JP7424091B2 - インバータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータの制御装置に関する。

例えば特許文献１に記載の装置では、交流モータが接続されたインバータを矩形波制御することにより、当該交流モータの駆動制御を行うようにしている。
こうした駆動制御では、インバータに入力されるスイッチング信号の位相であるスイッチング位相が、比例項を含むフィードバック制御にて変更されることにより、交流モータのトルクは目標トルクに制御される。

特開２０１７－５１０６５号公報

ところで、上述した矩形波制御を行う場合に、インバータに入力される電圧の変動量が過剰に大きくなることがあるため、そうした変動量はできる限り小さくすることが望まれる。

上記課題を解決するためのインバータの制御装置は、矩形波制御によってインバータに入力されるスイッチング信号の位相であるスイッチング位相を、比例項を含むフィードバック制御にて変更することにより前記インバータに接続された交流モータのトルク制御を行う。この制御装置は、前記交流モータの回転速度の変化量が規定の判定値以下である場合には、前記フィードバック制御の応答性を低下させる低下処理を実行する。
上記課題を解決するためのインバータの制御装置は、矩形波制御によってインバータに入力されるスイッチング信号の位相であるスイッチング位相を、比例項を含むフィードバック制御にて変更することにより前記インバータに接続された交流モータのトルク制御を行う。この制御装置は、前記インバータに入力される電圧の変化量が規定の判定値以下である場合には、前記フィードバック制御の応答性を低下させる低下処理を実行する。

本発明者は、インバータを矩形波制御する場合に同インバータに入力される電圧の変動量が過剰に大きくなるのは、スイッチング位相の変動に原因があることを見出した。
すなわち、スイッチング位相の変動は電気１次周期（交流電動機の電気角１周期に相当する基本波の周波数）で変動するが、このスイッチング位相が変動すると、矩形波制御におけるスイッチング信号のＯＮ期間とＯＦＦ期間とのバランスが崩れるようになるため、交流モータを流れる電流が変動する。交流モータを流れる電流が変動すると、交流モータのトルクが変動して当該交流モータで消費される電力が変動するため、インバータに入力される電圧が変動する。ここで、スイッチング位相の変動周波数が高いと、インバータに入力される電圧が共振して同電圧が大きく変動するようになることを本発明者は見出した。

そこで、同構成では、交流モータの回転速度の変化量が規定の判定値以下である場合、またはインバータに入力される電圧の変化量が規定の判定値以下である場合、つまり交流モータのトルクをフィードバック制御する際のトルク追従性がそれほど要求されない場合には、フィードバック制御の応答性を低下させる低下処理を実行する。そのため、スイッチング位相の変動周波数は低くなり、これによりインバータに入力される電圧が共振しにくくなるため、同インバータに入力される電圧の変動量が大きくなることを抑えることができる。

一実施形態におけるインバータの制御装置の模式図。 同実施形態の制御装置が実行する矩形波制御によるスイッチング信号の変化を示すタイミングチャート。 位相指令値の変動がスイッチング信号に与える影響を示すタイミングチャート。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。 同実施形態の変更例において制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。

以下、ハイブリッド自動車や電気自動車などのように、駆動源として交流モータを備える車両に搭載されるインバータの制御装置について、これを具体化した一実施形態を図１～図４を参照して説明する。

図１に示すように、車両ＶＣには、走行用のバッテリ１０が搭載されている。バッテリ１０には昇圧用のコンバータ３１０が接続されており、コンバータ３１０にはインバータ３２０が接続されている。このインバータ３２０は、交流モータの各相に対応するスイッチング素子として機能する６個のトランジスタを備えている。インバータ３２０には車両ＶＣの駆動源として機能する三相交流モータ（以下、モータという）４００が接続されている。なお、インバータ３２０に接続されるモータ４００の数は適宜変更することができる。モータ４００には、同モータ４００の回転子の位置θを検出する位置センサ５６が設けられている。

バッテリ１０の正極側には、バッテリ１０から流れる電流ＩＢを検出する電流検知部５０が設けられている。また、バッテリ１０とコンバータ３１０とを繋ぐ電力線には、バッテリ１０からコンバータに入力される電圧である第１電圧ＶＬを検出する第１電圧検知部５２が設けられている。また、コンバータ３１０とインバータ３２０とを繋ぐ電力線には、コンバータ３１０と並列に接続されたコンデンサ３３０や、コンバータ３１０からインバータ３２０に入力される電圧である第２電圧ＶＨを検出する第２電圧検知部５４が設けられている。

制御装置１００は、中央処理装置（以下、ＣＰＵという）１１０や、制御用のプログラムやデータが記憶されたメモリ１２０を備えている。そして、制御装置１００は、メモリ１２０に記憶されたプログラムをＣＰＵ１１０が実行することにより各種制御に関する処理を実行する。

制御装置１００には、上記電流ＩＢ、第１電圧ＶＬ、第２電圧ＶＨ、上記位置θ、モータ４００の相電流などの各種値が入力される。そして、制御装置１００は、第２電圧ＶＨが所定の目標値となるようにコンバータ３１０の作動状態を制御する電圧制御を行う。また、制御装置１００は、インバータ３２０の作動状態を制御することによりモータ４００の回転速度及びトルクを制御する。

図２に示すように、制御装置１００は、インバータ３２０を矩形波制御することによりモータ４００の駆動制御を行う。
この矩形波制御では、インバータ３２０の各トランジスタをＯＮ－ＯＦＦ動作させるパルス状のスイッチング信号（以下、ＳＷ信号という）が制御装置１００からインバータ３２０に入力される。各ＳＷ信号のＯＮ期間及びＯＦＦ期間は共に１８０°に設定されている。また、モータ４００のＶ相に対応するＳＷ信号は、モータ４００のＵ相に対応するＳＷ信号に対して位相が１２０°遅れており、モータ４００のＷ相に対応するＳＷ信号は、モータ４００のＶ相に対応するＳＷ信号に対して１２０°遅れている。そして、電気角が３６０°進むとモータ４００の回転子は１回転する。また、回転子の位置に対するスイッチング信号の位相（以下、ＳＷ位相という）を変更することにより、モータ４００のトルクが調整される。すなわち、ＳＷ位相を進角するとモータ４００のトルクは増大し、ＳＷ位相を遅角するとモータ４００のトルクは低下する。

制御装置１００は、そうしたモータ４００のトルク制御を、比例項を含むフィードバック制御にて実施する。
すなわち、制御装置１００は、トルク制御を行うＳＷ位相の指令値である位相指令値Ｐｐを次式（１）に基づいて算出する。

位相指令値Ｐｐ＝フォードフォワード項ＦＦ＋フィードバック項ＦＢ…（１）
フォードフォワード項ＦＦは、モータ４００に要求されるトルクの指令値であるトルク指令値から求められる。

フィードバック項ＦＢは、次式（２）から求められる。
フィードバック項ＦＢ＝比例項Ｐ＋積分項Ｉ…（２）
比例項Ｐは、モータ４００の推定トルクとトルク指令値との差であるトルク偏差ΔＴに比例項ゲインＫｐを乗算した値である。また、積分項Ｉは、トルク偏差ΔＴの積算値に積分項ゲインＫｉを乗算した値である。

なお、モータ４００の推定トルクは、上記相電流及び上記位置θから求められるモータ４００の電気角から算出される。また、比例項ゲインＫｐ及び積分項ゲインＫｉは、フィードバック制御が発散しない範囲内で上記トルク偏差ΔＴをできる限り速やかに小さくすることのできるプラスゲインの値（正の値）が設定されている。このプラスゲインの値は、上記フィードバック制御を実行する際の通常値になっている。

そして、制御装置１００は、モータ４００の電気角が６０°進む毎に上記フィードバック制御による位相指令値Ｐｐの調整を行う。つまり、モータ４００が１回転する間に実行されるフィードバックの回数は６回になっている。

ところで、上記の矩形波制御を行う場合には、インバータ３２０に入力される電圧、つまり上記第２電圧ＶＨの変動量が過剰に大きくなることがあり、この場合には、第２電圧ＶＨの変動量の増大に伴って、コンバータ３１０の入力側である電流ＩＢの変動量も過剰に大きくなる。そのようにして第２電圧ＶＨや電流ＩＢの変動量が過剰に大きくなると、制御装置１００は、第２電圧ＶＨの過電圧や電流ＩＢの過電流を検知して、モータ４００への電力供給を停止する電力停止処理を実行するため、モータ４００が駆動できなくなる。

この点、本発明者は、インバータ３２０を矩形波制御する場合に同インバータ３２０に入力される電圧、つまり上記第２電圧ＶＨの変動量が過剰に大きくなるのは、ＳＷ位相の変動に原因があることを見出した。

すなわち、ＳＷ位相の変動は、電気１次周期（交流モータの電気角１周期に相当する基本波の周波数）で変動するが、位相指令値Ｐｐが一定であり、ＳＷ位相が変化しない場合には、矩形波制御におけるＳＷ信号のＯＮ期間とＯＦＦ期間は共に１８０°であり、バランスがとれているため、モータ４００を流れる電流は概ね一定になる。

一方、図３に示すように、位相指令値Ｐｐが変動することによりＳＷ位相が変動すると、矩形波制御におけるＳＷ信号のＯＮ期間とＯＦＦ期間とのバランスが崩れるようになる。例えば、位相指令値Ｐｐが進角側に変化すると、ＳＷ信号がＯＦＦからＯＮになるタイミングがα１の分だけ早くなるため、ＯＮ期間が長くなる。また、位相指令値Ｐｐが遅角側に変化すると、ＳＷ信号がＯＮからＯＦＦになるタイミングがα２の分だけ遅くなるため、これによってもＯＮ期間が長くなる。従って、ＳＷ信号のＯＮ期間は「１８０°＋α１＋α２」となる一方で、ＳＷ信号のＯＦＦ期間は「１８０°－α１－α２」となり、互いの期間の長さが異なるようになる。このようにしてＳＷ信号のＯＮ期間とＯＦＦ期間とのバランスが崩れると、モータ４００の各相を流れる電流が変動する。モータ４００の各相を流れる電流が変動すると、モータ４００のトルクが変動して当該モータ４００で消費される電力が変動するため、インバータ３２０に入力される電圧、つまり第２電圧ＶＨが変動する。ここで、ＳＷ位相の変動周波数が高いと第２電圧ＶＨが共振して同第２電圧ＶＨが大きく変動するようになることを本発明者は見出した。

そこで、本実施形態では、モータ４００のトルクを調整する上記フィードバック制御の応答性を低下させる低下処理を実行してＳＷ位相の変動周波数を低下させることにより、第２電圧ＶＨの変動量が大きくなることを抑えるようにしている。

図４に、上記低下処理を実行するために制御装置１００が実施する処理の手順を示す。なお、この処理手順は、車両ＶＣの走行中において繰り返し実行される。また、以下では、先頭に「Ｓ」が付与された数字によって、ステップ番号を表現する。

図４に示す処理を開始すると、制御装置１００は、モータ４００の回転速度変化量ＳＣが判定値ＳＣｒｅｆ以下であるか否かを判定する（Ｓ１００）。この判定値ＳＣｒｅｆとしては、回転速度変化量ＳＣが判定値ＳＣｒｅｆ以下であることに基づき、現在、モータ４００のトルクをフィードバック制御する際のトルク追従性がそれほど要求されない状況にあること、つまり車両ＶＣは定速走行しており車速が大きく変化する状況ではないことを的確に判定することができるように、その値の大きさは設定されている。

そして、Ｓ１００において回転速度変化量ＳＣが判定値ＳＣｒｅｆ以下であると判定する場合には（Ｓ１００：ＹＥＳ）、制御装置１００は、上記比例項ゲインＫｐを上述した通常値から「０」に変更する処理を実行して（Ｓ１２０）、本処理を一旦終了する。

上記Ｓ１２０の処理にて比例項ゲインＫｐが「０」に設定されると上記比例項Ｐは「０」になるため、フィードバック制御の応答性が低下して、ＳＷ位相の変動周波数が低くなる。このＳ１２０の処理が上記低下処理となっている。

一方、Ｓ１００において回転速度変化量ＳＣが判定値ＳＣｒｅｆを超えていると判定する場合には（Ｓ１００：ＮＯ）、制御装置１００は、第２電圧ＶＨの変化量である電圧変化量ＶＨＣが判定値ＶＨＣｒｅｆ以下であるか否かを判定する（Ｓ１１０）。この判定値ＶＨＣｒｅｆとしては、電圧変化量ＶＨＣが判定値ＶＨＣｒｅｆ以下であることに基づき、現在、モータ４００のトルクをフィードバック制御する際のトルク追従性がそれほど要求されない状況であること、つまり車両ＶＣは定速走行しており車速が大きく変化する状況ではないことを的確に判定することができるように、その値の大きさは設定されている。

そして、Ｓ１１０において電圧変化量ＶＨＣが判定値ＶＨＣｒｅｆ以下であると判定する場合には（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、制御装置１００は、上記Ｓ１２０の処理を実行して、本処理を一旦終了する。

一方、Ｓ１１０において電圧変化量ＶＨＣが判定値ＶＨＣｒｅｆを超えていると判定する場合には（Ｓ１１０：ＮＯ）、制御装置１００は、上記比例項ゲインＫｐを上述した通常値に設定して（Ｓ１３０）、本処理を一旦終了する。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。
（１）図４に示したＳ１００の処理またはＳ１１０の処理にて肯定判定される場合、つまりモータ４００のトルクをフィードバック制御する際のトルク追従性がそれほど要求されない状況であると判定される場合には、比例項ゲインＫｐを「０」にすることでフィードバック制御の応答性を低下させる低下処理が実行される。この低下処理の実行により、ＳＷ位相の変動周波数が低くなるため、インバータ３２０に入力される第２電圧ＶＨが共振しにくくなる。そのため、同インバータ３２０に入力される第２電圧ＶＨの変動量が大きくなることを抑えることができる。

（２）図４に示したＳ１００の処理及びＳ１１０の処理にてともに否定判定される場合、つまりモータ４００のトルクをフィードバック制御する際のトルク追従性が要求される状況であると判定される場合には、比例項ゲインＫｐが通常値に設定される。そのため、トルク追従性が要求される状況下では、同トルク追従性を適切に確保することができる。

（３）上述したコンバータ３１０の電圧制御は、上記バッテリ１０の出力特性などが予め想定された特性であることを前提にして制御系のゲイン等が設定される。また、車両の駆動源として交流モータと内燃機関とを備える場合には、その内燃機関の出力特性などが予め想定された特性であることを前提にして同じく制御系のゲイン等が設定される。ここで、想定外の出力特性を有するバッテリがコンバータ３１０に接続されたり、想定外の出力特性を有する内燃機関が駆動源として組み合わされたりすると、第２電圧ＶＨの制御性が悪化するため、上述したような第２電圧ＶＨの変動量が増大した場合には、その変動を抑えることが困難になるおそれがある。この点、本実施形態では、第２電圧ＶＨの変動量が大きくなることを抑えることができるため、想定外の出力特性を有するバッテリがコンバータ３１０に接続される場合や、想定外の出力特性を有する内燃機関が組み合わされる場合でも、第２電圧ＶＨは安定するようになる。

（４）第２電圧ＶＨの変動量が大きくなることを抑えることができるため、上述した電力停止処理の実行機会を減らすことができる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・上記実施形態で説明したＳ１２０の処理では、モータ４００のトルクを調整するフィードバック制御の応答性を低下させる低下処理として、比例項ゲインＫｐを「０」にする処理を実行したが、他の低下処理として、比例項ゲインＫｐをマイナスゲイン（負の値）に変更する処理を実行することにより、フィードバック制御の応答性を低下させてもよい。この場合でも、上記実施形態と同様な作用効果を得ることができる。

・上記実施形態では、モータ４００のトルクを調整するフィードバック制御の応答性を低下させる低下処理として、比例項ゲインＫｐを「０」にする処理を実行したが、他の態様でフィードバック制御の応答性を低下させてもよい。例えば、上述したように制御装置１００は、モータ４００の電気角が６０°進む毎に上記フィードバック制御による位相指令値Ｐｐの調整を行うようにしていた。つまり、モータ４００が１回転する間に実行されるフィードバック回数は６回になっていた。こうしたモータ４００の１回転当たりのフィードバック回数を６回よりも少ない回数にしても、フィードバック制御の応答性は低下するため、ＳＷ位相の変動周波数は低くなる。そこで、図３に示した処理に代えて、図５に示す処理を実行するようにしてもよい。

すなわち、図５に示すように、上記Ｓ１００の処理及び上記Ｓ１１０の処理において、ともに否定判定される場合には、モータ４００の１回転当たりのフィードバック回数を通常値である６回に設定する（Ｓ２３０）。

一方、上記Ｓ１００の処理や、上記Ｓ１１０の処理において肯定判定される場合、つまりモータ４００のトルクをフィードバック制御する際のトルク追従性がそれほど要求されない状況であると判定される場合には、上記低下処理として、モータ４００の１回転当たりのフィードバック回数を低減させる処理を実行する（Ｓ２２０）。このＳ２２０の処理では、モータ４００の１回転当たりのフィードバック回数が通常値である６回よりも少ない回数に変更される。なお、Ｓ２２０の処理にて設定されるモータ４００の１回転当たりのフィードバック回数としては、例えば定速走行中のモータ４００のトルクをトルク指令値に追従させることのできる最低限の回数を設定することが好ましく、可能であれば１回にしてもよい。こうした変更例でも、上記実施形態に準じた作用効果を得ることができる。

・図４や図５に示したＳ１００の処理及びＳ１１０の処理のうちの一方を省略してもよい。
・制御装置１００はＣＰＵ１１０とメモリ１２０とを備えており、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。例えば、上記各実施形態において実行されるソフトウェア処理の少なくとも一部を処理する専用のハードウェア回路（たとえばＡＳＩＣ等）を備えてもよい。すなわち、制御装置１００は、以下の（ａ）～（ｃ）のいずれかの構成であればよい。（ａ）上記処理の全てをプログラムに従って実行する処理装置と、プログラムを記憶するメモリ等のプログラム格納装置とを備える。（ｂ）上記処理の一部をプログラムに従って実行する処理装置及びプログラム格納装置と、残りの処理を実行する専用のハードウェア回路とを備える。（ｃ）上記処理の全てを実行する専用のハードウェア回路を備える。ここで、処理装置及びプログラム格納装置を備えたソフトウェア処理回路や、専用のハードウェア回路は複数であってもよい。すなわち、上記処理は、１または複数のソフトウェア処理回路及び１または複数の専用のハードウェア回路の少なくとも一方を備えた処理回路によって実行されればよい。

１０…バッテリ
５０…電流検知部
５２…第１電圧検知部
５４…第２電圧検知部
１００…制御装置
１１０…中央処理装置（ＣＰＵ）
１２０…メモリ
３１０…コンバータ
３２０…インバータ
３３０…コンデンサ
４００…交流モータ
ＶＣ…車両

Claims (2)

1. 矩形波制御によってインバータに入力されるスイッチング信号の位相であるスイッチング位相を、比例項を含むフィードバック制御にて変更することにより前記インバータに接続された交流モータのトルク制御を行う制御装置であって、
   前記交流モータの回転速度の変化量が規定の判定値以下である場合には、前記フィードバック制御の応答性を低下させる低下処理を実行する
   インバータの制御装置。
2. 矩形波制御によってインバータに入力されるスイッチング信号の位相であるスイッチング位相を、比例項を含むフィードバック制御にて変更することにより前記インバータに接続された交流モータのトルク制御を行う制御装置であって、
   前記インバータに入力される電圧の変化量が規定の判定値以下である場合には、前記フィードバック制御の応答性を低下させる低下処理を実行する
   インバータの制御装置。