
したがって、電圧位相φｖの変化方向が、図８における矢印ＡＲ３１の方向、すなわち加速方向に変化している場合には、図９における点Ｐ２１のように矩形波制御からＰＷＭ制御へ切換えるための電流位相のしきい値φthを小さく設定する（φth1＜φth0）。一方、電圧位相φｖの変化方向が、図８における矢印ＡＲ３２の方向、すなわち減速方向に変化している場合には、図９における点Ｐ２２のように電流位相のしきい値φthを大きく設定する（φth2＞φth0）。
【００７５】
このように、矩形波制御における電圧位相φｖの変化方向を考慮して、制御モードを切換えるための電流位相のしきい値φthを変化させることによって、ＰＷＭ制御への切換後に再び矩形波制御に切換えられる可能性が高い場合にはチャタリング防止を優先させ、ＰＷＭ制御への切換後にＰＷＭ制御が継続する可能性が高い場合にはトルク変動を抑制させることができる。
【００７６】
なお、上記の図８は、特定の値のシステム電圧ＶＨである場合の図であり、図１のコンバータ１２０で調整されるシステム電圧ＶＨが変動すれば、図８における円周の半径が変動してしまう。そうすると、車両の動作ポイントが同じであったとしても電圧位相φｖが変化する場合がある。そのため、上記で説明したモード切換制御は、システム電圧ＶＨの時間的変化（ΔＶＨ／Δｔ）（以下、「電圧指令レート」とも称する。）の大きさ（絶対値）が小さい場合、より好ましくは電圧指令レートがゼロの場合に適用することが望ましい。
【００７７】
また、電圧位相φｖの変化についても、緩やかに加速または減速するような場合においても、上記のような電流位相のしきい値φthを変化させてしまうと、しきい値φth自体が頻繁に切換わってしまい、かえって制御安定性を阻害してしまうことになりかねない。そのため、電圧位相φｖの時間的変化（Δφｖ／Δｔ）（以下、「電圧位相レート」とも称する。）の大きさがある程度大きい場合に、当該モード切換制御を適用することが望ましい。
【００７８】
図１０は、本実施の形態において、ＥＣＵ３００で実行されるモード切換制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図１０および後述する図１１に示されるフローチャート中の各ステップについては、ＥＣＵ３００に予め格納されたプログラムを所定周期で実行することによって実現される。あるいは、一部のステップについては、専用のハードウェア（電子回路）を構築して処理を実現することも可能である。
【００７９】
図１および図１０を参照して、ＥＣＵ３００は、ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００により、現在の制御モードがＰＷＭ制御モードであるかどうかを判定する。
【００８０】
制御モードがＰＷＭ制御モードである場合（Ｓ１００にてＹＥＳ）は、処理がＳ１１０に進められ、ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御モードに従う電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃、およびシステム電圧ＶＨに基づいて、たとえば下記（１）式によって変調率ＦＭを演算する。
【００８１】
ＦＭ＝（Ｖｄ＃2＋Ｖｑ＃2）1/2／ＶＨ …（１）
そして、ＥＣＵ３００は、Ｓ１２０にて、Ｓ１１０で求めた変調率が０．７８以上であるかどうかを判定する。
【００８２】
変調率が０．７８以上のとき（Ｓ１２０にてＹＥＳ）には、ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御モードでは適切な交流電圧を発生することができないと判定し、処理をＳ１７０に進めて、矩形波制御モードを選択する。
【００８３】
変調率が０．７８より小さい場合（Ｓ１２０にてＮＯ）は、処理がＳ１３０に進められて、ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御モードを継続的に選択する。
【００８４】
ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御モードが選択されると、Ｓ１４０にて、正弦波ＰＷＭ制御および過変調ＰＷＭ制御のいずれを適用するかをさらに判定する。この判定は、変調率ＦＭを所定の基準値（たとえば、正弦波ＰＷＭ制御の変調率の理論最大値である０．６１）と比較することにより実行できる。そして、変調率が基準値以下であるときには、正弦波ＰＷＭ制御が適用され、変調率が基準値より大きいときには、過変調ＰＷＭ制御が適用される。
【００８５】
一方、現在の制御モードが矩形波制御モードである場合（Ｓ１００にてＮＯ）は、Ｓ１５０に処理が進められ、ＥＣＵ３００は、図１１でより詳細に説明されるように、矩形波制御モードからＰＷＭ制御モードへ切換えるための電流位相のしきい値φthを設定する。
【００８６】
そして、ＥＣＵ３００は、Ｓ１６０にて、矩形波制御における電流指令値Ｉｄ＃，Ｉｑ＃の電流位相φi#の絶対値が、Ｓ１５０で設定されたしきい値φthの絶対値より小さいか否かを判定する。
【００８７】
電流位相φi#の絶対値がしきい値φthの絶対値より小さい場合（Ｓ１６０にてＹＥＳ）は、ＥＣＵ３００は、制御モードを矩形波制御モードからＰＷＭ制御モードへの切換が必要と判定する。そして、処理がＳ１３０に進められて、ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御モードを選択する。
【００８８】
一方、電流位相φi#の絶対値がしきい値φthの絶対値以上の場合（Ｓ１６０にてＮＯ）は、処理がＳ１７０に進められて、ＥＣＵ３００は、矩形波制御モードを継続的に選択する。
【００８９】
図１１は、図１０のステップＳ１５０における処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【００９０】
図１および図１１を参照して、図１０のＳ１００において、現在の制御モードが矩形波制御であると判定されると、ＥＣＵ３００は、Ｓ１５１にて、電圧指令レート（ΔＶＨ／Δｔ）および電圧位相レート（Δφｖ／Δｔ）を取得する。この電圧指令レートおよび電圧位相レートは、たとえば、前回の制御周期におけるシステム電圧ＶＨおよび電圧位相φｖからの変化量としてそれぞれ算出してもよい。あるいは、直近の複数回の制御周期で演算されたそれぞれの値の移動平均としてもよい。
【００９１】
ＥＣＵ３００は、Ｓ１５２にて、電圧指令レートの絶対値が予め定められた基準値α（α＞０）よりも小さいか否か（｜ΔＶＨ／Δｔ｜＜α）を判定する。
【００９２】
電圧指令レートの絶対値が予め定められた基準値α以上の場合（Ｓ１５２にてＮＯ）は、処理がＳ１５７に進められて、ＥＣＵ３００は、電流位相しきい値φthとして、デフォルト値であるφth0を選択する。
【００９３】
電圧指令レートの絶対値が予め定められた基準値αより小さい場合（Ｓ１５２にてＹＥＳ）は、処理がＳ１５３に進められて、ＥＣＵ３００は、次に電圧位相レートが所定値β１（β１＜０）より小さいか否か、すなわち、動作ポイントがある程度の大きさで減速方向に遷移しているか否かを判定する。
【００９４】
電圧位相レートが所定値β１より小さい場合（Ｓ１５３にてＹＥＳ）は、処理がＳ１５５に進められて、ＥＣＵ３００は、トルク変動を抑制するために、電流位相しきい値φthとして、図９における点Ｐ１の電流位相との位相差を小さくする（狭める）ようなφth2（φth2＞φth0）を選択する。
【００９５】
一方、電圧位相レートが所定値β１以上の場合（Ｓ１５３にてＮＯ）は、処理がＳ１５４に進められて、ＥＣＵ３００は、電圧位相レートが所定値β２（β２＞０）より大きいか否か、すなわち、動作ポイントがある程度の大きさで加速方向に遷移しているか否かを判定する。
【００９６】
電圧位相レートが所定値β２より大きい場合（Ｓ１５４にてＹＥＳ）は、処理がＳ１５６に進められて、ＥＣＵ３００は、制御モード切換えのチャタリングを防止するために、電流位相しきい値φthとして、図９における点Ｐ１の電流位相との位相差を大きくする（広げる）ようなφth1（φth1＜φth0）を選択する。
【００９７】
一方、電圧位相レートが所定値β２以下の場合（Ｓ１５４にてＮＯ）は、電圧位相レートはβ１≦Δφｖ／Δｔ≦β２であり、ＥＣＵ３００は、定常状態あるいは緩加減速状態であると判定し、処理をＳ１５７に進めて、電流位相しきい値φthとして、デフォルト値であるφth0を選択する。
【００９８】
このような処理によって電流位相しきい値φthを設定した後、ＥＣＵ３００は、図１０のＳ１６０に処理を進めて、上述のように矩形波制御からＰＷＭ制御へ制御モードを切換えるか否かを判定する。
【００９９】
なお、β１およびβ２の大きさ（絶対値）は、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。
【０１００】
以上のような処理に従って制御を行なうことによって、モータ駆動制御システムにおいて矩形波制御からＰＷＭ制御への制御モードの切換えの際に、制御モードが頻繁に切換わるチャタリングを防止しつつ、一方でチャタリングが発生しにくい状態では制御モード切換時のトルク変動を低減することが可能となる。これにより、矩形波制御からＰＷＭ制御への制御モードの切換えにおける制御安定性を向上することができる。
【０１０１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０２】
１０ 車両、１０５ 直流電圧発生部、１００ モータ駆動制御システム、１１０ 直流電源、１２０ コンバータ、１３０ 電圧センサ、１４０ インバータ、１４１ Ｕ相上下アーム、１４２ Ｖ相上下アーム、１４３ Ｗ相上下アーム、１５０，１７０ 電圧センサ、１６０，２４０ 電流センサ、２００ 交流電動機、２１０ 駆動輪、２５０ 回転角センサ、３００ ＥＣＵ、３１０ ＰＷＭ制御部、３１２ 正弦波ＰＷＭ制御部、３１４ 過変調ＰＷＭ制御部、３２０ 矩形波制御部、３３０ 制御モード選択部、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｌ１ リアクトル、ＮＬ１ 接地線、ＰＬ１，ＰＬ２ 電力線、Ｑ１〜Ｑ８ スイッチング素子、ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動制御システムおよびそれを搭載する車両、ならびにモータ駆動制御システムの制御方法に関し、より特定的には、矩形波制御およびパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）制御が適用される交流電動機の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電源を用いて交流電動機を駆動制御するために、インバータを用いた駆動方法が一般的に採用される。インバータは、インバータ駆動回路によりスイッチング制御されており、たとえばＰＷＭ制御に従ってスイッチングされた電圧が交流電動機に印加される。
【０００３】
また、電圧利用率を向上させてモータ回転数の高い領域で高出力を得るために、正弦波ＰＷＭ制御よりもモータ印加電圧の基本波成分が大きい変調方式による交流電動機制御として、過変調ＰＷＭ制御および矩形波制御が適用される場合がある。
【０００４】
特開２００５−２１８２９９号公報（特許文献１）には、矩形波制御で動作している場合に、交流電動機に供給される実電流位相の絶対値が所定の切換電流位相の絶対値を下回ると、矩形波制御からＰＷＭ制御へ切換える構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１８２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＰＷＭ制御および矩形波制御が適用される交流電動機の制御においては、電圧位相を制御する矩形波制御から電流フィードバックによるＰＷＭ制御への切換えの際に、２つの制御モードが頻繁に切換わる、いわゆるチャタリングを防止するために、制御モードの理想的な切換点を少し行き過ぎた動作ポイントにおいて制御モードを切換えるように、ヒステリシスが付与された制御がなされることがある。
【０００７】
このような制御においては、矩形波制御からＰＷＭ制御に切換わった直後にＰＷＭ制御における電流指令が不連続に変化することによって、交流電動機に印加されるインバータの出力電圧がステップ状に変化してしまい、瞬間的にトルクが大きく変動する可能性がある。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、交流電動機を駆動するモータ駆動制御システムにおいて、矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えの際の制御安定性を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるモータ駆動制御システムは、交流電動機の駆動電圧を制御するインバータと、インバータを制御するための制御装置とを備える。インバータは、交流電動機に印加される矩形波電圧の電圧位相を制御することによって交流電動機を駆動する矩形波制御モード、および交流電動機を動作させるための交流電圧指令と搬送波との比較に基づくパルス幅変調制御を行なうことによって交流電動機を駆動するパルス幅変調制御モードにより制御される。制御装置は、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機へ印加される電流位相がしきい値に到達したことに応じて、矩形波制御モードからパルス幅変調制御モードへの切換えを実行する。そして、制御装置は、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機へ印加される電圧位相の変化に基づいてしきい値を変更する。
【００１０】
好ましくは、制御装置は、電圧位相が加速方向へ変化しているときは、電圧位相が変化しないときに比べて、矩形波制御モードからパルス幅変調制御モードへの切換えが遅くなるようにしきい値を変更する。
【００１１】
好ましくは、制御装置は、電圧位相が減速方向へ変化しているときは、電圧位相が変化しないときに比べて、矩形波制御モードからパルス幅変調制御モードへの切換えが早くなるようにしきい値を変更する。
【００１２】
好ましくは、制御装置は、電圧位相の時間的変化の大きさが第１の基準値より大きい場合に、しきい値を変更する。
【００１３】
好ましくは、制御装置は、交流電動機に印加される電圧指令値の時間的変化の大きさが第２の基準値より小さい場合は、しきい値の変更を禁止する。
【００１４】
好ましくは、電圧位相は、交流電動機に印加される電圧指令値についての、ｑ軸電圧指令値に対するｄ軸電圧指令値に基づいて定められる。
【００１５】
好ましくは、電流位相は、交流電動機に流れる電流のｑ軸電流値に対するｄ軸電流値に基づいて定められる。
【００１６】
本発明による車両は、蓄電装置と、交流電動機と、上記いずれかのモータ駆動制御システムとを備える。
【００１７】
本発明によるモータ駆動制御システムの制御方法は、インバータにより交流電動機を駆動するモータ駆動制御システムについての制御方法である。制御方法は、交流電動機に印加される矩形波電圧の電圧位相を制御することによって交流電動機を駆動する矩形波制御モードを選択するステップと、交流電動機を動作させるための交流電圧指令と搬送波との比較に基づくパルス幅変調制御を行なうことによって交流電動機を駆動するパルス幅変調制御モードを選択するステップと、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機へ印加される電流位相がしきい値に到達したことに応じて、矩形波制御モードからパルス幅変調制御モードへ切換えるステップと、矩形波制御モードの実行中に、交流電動機へ印加される電圧位相の変化に基づいてしきい値を変更するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、交流電動機を駆動するモータ駆動制御システムにおいて、矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えの際の制御安定性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に従うモータ駆動制御システムの全体ブロック図である。
【図２】本実施の形態による、モータ駆動システムにおける交流電動機の制御モードを概略的に説明する図である。
【図３】本実施の形態による、交流電動機の動作状態と各制御モードとの対応関係を説明する図である。
【図４】本実施の形態による、モータ駆動システムの制御構成を示す機能ブロック図である。
【図５】矩形波制御およびＰＷＭ制御でのｄ−ｑ軸平面上のｄ軸，ｑ軸電流指令値の変化を示す概念図である。
【図６】矩形波制御からＰＷＭ制御への切換時の、ｄ−ｑ軸平面上のｄ軸，ｑ軸電流指令値の変化を示す概念図である。
【図７】本実施の形態における、モード切換制御の概要を説明するための第１の図である。
【図８】本実施の形態における、モード切換制御の概要を説明するための第２の図である。
【図９】本実施の形態における、モード切換制御の概要を説明するための第３の図である。
【図１０】本実施の形態において、ＥＣＵで実行されるモード切換制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【図１１】図１０のステップＳ１５０における処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２１】
（電動機制御の全体構成）
図１は、本発明の実施の形態に従うモータ駆動制御システム１００を搭載した車両１０の全体ブロック図である。
【００２２】
図１を参照して、車両１０は、モータ駆動制御システム１００と、交流電動機２００と、駆動輪２１０とを備える。モータ駆動制御システム１００は、直流電圧発生部１０５と、コンデンサＣ１と、インバータ１４０と、制御装置（以下、ＥＣＵ「Electronic Control Unit」とも称する。）３００とを含む。
【００２３】
交流電動機２００は、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車や燃料電池車等の電気エネルギによって車両駆動力を発生する車両において、駆動輪２１０を駆動するためのトルクを発生する駆動用電動機である。あるいは、この交流電動機２００は、エンジン（図示せず）によって駆動される発電機の機能を持つように構成されてもよく、または電動機および発電機の機能を併せ持つように構成されてもよい。さらに、交流電動機２００は、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。すなわち、本実施の形態において、「交流電動機」は、交流駆動の電動機、発電機および電動発電機（モータジェネレータ）を含むものである。
【００２４】
直流電圧発生部１０５は、直流電源１１０と、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２と、コンデンサＣ２と、コンバータ１２０と、電圧センサ１５０，１７０と、電流センサ１６０とを含む。
【００２５】
直流電源１１０は、代表的には、ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池等の二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電装置により構成される。電圧センサ１５０は、直流電源１１０が出力する直流電圧ＶＢを検出する。電流センサ１６０は、直流電源１１０に入出力される直流電流ＩＢを検出する。そして、これらの検出値は、ＥＣＵ３００へ出力される。
【００２６】
システムリレーＳＲ１は、直流電源１１０の正極端子と電力線ＰＬ１との間に接続される。システムリレーＳＲ２は、直流電源１１０の負極端子と接地線ＮＬ１との間に接続される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥにより制御され、直流電源１１０とコンバータ１２０との間での電力の供給と遮断とを切換える。
【００２７】
コンバータ１２０は、リアクトルＬ１と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、電力線ＰＬ２と接地線ＮＬ１との間に直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、ＥＣＵ３００からのスイッチング制御信号ＰＷＣによって制御される。
【００２８】
本実施の形態においては、スイッチング素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対しては、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が配置される。リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードと電力線ＰＬ１との間に接続される。
【００２９】
コンデンサＣ２は、電力線ＰＬ１および接地線ＮＬ１の間に接続され、電力線ＰＬ１と接地線ＮＬ１との間の電圧変動を低減する。電圧センサ１７０は、コンデンサＣ２の両端の電圧ＶＬを検出し、その検出値をＥＣＵ３００へ出力する。
【００３０】
コンバータ１２０は、基本的には、各スイッチング周期内でスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が相補的かつ交互にオン・オフするように制御される。コンバータ１２０は、昇圧動作時には、直流電源１１０から供給された直流電圧ＶＬを直流電圧ＶＨ（インバータ１４０への入力電圧に相当するこの直流電圧を、以下「システム電圧」とも称する）に昇圧する。この昇圧動作は、スイッチング素子Ｑ２のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ１および逆並列ダイオードＤ１を介して、電力線ＰＬ２へ供給することにより行なわれる。
【００３１】
また、コンバータ１２０は、降圧動作時には、直流電圧ＶＨを直流電圧ＶＬに降圧する。この降圧動作は、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ２および逆並列ダイオードＤ２を介して、接地線ＮＬ１へ供給することにより行なわれる。これらの昇圧動作および降圧動作における電圧変換比（ＶＨおよびＶＬの比）は、上記スイッチング周期におけるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン期間比（デューティ比）により制御される。なお、スイッチング素子Ｑ１をオンに、スイッチング素子Ｑ２をオフにそれぞれ固定すれば、ＶＨ＝ＶＬ（電圧変換比＝１．０）とすることもできる。
【００３２】
コンデンサＣ１は、コンバータ１２０からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１４０へ供給する。電圧センサ１３０は、コンデンサＣ１の両端の電圧、すなわち、システム電圧ＶＨを検出し、その検出値をＥＣＵ３００へ出力する。
【００３３】
インバータ１４０は、電力線ＰＬ２と接地線ＮＬ１との間に並列に設けられる、Ｕ相上下アーム１４１と、Ｖ相上下アーム１４２と、Ｗ相上下アーム１４３とを含んで構成される。各相上下アームは、電力線ＰＬ２と接地線ＮＬ１との間に直列接続されたスイッチング素子を含む。たとえば、Ｕ相上下アーム１４１はスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を含み、Ｖ相上下アーム１４２はスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６を含み、Ｗ相上下アーム１４３はスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８を含む。また、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８に対して、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続される。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８は、ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＩによって制御される。
【００３４】
交流電動機２００は、代表的には３相の永久磁石型同期電動機であり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相における３つのコイルの一方端が中性点に共通に接続される。さらに、各相コイルの他方端は、各相上下アーム１４１〜１４３におけるスイッチング素子の接続ノードに接続される。
【００３５】
インバータ１４０は、交流電動機２００のトルク指令値が正（Ｔｒｑｃｏｍ＞０）の場合には、ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＩに応答したスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング動作により、コンデンサＣ１から供給される直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するように交流電動機２００を駆動する。また、インバータ１４０は、交流電動機２００のトルク指令値が零の場合（Ｔｒｑｃｏｍ＝０）には、制御信号ＰＷＩに応答したスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるように交流電動機２００を駆動する。これにより、交流電動機２００は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍによって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。
【００３６】
さらに、モータ駆動制御システム１００が搭載された車両の回生制動時には、交流電動機２００のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍは負に設定される（Ｔｒｑｃｏｍ＜０）。この場合には、インバータ１４０は、制御信号ＰＷＩに応答したスイッチング動作により、交流電動機２００が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧（システム電圧ＶＨ）を、コンデンサＣ１を介してコンバータ１２０へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、車両を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。
【００３７】
電流センサ２４０は、交流電動機２００に流れるモータ電流ＭＣＲＴを検出し、その検出したモータ電流をＥＣＵ３００へ出力する。なお、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの瞬時値の和は零であるので、図１に示すように電流センサ２４０は２相分のモータ電流（たとえば、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗ）を検出するように配置すれば足りる。
【００３８】
回転角センサ（レゾルバ）２５０は、交流電動機２００の回転角θを検出し、その検出した回転角θをＥＣＵ３００へ出力する。ＥＣＵ３００では、回転角θに基づき交流電動機２００の回転速度ＭＲＴおよび角速度ω（ｒａｄ／ｓ）を算出できる。なお、回転角センサ２５０については、ＥＣＵ３００にてモータ電圧や電流から回転角θを直接演算することによって、配置を省略してもよい。
【００３９】
ＥＣＵ３００は、電子制御ユニット（制御装置）により構成され、予め記憶されたプログラムを図示しないＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理、および／または、専用の電子回路によるハードウェア処理によって、モータ駆動制御システム１００の動作を制御する。
【００４０】
代表的な機能として、ＥＣＵ３００は、入力されたトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍ、電圧センサ１５０，１７０によって検出された直流電圧ＶＢ，ＶＬ、電流センサ１６０によって検出された直流電流ＩＢ、電圧センサ１３０によって検出されたシステム電圧ＶＨおよび電流センサ２４０からのモータ電流ｉｖ，ｉｗ、回転角センサ２５０からの回転角θ等に基づいて、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに従ったトルクを交流電動機２００が出力するように、コンバータ１２０およびインバータ１４０の動作を制御する。すなわち、ＥＣＵ３００は、コンバータ１２０およびインバータ１４０を制御するための制御信号ＰＷＣ，ＰＷＩを生成して、コンバータ１２０およびインバータ１４０へ出力する。
【００４１】
コンバータ１２０の昇圧動作時には、ＥＣＵ３００は、システム電圧ＶＨをフィードバック制御し、システム電圧ＶＨが電圧指令値に一致するように制御信号ＰＷＣを生成する。
【００４２】
また、ＥＣＵ３００は、車両が回生制動モードに入ったことを示す回生信号ＲＧＥを外部制御装置から受けると、交流電動機２００で発電された交流電圧を直流電圧に変換するように制御信号ＰＷＩを生成してインバータ１４０へ出力する。これにより、インバータ１４０は、交流電動機２００で発電された交流電圧を直流電圧に変換してコンバータ１２０へ供給する。そして、ＥＣＵ３００は、インバータ１４０から供給された直流電圧を降圧するように制御信号ＰＷＣを生成し、コンバータ１２０へ出力する。これにより、交流電動機２００が発電した交流電圧は、直流電圧に変換かつ降圧されて直流電源１１０に供給される。
【００４３】
（制御モードの説明）
ＥＣＵ３００による交流電動機２００の制御についてさらに詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態に従うモータ駆動制御システム１００における交流電動機２００の制御モードを概略的に説明する図である。
【００４４】
図２に示すように、本発明の実施の形態に従うモータ駆動制御システム１００では、交流電動機２００の制御、すなわち、インバータ１４０における電力変換について、３つの制御モード（正弦波ＰＷＭ制御，過変調ＰＷＭ制御，矩形波制御）を切換えて使用する。
【００４５】
正弦波ＰＷＭ制御は、一般的なＰＷＭ制御として用いられるものであり、各相上下アーム素子のオン・オフを、正弦波状の電圧指令と搬送波（代表的には三角波）との電圧比較に従って制御する。この結果、上アーム素子のオン期間に対応するハイレベル期間と、下アーム素子のオン期間に対応するローレベル期間との集合について、一定期間内でその基本波成分が正弦波となるようにデューティが制御される。周知のように、正弦波状の電圧指令の振幅が搬送波振幅以下の範囲に制限される正弦波ＰＷＭ制御では、交流電動機２００への印加電圧（以下、単に「モータ印加電圧」とも称する）の基本波成分をインバータの直流リンク電圧の約０．６１倍程度までしか高めることができない。以下、本明細書では、インバータ１４０の直流リンク電圧（すなわち、システム電圧ＶＨ）に対するモータ印加電圧（線間電圧）の基本波成分（実効値）の比を「変調率」と称する。
【００４６】
正弦波ＰＷＭ制御では、正弦波の電圧指令の振幅が搬送波振幅以下の範囲であるため、交流電動機２００に印加される線間電圧が正弦波となる。
【００４７】
矩形波制御では、上記一定期間内で、ハイレベル期間およびローレベル期間の比が１：１の矩形波１パルス分を交流電動機に印加する。これにより、変調率は０．７８まで高められる。
【００４８】
過変調ＰＷＭ制御は、電圧指令（正弦波成分）の振幅が搬送波振幅より大きい範囲で上記正弦波ＰＷＭ制御と同様のＰＷＭ制御を行なうものである。特に、電圧指令を本来の正弦波波形から歪ませる振幅補正によって基本波成分を高めることができ、変調率を正弦波ＰＷＭ制御モードでの最高変調率から０．７８の範囲まで高めることができる。過変調ＰＷＭ制御では、電圧指令（正弦波成分）の振幅が搬送波振幅より大きいため、交流電動機２００に印加される線間電圧は、正弦波ではなく歪んだ電圧となる。
【００４９】
交流電動機２００では、回転数や出力トルクが増加すると誘起電圧が高くなるため、必要となる駆動電圧（モータ必要電圧）が高くなる。コンバータ１２０による昇圧電圧、すなわちシステム電圧ＶＨは、このモータ必要電圧よりも高く設定する必要がある。その一方で、コンバータ１２０による昇圧電圧すなわち、システム電圧ＶＨには限界値（ＶＨ最大電圧）が存在する。
【００５０】
したがって、交流電動機２００の動作状態に応じて、モータ電流のフィードバックによってモータ印加電圧（交流）の振幅および位相を制御するＰＷＭ制御モード（正弦波ＰＷＭ制御または過変調ＰＷＭ制御）、および、矩形波制御モードのいずれかが選択的に適用される。なお、矩形波制御では、モータ印加電圧の振幅が固定されるため、制御可能なパラメータはモータ印加電圧の位相のみとなる。矩形波制御においては、目標のトルク指令値とトルク実績値との偏差に基づいて、矩形波電圧パルスの位相を直接制御するトルクフィードバック制御を実行する場合、および、ＰＷＭ制御と同様にモータ電流のフィードバックによって、モータ印加電圧の位相を制御する場合がある。
【００５１】
図３には、交流電動機２００の動作状態と上述の制御モードとの対応関係が示される。図３を参照して、概略的には、低回転数域Ａ１ではトルク変動を小さくするために正弦波ＰＷＭ制御が用いられ、中回転数域Ａ２では過変調ＰＷＭ制御、高回転数域Ａ３では、矩形波制御が適用される。特に、過変調ＰＷＭ制御および矩形波制御の適用により、交流電動機２００の出力向上が実現される。このように、図２に示した制御モードのいずれを用いるかについては、基本的には、実現可能な変調率の範囲内で決定される。
【００５２】
（制御装置の構成）
図４は、本実施の形態におけるＥＣＵ３００の制御構成を示す機能ブロック図である。図４で説明されるブロック図に記載された各機能ブロックは、ＥＣＵ３００によるハードウェア的あるいはソフトウェア的な処理によって実現される。
【００５３】
図４を参照して、ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御部３１０と、矩形波制御部３２０と、制御モード選択部３３０とを含む。なお、ＰＷＭ制御部３１０は、正弦波ＰＷＭ制御部３１２および過変調ＰＷＭ制御部３１４を含み、図２および図３で説明したように、変調率に応じて、正弦波ＰＷＭ制御および過変調ＰＷＭ制御が選択的に実行される。
【００５４】
ＰＷＭ制御モードおよび矩形波制御モードにおける制御動作の概要について説明する。なお、各制御モードにおける制御の詳細については、当業者によく知られているのでここでは説明しない。
【００５５】
まず、ＰＷＭ制御モードが選択されている場合について説明する。ＰＷＭ制御部３１０は、上位の制御装置（図示せず）からのトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと、モータ電流ｉｖ，ｉｗおよび回転角θとを受ける。そして、ＰＷＭ制御部３１０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍから算出されるｄ軸，ｑ軸の電流指令値と、モータ電流検出値をｄ軸、ｑ軸に変換した電流検出値とを用いて電流フィードバック制御を行ない、インバータ１４０に印加する電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃を生成する。生成した電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃は、制御モード選択部３３０へ出力される。さらに、ＰＷＭ制御部３１０は、電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃に基づいて、インバータ１４０を駆動する制御信号ＰＷＩを生成してインバータ１４０へ出力する。
【００５６】
また、ＰＷＭ制御部３１０において、過変調ＰＷＭ制御が選択される場合には、過変調ＰＷＭ制御部３１４が選択される。過変調ＰＷＭ制御部３１４は、上記の正弦波ＰＷＭ制御に電圧振幅補正を行なう機能が追加されており、これにより電圧指令値の基本波成分を高めて、正弦波ＰＷＭ制御よりも大きな出力を発生する。
【００５７】
次に、矩形波制御モードが選択されている場合について説明する。矩形波制御部３２０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと、モータ電流ｉｖ，ｉｗおよび回転角θとを受ける。そして、矩形波制御部３２０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと、モータ電流検出値ｉｖ，ｉｗおよび現在の各相の電圧指令値から算出されるトルクとを比較してトルクフィードバック制御を行ない、インバータ１４０に印加する電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃を生成する。なお、矩形波制御においては、電圧指令の振幅（ＶＲ＝（Ｖｄ＃2＋Ｖｑ＃2）1/2）はシステム電圧ＶＨに対応したものに固定されるので、結果的に電圧指令の位相φｖのみが制御されるように電流，電圧指令値が生成されることになる。
【００５８】
電流指令値Ｉｄ＃，Ｉｑ＃の生成については、たとえば、ｑ軸電流値のみをフィードバック制御により設定する一方で、ｄ軸電流については、電圧指令の大きさが所定の大きさとなるように逆算することによって算出することもできる。矩形波制御部３２０は、このようにして生成した電流指令値Ｉｄ＃，Ｉｑ＃を、制御モード選択部３３０へ出力する。
【００５９】
このように、矩形波制御モードの適用時には、トルクフィードバック制御により、モータトルク制御を行なうことができる。ただし、ＰＷＭ制御モードではモータ印加電圧の振幅および位相が操作量となるのに対し、矩形波制御モードではモータ印加電圧の位相のみが操作量となる。このため、矩形波制御モードの適用時には、ＰＷＭ制御モードの適用時に比較して制御応答性が低下する。
【００６０】
制御モード選択部３３０は、システム電圧ＶＨと、ＰＷＭ制御部３１０からの電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃と、矩形波制御部３２０からの電流指令値Ｉｄ♯，Ｉｑ♯と、モータ電流ｉｖ，ｉｗおよび回転角θとを受ける。そして、制御モード選択部３３０は、システム電圧ＶＨと電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃とから算出される変調率に基づいてＰＷＭ制御モードから矩形波制御モードへの切換要否の判定を行なう。また、制御モード選択部３３０は、電流指令値Ｉｄ♯，Ｉｑ♯から算出されるインバータ１４０から交流電動機２００に供給される交流電流位相（実電流位相）φi#に基づいて、矩形波制御モードからＰＷＭ制御モードへの切換要否の判定を行なう。
【００６１】
（矩形波制御からＰＷＭ制御への切換時の問題点）
次に、矩形波制御からＰＷＭ制御への切換時におけるモータ制御の問題点について説明する。特に、交流電動機２００が高出力領域から出力低下することによって、制御モードが矩形波制御からＰＷＭ制御へと移行する際における、制御安定性上の問題点について説明する。なお、以降の説明においては、理解を容易にするために力行動作の場合を例として説明する。
【００６２】
図５に、矩形波制御およびＰＷＭ制御における、ｄ−ｑ軸平面上のｄ軸，ｑ軸電流指令値の変化の様子についての例が示される。図５を参照して、図の横軸および縦軸は、それぞれｄ軸およびｑ軸の電流指令値を示す。そして、Ｗ１０がＰＷＭ制御における電流指令ラインを示している。このＰＷＭ制御における電流指令ラインは、ｄ−ｑ軸平面上において、同一電流に対してトルクが最大となる電流位相を示す電流ベクトルの軌跡を表したものである。したがって、この電流指令ラインに沿った電流指令によってモータを駆動することで、モータ電流に対して最も効率的にトルクを発生することができる。また、Ｗ２０は、矩形波制御において、目標トルクを出力するための電圧位相が達成できるように定められた電流指令の軌跡を示すラインである。
【００６３】
矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えにおいては、矩形波制御モードにおいて、出力低下とともに、Ｗ２０の電流指令ラインに沿って図中の矢印ＡＲ１０に示す方向に電流指令が変化する。そして、理想的には、Ｗ１０とＷ２０の交点Ｐ１となったときに、矩形波制御からＰＷＭ制御に制御モードが切換えられ、その後はＷ１０に沿って電流指令が変化する。
【００６４】
なお、出力が増加する場合は、図中の矢印ＡＲ１０と逆の方向に変化する。すなわち、ＰＷＭ制御によってＷ１０に沿って電流指令が変化し、交点Ｐ１となったときにＰＷＭ制御から矩形波制御に制御モードが切換えられる。そして、その後はＷ２０に沿って矩形波制御が実行される。
【００６５】
ただし、このような切換えの場合、交点Ｐ１近傍では、矩形波制御およびＰＷＭ制御の両制御モードの切換えが頻繁に繰返される、いわゆるチャタリングが発生する可能性がある。そのため、実際の制御においては、このチャタリングを防止するために、図６のように、矩形波制御を実行中に、Ｗ２０に沿って交点Ｐ１を少し行き過ぎた動作点Ｐ２０となったときに、矩形波制御からＰＷＭ制御へ制御モードを切換えるようなヒステリシスを付与した手法が採用される場合がある。
【００６６】
この、矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えを行なう動作点Ｐ２０は、電流指令値の位相φi#についてのしきい値を設定することによって定められる。具体的には、電流指令値が動作点Ｐ２０となるときの電流位相のしきい値がφth0であるとすると、電流指令値の位相φi#の大きさがしきい値φth0よりも小さくなったことに応答して、制御モードが矩形波制御からＰＷＭ制御へ切換えられる。
【００６７】
しかしながら、このような切換手法では、図６のＰ２０からＰ１０に電流指令が不連続に変化するため、制御モードの切換え直後の電流偏差が大きくなってしまう場合がある。そして、この電流偏差に対して、ＰＷＭ制御における電流フィードバックが行なわれることによって過大なトルクが出力される。これによって、トルクショックや振動が発生し、制御安定性が損なわれる可能性がある。特に、出力トルクが大きい場合には、この電流の変動幅が大きくなるのでその影響が顕著になる。
【００６８】
（モード切換制御の説明）
そこで、本実施の形態においては、図７に示すように、制御モードがＰＷＭ制御へ切換わった後の電流指令値の変動方向を考慮して、矩形波制御からＰＷＭ制御へ切換えるためのしきい値φthを変更するモード切換制御を実行する。
【００６９】
より具体的には、矩形波制御からＰＷＭ制御へ制御モードが切換えられて動作点がＰ１０に移行した後に、矢印ＡＲ１１に示すような加速方向（出力増加方向）に電流指令値が遷移する場合には、再びＰＷＭ制御から矩形波制御へ制御モードが戻されることになる。この場合は、矩形波制御からＰＷＭ制御へ、そして、ＰＷＭ制御から矩形波制御へと制御モードが頻繁に切換わるので、しきい値φthの大きさ小さい値としておくとチャタリングが発生する可能性が高い。そのため、このような場合には、トルクショックの発生よりもチャタリングの防止を優先して、しきい値φthの大きさをより小さく、言い換えれば矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えが遅くなるようにしきい値φthを設定する。これにょりヒステリシスを大きくできるので、チャタリングの発生を抑制できる。
【００７０】
一方、動作点がＰ１０に移行した後に、矢印ＡＲ１２に示すような減速方向（出力減少方向）に電流指令値が遷移する場合にはＰＷＭ制御が引き続き継続されることになる。この場合には、チャタリングの発生する可能性は少ないので、トルクショックおよび振動の発生の抑制を優先し、しきい値φthの大きさをより大きく、言い換えれば、切換えの動作点を曲線Ｗ１０とＷ２０との交点である点Ｐ１に近づけて矩形波制御からＰＷＭ制御への切換えが早くなるようにしきい値φthを設定する。
【００７１】
このとき、上述のように、矩形波制御における制御パラメータは電圧位相であるので、電流位相の変化では、動作ポイントが加速方向に遷移しているのか、減速方向に遷移しているのかを正しく判断できない。そのため、本実施の形態においては、矩形波制御における電圧位相の変化状態によって、動作ポイントの遷移方向を判定する。
【００７２】
図８は、ＰＷＭ制御および矩形波制御を行なう際の、ｄ−ｑ軸平面上での電圧指令値の変化を示す。図８において、曲線Ｗ３０はＰＷＭ制御における電圧指令値の軌跡を示し、円周上を移動する曲線Ｗ３１は矩形波制御における電圧指令値の軌跡を示す。そして、車両のアクセルが踏込まれて加速するような場合には、図８中の実線の矢印ＡＲ３１に示す方向に電圧指令値が変化し、点Ｐ３０においてＰＷＭ制御から矩形波制御へ切換わる。一方、ブレーキが踏まれて減速するような場合は、図８中の破線の矢印ＡＲ３２に示す方向に電圧指令値が変化し、矩形波制御からＰＷＭ制御へ切換わる。
【００７３】
このとき、ＰＷＭ制御においては、電圧指令値の増加（減少）に伴って電圧位相φｖも増加（減少）する。一方、矩形波制御においては、電圧指令値の大きさはＶＨに固定されるので電圧位相φｖのみが変化する。そして、加速方向のときには電圧位相φｖが増加、すなわち進角方向に変化し、減速方向のときには電圧位相φｖが減少、すなわち戻角方向に変化する。
【００７４】
したがって、電圧位相φｖの変化方向が、図８における矢印ＡＲ３１の方向、すなわち加速方向に変化している場合には、図９における点Ｐ２１のように矩形波制御からＰＷＭ制御へ切換えるための電流位相のしきい値φthを小さく設定する（φth1＜φth0）。一方、電圧位相φｖの変化方向が、図８における矢印ＡＲ３２の方向、すなわち減速方向に変化している場合には、図９における点Ｐ２２のように電流位相のしきい値φthを大きく設定する（φth2＞φth0）。
【００７５】
このように、矩形波制御における電圧位相φｖの変化方向を考慮して、制御モードを切換えるための電流位相のしきい値φthを変化させることによって、ＰＷＭ制御への切換後に再び矩形波制御に切換えられる可能性が高い場合にはチャタリング防止を優先させ、ＰＷＭ制御への切換後にＰＷＭ制御が継続する可能性が高い場合にはトルク変動を抑制させることができる。
【００７６】
なお、上記の図８は、特定の値のシステム電圧ＶＨである場合の図であり、図１のコンバータ１２０で調整されるシステム電圧ＶＨが変動すれば、図８における円周の半径が変動してしまう。そうすると、車両の動作ポイントが同じであったとしても電圧位相φｖが変化する場合がある。そのため、上記で説明したモード切換制御は、システム電圧ＶＨの時間的変化（ΔＶＨ／Δｔ）（以下、「電圧指令レート」とも称する。）の大きさ（絶対値）が小さい場合、より好ましくは電圧指令レートがゼロの場合に適用することが望ましい。
【００７７】
また、電圧位相φｖの変化についても、緩やかに加速または減速するような場合においても、上記のような電流位相のしきい値φthを変化させてしまうと、しきい値φth自体が頻繁に切換わってしまい、かえって制御安定性を阻害してしまうことになりかねない。そのため、電圧位相φｖの時間的変化（Δφｖ／Δｔ）（以下、「電圧位相レート」とも称する。）の大きさがある程度大きい場合に、当該モード切換制御を適用することが望ましい。
【００７８】
図１０は、本実施の形態において、ＥＣＵ３００で実行されるモード切換制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図１０および後述する図１１に示されるフローチャート中の各ステップについては、ＥＣＵ３００に予め格納されたプログラムを所定周期で実行することによって実現される。あるいは、一部のステップについては、専用のハードウェア（電子回路）を構築して処理を実現することも可能である。
【００７９】
図１および図１０を参照して、ＥＣＵ３００は、ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００により、現在の制御モードがＰＷＭ制御モードであるかどうかを判定する。
【００８０】
制御モードがＰＷＭ制御モードである場合（Ｓ１００にてＹＥＳ）は、処理がＳ１１０に進められ、ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御モードに従う電圧指令値Ｖｄ＃，Ｖｑ＃、およびシステム電圧ＶＨに基づいて、たとえば下記（１）式によって変調率ＦＭを演算する。
【００８１】
ＦＭ＝（Ｖｄ＃2＋Ｖｑ＃2）1/2／ＶＨ …（１）
そして、ＥＣＵ３００は、Ｓ１２０にて、Ｓ１１０で求めた変調率が０．７８以上であるかどうかを判定する。
【００８２】
変調率が０．７８以上のとき（Ｓ１２０にてＹＥＳ）には、ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御モードでは適切な交流電圧を発生することができないと判定し、処理をＳ１７０に進めて、矩形波制御モードを選択する。
【００８３】
変調率が０．７８より小さい場合（Ｓ１２０にてＮＯ）は、処理がＳ１３０に進められて、ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御モードを継続的に選択する。
【００８４】
ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御モードが選択されると、Ｓ１４０にて、正弦波ＰＷＭ制御および過変調ＰＷＭ制御のいずれを適用するかをさらに判定する。この判定は、変調率ＦＭを所定の基準値（たとえば、正弦波ＰＷＭ制御の変調率の理論最大値である０．６１）と比較することにより実行できる。そして、変調率が基準値以下であるときには、正弦波ＰＷＭ制御が適用され、変調率が基準値より大きいときには、過変調ＰＷＭ制御が適用される。
【００８５】
一方、現在の制御モードが矩形波制御モードである場合（Ｓ１００にてＮＯ）は、Ｓ１５０に処理が進められ、ＥＣＵ３００は、図１１でより詳細に説明されるように、矩形波制御モードからＰＷＭ制御モードへ切換えるための電流位相のしきい値φthを設定する。
【００８６】
そして、ＥＣＵ３００は、Ｓ１６０にて、矩形波制御における電流指令値Ｉｄ＃，Ｉｑ＃の電流位相φi#の絶対値が、Ｓ１５０で設定されたしきい値φthの絶対値より小さいか否かを判定する。
【００８７】
電流位相φi#の絶対値がしきい値φthの絶対値より小さい場合（Ｓ１６０にてＹＥＳ）は、ＥＣＵ３００は、制御モードを矩形波制御モードからＰＷＭ制御モードへの切換が必要と判定する。そして、処理がＳ１３０に進められて、ＥＣＵ３００は、ＰＷＭ制御モードを選択する。
【００８８】
一方、電流位相φi#の絶対値がしきい値φthの絶対値以上の場合（Ｓ１６０にてＮＯ）は、処理がＳ１７０に進められて、ＥＣＵ３００は、矩形波制御モードを継続的に選択する。
【００８９】
図１１は、図１０のステップＳ１５０における処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【００９０】
図１および図１１を参照して、図１０のＳ１００において、現在の制御モードが矩形波制御であると判定されると、ＥＣＵ３００は、Ｓ１５１にて、電圧指令レート（ΔＶＨ／Δｔ）および電圧位相レート（Δφｖ／Δｔ）を取得する。この電圧指令レートおよび電圧位相レートは、たとえば、前回の制御周期におけるシステム電圧ＶＨおよび電圧位相φｖからの変化量としてそれぞれ算出してもよい。あるいは、直近の複数回の制御周期で演算されたそれぞれの値の移動平均としてもよい。
【００９１】
ＥＣＵ３００は、Ｓ１５２にて、電圧指令レートの絶対値が予め定められた基準値α（α＞０）よりも小さいか否か（｜ΔＶＨ／Δｔ｜＜α）を判定する。
【００９２】
電圧指令レートの絶対値が予め定められた基準値α以上の場合（Ｓ１５２にてＮＯ）は、処理がＳ１５７に進められて、ＥＣＵ３００は、電流位相しきい値φthとして、デフォルト値であるφth0を選択する。
【００９３】
電圧指令レートの絶対値が予め定められた基準値αより小さい場合（Ｓ１５２にてＹＥＳ）は、処理がＳ１５３に進められて、ＥＣＵ３００は、次に電圧位相レートが所定値β１（β１＜０）より小さいか否か、すなわち、動作ポイントがある程度の大きさで減速方向に遷移しているか否かを判定する。
【００９４】
電圧位相レートが所定値β１より小さい場合（Ｓ１５３にてＹＥＳ）は、処理がＳ１５５に進められて、ＥＣＵ３００は、トルク変動を抑制するために、電流位相しきい値φthとして、図９における点Ｐ１の電流位相との位相差を小さくする（狭める）ようなφth2（φth2＞φth0）を選択する。
【００９５】
一方、電圧位相レートが所定値β１以上の場合（Ｓ１５３にてＮＯ）は、処理がＳ１５４に進められて、ＥＣＵ３００は、電圧位相レートが所定値β２（β２＞０）より大きいか否か、すなわち、動作ポイントがある程度の大きさで加速方向に遷移しているか否かを判定する。
【００９６】
電圧位相レートが所定値β２より大きい場合（Ｓ１５４にてＹＥＳ）は、処理がＳ１５６に進められて、ＥＣＵ３００は、制御モード切換えのチャタリングを防止するために、電流位相しきい値φthとして、図９における点Ｐ１の電流位相との位相差を大きくする（広げる）ようなφth1（φth1＜φth0）を選択する。
【００９７】
一方、電圧位相レートが所定値β２以下の場合（Ｓ１５４にてＮＯ）は、電圧位相レートはβ１≦Δφｖ／Δｔ≦β２であり、ＥＣＵ３００は、定常状態あるいは緩加減速状態であると判定し、処理をＳ１５７に進めて、電流位相しきい値φthとして、デフォルト値であるφth0を選択する。
【００９８】
このような処理によって電流位相しきい値φthを設定した後、ＥＣＵ３００は、図１０のＳ１６０に処理を進めて、上述のように矩形波制御からＰＷＭ制御へ制御モードを切換えるか否かを判定する。
【００９９】
なお、β１およびβ２の大きさ（絶対値）は、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。
【０１００】
以上のような処理に従って制御を行なうことによって、モータ駆動制御システムにおいて矩形波制御からＰＷＭ制御への制御モードの切換えの際に、制御モードが頻繁に切換わるチャタリングを防止しつつ、一方でチャタリングが発生しにくい状態では制御モード切換時のトルク変動を低減することが可能となる。これにより、矩形波制御からＰＷＭ制御への制御モードの切換えにおける制御安定性を向上することができる。
【０１０１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０２】
１０ 車両、１０５ 直流電圧発生部、１００ モータ駆動制御システム、１１０ 直流電源、１２０ コンバータ、１３０ 電圧センサ、１４０ インバータ、１４１ Ｕ相上下アーム、１４２ Ｖ相上下アーム、１４３ Ｗ相上下アーム、１５０，１７０ 電圧センサ、１６０，２４０ 電流センサ、２００ 交流電動機、２１０ 駆動輪、２５０ 回転角センサ、３００ ＥＣＵ、３１０ ＰＷＭ制御部、３１２ 正弦波ＰＷＭ制御部、３１４ 過変調ＰＷＭ制御部、３２０ 矩形波制御部、３３０ 制御モード選択部、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｌ１ リアクトル、ＮＬ１ 接地線、ＰＬ１，ＰＬ２ 電力線、Ｑ１〜Ｑ８ スイッチング素子、ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機を駆動するためのモータ駆動制御システムであって、
前記交流電動機の駆動電圧を制御するインバータと、
前記インバータを制御するための制御装置とを備え、
前記インバータは、前記交流電動機に印加される矩形波電圧の電圧位相を制御することによって前記交流電動機を駆動する矩形波制御モード、および前記交流電動機を動作させるための交流電圧指令と搬送波との比較に基づくパルス幅変調制御を行なうことによって前記交流電動機を駆動するパルス幅変調制御モードにより制御され、
前記制御装置は、前記矩形波制御モードの実行中に、前記交流電動機へ印加される電流位相がしきい値に到達したことに応じて、前記矩形波制御モードから前記パルス幅変調制御モードへの切換えを実行し、
前記制御装置は、前記矩形波制御モードの実行中に、前記交流電動機へ印加される電圧位相の変化に基づいて前記しきい値を変更する、モータ駆動制御システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記電圧位相が加速方向へ変化しているときは、前記電圧位相が変化しないときに比べて、前記矩形波制御モードから前記パルス幅変調制御モードへの切換えが遅くなるように前記しきい値を変更する、請求項１に記載のモータ駆動制御システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記電圧位相が減速方向へ変化しているときは、前記電圧位相が変化しないときに比べて、前記矩形波制御モードから前記パルス幅変調制御モードへの切換えが早くなるように前記しきい値を変更する、請求項１または２に記載のモータ駆動制御システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記電圧位相の時間的変化の大きさが第１の基準値より大きい場合に、前記しきい値を変更する、請求項２または３に記載のモータ駆動制御システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記交流電動機に印加される電圧指令値の時間的変化の大きさが第２の基準値より小さい場合は、前記しきい値の変更を禁止する、請求項２〜４のいずれかに記載のモータ駆動制御システム。
【請求項６】
前記電圧位相は、前記交流電動機に印加される電圧指令値についての、ｑ軸電圧指令値に対するｄ軸電圧指令値に基づいて定められる、請求項１に記載のモータ駆動制御システム。
【請求項７】
前記電流位相は、前記交流電動機に流れる電流のｑ軸電流値に対するｄ軸電流値に基づいて定められる、請求項１に記載のモータ駆動制御システム。
【請求項８】
蓄電装置と、
前記交流電動機と、
請求項１〜７のいずれか１項に記載のモータ駆動制御システムとを備える、車両。
【請求項９】
インバータにより交流電動機を駆動するモータ駆動制御システムの制御方法であって、
前記交流電動機に印加される矩形波電圧の電圧位相を制御することによって前記交流電動機を駆動する矩形波制御モードを選択するステップと、
前記交流電動機を動作させるための交流電圧指令と搬送波との比較に基づくパルス幅変調制御を行なうことによって前記交流電動機を駆動するパルス幅変調制御モードを選択するステップと、
前記矩形波制御モードの実行中に、前記交流電動機へ印加される電流位相がしきい値に到達したことに応じて、前記矩形波制御モードから前記パルス幅変調制御モードへ切換えるステップと、
前記矩形波制御モードの実行中に、前記交流電動機へ印加される電圧位相の変化に基づいて前記しきい値を変更するステップとを備える、モータ駆動制御システムの制御方法。
【請求項１】
交流電動機を駆動するためのモータ駆動制御システムであって、
前記交流電動機の駆動電圧を制御するインバータと、
前記インバータを制御するための制御装置とを備え、
前記インバータは、前記交流電動機に印加される矩形波電圧の電圧位相を制御することによって前記交流電動機を駆動する矩形波制御モード、および前記交流電動機を動作させるための交流電圧指令と搬送波との比較に基づくパルス幅変調制御を行なうことによって前記交流電動機を駆動するパルス幅変調制御モードにより制御され、
前記制御装置は、前記矩形波制御モードの実行中に、前記交流電動機へ印加される電流位相がしきい値に到達したことに応じて、前記矩形波制御モードから前記パルス幅変調制御モードへの切換えを実行し、
前記制御装置は、前記矩形波制御モードの実行中に、前記交流電動機へ印加される電圧位相の変化に基づいて前記しきい値を変更する、モータ駆動制御システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記電圧位相が加速方向へ変化しているときは、前記電圧位相が変化しないときに比べて、前記矩形波制御モードから前記パルス幅変調制御モードへの切換えが遅くなるように前記しきい値を変更する、請求項１に記載のモータ駆動制御システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記電圧位相が減速方向へ変化しているときは、前記電圧位相が変化しないときに比べて、前記矩形波制御モードから前記パルス幅変調制御モードへの切換えが早くなるように前記しきい値を変更する、請求項１または２に記載のモータ駆動制御システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記電圧位相の時間的変化の大きさが第１の基準値より大きい場合に、前記しきい値を変更する、請求項２または３に記載のモータ駆動制御システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記交流電動機に印加される電圧指令値の時間的変化の大きさが第２の基準値より小さい場合は、前記しきい値の変更を禁止する、請求項２〜４のいずれかに記載のモータ駆動制御システム。
【請求項６】
前記電圧位相は、前記交流電動機に印加される電圧指令値についての、ｑ軸電圧指令値に対するｄ軸電圧指令値に基づいて定められる、請求項１に記載のモータ駆動制御システム。
【請求項７】
前記電流位相は、前記交流電動機に流れる電流のｑ軸電流値に対するｄ軸電流値に基づいて定められる、請求項１に記載のモータ駆動制御システム。
【請求項８】
蓄電装置と、
前記交流電動機と、
請求項１〜７のいずれか１項に記載のモータ駆動制御システムとを備える、車両。
【請求項９】
インバータにより交流電動機を駆動するモータ駆動制御システムの制御方法であって、
前記交流電動機に印加される矩形波電圧の電圧位相を制御することによって前記交流電動機を駆動する矩形波制御モードを選択するステップと、
前記交流電動機を動作させるための交流電圧指令と搬送波との比較に基づくパルス幅変調制御を行なうことによって前記交流電動機を駆動するパルス幅変調制御モードを選択するステップと、
前記矩形波制御モードの実行中に、前記交流電動機へ印加される電流位相がしきい値に到達したことに応じて、前記矩形波制御モードから前記パルス幅変調制御モードへ切換えるステップと、
前記矩形波制御モードの実行中に、前記交流電動機へ印加される電圧位相の変化に基づいて前記しきい値を変更するステップとを備える、モータ駆動制御システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２４４８０４（Ｐ２０１２−２４４８０４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１３５９６（Ｐ２０１１−１１３５９６）
【出願日】平成２３年５月２０日（２０１１．５．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２０日（２０１１．５．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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