JP4547022B2 - 界磁巻線式同期発電電動機装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に車輌に搭載され、内燃機関の始動時には電動機として動作するとともに、始動後には発電機としても動作する界磁巻線式同期発電電動機装置に関するものである。

近年、環境保護や燃費向上を目的として、内燃機関とそれ以外の動力源、例えば発電電動機などを備えたいわゆるハイブリッド車と呼ばれるものの開発・実用化が進んでいる。このような車輌においては、走行状況に応じて内燃機関とそれ以外の動力源の使い分けを行う。

例えば、アイドリング時の不必要な燃料消費を抑制するため、交通信号にて停車した場合などに内燃機関を停止させ、アクセルオンやブレーキオフなどの運転者による発進の意志を感知した場合、発電電動機にて内燃機関の再始動を行ったりするアイドルストップと呼ばれる技術がある。

このような車輌に搭載される発電電動機は、内燃機関に対しトルクを授受可能な形態で搭載されるため、運転者のアクセル操作や内燃機関のフリクションの影響などにより回転速度が大きく変化する。そのため、内燃機関の回転速度によらず発電電動機の誘起電圧を制御可能な形態として回転子に永久磁石を内蔵したものではなく、界磁電流にて制御可能な界磁巻線式となり、効率面などから３相交流同期発電電動機が採用されてきた。

発電電動機を電動機として使用する際は、車輌に搭載される蓄電池からの直流を交流に変換する電力変換器を介し、発電電動機に電力が供給される。しかし、発電電動機が発生する誘起電圧が蓄電池の電圧よりも高くなった場合には、発電電動機に電力が供給できなくなる。一般に、誘起電圧は、回転速度、電機子巻線の巻数及び主磁束に比例している。

一方、車輌に搭載される蓄電池は、垂下特性を持っているため、発電電動機に通電を開始すると蓄電池の端子間電圧は、通電する電流量に略比例して降下する。
そこで、この垂下特性を持った蓄電池の電圧を効率良く利用する手法として、電力変換器のスイッチング回数を減らすことでスイッチングロス低減や電圧利用率向上を狙った手法、すなわち電力変換器を構成するスイッチング素子に任意の通電幅を持った矩形波を印加する手法がある。例えば、特許文献１では、予め記憶しておいた通電タイミングで矩形波電圧を印加することにより、発電電動機を制御する方法が示されている。

特開２００７−１５９３５３号公報

通常、内燃機関の始動を目的として発電電動機を車輌に搭載した場合、発電電動機は一方向でのみ駆動できればよい。しかし、内燃機関始動時に逆トルクを発生させることにより、始動時のベルトスリップを防止するようなシステムを構築するためには、車輌に搭載する発電電動機は任意の方向に駆動できることが必要となる。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、内燃機関の始動時には電動機として動作し、始動後には発電機として動作すると共に、任意の方向に駆動することができる界磁巻線式同期発電電動機装置を提供することを目的とする。

本発明は、電機子巻線と界磁巻線を有し、同期発電電動機として動作する回転電機と、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子により構成され、前記回転電機と直流電源との間に接続された電力変換部と、前記電力変換部を構成する各アームのスイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御部とを備えた界磁巻線式同期発電電動機装置において、前記制御部は、前記回転電機の回転子位置を検出する位置検出手段と、前記回転電機の駆動方向を指示する駆動方向指令部と、前記回転電機の駆動方向ごとに、前記各アームのスイッチング素子に対応する通電位相を記憶した通電位相記憶部と、前記位置検出手段により検出された回転子位置、及び前記駆動方向指令部からの駆動方向指令に従い前記通電位相記憶部から読み取られた通電位相に基づき、前記各アームのスイッチング素子をオン・オフする矩形波電圧の印加タイミングを指示する矩形波電圧印加指令部と、前記回転電機の特性が最適となる回転子位置補正量を記憶する補正量記憶部と、前記位置検出手段により検出された回転子位置を、前記補正量記憶部に記憶された回転子位置補正量の値により補正する補正演算を行う位置補正演算部とを備え、前記補正量記憶部は前記回転電機の何れか一方の駆動方向における回転子位置補正量のみを記憶し、前記位置補正演算部は前記駆動方向指令部からの駆動方向指令が回転子位置補正量を記憶していない駆動方向の場合には、記憶している回転子位置補正量の符号を反転させた値を用いて補正演算を行うものである。

本発明の界磁巻線式発電電動機装置によれば、回転電機の駆動方向ごとに、電力変換部を構成する各アームのスイッチング素子に対する通電位相を記憶し、駆動方向ごとに各アームのスイッチング素子のオン・オフ制御を行う矩形波印加電圧のタイミングを切り換えることにより、容易かつ確実に任意の方向に駆動させることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における界磁巻線式同期発電電動機装置を車輌に搭載した場合の構成図である。
駆動源として、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関１０１と同期発電電動機装置１０２を含んでいる。これらは、直接結合あるいはベルトやプーリーなどの結合手段１０４を介してお互いにトルクの授受可能な状態で配置されている。また、同期発電電動機装置１０２は、蓄電池１０３と電気的に接続されている。この蓄電池１０３は、他の車両用負荷とともに共用する蓄電池でも、同期発電電動機装置１０２専用であっても良い。

次に、同期発電電動機装置１０２の構成を図２に示す。図２の通り同期発電電動機装置１０２は、同期発電電動機として動作する回転電機２００、電力変換部３００、制御部４００により構成されている。
回転電機２００は、３相のＹ型もしくはΔ型結線された電機子巻線２０１と界磁巻線２０２により構成されている。

電力変換部３００は、ブリッジ接続された６個のスイッチング素子により構成されたいわゆる３相インバータであり、U、V、W各相の上アームを構成する３個の電力変換用スイッチング素子３０３ａ〜３０３ｃ、及び下アームを構成する３個の電力変換用スイッチング素子３０４ａ〜３０４ｃと、回転電機２００の界磁巻線２０２に接続された界磁巻線電流用スイッチング素子３０１およびフライホイールダイオード３０２から構成される。

制御部４００は、電力変換部３００の各スイッチング素子の駆動を行うゲート駆動部４１０と、回転電機２００を駆動するときの電力変換用スイッチング素子のオン・オフを制御する駆動制御部４２０と、回転電機２００の発電時に同期整流を行うとき場合の電力変換用スイッチング素子のオン・オフを制御する発電制御部４３０と、回転電機２００の界磁巻線２０２に流す界磁電流を制御する界磁電流制御部４４０により構成されている。

ゲート駆動部４１０では、駆動制御部４２０、発電制御部４３０、界磁電流制御部４４０から送られてくるオン・オフ指令に基づいて、電力変換用スイッチング素子３０３ａ〜３０３ｃ、３０４ａ〜３０４ｃおよび界磁巻線電流用スイッチング素子３０１を駆動し、回転電機２００の駆動及び発電などの制御を行う構成となっている。

図３に、実施の形態１における駆動制御部４２０の構成図を示す。
図３に示すように駆動制御部４２０は、回転電機２００の回転子位置θ_rotorを検出する位置検出部４２１と、各相両アームのスイッチング素子に対応する通電位相を記憶する通電位相記憶部４２２と、回転電機２００の駆動方向を指示する駆動方向指令部４２３と、位置検出部４２１で検出した回転子の位置θ_rotorと通電位相記憶部４２２に記憶されている通電位相と駆動方向指令部４２３からの駆動方向指令から各相両アームのスイッチング素子に矩形波電圧を印加するタイミングをゲート駆動部４１０に指示する矩形波印加電圧指令部４２４を備えている。
ここでの位置検出部４２１は、レゾルバ、エンコーダ、ホール素子などのセンサにより位置情報を得るものでも、誘起電圧や相電流などのように電気特性から位置情報を推測するものでも良い。
なお、駆動方向指令部４２３は、内燃機関１０１を始動させる方向（以下、“正転”と定義）、あるいはその逆方向（以下、“逆転”と定義）の何れかの駆動方向指令を矩形波印加電圧指令部４２４に送信する。

また、通電位相記憶部４２２には、回転電機２００を正転方向に駆動させる場合の各相両アームの通電位相Ｘ_{H_CW}θ_center・Ｘ_{H_CW}θ_width／Ｘ_{L_CW}θ_center・Ｘ_{L_CW}θ_widthと、逆転方向に駆動させる場合の各相両アームの通電位相Ｘ_{H_CCW}θ_center・Ｘ_{H_CCW}θ_width／Ｘ_{L_CCW}θ_center・Ｘ_{L_CCW}θ_widthが予め記憶されている。ここで、θ_centerは通電中心位相、θ_widthは通電位相幅である。また、Xは３相U、V、Wの何れかの相を、Hは各相両アームのうちの上アーム、Lは各相両アームのうちの下アームを表している。

次に、矩形波印加電圧指令部４２４における、印加電圧指令の算出動作について説明する。まず、矩形波印加電圧指令部４２４は、位置検出部４２１から送信されてくる回転電機２００の回転子位置θ_rotorを取得する。次に、駆動方向指令部４２３から送られてくる駆動方向指令を取得し、駆動方向指令が正転駆動指示であれば、通電位相記憶部から各相両アームの正転駆動用の通電位相Ｘ_{H_CW}θ_center・Ｘ_{H_CW}θ_width／Ｘ_{L_CW}θ_center・Ｘ_{L_CW}θ_widthを読み取る。一方で、駆動方向指令が逆転駆動指示であれば各相両アームの逆転駆動用の通電位相Ｘ_{H_CCW}θ_center・Ｘ_{H_CCW}θ_width／Ｘ_{L_CCW}θ_center・Ｘ_{L_CCW}θ_widthを読み取る。そして、取得した回転子位置θ_rotorと、正転駆動用あるいは逆転駆動用の通電位相により、各相両アームのオンするタイミングＸ_ＨＴ_on／Ｘ_ＬＴ_onとオフするタイミングＸ_ＨＴ_off／Ｘ_ＬＴ_offを算出し、各スイッチング素子のオン・オフを指示する矩形波電圧をゲート駆動部４１０に出力する。

図４に正転駆動時と逆転駆動時の通電位相の関係を示しており、正転駆動時と逆転駆動時において通電位相（通電中心位相及び通電位相幅）が駆動方向によって切り換えられることを示している。

ゲート駆動部４１０では、矩形波印加電圧指令部４２４から受け取った各相両アームのオン・オフ指令に応じて、スイッチング素子３０３ａ〜３０３ｃ、３０４ａ〜３０４ｃを駆動し、駆動方向指令の指示方向に回転電機２００を駆動させる。

この実施の形態１の界磁巻線式同期発電電動機装置によれば、位置検出手段により検出された回転子位置、及び駆動方向指令部からの駆動方向指令に従い通電位相記憶部から読み取られた通電位相に基づき、電力変換部を構成する各アームのスイッチング素子をオン・オフする矩形波電圧の印加タイミングを指示するように構成されているため、駆動方向を切り換えるためにハードウェアを追加することなく、またソフトウェアの面でも特別な処理を行うことなく、簡単に任意の方向に駆動することができる。

実施の形態２．
図５に実施の形態２における駆動制御部４２０の構成図を示す。
実施の形態２では、回転電機２００の特性が最適となる回転子位置補正量を記憶する補正量記憶部４２５と、補正量記憶部４２５の値と駆動方向指令部４２３からの駆動方向指令により、位置検出部４２１が検出した回転子位置θ_rotorの補正演算を行う位置補正演算部４２６とを備えている。ここで、補正量記憶部４２５は正転駆動時の回転子位置補正量θ_{shift_CW}と逆転駆動時の回転子位置補正量θ_{shift_CCW}を記憶している。

以下、図６及び図７を用いて上記回転子位置補正量について説明する。
図６は、界磁巻線式同期発電電動機の誘起電圧特性である。図６に示すように、界磁巻線に通電する界磁電流を一定にした場合、誘起電圧は回転速度の上昇とともに略比例して上昇する。そのため、回転速度が上昇していくと、“蓄電池の端子間電圧Vｄｃ＜誘起電圧”の関係が成立し、回転電機の電機子巻線に対して通電できなくなり、ある回転速度から急激に駆動トルクが減少してしまう（図７（１）補正なし 参照）。

そこで、誘起電圧の位相に対して電機子巻線に印加する電圧の位相を進めるように回転子位置を補正し、誘起電圧の上昇を抑えるように電機子巻線の磁界を調整することで、より高速まで駆動トルクを発生することができる（図７（２）補正あり 参照）。

次に、位置補正演算部４２６における補正演算の流れについて説明する。
まず、位置補正演算部４２６は位置検出部４２１にから送信される回転電機２００の回転子位置θ_rotorを取得する。次に、駆動方向指令部４２３から送信される駆動方向指令を取得し、駆動方向指令が正転駆動指示であれば、補正量記憶部４２５から正転駆動用の回転子位置補正量θ_{shift_CW}を読み込み、逆転駆動指示の場合は逆転駆動用の回転子位置補正量θ_{shift_CCW}を読み込む。そして、取得した回転子位置θ_rotorに対して、正転駆動用あるいは逆転駆動用の回転子位置補正量を加算し、補正演算後の回転子位置θ’_rotorを得る。位置補正演算後の回転子位置θ’_rotorは、矩形波印加電圧指令部４２４に送られ、矩形波印加電圧指令部４２４では補正演算後の回転子位置θ’_rotorにより、各スイッチング素子のオン・オフのタイミングを演算し、各スイッチング素子のオン・オフを指示する矩形波電圧をゲート駆動部４１０に出力する。

図８に補正演算前の回転子位置θ_rotorにより演算した場合の矩形波印加電圧と、補正演算後の回転子位置θ’_rotorにより演算した場合の矩形波印加電圧を示すもので、同図（ａ）は正転駆動時、同図（ｂ）は逆転駆動時を示している。
図８で示すように、正転駆動時あるいは逆転駆動時の補正量を回転子位置θ_rotorに加算することにより、矩形波電圧を印加するタイミングが早くなることが分かる。また、回転子位置補正量を駆動方向ごと切り換えるため、何れの駆動方向においても、処理を変更することなく同様に補正演算を行うことができる。
なお、ここでは回転子位置を補正することで、矩形波電圧の印加タイミングを変化させたが、例えば各相の通電位相を補正しても同様の効果を得ることができる。

この実施の形態２によれば、駆動方向ごとに回転子位置の補正演算に用いる回転子位置補正量を記憶し、駆動方向によって演算に用いる回転子位置補正量を切り換えるため、何れの駆動方向においても特別な処理を追加することなく、簡単に回転子位置の補正演算を行うことができる。また、駆動方向ごとに回転子位置補正量を記憶しているため、駆動方向によって回転電機の特性に差異を持たせることもできる。

実施の形態３．
実施の形態２では駆動方向ごとに回転子位置補正量を記憶したが、例えば駆動方向によって回転電機の特性を変化させる必要がない場合などは、何れか一方の駆動方向の回転子位置補正量のみを記憶し、回転子位置補正量を記憶していない駆動方向の場合には、記憶している回転子位置補正量の符号を反転させたものを演算に用いることで、駆動方向によらず回転子位置の補正を行うことができる。

例えば、正転駆動時の回転子位置補正量θ_{shift_CW}（＞０）のみを記憶した場合について、図９を用いて説明する。正転駆動時は図９（ａ）のように、補正量記憶部４２５から読み出した回転子位置補正量をそのまま回転子位置θ_rotorに加算することで、矩形波電圧の印加タイミングは早くなる。一方で逆転駆動時は図９（ｂ）のように、補正量記憶部３２５から読み出した回転子位置補正量の符号を反転させてから回転子位置θ_rotorに加算するため、回転子位置の補正方向は正転駆動時と反対になる。その結果、正転駆動時と同じ位相分だけ、矩形波電圧の印加タイミングを早めることができる。

この実施の形態３によれば、何れか一方の駆動方向における回転子位置補正量のみを記憶し、回転子位置補正量を記憶していない駆動方向の場合には、記憶している回転子位置補正量の符号を反転させたものを演算に用いることで、回転子位置補正量の記憶領域を増やすことなく、何れの駆動方向においても簡単に回転子位置の補正演算を行うことができる。

実施の形態４．
正転駆動と逆転駆動の両方を行う場合、駆動方向指令部４２３による駆動方向指令と実際の回転電機２００の回転方向が一致するとは限らない。
例えば、駆動方向指令部３２３が逆転駆動指示から正転駆動指示へ切り換えた場合、指令を切り換えた直後は、惰性により回転子が逆転方向に回転している場合が考えられる。回転子が逆転方向に回転している状態で、正転駆動用の通電位相と回転子位置補正量に切り換えると、図１０のように補正後の回転子位置の方が、補正前の回転子位置よりも位相が遅れてしまい、矩形波電圧を印加するタイミングが遅れてしまう。
同様に、駆動方向指令が逆転駆動指令のときに、回転電機２００が正転方向に回転している場合も、矩形波電圧を印加するタイミングは遅くなる。

そこで、駆動方向指令と回転電機２００の回転方向が異なる場合には、位置補正記憶部４２５から読み込んだ回転子位置補正量の符号を反転させて補正演算を行う。例えば、駆動方向指令が正転駆動指示のときに、回転電機２００が逆転方向に回転している場合では、回転子位置補正量の符号を反転させて補正演算を行うことで、図１１に示すように、補正演算によって矩形波電圧を印加するタイミングを早めることができる。

この実施の形態４によれば、駆動方向指令と回転電機の回転方向が異なる場合には、記憶している回転子位置補正量の符号を反転させて補正演算に用いるため、駆動方向指令と実際の回転電機の回転方向が異なる場合においても、正確に回転子位置の補正演算を行うことができる。

本発明の実施の形態１における界磁巻線式同期発電電動機装置を車輌に搭載した場合の構成図である。 実施の形態１における同期発電電動機御装置の構成図である。 実施の形態１における駆動制御部の構成図である。 実施の形態１における正転駆動時と逆転駆動時の、通電位相と印加される矩形波電圧を示した図である。 実施の形態２における駆動制御部の構成図である。 実施の形態２における誘起電圧と回転速度の関係を示した図である。 実施の形態２における駆動トルクと回転速度の関係を示した図である。 実施の形態２における正転駆動時と逆転駆動時の、回転子位置と印加される矩形波電圧の関係を示した図である。 実施の形態２において、回転子位置の補正演算を行った場合の、回転子位置と印加される矩形波電圧の関係を示した図である。 実施の形態３において、回転子位置の補正演算を行った場合の、回転子位置と印加される矩形波電圧の関係を示した図である。 実施の形態４において、回転子位置の補正演算を行った場合の、回転子位置と印加される矩形波電圧の関係を示した図である。

符号の説明

１０１ 内燃機関
１０２ 同期発電電動機装置
１０３ 蓄電池
１０４ 結合手段
２００ 回転電機
２０１ 電機子巻線
２０２ 界磁巻線
３００ 電力変換部
３０１ 界磁巻線電流用スイッチング素子
３０２ フライホイールダイオード
３０３ａ〜３０３ｃ スイッチング素子
３０４ａ〜３０４ｃ スイッチング素子
４００ 制御部
４１０ ゲート駆動部
４２０ 駆動制御部
４２１ 位置検出部
４２２ 通電位相記憶部
４２３ 駆動方向指令部
４２４ 矩形波印加電圧指令部
４２５ 補正量記憶部
４２６ 位置補正演算部
４３０ 発電制御部
４４０ 界磁電流制御部

Claims (3)

1. 電機子巻線と界磁巻線を有し、同期発電電動機として動作する回転電機と、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子により構成され、前記回転電機と直流電源との間に接続された電力変換部と、前記電力変換部を構成する各アームのスイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御部とを備えた界磁巻線式同期発電電動機装置において、
   前記制御部は、
   前記回転電機の回転子位置を検出する位置検出手段と、
   前記回転電機の駆動方向を指示する駆動方向指令部と、
   前記回転電機の駆動方向ごとに、前記各アームのスイッチング素子に対応する通電位相を記憶した通電位相記憶部と、
   前記位置検出手段により検出された回転子位置、及び前記駆動方向指令部からの駆動方向指令に従い前記通電位相記憶部から読み取られた通電位相に基づき、前記各アームのスイッチング素子をオン・オフする矩形波電圧の印加タイミングを指示する矩形波電圧印加指令部と、
   前記回転電機の特性が最適となる回転子位置補正量を記憶する補正量記憶部と、
   前記位置検出手段により検出された回転子位置を、前記補正量記憶部に記憶された回転子位置補正量の値により補正する補正演算を行う位置補正演算部とを備え、
   前記補正量記憶部は前記回転電機の何れか一方の駆動方向における回転子位置補正量のみを記憶し、
   前記位置補正演算部は前記駆動方向指令部からの駆動方向指令が回転子位置補正量を記憶していない駆動方向の場合には、記憶している回転子位置補正量の符号を反転させた値を用いて補正演算を行う
   ことを特徴とする界磁巻線式同期発電電動機装置。
2. 前記駆動方向指令部からの駆動方向指令と、前記回転電機の回転方向が異なる場合には、前記位置補正演算部は前記補正量記憶部に記憶された回転子位置補正量の符号を反転させて前記補正演算を行うことを特徴とする請求項１記載の界磁巻線式同期発電電動機装置。
3. 電機子巻線と界磁巻線を有し、同期発電電動機として動作する回転電機と、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子により構成され、前記回転電機と直流電源との間に接続された電力変換部と、前記電力変換部を構成する各アームのスイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御部とを備えた界磁巻線式同期発電電動機装置において、
   前記制御部は、
   前記回転電機の回転子位置を検出する位置検出手段と、
   前記回転電機の駆動方向を指示する駆動方向指令部と、
   前記回転電機の駆動方向ごとに、前記各アームのスイッチング素子に対応する通電位相を記憶した通電位相記憶部と、
   前記位置検出手段により検出された回転子位置、及び前記駆動方向指令部からの駆動方向指令に従い前記通電位相記憶部から読み取られた通電位相に基づき、前記各アームのスイッチング素子をオン・オフする矩形波電圧の印加タイミングを指示する矩形波電圧印加指令部と、
   前記回転電機の特性が最適となる回転子位置補正量を記憶する補正量記憶部と、
   前記位置検出手段により検出された回転子位置を、前記補正量記憶部に記憶された回転子位置補正量の値により補正する補正演算を行う位置補正演算部とを備え、
   前記補正量記憶部は前記回転電機の駆動方向ごとに回転子位置補正量を記憶し、前記位置補正演算部は前記駆動方向指令部の駆動方向指令に従って、演算に用いる回転子位置補正量を切り換え、
   前記駆動方向指令部からの駆動方向指令と、前記回転電機の回転方向が異なる場合には、前記位置補正演算部は前記補正量記憶部に記憶された回転子位置補正量の符号を反転させて前記補正演算を行うことを特徴とする界磁巻線式同期発電電動機装置。

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