JP2015216799A - ３相回転機の電流制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】制御に用いられる電流値を所定の通信規格により制御部へ送信するシステムにおいて、３相電流を変換した回転座標系の２相電流を正確に算出する。
【解決手段】電流制御システム１０は、電流センサ４１，４２と、３相回転機１１の回転子の回転角度を検出する回転角度センサ４５と、電流センサ４１，４２による電流の検出タイミングと回転角度センサ４５による回転角度の検出タイミングとを同期させる検出同期部と、電流センサ４１，４２により検出された電流と回転角度センサ４５により検出された回転角度とに基づいて、３相回転機１１に流れる３相電流を回転座標系の２相電流に変換する２相変換部と、２相変換部により変換された２相電流を、所定の通信規格により送信する送信部と、所定の通信規格により送信部と通信を行い、送信された２相電流を受信して、２相電流に基づいて３相回転機１１の各相に流れる電流を制御する制御部１３と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、３相回転機の各相に流れる電流を制御するシステムに関する。

従来、３相モータの各相に流れる電流を制御するインバータにおいて、各相に流れる電流を電流センサにより検出し、モータの回転子の回転角度を回転角度センサにより検出するものがある（特許文献１参照）。

特開２０１３−１１８７４６

ところで、インバータのスイッチング回路を制御する制御部は、インバータの筐体内に収納されていることが多い。この場合、電流センサの出力電圧及び回転角度センサの出力が制御部に入力され、制御部により、３相電流が回転座標系の２相電流に変換される。そして、この２相電流を目標値に一致させるように、制御部によりスイッチング回路が制御される。

本願発明者は、インバータの筐体の外部に設けられた制御部により、インバータのスイッチング回路を制御することを考案した。この場合、制御部がインバータの筐体内に収納されている構成と比較して、電流センサと制御部との距離が長くなる。このため、電流センサの出力電圧にノイズが乗り易くなることを考慮して、電流センサの出力電圧を所定の通信規格により制御部へ送信する必要がある。しかしながら、所定の通信規格により送信された電流値を制御部が受信するタイミングと、回転角度センサの出力を制御部が入力するタイミングとにずれが生じた場合には、これらの値に基づいて算出される回転座標系の２相電流が不適切な値となるおそれがある。

本発明は、こうした課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、制御に用いられる電流値を所定の通信規格により制御部へ送信するシステムにおいて、３相電流を変換した回転座標系の２相電流を正確に算出することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

本発明は、３相回転機の電流制御システムであって、３相回転機の各相に流れる電流を検出する電流センサと、前記３相回転機の回転子の回転角度を検出する回転角度センサと、前記電流センサによる前記電流の検出タイミングと前記回転角度センサによる前記回転角度の検出タイミングとを同期させる検出同期部と、前記電流センサにより検出された前記電流と前記回転角度センサにより検出された前記回転角度とに基づいて、前記３相回転機に流れる３相電流を回転座標系の２相電流に変換する２相変換部と、前記２相変換部により変換された前記２相電流を、所定の通信規格により送信する送信部と、前記所定の通信規格により前記送信部と通信を行い、前記送信部により送信された前記２相電流を受信して、前記２相電流に基づいて前記３相回転機の各相に流れる電流を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、３相回転機の各相に流れる電流が電流センサにより検出され、３相回転機の回転子の回転角度が回転角度センサにより検出される。ここで、電流センサによる電流の検出タイミングと、回転角度センサによる回転角度の検出タイミングとが同期させられる。そして、同期して検出された電流及び回転角度に基づいて、３相回転機に流れる３相電流が回転座標系の２相電流に変換される。このため、回転座標系の２相電流を正確に算出することができる。

上記変換された２相電流が、送信部によって所定の通信規格により送信される。所定の通信規格により送信部と制御部とで通信が行われ、送信部によって送信された２相電流が制御部により受信される。そして、制御部により、この２相電流に基づいて、３相回転機の各相に流れる電流が制御される。したがって、電流センサの出力電圧を所定の通信規格により制御部へ送信する構成であっても、３相回転機の各相に流れる電流を適切に制御することができる。

一実施形態のモータの制御システムを示す模式図 比較例のモータの制御システムを示す模式図 比較例のレゾルバ角検出及び電流検出のタイミングを示すタイミングチャート 相電流及びレゾルバ角を示すタイムチャート 電流ベクトルを示す模式図 相電流検出ＩＣを示すブロック図 一実施形態のレゾルバ角検出及び電流検出のタイミングを示すタイミングチャート

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、電気自動車等に搭載される主機としてのモータを制御する制御システムとして具体化している。

まず、図１に基づいて、モータ１１の制御システム１０の概略構成を説明する。制御システム１０（電流制御システム）は、モータ１１、レゾルバ４５、インバータ１２、制御部１３（ＭＧ ＥＣＵ）等を備えている。

モータ１１（３相回転機）は、車載主機であり、その回転子が自動車の駆動輪に機械的に連結されている。モータ１１は、３相の永久磁石同期モータである。モータ１１は、インバータ１２を介して、図示しない高電圧バッテリに接続されている。

インバータ１２は、スイッチング回路２１、電流センサ４１，４２、相電流検出ＩＣ３０等を備えている。スイッチング回路２１、電流センサ４１，４２、及びＩＣ３０は、インバータ１２の筐体１２ａ内に収納されている。

スイッチング回路２１は、スイッチング素子の直列接続体を３組備える周知のブリッジ回路である。各直列接続体の接続点は、モータ１１のＵ相ケーブルＣｕ，Ｖ相ケーブルＣｖ，Ｗ相ケーブルＣｗにそれぞれ接続されている。スイッチング素子として、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられている。スイッチング素子には、それぞれダイオードが逆並列に接続されている。Ｕ相ケーブルＣｕ，Ｖ相ケーブルＣｖ，Ｗ相ケーブルＣｗに流れる電流の総和は、理論上「０」となる。

モータ１１のＶ相ケーブルＣｖ（第１相）には、Ｖ相ケーブルＣｖに流れる電流を検出するＶ相電流センサ４１が取り付けられている。モータ１１のＷ相ケーブルＣｗ（第２相）には、Ｗ相ケーブルＣｗに流れる電流を検出するＷ相電流センサ４２が取り付けられている。電流センサ４１，４２は、電流の大きさに応じた電圧（アナログ信号）を出力する。

モータ１１には、レゾルバ４５が取り付けられている。レゾルバ４５（回転角度センサ）は、モータ１１の回転子と共に回転する励磁コイル、及び固定された２つの検出コイル等を備える周知の構成である。２つの検出コイルは、励磁コイルに印加される正弦波状の励磁信号及びモータ１１の回転子の回転角度に基づいて、正弦波状に振幅が変化する互いに位相が９０°ずれた検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ（アナログ信号）を出力する。

相電流検出ＩＣ３０は、入出力ポート、処理回路、通信回路等を備える集積回路である。ＩＣ３０は、電流センサ４１，４２の出力電圧Ｉｖａ，Ｉｗａ（アナログ出力）をそれぞれ入力する。また、ＩＣ３０は、検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ（アナログ出力）、及び励磁信号Ｒｅｆ（アナログ出力）をそれぞれ入力する。

ＩＣ３０は、検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ、及び励磁信号Ｒｅｆに基づいて、モータ１１の回転子の回転角度θ（デジタル信号）を算出する。また、ＩＣ３０は、出力電圧Ｉｖａ，Ｉｗａ、及び回転角度θに基づいて、モータ１１に流れる３相電流を回転座標系の２相電流Ｉｄ，Ｉｑ（デジタル信号）に変換する。そして、ＩＣ３０は、２相電流Ｉｄ，Ｉｑ及び回転角度θを制御部１３へ送信する。

制御部１３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータである。制御部１３は、インバータ１２の筐体１２ａの外部に設けられている。制御部１３は、相電流検出ＩＣ３０と所定の通信規格により通信を行い、ＩＣ３０が送信するデジタル信号Ｉｄ，Ｉｑ，θを受信する。そして、制御部１３は、これらの２相電流Ｉｄ，Ｉｑ、及び回転角度θに基づいて、スイッチング回路２１の駆動を制御する。詳しくは、スイッチング信号を送信することにより、スイッチング回路２１の各スイッチング素子の駆動を制御する。

図２は、比較例のモータ１１の制御システム１０Ａを示す模式図である。この制御システム１０Ａでは、以下の点が図１の制御システム１０と相違しており、その他の点は制御システム１０と同様である。

相電流検出ＩＣ３０Ａは、入力した出力電圧Ｉｖａ，Ｉｗａ（アナログ出力）に基づいて、Ｖ相電流を表すデジタル信号Ｉｖｄ、及びＷ相電流を表すデジタル信号Ｉｗｄを制御部１３Ａへ送信する。制御部１３Ａは、相電流検出ＩＣ３０Ａと所定の通信規格により通信を行い、ＩＣ３０Ａが送信するデジタル信号Ｉｖｄ，Ｉｗｄを受信する。

また、制御部１３Ａは、検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ（アナログ出力）、及び励磁信号Ｒｅｆ（アナログ出力）をそれぞれ入力する。そして、制御部１３Ａは、検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ、及び励磁信号Ｒｅｆに基づいて、モータ１１の回転子の回転角度θ（デジタル信号）を算出する。制御部１３Ａは、デジタル信号Ｉｖｄ，Ｉｗｄ（電流値）、及び回転角度θに基づいて、モータ１１に流れる３相電流を回転座標系の２相電流Ｉｄ，Ｉｑ（デジタル信号）に変換する。

ここで、図３に示すように、制御部１３Ａは、レゾルバ４５から、検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ、及び励磁信号Ｒｅｆを、周期Ｔａ１で入力している。周期Ｔａ１は、上記スイッチング回路２１のスイッチング信号を生成する際のＰＷＭキャリアに対して、所定のタイミング毎の間隔として設定されている。これに対して、相電流検出ＩＣ３０Ａは、電流センサ４１，４２から、出力電圧Ｉｖａ，Ｉｗａを周期Ｔａ１よりも長い周期Ｔａ２で入力している。そして、相電流検出ＩＣ３０Ａは、所定の通信規格によりデジタル信号Ｉｖｄ，Ｉｗｄを制御部１３Ａへ送信している。なお、ＰＷＭキャリアの周期は、モータ１１の駆動状態に応じて変動するため、周期Ｔａ１よりも周期Ｔａ２が短くなることもある。

このため、レゾルバ４５による回転角度の検出タイミングと、電流センサ４１，４２による電流の検出タイミングとが非同期となっている。さらに、制御部１３Ａが検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ及び励磁信号Ｒｅｆを入力するタイミングに対して、制御部１３Ａがデジタル信号Ｉｖｄ，Ｉｗｄを受信するタイミングは、通信時間の分だけ遅延している。

上述したように、制御部１３Ａは、デジタル信号Ｉｖｄ，Ｉｗｄ、及び回転角度θに基づいて、モータ１１に流れる３相電流を回転座標系の２相電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する。このとき、図４に示すように、同じタイミングｔ１（同時）に検出された相電流Ｉｖ，Ｉｗ（Ｉｕ）、及びレゾルバ角θを用いて、回転座標系の２相電流Ｉｄ，Ｉｑを算出する必要がある。なお、U相電流Ｉｕは、キルヒホッフの法則に基づき、相電流Ｉｖ，Ｉｗから算出することができる。

相電流Ｉｖ，Ｉｗ（Ｉｕ）、及びレゾルバ角θが同時に検出されていない場合、これらに基づいて算出される２相電流Ｉｄ，Ｉｑは、図５に示すように不適切な値となる。詳しくは、相電流Ｉｖ，Ｉｗ（Ｉｕ）の検出タイミングとレゾルバ角θの検出タイミングとが同期していない場合は、ｄｑ電流ベクトルの位相がずれることとなる。

そこで、本実施形態では、相電流検出ＩＣ３０を図６に示す構成とすることにより、電流センサ４１，４２による電流の検出タイミングと、レゾルバ４５による回転角度の検出タイミングとを同期させる。

図６は、相電流検出ＩＣ３０を示すブロック図である。ＩＣ３０は、ＡＤ変換器３１Ａ，３１Ｂ、レゾルバデジタル変換器３２、２相電流算出部３３、及び通信部３４を備えている。これらは、ＩＣ３０が備える上記入出力ポート、上記処理回路、上記通信回路等により実現されている。

Ｖ相電流センサ４１は、Ｖ相ケーブルＣｖに流れるＶ相電流の大きさに応じた出力電圧Ｉｖａを出力する。詳しくは、Ｖ相電流センサ４１の出力電圧は、入力電流に比例して増加する。同様に、Ｗ相電流センサ４２は、Ｗ相ケーブルＣｗに流れる電流の大きさに応じた出力電圧Ｉｗａを出力する。

ＡＤ変換器３１Ｂ（変換部）は、電流センサ４１，４２のそれぞれの出力電圧Ｉｖａ，Ｉｗａを入力し、それぞれ電流を表すデジタル信号Ｉｖｄ，Ｉｗｄ（以下、「電流値Ｉｖｄ，Ｉｗｄ」と称する）に変換して出力する。

レゾルバ４５は、正弦波状に振幅が変化する互いに位相が９０°ずれた検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ、及び正弦波状の励磁信号Ｒｅｆを出力する。ＡＤ変換器３１Ａ（変換部）は、レゾルバ４５のそれぞれの信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ，Ｒｅｆを入力し、それぞれデジタル信号ＳＩＮ，ＣＯＳ，ＲＥＦに変換して出力する。

ここで、ＡＤ変換器３１Ｂが出力電圧Ｉｖａ，Ｉｗａを入力するタイミングと、ＡＤ変換器３１Ａが信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ，Ｒｅｆを入力するタイミングとは同期している。すなわち、ＡＤ変換器３１ＢとＡＤ変換器３１Ａとは、同時に検出信号の入力を行う。なお、ＡＤ変換器３１Ｂ及びＡＤ変換器３１Ａにより、検出同期部が構成されている。

レゾルバデジタル変換器３２（レゾルバデジタル変換部）は、余弦関数乗算器や正弦関数乗算器、ローパスフィルタ等を備える周知の構成であり、上記デジタル信号ＳＩＮ，ＣＯＳ，ＲＥＦに基づいて、モータ１１の回転子の回転角度θを算出して出力する。

２相電流算出部３３は、上記電流値Ｉｖｄ，Ｉｗｄ、及び回転角度θを入力する。２相電流算出部３３は、電流値Ｉｖｄ，Ｉｗｄ（Ｉｗｕ）、及び回転角度θに基づいて、モータ１１に流れる３相電流を回転座標系の２相電流Ｉｄ，Ｉｑ（ｄ軸電流，ｑ軸電流）に変換して出力する。U相の電流値Ｉｕｄは、キルヒホッフの法則に基づき、相電流Ｉｖｄ，Ｉｗｄから算出することができる。また、２相電流算出部３３は回転角度θを出力する。なお、ＡＤ変換器３１Ａ，３１Ｂ、レゾルバデジタル変換器３２、及び２相電流算出部３３により、２相変換部が構成されている。

通信部３４（送信部）は、２相電流Ｉｄ，Ｉｑ、及び回転角度θを入力する。通信部３４は、所定の通信規格により、２相電流Ｉｄ，Ｉｑ、及び回転角度θを制御部１３（ＩＣ３０の外部）へ送信する。所定の通信規格としては、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）通信を採用することができる。ＣＡＮ通信は、耐ノイズ性を向上させるように設計され、相互接続された機器間のデータ転送に用いられる規格である。

図７は、本実施形態のレゾルバ角検出及び電流検出のタイミングを示すタイミングチャートである。

相電流検出ＩＣ３０は、レゾルバ４５から、検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ、及び励磁信号Ｒｅｆを、周期Ｔａ３で入力している。さらに、相電流検出ＩＣ３０は、電流センサ４１，４２から、出力電圧Ｉｖａ，Ｉｗａを、レゾルバ４５からの入力と同期して周期Ｔａ３で入力している。周期Ｔａ３は、ＰＷＭキャリアの周期にかかわらず一定に設定してもよいし、ＰＷＭキャリアの周期の変動に応じて可変としてもよい。例えば、ＰＷＭキャリアの周期が短くなるほど周期Ｔａ３を短く設定してもよい。そして、相電流検出ＩＣ３０は、所定の通信規格によりデジタル信号Ｉｄ，Ｉｑ，θを制御部１３へ送信している。

このため、電流センサ４１，４２による電流の検出タイミングと、レゾルバ４５による回転角度の検出タイミングとが同期している。そして、検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ、及び励磁信号Ｒｅｆに基づいて回転角度θが算出される。検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ、及び励磁信号Ｒｅｆと同時に検出された出力電圧Ｉｖａ，Ｉｗａが、電流値Ｉｖｄ，Ｉｗｄに変換される。これらの電流値Ｉｖｄ，Ｉｗｄ（Ｉｕｄ）、及び回転角度θに基づいて、２相電流Ｉｄ，Ｉｑが算出される。

そして、制御部１３は、２相電流Ｉｄ，Ｉｑのそれぞれの目標値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を算出する。制御部１３は、目標値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊及び回転角度θに基づいて、３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのそれぞれの目標値Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊を算出する。制御部１３は、３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをそれぞれの目標値Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊とすべく、スイッチング回路２１のスイッチング信号を算出する。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・電流センサ４１，４２による出力電圧Ｉｖａ，Ｉｗａの検出タイミングと、レゾルバ４５による信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ，Ｒｅｆの検出タイミングとが同期させられる。そして、同期して検出された出力電圧Ｉｖａ，Ｉｗａ及び信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓ，Ｒｅｆに基づいて、モータ１１に流れる３相電流が回転座標系の２相電流Ｉｄ，Ｉｑに変換される。このため、回転座標系の２相電流Ｉｄ，Ｉｑを正確に算出することができる。

・上記２相電流Ｉｄ，Ｉｑが、通信部３４によって所定の通信規格により制御部１３へ送信される。そして、制御部１３により、この２相電流Ｉｄ，Ｉｑに基づいて、モータ１１の各相に流れる電流が制御される。したがって、電流センサ４１，４２の出力電圧を所定の通信規格により制御部１３へ送信する構成であっても、モータ１１の各相に流れる電流を適切に制御することができる。

・回転角度センサとして周知のレゾルバ４５を用いて、レゾルバ４５により出力される励磁信号Ｒｅｆ、及び検出信号Ｓｉｎ，Ｃｏｓに基づいて回転角度θを算出するレゾルバデジタル変換器３２を、ＩＣ３０が備えている。このため、相電流検出ＩＣ３０に、電流検出及びレゾルバデジタル変換の機能をまとめることができる。

・変換された２相電流Ｉｄ，Ｉｑ及び検出された回転角度θが制御部１３へ送信されるため、制御部１３により回転座標系の２相電流から３相電流へ変換することができる。

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。

・回転角度センサとして、レゾルバ４５に限らず、光学式や磁気式のエンコーダ等を採用することもできる。

・電流センサ４１，４２に加えて、Ｕ相ケーブルＣｕに流れる電流を検出するＵ相電流センサを設けることもできる。すなわち、モータ１１の各相に流れる電流を検出する電流センサは、３相のうち２相の電流を検出するものでもよいし、３相全ての電流を検出するものでもよい。

・３相回転機として、モータ１１に限らず、オルタネータ（発電機）や、モータジェネレータを採用することもできる。

・ＩＣ３０は、インバータ１２の筐体１２ａの外部に設けられた制御部１３へ通信によりデジタル信号を送信したが、ＩＣ３０の外部へ通信によりデジタル信号を送信するものであればよい。また、通信は、有線通信であってもよいし、無線通信であってもよい。

１１…モータ、１３…制御部、３０…相電流検出ＩＣ、３１Ａ…ＡＤ変換器、３１Ｂ…ＡＤ変換器、３２…レゾルバデジタル変換器、３３…２相電流算出部、３４…通信部、４１…Ｖ相電流センサ、４２…Ｗ相電流センサ、４５…レゾルバ。

Claims (4)

1. ３相回転機（１１）の各相に流れる電流を検出する電流センサ（４１，４２）と、
   前記３相回転機の回転子の回転角度を検出する回転角度センサ（４５）と、
   前記電流センサによる前記電流の検出タイミングと前記回転角度センサによる前記回転角度の検出タイミングとを同期させる検出同期部（３１Ａ，３１Ｂ）と、
   前記電流センサにより検出された前記電流と前記回転角度センサにより検出された前記回転角度とに基づいて、前記３相回転機に流れる３相電流を回転座標系の２相電流に変換する２相変換部（３１Ａ，３１Ｂ，３２，３３）と、
   前記２相変換部により変換された前記２相電流を、所定の通信規格により送信する送信部（３４）と、
   前記所定の通信規格により前記送信部と通信を行い、前記送信部により送信された前記２相電流を受信して、前記２相電流に基づいて前記３相回転機の各相に流れる電流を制御する制御部（１３）と、
   を備えることを特徴とする３相回転機の電流制御システム（１０）。
2. 前記回転角度センサは、励磁信号、及び互いに位相が９０°ずれた検出信号を出力するレゾルバ（４５）であり、
   前記２相変換部は、前記レゾルバにより出力される前記励磁信号、及び前記検出信号に基づいて前記回転角度を算出するレゾルバデジタル変換部（３２）を備える請求項１に記載の３相回転機の電流制御システム。
3. 前記送信部は更に、前記回転角度センサにより検出された前記回転角度を、所定の通信規格により前記制御部へ送信する請求項１又は２に記載の３相回転機の電流制御システム。
4. 前記検出同期部、前記２相変換部、及び前記送信部は、前記３相回転機の各相に流れる電流を制御するインバータ（１２）の筐体（１２ａ）内に収納されており、
   前記送信部は、前記筐体の外部に設けられた制御部へ、前記２相電流を送信する請求項１〜３のいずれか１項に記載の３相回転機の電流制御システム。

Images