JP6700954B2 - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の制御装置に関する。

この種の制御装置としては、下記特許文献１に見られるように、回転電機の巻線に高周波電圧を印加することにより、回転電機の回転角を推定するものが知られている。詳しくは、この制御装置では、複数の高周波周波数のうちいずれか１つの高周波周波数を設定する。そして、設定した高周波周波数を有する高周波電圧を、ランダムに設定した継続時間に渡って巻線に印加する。これにより、回転電機の騒音の低減を図っている。

特開２０１５−８５６０号公報

ただし、上記特許文献１に記載の制御装置では、設定した高周波周波数を有する高周波電圧をランダムに設定した継続時間に渡って巻線に印加する等の構成が要求されるため、制御装置における演算が複雑になる懸念がある。

本発明は、角度推定用の高周波電圧が印加されることに伴い発生する騒音を簡易に低減できる回転電機の制御装置を提供することを主たる目的とする。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

本発明は、ステータ（１３）に巻回された第１巻線群（１０Ａ）及び第２巻線群（１０Ｂ）を有する２重巻線回転電機（１０）、前記第１巻線群に電圧を印加する第１インバータ（２０Ａ）、並びに前記第２巻線群に電圧を印加する第２インバータ（２０Ｂ）を備えるシステムに適用される回転電機の制御装置（４０）において、前記回転電機の電気角速度よりも高い角速度で変動する高周波電圧を前記第１巻線群及び前記第２巻線群のそれぞれに印加すべく、前記第１インバータ及び前記第２インバータを操作する高周波操作部と、前記第１巻線群及び前記第２巻線群のそれぞれに印加された高周波電圧に応じて前記第１巻線群及び前記第２巻線群のそれぞれに流れる高周波電流のうち、少なくとも一方に基づいて、前記回転電機の回転角を推定する角度推定部と、を備え、前記高周波操作部は、一定の振幅を有する第１高周波電圧を前記第１巻線群に対して前記回転電機の推定ｄ軸方向に印加すべく前記第１インバータを操作し、前記第１高周波電圧と同じ振幅及び周波数を有して、かつ、前記第１高周波電圧とは位相が電気角で１８０°異なる第２高周波電圧を前記第２巻線群に対して前記推定ｄ軸方向に印加すべく前記第２インバータを操作することを特徴とする。

第１巻線群及び第２巻線群のそれぞれに印加された高周波電圧に応じて第１巻線群及び第２巻線群のそれぞれに流れる高周波電流のうち、少なくとも一方に基づいて、回転電機の回転角が推定される。ここで上記発明では、一定の振幅を有する第１高周波電圧が第１巻線群に対して推定ｄ軸方向に印加される。また、第１高周波電圧と同じ振幅及び周波数を有して、かつ、第１高周波電圧とは位相が電気角で１８０°異なる第２高周波電圧が第２巻線群に対して推定ｄ軸方向に印加される。

第１巻線群及び第２巻線群のそれぞれに対して印加される高周波電圧を、同じ推定ｄ軸方向として、かつ、位相が１８０°ずれたものとする上記発明によれば、角度推定用の高周波電圧が印加されることに伴い発生する騒音を簡易に低減することができる。

モータ制御システムの全体構成図。 モータ駆動制御処理を示すブロック図。 トルクリプル低減効果を示すタイムチャート。

以下、本発明に係る制御装置を車載主機としてエンジンを備える車両に適用した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、モータ１０は、３相２重巻線を有する同期機である。特に本実施形態では、モータ１０として、突極機を用いている。ちなみに、モータ１０としては、例えば、永久磁石界磁型のＩＰＭＳＭや、巻線界磁型のモータを採用することができる。

本実施形態において、モータ１０は、スタータ及びオルタネータ（発電機）の機能を統合したＩＳＧ（Integrated Starter Generator）である。モータ１０を構成するロータ１２は、エンジン１４のクランク軸１４ａと動力伝達可能とされている。本実施形態において、ロータ１２は、例えばベルトを介してクランク軸１４ａに機械的に接続されている。

本実施形態では、エンジン１４の初回の始動に加えて、所定の自動停止条件が成立する場合にエンジン１４を自動停止させ、その後、所定の再始動条件が成立する場合にエンジン１４を自動的に再始動させるアイドリングストップ機能を実行する場合にも、モータ１０がスタータとして機能する。

モータ１０を構成するステータ１３には、２つの電機子巻線群である第１巻線群１０Ａ及び第２巻線群１０Ｂが巻回されている。第１，第２巻線群１０Ａ，１０Ｂに対して、ロータ１２が共通化されている。第１，第２巻線群１０Ａ，１０Ｂのそれぞれは、異なる中性点を有する３相巻線からなる。第１巻線群１０Ａは、電気角で互いに１２０°ずつずれたＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＡ，ＶＡ，ＷＡを有し、第２巻線群１０Ｂは、電気角で互いに１２０°ずつずれたＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＢ，ＶＢ，ＷＢを有している。本実施形態では、第１巻線群１０Ａと第２巻線群１０Ｂとのなす角度が電気角で０°とされている。すなわち、第１巻線群１０ＡのＵ相巻線ＵＡと第２巻線群１０ＢのＵ相巻線ＵＢとのなす角度が電気角で０°とされている。なお本実施形態では、第１巻線群１０Ａと第２巻線群１０Ｂとが同じ構成とされている。具体的には、第１巻線群１０Ａを構成するＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＡ，ＶＡ，ＷＡそれぞれの巻数と、第２巻線群１０Ｂを構成するＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＢ，ＶＢ，ＷＢそれぞれの巻数とが等しく設定されている。

先の図１に戻り、モータ１０には、第１，第２巻線群１０Ａ，１０Ｂに対応した第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂが電気的に接続されている。第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂは、入力される直流電圧を交流電圧に変換して出力する電力変換回路に相当する。第１インバータ２０Ａ及び第２インバータ２０Ｂのそれぞれには、共通の直流電源であるバッテリ２１が並列接続されている。なおバッテリ２１には、コンデンサ２２が並列接続されている。

第１インバータ２０Ａは、第１Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ１，ＳＶｐ１，ＳＷｐ１と、第１Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ１，ＳＶｎ１，ＳＷｎ１との直列接続体を備えている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相における上記直列接続体の接続点には、第１巻線群１０Ａを構成するＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＡ，ＶＡ，ＷＡが接続されている。本実施形態では、各スイッチＳＵｐ１〜ＳＷｎ１として、ＩＧＢＴを用いている。そして、各スイッチＳＵｐ１，ＳＵｎ１，ＳＶｐ１，ＳＶｎ１，ＳＷｐ１，ＳＷｎ１には、各ダイオードＤＵｐ１，ＤＵｎ１，ＤＶｐ１，ＤＶｎ１，ＤＷｐ１，ＤＷｎ１が逆並列に接続されている。なお、各スイッチＳＵｐ１〜ＳＷｎ１としては、ＩＧＢＴに限らず、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴであってもよい。

第２インバータ２０Ｂは、第１インバータ２０Ａと同様に、第２Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ２，ＳＶｐ２，ＳＷｐ２と、第２Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ２，ＳＶｎ２，ＳＷｎ２との直列接続体を備えている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相における上記直列接続体の接続点には、第２巻線群１０Ｂを構成するＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＢ，ＶＢ，ＷＢが接続されている。本実施形態では、各スイッチＳＵｐ２〜ＳＷｎ２として、ＩＧＢＴを用いている。そして、各スイッチＳＵｐ２，ＳＵｎ２，ＳＶｐ２，ＳＶｎ２，ＳＷｐ２，ＳＷｎ２には、各ダイオードＤＵｐ２，ＤＵｎ２，ＤＶｐ２，ＤＶｎ２，ＤＷｐ２，ＤＷｎ２が逆並列に接続されている。なお、各スイッチＳＵｐ２〜ＳＷｎ２しては、ＩＧＢＴに限らず、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴであってもよい。

第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂの各上アームスイッチのコレクタには、バッテリ２１の正極端子が接続されている。第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂの各下アームスイッチのエミッタには、バッテリ２１の負極端子が接続されている。すなわち本実施形態では、各インバータ２０Ａ，２０Ｂでバッテリ２１が共通化されている。

本実施形態にかかる制御システムは、電圧検出部３０、第１相電流検出部３１Ａ、及び第２相電流検出部３１Ｂを備えている。電圧検出部３０は、バッテリ２１から第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂに印加される電圧を電源電圧ＶＤＣとして検出する。第１相電流検出部３１Ａは、第１巻線群１０Ａに流れる３相電流のうち少なくとも２相分の電流を検出する。第２相電流検出部３１Ｂは、第２巻線群１０Ｂに流れる３相電流のうち少なくとも２相分の電流を検出する。本実施形態において、第１，第２相電流検出部３１Ａ，３１Ｂは、Ｖ相電流及びＷ相電流を検出する。なお第１，第２相電流検出部３１Ａ，３１Ｂとしては、例えば、カレントトランス又は抵抗器を備えるものを用いることができる。

上記各種検出部の検出値は、マイコンを主体として構成される制御装置４０に取り込まれる。制御装置４０は、ＣＰＵ及びメモリを備え、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵにて実行する。制御装置４０は、モータ１０の制御量をその指令値に制御すべく、これら各種センサの検出値に基づいて、第１インバータ２０Ａ及び第２インバータ２０Ｂの各スイッチをオンオフ操作する操作信号を生成する。本実施形態において、制御量はトルクであり、制御量の指令値は指令トルクＴｒｑ＊である。図１には、第１インバータ２０Ａの各スイッチＳＵｐ１，ＳＵｎ１，ＳＶｐ１，ＳＶｎ１，ＳＷｐ１，ＳＷｎ１を操作する信号を第１操作信号ｇＵｐ１，ｇＵｎ１，ｇＶｐ１，ｇＶｎ１，ｇＷｐ１，ｇＷｎ１として示し、第２インバータ２０Ｂの各スイッチＳＵｐ２，ＳＵｎ２，ＳＶｐ２，ＳＶｎ２，ＳＷｐ２，ＳＷｎ２を操作する信号を第２操作信号ｇＵｐ２，ｇＵｎ２，ｇＶｐ２，ｇＶｎ２，ｇＷｐ２，ｇＷｎ２として示している。

続いて図２を用いて、モータ１０のトルク制御について説明する。この制御は、モータ１０の磁極位置である回転角を直接検出するレゾルバ等の角度検出器を用いない制御である位置センサレス制御である。制御装置４０は、推定した回転角に基づいてトルク制御を行う。

制御装置４０は、第１インバータ２０Ａに対応した第１処理部４１を備えている。第１処理部４１において、第１電流変換部４１ａは、後述する角度推定部５０により推定されたモータ１０の電気角である推定角θγと、第１相電流検出部３１Ａにより検出されたＶ相電流ＩＶ１，Ｗ相電流ＩＷ１とに基づいて、ＵＶＷ座標系における第１巻線群１０ＡのＵ，Ｖ，Ｗ相電流を、γδ座標系における第１ｄ軸電流Ｉγ１ｒ及び第１δ軸電流Ｉδ１ｒに変換する。ここで、ＵＶＷ座標系はモータ１０の３相固定座標系であり、γδ座標系は、モータ１０の２相回転座標系であるｄｑ座標系の推定座標系である。

第１指令電流設定部４１ｂは、指令トルクＴｒｑ＊に基づいて、第１γ軸指令電流Ｉγ１＊と、第１δ軸指令電流Ｉδ１＊とを設定する。第１γ軸偏差算出部４１ｃは、第１γ軸指令電流Ｉγ１＊から第１γ軸電流Ｉγ１ｒを減算した値として、第１γ軸偏差ΔＩγ１を算出する。第１δ軸偏差算出部４１ｄは、第１δ軸指令電流Ｉδ１＊から第１δ軸電流Ｉδ１ｒを減算した値として、第１δ軸偏差ΔＩδ１を算出する。

第１指令電圧設定部４１ｅは、第１γ軸偏差ΔＩγ１に基づいて、第１γ軸電流Ｉγ１ｒを第１γ軸指令電流Ｉγ１＊にフィードバック制御するための操作量として、第１γ軸指令電圧Ｖγ１＊を算出する。また、第１指令電圧設定部４１ｅは、第１δ軸偏差ΔＩδ１に基づいて、第１δ軸電流Ｉδ１ｒを第１δ軸指令電流Ｉδ１＊にフィードバック制御するための操作量として、第１δ軸指令電圧Ｖδ１＊を算出する。なお、上記フィードバック制御としては、例えば比例積分制御を用いることができる。

第１γ軸重畳部４１ｆは、第１γ軸指令電圧Ｖγ１＊と、後述する高周波電圧設定部６０により設定されたγ軸高周波電圧Ｖγｈとの加算値を出力する。γ軸高周波電圧Ｖγｈは、第１γ軸指令電圧Ｖγ１＊の基本波成分の電気角速度よりも十分高い角速度で変動する信号である。

第１電圧変換部４１ｇは、第１γ軸重畳部４１ｆの出力値、第１δ軸指令電圧Ｖδ１＊、電圧検出部３０により検出された電源電圧ＶＤＣ、及び推定角θγに基づいて、γδ座標系における第１γ軸重畳部４１ｆの出力値「Ｖγ１＊＋Ｖγｈ」，第１δ軸指令電圧Ｖδ１＊を、ＵＶＷ座標系における第１Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ１，ＶＶ１，ＶＷ１に変換する。本実施形態において、第１Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ１，ＶＶ１，ＶＷ１は、電気角で位相が互いに１２０°ずつずれた波形となる。

第１生成部４１ｈは、第１電圧変換部４１ｇから出力された第１Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ１，ＶＶ１，ＶＷ１に基づいて、第１操作信号ｇＵｐ１〜ｇＷｎ１を生成する。第１生成部４１ｈは、生成した第１操作信号ｇＵｐ１〜ｇＷｎ１を各スイッチＳＵｐ１〜ＳＷｎ１に対して出力する。ここで第１操作信号は、例えば、三角波信号等のキャリア信号と各相指令電圧ＶＵ１，ＶＶ１，ＶＷ１との大小比較に基づくＰＷＭ制御により生成されればよい。上アーム側の第１操作信号と、対応する下アーム側の第１操作信号とは、互いに相補的な信号となっている。このため、上アームスイッチと、対応する下アームスイッチとは、交互にオンされる。

制御装置４０は、第２インバータ２０Ｂに対応した第２処理部４２を備えている。なお、第２処理部４２は、第１処理部４１と同様の構成のため、その詳細な説明を適宜省略する。

第２処理部４２において、第２電流変換部４２ａは、推定角θγと、第２相電流検出部３１Ｂにより検出されたＶ相電流ＩＶ２，Ｗ相電流ＩＷ２とに基づいて、第２巻線群１０Ｂに対応するＵ，Ｖ，Ｗ相電流を、γδ座標系における第２γ軸電流Ｉγ２ｒと、第２δ軸電流Ｉδ２ｒとに変換する。

第２指令電流設定部４２ｂは、指令トルクＴｒｑ＊に基づいて、第２γ軸指令電流Ｉγ２＊と、第２δ軸指令電流Ｉδ２＊とを設定する。各指令電流Ｉγ２＊，Ｉδ２＊，Ｉγ１＊，Ｉδ１＊は、モータ１０のトルクを指令トルクＴｒｑ＊とするために必要な値に設定されている。なお、第２γ軸指令電流Ｉγ２＊は、第１γ軸指令電流Ｉγ１＊と同じ値に設定されてもよいし、異なる値に設定されてもよい。また、第２δ軸指令電流Ｉδ２＊は、第１δ軸指令電流Ｉδ１＊と同じ値に設定されてもよいし、異なる値に設定されてもよい。

第２γ軸偏差算出部４２ｃは、第２γ軸指令電流Ｉγ２＊から第２γ軸電流Ｉγ２ｒを減算した値として、第２γ軸偏差ΔＩγ２を算出する。第２δ軸偏差算出部４２ｄは、第２δ軸指令電流Ｉδ２＊から第２δ軸電流Ｉδ２ｒを減算した値として、第２δ軸偏差ΔＩδ２を算出する。

第２指令電圧設定部４２ｅは、第２γ軸偏差ΔＩγ２に基づいて、第２γ軸指令電圧Ｖγ２＊を算出する。また、第２指令電圧設定部４２ｅは、第２δ軸偏差ΔＩδ２に基づいて、第２δ軸指令電圧Ｖδ２＊を算出する。なお、第２指令電圧設定部４２ｅで用いられるフィードバック制御としては、例えば比例積分制御を用いることができる。

第２γ軸重畳部４２ｆは、第２γ軸指令電圧Ｖγ２＊から、高周波電圧設定部６０により設定されたγ軸高周波電圧Ｖγｈを減算した値を出力する。γ軸高周波電圧Ｖγｈは、第２γ軸指令電圧Ｖγ２＊の基本波成分の電気角速度よりも十分高い角速度で変動する信号である。

第２電圧変換部４２ｇは、第２γ軸重畳部４２ｆの出力値、第２δ軸指令電圧Ｖδ２＊、電源電圧ＶＤＣ、及び推定角θγに基づいて、γδ座標系における第２γ軸重畳部４２ｆの出力値「Ｖγ２＊−Ｖγｈ」，第２δ軸指令電圧Ｖδ２＊を、ＵＶＷ座標系における第２Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ２，ＶＶ２，ＶＷ２に変換する。

第２生成部４２ｈは、第２電圧変換部４２ｇから出力された第２Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ２，ＶＶ２，ＶＷ２に基づいて、第２操作信号ｇＵｐ２〜ｇＷｎ２を生成する。第２生成部４２ｈは、生成した第２操作信号ｇＵｐ２〜ｇＷｎ２を各スイッチＳＵｐ２〜ＳＷｎ２に対して出力する。

制御装置４０において、角度推定部５０は、推定角θγを算出する。本実施形態では、第１電流変換部４１ａから出力された第１δ軸電流Ｉδ１ｒに基づいて、推定角θγを算出する。以下、角度推定手法について詳述する。

角度推定部５０は、まず、第１δ軸電流Ｉδ１ｒからその高周波成分を抽出する。なお、高周波成分の抽出は、例えば、バンドパスフィルタ又はハイパスフィルタで実施すればよい。角度推定部５０は、モータ１０の電気角を様々な値に変化させた場合において、抽出した高周波成分が最小となる電気角を推定角θγとして算出する。

続いて、高周波電圧設定部６０について説明する。

高周波電圧設定部６０は、モータ１０のトルク制御中において、推定角θγの算出に必要なγ軸高周波電圧Ｖγｈを生成するために設けられている。高周波電圧設定部６０は、一定の振幅を有して、かつ、矩形波状のパルス信号としてのγ軸高周波電圧Ｖγｈを出力する。これにより、第１γ軸重畳部４１ｆにおいて、第１巻線群１０Ａに対して、γ軸方向にγ軸高周波電圧Ｖγｈが印加される。また、第２γ軸重畳部４２ｆにおいて、第１巻線群１０Ａに印加されるγ軸高周波電圧Ｖγｈと同じ振幅及び周波数を有して、かつ、第１巻線群１０Ａに印加されるγ軸高周波電圧Ｖγｈとは位相が電気角で１８０°異なる高周波電圧が、第２巻線群１０Ｂに対してγ軸方向に印加される。これにより、互いに大きさが等しく、かつ、γ軸上において向きが１８０°異なる高周波電圧ベクトルが印加される。その結果、角度推定用の高周波電圧の印加に伴い発生するトルクリプルを低減することができる。

図３を用いて、本実施形態の効果を示す。ここで図３（ａ）は、本実施形態に係るモータ１０のトルクの推移を示す。図３（ｂ）は、第１巻線群１０Ａ及び第２巻線群１０Ｂのうちいずれか一方のみのγ軸方向に角度推定用の高周波電圧を印加する比較技術に係るトルクの推移を示す。

図３（ａ）に示すように、本実施形態によれば、γ軸高周波電圧Ｖγｈの印加に伴い発生するトルクリプルを第１巻線群１０Ａ及び第２巻線群１０Ｂの間でキャンセルできる。このため、モータ１０のトルクリプルを低減でき、ひいてはモータ１０の騒音を低減することができる。

これに対し、図３（ｂ）に示す比較技術では、高周波電圧の印加に伴い発生するトルクリプルを第１巻線群１０Ａ及び第２巻線群１０Ｂの間でキャンセルできないため、モータ１０のトルクリプルを低減することはできない。

以上説明したように、本実施形態では、第１巻線群１０Ａ及び第２巻線群１０Ｂのそれぞれに対して印加される高周波電圧を、同じγ軸方向として、かつ、位相が１８０°ずれたものとした。これにより、角度推定用の高周波電圧が印加されることに伴い発生するモータ１０の騒音を簡易に低減することができる。

（その他の実施形態）
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記実施形態では、第１δ軸電流Ｉδ１ｒに基づいて推定角θγを算出したがこれに限らない。例えば、第２δ軸電流Ｉδ２ｒに基づいて、推定角θγを算出してもよい。

・電気角の推定手法としては、上記実施形態に例示したものに限らない。例えば、巻線に印加した高周波電圧のベクトルと、高周波電圧の印加に伴って巻線に流れる高周波電流のベクトルとの外積値が０となるように電気角を推定する手法を採用してもよい。

・高周波電圧としては、矩形波状のパルス信号に限らず、例えば正弦波状の高周波信号であってもよい。

・モータとしては、突極機に限らず、非突極機であってもよい。モータに大電流が流れ、モータにおいて磁気飽和が生じていると、モータのｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとが異なる状態となる。このため、モータが非突極機である場合であっても、高周波電圧の重畳を用いた角度推定が可能となる。

１０…モータ、１０Ａ，１０Ｂ…第１，第２巻線群、２０Ａ，２０Ｂ…第１，第２インバータ、４０…制御装置。

Claims (1)

1. ステータ（１３）に巻回された第１巻線群（１０Ａ）及び第２巻線群（１０Ｂ）を有する２重巻線回転電機（１０）、前記第１巻線群に電圧を印加する第１インバータ（２０Ａ）、並びに前記第２巻線群に電圧を印加する第２インバータ（２０Ｂ）を備えるシステムに適用される回転電機の制御装置（４０）において、
   前記回転電機の電気角速度よりも高い角速度で変動する高周波電圧を前記第１巻線群及び前記第２巻線群のそれぞれに印加すべく、前記第１インバータ及び前記第２インバータを操作する高周波操作部と、
   前記第１巻線群及び前記第２巻線群のそれぞれに印加された高周波電圧に応じて前記第１巻線群及び前記第２巻線群のそれぞれに流れる高周波電流のうち、少なくとも一方に基づいて、前記回転電機の回転角を推定する角度推定部と、を備え、
   前記高周波操作部は、一定の振幅を有する第１高周波電圧を前記第１巻線群に対して前記回転電機の推定ｄ軸方向に印加すべく前記第１インバータを操作し、前記第１高周波電圧と同じ振幅及び周波数を有して、かつ、前記第１高周波電圧とは位相が電気角で１８０°異なる第２高周波電圧を前記第２巻線群に対して前記推定ｄ軸方向に印加すべく前記第２インバータを操作することを特徴とする回転電機の制御装置。

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