JP5174617B2 - Rotating electrical machine device and control device thereof - Google Patents
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Description
本発明は、回転電機装置及びその制御装置に関し、代表的には、回転電機の制御性を向上させるための技術に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine device and a control device thereof, and typically relates to a technique for improving controllability of the rotating electrical machine.
回転電機の制御に関する背景技術としては、例えば特許文献1乃至4に開示された制御技術が以前より知られている。例えば特許文献1には、回転速度,直流電圧,モータ温度、及びトルク指令を入力し、この入力に応じて矩形波の位相補正量を決定し、この決定された位相補正量に応じてスイッチング指令を出力する、というように、3段階でスイッチングパターンを出力して回転電機の動作を制御する技術が開示されている。これにより、特許文献1に開示された制御技術では、回転電機の動作領域をより高速側に拡張している。
As background art relating to control of a rotating electrical machine, for example, control techniques disclosed in
回転電機には複数の動作モード、例えば力行モード,発電モード,力行モードと発電モードとを切り替える切替モード、停止モードなどがある。回転電機の制御性を向上させるためには、それらの各動作モードにおいてきめ細かな制御が必要である。この点、特許文献1に開示された背景技術では、それらの各動作モードにおいてきめ細かな制御を行うことまで考えておらず、例えば力行モードと発電モードとを切り替える切替モードなどが存在しない。
The rotating electrical machine has a plurality of operation modes such as a power running mode, a power generation mode, a switching mode for switching between the power running mode and the power generation mode, and a stop mode. In order to improve the controllability of the rotating electrical machine, fine control is required in each of these operation modes. In this regard, the background art disclosed in
本発明の代表的なものは、回転電機の制御性をこれまで以上に向上できる回転電機装置及びその制御装置を提供する。 A representative one of the present invention provides a rotating electrical machine apparatus and a control apparatus for the same that can improve the controllability of the rotating electrical machine more than ever.
ここに、本発明の代表的なものは、回転電機に入出力される電力を制御する電力変換装置のスイッチング半導体素子のスイッチング動作をスイッチング指令に基づいて制御するものであって、スイッチング指令の生成に必要なスイッチングパターン情報を取得するための複数のモード状態量を、回転電機の各動作モード毎に個別に設定し、各動作モード毎にモード状態量を取得し、この取得したモード状態量を基にしてスイッチング指令を生成することを特徴とする。 Here, a representative example of the present invention is to control the switching operation of the switching semiconductor element of the power conversion device for controlling the power input / output to / from the rotating electrical machine based on the switching command, and to generate the switching command. A plurality of mode state quantities for obtaining the switching pattern information necessary for each are set individually for each operation mode of the rotating electrical machine, the mode state quantity is obtained for each operation mode, and the obtained mode state quantity is A switching command is generated based on this.
本発明の代表的なものによれば、回転電機の各動作モード毎にきめ細やかに回転電機を制御できるので、回転電機の制御性をこれまで以上に向上させることができる。 According to the representative aspect of the present invention, since the rotating electrical machine can be finely controlled for each operation mode of the rotating electrical machine, the controllability of the rotating electrical machine can be improved more than ever.
以下、本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
以下の実施例においては、本発明を、車両のモータジェネレータ駆動システム、特に車両の内燃機関であるエンジンにベルトを介して機械的に接続され、エンジンの始動時、特に車両の停止時にエンジンを停止し、車両の発進時に再びエンジンを始動させるエンジン再始動時(アイドルストップ運転時)に、回転電機を電動機として動作させ、駆動力をエンジンに供給する機能と、エンジンの駆動力により回転電機を発電機として動作させて、回転電機の電源であるバッテリ、例えば14ボルト系の公称出力電圧12ボルトの鉛バッテリを充電すると共に、車載電気負荷に電力を供給する機能とを兼ね備えた低電圧系のモータジェネレータ駆動システムに適用した場合を例に挙げて説明する。 In the following embodiments, the present invention is mechanically connected via a belt to a motor generator drive system of a vehicle, particularly an engine that is an internal combustion engine of the vehicle, and the engine is stopped when the engine is started, particularly when the vehicle is stopped. When the vehicle is started, the engine is restarted (during idle stop operation), and the rotating electrical machine is operated as an electric motor to supply the driving force to the engine. A low-voltage motor having a function of supplying a power to a vehicle-mounted electrical load while charging a battery as a power source of a rotating electric machine, for example, a lead battery having a nominal output voltage of 12 volts and a voltage of 12 volts. A case where the present invention is applied to a generator drive system will be described as an example.
モータジェネレータ駆動システムでは、上述のエンジン再始動に加えて、車両の加速時などの高負荷運転時に、回転電機を電動機として動作させて得られる駆動力をエンジンの駆動力に加えて車両を駆動するトルクアシスト運転を行うことができる。 In the motor generator drive system, in addition to the engine restart described above, the vehicle is driven by adding the driving force obtained by operating the rotating electric machine as an electric motor to the driving force of the engine during high load operation such as acceleration of the vehicle. Torque assist operation can be performed.
低電圧系のモータジェネレータ駆動システムでは、回転電機に対して電力変換装置及び制御装置を集積化(機電一体化)することができる。このように、集積化(機電一体化)されたモータジェネレータ駆動システムをインテグレイテッド・スタータ・ジェネレータ(ISG)と呼ぶ場合もある。 In a low-voltage motor generator drive system, a power converter and a control device can be integrated (mechanical integration) with respect to a rotating electrical machine. In this way, the motor generator driving system integrated (mechanical integration) may be referred to as an integrated starter generator (ISG).
モータジェネレータ駆動システムの電源としては、上述のシステムよりも高電圧、例えば42ボルト系の公称出力電圧36ボルトの鉛バッテリ或いはリチウムイオンバッテリ若しくはニッケル水素バッテリ、さらに高電圧、例えば公称出力電圧100ボルト以上の鉛バッテリ或いはリチウムイオンバッテリ若しくはニッケル水素バッテリを用いることもできる。高電圧のモータジェネレータ駆動システムでは、回転電機を電動機として動作させて得られる駆動力のみを用いて車両を駆動する電動走行(EV(電気自動車)走行)運転を行うことができる。 As a power source for the motor generator driving system, a lead voltage, a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery having a higher voltage than the above-described system, for example, a nominal output voltage of 36 volts of 42 volts, or a higher voltage, for example, a nominal output voltage of 100 volts or more A lead battery, a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery can also be used. In the high-voltage motor generator drive system, it is possible to perform an electric running (EV (electric vehicle) running) driving that drives the vehicle using only the driving force obtained by operating the rotating electrical machine as an electric motor.
車両としては、動力源としてエンジン及びモータを備えたハイブリッド自動車,モータを唯一の動力源とする電気自動車などの普通自動車,バス(乗合車両),トラック(貨物車両)など、普通自動車よりも重量が大きい大型自動車,ハイブリッド電車などの鉄道車両,荷物の積み下ろし作業に用いられるフォークリフトトラック,土木作業や建設作業に用いられる車両など、作業に必要な装置を搭載した特殊車両などがある。以下の実施例においては、アイドルストップ運電モードを備えた簡易型のハイブリッド自動車を例に挙げて説明する。 Vehicles are heavier than ordinary vehicles, such as hybrid vehicles with engines and motors as power sources, ordinary vehicles such as electric vehicles with motors as the only power source, buses (passenger vehicles), trucks (cargo vehicles), etc. There are special vehicles equipped with equipment necessary for work, such as large large vehicles, railway vehicles such as hybrid trains, forklift trucks used for loading and unloading work, and vehicles used for civil engineering and construction work. In the following embodiments, a simple hybrid vehicle having an idle stop power transfer mode will be described as an example.
以下において説明する実施例の構成は、車両のモータジェネレータ駆動システムとは別のモータ駆動システム、例えば工場機器の駆動に用いられる産業用モータ駆動システムや家庭用電気製品の駆動に用いられる家庭用モータ駆動システムに適用してもよい。特に複数の動作モードを有し、モータの制御性の向上が必要とされるシステムにとって好適である。 The configuration of the embodiment described below is a motor drive system different from the motor generator drive system of the vehicle, such as an industrial motor drive system used for driving factory equipment and a home motor used for driving household electrical appliances. You may apply to a drive system. In particular, it is suitable for a system having a plurality of operation modes and requiring improved controllability of the motor.
アイドルストップは、赤信号などで車両が停止した時、ドライバーのブレーキペダルの踏み込み量に応じてエンジンをストップさせ、青信号などで車両が再び発進する時、ドライバーのアクセルペダルの踏み込み量に応じてエンジンを再始動させるという車両の運転モードの一つである。このような運転モードを備えた簡易型のハイブリッド自動車では、エンジンのアイドルストップによる燃費改善が期待できると共に、エンジンの排気による地球温暖化への影響を低減できる。 When the vehicle stops due to a red light, etc., the engine stops according to the amount of depression of the driver's brake pedal, and when the vehicle starts again due to a green light, the engine stops according to the amount of depression of the driver's accelerator pedal. This is one of the driving modes of the vehicle that restarts the vehicle. In a simple hybrid vehicle equipped with such an operation mode, it is possible to expect an improvement in fuel consumption by idling the engine, and to reduce the influence of engine exhaust on global warming.
アイドルストップの運転モード機能を備えた簡易型のハイブリッド自動車に搭載されるモータジェネレータ駆動システムは、従来からバッテリの充電用として搭載されている発電機に電動機の機能を付加することにより実現できる。具体的には、スイッチング半導体素子のスイッチング動作により直交及び交直の両電力変換が可能な電力変換装置(インバータ装置)、及びスイッチング半導体素子のスイッチング動作を制御する制御装置を設け、発電機を電動機として駆動することにより実現できる。このように、モータジェネレータ駆動システムでは、エンジンに再始動のための回転動力を供給する電動機としての機能と、バッテリの充電及び補機類の駆動のための電力を供給する発電機としての機能とを一体化するので、小型省スペース化を実現できる。また、低電圧系のモータジェネレータ駆動システムでは、電動機及び発電機として作動する回転電機に対して電力変換装置及び制御装置を集積化(機電一体化)できるので、さらに小型省スペース化を図ることができる。 A motor generator drive system mounted on a simple hybrid vehicle having an idle stop operation mode function can be realized by adding a function of an electric motor to a generator that is conventionally mounted for charging a battery. Specifically, a power conversion device (inverter device) capable of performing both orthogonal and AC power conversion by switching operation of the switching semiconductor element, and a control device for controlling the switching operation of the switching semiconductor element are provided, and the generator is used as an electric motor. This can be realized by driving. Thus, in the motor generator drive system, a function as an electric motor that supplies rotational power for restarting the engine, and a function as a generator that supplies electric power for charging a battery and driving auxiliary equipment, Since it is integrated, a small space-saving can be realized. Further, in the low voltage system motor generator drive system, the power conversion device and the control device can be integrated (mechanical integration) with respect to the rotating electrical machine that operates as an electric motor and a generator. it can.
上述のモータジェネレータ駆動システムのスイッチング半導体素子の駆動制御には矩形波駆動方式を採用することが好ましい。矩形波駆動方式では、スイッチング半導体素子によって構成された電力変換回路(主回路)の直流側の電圧を平滑するためのコンデンサを削減できる、或いは容量の小さい小型のコンデンサを採用できる、回転電機の電機子巻線に入出力される交流電流や直流電流を検出するためのセンサを削減できる、簡易的な方法によりスイッチングを制御できる、矩形波の通電幅を任意に制御できる、という特徴がある。また、矩形波駆動方式では、PWM(Pulse Width Modulation)駆動方式に比べてスイッチング回数が少ないので、スイッチングロスを低減できる、スイッチング制御に必要な演算処理が少ないので、安価な制御装置を実現できる、という特徴がある。 For driving control of the switching semiconductor element of the motor generator driving system described above, it is preferable to employ a rectangular wave driving method. In the rectangular wave drive system, a rotating electric machine can reduce the number of capacitors for smoothing the voltage on the DC side of the power conversion circuit (main circuit) constituted by switching semiconductor elements, or can employ a small capacitor with a small capacity. There is a feature that the number of sensors for detecting an alternating current and a direct current input / output to / from the slave winding can be reduced, switching can be controlled by a simple method, and the energization width of the rectangular wave can be arbitrarily controlled. In addition, since the rectangular wave drive method has fewer switching times than the PWM (Pulse Width Modulation) drive method, the switching loss can be reduced, and the calculation processing required for switching control is small, so an inexpensive control device can be realized. There is a feature.
上述のモータジェネレータ駆動システムによれば、制御方式の工夫による構成部品の削減或いは小型化,安価な制御装置の採用,簡易的なスイッチング制御,複数機能の一体化及び構成部品の一体化による小型省スペース化などにより、低コスト化を図ることができると共に、車両搭載性を向上できる利点がある。 According to the motor generator drive system described above, the reduction or miniaturization of components by devising the control method, the adoption of an inexpensive control device, simple switching control, the integration of multiple functions, and the integration of components make it possible to reduce the size. There is an advantage that the cost can be reduced and the vehicle mountability can be improved by making space.
しかし、モータジェネレータ駆動システムでは、前述のように、始動及び発電という動作条件が異なる2つの機能を一つの装置に集約させるので、実際のところ、電力変換装置におけるスイッチング半導体素子の制御方式の構築及び回転電機の磁気回路の設計が容易ではない。また、モータジェネレータ駆動システムにおいては、エンジンの再始動時、大きなトルクを発生させるので、バッテリから大きな始動電流が流れ込む。一方、モータジェネレータ駆動システムにおいては、発電時、エンジンの最高回転数まで回されるので、誘起電圧が上昇する。このため、モータジェネレータ駆動システムにおいては、始動電流及び誘起電圧への対応が必要になる。各動作モードにおけるそれらの課題を解決するためには、回転電機の界磁巻線及び電機子巻線の巻数などを工夫するだけでは不十分であり、制御方式を動作モードに応じて最適化させる必要がある。 However, in the motor generator drive system, as described above, two functions with different operating conditions of starting and power generation are integrated into one device. It is not easy to design a magnetic circuit of a rotating electrical machine. In the motor generator drive system, a large torque is generated when the engine is restarted, so that a large starting current flows from the battery. On the other hand, in the motor generator drive system, the induced voltage increases because power is rotated to the maximum engine speed. For this reason, in the motor generator drive system, it is necessary to cope with the starting current and the induced voltage. In order to solve these problems in each operation mode, it is not sufficient to devise the number of turns of the field winding and armature winding of the rotating electrical machine, and the control method is optimized according to the operation mode. There is a need.
この点、回転速度,直流電圧,モータ温度,トルク指令を入力し、その入力に基づいて矩形波の位相補正量を決定し、この決定した位相補正量に基づいてスイッチング指令を出力することにより、モータジェネレータ駆動システムの動作領域をより高速側に拡張するという、特開2007−159353号公報に開示された従来の技術では、動作モードを発電状態とアシスト状態にしか大別していない。このため、従来の技術では、対応できる状況に限界があり、例えば再始動モードから発電モードに切り替わる切替モードでの直流電圧の跳上りによる過電圧フェールには対応できない。 By inputting this point, rotational speed, DC voltage, motor temperature, torque command, determining the rectangular wave phase correction amount based on the input, and outputting the switching command based on the determined phase correction amount, In the conventional technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-159353, which extends the operation area of the motor generator drive system to a higher speed side, the operation mode is roughly divided into a power generation state and an assist state. For this reason, there is a limit to the situation that can be dealt with in the conventional technology, and for example, it is not possible to deal with an overvoltage failure due to a DC voltage jump in the switching mode in which the restart mode is switched to the power generation mode.
そこで、以下において説明する実施例では、再始動モードでの過電流やトルク脈動,再始動モードから発電モードに切り替える切替動作モードでの過電圧や過電流,発電モードでの誘起電圧の上昇などに対応できるように、モータジェネレータ駆動システムの各動作モード毎にきめ細やかな制御を実現できるにしている。具体的には、スイッチング半導体素子のスイッチング動作が複数にパターン化されて設定されていると共に、各動作モード毎に、スイッチングパターンを取得するための参照データが、各動作モード毎に必要とされる入力パラメータを引数として設定された制御装置を備え、各動作モード毎にきめ細やかな制御を実現できるようにしている。上述の制御装置によれば、制御性を改善できると共に、演算処理時間を短縮できる。 Therefore, in the embodiments described below, overcurrent and torque pulsation in the restart mode, overvoltage and overcurrent in the switching operation mode for switching from the restart mode to the power generation mode, an increase in the induced voltage in the power generation mode, etc. are supported. As a result, fine control can be realized for each operation mode of the motor generator drive system. Specifically, the switching operation of the switching semiconductor element is set in a plurality of patterns, and reference data for obtaining the switching pattern is required for each operation mode for each operation mode. A control device with input parameters as arguments is provided to enable fine control for each operation mode. According to the above-described control device, controllability can be improved and calculation processing time can be shortened.
動作モードが再始動モードである場合、制御装置は、エンジンのピストン位置及びエンジンの回転速度に基づいて、再始動モードに対する参照データを取得し、この取得した参照データに基づいてスイッチングパターンを取得し、この取得したスイッチングパターンに基づいてスイッチング半導体素子のスイッチング動作を制御するので、エンジンが発生するトルク脈動に起因して生じる回転数(回転速度)脈動を抑制できる。また、動作モードが、再始動モードから発電モードに切り替わる切替モードである場合、制御装置は、バッテリの直流電圧及びエンジンの回転速度に基づいて、切替モードに対応する参照データを取得し、この取得した参照データに基づいてスイッチングパターンを取得し、この取得したスイッチングパターンに基づいてスイッチング半導体素子のスイッチング動作を制御するので、バッテリの直流電圧の跳ね上がりを抑制できる。動作モードが発電モード,アシストモード,発電モードからアシストモードに切り替える切替モード、及び停止モードに切り替える切替モードの場合においても、上述の場合と同様に、各動作モードに対応する入力パラメータに基づいて、各動作モードに対応する参照データを取得し、この取得した参照データに基づいてスイッチングパターンを取得し、この取得したスイッチングパターンに基づいてスイッチング半導体素子のスイッチング動作を制御することにより、バッテリの直流電圧,直流電流の跳ね上がり,回転数(回転速度)脈動などを抑制できる。 When the operation mode is the restart mode, the control device acquires reference data for the restart mode based on the piston position of the engine and the rotational speed of the engine, and acquires a switching pattern based on the acquired reference data. Since the switching operation of the switching semiconductor element is controlled based on the acquired switching pattern, the rotational speed (rotational speed) pulsation caused by the torque pulsation generated by the engine can be suppressed. Further, when the operation mode is the switching mode in which the restart mode is switched to the power generation mode, the control device acquires reference data corresponding to the switching mode based on the direct current voltage of the battery and the engine rotation speed, and acquires the reference data. Since the switching pattern is acquired based on the obtained reference data and the switching operation of the switching semiconductor element is controlled based on the acquired switching pattern, the jump of the DC voltage of the battery can be suppressed. Even when the operation mode is the power generation mode, the assist mode, the switching mode for switching from the power generation mode to the assist mode, and the switching mode for switching to the stop mode, as in the case described above, based on the input parameters corresponding to each operation mode, By acquiring reference data corresponding to each operation mode, acquiring a switching pattern based on the acquired reference data, and controlling the switching operation of the switching semiconductor element based on the acquired switching pattern, the DC voltage of the battery DC current jumps, rotation speed (rotation speed) pulsation, etc. can be suppressed.
以下、図面を用いて、本発明の実施例を具体的に説明する。 Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
まず、図1を用いて、モータジェネレータ駆動システム100を搭載した簡易型のハイブリッド自動車1の構成を説明する。
First, the configuration of a
本実施例のハイブリッド自動車1は、内燃機関であるエンジン2を車両の駆動源としている。エンジン2から出力された回転駆動力(エンジントルク)は、複数の動力伝達機構(自動変速機3,デファレンシャルギア8など)を介して車軸4に伝達される。これにより、車軸4の両端に取り付けられた駆動輪(例えば前輪)5が駆動され、ハイブリッド自動車1が走行する。本実施例では、エンジン2として、ガソリンエンジンを搭載しているが、ディーゼルエンジン,天然ガスエンジン,水素エンジンなどの他のエンジンを駆動源として搭載しても構わない。また、本実施例では、駆動輪5を前輪としているが、後輪を駆動するようにしても構わない。
The
エンジン2の近傍(エンジン2の筐体の一側面)にはモータジェネレータ駆動システム100が配置されている。モータジェネレータ駆動システム100は、モータジェネレータ200,インバータ装置300,モータジェネレータ制御装置400及び界磁制御器500を主要コンポーネント機器として備えている。インバータ装置300,モータジェネレータ制御装置400及び界磁制御器500はモータジェネレータ200に対して集積化(機電一体化)されている。すなわちモータジェネレータ駆動システム100は、従来よりバッテリ7の充電用発電装置として車両に搭載されたオルタネータに対してインバータ装置及びそれを制御する制御装置を付加し、オルタネータでモータリングできるようにしたものであり、アイドルストップしたエンジン2を再始動(エンジン2が温まった状態でエンジン2を始動)する時、エンジン2による車両の駆動をアシストする時などにモータとして機能する。
A motor
尚、エンジン2には、スタータと呼ばれる回転電機装置が搭載されており、エンジン2に回転動力を伝達できるようになっている。スタータは、エンジン2が冷えた状態でエンジン2を始動する時に用いられる始動装置であり、直流電源であるバッテリ7を駆動電源とする。
The
モータジェネレータ200は、電機子(本実施例では固定子)210、及びこれに空隙を介して対向配置された界磁極(本実施例では回転子)220を備えた回転電機であり、エンジン2の筐体の一側面に固定され、その回転軸がエンジン2のクランク軸に、結合手段であるベルト6を介して機械的に連結されている。これにより、モータジェネレータ200とエンジン2との間において互いに回転動力(トルク)の授受が可能となり、力行時にはモータジェネレータ200からエンジン2に、発電時にはエンジン2からモータジェネレータ200に回転動力を伝達できる。本実施例では、ベルト6を結合手段として用いているが、チェーン,歯車などを結合手段としても構わない。
The
インバータ装置300,モータジェネレータ制御装置400及び界磁制御器500は、電機子210及び界磁220が収納された機械室とは別の部屋、すなわち機械室に対して軸方向に隣接して形成された電気室に収納されている。これにより、モータジェネレータ200に対してインバータ装置300,モータジェネレータ制御装置400及び界磁制御器500を集積化(機電一体化)できる。このような一体構成によれば、モータジェネレータ駆動システム100の小型省スペース化を図ることができ、車両搭載性の向上及び低コスト化を図ることができる。
The
インバータ装置300は、スイッチング半導体素子のスイッチング動作によって電力を直流から交流,交流から直流に変換する電力変換装置であり、パワーモジュール310,パワーモジュール310に実装されたスイッチング半導体素子を、モータジェネレータ制御装置400からの指令信号に基づいて駆動する駆動回路330、及びパワーモジュール310の直流側に電気的に並列に接続され、直流電圧を平滑する電解コンデンサ320を備えている。
The
電機子210にはパワーモジュール310の交流側が電気的に接続されている。パワーモジュール310の直流側にはバッテリ7が電気的に接続されている。このように、モータジェネレータ駆動システム100ではバッテリ7を電源としている。バッテリ7は、14ボルト系の車載用直流電源を構成する公称出力電圧12ボルトの蓄電装置であり、車両の補機などの電気負荷及びモータジェネレータ駆動システム100に直流電力を供給すると共に、モータジェネレータ駆動システム100によって充電される。本実施例では、モータジェネレータ駆動システム100の電源をバッテリ7としたが、バッテリ7とは別の蓄電装置、例えば電気二十層コンデンサなどの容量性を持つ装置をモータジェネレータ駆動システム100の電源としても構わない。また、バッテリ7と容量性を持つ装置とによってハイブリッド電源を構成し、これをモータジェネレータ駆動システム100の電源としても構わない。
The AC side of the
尚、符号9はエンジン制御装置を示す。エンジン制御装置10は、エンジン2のコンポネート機器である空気絞り弁,燃料噴射弁,吸排気弁などの駆動を制御すると共に、界磁制御器500にスイッチング指令の信号を出力して界磁制御器500のスイッチング動作を制御し、界磁巻線221に供給される界磁電流を制御する電子回路装置である。
Reference numeral 9 denotes an engine control device. The
符号10は電圧センサを示す。電圧センサ10は、バッテリ7の入出力電圧を検出するための電子機器である。
符号600は磁極位置センサを示す。磁極位置センサ600は、界磁220の磁極位置や界磁220の回転数を検出するための電子機器である。磁極位置センサ600としては、レゾルバ,エンコーダ,ホール素子などの磁気感応素子を用いたもの、誘起電圧などの電気特性から磁極位置を推定するものなどがあるが、いずれを用いても構わない。
次に、図2に用いて、モータジェネレータ駆動システム100の電気的な回路構成について具体的に説明する。
Next, the electrical circuit configuration of the motor
モータジェネレータ200は、鉄心に巻かれたU相,V相,W相の3相の巻線211U,211V,211WがY(スター)結線された電機子巻線211を有する電機子(固定子)210と、磁極鉄心に巻かれた界磁巻線221を有する界磁(回転子)220とを備え、力行時には、三相交流電力の供給を受けて回転磁界を発生する電機子210と界磁220との磁気的作用により界磁220が回転磁界の回転速度に同期して回転し、発電時には、界磁220の界磁磁束が界磁220の回転によって電機子巻線211に鎖交することにより三相交流電力を発生して電機子巻線211から出力する巻線界磁型三相交流同期機である。本実施例では、電機子巻線211を三相巻線により構成したが、二相や六相など、他の多相巻線により構成しても構わない。また、本実施例では、モータジェネレータ200として巻線界磁型三相交流同期機を用いたが、永久磁石界磁式の同期機や誘導電動機など、他の交流回転電機を用いても構わない。さらに、本実施例では、電機子巻線211をY結線により構成したが、Δ(デルタ)結線により構成しても構わない。
The
界磁巻線221には界磁制御器500が電気的に接続されている。界磁制御器500はバッテリ7に電気的に接続され、バッテリ7から供給された界磁電流をスイッチング半導体素子のスイッチング動作により制御して界磁巻線221に供給する制御器であり、力行(始動,アシスト)時及び制動(停止)時には必要トルクが出力されるように、発電時には目標の充電電圧(一定電圧)が電機子巻線211からバッテリ7に供給されるように、エンジン制御装置9から出力されたスイッチング指令信号に基づいて界磁電流を制御する。界磁制御器500と界磁巻線221との間には、界磁制御器500に電気的に接続されたブラシ222、及び界磁巻線221に電気的に接続されたスリップリング223が設けられている。ブラシ222とスリップリング223の両者はお互いに摺動接触している。これにより、回転する界磁巻線221と界磁制御器500との間において界磁電流を授受できる。
A
尚、本実施例では、界磁制御器500に対するスイッチング指令をエンジン制御装置9から出力しているが、そのスイッチング指令を、モータジェネレータ200の回転速度,バッテリ7(インバータ装置300)に入出力される直流電圧,モータジェネレータ200の電機子巻線211に印加さる電圧の通電幅,モータジェネレータ200の電機子巻線211に印加される電圧の電圧位相を含む複数のパラメータのいずれか一つ或いは複数を用いてモータジェネレータ制御装置400により生成し、モータジェネレータ制御装置400から界磁制御器500に対して出力するようにしても構わない。この場合、後述する記憶部420に、複数のパラメータのいずれか一つ或いは複数を引数(参照パラメータ)としたテーブルを設定し、この設定されたテーブルから得られるデータに基づいてスイッチング指令することが好ましい。
In this embodiment, a switching command for the
電機子巻線211はパワーモジュール310の交流側端子に電気的に接続されている。パワーモジュール310は6つのスイッチング半導体素子311U,311V,311W,312U,312V,312Wを備え、電力を直流から交流に、交流から直流に変換する電力変換回路(主回路)を構成している。すなわち各相毎に、上アームを構成するスイッチング半導体素子311U,311V,311W(ソース電極)と、下アームを構成するスイッチング半導体素子312U,312V,312W(ドレイン電極)とを電気的に直列に接続して、アームと呼ばれる直列回路を構成し、さらに三相の直列回路を電気的に並列に接続(三相ブリッジ接続)することにより、電力変換回路は構成されている。本実施例では、スイッチング半導体素子としてMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いている。スイッチング半導体素子としてはIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を用いても構わない。
The armature winding 211 is electrically connected to the AC side terminal of the
尚、本実施例では、電力変換回路を電機子巻線211の相数に合わせて三相ブリッジ回路で構成したが、電機子巻線211が二相の場合には二相ブリッジにより、六相の場合には六相ブリッジにより電力変換回路を構成する。 In this embodiment, the power conversion circuit is configured by a three-phase bridge circuit in accordance with the number of phases of the armature winding 211. However, when the armature winding 211 has two phases, a six-phase is formed by a two-phase bridge. In this case, a power conversion circuit is constituted by a six-phase bridge.
また、各アームに流れる電流が大きい場合には、各アームを、2個以上のスイッチング半導体素子の並列接続から構成して、スイッチング半導体素子に流れる電流を分散し、1個あたりに流れる電流を小さくすればよい。 In addition, when the current flowing through each arm is large, each arm is configured by connecting two or more switching semiconductor elements in parallel to distribute the current flowing through the switching semiconductor elements and to reduce the current flowing through each arm. do it.
MOSFETは、スイッチング半導体素子のドレイン電極とソース電極との間に対して電気的に逆並列にダイオードが接続された構成になっている。このため、各スイッチング半導体素子のドレイン電極とソース電極との間には次の通りダイオードが電気的に逆並列に接続されており、これによって、整流回路が構成されている。 The MOSFET has a configuration in which a diode is electrically connected in antiparallel to the drain electrode and the source electrode of the switching semiconductor element. For this reason, a diode is electrically connected in antiparallel between the drain electrode and the source electrode of each switching semiconductor element, thereby forming a rectifier circuit.
スイッチング半導体素子311U ダイオード313U
スイッチング半導体素子312U ダイオード314U
スイッチング半導体素子311V ダイオード313V
スイッチング半導体素子312V ダイオード314V
スイッチング半導体素子311W ダイオード313W
スイッチング半導体素子312W ダイオード314W
Switching semiconductor
尚、スイッチング半導体素子としてIGBTを用いた場合には、別途、コレクタ電極とエミッタ電極との間にダイオード素子を電気的に逆並列に接続する必要がある。 When an IGBT is used as the switching semiconductor element, it is necessary to separately connect a diode element between the collector electrode and the emitter electrode in antiparallel.
各アームの中点、すなわちU相のアームであれば、スイッチング半導体素子311Uのソース電極とスイッチング半導体素子312Uのドレイン電極との接続点には、電機子巻線211のU相巻線211Uが電気的に接続されている。これと同様に、V相アームの中点には電機子巻線211のV相巻線211Vが電気的に接続されている。W相アームの中点には電機子巻線211のW相巻線211Wが電気的に接続されている。
If it is the middle point of each arm, that is, the U-phase arm, the U-phase winding 211U of the armature winding 211 is electrically connected to the connection point between the source electrode of the switching semiconductor element 311U and the drain electrode of the switching
電力変換回路(ブリッジ回路)の一端側、すなわちスイッチング半導体素子311U,311V,311Wのドレイン電極にはバッテリ7の正極側が電気的に接続されている。電力変換回路(ブリッジ回路)の他端側、すなわちスイッチング半導体素子312U,312V,312Wのソース電極にはバッテリ7の負極側が電気的に接続されている。また、電力変換回路(ブリッジ回路)の両端には電解コンデンサ320が電気的に並列に接続されている。電解コンデンサ320は、バッテリ7から電力変換回路(ブリッジ回路)の両端に印加される直流電圧或いは電力変換回路(ブリッジ回路)の両端からバッテリ7に印加される直流電圧を平滑する。
The positive electrode side of the battery 7 is electrically connected to one end side of the power conversion circuit (bridge circuit), that is, the drain electrodes of the switching
6つのスイッチング半導体素子311U,311V,311W,312U,312V,312Wの各々のゲート電極には、駆動回路330から出力されたゲート駆動信号が供給されている。これにより、6つのスイッチング半導体素子311U,311V,311W,312U,312V,312Wの各々はスイッチング動作する。駆動回路330は、モータジェネレータ制御装置400から出力のスイッチング指令信号に基づいてゲート駆動信号を生成する。
A gate drive signal output from the
モータジェネレータ制御装置400は、エンジン制御装置9から出力されたトルク指令信号及びピストン位置信号,磁極位置センサ600から出力された回転信号,電圧センサ10から出力された電圧信号を含む複数の入力パラメータに対応する信号を、モータジェネレータ200を制御するための入力信号として入力し、駆動回路330に入力されるスイッチング指令を演算し、駆動回路330にその指令に対応する信号を出力する。ピストン位置信号は、エンジン2の気筒内を往復運動するピストンの位置を示す信号である。
The motor
次に、図3を用いて、モータジェネレータ制御装置400の機能的な構成について具体的に説明する。
Next, the functional configuration of the motor
前述のように、モータジェネレータ制御装置400は、モータジェネレータ200に集積化されるので、中央演算処理回路を含む複数の回路が集積された集積回路(IC)により構成され、6つのスイッチング半導体素子311U,311V,311W,312U,312V,312W及び界磁制御器500と共に、同一の実装基板(金属基板)上の所定の領域に実装されている。
As described above, since the motor
モータジェネレータ制御装置400には、前述のように、エンジン制御装置9から出力されたトルク指令信号及びピストン位置信号,磁極位置センサ600から出力された回転信号,電圧センサ10から出力された電圧信号が入力されている。これらの入力パラメータは、モータジェネレータ200の制御に必要なパラメータとして演算部410に入力され、スイッチング指令を生成する演算に用いられる。また、モータジェネレータ制御装置400には、スイッチング指令の生成に必要な第1データを備えた第1テーブル、及び第1データの取り出しに必要な複数の第2データ(第2情報)を各動作モード毎に個別に備えた複数の第2テーブルが設定されている。これらのテーブルは記憶部420に格納されている。記憶部420は、不揮発性の書き込みが可能な半導体メモリにより構成されており、演算部410からの信号に基づいてテーブルの選択、そのテーブルからのデータの読み出しを行う。
As described above, the motor
モータジェネレータ装置400は、入力された回転信号に基づいてモータジェネレータ200の回転数を検出すると共に、この検出された回転数及びトルク指令に基づいてモータジェネレータ200の動作モードを判定する。動作モードを判定すると、モータジェネレータ制御装置400は、判定された動作モードに基づいて、判定された動作モードに対応するモータジェネレータ200の制御に必要な入力パラメータを選択すると共に、判定された動作モードに対応する複数の第2テーブルを選択し、選択された入力パラメータを引数として、選択された複数の第2テーブルから複数の第2データを取得する。複数の第2データを取得すると、モータジェネレータ制御装置400は、複数の第2データに基づいて、第1テーブルから第1データを取得するための複数の取得パラメータを決定すると共に、この決定した複数の取得パラメータを引数として第1テーブルから第1データを取得し、この取得した第1データに基づいて、上下アームのデットタイムを考慮して、6つのスイッチング半導体素子311U,311V,311W,312U,312V,312Wのそれぞれのスイッチング指令を生成し、これに対応する信号を出力する。
スイッチング半導体素子の駆動方式には矩形波駆動方式を用いている。矩形波駆動方式は、電解コンデンサ230を削減できる、或いは電解コンデンサ230として、容量の小さい小型なコンデンサを採用できると共に、モータジェネレータ200の電機子巻線211に入出力される交流電流、及びインバータ装置300に入出力される直流電流を検出するためのセンサを削減できるので、モータジェネレータ駆動システム100の小型化にとって好適である。また、矩形波駆動方式は、演算処理が少なく、簡易的な方法によりスイッチングを制御できるので、モータジェネレータ制御装置400を安価に構成できる。さらに、矩形波駆動方式は、PWM(Pulse Width Modulation)駆動方式に比べてスイッチング回数が少ないので、スイッチングロスを低減できる、さらにまた、矩形波駆動方式は、矩形波の通電幅を任意に制御できるので、モータジェネレータ200の動作モードに合わせて矩形波を設定でき、モータジェネレータ200を最適に制御できる。
A rectangular wave driving method is used as a driving method of the switching semiconductor element. In the rectangular wave driving system, the electrolytic capacitor 230 can be reduced, or a small capacitor having a small capacity can be adopted as the electrolytic capacitor 230, and the alternating current input to and output from the armature winding 211 of the
第1テーブルは、スイッチング半導体素子のスイッチング動作を複数にパターン化したもの、すなわち電圧位相に対応してスイッチング動作のオンオフタイミング(矩形波の立ち上がり及び立ち下がり)が決められた複数のスイッチングパターンのデータ(各相上下アーム分)を設定(テーブル化又はマップ化)したものである。複数のスイッチングパターンは、各相に印加される電圧の基本波振幅が変化するように、矩形波パルスの通電幅(通電期間)を120度乃至180度(電気角)の範囲において変化させ、矩形波パルスの電圧位相の中心を変化させたものから構成されている。 The first table is obtained by patterning the switching operation of the switching semiconductor element into a plurality of patterns, that is, data of a plurality of switching patterns in which the on / off timing of the switching operation (rising and falling of the rectangular wave) is determined in accordance with the voltage phase. (For each phase upper and lower arms) is set (tabled or mapped). The plurality of switching patterns are obtained by changing the energization width (energization period) of the rectangular wave pulse in the range of 120 degrees to 180 degrees (electrical angle) so that the fundamental wave amplitude of the voltage applied to each phase changes. It is composed of a wave pulse whose phase center is changed.
複数の第2テーブルは、スイッチングパターンのデータを取得するにあたって、第1テーブルにおいて参照される複数の第1テーブル参照パラメータを決定するためのデータを、各動作モード毎に対応する入力パラメータを引数として、各動作モード毎に個別に設定(テーブル化又はマップ化)したものである。複数の第2テーブルとしては電圧位相補正量テーブル及びスイッチングパターン選択テーブルがあり、それぞれ、各動作モード毎に設定されている。 When acquiring the switching pattern data, the plurality of second tables use data for determining the plurality of first table reference parameters referred to in the first table as input parameters corresponding to each operation mode. These are individually set (tabled or mapped) for each operation mode. The plurality of second tables include a voltage phase correction amount table and a switching pattern selection table, which are set for each operation mode.
尚、複数の第2テーブルに蓄積されたデータは各動作モードにおける状態量を示す。このことから、本実施例では、複数の第2テーブルをモード状態量テーブルと呼ぶ場合もある。 Note that the data stored in the plurality of second tables indicate the state quantities in each operation mode. Therefore, in the present embodiment, the plurality of second tables may be referred to as mode state quantity tables.
動作モードは動作モード判定部411により判定する。動作モード判定部411は、エンジン制御装置9から出力されたトルク指令信号に基づいてトルク指令を読み取ると共に、磁極位置センサ600から出力された回転信号に基づいてモータジェネレータ200の回転数を検出し、読み取ったトルク指令及び検出した回転数に応じてモータジェネレータ200の動作モードを判定する。判定された動作モードに対応する信号は選択部412に出力される。各動作モードは次の通り判定される。
The operation mode is determined by the operation
始動(再始動)モード トルク指令が正、回転数が第1閾値未満
始動・発電切替モード トルク指令が正、回転数が第1閾値以上第2閾値
(>第1閾値)未満
発電モード トルク指令が負、回転数が第2閾値以上
アシストモード トルク指令が正、回転数が第2閾値以上
停止モード トルク指令が負、回転数が第1閾値未満
Start (restart) mode Torque command is positive, rotation speed is less than first threshold Start / power generation switching mode Torque command is positive, rotation speed is greater than or equal to first threshold Second threshold
(> Less than 1st threshold) Power generation mode Torque command is negative, rotation speed is over 2nd threshold value Assist mode Torque command is positive, rotation speed is over 2nd threshold value Stop mode Torque command is negative, rotation speed is below 1st threshold
尚、本実施例では、エンジン制御装置9からトルク指令信号が出力されることを前提としたが、トルク指令信号が無い場合(モータジェネレータ制御装置400自身が目標トルクを演算する場合)には、動作モード判定部411は、トルク指令信号の代替として、アクセル開度信号(アクセルペダルに設けられたポジションセンサの出力信号又はアクセルペダルの踏み込みに応じて作動するスロットル弁に設けられたポジションセンサの出力信号)及びブレーキオンオフ信号(ブレーキペダルに設けられたポジションセンサの出力信号)を用いて動作モードを判定する。
In this embodiment, it is assumed that a torque command signal is output from the engine control device 9, but when there is no torque command signal (when the motor
動作モードに対応する入力パラメータは選択部412の入力パラメータ選択部414により選択する。入力パラメータ選択部414は、動作モード判定部411から出力された信号に基づいて動作モードを読み取り、この読み取った動作モードに対応する入力パラメータを選択する。選択された入力パラメータに対応する信号はモード状態量テーブルデータ取得部415に出力される。各動作モードと、選択される入力パラメータとの関係は次の通りである。
The input parameter corresponding to the operation mode is selected by the input
始動(再始動)モード エンジン2のピストン位置,モータジェネレータ200 の回転数
始動・発電切替モード バッテリ7に入力される直流電圧,モータジェネレータ 200の回転数
発電モード バッテリ7に入力される直流電圧,モータジェネレータ 200の回転数
アシストモード モータジェネレータ200の目標トルク,モータジェネ レータ200の回転数
停止モード エンジン2のピストン位置,モータジェネレータ200 の回転数
Start (restart)
尚、エンジン2のピストン位置は、エンジン制御装置9から出力されたピストン位置信号に基づいて読み取ったパラメータ、モータジェネレータ200の目標トルクは、エンジン制御装置9から出力されたトルク指令信号に基づいて読み取ったパラメータ、モータジェネレータ200の回転数は、磁極位置センサ600から出力された回転信号に基づいて検出されたパラメータ、バッテリ7に入力される直流電圧は、電圧センサ10から出力された電圧信号に基づいて検出されたパラメータである。
The piston position of the
また、エンジン2のピストン位置の代替として、代わりに、動作モードに対応するモード状態量テーブル(電圧位相補正量テーブル及びスイッチングパターン選択テーブル)は、選択部412のテーブル選択部413により生成された選択指令により選択される。テーブル選択413は、動作モード判定部411から出力された信号に基づいて動作モードを読み取り、この読み取った動作モードに対応するモード状態量テーブル(電圧位相補正量テーブル及びスイッチングパターン選択テーブルのそれぞれ)を選択するための選択指令を生成する。生成された選択指令に対応する信号はモード状態量テーブルデータ取得部415に出力される。
As an alternative to the piston position of the
モード状態量テーブル(電圧位相補正量テーブル及びスイッチングパターン選択テーブルのそれぞれ)に蓄積されたデータはモード状態量テーブルデータ取得部415により取得する。モード状態量テーブルデータ取得部415はまず、テーブル選択部413から出力された信号に基づいて選択指令を読み取り、この読み取った選択指令に基づいて、判定された動作モードに対応するモード状態量テーブル(電圧位相補正量テーブル421及びスイッチングパターン選択テーブル422のそれぞれ)を記憶部420から選択して読み出す。次に、モード状態量テーブルデータ取得部415は、入力パラメータ選択部414から出力された信号に基づいて、判定された動作モードに対応する入力パラメータを読み取り、この読み取った入力パラメータを引数(参照パラメータ)として、選択されたモード状態量テーブル(電圧位相補正量テーブル421及びスイッチングパターン選択テーブル422のそれぞれ)から、判定された動作モードに対応する電圧位相補正量及びスイッチングパターンを示すコード番号を取得する。
Data accumulated in the mode state quantity table (each of the voltage phase correction amount table and the switching pattern selection table) is acquired by the mode state quantity table
尚、スイッチングパターンを示すコード番号は、矩形波の通電幅に応じて割り当てられており、例えば矩形波の通電幅を180度(電気角)とする場合には「1」、120度とする場合には「2」、というように設定されている。 The code number indicating the switching pattern is assigned according to the energizing width of the rectangular wave. For example, when the energizing width of the rectangular wave is 180 degrees (electrical angle), “1” is set to 120 degrees. Is set to “2”.
電圧位相補正量テーブル421から取得された電圧位相補正量は、スイッチングパターンテーブル423からのデータの取得に必要な第1参照パラメータを生成するためのパラメータ生成データの一つとして用いられる。電圧位相補正量に対応する信号は電圧位相補正部416に出力される。スイッチングパターン選択テーブル422から取得されたスイッチングパターンコード番号は、スイッチングパターンテーブル423からのデータの取得に必要な第2参照パラメータとして用いられる。スイッチングパターンコード番号に対応する信号はスイッチングパターンテーブルデータ取得部417に出力される。
The voltage phase correction amount acquired from the voltage phase correction amount table 421 is used as one of parameter generation data for generating a first reference parameter necessary for acquiring data from the switching pattern table 423. A signal corresponding to the voltage phase correction amount is output to the voltage
スイッチングパターンテーブル423からのデータの取得に必要な第1参照パラメータは電圧位相の補正値であり、電圧位相補正部416により演算する。電圧位相補正部416は、磁極位置センサ600から出力された回転信号に基づいて電圧位相(基準となる磁極の位置を示す角度(電気角)情報)を検出すると共に、モード状態量テーブルデータ取得部415から出力された信号に基づいて電圧位相補正量(角度(電気角)情報)を読み取り、検出された電圧位相と読み取った電圧位相補正量とを加算し、この加算によって得られた補正電圧位相を第1参照パラメータとする。得られた補正電圧位相に対応する信号はスイッチングパターンテーブルデータ取得部417に出力される。
The first reference parameter necessary for obtaining data from the switching pattern table 423 is a voltage phase correction value, which is calculated by the voltage
スイッチングパターンテーブル423に蓄積されたスイッチングパターンデータはスイッチングパターンテーブルデータ取得部417により取得する。スイッチングパターンテーブルデータ取得部417は、電圧位相補正部416から出力された信号及びモード状態量テーブルデータ取得部415から出力された信号に基づいて補正電圧位相(第1参照パラメータ)及びスイッチングパターンコード番号(第2参照パラメータ)を読み取ると共に、記憶部420からスイッチングパターンテーブル423を読み出し、読み取った補正電圧位相(第1参照パラメータ)及びスイッチングパターンコード番号を引数として、読み出したスイッチングパターンテーブル423から、判定された動作モードに対応するスイッチングパターンデータを取得する。この取得したスイッチングパターンデータに対応する信号はスイッチング指令生成部418に出力される。
The switching pattern data accumulated in the switching pattern table 423 is acquired by the switching pattern table
駆動回路330に出力されるスイッチング指令(ゲート駆動指令)はスイッチング指令生成部418により生成される。スイッチング指令生成部418は、スイッチングパターンテーブルデータ取得部417から出力された信号に基づいてスイッチングパターンデータを読み取り、この読み取ったスイッチングパターンデータに基づいて、デッドタイム補償を考慮して、すなわち同相の上下アームが同時にオンオフしないように(例えば上アームがターンオフする場合にはターンオフ時間以上の時間をおいて下アームがターンオンするように)、各相の上下アーム(6つのスイッチング半導体素子311U,311V,311W,312U,312V,312Wのそれぞれ)のスイッチング指令を生成する。この生成されたスイッチング指令に対応する信号(矩形波状のパルス信号)は駆動回路330に出力される。
A switching command (gate drive command) output to the
尚、スイッチング指令生成部418における演算処理は第1テーブルの設定内容によって異なる。第1テーブルの設定内容としては、全ての相の上下アームについてのスイッチングパターンを記憶する場合、特定の1相の上下アームについてのスイッチングパターンを記憶する場合の二通りが考えられる。前者の場合、スイッチング指令生成部418では、スイッチング指令のための演算,各相の上下アーム間におけるデッドタイム補償のための演算が行われる。後者の場合、スイッチング指令生成部418では、スイッチング指令のための演算,各相の上下アーム間におけるデッドタイム補償のための演算の他に、残りの2相の上下アームについてのスイッチングパターンの生成のための演算が行われる。
Note that the arithmetic processing in the switching
インバータ装置300の制御方式には、前述のように、PWMと呼ばれるスイッチング制御方式や、矩形波状のスイッチングパルスによる矩形波制御方式がある。本実施例では、前述のように、スイッチング損失や直流平滑コンデンサの容量の低減を目的として、矩形波状のスイッチングパルスによる矩形波制御方式を用いている。本実施例の矩形波制御方式では、各相に印加される電圧の基本波振幅が変化するように、矩形波パルスの通電幅(通電期間)を120度乃至180度(電気角)の範囲において変化させ、矩形波パルスの電圧位相の中心を変化させている。そして、本実施例では、電圧位相及び通電幅の最適値を、各動作モード毎に選択できるようにしている。すなわち本実施例では、各動作モード毎に入力パラメータを選択し、この選択された入力パラメータを引数とする2つのテーブル、すなわち電圧位相及び通電幅のそれぞれに関するテーブルから、電圧位相及び通電幅のそれぞれに関するデータを取得し、この取得した電圧位相及び通電幅のそれぞれに関するデータを基に、各動作モードに対応するスイッチング指令を生成するようにしている。このため、本実施例では、制御ロジックが簡単になり、安価な中央演算処理装置によってモータジェンレータ制御装置400を構成できると共に、安価な中央演算処理装置でありながら、各動作モード毎にきめ細やかなインバータ制御を実現でき、モータジェネレータ200の制御性を向上させることができる。
As described above, the control method of the
尚、本実施例では、スイッチング方式として矩形波制御方式を用いたが、場合によってはパルス幅変調制御方式を用いても構わない。 In this embodiment, the rectangular wave control method is used as the switching method. However, a pulse width modulation control method may be used in some cases.
次に、図4を用いて、本実施例のモータジェネレータ制御装置400を用いた、始動・発電切替モードにおける具体的な制御方法について説明する。
Next, a specific control method in the start / power generation switching mode using the motor
図4は、始動・発電切替モード、すなわち始動から発電モードへの移行期間における界磁電流If,バッテリ電流Ib,バッテリ電圧Vbの時間変化の状態について、従来の制御方法(点線)と本実施例の制御方法(実線)との比較を示すと共に、本実施例の制御方法による、各相に印加される電圧の中心位相制御との関係を示す。 FIG. 4 shows a conventional control method (dotted line) and the present embodiment regarding the state of the field current If, the battery current Ib, and the battery voltage Vb over time during the start / power generation switching mode, that is, the transition period from the start to the power generation mode. A comparison with the control method (solid line) is shown, and the relationship with the central phase control of the voltage applied to each phase by the control method of the present embodiment is shown.
界磁電流Ifの制御では、始動時にはできるだけ多く流し、発電時には必要量に絞るという、従来からの制御方法を採用しており、従来の制御方法も本実施例の制御方法も同等の通電パターンになっていることが判る。ここで、始動時に多くの界磁電流Ifを流すと、界磁磁束が大きくなるので、始動時、電機子巻線211に供給される電機子電流(必要なトルクを発生させるための電流)を低減できる。一方、始動から発電に切り替えた直後、界磁巻線221に供給される界磁電流Ifを急激に絞ることができない。すなわち界磁巻線の時定数が大きいため、急激な変化に追従できない。このため、矩形波電圧の位相制御を行わない従来の制御方法では、バッテリ7に流れ込む発電電流(バッテリ電流Ib)を抑制することができず、その結果、バッテリ7に印加される発電電圧(バッテリ電圧Vb)が上昇し、バッテリ7のSOC(蓄電状態)が大きい状態ではバッテリ7の定格電圧を超える恐れがある。 In the control of the field current If, a conventional control method is adopted in which as much current as possible is flown at the start and is reduced to the required amount at the time of power generation. The conventional control method and the control method of this embodiment have the same energization pattern. You can see that Here, if a large amount of field current If is passed at the time of starting, the field magnetic flux becomes large. Therefore, at the time of starting, the armature current supplied to the armature winding 211 (current for generating necessary torque) is Can be reduced. On the other hand, immediately after switching from start to power generation, the field current If supplied to the field winding 221 cannot be rapidly reduced. That is, since the time constant of the field winding is large, it cannot follow a rapid change. For this reason, in the conventional control method that does not perform phase control of the rectangular wave voltage, the generated current (battery current Ib) flowing into the battery 7 cannot be suppressed, and as a result, the generated voltage applied to the battery 7 (battery When the voltage Vb) rises and the SOC (power storage state) of the battery 7 is large, the rated voltage of the battery 7 may be exceeded.
これに対して本実施例の制御方法では、インバータ装置300のパワーモジュール310(スイッチング回路)において生成される矩形波電圧の中心位相を始動時とは逆に遅らせる、すなわち磁極位置センサ600から出力された信号に基づいて検出される磁極位置(電圧位相)を基準とした時の中心位相に対して遅らせるように、スイッチング指令をモータジェネレータ制御装置400において生成する。しかも、本実施例の制御方法では、その遅れ角度を、切替直前の始動モード時における電圧位相の進み角度よりも或いは発電モード時における電圧位相の遅れ角度よりも大きくする。このような制御によれば、バッテリ7に流れ込む発電電流(バッテリ電流Ib)を抑制でき、バッテリ7に印加される電圧(バッテリ電圧Vb)の跳ね上がりを防止できる。すなわち本実施例においては、従来の制御方法で現れていた跳ね上がり時のエネルギー(図4のバッテリ電圧Vbの点線と実線との間の差分(ハッチング部分))がモータジェネレータ200内部の損失(銅損)となり、バッテリ7に発電電流(バッテリ電流Ib)が流れ込まないので、バッテリ7に印加される電圧(バッテリ電圧Vb)の跳ね上がりを防止できる。
On the other hand, in the control method of the present embodiment, the center phase of the rectangular wave voltage generated in the power module 310 (switching circuit) of the
界磁電流Ifが所定の値に絞り込まれ、動作モードが発電モードになると、本実施例では、電圧位相の遅れ角度が、始動・発電切替モード時、すなわちバッテリ7に印加される電圧(バッテリ電圧Vb)の跳ね上がりを防止する時よりも小さくする。 When the field current If is narrowed down to a predetermined value and the operation mode becomes the power generation mode, in this embodiment, the voltage phase delay angle is the voltage applied to the battery 7 (battery voltage) in the start / power generation switching mode. Vb) is smaller than that for preventing jumping up.
始動・発電切替モード時における電圧中心位相制御は、始動・発電切替モードに対応する電圧位相補正量テーブル421を、各相に印加される電圧の中心位相が遅れるように、かつその遅れ位相(角度)の大きさが発電モードの遅れ位相(角度)の大きさよりも大きくなるように設定すればよい。さらに好ましくは、参照パラメータである直流電圧及び回転数が大きい程、遅れる位相(角度)の大きさが大きくなるように設定すればよい。 In the voltage center phase control in the start / power generation switching mode, the voltage phase correction amount table 421 corresponding to the start / power generation switching mode is set so that the center phase of the voltage applied to each phase is delayed and its delay phase (angle ) May be set to be larger than the delay phase (angle) of the power generation mode. More preferably, the delay phase (angle) may be set so as to increase as the direct current voltage and the rotation speed, which are reference parameters, increase.
次に、図5を用いて、本実施例のモータジェネレータ制御装置400を用いた、始動モードにおける具体的な制御方法について説明する。
Next, a specific control method in the start mode using the motor
図5は、始動モードにおけるエンジン始動トルク,エンジン2の各気筒の吸排気状態,スイッチング半導体素子のスイッチングパターンの時間変化の状態と、本実施例の制御方法による、各相に印加される電圧の中心位相制御との関係を示す。
FIG. 5 shows the engine start torque in the start mode, the intake / exhaust state of each cylinder of the
前述のように、始動時に多くの界磁電流Ifを流すと、界磁磁束が大きくなるので、始動時、電機子巻線211に供給される電機子電流(必要なトルクを発生させるための電流)を低減できる。この場合、始動時のエンジン2のトルク脈動をモータジェネレータ200により補償して、回転数脈動を抑制しようとすると、エンジン2のトルク脈動に合わせて界磁電流Ifを増減させる必要がある。ところが、前述のように、界磁巻線の時定数が大きいので、エンジン2のトルク脈動に合わせて界磁電流Ifを速やかに増減(追従)させることは困難である。このため、電機子巻線211に供給される電機子電流をエンジン2のトルク脈動に合わせて制御する必要がある。しかし、従来の制御方法では、インバータ装置300のパワーモジュール310(スイッチング回路)において生成される矩形波電圧の中心位相,デューティー(又は通電幅)を変化させることを考慮していないので、電機子巻線211に供給される電機子電流をエンジン2のトルク脈動に合わせて制御できず、エンジン2のトルク脈動に起因して生じる回転数変動を抑制することができない。
As described above, if a large amount of field current If is passed at the time of starting, the field magnetic flux becomes large. Therefore, at the time of starting, the armature current (current for generating necessary torque) supplied to the armature winding 211 is increased. ) Can be reduced. In this case, if the torque pulsation of the
これに対して本実施例の制御方法では、インバータ装置300のパワーモジュール310(スイッチング回路)において生成される矩形波電圧の中心位相を進ませる、すなわち磁極位置センサ600から出力された信号に基づいて検出される磁極位置(電圧位相)を基準とした時の中心位相に対して進ませるように、スイッチング指令をモータジェネレータ制御装置400において生成する。しかも、本実施例の制御方法では、その進み角度を、エンジン2の始動に必要な始動トルクが大きいところ(始動初期)では最も大きく進ませ、エンジン2の始動に必要な始動トルクが小さいところ(始動後期であり、エンジン2が完爆して自立運転する前)では始動初期よりも小さく進ませる。このような制御によれば、電機子巻線211に供給される電機子電流をエンジン2のトルク脈動に合わせて速やかに増減でき、エンジン2のトルク脈動に起因して生じる回転数変動を抑制することができる。
On the other hand, in the control method of this embodiment, the center phase of the rectangular wave voltage generated in the power module 310 (switching circuit) of the
始動モード時における電圧中心位相制御は、始動モードに対応する電圧位相補正量テーブル421を、各相に印加される電圧の中心位相が進むように設定すればよい。好ましくは、参照パラメータである回転数が大きくなればなる程、進み位相(角度)の大きさを小さくなるように設定すればよい。さらに好ましくは、参照パラメータであるピストン位置が、エンジン2の始動に必要な始動トルクが最も大きいところ(始動初期)の位置にある時には進み位相(角度)の大きさを最も大きくなるように設定し、その後、エンジン2の始動に必要な始動トルクが段々と小さくなる位置にしたがって、進み位相(角度)の大きさを段々と小さくなるように設定すればよい。
In the voltage center phase control in the start mode, the voltage phase correction amount table 421 corresponding to the start mode may be set so that the center phase of the voltage applied to each phase advances. Preferably, the advance phase (angle) may be set to be smaller as the number of rotations as the reference parameter increases. More preferably, when the piston position, which is a reference parameter, is at a position where the starting torque necessary for starting the
尚、本実施例では、4気筒4サイクルのエンジン2を用いて、エンジン2の始動に必要な始動トルクが最も大きいところのピストン位置を、第2気筒が圧縮、第1気筒が吸気、第3気筒が排気、第4気筒が膨張の各状態にあるところ、この次に、エンジン2の始動に必要な始動トルクが大きいところのピストン位置を、第2気筒が膨張、第1気筒が圧縮、第3気筒が吸気、第4気筒が排気の各状態にあるところ、この次に、エンジン2の始動に必要な始動トルクが大きいところのピストン位置を、第2気筒が排気、第1気筒が膨張、第3気筒が圧縮、第4気筒が吸気の各状態にあるところ、エンジン2の始動に必要な始動トルクが最も小さくなるところのピストン位置を、第2気筒が吸気、第1気筒が排気、第3気筒が膨張、第4気筒が圧縮の各状態にあるところとした。すなわち本実施例では、ピストン位置が1周期する間にエンジン2が始動するように(エンジン2が始動し易いように)、予めエンジン2の仕様,動作特性などに基づいてピストン位置を設定している。
In this embodiment, using a four-cylinder four-
また、本実施例では、エンジン2のピストン位置が始動初期位置、すなわち第2気筒が圧縮、第1気筒が吸気、第3気筒が排気、第4気筒が膨張の各状態になった位置でエンジン2が停止するように、停止モードにおいてエンジン2のピストン停止位置を制御している。従って、停止モードに対応する電圧位相補正量テーブル421は、エンジン2のピストン位置が上記始動初期位置になってエンジン2が停止するように設定されている。
Further, in this embodiment, the
さらに、本実施例では、参照パラメータをピストン位置としたが、エンジン2のクランク軸の位置やエンジン2の吸排気状態を参照パラメータとしても構わない。また、参照パラメータとしては、エンジン2のトルク脈動を補償するためのモータジェネレータ200の補償トルクやエンジントルクを用いても構わない。補償トルクはエンジン2の吸排気状態を特定することにより算出できる。エンジン2の吸排気状態は、エンジン2に設けられた気筒位置センサから出力された信号に基づいて検出する、或いは気筒位置推定手段の推定値に基づいて演算することができる。エンジントルクはエンジン制御装置9から直接取得できるし、推定手段によって推定することもできる。
Further, in this embodiment, the reference parameter is the piston position, but the crankshaft position of the
100 モータジェネレータ駆動システム
200 モータジェネレータ
300 インバータ装置
400 モータジェネレータ制御装置
410 演算部
411 動作モード判定部
412 選択部
415 モード状態量テーブルデータ取得部
416 電圧位相補正部
417 スイッチングパターンテーブルデータ取得部
418 スイッチング指令生成部
420 記憶部
421 電圧位相補正量テーブル
422 スイッチングパターン選択テーブル
423 スイッチングパターンテーブル
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記電機子の巻線に電気的に接続され、スイッチング半導体素子によって前記電機子の巻線に入出力される電力を制御して前記回転電機の作動を制御する電力変換装置と、
複数のパラメータを入力して、前記スイッチング半導体素子のスイッチング動作を制御するためのスイッチング指令を生成し、前記スイッチング指令に対応する信号を前記電力変換装置に出力して前記電力変換装置の作動を制御する制御装置と、
前記界磁の磁極位置を検出するための位置検出装置と、を有し、
前記制御装置には、前記スイッチング指令の生成に必要なスイッチングパターン情報を取得するための複数のモード状態量が、前記各動作モード毎に個別に設定されており、
前記制御装置は、前記動作モードを判定し、この判定した動作モードに対応する前記モード状態量を取得し、この取得したモード状態量を基にして前記スイッチングパターン情報を取得し、この取得したスイッチングパターン情報を基にして前記スイッチング指令を生成し、この生成したスイッチング指令に対応する信号を前記電力変換装置に出力し、前記スイッチング動作を制御し、
前記スイッチングパターン情報は予め複数にパターン化されて設定されており、
前記判定された動作モードに対応して取得される前記モード状態量は、前記位置検出装置の出力信号から検出された磁極位置を補正するための補正情報、及び前記パターンを選択するための選択情報であり、
前記制御装置は、前記補正情報によって補正された磁極位置、及び選択情報を基にして、前記スイッチングパターン情報を取得し、
前記動作モードが、前記回転電機を電動機として動作させる力行モードから、前記回転電機を発電機として動作させる発電モードに切り替える力行発電切替モードである時、前記制御装置は、前記電機子の巻線に印加される電圧の位相が進み角から遅れ角に切り替わるように、前記スイッチング動作を制御し、前記切り替わった遅れ角の大きさが、前記力行モードから前記発電モードに切り替わる直前の前記進み角の大きさよりも大きくなるように、前記スイッチング動作を制御する、
ことを特徴とする回転電機装置。 A rotating electric machine having an armature and a field, the operation of which is controlled for each of a plurality of operation modes;
A power conversion device that is electrically connected to the winding of the armature and controls the operation of the rotating electrical machine by controlling the power input to and output from the winding of the armature by a switching semiconductor element;
A plurality of parameters are input to generate a switching command for controlling the switching operation of the switching semiconductor element, and a signal corresponding to the switching command is output to the power conversion device to control the operation of the power conversion device. A control device,
A position detection device for detecting the magnetic pole position of the field ,
In the control device, a plurality of mode state quantities for acquiring the switching pattern information necessary for generating the switching command are individually set for each of the operation modes,
The control device determines the operation mode, acquires the mode state amount corresponding to the determined operation mode, acquires the switching pattern information based on the acquired mode state amount, and acquires the switching Generating the switching command based on pattern information, outputting a signal corresponding to the generated switching command to the power converter, and controlling the switching operation ;
The switching pattern information is previously set in a plurality of patterns,
The mode state quantity acquired corresponding to the determined operation mode includes correction information for correcting the magnetic pole position detected from the output signal of the position detection device, and selection information for selecting the pattern. And
The control device acquires the switching pattern information based on the magnetic pole position corrected by the correction information and the selection information,
When the operation mode is a power running power generation switching mode for switching from a power running mode in which the rotating electrical machine is operated as an electric motor to a power generation mode in which the rotating electrical machine is operated as a generator, the control device applies a winding to the armature. The switching operation is controlled such that the phase of the applied voltage is switched from a lead angle to a delay angle, and the magnitude of the switched delay angle is the magnitude of the advance angle immediately before switching from the power running mode to the power generation mode. Controlling the switching operation to be larger than
A rotating electrical machine apparatus characterized by that.
前記回転電機は、前記界磁極に界磁巻線が装着され、前記界磁巻線に供給される界磁電流が界磁用スイッチング半導体素子のスイッチング動作によって制御される巻線界磁型のものである、
ことを特徴とする回転電機装置。 The rotating electrical machine apparatus according to claim 1 ,
The rotating electric machine is of a wound field type in which a field winding is mounted on the field pole, and a field current supplied to the field winding is controlled by a switching operation of a field switching semiconductor element. Is,
A rotating electrical machine apparatus characterized by that.
前記回転電機は、車両の駆動源として車両に搭載された内燃機関に機械的に接続されており、
前記力行モードは、前記回転電機によって前記内燃機関を始動する始動モードである、ことを特徴とする回転電機装置。 The rotating electrical machine apparatus according to claim 1 ,
The rotating electrical machine is mechanically connected to an internal combustion engine mounted on the vehicle as a vehicle drive source,
The rotating electrical machine apparatus, wherein the power running mode is a start mode in which the internal combustion engine is started by the rotating electrical machine.
前記始動モードである時、前記制御装置は、前記入力パラメータの一つとして、前記内燃機関のピストン位置を入力する、
ことを特徴とする回転電機装置。 In the rotating electrical machine apparatus according to claim 3 ,
When in the start mode, the control device inputs a piston position of the internal combustion engine as one of the input parameters.
A rotating electrical machine apparatus characterized by that.
前記回転電機は、車両の駆動源として車両に搭載された内燃機関に機械的に接続されており、
前記判定された動作モードが、前記回転電機を電動機として動作させて前記内燃機関を始動する始動モードである時、前記制御装置は、前記電機子巻線の電圧位相が進み角になるように、前記スイッチング動作を制御する、
ことを特徴とする回転電機装置。 In the rotating electrical machine apparatus according to claim 1 or 2 ,
The rotating electrical machine is mechanically connected to an internal combustion engine mounted on the vehicle as a vehicle drive source,
When the determined operation mode is a start mode in which the rotating electrical machine is operated as an electric motor and the internal combustion engine is started, the control device is configured so that the voltage phase of the armature winding becomes a lead angle. Controlling the switching operation;
A rotating electrical machine apparatus characterized by that.
前記始動モードである時、前記制御装置は、前記回転電機から前記内燃機関に供給される始動トルクが小さくなるにしたがって前記進み角が小さくなるように、前記スイッチング動作を制御する、
ことを特徴とする回転電機装置。 In the rotating electrical machine apparatus according to claim 5 ,
When in the start mode, the control device controls the switching operation so that the advance angle decreases as the start torque supplied from the rotating electrical machine to the internal combustion engine decreases.
A rotating electrical machine apparatus characterized by that.
前記始動モードである時、前記制御装置は、前記入力パラメータの一つとして、前記内燃機関のピストン位置を入力する、
ことを特徴とする回転電機装置。 In the rotating electrical machine apparatus according to claim 6 ,
When in the start mode, the control device inputs a piston position of the internal combustion engine as one of the input parameters.
A rotating electrical machine apparatus characterized by that.
前記判定された動作モードが、前記回転電機を発電機として動作させる発電モードである時、前記制御装置は、前記電機子巻線の電圧位相が遅れ角になるように、前記スイッチング動作を制御する、
ことを特徴とする回転電機装置。 In the rotating electrical machine apparatus according to claim 1 or 2 ,
When the determined operation mode is a power generation mode in which the rotating electric machine is operated as a generator, the control device controls the switching operation so that the voltage phase of the armature winding becomes a delay angle. ,
A rotating electrical machine apparatus characterized by that.
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