JP6183130B2

JP6183130B2 - モータ駆動システム

Info

Publication number: JP6183130B2
Application number: JP2013211779A
Authority: JP
Inventors: 将平大井; 林　和仁; 和仁林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: JP2015076986A

Description

本発明は、昇圧コンバータの制御に関する。

従来より、多くの電気自動車（ＥＶ）や、ハイブリッド自動車（ＨＶ）は、搭載した電池から供給される昇圧前電圧ＶＬを昇圧し、インバータ入力電圧（昇圧後電圧）ＶＨを得る昇圧コンバータを搭載している。モータの高出力時にインバータ入力電圧ＶＨを高くすることで、モータ駆動における効率を改善することができる。

通常の場合、昇圧コンバータは、１つのリアクトルと２つのスイッチング素子からなり、２つのスイッチング素子のデューティー比を制御することで、昇圧後電圧ＶＨを目標値に近づける。

また、特許文献１では、目標昇圧後電圧ＶＨ＊と実際の昇圧後電圧ＶＨの偏差から、昇圧コンバータにおけるスイッチング素子のデューティー比をフィードバック制御するのではなく、偏差に基づいてリアクトルに流すべき目標リアクトル電流ＩＬ＊を算出し、この目標電流ＩＬ＊と、実際のリアクトル電流ＩＬとの偏差に基づいて、昇圧コンバータのスイッチング素子のデューティー比を決定している。すなわち、電圧ＶＨを目標電圧ＶＨ＊にするために必要な輸送エネルギーを算出し、これを昇圧前の電圧ＶＬで除算することで、目標リアクトル電流ＩＬ＊を算出し、これに基づくＰＩ制御で、昇圧コンバータのデューティー比を決定している。なお、昇圧の場合のデューティー比は、下側スイッチング素子のオン期間のデューティー比である。

また、特許文献１では、目標となるデューティー比を決定する際に、上述したようなフィードバック項に、ＶＬ／ＶＨ＊を加算している。これは目標電圧ＶＨ＊を考慮するフィードフォワード項である。

特開２０１３−１７２７０号公報

ここで、車両は、滑りやすい路面での急発進や加速時において、駆動輪にブレーキをかけたり、駆動出力を抑えたりすることで、タイヤの空転を抑え、接地性を確保するＴＲＣ（トラクションコントロール）や、カーブを曲がる時に４輪個々のブレーキの力と駆動出力を自動的に制御し、横滑りを抑え、車両の安定性を確保するＶＳＣ（車両安定制御）などを備えている場合が多い。

このような、ＴＲＣ、ＶＳＣなどが作動すると、モータが急に停止して、モータのパワー（消費電力）が急減少する。モータパワーが急減少すると、電圧ＶＨを下げることになるが、電圧ＶＨは一旦増加することになる。すなわち、リアクトル電流ＩＬの制御も基本はＰＩフィードバック制御であるため、制御遅れがある。そこで、電圧ＶＨが一旦上昇した後、目標リアクトル電流ＩＬ＊が減少する。

特に、モータ消費電力の急減少の場合には、電圧ＶＨが大きく上昇してしまい（電圧サージが発生してしまい）、適切な電圧ＶＨ制御が行えないという場合が生じる。

本発明は、バッテリからの電力を昇圧コンバータにより昇圧して、インバータに供給し、インバータから供給する電力でモータを駆動するモータ駆動システムであって、前記昇圧コンバータは、一対のスイッチング素子と、リアクトルを含み、前記昇圧コンバータの一対のスイッチング素子のデューティ比制御の指令値は、前記リアクトルに流れるリアクトル電流ＩＬと目標リアクトル電流ＩＬ＊との偏差に基づく比例項および積分項を含む計算により決定され、前記目標リアクトル電流ＩＬ＊は、前記昇圧コンバータによる昇圧後の電圧ＶＨとその指令値ＶＨ＊との偏差に基づいて決定される指令値と、モータ消費電力と昇圧前の電圧ＶＬとによって決定される指令値と、に基づいて生成され、前記昇圧コンバータの一対のスイッチング素子のデューティ比制御の指令値を、モータ消費電力に応じて変更する。

本発明によれば、モータ消費電力を考慮して、前記昇圧コンバータのデューティ比制御の指令値を変更する。これによって、モータ消費電力の急変に効果的に追従することができる。

システム全体の概略構成を示す図である。昇圧コンバータのデューティー比制御の為の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

＜全体構成＞
図１は、システム全体の概略構成を示す図である。本システムは、モータを駆動するもので、例えば電気自動車や、ハイブリッド自動車に搭載される。なお、車両走行用のモータと、発電用のモータを設ける場合も多いが、図１においてはモータは１つとして記載してある。

バッテリ１０は、リチウムイオンやニッケル水素などの二次電池で、出力電圧は例えば２００Ｖ程度である。バッテリ１０の電圧は電圧計１２によって計測される。このバッテリ１０の正極は、バッテリ電流計１４を介しリアクトル１６の一端に接続されている。

リアクトル１６の一端とバッテリ１０の負極との間には、コンデンサ１８が配置され、このコンデンサ１８の電圧である昇圧前電圧ＶＬが電圧計２０によって計測される。

リアクトル１６の他端は、リアクトル電流を計測する電流計２３を介し、スイッチング素子２４，２６の接続点に接続されている。スイッチング素子２４，２６は、ＩＧＢＴなどのトランジスタを含み、トランジスタのエミッタ・コレクタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードが接続されている。

リアクトル１６、スイッチング素子２４，２６によって、昇圧コンバータが構成され、スイッチング素子２６がオンすることでリアクトル１６に図における右方向（昇圧時の電流方向：ＶＬ側からＶＨ側）に電流が流れ、これによってエネルギーが蓄積され、スイッチング素子２６をオフすることで、スイッチング素子２４のダイオードを介し正側母線２２側に電流が流れ、電圧ＶＬから昇圧後電圧（インバータ入力電圧）ＶＨが得られる。また、スイッチング素子２４をオンして、リアクトル１６に図における左方向（降圧時の電流方向：ＶＨ側からＶＬ側）に電流を流すことで、降圧コンバータとしても機能する。なお、この降圧コンバータは、バッテリ１０の電圧ではなく、電圧ＶＨを下げるものであり、リアクトル１６に流れる電流量で電圧ＶＨを下げる。このため、スイッチング素子２４のオフ時において、スイッチング素子２６のダイオードを介しバッテリ１０へ向けて電流が流れるが、電圧ＶＨの電圧制御には寄与しない。

スイッチング素子２４，２６のオン期間（デューティー比）を制御することで、昇圧コンバータ、降圧コンバータのいずれにも機能させることができ、電圧ＶＨを制御することができる。

スイッチング素子２４のコレクタは正側母線２２に接続され、そのエミッタはスイッチング素子２６のコレクタに接続され、スイッチング素子２６のエミッタはバッテリ１０の負極に接続される負側母線２８に接続されている。

正側母線２２と負側母線２８との間には、コンデンサ３０が配置され、昇圧後電圧ＶＨを維持する。また、このコンデンサ３０によって維持される電圧ＶＨが電圧計３２によって計測される。

正側母線２２と負側母線２８の間には、スイッチング素子３４，３６の直列接続、スイッチング素子３８，４０の直列接続、スイッチング素子４２，４４の直列接続、の３本のアームが配置されて、インバータが構成されている。なお、スイッチング素子３４〜４４も、ＩＧＢＴなどのトランジスタを含み、トランジスタのエミッタ・コレクタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードが接続されている。

そして、スイッチング素子３４，３６の中間点、スイッチング素子３８，４０の中間点、スイッチング素子４２，４４の中間点は、それぞれモータ４６のｕ相、ｖ相、ｗ相コイルに接続されている。従って、モータ４６の出力トルク指令に応じて、６つのスイッチング素子３４〜４４のスイッチングを制御することで、所望の３相交流電流をモータ４６に供給して、モータ４６を駆動制御することができる。また、モータ４６を回生制動することもできる。

このようなインバータの各スイッチング素子３４〜４４のスイッチング制御は、制御装置４８が行う。すなわち、制御装置４８には、アクセル操作情報などが供給され、これに基づいてモータ４６の出力トルク指令が得られる。制御装置４８には、モータ回転の回転位置センサ５０からのロータ回転位置情報、電流センサ５２ｕ，５２ｖからのモータ駆動電流情報も供給されており、制御装置４８はこれら情報に基づき、スイッチング素子３４〜４４のスイッチング制御信号を生成し、スイッチング素子３４〜４４を制御して、モータ４６の駆動を制御する。ここで、スイッチング素子３４〜４４の制御は、ＰＷＭ制御による。

＜昇圧コンバータのデューティー比制御＞
制御装置４８は、モータ４６の出力トルク指令に応じて、目標昇圧後電圧ＶＨ＊（昇圧後電圧の指令値）を算出し、スイッチング素子２４，２６のスイッチングを制御して、昇圧後電圧ＶＨが目標昇圧後電圧ＶＨ＊と一致するように制御する。

なお、電圧計３２が昇圧後電圧ＶＨ、電流計２３がリアクトル電流ＩＬ、電圧計２０が昇圧前電圧ＶＬを制御装置４８に供給する。制御装置４８は、ＶＨ＊，ＶＨ，ＶＬ，とから、ＶＨ＊とＶＨの偏差およびコンバータにおいて必要なエネルギー輸送量を求め、これに基づいて、目標リアクトル電流ＩＬ＊を算出する。そして、この目標リアクトル電流ＩＬ＊（リアクトル電流の指令値）と、リアクトル電流ＩＬとの偏差に基づいて、スイッチング素子２４，２６の目標デューティー比Ｄ＊を算出し、スイッチング素子２４，２６のスイッチングを制御する。昇圧の場合には、目標デューティー比Ｄ＊（デューティー比の指令値）に基づいてスイッチング素子２６のデューティー比が制御される。

ここで、リアクトル１６、スイッチング素子２４，２６を含む昇圧コンバータの制御の機構について図２に基づいて説明する。

目標リアクトル電流ＩＬ＊，目標デューティー比Ｄ＊は、下記式（１）−（３）に従って算出することができる。ここで、Ｃはコンデンサ３０の容量値、Δｔは制御時間であり単位時間（１秒）当たりのエネルギーをΔｔで除算することで制御時間当たりのエネルギー量に換算する値、Ｋｐ１は比例項の係数、Ｋｉ１は積分項の係数である。式（１）において、Ｃ（ＶＨ＊^２−ＶＨ^２）／２が必要な単位時間当たりの輸送エネルギーをＶＬ・Δｔで除算することでリアクトル電流ＩＬの目標値に対応させた値とする値、第１項が比例項、第２項が積分項である。式（２）において、式（１）で算出した目標ｉｌ＊にＩＬのフィードフォワード項ＩＬ（Ｆ／Ｆ）を乗算する。また、式（３）において、第１項はデューティー比についてのフィードフォワード項、第２項が係数Ｋｐ２の比例項、第３項が係数Ｋｉ２の積分項である。

このようにして算出されたデューティー比指令Ｄ＊に基づいて、スイッチング素子２４，２６のデューティー比が制御される。まず、目標昇圧後電圧ＶＨ＊の２乗であるＶＨ＊^２と測定された昇圧後電圧ＶＨの２乗であるＶＨ^２が減算器６０に入力され、ここで両者の偏差が計算される。次に、演算器６２において１／ＶＬが乗算された後、演算器６４において上述した式（１）の演算が行われ目標リアクトル電流ｉｌ＊が得られる。この目標リアクトル電流ｉｌ＊は、加算器６６に入力され、ここで目標リアクトル電流についてのフィードフォワード項ｉｌ＊（Ｆ／Ｆ）が加算され、目標リアクトル電流ＩＬ＊が得られる。

次に、目標リアクトル電流ＩＬ＊は、減算器６８において、測定されたリアクトル電流ＩＬが減算されて偏差が計算され、演算器７０に入力される。演算器７０では、式（３）の第２項および第３項の演算を行い、その出力が加算器７２に入力される。加算器７２では、デューティー比のフィードフォワード項であるデューティー（Ｆ／Ｆ）＝ＶＬ／ＶＨ＊が加算されて、最終的な目標デューティー比Ｄ＊が得られる。

このようにして得られた目標デューティー比Ｄ＊に基づいて、スイッチング素子２４，２６のスイッチングを制御することで、目標とするＶＨ＊を得ることができる。なお、昇圧の場合、目標デューティ比Ｄ＊のオン期間に応じて、スイッチング素子２６のオン期間（デューティー比）が制御される。

＜ｉｌ＊（Ｆ／Ｆ）について＞
ここで、本実施形態においては、加算器６６において、目標リアクトル電流のフィードフォワード項であるｉｌ＊（Ｆ／Ｆ）を目標リアクトル電流ｉｌ＊に加算する。このフィードフォワード項ｉｌ＊（Ｆ／Ｆ）について説明する。

この目標リアクトル電流のフィードフォワード項ｉｌ＊（Ｆ／Ｆ）は、モータ４６のパワー（消費電力）についての修正項である。すなわち、制御対象となるモータ４６の消費電力が大きく変化した場合、トルク指令も変化するが、式（１）による目標リアクトル電流ｉｌ＊を用いるフィードバック制御では、すぐに追従することはできない。

例えば、車両においてＴＲＣ、ＶＳＣなどが作動すると、駆動用のモータが急に停止される。このため、出力トルク指令が０になり、目標昇圧後電圧ＶＨ＊は現在のＶＨと同様になる。この場合、比例項は０になるが、積分項は残るため、目標リアクトル電流ｉｌ＊は、それまでの状態が維持され、モータ消費電力が０のまま昇圧動作が行われ、電圧ＶＨが上昇する（ＶＨサージの発生）。そして、電圧ＶＨが十分上昇することで、電圧ＶＨを下げる方向に制御が行われて電圧ＶＨが減少する。従って、電圧ＶＨが一旦上昇してしまうという問題がある。

比例制御のゲイン（係数）を大きくし、Ｐ制御に近くすれば、追従性はよくなるが、外乱などの影響を大きく受け、またオーバーシュートが発生し安定した制御が行えなくなってしまう。例えば、昇圧後電圧ＶＨについて周期的な外乱があれば、リアクトル電流も周期的に大きく変化してしまうことになる。従って、ゲイン調整以外の方法で追従性を改善することが望まれる。

本実施形態では、モータ４６の消費電力を昇圧前電圧ＶＬで除算してモータ４６の消費電力に応じた目標リアクトル電流のフィードフォワード項ｉｌ＊（Ｆ／Ｆ）を算出し、これを目標リアクトル電流ｉｌ＊に加算する。

すなわち、図２に示されるように、演算器７４においてモータ消費電力に対し１／ＶＬを乗算して、リアクトル電流に対応する値とし、これを目標リアクトル電流のフィードフォワード項ｉｌ＊（Ｆ／Ｆ）として加算器６６に供給し、目標リアクトル電流ｉｌ＊に加算する。

従って、モータ４６の消費電力が急減した際には、このリアクトル電流ＩＬ（Ｆ／Ｆ）が急減して、目標リアクトル電流ＩＬ＊が追従し、電圧ＶＨが上昇してしまうことを防止できる。

一方、モータ４６の消費電力に変化が少ない状態では、このリアクトル電流指令ＩＬ（Ｆ／Ｆ）に変化がなく、安定したリアクトル電流のフィードバック制御が行える。

ここで、モータ４６の消費電力は、
（モータ消費電力）＝（出力トルク指令）×（回転数）＋（モータ損失）
によって算出するとよい。

また、計算結果について、任意の係数を乗算して、リアクトル電流ＩＬ制御におけるモータ消費電力の変動の寄与率を変更してもよい。この係数の値は、実際の装置において、テストして適切な値を決定するとよい。

さらに、ハイブリッド自動車の駆動系では、１つのエンジンと、２つのモータジェネレータを利用し、エンジンおよびモータジェネレータの出力で走行できるシステムが広く採用されている。このようなシステムでは、エンジンが遊星歯車のキャリア軸に連結され、発電用のモータジェネレータが太陽歯車に、駆動用モータおよび車輪が内歯歯車に接続されている。

このシステムにおいては、２つのモータジェネレータの消費電力に応じてリアクトル電流ＩＬが決定されるため、２つのモータジェネレータの消費電力を加算した消費電力をモータ消費電力とするとよい。なお、２つのモータジェネレータについての消費電力の計算は上述の式を利用すればよく、モータジェネレータが発電する場合は出力トルク指令がマイナスとなる。

このように、本実施形態によれば、目標リアクトル電流ＩＬ＊について、モータ消費電力から求めた目標リアクトル電流のフィードフォワード項ｉｌ＊（Ｆ／Ｆ）を有する。従って、フィードバック制御のゲインを大きくすることなく、モータ消費電力が急変した際に、目標リアクトル電流ＩＬ＊を適切なものに制御することができ、昇圧後電圧ＶＨのサージを効果的に防止することができる。

１０バッテリ、１２，２０，３２電圧計、１４バッテリ電流計、１６リアクトル、１８コンデンサ、２２正側母線、２３電流計、２４，２６スイッチング素子、２８負側母線、３０コンデンサ、３４，３６，３８，４０，４２，４４スイッチング素子、４６モータ、４８制御装置、５０回転位置センサ、５２ｕ，５２ｖ電流センサ、６０，６８減算器、６２，６４，７０，７４演算器、６６，７２加算器。

Claims

バッテリからの電力を昇圧コンバータにより昇圧して、インバータに供給し、インバータから供給する電力でモータを駆動するモータ駆動システムであって、
前記昇圧コンバータは、一対のスイッチング素子と、リアクトルを含み、
前記昇圧コンバータの一対のスイッチング素子のデューティ比制御の指令値は、前記リアクトルに流れるリアクトル電流ＩＬと目標リアクトル電流ＩＬ＊との偏差に基づく比例項および積分項を含む計算により決定され、
前記目標リアクトル電流ＩＬ＊は、前記昇圧コンバータによる昇圧後の電圧ＶＨとその指令値ＶＨ＊との偏差に基づいて決定される指令値と、モータ消費電力と昇圧前の電圧ＶＬとによって決定される指令値と、に基づいて生成され、
前記昇圧コンバータの一対のスイッチング素子のデューティ比制御の指令値を、モータ消費電力に応じて変更する、
モータ駆動システム。