JP2019213247A - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】界磁巻線式電動機のトルクの出力精度を向上させる。【解決手段】界磁巻線式電動機１０の電機子巻線１１及び界磁巻線１２へ流れる電流を検出する電流検出部３３〜３６と、界磁巻線式電動機の電気角を検出する回転位置センサ１３と、３相ブリッジ回路３１と界磁ブリッジ回路３２で構成された電力変換回路３０と、電力変換回路を制御して電機子巻線及び界磁巻線へ流れる電流を制御する制御回路５０を備え、制御回路５０は、電流検出部の出力を用いてトルク推定値を算出するトルク推定演算部５３と、トルク推定値とトルク指令値の偏差にもとづいて界磁電流指令値を生成するトルクフィードバック制御部５４と、界磁電流指令値と電流検出部で検出された界磁電流検出値を比較して所望の界磁電流を出力する界磁電流制御部５５を有し、界磁電流制御部５５からの出力により界磁ブリッジ回路３２を制御するようにした。【選択図】図２

Description

本願は、電機子巻線と界磁巻線とを有する界磁巻線式電動機の制御を行うようにした回転電機の制御装置に関するものである。

近年、車両の燃費向上への要求または環境基準への適合の観点から回転電機を搭載し、車両の停止時にエンジンを停止させ発進時に再始動を行ういわゆるアイドルストップおよび走行中エンジンに対するトルクアシストを行う車両が開発されている。このような車両用の回転電機は、発進時の高トルク低回転領域からエンジンアシスト時の中低トルク高回転領域まで、幅広い回転速度領域で高精度な動作性が求められ、一般的に同期電動機が広く用いられている。

同期電動機にはさまざまな種類があり、回転子内に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ）、回転子の表面に永久磁石を張り付けた表面磁石同期電動機（ＳＰＭＳＭ）、回転子内に界磁巻線を有して界磁電流を通電することで磁束を発生させる界磁巻線式電動機などがある。
これらの同期電動機は、所望のトルクを出力させるため電流フィードバック制御が用いられ、トルク精度の向上が図られている。

このような回転電機の制御装置において、外乱などの影響があっても、トルク出力精度を向上させるため、トルクの推定を行いトルク指令にフィードバック制御する操作量として、ｄｑ軸座標系のインバータ出力電圧ベクトルの位相である電圧位相を設定することで、トルクの制御性を向上させるための方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１６−２１３９５１号公報

しかしながら、特許文献１は、埋込磁石同期電動機および表面磁石同期電動機であれば電機子巻線の電圧位相の調整でトルクの制御性が向上可能であるが、界磁巻線式電動機では界磁電流もトルクの出力精度に影響し、電圧位相の調整だけでなく界磁電流についても適切に制御する必要がある。

本願は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、界磁巻線式電動機のトルクの出力精度を向上させることができる回転電機の制御装置を提供することを目的とするものである。

本願に係る回転電機の制御装置は、界磁巻線式電動機の電機子巻線及び界磁巻線へ流れる電流を検出する電流検出部と、界磁巻線式電動機の電気角を検出する回転位置センサと、スイッチング素子を有する３相ブリッジ回路と界磁ブリッジ回路で構成された電力変換回路と、電力変換回路の３相ブリッジ回路と界磁ブリッジ回路の動作を制御して電機子巻線及び界磁巻線へ流れる電流を制御する制御回路を備え、制御回路は、パターン指令を入力として３相ブリッジ回路を介して電機子巻線へ交流電流を出力する電機子巻線スイッチングパターン生成部と、電流検出部の出力を用いてトルク推定値を算出するトルク推定演算部と、トルク推定演算部で算出されたトルク推定値とトルク指令値の偏差にもとづいて界磁電流指令値を生成するトルクフィードバック制御部と、トルクフィードバック制御部で生成された界磁電流指令値と電流検出部で検出された界磁電流検出値を比較して所定の界磁電流を出力する界磁電流制御部を有し、界磁電流制御部からの出力により界磁ブリッジ回路を制御するようにしたものである。

本願の回転電機の制御装置によれば、界磁巻線式電動機でもトルクフィードバック制御を適切に行うことが可能となり、トルクの出力精度を向上させることができる。
また、トルクを制御するのに界磁電流で調整するため、電機子巻線に流れる電流はどのような電流が流れていても調整可能である。

実施の形態１による回転電機の制御装置を示す概略構成図である。 実施の形態１による回転電機の制御装置の内部構成を示すブロック図である。 実施の形態１による回転電機の制御装置において、界磁電流からマップを用いてｄｑ軸磁束を推定してトルク推定を行う図である。 実施の形態１による回転電機の制御装置において、界磁電流、ｄｑ軸電流からマップを用いてトルク推定を行う図である。

実施の形態１．
以下、本願の実施の形態１における回転電機の制御装置を図１から図４に基づいて説明する。図１は実施の形態１に係る回転電機の制御装置の概略構成図、図２は回転電機の制御装置の内部構成を示すブロック図である。
図１および図２おいて、回転電動機１０は界磁巻線式の回転電動機で、シャフトあるいはプーリ及びベルトを介した動力伝達部によって内燃機関２０と結合され、電力変換回路３０を介してバッテリー４０と電気的に接続されている。

回転電動機１０は、内燃機関２０とバッテリー４０とに接続され、内燃機関２０の始動及び補助を行う電動機として動作すると共に、バッテリー４０の充電を行う発電機として動作する回転電機である。
回転電動機１０は、電機子巻線１１と界磁巻線１２を有する回転子を備え、回転子の位置である電気角（回転角）θを検出する回転位置センサ１３を内蔵している。回転位置センサ１３としては、エンコーダー、レゾルバ、ホールセンサなどが用いられる。

また、電機子巻線１１への通電電流を検出する電流センサ３３、３４、３５と、界磁巻線１２への通電電流を検出する電流センサ３６を備えている。これら電流センサ３３、３４、３５は電機子巻線電流検出部として、また電流センサ３６は界磁巻線電流検出部として機能する。なお、本実施例では電機子巻線用の電流センサ３３、３４、３５は各相に配置しているが、２相のみの配置でもよい。
また、電流検出部としての電流センサ３３、３４、３５，３６は、電力変換回路３０の内部に設けられているが、電力変換回路３０の外に設けてもよい。

電力変換回路３０は、電機子巻線１１へ通電するための３相ブリッジ回路３１と、界磁巻線１２へ通電するための界磁ブリッジ回路３２とで構成されている。３相ブリッジ回路３１は、スイッチング素子で構成された上アームスイッチＵＨ、ＶＨ、ＷＨと下アームスイッチＵＬ、ＶＬ、ＷＬとを、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相で直列に接続した３組を用いて構成されている。また、界磁ブリッジ回路３２はスイッチング素子で構成された上アームスイッチＦＨと下アームスイッチＦＬとを直列に接続した１組を用いて構成されている。上アームスイッチと下アームスイッチの中点はそれぞれ電機子巻線１１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相および界磁巻線１２へ接続されている。
本実施の形態では、スイッチング素子３７としてパワーＭＯＳＦＥＴを、３相ブリッジ回路３１は６個、界磁ブリッジ回路３２は２個用いている。

電力変換回路３０を制御する制御回路５０は、マイコンを主体として構成され、図２に示すように、上位ＥＣＵからのパターン指令を入力して３相ブリッジ回路３１から電機子巻線１１へ交流電流を出力する電機子巻線スイッチングパターン生成部５１と、電流検出部である電流センサ３３、３４、３５で電流検出した電機子の３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、回転位置センサ１３で検出した回転子の位置である電気角θを入力として、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑへ変換する３相２相変換回路５２と、電機子巻線電流検出部である電流センサ３３、３４、３５および界磁巻線電流検出部である電流センサ３６の出力を用いてトルク推定値Ｔｅｓｔを算定するトルク推定演算部５３と、トルク推定演算部５３で推定したトルク推定値Ｔｅｓｔと指令トルクＴｒｅｆとの偏差によって界磁電流指令値Ｉｆｒｅｆを生成するトルクフィードバック制御部５４と、トルクフィードバック制御部５４で生成された界磁電流指令値Ｉｆｒｅｆと、界磁巻線電流検出部である電流センサ３６で検出された界磁電流検出値を比較して、界磁巻線１２へ所望の界磁電流を出力する界磁電流制御部５５を備えている。

電機子巻線スイッチングパターン生成部５１は、上位ＥＣＵからのパターン指令をもとに３相ブリッジ回路３１を通電制御するもので、スイッチング素子３７をＰＷＭ方式、矩形波通電方式、全波整流、同期整流、電機子巻線の通電経路を短絡させる短絡制動などのゲートパターンのうち、少なくとも１つのゲートパターンを生成する。
３相２相変換回路５２は、３相ブリッジ回路３１から電機子巻線１１に流れる電流を電流センサ３３〜３５で検出した３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、回転位置センサ１３で検出した電気角θを入力として、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑへ変換する。

トルク推定演算部５３は、３相２相変換回路５２で変換した、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑと、電流センサ３６で検出した界磁電流検出値Ｉｆを用いて、トルク推定値Ｔｅｓｔを算定する。トルク推定演算については後述する。
トルクフィードバック制御部５４は、トルク推定演算部５３で推定したトルク推定値Ｔｅｓｔと指令トルクＴｒｅｆとの偏差によって界磁電流指令値Ｉｆｒｅｆを生成する。
界磁電流制御部５５は、トルクフィードバック制御部５４から出力された界磁電流指令値Ｉｆｒｅｆと界磁電流検出値Ｉｆのフィードバック制御により界磁ブリッジ回路３２への出力を決める。

ここで、トルク推定演算部５３によりトルク推定値Ｔｅｓｔを算定する方法について説明する。トルク推定の方法として、電機子鎖交磁束Φと電機子電流の積で推定する方法があり、式（１）で示される。
Ｔｅｓｔ＝Ｐｍ（Φｄ・Ｉｑ−Φｑ・Ｉｄ） ・・・（１）
（Φｄ＝Ｌｄ・Ｉｄ＋Ｌｆ・Ｉｆ、 Φｑ＝Ｌｑ・Ｉｑ）
但し、Ｐｍ：極対数、Φｄ：ｄ軸磁束、Φｑ：ｑ軸磁束、
Ｉｄ：ｄ軸電流、Ｉｑ：ｑ軸電流、Ｉｆ：界磁電流、
Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス、
Ｌｆ：界磁インダクタンス

また、式（１）におけるｄ軸磁束Φｄ、ｑ軸磁束Φｑを求める方法として、図３に示すように、ｄ軸磁束Φｄ、ｑ軸磁束Φｑの磁束に関して、事前に界磁電流Ｉｆの値との関係を取得しマップ化したものを使用し、まず界磁電流Ｉｆからマップによりｄ軸磁束Φｄ、ｑ軸磁束Φｑを算定して、式（１）に基づき、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑの値によってトルク推定値Ｔｅｓｔを推定してもよい。

また、トルク推定の他の方法として、ｄ軸電圧Ｖｄおよびｑ軸電圧Ｖｑと、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑからトルク推定を演算する方法がある。なお、トルク推定演算部５３は、回転電動機１０に供給される３相電圧を検出する電圧センサ（図示省略）を備え、電圧センサで検出した電圧値からｄｑ軸座標変換してｄ軸電圧Ｖｄおよびｑ軸電圧Ｖｑを算出する。
モータの電圧方程式は一般的に
―ω・Φｑ＋Ｒ・Ｉｄ＝Ｖｄ ・・（ａ）
ω・Φｄ＋Ｒ／Ｉｑ＝Ｖｑ ・・（ｂ）
となる。この式をΦｄ、Φｑから始まる式に変形して、式（１）に代入すると式（２）で示される。
Ｔｅｓｔ＝Ｐｍ／ω｛（Ｖｄ―Ｒ・Ｉｄ）Ｉｄ＋（Ｖｑ−Ｒ・Ｉｑ）Ｉｑ｝・・（２）
但し、Ｐｍ：極対数、ω：電気角速度、Ｖｄ：ｄ軸電圧、Ｖｑ：ｑ軸電圧、
Ｉｄ：ｄ軸電流、Ｉｑ：ｑ軸電流、Ｒ：電機子巻線抵抗

また、図４に示すように、界磁電流Ｉｆ、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑを入力して、あらかじめ界磁電流Ｉｆに対応したｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑの電流マップを用いて、トルク推定値Ｔｅｓｔを算出してもよい。
即ち、まずは界磁電流Ｉｆから、どのマップを使用するかを決め、そこからｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑの値によって、トルク推定値Ｔｅｓｔが１つに決まる。

また、鉄損を考慮した界磁巻線式電動機のモデルを用いて、式（１）及び式（２）に適用し算出することで、さらにトルク推定精度の向上が可能となる。鉄損考慮モデルはモータと並列に等価鉄損抵抗が挿入されて考慮されるため、モータへ流れる電流が少なくなりますが、トルク推定値Ｔｅｓｔの算出方法は上記した式と同様となる。
さらにトルク推定演算部５３に入力される、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑおよび界磁電流Ｉｆに関して少なくとも１つにノイズを除去するフィルターを用いることで、トルク制御の精度をさらに向上させることができる。このフィルターは、ローパスフィルターまたはハイパスフィルターが用いられる。

トルクフィードバック制御部５４は、前述したトルク推定の方法を用いて算出したトルク推定値Ｔｅｓｔとトルク指令値Ｔｒｅｆの差分のトルク偏差に基づき界磁電流指令値Ｉｆｒｅｆを生成する。具体的には、トルク指令値Ｔｒｅｆに対し、トルク推定値Ｔｅｓｔが不足するなら、界磁電流指令値Ｉｆｒｅｆを大きくし、トルク推定値Ｔｅｓｔが過剰であれば、界磁電流指令値Ｉｆｒｅｆを減少させるようにすることで、トルク制御が可能となる。

以上のように、実施の形態１の回転電機の制御装置は、トルク推定値Ｔｅｓｔとトルク指令値Ｔｒｅｆの偏差に基づいて界磁電流指令値Ｉｆｒｅｆを生成して、界磁巻線式電動機の界磁電流を制御するようにしているので、トルク制御の精度を向上させることができる。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１０：回転電動機、１１：電機子巻線、１２：界磁巻線、１３：回転位置センサ、
２０：内燃機関、３０：電力変換回路、３１：３相ブリッジ回路、
３２：界磁ブリッジ回路、３３、３４、３５：電流センサ（電機子巻線電流検出部）、
３６：電流センサ（界磁巻線電流検出部）、４０：バッテリー、５０：制御回路、
５１：電機子巻線スイッチングパターン生成部、５２：３相２相変換回路、
５３：トルク推定演算部、５４：トルクフィードバック制御部、
５５：界磁電流制御部。

本願に係る回転電機の制御装置は、界磁巻線式電動機の電機子巻線及び界磁巻線へ流れる電流を検出する電流検出部と、界磁巻線式電動機の電気角を検出する回転位置センサと、スイッチング素子を有する３相ブリッジ回路と界磁ブリッジ回路で構成された電力変換回路と、電力変換回路の３相ブリッジ回路と界磁ブリッジ回路の動作を制御して電機子巻線及び界磁巻線へ流れる電流を制御する制御回路を備え、制御回路は、パターン指令を入力として３相ブリッジ回路を介して電機子巻線へ交流電流を出力する電機子巻線スイッチングパターン生成部と、電流検出部の出力を用いてトルク推定値を算出するトルク推定演算部と、トルク推定演算部で算出されたトルク推定値とトルク指令値の偏差にもとづいて界磁電流指令値のみを生成するトルクフィードバック制御部と、トルクフィードバック制御部で生成された界磁電流指令値と電流検出部で検出された界磁電流検出値を比較して所定の界磁電流を出力する界磁電流制御部を有し、界磁電流制御部からの出力により界磁ブリッジ回路を制御するようにしたものである。

Claims (9)

1. 界磁巻線式電動機の電機子巻線及び界磁巻線へ流れる電流を検出する電流検出部と、前記界磁巻線式電動機の電気角を検出する回転位置センサと、スイッチング素子を有する３相ブリッジ回路と界磁ブリッジ回路で構成された電力変換回路と、前記電力変換回路の３相ブリッジ回路と界磁ブリッジ回路の動作を制御して前記電機子巻線及び界磁巻線へ流れる電流を制御する制御回路を備え、
   前記制御回路は、パターン指令を入力として前記３相ブリッジ回路を介して前記電機子巻線へ交流電流を出力する電機子巻線スイッチングパターン生成部と、前記電流検出部の出力を用いてトルク推定値を算出するトルク推定演算部と、前記トルク推定演算部で算出されたトルク推定値とトルク指令値の偏差にもとづいて界磁電流指令値を生成するトルクフィードバック制御部と、前記トルクフィードバック制御部で生成された界磁電流指令値と前記電流検出部で検出された界磁電流検出値を比較して所定の界磁電流を出力する界磁電流制御部を有し、前記界磁電流制御部からの出力により前記界磁ブリッジ回路を制御するようにした回転電機の制御装置。
2. 前記電機子巻線スイッチングパターン生成部は、ＰＷＭ方式、矩形波通電方式、全波整流、同期整流、電機子巻線の通電経路を短絡させる短絡制動のゲートパターンのうち、少なくとも１つのゲートパターンを生成することを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。
3. 前記トルク推定演算部は、前記界磁巻線式電動機のｄｑ座標系のｄ軸電流、ｑ軸電流、ｄ軸磁束、ｑ軸磁束に基づいてトルク推定値を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の制御装置。
4. 前記ｄ軸磁束およびｑ軸磁束は、前記界磁巻線式電動機のｄｑ座標系のｄ軸電流、ｑ軸電流、界磁電流と、ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス、界磁インダクタンスに基づいて算出することを特徴とする請求項３に記載の回転電機の制御装置。
5. 前記ｄ軸磁束およびｑ軸磁束は、前記電流検出部で検出した界磁電流とｄ軸磁束およびｑ軸磁束との関係をマップ化したものを用いて算出することを特徴とする請求項３に記載の回転電機の制御装置。
6. 前記トルク推定演算部は、前記電流検出部で検出した界磁電流に対応した、ｄ軸電流、ｑ軸電流の電流マップによりトルク推定値を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の制御装置。
7. 前記トルク推定演算部は、前記界磁巻線式電動機のｄｑ座標系のｄ軸電流、ｑ軸電流、界磁電流、電気角周波数に基づいて鉄損を算出して、トルク推定値を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の制御装置。
8. 前記トルク推定演算部は、前記界磁巻線式電動機に供給される３相電圧を検出する電圧センサを備え、前記電圧センサで検出した電圧値からｄ軸電圧、ｑ軸電圧を算出して、トルク推定値を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の制御装置。
9. 前記トルク推定演算部は、入力されるｄ軸電流、ｑ軸電流および界磁電流に関して少なくとも１つにノイズを除去するフィルターを用いることを特徴とする請求項４に記載の回転電機の制御装置。

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