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JP3559903B2 - 回転電機の制御装置 - Google Patents
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JP3559903B2 - 回転電機の制御装置 - Google Patents

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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】
Figure 0003559903
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+Iq1/2/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+Iq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、
Figure 0003559903
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、
Figure 0003559903
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+Iqm1/2+(Idg+Iqg1/2}…(34)
J=PEAK{(Idm+Iqm1/2+(Idg+Iqg1/2}…(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

Claims (4)

  1. 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
    を備えることを特徴とする回転電機の制御装置。
  2. 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ことを特徴とする請求項1に記載の回転電機の制御装置。
  3. 前記複数の回転電機が前記一つの回転電機と他の回転電機からなり、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と前記他の回転電機の回転角速度の積に基づいて設定されることを特徴とする請求項1または2に記載の回転電機の制御装置。
  4. 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ことを特徴とする請求項3に記載の回転電機の制御装置。
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