JP2016146726A - モータ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】平滑コンデンサの両端間電圧を検出する電圧センサの検出値を補正することで、脈動成分を効率的に除去する技術を提供する。
【解決手段】モータ制御システム１において、昇圧コンバータ１０は電源２１に接続される。インバータ２０は平滑コンデンサ２３を介して昇圧コンバータ１０に接続される。電圧センサ２５は平滑コンデンサ２３の両端間の電圧値を検出し、電流センサ２６は平滑コンデンサ２３に流れる電流値を検出する。リプル補正部６０は、モータ制御に用いられるキャリア信号の周波数が所定値以下の場合に、電流センサ２６により検出された電流値と、平滑コンデンサ２３の容量にもとづいて、電圧センサ２５で検出された電圧値を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇圧コンバータおよびインバータを備えたモータ制御システムに関する。

近年、駆動源としてモータを搭載したハイブリッド車両や電気自動車等が開発されている。車両におけるモータ制御システムは、電源の直流電圧を昇圧するために昇圧コンバータのスイッチング素子をスイッチング制御する昇圧制御と、三相交流電力を生成するためにインバータのスイッチング素子をスイッチング制御するインバータ制御とを行う。昇圧コンバータとインバータとの間には平滑コンデンサが設けられ、電圧センサが、平滑コンデンサの両端間の電圧値を検出する。モータ制御システムは、電圧センサで検出された電圧値にもとづいて、昇圧後の電圧が目標電圧となるように昇圧制御を行う。

特許文献１は、インバータに対する直流電源が脈動しやすい周波数を予め記憶しておき、駆動対象に対する指令として与えられる周波数が記憶している周波数の近傍であって、かつインバータの変調率が出力限界の近傍である場合に、インバータの制御に使用する電圧指令値を、算出される電圧指令値よりも小さな値に補正するインバータ制御装置を開示する。

特開２０１０−２８８３７０号公報

車両の低コスト化および小型化の要請により、昇圧コンバータとインバータの間に設けられる平滑コンデンサの容量低減化が求められている。しかしながら平滑コンデンサの容量を小さくすると、インバータのスイッチング制御に応じた平滑コンデンサへの電荷の出し入れの比率が高まることで、平滑コンデンサの両端間の電圧変動が大きくなり、昇圧後の直流高電圧に脈動が発生する。脈動は複数の周波数帯域で発生するため、各帯域用のデジタルフィルタを設けることで、複数の脈動成分を除去することは可能である。しかしながら、この場合にはデジタルフィルタを多段に設けるため、複雑で大規模な専用回路が必要となり、低コスト化および小型化の要請に沿わないという問題がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は簡易な回路構成で、平滑コンデンサの両端間電圧を検出する電圧センサの検出値を補正することで、脈動成分を効果的に除去する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のモータ制御システムは、電源に接続された昇圧コンバータと、昇圧コンバータに接続されたインバータと、昇圧コンバータとインバータの間に設けられた平滑コンデンサと、インバータに接続されたモータと、平滑コンデンサの両端間の電圧値を検出する電圧センサと、を備えたモータ制御システムであって、平滑コンデンサに流れる電流値を検出する電流センサと、モータ制御に用いられるキャリア信号の周波数が所定値以下の場合に、電流センサにより検出された電流値と、平滑コンデンサの容量にもとづいて、電圧センサで検出された電圧値を補正する補正部と、をさらに備える。

この態様によると、キャリア信号の周波数が所定値以下の場合には、比較的大きい脈動成分が平滑コンデンサに発生するため、平滑コンデンサに流れる電流値と、平滑コンデンサの容量から脈動成分を算出して、電圧センサで検出された電圧値を補正する。なおキャリア信号の周波数が所定値を超える場合には、平滑コンデンサに発生する脈動成分が小さいため、補正部は、電圧センサで検出された電圧値を補正しなくてよい。

本発明によれば、平滑コンデンサに発生する脈動成分が比較的大きい場合に、平滑コンデンサの検出された両端間電圧値を補正する技術を提供する。

ハイブリッド車両等の電動モータを走行駆動源として備える車両におけるモータ制御システムの構成を示す図である。 リプル補正判定部による補正判定処理のフローチャートを示す図である。 リプル補正部の回路構成の一例を示す図である。

図１は、ハイブリッド車両等の電動モータを走行駆動源として備える車両におけるモータ制御システムの構成を示す。モータ制御システム１は、昇圧コンバータ１０、インバータ２０、電源２１、フィルタコンデンサ２２、平滑コンデンサ２３、モータ２４およびモータ電子制御ユニット３０（以下、モータＥＣＵと呼ぶ）を備える。またセンサ群として、モータ制御システム１は、リアクトル１１に流れる電流値を検出する電流センサ１２、平滑コンデンサ２３の両端間電圧値を検出する電圧センサ２５、平滑コンデンサ２３に流れる電流値を検出する電流センサ２６とを備える。

走行制御ＥＣＵ２は車両の走行を制御するための電子制御ユニットであって、アクセル要求やブレーキ要求に応じて、モータ２４で必要なモータトルクを算出し、目標モータトルクをモータトルク指令としてモータＥＣＵ３０に出力する。モータ制御システム１では、走行制御ＥＣＵ２からのモータトルク指令に応じて、電源２１の直流電力を昇圧してから三相交流電力に変換し、三相交流電力をモータ２４に供給する。そのためにモータＥＣＵ３０はモータトルク指令に応じたトルクを生成するべく、昇圧コンバータ１０に対して、電源２１の直流電圧を目標電圧まで昇圧する昇圧制御を行うとともに、インバータ２０に対して、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ制御を行う。

フィルタコンデンサ２２は、電源２１と昇圧コンバータ１０との間に設けられ、電源２１に並列に接続される。フィルタコンデンサ２２は、電源２１の直流電圧を平滑化するとともに、スイッチングによる脈動電流を電源２１側に流さないようにする機能をもつ。

昇圧コンバータ１０は、リアクトル１１およびスイッチング素子１３、１４を有し、フィルタコンデンサ２２を介して電源２１に接続される。電流センサ１２は、リアクトル１１に流れる電流値を検出し、検出した電流値をモータＥＣＵ３０に出力する。スイッチング素子１３、１４は、モータＥＣＵ３０から供給されるゲート信号によりスイッチング動作し、フィルタコンデンサ２２の直流低電圧を、直流高電圧に昇圧する。

平滑コンデンサ２３は、昇圧コンバータ１０とインバータ２０との間に設けられ、昇圧コンバータ１０とインバータ２０に並列に接続される。平滑コンデンサ２３は、昇圧コンバータ１０で昇圧された直流電圧を平滑化し、その直流電圧の電荷を蓄電する。この平滑コンデンサ２３の両端間の電圧が、モータ２４を駆動するための直流高電圧となる。電圧センサ２５は、平滑コンデンサ２３の両端間電圧ＶＨを検出し、検出した電圧値をモータＥＣＵ３０に出力する。電流センサ２６は、平滑コンデンサ２３に流れる電流Ｉ_ＣＯを検出し、検出した電流値をモータＥＣＵ３０に出力する。

インバータ２０は、平滑コンデンサ２３を介して昇圧コンバータ１０に接続される。インバータ２０は、平滑コンデンサ２３の直流高電圧を供給され、モータＥＣＵ３０から供給されるモータ２４の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のスイッチング素子に対するゲート信号によりスイッチング制御され、直流電力を三相交流電力に変換して、接続されるモータ２４に供給する。

モータＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータやメモリ等から構成される電子制御ユニットである。モータＥＣＵ３０は、昇圧コンバータ１０を制御する昇圧制御部４０、インバータ２０を制御するインバータ制御部５０、平滑コンデンサ２３に生じた脈動成分を、電圧センサ２５が検出した両端間電圧ＶＨから必要に応じて除去するリプル補正部６０を備える。昇圧制御部４０は、目標電圧算出部４１、電圧制御部４２、電流制御部４３、ゲート信号生成部４４、ＡＤ変換器（以下、ＡＤＣと呼ぶ）４５、４６を有する。インバータ制御部５０は、モータ制御部５１、ゲート信号生成部５２、リプル補正判定部５３を有する。

インバータ制御部５０において、モータ制御部５１は、走行制御ＥＣＵ２から出力されるモータトルク指令を受け取ると、モータ２４からレゾルバで検出されたモータ角度および電流センサで検出されたモータ電流を用いて、モータトルク指令の目標となるモータトルクを発生させるためのキャリア信号とデューティ信号を生成し、ゲート信号生成部５２に出力する。たとえば目標とする車両速度が低ければ、キャリア信号の周波数は低く、目標とする車両速度が高ければ、キャリア信号の周波数は高く設定されてよい。モータ制御部５１は、生成したキャリア信号の周波数の情報をリプル補正判定部５３に出力し、モータ回転数とモータトルク指令を、昇圧制御部４０における目標電圧算出部４１に出力する。

ゲート信号生成部５２は、供給されたキャリア信号とデューティ信号を用いて、インバータ２０の各相のスイッチング素子のゲート信号を生成し、インバータ２０に出力する。インバータ２０は、各相のスイッチング素子をゲート信号によりスイッチング動作させて、三相交流電力をモータ２４に供給する。インバータ２０のスイッチング素子がスイッチング動作を行うことで、モータ電流に脈動成分が重畳する。

昇圧制御部４０において、目標電圧算出部４１は、モータ制御部５１からモータ回転数とモータトルク指令を受け取ると、目標電圧値を算出して、電圧制御部４２に出力する。電圧制御部４２は、ＡＤＣ４５でアナログデジタル変換された平滑コンデンサ２３の両端間の電圧（ＶＨ）に関連する電圧値をもとに、平滑コンデンサ２３の両端間の電圧が目標電圧値となるように制御する。具体的に電圧制御部４２は、平滑コンデンサ２３の両端間の電圧が目標電圧となるように、リアクトル１１に流れる電流の目標電流値を算出して、電流制御部４３に出力する。

後述するように、実施例におけるＡＤＣ４５は、リプル補正部６０からの出力電圧を、アナログデジタル変換して、電圧制御部４２に出力する。この出力電圧は、平滑コンデンサ２３の両端間電圧ＶＨである場合と、両端間電圧ＶＨから脈動成分を除去（減算）した電圧である場合とがある。実施例のリプル補正部６０は、発生する脈動成分が比較的大きい場合に、両端間電圧ＶＨから脈動成分を除去するようにしており、これにより電圧制御部４２は、脈動成分の影響を低減した電圧をもとにリアクトル１１の目標電流値を算出できるため、インバータ２０の好適な制御を実現できる。

電流制御部４３は、電圧制御部４２から供給される目標電流値を受け取ると、ＡＤＣ４６でアナログデジタル変換されたリアクトル１１の電流値をもとに、リアクトル１１に流れる電流が目標電流値となるように制御する。ゲート信号生成部４４は、昇圧コンバータ１０のスイッチング素子１３、１４のゲート信号をそれぞれ生成して、昇圧コンバータ１０に出力する。

以下、実施例におけるリプル補正部６０による検出電圧ＶＨの補正手法について説明する。
インバータ制御で使用するキャリア信号の周波数（キャリア周波数）は、車両走行状態に応じて可変とされており、たとえば目標とする車両速度が高ければキャリア周波数は高く、また目標速度が低ければキャリア周波数は低く設定される。キャリア周波数が低くなると、スイッチング素子をオンオフする周期が長くなるため、インバータ制御のスイッチングノイズが平滑コンデンサ２３の両端間電圧に、大きな脈動成分として重畳しやすくなる。本発明者は、この点に注目し、キャリア周波数が所定の閾値以下の場合には、平滑コンデンサ２３の検出電圧ＶＨから脈動成分を減算して、検出電圧ＶＨを補正するようにした。なおキャリア周波数が高い場合（キャリア周波数が所定の閾値を超える場合）には、検出電圧ＶＨに重畳される脈動成分は比較的小さいため、検出電圧ＶＨを補正せず、制御応答性を高めるようにした。

インバータ制御部５０において、リプル補正判定部５３は、モータ制御部５１から出力されるキャリア周波数の情報にもとづいて、電圧センサ２５により検出された電圧ＶＨから、脈動（リプル）成分を減算するべきか否かを判定する。
図２は、リプル補正判定部５３による補正判定処理のフローチャートを示す。リプル補正判定部５３は、モータ制御部５１からキャリア周波数を取得し（Ｓ１０）、キャリア周波数と所定の閾値とを比較する（Ｓ１２）。ここで所定の閾値は、平滑コンデンサ２３の容量Ｃに応じて設定される。モータ制御システム１において平滑コンデンサ２３の容量Ｃは設計時に定められているため、リプル補正判定部５３は、容量Ｃに応じたキャリア周波数の閾値を予め（出荷前に）保持していることが好ましい。

この比較の結果、キャリア周波数が所定値以下である場合（Ｓ１２のＹ）、リプル補正判定部５３は、検出電圧ＶＨを補正するべきことを判定して、補正指示信号Ｈｉ（ハイ）をリプル補正部６０に出力し、一方、キャリア周波数が所定値を超えている場合（Ｓ１２のＮ）、リプル補正判定部５３は、検出電圧ＶＨを補正する必要のないことを判定して、補正指示信号Ｌｏ（ロー）をリプル補正部６０に出力する。

ここで、電圧センサ２５により検出される平滑コンデンサ２３の両端間電圧をＶＨ、電流センサ２６により検出される平滑コンデンサ２３に流れる電流をＩ_ＣＯ、平滑コンデンサ２３の容量をＣとすると、電流Ｉ_ＣＯは、以下の式（１）で表現される。
Ｉ_ＣＯ＝Ｃ×ｄＶＨ／ｄｔ・・・（１）
この式（１）から両端間電圧ＶＨは、以下の式（２）で表現される。
ＶＨ＝１／Ｃ×∫Ｉ_ＣＯ・ｄｔ・・・（２）

式（２）によりＶＨを算出できる。なおトリップ中の全時間にわたりＩ_ＣＯを積分すると、式（２）で算出されるＶＨは、電圧センサ２５により検出されるＶＨと同じ挙動を示すが、限定された期間において式（２）で算出されるＶＨは、ＶＨの変動分（脈動成分）を表現する。そこでリプル補正部６０は、補正指示信号がＨｉを示す期間において、式（２）を用いてＶＨの脈動成分を算出し、検出された電圧ＶＨから減算することで、検出電圧ＶＨから脈動成分を除去する。

図３は、リプル補正部６０の回路構成の一例を示す。リプル補正部６０は、積分入力切替回路６１、積分回路６２、ゲイン回路６３、リプル補正入力切替回路６４、減算回路６５を有する。このうち積分入力切替回路６１、積分回路６２、ゲイン回路６３は、式（２）の算出処理を実行するための構成である。リプル補正部６０には、電圧センサ２５の検出電圧ＶＨ、電流センサ２６の検出電流Ｉ_ＣＯ、リプル補正判定部５３で生成された補正指示信号が入力される。

積分入力切替回路６１は、補正指示信号がＨｉの場合、Ｉ_ＣＯを選択し、補正指示信号がＬｏの場合、０Ａ（アンペア）を選択する。積分回路６２は、補正指示信号がＨｉの場合、積分動作を行い、補正指示信号がＬｏの場合、リセット動作を行う。ゲイン回路６３は、積分回路６２からの積分出力に、ゲイン（１／Ｃ）を乗算する。リプル補正入力切替回路６４は、補正指示信号がＨｉの場合、ゲイン回路６３の出力値を選択し、補正指示信号がＬｏの場合、０Ｖ（ボルト）を選択する。減算回路６５は、電圧ＶＨからリプル補正入力切替回路６４の出力を減算する。

これにより補正指示信号がＨｉの場合、積分入力切替回路６１がアナログ値であるＩ_ＣＯを積分回路６２に出力し、積分回路６２がＩ_ＣＯを積分する。ゲイン回路６３は、Ｉ_ＣＯの積分値にゲイン（１／Ｃ）を乗算し、電圧ＶＨの脈動成分を出力する。リプル補正入力切替回路６４は、電圧ＶＨの算出された脈動成分を減算回路６５に出力し、減算回路６５が、検出電圧ＶＨから脈動成分を減算して、リプル補正電圧をＡＤＣ４５に出力する。このようにリプル補正部６０は、キャリア周波数が所定の閾値以下の場合に、電流センサ２６により検出された電流値と、平滑コンデンサ２３の容量にもとづいて、電圧センサ２５で検出されたアナログ電圧値を補正する。

一方、補正指示信号がＬｏの場合、リプル補正入力切替回路６４は、０Ｖを減算回路６５に出力するため、減算回路６５は、検出電圧ＶＨを補正することなく、ＡＤＣ４５に出力する。

ＡＤＣ４５は、減算回路６５の出力電圧をアナログデジタル変換して、デジタル電圧値を電圧制御部４２に出力する。このように実施例のモータ制御システム１では、キャリア周波数が低い場合に、検出電圧ＶＨから脈動成分を除去する補正を行うことで、インバータ２０の好適な制御を実現可能とした。

以上、実施例をもとに本発明を説明した。実施例はあくまでも例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１・・・モータ制御システム、２・・・走行制御ＥＣＵ、１０・・・昇圧コンバータ、２０・・・インバータ、２１・・・電源、２３・・・平滑コンデンサ、２４・・・モータ、２５・・・電圧センサ、２６・・・電流センサ、３０・・・モータＥＣＵ、４０・・・昇圧制御部、４１・・・目標電圧算出部、４２・・・電圧制御部、４３・・・電流制御部、４４・・・ゲート信号生成部、４５，４６・・・ＡＤＣ、５０・・・インバータ制御部、５１・・・モータ制御部、５２・・・ゲート信号生成部、５３・・・リプル補正判定部、６０・・・リプル補正部、６１・・・積分入力切替回路、６２・・・積分回路、６３・・・ゲイン回路、６４・・・リプル補正入力切替回路、６５・・・減算回路。

Claims (1)

1. 電源に接続された昇圧コンバータと、
   前記昇圧コンバータに接続されたインバータと、
   前記昇圧コンバータと前記インバータの間に設けられた平滑コンデンサと、
   前記インバータに接続されたモータと、
   前記平滑コンデンサの両端間の電圧値を検出する電圧センサと、を備えたモータ制御システムであって、
   前記平滑コンデンサに流れる電流値を検出する電流センサと、
   モータ制御に用いられるキャリア信号の周波数が所定値以下の場合に、前記電流センサにより検出された電流値と、前記平滑コンデンサの容量にもとづいて、前記電圧センサで検出された電圧値を補正する補正部と、
   をさらに備えることを特徴とするモータ制御システム。

Images