JP2017192196A - 交流電動機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1に開示された駆動装置では、交流電動機の目標動作点がコンバータのLC共振領域に含まれるとき、矩形波制御方式を禁止し、インバータを正弦波制御方式で制御する。これにより、矩形波電圧に含まれる電気6次成分がLC共振周波数と一致し電圧変動が発生することを防止する。
コンバータは、直流電源(11)から供給される電源電圧(Vb)を、高電位側及び低電位側のスイッチング素子(23、24)の動作により、所望のシステム電圧(Vsys)に昇圧可能である。
インバータは、コンバータから出力されたシステム電圧の直流電力を複数のスイッチング素子(31−36)の動作により交流電力に変換し交流電動機(80)に供給する。
インバータ制御部は、インバータに指令する電圧ベクトルを演算する電圧指令演算部(540、580)、及び、電圧ベクトルに基づきインバータを操作する電圧波形を特定する電圧波形特定部(63)を有する。
振幅スペクトル抽出部は、インバータの母線電流(Im)を取得し、当該母線電流が流れるコンバータのLC共振周波数に相当する特定周波数の振幅スペクトルを抽出する。
電圧指令基準値算出部は、交流電動機のトルク及び回転数に基づいて電圧指令値の基準値である電圧指令基準値(Vsys*)を算出する。
好ましくは、電圧指令値変更部は、非昇圧状態から昇圧状態に移行するとき、電圧指令基準値を少なくとも電源電圧値より大きい値に変更する。
本発明はこの点に着目し、特定周波数の振幅スペクトルが判定閾値以上であり、且つ、非昇圧状態であるとき、コンバータを昇圧状態とするように電圧指令基準値を変更する。これにより、本発明では、LC共振領域において常に正弦波制御方式を用いる従来技術のようにシステム損失を低下させることなく、電圧変動を適切に抑制することができる。
本実施形態の交流電動機の制御装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源であるモータジェネレータ(以下「MG」)を駆動するシステムにおいて、三相交流モータであるMGの通電を制御する装置である。各実施形態の「MG」及び「MG制御装置」は、特許請求の範囲に記載の「交流電動機」及び「交流電動機の制御装置」に相当する。
まず、各実施形態のMG制御装置が適用されるMG駆動システムの全体構成について図1を参照して説明する。図1には、一つのMGを備えるシステムを例示する。
MG駆動システム90は、充放電可能な二次電池である「電源」としてのバッテリ11の電圧をコンバータ20で所望のシステム電圧Vsysに昇圧し、昇圧された直流電力をインバータ30で三相交流電力に変換してMG80に供給するシステムである。
MG80の電気角θeは、例えばレゾルバ等の回転角センサ85により検出される。
コンバータ20は、フィルタコンデンサ21、リアクトル22、高電位側スイッチング素子23及び低電位側スイッチング素子24等を備える。
フィルタコンデンサ21は、コンバータ20の入力部に設けられ、バッテリ11からの電源ノイズを除去する。リアクトル22は、一端がバッテリ11に接続され、他端が高電位側スイッチング素子23と低電位側スイッチング素子24との接続点に接続される。リアクトル22は、電流の変化に伴って誘起電圧が発生し、電気エネルギーが蓄積される。
高電位側スイッチング素子23がオンで低電位側スイッチング素子24がオフのとき、リアクトル22に蓄積されたエネルギーが放出されることにより、バッテリ電圧Vbが昇圧されたシステム電圧Vsysが平滑コンデンサ25に充電される。
電圧センサ27はバッテリ電圧Vbを検出する。電流センサ28はリアクトル電流ILを検出する。
電圧センサ37はシステム電圧Vsysを検出する。電流センサ38はインバータ30の母線電流Imを検出する。なお、他の実施形態では、電流センサ38を備えず、後述する他の方法等により母線電流Imを算出してもよい。
コンバータ制御部40による昇圧制御の詳細については後述する。
インバータ制御部50は、これらの情報に基づいて、インバータ30を操作するゲート信号UU、UL、VU、VL、WU、WLを演算する。インバータ30は、ゲート信号UU、UL、VU、VL、WU、WLに従ってスイッチング素子31−36が動作することにより、バッテリ11から入力される直流電力を交流電力に変換しMG80に供給する。
fr=d/{2π√(LC)} ・・・(1.1)
ただし、
L :LC共振回路のインダクタンス
C :LC共振回路の容量
d :昇圧duty比
fh=pN/60 ・・・(1.2)
ただし、
p :MGの極対数
N :MGの回転数[rpm]
N=d×60/{2πp√(LC)} ・・・(1.3)
そのため、図2に示すように、時間に連れてMG80の回転数Nが上昇するとき、回転数NがLC共振領域に一致する期間にシステム電圧Vsysの電圧変動が発生する。
本実施形態は、このような電圧変動を抑制するための電力変換器制御部400の構成を特徴とする。以下、コンバータ制御部40及びインバータ制御部50の構成について詳しく説明する。
先にインバータ制御部50の構成及び作用について、図3〜図5を参照して説明する。
図3に示すように、インバータ制御部50は、dq変換部51、トルク推定部52、トルク減算器53、制御器54、電流指令演算部55、電流減算器56、制御器57、制御器58、電圧振幅/位相演算部59、変調器60、ゲート信号生成部79等を含む。このうち、制御器57と、制御器58及び電圧振幅/位相演算部59とは、フィードバック制御部(図中「FB制御部」)の構成に応じて選択的に設けられてもよい。
ここで、トルクフィードバック制御部540及び電流フィードバック制御部580は、インバータ30に指令する電圧ベクトルを演算する「電圧指令演算部」として機能する。以下の説明における「電圧ベクトル」は、基本的に「電圧指令ベクトル」を意味する。
トルク推定部52は、dq軸電流Id、Iq、及び、MG80のモータ定数に基づき、式(2)を用いてトルク推定値Trq_estを算出する。なお、MG80にトルクセンサを備えたシステムでは、トルク推定部52を設けず、トルク検出値を取得してもよい。
Trq_est=p×{Iq×ψ+(Ld−Lq)×Id×Iq} ・・・(2)
ただし、
p :MGの極対数
ψ :逆起電圧定数
Ld、Lq:d軸インダクタンス、q軸インダクタンス
トルク減算器53は、トルク指令Trq*とトルク推定値Trq_estとのトルク偏差ΔTrqを算出する。制御器54は、トルク偏差ΔTrqを0に収束させるように、PI演算により電圧位相φを演算し、変調器60に出力する。こうして、トルクフィードバック制御部540は、MG80のトルクをフィードバック制御するための操作量として、電圧ベクトルの位相φを演算する。
インバータ制御部50がトルクフィードバック制御部540を備える構成では、電流フィードバック制御部580は、電流減算器56及び制御器57を含む。
制御器58は、電流偏差ΔId、ΔIqを0に収束させるように、PI演算によりdq軸電圧指令Vd*、Vq*を演算する。電圧振幅/位相演算部59は、dq軸電圧指令Vd*、Vq*を電圧振幅Vr及び電圧位相φに変換し、変調器60に出力する。なお、図3では電圧位相φをd軸基準で示しているが、q軸基準で電圧位相を定義してもよい。
図4に示すように、変調器60は、変調率算出部61、方式切替部62、電圧波形特定部63を有する。電圧波形特定部63には、パルスパターン設定部64、記憶部65、PWM信号生成部66が含まれる。
m=2√(2/3)×(Vr/Vsys) ・・・(3)
方式切替部62は、変調率m等に基づいて、電圧波形特定部63による電圧波形の特定方式を切り替える。
パルスパターンは、記憶部65に予め記憶された複数の電圧波形から、変調率m、回転数ω等に応じて、パルスパターン設定部64で選択される電圧波形である。
本明細書では、パルスパターンに、電気1周期に1パルスの矩形波を出力するパターンを含む。矩形波の変調率mは1.27で固定されるため、矩形波制御では電圧振幅Vrは一定であり、電圧位相φのみが操作される。三相交流モータを矩形波制御すると、相電圧及び相電流に含まれる電気周期6次、及び6の倍数の次数成分の割合が大きくなる。
PWM信号は、PWM信号生成部66において、電流フィードバック制御部580の出力に基づいて算出される相電圧と搬送波との比較により生成される。なお、詳しくは、相電圧が換算されたdutyと搬送波とが比較される。
電圧波形特定部63は、パルスパターン設定部64又はPWM信号生成部66の少なくとも一方を有する。
また、方式切替部62は、変調率が1.27のとき矩形波を選択する。これに応じて、インバータ制御部50は、電圧波形特定部63により特定する電圧波形が矩形波となったとき、電流フィードバック制御部580による制御を停止し、トルクフィードバック制御部540により電圧ベクトルを演算する。
次に、コンバータ制御部40の構成及び作用について、図6〜図12を参照して説明する。
図6に示すように、コンバータ制御部40は、電圧指令基準値算出部41、昇圧/非昇圧状態判定部42、電圧指令値変更部43、昇圧制御部44等を含む。
昇圧/非昇圧状態判定部42は、基本例である第1実施形態では、電源電圧Vb及び電圧指令基準値Vsys*を取得する。その他、昇圧/非昇圧状態判定の構成に応じて、システム電圧Vsysの検出値や、インバータ制御部50の変調器60が特定した電圧波形や変調率mの情報を取得する。
ここで本実施形態では、コンバータ20の「昇圧状態」とは、例えば図8に参照されるような「高電位側スイッチング素子23のオン状態とオフ状態とが継続的に交替している状態」と定義する。これに対し、「非昇圧状態」は、「高電位側スイッチング素子23がオン状態を継続している状態」と定義される。
さらに、図6に破線で示すように、電圧指令値変更部43は、インバータ制御部50の変調器60が特定した電圧波形や変調率mの情報を取得してもよい。
一方、所定の条件が成立しないとき、電圧指令値変更部43は、入力された電圧指令基準値Vsys*をそのまま変更後電圧指令値Vsys**として出力する。
特に三相交流モータであるMG80を矩形波制御する場合、電圧指令値変更部43は、母線電流Imの電気6次等の周波数がLC共振周波数と一致するMG80の回転数ωでコンバータ20を昇圧状態とするように電圧指令基準値Vsys*を変更する。
一方、「非昇圧状態に移行する」とは、現在の昇圧状態から、次回の制御で非昇圧状態に移行する場合と、現在の非昇圧状態を維持する場合の両方を含むものとする。
昇圧制御部44は、これらの情報に基づいて、高電位側スイッチング素子23及び低電位側スイッチング素子24を駆動するゲート信号CU、CLを生成する。このとき、昇圧制御部44は、高電位側スイッチング素子23及び低電位側スイッチング素子24が同時にオフするデッドタイムDTを設定する。デッドタイムDTの情報は、電圧指令値変更部43に通知される。
一方、変更後電圧指令値Vsys**がバッテリ電圧Vb以下の場合、昇圧が要求されない非昇圧状態となる。このとき、コンバータ制御部40は、バッテリ電圧Vbを昇圧せずインバータ30に出力する。非昇圧状態では、高電位側スイッチング素子23がオンで低電位側スイッチング素子24がオフの状態が継続する。
本実施形態では、この点に着目し、インバータ30の母線電流Imが有する振幅スペクトルの特定周波数がLC共振周波数と一致し、特定周波数の振幅スペクトルが判定閾値以上であるとき、コンバータ20を昇圧状態とするように制御する。これにより、電圧変動を適切に抑制することができる。以上がコンバータ制御部40の構成の概要である。
時刻to以前の非昇圧状態では、電圧指令基準値Vsys*は電源電圧Vbに等しい。そして、時刻toに、非昇圧状態から昇圧状態に移行する必要があると判断すると、電圧指令値変更部43は、電圧指令基準値Vsys*を少なくとも電源電圧Vbより大きい値の変更後電圧指令値Vsys**に変更する。「非昇圧状態から昇圧状態に移行する」ということは、「非昇圧状態の維持を禁止する」と言い換えてもよい。
電源電圧Vbに対する変更後電圧指令値Vsys**の最小増加分ΔVminは、制御の応答特性や制御誤差等に応じて適宜設定してよい。例えば、次に説明するデッドタイムDTに基づいて最小増加分ΔVminを設定してもよい。
[1]上述通り、電圧指令値(Vsys*又はVsys**)を電源電圧Vbより大きい値に変更する。
RDT=2DT/Tsw ・・・(4)
そこで、電圧指令値変更部43は、少なくともデッドタイムDTによる電圧低下補償分を昇圧するように、電圧指令値を設定することが好ましい。
なお、[2]又は[3]における「システム損失低減から要求される電圧指令値」は、例えば特許第5618948号公報に開示された、矩形波制御での電流指令ベクトルを最適電流進角ラインに追従させる技術に基づいて設定可能である。
図6において昇圧/非昇圧状態判定部42が取得する情報として、一点鎖線で示すシステム電圧Vsysは、第2実施形態で用いられる。
このとき、特定周波数の振幅スペクトルが判定閾値以上である場合、電圧指令値変更部43は、電圧指令基準値Vsys*をシステム電圧閾値Vsys_thより大きい値に変更する。
このとき、特定周波数の振幅スペクトルが判定閾値以上である場合、電圧指令値変更部43は、電圧指令基準値Vsys*を基準値閾値Vsys*_thより大きい値に変更する。
上述の通り、インバータ30の母線電流Imが有する振幅スペクトルの分布は、電圧波形特定部63が特定する出力電圧波形によって異なる。図5(b)を参照すると、例えばトルクフィードバック制御により矩形波を出力する場合、矩形波以外のパルスパターンやPWM信号を出力する場合に比べ、電気周期6次等の振幅スペクトルが大きくなる。
[1]母線電流Imを逐次、高速フーリエ変換することにより算出する。母線電流Imは電流センサ38で検出する以外に、相電流検出値又は指令値と相電圧との積をインバータ電圧で除することにより算出してもよい。
[2]図10に示すように、予めスペクトル解析した母線電流Imの振幅スペクトルを力率、変調率毎に記憶しておき、電圧波形、力率、変調率m、回転数ω、搬送波周波数に応じて適当なスペクトルを選択し、相電流振幅で振幅を補正する。
[1]システム電圧Vsysの変動が所定の制限値以下に抑制されるように設定する。
例えば図11に示すように、耐圧上限値Vresと最大システム電圧Vsysとの差分から、スイッチング素子31−36のスイッチング動作に伴う電圧サージ量、及び、電圧センサ37の検出誤差を差し引いた値を、電圧変動制限値とする。
[2]矩形波の電気6次成分の振幅スペクトルを基準値として、例えば、基準値自体、又は基準値の50%相当値等を判定閾値としてもよい。
S1では、電流フィードバック制御部580で電圧振幅Vrを演算し、トルクフィードバック制御部540で電圧位相φを演算することにより電圧ベクトルを演算する。
S3では、電圧波形特定部63でインバータの出力電圧波形を特定する。
S4では、振幅スペクトル抽出部71は、インバータ母線電流Imを取得する。
S5でYESの場合、S6では、システム要求に基づく電圧指令基準値Vsys*が電源電圧Vb以下であるか判断する。電圧指令基準値Vsys*が電源電圧Vb以下であり、S6にてYESの場合、現在の非昇圧状態を維持する要求、又は、現在の昇圧状態から非昇圧状態への移行要求があると判断される。この場合、S7に移行する。
一方、電圧指令基準値Vsys*が電源電圧Vbを超えており、S6にてNOの場合、現在の昇圧状態を維持する要求、又は、現在の非昇圧状態から昇圧状態への移行要求があると判断される。この場合、S8に移行する。
一方、S8では、LC共振による電圧変動を抑制する必要性が低いため、システム要求に基づく電圧指令基準値Vsys*を、そのまま変更後電圧指令値Vsys**として出力する。
以上で、昇圧状態移行処理のルーチンを終了する。
これにより、本実施形態のMG制御装置10は、LC共振領域において常に正弦波制御方式を用いる従来技術のようにシステム損失を低下させることなく、システム電圧Vsysの電圧変動を適切に抑制することができる。
(a)上記実施形態では、コンバータ制御部40の昇圧制御部44は、電流センサ28が検出したリアクトル電流ILに基づく電流モード制御方式によりシステム電圧Vsysを安定化させている。他の実施形態では、昇圧制御部44は、電流モード制御以外の方式でシステム電圧Vsysを安定させるようにしてもよい。いずれの昇圧制御方式にせよ、昇圧状態にすることで、インバータ出力電圧波形の電気6次等の周波数とLC共振周波数とが一致する場合でも電圧変動を抑制可能であれば、本発明に適用可能である。
(f)本発明による交流電動機の制御装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車のMG駆動システムに限らず、一般機械用等、どのような用途の交流電動機の駆動システムに適用されてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
20・・・コンバータ、
23・・・高電位側スイッチング素子、 24・・・低電位側スイッチング素子、
30・・・インバータ、 31−36・・・スイッチング素子、
40・・・コンバータ制御部、 41・・・電圧指令基準値算出部、
42・・・昇圧/非昇圧状態判定部、 43・・・電圧指令値変更部、
50・・・インバータ制御部、
540・・・トルクフィードバック制御部(電圧指令演算部)、
580・・・電流フィードバック制御部(電圧指令演算部)、
63・・・電圧波形特定部、
64・・・パルスパターン設定部、 66・・・PWM信号生成部、
71・・・振幅スペクトル抽出部、
80・・・MG(交流電動機)。
Claims (10)
- 直流電源(11)から供給される電源電圧(Vb)を、高電位側スイッチング素子(23)及び低電位側スイッチング素子(24)の動作により、所望のシステム電圧(Vsys)に昇圧可能なコンバータ(20)と、
前記コンバータから出力された前記システム電圧の直流電力を複数のスイッチング素子(31−36)の動作により交流電力に変換し交流電動機(80)に供給するインバータ(30)と、
前記システム電圧についての電圧指令値を算出し、前記コンバータの動作を制御するコンバータ制御部(40)と、
前記インバータに指令する電圧ベクトルを演算する電圧指令演算部(540、580)、及び、前記電圧ベクトルに基づき前記インバータを操作する電圧波形を特定する電圧波形特定部(63)を有するインバータ制御部(50)と、
前記インバータの母線電流(Im)を取得し、当該母線電流が流れる前記コンバータのLC共振周波数に相当する特定周波数の振幅スペクトルを抽出する振幅スペクトル抽出部(71)と、
を備え、
前記コンバータ制御部は、
前記交流電動機のトルク及び回転数に基づいて前記電圧指令値の基準値である電圧指令基準値(Vsys*)を算出する電圧指令基準値算出部(41)と、
次回の制御で前記コンバータに要求される状態が、前記電源電圧を昇圧して出力する昇圧状態、又は、前記電源電圧を昇圧せず出力する非昇圧状態のいずれであるかを判定する昇圧/非昇圧状態判定部(42)と、
前記電圧波形に相関する前記特定周波数の振幅スペクトルが判定閾値以上であり、且つ、前記昇圧/非昇圧状態判定部による判定結果が非昇圧状態であるとき、前記コンバータを昇圧状態とするように前記電圧指令基準値を変更する電圧指令値変更部(43)と、
を有する交流電動機の制御装置。 - 前記電圧指令値変更部は、前記非昇圧状態から前記昇圧状態に移行するとき、前記電圧指令基準値を少なくとも前記電源電圧値より大きい値に変更する請求項1に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記昇圧/非昇圧状態判定部は、前記システム電圧の検出値がシステム電圧閾値(Vsys_th)を下回ったとき、前記昇圧状態から前記非昇圧状態への移行要求が生じたと判定し、
前記電圧指令値変更部は、前記特定周波数の振幅スペクトルが前記判定閾値以上である場合、前記電圧指令基準値を前記システム電圧閾値より大きい値に変更する請求項1または2に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記昇圧/非昇圧状態判定部は、前記電圧指令基準値が基準値閾値(Vsys*_th)を下回ったとき、前記昇圧状態から前記非昇圧状態への移行要求が生じたと判定し、
前記電圧指令値変更部は、前記特定周波数の振幅スペクトルが前記判定閾値以上である場合、前記電圧指令基準値を前記基準値閾値より大きい値に変更する請求項1または2に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記コンバータにおいて、前記高電位側スイッチング素子のオン期間と前記低電位側スイッチング素子のオン期間との間にデッドタイムが設定されており、
前記電圧指令値変更部は、
前記電圧指令基準値を、前記デッドタイムによる電圧低下分を補償するように昇圧する電圧指令値以上に変更する請求項1〜4のいずれか一項に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記電圧指令演算部は、
前記交流電動機を流れる電流をフィードバック制御するための操作量として前記電圧ベクトルを演算する電流フィードバック制御部(580)を含み、
前記電圧波形特定部は、
前記電流フィードバック制御部が出力した電圧振幅及びシステム電圧から算出される変調率と前記交流電動機の回転数とに基づいて、予め記憶された複数のパルスパターンからいずれかのパルスパターンを選択するパルスパターン設定部(64)、又は、前記電流フィードバック制御部の出力に基づいて算出される相電圧と搬送波との比較によりPWM信号を生成するPWM信号生成部(66)の少なくとも一方を有する請求項1〜5のいずれか一項に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記電圧指令演算部は、
前記交流電動機のトルクをフィードバック制御するための操作量として前記電圧ベクトルの位相を演算するトルクフィードバック制御部(540)をさらに含み、
前記電圧波形特定部は、前記パルスパターン設定部(64)を有し、
前記トルクフィードバック制御部により電圧ベクトルを演算する場合、前記パルスパターン設定部は、電気1周期に1パルスの矩形波を出力するパターンを選択する請求項6に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記電圧波形特定部が特定する電圧波形が矩形波となったとき、
前記電圧指令演算部は、前記電流フィードバック制御部による制御を停止し、前記トルクフィードバック制御部により前記電圧ベクトルを演算する請求項7に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記交流電動機は三相交流電動機であり、
前記電圧波形特定部が特定する電圧波形が矩形波となったとき、
前記電圧指令値変更部は、
前記母線電流の電気6次周波数が前記LC共振周波数と一致する前記交流電動機の回転数で前記コンバータを昇圧状態とするように前記電圧指令基準値を変更する請求項8に記載の交流電動機の制御装置 - 前記コンバータの前記昇圧状態とは、前記高電位側スイッチング素子のオン状態とオフ状態とが継続的に交替している状態である請求項1〜9のいずれか一項に記載の交流電動機の制御装置。
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