JPWO2018100835A1 - 駆動制御装置および駆動制御方法 - Google Patents

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Abstract

駆動制御装置は、直流電圧源と、スイッチング素子をスイッチングすることによって駆動電圧を回転電機に印加して駆動電流を通電するインバータと、直流電圧源の出力電圧を制御し、かつ回転電機のトルク指令値に基づいて第１の電流制限値以下の駆動電流で通電する第１の制御モード、および第１の電流制限値よりも大きい駆動電流で通電する第２の制御モードで駆動電流をスイッチング素子に通電する制御を行う制御部とを備えるものである。

Description

この発明は回転電機であるモータジェネレータを駆動する駆動制御装置および駆動制御方法に関する。
インバータ母線電圧を低下させてモータを駆動する従来の制御装置は、直流電源に接続され直流電源の出力を昇圧してインバータに出力するコンバータと、コンバータの出力を交流に変換し回転電機に出力するインバータと、インバータおよびコンバータを制御する制御部からなる。制御装置は、スイッチング素子の温度を検出する温度検出部において、スイッチング素子の温度が所定の温度に達した場合、ＰＷＭ制御から矩形波制御へ変更する（例えば、特許文献１参照）。
また、インバータ母線電圧を低下させてモータを駆動する別の従来の制御装置は、バッテリに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、インバータと、インバータを制御する制御部と、モータジェネレータ（インバータによって電圧を印加されて駆動されるモータと、外力によって軸が駆動されて発電するジェネレータとの両方の機能を備える回転電機）とを備えている。制御部は、正弦波ＰＷＭ制御時の駆動周波数がＬＣ共振回路の共振周波数領域の周波数に一致したときに、インバータの入力電圧を低下させ、インバータの制御方式を正弦波ＰＷＭ制御方式から過変調制御方式または矩形波制御方式に切替える方法がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００９−２３２６０４号公報 特開２０１３−９０４０１号公報
特許文献１および特許文献２に示された制御装置では、インバータのスイッチング素子に過電流が流れるのを防止する効果を奏する。しかしながら、モータまたはモータジェネレータから出力されるトルクは、予め定められた制限値以下に留まるため、トルクを向上させて高出力化させることができないという問題があった。
本発明は、前述のような課題を解決するためになされたものであり、制御モードを切り替えてスイッチング素子がスイッチングされる回数を低下させたときの回転電機（モータジェネレータ）のトルクを向上させることを目的とする。
この発明に係る駆動制御装置は、
直流の出力電圧を出力する直流電圧源と、
スイッチング素子を有し、直流電圧源から出力電圧が入力されスイッチング素子をスイッチングすることによって駆動電圧を回転電機に印加して駆動電流を通電するインバータと、
直流電圧源の出力電圧を制御し、かつ回転電機のトルク指令値に基づいて第１の電流制限値以下の駆動電流で通電する第１の制御モード、および第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ第１の電流制限値よりも大きい駆動電流で通電する第２の制御モードで駆動電流をスイッチング素子に通電する制御を行う制御部とを備え、
制御部は、第１の制御モードのときの回転電機のトルク指令値が予め定められたトルク値を上回る場合に、第１の制御モードから第２の制御モードに切替えて、回転電機の出力トルクが予め定められたトルク値を上回る制御を行い、
第２の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間は、第１の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間よりも長く、
第２の制御モードのときのスイッチング素子がスイッチングされる回数は、第１の制御モードのときのスイッチングされる回数よりも少なく、
第２の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧は、第１の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧よりも小さいものである。
また、この発明に係る駆動制御方法は、
スイッチング素子を有し、直流電圧源から出力された直流の出力電圧が入力されスイッチング素子をスイッチングすることにより駆動電圧を回転電機に印加して駆動電流を通電するインバータによって第１の電流制限値以下の駆動電流を回転電機に通電する第１の制御モードのときの回転電機のトルク指令値が、予め定められたトルク値を上回るかどうかを判定する判定ステップと、
判定ステップにおいて第１の制御モードのときの回転電機のトルク指令値が予め定められたトルク値を上回ると判断された場合に、第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ第１の電流制限値よりも大きい駆動電流で通電する第２の制御モードに第１の制御モードから切替える切替ステップと、
第２の制御モードにおいて回転電機の出力トルクが予め定められたトルク値を上回る制御を行って駆動電流をスイッチング素子に通電するトルク制御ステップとをプロセッサが実行する駆動制御方法であって、
第２の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間は、第１の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間よりも長く、
第２の制御モードのときのスイッチング素子がスイッチングされる回数は、第１の制御モードのときのスイッチングされる回数よりも少なく、
第２の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧は、第１の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧よりも小さいものである。
上記のように構成された駆動制御装置および駆動制御方法において、スイッチング素子のスイッチングパルス回数を下げることによってスイッチング素子の電流制限値を増加させ、回転電機の固定子に通電可能な電流を増加させることが可能となるため、回転電機から出力されるトルクを増加させることができる。
この発明の実施の形態１における駆動制御装置の概略構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における駆動制御装置が制御モードを切り替えるときのフロー図である。 この発明の実施の形態１における駆動制御装置が制御モードを切り替えるときのタイミングの図である。 この発明の実施の形態１における駆動制御装置の高トルク化の効果を示すグラフである。 この発明の実施の形態１の変形例における駆動制御装置が制御モードを切り替える場合の第１の制御モードに関するパルス波形の図である。 この発明の実施の形態１の変形例における駆動制御装置が制御モードを切り替える場合の第３の制御モードに関するパルス波形の図である。 この発明の実施の形態１の変形例における駆動制御装置が制御モードを切り替える場合の第２の制御モードに関するパルス波形の図である。 この発明の実施の形態１の変形例における駆動制御装置が制御モードを切り替える場合のフロー図である。 この発明の実施の形態１の変形例における駆動制御装置が制御モードを切り替える場合のタイミングの図である。 この発明の実施の形態２における駆動制御装置におけるモータジェネレータの固定子の外観を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２における駆動制御装置におけるモータジェネレータの回転子の外観を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２における駆動制御装置におけるモータジェネレータの回転子の分解斜視図である。 この発明の実施の形態３における駆動制御装置が制御モードを切り替える場合のフロー図である。 この発明の実施の形態３における駆動制御装置が制御モードを切り替える場合のタイミングの図である。
以下、図を参照してこの発明の実施の形態に係る駆動制御装置について詳細を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における駆動制御装置の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、駆動制御装置１００は、直流電源１と、直流電源１に接続され直流電源１から直流電圧が入力され直流の出力電圧を出力するコンバータ２と、コンバータ２に接続され直流電力を交流電力へ変換するインバータ３と、インバータ３に接続されたモータジェネレータ４と、コンバータ２とインバータ３とを制御する制御部５と、を備える。
直流電源１は、例えば、鉛蓄電池やリチウムイオンバッテリによって構成されており、例えば４８Ｖ等の直流電圧をコンバータ２に出力する。
コンバータ２は、直流電源１から出力される直流電力を入力とし、インバータ３へ直流電力を出力している。さらに、コンバータ２は、直流電源１の直流電圧を入力として降圧させる電力変換が可能であり、インバータ３へ出力電圧を出力するように動作する。コンバータ２から出力される出力電圧は、例えば１２Ｖから４８Ｖまでの範囲で変更することが可能であり、電圧変換方法としては、例えばＰＡＭ制御などがある。また、コンバータ２の出力側には、コンバータ２の出力電圧を検知し制御部５に出力電圧検出値として出力する電圧測定部６が設けられている。出力電圧検出値は、コンバータ２が出力する出力電圧と等価である。
なお、図１における直流電源１とコンバータ２とは、直流の出力電圧を出力する１つの直流電圧源１０となっていてもよい。すなわち、直流電圧源１０は、直流電源１と、直流電源１の直流電圧が入力され出力電圧を出力するコンバータ２とを有する。
インバータ３は、内部にスイッチング素子７を有し、直流電圧源１０から出力電圧が入力されスイッチング素子７をスイッチングすることによって駆動電圧をモータジェネレータ４に印加する。インバータ３は、スイッチング素子７がスイッチングされてスイッチング素子７に導通することによって、モータジェネレータ４内の固定子の各相の電機子コイル３０に駆動電流を通電し、モータジェネレータ４の固定子の各相の電機子コイル３０に通電する駆動電流を制御することが可能となっている。
インバータ３とモータジェネレータ４との間には、電流検出器９が設けられている。電流検出器９は、モータジェネレータ４およびスイッチング素子７に流れる駆動電流である電流検出値を検出し、制御部５へ出力する。
制御部５には、コンバータ２の出力側に設けられた電圧測定部６で検知した出力電圧検出値と、電流検出器９が検出した電流検出値と、上位の制御装置８からモータジェネレータ４のトルクの指令値であるトルク指令値とが入力される。制御部５は、モータジェネレータ４のトルク指令値に基づいて出力電圧指令値を演算してコンバータ２に出力し、出力電圧検出値が出力電圧指令値に近づくように制御することによって、直流電圧源１０のコンバータ２の出力電圧を制御する。さらに、制御部５は、モータジェネレータ４のトルク指令値に基づいてスイッチング指令を出力して、後述する第１の制御モードおよび第２の制御モードで駆動電流をスイッチング素子７に通電する制御を行う。また、制御部５は、上位の制御装置８に後述するトルク出力不可の信号を出力する。
モータジェネレータ４は、駆動電圧が印加される電機子コイル３０を有する固定子と、固定子の内周側に対向して回転自在に配置された回転子とを有する。モータジェネレータ４は、回転子に磁束を発生させた状態で、インバータ３によって固定子の電機子コイル３０の線間（２相間）に駆動電圧が印加されて駆動電流が通電されることによってトルクを出力する。モータジェネレータ４は、例えば、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる３相の電機子コイル３０を有する回転電機等である。
次に、本実施の形態における動作を述べる。ここでは、切替え前の制御である第１の制御モードのときの制御をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御とし、切替え後の制御である第２の制御モードのときの制御を矩形波制御とする場合について述べる。
まず、制御部５は、上位の制御装置８からモータジェネレータ４のトルク指令値を受け取る。制御部５は、例えば、ある条件下の温度や回転数等の場合に、切替え前の制御であるＰＷＭ制御時に出力可能なトルクの最大値に相当する予め定められた第１のトルク値（以下、「第１の短時間最大トルク」という）をデータとして保持している。第１の短時間最大トルクは、後述する第１の電流制限値に対応する値である。制御部５は、上位の制御装置８から受け取ったトルク指令値と第１の短時間最大トルクとを比較して、トルク指令値が第１の短時間最大トルクよりも小さい場合には、モータジェネレータ４がトルク指令値に相当するトルクを出力可能と判断する。そして、制御部５は、トルク指令値に応じてインバータ３の動作指令であるスイッチング指令をインバータ３に送り、インバータ３内のスイッチング素子７をスイッチングさせる。
例えば、制御部５は、トルク指令値に相当するトルクを出力するのに必要な駆動電流に相当する電流指令値を演算する。そして、制御部５は、電流検出器９が検出したモータジェネレータ４およびスイッチング素子７に流れる駆動電流である電流検出値と電流指令値との差分に基づいて、ＰＩ制御によりｄｑ軸の電圧指令値を演算する。そして、制御部５は、ｄｑ軸の電圧指令値が３相の電圧指令値に変換された値に基づいて、例えば、搬送波と３相の電圧指令値に基づく変調波との比較によって生成したスイッチング指令をインバータ３に出力する。インバータ３は、スイッチング指令に基づいてスイッチング素子７をスイッチングすることによって、スイッチングパルスによるＰＷＭが行われ、入力された直流の出力電圧を交流の駆動電圧に変換してモータジェネレータ４の電機子コイル３０に印加する。
上位の制御装置８から受け取ったトルク指令値がＰＷＭ制御時に出力可能な第１の短時間最大トルクよりも大きい場合には、制御部５は、第１の制御モードから第２の制御モードに切替えて、スイッチング素子７がスイッチングされる回数を少なくする制御における予め定められた第２のトルク値である第２の短時間最大トルクを参照する。第２の短時間最大トルクは、後述する第２の電流制限値に対応する値である。なお、第２のトルク値である第２の短時間最大トルクは、第１のトルク値である第１の短時間最大トルクよりも大きい。ここでいうスイッチング素子７がスイッチングされる回数を少なくする制御を、本実施の形態においては、例えば電気角半周期（１８０°）内に１個のスイッチング素子７のオンおよびオフを各１回のみ（電気角半周期未満の幅を有するスイッチングパルスのとき）、またはいずれかを１回のみ（電気角半周期と等しい幅を有するスイッチングパルスのとき）スイッチングさせる矩形波制御とする。したがって、電気角半周期におけるスイッチングパルスの数は１つとなる。
すなわち、制御部５は、第２の制御モードのとき、インバータ３の駆動電圧を矩形波状に制御する矩形波制御を行う。また、第２の制御モードの矩形波制御のときのスイッチング素子７がスイッチングされる回数は、第１の制御モードのときのスイッチングされる回数よりも少ない。そして、第２の制御モードの矩形波制御のときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子７をオンする時間は、第１の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子７をオンする時間よりも長い。
制御部５は、スイッチング素子７がスイッチングされる回数を少なくする制御において、第２の短時間最大トルクとトルク指令値との大小関係を判定する。スイッチング素子７がスイッチングされる回数を少なくした際の第２の短時間最大トルクがトルク指令値よりも大きいと判定された場合、制御部５は、コンバータ２へトルク指令値に相当するトルクを出力可能な出力電圧指令値を送り、トルク指令値に相当するトルクを出力可能な出力電圧を出力するようコンバータ２を動作させる。このとき、制御部５は、コンバータ２の出力電圧を直流電源１の出力である直流電圧に対し降下させると同時に、スイッチング素子７がスイッチングされる回数をトルク指令値のトルクを出力可能となる回数まで少なくする。
すなわち、制御部５は、第１の制御モードのときのモータジェネレータ４のトルク指令値が予め定められた第１のトルク値である第１の短時間最大トルクを上回る場合に、第１の制御モードから第２の制御モードに切替えて、モータジェネレータ４の出力トルクが予め定められた第１のトルク値を上回る制御を行う。
スイッチング素子７に通電可能な駆動電流の電流制限値は、スイッチング素子７がスイッチングされる回数に応じて変動する。これは、スイッチング素子７の電流制限値が、主にスイッチング素子７に発生する発熱量の制限値によって決定されるためである。
また、スイッチング素子７に発生する発熱量は、主にスイッチング素子７における導通損およびスイッチング損に分類される。導通損は、スイッチング素子７を通電状態として、駆動電流をスイッチング素子７に通電させた際に発生する損失である。スイッチング損は、スイッチング素子７をスイッチングさせることにより発生する損失である。スイッチング損は、スイッチング素子７が単位時間当たりにスイッチングされる回数であるスイッチングの頻度に応じて変動する。一般的に、スイッチングの頻度が高くなるにつれて、スイッチング素子７におけるスイッチング損は増加する。また、スイッチング素子７に発生する発熱量の制限値は、周囲温度が一定であればおよそ一定となる。従って、周囲温度が変動しない条件下においては、スイッチング素子７に発生する発熱量における導通損およびスイッチング損の配分によって、スイッチング素子７に通電可能な駆動電流の電流制限値が変動する。
切替え前の制御である第１の制御モードにおけるＰＷＭ制御時において、スイッチング素子７に通電する駆動電流が電流制限値と等しい条件でインバータ３を動作させている状態を仮定する。制御部５が、第１の制御モードの状態からコンバータ２の出力電圧を低下させ、第２の制御モードである矩形波制御へ切替える場合を考える。
第２の制御モードの矩形波制御時における駆動電流が、第１の制御モードのＰＷＭ制御時の駆動電流と同じ値であると仮定する。駆動電流が同じであるため、スイッチング素子７に発生する導通損は一定である。一方、第２の制御モードの矩形波制御に切り替えた場合にはスイッチング素子７がスイッチングされる回数が低下するため、第１の制御モード時のスイッチング損に対して第２の制御モード時のスイッチング損は低下する。前述のように、スイッチング素子７から発生する損失には、導通損とスイッチング損が存在する。
従って、第２の制御モードにおけるスイッチング素子７に発生する損失は、第１の制御モードにおけるスイッチング素子７に発生する損失に対して低減される。
しかしながら、第２の制御モードの矩形波制御の際のスイッチング素子７に発生する発熱量の制限値は、第１の制御モードのＰＷＭ制御時の発熱量の制限値と同じであるため、矩形波制御時にはスイッチング損が低下した分だけ更にスイッチング素子７に通電させることが可能である。従って、第１の制御モードから第２の制御モードに制御を切替えて駆動電流が電流制限値となる状態まで矩形波制御を継続する際には、第１の制御モードのＰＷＭ制御時の駆動電流よりも第２の制御モードの駆動電流を増加することが可能となる。
よって、スイッチング素子７の電流制限値は、第１の制御モードにおいては、第１の電流制限値となり、第２の制御モードにおいては、第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値となる。すなわち、制御部５は、モータジェネレータ４のトルク指令値に基づいて第１の電流制限値以下の駆動電流で通電する第１の制御モード、および第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ第１の電流制限値よりも大きい駆動電流で通電する第２の制御モードで駆動電流をスイッチング素子７に通電する制御を行う。
また、コンバータ２の出力電圧を予め定めた値に固定したまま第２の制御モードの矩形波制御へ切替える場合、所定の周期に対するスイッチング素子７に通電される時間の比であるデューティ比が急激に大きくなる。一方、モータジェネレータ４の電機子コイル３０のインピーダンス、およびスイッチング素子７のインピーダンスは一定のため、スイッチング素子７に通電される駆動電流が急増し、駆動電流が電流制限値を超過する可能性がある。従って、第２の制御モードの矩形波制御へ切替えて電流制限値以下でスイッチング素子７に駆動電流を通電させるために、制御部５は、コンバータ２の出力電圧を低下させるようにコンバータ２に出力電圧指令値を出力する必要がある。
すなわち、第２の制御モードの矩形波制御に切り替えた後の駆動電流によるスイッチング素子７に発生する発熱量がスイッチング素子７に発生する発熱量の制限値を超え、かつ第２の制御モードの矩形波制御に切り替えた後のトルク指令値が第２の短時間最大トルクよりも小さい場合には、制御部５は、出力電圧を低下させる出力電圧指令値をコンバータ２に出力し、スイッチング素子７に通電される駆動電流を低減させて、第２の電流制限値以下に駆動電流を抑える。よって、第２の制御モードのときの直流電圧源１０の出力電圧は、第１の制御モードのときの直流電圧源１０の出力電圧よりも小さい。
プロセッサ９０は、記憶部９１に記憶されたプログラムを実行することにより、上述の制御部５の処理を行う。
ここで、記憶部９１は、回転電機４の電気回路定数や制御に必要なパラメータ、上記の処理を記述したプログラムなどが記憶されたメモリにより構成される。プロセッサ９０は、マイコン（マイクロコンピュータ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡなどのハードウェア回路に論理構成されたプロセッサにより構成される。また、複数のプロセッサ９０および複数の記憶部９１が連携して上記機能を実行してもよい。
図２は、本実施の形態における駆動制御装置が制御モードを切り替えるときのフロー図である。図２において、まず、ステップＳ１において、駆動制御装置１００は、上位の制御装置８からモータジェネレータ４のトルク指令値を受け取る。
次に、判定ステップＳ１１において、第１の制御モードのとき、制御部５は、トルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力可能か判定する。
具体的には、制御部５は、トルク指令値が第１の短時間最大トルク以下の場合には、トルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力可能と判定し、トルク指令値が第１の短時間最大トルクよりも大きい場合には、トルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力不可能と判定する。判定結果が第１の制御モードのときにトルク指令値に相当するトルクを出力可能である場合、ステップＳ２において、制御部５は、第１の制御モードのまま制御を切替えずにトルク指令値に相当するトルクを出力させる。
判定結果が第１の制御モードのときにトルク指令値に相当するトルクを出力不可能である場合、ステップＳ３に進み、コンバータ２の出力電圧指令値を低下させて判定を開始する。
すなわち、判定ステップＳ１１において、スイッチング素子７を有し、直流電圧源１０から出力された直流の出力電圧が入力されスイッチング素子７をスイッチングすることにより駆動電圧をモータジェネレータ４に印加して駆動電流を通電するインバータ３によって第１の電流制限値以下の駆動電流をモータジェネレータ４に通電する第１の制御モードのときのモータジェネレータ４のトルク指令値が、予め定められた第１のトルク値である第１の短時間最大トルクを上回るかどうかを判定する。
次に、ステップＳ１２において、低下させた出力電圧指令値の条件下の第２の制御モードの制御における第２の短時間最大トルクを参照し、第２の短時間最大トルクとトルク指令値との大小関係からトルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力可能かを判定する。ステップＳ１２において、トルク指令値が第２の短時間最大トルク以下でありトルク指令値に相当するトルクを出力可能と判定された場合、切替ステップＳ１４において、第１の制御モードから第２の制御モードに制御を切替える。
すなわち、判定ステップＳ１１において第１の制御モードのときのモータジェネレータ４のトルク指令値が予め定められた第１のトルク値である第１の短時間最大トルクを上回ると判断された場合に、切替ステップＳ１４において、第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ第１の電流制限値よりも大きい駆動電流で通電する第２の制御モードに第１の制御モードから切替える。
次に、トルク制御ステップＳ４において、制御部５は、第２の制御モードの制御のとき、出力電圧を低下させる出力電圧指令値をコンバータ２に出力し、トルク指令値に相当するトルクを出力するスイッチング指令をインバータ３に出力して制御を終了させる。
すなわち、トルク制御ステップＳ４において、第２の制御モードにおいてモータジェネレータ４の出力トルクが予め定められた第１のトルク値である第１の短時間最大トルクを上回る制御を行って駆動電流をスイッチング素子７に通電する。
ステップＳ１２において出力不可能と判定された場合、ステップＳ１３において、出力電圧指令値がコンバータ２から出力可能な出力電圧の出力電圧下限値に対し大きいかを判定する。ステップＳ１３において出力電圧指令値が出力電圧下限値よりも大きい場合、ステップＳ３に戻り、出力電圧指令値を更に低下させた条件にて判定する。ステップＳ１３において出力電圧指令値が出力電圧下限値以下である場合、出力電圧指令値を更に低下させることは不可能であるため、トルク指令値に相当するトルクを出力することは不可能である。よって、その場合には、ステップＳ５において、制御部５は、上位の制御装置８にトルク出力不可の旨を伝達し、制御を終了させる。
図３は、本実施の形態における駆動制御装置が制御モードを切り替えるタイミングの図である。図３において、横軸は、時刻を表し、縦軸は、トルク指令値、およびコンバータの出力電圧指令値を表す。図３において、切替え前の制御である第１の制御モードのＰＷＭ制御でインバータ３を駆動させている状態の時刻ｔ１において、上位の制御装置８からトルクを更に増加させるトルク指令値を受取る。時刻ｔ１で、制御部５は、コンバータ２からの出力電圧指令値を低下させるとともに制御を第２の制御モードの矩形波制御へ切替える。
時刻ｔ１からｔ２にかけて、トルク指令値は、単調に増加させるよう制御される。また、出力電圧指令値は、トルク指令値の増加に伴って低下させるよう制御される。また、第２の制御モードの矩形波制御でインバータ３を駆動させるとき、制御部５は、モータジェネレータ４から出力可能なトルクである第２の短時間最大トルクを上限とするトルクの範囲内においてインバータ３を駆動させる。
時刻ｔ２において、コンバータ２の出力電圧は、制御部５から指示された出力電圧指令値となる。また、モータジェネレータ４のトルクは、上位の制御装置８から受け取ったトルク指令値となり制御の切替えが終了する。
時刻ｔ２以降において、制御部５は、上位の制御装置８から受け取ったトルク指令値が変化するまでは、出力電圧指令値を一定に保つ制御を行う。
ここで、本実施の形態における効果を述べる。
前述したように、コンバータ２の出力電圧を降下させた際、スイッチング素子７がスイッチングされる回数によってスイッチング素子７に通電可能な駆動電流の電流制限値が変動する。このとき、例えば、出力電圧を低下させてインバータ３の駆動電圧が矩形波となるようにスイッチング素子７をスイッチングさせても、第２の制御モードの駆動電流が第２の電流制限値以内となり、かつ第１の制御モードのＰＷＭ制御における駆動電流の第１の電流制限値よりも大きな駆動電流を通電させることが可能であれば、制御部５は、コンバータ２の出力電圧を低下させ、スイッチング素子７がスイッチングされる回数を少なくすることによって、モータジェネレータ４内の電機子コイル３０に通電可能な駆動電流を増加させることができる。
図４は、本実施の形態における駆動制御装置の高トルク化の効果を示すグラフである。
図４において、横軸は、第１の制御モードおよび第２の制御モードを表し、縦軸は、第１の制御モードの短時間最大トルクを基準とした場合の短時間最大トルクを表す。図４は、本実施の形態の例として、直流電源１の出力である直流電圧が４８Ｖの条件下において、コンバータ２の出力電圧を第１の制御モードにおいて４８Ｖ、第２の制御モードにおいて１２Ｖとした際に、第１、第２の制御モードにおいてモータジェネレータ４から出力可能な予め定められたトルク値である短時間最大トルクを比較したグラフである。第２の制御モードにおける矩形波制御でモータジェネレータ４の電機子コイル３０に通電可能な駆動電流が増加したことによって、モータジェネレータ４から出力可能な短時間最大トルクが増加することが分かる。
ハイブリッド自動車や、エンジンとベルトとを介して動力を伝達可能なモータジェネレータを搭載した車両などに代表される、モータジェネレータによってエンジンの駆動力を補い車両を推進させる自動車がある。この自動車においては、燃費性能を向上させるため、例えば、車両が停止した状態等においてエンジンを一時停止させ、燃料消費量を抑制する場合がある。このような車両においては、再び車両を発進させるために、モータジェネレータによってエンジンを一時停止の状態から再始動する必要がある。エンジン再始動時には、エンジン内や動力伝達用のベルト等の部位で発生する摩擦に打ち勝つ動力が必要である。このため、モータには高トルク性能が要求される。
前述のように、切替え前の制御である第１の制御モードにおけるモータジェネレータ４の第１の短時間最大トルクが、エンジン再始動時に必要なトルクよりも小さい場合には、当然エンジンは再始動されない。一方で、制御を切替えることによってモータジェネレータ４の第２の短時間最大トルクがエンジン再始動時に必要なトルクよりも大きくなると、モータジェネレータ４が第２の短時間最大トルクを発生するために、制御部５は、第２の制御モードに切替えてコンバータ２の出力電圧を低下させる制御を行う。そして、制御部５がトルク指令値に相当するスイッチング指令をインバータ３に出力することによって、エンジンの再始動が可能となる。従って、制御部５が第１の制御モードから第２の制御モードに切替えることによってモータジェネレータ４のトルクを向上させることができる。
更に大型のエンジンの再始動が可能となる、あるいは、更に小型のモータジェネレータにおいてもエンジンを再始動することが可能となる。よって、エンジンルームの小型化に寄与することができる。
なお、上記ではスイッチング素子７の駆動電流が矩形波通電となるようスイッチングさせた条件を例として記載したが、他の例として、電気角半周期内にて複数個のスイッチングパルスを生成するように通電することも考えられる。この場合においても、出力電圧を変更する前のＰＷＭ制御に対しスイッチング損を低減することができる。従って、出力電圧を低下させてスイッチング回数を少なくした際にも、駆動電流の電流制限値を増加させることが可能となる。この結果、モータジェネレータ４から出力されるトルクが増加する。
なお、第２の制御モードにおいて電気角半周期内にて複数個のスイッチングパルスを生成するように通電する方法としては、例えば、３パルス制御、５パルス制御等、駆動電圧の周波数に同期してスイッチングさせる場合や、切替え前の制御である第１の制御モードのＰＷＭ制御に対してキャリア周波数を低下させて制御する場合がある。すなわち、制御部５は、第２の制御モードのとき、スイッチング素子７が駆動電圧の電気角半周期に同期して駆動電圧の電気角半周期以内で予め定められた回数スイッチングされる同期パルス制御を行う。
なお、本実施の形態では、制御を切替える際に、スイッチング素子７に通電可能な駆動電流の電流制限値に対応する短時間最大トルクに基づいて制御の切替えの可否を判定しているが、制御を切替えた後に、必ずしも駆動電流の電流制限値に対応する短時間最大トルクに基づく必要はない。例えば、インバータ３のスイッチング素子７の抵抗値、モータジェネレータ４の電機子コイル３０の抵抗値、および直流電圧源１０の直流の出力電圧検出値から導出される電流値と、スイッチング素子７に通電可能な駆動電流の電流制限値とを比較する。事前に電流値の方が駆動電流の電流制限値と比べて明らかに低いと分かっている場合には、制御の切替え時の第２の制御モードにおいて駆動電流の第２の電流制限値に対応する第２の短時間最大トルクとの大小関係を判定する必要はない。従って、制御を切替える際に、図２のステップＳ１２において、駆動電流の第２の電流制限値に対応する第２の短時間最大トルクに基づいて、トルク指令値が第２の短時間最大トルク以下であるかを判定しなくてもよい。
また、本実施の形態では、コンバータ２は、直流電源１から出力される直流電圧を降下させる機能を有すると記載したが、コンバータ２は、さらに直流電源１から出力される直流電圧を昇圧させる機能を有しても良い。ただし、モータジェネレータ４から出力されるトルクを増加させる動作は、コンバータ２が直流電源１から直流電圧を降下させた出力電圧をインバータ３に出力した方が好ましい。すなわち、直流電圧源１０のコンバータ２は、直流電圧よりも小さい出力電圧を出力する。
また、本実施の形態では、直流電源１の例として鉛蓄電池やリチウムイオンバッテリと記載したが、必ずしもこの限りではなく、電気二重層コンデンサ等でも良い。さらに、コンバータ２の出力電圧の例として、１２Ｖおよび４８Ｖの２通りの電圧値を記載したが、これらの電圧値に限定されるものではない。
さらに、本実施の形態では、モータジェネレータ４を用いて説明しているが、モータおよびジェネレータの両方の機能を有する必要はない。例えば、モータのみの機能を有するものであっても良い。また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相の回転電機と記載したが、必ずしもこの相数に限られるものではなく、５相、７相や、２重３相などの回転電機にも適用可能である。
また、本実施の形態では、第１の制御モードのＰＷＭ制御時に出力可能な第１の短時間最大トルクよりもトルク指令値が高い場合に制御を切替える方法を記載したが、必ずしもトルク指令値との大小関係を判定する際の基準を、第１の制御モードのＰＷＭ制御時に出力可能な第１の短時間最大トルクとする必要はない。例えば、切替え前の第１の制御モードの制御状態における駆動電流の第１の電流制限値を、連続運転が可能なトルクを出力する際のモータジェネレータ４の電流値に設定して、この電流値を基準にトルク指令値に相当する駆動電流との大小関係を判定し、制御を切替えて駆動してもよい。
また、本実施の形態では、切替え前の制御である第１の制御モードをＰＷＭ制御の場合として説明したが、他の例として、例えば、第１の制御モードにおいて同期９パルス制御とし、第２の制御モードにおいて矩形波制御として、同期９パルス制御時において出力可能な最大トルクを第１の短時間最大トルクとし、トルク指令値との大小関係の判定基準に使用してもよい。同期９パルス制御は、電気角１周期に同期してスイッチングさせる方法である。このため、第１の制御モードにおいては、ＰＷＭ制御のように電気角１周期に対して非同期に駆動させるような方法でなくてもよい。また、制御切替え後の第２の制御モードにおいては、スイッチング素子７をスイッチングさせる回数を、第１の制御モードにおけるスイッチングさせる回数よりも少なくする制御で駆動させる方法であればよい。
また、本実施の形態では、図３の時刻ｔ１からｔ２までの間において矩形波制御にて駆動する例を示したが、時刻ｔ１からｔ２までの間における制御を必ずしも矩形波制御とする必要はない。例えば、第２の制御モードにおける制御は、同期９パルス制御や、切替え前の制御である第１の制御モードに対してキャリア周波数を低下させた制御であっても良い。
また、本実施の形態では、切替え前の制御である第１の制御モードから切替え後の制御である第２の制御モードへ直接切替える場合として説明したが、必ずしも第１の制御モードから第２の制御モードへ直接切替える必要はない。
図５は、本実施の形態の変形例における駆動制御装置が制御モードを切り替える場合のパルス波形の図である。図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃにおいて、横軸は、モータジェネレータ４の回転子の回転角度である電気角［ｄｅｇ］を表し、縦軸は、インバータ３の駆動電圧の最大値を１としたときのインバータ３の駆動電圧を表す。横軸の範囲は、電気角が０［ｄｅｇ］から３６０［ｄｅｇ］の電気角の１周期分である。同じ制御モードにおいては、インバータ３の駆動電圧は、電気角の１周期分を繰り返す波形となっている。図５Ａおよび図５Ｂは、制御部５がＰＷＭ制御を行ったときの駆動電圧の波形であり、図５Ｃは、制御部５が矩形波制御を行ったときの駆動電圧の波形である。例えば、図５Ａに示す第１の制御モードよりも電気角の１周期におけるスイッチング素子７をスイッチングさせる回数が少なく、図５Ｃに示す第２の制御モードよりも電気角の１周期におけるスイッチング素子７をスイッチングさせる回数が多い図５Ｂに示す第３の制御モードを経由して、第１の制御モードから第２の制御モードに切替えた制御であってもよい。なお、電気角の１周期は、予め定められた時間であればよい。この変形例の制御の動作について、以下に説明する。
図６は、本実施の形態の変形例における駆動制御装置が制御モードを切り替える場合のフロー図である。図６において、駆動制御装置１００の制御部５は、切替前の状態において、第１の値のトルク指令値、および第１の電圧値の出力電圧指令値を出力し、第１の制御モードで制御を行っている。
まず、ステップＳ１０１において、駆動制御装置１００は、上位の制御装置８からモータジェネレータ４のトルク指令値を受け取る。受け取るトルク指令値の値は、第２の値となっている。
次に、判定ステップＳ１１１において、切替前の第１の制御モードのとき、制御部５は、第２の値のトルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力可能か判定する。
具体的には、制御部５は、第２の値のトルク指令値が第１の短時間最大トルク以下の場合には、第２の値のトルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力可能と判定し、第２の値のトルク指令値が第１の短時間最大トルクよりも大きい場合には、第２の値のトルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力不可能と判定する。
判定結果が第１の制御モードのときに第２の値のトルク指令値に相当するトルクを出力可能である場合、ステップＳ１０２において、制御部５は、第１の制御モードのまま制御を切替えずに第２の値のトルク指令値に相当するトルクを出力させる。
判定結果が第１の制御モードのときに第２の値のトルク指令値に相当するトルクを出力不可能である場合、ステップＳ１０３に進み、コンバータ２の出力電圧指令値を第１の電圧値から第２の電圧値に低下させて判定を開始する。
すなわち、判定ステップＳ１１１において、スイッチング素子７を有し、直流電圧源１０から出力された直流の出力電圧が入力されスイッチング素子７をスイッチングすることにより駆動電圧をモータジェネレータ４に印加して駆動電流を通電するインバータ３によって、第１の電流制限値以下の駆動電流をモータジェネレータ４に通電する第１の制御モードのときのモータジェネレータ４のトルク指令値が、予め定められた第１のトルク値である第１の短時間最大トルクを上回るかどうかを判定する。
次に、ステップＳ１１２において、第２の電圧値に低下させた出力電圧指令値の条件下の第２の制御モードの制御における第２の短時間最大トルクを参照し、第２の短時間最大トルクと第２の値のトルク指令値との大小関係から第２の値のトルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力可能かを判定する。ステップＳ１１２において、第２の値のトルク指令値が第２の短時間最大トルク以下であり第２の値のトルク指令値に相当するトルクを出力可能と判定された場合、第１切替ステップＳ１０４において、第１の制御モードから第３の制御モードに制御を切替える。
すなわち、判定ステップＳ１１１において第１の制御モードのときのモータジェネレータ４のトルク指令値が予め定められた第１のトルク値の第１の短時間最大トルクを上回ると判断された場合に、第１切替ステップＳ１０４において、第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ第１の電流制限値よりも大きい第３の電流値となる駆動電流で通電する第３の制御モードに第１の制御モードから切替える。また、第３の電流値は、第１の制御モードのときの第１の電流値よりも大きい。
そして、第１切替ステップＳ１０４において、制御部５は、第３の制御モードの制御のとき、出力電圧を第２の電圧値よりも大きく第１の電圧値よりも小さい第３の電圧値に低下させる出力電圧指令値をコンバータ２に出力し、第１の値よりも大きく第２の値よりも小さい第３の値のトルク指令値に相当するトルクを出力するスイッチング指令をインバータ３に出力する。
次に、第２切替ステップＳ１０５において、第３の制御モードから第２の制御モードに制御を切替える。
すなわち、第２切替ステップＳ１０５において、第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ第１の電流制限値よりも大きい第２の電流値となる駆動電流で通電する第２の制御モードに第３の制御モードから切替える。また、第２の電流値は、第３の電流値よりも大きい。
次に、第２切替ステップＳ１０５において、制御部５は、第２の制御モードの制御のとき、出力電圧を第２の電圧値に低下させる出力電圧指令値をコンバータ２に出力し、第２の値のトルク指令値に相当するトルクを出力するスイッチング指令をインバータ３に出力して制御を終了させる。
すなわち、第２切替ステップＳ１０５において、第２の制御モードにおいてモータジェネレータ４の出力トルクが予め定められた第１のトルク値の第１の短時間最大トルクを上回る制御を行って駆動電流をスイッチング素子７に通電する。
ステップＳ１１２において第２の値のトルク指令値を出力不可能と判定された場合、ステップＳ１１３において、第２の電圧値の出力電圧指令値がコンバータ２から出力可能な出力電圧の出力電圧下限値に対し大きいかを判定する。ステップＳ１１３において第２の電圧値の出力電圧指令値が出力電圧下限値よりも大きい場合、ステップＳ１０３に戻り、出力電圧指令値を更に低下させた第２の電圧値の条件にて判定する。ステップＳ１１３において第２の電圧値の出力電圧指令値が出力電圧下限値以下である場合、出力電圧指令値を第２の電圧値から更に低下させることは不可能であるため、第２の値のトルク指令値に相当するトルクを出力することは不可能である。よって、その場合には、ステップＳ１０６において、制御部５は、上位の制御装置８にトルク出力不可の旨を伝達し、制御を終了させる。
図７は、本実施の形態の変形例における駆動制御装置が制御モードを切り替える場合のタイミングの図である。図７において、横軸は、時刻を表し、縦軸は、トルク指令値、およびコンバータの出力電圧指令値を表す。図７において、切替え前の制御である第１の制御モードのＰＷＭ制御でインバータ３を駆動させている状態の時刻ｔ１において、上位の制御装置８からトルクを第１の値から第２の値まで増加させるトルク指令値を受取る。時刻ｔ１で、制御部５は、コンバータ２からの出力電圧指令値を第１の電圧値から第３の電圧値まで低下させるとともに制御を第３の制御モードのＰＷＭ制御へ切替える。
時刻ｔ１からｔ２にかけて、トルク指令値は、第１の値から第３の値まで単調に増加させるよう制御される。また、出力電圧指令値は、トルク指令値の増加に伴って第１の電圧値から第３の電圧値まで低下させるよう制御される。
時刻ｔ２において、コンバータ２の出力電圧は、制御部５から指示された第３の電圧値の出力電圧指令値となる。また、モータジェネレータ４のトルクは、第３の値のトルク指令値となる。
時刻ｔ２からｔ３にかけて、制御部５は、第３の電圧値の出力電圧指令値を一定に保つ制御を行う。
時刻ｔ３からｔ４にかけて、トルク指令値は、第３の値から第２の値まで単調に増加させるよう制御される。また、出力電圧指令値は、トルク指令値の増加に伴って第３の電圧値から第２の電圧値まで低下させるよう制御される。また、第２の制御モードの矩形波制御でインバータ３を駆動させるとき、制御部５は、モータジェネレータ４から出力可能なトルクである第２の短時間最大トルクを上限とするトルクの範囲内においてインバータ３を駆動させる。
時刻ｔ４において、コンバータ２の出力電圧は、制御部５から指示された第２の電圧値の出力電圧指令値となる。また、モータジェネレータ４のトルクは、上位の制御装置８から受け取った第２の値のトルク指令値となり制御の切替えが終了する。
時刻ｔ４以降は、制御部５は、上位の制御装置８から受け取った第２の値のトルク指令値が変化するまでは、第２の電圧値の出力電圧指令値を一定に保つ制御を行う。
なお、本実施の形態では、図７の時刻ｔ１からｔ２までの間においてＰＷＭ制御にて駆動する例を示したが、時刻ｔ１からｔ２までの間における制御を必ずしもＰＷＭ制御とする必要はない。例えば、第３の制御モードにおける制御は、過変調のＰＷＭ制御や、同期９パルス制御や、切替え前の制御である第１の制御モードに対してキャリア周波数を低下させた制御であっても良く、第２の制御モードの制御の電気角の１周期におけるスイッチング素子７をスイッチングさせる回数が、第３の制御モードの制御の電気角の１周期におけるスイッチング素子７をスイッチングさせる回数よりも小さければよい。
また、制御部５は、第１の制御モードから第２の制御モードに切替える際に、第３の制御モード、・・・、第ｎの制御モード（ｎは４以上の自然数）を順に介して切り替える制御を行ってもよい。
この場合、第ｎの制御モードの制御の電気角の１周期におけるスイッチング素子７をスイッチングさせる回数は、第２の制御モードの制御の電気角の１周期におけるスイッチング素子７をスイッチングさせる回数よりも大きく、第（ｎ−１）の制御モードの制御の電気角の１周期におけるスイッチング素子７をスイッチングさせる回数よりも小さい。また、第ｎの制御モードにおける第ｎの値のトルク指令値は、第（ｎ−１）の制御モードにおける第（ｎ−１）の値のトルク指令値よりも大きく、第２の制御モードにおける第２の値のトルク指令値よりも小さい。また、第ｎの制御モードにおける出力電圧指令値は、第２の制御モードにおける第２の電圧値の出力電圧指令値よりも大きく、第（ｎ−１）の制御モードにおける第（ｎ−１）の電圧値の出力電圧指令値よりも小さい。
実施の形態２．
本実施の形態では、モータジェネレータ４が界磁巻線を有するクローポール型回転電機の場合について記す。
図８は、本実施の形態における駆動制御装置におけるモータジェネレータの固定子の外観を示す斜視図である。図９は、本実施の形態における駆動制御装置におけるモータジェネレータの回転子の外観を示す斜視図である。図１０は、本実施の形態における駆動制御装置におけるモータジェネレータの回転子の分解斜視図である。
図８において、クローポール型回転機の固定子３１は、インバータ３によって駆動電圧が印加される電機子コイル３０と、円環状のコアバック３３、およびコアバック３３の内周から突出し周方向に等間隔で並ぶティース３４を具備する固定子鉄心３２とを有する。
電機子コイル３０は、周方向に隣り合うティース３４の間に形成されたスロット３５に装着されている。
図９および図１０において、クローポール型回転機の回転子１５は、界磁電流が流されて磁束を発生させる界磁コイル１１と、界磁コイル１１を覆うように設けられ磁性材料からなり磁束によって磁極が形成される第１爪状界磁鉄心１２および第２爪状界磁鉄心１３と、シャフト１４とを備えている。第１および第２爪状界磁鉄心１２、１３は、シャフト１４の外周に支持されている。すなわち、回転電機は、第１および第２爪状界磁鉄心１２、１３、および第１および第２爪状界磁鉄心１２、１３に装着された界磁コイル１１である界磁巻線を有する。
第１爪状界磁鉄心１２は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴１６が軸心位置を貫通して形成された第１ボス部１７と、第１ボス部１７の軸方向一端縁部から径方向外側に突出する厚肉リング状の第１継鉄部１８と、それぞれ、第１継鉄部１８の外周部から軸方向他端側に延び出て、周方向に等角ピッチで配列された８つの第１爪部１９と、を有している。第１爪部１９は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成されている。さらに、第１谷部２０が、第１継鉄部１８の隣り合う第１爪部１９間に位置する部位のそれぞれに、径方向内方に窪み、かつ軸方向に貫通するように形成されている。
第２爪状界磁鉄心１３は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴２１が軸心位置を貫通して形成された第２ボス部２２と、第２ボス部２２の軸方向他端縁部から径方向外側に突出する厚肉リング状の第２継鉄部２３と、それぞれ、第２継鉄部２３の外周部から軸方向一端側に延び出て、周方向に等角ピッチで配列された８つの第２爪部２４と、を有している。第２爪部２４は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成されている。さらに、第２谷部２５が、第２継鉄部２３の隣り合う第２爪部２４間に位置する部位のそれぞれに、径方向内方に窪み、かつ軸方向に貫通するように形成されている。
このように構成された第１および第２爪状界磁鉄心１２、１３は、図９に示されるように、第１および第２爪部１９、２４を交互に噛み合わせ、かつ、第１ボス部１７の他端面と第２ボス部２２の一端面とを突き合わせ、シャフト挿通穴１６、２１に圧入されたシャフト１４に固着されて、回転子鉄心を構成する。このように構成された回転子鉄心は、外周面が略円筒面に形成され、第１および第２爪部１９、２４間のそれぞれの周方向間隔が等しくなるように、第１および第２爪状界磁鉄心１２、１３の周方向位置が調節されている。そして、界磁コイル１１が、第１および第２ボス部１７、２２、第１および第２継鉄部１８、２３および第１および第２爪部１９、２４に囲まれた空間内に配設されている。
回転子１５は、固定子３１のティース３４の内周に空隙を介して対向して配置され、図示しない軸受でシャフト１４が回転自在に支持されている。
また、界磁コイル１１に、ブラシ（図示せず）を介してインバータ３内の界磁モジュール（図示せず）から界磁電流が供給可能となっている。すなわち、インバータ３は、界磁コイル１１である界磁巻線に界磁電流を供給する界磁モジュールをさらに有している。界磁モジュールに通電可能な界磁電流には、界磁モジュールの電流制限値である第３の電流制限値（第２の制御モードの駆動電流の第２の電流制限値に相当）に応じた上限が定められている。なお、界磁モジュールを常時通電させた際に第３の電流制限値を超過する場合には、制御部５が、界磁モジュールをスイッチングさせるか、界磁モジュール内のレギュレータによって通電される界磁電流を絞ることによって、通電時の界磁電流を第３の電流制限値以下に収めることができる。
次に、本実施の形態の動作について記す。コンバータ２の出力電圧を低下させる動作、およびモータジェネレータ４の電機子コイル３０への通電については、実施の形態１に記載のとおりである。モータジェネレータ４の界磁コイル１１には、インバータ３内の界磁モジュールを動作させて通電する。このとき、モータのトルク指令値により、界磁モジュールが第３の電流制限値に相当する界磁電流を界磁コイル１１に通電するように動作指令された際、制御部５は、出力電圧検出値とブラシ部の電圧降下と界磁コイル１１の抵抗値とから、界磁モジュールが常時通電した際の界磁電流が第３の電流制限値以下になるかを判定する。界磁モジュールが常時通電した際の界磁電流が第３の電流制限値以下になると判定された場合、制御部５は、界磁電流を常時通電した際の電流値における最大トルクをトルク指令値として補正し、界磁モジュールが界磁電流を常時通電するようにインバータ３に制御指令を送る。インバータ３内の界磁モジュールは、制御部５の指令を受けて、界磁電流を界磁コイル１１に常時通電させる。すなわち、界磁モジュールは、第２の制御モードにおいて、第２の電流制限値に応じた界磁電流を界磁コイル１１である界磁巻線に供給する。
これらの構成によって、モータジェネレータ４内の界磁コイル１１に界磁電流を供給し、界磁コイル１１に通電された界磁電流によって、第１および第２爪状界磁鉄心１２、１３に磁極が生成される。磁極の生成および電機子コイル３０への通電により、モータジェネレータ４にトルクが発生する。
ここで、本実施の形態の効果について記す。制御部５が界磁モジュールを常時通電するように指令を出力すると、クローポール型回転機の回転子１５は、界磁モジュールから出力される界磁電流によって励磁され磁極を形成する。一般的に、界磁電流が大きくなるにつれ、クローポール型回転機の回転子１５の磁束が増加するため、クローポール型回転機の回転子１５に発生する磁束は、出力電圧の条件下における最大値となる。そして、電機子コイル３０には、実施の形態１に記載のとおり、スイッチング素子をスイッチングされる回数を少なくした際に流れる第２の電流制限値を通電することが可能となる。従って、界磁モジュールが通電する界磁電流の値は、出力電圧の条件下においてクローポール型回転電機を使用する際に通電可能な界磁電流の最大値となる。ゆえに、モータジェネレータ４がクローポール型回転電機である場合において、最大トルクを増加することが可能となり、実施の形態１に記載のように、より大型のエンジンの再始動に対応する、あるいはモータジェネレータ４の小型化が可能となる。
実施の形態３．
実施の形態３では、第２の制御モードから第１の制御モードへ切替える場合について述べる。なお、構成については実施の形態１にて記したとおりである。
本実施の形態の動作について述べる。
図１１は、本実施の形態における駆動制御装置が制御モードを切り替えるときのフロー図である。図１１において、制御部５は、切替前において、第２の値のトルク指令値、および第２の電圧値の出力電圧指令値を出力し、第２の制御モードで制御を行っている。
まず、ステップＳ２０１において、駆動制御装置１００は、上位の制御装置８からモータジェネレータ４のトルク指令値を受け取る。受け取るトルク指令値の値は、第１の値となっている。ここで、第１の値は、第２の値より小さい。
次に、判定ステップＳ２１１において、切替前の第２の制御モードのとき、制御部５は、第１の値のトルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力可能か判定する。
具体的には、制御部５は、第１の値のトルク指令値が第１の短時間最大トルク以上の場合には、第２の制御モードにおいて第１の値のトルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力可能と判定し、第１の値のトルク指令値が第１の短時間最大トルクよりも小さい場合には、第２の制御モードにおいて第１の値のトルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力不可能と判定する。
判定結果が第２の制御モードのときに第１の値のトルク指令値に相当するトルクを出力可能である場合、ステップＳ２０２において、制御部５は、第２の制御モードのまま制御を切替えずに第１の値のトルク指令値に相当するトルクを出力させる。
判定結果が第２の制御モードのときに第１の値のトルク指令値に相当するトルクを出力不可能である場合、ステップＳ２０３に進み、コンバータ２の出力電圧指令値を第２の電圧値から第１の電圧値に増加させて判定を開始する。
すなわち、判定ステップＳ２１１において、スイッチング素子７を有し、直流電圧源１０から出力された直流の出力電圧が入力されスイッチング素子７をスイッチングすることにより駆動電圧をモータジェネレータ４に印加して駆動電流を通電するインバータ３によって、第２の電流制限値以下の駆動電流をモータジェネレータ４に通電する第２の制御モードのときのモータジェネレータ４のトルク指令値が、予め定められた第１のトルク値である第１の短時間最大トルクを下回るかを判定する。
次に、ステップＳ２１２において、第１の電圧値に増加させた出力電圧指令値の条件下の第１の制御モードの制御における第１の短時間最大トルクを参照し、第１の短時間最大トルクと第１の値のトルク指令値との大小関係から第１の値のトルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ４が出力可能かを判定する。ステップＳ２１２において、第１の値のトルク指令値が第１の短時間最大トルク以下であり第１の値のトルク指令値に相当するトルクを出力可能と判定された場合、切替ステップＳ２１４において、第２の制御モードから第１の制御モードに制御を切替える。
すなわち、判定ステップＳ２１１において第２の制御モードのときのモータジェネレータ４のトルク指令値が予め定められた第１のトルク値の第１の短時間最大トルクを下回ると判断された場合に、切替ステップＳ２１４において、第１の電流制限値よりも小さい駆動電流で通電する第１の制御モードに第２の制御モードから切替える。
そして、ステップＳ２０４において、制御部５は、第１の制御モードの制御のとき、出力電圧を第２の電圧値よりも大きい第１の電圧値に増加させる出力電圧指令値をコンバータ２に出力し、第２の値よりも小さい第１の値のトルク指令値に相当するトルクを出力するスイッチング指令をインバータ３に出力して制御を終了させる。
ステップＳ２１２において第１の値のトルク指令値を出力不可能と判定された場合、ステップＳ２１３において、第１の電圧値の出力電圧指令値がコンバータ２から出力可能な出力電圧の出力電圧上限値に対し大きいかを判定する。ステップＳ２１３において第１の電圧値である出力電圧指令値が出力電圧上限値よりも小さい場合、ステップＳ２０３に戻り、出力電圧指令値を更に増加させた第１の電圧値の条件にて判定する。ステップＳ２１３において第１の電圧値である出力電圧指令値が出力電圧上限値以上である場合、出力電圧指令値を第１の電圧値から更に増加させることは不可能であるため、第１の値のトルク指令値に相当するトルクを出力することは不可能である。よって、その場合には、ステップＳ２０５において、制御部５は、上位の制御装置８にトルク出力不可の旨を伝達し、制御を終了させる。
図１２は、本実施の形態における駆動制御装置が制御モードを切り替える場合のタイミングの図である。図１２において、横軸は、時刻を表し、縦軸は、トルク指令値、およびコンバータの出力電圧指令値を表す。図１２において、切替え前の制御である第２の制御モードの矩形波制御でインバータ３を駆動させている状態の時刻ｔ１において、上位の制御装置８からトルクを第２の値から第１の値まで低下させるトルク指令値を受取る。時刻ｔ１で、制御部５は、コンバータ２からの出力電圧指令値を第２の電圧値から第１の電圧値に増加させるとともに、制御を第１の制御モードのＰＷＭ制御へ切替える。
時刻ｔ１からｔ２にかけて、トルク指令値は、第２の値から第１の値まで単調に減少させるよう制御される。また、出力電圧指令値は、トルク指令値の減少に伴って第２の電圧値から第１の電圧値まで増加させるよう制御される。
時刻ｔ２において、コンバータ２の出力電圧は、制御部５から指示された第１の電圧値の出力電圧指令値となる。また、モータジェネレータ４のトルクは、第１の値のトルク指令値となる。
時刻ｔ２以降は、制御部５は、第１の電圧値の出力電圧指令値を一定に保つ制御を行う。
第１の制御モードについては、実施の形態１にて説明したように例えばＰＷＭ制御などが挙げられる。ＰＷＭ制御などは通電角度を任意に変更することが出来るため、適切な通電角にて通電させることにより、モータジェネレータ４を高効率に駆動する、あるいは電磁加振力を小さく駆動する、などといった駆動が可能となる。従って第１の制御モードにてモータジェネレータ４を駆動させる場合に、予め第２の制御モードから切替えることにより、高効率、低騒音駆動が可能となる。
なお、本実施の形態では第２の制御モードから第１の制御モードへ変更する場合について記載したが、必ずしも第２の制御モードから第１の制御モードへ直接変更する必要は無く、例えば、図５Ｂに示すような、第１の制御モードよりもスイッチング素子７をスイッチングさせる回数が少なく、第２の制御モードよりもスイッチング素子７をスイッチングさせる回数の多い第３の制御モードを介して変更しても良い。
また、制御部５は、第２の制御モードから第１の制御モードに切替える際に、第ｎの制御モード、・・・、第３の制御モード（ｎは４以上の自然数）を順に介して切り替える制御を行ってもよい。
なお、実施の形態１から３では、コンバータ２は、第１の制御モードから第２の制御モードに切り替える場合に、直流電源１から出力される直流電圧を降下させ、第２の制御モードから第１の制御モードに切り替える場合に、直流電源１から出力される直流電圧を増加させるとしたが、切替後の制御モードにおいてトルク指令値を出力可能であれば、直流電圧（出力電圧）の増減は、必ずしもこれらに限られない。
１ 直流電源、 ２ コンバータ、 ３ インバータ、 ４ モータジェネレータ、 ５ 制御部、 ６ 電圧測定部、 ７ スイッチング素子、 ８ 上位の制御装置、 ９ 電流検出器、 １０ 直流電圧源、 １１ 界磁コイル、 １２ 第１爪状界磁鉄心、 １３ 第２爪状界磁鉄心、 １４ シャフト、 １５ クローポール型回転機の回転子、１６、２１ シャフト挿通穴、 １７ 第１ボス部、 １８ 第１継鉄部、 １９ 第１爪部、 ２０ 第１谷部、 ２２ 第２ボス部、 ２３ 第２継鉄部、 ２４ 第２爪部、 ２５ 第２谷部、 ３０ 電機子コイル、 ３１ 固定子、 ３２ 固定子鉄心、 ３３ コアバック、 ３４ ティース、 ３５ スロット、 ９０ プロセッサ、 ９１ 記憶部、 １００ 駆動制御装置。
この発明に係る駆動制御装置は、
直流の出力電圧を出力する直流電圧源と、
スイッチング素子を有し、直流電圧源から出力電圧が入力されスイッチング素子をスイッチングすることによって駆動電圧を回転電機に印加して駆動電流を通電するインバータと、
直流電圧源の出力電圧を制御し、かつ回転電機のトルク指令値に基づいて第１の電流制限値以下の駆動電流で通電する第１の制御モード、および第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ第１の電流制限値よりも大きい駆動電流で通電する第２の制御モードで駆動電流をスイッチング素子に通電する制御を行う制御部とを備え、
制御部は、第１の制御モードのときの回転電機のトルク指令値が予め定められたトルク値を上回る場合に、第１の制御モードから第２の制御モードに切替えて、回転電機の出力トルクが予め定められたトルク値を上回る制御を行い、
第２の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間は、第１の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間よりも長く、
第２の制御モードのときのスイッチング素子がスイッチングされる回数は、第１の制御モードのときのスイッチングされる回数よりも少なく、
第１の電流制限値および第２の電流制限値は、スイッチング素子がスイッチングされることにより発生する損失であるスイッチング損に応じて決定される値である。
また、この発明に係る駆動制御方法は、
スイッチング素子を有し、直流電圧源から出力された直流の出力電圧が入力されスイッチング素子をスイッチングすることにより駆動電圧を回転電機に印加して駆動電流を通電するインバータによって第１の電流制限値以下の駆動電流を回転電機に通電する第１の制御モードのときの回転電機のトルク指令値が、予め定められたトルク値を上回るかどうかを判定する判定ステップと、
判定ステップにおいて第１の制御モードのときの回転電機のトルク指令値が予め定められたトルク値を上回ると判断された場合に、第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ第１の電流制限値よりも大きい駆動電流で通電する第２の制御モードに第１の制御モードから切替える切替ステップと、
第２の制御モードにおいて回転電機の出力トルクが予め定められたトルク値を上回る制御を行って駆動電流をスイッチング素子に通電するトルク制御ステップとをプロセッサが実行する駆動制御方法であって、
第２の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間は、第１の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間よりも長く、
第２の制御モードのときのスイッチング素子がスイッチングされる回数は、第１の制御モードのときのスイッチングされる回数よりも少なく、
第１の電流制限値および第２の電流制限値は、スイッチング素子がスイッチングされることにより発生する損失であるスイッチング損に応じて決定される値であり、第２の電流制限値におけるスイッチング損は、第１の電流制限値におけるスイッチング損よりも小さく、
第２の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧は、第１の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧よりも小さいものである。
この発明に係る駆動制御装置は、
直流の出力電圧を出力する直流電圧源と、
スイッチング素子を有し、直流電圧源から出力電圧が入力されスイッチング素子をスイッチングすることによって駆動電圧を回転電機に印加して駆動電流を通電するインバータと、
直流電圧源の出力電圧を制御し、かつ回転電機のトルク指令値に基づいて第１の電流制限値以下の駆動電流で通電する第１の制御モード、および第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ第１の電流制限値よりも大きい駆動電流で通電する第２の制御モードで駆動電流をスイッチング素子に通電する制御を行う制御部とを備え、
制御部は、第１の制御モードのときの回転電機のトルク指令値が予め定められたトルク値を上回る場合に、第１の制御モードから第２の制御モードに切替えて、回転電機の出力トルクが予め定められたトルク値を上回る制御を行い、
第２の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間は、第１の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間よりも長く、
第２の制御モードのときのスイッチング素子がスイッチングされる回数は、第１の制御モードのときのスイッチングされる回数よりも少なく、
第１の電流制限値および第２の電流制限値は、スイッチング素子がスイッチングされることにより発生する損失であるスイッチング損に応じて決定される値であり、
第２の電流制限値におけるスイッチング損は、第１の電流制限値におけるスイッチング損よりも小さく、
第１の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧で第２の制御モードに切替えた後の駆動電流によるスイッチング素子に発生する発熱量がスイッチング素子に発生する発熱量の制限値を超え、かつ第２の制御モードに切替えた後のトルク指令値が、予め定められたトルク値である第１のトルク値よりも大きく第２の電流制限値に対応する値である第２のトルク値よりも小さい場合には、制御部は、第２の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧を、第１の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧よりも小さくし、第２の制御モードのときの駆動電流を第２の電流制限値以下に抑える制御を行うものである。
また、この発明に係る駆動制御方法は、
スイッチング素子を有し、直流電圧源から出力された直流の出力電圧が入力されスイッチング素子をスイッチングすることにより駆動電圧を回転電機に印加して駆動電流を通電するインバータによって第１の電流制限値以下の駆動電流を回転電機に通電する第１の制御モードのときの回転電機のトルク指令値が、予め定められたトルク値を上回るかどうかを判定する判定ステップと、
判定ステップにおいて第１の制御モードのときの回転電機のトルク指令値が予め定められたトルク値を上回ると判断された場合に、第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ第１の電流制限値よりも大きい駆動電流で通電する第２の制御モードに第１の制御モードから切替える切替ステップと、
第２の制御モードにおいて回転電機の出力トルクが予め定められたトルク値を上回る制御を行って駆動電流をスイッチング素子に通電するトルク制御ステップとをプロセッサが実行する駆動制御方法であって、
第２の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間は、第１の制御モードのときの、予め定められた時間内におけるスイッチング素子をオンする時間よりも長く、
第２の制御モードのときのスイッチング素子がスイッチングされる回数は、第１の制御モードのときのスイッチングされる回数よりも少なく、
第１の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧で第２の制御モードに切替えた後の駆動電流によるスイッチング素子に発生する発熱量がスイッチング素子に発生する発熱量の制限値を超え、かつ第２の制御モードに切替えた後のトルク指令値が、予め定められたトルク値である第１のトルク値よりも大きく第２の電流制限値に対応する値である第２のトルク値よりも小さい場合には、第２の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧を、第１の制御モードのときの直流電圧源の出力電圧よりも小さくし、第２の制御モードのときの駆動電流を第２の電流制限値以下に抑えるものである。

Claims (11)

  1. 直流の出力電圧を出力する直流電圧源と、
    スイッチング素子を有し、前記直流電圧源から前記出力電圧が入力され前記スイッチング素子をスイッチングすることによって駆動電圧を回転電機に印加して駆動電流を通電するインバータと、
    前記直流電圧源の前記出力電圧を制御し、かつ前記回転電機のトルク指令値に基づいて第１の電流制限値以下の駆動電流で通電する第１の制御モード、および前記第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ前記第１の電流制限値よりも大きい駆動電流で通電する第２の制御モードで駆動電流を前記スイッチング素子に通電する制御を行う制御部とを備え、
    前記制御部は、第１の制御モードのときの回転電機の前記トルク指令値が予め定められたトルク値を上回る場合に、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに切替えて、前記回転電機の出力トルクが前記予め定められたトルク値を上回る制御を行い、
    前記第２の制御モードのときの、予め定められた時間内における前記スイッチング素子をオンする時間は、前記第１の制御モードのときの、前記予め定められた時間内における前記スイッチング素子をオンする時間よりも長く、
    前記第２の制御モードのときの前記スイッチング素子がスイッチングされる回数は、前記第１の制御モードのときのスイッチングされる回数よりも少ない駆動制御装置。
  2. 前記制御部は、第２の制御モードのときの前記回転電機の前記トルク指令値が予め定められたトルク値を下回る場合に、前記第２の制御モードから前記第１の制御モードに切替えて、前記回転電機の出力トルクが前記予め定められたトルク値を下回る制御を行う請求項１に記載の駆動制御装置。
  3. 前記第２の制御モードのときの前記直流電圧源の出力電圧は、前記第１の制御モードのときの前記直流電圧源の出力電圧よりも小さい請求項１または請求項２に記載の駆動制御装置。
  4. 前記直流電圧源は、直流電圧が入力され前記出力電圧を出力するコンバータを有する請求項３に記載の駆動制御装置。
  5. 前記直流電圧源は、前記直流電圧よりも小さい前記出力電圧を出力する請求項４に記載の駆動制御装置。
  6. 前記制御部は、前記第２の制御モードのとき、前記スイッチング素子が前記駆動電圧の電気角半周期に同期して前記駆動電圧の電気角半周期以内で予め定められた回数スイッチングされる同期パルス制御を行う請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の駆動制御装置。
  7. 前記制御部は、前記第２の制御モードのとき、前記駆動電圧を矩形波状に制御する矩形波制御を行う請求項６に記載の駆動制御装置。
  8. 前記予め定められたトルク値は、前記第１の制御モードのときの前記回転電機の前記出力トルクの最大値である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の駆動制御装置。
  9. 前記駆動電圧が印加される電機子コイルを有する固定子と、爪状界磁鉄心、および前記爪状界磁鉄心に装着された界磁巻線を有し前記固定子の内周に対向して回転自在に配置された回転子とを具備する前記回転電機とをさらに備え、
    前記インバータは、前記界磁巻線に界磁電流を供給する界磁モジュールをさらに有し、 前記界磁モジュールは、前記第２の制御モードにおいて、前記第２の電流制限値に応じた前記界磁電流を前記界磁巻線に供給する請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の駆動制御装置。
  10. 前記制御部は、前記第２の制御モードへ切替える際に、前記第１の制御モードのときの予め定められた時間内における前記スイッチング素子がスイッチングされる回数よりも少なく、前記第２の制御モードのときの前記予め定められた時間内における前記スイッチング素子がスイッチングされる回数よりも多い、第３の制御モードにて駆動する請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の駆動制御装置。
  11. スイッチング素子を有し、直流電圧源から出力された直流の出力電圧が入力され前記スイッチング素子をスイッチングすることにより駆動電圧を回転電機に印加して駆動電流を通電するインバータによって第１の電流制限値以下の駆動電流を前記回転電機に通電する第１の制御モードのときの前記回転電機のトルク指令値が、予め定められたトルク値を上回るかどうかを判定する判定ステップと、
    前記判定ステップにおいて前記第１の制御モードのときの回転電機の前記トルク指令値が前記予め定められたトルク値を上回ると判断された場合に、前記第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値以下かつ前記第１の電流制限値よりも大きい駆動電流で通電する第２の制御モードに前記第１の制御モードから切替える切替ステップと、
    前記第２の制御モードにおいて前記回転電機の出力トルクが前記予め定められたトルク値を上回る制御を行って駆動電流を前記スイッチング素子に通電するトルク制御ステップとをプロセッサが実行する駆動制御方法であって、
    前記第２の制御モードのときの、予め定められた時間内における前記スイッチング素子をオンする時間は、前記第１の制御モードのときの、前記予め定められた時間内における前記スイッチング素子をオンする時間よりも長く、
    前記第２の制御モードのときの前記スイッチング素子がスイッチングされる回数は、前記第１の制御モードのときのスイッチングされる回数よりも少なく、
    前記第２の制御モードのときの前記直流電圧源の出力電圧は、前記第１の制御モードのときの前記直流電圧源の出力電圧よりも小さい駆動制御方法。
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