JP2011050150A - Motor drive method and driving device for electric vehicles - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両に適用できる電動機駆動方法に関し、特に電動機の巻線切替技術に関するものである。 The present invention relates to a motor driving method applicable to an electric vehicle such as an electric vehicle and a hybrid vehicle, and more particularly to a winding switching technique of the motor.
〈巻線切替モータとは〉
巻線切替モータとはモータ内部の巻線を切り替えることにより２種類の異なるモータ特性を実現することのできるモータのことである。この２種類の異なるモータの特性として、（１）低速時には大トルクを発生でき、かつ（２）高速時には高速の速度範囲が広いという特徴をもっている。
巻線切替モータの内部構成としては、低速時に大きなトルクを発生させる低速巻線と、高速時に誘起電圧を抑え速度範囲を広くできる高速巻線とを切り替えることにより実現している。
<What is a winding switching motor?>
The winding switching motor is a motor that can realize two different motor characteristics by switching the windings in the motor. The characteristics of these two types of different motors are that (1) a large torque can be generated at a low speed, and (2) a high speed range is wide at a high speed.
The internal configuration of the winding switching motor is realized by switching between a low-speed winding that generates a large torque at low speed and a high-speed winding that suppresses the induced voltage and widens the speed range at high speed.
〈特許文献１の巻線切替〉
従来の巻線切替の方式としては、それぞれの巻線に接続された２種の異なったインバータ装置を接続し、その入力部の接続をモータ運転条件により直流電源と直列もしくは並列に切り替える方式がある。これにより低速回転領域での電動機効率を上げることができる。さらに直流電源にバッテリを用いている場合、バッテリ貯蔵電力が小さくなるとその電圧が低くなるが、その場合はインバータを直列接続することで電力の有効利用が可能となる（例えば、特許文献１参照）。
<Winding switching in
As a conventional winding switching system, there is a system in which two different inverter devices connected to each winding are connected, and the connection of the input unit is switched in series or in parallel with the DC power supply depending on the motor operating conditions. . Thereby, the motor efficiency in the low-speed rotation region can be increased. Further, when a battery is used for the direct current power source, the voltage decreases as the battery storage power decreases. In this case, the inverter can be connected in series to effectively use the power (see, for example, Patent Document 1). .
〈特許文献２の巻線切替〉
同様に巻線切替モータを使った他の従来例による電動機システムにおいて、バッテリ電圧を昇圧可能にする回路をインバータの直流部に有し、コンデンサ電圧を可変できるシステムがある。これは直流電圧を制御可能にするため、たとえばコンデンサ電圧を一定にする制御とバッテリ電圧との昇圧比を一定にする制御をバッテリ電圧に応じて選択可能になる。これらの動作の違いによりコンデンサのリプル電流が変わるため、コンデンサ内部発熱を抑制できる（例えば、特許文献２参照）。
<Winding switching in
Similarly, in another conventional motor system using a winding switching motor, there is a system that has a circuit capable of boosting the battery voltage in the DC section of the inverter and can vary the capacitor voltage. In order to control the DC voltage, for example, control for making the capacitor voltage constant and control for making the boost ratio of the battery voltage constant can be selected according to the battery voltage. Since the ripple current of the capacitor changes due to the difference in operation, heat generation inside the capacitor can be suppressed (see, for example, Patent Document 2).
〈特許文献３の巻線切替〉
またこの方式ではインバータ部を構成する半導体素子の電流も変わるため、半導体素子の温度情報とコンデンサ内部の温度情報の双方からコンデンサ電圧一定制御と昇圧比一定制御を切り替える方式もある（例えば、特許文献３参照）。
<Winding switching in Patent Document 3>
In addition, since the current of the semiconductor element constituting the inverter unit also changes in this method, there is also a method of switching between constant capacitor voltage control and constant boost ratio control from both the temperature information of the semiconductor element and the temperature information inside the capacitor (for example, Patent Documents). 3).
〈特許文献１−３の巻線切替の共通点〉
これらのように従来の巻線切替駆動システムにおいては、いずれも、外付けされたインバータ装置やバッテリからの昇圧装置により直流電源の電流を変え、電力の有効利用と温度上昇の抑制を図るという手順がとられていた。
<Common points of winding switching in Patent Documents 1-3>
As described above, in the conventional winding switching drive system, the DC power source current is changed by an external inverter device or a booster from a battery to effectively use power and suppress temperature rise. Was taken.
しかしながら、従来の巻線切替システムでは、駆動装置に巻線毎に２台の別々のインバータを設けるとか、また昇圧装置を設けるなどの「付加装置が必要」であり、したがって、サイズやコストの面で不利になるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、「可変電圧機能を持たない装置と通常のインバータ１台」とからなる巻線切替装置において、安価な温度検出器のみの構成でコンデンサリプル電流を可変とし、内部発熱を抑制する電動機駆動方法と電動車両用駆動装置を提供することを目的としている。
However, the conventional winding switching system requires “additional devices” such as providing two separate inverters for each winding in the driving device, or providing a boosting device. There was a problem of being disadvantageous.
The present invention has been made in view of such problems, and in a winding switching device composed of “a device having no variable voltage function and one ordinary inverter”, the configuration of only an inexpensive temperature detector is used. It is an object of the present invention to provide an electric motor driving method and an electric vehicle driving device that make a capacitor ripple current variable and suppress internal heat generation.
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
第１の発明は電動機駆動方法に係り、低速巻線と高速巻線を切り替えることができる巻線切替モータと、前記巻線をモータ外部で切り替える巻線切替器と、前記巻線切替モータを駆動するための直流電源を入力にした電圧型ＰＷＭインバータと、を用いた電動機駆動方法において、前記ＰＷＭインバータの平滑コンデンサの内部温度を基に前記巻線切替器が前記低速巻線と前記高速巻線との切り替えをすることを特徴としている。
第２の発明は、第１の発明の電動機駆動方法において、前記ＰＷＭインバータの平滑コンデンサの内部に温度検出器を備え、現在のモータ速度と負荷トルクから領域を判断し、高速巻線と低速巻線の双方が出力可能な速度・トルク領域においては、前記温度検出器から得られた平滑コンデンサの内部温度が高い場合はリプル電流が小さくなる前記低速巻線に巻線状態を切り替え、前記内部温度が低い場合はモータトルク応答速度を高く取れる前記高速巻線に巻線状態を切り替えることを特徴としている。
第３の発明は、第１の発明の電動機駆動方法において、前記ＰＷＭインバータの平滑コンデンサに発生する損失Ｗｃを式（１）から求め、当該損失Ｗｃを基に平滑コンデンサの内部温度を推定し、また、現在のモータ速度と負荷トルクから領域を判断し、高速巻線と低速巻線の双方が出力可能な速度・トルク領域においては、前記推定された平滑コンデンサの内部温度が高い場合はリプル電流が小さくなる前記低速巻線に巻線状態を切り替え、前記内部温度が低い場合はモータトルク応答速度を高く取れる前記高速巻線に巻線状態を切り替えることを特徴としている。
A first invention relates to an electric motor driving method, a winding switching motor capable of switching between a low speed winding and a high speed winding, a winding switching device for switching the winding outside the motor, and driving the winding switching motor. In the electric motor driving method using a voltage type PWM inverter with a DC power supply as an input, the winding switch is configured to use the low-speed winding and the high-speed winding based on the internal temperature of the smoothing capacitor of the PWM inverter. It is characterized by switching.
A second invention is the electric motor driving method of the first invention, wherein a temperature detector is provided inside the smoothing capacitor of the PWM inverter, the region is determined from the current motor speed and load torque, and the high-speed winding and the low-speed winding are determined. In the speed / torque region where both lines can be output, when the internal temperature of the smoothing capacitor obtained from the temperature detector is high, the winding state is switched to the low-speed winding where the ripple current is reduced, and the internal temperature Is low, the winding state is switched to the high-speed winding which can take a high motor torque response speed.
According to a third aspect of the present invention, in the motor driving method of the first aspect, the loss Wc generated in the smoothing capacitor of the PWM inverter is obtained from the equation (1), the internal temperature of the smoothing capacitor is estimated based on the loss Wc, In addition, in the speed / torque area where both the high-speed winding and the low-speed winding can output, the ripple current is determined when the estimated internal temperature of the smoothing capacitor is high. It is characterized in that the winding state is switched to the low-speed winding with a smaller value, and when the internal temperature is low, the winding state is switched to the high-speed winding that can take a high motor torque response speed.
第４の発明は、電動車両用駆動装置に係り、低速巻線と高速巻線を切り替えることができる巻線切替モータと、前記巻線をモータ外部で切り替える巻線切替器と、前記巻線切替モータを駆動するための直流電源を入力にした電圧型ＰＷＭインバータと、を用いた電動車両用駆動装置において、前記ＰＷＭインバータの平滑コンデンサの内部温度を基に前記巻線切替器が前記低速巻線と前記高速巻線との切り替えをすることを特徴としている。
第５の発明は、第４の発明の電動車両用駆動装置において、前記ＰＷＭインバータの平滑コンデンサの内部に温度検出器を備え、現在のモータ速度と負荷トルクから領域を判断し、高速巻線と低速巻線の双方が出力可能な速度・トルク領域においては、前記温度検出器から得られた平滑コンデンサの内部温度が高い場合はリプル電流が小さくなる前記低速巻線に巻線状態を切り替え、前記内部温度が低い場合はモータトルク応答速度を高く取れる前記高速巻線に巻線状態を切り替えることを特徴としている。
第６の発明は、第４の発明の電動車両用駆動装置において、前記ＰＷＭインバータの平滑コンデンサに発生する損失Ｗｃを演算するＣＰＵを備え、当該ＣＰＵが式（１）を用いて前記ＰＷＭインバータの平滑コンデンサに発生する損失Ｗｃを演算し、演算された損失Ｗｃを基に平滑コンデンサの内部温度を推定し、
また、現在のモータ速度と負荷トルクから領域を判断し、高速巻線と低速巻線の双方が出力可能な速度・トルク領域においては、前記推定された平滑コンデンサの内部温度が高い場合はリプル電流が小さくなる前記低速巻線に巻線状態を切り替え、前記内部温度が低い場合はモータトルク応答速度を高く取れる前記高速巻線に巻線状態を切り替えることを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the electric vehicle drive apparatus according to the fourth aspect, further comprising a temperature detector inside the smoothing capacitor of the PWM inverter, determining a region from the current motor speed and load torque, In the speed / torque region where both low-speed windings can output, when the internal temperature of the smoothing capacitor obtained from the temperature detector is high, the winding state is switched to the low-speed winding where the ripple current is small, When the internal temperature is low, the winding state is switched to the high-speed winding which can take a high motor torque response speed.
According to a sixth aspect of the present invention, in the electric vehicle drive device according to the fourth aspect of the present invention, the CPU includes a CPU that calculates a loss Wc generated in the smoothing capacitor of the PWM inverter, and the CPU uses the equation (1) to The loss Wc generated in the smoothing capacitor is calculated, the internal temperature of the smoothing capacitor is estimated based on the calculated loss Wc,
In addition, in the speed / torque area where both the high-speed winding and the low-speed winding can output, the ripple current is determined when the estimated internal temperature of the smoothing capacitor is high. It is characterized in that the winding state is switched to the low-speed winding with a smaller value, and when the internal temperature is low, the winding state is switched to the high-speed winding that can take a high motor torque response speed.
第１および第４の発明によると、第二のインバータや昇圧回路を設けていた従来技術とは異なり、これらを設けることなく巻線を切り替えることができ、コンデンサ内部に設けた温度検出回路により内部発熱を予見することができる。
また、第２および第５の発明によると、コンデンサ内部温度が高くなったときに、コンデンサ内部損失を小さくできる巻線に切り替えることができ、オーバーヒートなどの温度異常を出すことなく連続運転を継続することができると共に、コンデンサ内部温度が十分低いときは、弱め磁束制御が不要な巻線を選択でき高いモータトルクの応答性能を実現することができる。
また、第３および第６の発明によると、温度検出回路がなくても、コンデンサ内部温度が推定できるので、高くなったときに、コンデンサ内部損失を小さくできる巻線に切り替えることができ、オーバーヒートなどの温度異常を出すことなく連続運転を継続することができると共に、コンデンサ内部温度が十分低いときは、弱め磁束制御が不要な巻線を選択でき高いモータトルクの応答性能を実現することができる。
According to the first and fourth inventions, unlike the prior art in which the second inverter and the booster circuit are provided, the windings can be switched without providing them, and the internal temperature is detected by the temperature detection circuit provided in the capacitor. A fever can be foreseen.
Further, according to the second and fifth inventions, when the internal temperature of the capacitor becomes high, the winding can be switched to a winding capable of reducing the internal loss of the capacitor, and the continuous operation is continued without causing a temperature abnormality such as overheating. In addition, when the internal temperature of the capacitor is sufficiently low, it is possible to select a winding that does not require flux-weakening control and realize high motor torque response performance.
Further, according to the third and sixth inventions, the internal temperature of the capacitor can be estimated without a temperature detection circuit, so that when it becomes high, it is possible to switch to a winding that can reduce the internal loss of the capacitor, overheating, etc. Continuous operation can be continued without causing any temperature abnormality, and when the internal temperature of the capacitor is sufficiently low, a winding that does not require flux-weakening control can be selected and high motor torque response performance can be realized.
以下、安価な温度検出器のみの構成で平滑コンデンサのリプル電流を可変とし、平滑コンデンサの内部発熱を抑制できる本発明の具体的な実施形態について、図に基づいて説明する。 Hereinafter, a specific embodiment of the present invention in which the ripple current of the smoothing capacitor can be made variable with only an inexpensive temperature detector and the internal heat generation of the smoothing capacitor can be suppressed will be described with reference to the drawings.
〈図１のモータ駆動装置システムの符号の解説〉
図１は、本発明の電動機駆動方法を適用する巻線切替方式を用いた電動機駆動装置のシステム構成図である。
図において１は巻線切替モータであり、１−１は高速巻線、１−２は低速巻線となっている。巻線切替モータ１はモータの回転速度検出器を備えているが図ではその記載を省略する。モータの回転検出器の代わりに公知の速度センサレス技術で推定した速度を採用することもできる。また２は巻線切替器であり、２−１は高速巻線スイッチ、２−２は低速巻線スイッチとなっている。また３は電圧型ＰＷＭインバータであり、３−１は平滑コンデンサ、３−２はＩＧＢＴを用いた半導体スイッチとなっている。そして４は直流電源となっている。図２の３Ｍは平滑コンデンサ３−１（図１）の内部温度をモニタリングする装置であり、３−１は平滑コンデンサ、３Ｍ−１は温度検出用サーミスタとなっている。５は制御器であり、５−１は演算器となっている。
<Explanation of Symbols for Motor Drive System in FIG. 1>
FIG. 1 is a system configuration diagram of an electric motor driving device using a winding switching method to which the electric motor driving method of the present invention is applied.
In the figure, 1 is a winding switching motor, 1-1 is a high-speed winding, and 1-2 is a low-speed winding. The winding
〈図１のモータ駆動装置システムの動作〉
図１の本巻線切替システムは高速巻線１−１と低速巻線１−２のそれぞれの終端をモータ端子部に設け、モータ外部で高速巻線スイッチ２−１もしくは低速巻線スイッチ２−２を短絡することにより巻線方式を変えられる方式である。
この短絡スイッチには半導体スイッチ、機械スイッチいずれも使用可能で安価でコンパクトに構成することが可能である。この切替スイッチで切り替えられた巻線を電圧型ＰＷＭインバータ３で可変速駆動する。インバータは電圧源である平滑コンデンサ３−１の直流電圧を半導体スイッチ３−２でパルス幅制御(Pulse Width Modulation、略してPWM)することにより任意の電圧・周波数を出力しモータ制御を行う。その制御パラメータとしては低速巻線用と高速巻線用をあらかじめ用意し、切替スイッチの状態から適する巻線パラメータを選択しモータを駆動する。つまり切替スイッチが低速巻線の場合は巻線パラメータを低速巻線用のモータ定数へ、高速巻線の場合は巻線パラメータを高速巻線用のモータ定数へ自動的に連動して切替る。基本的な巻線切替について、現在のモータ回転速度が予め設定した低速領域内の場合は低速巻線で駆動する。一方、現在のモータ回転速度が予め設定した高速領域内の場合は高速巻線で駆動する。
電圧型ＰＷＭインバータ３の入力部には、バッテリなどの直流電源や、交流電源を整流し直流に変換するコンバータ装置が接続される場合が多い。図１はコンバータ装置を使わずに、直流電源４を用いた構成を示している。
図１のように直流電源にバッテリを用いている場合、ＰＷＭインバータのリプル電流を供給できないため、一般には許容電流リプル耐量が大きい平滑コンデンサ３−１などを併用する場合が多い。
インバータのＰＷＭ制御時にはそのスイッチング周波数応じたスイッチングリプル電流がモータに流れモータ電磁騒音の原因となる。この騒音はスイッチング周波数を上げることによりその音質も上がり、人間の可聴領域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）の上限近くの周波数である１５ｋＨｚ以上になるとそのほとんどを聞き取ることができなくなる。これによりモータ電磁騒音の低騒音化が可能となる。
しかし、スイッチング周波数が上がると、平滑コンデンサ３−１に流れるリプル電流の周波数も上がる。コンデンサはその誘電体の種別により周波数ごとの損失率が変わるため、その内部発熱が許容温度を超えると誘電体の焼損による故障問題が発生する場合がある。
<Operation of Motor Drive System in FIG. 1>
In the present winding switching system of FIG. 1, the high-speed winding 1-1 and the low-speed winding 1-2 are each terminated at the motor terminal, and the high-speed winding switch 2-1 or the low-speed winding switch 2- In this method, the winding method can be changed by short-
As this short-circuit switch, either a semiconductor switch or a mechanical switch can be used, and it can be configured inexpensively and compactly. The windings switched by the changeover switch are driven at a variable speed by the voltage type PWM inverter 3. The inverter performs pulse width control (pulse width modulation, abbreviated as PWM) of the DC voltage of the smoothing capacitor 3-1, which is a voltage source, by the semiconductor switch 3-2 to output an arbitrary voltage / frequency and perform motor control. As the control parameters, a low-speed winding and a high-speed winding are prepared in advance, and an appropriate winding parameter is selected from the state of the changeover switch to drive the motor. That is, when the changeover switch is a low-speed winding, the winding parameter is automatically switched to the motor constant for the low-speed winding, and when the changeover switch is the high-speed winding, the winding parameter is automatically switched to the motor constant for the high-speed winding. For basic winding switching, when the current motor rotation speed is within a preset low speed range, driving is performed with a low speed winding. On the other hand, when the current motor rotation speed is within a preset high speed region, the motor is driven by a high speed winding.
In many cases, the input unit of the voltage type PWM inverter 3 is connected to a DC power source such as a battery or a converter device that rectifies and converts the AC power source into DC. FIG. 1 shows a configuration using a DC power supply 4 without using a converter device.
When a battery is used for the DC power supply as shown in FIG. 1, since the ripple current of the PWM inverter cannot be supplied, generally a smoothing capacitor 3-1 having a large allowable current ripple tolerance is often used together.
During PWM control of the inverter, a switching ripple current corresponding to the switching frequency flows to the motor and causes motor electromagnetic noise. The noise quality of the noise increases as the switching frequency is increased, and most of the noise cannot be heard when the frequency is 15 kHz or more near the upper limit of the human audible range (20 Hz to 20 kHz). As a result, the motor electromagnetic noise can be reduced.
However, when the switching frequency increases, the frequency of the ripple current flowing through the smoothing capacitor 3-1 also increases. Since the loss rate of each capacitor varies depending on the type of the dielectric, if the internal heat generation exceeds the allowable temperature, a failure problem due to dielectric burning may occur.
〈図２の平滑コンデンサの温度検出システム〉
図２は発熱体となる平滑コンデンサ３−１が過熱して内部焼損がおきるのを予防するために設けられた平滑コンデンサの温度検出システムである。発熱体である平滑コンデンサ３−１の直近にサーミスタ３Ｍ−１を設け、平滑コンデンサ３−１の内部温度をモニタリングしている。
検出された温度情報は制御器５内で電圧情報に変換され、演算器５−１に取り込まれる。この温度情報はコンデンサの絶対許容温度を超える前にアラームを出し、インバータを停止させてコンデンサの焼損を防ぐ効果を持つほか、巻線を切り替える判断基準として使用することができる。具体的な判断方法に関しては後述の実施例にて説明する。
<Smoothing capacitor temperature detection system in FIG. 2>
FIG. 2 shows a temperature detection system for a smoothing capacitor provided to prevent the smoothing capacitor 3-1 serving as a heating element from overheating and causing internal burning. A
The detected temperature information is converted into voltage information in the
巻線切替モータは、本発明によりモータ外部で巻線を切り替えるため、以下に示す図３の低速巻線使用時のモータトルク特性と図４の高速巻線使用時のモータトルク特性の２種類のモータ特性を１個のモータで実現できるものである。 Since the winding switching motor switches the winding outside the motor according to the present invention, there are two types of motor torque characteristics when using the low speed winding shown in FIG. 3 and motor torque characteristics when using the high speed winding shown in FIG. Motor characteristics can be realized with a single motor.
〈低速巻線使用時のモータトルク・速度特性〉
図３は低速巻線使用時のモータトルク・速度特性を示している。
低速時に大トルクを発生することができるが、反面、高速領域が狭い。高速領域が狭い理由はモータの誘起電圧が高いためであり、その特性を補うためにモータ巻線による界磁磁束を弱くする弱め磁束運転を用いる。図３中の低速巻線の弱め磁束領域７がその領域にあたる。逆に、低速巻線の定トルク領域６は弱め磁束をしなくてもトルク制御可能な領域にあたる。
<Motor torque / speed characteristics when using low-speed winding>
FIG. 3 shows the motor torque / speed characteristics when the low-speed winding is used.
Large torque can be generated at low speed, but the high speed range is narrow. The reason why the high-speed region is narrow is that the induced voltage of the motor is high, and in order to compensate for the characteristics, a weak magnetic flux operation is used in which the field magnetic flux caused by the motor winding is weakened. The weak
〈高速巻線使用時のモータトルク・速度特性〉
図４は高速巻線使用時のモータトルク・速度特性を示している。
高速時に速度領域が広いが、反面、低速領域において発生可能なトルクが小さい。低速領域において発生可能なトルクが小さい理由はモータの誘起電圧が低いため、同じ電力を出力する場合にモータ相電流が大きくなり、モータやPWMインバータの許容電流による制限によるものである。高速巻線でも界磁磁束を弱くする弱め磁束運転を用い、さらに速度領域を広くすることができる。図４中の高速巻線の弱め磁束領域９がその領域にあたる。逆に、高速巻線の定トルク領域８は弱め磁束をしなくてもトルク制御可能な領域である。
<Motor torque and speed characteristics when high-speed winding is used>
FIG. 4 shows the motor torque / speed characteristics when the high-speed winding is used.
Although the speed region is wide at high speed, the torque that can be generated in the low speed region is small. The reason why the torque that can be generated in the low speed region is small is that the induced voltage of the motor is low, so that the motor phase current increases when the same power is output, and is limited by the allowable current of the motor and PWM inverter. Even in a high-speed winding, a field-weakening operation that weakens the field magnetic flux can be used to further widen the speed region. The weak flux region 9 of the high-speed winding in FIG. 4 corresponds to that region. On the contrary, the constant torque region 8 of the high-speed winding is a region in which torque control is possible without using a weak magnetic flux.
〈本発明に係る低速巻線と高速巻線の切替によるモータトルク・速度特性〉
図５はこれら２つの巻線を切り替えることを前提にした巻線切替モータのトルク・速度特性を示しており、図３と図４の特性を合わせたものになる。これにより、低速領域では低速巻線を使用して大トルクを実現し、高速領域では高速巻線を使用して高速度領域までの駆動を可能にする。しかしトルク・速度領域によっては、低速巻線と高速巻線の双方にて実現できる領域もある。図５中１０は低速領域内における高速巻線使用可能領域であり、この領域を［領域１］とする。また、１１は高速領域内における低速巻線使用可能領域であり、この領域を［領域２］とする。
<Motor torque / speed characteristics by switching between low speed winding and high speed winding according to the present invention>
FIG. 5 shows the torque / speed characteristics of the winding switching motor on the premise that these two windings are switched, and the characteristics of FIGS. 3 and 4 are combined. As a result, a large torque is realized using a low-speed winding in the low-speed region, and driving up to a high-speed region is possible using a high-speed winding in the high-speed region. However, depending on the torque / speed region, there are regions that can be realized by both low-speed winding and high-speed winding. In FIG. 5, reference numeral 10 denotes an area where the high-speed winding can be used in the low-speed area, and this area is referred to as [area 1]. Reference numeral 11 denotes an area where the low-speed winding can be used in the high-speed area. This area is referred to as [area 2].
次に、回路シミュレーションを用いて本発明の作用・効果を具体的に説明する。
シミュレーションの条件としては領域１と領域２の境界線上のあるトルク・速度状態を低速巻線と高速巻線の双方にて説明する。
図６は本発明の特徴を説明するための低速巻線を用いた場合の電流・電圧波形シミュレーション結果図であり、図７は本発明の特徴を説明するための高速巻線を用いた場合の電流・電圧波形シミュレーション結果図である。
〈上段の線図〉
両図において、上段はモータ電流波形だが、低速巻線使用時はモータ誘起電圧が高いため、高速巻線使用時と比較しモータ電流が半分でトルク特性を実現できる。
〈中段の線図〉
中段は出力電圧波形でＰＷＭ波形となっている。
波形から電圧の大小判別が難しいが、直流電圧が同じ設定であるため実際にはパルス幅が異なり低速巻線使用時のほうが大きな電圧を出力している。
〈下段の線図〉
下段は平滑コンデンサに流れる電流波形である。
同じスイッチング周波数のリプル電流を流しているが、図より異なった形の電流波形が流れていることが判る。
Next, the operation and effect of the present invention will be specifically described using circuit simulation.
As a simulation condition, a certain torque / speed state on the boundary line between the
FIG. 6 is a current / voltage waveform simulation result diagram when using a low-speed winding for explaining the characteristics of the present invention, and FIG. 7 is a diagram when using a high-speed winding for explaining the characteristics of the present invention. It is a current / voltage waveform simulation result diagram.
<Upper diagram>
In both figures, the upper part shows the motor current waveform, but since the motor induced voltage is high when the low-speed winding is used, the torque characteristic can be realized with half the motor current compared to when the high-speed winding is used.
<Middle line diagram>
The middle stage is an output voltage waveform and a PWM waveform.
Although it is difficult to determine the magnitude of the voltage from the waveform, since the DC voltage is the same setting, the pulse width is actually different and a larger voltage is output when the low-speed winding is used.
<Lower diagram>
The lower row shows the current waveform flowing through the smoothing capacitor.
Although the ripple current of the same switching frequency is flowing, it can be seen from the figure that different current waveforms flow.
このコンデンサ電流波形の拡大図を図８と図９に示す。図８は本発明の特徴を説明するための低速巻線を用いた場合のコンデンサ電流シミュレーション結果の拡大波形図であり、図９は本発明の特徴を説明するための高速巻線を用いた場合のコンデンサ電流シミュレーション結果の拡大波形図である。
両図よりＰＷＭ波形の波高値も波形率も全く異なるものとなっていることが判る。
Enlarged views of this capacitor current waveform are shown in FIGS. FIG. 8 is an enlarged waveform diagram of a capacitor current simulation result when a low-speed winding is used to explain the characteristics of the present invention, and FIG. 9 is a case where a high-speed winding is used to explain the characteristics of the present invention. It is an enlarged waveform figure of a capacitor current simulation result.
Both figures show that the peak value and the waveform rate of the PWM waveform are completely different.
これをさらにＦＦＴ(高速フーリエ変換 : Fast Fourier Transform)解析したものが図１０と図１１である。図１０は本発明の特徴を説明するための低速巻線を用いた場合のコンデンサ電流シミュレーション結果の周波数解析結果図であり、図１１は本発明の特徴を説明するための高速巻線を用いた場合のコンデンサ電流シミュレーション結果の周波数解析結果図である。スイッチング周波数が２ｋＨｚであるため、２ｋＨｚの倍数の側帯波 （sideband wave）が観測できる。しかし各周波数における電流成分は大きく異なっていることが判る。この電流が流れることによりコンデンサ内部に損失Ｗｃが発生するが、コンデンサは使用している誘電体の種類により周波数毎の損失率が異なる。
コンデンサの合計損失は式（１）で表わされ、式中Ｉｎはコンデンサ電流の周波数成分、Ｒｎは周波数毎の抵抗成分、Ｗｃは平滑コンデンサに発生する損失を示している。
The total loss of the capacitor is represented by the formula (1), the frequency components wherein I n is the capacitor current, R n is the resistance component of each frequency, Wc represents the loss generated in the smoothing capacitor.
図１１ではスイッチング周波数の２倍の４ｋＨｚの電流成分が突出しているためコンデンサ損失が大きくなることが判る。シミュレーションは同じスイッチング周波数、同じトルク・速度において実施しているものにも関わらず、コンデンサの発生損失が大きく異なることが判る。 In FIG. 11, it can be seen that the capacitor loss increases because a current component of 4 kHz, which is twice the switching frequency, protrudes. It can be seen that although the simulation is performed at the same switching frequency and the same torque and speed, the generated loss of the capacitor is greatly different.
コンデンサはその発熱量によって許容温度を超えると素子破壊が発生する。しかし、その温度時定数は一般的に長いものであるため短時間の動作は損失が大きくても動作可能となる。また周囲温度が低い場合も同様で、より大きな損失を許容できる。
シミュレーションの波形により、高速巻線使用時はコンデンサの損失が大きくなることが確認できたが、反面、低速領域では大きな誘起電圧に対し磁束を弱めて使用する必要があるため、トルクの応答が遅くなるという制御的デメリットが挙げられる。
これらから、温度に余裕がある場合は高速巻線を使用し、温度が厳しい場合は低速巻線を使用することができれば通常の制御応答は高く、かつ許容温度も高い状態で巻線切替モータを動作することができる。
If the capacitor exceeds the allowable temperature due to the amount of heat generated, element destruction occurs. However, since the temperature time constant is generally long, short-time operation is possible even with a large loss. The same is true when the ambient temperature is low, and a larger loss can be allowed.
From the simulation waveform, it was confirmed that the loss of the capacitor increases when using high-speed windings, but on the other hand, in the low-speed region, it is necessary to weaken the magnetic flux against a large induced voltage, so the torque response is slow. The control demerit is.
From these, if the temperature is sufficient, use a high-speed winding.If the temperature is severe, use a low-speed winding.If the low-speed winding can be used, the normal control response is high and the allowable temperature is high. Can work.
〈演算によるコンデンサ内部温度の推定〉
また、温度検出器を置く代わりに、ＣＰＵに上記式（１）を演算させればコンデンサ損失が求まり、コンデンサ損失とコンデンサの内部温度との関係を表すテーブルを作成しておくか換算式を作成しておけば内部温度が推定できる。
<Estimation of capacitor internal temperature by calculation>
Also, instead of placing a temperature detector, let the CPU calculate the above formula (1) to determine the capacitor loss, and create a table that shows the relationship between the capacitor loss and the internal temperature of the capacitor, or create a conversion formula If this is done, the internal temperature can be estimated.
実施例２は、巻線切替モータ駆動装置において、現在のモータ速度と負荷トルクから領域を判断し、高速巻線と低速巻線双方が出力可能な速度・トルク領域においては、コンデンサ内部温度が高い場合はリプル電流が小さくなる巻線に巻線状態を切り替え、コンデンサ内部温度が低い場合はモータトルク応答速度を高く取れる巻線に巻線状態を切り替えるもので、図１２はかかる処理手順を示すフローチャートである。
まず、ステップ１で現在の回転速度（動作点）が低速領域であるかの判断を行ない、これがＹＥＳの場合、ステップ２に進んで現在の運転領域が領域１にあるかの判断を行い、ＹＥＳの場合は、ステップ３へ進んでコンデンサ内部温度があらかじめ設定された値（閾値１）より大きいか判断する。その結果、閾値１より小さい場合はステップ７へ進んでトルク応答を高く設定できる高速巻線を使用し、逆に閾値１を超えたＹＥＳの場合はステップ４へ進んで損失が小さい低速巻線を使用する。
また、ステップ２で現在の運転領域が領域１にない場合はステップ４へ進んで損失が小さい低速巻線を使用する。
ステップ１に戻って、ステップ１でＮＯの場合はステップ５へ進んで、現在の運転領域が領域２にあるかの判断を行い、領域２にない場合はステップ７へ進んでトルク応答を高く設定できる高速巻線を使用し、また領域２にある場合は、ステップ６へ進んでコンデンサ内部温度があらかじめ設定された値（閾値２）より小さいか判断する。その結果、閾値２より小さい場合はステップ７へ進んでトルク応答を高く設定できる高速巻線を使用し、閾値２以上の場合はステップ４へ進んで損失が小さい低速巻線を使用する。
これにより請求項２と請求項３、また請求項５と請求項６の２つを一つのソフトウエアで実現できることになる。
In the second embodiment, in the winding switching motor driving device, the region is determined from the current motor speed and load torque, and the internal temperature of the capacitor is high in the speed / torque region where both the high-speed winding and the low-speed winding can output. In this case, the winding state is switched to a winding having a small ripple current, and when the internal temperature of the capacitor is low, the winding state is switched to a winding capable of obtaining a high motor torque response speed. FIG. 12 is a flowchart showing the processing procedure. It is.
First, in
On the other hand, if the current operation region is not in
Returning to step 1, if NO in
As a result, claims 2 and 3 and claims 5 and 6 can be realized by a single piece of software.
このように、低速巻線と高速巻線の併用領域でコンデンサ内部温度に応じて巻線を切り替えるという手順をとるので、外部に複雑な付加回路を用いることなく、コンデンサ内部の損失を抑制することができ、アラームなどを発することなく連続動作を行うことが可能となる。 In this way, the procedure of switching the winding according to the internal temperature of the capacitor in the combined region of the low-speed winding and the high-speed winding is taken, so that the loss inside the capacitor can be suppressed without using a complicated additional circuit outside. Therefore, continuous operation can be performed without generating an alarm.
本発明により巻線切替モータ駆動システムにおいて特別な付加装置を備えることなしにインバータ内部の平滑コンデンサの内部発熱を抑制でき、結果としてオーバーヒートなどの温度異常なく連続運転が可能となる。これにより、たとえば自動車のパワートレインに本システムを用いた場合、アラームやワーニングなく連続できる速度・トルク領域が広がるほか、温度に余裕があるときは車体の加速度に関係するトルク応答を高くとることができるようになる。 According to the present invention, the internal heat generation of the smoothing capacitor in the inverter can be suppressed without providing a special additional device in the winding switching motor drive system, and as a result, continuous operation is possible without temperature abnormality such as overheating. As a result, for example, when this system is used in an automobile powertrain, the speed / torque range that can be continued without alarms or warnings is expanded, and when there is room in temperature, the torque response related to the acceleration of the vehicle body can be increased. become able to.
１ 巻線切替モータ
１−１ 高速巻線
１−２ 低速巻線
２ 巻線切替器
２−１ 高速巻線スイッチ
２−２ 低速巻線スイッチ
３ 電圧型ＰＷＭインバータ
３−１ 平滑コンデンサ
３−２ 半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）
３Ｍ 温度検出装置
３Ｍ−１ サーミスタ
４ 直流電源
５ 制御器
５−１ 演算器
６ 低速巻線の定トルク領域
７ 低速巻線の弱め磁束領域
８ 高速巻線の定トルク領域
９ 高速巻線の弱め磁束領域
１０ 低速領域内における高速巻線使用可能領域［領域１］
１１ 高速領域内における低速巻線使用可能領域［領域２］
１２ 低速巻線使用時のモータ電流
１３ 低速巻線使用時のモータ端子間電圧
１４ 低速巻線使用時のコンデンサ電流
１５ 高速巻線使用時のモータ電流
１６ 高速巻線使用時のモータ端子間電圧
１７ 高速巻線使用時のコンデンサ電流
１８ 巻線切替モータの低速度領域
１９ 巻線切替モータの高速度領域
DESCRIPTION OF
3M
11 Low speed winding usable area in high speed area [area 2]
12 Motor current when using low-speed winding 13 Voltage between motor terminals when using low-speed winding 14 Capacitor current when using low-speed winding 15 Motor current when using high-speed winding 16 Voltage between motor terminals when using high-speed winding 17 Capacitor current when using high-speed winding 18 Low-speed area of winding switching motor 19 High-speed area of winding switching motor
Claims (6)
現在のモータ速度と負荷トルクから領域を判断し、高速巻線と低速巻線の双方が出力可能な速度・トルク領域においては、前記温度検出器から得られた平滑コンデンサの内部温度が高い場合はリプル電流が小さくなる前記低速巻線に巻線状態を切り替え、前記内部温度が低い場合はモータトルク応答速度を高く取れる前記高速巻線に巻線状態を切り替えることを特徴とする請求項１記載の電動機駆動方法。 A temperature detector is provided inside the smoothing capacitor of the PWM inverter,
In the speed / torque area where both the high-speed winding and the low-speed winding can output, the area is judged from the current motor speed and load torque. When the internal temperature of the smoothing capacitor obtained from the temperature detector is high The winding state is switched to the low-speed winding with a small ripple current, and when the internal temperature is low, the winding state is switched to the high-speed winding that can take a high motor torque response speed. Electric motor drive method.
また、現在のモータ速度と負荷トルクから領域を判断し、高速巻線と低速巻線の双方が出力可能な速度・トルク領域においては、前記推定された平滑コンデンサの内部温度が高い場合はリプル電流が小さくなる前記低速巻線に巻線状態を切り替え、前記内部温度が低い場合はモータトルク応答速度を高く取れる前記高速巻線に巻線状態を切り替えることを特徴とする請求項１記載の電動機駆動方法。
In addition, in the speed / torque area where both the high-speed winding and the low-speed winding can output, the ripple current is determined when the estimated internal temperature of the smoothing capacitor is high. 2. The motor drive according to claim 1, wherein the winding state is switched to the low-speed winding having a smaller value, and the winding state is switched to the high-speed winding that can take a high motor torque response speed when the internal temperature is low. Method.
現在のモータ速度と負荷トルクから領域を判断し、高速巻線と低速巻線の双方が出力可能な速度・トルク領域においては、前記温度検出器から得られた平滑コンデンサの内部温度が高い場合はリプル電流が小さくなる前記低速巻線に巻線状態を切り替え、前記内部温度が低い場合はモータトルク応答速度を高く取れる前記高速巻線に巻線状態を切り替えることを特徴とする請求項４記載の電動車両用駆動装置。 A temperature detector is provided inside the smoothing capacitor of the PWM inverter,
In the speed / torque area where both the high-speed winding and the low-speed winding can output, the area is judged from the current motor speed and load torque. When the internal temperature of the smoothing capacitor obtained from the temperature detector is high The winding state is switched to the low-speed winding with a small ripple current, and when the internal temperature is low, the winding state is switched to the high-speed winding that can take a high motor torque response speed. Electric vehicle drive device.
また、現在のモータ速度と負荷トルクから領域を判断し、高速巻線と低速巻線の双方が出力可能な速度・トルク領域においては、前記推定された平滑コンデンサの内部温度が高い場合はリプル電流が小さくなる前記低速巻線に巻線状態を切り替え、前記内部温度が低い場合はモータトルク応答速度を高く取れる前記高速巻線に巻線状態を切り替えることを特徴とする請求項４記載の電動車両用駆動装置。
In addition, in the speed / torque area where both the high-speed winding and the low-speed winding can output, the ripple current is determined when the estimated internal temperature of the smoothing capacitor is high. 5. The electric vehicle according to claim 4, wherein the winding state is switched to the low-speed winding that decreases, and the winding state is switched to the high-speed winding that can take a high motor torque response speed when the internal temperature is low. Drive device.
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