JP5522262B2 - インバータ制御装置及びインバータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ制御装置及びインバータ制御方法に関するものである。

モータを駆動するための直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、当該モータの電流を検出する電流検出手段と、当該直流電圧検出手段により検出された直流電圧の値と前記電流検出手段により検出された電流の値とに基づいて、モータＰＷＭ制御又は矩形波制御する制御手段と、当該直流電圧検出手段の異常を検出する故障検出装置とを備え、当該故障検出装置により当該直流電圧検出手段の異常を検出した場合、当該直流電圧検出手段により、インバータ入力電圧が取りうる値のうち最低値を、当該制御手段の電流指令値発生部及びＰＷＭ信号発生部に出力するモータ制御システムが知られている（特許文献１）。

特開２００５−１１７７５６号公報

しかしながら、故障検出装置により当該直流電圧検出手段の異常を検出した場合に、ＰＷＭ信号を決定するための基準電圧が当該最低値に固定されるため、ＰＷＭ信号のパルス幅の変動が大きくなり、制御の安定性に欠けるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、電圧検出手段の異常を検出した場合に、インバータを安定して制御することができるインバータ制御装置及びインバータ制御方法を提供することである。

本発明は、異常検出手段により電圧検出手段の異常を検出した場合に、スイッチング素子の制御信号を生成するための、当該電圧検出手段の検出電圧を、インバータの性能を保障する保障電圧範囲の下限領域に基づき設定される第１の保障電圧より高い電圧である第２の保障電圧に固定することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、電圧検出手段の異常を検出した場合に、第１の保障電圧より高い電圧である第２の保障電圧に基づいて、スイッチング素子の制御信号が生成されるため、当該制御信号の変動幅が抑制され、インバータを安定して制御することができる、という効果を奏する。

本発明の実施形態に係るインバータ制御装置のブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、発明の実施形態に係るインバータ制御装置のブロック図である。詳細な図示は省略するが、本例のインバータ制御装置を電気自動車に設ける場合に、三相交流電力の永久磁石モータ８は、走行駆動源として駆動し、電気自動車の車軸に結合されている。なお本例のモータ制御装置は、例えばハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等の電気自動車以外の車両にも適用可能である。

本例のインバータ制御装置は、モータ８の動作を制御する制御装置であって、電流電圧マップ１と、電流制御器２と、座標変換器３と、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変換器４と、バッテリ５と、インバータ６と、電流センサ７と、磁極位置検出器９と、座標変換器１０と、回転数演算器１１と、ＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）１２、電圧検出器１３と、異常検出器１４と、電圧固定部１５と、を備える。

電流電圧マップ１には、モータ８の出力目標値として外部より入力されるトルク指令値（Ｔ^＊）と、回転数演算器１１の出力である、モータ８の角周波数（ω）、及び、バッテリ５からインバータ６に入力され、電圧検出器１３により検出される検出電圧（Ｖ_ｄｃ）が入力される。電流電圧マップ１には、トルク指令値（Ｔ^＊）、角周波数（ω）、電圧（Ｖ_ｄｃ）を指標として、ｄｑ軸電流指令値（ｉ^＊ _ｄ、ｉ^＊ _ｑ）及びｄｑ軸非干渉電圧指令値（Ｖ^＊ _{ｄ＿ｄｃｐｌ}、Ｖ^＊ _{ｑ＿ｄｃｐｌ}）を出力するためのマップが格納されている。当該マップは、トルク指令値（Ｔ^＊）、角周波数（ω）及び電圧（Ｖ_ｄｃ）の入力に対して、インバータ６の損失及びモータ８の損失を最小限に抑える最適な指令値を出力するよう対応づけられている。電流電圧マップ１は、当該マップを参照することにより、入力されたトルク指令値（Ｔ^＊）、角周波数（ω）及び電圧（Ｖ_ｄｃ）に対応する、ｄｑ軸電流指令値（ｉ^＊ _ｄ、ｉ^＊ _ｑ）及びｄｑ軸非干渉電圧指令値（Ｖ^＊ _{ｄ＿ｄｃｐｌ}、Ｖ^＊ _{ｑ＿ｄｃｐｌ}）を算出し、出力する。ここで、ｄｑ軸は、回転座標系の成分を示している。ｄｑ軸非干渉電圧指令値（Ｖ^＊ _{ｄ＿ｄｃｐｌ}、Ｖ^＊ _{ｑ＿ｄｃｐｌ}）について、ｄ軸及びｑ軸に電流が流れると、ｄ軸にはωＬ_ｄｉ_ｄｑ軸にはωＬ_ｑｉ_ｑの干渉電圧が発生するため、ｄｑ軸非干渉電圧指令値（Ｖ^＊ _{ｄ＿ｄｃｐｌ}、Ｖ^＊ _{ｑ＿ｄｃｐｌ}）は当該干渉電圧を打ち消すための電圧である。なお、Ｌ_ｄはｄ軸のリアクタンスを、Ｌ_ｑはｑ軸のリアクタンスを示す。また電流指令値（ｉ^＊ _ｄ、ｉ^＊ _ｑ）及び電圧指令値（Ｖ^＊ _{ｄ＿ｄｃｐｌ}、Ｖ^＊ _{ｑ＿ｄｃｐｌ}）は、インバータ６からモータ８に出力される交流電流の目標値に相当し、後述するように、当該指令値に基づいて、スイッチング素子のパルス幅が決定し、インバータ６の出力電力が決定する。

ＬＰＦ１２は、ｄｑ軸非干渉電圧指令値（Ｖ^＊ _{ｄ＿ｄｃｐｌ}、Ｖ^＊ _{ｑ＿ｄｃｐｌ}）を入力として、高周波帯域をカットし、電圧指令値（Ｖ^＊ _{ｄ＿ｄｃｐｌ＿ｆｌｔ}、Ｖ^＊ _{ｑ＿ｄｃｐｌ＿ｆｌｔ}）を出力する。

電流制御器２は、ｄｑ軸電流指令値（ｉ^＊ _ｄ、ｉ^＊ _ｑ）、電圧指令値（Ｖ^＊ _{ｄ＿ｄｃｐｌ＿ｆｌｔ}、Ｖ^＊ _{ｑ＿ｄｃｐｌ＿ｆｌｔ}）及びｄｑ軸電流（ｉ_ｄ、ｉ_ｑ）を入力として、制御演算を行い、ｄｑ軸電圧指令値（Ｖ^＊ _ｄ、Ｖ^＊ _ｑ）を出力する。

座標変換器３は、ｄｑ軸電圧指令値（Ｖ^＊ _ｄ、Ｖ^＊ _ｑ）及び磁極位置検出器９の検出値θを入力として、下記の式（１）を用いて、当該回転座標系のｄｑ軸電圧指令値（Ｖ^＊ _ｄ、Ｖ^＊ _ｑ）を固定座標系のｕ、ｖ、ｗ軸の電圧指令値（Ｖ^＊ _ｕ、Ｖ^＊ _ｖ、Ｖ^＊ _ｗ）に変換する。

ＰＷＭ変換器４は、入力される電圧指令値（Ｖ^＊ _ｕ、Ｖ^＊ _ｖ、Ｖ^＊ _ｗ）に基づき、インバータ６のスイッチング素子の制御信号を生成し、インバータ６に出力する。スイッチング素子は、ＰＷＭのパルス信号に基づいてオン及びオフを切り換えられる。ＰＷＭ変換器４は、式（２）を用いて、電圧指令値（Ｖ^＊ _ｕ、Ｖ^＊ _ｖ、Ｖ^＊ _ｗ）をＵＶＷ相のパルス幅（ｔ_ｕ、ｔ_ｖ、ｔ_ｗ）に変換する。

ただし、Ｔ_ｏはＰＷＭキャリア周期を示す。

バッテリ５は、二次電池を含む直流電源であり、本例の車両の動力源となる。インバータ６は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子（図示しない）を対に接続した回路を複数接続した三相インバータ回路により構成されている。各スイッチング素子には、パルス幅（ｔ_ｕ、ｔ_ｖ、ｔ_ｗ）の制御信号が入力される。そして、当該スイッチング素子のスイッチング動作により、直流電源の直流電圧が交流電圧（Ｖ_ｕ、Ｖ_ｖ、Ｖ_ｗ）に変換され、モータ８に入力される。またモータ８が発電機として動作する場合には、インバータ６はモータ８から出力される交流電圧を直流電圧に変換しバッテリ５に出力する。これによりバッテリ５が充電される。

電流センサ７は、Ｕ相及びＶ相にそれぞれ設けられ、相電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ）を検出し、座標変換器１０に出力する。ｗ相の電流は、電流センサ７により検出されず、代わりに、座標変換器１０は、入力された補正後の相電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ）に基づき、下記の式（３）を用いて、ｗ相の相電流を算出する。

なお、ｗ相の相電流について、ｗ相に電流センサ７を設け、当該電流センサ７により検出してもよい。

モータ８は、多相モータであり、インバータ６に接続される。またモータ８は発電機としても動作する。磁極位置検出器９はモータ８に設けられ、モータ８の磁極の位置を検出する検出器であり、検出値（θ）を回転数演算器１１に出力する。回転数演算器１１は、磁極位置検出器９の検出値（θ）からモータ８の角周波数（ω）を演算する。

座標変換器１０は、３相２相変換を行う制御部であり、相電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）及び磁極位置検出器９の検出値θを入力として、下記の式４により、固定座標系の相電流（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）を回転座標系の相電流（ｉ_ｄ、ｉ_ｑ）に変換する。

そして、当該相電流（ｉ_ｄ、ｉ_ｑ）が電流制御器２に入力されることにより、本例のインバータ制御装置は所定のゲインの電流制御ループによる制御を行う。

次に、電圧検出器１３に故障が生じた場合における、本例の制御について説明する。電圧検出器１３は、バッテリ５からインバータ６に入力される直流電力を検出するセンサであって、検出電圧を、電流電圧マップ１、ＰＷＭ変換器４及び異常検出器１４に出力する。異常検出器１４は、電圧検出器１３の検出電圧に基づいて、電圧検出器１４の故障を検出し、電圧検出器１３が故障している場合に、電圧検出器１３の異常を示す異常信号を電圧固定部１５に送信する。異常検出器１４による電圧検出器１３の異常の検出は、例えば以下の方法により行われる。

例えば、バッテリ１２は、直列接続された複数の電池セル（図示しない）により構成され、それぞれの電池セルには、当該電池セルの電圧を管理するセルコントローラ（図示しない）がそれぞれ接続されている。セルコントローラは接続された電池セルの電圧を検出する。各セルコントローラの検出電圧の総和をとることで、バッテリ１２の電圧を算出することができるため、各セルコントローラのうち電圧を検出する部分が、電圧検出器１３に相当する。そして、異常検出器１４により、各セルコントローラの検出電圧がそれぞれ比較され、その比較結果から、セルコントローラの電圧検出機能の異常を検出することができる。例えば、異常検出器１４は、各セルコントローラの検出電圧の平均電圧を演算し、当該平均電圧とそれぞれの検出電圧との電圧差を演算する。異常が生じているセルコントローラの検出電圧は異常な電圧値をとり、平均電圧との電圧差が他の正常な電圧差と比較して大きくなるため、当該電圧差から異常を検出すればよい。

電圧固定部１５は、異常検出器１４にから異常信号を受信した場合に、電圧検出器１３から電流電圧マップ１に入力される検出電圧（Ｖ_ｄｃ）を基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）に固定し、電圧検出器１３からＰＷＭ変換器４に入力される検出電圧（Ｖ_ｄｃ）を基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）に固定する。基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）は、インバータ６へ入力される直流電圧の取りうる電圧値のうち最も低い電圧であり、インバータ６の動作を保障するための下限領域に基づき設定される電圧値である。

ここで、インバータ６には、制御動作を保障する入力電圧の範囲が設計段階により予め設定されている。そして、制御動作を保障する入力電圧の範囲は、性能保障電圧により規定される性能保障電圧範囲、又は、作動保障電圧により規定される作動保障電圧範囲を示す。性能保障電圧範囲は、その電圧範囲内であればインバータ６の性能を保障する電圧範囲である。一方、作動保障電圧範囲は、その電圧範囲内でインバータ６の性能を保障することはできないが、フェール等によらずにインバータ６の動作をすることができる、電圧範囲であって、性能保障電圧範囲より広い電圧範囲を示す。

入力電圧の範囲を性能保障電圧範囲に対応させて設定する場合には、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）は性能保障電圧範囲のうち最も低い電圧に設定される。また、入力電圧の範囲を作動保障電圧範囲に対応させて設定する場合には、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）は作動保障電圧範囲のうち最も低い電圧に設定される。なお、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）は、必ずしも性能保障電圧範囲又は作動保障電圧範囲のうち、最も低い電圧値と等しい電圧値にする必要はなく、当該最も低い電圧より高い電圧値にしてもよい。すなわち基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）は、性能保障電圧範囲又は作動保障電圧範囲の下限領域に基づいて設定されればよい。

入力電圧の範囲を性能保障電圧範囲に対応させて設定する場合には、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）は性能保障電圧範囲のうち最も高い電圧に設定される。また、入力電圧の範囲を作動保障電圧範囲に対応させて設定する場合には、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）は作動保障電圧範囲のうち最も高い電圧に設定される。なお、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）は、必ずしも性能保障電圧範囲又は作動保障電圧範囲のうち、最も高い電圧値と等しい電圧値にする必要はなく、当該最も高い電圧値より低い電圧値にしてもよい。たたし、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）は、少なくとも基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）より高い電圧に設定される。すなわち、性能保障電圧範囲又は作動保障電圧範囲の上限領域に基づいて設定されればよい。ただし、当該上限領域は上記の下限領域より高い電圧領域に設定される。

電流電圧マップ１には、バッテリ５の直流電圧がそのまま入力されず、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）が入力され、電圧電流マップ１は、当該基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）に基づいて、格納されたマップを参照し、ｄｑ軸電流指令値（ｉ^＊ _ｄ、ｉ^＊ _ｑ）及びｄｑ軸非干渉電圧指令値（Ｖ^＊ _{ｄ＿ｄｃｐｌ}、Ｖ^＊ _{ｑ＿ｄｃｐｌ}）を算出する。これにより、電圧検出器１３に異常が生じた場合に、電流電圧マップ１に入力される電圧は、バッテリ５の直流電圧より低い基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）になる。そのため、電圧電流マップ１が、バッテリ５の実際の電圧より大きい電圧を参照して指令値を出力することが無くなり、インバータ６における電力不足を防ぐことができる。

また、ＰＷＭ変換器４には、バッテリ５の直流電圧がそのまま入力されず、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）が入力され、ＰＷＭ変換器４は、当該基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）に基づいて、インバータ６の制御信号のパルス幅を設定する。上記の式２において、ＰＷＭ変換器４に入力される電圧（Ｖ_ｄｃ）は、分母の位置にある。そのため、当該分母を小さい値に設定した場合に、電圧指令値（Ｖ^＊ _ｕ、Ｖ^＊ _ｖ、Ｖ^＊ _ｗ）の変動に対して、パルス幅（ｔ_ｕ、ｔ_ｖ、ｔ_ｗ）の変動が大きくなる。そして、パルス幅（ｔ_ｕ、ｔ_ｖ、ｔ_ｗ）の変動の幅は、ＰＷＭ変換器４に入力される電圧を、保障電圧範囲のうち最も低い電圧に固定した場合に最も大きくなる。

電圧検出器１３の異常が検出された場合に、ＰＷＭ変換器４は、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）より高い電圧である基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）を入力電圧とし、パルス幅を設定する。これにより、制御信号のパルス幅が頻繁に大きく変動することがなくなるため、ループゲインが低い状態となり制御の安定性を図ることができる。

例えば、インバータ６の保障電圧範囲を２００〜４００Ｖとし、ＰＷＭ変換器４への入力電圧を保障電圧範囲の下限値（２００Ｖ）に固定した場合と、比較して、ＰＷＭ変換器４への入力電圧を保障電圧範囲の上限値（４００Ｖ）に固定した場合には、ある所定の範囲の電圧指令値（Ｖ^＊ _ｕ、Ｖ^＊ _ｖ、Ｖ^＊ _ｗ）に対するパルス幅の変動の大きさにより示される制御の安定性が、約２倍、向上する。

上記のように、本例は、異常検出器１４が電圧検出器１３の異常を検出した場合に、電圧固定部１５により、電流電圧マップ１に入力される検出電圧（Ｖ_ｄｃ）を、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）に固定し、ＰＷＭ変換器４に入力される検出電圧（Ｖ_ｄｃ）を、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）より高い電圧である基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）に固定する。これにより、電流電圧マップ１が、実際のバッテリ５の電圧より大きい電圧を参照して指令値を算出しないため、インバータ６において電力不足に陥ることを回避することができる。また、ＰＷＭ変換器４により生成される制御信号のパルス幅の変動を抑制することができるため、ループゲインが高い状態となることを防ぎ、ゲイン余裕を大きくとることができ、その結果として、制御の安定性を向上させることができる。

また、本例のインバータ制御装置に対して、電流制御の高応答性及びインバータ６の運転範囲の広域化が求められた場合に、本例のインバータ制御装置は、高い応答性を確保するためにループゲインを高くし、ゲイン余裕が少ない状態に回路設計される。そして、インバータ６の出力電圧に対してバッテリ５の直流電圧の余裕が無く、本例のインバータ制御装置は高変調率で運転する。本例は、上記のように、異常検出器１４が電圧検出器１３の異常を検出した場合に、インバータ６における電力不足を回避しつつ、ゲイン余裕を大きくとることができるため、電流制御の高応答性及びインバータ６の運転範囲の広域化に対応するように回路設計した場合においても、電圧検出器１３の異常時に、制御を不安定になることを防ぐことができる。

また本例は、異常検出器１４が電圧検出器１３の異常を検出した場合に、電圧固定部１５により、ＷＭ変換器４に入力される検出電圧（Ｖ_ｄｃ）を、インバータ６の保障電圧範囲の上限領域に基づいて設定される基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）に固定する。これにより、ＰＷＭ変換器４により生成される制御信号のパルス幅の変動を抑制することができるため、ループゲインが高い状態となることを防ぎ、ゲイン余裕を大きくとることができ、その結果として、制御の安定性を向上させることができる。

なお、本例の基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）は、性能保障電圧の下限の電圧、又は作動保障電圧の下限の電圧に対応し、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）は、性能保障電圧の上限の電圧、又は作動保障電圧の条件の電圧に対応する。また、本例は、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）を、性能保障電圧の下限の電圧以下であり、かつ、作動保障電圧の下限の電圧以上である電圧と対応させ、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）を、性能保障電圧の上限の電圧以上であり、かつ、作動保障電圧の上限の電圧以下である電圧と対応させて、設定してもよい。 本例の電圧検出器１３は本発明の「電圧検出手段」に相当し、電流電圧マップ１が「目標値算出手段」に、電流制御器２、座標変換器３及びＰＷＭ変換器４が「インバータ制御手段」に、異常検出器１４が「異常検出手段」に、電圧固定部１５が「電圧固定手段」に相当する。また本例の基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｌ）が本発明の「第１の保障電圧」に、基準電圧（Ｖ_ｄｃ＿ｈ）が本発明の「第２の保障電圧」に相当する。

１…電流電圧マップ
２…電流制御器
３…座標変換器
４…ＰＷＭ変換器
５…バッテリ
６…インバータ
７…電流センサ
８…モータ
９…磁極位置検出器
１０…座標変換器
１１…回転数演算器
１２…ＬＰＦ
１３…電圧検出部
１４…異常検出器
１５…電圧固定部

Claims (3)

1. 直流電源から入力される直流電力を交流電力に変換するインバータの直流電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段の検出電圧に基づき、前記インバータから出力される交流電流の目標値を算出する目標値算出手段と、
   前記検出電圧と前記目標値に基づき、前記インバータに含まれるスイッチング素子の制御信号を生成し、前記インバータを制御するインバータ制御手段と、
   前記電圧検出手段の異常を検出する異常検出手段と、
   前記異常検出手段により前記異常を検出した場合に、前記目標値を算出するための前記検出電圧を、前記インバータの性能を保障する保障電圧範囲の下限領域に基づき設定される第１の保障電圧に固定し、前記制御信号を生成するための前記検出電圧を、前記第１の保障電圧より高い電圧である第２の保障電圧に固定する電圧固定手段とを備えることを特徴とするインバータ制御装置。
2. 前記第２の保障電圧は、前記インバータの性能を保障する保障電圧範囲の上限領域に基づき設定されることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
3. 電圧検出手段により、インバータに入力される直流電源の直流電圧を検出する電圧検出工程と、
   前記電圧検出工程により検出された前記直流電源の検出電圧に基づいて、前記インバータから出力される交流電流の目標値を算出する工程と、
   前記検出電圧と前記目標値に基づき、前記インバータに含まれるスイッチング素子の制御信号を生成する工程と、
   前記制御信号に基づき、前記スイッチング素子のオン及びオフを制御し、前記直流電源の直流電力を交流電力に変換する工程と、
   前記電圧検出手段の異常を検出する異常検出工程と、
   前記異常検出工程により前記異常を検出した場合に、前記目標値を算出するための前記検出電圧を、前記インバータの性能を保障する保障電圧範囲の下限領域に基づき設定される第１の保障電圧に固定し、前記制御信号を生成するための前記検出電圧を、前記第１の保障電圧より高い電圧である第２の保障電圧に固定する工程とを含むことを特徴とするインバータ制御方法。

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