JP3559903B2

JP3559903B2 - Control device for rotating electric machine

Info

Publication number: JP3559903B2
Application number: JP2001209125A
Authority: JP
Inventors: 裕介皆川; 有満　　稔
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: JP2003033086A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は回転電機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の回転電機（同期モータ）の回転を単一のインバータで独立に制御するため、それぞれのロータの回転位相に応じた制御電流を複合して得られる複合電流をインバータから総ての回転電機ヘ供給するようにした回転電機の制御装置として例えば特願２０００−３１５７３５号の技術が既に提案されている。
【０００３】
この従来技術は、複数の回転電機として車両の駆動軸と連結される第１の回転電機（電動機）とエンジンの回転軸に連結される第２の回転電機（発電機）とを有し、第１、第２の回転電機それぞれの運転点（回転角速度と目標トルク）に基づいて前記複合電流を設定し、複合電流の電流平均値を最小にするものである。
【０００４】
ここで、第１の回転電機の運転点は車速と車両の駆動軸に要求されるトルクに基づいて設定され、第２の回転電機の運転点は前記第１の回転電機の消費電力に見合った目標出力（発電電力）をエンジンの燃費が最良となる状態で実現するよう設定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来装置では、第２の回転電機の目標出力を得ることのできる運転点をエンジンの燃費を最良とする点に設定しているため、複合電流の電流平均値をさらに低減して複合電流が流れる部分の銅損や電流制御装置を構成するスイッチング素子でのスイッチング損を一段と低減し、これにより回転電機の制御装置の効率を向上し得る余地が残されていた。
【０００６】
そこで本発明は、複数の回転電機のうちの一つの回転電機の目標出力を設定し、この目標出力が同一の条件で複合電流の電流平均値が最小となるよう前記一つの回転電機の運転点を決定し、この運転点での回転角速度とトルクに基づいて各回転電機の制御電流を決定することにより、回転電機の制御装置の効率をさらに向上することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ロータの回転位相に応じた制御電流を供給することで回転を制御することが可能な複数の回転電機に対し、各回転電機の制御電流を複合して得られる複合電流を単一の電流制御装置（例えばインバータ）により供給するようにした回転電機の制御装置において、前記複数の回転電機のうちの一つの回転電機の目標出力を設定する手段と、前記目標出力が同一の条件で前記複合電流の電流平均値が最小となるよう前記一つの回転電機の運転点を決定する手段と、前記運転点での回転角速度とトルクに基づいて各回転電機の制御電流を決定する手段とを備える。
【０００８】
第２の発明では、第１の発明において前記目標出力が同一の条件で最良の燃費が得られる運転点を決定する手段を備え、この最良の燃費が得られる運転点と前記複合電流の電流平均値が最小となる運転点との間に実際の運転点を設ける。
【０００９】
第３の発明では、第１または第２の発明において前記複数の回転電機が前記一つの回転電機（例えば発電機）と他の回転電機（例えば電動機）からなり、前記一つの回転電機がエンジンの出力軸に連結され、前記他の回転電機が車両の駆動軸に連結される場合に、前記目標出力がアクセル開度と車両の速度に応じた駆動トルクＴｏと前記他の回転電機の回転角速度ωｍの積に基づいて設定される。
【００１０】
第４の発明では、第３の発明においてエンジンの発生するトルクが目標出力を得るために前記他の回転電機に要求されるトルクを下回らない領域でのみ前記複合電流の電流平均値が最小となる運転点を決定する。
【００１１】
【発明の効果】
複数の交流電流を複合すると、複合電流の電流平均値がもとの交流電流の電流平均値の和よりも低下し、その低下幅は複合する交流電流の電流ピークの大きさの比に依存することが分かっているので（特願２０００−２３８０７８号参照）、第１、第３の発明により目標出力が同一の条件で複合電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を設定すれば、目標出力が同一でも電流制御装置において複合電流が流れる部分の銅損や、電流制御装置を構成するスイッチング素子でのスイッチング損を最小にすることができ、回転電機の制御装置の効率を向上させることができる。
【００１２】
第２の発明によれば電流制御装置を流れる複合電流の電流平均値は最小とならないけれどもその分燃費を良くすることができ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００１３】
エンジンの発生するトルクが発電機に要求されるトルクを下回る領域では発電機の発電電力要求値を達成することができないのであるが、エンジンの発生するトルクが発電機に要求されるトルクを下回らない領域でのみ複合電流の電流平均値が最小となる運転点を決定するようにした第４の発明によればこうした問題が生じることがない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１、図２（図２は図１の一部詳細図）において、１は永久磁石埋め込み式（ＩＰＭ）の４極対ロータとステータからなり三相交流により駆動される回転電機で、減速機２、差動機（デファレンシャルギア）３を介して駆動輪４に連結され、主に電動機として動作する。５も永久磁石埋め込み式（ＩＰＭ）の３極対ロータとステータからなる回転電機でありこちらはエンジン６に連結される。こちらの回転電機５は電動機としても動作するが、主には発電機として動作しこのとき四相交流を発生する。説明の便宜上以下では回転電機１を電動機、回転電機５を発電機ということがある。
【００１５】
回転電機１、５をそれぞれ流れる三相交流と四相交流を複合した電流を２つの回転電機１、５のステータコイル（１２個のコイル）に供給するためモータコントローラ７を備える。モータコントローラ７では次の制御を行う。すなわちモータコントローラ７では周知のベクトル制御によって回転電機毎にｄ軸電流とｑ軸電流の指令値を決定する。一方、電流センサ２３、２４、２５、２６の検出信号を電流分離して得られる実電流と回転電機毎の回転角を検出するセンサ２１、２２の信号とから実際のｄ軸電流とｑ軸電流とを算出し、この実ｄ軸電流と実ｑ軸電流を指令値に一致させるための補正値を演算し、この補正値に対して座標変換を行うことで回転電機毎の交流の電圧指令値を生成する。これら回転電機毎の電圧指令値を複合して複合電圧指令値を生成し、この複合電圧指令値とキャリア信号とからＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をインバータ８（電流制御装置）に送る。
【００１６】
なお、上記の実電流の検出について若干説明しておくと、電流センサは最小限の数である４個とし、この４つの電流センサのみで総ての実電流の検出を可能としている。すなわち三相交流の電流成分をＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、四相交流の電流成分をＩａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄとおくとインバータ８出口での１２個の複合電流Ｉ１〜Ｉ１２は次のように表される。ただし（２）、（３）、（６）、（７）、（１０）、（１１）式においては電気角で１８０°離れた位置で電流の向きが逆でないと回転できないので、Ｉｃ＝−Ｉａ、Ｉｄ＝−Ｉｂとなることを利用している。
【００１７】
Ｉ１＝Ｉｕ＋Ｉｂ …（１）
Ｉ２＝Ｉｖ−Ｉａ …（２）
Ｉ３＝Ｉｗ−Ｉｂ …（３）
Ｉ４＝Ｉｕ＋Ｉａ …（４）
Ｉ５＝Ｉｖ＋Ｉｂ …（５）
Ｉ６＝Ｉｗ−Ｉａ …（６）
Ｉ７＝Ｉｕ−Ｉｂ …（７）
Ｉ８＝Ｉｖ＋Ｉａ …（８）
Ｉ９＝Ｉｗ＋Ｉｂ …（９）
Ｉ１０＝Ｉｕ−Ｉａ…（１０）
Ｉ１１＝Ｉｖ−Ｉｂ…（１１）
Ｉ１２＝Ｉｗ＋Ｉａ…（１２）
ここで、これらの式のうち、（１）式＋（７）式、（２）式＋（８）式、（１）式−（７）式、（２）式−（８）式を計算することにより電流成分Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｂ、Ｉａを次式により求めることができる。
【００１８】
Ｉｕ＝（Ｉ１＋Ｉ７）／２ …（１３）
Ｉｖ＝（Ｉ２＋Ｉ８）／２ …（１４）
Ｉｂ＝（Ｉ１−Ｉ７）／２＝−Ｉｄ…（１５）
Ｉａ＝（Ｉ２−Ｉ８）／２＝−Ｉｃ…（１６）
残りはＩｗであるがこれは次式により求めればよい。
【００１９】
Ｉｗ＝−（Ｉｕ＋Ｉｖ） …（１７）
このようにして１２個の複合電流のうちの４つ（Ｉ１、Ｉ７、Ｉ２、Ｉ８）だけを検出すれば（１３）式〜（１７）式により電流分離を行うことができ実電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ）が求められることがわかる。
【００２０】
なお、上記の電流ベクトル制御によって回転電機毎に求められた電流ベクトルの大きさが後述する回転電機毎の制御電流の電流ピークの大きさを表す。
【００２１】
一方、エンジンコントローラでは１１ではエンジンの回転速度とトルクが目標回転速度Ｎｅ＊と目標エンジントルクＴｅ＊に一致するよう吸入空気量や燃料噴射量、点火時期を制御する。
【００２２】
回転電機毎の上記ｄ軸電流とｑ軸電流の指令値を演算するため総合コントローラ１２を備える。総合コントローラ１２では車速センサ２７の出力信号から得た車速ＶＳＰとアクセル開度センサ２８の出力信号から得たアクセル開度ＡＰＳとに基づき電動機１の回転角速度ωｍおよび目標トルクＴｍ＊、発電機５の目標回転角速度ωｇ＊および目標トルクＴｇ＊並びにエンジンの目標回転速度Ｎｅ＊および目標トルクＴｅ＊を決定する。
【００２３】
総合コントローラ１２で行われるこの制御を図３のブロック図に基づいてさらに説明する。
【００２４】
演算部３１では車速ＶＳＰとアクセル開度ＡＰＳから所定のマップを検索することにより駆動輪取り付け軸の目標トルクＴｏを算出する。除算器３２ではこの目標トルクＴｏを減速機２と差動機３の総減速比ｇｒで割って電動機１の目標トルクＴｍ＊を算出する。
【００２５】
演算部３３ではωｍ＝ＶＳＰ×ｇｒ／Ｒｔｉｒｅ／３．６（ただしＲｔｉｒｅは駆動輪の半径）の式により電動機１の回転角速度ωｍを演算し、これと上記の目標トルクＴｏとを乗算器３４において乗算した値を電動機１の駆動出力Ｐｏとして算出する。除算器３５ではこのＰｏの値をモータ・インバータ効率ηで割った値を目標出力Ｐｏ＊とする。これはモータ・インバータ効率低下分を補償するためのものである。
【００２６】
電流最小化運転点演算部３６ではこの目標出力Ｐｏ＊で発電機５を運転したときインバータ８を流れる複合電流の電流平均値が最小となる点を電流最小化運転点として決定し、その運転点での回転角速度とトルクを発電機の目標回転角速度ωｇ＊と目標トルクＴｇ＊として設定する。
【００２７】
電流最小化運転点の設定を図４で概説すると、同図においてＰｏ＊が一定の線（等出力線）は図示のように右下がりの曲線となり、同じ曲線上であればどの点においても目標出力Ｐｏ＊が得られるのであるが、発電機の回転角速度（トルク）が異なればインバータ８を流れる複合電流の電流平均値が異なり、これが大きいと複合電流のピーク値がインバータ８の許容範囲を越えてしまうことが考えられる。そこで同じ曲線上でもインバータ８を流れる複合電流の電流平均値が最小となる運転点である電流最小化運転点を探す。この場合に発電機５の回転角速度が採りうる最小値をωｇＭＩＮ、最大値をωｇＭＡＸとしこれらの間に所定値（例えば１００ｒｐｍ相当）刻みでプロット点を設け、最小値ωｇＭＩＮから最大値ωｇＭＡＸまでのプロット点毎に評価関数Ｊ（後述する）を計算し、その評価関数Ｊが最小となったプロット点を電流最小化運転点としてサンプリングする。例えば図示のＡ点で評価関数Ｊが最小になればＡ点を電流最小化運転点として決定する。そして、Ａ点の回転角速度およびトルクを発電機５の目標回転角速度ωｇ＊および目標トルクＴｇ＊として設定する。
【００２８】
電流最小化運転決定部３６で行われる電流最小化運転点の決定および発電機５に対する目標値（目標回転角速度ωｇ＊および目標トルクＴｇ＊）の設定を図５のフローチャートにより詳述する。
【００２９】
図５においてステップ１では目標出力Ｐｏ＊から図６に示されるスロットル全開での出力特性を参照することによりスロットル全開で目標出力Ｐｏ＊が得られるときの発電機５の回転角速度ωｗｏｐを演算し、これを回転角速度ωｎ（変数）に入れる。
【００３０】
ステップ２ではこのωｎに回転角速度の刻み分Δωを加算した値を改めて回転角速度ωｎとし、ステップ３において目標出力Ｐｏ＊をこの回転角速度ωｎで割ってトルクＴｎ（変数）を算出する。
【００３１】
ステップ４では発電機５についてのこれら回転角速度ωｎおよびトルクＴｎと電動機１の回転角速度ωｍおよび目標トルクＴｍ＊に基づき、次の（１８）式〜（２５）式のすべてを満足する電動機のｄ軸電流およびｑ軸電流並びに発電機のｄ軸電流およびｑ軸電流を決定しこれらから（２６）式の評価関数Ｊを算出しその算出した値をＪｎ（変数）に移す。これによってＪｎには発電機の回転角速度をωｎ、トルクをＴｎとしたのときの評価関数が入る。
【００３２】

ただし、Ｖｄｍ：電動機のｄ軸電圧、
Ｖｑｍ：電動機のｑ軸電圧、
Ｖｄｇ：発電機のｄ軸電圧、
Ｖｑｇ：発電機のｑ軸電圧、
Ｉｄｍ：電動機のｄ軸電流、
Ｉｑｍ：電動機のｑ軸電流、
Ｉｄｇ：発電機のｄ軸電流、
Ｉｑｇ：発電機のｑ軸電流、
Ｔｍ：電動機のトルク（＝Ｔｍ＊）、
Ｔｇ：発電機のトルク（＝Ｔｇ＊）、
ωｍ：電動機の回転角速度、
ωｇ：発電機の回転角速度（＝ωｇ＊）、
Ｒｍ：電動機の抵抗値、
Ｒｇ：発電機の抵抗値、
Ｌｄｍ：電動機のｄ軸インダクタンス、
Ｌｑｍ：電動機のｑ軸インダクタンス、
Ｌｄｇ：発電機のｄ軸インダクタンス、
Ｌｑｇ：発電機のｑ軸インダクタンス、
φｍｍ：電動機の磁石磁束、
φｍｇ：発電機の磁石磁束、
ｐｍ：電動機の極対数、
ｐｇ：発電機の極対数、
Ｖｄｃ：ＤＣ電圧（バッテリ電圧）、
Ｉｏ：電流ベクトル和、
Ｊ：評価関数（複合電流の電流平均値Ｉａｃと一対一に対応）、
ｋ：複合化による電流平均値低減効果を考慮するための係数、
ここで、上記（２６）式の評価関数Ｊは次のようにして導いたものである。
【００３３】
Ｉ＝Ｉｐ×ｓｉｎ（ωｔ） …（２８）
ただし、Ｉｐ：電流ピーク値、
ω ：角速度、
ｔ：時間、
の式で表される三相交流の制御電流Ｉ（三相交流の制御電流は回転電機毎に位相の異なる３つの式で表されるのであるが、ここでは一相のみの制御電流で代表させている）の電流平均値Ｉａｖｅは、
Ｉａｖｅ＝２×Ｉｐ／π …（２９）
となる。ｄ・ｑ軸平面上では電流ベクトルの長さが電流ピーク値の大きさを表すので、（２９）式は、
Ｉａｖｅ＝２×｛Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２｝^１／２／π …（３０）
となる。よって、制御電流Ｉの電流平均値Ｉａｖｅを最小とするには、この式の右辺のＩｄ^２＋Ｉｑ^２を最小化すれば良い。
【００３４】
ただし、１の回転電機の制御電流Ｉｍと他の回転電機の制御電流Ｉｇとを複合した場合、複合電流Ｉｃｏｍ（＝Ｉｍ＋Ｉｇ）の電流平均値Ｉｃｏｍａｖｅは複合前の各電流Ｉｍ、Ｉｇの電流平均値の和Ｉａｖｅｍ＋Ｉａｖｅｇよりも小さくなることが分かっており、その低下率は複合前の各電流Ｉｍ、Ｉｇの電流ピーク値の大きさの比Ｉｐｍ／Ｉｐｇに応じて定まる（比が１に近くなるほど低下率が大きくなる）。すなわち、
ｋ＝Ｉｃｏｍａｖｅ／（Ｉａｖｅｍ＋Ｉａｖｅｇ） …（３１）
なる係数ｋを定義すると、この係数ｋは、

で表すことができ、この係数ｋを使って複合電流Ｉｃｏｍの電流平均値Ｉｃｏｍａｖｅは、

と表すことができる。この式の右辺より定数部分を除いた変数を評価関数Ｊとすれば上記の（２６）式が得られる。
【００３５】
次に図５のステップ５ではこのＪｎの値とメモリＪｋ（初期値は最大値）の値を比較する。Ｊｎ＜Ｊｋであればステップ６に進みωｎの値をメモリωｋに移す。
【００３６】
ステップ７ではωｎと最大値ωｇＭＡＸを比較する。ωｎ＜ωｇＭＡＸであればステップ２に戻りステップ２〜７の処理を繰り返す。この繰り返しによりメモリωｋには評価関数Ｊが最小となるときの回転角速度がサンプリングされる。
【００３７】
ステップ２〜７の処理を繰り返すうちωｎ≧ωｇＭＡＸとなったときは総てのプロット点での評価関数Ｊの演算を終了するので、ステップ７よりステップ８に進み、目標出力Ｐｏ＊をこのときのωｋで割った値を発電機５の目標トルクＴｇ＊として設定する。これは、上記の目標出力Ｐｏ＊を発電機５に対する発電電力要求値としたものである。またωｋの値を目標回転角速度ωｇ＊に移す。
【００３８】
ステップ９はエンジンの目標トルクＴｅ＊と目標回転速度Ｎｅ＊を設定する部分である。すなわちＴｇ＊の値をエンジンの目標トルクＴｅ＊に移し、またＮｅ＊＝ωｇ＊×（６０／２π）の式により目標回転速度Ｎｅ＊［ｒｐｍ］を算出する。なお、発電機５で発電を行う場合に損失が生じるためその損失分だけエンジン出力を増加させる必要があるが、ここでは発電損失分を無視している。
【００３９】
ステップ１０、１１ではこのようにして求めた発電機５の目標回転角速度ωｇ＊および目標トルクＴｇ＊を図３のｄ・ｑ軸電流指令値演算部３７に、またエンジンの目標トルクＴｅ＊および目標回転速度Ｎｅ＊をエンジンコントローラ１１（図１参照）に出力する。
【００４０】
図３のｄ・ｑ軸電流指令値演算部３７では発電機５の目標回転角速度ωｇ＊および目標トルクＴｇ＊並びに電動機１の回転角速度ωｍおよび目標トルクＴｍ＊から上記の（１８）〜（２５）式を用いて電動機１のｄ軸電流Ｉｄｍおよびｑ軸電流Ｉｑｍならびに発電機５のｄ軸電流Ｉｄｇおよびｑ軸電流Ｉｑｇを決定し、決定した４つの値を改めてｄ、ｑ軸電流の指令値Ｉｄｍ＊、Ｉｑｍ＊、Ｉｄｇ＊、Ｉｑｇ＊とおく。
【００４１】
ここで本実施形態の作用を説明する。
【００４２】
複数の交流電流を複合すると、複合電流の電流平均値がもとの交流電流の電流平均値の和よりも低下し、その低下幅は複合する交流電流の電流ピークの大きさの比に依存することが分かっているので（特願２０００−２３８０７８号参照）、本実施形態により目標出力が同一の条件でインバータ８を流れる複合電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機１、５の制御電流を設定することで、目標出力が同一でもインバータ８内で複合電流が流れる部分の銅損や、インバータ８を構成するスイッチング素子でのスイッチング損を最小にすることができ、回転電機の制御装置の効率を向上させることができる。
【００４３】
ところで、本発明の関連発明として目標出力Ｐｏ＊（あるいは駆動出力Ｐｏ）が同一でも最良の燃費が得られる運転点を最良燃費運転点として決定し、この最良燃費運転点でインバータ８を流れる複合電流の電流平均値が最小となるよう各回転電機の制御電流を決定するようにしたものを先に提案している（特願２０００−３１５７３５号参照）。このもの（先願装置）を図４に重ねてみると、図示の破線が最良燃費線となるため先願装置では最良燃費運転点はＰｏ＊一定の線と最良燃費線との交点であるＢとなる。したがってＡとＢの間のＰｏ＊一定の線上に実際の運転点を設ける（他の実施態様）ことも可能である。この場合インバータ８を流れる複合電流の電流平均値は最小とならないけれどもその分燃費を良くすることができ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００４４】
また、電流最小化運転点と最良燃費運転点とを運転領域毎に切換えるようにすることも可能である。例えばインバータ８を流れる複合電流が大きくなるのは高負荷域であるので、高負荷域では電流最小化運転点を選択し、それ以外での領域では最良燃費運転点を選択させるようにする。
【００４５】
実施形態では発電機５の総ての回転角速度範囲で電流最小化運転点を決定する場合で説明したが、実際には図７に示したように発電機５の回転角速度（＝エンジンの回転角速度）が所定値ω１より小さくなる領域ではエンジンの発生し得るトルクＴｅ（最大エンジントルク）が発電機５のトルクＴｇを下回り、この領域では発電機５の発電電力要求値を達成することができない。そこで最大エンジントルクＴｅが発電機５のトルクＴｇを下回る領域では電流最小化運転点を決定する制御を中止することが望ましい。
【００４６】
実施形態では評価関数が上記（２６）式の場合で説明したが、これに限らず次のような評価関数Ｊでもかまわない。なお、ＡＶＥ、ＰＥＡＫの記号はそれぞれその記号より右に位置するかっこ内の値の平均値、最大値を演算することを意味する。
【００４７】
Ｊ＝ＡＶＥ｛（Ｉｄｍ^２＋Ｉｑｍ^２）^１／２＋（Ｉｄｇ^２＋Ｉｑｇ^２）^１／２｝…（３４）
Ｊ＝ＰＥＡＫ｛（Ｉｄｍ^２＋Ｉｑｍ^２）^１／２＋（Ｉｄｇ^２＋Ｉｑｇ^２）^１／２｝…（３５）
実施形態では回転角速度が最小値ωｇＭＩＮであるとき評価関数Ｊを算出しなかったが、回転角速度が最小値ωｇＭＩＮであるときにも評価関数Ｊを算出させるようにすることもできる。
【００４８】
実施形態では２つの回転電機１、５が１つのステータを共用しない場合で説明したが、２つの回転電機１、２の各ロータが同軸に収まり１つのステータを共用する場合にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】制御システム図。
【図２】２つの回転電機が１つのステータを共用しない場合の各ステータコイルとインバータとの接続方法を示す結線図。
【図３】モータコントローラの制御ブロック図。
【図４】電流最小化運転点の決定方法を説明するための特性図。
【図５】電流最小化運転点の決定および発電機に対する目標値の設定を説明するためのフローチャート。
【図６】スロットル全開での出力特性図。
【図７】エンジントルクと発電機のトルクを重ねて示す特性図。
１回転電機（電動機）
５回転電機（発電機）
７モータコントローラ
８インバータ
１２総合コントローラ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a rotating electric machine.
[0002]
[Prior art]
In order to independently control the rotation of a plurality of rotating electric machines (synchronous motors) with a single inverter, a combined current obtained by combining control currents corresponding to the rotation phases of the respective rotors is transmitted from the inverter to all rotating electric machines. For example, a technique disclosed in Japanese Patent Application No. 2000-315735 has already been proposed as a controller for a rotating electric machine to be supplied.
[0003]
This prior art includes, as a plurality of rotating electric machines, a first rotating electric machine (electric motor) connected to a drive shaft of a vehicle and a second rotating electric machine (generator) connected to a rotating shaft of an engine. The composite current is set based on the operating points (rotational angular velocity and target torque) of the first and second rotating electric machines, and the average current value of the composite current is minimized.
[0004]
Here, the operating point of the first rotating electric machine is set based on the vehicle speed and the torque required for the drive shaft of the vehicle, and the operating point of the second rotating electric machine is matched with the power consumption of the first rotating electric machine. The target output (generated power) is set to be realized in a state where the fuel efficiency of the engine is the best.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-mentioned conventional device, the operating point at which the target output of the second rotating electric machine can be obtained is set to a point at which the fuel efficiency of the engine is the best. There has been room for further reducing the copper loss in the portion where the current flows and the switching loss in the switching element constituting the current control device, thereby improving the efficiency of the control device of the rotating electric machine.
[0006]
Therefore, the present invention sets a target output of one of the rotating electric machines out of a plurality of rotating electric machines, and operates the operating point of the one rotating electric machine so that the current average value of the composite current is minimized under the same condition. Is determined, and the control current of each rotating electrical machine is determined based on the rotational angular velocity and the torque at the operating point, thereby further improving the efficiency of the control device for the rotating electrical machine.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, for a plurality of rotating electric machines capable of controlling rotation by supplying a control current corresponding to a rotation phase of a rotor, a composite current obtained by combining the control current of each rotating electric machine is provided. In a control device for a rotating electric machine configured to be supplied by a single current control device (for example, an inverter), a means for setting a target output of one of the plurality of rotating electric machines is the same as the target output. Means for determining an operating point of the one rotating electric machine such that a current average value of the composite current is minimized under a condition; and means for determining a control current of each rotating electric machine based on a rotational angular velocity and a torque at the operating point. And
[0008]
According to a second aspect, in the first aspect, there is provided means for determining an operating point at which the best fuel efficiency is obtained under the same conditions as the target output, wherein the operating point at which the best fuel efficiency is obtained and a current average of the composite current are provided. The actual operating point is set between the operating point at which the value becomes minimum.
[0009]
According to a third aspect, in the first or second aspect, the plurality of rotating electrical machines include the one rotating electrical machine (for example, a generator) and another rotating electrical machine (for example, an electric motor), and the one rotating electrical machine is an engine. When the other rotary electric machine is connected to a drive shaft of a vehicle, the target output is a drive torque To corresponding to an accelerator opening and a speed of the vehicle, and a rotational angular velocity ωm of the other rotary electric machine. Is set based on the product of
[0010]
According to a fourth aspect, in the third aspect, the current average value of the composite current is minimized only in a region where the torque generated by the engine does not fall below the torque required for the other rotating electric machine to obtain the target output. Determine the operating point.
[0011]
【The invention's effect】
When a plurality of AC currents are combined, the current average value of the combined current is lower than the sum of the current average values of the original AC currents, and the width of the decrease depends on the ratio of the magnitude of the current peak of the combined AC currents. Therefore, according to the first and third inventions, the control current of each rotating electric machine is set so that the current average value of the composite current is minimized under the same target output according to the first and third inventions. Then, even if the target output is the same, it is possible to minimize the copper loss in the portion where the composite current flows in the current control device and the switching loss in the switching elements constituting the current control device, thereby reducing the efficiency of the control device of the rotating electric machine. Can be improved.
[0012]
According to the second aspect, although the current average value of the composite current flowing through the current control device is not minimized, the fuel efficiency can be improved by that amount, and the efficiency of the entire system can be improved.
[0013]
In the region where the torque generated by the engine is less than the torque required of the generator, the required power value of the generator cannot be achieved, but the torque generated by the engine does not fall below the torque required of the generator. According to the fourth aspect in which the operating point at which the current average value of the composite current is minimized only in the region is determined, such a problem does not occur.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In FIGS. 1 and 2 (FIG. 2 is a partially detailed view of FIG. 1), reference numeral 1 denotes a rotating electric machine including a permanent magnet embedded (IPM) four-pole pair rotor and a stator and driven by three-phase alternating current. 2. It is connected to the driving wheels 4 via a differential gear (differential gear) 3, and mainly operates as an electric motor. Reference numeral 5 also denotes a rotating electric machine including a permanent magnet embedded type (IPM) three-pole pair rotor and a stator, which is connected to the engine 6. Although this rotating electric machine 5 also operates as a motor, it mainly operates as a generator and generates a four-phase alternating current at this time. For convenience of explanation, the rotating electric machine 1 may be referred to as an electric motor and the rotating electric machine 5 may be referred to as a generator hereinafter.
[0015]
The motor controller 7 is provided for supplying a combined current of three-phase AC and four-phase AC flowing through the rotating

electric machines

1 and 5 to the stator coils (12 coils) of the two rotating

electric machines

1 and 5. The motor controller 7 performs the following control. That is, the motor controller 7 determines the command values of the d-axis current and the q-axis current for each rotating electric machine by well-known vector control. On the other hand, the actual d-axis current and the q-axis current are obtained from the actual current obtained by separating the detection signals of the

current sensors

23, 24, 25, and 26 from the current and the signals of the

sensors

21 and 22 for detecting the rotation angle of each rotating electric machine. Is calculated, a correction value for making the actual d-axis current and the real q-axis current coincide with the command value is calculated, and coordinate conversion is performed on the correction value to obtain an AC voltage command value for each rotating electric machine. Generate These voltage command values for each rotating electric machine are combined to generate a composite voltage command value, a PWM signal is generated from the composite voltage command value and the carrier signal, and the PWM signal is sent to the inverter 8 (current control device).
[0016]
It should be noted that the detection of the actual current is briefly described. The number of current sensors is four, which is the minimum number, and all of the actual currents can be detected only by these four current sensors. That is, if the current components of the three-phase alternating current are Iu, Iv, Iw and the current components of the four-phase alternating current are Ia, Ib, Ic, and Id, the twelve composite currents I1 to I12 at the outlet of the inverter 8 are expressed as follows. Is done. However, in formulas (2), (3), (6), (7), (10), and (11), the current cannot be rotated unless the direction of the current is opposite at a position separated by an electrical angle of 180 °, so that Ic = − The fact that Ia, Id = -Ib is used.
[0017]
I1 = Iu + Ib (1)
I2 = Iv-Ia (2)
I3 = Iw-Ib (3)
I4 = Iu + Ia (4)
I5 = Iv + Ib (5)
I6 = Iw-Ia (6)
I7 = Iu-Ib (7)
I8 = Iv + Ia (8)
I9 = Iw + Ib (9)
I10 = Iu-Ia (10)
I11 = Iv−Ib (11)
I12 = Iw + Ia (12)
Here, among these expressions, the expressions (1) + (7), (2) + (8), (1)-(7), and (2)-(8) are calculated. Thus, the current components Iu, Iv, Ib, Ia can be obtained by the following equations.
[0018]
Iu = (I1 + I7) / 2 (13)
Iv = (I2 + I8) / 2 (14)
Ib = (I1-I7) / 2 = -Id (15)
Ia = (I2-I8) / 2 = -Ic (16)
The remainder is Iw, which can be obtained by the following equation.
[0019]
Iw = − (Iu + Iv) (17)
If only four (I1, I7, I2, I8) of the twelve composite currents are detected in this way, current separation can be performed by the equations (13) to (17), and the actual currents (Iu, It can be seen that Iv, Iw, Ia, Ib, Ic, Id) are required.
[0020]
Note that the magnitude of the current vector obtained for each rotating electric machine by the above-described current vector control represents the magnitude of a current peak of a control current for each rotating electric machine described later.
[0021]
On the other hand, the engine controller 11 controls the intake air amount, the fuel injection amount, and the ignition timing so that the rotation speed and torque of the engine match the target rotation speed Ne * and the target engine torque Te *.
[0022]
A general controller 12 is provided for calculating the command values of the d-axis current and the q-axis current for each rotating electric machine. The integrated controller 12 uses the vehicle speed VSP obtained from the output signal of the vehicle speed sensor 27 and the accelerator opening APS obtained from the output signal of the accelerator opening sensor 28 to obtain the rotational angular velocity ωm and the target torque Tm * of the electric motor 1, The target rotational angular speed ωg * and the target torque Tg * and the target rotational speed Ne * and the target torque Te * of the engine are determined.
[0023]
This control performed by the integrated controller 12 will be further described based on the block diagram of FIG.
[0024]
The calculation unit 31 calculates a target torque To of the drive wheel mounting shaft by searching a predetermined map from the vehicle speed VSP and the accelerator opening APS. The divider 32 divides the target torque To by the total reduction ratio gr of the speed reducer 2 and the differential 3 to calculate a target torque Tm * of the electric motor 1.
[0025]
The calculation unit 33 calculates the rotational angular velocity ωm of the electric motor 1 by the formula of ωm = VSP × gr / Rtire / 3.6 (where Rtire is the radius of the drive wheel), and the multiplier 34 multiplies this by the above target torque To. The multiplied value is calculated as the drive output Po of the electric motor 1. In the divider 35, a value obtained by dividing the value of Po by the motor / inverter efficiency η is set as a target output Po *. This is to compensate for the decrease in motor / inverter efficiency.
[0026]
When the generator 5 is operated with the target output Po *, the current minimizing operating point calculation unit 36 determines the point at which the average value of the composite current flowing through the inverter 8 becomes minimum as the current minimizing operating point, and determines the operating point. Are set as the target rotational angular speed ωg * and the target torque Tg * of the generator.
[0027]
FIG. 4 outlines the setting of the current minimizing operation point. In FIG. 4, a line with a constant Po * (equal output line) becomes a downward-sloping curve as shown in FIG. Although the output Po * is obtained, if the rotational angular speed (torque) of the generator is different, the current average value of the composite current flowing through the inverter 8 is different, and if this is large, the peak value of the composite current exceeds the allowable range of the inverter 8. Can be considered. Therefore, even on the same curve, a current minimizing operating point which is an operating point at which the current average value of the composite current flowing through the inverter 8 is minimized is searched. In this case, the minimum value that can be taken by the rotational angular velocity of the generator 5 is ωgMIN, the maximum value is ωgMAX, and plot points are provided at predetermined intervals (for example, corresponding to 100 rpm) between these values. An evaluation function J (described later) is calculated for each point, and a plot point at which the evaluation function J is minimized is sampled as a current minimization operating point. For example, if the evaluation function J becomes the minimum at the point A shown in the figure, the point A is determined as the current minimizing operation point. Then, the rotational angular velocity and the torque at the point A are set as the target rotational angular velocity ωg * and the target torque Tg * of the generator 5.
[0028]
The determination of the current minimization operation point and the setting of the target values (the target rotational angular speed ωg * and the target torque Tg *) for the generator 5 performed by the current minimization operation determination unit 36 will be described in detail with reference to the flowchart of FIG.
[0029]
In FIG. 5, in step 1, the rotational angular velocity ω wop of the generator 5 when the target output Po * is obtained when the throttle is fully opened is calculated by referring to the output characteristics when the throttle is fully open shown in FIG. 6 from the target output Po *, This is included in the rotational angular velocity ωn (variable).
[0030]
In step 2, the value obtained by adding the increment of the rotational angular velocity Δω to ωn is set as the rotational angular velocity ωn, and in step 3, the target output Po * is divided by the rotational angular velocity ωn to calculate the torque Tn (variable).
[0031]
In step 4, based on the rotational angular velocity ωn and torque Tn of the generator 5, the rotational angular velocity ωm of the electric motor 1, and the target torque Tm *, the d-axis of the electric motor that satisfies all of the following equations (18) to (25) The current and the q-axis current, the d-axis current and the q-axis current of the generator are determined, the evaluation function J of the equation (26) is calculated from these, and the calculated value is transferred to Jn (variable). Accordingly, Jn contains an evaluation function when the rotational angular velocity of the generator is ωn and the torque is Tn.
[0032]

Where Vdm: d-axis voltage of the motor,
Vqm: q-axis voltage of the motor,
Vdg: d-axis voltage of the generator,
Vqg: q-axis voltage of the generator,
Idm: d-axis current of the motor,
Iqm: q-axis current of the motor,
Idg: d-axis current of the generator,
Iqg: q-axis current of the generator,
Tm: motor torque (= Tm *),
Tg: generator torque (= Tg *),
ωm: rotational speed of the motor,
ωg: rotational speed of the generator (= ωg *),
Rm: resistance value of the motor,
Rg: resistance value of the generator,
Ldm: d-axis inductance of the motor,
Lqm: q-axis inductance of the motor,
Ldg: d-axis inductance of the generator,
Lqg: q-axis inductance of the generator,
φmm: magnetic flux of the motor,
φmg: magnet flux of the generator,
pm: the number of pole pairs of the motor,
pg: number of pole pairs of the generator,
Vdc: DC voltage (battery voltage),
Io: current vector sum,
J: evaluation function (corresponding one-to-one with current average value Iac of composite current)
k: coefficient for considering the effect of reducing the average current value by compounding,
Here, the evaluation function J in the above equation (26) is derived as follows.
[0033]
I = Ip × sin (ωt) (28)
Here, Ip: current peak value,
ω: angular velocity,
t: time,
(The control current of the three-phase alternating current is represented by three equations having different phases for each rotating electric machine. Here, the control current of only one phase is represented by Current average value Iave is
Iave = 2 × Ip / π (29)
It becomes. Since the length of the current vector represents the magnitude of the current peak value on the d and q axis planes, the equation (29) is
Iave = 2 × {Id ² + Iq ² } ^1/2 / π (30)
It becomes. Therefore, in order to minimize the current average value Iave of the control current I, Id ² + Iq ² on the right side of the equation may be minimized.
[0034]
However, when the control current Im of one rotating electric machine is combined with the control current Ig of another rotating electric machine, the current average value Icomave of the composite current Icom (= Im + Ig) is the current average value of the currents Im and Ig before the combination. It is known that the sum is smaller than the sum Iavem + Iaveg of the currents, and the rate of decrease is determined according to the ratio Ipm / Ipg of the magnitudes of the current peak values of the currents Im and Ig before the combination (as the ratio approaches 1, the decrease rate decreases). Becomes larger). That is,
k = Icomave / (Iavem + Iaveg) (31)
Defining a coefficient k such that

Using this coefficient k, the current average value Icomave of the composite current Icom is

It can be expressed as. If a variable obtained by removing a constant part from the right side of this equation is used as the evaluation function J, the above equation (26) is obtained.
[0035]
Next, in step 5 of FIG. 5, the value of Jn is compared with the value of the memory Jk (the initial value is the maximum value). If Jn <Jk, the process proceeds to step 6 and the value of ωn is transferred to the memory ωk.
[0036]
In step 7, ωn is compared with the maximum value ωgMAX. If ωn <ωgMAX, the process returns to step 2 and the processes of steps 2 to 7 are repeated. By this repetition, the rotational angular velocity at which the evaluation function J is minimized is sampled in the memory ωk.
[0037]
If ωn ≧ ωgMAX during the repetition of the processing of steps 2 to 7, the calculation of the evaluation function J at all plot points is terminated. Therefore, the process proceeds from step 7 to step 8, where the target output Po * is The value divided by ωk is set as the target torque Tg * of the generator 5. In this case, the target output Po * is used as a required power generation value for the generator 5. Further, the value of ωk is transferred to the target rotational angular velocity ωg *.
[0038]
Step 9 is a part for setting the target torque Te * and the target rotation speed Ne * of the engine. That is, the value of Tg * is transferred to the target torque Te * of the engine, and the target rotation speed Ne * [rpm] is calculated by the equation Ne * = ωg * × (60 / 2π). Note that, when power is generated by the generator 5, a loss is generated, and it is necessary to increase the engine output by the loss. However, the power generation loss is ignored here.
[0039]
In steps 10 and 11, the target rotational angular speed ωg * and the target torque Tg * of the generator 5 determined in this way are sent to the d / q-axis current command value calculator 37 in FIG. 3, and the engine target torque Te * and the target torque The rotation speed Ne * is output to the engine controller 11 (see FIG. 1).
[0040]
The d / q-axis current command value calculation unit 37 in FIG. 3 calculates the above-mentioned (18) to (25) from the target rotational angular velocity ωg * and the target torque Tg * of the generator 5 and the rotational angular velocity ωm and the target torque Tm * of the electric motor 1. The d-axis current Idm and the q-axis current Iqm of the electric motor 1 and the d-axis current Idg and the q-axis current Iqg of the generator 5 are determined by using the equations, and the determined four values are again commanded as d and q-axis current command values Idm. *, Iqm *, Idg *, Iqg *.
[0041]
Here, the operation of the present embodiment will be described.
[0042]
When a plurality of AC currents are combined, the current average value of the combined current is lower than the sum of the current average values of the original AC currents, and the width of the decrease depends on the ratio of the magnitude of the current peak of the combined AC currents. Therefore, according to the present embodiment, the control of each of the rotary

electric machines

1 and 5 is performed such that the average value of the composite current flowing through the inverter 8 is minimized under the same target output. By setting the current, even if the target output is the same, the copper loss in the portion where the composite current flows in the inverter 8 and the switching loss in the switching element forming the inverter 8 can be minimized, and the control device for the rotating electric machine Efficiency can be improved.
[0043]
Incidentally, as a related invention of the present invention, an operating point at which the best fuel efficiency is obtained even if the target output Po * (or the drive output Po) is the same is determined as the best fuel efficiency operating point, and the composite current flowing through the inverter 8 at this best fuel efficiency operating point is determined. (Refer to Japanese Patent Application No. 2000-315735), in which the control current of each rotating electric machine is determined so that the current average value becomes minimum. When this device (prior application device) is superimposed on FIG. 4, the broken line in the drawing becomes the best fuel consumption line. Therefore, in the prior application device, the best fuel consumption operation point is the intersection of the Po * constant line and the best fuel consumption line. It becomes. Thus, it is also possible to provide the actual operating point on the Po * constant line between A and B (other embodiments). In this case, although the current average value of the composite current flowing through the inverter 8 does not become the minimum, the fuel consumption can be improved correspondingly, and the efficiency of the entire system can be improved.
[0044]
It is also possible to switch between the current minimizing operating point and the best fuel efficiency operating point for each operating region. For example, since the composite current flowing through the inverter 8 becomes large in the high load region, the current minimizing operation point is selected in the high load region, and the best fuel consumption operation point is selected in the other regions.
[0045]
In the embodiment, the case where the current minimizing operation point is determined in the entire rotation angular speed range of the generator 5 has been described. However, actually, as shown in FIG. 7, the rotation angular speed of the generator 5 (= the rotation angular speed of the engine) ) Is smaller than the predetermined value ω1, the torque Te (maximum engine torque) that can be generated by the engine falls below the torque Tg of the generator 5, and in this region, the required power generation value of the generator 5 cannot be achieved. Therefore, in a region where the maximum engine torque Te is lower than the torque Tg of the generator 5, it is desirable to stop the control for determining the current minimization operating point.
[0046]
In the embodiment, the case where the evaluation function is Expression (26) has been described. However, the present invention is not limited to this, and the following evaluation function J may be used. The symbols AVE and PEAK mean that the average value and the maximum value of the values in parentheses located to the right of the symbols are calculated.
[0047]
J = AVE {(Idm ² + Iqm ² ) ^1/2 + (Idg ² + Iqg ² ) ^1/2 } (34)
J = PEAK {(Idm ² + Iqm ² ) ^1/2 + (Idg ² + Iqg ² ) ^1/2 } (35)
In the embodiment, the evaluation function J is not calculated when the rotation angular velocity is the minimum value ωgMIN. However, the evaluation function J may be calculated when the rotation angular velocity is the minimum value ωgMIN.
[0048]
In the embodiment, the case where the two rotating

electric machines

1 and 5 do not share one stator has been described. However, the present invention is also applied to a case where the rotors of the two rotating

electric machines

1 and 2 are coaxial and share one stator. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a control system diagram.
FIG. 2 is a connection diagram showing a connection method between each stator coil and an inverter when two rotating electric machines do not share one stator.
FIG. 3 is a control block diagram of a motor controller.
FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining a method of determining a current minimization operating point.
FIG. 5 is a flowchart for explaining determination of a current minimization operating point and setting of a target value for a generator.
FIG. 6 is an output characteristic diagram when the throttle is fully opened.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing engine torque and generator torque in a superimposed manner.
1 rotating electric machine (motor)
5 rotating electric machine (generator)
7 Motor controller 8 Inverter 12 Comprehensive controller

Claims

For a plurality of rotating electric machines capable of controlling the rotation by supplying a control current corresponding to the rotation phase of the rotor, a single current control device is provided with a combined current obtained by combining the control currents of the respective rotating electric machines. In the control device of the rotating electric machine which is supplied by
Means for setting a target output of one of the plurality of rotating electrical machines,
Means for determining an operating point of the one rotating electric machine such that the current average value of the composite current is minimized under the same condition as the target output,
Means for determining a control current for each rotating electric machine based on the rotational angular velocity and the torque at the operating point.

Means for determining an operating point at which the best fuel efficiency is obtained under the same conditions as the target output, between the operating point at which the best fuel efficiency is obtained and the operating point at which the current average value of the composite current is minimized. The control device for a rotating electric machine according to claim 1, wherein an actual operating point is provided.

When the plurality of rotating electric machines include the one rotating electric machine and another rotating electric machine, the one rotating electric machine is connected to an output shaft of an engine, and the other rotating electric machine is connected to a drive shaft of a vehicle. The control of the rotating electric machine according to claim 1 or 2, wherein the target output is set based on a product of a driving torque according to an accelerator opening, a vehicle speed, and a rotation angular velocity of the another rotating electric machine. apparatus.

An operating point at which a current average value of the composite current is minimized only in a region where a torque generated by an engine does not fall below a torque required of the other rotating electric machine to obtain a target output. Item 4. The control device for a rotating electric machine according to item 3.