JP3551166B2

JP3551166B2 - 回転電機の駆動回路

Info

Publication number: JP3551166B2
Application number: JP2001238628A
Authority: JP
Inventors: 有満　　稔; 正樹中野; 裕介皆川; 晃自高橋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2021-08-07
Also published as: JP2002136169A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は回転電機の駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の回転電機の回転を単一のインバータで制御することにより、インバータにおけるスイッチング損失等を低減するようにした回転電機システムを既に提案している（特開平１１−２７５８２６号公報、特願平１１−２７３３０３号、同２７４８７４号、同３５１６１３号等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような回転電機システムでは、複数の回転電機に対する制御電流を複合して得られる複合電流をインバータから供給する必要があり、この複合電流を図１０に示すような一般的なインバータで供給するには、電源に高い電圧が要求されるという問題がある。
【０００４】
このため、インバータ回路中に昇圧回路を設ける対策が考えられるが、配置場所を適切に選択しないと、昇圧回路に大きな電流が流れることになり、昇圧回路の素子の容量を大きくする必要が生じる。
【０００５】
そこで本発明は、主にモータとして使用される第１回転電機に対する制御電流と主にジェネレータとして使用される第２回転電機に対する制御電流とを複合して得られる複合電流を、直流電源に接続された単一のインバータによって前記２つの回転電機に供給するようにしたものを対象として、第１回転電機を力行させるための制御電流と前記第２回転電機を発電させるための制御電流とが互いに相殺し合う位置に昇圧回路を配設することにより、昇圧回路を構成するための素子を小容量のもので済ませる一方、複合電流を流すために必要な電圧ピーク値が大きくなったときにはこの昇圧回路により適切に昇圧することで高電圧の直流電源を不要とすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、主にモータとして使用される第１回転電機に対する制御電流と主にジェネレータとして使用される第２回転電機へ制御電流に対する制御電流とを複合して得られる複合電流を、直流電源に接続された単一のインバータによって前記２つの回転電機に供給する回転電機の駆動回路であって、前記第１回転電機を力行させるための制御電流と前記第２回転電機を発電させるための制御電流とが互いに相殺し合う位置に昇圧回路を配設する。
【０００７】
第２の発明では、第１の発明において前記インバータを複数（たとえば２つ）のスイッチング回路群の並列配置で構成する場合に、各回路群毎に前記昇圧回路を配設する。
【０００８】
第３の発明では、第１または第２の発明において前記昇圧回路の配設位置が前記直流電源と前記インバータの間である。
【０００９】
第４の発明では、第１から第３までのいずれか一つの発明において前記昇圧回路と直流電源の間に大電力域または大電流域で飽和する過飽和インダクタンスを有する素子（たとえばコイル）を介装する。
【００１０】
第５の発明では、第１から第４までのいずれか一つの発明において前記昇圧回路を、直流電圧のプラス側スイッチング用パワーデバイスおよびマイナス側スイッチング用パワーデバイスと、これら各スイッチング用パワーデバイスに逆並列に接続されるダイオードと、２つのスイッチング用パワーデバイス３２、３３の両端に接続されるコンデンサとから構成し、前記インバータに印加される直流電圧が要求直流電圧より高いとき、前記マイナス側スイッチングデバイスを停止させた状態で前記プラス側スイッチングデバイスのみを所定のデューティー値で動作させる。
【００１１】
第６の発明では、第１から第４までのいずれか一つの発明において前記昇圧回路を、直流電圧のプラス側スイッチング用パワーデバイスおよびマイナス側スイッチング用パワーデバイスと、これら各スイッチング用パワーデバイスに逆並列に接続されるダイオードと、２つのスイッチング用パワーデバイス３２、３３の両端に接続されるコンデンサとから構成し、前記インバータに印加される直流電圧が要求直流電圧より低いとき、前記プラス側スイッチングテバイスを停止させた状態で前記マイナス側スイッチングデバイスのみを所定のデューティー値で動作させる。
【００１２】
【発明の効果】
第１回転電機を力行させるための制御電流と第２回転電機を発電させるための制御電流とが互いに相殺し合う位置は通過電力の小さい場所であり、この通過電力の小さい場所に昇圧回路を設置することにした第１、第３の発明によれば、昇圧回路を構成するための素子（たとえはパワーデバイス）を小容量のもので済ませることができる。
【００１３】
また、複合電流を流すために必要な電圧ピーク値が大きくなっても昇圧回路により適切に昇圧することで、電源電圧に左右されることなく複合モータを駆動できるため、複合電流の電圧のピーク値に合わせて電源電圧を高く保つ必要がない。
【００１４】
また、回転電機のコイルに発生する逆起電力が電源電圧に達するような高回転速度領域では・逆起電力を抑制するための弱め界磁制御を行う必要が生じ、この弱め界磁制御のために流す電流によってもモータ損失およびインバータ損失が発生するのであるが、第１、第３の発明によれば、電源電圧が低くてもインバータヘの印加電圧を高くできるので、弱め界磁制御のために流す電流を低減したり、弱め界磁制御を実行する回転速度領域をより高回転速度側としたりすることが可能となり、モータ損失やインバータ損失を低減できる。
【００１５】
第２、第３の発明によれば、いずれかの昇圧回路が破損した場合に、残りの昇圧回路だけでも２つの回転電機の運転が可能である。
【００１６】
第４の発明によれば、小容量の素子からなる昇圧回路に合わせて過飽和インダクタンスを有する素子についても比較的小さな電流で飽和するもので済ますことができる。
【００１７】
第５、第６の発明によれば、２つのスイッチング用パワーデバイスがともに導通していることが無いので、スイッチング用パワーデバイスの耐久性が増す。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１には２つの回転電機からなりステータを共用する複合モータ１の概略断面図を示す。図示のものは、円筒状のステータ２の外側と内側に所定のギャップをおいてロータ３、４を配置し（３層構造）、外側と内側の各ロータ３、４を全体を被覆する外枠５（図２参照）に対して回転可能にかつ同軸に設けたものである。
【００１９】
具体的に説明すると、内側ロータ４は９０度毎にＳ極とＮ極が入れ替わるように配置した４個の永久磁石を備えており、外側ロータ３は４５度毎にＳ極とＮ極が入れ替わるように配置した８個の永久磁石を備えている。
【００２０】
ステータ２は、内側ロータ４の１磁極当たり３個のコイル６で構成され、合計１２個（＝３×４）のコイル６が同一の円周上に等分に配置されている。
なお、１２個のコイルは番号１〜６と▲１▼〜▲６▼で区別しており、この場合に６番目のコイルという意味でコイル６、▲６▼が出てくる。上記のコイル全体を称していう場合の表現である６と紛らわしいが、意味するところは異なっている。
【００２１】
これら１２個のコイルには、内側ロータ４に対する回転磁場を発生させる電流（６相交流）を流すため、６０度ずつ位相のずれた制御電流（Ｉｉ（０）、Ｉｉ（６０）、Ｉｉ（１２０）、Ｉｉ（１８０）、Ｉｉ（２４０）、Ｉｉ（３００））が設定される。同様にして、外側ロータ３に対する回転磁場を発生させる電流（３相交流）を流すため、１２０度ずつ位相のずれた制御電流（Ｉｉ（０）、Ｉｉ（１２０）、Ｉｉ（２４０））が設定される。これらの結果、１２のコイルに対して以下のような複合電流が流される。
【００２２】
Ｉ１＝Ｉｉ（０）＋Ｉｏ（０）
Ｉ２＝Ｉｉ（６０）＋Ｉｏ（１２０）
Ｉ３＝Ｉｉ（１２０）＋Ｉｏ（２４０）
Ｉ４＝Ｉｉ（１８０）＋Ｉｏ（０）
Ｉ５＝Ｉｉ（２４０）＋Ｉｏ（１２０）
Ｉ６＝Ｉｉ（３００）＋Ｉｏ（２４０）
Ｉ▲１▼＝Ｉｉ（０）＋Ｉｏ（０）
Ｉ▲２▼＝Ｉｉ（６０）＋Ｉｏ（１２０）
Ｉ▲３▼＝Ｉｉ（１２０）＋Ｉｏ（２４０）
Ｉ▲４▼＝Ｉｉ（１８０）＋Ｉｏ（０）
Ｉ▲５▼＝Ｉｉ（２４０）＋Ｉｏ（１２０）
Ｉ▲６▼＝Ｉｉ（３００）＋Ｉｏ（２４０）
上式から明らかなように、コイル１に流される複合電流Ｉ１とコイル▲１▼に流される複合電流Ｉ▲１▼は同一の電流であり、同様に、Ｉ２＝Ｉ▲２▼、Ｉ３＝Ｉ▲３▼、Ｉ４＝Ｉ▲４▼、Ｉ５＝Ｉ▲５▼、Ｉ６＝Ｉ▲６▼である。
【００２３】
このように複合電流の電流設定を行うと、単一のコイルでありながら、内側ロータ４に対する回転磁場と外側ロータ３に対する回転磁場との２つの磁場が同時に発生し、これにより内側ロータ４とステータからなる回転電機（第１回転電機）と外側ロータ３とステータからなる回転電機（第２回転電機）とが互いに独立に制御される。すなわち、内側ロータ４の磁石は外側ロータ３に対する回転磁場により回転力を与えられることがなく、また外側ロータ３の磁石が内側ロータ４に対する回転磁場により回転力を与えられることもない。この原理については特開平１１−２７５８２６号公報で説明した通りである。
【００２４】
上記Ｉｉ（０）〜Ｉｉ（３００）の電流設定は内側ロータ４の回転位相に同期して、また上記Ｉｏ（０）〜Ｉｏ（２４０）の電流設定は外側ロータ３の回転位相に同期してそれぞれ行う。トルクの方向に対して位相の進み遅れを設定するが、これは同期モータに対する場合と同じである。
【００２５】
図２は図１に示した複合モータ１を対象とする制御システム図である。
【００２６】
上記複合電流を１２個のステータコイルに供給するため、バッテリ２４からの直流電流を交流電流に変換するインバータ２３を備える。このインバータ２３は図３に詳細を示したように、通常の三相ブリッジ型インバータを６相にしたものと同じで、１２個のトランジスタとこのトランジスタと同数のダイオードから構成されている。
【００２７】
なお、同一の電流が流される２個のコイル（例えばコイル１とコイル▲１▼）とを直列に接続することが可能であるため、コイル数の半分の６相インバータを使用している。
【００２８】
インバータ２３の各ゲート（トランジスタのベース）に与えるＯＮ、ＯＦＦ信号はＰＷＭ信号である。各ロータ３、４を同期回転させるため、各ロータ３、４の位相を検出する回転角センサ６、７が設けられ、これらセンサ６、７からの信号が入力されるモータコントロールモジュール２２では外側ロータ３、内側ロータ４に対する目標トルク（正負あり）のデータ（目標トルク指令）に基づいてＰＷＭ信号を発生させる。
【００２９】
図２に示したように、複合モータ１はエンジン１１と組み合わせて用いられる。すなわち、外側ロータ３がエンジン１１の出力軸１２に直結され、これに対して内側ロータ４は駆動軸１３に直結される。駆動軸１３はさらに減速機構１４を介して車両の駆動輪１５に接続される。
【００３０】
なお、内側ロータ４を備える第１回転電機をモータとして、外側ロータ３を備える第２回転電機をジェネレータとして主に運転する。このとき、バッテリ２４から持ち出される電力は、第１回転電機で消費される電力（車両駆動出力）と第２回転電機で発電される電力との差分だけになる。
【００３１】
総合コントロールモジュール２１では、アクセル開度センサ２７の出力信号から得たアクセル開度ＡＰＳと車速センサ２８の出力信号から得た車速ＶＳＰとに基づき、図４に示すような制御マップから車両の目標駆動トルクＴＯ（駆動軸１３σ）目標トルク）を算出し、この算出した目標駆動トルクＴＯと駆動軸１３の回転速度Ｎｍ（車速ＶＳＰ、駆動輪１５の半径、減速機構１４の減速比から算出する）との積が示す車両駆動出力とほぼ等しい出力を最高の燃費効率でエンジンが発生する運転点（目標エンジン回転速度Ｎｅ、目標エンジントルクＴｅ）を図５に示すような制御マップから算出する。
【００３２】
ここで、外側ロータ３はエンジン１１の出力軸１２に直結されているので、第２回転電機の目標回転速度をＮｇ、目標トルクをＴｇとすれば、これら目標回転速度Ｎｇと目標トルクＴｇはそれぞれ目標エンジン回転速度Ｎｅ、目標エンジントルクＴｅに等しい。また、第２回転電機による発電電力はエンジン１１の出力とほぼ等しくなる。同様にして第１回転電機の目標トルクをＴｍとすれば、目標トルクＴｍは目標駆動トルクＴＯに等しい。
【００３３】
このようにして統合コントロールモジュール２１により第１回転電機の目標トルクＴｍと第２回転電機の目標回転速度Ｎｇ、目標トルクＴｇが決定された後は、モータコントロールモジュール２２が次の制御を行う。すなわち、モータコントロールモジュール２２では周知の電流ベクトル制御によって回転電機毎にｄ軸電流とｑ軸電流の指令値を決定する。一方、電流センサ２９の検出信号、内側ロータ回転角センサ６の出力信号、外側ロータ回転角センサ７の出力信号から実際のｄ軸電流とｑ軸電流とを算出し、この実ｄ軸電流と実ｑ軸電流を指令値に一致させるための補正値を演算し、この補正値に対して２−３相座標変換を行うことで回転電機毎の３相交流の電圧指令値を生成する。これら回転電機毎の電圧指令値を複合して複合電圧指令値を生成し、この複合電圧指令値とキャリア信号とからＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をインバータ２３へ送る。
【００３４】
一方、エンジンコントロールモジュール２５では、エンジンの回転速度とトルクが目標回転速度Ｎｅと目標エンジントルクＴｅに一致するよう吸入空気量や燃料噴射量、点火時期等を制御する。
【００３５】
図３に示したようにバッテリ（直流電源）２４とインバータ２３の間には昇圧回路３１が介装される。この昇圧回路３１が配設される位置は内側ロータ４を備える第１回転電機を力行させるための制御電流と外側ロータ３を備える第２回転電機を発電させるための制御電流とが互いに相殺し合う位置である。
【００３６】
昇圧回路３１は、図６に示したように、直流電圧のプラス側スイッチング用パワーデバイス（たとえばＮＰＮトランジスタ）３２およびマイナス側スイッチング用パワーデバイス３３と、これら各スイッチング用パワーデバイス３２、３３に逆並列に接続されるダイオード３４、３５と、直列接続された２つのスイッチング用パワーデバイス３２、３３の両端に接続されるコンデンサ３６とからなり、バッテリ２４のプラス側がコイル３７を介して２つのスイッチング用パワーデバイス３２、３３の接続点に、またバッテリ２４のマイナス側がマイナス側スイッチング用パワーデバイス３２のエミッタに接続されている。
【００３７】
２つのスイッチング用パワーデバイス３２、３３に与えるＯＮ、ＯＦＦ信号はＰＷＭ信号である。インバータ２３に印加する直流電圧を要求直流電圧（複合電圧指令値のピーク値をカバーできるように決定される）へと上昇させるため、バッテリ２４の電圧を検出する手段４２、バッテリ２４の電流を検出する手段４３、インバータ２３に印加する直流電圧を検出する手段４４が設けられ、これら検出手段４２、４３、４４からの信号が入力される昇圧コントローラ４１では検出手段４４により検出されるインバータ２３の直流電圧が要求直流電圧となるように２つのスイッチング用パワーデバイス３２、３３に与えるＰＷＭ信号のデューティ値を制御する。たとえば、２つのスイッチング用パワーデバイス３２、３３がともに導通していることがないように、インバータ２３の直流電圧が要求直流電圧としてのＤＣ電圧指令値（図７参照）より高いときには、プラス側スイッチング用パワーデバイス３２のみを所定のデューティ値で動作させ（マイナス側スイッチング用パワーデバイス３３は停止）、この逆にインバータ２３の直流電圧が要求直流電圧より低いときには、マイナス側スイッチング用パワーデバイス３３のみを所定のデューティ値で動作させる（プラス側スイッチング用パワーデバイス３２は停止）。
【００３８】
バッテリ２４のプラス側に接続される上記のコイル３７は大電力域または大電流域で飽和する過飽和インダクタンスを有する素子である。
【００３９】
図７は昇圧コントローラ４１の制御ブロック図である。昇圧コントローラ４１は、要求直流電圧としてのＤＣ電圧指令値を受けてＤＣ目標電圧に加工するＤＣ電圧指令値加工部５１、力行モード（図では「力行時」で略記）であるのか回生モード（図では「回生時」で略記）であるのかを判定する判定部５２、この判定部５２の判定結果およびＤＣ目標電圧に基づいて力行モード、回生モードでの電圧目標値を生成する電圧目標値生成部５３、この各モードでの電圧目標値が得られるようにＰＩ制御を行うＰＩ制御部５４、５５、これらＰＩ制御部５４、５５からの電圧指令値を所定の範囲に制限するリミッタ５６、５７からなる。
【００４０】
なお、判定部５２では、モータとして運転されている回転電機の消費電力が、ジェネレータとして運転されている回転電機の発電電力より大きい場合等、バッテリ２４からの電力が持ち出される運転状態であるときに力行モードであると判定し、この反対に、ジェネレータとして運転されている回転電機の発電電力が、モータとして運転されている回転電機の消費電力より大きい場合等、バッテリ２４へ電力が返される運転状態であるときに回生モードであると判定している。
【００４１】
このようにして昇圧コントローラ４１で決定された電圧指令値（デューティ信号）に応じて昇圧回路３１のスイッチング用パワーデバイス３２、３３がＯＮ、ＯＦＦされる。
【００４２】
ここで、本実施形態の作用を説明する。ここでは、内側ロータ４を備える第１回転電機をモータとして、外側ロータ３を備える第２回転電機をジェネレータとして運転している場合を考える。このとき、昇圧回路３１が配設されている位置（バッテリ２４とインバータ２３のスイッチング回路との間の直流母線上）には、内側ロータ４を備える第１回転電機の出力と外側ロータ３を備える第２回転電機の発電電力との差に相当する電流しか流れない。よって、昇圧回路３１を構成するスイッチング用パワーデバイス３２、３３、ダイオード３４、３５の各素子を小容量のもので構成することができる。
【００４３】
また、小容量の素子からなる昇圧回路３１に合わせて過飽和インダクタンスを有する素子としてのコイル３７も比較的小さな電流で飽和するもので済ますことができる。
【００４４】
図８、図９は第２実施形態のインバータ、昇圧回路の各概略構成図で、それぞれ第１実施形態の図３、図６に対応する。
【００４５】
第１実施形態では、単一のステータに接続するインバータが６相の場合であったが、第２実施形態はこの倍の１２相でインバータを構成する場合に、この１２相のインバータ６１を２つのスイッチング回路群６２Ａ、６２Ｂに分け、各回路群６２Ａ、６２Ｂ毎に昇圧回路７１Ａ、７１Ｂを設けたものである。
【００４６】
ただし、各昇圧回路や電圧、電流検出手段の基本的構成は第１実施形態と変わりがない。すなわち、一方の昇圧回路７１Ａは、２つのスイッチング用パワーデバイス７２Ａ、７３Ａと、２つのダイオード７４Ａ、７５Ａと、コンデンサ７６Ａとから、また他方の昇圧回路７２Ｂは、２つのスイッチング用パワーデバイス７２Ｂ、７３Ｂと、２つのダイオード７４Ｂ、７５Ｂと、コンデンサ７６Ｂとからなる。
【００４７】
６相スイッチング回路群６２Ａ、６２Ｂの各直流電圧を検出する手段８３Ａ、８３Ｂからの信号が、バッテリ２４から昇圧回路７１Ａ、７１Ｂに流れる各電流、を検出する手段８２Ａ、８２Ｂ、バッテリ２４の電圧を検出する手段４２からの信号とともに入力される昇圧コントローラ８１では、検出手段８３Ａにより検出される直流電圧が要求直流電圧となるように２つのスイッチング用パワーデバイス７２Ａ、７３Ａに与えるＰＷＭ信号のデューティ値を制御することにより、６相スイッチング回路群６２Ａに印加する電圧を目標値へと昇圧する。同様にして、検出手段８３Ｂにより検出される直流電圧が要求直流電圧となるように２つのスイッチング用パワーデバイス７２Ｂ、７３Ｂに与えるＰＷＭ信号のデューティ値を制御することにより、６相スイッチング回路群６２Ｂに印加する電圧を目標値へと昇圧する。つまり、第２実施形態は６相スイッチング回路群６２Ａ、６２Ｂ毎に独立に制御するものである。
【００４８】
第２実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果が生じるほか、次の効果を生じる。すなわち、２つの昇圧回路７１Ａ、７１Ｂが並列に設置されることになっているので、どちらか一方の昇圧回路が破損した場合に、残りの昇圧回路およびこの残りの昇圧回路に接続されている６相スイッチング回路群とを用いることにより、複合モータの運転が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合モータの概略断面図。
【図２】制御システム図。
【図３】インバータとステータコイルの結線図。
【図４】目標駆動トルクの特性図。
【図５】車両駆動出力とほぼ等しい出力を最高の燃費効率でエンジンが発生するときの目標エンジン回転速度および目標エンジントルクの特性図。
【図６】昇圧回路の概略構成図。
【図７】昇圧コントロールの制御ブロック図。
【図８】第２実施形態の１２相インバータの概略構成図。
【図９】第２実施形態の昇圧回路の概略構成図。
【図１０】一般的なインバータの構成図。
１複合モータ
２ステータ
３外側ロータ
４内側ロータ
６コイル
２１総合コントロールモジュール
２２モータコントロールモジュール
２３インバータ
２４バッテリ（直流電源）
３１昇圧回路
３７コイル
４１昇圧コントローラ
６１インバータ
６２Ａスイッチング回路群
６２Ｂスイッチング回路群
７１Ａ昇圧回路
７１Ｂ昇圧回路
８１昇圧コントローラ

Claims

主にモータとして使用される第１回転電機に対する制御電流と主にジェネレータとして使用される第２回転電機へ制御電流に対する制御電流とを複合して得られる複合電流を、直流電源に接続された単一のインバータによって前記２つの回転電機に供給する回転電機の駆動回路であって、前記第１回転電機を力行させるための制御電流と前記第２回転電機を発電させるための制御電流とが互いに相殺し合う位置に昇圧回路を配設することを特徴とする回転電機の駆動回路。
前記インバータを複数のスイッチング回路群の並列配置で構成する場合に、各回路群毎に前記昇圧回路を配設することを特徴とする請求項１に記載の回転電機の駆動回路。
前記昇圧回路の配設位置は前記直流電源と前記インバータの間であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の駆動回路。
前記昇圧回路と直流電源の間に大電力域または大電流域で飽和する過飽和インダクタンスを有する素子を介装することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の回転電機の駆動回路。
前記昇圧回路を、直流電圧のプラス側スイッチング用パワーデバイスおよびマイナス側スイッチング用パワーデバイスと、これら各スイッチング用パワーデバイスに逆並列に接続されるダイオードと、２つのスイッチング用パワーデバイス３２、３３の両端に接続されるコンデンサとから構成し、前記インバータに印加される直流電圧が要求直流電圧より高いとき、前記マイナス側スイッチングデバイスを停止させた状態で前記プラス側スイッチングデバイスのみを所定のデューティー値で動作させることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の回転電機の駆動回路。
前記昇圧回路を、直流電圧のプラス側スイッチング用パワーデバイスおよびマイナス側スイッチング用パワーデバイスと、これら各スイッチング用パワーデバイスに逆並列に接続されるダイオードと、２つのスイッチング用パワーデバイス３２、３３の両端に接続されるコンデンサとから構成し、前記インバータに印加される直流電圧が要求直流電圧より低いとき、前記プラス側スイッチングデバイスを停止させた状態で前記マイナス側スイッチングデバイスのみを所定のデューティー値で動作させることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の回転電機の駆動回路。