JP2007189807A - 車両用電動機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】確実にエンジンを始動することができるようにする。
【解決手段】直流交流変換機２によって車両用電動機１を通電制御する車両用電動機の制御装置において、バッテリ３から直流交流変換機２に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧より大きい定常時には固定子各相に電圧利用率の大きい通電角度幅の矩形波電圧を通電し、バッテリ３から直流交流変換機２に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合には界磁電流を変化させることを特徴とする車両用電動機の制御装置である。
【選択図】図１
【解決手段】直流交流変換機２によって車両用電動機１を通電制御する車両用電動機の制御装置において、バッテリ３から直流交流変換機２に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧より大きい定常時には固定子各相に電圧利用率の大きい通電角度幅の矩形波電圧を通電し、バッテリ３から直流交流変換機２に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合には界磁電流を変化させることを特徴とする車両用電動機の制御装置である。
【選択図】図１
Description
この発明は、直流交流変換機によって制御される車両用電動機の制御装置に関するものである。
例えば、特開２００４−３２０８６１では、電動発電機に流れる電流の最大値を制限するＰＷＭ制御方式を廃止し、直流交流変換機において電動発電機を作動させる電流の通電角と進相角を制御することでＭＯＳトランジスタの最大電流容量や最大許容損失を低減してＭＯＳトランジスタと制御回路を低コスト化し、安価な３相電動発電機の制御装置を提供することを提案している。そのために車両用電動発電機の制御装置は、車両用電動発電機の電機子巻線と直流電源との間に介在し、スイッチング手段の断続により、前記電機子巻線に交流を供給する直流交流変換機において、スイッチング手段を電気角で略180度区間通電駆動する180度通電角制御方式および電気角で略120度区間通電駆動する120度通電角制御方式の２つの通電方式と、始動時にスイッチング手段に流れる電流を推定する電流推定手段を備え、電動発電機による始動動作中、電流推定手段により電流が所定値より大きく流れると推定した時は120度通電角制御方式を選択し、電流が所定値より小さく流れると推定した時は180度通電角制御方式を選択する構成としている。
ここで、従来から直流電源として使用されている１２Ｖの鉛バッテリは低温時や劣化時に内部抵抗が増大する事が知られている。上記の従来の技術では、直流電源の電圧を考慮していないために、直流電源の状態などによって内部抵抗が増大したときにバッテリ端子電圧の低下を招き、直流交流変換機の制御回路が停止してしまう問題がある。
電流を推定する方式ではバッテリの状態による実際の電流がずれてしまう。
直流電源の電圧低下によってラジオやカーナビゲーションシステムなどの他の電気機器が停止してしまい、アイドルストップするたびに再起動する問題がある。
上記問題を防止するために並列にもう一つの直流電源を使用することも可能であるが、直流電源追加のために車両コストが増加し、重量も増加する問題がある。
電流を推定する方式ではバッテリの状態による実際の電流がずれてしまう。
直流電源の電圧低下によってラジオやカーナビゲーションシステムなどの他の電気機器が停止してしまい、アイドルストップするたびに再起動する問題がある。
上記問題を防止するために並列にもう一つの直流電源を使用することも可能であるが、直流電源追加のために車両コストが増加し、重量も増加する問題がある。
この発明は、前述のような実情に鑑みてなされたもので、確実にエンジンを始動することができるようにすることを目的とするものである。
この発明に係る車両用電動機の制御装置は、直流交流変換機によって車両用電動機を通電制御する車両用電動機の制御装置において、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧より大きい定常時には固定子各相に電圧利用率の大きい通電角度幅の矩形波電圧を通電し、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合には界磁電流を変化させることを特徴とする車両用電動機の制御装置である。
この発明は、直流交流変換機によって車両用電動機を通電制御する車両用電動機の制御装置において、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧より大きい定常時には固定子各相に電圧利用率の大きい通電角度幅の矩形波電圧を通電し、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合には界磁電流を変化させることを特徴とする車両用電動機の制御装置であるので、確実にエンジンを始動することができる効果がある。
実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を図１〜図５により説明する。図１は巻線界磁式突極型発電電動機と直流交流変換機の回路図の事例を示す図、図２は回転子位置と180°矩形波通電電圧波形の事例を示す図、図３は回転子位置と120°矩形波通電電圧波形の事例を示す図、図４は矩形波通電時の電気回路の事例を示す図、図５は抵抗の温度依存性で事例を示す図 である。なお、各図中、同一符合は同一部分を示す。
以下この発明の実施の形態１を図１〜図５により説明する。図１は巻線界磁式突極型発電電動機と直流交流変換機の回路図の事例を示す図、図２は回転子位置と180°矩形波通電電圧波形の事例を示す図、図３は回転子位置と120°矩形波通電電圧波形の事例を示す図、図４は矩形波通電時の電気回路の事例を示す図、図５は抵抗の温度依存性で事例を示す図 である。なお、各図中、同一符合は同一部分を示す。
図１には、巻線界磁式突極型発電電動機１とそれに電流を入出力する直流交流変換機２、バッテリ等の直流電源３、及び平滑コンデンサ４の回路図を示す。
巻線界磁式突極型発電電動機１は、Ｙ結線の巻線を有した固定子（通常は電機子）１Ａと、巻線を有する回転子（通常は界磁）１Ｆと、回転子位置検出装置1RPSとを有している。
直流交流変換機２は、演算装置２１と、３相ゲートドライバ２２と、界磁ゲートドライバ２３と、回転子位置検出回路２４とを有している。
演算装置２１は直流交流変換機２の入力電圧であるPN間電圧と、回転子位置検出回路信号から演算した発電電動機の回転速度とによって固定子各相の通電開始角度を計算し、3相ゲートドライバに信号を送る。3相ゲートドライバは3相上下アームのスイッチ素子（ここではMOS FET）をON/OFFすることで、UVW端子に電圧を印加し、3相電流を流す。
図１に、エンジン始動用電動機とそれに電流を入力する直流交流変換機の回路図を示す。演算装置は直流交流変換機の入力電圧であるPN間電圧を検出し、所定値以下になると電圧利用率の大きい制御から電圧利用率の小さい制御に切り替えて、3相ゲートドライバに信号を送る。3相ゲートドライバは3相上下アームのスイッチ素子（ここではMOS FET）をON/OFFすることで、UVW端子に電圧を印加し、3相電流を流す。図では巻線界磁式の電動機であるが、永久磁石式の電動機でも良い。
図２に、180°矩形波通電時の回転子位置と直流交流変換機相電圧、線間電圧の一例を示す。ここで、δはＵ相通電開始角度（回転子位置に対する相対角）である。
図３に、120°矩形波通電時の回転子位置と直流交流変換機相電圧、線間電圧の一例を示す。ここで、δはＵ相通電開始角度（回転子位置に対する相対角）である。
図４、に180°矩形波通電時の通電回路を示す。図中inverterとして点線で囲まれた部分は、180°区間通電する駆動方式の場合、図２で示したように、各相（図では3相）で上アームか下アームのいずれかがONされており、他方はOFFされているため、図中のVdcで示した位置より左側（AC回路）では、どの運転状態においても2相が並列回路をなしている。よって、速度0におけるDCライン電流Idc0は、次式（式１）で表される。
ここで、Ｖbo：バッテリ等の直流電源の端子電圧
Rb：バッテリ等の直流電源の内部抵抗
Rdc：ＤＣラインの抵抗
Ｒinv：インバータの各アームの抵抗
Rac：ＡＣラインの抵抗
Rst：電動機１の固定子の各相の抵抗である。
Rb：バッテリ等の直流電源の内部抵抗
Rdc：ＤＣラインの抵抗
Ｒinv：インバータの各アームの抵抗
Rac：ＡＣラインの抵抗
Rst：電動機１の固定子の各相の抵抗である。
120°区間通電する駆動方式の場合、図3で示したように、3相のうち1相の上アームと下アームが両方OFFであり、残りの2相では上アームか下アームの一方がONとなるため、同様に速度0におけるDCライン電流Idc0は、次式（式２）で表される。
直流電源（バッテリ）端子電圧は次式（式３）で表される。
直流交流変換機の入力電圧は次式（式４）で表される。
なお、図４において、発電電動機（MG）の固定子巻線はＹ結線であるが、Δ結線の場合は等価Ｙ結線として考えるものとし、通常の周知のデルタ／スター変換式を使うものとする。また、Rdcはプラス側とマイナス側の配分は1/2でなくても良い
図５に、各部の抵抗値の温度特性を示す。例えば図５の抵抗値を式(1)、(3)に適用すると、20℃の時は
ここで、直流交流変換機の制御回路の電源を直流電源から取っているとし、その最低動作電圧を6Vとすると、Vbは8.4Vであるため動作はする。ところが、-30℃の場合の抵抗値を式(1)、(3)に適用すると、
となり、最低動作電圧を下回るため、動作しなくなってしまう。この時、電源電圧の閾値として8Vを設定し、直流電源電圧が8V以下では120°矩形波通電に切り替えたとすれば、図５の-30℃の抵抗値を式(2)、(3)に適用して、
となり、最低動作電圧を下回らないために動作できる。
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２を図６により説明する。第１の実施例では回転速度はゼロであったが、エンジン始動時に初期にエンジンがロックせずに回りだした場合は、電流が過渡状態にあるため、電圧もゼロ回転時の最低電圧まで下がらない場合がある。回転しだした場合は、通電開始角の位相をずらすことで、電機子反作用電圧を変化させることができる。したがって、位相をずらすことで電圧を増加させることも可能となる。図６に、180°矩形波通電時の直流交流変換機のＵ相通電開始角度を変化させたときのトルクと直流交流変換機の入力電圧の特性を示す。U相の通電開始位相角度を遅らせることでトルクは低下するが電圧を増加させられることがわかる。ここで、U相通電開始角度δは、増加させる方向で通電開始を早める（進角）ものである。また、V相、W相はそれぞれ、U相に対して120°、240°遅れて通電している
以下、この発明の実施の形態２を図６により説明する。第１の実施例では回転速度はゼロであったが、エンジン始動時に初期にエンジンがロックせずに回りだした場合は、電流が過渡状態にあるため、電圧もゼロ回転時の最低電圧まで下がらない場合がある。回転しだした場合は、通電開始角の位相をずらすことで、電機子反作用電圧を変化させることができる。したがって、位相をずらすことで電圧を増加させることも可能となる。図６に、180°矩形波通電時の直流交流変換機のＵ相通電開始角度を変化させたときのトルクと直流交流変換機の入力電圧の特性を示す。U相の通電開始位相角度を遅らせることでトルクは低下するが電圧を増加させられることがわかる。ここで、U相通電開始角度δは、増加させる方向で通電開始を早める（進角）ものである。また、V相、W相はそれぞれ、U相に対して120°、240°遅れて通電している
実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３を図７により説明する。第２の実施例と同様に、回転しだした場合は巻線界磁式の界磁電流を変化させることで、直流交流変換機の入力電圧を増加させることができる。図７に界磁電流を変化させたときのトルクと直流交流変換機入力電圧の特性を示す。
以下、この発明の実施の形態３を図７により説明する。第２の実施例と同様に、回転しだした場合は巻線界磁式の界磁電流を変化させることで、直流交流変換機の入力電圧を増加させることができる。図７に界磁電流を変化させたときのトルクと直流交流変換機入力電圧の特性を示す。
実施の形態４．
以下、この発明の実施の形態４を図１１、１２により説明する。図１１、１２は、ホールＩＣスイッチを使用した時の通電波形を示し、図１１は回転速度がゼロ付近でのホールＩＣスイッチによる位置置センサ波形と各相矩形波電圧波形を、図１２は回転速度が上昇した時のホールＩＣスイッチによる位置置センサ波形と各相矩形波電圧波形を、夫々示している。
以下、この発明の実施の形態４を図１１、１２により説明する。図１１、１２は、ホールＩＣスイッチを使用した時の通電波形を示し、図１１は回転速度がゼロ付近でのホールＩＣスイッチによる位置置センサ波形と各相矩形波電圧波形を、図１２は回転速度が上昇した時のホールＩＣスイッチによる位置置センサ波形と各相矩形波電圧波形を、夫々示している。
なお、図８はこの発明の実施の形態１を示す図で、PWM正弦波駆動と矩形波駆動のトルク特性比較の事例を示す図であり、図９はこの発明の実施の形態１を示す図で、PWM正弦波駆動と矩形波駆動のPN端子電圧特性比較の事例を示す図であり、図１０はこの発明の実施の形態１を示す図で、PWM正弦波通電と矩形波通電の波形と電圧利用率の事例を示す図である。
前述のこの発明の実施の形態１〜７に記載の要点、及び前述のこの発明の実施の形態１〜７に記載されていない要点は、以下の通りとなる。
１．直流交流変換機によって車両用電動機を通電制御する車両用電動機の制御装置において、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧より大きい定常時には固定子各相に電圧利用率の大きい通電角度幅の矩形波電圧を通電し、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合には電圧利用率の小さい矩形波電圧通電制御に切り替えることを特徴とする車両用電動機の制御装置。開放時の電圧がおよそ12Vのバッテリを使用した車両の、エンジンを始動するための電動機を制御する直流交流変換機において、相電圧は通常電圧利用率の大きい通電角度幅の矩形波電圧通電で制御されており、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合に電圧利用率の小さい矩形波電圧通電制御に切り替える。これにより、次の効果が生じる。
（１）最大トルクが出るように制御された場合、電圧利用率が小さい方が直流電流は小さくなるので、バッテリ内部抵抗と配線の抵抗による電圧低下を小さくできて、直流交流変換機の制御部に入力される端子電圧が大きくなり、直流交流変換機の制御回路の動作電圧を確保できるので運転を継続可能であり、確実にエンジンを始動することができる。
（２）アイドルストップ後の再始動時に、バッテリ電圧が所定値以下に低下しないので、ラジオやナビゲーションシステムが停止せず、快適である。
（１）最大トルクが出るように制御された場合、電圧利用率が小さい方が直流電流は小さくなるので、バッテリ内部抵抗と配線の抵抗による電圧低下を小さくできて、直流交流変換機の制御部に入力される端子電圧が大きくなり、直流交流変換機の制御回路の動作電圧を確保できるので運転を継続可能であり、確実にエンジンを始動することができる。
（２）アイドルストップ後の再始動時に、バッテリ電圧が所定値以下に低下しないので、ラジオやナビゲーションシステムが停止せず、快適である。
２．直流交流変換機によって車両用電動機を通電制御する車両用電動機の制御装置において、固定子各相相電圧は最大トルクが出力されるように通電開始角度を制御されており、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合に、直流電圧を増やす方向に通電開始角度がずらされることを特徴とする車両用電動機の制御装置。開放時の電圧がおよそ12Vのバッテリを使用した車両の、エンジンを始動するための電動機を制御する直流交流変換機において、相電圧は最大トルクが出力されるように通電開始角度を制御されており、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合に、直流電圧を増やすように通電開始角度がずらされる。これにより、次の効果が生じる。
（１）通電開始位相角をずらすことで、直流電流が小さくなるので、バッテリ内部抵抗と配線の抵抗による電圧低下を小さくできて、直流交流変換機の制御部に入力される端子電圧が大きくなり、直流交流変換機の制御回路の動作電圧を確保できるので運転を継続可能であり、確実にエンジンを始動することができる。
（２）アイドルストップ後の再始動時に、バッテリ電圧が所定値以下に低下しないので、ラジオやナビゲーションシステムが停止せず、快適である。
（１）通電開始位相角をずらすことで、直流電流が小さくなるので、バッテリ内部抵抗と配線の抵抗による電圧低下を小さくできて、直流交流変換機の制御部に入力される端子電圧が大きくなり、直流交流変換機の制御回路の動作電圧を確保できるので運転を継続可能であり、確実にエンジンを始動することができる。
（２）アイドルストップ後の再始動時に、バッテリ電圧が所定値以下に低下しないので、ラジオやナビゲーションシステムが停止せず、快適である。
３．直流交流変換機によって車両用電動機を通電制御する車両用電動機の制御装置において、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧より大きい定常時には固定子各相に電圧利用率の大きい通電角度幅の矩形波電圧を通電し、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合には界磁電流を変化させることを特徴とする車両用電動機の制御装置。開放時の電圧がおよそ12Vのバッテリを使用した車両の、エンジンを始動するための巻線界磁式電動機を制御する直流交流変換機において、相電圧は通常電圧利用率の大きい通電角度幅の矩形波電圧通電で制御されており、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合に界磁電流を変化させる。これにより、次の効果が生じる。
（１）界磁電流を変化させることで、直流電流が小さくできるので、バッテリ内部抵抗と配線の抵抗による電圧低下を小さくできて、直流交流変換機の制御部に入力される端子電圧が大きくなり、直流交流変換機の制御回路の動作電圧を確保できるので運転を継続可能であり、確実にエンジンを始動することができる。
（２）アイドルストップ後の再始動時に、バッテリ電圧が所定値以下に低下しないので、ラジオやナビゲーションシステムが停止せず、快適である。
（１）界磁電流を変化させることで、直流電流が小さくできるので、バッテリ内部抵抗と配線の抵抗による電圧低下を小さくできて、直流交流変換機の制御部に入力される端子電圧が大きくなり、直流交流変換機の制御回路の動作電圧を確保できるので運転を継続可能であり、確実にエンジンを始動することができる。
（２）アイドルストップ後の再始動時に、バッテリ電圧が所定値以下に低下しないので、ラジオやナビゲーションシステムが停止せず、快適である。
４．前記１項〜３項の何れか一に記載の車両用電動機の制御装置において、初期の相電圧の通電幅は180°であることを特徴とする車両用電動機の制御装置。これにより、次の効果が生じる。
（１）180°矩形波通電により電圧を最大利用でき、トルクを向上することができるので、エンジンを迅速に始動できる。
（１）180°矩形波通電により電圧を最大利用でき、トルクを向上することができるので、エンジンを迅速に始動できる。
５．前記１項に記載の車両用電動機の制御装置おいて、初期の相電圧の通電幅は180°、切り替え後の相電圧の通電幅は120°であることを特徴とする車両用電動機の制御装置。これにより、次の効果が生じる。
（１）180°と120°矩形波通電は比較的簡単なので制御が簡便になり、システムコストが低下する。
（１）180°と120°矩形波通電は比較的簡単なので制御が簡便になり、システムコストが低下する。
６．前記２項に記載の車両用電動機の制御装置において、通電開始角度は60°ずらされることを特徴とする車両用電動機の制御装置。これにより、次の効果が生じる。
（１）60°ごとの切り替えで済めば、回転センサをホールスイッチ式とすることができるので安価になり、システムコストが低下する。
（１）60°ごとの切り替えで済めば、回転センサをホールスイッチ式とすることができるので安価になり、システムコストが低下する。
７．前記１項〜５項の何れか一に記載の車両用電動機の制御装置において、回転子位置検出手段はレゾルバであることを特徴とする車両用電動機の制御装置。これにより、次の効果が生じる。
（１）レゾルバなので高精度に位置検出でき、通電開始角の分解能が向上して細かく位相を制御できるので特性を向上しつつ、電圧を維持することができる。
（１）レゾルバなので高精度に位置検出でき、通電開始角の分解能が向上して細かく位相を制御できるので特性を向上しつつ、電圧を維持することができる。
１ 巻線界磁式突極型発電電動機、
１Ａ 固定子（通常は電機子）、
１Ｆ 回転子（通常は界磁）、
1RPS 回転子位置検出装置、
２ 直流交流変換機、
２１ 演算装置、
２２ ３相ゲートドライバ、
２３ 界磁ゲートドライバ、
２４ 回転子位置検出回路、
３ 直流電源、
４ 平滑コンデンサ、
５ シャント抵抗、
６ 界磁スイッチ素子。
１Ａ 固定子（通常は電機子）、
１Ｆ 回転子（通常は界磁）、
1RPS 回転子位置検出装置、
２ 直流交流変換機、
２１ 演算装置、
２２ ３相ゲートドライバ、
２３ 界磁ゲートドライバ、
２４ 回転子位置検出回路、
３ 直流電源、
４ 平滑コンデンサ、
５ シャント抵抗、
６ 界磁スイッチ素子。
Claims (7)
- 直流交流変換機によって車両用電動機を通電制御する車両用電動機の制御装置において、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧より大きい定常時には固定子各相に電圧利用率の大きい通電角度幅の矩形波電圧を通電し、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合には電圧利用率の小さい矩形波電圧通電制御に切り替えることを特徴とする車両用電動機の制御装置。
- 直流交流変換機によって車両用電動機を通電制御する車両用電動機の制御装置において、固定子各相相電圧は最大トルクが出力されるように通電開始角度を制御されており、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合に、直流電圧を増やす方向に通電開始角度がずらされることを特徴とする車両用電動機の制御装置。
- 直流交流変換機によって車両用電動機を通電制御する車両用電動機の制御装置において、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧より大きい定常時には固定子各相に電圧利用率の大きい通電角度幅の矩形波電圧を通電し、バッテリから直流交流変換機に入力される直流端子電圧あるいは直流電源端子電圧が所定の電圧以下になった場合には界磁電流を変化させることを特徴とする車両用電動機の制御装置。
- 請求項１〜請求項３の何れか一記載の車両用電動機の制御装置において、初期の相電圧の通電幅は180°であることを特徴とする車両用電動機の制御装置。
- 請求項１に記載の車両用電動機の制御装置おいて、初期の相電圧の通電幅は180°、切り替え後の相電圧の通電幅は120°であることを特徴とする車両用電動機の制御装置。
- 請求項２に記載の車両用電動機の制御装置において、通電開始角度は60°ずらされることを特徴とする車両用電動機の制御装置。
- 請求項１〜請求項５の何れか一に記載の車両用電動機の制御装置において、回転子位置検出手段はレゾルバであることを特徴とする車両用電動機の制御装置。
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| JP2006005093A Active JP4391480B2 (ja) | 2006-01-12 | 2006-01-12 | 車両用電動機の制御装置 |
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- 2006-01-12 JP JP2006005093A patent/JP4391480B2/ja active Active
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2007
- 2007-01-10 FR FR0752597A patent/FR2897211B1/fr not_active Expired - Fee Related
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