JP2012100435A

JP2012100435A - 回転電機制御装置

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Publication number: JP2012100435A
Application number: JP2010246075A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Seo; 祐介瀬尾; Eiji Kitano; 英司北野; Yusuke Yamamoto; 裕介山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2012-05-24

Abstract

【課題】回転電機制御装置において、コスト上昇を抑制しつつ、回転電機のロック相当状態での電流制限される機会を少なくして、回転電機の出力を有効に活用できるようにすることである。
【解決手段】回転電機制御装置１０は、インバータ１４を制御する制御部１６を備える。制御部１６は、回転電機１２がロック相当状態である場合に、各相電流の電気角を取得する状態取得手段３４と、各相電流の電気角から複数のスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のうちで最も温度的に厳しくなる最高温度予測素子を特定する素子特定手段３６と、最高温度予測素子への通電電流に応じた継続通電許容時間である最短出力許容時間を推定する最短許容時間推定手段３８と、最短出力許容時間経過後に回転電機１２の電流制限を実行する電流制限実行手段４０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、それぞれスイッチング素子を有する複数相のアームを含み、複数相の回転電機を駆動する回転電機駆動部と、回転電機駆動部を制御する制御部と、を備える回転電機制御装置に関する。

従来から、回転電機である走行用のモータを搭載した電気自動車またはハイブリッド車等の電動車両では、回転電機駆動制御装置が設けられている。回転電機制御装置では、モータと電源装置との間に回転電機駆動部であるインバータが設けられ、制御部によりインバータを制御して、インバータによりモータにモータ電流を送り、モータを駆動する。インバータは、電源装置からの直流電力をトルク指令値に応じて決定された交流電力に変換し、モータにモータ電流を送る。

このような回転電機駆動制御装置では、インバータは、ＩＧＢＴ、トランジスタ等の複数のスイッチング素子を有する。一方、モータは、負荷とトルクとが釣り合うと回転が停止するロック状態となる場合があり、その場合、特定のスイッチング素子に直流電流が継続して流れ続けるので、局所的に温度上昇が大きくなる可能性がある。このため、従来から、このような場合にモータの電流指令値を制限する等により、スイッチング素子の保護を行うことが考えられている。

例えば、特許文献１には、複数のトランジスタを選択的にスイッチングして相電流を発生させ、モータに供給するモータ制御装置において、モータのロック状態が検出されたときに、ケースに形成されたフィンの温度と、相電流から得られるトランジスタのジャンクション損失とから、時間に応じたトランジスタのジャンクション温度を推定し、その温度が上限温度に達する時間の経過後に、モータの電流指令値を制限することが記載されている。

特許文献２には、インバータによりモータを駆動するモータ制御装置において、モータのロック状態が検出されたときに、インバータの初期温度を取得し、トルク指令値に応じてインバータのスイッチング素子の発熱量を演算し、その発熱量に対応する温度を初期温度に加算してスイッチング素子の温度推定値を算出し、その温度推定値が閾値を超えるとトルク指令値を制限することが記載されている。

特許文献３には、インバータによりアシストモータを駆動するステアリング装置において、アシストモータのロック状態が所定時間継続したときに、アシストモータのロータの回転位置を変更して、ステータコイルの電流を変化させることが記載されている。

特許文献４には、インバータによりモータを駆動するモータ制御装置において、モータのロック状態と判定されたときに、連続通電初期時に特定のスイッチング素子に流れる電流を、瞬時許容電流閾値を上回らない一定電流値に制限し、ある時間以降でその制限を解除して、電流値の増減を繰り返させ電流上側ピーク値が瞬時許容電流値以下で連続許容電流閾値以上となるように制御することが記載されている。

特開平９−５６１８２号公報特開２００５−８０４８５号公報特開２００５−２４７０７８号公報特開２０１０−１１６４７号公報

上記の特許文献１，２に記載された制御装置の場合、回転電機のロック時の電流制限やトルク制限の際に、温度センサの検出値を使用しているが、インバータを構成する複数のスイッチング素子のすべての近傍に温度センサを設けていない。このため、インバータにおいて出力可能な余力がある場合でも電流制限やトルク制限をされる可能性がある。例えば、回転電機制御装置を搭載した電動車両で坂道を登坂したり、段差を乗り越えようとする場合に、ロック状態で停止する場合があり、この場合に過度にトルク制限が行われると、車両の過度のずり下がりが生じたり、迅速に登坂できない等、登坂性能の低下が生じたり、段差の十分な乗り越え性能を得られない可能性がある。このため、回転電機の出力を有効に活用する面から改良の余地がある。

これに対して、インバータのすべてのスイッチング素子の近傍に温度センサを設けて、各素子がどこまで発熱したかを検出することも考えられるが、その場合には過度のコスト上昇につながる可能性があり、コスト抑制の面から好ましくない。

また、上記の特許文献３に記載された制御装置の場合、回転電機のロック時の電流制限やトルク制限の際に温度センサの検出値を使用する構成を備えていない。ただし、この構成の場合には、回転電機が出力可能な余力がある場合でも電流制限される可能性がある。また、特許文献４に記載された制御装置の場合、インバータのスイッチング素子が取り付けられたパッケージ構成の温度を検出する温度検出器が設けられ、連続許容電流閾値の設定を検出温度に応じて可変としているが、やはり回転電機が出力可能な余力がある場合でも電流制限される可能性がある。

また、温度センサを使用せず、回転電機のロック時に、予め設定した一定の通電継続時間の経過時にトルク制限を行う回転電機制御装置も考えられる。ただし、この場合も、インバータに余力がある場合でも、回転電機の出力を低下しなければならない可能性があり、回転電機の出力を有効に活用する面から改良の余地がある。

本発明の目的は、回転電機制御装置において、コスト上昇を抑制しつつ、回転電機のロック相当状態での電流制限される機会を少なくして、回転電機の出力を有効に活用できるようにすることである。

本発明に係る回転電機制御装置は、それぞれスイッチング素子を有する複数相のアームを含み、複数相の回転電機を駆動する回転電機駆動部と、回転電機駆動部を制御する制御部と、を備え、制御部は、回転電機がロック状態を含むロック相当状態である場合に、回転電機に関係する状態取得値を取得する状態取得手段と、ロック相当状態である場合に、状態取得値から複数のスイッチング素子のうちで最も温度的に厳しくなるスイッチング素子である最高温度予測素子を特定する素子特定手段と、素子特定手段により特定された最高温度予測素子への通電電流に応じた継続通電許容時間である最短出力許容時間を推定する最短許容時間推定手段と、継続通電開始からの最短出力許容時間経過後に回転電機の電流制限を実行する電流制限実行手段とを有することを特徴とする回転電機制御装置である。

本発明に係る回転電機制御装置によれば、コスト上昇を抑制しつつ、回転電機のロック相当状態で電流制限される機会を少なくして、回転電機の出力を有効に活用できる。すなわち、回転電機のロック相当状態での電流制限やトルク制限の際に、温度センサの検出値を使用する必要がないので、回転電機駆動部に設ける温度センサをなくすか、または少なくすることができる。しかも、各相のスイッチング素子のうちで、最も温度的に厳しくなるスイッチング素子である最高温度予測素子をまず特定し、特定した最高温度予測素子への通電電流に応じた継続通電許容時間である最短出力許容時間を推定し、その最短出力許容時間に応じて電流制限を実行する。このように最高温度となると予測される素子に対応して電流制限を実行するので、回転電機のロック時等、ロック相当状態でも電流制限されずに十分な出力を発揮できる機会を増やすことができ、回転電機制御装置を搭載した電動車両の登坂性能を向上できる等、回転電機の出力を有効に活用できる。しかもロック相当状態での電流制限のために温度センサを使用しないので、コスト上昇を抑制できる。

また、本発明に係る回転電機制御装置において、好ましくは、素子特定手段は、ロック相当状態である場合に、状態取得値である、各相電流の電気角と電流値との取得値から、最高温度予測素子を特定する。

また、本発明に係る回転電機制御装置において、好ましくは、素子特定手段は、ロック相当状態である場合に、各相電流の電気角と電流値との取得値から、各相でスイッチング素子に対する通電電流に応じた継続通電許容時間である出力許容時間をそれぞれ推定し、推定された各相の出力許容時間のうち、最短の出力許容時間に対応するスイッチング素子を、最高温度予測素子として特定する。

また、本発明に係る回転電機制御装置において、好ましくは、素子特定手段は、ロック相当状態である場合に、状態取得値である、各相電流の電流値の取得値から、最高温度予測素子を特定する。

また、本発明に係る回転電機制御装置において、好ましくは、素子特定手段は、ロック相当状態である場合に、各相電流の電流値の取得値から対応する相のスイッチング素子の通電電流に応じた発熱温度上昇時間をそれぞれ推定し、推定された各相の発熱温度上昇時間のうち、最長の温度上昇時間に対応するスイッチング素子を、最高温度予測素子として特定する。

本発明に係る回転電機制御装置によれば、コスト上昇を抑制しつつ、回転電機のロック相当状態での電流制限される機会を少なくして、回転電機の出力を有効に活用できる。

本発明の第１の実施の形態の回転電機制御装置を示す構成図である。第１の実施の形態において、回転電機がロック相当状態になった場合の電流制限方法を示すフローチャートである。回転電機の各相電流を、電気角と電流値との関係で示す図である。図１に示した回転電機の各相電流の電気角に対する関係を、インバータのＵ相アームに最大電流が集中して流れる場合で示す図である。図４の状態で、回転電機のロック時に、一部のスイッチング素子の温度が上昇する様子を示す図である。図１の回転電機のＵ相電流またはインバータのＵ相アームのスイッチング素子の温度と、Ｕ相電流の電気角との関係を示す図である。第１の実施の形態で使用する電流と出力許容時間との関係を表すマップの図である。従来の回転電機制御装置において、ロック時から一定時間経過後に電流指令を制限する場合の回転電機の出力が低下する様子を示す図である。本発明の第２の実施の形態において、回転電機がロック相当状態となった場合の電流制限方法を示すフローチャートである。第２の実施の形態の回転電機制御装置で使用する、スイッチング素子の通電電流と発熱温度上昇時間との関係を示す図である。

［第１の発明の実施の形態］
以下に図面を用いて本発明に係る第１の実施の形態につき詳細に説明する。なお以下では、回転電機が、電動車両であるハイブリッド車両に搭載されるモータジェネレータである場合を説明する。ただし、電動車両は電気自動車であってもよい。また、回転電機は、単にモータとしての機能を有するものでもよく、あるいは単に発電機としての機能を有するものでもよい。また、車両に搭載される回転電機の数は複数であってもよい。また、回転電機制御装置の構成として、二次電池及び回転電機駆動部であるインバータを有するものを説明するが、これ以外の要素、例えば、二次電池とインバータとの間に設けられるＤＣ／ＤＣコンバータ等を有するものであってもよい。また、以下では、回転電機のトルク制限の手段として、トルク指令値の制限を行う場合を説明するが、回転数制限等によってトルク制限を行うものであってもよい。

図１は、回転電機制御装置１０の構成を示している。回転電機制御装置１０は、回転電機１２を駆動する回転電機駆動部であるインバータ１４と、インバータ１４を制御する制御部１６と、電源部であり、蓄電部であるバッテリ１８とを備える。回転電機１２は、複数相である３相型の同期電動機または誘導電動機であり、ステータ２０と、ステータ２０に対し回転可能な図示しないロータとを備える。ステータ２０は、複数相であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータコイル２２ｕ、２２ｖ、２２ｗを含み、各相のステータコイル２２ｕ、２２ｖ、２２ｗの一端を中性点Ｚで接続している。このような回転電機１２のステータコイル２２ｕ、２２ｖ、２２ｗに３相の交流電流を流すことにより、ステータ２０に回転磁界が発生し、回転磁界の影響を受けてロータが回転する。ロータは、例えばコアに複数の永久磁石を配置した磁石付ロータである。

また、回転電機１２は、車両に搭載されるモータジェネレータであって、電力が供給されるときはモータとして機能し、車両の制動時には発電機として機能する。図１には、３相のステータコイル２２ｕ、２２ｖ、２２ｗのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して、ｕ，ｖ，ｗの符号を付している。

また、インバータ１４は、バッテリ１８の正極及び負極に互いに並列に接続したＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のアームＡｕ、Ａｖ、Ａｗを含む。各相のアームＡｕ、Ａｖ、Ａｗは、それぞれ直列に接続された上側、下側の２のスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２を有する。各スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のうち、正極側に接続されたスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｖ１、Ｓｗ１を上側スイッチング素子といい、負極側に接続されたスイッチング素子Ｓｕ２、Ｓｖ２、Ｓｗ２を下側スイッチング素子という。各スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２は、ＩＧＢＴやトランジスタ等である。

また、各スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２には逆並列に保護用の図示しないダイオードが接続されている。また、各相のアームＡｕ、Ａｖ、Ａｗにおいて、２個のスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２の中点を回転電機１２の３相のステータコイル２２ｕ、２２ｖ、２２ｗの他端側にそれぞれ接続している。また、バッテリ１８とインバータ１４との間に、平滑化用のコンデンサ２１が接続されている。また、本実施の形態では、インバータ１４を冷却するための冷却水温度を検出するための水温センサ２４が設けられている。水温センサ２４の検出信号は、制御部１６に入力される。この水温センサ２４の検出値は、後述するロック相当状態ではない通常走行時にインバータ１４の温度に応じて変化する。このため、水温センサ２４の検出温度が過度に上昇した場合には、制御部１６で算出される後述するトルク指令を制限する等により、インバータ１４の保護制御が行われる。なお、水温センサ２４の代わりに、複数のスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のうち、いずれか１のスイッチング素子の近傍に、このスイッチング素子の温度を検出する１の温度センサを設けて、この温度センサの検出値を用いて通常走行時のインバータ１４の保護制御を行うこともできる。

制御部１６は、インバータ１４を制御する、例えばインバータ１４の出力電圧や出力電流を制御することにより、回転電機１２の作動を制御する機能を有する。すなわち、制御部１６が各スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のオンオフのスイッチングを制御することにより、バッテリ１８からインバータ１４の入力側（図１のＰ，Ｑ間）に入力される直流電力を、３相の交流電力に変換し、変換した交流電力を各相のステータコイル２２ｕ、２２ｖ、２２に供給する。また、制御部１６は、後述するように、回転電機１２がロック状態になったときの制御を行う機能も有する。

一般的に、複数相の回転電機における各相のステータコイルは、互いに所定の位相差を有する交流電流により駆動される。図示の例のように、３相回転電機の場合には、各相のステータコイルには、３６０度／３＝１２０度の位相差を有する３相の交流電流が供給される。ここでいう３６０度、１２０度というのはいわゆる電気角で、３６０度を１周期としたときの位相角度を示すものである。

また、ロータの機械的な回転角度が求められれば、その回転角度に対応するロータの電気角や、回転電機１２及びインバータ１４についての各相電流の電気角が求められる。

また、回転電機制御装置１０は、電流検出手段である電流センサ２６，２８と、回転角検出手段であるレゾルバ３０とを備える。すなわち、インバータ１４から回転電機１２の２つの相、例えばＵ相及びＶ相の電流を供給する電力線に対応して、電流センサ２６，２８が設けられている。各電流センサ２６，２８は、インバータ１４のＵ相、Ｖ相アームＡｕ、Ａｖの出力電流をそれぞれ検出する。Ｗ相アームＡｗに対応する電流センサは設けられていないが、この理由は、通常は、上記２つの電流センサ２６，２８の検出データから、Ｗ相アームＡｗの出力電流を推定できるためである。すなわち、各相のステータコイル２２ｕ、２２ｖ、２２ｗは、それぞれの一端が接続されて中性点Ｚとなっているので、２つの相のステータコイル２２ｕ、２２ｖを流れる電流の和から、残りの相ステータコイル２２ｗを流れる電流が求められる。このことから、Ｗ相アームＡｗの出力電流を直接検出する必要がない。

上記では、２つの電流センサ２６，２８によってＵ相、Ｖ相のアームＡｕ、Ａｖの出力電流を検出するものとしたが、これは１例であって、異なる組み合わせの２相のアームの出力電流を検出する電流センサを設けてもよく、３相のすべてのアームの出力電流を検出する電流センサを設けるものとしてもよい。電流センサ２６，２８の検出信号は、制御部１６に伝送される。

また、回転電機１２にレゾルバ３０が設けられている。レゾルバ３０は、回転電機１２の回転角度を検出し、その検出信号が制御部１６に伝送される。なお、回転角度検出手段として、レゾルバ３０以外の構成を使用することもできる。また、インバータ１４には、電圧を検出可能な図示しない電圧センサが設けられており、電圧センサの検出信号が制御部１６に入力されている。

また、バッテリ１８は、回転電機１２がモータとして機能するときに回転電機１２に電力を供給し、回転電機１２が発電機として機能するときに回生電力を受け取って充電される。バッテリ１８は、例えば、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池等を使用できるが、バッテリ１８の代わりの蓄電部としてキャパシタを用いることもできる。

また、バッテリ１８とインバータ１４との間には、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けてもよく、その場合、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータを昇降圧用として機能させ、回転電機１２をモータとして作用させる場合にバッテリ１８の電圧を昇圧させてインバータ１４に供給し、回転電機１２を発電機として作用させる場合には、インバータ１４のバッテリ１８側の電圧を降圧してバッテリ１８に供給する。

インバータ１４は、直流電力を交流３相駆動電力に変換し、これを回転電機１２に供給する機能と、逆に回転電機１２からの交流３相回生電力を直流充電電力に変換する機能とを有する。

また、制御部１６は、回転電機１２がロック状態を含むロック相当状態になったときにインバータ１４の制御により、インバータ１４の各スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２が過度に発熱しないように保護し、かつ、過度にトルクが制限されないようにするため、各スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２に対応する相の電流の電気角と電流値とに応じて、制御部１６で設定するトルク指令を制限することにより、電流を制限する機能を有する。すなわち、回転電機制御装置１０は、図示しない加速指示部であるアクセルペダルの操作量である踏み込み量を検出するアクセル操作量センサや、車両の速度を検出する車速センサを備えており、アクセル操作量や車速の検出値を表す信号を制御部１６に入力している。制御部１６は、入力されたアクセル操作量や車速から回転電機１２のトルク指令値を設定し、トルク指令値、電流センサ２６，２８等の各種センサの検出値等を用いて電流指令値を設定する。また、電流指令値は、各スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のスイッチングを制御するためのＰＷＭ信号等の駆動信号に変換された後、各スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２に入力される。これにより、各スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のスイッチングがトルク指令や電流指令に応じて制御され、回転電機１２がトルク指令に応じたトルクで駆動される。このような回転電機１２には、図示しない動力伝達機構を介して車輪が連結されており、回転電機１２の駆動により車両が走行する。

これに対して、回転電機制御装置１０を搭載したハイブリッド車両等の電動車両が坂道上に位置したり、段差の乗り越え時等で、回転電機１２の駆動力と回転電機１２に作用する負荷とが釣り合ってバッテリ１８からインバータ１４に電力が供給されている状態で、回転電機１２の回転が停止されるロック状態となる可能性がある。このように回転電機１２がロック状態になると、そのロック状態のまま、電気角が進まなくなり、各相電流がその電気角のときの電流値で維持される。この場合には、インバータ１４の一部のスイッチング素子に継続して電流が流れ続ける状態となるため、一部のスイッチング素子が発熱により温度上昇する。このため、制御部１６は、ロック状態を含むロック相当状態でかつ、特定の場合に回転電機１２のトルクを制限する、すなわち回転電機１２及びインバータ１４に入力する電流を制限することにより、各スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２の保護制御を行う。

また、スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２の保護制御は、上記のロック状態に限定するものではなく、例えば、回転電機１２が１００回転／分等の低速度以下で回転しようとする場合も、同じスイッチング素子に長時間電流が継続して流れる可能性があり、このような低速度以下の低速度回転状態である場合もロック相当状態として、上記の保護制御を行うことが好ましい。次に、制御部１６の構成を説明する。

制御部１６は、図示しない記憶部を有し、記憶部に回転電機制御プログラムや、後述するマップのデータを記憶している。また、制御部１６は、回転電機１２がロック状態を含む低速度回転状態または回転停止であるロック相当状態であるか否かを判定するロック相当判定手段３２と、ロック相当状態であると判定された場合に、回転電機１２に関係する状態取得値である各相電流の電気角と電流値との取得値を取得する状態取得手段３４と、ロック相当状態である場合に、各相電流の電気角と電流値との取得値から複数のスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のうちで最も温度的に厳しくなるスイッチング素子である「最高温度予測素子」を特定する素子特定手段３６とを有する。また、制御部１６は、素子特定手段３６により特定された「最高温度予測素子」への通電電流に応じた継続通電許容時間である最短出力許容時間を推定する最短許容時間推定手段３８と、継続通電開始からの最短出力許容時間経過後に回転電機１２の電流制限を実行する電流制限実行手段４０とを有する。

このような制御部１６はＣＰＵ、メモリ等によって構成することができる。また、制御部１６の各機能はソフトウェアを実行することで実現することもでき、具体的には、回転電機制御プログラムのロック状態対応処理プログラムを実行することで実現してもよい。また、制御部１６のこれらの機能の一部をハードウェアによって実現するものとしてもよい。

上記構成の作用、特に制御部１６の各機能について、図２のフローチャート等を用いて説明する。なお、以下では、図１の符号を用いて説明する。図２は、回転電機１２がロック相当状態となったときの電流制限方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、ステップＳ１０等を単にＳ１０等として説明する。

図２に示すように、電流センサ２６，２８により検出されたＵ相電流、Ｖ相電流の電流値と、レゾルバ３０で検出されたロータの回転角度とが制御部１６に入力、すなわち取得され、制御部１６で読み込みがされた（Ｓ１０）後、検出された回転角度から、回転電機１２がロック相当状態であるか否かが判断される（Ｓ１２）。すなわち、制御部１６で回転電機１２のある時間当たりでの回転角度を取得することでロータの回転速度が算出され、その回転速度が０または１００回転／分等の予め設定した低速度以下で回転している場合をロック相当状態として、ロック相当状態であるか否かが判断される。このような処理は、制御部１６のロック相当判定手段３２で実行する。

Ｓ１２でロック相当状態であると判断されると、次にロック相当状態における各相電流の電気角が計算される、すなわち取得される（Ｓ１４）。電気角の計算は、レゾルバ３０で測定されたロータの回転角度に基づいて、状態取得手段３４で実行することができる。すなわち、複数相の回転電機１２は、電気角で所定の位相差を保ちながらステータコイル２２ｕ、２２ｖ、２２ｗを流れる各相電流が変化するように駆動されており、正弦波駆動の場合は、各相電流は電気角で３６０度を１周期とする正弦波でその電流値が規則的に変化する。その規則性は予め分かっており、ロータの機械的な回転角度から各相電流の電気角が求められる。

これについて図３を用いて説明する。図３では、横軸に電気角をとり、縦軸に電流値をとり、各相電流の電気角に対する変化を示している。図３で実線、破線、一点鎖線で示されるものが、３相電流のそれぞれ、すなわちＵ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流を表す。図３から分かるように、電気角で３６０度の範囲では、Ｕ相電流値、Ｖ相電流値、及びＷ相電流値の組合せにおいて、同じ値を２以上の電気角で取ることはない。また、３相電流の電気角は、ロータの回転角度に応じて変化する。このため、ロータの回転角度が取得されれば、この回転角度に対応する各相電流の電気角を特定できる。なお、電気角の原点は適当に定めることができる。図３の例では、実線で示した相電流、例えばＵ相電流について、電流値がゼロで、電気角に対する電流値の微分係数がプラスとなる電気角を原点としている。

再び図２に戻り、Ｓ１４でロック相当状態における各相電流の電気角が特定されると、次にインバータ１４の複数のスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のうち、最も温度的に厳しくなる１のスイッチング素子である「最高温度予測素子」を特定するステップを行う。すなわち、本実施の形態は、次に説明する原理に基づいて考えたものである。図４、図５は、これを説明するための図である。図４は、図１に示した回転電機１２の各相電流の電気角に対する関係を、インバータ１４のＵ相アームＡｕに最大電流が集中して流れる場合で示す図であり、図５は、図４の状態で、回転電機１２のロック時に、一部のスイッチング素子の温度が上昇する様子を示す図である。

図４に示すように、各相の電流を電気角と電流値との関係で表すと、各相電流は、１２０度の電気角の位相のずれを持った状態で正弦波状の電流値が変動する。図４も、図３と同様に、実線、破線、一点鎖線でそれぞれ、Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流を表している。この場合、例えば各相電流の電気角がαで回転電機１２がロックしたとすると、図４に太線の実線で示すように、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ、Ｗ相電流ｉｗがそれぞれ一定値で維持される。この場合、Ｕ相電流ｉｕが最も電流値が高くなる。このため、Ｕ相電流ｉｕに対応するＵ相アームＡｕの一部のスイッチング素子に過度に電流が集中し、継続して流れることとなる。そして、この一部のスイッチング素子の発熱による温度上昇が、すべてのスイッチング素子のうちで最も高くなる。より具体的には、図１のスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のうち、Ｕ相アームＡｕの上側スイッチング素子Ｓｕ１と、Ｖ相アームＡｖ及びＷ相アームＡｗの下側スイッチング素子Ｓｖ２、Ｓｗ２とに電流がそれぞれ一定値で継続して流れるが、このうち上側スイッチング素子Ｓｕ１に流れる電流が最も高くなる。

したがって、図５に示すように、実線ａで示すＵ相の上側スイッチング素子Ｓｕ１がロック時である図５の時間ｔ１から急激に温度上昇して、使用上の許容可能な上限である素子許容上限温度を超える可能性がある。このため、実線ａが素子許容上限温度に達する時間ｔ２以降では、電流制限によりスイッチング素子の保護を行う保護制御を行う。なお、図５の実線ｂで示すＶ相及びＷ相の下側スイッチング素子Ｓｖ２、Ｓｗ２は温度上昇するが、素子許容上限温度を超えることはない。

このような保護制御を行うために、継続して電流が通電された場合に図５に示したように、スイッチング素子の温度が素子許容上限温度を超える可能性がある、電流制限範囲Ｕ１，Ｕ２を予め設定しておく。図６に示すように、電流制限範囲Ｕ１は、０から１８０度の電気角の間の予め設定したαからβまでの範囲である。なお、図６の横軸は、０から３６０度までの電気角が、回転電機１２の１周に対応する分まで繰り返されるものとする。すなわち、Ｕ相電流の電気角は、０から３６０度までの値をとるものとし、ロータの回転角度に対応する電気角がこれ以上となる場合でも、Ｕ相電流の電気角は、回転角度の変化に応じて、０から３６０度の範囲を繰り返すものとする。これは、Ｖ相、Ｗ相の場合も同様である。

また、電流制限範囲Ｕ２は、１８０から３６０度の電気角の間のγからδまでの範囲である。電流制限範囲Ｕ２は、Ｕ相アームＡｕの下側スイッチング素子Ｓｕ２の保護制御を行うために設定している。例えば、図４に丸印Ｒで示す位置でロック状態が発生した場合も、上記と同様にＵ相アームに流れる電流値の絶対値が高くなる。この場合、Ｕ相アームＡｕの下側スイッチング素子Ｓｕ２と、Ｖ相アームＡｖ及びＷ相アームＡｗの上側スイッチング素子Ｓｖ１，Ｓｖ１とに電流が継続して流れるが、Ｕ相アームＡｕの下側スイッチング素子Ｓｕ２に流れる電流が最大となる。図６では、これらの場合を考慮して、Ｕ１，Ｕ２を設定している。

なお、図６で、破線の曲線は、Ｕ相電流が負になる場合を、正負反転して示している。Ｕ相電流がＵ１，Ｕ２のいずれかに位置する場合には、Ｕ相アームＡｕの対応するスイッチング素子Ｓｕ１（またはＳｕ２）に流す電流を制限することにより、保護制御を行う。上記ではＵ相電流に対応するＵ相アームＡｕのスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２の場合を説明したが、Ｖ相、Ｗ相の場合も同様である。この場合、電気角は、例えばそれぞれの相で電流制限範囲Ｕ１，Ｕ２を設定したＵ相電流の電気角に対してそれぞれ１２０度ずつずれるため、Ｖ相、Ｗ相で設定する電流制限範囲もそれぞれＵ１，Ｕ２に対して１２０度ずつずれる。

図２に戻って、このような考え方で保護制御を行うために、まずＳ１６でＵ相電流の電気角がα以上でβ未満の範囲にあるか否かを判定する。Ｓ１６で判定結果が肯定である場合、Ｓ２０に移行する。これに対して、Ｓ１６で判定結果が否定である場合はＳ１８に移行し、Ｕ相電流の電気角がγ以上でδ未満の範囲にあるか否かを判定し、その判定結果が肯定である場合は、Ｓ２０に移行する。これに対して、Ｓ１８での判定結果が否定である場合は、Ｓ２２に移行する。

Ｓ２０では、Ｕ相電流の電気角がα以上でβ未満の範囲か、またはγ以上でδ未満の範囲にある場合であるので、電流制限の必要ありとして、電流値と出力許容時間との関係を表すマップのデータを参照しつつ、電流センサ２６で取得されたＵ相電流の検出値から、対応する出力許容時間を取得する、すなわち推定する。ここで「出力許容時間」とは、通電される、すなわちオンされているＵ相アームＡｕの上側スイッチング素子Ｓｕ１または下側スイッチング素子Ｓｕ２の通電電流に応じて予めマップにより設定されるもので、これは継続通電を許可する上限時間である継続通電許容時間を意味する。また、この出力許容時間は、各相での出力余裕度を表す。図７は、電流値と出力許容時間との関係の１例を示している。このように、電流値の絶対値が０に近づくある範囲で出力許容時間は最大となり、この範囲の両側で電流値の絶対値が大きくなるほど出力許容時間は短くなる。なお、図７は１例であり、この線図の関係に限定されるものではない。

図２に戻って、このようにしてＵ相アームＡｕに対応する出力許容時間が取得されたならば、Ｓ２２に移行し、Ｖ相、Ｗ相についても同様の処理を行う。また、このような処理において、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の少なくとも１相の電流の電気角が電流制限範囲（例えばＵ１，Ｕ２）から外れる可能性があるが、その場合には、その相では出力許容時間を短く設定する必要がないと判断し、例えばＳ２０で設定される出力許容時間の上限よりも長い、電流値にかかわらず一定の最大出力許容時間を設定する。なお、この場合に設定される最大出力許容時間として、実用上実質的に無限大に相当する有限の時間を設定することもできる。

次いで、Ｓ２４では、Ｓ１６からＳ２２で得られた各相の出力許容時間のうち、最小となる１の出力許容時間を選択し、Ｓ２６で、選択した出力許容時間に対応する相で通電されている、すなわちオンされている対応するスイッチング素子を、複数のスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のうちで最も温度的に厳しくなるスイッチング素子である、「最高温度予測素子」として特定する。このようなＳ１６からＳ２６の処理は、素子特定手段３６により実行する。すなわち、素子特定手段３６は、ロック相当状態である場合に、各相電流の電気角と電流値との取得値から、各相でスイッチング素子に対する通電電流に応じた継続通電許容時間である出力許容時間をそれぞれ推定し、推定された各相の出力許容時間のうち、最短の出力許容時間に対応するスイッチング素子を、「最高温度予測素子」として特定する。

次いで、Ｓ２８で、特定された「最高温度予測素子」への通電電流に応じた出力許容時間を、最短出力許容時間ｔminとして推定する。すなわち、最も温度的に厳しくなる「最高温度予測素子」に対応して得られた出力許容時間が、他の相のスイッチング素子に対応する出力許容時間も含めた全体で最も短い、最短出力許容時間ｔminとして推定できる。この推定処理は、最短許容時間推定手段３８により実行する。

また、Ｓ２８では、回転電機１２がロック相当状態、例えばロック状態が開始されてからの経過時間であるロック時間、すなわち「最高温度予測素子」への継続通電開始からの時間が、上記の最短出力許容時間ｔmin以上となる場合である、最短出力許容時間経過後に、Ｓ３０に移行し、保護制御を実施する。この保護制御では、例えば、制御部１６で取得、すなわち算出されるトルク指令値を予め設定された１未満の所定比率を乗じることで低下させ、これにより電流指令を低下させて電流制限を実行する。このような保護制御は、電流制限実行手段４０により実行する。Ｓ３０のステップの後は、再びＳ１０に戻り、同様の処理を繰り返す。

このような回転電機制御装置１０によれば、コスト上昇を抑制しつつ、回転電機１２のロック相当状態での電流制限される機会を少なくして、回転電機１２の出力を有効に活用できる。すなわち、回転電機１２のロック相当状態での電流制限やトルク制限の際に、温度センサの検出値を使用する必要がないので、インバータ１４に設ける温度センサをなくすか、または少なくすることができる。しかも、各相のスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のうちで、最も温度的に厳しくなるスイッチング素子である「最高温度予測素子」を特定し、特定した「最高温度予測素子」への通電電流に応じた継続通電許容時間である最短出力許容時間を推定し、その最短出力許容時間に応じて電流制限を実行する。このため、回転電機１２のロック時等、ロック相当状態でも電流制限されずに十分な出力を発揮できる機会を増やすことができ、回転電機制御装置１０を搭載したハイブリッド車両の登坂性能を向上できる等、回転電機１２の出力を有効に活用できる。しかも、ロック相当状態での電流制限のために温度センサを使用しないので、コスト上昇を抑制できる。

また、「最高温度予測素子」の特定の際に、ロック相当状態での各相アームＡｕ，Ａｖ，Ａｗ毎にスイッチング素子の発熱に対する余力に相当する出力許容時間を、各相電流の電気角と電流値との取得値から推定する。このため、多くの温度センサを使用することなく、より有効に回転電機１２の出力の有効活用を図れる。

これに対して、図８は、本実施の形態との比較のための従来の制御装置の場合を示している。具体的には、図８は、従来の回転電機制御装置において、ロック時から一定時間経過後に電流指令を制限する場合の回転電機の出力が低下する様子を示す図である。すなわち、本実施の形態と異なり、回転電機のロック時に、一定時間経過後に回転電機の出力を通常時の出力から、直線的に低下させるようにトルク指令を制限することにより保護制御を行うことが考えられる。このような従来の制御装置の場合には、保護制御時の出力が車両の登坂に必要な出力よりも小さくなる可能性があり、この場合には迅速に車両が登坂できない等の不都合が生じる可能性がある。これに対して、上記の本実施の形態によれば、ロック時を含むロック相当状態で回転電機１２の出力が低下する機会を少なくできるため、このような不都合が生じることを抑制できる。

［第２の発明の実施の形態］
図９は、本発明に係る第２の実施の形態において、回転電機がロック相当状態となった場合の電流制限方法を示すフローチャートである。本実施の形態では、上記の第１の実施の形態と異なり、各相電流の電気角から最高温度予測素子を特定するのではなく、その代わりに、素子特定手段３６（図１参照）は、状態取得値である各相電流の電流値の取得値、すなわち検出値から最高温度予測素子を特定する。

本実施の形態において、素子特定手段３６以外の構成は、上記の第１の実施の形態と同様であるため、以下、図１に示した要素と同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、素子特定手段３６も、図１と同一の符号を付して説明する。本実施の形態では、上記の第１の実施の形態において、素子特定手段３６は、回転電機１２がロック相当状態である場合に、状態取得値である各相の電流の電流値の取得値から、対応する相のスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２の通電電流に応じた発熱温度上昇時間をそれぞれ推定する。そして、推定された各相の発熱温度上昇時間のうち、最長となる温度上昇時間に対応するスイッチング素子を、「最高温度予測素子」として特定する。これについて、図９のフローチャートを用いてより詳しく説明する。

図９のＳ４０で、制御部１６で、電流センサ２６，２８からの電流値の読み込みと、レゾルバ３０からのロータの回転角度の読み込みとが行われ、Ｓ４２でロック相当状態であるか否かの判定が行われる。その結果、ロック相当状態であると判定されると、Ｓ４４に移行する。

Ｓ４４では、まずＵ相電流の電流値の取得ちが正の値であるか否かを判定し、正の値である場合にはＵ相アームＡｕの上側スイッチング素子Ｓｕ１が発熱したと判定し（Ｓ４６）、それ以外、例えばＵ相電流の取得値が負である場合にはＵ相アームＡｕの下側スイッチング素子Ｓｕ２が発熱したと判定し（Ｓ４８）、いずれの場合もＳ５０に移行する。Ｓ５０では、予め制御部１６に記憶されたマップであって、スイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２への通電電流に対するそのスイッチング素子の発熱温度上昇時間の関係を表すマップから、Ｕ相電流の電流値の取得値を用いて発熱温度上昇時間を取得する。

図１０は、第２の実施の形態の回転電機制御装置で使用する、スイッチング素子の通電電流と発熱温度上昇時間との関係を示す図である。図１０では、複数（図示の例では４つ）の電流値がそれぞれ一定である等電流曲線Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を示している。電流値の大きさは、Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４の順で大きくなっており、Ｉ１で最も電流値の大きさが高くなっている。また、横軸に時間をとり、縦軸に素子許容率をとっている。「素子許容率」とは、発熱温度上昇時間を設定する対象であるスイッチング素子が設計上の使用限界に対しどの程度近づいているかを表すもので、例えば１００％は使用限界に達したことを意味する。例えば回転電機１２のロック状態開始時から使用限界に達するまでの時間は「限界時間」となり、これは出力許容時間に相当する。また、素子許容率は、スイッチング素子の温度に比例するため、図１０の縦軸をスイッチング素子の温度に置き換えて表すこともできる。この場合の傾向も図１０の曲線と同様になる。

また、図１０では、ロック状態開始時から対応する各通電電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４に対してスイッチング素子が定常状態となるそれぞれの最高温度に対してどれだけ温度上昇するかを表す「発熱温度上昇時間」も合わせて示している。この発熱温度上昇時間は、図１０の下部の矢印でその大きさを示している。なお、図１０に示す例では、発熱温度上昇時間として、対応する通電電流毎の最高温度に対して予め設定する所定割合（例えば９０％等）に達した時点を温度上昇の終了と設定している。ただし、発熱温度上昇時間として単純に、対応する通電電流毎の最高温度に達した時点を、温度上昇の終了と設定してもよく、また、温度が直線上に増大する場合の傾きを表す直線から外れた時点を、温度上昇の終了と設定してもよい。

図１０から分かるように、スイッチング素子に対する通電電流が大きくなるほどそのスイッチング素子の発熱温度上昇時間は大きくなっている。このため、通電電流と発熱温度上昇時間との関係を予めマップのデータを記憶させておけば、このマップのデータを参照して、取得された通電電流の電流値から、対応する発熱温度上昇時間を取得可能であることが分かる。本実施の形態では、このような考えから、図９のＳ５０では、予め記憶された、通電電流と発熱温度上昇時間との関係を表すマップのデータを参照して、検出されたＵ相電流の電流値から、Ｕ相アームＡｕの通電されている、すなわち発熱するスイッチング素子Ｓｕ１（またはＳｕ２）の発熱温度上昇時間を取得する、すなわち推定する。なお、この場合、通電電流と温度上昇との関係を表すマップで、対応するマップのデータがない、例えば通電電流がＩ１とＩ２との間等である場合には、対応する両側のマップのデータ、例えばＩ１とＩ２とのデータから線形補間等を用いて、対応する発熱温度上昇時間を算出する。また、Ｓ５２で、Ｖ相、Ｗ相の場合も同様にして、発熱するスイッチング素子の発熱温度上昇時間を取得する。

次いで、Ｓ５４で取得された各相の発熱温度上昇時間のうち、最長となる１の発熱温度上昇時間を選択する。この最長の発熱温度上昇時間は、複数のスイッチング素子Ｓｕ１、Ｓｕ２、Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｗ１、Ｓｗ２のうち、最も発熱するスイッチング素子に対応するものである。このため、Ｓ５６で最長温度上昇時間に対応するスイッチング素子を「最高温度予測素子」として特定する。このようなＳ４４からＳ５６までの処理は、素子特定手段３６により実行する。そして、Ｓ５８で「最高温度予測素子」に対応する素子許容率１００％までの最短出力許容時間に相当する「限界時間」を、最短許容時間推定手段３８により推定する。次いで、ロック時間が「限界時間」に達する限界時間経過後に、上記の第１の実施の形態と同様に電流制限実行手段４０により保護制御を実行する。

このような本実施の形態の場合も、過度なコスト上昇を抑制しつつ、回転電機１２のロック相当状態で電流制限される機会を少なくして、回転電機１２の出力を有効に活用できる。また、「最高温度予測素子」の特定の際に、温度上昇時間が得られれば、ロック相当状態での最長の温度上昇時間に対する対応する温度上昇時間の短さを各相電流の電流値の取得値から推定できる。この温度上昇時間の短さは、各相アームＡｕ，Ａｖ，Ａｗのスイッチング素子の発熱に対する余力に相当する。このため、多くの温度センサを使用することなく、より有効に回転電機１２の出力の有効活用を図れる。その他の構成及び作用は、上記の第１の実施の形態と同様であるため、重複する説明を省略する。

１０回転電機制御装置、１２回転電機、１４インバータ、１６制御部、１８バッテリ、２０ステータ、２１コンデンサ、２２ｕ，２２ｖ，２２ｗステータコイル、２４水温センサ、２６，２８電流センサ、３０レゾルバ、３２ロック相当判定手段、３４状態取得手段、３６素子特定手段、３８最短許容時間推定手段、４０電流制限実行手段。

Claims

それぞれスイッチング素子を有する複数相のアームを含み、複数相の回転電機を駆動する回転電機駆動部と、
回転電機駆動部を制御する制御部と、を備え、
制御部は、
回転電機がロック状態を含むロック相当状態である場合に、回転電機に関係する状態取得値を取得する状態取得手段と、
ロック相当状態である場合に、状態取得値から複数のスイッチング素子のうちで最も温度的に厳しくなるスイッチング素子である最高温度予測素子を特定する素子特定手段と、
素子特定手段により特定された最高温度予測素子への通電電流に応じた継続通電許容時間である最短出力許容時間を推定する最短許容時間推定手段と、
継続通電開始からの最短出力許容時間経過後に回転電機の電流制限を実行する電流制限実行手段とを有することを特徴とする回転電機制御装置。
請求項１に記載の回転電機制御装置において、
素子特定手段は、ロック相当状態である場合に、状態取得値である、各相電流の電気角と電流値との取得値から、最高温度予測素子を特定することを特徴とする回転電機制御装置。
請求項２に記載の回転電機制御装置において、
素子特定手段は、ロック相当状態である場合に、各相電流の電気角と電流値との取得値から、各相でスイッチング素子に対する通電電流に応じた継続通電許容時間である出力許容時間をそれぞれ推定し、推定された各相の出力許容時間のうち、最短の出力許容時間に対応するスイッチング素子を、最高温度予測素子として特定することを特徴とする回転電機制御装置。
請求項１に記載の回転電機制御装置において、
素子特定手段は、ロック相当状態である場合に、状態取得値である、各相電流の電流値の取得値から、最高温度予測素子を特定することを特徴とする回転電機制御装置。
請求項４に記載の回転電機制御装置において、
素子特定手段は、ロック相当状態である場合に、各相電流の電流値の取得値から対応する相のスイッチング素子の通電電流に応じた発熱温度上昇時間をそれぞれ推定し、推定された各相の発熱温度上昇時間のうち、最長の温度上昇時間に対応するスイッチング素子を、最高温度予測素子として特定することを特徴とする回転電機制御装置。