JP3818042B2 - 回転電機の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は回転電機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の同期モータの回転を単一のインバータで独立に制御するため、それぞれのロータの回転位相に応じた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同期モータヘ供給する技術を既に提案している（特開平１１−２７５８２６号公報、特願平１１−２７３３０３号、同１１−２７４８７４号、同１１−３５１６１３号等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来装置では、回転電機毎の制御電流をどのように決定するかについて十分な検討がなされていなかった。このため、回転電機毎に制御電流を最適化する方法として、たとえば回転電機毎に独立にその回転速度と目標トルクから電流平均値が最小となる制御電流を決定し、それらを複合して得られる複合電流を単一の電流制御装置から供給しようとした場合には、必要な電圧が電源電圧を越えてしまったり、複合電流のピーク値が電流制御装置の許容範囲を越えてしまったりする可能性がある。
【０００４】
そこで本発明は、各回転電機の回転速度と目標トルクに基づいて、電流制御装置の許容電流で決まる、相電流の上限値を超えることがないように各回転電機の制御電流を決定し、決定した各回転電機の制御電流を複合して得られる複合電流を全ての回転電機に供給することにより、このような問題の発生を回避することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ロータの回転位相に応じた制御電流を供給することで回転を制御することが可能な複数の回転電機に対し、単一の電流制御装置から電流を供給するようにした回転電機の制御装置において、前記電流制御装置が、各回転電機の回転角速度と目標トルクに基づいて、電流制御装置の許容電流で決まる、相電流の上限値を超えることがないように各回転電機の制御電流を決定し、決定した各回転電機の制御電流を複合して得られる複合電流を全ての回転電機に供給すると共に、前記複数の回転電機の全ての温度が許容温度より低い温度域にあるときに、複合電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定し、また、前記複数の回転電機のうちの一つの温度が許容温度以上となりかつ残りの回転電機の温度が許容温度より低い温度域にあるときに、その許容温度以上となっている一つの回転電機の制御電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定する。
【０００８】
第２の発明では、第１の発明において前記電流制御装置が、各回転電機の制御電流を決定する複数の手段を有し、これら複数の手段の使用を選択的に切換えて各回転電機の制御電流を決定する。
【０００９】
【発明の効果】
回転電機毎に制御電流を最適化（回転電機毎に独立に回転速度と目標トルクから電流平均値最小の制御電流を決定する等）した場合、それらを複合して得られる複合電流を単一の電流制御装置から供給しようとする際、必要な電圧が電源電圧を越えてしまったり、複合電流のピーク値が電流制御装置の許容範囲を越えてしまったりする可能性があるが、各回転電機の回転角速度と目標トルクに基づいて、電流制御装置の許容電流で決まる、相電流の上限値を超えることがないように各回転電機の制御電流を決定するようにした第１の発明によれば、このような問題の発生を回避することができ、各回転電機の制御を確実に行なうことができる。
【００１０】
複数の交流電流を複合すると、複合電流の電流平均値がもとの交流電流の電流平均値の和よりも低下し、その低下幅は複合する交流電流の電流ピークの大きさの比に依存することが分かっているので（特願２０００−２３８０７８号参照）、第１の発明により複数の回転電機の全ての温度が許容温度より低い温度域にあるときに、複合電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定すれば、この複合電流が流れる部分の銅損や、電流制御装置を構成するスイッチング素子でのスイッチング損を最小にすることができ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００１１】
第１の発明によれば、複数の回転電機のうちの一つの温度が許容温度以上となりかつ残りの回転電機の温度が許容温度より低い温度域にあるときに、その許容温度以上となっている一つの回転電機の制御電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定するので、各回転電機に対する確実な制御を確保した上で許容温度以上となっている一つの回転電機における銅損（＝ジュール熱の発生）を最小とすることができる。複合電流の電流平均値を最小とする場合と比較すると、システム全体の効率は若干低下するものの、特定の回転電機の温度上昇を抑制することができる。
【００１２】
第２の発明によれば、システムの運転状況に合致した最適な制御が行なえる。例えば、通常運転時は複合電流の電流平均値を最小としてシステム全体の効率を向上させ、特定の回転電機の温度が上昇しているのを検知した場合はその回転電機の制御電流の電流平均値を最小とするような制御が可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１、図２、図３（図２、図３は図１の一部詳細図）において、１は、永久磁石埋め込み式（ＩＰＭ）の３極対ロータと９相のステータからなり三相交流により駆動される回転電機（以下「第１回転電機」という。）で、減速機２、差動機（デファレンシャルギア）３を介して駆動輪４に連結され、主にモータとして動作する。
【００１４】
５も永久磁石埋め込み式（ＩＰＭ）の３極対ロータと９相のステータからなる回転電機（以下「第２回転電機」という。）であり、こちらはエンジン６に連結される。第２回転電機５はモータとしても動作するが、主にはジェネレータとして動作し、このとき三相交流を発生する。
【００１５】
三相交流の制御電流を２つの回転電機１、５のステータコイルに供給するため、バッテリ（直流電源）７からの直流電流を交流電流に変換する９相インバータ９を備える。このインバータ９は図２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９相にしたものと同じで、スイッチング素子としての１８個のトランジスタ（絶縁ゲート形電界効果トランジスタ）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。なお、図２において右側が回転電機１、５に接続される端子群、下側がインバータ９中のトランジスタ群をＯＮ、ＯＦＦするゲートドライバ１０に接続される端子群である。左側はコンデンサ８に接続される。
【００１６】
インバータ９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。各回転電機１、５を同期回転させるため、各回転電機１、５のロータの位相を検出する回転角センサ（図示しない）が設けられ、これらセンサからの信号が入力されるモータコントローラ１１では各回転電機１、５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。
【００１７】
なお、インバータ９、モータコントローラ１１およびゲートドライバ１０で電流制御装置が構成されている。
【００１８】
主にマイコンから構成される総合コントローラ１２では、車速センサ１４の出力信号から得た車速ＶＳＰとアクセル開度センサ１５の出力信号から得たアクセル開度ＡＰＳとに基づき、第１回転電機１の回転角速度ω１および目標トルクτ１、第２回転電機５の目標回転角速度ω２および目標トルクτ２並びにエンジン６の目標回転速度Ｎｅと目標トルクＴｅを決定する。
【００１９】
これを図４のフローチャートにより説明すると、同図は所定時間毎（たとえば１０ｍｓ毎）に実行する。
【００２０】
ステップ１０１で車速ＶＳＰ［ｋｍ／ｈ］とアクセル開度ＡＰＯ（たとえば０／８〜８／８といった値である）を読み込み、これらよりステップ１０２において図５を内容とするマップを検索することにより、駆動輪取り付け軸の目標トルクｔＴｄ［Ｎｍ］を算出する。ステップ１０３ではこの目標トルクｔＴｄを減速機２と差動機３の総減速比Ｇｅａｒで割った値を第１回転電機１の目標トルクτ１［Ｎｍ］として算出する。
【００２１】
ステップ１０４では
ω１＝ＶＳＰ×Ｇｅａｒ／Ｒｔｉｒｅ／３．６、
ただし、Ｒｔｉｒｅ：駆動輪の半径、
の式により第１回転電機の回転角速度ω１［ｒａｄ／ｓ］を演算し、これと上記の目標トルクτ１とをステップ１０５において乗算した値を第１回転電機１の駆動出力Ｐｏｗｅｒ［Ｗ］として算出する。
【００２２】
ステップ１０６ではこの駆動出力Ｐｏｗｅｒから図６を内容とするマップを検索することにより、その駆動出力Ｐｏｗｅｒで運転したとき最良の燃費となるエンジン回転速度とエンジントルクをエンジンの目標回転速度Ｎｅ［ｒｐｍ］、エンジンの目標トルクＴｅ［Ｎｍ］として算出する。
【００２３】
ステップ１０７ではこのエンジン目標回転速度Ｎｅを用いて
ω２＝２×Ｎｅ×π
の式で第２回転電機５の目標回転角速度ω２［ｒａｄ／ｓ］を算出し、この角速度ω２と上記の駆動出力Ｐｏｗｅｒから
τ２＝Ｐｏｗｅｒ／ω２
の式で第２回転電機５の目標トルクτ２［Ｎｍ］（＝Ｔｅ）を算出する。これは、上記の駆動出力Ｐｏｗｅｒを第２回転電機５に対する発電電力要求値としたものである。
【００２４】
ステップ１０９、１１０では、このようにして求めた第１回転電機１の目標回転角速度ω１および目標トルクτ１並びに第２回転電機５の目標回転角速度ω２および目標トルクτ２をモータコントローラ１１へ出力するとともに、エンジン目標回転速度Ｎｅとエンジン目標トルクＴｅをエンジンコントローラ１３へ出力する。
【００２５】
図１に戻り、総合コントローラ１２からの４つの指令値（ω１、τ１、ω２、τ２）を受けるとともに、さらに温度センサ１６、１７からの各回転電機１、５の温度（特にステータコイルの温度）Ｔ１、Ｔ２を総合コントローラ１２を介して受けるモータコントローラ１１では、電流ベクトル制御によって各回転電機１、５のｄ軸電流とｑ軸電流の指令値を決定する。その際、第１回転電機温度Ｔ１、第２回転電機温度Ｔ２を許容温度Ｔｔｈと比較し、その比較結果を考慮して、各回転電機１、５のｄ軸電流とｑ軸電流の指令値を決定する。
【００２６】
これを図７のフローチャートにより説明すると、同図は各回転電機１、５のｄ軸電流とｑ軸電流（各回転電機の制御電流）の指令値を決定するためのもので、所定時間毎（たとえば１０ｍｓ毎）に実行する。
【００２７】
ステップ２０１では総合コントローラ１２からの４つの指令値（第１回転電機の回転角速度ω１および目標トルクτ１並びに第２回転電機の目標回転角速度ω２および目標トルクτ２）を読み込む。
【００２８】
ステップ２０２では、第１回転電機温度Ｔ１、第２回転電機温度Ｔ２を読み込み、これらをステップ２０３、２０４、２０５において許容温度Ｔｔｈ（たとえば一定値）と比較する。
【００２９】
回転電機の２つの温度Ｔ１、Ｔ２がいずれも許容温度Ｔｔｈより低い温度域であれば、ステップ２０６に進み、各回転電機１、５の制御電流を複合した複合電流Ｉｃの電流平均値Ｉａｃが最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定する。具体的には、次の数１式〜数８式を拘束条件として、数９式の評価関数Ｊが最小となる第１回転電機のｄ軸電流ｉｄ１およびｑ軸電流ｉｑ１ならびに第２回転電機のｄ軸電流ｉｄ２およびｑ軸電流ｉｑ２を決定する。
【００３０】
【数１】
ｖｄ１＝−ω１×Ｌｑ１×ｉｑ１、
ただし、ｖｄ１：第１回転電機のｄ軸電圧、
Ｌｑ１：第１回転電機のｑ軸インダクタンス、
【００３１】
【数２】
ｖｑ１＝ω１×Ｌｄ１×ｉｄ１＋ω１×φ１、
ただし、ｖｑ１：第１回転電機のｑ軸電圧、
Ｌｄ１：第１回転電機のｄ軸インダクタンス、
φ１ ：第１回転電機の磁石磁束、
【００３２】
【数３】
τ１＝ｐ１×（φ１×ｉｑ１＋（Ｌｄ１−Ｌｑ１）×ｉｄ１×ｉｑ１）、
ただし、ｐ１：第１回転電機の極対数、
【００３３】
【数４】
ｖｄ２＝−ω２×Ｌｑ２×ｉｑ２、
ただし、ｖｄ２：第２回転電機のｄ軸電圧、
Ｌｑ２：第２回転電機のｑ軸インダクタンス、
【００３４】
【数５】
ｖｑ２＝ω２×ｉｄ２＋ω２×φ２、
ただし、ｖｑ２：第２回転電機のｑ軸電圧、
Ｌｄ２：第２回転電機のｄ軸インダクタンス、
φ２ ：第２回転電機の磁石磁束、
【００３５】
【数６】
τ２=ｐ２×（φ２×ｉｑ２＋（Ｌｄ２−Ｌｑ２）×ｉｄ２×ｉｑ２）、
ただし、ｐ２：第２回転電機の極対数、
【００３６】
【数７】
Ｖ０2≧ｖｄ１2＋ｖｑ１2＋ｖｄ２2＋ｖｑ２2
ただし、Ｖ０：相電圧の上限値（３相交流電流の１相の電圧がＶ０を越え
てしまうと、制御に必要な電圧が電源電圧を越える）、
【００３７】
【数８】
Ｉ０2≧ｉｄ１2＋ｉｑ１2＋ｉｄ２2＋ｉｑ２2
ただし、Ｉ０：相電流の上限値（インバータを構成するスイッチング素子
の許容電流で決まる）、
【００３８】
【数９】
Ｊ＝ｋ×（ＳＱＲＴ（ｉｄ１2＋ｉｑ１2）＋ＳＱＲＴ（ｉｄ２2＋ｉｑ２2））、
ｋ＝ｆ（ＳＱＲＴ（ｉｄ１2＋ｉｑ１2）／ＳＱＲＴ（ｉｄ２2＋ｉｑ２2））、
ただし、Ｊ：評価関数（複合電流の電流平均値Ｉａｃと一対一に対応）
、
ｋ：複合化による電流平均値低減効果を考慮するための係数、
ここで、上記数９式の評価関数Ｊは次のようにして導いたものである。
【００３９】
Ｉ＝Ｉｐ×sin（ωｔ）、
ただし、Ｉｐ：電流ピーク値、
ω：角速度、
ｔ ：時間、
の式で表される三相交流の制御電流Ｉ（三相交流の制御電流は回転電機毎に位相の異なる３つの式で表されるのであるが、ここでは数１０式で示したように一相のみの制御電流で代表させている）の電流平均値Ｉａは、
Ｉａ＝２×Ｉｐ／π
となる。ｄ・ｑ軸平面上では電流ベクトルの長さが電流ピーク値の大きさを表すので、数１１式は、
Ｉａ＝２×ＳＱＲＴ（ｉｄ2＋ｉｑ2）／π
となる。よって、制御電流Ｉの電流平均値Ｉａを最小とするには、この式の右辺のｉｄ2＋ｉｑ2を最小化すれば良い。なお、ＳＱＲＴ（ｉｄ2＋ｉｑ2）とは（ｉｄ2＋ｉｑ2）1/2のことである。
【００４０】
ただし、１の回転電機の制御電流Ｉ１と他の回転電機の制御電流Ｉ２とを複合した場合、複合電流Ｉｃ（＝Ｉ１＋Ｉ２）の電流平均値Ｉａｃは複合前の各電流Ｉ１、Ｉ２の電流平均値の和Ｉａ１＋Ｉａ２よりも小さくなることが分かっており、その低下率は複合前の各電流Ｉ１、Ｉ２の電流ピーク値の大きさの比Ｉｐ１／Ｉｐ２に応じて定まる（比が１に近くなるほど低下率が大きくなる）。すなわち、
ｋ＝Ｉｃａ／（Ｉａ１＋Ｉａ２）
なる係数ｋを定義すると、この係数ｋは、
で表すことができ、この係数ｋを使って複合電流Ｉｃの電流平均値Ｉａｃは、
Ｉａｃ＝２×ｋ×（ＳＱＲＴ（ｉｄ１2＋ｉｑ１2）＋ＳＱＲＴ（ｉｄ２2＋ｉｑ２2））／π
と表すことができる。この式の右辺より定数部分を除いた変数を評価関数Ｊとすれば、上記の数９式が得られる。
【００４１】
次に、第２回転電機５の温度が許容温度Ｔｔｈ未満であるのに第１回転電機１の温度が許容温度Ｔｔｈ以上となっているときには、ステップ２０３、２０４よりステップ２０７に進み、第１回転電機１の制御電流Ｉ１の電流平均値Ｉａ１が最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定する。具体的には、前記の数１式〜数８式を拘束条件として、次の数１０式の評価関数Ｊが最小となる第１回転電機のｄ軸電流ｉｄ１およびｑ軸電流ｉｑ１並びに第２回転電機のｄ軸電流ｉｄ２およびｑ軸電流ｉｑ２を決定する。
【００４２】
【数１０】
Ｊ＝ｉｄ１2＋ｉｑ１2、
同様にして、第１回転電機１の温度が許容温度Ｔｔｈ未満であるのに第２回転電機５の温度が許容温度Ｔｔｈ以上となっているときにはステップ２０３、２０５よりステップ２０８に進み、今度は第２回転電機５の制御電流Ｉ２の電流平均値Ｉａ２が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定する。具体的には前記の数１式〜数８式を拘束条件として、次の数１１式の評価関数Ｊが最小となる第１回転電機のｄ軸電流ｉｄ１およびｑ軸電流ｉｑ１並びに第２回転電機のｄ軸電流ｉｄ２およびｑ軸電流ｉｑ２を決定する。
【００４３】
【数１１】
Ｊ＝ｉｄ２2＋ｉｑ２2、
一方、２つの回転電機１、５の温度がいずれも許容温度Ｔｔｈ以上となっているときには、ステップ２０３、２０５よりステップ２０９に進み、フェールセーフ処理を実行する。このフェールセーフ処理は、例えば２つの回転電機１、５の出力と発電電力を強制的に低下させるような処理である。
【００４４】
このようにして各回転電機１、５の三相交流の制御電流の指令値を決定した後は、電流センサ（図示しない）の検出信号、各回転電機の１、５の回転角センサ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１、５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ゲートドライバー１０でＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をインバータ２３へ送る。
【００４５】
一方、エンジンコントローラ１３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。
【００４６】
ここで、本実施形態の作用を説明する。
【００４７】
回転電機１、５毎に制御電流を最適化（その回転電機の回転速度と目標トルクだけから電流平均値最小の制御電流を決定する等）した場合、それらを複合して得られる複合電流を単一の電流制御装置から供給しようとする際、必要な電圧がバッテリ電圧（電源電圧）を越えてしまったり、複合電流のピーク値が電流制御装置の許容範囲を越えてしまったりする可能性があるが、２つ（全て）の回転電機１、５の回転角速度ω１、ω２と目標トルクτ１、τ２に基づいて各回転電機１、５のｄ軸電流ｉｄ１およびｉｄ２並びにｑ軸電流ｉｑ１およびｉｑ２（各回転電機の制御電流）を決定するようにした本実施形態によれば、このような問題の発生を回避することができ、各回転電機１、５の制御を確実に行なうことができる。
【００４８】
また、複数の交流電流を複合すると、複合電流の電流平均値がもとの交流電流の電流平均値の和よりも低下し、その低下幅は複合する交流電流の電流ピークの大きさの比に依存することが分かっているので（特願２０００−２３８０７８号参照）、本実施形態においても複合電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定しており、これによって、この複合電流が流れる部分の銅損や、電流制御装置を構成するスイッチング素子でのスイッチング損を最小にすることができ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、第２回転電機５の温度が許容温度Ｔｔｈ未満であるのに第１回転電機１の温度が許容温度Ｔｔｈ以上となっているときには、第１回転電機１（特定の回転電機）の制御電流Ｉ１の電流平均値Ｉａ１が最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定するので、各回転電機１、５に対する確実な制御を確保した上で第１回転電機１における銅損(＝ジュール熱の発生)を最小とすることができる。複合電流の電流平均値を最小とする場合と比較すると、システム全体の効率は若干低下するものの、第１回転電機１の温度上昇を抑制することができる。
【００５０】
同様にして、第１回転電機１の温度が許容温度Ｔｔｈ未満であるのに第２回転電機５の温度が許容温度Ｔｔｈ以上となっているときには、今度は第２回転電機５（特定の回転電機）の制御電流Ｉ２の電流平均値Ｉａ２が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定することで、各回転電機１、５に対する確実な制御を確保した上で第２回転電機５における銅損(＝ジュール熱の発生)を最小とすることができる。複合電流の電流平均値を最小とする場合と比較すると、この場合も、システム全体の効率は若干低下するものの、第２回転電機５の温度上昇を抑制することができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、
▲１▼複合電流Ｉｃの電流平均値Ｉａｃが最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定する手段（図７のステップ２０６）、
▲２▼第１回転電機１の制御電流Ｉ１の電流平均値Ｉａ１が最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定する手段（図７のステップ２０７）、
▲３▼第２回転電機５の制御電流Ｉ２の電流平均値Ｉａ２が最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定する手段（図７のステップ２０８）
という３つの手段を有し、これら３つの手段の使用を温度状況により選択的に切換えて各回転電機１、５の制御電流を決定するので、システムの温度状況（運転状況）に合致した最適な制御が行なえる。例えば、２つの回転電機温度Ｔ１、Ｔ２が許容温度Ｔｔｈ未満であるとき（通常運転時）には複合電流Ｉｃの電流平均値Ｉａｃを最小としてシステム全体の効率を向上させ、第１回転電機１、第２回転電機５のうちのいずれかの回転電機（特定の回転電機）の温度が許容温度Ｔｔｈ以上に上昇しているのを検知した場合はその許容温度以上に上昇した側の回転電機の制御電流の電流平均値を最小とするような制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】制御システム図。
【図２】インバータの結線図。
【図３】ゲートドライバ、モータコントローラの結線図。
【図４】各回転電機の回転角速度と目標トルクを決定するためのフローチャート。
【図５】駆動輪取り付け軸の目標トルクの特性図。
【図６】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７】各回転電機の制御電流の指令値の決定を説明するためのフローチャート。
１ 第１回転電機
５ 第２回転電機
９ インバータ
１０ ゲートドライバ
１１ モータコントローラ
１２ 総合コントローラ
１６、１７ 温度センサ
【発明の属する技術分野】
この発明は回転電機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の同期モータの回転を単一のインバータで独立に制御するため、それぞれのロータの回転位相に応じた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同期モータヘ供給する技術を既に提案している（特開平１１−２７５８２６号公報、特願平１１−２７３３０３号、同１１−２７４８７４号、同１１−３５１６１３号等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来装置では、回転電機毎の制御電流をどのように決定するかについて十分な検討がなされていなかった。このため、回転電機毎に制御電流を最適化する方法として、たとえば回転電機毎に独立にその回転速度と目標トルクから電流平均値が最小となる制御電流を決定し、それらを複合して得られる複合電流を単一の電流制御装置から供給しようとした場合には、必要な電圧が電源電圧を越えてしまったり、複合電流のピーク値が電流制御装置の許容範囲を越えてしまったりする可能性がある。
【０００４】
そこで本発明は、各回転電機の回転速度と目標トルクに基づいて、電流制御装置の許容電流で決まる、相電流の上限値を超えることがないように各回転電機の制御電流を決定し、決定した各回転電機の制御電流を複合して得られる複合電流を全ての回転電機に供給することにより、このような問題の発生を回避することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ロータの回転位相に応じた制御電流を供給することで回転を制御することが可能な複数の回転電機に対し、単一の電流制御装置から電流を供給するようにした回転電機の制御装置において、前記電流制御装置が、各回転電機の回転角速度と目標トルクに基づいて、電流制御装置の許容電流で決まる、相電流の上限値を超えることがないように各回転電機の制御電流を決定し、決定した各回転電機の制御電流を複合して得られる複合電流を全ての回転電機に供給すると共に、前記複数の回転電機の全ての温度が許容温度より低い温度域にあるときに、複合電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定し、また、前記複数の回転電機のうちの一つの温度が許容温度以上となりかつ残りの回転電機の温度が許容温度より低い温度域にあるときに、その許容温度以上となっている一つの回転電機の制御電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定する。
【０００８】
第２の発明では、第１の発明において前記電流制御装置が、各回転電機の制御電流を決定する複数の手段を有し、これら複数の手段の使用を選択的に切換えて各回転電機の制御電流を決定する。
【０００９】
【発明の効果】
回転電機毎に制御電流を最適化（回転電機毎に独立に回転速度と目標トルクから電流平均値最小の制御電流を決定する等）した場合、それらを複合して得られる複合電流を単一の電流制御装置から供給しようとする際、必要な電圧が電源電圧を越えてしまったり、複合電流のピーク値が電流制御装置の許容範囲を越えてしまったりする可能性があるが、各回転電機の回転角速度と目標トルクに基づいて、電流制御装置の許容電流で決まる、相電流の上限値を超えることがないように各回転電機の制御電流を決定するようにした第１の発明によれば、このような問題の発生を回避することができ、各回転電機の制御を確実に行なうことができる。
【００１０】
複数の交流電流を複合すると、複合電流の電流平均値がもとの交流電流の電流平均値の和よりも低下し、その低下幅は複合する交流電流の電流ピークの大きさの比に依存することが分かっているので（特願２０００−２３８０７８号参照）、第１の発明により複数の回転電機の全ての温度が許容温度より低い温度域にあるときに、複合電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定すれば、この複合電流が流れる部分の銅損や、電流制御装置を構成するスイッチング素子でのスイッチング損を最小にすることができ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００１１】
第１の発明によれば、複数の回転電機のうちの一つの温度が許容温度以上となりかつ残りの回転電機の温度が許容温度より低い温度域にあるときに、その許容温度以上となっている一つの回転電機の制御電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定するので、各回転電機に対する確実な制御を確保した上で許容温度以上となっている一つの回転電機における銅損（＝ジュール熱の発生）を最小とすることができる。複合電流の電流平均値を最小とする場合と比較すると、システム全体の効率は若干低下するものの、特定の回転電機の温度上昇を抑制することができる。
【００１２】
第２の発明によれば、システムの運転状況に合致した最適な制御が行なえる。例えば、通常運転時は複合電流の電流平均値を最小としてシステム全体の効率を向上させ、特定の回転電機の温度が上昇しているのを検知した場合はその回転電機の制御電流の電流平均値を最小とするような制御が可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１、図２、図３（図２、図３は図１の一部詳細図）において、１は、永久磁石埋め込み式（ＩＰＭ）の３極対ロータと９相のステータからなり三相交流により駆動される回転電機（以下「第１回転電機」という。）で、減速機２、差動機（デファレンシャルギア）３を介して駆動輪４に連結され、主にモータとして動作する。
【００１４】
５も永久磁石埋め込み式（ＩＰＭ）の３極対ロータと９相のステータからなる回転電機（以下「第２回転電機」という。）であり、こちらはエンジン６に連結される。第２回転電機５はモータとしても動作するが、主にはジェネレータとして動作し、このとき三相交流を発生する。
【００１５】
三相交流の制御電流を２つの回転電機１、５のステータコイルに供給するため、バッテリ（直流電源）７からの直流電流を交流電流に変換する９相インバータ９を備える。このインバータ９は図２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９相にしたものと同じで、スイッチング素子としての１８個のトランジスタ（絶縁ゲート形電界効果トランジスタ）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。なお、図２において右側が回転電機１、５に接続される端子群、下側がインバータ９中のトランジスタ群をＯＮ、ＯＦＦするゲートドライバ１０に接続される端子群である。左側はコンデンサ８に接続される。
【００１６】
インバータ９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。各回転電機１、５を同期回転させるため、各回転電機１、５のロータの位相を検出する回転角センサ（図示しない）が設けられ、これらセンサからの信号が入力されるモータコントローラ１１では各回転電機１、５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。
【００１７】
なお、インバータ９、モータコントローラ１１およびゲートドライバ１０で電流制御装置が構成されている。
【００１８】
主にマイコンから構成される総合コントローラ１２では、車速センサ１４の出力信号から得た車速ＶＳＰとアクセル開度センサ１５の出力信号から得たアクセル開度ＡＰＳとに基づき、第１回転電機１の回転角速度ω１および目標トルクτ１、第２回転電機５の目標回転角速度ω２および目標トルクτ２並びにエンジン６の目標回転速度Ｎｅと目標トルクＴｅを決定する。
【００１９】
これを図４のフローチャートにより説明すると、同図は所定時間毎（たとえば１０ｍｓ毎）に実行する。
【００２０】
ステップ１０１で車速ＶＳＰ［ｋｍ／ｈ］とアクセル開度ＡＰＯ（たとえば０／８〜８／８といった値である）を読み込み、これらよりステップ１０２において図５を内容とするマップを検索することにより、駆動輪取り付け軸の目標トルクｔＴｄ［Ｎｍ］を算出する。ステップ１０３ではこの目標トルクｔＴｄを減速機２と差動機３の総減速比Ｇｅａｒで割った値を第１回転電機１の目標トルクτ１［Ｎｍ］として算出する。
【００２１】
ステップ１０４では
ω１＝ＶＳＰ×Ｇｅａｒ／Ｒｔｉｒｅ／３．６、
ただし、Ｒｔｉｒｅ：駆動輪の半径、
の式により第１回転電機の回転角速度ω１［ｒａｄ／ｓ］を演算し、これと上記の目標トルクτ１とをステップ１０５において乗算した値を第１回転電機１の駆動出力Ｐｏｗｅｒ［Ｗ］として算出する。
【００２２】
ステップ１０６ではこの駆動出力Ｐｏｗｅｒから図６を内容とするマップを検索することにより、その駆動出力Ｐｏｗｅｒで運転したとき最良の燃費となるエンジン回転速度とエンジントルクをエンジンの目標回転速度Ｎｅ［ｒｐｍ］、エンジンの目標トルクＴｅ［Ｎｍ］として算出する。
【００２３】
ステップ１０７ではこのエンジン目標回転速度Ｎｅを用いて
ω２＝２×Ｎｅ×π
の式で第２回転電機５の目標回転角速度ω２［ｒａｄ／ｓ］を算出し、この角速度ω２と上記の駆動出力Ｐｏｗｅｒから
τ２＝Ｐｏｗｅｒ／ω２
の式で第２回転電機５の目標トルクτ２［Ｎｍ］（＝Ｔｅ）を算出する。これは、上記の駆動出力Ｐｏｗｅｒを第２回転電機５に対する発電電力要求値としたものである。
【００２４】
ステップ１０９、１１０では、このようにして求めた第１回転電機１の目標回転角速度ω１および目標トルクτ１並びに第２回転電機５の目標回転角速度ω２および目標トルクτ２をモータコントローラ１１へ出力するとともに、エンジン目標回転速度Ｎｅとエンジン目標トルクＴｅをエンジンコントローラ１３へ出力する。
【００２５】
図１に戻り、総合コントローラ１２からの４つの指令値（ω１、τ１、ω２、τ２）を受けるとともに、さらに温度センサ１６、１７からの各回転電機１、５の温度（特にステータコイルの温度）Ｔ１、Ｔ２を総合コントローラ１２を介して受けるモータコントローラ１１では、電流ベクトル制御によって各回転電機１、５のｄ軸電流とｑ軸電流の指令値を決定する。その際、第１回転電機温度Ｔ１、第２回転電機温度Ｔ２を許容温度Ｔｔｈと比較し、その比較結果を考慮して、各回転電機１、５のｄ軸電流とｑ軸電流の指令値を決定する。
【００２６】
これを図７のフローチャートにより説明すると、同図は各回転電機１、５のｄ軸電流とｑ軸電流（各回転電機の制御電流）の指令値を決定するためのもので、所定時間毎（たとえば１０ｍｓ毎）に実行する。
【００２７】
ステップ２０１では総合コントローラ１２からの４つの指令値（第１回転電機の回転角速度ω１および目標トルクτ１並びに第２回転電機の目標回転角速度ω２および目標トルクτ２）を読み込む。
【００２８】
ステップ２０２では、第１回転電機温度Ｔ１、第２回転電機温度Ｔ２を読み込み、これらをステップ２０３、２０４、２０５において許容温度Ｔｔｈ（たとえば一定値）と比較する。
【００２９】
回転電機の２つの温度Ｔ１、Ｔ２がいずれも許容温度Ｔｔｈより低い温度域であれば、ステップ２０６に進み、各回転電機１、５の制御電流を複合した複合電流Ｉｃの電流平均値Ｉａｃが最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定する。具体的には、次の数１式〜数８式を拘束条件として、数９式の評価関数Ｊが最小となる第１回転電機のｄ軸電流ｉｄ１およびｑ軸電流ｉｑ１ならびに第２回転電機のｄ軸電流ｉｄ２およびｑ軸電流ｉｑ２を決定する。
【００３０】
【数１】
ｖｄ１＝−ω１×Ｌｑ１×ｉｑ１、
ただし、ｖｄ１：第１回転電機のｄ軸電圧、
Ｌｑ１：第１回転電機のｑ軸インダクタンス、
【００３１】
【数２】
ｖｑ１＝ω１×Ｌｄ１×ｉｄ１＋ω１×φ１、
ただし、ｖｑ１：第１回転電機のｑ軸電圧、
Ｌｄ１：第１回転電機のｄ軸インダクタンス、
φ１ ：第１回転電機の磁石磁束、
【００３２】
【数３】
τ１＝ｐ１×（φ１×ｉｑ１＋（Ｌｄ１−Ｌｑ１）×ｉｄ１×ｉｑ１）、
ただし、ｐ１：第１回転電機の極対数、
【００３３】
【数４】
ｖｄ２＝−ω２×Ｌｑ２×ｉｑ２、
ただし、ｖｄ２：第２回転電機のｄ軸電圧、
Ｌｑ２：第２回転電機のｑ軸インダクタンス、
【００３４】
【数５】
ｖｑ２＝ω２×ｉｄ２＋ω２×φ２、
ただし、ｖｑ２：第２回転電機のｑ軸電圧、
Ｌｄ２：第２回転電機のｄ軸インダクタンス、
φ２ ：第２回転電機の磁石磁束、
【００３５】
【数６】
τ２=ｐ２×（φ２×ｉｑ２＋（Ｌｄ２−Ｌｑ２）×ｉｄ２×ｉｑ２）、
ただし、ｐ２：第２回転電機の極対数、
【００３６】
【数７】
Ｖ０2≧ｖｄ１2＋ｖｑ１2＋ｖｄ２2＋ｖｑ２2
ただし、Ｖ０：相電圧の上限値（３相交流電流の１相の電圧がＶ０を越え
てしまうと、制御に必要な電圧が電源電圧を越える）、
【００３７】
【数８】
Ｉ０2≧ｉｄ１2＋ｉｑ１2＋ｉｄ２2＋ｉｑ２2
ただし、Ｉ０：相電流の上限値（インバータを構成するスイッチング素子
の許容電流で決まる）、
【００３８】
【数９】
Ｊ＝ｋ×（ＳＱＲＴ（ｉｄ１2＋ｉｑ１2）＋ＳＱＲＴ（ｉｄ２2＋ｉｑ２2））、
ｋ＝ｆ（ＳＱＲＴ（ｉｄ１2＋ｉｑ１2）／ＳＱＲＴ（ｉｄ２2＋ｉｑ２2））、
ただし、Ｊ：評価関数（複合電流の電流平均値Ｉａｃと一対一に対応）
、
ｋ：複合化による電流平均値低減効果を考慮するための係数、
ここで、上記数９式の評価関数Ｊは次のようにして導いたものである。
【００３９】
Ｉ＝Ｉｐ×sin（ωｔ）、
ただし、Ｉｐ：電流ピーク値、
ω：角速度、
ｔ ：時間、
の式で表される三相交流の制御電流Ｉ（三相交流の制御電流は回転電機毎に位相の異なる３つの式で表されるのであるが、ここでは数１０式で示したように一相のみの制御電流で代表させている）の電流平均値Ｉａは、
Ｉａ＝２×Ｉｐ／π
となる。ｄ・ｑ軸平面上では電流ベクトルの長さが電流ピーク値の大きさを表すので、数１１式は、
Ｉａ＝２×ＳＱＲＴ（ｉｄ2＋ｉｑ2）／π
となる。よって、制御電流Ｉの電流平均値Ｉａを最小とするには、この式の右辺のｉｄ2＋ｉｑ2を最小化すれば良い。なお、ＳＱＲＴ（ｉｄ2＋ｉｑ2）とは（ｉｄ2＋ｉｑ2）1/2のことである。
【００４０】
ただし、１の回転電機の制御電流Ｉ１と他の回転電機の制御電流Ｉ２とを複合した場合、複合電流Ｉｃ（＝Ｉ１＋Ｉ２）の電流平均値Ｉａｃは複合前の各電流Ｉ１、Ｉ２の電流平均値の和Ｉａ１＋Ｉａ２よりも小さくなることが分かっており、その低下率は複合前の各電流Ｉ１、Ｉ２の電流ピーク値の大きさの比Ｉｐ１／Ｉｐ２に応じて定まる（比が１に近くなるほど低下率が大きくなる）。すなわち、
ｋ＝Ｉｃａ／（Ｉａ１＋Ｉａ２）
なる係数ｋを定義すると、この係数ｋは、
Ｉａｃ＝２×ｋ×（ＳＱＲＴ（ｉｄ１2＋ｉｑ１2）＋ＳＱＲＴ（ｉｄ２2＋ｉｑ２2））／π
と表すことができる。この式の右辺より定数部分を除いた変数を評価関数Ｊとすれば、上記の数９式が得られる。
【００４１】
次に、第２回転電機５の温度が許容温度Ｔｔｈ未満であるのに第１回転電機１の温度が許容温度Ｔｔｈ以上となっているときには、ステップ２０３、２０４よりステップ２０７に進み、第１回転電機１の制御電流Ｉ１の電流平均値Ｉａ１が最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定する。具体的には、前記の数１式〜数８式を拘束条件として、次の数１０式の評価関数Ｊが最小となる第１回転電機のｄ軸電流ｉｄ１およびｑ軸電流ｉｑ１並びに第２回転電機のｄ軸電流ｉｄ２およびｑ軸電流ｉｑ２を決定する。
【００４２】
【数１０】
Ｊ＝ｉｄ１2＋ｉｑ１2、
同様にして、第１回転電機１の温度が許容温度Ｔｔｈ未満であるのに第２回転電機５の温度が許容温度Ｔｔｈ以上となっているときにはステップ２０３、２０５よりステップ２０８に進み、今度は第２回転電機５の制御電流Ｉ２の電流平均値Ｉａ２が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定する。具体的には前記の数１式〜数８式を拘束条件として、次の数１１式の評価関数Ｊが最小となる第１回転電機のｄ軸電流ｉｄ１およびｑ軸電流ｉｑ１並びに第２回転電機のｄ軸電流ｉｄ２およびｑ軸電流ｉｑ２を決定する。
【００４３】
【数１１】
Ｊ＝ｉｄ２2＋ｉｑ２2、
一方、２つの回転電機１、５の温度がいずれも許容温度Ｔｔｈ以上となっているときには、ステップ２０３、２０５よりステップ２０９に進み、フェールセーフ処理を実行する。このフェールセーフ処理は、例えば２つの回転電機１、５の出力と発電電力を強制的に低下させるような処理である。
【００４４】
このようにして各回転電機１、５の三相交流の制御電流の指令値を決定した後は、電流センサ（図示しない）の検出信号、各回転電機の１、５の回転角センサ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１、５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ゲートドライバー１０でＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をインバータ２３へ送る。
【００４５】
一方、エンジンコントローラ１３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。
【００４６】
ここで、本実施形態の作用を説明する。
【００４７】
回転電機１、５毎に制御電流を最適化（その回転電機の回転速度と目標トルクだけから電流平均値最小の制御電流を決定する等）した場合、それらを複合して得られる複合電流を単一の電流制御装置から供給しようとする際、必要な電圧がバッテリ電圧（電源電圧）を越えてしまったり、複合電流のピーク値が電流制御装置の許容範囲を越えてしまったりする可能性があるが、２つ（全て）の回転電機１、５の回転角速度ω１、ω２と目標トルクτ１、τ２に基づいて各回転電機１、５のｄ軸電流ｉｄ１およびｉｄ２並びにｑ軸電流ｉｑ１およびｉｑ２（各回転電機の制御電流）を決定するようにした本実施形態によれば、このような問題の発生を回避することができ、各回転電機１、５の制御を確実に行なうことができる。
【００４８】
また、複数の交流電流を複合すると、複合電流の電流平均値がもとの交流電流の電流平均値の和よりも低下し、その低下幅は複合する交流電流の電流ピークの大きさの比に依存することが分かっているので（特願２０００−２３８０７８号参照）、本実施形態においても複合電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定しており、これによって、この複合電流が流れる部分の銅損や、電流制御装置を構成するスイッチング素子でのスイッチング損を最小にすることができ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、第２回転電機５の温度が許容温度Ｔｔｈ未満であるのに第１回転電機１の温度が許容温度Ｔｔｈ以上となっているときには、第１回転電機１（特定の回転電機）の制御電流Ｉ１の電流平均値Ｉａ１が最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定するので、各回転電機１、５に対する確実な制御を確保した上で第１回転電機１における銅損(＝ジュール熱の発生)を最小とすることができる。複合電流の電流平均値を最小とする場合と比較すると、システム全体の効率は若干低下するものの、第１回転電機１の温度上昇を抑制することができる。
【００５０】
同様にして、第１回転電機１の温度が許容温度Ｔｔｈ未満であるのに第２回転電機５の温度が許容温度Ｔｔｈ以上となっているときには、今度は第２回転電機５（特定の回転電機）の制御電流Ｉ２の電流平均値Ｉａ２が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定することで、各回転電機１、５に対する確実な制御を確保した上で第２回転電機５における銅損(＝ジュール熱の発生)を最小とすることができる。複合電流の電流平均値を最小とする場合と比較すると、この場合も、システム全体の効率は若干低下するものの、第２回転電機５の温度上昇を抑制することができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、
▲１▼複合電流Ｉｃの電流平均値Ｉａｃが最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定する手段（図７のステップ２０６）、
▲２▼第１回転電機１の制御電流Ｉ１の電流平均値Ｉａ１が最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定する手段（図７のステップ２０７）、
▲３▼第２回転電機５の制御電流Ｉ２の電流平均値Ｉａ２が最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を決定する手段（図７のステップ２０８）
という３つの手段を有し、これら３つの手段の使用を温度状況により選択的に切換えて各回転電機１、５の制御電流を決定するので、システムの温度状況（運転状況）に合致した最適な制御が行なえる。例えば、２つの回転電機温度Ｔ１、Ｔ２が許容温度Ｔｔｈ未満であるとき（通常運転時）には複合電流Ｉｃの電流平均値Ｉａｃを最小としてシステム全体の効率を向上させ、第１回転電機１、第２回転電機５のうちのいずれかの回転電機（特定の回転電機）の温度が許容温度Ｔｔｈ以上に上昇しているのを検知した場合はその許容温度以上に上昇した側の回転電機の制御電流の電流平均値を最小とするような制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】制御システム図。
【図２】インバータの結線図。
【図３】ゲートドライバ、モータコントローラの結線図。
【図４】各回転電機の回転角速度と目標トルクを決定するためのフローチャート。
【図５】駆動輪取り付け軸の目標トルクの特性図。
【図６】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７】各回転電機の制御電流の指令値の決定を説明するためのフローチャート。
１ 第１回転電機
５ 第２回転電機
９ インバータ
１０ ゲートドライバ
１１ モータコントローラ
１２ 総合コントローラ
１６、１７ 温度センサ
Claims (2)
- ロータの回転位相に応じた制御電流を供給することで回転を制御することが可能な複数の回転電機に対し、単一の電流制御装置から電流を供給するようにした回転電機の制御装置において、
前記電流制御装置は、各回転電機の回転角速度と目標トルクに基づいて、電流制御装置の許容電流で決まる、相電流の上限値を超えることがないように各回転電機の制御電流を決定し、決定した各回転電機の制御電流を複合して得られる複合電流を全ての回転電機に供給すると共に、
前記複数の回転電機の全ての温度が許容温度より低い温度域にあるときに、複合電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定し、
前記複数の回転電機のうちの一つの温度が許容温度以上となりかつ残りの回転電機の温度が許容温度より低い温度域にあるときに、その許容温度以上となっている一つの回転電機の制御電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定する
ことを特徴とする回転電機の制御装置。 - 前記電流制御装置は、各回転電機の制御電流を決定する複数の手段を有し、これら複数の手段の使用を選択的に切換えて各回転電機の制御電流を決定することを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。
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