JP2022165651A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１バッテリ１キャパシタ２インバータを用いて３相オープン巻線モータを駆動するシステムにおいて、キャパシタの初期充電が不要であり、かつ、トルクリップルを抑制するモータ制御装置を提供する。【解決手段】モータ制御装置の制御回路は、空間ベクトル変調を用いて２台のインバータに出力するゲート信号を生成する。電圧ベクトル選択部４１は、指令電圧、電流極性モード、及び、充放電モードに基づき、空間ベクトル座標において、キャパシタを充電する電圧ベクトルである充電電圧ベクトル、キャパシタを放電する電圧ベクトルである放電電圧ベクトル、及び、キャパシタを充放電しない電圧ベクトルである保持電圧ベクトルから、使用する電圧ベクトルセットを決定する。Ｄｕｔｙ比計算部４２は、電圧ベクトル選択部４１が決定した電圧ベクトルセットについて、指令電圧、バッテリ電圧Ｖ１及びキャパシタ電圧Ｖ２に基づき、Ｄｕｔｙ比を計算する。【選択図】図３

Description

本発明は、２台のインバータを備えるモータ制御装置に関する。

従来、２つの電源及び２台のインバータを用いて３相オープン巻線モータを駆動するモータ駆動システムにおいて、一方の電源にバッテリを用い、他方の電源にキャパシタを用いた「１バッテリ１キャパシタ２インバータシステム」が知られている。以下、本明細書におけるモータとは、ハイブリッド自動車や電気自動車において電動機及び発電機として機能するモータジェネレータを意味する。

例えば特許文献１には、三角波比較ＰＷＭ変調法を用いた１バッテリ１キャパシタ２インバータシステムの駆動方法が開示されている。非特許文献１には、空間ベクトル変調法を用いた１バッテリ１キャパシタ２インバータシステムの駆動方法が開示されている。

特許第６１７４４９８号公報

Y. Oto, "Space Vector Modulation of Dual-Inverter System Focusing on Improvement of Multilevel Voltage Waveforms," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.66, No.12, pp.9139-9148, Dec.2019

特許文献１の従来技術は、１バッテリ１キャパシタ２インバータシステムで非同期ＰＷＭの駆動時に、モータの制駆動に伴う充放電の繰り返しをキャパシタで行うことで、バッテリの内部抵抗による損失低減や劣化低減を図っている。

さらに１バッテリ１キャパシタ２インバータシステムでは、キャパシタ電圧をバッテリ電圧より小さくすることで、マルチレベル駆動によるモータ損失低減が期待できる。しかし、特許文献１の駆動方法では、キャパシタ側駆動モード及びバッテリ側駆動モードの場合、２台のインバータのうち一方のみが駆動する。また、キャパシタ充電モードの場合、２台のインバータが同位相の基本波に基づいて駆動し、各相のレグが同時にスイッチングするため、駆動電圧波形はマルチレベルにならない。

これに対し、非特許文献１の従来技術は、１バッテリ１キャパシタ２インバータシステムで非同期ＰＷＭでの駆動時に、キャパシタ電圧をバッテリ電圧の２分の１に制御することで、電圧変調率の全域でマルチレベル駆動によるモータ損失の低減が可能となる。

しかし、非特許文献１に開示された空間ベクトル変調法ではキャパシタ電圧をバッテリ電圧の２分の１に固定しており、充電電圧ベクトルと放電電圧ベクトルとが一致していることが条件となる。そのため、車両起動後にモータを駆動する直前にキャパシタ電圧をバッテリ電圧の２分の１にまで充電する必要がある。キャパシタ電圧がバッテリ電圧の２分の１未満の状態でマルチレベル駆動すると、モータ相電流が歪み、トルクリップルが大きくなる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、１バッテリ１キャパシタ２インバータを用いて３相オープン巻線モータを駆動するシステムにおいて、キャパシタの初期充電が不要であり、かつ、トルクリップルを抑制するモータ制御装置を提供することにある。

本発明は、第１の電源電圧（Ｖ１）を出力する第１の電源（１１）、及び、充放電可能であり、充電状態に応じて変化する第２の電源電圧（Ｖ２）を出力する第２の電源（１２）から個別に直流電力が入力される２台のインバータを用いて、中性点がオープンである３相巻線（８１、８２、８３）を有するモータ（８０）を駆動するモータ駆動システムにおいて、モータの通電を制御する制御装置である。典型的に第１の電源はバッテリであり、第２の電源はキャパシタである。

モータ制御装置は、第１インバータ（６０）と、第２インバータ（７０）と、制御回路（３０）と、駆動回路（５６、５７）と、を備える。第１インバータは、第１の電源から入力される直流電力を交流電力に変換し、３相巻線の一端に供給する。第２インバータは、第２の電源から入力される直流電力を交流電力に変換し、３相巻線の他端に供給する。

制御回路は、空間ベクトル変調を用いて２台のインバータに出力するゲート信号を生成する。駆動回路は、制御回路が生成したゲート信号に基づき２台のインバータをスイッチング動作させる。制御回路は、指令電圧演算部（３４、３５）と、電流極性モード判定部（３７）と、充放電モード判定部（３８）と、電圧ベクトル選択部（４１）と、Ｄｕｔｙ比計算部（４２）と、を有する。

指令電圧演算部は、モータへの指令トルクに基づき、電流フィードバック制御により指令電圧を演算する。電流極性モード判定部は、モータに流れる相電流に基づき、電流の極性状態を示す電流極性モードを判定する。充放電モード判定部は、第２の電源電圧に基づき、第２の電源に充電が必要な充電モード、第２の電源に放電が必要な放電モード、又は、第２の電源に充電及び放電のいずれも必要の無い保持モードのうちいずれかの充放電モードを判定する。

電圧ベクトル選択部は、指令電圧、電流極性モード及び充放電モードに基づき、空間ベクトル座標において、第２の電源を充電する電圧ベクトルである充電電圧ベクトル、第２の電源を放電する電圧ベクトルである放電電圧ベクトル、及び、第２の電源を充放電しない電圧ベクトルである保持電圧ベクトルから、使用する電圧ベクトルセットを決定する。

Ｄｕｔｙ比計算部は、電圧ベクトル選択部が決定した電圧ベクトルセットについて、指令電圧、第１の電源電圧、及び、「０以上、第１の電源電圧以下」の範囲で可変である第２の電源電圧に基づき、「空間ベクトル変調の一周期における各電圧ベクトルの印加時間の比率」であるＤｕｔｙ比を計算する。

第１の電源をバッテリとし、第２の電源をキャパシタとすると、本発明は、１バッテリ１キャパシタ２インバータシステムで非同期ＰＷＭの駆動時に、キャパシタ電圧の制御範囲が「０以上バッテリ電圧Ｖ１以下」の範囲で可変であり、キャパシタ電圧変動に対応した空間ベクトル変調方式が使用される。また、Ｄｕｔｙ比計算部は、充放電モードに基づいて決定された電圧ベクトルセットについて、Ｄｕｔｙ比を、指令電圧とバッテリ電圧とからだけでなく、キャパシタ電圧に基づき計算する。これにより、キャパシタの初期充電の必要がなく、非特許文献１の従来技術に比べトルクリップルを抑制したマルチレベル駆動が可能となる。さらにモータ相電流の歪みが抑制され、トルクリップルを小さくすることができる。

一実施形態によるモータ駆動システムの全体構成図。 一実施形態の制御回路の構成図。 図２の空間ベクトル変調部の構成図。 電流極性モードの定義を説明する図。 電流極性モード判定のアルゴリズムを示すフローチャート。 （ａ）充電モード、（ｂ）放電モード、（ｃ）保持モードでの電流経路の例を示す図。 充放電モード判定のアルゴリズムを示すフローチャート。 充放電モードと保持モードとの切り替え時におけるヒステリシスの図。 車両走行イメージに伴う充放電モード等の変化を示す図。 充放電制御におけるキャパシタ電圧とシステム損失との関係を示す図。 電圧ベクトルの定義を説明する図。 電流極性モードＡ、Ｄにおける充電／放電電圧ベクトルの配置を示す図。 電流極性モードＢ、Ｅにおける充電／放電電圧ベクトルの配置を示す図。 電流極性モードＣ、Ｆにおける充電／放電電圧ベクトルの配置を示す図。 「Ａ－充電ｏｒＤ－放電」モードで使用される電圧ベクトル等を示す図。 「Ｂ－充電ｏｒＥ－放電」モードで使用される電圧ベクトル等を示す図。 「Ｃ－充電ｏｒＦ－放電」モードで使用される電圧ベクトル等を示す図。 「Ｄ－充電ｏｒＡ－放電」モードで使用される電圧ベクトル等を示す図。 「Ｅ－充電ｏｒＢ－放電」モードで使用される電圧ベクトル等を示す図。 「Ｆ－充電ｏｒＣ－放電」モードで使用される電圧ベクトル等を示す図。 αβ→ａｂ座標変換を説明する図。 充放電モードと電圧ベクトル配置パターンとの関係を示す図。 充電用及び放電用の電圧ベクトル配置パターン（例：Ｐ、ｐ）の図。 中間用の電圧ベクトル配置パターン（例：Ｑ、ｑ）の図。 中間用の電圧ベクトル配置パターン（例：Ｒ、ｒ）の図。 中間用の電圧ベクトル配置パターン（例：Ｓ、ｓ）の図。 （ａ）基本形、（ｂ）応用形１、（ｃ）応用形２の電圧ベクトル選択を説明するタイムチャート。 充放電混在モード用の電圧ベクトル配置パターンの図。 （ａ）指令電圧ベクトル、（ｂ）サブセクタ（三角形領域）、（ｃ）サブセクタの頂点の電圧ベクトルを説明する図。 指令サブセクタを決定するフローチャート。 （ａ）充電モード、（ｂ）放電モードでの電圧ベクトルｍ、ｎの計算式の例を説明する図。 キャパシタ電圧０から充電できる理由を説明する図。 比較例１、比較例２及び本実施形態によるマルチレベル駆動の可否を示す図。 比較例２（Ｖ２＝Ｖ１／２）の電圧ベクトル配置を示す図。 比較例２（Ｖ２＝Ｖ１／２）の指令電圧ベクトルを説明する図。 比較例２と本実施形態とのトルクリップルを比較する図。

（一実施形態）
以下、本発明によるモータ制御装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態のモータ制御装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源であるモータジェネレータ（以下「モータ」）を、２つの電源及び２台のインバータを用いて駆動するシステムにおいて、モータの通電を制御する装置である。

［モータ駆動システム］
図１に、２つの電源１１、１２と２台のインバータ６０、７０とを用いるモータ駆動システムの全体構成を示す。モータ８０は、Ｕ相巻線８１、Ｖ相巻線８２及びＷ相巻線８３を有する３相交流モータである。モータの種類は、ＩＰＭでも誘導機でもよい。ハイブリッド車両に適用される場合、モータ８０は、駆動輪を駆動するためのトルクを発生する電動機（モータ）としての機能、及び、エンジンや駆動輪から伝わる車両の運動エネルギにより発電可能な発電機（ジェネレータ）としての機能を有する。

また、モータ８０は、３相巻線８１、８２、８３の中性点がモータ８０内で結合されていない、すなわち中性点がオープンであるオープン巻線モータである。３相巻線８１、８２、８３の一端８１１、８２１、８３１は第１インバータ６０の各相出力端子に接続されており、他端８１２、８２２、８３２は第２インバータ７０の各相出力端子に接続されている。３相巻線８１、８２、８３の第１インバータ６０側には、Ｕ相電圧ＶＵ１、Ｖ相電圧ＶＶ１、Ｗ相電圧ＶＷ１が印加される。３相巻線８１、８２、８３の第２インバータ７０側には、Ｕ相電圧ＶＵ２、Ｖ相電圧ＶＶ２、Ｗ相電圧ＶＷ２が印加される。

例えば第１インバータ６０からモータ８０への電力経路に、３相巻線８１、８２、８３に通電される相電流を検出する電流センサ８４が設けられる。図１の例ではＵ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗが検出されるが、どの２相又は３相の電流が検出されてもよい。電流センサ８４は、第２インバータ７０からモータ８０への電力経路に設けられてもよい。回転角センサ８５は、レゾルバ等で構成され、モータ８０のロータ位置信号θｍを検出する。

第１の電源１１及び第２の電源１２は、互いに絶縁された独立した２つの電源である。本実施形態では、第１の電源１１は、リチウムイオン電池等のバッテリで構成され、第１の電源電圧Ｖ１を出力する。第１の電源１１は、直列もしくは並列接続された複数のバッテリから構成されてもよく、昇圧コンバータを介して電圧を出力してもよい。第２の電源１２は、電気二重層キャパシタ等のキャパシタで構成される。第２の電源１２は、充放電可能であり、充電状態に応じて変化する第２の電源電圧Ｖ２を出力する。

本実施形態では、「第１の電源」をバッテリ１１とし、「第２の電源」をキャパシタ１２として説明する。その他の電源の構成例については、「その他の実施形態」の欄に記載する。また、「第１の電源電圧」をバッテリ電圧Ｖ１とし、「第２の電源電圧」をキャパシタ電圧Ｖ２とする。２台のインバータ６０、７０は、バッテリ１１及びキャパシタ１２から個別に直流電力が入力される。

第１電圧センサ１６は、バッテリ電圧Ｖ１を検出する。第２電圧センサ１７は、キャパシタ電圧Ｖ２を検出する。キャパシタ電圧Ｖ２の制御範囲は、０以上バッテリ電圧Ｖ１以下の範囲で可変である（０≦Ｖ２≦Ｖ１）。このことは、非特許文献１の従来技術でキャパシタ電圧Ｖ２がバッテリ電圧Ｖ１の２分の１に固定されることとの相違点である。

モータ制御装置１００は、第１インバータ６０、第２インバータ７０、制御回路３０、及び駆動回路５６、５７を備える。第１インバータ６０は、上下アームの６つのスイッチング素子６１－６６がブリッジ接続されている。スイッチング素子６１、６２、６３は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アーム素子であり、スイッチング素子６４、６５、６６は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アーム素子である。第１インバータ６０の入力部には平滑コンデンサ１３が接続されている。第１インバータ６０は、バッテリ１１から入力される直流電力を交流電力に変換し、３相巻線８１、８２、８３の一端８１１、８２１、８３１に供給する。

第２インバータ７０は、上下アームの６つのスイッチング素子７１－７６がブリッジ接続されている。スイッチング素子７１、７２、７３は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アーム素子であり、スイッチング素子７４、７５、７６は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アーム素子である。第２インバータ２０は、キャパシタ１２から入力される直流電力を交流電力に変換し、３相巻線８１、８２、８３の他端８１２、８２２、８３２に供給する。

スイッチング素子６１－６６、７１－７６は、パワー素子として動作する。高電位側配線Ｐ１、Ｐ２と低電位側配線Ｎ１、Ｎ２との短絡を防止するため、各相の上アーム素子と下アーム素子とは相補的にオンオフするように、すなわち、一方がオンのとき他方がオフするように制御される。スイッチング素子６１－６６、７１－７６は、例えばＩＧＢＴで構成され、低電位側から高電位側へ向かう電流を許容する還流ダイオードが並列に接続されている。或いは、スイッチング素子６１－６６、７１－７６は、ＭＯＳＦＥＴ等の他のパワー素子で構成されてもよい。

制御回路３０は、マイコン等により構成され、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御回路３０は、ＲＯＭ等の実体的なメモリ装置（すなわち、読み出し可能非一時的有形記録媒体）に予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理による制御を実行する。

制御回路３０は、各センサにより検出された相電流Ｉｕ、Ｉｗ、バッテリ電圧Ｖ１、キャパシタ電圧Ｖ２、ロータ位置信号θｍ等の情報を取得する。また、外部から指令トルクＴ^*が制御回路３０に入力される。モータ８０の駆動時、制御回路３０は、これらの情報に基づき２台のインバータ６０、７０に出力するゲート信号を生成することで、モータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ及びキャパシタ電圧Ｖ２を制御する。特に本実施形態の制御回路３０は、空間ベクトル変調を用いてゲート信号を生成する。第１駆動回路５６及び第２駆動回路５７は、制御回路３０が生成したゲート信号に基づき、それぞれ第１インバータ６０及び第２インバータ７０をスイッチング動作させる。

次に図２、図３を参照し、制御回路３０の詳細な構成について説明する。図２に示すように、制御回路３０は、電気角換算部３１、指令電流生成部３２、電流ｄｑ変換部３３、ｄｑ軸電流制御部３４、電圧αβ変換部３５、電流極性モード判定部３７、充放電モード判定部３８、空間ベクトル変調部４０、及びゲート信号生成部４３を含む。

電気角換算部３１は、モータ８０のロータ位置信号θｍを電気角θｅに換算する。指令電流生成部３２は、外部のコントローラ等から与えられる指令トルクＴ^*から、マップや数式を用いてｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*を演算する。電流ｄｑ変換部３３は、モータ８０に流れる相電流（例えばＵ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗ）と電気角θｅとからｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑを算出する。

ｄｑ軸電流制御部３４は、ｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*に対して、フィードバックされたｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑが追従するようにｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*を演算する。電圧αβ変換部３５は、ｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*と電気角θｅとを使って、固定座標系の２軸直交座標であるαβ軸電圧指令値Ｖα^*、Ｖβ^*を演算する。ｄｑ軸電流制御部３４及び電圧αβ変換部３５は、「モータへの指令トルクに基づき、電流フィードバック制御により指令電圧を演算する指令電圧演算部」に相当する。

電流極性モード判定部３７は、モータ８０に流れる相電流（例えばＵ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗ）に基づき、電流の極性状態を示す電流極性モードを判定する。電流極性モード判定の詳細については、図４、図５を参照して後述する。

充放電モード判定部３８は、指令トルクＴ^*、モータ回転数Ｎ、及びキャパシタ電圧Ｖ２に基づき、充電モード、放電モード、保持モードのうちいずれかの充放電モードを判定する。充電モードはキャパシタ１２に充電が必要なモードであり、放電モードはキャパシタ１２に放電が必要なモードである。保持モードは、キャパシタ１２に充電及び放電のいずれも必要の無いモードである。充放電モード判定の詳細については、図６～図１０を参照して後述する。

空間ベクトル変調部４０は、αβ軸電圧指令値Ｖα^*、Ｖβ^*、バッテリ電圧Ｖ１、キャパシタ電圧Ｖ２、電流極性モード及び充放電モードに基づいて、インバータ６０、７０のゲート信号を生成するためのスイッチングパターン、及びそのＤｕｔｙ比を生成する。ゲート信号生成部４３は、空間ベクトル変調部４０が生成したスイッチングパターン及びＤｕｔｙ比に基づいて、モータ制御とキャパシタ充放電制御とを両立させるように、インバータ６０、７０のパワー素子を駆動するゲート信号を生成する。

図３に示すように、空間ベクトル変調部４０は、空間ベクトル変調で使用する電圧ベクトルを選択する電圧ベクトル選択部４１、及び、電圧ベクトル選択部４１が選択した電圧ベクトルを出力するためのＤｕｔｙ比を計算するＤｕｔｙ比計算部４２を含む。空間ベクトル変調では、複数の電圧ベクトル成分を所定の時間比率で交互に印加することで所望の電圧ベクトルを実現する。組み合わされる一式の電圧ベクトルを「電圧ベクトルセット」という。また、Ｄｕｔｙ比は、空間ベクトル変調の一周期における各電圧ベクトルの印加時間の比率である。

電圧ベクトル選択部４１は、指令電圧であるαβ軸電圧指令値Ｖα^*、Ｖβ^*、電流極性モード及び充放電モードに基づき、空間ベクトル座標において、充電電圧ベクトル、放電電圧ベクトル、及び保持電圧ベクトルから、使用する電圧ベクトルセットを決定する。充電電圧ベクトルはキャパシタ１２を充電する電圧ベクトルであり、放電電圧ベクトルはキャパシタ１２を放電する電圧ベクトルである。保持電圧ベクトルは、キャパシタ１２を充放電しない電圧ベクトルである。

Ｄｕｔｙ比計算部４２は、電圧ベクトル選択部４１が決定した電圧ベクトルセットについて、指令電圧Ｖα^*、Ｖβ^*、バッテリ電圧Ｖ１、及びキャパシタ電圧Ｖ２に基づき、Ｄｕｔｙ比を計算する。

電圧ベクトル選択部４１及びＤｕｔｙ比計算部４２によるアルゴリズムの詳細については、図１１～図３２を参照して後述する。

［電流極性モード判定］
図４に、電流極性モードの定義を示す。モータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは第１インバータ６０から第２インバータ７０に向かって流れる電流を正とする。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流ベクトルＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗの位相を０°、１２０°、２４０°としたとき、下式で区分される６個の領域に対応する６種類の電流極性モードＡ～Ｆを定義する。図中の長破線は、各電流極性モードの境界を表している。
（６０ｎ±３０）°（ｎ＝０，１，２，３，４，５）

電流極性モード判定部３７は、モータ８０の各相に流れる電流の正負に基づいて電流極性モードを判定する。電圧ベクトル選択部４１は、電流極性モードに基づき、充電電圧ベクトルまたは放電電圧ベクトルを選択する。境界線上を除く各領域では、１相の電流が正で２相の電流が負、又は、１相の電流が負で２相の電流が正となる。境界線上では、１相の電流が０となる。各相電流の正負と電流極性モードＡ～Ｆとの関係は次の通りである。

Ｉｕ≧０，Ｉｖ＜０，Ｉｗ＜０のとき、電流極性モードＡ。
Ｉｕ≧０，Ｉｖ≧０，Ｉｗ＜０のとき、電流極性モードＢ。
Ｉｕ＜０，Ｉｖ≧０，Ｉｗ＜０のとき、電流極性モードＣ。
Ｉｕ＜０，Ｉｖ≧０，Ｉｗ≧０のとき、電流極性モードＤ。
Ｉｕ＜０，Ｉｖ＜０，Ｉｗ≧０のとき、電流極性モードＥ。
Ｉｕ≧０，Ｉｖ＜０，Ｉｗ≧０のとき、電流極性モードＦ。

図５のフローチャートに電流極性モード判定のアルゴリズムの一例を示す。フローチャートの説明で、記号「Ｓ」はステップを意味する。Ｓ１１では「Ｉｕ≧０」であるか判断される。Ｓ１２及びＳ１４では「Ｉｖ≧０」であるか判断される。Ｓ１３及びＳ１５では「Ｉｗ≧０」であるか判断される。各判断結果の組み合わせにより電流極性モードＡ～Ｆが判定される。例えば、Ｓ１１でＹＥＳ、Ｓ１２でＹＥＳのとき、電流極性モードＢと判定される。

［充放電モード判定］
図６（ａ）に充電モードの電流経路の例を示す。第１インバータ６０の上アーム素子はＵ相オン、Ｖ相オフ、Ｗ相オフであり、第２インバータ７０の上アーム素子はＵ相オン、Ｖ相オフ、Ｗ相オフである。後述するように、この状態の第１インバータ６０の電圧ベクトルは（１００）、第２インバータ７０の電圧ベクトルは（１００）’と表される。充電モードでは、キャパシタ１２の正極から負極に向かって電流が流れる。

図６（ｂ）に放電モードの電流経路の例を示す。第１インバータ６０の上アーム素子はＵ相オフ、Ｖ相オフ、Ｗ相オフであり、第２インバータ７０の上アーム素子はＵ相オフ、Ｖ相オン、Ｗ相オンである。この状態の第１インバータ６０の電圧ベクトルは（０００）、第２インバータ７０の電圧ベクトルは（０１１）’と表される。放電モードでは、キャパシタ１２の負極から正極に向かって電流が流れる。

図６（ｃ）に保持モードの電流経路の例を示す。第１インバータ６０の上アーム素子はＵ相オン、Ｖ相オフ、Ｗ相オフであり、第２インバータ７０の上アーム素子はＵ相オフ、Ｖ相オフ、Ｗ相オフである。この状態の第１インバータ６０の電圧ベクトルは（１００）、第２インバータ７０の電圧ベクトルは（０００）’と表される。保持モードでは、キャパシタ１２に電流は流れない。

充放電モード判定部３８は、充電モード、放電モード、保持モードを切り替えることで、指令トルクＴ^*及びモータ回転数Ｎに応じてモータ８０の通電を制御ながらキャパシタ１２の充放電を自在に制御する。なお、モータ通電制御とキャパシタ充放電制御との両立は、モータ８０の力行動作時だけでなく回生動作時にも実行可能である。

図７のフローチャートに、充放電モード判定のアルゴリズムを示す。図７中のトルク、回転数、電圧の各閾値は、図８に示した各閾値に対応する。記号末尾「＿Ｈ」の閾値は、記号末尾「＿Ｌ」の閾値よりも絶対値が大きく設定されている。Ｓ２１では前回の充放電モード判定で保持モードと判定されたか判断される。「前回の充放電モード判定が保持モードであり、Ｓ２１でＹＥＳ」の場合にはＳ２２で、「前回の充放電モード判定が充電モード又は放電モードであり、Ｓ２１でＮＯ」の場合にはＳ２３で、トルク指令値の絶対値｜Ｔ^*｜及びモータ回転数Ｎが各閾値と比較される。

Ｓ２２では、トルク指令値の絶対値｜Ｔ^*｜が低閾値Ｔｔｈ＿Ｌ以下であり、且つ、モータ回転数Ｎが高閾値Ｎｔｈ＿Ｈ以上であるか判断される。Ｓ２２でＮＯの場合、Ｓ２４で「充放電制御の実施領域外」と判定される。Ｓ２２でＹＥＳの場合、Ｓ２６で「充放電制御の実施領域内」と判定され、前回の保持モードから充電モード又は放電モードへ変更される。

Ｓ２３では、トルク指令値の絶対値｜Ｔ^*｜が高閾値Ｔｔｈ＿Ｈ以下であり、且つ、モータ回転数Ｎが低閾値Ｎｔｈ＿Ｌ以上であるか判断される。Ｓ２３でＮＯの場合、Ｓ２４で「充放電制御の実施領域外」と判定される。Ｓ２３でＹＥＳの場合、Ｓ２６で「充放電制御の実施領域内」と判定され、充電モード又は放電モードが選択される。

図８に、Ｓ２２、Ｓ２３のアルゴリズムを図示する。トルク指令値の絶対値｜Ｔ^*｜及び回転数Ｎに対する各閾値には、制御のハンチングを防ぐためにヒステリシスが設けられている。トルク指令値の絶対値｜Ｔ^*｜について、ヒステリシス切替における低トルク側の状態を「１」、高トルク側の状態を「０」とする。回転数Ｎについて、ヒステリシス切替における高回転側の状態を「１」、低回転側の状態を「０」とする。トルク指令値の絶対値｜Ｔ^*｜及び回転数Ｎの状態が共に「１」のとき、「充放電制御の実施領域内」と判定され、それ以外のとき、「充放電制御の実施領域外」と判定される。

Ｓ２４で「充放電制御の実施領域外」と判定された場合、Ｓ２５では、キャパシタ電圧Ｖ２が０Ｖ近傍の超低閾値Ｖｔｈ＿ＬＬ以下であるか判断される。Ｓ２５でＹＥＳの場合には保持モードが選択され、ＮＯの場合には放電モードが選択される。超低閾値Ｖｔｈ＿ＬＬは、検出誤差を考慮して電圧が確実に正であると認められる値に設定される。これにより、放電によって電圧が負になることが防止される。

Ｓ２６で「充放電制御の実施領域内」と判定された場合、Ｓ２７ではキャパシタ電圧Ｖ２が高閾値Ｖｔｈ＿Ｈ以上であるか、Ｓ２８ではキャパシタ電圧Ｖ２が低閾値Ｖｔｈ＿Ｌ以下であるか判断される。Ｓ２７でＹＥＳの場合、放電モードが選択され、Ｓ２８でＹＥＳの場合、充電モードが選択される。Ｓ２７、Ｓ２８のいずれもＮＯの場合、前回の充電モード又は放電モードが維持される。

キャパシタ電圧Ｖ２の閾値Ｖｔｈ＿Ｈ、Ｖｔｈ＿Ｌは、固定値に設定してもよいし、システムの状態に応じて可変に設定してもよい。バッテリ電圧Ｖ１の２分の１を中心にヒステリシス幅を設けて電圧閾値Ｖｔｈ＿Ｈ、Ｖｔｈ＿Ｌを固定値に設定することで、非特許文献１の従来技術と同様にバッテリ電圧Ｖ１の２分の１近傍でキャパシタ電圧Ｖ２を維持するようにヒステリシス制御を行うことができる。或いは、指令電圧ベクトルＶα^*、Ｖβ^*の大きさと位相に応じて電圧閾値Ｖｔｈ＿Ｈ、Ｖｔｈ＿Ｌを可変に設定することで、マルチレベル駆動によるモータ損失低減効果を最大限に引き出せるようにしてもよい。

図９を参照し、車両走行イメージに伴う充放電モード、キャパシタ電圧Ｖ２、モータトルクＴ、モータ回転数Ｎの変化を通じて、キャパシタ１２の充放電モード判定の流れを説明する。車両の走行状態は、＜１＞始動、＜２＞定常走行、＜３＞登坂走行、＜４＞降坂での回生走行、＜５＞減速・停止の順に推移する。

＜１＞始動時のキャパシタ電圧Ｖ２、モータトルクＴ、モータ回転数Ｎはいずれも０であり、充放電モードは保持モードである。＜２＞定常走行に移る時、モータ回転数Ｎが高閾値Ｎｔｈ＿Ｈを上回り、充電モードに切り替わる。キャパシタ電圧Ｖ２が高閾値Ｖｔｈ＿Ｈに達すると放電モードに切り替わり、充放電制御が始まる。以後、電圧ヒステリシス幅の範囲で充放電が繰り返されるため、電圧ヒステリシス制御ともいう。

＜３＞定常走行から登坂走行に移る時、モータトルクＴが高閾値＋Ｔｔｈ＿Ｈを上回ると、キャパシタ１２の放電が始まる。キャパシタ電圧Ｖ２が超低閾値Ｖｔｈ＿ＬＬまで低下すると放電モードが停止し、充放電制御が終了する。＜４＞回生走行に移り、モータトルクＴが低閾値＋Ｔｔｈ＿Ｌを下回ると、再び充放電制御（電圧ヒステリシス制御）が開始する。＜５＞減速・停止に移り、モータ回転数Ｎが低閾値Ｎｔｈ＿Ｌを下回ると、放電モードが維持される。キャパシタ電圧Ｖ２が超低閾値Ｖｔｈ＿ＬＬまで低下すると放電モードが停止し、充放電制御が終了する。

次に図１０を参照し、充放電制御におけるキャパシタ電圧Ｖ２とシステム損失との関係について説明する。上述の通り、キャパシタ電圧Ｖ２は０以上バッテリ電圧Ｖ１以下の範囲で可変である（０≦Ｖ２≦Ｖ１）。ただし、その電圧範囲の中でもシステム損失の観点での最適値がある。図１０にキャパシタ電圧Ｖ２とシステム損失との関係を示す。システム損失とは、インバータ６０、７０及びモータ８０で発生する電力損失の合計とする。

キャパシタ電圧Ｖ２が０のとき、及び、バッテリ電圧Ｖ１に等しいとき、システム損失が最大となり、キャパシタ電圧Ｖ２がバッテリ電圧Ｖ１の２分の１のとき、システム損失が最小となる。これは、インバータ６０、７０で発生する電流リプルが最小に抑えられ、結果としてインバータ６０、７０やモータ８０で発生する損失が最小になるからである。よって、キャパシタ電圧Ｖ２の目標値は、バッテリ電圧Ｖ１の２分の１に設定されることが好ましい。具体的には、電圧ヒステリシス制御で放電モードと充電モードとを切り替える電圧閾値Ｖｔｈ＿Ｈ、Ｖｔｈ＿Ｌがバッテリ電圧Ｖ１の２分の１に近い値に設定されることが望ましい。

［空間ベクトル変調（１）電圧ベクトルの選択］
（電圧ベクトルの定義）
図１１を参照し、２台のインバータ６０、７０で合成される電圧ベクトルの定義について説明する。電圧ベクトルは、一般的な空間ベクトル変調での表記方法に従う。ただし、バッテリ１１側の第１インバータ６０の電圧ベクトルを（１００）、キャパシタ１２側の第２インバータ７０の電圧ベクトルを（１００）’というように区別し、合成される電圧ベクトルを（１００）（１００）’と表記する。「１」は上アーム素子がオン、下ターム素子がオフであることを示し、「０」は上アーム素子がオフ、下アーム素子がオンであることを示す。第１インバータ６０のゼロベクトルは、（０００）、（１１１）の２通りで表されるが、以下の図で原点を示す場合、（０００）のみを記し、（１１１）を省略する。

本実施形態のシステム構成では、第２インバータ７０の電圧ベクトルの方向は、第１インバータ６０の電圧ベクトルとは逆方向となる。したがって、第１インバータ６０の電圧ベクトル（１００）と第２インバータ７０の電圧ベクトル（１００）’とは、同じ表記であっても電圧ベクトルの方向が１８０°反転している。

「０≦Ｖ２≦Ｖ１」から上下限の等号の場合を除外した「０＜Ｖ２＜Ｖ１」の条件では、第１インバータ６０の電圧ベクトルの範囲は、相対的に大きい正六角形で表され、第２インバータ７０の電圧ベクトルの範囲は、相対的に小さい正六角形で表される。×印が付された第１インバータ６０の電圧ベクトル範囲の外側の電圧ベクトルは、キャパシタ１２の充電又は放電の一方にしかできないため使用しない。

各電圧ベクトルは、キャパシタ１２の充放電状態によって、充電電圧ベクトル、放電電圧ベクトル、保持電圧ベクトルに分類される。使用しない電圧ベクトルを除き、第２インバータ７０がゼロベクトル以外の場合の電圧ベクトルを〇印で示す。〇印の電圧ベクトルうち、キャパシタ１２が充電される電圧ベクトルを充電電圧ベクトル、キャパシタ１２が放電される電圧ベクトルを放電電圧ベクトルと定義する。一方、第２インバータ７０がゼロベクトルの場合の電圧ベクトルを□印で示す。□印の電圧ベクトルを保持電圧ベクトルと定義する。

図６（ａ）に例示する充電モードでは充電電圧ベクトル（１００）（１００）’が用いられ、図６（ｂ）に例示する放電モードでは放電電圧ベクトル（０００）（０１１）’が用いられる。図６（ｃ）に例示する保持モードでは、第２インバータ７０がゼロベクトルである保持電圧ベクトル（１００）（０００）’が用いられる。このとき、キャパシタ１２に電流が流れないため、充放電されない。

（充電／放電電圧ベクトルの定義）
充電電圧ベクトルと放電電圧ベクトルとは電流極性モードによって決定される。例として表１に、電流極性モードＡの場合の第２インバータ７０の電圧ベクトルの種類を示す。電流極性モードＡでは、３相モータ電流の中で最も絶対値が大きいのはＵ相電流Ｉｕである。Ｕ相電流Ｉｕは符号が正であるため、第１インバータ６０から第２インバータ７０に向かって流れる。

第２インバータ７０のＵ相のみ上アーム素子７１がオンで電圧ベクトルが（１００）’のとき、＋｜Ｉｕ｜の充電電流がキャパシタ１２に流れ込む。第２インバータ７０のＵ相及びＶ相の上アーム素子７１、７２がオン、又は、Ｕ相及びＷ相の上アーム素子７１、７３がオンで、電圧ベクトルが（１１０）’又は（１０１）’のとき、それぞれ、＋｜Ｉｕ｜－｜Ｉｖ｜、＋｜Ｉｕ｜－｜Ｉｗ｜の充電電流がキャパシタ１２に流れ込む。

第２インバータ７０のＵ相のみ下アーム素子７４がオンで電圧ベクトルが（０１１）’のとき、－｜Ｉｕ｜の放電電流がキャパシタ１２から流れ出す。第２インバータ７０のＵ相及びＶ相の下アーム素子７４、７５がオン、又は、Ｕ相及びＷ相の下アーム素子７４、７６がオンで、電圧ベクトルが（００１）’又は（０１０）’のとき、それぞれ、－｜Ｉｕ｜＋｜Ｉｖ｜、－｜Ｉｕ｜＋｜Ｉｗ｜の放電電流がキャパシタ１２から流れ出す。

以上をまとめると、電流極性モードＡの場合、第２インバータ７０のＵ相上アーム素子７１がオンであれば充電電圧ベクトルとなり、Ｕ相下アーム素子７４がオンであれば放電電圧ベクトルとなる。

（充電／放電電圧ベクトルの配置）
図１２～図１４に、全ての電流極性モードＡ～Ｆについて、充電／放電電圧ベクトルの配置を示す。電流極性モードが決まれば、第２インバータ７０がゼロベクトルでない電圧ベクトルについて、充電電圧ベクトルか放電電圧ベクトルかを決定できる。第１インバータ６０の電圧ベクトルについて、電圧位相６０°ごとの６個の正三角形領域を「セクタ」という。図１２では、電流極性モードＡでの電圧位相０°～６０°のセクタに破線ハッチングが付されている。このセクタは、図２３～図２６で例として引用される。

（電圧ベクトルの選択方法）
電圧ベクトルの定義に基づいて検討された電圧ベクトルの選択方法について説明する。以下、組み合わせて選択される複数の電圧ベクトルを「電圧ベクトルセット」という。電圧ベクトル選択部４１は、次の２つの選択ルールに従って、充放電モード及び電流極性モードに応じた電圧ベクトルセットを決定する。

［選択ルール１］
キャパシタの充放電制御の制御周期をモータ制御の制御周期と合わせるため、制御周期中には充放電モードを切り替えない。

［選択ルール２］
＜基本形＞
電圧ベクトル選択部４１は、充電モードでは、充電電圧ベクトルと保持電圧ベクトルとから電圧ベクトルセットを決定する。また、電圧ベクトル選択部４１は、放電モードでは、放電電圧ベクトルと保持電圧ベクトルから電圧ベクトルセットを決定する。基本形による電圧ベクトル選択の具体例については、図２７（ａ）、図２３を参照して後述する。

＜応用形＞
電圧ベクトル選択部４１は、充電モードでは、充電電圧ベクトルと保持電圧ベクトルとを組み合わせ、又は、充電電圧ベクトルと放電電圧ベクトルと保持電圧ベクトルとを組み合わせて、空間ベクトル変調の一周期として充電となる電圧ベクトルセットを決定する。また、電圧ベクトル選択部４１は、放電モードでは、放電電圧ベクトルと保持電圧ベクトルとを組み合わせ、又は、充電電圧ベクトルと放電電圧ベクトルと保持電圧ベクトルとを組み合わせて、空間ベクトル変調の一周期として放電となる電圧ベクトルセットを決定する。応用形において充電電圧ベクトルと放電電圧ベクトルとを混在させる電圧ベクトル選択の具体例については、図２７（ｂ）、（ｃ）、図２８を参照して後述する。

＜基本形、応用形共通＞
電圧ベクトル選択部４１は、保持モード（充放電なし）では、保持電圧ベクトルのみから、又は、充電電圧ベクトル、放電電圧ベクトル及び保持電圧ベクトルを組み合わせて電圧ベクトルセットを決定する。充電電圧ベクトル及び放電電圧ベクトルを組み合わせる場合、電圧ベクトル選択部４１は、空間ベクトル変調の一周期として充電及び放電がキャンセルされるように電圧ベクトルセットを決定する。

上記選択ルールを踏まえて、図１５～図２０に、全ての電流極性モードＡ～Ｆの充電モード及び放電モードの場合に選択される電圧ベクトルをまとめて示す。例えば電流極性Ａの充電モードと電流極性Ｄの放電モードとでは同じ電圧ベクトルが選択される。この場合の充放電モードを「Ａ－充電ｏｒＤ－放電」と記す。図１５には「Ａ－充電ｏｒＤ－放電」、図１６には「Ｂ－充電ｏｒＥ－放電」、図１７には「Ｃ－充電ｏｒＦ－放電」、図１８には「Ｄ－充電ｏｒＡ－放電」、図１９には「Ｅ－充電ｏｒＢ－放電」、図２０には「Ｆ－充電ｏｒＣ－放電」の充放電モードの場合に選択される電圧ベクトルを示す。

図１５～図２０の各図には、充放電に支配的な電流経路、充放電時にオンする第２インバータ７０の素子、充放電時に使用される第２インバータ７０の電圧ベクトル、第１インバータ６０及び第２インバータ７０の電圧ベクトルを示す。６０°ごとのセクタに「Ｐ、Ｑ、Ｒ、ｐ、ｑ、ｒ」の記号が付された配置パターンの意味については、図２２を参照して後述する。

充電モードの場合、第２インバータ７０がゼロベクトルである保持電圧ベクトルの間に必ず充電電圧ベクトルが配置されるため、３レベル駆動が可能である。放電モードの場合も同様である。保持モードで使用される保持電圧ベクトルは図１１～図１４にて□印で示される通りである。保持モードの場合、保持電圧ベクトルのみを使う代わりに２レベル駆動となる。

（αβ→ａｂ変換）
次の「Ｄｕｔｙ比計算」の説明では、ＵＶＷ相の正負方向を基準とした電圧位相６０°ごとの議論をする。その準備としてαβ軸電圧位相を６０°ごとの６個のセクタに分け、ａｂ軸電圧を導入する。図２１に各セクタの電圧位相及びａｂ軸電圧の定義を示す。

（各セクタの電圧ベクトル配置パターン）
αβ軸電圧位相６０°ごとの６個のセクタにおける６通りの電圧ベクトル配置パターンを「Ｐ、Ｑ、Ｒ、ｐ、ｑ、ｒ」の記号で表す。例えば図１５に示す「Ａ－充電ｏｒＤ－放電」モードで使用される電圧ベクトルは、電圧位相０°～６０°のセクタがＰパターン、６０°～１２０°のセクタがＱパターン、１２０°～１８０°のセクタがＲパターン、２１８０°～２４０°のセクタがｐパターン、２４０°～３００°のセクタがｑパターン
３００°～３６０°のセクタがｒパターンの配置となる。図２２に、充放電モードと電圧ベクトル配置パターンとの関係を示す。

図２３～図２５に、電流極性モードＡでの電圧位相０°～６０°のセクタ（図１２で破線ハッチングを付した領域）を例として、６種類の電圧ベクトル配置パターンを示す。ここで、１個のセクタは、４個の「サブセクタ（三角形領域）」＃１～＃４に分割される。セクタは、第１インバータ６０の３つの電圧ベクトルを頂点とする正三角形領域である。サブセクタは、第２インバータの電圧ベクトルを結んだ線でセクタを分割して得られた三角形領域である。サブセクタの詳しい定義や意義については図２９を参照して後述する。

図２３に示すように、Ｐパターンは、３つの充電電圧ベクトル（１００）（１００）’、（１１０）（１１０）’、（１００）（１０１）’を頂点とするサブセクタ＃４を含む充電用の配置パターンである。ｐパターンは、３つの放電電圧ベクトル（０００）（０１１）’、（０００）（００１）’、（１１０）（０１０）’を頂点とするサブセクタ＃４を含む放電用の配置パターンである。

これらに対し、三角形の３つの頂点に充電電圧ベクトルと放電電圧ベクトルとの両方が混在する配置パターンを中間用の配置パターンという。中間用の配置パターンでは、Ｄｕｔｙ比及びモータ電流によりキャパシタ１２の充電又は放電が決まる。

図２４に示すように、Ｑパターンは、２つの充電電圧ベクトル（１００）（１００）’、（１００）（１０１）’及び１つの放電電圧ベクトル（０００）（００１）’を頂点とするサブセクタ＃４を含む。ｑパターンは、２つの放電電圧ベクトル（０００）（０１１）’、（１１０）（０１０）’及び１つの充電電圧ベクトル（１１０）（１１０）’を頂点とするサブセクタ＃４を含む。

図２５に示すように、Ｒパターンは、２つの放電電圧ベクトル（０００）（０１１）’、（０００）（００１）’及び１つの充電電圧ベクトル（１００）（１０１）’を頂点とするサブセクタ＃４を含む。ｒパターンは、２つの充電電圧ベクトル（１００）（１００）’、（１１０）（１１０）’及び１つの放電電圧ベクトル（１１０）（０１０）’を頂点とするサブセクタ＃４を含む。

上記の６種類とは異なる配置パターンとして、図２６に、中間用の配置パターンであるＳパターン及びｓパターンを示す。Ｓパターン及びｓパターンのサブセクタ＃４は、第２インバータ７０の電圧ベクトル範囲を示す３個の正六角形で囲まれた正六角形領域において頂点を１つおきに結んだ正三角形で表される。

Ｓパターンは、２つの放電電圧ベクトル（０００）（００１）’、（１１０）（０１０）’及び１つの充電電圧ベクトル（１００）（１００）’を頂点とするサブセクタ＃４を含む。ｓパターンは、２つの充電電圧ベクトル（１１０）（１１０）’、（１００）（１０１）’及び１つの放電電圧ベクトル（０００）（０１１）’を頂点とするサブセクタ＃４を含む。このように、充電電圧ベクトルと放電電圧ベクトルとの両方が混在する電圧ベクトル配置パターンを用いることで、ヒステリシス制御の際の充放電繰り返し回数が緩和される。

（充放電モードでの電圧ベクトルの選択）
図２７（ａ）に示すように、充電モードではキャパシタ電圧Ｖ２が上昇して上閾値を上回ると、次の制御周期で放電モードに切り替わる。放電モードではキャパシタ電圧Ｖ２が下降して下閾値を下回ると、次の制御周期で充電モードに切り替わる。このとき充電モード及び放電モードで用いられる電圧ベクトルの選択について、図２３～図２６と同様に、電流極性モードＡの電圧位相０°～６０°のセクタを例として説明する。

電圧ベクトル選択の基本形では、充電モードでＰパターン（図２３上）、放電モードでｐパターン（図２３下）の電圧ベクトル配置が選択される。Ｐパターン及びｐパターンでは、セクタが４個のサブセクタに分けられる。Ｐパターンのサブセクタ＃１～＃３の頂点は充電電圧ベクトル及び保持電圧ベクトルからなり、サブセクタ＃４の頂点は充電電圧ベクトルのみからなる。ｐパターンのサブセクタ＃１～＃３の頂点は放電電圧ベクトル及び保持電圧ベクトルからなり、サブセクタ＃４の頂点は放電電圧ベクトルのみからなる。

図２７（ｂ）に示すように、電圧ベクトル選択の応用形１では下閾値と上閾値との間が中間領域として定義される。中間領域で用いられる充放電混在モードでは、図２８に示すように、セクタが５個のサブセクタに分けられる。図２８上の例では、ｒパターン（図２５下）のサブセクタ＃１が（０００）（００１）’を頂点とする２個のサブセクタに分けられる。図２８下の例では、ｓパターン（図２６下）のサブセクタ＃３が（１１０）（０１０）’を頂点とする２個の領域に分けられる。５個全てのサブセクタの頂点には充電電圧ベクトルと放電電圧ベクトルとの両方が含まれる。これにより中間領域にとどまる期間を長くし、キャパシタ電圧Ｖ２のリップルを低減できる。

図２７（ｃ）に示すように、電圧ベクトル選択の応用形２では下閾値と上閾値との間に中心値が定義される。充電モード又は放電モードにてキャパシタ電圧Ｖ２が中心値をまたいだ時、充放電混在モードが開始され、図２８上や図２８下の例の電圧ベクトルが用いられる。これにより応用形２と同様に中間領域にとどまる期間を長くし、キャパシタ電圧Ｖ２のリップルを低減できる。

［空間ベクトル変調（２）Ｄｕｔｙ比計算］
図２９に、Ｐパターンの電圧ベクトル配置における（ａ）指令電圧ベクトル、（ｂ）サブセクタ（三角形領域）、（ｃ）サブセクタ頂点の電圧ベクトルを示す。図２９（ａ）の指令電圧ベクトルＶ^*はａ軸方向及びｂ軸方向の電圧ベクトルの和で表される。ａｂ軸の単位電圧ベクトルをＥａ、Ｅｂとし、指令電圧ベクトルの係数をＶａ、Ｖｂと定義すると、指令電圧ベクトルＶ^*は、下式で表される。
Ｖ^*＝ＶａＥａ＋ＶｂＥｂ

図２９（ｂ）に示すように、１個のセクタは、４個のサブセクタ（三角形領域）＃１～＃４に分割される。原点に近い領域をサブセクタ＃１、原点からa軸方向に最も遠い領域をサブセクタ＃２、原点からｂ軸方向に最も遠い領域をサブセクタ＃３と定義する。さらにサブセクタ＃１、＃２、＃３に囲まれた領域をサブセクタ＃４と定義する。各サブセクタ間の境界線は、電圧ベクトル配置パターンＰ、Ｑ、Ｒ、ｐ、ｑ、ｒごとに異なる。境界線は、指令電圧ベクトルの係数Ｖａ、Ｖｂ、バッテリ電圧Ｖ１及びキャパシタ電圧Ｖ２を用い、両端の電圧ベクトルを結んだ直線の式で表すことができる。

図２９（ａ）において、指令電圧ベクトルの終点が含まれるセクタを「指令セクタ」と定義し、さらに指令電圧ベクトルの終点が含まれるサブセクタを「指令サブセクタ」と定義する。電圧ベクトル選択部４１は、指令電圧ベクトルから指令セクタを決定し、さらに指令サブセクタを決定する。そして電圧ベクトル選択部４１は、指令サブセクタの頂点を終点とする電圧ベクトルにより、使用する電圧ベクトルセットを決定する。

図３０のフローチャートに、電圧ベクトル選択部４１が指令サブセクタを決定するアルゴリズムを示す。Ｓ３０では、電圧ベクトル配置パターンＰ、Ｑ、Ｒ、ｐ、ｑ、ｒに応じて、サブセクタ＃１－＃４間、＃２－＃４間、＃３－＃４間の各境界線が設定される。Ｓ３１の分岐１では、指令電圧ベクトルの終点が＃１－＃４間境界線の内側（すなわち原点側）にあるか判別される。Ｓ３２の分岐２では、指令電圧ベクトルの終点が＃２－＃４間境界線の外側（すなわち原点と反対側）にあるか判別される。Ｓ３３の分岐３では、指令電圧ベクトルの終点が＃３－＃４間境界線の外側にあるか判別される。Ｓ３１でＹＥＳの場合は＃１、Ｓ３２でＹＥＳの場合は＃２、Ｓ３３でＹＥＳの場合は＃３、Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３のいずれもＮＯの場合は＃４が指令サブセクタに決定される。

図２９（ｃ）に戻り、各サブセクタ＃１～＃４の頂点をなす３つの電圧ベクトルセットをＶｌ、Ｖｍ、Ｖｎと定義する。サブセクタ＃１～＃３では、原点側の頂点の電圧ベクトルがＶｌ、ａ軸側の頂点の電圧ベクトルがＶｍ、ｂ軸側の頂点の電圧ベクトルがＶｎとなる。サブセクタ＃４では逆に、原点と反対側の頂点の電圧ベクトルがＶｌ、ａ軸と反対側の頂点の電圧ベクトルがＶｍ、ｂ軸と反対側の頂点の電圧ベクトルがＶｎとなる。

指令サブセクタの頂点をなす各電圧ベクトルＶｌ、Ｖｍ、Ｖｎが出力するＤｕｔｙ比を、それぞれ、ｌ、ｍ、ｎ（０≦ｌ≦１、０≦ｍ≦１、０≦ｎ≦１、ｌ＋ｍ＋ｎ＝１）と定義する。Ｄｕｔｙ比ｌ、ｍ、ｎは、空間ベクトル変調の一周期における各電圧ベクトルＶｌ、Ｖｍ、Ｖｎの印加時間の比率である。電圧ベクトルＶｍ、ＶｎのＤｕｔｙ比ｍ、ｎが計算されれば、電圧ベクトルＶｌのＤｕｔｙ比ｌは、「ｌ＝１－ｍ－ｎ」により計算される。なお、「ｌ」は「Ｌ」の小文字であり、数字の「１」と誤読しないように注意することが望まれる。

図３１に、電流極性モードＡの電圧位相０°～６０°のセクタにおける指令サブセクタがサブセクタ＃２のときのＤｕｔｙ比の計算式の例を示す。Ｄｕｔｙ比計算部４２は、充放電モードに応じて、指令電圧ベクトルの係数Ｖａ、Ｖｂ、バッテリ電圧Ｖ１及びキャパシタ電圧Ｖ２に基づき指令電圧ベクトルのＤｕｔｙ比を計算する。

図３１（ａ）に示すように、電圧ベクトル配置がＰパターン（図２３上）である充電モードでは、電圧ベクトルＶｍ、ＶｎのＤｕｔｙ比ｍ、ｎは下式により計算される。
ｍ＝｛Ｖａ－（Ｖ１－Ｖ２）｝／Ｖ２
ｎ＝Ｖｂ／Ｖ２

図３１（ｂ）に示すように、電圧ベクトル配置がｐパターン（図２３下）である放電モードでは、電圧ベクトルＶｍ、ＶｎのＤｕｔｙ比ｍ、ｎは下式により計算される。
ｍ＝（Ｖａ－Ｖ２）／（Ｖ１－Ｖ２）
ｎ＝Ｖｂ／（Ｖ１－Ｖ２）

指令サブセクタが＃２以外のサブセクタのときや電圧ベクトル配置が他のパターンのときにも電圧ベクトルＶｍ、ＶｎのＤｕｔｙ比ｍ、ｎは同様に計算される。Ｄｕｔｙ比計算部４２は、４個のサブセクタ＃１～＃４につき各６個の電圧ベクトル配置パターンの計２４パターンの計算式を用いて、全ての指令電圧ベクトルについてＤｕｔｙ比を計算する。

［空間ベクトル変調：キャパシタ電圧０から充電できる理由］
図３２を参照し、空間ベクトル変調においてキャパシタ電圧Ｖ２が０の状態から充電できる理由について説明する。キャパシタ電圧Ｖ２が０のとき、アルゴリズムにより、指令サブセクタとしてサブセクタ＃１が選択される。このとき、図３２の上側に示すように、頂点の電圧ベクトルＶｍ、Ｖｎは充電電圧ベクトルとなる。その結果、指令電圧ベクトルの大きさや位相に関わらず、キャパシタ１２は充電される。

キャパシタ電圧Ｖ２が充電されるに連れ、図３２の下側に示すように、電圧ベクトルＶｍは、ａ軸上を原点に向かって移動するとともにセクタ外側の辺上をｂ軸に向かって移動する。電圧ベクトルＶｎはｂ軸上を原点に向かって移動する。その結果、Ｐパターン（図２３上）の電圧ベクトル配置となる。

［本実施形態の効果］
図３３～図３６を参照し、特許文献１の従来技術に相当する比較例１、及び、非特許文献１の従来技術に相当する比較例２と対比しつつ、本実施形態の効果について説明する。まず比較例１、２と本実施形態との共通点、類似点として、２電源２インバータシステムの主回路のトポロジーが同じである。また、モータ駆動しながら、第１の電源であるバッテリ１１と第２の電源であるキャパシタ１２との間で電力を移動できる点が同じである。一方、比較例１、２と本実施形態との相違点として、（１）マルチレベル駆動の可否、及び、バッテリ電圧Ｖ１に対するキャパシタ電圧Ｖ２の制御範囲、に着目する。

図３３に、比較例１、比較例２、本実施形態によるマルチレベル駆動の可否を示す。特許文献１の図４（ｃ）等から明らかなように、比較例１では、各相の巻線電圧は３レベルであり、マルチレベル駆動ではない。一方、比較例２及び本実施形態では、各相の巻線電圧は５レベルであり、マルチレベル駆動が実現される。よって、電圧変調率の全域でマルチレベル駆動によるモータ損失の低減が可能となる。

図３４、図３５を参照し、比較例２の電圧ベクトル配置及び指令電圧ベクトルについて説明する。図３４、図３５は、それぞれ本実施形態の電流極性モードＡに係る図１２上、図３１（ａ）、（ｂ）に対応する。比較例２では、キャパシタ電圧Ｖ２はバッテリ電圧Ｖ１の２分の１に固定される（Ｖ２＝Ｖ１／２）。そのため図３４に示すように、充電時と放電時の電圧ベクトルは一致する。

図３５に示すように、指令サブセクタがサブセクタ＃２のとき、電圧ベクトルＶｍ、ＶｎのＤｕｔｙ比ｍ、ｎは、充放電モードとは関係なく、指令電圧ベクトルの係数Ｖａ、Ｖｂ及びバッテリ電圧Ｖ１から下式により計算される。
ｍ＝（Ｖａ－Ｖ２）／Ｖ２＝（２Ｖａ－Ｖ１）／Ｖ１
ｎ＝Ｖｂ／Ｖ２＝２Ｖｂ／Ｖ１

それに対し本実施形態では、キャパシタ電圧Ｖ２の制御範囲は、０以上バッテリ電圧Ｖ１以下の範囲で可変である（０≦Ｖ２≦Ｖ１）。そのため図１２に示すように、充電時と放電時の電圧ベクトルは一致しない。また、図３１（ａ）、（ｂ）を参照して上述したように、指令電圧ベクトルのＤｕｔｙ比は、指令電圧ベクトルの係数Ｖａ、Ｖｂ及びバッテリ電圧Ｖ１に加え、充放電モードとキャパシタ電圧Ｖ２とによって計算される。

図３６を参照し、モータ８０の駆動時におけるトルクリップルを比較例２と本実施形態とで比較する。モータ電流（例としてＵ相電流Ｉｕを図示）の周期に対しキャパシタ電圧Ｖ２は非同期で変化する。比較例２の空間ベクトル変調法ではキャパシタ電圧Ｖ２をバッテリ電圧Ｖ１の２分の１に固定しており、充電電圧ベクトルと放電電圧ベクトルとが一致していることが条件となる。

そのため、車両起動後にモータ８０を駆動する直前にキャパシタ電圧Ｖ２をバッテリ電圧Ｖ１の２分の１にまで充電する必要がある。キャパシタ電圧Ｖ２がバッテリ電圧Ｖ１の２分の１未満の状態でマルチレベル駆動すると、モータ相電流が歪み、トルクリップルＴＲｃが大きくなる。なお、図３６においてＵ相電流Ｉｕは、電流周期を示すことを目的として記載されたものであり、比較例２による相電流の歪の図示は省略する。

これに対し本実施形態では、キャパシタ電圧Ｖ２の制御範囲が０以上バッテリ電圧Ｖ１以下の範囲で可変である。また、Ｄｕｔｙ比計算部４２は、充放電モードに基づいて決定された電圧ベクトルセットについて、Ｄｕｔｙ比を、指令電圧とバッテリ電圧Ｖ１とからだけでなく、キャパシタ電圧Ｖ２に基づき計算する。これにより、キャパシタ１２の初期充電の必要がなく、比較例２に比べトルクリップルを抑制したマルチレベル駆動が可能となる。さらにモータ相電流の歪みが抑制され、トルクリップルＴＲｐを小さくすることができる。なお上述のように、本実施形態においてキャパシタ電圧Ｖ２の目標値をバッテリ電圧Ｖ１の２分の１に設定することで、さらにシステム損失を低減することができる。

（その他の実施形態）
（ａ）上記実施形態のように「第１の電源」がバッテリ１１であり、「第２の電源」がキャパシタ１２である構成に限らず、「第１の電源」及び「第２の電源」の構成が拡張解釈されてもよい。「第１の電源」は、リチウムイオン電池等の他、燃料電池等により構成されてもよい。「第２の電源」は、充放電可能であり、充電状態に応じて変化する第２の電源電圧を出力する電源であればよく、電気二重層キャパシタ等の他、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタにより構成されてもよい。

（ｂ）制御回路３０において、電流極性モード判定部３７、充放電モード判定部３８、空間ベクトル変調部４０等の本実施形態に特有の構成以外の一般制御構成は、モータ制御に関する周知技術に基づき、適宜変更されてよい。例えば、電流フィードバック制御に代えてトルクフィードバック制御が用いられてもよい。

（ｃ）本発明のモータ制御装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源であるモータジェネレータに限らず、インバータから電力供給されるどのような３相モータに適用されてもよい。

以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１１・・・バッテリ（第１の電源）、 １２・・・キャパシタ（第２の電源）、
３０・・・制御回路、
３４・・・ｄｑ軸電流制御部（指令電圧演算部）、
３５・・・電圧αβ変換部（指令電圧演算部）、
３７・・・電流極性モード判定部、 ３８・・・充放電モード判定部、
４１・・・電圧ベクトル選択部、 ４２・・・Ｄｕｔｙ比計算部、
５６、５７・・・駆動回路、
６０・・・第１インバータ、 ７０・・・第２インバータ、
８０・・・モータ、 ８１、８２、８３・・・３相巻線、
Ｖ１・・・バッテリ電圧（第１の電源電圧）、
Ｖ２・・・キャパシタ電圧（第２の電源電圧）。

Claims (7)

1. 第１の電源電圧（Ｖ１）を出力する第１の電源（１１）、及び、充放電可能であり、充電状態に応じて変化する第２の電源電圧（Ｖ２）を出力する第２の電源（１２）から個別に直流電力が入力される２台のインバータを用いて、中性点がオープンである３相巻線（８１、８２、８３）を有するモータ（８０）を駆動するモータ駆動システムにおいて、前記モータの通電を制御する制御装置であって、
   前記第１の電源から入力される直流電力を交流電力に変換し、前記３相巻線の一端に供給する第１インバータ（６０）と、
   前記第２の電源から入力される直流電力を交流電力に変換し、前記３相巻線の他端に供給する第２インバータ（７０）と、
   空間ベクトル変調を用いて前記２台のインバータに出力するゲート信号を生成する制御回路（３０）と、
   前記制御回路が生成したゲート信号に基づき前記２台のインバータをスイッチング動作させる駆動回路（５６、５７）と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記モータへの指令トルクに基づき、電流フィードバック制御により指令電圧を演算する指令電圧演算部（３４、３５）と、
   前記モータに流れる相電流に基づき、電流の極性状態を示す電流極性モードを判定する電流極性モード判定部（３７）と、
   前記第２の電源電圧に基づき、前記第２の電源に充電が必要な充電モード、前記第２の電源に放電が必要な放電モード、又は、前記第２の電源に充電及び放電のいずれも必要の無い保持モードのうちいずれかの充放電モードを判定する充放電モード判定部（３８）と、
   前記指令電圧、前記電流極性モード及び前記充放電モードに基づき、空間ベクトル座標において、前記第２の電源を充電する電圧ベクトルである充電電圧ベクトル、前記第２の電源を放電する電圧ベクトルである放電電圧ベクトル、及び、前記第２の電源を充放電しない電圧ベクトルである保持電圧ベクトルから、使用する電圧ベクトルセットを決定する電圧ベクトル選択部（４１）と、
   前記電圧ベクトル選択部が決定した電圧ベクトルセットについて、前記指令電圧、前記第１の電源電圧、及び、０以上、前記第１の電源電圧以下の範囲で可変である前記第２の電源電圧に基づき、空間ベクトル変調の一周期における各電圧ベクトルの印加時間の比率であるＤｕｔｙ比を計算するＤｕｔｙ比計算部（４２）と、
   を有するモータ制御装置。
2. 前記電圧ベクトル選択部は、
   前記充電モードでは、前記充電電圧ベクトルと前記保持電圧ベクトルとから電圧ベクトルセットを決定し、
   前記放電モードでは、前記放電電圧ベクトルと前記保持電圧ベクトルとから電圧ベクトルセットを決定する請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記電圧ベクトル選択部は、
   前記充電モードでは、前記充電電圧ベクトルと前記保持電圧ベクトルとを組み合わせ、又は、前記充電電圧ベクトルと前記放電電圧ベクトルと前記保持電圧ベクトルとを組み合わせて、空間ベクトル変調の一周期として充電となる電圧ベクトルセットを決定し、
   前記放電モードでは、前記放電電圧ベクトルと前記保持電圧ベクトルとを組み合わせ、又は、前記充電電圧ベクトルと前記放電電圧ベクトルと前記保持電圧ベクトルとを組み合わせて、空間ベクトル変調の一周期として放電となる電圧ベクトルセットを決定する請求項１に記載のモータ制御装置。
4. 前記電圧ベクトル選択部は、
   前記保持モードでは、前記保持電圧ベクトルのみから、又は、前記充電電圧ベクトル、前記放電電圧ベクトル及び前記保持電圧ベクトルを組み合わせて電圧ベクトルセットを決定する請求項２または３に記載のモータ制御装置。
5. 前記第２の電源電圧の目標値は、前記第１の電源電圧の２分の１に設定される請求項１～４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
6. 前記電流極性モード判定部は、
   Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流ベクトルの位相を０°、１２０°、２４０°としたとき、
   （６０ｎ±３０）°（ｎ＝０，１，２，３，４，５）
   で区分される６個の領域に対応する６種類の電流極性モードを、前記モータの各相に流れる電流の正負に基づいて判定し、
   前記電圧ベクトル選択部は、前記電流極性モードに基づき、充電電圧ベクトルまたは放電電圧ベクトルを選択する請求項１～５のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
7. 前記電圧ベクトル選択部は、
   前記第１インバータの電圧ベクトルについて、電圧位相６０°ごとの正三角形領域である６個のセクタのうち、指令電圧ベクトルの終点が存在する指令セクタを決定し、
   さらに、前記第２インバータの電圧ベクトルを結んだ線で前記セクタを分割して得られた三角形領域である４個のサブセクタのうち、指令電圧ベクトルの終点が存在する指令サブセクタを決定し、
   前記指令サブセクタの頂点の電圧ベクトルにより、使用する電圧ベクトルセットを決定する請求項１～６のいずれか一項に記載のモータ制御装置。

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