回転電機制御システム
【課題】回転電機制御システムにおいて、実変調度となまし変調度との間に乖離が生じても、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間の制御モード切替に際し、過大な電流が生じることを抑制することである。
【解決手段】回転電機制御システム１０は、回転電機２０と、回転電機２０を駆動する電源回路ブロック１２と、電流フィードバックの制御ブロック２２と、制御装置４０で構成される。制御装置４０は、実変調度と、なまし変調度とを求める変調度取得部４２と、実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える制御モード切替部４４を含んで構成される。
【解決手段】回転電機制御システム１０は、回転電機２０と、回転電機２０を駆動する電源回路ブロック１２と、電流フィードバックの制御ブロック２２と、制御装置４０で構成される。制御装置４０は、実変調度と、なまし変調度とを求める変調度取得部４２と、実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える制御モード切替部４４を含んで構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機制御システムに係り、特に、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間の切替を行う回転電機制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の制御としては、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御モードと、過変調制御モードと、矩形波制御モードを使い分けることが知られている。なお、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードを広義のＰＷＭ制御モードとし、前者を正弦波ＰＷＭ制御モード、後者を過変調ＰＷＭ制御モードと呼ぶこともある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、交流電動機の制御装置として、過変調ＰＷＭ制御と正弦波ＰＷＭとの間のモード切替を変調率で行うことが述べられている。変調率は変調度とも呼ばれるが、インバータの直流リンク電圧であるシステム電圧に対するモータ印加電圧である線間電圧の実効値の比である。正弦波ＰＷＭは変調率が０．６１までであるが、過変調ＰＷＭは変調率が０．７８まで高められる。ここでは、インバータの同一相の上下アーム素子間での短絡電流防止のために設けられるスイッチング素子のオン・オフ切替時のデッドタイムの影響がモード切替によって生じることを指摘している。そこで、例えば、正弦波ＰＷＭ制御から過変調ＰＷＭ制御に切替えるときに、ｑ軸電流指令を下げることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、交流電動機の制御装置として、変調率が０．６１以下のときに正弦波ＰＷＭ制御モードを、０．６１を超えると過変調ＰＷＭ制御モードを、０．７８に達すると矩形波電圧制御モードに切り替えることが述べられている。そして、矩形波電圧制御モードから過変調ＰＷＭ制御モードへは、電流位相が用いられ、電流位相が切替判定値に達すると、矩形波電圧制御から過変調ＰＷＭ制御に切り替わることが述べられている。ここでは、従来技術が、矩形波電圧制御から過変調ＰＷＭ制御への切替を行う切替判定にトルク指令値を用いていると述べている。そして、この場合、トルク指令値に対する実トルクの追従遅れがあると、トルク指令値が切替判定値に達しているのに、電流位相が切替判定に達していないため、切替遅れが発生し、トルク制御を不安定にすることを指摘している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１０４１５１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６６７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、回転電機の制御モードを切り替えるのに、変調率＝変調度が用いられる。変調度は、インバータの直流電圧であるシステム電圧に対する回転電機印加電圧である線間電圧の実効値の比である。システム電圧と回転電機印加電圧は、時々刻々の電流指令値に応じて変化するので、変調度も回転電機の動作中に時々刻々変化する。したがって、実際の変調度を用いて回転電機の制御モードを切り替えると、チャタリングや誤動作を生じることがある。そこで、実変調度に適当ななまし処理を施したなまし変調度を用いて、回転電機の制御モードの切り替えが行われる。なまし処理とは、一種のデータ平滑化処理で、平均処理、移動平均処理、間引き平均処理等が用いられる。
【０００７】
なまし変調度を用いることにすると、実変調度となまし変調度との間にずれがあるので、制御モード切替の際に、予期せぬ過電流が生じることがある。例えば、実変調度からすればＰＷＭ制御モードを実行する電圧関係であるのに、なまし変調度からは過変調制御モードである場合に、なまし変調度に従って、過変調制御モードの電圧関係に設定を変更することが生じる。このときに、電圧関係が変化するので、場合により、予期せぬ過電流が流れることがある。
【０００８】
本発明の目的は、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間の制御モード切替において、過電流が生じることを抑制する回転電機制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る回転電機制御システムは、インバータ回路の直流電圧であるシステム電圧に対する回転電機印加電圧である線間電圧の実効値の比を変調度として、実際の変調度である実変調度と、実変調度になまし処理を施したなまし変調度を求める変調度取得部と、実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える切替部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、切替部は、実変調度と、なまし変調度とが、共に、予め定めた切替閾値変調度を超えたときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行うことが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、切替部は、なまし変調度が切替閾値変調度を超え、実変調度が切替閾値変調度以下であるとき、なまし変調度を強制的に実変調度に合わせて、ＰＷＭ制御モードを継続することが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、切替部は、なまし変調度と実変調度との間の変調度偏差が、予め定めた許容変調度偏差以内のときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行うことが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、切替部は、回転電機の運転状態が過渡状態にあるときに、予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成により、回転電機制御システムは、実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える。
【００１５】
また、回転電機制御システムにおいて、実変調度と、なまし変調度とが、共に、予め定めた切替閾値変調度を超えたときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行う。換言すれば、実変調度が切替閾値変調度を超えてなく、ＰＷＭ制御モードの電圧関係にあるときは、過変調制御モードに切り替えない。これにより、制御モード切替に伴う過電流の発生を抑制できる。
【００１６】
また、回転電機制御システムにおいて、なまし変調度が切替閾値変調度を超え、実変調度が切替閾値変調度以下であるとき、なまし変調度を強制的に実変調度に合わせる。このようにすることで、制御モードの切り替えが行われず、ＰＷＭ制御モードを継続することになるので、なまし変調度に基づく制御モード切替で生じ得る過電流の発生を抑制できる。
【００１７】
また、回転電機制御システムにおいて、なまし変調度と実変調度との間の変調度偏差が、予め定めた許容変調度偏差以内のときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行う。ここで、許容変調度偏差として、制御モードを切り替えても過大な電流が流れない範囲で設定することができる。
【００１８】
また、回転電機制御システムにおいて、回転電機の運転状態が過渡状態にあるときに、予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える。回転電機の運転状態が過渡状態にある１つの例は、スリップ・グリップが生じたときである。過変調制御モードにおいてスリップ・グリップが生じると、応答性をよくするために、一時的にＰＷＭ制御モードに切り替えることが行われる。このときには、変調度が過変調制御モードのときのままで、応答制御がＰＷＭ制御モードで行われることになる。そして、過渡状態が過ぎると、なまし変調度を見て、過変調制御モードに戻すか否かが判断される。過渡状態において上記のように一時的にＰＷＭ制御を実行すると、実変調度はＰＷＭ制御モードに適した値まで低下していることが多く、なまし変調度との間に差異が生じていることがある。
【００１９】
このように、過渡状態にあるときは、定常制御状態に比べ、特に、なまし変調度と実変調度との間の差異が大きくなることがある。そこで、なまし変調度と実変調度との間の差異がある場合に、さらに、回転電機の運転状態が過渡状態にある場合には、実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替えることとすれば、過渡状態における制御モード切替によって生じ得る過電流を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る実施の形態の回転電機制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る課題の所在を説明する図である。
【図３】図２に関連して、回転電機の制御モードの切替を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、回転電機の制御モード切替の手順を示すフローチャートである。
【図５】図４の手順に対応して、変調度と制御モードの時間的変化を示す図である。
【図６】図５とは別の方法を用いたときの変調度と制御モードの時間的変化を示す図である。
【図７】図４とは別の手順を示すフローチャートである。
【図８】図４と異なる他の手順を示すフローチャートである。
【図９】図８の手順に対応して、変調度と制御モードの時間的変化を示す図である。
【図１０】図９とは別の方法を用いたときの変調度と制御モードの時間的変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機として、車両に搭載されるモータ・ジェネレータを説明するが、車両搭載用以外の用途に用いられる回転電機であってもよい。また、以下では、車両の過渡状態として、スリップ・グリップ状態を説明するが、回転電機の制御応答を迅速に行う必要がある状態であればよく、場合によっては、負荷の急変状態、急減速状態、急加速状態等であってもよい。
【００２２】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２３】
図１は、回転電機制御システム１０の構成を説明する図である。この回転電機制御システム１０は、回転電機２０の動作を制御するシステムで、回転電機２０と、回転電機２０を駆動する電源回路ブロック１２と、電流フィードバックの制御ブロック２２と、制御装置４０で構成される。電源回路ブロック１２は、蓄電装置１４と電圧変換器１６とインバータ回路１８で構成される。制御ブロック２２は、回転電機制御システム１０の中で、回転電機２０と電源回路ブロック１２と制御装置４０を除いた部分である。
【００２４】
回転電機２０は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）であって、インバータ回路１８の側から電力が供給されるときはモータとして機能し、図示されていないエンジンによる駆動時、あるいは車両の制動時には発電機として機能する３相同期型回転電機である。
【００２５】
電源回路ブロック１２を構成する蓄電装置１４は、充放電可能な高電圧用２次電池である。具体的には、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池である。組電池は、単電池または電池セルと呼ばれる端子電圧が１Ｖから数Ｖの電池を複数個組み合わせて、上記の所定の端子電圧を得るようにしたものである。
【００２６】
電圧変換器１６は、蓄電装置１４とインバータ回路１８の間に配置され、リアクトルとスイッチング素子等を含んで構成される。電圧変換器１６は、蓄電装置１４の端子間電圧とインバータ回路１８の直流電圧との間の電圧変換を行う機能を有する。電圧変換機能としては、蓄電装置１４側の電圧をリアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して昇圧しインバータ回路１８側に供給する昇圧機能と、インバータ回路１８側からの電力を蓄電装置１４側に降圧して充電電力として供給する降圧機能とを有する。
【００２７】
蓄電装置１４と電圧変換器１６との間、電圧変換器１６とインバータ回路１８との間にそれぞれ設けられる平滑コンデンサは、電圧、電流を平滑化する機能を有する。例えば、電圧変換器１６とインバータ回路１８の間に設けられる平滑コンデンサは、インバータ回路１８の正極側母線と負極側母線の間に設けられる。この平滑コンデンサによって平滑化されたインバータ回路１８の正極側母線と負極側母線の間の電圧ＶHは、インバータ回路１８の直流電圧で、システム電圧と呼ばれる。
【００２８】
インバータ回路１８は、回転電機２０に接続されるスイッチング回路である。具体的には、正極側母線と負極側母線との間に、２つのスイッチング素子を直列接続し、各スイッチング素子にそれぞれダイオードを逆接続した各相アームを３相分含んで備えて構成される。インバータ回路１８は、交流電力と直流電力との間の電力変換を行う機能を有する。すなわち、インバータ回路１８は、回転電機２０を発電機として機能させるときは、回転電機２０からの交流３相回生電力を直流電力に変換し、蓄電装置１４側に充電電流として供給する交直変換機能を有する。また、回転電機２０を電動機として機能させるときは、蓄電装置１４側からの直流電力を交流３相駆動電力に変換し、回転電機２０に交流駆動電力として供給する直交変換機能を有する。
【００２９】
電流フィードバックの制御ブロック２２は、回転電機制御システム１０において、電流フィードバック制御を行う機能を有する。制御装置４０は、回転電機制御システム１０を構成する各要素の動作を全体として制御する機能を有する。ここでは特に、回転電機２０の制御モードの切替を適切に制御する機能を有する。電流フィードバックの制御ブロック２２と制御装置４０とを分けて説明するが、これらを１つの制御部あるいは制御ブロックとしてまとめてもよい。以下で述べる制御ブロック２２と制御装置４０の各機能は、ソフトウェアを実行することで実現することができる。具体的には、回転電機制御プログラムを実行することで実現できる。勿論、各機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００３０】
回転電機２０をインバータ回路１８によって駆動する場合に、その制御方法として、ＰＷＭ制御モードと、過変調制御モードと、矩形波制御モードとを使い分けることが行われている。すなわち、回転電機２０の高出力化と小型化とを両立させるためには、１パルススイッチングを用いる矩形波制御モードが必要であり、低速領域で優れた特性を有するＰＷＭ制御モードと、中速領域で用いられる過変調制御モードとの間のモード切替を行いながら、最適に回転電機２０の動作が制御される。
【００３１】
３つの制御モードの切替は、変調度に応じて行われる。変調度は、回転電機２０の線間電圧の実効値とシステム電圧ＶHの比である。回転電機２０の線間電圧の実効値は、後述するｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*を用いて、｛（Ｖd*）2＋（Ｖq*）2｝1/2で与えられる。したがって、変調度＝［｛（Ｖd*）2＋（Ｖq*）2｝1/2］／ＶHで求められる。そして、変調度が０．６１まではＰＷＭ制御モードが行われ、変調度が０．６１を超えると、過変調制御モードに切り替えられる。その意味で、変調度＝０．６１を、切替閾値変調度と呼ぶことができる。なお、変調度が０．７８を超えるときに、矩形波制御モードが用いられる。
【００３２】
制御モードの切替は、誤動作を避けるために、実際の変調度を用いる代わりに、実際の変調度に対して、なまし処理を施して得られる、なまし変調度が用いられる。
【００３３】
ここで、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとは、電流フィードバック制御であり、電圧指令値と搬送波（キャリア）とを比較することでＰＷＭ信号を回転電機２０に出力する制御である。一方、矩形波制御モードは、電気角に応じて１パルススイッチング波形を回転電機２０に出力する制御であり、電圧振幅は最大値に固定され、位相を制御することでトルクをフィードバック制御している。以下では、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードの切替について述べる。
【００３４】
電流フィードバックの制御ブロック２２は、インバータ回路１８を介して回転電機２０の動作について電流フィードバックを用いて制御する回路で、図１では、その内容が制御ブロック図で示されている。
【００３５】
図１で、トルク指令値Ｔ*と回転角速度指令値ω*は、回転電機２０の動作目標指令値２４である。これらの指令値は、図示されていない車両のアクセル、ブレーキ等からユーザの要求トルクと要求車速を推定して算出される。
【００３６】
電流指令生成部２６は、回転電機２０の実際の回転角速度ωと回転角速度指令値ω*とを比較し、予め作成したテーブル等を用いて、トルク指令値Ｔ*をｄ軸電流指令値Ｉd*とｑ軸電流指令値Ｉq*の組として算出する機能を有する。
【００３７】
減算器２８は、ｄ軸電流指令値Ｉd*から実際のｄ軸電流値Ｉdを減算してｄ軸電流偏差ΔＩdを算出する機能を有し、減算器３０は、ｑ軸電流指令値Ｉq*から実際のｑ軸電流値Ｉqを減算してｑ軸電流偏差ΔＩqを算出する機能を有する。
【００３８】
実際のｄ軸電流値ｉdと実際のｑ軸電流値ｉqは、３相−２相座標変換部３８の機能によって、ロータの電気角と、回転電機２０の各相電流値ＩU，ＩV，ＩWとに基づいて算出される。ロータの電気角は、図示されていないレゾルバによって検出される。各相電流値ＩU，ＩV，ＩWは、インバータ回路１８の各相アームと回転電機２０の各相コイルとを接続する電力線を流れる電流を検出することで得られる。回転電機２０の各相コイルの各一方側端子が中立点で相互に接続される方式のときは、符号を含めた各相電流の和は０となるので、２つの相電流を検出することで十分である。図１では、Ｖ相電流値ＩVとＷ相電流値ＩWの２つを検出することが示されている。残るＵ相電流値ＩUは、ＩU＝−（ＩV＋ＩW）で求められる。
【００３９】
フィードバック制御部３２は、ｄ軸電流偏差ΔＩdとｑ軸電流偏差ΔＩqについて、所定のゲインの下で比例積分制御を行ってこれらに対応する制御偏差を求め、その制御偏差に応じたｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*を算出する機能を有する。このように、フィードバック制御部３２は、比例積分（ＰＩ）制御回路である。減算器２８，３０と、フィードバック制御部３２によって、ＰＷＭ制御モードおよび過変調制御モードにおける電流フィードバックが行われる。
【００４０】
指令選択部３４は、制御モードの切替のときに、変調度を切替閾値変調度にリセットし直して、ｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*を算出する機能を有する。例えば、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードに切り替える初回のときは、フィードバック制御部３２によるＰＩ制御を禁止し、代わって、指令選択部３４において、変調度＝切替閾値変調度＝０．６１として、ｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*を算出する。ここでいう変調度は、なまし変調度である。指令選択部３４は、なまし変調度を切替閾値変調度に上書きし、それに基づいてｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*を出力する回路である。
【００４１】
フィードバック制御部３２または指令選択部３４によって出力されるｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*は、２相−３相座標変換部３６に入力される。２相−３相座標変換部３６は、３相−２相座標変換部３８と逆変換の関係にあるもので、ロータの電気角と、ｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*に基づいて、Ｕ相電圧ＶU、Ｖ相電圧ＶV、Ｗ相電圧ＶWを算出する機能を有する。算出された各相電圧は、搬送波（キャリア）と比較されて、パルス幅変調（ＰＷＭ）された各相駆動信号として、インバータ回路１８に出力される。
【００４２】
インバータ回路１８は、各相駆動信号に応じて、スイッチング素子をオンオフし、回転電機２０の各相コイルに流す電流を制御して、回転電機２０を回転駆動する。インバータ回路１８の各相アームと回転電機２０の各相コイルとを接続する電力線を流れる電流は、上記のように、３相−２相座標変換部３８を介して、減算器２８，３０にフィードバックされる。このようにして、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードの電流フィードバックが行われる。
【００４３】
制御装置４０は、特に、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間の切替を適切に実行する機能を有する。制御装置４０は、実際の変調度である実変調度と、実変調度になまし処理を施したなまし変調度を求める変調度取得部４２と、実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える制御モード切替部４４を含んで構成される。
【００４４】
次に、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードに切り替えるときの課題を、回転電機２０の過渡状態を例にして、図２、図３を用いて説明する。回転電機２０の過渡状態として、回転電機２０が過変調制御モードで動作中に、車両がスリップ・グリップ状態となった場合を取り上げる。車両がスリップ状態となると、車輪の負荷が急に軽くなるため、回転電機２０の回転数が急上昇する。過変調制御モードでは、搬送波（キャリア）の周波数を回転電機２０の回転数に同期させることが多く、ＰＷＭ制御モードに比較して、制御応答性が遅くなっている。スリップ状態となると、回転電機２０の動作状態が急変するので、緊急的に対応するため、予め定めた一時的期間だけ、応答性のよいＰＷＭ制御に切替えられる。これによって、スリップ状態に対し適切な制御を行って、グリップ状態に落ち着かせることができる。
【００４５】
図２は、その時の様子を、変調度の時間的変化と、制御モードの時間的変化で示す図である。図２の上側の図は、横軸が時間、縦軸が変調度である。縦軸の切替閾値変調度は、これ以下の変調度ではＰＷＭ制御モード、これを超える変調度では過変調制御モードとなる変調度で、０．６１から０．７８の間で予め設定される値である。図２において、破線が実際の変調度の時間的変化を示す実変調度特性線５０で、実線がなまし変調度の時間的変化を示すなまし変調度特性線５２である。図２の下側の図は、横軸が時間、縦軸は、制御モードごとに異なる値をとるようにして、制御モードの違いを示している。
【００４６】
時間ｔ0は、過変調制御モードの定常状態のときである。このとき、実変調度特性線５０も、なまし変調度特性線５２も、共に、切替閾値変調度を超えている。時間ｔ1は、スリップが検出されたときである。スリップ検出は、例えば、車軸回転数の単位時間当たりの変化量が予め定めた判定閾値を超えたことで行われる。スリップが検出されると、過変調制御モードから、緊急ＰＷＭ制御モードに切り替えられる。図２では、時間ｔ2において、その切替が行われ、なまし変調度特性線５２が、時間ｔ2において、なまし変調度＝切替閾値変調度に上書きされて書き換えられる。
【００４７】
緊急ＰＷＭ制御モードに切り替えられると、なまし変調度は切替閾値変調度を超えた値であるが、制御モードは応答性のよいＰＷＭ制御モードとされる。つまり、なまし変調度は、過変調制御モードの領域の値であるが、制御そのものはＰＷＭ制御が行われる。したがって、実変調度特性線５０もなまし変調度特性線５２も、時間ｔ2以降、変調度が増大する。緊急ＰＷＭ制御モードでは応答性がよいので、スリップ状態からグリップ状態に速やかに遷移し、そこから変調度が低下を始める。
【００４８】
緊急ＰＷＭ制御モードへの切替は、過渡状態の処理のための一時的なものであるので、予め定めた所定期間が経過すると、そこでなまし変調度特性を見て、制御モードをどのようにするかが判断される。図２では、時間ｔ2から時間ｔ4までがその所定期間である。時間ｔ3は、時間ｔ4から見て、単位制御サイクル時間前の時間で、このときに、実際の制御モード判断が開始する。
【００４９】
図２において、時間ｔ4の状態を見ると、実変調度特性線５０は、緊急ＰＷＭ制御の効果により、グリップ状態に遷移し、回転電機２０の回転数が低下することから、変調度が切替閾値変調度以下となっている。これに対し、なまし変調度特性線５２は、なまし処理が施されるので、実変調度特性線５０の短時間での急激な変調度変化に追従しきれずに、切替閾値変調度を超えている。このように、時間ｔ4において、実変調度特性線５０と、なまし変調度特性線５２との間に乖離５３が生じている。
【００５０】
時間ｔ4における制御モード切替判定は、なまし変調度特性線５２に基づいて行われるので、なまし変調度特性線５２が切替閾値変調度を超えていることを受けて、制御モードがＰＷＭ制御モードから過変調制御モードに切り替えられる。ここで、過変調制御モードに切り替えられると、ＰＷＭ制御モードからの初回の切替であるので、フィードバック制御部３２の動作が禁止され、指令選択部３４によってなまし変調度が切替閾値変調度に書き換えられる。図２において、時間ｔ4でなまし変調度特性線５２が切替閾値変調度とされるのは、そのことを示している。
【００５１】
ところが、時間ｔ4において、実変調度特性線５０は、変調度＝［｛（Ｖd*）2＋（Ｖq*）2｝1/2］／ＶHで計算された値が切替閾値変調度以下となっている。ここで、なまし変調度＝切替閾値変調度とされると、なまし変調度と実変調度との間に乖離５３が生じる。そこで、実変調度に対応する回転電機２０の線間電圧よりも高い線間電圧となるように、制御が行われる。そのため、その線間電圧の相違分に相当する電流がインバータ回路１８と回転電機２０に過大に流れることになる。これが、本発明が解決しようとする課題である。
【００５２】
図３は、その様子を制御モードの変化で示す図である。図３の横軸は回転電機２０の回転数、縦軸は回転電機２０が出力するトルクである。トルク×回転数＝パワーであるので、等パワー特性線は、図３で双曲線となる。図３では、トルク最大値で制限された最大パワー特性線６０が示されている。この最大パワー特性線６０の範囲で、低回転数、低パワーの領域６２においてＰＷＭ制御モードが用いられ、これよりも回転数が上がり、パワーが増大するに従って、過変調制御モードの領域６４、矩形波制御モードの領域６６となる。
【００５３】
図２において、時間ｔ0は過変調制御モードの定常状態のときであるが、その動作点は、図３において、Ａ点で示されている。ここで時間ｔ1においてスリップ状態となると、車輪が空転するので回転数Ｎが上昇し、動作点がＢに変化する。ここで、過変調制御モードから緊急ＰＷＭ制御モードに切り替えられる。緊急ＰＷＭ制御モードは制御応答性がよいので、短時間で、スリップ状態からグリップ状態に遷移できる。グリップ状態となると、動作点が変化する。図３ではその動作点をＣで示した。グリップ状態に落ち着いたところで、元の過変調制御モードに戻りたいが、上記のように、実変調度となまし変調度との間に乖離５３があると、過大な電流がインバータ回路１８等に流れることになる。
【００５４】
図４は、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードへ切り替える際に、過大電流が流れることを抑制する手順を示すフローチャートである。この手順は、過大電流が流れる心配がないときに限って過変調制御モードに切り替え、過大電流が流れる恐れがあるときはＰＷＭ制御モードのままとすることを内容とする。
【００５５】
すなわち、ＰＷＭ制御モードであるとき（Ｓ１０）に、なまし変調度が切替閾値変調度を超えているか否かを判断する（Ｓ１２）。判断が否定されれば、Ｓ１８に進み、ＰＷＭ制御モードのままとされる。
【００５６】
Ｓ１２の判断が肯定されると、実変調度が切替閾値変調度を超えるか否かが判断される（Ｓ１４）。Ｓ１４の判断が否定されると、Ｓ１８に進み、ＰＷＭ制御モードが維持される。Ｓ１４の判断が肯定されると、Ｓ１６に進み、過変調制御モードに切り替えられる。換言すれば、なまし変調度が切替閾値変調度を超えていても、実変調度が切替閾値変調度以下の場合は、過変調制御モードに切り替えない。この場合に、図１のブロック図において、指令選択部３４は動作せず、なまし変調度の上書きが行われない。フィードバック制御部３２が今までの電流フィードバック制御を維持する。これによって、なまし変調度と実変調度との間に乖離５３が生じても、制御モードの切替が行われず、過電流が流れることもない。
【００５７】
その様子を図５に示す。図５は、図２と横軸、縦軸が同じで、時間ｔ3までの経過は図２と同じである。時間ｔ4において、なまし変調度特性線５４は、切替閾値変調度を超えているが、実変調度特性線５０は、切替閾値変調度以下である。したがって、図４のＳ１４の判断が否定され、Ｓ１８に進み、ＰＷＭ制御モードが維持される。したがって、なまし変調度特性線５４は時間ｔ4において強制的に切替閾値変調度に上書きされることもなく、実変調度特性線５０をそのままなまし処理した特性線となる。
【００５８】
上記では、時間ｔ4において、実変調度特性線５０が切替閾値変調度以下の場合、なまし変調度特性線５４を切替閾値変調度に上書きしないこととして、ＰＷＭ制御モードを維持することとした。ＰＷＭ制御モードを維持するもう１つの方法は、時間ｔ4において、なまし変調度を、実変調度に合わせることである。こうすれば、なまし変調度が切替閾値変調度以下となるので、図４のＳ１２が否定され、Ｓ１８に進み、ＰＷＭ制御モードが維持される。
【００５９】
その様子を図６に示す。図６は、図２、図５と横軸、縦軸が同じで、時間ｔ3までの経過は図２、図５と同じである。時間ｔ4において、なまし変調度特性線５６は、実変調度特性線５０と一致するところまで、みなし変調度を低下させる。これによって、ＰＷＭ制御モードが維持されることになる。
【００６０】
図２のように、ＰＷＭ制御モードにおいて、実変調度特性線５０と、なまし変調度特性線５２に乖離５３が生じ、なまし変調度特性線５２が切替閾値変調度を超え、一方で実変調度特性線が切替閾値変調度以下となることは、回転電機２０の過渡状態のときである。そこで、図４のフローチャートにおいて、過渡状態にある判定がなされたか否かの処理手順を加え、過渡状態にある判定がなされてなければ、過変調制御モードに切り替えるものとしてもよい。
【００６１】
図７は、そのような手順を示すフローチャートである。ここでは、Ｓ１２とＳ１４の判断が共に肯定されると、さらに、過渡状態にある判定がなされたか否かとして、スリップ判定がなされたか否かの判断が行われる（Ｓ２０）。スリップ判定は、上記のように、車軸回転数の単位時間当たりの変化量が予め定めた判定閾値を超えたか否か等で行うことができる。スリップ判定がなされていないときは、例えば、実変調度特性線５０となまし変調度特性線５２とがともに切替閾値変調度の近傍にあり、たまたま、なまし変調度特性線５２が切替閾値変調度を超え、実変調度特性線５０が切替閾値変調度以下であるときである。このようなときは、過変調制御モードに切り替えても、過大電流が流れる恐れが少ない。なお、スリップ判定がなされていれば、Ｓ２０の判断が肯定され、Ｓ１８に進み、ＰＷＭ制御モードが維持される。
【００６２】
図８は、なまし変調度と実変調度との差である変調度偏差が、予め定めた許容変調度偏差範囲であれば、過変調制御モードへ切り替えることとする手順を示すフローチャートである。
【００６３】
ここでは、Ｓ１２において、なまし変調度が切替閾値変調度を超えることが肯定されると、次に、変調度偏差＝（なまし変調度）−（実変調度）を算出する（Ｓ２２）。そして算出された変調度偏差が予め定めた許容変調度偏差を超えるときはＳ１８に進み、ＰＷＭ制御モードを維持するが、許容変調度偏差以下のときは、Ｓ１６に進み、過変調制御モードに切り替える。変調度偏差が許容変調度偏差以下の場合とは、図７で説明したように、実変調度特性線５０となまし変調度特性線５２とがともに切替閾値変調度の近傍にあるとき等である。
【００６４】
その様子を図９に示す。図９は、図２、図５、図６と横軸、縦軸が同じで、時間ｔ3までの経過は図２、図５、図６と同じである。時間ｔ4において、なまし変調度と実変調度との差である変調度偏差と、許容変調度偏差が示されている。図９の場合、変調度偏差が許容変調度偏差を超えているので、ＰＷＭ制御モードが維持され、図５と同様の内容となる。
【００６５】
図１０は、図６に対応する図である。すなわち、図８のフローチャートにおいて、Ｓ２４の判断が否定されてＰＷＭ制御モードを維持するもう１つの方法として、なまし変調度を、実変調度に合わせる方法を採用した場合を示す図である。この場合も、図６と同様に、ＰＷＭ制御モードが維持される。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明に係る回転電機制御システムは、燃料電池車両、ハイブリッド車両等に搭載される回転電機の制御に利用できる。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 回転電機制御システム、１２ 電源回路ブロック、１４ 蓄電装置、１６ 電圧変換器、１８ インバータ回路、２０ 回転電機、２２ （電流フィードバックの）制御ブロック、２４ 動作目標指令値、２６ 電流指令生成部、２８，３０ 減算器、３２ フィードバック制御部、３４ 指令選択部、３６ ２相−３相座標変換部、３８ ３相−２相座標変換部、４０ 制御装置、４２ 変調度取得部、４４ 制御モード切替部、５０ 実変調度特性線、５２，５４，５６ なまし変調度特性線、５３ 乖離、６０ 最大パワー特性線、６２ ＰＷＭ制御モードの領域、６４ 過変調制御モードの領域、６６ 矩形波制御モードの領域。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機制御システムに係り、特に、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間の切替を行う回転電機制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の制御としては、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御モードと、過変調制御モードと、矩形波制御モードを使い分けることが知られている。なお、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードを広義のＰＷＭ制御モードとし、前者を正弦波ＰＷＭ制御モード、後者を過変調ＰＷＭ制御モードと呼ぶこともある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、交流電動機の制御装置として、過変調ＰＷＭ制御と正弦波ＰＷＭとの間のモード切替を変調率で行うことが述べられている。変調率は変調度とも呼ばれるが、インバータの直流リンク電圧であるシステム電圧に対するモータ印加電圧である線間電圧の実効値の比である。正弦波ＰＷＭは変調率が０．６１までであるが、過変調ＰＷＭは変調率が０．７８まで高められる。ここでは、インバータの同一相の上下アーム素子間での短絡電流防止のために設けられるスイッチング素子のオン・オフ切替時のデッドタイムの影響がモード切替によって生じることを指摘している。そこで、例えば、正弦波ＰＷＭ制御から過変調ＰＷＭ制御に切替えるときに、ｑ軸電流指令を下げることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、交流電動機の制御装置として、変調率が０．６１以下のときに正弦波ＰＷＭ制御モードを、０．６１を超えると過変調ＰＷＭ制御モードを、０．７８に達すると矩形波電圧制御モードに切り替えることが述べられている。そして、矩形波電圧制御モードから過変調ＰＷＭ制御モードへは、電流位相が用いられ、電流位相が切替判定値に達すると、矩形波電圧制御から過変調ＰＷＭ制御に切り替わることが述べられている。ここでは、従来技術が、矩形波電圧制御から過変調ＰＷＭ制御への切替を行う切替判定にトルク指令値を用いていると述べている。そして、この場合、トルク指令値に対する実トルクの追従遅れがあると、トルク指令値が切替判定値に達しているのに、電流位相が切替判定に達していないため、切替遅れが発生し、トルク制御を不安定にすることを指摘している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１０４１５１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６６７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、回転電機の制御モードを切り替えるのに、変調率＝変調度が用いられる。変調度は、インバータの直流電圧であるシステム電圧に対する回転電機印加電圧である線間電圧の実効値の比である。システム電圧と回転電機印加電圧は、時々刻々の電流指令値に応じて変化するので、変調度も回転電機の動作中に時々刻々変化する。したがって、実際の変調度を用いて回転電機の制御モードを切り替えると、チャタリングや誤動作を生じることがある。そこで、実変調度に適当ななまし処理を施したなまし変調度を用いて、回転電機の制御モードの切り替えが行われる。なまし処理とは、一種のデータ平滑化処理で、平均処理、移動平均処理、間引き平均処理等が用いられる。
【０００７】
なまし変調度を用いることにすると、実変調度となまし変調度との間にずれがあるので、制御モード切替の際に、予期せぬ過電流が生じることがある。例えば、実変調度からすればＰＷＭ制御モードを実行する電圧関係であるのに、なまし変調度からは過変調制御モードである場合に、なまし変調度に従って、過変調制御モードの電圧関係に設定を変更することが生じる。このときに、電圧関係が変化するので、場合により、予期せぬ過電流が流れることがある。
【０００８】
本発明の目的は、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間の制御モード切替において、過電流が生じることを抑制する回転電機制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る回転電機制御システムは、インバータ回路の直流電圧であるシステム電圧に対する回転電機印加電圧である線間電圧の実効値の比を変調度として、実際の変調度である実変調度と、実変調度になまし処理を施したなまし変調度を求める変調度取得部と、実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える切替部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、切替部は、実変調度と、なまし変調度とが、共に、予め定めた切替閾値変調度を超えたときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行うことが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、切替部は、なまし変調度が切替閾値変調度を超え、実変調度が切替閾値変調度以下であるとき、なまし変調度を強制的に実変調度に合わせて、ＰＷＭ制御モードを継続することが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、切替部は、なまし変調度と実変調度との間の変調度偏差が、予め定めた許容変調度偏差以内のときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行うことが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、切替部は、回転電機の運転状態が過渡状態にあるときに、予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成により、回転電機制御システムは、実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える。
【００１５】
また、回転電機制御システムにおいて、実変調度と、なまし変調度とが、共に、予め定めた切替閾値変調度を超えたときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行う。換言すれば、実変調度が切替閾値変調度を超えてなく、ＰＷＭ制御モードの電圧関係にあるときは、過変調制御モードに切り替えない。これにより、制御モード切替に伴う過電流の発生を抑制できる。
【００１６】
また、回転電機制御システムにおいて、なまし変調度が切替閾値変調度を超え、実変調度が切替閾値変調度以下であるとき、なまし変調度を強制的に実変調度に合わせる。このようにすることで、制御モードの切り替えが行われず、ＰＷＭ制御モードを継続することになるので、なまし変調度に基づく制御モード切替で生じ得る過電流の発生を抑制できる。
【００１７】
また、回転電機制御システムにおいて、なまし変調度と実変調度との間の変調度偏差が、予め定めた許容変調度偏差以内のときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行う。ここで、許容変調度偏差として、制御モードを切り替えても過大な電流が流れない範囲で設定することができる。
【００１８】
また、回転電機制御システムにおいて、回転電機の運転状態が過渡状態にあるときに、予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える。回転電機の運転状態が過渡状態にある１つの例は、スリップ・グリップが生じたときである。過変調制御モードにおいてスリップ・グリップが生じると、応答性をよくするために、一時的にＰＷＭ制御モードに切り替えることが行われる。このときには、変調度が過変調制御モードのときのままで、応答制御がＰＷＭ制御モードで行われることになる。そして、過渡状態が過ぎると、なまし変調度を見て、過変調制御モードに戻すか否かが判断される。過渡状態において上記のように一時的にＰＷＭ制御を実行すると、実変調度はＰＷＭ制御モードに適した値まで低下していることが多く、なまし変調度との間に差異が生じていることがある。
【００１９】
このように、過渡状態にあるときは、定常制御状態に比べ、特に、なまし変調度と実変調度との間の差異が大きくなることがある。そこで、なまし変調度と実変調度との間の差異がある場合に、さらに、回転電機の運転状態が過渡状態にある場合には、実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替えることとすれば、過渡状態における制御モード切替によって生じ得る過電流を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る実施の形態の回転電機制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る課題の所在を説明する図である。
【図３】図２に関連して、回転電機の制御モードの切替を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、回転電機の制御モード切替の手順を示すフローチャートである。
【図５】図４の手順に対応して、変調度と制御モードの時間的変化を示す図である。
【図６】図５とは別の方法を用いたときの変調度と制御モードの時間的変化を示す図である。
【図７】図４とは別の手順を示すフローチャートである。
【図８】図４と異なる他の手順を示すフローチャートである。
【図９】図８の手順に対応して、変調度と制御モードの時間的変化を示す図である。
【図１０】図９とは別の方法を用いたときの変調度と制御モードの時間的変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機として、車両に搭載されるモータ・ジェネレータを説明するが、車両搭載用以外の用途に用いられる回転電機であってもよい。また、以下では、車両の過渡状態として、スリップ・グリップ状態を説明するが、回転電機の制御応答を迅速に行う必要がある状態であればよく、場合によっては、負荷の急変状態、急減速状態、急加速状態等であってもよい。
【００２２】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２３】
図１は、回転電機制御システム１０の構成を説明する図である。この回転電機制御システム１０は、回転電機２０の動作を制御するシステムで、回転電機２０と、回転電機２０を駆動する電源回路ブロック１２と、電流フィードバックの制御ブロック２２と、制御装置４０で構成される。電源回路ブロック１２は、蓄電装置１４と電圧変換器１６とインバータ回路１８で構成される。制御ブロック２２は、回転電機制御システム１０の中で、回転電機２０と電源回路ブロック１２と制御装置４０を除いた部分である。
【００２４】
回転電機２０は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）であって、インバータ回路１８の側から電力が供給されるときはモータとして機能し、図示されていないエンジンによる駆動時、あるいは車両の制動時には発電機として機能する３相同期型回転電機である。
【００２５】
電源回路ブロック１２を構成する蓄電装置１４は、充放電可能な高電圧用２次電池である。具体的には、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池である。組電池は、単電池または電池セルと呼ばれる端子電圧が１Ｖから数Ｖの電池を複数個組み合わせて、上記の所定の端子電圧を得るようにしたものである。
【００２６】
電圧変換器１６は、蓄電装置１４とインバータ回路１８の間に配置され、リアクトルとスイッチング素子等を含んで構成される。電圧変換器１６は、蓄電装置１４の端子間電圧とインバータ回路１８の直流電圧との間の電圧変換を行う機能を有する。電圧変換機能としては、蓄電装置１４側の電圧をリアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して昇圧しインバータ回路１８側に供給する昇圧機能と、インバータ回路１８側からの電力を蓄電装置１４側に降圧して充電電力として供給する降圧機能とを有する。
【００２７】
蓄電装置１４と電圧変換器１６との間、電圧変換器１６とインバータ回路１８との間にそれぞれ設けられる平滑コンデンサは、電圧、電流を平滑化する機能を有する。例えば、電圧変換器１６とインバータ回路１８の間に設けられる平滑コンデンサは、インバータ回路１８の正極側母線と負極側母線の間に設けられる。この平滑コンデンサによって平滑化されたインバータ回路１８の正極側母線と負極側母線の間の電圧ＶHは、インバータ回路１８の直流電圧で、システム電圧と呼ばれる。
【００２８】
インバータ回路１８は、回転電機２０に接続されるスイッチング回路である。具体的には、正極側母線と負極側母線との間に、２つのスイッチング素子を直列接続し、各スイッチング素子にそれぞれダイオードを逆接続した各相アームを３相分含んで備えて構成される。インバータ回路１８は、交流電力と直流電力との間の電力変換を行う機能を有する。すなわち、インバータ回路１８は、回転電機２０を発電機として機能させるときは、回転電機２０からの交流３相回生電力を直流電力に変換し、蓄電装置１４側に充電電流として供給する交直変換機能を有する。また、回転電機２０を電動機として機能させるときは、蓄電装置１４側からの直流電力を交流３相駆動電力に変換し、回転電機２０に交流駆動電力として供給する直交変換機能を有する。
【００２９】
電流フィードバックの制御ブロック２２は、回転電機制御システム１０において、電流フィードバック制御を行う機能を有する。制御装置４０は、回転電機制御システム１０を構成する各要素の動作を全体として制御する機能を有する。ここでは特に、回転電機２０の制御モードの切替を適切に制御する機能を有する。電流フィードバックの制御ブロック２２と制御装置４０とを分けて説明するが、これらを１つの制御部あるいは制御ブロックとしてまとめてもよい。以下で述べる制御ブロック２２と制御装置４０の各機能は、ソフトウェアを実行することで実現することができる。具体的には、回転電機制御プログラムを実行することで実現できる。勿論、各機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００３０】
回転電機２０をインバータ回路１８によって駆動する場合に、その制御方法として、ＰＷＭ制御モードと、過変調制御モードと、矩形波制御モードとを使い分けることが行われている。すなわち、回転電機２０の高出力化と小型化とを両立させるためには、１パルススイッチングを用いる矩形波制御モードが必要であり、低速領域で優れた特性を有するＰＷＭ制御モードと、中速領域で用いられる過変調制御モードとの間のモード切替を行いながら、最適に回転電機２０の動作が制御される。
【００３１】
３つの制御モードの切替は、変調度に応じて行われる。変調度は、回転電機２０の線間電圧の実効値とシステム電圧ＶHの比である。回転電機２０の線間電圧の実効値は、後述するｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*を用いて、｛（Ｖd*）2＋（Ｖq*）2｝1/2で与えられる。したがって、変調度＝［｛（Ｖd*）2＋（Ｖq*）2｝1/2］／ＶHで求められる。そして、変調度が０．６１まではＰＷＭ制御モードが行われ、変調度が０．６１を超えると、過変調制御モードに切り替えられる。その意味で、変調度＝０．６１を、切替閾値変調度と呼ぶことができる。なお、変調度が０．７８を超えるときに、矩形波制御モードが用いられる。
【００３２】
制御モードの切替は、誤動作を避けるために、実際の変調度を用いる代わりに、実際の変調度に対して、なまし処理を施して得られる、なまし変調度が用いられる。
【００３３】
ここで、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとは、電流フィードバック制御であり、電圧指令値と搬送波（キャリア）とを比較することでＰＷＭ信号を回転電機２０に出力する制御である。一方、矩形波制御モードは、電気角に応じて１パルススイッチング波形を回転電機２０に出力する制御であり、電圧振幅は最大値に固定され、位相を制御することでトルクをフィードバック制御している。以下では、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードの切替について述べる。
【００３４】
電流フィードバックの制御ブロック２２は、インバータ回路１８を介して回転電機２０の動作について電流フィードバックを用いて制御する回路で、図１では、その内容が制御ブロック図で示されている。
【００３５】
図１で、トルク指令値Ｔ*と回転角速度指令値ω*は、回転電機２０の動作目標指令値２４である。これらの指令値は、図示されていない車両のアクセル、ブレーキ等からユーザの要求トルクと要求車速を推定して算出される。
【００３６】
電流指令生成部２６は、回転電機２０の実際の回転角速度ωと回転角速度指令値ω*とを比較し、予め作成したテーブル等を用いて、トルク指令値Ｔ*をｄ軸電流指令値Ｉd*とｑ軸電流指令値Ｉq*の組として算出する機能を有する。
【００３７】
減算器２８は、ｄ軸電流指令値Ｉd*から実際のｄ軸電流値Ｉdを減算してｄ軸電流偏差ΔＩdを算出する機能を有し、減算器３０は、ｑ軸電流指令値Ｉq*から実際のｑ軸電流値Ｉqを減算してｑ軸電流偏差ΔＩqを算出する機能を有する。
【００３８】
実際のｄ軸電流値ｉdと実際のｑ軸電流値ｉqは、３相−２相座標変換部３８の機能によって、ロータの電気角と、回転電機２０の各相電流値ＩU，ＩV，ＩWとに基づいて算出される。ロータの電気角は、図示されていないレゾルバによって検出される。各相電流値ＩU，ＩV，ＩWは、インバータ回路１８の各相アームと回転電機２０の各相コイルとを接続する電力線を流れる電流を検出することで得られる。回転電機２０の各相コイルの各一方側端子が中立点で相互に接続される方式のときは、符号を含めた各相電流の和は０となるので、２つの相電流を検出することで十分である。図１では、Ｖ相電流値ＩVとＷ相電流値ＩWの２つを検出することが示されている。残るＵ相電流値ＩUは、ＩU＝−（ＩV＋ＩW）で求められる。
【００３９】
フィードバック制御部３２は、ｄ軸電流偏差ΔＩdとｑ軸電流偏差ΔＩqについて、所定のゲインの下で比例積分制御を行ってこれらに対応する制御偏差を求め、その制御偏差に応じたｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*を算出する機能を有する。このように、フィードバック制御部３２は、比例積分（ＰＩ）制御回路である。減算器２８，３０と、フィードバック制御部３２によって、ＰＷＭ制御モードおよび過変調制御モードにおける電流フィードバックが行われる。
【００４０】
指令選択部３４は、制御モードの切替のときに、変調度を切替閾値変調度にリセットし直して、ｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*を算出する機能を有する。例えば、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードに切り替える初回のときは、フィードバック制御部３２によるＰＩ制御を禁止し、代わって、指令選択部３４において、変調度＝切替閾値変調度＝０．６１として、ｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*を算出する。ここでいう変調度は、なまし変調度である。指令選択部３４は、なまし変調度を切替閾値変調度に上書きし、それに基づいてｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*を出力する回路である。
【００４１】
フィードバック制御部３２または指令選択部３４によって出力されるｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*は、２相−３相座標変換部３６に入力される。２相−３相座標変換部３６は、３相−２相座標変換部３８と逆変換の関係にあるもので、ロータの電気角と、ｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*に基づいて、Ｕ相電圧ＶU、Ｖ相電圧ＶV、Ｗ相電圧ＶWを算出する機能を有する。算出された各相電圧は、搬送波（キャリア）と比較されて、パルス幅変調（ＰＷＭ）された各相駆動信号として、インバータ回路１８に出力される。
【００４２】
インバータ回路１８は、各相駆動信号に応じて、スイッチング素子をオンオフし、回転電機２０の各相コイルに流す電流を制御して、回転電機２０を回転駆動する。インバータ回路１８の各相アームと回転電機２０の各相コイルとを接続する電力線を流れる電流は、上記のように、３相−２相座標変換部３８を介して、減算器２８，３０にフィードバックされる。このようにして、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードの電流フィードバックが行われる。
【００４３】
制御装置４０は、特に、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間の切替を適切に実行する機能を有する。制御装置４０は、実際の変調度である実変調度と、実変調度になまし処理を施したなまし変調度を求める変調度取得部４２と、実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える制御モード切替部４４を含んで構成される。
【００４４】
次に、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードに切り替えるときの課題を、回転電機２０の過渡状態を例にして、図２、図３を用いて説明する。回転電機２０の過渡状態として、回転電機２０が過変調制御モードで動作中に、車両がスリップ・グリップ状態となった場合を取り上げる。車両がスリップ状態となると、車輪の負荷が急に軽くなるため、回転電機２０の回転数が急上昇する。過変調制御モードでは、搬送波（キャリア）の周波数を回転電機２０の回転数に同期させることが多く、ＰＷＭ制御モードに比較して、制御応答性が遅くなっている。スリップ状態となると、回転電機２０の動作状態が急変するので、緊急的に対応するため、予め定めた一時的期間だけ、応答性のよいＰＷＭ制御に切替えられる。これによって、スリップ状態に対し適切な制御を行って、グリップ状態に落ち着かせることができる。
【００４５】
図２は、その時の様子を、変調度の時間的変化と、制御モードの時間的変化で示す図である。図２の上側の図は、横軸が時間、縦軸が変調度である。縦軸の切替閾値変調度は、これ以下の変調度ではＰＷＭ制御モード、これを超える変調度では過変調制御モードとなる変調度で、０．６１から０．７８の間で予め設定される値である。図２において、破線が実際の変調度の時間的変化を示す実変調度特性線５０で、実線がなまし変調度の時間的変化を示すなまし変調度特性線５２である。図２の下側の図は、横軸が時間、縦軸は、制御モードごとに異なる値をとるようにして、制御モードの違いを示している。
【００４６】
時間ｔ0は、過変調制御モードの定常状態のときである。このとき、実変調度特性線５０も、なまし変調度特性線５２も、共に、切替閾値変調度を超えている。時間ｔ1は、スリップが検出されたときである。スリップ検出は、例えば、車軸回転数の単位時間当たりの変化量が予め定めた判定閾値を超えたことで行われる。スリップが検出されると、過変調制御モードから、緊急ＰＷＭ制御モードに切り替えられる。図２では、時間ｔ2において、その切替が行われ、なまし変調度特性線５２が、時間ｔ2において、なまし変調度＝切替閾値変調度に上書きされて書き換えられる。
【００４７】
緊急ＰＷＭ制御モードに切り替えられると、なまし変調度は切替閾値変調度を超えた値であるが、制御モードは応答性のよいＰＷＭ制御モードとされる。つまり、なまし変調度は、過変調制御モードの領域の値であるが、制御そのものはＰＷＭ制御が行われる。したがって、実変調度特性線５０もなまし変調度特性線５２も、時間ｔ2以降、変調度が増大する。緊急ＰＷＭ制御モードでは応答性がよいので、スリップ状態からグリップ状態に速やかに遷移し、そこから変調度が低下を始める。
【００４８】
緊急ＰＷＭ制御モードへの切替は、過渡状態の処理のための一時的なものであるので、予め定めた所定期間が経過すると、そこでなまし変調度特性を見て、制御モードをどのようにするかが判断される。図２では、時間ｔ2から時間ｔ4までがその所定期間である。時間ｔ3は、時間ｔ4から見て、単位制御サイクル時間前の時間で、このときに、実際の制御モード判断が開始する。
【００４９】
図２において、時間ｔ4の状態を見ると、実変調度特性線５０は、緊急ＰＷＭ制御の効果により、グリップ状態に遷移し、回転電機２０の回転数が低下することから、変調度が切替閾値変調度以下となっている。これに対し、なまし変調度特性線５２は、なまし処理が施されるので、実変調度特性線５０の短時間での急激な変調度変化に追従しきれずに、切替閾値変調度を超えている。このように、時間ｔ4において、実変調度特性線５０と、なまし変調度特性線５２との間に乖離５３が生じている。
【００５０】
時間ｔ4における制御モード切替判定は、なまし変調度特性線５２に基づいて行われるので、なまし変調度特性線５２が切替閾値変調度を超えていることを受けて、制御モードがＰＷＭ制御モードから過変調制御モードに切り替えられる。ここで、過変調制御モードに切り替えられると、ＰＷＭ制御モードからの初回の切替であるので、フィードバック制御部３２の動作が禁止され、指令選択部３４によってなまし変調度が切替閾値変調度に書き換えられる。図２において、時間ｔ4でなまし変調度特性線５２が切替閾値変調度とされるのは、そのことを示している。
【００５１】
ところが、時間ｔ4において、実変調度特性線５０は、変調度＝［｛（Ｖd*）2＋（Ｖq*）2｝1/2］／ＶHで計算された値が切替閾値変調度以下となっている。ここで、なまし変調度＝切替閾値変調度とされると、なまし変調度と実変調度との間に乖離５３が生じる。そこで、実変調度に対応する回転電機２０の線間電圧よりも高い線間電圧となるように、制御が行われる。そのため、その線間電圧の相違分に相当する電流がインバータ回路１８と回転電機２０に過大に流れることになる。これが、本発明が解決しようとする課題である。
【００５２】
図３は、その様子を制御モードの変化で示す図である。図３の横軸は回転電機２０の回転数、縦軸は回転電機２０が出力するトルクである。トルク×回転数＝パワーであるので、等パワー特性線は、図３で双曲線となる。図３では、トルク最大値で制限された最大パワー特性線６０が示されている。この最大パワー特性線６０の範囲で、低回転数、低パワーの領域６２においてＰＷＭ制御モードが用いられ、これよりも回転数が上がり、パワーが増大するに従って、過変調制御モードの領域６４、矩形波制御モードの領域６６となる。
【００５３】
図２において、時間ｔ0は過変調制御モードの定常状態のときであるが、その動作点は、図３において、Ａ点で示されている。ここで時間ｔ1においてスリップ状態となると、車輪が空転するので回転数Ｎが上昇し、動作点がＢに変化する。ここで、過変調制御モードから緊急ＰＷＭ制御モードに切り替えられる。緊急ＰＷＭ制御モードは制御応答性がよいので、短時間で、スリップ状態からグリップ状態に遷移できる。グリップ状態となると、動作点が変化する。図３ではその動作点をＣで示した。グリップ状態に落ち着いたところで、元の過変調制御モードに戻りたいが、上記のように、実変調度となまし変調度との間に乖離５３があると、過大な電流がインバータ回路１８等に流れることになる。
【００５４】
図４は、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードへ切り替える際に、過大電流が流れることを抑制する手順を示すフローチャートである。この手順は、過大電流が流れる心配がないときに限って過変調制御モードに切り替え、過大電流が流れる恐れがあるときはＰＷＭ制御モードのままとすることを内容とする。
【００５５】
すなわち、ＰＷＭ制御モードであるとき（Ｓ１０）に、なまし変調度が切替閾値変調度を超えているか否かを判断する（Ｓ１２）。判断が否定されれば、Ｓ１８に進み、ＰＷＭ制御モードのままとされる。
【００５６】
Ｓ１２の判断が肯定されると、実変調度が切替閾値変調度を超えるか否かが判断される（Ｓ１４）。Ｓ１４の判断が否定されると、Ｓ１８に進み、ＰＷＭ制御モードが維持される。Ｓ１４の判断が肯定されると、Ｓ１６に進み、過変調制御モードに切り替えられる。換言すれば、なまし変調度が切替閾値変調度を超えていても、実変調度が切替閾値変調度以下の場合は、過変調制御モードに切り替えない。この場合に、図１のブロック図において、指令選択部３４は動作せず、なまし変調度の上書きが行われない。フィードバック制御部３２が今までの電流フィードバック制御を維持する。これによって、なまし変調度と実変調度との間に乖離５３が生じても、制御モードの切替が行われず、過電流が流れることもない。
【００５７】
その様子を図５に示す。図５は、図２と横軸、縦軸が同じで、時間ｔ3までの経過は図２と同じである。時間ｔ4において、なまし変調度特性線５４は、切替閾値変調度を超えているが、実変調度特性線５０は、切替閾値変調度以下である。したがって、図４のＳ１４の判断が否定され、Ｓ１８に進み、ＰＷＭ制御モードが維持される。したがって、なまし変調度特性線５４は時間ｔ4において強制的に切替閾値変調度に上書きされることもなく、実変調度特性線５０をそのままなまし処理した特性線となる。
【００５８】
上記では、時間ｔ4において、実変調度特性線５０が切替閾値変調度以下の場合、なまし変調度特性線５４を切替閾値変調度に上書きしないこととして、ＰＷＭ制御モードを維持することとした。ＰＷＭ制御モードを維持するもう１つの方法は、時間ｔ4において、なまし変調度を、実変調度に合わせることである。こうすれば、なまし変調度が切替閾値変調度以下となるので、図４のＳ１２が否定され、Ｓ１８に進み、ＰＷＭ制御モードが維持される。
【００５９】
その様子を図６に示す。図６は、図２、図５と横軸、縦軸が同じで、時間ｔ3までの経過は図２、図５と同じである。時間ｔ4において、なまし変調度特性線５６は、実変調度特性線５０と一致するところまで、みなし変調度を低下させる。これによって、ＰＷＭ制御モードが維持されることになる。
【００６０】
図２のように、ＰＷＭ制御モードにおいて、実変調度特性線５０と、なまし変調度特性線５２に乖離５３が生じ、なまし変調度特性線５２が切替閾値変調度を超え、一方で実変調度特性線が切替閾値変調度以下となることは、回転電機２０の過渡状態のときである。そこで、図４のフローチャートにおいて、過渡状態にある判定がなされたか否かの処理手順を加え、過渡状態にある判定がなされてなければ、過変調制御モードに切り替えるものとしてもよい。
【００６１】
図７は、そのような手順を示すフローチャートである。ここでは、Ｓ１２とＳ１４の判断が共に肯定されると、さらに、過渡状態にある判定がなされたか否かとして、スリップ判定がなされたか否かの判断が行われる（Ｓ２０）。スリップ判定は、上記のように、車軸回転数の単位時間当たりの変化量が予め定めた判定閾値を超えたか否か等で行うことができる。スリップ判定がなされていないときは、例えば、実変調度特性線５０となまし変調度特性線５２とがともに切替閾値変調度の近傍にあり、たまたま、なまし変調度特性線５２が切替閾値変調度を超え、実変調度特性線５０が切替閾値変調度以下であるときである。このようなときは、過変調制御モードに切り替えても、過大電流が流れる恐れが少ない。なお、スリップ判定がなされていれば、Ｓ２０の判断が肯定され、Ｓ１８に進み、ＰＷＭ制御モードが維持される。
【００６２】
図８は、なまし変調度と実変調度との差である変調度偏差が、予め定めた許容変調度偏差範囲であれば、過変調制御モードへ切り替えることとする手順を示すフローチャートである。
【００６３】
ここでは、Ｓ１２において、なまし変調度が切替閾値変調度を超えることが肯定されると、次に、変調度偏差＝（なまし変調度）−（実変調度）を算出する（Ｓ２２）。そして算出された変調度偏差が予め定めた許容変調度偏差を超えるときはＳ１８に進み、ＰＷＭ制御モードを維持するが、許容変調度偏差以下のときは、Ｓ１６に進み、過変調制御モードに切り替える。変調度偏差が許容変調度偏差以下の場合とは、図７で説明したように、実変調度特性線５０となまし変調度特性線５２とがともに切替閾値変調度の近傍にあるとき等である。
【００６４】
その様子を図９に示す。図９は、図２、図５、図６と横軸、縦軸が同じで、時間ｔ3までの経過は図２、図５、図６と同じである。時間ｔ4において、なまし変調度と実変調度との差である変調度偏差と、許容変調度偏差が示されている。図９の場合、変調度偏差が許容変調度偏差を超えているので、ＰＷＭ制御モードが維持され、図５と同様の内容となる。
【００６５】
図１０は、図６に対応する図である。すなわち、図８のフローチャートにおいて、Ｓ２４の判断が否定されてＰＷＭ制御モードを維持するもう１つの方法として、なまし変調度を、実変調度に合わせる方法を採用した場合を示す図である。この場合も、図６と同様に、ＰＷＭ制御モードが維持される。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明に係る回転電機制御システムは、燃料電池車両、ハイブリッド車両等に搭載される回転電機の制御に利用できる。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 回転電機制御システム、１２ 電源回路ブロック、１４ 蓄電装置、１６ 電圧変換器、１８ インバータ回路、２０ 回転電機、２２ （電流フィードバックの）制御ブロック、２４ 動作目標指令値、２６ 電流指令生成部、２８，３０ 減算器、３２ フィードバック制御部、３４ 指令選択部、３６ ２相−３相座標変換部、３８ ３相−２相座標変換部、４０ 制御装置、４２ 変調度取得部、４４ 制御モード切替部、５０ 実変調度特性線、５２，５４，５６ なまし変調度特性線、５３ 乖離、６０ 最大パワー特性線、６２ ＰＷＭ制御モードの領域、６４ 過変調制御モードの領域、６６ 矩形波制御モードの領域。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ回路の直流電圧であるシステム電圧に対する回転電機印加電圧である線間電圧の実効値の比を変調度として、実際の変調度である実変調度と、実変調度になまし処理を施したなまし変調度を求める変調度取得部と、
実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える切替部と、
を備えることを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
切替部は、
実変調度と、なまし変調度とが、共に、予め定めた切替閾値変調度を超えたときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行うことを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項３】
請求項２に記載の回転電機制御システムにおいて、
切替部は、
なまし変調度が切替閾値変調度を超え、実変調度が切替閾値変調度以下であるとき、なまし変調度を強制的に実変調度に合わせて、ＰＷＭ制御モードを継続することを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項４】
請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
切替部は、
なまし変調度と実変調度との間の変調度偏差が、予め定めた許容変調度偏差以内のときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行うことを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項５】
請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
切替部は、
回転電機の運転状態が過渡状態にあるときに、予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替えることを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項１】
インバータ回路の直流電圧であるシステム電圧に対する回転電機印加電圧である線間電圧の実効値の比を変調度として、実際の変調度である実変調度と、実変調度になまし処理を施したなまし変調度を求める変調度取得部と、
実変調度となまし変調度の間について予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替える切替部と、
を備えることを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
切替部は、
実変調度と、なまし変調度とが、共に、予め定めた切替閾値変調度を超えたときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行うことを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項３】
請求項２に記載の回転電機制御システムにおいて、
切替部は、
なまし変調度が切替閾値変調度を超え、実変調度が切替閾値変調度以下であるとき、なまし変調度を強制的に実変調度に合わせて、ＰＷＭ制御モードを継続することを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項４】
請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
切替部は、
なまし変調度と実変調度との間の変調度偏差が、予め定めた許容変調度偏差以内のときに、ＰＷＭ制御モードから過変調制御モードにモード切替を行うことを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項５】
請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
切替部は、
回転電機の運転状態が過渡状態にあるときに、予め定めた所定条件に基づいて、ＰＷＭ制御モードと過変調制御モードとの間で制御モードを切り替えることを特徴とする回転電機制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−３４３４７（Ｐ２０１３−３４３４７Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７００５６（Ｐ２０１１−１７００５６）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００１００７６８）アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 (3,717)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００１００７６８）アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 (3,717)
【Ｆターム（参考）】
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