JP2006187090A - 発電機電力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電電圧と発電電流の両方を制御して、効率の良い発電制御を行うことができる発電機電力制御装置を提供する。
【解決手段】モータトルク指令値Ｔｔに基づいて発電機７が出力すべき電力Ｐｇを演算し、この電力Ｐｇを出力するための発電電圧指令値Ｖｄｃ^*と発電電流指令値Ｉｄｃ^*とを演算する。そして、ＰＷＭパルス幅を変更することでインバータ９の負荷を変更して、実発電電圧値Ｖｄｃ及び実発電電流値Ｉｄｃが発電電圧指令値Ｖｄｃ^*及び発電電流指令値Ｉｄｃ^*に追従するように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主駆動軸を駆動する内燃機関（エンジン）で発電機を駆動し、その発電機で交流モータを駆動する４ＷＤ車両において、発電機の電力を制御する発電機電力制御装置に関するものである。

従来の発電機電力制御装置としては、モータトルク指令値に基づいて発電機に必要な電圧指令値を演算し、発電機の出力電圧値がこの電圧指令値となるようにフィードバック制御してモータへ電圧を供給するというものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２３９８５２号公報

しかしながら、上記従来の発電機電力制御装置にあっては、電圧指令値と出力電圧値との偏差に対してフィードバック制御を施すことで発電制御を行っているだけであり、発電電圧と発電電流の両方を制御することはできない。そのため、モータの要求に応じた必要電力を効率良く供給することができない可能性があることから、適切にトルクを出すことができない可能性があるという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、発電電圧と発電電流の両方を制御して、適切な発電制御を行うことができる発電機電力制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る発電機電力制御装置は、電力演算手段で交流モータの要求に応じて発電機が出力すべき必要電力を演算し、界磁制御手段で前記発電機の界磁を制御し、負荷変更手段でインバータの負荷を変更し、電力制御手段で、前記界磁制御手段と前記負荷変更手段とにより、前記発電機の発電電圧及び発電電流を、前記必要電力を出力するための発電電圧指令値及び発電電流指令値に制御する。

本発明によれば、発電機の界磁の制御とインバータ負荷の変更とにより発電電流と発電電圧の両方を指令値に追従させることができるので、モータの要求に応じた電力を効率良く供給することができ、適切な発電制御を行って必要なトルクを出すことができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を四輪駆動車両に適用した場合の概略構成図である。
この図１に示すように、本実施形態の車両は、左右前輪１Ｌ、１Ｒが、内燃機関であるエンジン２によって駆動される主駆動輪であり、左右後輪３Ｌ、３Ｒが、モータ４によって駆動可能な従駆動輪である。

前記エンジン２の吸気管路には、例えばメインスロットルバルブとサブスロットルバルブとが介装されている。メインスロットルバルブは、アクセルペダルの踏込み量等に応じてスロットル開度が調整制御される。サブスロットルバルブは、ステップモータ等をアクチュエータとし、そのステップ数に応じた回転角により開度が調整制御される。従って、サブスロットルバルブのスロットル開度をメインスロットルバルブの開度以下等に調整することによって、運転者のアクセルペダルの操作とは独立して、エンジンの出力トルクを減少させることができる。つまり、サブスロットルバルブの開度調整が、エンジン２による前輪１Ｌ、１Ｒの加速スリップを抑制する駆動力制御となる。

上記エンジン２の出力トルクＴｅは、トランスミッション及びデファレンスギヤ５を通じて左右前輪１Ｌ、１Ｒに伝達される。また、エンジン２の出力トルクＴｅの一部は、無端ベルト６を介して発電機７に伝達されることで、発電機７は、エンジン２の回転数Ｎｅにプーリ比を乗じた回転数Ｎｇで回転する。
上記発電機７は、４ＷＤコントローラ８によって調整される界磁電流Ｉｆｇに応じてエンジン２に対し負荷となり、その負荷トルクに応じた発電をする。この発電機７の発電電力の大きさは、回転数Ｎｇと界磁電流Ｉｆｇとの大きさにより決定される。なお、発電機７の回転数Ｎｇは、エンジン２の回転数Ｎｅからプーリ比に基づき演算することができる。

発電機７が発電した電力は、ジャンクションボックス１０及びインバータ９を介してモータ４に供給可能となっている。前記モータ４の駆動軸は、減速機１１及びクラッチ１２を介して後輪３Ｌ、３Ｒに接続可能となっている。なお、本実施形態のモータ４は交流モータである。また、図中の符号１３はデファレンスギヤを示す。
ジャンクションボックス１０内には、インバータ９と発電機７とを接続・遮断するリレーが設けられている。そして、このリレーが接続されている状態で、発電機７から供給された電力は、インバータ９内で三相電流に変換されてモータ４を駆動する。

また、ジャンクションボックス１０内には、発電電圧を検出する発電機電圧センサと、インバータ９の入力電流である発電電流を検出する発電機電流センサとが設けられ、これらの検出信号は４ＷＤコントローラ８に出力される。また、モータ４の駆動軸にはレゾルバが連結されており、モータ４の磁極位置信号θを出力する。
また、前記クラッチ１２は、例えば湿式多板クラッチであって、４ＷＤコントローラ８からの指令に応じて締結及び開放を行う。なお、本実施形態においては、締結手段としてのクラッチを湿式多板クラッチとしたが、例えばパウダークラッチやポンプ式クラッチであってもよい。

また、各車輪１Ｌ、１Ｒ、３Ｌ、３Ｒには、車輪速センサ２７ＦＬ、２７ＦＲ、２７ＲＬ、２７ＲＲが設けられている。各車輪速センサ２７ＦＬ、２７ＦＲ、２７ＲＬ、２７ＲＲは、対応する車輪１Ｌ、１Ｒ、３Ｌ、３Ｒの回転速度に応じたパルス信号を車輪速検出値として４ＷＤコントローラ８に出力する。
前記４ＷＤコントローラ８は、例えばマイクロコンピュータ等の演算処理装置を備えて構成され、前記各車輪速度センサ２７ＦＬ〜２７ＲＲで検出される車輪速度信号、ジャンクションボックス１０内の電圧センサ及び電流センサの出力信号、モータ４に連結されたレゾルバの出力信号及びアクセルペダル（不図示）の踏込み量に相当するアクセル開度等が入力される。

４ＷＤコントローラ８は、図２に示すように、目標モータトルク演算部８Ａ、電力演算手段としての発電機供給電力演算部８Ｂ、発電電流指令演算部８Ｃ、界磁制御手段としての発電機制御部８Ｄ、モータ制御部８Ｅ、ＴＣＳ制御部８Ｆ、クラッチ制御部８Ｇを備える。
目標モータトルク演算部８Ａは、４輪の車輪速度信号に基づいて算出される前後輪の車輪速度差とアクセルペダル開度信号とから、モータトルク指令値Ｔｔを算出する。

発電機供給電力演算部８Ｂは、トルク指令値Ｔｔ、モータ回転数Ｎｍに基づいて、次式をもとに発電機供給電力Ｐｇを演算する。
Ｐｇ＝Ｔｔ×Ｎｍ／Иｍ ………（１）
ここで、Иｍはインバータ効率である。即ち、発電機供給電力Ｐｇは、トルク指令値Ｔｔとモータ回転数Ｎｍとの積により求められるモータに必要な電力Ｐｍ（＝Ｔｔ×Ｎｍ）よりインバータ効率Иｍ分多い値となる。

発電電流指令演算部８Ｃは、前記発電機供給電力演算部８Ｂで算出された発電機供給電力Ｐｇと、後述するモータ制御部８Ｅで算出される発電電圧指令値Ｖｄｃ^*とに基づいて、次式をもとに発電電流指令値Ｉｄｃ^*を演算する。
Ｉｄｃ^*＝Ｐｇ／Ｖｄｃ^* ………（２）
ＴＣＳ制御部８Ｆは、図示しないエンジントルク制御コントローラ（ＥＣＭ）からのエンジン発生駆動トルクデマンド信号Ｔｅｔ、左右前輪の回転速度Ｖ_FR，Ｖ_FL、車速Ｖに基づいて、公知の方法によりＥＣＭに対してエンジン発生駆動トルクデマンド信号Ｔｅを送り返すことにより前輪トラクションコントロール制御を行う。
クラッチ制御部８Ｇは、上記クラッチ１２の状態を制御し、４輪駆動状態と判定している間はクラッチ１２を接続状態に制御する。

図３は、発電機７の発電制御を行う発電機制御部８Ｄの詳細を示すブロック図である。
この発電機制御部８Ｄは、Ｐ制御部１０１と、Ｉ制御部１０２と、ＦＦ制御部１０３と、制御量加算部１０４と、界磁制御部１０５とで構成され、界磁電圧ＰＷＭデューティー比Ｃ１を決定して発電機７の界磁電流ＩｆｇをＰＷＭ制御する。
Ｐ制御部１０１では、前記（２）式により算出された発電電流指令値Ｉｄｃ^*と実発電電流値Ｉｄｃとの偏差に基づいてＰ制御を行う。先ず、発電電流指令値Ｉｄｃ^*と実発電電流値Ｉｄｃとの偏差に所定のゲインを乗算する。そして、発電機の回転数変動に対してゲインの感度を一定にするために、この値に発電機回転数Ｎｇの逆数を乗算し、これをＰ制御における制御量Ｖｐとして後述する制御量加算部１０４に出力する。

Ｉ制御部１０２では、前記（２）式により算出された発電電流指令値Ｉｄｃ^*と実発電電流値Ｉｄｃとの偏差に基づいてＩ制御を行う。つまり、発電電流指令値Ｉｄｃ^*と実発電電流値Ｉｄｃとの偏差を積分していく。ここで、積分値は上限値及び下限値をもつ。そして、上記Ｐ制御同様、この積分値に発電機回転数Ｎｇの逆数を乗算し、これをＩ制御における制御量Ｖｉとして後述する制御量加算部１０４に出力する。

ＦＦ制御部１０３では、予め格納された各回転数毎の発電機特性マップを参照し、発電電圧指令値Ｖｄｃ^*と発電電流指令値Ｉｄｃ^*とに基づいて、フィードフォワードで発電機界磁電圧のＰＷＭデューティー比Ｄ１を求める。そして、そのＰＷＭデューティー比Ｄ１と発電電圧指令値Ｖｄｃ^*とに基づいて、次式をもとにＦＦ制御における制御量Ｖｆｆを算出し、制御量加算部１０４に出力する。

Ｖｆｆ＝Ｄ１×Ｖｄｃ^* ………（３）

制御量加算部１０４では、制御量Ｖｐと制御量Ｖｉと制御量Ｖｆｆとを加算し、これを界磁コイルにかける電圧Ｖｆとして界磁制御部１０５に出力する。
界磁制御部１０５では、実発電電圧値Ｖｄｃが発電機７の界磁電流電源としてのバッテリ電圧Ｖｂ（１２Ｖ）以下であるか否かを判定し、Ｖｄｃ≦Ｖｂであるときには下記（４）式をもとに界磁電圧ＰＷＭのデューティー比Ｃ１を算出する。
Ｃ１＝Ｖｆ／Ｖｂ ………（４）

一方、Ｖｄｃ＞Ｖｂであるときには、下記（５）式をもとに界磁電圧ＰＷＭデューティー比Ｃ１を算出する。
Ｃ１＝Ｖｆ／Ｖｄｃ ………（５）
そして、このようにして算出されたデューティー比Ｃ１に応じて、発電機７の界磁電流Ｉｆｇを制御する。

つまりこの発電機制御部８Ｄでは、トルク指令値Ｔｔから決まる発電機供給電力Ｐｇを実現する発電機動作点をフィードフォワードで指定すると共に、発電電圧指令値Ｖｄｃ^*と実発電電圧値Ｖｄｃとの偏差をＰＩ補償にてフィードバックすることにより、実発電電圧値Ｖｄｃを発電電圧指令値Ｖｄｃ^*に追従させる。
なお、ここではフィードバック制御に用いる制御手法としてＰＩ補償を適用しているが、これに限定されるものではなく、系を安定にする制御手法であればよい。

ところで、モータ４がトルク指令値Ｔｔに一致するためのトルクを出すためには、発電機７は発電電圧指令値Ｖｄｃ^*と発電電流指令値Ｉｄｃ^*とを出力する必要がある。この発電電圧指令値Ｖｄｃ^*及び発電電流指令値Ｉｄｃ^*は、発電機７が発電機供給電力Ｐｇを供給するために最も効率の良い電圧及び電流である。つまり、発電電圧指令値Ｖｄｃ^*と発電電流指令値Ｉｄｃ^*との両方を満足することができれば、効率良く発電機供給電力Ｐｇを出力することができる。

図４は、発電機７の特性を示す図であり、横軸は発電電流、縦軸は発電電圧である。この図４において、直線Ａは発電機７の界磁電流Ｉｆｇが一定であるときに、インバータ負荷（インピーダンス）によって発電機７の出力が取り得るＩｆ一定線である。つまり、インピーダンスが小さいときには、界磁電流Ｉｆｇが同じでも点ｂに示すように電圧が低く電流が高くなり、逆にインピーダンスが大きいときには、界磁電流Ｉｆが同じでも点ｃに示すように電圧が高く電流が低くなるなど、発電機７が取り得る動作点はＩｆ一定線上を動くことになる。
そのため、発電電圧指令値Ｖｄｃ^*と発電電流指令値Ｉｄｃ^*との両方を満足し、最も効率の良い動作点ａとするためには、インバータ負荷を調整する必要がある。

図５は、インバータ９によりモータ４を制御するモータ制御部８Ｅの詳細を示すブロック図である。
モータ制御部８Ｅは、Ｉｄ，Ｉｑ指令値演算部２０１と、Ｖｄ，Ｖｑ指令値演算部２０２と、Ｖｄｃ^*指令値演算部２０３と、２相／３相変換部２０４と、ＰＩ制御部２０５と、振幅補正部２０６と、ＰＷＭ制御部２０７と、界磁電流指令値演算部２０８と、界磁磁束演算部２０９とで構成され、トルク指令値Ｔｔが入力されて実モータトルクＴがトルク指令値Ｔｔとなるようにインバータ９の３相のパワー素子をスイッチング制御する。

Ｉｄ，Ｉｑ指令値演算部２０１では、トルク指令値Ｔｔとモータ回転数Ｎｍとに基づいて、このトルク指令値Ｔｔに一致するトルクを出力するためのｄ軸（磁束成分）電流とｑ軸（トルク成分）電流との指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒを演算し、Ｖｄ，Ｖｑ指令値演算部２０２に出力する。
Ｖｄ，Ｖｑ指令値演算部２０２では、Ｉｄ，Ｉｑ指令値演算部２０１から入力される電流指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒと、モータ回転数Ｎｍと、後述する界磁磁束演算部２０９から入力されるモータパラメータ（インダクタンス、界磁磁束）とに基づいて、ｄ軸電流値Ｉｄをｄ軸電流指令値Ｉｄｒにするためのｄ軸電圧指令値Ｖｄｒと、ｑ軸電流値Ｉｑをｑ軸電流指令値Ｉｑｒにするためのｑ軸電圧指令値Ｖｑｒとを演算する。

Ｖｄｃ^*指令値演算部２０３では、Ｖｄ，Ｖｑ指令値演算部２０２で算出された電圧指令値Ｖｄｒ、Ｖｑｒに基づいて、発電電圧指令値Ｖｄｃ^*を演算し、前述した図３の発電機制御部８Ｄに出力する。
２相／３相変換部２０４では、ｄｑ軸電圧指令値Ｖｄｒ，Ｖｑｒを３相正弦波指令値である３相座標系のＵ相電圧指令値Ｖｕｒ、Ｖ相電圧指令値Ｖｖｒ、Ｗ相電圧指令値Ｖｗｒに変換し、後述する振幅補正部２０６に出力する。

また、ＰＩ制御部２０５では、前記Ｖｄｃ^*指令値演算部２０３で算出された発電電圧指令値Ｖｄｃ^*と実発電電圧Ｖｄｃとの偏差ΔＶｄｃを入力としてＰＩ制御を行って、振幅補正部２０６に出力する。なお、ここではΔＶｄｃに対してＰＩ制御を行う場合について説明したが、これに限定されるものではなく、系を安定にする補償方法であればよい。
そして、振幅補正部２０６では、前記２相／３相変換部２０４から出力された３相正弦波指令値の振幅を補正し、ＰＷＭ制御部２０７で、補正された３相正弦波指令値と三角波とを比較してＰＷＭ指令を演算し、インバータ９に出力するスイッチング信号を生成する。インバータ９は、このスイッチング信号に応じたＰＷＭ波電圧を生成してモータ４へ印加し、これによりモータ４が駆動される。

上記振幅補正では、発電電圧指令値Ｖｄｃ^*と実発電電圧Ｖｄｃとを比較し、Ｖｄｃ^*＞Ｖｄｃであるときには振幅を小さくすることにより、ＰＷＭのパルス幅を小さくする。その結果、インピーダンスは大きくなって、電圧を大きくすることができる。逆に、Ｖｄｃ^*＜Ｖｄｃであるときには振幅を大きくすることにより、ＰＷＭのパルス幅を大きくする。その結果、インピーダンスは小さくなって、電圧を小さくすることができる。

また、界磁電流指令値演算部２０８では、モータ回転数Ｎｍに基づいて界磁電流指令値を演算して界磁磁束演算部２０９に出力し、この界磁磁束演算部２０９で界磁磁束を演算して前述したＶｄ，Ｖｑ指令値演算部２０２に出力する。
この図５において、ＰＩ制御部２０５及び振幅補正部２０６が負荷変更手段（パルス幅変更手段）に対応し、ＰＷＭ制御部２０７がＰＷＭ制御手段に対応している。

次に、本実施形態の動作について説明する。
今、車両が４輪駆動状態と判定されて、車輪速及びアクセルペダル開度に基づいてモータトルク指令値Ｔｔが算出されたものとする。この場合には、発電機制御部８Ｄにおいて、モータトルク指令値Ｔｔにより算出される発電電流指令値Ｉｄｃ^*と実発電電流値Ｉｄｃとの偏差に対してＰＩ制御が施され、実発電電流値Ｉｄｃが発電電流指令値Ｉｄｃ^*に追従するように発電機７の界磁電流Ｉｆｇが制御される。このとき、図４の発電機７の特性図において、直線Ａに示すＩｆ一定線が決定されることになる。

そして、モータ制御部８Ｅにおいて、トルク指令値Ｔｔやモータ回転数Ｎｍに基づいてインバータ９の３相のパワー素子をスイッチング制御するために３相正弦波指令を演算し、この３相正弦波指令に基づいてＰＷＭ指令を演算しインバータ９に出力する。このとき、発電電圧指令値Ｖｄｃ^*と実発電電圧値Ｖｄｃとの偏差に対してＰＩ制御を施し、３相正弦波指令の振幅を補正する。

実発電電圧値Ｖｄｃが発電電圧指令値Ｖｄｃ^*より低い場合には、動作点はＩｆ一定線上の点ｂにあることになる。そこで、インピーダンスを変更して動作点ｂをモータトルクを出すために最も効率の良い動作点ａにもっていくようにする。
つまり、Ｖｄｃ＜Ｖｄｃ^*であるときには、３相正弦波指令の振幅を小さく補正する。これにより、ＰＷＭのパルス幅は小さくなり、インバータ９のインピーダンスは大きくなって実発電電圧値Ｖｄｃは大きくなる。このようにして、動作点ｂを動作点ａに一致させる。これは、一点鎖線に示す負荷一定線（インバータ負荷一定のときに発電機が取り得る動作点）を決定することに相当する。

したがって、実発電電圧Ｖｄｃ及び実発電電流Ｉｄｃは、発電電圧指令値Ｖｄｃ^*及び発電電流指令値Ｉｄｃ^*に追従することになり、最も効率の良い動作点でモータを駆動することができる。
また、曲線Ｂ１〜Ｂ４は、発電機７の自励領域において、界磁電圧ＰＷＭデューティー比Ｃ１を固定とし、発電機７の負荷を徐々に変化させた場合の動作点の軌跡であり、曲線Ｂ１〜Ｂ４はデューティー比Ｃ１の違いを示している。

このように、本実施形態では、発電機制御で実発電電流値と発電電流指令値との偏差に基づいて、実発電電流値が発電電流指令値に追従するように制御し、モータ制御で、実発電電圧値と発電電圧指令値との偏差に基づいてインバータの負荷を変更することにより、実発電電圧値が発電電圧指令値に追従するように制御するので、適切な発電制御が行われて効率よくトルクを出すことができる。

また、モータに供給するＰＷＭパルス幅を変更することでインバータの負荷を変更するので、比較的容易に実発電電圧値を発電電圧指令値に追従させることができる。
なお、上記実施形態においては、発電電圧指令値と実発電電圧との偏差に基づいて３相正弦波指令値の振幅を補正することでＰＷＭパルス幅を変更する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、発電電圧指令値と実発電電圧との偏差に基づいてｄ，ｑ軸電流指令値やｄ，ｑ軸電圧指令値等、インバータの負荷に寄与する変数を補正することでＰＷＭパルス幅を変更するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、発電機制御で発電電流を目標値に追従させ、モータ制御で発電電圧を目標値に追従させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、発電機制御で発電電圧を目標値に追従させ、モータ制御で発電電流を目標値に追従させるようにしてもよい。

本発明の実施形態を示す概略構成図である。 ４ＷＤコントローラのブロック図である。 発電機制御部の詳細を示すブロック図である。 発電機の特性図である。 モータ制御部の詳細を示すブロック図である。

符号の説明

１Ｌ、１Ｒ 前輪
２ エンジン
３Ｌ、３Ｒ 後輪
４ モータ
６ ベルト
７ 発電機
８ ４ＷＤコントローラ
８Ａ 目標モータトルク演算部
８Ｂ 発電機供給電力演算部
８Ｃ 発電電流指令演算部
８Ｄ 発電機制御部
８Ｅ モータ制御部
８Ｆ ＴＣＳ制御部
８Ｇ クラッチ制御部
９ インバータ
１０ ジャンクションボックス
１１ 減速機
１２ クラッチ
２７ＦＬ、２７ＦＲ、２７ＲＬ、２７ＲＲ 車輪速センサ
１０１ Ｐ制御部
１０２ Ｉ制御部
１０３ ＦＦ制御部
１０４ 制御量加算部
１０５ 界磁制御部
２０１ Ｉｄ，Ｉｑ指令値演算部
２０２ Ｖｄ，Ｖｑ指令値演算部
２０３ Ｖｄｃ^*指令値演算部
２０４ ２相／３相変換部
２０５ ＰＩ制御部
２０６ 振幅補正部
２０７ ＰＷＭ制御部
２０８ 界磁電流指令値演算部
２０９ 界磁磁束演算部

Claims (3)

1. 主駆動輪を駆動する内燃機関と、その内燃機関で駆動される発電機と、当該発電機の電力がインバータを介して供給されて従駆動輪を駆動する交流モータとを備える発電機電力制御装置において、
   前記交流モータの要求に応じて前記発電機が出力すべき必要電力を演算する電力演算手段と、前記発電機の界磁を制御する界磁制御手段と、前記インバータの負荷を変更する負荷変更手段と、前記界磁制御手段と前記負荷変更手段とにより、前記発電機の発電電圧及び発電電流を、前記必要電力を出力するための発電電圧指令値及び発電電流指令値に制御することで、前記発電機の電力を制御する電力制御手段とを備えることを特徴とする発電機電力制御装置。
2. 前記界磁制御手段は、前記発電電圧及び前記発電電流のうち一方がその指令値に追従するように前記発電機の界磁を制御し、前記負荷変更手段は、前記発電電圧及び前記発電電流のうち他方がその指令値に追従するように前記インバータの負荷を変更することを特徴とする請求項１に記載の発電機電力制御装置。
3. 前記インバータを制御して前記交流モータにＰＷＭ波電圧を印加するＰＷＭ制御手段を有し、前記負荷変更手段は、前記ＰＷＭ波電圧のパルス幅を変更することで前記インバータの負荷を変更するパルス幅変更手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電機電力制御装置。

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