JP6176183B2 - 交流電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
例えば特許文献1に開示された構成では、回転角センサによる電気角信号、電流センサによる相電流信号、電圧センサによるインバータ入力電圧信号が、いずれもMG−ECU(制御演算部)に入力される。制御演算部は、これらのセンサ信号に基づいてインバータへの指令電圧を制御演算することで、交流電動機の通電を制御する。
この構成では、強電センサ信号をアナログ信号で送信すると、ノイズによるセンサ情報のずれにより交流電動機の制御が正常にできなくなるおそれがある。そこで、パワー部で強電センサ信号をデジタル信号に変換して制御演算部に送信することが考えられる。
また、直流電源の電圧を昇圧してインバータに出力する昇圧コンバータ(直流電圧変換器)を備えた交流電動機の制御装置における昇圧制御についても、この問題は同様に存在する。例えばリアクトル電流について、同期したタイミングで取得された複数の情報が昇圧制御に必要となる場合、伝達遅延のばらつきにより、制御に必要な複数の情報の同期性が損なわれるという問題がある。
ここで、「交流電動機」は、交流駆動のモータ、発電機、及びモータジェネレータを含むものであり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車の主機として用いられ駆動輪を駆動するためのトルクを発生するモータジェネレータが該当する。また、モータジェネレータを駆動するMG制御装置が「交流電動機の制御装置」に該当する。
制御演算部は、パワー部と離間して設けられ、センサ信号送信部と通信線によって接続されており、センサ信号送信部から送信された複数の強電センサ信号の情報に基づいて交流電動機の通電を制御する。
ここで、複数の強電センサ信号は、各グループがさらに複数の強電センサ信号を含むように設定された複数の「同期送信グループ」に分けられている。
センサ信号送信部は、同期送信グループ毎に複数の強電センサ信号を同期したタイミングで取得し、且つ、取得した複数の強電センサ信号を通信データの一単位として制御演算部に送信する「同期送信処理」を実行することを特徴とする。
また、「複数の強電センサ信号を通信データの一単位として送信する」とは、CAN通信規格等において、複数の強電センサ信号を「同一のデータフレーム内に格納して送信する」ことを意味する。これにより、同期送信グループの強電センサ信号の送信時間をそろえることができる。
この場合、「昇圧コンバータのリアクトル電流、出力電圧及び入力電圧のセンサ信号のグループ」、及び、「インバータからモータジェネレータに供給される相電流のセンサ信号のグループ」が同期送信グループを構成する。
また、フィードバック制御によるインバータの制御では、同一タイミングの各相電流に基づくdq変換の制御演算において、交流電動機の通電制御に必要な複数の情報の同時性を確保することができる。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態の交流電動機の制御装置について、図1〜図5を参照して説明する。本実施形態の交流電動機の制御装置は、ハイブリッド自動車に適用される。
図1に示すハイブリッド自動車は、いわゆるシリーズパラレルハイブリッド自動車であり、車両の駆動力源として、エンジン92、及び2つのモータジェネレータ81、82を備える。
MG81、82のロータ近傍には、それぞれ、第1MG81の電気角θ1及び第2MG82の電気角θ2を検出する回転角センサ83、84が設けられる。回転角センサ83、84は、例えばレゾルバであり、検出した電気角信号θ1、θ2をアナログ信号(例えば0〜5Vの信号、以下同様。)として、MG−ECU6に出力する。
エンジンECU91は、図示しないクランク角センサから入力されるクランク角信号等に基づいてクランク軸93のクランク角やエンジン回転速度等の情報を取得し、エンジン92の運転を制御する。
昇圧コンバータ20、第1インバータ(図中「MG1インバータ」と記す。」)30、及び第2インバータ(図中「MG2インバータ」と記す。」)40は、まとまって配置され、MG81、82へ駆動電力を供給するパワー部5のユニットを構成している。
「駆動回路」としての第1インバータ30及び第2インバータ40は、直流電力と三相交流電力とを相互に変換する。第1MG81が発電した三相交流電力は、第1インバータ30で直流電力に変換され、昇圧コンバータ20を経由してバッテリ15に回生される。第2MG82は、第2インバータ40が変換した三相交流電力を用いて力行動作によりトルクを出力する。第2MG82による駆動力は、プロペラ軸95、デファレンシャルギア機構96、車軸97を介して車輪98に伝達される。
そして、パワー部5とMG−ECU6とを含むMG制御装置101が、本発明の「交流電動機の制御装置」に相当する。
図2に示すように、昇圧コンバータ20は、入力側コンデンサ21、リアクトル22、上下アームのスイッチング素子23、24、出力側コンデンサ25等により構成される。
昇圧コンバータ20の回路には、入力側コンデンサ21と並列に設けられバッテリ15から入力される入力電圧VLを検出する電圧センサ27、出力側コンデンサ25と並列に設けられ昇圧コンバータ20の出力電圧VHを検出する電圧センサ28、及び、リアクトル22を流れるリアクトル電流ILを検出する電流センサ29が設けられている。
昇圧コンバータ20は、例えば昇圧デューティに基づくPWM制御によりスイッチング素子23、24が交互にオン/オフされることで、リアクトル22が電気エネルギを蓄積及び放出する。リアクトル22が放出した電気エネルギが入力電圧VLに重畳し、入力電圧VLが昇圧される。昇圧された出力電圧VHは、インバータ30、40に入力される。
本実施形態では、インバータ30、40は、PWM制御によって各相のスイッチング素子がオン/オフされることにより、昇圧コンバータ20で昇圧された出力電圧VHの直流電力を三相交流電力に変換し、第1MG81及び第2MG82に供給する。
本実施形態では、各電流センサ37、38、39、47、48、49が検出した相電流値はアナログ信号で出力され、センサ信号送信部51に入力される。
一方、第1MG回転角センサ83が検出した電気角θ1、及び、第2MG回転角センサ84が検出した電気角θ2のセンサ信号は、MG−ECU6に入力され、それぞれ、A/D変換器63、64でデジタル変換される。
なお、dq軸電流からトルクを算出し、トルク指令値trq*に対してフィードバックすることで、トルクフィードバック制御を適用することもできる。
図8、図9に示す比較例のMG制御装置108は、パワー部508とMG−ECU608とが別の基板に離間して設けられている点で、本実施形態と同様である。ただし、MG制御装置108では、パワー部508に設けられた電流センサ29、37、38、39、47、48、49、及び電圧センサ27、28から出力されたアナログのセンサ信号は、アナログ信号線59を経由して、そのままMG−ECU608に入力される。
なお、インバータ回路内に電流センサが取り付けられる構成は、例えば特開2013−258843号の図1に開示されている。
また、第1インバータ30及び第2インバータ40に対応するA/D変換器63、64では、相電流信号と共に、回転角センサ83、84からの電気角信号θ1、θ2がデジタル変換される。
インバータ30、40について、U相、V相、W相の電流値は、周知の電流フィードバック制御又はトルクフィードバック制御において三相電流をdq変換するとき、当然に、同じタイミングの電流値を用いる必要がある。また、昇圧コンバータ20について、例えば特開2013−230073号の図1に開示されているように、リアクトル電流IL、入力電圧Vin(=VL)及び出力電圧VHを同時に取得する要求がある。
図10に示す通り、比較例では、各相電流Iu2、Iv2、Iw2、及び電気角θ2が同一のタイミングで取得される。したがって、第2インバータ40のフィードバック制御でdq変換演算において要求されるセンサ信号の「同時性」が確保されている。これは、A/D変換器62、63を用いる昇圧コンバータ20及び第1インバータ30の制御についても同様である。
そこで、本実施形態のMG制御装置101では、パワー部5のセンサ信号送信部51で強電センサ信号をデジタル信号に変換し、通信線56を経由してMG−ECU6に送信するという構成を採用する。
ブロック矢印で示す「伝達遅延」の問題が生じる。
MG−ECU6は、PWMキャリアの山のタイミングであるタイミングtcnに回転角センサ84からの電気角信号θ2を取得する。一方、各相電流の情報については、実線の○印がセンサ信号送信部51に取得されたタイミングを示し、破線の○印がMG−ECU6が信号を受信したタイミングを示す。すなわち、MG−ECU6がタイミングtcnに受信する情報は、伝達時間だけ遡った過去の時点で取得された情報である。
同期送信処理では、MG−ECU6の制御において取得タイミングを同期させる複数の強電センサ信号を「同期送信グループ」とする。本実施形態では、次の3つの同期送信グループを設定する。
[1]昇圧コンバータ20のリアクトル電流IL、出力電圧VH及び入力電圧VLのセンサ信号のグループ
[2]第1インバータ30の三相電流Iu1、Iv1、Iw1のセンサ信号のグループ
[3]第2インバータ40の三相電流Iu2、Iv2、Iw2のセンサ信号のグループ
そして、センサ信号送信部51は、変換したデジタル信号を、同期送信グループ毎に、例えばCAN通信規格の同一のデータフレーム内に格納(パッケージ)してMG−ECU6に送信する。これにより、同期送信グループの強電センサ信号の送信時間をそろえることができる。
以上のように、「同時/同期取得」及び「一単位送信」の2つのステップが、本発明の「同期送信処理」の要旨である。
昇圧コンバータ20用のグループのセンサ信号について、出力電圧VHは、指令電圧VHcomとの偏差に基づき、昇圧デューティのフィードバック項を演算するために用いられる。入力電圧VLは、指令電圧VHcomとの比に基づき、昇圧デューティのフィードフォワード項を演算するために用いられる。したがって、基本的には出力電圧VH及び入力電圧VLに基づいて、昇圧コンバータ20のフィードバック制御が可能である。
リアクトル電流ILの増加時の傾き(>0)=VL/L
リアクトル電流ILの減少時の傾き(<0)=(VL−VH)/L
リアクトル電流ILは、出力電圧VH及び入力電圧VLに比べ変化に対する追従が速いため、リアクトル電流ILを用いることにより、応答性が向上する。
ここで、MG81、82の相電流を検出する電流センサを二相に設け、二相の電流センサ信号を同期送信グループとしてもよい。その場合、同一タイミングで取得された二相の電流情報を取得したMG−ECU6は、キルヒホッフの法則を用いて、同一タイミングにおける他の一相の電流を算出することができる。
また、三相の相電流に代えて、三相の相電圧を取得してもよい。
(1)パワー部5とMG−ECU6とが離間して設けられ、パワー部5に入力された強電センサ信号をパワー部5からMG−ECU6に通信する構成のMG制御装置において、本実施形態では、強電センサ信号がセンサ信号送信部51でデジタル変換されて送信される。これにより、強電センサ信号をアナログ信号のまま送信する比較例に対し、ノイズによるセンサ情報のずれによりMG81、82の制御が正常にできなくなることを防止することができる。
また、フィードバック制御によるインバータ30、40の制御では、同一タイミングの各相電流に基づくdq変換の制御演算において、MG81、82の通電制御に必要な複数の情報の同時性を確保することができる。
図6に、昇圧コンバータ20のリアクトル電流IL、出力電圧VH及び入力電圧VLの各センサ信号の取得タイミングに関する本発明の第2実施形態を示す。センサ信号送信部51において、出力電圧VH及び入力電圧VLについては、第1実施形態の図5と同様、PWMキャリアの山谷に相当するトリガタイミングtcnで取得される。
このように、リアクトル電流ILは、トリガタイミングtcnに対して同時ではなく、所定の時間差だけずれた「同期したタイミング」で取得される。すなわち、トリガタイミングtcnに対するデータの「同期性」が確保される。
これにより、リアクトル電流ILの傾きを算出するとき、前回値を用いず、複数のタイミングで取得した今回値のみを用いて算出することができる。
図7に示す第3実施形態のMG制御装置103は、図3に示す第1実施形態に対し通信ラインの構成が異なる。昇圧コンバータ用センサ信号のA/D変換器52、及び、第1MG用センサ信号のA/D変換器53からのデジタル信号は、合流し、通信線573を経由してMG−ECU6に送信されている。一方、第2MG用センサ信号のA/D変換器54からのデジタル信号は、単独で通信線574を経由してMG−ECU6に送信されている。このように、通信ラインは、同期送信グループ単位で分かれていてもよい。
(ア)本発明の「交流電動機の制御装置」として、上記実施形態では、シリーズパラレルハイブリッド自動車において2つのMG81、82の駆動を制御するMG制御装置を例示した。他の実施形態では、本発明の「交流電動機の制御装置」は、1つ、又は3つ以上のMGを備えるハイブリッド自動車や電気自動車に適用されてもよい。また、車両の主機モータ以外に、車両の補機用や、車両以外の電車、昇降機、一般機械等に用いられる交流電動機の制御装置として適用されてもよい。
さらに本発明は、三相交流電動機に限らず、三相以上の多相の交流電動機に広く適用可能である。
(エ)インバータの制御は、PWM制御に限らず、位相制御や瞬時電流制御等を用いてもよい。
15・・・バッテリ、 20・・・昇圧コンバータ(直流電圧変換器)、
29、37、38、39、47、48、49・・・電流センサ(強電センサ)、
27、28・・・電圧センサ(強電センサ)、
30、40・・・インバータ(駆動回路)、
5 ・・・パワー部、
51・・・センサ信号送信部、 56、573、574・・・通信線、
6 ・・・MG−ECU(制御演算部)、
81、82・・・MG(モータジェネレータ、交流電動機)。
Claims (7)
- 直流電源(15)からの直流電力を変換し三相以上の多相の交流電動機(81、82)を駆動する駆動回路(30、40)、及び、前記直流電源から前記交流電動機までの電力経路における電流又は電圧を検出する強電センサ(27、28、29、37、38、39、47、48、49)から複数の強電センサ信号を取得しデジタル信号として送信するセンサ信号送信部(51)を含むパワー部(5)と、
前記パワー部と離間して設けられ、前記センサ信号送信部と通信線(56、573、574)によって接続されており、前記センサ信号送信部から送信された複数の前記強電センサ信号の情報に基づいて前記交流電動機の通電を制御する制御演算部(6)と、
を備え、
複数の前記強電センサ信号は、各グループがさらに複数の前記強電センサ信号を含むように設定された複数の同期送信グループに分けられており、
前記センサ信号送信部は、
アナログ信号として取得した複数の前記強電センサ信号を前記同期送信グループ毎にデジタル信号に変換して出力する複数のアナログデジタル変換器(52、53、54)を有し、
前記同期送信グループ毎に複数の前記強電センサ信号を同期したタイミングで取得し、且つ、取得した複数の前記強電センサ信号を通信データの一単位として前記制御演算部に送信する同期送信処理を実行することを特徴とする交流電動機の制御装置(101、103)。 - 複数の前記同期送信グループには、一つ以上の前記駆動回路についての前記同期送信グループが含まれることを特徴とする請求項1に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記センサ信号送信部は、前記交流電動機の二相以上の電流センサ信号を前記駆動回路についての前記同期送信グループとし、前記同期送信処理を実行することを特徴とする請求項2に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記センサ信号送信部は、前記交流電動機の二相以上の電流センサ信号について、同一のタイミングで取得した値を送信し、
前記制御演算部は、受信した前記二相以上の電流センサ信号を、回転角センサ(83、84)から取得した前記交流電動機の電気角と共に用いて制御演算を行うことを特徴とする請求項3に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記パワー部は、
リアクトル電流(IL)が流れ電気エネルギを蓄積且つ放出可能なリアクトル(22)及び前記リアクトルに接続されるスイッチング素子(23、24)を有し、前記直流電源から入力される入力電圧(VL)を出力電圧(VH)に変換して前記駆動回路に出力する直流電圧変換器(20)を含み、
前記センサ信号送信部は、
前記強電センサ(27、28、29)から取得した前記リアクトル電流、前記入力電圧及び前記出力電圧のうち2つ以上のセンサ信号を、前記駆動回路についての前記同期送信グループとは異なる前記直流電圧変換器についての前記同期送信グループとし、前記同期送信処理を実行することを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記直流電圧変換器についての前記同期送信グループは、前記入力電圧及び前記出力電圧のセンサ信号を含み、
前記センサ信号送信部は、前記入力電圧及び前記出力電圧のセンサ信号について、同一のタイミングで取得した値を送信することを特徴とする請求項5に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記パワー部は、2つ以上の前記交流電動機をそれぞれ駆動する2つ以上の前記駆動回路を含み、
前記センサ信号送信部は、前記駆動回路毎に、対応する前記交流電動機の二相以上の電流センサ信号を前記駆動回路についての同期送信グループとし、前記同期送信処理を実行することを特徴とする請求項2〜6のいずれか一項に記載の交流電動機の制御装置。
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