JP2014060902A - 回転機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】記憶容量の増加を抑制しながら、同期数及び変調率に応じたパルスパターンのＰＷＭ信号を生成することが可能な回転機の制御装置を提供すること。
【解決手段】最終的な電圧指令信号を生成するためのベースとなる基準波形が予め定められ、記憶部２１に記憶されている。この基準波形を、変調率指令値や同期数に応じて変形することにより、最終的な電圧指令信号を得る。このため、従来装置のように、過変調領域のＰＷＭ信号として使用される多数のパルスパターンを予め規定して保存しておく必要がなく、従来装置に比較して、記憶容量を低減することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧指令信号と、三角波キャリア信号との比較結果に応じて生成されたＰＷＭ信号を用いて、インバータ回路の各スイッチング素子を駆動することにより、回転機の回転状態を制御する回転機の制御装置に関する。

従来の回転機の制御装置として、インバータ回路の電源を直流の定電圧源とした電圧形インバータを用い、インバータ回路の各スイッチング素子をＰＷＭ信号により駆動するものが知られている。この制御装置では、電圧指令信号を正弦波信号とし、この正弦波信号を三角波キャリア信号と比較することにより、パルス幅変調されたＰＷＭ信号を生成する。そして、このＰＷＭ信号にてインバータ回路の各スイッチング素子を駆動することにより、インバータ回路の出力電圧は、ＰＷＭ信号と同様に変化するパルス列となる。このような正弦波パルス幅変調を行うことにより、インバータ回路の出力電圧を自由に制御することができる。

ここで、回転機の回転数が上昇すると、回転機内部に発生する起電力が増加し、電源電圧が一定の場合、回転機に流し込める電流が減少する。このため、電源電圧が、回転機の最高回転速度を左右する大きな要因となる。

しかし、上述した正弦波パルス幅変調では、発生可能な交流電圧の振幅は電源電圧の半分であり、三角波キャリア信号の振幅に対する電圧指令信号の振幅の比で表される変調率は１以下に制限される。そこで、インバータ回路を、変調率が１以上の過変調領域や１パルス領域にて動作させることにより、インバータ回路の出力電圧の振幅をさらに増加させることが実用化されている。これにより、電源電圧が一定であっても、インバータ回路の出力電圧を増加させることができ、回転機の駆動範囲を高速側に拡大することができる。

例えば、特許文献１では、制御装置に、変調率が１以上の過変調領域や１パルス領域にて動作させるためのインバータ回路の操作パターン（パルスパターン）を、同期数（電圧指令信号の一周期分の期間に含まれる三角波キャリア信号の数）と変調率とによって区画された領域毎に規定したＰＷＭパルステーブルを設けている。そして、同期数と変調率指令値とに基づき、該当するパスルパターンを選択して、ＰＷＭ信号として出力するようにしている。

特開２０１０−１５４７３５号公報

上述した特許文献１では、高次高調波を最小化可能な適切なパルスパターンを規定するために、各種の条件式を満たすパルスパターンを、ＰＷＭパルステーブル内の全ての変調率と同期数との領域毎に作成し、それらのパルスパターンを、例えばＲＯＭなどの記憶媒体に保存しておく必要がある。しかしながら、このように、変調率と同期数との領域毎にパルスパターンを作成して記憶媒体に保存しようとすると、パルスパターンを保存するための記憶容量が大きくなるという問題が生じる。

さらに、同期数と変調率とによって区画された領域毎にパルスパターンを規定しているので、ある変調率の領域に対して、同じパルスパターンが使用されることになる。換言すると、変調率の段階的な変化に対して、パルスパターンが切り換えられることになるので、インバータ回路の出力電圧の変動を招きやすいという問題もある。一方、領域を細分化すれば、このような出力電圧の変動を抑制可能であるが、その分、パルスパターンの種類が増え、その保存のための記憶容量の増大を招く。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、記憶容量の増加を抑制しながら、同期数及び変調率に応じたパルスパターンのＰＷＭ信号を生成することが可能な回転機の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本願発明による回転機の制御装置は、
電圧指令信号と、三角波キャリア信号との比較結果に応じて生成されたＰＷＭ信号を用いて、インバータ回路（１８）の各スイッチング素子（ＳUU，ＳUL，ＳVU，ＳVL，ＳWU，ＳWL）を駆動することにより、回転機（１０）の回転状態を制御するものであって、
前記電圧指令信号を生成するためのベースとなる基準波形を記憶する基準波形記憶手段（２１）と、
前記三角波キャリア信号の周期を前記電圧指令信号の周期と同期させ、前記電圧指令信号の一周期分の期間に含まれる前記三角波キャリア信号の数である同期数、及び前記三角波キャリア信号の振幅に対する前記電圧指令信号の振幅の比で表される変調率をそれぞれ算出し、それら算出された同期数及び変調率に応じて前記基準波形を変形させて、前記電圧指令信号として出力する電圧指令信号出力手段（２０、Ｓ２３０〜Ｓ２５０）と、
前記電圧指令信号出力手段によって出力された前記電圧指令信号を前記三角波キャリア信号と比較し、その比較結果に応じて、前記ＰＷＭ信号としてのパルスパターンを生成するパルスパターン生成手段（２０、Ｓ２６０、Ｓ２７０、Ｓ２９０）と、を備えることを特徴とする。

このように、本願発明による回転機の制御装置は、従来装置のように、過変調領域のＰＷＭ信号として使用される多数のパルスパターンを予め規定して保存しておくのではなく、基準波形記憶手段に、電圧指令信号を生成するためのベースとなる基準波形を記憶しておくだけである。従って、従来装置に比較して、記憶手段の記憶容量を低減することが可能になる。

そして、本願発明による回転機の制御装置では、算出された同期数及び変調率に応じて、基準波形を変形させ、電圧指令信号として出力する。出力された電圧指令信号は、三角波キャリア信号と比較され、その比較結果に応じて、パルスパターンが生成される。このため、変調率の連続的な変化に応じた基準波形の変形を行うことが可能となり、インバータ回路の出力電圧の変動の抑制を図ることが可能となる。

なお、上記括弧内の参照番号は、本発明の理解を容易にすべく、後述する実施形態における具体的な構成との対応関係の一例を示すものにすぎず、なんら本発明の範囲を制限することを意図したものではない。

また、上述した特徴以外の本発明の特徴に関しては、後述する実施形態の説明及び添付図面から明らかになる。

実施形態に係る回転機の制御装置の全体構成を示す構成図である。 インバータ回路の各スイッチング素子の操作信号を生成するために、モータ制御ＥＣＵにおいて実行される処理を示すフローチャートである。 変調率基準波形変形マップの一例を示す図である。 正弦波に３次高調波を重畳した第１基準波形を示す図である。 第１基準波形よりもさらに矩形波に近い形状に設定された第２基準波形を示す図である。 基準波形から得られる、各変調率及び同期数に応じた電圧指令信号を示した図である。 電圧指令信号に基づくパルスパターンの生成手法について説明するための説明図である。 変形例による、基準波形の変形の一例を示した図である。

以下、本発明の実施形態による回転機の制御装置について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。

図１に、本実施形態に係る回転機の制御装置の全体構成を示す。なお、図１に示す例では、回転機として、ジェネレータ（発電機）としても動作するモータジェネレータ１０を用いている。このモータジェネレータ１０は、３相の永久磁石同期モータであり、例えば埋め込み磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）を用いることができる。

モータジェネレータ１０は、インバータ回路１８を介して、例えば２８８Ｖの高電圧を発生する高圧バッテリ１２に接続されている。インバータ回路１８は、スイッチング素子ＳUU，ＳULの直列接続体と、スイッチング素子ＳVU，ＳVLの直列接続体と、スイッチング素子ＳWU，ＳWLの直列接続体とを備えており、これら各直列接続体の接続点がモータジェネレータ１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ接続されている。これらスイッチング素子ＳUU，ＳUL，ＳVU，ＳVL，ＳWU，ＳWLとして、本実施形態では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いている。そして、これらＩＧＢＴには、それぞれ、ダイオードＤUU，ＤUL，ＤVU，ＤVL，ＤWU，ＤWLが並列に接続されている。

本実施形態による回転機の制御装置は、モータジェネレータ１０の回転角度θを検出する角度検出器（レゾルバ）１４を備えている。さらに、モータジェネレータ１０の各相を流れる電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する電流センサ１６も備えている。

上述した各種センサの検出値は、モータ制御ＥＣＵ２０に入力される。モータ制御ＥＣＵ２０は、これら各種センサの検出値に基づき、インバータ回路１８を操作する操作信号（ＰＷＭ信号）を生成して出力する。ここで、インバータ回路１８のスイッチング素子ＳUU，ＳUL，ＳVU，ＳVL，ＳWU，ＳWLを操作する信号が、それぞれ、操作信号G UU，ＧUL，ＧVU，ＧVL，ＧWU，ＧWLである。

なお、モータ制御ＥＣＵ２０は、上位ＥＣＵ２２との通信により、上位ＥＣＵ２２から、モータジェネレータ１０が発生すべき指令トルクを受け取る。ただし、上位ＥＣＵ２２を設けず、モータ制御ＥＣＵ２０が、自ら必要トルクを決定し、指令トルクとすることも可能である。

次に、インバータ回路１８の操作信号ＧUU，ＧUL，ＧVU，ＧVL，ＧWU，ＧWLの生成方法について説明する。図２のフローチャートは、操作信号ＧUU，ＧUL，ＧVU，ＧVL，ＧWU，ＧWLを生成するために、モータ制御ＥＣＵ２０において実行される処理を示している。

まずステップＳ２００において、上位ＥＣＵ２２から、モータジェネレータ１０が発生すべき指令トルクを受け付ける。そして、ステップＳ２１０において、角度検出器１４による検出結果に基づいて、現在のモータジェネレータ１０の回転数が基準値よりも高いかどうかを判定する。モータジェネレータ１０の回転数が基準値よりも高い場合には、インバータ回路１８を、変調率が１以上の過変調領域や１パルス領域にて動作させることを可能とし、インバータ回路１８の出力電圧を増加させることを可能とすべく、ステップＳ２２０以降の処理が実行される。

一方、モータジェネレータ１０の回転数が基準値以下である場合には、ステップＳ２９０に進み、従来と同様の正弦波パルス幅変調により、操作信号ＧUU，ＧUL，ＧVU，ＧVL，ＧWU，ＧWLのパルスパターンを決定する。すなわち、正弦波の周期と、三角波キャリア信号との周期とが同期しない非同期モードにて、正弦波信号と三角波キャリア信号とが交差するポイント（時間）を求め、その求めたポイントにてパルスがオン又はオフするようにパルスパターンを算出する。このように、正弦波の周期と、三角波キャリア信号との周期とが同期しない非同期モードにおいては、時間を基準として、パルスがオンオフするポイントが定められたパルスパターンが算出される。なお、この場合、非同期モードにてパルスパターンを算出する理由は、正弦波の周期と三角波キャリア信号の周期とを同期させる同期モードを採用した場合、低回転時にパルスパターンにおける１パルス当りの通電時間が過剰に長くなり、過電流が通電される虞が生じるためである。

続くステップS３００では、ステップS２９０において、時間を基準として算出されたパルスパターンに基づき、インバータ回路１８の各スイッチング素子の操作信号ＧUU，ＧUL，ＧVU，ＧVL，ＧWU，ＧWLを生成する。

ステップＳ２２０では、ステップＳ２１０にて受け付けた指令トルクに対応する、回転座標であるｄｑ座標における電流指令値（ｉｄ、ｉｑ）を算出する。続くステップＳ２３０では、算出した電流指令値（ｉｄ、ｉｑ）に応じた電流がモータジェネレータ１０に流れるようにインバータ回路１８のスイッチング素子を駆動するための電圧に関する指令値を演算する。具体的には、この指令値の演算では、電圧の振幅、位相、及び変調率が算出される。例えば、モータジェネレータ１０を実際に流れるｄｑ座標上の電流を指令トルクに応じて設定される電流指令値にフィードバック制御するための操作量としてｄｑ軸上の指令電圧を算出し、ｄｑ軸上の指令電圧から位相の指令値を算出する。また、上記振幅と電源電圧とから変調率の指令値を算出する。

また、併せて、図示しない同期数テーブルを参照して、モータジェネレータ１０の角速度（電気角速度）から、電圧指令値の一周期分の期間に含まれる三角波キャリア信号の数である同期数を算出する。同期数テーブルは、電気角速度の上限値（電気角速度閾値）毎に、同期数を予め設定したものである。例えば、同期数は、「３，９，１５，…」というように３の奇数倍の数に設定される。

そして、ステップＳ２４０では、モータ制御ＥＣＵ２０の記憶部２１に記憶されている、最終的な電圧指令信号を生成するためのベースとなる基準波形を読み出し、モータジェネレータ１０の角度（電気角）に位相指令値を加算することで得られる角度情報に基づいて、その基準波形の位相を決定する。そして、予め定められ、記憶部２１に記憶されている変調率基準波形変形マップを参照して、算出された変調率指令値に応じて基準波形を変形する倍率を検索する。図３に、変調率基準波形変形マップの一例を示す。図３に示す例において、例えば、基準波形は、変調率αが１であるときの電圧指令信号として定めることができる（基準変調率＝１）。この場合、変調率αの指令値が、基準変調率（＝１）であるときには、倍率Ａが１となり、基準波形がそのまま電圧指令信号となる。そして、変調率基準波形変形マップは、全体的な傾向として、基準変調率よりも変調率αの指令値が小さくなるほど、倍率Ａが小さくなり、基準変調率よりも変調率αの指令値が大きくなるほど、倍率Ａが大きくなるように定められている。ただし、実際には、実機による試験を行い、例えば高次高調波を最小化できるように、各変調率毎の倍率Ａが設定される。

ここで、本実施形態の特徴の１つとして、変調率αの指令値に対応する倍率Ａによって基準波形を変形するので、変調率の連続的な変化に応じた基準波形の変形を行うことが可能になるということが挙げられる。これは、数式などによって、変調率αの指令値に対する倍率を算出する場合のみでなく、図３に示すような変調率基準波形変形マップを用いて倍率Ａを算出する場合も同様である。つまり、図３に示すような変調率基準波形変形マップを定めている場合であって、そのマップにおいて規定されていない変調率αの指令値が算出された場合には、マップに規定されている変調率αと倍率Ａとの関係から周知の補間演算によって、該当する変調率αの指令値に対応する倍率を算出することができる。

また、ステップＳ２４０では、変調率の場合と同様にして、予め定められている同期数基準波形変形マップを参照して、算出された同期数に応じて基準波形を変形する倍率を検索する。

さらに、上述した基準波形として、少なくとも２種類の基準波形を定めて記憶部２１に記憶しておき、ステップＳ２４０の処理において、変調率αの指令値が所定値（例えば１．１５）以上か未満かで、使用する基準波形を切り換えるようにしても良い。

例えば、２種類の基準波形として、図４に示すように、電圧利用率を向上すべく正弦波に３次高調波を重畳した第１基準波形と、図５に示すように、それよりもさらに矩形波に近い形状の第２基準波形とを予め定めておく。そして、変調率αの指令値が所定値未満である場合には第１基準波形を選択し、所定値以上である場合には第２基準波形を選択するようにする。これにより、基準波形から最終的に生成される電圧指令信号として、所望の形状の信号が得られやすくなる。その結果、変調率の大きさに適切に対応したパルスパターンを得ることが可能となる。なお、基準波形の種類は３種類以上としても良い。

続くステップＳ２５０では、ステップＳ２４０において検索あるいは算出された倍率Ａを用いて、基準波形が変形され、最終的な電圧指令信号が算出される。これにより、例えば図６に示すように、基準波形から、各変調率及び同期数に応じた電圧指令信号を得ることができる。この場合、例えば以下の数式１に従って、基本波形を変形することができる。

なお、Ｋは調整係数である。

上述した数式１による基本波形の変形は、変調率αに基づく倍率に従って行われるとともに、同期数に基づく倍率に従っても行われる。これにより、同期数をも考慮した基本波形の変形を行うことが可能となる。

そして、ステップＳ２６０では、ステップＳ２５０で求めた最終的な電圧指令信号と、三角波キャリア信号とを比較した場合に得られるパルスパターンを算出する。このパルスパターンの算出においては、図７に示されるように、電圧指令信号の周期と、三角波キャリア信号の周期とを同期させるとともに、電圧指令信号の一周期内に、算出された同期数に相当する数の三角波キャリア信号が表れるようにする。これにより、算出されるパルスパターンの対称性が確保される。つまり、半周期における前半の１／４周期におけるパルスパターンと後半の１／４周期におけるパルスパターンは線対称となり、一周期における前半の１／２周期におけるパルスパターンと後半の１／２周期におけるパルスパターンとは点対称となる。

そして、基準波形から求められた最終的な電圧指令信号を示す数式と、三角波キャリア信号を示す数式との交点を求める。その結果から、電圧指令信号が三角波キャリア信号を上回るように交差したポイント（角度）にてパルスがオンし、電圧指令信号が三角波キャリア信号を下回るように交差したポイント（角度）にてパルスがオフするパルスパターンを生成する。このように、電圧指令信号の周期と、三角波キャリア信号の周期とが同期する同期モードにおいては、角度を基準として、パルスがオンオフするポイントが定められたパルスパターンが算出される。

上記のパルスパターンの対称性を利用して演算処理負荷を低減すべく、本実施形態では、パルスパターンとして、電圧指令信号の１／４周期分のパルスパターンを求める。これにより、電圧指令信号の１周期分のパルスパターンを求める場合に比較して、モータ制御ＥＣＵ２０における演算処理負荷を低減することができる。なお、パルスパターンの対称性を利用するとの観点から、電圧指令信号の１／２周期分のパルスパターンを求めても良い。

続くステップＳ２７０では、上述したパルスパターンの対称性に基づき、１／４周期分（あるいは１／２周期分）のパルスパターンから、１周期分のパルスパターンを導出し、モータ制御ＥＣＵ２０が有する記憶部に保存する。

そして、ステップＳ２８０では、ステップＳ２７０にて角度を基準として算出されたパルスパターンに基づき、インバータ回路１８の各スイッチング素子の操作信号ＧUU，ＧUL，ＧVU，ＧVL，ＧWU，ＧWLを生成する。

このように、本実施形態では、図７に示すように、最終的な電圧指令信号を生成するためのベースとなる基準波形が予め定められ、記憶されている。そして、この基準波形を変調率指令値や同期数に応じて変形することにより、最終的な電圧指令信号を得るようにしている。このため、従来装置のように、過変調領域のＰＷＭ信号として使用される多数のパルスパターンを予め規定して保存しておく必要がない。従って、従来装置に比較して、記憶容量を低減することが可能になる。

さらに、本実施形態では、算出された同期数及び変調率に応じて基準波形を変形させているので、例えば変調率の連続的な変化に応じた基準波形の変形を行うことが可能となり、インバータ回路１８の出力電圧の変動の抑制を図ることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

例えば、上述した実施形態では、同期数や変調率指令値に応じた倍率を基準波形に乗じることにより、最終的な電圧指令信号を求める例について説明した。また、変調率に応じて基準波形を切り換えることについても説明した。

しかしながら、例えば図８に示すように、１つの基準波形を用いながら、変調率が所定値以上であるとき、基準波形が矩形波形状に近づくように変形することも可能である。例えば、変調率が所定値以上である場合には、基準波形を複数の領域に細分化し、各領域における倍率を異ならせつつ、隣接する領域の変形後の波形を接続するようにすれば、図８に示すような、矩形波に近い電圧指令信号への変形も可能となる。

１０ モータジェネレータ
１２ 高圧バッテリ
１４ 角度検出器
１６ 電流センサ
１８ インバータ回路
２０ モータ制御ＥＣＵ

Claims (9)

1. 電圧指令信号と、三角波キャリア信号との比較結果に応じて生成されたＰＷＭ信号を用いて、インバータ回路（１８）の各スイッチング素子（ＳUU，ＳUL，ＳVU，ＳVL，ＳWU，ＳWL）を駆動することにより、回転機（１０）の回転状態を制御する回転機の制御装置であって、
   前記電圧指令信号を生成するためのベースとなる基準波形を記憶する基準波形記憶手段（２１）と、
   前記三角波キャリア信号の周期を前記電圧指令信号の周期と同期させ、前記電圧指令信号の一周期分の期間に含まれる前記三角波キャリア信号の数である同期数、及び前記三角波キャリア信号の振幅に対する前記電圧指令信号の振幅の比で表される変調率をそれぞれ算出し、それら算出された同期数及び変調率に応じて前記基準波形を変形させて、前記電圧指令信号として出力する電圧指令信号出力手段（２０、Ｓ２３０〜Ｓ２５０）と、
   前記電圧指令信号出力手段によって出力された前記電圧指令信号を前記三角波キャリア信号と比較し、その比較結果に応じて、前記ＰＷＭ信号としてのパルスパターンを生成するパルスパターン生成手段（２０、Ｓ２６０、Ｓ２７０、Ｓ２９０）と、を備えることを特徴とする回転機の制御装置。
2. 前記電圧指令信号出力手段は、前記変調率に応じた倍率を前記基準波形に乗じることにより生成した波形信号を、前記電圧指令信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の回転機の制御装置。
3. 前記電圧指令信号出力手段は、所定の複数の変調率に応じたそれぞれの倍率を記憶した変調度倍率マップを有しており、前記算出された変調率が、前記変調度倍率マップに記憶されている場合には対応する倍率を読み出し、前記変調度倍率マップに記憶されていない場合には、補間演算により対応する倍率を算出することを特徴とする請求項２に記載の回転機の制御装置。
4. 前記電圧指令信号出力手段は、前記同期数に応じた倍率を前記基準波形に乗じることにより生成した波形信号を、前記電圧指令信号として出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回転機の制御装置。
5. 前記電圧指令信号出力手段は、前記変調率が所定値以上であるとき、前記基準波形が矩形波形状に近づくように変形することを特徴とする請求項１に記載の回転機の制御装置。
6. 前記基準波形記憶手段は、少なくとも２種類の基準波形を記憶しており、
   前記電圧指令信号出力手段は、前記変調率が所定値以上か未満かで、使用する基準波形を変更することを特徴とする請求項１に記載の回転機の制御装置。
7. 前記回転機の回転数を検出する検出手段（１４）を備え、
   前記電圧指令信号出力手段は、前記検出手段によって検出される前記回転機の回転数が所定回転数以上であるときに、前記基準波形に基づく電圧指令信号を出力することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の回転機の制御装置。
8. 前記パルスパターン生成手段は、前記電圧指令信号と前記三角波キャリア信号との比較結果に応じて、１／４周期分のパルスパターンを生成し、その１／４周期分のパルスパターンを用いて、半周期左右対象及び１周期点対象となるように展開して、１周期分のパルスパターン算出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の回転機の制御装置。
9. 前記パルスパターン生成手段は、前記電圧指令信号と前記三角波キャリア信号との比較結果に応じて、１／２周期分のパルスパターンを生成し、その１／２周期分のパルスパターンを用いて、１周期点対象となるように展開して、１周期分のパルスパターン算出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の回転機の制御装置。

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