JP2010011575A - 車両用電動機の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】平均トルクを向上し、トルクリプルを低減して、迅速かつ滑らかにエンジンを始動する。
【解決手段】上スイッチ素子２２０ａ〜２２０ｃ、下スイッチ素子２２１ａ〜２２１ｃともそれぞれ固定子巻線２０１の異なる１端子に通電する第１の通電状態と、上スイッチ素子、下スイッチ素子のうちどちらか一方が固定子巻線の１端子、他方が前記１端子とは異なる２端子に通電する第２の通電状態を、回転子２３０の回転により変化する電気角一周期内で交互に切り換えるようにした車両用電動機の制御装置。
【選択図】図２

Description

この発明は、車両に搭載され、エンジンに連結された電動機の駆動を制御する車両用電動機の制御装置に関し、特に、停止したエンジンを始動する際に、平均トルクを向上させ、エンジンを迅速かつ滑らかに始動することのできる車両用電動機の制御装置に関するものである。
エンジンに連結された車両用電動機の駆動を制御する従来の制御装置として、特許文献１に示されるものがある。この特許文献１に示される制御装置においては、エンジンの始動時に電動機の固定子巻線の各相に電流を流す通電方式を、１２０度矩形波通電方式から１８０度矩形波通電方式に切り替える制御が採用されている。
特開２００４−１２９３７９号公報
上記特許文献１に示される電動機の制御装置においては、電動機の各相に流れる電流が、１２０度矩形波通電方式か１８０度矩形波通電方式のどちらかによる電流波形で流れるため、電動機の出力はどちらかの通電方式の出力値しか取ることができない。
また、そのために低速回転（１２０度矩形波通電方式）では電流波形が矩形波状となり、トルクリプルも大きいという問題がある。
この発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、停止したエンジンを始動する際に、電動機の平均出力トルクを向上させ、トルクリプルを低減させて、エンジンを高速回転まで迅速かつ滑らかに始動することのできる車両用電動機の制御装置を提供することを目的とする。
また、電動機の固定子巻線に流れる電流の高調波成分を減少させて、電磁気的な騒音や電磁ノイズの元となる電磁加振力を小さくすることができ、電動機の電磁加振力による騒音を低減することのできる車両用電動機の制御装置を提供することを目的とする。
この発明に係る車両用電動機の制御装置は、直列接続された上スイッチ素子と下スイッチ素子を備えた複数の駆動アームを直流電源の正負端子間に接続し、該駆動アームの上スイッチ素子と下スイッチ素子との中間接続点が、電動機の固定子巻線の各相端子に接続された電力変換部と、この電力変換部の前記上スイッチ素子と下スイッチ素子のオン、オフを制御して前記電動機の固定子巻線に電圧を印加し、固定子電流を通電して電動機を駆動制御する制御手段を備えた車両用電動機の制御装置において、前記制御手段は、前記駆動アームの上スイッチ素子で前記固定子巻線端子の1端子に通電し、下スイッチ素子で上ス
イッチ素子と異なる固定子巻線端子の1端子に通電する第１の通電状態と、前記駆動アー
ムの上スイッチ素子で固定子巻線端子の１端子または２端子に通電し、下スイッチ素子で上スイッチ素子が通電していない残りの全ての固定子巻線端子（２端子または1端子）に
通電する第２の通電状態とを生ぜしめ、且つ、前記第１の通電状態と第２の通電状態とが、前記電動機の回転子の回転により変化する電気角一周期内で交互に切り替わるように前記電力変換部を制御するようにしたものである。
この発明の車両用電動機の制御装置によれば、電動機の各相固定子巻線に流れる電流のうちトルクの発生に影響の大きなｑ軸電流が大きくなり、電動機の平均出力トルクを向上させることができ、また、電流波形が正弦波に近くなるためにｑ軸電流の変動が減少してトルクリプルを低減させることができる。その結果、停止したエンジンを始動する際にエンジンを高速回転まで回転させることが可能となり、迅速かつ滑らかにエンジンを始動することが可能となる。
また、電流波形が正弦波に近くなり高調波成分が減少するため、電磁気的な騒音や電磁ノイズの元となる電磁加振力を小さくすることができ、電動機の電磁加振力による騒音を低減することができる。
上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における車両用電動機あるいは発電電動機の制御装置を車両用に適用した際の構成概念図である。
図１において、１０１はガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関、１０２は、この内燃機関１０１に直接あるいはベルトやプーリーなどの結合手段１０４を介して連結され互いにトルクの授受可能な状態で配置された電動機、１０３は、電動機１０２と電気的に接続された蓄電池で、この蓄電池１０３は、他の車両用負荷とともに共用する蓄電池でも、本電動機専用であっても良い。また、この蓄電池１０３はキャパシタであってもよいし、電動機１０２は発電電動機であってもよい。１０５は、電動機１０２を駆動制御するための制御装置部である。
次に制御装置部１０５と一体になった電動機１０２の電気回路を図２に示す。
図２において、電動機１０２は、３相のＹ型もしくはΔ型結線された固定子巻線２０１と、界磁巻線２０２からなるいわゆる電動機本体部分２００と、制御機能を有する電力変換部１１０からなる。回転子２３０は界磁巻線２０２により磁化されているが、回転子２３０は界磁巻線と永久磁石により磁化されたものでも、永久磁石のみで磁化されたものでもよい。２０３は、回転子２３０の角度位置情報を検出する回転子位置検出装置であり、例えば、レゾルバや、ホールＩＣスイッチなどの回転センサで構成される。
２０４は回転位置検出装置２０３からの情報に基づき電動機の回転速度を検出する回転速度検出部である。
電力変換部１１０はスイッチ素子としてトランジスタを用いたいわゆる３相インバータであり、電動機本体部２００の固定子巻線２０１とつながる各端子に接続された６個の電力変換用スイッチング素子２２０ａ〜２２０ｃ（上スイッチ素子ともいう。）、２２１ａ〜２２１ｃ（下スイッチ素子ともいう。）と、これらのスイッチング素子を駆動する制御手段としての駆動回路２１０、発電時の整流動作や電動機として使用した時のスイッチング素子オフ時の電流還流動作をするダイオード２２２ａ〜２２２ｃ、２２３ａ〜２２３ｃ、電動機本体部２００の界磁巻線２０２に接続された界磁巻線電流用スイッチング素子２１１、およびフライホイールダイオード２１３から構成されている。
制御手段としての電力変換部駆動回路２１０は、ＣＰＵ（演算装置）２０９と、このＣＰＵ（演算装置）２０９から入力された固定子巻線２０１の各相及び界磁巻線２０２への印加電圧オン・オフ指令に基づいて、電力変換用スイッチング素子２２０ａ〜２２０ｃ、２２１ａ〜２２１ｃに指令を送るスイッチング素子駆動回路２０８、および界磁巻線電流用スイッチング素子２１１に指令を送る界磁用スイッチング素子駆動回路２０５からなり
、電動機本体部２００でトルクを発生させるように制御を行う構成となっている。
電動機本体部２００が発電電動機である場合は、電動機に加えて発電機として発電させるために駆動回路２１０を発電制御回路として制御を行う。
次に実施の形態１の制御動作について説明する。
図３は、従来の制御方式である１８０度矩形波通電時の、回転子位置と三相端子電圧、三相端子間電圧の一例を示す図、図４は、同じく従来の制御方式である１２０度矩形波通電時の、回転子位置と三相端子電圧、三相端子間電圧の一例を示す図、図５はこの発明の実施の形態１の電圧印加パターンを示すものである。
また、図６は、従来の１８０度矩形波通電（図６（ａ））と従来の１２０度矩形波通電（図６（ｂ））と実施の形態1（図６（ｃ））の電流パターンを示すものである。
周知のように、電動機のトルクＴは次式（１）で表される。
Figure 2010011575
 ここで、Tはトルク、Pnは極対数(回転子の極数／２)、Ψaは磁束、idはｄ軸電流、iqはｑ軸電流、 Ldはｄ軸インダクタンス、Lqはｑ軸インダクタンスである。
式（１）からわかるとおり、トルクリプルはｄ軸、ｑ軸電流の変動により発生する(ス
ロット高調波分は無視する)。したがって、ｄ、ｑ軸電流を一定にすればトルクリプルは
低減できるが、ｄ、ｑ軸電流が一定となるのは、相電流が正弦波の場合である。
相電流を正弦波に近づければよいが、従来の１８０度矩形波、１２０度矩形波では電流の取り得る値が図６（ａ）、（ｂ）に示すように、各々５値、３値しかなく階段状である。
しかし、これを組み合わせれば図６（ｃ）に示すように、電流の取り得る値は７値となり、通電パターンをうまく組み合わせれば７段階の階段状相電流とすることができ、相電流波形が正弦波に近づき、トルクリプル低減と平均トルク向上が可能となる。
この発明の実施の形態１の車両用電動機の制御装置は、以上の点に着目してなされたものである。
即ち、図５に示すように実施の形態１においては、制御手段としての駆動回路２１０は、三相インバータの電力変換用スイッチング素子２２０ａ〜２２０ｃ（上スイッチ素子）と２２１ａ〜２２１ｃ（下スイッチ素子）に対し、以下の制御を行う。
即ち、１２０度矩形波通電方式で行われている、上、下スイッチ素子とも固定子巻線のそれぞれ異なる1端子に通電する第１の通電状態（即ち、上、下スイッチ素子とも固定子巻
線のそれぞれ１相を通電する状態）と、１８０度矩形波通電方式で行われている、上、下スイッチ素子のうちどちらか一方が固定子巻線の１端子または２端子に通電し、他方が通電していない残りの全ての固定子巻線端子（２端子または１端子）に通電する第２の通電状態（即ち、上、下スイッチ素子のうちどちらか一方が１相、他方が２相を通電する状態）となるように制御し、且つ、この第１の通電状態と第２の通電状態とが、回転子の回転により変化する電気角一周期内で交互に切り替わるように駆動制御するものである。
図６（ｃ）は、上述のように制御した実施の形態１における電流波形の一例図、図７は１８０度矩形波通電と１２０度矩形波通電と実施の形態１のトルク波形の一例図であり、図から明らかなように、この発明の実施の形態１によれば、固定子巻線の各相に流れる電流のうちｑ軸電流が大きくなり、平均トルクを向上させることができる。
また、電流波形が正弦波に近くなるためにｑ軸電流の変動が減少してトルクリプルを低減することができる。
以上のように、この発明の実施の形態１の車両用電動機の制御装置は、直列接続された上スイッチ素子と下スイッチ素子を備えた複数の駆動アームを直流電源の正負端子間に接続し、該駆動アームの上スイッチ素子と下スイッチ素子との中間接続点が、電動機の固定子巻線の各相端子に接続された電力変換部と、この電力変換部の前記上スイッチ素子と下スイッチ素子のオン、オフを制御して前記電動機の固定子巻線に電圧を印加し、固定子電流を通電して電動機を駆動制御する制御手段を備えた車両用電動機の制御装置において、前記制御手段は、前記駆動アームの上スイッチ素子で前記固定子巻線端子の1端子に通電
し、下スイッチ素子で上スイッチ素子と異なる固定子巻線端子の1端子に通電する第１の
通電状態と、前記駆動アームの上スイッチ素子で固定子巻線端子の１端子または２端子に通電し、下スイッチ素子で上スイッチ素子が通電していない残りの全ての固定子巻線端子（２端子または1端子）に通電する第２の通電状態とを生ぜしめ、且つ、前記第１の通電
状態と第２の通電状態とが、前記電動機の回転子の回転により変化する電気角一周期内で交互に切り替わるように前記電力変換部を制御するようにしたものである。
このように構成された実施の形態１の車両用電動機の制御装置によれば、電動機の各相固定子巻線に流れる電流のうちトルクの発生に影響の大きなｑ軸電流が大きくなり、電動機の平均出力トルクを向上させることができ、また、電流波形が正弦波に近くなるためにｑ軸電流の変動が減少してトルクリプルを低減させることができる。その結果、停止したエンジンを始動する際にエンジンを高速回転まで回転させることが可能となり、迅速かつ滑らかにエンジンを始動することが可能となる。
また、電流波形が正弦波に近くなり高調波成分が減少するため、電磁気的な騒音や電磁ノイズの元となる電磁加振力を小さくすることができ、電動機の電磁加振力による騒音を低減することができる。
なお、上記説明においては固定子の結線がＹ結線の場合について述べたが、Δ結線の場合についてもＹ結線に換算して考えれば制御および得られる結果はＹ結線の場合と同様となる。
また、実施の形態１の変形例として、固定子は互いに電気角位相をずらした２つの３相巻線で構成し、同じ通電パターンをもつ２つの３相巻線の電気角位相を２つの３相巻線の電気角位相差分ずらして制御することもできる。
このように２つの３相巻線を重ね合わせることによって、一層ｑ軸電流の変動が減少してトルクリプルが低減し、迅速かつ滑らかにエンジンを始動することが可能となり、また、高調波成分が減少して、電動機の電磁加振力による騒音を低減することができる。
また、第１の通電状態の電気角範囲を電動機の回転子の回転速度の増大と共に減少させ、高速回転速度では第２の通電状態のみによる制御とすることによって、高速回転では電圧利用率の高い第２の通電状態のみの制御、つまり、１８０度矩形波通電として出力トルクを増大させることができる。
また、第１の通電状態と第２の通電状態の切り替えを、レゾルバやホールＩＣスイッチなどの回転センサの回転子角度位置情報により行うことによって、角度の精度が向上し、上述した実施の形態１の効果をさらに高めることができる。
なお、回転センサをレゾルバとした場合には、回転子位置の絶対角度が常にわかり、遅れも少ないため、補正や推定の影響を小さくでき、角度の精度が向上する。ホールＩＣスイッチの場合には、安価に構成することができる。
さらに、第１の通電状態と第２の通電状態の切り替えタイミングを、電動機の回転速度
と供給される直流電圧により変化させることによって、トルクを最大としたり、トルクリプルを最小にしたりすることもできる。
この発明の実施の形態１の車両用電動機の制御装置の構成概念図である。 この発明の実施の形態１における車両用電動機の制御装置の電気回路図である。 従来の１８０度矩形波通電時の回転子位置と三相端子電圧、三相端子間電圧の一例を示す図である。 従来の１２０度矩形波通電時の回転子位置と三相端子電圧、三相端子間電圧の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１の回転子位置と三相端子電圧、三相端子間電圧の電圧印加パターンを示す図である。 従来の１８０度矩形波通電と１２０度矩形波通電と、実施の形態１の電流波形の一例を示す電流パターン図である。 従来の１８０度矩形波通電と１２０度矩形波通電と、実施の形態1のトルク波形の一例図である。
符号の説明
１０１ 内燃機関、１０２ 電動機、１０３ 蓄電池、１０４ 結合手段、 １０５
制御装置部、１１０ 電力変換部、２００ 電動機本体部分、２０１ 固定子巻線、
２０１ 固定子巻線、２０２ 界磁巻線、２０３ 回転子位置検出装置、
２０４ 回転速度検出部、２０５ 界磁用スイッチング素子駆動回路、
２０６ シャント抵抗、２０８ スイッチング素子駆動回路、
２０９ ＣＰＵ（演算装置）、 ２１０ 電力変換部駆動回路、
２１１ 界磁巻線電流用スイッチング素子、
２１２ 界磁巻線フライホイールダイオード、２１３ フライホイールダイオード、
２２０ａ Ｕ相上スイッチ素子、２２０ｂ Ｖ相上スイッチ素子、
２２０ｃ Ｗ相上スイッチ素子、 ２２１ａ Ｕ相下スイッチ素子、
２２１ｂ Ｖ相下スイッチ素子、２２１ｃ Ｗ相下スイッチ電力素子、
２２２ａ Ｕ相上スイッチフライホイールダイオード、２２２ｂ Ｖ相上スイッチフラ
イホイールダイオード、２２２ｃ Ｗ相上スイッチフライホイールダイオード、
２２３ａ Ｕ相下スイッチフライホイールダイオード、２２３ｂ Ｖ相下スイッチフラ
イホイールダイオード、２２３ｃ Ｗ相下スイッチフライホイールダイオード。

Claims (6)

  1. 直列接続された上スイッチ素子と下スイッチ素子を備えた複数の駆動アームを直流電源の正負端子間に接続し、該駆動アームの上スイッチ素子と下スイッチ素子との中間接続点が、電動機の固定子巻線の各相端子に接続された電力変換部と、この電力変換部の前記上スイッチ素子と下スイッチ素子のオン、オフを制御して前記電動機の固定子巻線に電圧を印加し、固定子電流を通電して電動機を駆動制御する制御手段を備えた車両用電動機の制御装置において、前記制御手段は、前記駆動アームの上スイッチ素子で前記固定子巻線端子の1端子に通電し、下スイッチ素子で上スイッチ素子と異なる固定子巻線端子の1端子に通電する第１の通電状態と、前記駆動アームの上スイッチ素子で固定子巻線端子の１端子または２端子に通電し、下スイッチ素子で上スイッチ素子が通電していない残りの全ての固定子巻線端子（２端子または1端子）に通電する第２の通電状態とを生ぜしめ、且つ、
    前記第１の通電状態と第２の通電状態とが、前記電動機の回転子の回転により変化する電気角一周期内で交互に切り替わるように前記電力変換部を制御することを特徴とする車両用電動機の制御装置。
  2. 前記電動機の固定子は、互いに電気角位相をずらした２つの３相巻線から構成され、前記制御手段は、同じ通電パターンをもつ前記２つの３相巻線の電気角位相を、２つの３相巻線の電気角位相差分だけずらして制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の車両用電動機の制御装置。
  3. 前記制御手段は、第１の通電状態の電気角範囲を、前記電動機の回転子の回転速度の増大と共に減少させ、高速回転速度では第２の通電状態のみによる制御とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用電動機の制御装置。
  4. 第１の通電状態と第２の通電状態の切り替えを、回転センサの回転子角度位置情報により行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車両用電動機の制御装置。
  5. 前記回転センサは、レゾルバまたはホールＩＣスイッチで構成したことを特徴とする請求項４に記載の車両用電動機の制御装置。
  6. 前記第１の通電状態と第２の通電状態の切り替えタイミングは、電動機の回転速度と供給される直流電圧により変化させるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の車両用電動機の制御装置。
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