JP3975126B2

JP3975126B2 - 車両用回転電機の制御装置

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Publication number: JP3975126B2
Application number: JP2002167728A
Authority: JP
Inventors: 政和中山; 清治安西; 啓一小紫
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP2004015936A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両に搭載され、交流発電機および交流電動機として使用される回転電機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用内燃機関周辺の省スペース化とコスト低減とを目的として車両に搭載される交流発電機を内燃機関始動用電動機として活用する技術が提案されている。例えば、特開２０００−１１６１７０号公報にはクローポール型の三相交流発電機を電動機として使用するとき、トルクを充分に得るために、トルク電流指令値に基づいて印可電圧を算出し、印可電圧が飽和状態になったときにトルク電流指令値とは位相の異なる励磁電流を作って印可電圧を変更すると共に、フィードバックされた実トルク電流がトルク電流指令値と一致するように励磁電流を補正する技術が開示されている。
【０００３】
この公報を一例とするような、車両用発電機を電動機としても活用するシステムにおいては、電気自動車に使用される電動機の制御システムとは異なり、構成要素の小型・軽量化が重要視されるのが一般的である。例えば、電圧変化を抑制する平滑コンデンサも装置の小型化のために大容量のものが使用できず、そのために、制御装置としての受入可能電力が小さくなってトラブルによる電圧変化量が大きくなり、制御回路に過電圧が印可されて部品の劣化や故障につながることがあった。
【０００４】
図１１はこのような従来の車両用回転電機の制御装置における構成の一例を示すものである。図１１において、指令値演算手段１は内燃機関始動時や加速時にトルク指令値を演算すると共に、回転電機１１が発電機として機能するときには発電電力の指令値を演算して出力し、交流電流指令演算手段２は指令値演算手段１からのトルク指令、または、発電電力指令に基づき交流電流の指令値を演算するものである。交流電圧指令演算手段３は交流電流指令演算手段２の指令値に基づいて必要な交流電圧を演算し、電力変換装置４は回転電機１１が電動機として機能するときには直流電源１３からの直流電力をインバータとして交流電力に変換し、回転電機１１が発電機として機能するときには整流装置として交流電力を直流電力に変換するものである。
【０００５】
界磁電流指令演算手段５は指令値演算手段１の指令に基づき回転電機１１の界磁コイルに必要な界磁電流を演算し、界磁電圧指令演算手段６はこの界磁電流指令値に基づき界磁電圧を演算し、さらに界磁電流制御手段７は界磁電圧指令に基づく界磁電圧を発生して回転電機１１の界磁コイルに与える界磁電流を制御するものである。電圧平滑装置８は電力変換装置４が変換する直流電圧の変動を抑制し、電圧検出器９は直流電源１３の電圧を検出し、回転速度・回転角演算手段１０は回転電機１１に設けられた回転検出器１２の出力により回転角度と回転速度とを演算する。また、１４と１５とは制御装置と直流電源１３とを接続するコネクタである。
【０００６】
内燃機関の始動時には回転電機１１は電動機として機能し、指令値演算手段１のトルク指令値による供給電流を交流電流指令演算手段２が演算し、この電流値に対応する供給電圧を交流電圧指令演算手段３が演算して電力変換装置４のスイッチング素子をＰＷＭ制御し、回転電機１１を三相の同期電動機として内燃機関を始動する。内燃機関が始動した後、回転電機１１は三相交流発電機として機能するが、直流電源１３の電圧を電圧検出器９が指令値演算手段１にフィードバックすることにより、指令値演算手段１が交流電流指令演算手段２と界磁電流指令演算手段５とに指令を与え、直流電源１３の放電量（負荷の量）に対して直流電源１３の電圧が所定値になるように発電量を制御する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上の構成を持つ従来の車両用回転電機の制御装置において、回転電機１１が発電機として機能中、車両の振動などにより制御装置と直流電源１３とを接続するコネクタ１４または１５のいずれかが外れたり、両コネクタ間に挿入された図示しない遮断器などが解放状態になると、制御回路の充電経路には急激な電圧上昇が発生する。この電圧上昇に対しては、指令値演算手段１が交流電流指令演算手段２と界磁電流指令演算手段５とに指令値を与え、発電電圧を低下させるように動作するが、電圧上昇が急激な場合には制御が追いつかず、大きな過電圧が発生することになる。
【０００８】
また、この過電圧は電圧平滑装置８に吸収されるべきものであるが、上記したように電圧平滑装置８が小容量化されているために吸収しきれず、過電圧が制御装置に使用されている回路素子や、直流電源１３の負荷として接続されている各装置に印可され、劣化や破損などのトラブルにつながるものであった。
【０００９】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、上記のようなトラブルに対して電圧上昇値を抑制すると共に、電圧上昇時間を短縮することにより、回路素子や各装置の劣化や破損を防止することが可能な車両用回転電機の制御装置を得ることを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る車両用回転電機の制御装置は、内燃機関に結合され、電動機または発電機として機能する回転電機を制御する制御装置であって、
前記回転電機に電力を供給し、また、前記回転電機の出力により充電される直流電源、
前記回転電機に電力を供給するときはインバータとして動作し、前記回転電機から前記直流電源を充電するときは整流装置として動作する電力変換装置、
前記回転電機の界磁コイルに界磁電流を供給し制御する界磁電流制御手段、
前記回転電機の出力回路の過電圧を判定する過電圧判定手段、
前記過電圧判定手段が過電圧と判定したとき、発電電力指令値と界磁電流指令値とをゼロとする指令値演算手段と、前記電力変換装置を制御して前記回転電機の電機子コイルにトルク発生に寄与せず、電力発生にも寄与しない位相の弱め磁束電流を供給する交流電流指令演算手段とを備えたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
関連技術１．
図１ないし図４は、この発明の関連技術１による車両用回転電機の制御装置を説明するもので、図１は、装置の構成を示すブロック図、図２ないし図４は、動作を説明する動作特性図であり、図１において、上記の従来例と同一機能部分には同一符号が付与されている。
【００１２】
図１において、回転電機１１は内燃機関に直接、または、駆動手段を介して連結され、内燃機関の始動時には電動機として内燃機関を駆動し、内燃機関の始動後には発電機として機能する、例えば、三相の同期機であり、回転電機１１の回転速度と回転角度とが回転検出器１２により検出される。直流電源１３は内燃機関の始動時には回転電機１１に電力を供給し、内燃機関の運転中には回転電機１１の出力により充電されると共に、車両に搭載された各負荷に電力を供給する車載バッテリである。
【００１３】
制御手段１６は回転電機１１が電動機として機能するときにはトルクを制御すると共に、発電機として機能するときには発電出力を制御するもので、次の各手段から構成されている。まず、指令値演算手段１は内燃機関始動時においては回転電機１１のトルク指令値を演算して指令値を出力すると共に、回転電機１１が発電機として機能するときには直流電源１３の電圧を入力して回転電機１１の発電電力を演算し、指令値として出力する。交流電流指令演算手段２は指令値演算手段１からのトルク指令値や発電電力指令値に基づき、回転電機１１の電機子コイルに通電する交流電流の指令値を演算し、各相の電流指令値を、Ｉｕ＊、Ｉｖ＊、Ｉｗ＊として出力する。
【００１４】
また、交流電圧指令演算手段３は交流電流指令演算手段２の電流指令値に基づき、その電流を得るための各相の必要交流電圧を演算して電圧指令値を、Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊として出力し、電力変換装置４はインバータとして電圧指令値に基づくＰＷＭ制御を行って回転電機１１の電機子コイルに対する三相交流の通電制御をおこなう。また、この電力変換装置４は回転電機１１が発電機として機能するときには整流装置として回転電機１１の三相交流出力を整流し、直流電源１３を充電する。電流検出器１７は回転電機１１の各相の実電流を検出して交流電流指令演算手段２にフィードバックし、交流電流指令演算手段２が実電流を電流指令値に合致させるように制御する。
【００１５】
界磁電流指令演算手段５は指令値演算手段１の出力指令値に基づき、電動機としてのトルクを得るための界磁電流値、または、必要な発電電力を得るための界磁電流値を演算し、界磁電流指令値Ｉｆ＊を界磁電圧指令演算手段６に与え、界磁電圧指令演算手段６はこの界磁電流指令値に基づき、界磁電流を得るための界磁電圧指令値Ｖｆ＊を演算して界磁電流制御手段７に与える。そして、界磁電流制御手段７は直流電源１３から電力供給を受け、界磁電圧指令値Ｖｆ＊に基づき界磁電流を制御して回転電機１１の界磁コイルに供給する。
【００１６】
電圧平滑装置８は電力変換装置４が変換する直流電圧の変動、特にＰＷＭ制御のスイッチング動作に起因する過渡的な電圧変動を抑制するものであり、電圧検出器９は直流電源１３の電圧を検出して指令値演算手段１に与え、上記したように回転電機１１の発電電力指令値を演算させるものである。回転速度・回転角演算手段１０は回転検出器１２の出力から回転電機１１の回転角度θと回転速度Ｎｍとを演算して回転速度Ｎｍを指令値演算手段１に与え、また、回転角度θを交流電流指令演算手段２、および、交流電圧指令演算手段３に与えて供給電流の位相制御を行う。過電圧判定手段１８は電圧検出器９が検出する電圧を入力して電圧が所定の閾値以上であれば過電圧であると判定し、判定結果を後述するように指令値演算手段１と電力変換装置４とに出力する。また、１４と１５とは制御手段１６と直流電源１３とを接続するコネクタである。
【００１７】
回転電機１１の発電動作時においては、回転電機１１の出力により直流電源１３が充電されると共に、各種の負荷に対して電力が供給される。指令値演算手段１は電圧検出器９の検出する電圧が設定された目標電圧になるように発電電力を指令するもので、目標電圧と検出値との差に基づき発電電力の指令値を演算し、この指令値に基づき交流電流指令演算手段２により交流電流指令が演算され、同時に界磁電流指令演算手段５により界磁電流指令値が演算される。
【００１８】
図２は、定常状態における指令値演算手段１の発電制御の状態を示すものである。図の状態は直流電源１３の負荷が一定で定常発電を行っている状態を示し、電圧検出器９が検出する電圧を設定範囲に制御するために発電電力指令値は一定値を推移している。実際の走行状態においては負荷の変動があるため、電圧は設定範囲内において変動があり、この電圧を検出して発電電力指令が出力される結果、直流電圧は目標電圧に制御される。
【００１９】
このような制御中において、車両の振動などにより制御手段１６から直流電源１３に至る充電回路が遮断されるような事故が発生した場合、発電電力を吸収していた直流電源１３への回路が急に遮断されるため、遮断点から電力変換装置４側の回路には図３の直流電圧特性に示すような急激な電圧上昇が発生し、この電圧上昇は電圧平滑装置８に一部が吸収されるが電圧平滑装置８は容量に限界があるため図３の直流電圧特性に示すＡ点まで上昇する。この電圧上昇により電圧検出器９から指令値演算手段１にフィードバックがかかり、発電電力指令値と界磁電流指令値との双方が０になり、これにより交流電流指令演算手段２の指令値が０になる。しかし、界磁電流の低下は図の界磁電流特性に示すように時間がかかるため比較的長時間この異常電圧が継続することになる。
【００２０】
このような事態に対し、この実施の形態においては電圧が電圧設定範囲の上限値を超える所定の閾値に達すると、あるいは、所定の閾値を超える状態が所定時間継続すると過電圧判定手段１８が過電圧であると判定し、判定結果を指令値演算手段１に与え、指令値演算手段１は発電電力指令値と界磁電流指令値とを０に移行させると共に、電力変換装置４にも判定結果を与えて回転電機１１を相短絡状態へ移行すべく指令する。電力変換装置４が三相フルブリッジのＰＷＭ変換装置を用いている場合には、上アームのスイッチング素子三個を全てオンとして下アームのスイッチング素子三個を全てオフとするか、あるいは、逆に上アーム素子三個をオフとして下アーム素子三個をオンとすることにより回転電機１１は相短絡状態になる。
【００２１】
電力変換装置４をこのように動作させることにより、回転電機１１の交流端子が一点で短絡された状態と等価になり、そのときの回転速度と界磁電流とで決まる短絡電流が発生する。この短絡電流は、界磁電流が０に近づくに従って小さくなり、回転電機の電機子抵抗によりジュール熱として消費され、電圧の異常上昇を抑制することができる。この特性を示したのが図４であり、ｏ点にて回路の遮断があるとｐ点にて過電圧判定手段１８が過電圧を検出して発電電力指令値を０にすると共に界磁電流を遮断し、また、電力変換装置４を相短絡状態とすることにより、回転電機１１には図の交流電流特性に示すような短絡電流が流れ、直流電圧は電圧Ｂまで上昇した後に短絡電流により低下する。このＢ点の電圧は図３のＡ点電圧よりはるかに低い値である。
【００２２】
以上のように、この発明の関連技術１による車両用回転電機の制御装置においては過電圧判定手段１８が、電圧が閾値を超えたことを検出して界磁電流を０にすると共に、電力変換装置４を相短絡状態に制御するので、電力変換装置４の素子と回転電機１１とには回転速度と界磁電流とにより決まる短絡電流が流れることになり、素子の熱的容量を選定しておく必要があるが、動作と同時に電圧上昇を阻止して速やかに低下させることができ、過電圧に対する保護ができることになる。なお、過電圧判定手段１８による過電圧の判定は、ハードウエアでもソフトウエアでも可能であり、また、制御装置１６は三相電流と三相電圧の指令を出力する内容にて説明したが、三相／二相変換または、二相／三相変換を用いたベクトル制御にも適用が可能である。
【００２３】
実施の形態１．
図５は、この発明の実施の形態１による車両用回転電機の制御装置の構成を示すブロック図、図６は、動作を説明する動作特性図であり、この実施の形態による車両用回転電機の制御装置は、関連技術１に対し、過電圧判定手段１８の過電圧判定結果による制御手段１６の制御内容を変えたものであり、図５のブロック図は、図１のブロック図に対して過電圧判定手段１８による過電圧判定結果が指令値演算手段１と交流電流指令演算手段２とに与えられるようにしたものであり、それ以外は図１と同様である。
【００２４】
過電圧判定手段１８が実施の形態１の場合と同様条件にて過電圧と判定した場合、この判定結果は指令値演算手段１と交流電流指令演算手段２とに与えられ、指令値演算手段１は直ちに発電電力指令と界磁電流指令とを０に移行させると共に、交流電流指令演算手段２は弱め磁束電流指令を出力する。この弱め磁束電流は、回転電機１１を発電機として動作させた場合にトルク発生に寄与せず、電力発生にも寄与しない電流を、電力変換装置４により位相制御して回転電機１１の電機子に与えるものである。
【００２５】
図６に示すように、ｏ点にて回路の遮断があり、ｐ点にて過電圧判定手段１８が過電圧と判定すると、判定結果が指令値演算手段１と交流電流指令演算手段２とに与えられ、指令値演算手段１は、発電電力指令値と界磁電流指令値とを０に移行させるべく指令を出力すると共に、交流電流指令演算手段２は演算した弱め磁束電流を回転電機１１の電機子に通電させる。
【００２６】
このように制御することにより、余分な発電電力は回転電機１１のジュール熱として消費され、出力電圧は図６の直流電圧に示すようにＣ点まで上昇した後に低下する。この過電圧の抑制値と持続時間とは弱め磁束の電流量と電流制御の応答性により決まり、関連技術１の相短絡に対しては応答性が悪く、Ｃ点の電圧は図４のＢ点の電圧より若干高くなるが、関連技術１の場合のように相短絡電流が流れないので、電力変換装置４のスイッチング素子に対する過電流耐性を考慮する必要がない。
【００２７】
関連技術２．
図７は、この発明の関連技術２による車両用回転電機の制御装置の構成を示すブロック図、図８は、動作を説明する動作特性図であり、この実施の形態による車両用回転電機の制御装置は、関連技術１および実施の形態１の構成に対し、過電圧判定手段１８の過電圧判定結果による制御手段１６の制御内容を変えたものであり、図７に示すように、過電圧判定手段１８による過電圧判定結果が指令値演算手段１と界磁電流制御手段７とに与えられると共に、界磁電流制御手段７が回転電機１１に対して逆方向の界磁電圧を印可するようにしたものである。
【００２８】
過電圧判定手段１８が関連技術１と同様にして過電圧を判定すると、過電圧判定結果が指令値演算手段１と界磁電流制御手段７とに与えられ、指令値演算手段１は直ちに発電電力指令と界磁電流指令とを０に移行させ、界磁電流制御手段７は界磁電圧の方向を逆転することにより速やかに界磁磁束を立ち下げる。界磁電流制御手段７が界磁電圧の方向を逆転できない構成の場合には、界磁電流の減少は界磁コイルの時定数により決まる時間をかけて徐々に０に近づくが、界磁電流制御手段７が界磁電圧の方向を逆転できる構成とすることにより、界磁磁束を速やかに０にすることができる。図８はこのときの特性を示すもので、発電電力指令値と交流電流指令とを０に移行させると共に、界磁電流を逆励磁により速やかに０とし、直流電圧の上昇を抑制するものである。
【００２９】
このように制御し、界磁電流制御手段７を逆励磁可能に構成することにより、異常電圧の立ち上がりを図８の直流電圧特性に示すＤ点に抑制することができるものであり、界磁電流制御手段７を逆励磁可能に構成する必要があるが、発電電力を直ちに０とするので熱として消費することなく、電力変換装置４や回転電機１１の熱的耐性に対する考慮が不必要になるものである。
【００３０】
関連技術３．
図９は、この発明の関連技術３による車両用回転電機の制御装置の構成を示すブロック図、図１０は、動作を説明する動作特性図であり、この関連技術による車両用回転電機の制御装置は、過電圧判定手段１８が過電圧と判定した場合に、関連技術１と同様に電力変換装置４を相短絡状態とすると共に、実施の形態３と同様に界磁電流制御手段７が回転電機１１に対して逆方向の界磁電圧を印可するようにしたものである。
【００３１】
過電圧判定手段１８が関連技術１と同様にして過電圧を判定すると、過電圧判定結果は、指令値演算手段１と、界磁電流制御手段７と、電力変換装置４とに与えられる。指令値演算手段１は直ちに発電電力指令と界磁電流指令とを０に移行させると共に、界磁電流制御手段７は界磁電圧の方向を逆転することにより速やかに界磁磁束を立ち下げる。一方、電力変換装置４は、回転電機１１を相短絡状態に移行させ、回転電機１１の交流端子が一点で短絡された状態とする。
【００３２】
図９は、このような制御を行ったときの特性を示すもので、発電電力指令値が０になると共に、界磁電流は逆励磁により速やかに０となり、回転電機１１は相短絡の状態となって短絡電流が流れるが、界磁が速やかに立ち下がるので、短絡電流も速やかに減衰する。このように制御することにより、直流電圧は図のＥ点まで上昇した後に速やかに低下することになり、過電圧を最小限に抑制することができるものである。
【００３３】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば、電動機または発電機として機能する回転電機と、回転電機に電力を供給し、回転電機の出力により充電される直流電源と、回転電機の制御手段とを備え、制御手段には、回転電機に対して電流指令を与える交流電流指令演算手段と、回転電機に電力を供給するときにはインバータとして、回転電機から直流電源を充電するときには整流装置として動作する電力変換装置と、回転電機の出力回路の過電圧を判定する過電圧判定手段とが含まれており、過電圧判定手段が過電圧と判定したとき、交流電流指令演算手段が電力変換装置を制御して回転電機の電機子コイルに位相制御された弱め磁束電流を供給するようにしたので、また、位相制御された弱め界磁電流が、回転電機を発電機として機能させたときにトルク発生に寄与しない位相の電流であるようにしたので、回転電機の発電中に直流電源が開放され、過電圧状態となっても、弱め磁束電流により電圧を速やかに低下させることができ、制御装置に使用する回路素子や、回転電機の負荷を過電圧による劣化や破損などから保護することが可能になるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の関連技術１による車両用回転電機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の関連技術１による車両用回転電機の制御装置の動作を説明する動作特性図である。
【図３】この発明の関連技術１による車両用回転電機の制御装置の動作を説明する動作特性図である。
【図４】この発明の関連技術１による車両用回転電機の制御装置の動作を説明する動作特性図である。
【図５】この発明の実施の形態１による車両用回転電機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態１による車両用回転電機の制御装置の動作を説明する動作特性図である。
【図７】この発明の関連技術２による車両用回転電機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の関連技術２による車両用回転電機の制御装置の動作を説明する動作特性図である。
【図９】この発明の関連技術３による車両用回転電機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の関連技術３による車両用回転電機の制御装置の動作を説明する動作特性図である。
【図１１】従来の車両用回転電機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１指令値演算手段、２交流電流指令演算手段、
３交流電圧指令演算手段、４電力変換装置、
５界磁電流指令演算手段、６界磁電圧指令演算手段、
７界磁電流制御手段、８電圧平滑装置、９電圧検出器、
１０回転速度・角度演算部、１１回転電機、１２回転検出器、
１３直流電源、１４、１５コネクタ、１６制御手段、
１７電流検出器、１８過電圧判定手段。

Claims

内燃機関に結合され、電動機または発電機として機能する回転電機を制御する制御装置であって、
前記回転電機に電力を供給し、また、前記回転電機の出力により充電される直流電源、
前記回転電機に電力を供給するときはインバータとして動作し、前記回転電機から前記直流電源を充電するときは整流装置として動作する電力変換装置、
前記回転電機の界磁コイルに界磁電流を供給し制御する界磁電流制御手段、
前記回転電機の出力回路の過電圧を判定する過電圧判定手段、
前記過電圧判定手段が過電圧と判定したとき、発電電力指令値と界磁電流指令値とをゼロとする指令値演算手段と、前記電力変換装置を制御して前記回転電機の電機子コイルにトルク発生に寄与せず、電力発生にも寄与しない位相の弱め磁束電流を供給する交流電流指令演算手段とを備えたことを特徴とする車両用回転電機の制御装置。