JP2007143235A - 交流モータの駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流モータの発生トルクを制御する複数のモータ制御手段を切り替える際に瞬時に切り替えてもトルク変動を防止できるようにする。
【解決手段】第１のＭＧ制御手段１８は正弦波ＰＷＭ制御方式で第１の三相電圧指令信号Ｖａｕ，Ｖａｖ，Ｖａｗを生成し、第２のＭＧ制御手段１９は矩形波電圧位相制御方式で第２の三相電圧指令信号Ｖｂｕ，Ｖｂｖ，Ｖｂｗを生成する。選択手段２１は、制御切替信号Ｓに応じて第１のＭＧ制御手段１８と第２のＭＧ制御手段１９を切り替えて三相の電圧指令信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをインバータ１３に出力して交流モータ１１を駆動する。制御状態変数設定手段２０は、稼働中のＭＧ制御手段の制御状態変数をモニタすると共に、ＭＧ制御手段を切り替える際ににその切り替え前のＭＧ制御手段の制御状態変数のモニタ結果に基づいて切り替え後のＭＧ制御手段の制御状態変数の初期値を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流モータの発生トルクを制御する制御方式を切り替える機能を備えた交流モータの駆動制御装置に関する発明である。

従来より、交流モータのトルク制御技術として、複数の制御方式を切り替えて交流モータを駆動する技術が知られている。例えば、特許文献１（特開昭５５−４９９９６号公報）や特許文献２（特開昭５８−１１９７９１号公報）に記載されているように、交流モータの回転速度に応じて正弦波ＰＷＭ制御と矩形波制御とを切り替えるようにしたものがある。一般に、正弦波ＰＷＭ制御は、効率よく低トルクリップルで制御できる利点があるが、電圧利用率が低いという欠点があり、一方、矩形波制御は、正弦波ＰＷＭ制御に比べて効率が低く、トルクリップルが発生する欠点があるが、電圧利用率が高いという利点がある。

しかし、上記特許文献１、２のように、正弦波ＰＷＭ制御と矩形波制御との切り替えを単純にモータ回転速度に基づいて行うだけでは、交流モータの電磁気的な状態を考慮していないため、効率的な切り替えを行うことが困難である。

そこで、モータトルクや直流電源電圧を考慮した効率的な切り替えを行うために、特許文献３（特開２００１−７８４９５号公報）や特許文献４（特開２００５−２１８２９９号公報）のモータ制御技術が提案されている。このモータ制御技術では、ＰＷＭ電流制御と矩形波電圧位相制御とを実電流位相や電圧振幅に応じて切り替えるようにしている。また、特許文献５（特開２０００−５０６８６号公報）のモータ制御技術では、ＰＷＭ電流制御と矩形波電圧位相制御とを切り替える際のトルクショックを低減するために、切り替えの過渡期において、疑似正弦波電圧の振幅を切り替え前の振幅から切り替え後の振幅へ漸次変化させるようにしている。

これらの特許文献３〜５のモータ制御技術は、いずれも、ＰＷＭ電流制御と矩形波電圧位相制御のそれぞれのフィードバック制御ループを備え、各制御からのスイッチング指令信号を切替えてインバータに供給し、更に、ＰＷＭ電流制御では、交流モータの実電流をフィードバックして、実電流と指令電流との偏差に応じて交流モータへの印加電圧を変化することにより交流モータのトルクを制御し、矩形波電圧位相制御では、交流モータのトルクを推定して、その推定値をフィードバックして矩形波の位相を変化させることにより交流モータのトルクを制御するという２種類のフィードバック制御系を備えた構成となっている。

この構成では、一方のフィードバック系が稼働しているときは、他方のフィードバック系は稼働していないため、稼働していないフィードバック系の制御状態変数（通常よく用いられる比例項や積分項など）は、交流モータの制御状態に合ったものでないことは明らかである。そのため、制御方式を切り替えると、制御状態変数が不適切であるために、トルク変動が発生することになる。

この問題を解消する技術として、特許文献６（特開平１１−２８５２８８号公報）に記載されているように、正弦波ＰＷＭ制御と矩形波制御との切替時にモータトルクの連続性を持たせるために、切替中間制御部を備えて、正弦波ＰＷＭ制御から矩形波制御に切り替えるときに、矩形波制御の位相と振幅の目標値を計算し、正弦波ＰＷＭ制御での位相と振幅の現在値を目標値に徐々に近づけるようにたものがある。
特開昭５５−４９９９６号公報 特開昭５８−１１９７９１号公報 特開２００１−７８４９５号公報 特開２００５−２１８２９９号公報 特開２０００−５０６８６号公報 特開平１１−２８５２８８号公報

しかし、上記特許文献６のモータ制御技術では、位相・振幅の目標値と現在値との差が大きいと、切替中間制御部が動作する初期にトルク変動が発生することは避けられない。また、この切り替えの移行期間は、１００ｍｓと記載されているが、このモータ制御技術を電気自動車やハイブリッド車に適用する場合、アクセル操作（加速応答性）の高応答化を考えると、１００ｍｓでは応答性が遅くなりすぎるため、さらに早い移行が必要となってくる。しかし、切り替えの移行期間を高応答化の要求を満たすように短くすると、目標値と現在値との差がさらに大きくなり、トルク変動が発生することは明らかである。

本発明はこれらの事情を考慮してなされたものであり、従って本発明の目的は、交流モータの発生トルクを制御する手段として複数のモータ制御手段を備えたシステムにおいて、モータ制御手段を切り替える際に瞬時に切り替えてもトルク変動を防止することができ、トルク変動防止と高応答化の要求を共に満たすことができる交流モータの駆動制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、交流モータの発生トルクを制御する手段として複数のモータ制御手段を備え、前記複数のモータ制御手段の稼働／休止を前記交流モータの運転状態に応じて切り替えるようにした交流モータの駆動制御装置において、前記複数のモータ制御手段のそれぞれの稼働中の制御状態変数をモニタする制御状態変数モニタ手段と、前記交流モータを駆動するモータ制御手段を切り替える際にその切り替え前のモータ制御手段の制御状態変数のモニタ結果に基づいて切り替え後のモータ制御手段の制御状態変数の初期値を設定して当該モータ制御手段を切り替える切替制御手段とを備えた構成としたものである。この構成では、モータ制御手段を切り替える際に、その切り替え後のモータ制御手段の制御状態変数の初期値を切り替え前のモータ制御手段の制御状態変数のモニタ結果に基づいて設定するので、モータ制御手段の切り替えの前後でトルク変動が発生しないように切り替え後のモータ制御手段の制御状態変数の初期値を設定することができる。これにより、モータ制御手段を切り替える際に瞬時に切り替えてもトルク変動を防止することができ、トルク変動防止と高応答化の要求を共に満たすことができる。

この場合、交流モータの発生トルクを制御する複数のモータ制御手段は、様々な制御方式のものを使用することが可能であり、例えば、請求項２のように、複数のモータ制御手段には、少なくとも、正弦波ＰＷＭ制御方式のものと矩形波電圧位相制御方式のものを含むようにすることが考えられる。弦波ＰＷＭ制御方式と矩形波電圧位相制御方式とを切り替えるシステムに本発明を適用すれば、その切り替え時のトルク変動を防止できると共に、効率よく低トルクリップルで、しかも電圧利用率の高い運転が可能となる。

また、本発明は、交流モータを駆動源とする様々な装置に適用可能であり、例えば、請求項３のように、交流モータを動力源とする電気自動車やハイブリッド車に適用して実施しても良い。これにより、電気自動車やハイブリッド車においても、モータ制御手段を切り替える際に瞬時に切り替えてもトルク変動を防止することができ、トルク変動防止とアクセル操作（加速応答性）の高応答化の要求を共に満たすことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、交流モータを動力源とする電気自動車又はハイブリッド車に適用して具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいて交流モータ駆動制御装置全体の構成を概略的に説明する。

交流モータ１１は、車両の動力源として用いられる三相永久磁石式同期モータで、永久磁石が内装されたものであり、そのロータの回転位置を検出するロータ回転位置センサ１２が搭載されている。この交流モータ１１は、電圧制御ＰＷＭ方式の三相のインバータ１３によって駆動される。このインバータ１３は、交流モータ駆動制御装置１４から出力される三相の電圧指令信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて、充電可能な電池１５から供給される直流電圧を三相交流電圧Ｕ，Ｖ，Ｗに変換して交流モータ１１を駆動することで、電池１５の直流電力を三相の交流電力に変換する。この交流モータ１１のＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗがそれぞれ電流センサ１６，１７によって検出される。尚、交流モータ１１は、インバータ１３で負のトルクで駆動されるときには発電機として機能し、車両の減速エネルギにより発電した交流電力をインバータ１３で直流電力に変換して電池１５に充電する。

交流モータ駆動制御装置１４は、正弦波ＰＷＭ制御方式で第１の三相電圧指令信号Ｖａｕ，Ｖａｖ，Ｖａｗを生成する第１のＭＧ制御手段１８（第１のモータ制御手段）と、矩形波電圧位相制御方式で第２の三相電圧指令信号Ｖｂｕ，Ｖｂｖ，Ｖｂｗを生成する第２のＭＧ制御手段１９（第２のモータ制御手段）と、制御切替信号Ｓに応じて第１のＭＧ制御手段１８と第２のＭＧ制御手段１９とを切り替える際にそれぞれの制御状態変数を設定する制御状態変数設定手段２０（制御状態変数モニタ手段，切替制御手段）と、制御切替信号Ｓに応じて第１のＭＧ制御手段１８と第２のＭＧ制御手段１９を切り替えて三相の電圧指令信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをインバータ１３に出力する選択手段２１とから構成されている。

第１のＭＧ制御手段１８は、交流モータ１１をトルク制御するために、トルク指令Ｔ* と、交流モータ１１のＵ相，Ｗ相の電流ｉｕ，ｉｗ（電流センサ１６，１７の出力信号）と交流モータ１１のロータ回転位置θ（ロータ回転位置センサ１２の出力信号）に基づいて正弦波ＰＷＭ制御方式で第１の三相電圧指令信号Ｖａｕ，Ｖａｖ，Ｖａｗを生成する。一方、第２のＭＧ制御手段１９は、第１のＭＧ制御手段１８と同じ入力信号に基づいて矩形波電圧位相制御方式で第２の三相電圧指令信号Ｖｂｕ，Ｖｂｖ，Ｖｂｗを生成する。

交流モータ駆動制御装置１４に入力されるトルク指令Ｔ* と制御切替信号Ｓは、車両の駆動力を総合的に制御する電子制御装置（ＥＣＵ）によって制御される。この電子制御装置（ＥＣＵ）は、例えばアクセル操作量やブレーキ操作量等に基づいてトルク指令Ｔ* を設定し、交流モータ１１の回転速度、トルク、電池１５の電圧等の運転条件に応じて制御切替信号Ｓを切り替える。
次に、図２に基づいて交流モータ駆動制御装置１４の第１のＭＧ制御手段１８と第２のＭＧ制御手段１９と制御状態変数設定手段２０の構成を詳しく説明する。

［第１のＭＧ制御手段１８の構成］
第１のＭＧ制御手段１８は、正弦波ＰＷＭ制御方式で第１の三相電圧指令信号Ｖａｕ，Ｖａｖ，Ｖａｗを生成するものであり、交流モータ１１のロータの回転座標として設定したｄ−ｑ座標系において、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑをそれぞれ独立に電流フィードバック制御するために、トルク指令Ｔ* に応じたｄ軸指令電流ｉｄ* とｑ軸指令電流ｉｑ* を電流マップ３１を用いて演算すると共に、交流モータ１１のＵ相，Ｗ相の電流ｉｕ，ｉｗ（電流センサ１６，１７の出力信号）と交流モータ１１のロータ回転位置θ（ロータ回転位置センサ１２の出力信号）を三相／ｄ−ｑ変換器３２に入力して実際のｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑを演算する。そして、偏差器３３でｄ軸指令電流ｉｄ* と実際のｄ軸電流ｉｄとの偏差Δｉｄを演算すると共に、偏差器３４でｑ軸指令電流ｉｑ* と実際のｑ軸電流ｉｑとの偏差Δｉｑを演算し、それぞれの偏差Δｉｄ，ΔｉｑをＰＩ制御器３５，３６に入力して各偏差Δｉｄ，Δｉｑが小さくなるようにＰＩ制御によりｄ軸指令電圧Ｖｄ* とｑ軸指令電圧Ｖｑ* を演算する。そして、ＰＩ制御器３５，３６から出力されるｄ軸指令電圧Ｖｄ* とｑ軸指令電圧Ｖｑ* をｄ−ｑ／三相変換器３７に入力して第１の三相電圧指令信号Ｖａｕ，Ｖａｖ，Ｖａｗに変換する。

［第２のＭＧ制御手段１９の構成］
第２のＭＧ制御手段１９は、矩形波電圧位相制御方式で第２の三相電圧指令信号Ｖｂｕ，Ｖｂｖ，Ｖｂｗを生成するものであり、交流モータ１１のＵ相，Ｗ相の電流ｉｕ，ｉｗと交流モータ１１のロータ回転位置θを三相／ｄ−ｑ変換器４１に入力して実際のｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑを演算すると共に、このｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑをトルク推定器４２に入力して、交流モータ１１に流れる電流により発生している実トルクＴを推定する。そして、偏差器４３でトルク指令Ｔ* と実トルクＴとの偏差ΔＴを演算し、この偏差ΔＴをＰＩ制御器４４に入力して当該偏差ΔＴが小さくなるようにＰＩ制御により矩形波の位相φを演算する。また、交流モータ１１のロータ回転位置θを矩形波発生器４５に入力してロータ回転位置θに応じた三相の基本電圧信号Ｖｕ０，Ｖｖ０，Ｖｗ０を生成する。そして、この三相の基本電圧信号Ｖｕ０，Ｖｖ０，Ｖｗ０と矩形波の位相φを位相制御器４６に入力して第２の三相電圧指令信号Ｖｂｕ，Ｖｂｖ，Ｖｂｗを生成する。

［制御状態変数設定手段２０の構成］
制御状態変数設定手段２０は、第１の制御状態変数設定手段５１と第２の制御状態変数設定手段５２とから構成されている。

第１の制御状態変数設定手段５１は、第２のＭＧ制御手段１９の稼働中の制御状態変数をモニタすると共に、第２のＭＧ制御手段１９から第１のＭＧ制御手段１８に制御を切り替えるときに第２のＭＧ制御手段１９の稼働中の制御状態変数のモニタ結果に基づいて第１のＭＧ制御手段１８のＰＩ制御器３５，３６の制御状態変数の初期値を演算して設定するものであり、具体的には、基本波抽出器５３と三相／ｄ−ｑ変換器５４とＰＩ初期値演算部５５とから構成されている。基本波抽出器５３は、稼動中の第２のＭＧ制御手段１９で生成した第２の三相電圧指令信号Ｖｂｕ，Ｖｂｖ，Ｖｂｗから三相の基本波ＶＵ０，ＶＶ０，ＶＷ０を抽出する。三相／ｄ−ｑ変換器５４は、基本波抽出器５３で抽出した三相の基本波ＶＵ０，ＶＶ０，ＶＷ０をｄ−ｑ座標に変換してｄ軸基本電圧Ｖｄ０とｑ軸基本電圧Ｖｑ０を演算する。

第２のＭＧ制御手段１９の稼働中は、第１のＭＧ制御手段１８は稼動していないため、第１のＭＧ制御手段１８のＰＩ制御器３５，３６の出力は交流モータ１１の状態を反映していない。そこで、第１のＰＩ初期値演算部５５は、制御切替信号Ｓに基づいて第２のＭＧ制御手段１９から第１のＭＧ制御手段１８に制御を切り替えるときに、第１のＭＧ制御手段１８のＰＩ制御器３５，３６の制御状態変数を初期化して、各ＰＩ制御器３５，３６の制御状態変数の初期値を次のようにして設定する。第１のＰＩ初期値演算部５５は、ＰＩ制御器３５，３６の出力（ｄ軸指令電圧Ｖｄ* とｑ軸指令電圧Ｖｑ* ）が三相／ｄ−ｑ変換器５４の出力（ｄ軸基本電圧Ｖｄ０とｑ軸基本電圧Ｖｑ０）と等しくなるように偏差器３３，３４の出力Δｉｄ，Δｉｑを考慮して、第１のＭＧ制御手段１８のＰＩ制御器３５，３６の制御状態変数の初期値を演算し、その演算値をＰＩ制御器３５，３６の制御状態変数の初期値に設定する。

一方、第２の制御状態変数設定手段５２は、第１のＭＧ制御手段１８の稼働中の制御状態変数をモニタすると共に、第１のＭＧ制御手段１８から第２のＭＧ制御手段１９に制御を切り替えるときに第１のＭＧ制御手段１８の稼働中の制御状態変数のモニタ結果に基づいて第２のＭＧ制御手段１９のＰＩ制御器４４の制御状態変数の初期値を演算して設定するものであり、具体的には、位相演算部５６と第２のＰＩ初期値演算部５７とから構成されている。位相演算部５６は、稼働中の第１のＭＧ制御手段１８の三相／ｄ−ｑ変換器３２の出力（ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑ）とＰＩ制御器３５，３６の出力（ｄ軸指令電圧Ｖｄ* とｑ軸指令電圧Ｖｑ* ）とから、電流と電圧の位相を演算する。

第１のＭＧ制御手段１８の稼働中は、第２のＭＧ制御手段１９は稼動していないため、第２のＭＧ制御手段１９のＰＩ制御器４４の出力は交流モータ１１の状態を反映していない。そこで、第２のＰＩ初期値演算部５７は、制御切替信号Ｓに基づいて第１のＭＧ制御手段１８から第２のＭＧ制御手段１９に制御を切り替えるときに、第２のＭＧ制御手段１９のＰＩ制御器４４の制御状態変数を初期化して、該ＰＩ制御器４４の制御状態変数の初期値を次のようにして設定する。第２のＰＩ初期値演算部５７は、第２のＭＧ制御手段１９のＰＩ制御器４４の出力（位相φ）が位相演算部５６で演算した位相と等しくなるように偏差器４３の出力ΔＴを考慮して、ＰＩ制御器４４の制御状態変数の初期値を演算し、その演算値をＰＩ制御器４４の制御状態変数の初期値に設定する。

以上説明した本実施例によれば、交流モータ１１の駆動制御中は、電子制御装置（ＥＣＵ）から出力される制御切替信号Ｓに応じて、選択手段２１によって第１のＭＧ制御手段１８と第２のＭＧ制御手段１９のいずれか一方を機能させて三相の電圧指令信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをインバータ１３に出力し、交流モータ１１を駆動する。

この際、第１のＭＧ制御手段１８の稼働中は、第２のＭＧ制御手段１９は稼動していないため、第２のＭＧ制御手段１９のＰＩ制御器４４の出力は交流モータ１１の状態を反映していない。また、第２のＭＧ制御手段１９の稼働中は、第１のＭＧ制御手段１８は稼動していないため、第１のＭＧ制御手段１８のＰＩ制御器３５，３６の出力は交流モータ１１の状態を反映していない。このため、従来技術では、第１のＭＧ制御手段１８と第２のＭＧ制御手段１９とを瞬時に切り替えると、制御状態変数が不適切であるために、トルク変動が発生することになる。

この問題を解決するために、本実施例では、第１のＭＧ制御手段１８と第２のＭＧ制御手段１９とを切り替える際に、その切り替え前のＭＧ制御手段のＰＩ制御器の制御状態変数のモニタ結果に基づいて切り替え後のＭＧ制御手段のＰＩ制御器の制御状態変数の初期値を演算して設定して当該ＭＧ制御手段を切り替えるようにしたので、ＭＧ制御手段の切り替えの前後でトルク変動が発生しないように切り替え後のＭＧ制御手段のＰＩ制御器の制御状態変数の初期値を設定することができる。これにより、ＭＧ制御手段を切り替える際に瞬時に切り替えてもトルク変動を防止することができ、トルク変動防止と高応答化の要求を共に満たすことができる。

尚、本発明は、２つのＭＧ制御手段（モータ制御手段）の稼働／休止をそれぞれ切り替えて交流モータを駆動するシステムに限定されず、３つ以上のＭＧ制御手段（モータ制御手段）の稼働／休止をそれぞれ切り替えて交流モータを駆動するシステムに適用しても良い。

また、ＭＧ制御手段（モータ制御手段）の制御方式は、正弦波ＰＷＭ制御、矩形波電圧位相制御に限定されず、例えば、ＰＷＭ電流制御、ＰＡＭ制御等であっても良い。
その他、本発明は、電気自動車やハイブリッド車に搭載される交流モータの駆動制御装置に限定されず、交流モータを駆動源とする様々な装置に適用可能である。

本発明の一実施例における交流モータの駆動制御装置全体の構成を示すブロック図である。 交流モータの駆動制御装置の主要部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１…交流モータ、１３…インバータ、１５…交流モータ駆動制御装置、１８…第１のＭＧ制御手段（第１のモータ制御手段）、１９…第２のＭＧ制御手段（第２のモータ制御手段）、２０…制御状態変数設定手段（制御状態変数モニタ手段，切替制御手段）、２１…選択手段，３５，３６，４４…ＰＩ制御器、５１…第１の制御状態変数設定手段、５２…第２の制御状態変数設定手段、５５，５７…ＰＩ初期値演算部

Claims (3)

1. 交流モータの発生トルクを制御する手段としてモータ制御手段を複数備え、前記複数のモータ制御手段の稼働／休止を前記交流モータの運転状態に応じて切り替えるようにした交流モータの駆動制御装置において、
   前記複数のモータ制御手段のそれぞれの稼働中の制御状態変数をモニタする制御状態変数モニタ手段と、
   前記交流モータを駆動するモータ制御手段を切り替える際にその切り替え前のモータ制御手段の制御状態変数のモニタ結果に基づいて切り替え後のモータ制御手段の制御状態変数の初期値を設定して当該モータ制御手段を切り替える切替制御手段と
   を備えていることを特徴とする交流モータの駆動制御装置。
2. 前記複数のモータ制御手段には、少なくとも、正弦波ＰＷＭ制御方式のものと矩形波電圧位相制御方式のものを含むことをことを特徴とする請求項１に記載の交流モータの駆動制御装置。
3. 前記交流モータは、車両の動力源として用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載の交流モータの駆動制御装置。

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