JP2007282298A

JP2007282298A - モーター制御装置

Info

Publication number: JP2007282298A
Application number: JP2006101347A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Sasaki; 広明佐々木; Kazutoshi Nagayama; 和俊永山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】ＰＷＭ制御インバーターでモータージェネレーターを駆動する場合の総合損失を低減する。
【解決手段】モーターとＰＷＭ制御インバーターの合計損失が最小となるＰＷＭ制御のキャリア周波数を設定し、設定したキャリア周波数でインバーターを運転してモーターを駆動する。
【選択図】図６

Description

本発明はモーターの制御装置に関する。

極低温下におけるエンジン始動にはフリクションが大きいために通常温度におけるエンジン始動に比べて多くのバッテリー出力を必要とする。したがって、極低温下でのエンジン始動はバッテリーの電力収支上、非常に不利である。従来は、極低温下でのエンジン始動を可能にするバッテリー容量を決定することもあったが、このようなまれな状況を想定してバッテリー容量を決定するのは非効率的である。
この問題を解決するために、大きなモータートルクを必要とするエンジン始動時にはインバーターのキャリア周波数を下げてインバーター損失を低減し、バッテリー出力を抑制するようにしたハイブリッド車両用モーター制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開２００２−１５３０９６号公報

しかしながら、上述した従来のハイブリッド車両用モーター制御装置では、エンジン始動時にキャリア周波数を下げてインバーター損失を低減しているが、モーター損失もキャリア周波数に依存するため、バッテリー出力を総合的に低減するにはインバーター損失だけではなくモーター損失も考慮したキャリア周波数を決定する必要がある。

モーターとＰＷＭ制御インバーターの合計損失が最小となるＰＷＭ制御のキャリア周波数を設定し、設定したキャリア周波数でインバーターを運転してモーターを駆動する。

本発明によれば、極低温下において負荷を起動する場合にバッテリーの出力すなわち電力消費を低減することができ、バッテリー容量自体を低減することができる。

図１は一実施の形態の構成を示す図である。モータージェネレーター（ＭＧ）１０５はクラッチ（ＣＬ１）１０９を介してエンジン（ＥＮＧ）１０４と連結され、エンジン１０４を始動する。また、モータージェネレーター１０５はクラッチ（ＣＬ２）１１０を介してトランスミッション（ＴＭ）１０６と連結され、走行駆動力を発生する。車両の総合制駆動力は、エンジン１０４とモータージェネレーター１０５の合成制駆動力、あるいはエンジン１０４とモータージェネレーター１０５のそれぞれの制駆動力となる。

モータージェネレーター１０５は、正転力行（駆動）、正転回生（制動）、逆転力行および逆転回生の４象限の運転が可能であり、モーター（電動機）として機能して駆動力を発生するとともにジェネレーター（発電機）として機能して制動力を発生する回転電機である。この明細書では電動機と発電機の両機能を併せ持つことを明確にするために“モータージェネレーター”と呼ぶが、一般に“モーター”と呼ばれるものは電動機と発電機の両機能を備えている。したがって、この明細書でモータージェネレーターというのは一般的なモーターを含むものである。

車両コントローラ１０２は、車両情報１０１、すなわち車速情報、トランスミッション１０６のシフト位置情報、ブレーキセンサー（不図示）によるブレーキペダル操作情報、アクセルセンサー（不図示）によるアクセルペダル操作情報などに基づいて車両の所要制駆動力を演算し、所要制駆動力に応じてエネルギーマネージメントを行う。そして、エンジンコントローラ１０３へエンジントルク指令Ｔengを、モーターコントローラ１０７へＭＧトルク指令Ｔmgを、クラッチ１０９，１１０へクラッチ状態指令をそれぞれ出力する。エンジン始動時は、クラッチ１０９を接続しクラッチ１１０を開放してモータージェネレーター１０５によりトルクを発生させ、エンジン１０４を始動する。

エンジンコントローラ１０３は、車両コントローラ１０２からのエンジン始動停止指令にしたがってエンジン１０４の始動停止制御を行う。また、エンジンコントローラ１０３は、ＥＮＧトルク指令Ｔengに基づいてエンジン１０４のスロットルバルブ開閉装置（不図示）、燃料噴射装置（不図示）、点火時期制御装置（不図示）を制御し、エンジン１０４から制駆動力を発生させる。モーターコントローラ１０７は、車両コントローラ１０２からのＭＧトルク指令Ｔmgに基づいてエンジン始動や車両制駆動のための電力をインバーター１０８を介してモータージェネレーター１０５へ供給し、モータージェネレーター１０５に制駆動力を発生させる。

図２はモーターコントローラ１０７の詳細な構成を示す制御ブロック図である。モーターコントローラ１０７はマイクロコンピューターとメモリやＡ／Ｄコンバーターなどの周辺部品を備え、マイクロコンピューターのソフトウエア形態により電流指令部１１、電流制御部１２、２相３相変換部１３、３相２相変換部１４、磁極位置検出部１５、ＭＧ電気角周波数検出部１６、キャリア周波数制御部１７などを備えている。

磁極位置検出部１５は、モータージェネレーター１０５の回転軸に連結した位置センサー（ＰＳ）１１５から出力される信号に基づいてモータージェネレーター１０５の磁極位置θを検出する。ＭＧ電気角周波数検出部１６は、上述した位置センサー１１５の出力信号に基づいてモータージェネレーター１０５の電気角周波数（電気角速度）ω(rad/sec)を検出する。電流センサー１１２〜１１４はモータージェネレーター１０５へ流れる三相交流電流ｉu、ｉv、ｉwを検出する。

電流指令部１１は、車両コントローラ１０２から入力したＭＧトルク指令Ｔmg、磁極位置検出部１５から入力した磁極位置θおよびＭＧ電気角周波数検出部１６から入力したＭＧ電気角周波数ωに基づいて予め記憶している電流テーブルを参照し、ＭＧトルク指令Ｔmg、磁極位置θおよびＭＧ電気角周波数ωに応じた２相直流であるｄｑ軸電流指令値ｉd^＊、ｉq^＊を設定する。３相２相変換部１４は、磁極位置θに基づいて電流センサー１１２〜１１４で検出した３相交流電流ｉu、ｉv、ｉwを２相直流であるｄｑ軸電流ｉd、ｉqに変換する。

電流制御部１２は、３相２相変換部１４から入力したｄｑ軸電流ｉd、ｉqを電流指令部１１から入力した電流指令ｉd^＊、ｉq^＊に一致させるためのｄｑ軸電圧指令値ｖd^＊、ｖq^＊を演算する。２相３相変換部１３は、磁極位置θに基づいてｄｑ軸電圧指令値ｖd^＊、ｖq^＊を３相交流電圧指令値ｖu^＊、ｖv^＊、ｖw^＊に変換する。インバーター１０８は、３相交流電圧指令値ｖu^＊、ｖv^＊、ｖw^＊にしたがってＩＧＢＴなどのスイッチング素子（不図示）をキャリア周波数ｆｃでスイッチングし、バッテリー１１１の直流電力を交流電力に変換してモータージェネレーター１０５へ供給する。

キャリア周波数制御部１７は、ＭＧ電気角周波数検出部１６から入力したＭＧ電気角周波数ωに基づいてインバーター損失とモータージェネレーター損失を合算した総合損失を最小にするキャリア周波数ｆｃを設定し、インバーター１０８へ出力する。

次に、モータージェネレーター１０５で発生する損失とインバーター１０８で発生する損失を合算した総合損失とインバーター１０８のキャリア周波数ｆｃとの関係について説明する。ＰＷＭ（Pulse Width Modulation；パルス幅変調）制御インバーターでモータージェネレーターを駆動する場合に、モータージェネレーター巻線に流れる電流波形は図３に示すような波形になる。図３に示す波形は、モータージェネレーターにトルクを発生させるのに必要な正弦波電流（３相交流電流）に、インバーターのスイッチング動作により生じる高調波成分が重畳した波形である。

高調波成分の大きさはモータージェネレーターの巻線インダクタンスやインバーターのキャリア周波数ｆｃに依存し、キャリア周波数ｆｃが低いほど高調波成分が大きくなる。また、図３に示すような波形において、トルク発生に必要な３相交流電流の大きさを一定とした場合、３相交流電流に重畳する高調波成分が大きいほど波形全体の実効値が大きくなる。モータージェネレーターの銅損は電流実効値の二乗に比例するから、キャリア周波数ｆｃが低い方が高調波成分が大きくなってモータージェネレーターの銅損が大きくなる。

一方、ＰＷＭ制御で３相交流電流を正弦波と見なせるようにするためには、キャリア周波数ｆｃが３相交流電流周波数の数倍以上、通常は９〜１０倍以上にしておく必要があるため、キャリア周波数ｆｃには設定可能な下限値がある。この明細書では、このキャリア周波数ｆｃの下限値をｆｃ１とする。

図４はモータージェネレーターの損失とキャリア周波数ｆｃとの相関を表す。ＰＷＭ制御において、キャリア周波数ｆｃを下限値ｆｃ１未満にすることはできないため、図４では下限値ｆｃ１以上のキャリア周波数ｆｃに対する損失を表す。キャリア周波数ｆｃが高くなると、スイッチング動作による高調波成分がほぼ無視できるようになるため、損失はほぼ一定になる。

図５はインバーターの損失とキャリア周波数ｆｃとの相関を表す。図４に示すモータージェネレーター損失と同様に、キャリア周波数ｆｃを下限値ｆｃ１未満にすることはできないため、図５では下限値ｆｃ１以上のキャリア周波数ｆｃに対する損失を表す。キャリア周波数ｆｃの増加に比例してインバーター損失が増加するのは、インバーターのスイッチング損失がキャリア周波数ｆｃに比例するためである。

図６、図７は、図４に示すモータージェネレーター損失と図５に示すインバーター損失とを合算した総合損失を表す。図６は、図４に示すΔＰ(ＭＧ)/Δｆｃ（キャリア周波数ｆｃの変化に対するモータージェネレーター損失Ｐ(ＭＧ)の変化の割合）が、図５に示すΔＰ(ＩＮＶ)/Δｆｃ（キャリア周波数ｆｃの変化に対するインバーター損失Ｐ(ＩＮＶ)の変化の割合）を上回る周波数がある場合の特性を示す。図６から明らかなように、この場合にはキャリア周波数ｆｃを下限値ｆｃ１とした場合よりも総合損失が小さくなる、つまり総合損失が極小値となるキャリア周波数ｆｃ２が存在する。

図７は、すべてのキャリア周波数ｆｃにおいてΔＰ(ＭＧ)/ΔｆｃがΔＰ(ＩＮＶ)/Δｆｃを下回る場合の特性を示す。この場合は、キャリア周波数ｆｃの下限値ｆｃ１で総合損失が最も小さくなる。

図６、図７に示す例から明らかなように、適切なキャリア周波数ｆｃを選択することによって総合損失を極小にすることができる。モータージェネレーター１０５の電気角周波数ωごとにキャリア周波数ｆｃの下限値ｆｃ１と極小値ｆｃ２（モータージェネレーターによってはない場合もある）を評価実験あるいは演算により求め、周波数が高い方を最適なキャリア周波数に選択して電気角周波数ωに対する最適なキャリア周波数のテーブルデータを設定する。このキャリア周波数テーブルをモーターコントローラー１０７の内蔵メモリ（不図示）に予め記憶しておく。

図８は一実施の形態のキャリア周波数制御プログラムを示すフローチャートである。このフローチャートにより、ＰＷＭ制御を行いながら総合損失を極小値にする一実施の形態の動作を説明する。ハイブリッド車両のメインスイッチ（不図示）がオンすると、モーターコントローラー１０７は繰り返しこの制御プログラムを実行する。ステップ１において位置センサー１１５およびＭＧ電気角周波数検出部１６によりモータージェネレーター１０５の電気角周波数ωを検出する。

続くステップ２で電気角周波数ωが変化したか否かを確認する。具体的には、この制御プログラムが繰り返し実行される周期において、前回の実行周期で検出した値と今回の実行周期で検出した値との差が予め設定した値を超える場合は電気角周波数ωが変化したとする。電気角周波数ωが変化していないときはキャリア周波数ｆｃを変えずにステップ５へ進み、電気角周波数ωが変化したときはステップ３へ進む。

ステップ３ではモーターコントローラー１０７の内蔵メモリ（不図示）に記憶されているキャリア周波数テーブルを参照し、検出した電気角周波数ωに対応する最適なキャリア周波数ｆｃを表引き演算する。続くステップ４において最適なキャリア周波数ｆｃをインバーター１０８に設定する。ステップ５では、インバーター１０８が設定されたキャリア周波数ｆｃと３相交流電圧指令値ｖu^＊、ｖv^＊、ｖw^＊に基づいてＩＧＢＴなどのスイッチング素子（不図示）を駆動し、バッテリー１１１の直流電力を交流電力に変換してモータージェネレーター１０５へ供給する。

このようなキャリア周波数制御を行うことによって、インバーター損失とモータージェネレーター損失とを合算した総合損失を最小にすることができ、ハイブリッド車両の燃費を向上させることができる。また、総合損失を低減した分だけ従来よりもエンジン始動時のバッテリー１１１の出力を低減することができるので、極低温下でのエンジン１０４の始動が容易になり、エンジン始動性を向上させることができる。さらに、バッテリー容量自体を低減することができる。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、キャリア周波数制御部１７がキャリア周波数設定手段を、ＭＧ電気角周波数検出部１６が電気角周波数検出手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項との対応関係になんら限定も拘束もされない。

上述した一実施の形態では本発明をハイブリッド車両のモーター制御装置に適用した例を示したが、本発明はハイブリッド車両用に限定されず、ＰＷＭ制御インバーターを有するすべてのモーター制御装置に適用することができ、上述した効果を得ることができる。

このように、一実施の形態によれば、モータージェネレーターとＰＷＭ制御インバーターの合計損失が最小となるＰＷＭ制御のキャリア周波数を設定し、設定したキャリア周波数でインバーターを運転してモータージェネレーターを駆動するようにしたので、極低温下において負荷を起動する場合にバッテリーの出力すなわち電力消費を低減することができ、バッテリー容量自体を低減することができる。

また、一実施の形態によれば、モータージェネレーターの電気角周波数ごとにモータージェネレーターとインバーターの合計損失が最小となるＰＷＭ制御のキャリア周波数を設定したテーブルデータを有し、テーブルデータを参照して電気角周波数検出値に応じたキャリア周波数を設定するようにしたので、モータージェネレーターの回転速度に応じた最適なキャリア周波数を設定することができ、バッテリーの電力消費をさらに低減できる。

一実施の形態の構成を示す図モーターコントローラの詳細構成を示す図ＰＷＭ制御インバーターでモータージェネレーターを駆動した場合の電流波形を示す図モータージェネレーターの損失とキャリア周波数との相関を表す図インバーターの損失とキャリア周波数との相関を表す図モータージェネレーター損失とインバーター損失を合算した総合損失を表す図モータージェネレーター損失とインバーター損失を合算した総合損失を表す図一実施の形態のキャリア周波数制御プログラムを示すフローチャート

符号の説明

１１電流指令部
１２電流制御部
１３２相３相変換部
１４３相２相変換部
１５磁極位置検出部
１６ＭＧ電気角周波数検出部
１７キャリア周波数制御部
１０１車両情報
１０２車両コントローラー
１０３エンジンコントローラー
１０４エンジン
１０５モータージェネレーター
１０６トランスミッション
１０７モーターコントローラー
１０８インバーター
１０９，１１０クラッチ
１１１バッテリー
１１２〜１１４電流センサー
１１５位置センサー

Claims

ＰＷＭ制御によりモーターを駆動するインバーターと、
前記モーターと前記インバーターの合計損失が最小となる前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数を設定するキャリア周波数設定手段とを備えることを特徴とするモーター制御装置。
請求項１に記載のモーター制御装置において、
前記モーターの電気角周波数を検出する電気角周波数検出手段を備え、
前記キャリア周波数設定手段は、前記モーターの電気角周波数ごとに前記モーターと前記インバーターの合計損失が最小となる前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数を設定したテーブルデータを有し、前記テーブルデータを参照して前記電気角周波数検出値に応じたキャリア周波数を設定することを特徴とするモーター制御装置。
請求項２に記載のモーター制御装置において、
前記キャリア周波数設定手段は、前記電気角周波数検出値が所定値以上変化するたびに前記テーブルデータを参照して前記電気角周波数検出値に応じたキャリア周波数を設定することを特徴とするモーター制御装置。
モーターとＰＷＭ制御インバーターの合計損失が最小となるＰＷＭ制御のキャリア周波数を設定し、設定したキャリア周波数で前記インバーターを運転してモーターを駆動することを特徴とするモーター制御方法。