JP2019071733A - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子に界磁巻線を備える回転電機を、要求されるトルクに応じて効率良く駆動させることができる制御装置を提供する。【解決手段】制御装置６０は、固定子３３の電機子巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに対する電機子側指令値と界磁巻線３２に対する界磁電流指令値との組み合わせと、トルク指令値を含む駆動情報とを関係付けた設定情報が記憶されているメモリ６１を備える。制御装置６０は、駆動情報と、メモリ６１に記憶されている設定情報とに基づいて、駆動情報に対応する界磁電流指令値及び電機子側指令値を設定する。界磁巻線３２に流れる界磁電流を、設定した界磁電流指令値に制御し、電機子巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに流れる電流又は電機子巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに印加される電圧を、設定した電機子側指令値に制御する。【選択図】 図１

Description

回転子に界磁巻線を有する回転電機の駆動を制御する回転電機の制御装置に関する。

例えば特許文献１には、永久磁石界磁型の回転電機の制御装置が開示されている。この制御装置は、固定子の電機子巻線に流れる電流のうち、トルクの発生に寄与する成分と、磁界の発生に寄与する成分とを調整することで、回転電機のトルクをトルク指令値に制御する。また、制御装置は、電機子巻線に流れる電流の各成分を、回転電機を効率良く駆動させる値となるよう調整している。

特開２００６−２３８６３１号公報

ところで、固定子に界磁巻線を備える巻線界磁型の回転電機がある。巻線界磁型の回転電機においても、要求されるトルクに応じて回転電機を効率良く動作をさせることが望ましい。

本発明は、上記課題に鑑みたものであり、回転子に界磁巻線を備える回転電機を、要求されるトルクに応じて効率良く駆動させることができる制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る制御装置は、回転子に設けられた界磁巻線及び固定子に設けられた電機子巻線を備え、交流電力により駆動する回転電機と、前記回転電機に交流電力を供給する電力変換器と、を備える制御システムに適用される。制御装置は、前記電機子巻線に流れる電流又は前記電機子巻線に印加される電圧の指令値である電機子側指令値と界磁電流指令値との組み合わせと、トルク指令値を含む駆動情報とを関係付けた情報であって、前記回転電機のトルクをトルク指令値に制御するための設定情報を記憶している記憶部と、前記駆動情報を取得する駆動情報取得部と、前記駆動情報取得部により取得された前記駆動情報と、前記記憶部に記憶されている前記設定情報とに基づいて、取得された前記駆動情報に対応する前記界磁電流指令値及び前記電機子側指令値を設定する指令値設定部と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を、設定された前記界磁電流指令値に制御する界磁制御部と、前記電機子巻線に流れる電流又は前記電機子巻線に印加される電圧を、設定された前記電機子側指令値に制御する電機子制御部と、を備える。

回転電機のトルクをトルク指令値とするのに要求される界磁電流指令値及び電機子側指令値の組み合わせは複数存在する。ここで、本願発明者は、界磁電流の大きさに応じて、回転電機を駆動させる際の効率をより高くできる電機子側指令値が存在することに着目した。この点に鑑み、本発明では、トルク指令値を含む駆動情報と、記憶部に記憶されている設定情報とに基づいて、回転電機のトルクをトルク指令値に制御するための界磁電流指令値と電機子側指令値との組み合わせを取得する。そのため、例えば、回転電機を動作させる際の効率が高い値となるように、界磁電流指令値と電機子側指令値との組み合わせを設定情報として定めておくことができる。これにより、要求されたトルクに応じて回転電機を効率良く駆動させることができる。

第１実施形態に係る車載の全体構成図。 ＰＷＭ制御を用いたトルク制御を示すブロック図。 矩形波制御を用いたトルク制御を示すブロック図。 第１設定情報を説明する図。 電流位相を説明する図。 第１設定情報を説明する図。 第２設定情報を説明する図。 第２設定情報を説明する図。 トルク制御の手順を示すフローチャート。 本実施形態の作用を説明する図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る制御装置を車両に搭載した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、車両は、エンジン１０を備えている。エンジン１０は、燃料噴射弁等を備え、燃料噴射弁から噴射されたガソリン又は軽油等の燃料の燃焼により動力を発生する。発生した動力は、エンジン１０の出力軸１０ａから出力される。

車両は、直流電源としてのバッテリ２０と、制御システムとを備えている。バッテリ２０は、例えば、定格電圧が１２Ｖの鉛蓄電池である。制御システムは、交流駆動される回転電機３０と、インバータ４０と、界磁通電回路４１と、コンデンサ２１とを備えている。インバータ４０が電力変換器に相当する。

本実施形態では、回転電機３０として、巻線界磁型の同期機が用いられている。また、本実施形態では、回転電機３０として、電動機の機能が付加された発電機であるＩＳＧ（Integrated Starter Generator）が用いられている。

回転電機３０は、回転子３１と、固定子３３と、を備えている。回転子３１は、界磁電流Ｉｆｒが流れる界磁巻線３２を備えている。固定子３３は、回転子３１を回転させる回転磁界を生じさせる電機子巻線を備えている。電機子巻線は、電気角で互いに１２０°ずれた状態で配置されたＵ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗ（３相巻線）により構成されている。回転子３１の回転軸は、図示しないプーリ等を介してエンジン１０の出力軸１０ａと接続されている。

回転電機３０が発電機として駆動される場合、出力軸１０ａから供給される回転動力によって回転子３１が回転し、回転電機３０が発電する。回転電機３０の発電電力により、バッテリ２０が充電される。一方、回転電機３０が電動機として駆動される場合、回転子３１の回転に伴って出力軸１０ａが回転し、出力軸１０ａに回転力が付与される。これにより、例えば車両の走行をアシストすることができる。なお、出力軸１０ａには、変速装置等を介して車両の駆動輪が接続されている。

インバータ４０は、バッテリ２０からの直流電源に基づいて回転電機３０を駆動するための交流電力を生成する。インバータ４０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐと、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎとの直列接続体を備えている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐと、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎとの接続点には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの第１端が接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの第２端は、中性点で接続されている。すなわち本実施形態において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗは、星形結線されている。なお、本実施形態では、各アームスイッチＳＵｐ〜ＳＷｎとして、ＩＧＢＴが用いられている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐには、Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームダイオードＤＵｐ，ＤＶｐ，ＤＷｐが逆並列接続され、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎには、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームダイオードＤＵｎ，ＤＶｎ，ＤＷｎが逆並列接続されている。

Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐの高電位側端子であるコレクタには、高電位側電気経路Ｌｐを介してバッテリ２０の正極端子が接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎの低電位側端子であるエミッタには、低電位側電気経路Ｌｎを介してバッテリ２０の負極端子が接続されている。各電気経路Ｌｐ，Ｌｎは、バスバー等の導電部材である。高電位側電気経路Ｌｐのうち、各上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐのコレクタとの接続点よりもバッテリ２０の正極端子側には、コンデンサ２１の高電位側端子が接続されている。低電位側電気経路Ｌｎのうち各下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎのエミッタとの接続点よりもバッテリ２０の負極端子側には、コンデンサ２１の低電位側端子が接続されている。

高電位側電気経路Ｌｐのうちコンデンサ２１の高電位側端子との接続点から、各上アームスイッチＳＵｐ〜ＳＷｐのコレクタ側へと流れる電流をインバータ電流ＩＤＣと称する。インバータ電流ＩＤＣは、コンデンサ２１の高電位側端子との接続点から各上アームスイッチＳＵｐ〜ＳＷｐのコレクタ側へと流れる方向が正として定義されている。

界磁通電回路４１は、フルブリッジ回路であり、第１上アームスイッチＳＨ１及び第１下アームスイッチＳＬ１の直列接続体と、第２上アームスイッチＳＨ２及び第２下アームスイッチＳＬ２の直列接続体とを備えている。第１上アームスイッチＳＨ１と第１下アームスイッチＳＬ１との接続点には、図示しないブラシを介して界磁巻線３２の第１端が接続されている。第２上アームスイッチＳＨ２と第２下アームスイッチＳＬ２との接続点には、図示しないブラシを介して界磁巻線３２の第２端が接続されている。なお、本実施形態では、各アームスイッチＳＨ１，ＳＬ１，ＳＨ２，ＳＬ２として、ＩＧＢＴが用いられている。また、各アームスイッチＳＨ１，ＳＬ１，ＳＨ２，ＳＬ２には、各ダイオードＤＨ１，ＤＬ１，ＤＨ２，ＤＬ２が逆並列接続されている。

第１，第２上アームスイッチＳＨ１，ＳＨ２の高電位側端子であるコレクタには、高電位側電気経路Ｌｐのうちコンデンサ２１の高電位側端子との接続点よりもインバータ４０側が接続されている。第１，第２下アームスイッチＳＬ１，ＳＬ２の低電位側端子であるエミッタには、低電位側電気経路Ｌｎのうちコンデンサ２１の低電位側端子との接続点よりもインバータ４０側が接続されている。

制御システムは、電圧検出部５０、相電流検出部５１、界磁電流検出部５２、角度検出部５３、及び制御装置６０を備えている。電圧検出部５０は、コンデンサ２１の端子電圧を電源電圧ＶＤＣとして検出する。相電流検出部５１は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに流れる相電流を検出する。界磁電流検出部５２は、界磁巻線３２に流れる界磁電流Ｉｆｒを検出する。角度検出部５３は、回転子３１の回転角に応じた信号である角度信号を出力する。各検出部５０〜５３からの出力信号は、制御装置６０に入力される。

制御装置６０は、例えば、周知のマイクロコンピュータとして構成される。制御装置６０は、記憶部に相当するメモリ６１を備えている。制御装置６０は、角度検出部５３の角度信号に基づいて、回転電機３０の電気角θｅと、回転子３１の回転速度Ｎｍとを算出する。

なお、制御装置６０の各機能の一部又は全部は、例えば、１つ又は複数の集積回路等によりハードウェア的に構成されていてもよい。また、制御装置６０の各機能は、例えば、非遷移的実体的記録媒体に記録されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータによって構成されていてもよい。

制御装置６０によるインバータ４０の操作について説明する。制御装置６０は、角度検出部５３の角度信号を取得し、取得した角度信号に基づいて、インバータ４０を構成する各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフする駆動信号を生成する。詳しくは、制御装置６０は、回転電機３０を電動機として力行駆動させる場合、直流電力を交流電力に変換してＵ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに供給すべく、各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフする駆動信号を生成する。そして、生成した駆動信号を各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎのゲートに供給する。一方、制御装置６０は、回転電機３０を発電機として回生駆動させる場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗから出力された交流電力を直流電力に変換してバッテリ２０に供給すべく、各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフする駆動信号を生成する。

次に、制御装置６０による界磁通電回路４１の操作について説明する。制御装置６０は、界磁巻線３２を励磁すべく、界磁通電回路４１を構成する各スイッチＳＨ１〜ＳＬ２をオンオフする。界磁通電回路４１の第１状態として、制御装置６０は、第１上アームスイッチＳＨ１と第２下アームスイッチＳＬ２とをオンし、かつ、第２上アームスイッチＳＨ２と第１下アームスイッチＳＬ１とをオフする。これにより、界磁巻線３２には、第１上アームスイッチＳＨ１から第２下アームスイッチＳＬ２の向きに界磁電流Ｉｆｒが流れる。また、界磁通電回路４１の第２状態として、制御装置６０は、第１上アームスイッチＳＨ１と第２下アームスイッチＳＬ２とをオフし、かつ、第２上アームスイッチＳＨ２と第１下アームスイッチＳＬ１とをオンする。これにより、界磁巻線３２には、第２上アームスイッチＳＨ２から第１下アームスイッチＳＬ１の向きに界磁電流Ｉｆｒが流れる。

続いて、制御装置６０が行う回転電機３０のトルク制御について説明する。図２及び図３は、トルク制御のブロック図である。

まず、図２に示すトルク制御について説明する。図２に示すトルク制御は、インバータ４０から回転電機３０へ供給される電圧の変調率Ｍｒが所定変調率（例えば１）以下の場合に行われる。変調率Ｍｒは、インバータ４０から回転電機３０へ供給される電圧ベクトルの振幅Ｖｎを電源電圧ＶＤＣで規格化した値（Ｖｎ／ＶＤＣ）である。

制御装置６０は、回転電機３０のトルクＴｒｑｒをトルク指令値Ｔｒｑ＊に制御すべく、ＰＷＭ制御により、インバータ４０の各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフするための各駆動信号を生成する。また、制御装置６０は、ＰＷＭ制御に用いる指令電圧（Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊）を設定するために、周知のベクトル制御を行う。

２相変換部７０は、相電流検出部５１により検出された相電流及び電気角θｅに基づいて、回転電機３０の３相固定座標系におけるＵ，Ｖ，Ｗ相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを、２相回転座標系であるｄｑ座標系におけるｄ，ｑ軸電流Ｉｄｒ，Ｉｑｒに変換する。

駆動情報取得部７１は、駆動情報として、トルク指令値Ｔｒｑ＊、回転速度Ｎｍ及び電源電圧ＶＤＣを取得する。

メモリ６１には、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊、及び界磁電流指令値Ｉｆ＊と、駆動情報とを関係付けた情報である第１設定情報が記憶されている。例えば、第１設定情報は、ｄ，ｑ軸指令電流Ｉｄ＊，Ｉｑ＊と界磁電流指令値Ｉｆ＊とが駆動情報に関係付けられて記憶されたマップ情報である。ｄ，ｑ軸指令電流Ｉｄ＊，Ｉｑ＊が電機子側指令値に相当する。

第１指令値設定部７２は、駆動情報取得部７１により取得された駆動情報と、メモリ６１に記憶されている第１設定情報とに基づいて、回転電機３０のトルクをトルク指令値Ｔｒｑ＊に制御するための各指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊，Ｉｆ＊を設定する。

ステータ制御部７３は、ｄ軸電流Ｉｄｒをｄ軸指令電流Ｉｄ＊にフィードバック制御するための操作量として、ｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を算出する。具体的には、ステータ制御部７３は、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊からｄ軸電流Ｉｄｒを減算した偏差を算出し、算出した偏差を０にフィードバック制御するための操作量として、ｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を算出する。

また、ステータ制御部７３は、ｑ軸電流Ｉｑｒをｑ軸指令電流Ｉｑ＊にフィードバック制御するための操作量として、ｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を算出する。具体的には、ステータ制御部７３は、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊からｑ軸電流Ｉｑｒを減算した偏差を算出し、算出した偏差を０にフィードバック制御するための操作量として、ｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を算出する。ちなみに、上記変調率Ｍｒの元となる電圧ベクトルの振幅Ｖｎは、例えば、ステータ制御部７３により算出された各指令電圧Ｖｄ＊，Ｖｑ＊に基づいて算出されればよい。

なお、本実施形態において、ステータ制御部７３で用いられるフィードバック制御は、比例積分制御である。なお、フィードバック制御としては、比例積分制御に限らず、例えば比例積分微分制御であってもよい。

３相変換部７４は、ｄ，ｑ軸指令電圧Ｖｄ＊，Ｖｑ＊及び電気角θｅに基づいて、ｄ，ｑ軸指令電圧Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を、３相固定座標系におけるＵ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する。本実施形態において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊は、電気角で位相が１２０°ずれた正弦波状の波形となる。

ステータ生成部７５は、キャリア信号、各相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊及び電源電圧ＶＤＣに基づいて、ＰＷＭ制御により、インバータ４０の各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフするための各駆動信号を生成する。詳しくは、ＰＷＭ制御は、各相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を「ＶＤＣ／２」で除算した値と、キャリア信号との大小比較に基づいて、各駆動信号を生成するものである。本実施形態において、キャリア信号は、三角波信号である。ＰＷＭ制御において、各相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊の振幅を「ＶＤＣ／２」で除算した値は、キャリア信号の振幅以下である。なお、２相変換部７０、ステータ制御部７３、３相変換部７４、及びステータ生成部７５が電機子制御部に相当する。

界磁電流制御部８１は、界磁電流検出部５２により検出された界磁電流Ｉｆｒをメモリ６１から取得した界磁電流指令値Ｉｆ＊にフィードバック制御するための操作量として、界磁指令電圧Ｖｆ＊を算出する。具体的には、界磁電流制御部８１は、界磁電流指令値Ｉｆ＊から界磁電流Ｉｆｒを減算した偏差を算出し、算出した偏差を０にフィードバック制御するための操作量として、界磁指令電圧Ｖｆ＊を算出する。なお、本実施形態において、界磁電流制御部８１で用いられるフィードバック制御は、比例積分制御である。なお、フィードバック制御としては、比例積分制御に限らず、例えば比例積分微分制御であってもよい。

界磁生成部８２は、界磁指令電圧Ｖｆ＊を電源電圧ＶＤＣで除算した値と、三角波信号（キャリア信号）との大小比較に基づいて、界磁巻線３２の印加電圧を界磁指令電圧Ｖｆ＊に制御するための界磁通電回路４１の各駆動信号を生成する。なお、本実施形態において、界磁電流制御部８１及び界磁生成部８２が界磁制御部に相当する。

次に、図３に示すトルク制御を説明する。図３に示すトルク制御は、変調率Ｍｒが上記所定変調率よりも大きい場合に実施される。制御装置６０は、回転電機３０のトルクＴｒｑｒをトルク指令値Ｔｒｑ＊に制御すべく、矩形波制御により、インバータ４０の各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフするための各駆動信号を生成する。矩形波制御では、回転電機３０の１電気角周期において、上アームスイッチＳＵｐ〜ＳＷｐのオン操作期間と下アームスイッチＳＵｎ〜ＳＷｎのオン操作期間とが１回ずつとなるようインバータ４０が操作される。

メモリ６１には、指令電圧位相δ＊と、界磁電流指令値Ｉｆ＊と、駆動情報とを関連づけた情報である第２設定情報が記憶されている。指令電圧位相δ＊は、回転電機３０のトルクをトルク指令値Ｔｒｑ＊とすべく、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに印加される電圧ベクトルの位相（電圧位相δ）の指令値である。

本実施形態では、メモリ６１には、電圧位相δに対応付けて指令変調率Ｍｒ＊が記憶されている。指令変調率Ｍｒ＊は、例えば、オン期間Ｔｏｎを定めるのに使用される。オン期間Ｔｏｎとは、インバータ４０の各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンする期間のことである。オン期間Ｔｏｎは、例えば、電気角で１２０°〜１８０°の間で設定される。

第２指令値設定部９０は、駆動情報取得部７１により取得された駆動情報Ｔｒｑ＊，Ｎｍ，ＶＤＣと、メモリ６１に記憶されている第２設定情報と、に基づいて、駆動情報Ｔｒｑ＊，Ｎｍ，ＶＤＣに対応する指令電圧位相δ＊と、指令変調率Ｍｒ＊とを設定する。

パターン生成部９２は、指令電圧位相δ＊、指令変調率Ｍｒ＊及び電気角θｅに基づいて、回転電機３０を矩形波制御で駆動させるべくインバータ４０の各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎの各駆動信号を生成する。パターン生成部９２により生成された駆動信号により、各相において、上アームスイッチがオンされてかつ下アームスイッチがオフされる状態と、上アームスイッチがオフされてかつ下アームスイッチがオンされる状態とが回転電機３０の１電気角周期において１回ずつ出現する。また、矩形波制御では、上アームスイッチのオフ状態への切り替えが相毎に電気角で互いに１２０°ずれている。

メモリ６１には、３相毎に、上，下アームスイッチのうち、上アームスイッチＳＵｐ〜ＳＷｐのみオンする第１信号と、下アームスイッチＳＵｎ〜ＳＷｎのみオンする第２信号とのそれぞれが電気角θｅと関係付けられたパルスパターンが記憶されている。パルスパターンは、指令変調率Ｍｒ＊及び指令電圧位相δ＊に関係付けられてメモリ６１に記憶されている。パターン生成部９２は、指令変調率Ｍｒ＊及び指令電圧位相δ＊に対応するパルスパターンを選択し、選択したパルスパターンに基づいてインバータ４０の各スイッチの駆動信号を生成する。ちなみに、パターン生成部９２において駆動信号を生成する際に、指令変調率Ｍｒ＊の情報は必須ではない。

なお、図３において、界磁電流制御部８１及び界磁生成部８２は、図２に示した構成と同じである。ちなみに、図２又は図３に示す制御を選択するためのパラメータとしては、変調率Ｍｒに限らない。例えば、図２，図３に示すそれぞれの制御の実施領域とトルク指令値Ｔｒｑ＊及び回転速度Ｎｍとが関係付けられた情報と、駆動情報取得部７１により取得されたトルク指令値Ｔｒｑ＊及び回転速度Ｎｍとに基づいて、図２又は図３に示す制御が選択されてもよい。

＜第１及び第２設定情報について＞
次に、メモリ６１に記憶されている第１設定情報について説明する。

第１設定情報には、図２に示す制御が行われる場合において指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊，Ｉｆ＊として取り得る組み合わせのうち、回転電機３０の効率ηが最も高い値となる各指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊，Ｉｆ＊が定められている。

本実施形態では、回転電機３０を駆動させる際の効率ηは、バッテリ２０からインバータ４０を介して固定子３３の電機子巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに供給される電力に対する回転電機３０の実際の動力の比率として定義されている。効率ηは、具体的には例えば、以下の式（１）により定義されればよい。
η＝Ｔｒｑｒ×Ｎｍ×回転電機の機械効率／（ＶＤＣ×ＩＤＣ） … （１）
なお、上記式（１）において、回転電機３０のトルクＴｒｑｒをトルク指令値Ｔｒｑ＊から取得するものであってもよい。

図４を用いて、第１設定情報として記憶されている各指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊，Ｉｆ＊の組み合わせを説明する。図４は、異なる値の界磁電流（Ｉｆ１，Ｉｆ２，Ｉｆ３）における、電流位相βと効率ηとの関係を説明する図であり、横軸を電流位相βとし、縦軸を効率ηとする図である。各界磁電流は、Ｉｆ１，Ｉｆ２，Ｉｆ３の順序で値が大きくなっている。また、各界磁電流Ｉｆ１，Ｉｆ２，Ｉｆ３における最大効率をη１，η２，η３として示している。ここで、電流位相βは、図５に示すように、ｄ，ｑ軸電流Ｉｄｒ，Ｉｑｒによって定まる電流ベクトルの位相である。本実施形態では、電流位相βは、ｄ軸の正方向を基準とし（β＝０）、この基準から反時計回りの方向が正方向として定義されている。

図４の説明に戻り、界磁電流Ｉｆ１では、電流位相β１の場合に最高効率η１となっている。界磁電流Ｉｆ２では、電流位相β２の場合に最高効率η２となっている。界磁電流Ｉｆ３では、電流位相β３の場合に最高効率η３となっている。即ち、界磁電流ＩｆｒがＩｆ１，Ｉｆ２，Ｉｆ３の順序で大きくなるほど、最高効率となる電流位相βは、β１，β２，β３の順序で大きくなっている。

そのため、本実施形態では、図６（ａ）に示すように、第１設定情報は、第１電流値Ｉａから第２電流値Ｉｂまでの範囲において、界磁電流指令値Ｉｆ＊が大きいほど、電流位相βが単調増加するｄ，ｑ軸指令電流Ｉｄ＊，Ｉｑ＊の組み合わせを含む情報である。なお、本実施形態では、界磁電流指令値Ｉｆ＊が第１電流値Ｉａ以下となる場合、電流位相βが第１電流位相βａに固定される。また、界磁電流指令値Ｉｆ＊が第２電流値Ｉｂ以上となる場合、電流位相βが第２電流位相βｂ（＞βａ）に固定される。

また、図６（ｂ）に示すように、第１設定情報は、電流振幅ａが大きいほど、電流位相βが小さくなるようなｄ，ｑ軸指令電流Ｉｄ＊，Ｉｑ＊の組み合わせの情報である。ここで、電流振幅ａは、電機子巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに流れる電流ベクトルの大きさを示し、図５に示すように、ｄ，ｑ軸電流Ｉｄｒ，Ｉｑｒによって定まる。

なお、回転電機３０の力行駆動時には、回転電機３０のトルクＴｒｑｒが正の値になるとする。力行駆動時における第１設定情報に含まれる電流位相βが取り得る範囲は、トルクＴｒｑｒを正の値にするｄ，ｑ軸指令電流Ｉｄ＊，Ｉｑ＊の組み合わせから定まる範囲となる。

次に、メモリ６１に記憶されている第２設定情報について説明する。

第２設定情報には、図３に示す制御が行われる場合において指令値δ＊，Ｍｒ＊，Ｉｆ＊が取り得る組み合わせのうち、回転電機３０を駆動させる際の効率が最も高い値となる各指令値の組み合わせが定められている。

図７，図８を用いて、第２設定情報として記憶されている各指令値δ＊，Ｉｆ＊の組み合わせを説明する。図７は、異なる界磁電流（Ｉｆ４，Ｉｆ５，Ｉｆ６）における、指令電圧位相δ＊と効率ηとの関係を示し、横軸を、指令電圧位相δ＊とし、縦軸を効率ηとする図である。各界磁電流は、Ｉｆ４，Ｉｆ５，Ｉｆ６の順序で値が小さくなっている。また、各界磁電流Ｉｆ４，Ｉｆ５，Ｉｆ６において効率が最大となる点をη４，η５，η６としている。

なお、本実施形態では、指令電圧位相δ＊と界磁電流指令値Ｉｆ＊とに着目して説明を行う。

図７において、界磁電流Ｉｆ６では、電圧位相δ１の場合に最高効率η６となっている。界磁電流Ｉｆ５では、電圧位相δ２の場合に最高効率η５となっている。界磁電流Ｉｆ４では、電圧位相δ４の場合に最高効率η４となっている。即ち、界磁電流ＩｆｒがＩｆ６，Ｉｆ５，Ｉｆ４の順序で大きくなるほど、最高効率となる電圧位相δは、δ１，δ２，δ４の順序で大きくなっている。

そこで、第２設定情報は、図８に示すように、界磁電流指令値Ｉｆ＊が大きいほど、指令電圧位相δ＊が大きくなる界磁電流指令値Ｉｆ＊と指令電圧位相δ＊との組み合わせを含む情報である。なお、力行駆動時における第２設定情報に含まれる指令電圧位相δ＊が取り得る範囲は、トルクＴｒｑｒを正の値にする指令電圧位相δ＊の範囲となる。

＜トルク制御について＞
次に、メモリ６１に記憶されている第１，第２設定情報を用いたトルク制御を、図９を用いて説明する。図９に示す処理は、制御装置６０により所定周期で繰り返し実施される。

ステップＳ１１では、駆動情報として、トルク指令値Ｔｒｑ＊，回転速度Ｎｍ，電源電圧ＶＤＣをそれぞれ取得する。

ステップＳ１２では、変調率Ｍｒが所定変調率Ｍα以下であるか否かを判定する。

ステップＳ１２において変調率Ｍｒが所定変調率Ｍα以下であれば、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、駆動情報Ｔｒｑ＊，Ｎｍ，ＶＤＣに対応する各指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊，Ｉｆ＊をメモリ６１に記憶されている第１設定情報から読み出し、回転電機３０のトルクを制御するための指令値として設定する。

ステップＳ１４では、界磁巻線３２に流れる界磁電流ＩｆｒがステップＳ１３で設定した界磁電流指令値Ｉｆ＊に制御されるように、界磁通電回路４１を駆動させる。具体的には、界磁電流指令値Ｉｆ＊が設定されると、界磁電流制御部８１及び界磁生成部８２により、界磁電流Ｉｆｒが界磁電流指令値Ｉｆ＊にフィードバック制御される。

ステップＳ１５では、回転電機３０のトルクＴｒｑｒがトルク指令値Ｔｒｑ＊に制御されるように、インバータ４０をＰＷＭ制御する。具体的には、ステータ制御部７３、及び３相変換部７４及びステータ生成部７５により、ｄ，ｑ軸電流Ｉｄｒ，ＩｑｒがステップＳ１３で設定したｄ，ｑ軸指令電流Ｉｄ＊，Ｉｑ＊にフィードバック制御される。そして、ステータ生成部７５は、キャリア信号、３相変換部７４により生成された各相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊及び電源電圧ＶＤＣに基づいて、正弦波ＰＷＭ制御により、インバータ４０の各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフするための各駆動信号を生成する。

一方、ステップＳ１２において変調率Ｍｒが所定変調率Ｍαよりも大きいと判定した場合には、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、回転電機３０のトルクＴｒｑｒをトルク指令値Ｔｒｑ＊に制御するための各指令値Δδ＊，Ｍｒ＊，Ｉｆ＊を第２設定情報から読み出し、回転電機のトルクＴｒｑｒをトルク指令値Ｔｒｑ＊に制御するための指令値として設定する。

ステップＳ１７では、界磁電流ＩｆｒがステップＳ１６で設定した界磁電流指令値Ｉｆ＊に制御されるように界磁通電回路４１を駆動させる。

ステップＳ１８では、回転電機３０のトルクＴｒｑｒがトルク指令値Ｔｒｑ＊に制御されるように、インバータ４０を矩形波制御する。具体的には、パターン生成部９２は、ステップＳ１６で設定した指令電圧位相δ＊、指令変調率Ｍｒ＊及び電気角θｅに基づいて、回転電機３０を矩形波制御で駆動させるためのインバータ４０の各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎの各駆動信号を生成する。

ステップＳ１５又はＳ１８の処理が終了すると、図９の処理を一旦終了する。

次に、本実施形態に係る効果を、図１０を用いて説明する。

図１０（ａ）は、異なる界磁電流（Ｉｆ１１，Ｉｆ１２，Ｉｆ１３）における、電圧位相δとトルク指令値Ｔｒｑ＊との関係を示す図である。また、図１０（ｂ）は、各界磁電流Ｉｆ１１，Ｉｆ１２，Ｉｆ１３における、電圧位相δと効率ηとの関係を示す図である。図１０において、界磁電流は、Ｉｆ１１，Ｉｆ１２，Ｉｆ１３の順に大きな値となっている。

例えば、制御装置６０が回転電機３０のトルクをトルク指令値Ｔｒｑ＊１に制御する場合を想定する。図１０（ａ）では、制御システムが回転電機３０のトルクＴｒｑｒをトルク指令値Ｔｒｑ＊１に制御することができる電圧位相δと界磁電流Ｉｆとの組み合わせとして、（δ１１，Ｉｆ１１），（δ１２，Ｉｆ１２），（δ１３，Ｉｆ１３）が示されている。各組み合わせのうち、電圧位相δと界磁電流Ｉｆとを（δ１３，Ｉｆ１３）の組み合わせに制御する指令値δ＊，Ｉｆ＊が、第２設定情報として、トルク指令値Ｔｒｑ＊１に関連付けてメモリ６１に記憶されている。一方、各組み合わせのうち、電圧位相δと界磁電流Ｉｆとを（δ１１，Ｉｆ１１），（δ１２，Ｉｆ１２）の組み合わせに制御する各指令値δ＊，Ｉｆ＊は、比較例であり、第２設定情報としてメモリ６１に記憶されていない。

制御装置６０が、第２設定情報を用いて電圧位相δをδ１３に制御し、界磁電流ＩｆをＩｆ１３に制御することで、制御システムが回転電機３０を駆動する際の最高効率がη１３となる（図１０（ｂ））。一方、比較例として示す電圧位相δと界磁電流Ｉｆとの組み合わせ（δ１，Ｉｆ１１）、（δ２，Ｉｆ１２）では、効率η１，η２は、効率η３よりも低くなっている。

以上説明した本実施形態では以下の効果を奏する。

・制御装置６０は、第１設定情報から、トルク指令値Ｔｒｑ＊に応じて、効率が最高となる各指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊，Ｉｆ＊を設定する。そのため、制御装置６０がＰＷＭ制御により回転電機３０の駆動を制御する際に、トルク指令値Ｔｒｑ＊に応じて、回転電機３０を効率良く駆動させることができる。

・制御装置６０は、第２設定情報から、トルク指令値Ｔｒｑ＊に応じて、効率が最高となる各指令値δ＊，Ｉｆ＊を設定する。そのため、制御装置６０が矩形波制御により回転電機３０の駆動を制御する際に、トルク指令値Ｔｒｑ＊に応じて、回転電機３０を効率良く駆動させることができる。

＜その他の実施形態＞
・第１設定情報に記憶されている各指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊，Ｉｆ＊は、トルク指令値Ｔｒｑ＊のみに対応付けて記憶されていてもよい。同様に、第２設定情報に記憶されている各指令値δ＊，Ｍｒ＊は、トルク指令値Ｔｒｑ＊のみに対応付けて記憶されていてもよい。

・図２に示した制御において、メモリ６１に、電流振幅ａ、電流位相β、及び界磁電流指令値Ｉｆ＊と、駆動情報とを関係付けた第１設定情報が記憶されていてもよい。この場合、ステップＳ１３において、制御装置６０はメモリ６１に記憶された電流位相βとなるｄ軸，ｑ軸指令電流Ｉｄ＊，Ｉｑ＊の組み合わせを設定すればよい。

・本発明を回転電機３０の回生駆動時に適用してもよい。なお、回生駆動時には、回転電機３０のトルクＴｒｑｒが負の値になるとする。例えば、回生駆動時における第１設定情報に含まれる電流位相βが取り得る範囲は、トルクＴｒｑｒが負の値となるｄ，ｑ軸指令電流Ｉｄ＊，Ｉｑ＊の組み合わせから定まる範囲とされればよい。

・回転電機の特性としては、例えば図４，図６，図７，図８に示した特性に限らない。

・第２設定情報には、指令電圧位相δ＊のみが駆動情報に対応づけられていてもよい。この場合、指令変調率Ｍｒ＊を固定値に設定してもよい。

・２相回転座標系において、電流位相βの定義をｄ軸の正方向を基準とし（β＝０）、この基準から反時計回りの方向を負方向としてもよい。この場合、第１設定情報には、界磁電流Ｉｆｒが大きいほど、電流位相βが単調減少するように、界磁電流指令値Ｉｆ＊と、ｄ，ｑ軸指令電流Ｉｄ＊，Ｉｑ＊の組み合わせが記憶されることになる。

３０…回転電機、３１…回転子、３２…界磁巻線、３３…固定子、４０…インバータ、６０…制御装置、６１…メモリ。

Claims (6)

1. 回転子に設けられた界磁巻線（３２）及び固定子に設けられた電機子巻線（３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗ）を備え、交流電力により駆動する回転電機（３０）と、前記回転電機に交流電力を供給する電力変換器（４０）と、を備える制御システムに適用される回転電機の制御装置において、
   前記電機子巻線に流れる電流又は前記電機子巻線に印加される電圧の指令値である電機子側指令値と界磁電流指令値との組み合わせと、トルク指令値を含む駆動情報とを関係付けた情報であって、前記回転電機のトルクをトルク指令値に制御するための設定情報を記憶している記憶部（６１）と、
   前記駆動情報を取得する駆動情報取得部と、
   前記駆動情報取得部により取得された前記駆動情報と、前記記憶部に記憶されている前記設定情報とに基づいて、取得された前記駆動情報に対応する前記界磁電流指令値及び前記電機子側指令値を設定する指令値設定部と、
   前記界磁巻線に流れる界磁電流を、設定された前記界磁電流指令値に制御する界磁制御部と、
   前記電機子巻線に流れる電流又は前記電機子巻線に印加される電圧を、設定された前記電機子側指令値に制御する電機子制御部と、を備える回転電機の制御装置。
2. 前記設定情報は、前記回転電機のトルクが前記トルク指令値とされる場合に取り得る前記界磁電流指令値及び前記電機子側指令値の組み合わせのうち、前記回転電機を駆動させる際の効率が最大となる前記界磁電流指令値及び前記電機子側指令値の組み合わせと、前記駆動情報とを関係付けた情報である請求項１に記載の回転電機の制御装置。
3. 前記電機子巻線は３相巻線であり、
   前記電機子制御部は、前記電機子巻線に流れる各相電流を、３相固定座標系の値から２相回転座標系のｄ軸電流とｑ軸電流とに変換し、前記駆動情報に基づいて前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流を調整することで、前記回転電機のトルクを前記トルク指令値に制御し、
   前記電機子側指令値は、前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流を、前記トルク指令値に応じた値に調整する電流指令値の組み合わせである請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
4. 前記設定情報には、前記界磁電流が大きいほど、前記ｄ軸電流と前記ｑ軸電流とから定まる電流位相が単調変化するように、前記界磁電流指令値、及び前記電機子側指令値が組み合わされている請求項３に記載の回転電機の制御装置。
5. 前記電力変換器は、上アームスイッチ（ＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐ）、及び該上アームスイッチに直列接続された下アームスイッチ（ＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎ）を有し、
   前記電機子制御部は、前記回転電機の１電気角周期において、前記上アームスイッチのオン操作期間と前記下アームスイッチのオン操作期間とが１回ずつとされる矩形波制御により前記電力変換器を操作し、
   前記電機子側指令値は、前記電力変換器を前記矩形波制御で操作するための前記電力変換器の出力電圧の電圧位相を定める指令値である請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機の制御装置。
6. 前記設定情報には、前記界磁電流が大きいほど、前記電圧位相が単調変化するように、前記界磁電流指令値、及び前記電機子側指令値が組み合わされている請求項５に記載の回転電機の制御装置。

Images