JP7435189B2 - モータ駆動システム - Google Patents

Description

本開示は、モータ駆動システムに関する。

特開２００７－１５９３６８号公報（特許文献１）には、制御モードとして矩形波電圧制御を有するモータ駆動システムが開示されている。このモータ駆動システムでは、矩形波電圧制御において、モータの回転角を用いて三相電流（Ｖ相電流，Ｗ相電流，Ｕ相電流）をｄ軸電流およびｑ軸電流に変換し、変換したｄ軸電流およびｑ軸電流を引数としてトルク算出マップからモータの出力トルクを推定する。そして、推定したモータの出力トルク（トルク推定値）をフィードバックして、トルク推定値とトルク指令との偏差を小さくするように、矩形波電圧の電圧位相が制御される。

特開２００７－１５９３６８号公報

ここで、モータの回転角を検出するための回転角センサは、ノイズ等の影響によって、実際の回転角度と検出角度とにズレが生じることがある。検出角度にズレが生じると、回転角を用いて変換されるｄ軸電流およびｑ軸電流も実際の値から乖離してしまい、これらの値を用いて推定されるトルクの推定精度も低下してしまう。推定精度が低いトルク推定値がフィードバックされると、結果として、出力トルクの出力精度が低下してしまう可能性がある。モータ駆動システムにおける出力トルクの出力精度を向上させるための対策が望まれている。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、モータ駆動システムにおける出力トルクの出力精度を向上させることである。

この開示に係るモータ駆動システムは、モータジェネレータを駆動するためのインバータを備えたモータ駆動システムであって、モータジェネレータに流れる電流を検出する電流センサと、モータジェネレータの回転角を検出する回転角センサと、インバータに入力されるシステム電圧を検出する電圧センサと、モータジェネレータに、電圧位相指令に基づく矩形波電圧を印加する矩形波電圧制御において、第１の値と第２の値との偏差を用いて電圧位相指令を調整するフィードバック制御を実行する制御装置とを備える。第１の値は、電流振幅指令と力率指令との積である。第２の値は、電流振幅の実値と力率の実値との積である。制御装置は、回転角センサの検出値を用いて、モータジェネレータの回転速度を算出する。制御装置は、トルク指令値、システム電圧および回転速度を用いて電流振幅指令および力率指令を算出する。制御装置は、回転角および電流を用いて、電流振幅の実値および電流位相を算出する。制御装置は、電流位相および電圧位相指令との偏差を用いて、力率の実値を算出する。

上記構成によれば、矩形波電圧制御において、第２の値（電流振幅の実値×力率の実値）と、第１の値（電流振幅指令×力率指令）との偏差を用いて矩形波電圧の位相が調整される。電流振幅は、電流ベクトルの大きさとして計算されるため、回転角センサの検出角度にズレが生じていたとしても、その影響を受けない。ゆえに、第２の値と第１の値との偏差が小さくなるように矩形波電圧の位相を調整することにより、回転角センサの検出角度にズレが生じたとしても、モータジェネレータの出力トルクの出力精度に影響を与えることを抑制することができる。

本開示によれば、モータ駆動システムにおける出力トルクの出力精度を向上させることができる。

実施の形態に係るモータ駆動システムの全体構成図である。 実施の形態に係るモータ駆動システムが有する、モータジェネレータの出力制御モードを説明するための図である。 電流振幅とトルクとの関係を説明するための図である。 力率とトルクとの関係を説明するための図である。 矩形波電圧制御における制御装置の機能ブロック図である。 矩形波電圧制御における電圧ベクトルおよび電流ベクトルの軌跡を示す図である。 制御装置で実行される処理の手順を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜全体構成＞
図１は、本実施の形態に係るモータ駆動システム１００の全体構成図である。実施の形態１に係るモータ駆動システム１００は、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車または燃料電池自動車（以下、総称して「車両」とも称する）等に適用することができる。図１を参照して、モータ駆動システム１００は、モータジェネレータ１０と、電力制御装置（ＰＣＵ：Power Control Unit）２０と、バッテリ３０と、システムメインリレーＳＲ１，ＳＲ２と、制御装置４０とを備える。

モータジェネレータ１０は、たとえば、車両の駆動輪を駆動するためのトルクを発生する駆動用電動機である。モータジェネレータ１０は、交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機として構成される。また、モータジェネレータ１０は、発電機の機能をさらに備えてもよく、電動機および発電機の機能を併せ持つように構成されてもよい。

バッテリ３０は、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池等の二次電池によって構成される。二次電池は、正極と負極との間に液体電解質を有する二次電池であってもよいし、固体電解質を有する二次電池（全固体電池）であってもよい。また、バッテリ３０は、電気二重層キャパシタ等によって構成されてもよい。

バッテリ３０には監視ユニット３５が設けられている。監視ユニット３５は、バッテリ３０の電圧（バッテリ電圧）ＶＢ、バッテリ３０の入出力電流（バッテリ電流）ＩＢ、およびバッテリ３０の温度（バッテリ温度）ＴＢを検出し、それらの検出結果を示す信号を制御装置４０に出力する。

システムメインリレーＳＲ１は、バッテリ３０の正極端子および電力線ＰＬ１の間に接続される。システムメインリレーＳＲ２は、バッテリ３０の負極端子および電力線ＮＬの間に接続される。システムメインリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置４０からの制御信号により開閉状態が切り替わる。

ＰＣＵ２０は、バッテリ３０から供給される直流電力を昇圧するとともに交流電力に変換してモータジェネレータ１０に供給する。また、ＰＣＵ２０は、モータジェネレータ１０により発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ３０に供給する。すなわち、バッテリ３０は、ＰＣＵ２０を経由してモータジェネレータ１０との間で電力を授受することができる。

ＰＣＵ２０は、コンデンサＣ１と、昇降圧コンバータ２１と、コンデンサＣ２と、インバータ２２と、電圧センサ２３とを含む。

コンデンサＣ１は、電力線ＰＬ１および電力線ＮＬの間に接続される。コンデンサＣ１は、バッテリ電圧ＶＢを平滑化して昇降圧コンバータ２１に供給する。

昇降圧コンバータ２１は、制御装置４０からの制御信号Ｓ１，Ｓ２に従って、バッテリ電圧ＶＢを昇圧し、昇圧した電圧を電力線ＰＬ２，ＮＬに供給する。また、昇降圧コンバータ２１は、制御装置４０からの制御信号Ｓ１，Ｓ２に従って、インバータ２２から供給された電力線ＰＬ２，ＮＬの間の直流電圧を降圧してバッテリ３０を充電する。

具体的には、昇降圧コンバータ２１は、リアクトルＬ１と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードと電力線ＰＬ１との間に接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２および後述するスイッチング素子Ｑ３～Ｑ８の各々は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは、バイポーラトランジスタ等を用いることができる。ダイオードＤ１，Ｄ２は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のコレクタ－エミッタ間に逆並列にそれぞれ接続される。

コンデンサＣ２は、電力線ＰＬ２と電力線ＮＬとの間に接続されている。コンデンサＣ２は、昇降圧コンバータ２１から供給された直流電圧を平滑化してインバータ２２に供給する。電圧センサ２３は、コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち昇降圧コンバータ２１とインバータ２２とを結ぶ電力線ＰＬ２，ＮＬ間の電圧（以下「システム電圧」とも称する）ＶＨを検出し、その検出結果を示す信号を制御装置４０に出力する。

インバータ２２は、Ｕ相アーム２２１と、Ｖ相アーム２２２と、Ｗ相アーム２２３とを含む。各相アームは、電力線ＰＬ２と電力線ＮＬとの間に互いに並列に接続されている。Ｕ相アームは、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を有する。Ｖ相アーム２２２は、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６を有する。Ｗ相アーム２２３は、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８を有する。各スイッチング素子Ｑ３～Ｑ８のコレクタ－エミッタ間には、ダイオードＤ３～Ｄ８が逆並列にそれぞれ接続されている。

各相アームの中間点は、モータジェネレータ１０の各相コイルの各相端に接続されている。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の中間点は、モータジェネレータ１０のＵ相コイルの一方端に接続されている。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の中間点は、モータジェネレータ１０のＶ相コイルの一方端に接続されている。スイッチング素子Ｑ７，Ｑ８の中間点は、モータジェネレータ１０のＷ相コイルの一方端に接続されている。モータジェネレータ１０のＵ相、Ｖ相およびＷ相の３つのコイルの他方端は、中性点に共通接続されている。

インバータ２２は、システム電圧ＶＨが供給されると、制御装置４０からの制御信号Ｓ３～Ｓ８に従って、直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１０を駆動する。これにより、モータジェネレータ１０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに従ったトルクを発生するように、インバータ２２により制御される。

モータジェネレータ１０のトルク指令値が正（Ｔｒｑｃｏｍ＞０）の場合、インバータ２２は、制御装置４０からの制御信号Ｓ３～Ｓ８に従ったスイッチング素子Ｑ３～Ｑ８のスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するようにモータジェネレータ１０を駆動する。これにより、モータジェネレータ１０は、正のトルクを発生するように駆動される。

モータジェネレータ１０のトルク指令値が零（Ｔｒｑｃｏｍ＝０）の場合、インバータ２２は、制御装置４０からの制御信号Ｓ３～Ｓ８に従ったスイッチング素子Ｑ３～Ｑ８のスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるようにモータジェネレータ１０を駆動する。これにより、モータジェネレータ１０は、零のトルクを発生するように駆動される。

モータジェネレータ１０のトルク指令値が負（Ｔｒｑｃｏｍ＜０）の場合、インバータ２２は、制御装置４０からの制御信号Ｓ３～Ｓ８に従ったスイッチング素子Ｑ３～Ｑ８のスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換して負のトルクを出力するようにモータジェネレータ１０を駆動する。これにより、モータジェネレータ１０は、負のトルクを発生するように駆動される。

電流センサ６０は、モータジェネレータ１０に流れる三相電流（モータ電流）ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出し、その検出結果を示す信号を制御装置４０に出力する。

回転角センサ（レゾルバ）６５は、モータジェネレータ１０の回転角θを検出し、その検出結果を示す信号を制御装置４０に出力する。制御装置４０は、回転角センサ６５によって検出された回転角θの変化速度から、モータジェネレータ１０の回転数（回転速度）Ｎｍを検出することができる。

制御装置４０は、外部に設けられた電子制御ユニット（上位ＥＣＵ：図示せず）から入力されたトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍ、監視ユニット３５によって検出されたバッテリ電圧ＶＢ、電圧センサ２３によって検出されたシステム電圧ＶＨ、電流センサ６０からのモータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗおよび回転角センサ６５からの回転角θに基づいて、後述する方法によりモータジェネレータ１０がトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに従ったトルクを出力するように、昇降圧コンバータ２１およびインバータ２２の動作を制御する。すなわち、制御装置４０は、昇降圧コンバータ２１およびインバータ２２を制御するための制御信号Ｓ１～Ｓ８を生成して、昇降圧コンバータ２１およびインバータ２２へ出力する。

昇降圧コンバータ２１の昇圧動作時には、制御装置４０は、コンデンサＣ２の出力電圧ＶＨをフィードバック制御し、出力電圧ＶＨが電圧指令値となるように制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。

また、制御装置４０は、車両が回生制動モードに入ったことを示す信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、モータジェネレータ１０で発電された交流電圧を直流電圧に変換するように制御信号Ｓ３～Ｓ８を生成してインバータ２２へ出力する。これにより、インバータ２２は、モータジェネレータ１０で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇降圧コンバータ２１へ供給する。制御装置４０は、インバータ２２から供給された直流電圧を降圧するように制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成し、昇降圧コンバータ２１へ出力する。これにより、モータジェネレータ１０が発電した交流電圧は、直流電圧に変換され、降圧されてバッテリ３０に供給される。

さらに、制御装置４０は、システムメインリレーＳＲ１，ＳＲ２の開閉状態を切り替えるための制御信号を生成してシステムメインリレーＳＲ１，ＳＲ２へ出力する。

＜モータジェネレータ１０の出力制御＞
図２は、本実施の形態に係るモータ駆動システム１００が有する、モータジェネレータ１０の出力制御モードを説明するための図である。本実施の形態に係るモータ駆動システム１００では、モータジェネレータ１０の出力制御モードとして、３つの制御モードを有する。具体的には、図２に示すように、モータ駆動システム１００は、正弦波ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御、過変調ＰＷＭ制御および矩形波電圧制御の３つの制御モードを有する。

正弦波ＰＷＭ制御は、一般的なＰＷＭ制御方式として用いられるものであり、各相アームにおけるスイッチング素子のオン・オフを、正弦波状の電圧指令値と搬送波（代表的には三角波）との電圧比較に従って制御する。この結果、上アーム素子のオン期間に対応するハイレベル期間と、下アーム素子のオン期間に対応するローレベル期間との集合について、一定期間内でその基本波成分が正弦波となるようにデューティ比が制御される。周知のように、正弦波ＰＷＭ制御では、この基本波成分振幅をインバータ入力電圧の０．６１倍までしか高めることができない。

一方、矩形波電圧制御では、上記一定期間内で、ＰＷＭデューティを最大値に維持した場合に相当する、ハイレベル期間およびローレベル期間の比が１：１の矩形波１パルス分を交流モータ印加する。これにより、変調率は０．７８まで高められる。

過変調ＰＷＭ制御は、搬送波の振幅を縮小するように基本波成分を歪ませた上で上記正弦波ＰＷＭ制御と同様のＰＷＭ制御を行なうものである。基本波成分を歪ませることによって、変調率を０．６１～０．７８の範囲まで高めることができる。

モータジェネレータ１０においては、回転数および／または出力トルクが増加すると誘起電圧が高くなり、その必要電圧が高くなる。昇降圧コンバータ２１による昇圧電圧すなわち、システム電圧ＶＨは、このモータ必要電圧（誘起電圧）よりも高く設定する必要がある。その一方で、昇降圧コンバータ２１による昇圧電圧すなわち、システム電圧には限界値（ＶＨ最大電圧）が存在する。

したがって、モータ必要電圧（誘起電圧）がシステム電圧の最大値（ＶＨ最大電圧）より低い領域では、正弦波ＰＷＭ制御または過変調ＰＷＭ制御によるＰＷＭ制御方式が適用されて、ベクトル制御に従ったモータ電流制御によって出力トルクがトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに制御される。

その一方で、モータ必要電圧（誘起電圧）がシステム電圧の最大値（ＶＨ最大電圧）に達すると、システム電圧ＶＨを維持した上で弱め界磁制御の一種としての矩形波電圧制御方式が適用される。

＜矩形波電圧制御＞
ここで、矩形波電圧制御においては、モータジェネレータの出力トルク（トルク推定値）をフィードバックして、トルク推定値とトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍとの偏差が小さくなるように、矩形波電圧の電圧位相を制御することがある。トルク推定値は、たとえば、特開２００７－１５９３６８号公報に開示された手法により、モータジェネレータ１０の回転角を用いて三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｄ軸電流およびｑ軸電流に変換し、変換したｄ軸電流およびｑ軸電流を用いて推定されることがある。ここで、回転角センサ６５がノイズ等の影響を受けると、回転角センサ６５の検出角度と、モータジェネレータ１０の実際の回転角度とにズレが生じることがある。一例を例示すると、回転角センサ（レゾルバ）６５では、ノイズ等の影響により、レゾルバ信号を角度に変換するＲＤコンバータに応答遅れが生じる可能性がある。ＲＤコンバータに応答遅れが生じると、回転数の増加時には実際の角度に対して位相が遅れ、回転数の減少時には実際の角度に対して位相が進んでしまう。

上記のようにズレが生じた回転角を用いると、トルク推定値の推定精度が低下してしまう可能性がある。推定精度が低いトルク推定値がフィードバックされることにより、トルク指令値と実際の出力トルクとに、かえって乖離が生じてしまう可能性がある。

ここで、本発明者らは、矩形波電圧制御において、モータジェネレータ１０の回転数（以下「モータ回転数」とも称する）Ｎｍおよびシステム電圧ＶＨが同一の状況下では、最大トルクまで電流振幅とトルクとに相関関係が存在することに着目した。電流振幅は、電流ベクトルの大きさとして計算されるため、回転角センサの検出角度にズレが生じていたとしても、その影響を受けない。ゆえに、トルク推定値に代えて、電流振幅をフィードバックして矩形波電圧の電圧位相を制御することにより、仮に回転角センサ６５の検出角度にズレが生じたとしても、当該ズレがモータジェネレータ１０の出力トルクの出力精度に影響を与えることを抑制することができる。しかしながら、詳細は後述するが、トルクが小さい領域（０Ｎｍ付近）では、トルク変化に対する電流振幅の変化が小さい。そのため、トルク指令値が０Ｎｍ付近の値であるような場合には、トルク指令値に対する出力トルクの出力精度が低下してしまう可能性がある。そこで、本実施の形態に係るモータ駆動システム１００では、電流振幅および力率の積（後述の第２の値）をフィードバックし、電流振幅指令および力率指令の積（後述の第１の値）との偏差が小さくなるように、矩形波電圧の電圧位相を制御する（電圧位相指令を生成する）。これによって、モータジェネレータ１０の出力トルクの出力精度を高めることができる。以下、具体的に説明する。

モータジェネレータ１０には、以下の式（１）の関係が成立することが知られている。
√３×｜Ｉ｜｜Ｖ｜ＣＯＳθ＝２π×Ｎ×Ｔ／６０・・・（１）
｜Ｉ｜は電流振幅、｜Ｖ｜は電圧振幅、Ｎはモータ回転数、ＣＯＳθは力率、θは電圧と電流との位相差である。

上記式（１）を変形することにより、電流振幅とトルクとの関係を示す以下の式（２）を得ることができる。

｜Ｉ｜＝２πＮＴ／（６０×√３×｜Ｖ｜ＣＯＳθ）・・・（２）
式（２）を図示すると、図３の実線Ｇ１で表わすことができる。図３は、電流振幅とトルクとの関係を説明するための図である。図３の横軸にはトルクが示され、縦軸には電流振幅が示されている。

図３を参照して、実線Ｇ１で表わされるように、電流振幅とトルクとには、トルクの絶対値が大きくなるほど、電流振幅も大きくなるという関係がある。当該関係によれば、トルクに代えて電流振幅を用いて、モータジェネレータ１０の出力トルクを制御することができる。また、図３から認識し得るように、トルクが小さい領域（０Ｎｍ付近）では、トルク変化に対する電流振幅の変化が小さくなっている。そのため、トルク指令値がこのような領域内の値である場合に、電流振幅を用いてフィードバック制御を行なうと、電流振幅の僅かな演算誤差等でトルクが大きく振れてしまい、出力トルクの出力精度が低下してしまう可能性がある。さらに、トルク指令値が０Ｎｍ付近の値である場合に、電流振幅の演算誤差等に起因して、力行と回生とを誤判断して、逆方向のトルクが出力されることも懸念される。具体的には、力行と回生とは、たとえば、実線Ｇ１の接線の傾きに基づいて判断されるが、トルク指令値が０Ｎｍ付近の値である場合には、実線Ｇ１の接線の傾きが小さくなる。そのため、接線の傾きの演算精度によっては、力行であるか回生であるかを誤判断する可能性がある。そうすると、本来出力すべきトルクの方向と逆方向トルクが出力されてしまう。なお、実線Ｇ１において、トルクが０Ｎｍである場合に電流振幅が０Ａとならないのは、弱め界磁制御によるものである。

そこで、本実施の形態に係るモータ駆動システム１００においては、電流振幅と力率との積をフィードバックする。実線Ｇ２は、電流振幅と力率との積を示すグラフである。電流振幅と力率との積は、上述の式（１）より、以下の式（３）として表わすことができる。

｜Ｉ｜ＣＯＳθ＝２πＮＴ／（６０×√３×｜Ｖ｜）・・・（３）
力率とトルクとには図４に示す関係がある。図４は、力率とトルクとの関係を説明するための図である。図４の横軸にはトルクが示され、縦軸には力率が示されている。力率は、力行時には正側の値となり、回生時には負側の値となる。トルクがゼロである場合には、力率もゼロとなる。

図３の実線Ｇ２から認識し得るように、電流振幅と力率との積は、トルクが小さい領域においても電流振幅の傾きを確保できるため、モータジェネレータ１０の出力トルクの出力精度を確保することができる。

図５は、矩形波電圧制御における制御装置４０の機能ブロック図である。図５を参照して、制御装置４０は、回転数演算部４０１と、電流振幅指令生成部４０２と、力率指令生成部４０３と、乗算器４０４と、電流振幅・電流位相演算部４０５と、力率演算部４０６と、乗算器４０７と、減算器４０８と、フィードバック（ＦＢ）項演算部４０９と、フィードフォワード（ＦＦ）項演算部４１０と、加算器４１１と、矩形波発生部４１２と、信号発生部４１３とを含む。

回転数演算部４０１は、回転角センサ６５からの出力に基づいて、モータジェネレータ１０の回転数（モータ回転数）Ｎｍを演算する。回転数演算部４０１が演算したモータ回転数Ｎｍは、電流振幅指令生成部４０２および力率指令生成部４０３に入力される。

電流振幅指令生成部４０２は、予め定められた第１マップを用いて電流振幅指令を生成し、乗算器４０４に出力する。第１マップは、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍから電流振幅指令を算出するための３次元マップである。電流振幅指令生成部４０２には、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが入力される。電流振幅指令生成部４０２は、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを、第１マップに照会させることにより、電流振幅指令を生成する。なお、第１マップは、実験結果、シミュレーション結果またはモータ駆動システム１００の仕様等に基づいて予め定めておくことができる。

力率指令生成部４０３は、予め定められた第２マップを用いて力率指令を生成し、乗算器４０４に出力する。第２マップは、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍから力率指令を算出するための３次元マップである。力率指令生成部４０３には、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが入力される。力率指令生成部４０３は、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを、第２マップに照会させることにより、力率指令を生成する。なお、第２マップは、実験結果、シミュレーション結果またはモータ駆動システム１００の仕様等に基づいて予め定めておくことができる。

乗算器４０４は、電流振幅指令と力率指令とを積算し、積算した値（以下「第１の値」とも称する）を減算器４０８に出力する。

電流振幅・電流位相演算部４０５は、電流センサ６０および回転角センサ６５の出力に基づいて、現在の電流振幅および電流位相を算出する。具体的には、電流振幅・電流位相演算部４０５は、回転角センサ６５によって検出されたモータジェネレータ１０の回転角θを用いた座標変換（３相から２相）により、電流センサ６０によって検出されたＵ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗを基に、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑを算出する。電流振幅・電流位相演算部４０５は、算出したｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに基づいて、電流振幅および電流位相を算出する。具体的には、電流振幅・電流位相演算部４０５は、電流ベクトルの大きさ、すなわち、√｛（Ｉｄ）^２＋（Ｉｑ）^２｝を電流振幅として算出する。より具体的に図６を用いて説明する。

図６は、矩形波電圧制御における電圧ベクトルおよび電流ベクトルの軌跡を示す図である。矩形波電圧制御においては、電圧ベクトルおよび電流ベクトルの軌跡は、図６に示す軌跡をたどる。

電流ベクトルの軌跡は、以下のようにして求めることができる。
ｄｑ軸平面での電圧方程式は、以下の式（４）で与えられることが知られている。

Ｖｄはｄ軸電圧であり、Ｖｑはｑ軸電圧であり、Ｒ，Ｌｄ，Ｌｑは、モータジェネレータ１０の回路定数パラメータである。具体的には、Ｒは１相の抵抗値、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Φはロータの永久磁石による磁束である。また、ωはモータジェネレータ１０の回転角速度である。

ここで、ｄｑ軸の電流が一定とみなせる定常状態においては、過渡項である、「Ｌｄ（ｄＩｄ／ｄｔ）」および「Ｌｑ（ｄＩｑ／ｄｔ）」の項はゼロとみなすことができる。また、「ＲＩｄ」および「ＲＩｑ」の項は、「－ωＬｑＩｑ」および「ωＬｄＩｄ」の項に対して値が微少である。これらを考慮すると、上記式（４）は、以下の式（５）のように近似することができる。

また、矩形波電圧制御中のＶｄおよびＶｑは、以下の式（６）のように表わすことができる。

Ｖｒは変調率であり、θｖはｑ軸基準の電圧位相である。
上記式（６）を上記式（５）に代入して、電圧振幅の２乗（Ｖｄ^２＋Ｖｑ^２）を計算して整理すると、以下の式（７）を得ることができる。

式（７）により、図６に示す電流ベクトルの軌跡を求めることができる。矩形波電圧制御においては、電流ベクトルの軌跡は図６に示す軌跡をたどるので、仮に回転角センサ６５の検出角度にズレが生じたとしても、電流ベクトルの大きさには影響しない。

再び図５を参照して、電流振幅・電流位相演算部４０５は、算出したｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑから電流ベクトルを算出する。そして、電流振幅・電流位相演算部４０５は、電流ベクトルに基づいて電流振幅および電流位相を算出する。

電流振幅・電流位相演算部４０５は、算出した電流位相を力率演算部４０６に出力する。電流振幅・電流位相演算部４０５は、算出した電流振幅を乗算器４０７に出力する。

力率演算部４０６は、力率を算出して、算出した力率を乗算器４０７に出力する。力率演算部４０６には、電流振幅・電流位相演算部４０５から受ける電流位相と、加算器４１１から受ける電圧位相指令θｖとが入力される。力率演算部４０６は、電流位相と電圧位相指令との偏差（位相差）Δθを算出し、力率ＣＯＳΔθを算出する。

乗算器４０７は、電流振幅・電流位相演算部４０５から受ける電流振幅と、力率演算部４０６から受ける力率とを積算して、積算した値（以下「第２の値」とも称する）を減算器４０８に出力する。

減算器４０８は、第１の値（電流振幅指令と力率指令との積）から第２の値（電流振幅と力率との積）を減算して、指令値に対する実値の偏差（以下「電流振幅偏差」とも称する）を算出する。減算器４０８は、算出した電流振幅の偏差をＦＢ項演算部４０９に出力する。

ＦＢ項演算部４０９は、減算器４０８から電流振幅偏差を受ける。ＦＢ項演算部４０９は、電流振幅偏差について所定ゲインによるＰＩ（比例積分）演算を行なって制御偏差を求め、この制御偏差に応じた電圧位相偏差Δθｖを生成する。ＦＢ項演算部４０９は、生成した電圧位相偏差Δθｖを加算器４１１に出力する。

ＦＦ項演算部４１０は、予め定められた第３マップを用いて電圧位相指令θｖ１を生成し、生成した電圧位相指令θｖ１を加算器４１１に出力する。第３マップは、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと電圧位相指令θｖ１との関係を定めたマップである。ＦＦ項演算部４１０には、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍが入力される。ＦＦ項演算部４１０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを、第３マップに照会させることにより、電圧位相指令θｖ１を生成する。なお、第３マップは、実験結果、シミュレーション結果またはモータ駆動システム１００の仕様等に基づいて予め定めておくことができる。電圧位相指令θｖ１の生成には、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに加えて、モータジェネレータ１０のモータ回転数Ｎｍがさらに考慮されてもよい。この場合には、ＦＦ項演算部４１０には、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍおよびモータ回転数Ｎｍが入力される。ＦＦ項演算部４１０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍおよびモータ回転数Ｎｍを第４マップに照会させることにより、電圧位相指令θｖ１を生成する。第４マップは、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍおよびモータ回転数Ｎｍと電圧位相指令θｖ１との関係を定めたマップである。

加算器４１１は、ＦＦ項演算部４１０から入力される電圧位相指令θｖ１に、ＦＢ項演算部４０９から入力される電圧位相偏差Δθｖを加算して電圧位相指令θｖ（＝θｖ１＋Δθｖ）を生成する。加算器４１１は、生成した電圧位相指令θｖを矩形波発生部４１２および力率演算部４０６に出力する。

矩形波発生部４１２は、加算器４１１から受けた電圧位相指令θｖに従って、各相電圧指令値（矩形波パルス）Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを発生する。

信号発生部４１３は、各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに従ってスイッチング制御信号Ｓ３からＳ８を発生する。インバータ２２がスイッチング制御信号Ｓ３からＳ８に従ったスイッチング動作を行なうことにより、電圧位相指令θｖに従った矩形波パルスが、モータの各相電圧として印加される。

＜制御装置において実行される処理＞
図７は、制御装置４０で実行される処理の手順を示すフローチャートである。図７に示すフローチャートは、所定の制御周期毎に制御装置４０によって繰り返し実行される。なお、図７に示すフローチャートの各ステップ（以下ステップを「Ｓ」と略す）は、制御装置４０によるソフトウェア処理によって実現される場合について説明するが、その一部あるいは全部が制御装置４０内に作製されたハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。

制御装置４０は、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを第１マップに照会させることにより、電流振幅指令を算出する（Ｓ１）。

また、制御装置４０は、システム電圧ＶＨ、モータ回転数Ｎｍおよびトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを第２マップに照会させることにより、力率指令を算出する（Ｓ３）。

制御装置４０は、Ｓ１で算出した電流振幅指令と、Ｓ３で算出した力率指令とを乗算して、第１の値（電流振幅指令×力率指令）を算出する（Ｓ５）。

さらに、制御装置４０は、電流センサ６０および回転角センサ６５の検出値に基づいて、実際の電流振幅および電流位相を算出する（Ｓ７）。

制御装置４０は、Ｓ７で算出した電流位相と、インバータ２２の制御に用いた電圧位相指令θｖとに基づいて、力率を算出する（Ｓ９）。具体的には、制御装置４０は、電流位相と電圧位相指令との偏差（位相差）Δθを算出し、力率ＣＯＳΔθを算出する。

制御装置４０は、Ｓ７で算出した電流振幅と、Ｓ９で算出した力率とを乗算して、第２の値（電流振幅×力率）を算出する（Ｓ１１）。

制御装置４０は、第１の値から第２の値を減算し、電流振幅偏差を算出する（Ｓ１３）。

制御装置４０は、算出した電流振幅偏差について所定ゲインによるＰＩ演算を行なって制御偏差を求め、この制御偏差に応じた電圧位相偏差Δθｖを生成する（Ｓ１５）。

制御装置４０は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍを第３マップに照会させることにより、電圧位相指令θｖ１を生成する（Ｓ１７）。

制御装置４０は、Ｓ１７で生成した電圧位相指令θｖ１に、Ｓ１５で生成した電圧位相偏差Δθｖを加算して、電圧位相指令θｖを算出する（Ｓ１９）。そして、制御装置４０は、電圧位相指令θｖに基づいて、インバータ２２を制御する（Ｓ２１）。

以上のように本実施の形態に係るモータ駆動システム１００においては、電流振幅および力率の積（第２の値）をフィードバックし、電流振幅指令および力率指令の積（第１の値）との偏差が小さくなるように、矩形波電圧の電圧位相を制御する。電流振幅および力率の積をフィードバックすることにより、回転角センサ６５の検出角度にズレが生じた場合であっても、当該ズレの影響を受けることなく、矩形波電圧の電圧位相を制御することができる。ゆえに、モータジェネレータ１０の出力トルクの出力精度を高めることができる。また、電流振幅に力率を乗算することにより、トルク指令値が０Ｎｍ付近の値であるような場合でも、トルク変化に対する電流振幅の変化を大きく確保できるので、モータジェネレータ１０の出力トルクの出力精度を高めることができる。

さらに、本実施の形態に係るモータ駆動システム１００においては、電流振幅に力率を乗算することにより、モータ駆動システム１００の周囲温度の変化や減磁等によって磁力に変化があったような場合であっても、モータジェネレータ１０の磁力の変化に応じて力率が変化するため、モータジェネレータ１０の出力トルクの出力精度を確保することができる。

（変形例）
実施の形態においては、モータ駆動システム１００のＰＣＵ２０が、コンデンサＣ１と、昇降圧コンバータ２１と、コンデンサＣ２と、インバータ２２と、電圧センサ２３とを含む例について説明した。しかしながら、ＰＣＵ２０が昇降圧コンバータ２１を備えることは必須ではない。ＰＣＵ２０の昇降圧コンバータ２１は、省略してもよい。ＰＣＵ２０の昇降圧コンバータ２１を省略したモータ駆動システムにおいても、実施の形態と同様の効果を奏することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ モータジェネレータ、２０ ＰＣＵ、２１ 昇降圧コンバータ、２２ インバータ、２３ 電圧センサ、３０ バッテリ、３５ 監視ユニット、４０ 制御装置、６０ 電流センサ、６５ 回転角センサ、１００ モータ駆動システム、４０１ 回転数演算部、４０２ 電流振幅指令生成部、４０３ 力率指令生成部、４０４ 乗算器、４０５ 電流位相演算部、４０６ 力率演算部、４０７ 乗算器、４０８ 減算器、４０９ フィードバック（ＦＢ）項演算部、４１０ フィードフォワード（ＦＦ）項演算部、４１１ 加算器、４１２ 矩形波発生部、４１３ 信号発生部、Ｃ１ コンデンサ、Ｃ２ コンデンサ、ＳＲ１，ＳＲ２ システムメインリレー、ＮＬ，ＰＬ１，ＰＬ２ 電力線。

Claims (1)

1. モータジェネレータを駆動するためのインバータを備えたモータ駆動システムであって、
   前記モータジェネレータに流れる電流を検出する電流センサと、
   前記モータジェネレータの回転角を検出する回転角センサと、
   前記インバータに入力されるシステム電圧を検出する電圧センサと、
   前記モータジェネレータに、電圧位相指令に基づく矩形波電圧を印加する矩形波電圧制御において、第１の値と第２の値との偏差を用いて前記電圧位相指令を調整するフィードバック制御を実行する制御装置とを備え、
   前記第１の値は、電流振幅指令と力率指令との積であり、
   前記第２の値は、電流振幅の実値と力率の実値との積であり、
   前記制御装置は、
   前記回転角センサの検出値を用いて、前記モータジェネレータの回転速度を算出し、
   トルク指令値、前記システム電圧および前記回転速度を用いて前記電流振幅指令および前記力率指令を算出し、
   前記回転角および前記電流を用いて、前記電流振幅の実値および電流位相を算出し、
   前記電流位相および前記電圧位相指令との偏差を用いて、前記力率の実値を算出する、モータ駆動システム。

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