JP5221261B2

JP5221261B2 - 回転電機制御システム

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Publication number: JP5221261B2
Application number: JP2008243648A
Authority: JP
Inventors: 武志伊藤; 寛文加古
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
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Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2028-09-24
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Description

本発明は、回転電機制御システムに係り、特に、正弦波電流制御モードと過変調電流制御モードと矩形波電圧位相制御モードとの間で制御を切り替える回転電機制御システムに関する。

回転電機をインバータによって駆動する場合に、その制御方法として、正弦波電流制御モードと過変調電流制御モードと矩形波電圧位相制御モードとを使い分けることが行われている。すなわち、回転電機の高出力化と小型化とを両立させるためには、１パルススイッチングを用いる矩形波電圧位相制御モードが必要であり、低速領域で優れた特性を有する正弦波電流制御モードと、中速領域で用いられる過変調電流制御モードとの間のモード切替を行いながら、最適に回転電機を制御している。

ここで、正弦波電流制御モードと過変調電流制御モードとは、電流フィードバック制御であり、電圧指令と搬送波（キャリア）とを比較することでパルス幅変調（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）パターンを回転電機に出力する制御である。一方、矩形波電圧位相制御モードは、電気角に応じて１パルススイッチング波形を回転電機に出力する制御であり、電圧振幅は最大値に固定され、位相を制御することでトルクをフィードバック制御している。

正弦波電流制御モードから過変調電流制御モード、過変調電流制御モードから矩形波電圧位相制御モードの３つのモードの間の切替は、変調率、あるいは変調率に相当する電圧指令振幅によって行われるが、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの切替は、矩形波電圧位相制御モードにおいて電圧指令振幅が一定であるので、電流指令に対する実電流の位相によって切替のタイミングを判定することで行われる。

例えば、特許文献１には、交流電動機の駆動制御装置として、電圧振幅が基準三角波のピーク値の１．００倍を超えたらＰＷＭ電流制御モードから過変調制御モードに切り替え、電圧振幅が基準三角波のピーク値の１．２７倍を超えたら矩形波電圧位相制御モードに切り替え、一方実電流位相の絶対値が電流指令位相の絶対値未満となったら矩形波電圧位相制御モードから過変調制御モードに切り替えることが述べられている。

そして、ｄ軸電流及びｑ軸電流には周期的なノイズや高調波が含まれるので測定電流にローパスフィルタ処理を行うが、このフィルタ処理のため、矩形波電圧位相制御モードから過変調制御モードへの切り替えが遅れることがあり、電流位相のハンチング等を引き起こし、制御が不安的になることを指摘している。そこで、ここでは、誘起電圧等を加味した必要電圧振幅Ｖ_Rと基準三角波のピーク値とを比較し、さらにチャタリングを起こさないようなオフセット値を設けることで、矩形波電圧位相制御モードから過変調制御モードへの切り替えの遅れが生じないようにすることが開示されている。

特許文献２には、モータ駆動システムとして、入力側である直流電源側で受入れ可能な電力を超えて交流モータが発電することにより過剰電力が発生する場合に、過大な回生電力によりモータ駆動システム内部に過電圧が発生することがあり、必要に応じ、交流モータでの電力消費を増大させて入力側への回生電力を抑制する構成が求められると述べられている。そして、ＰＷＭ制御方式の場合、電流振幅について電流位相と出力トルクとの関係で最高効率動作点を結ぶ最適効率特性線を求め、この最適効率特性線から電流位相をずらした電流動作点の集合として損失増加特性線を得て、この上で動作させることが開示されている。また、矩形波電圧制御方式では、モータ印加電圧の操作量が位相のみとなり、電流位相は調整不能な固定値となるので、トルクについてモータ必要電圧（モータ線間電圧）と電流位相との関係において、電流動作点を進角側に設定してモータ必要電圧を低下させ、ＰＷＭ制御方式に従ったモータ電流制御を行い、トルク制御性を確保した上でモータ駆動効率を低下させることが開示されている。

特許文献３には、トルク指令値や回転数等が急変する過渡変化時においても安定的に制御可能な電動機制御装置として、バッテリ電圧と等価な値をＡとして、交流電動機の各相の電圧指令値の絶対値がＡ／２を超えるまではＰＷＭ波形電圧による制御を行い、電圧指令値の絶対値がＡ／２以上、インバータで生成可能な最大電圧値である（Ａ／２）×４／π以下のときは矩形波電圧による制御を行い、最大電圧値を超えるときはトルク指令値を引き下げることが開示されている。

特開２００８−１１６８２号公報特開２００７−１５１３３６号公報特開２０００−３５８３９３号公報

上記のように、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの切替は、電流指令に対する実電流の電流位相によって切替のタイミングを判定することで行われる。このときに、切替判定は、電流指令を基準として、ｄｑ平面上における進角側で行うこととすると、モード切替の際に制御がチャタリングを起こし、電流乱れが生じる。そこで、切替判定は、電流指令を基準としてｄｑ平面上で遅角側において行われる。

また、矩形波には高調波成分が含まれているため、瞬時電流で切替判定を行うとチャタリングが発生し、デッドタイム等による電圧段差の影響で電流乱れが生じることが知られている。そこで瞬時電流ではなく任意に定めた所定の時定数でフィルタ処理を施したなまし電流を用いて切替判定が行われる。

したがって、トルク指令の降下や回転数の低下が速く起こる過渡的な場合に、瞬時電流となまし電流との間の電流位相の差が大きくなることが生じ得る。つまり、瞬時電流によればモード切替をすべきタイミングであるのに、なまし電流によればまだ矩形波電圧位相制御モード領域であると判断されることがある。このようにモード切替が遅れると、ｄ軸の瞬時電流が作動領域を超えてトルク抜けの発生が生じえる。

例えば、回転電機が突極を有する形式の場合の作動領域はｄ軸電流が正であり、突極を有しない非突極形式の場合の作動領域はｄ軸電流が負である。この作動領域を外れると、トルクがゼロとなることが生じえる。したがって、非突極形式の回転電機において、矩形波電圧位相制御モードでｄ軸電流が負の大きい値から小さい値に向かって変化するとき、モード切替判定点を行き過ぎてｄ軸電流が正の領域まで達することがあると、トルク抜けが生じることになる。

本発明の目的は、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの切替の際に、ｄ軸電流が作動領域を外れることを抑制できる回転電機制御システムを提供することである。

本発明に係る第１の回転電機制御システムは、正弦波電流制御モードと過変調電流制御モードと矩形波電圧位相制御モードとの間で制御を切り替える回転電機制御システムであって、実電流に対し高調波成分のフィルタ処理を行ったなまし電流の電流位相であって、直交するｄ軸とｑ軸とで構成されるｄｑ平面上で回転電機についてのｄ軸電流及びｑ軸電流間の電流位相を用いて、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの矩形波過変調制御モード切替を行う定常的切替手段と、実電流の電流位相を用いて矩形波過変調制御モード切替を行う過渡的切替手段と、を備え、定常的切替手段は、電流指令の電流位相を基準として予め定めた定常的切替位相差を有する定常的切替ラインに基き、なまし電流の電流位相が定常的切替ラインを超えたときに矩形波過変調制御モード切替を実行するが、過渡的切替手段は、ｄｑ平面上で回転電機についての電流指令のｄ軸電流と同じ極性で予め定めた切替ｄ軸電流値を有する過渡的切替基準線に基き、実電流のｄ軸電流値が過渡的切替基準線を超えたときに、なまし電流の電流位相が定常的切替ラインを超えるか否かに関わらず、矩形波過変調制御モード切替を行うと判定し、矩形波過変調制御モード切替を実行することを特徴とする。

また、本発明に係る第２の回転電機制御システムは、正弦波電流制御モードと過変調電流制御モードと矩形波電圧位相制御モードとの間で制御を切り替える回転電機制御システムであって、実電流に対し高調波成分のフィルタ処理を行ったなまし電流の電流位相であって、直交するｄ軸とｑ軸とで構成されるｄｑ平面上で回転電機についてのｄ軸電流及びｑ軸電流間の電流位相を用いて、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの矩形波過変調制御モード切替を行う定常的切替手段と、実電流の電流位相を用いて矩形波過変調制御モード切替を行う過渡的切替手段と、を備え、定常的切替手段は、電流指令の電流位相を基準として予め定めた定常的切替電流位相差を有する定常的切替ラインに基き、なまし電流の電流位相が定常的切替ラインを超えたときに矩形波過変調制御モード切替を実行するが、過渡的切替手段は、ｄｑ平面上で回転電機についての電流指令の電流位相を基準として定常的切替電流位相差よりも大きな電流位相差であってｑ軸よりも手前の電流位相差を有する過渡的切替曲線に基き、実電流の電流位相が過渡的切替曲線を超えたときに、なまし電流の電流位相が定常的切替ラインを超えるか否かに関わらず、矩形波過変調制御モード切替を行うと判定し、矩形波過変調制御モード切替を実行することを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、定常的切替手段は、通常の制御周期の下で制御モード切替を実行し、過渡的切替手段は、通常の制御周期よりも短い制御周期の下で制御モード切替を実行することが好ましい。また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、過渡的切替手段によって制御モードの切替が行われるときに、矩形波電圧位相制御モードにおけるトルクフィードバックを一時的に停止し、ｄ軸電圧及びｑ軸電圧間の電圧位相を固定する電圧位相固定手段を備えることが好ましい。

本発明に係る第１の回転電機制御システムにより、電流指令の電流位相を基準として予め定めた定常的切替位相差を有する定常的切替ラインに基き、なまし電流の電流位相が定常的切替ラインを超えたときにフィルタ処理を行ったなまし電流の電流位相を用いて矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの制御モード切替を行うが、ｄｑ平面上で回転電機についての電流指令のｄ軸電流と同じ極性で予め定めた切替ｄ軸電流値を有する過渡的切替基準線に基き、実電流のｄ軸電流値が過渡的切替基準線を超えたときに、なまし電流の電流位相が定常的切替ラインを超えるか否かに関わらず、実電流の電流位相を用いて制御モード切替を行う。これにより、トルク指令の降下や回転数の低下が速く起こる過渡的な場合に実電流で制御モード切替を行うことができ、切替点を行過ぎてｄ軸電流の作動領域を外れてしまうことを抑制することができる。また、ｄｑ平面上で、なまし電流のための制御モード切替用の定常的切替ラインと別に、実電流のための制御モード切替用に、電流指令のｄ軸電流と同じ極性で予め定めた切替ｄ軸電流値を有する過渡的切替基準線を設けて、実電流がこの過渡的切替基準線を超えると矩形波過変調制御モード切替を実行する。このように実電流と切替ｄ軸電流値とを比較するので、切替点である切替ｄ軸電流値を行過ぎてｄ軸電流の作動領域を外れてしまうことを抑制することができる。また、本発明に係る第２の回転電機制御システムにより、ｄｑ平面上で、なまし電流のための制御モード切替用の定常的切替ラインと別に、実電流のための制御モード切替用に、電流指令の電流位相を基準としてなまし電流のための制御モード切替用の電流位相差よりも大きな電流位相差であってｑ軸よりも手前の電流位相差を有する過渡的切替曲線を設ける。そして、実電流がこの切替曲線を超えると矩形波過変調制御モード切替を実行する。このように実電流と切替ｄ軸電流値とを比較するので、切替曲線を行過ぎてｄ軸電流の作動領域を外れてしまうことを抑制することができる。

また、回転電機制御システムにおいて、定常的切替手段は、通常の制御周期の下で制御モード切替を実行し、過渡的切替手段は、通常の制御周期よりも短い制御周期の下で制御モード切替を実行する。このように、トルク指令の降下や回転数の低下が速く起こる過渡的な場合に短い制御周期を用いるので、切替点を行過ぎてｄ軸電流の作動領域を外れてしまうことを抑制することができる。

また、回転電機制御システムにおいて、過渡的切替手段によって制御モードの切替が行われるときに、矩形波電圧位相制御モードにおけるトルクフィードバックを一時的に停止し、ｄ軸電圧及びｑ軸電圧間の電圧位相を固定する。これにより、トルクフィードバックを続けることで電圧位相が進みすぎることを防止できる。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機制御システムが用いられるものとして回転電機が搭載される車両を説明するが、これは例示であって、正弦波電流制御モードと過変調電流制御モードと矩形波電圧位相制御モードとの間で制御を切り替える回転電機制御システムを用いるものであればよい。また、この車両には、車両には、回転電機として、１台でモータ機能と発電機機能とを有するモータ・ジェネレータを２台用いるものとして説明するが、これは例示であって、モータ機能のみを有する回転電機を１台、発電機機能のみを有する回転電機を１台用いるものとしてもよい。また、モータ・ジェネレータを１台用いるものとしてもよく、３台以上用いるものとしてもよい。

また、以下では、回転電機を、その回転子あるいは固定子が突極を有しない非突極形式として、その作動領域が負のｄ軸電流のところにあるものを説明するが、突極を有する形式の回転電機であってもよい。突極を有する形式の回転電機の場合の作動領域はｄ軸電流が正であるので、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードに切り替わる領域はｄ軸電流が正の領域となる。したがって、非突極形式の回転電機についての説明におけるｄ軸電流の符号を反転させることで、突極形式の回転電機の説明とすることができる。例えば、切替ｄ軸電流値が非突極形式の回転電機の場合、負のｄ軸電流値であるが、突極形式の回転電機の場合には、正のｄ軸電流値となる。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、車両に搭載される回転電機についての回転電機制御システム１０についてその構成を示す図である。車両は、エンジン１２と、蓄電装置１４とを動力源とし、第１の回転電機（ＭＧ１）１８と第２の回転電機（ＭＧ２）２０とを備え、さらに、蓄電装置１４と２つの回転電機１８，２０との間に接続されて設けられるコンバータ・インバータである電源回路１６と、エンジン１２と第１の回転電機１８と第２の回転電機２０との間の動力分配を行うための動力分配機構２２と、動力分配機構２２と第２の回転電機２０との間に設けられる変速機２４と、変速機２４から駆動力を受け取る車輪あるいはタイヤ２６と、これらの要素の作動を全体として制御する制御部３０を備えて構成される。

回転電機制御システム１０は、これらの構成要素のうち、主に、２つの回転電機１８，２０と、電源回路１６と、制御部３０を含む部分に相当する。これら以外の構成要素は、いわゆるハイブリッド車両等によく用いられる要素であるので、詳細な説明を省略する。

第１の回転電機（ＭＧ１）１８と第２の回転電機（ＭＧ２）２０は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって、蓄電装置１４から電力が供給されるときはモータとして機能し、エンジン１２による駆動時、あるいは車両の制動時には発電機として機能する３相同期型回転電機である。

ここで、第１の回転電機（ＭＧ１）１８は、エンジン１２によって駆動されて発電機として用いられ、発電された電力を電源回路１６のコンバータ・インバータを介して蓄電装置１４に供給するものとして用いられる。また、第２の回転電機（ＭＧ２）２０は、車両走行のために用いられ、力行時には蓄電装置１４から直流電力の供給を受けて電源回路１６のコンバータ・インバータを介して変換された交流電力によってモータとして機能して車両のタイヤ２６を駆動し、制動時には発電機として機能して回生エネルギを回収し、電源回路１６のコンバータ・インバータを介して蓄電装置１４に供給するものとできる。

電源回路１６は、上記のように、蓄電装置１４と２つの回転電機１８，２０との間に配置される回路であって、コンバータ、インバータの他、平滑コンデンサ等を含んで構成される。

電源回路１６に含まれるコンバータは、蓄電装置１４とインバータの間に配置され、電圧変換機能を有する回路である。コンバータとしては、リアクトルと制御部３０の制御の下で作動するスイッチング素子等を含んで構成することができる。電圧変換機能としては、蓄電装置側の電圧をリアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して昇圧しインバータ側に供給する昇圧機能と、インバータ側からの電力を蓄電装置側に降圧して充電電力として供給する降圧機能とを有する。昇圧機能に着目するときは、コンバータを昇圧回路と呼ぶことができる。

電源回路１６に含まれるインバータは、交流電力と直流電力との間の電力変換を行う回路である。インバータは、制御部３０の制御の下で作動する複数のスイッチング素子を含んで構成される。上記のように、第１の回転電機（ＭＧ１）１８と第２の回転電機（ＭＧ２）２０は、用途も動作点条件も異なるので、インバータは、その内部で２つのインバータ回路で構成されている。２つのインバータ回路のうち１つは第１の回転電機（ＭＧ１）１８の作動用のインバータ回路であり、もう１つは第２の回転電機（ＭＧ２）２０の作動用のインバータ回路である。

上記のように、第１の回転電機（ＭＧ１）１８を発電機として機能させるときは、その作動用インバータ回路は、第１の回転電機（ＭＧ１）１８からの交流３相回生電力を直流電力に変換し、蓄電装置側に充電電流として供給する交直変換機能を有する。また、第２の回転電機（ＭＧ２）２０の作動用インバータ回路は、車両が力行のとき、蓄電装置側からの直流電力を交流３相駆動電力に変換し、第２の回転電機（ＭＧ２）２０に駆動電力として供給する直交変換機能と、車両が制動のとき、逆に第２の回転電機（ＭＧ２）２０からの交流３相回生電力を直流電力に変換し、蓄電装置側に充電電流として供給する交直変換機能とを有する。

制御部３０は、上記の各要素の作動を全体として制御する機能を有する。例えば、エンジン１２の作動を制御する機能、２つの回転電機１８，２０の作動を制御する機能、電源回路１６の作動を制御する機能、動力分配機構２２の作動を制御する機能、変速機２４の作動を制御する機能等を有する。

かかる制御部３０は、車両の搭載に適した制御装置、例えば車載用コンピュータによって構成することができる。制御部３０を１つのコンピュータで構成することもできるが、必要な処理速度が各構成要素によって異なること等を考慮し、複数のコンピュータにこれらの機能を分担させることもできる。例えば、エンジン１２の作動を制御する機能をエンジン電気制御ユニット（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ：ＥＣＵ）に分担させ、２つの回転電機１８，２０の作動を制御する機能をＭＧ−ＥＣＵに分担させ、電源回路１６の作動を制御する機能をＰＣＵ（ＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）に分担させ、全体を統合ＥＣＵで制御する等の構成とすることもできる。

図１において、制御部３０は、これらの機能のうち、特に回転電機制御機能として、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの切替の際に、ｄ軸電流が作動領域を外れることを抑制するための機能を有する部分が示されている。すなわち、制御部３０は、２つの回転電機１８，２０の制御について、正弦波電流制御モードを実行する正弦波電流制御モジュール３２、過変調電流制御モードを実行する過変調電流制御モジュール３４、矩形波電圧位相制御モードを実行する矩形波電圧位相制御モジュール３６を含んで構成される。

また、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの切替の際に、ｄ軸電流が作動領域を外れることを抑制するために、定常的切替モジュール４０、過渡的切替モジュール４２を含んで構成される。

ここで、定常的切替モジュール４０は、定常的運転状態において、実電流に対し高調波成分のフィルタ処理を行ったなまし電流の電流位相を用いて、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの制御モード切替を行う機能を有する。また、過渡的切替モジュール４２は、トルク指令の降下や回転数の低下が速く起こる過渡的な運転状態の場合に、ｄ軸電流が作動領域を外れないように、なまし電流の電流位相ではなく、実電流の電流位相を用いて矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの制御モード切替を行う機能を有する。

これらの機能は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、回転電機制御プログラムの中の制御モード切替パートを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアによって実現するものとしてもよい。

上記構成の作用、特に制御部３０の各機能について以下に詳細に説明する。なお、２つの回転電機１８，２０の制御は特に区別がないので、以下では、第２の回転電機２０に代表させて、その制御モードの切替等について説明する。

最初に、正弦波電流制御モード、過変調電流制御モード、矩形波電圧位相制御モードについて説明する。

正弦波電流制御モードと過変調電流制御モードとは、電流フィードバック制御であり、電圧指令と搬送波（キャリア）とを比較することでパルス幅変調（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）パターンを回転電機２０に出力する制御である。一方、矩形波電圧位相制御モードは、電気角に応じて１パルススイッチング波形を回転電機２０に出力する制御であり、電圧振幅は最大値に固定され、位相を制御することでトルクをフィードバック制御している。上記のように、これら３つの制御モードは、それぞれ、正弦波電流制御モジュール３２、過変調電流制御モジュール３４、矩形波電圧位相制御モジュール３６によって実行される。

正弦波電流制御モード、過変調電流制御モード、矩形波電圧位相制御モードの３つのモードの間の切替は、変調率、あるいは変調率に相当する電圧指令振幅によって行われる。変調率とは、インバータの出力電圧に対する信号振幅の比である。正弦波と三角波の比較によるＰＷＭ方式の場合は、変調率が｛（３）^1/2｝／２｛（２）^1/2｝＝０．６１であり、矩形波を信号振幅とするときの変調率が｛（６）^1/2｝／π＝０．７８である。

このように、回転電機２０を高出力にするには、変調率を大きくできる矩形波電圧位相制御の方が適している。一方で、正弦波電流制御モード、過変調電流制御モードにおいては、ＰＷＭ技術によって形成される擬似正弦波を用いるので、矩形波電圧位相制御モードに比べ、応答を速くすることができる。これらのことから、低速領域では、正弦波電流制御モード、中速領域では過変調電流制御モード、高速領域で矩形波電圧位相制御モードを用いることが好ましい。

図２は、回転電機の動作点に応じて制御モードが選択される様子を説明する図である。この図は、回転電機２０の回転数を横軸に、トルクを縦軸にとり、その最大トルク特性線５０を示し、さらに、最大トルク特性線５０で示される作動領域においてどの制御モードが用いられるかを示す図である。この図に示されるように、低速側に正弦波電流制御モード作動領域５２が、高速側に矩形波電圧位相制御モード作動領域５６が、その中間に過変調電流制御モード作動領域５４がそれぞれ設定されている。

図３から図５は、それぞれ、正弦波電流制御モード、過変調電流制御モード、矩形波電圧位相制御モードについて、相電流波形と相間電圧波形の様子を示す図である。これらの図の横軸は時間、縦軸は電流または電圧である。図３に示されるように、正弦波電流制御モードでは、相間電圧波形がパルス幅変調された細かいパルスの集合であり、相電流波形はＰＷＭ技術によって形成された擬似正弦波となる。過変調電流制御モードでもＰＷＭ技術を用いるが、相間電圧が過変調となるため、正弦波電流制御モードと異なる様子となる。矩形波電圧位相制御モードでは、相間電圧が電圧位相制御を受けた矩形波波形となる。

次に、これら３つの制御モードの切替について説明する。図２で示されたように、回転数とトルクで与えられる回転電機２０の動作点の状態に応じて、制御モードの切替が行われる。速度とトルクを次第に上げて行くにつれて、正弦波電流制御モードから過変調電流制御モード、過変調電流制御モードから矩形波電圧位相制御モードへと制御モードを切り替える。その場合に、以下のように変調率によって、制御モードの切替を行うものとできる。すなわち、変調率が０．６１以下のときに正弦波電流制御モード、変調率が０．６１から０．７８の間は過変調電流制御モード、変調率が０．７８となれば矩形波電圧位相制御モードを用いるように制御モードを切り替える。

これと逆方向に制御モードを切り替えるときも変調率を用いることができるが、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの切替は、矩形波電圧位相制御モードにおいて電圧指令振幅が一定であるので、電流指令に対する実電流の位相によって切替のタイミングを判定することで行われる。

図６は、電流指令に対する実電流の位相によって制御モード切替のタイミングを判定するための切替ラインを説明するための図である。ここで、実電流の位相としては、実電流そのものの電流位相と、実電流の高周波成分の影響を抑制するようにフィルタ技術を用いてなまし処理を行ったなまし電流の電流位相が用いられる。そして、回転電機２０の定常的な運転状態における制御モードの切替判定には、なまし電流の電流位相が用いられ、トルク指令の降下や回転数の低下が速く起こる過渡的な運転状態の場合には、実電流そのものの電流位相が用いられる。以下に、回転電機２０のベクトル制御を含めて、その内容を説明する。

図６では、回転電機２０のベクトル制御に用いられるｄ軸とｑ軸によって規定されるｄｑ平面が示される。回転界磁型の３相同期型電動機に用いられるベクトル制御では、回転子の磁極が形成する磁束の方向がｄ軸にとられ、ｄ軸に直交する軸がｑ軸に取られる。ｄｑ平面は、このｄ軸とｑ軸とを直交する座標軸として構成される平面である。

ここで、回転電機２０のｄ軸インダクタンスをＬ_d、ｑ軸インダクタンスをＬ_q、巻線抵抗をＲ、電気角速度をω、逆起電力定数をψ、ｄ軸電流をＩ_d、ｑ軸電流をＩ_q、ｄ軸電圧をＶ_d、ｑ軸電圧をＶ_qとすると、回転電機の理論式は以下のように示すことができる。

すなわち、ｄ軸電圧Ｖ_dは、Ｖ_d＝Ｒ×Ｉ_d−ω×Ｌ_q×Ｉ_qで与えられる。また、ｑ軸電圧Ｖ_qは、Ｖ_q＝Ｒ×Ｉ_q＋ω×Ｌ_d×Ｉ_d＋ωψで与えられる。また、回転電機２０の極数をｐとして、トルクτは、τ＝ｐψＩ_q＋ｐ（Ｌ_d−Ｌ_q）Ｉ_dＩ_qで与えられる。

ｄ軸電流とｑ軸電流とで規定される電流ベクトルの絶対値Ｉ_aをＩ_a＝（Ｉ_d ²＋Ｉ_q ²）^1/2とし、電流位相βをβ＝ｔａｎ^-1（Ｉ_q／Ｉ_d）とすると、トルクτの式が電流位相βで表すことができる。すなわち、トルクτ＝ｐψＩ_aｓｉｎβ＋（１／２）×ｐ（Ｌ_d−Ｌ_q）Ｉ_a ²×ｓｉｎ２βで与えられる。この式は、電流位相βでトルクτが制御できることを示している。すなわち、電流位相とは、電流におけるｄ軸電流成分とｑ軸電流成分との間の位相を示すものである。

このようにして、電流位相βを制御することで回転電機２０のトルクを制御できる。なお、最大トルクを与える電流位相βは、上記トルクτの式を電流位相βで微分してその値をゼロとおいた式に基いて求めることができる。すなわち、β＝ｃｏｓ^-1〔［−ψ＋｛ψ²−８（Ｌ_d−Ｌ_q）²｝^1/2］／４（Ｌ_d−Ｌ_q）Ｉ_a〕で最大トルクのときの電流位相βが求められる。このように計算で求められる関係式に、必要な場合に適当な補正を加えて、回転電機２０を最大効率で運転できる特性線を求めることができる。

図６には、このようにして求められる最大効率特性線６２が示される。この最大効率特性線６２上で電流指令を実行すれば、回転電機２０を最大効率で運転することができる。したがって、この最大効率特性線６２上で実行される電流指令を、単に電流指令と呼ぶことにする。

この最大効率特性線６２は、最大トルクのときの電流位相βを満たすｄ軸電流とｑ軸電流の電流組を結んで得られる特性線であるが、これらのｄ軸電流、ｑ軸電流に対応するｄ軸電圧、ｑ軸電圧の電圧組を結んで得られる特性線が図６において電圧指令特性線６６として示されている。

図６で示される最大電圧円６０は、回転電機２０に供給される最大電圧を示す線であり、矩形波電圧位相制御モードでは、その電圧振幅が一定のときは、この最大電圧円６０の上で、電圧位相を制御することで出力されるトルクの大きさを制御することができる。したがって、この最大電圧円６０の内部の電圧指令特性線６６は、正弦波電流制御モードおよび過変調電流制御モードにおける最大効率運転のときの電圧指令のｄ軸電圧とｑ軸電圧の電圧組を示すものである。

このようにして、ｄｑ平面を用いることで、正弦波電流制御モードおよび過変調電流制御モードにおける最大効率運転のときの電流指令が実行される最大効率特性線６２、これに対応する電圧指令が実行される電圧指令特性線６６が示される。また、矩形波電圧位相制御モードにおける電圧指令は、最大電圧円６０上で実行されることが示される。

最大効率特性線６２上で実行される電流指令は、電流位相に従って実行されることになる。また、最大電圧円６０上で実行される電圧指令は、電圧位相に従って実行されることになる。このように回転電機２０の運転においては、特に制御モードの切替においては、電流位相、電圧位相を監視しながら実行される。その際に、実電流に含まれる高周波成分によって、制御モード切替でチャタリング等が生じることを防ぐために、瞬時電流に基くのではなく、瞬時電流に対し任意に定めた所定の時定数でフィルタ処理を施したなまし電流を用いて制御モードの切替判定等が行われる。

図６において示される切替ライン６４は、ｄｑ平面上で、最大効率特性線６２よりも遅角側に予め設定された位相差を有する特性線である。切替ライン６４は、このラインを越えるときに、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードに切り替えるものとする判断基準としての機能を有する。切替ライン６４を最大効率特性線６２よりも遅角側とする理由は、制御モードの切替を進角側で行うこととすると、モード切替の際に制御がチャタリングを起こし、電流乱れが生じることが知られているからである。

この切替ライン６４を用いる切替判定は、上記のように、回転電機２０が定常的運転状態にあるときであって、なまし電流に基いて電流位相等を見て行われる。なお、この切替ライン６４は、以下で述べる実電流用の切替ライン等と区別する観点からは、定常的切替ラインと呼ぶことができる。

ところで、上記のように回転電機２０のトルクτは、τ＝ｐψＩ_q＋ｐ（Ｌ_d−Ｌ_q）Ｉ_dＩ_qで与えられる。ここで、Ｌ_d，Ｌ_qは回転電機２０の構造が設定されると定まるもので、いずれも正の値を有する。そして、いま、Ｉ_qを正として正トルクを考えると、回転電機２０の回転子あるいは固定子が突極を有する突極形式の場合は、（Ｌ_d−Ｌ_q）が正で、Ｉ_dは正のところが作動領域となるが、非突極形式の場合は、（Ｌ_d−Ｌ_q）が負であるので、Ｉ_dは負のところが作動領域となる。いまの場合、回転電機２０は非突極形式であるので、ｄ軸電流は負のところが作動領域で、図６はその状態が示されている。

したがって、瞬時電流となまし電流との間の電流位相の差が大きくなると、切替ライン６４においてなまし電流を用いて制御モードを切り替えると、実電流である瞬時電流がｄ軸を越えて負となることが生じ得る。つまり、瞬時電流によればモード切替をすべきタイミングであるのに、なまし電流によればまだ矩形波電圧位相制御モード領域であると判断されることがある。このようにモード切替が遅れると、上記のトルクτの式で、（Ｌ_d−Ｌ_q）が負、Ｉ_dは正となって、トルクが急に減少し、いわゆるトルク抜けとなることが生じえる。

そこで、図６では、瞬時電流用の切替判断ラインとして、過渡的切替基準線７０が設けられる。過渡的切替基準線７０は、ｄｑ平面上で回転電機２０についての電流指令のｄ軸電流と同じ極性で予め定めた切替ｄ軸電流値を有する直線である。図６に示されるように、過渡的切替基準線７０は、切替ライン６４よりは遅角側であって、ｑ軸よりは手前のところにｑ軸に平行に設けられる。瞬時電流である実電流のｄ軸電流値が、この過渡的切替基準線７０を超えたときに制御モード切替が実行される。

図７には、瞬時電流用の切替判断ラインのもう１つの例として、過渡的切替曲線７２が示されている。過渡的切替曲線７２は、ｄｑ平面上で回転電機２０についての電流指令の電流位相を基準として定常的切替電流位相差よりも大きな電流位相差であってｑ軸よりも手前の電流位相差を有する曲線である。つまり、過渡的切替曲線７２は、切替ライン６４とｑ軸との間に設けられる曲線であって、切替ライン６４に対し一定の電流位相を遅角側に設定した曲線である。瞬時電流である実電流のｄ軸電流値が、この過渡的切替曲線７２を超えたときに制御モード切替が実行される。

このように、定常的切替ラインである切替ライン６４とｑ軸との間に設けられる過渡的切替基準線７０あるいは過渡的切替曲線７２は、トルク指令の降下や回転数の低下が速く起こる過渡的な運転状態の場合に実電流を用いて制御モードの切替に用いられるものであるので、これらを定常的切替ラインである切替ライン６４と区別するときは、過渡的切替ラインと呼ぶことができる。

図８は、過渡的切替ラインの例としての過渡的切替基準線７０の作用を模式的に説明する図である。例えば、矩形波電圧位相制御モードでトルクを低下させるときは、電圧位相をｄｑ平面上で遅角側に変化させる。そして過変調電流制御モードに遷移させるタイミングを測るため、なまし電流を用いて、切替ライン６４を超えるかどうかを監視する。図８では、なまし電流による電流位相軌跡８０が実線で示されている。なまし電流は実電流の高周波成分を所定の時定数でなまし処理が行われたものであるので、実電流との位相差があり、その大きさが検出誤差範囲８４として図８に示されている。したがって、なまし電流の電流位相軌跡８０が切替ライン６４に達したことを検出したときに、実電流の電流位相軌跡８２はさらに遅角側に、つまりｄ軸の正側に行過ぎた点８８に達していることが生じる。

上記の例では、なまし電流の電流位相軌跡８０が切替ライン６４に達したときに実電流の電流位相軌跡８２が達する点８８は、ｄ軸の負の領域にまだ収まっている。図８に示すもう１つのなまし電流の電流位相軌跡８１の場合には、なまし電流の電流位相軌跡８１が切替ライン６４に達したときに実電流の電流位相軌跡８３がほとんどｑ軸に迫っており、場合によってはｑ軸を越えて、ｄ軸電流が正の領域に入る恐れが生じる。

回転電機２０は非突極形式であるので、上記のようにｄ軸電流が負であるところが作動領域であり、ｄ軸電流が正となると、トルクが急に減少し、トルク抜けとなる。そこで、過渡的切替基準線７０がｑ軸の手前に設けられ、実電流の電流位相がこの過渡的切替基準線７０を越えるか否かが監視される。実電流の電流位相がこの過渡的切替基準線７０を越えることが検出されると、なまし電流の電流位相が切替ライン６４を超えることを検出するか否かに関わらず、制御モードを矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードに切り替える。これによって、実電流の電流位相がｄ軸の正側に越えることを防止し、不測のトルク抜けを防止できる。

このように、過渡的切替基準線７０を用いることで実電流の電流位相がｄ軸の正側に越えることを防止することができる。図７で説明した過渡的切替曲線７２と比較すると、過渡的切替基準線７０は、切替ｄ軸電流値が予め設定された一定値であるために判断処理等の演算処理負荷が軽く、また、矩形波電圧位相制御モードの適用範囲を広く取れる。これに対し、図７の過渡的切替曲線７２は、切替電流値を曲線で規定することができるので、実電流のｄ軸電流の極性が変わることの防止特性を向上させることができる利点を有する。また、特に電流が大きい領域において、電流指令と実電流との偏差を小さくできるので、制御の安定性を向上させることもできる。

図９は、上記の切替制御の手順を説明するフローチャートである。各手順は、回転電機制御プログラムの各処理手順にそれぞれ対応する。図９では、回転電機２０の作動制御として、メイン周期制御の部分と矩形波制御の部分とが示されている。メイン周期制御の部分とは、正弦波電流制御モード、過変調電流制御モード、矩形波電圧位相制御モード等の回転電機制御モードに共通する電流指令等を算出する部分で、比較的ゆっくりした演算周期のメイン周期で演算が実行される。これに対し、矩形波制御の部分は、矩形波電圧位相制御モードにおける時々刻々の作動を制御するために、メイン周期に比べかなり高速の演算周期で演算が実行される。

メイン周期制御においては、車両のアクセル等の手段によって要求されるトルクからトルク指令入力処理（Ｓ１０）、そのトルク指令に応じたシステム電圧を設定するシステム電圧入力処理（Ｓ１２）が行われる。システム電圧は、インバータの正極母線と負極母線との間の電圧で、この電圧に基いて回転電機２０の最大電圧円が定められる。次に回転電機２０の回転数が演算され（Ｓ１４）、電流指令が演算される（Ｓ１６）。その後、矩形波制御の部分から制御モード切替判定を受け取り（Ｓ１８）、制御モードが切り替えられる（Ｓ２０）。このときの切替はメイン周期制御の下で行われることになる。

矩形波制御においては、回転電機２０に設けられるレゾルバ等を用いて回転電機２０の運転状態における電気角サンプリングが行われ（Ｓ３０）、回転電機２０のＵＶＷの各相電流の値を検出する電流サンプリングが行われる（Ｓ３２）。ここでサンプリング去れた電流値は、瞬時電流、つまり実電流である。そして、ＵＶＷの各相電流がｄ軸電流とｑ軸電流とに変換される（Ｓ３４）。ここで変換されたｄ軸電流も実電流である。そして、サンプリングによって検出された実電流が変換されたｄ軸電流と、過渡的切替ラインで規定される切替判断電流であるＩ_drefとが比較される。Ｉ_drefは、過渡的切替基準線７０を用いるときには、その切替ｄ軸電流値であり、過渡的切替曲線７２を用いるときは、過渡的切替曲線上における切替ｄ軸電流値に相当する。

Ｓ３６において、ｄ軸電流Ｉ_dが切替判断電流であるＩ_dref未満であるか否かが判断され、判断が肯定されるときには、つまり、実電流が過渡的切替ラインに達していないときには、ｄ軸電流とｑ軸電流のなまし処理が行われる（Ｓ３８）。そして、このなまし電流に基いて矩形波制御時の定常的な運転状態におけるトルク推定演算が行われる（Ｓ４０）。そして推定されたトルクとＳ１０において入力されたトルク指令との間の偏差が求められ、その偏差をゼロにするようにトルクフィードバック演算がなされ（Ｓ４２）、それに基いて電圧位相指令の出力処理が行われる（Ｓ４４）。電流位相は、この出力された電圧位相に対応するものとなる。

Ｓ３６において判断が否定されるときは、実電流が過渡的切替ラインに達し、あるいはこれを越えてｄ軸の正側に向かっていることになるので、制御モードの切替判定が過渡的切替ラインを用いて行われる（Ｓ４６）。つまり、Ｓ３６において判断が否定されるときは過渡的運転状態とされて、制御モードを矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードに制御モードを切り替えるための切替判定が直ちに行われる。

この機能は、図１の制御部３０の過渡的切替モジュール４２の機能によって実行される。また、上記の矩形波制御の部分の各処理手順は、制御部３０の矩形波電圧位相制御モジュール３６の機能によって実行される。なお、制御モード切替判定が行われたことは、メイン周期制御に伝送される（上記Ｓ１８参照）。メイン周期制御の部分における制御モードの切替判定等は、制御部３０の定常的切替モジュール４０の機能によって実行される。

このように、過渡的運転状態において制御モードの切替判定は、メイン周期制御に用いられる通常の制御周期よりも短い制御周期の下で演算処理が実行される矩形波制御の部分で行われる。そして、その高速演算処理周期の下で実行された制御モード切替判定の結果をメイン周期制御の部分が受け取って、比較的ゆっくりしたコンピュータのシリアルデータ処理の制御周期の下で、定常的運転状態における制御モードの切替判定の結果に関わらず、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの制御モード切替が実行されることになる。

図９において、Ｓ４６で制御モードを矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードに切り替えるための切替判定が行われると、その際に、Ｓ４２で説明したトルクフィードバック演算が一時的に停止される。これにより、一時的に電圧位相が固定されるので、トルクフィードバックを続けることで電圧位相が進みすぎることを防止できる。トルクフィードバック演算の一時的停止は、Ｓ４６の制御モード切替判定処理が実行されている間、継続される。

図１０と図１１は、上記構成の作用効果を従来技術と比較して説明する図である。これらの図は、図６、図７で説明したｄｑ平面上で、実際の実電圧位相軌跡と、実電流位相軌跡を示す図である。ここで、図１０が、過渡的切替基準線７０を用い、実電流の電流位相と比較して制御モード切替を行った場合の様子を示し、図１１が従来技術によって、切替ライン６４を用い、なまし電流の電流位相と比較して制御モードの切替を行った場合を示す。

図１０に示されるように、過渡的切替基準線７０を用い、実電流の電流位相と比較して制御モード切替を行った場合には、制御モード切替の前後で、実電圧位相軌跡９０が比較的滑らかに変化している。また、実電流位相軌跡９２についても、切替ライン６４を越えた後の実電流位相軌跡９４が比較的安定した挙動を示し、ｄ軸電流の極性が反転して正となる期間が最小限に抑制されている。

これに対し、従来技術のように、なまし電流の電流位相と切替ライン６４との比較で制御モードの切替を行う場合は、実電圧位相軌跡９１において、制御モード切替の直後でかなりの乱れが生じる。また、実電流位相軌跡９３においても、切替ライン６４を越えた後の実電流位相軌跡９５がかなり乱れ、ｄ軸電流の極性が反転して正となる期間がかなり長くなることが示されている。

このように、過渡的運転状態において、過渡的切替ラインを用いて、実電流の電流位相がこれを越えるときに矩形波電圧位相制御モードから過変調電流位相制御モードに切り替えるものとすることで、ｄ軸電流が作動領域を外れることを抑制し、トルク抜けを抑制できる。

本発明に係る実施の形態における回転電機制御システムの構成を示す図である。回転電機の動作点に応じて制御モードが選択される様子を説明する図である。正弦波電流制御モードについて、相電流波形と相間電圧波形の様子を示す図である。過変調電流制御モードについて、相電流波形と相間電圧波形の様子を示す図である。矩形波電圧位相制御モードについて、相電流波形と相間電圧波形の様子を示す図である。本発明に係る実施の形態における過渡的切替基準線の様子を説明する図である。本発明に係る実施の形態における過渡的切替曲線の様子を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、過渡的切替ラインの例としての過渡的切替基準線の作用を模式的に説明する図である。本発明に係る実施の形態において、切替制御の手順を説明するフローチャートである。本発明に係る実施の形態において、過渡的切替基準線を用い、実電流の電流位相と比較して制御モード切替を行った場合の実電流位相軌跡等の様子を示す図である。従来技術によって、切替ラインを用い、なまし電流の電流位相と比較して制御モードの切替を行った場合の電流位相軌跡等の様子を示す図である。

符号の説明

１０回転電機制御システム、１２エンジン、１４蓄電装置、１６電源回路、１８，２０回転電機、２２動力分配機構、２４変速機、２６タイヤ、３０制御部、３２正弦波電流制御モジュール、３４過変調電流制御モジュール、３６矩形波電圧位相制御モジュール、４０定常的切替モジュール、４２過渡的切替モジュール、５０最大トルク特性線、５２正弦波電流制御モード作動領域、５４過変調電流制御モード作動領域、５６矩形波電圧位相制御モード作動領域、６０最大電圧円、６２最大効率特性線、６４切替ライン、６６電圧指令特性線、７０過渡的切替基準線、７２過渡的切替曲線、８０，８１なまし電流位相軌跡、８２，８３実電流位相軌跡、８４検出誤差範囲、８８点、９０，９１実電圧位相軌跡、９２，９３，９４，９５実電流位相軌跡。

Claims

正弦波電流制御モードと過変調電流制御モードと矩形波電圧位相制御モードとの間で制御を切り替える回転電機制御システムであって、
実電流に対し高調波成分のフィルタ処理を行ったなまし電流の電流位相であって、直交するｄ軸とｑ軸とで構成されるｄｑ平面上で回転電機についてのｄ軸電流及びｑ軸電流間の電流位相を用いて、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの矩形波過変調制御モード切替を行う定常的切替手段と、
実電流の電流位相を用いて矩形波過変調制御モード切替を行う過渡的切替手段と、
を備え、
定常的切替手段は、電流指令の電流位相を基準として予め定めた定常的切替位相差を有する定常的切替ラインに基き、なまし電流の電流位相が定常的切替ラインを超えたときに矩形波過変調制御モード切替を実行するが、
過渡的切替手段は、ｄｑ平面上で回転電機についての電流指令のｄ軸電流と同じ極性で予め定めた切替ｄ軸電流値を有する過渡的切替基準線に基き、実電流のｄ軸電流値が過渡的切替基準線を超えたときに、なまし電流の電流位相が定常的切替ラインを超えるか否かに関わらず、矩形波過変調制御モード切替を行うと判定し、矩形波過変調制御モード切替を実行することを特徴とする回転電機制御システム。
正弦波電流制御モードと過変調電流制御モードと矩形波電圧位相制御モードとの間で制御を切り替える回転電機制御システムであって、
実電流に対し高調波成分のフィルタ処理を行ったなまし電流の電流位相であって、直交するｄ軸とｑ軸とで構成されるｄｑ平面上で回転電機についてのｄ軸電流及びｑ軸電流間の電流位相を用いて、矩形波電圧位相制御モードから過変調電流制御モードへの矩形波過変調制御モード切替を行う定常的切替手段と、
実電流の電流位相を用いて矩形波過変調制御モード切替を行う過渡的切替手段と、
を備え、
定常的切替手段は、電流指令の電流位相を基準として予め定めた定常的切替電流位相差を有する定常的切替ラインに基き、なまし電流の電流位相が定常的切替ラインを超えたときに矩形波過変調制御モード切替を実行するが、
過渡的切替手段は、ｄｑ平面上で回転電機についての電流指令の電流位相を基準として定常的切替電流位相差よりも大きな電流位相差であってｑ軸よりも手前の電流位相差を有する過渡的切替曲線に基き、実電流の電流位相が過渡的切替曲線を超えたときに、なまし電流の電流位相が定常的切替ラインを超えるか否かに関わらず、矩形波過変調制御モード切替を行うと判定し、矩形波過変調制御モード切替を実行することを特徴とする回転電機制御システム。
請求項１または請求項２に記載の回転電機制御システムにおいて、
定常的切替手段は、通常の制御周期の下で制御モード切替を実行し、
過渡的切替手段は、通常の制御周期よりも短い制御周期の下で制御モード切替を実行することを特徴とする回転電機制御システム。
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機制御システムにおいて、
過渡的切替手段によって制御モードの切替が行われるときに、矩形波電圧位相制御モードにおけるトルクフィードバックを一時的に停止し、ｄ軸電圧及びｑ軸電圧間の電圧位相を固定する電圧位相固定手段を備えることを特徴とする回転電機制御システム。