JP5516272B2

JP5516272B2 - 回転電機制御システム

Info

Publication number: JP5516272B2
Application number: JP2010211612A
Authority: JP
Inventors: 淳菊永
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: JP2012070499A

Description

本発明は、回転電機制御システムに係り、特に、キャリア周波数拡散制御によりインバータを介して回転電機を駆動させる回転電機駆動制御装置と、キャリア周波数拡散制御に用いられるキャリアの周波数に基づいてインバータ冷却器の冷却水温度を推定する冷却水温度推定装置と、を備える回転電機制御システムに関する。

電動車両の回転電機を駆動させるインバータは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴとする）等の半導体スイッチング素子を有する電気回路である。ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子は、スイッチング動作により発熱するため、インバータには水冷式の冷却器が設置されている。そして、冷却水温度を適切な範囲で管理するために、冷却水温度の監視装置が設けられる。冷却水温度の監視装置としては、温度センサの異常による誤検知の防止やコスト削減等の観点から、冷却水温度を直接測定せずに回転電機に供給される出力電流等に基づいて冷却水温度を推定する推定装置が広く用いられている。

例えば、特許文献１には、インバータ等のチップ毎に測定されたチップ温度と、各チップの状態量に基づく温度変化量とから冷却水の推定温度を算出する電気回路の監視装置が開示されている。また、特許文献１には、チップの状態量を検知するときに、インバータのスイッチング制御信号を生成するパルス幅変調制御（以下、ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ制御とする）の搬送波（以下、キャリアとする）の周波数を用いることが記載されている。

ＰＷＭ制御とは、要求トルクに応じた電圧指令と、所定のキャリア周波数で繰り返される三角波信号であるキャリア信号とを比較することでインバータのスイッチング制御信号を生成し、インバータを介して回転電機の駆動を制御する制御モードである。ＰＷＭ制御には、インバータに入力される電圧に対する回転電機に印加される電圧の比である変調率が０．６１以下で適用される正弦波ＰＷＭ制御と、変調率が０．６１を超えるときに適用される過変調ＰＷＭ制御がある。なお、正弦波ＰＷＭ制御では、キャリアに起因する騒音を低減するために、キャリア周波数を所定の拡散幅で拡散させるキャリア周波数拡散制御が実施されている（例えば、特許文献２，３参照）。

なお、キャリアに起因する騒音とは、例えば、キャリアに起因した電流リップルにより発生する回転電機振動が音源となる騒音である。以下、キャリアに起因する騒音をモータ騒音と称する。

特開２００４‐２５７８２１号公報特開平８‐５１７９２号公報特開２００７‐２０３２０号公報

上記のように、インバータ冷却器の冷却水温度の推定には、ＰＷＭ制御のキャリアの周波数が用いられるので、キャリア周波数拡散制御が実施される場合には、冷却水温度の推定精度が低下するという課題が判明した。

ここで、図５を用いて、キャリア周波数拡散制御に伴う冷却水温度の推定精度の低下について説明する。なお、図５は、従来技術におけるキャリア周波数拡散制御の拡散周期と冷却水温度の推定更新周期との関係を示す図である。

図５に示すように、キャリア周波数拡散制御では、中心キャリア周波数ｆｃに対して、所定の拡散幅でキャリア周波数ｆを拡散し、その拡散パターンは、所定時間で拡散されたキャリア周波数ｆを平均化したときに中心キャリア周波数ｆｃと一致するように設定されている。この所定時間がキャリア周波数拡散制御の拡散周期である。即ち、拡散周期とは、拡散されたキャリア周波数ｆの平均値ｆａｖが中心キャリア周波数ｆｃと一致する拡散パターンの最小単位（期間）を意味する。したがって、拡散周期又はその整数倍の周期からずれた期間において、キャリア周波数ｆを平均化したときには、その平均値ｆａｖは中心キャリア周波数ｆｃからずれた値となる。

一方、冷却水温度の推定は、キャリア周波数拡散制御の拡散周期と関連性がなく、拡散周期と異なった期間の推定更新周期で実行されている。なお、推定更新周期とは、冷却水温度の推定が実行される周期であり、当該周期におけるキャリア周波数の平均値ｆａｖを用いて冷却水温度が推定される。図５に示す例では、推定更新周期が拡散周期の１／３程度の長さに設定されている。したがって、冷却水温度の推定に用いられるキャリア周波数の平均値ｆａｖは、ある推定更新周期では中心キャリア周波数ｆｃよりも高く、ある推定更新周期では中心キャリア周波数ｆｃよりも低くなるため、冷却水温度の推定値にもキャリア周波数ｆの拡散に伴うバラツキが発生し、推定精度が低下することになる。

本発明の目的は、キャリア周波数拡散制御によるモータ騒音の低減と、インバータ冷却器の冷却水温度の良好な推定精度とを両立させることが可能な回転電機制御システムを提供することである。

本発明に係る回転電機制御システムは、回転電機と、前記回転電機に接続されるインバータと、前記インバータを冷却するためのインバータ冷却器と、所定の拡散周期におけるキャリア周波数の平均値と中心キャリア周波数とが一致するように前記キャリア周波数を変化させるキャリア周波数拡散制御により前記インバータを介して前記回転電機を駆動させる回転電機駆動制御装置と、前記インバータ冷却器の冷却水温度の推定更新周期における前記キャリア周波数の平均値に基づいて前記冷却水温度を推定する冷却水温度推定装置とを備え、前記推定更新周期は、前記拡散周期の整数倍に設定されることを特徴とする。

また、本発明の回転電機制御システムに適用されるインバータ冷却器の冷却水温度推定装置は、キャリア周波数拡散制御により駆動されるインバータを冷却するためのインバータ冷却器に適用され、当該インバータ冷却器の冷却水温度を推定する推定装置であって、キャリア周波数拡散制御に用いられるキャリアの周波数に基づいて冷却水温度を推定する推定手段と、冷却水温度の推定更新周期をキャリア周波数拡散制御の拡散周期の整数倍に設定する推定更新周期設定手段と、を備えることを特徴とする。当該構成の冷却水温度推定装置によれば、モータ騒音を低減するためのキャリア周波数拡散制御が実施される場合であっても、冷却水温度の良好な推定精度を維持することができる。

本発明に係る回転電機制御システムによれば、キャリア周波数拡散制御によるモータ騒音の低減と、インバータ冷却器の冷却水温度の良好な推定精度とを両立させることが可能である。

本発明の実施形態であるハイブリッド車両の回転電機制御システムの構成を示すブロック図である。キャリア周波数拡散制御と音圧レベルとの関係を示す図である。出力電流Ｉと温度上昇ΔＴとの関係を示す図である。図１に示す回転電機制御システムにおいて、キャリア周波数拡散制御の拡散周期と冷却水温度の推定更新周期との関係を示す図である。従来技術において、キャリア周波数拡散制御の拡散周期と冷却水温度の推定更新周期との関係を示す図である。

図面を用いて、本発明に係る回転電機制御システムの実施形態につき、以下詳細に説明する。

なお、以下では、ハイブリッド車両（以下、「ハイブリッド」を「ＨＶ」とする）の回転電機制御システム１０（以下、制御システム１０とする）を例示するが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、エンジンを持たない電気自動車や燃料電池自動車等の電動車両、或いは電動車両以外の用途にも本発明を適用することが可能である。

図１に示すように、制御システム１０は、主に発電機として機能する第１モータジェネレータ１１（ＭＧ１）と、主に電動機として機能する第２モータジェネレータ１２（ＭＧ２）と、第１モータジェネレータ１１に接続される第１インバータ１３と、第２モータジェネレータ１２に接続される第２インバータ１４と、各インバータ１３，１４を冷却する水冷式のインバータ冷却器１５と、を備える。また、制御システム１０は、各インバータ１３，１４を介して各モータジェネレータ１１，１２の駆動を制御するモータジェネレータ駆動制御装置２０と、インバータ冷却器１５を流れる冷却水の温度を推定する冷却水温度推定装置３０と、を備える。

また、制御システム１０が搭載されるＨＶ車両には、第１モータジェネレータ１１等で発電された電力を蓄電するＨＶバッテリ、ＨＶバッテリと各インバータ１３，１４との間で電圧を昇圧又は降圧するコンバータ、駆動輪および第１モータジェネレータ１１を駆動させるエンジン等が設けられている。

第１モータジェネレータ１１は、エンジンによって駆動される発電機である。一方、第２モータジェネレータ１２は、エンジンと共に車両の駆動源として機能し、且つ減速時には駆動輪の回転エネルギを利用して回生発電する機能を有している。なお、各モータジェネレータ１１，１２は、永久磁石からなるロータと、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のステータコイルを含むステータとから構成される三相同期型回転電機である。

各インバータ１３，１４は、各モータジェネレータ１１，１２を駆動させるための電気回路であって、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子のスイッチング動作により交直流変換を行う機能を有する。詳しくは後述するように、各インバータ１３，１４は、ＰＷＭ信号生成部２３で生成されるスイッチング制御信号に基づいて、半導体スイッチング素子のスイッチング動作を実行する。

インバータ冷却器１５は、その内部に冷却水が流通する水冷式の冷却器であって、各インバータ１３，１４を冷却する機能を有する。インバータ冷却器１５は、一般的に、エンジン冷却用のクーリングシステムから独立したＨＶクーリングシステムに組み込まれている。ＨＶクーリングシステムは、冷却水を放熱するＨＶラジエータおよび冷却水を循環させるＨＶウォータポンプを備え、各インバータ１３，１４だけでなく、コンバータや第１モータジェネレータ１１にも冷却水を循環させる冷却システムである。なお、ここで例示する実施形態では、冷却水温度推定装置３０は、各インバータ１３，１４に関する情報のみを用いてインバータ冷却器１５を流れる冷却水の温度を推定するものとして説明する。

また、制御システム１０が搭載されるＨＶ車両には、各インバータ１３，１４から各モータジェネレータ１１，１２のＶ相、Ｗ相に供給される出力電流Ｉｖ，Ｉｗをそれぞれ検出するための第１電流センサ１６および第２電流センサ１７、各インバータ１３，１４を構成する半導体スイッチング素子を含む半導体チップの温度をそれぞれ測定する第１温度センサ１８および第２温度センサ１９、各モータジェネレータ１１，１２のロータ回転角をそれぞれ測定する少なくとも２つの回転センサ（図示せず）など、各種センサが設置されている。

モータジェネレータ駆動制御装置２０は、ＨＶ車両の駆動力を統合的に制御するＨＶコントロールコンピュータからのトルク指令値Ｔ^*に従って、各インバータ１３，１４を介して各モータジェネレータ１１，１２の駆動を制御する電子制御ユニットである。モータジェネレータ駆動制御装置２０による制御手法としては、ＰＷＭ制御が用いられ、変調率が０．６１以下では正弦波ＰＷＭ制御が、変調率が０．６１を超えるときには過変調ＰＷＭ制御がそれぞれ適用される。

モータジェネレータ駆動制御装置２０は、トルク指令値Ｔ^*に基づいて、各インバータ１３，１４のスイッチング動作を制御するスイッチング制御信号を生成するために、電流指令生成部２１と、演算部２２と、ＰＷＭ信号生成部２３と、を有する。さらに、正弦波ＰＷＭ制御モードにおいてキャリア周波数拡散制御を実行するために、キャリア拡散制御部２４を有する。なお、以下では、正弦波ＰＷＭ制御により第２モータジェネレータ１２を駆動させる場合を例示して説明する。

電流指令生成部２１は、予め作成されたテーブル等に従って、第２モータジェネレータ１２に対するトルク指令値Ｔ^*と、第２モータジェネレータ１２の回転数Ｎｍとに応じて、電流指令値Ｉｄ^*およびＩｑ^*を生成する。なお、予め作成されたテーブルとしては、各電流値について第１モータジェネレータの回転数および出力トルクの関係を示すＴ‐Ｎ制御マップが挙げられる。

演算部２２は、制御偏差に応じたｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*を生成する所謂ＰＩ演算を行い、第２モータジェネレータ１２のロータ回転角θを用いた所謂座標変換（２相→３相）を行ってＶｄ^*およびＶｑ^*をＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*に変換する。具体的に、演算部２２には、電流指令生成部２１で生成されたＩｄ^*およびＩｑ^*と、第２電流センサ１７で検出され座標変換されたｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑとの偏差ΔＩｄ＝Ｉｄ^*−Ｉｄ，ΔＩｑ＝Ｉｑ^*−Ｉｑが入力される。そして、演算部２２は、ΔＩｄおよびΔＩｑのそれぞれについて、ＰＩ演算（比例積分演算）を行なって制御偏差を求め、この制御偏差に応じたＶｄ^*およびＶｑ^*を生成し、Ｖｄ^*およびＶｑ^*をＶｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*に座標変換する。

ＰＷＭ信号生成部２３は、各電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*とキャリア信号との比較に基づいて、第２モータジェネレータ１２の６つの半導体スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ動作させるためのスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ６を生成する。そして、第２インバータ１４が、ＰＷＭ信号生成部２３で生成されたスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ６に従ってスイッチングされることにより、第２モータジェネレータ１２に対してトルク指令値Ｔ^*に従ったトルクを出力するための交流電圧が印加される。

キャリア拡散制御部２４は、ＰＷＭ制御モードにおいて、キャリア周波数ｆを所定の拡散幅で拡散させる機能を有する。拡散幅は、第２モータジェネレータ１２の制御性や第２インバータ１４のスイッチング損失の低減等の観点から決定される中心キャリア周波数ｆｃに対して、当該制御性や低損失等の特定を損なわない範囲で設定される。キャリア拡散制御部２４は、例えば、所定の拡散周期、所定の拡散パターン・拡散幅で周波数を拡散させたキャリア信号をＰＷＭ信号生成部２３に対して出力する。

図２に、キャリア周波数拡散制御と音圧レベルとの関係を示す。図２に示すように、キャリア周波数ｆを中心キャリア周波数ｆｃに固定せず、所定の拡散幅で分散（拡散）させることにより、キャリア周波数を固定する場合と比較して音圧レベルを低減することができる。キャリア周波数の拡散パターンは、拡散幅の上下限を超えない範囲で任意に設定できるが、拡散周期においてキャリア周波数ｆを平均化したときに、平均値ｆａｖと中心化キャリア周波数ｆｃとが一致（ｆａｖ≒ｆｃ）するように設定される。

冷却水温度推定装置３０は、モータジェネレータ駆動制御装置２０によりキャリア周波数拡散制御が実施される構成において、良好な冷却水温度の推定精度を維持する。この機能を実現するために、冷却水温度推定装置３０は、温度上昇推定部３１および冷却水温度推定部３２に加えて、キャリア周波数拡散制御に適合した冷却水温度の推定更新周期を設定する推定更新周期設定部３３を有する。

温度上昇推定部３１および冷却水温度推定部３２は、キャリア周波数に基づいて冷却水温度を推定する機能を有する。具体的には、推定更新周期設定部３３により設定される推定更新周期に従って、キャリア周波数を用いて各インバータ１３，１４を構成する半導体チップの温度上昇ΔＴを算出し、この温度上昇ΔＴを用いて冷却水温度ＷＴを推定する。

温度上昇推定部３１は、キャリア拡散制御部２４からキャリア周波数ｆを、第１電流センサ１６および第２電流センサ１７から出力電流Ｉをそれぞれ取得し、図３に示すマップを用いて、各インバータ１３，１４の半導体チップにおける温度上昇ΔＴ１，ΔＴ２を算出する。なお、キャリア周波数ｆとしては、推定更新周期におけるキャリア周波数の平均値ｆａｖが用いられる。ここで、図３は、出力電流Ｉと温度上昇ΔＴとの関係を示す図であり、横軸に出力電流Ｉ、縦軸に温度上昇ΔＴがそれぞれプロットされ、キャリア周波数に応じて異なった特性線を示している。

図３に示すように、温度上昇ΔＴは半導体チップの熱抵抗と損失とに基づいて決定でき、キャリア周波数ｆと出力電流Ｉとからマップ化することができる（一般的に、インバータ毎にマップ化される）。キャリア周波数ｆがｆｘ，ｆｙ，ｆｚのように変動すると、選択される特性線が変化し、温度上昇ΔＴの値も変化することになる。なお、図３に示す例では、キャリア周波数ｆに関連して特性線が変化するものとして説明するが、その他のパラメータが考慮されてもよい。

冷却水温度推定部３２は、温度上昇推定部３１により算出された第１インバータ１３についての温度上昇ΔＴ１および第２インバータ１４についての温度上昇ΔＴ２と、第１温度センサ１８により測定された第１インバータ１３のチップ温度Ｔ１および第２温度センサ１８により測定された第２インバータ１４のチップ温度Ｔ２とを取得して、チップ温度Ｔ１，Ｔ２から温度上昇ΔＴ１，ΔＴ２をそれぞれ減算することにより、冷却水温度ＷＴ１，ＷＴ２を推定する（ＷＴ１＝Ｔ１−ΔＴ１，ＷＴ２＝Ｔ２−ΔＴ２）。そして、冷却水温度ＷＴ１，ＷＴ２の平均値を冷却水温度ＷＴとして確定する。

推定更新周期設定部３３は、温度上昇推定部３１および冷却水温度推定部３２による冷却水温度の推定更新周期を、キャリア拡散制御部２４によるキャリア周波数拡散制御の拡散周期の整数倍に設定する機能を有する。具体的に、推定更新周期設定部３３は、キャリア拡散制御部２４からキャリア周波数拡散制御の拡散周期を取得し、その拡散周期に適合するように推定更新周期を設定する。例えば、図４に示すように、推定更新周期設定部３３は、拡散周期と推定更新周期とを同じ長さに設定することができ、この場合、推定更新周期＝拡散周期×１である。ここで、図４は、拡散周期と推定更新周期との関係を示す図である。

図４に示すように、推定更新周期設定部３３は、拡散周期と推定更新周期とを同じ長さに設定すると共に、拡散周期と推定更新周期とのタイミングを一致させてもよい。即ち、推定更新周期設定部３３は、キャリア拡散制御部２４から拡散周期の始点を取得し、推定更新周期の始点と一致させる。また、推定更新周期設定部３３は、キャリア拡散制御部２４に対して推定更新周期に適合する拡散周期を設定させる構成としてもよい。

図４に示すように、拡散周期においてキャリア周波数の平均値ｆａｖは、中心キャリア周波数ｆｃと一致するので、推定更新周期設定部３３により推定更新周期を拡散周期と同じ長さに設定すると、推定更新周期におけるキャリア周波数の平均値ｆａｖも中心キャリア周波数ｆｃに等しくなる。したがって、推定更新周期毎にキャリア周波数ｆが変動することなく、常時一定のキャリア周波数ｆ、即ち中心キャリア周波数ｆｃを用いて温度上昇推定部３１による温度上昇ΔＴの算出が実行できる。

以上のように、制御システム１０は、ＰＷＭ制御モードでキャリア周波数拡散制御を実行するモータジェネレータ駆動制御装置２０と、冷却水温度推定装置３０とを備え、冷却水温度推定装置３０は、キャリア周波数に基づいて冷却水温度を推定する温度上昇推定部３１および冷却水温度推定部３２と、冷却水温度の推定更新周期をキャリア周波数拡散制御の拡散周期の整数倍に設定する推定更新周期設定部３３と、を備える。したがって、制御システム１０によれば、キャリア周波数拡散制御によりモータ騒音を低減できると共に、冷却水温度の良好な推定精度を実現することができる。

なお、上記では、冷却水温度推定装置３０が、冷却水温度の推定更新周期を、キャリア周波数拡散制御の拡散周期に適合させるものとして説明したが、モータジェネレータ駆動制御装置が、推定更新周期に基づいて拡散周期を設定する構成としてもよい。具体的には、モータジェネレータ駆動制御装置が、冷却水温度推定装置から推定更新周期を取得して、推定更新周期が拡散周期の整数倍となるように拡散周期を設定する。

また、上記では、冷却水温度推定装置３０は、各インバータ１３，１４に関する情報のみを用いてインバータ冷却器１５を流れる冷却水の温度を推定するものとして説明したが、冷却水温度推定装置は、コンバータや第１モータジェネレータ１１の温度等を考慮して冷却水温度を推定してもよい。また、インバータ冷却器１５を流れる冷却水は、コンバータ等に循環されず各インバータ１３，１４のみを冷却する構成であってもよい。また、上記では、温度上昇推定部３１および冷却水温度推定部３２により冷却水温度が推定されるものとして説明したが、キャリア周波数を推定パラメータとして用いる別の推定手段によって冷却水温度が推定されてもよい。

１０回転電機制御システム、１１第１モータジェネレータ、１２第２モータジェネレータ、１３第１インバータ、１４第２インバータ、１５インバータ冷却器、１６第１電流センサ、１７第２電流センサ、１８第１温度センサ、１９第２温度センサ、２０モータジェネレータ駆動制御装置、２１電流指令生成部、２２演算部、２３ＰＷＭ信号生成部、２４キャリア拡散制御部、３０冷却水温度推定装置、３１温度上昇推定部、３２冷却水温度推定部、３３推定更新周期設定部。

Claims

回転電機と、
前記回転電機に接続されるインバータと、
前記インバータを冷却するためのインバータ冷却器と、
所定の拡散周期におけるキャリア周波数の平均値と中心キャリア周波数とが一致するように前記キャリア周波数を変化させるキャリア周波数拡散制御により前記インバータを介して前記回転電機を駆動させる回転電機駆動制御装置と、
前記インバータ冷却器の冷却水温度の推定更新周期における前記キャリア周波数の平均値に基づいて前記冷却水温度を推定する冷却水温度推定装置と、
を備え、
前記推定更新周期は、前記拡散周期の整数倍に設定されることを特徴とする回転電機制御システム。