JP3683135B2

JP3683135B2 - 交流電動機の駆動制御装置

Info

Publication number: JP3683135B2
Application number: JP26235399A
Authority: JP
Inventors: 栄次佐藤; 裕樹大谷
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2019-09-16
Also published as: JP2001078495A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流電動機の駆動制御装置に関し、特に、矩形波電圧位相制御やＰＷＭ電圧位相制御等の電圧位相制御とＰＷＭ電流制御とを選択的に用いて交流電動機を駆動することのできる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電動機を直流電源を用いて駆動するにはインバータが用いられる。かかるインバータはインバータ駆動回路によりスイッチング制御されており、これにより一般にはパルス幅変調（ＰＷＭ）波形電圧が交流電動機に印加される。
【０００３】
ＰＷＭ波形電圧を交流電動機に印加するＰＷＭ電流制御では、低回転域であっても滑らかな回転が得られるものの、直流電源の電圧利用率に限界があるという問題がある。これに対しては、弱め界磁電流を交流電動機に与えることにより高回転を得る方法もあるが、銅損が増加してしまうため妥当でない。
【０００４】
一方、交流電動機の駆動制御には、該交流電動機に矩形波電圧を印加するという方法もある。この制御方法では、直流電源の電圧利用率を向上させることができ、その結果、高回転域での出力を向上させることができる。また、弱め界磁電流を減少させることができるため、銅損の発生を抑えてエネルギー効率を向上させることができる。さらに、インバータでのスイッチング回数を少なくすることができるため、スイッチング損失も抑えることができるという利点もある。
【０００５】
このため、ＰＷＭ波形電圧と矩形波電圧の双方を交流電動機に対して印加可能な構成とし、それらを状況に応じて使い分け、特に高回転域での電動機の出力を向上させるようにすることが望ましい。特開昭５５−４９９９６号公報には、ＰＷＭ波形電圧と矩形波電圧とを選択的に交流電動機に印加し、その出力を向上させる技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来技術では、交流電動機の回転数が所定値を越える場合に矩形波電圧にて交流電動機を駆動し、それ以下である場合にＰＷＭ波形電圧により交流電動機を駆動している。しかしながら、単純に回転数だけを基準に両制御を切り替えたのでは必ずしも効率的な交流電動機の駆動はできず、効率的な制御切り替えを実現するためには、回転数の他にトルクや直流電源電圧をも加味して制御の切り替えタイミングを計らなければならない。このためには、トルク及び直流電源電圧を与えることにより制御切り替えに最適な回転数を与える３次元のマップを用意する必要があるが、このマップを用意するには多くの実験が必要であり、多くの時間が必要となるという問題がある。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、多くの実験が必要なマップを用いることなく制御切り替えを行い、効率のよい交流電動機の駆動をすることができる交流電動機の駆動制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記課題を解決するために、本発明は、トルク指令に応じた所定振幅及び所定位相の正弦波電流を交流電動機に供給するＰＷＭ電流制御手段と、前記交流電動機に供給された交流電流を検出する電流検出器と、トルク指令に応じた前記所定位相から外れた位相を有する交流電流を前記交流電動機に供給する電圧位相制御手段と、前記交流電動機が電圧位相制御手段により駆動されている場合、前記電流検出器で検出された電流値から求めた電流位相と前記所定位相に対応する制御切替位相との進みと遅れの関係が逆転すれば、前記電圧位相制御手段に代えて前記ＰＷＭ電流制御手段による前記交流電動機の駆動を開始する制御切替手段と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、低回転域ではＰＷＭ電流制御手段により滑らかな交流電動機の駆動を得ることができ、高回転域ではＰＷＭ電圧位相制御や矩形波電圧位相制御等の電圧位相制御手段によりトルク指令に対応する所定位相に対し電流位相が調節され、弱め界磁制御を行い、高出力を得ることができる。このため、効率のよい交流電動機の駆動を行うことができる。そして、駆動時又は制動時において、電流位相と前記所定位相に対応する制御切替位相との進みと遅れの関係が逆転すれば、前記制御切替手段により電圧位相制御手段からＰＷＭ電流制御手段に交流電動機の制御手段を切り替える。制御切替位相はトルクにより変わり得るが、従来の３次元のマップよりもマップを小さくすることができ、マップを用意するための実験等を少なくすることができる。
【００１０】
（２）また、本発明の一態様では、トルク指令に応じた前記所定位相はトルク／電流比が大きくなるよう定められる。こうすれば、より高効率で交流電動機を駆動することができる。
【００１１】
（３）また、本発明の一態様では、前記切替制御手段は、前記交流電動機が前記ＰＷＭ電流制御手段により駆動されている場合、前記交流電動機に印加する交流電圧の振幅が所定振幅を越えるとき、前記ＰＷＭ電流制御手段に代えて前記電圧位相制御手段による前記交流電動機の駆動を開始する。こうすれば、例えば前記所定振幅をＰＷＭ電流制御で安定的に制御が可能な最大振幅に設定すること等により、効率のよいＰＷＭ電流制御手段から電圧位相制御手段への制御切り替えを実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る交流電動機の駆動制御装置の全体構成を示す図である。同図に示す駆動制御装置１０は例えば電気自動車に搭載されるものであり、ＰＷＭ電流制御モード、矩形波電圧位相制御モード、の２つの制御モードを有している。
【００１４】
ここで、ＰＷＭ電流制御モードは、スイッチ２８が図中上側に切り替えられている場合に実行される制御モードであり、電流制御器１４にはインバータ３６から出力される交流電流の電流値がフィードバックされており、それが電流振幅の指令値｜Ｉ｜及び電流位相の指令値φに近づくよう電圧振幅｜Ｖ｜及び電圧位相ψを設定し、ＰＷＭ回路３０及びインバータ３６により疑似正弦波電圧をモータ３８に印加する。
【００１５】
一方、矩形波電圧位相制御モードは、スイッチ２８が図中下側に切り替えられている場合に実行される制御モードであり、このモードでは矩形波電圧がモータ３８に印加される。その電圧振幅｜Ｖ｜は図示しないインバータ３６の直流電源の電源電圧Ｖｄｃにより決せられ、電圧位相ψはトルク指令値に応じて設定される。
【００１６】
同図に示す駆動制御装置１０においては、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）にてアクセル開度やブレーキ踏み角に応じてトルク指令値が生成され、該トルク指令値が電流指令生成部１２と加算器１３とにパラレルに入力されるようになっている。電流指令生成部１２では入力されたトルク指令値に基づき、電流振幅｜Ｉ｜及び電流位相φを生成する。電流制御器１４は比例積分制御を行うものであり、ここで電圧振幅｜Ｖ｜と電圧位相ψとが生成される。ここで電圧位相ψはｑ軸を基準とした電圧ベクトルの角度である。これら電圧振幅｜Ｖ｜と電圧位相ψはＰＷＭ回路３０に供給されている。なお、特に図示しないが、電流制御器１４には電流センサ４０から電流値がフィードバックされている。
【００１７】
ＰＷＭ回路３０では、電流制御器１４から供給される電圧振幅｜Ｖ｜及び電圧位相ψを有する正弦波と予め用意した三角波とを比較することにより、スイッチング指令を生成する。このスイッチング指令はスイッチ２８を介してインバータ３６に供給される。インバータ３６は電圧型インバータであり、ＰＷＭ回路３０から供給されるスイッチング指令に基づき、疑似正弦波電圧を生成する。その疑似正弦波電圧はモータ３８に供給される。
【００１８】
モータ３８は永久磁石同期型（ＰＭ）モータである。インバータ３６からモータ３８への電源供給ライン上には電流センサ４０が取り付けられており、そこで検出されるリアルタイムの実電流位相φｉは電流位相判定部２２に供給されている。また、図示しないが同電流センサ４０ではリアルタイムの電流値も検出されるようになっており、それが電流制御器１４にフィードバックされるようになっている。
【００１９】
次に、上述したように、図示しないＥＣＵで生成されたトルク指令値は加算器１３にも入力されている。加算器１３にはトルク検出部２０で検出されたリアルタイムのトルク値も入力されており、そこで両者の差であるトルク偏差ΔＴが生成されるようになっている。トルク検出部２０は公知のトルクセンサを用いて構成することもできるが、その他、次式（１）に示す演算を実行してトルクを生成するように構成することもできる。
【００２０】
【数１】

ここで、Ｐｉｎはモータ３８に供給される電力を表す。ωはモータ３８の角速度を表す。ｉｕ，ｉｖ，ｉｗはモータ３８に供給される各相の電流値を表し、ｖｕ，ｖｖ，ｖｗはモータ３８に供給される各相の電圧値を表す。ｖｕ，ｖｖ，ｖｗにはインバータ３６に設定される電圧指令値を用いてもよいし、インバータ３６からモータ３８に供給される実際の値を電圧センサにより検出して用いてもよい。
【００２１】
或いは、次式（２）に示すように、直流電流と直流電圧からインバータ３６の入力電力を演算子、トルクを演算生成してもよい。
【００２２】
【数２】

ここでＩＢ，ＶＢはインバータ３６に接続された図示しない直流電源の電流及び電圧を表している。
【００２３】
加算器１３で生成されたトルク偏差ΔＴは電圧位相制御器１８に供給される。電圧位相制御器１８ではトルク偏差ΔＴに応じて電圧位相ψを生成する。この電圧位相ψはモータ３８に印加される矩形波の位相である。具体的には、電圧位相制御器１８は、電圧位相ψを生成する際のパラメータとして、トルク偏差ΔＴとともに、インバータ３６に接続された図示しない直流電源の電圧Ｖｄｃやモータ３８の角速度ωを用い、それらを所定の演算式に代入して（或いは等価な処理を施し）必要な電圧位相を生成する。
【００２４】
矩形波発生部３２では、電圧位相制御器１８から出力される電圧位相ψに基づいて矩形波電圧を発生するようスイッチング指令を行う。このスイッチング指令はスイッチ２８を介してインバータ３６に供給されており、スイッチ２８が図中下側に切り替えられている場合には、インバータ３６から矩形波電圧がモータ３８に印加されるようになっている。
【００２５】
また、電圧振幅判定部１６と電流位相判定部２２はスイッチ２８の切り替えによりＰＷＭ電流制御モードと矩形波電圧位相制御モードとを切り替えるものである。電圧振幅判定部１６は、駆動制御装置１０がＰＷＭ電流制御モードで動作している場合に、電流制御器１４からＰＷＭ回路３０に供給される電圧振幅｜Ｖ｜が所定切替電圧振幅Ｖ０よりも大きくなるか否かを監視しており、それが大きくなればスイッチ２８を図中下側に切り替え、矩形波電圧位相制御モードに制御を切り替える。この所定切替電圧振幅Ｖ０には、例えばインバータ３６に接続された図示しない直流電源の電圧にインバータ３６の変調率を乗算した値が用いられる。
【００２６】
一方、電流位相判定部２２は、駆動制御装置１０が矩形波電圧位相制御モードで動作している場合に、インバータ３６からモータ３８に供給される交流電流の位相（実電流位相）φｉの絶対値が所定切替電流位相φ０（駆動時と制動時で異なる）の絶対値よりも小さくなるか否かを監視しており、それが小さくなればスイッチ２８を図中上側に切り替え、ＰＷＭ電流制御モードに制御を切り替える。この所定切替電流位相φ０は、例えば現在のトルク指令を最も小さな電流値で実現する際に必要な電流位相、すなわちトルク／電流比が最も大きくなる位相が用いられ、トルク値及び駆動時用又は制動時用の別に応じて複数用意される。駆動時と制動時の区別は、例えばトルク指令の符号により判断すればよい。
【００２７】
次に、交流電動機の駆動制御装置１０の動作について説明する。
【００２８】
図２は、本駆動制御装置１０の制御切り替えを説明するフロー図である。同図に示すように、この駆動制御装置１０では現在の制御がＰＷＭ電流制御モード、矩形波電圧位相制御モードのいずれの下で行われているかを判断する（Ｓ１０１）。
【００２９】
そして、ＰＷＭ電流制御モードでモータ３８が駆動されていると判断すると、次に電圧振幅判定部１６が電流制御器１４から出力される電圧振幅｜Ｖ｜が上述した所定切替電圧振幅Ｖ０以上であるか否かを判断する（Ｓ１０２）。ここで、所定切替電圧振幅Ｖ０以上であると判断されると、電圧振幅判定部１６はスイッチ２８を図中下側に切り替え、制御モードを矩形波電圧位相制御モードに移す（Ｓ１０５）。一方、所定切替電圧振幅Ｖ０未満であると判断されると、電圧振幅判定部１６はスイッチ２８の状態を維持し、そのままＰＷＭ電流制御モードでの動作を続ける（Ｓ１０４）。
【００３０】
また、Ｓ１０１において現在の制御モードが矩形波電圧位相制御モードであると判断されると、次に電流位相判定部２２が実電流位相の絶対値｜φｉ｜が上述した所定切替電流位相の絶対値｜φ０｜未満であるか否かを判断する（Ｓ１０３）。そして、それが所定切替電流位相の絶対値｜φ０｜以上であると判断されると、電流位相判定部２２はスイッチ２８の状態を維持し、そのまま矩形波電圧位相制御モードでの動作を続ける（Ｓ１０５）。また、実電流位相の絶対値｜φｉ｜が所定切替電流位相の絶対値｜φ０｜未満であると判断されると、電流位相判定部２２はスイッチ２８を図中上側に切り替え、制御モードをＰＷＭ電流制御モードに移す（Ｓ１０４）。
【００３１】
図３〜６は、制御切り替えの前後の駆動制御装置１０の状態を説明する図である。これらの図において、電圧振幅｜Ｖ｜が所定の初期電圧振幅Ｖｉｎｉｔ、電流位相の絶対値｜φｉ｜が｜φ０｜、電流値がＢ、モータ３８の回転数が零である状態をＸとする。また、電圧振幅｜Ｖ｜が所定切替電圧振幅Ｖ０、電流位相の絶対値｜φｉ｜が｜φ０｜、電流値がＢ、モータの回転数がＮ０の状態をＹとする。さらに、電圧振幅｜Ｖ｜が所定切替電圧振幅Ｖ０、電流位相の絶対値｜φｉ｜が所定切替電流位相の絶対値｜φ０｜より大きい状態、回転数がＮ０から増えた状態をＺとする。そして、これらの図において、状態Ｘ〜Ｚを結ぶ実線はトルク一定の状態を表している。
【００３２】
図３は、駆動制御装置１０の動作モードがＰＷＭ電流制御モードから矩形波電圧位相制御モードにトルク一定の状態で移る際の回転数及び電圧振幅｜Ｖ｜の関係を表している。同図において、状態Ｘから徐々に回転数が上がると、それに伴いモータ３８の逆起電力が大きくなる。これに抗するために電圧振幅｜Ｖ｜も徐々に上昇する。この際、駆動制御装置１０はＰＷＭ電流制御モードにあり、電流位相φはトルク／電流比が最大となる値（この値は所定切替電流位相φ０に相当する）に設定されている。
【００３３】
図４は、ＰＭモータの電流−トルク特性を表す図であり、同図において破線は、それぞれ電流値Ａ〜Ｃ（Ａ＞Ｂ＞Ｃ）におけるトルクの絶対値と電流位相の絶対値｜φｉ｜との関係を表している。ただし、位相｜φｉ｜は無負荷時の巻線の永久磁石磁束錯交数の位相角を０°として示している。また、各破線の頂部を連結してなる曲線５１は、あるモータトルクを最小の電流値で達成するための電流位相を表している。ここで、状態Ｘ，Ｙは曲線５１上にプロットされていることから、状態がＸからＹに移るまでの間のＰＷＭ電流制御モードでは、エネルギー効率が最も良い状態でモータ３８が駆動されていることが分かる。
【００３４】
図３に戻り、状態Ｘから徐々に電圧振幅｜Ｖ｜及び電流位相の絶対値｜φｉ｜が上昇すると、電圧振幅｜Ｖ｜が所定切替電圧振幅Ｖ０に達する。本駆動制御装置１０では、このタイミングでスイッチ２８を切り替え、制御モードを矩形波電圧位相制御モードに移す。図５はＰＭモータの電流−電圧特性を表す図であり、横軸は電流位相の絶対値｜φｉ｜、縦軸は電圧定数（モータ３８の１回転当たりのモータ電圧）を表している。また、同図において波線は、それぞれ電流値Ａ〜Ｃにおける電流位相の絶対値｜φｉ｜と電圧定数との関係を表している。この図５及び図４に示すように、状態Ｘから状態Ｙに達した後は、モータ３８の回転数を上昇させるため、電流値をＢからＡに徐々に増加させつつ電流位相の絶対値｜φｉ｜を所定切替電流位相の絶対値｜φ０｜から徐々に上昇させる。これにより、回転数が上昇しても電圧振幅をＶ０に抑えることができる。駆動制御装置１０の状態はＺに達する。
【００３５】
次に、矩形波電圧位相制御モードの状態ＺからＰＷＭ電流制御モードの状態Ｘにトルク一定の状態で移る場合について説明する。図６は状態Ｚから状態Ｘにトルク一定の状態で移行する際のモータ３８の回転数と電流位相の絶対値｜φｉ｜の関係を示す図である。同図において、状態Ｚは矩形波電圧位相制御モードの下にあり、電流位相の絶対値｜φｉ｜が所定切替電流位相の絶対値｜φ０｜より大きくなっている。状態Ｚから状態Ｙに向けて徐々に回転数が下がるとともに、電流位相の絶対値｜φｉ｜が小さくなって、それが所定電流位相の絶対値｜φ０｜と同値に達すると、このタイミングで電流位相判定部２２はスイッチ２８を切り替え、駆動制御装置１０の動作をＰＷＭ電流制御モードに移行させる。その後は、上述したようにＰＷＭ電流制御モードでは電流位相φｉがトルク／電流比が最大となる値、すなわち所定切替電流位相φ０に維持され、回転数が零まで下がる。
【００３６】
以上説明した交流電動機の駆動制御装置１０によれば、切り替えタイミングを決めるためのマップを用意するための時間を削減できる。また、ＰＷＭ電流制御モードではモータ電流が最小の状態でモータ３８の運転を行い、矩形波電圧位相制御モードではモータ電圧が最大となるため出力を向上させることができ、かつ出力効率を維持できる。そして、モータ３８の動作状態に応じて最適な制御方式を自動選択するため、常に効率のよいモータ３８の運転が可能で、高出力を得ることができる。
【００３７】
なお、以上説明した交流電動機の駆動制御装置１０は種々の変形実施が可能である。例えば、以上の説明では電圧位相制御として矩形波電圧位相制御を採用したが、ＰＷＭ電圧位相制御を採用してもよい。
【００３８】
図７は、ＰＷＭ電流制御モードとＰＷＭ電圧位相制御モードの双方で動作可能な交流電動機の駆動制御装置５０の全体構成を示す図である。同図において、図１に示す駆動制御装置１０と同一構成については同一符号を付し、ここでは詳細な説明を省略する。
【００３９】
図１に示す駆動制御装置１０と主として異なるのは、ＰＷＭ回路３０に供給する電圧振幅｜Ｖ｜及び電圧位相ψが、電流制御器１４から供給される状態と、電圧振幅制御器１５及び電圧位相制御器１８から供給される状態と、がスイッチ３５により切り替えられるようになっている点である。ここで、電圧振幅制御器１５は、ＰＷＭ電流制御モードからＰＷＭ電圧位相制御モードに移行する場合、その動作開始時において、電流制御器１４にて移行時に出力されている電圧振幅｜Ｖ｜を引き続いて出力するとともに、その後は値を増減させ、電圧振幅｜Ｖ｜をスイッチ３５に供給する。
【００４０】
この変形例に係る駆動制御装置５０を用いても、モータ３８の動作状態に応じて最適な制御方式を自動選択し、効率のよいモータ３８の運転が可能である。
【００４１】
その他、以上の説明では制御切り替えタイミングを画する所定切替電圧振幅Ｖ０及び所定切替電流位相φ０を、モータ３８の運転効率を考慮した最適値としたが、頻繁な制御切替を防止するため、かかる最適値からある程度ずらしても実用上問題ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る交流電動機の駆動制御装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る交流電動機の駆動制御装置における制御切り替えを説明するフロー図である。
【図３】制御切り替えの前後の駆動制御装置の状態を説明する図である。
【図４】制御切り替えの前後の駆動制御装置の状態を説明する図である。
【図５】制御切り替えの前後の駆動制御装置の状態を説明する図である。
【図６】制御切り替えの前後の駆動制御装置の状態を説明する図である。
【図７】変形例に係る交流電動機の駆動制御装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，５０駆動制御装置、１２電流指令生成部、１３加算器、１４電流制御器、１５電圧振幅制御器、１６電圧振幅判定部、１８電圧位相制御器、２０トルク検出部、２２電流位相判定部、２８，３５スイッチ、３０ＰＷＭ回路、３６インバータ、３８モータ、４０電流センサ、５１（最適位相）曲線。

Claims

トルク指令に応じた所定振幅及び所定位相の正弦波電流を交流電動機に供給するＰＷＭ電流制御手段と、
前記交流電動機に供給された交流電流を検出する電流検出器と、
トルク指令に応じた前記所定位相から外れた位相を有する交流電流を前記交流電動機に供給する電圧位相制御手段と、
前記交流電動機が電圧位相制御手段により駆動されている場合、前記電流検出器で検出された電流値から求めた電流位相と前記所定位相に対応する制御切替位相との進みと遅れの関係が逆転すれば、前記電圧位相制御手段に代えて前記ＰＷＭ電流制御手段による前記交流電動機の駆動を開始する制御切替手段と、
を含むことを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
請求項１に記載の交流電動機の駆動制御装置において、
トルク指令に応じた前記所定位相はトルク／電流比が大きくなるよう定められることを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
請求項１又は２に記載の交流電動機の駆動制御装置において、
前記切替制御手段は、前記交流電動機が前記ＰＷＭ電流制御手段により駆動されている場合、前記交流電動機に印加する交流電圧の振幅が所定振幅を越えるとき、前記ＰＷＭ電流制御手段に代えて前記電圧位相制御手段による前記交流電動機の駆動を開始することを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。