JP2024057278A

JP2024057278A - 駆動装置

Info

Publication number: JP2024057278A
Application number: JP2022163894A
Authority: JP
Inventors: 亮次佐藤; 浩一栗山; 拓也嶋路
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-10-12
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-04-24

Abstract

【課題】高調波重畳制御の実行の有無を適正なタイミングで判定することができる駆動装置を提供する。【解決手段】駆動装置１は、モータ１０と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記モータを駆動するインバータ１２と、モータのトルク指令に基づいて、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令を設定し、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令に基づいてインバータを制御する制御装置３０とを備え、制御装置３０は、高調波成分を除外したｄ軸、ｑ軸の電圧指令と入力電圧とに基づいて、電圧利用率を算出する電圧利用率算出部３２と、電圧利用率算出部により算出された電圧利用率に基づいて、高調波重畳制御を実行するか否かを判定する判定部３４と、判定部により高調波重畳制御を実行しないと判定されたことを条件に、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令を変換することで、インバータの制御をＰＷＭ制御から矩形制御に切り替える切替部３６と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、駆動装置に関する。

従来、モータと、複数のスイッチング素子のスイッチングによりモータを駆動するインバータと、モータのトルク指令に基づいてｄ軸、ｑ軸の電圧指令を設定し、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令に基づいてインバータを制御する制御装置とを備える駆動装置が知られている。例えば、特許文献１には、制御装置が複数のスイッチング素子のスイッチングにおけるデッドタイム中のモータの電圧変動を打ち消すためのデッドタイム対応項を含んでモータのトルクリプルを打ち消すようにフィードフォワード項を設定し、フィードフォワード項を用いてｄ軸、ｑ軸の電圧指令を設定する構成が記載されている。

特許第６７６０１９７号公報

ところで、従来の技術において、変調域の高調波成分を低減することを目的として、高調波重畳制御を実行する場合がある。ここで、一般に、高調波重畳制御の実行の有無を判定する際には電圧利用率が参照される。この場合、電圧利用率の算出に用いる電圧指令が高調波成分を含むとすると、高調波成分に起因して電圧利用率の振幅が変動し、高調波重畳制御の実行の有無を適正なタイミングで判定できない虞があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高調波重畳制御の実行の有無を適正なタイミングで判定することができる駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する駆動装置は、モータと、複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記モータを駆動するインバータと、前記モータのトルク指令に基づいて、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令を設定し、前記ｄ軸、ｑ軸の電圧指令に基づいて前記インバータを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、高調波成分を除外した前記ｄ軸、ｑ軸の電圧指令と入力電圧とに基づいて、電圧利用率を算出する電圧利用率算出部と、前記電圧利用率算出部により算出された電圧利用率に基づいて、高調波重畳制御を実行するか否かを判定する判定部と、前記判定部により高調波重畳制御を実行しないと判定されたことを条件に、前記ｄ軸、ｑ軸の電圧指令を変換することで、前記インバータの制御をＰＷＭ制御から矩形制御に切り替える切替部と、を有する。

本発明によれば、高調波重畳制御の実行の有無を適正なタイミングで判定することができる。

駆動装置の概略構成を示す図である。モータの駆動制御の処理内容を示すフローチャートである。高調波重畳実行判定処理の処理内容を示すフローチャートである。フィードフォワード項の設定処理の処理内容を示すフローチャートである。フィードフォワード項の設定処理の処理内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の駆動装置を具体化した一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、駆動装置１は、電動車両に搭載され、例えば、モータ１０と、インバータ１２と、バッテリ１４と、制御装置３０とを備える。

モータ１０は、例えば、永久磁石が埋め込まれた回転子と、三相コイルが巻回された固定子とを備える。モータ１０は、回転子の回転に伴う駆動力を駆動軸に伝達する。

インバータ１２は、例えば、６つのスイッチング素子の一例としてのトランジスタ２０と、６つのトランジスタ２０の各々に並列に接続された６つのダイオード２２とを有する。６つのトランジスタ２０の各々は、電力ライン２４の正極側ラインと負極側ラインとに対してソース側とシンク側となるように２個ずつペアで配置されている。ソース側のトランジスタ２０は上アームと称され、シンク側のトランジスタ２０は下アームと称される。また、６つのトランジスタ２０のうち、対となるトランジスタ２０同士の接続点の各々には、モータ１０の三相コイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル）の各々が接続されている。インバータ１２は、６つのトランジスタ２０の各々のスイッチングによりモータ１０を駆動する。

バッテリ１４は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素二次電池により構成されており、電力ライン２４を介してインバータ１２に接続されている。電力ライン２４の正極側ラインと負極側ラインとには、コンデンサ２６が取り付けられている。

制御装置３０は、電子制御装置により構成されており、例えば、電圧利用率算出部３２と、判定部３４と、切替部３６とを備える。

電圧利用率算出部３２は、例えば、インバータ１２に送信した電圧指令と、インバータ１２に入力される入力電圧とに基づいて、電圧利用率を算出する。

判定部３４は、例えば、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率に基づいて、高調波重畳制御を実行するか否かを判定する。判定部３４は、例えば、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率が停止閾値よりも大きい場合、高調波重畳制御を実行しないと判定する。判定部３４は、例えば、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率が実行閾値よりも小さい場合、高調波重畳制御を実行すると判定する。実行閾値は、停止閾値よりも小さい値である。

切替部３６は、例えば、判定部３４により高調波重畳制御を実行しないと判定されたことを条件に、インバータ１２の制御をＰＷＭ制御から過変調制御に切り替える。切替部３６は、例えば、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率が停止閾値未満である場合、インバータ１２の制御としてＰＷＭ制御を実行する。一方、切替部３６は、例えば、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率が停止閾値まで上昇した場合、インバータ１２の制御をＰＷＭ制御から過変調制御に切り替える。そして、切替部３６は、インバータ１２の制御を過変調制御に切り替えてから、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率が更に上昇した場合、インバータ１２の制御を過変調制御から矩形制御に切り替える。

次に、制御装置３０により実行されるモータ１０の駆動制御について説明する。モータ１０の駆動制御は、例えば、所定の周期で繰り返し実行される。

図２に示すように、制御装置３０は、まず、高調波重畳実行判定処理を実行する（ステップＳ１０）。

図３に示すように、制御装置３０は、高調波重畳実行判定処理においては、まず、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率が停止閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１１）。

制御装置３０は、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率が停止閾値よりも大きいと判定したときには（ステップＳ１１＝ＹＥＳ）、高調波重畳実施状態を「停止」状態とし（ステップＳ１２）、図３に示す高調波重畳実行判定処理を終了する。

一方、制御装置３０は、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率が停止閾値以下であるときには（ステップＳ１１＝ＮＯ）、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率が実行閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。

制御装置３０は、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率が実行閾値未満であると判定したときには（ステップＳ１３＝ＹＥＳ）、高調波重畳実施状態を「実行」状態とし（ステップＳ１４）、図３に示す高調波重畳実行判定処理を終了する。

一方、制御装置３０は、電圧利用率算出部３２により算出された電圧利用率が実行閾値以上であると判定したときには（ステップＳ１３＝ＮＯ）、高調波重畳実施状態を維持し、図３に示す高調波重畳実行判定処理を終了する。

図２に戻り、次に、制御装置３０は、モータ１０の電気角θｅ、回転数Ｎｍ、Ｕ相、Ｖ相の電流ｌｕ，ｌｖ、トルク指令Ｔｍ＊、コンデンサ２６の電圧ＶＨに関するデータを取得する（ステップＳ２０）。

次に、制御装置３０は、モータ１０の三相コイルのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に流れる電流ｌｕ，ｌｖ，ｌｗの総和を値０として、モータ１０の電気角θｅを用いて、Ｕ相、Ｖ相の電流ｌｕ，ｌｖをｄ軸、ｑ軸の電流ｌｄ，ｌｑに座標変換（３相―２相変換）する（ステップＳ３０）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ２０において取得したモータ１０のトルク指令Ｔｍ＊に基づいて、ｄ軸、ｑ軸の電流指令ｉｄ＊，Ｉｑ＊の基本値としての基本電流指令Ｉｄｔｍｐ，Ｉｑｔｍｐを算出する（ステップＳ４０）。制御装置３０は、例えば、モータ１０のトルク指令Ｔｍ＊とｄ軸、ｑ軸の基本電流指令Ｉｄｔｍｐ，Ｉｑｔｍｐとを対応付けた電流指令設定用マップを参照して、モータ１０のトルク指令Ｔｍ＊に対応するｄ軸、ｑ軸の基本電流指令Ｉｄｔｍｐ，Ｉｑｔｍｐを算出する。

次に、制御装置３０は、ステップＳ２０において取得したモータ１０の回転数Ｎｍに基づいて、電気角補償量Δθｅを算出する（ステップＳ５０）。電気角補償量Δθｅは、ステップＳ２０において取得した電気角θｅと、制御装置３０からＰＷＭ信号をインバータ１２に出力するための実際の電気角θｅとのずれを補償するためのパラメータである。

次に、制御装置３０は、ステップＳ２０において取得した電気角θｅに対し、ステップＳ５０において算出した電気角補償量Δθｅを加えることで、モータ１０の予測電気角θｅｅｓを算出する（ステップＳ６０）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ６０において算出したモータ１０の予測電気角θｅｅｓと、ステップＳ２０において取得したモータ１０のトルク指令Ｔｍ＊とに基づいて、基本補正係数ｋｉｔｍｐを算出する（ステップＳ７０）。基本補正係数ｋｉｔｍｐは、ｄ軸、ｑ軸の基本電流指令Ｉｄｔｍｐ，Ｉｑｔｍｐの補正に用いられる補正係数ｋｉの基本値である。制御装置３０は、例えば、モータ１０の予測電気角θｅｅｓと、モータ１０のトルク指令Ｔｍ＊と、基本補正係数ｋｉｔｍｐとを対応付けた基本補正係数設定用マップを参照して、モータ１０の予測電気角θｅｅｓ、および、モータ１０のトルク指令Ｔｍ＊に対応する基本補正係数ｋｉｔｍｐを算出する。

次に、制御装置３０は、モータ１０のトルク指令Ｔｍ＊とモータ１０の回転数Ｎｍとの積として得られる要求パワーＰｍ＊に基づいて、減衰係数δを算出する（ステップＳ８０）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ７０において算出した基本補正係数ｋｉｔｍｐと、ステップＳ８０において算出した減衰係数δとに基づいて、補正係数ｋｉを算出する（ステップＳ９０）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ９０において算出した補正係数ｋｉをステップＳ４０において算出したｄ軸、ｑ軸の基本電流指令Ｉｄｔｍｐ，Ｉｑｔｍｐに積算することで、ｄ軸、ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を算出する（ステップＳ１００）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１００において算出したｄ軸、ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に基づいて、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードバック項（ＦＢ項）Ｖｄｆｂ，Ｖｑｆｂを算出する（ステップＳ１１０）。

次に、制御装置３０は、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードフォワード項（ＦＦ項）の算出処理を実行する（ステップＳ１２０）。図４及び図５は、フィードフォワード項（ＦＦ項）の算出処理の一例を示すフローチャートである。

図４に示す例では、制御装置３０は、まず、インバータ１２の各相の上下アームのデッドタイム中のモータ１０の電圧のずれ、すなわち、デッドタイム中のモータ１０の電圧変動を打ち消すためのデッドタイム対応項Ｖｄｆｆ＿ｄｔ，Ｖｑｆｆ＿ｄｔを算出する（ステップＳ１２１）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ６０において算出したモータ１０の予測電気角θｅｅｓと、ステップＳ２０において取得したモータ１０のトルク指令Ｔｍ＊とに基づいて、モータ１０の磁束・リラクタンスに依存する磁束・リラクタンス項Ｖｄｆｆ＿ＬΦ，Ｖｑｆｆ＿ＬΦを算出する（ステップＳ１２２）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ６０において算出したモータ１０の予測電気角θｅｅｓと、ステップＳ２０において取得したモータ１０のトルク指令Ｔｍ＊と、ステップＳ２０において取得したモータ１０の回転数Ｎｍとに基づいて、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードフォワード項Ｖｄｆｆ，Ｖｑｆｆを算出する（ステップＳ１２３）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１２１において算出したデッドタイム対応項Ｖｄｆｆ＿ｄｔ，Ｖｑｆｆ＿ｄｔと、ステップＳ１２３において算出したｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードフォワード項Ｖｄｆｆ，Ｖｑｆｆとの和に対し、ステップＳ８０において算出した減衰係数δを積算することで、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードフォワード項の最終項Ｖｄｆｆ２，Ｖｑｆｆ２を算出する（ステップＳ１２４）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１２４において算出したｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードフォワード項の最終項Ｖｄｆｆ２，Ｖｑｆｆ２からステップＳ１２２において算出した磁束・リラクタンス項Ｖｄｆｆ＿ＬΦ，Ｖｑｆｆ＿ＬΦとステップＳ８０において算出した減衰係数δとの積であるフィードフォワード項の高調波成分Ｖｄｆｆ＿ＬΦ＊δ，Ｖｑｆｆ＿ＬΦ＊δを減算することで、電圧利用率演算用のｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードフォワード項Ｖｄｆｆ＿ｄｒ，Ｖｑｆｆ＿ｄｒを算出し（ステップＳ１２４）、図４に示すフィードフォワード項の算出処理を終了する。

図５に示す例では、制御装置３０は、まず、インバータ１２の各相の上下アームのデッドタイム中のモータ１０の相電圧のずれ、すなわち、デッドタイム中のモータ１０の電圧変動を打ち消すためのデッドタイム対応項Ｖｄｆｆ＿ｄｔ，Ｖｑｆｆ＿ｄｔを算出する（ステップＳ１２１Ａ）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ６０において算出したモータ１０の予測電気角θｅｅｓと、ステップＳ２０において取得したモータ１０のトルク指令Ｔｍ＊とに基づいて、モータ１０の磁束・リラクタンスに依存する磁束・リラクタンス項Ｖｄｆｆ＿ＬΦ，Ｖｑｆｆ＿ＬΦを算出する（ステップＳ１２２Ａ）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１００において算出したｄ軸、ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に対し、ステップＳ２０において取得したモータ１０の抵抗値を積算することで、モータ１０の抵抗値に依存する抵抗項Ｖｄｆｆ＿Ｒ，Ｖｑｆｆ＿Ｒを算出する（ステップＳ１２３Ａ）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１２１Ａにおいて算出したデッドタイム対応項Ｖｄｆｆ＿ｄｔ，Ｖｑｆｆ＿ｄｔと、ステップＳ１２２Ａにおいて算出した磁束・リラクタンス項Ｖｄｆｆ＿ＬΦ，Ｖｑｆｆ＿ＬΦと、ステップＳ１２３Ａにおいて算出した抵抗項Ｖｄｆｆ＿Ｒ，Ｖｑｆｆ＿Ｒとの和に対し、ステップＳ８０において算出した減衰係数δを積算することで、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードフォワード項の最終項Ｖｄｆｆ２，Ｖｑｆｆ２を算出する（ステップＳ１２４Ａ）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１２４Ａにおいて算出したｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードフォワード項の最終項Ｖｄｆｆ２，Ｖｑｆｆ２から、ステップＳ１２２Ａにおいて算出した磁束・リラクタンス項Ｖｄｆｆ＿ＬΦ，Ｖｑｆｆ＿ＬΦとステップＳ８０において算出した減衰係数δとの積であるフィードフォワード項の高調波成分Ｖｄｆｆ＿ＬΦ＊δ，Ｖｑｆｆ＿ＬΦ＊δを減算することで、電圧利用率演算用のｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードフォワード項Ｖｄｆｆ＿ｄｒ，Ｖｑｆｆ＿ｄｒを算出し（ステップＳ１２５Ａ）、図５に示すフィードフォワード項の算出処理を終了する。

図２に戻り、次に、制御装置３０は、ステップＳ１１０において算出したフィードバック項Ｖｄｆｂ，Ｖｑｆｂと、ステップＳ１２０において算出したフィードフォワード項Ｖｄｆｆ，Ｖｑｆｆとを足し合わせることで、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を算出する（ステップＳ１３０）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１２５またはステップＳ１２５Ａにおいて算出した電圧利用率演算用のｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードフォワード項Ｖｄｆｆ＿ｄｒ，Ｖｑｆｆ＿ｄｒと、電圧利用率演算用のｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊のフィードバック項Ｖｄｆｂ＿ｉ，Ｖｑｆｂ＿ｉとを足し合わせることで、電圧利用率演算用のｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＿ｖｒ，Ｖｑ＿ｖｒを算出する（ステップＳ１４０）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１４０において算出した電圧利用率演算用のｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＿ｖｒ，Ｖｑ＿ｖｒと、インバータ１２に入力される入力電圧とに基づいて、電圧利用率を算出する（ステップＳ１５０）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１５０において算出したｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊と、ステップＳ６０において算出したモータ１０の予測電気角θｅｅｓとに基づいて、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に座標変換（２相－３相変換）する（ステップＳ１６０）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１６０において座標変換したＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊をインバータ１２のトランジスタ２０をスイッチングするためのＰＷＭ信号または矩形信号に変換し、このＰＷＭ信号または矩形信号をインバータ１２に出力する（ステップＳ１７０）。これにより、インバータ１２の制御としてＰＷＭ制御または矩形制御が行なわれる。

次に、本実施形態に係る駆動装置１の作用について説明する。

一般に、駆動装置１は、モータ１０が高回転または高トルクになると、電圧利用率が高くなり、ＰＷＭ制御ではモータ１０に印加することができる電圧の大きさに限界があるため、より大きい電圧をモータ１０に印加するために矩形制御を移行させる。ここで、モータ１０のトルクリプルを低減することを目的として、高調波重畳制御を実行する際に、モータ１０の電圧指令に高調波を重畳させると、モータ１０の電圧指令および電圧利用率が高調波成分に応じて変動する。そのため、上述のように、モータ１０の制御を矩形制御に移行した際に、モータに流れる電流が過電流となることを回避することを目的として、モータ１０の電圧指令および電圧利用率の変動分だけ、高調波重畳制御を停止させるか否かを判定する際の閾値にマージンを設けることが必要となる。その結果、駆動装置１は、モータ１０がＰＷＭ制御から矩形制御に移行するよりも前のタイミングで高調波重畳制御が停止することとなり、結果として、高調波重畳制御の実行領域が狭まることとなる。

この点、本実施形態によれば、制御装置３０は、電圧利用率の算出に際し、高調波成分を除外した電圧指令を用いる。これにより、高調波重畳制御を実行する際に、電圧利用率が高調波成分に応じて変動することが無くなるため、高調波重畳制御を停止させるか否かを判定する際の閾値にマージンを設けることが不要となる。その結果、駆動装置１は、高調波重畳制御の実行の有無を適正なタイミングで判定することが可能となる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…駆動装置、１０…モータ、１２…インバータ、１４…バッテリ、２０…トランジスタ、２２…ダイオード、２４…電力ライン、２６…コンデンサ、３０…制御装置、３２…電圧利用率算出部、３４…判定部、３６…切替部。

Claims

モータと、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記モータを駆動するインバータと、
前記モータのトルク指令に基づいて、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令を設定し、前記ｄ軸、ｑ軸の電圧指令に基づいて前記インバータを制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
高調波成分を除外した前記ｄ軸、ｑ軸の電圧指令と入力電圧とに基づいて、電圧利用率を算出する電圧利用率算出部と、
前記電圧利用率算出部により算出された電圧利用率に基づいて、高調波重畳制御を実行するか否かを判定する判定部と、
前記判定部により高調波重畳制御を実行しないと判定されたことを条件に、前記ｄ軸、ｑ軸の電圧指令を変換することで、前記インバータの制御をＰＷＭ制御から矩形制御に切り替える切替部と、
を有する、
駆動装置。