JP7267457B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

永久磁石同期電動機をインバータで駆動するシステムを制御する場合、固定子に対する回転子の磁極位置情報が必要である。電気自動車の場合、磁極位置情報は回転子に取り付けられた回転角センサ(レゾルバ等)で取得し電動機のトルク制御を行っているが、回転角センサの取付け誤差に起因する角度誤差があるとトルク指令値と異なるトルクが発生し、車両の運転性悪化の原因となっている。

そのため、永久磁石同期電動機の実回転子位置を推定し、この推定した実回転子位置に基づいて回転角センサのオフセット誤差を検出する必要がある。このような従来技術としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。

特開２０１４－０５０１２２号公報 特開２０１７－２１２７８３号公報

特許文献１に記載の発明は、回転子停止状態でｄ軸電圧のみを印加し、ｑ軸電流を０にする角度を探すものである。しかしこの方法は、Ｖｄの大きさと通電時間のキャリブレーションやｑ軸電流の０判定が難しく、十分に精度を高めることが難しかった。

特許文献２に記載の発明は、電動機端を短絡させた状態で検出した相電流と相電流理論値との差に基づいてオフセット誤差を算出するものである。しかし、回転数が比較的低速（例えば１０００～２０００ｒｐｍ）であると、電動機温度、特に固定子温度による誤差が大きく、十分に精度を高めることが難しかった。

本発明が解決しようとする課題は、回転子の回転角センサのオフセット誤差を高精度に検出することである。

そこで本発明に係る電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換して同期電動機を駆動するインバータと、同期電動機の回転角センサと回転子磁極位置の誤差を補正する磁極位置補正部とを備え、磁極位置補正部は、同期電動機を回転中に三相線間を短絡させた際の電流から電流位相を演算する実電流位相演算部と、回転子の回転数および固定子の温度に基づいて、理想電流位相を算出する理想電流位相算出部と、を備え、実電流位相演算部と理想電流位相算出部の出力の差分から磁極位置を補正することを特徴とする。

回転子の回転角センサのオフセット誤差を高精度に検出することができる。

電力変換装置の概略回路構成を示す図である。 コントローラ４の処理を説明する処理ブロック図である。 オフセット誤差算出の手順を示すフローチャートである。 三相短絡開始後の各相電流の波形を示す図である。 実施例１における磁極位置補正部４６の構成を示すブロック図である。 回転数と理想電流位相の関係を表すグラフである。 理想位相電流算出部５５の変形例１を示すブロック図である。 理想位相電流算出部５５の変形例２を示すブロック図である。 実施例２における磁極位置補正部４６の構成を示すブロック図である。 実施例２における磁極位置補正部４６の変形例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

図１は、電力変換装置の概略回路構成を示す図である。図１において、電動機２の電力変換装置は、主にインバータ１、バッテリ３、コントローラ４などから構成される。インバータ１は、三相電圧形２レベルインバータである。

電動機２は、電動車両システムの駆動機構と接続されており、電動機２が回転することにより車両を推進させる。本実施例の電動機２は交流電動機であり、三相埋込磁石形同期電動機（ＩＰＭＳＭ）である。電動機２は図示しない回転子に設けられた永久磁石から発生する磁束と、電機子に固定された三相巻線５、６、７に流れる電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗにより発生する磁界との相互作用により動作する。ｉｕ、ｉｖ、ｉｗはそれぞれＵ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流である。なお本実施例では永久磁石同期電動機を用いて説明するが、巻線界磁同期電動機などの他の同期電動機であっても本発明は成立する。

電動機２は磁極位置センサ８を備える。磁極位置センサ８は電動機２の回転子の磁極位置を回転角度として検出する機能を有する。磁極位置センサ８は磁極位置信号９（θ）を出力し、コントローラ４に入力される。磁極位置信号９（θ）についてのコントローラ４における処理は図２を用いて後述する。磁極位置センサ８としては、レゾルバ、ロータリーエンコーダ、アブソリュートエンコーダなどによって構成することができる。

電流センサ１０は巻線５、６、７を流れる電流を検出し、それに基づいてＵ相電流センサ信号１１（電流ｉｕを示す信号）、Ｖ相電流センサ信号１２（電流ｉｖを示す信号）、Ｗ相電流センサ信号１３（電流ｉｗを示す信号）を出力し、コントローラ４に入力する。電流センサ信号１１、１２、１３のコントローラ４における処理も図２を用いて後述する。

インバータ１は、スイッチング素子１４、１５、１６、１７、１８、１９と還流ダイオード２０、２１、２２、２３、２４、２５を含む。本実施例のスイッチング素子１４～１９は、Ｓｉ－ＩＧＢＴであり、ゲート端子、コレクタ端子、エミッタ端子を含む。還流ダイオード２０～２５はスイッチング素子１４～１９のそれぞれのコレクタ端子とエミッタ端子の間に接続される。還流ダイオード２０～２５はスイッチング素子１４～１９のコレクタ端子がエミッタ端子より高電位となる場合、還流ダイオード２０～２５を通じて電流を流し、スイッチング素子１４～１９に高い逆電圧がかかることを防止する。ただし、Ｓｉ－ＩＧＢＴと還流ダイオードとの組み合わせに限られず、その他の半導体素子によってインバータ回路を構成してもよい。

スイッチング素子１４～１９のオンとオフの切替えは、それぞれのスイッチング素子１４～１９のゲート端子に接続されるゲートドライブ信号２６、２７、２８、２９、３０、３１によって行われる。それぞれのゲートドライブ信号２６～３１の元になる６本から成るゲート信号３２はコントローラ４により生成されゲートドライブ回路３５に出力される。ゲートドライブ回路３５は、ゲート信号３２をスイッチング素子１４、１５、１６、１７、１８、１９のオンとオフの切り替えに必要な電位に変換してゲートドライブ信号２６、２７、２８、２９、３０、３１を出力する。コントローラ４におけるゲート信号３２の生成は図２を用いて後述する。

スイッチング素子１４のエミッタ端子とスイッチング素子１５のコレクタ端子は互いに接続され、その接続点は巻線５に接続され電流ｉｕを流す。スイッチング素子１６のエミッタ端子とスイッチング素子１７のコレクタ端子は互いに接続され、その接続点は巻線６に接続され電流ｉｖを流す。スイッチング素子１８のエミッタ端子とスイッチング素子１９のコレクタ端子は互いに接続され、その接続点は巻線７に接続され電流ｉｗを流す。スイッチング素子１４、１６、１８のコレクタ端子は互いに接続されて高電位ＤＣ配線３３に接続される。また、スイッチング素子１５、１７、１９のエミッタ端子は互いに接続されて低電位ＤＣ配線３４に接続される。

これによりコントローラ４は、生成したゲート信号３２をもとにスイッチング素子１４、１５、１６、１７、１８、１９のオンとオフを適切なタイミングで行い、巻線５、６、７に流れる電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを制御し電動機２の回転制御を実現する。ゲート信号３２は電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが互いに１２０度位相の異なる正弦波状の信号になるようＰＷＭ（パルス幅変調)信号の形態を成す。

電圧センサ３６は高電位ＤＣ配線３３と低電位ＤＣ配線３４に接続され、これらの電位差を検出する。高電位ＤＣ配線３３と低電位ＤＣ配線３４の電位差は通常例えば１００Ｖ以上の高電圧であるため、電圧センサ３６はコントローラ４が検出可能な低電圧に変換したＤＣ電圧センサ信号３７（Ｖｄｃ）を生成しコントローラ４に入力する。

インバータ１に含まれる平滑コンデンサ３８は高電位ＤＣ配線３３と低電位ＤＣ配線３４の間に接続される。平滑コンデンサ３８は、スイッチング素子１４～１９のスイッチング動作により発生するＤＣ電圧の脈動を抑制する働きがある。

バッテリ３は、バッテリ３の高電位側の端子と高電位ＤＣ配線３３とが接続され、バッテリ３の低電位側の端子と低電位ＤＣ配線３４とが接続される。これにより、インバータ１や電動機２に電力を供給する直流電源として働く。

コントローラ４には、例えばＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）などの車両の上位コントローラから与えられるトルク指令３９（Ｔ＊）が入力される。このトルク指令３９（Ｔ＊）をもとにコントローラ４は電動機２のトルク制御を行う。
また、図１には図示されていないが、コントローラ４には、電動機２の固定子および回転子温度が入力される。固定子および回転子温度は、温度センサにより検出することが望ましいが、公知の方法によって推定された温度を用いる構成としてもよい。

図２は、コントローラ４の処理を説明する処理ブロック図である。

図２において、コントローラ４の処理ブロックは、電流指令演算部４０、三相二相変換部４１、電流制御部４２、二相三相変換部４３、速度演算部４４、ＰＷＭゲート制御信号生成部（制御信号生成部）４５、磁極位置補正部４６、偏差算出器４７、偏差算出器４８、加算器４９を含む。電流指令演算部４０、三相二相変換部４１、電流制御部４２、二相三相変換部４３、偏差算出器４７及び偏差算出器４８により、三相電圧指令値生成部が形成される。通常のところ磁極位置センサ８によって検出された磁極位置信号９（θ）に基づいて三相電圧指令値を生成するが、本発明では磁極位置信号９（θ）の代わりに、後述する方法によって補正された補正後磁極位置信号５０（θ’）を用いる。

コントローラ４は、電動機２に三相の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを流して回転制御を行うが、コントローラ４の内部では三相の固定座標からｄ軸とｑ軸で表される二相の回転座標に変換した座標系にて処理する、いわゆる電流ベクトル制御方式の手法が用いられる。

電流指令演算部４０は、ｄ軸電流指令値iｄ＊及びｑ軸電流指令値iｑ＊を算出する。電流指令演算部４０にはトルク指令３９（Ｔ＊）と、回転角速度ωと、ＤＣ電圧センサ信号３７（Ｖｄｃ）とが入力され、これら入力からｄ軸電流指令値iｄ＊及びｑ軸電流指令値iｑ＊が演算される。回転角速度ωは、補正後磁極位置信号５０（θ’）をもとに速度演算部４４で演算される。

ＩＰＭＳＭなどの磁気突極性を有する同期電動機ではトルクＴは次式（１）のようにあらわされ、電流に依存する。
Ｔ＝Ｐｐ・｛Φ＋（Ｌｄ－Ｌｑ）iｄ｝・iｑ ・・・（１）
ただし、式（１）において、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流、Ｐｐは極対数、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Φは磁石磁束である。

補正後磁極位置信号５０（θ’）は三相二相変換部４１と二相三相変換部４３に入力され、ｄ軸ｑ軸の二相座標と三相座標との間の変換に使用される。

三相二相変換部４１は、電流センサ信号１１（ｉｕ）、１２（ｉｖ）１３（ｉｗ）について、補正後磁極位置信号５０（θ’）の情報をもとにｄ軸及びｑ軸への座標変換を行い、ｄ軸検出電流ｉｄとｑ軸検出電流ｉｑを出力する。

偏差算出器４７は、電流指令演算部４０から出力されるｄ軸電流指令値ｉｄ＊と三相二相変換部４１から出力されるｄ軸検知電流ｉｄとの偏差を演算し、ｄ軸電流偏差Δｉｄを電流制御部４２に出力する。偏差算出器４８は、電流指令演算部４０から出力されるｑ軸電流指令値ｉｑ＊と三相二相変換部４１から出力されるｑ軸検知電流ｉｑの偏差を演算し、ｑ軸電流偏差Δｉｑを電流制御部４２に出力する。

電流制御部４２は、目標値である指令値と出力値である測定値との偏差を示すｄ軸差分電流Δｉｄとｑ軸電流偏差Δｉｑとがゼロになるようにフィードバック制御を行い、出力値を更新するために電圧指令であるｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を演算し出力する。電流制御部４２におけるフィードバック制御は例えばＰＩ制御で行われる。電流制御部４２から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は、二相三相変換部４３に入力され、補正後磁極位置信号５０（θ’）をもとに三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算し出力する。

ＰＷＭゲート制御信号生成部（制御信号生成部）４５は、三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と図示しないキャリア搬送波との比較により、ＰＷＭ信号である６本のゲート信号３２を生成しゲートドライブ回路３５に出力する。

磁極位置補正部４６は、本発明の特徴となる部分である。磁極位置補正部４６では、磁極位置センサ８の取付け誤差に起因するオフセット誤差Δθを算出する。算出したオフセット誤差Δθは、磁極位置センサ８が検出した磁極位置信号９（θ）に足し合わされ、補正後磁極位置信号５０（θ’）として三相電圧指令値の生成などに用いられる。

図３は、オフセット誤差算出の具体的な手順である。

まず上位コントローラからの角度誤差補正の要求があるか否かを判定する。例えば一つの実行例として、磁極位置センサ８を電動機２に組み付けた後の製品出荷前に角度誤差補正が実行される。その他、インバータ１や電動機２の交換時に実行しても良いし、電動機２の出力もしくはトルク低下を検知した場合に実行するなどしてよい。車両に搭載される上位コントローラは、例えば電動機２の回転数などの情報から、本発明に係る角度誤差補正を実行することができると判断したときに、角度誤差補正要求を出力する。

上位コントローラからの角度誤差補正要求がある場合には、三相短絡を開始する。三相短絡とは、インバータ１の上アームを構成するスイッチング素子１４、１６、１８を同時にオンにして下アームを構成するスイッチング素子１５、１７、１９を同時にオフにした状態、または、上アームを構成するスイッチング素子１４、１６、１８を同時にオフにして下アームを構成するスイッチング素子１５、１７、１９を同時にオンにした状態である。

三相短絡を開始したのち、所定の閾値時間の経過を待つ。この理由を、図４を用いて説明する。図４は、電動機２の回転中のある時刻に三相短絡を開始したときの、Ｕ～Ｗの各相の電流波形を示している。図４に示されるように、三相短絡を開始した直後の過渡状態においては、電流波形にばらつきが発生する。この状態では、ｄ軸電流及びｑ軸電流が振動しており、精度よく磁極位置誤差補正を実行することができない。そのため、各相電流のばらつきが収まり定常状態に移行した後に磁極位置補正演算を実行するようにするためである。

定常状態に移行するまでの閾値時間は、電動機２の特性によって算出することが可能である。ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、固定子抵抗Ｒの電動機における時定数は、２Ｌｄ・Ｌｑ／｛Ｒ・（Ｌｄ＋Ｌｑ）｝で表すことができる。

なお本実施例では、定常状態に移行するまでの判定を閾値時間との比較によって行っているが、例えば各相電流の振幅が所定値範囲内に収まった場合や、ｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑの振動が所定の閾値を下回った場合など、別の方法によって判断することとしてもよい。

図３において、三相短絡時間が閾値を上回ったら、磁極位置補正演算を実行する。磁極位置補正演算の詳細は、図５を用いて後述する。磁極位置補正演算の終了後、三相短絡を終了し、通常のＰＷＭモードに復帰する。

図５は、本実施例における磁極位置補正部４６の構成を示すブロック図である。図５のブロック図を用いて、図３における磁極位置補正演算の手順を説明する。

図３において説明した通り、磁極位置補正演算は、三相短絡時に実行される。まず、三相短絡時に検出された各相電流をｄｑ変換し、実電流位相βａｃｔを算出する。三相短絡時の実電流位相βａｃｔは、式（２）で表される。電流位相はq軸を０度基準とし、反時計回りを正とする。
βａｃｔ＝ｔａｎ^－１（－ｉｄ／ｉｑ） ・・・（２）
また、理想電流位相算出部５５は、電動機２の回転数（回転角速度ω）と固定子温度Ｔｓに基づき、理想電流位相βｉｄｅａｌを算出する。三相短絡時の理想電流位相βｉｄｅａｌは、式（３）で表される。ここでωは電気角速度［ｒａｄ／ｓ］、Ｌｑはｑ軸インダクタンス［Ｈ］、Ｒは固定子抵抗［Ω］である。
βｉｄｅａｌ＝ｔａｎ^－１（－ω・Ｌｑ／Ｒ） ・・・（３）
ここで、理想電流位相βｉｄｅａｌとは、磁極位置の誤差がない場合の電流位相である。ｑ軸インダクタンスＬｑは、ｑ軸電流によって変化し、固定子抵抗Ｒは固定子温度によって変化する。ただしｑ軸電流は所定の回転数（例えば１０００ｒｐｍ）以上であればほとんど変化しないため、ほぼ一定であるとみなすことができる。しかし、固定子抵抗Ｒは温度に依存し、温度の上昇に伴って抵抗値も上昇する。そこで本発明では、固定子温度Ｔｓを用いて補正演算を行うこととしている。

図６は、回転数と理想電流位相の関係を表すグラフである。縦軸の電流位相は、ｑ軸を０度基準としたときの数値で示している。図６に示されるように、回転数が比較的低速の領域では、温度によるばらつきが大きく、温度補正をしない場合の誤差は大きくなってしまう。

上記のように固定子温度Ｔｓによる影響を加味した理想電流位相βｉｄｅａｌを算出した後、実電流位相βａｃｔとの差分を求める。この差分が、磁極位置センサ８のオフセット誤差Δθに相当する。

以上のように本実施例に係る電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換して同期電動機を駆動するインバータと、電動機２の磁極位置センサ８と回転子磁極位置の誤差を補正する磁極位置補正部４６とを備える。磁極位置補正部４６は、電動機２を回転中に三相線間を短絡させた際の電流から電流位相βａｃｔを演算する実電流位相演算部と、回転子の回転数および固定子の温度に基づいて、理想電流位相βｉｄｅａｌを算出する理想電流位相算出部と、を備える。そして、実電流位相演算部と理想電流位相算出部の出力の差分Δθから磁極位置を補正することを特徴とする。

これによって、低速域でも高精度に磁極位置を求めることができる。言い換えれば、本発明によって簡易な方法でオフセット誤差を補正することができるため、磁極位置センサの組立時における公差管理を簡略化することが可能となる。また、本実施例における磁極位置誤差補正は、回転座標上の電流値から電流位相を直接求めているため、固定座標上の三相電流として理想電流を算出する方法に比べてシンプルな構成で補正を行うことができる。また、三相短絡電流によってオフセット角度を求めるため、スイッチングによるデッドタイム起因の誤差の影響も受けず、高精度に補正をすることができる。

なお、本実施例では、理想電流位相の算出に固定子温度Ｔｓを用いることで、より少ないパラメータで高精度なオフセット補正を行うことができるように構成した。ただし、その他のパラメータの使用を妨げるものではない。例えば、固定子温度だけでなく、回転子温度による影響を考慮して理想電流位相を算出するように構成してもよい。

つづいて、図５における理想電流位相算出部の変形例を示す。図７の変形例は、固定子温度Ｔｓから固定子抵抗Ｒを算出する１次元マップを用いる例である。１次元マップで求めた固定子抵抗Ｒと、一定値とみなしたｑ軸インダクタンスと、回転子回転数（回転速度ω）を用いて、βｉｄｅａｌ＝ｔａｎ^－１（－ω・Ｌｑ／Ｒ）として算出する。また、図８の変形例は、回転数及び固定子温度に対する２次元マップまたはテーブルを記憶しておき、当該２次元マップを参照して、理想電流位相βｉｄｅａｌを算出する。２次元マップは、あらかじめ、固定子温度と速度を変化させ、実機で電流位相を取得して作成する。

本実施例では、図５に示した磁極位置補正部４６の構成に加えて、更にノイズ除去部を設けている。それ以外の点は、実施例１と共通である。
三相短絡電流は、理想的には図４の定常状態に示されるような、三相対称の正弦波の電流となる。しかし、実際には各相のインピーダンスのばらつきや誘起電圧の空間高調波、電流センサの誤差などによりノイズが重畳した電流となる。また、完全な定常状態でない場合もｄｑ軸電流が振動する。そこで本実施例ではノイズ除去部を設けることで、これらの影響を排除し、より正確な角度補正を実現できる。ノイズ除去部は、一次遅れフィルタ、もしくは平均化処理によりノイズを除去する。

図９は、実電流位相βａｃｔと理想電流位相βｉｄｅａｌとの偏差を求める偏差算出部の後段にノイズ除去部５６を設けた場合のブロック図である。または、図１０のように、実位相算出部と理想電流位相算出部とのそれぞれの後段にノイズ除去部５７、５８を設けるように構成してもよい。

１：インバータ、２：電動機、３：バッテリ、４：コントローラ、５～７：三相巻線、８：磁極位置センサ、９：磁極位置信号、１０：電流センサ、１１：Ｕ相電流センサ信号、１２：Ｖ相電流センサ信号、１３：Ｗ相電流センサ信号、１４～１９：スイッチング素子、２０～２５：ＩＧＢＴ、２６～３１：ゲートドライブ信号、３２：ゲート信号、３３：高電位ＤＣ配線、３４：低電位ＤＣ配線、３５：ゲートドライブ回路、３６：電圧センサ、３７：ＤＣ電圧センサ信号、３８：平滑コンデンサ、３９：トルク指令、４０：電流指令演算部、４１：三相二相変換部、４２：電流制御部、４３：二相三相変換部、４４：速度演算部、４５：ＰＷＭゲート制御信号生成部（制御信号生成部）、４６：磁極位置補正部、４７：偏差算出器、４８：偏差算出器、４９：加算器、５０：補正後磁極位置信号（θ’）、５５：理想電流位相算出部、５６～５８：ノイズ除去部、６５：電動機駆動装置（電動機制御装置）

Claims (4)

1. 直流電圧を交流電圧に変換して同期電動機を駆動するインバータと、
   前記同期電動機の回転角センサと回転子磁極位置の誤差を補正する磁極位置補正部とを備え、
   前記磁極位置補正部は、前記同期電動機を回転中に三相線間を短絡させた際の電流から電流位相を演算する実電流位相演算部と、
   回転子の回転数および固定子の温度に基づいて、理想電流位相を算出する理想電流位相算出部と、を備え、
   前記実電流位相演算部と理想電流位相算出部の出力の差分から磁極位置を補正することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１の電力変換装置において、
   前記磁極位置補正部は、三相線間短絡後に三相電流が定常状態に移行してから動作を開始することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１の電力変換装置において、
   前記実電流位相演算部と理想電流位相算出部の出力の差分もしくは、算出した実位相および理想位相に対して、ノイズ除去部を有することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１の電力変換装置において、
   前記理想電流位相算出部は、前記回転子の回転数と、前記固定子の温度と、前記同期電動機の回転子の温度と、に基づいて、理想電流位相を算出することを特徴とする電力変換装置。

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