JP7294982B2

JP7294982B2 - 電動機制御装置

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Publication number: JP7294982B2
Application number: JP2019190644A
Authority: JP
Inventors: 裕子大谷; 英雄中井; 真谷口
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2039-10-18
Also published as: JP2021069139A

Description

本発明は、電動機制御装置に関し、特に、それぞれの一端が共通に接続された複数の巻線を備える電動機の制御に関する。

電気エネルギーによってトルクを発生する電動機が電気自動車等に用いられている。電動機には、ロータに設けられた永久磁石と、ステータに設けられたステータコイルとの間の電磁気的な相互作用によってロータにトルクを発生するものがある。一般に、電動機のステータコイルはインバータに接続される。ステータコイルを構成する複数の巻線（多相巻線）には、ロータの周りに回転磁界を発生させる多相交流電流がインバータによって流され、回転磁界によってロータにトルクが発生する。

なお、以下の特許文献１には、本願発明に関連する電動機が記載されている。この文献には、ステータコイルを構成する多相巻線に流れる零相電流を制御して、ロータに半径方向の力を発生させることが記載されている。零相電流は、ステータコイルを構成する多相巻線に同位相で流れる電流である。

特開２０１６－４２７６８号公報

電動機のロータに発生するトルクを増加させるためには、電動機に入力する多相交流電力を増加させることが考えられる。しかし、インバータに入力する直流電圧や、インバータの直流電圧利用率によっては、充分な多相交流電力を電動機に入力することが困難となり、必要なトルクが得られないことがある。

特許文献１には、ステータコイルに流れる多相交流電流に加えて零相電流を利用する電動機が記載されている。特許文献１に記載される電動機では、ステータコイルに零相電流を流すことで発生する零相磁界により、ロータに対して半径方向の力を発生させているが、零相磁界により得られる力をトルク成分として利用していない。そこで、零相磁界によってロータに発生するトルクを増加させる制御について研究開発が行われている。

ステータコイルに流れる零相電流を利用する制御においては、零相電流を適切な値に制御することに加えて、零相電流に含まれるリプル成分が少ない等、零相電流の特性が良好であることが望まれる。

本発明は、電動機における複数の巻線に流れる零相電流を適切に制御することを目的とする。

電動機を制御する電動機制御装置において、前記電動機は、それぞれの一端が共通に接続された複数の巻線を備え、前記電動機制御装置は、複数の前記巻線のそれぞれに対応して設けられ、対応する前記巻線の他端が接続されたスイッチング部と、複数の前記巻線の共通接続点に接続された零相スイッチング部と、各前記スイッチング部および前記零相スイッチング部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、各前記スイッチング部に対して与えられた各指令値に基づいて、各前記スイッチング部を制御し、複数の前記スイッチング部を制御する複数のスイッチング信号を合成して得られる値を、前記零相スイッチング部に対する基本指令値に合成して零相指令値を求め、前記零相指令値に基づいて前記零相スイッチング部を制御することを特徴とする。

望ましくは、前記制御部は、複数の前記スイッチング部を制御する複数の前記スイッチング信号を加算合計した値と、前記基本指令値とを加算または重み付け加算して前記零相指令値を求める。

望ましくは、前記基本指令値は、前記共通接続点に流れる零相電流を制御して、前記電動機のロータにトルクを発生させるための指令値である。

望ましくは、前記零相指令値は、前記共通接続点に流れる零相電流を制御するための指令値である。

望ましくは、各前記スイッチング部および前記零相スイッチング部は、２つのスイッチング素子の各一端を接続したスイッチングアームを備え、前記制御部は、各前記スイッチング部に対する搬送波信号と各前記指令値との比較に基づいてパルス幅が定まる前記スイッチング信号に応じて、各前記スイッチング部における前記スイッチングアームが備える２つのスイッチング素子をオンオフ制御し、前記零相スイッチング部に対する搬送波信号と前記零相指令値との比較に基づいてパルス幅が定まる零相スイッチング信号に応じて、前記零相スイッチング部における前記スイッチングアームが備える２つのスイッチング素子をオンオフ制御する。

本発明によれば、電動機における複数の巻線に流れる零相電流を適切に制御することができる。

第１実施形態に係る電動機システムの構成を示す図である。第１実施形態に係るコントロールユニットの構成を示す図である。従来の電動機システムにおける零相電流のシミュレーション結果を示す図である。本発明の実施形態に係る電動機システムにおける零相電流のシミュレーション結果を示す図である。第２実施形態に係る電動機システムの構成を示す図である。コントロールユニットの構成を示す図である。

各図を参照して本発明の各実施形態について説明する。複数の図面に示される同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を簡略化する。また、回路図を参照する際に用いられる「上」「下」の用語は、回路図における上下を示し、電子部品を実施に配置する際の位置関係を限定するものではない。

図１には、本発明の第１実施形態に係る電動機システム１の構成が示されている。電動機システム１は、バッテリ１０、インバータ１２、電動機１４、零相スイッチングアームＺおよびコントロールユニット１８を備えている。インバータ１２は、バッテリ１０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、電動機１４に出力する。電動機１４のロータ（図示せず）は、インバータ１２から出力された三相交流電力によって回転する。電動機１４の中性点Ｎは、零相スイッチングアームＺに接続されている。電動機システム１では、零相スイッチングアームＺのスイッチングによって電動機１４の各巻線に流れる零相電流が調整され、各巻線に流れる三相交流電流のみならず零相電流によってもロータにトルクが発生する。

電動機システム１の具体的な構成および動作について説明する。電動機１４は、発電機としての機能を備えた発電電動機であってもよい。電動機１４は、ステータコイルを構成するＵ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗを備えている。また、電動機１４は、Ｕ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖ、Ｗ相端子２２ｗおよびロータを備えている。Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗのそれぞれの一端は中性点Ｎで共通に接続されている。Ｕ相巻線２０Ｕの他端、Ｖ相巻線２０Ｖの他端およびＷ相巻線２０Ｗの他端は、それぞれ、Ｕ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖおよびＷ相端子２２ｗに接続されている。Ｕ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖおよびＷ相端子２２ｗに三相交流電流が流れることで、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗは、電動機１４内に回転磁界を発生する。ロータは回転磁界に応じて回転する。

コントロールユニット１８は、例えば、プロセッサによって構成され、自らが記憶するプログラムまたは外部から読み込まれたプログラムに従って動作してよい。コントロールユニット１８は、インバータ１２および零相スイッチングアームＺのスイッチング制御を行う。

インバータ１２は、スイッチングアームＵ、ＶおよびＷを備えている。スイッチングアームＵは、直列接続された上スイッチング素子Ｓ１および下スイッチング素子Ｓ２から構成されている。スイッチングアームＶは、直列接続された上スイッチング素子Ｓ３および下スイッチング素子Ｓ４から構成されている。スイッチングアームＷは、直列接続された上スイッチング素子Ｓ５および下スイッチング素子Ｓ６から構成されている。

スイッチングアームＵ、ＶおよびＷは並列に接続されており、これらのスイッチングアームの上端はバッテリ１０の正極端子に接続され、下端はバッテリ１０の負極端子に接続されている。

スイッチングアームＵにおける上スイッチング素子Ｓ１と下スイッチング素子Ｓ２との接続点には電動機１４のＵ相端子２２ｕが接続されている。スイッチングアームＶにおける上スイッチング素子Ｓ３と下スイッチング素子Ｓ４との接続点には電動機１４のＶ相端子２２ｖが接続されている。スイッチングアームＷにおける上スイッチング素子Ｓ５と下スイッチング素子Ｓ６との接続点には電動機１４のＷ相端子２２ｗが接続されている。

零相スイッチングアームＺは、直列接続された上スイッチング素子Ａ１および下スイッチング素子Ａ２を備えている。上スイッチング素子Ａ１と下スイッチング素子Ａ２との接続点には、電動機１４の中性点Ｎが接続されている。上スイッチング素子Ａ１の上端はバッテリ１０の正極端子に接続されている。下スイッチング素子Ａ２の下端はバッテリ１０の負極端子に接続されている。

インバータ１２および零相スイッチングアームＺが備えるスイッチング素子には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体素子が用いられてよい。図１には、スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いられた例が示されている。各ＩＧＢＴには、コレクタ端子とエミッタ端子との間に、エミッタ端子側がアノード端子となる向きで接続されたダイオードＤが含まれている。

図２には、コントロールユニット１８の構成が示されている。コントロールユニット１８は、ｕｖｗ/ｄｑ０変換器３０、ｄｑ軸制御部３２、ｄｑ／ｕｖｗ変換器３６、ＰＷＭユニット３８、合成器４０、加算器４２および零相ＰＷＭ変調器３８ｚを備えている。

ｕｖｗ／ｄｑ０変換器３０には、ロータ回転角θ、Ｕ相電流検出値ｉｕ、Ｖ相電流検出値ｉｖおよびＷ相電流検出値ｉｗが入力されている。ロータ回転角θは、ロータの回転角を表す情報であり、電動機１４に取り付けられたレゾルバから出力される情報であってよい。Ｕ相電流検出値ｉｕ、Ｖ相電流検出値ｉｖおよびＷ相電流検出値ｉｗは、それぞれ、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに流れる電流の検出値である。Ｕ相電流検出値ｉｕ、Ｖ相電流検出値ｉｖおよびＷ相電流検出値ｉｗは、例えば、各巻線に至る導線に設けられた電流センサによって検出してよい。あるいは、Ｕ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖおよびＷ相端子２２ｗに設けられた電流センサによって検出してよい。

ｕｖｗ／ｄｑ０変換器３０は、ロータ回転角θを用いて、Ｕ相電流検出値ｉｕ、Ｖ相電流検出値ｉｖおよびＷ相電流検出値ｉｗを、ｄ軸電流値ｉｄ、ｑ軸電流値ｉｑおよび零相電流値ｉ０に変換する。ここで、ｄ軸電流値ｉｄおよびｑ軸電流値ｉｑは、Ｕ相電流検出値ｉｕをα軸（横軸）にとり、Ｕ相電流検出値ｉｕに対し位相が９０°異なる成分をβ軸（縦軸）にとったときにおけるｄ軸およびｑ軸の電流成分値をいう。ここで、ｄ軸およびｑ軸は、α軸およびβ軸と原点を共通にし、α軸およびβ軸に対してロータ回転角θだけ回転させた２つの直交する座標軸をいう。ロータ回転角θが時間ｔに対し、回転角速度ωを用いてωｔと表される場合、ｄ軸およびｑ軸はα軸およびβ軸に対し回転角速度ωで回転する。

ｕ相電流検出値ｉｕ、ｖ相電流検出値ｉｖおよびｗ相電流検出値ｉｗとα軸電流値ｉαおよびβ軸電流値ｉβとの間には、（数１）および（数２）で表される関係がある。

また、ｄ軸電流値ｉｄおよびｑ軸電流値ｉｑと、α軸電流値ｉαおよびβ軸電流値ｉβとの間には（数３）および（数４）で表される関係がある。

なお、零相電流検出値ｉ０と、Ｕ相電流検出値ｉｕ、Ｖ相電流検出値ｉｖおよびＷ相電流検出値ｉｗとの間には、（数５）で表される関係がある。

零相電流検出値ｉ０、Ｕ相電流検出値ｉｕ、Ｖ相電流検出値ｉｖおよびＷ相電流検出値ｉｗについては、これらのうちいずれか３つが検出されればよい。残りの１つは（数５）から求められてもよい。

ｄｑ軸制御部３２は、ｄ軸電流値ｉｄ、ｑ軸電流値ｉｑおよび零相電流検出値ｉ０に対して、それぞれ、減算器３４ｄ、３４ｑおよび３４ｚを備えている。また、ｄｑ軸制御部３２は、ｄ軸電流値ｉｄ、ｑ軸電流値ｉｑおよび零相電流検出値ｉ０に対して、それぞれ、制御器３２ｄ、３２ｑおよび３２ｚを備えている。

減算器３４ｄは、ｄ軸電流目標値ｉｄｒからｄ軸電流値ｉｄを減算してｄ軸成分誤差を求め、制御器３２ｄに出力する。制御器３２ｄは、ｄ軸成分誤差に対して定数を乗算した値、ｄ軸成分誤差の積分値およびｄ軸成分誤差の微分値のうち少なくともいずれかを、所定の割合で加えた値に基づいてｄ軸成分指令値Ｖｄを求める。

減算器３４ｑは、ｑ軸電流目標値ｉｑｒからｑ軸電流値ｉｑを減算してｑ軸成分誤差を求め、制御器３２ｑに出力する。制御器３２ｑは、ｑ軸成分誤差に対して定数を乗算した値、ｑ軸成分誤差の積分値およびｑ軸成分誤差の微分値のうち少なくともいずれかを所定の割合で加えた値に基づいてｑ軸成分指令値Ｖｑを求める。

減算器３４ｚは、零相電流目標値ｉ０ｒから零相電流検出値ｉ０を減算して零相電流誤差を求め、制御器３２ｚに出力する。制御器３２ｚは、零相電流誤差に対して定数を乗算した値、零相電流誤差の積分値および零相電流誤差の微分値のうち少なくともいずれかを所定の割合で加えた値に基づいて零相電圧指令値Ｖｚを求める。

ここで、ｄ軸電流目標値ｉｄｒおよびｑ軸電流目標値ｉｑｒは、ロータに発生させるトルクの目標値に基づいてコントロールユニット１８が求めてよい。零相電流目標値ｉ０ｒは、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに流れる零相電流が、ロータのトルクを増加させるように、コントロールユニット１８が求めてよい。

ｄｑ／ｕｖｗ変換器３６には、ロータ回転角θ、ｄ軸成分指令値Ｖｄおよびｑ軸成分指令値Ｖｑが入力されている。ｄｑ／ｕｖｗ変換器３６は、ロータ回転角θを用いて、ｄ軸成分指令値Ｖｄおよびｑ軸成分指令値ＶｑをＵ相電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相電圧指令値ＶｗおよびＷ相電圧指令値Ｖｗに変換し、ＰＷＭユニット３８に出力する。

Ｕ相電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相電圧指令値ＶｗおよびＷ相電圧指令値Ｖｗは、それぞれ、スイッチングアームＵ、ＶおよびＷをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御するための指令値である。零相電圧指令値Ｖｚは、零相スイッチングアームＺをＰＷＭ制御するための指令値である。

ＰＷＭユニット３８は、Ｕ相ＰＷＭ変調器３８ｕ、Ｖ相ＰＷＭ変調器３８ｖおよびＷ相ＰＷＭ変調器３８ｗを備えている。Ｕ相ＰＷＭ変調器３８ｕ、Ｖ相ＰＷＭ変調器３８ｖおよびＷ相ＰＷＭ変調器３８ｗには、それぞれ、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相電圧指令値ＶｗおよびＷ相電圧指令値Ｖｗが入力されている。また、Ｕ相ＰＷＭ変調器３８ｕ、Ｖ相ＰＷＭ変調器３８ｖおよびＷ相ＰＷＭ変調器３８ｗには、それぞれ、搬送波信号Ｃｒｕ、ＣｒｖおよびＣｒｗが入力されている。各搬送波信号は時間波形が三角波である信号であってよい。搬送波信号Ｃｒｕ、ＣｒｖおよびＣｒｗは、相互に位相が１２０°ずれた信号である。

Ｕ相ＰＷＭ変調器３８ｕは、搬送波信号ＣｒｕとＵ相電圧指令値Ｖｕとの比較に基づいて、Ｕ相スイッチング信号Ｔｕおよび反転Ｕ相スイッチング信号Ｔｕ＾を出力する。すなわち、搬送波信号ＣｒｕがＵ相電圧指令値Ｖｕより大きいときにハイ（例えば、正の値Ｈ）となり、搬送波信号ＣｒｕがＵ相電圧指令値Ｖｕ以下であるときにロー（例えば０）となるＵ相スイッチング信号Ｔｕを出力する。また、Ｕ相スイッチング信号Ｔｕのハイおよびローを反転した反転Ｕ相スイッチング信号Ｔｕ＾を出力する。

Ｕ相ＰＷＭ変調器３８ｕが実行する処理と同様の処理によって、Ｖ相ＰＷＭ変調器３８ｖは、搬送波信号ＣｒｖとＶ相電圧指令値Ｖｖとの比較に基づいて、Ｖ相スイッチング信号Ｔｖと、Ｖ相スイッチング信号Ｔｖのハイおよびローを反転した反転Ｖ相スイッチング信号Ｔｖ＾を出力する。

Ｕ相ＰＷＭ変調器３８ｕが実行する処理と同様の処理によって、Ｗ相ＰＷＭ変調器３８ｗは、搬送波信号ＣｒｗとＷ相電圧指令値Ｖｗとの比較に基づいて、Ｗ相スイッチング信号Ｔｗを出力する。また、Ｗ相スイッチング信号Ｔｗのハイおよびローを反転した反転Ｗ相スイッチング信号Ｔｖ＾を出力する。

Ｕ相ＰＷＭ変調器３８ｕ、Ｖ相ＰＷＭ変調器３８ｖおよびＷ相ＰＷＭ変調器３８ｗは、それぞれ、Ｕ相スイッチング信号Ｔｕ、Ｖ相スイッチング信号ＴｖおよびＷ相スイッチング信号Ｔｗを合成器４０に出力する。合成器４０は、Ｕ相スイッチング信号Ｔｕ、Ｖ相スイッチング信号ＴｖおよびＷ相スイッチング信号Ｔｗを加算合計し、所定の係数ｋを乗算した合成指令値Ｖｎ＝ｋ・（Ｔｕ＋Ｔｖ＋Ｔｗ）を求め、加算器４２に出力する。

加算器４２は、制御器３２ｚから出力された零相電圧指令値Ｖｚに合成指令値Ｖｎを加算して、修正・零相指令値Ｖｚｚを求め、零相ＰＷＭ変調器３８ｚに出力する。零相ＰＷＭ変調器３８ｚには、時間波形が三角波である搬送波信号Ｃｒｚが入力されている。Ｕ相ＰＷＭ変調器３８ｕが実行する処理と同様の処理によって、零相ＰＷＭ変調器３８ｚは、搬送波信号Ｃｒｚと修正・零相電圧指令値Ｖｚｚとの比較に基づいて、零相スイッチング信号Ｔｚを出力する。また、零相スイッチング信号Ｔｚのハイおよびローを反転した反転零相スイッチング信号Ｔｚ＾を出力する。

図１に戻って、電動機システム１の動作について説明する。インバータ１２におけるスイッチングアームＵは、Ｕ相スイッチング信号Ｔｕおよび反転Ｕ相スイッチング信号Ｔｕ＾に従ってスイッチングされる。すなわち、上スイッチング素子Ｓ１は、Ｕ相スイッチング信号Ｔｕがハイであるときにオンになり、Ｕ相スイッチング信号Ｔｕがローであるときにオフになる。下スイッチング素子Ｓ２は、反転Ｕ相スイッチング信号Ｔｕ＾がハイであるときにオンになり、Ｕ相スイッチング信号Ｔｕがローであるときにオフになる。これによって、上スイッチング素子Ｓ１および下スイッチング素子Ｓ２は交互にオンオフする。

同様に、スイッチングアームＶにおける上スイッチング素子Ｓ３および下スイッチング素子Ｓ４は、それぞれ、Ｖ相スイッチング信号Ｔｖおよび反転Ｖ相スイッチング信号Ｔｖ＾によって制御され、交互にオンオフする。また、スイッチングアームＷにおける上スイッチング素子Ｓ５および下スイッチング素子Ｓ６は、それぞれ、Ｗ相スイッチング信号Ｔｗおよび反転Ｗ相スイッチング信号Ｔｗ＾によって制御され、交互にオンオフする。さらに、零相スイッチングアームＺにおける上スイッチング素子Ａ１および下スイッチング素子Ａ２は、それぞれ、零相スイッチング信号Ｔｚおよび反転零相スイッチング信号Ｔｚ＾によって制御され、交互にオンオフする。

スイッチングアームＵ、ＶおよびＷのスイッチングによって、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗには三相交流電流が流れる。ロータの周りには回転磁界が発生し、ロータにトルクが発生する。また、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗには零相電流が流れる。ロータにトルクを発生させるように零相電流目標値ｉ０ｒが求められており、零相電流目標値ｉ０ｒに応じた零相電流が流れた場合には、零相磁界によってロータのトルクが増加する。

このように、本実施形態に係る電動機システム１における電池１０、インバータ１２、零相スイッチングアームＺおよびコントロールユニット１８は、電動機１４を制御する電動機制御装置として動作する。電動機１４は、それぞれの一端が共通に接続された複数の巻線として、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗを備えている。電動機システム１は、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗのそれぞれに対応して設けられ、対応する巻線の他端が接続されたスイッチング部としてのスイッチングアーム（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を備えている。電動機システム１は、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗの共通接続点に接続された零相スイッチング部としての零相スイッチングアームＺを備えている。電動機システム１は、スイッチングアームＵ，ＶおよびＷと、零相スイッチングアームＺを制御する制御部としてのコントロールユニット１８を備えている。コントロールユニット１８は、各スイッチングアーム（Ｕ，Ｖ，Ｗ）および零相スイッチングアームＺに対して与えられた各指令値に基づいて、各スイッチングアーム（Ｕ，Ｖ，Ｗ）および零相スイッチングアームＺをＰＷＭ制御する。コントロールユニット１８は、複数のスイッチングアームＵ，ＶおよびＷに対するＰＷＭ制御に用いられるＰＷＭ信号であるＵ相スイッチング信号Ｔｕ、Ｖ相スイッチング信号ＴｖおよびＷ相スイッチング信号Ｔｗを合成した値を、零相スイッチングアームＺに対する基本指令値としての零相電圧指令値Ｖｚに合成して、零相指令値として修正・零相指令値Ｖｚｚを求める。コントロールユニット１８は、修正・零相指令値Ｖｚｚに基づいて零相スイッチングアームＺを制御する。

コントロールユニット１８は、各スイッチングアーム（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に対する搬送波（Ｃｒｕ，Ｃｒｖ，Ｃｒｗ）と各指令値（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）との比較に基づいてパルス幅が定まる各ＰＷＭ信号に応じて、各スイッチングアーム（Ｕ，Ｖ，Ｗ）が備える２つのスイッチング素子をオンオフ制御する。また、零相スイッチングアームＺに対する搬送波Ｃｒｚと零相指令値との比較に基づいてパルス幅が定まるＰＷＭ信号に応じて、零相スイッチングアームＺが備える２つのスイッチング素子をオンオフ制御する。

本実施形態に係る電動機システム１では、基本となる零相電圧指令値Ｖｚ（基本指令値）に合成指令値Ｖｎを加算して求められた修正・零相指令値Ｖｚｚ（零相指令値）に基づいて、零相スイッチングアームＺがオンオフ制御される。Ｕ相スイッチング信号Ｔｕ、Ｖ相スイッチング信号ＴｖおよびＷ相スイッチング信号Ｔｗを加算合計した値は、中性点Ｎに発生するリプル成分に比例する成分、または中性点Ｎに発生するリプル成分に近似した成分を有する。そのため、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに流れる零相電流に含まれるリプル成分が抑制される。

リプル成分が抑制される原理について、電圧方程式の観点から以下に説明する。なお、以下の（数６）～（数１３）を参照して説明される電圧Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗおよびＶｚは、これらの電圧に対する指令値ではなく、実際の電圧である。

零相電圧Ｖｚを基準としたＵ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖ、Ｗ相端子２２ｗの各電圧Ｖ＾＝（Ｖｕ－Ｖｚ，Ｖｖ－Ｖｚ，Ｖｗ－Ｖｚ）と、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに流れる電流ｉ＾＝（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）との間には、キルヒホッフの電圧則に従う（数６）で表される関係が成立する。

Ｖ＾およびｉ＾は３行１列の行列、すなわち、３成分のベクトル量であり、（数７）のように表される。

（数６）中のＶｍ＾は、各巻線に現れる起電力を表す３成分のベクトル量である。Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに現れる起電力には、相互に２π／３（１２０°）の位相差があり、Ｖｍ＾は（数８）のように表される。

ここで、ωはロータの回転角周波数であり、ψｍは回転角周波数に乗ぜられる比例定数である。（数６）中のｌａは、各巻線の自己インダクタンスを表す。Ｉ_３ ^－は、３行３列の単位行列である。ｍ^－（θ）は３行３列のインダクタンス行列であり、ｄ軸電流成分に対するインダクタンスＬ_ｄおよびｑ軸電流成分に対するインダクタンスＬ_ｑを用いて、ｉ行ｊ列の成分が（数９）のように表される。

（数９）中のθ_１～θ_３は（数１０）のように表される。

（数６）は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相の電圧および電流に対して成立する式である。（数１１）で表される変換行列ｔ^－を用いて、（数６）をα軸成分、β軸成分および変換後零相成分に対して成立する式に変換すると、（数１２）のようになる。

（数１２）中、２本の「－」が上方に付されたｍ（θ）は２行２列の行列である。Ｉ_２は２行２列の単位行列である。φ_２×１は２行１列の行列であり、φ_１×２は１行２列の行列である。α軸成分電圧Ｖα、β軸成分電圧Ｖβおよび変換後零相電圧Ｖγは、Ｕ相電圧Ｖｕ、Ｖ相電圧Ｖｖ、Ｗ相電圧Ｖｗおよび零相電圧Ｖｚを用いて（数１３）のように表される。

（数１３）に示されているように、変換後零相電圧Ｖγには、Ｕ相電圧Ｖｕ、Ｖ相電圧ＶｖおよびＷ相電圧Ｖｗの加算合計値に比例する成分が含まれている。理想的にはＵ相電圧Ｖｕ、Ｖ相電圧ＶｖおよびＷ相電圧Ｖｗの加算合計値は０となるが、各電圧に対する指令値に基づいてＰＷＭ信号を生成し、各相のスイッチングアームを制御した場合、加算合計値は０とはならず、リプル成分が生じる。

そこで、本実施形態に係る電動機システム１では、零相電圧のリプル成分に相当する値につき極性を反転した値を、基本となる零相電圧指令値Ｖｚに加算することで、リプル成分が抑制される。リプル成分に相当する値につき極性を反転した値は、合成指令値Ｖｎ＝ｋ・（Ｔｕ＋Ｔｖ＋Ｔｗ）である。

本実施形態に係る電動機システム１では、基本となる零相電圧指令値Ｖｚに合成指令値Ｖｎ＝ｋ・（Ｔｕ＋Ｔｖ＋Ｔｗ）を加算して求められた修正・零相指令値Ｖｚｚに基づいて、零相スイッチングアームＺがオンオフ制御される。これによって、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに流れる零相電流に含まれるリプル成分が抑制される。

零相電流に含まれるリプル成分が抑制されることで、電動機システム１において発せられるノイズ電磁波、ノイズ電流、ノイズ電圧等が抑制される。また、リプル成分に基づく電力損失が低減される。

図３には、従来の電動機システムにおける零相電流のシミュレーション結果が示されている。すなわち、図３には、基本となる零相電圧指令値Ｖｚに基づいて零相スイッチングアームＺをオンオフ制御した場合の零相電流のシミュレーション結果が示されている。横軸はロータ回転角θを示し、縦軸は零相電流を示す。破線は理想的な零相電流を示し、実線はリプル成分が含まれる零相電流を示す。

図４には、本実施形態に係る電動機システム１における零相電流のシミュレーション結果が示されている。すなわち、図４には、基本となる零相電圧指令値Ｖｚに合成指令値Ｖｎを加算して求められた修正・零相指令値Ｖｚｚに基づいて、零相スイッチングアームＺをオンオフ制御した場合の零相電流のシミュレーション結果が示されている。横軸はロータ回転角θを示し、縦軸は零相電流を示す。破線は理想的な零相電流を示し、実線はリプル成分が含まれる零相電流を示す。本実施形態では、従来技術に比べて零相電流に含まれるリプル成分が低減されることがシミュレーションによって示された。

図５には、本発明の第２実施形態に係る電動機システム２の構成が示されている。電動機システム２は、バッテリ１０、昇圧コンバータ５０、インバータ１２、電動機１４、零相スイッチングアームＺおよびコントロールユニット５２を備えている。バッテリ１０、昇圧コンバータ５０、インバータ１２、零相スイッチングアームＺおよびコントロールユニット５２は、電動機１４を制御する電動機制御装置として動作する。電動機システム２は、図１の電動機システム１に対し、バッテリ１０とインバータ１２との間に昇圧コンバータ５０を挿入した点が異なる。昇圧コンバータ５０は、バッテリ１０の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電圧をインバータ１２に出力する。

昇圧コンバータ５０は、リアクトル５４、スイッチングアームＸおよびコンデンサ５６を備えている。スイッチングアームＸは、直列接続された上スイッチング素子Ｂ１および下スイッチング素子Ｂ２から構成されている。リアクトル５４の一端は、バッテリ１０の正極端子に接続されている。リアクトル５４の他端は、上スイッチング素子Ｂ１と下スイッチング素子Ｂ２との接続点に接続されている。

スイッチングアームＸの上端は、インバータ１２のスイッチングアームＵ，ＶおよびＷの上端に接続され、スイッチングアームＸの下端は、インバータ１２のスイッチングアームＵ，ＶおよびＷの下端に接続されている。また、スイッチングアームＸの上端と下端との間には、コンデンサ５６が接続されている。

スイッチングアームＸが備える上スイッチング素子Ｂ１および下スイッチング素子Ｂ２には、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子が用いられてよい。図５には、スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いられた例が示されている。各ＩＧＢＴには、コレクタ端子とエミッタ端子との間に、エミッタ端子側がアノード端子となる向きで接続されたダイオードＤが含まれている。

コントロールユニット５２は、例えば、プロセッサによって構成され、自らが記憶するプログラムまたは外部から読み込まれたプログラムに従って動作してよい。コントロールユニット５２は、昇圧コンバータ５０、インバータ１２および零相スイッチングアームＺのスイッチング制御を行う。

コントロールユニット５２の制御によって、上スイッチング素子Ｂ１および下スイッチング素子Ｂ２は交互にオンオフする。下スイッチング素子Ｂ２がオンになることで、バッテリ１０の正極端子からリアクトル５４を通って下スイッチング素子Ｂ２に電流が流れる。この状態で下スイッチング素子Ｂ２がオフになり、上スイッチング素子Ｂ１がオンになることで、リアクトル５４に誘導起電力が発生し、バッテリ１０の出力電圧にリアクトル５４の誘導起電力が加わった電圧Ｖｈが、コンデンサ５６およびインバータ１２に印加される。これによって、バッテリ１０の出力電圧が昇圧され、インバータ１２に出力される。

図６にはコントロールユニット５２の構成のうち、インバータ１２および零相スイッチングアームＺの制御に関する部分が示されている。コントロールユニット５２は、基本となる零相電圧指令値Ｖｚに第１重み付け係数Ｇ１を乗じて加算器４２に出力する第１重み付け部６０と、合成指令値Ｖｎに第２重み付け係数Ｇ２を乗じて加算器４２に出力する第２重み付け部６２が、図２に示されたコントロールユニット１８に付け加えられたものである。第１重み付け係数Ｇ１および第２重み付け係数Ｇ２は、０以上１以下の数値であってよい。また、Ｇ１＋Ｇ２＝１が成立するように第１重み付け係数Ｇ１および第２重み付け係数Ｇ２が決定されてよい。

第１重み付け部６０は、重み付け零相電圧指令値Ｖｚｇ＝Ｇ１・Ｖｚを、基本となる新たな零相電圧指令値として加算器４２に出力する。第２重み付け部６２は、重み付け合成指令値Ｖｎｇ＝Ｇ２・Ｖｎを加算器４２に出力する。加算器４２は、重み付け零相電圧指令値Ｖｚｇおよび重み付け合成指令値Ｖｎｇを加算して、重み付け修正・零相指令値Ｖｚｚｇ＝Ｖｚｇ＋Ｖｎｇを零相ＰＷＭ変調器３８ｚに出力する。

第１重み付け係数Ｇ１を大きくする程、または第２重み付け係数をＧ２を小さくする程、零相電流をトルクに寄与させる効果が大きくなる。一方、第１重み付け係数Ｇ１を小さくする程、または第２重み付け係数Ｇ２を大きくする程、零相電流に含まれるリプル成分を低減する効果が大きくなる。

コントロールユニット５２は、昇圧コンバータ５０からインバータ１２に印加される高圧側電圧Ｖｈ（コンデンサの端子間電圧）に応じて第１重み付け係数Ｇ１および第２重み付け係数Ｇ２を制御してもよい。コントロールユニット５２は、例えば、高圧側電圧Ｖｈが所定の電圧閾値を超えるときは、第２重み付け係数Ｇ２を重み付け閾値ｇ２よりも大きくし、第１重み付け係数Ｇ１を重み付け閾値ｇ１以下としてよい。また、高圧側電圧Ｖｈが所定の電圧閾値以下であるときは、第２重み付け係数Ｇ２を重み付け閾値ｇ２以下とし、第１重み付け係数Ｇ１を重み付け閾値ｇ１よりも大きくしてよい。

高圧側電圧Ｖｈが所定の電圧閾値を超えるときは、零相電流に含まれるリプル成分が大きくなる傾向がある。そのため、第２重み付け係数Ｇ２を大きくし、あるいは第１重み付け係数Ｇ１を小さくすることで、零相成分に含まれるリプル成分を低減する制御が行われてよい。一方、高圧側電圧Ｖｈが所定の閾値以下であるときは、電動機１４で発生するトルクが小さくなることがある。そのため、第１重み付け係数Ｇ１を大きくし、あるいは第２重み付け係数Ｇ２を小さくすることで、電動機１４のトルクを増加させる制御が行われてよい。

なお、コントロールユニット５２は、高圧側電圧Ｖｈが大きい程、第１重み付け係数Ｇ１を小さくし、あるいは第２重み付け係数Ｇ２を大きくする制御を行ってもよい。同様に、コントロールユニット５２は、高圧側電圧Ｖｈが小さい程、第１重み付け係数Ｇ１を大きくし、あるいは第２重み付け係数Ｇ２を小さくする制御を行ってもよい。

また、コントロールユニット５２は、零相電流目標値ｉ０ｒの時間変化の度合いに応じて第１重み付け係数Ｇ１および第２重み付け係数Ｇ２を制御してもよい。この場合、コントロールユニット５２は、零相電流目標値ｉ０ｒの所定時間内の変動値（例えば、所定時間内における絶対値の最大値）が、所定の変動閾値を超えるときは、第２重み付け係数Ｇ２を所定値ｇ２以下とし、第１重み付け係数Ｇ１を所定値ｇ１よりも大きくする。

コントロールユニット５２は、零相電流目標値ｉ０ｒの所定時間内の変動値が、所定の変動閾値以下であるときは、次のような処理を実行してよい。すなわち、コントロールユニット５２は、零相電流の検出値と零相電流目標値ｉ０ｒとの差の絶対値が、所定の偏差閾値を超えるときは、第２重み付け係数Ｇ２を所定値ｇ２以下とし、第１重み付け係数Ｇ１を所定値ｇ１よりも大きくする。一方、コントロールユニット５２は、零相電流の検出値と零相電流目標値ｉ０ｒとの差の絶対値が、所定の偏差閾値以下であるときは、第２重み付け係数Ｇ２を所定値ｇ２よりも大きくし、第１重み付け係数Ｇ１を所定値ｇ１以下とする。

このように、コントロールユニット５２は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相電圧指令値ＶｖおよびＷ相電圧指令値Ｖｗを加算合計した値と、零相電圧指令値Ｖｚ（基本指令値）とを重み付け加算して重み付け修正・零相指令値Ｖｚｚｇ（零相指令値）を求める。

このような制御によれば、零相電流目標値ｉ０ｒの変動が大きいとき、あるいは、零相電流目標値ｉ０ｒの変動が小さくても零相電流の検出値と零相電流目標値ｉ０ｒとの差が大きいときは、電動機１４のトルクを増加させることを重視した制御が行われる。また、零相電流目標値ｉ０の変動が小さく、かつ、零相電流の検出値と零相電流指令値との差が小さいときは、零相電流に含まれるリプル成分を抑制することを重視した制御が行われる。

上記では、各巻線に流れる零相電流をトルクの増加に寄与させる制御について説明した。電動機システム１および２では、零相電流目標値ｉ０ｒを０または０に近い値とし、零相電流を０に一致させ、あるいは０に近付ける制御が行われてもよい。零相電流を抑制することで、電力損失が低減されることがある。この場合であっても、合成指令値Ｖｎ＝ｋ・（Ｔｕ＋Ｔｖ＋Ｔｗ）を零相スイッチングアームＺの制御に用い、リプル成分を抑制する制御が行われてもよい。

上記では、合成器４０が、Ｕ相スイッチング信号Ｔｕ、Ｖ相スイッチング信号ＴｖおよびＷ相スイッチング信号Ｔｗを加算合計した値に基づいて、合成指令値Ｖｎを求める例が示された。合成器４０は反転Ｕ相スイッチング信号Ｔｕ＾、反転Ｖ相スイッチング信号Ｔｖ＾および反転Ｗ相スイッチング信号Ｔｗ＾を加算合計した値に基づいて、合成指令値Ｖｎを求めてもよい。

また、上記では、３相の巻線を有する電動機１４を制御する実施形態について説明した。本発明は、４相以上の巻線を有する電動機の制御に用いられてよい。本発明に係る電動機制御装置は、電気自動車やハイブリッド車等の電動自動車に搭載された電動機の制御装置として用いられてよい。

１，２電動機システム、１０バッテリ、１２インバータ、１４電動機、１８，５２コントロールユニット、２０ＵＵ相巻線、２０ＶＶ相巻線、２０ＷＷ相巻線、２２ｕＵ相端子、２２ｖＶ相端子、２２ｗＷ相端子、３０ｕｖｗ／ｄｑ０変換器、３２ｄｑ軸制御部、３２ｄ，３２ｑ，３２ｚ制御器、３４ｄ，３４ｑ，３４ｚ減算器、３６ｄｑ／ｕｖｗ変換器、３８ＰＷＭユニット、３８ｕＵ相ＰＷＭ変調器、３８ｖＶ相ＰＷＭ変調器、３８ｗＷ相ＰＷＭ変調器、３８ｚ零相ＰＷＭ変調器、４０合成器、４２加算器、５０昇圧コンバータ、５４リアクトル、６０第１重み付け部、６２第２重み付け部、Ｕ，Ｖ，Ｗスイッチングアーム、Ｚ零相スイッチングアーム、Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５，Ａ１，Ｂ１上スイッチング素子、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ａ２，Ｂ２下スイッチング素子。

Claims

電動機を制御する電動機制御装置において、
前記電動機は、それぞれの一端が共通に接続された複数の巻線を備え、
前記電動機制御装置は、
複数の前記巻線のそれぞれに対応して設けられ、対応する前記巻線の他端が接続されたスイッチング部と、
複数の前記巻線の共通接続点に接続された零相スイッチング部と、
各前記スイッチング部および前記零相スイッチング部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
各前記スイッチング部に対して与えられた各指令値に基づいて、各前記スイッチング部を制御し、
複数の前記スイッチング部を制御する複数のスイッチング信号を合成して得られる値を、前記零相スイッチング部に対する基本指令値に合成して零相指令値を求め、
前記零相指令値に基づいて前記零相スイッチング部を制御することを特徴とする電動機制御装置。
請求項１に記載の電動機制御装置において、
前記制御部は、
複数の前記スイッチング部を制御する複数の前記スイッチング信号を加算合計した値と、前記基本指令値とを加算または重み付け加算して前記零相指令値を求めることを特徴とする電動機制御装置。
請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置において、
前記基本指令値は、
前記共通接続点に流れる零相電流を制御して、前記電動機のロータにトルクを発生させるための指令値であることを特徴とする電動機制御装置。
請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置において、
前記零相指令値は、前記共通接続点に流れる零相電流を制御するための指令値であることを特徴とする電動機制御装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電動機制御装置において、
各前記スイッチング部および前記零相スイッチング部は、２つのスイッチング素子の各一端を接続したスイッチングアームを備え、
前記制御部は、
各前記スイッチング部に対する搬送波信号と各前記指令値との比較に基づいてパルス幅が定まる前記スイッチング信号に応じて、各前記スイッチング部における前記スイッチングアームが備える２つのスイッチング素子をオンオフ制御し、
前記零相スイッチング部に対する搬送波信号と前記零相指令値との比較に基づいてパルス幅が定まる零相スイッチング信号に応じて、前記零相スイッチング部における前記スイッチングアームが備える２つのスイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする電動機制御装置。