JP3991797B2 - 多相モータ駆動用インバータシステムおよびその制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータにて駆動されまた発電を行う交流モータと、この交流モータの中性点に接続された電源と、を有する多相モータ駆動用インバータシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、各種の機器の動力源として交流モータが広く利用されており、電気自動車や、ハイブリッド自動車などにおいても、通常はバッテリからの直流電力をインバータで所望の交流電力に変換してモータに供給するシステムが採用されている。このシステムによって、出力トルクの広範囲な制御が可能となり、また回生制動による電力をバッテリの充電に利用できるというメリットもある。
【0003】
ここで、大出力のモータの電源としては高電圧のものが効率がよく、電気自動車やハイブリッド自動車では、そのインバータの入力側に接続する主バッテリとして、数100Vという高電圧のものを利用している。一方、スター結線のモータコイルの中性点では、インバータ入力電圧の1/2の電圧が通常得られている。そこで、この中性点にバッテリを接続することで、システムから2種類の直流電圧を出力することができ、またモータコイルをチョッパ制御することなどによって2つのバッテリ間による電力の授受を制御することもできる。
【0004】
従って、ハイブリッド自動車などでは、モータを発電機としても利用することで、得られた発電電力を2つのバッテリの充電に利用して、2つの電源電圧を得るシステムが採用可能となる。特に、バッテリに代えてコンデンサを用いることもできる。このようなシステムは特開平11−178114号公報などに示されている。
【0005】
ここで、車両には、各種の電気機器が搭載されており、これらの補機バッテリとして通常12V(充電時14V)程度のものが搭載されている。上述のモータ中性点の電圧は、インバータ入力側の電圧の1/2程度であり、通常の電気自動車やハイブリッド自動車では、中性点電圧といえどもかなりの高電圧となり、補機バッテリをここに接続することは困難である。そこで、補機バッテリの充電には、別に設けたDCDCコンバータを利用している。
【0006】
一方、このようなシステムの実用的な応用例として、36V電源と12V電源を備える、いわゆる2電源システムも検討されている。この2電源システムにおいては、36V電源の充電時にはインバータ入力電圧を42V程度とし、12V電源を充電する場合には、中性点電圧を14V程度にすればよいため、モータコイルを利用して2つの電源間の電力の授受が行える。
【0007】
従って、この多相モータ駆動用インバータシステムによれば、高圧側バッテリと低圧側バッテリ間の電荷の移動をモータコイルを利用して行うことができ、DCDCコンバータが不要であるという利点が得られる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上述の従来のシステムにおいては、通常位置センサにホールセンサを用いており、ロータの位置を60度毎にしか検出していない。そして、モータの始動時に、十分な始動トルクを得たい。このため、通常は始動時において、180度通電を行う。すなわち、図6に示すように、3相の矩形波の電圧指令(上図において、実線、破線、一点鎖線で示す)を用いて、矩形波のインバータのスイッチング制御信号(ゲート信号Su、Sv、Sw)を作成する。従って、モータ駆動電流は矩形波通電となる。3相のモータであれば、120度ずつずれた180度通電のゲート信号Su、Sv、Swが発生され、これによってモータが駆動される。そこで、2相共に、オンまたはオフという期間が電流周期の1/6の期間発生する。さらに、各相電流について、電流値が所定値になったときにその相についてオフする最大電流規制をかけると、3相ともにオンまたはオフの期間が発生することになる。
【0009】
そして、このように、インバータにおいて比較的長い期間、同じスイッチング状態が続き、かつ中性点電位と低電圧系目標電圧のずれ量が大きくなると、中性点電流が大きく変動し、低電圧系の電源ラインが大きく変動してしまうという問題があった。
【0010】
なお、特開200−324857号公報では、低電圧電源と中性点の間にリレーを配置し、始動時にリレーによって低電圧系電源ラインを中性点から切り離すことが示されている。この構成によれば、始動時における低電圧系電源ラインの電圧変動を抑制することができるが、別途リレーを設け、これをオンオフしなければならない。
【0011】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、始動時における中性点電流の大きな変動を効果的に抑制することができる多相モータ駆動用インバータシステムを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交 流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムにおいて、前記インバータのスイッチングは、正弦波の電圧指令と、キャリアの比較からゲート信号を得て、このゲート信号に基づいてインバータのスイッチング素子のオンオフを制御することによって行い、前記正弦波の電圧指令をキャリア振幅から所定以内のものに限定することで前記ゲート信号の周波数を前記キャリアの周波数と同一にすることを特徴とする。
【0013】
このように、正弦波の電圧指令をキャリア振幅から所定以内のものに限定することによって、キャリア周波数と同一周波数のゲート信号が得られる。従って、長期間スイッチングパターンが同一となり、中性点電流として大きな電流が流れてしまうことを防止することができる。
【0014】
また、高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムにおいて、前記交流モータの駆動制御には、少なくとも停止モードおよび発電モードがあり、これらモードの過渡状態においては、前記低電圧電源の目標電圧と中性点電流とに基づき中性点電圧指令を算出することで該中性点電圧指令にフィードフォワード要素を含めることを特徴とする。
【0015】
これによって、制御過渡期において、中性点電圧制御が遅れてしまうことを防止して、安定した制御を行うことができる。
【0016】
また、本発明は、上述のようなシステムの制御方法に関する。
【0017】
また、前記交流モータが車両用交流モータであることが好適である。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【0019】
図1は、実施形態に係る多相モータ駆動用インバータシステムの全体構成を示す図である。主電源である36V(充電時42V)バッテリ10には、インバータ12が接続されている。すなわち、インバータ12の正極母線、負極母線間にバッテリ10の出力である36Vが印加される。
【0020】
インバータ12は、例えば内部に正極母線、負極母線間に2つのスイッチング素子(トランジスタ)を配置したアームを3本並列して設け、各アームのトランジスタ間を3相のモータ出力端としている。
【0021】
そして、このインバータの3相モータ出力端には、3相の交流モータ14の3相モータコイル端が接続される。従って、インバータ12の1つの上側トランジスタを順次オンし、1つの上側トランジスタがオンしている間に他のアームのトランジスタを順次オンして、交流モータ14の各相コイルに120°位相の異なったモータ電流を供給する。
【0022】
また、交流モータ14の中性点には、リアクトル16を介し、補機バッテリ18の正極および各種の補機負荷20が接続されている。そして、リアクトル16より補機バッテリ18側の補機バッテリ18の電源ラインの電圧を検出する電圧計22が設けられており、この電圧計22の出力(バッテリ電圧:Vbs)は制御回路24に供給されている。
【0023】
そして、制御回路24は、通常は電圧計22の出力Vbsに基づいて、インバータ12をスイッチングを制御してモータ14への供給電流を制御することで、電圧Vbsが所望の値(例えば、14V)となるようにモータ14の発電を制御する。
【0024】
すなわち、インバータ12における上側トランジスタのオンデューティーと、下側トランジスタのオンデューティーの比を変更することで、中性点電圧を制御することができる。すなわち、両者のオン期間が同一であれば、中性点電圧はインバータ入力電圧(バッテリ10電圧)に等しくなる。一方、下側トランジスタのオン期間「1」に対し、上側電圧のオン期間が「2」であれば、中性点電圧は、バッテリ10電圧の1/3の電圧になる。
【0025】
例えば、バッテリ10電圧が36V(充電時42V)の場合に、補機バッテリ18電圧は12V(充電時14V)になる。そして、バッテリ10からの電力によって、交流モータ14を駆動して車両発進時などトルクアシストを行い、補機バッテリ18からの電力によって各種の補機負荷20を動作させる。
【0026】
また、本実施形態では、レゾルバ26を設け、モータ14の回転角を検出している。このレゾルバは、交流モータに似た構成を有し、一次コイルの回転角に応じて二次コイルに90度位相の異なる正弦波を発生する高精度角度センサである。このレゾルバ26の出力は、制御回路24に供給され、モータ14の各相電流制御に用いられるが、特に始動時においては、このレゾルバ26の出力に応じて、正弦波の各相電圧指令値を作成する。そして、この各相電圧指令値をキャリアの振幅を超えない範囲あるいは大きくは超えない所定範囲に設定する。
【0027】
例えば、図2に示すように、各相電圧指令値がキャリア振幅より若干小さい値に設定される。これによって、キャリア周波数と同一周波数のゲート信号が得られる。従って、長期間スイッチングパターンが同一となり、中性点電流として大きな電流が流れてしまうことを防止することができる。
【0028】
なお、中性点電位は、各相電圧指令値の平均値であり、平均値を目標中性点電圧に設定することで、中性点電圧を目標値に制御することができる。図2においては、便宜的に中性点電圧がインバータ入力電圧の1/2にある例を示したが、1/3の場合でも基本的に異なることはなく、キャリア周波数でオンオフするゲート信号が発生できるように、各相電圧指令の振幅を調整すればよい。
【0029】
図3には、制御回路24内のゲート信号作成のための回路が示されている。トルク指令Tmg*、各相電流Iu、Iv、Iw、レゾルバ位置信号θは電圧指令演算部30に供給される。この電圧指令演算部30は、図2における互いに120度位相がずれかつ振幅が三角波のキャリアの振幅と同等の各相電圧指令Vu、Vv、Vwを演算算出し、これを補正回路32に供給する。
【0030】
この補正回路32には、中性点電圧指令Vn*と、バッテリ10電圧Vbmが供給されている。中性点電圧指令Vn*は、補機バッテリ18の電源ライン電圧Vbsと、その目標電圧値Vbs*の差からフィードバック(F/B)部34が算出したものである。そして、補正回路32は供給されるVn*とVbmとから各相電圧指令Vu、Vv、Vwの平均値をVn*に合わせるとともに、Vbmがその目標値Vbm*に一致するように出力トルクTmg*を補正する。これによって、補正された各相電圧指令Vu’、Vv’、Vw’が補正回路32から出力され、キャリア比較回路36に供給される。
【0031】
キャリア比較回路36には、キャリアである三角波が供給されており、ここで各相電圧指令Vu’、Vv’、Vw’とキャリアが比較され、図2に示すゲート信号Su、Sv、Swが出力される。
【0032】
ここで、本実施形態では、電圧指令演算部30における演算によって、各相電圧指令の振幅が所定値以内に抑制されている。そこで、ゲート信号Su、Sv、Swがキャリア周波数でオンオフを繰り返す信号となり、これによって中性点電圧が大きく変動することを防止することができる。
【0033】
図4には、他の実施形態の構成が示されている。この実施形態では、中性点電流Inを計測する電流計28を有している。そして、制御回路24がこの中性電流Inを用いて、制御モードの切替時において、中性点電圧指令をフィードフォワード的に制御する。
【0034】
本システムにおいて、モータ14の制御モードとしては、停止モード、始動モード、発電モードなどがあり、停止モードから始動モードへの移行、発電モードから停止モードへの移行など制御モードの切り替わりによる制御の過渡状態においては、中性点電圧を目標電電圧に制御するフィードバック制御が追いつかず、過渡的に補機電源ライン目標電圧からずれ、同時に中性点電流も変動してしまう。
【0035】
図5には、この実施形態における制御回路24の構成が示されている。このように、本実施形態では、この構成では、Vn演算部38を有しており、ここでリアクトルによる電圧降下分を考慮して、補機電源ラインの目標電圧Vbs*、中性点電流Inより、Vn*=Vbs*+RI×Inにより中性点電圧指令Vn*を算出する。
【0036】
そして、このVn演算部38の出力であるVn*と、フィードバック(F/B)部34の出力であるVn*の両方を切替部40に入力し、ここで始動時はVn演算部38の出力を選択し、始動後はフィードバック(F/B)部36の出力を選択し、選択されたVn*を補正回路32に供給する。
【0037】
これによって、フィードバックされるのはInだけであり、Vbs*は常に正しい目標値を用いることができ、フィードフォワード要素の入ったフィードフォワード的な中性点電圧制御を行うことができる。これによって、中性点電圧が、Vbs*から大きく変動することを有効に防止することができ、制御過渡期において、安定した制御を行うことができる。
【0038】
このような制御は、停止モードから発電モードに移る始動時だけでなく、発電モードから停止モードに移る時にも有効である。
【0039】
また、この制御は、上述の各相電圧指令をキャリアの振幅に合わせて調整する制御と組み合わせて行うことが好適である。
【0040】
ここで、本実施形態の交流モータ14は、車両に搭載される車両用のものであることが好適である。補機負荷20は車両に搭載される各種の補機が挙げられる。また、車載される交流モータ14としては、特開2002−155773号公報に記載されたエコランシステム用のモータジェネレータなどが好適である。
【0041】
すなわち、このモータジェネレータは、(i)車両停止中にエンジンを停止するアイドルストップ制御を行った後の発進時におけるエンジンを自動始動しながらの車両走行、(ii)車両減速時に駆動系を介して車輪の回転が伝達されることにより行われる回生発電、(iii)車両停止によるエンジン停止時におけるエアコン用コンプレッサやパワーステアリングようポンプなどの駆動、(iv)エンジン駆動時における発電、(v)運転を停止したエンジンの回転制御を行いエンジン停止時の振動発生を抑制する制御、(vi)減速時にエンジンへの燃料供給をカットし、その後燃料供給を開始した際にエンジン回転数を回復させるエンジンストール防止、などに利用される。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、正弦波の電圧指令をキャリア振幅から所定以内のものに限定することによって、キャリア周波数と同一周波数のゲート信号が得られる。従って、長期間スイッチングパターンが同一となり、中性点電流として大きな電流が流れてしまうことを防止することができる。
【0043】
また、本発明によれば、モードの過渡状態においては中性点電圧指令にフィードフォワード要素を含めることで、中性点電圧制御が遅れてしまうことを防止して、安定した制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施形態に係るシステムの構成を示す図である。
【図2】 同実施形態のキャリア比較の動作を示す図である。
【図3】 同実施形態の制御回路の構成を示す図である。
【図4】 他の実施形態に係るシステムの構成を示す図である。
【図5】 同実施形態の制御回路の構成を示す図である。
【図6】 従来例のキャリア比較の動作を示す図である。
【符号の説明】
10 主バッテリ、12 インバータ、14 交流モータ、16 リアクトル、18 補機バッテリ、20 補機負荷、22 電圧計、24 制御回路、26レゾルバ、28 電流計、30電圧指令演算部、32 補正回路、34 切替部、36 キャリア比較回路。
Claims (7)
- 高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムにおいて、
前記インバータのスイッチングは、正弦波の電圧指令と、キャリアの比較からゲート信号を得て、このゲート信号に基づいてインバータのスイッチング素子のオンオフを制御することによって行い、前記正弦波の電圧指令をキャリア振幅から所定以内のものに限定することで前記ゲート信号の周波数を前記キャリアの周波数と同一にすることを特徴とする多相モータ駆動用インバータシステム。 - 高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムにおいて、
前記交流モータの駆動制御には、少なくとも停止モードおよび発電モードがあり、これらモードの過渡状態においては、前記低電圧電源の目標電圧と中性点電流とに基づき中性点電圧指令を算出することで該中性点電圧指令にフィードフォワード要素を含めることを特徴とする多相モータ駆動用インバータシステム。 - 高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムの制御方法において、
前記インバータのスイッチングは、正弦波の電圧指令と、キャリアの比較からゲート信号を得て、このゲート信号に基づいてインバータのスイッチング素子のオンオフを制御することによって行い、前記正弦波の電圧指令をキャリア振幅から所定以内のものに限定することで前記ゲート信号の周波数を前記キャリアの周波数と同一にすることを特徴とする多相モータ駆動用インバータシステムの制御方法。 - 高電圧電源と、この高電圧電源が入力側に接続され、出力側に交流モータが接続されるインバータと、前記交流モータの中性点接続された低電圧電源と、を含み、インバータの駆動を制御することによって、交流モータの駆動および前記高電圧電源と低電圧電源との間における電力の移動を制御する多相モータ駆動用インバータシステムの制御方法において、
前記交流モータの駆動制御には、少なくとも停止モードおよび発電モードがあり、これらモードの過渡状態においては、前記低電圧電源の目標電圧と中性点電流とに基づき中性点電圧指令を算出することで該中性点電圧指令にフィードフォワード要素を含めることを特徴とする多相モータ駆動用インバータシステムの制御方法。 - 請求項1〜4のいずれか1つに記載のシステムまたは方法において、
前記交流モータが車両用交流モータである多相モータ駆動用インバータシステムまたは多相モータ駆動用インバータの制御方法。 - 請求項1記載のシステムまたは請求項3記載の方法において、
前記交流モータの始動時において前記正弦波の電圧指令をキャリア振幅から所定以内のものに限定することを特徴とする多相モータ駆動用インバータシステムまたは多相モータ駆動用インバータの制御方法。 - 請求項2記載のシステムまたは請求項4記載の方法において、
前記過渡状態は、前記停止モードと前記発電モードとの間の過渡状態であることを特徴とする多相モータ駆動用インバータシステムまたは多相モータ駆動用インバータの制御方法。
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