JP6776821B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ制御装置に関し、特に、複相インバータの制御装置に関する。

回転電機を駆動源とするハイブリッド車両や電気自動車には、電源となるバッテリ（二次電池）と、バッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータが搭載されている。

回転電機が三相交流型のものである場合、インバータとして三相インバータが用いられる。三相コンバータはＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対応してスイッチング素子が設けられる。例えば一相当たり二個のスイッチング素子が設けられる。

スイッチング素子のオン／オフに応じて矩形波的に電圧や電流が切り替わることが理想的であるが、実際には図８に示すようにオン／オフの切り替え時に電圧が波状的に乱高下するサージ電圧が発生する。これはスイッチング素子のオン／オフによる電流量の急変に伴い、配線等に含まれる浮遊インダクタンスによって高電圧が発生することによるものである。

ここで、図９（ａ）のように、三相のうち一相（例えばＵ相）のオフ→オンのタイミングと、他の一相（例えばＶ相）のオン→オフのタイミングが近接すると、両者のサージ電圧が図９（ｂ）のように重畳されてオン時電圧を大きく超過する高電圧が発生する。また、一相の中でもオン→オフのタイミングとオフ→オンのタイミングが近接すると同様にしてサージ電圧が重畳する。サージ電圧重畳時に生じる高電圧により、各相のコイル間で絶縁破壊が発生するおそれがある。

そこで例えば特許文献１では、スイッチング素子のオン／オフタイミングを制御するＰＷＭ信号をモニタリングし、自相間、あるいは他相間でスイッチングタイミングが所定の設定時間内に複数回存在する場合は、これらのスイッチングタイミングの間隔を図１０のように所定時間ｔｐ空けるようにタイミング調整を行っている。

特開２０１５−８０３８１号公報

ところで従来は、所定の時間内に複数回スイッチングタイミングが存在するか否か、スイッチング信号を常時監視する必要がある。つまりスイッチング信号の生成中は常に監視演算が必要となるため、演算部の計算負荷が過大となるおそれがある。そこで本発明は、複数のスイッチングタイミングの近接を回避するタイミング調整を行うに当たり、スイッチング信号の常時監視を省略し、演算部の計算負荷を軽減可能な、インバータの制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係るインバータ制御装置は、記憶部及び切替部を備える。記憶部には、三相インバータのスイッチングパターンが、回転電機のトルク及び回転数に応じて複数パターン記憶される。切替部は、回転電機へのトルク指令及び実回転数に基づいて記憶部からスイッチングパターンを取得し、回転電機の電気角が所定の切替電気角のときに、三相インバータのスイッチングパターンを、取得したスイッチングパターンに切り替える。スイッチングパターンは、自相間及び他相間のスイッチングタイミングの間隔が、所定の待機時間及び回転電機の回転数から求められる待機角以上離れるように設定されるとともに、切替電気角から待機角以上進角した電機角領域にスイッチングタイミングが設定される。

本発明によれば、スイッチングタイミングは、サージ電圧の重畳が生じないように離間した角度間隔で予め設定される。したがって、スイッチングタイミングが近接するか否か、スイッチング信号を監視する必要がなくなり、演算部の計算負荷が軽減される。

本実施形態に係るインバータ制御装置を含む、回転電機システムの要部を例示するブロック図である。 スイッチングパターンマップを例示する図である。 スイッチングパターンの例（パターンＡ）を示す図である。 スイッチングパターンの例（パターンＪ）を示す図である。 スイッチングパターンの例（パターンＤ）を示す図である。 本実施形態に係るインバータ制御装置による、インバータ制御フローを例示する図である。 スイッチングパターンの切替例を示す図である。 サージ電圧について説明する図である。 サージ電圧の重畳について説明する図である。 スイッチングタイミングの変更について説明する図である。

図１に、本実施形態に係るインバータ制御装置１０を含む回転電機システムを例示する。この回転電機システムは、例えば回転電機を駆動源とする車両に搭載される。具体的にはハイブリッド車両、電気自動車、燃料電池車等に、回転電機システムが搭載される。

なお、図示を簡略化するために、図１では、本実施形態に係るインバータ制御装置１０との関連性の低い構成については適宜図示を省略している。また、図１の矢印線は信号線を表している。

回転電機システムは、回転電機１２、インバータ１４、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、バッテリモジュール１８、及びインバータ制御装置１０を備える。

バッテリモジュール１８の直流電力は昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６にて昇圧され、インバータ１４により直交変換される。変換後の交流電力は回転電機１２に供給され、それにより回転電機１２から図示しない車輪に駆動力が伝達される（力行）。また車輪制動時には回転電機１２が回生駆動される。回生によって生じた交流電力はインバータ１４により交直変換され、さらに昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６によって降圧される。降圧後の直流電力がバッテリモジュール１８に供給される。

バッテリモジュール１８は、１〜５Ｖ程度の電池セル（単電池）が複数積層されたスタック（積層体）から構成される。例えば直列接続された複数の電池セルからバッテリモジュール１８が構成される。または、並列接続された複数の電池セルからなる電池ブロックが複数直列接続される。電池セルは、例えばニッケル水素やリチウムイオン電池等の二次電池から構成される。

回転電機１２は、車両の駆動源であり、三相交流型のモータ／ジェネレータから構成される。回転電機１２は、例えば埋め込み磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）から構成される。

インバータ１４は、三相交流型の回転電機１２に対応して三相インバータから構成される。インバータ１４は、複数のスイッチング素子２２Ａ〜２２Ｆを備える。一相当たり二個のスイッチング素子が割り当てられる。例えばインバータ１４は、Ｕ相のスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂ、Ｖ相のスイッチング素子２２Ｃ，２２Ｄ、Ｗ相のスイッチング素子２２Ｅ，２２Ｆを備える。

一相当たり二個のスイッチング素子（例えば２２Ａ，２２Ｂ）は、正極側から負極側に順方向に直列に接続される。さらに各スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｆに逆並列にダイオード２４Ａ〜２４Ｆが設けられる。スイッチング素子２２とダイオード２４の組はアームとも呼ばれる。正極側のアームは上アームと呼ばれ、負極側のアームは下アームとも呼ばれる。さらに上下アーム対はレグと呼ばれる。このレグが、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相別に並列に接続される。さらにレグ毎に、上アームと下アームの間から配線が引き出され、回転電機１２の中性点２６に接続される。

インバータ制御装置１０は、インバータ１４のスイッチング素子２２Ａ〜２２Ｆのスイッチングのオン／オフ制御を行う。インバータ制御装置１０は、例えばコンピュータから構成され、車両の電子コントロールユニット（ＥＣＵ）から構成される。

インバータ制御装置１０は、演算回路であるＣＰＵ及び記憶装置であるメモリを備える。メモリには後述するインバータ制御フローを実行するためのプログラムや、スイッチングパターンマップ等が記憶されている。

メモリに記憶されたインバータ制御プログラムを実行することで、インバータ制御装置１０は図１に示すような機能ブロックが構成される。インバータ制御装置１０は、切替部２８及び記憶部３０を備える。

切替部２８は、スイッチングパターン設定部２８Ａ、スイッチングパターン比較部２８Ｂ、及び微分部２８Ｃを備える。また、記憶部３０は、パターンマップ記憶部３０Ａ及び選択パターン記憶部３０Ｂを備える。

パターンマップ記憶部３０Ａには、図２に示すスイッチングパターンマップが記憶されている。スイッチングパターンマップは、横軸に回転数、縦軸にトルクを取る特性グラフである。この特性グラフのプロット領域に、複数のスイッチングパターンが面的に配置されている。例えば図２の例ではスイッチングパターンＡ〜スイッチングパターンＫまでの１１パターンが設定されている。なお、インバータ１４が電圧制御される場合、スイッチングパターンＡ〜Ｋは、各相の電圧のパルス波形を定めることから、電圧パルスパターンとも呼ばれる。

スイッチングパターンＡ〜Ｋは、インバータ１４のスイッチング素子２２Ａ〜２２Ｆのオン／オフタイミングが回転電機１２の電気角に応じて予め定められている。なお、回転電機１２の電気角θ_Ｅは、回転センサ３２が検出する回転角θ_Ｍ（機械角）及び回転電機１２の相数Ｐを用いて、θ_Ｅ＝θ_Ｍ×Ｐ／２から求められる。

図３には、スイッチングパターンＡが例示されている。本実施形態では、スイッチングパターンＡに限らず、いずれのスイッチングパターンにおいても、自相間及び他相間のスイッチングタイミングの時間間隔が、サージ電圧の重複を十分に回避できるような時間間隔に予め定められている。自相間のスイッチングタイミングの時間間隔とは、例えば所定の相（例えばＵ相）におけるオン→オフのスイッチングタイミングと、オフ→オンのスイッチングタイミングとの時間間隔を指す。また、他相間のスイッチングタイミングの時間間隔とは、例えば所定の相（例えばＵ相）のオン→オフまたはオフ→オンのスイッチングタイミングと、他の相（例えばＶ相）のオン→オフまたはオフ→オンのスイッチングタイミングとの時間間隔を指す。

上記のようなスイッチングタイミングの間隔を求めるために、例えば、各スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｆに生じるサージ電圧の時定数を、配線長や各スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｆのスイッチング速度等に基づいて予め取得する。この時定数から、オン→オフ切替時、及びオフ→オン切替時のスイッチングタイミングにおけるサージ電圧の減衰時間を求め、これから待機時間ｔ_Ｗを求める。待機時間ｔ_Ｗは、サージ電圧の最大値とオン時電圧の差をΔＶ_Ｍとすると、例えば、サージ電圧の発生時点から、サージ電圧とオン時電圧との差が０．１ΔＶ_Ｍとなる時点までに掛かる時間（例えば１μＳｅｃ）とする。

待機時間ｔ_Ｗに回転数［ｒｐｍ］を掛けることで、待機角Δθが求められる。つまり、サージ電圧が解消されるまでの待機時間ｔ_Ｗが、回転数を介して角度に変換される。自相間及び他相間のスイッチングタイミングの間隔を、待機角Δθ以上離れるようにスイッチングパターンを定めることで、自相間及び他相間のサージ電圧の重畳が回避される。

加えて後述するように、本実施形態に掛かるインバータ制御フローでは、スイッチングパターンＡ〜Ｋを切り替えるタイミングを、所定の電気角θ_ｎ（切替電気角）に限定している。その上で、切替電気角θ_ｎから待機角Δθ以内の電気角領域にはスイッチングタイミング（オン→オフ、オフ→オン）を設定しないようにしている。言い換えると、切替電気角θ_ｎから待機角Δθ以上進角した電気角領域に、スイッチングタイミングを設定している。このようにすることで、スイッチングパターンの切替に伴うスイッチングタイミングの近接が回避される。

切替電気角θ_ｎは、例えば６０°刻みで電気角０°，６０°，１２０°，１８０°，２４０，３００°に設定される。ここで、電気角θ_Ｅの表記方法として、機械角θ_Ｍに対応して３６０°を超過するような角度表記もある（例えば極数８の場合、機械角θ_Ｍ＝０°〜３６０°に対応して電気角θ_Ｅ０°〜１４４０°）が、以下の例では、電気角は３６０°を上限とし、その後０°に戻るものとする。

切替電気角θ_ｎについて、その刻みが粗い（設定される電気角が少ない）と、トルクや回転数変化に対して応答が粗くなる。一方、切替電気角θ_ｎの刻みが細かい（設定される電気角が多い）と、各切替電気角θ_ｎ後の待機角Δθの設定が困難となる。したがって、少なくとも待機角Δθ以上の刻みで切替電気角θ_ｎを設定する必要がある。なお、後述するように、待機角Δθは回転数に応じて変化することから、回転電機１２の最大回転数ｒ４に応じた最大待機角Δθ＿ｒ４以上の刻みで切替電気角θ_ｎを設定することが好適である。

以上を踏まえて図３を参照すると、スイッチングパターンＡは、当該パターンが適用される最大回転数ｒ１に基づいて待機角Δθ＿ｒ１が定められる。この待機角Δθ＿ｒ１より短くならないように、自相間のスイッチングタイミング間隔Δθ＿ＳＷ１、他相間のスイッチングタイミング間隔Δθ＿ＳＷ２、及び、切替電気角θ_ｎ以降のスイッチングタイミングが設定される。

図４には、スイッチングパターンＪが例示されている。スイッチングパターンＪが適用される最大回転数はスイッチングパターンＡと同様に回転数ｒ１であることから、待機角Δθ＿ｒ１が適用される。スイッチングパターンＪは、スイッチングパターンＡと比較して高トルクの出力指令に対応するものであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれについてもオン時比率（デューティ周期当たりのオンデューティの割合）が高くなっているが、自相間のスイッチングタイミング間隔Δθ＿ＳＷ１、他相間のスイッチングタイミング間隔Δθ＿ＳＷ２、及び、切替電気角θ_ｎ以降のスイッチングタイミングのいずれについても待機角Δθ＿ｒ１を割り込まないようにパルス波形が設定されている。

図５には、スイッチングパターンＤが例示されている。このスイッチングパターンは、回転電機１２の取り得る最大回転数ｒ４に基づいて待機角Δθ＿ｒ４が定められる。自相間のスイッチングタイミング間隔Δθ＿ＳＷ１、他相間のスイッチングタイミング間隔Δθ＿ＳＷ２、及び、切替電気角θ_ｎ以降のスイッチングタイミングのいずれについても、待機角Δθ＿ｒ４を割り込まないようにパルス波形が設定されている。

図３〜図５に示すスイッチングパターンＡ，Ｄ，Ｊに示されるように、パルス数一定の場合、図２のスイッチングパターンマップにおいて、回転数（横軸）が増加するほど、待機角Δθが大きくなる。また、トルク（縦軸）が増加するほど、オン時比率が長くなる。

図６には、本実施形態に掛かるインバータ制御フローが例示されている。スイッチングパターン設定部２８Ａは、回転センサ３２から回転電機１２の（より正確には回転電機１２のロータの）回転角θ_Ｍ（機械角）を取得するともに、回転電機１２の相数から電気角θ_Ｅを求める（Ｓ１０）。

次にスイッチングパターン設定部２８Ａは、求めた電気角θ_Ｅが、切替電気角θ_ｎから所定の遅延角θ_Ｃを引いた角度に等しいか否かを判定する（Ｓ１２）。遅延角θ_Ｃは切替部２８の演算時間分の遅延（例えば、ステップＳ１０からステップＳ２０に至るまでの時間）を考慮したもので、切替電気角θ_ｎにてスイッチングパターンの切替を可能とするために設定される。遅延角θ_Ｃは、例えば５°以上１０°以下の値が設定される。

電気角θ_Ｅが切替電気角θ_ｎ−遅延角θ_Ｃとは等しくない場合、フロー末尾まで進みその後再びステップＳ１０に戻る。電気角θ_Ｅが切替電気角θ_ｎ−遅延角θ_Ｃと等しい場合、スイッチングパターン設定部２８Ａは、上位制御部から回転電機１２に対するトルク指令Ｔｒｃ＿ｃｏｍを取得する。また、回転センサ３２から微分部２８Ｃを経由して回転電機１２の実回転数ｒ（ｔ）を取得する（Ｓ１４）。

次にスイッチングパターン設定部２８Ａは、パターンマップ記憶部３０Ａに記憶されたスイッチングパターンマップを参照して、ステップＳ１４にて取得したトルク指令Ｔｒｃ＿ｃｏｍ及び実回転数ｒ（ｔ）に対応するスイッチングパターン（ｔ）を取得する（Ｓ１６）。取得したスイッチングパターン（ｔ）はスイッチングパターン比較部２８Ｂに送信される。

スイッチングパターン比較部２８Ｂは、選択パターン記憶部３０Ｂから、現在選択されているスイッチングパターン（ｔ−１）を呼び出す。さらにスイッチングパターン比較部２８Ｂは、スイッチングパターン設定部２８Ａから受信したスイッチングパターン（ｔ）と、現在選択されているスイッチングパターン（ｔ−１）が同一のものか否かを判定する（Ｓ１８）。同一の場合、フロー末尾まで進み再びステップＳ１０に戻る。なお、選択パターン記憶部３０Ｂに記憶されるスイッチングパターンとしてスイッチングパターン（ｔ）が更新される。

ステップＳ１８にてスイッチングパターン（ｔ）がスイッチングパターン（ｔ−１）とは異なる場合、スイッチングパターン比較部２８Ｂは、スイッチングパターンをスイッチングパターン（ｔ−１）からスイッチングパターン（ｔ）に切り替える（Ｓ２０）。例えば、スイッチングパターン（ｔ）のＵ相パターン、Ｖ相パターン、及びＷ相パターンに基づいて、インバータ１４のＵ相上アームパルスＰｕ＋＿ｃｏｍ、Ｕ相下アームパルスＰｕ−＿ｃｏｍ、Ｖ相上アームパルスＰｖ＋＿ｃｏｍ、Ｖ相下アームパルスＰｖ−＿ｃｏｍ、Ｗ相上アームパルスＰｗ＋＿ｃｏｍ、Ｗ相下アームパルスＰｗ−＿ｃｏｍを各スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｆに送信する。ステップＳ１０からステップＳ２０に至るまで遅延角θ_Ｃに相当する遅延時間が経過しているため、回転電機１２の電気角θ_Ｅが切替電気角θ_ｎとなった時点でスイッチングパターンが切り替えられる。

図７には、切替電気角θ_ｎ＝１８０°のときに、スイッチングパターンＡからスイッチングパターンＤに切り替えられたときのパルスパターンが例示されている。この図に示されているように、スイッチングパターンＤは、切替電気角θ_ｎ＝１８０°後、待機角Δθ＿ｒ４以内にはスイッチングタイミングが設定されていない。このことから、スイッチングパターンの切替に伴うスイッチングタイミングの近接、及びそれに伴うサージ電圧の重畳が回避される。

１０ インバータ制御装置、１２ 回転電機、１４ インバータ、１８ バッテリモジュール、２０ インバータ制御装置、２２Ａ−２２Ｆ スイッチング素子、２４Ａ−２４Ｆ ダイオード、２８ 切替部、２８Ａ スイッチングパターン設定部、２８Ｂ スイッチングパターン比較部、２８Ｃ 微分部、３０ 記憶部、３０Ａ パターンマップ記憶部、３０Ｂ 選択パターン記憶部、３２ 回転センサ。

Claims (1)

1. 三相インバータのスイッチングパターンが、回転電機のトルク及び回転数に応じて複数パターン記憶された記憶部と、
   前記回転電機へのトルク指令及び実回転数に基づいて前記記憶部から前記スイッチングパターンを取得し、前記回転電機の電気角が所定の切替電気角のときに、前記三相インバータのスイッチングパターンを、取得した前記スイッチングパターンに切り替える切替部と、
   を備え、
   前記スイッチングパターンは、自相間及び他相間のスイッチングタイミングの間隔が、所定の待機時間及び前記回転電機の回転数から求められる待機角以上離れるように設定されるとともに、前記切替電気角から前記待機角以上進角した電気角領域にのみスイッチングタイミングが設定される、
   ことを特徴とする、インバータ制御装置。