JP2020078108A - 回転電機の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】3相のうち少なくとも2相分について、シャント抵抗の電圧値に基づいて相電流が検出できなくなる場合であっても、回転電機の制御量の制御を極力継続することができる回転電機の制御装置を提供する。【解決手段】制御装置は、各シャント抵抗のうち少なくとも2相分のシャント抵抗に電流が流れている場合におけるシャント抵抗の電圧検出値に基づいて、回転電機の制御量をその指令値に制御するための電圧指令値を算出し、算出した電圧指令値に基づいて、インバータを構成する各スイッチの駆動制御を行う。制御装置は、3相のうち少なくとも2相分について、シャント抵抗の電圧値に基づいて巻線に流れる相電流が検出できるか否かを判定し、少なくとも2相分について相電流が検出できないと判定した場合、回転電機の2相回転座標系における過去の電流値又は過去の電圧値に基づいて上記駆動制御を行う。【選択図】 図9

Description

本発明は、回転電機の制御装置に関する。
この種の制御装置としては、特許文献1に記載されているように、3相分の上下アームのスイッチを有するインバータと、インバータに電気的に接続された巻線を有する同期式の回転電機と、シャント抵抗とを備えるシステムに適用されるものが知られている。シャント抵抗は、各相において、上下アームのうちいずれか一方のスイッチのみに電気的に接続されている。
制御装置は、各シャント抵抗のうち少なくとも2相分のシャント抵抗に電流が流れている期間において、電流が流れている各シャント抵抗の電圧値を検出する。制御装置は、検出した電圧値に基づいて、回転電機の制御量をその指令値に制御するための電圧指令値を算出し、算出した電圧指令値に基づいて、インバータを構成する各スイッチの駆動制御を行う。
特開2003−52191号公報
回転電機、インバータ及びシャント抵抗が備えられるシステムにおける相電流の検出機能の異常や、回転電機の駆動状態によっては、3相のうち少なくとも2相分について、シャント抵抗の電圧値に基づいて相電流が検出できなくなり得る。この場合であっても、回転電機の制御量の制御を極力継続できることが望まれる。
本発明は、3相のうち少なくとも2相分について、シャント抵抗の電圧値に基づいて相電流が検出できなくなる場合であっても、回転電機の制御量の制御を極力継続することができる回転電機の制御装置を提供することを主たる目的とする。
本発明は、3相分の上下アームのスイッチを有するインバータと、
前記インバータに電気的に接続された巻線を有する同期式の回転電機と、
各相において、上下アームのうちいずれか一方の前記スイッチのみに電気的に接続されたシャント抵抗と、を備えるシステムに適用される回転電機の制御装置において、
前記各シャント抵抗のうち少なくとも2相分のシャント抵抗に電流が流れている場合における該シャント抵抗の電圧検出値に基づいて、前記回転電機の制御量をその指令値に制御するための電圧指令値を算出し、算出した該電圧指令値に基づいて、前記インバータを構成する前記各スイッチの駆動制御を行う駆動制御部と、
3相のうち少なくとも2相分について、前記シャント抵抗の電圧値に基づいて前記巻線に流れる相電流が検出できるか否かを判定する判定部と、を備え、
前記駆動制御部は、前記判定部により少なくとも2相分について相電流が検出できないと判定された場合、前記回転電機の2相回転座標系における過去の電流値又は過去の電圧値に基づいて、前記駆動制御を行う。
本発明では、判定部は、3相のうち少なくとも2相分について、シャント抵抗の電圧値に基づいて巻線に流れる相電流が検出できるか否かを判定する。そして、判定部により少なくとも2相分について相電流が検出できないと判定された場合、駆動制御部は、2相回転座標系における過去の電流値又は過去の電圧値に基づいて、駆動制御を行う。このように、少なくとも2相分について相電流が検出できない場合に過去の値を用いることにより、回転電機の制御量の制御を極力継続することができる。
第1実施形態に係る回転電機の制御システムの全体構成を示す図。 制御装置の処理を示すブロック図。 dq座標系及びγδ座標系を示す図。 電圧ベクトル及び検出可能な相電流の関係を示す図。 変調率が1以下の場合における指令時比率及びスイッチングモード等の推移を示すタイムチャート。 変調率が1よりも大きい場合における指令時比率及びスイッチングモード等の推移を示すタイムチャート。 比較例に係る変調率が1よりも大きい場合における指令時比率及びスイッチングモード等の推移を示すタイムチャート。 制御装置の処理の手順を示すフローチャート。 制御状態に起因して1相しか相電流が検出できなくなり得る場合における電流推定を説明するためのタイムチャート。 U相電流検出機能の異常に起因して1相しか相電流が検出できなくなり得る場合における電流推定を説明するためのタイムチャート。 第2実施形態に係るフィルタ部の時定数の設定方法を示す図。 推定角速度に基づくフィルタ部の時定数の設定方法を示す図。 第3実施形態に係るフィードバックゲインの設定方法を示す図。 第3実施形態の変形例に係るフィードバックゲインの設定方法を示す図。 第4実施形態に係る制御装置の処理の手順を示すフローチャート。 第5実施形態に係る制御装置の処理を示すブロック図。 制御装置の処理の手順を示すフローチャート。 第6実施形態に係る制御装置の処理を示すブロック図。 その他の実施形態に係る制御システムの全体構成を示す図。 その他の実施形態に係る電圧ベクトル及び検出可能な相電流の関係を示す図。
<第1実施形態>
以下、本発明に係る回転電機の制御装置を具体化した第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、制御システムは、回転電機10、インバータ20、及び回転電機10を制御対象とする制御装置40を備えている。回転電機10は、3相の同期機であり、ステータ巻線としてU,V,W相巻線11U,11V,11Wを備えている。同期機は、例えば永久磁石同期機である。本実施形態において、回転電機10は、突極機のIPMSMである。
回転電機10は、例えば、車両の走行動力源として用いられたり、車載補機を駆動するために用いられたりする。車載補機としては、例えば、車両の油圧式ブレーキ装置を構成する油圧生成用の電動ポンプや、ラジエータファン、車両用空調装置を構成するブロワ、ウォーターポンプが挙げられる。
インバータ20は、上アームスイッチSUp,SVp,SWpと下アームスイッチSUn,SVn,SWnとの直列接続体を3相分備えている。本実施形態では、各スイッチSUp,SUn,SVp,SVn,SWp,SWnとして、電圧制御形の半導体スイッチング素子が用いられており、より具体的には、NチャネルMOSFETが用いられている。このため、各スイッチSUp,SUn,SVp,SVn,SWp,SWnの高電位側端子はドレインであり、低電位側端子はソースである。各スイッチSUp,SUn,SVp,SVn,SWp,SWnは、各ボディダイオードDUp,DUn,DVp,DVn,DWp,DWnを有している。
U相上アームスイッチSUpのソースには、バスバー等のU相導電部材21Uの第1端と、U相下アームスイッチSUnのドレインとが接続されている。U相導電部材21Uの第2端には、U相巻線11Uの第1端が接続されている。V相上アームスイッチSVpのソースには、バスバー等のV相導電部材21Vの第1端と、V相下アームスイッチSVnのドレインとが接続されている。V相導電部材21Vの第2端には、のV相巻線11Vの第1端が接続されている。W相上アームスイッチSWpのソースには、バスバー等のW相導電部材21Wの第1端と、W相下アームスイッチSWnのドレインとが接続されている。W相導電部材21Wの第2端には、W相巻線11Wの第1端が接続されている。U,V,W相巻線11U,11V,11Wの第2端同士は、中性点で接続されている。
U,V,W相上アームスイッチSUp,SVp,SWpのドレインと、直流電源である蓄電池30の正極端子とは、正極側母線Lpにより接続されている。正極側母線Lpにおいて、各上アームスイッチSUp,SVp,SWpのうち蓄電池30の正極端子に最も近いスイッチとの接続点と、蓄電池30の正極端子との間には、平滑コンデンサ22の第1端が接続されている。
U,V,W相下アームスイッチSUn,SVn,SWnのソースには、U,V,W相シャント抵抗23U,23V,23Wの第1端が接続されている。U,V,W相シャント抵抗23U,23V,23Wの第2端と、蓄電池30の負極端子とは、負極側母線Lnにより接続されている。負極側母線Lnにおいて、各シャント抵抗23U,23V,23Wのうち蓄電池30の負極端子に最も近いシャント抵抗との接続点と、蓄電池30の負極端子との間には、平滑コンデンサ22の第2端が接続されている。
制御装置40は、マイコンを主体として構成され、回転電機10の制御量をその指令値にフィードバック制御すべく、インバータ20を構成する各スイッチをスイッチング操作する。本実施形態において、制御量は電気角速度(回転速度)であり、その指令値は指令角速度ω*である。制御装置40は、インバータ20から各相巻線11U〜11Wに印加される電圧ベクトルが、電気角速度を指令角速度ω*に制御するための指令電圧ベクトルになるように、インバータ20を構成する各スイッチをスイッチング操作する。これにより、互いに120度ずれた正弦波状の相電流が各相巻線11U,11V,11Wに流れる。
制御装置40は、位置センサレス制御を行い、この制御の際に電気角を推定する。位置センサレス制御は、ホール素子やレゾルバ等の角度センサにより検出される回転電機10の回転角情報を用いることのない回転電機10の制御である。
ちなみに、制御装置40は、自身が備える記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、各種制御機能を実現する。各種機能は、ハードウェアである電子回路によって実現されてもよいし、ハードウェア及びソフトウェアの双方によって実現されてもよい。
続いて、図2のブロック図を用いて、制御装置40の処理について詳しく説明する。
速度偏差算出部41は、指令角速度ω*から、後述する速度推定部49により算出された推定角速度ωestを減算することにより、速度偏差Δωを算出する。推定角速度ωestは、電気角速度の推定値である。指令角速度ω*は、回転電機10のロータを特定方向(正方向)に回転させる場合に正の値となり、特定方向とは逆方向にロータを回転させる場合に負の値となる。
速度制御器42は、速度偏差Δωを0にフィードバック制御するための操作量として、回転電機10の指令トルクTrq*を算出する。指令トルクTrq*は、ロータを特定方向に回転させる場合に正の値となり、特定方向とは逆方向にロータを回転させる場合に負の値となる。なお、速度制御器42におけるフィードバック制御としては、例えば比例積分制御が用いられればよい。
電流変換部43は、後述する角度推定部50により算出された推定角θestと、後述する電流算出部51により算出された各相電流IU,IV,IWとに基づいて、UVW座標系におけるU,V,W相電流を、γδ座標系におけるγ軸電流Iγr及びδ軸電流Iδrに変換する。推定角θestは、電気角の推定値である。UVW座標系は、回転電機10の3相固定座標系であり、γδ座標系は、回転電機10の2相回転座標系であるdq座標系の推定座標系である。
ここで、UVW座標系は、回転電機10の3相固定座標系であり、γδ座標系は、回転電機10の2相回転座標系であるdq座標系の推定座標系である。図3に、γδ座標系、dq座標系、及び2相固定座標系であるαβ座標系を示す。dq座標系は、原点Oを通って実際の磁極位置の方向に延びるd軸と、原点Oを通ってd軸と直交する方向に延びるq軸とにより規定される座標系である。γδ座標系は、原点Oを通って推定磁極位置の方向に延びるγ軸と、原点Oを通ってγ軸と直交する方向に延びるδ軸とにより規定される座標系である。図3には、αβ座標系のα軸とγδ座標系のγ軸とのなす角度を推定角θestとして示し、α軸とdq座標系のd軸とのなす角度を実際の電気角θとして示し、d軸とγ軸とのなす角度を推定誤差Δθとして示す。dq座標系は、αβ座標系に対して、回転電機10の電気角速度で回転する座標系である。
図2の説明に戻り、指令電流設定部44は、指令トルクTrq*に基づいて、γ軸指令電流Iγ*と、δ軸指令電流Iδ*とを設定する。γ軸指令電流Iγ*及びδ軸指令電流Iδ*により、γδ座標系における指令電流ベクトルが定まる。γ軸指令電流Iγ*及びδ軸指令電流Iδ*は、γδ座標系における電流指令値に相当する。
γ軸偏差算出部45aは、γ軸指令電流Iγ*からγ軸電流Iγrを減算した値として、γ軸偏差ΔIγを算出する。δ軸偏差算出部45bは、δ軸指令電流Iδ*からδ軸電流Iδrを減算した値として、δ軸偏差ΔIδを算出する。
電流制御器46は、γ軸偏差ΔIγに基づいて、γ軸電流Iγrをγ軸指令電流Iγ*にフィードバック制御するための操作量として、γ軸指令電圧Vγ*を算出する。また、電流制御器46は、δ軸偏差ΔIδに基づいて、δ軸電流Iδrをδ軸指令電流Iδ*にフィードバック制御するための操作量として、δ軸指令電圧Vδ*を算出する。γ軸指令電圧Vγ*及びδ軸指令電圧Vδ*により、γδ座標系における指令電圧ベクトルが定まる。本実施形態において、各指令電圧Vγ*,Vδ*が電圧指令値に相当する。なお、電流制御器46におけるフィードバック制御としては、比例制御、微分制御及び積分制御のうち少なくとも1つが用いられればよく、例えば比例積分制御が用いられればよい。
電圧変換部47は、γ軸指令電圧Vγ*、δ軸指令電圧Vδ*及び推定角θestに基づいて、電気角で位相が互いに120°ずれたU,V,W相指令電圧VU,VV,VWを算出する。本実施形態において、各指令電圧VU,VV,VWは、正弦波信号である。
信号生成部48は、電圧変換部47から出力されたU,V,W相指令電圧VU,VV,VWを蓄電池30の端子間電圧で除算することにより、U,V,W相指令時比率Dtu,Dtv,Dtwを算出する。
信号生成部48は、算出したU,V,W相指令時比率Dtu,Dtv,Dtwに基づいて、各スイッチSUp,SUn,SVp,SVn,SWp,SWnに対する各操作信号gUp,gUn,gVp,gVn,gWp,gWnを生成する。操作信号は、オン指令又はオフ指令のいずれかである。同じ相の上アーム操作信号と下アーム操作信号とは、同時にオン指令にならない。信号生成部48は、生成した各操作信号gUp〜gWnを、インバータ20を構成する各スイッチSUp〜SWnに対して出力する。各操作信号gUp〜gWnにより、各スイッチSUp〜SWnのスイッチングモードが定まる。
信号生成部48は、3相それぞれにおいて、指令時比率とキャリア信号SigCとの大小比較に基づくPWM(Pulse Width Modulation)により操作信号を生成する。本実施形態において、キャリア信号SigCは、漸増速度と漸減速度とが等しい三角波信号である。
速度推定部49は、推定角速度ωestを算出する。本実施形態において、速度推定部49は、推定誤差Δθを0にフィードバック制御すべく、電流変換部43により算出されたγ軸電流Iγr及びδ軸電流Iδrと、電流制御器46により算出されたγ軸指令電圧Vγ*及びδ軸指令電圧Vδ*とに基づいて、推定角速度ωestを算出する。ここでは、例えば、拡張誘起電圧を用いた推定角速度ωestの算出方法が用いられてもよい。
角度推定部50は、速度推定部49により算出された推定角速度ωestを時間積分することにより、推定角θestを算出する。
電流算出部51は、U,V,W相シャント抵抗23U,23V,23Wの端子間電圧VIU,VIV,VIWに基づいて、U,V,W相電流IU,IV,IWを算出する。本実施形態において、電流算出部51は、キャリア信号SigCがその最大値となるタイミングを、各端子間電圧VIU,VIV,VIWの検出タイミング(電流検出タイミング)としている。電流算出部51は、各端子間電圧VIU,VIV,VIWをサンプルホールド回路によりサンプルホールドし、サンプルホールドしたアナログデータとしての各端子間電圧VIU,VIV,VIWをAD変換器によりデジタルデータに変換する。電流算出部51は、変換したデジタルデータに基づいて、U,V,W相電流IU、IV、IWを算出する。
図4に示すように、電圧ベクトルV0〜V6に応じて、下アームスイッチのオン期間中にシャント抵抗に相電流が流れる。本実施形態では、シャント抵抗の第1端側の電位が第2端側の電位よりも高い場合のシャント抵抗の端子間電圧の符号を正と定義する。また、実際の相電流について、インバータ20側から回転電機10側へと流れる電流方向を正と定義する。このため、図4のアーム電流の欄では、シャント抵抗の端子間電圧の符号と、実際の相電流の符号とが異なる場合に負の符号を付している。図4において、V1〜V6は、有効電圧ベクトルとしての第1〜第6ベクトルであり、V0,V7は、無効電圧ベクトルとしての第0,第7ベクトルである。
続いて、図5を用いて、変調率が1以下の場合における電流検出が可能な相数について説明する。変調率とは、指令時比率の振幅をキャリア信号SigCの振幅で除算した値である。このため、指令時比率の振幅とキャリア信号SigCの振幅とが等しくなる場合に変調率が1となる。
図5(a)は、各相指令時比率Dtu,Dtv,Dtwの推移を示し、図5(b)は、各スイッチSUp〜SWnのスイッチングモードの推移を示す。図5(b)において、例えばU相について説明すると、ONは、U相上アーム操作信号gUpがオン指令であってかつU相下アーム操作信号gUnがオフ指令であることを示す。また、OFFは、U相上アーム操作信号gUpがオフ指令であってかつU相下アーム操作信号gUnがオン指令であることを示す。
図5(c)は、各シャント抵抗23U,23V,23Wにおいて検出される端子間電圧VIU,VIV,VIWの推移を示し、図5(d)は、各相における相電流の検出可否の推移を示す。図5(d)において、「○」は相電流が検出可能であることを示し、「×」は相電流が検出不可能であることを示す。また、図5(d)では、キャリア信号SigCの各周期それぞれにおいて、第0ベクトルV0となる期間が含まれる場合に「○」とされている。
図5に示すように、変調率が1以下の場合においては、第0ベクトルV0となる期間がキャリア信号SigCの各周期に含まれるため、1電気角周期に渡って3相分の相電流の検出が可能となる。これにより、電流算出部51は、キャリア信号SigCがその最大値となるタイミング毎に3相分の端子間電圧VIU,VIV,VIWを検出し、各端子間電圧VIU,VIV,VIWを検出するたびに各相電流IU,IV,IWを算出する。算出された各相電流IU,IV,IWに基づいて、回転電機10の制御量の制御が実施され、また、推定角θestが算出される。
続いて、図6を用いて、変調率が1を超える過変調の場合における電流検出が可能な相数について説明する。過変調の場合、指令時比率のピーク値がキャリア信号SigCのピーク値を超える。図6(a)〜図6(d)は、先の図5(a)〜図5(d)に対応している。
図6に示す例では、1電気角周期において、2又は3相分の相電流の検出が可能となる。2相分の相電流が検出できる期間において、電流算出部51は、2相分の相電流に基づいて、「IU+IV+IW=0」の関係を用いて残りの相電流を算出する。そして、算出された各相電流IU,IV,IWに基づいて、回転電機10の制御量の制御が実施され、また、推定角θestが算出される。
ここで、変調率がさらに大きくなると、1電気角周期において1又は2相分の相電流しか検出することしかできなくなる。図7には、比較例において、1又は2相分の相電流しか検出することしかできなくなる例を示す。図7(a)〜図7(d)は、先の図6(a)〜図6(d)に対応している。
図7に示すように、1相分の相電流しか検出できない期間においては、「IU+IV+IW=0」の関係を用いて残り2相分の相電流を算出することができず、回転電機10の制御を実施できなくなる。
ちなみに、変調率が図7に示した値よりもさらに高くなると、各相について上下アームそれぞれのスイッチのオン操作への切り替えが1電気角周期において1回ずつ出現するとともに、オン操作への切り替えタイミングが各相で120度ずれる1パルス制御となる。
1相分の相電流しか検出できない状況は、変調率が1を大きく超える状況のみならず、制御システムが備える相電流の検出機能に異常が生じる状況においても発生する。この異常には、電流算出部51を構成するサンプルホールド回路及びAD変換器のうち少なくとも1つの異常が含まれる。
1相分の相電流しか検出できない状況に対処すべく、本実施形態では、図8に示す処理を行う。この処理は、制御装置40の電流算出部51、フィルタ部52及び変換部53等の協働により、例えば所定の制御周期毎に繰り返し実行される。
ステップS10では、U,V,W相シャント抵抗23U,23V,23Wの端子間電圧VIU,VIV,VIWをサンプルホールドする。
ステップS11では、制御システムの相電流検出機能に異常が発生しているかを判定する。本実施形態では、3相のうちいずれの相の検出機能に異常が発生しているかを判別できるものとする。なお、異常の検出方法については、要部でないため、その詳細な説明を省略する。
まず、ステップS11において異常が発生していないと判定された場合について説明する。ステップS12では、U,V,W相指令時比率Dtu,Dtv,Dtwに基づいて、キャリア信号SigCの1周期あたりのU,V,W相下アームスイッチSUn,SVn,SWnのオン操作期間Tonを算出する。
ステップS13では、ステップS12で算出したU,V,W相それぞれのオン操作期間Tonに基づいて、相電流を検出可能な相がいくつあるかを判定する。本実施形態では、オン操作期間Tonが、リンギング発生期間Tstaよりも長いと判定した相の数を、相電流を検出可能な相と判定する。リンギング発生期間Tstaは、各スイッチSUp〜SWnのスイッチングモードが切り替えられてから、スイッチングモードの切り替えに伴って発生するシャント抵抗に流れる電流のリンギングが収束するまでの期間である。リンギング発生期間Tsta内に電流検出タイミングが設定されると、相電流の検出精度が低下してしまう。
ステップS14では、ステップS13の判定結果に基づいて、相電流を検出可能な相が3相であるか否かを判定する。
ステップS14において3相であると判定した場合には、ステップS15に進み、サンプルホールドしたU,V,W相シャント抵抗23U,23V,23Wの端子間電圧VIU,VIV,VIWに基づいて、電流算出部51においてU,V,W相電流IU,IV,IWを算出する。
ステップS14において否定判定した場合には、ステップS16に進み、ステップS13の判定結果に基づいて、相電流を検出可能な相が2相であるか否かを判定する。
ステップS16において2相であると判定した場合には、ステップS17に進み、サンプルホールドした各シャント抵抗23U,23V,23Wの端子間電圧VIU,VIV,VIWのうち、相電流が検出可能な2相分の端子間電圧に基づいて、電流算出部51において2相分の相電流を算出する。そして、算出した2相分の相電流に基づいて、「IU+IV+IW=0」の関係を用いて残りの相電流を算出する。
ステップS16において否定判定した場合には、ステップS18に進み、ステップS13の判定結果に基づいて、相電流を検出可能な相が1相であるか否かを判定する。
ステップS18において1相であると判定した場合には、ステップS19に進み、前回の制御周期におけるγ,δ軸フィルタ電流Iγf,Iδfと、今回の制御周期において算出した推定角θestとに基づいて、変換部53によりUVW座標系のU,V,W相推定電流IUes,IVes,IWesを算出する。前回の制御周期におけるγ,δ軸フィルタ電流Iγf,Iδfは、前回の制御周期において電流変換部43により算出されたγ,δ軸電流Iγr,Iδrを、フィルタ部52によりローパスフィルタ処理した電流値である。前回の制御周期において算出されたγ,δ軸電流Iγr,Iδrは、過去の電流値に相当する。
続くステップS20では、サンプルホールドした各シャント抵抗23U,23V,23Wの端子間電圧VIU,VIV,VIWのうち、相電流が検出可能な1相分の端子間電圧に基づいて、電流算出部51において1相分の相電流を算出する。また、3相分の相電流のうち、シャント抵抗の端子間電圧に基づいて算出できない2相分の相電流を、ステップS19で算出した推定電流とする。例えば、3相のうちU相電流IUのみがU相シャント抵抗23Uの端子間電圧VIUに基づいて算出できる場合、電流変換部43に出力されるV相電流IVとしてV相推定電流IVesが用いられ、電流変換部43に出力されるW相電流IWとしてW相推定電流IWesが用いられる。
ステップS18において否定判定した場合には、相電流を検出可能な相がないと判定し、ステップS21に進む。ステップS21では、ステップS19と同じ処理を行う。続くステップS22では、電流変換部43に出力するU相電流IUをU相推定電流IUesとし、電流変換部43に出力するV相電流IVをV相推定電流IVesとし、電流変換部43に出力するW相電流IWをW相推定電流IWesとする。
なお、本実施形態において、ステップS11〜S14,S16の処理が判定部を構成する。また、図2に示したブロック図の各構成41〜53が駆動制御部を構成する。
図9に、先の図7の状況に対応する本実施形態の処理態様を示す。図9(a)〜図9(d)は、先の図7(a)〜図7(d)に対応している。なお、図9(c)には、U,V,W相推定電流IUes,IVes,IWesに対応する端子間電圧VeU,VeV,VeWを破線にて示す。
本実施形態によれば、3相のうち1相分しか相電流が検出できないと判定された場合、検出できないと判定された相について、推定電流が算出される。つまり、図9(c)に破線にて示すように、3相分の相電流が把握できるようになる。そして、算出された推定電流が回転電機10の制御に用いられる。これにより、1相分の相電流しか検出できない場合であっても、回転電機10の制御を継続することができる。
なお、従来は、少なくとも2相分の相電流が検出できるように変調率が過度に高くならないように制限していた。この場合、電圧利用率に制限がかかり、回転電機10の大型化を招いていた。しかし、本実施形態によれば、少なくとも2相分の相電流が検出できるように変調率を制限する必要がないため、回転電機10を小型化することができる。
先の図8の説明に戻り、ステップS11において異常が発生していると判定された場合について説明する。ステップS11において異常が発生していると判定された場合、3相のうちいくつの相が異常であるかとの判定結果と、ステップS13の判定結果とに基づいて、ステップS14,S16,S18における判定結果が決まる。例えば、1相分の電流検出機能が異常であると判定された場合、ステップS13の判定結果によれば3相分の相電流が検出可能であるものの、実際には、2相分の相電流が検出可能であると判定されることとなる。なお、制御装置40は、ステップS11において異常が発生していると判定した場合、その旨を外部に設けられた上位の制御装置に通知することが望ましい。
図10を用いて、U相の電流検出機能に異常が発生した場合における本実施形態の処理態様について説明する。図10(a)〜図10(d)は、先の図9(a)〜図9(d)に対応している。U相の電流検出機能に異常が発生した場合、1電気角周期のうち大半の期間において0相又は1相しか相電流が検出できなくなる。しかし、本実施形態によれば、図10(c)に破線にて示すように、3相分の相電流が把握できるようになるため、回転電機10の制御を継続することができる。
本実施形態によれば、上述した効果以外に、以下に説明する効果を得ることもできる。回転電機10が車両の走行動力源として用いられる場合、車室内空間をより広く確保すべく、回転電機10の小型化が、他の用途で用いられる回転電機よりも求められる。本実施形態によれば、回転電機10を小型化することができるため、車室内空間をより広く確保することができる。
回転電機10が油圧式ブレーキ装置を構成する電動ポンプの駆動に用いられる場合、その装置には、自動運転における緊急ブレーキのために高い応答性が求められ、また、停止しないといった信頼性も求められる。本実施形態によれば、少なくとも2相分の相電流を検出できるため、回転電機10の制御を継続できる。その結果、ブレーキ装置が停止する確率を低くでき、ブレーキ装置の信頼性を高めることができる。
<第1実施形態の変形例>
図8のステップS19,S21において、U,V,W相推定電流IUes,IVes,IWesの算出に、例えば、前々回の制御周期において電流変換部43により算出されたγ,δ軸電流Iγr,Iδrを、フィルタ部52によりローパスフィルタ処理した電流値が用いられてもよい。
<第2実施形態>
以下、第2実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。制御装置40は、図8のステップS11において相電流の検出機能に異常が発生していないと判定していることを条件として、図11に示すように、相電流を検出可能な相数が0又は1相である場合、検出可能な相数が2又は3相の場合よりも、フィルタ部52のローパスフィルタ処理における時定数τを長く設定する。この設定は、制御量である推定角速度ωestの応答性を低下させるためのものである。なお、本実施形態において、応答性を低下させる処理が処理部に相当する。
つまり、過変調となる場合においては、相電流に高次の電流歪が生じるため、制御量(推定角速度ωest)の制御が不安定化になり得る。特に、1パルス制御が実施される場合においては、その歪が顕著になり得る。そこで、過変調となる場合においては、制御量の応答性を下げることにより、高次の電流歪が生じる場合であっても、その歪が制御量の制御に及ぼす影響を抑制する。これにより、制御量の制御を安定させることができ、ひいては相電流も安定して検出することができる。
本実施形態では、相電流を検出可能な相数が0又は1相である場合、図12に示すように、推定角速度ωestが高いほど時定数τを長くする。高次の電流歪成分の周波数は、電気角速度が高くなるほど高くなる。このため、図12に示す設定によれば、制御量の制御の安定化をいっそう図ることができる。
<第2実施形態の変形例>
図12に示す設定方法に代えて、制御装置40は、推定角速度ωestが高いほど、時定数τを段階的に長くしてもよい。具体的には例えば、制御装置40は、時定数τを2又は3段階に設定してもよい。
<第3実施形態>
以下、第3実施形態について、第2実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、フィルタ部52の時定数τに代えて、電流制御器46で用いられるフィードバックゲインを可変設定することにより、制御量の応答性を変更する。詳しくは、制御装置40は、図13に示すように、相電流を検出可能な相数が0又は1相である場合、検出可能な相数が2又は3相の場合よりも、電流制御器46で用いられる比例,積分ゲイン等のフィードバックゲインを小さく設定する。
ちなみに、制御装置40は、相電流を検出可能な相数が0又は1相である場合、推定角速度ωestが高いほど、速度推定部49で用いられるフィードバックゲインを小さく設定してもよい。
<第3実施形態の変形例>
電流制御器46で用いられるフィードバックゲインに代えて、図14に示すように、速度推定部49で用いられるフィードバックゲインを可変設定してもよい。詳しくは、制御装置40は、相電流を検出可能な相数が0又は1相である場合、検出可能な相数が2又は3相の場合よりも、速度推定部49で用いられるフィードバックゲインを小さく設定する。ちなみに、制御装置40は、相電流を検出可能な相数が0又は1相である場合、推定角速度ωestが高いほど、速度推定部49で用いられるフィードバックゲインを小さく設定してもよい。
<第4実施形態>
以下、第4実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、相電流が検出可能な相数が1相以下の場合、速度推定部49は、推定角速度ωestの算出処理を停止する。そして、角度推定部50は、前回の制御周期において算出された推定角速度ωestに基づいて、今回の制御周期における推定角θestを算出する。
図15に、本実施形態に係る制御装置40の処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の制御周期毎に繰り返し実行される。なお、図15において、先の図8に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。
ステップS16において否定判定した場合には、ステップS23に進み、速度推定部49における推定角速度ωestの算出処理を停止する。そして、角度推定部50において、過去に算出した推定角速度ωestに基づいて、今回の制御周期における推定角θestを算出する。この算出方法の一例について説明すると、まず、前回の制御周期において算出した推定角速度ωest[n−1]と、前々回の制御周期において算出した推定角速度ωest[n−2]とに基づいて、推定角速度ωestの変化速度ΔAを算出する。例えば、制御周期をΔtとする場合、(ωest[n−1]−ωest[n−2])/Δtにより変化速度ΔAを算出する。そして、前回の制御周期において算出したで推定角速度ωest[n−1]に「ΔA×Δt」を加算することにより、今回の制御周期における推定角速度ωest[n]を推定する。そして、推定した推定角速度ωest[n]を今回の制御周期における推定角θestの算出に用いる。
なお、本実施形態において、ステップS24,S25で用いられる推定角θestは、ステップS23で算出した推定角θestである。また、ステップS16で肯定判定した場合、推定角速度ωestの算出処理を再開する。
以上説明した本実施形態によれば、2相以上の相電流が検出できなくなる場合であっても、推定角θestの算出を安定的に実現できる。これにより、回転電機10の制御の安定化を図ることができる。
<第5実施形態>
以下、第5実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、相電流が検出可能な相数が1相以下の場合の処理を変更する。この変更に伴い、図16に示すように、制御装置40は、フィルタ部52及び変換部53を備えていない。なお、図16において、先の図2に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
図17に、本実施形態に係る制御装置40の処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の制御周期毎に繰り返し実行される。なお、図17において、先の図8に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。
ステップS11において相電流検出機能の異常の有無について判定した後、ステップS12,S13を経由してステップS14に進む。ステップS14において3相であると判定した場合には、ステップS15を経由してステップS30に進む。ステップS30では、電流制御器46においてγ,δ軸指令電圧Vγ*,Vδ*を算出して更新する。
ステップS16において2相であると判定した場合には、ステップS17を経由してステップS30に進む。
ステップS16において否定判定した場合には、ステップS31に進み、前回の制御周期において算出したγ,δ軸指令電圧Vγ*,Vδ*を、今回の制御周期において用いる。つまり、前回の制御周期と今回の制御周期とで同じγ,δ軸指令電圧Vγ*,Vδ*を用いる。前回の制御周期において算出したγ,δ軸指令電圧Vγ*,Vδ*は、過去の電圧値に相当する。
以上説明した本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
<第6実施形態>
以下、第6実施形態について、第5実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図18に示すように、制御装置40において位相制御を行う。なお、図18において、先の図16に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
トルク推定部60は、電流変換部43により算出されたγ軸電流Iγr及びδ軸電流Iδrに基づいて、回転電機10のトルクの推定値である推定トルクTeを算出する。なお、推定トルクTeは、例えば、γ軸電流Iγr及びδ軸電流Iδrと推定トルクTeとが関係付けられたマップ情報又は数式の情報に基づいて算出されればよい。
トルク偏差算出部61は、指令トルクTrq*から推定トルクTeを減算することにより、トルク偏差ΔTを算出する。
トルク制御器62は、トルク偏差ΔTに基づいて、推定トルクTeを指令トルクTrq*に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である電圧位相θvを算出する。なお、トルク制御器62におけるフィードバック制御としては、例えば比例積分制御が用いられればよい。なお、本実施形態において、電圧位相θvが電圧指令値に相当する。
指令電圧算出部63は、算出された電圧位相θvに基づいて、電気角で位相が互いに120°ずれたU,V,W相指令電圧VU,VV,VWを算出する。算出されたU,V,W相指令電圧VU,VV,VWは、信号生成部48で用いられる。
なお、本実施形態において、制御装置40は、先の図15のステップS16において否定判定した場合、前回の制御周期において算出した電圧位相θvを、今回の制御周期において用いればよい。
以上説明した本実施形態によれば、第5実施形態と同様の効果を得ることができる。
<その他の実施形態>
・U相シャント抵抗23Uの設置場所としては、図1に示したものに限らず、例えば、U相下アームスイッチSUnのドレインとU相導電部材21Uの第1端との間であってもよい。なお、V相シャント抵抗23U及びW相シャント抵抗23Wについても同様である。
・図19に示すように、シャント抵抗を上アーム側に設けてもよい。図19において、先の図1に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。U,V,W相上アームスイッチSUp,SVp,SWpのドレインには、U,V,W相シャント抵抗24U,24V,24Wの第1端が接続されている。U,V,W相シャント抵抗24U,24V,24Wの第2端と、蓄電池30の正極端子とは、正極側母線Lpにより接続されている。
この場合、図20に示すように、電圧ベクトルV1〜V7に応じて、上アームスイッチのオン期間中にシャント抵抗に相電流が流れる。このため、電流検出タイミングが、例えばキャリア信号SigCがその最小値となるタイミングに設定されればよい。
なお、図19に示す構成において、U相シャント抵抗24Uの設置場所としては、例えば、U相上アームスイッチSUpのソースとU相導電部材21Uの第1端との間であってもよい。なお、V相シャント抵抗24U及びW相シャント抵抗24Wについても同様である。
・信号生成部48で用いられるキャリア信号としては、三角波信号に限らず、例えばのこぎり波信号であってもよい。
・キャリア信号と比較される指令信号としては、指令時比率に限らず、指令電圧であってもよい。この場合、指令電圧の振幅の大きさに応じて、キャリア信号の振幅を可変設定すればよい。
・信号生成部48は、PWMに代えて、空間ベクトル変調(SVM:Space Vector Modulation)により各操作信号gUp〜gWpを生成してもよい。
・制御システムが角度検出器を備えていてもよい。この場合、回転電機の2相回転座標系はdq座標系となり、角度検出器により検出された電気角θが、電流変換部43及び電圧変換部47等で用いられることとなる。また、この場合、回転電機としては、SPMSM等の非突極機であってもよい。
・2相回転座標系としては、座標系の原点から、インバータの電圧ベクトルの方向に延びる第1軸と、その第1軸と直交する第2軸とを有する座標系であってもよい。
・図8,図15,図17において、ステップS11の処理は必須ではない。
・インバータを構成するスイッチとしては、MOSFETに限らず、例えばIGBTであってもよい。この場合、スイッチの高電位側端子はコレクタであり、低電位側端子はエミッタである。また、スイッチには、フリーホイールダイオードが逆並列に接続されている。
また、インバータ20を構成するスイッチとしては、電圧制御形のものに限らず、バイポーラトランジスタ等の電流制御形のものであってもよい。
・回転電機の制御量としては、回転速度に限らず、例えばトルクであってもよい。
・回転電機としては、星形結線されているものに限らず、Δ結線されているものであってもよい。また、回転電機としては、永久磁石同期機に限らず、例えば、巻線界磁型同期機やシンクロナスリラクタンスモータであってもよい。
10…回転電機、20…インバータ、23U,23V,23W…U,V,W相シャント抵抗、40…制御装置。

Claims (10)

  1. 3相分の上下アームのスイッチ(SUp〜SWn)を有するインバータ(20)と、
    前記インバータに電気的に接続された巻線(11U〜11W)を有する同期式の回転電機(10)と、
    各相において、上下アームのうちいずれか一方の前記スイッチのみに電気的に接続されたシャント抵抗(23U〜23W,24U〜24W)と、を備えるシステムに適用される回転電機の制御装置(40)において、
    前記各シャント抵抗のうち少なくとも2相分のシャント抵抗に電流が流れている場合における該シャント抵抗の電圧検出値に基づいて、前記回転電機の制御量をその指令値に制御するための電圧指令値を算出し、算出した該電圧指令値に基づいて、前記インバータを構成する前記各スイッチの駆動制御を行う駆動制御部と、
    3相のうち少なくとも2相分について、前記シャント抵抗の電圧値に基づいて前記巻線に流れる相電流が検出できるか否かを判定する判定部と、を備え、
    前記駆動制御部は、前記判定部により少なくとも2相分について相電流が検出できないと判定された場合、前記回転電機の2相回転座標系における過去の電流値又は過去の電圧値に基づいて、前記駆動制御を行う回転電機の制御装置。
  2. 前記判定部は、前記シャント抵抗の電圧検出値に基づいて算出された前記電圧指令値に基づいて、少なくとも2相分について相電流が検出できるか否かを判定する請求項1に記載の回転電機の制御装置。
  3. 前記判定部は、前記電圧指令値に加え、前記システムにおける各相の電流検出機能の異常の有無に基づいて、少なくとも2相分について相電流が検出できるか否かを判定する請求項2に記載の回転電機の制御装置。
  4. 前記駆動制御部は、前記判定部により少なくとも2相分について相電流が検出できないと判定された場合、前記判定部により少なくとも2相分について相電流が検出できると判定される場合よりも、前記制御量の応答性を低下させる処理を行う処理部を含む1又は2に記載の回転電機の制御装置。
  5. 前記駆動制御部は、前記判定部により少なくとも2相分について相電流が検出できないと判定された場合、前記2相回転座標系における過去の電流値と、相電流が検出可能な相の前記シャント抵抗の電圧検出値とに基づいて、3相固定座標系における相電流を算出し、算出した相電流に基づいて、前記電圧指令値を算出する請求項4に記載の回転電機の制御装置。
  6. 前記駆動制御部は、前記判定部により少なくとも2相分について相電流が検出できないと判定された場合、前記2相回転座標系における過去の電流値にローパスフィルタ処理を施した電流値と、相電流が検出可能な相の前記シャント抵抗の電圧検出値とに基づいて、3相固定座標系における相電流を算出し、
    前記処理部は、前記応答性を低下させる処理として、前記相電流が検出できないと判定された場合、前記相電流が検出できると判定される場合よりも、前記ローパスフィルタ処理における時定数を長くする処理を行う請求項5に記載の回転電機の制御装置。
  7. 前記処理部は、前記回転電機の電気角速度が低い場合よりも高い場合に前記時定数を長くする請求項6に記載の回転電機の制御装置。
  8. 前記駆動制御部は、前記指令値に基づいて、前記2相回転座標系における電流指令値を算出し、前記シャント抵抗の電圧検出値に基づいて、前記2相回転座標系における電流値を算出し、算出した前記電流値を前記電流指令値にフィードバック制御するための操作量として、前記電圧指令値を算出し、
    前記処理部は、前記応答性を低下させる処理として、前記相電流が検出できないと判定された場合、前記相電流が検出できると判定される場合よりも、前記フィードバック制御におけるフィードバックゲインを小さくする処理を行う請求項4に記載の回転電機の制御装置。
  9. 前記回転電機の磁極位置の推定誤差を0にフィードバック制御すべく、前記シャント抵抗の電圧検出値に基づいて算出した前記2相回転座標系における電流値に基づいて、前記回転電機の電気角速度を推定する推定部を備え、
    前記処理部は、前記応答性を低下させる処理として、前記相電流が検出できないと判定された場合、前記相電流が検出できると判定される場合よりも、前記フィードバック制御におけるフィードバックゲインを小さくする処理を行う請求項4に記載の回転電機の制御装置。
  10. 前記回転電機の磁極位置の推定誤差を0にフィードバック制御すべく、前記シャント抵抗の電圧検出値に基づいて算出した前記2相回転座標系における電流値に基づいて、前記回転電機の電気角速度を推定し、推定した前記電気角速度に基づいて、前記磁極位置を算出する推定部を備え、
    前記駆動制御部は、算出された前記磁極位置を前記駆動制御に用い、
    前記推定部は、前記判定部により少なくとも2相分について相電流が検出できないと判定された場合、前記電気角速度の推定を停止し、前記駆動制御に用いられる前記磁極位置を、過去に推定した前記電気角速度に基づいて算出する請求項1〜9のいずれか1項に記載の回転電機の制御装置。
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