JP2010252591A - 電圧変換装置制御システム - Google Patents

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裕樹 大谷
Katashige Yamada
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Abstract

【課題】DC/DCコンバータを備える電圧変換装置制御システムにおいて、DC/DCコンバータの出力電圧を迅速に適切な値に制御することを目的とする。
【解決手段】デューティ比決定部48は、各モータジェネレータの回転速度測定値、各モータジェネレータに対するトルク指令値、コンバータ出力電圧測定値Vm、および電池電圧測定値Vbに基づくフィードバック制御およびフィードフォワード制御によって、基本デューティ比を求める。また、デューティ比決定部48は、各モータジェネレータへの供給電力に基づいてデューティ比調整値を求める。さらに、デューティ比決定部48は、基本デューティ比とデューティ比調整値とを合成してDC/DCコンバータ14制御用のデューティ比Dを求める。
【選択図】図1

Description

本発明は、DC/DCコンバータを備える電圧変換装置制御システムに関する。
モータの駆動力を用いて走行するハイブリッド自動車、電気自動車等が広く用いられている。このような電力駆動車両では、モータに電力を供給するための電池、電池の出力電圧を昇圧して出力するDC/DCコンバータ、昇圧後の電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧をモータに印加するインバータ等が用いられる。特許文献1および2には、モータの制御に関する技術について記載されている。
特開2005−333715号公報 特開2007−295701号公報
DC/DCコンバータの出力電圧は、車両に搭載されたコントロールユニットによって制御される。コントロールユニットは、走行状態および運転操作に応じて目標電圧値を求め、DC/DCコンバータの出力電圧が目標電圧値に近づくよう、DC/DCコンバータを制御する。
電力駆動車両等に搭載される従来の電圧変換装置制御システムでは、電池電圧およびDC/DCコンバータの出力電圧を測定し、各測定値を用いてDC/DCコンバータの制御を行っていた。しかし、これらの測定値のみでは制御変数の種類が十分ではなく、DC/DCコンバータの出力電圧を目標電圧値に迅速に近づけることが困難となるという問題があった。
本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、DC/DCコンバータを備える電圧変換装置制御システムにおいて、DC/DCコンバータの出力電圧を迅速に適切な値に制御することを目的とする。
本発明は、入力された電圧をスイッチング素子のスイッチング制御に基づいて昇圧し、昇圧後の電圧をモータ駆動回路に出力するDC/DCコンバータと、前記DC/DCコンバータのスイッチング制御を行う制御部と、を備える電圧変換装置制御システムにおいて、モータに対するトルク指令値および当該モータの回転速度測定値に基づいて前記DC/DCコンバータの出力電圧目標値を求める電圧指令演算手段を備え、前記出力電圧目標値と前記DC/DCコンバータの出力電圧測定値との差異と、前記出力電圧目標値および前記DC/DCコンバータの入力電圧測定値に基づいたデューティ比と、の演算値に基づく基本デューティ比を求める基本デューティ比決定部と、前記モータに供給される電力に基づいて、前記基本デューティ比に対する調整量を求めるデューティ比調整量決定部と、前記基本デューティ比と前記調整量とを合成した値に基づいて制御用デューティ比を求め、当該制御用デューティ比を前記制御部に与えるデューティ比合成部と、を備え、前記制御部は、前記デューティ比合成部から与えられた制御用デューティ比に基づいて前記DC/DCコンバータのスイッチング制御を行うことを特徴とする。
また、本発明に係る電圧変換装置制御システムにおいては、前記デューティ比調整量決定部は、前記モータに供給される電力を前記DC/DCコンバータの入力電圧測定値で除した入力電流値を求める入力電流値推定手段と、前記入力電流値の時間変化量を求める変化量決定手段と、前記変化量決定手段によって求められた時間変化量に基づいて前記調整量を求める調整量決定手段と、を備えることが好適である。
また、本発明に係る電圧変換装置制御システムにおいては、前記デューティ比調整量決定部は、前記モータに供給される電力の時間変化量を求める変化量決定手段と、前記変化量決定手段によって求められた時間変化量に基づいて前記調整量を求める調整量決定手段と、を備えることが好適である。
また、本発明に係る電圧変換装置制御システムにおいては、前記調整量決定手段は、前記時間変化量が、0を含む所定の範囲内の値であるときに、前記調整量を0とすることが好適である。
また、本発明に係る電圧変換装置制御システムにおいては、前記変化量決定手段は、時間変化量を求める対象とする値にローパスフィルタ処理を施すローパスフィルタを備えることが好適である。
また、本発明に係る電圧変換装置制御システムにおいては、前記基本デューティ比決定部は、前記出力電圧目標値と前記DC/DCコンバータの出力電圧測定値との差異に基づいて、フィードバック制御量を求める制御量演算手段と、求められたフィードバック制御量の大きさを所定範囲内に制限する制御量リミッタと、を備え、前記制御量リミッタによる処理後のフィードバック制御量と、前記出力電圧目標値および前記DC/DCコンバータの入力電圧測定値に基づいたデューティ比と、の演算値に基づいて前記基本デューティ比を求めることが好適である。
また、本発明に係る電圧変換装置制御システムにおいては、前記デューティ比調整量決定部は、求められる前記調整量の大きさを所定範囲内に制限する調整量リミッタを備えることが好適である。
また、本発明に係る電圧変換装置制御システムにおいては、前記デューティ比合成部は、求められる前記制御用デューティ比の大きさを所定範囲内に制限するデューティリミッタを備えることが好適である。
本発明によれば、DC/DCコンバータを備える電圧変換装置制御システムにおいて、DC/DCコンバータの出力電圧を迅速に適切な値に制御することができる。
本発明の実施形態に係る電圧変換装置制御システムの構成を示す図である。 デューティ比決定部の構成を示す図である。 不感帯域作成器の特性を示す図である。 DC/DCコンバータの制御についてのシミュレーション結果を示す図である。 DC/DCコンバータの制御についてのシミュレーション結果を示す図である。 第1の応用例に係るデューティ比決定部の構成を示す図である。 第2の応用例に係るデューティ比決定部の構成を示す図である。 第3の応用例に係るデューティ比決定部の構成を示す図である。 第4の応用例に係るデューティ比決定部の構成を示す図である。
図1に本発明の実施形態に係る電圧変換装置制御システム10の構成を示す。電圧変換装置制御システム10は、エンジンおよびモータジェネレータを用いて走行するハイブリッド車両等に搭載される。ここでは、電圧変換装置制御システムを自動車に搭載した実施形態を示すが、本発明は、モータ駆動用の電圧変換装置を制御するその他のシステムに用いることができる。
電圧変換装置制御システム10は、電池12、電池12の出力電圧を昇圧し、昇圧電圧を第1インバータ38および第2インバータ42に出力すると共に、インバータ側の電圧を降圧し、降圧電圧を電池12に出力するDC/DCコンバータ14、DC/DCコンバータ14と第1モータジェネレータ40との間で直流交流変換を行う第1インバータ38、DC/DCコンバータ14と第2モータジェネレータ44との間で直流交流変換を行う第2インバータ42、第1インバータ38に接続される第1モータジェネレータ40、第2インバータ42に接続される第2モータジェネレータ44、運転操作部50およびコントロールユニット46を備える。第1モータジェネレータ40および第2モータジェネレータ44を除く構成部は、第1モータジェネレータ40および第2モータジェネレータ44に対する電力制御システムを構成する。
電池12の正極には、DC/DCコンバータ14の電池側正極端子16が接続される。電池12の負極には、DC/DCコンバータ14の電池側負極端子18が接続される。DC/DCコンバータ14は、電池側正極端子16と電池側負極端子18との間の電圧を昇圧し、昇圧後の電圧をインバータ側正極端子34とインバータ側負極端子36との間に出力する。また、インバータ側正極端子34とインバータ側負極端子36との間の電圧を降圧し、降圧後の電圧を電池側正極端子16と電池側負極端子18との間に出力する。
電池側正極端子16と電池側負極端子18との間には、入力コンデンサ20が接続される。また、電池側正極端子16にはインダクタ22の一端が接続される。インダクタ22の他端は、上側IGBT24と下側IGBT26との接続節点に接続される。
ここでは、DC/DCコンバータ14のスイッチング素子としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いた例を示しているが、スイッチング素子としては、サイリスタ、トライアック、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ等のその他の半導体素子を用いることができる。
上側IGBT24のエミッタ端子は、下側IGBT26のコレクタ端子に接続される。下側IGBT26のエミッタ端子は、電池側負極端子18に接続される。上側IGBT24のコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子側がアノード端子となるようフリーホイールダイオード28が接続される。下側IGBT26のコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子側がアノード端子となるようフリーホイールダイオード30が接続される。
上側IGBT24のコレクタ端子と下側IGBT26のエミッタ端子との間には出力コンデンサ32が接続される。上側IGBT24のコレクタ端子は、インバータ側正極端子34に接続され、下側IGBT26のエミッタ端子は、電池側負極端子18およびインバータ側負極端子36に接続される。
コントロールユニット46は、次のような原理に基づき、上側IGBT24および下側IGBT26のスイッチング制御を行い、電圧の昇降圧制御を行う。
上側IGBT24をオフにし、下側IGBT26をオンにすると、インダクタ22を介して電池12の正極から下側IGBT26のコレクタ端子に電流が流入する。この状態において下側IGBT26をオフとするとインダクタ22に流れる電流が遮断され、インダクタ22に誘導起電力が発生する。
電池12の出力電圧に誘導起電力を加えた電圧が、出力コンデンサ32の端子間電圧より大きい場合には、フリーホイールダイオード28が導通する。これによって、出力コンデンサ32が充電される。したがって、電池12の出力電圧よりも大きい電圧によって出力コンデンサ32を充電することができ、出力コンデンサ32の端子間電圧をインバータ側正極端子34およびインバータ側負極端子36から出力することができる。
電池12の出力電圧に誘導起電力を加えた電圧が、出力コンデンサ32の端子間電圧より小さい場合には、フリーホイールダイオード28が遮断状態となる。このとき、上側IGBT24をオンにすることにより、出力コンデンサ32から上側IGBT24、インダクタ22を介して電池12の正極へと至る電流が流れる。これによって、出力コンデンサ32に蓄積されている電荷を放電し、インバータ側正極端子34とインバータ側負極端子36との間の電圧を下げると共に、電池12を充電することができる。
電池12の出力電圧に誘導起電力を加えた電圧が、出力コンデンサ32の端子間電圧と等しいときは、上側IGBT24およびフリーホイールダイオード28のいずれにも電流は流れず、出力コンデンサ32の端子間電圧は維持され、インバータ側正極端子34とインバータ側負極端子36との間の電圧も維持される。
このような回路動作によれば、電池12の出力電圧にインダクタ22の誘導起電力を加えた電圧に近づくようインバータ側の電圧を調整することができる。インダクタ22の誘導起電力は、下側IGBT26をオフにする直前においてインダクタ22に流れる電流の大きさに基づいて定まる。この電流は、下側IGBT26をオンにする時間を長くすることで大きくすることができ、下側IGBT26をオンにする時間を短くすることで小さくすることができる。また、上記のように、インバータ側電圧の大小に関わらずインバータ側電圧を調整するためには、下側IGBT26のオフ時に上側IGBT24をオンにする必要がある。そこで、コントロールユニット46は、上側IGBT24と下側IGBT26を交互にオンオフ制御することで、インバータ側電圧を調整する。
DC/DCコンバータ14の制御を演算によって行うため、コントロールユニット46で用いる変数としてデューティ比を定義する。デューティ比は、制御周期に対する上側IGBT24のオン時間の比である。制御周期は、上側IGBT24のオン時間と下側IGBT26のオン時間と、上側IGBT24および下側IGBT26の両者がオフになる2回のデッドタイムとを加算した時間である。例えば、上側IGBT24がオン、下側IGBT26がオフとなる時間がt1だけ続いた後にデッドタイムが時間t2だけ続き、その後、上側IGBT24がオフ、下側IGBT26がオンとなる時間がt3だけ続いた後に、デッドタイムが時間t4だけ続く場合には、制御周期はt1+t2+t3+t4となる。また、デューティ比はt1/(t1+t2+t3+t4)となる。コントロールユニット46は、演算によって求められたデューティ比を以てDC/DCコンバータ14を制御する。制御周期一定の条件の下、デューティ比を小さくすることは下側IGBT26のオン時間を長くすることに相当し、インバータ側電圧を大きくすることに相当する。一方、デューティ比を大きくすることは、下側IGBT26のオン時間を短くすることに相当し、インバータ側電圧を小さくすることに相当する。
第1インバータ38および第2インバータ42は、DC/DCコンバータ14のインバータ側正極端子34およびインバータ側負極端子36に接続される。第1インバータ38には第1モータジェネレータ40が接続され、第2インバータ42には第2モータジェネレータ44が接続される。第1インバータ38および第2インバータ42は、コントロールユニット46の制御に基づいて交流直流変換を行う。
第1インバータ38は、DC/DCコンバータ14の直流出力電圧を交流電圧に変換し、交流電圧を第1モータジェネレータ40に出力する。また、第1モータジェネレータ40の接続端子の交流電圧を直流電圧に変換し、DC/DCコンバータ14に出力する。
第1インバータ38は、DC/DCコンバータ14側の電圧と第1モータジェネレータ40側の交流電圧との大小関係に応じて、DC/DCコンバータ14から第1モータジェネレータ40に電力を供給し、または、第1モータジェネレータ40からDC/DCコンバータ14に電力を供給する。DC/DCコンバータ14から第1モータジェネレータ40に電力を供給することで、第1モータジェネレータ40は加速トルクを発生する。また、第1モータジェネレータ40からDC/DCコンバータ14に電力を供給することで第1モータジェネレータ40は回生制動トルクを発生する。
第2インバータ42は、DC/DCコンバータ14の直流出力電圧を交流電圧に変換し、交流電圧を第2モータジェネレータ44に出力する。また、第2モータジェネレータ44の接続端子の交流電圧を直流電圧に変換し、DC/DCコンバータ14に出力する。
第2インバータ42は、DC/DCコンバータ14側の電圧と第2モータジェネレータ44側の交流電圧との大小関係に応じて、DC/DCコンバータ14から第2モータジェネレータ44に電力を供給し、または、第2モータジェネレータ44からDC/DCコンバータ14に電力を供給する。DC/DCコンバータ14から第2モータジェネレータ44に電力を供給することで、第2モータジェネレータ44は加速トルクを発生する。第2モータジェネレータ44からDC/DCコンバータ14に電力を供給することで第2モータジェネレータ44は回生制動トルクを発生する。
第1モータジェネレータ40は、エンジンの始動およびエンジン駆動力による発電を行う。また、第2モータジェネレータ44は、車両の加速および回生制動を行う。
次に、コントロールユニット46によるDC/DCコンバータ14の制御について説明する。コントロールユニット46は、運転操作部50における運転操作および車両の走行状態に応じてDC/DCコンバータ14のデューティ比を求めるデューティ比決定部48を備える。図2にデューティ比決定部48の構成を示す。各構成部は、プロセッサに対するプログラミングによって実現することができる。
運転操作部50は、アクセルペダル、ブレーキペダル等を含み、運転操作に応じた運転操作情報をコントロールユニット46に出力する。第1回転速度センサ60は、第1モータジェネレータ40の回転速度を検出し、第1回転速度測定値N1をコントロールユニット46に出力する。第2回転速度センサ62は、第2モータジェネレータ44の回転速度を検出し、第2回転速度測定値N2をコントロールユニット46に出力する。
コントロールユニット46は、運転操作情報、第1回転速度測定値N1および第2回転速度測定値N2等に基づいて、第1モータジェネレータ40に対する第1トルク指令値T1および第2モータジェネレータ44に対する第2トルク指令値T2を求める。第1回転速度測定値N1、第2回転速度測定値N2、第1トルク指令値、および第2トルク指令値T2は、デューティ比決定部48に入力される。
電圧指令演算部64は、第1回転速度測定値N1、第2回転速度測定値N2、第1トルク指令値T1、および第2トルク指令値T2に基づいて、DC/DCコンバータ14のインバータ側電圧の目標値を電圧目標値として求め、電圧フィードフォワード制御器66および加算器68に出力する。
電池電圧センサ52は、電池12の出力電圧を測定し、測定結果を電池電圧測定値Vbとしてコントロールユニット46に出力する。電池電圧測定値Vbはデューティ比決定部48に入力される。電圧フィードフォワード制御器66は、電池電圧測定値Vbを電圧目標値で除算したフィードフォワードデューティ比を求め、加算器72に出力する。
出力電圧センサ54は、インバータ側正極端子34とインバータ側負極端子36との間の電圧を測定し、測定結果をコンバータ電圧測定値Vmとしてコントロールユニット46に出力する。コンバータ電圧測定値Vmはデューティ比決定部48に入力される。
加算器74は、電圧目標値と、極性を反転したコンバータ電圧測定値Vmとを加算し、加算結果を制御入力値として電圧フィードバック制御器70に出力する。制御入力値は、電圧目標値からコンバータ電圧測定値Vmを減算した値を示す。
電圧フィードバック制御器70は、制御入力値を用いた比例積分制御に基づいて、デューティ比制御値を求め、デューティ比制御値を加算器72に出力する。なお、電圧フィードバック制御器70が用いる制御法としては、比例積分制御の他、比例制御、比例積分微分制御等を用いてもよい。
加算器72は、フィードフォワードデューティ比と、極性を反転したデューティ比制御値とを加算し、加算結果を基本デューティ比として加算器84に出力する。基本デューティ比は、DC/DCコンバータ14のインバータ側電圧を目標電圧値に近づけるデューティ比として用いることができる。したがって、コントロールユニット46は、基本デューティ比で規定されるタイミングで上側IGBT24および下側IGBT26をスイッチング制御してもよい。しかし、基本デューティ比に基づく制御では次のような問題が生じることがある。
DC/DCコンバータ14のインバータ側電圧は、第1モータジェネレータ40および第2モータジェネレータ44に対するトルク指令値およびこれらの回転速度のみならず、様々な物理量に依存する。一方、基本デューティ比は、第1モータジェネレータ40および第2モータジェネレータ44に対するトルク指令値およびこれらの回転速度に基づいて求められたDC/DCコンバータ14の電圧目標値と、コンバータ電圧測定値Vmとの差異、および電池電圧測定値Vbを当該電圧目標値で除算したフィードフォワードデューティ比による演算に基づいて求められた値である。したがって、基本デューティ比に基づいた制御を行うと、DC/DCコンバータ14のインバータ側電圧の迅速な制御が困難となるという問題、インバータ側電圧が電圧目標値を超えるという問題が生じることがある。そこで、本実施形態に係る電圧変換装置制御システム10では、次に説明するように、各モータジェネレータに供給される電力に基づいて基本デューティ比を調整する。
電流センサ56は、第1インバータ38と第1モータジェネレータ40とを接続する各相の導線に流れる電流を測定し、測定結果をコントロールユニット46に出力する。電流センサ58は、第2インバータ42と第2モータジェネレータ44とを接続する各相の導線に流れる電流を測定し、測定結果をコントロールユニット46に出力する。
コントロールユニット46は、第1インバータ38に対する交流電圧出力指令値と、電流センサ56の測定値とに基づいて、第1モータジェネレータ供給電力値P1を求める。さらに、第2インバータ42に対する交流電圧出力指令値と、電流センサ58の測定値とに基づいて、第2モータジェネレータ供給電力値P2を求める。
デューティ比決定部48の加算器74には、第1モータジェネレータ供給電力値P1および第2モータジェネレータ供給電力値P2が入力される。加算器74は、これらの電力値を加算し、加算結果をモータジェネレータ供給電力値としてコンバータ入力電流推定器76に出力する。
コンバータ入力電流推定器76は、モータジェネレータ供給電力を電池電圧測定値Vbで除算したコンバータ入力電流推定値を求め、微分器78に出力する。コンバータ入力電流推定値は、電池12の正極からDC/DCコンバータ14へと流れる電流の推定値である。
微分器78は、コンバータ入力電流推定値に対し微分演算を施し、演算結果をコンバータ入力電流微分値として不感帯域作成器80に出力する。微分器78が行う微分演算は、時間微分を数学上厳密に求めるものでなくてもよく、一定時間における変化量を求める演算であればよい。
不感帯域作成器80は図3に示す特性を有する。横軸はコンバータ入力電流微分値を示し、縦軸は出力値を示す。不感帯域作成器80は、コンバータ入力電流微分値が−Th未満であるときは、コンバータ入力電流微分値の増加に対し線形に増加する一次関数に従った出力値を求める。また、不感帯域作成器80は、コンバータ入力電流微分値が−Th以上TH以下であるときに出力値を0とする。さらに、不感帯域作成器80は、コンバータ入力電流微分値がThを超えるときは、コンバータ入力電流微分値の増加に対し線形に増加する一次関数に従った出力値を求める。
不感帯域作成器80は、コンバータ入力電流微分値に基づき求められた出力値をゲイン乗算器82に出力する。ゲイン乗算器82は、不感帯域作成器80の出力値に所定の正の比例定数を乗じた値をデューティ比調整値として求め、デューティ比調整値を加算器84に出力する。
加算器84は、基本デューティ比と極性を反転したデューティ比調整値とを加算した値を調整後デューティ比として求め、デューティリミッタ86に出力する。デューティリミッタ86は、調整後デューティ比が所定の上限値を超えるときは、その値を上限値に置き換えたものをデューティ比Dとして出力する。一方、調整後デューティ比が所定の上限値以下であるときは、その値をそのままデューティ比Dとして出力する。コントロールユニット46は、このようにして求められたデューティ比DでDC/DCコンバータ14の制御を行う。
デューティ比決定部48は、このような処理に基づいて、所定のデューティ比更新周期でデューティ比Dを求める。コントロールユニット46は、デューティ比更新周期間隔で求められるデューティ比Dに基づいてDC/DCコンバータ14を制御する。
このような構成によれば、コンバータ入力電流推定値の微分値に基づいてデューティ比調整値が求められ、デューティ比調整値によって基本デューティ比を調整したデューティ比Dが求められる。これによって次のような効果を得ることができる。
車両の走行環境が変化する等によって、各モータジェネレータの負荷が急激に変動した場合、DC/DCコンバータ14のインバータ側電圧が急激に変化することがある。例えば、車両が悪路を走行しているときに一時的に車輪が空転した場合には、車輪を駆動する第2モータジェネレータ44が軽負荷となって、DC/DCコンバータ14のインバータ側電圧が急激に増加することがある。
DC/DCコンバータ14のインバータ側電圧が電圧目標値から増加した場合、電池12の正極からDC/DCコンバータ14へと流れる電流は減少する。これによって、コンバータ入力電流微分値は負の値となる。このとき、コンバータ入力電流微分値が不感帯域外であるときには、負の値を有ずるデューティ比調整値が求められる。これによって、基本デューティ比よりも大きい値が調整後デューティ比として求められる。DC/DCコンバータ14のデューティ比を大きくすることは、上側IGBT24のオン時間を長くし、下側IGBT26のオン時間を短くすることに相当する。これによって、出力コンデンサ32の端子間電圧低下を促すことができ、DC/DCコンバータ14のインバータ側電圧を迅速に電圧目標値に近づけることができる。
一方、DC/DCコンバータ14のインバータ側電圧が、電圧目標値から低下した場合、電池12の正極からDC/DCコンバータ14へと流れる電流は増加する。これによって、コンバータ入力電流微分値は正の値となる。このとき、コンバータ入力電流微分値が不感帯域外であるときには、正の値を有ずるデューティ比調整値が求められる。これによって、基本デューティ比よりも小さい値が調整後デューティ比として求められる。DC/DCコンバータ14のデューティ比を小さくすることは、上側IGBT24のオン時間を短くし、下側IGBT26のオン時間を長くすることに相当する。これによって、出力コンデンサ32の端子間電圧増加を促すことができ、DC/DCコンバータ14のインバータ側電圧を迅速に電圧目標値に近づけることができる。
また、デューティ比決定部48が不感帯域作成器80を備えることにより次のような効果を得ることができる。幹線道路走行中においては、各モータジェネレータの負荷変動は小さい。このとき、コンバータ入力電流推定値の微分値を調整後デューティ比に寄与させると、制御に用いるデューティ比Dが適切な範囲を超え、インバータ側電圧の適切な制御の妨げとなることがある。そこで、不感帯域作成器80によって、コンバータ入力電流推定値の微分値が不感帯域内にあるときは、デューティ比調整値を0とすることにより、各モータジェネレータの負荷変動が小さい場合におけるデューティ比Dを適切な値とすることができる。
さらに、デューティ比決定部48がデューティリミッタ86を備えることにより、次のような効果を得ることができる。DC/DCコンバータ14の制御に用いるデューティ比が所定の範囲を超えると、電圧指令演算部64に与えられる第1回転速度測定値N1、第2回転速度測定値N2、第1トルク指令値T1、または第2トルク指令値T2が正帰還となることがある。このとき、調整後デューティ比が制御に用いることが可能な範囲を超えてしまい、制御が破綻することが想定される。そこで、デューティリミッタ86によって、デューティ比Dが上限値を超えないようにすることで、このような制御破綻を回避することができる。
図4AにDC/DCコンバータ14の制御についてのシミュレーション結果を示す。図4A(a)、(b)、(c)、および(d)は、それぞれ、インバータ側正極端子34とインバータ側負極端子36との間の電圧、電池12の正極からインダクタ22に流れる電流、第1モータジェネレータ40および第2モータジェネレータ44に供給される電力、およびデューティ比を示す。簡単のため図4Aでは、それぞれ、インバータ側電圧、インダクタ電流、モータジェネレータ電力、デューティ比と表記している。各特性の横軸は時間を示す。横軸のスケールは一目盛りで5msecである。各特性の縦軸は、シミュレーションのための規格値であり、実際の値は各縦軸の値に所定の比例定数を乗じたものとなる。
図4A(a)に示すようにインバータ側電圧が増加すると、インダクタ22から上側IGBT24を介して出力コンデンサ32に流れる充電電流が減少する。これによって、図4(b)および(c)に示すようにインダクタ電流およびモータジェネレータ電力は減少する。図4A(d)の時間波形DAは、加算器72から出力される基本デューティ比を示し、時間波形DBはゲイン乗算器82から出力されるデューティ比調整値を示す。また、時間波形Dは最終的に求められるデューティ比Dを示す。
モータジェネレータ電力の減少に伴いデューティ比調整値DBは負の値となる。これによって、デューティ比Dは基本デューティ比DAよりも大きくなる。したがって、基本デューティ比DAをそのまま用いる場合に比して、上側IGBT24のオン時間を長くし、下側IGBT26のオン時間を短くする制御が行われるため、インバータ側電圧の増加を抑制することができる。
図4Bは、図2の構成においてデューティ比調整値を求める構成部を取り除き、基本デューティ比をDC/DCコンバータ14の制御に用いた場合についてのシミュレーション結果である。図4B(a)〜(d)の縦軸の値の定義は、それぞれ、図4A(a)〜(d)の縦軸の値の定義と同様である。図4A(a)と図4B(a)との比較から、基本デューティ比をデューティ比調整値によって調整することで、インバータ側電圧が増加した後、インバータ側電圧がさらに増加することを回避できることが明らかである。
次に、応用例に係るデューティ比決定部について説明する。図5は第1の応用例に係るデューティ比決定部88の構成を示す。図2の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
デューティ比決定部88は、微分器78にローパスフィルタ90を前置した点が図2のデューティ比決定部48と異なる。電圧変換装置制御システム10では、各モータジェネレータの設計条件や制御条件によっては、モータジェネレータ供給電力値にリップル成分が生じる。例えば、モータジェネレータの界磁巻線のインダクタンスが小さい場合や、コントロールユニット46で求められるモータジェネレータ制御用のdq軸電圧のリップル成分が大きい場合等である。モータジェネレータ供給電力値にリップル成分が生じることに伴い、コンバータ入力電流推定値にリップル成分が生じる。このリップル成分をデューティ比調整値の演算に寄与させると、適切な制御の妨げとなる場合がある。
そこで、デューティ比決定部88では、微分器78の前段にローパスフィルタ90を設ける。これによって、微分器78に入力されるコンバータ入力電流推定値のリップル成分を除去することができ、DC/DCコンバータ14を適切に制御することができる。
図6は、第2の応用例に係るデューティ比決定部92の構成を示す。図2の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
デューティ比決定部92は、ゲイン乗算器82の後にリミッタ94を設けた点が図のデューティ比決定部48と異なる。車両の走行環境が変化する等によって、モータジェネレータ供給電力値が急激に変化した場合、ゲイン乗算器82から出力されるデューティ比調整値の絶対値が大きくなることがある。この場合、このデューティ比調整値をそのまま調整後デューティ比に寄与させると、インバータ側電圧の適切な制御の妨げとなることがある。
そこで、デューティ比決定部92では、ゲイン乗算器82の後段にリミッタ94を設ける。リミッタ94は、ゲイン乗算器82から出力されたデューティ比調整値が所定の下限値を下回るときは、その値を下限値に置き換え、置き換え後の値を新たなデューティ比調整値として加算器84に出力する。また、リミッタ94は、ゲイン乗算器82から出力されたデューティ比調整値が所定の上限値を上回るときは、その値を上限値に置き換え、置き換え後の値を新たなデューティ比調整値として加算器84に出力する。さらに、リミッタ94は、ゲイン乗算器82から出力されたデューティ比調整値が所定の下限値以上、上限値以下であるときは、その値をそのままデューティ比調整値として加算器84に出力する。これによって、適切な範囲内の調整後デューティ比を求めることができ、インバータ側電圧を適切に制御することができる。
図7は、第3の応用例に係るデューティ比決定部96の構成を示す。図2の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
デューティ比決定部96は、電圧フィードバック制御器70の後にリミッタ98を設けた点が図2のデューティ比決定部48と異なる。デューティ比更新周期を短くした設計とする場合や、インダクタ22のインダクタンス値を小さくした設計とする場合には、電圧フィードバック制御器70がデューティ比制御値を求める際の比例定数を大きく設定することが多い。この場合、電圧フィードバック制御器70によって求められたデューティ比制御値をそのまま用いると、インバータ側電圧の適切な制御の妨げとなることがある。
そこで、デューティ比決定部96では、電圧フィードバック制御器70の後にリミッタ98を設ける。電圧フィードバック制御器70から出力されたデューティ比制御値が所定の下限値を下回るときは、その値を下限値に置き換え、置き換え後の値を新たなデューティ比制御値として加算器72に出力する。また、リミッタ98は、電圧フィードバック制御器70から出力されたデューティ比制御値が所定の上限値を上回るときは、その値を上限値に置き換え、置き換え後の値を新たなデューティ比制御値として加算器72に出力する。さらに、リミッタ98は、電圧フィードバック制御器70から出力されたデューティ比制御値が所定の下限値以上、上限値以下であるときは、その値をそのままデューティ比制御値として加算器72に出力する。これによって、適切な範囲内の調整後デューティ比を求めることができ、インバータ側電圧を適切に制御することができる。
図8は、第4の応用例に係るデューティ比決定部100の構成を示す。図2の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
デューティ比決定部100は、コンバータ入力電流推定器76を用いず、モータジェネレータ電力供給値の微分値に基づいてデューティ比調整値を求める点がデューティ比決定部48と異なる。電池12の出力電圧の時間変化は、モータジェネレータ電力供給値の時間変化に対し緩やかである場合が多い。そして、デューティ比決定部48において用いるコンバータ入力電流推定値は、モータジェネレータ電力供給値を電池電圧測定値Vbで除算した値である。したがって、モータジェネレータ電力供給値とコンバータ入力電流推定値は、近似した時間変化を示すことが多い。
そこで、デューティ比決定部100では、加算器74は、モータジェネレータ電力供給値を微分器78に出力する。このような構成によれば、モータジェネレータ電力供給値を電池電圧測定値Vbで除算する必要がなくなる。これによって、デューティ比調整値を求める処理を単純化することができる。
なお、デューティ比決定部100に、第1〜第3の応用例を任意に組み合わせてもよい。すなわち、加算器74と微分器78との間に図5のローパスフィルタ90を設けてもよい。また、ゲイン乗算器82と加算器84との間に図6のリミッタ94を設けてもよい。さらに、電圧フィードバック制御器70と加算器72との間に図7のリミッタ98を設けてもよい。
上記では、2台のモータジェネレータを備える電圧変換装置制御システムについて説明した。このようなシステムの他、1台のモータジェネレータを備えるシステム、3台以上のモータジェネレータを備えるシステムを構成することができる。この場合、各モータジェネレータへの電力供給値を上記実施形態と同様の構成および処理によって求める。そして、電力供給値の加算合計値に基づいてデューティ比調整値を求める構成とすればよい。これによって、総てのモータジェネレータに対する電力供給値に基づいてデューティ比調整値を求めることができ、DC/DCコンバータ14制御用の適切なデューティ比Dを求めることができる。
10 電圧変換装置制御システム、12 電池、14 DC/DCコンバータ、16 電池側正極端子、18 電池側負極端子、20 入力コンデンサ、22 インダクタ、24 上側IGBT、26 下側IGBT、28,30 フリーホイールダイオード、32 出力コンデンサ、34 インバータ側正極端子、36 インバータ側負極端子、38 第1インバータ、40 第1モータジェネレータ、42 第2インバータ、44 第2モータジェネレータ、46 コントロールユニット、48,88,92,96,100 デューティ比決定部、50 運転操作部、52 電池電圧センサ、54 出力電圧センサ、56,58 電流センサ、60 第1回転速度センサ、62 第2回転速度センサ、64 電圧指令演算部、66 電圧フィードフォワード制御器、68,72,74,84 加算器、70 電圧フィードバック制御器、76 コンバータ入力電流推定器、78 微分器、80 不感帯域作成器、82 ゲイン乗算器、86 デューティリミッタ、90 ローパスフィルタ,94,98 リミッタ。

Claims (8)

  1. 入力された電圧をスイッチング素子のスイッチング制御に基づいて昇圧し、昇圧後の電圧をモータ駆動回路に出力するDC/DCコンバータと、
    前記DC/DCコンバータのスイッチング制御を行う制御部と、
    を備える電圧変換装置制御システムにおいて、
    モータに対するトルク指令値および当該モータの回転速度測定値に基づいて前記DC/DCコンバータの出力電圧目標値を求める電圧指令演算手段を備え、前記出力電圧目標値と前記DC/DCコンバータの出力電圧測定値との差異と、前記出力電圧目標値および前記DC/DCコンバータの入力電圧測定値に基づいたデューティ比と、の演算値に基づく基本デューティ比を求める基本デューティ比決定部と、
    前記モータに供給される電力に基づいて、前記基本デューティ比に対する調整量を求めるデューティ比調整量決定部と、
    前記基本デューティ比と前記調整量とを合成した値に基づいて制御用デューティ比を求め、当該制御用デューティ比を前記制御部に与えるデューティ比合成部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記デューティ比合成部から与えられた制御用デューティ比に基づいて前記DC/DCコンバータのスイッチング制御を行うことを特徴とする電圧変換装置制御システム。
  2. 請求項1に記載の電圧変換装置制御システムにおいて、
    前記デューティ比調整量決定部は、
    前記モータに供給される電力を前記DC/DCコンバータの入力電圧測定値で除した入力電流値を求める入力電流値推定手段と、
    前記入力電流値の時間変化量を求める変化量決定手段と、
    前記変化量決定手段によって求められた時間変化量に基づいて前記調整量を求める調整量決定手段と、
    を備えることを特徴とする電圧変換装置制御システム。
  3. 請求項1に記載の電圧変換装置制御システムにおいて、
    前記デューティ比調整量決定部は、
    前記モータに供給される電力の時間変化量を求める変化量決定手段と、
    前記変化量決定手段によって求められた時間変化量に基づいて前記調整量を求める調整量決定手段と、
    を備えることを特徴とする電圧変換装置制御システム。
  4. 請求項2または請求項3に記載の電圧変換装置制御システムにおいて、
    前記調整量決定手段は、
    前記時間変化量が、0を含む所定の範囲内の値であるときに、前記調整量を0とすることを特徴とする電圧変換装置制御システム。
  5. 請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の電圧変換装置制御システムにおいて、
    前記変化量決定手段は、
    時間変化量を求める対象とする値にローパスフィルタ処理を施すローパスフィルタを備えることを特徴とする電圧変換装置制御システム
  6. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電圧変換装置制御システムにおいて、
    前記基本デューティ比決定部は、
    前記出力電圧目標値と前記DC/DCコンバータの出力電圧測定値との差異に基づいて、フィードバック制御量を求める制御量演算手段と、
    求められたフィードバック制御量の大きさを所定範囲内に制限する制御量リミッタと、
    を備え、
    前記制御量リミッタによる処理後のフィードバック制御量と、前記出力電圧目標値および前記DC/DCコンバータの入力電圧測定値に基づいたデューティ比と、の演算値に基づいて前記基本デューティ比を求めることを特徴とする電圧変換装置制御システム。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電圧変換装置制御システムにおいて、
    前記デューティ比調整量決定部は、
    求められる前記調整量の大きさを所定範囲内に制限する調整量リミッタを備えることを特徴とする電圧変換装置制御システム。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電圧変換装置制御システムにおいて、
    前記デューティ比合成部は、
    求められる前記制御用デューティ比の大きさを所定範囲内に制限するデューティリミッタを備えることを特徴とする電圧変換装置制御システム。
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