JP4802582B2 - インバータ装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステータと、ステータの内外に同軸に設けたインナーロータとアウターロータと、を備えた回転電機を駆動するための、２つの異なる波形を複合した複合電流を生成するインバータ装置の制御方法に関するものである。

従来の同軸モータとして、円筒状のステータを挟み、内外周にインナーロータおよびアウターロータが配置され、ステータに巻回された多相コイルに複合電流を流すことで、インナーロータとアウターロータを独立して回転制御可能な複軸多層構造を有する回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような複軸多層構造の回転電機では、２つの異なる波形を複合した複合電流をインバータ装置を介してステータに供給することで、インナーロータとアウターロータの独立した回転を可能にしている。

図５は、複軸多層構造を有する回転電機において通常行われている正弦波ＰＷＭ制御を説明するためのフローチャートである。図５では、インナーロータを６相の電流で駆動し、アウターロータを３相の電流で駆動する例について説明している。いずれのロータにおいても、６相あるいは３相の電流を一旦ｄｑ軸変換し、電流ＰＩ制御を行い、求めた指令ｄｑ軸電圧をさらに６相あるいは３相の電圧に変換した後、それらを加算してＰＷＭ信号を生成し、インバータ装置のゲート信号として供給している。
特開２００１−１０３７１７号公報

上述したインバータ装置の制御は、指定された入力（図５の例では電流指令値）が入力に対する出力の線形性が保たれている正弦波ＰＷＭ駆動領域で回転電機を駆動している場合であるが、指定された入力が、入力に対する出力の線形性が保たれていない、言い換えると、変調率がオーバーしている過変調ＰＷＭ駆動領域で回転電機を駆動させると、インナーとアウターの電圧出力基本波の和である、約１．６倍まで見かけ上、電源電圧の利用率を向上させることができる。

図６は、インナーロータおよびアウターロータの電圧出力基本波振幅の一例を示す図である。図６に示す例において、横軸および縦軸は、それぞれ、インナーロータおよびアウターロータを駆動するための電圧をインバータに印加する直流電圧で規格化したものである。変調率は、
変調率＝インバータの制御電圧／直流電源電圧
で表され、正弦波ＰＷＭ制御では、通常、変調率が±１００％の範囲に収まるようにインバータの電圧を制御するが、複合電圧により変調率ピークを増加させて、過変調制御を行うと、インバータから出力される電圧平均値を増加させることができる。図６に示すように、複合により、最大約１．６倍の合計振幅が得られ、通常よりも最大１．６倍の電流を流すことが可能となり、モータのパワーアップが望める。

しかし、過変調制御では、直流電圧の何倍もの指令電圧を加える必要があり、ここでＰＩ制御を行うと、電圧目標値に対し実際に指令しなければならない電圧は大きな値なので、ＰＩ制御を何回も繰り返して、電圧目標値に達するまでに時間がかかり、指令追従性や過渡応答性が悪くなるという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、複軸多層構造の回転電機の駆動時に、電圧利用率を向上させるための過変調制御を行う際に、指令追従性や過渡応答性を向上させることができるインバータ装置の制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、第１の発明は、２つの正弦波を重畳した複合波形により駆動されるインバータ装置であって、インバータ装置に指令する各相の指令電圧の最大値がインバータ装置に印加する電圧を越える過変調制御状態の場合に、指令電圧を生成するためのＰＩ制御を行う過程で目標電圧と指令電圧の非線形性を考慮した制御を行うインバータ装置の制御方法において、前記ＰＩ制御を行う過程で、複合波形を構成する一方の目標電圧に対する、複合波形を構成するもう一方の目標電圧と実際に指令すべき指令電圧との関係を示す補正マップから導かれる補正値によって補正演算が行われた電圧指令値をインバータ装置に指令するものとし、前記補正演算を、複合波形を構成する双方の電圧指令値に対して行い、複合波形を構成する２つの信号の周波数成分が、ある次数の高調波の影響を受ける関係にある場合は、前記補正マップから導かれる補正値からずらした補正値によって補正演算が行われた電圧指令値をインバータ装置に指令することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記補正マップは、インナーロータとアウターロータ用の種々のｄｑ軸電圧の周波数ごとのインナー指令電圧補正マップおよびアウター指令電圧補正マップであることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、過変調制御を行う範囲外の出力値がインバータ装置に要求された場合には、要求された出力値を、過変調制御できる最大出力値またはそれ以下の出力値に変更し、過変調制御を行う範囲外の出力値が要求されたか否かは、予め用意されたマップまたは予め求められている定式化された関数に当てはめて判断することを特徴とする。

第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明において、前記インバータ装置は、内外に２つのロータを備え、２つの異なる波形を複合した複合電流により駆動されるラジアルギャップ型の回転電機またはアキシャルギャップ型の回転電機に適用されることを特徴とする。

第１の発明は、２つの正弦波を重畳した複合波形により駆動されるインバータ装置の電圧利用率を向上できると共に、制御安定性や過渡応答性を向上できる。
第２の発明は、目標電圧と指令電圧の非線形性を考慮した制御を、補正マップおよび補正演算制御を行う手段のみの追加で安価に実現できる。
第３の発明は、代表的な補正マップを用意しておけば良いのでメモリ容量が少なくて済む。
第４の発明は、周波数ごとの補正マップを予め用意しているので、複合波形を構成する周波数がどのようであっても制御安定性や過渡応答性の良い制御を行うことができる。
第５の発明は、出力値に制限を設けるため、制限値以上の出力値が指示されても制御破綻を防止できる。
第６の発明は、ラジアルギャップ型およびアキシャルギャップ型の複合電流駆動の回転電機に適用できる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明のインバータ装置の制御方法の対象となる同軸モータの一例としての複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットの全体図である。図４において、Ｅはエンジン、Ｍは複軸多層モータ、Ｇはラビニョウ型複合遊星歯車列、Ｄは駆動出力機構、１はモータカバー、２はモータケース、３はギヤハウジング、４はフロントカバーである。

前記エンジンＥは、ハイブリッド駆動ユニットの主動力源であり、エンジン出力軸５とラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２リングギヤＲ２とは、回転変動吸収ダンパー６および多板クラッチ７を介して連結されている。

前記複軸多層モータＭは、外観的には１つのモータであるが２つのモータジェネレータ機能を有する副動力源である。この複軸多層モータＭは、前記モータケース２に固定され、コイルを巻いた固定電機子としてのステータＳと、前記ステータＳの内側に配置し、永久磁石を埋設したインナーロータＩＲと、前記ステータＳの外側に配置し、永久磁石を埋設したアウターロータＯＲと、を同軸上に三層配置することで構成されている。前記インナーロータＩＲに固定の第１モータ中空軸８は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第１サンギヤＳ１に連結され、前記アウターロータＯＲに固定の第２モータ軸９は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２サンギヤＳ２に連結されている。

前記ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、二つのモータ回転数を制御することにより無段階に変速比を変える無段変速機能を有する遊星歯車機構である。このラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、互いに噛み合う第１ピニオンＰ１と第２ピニオンＰ２を支持する共通キャリヤＣと、第１ピニオンＰ１に噛み合う第１サンギヤＳ１と、第２ピニオンＰ２に噛み合う第２サンギヤＳ２と、第１ピニオンＰ１に噛み合う第１リングギヤＲ１と、第２ピニオンＰ２に噛み合う第２リングギヤＲ２との５つの回転要素を有して構成されている。前記第１リングギヤＲ１とギヤハウジング３との間には多板ブレーキ１０が介装されている。前記共通キャリヤＣには、出力ギヤ１１が連結されている。

前記駆動出力機構Ｄは、出力ギヤ１１と、第１カウンターギヤ１２と、第２カウンターギヤ１３と、ドライブギヤ１４と、ディファレンシャル１５と、ドライブシャフト１６，１６により構成されている。そして、出力ギヤ１１からの出力回転および出力トルクは、第１カウンターギヤ１２→第２カウンターギヤ１３→ドライブギヤ１４→ディファレンシャル１５を経過し、ドライブシャフト１６，１６から図外の駆動輪へ伝達される。

すなわち、ハイブリッド駆動ユニットは、前記第２リングギヤＲ２とエンジン出力軸５を連結し、前記第１サンギヤＳ１と第１モータ中空軸８とを連結し、前記第２サンギヤＳ２と第２モータ軸９とを連結し、前記共通キャリヤＣに出力ギヤ１１を連結することにより構成されている。

本発明は、上述した複軸多層構造を有する回転電機の駆動時に、電圧利用率を向上させるための過変調制御を行う際に、指令追従性や過渡応答性を向上させることができるインバータ装置の制御方法であり、過変調制御を行うと、電圧目標値に対し実際に指令すべき電圧が大きくなり、電流ＰＩ制御を何回も繰り返すので電圧目標値に達するまでに時間がかかり、あるいは電圧目標値に達するまでに制御破綻を起こす恐れがあるので、補正演算により指令電圧を求めて電流ＰＩ制御の回数を減らすことによって指令追従性と過渡応答性を向上させるものである。

以下、本発明のインバータ装置の制御方法について詳細に説明する。

図２は、内外に２つのロータを備えた回転電機を駆動するためのインバータ装置を制御するインバータ制御装置の一例を示すブロック図である。本例では、インナーロータを６相の電流で駆動し、アウターロータを３相の電流で駆動する場合について説明する。相電流分離手段２７は、電流センサ３２によって検出されたモータ３３の相電流値をインナーロータ分とアウターロータ分とに分離し、６φ→ｄｑ軸変換手段３４は、インナー６相電流値をｄｑ軸電流値に変換し、３φ→ｄｑ軸変換手段３５は、アウター３相電流値をｄｑ軸電流値に変換する。

インナー電流ＰＩ制御手段２１は、インナーｄｑ軸電流目標値が与えられると、６φ→ｄｑ軸変換手段３４からの現在のインナーｄｑ軸電流値をインナーｄｑ軸電流目標値に近づけるようにインナー電流ＰＩ制御を行い、インナーｄｑ軸電圧目標値を演算する。また、アウター電流ＰＩ制御手段２２は、アウターｄｑ軸電流目標値が与えられると、３φ→ｄｑ軸変換手段３５からの現在のアウターｄｑ軸電流値をアウターｄｑ軸電流目標値に近づけるようにアウター電流ＰＩ制御を行い、アウターｄｑ軸電圧目標値を演算する。

インナー変調度演算手段２３は、インナー電流ＰＩ制御手段２１で演算されたインナーｄｑ軸電圧目標値を直流電源電圧Ｖｄｃの値で規格化し、アウター変調度演算手段２４は、アウター電流ＰＩ制御手段２２で演算されたアウターｄｑ軸電圧目標値を直流電源電圧Ｖｄｃの値で規格化する。

インナーｄｑ軸電圧補正演算手段２５は、インナー変調度演算手段２３においてＶｄｃで規格化されたインナーｄｑ軸電圧目標値と、アウター変調度演算手段２４においてＶｄｃで規格化されたアウターｄｑ軸電圧目標値とを入力し、予め用意されている複合駆動時のインナー指令電圧補正マップを用いて、インナーｄｑ軸電圧目標値におけるインナーｄｑ軸電圧指令値を得る。また、アウターｄｑ軸電圧補正演算手段２６は、アウター変調度演算手段２４においてＶｄｃで規格化されたアウターｄｑ軸電圧目標値と、インナー変調度演算手段２３においてＶｄｃで規格化されたインナーｄｑ軸電圧目標値とを入力し、予め用意されている複合駆動時のアウター指令電圧補正マップを用いて、インナーｄｑ軸電圧目標値におけるインナーｄｑ軸電圧指令値を得る。

図３は、予め用意されている複合駆動時の指令電圧補正マップの一例を示す図であり、インナーロータの駆動周波数が３００Ｈｚ、アウターロータの駆動周波数が８００Ｈｚのときの、Ｖｄｃで規格化されたアウター（インナー）目標電圧に対する、Ｖｄｃで規格化されたインナー（アウター）目標電圧とインナー（アウター）指令電圧との関係を示す図である。図中の０〜１．２６の曲線はアウター（インナー）目標電圧を表している。

内外に２つのロータを備えた回転電機を過変調領域で駆動させる場合は、インナーロータおよびアウターロータの駆動周波数によって、電圧目標値と電圧指令値の非線形性が変わるので、インナーロータとアウターロータ用の種々のｄｑ軸電圧の周波数ごとのインナー指令電圧補正マップおよびアウター指令電圧補正マップを予め用意しておき、この補正マップを用いて電圧目標値と電圧指令値の非線形性を考慮した制御を行うことが好ましい。

また、複合波形を構成する２つの信号の周波数成分が、ある次数の高調波の影響を受ける関係にある場合は、前記補正マップから導かれる電圧指令値から若干ずらした電圧指令値をインバータ装置に指令することが好ましい。新たな補正マップを用意することなく、代表的な補正マップを用意しておけば良いのでメモリ容量が少なくて済む。

変換・加算手段２８は、インナーｄｑ軸電圧指令値をインナー６相電圧指令値に変換し、アウターｄｑ軸電圧指令値をアウター３相電圧指令値に変換し、変換の後、インナー６相電圧指令値とアウター３相電圧指令値とを加算する。変調率演算手段２９は、加算された電圧指令値の変調率演算を行い、パルス生成手段３０は、インバータ装置３１のＰ側とＮ側を制御するためのＰＷＭ信号を生成し、インバータ装置３１を駆動する。

なお、上述した実施の形態において、目標電圧とは、ある電流をインバータ装置から供給するための電圧であり、実際にインバータ装置に印加される電圧を意味し、指令電圧とは、過変調領域では目標電圧を掛けるためにはより大きい電圧を印加しなければならないため、実際にインバータ装置に指令を行う電圧を意味する。

図４は、インバータ装置を制御するインバータ制御装置の動作を説明する制御フローチャートである。図４に示すフローチャートにおいて、インバータ制御装置は、まず、インバータ装置とモータを結ぶ６本の給電線に設置された６個の電流センサからの各相電流を読み込む。続いて、相電流分離手段によりインナーロータ用の６相交流電流とアウターロータ用の３相交流電流に分離する。本例では、分離された６相交流電流および３相交流電流を目標電流に一致させるために、インナーとアウターの２つの電流制御系を持つ。

インナー電流制御系は、得られたインナー６相電流をｄｑ軸成分に変換し（６φ→ｄｑ軸変換）、変換されたｄｑ軸電流値をｄｑ軸電流目標値に定常偏差なく一致させるようにインナー電流ＰＩ制御を行って、インナーｄｑ軸電圧目標値を演算する。次に、インナーｄｑ軸電圧目標値を直流電源電圧Ｖｄｃの値で規格化するインナー変調度演算を行う。続いて、アウター変調度演算で求めたアウターｄｑ軸電圧目標値に対する、Ｖｄｃで規格化されたインナーｄｑ軸電圧目標値とインナーｄｑ軸電圧指令値との関係を示す補正マップを用いてインナー電圧補正演算を行って、インナーｄｑ軸電圧指令値を得る。

アウター電流制御系は、得られたアウター３相電流をｄｑ軸成分に変換し（３φ→ｄｑ軸変換）、変換されたｄｑ軸電流値をｄｑ軸電流目標値に定常偏差なく一致させるようにインナー電流ＰＩ制御を行って、アウターｄｑ軸電圧目標値を演算する。次に、アウターｄｑ軸電圧目標値を直流電源電圧Ｖｄｃの値で規格化するアウター変調度演算を行う。続いて、インナー変調度演算で求めたインナーｄｑ軸電圧目標値に対する、Ｖｄｃで規格化されたアウターｄｑ軸電圧目標値とアウターｄｑ軸電圧指令値との関係を示す補正マップを用いてアウター電圧補正演算を行って、アウターｄｑ軸電圧指令値を得る。

さらに、インナーｄｑ軸電圧指令値を６相電圧指令値へ変換し（ｄｑ軸→６φ変換）、アウターｄｑ軸電圧指令値を３相電圧指令値へ変換する（ｄｑ軸→３φ変換）、最後に、２つのロータの相電圧を加算してＰＷＭ信号を生成し、生成されたＰＷＭ信号をインバータ装置へ供給する。

なお、上述した実施の形態では、指令電圧補正マップを参照して新たな電圧指令値を求めたが、補正マップの代わりに予め求められている定式化された関数に当てはめて電圧指令値を求めることも可能である。

また、過変調領域で制御を行う範囲外の出力値がインバータ装置に要求された場合には、要求された出力値を、過変調領域で制御できる最大出力値またはそれ以下の出力値に変更するようにしても良い。過変調領域で制御を行う範囲外の出力値が要求されたか否かは、予め用意されたマップまたは予め求められている定式化された関数に当てはめて判断する。要求される出力値に制限を設けることによって、制限値以上の出力値が指示されても制御破綻を防止することができる。

また、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能であり、上記実施の形態では、内外に２つのロータを保有し複合電流により駆動するラジアルギャップ型の回転電機への適用形態のみを示したが、２つのロータを保有し複合電流により駆動するアキシャルギャップ型の回転電機への適用も可能である。

本発明のインバータ装置の制御方法の対象となる同軸モータの一例としての複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットの全体図である。 内外に２つのロータを備えた回転電機を駆動するための、２つの異なる正弦波を複合した電流を生成する、インバータ装置を制御するインバータ制御装置の一例を示すブロック図である。 予め用意されている複合駆動時の指令電圧補正マップの一例を示す図である。 インバータ装置を制御するインバータ制御装置の動作を説明する制御フローチャートである。 従来の複軸多層構造を有する回転電機において通常行われている正弦波ＰＷＭ制御を説明するためのフローチャートである。 インナーロータおよびアウターロータの電圧出力基本波振幅の一例を示す図である。

符号の説明

２１ インナー電流ＰＩ制御手段
２２ アウター電流ＰＩ制御手段
２３ インナー変調度演算手段
２４ アウター変調度演算手段
２５ インナーｄｑ軸電圧補正演算手段
２６ アウターｄｑ軸電圧補正演算手段
２７ 相電流分離手段
２８ 変換・加算手段
２９ 変調率演算手段
３０ パルス生成手段
３１ インバータ装置
３２ 電流センサ
３３ モータ
３４ ６φ→ｄｑ軸変換手段
３５ ３φ→ｄｑ軸変換手段

Claims (4)

1. ２つの正弦波を重畳した複合波形により駆動されるインバータ装置であって、インバータ装置に指令する各相の指令電圧の最大値がインバータ装置に印加する電圧を越える過変調制御状態の場合に、指令電圧を生成するためのＰＩ制御を行う過程で目標電圧と指令電圧の非線形性を考慮した制御を行うインバータ装置の制御方法において、
   前記ＰＩ制御を行う過程で、複合波形を構成する一方の目標電圧に対する、複合波形を構成するもう一方の目標電圧と実際に指令すべき指令電圧との関係を示す補正マップから導かれる補正値によって補正演算が行われた電圧指令値をインバータ装置に指令するものとし、前記補正演算を、複合波形を構成する双方の電圧指令値に対して行い、
   複合波形を構成する２つの信号の周波数成分が、ある次数の高調波の影響を受ける関係にある場合は、前記補正マップから導かれる補正値からずらした補正値によって補正演算が行われた電圧指令値をインバータ装置に指令することを特徴とするインバータ装置の制御方法。
2. 前記補正マップは、インナーロータとアウターロータ用の種々のｄｑ軸電圧の周波数ごとのインナー指令電圧補正マップおよびアウター指令電圧補正マップであることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置の制御方法。
3. 過変調制御を行う範囲外の出力値がインバータ装置に要求された場合には、要求された出力値を、過変調制御できる最大出力値またはそれ以下の出力値に変更し、過変調制御を行う範囲外の出力値が要求されたか否かは、予め用意されたマップまたは予め求められている定式化された関数に当てはめて判断することを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ装置の制御方法。
4. 前記インバータ装置は、内外に２つのロータを備え、２つの異なる波形を複合した複合電流により駆動されるラジアルギャップ型の回転電機またはアキシャルギャップ型の回転電機に適用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインバータ装置の制御方法。

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