JP2009213200A - モータ駆動制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲のモータ回転数においてモータの相電流を安定させることが可能なモータ駆動制御システムを提供する。
【解決手段】３相モータ４０の制動時には、外部から与えられた３相モータ４０の目標回転数と、フィードバックされた実回転数及び回生電流と、に基づいて、電流値制御回路２３９は制御信号を出力する。電流値制御回路２３９は、回生電流を安定させるように制御する。ＰＷＭ変調回路２４０はその信号をＰＷＭ変調し、ＡＮＤ回路２４１，ＡＮＤ回路２４３に出力する。ＰＷＭ変調された信号は、ＡＮＤ回路２４１を経由して昇圧チョッパ回路１４０を駆動することにより電力回生が行われる。また、抵抗回生判定回路２４２が抵抗回生を許可した場合に、ＰＷＭ変調された信号がＡＮＤ回路２４３を経由して抵抗回生回路１３０を駆動することにより抵抗回生が行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータ駆動制御システムに関し、特に、回生能力に優れたモータ駆動制御システムに関する。

近年、いわゆる燃料電池車と呼ばれる車両において、燃料電池を電源とするモータ駆動制御システムが用いられている。このようなモータ駆動制御システムでは、燃料電池に空気（エア）を供給するためのエアコンプレッサが用いられており、その駆動用としてＰＭ（Permanent Magnet）モータ等の交流モータが使用されている。この交流モータの回転制御は、通電していない相に発生する起電力に基づいて位相角を検知することにより行われる。

エアコンプレッサの運転状態を高負荷運転からアイドル運転または停止状態に移管した場合、騒音を低減したり、燃料電池のスタック内部へのエアの流入を最小限にして内部の乾燥を防いだりするために、エアコンプレッサの回転数を即座に降下させることが好ましい。これを実現するための方法として、例えばエアコンプレッサの運動エネルギーを電源に回生させる方法が挙げられる。

特許文献１には、モータの目標回転数と実回転数との偏差に基づいて、モータの駆動／回生動作を切り替えるモータ駆動制御装置が開示されている。このモータ駆動制御装置は、二次電池にモータの運動エネルギーを回生させる電力回生部と、電圧低下検出部又は低回転検出部からの指示によりモータの運動エネルギーを熱エネルギーとして消費する抵抗回生部とを備えている。
特開２００７−２７４８６７号公報

上記の方法では、電力回生時において二次電池が満充電等の理由でモータの回生電力を吸収できない場合、抵抗器により回生電力を消費してエネルギー交換が行われる。しかしながら、特許文献１に開示されたモータ駆動制御装置のように、固定抵抗器又は複数の抵抗器を使ったシステムでは、回生時においてモータ回転数の低下に従って誘起電力が低下するためモータの相電流が不安定になりやすい。そのため、位相検知が困難になり、回転制御を脱調してしまうおそれがある。

また、抵抗回生時においても同様にモータの誘起電力は回転数の低下に伴い低下するため、抵抗器に流れる電流は一定量とならない。このため、モータの高回転領域で抵抗回生を使用する場合には、電流値が増えるため、モータ巻線及びマグネット等を保護するために上限リミット回路が必要となる場合がある。更に、抵抗回生部でスイッチングを行うためこの部分に昇圧作用が発生する。この昇圧作用から受動部品を保護するための回路が必要となる場合もある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、広範囲のモータ回転数においてモータの相電流を安定させることが可能なモータ駆動制御システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のモータ駆動制御システムは、
制御対象のモータが発生するエネルギーを電源に回生する電力回生手段と、
前記モータが発生するエネルギーを熱に変換する熱回生手段と、
前記モータの実回転数を検出する回転数検出手段と、
前記電力回生手段に流れる電流と前記熱回生手段に流れる電流とを足し合わせた回生電流を検出する回生電流検出手段と、
検出された前記モータの実回転数と前記回生電流とに基づいて、前記回生電流が所定の値となるように、前記電力回生手段と前記熱回生手段とを制御する回生電流制御手段と、
を備えることを特徴とする。

前記熱回生手段は、抵抗と、該抵抗に接続されたスイッチと、を備え、
前記回生電流制御手段は、前記電力回生手段と前記熱回生手段とを制御するための制御信号を生成し、
前記制御信号に従って、前記熱回生手段の前記スイッチが前記抵抗を通電制御することとしてもよい。

予め定められた条件に基づいて、前記熱回生手段に電流を流すことを許可するか否かを判定する熱回生判定手段を更に備え、
前記熱回生判定手段が前記熱回生手段に電流を流すことを許可した場合に、前記回生電流制御手段は、前記熱回生電流に前記制御信号を出力することとしてもよい。

前記回生電流制御手段は、前記制御信号をパルス幅変調して前記電力回生手段と前記熱回生手段とに出力する変調手段を備えることを特徴とすることとしてもよい。

前記電源は、燃料電池と二次電池とから構成されており、
前記電力回生手段による回生は、前記二次電池に対して行われることとしてもよい。

前記モータは、前記燃料電池への空気供給用であり、
前記燃料電池は、電流が増加するに従って電圧が低下する特性を有することとしてもよい。

本発明によれば、モータの実回転数と回生電流とをフィードバックさせて回生制御を行うことにより、広範囲のモータ回転数において、モータの相電流を安定させることができる。

以下、本発明の実施の形態に係るモータ駆動制御システムについて図１及び図２を参照して説明する。

図１に、本実施形態のモータ駆動システムの構成を示す。図１に示すように、このモータ駆動システムは、燃料電池３３０、二次電池３０、ＤＣ（直流）／ＤＣコンバータ３２０、ダイオード３４０、モータ駆動制御装置１００，３００、及び、３相モータ４０，３１０とから構成されている。なお、図１に示すモータ駆動システムは、燃料電池車を駆動するためのシステムである。

燃料電池３３０は、図１に示すモータ駆動システムに直流電源を供給する電池である。この燃料電池３３０は、例えば固体酸化物型で所定の容量を有し、互いに積層された複数の発電セルから構成されている。

二次電池３０は、燃料電池３３０を補助してモータを駆動するための直流電源となる電池である。また、モータの制動時には、この二次電池３０に電力回生が行われる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、燃料電池３３０が発生する直流電力を、異なる電圧の直流電力に変換して二次電池３０及びモータ駆動制御装置１００に供給する回路である。

ダイオード３４０は、例えば燃料電池３３０の電圧が低下した場合でも燃料電池３３０に逆電流が流れることを防止する。

モータ駆動制御装置１００は、燃料電池３３０及び二次電池３０から供給された直流電流を３相交流に変換し、３相モータ４０に供給する。また、３相モータ４０の制動時には、３相モータ４０の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して二次電池３０に回生する。

３相モータ４０は、モータ駆動制御装置１００から供給された３相交流電源によって動作するＰＭモータである。３相モータ４０が図１に示すエアコンプレッサ３５０を駆動することにより、エアコンプレッサ３５０は、燃料電池３３０にエアを供給する。

モータ駆動制御装置３００は、モータ駆動制御装置１００と同様に直流電流を３相交流に変換し、３相モータ３１０に供給する。モータ駆動制御装置３００は、３相モータ３１０の電流値等に対応可能とすれば、モータ駆動制御装置１００と同様の構成としてもよい。

３相モータ３１０は、モータ駆動制御装置３００から供給された３相交流電源によって車両を駆動する、いわゆるトラクションモータである。

図２に、図１に示すモータ駆動制御装置１００の構成を示す。図２に示すように、モータ駆動制御装置１００は、駆動部１０と制御部２０とから構成された回路である。

駆動部１０は、コンデンサ１１０、降圧チョッパ回路１２０，抵抗回生回路１３０、昇圧チョッパ回路１４０、インダクタ１５０、コンデンサ１６０，３相インバータ回路１７０とから構成されている。

コンデンサ１１０は、二次電池３０に並列に接続されている。

降圧チョッパ回路１２０は、スイッチング素子として機能するＮＰＮトランジスタ１２１と、逆並列ダイオード１２２と、プリドライブ回路１２３とから構成されている。ＮＰＮトランジスタ１２１は、スイッチング素子として機能し、コレクタが二次電池３０の陽極（＋）に接続されている。逆並列ダイオード１２２は、そのカソードがＮＰＮトランジスタ１２１のコレクタに、そのアノードがエミッタに接続されている。プリドライブ回路１２３は、制御部２０からの制御信号（スイッチング制御信号）Ｓ１に従って、ＮＰＮトランジスタ１２１のベースに制御信号を印加して、ＮＰＮトランジスタ１２１をオン・オフする。

抵抗回生回路１３０は、スイッチング素子として機能するＮＰＮトランジスタ１３１と、逆並列ダイオード１３２と、プリドライブ回路１３３と、抵抗素子１３４とから構成されている。ＮＰＮトランジスタ１３１は、スイッチング素子として機能し、コレクタが抵抗素子１３４の一端に接続され、エミッタが二次電池３０の陰極（−）に接続されている。逆並列ダイオード１３２は、そのカソードがＮＰＮトランジスタ１３１のコレクタに、そのアノードがエミッタに接続されている。プリドライブ回路１３３は、制御部２０からの制御信号（スイッチング制御信号）Ｓ３に従って、ＮＰＮトランジスタ１３１のベースに制御信号を印加して、ＮＰＮトランジスタ１３１をオン・オフする。抵抗素子１３４は、その一端がＮＰＮトランジスタ１３１のコレクタに接続され、他端が二次電池３０の陽極に接続され、回生電流をジュール熱に変換（熱回生）する。

昇圧チョッパ回路１４０は、ＮＰＮトランジスタ１４１と、逆並列ダイオード１４２と、プリドライブ回路１４３と、から構成されている。ＮＰＮトランジスタ１４１は、スイッチング素子として機能し、コレクタが二次電池３０の陽極に接続され、エミッタが二次電池３０の陰極（−）に接続されている。逆並列ダイオード１４２は、そのカソードがＮＰＮトランジスタ１４１のコレクタに、そのアノードがエミッタに接続されている。プリドライブ回路１４３は、制御部２０からの制御信号（スイッチング制御信号）Ｓ２に従って、ＮＰＮトランジスタ１４１をオン・オフする。

インダクタ１５０は、その一端がＮＰＮトランジスタ１２１のエミッタ、抵抗１３４の他端、及びＮＰＮトランジスタ１４１のコレクタに接続されている。また、インダクタ１５０の他端は、コンデンサ１６０、及び３相インバータ回路１７０に接続されている。

コンデンサ１６０は、その一端がインダクタ１５０の他端に接続され、他端が二次電池３０の陰極に接続されている。

３相インバータ回路１７０は、コンデンサ１６０に充電された電荷（電力）を３相交流に変換して３相モータ４０に供給する回路であり、６個のＮＰＮトランジスタ１７１〜１７６と、６個のダイオード１８１〜１８６と、６個のプリドライブ回路１９１〜１９６から構成されている。

６個のＮＰＮトランジスタ１７１〜１７６は、３相フルブリッジ接続されており、３相モータ４０に接続されている。結線は、Ｙ型としてもよく、Δ型としてもよい。６個のダイオード１８１〜１８６は、それぞれ、ＮＰＮトランジスタ１７１〜１７６のコレクタとエミッタ間に逆並列接続されている。プリドライブ回路１９１〜１９６は、それぞれ、ＮＰＮトランジスタ１７１〜１７６のベースに接続されており、通電相切替制御部２２２からの制御信号（スイッチング制御信号）に従って、対応するＮＰＮトランジスタ１７１〜１７６をオン・オフする。

一方、制御部２０は、過電圧検出回路２１１と、過電流検出回路２１２と、通電相切替制御部２２２と、相電圧検出部２２１と、目標回転数リミット回路２３１と、実回転数検出回路２３２と、減算回路２３３，２３４と、モータ電流値検出回路２３５と、駆動／回生判定回路２３６と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調回路２３７，２４０と、回転数比較回路２３８と、電流値制御回路２３９と、抵抗回生判定回路２４２と、ＡＮＤ回路２４１，２４３と、を備えている。

過電圧検出回路２１１は、コンデンサ１１０の両端電圧の過電圧を検出し、検出信号を通電相切替制御部２２２に供給する。

過電流検出回路２１２は、二次電池３０を流れる電流の過電流を検出し、検出信号を通電相切替制御部２２２に供給する。

相電圧検出部２２１は、３相モータ４０のＵＶＷ各相の相電圧を検出し、検出信号を通電相切替制御部２２２と実回転数検出回路２３２とに供給する。

通電相切替制御部２２２は、相電圧検出部２２１で検出された相電圧に基づいて、プリドライブ回路１９１〜１９６を制御する。

目標回転数リミット回路２３１には、外部装置５０より、３相モータ４０の回転速度（例えば、単位時間当たりの回転数）の目標値（以下、目標回転数という）Ｒｔが供給される。外部装置５０は、本実施形態においてはエアコンプレッサの制御部であり、３相モータ４０の回転数の目標値を設定する。目標回転数リミット回路２３１は、回転目標数Ｒｔが予め定められた下限値ＲＬ未満となる場合には、目標回転数ＲｍをＲｍ＝ＲＬに修正して出力する（以下、目標回転数リミット回路２３１が出力する回転数を修正目標回転数Ｒｍという）。これは、回転目標数Ｒｔに対応する電圧が例えば０Ｖである場合に、０Ｖ付近のノイズの影響を受けないようにするためである。また、回転目標数Ｒｔが下限値ＲＬ以上である場合には、目標回転数リミット回路２３１は、修正目標回転数ＲｍをＲｍ＝Ｒｔとして出力する。

実回転数検出回路２３２は、相電圧検出部２２１からの検出信号を受けて、３相モータ４０の実際の単位時間当たりの回転数（以下、実回転数という）Ｒｒを検出する。

減算回路２３３は、目標回転数リミット回路２３１から出力された修正目標回転数Ｒｍから実回転数Ｒｒを減算し、回転数の偏差ｅ１＝Ｒｍ−Ｒｒを求める。

モータ電流値検出回路２３５は、変流器などを備え、３相モータ４０に流れている電流の値を検出し、モータ電流に比例する電圧信号Ｖｄを出力する。

減算回路２３４は、回転数の偏差ｅ１とモータ電流Ｖｄとの偏差ｅ２＝ｅ１−Ｖｄを求め、駆動／回生判定回路２３６に出力する。

駆動／回生判定回路２３６は、減算回路２３４の出力信号ｅ２を受け、この出力信号の符号が正（＋）のときに駆動モードと判別し、符号が負（−）のときに回生（制動）モードであると判別する。そして、その判別結果をＰＷＭ変調回路２３７及びＡＮＤ回路２４１に出力する。

ＰＷＭ変調回路２３７は、駆動／回生判定回路２３６が駆動モードであると判別したときに、減算回路２３４の出力電圧ｅ２に従って、パルス幅を変調してＰＷＭ信号を生成する。そして、ＰＷＭ変調回路２３７は、このＰＷＭ信号を駆動信号Ｓ１として降圧チョッパ回路１２０のプリドライブ回路１２３に出力する。

回転数比較回路２３８は、目標回転数リミット回路２３１から出力される修正目標回転数Ｒｍと実回転数Ｒｒとを比較し、その結果を電流値制御回路２３９に出力する。

電流値制御回路２３９は、モータ電流値検出回路２３５から出力されるモータ電流Ｖｄと、回転数比較回路２３８から出力される出力電圧とに基づいて、回生電流が所定の値になるような制御信号を電圧信号としてＰＷＭ変調回路２４０に出力する。なお、本明細書において回生電流とは、特に断りのない限り電力回生と抵抗回生の両方を含む電流である。

ＰＷＭ変調回路２４０は、電流値制御回路２３９の出力電圧に従って、制御信号のパルス幅を変調してＰＷＭ信号をＡＮＤ回路２４１，２４３に出力する。

ＡＮＤ回路２４１は、駆動／回生判定回路２３６が運転状態を駆動モードではないと判別したとき、即ち回生モードであると判別したときに、ＰＷＭ変調回路２４０からのＰＷＭ信号を電力回生信号Ｓ２として、昇圧チョッパ回路１４０のプリドライブ回路１４３に供給する。

抵抗回生判定回路２４２は、目標回転数Ｒｔを受け、この目標回転数Ｒｔが所定の基準値Ｒｓより小さい場合に、抵抗回生を許可する信号をＡＮＤ回路２４３に出力する。

ＡＮＤ回路２４３は、抵抗回生判定回路２４２が抵抗回生を許可し、さらに外部装置６０が抵抗回生指示を行ったときに、ＰＷＭ変調回路２４０から出力されたＰＷＭ信号を、抵抗回生信号Ｓ３として抵抗回生回路１３０のプリドライブ回路１３３に供給する。

次に、上記構成のモータ駆動制御回路の動作を説明する。なお、以下の動作の説明において、各回路からの出力電圧、モータ電流、モータ回転数等の数値は、いずれも説明の便宜上設定した数値であり、本実施形態を限定するものではない。

（１）まず、通常の駆動時の動作を説明する。
通常の駆動時には、外部装置５０より、３相モータ４０の目標回転数Ｒｔが０〜＋５Ｖの電圧として目標回転数リミット回路２３１に供給される。目標回転数Ｒｔは、モータ回転数が０ｒｐｍのときに０Ｖとし、１０００００ｒｐｍのときに＋５Ｖとする。モータの目標回転数リミット回路２３１は、上述したように、目標回転数Ｒｔと予め定められた下限値ＲＬとを比較し、その結果に従って修正目標回転数Ｒｍを出力する。本実施形態においては、目標回転数Ｒｔを０Ｖとし、下限値ＲＬ及び修正目標回転数Ｒｍを＋０．８Ｖとする。

減算回路２３３は、目標回転数リミット回路２３１から出力された修正目標回転数Ｒｍから、実回転数検出回路２３２から出力された実回転数Ｒｒを減算し、回転数の偏差ｅ１＝Ｒｍ−Ｒｒを求める。実回転数Ｒｒは、モータ回転数が０ｒｐｍのときに０Ｖとし、１０００００ｒｐｍのときに＋５Ｖとする。そして、減算回路２３３は、求められた偏差ｅ１を０〜＋５Ｖの電圧として出力する。

減算回路２３４は、減算回路２３３から出力された偏差ｅ１とモータ電流値検出回路２３５から出力されたモータ電流Ｖｄとの偏差ｅ２＝ｅ１−Ｖｄを求める。ここで、モータ電流Ｖｄは０Ｖ〜＋５Ｖの値をとる電圧信号であり、モータの駆動電流が＋５０Ａであるときに＋５Ｖとし、回生電流が−５０Ａであるときに０Ｖとする。そして、減算回路２３４は、求められた偏差ｅ２を−５〜＋５Ｖの電圧として出力する。

駆動／回生判定回路２３６は、減算回路２３４の出力信号ｅ２の符号が正（＋）のとき、３相モータ４０が駆動モード、符号が負（−）のとき制動モードにあると判別する。ここでは、駆動モード、即ち、修正目標回転数Ｒｍが実回転数Ｒｒよりも大きいとする。駆動／回生判定回路２３６は、駆動モードであると判定すると、減算回路２３４の出力信号ｅ２に対応する電圧信号を０〜＋５Ｖの電圧としてＰＷＭ変調回路２３７に出力する。

ＰＷＭ変調回路２３７は、駆動／回生判定回路２３６が駆動モードであると判別したときに、減算回路２３４の出力電圧ｅ２に従って、パルス幅を変調してＰＷＭ信号を生成する。そして、ＰＷＭ変調回路２３７は、このＰＷＭ信号を駆動信号Ｓ１として降圧チョッパ回路１２０のプリドライブ回路１２３に出力する。このＰＷＭ信号は、減算回路２３４の出力電圧ｅ２が大きい程、パルス幅（デューティ比）が大きくなる信号である。

プリドライブ回路１２３は、駆動信号（ＰＷＭ信号）Ｓ１に応答して、ＮＰＮトランジスタ１２１をオン・オフする。ＮＰＮトランジスタ１２１がオンすると、二次電池３０（又は図１に示す燃料電池３３０）からのエネルギーがインダクタ１５０を介してコンデンサ１６０に蓄積され、ＮＰＮトランジスタ１２１がオフすると、インダクタ１５０に蓄積されたエネルギーがコンデンサ１６０及びダイオード１４２を介して還流し、コンデンサ１６０を充電する。

従って、修正目標回転数Ｒｍが実回転数Ｒｒより大きければ大きい程、及び、偏差ｅ１（＝Ｒｍ−Ｒｒ）とモータ電流Ｖｄの偏差ｅ２が大きければ大きい程、ＰＷＭ信号のデューティ比が大きくなる。即ち、ＮＰＮトランジスタ１２１がオンする期間が長くなって、コンデンサ１６０に供給されるエネルギーが増加し、コンデンサ１６０の両端電圧が上昇する。

通電相切替制御部２２２は、相電圧検出部２２１の相電圧に基づいて、３相インバータ回路１７０のプリドライブ回路１９１〜１９６を制御し、ＮＰＮトランジスタ１７１〜１７６を順次オンする。これにより、３相インバータ回路１７０は、コンデンサ１６０に蓄積されたエネルギーを３相交流に変換して３相モータ４０に供給し、３相モータ４０を駆動する。

次に、３相モータ４０の制動時、即ち回生動作について説明する。図３に示すように、本実施形態において用いられている燃料電池３３０は、電流が増加するに従って電圧が低下する特性を有している。換言すれば、電流が低下するに従って電圧が上昇し、電流が０ＡのときにＯＣＶ（Open Circuit Voltage）と呼ばれる無発電状態での端子間電圧となる。

図１に示すようなモータ駆動制御システムでは、駆動（力行）から回生に移行する際、燃料電池３３０の発電量低下に伴い、燃料電池３３０の端子間電圧は、ＯＣＶまで即座に上昇する。

しかし、ＰＭモータの電気的特性により、回転数の低下に伴い誘起電力は低下するため、モータが低回転数であるほど回生量は低下することになる。これにより、従来は、上述したように、十分な減速を行うことが困難となる場合があった。また、抵抗回生を併用することでモータの相電流が不安定となるおそれもあった。そこで、本実施形態の回生動作においては、電力回生と抵抗回生とを用いて、回生電流を安定させるように制御を行う。

以下、３相モータ４０の回生動作について、電力回生動作と抵抗回生動作とに分けて説明する。なお、以下の説明においては、抵抗回生判定回路２４２が抵抗回生を許可し、さらに外部装置６０が抵抗回生指示を行った場合、即ち、電力回生と抵抗回生との両方によって回生が行われているものとする。
（２）３相モータ４０の制動時（電力回生動作）

３相モータ４０の減速時等、目標回転数リミット回路２３１から出力された修正目標回転数Ｒｍが、実回転数検出回路２３２から出力された実回転数Ｒｒよりも大きくなると、減算回路２３３が出力する回転数の偏差ｅ１＝Ｒｍ−Ｒｒの符号が負になる。さらに、減算回路２３４は、偏差ｅ１とモータ電流値検出回路２３５から出力されたモータ電流Ｖｄとの偏差ｅ２＝ｅ１−Ｖｄを求める。ここでは、偏差ｅ２の符号が負であるとする。なお、モータ電流Ｖｄは、電力回生による回生電流と抵抗回生による回生電流を足し合わせたものである。

駆動／回生判定回路２３６は、減算回路２３４の出力信号ｅ２の符号が負（−）であるときに回生（制動）モードであると判別する。そして、その判別結果をＡＮＤ回路２４１に出力する。

回転数比較回路２３８の出力電圧ｅ３は、０〜＋５Ｖの電圧であり、修正目標回転数Ｒｍと実回転数Ｒｒとの偏差が大きいときに小さく、偏差が小さくなるにつれて大きくなる。そして、双方の偏差が０（ゼロ）となったときに、電圧ｅ３は最大電圧（＋５Ｖ）となる。

このとき、実回転数Ｒｒがより低回転側のときに出力電圧ｅ３が大きくなるように設定される。例えば、１０００００ｒｐｍから８００００ｒｐｍへの回転数変化をさせるときよりも、４００００ｒｐｍから２００００ｒｐｍへの回転数変化をさせるときの方が出力電圧ｅ３は大きくなるように設定される。低回転領域では、燃料電池３３０の電圧が高くなっており、また３相モータ４０の起電力も低いため、電力回生だけでは回生電流が小さくなってしまう。このため、低回転側で出力電圧ｅ３を大きくすることで、後述するように抵抗回生の電流を大きくする。

電流値制御回路２３９は、回転数比較回路２３８から出力された出力電圧ｅ３と、モータ電流Ｖｄとに基づいて、回生電流を所定の値に安定させるように制御信号ｅ４を電圧信号として出力する。モータの回転数が高いときは、３相モータ４０の起電力は回転数の２乗に比例し、そのときの燃料電池３３０側の電圧が低いことから、電力回生の電流が大きくなる。従って、電流値制御回路２３９は、電流値が所定の値よりも大きくならないようにフィードバックさせて回生電流を制御する。

電流値制御回路２３９の動作は、例えば以下のように行われる。本実施形態においては、安定させるべき回生電流の所定値Ｖｓを＋１．５Ｖ（−３０Ａの回生電流に相当）とする。この所定値Ｖｓは、電力回生による回生電流と抵抗回生による回生電流を足し合わせたものである。電流値制御回路２３９は、回転数比較回路２３８の出力電圧ｅ３、モータ電流Ｖｄ、及び回生電流の所定値Ｖｓに基づいて、制御信号ｅ４を、例えばｅ４＝ｅ３＋（Ｖｄ−Ｖｓ）により求める。このとき、回生動作であるため、モータ電流Ｖｄの値は０〜＋２．５Ｖ（電流値で−５０〜０Ａ）の範囲内になければならない。そして、電流値制御回路２３９は、制御信号ｅ４を０〜＋５Ｖの電圧として出力する。なお、制御信号ｅ４を求める上記の数式は一例として示しているが、実際には係数等が付加されていてもよい。また、上記以外の数式によることとしてもよい。

ＰＷＭ変調回路２４０は、電流値制御回路２３９の出力電圧ｅ４に従って、パルス幅を変調してＰＷＭ信号をＡＮＤ回路２４１とＡＮＤ回路２４３とに出力する。

ＡＮＤ回路２４１は、駆動／回生判定回路２３６が運転状態を駆動モードではないと判別したとき、即ち回生モードであると判別したときに、ＰＷＭ変調回路２４０からのＰＷＭ信号を電力回生信号Ｓ２として、昇圧チョッパ回路１４０のプリドライブ回路１４３に供給する。

プリドライブ回路１４３は、電力回生信号Ｓ２に応答して、ＮＰＮトランジスタ１４１をオン・オフする。ＮＰＮトランジスタ１４１がオンすると、コンデンサ１６０からのエネルギーがインダクタ１５０とＮＰＮトランジスタ１４１を介して流れる。ＮＰＮトランジスタ１４１がオフすると、インダクタ１５０に蓄積されたエネルギーが逆並列ダイオード１２２を介して二次電池３０に流れる。これにより、モータ駆動制御装置１００は、エネルギーを二次電池３０に回生する。

このとき、ＰＷＭ変調回路２４０からのＰＷＭ信号のデューテイ比が大きいほど、ＮＰＮトランジスタ１４１の単位時間当たりのオン期間が長くなり、二次電池３０に回生されるエネルギーが小さくなる。

なお、この間、３相モータ４０で発生した電圧は、ダイオード１８１〜１８６を介してコンデンサ１６０を充電する。

（３）３相モータ４０の制動時（抵抗回生動作）

以下、３相モータ４０を抵抗回生によって制動する動作について説明する。なお、ここでは、電力回生と抵抗回生が併用されているものとする。

抵抗回生判定回路２４２は、外部装置５０から供給された目標回転数Ｒｔを受け、この目標回転数Ｒｔが所定の基準値Ｒｓより小さい場合に、抵抗回生を許可する信号を出力する。二次電池３０が吸収可能なエネルギー量に余裕がある場合には、所定の基準値Ｒｓを０Ｖ（０ｒｐｍ）に近い方の値に設定することとしてもよい。二次電池３０が満充電の場合等、電力回生で吸収可能なエネルギー量に余裕がない場合には、所定の基準値Ｒｓはモータの高速側に相当する値に設定される。

ＡＮＤ回路２４３は、抵抗回生判定回路２４２が抵抗回生を許可する信号を出力し、さらに外部装置６０が抵抗回生を指示する信号を出力したとき、ＰＷＭ変調回路２４０からのＰＷＭ信号を、抵抗回生信号Ｓ３として抵抗回生回路１３０のプリドライブ回路１３３に供給する。

プリドライブ回路１３３は、抵抗回生信号Ｓ３に応答して、ＮＰＮトランジスタ１３１をオン・オフする。ＮＰＮトランジスタ１３１がオンすると、コンデンサ１６０に蓄積された電荷は、インダクタ１５０、抵抗素子１３４、ＮＰＮトランジスタ１３１を介して放電し、抵抗素子１３４で熱エネルギーに変換される。

このとき、ＰＷＭ変調回路２４０から出力されるＰＷＭ信号のデューテイ比が大きいほど、ＮＰＮトランジスタ１３１の単位時間当たりのオン期間が長くなり、抵抗素子１３４で消費されるエネルギーが大きくなる。即ち、３相モータ４０の回転数が低下し、実回転数Ｒｒが修正目標回転数Ｒｍに近づくと、ＰＷＭ変調回路２４０から出力されるＰＷＭ信号のデューティ比が大きくなるため、抵抗素子１３４によってコンデンサ１６０の蓄積エネルギーが急激に消費される。従って、３相モータ４０の回転数が低くなるに従い、モータ駆動制御装置１００は高い制動能力を示す。なお、目標回転数Ｒｔ＜実回転数Ｒｒかつ実回転数Ｒｒ＜修正目標回転数Ｒｍとなったときは、モータを停止する制御をしようとしているときであるため、抵抗回生を常に動作させてモータを停止させる。

なお、この間、過電圧検出回路２１１は、二次電池３０の電圧の異常上昇をチェックし、過電流検出回路２１２は二次電池３０を流れる電流の異常上昇をチェックしている。過電圧検出回路２１１と過電流検出回路２１２は異常を検出すると、通電相切替制御部２２２に通知し、例えば、通電をストップする。

以上説明したように、本実施形態の構成によれば、実回転数と回生電流値（モータ電流値）をフィードバックさせる。これにより、電力回生と抵抗回生と併せた回生電流を安定させるとともに、モータの相電流を広範囲なモータ回転域で安定させることができる。その結果、モータの回転制御において、位相角の誤検知等を低減させ、応答性を向上させることができる。また、本実施形態によれば、簡素な構成で、電力回生部及び抵抗回生部の双方共に過大な電流が流れないように制御を行うことができる。

なお、この発明は上述した実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。

例えば、上記実施の形態においては、偏差ｅ１＝Ｒｍ−Ｒｒとし、偏差ｅ２＝ｅ１−Ｖｄとしたが、適宜変更可能である。例えば、ｅ１＝Ｒｔ−Ｒｒとしてもよい。また、ｅ１＝Ａ・Ｒｍ−Ｂ・Ｒｒ（ＡとＢは任意の係数）としてもよい。さらに、ｅ２＝Ｃ・ｅ１−Ｄ・Ｖｄ（ＣとＤは任意の係数）としてもよい。さらに、他の検出量を偏差の計算に使用してもよい。

また、上記実施の形態では、偏差ｅ２値に従ってパルス幅を変調したが、例えば、Ｅ・ｅ２＋Ｆ・∫ｅ２ｄｔ＋Ｇ・ｄｅ２／ｄｔ（Ｅ，Ｆ，Ｇは任意の係数）を求め、この値によりパルス幅を変調してもよい。

さらに、駆動信号Ｓ１、電力回生信号Ｓ２、及び抵抗回生信号Ｓ３としてＰＷＭ信号を使用したが、他の制御信号を使用することも可能である。

また、上述の実施形態においては、制御部２０をアナログ回路で構成する例を示したが、制御部２０の全部又は一部をＤＳＰ(Digital Signal Processor)等のディジタル回路で構成してもよい。同様に、駆動回路１０の構成も任意に変更可能であり、例えば、ＮＰＮトランジスタに代えてＰＮＰトランジスタを使用したり、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを使用したりする等も可能である。モータの駆動と制動（電力回生と抵抗回生）をできるならば、その具体的な構成は適宜変更可能である。

また、駆動対象のモータの用途及び種類も任意である。

また、抵抗回生を開始するための条件の１つである基準値Ｒｓを動作状況に応じて切り替えるようにしてもよい。例えば、車両の種々の動作環境を測定するために配置されたセンサからの出力が抵抗回生判定回路２４２に供給されるように構成する。抵抗回生判定回路２４２は、センサの検出信号に基づいて、基準値Ｒｓを設定する。このとき、例えば複数のセンサから出力された各センサ信号の組み合わせ毎に基準値Ｒｓを定めたテーブルを用意しておき、このテーブルを参照して抵抗回生判定回路２４２が基準値Ｒｓを設定するようにしてもよい。

また、上述の実施形態においては、モータの実回転数をモータの相電圧に基づいて求めることとしているが、回転数センサ等からの外部信号に基づいて実回転数を求めることとしてもよい。

また、上述の実施形態において、ＡＮＤ回路２４３は、抵抗回生判定回路２４２が抵抗回生を許可する信号を出力し、さらに外部装置６０が抵抗回生を指示する信号を出力したときに抵抗回生信号Ｓ３を出力することとしているが、外部装置６０の抵抗回生指示を抵抗回生判定回路２４２の抵抗回生許可に優先させて行うこととしてもよい。

本発明の実施形態に係るモータ駆動制御システムの構成図である。 図１に示すモータ駆動制御システムに用いられるモータ駆動制御装置の構成図である。 燃料電池の電流と出力電圧との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 駆動部
２０ 制御部
３０ 二次電池
４０ ３相モータ
１００ モータ駆動制御装置
１１０ コンデンサ
１２０ 降圧チョッパ回路
１３０ 抵抗回生回路
１４０ 昇圧チョッパ回路
１５０ インダクタ
１６０ コンデンサ
１７０ ３相インバータ回路
２３１ 目標回転数リミット回路
２３２ 実回転数検出回路
２３３，２３４ 減算回路
２３５ モータ電流値検出回路
２３６ 駆動／回生判定回路
２３７ ＰＷＭ変調回路
２３８ 回転数比較回路
２３９ 電流値制御回路
２４０ ＰＷＭ変調回路
２４１，２４３ ＡＮＤ回路
２４２ 抵抗回生判定回路
３３０ 燃料電池

Claims (6)

1. 制御対象のモータが発生するエネルギーを電源に回生する電力回生手段と、
   前記モータが発生するエネルギーを熱に変換する熱回生手段と、
   前記モータの実回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記電力回生手段に流れる電流と前記熱回生手段に流れる電流とを足し合わせた回生電流を検出する回生電流検出手段と、
   検出された前記モータの実回転数と前記回生電流とに基づいて、前記回生電流が所定の値となるように、前記電力回生手段と前記熱回生手段とを制御する回生電流制御手段と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動制御システム。
2. 前記熱回生手段は、抵抗と、該抵抗に接続されたスイッチと、を備え、
   前記回生電流制御手段は、前記電力回生手段と前記熱回生手段とを制御するための制御信号を生成し、
   前記制御信号に従って、前記熱回生手段の前記スイッチが前記抵抗を通電制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御システム。
3. 予め定められた条件に基づいて、前記熱回生手段に電流を流すことを許可するか否かを判定する熱回生判定手段を更に備え、
   前記熱回生判定手段が前記熱回生手段に電流を流すことを許可した場合に、前記回生電流制御手段は、前記熱回生電流に前記制御信号を出力することを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動制御システム。
4. 前記回生電流制御手段は、前記制御信号をパルス幅変調して前記電力回生手段と前記熱回生手段とに出力する変調手段を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載のモータ駆動制御システム。
5. 前記電源は、燃料電池と二次電池とから構成されており、
   前記電力回生手段による回生は、前記二次電池に対して行われることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータ駆動制御システム。
6. 前記モータは、前記燃料電池への空気供給用であり、
   前記燃料電池は、電流が増加するに従って電圧が低下する特性を有することを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動制御システム。

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