JP6214711B2

JP6214711B2 - 回転電機の制御装置

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Publication number: JP6214711B2
Application number: JP2016079280A
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Inventors: 友洋関; 雅宏家澤; 中村　亮; 亮中村; 雄也久野
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Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
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Description

この発明は、回転電機の制御装置に関し、特に、主に車両に搭載され、内燃機関とバッテリとに接続されており、内燃機関の始動及び補助を行う電動機として動作すると共に、バッテリの充電を行う発電機として動作する、電機子巻線と界磁巻線とを有する巻線界磁型交流回転電機の制御装置に関するものである。

近年、車両の燃費向上への要求や環境保護の観点から、エンジンとそれ以外の動力源、例えば回転電機などを備えたいわゆるハイブリッド車と呼ばれる車両の開発・実用化が進められている。このような車両においては、走行状態に応じたエンジンとそれ以外の動力源の使い分け、および適切な配分が必要となる。
例えばエンジンのアイドリングによる不要な燃料消費を抑えるため、車両が信号や渋滞等で停止した際に内燃機関を停止し、その後、ハンドル操作やブレーキを緩めるなど運転者の発進意思を感知した際に、回転電機が内燃機関の再始動を行うアイドルストップが、多くの車両に採用されている。
このような車両に搭載される回転電機はエンジンと接続され、トルクを授受可能な状態で動作するため、エンジンの回転速度の変動によって回転電機の回転速度も大きく変動し、また求められる動作回転速度域も広い。このため、回転子に磁石を内蔵した永久磁石型ではなく、回転速度に応じて誘起電圧を制御することが容易な、巻線界磁型の回転電機が広く採用されている。
上記したアイドルストップに対応するために、回転電機は、内燃機関の再始動が行われる低速時に大きなトルクを出力可能である必要があり、電源となるバッテリ電圧および回転電機の動作電圧を高電圧化することで出力向上が図られている。

バッテリ電圧を高電圧化した回転電機を発電機として使用する際、低速域においては、回転電機で発生可能な誘起電圧がバッテリ電圧に満たず、バッテリへの充電を行うことができない。このような状態では、インバータのスイッチングを行うことでインバータを昇圧チョッパとして用い、発電電圧を昇圧してからバッテリを充電する必要がある（このような昇圧発電の方法を、以降インバータ発電モードと称する）。しかし、インバータ発電モードは一般的に、インバータのスイッチング回数が増加し、スイッチングロスによって効率が悪くなる傾向にある。そのため、昇圧無しでバッテリに充電可能な誘起電圧が得られる高速域においては、インバータのスイッチングを行わず、ダイオードによって整流し、界磁電流の通電量を制御することで目標の発電電圧を得るのが望ましい（このような発電方法を、以降オルタネータ発電モードと称す）。以上のように、バッテリ電圧および回転電機の動作電圧を高電圧化した場合には、車両の運転状態に応じて適切な発電方式が異なるため、これら二つの発電モードを運転状態に応じて切替える必要がある。

インバータ発電モードとオルタネータ発電モードとを切替える方法について、以下の特許文献１では、回転速度に応じて切替えを行う技術が開示されている。すなわち、発電モードの切替えを行う回転速度を回転電機の電気負荷量に応じて制御し、また、切替えを行う回転速度にヒステリシスを持たせることによって発電モードの切替え頻度を抑制し、回転変動によるショックを軽減するものである。

特開２００４−１５８４７号公報

発電モードの切替え時には、電流指令値が変化することによって、トルクや電流の変動が発生する。特許文献１に開示された制御技術では、発電モード切替え時のトルク変動を低減する方法として、発電モード切替え前に界磁電流の通電を停止し、切替え完了後に界磁電流を漸増させる技術と、発電モード切替え前後の発電トルクがほぼ同一、または両者の差が減少するよう、界磁巻線の電流と電機子巻線の電流とを制御する技術が開示されている。
しかし、特許文献１では、発電トルクがほぼ同一となるよう界磁電流と電機子電流とを制御するための具体的な方法について記載が無い。また、実際の発電モード切替え前後においては、発電トルクの指令値が一致しているにもかかわらず、界磁電流が大きく異なる場合がある。そのため、界磁巻線の応答が遅い場合には、界磁電流の応答遅れによって指令値と実際の値との間に差異が生じ、トルクの変動が発生するという問題があった。

ここで、発電トルクと電機子電流、および界磁電流との関係について示し、上述した現象が起こる理由を説明する。
ある運転状態において、界磁巻線と電機子巻線とを有する回転電機が発電機として動作するとき、発電に伴う発電トルクは次の式で示される。

ただし、p_mは回転電機の回転子の極対数、i_fは界磁電流、i_d、i_qはｄ軸電流、ｑ軸電流、M_fは界磁巻線のインダクタンス、L_d、L_qは電機子巻線のｄ軸、ｑ軸インダクタンスである。なお、ｄ-ｑ軸とは、界磁巻線が発生させる界磁磁束の方向に同期した回転座標系である。
式（１）から同じ発電トルクを発生させる界磁電流・電機子電流の組合せは複数考えられることがわかる。インバータ発電モードのときには、界磁電流と電機子電流の両方の電流を制御するので、入力された発電トルク指令値に対し、式（１）を満たす任意の界磁電流、電機子電流の組合せを選択可能である。しかし、オルタネータ発電モードのときには、入力された発電トルク指令値に対し界磁電流のみを制御し、電機子電流については全波整流によって交流直流変換を行っているのみである。そのため、同じ発電トルク指令に従って制御されている場合でも、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードとで界磁電流i_fは必ずしも一致しない。

次に、界磁巻線と電機子巻線の、変動に対する応答速度について説明する。巻線界磁型の回転電機では、一般的に界磁巻線は分巻によって励磁が行われるため、大電流が流れることはなく、小電流で大きな起磁力を得るために、巻数は多く設計される。一方、電機子巻線は、発電電流や駆動電流を流す必要があり、抵抗を小さくするために巻数は少なく設計される場合が多い。これらの理由から、界磁巻線のインダクタンスは電機子巻線のインダクタンスと比べて大きくなる傾向にある。
以上の理由から、発電モード切替前後で界磁電流の指令値が大きく変化する場合には、電機子電流が指令値に追従するまでの時間に対し、界磁電流が指令値に追従するまでの時間が大幅に遅れる。この応答遅れによって、界磁電流と界磁電流指令値との間に誤差が生じ、この誤差に起因する発電トルクの変動が生じる問題がある。

インバータ回路を用いて回転電機を充電発電機として制御する回転電機の制御装置であって、回転電機の界磁巻線への通電量と電機子巻線への通電量とを制御し、インバータ回路を駆動して発電する第１の発電モードと、界磁巻線への通電量のみを制御して発電する第２の発電モードとを生成する通電量生成部、第１の発電モードと第２の発電モードとを切替え、界磁巻線と電機子巻線への通電信号を生成する通電信号生成部、を備え、通電量生成部は、第１の発電モードにおける電機子巻線への通電量指令値および界磁巻線への通電量指令値を生成する第１通電量生成部と、第２の発電モードにおける界磁巻線への通電量指令値を生成する第２通電量生成部とを有し、第１通電量生成部の出力する界磁巻線への通電量指令値と、第２通電量生成部の出力する界磁巻線への通電量指令値との差を最小とすることを特徴とする。

この発明の回転電機の制御装置によれば、発電モード切替え時に発生する発電トルクの変動を低減できる。

この発明の実施の形態１における回転電機の制御装置の全体システム構成図である。この発明の実施の形態１における回転電機の制御装置を搭載した発電電動機の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１における回転電機の通電制御装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１における回転電機の通電制御装置のハードウエア構成の一例を示す図である。この発明の実施の形態１における第１通電量生成部が記憶するマップを説明する説明図である。この発明の実施の形態１に係るマップの作成手順を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１における発電モード切替え前後の電流とトルクの変動を従来方法と比較した説明図である。この発明の実施の形態２における回転電機の通電制御装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２におけるインバータ発電モードとオルタネータ発電モードとの切替え手順を説明するフローチャートである。この発明の実施の形態３における界磁電流指令値および電機子電流指令値の作成手順を示したフローチャートである。この発明の実施の形態３におけるインバータ発電モードによる動作中の界磁電流指令値を決定する方法について示した模式図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１における回転電機の制御装置について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１における巻線界磁型回転電機の制御装置を車両に搭載した全体システム構成図である。
図１において、発電電動機１０２は、シャフトあるいはプーリおよびベルトを介した動力伝達部１０４によって車両用内燃機関１０１にトルクを授受可能な状態で結合されており、またバッテリ（キャパシタでもよい、以下バッテリと称す）１０３と電気的に接続されており、この発電電動機１０２は、車両用内燃機関１０１を始動および補助する電動機およびバッテリ１０３を充電する発電機として機能する。なお、このバッテリ１０３は、他の車両負荷と共用するものであっても、本発電電動機専用であってもよい。

図２は、この発明の実施の形態１における、回転電機の制御装置を搭載した発電電動機の構成を示すブロック図である。
図２において、発電電動機１０２は、回転電機２００、通電制御装置２１０、ブリッジ回路２２０、および界磁回路２３０によって構成される。発電電動機１０２の電動機としての機能および発電機としての機能は、通電制御装置２１０によってブリッジ回路２２０および界磁回路２３０が制御され、回転電機２００の電機子巻線２０１および界磁巻線２０２への通電がなされることにより実現される。
すなわち、電機子巻線２０１と界磁巻線２０２の各巻線が通電されることによって、内燃機関を始動し、および補助するトルクを発生し、またはバッテリを充電する電流を発生する。また、回転電機２００は、エンコーダやレゾルバ等の回転位置センサ２０３を内蔵する。

図２中、ブリッジ回路２２０は、上アームスイッチング素子２２３ａから２２３ｃおよび、下アームスイッチング素子２２４ａから２２４ｃが三相ブリッジ接続された三相インバータ回路と、各スイッチング素子に対し逆並列に接続され、上アームダイオード２２５ａから２２５ｃおよび、下アームダイオード２２６ａから２２６ｃからなる三相ブリッジ整流回路と、各相から電機子巻線２０１へと流れる電機子電流を検出する電機子電流センサ２２７ａから２２７ｃとによって構成されている。
各スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）あるいは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子からなる。
このように構成されたブリッジ回路２２０は、通電制御装置２１０からの通電信号に従って各スイッチング素子のオン・オフ制御を実行し、電機子巻線２０１への通電を行う。
ここでは、上アームダイオード２２５ａから２２５ｃおよび下アームダイオード２２６ａから２２６ｃを独立したダイオード素子として記述したが、上アームスイッチング素子２２３ａから２２３ｃおよび下アームスイッチング素子２２４ａから２２４ｃの内部に存在する寄生ダイオードを、独立したダイオード素子の代わりに利用してもよい。

また、界磁回路２３０は、上アームのスイッチング素子２３１と、下アームのスイッチング素子２３２と、界磁巻線２０２の電流を検出する界磁電流センサ２３３とによって構成されている。このように構成された界磁回路２３０は、通電制御装置２１０からの通電信号に従って各スイッチング素子のオン・オフ制御を実行し、界磁巻線２０２への通電を行う。
なお、図２においては、回転電機２００を三相の電機子巻線と、界磁巻線とを有する三相巻線界磁型交流回転電機としているが、その巻線方式や相数は異なっていてもよい。

図３は、この発明の実施の形態１における、回転電機の通電制御装置２１０の構成を示すブロック図である。
図中、３０１は、Ｂ端子電圧を検出するＢ端子電圧検出部である。３０２は、回転位置センサ２０３の出力をもとに回転電機２００の回転速度を演算する回転速度演算部である。３０３は、電機子電流センサ２２７ａから２２７ｃの出力をもとに電機子電流を検出する電機子電流検出部である。３０４は、界磁電流センサ２３３の出力に基づいて界磁電流を検出する界磁電流検出部である。３０５は、回転速度演算部３０２の出力をもとに発電モードの切替信号を生成する発電切替信号生成部である。
３１０は通電量生成部であり、インバータ発電モードの通電量指令値を生成する第１通電量生成部３１１と、オルタネータ発電モードの通電量指令値を生成する第２通電量生成部３１２とを備える。
３２０は通電信号生成部であり、２つの発電モードの切替えを判断する発電切替部３２１と、ブリッジ回路２２０へと通電する通電信号を生成する電機子通電信号生成部３２２と、界磁回路２３０へと通電する通電信号を生成する界磁通電信号生成部３２３とを有する。
通電制御装置２１０は、以上説明した、Ｂ端子電圧検出部３０１、回転速度演算部３０２、電機子電流検出部３０３、界磁電流検出部３０４、発電切替信号生成部３０５、通電量生成部３１０、および通電信号生成部３２０から構成される。
なお、通電制御装置２１０は、図３に記載の機能の他に、回転電機を制御するための様々な機能を有するが、ここでは、本発明に関係する部分を記載している。
また、通電制御装置２１０のハードウエア構成の一例として、図４に示すように、プロセッサ２１１とメモリ２１２により構成し、メモリに格納されたプログラムにより後述する動作を遂行させてもよい。プロセッサ２１１と共に論理回路を併用することも可能である。

次に通電制御装置２１０の動作について図３により説明する。
Ｂ端子電圧検出部３０１は、ブリッジ回路２２０および界磁回路２３０の負極側端子ＧＮＤの電位を基準として、正極側端子Ｂの端子電圧ＶＢを検出し、通電量生成部３１０へ入力する。回転速度演算部３０２は、回転電機２００に接続された回転位置センサ２０３によって検出される回転電機２００の回転位置情報をもとに、回転電機２００の回転速度ＮＭＧを演算し、通電量生成部３１０へ入力する。電機子電流検出部３０３は、電機子巻線２０１に流れる電流Ｉu、Ｉv、Ｉwを電機子電流センサ２２７ａから２２７ｃによって検出し、電機子通電信号生成部３２２に入力する。界磁電流検出部３０４は、界磁巻線２０２に流れる界磁電流Ｉｆを界磁電流センサ２３３によって検出し、界磁通電信号生成部３２３に入力する。

第１通電量生成部３１１は、Ｂ端子電圧検出部３０１から得たＢ端子電圧ＶＢ、回転速度演算部３０２から得た回転速度ＮＭＧ、および外部入力端子３３０から入力される発電トルク指令値ＴＲＱrefあるいは、発電電圧指令値ＶＢrefを入力とし、電機子通電量指令値Ｉｄref1、Ｉｑref1、および界磁通電量指令値Ｉｆref1を、マップ参照によって生成する。ここでマップとは、入力された指令値や観測された状態量に対する適切な制御量あるいは出力をあらかじめ計算して記憶しているテーブルのことであり、マップ参照とは、入力値に応じた出力値をこのテーブルから選択することを示す。

図５に、マップ参照の一例として、第１通電量生成部３１１が記憶するマップを示す。界磁通電量指令値Ｉｆref、電機子通電量指令値ＩｄrefおよびＩｑrefを決定するためのテーブルをそれぞれ記憶しており、Ｂ端子電圧ＶＢ、回転速度ＮＭＧ、発電トルク指令値ＴＲＱrefが入力されると、入力に応じた各指令値がそれぞれのテーブルから一意に決定される。
また、第２通電量生成部３１２は、Ｂ端子電圧検出部３０１から得たＢ端子電圧ＶＢ、回転速度演算部３０２から得た回転速度ＮＭＧ、および外部入力端子３３０から入力される発電トルク指令値ＴＲＱref、あるいは発電電圧指令値ＶＢrefを入力とし、界磁通電量指令値Ｉｆref2を、マップ参照によって生成する。
ここでは、第１通電量生成部３１１および第２通電量生成部３１２はマップ参照により通電量指令を生成するとしているが、入力値をもとにリアルタイムで演算を行い、各発電モードにおける通電量指令値を生成してもよい。

通電信号生成部３２０は、発電モードの切替えを行う発電切替部３２１と、電機子通電信号を生成する電機子通電信号生成部３２２、および界磁通電信号を生成する界磁通電信号生成部３２３から構成される。
発電切替部３２１は、通電量生成部３１０により生成された通電量指令値、発電切替信号生成部３０５によって生成された発電切替信号、および界磁電流検出部３０４より検出した界磁電流に基づいて発電モードの切替えを行う。

電機子通電信号生成部３２２は、インバータ発電モードにおいては、入力された電機子通電量指令値Ｉｄref、Ｉｑrefに対し、電機子電流検出部３０３により検出された電機子電流Ｉｄ、Ｉｑをフィードバック制御して電機子通電量指令値Ｉｄref、Ｉｑrefに追従させるＰＷＭ信号を出力し、ＰＷＭ信号に基づいてブリッジ回路２２０のスイッチング素子２２３ａから２２３ｃおよび２２４ａから２２４ｃのオン・オフ制御を行い、発電トルクが発電トルク指令値ＴＲＱrefに一致するように制御する。
一方で、オルタネータ発電モードにおいては、電機子通電量指令値は入力されないため、ブリッジ回路２２０のスイッチング素子が全てオフとなる制御を行う。または、各素子に対し、逆並列に接続されたダイオードに電流が流れている期間中、対応するスイッチング素子をオンする同期整流発電を行ってもよい。
界磁通電信号生成部３２３は、入力された界磁通電量指令値Ｉｆrefに対し、界磁電流検出部３０４で検出された界磁電流Ｉｆをフィードバック制御して界磁通電量指令値Ｉｆrefに追従させるＰＷＭ信号を出力し、ＰＷＭ信号に基づいて界磁回路２３０のスイッチング素子２３１および２３２のオン・オフ制御を行い、発電トルクＴＲＱが発電トルク指令値ＴＲＱrefに一致するように制御する。

このように構成された実施の形態１による回転電機の制御装置は、車両用内燃機関１０１の始動時には、電動機として車両用内燃機関１０１へとトルクを供給し、車両用内燃機関１０１の始動後には発電機としてバッテリ１０３を充電するように回転電機２００の制御を行う。
回転電機２００が発電機として動作するとき、回転電機２００の回転速度が所定の値に満たない場合には、発電可能な電圧がバッテリ電圧を下回るため、インバータ発電モードにより、６つのスイッチング素子２２３ａから２２３ｃ、および２２４ａから２２４ｃを動作させ、ＰＷＭ信号によってブリッジ回路２２０を昇圧チョッパとして動作するよう通電信号を生成し、発電電圧を昇圧してバッテリ１０３を充電する。
回転速度が所定の値を超えると、発電可能な電圧がバッテリ電圧を上回るため、発電電圧の昇圧が必須でなくなる。そのため、オルタネータ発電モードに切替え、スイッチング素子２２３ａから２２３ｃ、および２２４ａから２２４ｃのＰＷＭ信号による制御を停止して、界磁巻線２０２への通電量を制御することで、バッテリ１０３を充電する。なお、オルタネータ発電モード中、発電電流は、三相ブリッジ整流回路を構成する６つのダイオード２２５ａから２２５ｃ、および２２６ａから２２６ｃを経由してバッテリ１０３を充電する。

インバータ発電モードとオルタネータ発電モードの各モードにおける通電量指令値は、通電量生成部３１０内の第１通電量生成部３１１および第２通電量生成部３１２で、運転状態と発電トルク指令値に対する各指令値を予め記憶したマップを参照することにより生成する。すなわち、図５の説明において前述した通り、第１通電量生成部３１１は、インバータ発電モードにおける通電量指令値として、電機子通電量指令値Ｉｄref1、Ｉｑref1、および界磁通電量指令値Ｉｆref1をそれぞれテーブルとして記憶し、第２通電量生成部３１２は、オルタネータ発電モードにおける通電量指令値として、界磁通電量指令値Ｉｆref2をテーブルとして記憶している。

ここで、この実施の形態１において第１通電量生成部および第２通電量生成部が記憶している各発電モードにおける指令値マップの作成方法について、図６に示すフローチャートに基づき説明する。
図６は、この発明の実施の形態１に係るマップの作成手順を示している。まず、制御対象である回転電機２００をオルタネータ発電モードで動作させたときの界磁電流Ｉｆに対する発電トルクＴＲＱの関係を導出する（ステップＳ１０１）。導出した関係をもとに、第２通電量生成部３１２が記憶する、発電トルク指令値ＴＲＱrefに対する界磁通電量指令値Ｉｆref2のマップを作成する（ステップＳ１０２）。

次に、第１通電量生成部３１１が記憶するマップを、上述した回転電機のトルクの式（１）に基づき決定するため、回転電機２００をインバータ発電モードで動作させたときの界磁電流Ｉｆおよび電機子電流Ｉｄ、Ｉｑの変化に対する発電トルクＴＲＱの関係を導出する（ステップＳ１０３）。
このとき、トルクの式（１）より、或る発電トルクを発生させるＩｆ、Ｉｄ、およびＩｑの組合せは複数存在するが、例えばインバータ発電モードの発電効率が最大になるように、この組合せを選択すると、同じ発電トルク指令値ＴＲＱrefに対して、第１通電量生成部３１１が記憶する界磁通電量指令値Ｉｆref1と、第２通電量生成部３１２が記憶する界磁通電量指令値Ｉｆref2とが異なる値となり、前述した課題に示した界磁電流の応答遅れに起因するトルク変動を引き起こす。これは、インバータ発電モードの電流指令値とオルタネータ発電モードの電流指令値とを独立して決定することで生じるものであり、例えば、インバータ発電モードの鉄損最小となる組合せを選択した場合にも同様にトルク変動を生じる。
そのため、この実施の形態１においては、第１通電量生成部３１１が記憶する界磁通電量指令値Ｉｆref1を第２通電生成部が記憶する界磁通電量指令値Ｉｆref2と常に一致した値とする。これにより、発電モード切替え前後で界磁電流指令値が変化することはなく、前記した界磁電流の応答遅れは発生しない。すなわち、トルクの式（１）を満たし、回転電機２００を、インバータ発電モードで動作時の界磁電流Ｉｆと発電トルクＴＲＱとの両方の値がオルタネータ発電モードでの動作時の値と一致するような電機子電流Ｉｄ、Ｉｑの組合せを導出する（ステップＳ１０４）。トルク式（１）を満たすＩｄ、Ｉｑの組合せは複数考えられるが、この実施の形態１においては、鉄損＋銅損が最小となるよう、電機子電流Ｉｄ、Ｉｑの指令値を定める（ステップＳ１０５）。この実施の形態１では、鉄損＋銅損が最小となる組合せとしたが、別の組合せ（例えば発電効率が最大となるような組合せ）としてもよい。
最後に、導出した関係を基に、第１通電量生成部３１１が記憶する発電トルク指令値ＴＲＱrefに対する界磁通電量指令値Ｉｆref1、電機子通電量指令値Ｉｄref1、Ｉｑref1のマップを作成する（ステップＳ１０６）。

このように、この実施の形態１においては、ある発電トルク指令値ＴＲＱrefに対して、第１通電量生成部３１１が記憶する界磁通電量指令値Ｉｆref1は、第２通電量生成部３１２が記憶する界磁通電量指令値Ｉｆref2と常に一致するように規定され、規定された界磁通電量指令値Ｉｆref1に応じて電機子通電量指令値Ｉｄref、Ｉｑrefが決定される。これによって、第１通電量生成部３１１と第２通電量生成部３１２は、同じ発電トルク指令値ＴＲＱrefに対しては、同じ界磁通電量指令値Ｉｆrefを生成する。これにより、発電切替部３２１が、いずれのタイミングでインバータ発電モードとオルタネータ発電モードとの切替えを行ったとしても、界磁電流Ｉｆと発電トルクＴＲＱとは、発電モード切替え前後で変化せず、界磁電流Ｉｆの応答遅れによるトルク脈動は発生しない。

図７は、この実施の形態１による発電モード切替え前後の電流（Ｉｆ）とトルク（Ｔｍ）の変動を従来の方法と比較して示したもので、回路シミュレーション結果のグラフで示している。左側に従来の方法を、右側に実施の形態１による方法を示す。従来の方法においては、発電モード切替え前後（図７中、ＩＮＶからＡＬＴへの切替え、またはＡＬＴからＩＮＶへの切替え）で界磁通電量指令値Ｉｆrefが変化し、界磁電流Ｉｆが指令値の変化に追従するまでの間、発電トルクＴｍに変動が生じている。
一方、実施の形態１による方法では、第１通電量生成部３１１が生成する界磁通電量指令値Ｉｆref1は、第２通電量生成部３１２の生成する界磁通電量指令値Ｉｆref2との差がゼロとなるように設計されているため、発電モード切替え前後で界磁電流Ｉｆは変化せず、発電トルクＴｍの変動が抑制されていることがわかる。

以上のように、この発明の実施の形態１では、発電モードの切替え前後において発電トルクと界磁巻線への通電量の双方が一致するように制御するため、発電トルクの変動が生ずることがなく、発電モード切替えに伴うトルクショックや電流脈動を抑えることが可能である。

実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２による回転電機の制御装置について説明する。図８は、この発明の実施の形態２における、回転電機の通電制御装置２１０の構成を示すブロック図である。図中、図３と同一符号は、同一または同等の機能を有する。この実施の形態２における回転電機の通電制御装置２１０は、実施の形態１に対し、通電量生成部３１０に新たに第３通電量生成部３１３を追加し、発電切替部３２１における発電モードの切替え条件を変更したものである。
図８において、第３通電量生成部３１３は、インバータ発電モードにおいて、発電トルク指令値に対する発電効率が最大となる、界磁通電量指令値Ｉｆref3、電機子通電量指令値Ｉｄref3、Ｉｑref3のマップを記憶している。このマップを最大効率マップと称する。
また、この実施の形態２においては、第１通電量生成部３１１が記憶する界磁通電量指令値Ｉｆref1を、常にオルタネータ発電モードの界磁電流指令値と一致させるためのマップを、ショックレスマップと称する。

図９は、この実施の形態２における、インバータ発電モードと、オルタネータ発電モードとの切替え手順を説明するフローチャートである。インバータ発電モードによる動作中、通電信号生成部３２０は、第３通電量生成部３１３が生成する通電量指令値に基づき、発電効率が最大となるよう回転電機の通電量を制御している。
まず、回転速度の上昇や発電トルク指令値の変化によって、発電切替信号生成部３０５が、インバータ発電モードからオルタネータ発電モードへと発電モードの切替えを行うよう発電切替信号を生成したとき（ステップＳ２０１）、発電切替部３２１は、第３通電量生成部３１３から第１通電量生成部３１１へと、通電信号生成に用いる指令値を切替える（ステップＳ２０２）。このとき、第１通電量生成部３１１が生成する界磁通電量指令値Ｉｆref1と、第３通電量生成部３１３が生成する界磁通電量指令値Ｉｆref3とは異なる値となるため、指令値の切替え時にトルクの変動が生じる可能性がある。
そこで、この実施の形態２においては、第１通電量生成部３１１と第３通電量生成部３１３との切替えを行う際に、界磁通電量指令値Ｉｆref、電機子通電量指令値Ｉｄref、Ｉｑrefに対し、低域通過フィルタをかけることで、指令値の変化速度を抑制する。これにより、界磁電流が界磁電流指令値に対して遅れを生じることなく滑らかに変化するため、トルクの変動が抑えられる。
ここで、第１通電量生成部と第３通電量生成部との指令値切替え時には、指令値に対して低域通過フィルタをかけるとしたが、実際には、指令値が変化する速度を遅らせ、界磁電流の応答遅れを防ぐことが可能な方法であれば、他の方法であっても構わない。例えば、時間当たりの界磁通電量指令値Ｉｆrefと電機子通電量指令値Ｉｄref、Ｉｑrefとの変化量にリミッタをかけ、指令値が徐々に切り替わるように制御を行ってもよい。
次に、通電信号生成部３２０は、界磁電流検出部３０４から得た界磁電流Ｉｆと、第１通電量生成部３１１の生成する界磁通電量指令値Ｉｆref1とを比較し、界磁電流Ｉｆが界磁通電量指令値Ｉｆref1に近づいたことを確認する（ステップＳ２０３）。界磁電流Ｉｆが界磁通電量指令値Ｉｆref1に近づいたことが確認された後、実施の形態１と同様にインバータ発電モードとオルタネータ発電モードとの切替えを行う（ステップＳ２０４）。

この実施の形態２においては、インバータ発電モードによる動作中は、常に最大効率マップによる制御が行われ、オルタネータ発電モードへの切替信号を受け取った後に、オルタネータ発電モードの界磁通電量指令値Ｉｆrefに一致させるショックレスマップで動作
させる。これにより、界磁電流Ｉｆをオルタネータ発電モードと一致させた後に、オルタネータ発電モードによる動作へと切替える。
一方、オルタネータ発電モードによる動作中、通電信号生成部３２０は、第２通電量生成部３１２が生成する通電量指令値に基づき、回転電機の通電量を制御している。
回転速度の下降や発電トルク指令値の変化によって、発電切替信号生成部３０５が、オルタネータ発電モードからインバータ発電モードへと発電モードの切り替えを行うよう、発電切替信号を生成したとき、発電切替部３２１は、第２通電量生成部３１２から第１通電量生成部３１１へと、通電信号生成に用いる指令値を切替える。この切替え動作は、前述した実施の形態１と同じ動作であり、発電モードの切替えの際に、トルク脈動や電流脈動は生じない。
次に、発電切替部３２１は第１通電量生成部３１１から第３通電量生成部３１３へと、通電信号生成に用いる指令値を切替える。このとき、前述したステップＳ２０２と同様に、界磁通電量指令値Ｉｆref、電機子通電量指令値Ｉｄref、Ｉｑrefに対し、低域通過フィルタをかける、あるいは指令値の変化量に対するリミッタをかけ、指令値が変化する速度を遅らせ、界磁電流の応答遅れを防ぐ。これにより、界磁電流が界磁電流指令値に対して遅れを生じることなく滑らかに変化するため、トルクの変動が抑えられる。
切替えが完了した後は、第３通電量生成部３１３が生成する通電量指令値、すなわち最大効率マップによるインバータ発電モードが行われる。
このように制御することで、界磁通電量指令値Ｉｆref1をオルタネータ発電モードにおける界磁通電量指令値Ｉｆref2に一致させるという制約を受けることのないインバータ発電モードが可能となり、インバータ発電モードの効率を向上させることができる。

実施の形態３
次にこの発明の実施の形態３による回転電機の制御装置について説明する。この実施の形態３による回転電機の制御装置は、実施の形態１による場合と比較し、通電制御装置２１０内の第１通電量生成部３１１が記憶するマップの作成手順を変更したものである。
図１０は、この発明の実施の形態３における、第１通電量生成部３１１で記憶する界磁通電量指令値Ｉｆref1および電機子通電量指令値Ｉｄref1、Ｉｑref1の作成手順を示したフローチャートである。
図１１は、この実施の形態３において、インバータ発電モードによる動作中の、界磁通電量指令値Ｉｆrefを決定する方法について示した模式図である。以下図１０と図１１を用いて、実施の形態３における通電量指令値マップの作成手順において説明する。
まず、実施の形態１と同様の手順により、界磁通電量指令値Ｉｆrefが常にオルタネータ発電モードと一致するように規定された、インバータ発電モード時の通電量指令値マップを作成する。なお、この実施の形態３においては、本マップをショックレスマップと称する（ステップＳ３０１）。
次に、回転電機のトルクの式（１）に基づき、発電トルク指令値ＴＲＱrefに対する発電効率が最大となる界磁通電量指令値Ｉｆref、電機子通電量指令値Ｉｄref、Ｉｑrefの組合せを導出し、インバータ発電時の通電量指令値マップを作成する。このマップを最大効率マップと称する（ステップＳ３０２）。
次に、オルタネータ発電モードによる動作中に、回転電機が発生可能な誘起電圧と回転電機の回転速度との関係から、オルタネータ発電モードで動作可能となる回転電機の回転速度よりも低い回転速度としてｋ１を決定する。
続いて、ｋ１よりも低い回転速度としてｋ２を設定し、この区間をマップ遷移領域とする（ステップＳ３０３）。
続いて、ショックレスマップの界磁電流指令値（Ｉｆ-１）と、最大効率マップの界磁電流指令値（Ｉｆ-２）より、以下に示す遷移式（２）に基づいて図１１のマップ遷移領域における界磁電流指令値（Ｉｆ-３）を決定する（ステップＳ３０４）。

ただし、ｎは回転電機の回転速度であり、ｋ２≦ｎ≦ｋ１とする。また、Ｉｆ（ｎ）は、回転速度ｎにおいて各マップより決定される界磁電流指令値である。

式（２）によって決定したマップ遷移領域における界磁電流指令値（Ｉｆ-３）と発電トルク指令値ＴＲＱrefとの関係に対し、トルクの式（１）を満たす電機子通電量指令値Ｉｄref、Ｉｑrefの組合せを決定する（ステップＳ３０５）。
この組合せの中から、インバータ発電の発電効率が最大となるよう、電機子電流指令値を決定する（ステップＳ３０６）。このマップを遷移領域マップと称する。
最後に、式（２）で規定されていない、回転速度ｎ＜ｋ２の範囲は、最大効率マップ、回転速度ｎ＞ｋ１の範囲はショックレスマップを使用するものとし、３つの指令値を回転速度範囲ごとに組合せ、新たなインバータ発電時の通電量指令値マップとして決定する（ステップＳ３０７）。
このように、インバータ発電時の通電量指令値マップを作成することで、実施の形態１に対してインバータ発電を最大効率で行うことのできる範囲を拡大し、インバータ発電モードの効率を上昇させることが可能である。
この実施の形態３によれば、オルタネータ発電モードとインバータ発電モードの切替え時には、実施の形態１と同様の制御が行われ、発電モード切替えに伴うトルクショックや、電流脈動を抑えることが可能であることに加え、低速時にはインバータ発電の最大効率での運転が可能であるため、インバータ発電の効率を向上させることが可能である。さらに、この実施の形態３において、最大効率マップとショックレスマップとの遷移が行われる速度領域においては、界磁電流Ｉｆが滑らかに変化するよう、界磁通電量指令値Ｉｆrefが規定されているため、インバータ発電中に回転速度が変動することによってトルクの変動が発生することもない。

以上に示した発明の実施の形態１から３においては、界磁電流Ｉｆの指令値変動に対する応答速度が遅いことを前提として実施例としているが、電機子電流Ｉｄ、Ｉｑの指令値変動に対する応答速度が遅い場合には、これを変動させないよう、他の電流指令値を制御してもよい。
また各実施の形態において、発電モード切替え前後で界磁通電量指令値を一致させるとしたが、実際には指令値が完全に一致しておらずとも、その差が出来るだけ小さくなるよう制御を行うことで、発電モード切替え前後のトルク変動を抑えることが可能である。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０１車両用内燃機関、１０２発電電動機、１０３バッテリ、１０４動力伝達部、２００回転電機、２０１電機子巻線、２０２界磁巻線、２０３回転位置センサ、２１０通電制御装置、２２０ブリッジ回路、２２３ａ〜２２３ｃ上アームスイッチング素子、２２４ａ〜２２４ｃ下アームスイッチング素子、２２５ａ〜２２５ｃ上アームダイオード、２２６ａ〜２２６ｃ下アームダイオード、２２７ａ〜２２７ｃ電機子電流センサ、２３０界磁回路、２３１、２３２界磁回路スイッチング素子、２３３界磁電流センサ、３０１Ｂ端子電圧検出部、３０２回転速度演算部、３０３電機子電流検出部、３０４界磁電流検出部、３０５発電切替信号生成部、３１０通電量生成部、３１１第１通電量生成部、３１２第２通電量生成部、３１３第３通電量生成部、３２０通電信号生成部、３２１発電切替部、３２２電機子通電信号生成部、３２３界磁通電信号生成部、３３０外部入力端子

Claims

インバータ回路を用いて回転電機を充電発電機として制御する回転電機の制御装置であって、前記回転電機の界磁巻線への通電量と電機子巻線への通電量とを制御し、前記インバータ回路を駆動して発電する第１の発電モードと、前記界磁巻線への通電量のみを制御して発電する第２の発電モードとを生成する通電量生成部、前記第１の発電モードと前記第２の発電モードとを切替え、前記界磁巻線と前記電機子巻線への通電信号を生成する通電信号生成部、を備え、前記通電量生成部は、前記第１の発電モードにおける前記電機子巻線への通電量指令値および前記界磁巻線への通電量指令値を生成する第１通電量生成部と、前記第２の発電モードにおける前記界磁巻線への通電量指令値を生成する第２通電量生成部とを有し、前記第１通電量生成部の出力する前記界磁巻線への通電量指令値と、前記第２通電量生成部の出力する前記界磁巻線への通電量指令値との差を最小とすることを特徴とする回転電機の制御装置。
前記通電量生成部は、前記第１の発電モードにおける発電効率が最大となるような通電量指令値を生成する第３通電量生成部をさらに備え、前記通電信号生成部は、前記第１の発電モードにおいて、前記第１通電量生成部と前記第３通電量生成部とを切替えることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。
前記通電信号生成部は、前記第１の発電モードにおいて、前記回転電機の回転速度に基づいて前記第１通電量生成部と前記第３通電量生成部との通電量指令値の比率を変化させて切替えることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の制御装置。
低域通過フィルタにより、前記第１通電量生成部と前記第３通電量生成部との通電量指令値の変化速度を抑制させることを特徴とする請求項３に記載の回転電機の制御装置。
前記第１通電量生成部および前記第２通電量生成部はそれぞれマップであり、前記第１通電量生成部のマップが出力する前記界磁巻線への通電量指令値と、前記第２通電量生成部のマップが出力する前記界磁巻線への通電量指令値とが一致するように、前記第１通電量生成部のマップを規定することを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。
前記第１通電量生成部のマップは、前記第２通電量生成部のマップにおける前記界磁巻線への通電量指令値と一致するように前記界磁巻線への通電量指令値を生成するように規定された第１の通電量指令値のマップと、前記第１の発電モードにおける発電効率が最大となるような第２の通電量指令値のマップと、前記回転電機の回転速度に応じて前記第１の通電量指令値と前記第２の通電量指令値とが徐々に切替わるよう、出力の比率を変化させて生成した第３の通電量指令値のマップとからなることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。