JP2022020123A - 車両用回転電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用回転電機およびその制御に使用される制御装置の異常の種類に対応して、車両用回転電機から車両への悪影響の度合いを抑制することが可能な適応制御を行えるようにする。【解決手段】車両用回転電機３０の電気的挙動に影響を及ぼす第１の異常および車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第２の異常を検出するコントローラ２４を備え、コンバータConvはロータ巻線Ｃｒの正極側の第１のスイッチング素子２３０とロータ巻線の負極側の第２のスイッチング素子２３３を有し、コントローラは、車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第１の異常を検出した場合に第１の電流遮断制御によってロータ巻線に流れる電流を前記電気的挙動に対処するように制御するとともに、車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第２の異常を検出した場合に第２の電流遮断制御によってロータ巻線に流れる電流を前記力学的挙動に対処するように制御する。【選択図】図１

Description

本願は、直流電源からインバータ回路を介して給電されるステータ巻線と前記直流電源からコンバータを介して給電されるロータ巻線を備えた車両用回転電機の制御装置に関するものである。

車両用回転電機に使用されるロータは、巻線を巻いてその巻線に電流を流すことにより磁界を発生させる巻線型ロータと、巻線を巻かずに永久磁石等を使用して磁界を発生させる永久磁石型ロータとに分類される。これらロータの何れにおいても、ロータが発生する磁界によって、ステータに誘起電圧を発生させることで、車両用回転電機の所望の出力を得ることができる。
永久磁石型ロータを有する車両用回転電機において、異常が発生した場合に、異常によって引き起こされる車両用回転電機の意図しない挙動を回避するための手段と、巻線型ロータを有する車両用回転電機において、異常が発生した場合に、異常によって引き起こされる車両用回転電機の意図しない挙動を回避するための手段とは異なる。

例えば、特許文献１の電動パワーステアリング装置は、永久磁石型ロータを有する車両用回転電機を備えるものであり、インバータと車両用回転電機のステータ巻線との間に接続された３つの異常用のリレーを用いることで、車両用回転電機に異常が発生した場合に、ステータに流れる電流を遮断し、車両用回転電機の意図しない挙動を回避する手段が記載されている。

特開２００９－２７４６８６号公報

特許文献１では、永久磁石型ロータが発生する磁界を変化させることが難しいため、モータ相電流をモータに供給する供給路にＦＥＴを設け、インバータに異常が発生した場合に、インバータを構成するＦＥＴ及び供給路に設けられたＦＥＴを開放するようにしており、通常制御で使用する第２のＦＥＴ（インバータを構成する６個のＦＥＴ）だけでなく異常時にＯＦＦに制御されモータ相電流を遮断する第１のＦＥＴ群（モータ相電流をモータに供給する各相供給路に設けられた計３個のＦＥＴ）を有するリレーが、異常対応制御のために特別に必要となる。

これに対して、巻線型ロータでは、車両用回転電機の異常発生時に、ロータ巻線に流れるロータ電流を止めることで車両用回転電機の意図しない挙動を回避することが可能である。すなわち、巻線型ロータを使用することで、上記特許文献１のようにインバータと車両用回転電機の間に異常用のリレーの主回路要素（モータ相電流をモータに供給する各相供給路に設けられた計３個のＦＥＴ）を設ける必要がなく、また、ロータ電流を制御するための定常時の通常運転制御でも使用されるスイッチング素子を、車両用回転電機の意図しない挙動を回避する場合にも使用する構成とすれば、永久磁石型ロータの回転電機を特許文献１のように異常時制御のためのリレー回路を別途設ける必要が無い。

さらに、車両用回転電機およびその制御に使用される制御装置の異常としては、瞬時に電流を止める必要性のある異常、または、その必要性のない異常など、異常の種類によって車両への悪影響の度合いが異なる。すなわち、車両用回転電機およびその制御に使用される制御装置の異常の種類によって、車両に影響を及ぼさない安全状態に至るまでの許容時間、の要求値は異なる。従って、このような点に鑑みて、車両用回転電機およびその制御に使用される制御装置の異常の種類に対応して、車両への悪影響の度合いを抑制することが可能な適応制御を行えるようにすることが好ましい。

本願の目的は、車両用回転電機およびその制御に使用される制御装置の異常の種類に対応して車両への悪影響の度合いを抑制することが可能な適応制御を行えるようにすることにある。

本願に開示される車両用回転電機の制御装置は、
直流電源からインバータ回路を介して給電されるステータ巻線と前記直流電源からコンバータを介して給電されるロータ巻線を備えた車両用回転電機の制御装置であって、
前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第１の異常および前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第２の異常を検出するコントローラを備え、
前記コンバータは前記ロータ巻線の正極側の第１のスイッチング素子と前記ロータ巻線の負極側の第２のスイッチング素子を有し、
前記コントローラは、前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第１の異常を検出した場合に第１の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を前記電気的挙動に対処するように制御するとともに、前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第２の異常を検出した場合に第２の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を前記力学的挙動に対処するように制御するものである。

本願に開示される車両用回転電機の制御装置によれば、車両用回転電機およびその制御に使用される制御装置の異常の種類に対応して、車両への悪影響の度合いを抑制することが可能な適応制御を行える。

本願の実施の形態１による車両用回転電機の制御装置の全体構成を例示する概略構成図である。 本願の実施の形態１に係る車両用回転電機の制御装置における相互に異なる第１の異常および第２の異常に対応する制御動作の事例を、フローチャートを使って説明するための動作説明図ある。 本願の実施の形態１に係る車両用回転電機の制御装置における第１の異常に対して第１のロータ電流遮断制御方式を用いた場合の各部の出力波形を例示する図である。 本願の実施の形態に係る車両用回転電機の制御装置における第２のロータ電流遮断制御方式を用いた各部出力波形図である。 本願の実施の形態に係る車両用回転電機の制御装置における、異常発生時に全相開放を用いた場合の、車両用回転電機３０の回転数に対する発電量の波形を例示する図である。 本願の実施の形態に係る車両用回転電機の制御装置における、異常発生時に三相短絡を用いた場合の、車両用回転電機３０の回転数に対する回生トルクの波形を例示する図である。 本願の実施の形態２による車両用発電電動機における全体構成を示す概略構成図である。 本願の実施の形態２に係る車両用回転電機の制御装置、および、これを用いた車両用発電電動機の制御装置における、第１の異常および第２の異常に対して、第３の異常を加えた場合の動作の事例をフローチャートを使って説明するための動作説明図である。 本願の実施の形態１および実施の形態２に係る車両用回転電機の制御装置におけるコントローラのシステム構成を概略的に例示するシステム構成図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る車両用回転電機の制御装置の実施の形態１を、図１から４を用いて説明する。
図１は、本願の実施の形態による車両用回転電機の制御装置における全体構成を示す概略構成図である。
図１において直流電源１０は、車両用回転電機の出力制御部２０（以下「出力制御部２０」と記す）と接続され、出力制御部２０のステータ電流制御部２１およびロータ電流制御部２３と電力授受を行う。直流電源１０は、バッテリー、DCDCコンバータ、など、直流電圧を生成する全ての機器が該当する。

出力制御部２０は、ステータ電流制御部２１と、ロータ電流制御部２３と、これらステータ電流制御部２１およびロータ電流制御部２３を制御するためのコントローラ２４と、により構成され、直流電源１０と車両用回転電機３０の間で電気的エネルギと力学的エネルギとの変換を行う。

車両用回転電機３０は、ステータ巻線Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｗを有するステータ３１と、ロータ巻線Ｃｒを有するロータ３２とを備え、ロータ３２の回転位置を検出するための回転位置検出センサ３３が設けられている。なお、回転位置検出センサを使用せず、ステータ巻線Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｗを流れる電流などを用いてロータ３２の回転位置を推定してもよい。

ステータ電流制御部２１は、６個のスイッチング素子２１０から２１５が三相ブリッジ接続されたインバータ回路Invと、平滑コンデンサ２１６と、ステータ電流センサ２１７～２１９と、電圧センサ２２０で構成される。

インバータ回路Invは、図１に例示のように、直流電源１０の正極側に接続される正極側のスイッチング素子２１０，２１２，２１４と、直流電源１０の負極側に接続される負極側のスイッチング素子２１１，２１３，２１５と、が直列接続された直列回路が、３相各相のステータ巻線Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｗに対応して３組設けられている。各直列回路における２つのスイッチング素子の接続点が、対応する相のステータ巻線Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｗに接続される。

具体的には、Ｕ相の直列回路では、Ｕ相の正極側のスイッチング素子２１０とＵ相の負極側のスイッチング素子２１１とが直列接続され、これら２つのスイッチング素子２１０，２１１の接続点がＵ相のステータ巻線Ｃｕに接続されている。
Ｖ相の直列回路では、Ｖ相の正極側のスイッチング素子２１２とＶ相の負極側のスイッチング素子２１３とが直列接続され、これら２つのスイッチング素子２１２，２１３の接続点がＶ相のステータ巻線Ｃｖに接続されている。
Ｗ相の直列回路では、Ｗの正極側のスイッチング素子２１４とＷ相の負極側のスイッチング素子２１５とが直列接続され、これら２つのスイッチング素子２１４，２１５の接続点がＷ相の交流電機子巻線Ｃｗに接続されている。
スイッチング素子２１０から２１５としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体スイッチとダイオードとを逆並列に接続したものを用いる。本実施の形態では代表してＭＯＳＦＥＴを使用した場合を例示する。

平滑コンデンサ２１６は、直流電源１０に並列に接続され、母線電流の変動を抑制して安定した直流電流を実現する。
ステータ電流センサ２１７，２１８，２１９は、ステータ電流制御部２１のインバータ回路Invと車両用回転電機３０のステータ巻線Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｗとの間に接続され、ステータ巻線Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｗに流れるそれぞれの相電流を検出するために設けられる。ここでは、ステータ電流センサ２１７，２１８，２１９は、インバータ回路Invとステータ巻線Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｗとの間に配置されているが、直流電源１０とインバータ回路Invとの間に配置されていてもよく、また、インバータ回路Invを構成するスイッチング素子に対して直列に挿入したりするなど、他の形態のセンサで検出してもよい。特に、図１に例示の本実施の形態の位置にステータ電流センサ２１７，２１８，２１９を配置することで、スイッチング素子の状態に関係なく電流を検出することができる。
電圧センサ２２０は、直流電源１０の正極側と同電位点、すなわちインバータ回路Invへの供給電圧を検出する。

図１に例示のように、ロータ電流制御部２３は、例えば、第１のダイオード素子２３１、第２のダイオード素子２３２、第１のスイッチング素子２３０、第２のスイッチング素子２３３から構成されるコンバータ回路Convおよび、ロータ電流センサ２３４で構成されている。
直流電源１０の正極側と接続された第１のスイッチング素子２３０と、負極側と接続された第１のダイオード素子２３１との接続点は、ロータ巻線Ｃｒの一端に接続される。直流電源１０の正極側と接続された第２のダイオード素子２３２と、負極側と接続された第２のスイッチング素子２３３との接続点は、ロータ電流センサ２３４を介してロータ巻線Ｃｒの他端に接続される。ここでは、第１のダイオード素子２３１および第２のダイオード素子２３２を使用したが、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子でも構わない。また、第１のスイッチング素子２３０および第２のスイッチング素子２３３は、スイッチング素子２１０から２１５と同様に、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチとダイオードとを逆並列に接続したものであれば、どのようなスイッチング素子でも構わない。
また、ロータ電流センサ２３４は、コンバータ回路Convとロータ巻線Ｃｒの間に配置することで、ロータに流れる電流を検出する。特に、本実施の形態の位置に配置することで、スイッチング素子の状態に関係なく電流を検出することができる。

コントローラ２４は、ステータ電流制御部２１、ロータ電流制御部２３および車両用回転電機３０に搭載されている各種センサ３３，２１７，２１８，２１９，２２０，２３４の各センサ値を検出し、検出した各センサ値とトルク指令値とに基づきステータ電流制御部２１への出力信号およびロータ電流制御部２３への出力信号を演算する。このコントローラ２４による演算によって得られた出力信号に基づいて、インバータ回路Invの各スイッチング素子２１０から２１５、およびコンバータ回路Convの各スイッチング素子２３０、２３３に、必要なゲート信号を出力する。
なお、各センサおよびスイッチング素子と、コントローラ２４との間の制御線は、煩雑になることを避けるために図示を省略してある。また、本実施の形態ではコントローラ２４への上位指令の例としてトルク指令値を例示してあるが、例えば、インバータ回路の電圧、インバータ回路から直流電源に流れる発電電流、など他のものを指令値としてもよい。

ロータ巻線Ｃｒに流れる電流の制御は、コンバータ回路Convを構成するスイッチング素子２３０および２３３を用いて行われる。定常時の通常動作制御時には、第１のスイッチング素子２３０、第２のスイッチング素子２３３のいずれか一方でオンレベルを維持するように制御し、もう一方のスイッチング素子でデューティ比信号による制御を行う。デューティ比信号が入力されるスイッチング素子を用いたデューティ制御によって、ロータ巻線Ｃｒに流れる電流を制御する。
車両用回転電機３０およびその制御装置に異常が発生した場合のロータ巻線Ｃｒに流れる電流の制御方式は後述する。

また、コントローラ２４には、少なくともステータ電流制御部２１、ロータ電流制御部２３、車両用回転電機３０、上位指令との通信情報、を含む異常検出対象の異常を検出する異常検出部４０が設けられており、トルク指令値と、出力制御部２０で検出されるステータ電流値、ロータ電流値、直流電源１０の電圧値、回転位置検出センサ３３によって得られる回転情報と、およびこれら検出値を使用して演算される巻線型ロータ３２の出力トルクのトルク演算値、等が異常検出部４０で監視される。

本実施の形態では、上記異常検出部４０で判定される異常の種類によって、異なる仕方の電流遮断制御が行われる車両用回転電機の制御装置を提供している。
そこで、本実施の形態について、出力制御部２０に搭載されるステータ電流制御部２１およびロータ電流制御部２３を有する車両用回転電機における異常の種類と電流の止め方、電流制御の仕方との関係性に基づき以下に詳細に説明する。

異常検出部４０で検出される異常は、電気的挙動に影響を及ぼす第１の異常と、力学的挙動に影響を及ぼす第２の異常と、に分類できる。
第１の異常は、直流電源１０および出力制御部２０の出力電圧または出力電流に起因する異常を指す。
第２の異常は、車両用回転電機３０の出力トルクに影響を与える異常を指す。

第１の異常の例として、電圧センサ２２０の出力が実際の直流電源１０の電圧値よりも小さい値を示す場合を考える。その場合、コントローラ２４がこの電圧センサ値をフィードバックして、より大きな電圧を出力する制御を行うことになり、直流電源１０の電圧値が所定の値よりも高くなる過電圧異常が考えられる。この過電圧異常が継続した場合、直流電源１０の温度上昇に伴う直流電源１０の故障、等の原因となる。また、直流電源１０が、例えば、ヘッドライト、電動パワーステアリング、エアコンのような電装品に電力を供給していた場合は、そのような電装品にも定格以上の電圧が印加され、故障を引き起こす恐れがある。そのため、直流電源１０の電圧値を低減させる対策を施す必要性がある。
しかし、この第１の異常（過電圧異常）に対して、瞬時に電流を遮断させた場合、特に、ロータ巻線Ｃｒに流れているロータ電流を、スイッチング素子２３０および２３３で遮断させた場合は、流れている電流経路を失い、瞬時に直流電源１０へ流れ込むことになるため、電圧サージを引き起こす原因となり、直流電源１０のさらなる電圧値の上昇を伴う。すなわち、過電圧異常のような電気的挙動に関する第１の異常が発生した場合は、電圧の急峻な変化を抑制しながら電流を遮断する必要性がある。

第２の異常の一例として、出力トルクにトルク異常が発生した場合を考える。その場合、車両用回転電機３０が急加減速する可能性があり、車両のドライバーが意図するような操縦が行えない状況に陥る可能性は排除する必要がある。そのため、出力トルクのような力学的挙動に影響を与える第２の異常が発生した場合は、瞬時に電流を遮断し出力トルクを抑える必要性がある。

つまり、車両用回転電機およびその制御装置の異常の種類により、異常検出部４０による異常の検知から、車両に影響を及ぼさない安全状態に至るまでの許容時間が異なる。すなわち、異常発生時に、それぞれの異常に対して、安全状態に至るまでの許容時間を満たしながら、異常に起因する車両用回転電機３０の挙動と制御上の安全性を考慮した最適な電流遮断手段が要求される。

以上のような異常に対して、本実施の形態では、第１のロータ電流遮断制御方式および第２のロータ電流遮断制御方式を有する。
第１のロータ電流遮断制御方式は、電圧サージを抑制しながら緩やかに電流を遮断する手段であり、第１の異常が発生した場合に適用される。

第１のロータ電流遮断制御方式は、第１のスイッチング素子２３０または第２のスイッチング素子２３３のいずれか一方を用いて電流を止める手段である。具体的には、コントローラ２４が、デューティ制御が行われるスイッチング素子（第１のスイッチング素子２３０または第２のスイッチング素子２３３のいずれか一方）をゲート制御で開放（ＯＦＦ）してロータ巻線Ｃｒの電流を徐々に減少させながら遮断する。

第２のロータ電流遮断制御方式は、電流を高速遮断する手段であり、第２の異常が発生した場合に適用される。第２のロータ電流遮断制御方式は、第１スイッチング素子２３０、第２のスイッチング素子２３３の両方を用いて電流を遮断する。具体的には、コントローラ２４が、第１のスイッチング素子２３０および第２のスイッチング素子２３３（いずれか一方のスイッチング素子がデューティ制御される）のゲート制御を行って第１のスイッチング素子２３０および第２のスイッチング素子２３３の双方を高速遮断し、ロータ巻線Ｃｒの通電電流（以下、「ロータ電流」と略記する）を、徐々に減少させずに高速遮断する。

上記の異常と電流遮断方式に関するコントローラ２４の動作を、フローチャートで例示の動作説明図である図２を用いて説明する。
ステップＳ１において、出力制御部２０にて得ることができる各センサ（電圧センサ２２０、ステータ電流センサ２１７から２１９、ロータ電流センサ２３４、回転位置検出センサ３３）の出力値を検出する。
ステップＳ２において、ステップＳ１で検出された各センサの出力値に基づいて、異常検出部４０にて異常状態を演算する。
ステップＳ３において、ステップＳ２の結果が力学的挙動に影響を及ぼす異常であるかどうかを判定する。
ステップＳ３における判定結果が、力学的挙動に影響を及ぼす異常である場合にはステップＳ４における第２のロータ電流遮断制御方式を実施し、力学的挙動に影響を及ぼす異常ではない場合にはステップＳ５に進む。

ステップＳ５において、ステップＳ２における異常状態の演算の結果が、電気的挙動に影響を及ぼす異常であるかどうかを判定する。ステップＳ２における異常状態の演算の結果が、電気的挙動に影響を及ぼす異常である場合にはステップＳ６の第１のロータ電流遮断制御方式（電圧サージを抑制しながら緩やかにロータ電流を遮断する方式）を実施し、電気的挙動に影響を及ぼす異常ではない場合にはステップＳ７に進み、定常時の通常制御（第１のスイッチング素子２３０または第２のスイッチング素子２３３のいずれか一方のデューティ制御）を実施する。

ステップＳ２における異常状態の演算の結果が、力学的挙動に影響を及ぼす異常ではなく且つ電気的挙動に影響を及ぼす異常ではない場合には、定常時の通常制御（第１のスイッチング素子２３０または第２のスイッチング素子２３３のいずれか一方のデューティ制御）を継続する。

次いで、以下に、第１のロータ電流遮断制御方式（電圧サージを抑制しながら緩やかにロータ電流を遮断する方式）および第２のロータ電流遮断制御方式（第１スイッチング素子２３０、第２のスイッチング素子２３３の両方を用いてロータ電流を高速遮断する方式）による各出力の低減時間の違いについて説明する。

図３は、回転しているロータ３２に電流を供給し、発電トルクを出力している正常状態から、電気的挙動に影響する異常（ここでは、過電圧状態に至る恐れのある異常）を検出し、第１のロータ電流遮断制御方式（電圧サージを抑制しながら緩やかにロータ電流を遮断する方式）を用いた場合の各出力（ロータ電流センサ２３４の出力であるロータ電流、コントローラ２４で演算された巻線型ロータ３２の出力トルク、および電圧センサ２２０の出力である電圧センサ値）を例示してある。

時間t1時に過電圧閾値Vthに達する恐れのある異常を検出する。
例えば、電圧センサ２２０の異常により、電圧センサ２２０の出力が実際の直流電源１０の電圧値よりも小さい値を示すような場合、コントローラ２４は、このセンサ値をフィードバックして、より大きな電圧を出力する制御を行うことになり、過電圧閾値Vthを超過する。
このような異常を検出する具体的な構成の一例として、電圧センサ２２０を二重で配置し、両者の差分が一定以上になった場合に異常と判定する。このような過電圧に至る異常を検出した後に、コントローラ２４は、第１のスイッチング素子２３０のみをゲート制御で開放（ＯＦＦ）し、直流電源１０からの第１のスイッチング素子２３０を介した電流供給を遮断する。

スイッチング素子２３０を開放すると、コイル巻線に流れている電流は、ロータ電流センサ２３４からスイッチング素子２３３および第１のダイオード素子２３１へ流れ、再びコイル巻線を流れる電流ループを作る。そのため、第１のスイッチング素子２３０を用いて直流電源１０からの電流供給を遮断した後も、ロータ巻線Ｃｒに流れる電流は瞬時に消失することなく減少しながら流れ続けるため、ロータ巻線Ｃｒの電流遮断に起因する電圧サージは抑制される。
また、第１のスイッチング素子２３０のみをゲート制御で開放（ＯＦＦ）した場合の前述の電流ループに起因して、出力トルクが継続的に発生するが、直流電源１０からのスイッチング素子２３０への電流は遮断されているため、ロータ電流と同様に次第に低下し、時間t2時に、ロータ電流および出力トルクの出力が完全に消失する。
電圧センサ値は、ロータ巻線Ｃｒに流れる電流の低下とともに減少し、次第に直流電源１０の定常値Vbの値で安定する。

このように、本実施の形態における第１のロータ電流遮断制御方式では、ロータ巻線Ｃｒに給電するコンバータ回路Convを構成する第１のスイッチング素子２３０および第２のスイッチング素子２３３のうちの１つのスイッチング素子のみを開放することにより、一時的な過電圧の電圧上昇を抑えながら、ロータ巻線Ｃｒの電流を遮断することが可能となる。

図４は、図３と同様の定常時の通常動作制御状態から、過電圧に至る恐れのある異常を検出した時に、第２のロータ電流遮断制御方式（第１スイッチング素子２３０、第２のスイッチング素子２３３の両方を用いてロータ電流を高速遮断する方式）を用いた場合の各出力を示す。
時間t1時に過電圧異常の閾値Vthに達する恐れのある異常を検出した場合に、第１のスイッチング素子２３０および第２のスイッチング素子２３３を同時に開放する。
ロータ巻線Ｃｒの両端のスイッチング素子（ロータ巻線Ｃｒに給電するコンバータ回路Convを構成する第１スイッチング素子２３０および第２のスイッチング素子２３３）を全て開放（ＯＦＦ）するため、ロータ巻線Ｃｒに流れるロータ電流、および、出力トルクは瞬時に低下し、時間t3に、ロータ巻線Ｃｒに流れるロータ電流は完全に遮断される。

図３に例示の第１のロータ電流遮断制御方式（電圧サージを抑制しながら緩やかにロータ電流を遮断する方式）の場合とは異なり、直流電源１０からのロータ巻線Ｃｒに流れるロータ電流の遮断後に、ロータ電流を流し続ける電流ループが形成できないため、第１のロータ電流遮断制御方式よりも高速に遮断が可能である。そのため、ロータ巻線Ｃｒに流れていたロータ電流は瞬間的に直流電源１０の正極側に流れるため、電圧サージの要因となる。

このように第２のロータ電流遮断制御方式では、第１のスイッチング素子２３０および第２のスイッチング素子２３３を開放することで、電圧サージが発生するものの、第１のロータ電流遮断制御方式よりも高速に、ロータ巻線Ｃｒを流れるロータ電流および車両用回転電機３０の出力トルクを低減することが可能である。

以上のように、本実施の形態の例として、直流電源１０の過電圧異常を挙げ、第１のロータ電流遮断制御方式と第２のロータ電流遮断制御方式との大きな違いとして、電圧サージの発生有無と、ロータ電流および出力トルクの低減時間であることを例示した。
異常発生時に、出力トルクに影響を及ぼさない電気的挙動に該当する瞬間的な電圧とロータ電流の発生に関する第１の異常（過電圧異常などの電気的挙動に影響を及ぼす異常）は、第１のロータ電流遮断制御方式を使用するのが良い。
また、出力トルクに影響を及ぼすような緊急度の高い第２の異常（車両用回転電機の出力トルクなどの力学的挙動に影響を及ぼす異常）は、素早く出力を抑えられる第２のロータ電流遮断制御方式を使用するのが良い。

さらに、ステータ電流制御部２１によりステータ巻線Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｗに流れるステータ電流をも制御するように構成してもよい。
すなわち、第１のロータ電流遮断制御方式（電圧サージを抑制しながら緩やかにロータ電流を遮断する方式）および第２のロータ電流遮断制御方式（第１スイッチング素子２３０、第２のスイッチング素子２３３の両方を用いてロータ電流を高速遮断する方式）による電流制御に加えて、更にステータ３１を流れるステータ電流の遮断方式として、ステータ３１に給電する三相インバータ回路Invを構成するスイッチング素子２１０，２１１，２１２，２１３，２１４，２１５の全てを開放（ＯＦＦ）する全相開放と、インバータ回路Invの正極側のスイッチング素子２１０，２１２，２１４を短絡または負極側のスイッチング素子２１１，２１３，２１５を短絡する三相短絡と、の２通りのステータ電流制御方式が可能である。

これら２通りのどちらのステータ電流制御方式であっても、駆動時に、多くの場合において直流電源１０から車両用回転電機３０へのステータ電流の供給は遮断される。
２通りのステータ電流制御方式の違いは次の通りである。
発電時に、前述の三相短絡によるステータ電流制御方式の場合は、ステータ巻線Ｃｕ，Ｃｖ，Ｃｗと短絡したスイッチング素子との電流ループの形成により、直流電源１０へのステータ電流の供給が遮断されるのに対し、前述の全相開放によるステータ電流制御方式の場合は、各スイッチング素子に逆並列されているダイオード素子（図１参照）を介して直流電源１０にステータ電流が供給される点にある。
そのため、図３のように、発電時に、過電圧に至る恐れのある異常が発生した場合、前述の第１のロータ電流遮断制御方式によりロータ電流を遮断する場合は、前述の三相短絡によるステータ電流制御方式の方が、全相開放によるステータ電流制御方式よりも、直流電源１０の電圧の上昇を早期に抑えることが可能である。

前述の全相開放によるステータ電流制御方式と前述の三相短絡によるステータ電流制御方式との違いによる、車両用回転電機の制御装置への影響度合いの違いについて図５と図６とを用いて以下に説明する。

図５は、異常発生時に前述の全相開放の制御をした場合の、車両用回転電機３０の回転数に対する発電量を例示してある。
異常発生時に、前述の第１のロータ電流遮断制御方式あるいは第２のロータ電流遮断制御方式によるロータ電流制御によるロータ電流の低減が行われても、ロータ電流は瞬時には低減しないため、そのロータ電流の低減に起因した誘起電圧がステータ３１に発生する。ステータ３１に発生した誘起電圧は、車両用回転電機３０の回転数に比例するため、この誘起電圧が直流電源１０の電圧を超える回転数Nth以上で、発電電流（ステータ電流）が流れる。

また、図６は、異常発生時に、前述の三相短絡によるステータ電流制御が行われた場合の、車両用回転電機３０の回転数に対する回生トルクを示す。
三相短絡時の回生トルクは、図６に例示のように、低回転時に大きくなり、高回転では小さくなる。そのため、低回転時に異常が発生し、三相短絡によるステータ電流制御が行われると、必要以上の回生エネルギにより、車両用回転電機３０が急減速する可能性がある。
このように、車両用回転電機３０の低回転の領域において三相短絡によるステータ電流制御が行われた場合、回生トルクが大きくなるため、この領域では全相開放によるステータ電流制御が選択されようにするとよい。また、ロータ電流の低減に起因した誘起電圧が直流電源の電圧を超えるような高回転の領域においては、全相開放によるステータ電流制御が行われた場合、発電が継続されるため、この領域では三相短絡によるステータ電流制御が選択されようにするとよい。また、三相短絡によるステータ電流制御が行われるようにする場合には、コントローラ２４でインバータ回路Invの三相短絡を行う信号を生成する必要があるため、コントローラ２４の機能によって、異常時に三相短絡を行う回路を別途設ける必要がある。そのため、各装置に求められる許容時間の要求値と各装置に搭載される機能により、ステータ電流の遮断制御方式を選択する必要性がある。

本実施の形態１に開示される車両用回転電機の制御装置によれば、異常状態に応じてロータ電流の止め方を変更することで、許容時間が長く出力トルクに影響を及ぼさない異常では、電圧上昇を伴わずに車両用回転電機の出力を停止することが可能であり、許容時間が短く出力トルクに影響がある異常では、短時間で車両用回転電機の出力を停止させることができる。

実施の形態２．
以下、実施の形態２を、図７および図８によって説明する。図７は、図１に例示の車両用回転電機の制御部が車両用発電電動機に適用される場合の事例を示し、図８は車両用発電電動機の制御装置における、第１の異常および第２の異常に対して、第３の異常を加えた場合の動作の事例をフローチャートを使って説明するための動作説明図である。

図７において、直流電源１０および出力制御部２０は、図１の直流電源１０および出力制御部２０と同一の仕様を用いることができる。図７の実施の形態２が、図１の実施の形態１と異なる点は、トルク指令値が、車両に搭載される上位のＥＣＵ５０から供給されることにある。また、車両用発電電動機７０が車載に搭載されるエンジン６０とベルト等の動力伝達部６１を介し接続される。

また、車両用発電電動機７０が発電機として機能する場合、車両用発電電動機７０で発生した電力を、出力制御部２０を介して、直流電源１０へ充電することができる。車両用発電電動機７０が電動機として機能する場合は、直流電源１０から必要な電力を、出力制御部２０を介して、車両用発電電動機７０へ供給し、エンジン始動またはエンジン出力を補うトルクアシストが可能である。
車両用発電電動機７０が、電動機として機能している場合および発電機として機能している場合のいずれの場合も、ロータ電流制御部２３は、ロータ電流を制御し、生成された磁界と車両用発電電動機７０の回転動作により、ステータ巻線に所望の誘起電圧を発生させる。

ここで、車両用発電電動機７０の特徴として、エンジン６０の始動後は、車両用発電電動機７０は動力伝達部６１を介して常に回転し続けることが挙げられる。
車両用発電電動機７０のロータにロータ電流を供給すると、出力制御部２０の制御によって、エンジン６０の駆動を力行トルクによってアシストしたり、回生トルクによってブレーキをかけたりする電動機、および直流電源１０を充電するための発電機、のどちらか一方の機能として働く。すなわち、車両用回転電機３０が車両用発電電動機７０へ適用される場合において、第１の異常（過電圧異常）または第２の異常（トルク異常）が発生した場合でも、図１の車両用回転電機３０と同様にロータ電流を遮断することで安全状態に遷移することが可能である。

次いで、図８により、実施の形態の第１の異常および第２の異常に比べ、緊急度の低い第３の異常について例示し、ステータ電流制御部２１とロータ電流制御部２３とを用いた電流遮断方式を例示するものであり、以下具体的に説明する。

第１の異常（過電圧異常）および第２の異常（トルク異常）は、車両用回転電機およびその制御装置に影響を及ぼす異常であり、ロータ電流を止めることで安全状態に遷移させることを述べてきたが、車両用回転電機３０の異常はロータ電流を止める必要のない軽微な異常も存在する。例えば、トルク指令を含む通信情報の異常、回転位置検出センサ３３の異常などが該当する。そのような緊急度の低い軽微な異常を第３の異常と定義して、発電を継続させる手段を説明する。

第３の異常（緊急度の低い軽微な異常）を、コントローラ２４の異常検出部４０で検出した場合には、ステータ電流制御部２１のインバータ回路Invの全てのスイッチング素子２１０，２１１，２１２，２１３，２１４，２１５を開放（ＯＦＦ）する第３の電流遮断制御（ステータ電流遮断制御）方式で、異常時のステータ電流遮断制御を実施する。これは、ロータ巻線Ｃｒのロータ電流は遮断せずに、ステータ側のインバータ回路Invのスイッチング素子２１０，２１１，２１２，２１３，２１４，２１５を全て止めることで、発電を継続する。
図１および図７のように、インバータ回路Invにおいては、スイッチング素子２１０，２１１，２１２，２１３，２１４，２１５の各々に対してダイオードが逆接続され、これらのダイオードが整流回路を形成しているため、発電時には、ステータ電流が当該ダイオード素子に流れることで、ダイオード整流が可能となる。
すなわち、第３の電流遮断制御（ステータ電流遮断制御）方式を使用することで、例えば、車両用発電電動機７０に適用する場合、エンジン始動およびトルクアシストは不可能となるが、発電を継続することができ、車両の走行が可能となる。そのため、図１の車両用回転電機３０、図７のような車両用発電電動機７０、およびそれら制御装置に異常が発生した場合でも、発電を継続させたい状態では、第３の電流遮断制御（ステータ電流遮断制御）方式を使用する仕様が望ましい。

図８に、第３の電流遮断制御（ステータ電流遮断制御）方式に対して、第３の電流遮断方式を追加したフローチャートである動作説明図を示す。
図８は、図２のフローチャートに対して、第３の電流遮断制御（ステータ電流遮断制御）方式に関するステップＳ８およびＳ９が追加されている点が異なる。
ステップＳ８は、ステップＳ２にいて異常検出部４０（図７参照）での演算の結果が第３の異常（前述の軽微な異常）であるかどうかを判定する。
ステップＳ８の判定結果が、第３の異常（前述の軽微な異常）である場合にはステップＳ９の第３の電流遮断制御（ステータ電流遮断制御）を実施し、第３の異常（前述の軽微な異常）ではない場合にはステップＳ７の定常時の通常動作制御を実施する。

以上のように、本実施の形態においては、異常対処用の専用回路を別途設けることなく、車両用回転電機３０およびその制御装置で発生する異常に対して車両用回転電機および制御装置を安全状態に遷移することが可能である。また、異なる複数の異常に対して、複数種類の異なる電流遮断制御で対応できるので、異常の種類、挙動に合わせた最適な電流遮断制御が行われる車両用回転電機の制御装置を提供できる。そのため、異常発生時に、それぞれの異常に対して、安全状態に至るまでの許容時間を満たしながら、制御装置の最低限の機能停止のみで、車両用回転電機および車両用回転電機の制御装置を安全状態へ移行することができ、車両用回転電機および車両用回転電機の制御装置を保護することが可能である。

前述の実施の形態１および実施の形態２の何れも、前述の各部の各機能、各制御はソフトウエアで実現でき、例えば、図１および図７におけるコントローラ２４を、図９の車両用回転電機の制御部２０におけるコントローラ２４のように構成してもよい。
つまり、図９に例示のように、演算処理装置２４１と、リードオンリーメモリであるROMおよびランダムアクセスメモリであるRAMを有する記憶装置２４２と、インターフェース２４３と、で構成されている。演算処理装置２４１と記憶装置２４２とインターフェース２４３とは内部バス２４４を介して接続されている。

例えば、インターフェース２４３に入力されそれぞれRAMに保存された電圧センサ２２０、回転位置検出センサ３３、ロータ電流センサ２３４、ステータ電流センサ２１７，２１８，２１９、等を、ROMに格納されたプログラムにより、演算処理装置241で本願の実施の形態１および実施の形態２における前述の各種異常検出、各種電流の制御（制御時点、制御量、ほか）を演算処理で実行し、当該演算の結果をRAMに一時保存する等のソフトウエア処理を実行して、前述の各種異常に対処するに必要な制御出力を、インターフェース２４３を介して、インバータスイッチング素子２１０，２１１，２１２，２１３，２１４，２１５、第１のスイッチング素子２３０、第２のスイッチング素子２３３、等に出力されることにより、本願の実施の形態１および実施の形態２における前述の制御動作が行われる。

なお、本願は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本願を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の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、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

なお、各図中、同一符合は同一または相当部分を示す。

１０ 直流電源、２０ 出力制御部、２１ ステータ電流制御部、２３ ロータ電流制御部、２４ コントローラ、３０ 車両用回転電機、３１ ステータ、３２ ロータ、３３ 回転位置検出センサ、４０ 異常検出部、５０ 上位のＥＣＵ、６０ エンジン、６１ 動力伝達部、７０ 車両用発電電動機、２１０，２１１，２１２，２１３，２１４，２１５ インバータスイッチング素子、２１７，２１８，２１９ ステータ電流センサ、２２０ 電圧センサ、２３０ 第１のスイッチング素子、２３１ 第１のダイオード素子、２３２ 第２のダイオード素子、２３３ 第２のスイッチング素子、２３４ ロータ電流センサ、Ｃｕ ステータ巻線、Ｃｖ ステータ巻線、Ｃｗ ステータ巻線、Ｃｒ ロータ巻線、Conv コンバータ回路、Inv インバータ回路。

本願に開示される車両用回転電機の制御装置は、
直流電源からインバータ回路を介して給電されるステータ巻線と前記直流電源からコンバータを介して給電されるロータ巻線とを備えた車両用回転電機の制御装置であって、
前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第１の異常および前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第２の異常を検出するコントローラを備え、
前記コンバータは前記ロータ巻線の正極側の第１のスイッチング素子と前記ロータ巻線の負極側の第２のスイッチング素子を有し、
前記コントローラは、前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第１の異常を検出した場合に前記第１の異常によって影響を受けた前記電気的挙動を抑制するように前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子による第１の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を適応制御するとともに、前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第２の異常を検出した場合に前記第２の異常によって影響を受けた前記力学的挙動を抑制するように前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子による第２の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を適応制御するものである。

Claims (14)

1. 直流電源からインバータ回路を介して給電されるステータ巻線と前記直流電源からコンバータを介して給電されるロータ巻線とを備えた車両用回転電機の制御装置であって、
   前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第１の異常および前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第２の異常を検出するコントローラを備え、
   前記コンバータは前記ロータ巻線の正極側の第１のスイッチング素子と前記ロータ巻線の負極側の第２のスイッチング素子を有し、
   前記コントローラは、前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第１の異常を検出した場合に第１の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を前記電気的挙動に対処するように制御するとともに、前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第２の異常を検出した場合に第２の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を前記力学的挙動に対処するように制御する
   ことを特徴とする車両用回転電機の制御装置。
2. 異常検知から、前記ロータ巻線に流れる電流を止めるまでの許容時間が、前記第２の異常の場合の方が、前記第１の異常の場合よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の車両用回転電機の制御装置。
3. 前記第１の異常は、前記車両用回転電機の出力電流および出力電圧の異常であり、
   前記第２の異常は、前記車両用回転電機の出力トルクの異常である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用回転電機の制御装置。
4. 前記第１の電流遮断制御により、前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子のいずれか一方を開放し、
   前記第２の電流遮断制御により、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の両方を開放する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用回転電機の制御装置。
5. 前記第１の電流遮断制御により、前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。
6. 前記第１の電流遮断制御により、前記インバータ回路の全ての正極側スイッチング素子を短絡する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。
7. 前記第１の電流遮断制御により、前記インバータ回路の全ての負極側スイッチング素子を短絡する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。
8. 前記第１の電流遮断制御により、前記車両用回転電機の回転数が所定値以下のときに前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放し、前記回転数が前記所定値を超えたときに前記インバータ回路の全ての正極側スイッチング素子を短絡する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。
9. 前記第１の電流遮断制御により、前記車両用回転電機の回転数が所定値以下のときに前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放し、前記回転数が前記所定値を超えたときに前記インバータ回路の全ての負極側スイッチング素子を短絡する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。
10. 前記第２の電流遮断制御により、前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放する
    ことを特徴とする請求項１から請求項９の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。
11. 前記第２の電流遮断制御により、
    前記車両用回転電機の回転数が所定値以下のときに前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放し、
    前記回転数が前記所定値を超えたときに前記インバータ回路の全ての正極側スイッチング素子を短絡する
    ことを特徴とする請求項１から請求項９の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。
12. 前記第２の電流遮断制御により、
    前記車両用回転電機の回転数が所定値以下のときに前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放し、
    前記回転数が前記所定値を超えたときに前記インバータ回路の全ての負極側スイッチング素子を短絡する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。
13. 前記コントローラは、前記第１の異常および前記第２の異常に比べ緊急度の低い第３の異常を検出し、
    前記コントローラは、前記第３の異常を検出した場合に、前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放する第３の電流遮断制御を行う
    ことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。
14. 前記車両用回転電機が車両用発電電動機である
    ことを特徴とする請求項１から請求項１３の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。
    

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