JP2021168567A - モータ駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】モータ駆動システムにおける出力トルクの出力精度を向上させることである。【解決手段】制御装置は、電流振幅指令と補正係数とを算出し（Ｓ１，３）、電流振幅指令と補正係数とを乗算して補正電流振幅指令を算出する（Ｓ５）。制御装置は、電流振幅を算出し（Ｓ７）、電流振幅と補正係数とを乗算して補正電流振幅を算出する（Ｓ９）。制御装置は、電流振幅偏差（補正電流振幅指令−補正電流振幅）に基づいて電圧位相偏差を算出し（Ｓ１３）、当該電圧位相偏差を、トルク指令に基づく電圧位相指令に加算して矩形波電圧の位相を調整する（Ｓ１５〜１９）。【選択図】図１０

Description

本開示は、モータ駆動システムに関する。

特開２００７−１５９３６８号公報（特許文献１）には、制御モードとして矩形波電圧制御を有するモータ駆動システムが開示されている。このモータ駆動システムでは、矩形波電圧制御において、モータの回転角を用いて三相電流（Ｖ相電流，Ｗ相電流，Ｕ相電流）をｄ軸電流およびｑ軸電流に変換し、変換したｄ軸電流およびｑ軸電流を引数としてトルク算出マップからモータの出力トルクを推定する。そして、推定したモータの出力トルク（トルク推定値）をフィードバックして、トルク推定値とトルク指令との偏差を小さくするように、矩形波電圧の電圧位相が制御される。

特開２００７−１５９３６８号公報

ここで、モータの回転角を検出するための回転角センサがノイズ等の影響を受けると、回転角センサの検出角度と、モータの実際の回転角度とにズレが生じることがある。検出角度にズレが生じると、回転角を用いて変換されるｄ軸電流およびｑ軸電流も実際の値から乖離してしまい、これらの値を用いて推定されるトルクの推定精度も低下してしまう。推定精度が低いトルク推定値がフィードバックされると、結果として、出力トルクの出力精度が低下してしまう可能性がある。モータ駆動システムにおける出力トルクの出力精度を向上させるための対策が望まれている。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、モータ駆動システムにおける出力トルクの出力精度を向上させることである。

この開示に係るモータ駆動システムは、モータジェネレータを駆動するためのインバータを備えたモータ駆動システムであって、モータジェネレータに流れる電流を検出する電流センサと、モータジェネレータの回転角を検出する回転角センサと、インバータに入力されるシステム電圧を検出する電圧センサと、モータジェネレータに、電圧位相指令に基づく矩形波電圧を印加する矩形波電圧制御において、電流振幅指令と電流振幅との偏差を用いて電圧位相指令を調整するフィードバック制御を実行する制御装置とを備える。制御装置は、回転角を用いて、モータジェネレータの回転速度を算出する。制御装置は、トルク指令値、システム電圧および回転速度を用いて電流振幅指令を算出する。制御装置は、回転角および電流を用いて、電流振幅を算出する。そして、制御装置は、トルク指令値、システム電圧および回転速度を用いて補正係数を算出し、補正係数を用いて、電流振幅指令および電流振幅を補正する。

上記構成によれば、矩形波電圧制御において、電流振幅指令と電流振幅との偏差を用いて矩形波電圧の位相が調整される。電流振幅は、電流ベクトルの大きさとして計算されるため、回転角センサの検出角度にズレが生じていたとしても、その影響を受けない。電流振幅指令と電流振幅との偏差が小さくなるように矩形波電圧の位相を調整することにより、回転角センサの検出角度にズレが生じたとしても、当該ズレがモータジェネレータの出力トルクの出力精度に影響を与えることを抑制することができる。

また、モータジェネレータの出力トルクが小さい領域（たとえば０Ｎｍ付近の値）では、トルク変化量に対する電流振幅の変化量が小さい。そのため、トルク指令値が小さい場合には、電流振幅を用いたフィードバック制御を行なうと、電流振幅の僅かな演算誤差等に起因してトルクが大きく変動してしまい、出力トルクの出力精度が低下してしまう可能性がある。上記構成によれば、電流振幅指令および電流振幅は、補正係数を用いて補正される。補正係数を用いて電流振幅指令および電流振幅を補正することにより、トルク変化量に対する電流振幅の変化量を大きくする。これにより、電流振幅の演算誤差等に起因して出力トルクが大きく変動することを抑制することができる。それゆえに、モータジェネレータの出力トルクの出力精度を向上させることができる。

本開示によれば、モータ駆動システムにおける出力トルクの出力精度を向上させることができる。

本実施の形態に係るモータ駆動システムの全体構成図である。 本実施の形態に係るモータ駆動システムが有する、モータジェネレータの出力制御モードを説明するための図である。 電流振幅とトルクとの関係を説明するための図である。 図３の第１象限を拡大した図である。 補正係数を説明するための図（その１）である。 補正係数を説明するための図（その２）である。 補正係数を決定するための補正マップの一例を示す図である。 矩形波電圧制御における制御装置の機能ブロック図である。 矩形波電圧制御における電圧ベクトルおよび電流ベクトルの軌跡を示す図である。 制御装置で実行される処理の手順を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜全体構成＞
図１は、本実施の形態に係るモータ駆動システム１００の全体構成図である。実施の形態１に係るモータ駆動システム１００は、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車または燃料電池自動車（以下、総称して「車両」とも称する）等に適用することができる。図１を参照して、モータ駆動システム１００は、モータジェネレータ１０と、電力制御装置（ＰＣＵ：Power Control Unit）２０と、バッテリ３０と、システムメインリレーＳＲ１，ＳＲ２と、制御装置４０とを備える。

モータジェネレータ１０は、たとえば、車両の駆動輪を駆動するためのトルクを発生する駆動用電動機である。モータジェネレータ１０は、交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機として構成される。また、モータジェネレータ１０は、発電機の機能をさらに備えてもよく、電動機および発電機の機能を併せ持つように構成されてもよい。

バッテリ３０は、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池等の二次電池によって構成される。二次電池は、正極と負極との間に液体電解質を有する二次電池であってもよいし、固体電解質を有する二次電池（全固体電池）であってもよい。また、バッテリ３０は、電気二重層キャパシタ等によって構成されてもよい。

バッテリ３０には監視ユニット３５が設けられている。監視ユニット３５は、バッテリ３０の電圧（バッテリ電圧）ＶＢ、バッテリ３０の入出力電流（バッテリ電流）ＩＢ、およびバッテリ３０の温度（バッテリ温度）ＴＢを検出し、それらの検出結果を示す信号を制御装置４０に出力する。

システムメインリレーＳＲ１は、バッテリ３０の正極端子および電力線ＰＬ１の間に接続される。システムメインリレーＳＲ２は、バッテリ３０の負極端子および電力線ＮＬの間に接続される。システムメインリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置４０からの制御信号により開閉状態が切り替わる。

ＰＣＵ２０は、バッテリ３０から供給される直流電力を昇圧するとともに交流電力に変換してモータジェネレータ１０に供給する。また、ＰＣＵ２０は、モータジェネレータ１０により発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ３０に供給する。すなわち、バッテリ３０は、ＰＣＵ２０を経由してモータジェネレータ１０との間で電力を授受することができる。

ＰＣＵ２０は、コンデンサＣ１と、昇降圧コンバータ２１と、コンデンサＣ２と、インバータ２２と、電圧センサ２３とを含む。

コンデンサＣ１は、電力線ＰＬ１および電力線ＮＬの間に接続される。コンデンサＣ１は、バッテリ電圧ＶＢを平滑化して昇降圧コンバータ２１に供給する。

昇降圧コンバータ２１は、制御装置４０からの制御信号Ｓ１，Ｓ２に従って、バッテリ電圧ＶＢを昇圧し、昇圧した電圧を電力線ＰＬ２，ＮＬに供給する。また、昇降圧コンバータ２１は、制御装置４０からの制御信号Ｓ１，Ｓ２に従って、インバータ２２から供給された電力線ＰＬ２，ＮＬの間の直流電圧を降圧してバッテリ３０を充電する。

具体的には、昇降圧コンバータ２１は、リアクトルＬ１と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードと電力線ＰＬ１との間に接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２および後述するスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８の各々は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは、バイポーラトランジスタ等を用いることができる。ダイオードＤ１，Ｄ２は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間に逆並列にそれぞれ接続される。

コンデンサＣ２は、電力線ＰＬ２と電力線ＮＬとの間に接続されている。コンデンサＣ２は、昇降圧コンバータ２１から供給された直流電圧を平滑化してインバータ２２に供給する。電圧センサ２３は、コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち昇降圧コンバータ２１とインバータ２２とを結ぶ電力線ＰＬ２，ＮＬ間の電圧（以下「システム電圧」とも称する）ＶＨを検出し、その検出結果を示す信号を制御装置４０に出力する。

インバータ２２は、Ｕ相アーム２２１と、Ｖ相アーム２２２と、Ｗ相アーム２２３とを含む。各相アームは、電力線ＰＬ２と電力線ＮＬとの間に互いに並列に接続されている。Ｕ相アームは、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を有する。Ｖ相アーム２２２は、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６を有する。Ｗ相アーム２２３は、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８を有する。各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、ダイオードＤ３〜Ｄ８が逆並列にそれぞれ接続されている。

各相アームの中間点は、モータジェネレータ１０の各相コイルの各相端に接続されている。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の中間点は、モータジェネレータ１０のＵ相コイルの一方端に接続されている。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の中間点は、モータジェネレータ１０のＶ相コイルの一方端に接続されている。スイッチング素子Ｑ７，Ｑ８の中間点は、モータジェネレータ１０のＷ相コイルの一方端に接続されている。モータジェネレータ１０のＵ相、Ｖ相およびＷ相の３つのコイルの他方端は、中性点に共通接続されている。

インバータ２２は、システム電圧ＶＨが供給されると、制御装置４０からの制御信号Ｓ３〜Ｓ８に従って、直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１０を駆動する。これにより、モータジェネレータ１０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに従ったトルクを発生するように、インバータ２２により制御される。

モータジェネレータ１０のトルク指令値が正（Ｔｒｑｃｏｍ＞０）の場合、インバータ２２は、制御装置４０からの制御信号Ｓ３〜Ｓ８に従ったスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するようにモータジェネレータ１０を駆動する。これにより、モータジェネレータ１０は、正のトルクを発生するように駆動される。

モータジェネレータ１０のトルク指令値が零（Ｔｒｑｃｏｍ＝０）の場合、インバータ２２は、制御装置４０からの制御信号Ｓ３〜Ｓ８に従ったスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるようにモータジェネレータ１０を駆動する。これにより、モータジェネレータ１０は、零のトルクを発生するように駆動される。

モータジェネレータ１０のトルク指令値が負（Ｔｒｑｃｏｍ＜０）の場合、インバータ２２は、制御装置４０からの制御信号Ｓ３〜Ｓ８に従ったスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換して負のトルクを出力するようにモータジェネレータ１０を駆動する。これにより、モータジェネレータ１０は、負のトルクを発生するように駆動される。

電流センサ６０は、モータジェネレータ１０に流れる三相電流（モータ電流）ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出し、その検出結果を示す信号を制御装置４０に出力する。

回転角センサ（レゾルバ）６５は、モータジェネレータ１０の回転角θを検出し、その検出結果を示す信号を制御装置４０に出力する。制御装置４０は、回転角センサ６５によって検出された回転角θの変化速度から、モータジェネレータ１０の回転数（回転速度）Ｎｍを検出することができる。

制御装置４０は、外部に設けられた電子制御ユニット（上位ＥＣＵ：図示せず）から入力されたトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍ、監視ユニット３５によって検出されたバッテリ電圧ＶＢ、電圧センサ２３によって検出されたシステム電圧ＶＨ、電流センサ６０からのモータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗおよび回転角センサ６５からの回転角θに基づいて、後述する方法によりモータジェネレータ１０がトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに従ったトルクを出力するように、昇降圧コンバータ２１およびインバータ２２の動作を制御する。すなわち、制御装置４０は、昇降圧コンバータ２１およびインバータ２２を制御するための制御信号Ｓ１〜Ｓ８を生成して、昇降圧コンバータ２１およびインバータ２２へ出力する。

昇降圧コンバータ２１の昇圧動作時には、制御装置４０は、コンデンサＣ２の出力電圧ＶＨをフィードバック制御し、出力電圧ＶＨが電圧指令値となるように制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。

また、制御装置４０は、車両が回生制動モードに入ったことを示す信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、モータジェネレータ１０で発電された交流電圧を直流電圧に変換するように制御信号Ｓ３〜Ｓ８を生成してインバータ２２へ出力する。これにより、インバータ２２は、モータジェネレータ１０で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇降圧コンバータ２１へ供給する。制御装置４０は、インバータ２２から供給された直流電圧を降圧するように制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成し、昇降圧コンバータ２１へ出力する。これにより、モータジェネレータ１０が発電した交流電圧は、直流電圧に変換され、降圧されてバッテリ３０に供給される。

さらに、制御装置４０は、システムメインリレーＳＲ１，ＳＲ２の開閉状態を切り替えるための制御信号を生成してシステムメインリレーＳＲ１，ＳＲ２へ出力する。

＜モータジェネレータ１０の出力制御＞
図２は、本実施の形態に係るモータ駆動システム１００が有する、モータジェネレータ１０の出力制御モードを説明するための図である。本実施の形態に係るモータ駆動システム１００では、モータジェネレータ１０の出力制御モードとして、３つの制御モードを有する。具体的には、図２に示すように、モータ駆動システム１００は、正弦波ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御、過変調ＰＷＭ制御および矩形波電圧制御の３つの制御モードを有する。

正弦波ＰＷＭ制御は、一般的なＰＷＭ制御方式として用いられるものであり、各相アームにおけるスイッチング素子のオン・オフを、正弦波状の電圧指令値と搬送波（代表的には三角波）との電圧比較に従って制御する。この結果、上アーム素子のオン期間に対応するハイレベル期間と、下アーム素子のオン期間に対応するローレベル期間との集合について、一定期間内でその基本波成分が正弦波となるようにデューティ比が制御される。周知のように、正弦波ＰＷＭ制御では、この基本波成分振幅をインバータ入力電圧の０．６１倍までしか高めることができない。

一方、矩形波電圧制御では、上記一定期間内で、ＰＷＭデューティを最大値に維持した場合に相当する、ハイレベル期間およびローレベル期間の比が１：１の矩形波１パルス分を交流モータ印加する。これにより、変調率は０．７８まで高められる。

過変調ＰＷＭ制御は、搬送波の振幅を縮小するように基本波成分を歪ませた上で上記正弦波ＰＷＭ制御と同様のＰＷＭ制御を行なうものである。基本波成分を歪ませることによって、変調率を０．６１〜０．７８の範囲まで高めることができる。

モータジェネレータ１０においては、回転数および／または出力トルクが増加すると誘起電圧が高くなり、その必要電圧が高くなる。昇降圧コンバータ２１による昇圧電圧すなわち、システム電圧ＶＨは、このモータ必要電圧（誘起電圧）よりも高く設定する必要がある。その一方で、昇降圧コンバータ２１による昇圧電圧すなわち、システム電圧には限界値（ＶＨ最大電圧）が存在する。

したがって、モータ必要電圧（誘起電圧）がシステム電圧の最大値（ＶＨ最大電圧）より低い領域では、正弦波ＰＷＭ制御または過変調ＰＷＭ制御によるＰＷＭ制御方式が適用されて、ベクトル制御に従ったモータ電流制御によって出力トルクがトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに制御される。

その一方で、モータ必要電圧（誘起電圧）がシステム電圧の最大値（ＶＨ最大電圧）に達すると、システム電圧ＶＨを維持した上で弱め界磁制御の一種としての矩形波電圧制御方式が適用される。

＜矩形波電圧制御＞
ここで、矩形波電圧制御においては、モータジェネレータの出力トルク（トルク推定値）をフィードバックして、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍとトルク推定値との偏差が小さくなるように、矩形波電圧の電圧位相を制御することがある。トルク推定値は、たとえば、特開２００７−１５９３６８号公報に開示された手法により、モータジェネレータ１０の回転角を用いて三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｄ軸電流およびｑ軸電流に変換し、変換したｄ軸電流およびｑ軸電流を用いて推定されることがある。ここで、回転角センサ６５がノイズ等の影響を受けると、回転角センサ６５の検出角度と、モータジェネレータ１０の実際の回転角度とにズレが生じることがある。一例を例示すると、回転角センサ（レゾルバ）６５では、ノイズ等の影響により、レゾルバ信号を角度に変換するＲＤコンバータに応答遅れが生じる可能性がある。ＲＤコンバータに応答遅れが生じると、回転数の増加時には実際の角度に対して位相が遅れ、回転数の減少時には実際の角度に対して位相が進んでしまう。

上記のようにズレが生じた回転角を用いると、トルク推定値の推定精度が低下してしまう可能性がある。推定精度が低いトルク推定値がフィードバックされることにより、トルク指令値と実際の出力トルクとに、かえって乖離が生じてしまう可能性がある。

ここで、本発明者らは、矩形波電圧制御において、モータジェネレータ１０の回転数（以下「モータ回転数」とも称する）Ｎｍおよびシステム電圧ＶＨが同一の状況下では、最大トルクまで電流振幅とトルクとに相関関係が存在することに着目した。電流振幅は、電流ベクトルの大きさとして計算されるため、回転角センサ６５の検出角度にズレが生じていたとしても、その影響を受けない。ゆえに、トルク推定値に代えて、電流振幅をフィードバックして矩形波電圧の電圧位相を制御することにより、仮に回転角センサ６５の検出角度にズレが生じたとしても、当該ズレがモータジェネレータ１０の出力トルクの出力精度に影響を与えることを抑制することができる。しかしながら、トルクが小さい領域（０Ｎｍ付近、以下「所定領域」とも称する）では、トルク変化量に対する電流振幅の変化量が小さい。そのため、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが所定領域にあるような場合には、電流振幅を用いてトルク制御しようとすると、電流振幅の僅かな演算誤差等に起因して出力トルクが大きく変動してしまい、トルク指令値に対する出力トルクの出力精度が低下してしまう可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、算出した電流振幅に補正係数を乗算することにより、所定領域におけるトルク変化量に対する電流振幅の変化量を補正する。これにより、トルク変化量に対する電流振幅の変化量を大きくし、電流振幅の演算誤差等に起因して出力トルクが大きく変動してしまうことを抑制する。以下、順に具体的に説明する。

図３は、電流振幅とトルクとの関係を説明するための図である。図４は、図３の第１象限を拡大した図である。図３および図４の横軸にはトルクが示され、縦軸には電流振幅が示されている。なお、図３、図４および後述の図５においては、モータジェネレータ１０が正回転していることを前提として説明する。

モータジェネレータ１０には、以下の式（１）の関係が成立することが知られている。
√３×Ｉ×Ｖ×ＣＯＳθ＝２π×Ｎ×Ｔ／６０・・・（１）
Ｉは相電流、Ｖは線間電圧、ＣＯＳθは力率、Ｎはモータ回転数、Ｔは出力トルクである。

電流振幅を｜Ｉ｜、電圧振幅を｜Ｖ｜とすると、上記式（１）を用いて、電流振幅とトルクとの関係を示す以下の式（２）を得ることができる。

｜Ｉ｜＝２π×Ｎ×Ｔ／（６０×｜Ｖ｜×√３×ＣＯＳθ）・・・（２）
上記式（２）を図示すると、図３の実線Ｇ１で表わすことができる。なお、実線Ｇ１において、トルクが０Ｎｍである場合に電流振幅が０Ａとならないのは、弱め界磁制御によるものである。

図３を参照して、実線Ｇ１で表わされるように、電流振幅とトルクとには、トルクの絶対値が大きくなるほど、電流振幅も大きくなるという関係がある。モータ回転数Ｎｍおよびシステム電圧ＶＨが同一の状況下では、上記関係を用いれば、トルク推定値に代えて電流振幅を算出することにより、上述の式（２）に従って、モータジェネレータ１０の出力トルクを制御することができる。ただし、電流振幅は、電流ベクトルの大きさとして算出されるため、正の値をとる。モータジェネレータ１０の出力トルクは、正のトルクである場合もあれば、負のトルクである場合もある。そこで、本実施の形態においては、電流振幅に適切な制御上の符号を設定する。具体的には、モータ駆動システム１００が力行状態である場合には正の符号を設定し、回生状態である場合には負の符号を設定する。

モータ駆動システム１００が力行状態であるか回生状態であるかは、モータジェネレータ１０の回転方向（モータ回転数Ｎｍの符号）およびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの符号に基づいて判定される。具体的には、制御装置４０は、「モータジェネレータ１０の回転方向が正方向であり、かつ、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが正の符号（モータジェネレータ１０を正回転させるためのトルク指令値）である場合」にモータ駆動システム１００が力行状態であると判定する。また、制御装置４０は、「モータジェネレータ１０の回転方向が負方向であり、かつ、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが負の符号（モータジェネレータ１０を負回転させるためのトルク指令値）である場合」にモータ駆動システム１００が力行状態であると判定する。制御装置４０は、「モータジェネレータ１０の回転方向が正方向であり、かつ、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが負の符号である場合」にモータ駆動システム１００が回生状態であると判定する。また、制御装置４０は、「モータジェネレータ１０の回転方向が負方向であり、かつ、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが正の符号である場合」にモータ駆動システム１００が回生状態であると判定する。

制御上の符号を設定することにより、トルクに代えて電流振幅を用いたフィードバック制御が可能となる。制御上の符号を設定した電流振幅をフードバック制御することにより、回転角センサ６５の検出角度のズレの影響を受けずにモータジェネレータ１０の出力トルクを制御することができる。

しかしながら、図３から認識し得るように、トルクが小さい所定領域（０Ｎｍ付近、たとえば−Ｔ１からＴ２の範囲）では、トルク変化量に対する電流振幅の変化量が小さくなっている。すなわち、所定領域における実線Ｇ１の接線の傾きは、所定領域外における実線Ｇ１の接線の傾きよりも小さくなっている。上述のとおり、トルク変化量に対する電流振幅の変化量が小さいと、電流振幅の僅かな演算誤差等に起因して出力トルクが大きく変動してしまい、トルク指令値に対する出力トルクの出力精度が低下してしまう可能性がある。図４を用いて一例を説明する。

図４を参照して、トルクがＴ２より大きい領域において変化量ΔＴのトルク変化があった場合（Ｔａ１からＴａ２への変化、Ｔ２＜Ｔａ１＜Ｔａ２）、電流振幅の変化量はΔＡ１である。この場合には、トルク変化量ΔＴに対する電流振幅の変化量ΔＡ１が十分大きい。それゆえに、電流振幅を算出し、算出した電流振幅をフィードバックして矩形波電圧の電圧位相を制御することにより、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに従ったトルクを精度よく出力することができる。

一方、第１象限において、トルクがＴ２以下の領域（所定領域）において変化量ΔＴのトルク変化があった場合（Ｔｂ１からＴｂ２への変化、０＜Ｔｂ１＜Ｔｂ２＜Ｔ２）、電流振幅の変化量はΔＡ２である。この場合には、トルク変化量ΔＴに対する電流振幅の変化量ΔＡ２が小さい。それゆえに、電流振幅を用いてトルク制御しようとした場合、電流振幅の僅かな演算誤差等に起因して出力トルクが大きく変動してしまい、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに対する出力トルクの出力精度が低下してしまう可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、算出した電流振幅に補正係数を乗算することにより、所定領域におけるトルク変化量に対する電流振幅の変化量が大きくなるように補正する。

図５は、補正係数を説明するための図である。図５には、モータジェネレータ１０が正回転している場合に適用される補正係数が示されている。図５の横軸にはトルクが示され、縦軸には補正係数が示されている。

トルクが−Ｔ１以下の場合には、−１の補正係数が適用される。すなわち、トルクが所定領域になく、かつ、モータ駆動システム１００が回生状態である場合には、電流振幅に−１の補正係数を乗算することにより、電流振幅に負の符号が設定される。

トルクが−Ｔ１より大きく、かつ、Ｔ２より小さい場合、すなわちトルクが所定領域にある場合には、−１より大きく１より小さい補正係数を電流振幅に乗算する。より具体的には、トルクが−Ｔ１より大きく、かつ、０より小さい場合には、電流振幅に−１より大きく０より小さい負の補正係数を乗算する。これにより、トルクが所定領域にあり、かつ、モータ駆動システム１００が回生状態である場合には、電流振幅に負の符号が設定されるとともに、電流振幅が補正される。トルクが０より大きく、かつ、Ｔ２より小さい場合には、電流振幅に０より大きく１より小さい正の補正係数を乗算する。これにより、トルクが所定領域にあり、かつ、モータ駆動システム１００が力行状態である場合には、電流振幅に正の符号が設定されるとともに、電流振幅が補正される。

トルクがＴ２以上の場合には、１の補正係数が適用される。すなわち、トルクが所定領域になく、かつ、モータ駆動システム１００が力行状態である場合には、電流振幅に１の補正係数を乗算することにより、電流振幅に正の符号が設定される。

以上を纏めると、モータ駆動システム１００が以下の（１），（２）の処理を実行可能に構成されることにより、電流振幅のフィードバック制御によって出力トルクの出力精度を向上させることができる。

（１）モータ駆動システム１００が力行状態であるか回生状態であるかによって、電流振幅に制御上の符号を設定する。モータ駆動システム１００が力行状態である場合には正の符号を設定し、回生状態である場合には負の符号を設定する。（２）出力トルクが所定領域にある場合の、トルク変化量に対する電流振幅の変化量が大きくなるように、電流振幅を補正する。

上記（１），（２）の処理は、算出した電流振幅に図５で説明した補正係数を乗算する演算処理により実現することができる。

電流振幅に補正係数を乗算することにより、図３に示すように、トルクに応じて電流振幅を実線Ｇ１，Ｇ２および破線Ｇ３で表わすことができる。具体的には、トルクが−Ｔ１以下の領域において電流振幅は実線Ｇ２で表わされ、トルクが−Ｔ１より大きく、かつ、Ｔ２より小さい領域（所定領域）において電流振幅は破線Ｇ３で表わされ、トルクがＴ２以上の領域において電流振幅は実線Ｇ１で表わされる。

上記により、モータジェネレータ１０が正回転しており、かつ、モータ駆動システム１００が回生状態である場合には、電流振幅に制御上の負の符号を設定することができるので、電流振幅からモータジェネレータ１０が負のトルクを出力していることを示すことが可能となる。また、モータジェネレータ１０が正回転しており、かつ、モータ駆動システム１００が力行状態である場合には、電流振幅に制御上の正の符号を設定することができるので、電流振幅からモータジェネレータ１０が正のトルクを出力していることを示すことが可能となる。

そして、所定領域においては、実線Ｇ３で電流振幅を表わすことができる。再び図４を参照して、第１象限において、トルクがＴ２以下の領域（所定領域）において変化量ΔＴのトルク変化があった場合（Ｔｂ１からＴｂ２への変化、０＜Ｔｂ１＜Ｔｂ２＜Ｔ２）を考えると、このときの電流振幅の変化量はΔＡ３である。図４から認識し得るように、電流振幅の変化量ΔＡ３は、補正前の電流振幅の変化量ΔＡ２よりも大きい。つまり、補正係数を乗算して電流振幅を補正することにより、トルク変化量に対する電流振幅の変化量を大きくすることができる。それゆえに、トルクが所定領域にある場合においても、電流振幅を算出し、算出した電流振幅をフィードバックして矩形波電圧の電圧位相を制御することにより、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに従ったトルクを精度よく出力することができる。

なお、上記では、モータジェネレータ１０が正回転している場合について説明したが、モータジェネレータ１０が負回転している場合についても同様の考え方を適用することができる。説明は繰り返さないが、モータジェネレータ１０が負回転している場合には、図６に示す補正係数を用いることができる。

＜補正マップ＞
図７は、補正係数を決定するための補正マップの一例を示す図である。補正マップは、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍ、システム電圧ＶＨ、およびモータ回転数Ｎｍを引数として、補正係数を決定するための３次元マップである。補正マップは、実験結果、シミュレーション結果またはモータ駆動システム１００の仕様等に基づいて予め定められ、制御装置４０の図示しないメモリに記憶される。

図８は、矩形波電圧制御における制御装置４０の機能ブロック図である。図８を参照して、制御装置４０は、回転数演算部４０１と、電流振幅指令生成部４０２と、補正部４０３と、電流振幅演算部４０４と、補正部４０５と、減算器４０６と、フィードバック（ＦＢ）項演算部４０７と、フィードフォワード（ＦＦ）項演算部４０８と、加算器４０９と、矩形波発生部４１０と、信号発生部４１１とを含む。

回転数演算部４０１は、回転角センサ６５からの出力に基づいて、モータジェネレータ１０の回転数（モータ回転数）Ｎｍを算出する。回転数演算部４０１が算出したモータ回転数Ｎｍは、電流振幅指令生成部４０２および補正部４０５に入力される。

電流振幅指令生成部４０２は、予め定められた第１マップを用いて電流振幅指令を生成し、生成した電流振幅指令を補正部４０３に出力する。第１マップは、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍから電流振幅指令を算出するための３次元マップである。電流振幅指令生成部４０２には、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが入力される。電流振幅指令生成部４０２は、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを引数として、第１マップを用いて、電流振幅指令を生成する。なお、第１マップは、実験結果、シミュレーション結果またはモータ駆動システム１００の仕様等に基づいて予め定めておくことができる。

補正部４０３は、電流振幅指令生成部４０２から受けた電流振幅指令に補正係数を乗算して、電流振幅指令を補正する。なお、以下においては、補正された電流振幅指令を「補正電流振幅指令」とも称する。補正部４０３は、補正電流振幅指令を減算器４０６に出力する。具体的には、補正部４０３には、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが入力される。なお、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍについては、電流振幅指令生成部４０２から受けてもよいし、電圧センサ２３、回転数演算部４０１および上位ＥＣＵからそれぞれ受けてもよい。補正部４０３は、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを引数として、補正マップを用いて、補正係数を決定する。補正部４０３は、電流振幅指令生成部４０２から受けた電流振幅指令に補正係数を乗算して、補正電流振幅指令を算出する。

電流振幅演算部４０４は、電流センサ６０および回転角センサ６５の出力に基づいて電流振幅を算出する。そして、電流振幅演算部４０４は、算出した電流振幅を補正部４０５に出力する。具体的には、電流振幅演算部４０４は、回転角センサ６５によって検出されたモータジェネレータ１０の回転角θを用いた座標変換（３相から２相）により、電流センサ６０によって検出されたＵ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗを基に、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑを算出する。電流振幅演算部４０４は、算出したｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに基づいて、電流振幅を算出する。電流振幅演算部４０４は、電流ベクトルの大きさ、すなわち、√｛（Ｉｄ）^２＋（Ｉｑ）^２｝を電流振幅として算出する。より具体的に図９を用いて説明する。

図９は、矩形波電圧制御における電圧ベクトルおよび電流ベクトルの軌跡を示す図である。矩形波電圧制御においては、電圧ベクトルおよび電流ベクトルの軌跡は、図９に示す軌跡をたどる。

電流ベクトルの軌跡は、以下のようにして求めることができる。
ｄｑ軸平面での電圧方程式は、以下の式（３）で与えられることが知られている。

Ｖｄはｄ軸電圧であり、Ｖｑはｑ軸電圧であり、Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑは、モータジェネレータ１０の回路定数パラメータである。具体的には、Ｒは１相の抵抗値、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Φはロータの永久磁石による磁束である。また、ωはモータジェネレータ１０の回転角速度である。

ここで、ｄｑ軸の電流が一定とみなせる定常状態においては、過渡項である、「Ｌｄ（ｄＩｄ／ｄｔ）」および「Ｌｑ（ｄＩｑ／ｄｔ）」の項はゼロとみなすことができる。また、「ＲＩｄ」および「ＲＩｑ」の項は、「−ωＬｑＩｑ」および「ωＬｄＩｄ」の項に対して値が微少である。これらを考慮すると、上記式（３）は、以下の式（４）のように近似することができる。

また、矩形波電圧制御中のＶｄおよびＶｑは、以下の式（５）のように表わすことができる。

Ｖｒは変調率であり、θｖはｑ軸基準の電圧位相である。
上記式（５）を上記式（４）に代入して、電圧振幅の２乗（Ｖｄ^２＋Ｖｑ^２）を計算して整理すると、以下の式（６）を得ることができる。

式（６）により、図９に示す電流ベクトルの軌跡を求めることができる。矩形波電圧制御においては、電流ベクトルの軌跡は図９に示す軌跡をたどるので、仮に回転角センサ６５の検出角度にズレが生じたとしても、電流ベクトルの大きさには影響しない。

再び図８を参照して、補正部４０５は、電流振幅演算部４０４から受けた電流振幅に補正係数を乗算して、電流振幅を補正する。なお、以下においては、補正された電流振幅を「補正電流振幅」とも称する。補正部４０５は、補正電流振幅を減算器４０６に出力する。具体的には、補正部４０５には、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが入力される。補正部４０５は、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを引数として、上述の補正マップを用いて、補正係数を決定する。補正部４０５は、電流振幅演算部４０４から受けた電流振幅に、決定した補正係数を乗算して、補正電流振幅を算出する。なお、補正部４０５は、上述の補正部４０３から補正係数を受け、当該補正係数を用いて電流振幅を補正してもよい。

減算器４０６は、補正電流振幅指令から補正電流振幅を減算して、指令値に対する実値の偏差（以下「電流振幅偏差」とも称する）を算出する。減算器４０６は、電流振幅偏差をＦＢ項演算部４０７に出力する。

ＦＢ項演算部４０７は、減算器４０６から電流振幅偏差を受ける。ＦＢ項演算部４０７は、電流振幅偏差について所定ゲインによるＰＩ（比例積分）演算を行なって制御偏差を求め、この制御偏差に応じた電圧位相偏差Δθｖを生成する。ＦＢ項演算部４０７は、生成した電圧位相偏差Δθｖを加算器４０９に出力する。

ＦＦ項演算部４０８は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと予め定められた第２マップとを用いて電圧位相指令θｖ１を生成し、生成した電圧位相指令θｖ１を加算器４０９に出力する。第２マップは、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと電圧位相指令θｖ１との関係を定めたマップである。ＦＦ項演算部４０８には、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが入力される。ＦＦ項演算部４０８は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを引数として、第２マップを用いて、電圧位相指令θｖ１を生成する。なお、第２マップは、実験結果、シミュレーション結果またはモータ駆動システム１００の仕様等に基づいて予め定めておくことができる。

加算器４０９は、ＦＦ項演算部４０８から入力される電圧位相指令θｖ１に、ＦＢ項演算部４０７から入力される電圧位相偏差Δθｖを加算して電圧位相指令θｖ（＝θｖ１＋Δθｖ）を生成する。加算器４０９は、生成した電圧位相指令θｖを矩形波発生部４１０に出力する。

矩形波発生部４１０は、加算器４０９から受けた電圧位相指令θｖに従って、各相電圧指令値（矩形波パルス）Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを発生する。

信号発生部４１１は、各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに従ってスイッチング制御信号Ｓ３からＳ８を発生する。インバータ２２がスイッチング制御信号Ｓ３からＳ８に従ったスイッチング動作を行なうことにより、電圧位相指令θｖに従った矩形波パルスが、モータの各相電圧として印加される。

＜制御装置において実行される処理＞
図１０は、制御装置４０で実行される処理の手順を示すフローチャートである。図１０に示すフローチャートは、所定の制御周期毎に制御装置４０によって繰り返し実行される。なお、図１０に示すフローチャートの各ステップ（以下ステップを「Ｓ」と略す）は、制御装置４０によるソフトウェア処理によって実現される場合について説明するが、その一部あるいは全部が制御装置４０内に作製されたハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。

制御装置４０は、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを引数として、第１マップを用いて、電流振幅指令を算出する（Ｓ１）。

また、制御装置４０は、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを引数として、補正マップを用いて、補正係数を決定する（Ｓ３）。

制御装置４０は、Ｓ１で算出した電流振幅指令を補正する（Ｓ５）。具体的には、制御装置４０は、Ｓ１で算出した電流振幅指令に、Ｓ３で決定した補正係数を乗算し、補正電流振幅指令を算出する。

さらに、制御装置４０は、電流センサ６０および回転角センサ６５の検出値に基づいて、実際の電流振幅を算出する（Ｓ７）。

制御装置４０は、Ｓ７で算出した電流振幅を補正する（Ｓ９）。具体的には、制御装置４０は、Ｓ７で算出した電流振幅に、Ｓ３で決定した補正係数を乗算し、補正電流振幅を算出する。

制御装置４０は、Ｓ５で算出した補正電流振幅指令からＳ９で算出した補正電流振幅を減算し、電流振幅偏差を算出する（Ｓ１１）。

制御装置４０は、算出した電流振幅偏差について所定ゲインによるＰＩ演算を行なって制御偏差を求め、この制御偏差に応じた電圧位相偏差Δθｖを算出する（Ｓ１３）。

制御装置４０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを引数として、第２マップを用いて、電圧位相指令θｖ１を算出する（Ｓ１５）。

制御装置４０は、Ｓ１５で算出した電圧位相指令θｖ１に、Ｓ１３で算出した電圧位相偏差Δθｖを加算して、電圧位相指令θｖを算出する（Ｓ１７）。そして、制御装置４０は、電圧位相指令θｖに基づいて、インバータ２２を制御する（Ｓ１９）。

以上のように本実施の形態に係るモータ駆動システム１００においては、矩形波電圧制御において、電流振幅指令と電流振幅との偏差を用いて矩形波電圧の位相が調整される。電流振幅は、電流ベクトルの大きさとして計算されるため、回転角センサの検出角度にズレが生じていたとしても、その影響を受けない。電流振幅指令と電流振幅との偏差（電流振幅偏差）が小さくなるように矩形波電圧の位相を調整することにより、回転角センサ６５の検出角度にズレが生じたとしても、当該ズレがモータジェネレータ１０の出力トルクの出力精度に影響を与えることを抑制することができる。

また、電流振幅偏差の算出にあたり、電流振幅指令および電流振幅は、補正係数を用いて補正される。モータジェネレータ１０の出力トルクが小さい領域（所定領域）では、トルク変化量に対する電流振幅の変化量が小さい。そのため、トルク指令値が小さい場合には、電流振幅を用いたフィードバック制御を行なうと、電流振幅の僅かな演算誤差等でトルクが大きく変動してしまい、出力トルクの出力精度が低下してしまうことが懸念される。本実施の形態に係るモータ駆動システム１００においては、補正係数を用いて電流振幅指令および電流振幅を補正することにより、トルク変化量に対する電流振幅の変化量を大きくする。これにより、電流振幅の演算誤差等に起因して出力トルクが大きく変動することを抑制することができる。それゆえに、モータジェネレータ１０の出力トルクの出力精度を向上させることができる。

（変形例）
実施の形態においては、モータ駆動システム１００のＰＣＵ２０が、コンデンサＣ１と、昇降圧コンバータ２１と、コンデンサＣ２と、インバータ２２と、電圧センサ２３とを含む例について説明した。しかしながら、ＰＣＵ２０が昇降圧コンバータ２１を備えることは必須ではない。ＰＣＵ２０の昇降圧コンバータ２１は、省略してもよい。ＰＣＵ２０の昇降圧コンバータ２１を省略したモータ駆動システムにおいても、実施の形態と同様の効果を奏することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ モータジェネレータ、２０ ＰＣＵ、２１ 昇降圧コンバータ、２２ インバータ、２３ 電圧センサ、３０ バッテリ、３５ 監視ユニット、４０ 制御装置、６０ 電流センサ、６５ 回転角センサ、１００ モータ駆動システム、４０１ 回転数演算部、４０２ 電流振幅指令生成部、４０３ 補正部、４０４ 電流振幅演算部、４０５ 補正部、４０６ 減算器、４０７ フィードバック（ＦＢ）項演算部、４０８ フィードフォワード（ＦＦ）項演算部、４０９ 加算器、４１０ 矩形波発生部、４１１ 信号発生部、Ｃ１ コンデンサ、Ｃ２ コンデンサ、ＳＲ１，ＳＲ２ システムメインリレー、ＮＬ，ＰＬ１，ＰＬ２ 電力線。

Claims (1)

1. モータジェネレータを駆動するためのインバータを備えたモータ駆動システムであって、
   前記モータジェネレータに流れる電流を検出する電流センサと、
   前記モータジェネレータの回転角を検出する回転角センサと、
   前記インバータに入力されるシステム電圧を検出する電圧センサと、
   前記モータジェネレータに、電圧位相指令に基づく矩形波電圧を印加する矩形波電圧制御において、電流振幅指令と電流振幅との偏差を用いて前記電圧位相指令を調整するフィードバック制御を実行する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記回転角を用いて、前記モータジェネレータの回転速度を算出し、
   トルク指令値、前記システム電圧および前記回転速度を用いて前記電流振幅指令を算出し、
   前記回転角および前記電流を用いて、前記電流振幅を算出し、
   前記トルク指令値、前記システム電圧および前記回転速度を用いて補正係数を算出し、
   前記補正係数を用いて、前記電流振幅指令および前記電流振幅を補正する、モータ駆動システム。

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