JP5286596B2

JP5286596B2 - 負荷駆動システムの制御装置

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Publication number: JP5286596B2
Application number: JP2009133287A
Authority: JP
Inventors: 一近藤; 智明中川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-06-02
Also published as: JP2010283932A

Description

本発明は、直流電源の出力電圧をコンバータが指令値に昇圧又は降圧して負荷に印加する負荷駆動システムの制御装置に関する。

図１８は、直流電源の出力電圧を昇圧して負荷に印加するシステムの構成図である。図１８に示すシステムでは、直流電源１と負荷２の間に昇圧コンバータ（以下、単に「コンバータ」という）３が設けられている。コンバータ３は、直流電源１の出力電圧Ｖ１を昇圧する。制御装置４は、コンバータ３を構成する２つのトランジスタＳｗＨ，ＳｗＬが互いに逆論理で動作するようコンバータ３を制御する。したがって、コンバータ３に含まれるリアクトルＬを流れる電流（リアクトル電流）ＩＬはリプルする。

国際公開第２００４／１１４５１１号パンフレット

上記システムにおけるコンバータ３の動作時、リアクトルＬ及びトランジスタＳｗＨ，ＳｗＬでは損失が発生する。図１９は、二次電力に応じたコンバータ３の損失特性の一例を示すグラフである。図１９に示すように、コンバータ３での損失は、二次電力（負荷電流Ｉｏ×二次電圧Ｖ２）の絶対値に応じて増加する。また、当該損失は、コンバータ３の昇圧率が高いほど大きい。さらに、図１９のグラフに示されているように、コンバータ３での損失は、その出力先が無負荷であっても発生する。したがって、無負荷であればコンバータ３の動作を休止することによって損失を低減できる。

無負荷であれば、コンバータ３の動作を休止しても二次電圧Ｖ２は理論上変化しない。しかし、負荷２が電動機の場合など、完全な無負荷状態を実現することが困難な場合には、微小な負荷が発生する。図２０は、わずかに電力を消費し続ける負荷状態（極小負荷状態）でコンバータ３の動作を休止したときの（ａ）負荷電流Ｉｏ、（ｂ）リアクトル電流ＩＬ及び（ｃ）二次電圧Ｖ２の変化を示すグラフである。図２０に示すように、負荷２がわずかに電力を消費している状態でコンバータ３の動作を休止すると、トランジスタＳｗＨ，ＳｗＬのスイッチング制御が行われず、リアクトル電流ＩＬは０となるため、コンバータ３での損失はなくなる。しかし、負荷２での電力消費のため、二次電圧Ｖ２は徐々に直流電源１の出力電圧（一次電圧）Ｖ１まで低下する。

また、負荷２がわずかに発電を行っている状態でコンバータ３の動作を休止しても、二次電圧Ｖ２は休止前の電圧に維持されない。図２１は、わずかに発電し続ける負荷状態でコンバータ３の動作を休止したときの（ａ）負荷電流Ｉｏ、（ｂ）リアクトル電流ＩＬ及び（ｃ）〜（ｄ）二次電圧Ｖ２の変化を示すグラフである。なお、図２１（ｃ）は、トランジスタＳｗＨがオン状態かつトランジスタＳｗＬがオフ状態でコンバータ３の動作が休止された場合の二次電圧Ｖ２の変化を示す。また、図２１（ｄ）は、トランジスタＳｗＨ，ＳｗＬが共にオフ状態でコンバータ３の動作が休止された場合の二次電圧Ｖ２の変化を示す。

トランジスタＳｗＨがオン状態かつトランジスタＳｗＬがオフ状態でコンバータ３の動作が休止されると、直流電源１と負荷２は直結された状態になる。したがって、図２１（ｃ）に示すように、二次電圧Ｖ２は、直流電源１の出力電圧（一次電圧）Ｖ１まで低下する。一方、トランジスタＳｗＨ，ＳｗＬが共にオフ状態でコンバータ３の動作が休止されると、直流電源１と負荷２はダイオードを介して接続された状態になる。このとき、負荷２で生じた電力がキャパシタＣに蓄電され続けるため、二次電圧Ｖ２は動作休止時の電圧Ｖ０より上昇する。

このように、極小負荷状態にコンバータ３の動作を休止すると、二次電圧Ｖ２が下降又は上昇して負荷２の最適効率運転点から離れてしまう。このため、コンバータ３の動作を休止することは好ましくない。しかし、損失低減の点では、コンバータ３の動作を休止した方が望ましい。

本発明の目的は、極小負荷状態でコンバータの動作を休止しても当該コンバータの出力電圧を保持可能な負荷駆動システムの制御装置を提供することである。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の負荷駆動システムの制御装置は、直流電源（例えば、実施の形態での蓄電池１０１）の出力電圧をコンバータ（例えば、実施の形態でのコンバータ１０５）が指令値に昇圧又は降圧して負荷（例えば、実施の形態でのインバータ１０７及び電動機１０３）に印加する負荷駆動システムの制御装置であって、外部からの指令に基づいて前記負荷の駆動を制御する負荷駆動制御部（例えば、実施の形態でのインバータ制御部１００Ｉ）と、前記コンバータをスイッチング制御するスイッチング制御部（例えば、実施の形態でのＰＷＭ制御部１５５）と、負荷電力を導出する負荷電力導出部（例えば、実施の形態での負荷電力演算部１５７，２５７，３５７，４５７）と、前記負荷電力の絶対値が所定値未満のとき、前記コンバータのスイッチング動作を休止するよう前記スイッチング制御部に指示するスイッチング動作制御部（例えば、実施の形態での動作休止判断部１５９）と、前記負荷電力の絶対値が所定値未満のとき、前記指令値と前記コンバータの出力電圧の偏差の絶対値が減少するよう、前記負荷駆動制御部に対して行われた前記指令を補正する指令補正部（例えば、実施の形態での補正トルク演算部１６１）と、を備えたことを特徴としている。

さらに、請求項２に記載の発明の負荷駆動システムの制御装置では、前記コンバータは、互いに逆論理でスイッチングされる直列接続された２つのスイッチング素子（例えば、実施の形態でのトランジスタＳｗＨ，ＳｗＬ）と、各スイッチング素子に並列接続された２つのダイオードと、前記２つのスイッチング素子の接続点に接続されたリアクトル（例えば、実施の形態でのリアクトルＬ）と、を有し、前記負荷電力の絶対値が所定値未満のとき、前記スイッチング動作制御部は、前記２つのスイッチング素子の両方をオフ状態にして前記コンバータのスイッチング動作を休止するよう前記スイッチング制御部に指示することを特徴としている。

さらに、請求項３に記載の発明の負荷駆動システムの制御装置では、単位時間当たりの前記指令値の変化量が所定値未満のとき、前記スイッチング動作制御部は、前記コンバータのスイッチング動作を休止するよう前記スイッチング制御部に指示し、前記指令補正部は、前記指令値と前記コンバータの出力電圧の偏差の絶対値が減少するよう、前記負荷駆動制御部に対して行われた前記指令を補正することを特徴としている。

さらに、請求項４に記載の発明の負荷駆動システムの制御装置では、前記直流電源が蓄電池であり、前記蓄電池の残容量が所定値以上のとき、前記スイッチング動作制御部は、前記コンバータのスイッチング動作を休止するよう前記スイッチング制御部に指示し、前記指令補正部は、前記指令値と前記コンバータの出力電圧の偏差の絶対値が減少するよう、前記負荷駆動制御部に対して行われた前記指令を補正することを特徴としている。

さらに、請求項５に記載の発明の負荷駆動システムの制御装置では、前記コンバータ及び前記負荷に並列接続されたキャパシタ（例えば、実施の形態でのキャパシタＣ）を備え、前記負荷は、電動機（例えば、実施の形態での電動機１０３）と、前記コンバータの出力電圧を交流電圧に変換して前記電動機に印加するインバータ（例えば、実施の形態でのインバータ１０７）と、を含み、前記指令補正部による前記指令の補正量は、前記電動機の回転数が高いほど、かつ、前記キャパシタの容量が小さいほど小さいことを特徴としている。

さらに、請求項６に記載の発明の負荷駆動システムの制御装置では、前記指令補正部は、前記コンバータの出力電圧が前記指令値を下回った際には前記電動機が回生方向に駆動し、前記コンバータの出力電圧が前記指令値を上回った際には前記電動機が力行方向に駆動するよう前記指令を補正することを特徴としている。

請求項１〜６に記載の発明の負荷駆動システムの制御装置によれば、極小負荷状態でコンバータの動作を休止しても当該コンバータの出力電圧を保持できる。また、極小負荷状態又は無負荷状態であればコンバータを休止できるため、当該コンバータでの損失を低減できる。

第１の実施形態の電動機を駆動するためのシステム構成を示す図第１の実施形態の制御装置１００の内部構成を示すブロック図動作休止判断部１５９の動作を示すフローチャート動作休止判断部１５９が電動機１０３の極小負荷状態を判断する際のヒステリシスを示す図補正トルク演算部１６１の動作を示すフローチャートコンバータ１０５のトランジスタＳｗＨ，ＳｗＬが共にオフ状態とされたときのシステムの等価回路電圧指令Ｖ２ｃの二乗と電圧Ｖ２の二乗の偏差の絶対値が減少するよう出力補正指令値Ｐａｄｊを算出する補正トルク演算部１６１と、出力補正指令値Ｐａｄｊに応じて電圧Ｖ２の二乗値を出力するプラント２０３Ａとから構成されたフィードバック制御系を示す図電圧指令Ｖ２ｃと電圧Ｖ２の偏差の絶対値が減少するよう出力補正指令値Ｐａｄｊを算出する補正トルク演算部１６１と、出力補正指令値Ｐａｄｊに応じて電圧Ｖ２を出力するプラント２０３Ｂとから構成されたフィードバック制御系を示す図第１の実施形態のシステムにおいて、極小負荷状態でコンバータ１０５の動作を休止したときの（ａ）負荷電力Ｐ２、（ｂ）リアクトル電流ＩＬ及び（ｃ）二次電圧Ｖ２の変化を示すグラフ第２の実施形態の電動機を駆動するためのシステム構成を示す図第２の実施形態の制御装置２００の内部構成を示すブロック図第３の実施形態の制御装置３００の内部構成を示すブロック図第４の実施形態の電動機を駆動するためのシステム構成を示す図第４の実施形態の制御装置４００の内部構成を示すブロック図昇降圧コンバータを含むシステム構成を示す図一実施形態のシステムを搭載したＨＥＶの内部構成を示すブロック図アクセルペダル開度と車速又はエンジン回転数と電動機１０３の動作モードとの関係を示すグラフ直流電源の出力電圧を昇圧して負荷に印加するシステムの構成図二次電力に応じたコンバータ３の損失特性の一例を示すグラフわずかに電力を消費し続ける負荷状態でコンバータ３の動作を休止したときの（ａ）負荷電流Ｉｏ、（ｂ）リアクトル電流ＩＬ及び（ｃ）二次電圧Ｖ２の変化を示すグラフわずかに発電し続ける負荷状態でコンバータ３の動作を休止したときの（ａ）負荷電流Ｉｏ、（ｂ）リアクトル電流ＩＬ及び（ｃ）〜（ｄ）二次電圧Ｖ２の変化を示すグラフ

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電動機を駆動するためのシステム構成を示す図である。図１に示すシステムでは、蓄電池１０１と電動機１０３の間に昇圧コンバータ（以下、単に「コンバータ」という）１０５及びインバータ１０７が設けられている。コンバータ１０５は、蓄電池１０１の出力電圧Ｖ１を昇圧する。また、インバータ１０７は、コンバータ１０５の出力電圧Ｖ２を３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）交流に変換する。

当該システムには、蓄電池１０１の出力電圧Ｖ１を検出する電圧センサ１０９と、コンバータ１０５の出力電圧Ｖ２を検出する電圧センサ１１１と、インバータ１０７から出力されるｕ相電流Ｉｕ及びｗ相電流Ｉｗをそれぞれ検出する電流センサ１１３ｕ，１１３ｗと、コンバータ１０５から出力されインバータ１０７に入力される負荷電流Ｉ２を検出する電流センサ１１５とが設けられている。また、電動機１０３の回転子の電気角度を検出するレゾルバ１１７が設けられている。電圧センサ１０９，１１１、電流センサ１１３ｕ，１１３ｗ，１１５及びレゾルバ１１７によって検出された値を示す信号は制御装置１００に送られる。また、コンバータ１０５に対する電圧指令Ｖ２ｃ及びトルク指令値Ｔも、外部から制御装置１００に入力される。

制御装置１００は、コンバータ１０５及びインバータ１０７をそれぞれ制御する。図２は、第１の実施形態の制御装置１００の内部構成を示すブロック図である。図１及び図２に示すように、制御装置１００は、コンバータ１０５の制御部（以下「コンバータ制御部」という）１００Ｃ及びインバータ１０７の制御部（以下「インバータ制御部」という）１００Ｉを含む。コンバータ制御部１００Ｃは、コンバータ１０５を構成するトランジスタのスイッチングをＰＷＭ制御する。図２に示すように、コンバータ制御部１００Ｃは、ＦＦ制御部１５１と、ＦＢ制御部１５３と、ＰＷＭ制御部１５５と、負荷電力演算部１５７と、動作休止判断部１５９と、補正トルク演算部１６１とを有する。コンバータ制御部１００Ｃには、蓄電池１０１の出力電圧Ｖ１の検出値、コンバータ１０５の出力電圧Ｖ２の検出値、コンバータ１０５に対する電圧指令Ｖ２ｃ、及び負荷電流Ｉ２の検出値が入力される。

ＦＦ制御部１５１には、電圧指令Ｖ２ｃ及び蓄電池１０１の出力電圧Ｖ１の検出値が入力される。ＦＦ制御部１５１は、コンバータ１０５が出力電圧Ｖ１から電圧指令Ｖ２ｃが示す値に昇圧するためのデューティ（Duty_FF）を導出する。

ＦＢ制御部１５３には、電圧指令Ｖ２ｃと出力電圧Ｖ２の偏差ΔＶ２（＝Ｖ２ｃ−Ｖ２）を示す値、蓄電池１０１の出力電圧Ｖ１の検出値、及びＦＦ制御部１５１が導出したデューティ（Duty_FF）が入力される。ＦＢ制御部１５３は、偏差ΔＶ２及び蓄電池１０１の出力電圧Ｖ１に基づいて、ＦＦ制御部１５１が導出したデューティ（Duty_FF）を補正するための値（Duty_FB）を導出する。

ＰＷＭ制御部１５５は、ＦＦ制御部１５１が導出したデューティ（Duty_FF）をＦＢ制御部１５３が導出したデューティ（Duty_FB）によって補正したデューティ（Duty）に基づいて、コンバータ１０５を構成するトランジスタのスイッチングをＰＷＭ制御する。但し、ＰＷＭ制御部１５５は、後述する動作休止判断部１５９からの指示に応じて、ＰＷＭ制御を行うか否かを判断する。

負荷電力演算部１５７には、昇圧指令Ｖ２ｃが及び負荷電流Ｉ２の検出値が入力される。負荷電力演算部１５７は、以下に示す式（１）より負荷電力Ｐ２を算出する。なお、この負荷電力Ｐ２は、電動機１０３で消費される電力又は電動機１０３で発生する電力と、直流から交流又は交流から直流に変換するインバータ１０７で消費される電力との和である。
Ｐ２＝Ｖ２ｃ×Ｉ２ …（１）
なお、負荷電力演算部１５７には昇圧指令Ｖ２ｃの代わりにコンバータ１０５の出力電圧Ｖ２の検出値が入力されても良い。この場合、負荷電力演算部１５７は、以下に示す式（２）より負荷電力Ｐ２を算出する。
Ｐ２＝Ｖ２×Ｉ２ …（２）

動作休止判断部１５９には、負荷電力演算部１５７によって算出された負荷電力Ｐ２、昇圧指令Ｖ２ｃ、蓄電池１０１の残容量を示す情報、及び図１に示したシステムを総合的に管理するコントローラ（図示せず）からの指令が入力される。動作休止判断部１５９は、これらの入力された情報に基づいて、コンバータ１０５の動作を休止するか否か、及びトルク補正を許可するか否かを判断する。

図３は、動作休止判断部１５９の動作を示すフローチャートである。図３に示すように、動作休止判断部１５９は、単位時間当たりの昇圧指令Ｖ２ｃの変化量が所定値未満か否かに基づいて、昇圧指令Ｖ２ｃに変化が無いかを判断する（ステップＳ１０１）。なお、動作休止判断部１５９による当該判断は、昇圧指令Ｖ２ｃが前回値と同一か否かに基づいて行われても良い。動作休止判断部１５９は、当該変化量が所定値未満であれば昇圧指令Ｖ２ｃに変化無しと判断してステップＳ１０３に進み、所定値以上であれば昇圧指令Ｖ２ｃに変化有りと判断してステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１０３では、動作休止判断部１５９は、蓄電池１０１の残容量が所定値以上か否かを判断し、残容量が所定値以上であればステップＳ１０５に進み、所定未満であればステップＳ１１１に進む。ステップＳ１０５では、動作休止判断部１５９は、コントローラからの指令が電動機１０３の駆動要求か否かを判断し、当該駆動要求であればステップＳ１０７に進み、駆動要求でなければステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１０７では、動作休止判断部１５９は、負荷電力Ｐ２の絶対値が所定値未満か否かによって、電動機１０３が極小負荷状態又は無負荷状態か否かを判断する。動作休止判断部１５９は、負荷電力Ｐ２の絶対値が所定値未満であれば電動機１０３が極小負荷状態又は無負荷状態であると判断してステップＳ１０９に進み、負荷電力Ｐ２の絶対値が所定値以上であればステップＳ１１１に進む。なお、ステップＳ１０７での判断では、図４に示すように、値の異なる２つの所定値（Th1,Th2）を用いて、負荷電力Ｐ２の絶対値との比較においてヒステリシスを設けても良い。

ステップＳ１０９では、動作休止判断部１５９は、コンバータ１０５のトランジスタＳｗＨ，ＳｗＬを共にオフ状態とするようＰＷＭ制御部１５５に指示し、かつ、補正トルク演算部１６１に対してトルク補正を許可する。一方、ステップＳ１１１では、動作休止判断部１５９は、コンバータ１０５が通常動作するようＰＷＭ制御部１５５に指示し、かつ、補正トルク演算部１６１に対してトルク補正を禁止する。

補正トルク演算部１６１には、昇圧指令Ｖ２ｃ、コンバータ１０５の出力電圧Ｖ２の検出値、電動機１０３の回転子の電気角速度ω、及び動作休止判断部１５９からのトルク補正許可／禁止指令が入力される。補正トルク演算部１６１は、電圧指令Ｖ２ｃと出力電圧Ｖ２の偏差ΔＶ２の絶対値が減少するよう、インバータ制御部１００Ｉに対するトルク指令Ｔを補正するためのトルク補正指令値Ｔａｄｊを算出する。

なお、コンバータ１０５の出力電圧Ｖ２が昇圧指令Ｖ２ｃを下回った際に算出されたトルク補正指令値Ｔａｄｊに応じてトルク指令Ｔが補正されると、電動機１０３は回生方向に駆動し、コンバータ１０５の出力電圧Ｖ２が昇圧指令Ｖ２ｃを上回った際に算出されたトルク補正指令値Ｔａｄｊに応じてトルク指令Ｔが補正されると、電動機１０３は力行方向に駆動する。

図５は、補正トルク演算部１６１の動作を示すフローチャートである。図５に示すように、補正トルク演算部１６１は、動作休止判断部１５９から入力された指示がトルク補正許可か否かを判断し（ステップＳ２０１）、当該指示がトルク補正許可のときはステップＳ２０３に進み、トルク補正禁止のときはステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０３では、補正トルク演算部１６１は、電圧指令Ｖ２ｃと出力電圧Ｖ２の偏差ΔＶ２の絶対値が減少するよう出力補正指令値Ｐａｄｊを算出する。

上述したように、トルク補正が許可されたとき、コンバータ１０５のトランジスタＳｗＨ，ＳｗＬは共にオフ状態とされる。このとき、コンバータ１０５にとっての負荷（インバータ１０７及び電動機１０３）と蓄電池１０１の間は電気的に導通していない。したがって、図１に示したシステムから制御装置１００を除いた構成のこのときの等価回路は、図６に示すように、キャパシタＣと当該負荷２０１の並列接続によって表される。

図６によれば、負荷２０１での負荷電力Ｐは、以下に示す式（３）によって表される。

式（３）をラプラス演算子ｓを用いて表現すると、以下に示す式（４）となる。

このように、コンバータ１０５のトランジスタＳｗＨ，ＳｗＬが共にオフ状態とされたときの負荷電力Ｐを表す式には、キャパシタＣの容量が含まれる。したがって、補正トルク演算部１６１は、キャパシタＣによる電圧Ｖ２に与える影響をなくす出力補正指令値Ｐａｄｊを算出すれば、電圧指令Ｖ２ｃと出力電圧Ｖ２の偏差ΔＶ２の絶対値を低減できる。したがって、出力補正指令値Ｐａｄｊの算出式にはキャパシタＣの容量が含まれる。

上記式（４）より下記式（５）が成り立つ。

図７は、電圧指令Ｖ２ｃの二乗と電圧Ｖ２の二乗の偏差（以下「二乗偏差」という）の絶対値が減少するよう出力補正指令値Ｐａｄｊを算出する補正トルク演算部１６１と、出力補正指令値Ｐａｄｊに応じて電圧Ｖ２の二乗値を出力するプラント２０３Ａとから構成されたフィードバック制御系を示す図である。なお、プラント２０３Ａの伝達関数Ｈ１（ｓ）は、上記式（５）に基づき、以下のように表される。
Ｈ１（ｓ）＝−２／ｓＣ

また、補正トルク演算部１６１は、以下に示す伝達関数Ｆ１（ｓ）に基づくＰＩ制御（比例−積分制御）を行う。
Ｆ１（ｓ）＝−Ｃ（Ｋ_１＋Ｋ_２／ｓ）
なお、Ｋ_１は比例ゲインであり、Ｋ_２は積分ゲインである。
したがって、伝達関数Ｆ１（ｓ）に基づくＰＩ制御を行う補正トルク演算部１６１が算出する出力補正指令値Ｐａｄｊは、以下のように表される。
Ｐａｄｊ＝−Ｃ（Ｋ_１＋Ｋ_２／ｓ）（Ｖ２ｃ^２−Ｖ２^２）

このように、補正トルク演算部１６１は、当該二乗偏差に対してキャパシタＣの容量が小さいほど小さな値の出力補正指令値Ｐａｄｊを算出する。したがって、キャパシタＣの容量によらずに二乗偏差の収束応答を一定に保つことができる。

なお、Ｖ２≒Ｖ２ｃとすれば、式（５）は、

と表すことができるため、下記式（６）が成り立つ。

図８は、電圧指令Ｖ２ｃと電圧Ｖ２の偏差（以下「一乗偏差」という）の絶対値が減少するよう出力補正指令値Ｐａｄｊを算出する補正トルク演算部１６１と、出力補正指令値Ｐａｄｊに応じて電圧Ｖ２を出力するプラント２０３Ｂとから構成されたフィードバック制御系を示す図である。なお、プラント２０３Ｂの伝達関数Ｈ２（ｓ）は上記式（７）に基づき、以下のように表される。
Ｈ２（ｓ）＝−２／ｓＣＶ２ｃ

このときも、補正トルク演算部１６１は、以下に示す伝達関数Ｆ２（ｓ）に基づくＰＩ制御（比例−積分制御）を行う。
Ｆ２（ｓ）＝−Ｃ（Ｋ_１＋Ｋ_２／ｓ）
したがって、伝達関数Ｆ２（ｓ）に基づくＰＩ制御を行う補正トルク演算部１６１が算出する出力補正指令値Ｐａｄｊは、以下のように表される。
Ｐａｄｊ＝−Ｃ（Ｋ_１＋Ｋ_２／ｓ）（Ｖ２ｃ−Ｖ２）

このように、補正トルク演算部１６１は、当該一乗偏差に対してキャパシタＣの容量が小さいほど小さな値の出力補正指令値Ｐａｄｊを算出する。したがって、キャパシタＣの容量によらずに一乗偏差の収束応答を一定に保つことができる。

なお、補正トルク演算部１６１は、上記説明したＰＩ制御に限らず、Ｐ制御（比例制御）又はＰＩＤ制御（比例−積分−微分制御）を行っても良い。また、負荷電力Ｐの符号と出力補正指令値Ｐａｄｊの符号は、電圧指令Ｖ２ｃと出力電圧Ｖ２の偏差ΔＶ２が０となるまで、すなわち出力補正指令値Ｐａｄｊ＝０となるまで、反転の関係にある。

次に、補正トルク演算部１６１は、以下に示す式（７）によりトルク補正指令値Ｔａｄｊを算出する。
Ｔａｄｊ＝Ｐａｄｊ／（ω／Ｐｐ） …（７）
但し、ωは電動機１０３の回転子の電気角速度であり、Ｐｐは電動機１０３の極対数である。したがって、ω／Ｐｐは電動機１０３の回転子の機械角速度である。

一方、ステップＳ２０７及びＳ２０９では、補正トルク演算部１６１は、出力補正指令値Ｐａｄｊ＝０、トルク補正指令値Ｔａｄｊ＝０を算出する。なお、出力を補正してコンバータ１０５の出力電圧Ｖ２を保持する場合には、ステップＳ２０７，Ｓ２０９を行う必要はない。

制御装置１００に含まれるインバータ制御部１００Ｉは、インバータ１０７を構成するトランジスタのスイッチングをＰＷＭ制御する。図２に示すように、インバータ制御部１００Ｉは、角速度算出部１７１と、電流指令算出部１７３と、３相−ｄｑ変換部１７５と、電流ＦＢ制御部１７７と、ｄｑ−３相変換部１７９と、ＰＷＭ制御部１８１とを含む。インバータ制御部１００Ｉには、トルク指令値Ｔ、電動機１０３の回転子の電気角度θの検出値、インバータ１０７から出力されるｕ相電流Ｉｕ及びｗ相電流Ｉｗの各検出値、並びに、コンバータ１０５の出力電圧Ｖ２の検出値が入力される。

角速度算出部１７１は、電動機１０３の回転子の電気角度θの検出値を時間微分することによって、電動機１０３の回転子の電気角速度ωを算出する。角速度算出部１７１によって算出された電気角速度ωは、電流指令算出部１７３に入力される。電流指令算出部１７３は、トルク指令値Ｔと、電動機１０３の回転子の電気角速度ωとに基づいて、ｄ軸側の電機子（以下「ｄ軸電機子」という。）に流す電流（以下「ｄ軸電流」という。）の指令値Ｉｄ＿ｃ及びｑ軸側の電機子（以下「ｑ軸電機子」という。）に流す電流（以下「ｑ軸電流」という。）の指令値Ｉｑ＿ｃを算出する。

３相−ｄｑ変換部１７５は、電流センサ１１３ｕ，１１３ｗにより検出されたｕ相電流Ｉｕ及びｗ相電流Ｉｗの検出値と、電動機１０３の回転子の電気角度θの検出値とに基づいて３相−ｄｑ変換を行って、ｄ軸電流の検出値Ｉｄ＿ｓ及びｑ軸電流の検出値Ｉｑ＿ｓを算出する。電流ＦＢ制御部１７７は、ｄ軸電流の指令値Ｉｄ＿ｃと検出値Ｉｄ＿ｓの偏差ΔＩｄ及びｑ軸電流の指令値Ｉｑ＿ｃと検出値Ｉｑ＿ｓの偏差ΔＩｑが減少するよう、ｄ軸電機子の端子間電圧（以下「ｄ軸電圧」という。）の指令値Ｖｄ＿ｃ及びｑ軸電機子の端子間電圧（以下「ｑ軸電圧」という。）の指令値Ｖｑ＿ｃを決定する。

ｄｑ−３相変換部１７９は、電流ＦＢ制御部１７７によって決定されたｄ軸電圧の指令値Ｖｄ＿ｃ及びｑ軸電圧の指令値Ｖｑ＿ｃと、電動機１０３の回転子の電気角度θの検出値とに基づいてｄｑ−３相変換を行って、３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの各指令値を導出する。ＰＷＭ制御部１８１は、ｄｑ−３相変換部１７９が導出した３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの各指令値に基づいて、インバータ１０７を構成するトランジスタのスイッチングをＰＷＭ制御する。

以上説明したように、本実施形態のシステムによれば、昇圧指令Ｖ２ｃに変化がない等の条件を満たした上で電動機１０３が極小負荷状態又は無負荷状態のとき、コンバータ制御部１００Ｃの補正トルク演算部１６１が算出したトルク補正指令値Ｔａｄｊに応じてトルク指令Ｔが補正される。この補正されたトルク指令によって、図９に示すように、コンバータ１０５の出力電圧Ｖ２は昇圧指令Ｖ２ｃに保たれる。

上述したように、無負荷であれば、コンバータ１０５の動作を休止しても出力電圧Ｖ２は理論上変化しない。したがって、コンバータ制御部１００Ｃが行うトルク制御によってコンバータ１０５の出力電圧Ｖ２が昇圧指令Ｖ２ｃと同じ値に保たれれば、電動機１０３は無負荷状態であるとみなすことができる。したがって、コンバータ１０５の動作を休止することができる。その結果、コンバータ１０５での損失を低減できる。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態の電動機を駆動するためのシステム構成を示す図である。また、図１１は、第２の実施形態の制御装置２００の内部構成を示すブロック図である。なお、図１０及び図１１において、図１及び図２と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。図１０に示すシステムは、負荷電流Ｉ２を検出する電流センサ１１５を図１に示した第１の実施形態のシステムから除いた構成である。

本実施形態では、制御装置２００のコンバータ制御部２００Ｃに含まれる負荷電力演算部２５７が負荷電力Ｐ２を推定する。この点以外の構成は第１の実施形態と同様である。負荷電力演算部２５７には、インバータ制御部１００Ｉの電流ＦＢ制御部１５３が決定したｄ軸電圧の指令値Ｖｄ＿ｃ及びｑ軸電圧の指令値Ｖｑ＿ｃと、３相−ｄｑ変換部１７５が算出したｄ軸電流の検出値Ｉｄ＿ｓ及びｑ軸電流の検出値Ｉｑ＿ｓとが入力される。負荷電力演算部２５７は、以下に示す式（８）より負荷電力Ｐ２を算出する。なお、この負荷電力Ｐ２は、インバータ１０７で消費される電力を含まない値である。但し、負荷電力演算部２５７は、インバータ１０７の効率特性をマップとして記憶し、当該マップから得られるインバータ１０７で消費される電力を用いて負荷電力Ｐ２を補正しても良い。
Ｐ２＝Ｖｄ＿ｃ×Ｉｄ＿ｓ＋Ｖｑ＿ｃ×Ｉｑ＿ｓ …（８）

なお、ｄ軸電流の検出値Ｉｄ＿ｓ及びｑ軸電流の検出値Ｉｑ＿ｓの代わりに、電流指令算出部１７３が算出したｄ軸電流の指令値Ｉｄ＿ｃ及びｑ軸電流の指令値Ｉｑ＿ｃを負荷電力演算部２５７に入力しても良い。この場合、負荷電力演算部２５７が負荷電力Ｐ２を算出する際に用いる式は以下の式（９）である。
Ｐ２＝Ｖｄ＿ｃ×Ｉｄ＿ｃ＋Ｖｑ＿ｃ×Ｉｑ＿ｃ …（９）

このようにして算出された負荷電力Ｐ２を示す情報は、第１の実施形態と同様に、コンバータ制御部２００Ｃの動作休止判断部１５９に入力される。

以上説明したように、本実施形態では、負荷電力演算部２５７が負荷電力Ｐ２を演算によって導出する。このため、本実施形態のシステムは、負荷電流Ｉ２を検出する電流センサを備えることなく、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態のシステムは、制御装置を除いて、第２の実施形態のシステムと同様である。図１２に示すように、本実施形態では、制御装置３００のコンバータ制御部３００Ｃに含まれる負荷電力演算部３５７に、トルク指令Ｔ及びインバータ制御部１００Ｉの角速度算出部１７１が算出した電動機１０３の回転子の電気角速度ωが入力される。負荷電力演算部３５７は、以下に示す式（１０）より負荷電力Ｐ２を算出する。この負荷電力Ｐ２も、第２の実施形態と同様に、インバータ１０７で消費される電力を含まない値である。但し、負荷電力演算部３５７は、インバータ１０７の効率特性をマップとして記憶し、当該マップから得られるインバータ１０７で消費される電力を用いて負荷電力Ｐ２を補正しても良い。
Ｐ２＝ω×Ｔ／Ｐｐ …（１０）
（Ｐｐ：電動機１０３の極対数）

以降は第１又は第２の実施形態と同様であり、負荷電力演算部３５７が算出した負荷電力Ｐ２を示す情報は動作休止判断部１５９に入力される。

以上説明したように、本実施形態では、負荷電力演算部３５７が負荷電力Ｐ２を演算によって導出する。このため、本実施形態のシステムは、負荷電流Ｉ２を検出する電流センサを備えることなく、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第４の実施形態）
図１３は、第４の実施形態の電動機を駆動するためのシステム構成を示す図である。また、図１４は、第４の実施形態の制御装置４００の内部構成を示すブロック図である。なお、図１３及び図１４において、図１及び図２と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。図１３に示すシステムは、蓄電池１０１の出力電流Ｉ１を検出する電流センサ１１７を第２又は第３の実施形態のシステムに加えた構成である。

本実施形態では、制御装置４００のコンバータ制御部４００Ｃに含まれる負荷電力演算部４５７に、蓄電池１０１の出力電圧Ｖ１及び電流センサ１１７によって検出された出力電流Ｉ１の検出値が入力される。負荷電力演算部４５７は、以下に示す式（１１）より負荷電力Ｐ２を算出する。この負荷電力Ｐ２は、コンバータ１０５で消費される電力を含まない値である。但し、負荷電力演算部４５７は、コンバータ１０５の効率特性をマップとして記憶し、当該マップから得られるコンバータ１０５で消費される電力を用いて負荷電力Ｐ２を補正しても良い。
Ｐ２＝Ｖ１×Ｉ１ …（１１）

以降は第１、第２又は第３の実施形態と同様であり、負荷電力演算部４５７が算出した負荷電力Ｐ２を示す情報は動作休止判断部１５９に入力される。

以上説明したように、本実施形態では、負荷電力演算部４５７が負荷電力Ｐ２を演算によって導出する。このため、本実施形態のシステムは、蓄電池１０１の出力電流Ｉ１を検出する電流センサは必要だが、負荷電流Ｉ２を検出する電流センサを備えることなく、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

上記説明した第１〜第４の実施形態では昇圧コンバータ１０５を例に説明したが、図１５に示す昇降圧コンバータ５０５又は降圧コンバータであっても良い。

また、上記説明した実施形態のシステムは、電動機及び／又は内燃機関の駆動力によって走行するＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle：ハイブリッド電気自動車）に搭載可能である。図１６は、一実施形態のシステムを搭載したＨＥＶの内部構成を示すブロック図である。第１の実施形態で説明した、システムを統合的に管理するコントローラは、図１６中に示したマネジメントＥＣＵ６００に相当する。マネジメントＥＣＵ６００は、図１７に示したグラフが示すマップに基づいてＨＥＶがゼロ電力モードであると判断すれば、制御装置１００に対して駆動要求指令を行わない。図１７は、アクセルペダル開度と車速又はエンジン回転数と電動機１０３の動作モードとの関係を示すグラフである。

なお、コンバータ１０５の負荷としてインバータ１０７及び電動機１０３を例に説明したが、シートヒータ等に利用される熱線や、メータのバックライト等に利用されるランプ、ペルチェ素子、空気清浄機等の補機を負荷としても良い。

１０１蓄電池
１０３電動機
１０５昇圧コンバータ
１０７インバータ
１００，２００，３００，４００制御装置
１０９，１１１電圧センサ
１１３ｕ，１１３ｗ，１１５電流センサ
１１７レゾルバ
１００Ｃ，２００Ｃ，３００Ｃ，４００Ｃコンバータ制御部
１５１ＦＦ制御部
１５３ＦＢ制御部
１５５ＰＷＭ制御部
１５７，２５７，３５７，４５７負荷電力演算部
１５９動作休止判断部
１６１補正トルク演算部
１００Ｉインバータ制御部
１７１角速度算出部
１７３電流指令算出部
１７５３相−ｄｑ変換部
１７７電流ＦＢ制御部
１７９ｄｑ−３相変換部
１８１ＰＷＭ制御部

Claims

直流電源の出力電圧をコンバータが指令値に昇圧又は降圧して負荷に印加する負荷駆動システムの制御装置であって、
外部からの指令に基づいて前記負荷の駆動を制御する負荷駆動制御部と、
前記コンバータをスイッチング制御するスイッチング制御部と、
負荷電力を導出する負荷電力導出部と、
前記負荷電力の絶対値が所定値未満のとき、前記コンバータのスイッチング動作を休止するよう前記スイッチング制御部に指示するスイッチング動作制御部と、
前記負荷電力の絶対値が所定値未満のとき、前記指令値と前記コンバータの出力電圧の偏差の絶対値が減少するよう、前記負荷駆動制御部に対して行われた前記指令を補正する指令補正部と、
を備えたことを特徴とする負荷駆動システムの制御装置。
請求項１に記載の負荷駆動システムの制御装置であって、
前記コンバータは、互いに逆論理でスイッチングされる直列接続された２つのスイッチング素子と、各スイッチング素子に並列接続された２つのダイオードと、前記２つのスイッチング素子の接続点に接続されたリアクトルと、を有し、
前記負荷電力の絶対値が所定値未満のとき、前記スイッチング動作制御部は、前記２つのスイッチング素子の両方をオフ状態にして前記コンバータのスイッチング動作を休止するよう前記スイッチング制御部に指示することを特徴とする負荷駆動システムの制御装置。
請求項１又は２に記載の負荷駆動システムの制御装置であって、
単位時間当たりの前記指令値の変化量が所定値未満のとき、
前記スイッチング動作制御部は、前記コンバータのスイッチング動作を休止するよう前記スイッチング制御部に指示し、
前記指令補正部は、前記指令値と前記コンバータの出力電圧の偏差の絶対値が減少するよう、前記負荷駆動制御部に対して行われた前記指令を補正することを特徴とする負荷駆動システムの制御装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の負荷駆動システムの制御装置であって、
前記直流電源が蓄電池であり、
前記蓄電池の残容量が所定値以上のとき、
前記スイッチング動作制御部は、前記コンバータのスイッチング動作を休止するよう前記スイッチング制御部に指示し、
前記指令補正部は、前記指令値と前記コンバータの出力電圧の偏差の絶対値が減少するよう、前記負荷駆動制御部に対して行われた前記指令を補正することを特徴とする負荷駆動システムの制御装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の負荷駆動システムの制御装置であって、
前記コンバータ及び前記負荷に並列接続されたキャパシタを備え、
前記負荷は、電動機と、前記コンバータの出力電圧を交流電圧に変換して前記電動機に印加するインバータと、を含み、
前記指令補正部による前記指令の補正量は、前記電動機の回転数が高いほど、かつ、前記キャパシタの容量が小さいほど小さいことを特徴とする負荷駆動システムの制御装置。
請求項５に記載の負荷駆動システムの制御装置であって、
前記指令補正部は、前記コンバータの出力電圧が前記指令値を下回った際には前記電動機が回生方向に駆動し、前記コンバータの出力電圧が前記指令値を上回った際には前記電動機が力行方向に駆動するよう前記指令を補正することを特徴とする負荷駆動システムの制御装置。