JP2018182960A - 回転電機制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンデンサ温度の上昇を抑制可能である回転電機制御装置を提供することにある。
電流位相を大きくすることで、デューティ比を小さくすることができ、例えば等トルク線上にて電流位相を大きくすれば、出力を変えることなく、コンデンサ電流を低減可能である。これにより、出力を確保しつつ、コンデンサの温度上昇を抑制することができる。
インバータ入力電圧を高めることで、デューティ比を小さくすることができるので、出力を変えることなくコンデンサ電流を低減可能である。これにより、出力を確保しつつ、コンデンサの温度上昇を抑制することができる。
(第1実施形態)
第1実施形態による回転電機制御装置を図1〜図9に示す。
図1に示すように、回転電機制御装置としてのMG制御装置1は、モータとしてのモータジェネレータ10の駆動を制御するものである。モータジェネレータ10は、例えばハイブリッド車両等の電動車両の主機モータに適用される。以下適宜、「モータジェネレータ」を「MG」と記載する。
MG10は、直流電源としての主機バッテリ20からの電力で駆動されることによりトルクを発生する電動機としての機能、および、車両90の制動力等で駆動されて発電する発電機としての機能を有する。本実施形態のMG10は、永久磁石式同期型の3相交流回転機である。MG10は、U相コイル11、V相コイル12、および、W相コイル13を有する。以下、MG10が電動機として機能する場合を中心に説明する。
主機バッテリ20とインバータ30との間には、上側電源リレー21および下側電源リレー22が設けられる。上側電源リレー21は、主機バッテリ20の正極側に設けられ、下側電源リレー22は、主機バッテリ20の負極側に設けられる。上側電源リレー21および下側電源リレー22をオンすることで、主機バッテリ20とインバータ30との間での電力の授受が許容される。また、上側電源リレー21および下側電源リレー22をオフすることで、主機バッテリ20とインバータ30との間での電力の授受が禁止される。なお、上側電源リレー21または下側電源リレー22の一方を省略してもよい。
コンデンサ23は、平滑コンデンサであって、インバータ30と並列に接続される。
リアクトル26は、インダクタンスLを有しており、電流の変化に伴って誘起電圧が発生し、電気エネルギが蓄積される。
SW素子27、28は、制御部50からのコンバータ駆動信号にしたがって、交互に、かつ相補的にオンオフ動作する。これにより主機バッテリ20の電圧が昇圧され、インバータ30側に出力される。以下、昇圧コンバータ25により昇圧され、インバータ30に入力される電圧を、インバータ入力電圧Vdcとする。
高電位側に配置されるSW素子31〜33は、コレクタが高電位ライン37に接続され、エミッタがそれぞれ対になるSW素子34〜36のコレクタと接続される。低電位側に配置されるSW素子34〜36のエミッタは、低電位ライン38に接続される。
U相電流センサ41により検出されたU相電流検出値Iu、および、W相電流センサ43により検出されたW相電流検出値Iwは、制御部50に出力される。V相電流検出値Ivは、U相電流検出値IuおよびW相電流検出値Iwから演算される。以下適宜、U相電流検出値Iu、V相電流検出値IvおよびW相電流検出値Iwをまとめて、3相電流検出値Iu、Iv、Iwとする。3相に係る他の値についても、適宜、同様にまとめて記載する。
ここでは、U相とW相に電流センサが設けられているが、3相のうちのいずれの2相に設けてもよい。また、電流センサは、3相全相に設けてもよいし、1相に設けて残りの2相を推定するようにしてもよい。また、電流センサは各相の電流を検出可能ないずれの箇所に設けてもよい。
コンデンサ温度センサ48は、コンデンサ23の近傍に配置され、コンデンサ温度Tcを検出する。コンデンサ温度センサ48の検出値は、制御部50に出力される。
本実施形態では、補機バッテリ80は、主機バッテリ20よりも電圧が低い。図2では、高圧系を相対的に太いラインで示し、低圧系を相対的に細いラインで示している。
制御部50における各処理は、ROM等の実体的なメモリ装置に予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。
電流指令演算部51は、基本電流指令演算部52および電流指令補正部53を有する。
基本電流指令演算部52は、図示しない上位制御部から取得されるトルク指令値Trq*に基づき、例えばマップ演算によりdq軸基本電流指令値Id*_b、Iq*_bを演算する。マップ演算以外の方法にてdq軸基本電流指令値Id*_b、Iq*_bを演算してもよい。
3相2相変換部61は、電流センサ41、43から取得されるU相電流検出値IuおよびW相電流検出値Iwを用い、例えば3相和=0から、V相電流検出値Ivを演算する。3相2相変換部61は、電流検出値Iu、Iv、Iwおよび回転角センサ45の検出値から演算される電気角θに基づき、dq変換により、d軸電流検出値Idおよびq軸電流検出値Iqを演算する。以下適宜、d軸電流検出値Idおよびq軸電流検出値Iqをまとめて、dq軸電流検出値Id、Iqとする。dq軸に係る他の値についても、適宜、同様にまとめて記載する。
d軸制御器64は、d軸電流偏差ΔIdが0に収束するように、PI演算等により、d軸電圧指令値Vd*を演算する。q軸制御器65は、q軸電流偏差ΔIqが0に収束するように、PI演算等により、q軸電圧指令値Vq*を演算する。
インバータ駆動信号生成部67は、3相電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*およびインバータ入力電圧Vdcに基づき、インバータ駆動信号UU、UL、VU、VL、WU、WLを生成する。生成されたインバータ駆動信号UU、UL、VU、VL、WU、WLは、インバータ30に出力される。インバータ駆動信号UU、UL、VU、VL、WU、WLに基づいてSW素子31〜36のオンオフ作動を制御することで、MG10の駆動が制御される。
また、インバータ駆動信号生成部67は、生成されたインバータ駆動信号UU、UL、VU、VL、WU、WLのデューティ比を電流指令補正部53にフィードバックする。
図4に、コンデンサ電流Icの詳細を示す。図4では、(a)がモータ電流、(b)が相電圧、(c)がコンデンサ電流Ic、(d)が図4(c)中のZ部の拡大図である。
図4(a)に示すように、PWM制御により正弦波のモータ電流を通電する場合、SW素子31〜36のオンオフの切り替えに伴い、相電圧は図5(b)に示す如くとなる。また、図4(c)、(d)に示すように、コンデンサ電流Icは、電圧変動に伴うリプル成分を比較的多く含んでいる。
コンデンサ23の発熱量Pcは、式(1)に示すように、コンデンサ電流Icに依存する。そのため、コンデンサ電流Icを低減することで、コンデンサ23の発熱量Pcを低減することができる。式(1)中のRは、抵抗である。コンデンサ電流Icは、実効値とする。
Pc=R×(Ic)2 ・・・(1)
そこで本実施形態では、コンデンサ温度Tcが高いとき、デューティ比を変更することで、コンデンサ電流Icを低減する。コンデンサ電流Icが低減されれば、コンデンサ温度Tcを下げることができる(図5参照)。
図7は、横軸がd軸電流、縦軸がq軸電流であり、白抜き矢印は、電流ベクトルを示す。また、等トルク線を二点鎖線で示す。以下適宜、電流位相は、dq軸平面上において、d軸と電流ベクトルとがなす角度として説明する。
図7に示すように、本実施形態では、トルク指令値Trq*が任意の値TrqX(以下、指令値TrqXとする。)のとき、電流ベクトルYI1で示す、最も損失が少ない電流位相でのd軸電流およびq軸電流を、dq軸基本電流指令値Id*_b、Iq*_bとする。
また、等トルク線上のどの電流位相であっても指令値TrqXを出力可能である。すなわち、電流ベクトルYI1よりも電流位相を大きくした電流ベクトルYI2で示すd軸電流およびq軸電流としても指令値TrqXを出力可能である。
最初のS101では、基本電流指令演算部52は、トルク指令値Trq*を取得する。
S102では、基本電流指令演算部52は、トルク指令値Trq*に基づき、dq軸基本電流指令値Id*_b、Iq*_bを演算する。
S104では、電流指令補正部53は、デューティ比の前回値をインバータ駆動信号生成部67から取得する。
S105では、コンデンサ温度判定部58は、コンデンサ温度Tcが所定温度Tthより高いか否かを判断する。所定温度Tthは、適宜設定可能であり、例えばコンデンサ23の定格温度とする。コンデンサ温度Tcが所定温度Tth以下であると判断された場合(S105:NO)、S108へ移行する。コンデンサ温度Tcが所定温度Tth以下であると判断された場合(S105:YES)、S106へ移行する。
なお、S103〜S106の処理順は、適宜入れ替えてもよい。
S108では、電流指令補正部53は、電流指令補正を行わず、dq軸基本電流指令値Id*_b、Iq*_bを、dq軸電流指令値Id*、Iq*とする。
図9では、電流指令の演算ごとに電圧指令補正を行うか否かの判定を行っている。コンデンサ温度Tcの変化は、演算タイミングに対して緩やかであるため、S103〜S107の処理は、所定演算回数ごと、あるいは、所定時間ごとに行うようにしてもよい。S103〜S107の行わない場合、S102に続いてS108に移行し、dq軸基本電流指令値Id*_b、Iq*_bを、dq軸電流指令値Id*、Iq*とすればよい。
所定演算回数および所定時間は、コンデンサ温度Tcの変化速度に応じ、オーバーシュートしても所定温度Tth以下となるように設定される。
等トルク線上にて電流位相を大きくすることで、デューティ比を小さくすることができ、出力を変えることなくコンデンサ電流Icを低減可能である。これにより、要求駆動力を確保しつつ、コンデンサ温度Tcの上昇を抑制することができる。
第2実施形態によるMG制御装置を図10および図11に示す。
図10に示すように、本実施形態は、第1実施形態の制御部50に替えて制御部150が設けられている点が異なる。
制御部150は、電流指令演算部55、コンデンサ温度判定部58、電圧指令演算部60、および、昇圧制御部70を有する。
電流指令演算部55は、上記実施形態の基本電流指令演算部52と同様であって、図示しない上位制御部から取得されるトルク指令値Trq*に基づき、例えばマップ演算によりdq軸電流指令値Id*、Iq*を演算する。マップ演算以外の方法にてdq軸電流指令値Id*、Iq*を演算してもよい。
すなわち本実施形態では、電流指令補正部53が省略されており、トルク指令値Trq*に基づいてマップ演算等で演算された値をそのままdq軸電流指令値Id*、Iq*とする。
昇圧指令調整部71は、コンデンサ温度Tc、および、インバータ駆動信号生成部67にて演算されるデューティ比に基づき、昇圧指令Vdc*を演算する。昇圧指令調整部71には、コンデンサ温度判定部58の判定結果、および、電圧指令演算部60からフィードバックされるデューティ比が入力される。
コンバータ駆動信号生成部72は、昇圧指令Vdc*に基づき、コンバータ駆動信号を生成する。
そこで本実施形態では、コンデンサ温度Tcが高いとき、インバータ入力電圧Vdcを変更し、デューティ比を変更することで、コンデンサ電流Icを低減する。コンデンサ電流Icが低減されれば、コンデンサ温度Tcを下げることができる。
最初のS201では、コンデンサ温度判定部58は、コンデンサ温度Tcを取得する。
S202では、昇圧指令調整部71は、デューティ比の前回値をインバータ駆動信号生成部67から取得する。
なお、S201〜S204の処理順は、適宜入れ替えてもよい。
S206では、昇圧指令調整部71は、昇圧指令補正を行わず、モータ損失等に応じて設定される昇圧指令をコンバータ駆動信号生成部72に出力する。コンバータ駆動信号生成部72は、昇圧指令に基づき、コンバータ駆動信号を生成する。
図11では、昇圧指令の演算ごとに昇圧調整処理を行うか否かの判定を行っている。上記実施形態でも説明した通り、コンデンサ温度Tcの変化は、演算タイミングに対して緩やかであるため、昇圧調整処理は、昇圧指令の演算に対し、所定演算回数ごと、あるいは、所定時間ごとに行うようにしてもよい。
所定回数および所定時間は、コンデンサ温度Tcの変化速度に応じ、オーバーシュートしても所定温度Tth以下となるように設定される。
また、昇圧指令補正では、演算値をフィルタ処理した値や、複数回の演算値を移動平均等にて平均化した値をコンバータ駆動信号生成部72に出力するようにしてもよい。
インバータ入力電圧Vdcを高めることで、デューティ比を小さくすることができるので、出力を変えることなくコンデンサ電流Icを低減可能である。これにより、要求駆動力を確保しつつ、コンデンサ温度Tcの上昇を抑制することができる。
コンデンサ電流Icは、デューティ比0.5で最大となり、デューティ比0.5を含む所定範囲Raは、コンデンサ電流Icが比較的大きい範囲といえる。本実施形態では、昇圧指令調整部71にデューティ比をフィードバックし、デューティ比が所定範囲Ra内であるときに昇圧調整処理を行う。これにより、デューティ比が所定範囲Ra内であるときのコンデンサ電流Icを適切に低減することができる。
上記実施形態の回転電機は、永久磁石式同期型の3相交流回転機である。他の実施形態では、永久磁石式同期型の3相交流回転機に限らず、どのようなものであってもよい。上記実施形態では、回転電機はモータジェネレータである。他の実施形態では、回転電機は、発電機の機能を持たない電動機であってもよいし、電動機の機能を持たない発電機であってもよい。
上記実施形態では、MG制御装置の制御対象であるモータは、車両の主機モータである。他の実施形態では、モータは、車両に搭載される主機モータ以外の補機類等に適用してもよいし、車載装置以外に適用してもよい。
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。
10・・・モータジェネレータ(回転電機)
23・・・コンデンサ 30・・・インバータ
50、150・・・制御部
51、55・・・電流指令演算部
52・・・基本電流指令演算部
53・・・電流指令補正部
58・・・コンデンサ温度判定部
60・・・電圧指令演算部
70・・・昇圧制御部
Claims (4)
- 回転電機(10)の駆動を制御する回転電機制御装置であって、
直流電源(20)と前記回転電機との間に接続されるインバータ(30)と、
前記インバータと並列に設けられるコンデンサ(23)と、
前記コンデンサの温度が所定温度より高いか否かを判定するコンデンサ温度判定部(58)、トルク指令値に応じた電流指令値を演算する電流指令演算部(51)、および、前記回転電機の各相に通電される電流を検出する電流センサ(41、43)から取得される電流検出値と前記電流指令値とに基づいて電圧指令値を演算する電圧指令演算部(60)、を有する制御部(50)と、
を備え、
前記電流指令演算部は、
前記トルク指令値に基づき、基本電流指令値を演算する基本電流指令演算部(52)と、
前記コンデンサ温度判定部にて前記コンデンサの温度が所定温度より高いと判定された場合、前記基本電流指令値よりも電流位相が大きくなるように補正した値を前記電流指令値とする指令補正処理を行う電流指令補正部(53)と、
を有する回転電機制御装置。 - 前記電圧指令演算部は、前記電圧指令値およびインバータ入力電圧に基づいて演算されるデューティ比を前記電流指令補正部にフィードバックし、
前記電流指令補正部は、フィードバックされたデューティ比が0.5を含む所定範囲内である場合、前記指令補正処理を行う請求項1に記載の回転電機制御装置。 - 回転電機(10)の駆動を制御する回転電機制御装置であって、
直流電源(20)と前記回転電機との間に接続されるインバータ(30)と、
前記インバータと並列に設けられるコンデンサ(23)と、
前記インバータに印加される電圧を昇圧する昇圧コンバータ(25)と、
前記コンデンサの温度が所定温度より高いか否かを判定するコンデンサ温度判定部(58)、トルク指令値に応じた電流指令値を演算する電流指令演算部(55)、前記回転電機の各相に通電される電流を検出する電流センサ(41、43)から取得される電流検出値と前記電流指令値とに基づいて電圧指令値を演算する電圧指令演算部(60)、および、前記昇圧コンバータによる昇圧後の電圧であるインバータ入力電圧を制御する昇圧制御部(70)、を有する制御部(150)と、
を備え、
前記昇圧制御部は、前記コンデンサ温度判定部にて前記コンデンサの温度が前記所定温度より高いと判定された場合、前記コンデンサの温度が前記所定温度以下である場合よりも前記インバータ入力電圧を高くする昇圧調整処理を行う回転電機制御装置。 - 前記電圧指令演算部は、前記電圧指令値および前記インバータ入力電圧に基づいて演算されるデューティ比を前記昇圧制御部にフィードバックし、
前記昇圧制御部は、フィードバックされたデューティ比が0.5を含む所定範囲内である場合、前記昇圧調整処理を行う請求項3に記載の回転電機制御装置。
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