JP5170764B2 - Electric motor drive device and control method thereof - Google Patents
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Description
この発明は、電動機駆動装置およびその制御方法に関し、より特定的には、電機子巻線鎖交磁束量を調整可能な電動機を駆動するための電動機駆動装置およびその制御方法に関する。 The present invention relates to an electric motor drive device and a control method thereof, and more particularly to an electric motor drive device for driving an electric motor capable of adjusting an armature winding interlinkage magnetic flux amount and a control method thereof.
最近、環境に配慮した自動車としてハイブリッド自動車(Hybrid Vehicle)および電気自動車(Electric Vehicle)が注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、インバータを介して直流電源により駆動されるモータを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力源を得るものである。 Recently, hybrid vehicles and electric vehicles have attracted attention as environmentally friendly vehicles. A hybrid vehicle is a vehicle that uses a motor driven by a DC power source via an inverter in addition to a conventional engine as a power source. In other words, a power source is obtained by driving the engine, a DC voltage from a DC power source is converted into an AC voltage by an inverter, and a motor is rotated by the converted AC voltage to obtain a power source.
また、電気自動車は、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。 An electric vehicle is a vehicle that uses a DC power source, an inverter, and a motor driven by the inverter as a power source.
このようなハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータとしては、回転子(以下、ロータとも称する。)に永久磁石を備え、その永久磁石による磁極と、固定子(以下、ステータとも称する。)において発生する回転磁界との磁気作用によって回転する永久磁石型モータや、ロータに界磁コイルを備え、界磁コイルに界磁電流を流すことによってロータに発生する磁界の回転軸と垂直方向の成分と、ステータにおいて発生する回転磁界との磁気作用によって回転する界磁巻線型モータなどが検討されている。 As a drive motor for such a hybrid vehicle or electric vehicle, a rotor (hereinafter also referred to as a rotor) is provided with a permanent magnet, and the magnetic pole generated by the permanent magnet and a stator (hereinafter also referred to as a stator) are generated. A permanent magnet type motor that rotates by a magnetic action with a rotating magnetic field, a field coil in the rotor, and a component perpendicular to the rotation axis of the magnetic field generated in the rotor by flowing a field current through the field coil, A field winding motor that rotates by a magnetic action with a rotating magnetic field generated in a stator has been studied.
さらに、ハイブリッド自動車または電気自動車においては、直流電源からの直流電圧を昇圧コンバータによって昇圧し、その昇圧した直流電圧をモータを駆動するインバータに供給することも検討されている。 Further, in a hybrid vehicle or an electric vehicle, it has been studied to boost a DC voltage from a DC power source with a boost converter and supply the boosted DC voltage to an inverter that drives a motor.
たとえば、特開2005−143157号公報(特許文献1)は、車両に設けられて動力を発生する界磁巻線モータと、バッテリと、バッテリと界磁巻線モータとの間に設けられた昇降圧インバータと、車両の運転状態に応じて界磁制御および昇降圧制御を行なうコントローラとを備える車両用モータ制御装置を開示する。 For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2005-143157 (Patent Document 1) discloses a field winding motor that is provided in a vehicle and generates power, a battery, and a lift provided between the battery and the field winding motor. Disclosed is a vehicle motor control device that includes a voltage inverter and a controller that performs field control and step-up / step-down control according to the driving state of the vehicle.
これによれば、昇降圧インバータは、インバータ部、昇降圧部およびコンデンサで構成される。昇降圧インバータは、バッテリからエンジン始動用界磁巻線モータ(始動用モータ)への電力の供給、および昇降圧部から始動用モータおよび後輪駆動用界磁巻線モータ(後輪駆動用モータ)の界磁巻線への電力供給を行なう。この場合、界磁巻線への電力供給の制御は、コントローラが界磁制御回路をオン・オフすることによって行なう。
しかしながら、上記の特許文献1に記載の車両用モータ制御装置によれば、界磁巻線への電力供給を制御するための界磁制御回路が必要となる。そのため、車両用モータ制御装置の体格が大きくなるという問題が生じる。これらは、車両の室内空間を確保する観点から高まりつつある装置体格の小型化の要求に反するものである。
However, according to the vehicle motor control device described in
それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型化と電動機の高出力化とを両立させた電動機駆動装置およびその制御方法を提供することである。 Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide an electric motor drive device that achieves both miniaturization and higher output of the electric motor and a control method thereof. .
この発明のある局面に従えば、電動機駆動装置は、界磁巻線を含み、界磁巻線に界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有する電動機の駆動装置である。電動機駆動装置は、電源と、電源からの直流電圧を電圧変換して、第1および第2の電源線間に出力するコンバータと、第1および第2の電源線間の電圧を受けて、電動機を駆動制御する電力に変換するインバータとを備える。コンバータは、界磁巻線および第2の電源線間に電気的に接続される昇圧用スイッチング素子を含む。界磁巻線は、電源および第1の電源線間の電流経路上に電気的に接続され、昇圧用スイッチング素子によってスイッチングされた電圧が両端に印加されるように構成される。電動機駆動装置は、界磁巻線に並列に接続される界磁用スイッチング素子と、昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子をスイッチング制御する制御装置とをさらに備える。制御装置は、コンバータから第1および第2の電源線間に出力される電圧を検出する電圧センサと、界磁巻線を流れる界磁電流を検出する電流センサと、電圧指令値と電圧センサからの検出電圧との偏差に応じて、コンバータから第1電源線に出力される昇圧電流の目標値を設定するとともに、電流指令値と電流センサからの検出電流との偏差に応じて、界磁を強める方向に界磁巻線に供給される界磁増磁電流の目標値を設定する目標電流設定手段と、界磁増磁電流の目標値および昇圧電流の目標値を加算することにより、電流指令値を生成する電流指令生成手段と、電流センサからの検出電流が電流指令値に一致するように、界磁用スイッチング素子および昇圧用スイッチング素子をスイッチング制御するスイッチング制御手段とを含む。 According to an aspect of the present invention, an electric motor drive device is a drive device for an electric motor including a field winding and having a field pole formed by flowing a field current through the field winding. An electric motor driving apparatus receives a voltage between a power source, a converter that converts a DC voltage from the power source and outputs the voltage between the first and second power lines, and a voltage between the first and second power lines. And an inverter that converts the electric power into drive power. The converter includes a step-up switching element electrically connected between the field winding and the second power supply line. The field winding is electrically connected on the current path between the power supply and the first power supply line, and is configured such that the voltage switched by the boosting switching element is applied to both ends. The electric motor drive device further includes a field switching element connected in parallel to the field winding, and a control device that performs switching control of the step-up switching element and the field switching element. The control device includes a voltage sensor that detects a voltage output from the converter between the first and second power supply lines, a current sensor that detects a field current flowing through the field winding, a voltage command value, and a voltage sensor. The target value of the boosted current output from the converter to the first power supply line is set according to the deviation from the detected voltage, and the field is set according to the deviation between the current command value and the detected current from the current sensor. By adding the target current setting means for setting the target value of the field magnetizing current supplied to the field winding in the direction of strengthening, the target value of the field magnetizing current and the target value of the boost current, the current command Current command generating means for generating a value, and switching control means for performing switching control of the field switching element and the step-up switching element so that the detected current from the current sensor matches the current command value.
好ましくは、スイッチング制御手段は、所定の制御タイミングにおける電流センサからの検出電流を所定の制御タイミングにおける電流指令値に一致させるために、所定の制御タイミングにおける電流指令値を用いて、昇圧用スイッチング素子の端子間電圧の指令値を生成する端子間電圧指令値生成手段と、生成された端子間電圧指令値に基づいて、界磁用スイッチング素子および昇圧用スイッチング素子のデューティー比を演算するデューティー比演算手段と、演算されたデューティー比に従って昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子をスイッチングするためのスイッチング制御信号を生成する制御信号生成手段とを含む。 Preferably, the switching control means uses the current command value at the predetermined control timing to match the detected current from the current sensor at the predetermined control timing with the current command value at the predetermined control timing. Terminal voltage command value generating means for generating a command value for the terminal voltage of the terminal, and a duty ratio calculation for calculating the duty ratio of the field switching element and the step-up switching element based on the generated terminal voltage command value And a control signal generating means for generating a switching control signal for switching the step-up switching element and the field switching element in accordance with the calculated duty ratio.
好ましくは、デューティー比演算手段は、コンバータの定常状態における電力収支を用いて電流指令値および昇圧電流の比を演算し、その演算された電流指令値および昇圧電流の比に基づいて、昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子がオフされる期間を演算するとともに、その演算された期間および端子間電圧指令値に基づいて、昇圧用スイッチング素子のみがオンされる期間と界磁用スイッチング素子のみがオンされる期間とを演算する。 Preferably, the duty ratio calculating means calculates a ratio between the current command value and the boost current using the power balance in a steady state of the converter, and based on the calculated current command value and the boost current ratio, the switching for boosting The period during which the element and the field switching element are turned off is calculated, and only the step-up switching element and the field switching element are determined based on the calculated period and the inter-terminal voltage command value. Calculate the period to be turned on.
この発明の別の局面に従えば、界磁巻線を含み、界磁巻線に界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有する電動機の駆動装置の制御方法であって、電動機駆動装置は、電源と、電源からの直流電圧を電圧変換して、第1および第2の電源線間に出力するコンバータと、第1および第2の電源線間の電圧を受けて、電動機を駆動制御する電力に変換するインバータと、界磁巻線に並列に接続される界磁用スイッチング素子と、コンバータから第1および第2の電源線間に出力される電圧を検出する電圧センサと、界磁巻線を流れる界磁電流を検出する電流センサとを含む。コンバータは、界磁巻線および第2の電源線間に電気的に接続される昇圧用スイッチング素子を有する。界磁巻線は、電源および第1の電源線間の電流経路上に電気的に接続され、昇圧用スイッチング素子によってスイッチングされた電圧が両端に印加されるように構成される。制御方法は、電圧指令値と電圧センサからの検出電圧との偏差に応じて、コンバータから第1電源線に出力される昇圧電流の目標値を設定するとともに、電流指令値と電流センサからの検出電流との偏差に応じて、界磁を強める方向に界磁巻線に供給される界磁増磁電流の目標値を設定するステップと、界磁増磁電流の目標値および昇圧電流の目標値を加算することにより、電流指令値を生成するステップと、電流センサからの検出電流が電流指令値に一致するように、界磁用スイッチング素子および昇圧用スイッチング素子をスイッチング制御するステップとを備える。 According to another aspect of the present invention, there is provided a control method for a motor drive device including a field winding and having a field pole formed by flowing a field current through the field winding. Drives and controls the electric motor by receiving a voltage between the first and second power supply lines and a converter that converts the DC voltage from the power supply into a voltage and outputs the converted voltage between the first and second power supply lines. An inverter for converting the power into the field, a field switching element connected in parallel to the field winding, a voltage sensor for detecting a voltage output between the first and second power supply lines from the converter, and a field magnet And a current sensor for detecting a field current flowing through the winding. The converter includes a step-up switching element electrically connected between the field winding and the second power supply line. The field winding is electrically connected on the current path between the power supply and the first power supply line, and is configured such that the voltage switched by the boosting switching element is applied to both ends. The control method sets the target value of the boost current output from the converter to the first power supply line according to the deviation between the voltage command value and the detected voltage from the voltage sensor, and detects the current command value and the detection from the current sensor. A step of setting a target value of the field magnetizing current supplied to the field winding in a direction to strengthen the field according to the deviation from the current, a target value of the field magnetizing current, and a target value of the boost current Are added to each other, and a step of generating a current command value and a step of switching control of the field switching element and the step-up switching element so that the detected current from the current sensor matches the current command value are provided.
好ましくは、スイッチング制御するステップは、所定の制御タイミングにおける電流センサからの検出電流を所定の制御タイミングにおける電流指令値に一致させるために、所定の制御タイミングにおける電流指令値を用いて、昇圧用スイッチング素子の端子間電圧の指令値を生成するステップと、生成された端子間電圧指令値に基づいて、界磁用スイッチング素子および昇圧用スイッチング素子のデューティー比を演算するステップと、演算されたデューティー比に従って昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子をスイッチングするためのスイッチング制御信号を生成するステップとを含む。 Preferably, the step of switching control uses the current command value at the predetermined control timing to match the detected current from the current sensor at the predetermined control timing with the current command value at the predetermined control timing. A step of generating a command value of the inter-terminal voltage of the element, a step of calculating a duty ratio of the field switching element and the step-up switching element based on the generated inter-terminal voltage command value, and the calculated duty ratio And generating a switching control signal for switching the step-up switching element and the field switching element.
好ましくは、デューティー比を演算するステップは、コンバータの定常状態における電力収支を用いて電流指令値および昇圧電流の比を演算し、その演算された電流指令値および昇圧電流の比に基づいて、昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子がオフされる期間を演算するステップと、演算された昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子がオフされる期間および端子間電圧指令値に基づいて、昇圧用スイッチング素子のみがオンされる期間と界磁用スイッチング素子のみがオンされる期間とをそれぞれ演算するステップとを含む。 Preferably, the step of calculating the duty ratio calculates a ratio between the current command value and the boost current using the power balance in a steady state of the converter, and boosts the voltage based on the calculated current command value and the ratio of the boost current. A step of calculating a period during which the switching element for field and the switching element for field are turned off, and a step for boosting based on the calculated period for turning off the switching element for boosting element and field switching element and the inter-terminal voltage command value And calculating a period during which only the switching element is turned on and a period during which only the field switching element is turned on.
本発明によれば、電機子巻線鎖交磁束量の可変制御が可能な電動機を駆動する駆動装置において、駆動装置の小型化と電動機の高出力化とを両立させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the drive device which drives the electric motor which can variably control the amount of armature winding linkage magnetic flux, size reduction of a drive device and high output of an electric motor can be made compatible.
以下、本発明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返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[電動機の構成]
図1は、本発明の実施の形態に係る電動機駆動装置に適用される電動機の側断面図であり、図2は、図1のII−II線における断面図である。
[Configuration of electric motor]
FIG. 1 is a side sectional view of an electric motor applied to an electric motor driving apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
図1および図2を参照して、電動機10は、回転シャフト41と、回転シャフト41に固設されたロータ(回転子)40と、ステータ(固定子)30の外周に設けられた界磁ヨーク21と、界磁コイル50とを備える。
Referring to FIGS. 1 and 2,
ロータ40とステータ30との間には、エアギャップGPが設けられており、僅かに径方向に離間するように配置されている。
An air gap GP is provided between the
ロータ40は、回転シャフト41に固設されたロータコア43と、ロータコア43の外表面に設けられた磁石44とを含む。
The
ロータコア43は、円筒状に形成された積層ロータコア43aと、積層ロータコア43aの内周に設けられた圧粉ロータコア43bとからなる。圧粉ロータコア43bは、一体の磁性材料から構成されており、具体的には粉末成形磁性体(SMC:Soft Magnetic Composites)から構成されている。
The
積層ロータコア43aは、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されており、該電磁鋼板間に生じる隙間によって、軸方向の磁気抵抗が、径方向および周方向の磁気抵抗よりも大きくなっている。そのため、積層ロータコア43aの内部においては、磁石からの磁力線は、軸方向に流れ難く、径方向および周方向に流れ易くなっている。
The laminated
これに対して、圧粉ロータコア43bは、粉末成形磁性体から構成されているため、軸方向の磁気抵抗は、積層ロータコア43aの軸方向の磁気抵抗よりも小さくなる。そのため、圧粉ロータコア43bの内部では、磁力線は軸方向に流れ易くなっている。
On the other hand, since the
そして図2に示すように、積層ロータコア43aの外表面には、等間隔に隔てて設けられ、かつ、径方向外方に向けて突出する複数のロータティース(第1突極部)45が形成されている。
As shown in FIG. 2, a plurality of rotor teeth (first salient pole portions) 45 are formed on the outer surface of the laminated
隣り合うロータティース45の間には、磁石44が設けられる。ロータティース45の外表面と磁石44の外表面とは、いずれも、回転シャフト41の中心軸線を中心とする仮想の同一円周上に位置している。すなわち、磁石44は、ロータ40の周方向にロータティース45と隣り合うように設けられ、かつ、各外周面が面一となるように設けられている。
A
磁石44のN極(第1磁極)とS極(第2磁極)とは、ロータ40の径方向に並ぶように配置されている。なお、本実施の形態においては、磁石44のN極がロータコア43の径方向外方に向けて配置され、磁石44のS極がロータコア43の径方向内方に向けて配置されているが、逆となるように配置されてもよい。
The N pole (first magnetic pole) and S pole (second magnetic pole) of the
ステータ30は、中空円筒状に形成されたステータコア22と、ステータコア22の内表面に形成され、ステータコア22の径方向内方に向けて突出する複数のステータティース(第2突極部)23と、ステータティース23に巻き付けられたコイル24とを含む。
The
ステータティース23は、周方向に等間隔を隔てて形成されている。コイル24の一部はU相コイルを構成し、残りの一部のコイル24はV相コイルを構成し、残りのコイル24はW相コイルを構成する。そして、U相コイル、V相コイルおよびW相コイルは、一方端が端子とされて図示しないインバータの三相ケーブル(U相ケーブル、V相ケーブルおよびW相ケーブル)にそれぞれ接続される。さらに、U相コイル、V相コイルおよびW相コイルは、他方端が1点に共通接続されて中性点とされる。
The
制御装置100(図1)は、電動機駆動装置の外部に設けられたECU(Electronic Control Unit)からトルク指令値を受けると、その受けたトルク指令値によって指定されたトルクを出力するように、電動機10の各相に流す電流(モータ駆動電流)を制御する。制御されたモータ駆動電流は、三相ケーブルを介してコイル24へ供給される。
When the control device 100 (FIG. 1) receives a torque command value from an ECU (Electronic Control Unit) provided outside the motor drive device, the
ステータコア22は、磁性鋼板を複数積層して形成されるため、磁性鋼板間にはエアギャップが生じている。そのため、ステータコア22の径方向および周方向の磁気抵抗は、軸方向の磁気抵抗よりも小さくなっている。これにより、ステータコア22内に入り込んだ磁力線は、ステータコア22の周方向および径方向に流れ易く、軸方向に流れ難くなっている。
Since the
図1に示すように、界磁ヨーク21は、ステータ30およびロータ40の両端部から軸方向に離間した位置に配置された天板部21aと、この天板部21aの周縁部に形成された円筒状の側壁部21bと、天板部21aに形成された円筒状の突部21cとを備えている。
As shown in FIG. 1, the
天板部21aの中央部には、貫通孔21dが形成されており、貫通孔21d内には軸受46を介して、回転シャフト41が挿入されている。側壁部21bは、ステータコア22の外表面に固設されている。
A through
界磁ヨーク21は、一体の磁性材料から構成されており、具体的には、3次元完全等方材料である粉末成形磁性体(SMC)から構成されている。このため、界磁ヨーク21の軸方向の磁気抵抗は、ステータコア22の軸方向の磁気抵抗より小さくされている。
The
突部21cは、天板部21aの内表面に形成され、圧粉ロータコア43bの軸方向端部に向けて突出している。そして、突部21cの端部と圧粉ロータコア43bの端部との間で、磁力線が途切れない程度に、突部21cの端部と圧粉ロータコア43bの端部とが近接している。
The protruding
このため、磁石44の表面からエアギャップGPおよびステータコア22を介して界磁ヨーク21に達し、界磁ヨーク21内を軸方向に流れ、突部21cから圧粉ロータコア43b内に入り込み、磁石44のS極に戻るという磁気回路(第1磁気回路)を形成することができる。
For this reason, it reaches the
この磁気回路において、ステータコア22の径方向の磁気抵抗は小さく抑えられており、界磁ヨーク21内の磁気抵抗も小さく抑えられており、さらに、圧粉ロータコア43bの磁気抵抗も小さく抑えられているため、磁気エネルギーのロスを小さく抑えることができる。
In this magnetic circuit, the radial magnetic resistance of the
なお、図1に示す例においては、円筒状の突部21cが界磁ヨーク21に形成されているが、圧粉ロータコア43bの端部に設けてもよい。
In addition, in the example shown in FIG. 1, although the
界磁コイル(巻線)50は、突部21cの外周面に巻き付けられている。この界磁コイル50に電流を流すことにより、突部21cの端部側にたとえば、N極の磁性を持たせるとともに、側壁部21bにS極の磁性を持たせることができる。あるいは、突部21cの端部側にS極の磁性を持たせるとともに、側壁部21bにN極の磁性を持たせることができる。なお、本実施の形態においては、界磁コイル50は、界磁ヨーク21の突部21cに設けられているが、この位置に限られず界磁ヨーク21に設けられておればよい。ここで、界磁コイル50が界磁ヨーク21に設けられているとは、界磁コイル50が界磁ヨーク21の表面に当接している場合に限られず、界磁ヨーク21内の磁力線の流れを制御可能な程度であれば、界磁ヨーク21の表面から離間している場合も含む。
The field coil (winding) 50 is wound around the outer peripheral surface of the
上記のように構成された電動機10の動作について、図3および図4を用いて説明する。図3は、図1に示す界磁コイル50の電流が供給された状態における電動機10の側断面図であり、図4は、図3のIV−IV線における断面図である。
The operation of the
図3を参照して、界磁コイル50に電流を流すことにより、磁力線mt4を発生される。この磁力線mt4は、界磁ヨーク21の天板部21aを通り、側壁部21bからステータコア22内に入り込む。そして、磁力線mt4は、エアギャップGPを解して、ロータコア43内に入り込み、ロータコア43内を軸方向に進む。その後、磁力線mt4は、ロータコア43の軸方向端面から、突部21cの端面を介して、界磁ヨーク21内に入り込む。
Referring to FIG. 3, magnetic field lines mt <b> 4 are generated by passing a current through
このような磁気回路を発生させることにより、界磁ヨーク21の突部21cがS極の磁性を帯び、界磁ヨーク21の側壁部21bがN極の磁性を帯びることになる。
By generating such a magnetic circuit, the
図4においては、磁石44の端部のうち、ロータ40の回転方向P前方側の端部側にステータティース23aが配置されており、磁石44の外主面の周方向の中央部は、ステータティース23aの端面の周方向の中央部に回転方向Pの後方側に位置している。このステータティース23aの内径側の端面がS極とされている。
In FIG. 4,
このため、磁石44の外主面から出る磁力線mt1〜mt4は、径方向外方に向かうに従って、回転方向Pの前方側に向かうように傾斜し、ステータティース23aの端面に達する。このように、磁石44およびステータティース23a間の磁力線mt1〜mt3の磁気経路が傾斜し長くなっているので、磁気経路が最短となるようにロータ40に応力が加えられる。すなわち、磁石44は、ステータティース23aに向けて引っ張られることとなる。
For this reason, the magnetic lines of force mt1 to mt4 that emerge from the outer main surface of the
ステータティース23aに対して、ロータ40の回転方向P後方側には、ステータティース23bが設けられており。このステータティース23bは、磁石44の中央部付近と対向している。ステータティース23bの内径側の端面は、N極とされており、磁石44と反発している。
このため、ステータティース23aからステータコア22内に入り込んだ磁力線mt1〜mt3は、ステータコア22内を周方向に流れる。このとき、上述したように、界磁コイル50に電流を流したことによって側壁部21bの内壁面がN極となっている。そのため、磁石44からの磁力線mt1〜mt3は、ステータティース23aの端面からステータコア22内に入り込むと、ステータコア22の周方向に沿って進む。すなわち、磁力線mt1〜mt3が、ステータティース23aに達した後、ステータコア22内を径方向に流れ、界磁ヨーク21に達するのが抑制されている。
For this reason, the magnetic force lines mt <b> 1 to mt <b> 3 that have entered the
そして、ステータティース23bに対して、ロータ40の回転方向P後方側には、ステータティース23cが設けられており、内径側の端面はN極とされている。このステータティース23cはロータティース45aと対向している。
The stator teeth 23c are provided on the rear side in the rotational direction P of the
ここで、ロータティース45aに隣接する磁石44の外表面はN極とされているため、ステータティース23cの端面からロータティース45aに向かう磁力線mt1〜mt3は、この磁石44のN極の影響を受けて、回転方向P後方に傾斜するようにロータティース45aに向けて流れる。そして、この経路長が最短となるように、ロータティース45aがステータティース23cに向けて良好に引き寄せられる。
Here, since the outer surface of the
このように、磁力線mt1〜mt3は、磁石44からエアギャップGPを介して、ステータティース23aに達してステータコア22内を周方向に通り、その後、ステータティース23cからエアギャップGPを介して積層ロータコア43a内に達し、再度磁石44に戻るという磁気回路K1を形成する。
As described above, the magnetic lines of force mt1 to mt3 reach the
一方、界磁コイル50に電流が供給されていない状態では、磁石44からの磁力線mt1〜mt3の一部(たとえば磁力線mt3)は、ステータティース23aに達した後、ステータコア22内を径方向に流れ、界磁ヨーク21に達する。そして、磁力線mt3は、界磁ヨーク21を軸方向に通り、突部21cから圧粉ロータコア43b内に入り込み、再度磁石44に戻るという磁気回路K2(図示せず)を形成する。
On the other hand, in a state in which no current is supplied to the
すなわち、界磁コイル50に電流を流すことによって、磁石44から発せられる磁力線mt1〜mt3が磁気回路K2を通ることを抑制し、磁力線mt1〜mt3が磁気回路K1を通るように制御することができる。これにより、磁石44から生じる一定の磁束量のうち、トルクの発生に大きく貢献する磁気回路K1を通る磁束量の割合を増加することができるため、大きなトルクを得ることができる。
That is, by passing a current through the
さらに、界磁コイル50によって生じる磁力線mt4は、図4に示すように、磁気回路K1の一部であって、ステータティース23cからロータティース45aに達する経路を通り、その後、圧粉ロータコア43bに達する。このため、磁力線mt4もトルクの発生に寄与する。
Further, as shown in FIG. 4, the magnetic field line mt4 generated by the
以上に説明したように、界磁コイル50に電流を流すことによって、電動機10には「強め界磁制御」が施される。図5は、電動機10のトルクと回転数との関係を示す図である。なお、以下においては、界磁コイル50に供給される電流を「界磁電流」とも称し、かつ、該界磁電流を符号Ifを用いて表記することとする。
As described above, by applying a current to the
図5において、曲線k1は、界磁コイル50に電流が供給されていない状態(界磁電流If=0)における電動機10の出力特性を示す。一方、曲線k2は、界磁コイル50に電流が供給された状態(界磁電流If≠0)における電動機の出力特性を示す。
In FIG. 5, a curve k1 shows the output characteristics of the
図5に示されるように、界磁コイル50に電流を流して電動機10に強め界磁制御を行なうことにより、低回転数から高回転数までの幅広い領域においてトルクが大きくなっていることが分かる。特に、回転数が低い領域において、大きなトルクが得られている。
As shown in FIG. 5, it can be seen that the torque is increased in a wide range from a low rotation speed to a high rotation speed by applying a current to the
なお、界磁コイル50に流す電流の向きを反転することにより電動機10に「弱め界磁制御」を施すこともできる。この場合、界磁コイル50に電流を流すことによって、磁気回路K1を通る磁束量の割合が減少する。
It should be noted that the “weakening field control” can be applied to the
また、本実施の形態によれば、ロータ40の外周面のうち、磁石44の表面は、磁力線を発する領域として機能しており、ロータティース45は、発せられた磁力線を取り込む領域として機能している。そして、磁石44およびロータティース45は、ロータ40の軸方向に亘って延在しているため、ロータ40の外周面は、磁石44の表面とロータティース45の表面とから構成されている。そのため、ロータティース45の外周面の略全面を、磁力線の出力領域および磁力線の取入領域として機能させることが可能となるため、ロータ40の外周面の利用効率を向上することができる。その結果、小型のロータ40であっても所要の磁束量の出し入れを行なうことができるため、ロータ40自体をコンパクトに構成することができる。
Further, according to the present embodiment, of the outer peripheral surface of the
[電動機駆動装置の構成]
上述したように、本実施の形態によれば、電動機10の界磁制御は、界磁コイル50を流れる界磁電流Ifによって磁気回路K1を通る磁束量と磁気回路K2を通る磁束量を調整することにより、電機子巻線鎖交磁束量を調整することにより行なわれる。
[Configuration of electric motor drive device]
As described above, according to this embodiment, the field control of the
しかしながら、かかる界磁制御を実現するためには、界磁コイル50に界磁電流Ifを供給するための電源回路を新たに設置する必要が生じる。この電源回路の設置は、電動機駆動装置を大型化させる、および装置コストを増大させるといった不具合に繋がる。
However, in order to realize such field control, it is necessary to newly install a power supply circuit for supplying the field current If to the
そこで、本実施の形態による電動機駆動装置は、以下に述べるように、電源からの電圧を電動機10の駆動電圧に変換するための電力変換装置の構成要素であるリアクトルを、界磁コイル50として兼用する構成とする。
Therefore, the electric motor drive device according to the present embodiment also uses the reactor, which is a component of the power conversion device for converting the voltage from the power source into the drive voltage of the
図6は、本発明の実施の形態に従う電動機駆動装置の概略ブロック図である。
図6を参照して、電動機駆動装置1000は、バッテリBと、スナバコンデンサC1と、昇圧コンバータ120と、インバータ140と、平滑コンデンサC2と、電圧センサ110,130と、電流センサ112,240とを備える。
FIG. 6 is a schematic block diagram of the electric motor drive device according to the embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 6, electric
電動機10は、図1および図2で示される構成からなる。すなわち、電動機10は、回転シャフトに固設されたロータと、ステータの外周に設けられた界磁ヨークと、界磁コイル50とを備えている。
The
本実施の形態において、電動機10は、ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動モータである。また、電動機10は、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように、そして、エンジンに対して電動機として動作し、たとえばエンジン始動を行ない得るようなモータである。
In the present embodiment,
バッテリBは、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池からなる。なお、本実施の形態では、二次電池で構成されたバッテリBを「直流電源」とする構成について説明するが、バッテリBに代えて、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置を適用することも可能である。スナバコンデンサC1は、電源ライン106と接地ライン105との間に接続される。電圧センサ110は、バッテリBから出力される直流電圧(以下、バッテリ電圧とも称する)EBを検出し、検出したバッテリ電圧EBを制御装置100へ出力する。
The battery B is made of a secondary battery such as nickel metal hydride or lithium ion. In the present embodiment, a configuration in which the battery B configured by a secondary battery is a “DC power supply” will be described. However, instead of the battery B, a power storage device such as an electric double layer capacitor may be applied. It is.
昇圧コンバータ120は、リアクトルL1と、スイッチング制御される電力用半導体スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」とも称する)Q1,Q2とを含む。
リアクトルL1は、一方端がバッテリBの電源ライン106に接続され、他方端がスイッチング素子Q1およびスイッチング素子Q2の接続ノードに接続される。なお、本実施の形態において、リアクトルL1は、電動機10の界磁ヨーク21(図1)に巻き付けられる。すなわち、リアクトルL1は、スイッチング素子Q1,Q2によってスイッチングされた電圧が印加されるとともに、電動機10における界磁コイル50を構成する。したがって、リアクトルL1を流れる電流(以下、リアクトル電流とも称する)Ifは、上述した界磁コイル50に供給される界磁電流Ifに相当する。電流センサ112は、リアクトル電流(界磁電流)Ifを検出し、検出したリアクトル電流Ifを制御装置100へ出力する。
Reactor L1 has one end connected to
スイッチング素子Q1,Q2は、電源ライン107と接地ライン105との間に直列に接続される。スイッチング素子Q1,Q2のオン・オフは、制御装置100からのスイッチング制御信号SE1,SE2によって制御される。
Switching elements Q1, Q2 are connected in series between
この発明の実施の形態において、スイッチング素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、あるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子Q1,Q2に対しては、逆並列ダイオードD1,D2が配置されている。 In the embodiment of the present invention, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a power MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor, a power bipolar transistor, or the like can be used as the switching element. Anti-parallel diodes D1, D2 are arranged for switching elements Q1, Q2.
平滑コンデンサC2は、電源ライン107および接地ライン105の間に接続される。電圧センサ130は、平滑コンデンサC2の両端の電圧VDC(昇圧コンバータ120の出力電圧に相当)を検出し、その検出した出力電圧VDCを制御装置100へ出力する。
Smoothing capacitor C <b> 2 is connected between
インバータ140の直流電圧側は、電源ライン107および接地ライン105を介して昇圧コンバータ120と接続される。
The DC voltage side of
インバータ140は、電源ライン107および接地ライン105の間に並列に設けられる、U相アーム150と、V相アーム160と、W相アーム170とから成る。各相アームは、電源ライン107および接地ライン105の間に直列接続されたスイッチング素子から構成される。たとえば、U相アーム150は、スイッチング素子Q5,Q6から成り、V相アーム160は、スイッチング素子Q7,Q8から成り、W相アーム170は、スイッチング素子Q9,Q10から成る。また、スイッチング素子Q5〜Q10に対して、逆並列ダイオードD5〜D10がそれぞれ接続されている。スイッチング素子Q5〜Q10のオン・オフは、制御装置100からのスイッチング制御信号PWMIによって制御される。
各相アームの中間点は、電動機10の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、電動機10は、3相同期モータであり、U,V,W相の3つのコイルの一端が中点に共通に接続されて構成される。U相コイルの他端がスイッチング素子Q5,Q6の中間点に、V相コイルの他端がスイッチング素子Q7,Q8の中間点に、W相コイルの他端がスイッチング素子Q9,Q10の中間点にそれぞれ接続されている。インバータ140は、制御装置100からのスイッチング制御信号PWMIに応答したスイッチング素子Q5〜Q10のオン・オフ制御(スイッチング制御)により、昇圧コンバータ120と電動機10との間で双方向の電力変換を行なう。
An intermediate point of each phase arm is connected to each phase end of each phase coil of
具体的には、インバータ140は、制御装置100によるスイッチング制御に従って、電源ライン107から受ける直流電圧を3相交流電圧に変換し、その変換した3相交流電圧を電動機10へ出力することができる。これにより、電動機10は、指定されたトルクを発生するように駆動される。
Specifically,
また、インバータ140は、電動機駆動装置1000が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、電動機10が発電した3相交流電圧を制御装置100によるスイッチング制御に従って直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を電源ライン107へ出力することができる。
Further, the
なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合との回生発電を伴なう制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車速を減速(または加速を中止)させることを含む。 Note that regenerative braking here refers to braking with regenerative power generation when the driver operating the hybrid vehicle or electric vehicle performs footbrake operation, or while not operating the footbrake, Including decelerating (or stopping acceleration) the vehicle while regenerating power.
電動機10には電流センサ240が設けられる。3相電流Iu,Iv,Iwの瞬時値の和は零であるので、図6に示すように電流センサ240は2相分のモータ電流(たとえば、U相電流IuおよびW相電流Iw)を検出するように配置すれば足りる。電流センサ240によって検出されたモータ電流Iu,Iwは制御装置100へ入力される。さらに、制御装置100は、モータ指令としての、電動機10のトルク指令値TRおよびモータ回転数MRNの入力を受ける。
The
以上の構成からなる電動機駆動装置1000において、昇圧コンバータ120は、電源ライン106および107の間に形成される電流経路上に電気的に接続されるリアクトルL1を含むチョッパ型回路として構成される。リアクトルL1の両端には、スイッチング素子Q1,Q2のオン・オフによりスイッチングされた電圧が印加される。
In electric
さらに、リアクトルL1は、電動機10の界磁ヨーク21に巻き付けられることによって界磁コイル50(図1)を構成する。したがって、リアクトルL1に電流が流れることにより、上述したような電動機10の界磁制御が行なわれることになる。
Furthermore, the reactor L1 forms a field coil 50 (FIG. 1) by being wound around the
このように昇圧コンバータ120のリアクトルL1を電動機10の界磁コイル50として兼用する構成としたことによって、界磁コイル50には電源ライン106および107の間を流れる電流が供給されることになる。したがって、界磁コイル50に電流を供給するための電源回路を新たに設ける必要性がなくなるため、電動機駆動装置1000が大型化する、および装置コストが増大するのを防止することができる。
As described above, the reactor L1 of the
しかしながら、その一方で、本構成では、昇圧コンバータ120による昇圧動作を行なっているときには、界磁コイル50には常に電流が駆動されるため、必然的に電動機10の界磁制御が行なわれることになる。そして、このときの界磁電流Ifは、昇圧コンバータ120における昇圧比に依存した大きさとなるため、上述した電機子鎖交磁束量の調整に必要な電流値に必ずしも一致したものとはなっていない。
On the other hand, however, in this configuration, when the boosting operation is performed by the boosting
すなわち、リアクトルL1を界磁コイル50として兼用した構成では、電動機10の界磁制御と昇圧動作の制御(昇圧制御)とを互いに独立して実行することができないという問題が生じる。その結果、車両の運転状態に応じて適宜変化する電動機10への要求出力に追随するように電動機10の駆動制御できない可能性がある。
That is, in the configuration in which the reactor L1 is also used as the
そこで、本実施の形態による電動機駆動装置は、図6に示すように、リアクトルL1に対して並列接続されたスイッチング素子Q3およびダイオードD3をさらに備える構成とする。本構成においてスイッチング素子Q3をオンすることにより、リアクトルL1に蓄積された電力に応じて、直流電流がスイッチング素子Q3およびダイオードD3に流れるように電流経路が形成される。 Therefore, the electric motor drive device according to the present embodiment is configured to further include a switching element Q3 and a diode D3 connected in parallel to the reactor L1, as shown in FIG. By turning on switching element Q3 in this configuration, a current path is formed so that a direct current flows through switching element Q3 and diode D3 in accordance with the electric power stored in reactor L1.
図6の構成において、昇圧コンバータ120のスイッチング素子Q1が本発明での「昇圧用スイッチング素子」に対応し、スイッチング素子Q3が本発明での「界磁用スイッチング素子」に対応する。
In the configuration of FIG. 6, the switching element Q1 of the
本実施の形態では、制御装置100は、以下に述べるように、電動機10の力行動作時には、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング制御に併せて、スイッチング素子Q3のスイッチング制御を実行する。これにより、昇圧コンバータ120における昇圧制御と電動機10の界磁制御とを互いに独立に実行することができる。
In the present embodiment, as described below,
[電動機駆動装置の制御構造]
電子制御ユニット(ECU)で構成される制御装置100は、マイクロコンピュータ、RAM(Random Access Memory)およびROM(Read Only Memory)(ともに図示せず)を含んで構成される。制御装置100は、所定のプログラム処理に従って、上位の電子制御ユニット(ECU)から入力されたモータ指令に従って電動機10が動作するように、昇圧コンバータ120およびインバータ140のスイッチング制御のためのスイッチング制御信号SE1,SE2(昇圧コンバータ120)、およびPWMI(インバータ140)を生成する。すなわち、制御装置100は、昇圧コンバータ120およびインバータ140による電力変換動作を制御する。
[Control structure of motor drive unit]
A
さらに、制御装置100は、電動機10の界磁コイル50に界磁電流Ifが供給されるように、リアクトルL1に並列接続されたスイッチング素子Q3のスイッチング制御のためのスイッチング制御信号SE3を生成する。すなわち、制御装置100は、電動機10の界磁制御を実行する。
Further,
本実施の形態では、制御装置100の上位の電子制御ユニット(ECU)が、運転者によるアクセル操作によって開かれたアクセル開度などに基づいて車両に要求される駆動力を演算し、その演算した要求駆動力に基づいて電動機10の要求出力(トルク×回転数)を算出する。
In the present embodiment, the upper electronic control unit (ECU) of the
制御装置100は、ECUから電動機10の要求出力を受けると、要求出力に基づいて、出力電圧VDCの目標値である電圧指令VDC *を導出し、その導出した電圧指令VDC *に応じて、電源ライン107から平滑コンデンサC2に流れる電流(以下、昇圧電流とも称する)Iboostの目標値(目標昇圧電流)Iboost *を設定する。
When the
さらに、制御装置100は、リアクトル電流Ifに応じて、界磁を強める方向に界磁コイル50に供給される電流(以下、界磁増磁電流とも称する)IFrefの目標値(目標界磁増磁電流)IFref *を設定する。そして、その設定した目標昇圧電流Iboost *および目標界磁増磁電流IFref *を合成した電流(=Iboost *+IFref *)を、リアクトルL1を流れるリアクトル電流Ifの目標値であるリアクトル電流指令If *に設定する。
Further, the
そして、制御装置100は、電流センサ112からのリアクトル電流Ifがリアクトル電流指令If *に追従するように、リアクトル電流Ifのフィードバック制御を実行する。このリアクトル電流Ifの制御は、以下に述べるように、スイッチング素子Q1〜Q3のスイッチング制御によって実現される。
Then, the
図7は、制御装置100によるスイッチング素子Q1〜Q3のスイッチング制御を説明するための図である。当該スイッチング制御は、図中のパターン(i)からパターン(iii)までを制御の1周期として行なわれる。図8は、スイッチング制御の1周期におけるリアクトル電流(界磁電流)Ifおよび昇圧電流Iboostのタイミングチャートである。
FIG. 7 is a diagram for explaining switching control of the switching elements Q1 to Q3 by the
パターン(i)を参照して、最初に、スイッチング素子Q1がオンされ、スイッチング素子Q2,Q3がオフされることにより、直流電流は、図中に矢印で示されるように、バッテリB、リアクトルL1およびスイッチング素子Q1からなる回路をバッテリBからスイッチング素子Q1の方向へ流れる。この期間において、リアクトルL1には電力は蓄積される。そのため、図8に示されるように、当該期間(期間T1に相当)において、リアクトル電流Ifは増加する。このときのリアクトル電流Ifは、電源ライン107からインバータ140に供給されるモータ出力電流IDCoutに対して界磁増磁電流IFrefおよび昇圧電流Iboostが加算された値まで増加する。
Referring to pattern (i), first, switching element Q1 is turned on and switching elements Q2 and Q3 are turned off, so that a direct current is supplied from battery B, reactor L1 as indicated by arrows in the figure. And the circuit which consists of switching element Q1 flows in the direction from the battery B to the switching element Q1. During this period, electric power is accumulated in the reactor L1. Therefore, as shown in FIG. 8, the reactor current If increases in the period (corresponding to the period T1). At this time, reactor current If increases to a value obtained by adding field magnetizing current I Fref and boost current I boost to motor output current I DCout supplied from
次に、パターン(ii)に示すように、スイッチング素子Q1がオフされることにより、スイッチング素子Q1〜Q3が全てオフされる。そうすると、リアクトルL1に蓄積された電力に応じて、入力電流IDCinがリアクトルL1から逆並列ダイオードD2を介して電源ライン107に入力される。このとき、平滑コンデンサC2には、電源ライン107および接地ライン105間への出力電圧と平滑コンデンサC2の両端の電圧VDCとの電圧差に応じて、界磁増磁電流IFrefおよび昇圧電流Iboostの合成電流が流れる。これにより、平滑コンデンサC2の両端の電圧(すなわち、昇圧コンバータ12の出力電圧)VDCは、バッテリBからの直流電圧(バッテリ電圧)EBよりも高い電圧に昇圧される。なお、平滑コンデンサC2を流れる昇圧電流Iboostは、図8の期間T2に示されるように、徐々に減少する。従って、リアクトル電流Ifも徐々に減少する。
Next, as shown in the pattern (ii), all of the switching elements Q1 to Q3 are turned off by turning off the switching element Q1. Then, in accordance with the electric power stored in reactor L1, input current I DCin is input to
最後に、パターン(iii)に示すように、スイッチング素子Q3がオンされ、スイッチング素子Q1,Q2がオフされると、リアクトルL1、スイッチング素子Q3およびダイオードD3からなる閉回路をリアクトルL1からスイッチング素子Q3の方向へ界磁増磁電流IFrefが流れる。この場合、図8の期間T3に示されるように、リアクトル電流Ifは、リアクトルL1に蓄積された残りの電力が減少にするのに従って、徐々に減少する。また、ダイオードD2は通電されず、昇圧電流Iboostは0Aに減少する。 Finally, as shown in pattern (iii), when switching element Q3 is turned on and switching elements Q1 and Q2 are turned off, a closed circuit consisting of reactor L1, switching element Q3, and diode D3 is connected from reactor L1 to switching element Q3. The field increasing current I Fref flows in the direction of. In this case, as shown in the period T3 in FIG. 8, the reactor current If gradually decreases as the remaining power accumulated in the reactor L1 decreases. Further, the diode D2 is not energized, and the boost current Iboost is reduced to 0A.
このようなパターン(i)〜(iii)を繰返して、昇圧コンバータ120は昇圧動作を行なう。そして、昇圧コンバータ120から平滑コンデンサC2には、期間T1から期間T3までの昇圧電流Iboostを平均した電流(平均昇圧電流Iboostav)が流れる。すなわち、平均昇圧電流Iboostavは、期間T2における昇圧電流Iboostを1制御周期(=期間T1+期間T2+期間T3)で除算した値となる。
By repeating such patterns (i) to (iii),
さらに、リアクトルL1においては、期間T1から期間T3までの各期間におけるリアクトル電流Ifを平均した電流(平均リアクトル電流Ifav)が流れる。そして、この平均リアクトル電流Ifavに応じて電動機10の界磁制御が行なわれる。
Furthermore, in reactor L1, a current (average reactor current I fav ) that is an average of reactor current If in each period from period T1 to period T3 flows. Then, field control of the
すなわち、平均昇圧電流Iboostavおよび平均リアクトル電流Ifavは、1制御周期における期間T1、期間T2および期間T3の比率を変化させることによって、互いに独立に制御することができる。これによれば、昇圧コンバータ120のリアクトルL1を電動機10の界磁コイルとして兼用した構成において、電動機10への要求出力に応じて当該比率を可変させることによって、昇圧制御と電動機10の界磁制御とを互いに独立に制御することが可能となる。その結果、低回転域では強め界磁によって大きなトルクが得られ、かつ、高回転域では昇圧制御により高効率が実現されるため、電動機駆動装置1000の大型化およびコストの増大を抑えながら、電動機10の高出力化を実現することができる。
That is, the average boost current I boostav and the average reactor current I fav can be controlled independently by changing the ratio of the period T1, the period T2, and the period T3 in one control cycle. According to this, in the configuration in which the reactor L1 of the
[スイッチング素子のスイッチング制御]
次に、図7および図8で述べたスイッチング素子Q1〜Q3のスイッチング制御を実現するための制御構造について詳細に説明する。
[Switching control of switching elements]
Next, a control structure for realizing the switching control of switching elements Q1 to Q3 described in FIGS. 7 and 8 will be described in detail.
図9は、スイッチング素子Q1〜Q3のスイッチング制御により実現される電動機駆動装置の回路動作状態を説明するための回路図である。 FIG. 9 is a circuit diagram for explaining a circuit operation state of the motor drive device realized by switching control of the switching elements Q1 to Q3.
昇圧コンバータ120の回路パラメータを図9のように定めた場合、図7で説明した3つのパターン(i)〜(iii)における回路動作状態はそれぞれ、以下のような回路方程式で表わすことができる。
When the circuit parameters of
具体的には、図7のパターン(i)、すなわち、スイッチング素子Q1〜Q3のうちのスイッチング素子Q1のみがオンしているときの回路動作状態は、次式で示される。 Specifically, the circuit operation state when the pattern (i) in FIG. 7, that is, only the switching element Q1 among the switching elements Q1 to Q3 is turned on, is expressed by the following equation.
次に、図7のパターン(ii)、すなわち、スイッチング素子Q1〜Q3が全てオフしているときの回路動作状態は、次式のように変化する。 Next, the pattern (ii) in FIG. 7, that is, the circuit operation state when all of the switching elements Q1 to Q3 are turned off, changes as the following expression.
これにより、スイッチング素子Q1の端子間電圧Vは、0Vから昇圧コンバータ120の出力電圧VDCまで昇圧される。
Thereby, the inter-terminal voltage V of the switching element Q1 is boosted from 0 V to the output voltage VDC of the
最後に、図7のパターン(iii)、すなわち、スイッチング素子Q1〜Q3のうちのスイッチング素子Q3のみがオンしているときの回路動作状態は、次式で示される。 Finally, the pattern (iii) of FIG. 7, that is, the circuit operation state when only the switching element Q3 among the switching elements Q1 to Q3 is turned on is expressed by the following equation.
この場合には、リアクトルL1およびスイッチング素子Q3を含む閉回路をリアクトル電流Ifが流れるため、スイッチング素子Q1の端子間電圧Vは、バッテリ電圧EBまで降下する。 In this case, since the flow through the closed circuit including the reactor L1 and the switching element Q3 reactor current I f, the terminal voltage V of the switching element Q1 drops to the battery voltage E B.
ここで、リアクトル電流Ifおよび昇圧コンバータ120の出力電圧VDCについては、上述したように、1制御周期におけるスイッチング素子Q1,Q3のオン時間の比率、すなわち、スイッチング素子Q1,Q3のデューティー比を制御することにより、リアクトル電流指令If *および電圧指令VDC *にそれぞれ一致させることができる。
Here, regarding reactor current If and output voltage V DC of
このようなスイッチング素子Q1,Q3のデューティー比の制御は、一例として、制御装置100を図10に示す制御構造で構成することによって実現することができる。
Such control of the duty ratios of the switching elements Q1 and Q3 can be realized, for example, by configuring the
図10は、図1の制御装置100の制御構造を説明するブロック図である。
図10を参照して、制御装置100は、減算器200,202と、加算器204と、PI演算部206,208と、スイッチング制御部210とを含む。
FIG. 10 is a block diagram illustrating a control structure of the
Referring to FIG. 10,
減算器200は、電圧センサ130からの出力電圧VDCの電圧指令VDC *に対する電圧偏差ΔVDCを演算してPI演算部206へ出力する。PI演算部206は、電圧偏差ΔVDC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て昇圧電流Iboostの目標値(目標昇圧電流)Iboost *を生成する。
The
減算器202は、電流センサからのリアクトル電流Ifのリアクトル電流指令If *に対する電流偏差ΔIfを演算してPI演算部208へ出力する。PI演算部208は、電流偏差ΔIf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て界磁増磁電流IFrefの目標値(目標界磁増磁電流)IFref *を生成する。
加算器204は、生成された目標昇圧電流Iboost *および目標界磁増磁電流IFref *を合成することにより、リアクトル電流Ifの電流指令If *を生成する。生成された電流指令If *(=Iboost *+IFref *)は、スイッチング制御部210へ送出される。
The
スイッチング制御部210は、リアクトル電流指令If *に基づいて、後述する方法によって1制御周期におけるスイッチング素子Q1,Q3のオン時間TQ1,TQ3を導出する。そして、スイッチング制御部210は、その導出したオン時間TQ1,TQ3に従ってスイッチング素子Q1,Q3をそれぞれオンさせるように、スイッチング制御信号SE1,SE3を生成する。生成されたスイッチング制御信号SE1,SE3に従ってスイッチング素子Q1,Q2をスイッチング制御することにより、リアクトルL1には、リアクトル電流指令If *に従ったリアクトル電流Ifが流れる。また、電圧指令VDC *に従った出力電圧VDCがインバータ140(図示せず)に印加される。
The switching
次に、図10の制御構造における具体的な制御処理について説明する。本実施の形態では、制御装置100が、ディジタル信号処理装置(DSP:Digital Signal Processor)を用いた制御処理を実行する場合について説明する。
Next, specific control processing in the control structure of FIG. 10 will be described. In the present embodiment, a case will be described in which
図10において、昇圧コンバータ120の瞬時電圧方程式は、式(1)で表わされる。
In FIG. 10, the instantaneous voltage equation of
ここで、DSPを用いた制御処理を行なうにあたって、式(1)のうち、リアクトル電流If(t)、出力電圧VDC(t)およびスイッチング素子Q1の端子間電圧V(t)については、所定のサンプリング周期TSの下で、任意の制御サンプル点mとの間に図11のタイミングチャートで示すような関係が成り立つものとする。 Here, in performing the control process using the DSP, the reactor current I f (t), the output voltage V DC (t), and the voltage V (t) between the terminals of the switching element Q1 in the equation (1) are as follows: under a predetermined sampling period T S, it is assumed that the relationship shown in the timing chart of FIG. 11 between the arbitrary control sample point m is satisfied.
そして、この関係において、バッテリ電圧EB(t)、リアクトル電流If(t)、スイッチング素子Q1の端子間電圧V(t)および電流微分dI/dtは、以下のように近似する。 In this relationship, the battery voltage E B (t), the reactor current If (t), the voltage V (t) between the terminals of the switching element Q1 and the current differential dI / dt are approximated as follows.
すなわち、バッテリ電圧EB(t)およびリアクトル電流If(t)は、それぞれ、サンプル点(m−1)でのバッテリ電圧EB(m−1)およびリアクトル電流If(m−1)で近似される。また、スイッチング素子Q1の端子間電圧V(t)は、サンプル点mおよびサンプル点(m−1)の間の平均電圧V(m−1)で近似される。さらに、電流微分dI/dtについては、サンプル点mおよびサンプル点(m−1)の間の平均電流で近似される。 That is, battery voltage E B (t) and reactor current I f (t) are battery voltage E B (m−1) and reactor current I f (m−1) at sample point (m−1), respectively. Approximated. The inter-terminal voltage V (t) of the switching element Q1 is approximated by an average voltage V (m−1) between the sample point m and the sample point (m−1). Furthermore, the current differential dI / dt is approximated by an average current between the sample point m and the sample point (m−1).
これらの近似を用いることにより、上記式(1)の瞬時電圧方程式は、式(2)のように書き換えることができる。 By using these approximations, the instantaneous voltage equation of equation (1) can be rewritten as equation (2).
ここで、上述したように、昇圧制御および電動機10の界磁制御は、ともに、リアクトル電流Ifをリアクトル電流指令If *に一致するように制御することによって行なうことができる。以下に、本実施の形態に従う制御構造により実行されるリアクトル電流Ifの制御について説明する。
Here, as described above, the field control of the step-up control and the
なお、最初に、リアクトル電流指令If *の生成方法について説明する。次に、生成したリアクトル電流指令If *を実現するためのリアクトル電流Ifの制御方法について説明する。最後に、リアクトル電流Ifの制御におけるスイッチング制御信号SE1,SE3の生成方法について説明する。 First, a method for generating the reactor current command If * will be described. Next, a method for controlling the reactor current If for realizing the generated reactor current command If * will be described. Finally, a method for generating the switching control signals SE1, SE3 in the control of the reactor current If will be described.
(1) リアクトル電流指令If *の生成方法
図10で述べたように、リアクトル電流指令If *は、目標昇圧電流Iboost *および目標界磁増磁電流IFref *を合成した電流である。目標昇圧電流Iboost *および目標界磁増磁電流IFref *は、それぞれ、以下の方法によって生成することができる。
(1) As mentioned in reactor current command I f * generation method Figure 10, the reactor current command I f * is the target boost current I boost * and target field磁増current I Fref * synthesized in current . The target boost current I boost * and the target field magnetizing current I Fref * can be generated by the following methods, respectively.
詳細には、サンプル点mでの目標昇圧電流Iboost *(m)は、サンプル点(m−2)での出力電圧VDCの電圧指令VDC *に対する電圧偏差ΔVDC(m−2) Specifically, the target boost current I boost * (m) at the sample point m is equal to the voltage deviation ΔV DC (m−2) with respect to the voltage command V DC * of the output voltage V DC at the sample point (m−2).
に対して、式(4)に従って所定ゲインによるPI演算を行なうことにより生成することができる。 On the other hand, it can be generated by performing PI calculation with a predetermined gain according to the equation (4).
ただし、KVPおよびKVIは、それぞれ比例ゲインおよび積分ゲインを示す。
また、サンプル点mでの目標界磁増磁電流IFref *(m)は、サンプル点(m−2)でのリアクトル電流Ifのリアクトル電流指令If *に対する電流偏差ΔIf(m)
However, KVP and KVI indicate a proportional gain and an integral gain, respectively.
Further, the target field increasing current I Fref * (m) at the sample point m is the current deviation ΔI f (m) of the reactor current If at the sample point (m−2) with respect to the reactor current command I f * .
に対して、式(6)に従って所定ゲインによるPI演算を行なうことにより生成することができる。 On the other hand, it can be generated by performing PI calculation with a predetermined gain according to the equation (6).
ただし、KIPおよびKIIは、それぞれ比例ゲインおよび積分ゲインを示す。
最後に、式(4)および式(6)によりそれぞれ演算された目標昇圧電流Iboost *(m)および目標界磁増磁電流IFref *(m)の和を求めることにより、サンプル点mでのリアクトル電流指令If *を生成することができる。
Here, KIP and KII indicate a proportional gain and an integral gain, respectively.
Finally, by obtaining the sum of the target boost current I boost * (m) and the target field magnetizing current I Fref * (m) calculated by the equations (4) and (6), respectively, at the sample point m Reactor current command If * can be generated.
(2) リアクトル電流Ifの制御方法
上記(1)で示した方法によってサンプル点mでのリアクトル電流指令If *(m)が生成されると、サンプル点mでのリアクトル電流If(m)をリアクトル電流指令If *(m)に一致させるための電流制御が行なわれる。
(2) When the reactor current I reactor current command at the sample point m by the method shown in f of the control method described above (1) I f * (m) is generated, the reactor at the sampling point m current I f (m ) Is controlled to match the reactor current command If * (m).
この電流制御では、フィードフォワード補償として、上記式(2)のリアクトル電流If(m)が、リアクトル電流指令If *(m)に置き換えられる。予測値を用いることによって、電流センサ112の出力に外乱があっても制御の安定性を確保するものである。
In this current control, the reactor current If (m) in the above formula (2) is replaced with the reactor current command If * (m) as feedforward compensation. By using the predicted value, the stability of the control is ensured even if there is a disturbance in the output of the
さらに、スイッチング素子Q1の端子間電圧V(m−1)を、次式(8)により演算する。 Further, the inter-terminal voltage V (m−1) of the switching element Q1 is calculated by the following equation (8).
ここで、サンプル点mでリアクトル電流Ifを制御するためには、サンプル点(m−1)で式(8)の演算をサンプル点(m−1)までに終了させなければならないが、サンプル点(m−1)でのリアクトル電流If(m−1)を検出することは不可能である。 Here, in order to control the reactor current If at the sample point m, the calculation of the equation (8) must be completed by the sample point (m−1) at the sample point (m−1). It is impossible to detect the reactor current I f (m−1) at the point (m−1).
そこで、式(2)のmを(m−1)に置き換えるとともに、Vをモデル端子間電圧VMに置き換えることにより、サンプル点(m−1)でのリアクトル電流If(m−1)の推定値Ife(m−1)を次式(9)を用いて演算する。 Therefore, along with replacing the m of formula (2) to (m-1), by replacing the V between models terminal voltage V M, the sample points (m-1) in the reactor current I f (m-1) The estimated value I fe (m−1) is calculated using the following equation (9).
そして、このリアクトル電流の推定値Ife(m−1)を用いることにより、上記式(8)は、式(10)のように書き換えることができる。 Then, using the estimated value I fe (m−1) of the reactor current, the above equation (8) can be rewritten as the equation (10).
式(10)によれば、スイッチング素子Q1の端子間電圧V(m−1)の電圧指令V*(m−1)を、VM(m−1)に設定するとともに、スイッチング素子Q1の端子間に電圧指令V*(m−1)に一致した電圧が発生するように、スイッチング素子Q1〜Q3のスイッチング制御を行なうことにより、リアクトル電流Ifをリアクトル電流指令If *に追従させることが可能となる。 According to the equation (10), the voltage command V * (m−1) of the inter-terminal voltage V (m−1) of the switching element Q1 is set to V M (m−1) and the terminal of the switching element Q1 The reactor current If can be made to follow the reactor current command If * by performing switching control of the switching elements Q1 to Q3 so that a voltage corresponding to the voltage command V * (m-1) is generated in the meantime. It becomes possible.
(3) スイッチング制御信号SE1,SE3の生成方法
最後に、上記(2)で設定された電圧指令V*(m−1)に従ったスイッチング素子Q1〜Q3のスイッチング制御については、上述した昇圧コンバータ120の回路動作状態とスイッチング素子Q1の端子間電圧Vとの関係を用いることによって、スイッチング制御信号SE1,SE3を生成することができる。
(3) Generation Method of Switching Control Signals SE1 and SE3 Finally, the switching converters Q1 to Q3 according to the voltage command V * (m−1) set in (2) above will be described with reference to the boost converter described above. By using the relationship between the circuit operation state of 120 and the voltage V between the terminals of the switching element Q1, the switching control signals SE1 and SE3 can be generated.
すなわち、スイッチング素子Q1の端子間電圧V(t)は、スイッチング素子Q1,Q3のオン・オフ状態に応じて、以下に示すように、3つの電圧レベルの間を遷移する。 That is, the inter-terminal voltage V (t) of the switching element Q1 transitions between three voltage levels as shown below according to the on / off states of the switching elements Q1 and Q3.
なお、スイッチング素子Q1,Q3は、それぞれ、スイッチング制御信号SE1,SE3が「1」のときに導通状態となり、スイッチング制御信号SE1,SE3が「0」のときに非導通状態となる。 The switching elements Q1 and Q3 are turned on when the switching control signals SE1 and SE3 are “1”, and are turned off when the switching control signals SE1 and SE3 are “0”.
したがって、スイッチング素子Q1のオン時間をTQ1(m−1)と定義し、スイッチング素子Q3のオン時間をTQ3(m−1)と定義すると、スイッチング素子Q1の端子間電圧V(m−1)は、式(11)で表すことができる。 Therefore, when the on-time of the switching element Q1 is defined as T Q1 (m−1) and the on-time of the switching element Q3 is defined as T Q3 (m−1), the voltage V (m−1) between the terminals of the switching element Q1. ) Can be expressed by equation (11).
ただし、TQ1+TQ3≦Tsである。また、TQ2は、1制御周期Tsからスイッチング素子Q1,Q3のオン時間の和を差し引いた残余の時間(=Ts−TQ1−TQ3)である。 However, T Q1 + T Q3 ≦ T s . T Q2 is a remaining time (= T s −T Q1 −T Q3 ) obtained by subtracting the sum of the ON times of the switching elements Q1 and Q3 from one control cycle T s .
これによれば、式(11)で示されるスイッチング素子Q1の端子間電圧V(m−1)が、上述した電圧指令V*(m−1)に一致するように、スイッチング素子Q1,Q3のオン時間TQ1(m−1),TQ3(m−1)をそれぞれ求めることによって、リアクトル電流If(m)をリアクトル電流指令If *(m)に追従させることができる。 According to this, the voltage V (m−1) between the terminals of the switching element Q1 represented by the expression (11) matches the voltage command V * (m−1) described above so that the switching elements Q1 and Q3 By obtaining the on times T Q1 (m−1) and T Q3 (m−1), respectively, the reactor current I f (m) can be made to follow the reactor current command I f * (m).
しかしながら、式(11)から明らかなように、単に電圧指令V*(m−1)を定めるだけでは、スイッチング素子Q1,Q3のオン時間TQ1,TQ3の組合せが無限に存在してしまうため、一意に決定することが不可能である。すなわち、スイッチング素子Q1,Q3のオン時間TQ1,TQ3の決定に2自由度を有してしまうことになる。 However, as apparent from the equation (11), simply determining the voltage command V * (m−1) results in infinite combinations of the on-times T Q1 and T Q3 of the switching elements Q1 and Q3. It is impossible to determine uniquely. That is, there are two degrees of freedom in determining the ON times T Q1 and T Q3 of the switching elements Q1 and Q3.
そこで、スイッチング素子Q1,Q3のオン時間TQ1,TQ3を一意に決定するために、上記の式(11)に対して、昇圧コンバータ120における電力収支の関係に基づいた制約を課すものとする。
Therefore, in order to uniquely determine the ON times T Q1 and T Q3 of the switching elements Q1 and Q3, a constraint based on the relationship of the power balance in the
すなわち、昇圧コンバータ120において、入力電力および出力電力の間には、式(12)の関係が成立する。
That is, in
この関係式が過渡状態においても成り立つと仮定すると、上記(1)において決定された目標昇圧電流Iboost *(m−1)および電圧指令VDC *(m−1)を、式(12)に代入することにより、入力電流IDCin *(m−1)が導出される。 Assuming that this relational expression holds even in a transient state, the target boost current I boost * (m−1) and the voltage command V DC * (m−1) determined in the above (1) are expressed in the expression (12). By substituting, the input current I DCin * (m−1) is derived.
この入力電流IDCin(m−1)は、スイッチング素子Q1,Q3がともにオフされているときに電源ライン107に入力される電流であり、その大きさがリアクトル電流Ifに対して、式(14)で表わされる。
This input current I DCin (m−1) is a current that is input to the
したがって、式(13)で導出された入力電流IDCin *(m−1)および上記(1)で決定したリアクトル電流指令If(m−1)*を式(14)に代入することにより、スイッチング素子Q1,Q3の全てがオフされる時間TQ2の目標値TQ2 *が決まる。したがって、式(11)を用いれば、オン時間TQ1,TQ2の目標値TQ1 *,TQ2 *を一意に決定することができる。 Therefore, by substituting the input current I DCin * (m−1) derived in the equation (13) and the reactor current command I f (m−1) * determined in the above (1) into the equation (14), A target value T Q2 * of time T Q2 at which all of switching elements Q1 and Q3 are turned off is determined. Therefore, using Equation (11), the target values T Q1 * and T Q2 * of the on-times T Q1 and T Q2 can be uniquely determined.
図12に、上述した方法によって決定されたオン時間の目標値TQ1 *,TQ2 *に従ってPWM制御を行なった場合のスイッチング素子Q1の端子間電圧Vおよびリアクトル電流Ifの動作波形図を示す。なお、図12では、PWM制御は、キャリア信号として三角波信号を用いた場合に生成されるスイッチング制御信号SE1,SE3が示される。 Figure 12 shows an operation waveform diagram of the target value T Q1 *, the voltage between the terminals of the switching element Q1 of the case of performing the PWM control in accordance with T Q2 * V and reactor current I f ON determined by the method described above time . In FIG. 12, the PWM control shows switching control signals SE1 and SE3 generated when a triangular wave signal is used as the carrier signal.
以上に述べたように、本実施の形態に従う電動機駆動装置を搭載した電動車両においては、昇圧コンバータ120のリアクトルL1を電動機10の界磁コイル50として兼用する構成において、昇圧制御と電動機10の界磁制御とを独立して行なうことができる。その結果、低回転域(すなわち、低車速域)では大きなトルクが得られるとともに、高回転域(すなわち、高車速域)では高効率で電動機を駆動させることができる。これにより、駆動装置の小型化が図られるとともに、電動機の高出力化による車両の走行性能の向上を実現することができる。
As described above, in the electric vehicle equipped with the electric motor drive device according to the present embodiment, in the configuration in which reactor L1 of
なお、上述した電動機10においては、磁石をロータの外表面に設けているが、これに限らず、ロータ内に磁石を埋め込んでもよい。すなわち、本発明に係る電動機駆動装置は、SPM(Surface Permanent Magnet)のみならず、IPM(Interior Permanent Magnet)にも適用することができる。このように構成されたロータにおいては、マグネットトルク(永久磁石とコイルとの吸引反発力)およびリラクタンストルク(磁力線の曲がりを直線にする力=コイルが鉄を引きつける力)の両方を有効に利用することができる。
In the
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。本発明の範囲は上記した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。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
10 電動機、12 昇圧コンバータ、21 界磁ヨーク、21a 天板部、21b 側壁部、21c 突部、21d 貫通孔、22 ステータコア、23,23a〜23c ステータティース、24 コイル、30 ステータ、40 ロータ、41 回転シャフト、43 ロータコア、43a 積層ロータコア、43b 圧粉ロータコア、44 磁石、45,45a ロータティース、46 軸受、50 界磁コイル、100 制御装置、105 接地ライン、106,107 電源ライン、110,130 電圧センサ、112,240 電流センサ、120 昇圧コンバータ、140 インバータ、150 U相アーム、160 V相アーム、170 W相アーム、200,202 減算器、204 加算器、206,208 PI演算部、210 スイッチング制御部、1000 電動機駆動装置、B バッテリ、C1 スナバコンデンサ、C2 平滑コンデンサ、D1〜D8 ダイオード、L1 リアクトル、Q1〜Q3,Q5〜Q10 スイッチング素子。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
電源と、
前記電源からの直流電圧を電圧変換して、第1および第2の電源線間に出力するコンバータと、
前記第1および第2の電源線間の電圧を受けて、前記電動機を駆動制御する電力に変換するインバータとを備え、
前記コンバータは、前記界磁巻線および前記第2の電源線間に電気的に接続される昇圧用スイッチング素子を含み、
前記界磁巻線は、前記電源および前記第1の電源線間の電流経路上に電気的に接続され、前記昇圧用スイッチング素子によってスイッチングされた電圧が両端に印加されるように構成され、
前記電動機駆動装置は、
前記界磁巻線に並列に接続される界磁用スイッチング素子と、
前記昇圧用スイッチング素子および前記界磁用スイッチング素子をスイッチング制御する制御装置とをさらに備え、
前記制御装置は、
前記コンバータから前記第1および第2の電源線間に出力される電圧を検出する電圧センサと、
前記界磁巻線を流れる前記界磁電流を検出する電流センサと、
前記コンバータから前記第1の電源線に出力される昇圧電流についての所定のサンプル周期により定められる第1のサンプル点での目標値を、前記第1のサンプル点よりも前の第2のサンプル点での電圧指令値と前記第2のサンプル点での前記電圧センサの検出電圧との偏差に応じて設定するとともに、界磁を強める方向に前記界磁巻線に供給される界磁増磁電流についての前記第1のサンプル点での目標値を、前記第2のサンプル点での電流指令値と前記第2のサンプル点での前記電流センサの検出電流との偏差に応じて設定する目標電流設定手段と、
前記第1のサンプル点での前記昇圧電流の目標値および前記第1のサンプル点での前記界磁増磁電流の目標値を加算することにより、前記第1のサンプル点での電流指令値を生成する電流指令生成手段と、
前記第1のサンプル点での前記電流センサの検出電流が前記第1のサンプル点での電流指令値と一致するように、前記界磁用スイッチング素子および前記昇圧用スイッチング素子をスイッチング制御するスイッチング制御手段とを含む、電動機駆動装置。 A motor drive device including a field winding and having a field pole formed by passing a field current through the field winding,
Power supply,
A converter for converting a DC voltage from the power source to output between the first and second power source lines;
An inverter that receives a voltage between the first and second power supply lines and converts the electric power to drive and control the electric motor;
The converter includes a step-up switching element electrically connected between the field winding and the second power supply line,
The field winding is electrically connected on a current path between the power supply and the first power supply line, and is configured such that a voltage switched by the boosting switching element is applied to both ends.
The motor driving device is
A field switching element connected in parallel to the field winding;
A control device for switching control of the step-up switching element and the field switching element,
The controller is
A voltage sensor for detecting a voltage output between the first and second power supply lines from the converter;
A current sensor for detecting the field current flowing through the field winding;
A target value at a first sample point determined by a predetermined sample period for the boost current output from the converter to the first power supply line is set to a second sample point before the first sample point. Is set in accordance with the deviation between the voltage command value at the second sampling point and the voltage detected by the voltage sensor at the second sample point, and is supplied to the field winding in a direction to strengthen the field. The target value at the first sample point is set according to the deviation between the current command value at the second sample point and the detected current of the current sensor at the second sample point. Setting means;
By adding the target value of the boost current at the first sample point and the target value of the field magnetizing current at the first sample point, a current command value at the first sample point is obtained. Current command generating means for generating;
Switching control for switching the field switching element and the step-up switching element so that the detected current of the current sensor at the first sample point matches the current command value at the first sample point. Means for driving the motor.
前記第1のサンプル点での電流指令値を用いて、前記第1のサンプル点および前記第2のサンプル点の間に位置する第3のサンプル点での前記昇圧用スイッチング素子の端子間電圧の指令値を生成する端子間電圧指令値生成手段と、
生成された前記第3のサンプル点での端子間電圧指令値に基づいて、前記第3のサンプル点での前記界磁用スイッチング素子および前記昇圧用スイッチング素子のデューティー比を演算するデューティー比演算手段と、
演算された前記第3のサンプル点でのデューティー比に従って前記昇圧用スイッチング素子および前記界磁用スイッチング素子をスイッチングするためのスイッチング制御信号を生成する制御信号生成手段とを含む、請求項1に記載の電動機駆動装置。 The switching control means includes
Using the current command value at the first sample point, the voltage across the terminals of the step-up switching element at the third sample point located between the first sample point and the second sample point A terminal-to-terminal voltage command value generating means for generating a command value;
Based on the generated the inter-terminal voltage command value of the third sample point, the third of the field magnetizing switching elements and duty ratio calculation means for calculating a duty ratio of the boosting switching element at the sample point When,
The control signal generating means for generating a switching control signal for switching the step-up switching element and the field switching element according to the calculated duty ratio at the third sampling point. Electric motor drive device.
前記コンバータの定常状態における電力収支を用いて前記第3のサンプル点での電流指令値および前記昇圧電流の比を演算し、その演算された比に基づいて前記昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子がオフされる期間を演算するとともに、その演算された期間および前記第3のサンプル点での端子間電圧指令値に基づいて、前記昇圧用スイッチング素子のみがオンされる期間と前記界磁用スイッチング素子がオフされる期間を演算する、請求項2に記載の電動機駆動装置。 The duty ratio calculating means includes
A ratio of the current command value and the boost current at the third sampling point is calculated using the power balance in the steady state of the converter, and the boost switching element and field switching are calculated based on the calculated ratio A period in which the element is turned off is calculated, and a period in which only the step-up switching element is turned on based on the calculated period and the inter-terminal voltage command value at the third sampling point and the field The electric motor drive device according to claim 2, wherein a period during which the switching element is turned off is calculated.
前記電動機駆動装置は、
電源と、
前記電源からの直流電圧を電圧変換して、第1および第2の電源線間に出力するコンバータと、
前記第1および第2の電源線間の電圧を受けて、前記電動機を駆動制御する電力に変換するインバータと、
前記界磁巻線に並列に接続される界磁用スイッチング素子と、
前記コンバータから前記第1および第2の電源線間に出力される電圧を検出する電圧センサと、
前記界磁巻線を流れる前記界磁電流を検出する電流センサとを含み、
前記コンバータは、前記界磁巻線および前記第2の電源線間に電気的に接続される昇圧用スイッチング素子を有し、
前記界磁巻線は、前記電源および前記第1の電源線間の電流経路上に電気的に接続され、前記昇圧用スイッチング素子によってスイッチングされた電圧が両端に印加されるように構成され、
前記制御方法は、
前記コンバータから前記第1の電源線に出力される昇圧電流についての所定のサンプル周期により定められる第1のサンプル点での目標値を、前記第1のサンプル点よりも前の第2のサンプル点での電圧指令値と前記第2のサンプル点での前記電圧センサの検出電圧との偏差に応じて設定するとともに、界磁を強める方向に前記界磁巻線に供給される界磁増磁電流についての前記第1のサンプル点での目標値を、前記第2のサンプル点での電流指令値と前記第2のサンプル点での前記電流センサの検出電流との偏差に応じて設定するステップと、
前記第1のサンプル点での前記昇圧電流の目標値および前記第1のサンプル点での前記界磁増磁電流の目標値を加算することにより、前記第1のサンプル点での電流指令値を生成するステップと、
前記第1のサンプル点での前記電流センサの検出電流が前記第1のサンプル点での電流指令値と一致するように、前記界磁用スイッチング素子および前記昇圧用スイッチング素子をスイッチング制御するステップとを備える、電動機駆動装置の制御方法。 A method for controlling an electric motor drive device including a field winding and having a field pole formed by passing a field current through the field winding,
The motor driving device is
Power supply,
A converter for converting a DC voltage from the power source to output between the first and second power source lines;
An inverter that receives a voltage between the first and second power supply lines and converts the electric power to drive and control the motor;
A field switching element connected in parallel to the field winding;
A voltage sensor for detecting a voltage output between the first and second power supply lines from the converter;
A current sensor for detecting the field current flowing through the field winding,
The converter includes a step-up switching element electrically connected between the field winding and the second power supply line,
The field winding is electrically connected on a current path between the power supply and the first power supply line, and is configured such that a voltage switched by the boosting switching element is applied to both ends.
The control method is:
A target value at a first sample point determined by a predetermined sample period for the boost current output from the converter to the first power supply line is set to a second sample point before the first sample point. Is set in accordance with the deviation between the voltage command value at the second sampling point and the voltage detected by the voltage sensor at the second sample point, and is supplied to the field winding in a direction to strengthen the field. Setting a target value at the first sample point with respect to a difference between a current command value at the second sample point and a detected current of the current sensor at the second sample point ; ,
By adding the target value of the boost current at the first sample point and the target value of the field magnetizing current at the first sample point, a current command value at the first sample point is obtained. Generating step;
Switching control of the field switching element and the step-up switching element such that a detected current of the current sensor at the first sample point matches a current command value at the first sample point ; A method for controlling an electric motor driving device.
前記第1のサンプル点での電流指令値を用いて、前記第1のサンプル点および前記第2のサンプル点の間に位置する第3のサンプル点での前記昇圧用スイッチング素子の端子間電圧の指令値を生成するステップと、
生成された前記第3のサンプル点での端子間電圧指令値に基づいて、前記第3のサンプル点での前記界磁用スイッチング素子および前記昇圧用スイッチング素子のデューティー比を演算するステップと、
演算された前記第3のサンプル点でのデューティー比に従って前記昇圧用スイッチング素子および前記界磁用スイッチング素子をスイッチングするためのスイッチング制御信号を生成するステップとを含む、請求項4に記載の電動機駆動装置の制御方法。 The switching control step includes:
Using the current command value at the first sample point, the voltage across the terminals of the step-up switching element at the third sample point located between the first sample point and the second sample point Generating a command value;
A step of based on the generated inter-terminal voltage command value of the third sample point, computing the field magnetizing the duty ratio of the switching element and the step-up switching element in the third sample point,
And generating a switching control signal for switching the step-up switching element and the field switching element according to the calculated duty ratio at the third sampling point. Control method of the device.
前記コンバータの定常状態における電力収支を用いて前記第3のサンプル点での電流指令値および前記昇圧電流の比を演算し、その演算された比に基づいて前記昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子がオフされる期間を演算するとともに、その演算された期間および前記第3のサンプル点での端子間電圧指令値に基づいて、前記昇圧用スイッチング素子のみがオンされる期間と前記界磁用スイッチング素子がオフされる期間を演算する、請求項5に記載の電動機駆動装置の制御方法。 The step of calculating the duty ratio includes:
A ratio of the current command value and the boost current at the third sampling point is calculated using the power balance in the steady state of the converter, and the boost switching element and field switching are calculated based on the calculated ratio A period in which the element is turned off is calculated, and a period in which only the step-up switching element is turned on based on the calculated period and the inter-terminal voltage command value at the third sampling point and the field The method for controlling an electric motor drive device according to claim 5, wherein a period during which the switching element is turned off is calculated.
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