JP2012228017A - 発電電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電電動機の運転状態に応じて最適な予備励磁を行うことができる車両用発電電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】この発明による発電電動機の制御装置は、電機子と界磁巻線を備えた発電電動機を制御する制御装置であって、前記発電電動機を電動機として動作させる際に、電源から前記電機子への通電に先立ち、前記発電電動機の回転速度に応じて、前記電機子の誘起電圧が前記電源の電圧を超えない範囲の予備励磁電流を前記界磁巻線に通電して前記発電電動機の予備励磁を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、主に車両に搭載され、エンジンの始動やトルクアシスト時には電動機として動作すると共に、エンジンの始動後には発電機としても動作し得る発電電動機の制御装置に関するものである。

近年、燃費の向上や、環境基準への適合を目的とし、発電電動機を搭載し、車両の停止時にエンジンを停止させ、車両の発進時に発電電動機を駆動してエンジンの再始動を行なう、いわゆる、アイドルストップを行う車両が開発されている。このような車両に用いられる発電電動機は、小型、低コスト、高トルクが求められるため、界磁巻線式の同期発電電動機を用いることが多い（例えば、特許文献１参照）。

界磁巻線式の同期発電電動機では、界磁電流と電機子電流を制御することでトルク制御を行うことがある。この場合、駆動トルク指令が小さいと、駆動時の界磁電流指令も定格よりも低いものになる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−１１３７６３号公報 特許第４４９３６３９号公報 明細書・図面

前述の特許文献1には、エンジン始動時、即ち発電電動機が完全に停止しているときか
らの駆動について言及されている。しかし、実際には、発電電動機の駆動を行なうには、特許文献１に示されたように完全に停止しているときからの駆動のほかに、発電電動機の回転中にエンジンを駆動させる場合もある。

例えば、チェンジオブマインドと呼ばれる、エンジンが停止しかけの状態で、燃料が燃焼せずにエンジンが惰性で回転している状態から、再度エンジンを始動する状況の場合があげられる。この場合、発電電動機が回転している状態から発電電動機を駆動して、大きな駆動トルクを発生させる必要がある。しかし、このような場合において、発電電動機の予備励磁を行わなければ発電電動機のトルクが不足し、エンジンを再始動するまでに時間がかかってしまう恐れがある。

一方で、電電動機が回転している状態から発電電動機を駆動する場合に、予備励磁を行うと、発電電動機が意図しない発電を起こすことがある。即ち、発電電動機が停止しておれば、電機子には誘起電圧が発生しないため定格電流に近い界磁電流を界磁巻線に通電しても問題は生じないが、発電電動機が回転状態の場合、界磁巻線に界磁電流を通電すると、その界磁電流量と発電電動機の回転速度に応じた誘起電圧が電機子に発生し、その誘起電圧が電源電圧を超えると、発電電動機が発電状態となってしまうのである。

このような発電電動機の意図しない発電は、駆動時とは反対のトルクを発生させるため、エンジンを再始動しようとしているにもかかわらず、エンジンの回転に制動力を与えるように作用してしまい、エンジンの再始動性が悪化してしまう。また、発電電動機の予備励磁により通電される界磁電流は、前述のとおり定格電流に近いものであるため、予備励磁を行ったときのエンジン回転速度、すなわち発電電動機の回転速度、によっては、過大な誘起電圧が発生し、バッテリやその他の車載機器に悪影響を与えてしまう恐れがある。

このように、特許文献１に記載されたような従来技術によれば、エンジンが完全に停止した状態からの再始動時において予備励磁を行うことしか考慮されていなかったために、エンジンが完全に停止する前に再始動する場合等のように、エンジンが回転中、即ち、発電電動機の回転中に、発電電動機の予備励磁を行うことが困難であるという課題があった。

この発明は、従来の装置に於ける前述の課題を解決するためになされたものであり、発電電動機の運転状態に応じて最適な予備励磁を行うことができる車両用発電電動機の制御装置を提供することを目的としたものである。

この発明による発電電動機の制御装置は、電機子と界磁巻線を備えた発電電動機を制御する制御装置であって、前記発電電動機を電動機として動作させる際に、電源から前記電機子への通電に先立ち、前記発電電動機の回転速度に応じて、前記電機子の誘起電圧が前記電源の電圧を超えない範囲の予備励磁電流を前記界磁巻線に通電して前記発電電動機の予備励磁を行うようにしたものである。

この発明による発電電動機の制御装置によれば、発電電動機を電動機として動作させる際に、電源から電機子への通電に先立ち、発電電動機の回転速度に応じて、電機子の誘起電圧が電源の電圧を超えない範囲の予備励磁電流を界磁巻線に通電して発電電動機の予備励磁を行うようにしたので、発電電動機の運転状態に応じて最適な予備励磁を行うことができ、意図しない発電状態となることや、予備励磁不足による特性悪化を防ぐことができる。

この発明の実施の形態１による発電電動機の制御装置の構成を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による発電電動機の制御装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による発電電動機の制御装置に於ける、予備励磁の界磁電流レベルのマップである。 この発明の実施の形態２による発電電動機の制御装置に於ける、予備励磁の界磁電流レベルのマップである。

この発明の実施の形態３による発電電動機の制御装置の動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態４による発電電動機の制御装置の動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態４による発電電動機の制御装置に於ける、予備励磁完了時間マップである。

実施の形態１．
以下、この発明のこの発明の実施の形態１による発電電動機の制御装置について、図面を参照して説明する。図1は、この発明の実施の形態１による発電電動機の制御装置の構
成を示す説明図である。図１に於いて、発電電動機装置１は、インバータ装置１１と発電電動機１２とから構成されている。発電電動機１２は、ベルト等の動力伝達手段４を介し
てエンジン３に連結されている。発電電動機１２は、エンジン３を始動させるときは、端子Ｂ、Ｅを介して、バッテリ若しくはキャパシタ等からなる電源２から電力が供給されて電動機として動作し、動力伝達手段４を介してエンジン３を回転させてこれを始動させる。

一方、エンジン３の運転中は、発電電動機１２は発電機として動作し、その発電した電力を、端子Ｂ、Ｅを介して電源２に供給して所定電圧に充電する。又、エンジン３の運転中にエンジン３のトルクアシストを行う電動機として動作する場合もある。

図1では省略しているが、外部のアイドルストップシステムのコントローラ、若しくは
キースイッチ等によって運転モードを指令され、発電電動機１２はその指令に応じたモードで運転される。

発電電動機１２は、固定子に設けられた電機子巻線１２２と、回転子に設けられた界磁巻線１２１とを備えた同期回転電機で構成されている。また、発電電動機１２には、回転子１２１の回転速度を検出する回転センサ１２３が設けられている。

インバータ装置１１は、発電電動機１２の界磁巻線１２１に接続された界磁電力変換部１１２と、発電電動機１２の電機子巻線１２２に接続された電機子電力変換部１１３と、界磁電力変換部１１２と電機子電力変換部１１３に対して電力変換素子のオン・オフ指令を行う制御部１１１と、界磁電流を検出するための電流センサ１１４とを備える。インバータ装置１１は、この発明の実施の形態１による発電電動機の制御装置を構成する。

界磁電力変換部１１２は、制御部１１１からの電力変換素子へのオン・オフ指令に基づいて動作し、ＰＷＭ制御によって界磁巻線１２１に流れる界磁電流を制御する。この界磁電力変換部１１２は、一般的には、ＭＯＳＦＥＴによるハーフブリッジ回路により構成される。

電機子電力変換部１１３は、一般的にはＭＯＳＦＥＴによる三相ブリッジ回路が用いられる。この電機子電力変換部１１３は、発電電動機１２を電動機として駆動するときは、制御部１１１からの電力変換素子のオン・オフ指令によって動作し、電機子巻線１２２へ三相交流電流を電機子電流として通電させる。このとき同時に界磁電力変換部１１２から界磁巻線１２１に直流電流を界磁電流として通電させる。これにより、発電電動機１２は、三相同期電動機として動作し、動力伝達手段４を介してエンジン３を始動させる。

一方、発電電動機１２を発電機として動作させているときは、電機子電力変換部１１３は、電機子巻線１２２からの三相交流電流である電機子電流を整流して直流電流とし、その直流電流をバッテリに供給してこれを充電し、更には他の負荷へ供給する。発電電動機１２の発電機としての動作は、周知のように、エンジン３により動力伝達手段４を介して駆動されて回転子が回転しているときに、回転子の界磁巻線１２１に界磁電力変換部１１２から直流電流である界磁電流を供給することにより電機子巻線に三相交流電圧を誘起させることにより行なわれる。

次に、このように構成されたこの発明の実施の形態１による発電電動機の制御装置の動作について説明する。図２は、この発明の実施の形態１による発電電動機の制御装置の動作を示すフローチャートである。図２に於いて、先ず、ステップＳ１０１において、アイドルストップシステムのコントローラや、キースイッチなどからの駆動指令があるか否かを判定する。駆動指令がある場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１１１へ進み、駆動指令がない場合（ＮＯ）は、駆動処理は行わないので処理を終了する。

なお、図２ではこの発明に関連する部分のみを示しているため省略しているが、例え駆動指令があったとしても、発電電動機１２の状態が異常であったり、電源電圧が規定の範囲外であった場合には駆動を行わない。

ステップＳ１１１では、発電電動機１２の予備励磁の完了判定に用いる界磁電流のレベル(以下、予備励磁完了レベル、と称する)を算出する。

ここで、予備励磁完了レベルの算出方法について述べる。前述したように、発電電動機１２の電機子巻線１２２の誘起電圧は、発電電動機１２の回転子の回転速度と界磁電流に応じて変化する。また、誘起電圧が電源２による電源電圧を超えると、発電電動機１２は発電機として動作してしまうので、電機子巻線１２２の誘起電圧は電源電圧を下回るようにしなければならない。

また、予備励磁の効果を高めるためには、電機子巻線１２２への通電を開始する時点での界磁電流は定格電流を超えない範囲で大きくすることが望ましい。従って、電機子巻線１２２の誘起電圧は、電源電圧を超えない範囲でなるべく大きくすれば、予備励磁の効果が最も大きいことになる。

そのため、発電電動機１２の回転子の回転速度と電源電圧とから、予備励磁完了レベルを求めるマップを予め求めておき、そのマップを参照して予備励磁完了レベルを求める。図３は、この発明の実施の形態１による発電電動機の制御装置における、予備励磁の界磁電流レベルのマップである。図３においてＩ_ｆＭＡＸの値は、定格界磁電流を表している。また、図３には代表例として電源電圧＝Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３の３通りを示している。

図２のフローチャートに戻り、ステップＳ１１２では界磁巻線１２３への界磁電流の通電を行う。界磁電流通電制御の方法は、予備励磁完了の界磁電流を指令値としたＰＩ制御を行ってもいいし、界磁電流の応答性を高めるために、ＰＷＭ制御の導通率を１００［％］とする制御を行ってもよい。

続いてステップＳ１１３では、界磁電流センサ１１４により測定した界磁電流が、予備励磁完了レベルに達しているか否かの判定を行う。界磁電流が予備励磁完了レベルに達していれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１２１へ進み、界磁電流が予備励磁完了レベルに達していなければ（ＮＯ）、ステップＳ１１１へ戻る。

ステップＳ１２１では、電機子電力変換部１１３に対して、電力変換素子のオン・オフ指令を行い、電機子巻線１２２への通電を開始する。ここで、ステップＳ１１３での判定の結果、界磁電流が予備励磁完了レベルに達していない場合（ＮＯ）、ステップＳ１１１での予備励磁完了レベルの算出処理を再度行うことになるが、これは、前述したように、予備励磁完了レベルは回転速度などの条件によって変動するものであるからである。

以上のように、この発明の実施の形態１による発電電動機の制御装置によれば、発電電動機の回転速度と電源電圧に応じた、最適な予備励磁が可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による発電電動機の制御装置について説明する。この発明の実施の形態２では、前述の実施の形態１に対して、予備励磁の完了判定用の界磁電流レベルの演算方法を変更したものである。その他の部分については実施の形態１と同様であるため、以下の説明では実施の形態２に特有の部分のみについて説明する。

前述したように、界磁巻線式の同期発電電動機では、界磁電流と電機子電流を制御する
ことでトルク制御を行うことがあり、駆動トルク指令が小さい場合、駆動時の界磁電流指令も定格よりも低いものになる（特許文献２、図１０参照）。このような場合、前述の実施の形態１による予備励磁を行うと、予備励磁完了レベルが駆動時の界磁電流指令よりも高くなってしまう場合がある。予備励磁は、駆動時の界磁電流に達するまで行えば十分であるし、それ以上予備励磁を行うと、駆動を開始した瞬間のトルクは所望のトルクより大きくなってしまう。

そのため、この発明の実施の形態２による発電電動機の制御装置では、発電電動機の回転速度と、電源電圧と、発電電動機の駆動時のトルク指令とに基づいて、予備励磁完了レベルを求めるマップを予め形成しておき、そのマップを参照して予備励磁完了レベルを求めるものである。図４は、この発明の実施の形態２による発電電動機の制御装置における、予備励磁の界磁電流レベルのマップである。

即ち、図４に示すように、電源電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３毎に、駆動開始時の駆動トルク指令Ｔ_ｎの値Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３（Ｔ_１＞Ｔ_２＞Ｔ_３）と、回転速度Ｎとに対応して、予備励磁完了レベルを実線に示す特性のように予め求めてマップを形成しておくものである。尚、図４に示す駆動トルク指令と予備励磁完了レベルはあくまで模式的なものであり、必ずしも図４に示す関係になるとは限らない。

このように、この発明の実施の形態２による発電電動機の制御装置によれば、発電電動機の回転速度と電源電圧と、駆動トルク指令とに応じた、最適な予備励磁が可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３による発電電動機の制御装置について説明する。この発明の実施の形態３では、前述の実施の形態１に対して、予備励磁の完了条件を変更したものである。その他の部分については実施の形態１、及び実施の形態２と同様のため、実施の形態３に特有の部分のみについて説明する。

図５は、この発明の実施の形態３による発電電動機の制御装置の動作を説明するフローチャートである。図５に於いて、実施の形態１の場合との相違点は、ステップＳ２１３に於いて、界磁電流が予備励磁完了レベルに達していないと判定した場合（ＮＯ）の動作が異なることである。

前述の実施の形態１に於いては、界磁電流が予備励磁完了レベルに達するまで電機子の通電を行うことがなかった。しかし、例えば発電電動機１２の温度が高い場合等に、界磁巻線１２１の抵抗値が増加し、予め定めたマップ等から求めた予備励磁完了レベルまで界磁電流が流れない場合、電機子巻線１２２に通電を開始できない可能性がある。

そのため実施の形態３では、予備励磁開始後、ステップＳ２１３に於いて界磁電流が予備励磁完了レベルに達していないと判定した場合（ＮＯ）に、ステップＳ２２１に進み、界磁電流通電時間が予備励磁終了時間以上であるか否かを判定し、界磁電流通電時間が予備励磁終了時間以上であると判定した場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ２３１に進んで電機子巻線１２２への通電を開始して発電電動機１２を駆動する。つまり、予備励磁終了時間経過後は、界磁電流が予備励磁完了レベルに達していない場合であっても、電機子巻線１２２への通電を開始する。

ステップＳ２２１での判定の結果、界磁電流通電時間が予備励磁終了時間に達していないと判定した場合（ＮＯ）は、ステップＳ２１１へ戻る。その他は、実施の形態１に於ける図２のフローチャートと同様の処理を行なう。

前述の予備励磁終了時間、つまり予備励磁のタイムアウト時間は、例えば界磁巻線１２１の時定数の０．５〜１倍の範囲で定める。

以上述べたこの発明の実施の形態３による発電電動機の制御装置によれば、何らかの理由で界磁電流が所望の値に達しない場合でも、発電電動機の駆動ができなくなったり、応答が極端に遅くなることを避けることができる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４による発電電動機の制御装置について説明する。この発明の実施の形態４では、前述の実施の形態１に対して、予備励磁の完了条件を変更したものである。その他の部分については実施の形態１と同様のため、実施の形態４に特有の部分のみについて説明する。

実施の形態１に於いては、予備励磁を終了する条件を界磁電流のレベルで決定していたが、界磁電流の検出に遅れが生じ、正確な界磁電流が検出できない場合がある。そこでこの実施の形態４では、界磁電流の通電は導通率１００［％］とし、なるべく早く界磁電流を流し、予備励磁の完了判定は予備励磁の開始からの時間で行うようにしたものである。

図６は、この発明の実施の形態４による発電電動機の制御装置の動作を説明するフローチャートである。図６に於いて、ステップＳ３０１で駆動指令ありと判定する（ＹＥＳ）と、ステップＳ３１１に進み、予備励磁完了時間を演算する。

前述したように、電機子巻線１２２の誘起電圧を、電源電圧を超えない範囲でなるべく大きくすれば、予備励磁の効果が最も大きい。そのため、発電電動機１２の回転子の回転速度と、電源電圧と、駆動トルク指令とに基づいて、界磁電流の通電開始後、界磁電流が予備励磁完了レベルに達するまでの時間を求めるマップを予め形成しておき、ステップＳ３１１ではそのマップを参照して予備励磁時間を求める。

図７は、この発明の実施の形態４による発電電動機の制御装置に於ける、予備励磁完了時間マップである。即ち、図７に示すように、電源電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３毎に、駆動開始時の駆動トルク指令Ｔ_ｎの値Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３（Ｔ_１＞Ｔ_２＞Ｔ_３）と、回転速度Ｎとに対応して、予備励磁完了時間を実線に示す特性のように予め求めてマップを形成しておくものである。尚、図４に示す駆動トルク指令と予備励磁完了レベルはあくまで模式的なものであり、必ずしも図７に示す関係になるとは限らない。

図６に於いて、ステップＳ３１１にて前述の図７に示すマップを参照して予備励磁時間を求めた後、ステップＳ３１２に進み、界磁電流の通電を開始する。次に、ステップＳ３１３では、予備励磁を開始してからの時間が前述の予備励磁完了時間以上に達しているか否かを判定し、予備励磁を開始してからの時間が予備励磁時間以上であると判定すれば（ＹＥＳ）、ステップＳ３２１へ進み、電機子巻線１２２への通電を開始する。

一方、ステップＳ３１３での判定の結果、予備励磁を開始してからの時間が前述の予備励磁完了時間以上に達していなければ（ＮＯ）、ステップＳ３１１へ戻り、予備励磁時間を再度計算することになる。

この発明の実施の形態４による発電電動機の制御装置によれば、界磁電流検出の遅れによる影響を受けずに、予備励磁が可能となる。

以上述べた、この発明による発電電動機の制御装置は、以下の特徴を備える。
（１）この発明による発電電動機の制御装置は、電機子と界磁巻線を備えた発電電動機を
制御する制御装置であって、前記発電電動機を電動機として動作させる際に、電源から前記電機子への通電に先立ち、前記発電電動機の回転速度に応じて、前記電機子の誘起電圧が前記電源の電圧を超えない範囲の予備励磁電流を前記界磁巻線に通電して前記発電電動機の予備励磁を行うことを特徴とする。
このように構成されたこの発明による発電電動機の制御装置によれば、回転速度＆電源電圧から予備励磁レベルを決めることで、発電しないぎりぎりの誘起電圧のところから駆動を開始でき、応答をよくすることができる。

（２）又、この発明による発電電動機の制御装置は、上記（１）に於いて、前記予備励磁中に前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出し、前記検出した界磁電流が前記発電電動機の回転速度と前記電源の電圧から定まる所定の値に達したとき、前記電機子への通電を開始することを特徴とする。
このように構成されたこの発明による発電電動機の制御装置によれば、界磁電流のフィードバック制御を行うので、界磁電流を正確に制御することができる。

（３）更に、この発明による発電電動機の制御装置は、上記（１）に於いて、前記予備励磁中に前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出し、前記検出した界磁電流が前記発電電動機の回転速度と前記電源の電圧と前記発電電動機への駆動トルク指令とから定まる所定の値に達したとき、前記電機子の通電を開始することを特徴とする。
このように構成されたこの発明による発電電動機の制御装置によれば、駆動時の界磁電流指令の方が、駆動準備時の指令よりも低い場合、その値を駆動準備時の指令とすることで、過剰な予備励磁を回避することができる。

（４）又、この発明による発電電動機の制御装置は、上記（１）乃至（３）のうちの何れか一つに於いて、前記予備励磁の開始から所定の時間を経過したときは、前記予備励磁を終了すると共に前記電機子への通電を開始することを特徴とする。
このように構成されたこの発明による発電電動機の制御装置によれば、何らかの理由で界磁電流が規定値まで到達しない場合に強制的に予備励磁を打ち切ることができる。

（５）更に、この発明による発電電動機の制御装置は、上記（１）に於いて、前記予備励磁を行なう時間を、前記発電電動機の回転速度と前記電源の電圧に基づいて定めることを特徴とする。
このように構成されたこの発明による発電電動機の制御装置によれば、オープンループ制御を行うので、フィードバック制御の場合のような応答遅れの影響をなくすることができる。

（６）又、この発明による発電電動機の制御装置は、上記（１）に於いて、前記予備励磁を行なう時間を、前記発電電動機の回転速度と前記電源の電圧と前記発電電動機への駆動トルク指令とに基づいて定めることを特徴とする。
このように構成されたこの発明による発電電動機の制御装置によれば、駆動時の界磁電流指令の方が、駆動準備時の指令よりも低い場合、その値を駆動準備時の指令とすることで、過剰な予備励磁を回避することができる。

１ 発電電動機装置 １１ インバータ装置
１２ 発電電動機 ２ 電源
３ エンジン ４ 動力伝達手段
１２１ 界磁巻線 １２２ 電機子巻線
１２３ 回転センサ １１１ 制御部
１１２ 界磁電力変換部 １１３ 電機子電力変換部
１１４ 電流センサ

Claims (6)

1. 電機子と界磁巻線を備えた発電電動機を制御する制御装置であって、
   前記発電電動機を電動機として動作させる際に、電源から前記電機子への通電に先立ち、前記発電電動機の回転速度に応じて、前記電機子の誘起電圧が前記電源の電圧を超えない範囲の予備励磁電流を前記界磁巻線に通電して前記発電電動機の予備励磁を行うことを特徴とする発電電動機の制御装置。
2. 前記予備励磁中に前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出し、前記検出した界磁電流が前記発電電動機の回転速度と前記電源の電圧から定まる所定の値に達したとき、前記電機子への通電を開始することを特徴とする請求項1に記載の発電電動機の制御装置。
3. 前記予備励磁中に前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出し、前記検出した界磁電流が前記発電電動機の回転速度と前記電源の電圧と前記発電電動機への駆動トルク指令とから定まる所定の値に達したとき、前記電機子の通電を開始することを特徴とする請求項1に記
   載の発電電動機の制御装置。
4. 前記予備励磁の開始から所定の時間を経過したときは、前記予備励磁を終了すると共に前記電機子への通電を開始することを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか一項に記載の発電電動機の制御装置。
5. 前記予備励磁を行なう時間を、前記発電電動機の回転速度と前記電源の電圧に基づいて定めることを特徴とする請求項１に記載の発電電動機の制御装置。
6. 前記予備励磁を行なう時間を、前記発電電動機の回転速度と前記電源の電圧と前記発電電動機への駆動トルク指令とに基づいて定めることを特徴とする請求項１に記載の発電電動機の制御装置。

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