JP4703018B2 - 動力出力装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力出力装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の動力出力装置としては、電動機に三相交流を供給するインバータ回路の正極母線と負極母線とに接続されたコンデンサと、インバータ回路の正極母線または負極母線と電動機の中性点とに接続された直流電源とを備えるものが提案されている（例えば、特開平１０−３３７０４７号公報や特開平１１−１７８１１４号公報など）。この装置では、電動機の三相コイルとインバータ回路のスイッチング素子とからなる回路を直流電源からの電圧を昇圧してコンデンサに蓄電する昇圧チョッパ回路として機能させると共に蓄電されたコンデンサを直流電源として機能させて電動機を駆動する。このときのコンデンサへの蓄電制御はインバータ回路のスイッチング素子のスイッチング制御により行なわれる。
【０００３】
こうした動力出力装置では、電動機による電力消費に伴ってコンデンサの端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線とに間に作用する電位差が低下するため、電動機の安定した駆動制御を図るためにはコンデンサの端子間電圧を保持する制御が必要となる。コンデンサの端子間電圧を制御する手法としては、電圧センサにより検出されたコンデンサの端子間電圧とコンデンサの目標端子間電圧との差分によるフィードバック制御を行なうものが考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フィードバック制御によりコンデンサの端子間電圧を調節する動力出力装置では、装置に備える制御装置の処理能力によっては負荷の急激な変動に基づくコンデンサの端子間電圧の変化に追従できずに発散して、インバータ回路の正極母線と負極母線との間に作用する電位差を安定した状態に保持できない場合がある。
【０００５】
本発明の動力出力装置およびその制御方法は、負荷の急激な変動に対してもインバータ回路の正極母線と負極母線との間に作用する電位差を安定して保持することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の動力出力装置およびその制御方法は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の第１の動力出力装置は、多相交流により回転駆動する電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続された蓄電可能な第１電源と、前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の端子間電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給するよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段とを備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の第１の動力出力装置では、制御手段が、電動機に要求される出力に応じた電力が第２電源から第１電源へ供給されるようインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、負荷の急激な変動に対しても発散することなく第１電源の端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線との間の電位差を安定して保持することができる。ここで、「電動機に要求される出力」には、正の出力と負の出力の双方が含まれる。
【０００９】
本発明の第２の動力出力装置は、多相交流により回転駆動する電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された蓄電可能な第１電源と、前記インバータ回路の前記一方の母線とは異なる他方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の端子間電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給するよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段とを備えることを要旨とする。
【００１０】
この本発明の第２の動力出力装置では、制御手段が、電動機に要求される出力に応じた電力が第２電源から第１電源へ供給されるようインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、負荷の急激な変動に対しても発散することなく第１電源の端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線との間の電位差を安定して保持することができる。ここで、「電動機に要求される出力」には、正の出力と負の出力の双方が含まれる。
【００１１】
こうした本発明の第１および第２の動力出力装置において、前記制御手段は、前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給することで前記電動機の中性点に流れる電流を調節する手段であるものとすることもできる。
【００１２】
また、本発明の第１および第２の動力出力装置において、前記電動機に要求される出力は、前記電動機のトルク指令に回転数を乗じた値であるものとすることもできる。
【００１３】
さらに、本発明の第１および第２の動力出力装置において、前記第１電源の充放電に伴って駆動する電気機器を備え、前記制御手段は、更に前記電気機器の要求出力に応じた電力が前記第２電源から前記第１電源に対して供給されるよう前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する手段を含むものとすることもできる。
【００１４】
本発明の第３の動力出力装置は、多相交流により回転駆動する電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続された蓄電可能な第１電源と、前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、前記第２電源の電圧と前記第１電源の目標電圧の半分との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給することにより前記第１電源の電圧が目標電圧に保持されるよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段とを備えることを要旨とする。
【００１５】
この本発明の第３の動力出力装置では、制御手段が、第１電源の目標電圧と第２電源の電圧とに基づいて第１電源の電圧が目標電圧に保持されるようにインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、第１電源の電圧とその目標電圧との偏差によるフィードバック制御に比して、負荷の急激な変動に対しても発散することなく安定して目標電圧に保持することができる。
【００１６】
本発明の第４の動力出力装置は、多相交流により回転駆動する電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された蓄電可能な第１電源と、前記インバータ回路の前記一方の母線とは異なる他方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、前記第２電源の電圧と前記第１電源の目標電圧の半分との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給することにより前記第１電源の電圧が目標電圧に保持されるよう、前記インバータ回路にスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段とを備えることを要旨とする。
【００１７】
この本発明の第４の動力出力装置では、制御手段が、第１電源の目標電圧と第２電源の電圧とに基づいて第１電源の電圧が目標電圧に保持されるようにインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、第１電源の電圧とその目標電圧との偏差によるフィードバック制御に比して、負荷の急激な変動に対しても発散することなく安定して目標電圧に保持することができる。
【００１８】
本発明の第１の動力出力装置の制御方法は、多相交流により回転駆動する電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続された蓄電可能な第１電源と、前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、を備える動力出力装置の制御方法であって、前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の端子間電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給するよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御することを要旨とする。
また、本発明の第１および第２の動力出力装置において、前記制御手段は、更に、前記第１電源の目標電圧と、検出された前記第１電源の電圧とに基づいて、前記中性点電流指令値を修正する手段を含むものとすることもできる。このようにすれば、第１電源の端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線との間の電位をより安定して保持することができる。
【００１９】
この本発明の第１の動力出力装置の制御方法では、電動機に要求される出力に応じた電力が第２電源から第１電源へ供給されるようインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、負荷の急激な変動に対しても発散することなく第１電源の端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線との間の電位差を安定して保持することができる。ここで、「電動機に要求される出力」には、正の出力と負の出力の双方が含まれる。
【００２０】
本発明の第２の動力出力装置の制御方法は、
多相交流により回転駆動する電動機と、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、
前記インバータ回路の正極母線または負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された蓄電可能な第１電源と、
前記インバータ回路の前記一方の母線と異なる他方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と
を備える動力出力装置の制御方法であって、
前記電動機に要求される出力に応じた電力が前記第２電源から前記第１電源に対して供給されるよう前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御することを要旨とする。
【００２１】
この本発明の第２の動力出力装置の制御方法では、電動機に要求される出力に応じた電力が第２電源から第１電源へ供給されるようインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、負荷の急激な変動に対しても発散することなく第１電源の端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線との間の電位差を安定して保持することができる。ここで、「電動機に要求される出力」には、正の出力と負の出力の双方が含まれる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である動力出力装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の動力出力装置２０は、図示するように、三相交流により回転駆動するモータ２２と、直流電力を三相交流電力に変換してモータ２２に供給可能なインバータ回路２４と、インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とに接続されたコンデンサ３０と、インバータ回路２４の負極母線２８とモータ２２の中性点とに接続された直流電源３２と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット４０とを備える。
【００２３】
モータ２２は、例えば、外表面に永久磁石が貼り付けられたロータと、三相コイルが巻回されたステータとからなる発電可能なＰＭ型の同期電動発電機として構成されている。モータ２２の回転軸は、実施例の動力出力装置２０の出力軸となっており、この回転軸から動力が出力される。また、モータ２２は発電電動機として構成されているから、モータ２２の回転軸に動力を入力すれば、モータ２２により発電することができるようになっている。
【００２４】
インバータ回路２４は、６個のトランジスタＴ１〜Ｔ６と６個のダイオードＤ１〜Ｄ６とから構成されている。トランジスタＴ１〜Ｔ６は、インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とに対してソース側とシンク側になるよう２個ずつペアで配置され、その接続点にモータ２２の三相コイル（ｕ，ｖ，ｗ）の各々が接続されている。
【００２５】
直流電源３２は、例えば、ニッケル水素系やリチウムイオン系などの充放電可能な二次電池として構成されている。
【００２６】
電子制御ユニット４０は、ＣＰＵ４２を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ４４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ４６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット４０には、モータ２２の三相コイル（ｕ，ｖ，ｗ）の各相に取り付けられた電流センサ５２〜５６からの各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗやモータ２２の中性点に取り付けられた電流センサ５８からの中性点電流Ｉｏ、モータ２２の回転軸に取り付けられた回転角センサ６０からの回転角θ、コンデンサ３０に取り付けられた電圧センサ６２からのコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃ、直流電源３２に取り付けられた電圧センサ６４からの直流電源３２の端子間電圧Ｖｂ、モータ２２の動作に関する指令値などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット４０からは、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチング制御を行なうための制御信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２７】
こうして構成された実施例の動力出力装置２０の動作について説明する。まず、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチングにより直流電源３２とコンデンサ３０との間で電力のやり取りを行なう際の動作について説明する。
【００２８】
図２は、モータ２２の三相コイルのｕ相に着目した実施例の動力出力装置２０の回路図である。いま、インバータ回路２４のｕ相のトランジスタＴ２をオンした状態を考えると、この状態では、図中波線矢印で示す短絡回路が形成され、モータ２２の三相コイルのｕ相はリアクトルとして機能する。この状態からトランジスタＴ２をオフすると、リアクトルとして機能している三相コイルのｕ相に蓄えられたエネルギは、図中実線矢印で示す回路によりコンデンサ３０に蓄えられる。この際の電圧は直流電源３２の供給電圧よりも高くすることができる。一方、この回路でコンデンサ３０の電位を用いて直流電源３２を充電することもできる。したがって、この回路は、直流電源３２のエネルギを昇圧してコンデンサ３０に蓄えると共にコンデンサ３０の電位を用いて直流電源３２を充電可能な昇降圧チョッパ回路とみなすことができる。モータ２２の三相コイルのｖｗ相もｕ相と同様に昇降圧チョッパ回路とみなすことができるから、トランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ６をオンオフすることによりコンデンサ３０を充電したり、コンデンサ３０に蓄えられた電荷を用いて直流電源３２を充電することができる。
【００２９】
こうしたコンデンサ３０への充電により生じる電位差はコンデンサ３０に蓄えられる電荷の量、即ちリアクトルに流す電流に応じて変動するから、インバータ回路２４のトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ６のスイッチング制御を行なってリアクトルに流す電流を調節することによりコンデンサ３０の端子間電圧を調節することができる。こうした回路によるモータ２２の駆動制御は、モータ２２の三相コイルにインバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチング制御により擬似的な三相交流を供給することにより行なわれる。その際、この三相交流に直流成分を加えて、即ち三相交流をオフセットしてモータ２２に供給すれば、交流成分でモータ２２を回転駆動すると共に直流成分でコンデンサ３０に蓄電することができる。このとき、三相交流をオフセットして三相交流の電位（平均電位）、即ちモータ２２の中性点電位Ｖ０を直流電源３２の電位よりも高くなるように設定すると、モータ２２の中性点では直流電源３２を充電する方向に電流が流れてコンデンサ３０に蓄えられたエネルギを用いて直流電源３２を充電することができる。一方、三相交流におけるモータ２２の中性点電位Ｖ０を直流電源３２の電位よりも低くなるように設定すると、モータ２２の中性点では直流電源３２が放電する方向に電流が流れて直流電源３２の放電エネルギを用いてコンデンサ３０を充電することができる。なお、モータ２２の中性点電位Ｖ０や直流電源３２の電位は、インバータ回路２４の負極母線２８の電位を基準電位とする。したがって、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６をスイッチング制御してモータ２２の中性点電位Ｖ０を調節することによりモータ２２の中性点に流れる電流を調節でき、モータ２２を駆動しつつコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃを調節することができるのである。
【００３０】
次に、モータ２２を駆動制御しながらコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃを調整する際の動作について説明する。図３は、電子制御ユニット４０のＣＰＵ４２により実行されるコンデンサ電圧制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定の時間ごとに繰り返し実行される。
【００３１】
コンデンサ電圧制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット４０のＣＰＵ４２は、まず、モータ２２のトルク指令値Ｔ＊や回転角センサ６０からのモータ２２のロータの回転角θ、電圧センサ６４からの直流電源３２の端子間電圧Ｖｂ、電流センサ５２〜５６からの各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、電流センサ５８からの中性点電流Ｉｏを読み込む（ステップＳ１００）。
【００３２】
各データが読み込まれると、読み込まれたトルク指令値Ｔ＊や各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、回転角θに基づいてモータ２２を駆動するための三相交流を設定する処理を実行する（ステップＳ１０２）。ここで、三相交流を設定する処理は、通常のモータ２２の駆動制御の場合と同様の処理であり、例えば、トルク指令値Ｔ＊やロータの回転角θに基づいて算出されるモータ２２の各相の電流指令Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊と読み込まれた各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとの偏差に基づく比例積分制御（ＰＩ制御）によりモータ２２の各相に印加する電圧指令（三相交流の振幅）を設定するなどして行なうことができる。
【００３３】
続いて、設定された三相交流をオフセットするためのオフセット量Ｏを設定する処理を実行する（ステップＳ１０４）。ここで、オフセット量Ｏは、コンデンサ３０の端子間の中間電位、即ちインバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８の中間電位に対するモータ２２の中性点電位Ｖ０（三相交流の平均電位）の操作量であり、このオフセット量Ｏの設定は図４に例示するオフセット量設定処理ルーチンにより実行される。以下、オフセット量Ｏの設定処理について説明し、その後にコンデンサ電圧制御ルーチンのその後に処理について説明する。
【００３４】
オフセット量設定処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット４０のＣＰＵ４２は、モータ２２に要求される出力を算出する（ステップＳ２０２）。モータ２２に要求される出力Ｐは、例えば、読み込まれたトルク指令値Ｔ＊と回転角θに基づいて算出されるモータ２２の回転数Ｎ（θ）との乗算により算出される。勿論、トルク指令値Ｔ＊や回転数Ｎからマップにより導出することもできる。なお、モータ２２に要求される出力として負の出力（負のトルク指令値Ｔ＊）、即ち制動出力の場合についても同様に算出される。モータ２２に要求される出力が算出されると、この出力の要求に見合った電力がコンデンサ３０に蓄電されるように直流電源３２からモータ２２の中性点に流れる中性点電流の指令値（以下、中性点電流指令Ｉｏ＊という）を算出する（ステップＳ２０４）。中性点電流指令Ｉｏ＊は、例えば、モータ２２に要求される出力Ｐを電力換算し、電力換算後の出力Ｐから直流電源３２の端子間電圧Ｖｂを除することにより算出される。こうして、中性点電流指令Ｉｏ＊が算出されると、算出された中性点電流指令Ｉｏ＊と読み込まれた中性点電流Ｉｏとの差分に基づいてオフセット量Ｏを設定して（ステップＳ２０６）本ルーチンを終了する。このオフセット量Ｏは、例えば、コンデンサ３０の端子間の中間電位（インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８の中間電位）に対するモータ２２の中性点電位Ｖ０を操作量として中性点電流指令Ｉｏ＊と中性点電流Ｉｏとの差分に基づいて比例積分制御（ＰＩ制御）を行なうことにより調節することができる。なお、ステップＳ２００のトルク指令値Ｔ＊と回転角θと直流電源の端子間電圧Ｖｂと中性点電流Ｉｏの読み込み処理は、図３のルーチンのステップＳ１００の処理で既に読み込まれているため図４のルーチンでは不要であるが理解容易のために記載した。
【００３５】
図３のモータ駆動制御ルーチンに戻って、モータ２２に印加する三相交流にオフセット量Ｏを加えてＰＷＭ制御信号を設定し（ステップＳ１０６）、設定されたＰＷＭ制御信号をインバータ回路２４に出力して（ステップＳ１０８）、本ルーチンを終了する。ＰＷＭ制御信号の設定は、例えば、ステップＳ１０２で設定された三相交流を搬送波（三角波など）に対してオフセット量Ｏだけオフセットすることにより行なわれる。
【００３６】
以上説明した実施例の動力出力装置２０によれば、モータ２２に要求される出力に応じた電力がコンデンサ３０に供給されるように中性点電位Ｖ０を操作、即ち三相交流をオフセットしてコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃを調節するから、簡易な演算処理を行なうだけで急激な負荷の変動に対しても発散することのなく、コンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃ、即ちインバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８の電位差を安定して保持することができる。
【００３７】
実施例の動力出力装置２０では、モータ２２に要求される出力を直流電源３２の端子間電圧Ｖｂで除した値を中性点電流指令Ｉｏ＊として設定するものとしたが、更にコンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊を入力し、この目標端子間電圧Ｖｃ＊と電圧センサ６２により検出されたコンデンサ電圧Ｖｃとの差分に基づくＰＩ制御などにより算出される値を加えて中性点電流指令Ｉｏ＊を修正するものとしてもよい。こうすれば、コンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃ、即ち、インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８の電位をより安定して保持することができる。ここで、コンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊はモータ２２のトルク指令値Ｔ＊や回転角θなどに基づき設定されるものである。
【００３８】
実施例の動力出力装置２０では、モータ２２に要求される出力に応じた電力をコンデンサ３０に供給することによりコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃを保持するものとしたが、コンデンサ３０の充放電により駆動する他の電気機器、例えば、コンデンサ３０の電力により駆動する他の補機やインバータを介して取り付けられた他のモータを備える場合はこれらの駆動に要求される出力に応じた電力も加えてコンデンサ３０に供給するものとしてもよい。
【００３９】
実施例の動力出力装置２０では、モータ２２に要求される出力に応じた電力と直流電源３２の端子間電圧Ｖｂとに基づいてモータ２２の中性点に流れる電流を調節、即ち、三相交流のオフセット量Ｏを設定するものとしたが、コンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊と直流電源３２の端子間電圧Ｖｂとに基づいてコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃが目標端子間電圧Ｖｃ＊に保持されるようにオフセット量Ｏを設定するものとしてもよい。この場合、図４のルーチンに代わって図５のオフセット量設定処理ルーチンが実行される。このオフセット量Ｏの設定処理は、読み込まれたコンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊と直流電源３２の端子間電圧Ｖｂとにより次式を用いてオフセット量Ｏを算出する（ステップＳ２１０，Ｓ２１２）ことにより行なわれる。
【００４０】
Ｏ＝Ｖｂ−Ｖｃ＊／２ （１）
【００４１】
図６は、コンデンサ３０の電位Ｖｃと直流電源３２の電位Ｖｂとオフセット量Ｏとの関係を示す説明図である。なお、コンデンサ３０の電位Ｖｃと直流電源３２の電位Ｖｂは、インバータ回路２４の負極母線２８を基準電位とした。いま、モータ２２の三相コイルに印加する三相交流の一相分の電圧指令Ｖｏｕｔの平均電位Ｖｏｕｔａｖｅが直流電源３２の電位Ｖｂに一致している状態（この状態を定常状態と呼ぶことにする）でモータ２２を駆動している場合、即ちコンデンサ３０に対する電力授受がない状態でモータ２２を駆動している場合を考えると、図６に示すように三相交流の平均電位Ｖｏｕｔａｖｅは、コンデンサ３０の電位Ｖｃの中間電位Ｖｃ／２に対するオフセット量Ｏで表わすことができる（式（２））。
【００４２】
Ｖｏｕｔａｖｅ＝Ｖｂ＝Ｖｃ／２＋Ｏ （２）
【００４３】
したがって、定常状態でモータ２２を駆動している場合の三相交流に対するオフセット量Ｏは、次式で表わすことができる。
【００４４】
Ｏ＝Ｖｂ−Ｖｃ／２ （３）
【００４５】
これにより、（３）式からから算出されるオフセット量Ｏを用いて三相交流をオフセットした状態でモータ２２を駆動していれば、定常状態、即ちコンデンサ３０への電力供給がなくなった状態でのコンデンサ３０の電位は電位Ｖｃに保持されることが解る。したがって、コンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊が入力されたときにインバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８の中間電位Ｖｃ／２に対するオフセット量Ｏとして式（１）により算出された値を用いることにより、定常状態となったときにコンデンサ３０の端子間電圧を目標端子間電圧Ｖｃ＊に保持させることができるのである。なお、コンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊は、トルク指令値Ｔ＊や回転角θなどに基づいて設定されるが、コンデンサ３０の充放電に伴って駆動する他のモータや補機を備える場合には、これらの出力要求なども勘案して設定される。
【００４６】
ここで、直流電源３２の端子間電圧Ｖｂは、電圧センサ６４を用いて直接検出することなく、電圧センサ６２により検出されたコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃに基づいて直流電源３２の端子間電圧Ｖｂを推定するものとしてもよい。この場合、直流電源３２の端子間電圧Ｖｂは、（２）式からオフセット量Ｏとコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃとにより算出することができるから、オフセット量Ｏとして前回のルーチンで設定された値を用いることにより推定することができる。また、直流電源３２の端子間電圧Ｖｂを、直流電源３２の蓄電状態（ＳＯＣ）などに基づいて推定するものとしても構わない。
【００４７】
実施例の動力出力装置２０やその変形例では、直流電源３２をモータ２２の中性点とインバータ回路２４の負極母線２８とに接続したが、直流電源３２をモータ２２の中性点とインバータ回路２４の正極母線２６に接続するものとしても構わない。
【００４８】
実施例の動力出力装置２０やその変形例では、コンデンサ３０をインバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とに接続するものとしたが、図７に例示する動力出力装置２０Ｂに示すようにコンデンサ３０Ｂをモータ２２の中性点とインバータ回路２４の正極母線２６とに接続するものとしてもよい。この変形例の動力出力装置２０Ｂにおいては、コンデンサ３０Ｂによる端子間電圧と直流電源３２による端子間電圧との和の電圧の直流電源を、インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とを接続するように取り付けた構成、即ち、実施例の動力出力装置２０のコンデンサ３０をインバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とを接続するように取り付けた構成と同一の構成とみなすことができる。
【００４９】
図８は、モータ２２の三相コイルのｕ相に着目した変形例の動力出力装置２０Ｂの回路図である。いま、トランジスタＴ２をオンとした状態を考えると、図中波線矢印で示す短絡回路が形成され、モータ２２の三相コイルのｕ相はリアクトルとして機能する。この状態からトランジスタＴ２をオフすると、リアクトルとして機能している三相コイルのｕ相に蓄えられているエネルギは、図中実線矢印で示す回路によりコンデンサ３０Ｂに蓄えられる。一方、この回路トランジスタＴ１をオンとした状態からオフとすることにより同様にコンデンサ３０Ｂの電荷を用いて直流電源３２を充電することもできる。したがって、この回路は、直流電源３２のエネルギをコンデンサ３０Ｂに蓄えると共にコンデンサ３０Ｂの電位を用いて直流電源３２に充電可能なチョッパ回路とみなすことができる。モータ２２のｖｗ相も、ｕ相と同様にチョッパ回路とみなすことができるから、トランジスタＴ１〜Ｔ６をオンオフすることによりコンデンサ３０Ｂを充電したり、コンデンサ３０Ｂに蓄えられた電荷を用いて直流電源３２を充電することができる。
【００５０】
こうしたコンデンサ３０Ｂへの充電により生じる電位差はコンデンサ３０Ｂに蓄えられる電荷の量、即ちリアクトルに流す電流に応じて変動するから、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜６のスイッチング制御を行なってリアクトルに流す電流を調節することによりコンデンサ３０Ｂの端子間電圧を調節することができる。こうした回路によるモータ２２の駆動制御は、モータ２２の三相コイルにインバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチング制御により擬似的な三相交流を供給することにより行なわれる。その際、この三相交流に直流成分を加えて、即ち三相交流をオフセットしてモータ２２に供給すれば、交流成分でモータ２２を回転駆動すると共に直流成分でコンデンサ３０Ｂに蓄電することができる。したがって、変形例の動力出力装置２０Ｂでも実施例の動力出力装置２０やその変形例と同様に、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６をスイッチング制御してモータ２２の中性点電位Ｖ０を調節することにより、モータ２２の中性点に流れる電流を調節でき、モータ２２を駆動しつつコンデンサ３０の端子間電圧を調節することができる。
【００５１】
したがって、変形例の動力出力装置２０Ｂでも上述の図３のコンデンサ電圧制御ルーチンや図４あるいは図５のオフセット量設定処理ルーチンを実施することができ、実施例の動力出力装置２０やその変形例と同様の効果を得ることができる。なお、変形例の動力出力装置２０Ｂでは、コンデンサ３０Ｂをモータ２２の中性点とインバータ回路２４の正極母線２６とに接続すると共に直流電源３２をモータ２２の中性点とインバータ回路２４の負極母線２８に接続するものとしたが、コンデンサ３０Ｂと直流電源３２とを入れ替えて構成するものとしてもよい。
【００５２】
実施例の動力出力装置２０や動力出力装置２０Ｂおよびその変形例では、モータ２２として三相交流で駆動する同期発電電動機を用いたが、多相交流で駆動する如何なるタイプの電動機を用いるものとしてもよい。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明のこうした実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である動力出力装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 実施例の動力出力装置２０におけるモータ２２のｕ相に着目した回路図である。
【図３】 実施例の動力出力装置２０の電子制御ユニット４０により実行されるコンデンサ電圧制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】 実施例の動力出力装置２０の電子制御ユニット４０により実行されるオフセット量設定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図５】 オフセット量設定処理ルーチンの他の例を示すフローチャートである。
【図６】 コンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃと直流電源３２の端子間電圧Ｖｂとオフセット量Ｏとの関係を示す説明図である。
【図７】 変形例の動力出力装置２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。
【図８】 変形例の動力出力装置２０Ｂにおけるモータ２２のｕ相に着目した回路図である。
【符号の説明】
２０，２０Ｂ 動力出力装置、２２ モータ、２４ インバータ回路、２６ 正極母線、２８ 負極母線、３０，３０Ｂ コンデンサ、３２ 直流電源、４０電子制御ユニット、４２ ＣＰＵ、４４ ＲＯＭ、４６ ＲＡＭ、５２〜５８電流センサ、６０ 回転角センサ、６２，６４ 電圧センサ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力出力装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の動力出力装置としては、電動機に三相交流を供給するインバータ回路の正極母線と負極母線とに接続されたコンデンサと、インバータ回路の正極母線または負極母線と電動機の中性点とに接続された直流電源とを備えるものが提案されている（例えば、特開平１０−３３７０４７号公報や特開平１１−１７８１１４号公報など）。この装置では、電動機の三相コイルとインバータ回路のスイッチング素子とからなる回路を直流電源からの電圧を昇圧してコンデンサに蓄電する昇圧チョッパ回路として機能させると共に蓄電されたコンデンサを直流電源として機能させて電動機を駆動する。このときのコンデンサへの蓄電制御はインバータ回路のスイッチング素子のスイッチング制御により行なわれる。
【０００３】
こうした動力出力装置では、電動機による電力消費に伴ってコンデンサの端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線とに間に作用する電位差が低下するため、電動機の安定した駆動制御を図るためにはコンデンサの端子間電圧を保持する制御が必要となる。コンデンサの端子間電圧を制御する手法としては、電圧センサにより検出されたコンデンサの端子間電圧とコンデンサの目標端子間電圧との差分によるフィードバック制御を行なうものが考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フィードバック制御によりコンデンサの端子間電圧を調節する動力出力装置では、装置に備える制御装置の処理能力によっては負荷の急激な変動に基づくコンデンサの端子間電圧の変化に追従できずに発散して、インバータ回路の正極母線と負極母線との間に作用する電位差を安定した状態に保持できない場合がある。
【０００５】
本発明の動力出力装置およびその制御方法は、負荷の急激な変動に対してもインバータ回路の正極母線と負極母線との間に作用する電位差を安定して保持することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の動力出力装置およびその制御方法は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の第１の動力出力装置は、多相交流により回転駆動する電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続された蓄電可能な第１電源と、前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の端子間電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給するよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段とを備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の第１の動力出力装置では、制御手段が、電動機に要求される出力に応じた電力が第２電源から第１電源へ供給されるようインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、負荷の急激な変動に対しても発散することなく第１電源の端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線との間の電位差を安定して保持することができる。ここで、「電動機に要求される出力」には、正の出力と負の出力の双方が含まれる。
【０００９】
本発明の第２の動力出力装置は、多相交流により回転駆動する電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された蓄電可能な第１電源と、前記インバータ回路の前記一方の母線とは異なる他方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の端子間電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給するよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段とを備えることを要旨とする。
【００１０】
この本発明の第２の動力出力装置では、制御手段が、電動機に要求される出力に応じた電力が第２電源から第１電源へ供給されるようインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、負荷の急激な変動に対しても発散することなく第１電源の端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線との間の電位差を安定して保持することができる。ここで、「電動機に要求される出力」には、正の出力と負の出力の双方が含まれる。
【００１１】
こうした本発明の第１および第２の動力出力装置において、前記制御手段は、前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給することで前記電動機の中性点に流れる電流を調節する手段であるものとすることもできる。
【００１２】
また、本発明の第１および第２の動力出力装置において、前記電動機に要求される出力は、前記電動機のトルク指令に回転数を乗じた値であるものとすることもできる。
【００１３】
さらに、本発明の第１および第２の動力出力装置において、前記第１電源の充放電に伴って駆動する電気機器を備え、前記制御手段は、更に前記電気機器の要求出力に応じた電力が前記第２電源から前記第１電源に対して供給されるよう前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する手段を含むものとすることもできる。
【００１４】
本発明の第３の動力出力装置は、多相交流により回転駆動する電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続された蓄電可能な第１電源と、前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、前記第２電源の電圧と前記第１電源の目標電圧の半分との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給することにより前記第１電源の電圧が目標電圧に保持されるよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段とを備えることを要旨とする。
【００１５】
この本発明の第３の動力出力装置では、制御手段が、第１電源の目標電圧と第２電源の電圧とに基づいて第１電源の電圧が目標電圧に保持されるようにインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、第１電源の電圧とその目標電圧との偏差によるフィードバック制御に比して、負荷の急激な変動に対しても発散することなく安定して目標電圧に保持することができる。
【００１６】
本発明の第４の動力出力装置は、多相交流により回転駆動する電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された蓄電可能な第１電源と、前記インバータ回路の前記一方の母線とは異なる他方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、前記第２電源の電圧と前記第１電源の目標電圧の半分との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給することにより前記第１電源の電圧が目標電圧に保持されるよう、前記インバータ回路にスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段とを備えることを要旨とする。
【００１７】
この本発明の第４の動力出力装置では、制御手段が、第１電源の目標電圧と第２電源の電圧とに基づいて第１電源の電圧が目標電圧に保持されるようにインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、第１電源の電圧とその目標電圧との偏差によるフィードバック制御に比して、負荷の急激な変動に対しても発散することなく安定して目標電圧に保持することができる。
【００１８】
本発明の第１の動力出力装置の制御方法は、多相交流により回転駆動する電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続された蓄電可能な第１電源と、前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、を備える動力出力装置の制御方法であって、前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の端子間電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給するよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御することを要旨とする。
また、本発明の第１および第２の動力出力装置において、前記制御手段は、更に、前記第１電源の目標電圧と、検出された前記第１電源の電圧とに基づいて、前記中性点電流指令値を修正する手段を含むものとすることもできる。このようにすれば、第１電源の端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線との間の電位をより安定して保持することができる。
【００１９】
この本発明の第１の動力出力装置の制御方法では、電動機に要求される出力に応じた電力が第２電源から第１電源へ供給されるようインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、負荷の急激な変動に対しても発散することなく第１電源の端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線との間の電位差を安定して保持することができる。ここで、「電動機に要求される出力」には、正の出力と負の出力の双方が含まれる。
【００２０】
本発明の第２の動力出力装置の制御方法は、
多相交流により回転駆動する電動機と、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、
前記インバータ回路の正極母線または負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された蓄電可能な第１電源と、
前記インバータ回路の前記一方の母線と異なる他方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と
を備える動力出力装置の制御方法であって、
前記電動機に要求される出力に応じた電力が前記第２電源から前記第１電源に対して供給されるよう前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御することを要旨とする。
【００２１】
この本発明の第２の動力出力装置の制御方法では、電動機に要求される出力に応じた電力が第２電源から第１電源へ供給されるようインバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御するから、負荷の急激な変動に対しても発散することなく第１電源の端子間電圧、即ち、インバータ回路の正極母線と負極母線との間の電位差を安定して保持することができる。ここで、「電動機に要求される出力」には、正の出力と負の出力の双方が含まれる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である動力出力装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の動力出力装置２０は、図示するように、三相交流により回転駆動するモータ２２と、直流電力を三相交流電力に変換してモータ２２に供給可能なインバータ回路２４と、インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とに接続されたコンデンサ３０と、インバータ回路２４の負極母線２８とモータ２２の中性点とに接続された直流電源３２と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット４０とを備える。
【００２３】
モータ２２は、例えば、外表面に永久磁石が貼り付けられたロータと、三相コイルが巻回されたステータとからなる発電可能なＰＭ型の同期電動発電機として構成されている。モータ２２の回転軸は、実施例の動力出力装置２０の出力軸となっており、この回転軸から動力が出力される。また、モータ２２は発電電動機として構成されているから、モータ２２の回転軸に動力を入力すれば、モータ２２により発電することができるようになっている。
【００２４】
インバータ回路２４は、６個のトランジスタＴ１〜Ｔ６と６個のダイオードＤ１〜Ｄ６とから構成されている。トランジスタＴ１〜Ｔ６は、インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とに対してソース側とシンク側になるよう２個ずつペアで配置され、その接続点にモータ２２の三相コイル（ｕ，ｖ，ｗ）の各々が接続されている。
【００２５】
直流電源３２は、例えば、ニッケル水素系やリチウムイオン系などの充放電可能な二次電池として構成されている。
【００２６】
電子制御ユニット４０は、ＣＰＵ４２を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ４４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ４６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット４０には、モータ２２の三相コイル（ｕ，ｖ，ｗ）の各相に取り付けられた電流センサ５２〜５６からの各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗやモータ２２の中性点に取り付けられた電流センサ５８からの中性点電流Ｉｏ、モータ２２の回転軸に取り付けられた回転角センサ６０からの回転角θ、コンデンサ３０に取り付けられた電圧センサ６２からのコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃ、直流電源３２に取り付けられた電圧センサ６４からの直流電源３２の端子間電圧Ｖｂ、モータ２２の動作に関する指令値などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット４０からは、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチング制御を行なうための制御信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２７】
こうして構成された実施例の動力出力装置２０の動作について説明する。まず、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチングにより直流電源３２とコンデンサ３０との間で電力のやり取りを行なう際の動作について説明する。
【００２８】
図２は、モータ２２の三相コイルのｕ相に着目した実施例の動力出力装置２０の回路図である。いま、インバータ回路２４のｕ相のトランジスタＴ２をオンした状態を考えると、この状態では、図中波線矢印で示す短絡回路が形成され、モータ２２の三相コイルのｕ相はリアクトルとして機能する。この状態からトランジスタＴ２をオフすると、リアクトルとして機能している三相コイルのｕ相に蓄えられたエネルギは、図中実線矢印で示す回路によりコンデンサ３０に蓄えられる。この際の電圧は直流電源３２の供給電圧よりも高くすることができる。一方、この回路でコンデンサ３０の電位を用いて直流電源３２を充電することもできる。したがって、この回路は、直流電源３２のエネルギを昇圧してコンデンサ３０に蓄えると共にコンデンサ３０の電位を用いて直流電源３２を充電可能な昇降圧チョッパ回路とみなすことができる。モータ２２の三相コイルのｖｗ相もｕ相と同様に昇降圧チョッパ回路とみなすことができるから、トランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ６をオンオフすることによりコンデンサ３０を充電したり、コンデンサ３０に蓄えられた電荷を用いて直流電源３２を充電することができる。
【００２９】
こうしたコンデンサ３０への充電により生じる電位差はコンデンサ３０に蓄えられる電荷の量、即ちリアクトルに流す電流に応じて変動するから、インバータ回路２４のトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ６のスイッチング制御を行なってリアクトルに流す電流を調節することによりコンデンサ３０の端子間電圧を調節することができる。こうした回路によるモータ２２の駆動制御は、モータ２２の三相コイルにインバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチング制御により擬似的な三相交流を供給することにより行なわれる。その際、この三相交流に直流成分を加えて、即ち三相交流をオフセットしてモータ２２に供給すれば、交流成分でモータ２２を回転駆動すると共に直流成分でコンデンサ３０に蓄電することができる。このとき、三相交流をオフセットして三相交流の電位（平均電位）、即ちモータ２２の中性点電位Ｖ０を直流電源３２の電位よりも高くなるように設定すると、モータ２２の中性点では直流電源３２を充電する方向に電流が流れてコンデンサ３０に蓄えられたエネルギを用いて直流電源３２を充電することができる。一方、三相交流におけるモータ２２の中性点電位Ｖ０を直流電源３２の電位よりも低くなるように設定すると、モータ２２の中性点では直流電源３２が放電する方向に電流が流れて直流電源３２の放電エネルギを用いてコンデンサ３０を充電することができる。なお、モータ２２の中性点電位Ｖ０や直流電源３２の電位は、インバータ回路２４の負極母線２８の電位を基準電位とする。したがって、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６をスイッチング制御してモータ２２の中性点電位Ｖ０を調節することによりモータ２２の中性点に流れる電流を調節でき、モータ２２を駆動しつつコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃを調節することができるのである。
【００３０】
次に、モータ２２を駆動制御しながらコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃを調整する際の動作について説明する。図３は、電子制御ユニット４０のＣＰＵ４２により実行されるコンデンサ電圧制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定の時間ごとに繰り返し実行される。
【００３１】
コンデンサ電圧制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット４０のＣＰＵ４２は、まず、モータ２２のトルク指令値Ｔ＊や回転角センサ６０からのモータ２２のロータの回転角θ、電圧センサ６４からの直流電源３２の端子間電圧Ｖｂ、電流センサ５２〜５６からの各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、電流センサ５８からの中性点電流Ｉｏを読み込む（ステップＳ１００）。
【００３２】
各データが読み込まれると、読み込まれたトルク指令値Ｔ＊や各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、回転角θに基づいてモータ２２を駆動するための三相交流を設定する処理を実行する（ステップＳ１０２）。ここで、三相交流を設定する処理は、通常のモータ２２の駆動制御の場合と同様の処理であり、例えば、トルク指令値Ｔ＊やロータの回転角θに基づいて算出されるモータ２２の各相の電流指令Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊と読み込まれた各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとの偏差に基づく比例積分制御（ＰＩ制御）によりモータ２２の各相に印加する電圧指令（三相交流の振幅）を設定するなどして行なうことができる。
【００３３】
続いて、設定された三相交流をオフセットするためのオフセット量Ｏを設定する処理を実行する（ステップＳ１０４）。ここで、オフセット量Ｏは、コンデンサ３０の端子間の中間電位、即ちインバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８の中間電位に対するモータ２２の中性点電位Ｖ０（三相交流の平均電位）の操作量であり、このオフセット量Ｏの設定は図４に例示するオフセット量設定処理ルーチンにより実行される。以下、オフセット量Ｏの設定処理について説明し、その後にコンデンサ電圧制御ルーチンのその後に処理について説明する。
【００３４】
オフセット量設定処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット４０のＣＰＵ４２は、モータ２２に要求される出力を算出する（ステップＳ２０２）。モータ２２に要求される出力Ｐは、例えば、読み込まれたトルク指令値Ｔ＊と回転角θに基づいて算出されるモータ２２の回転数Ｎ（θ）との乗算により算出される。勿論、トルク指令値Ｔ＊や回転数Ｎからマップにより導出することもできる。なお、モータ２２に要求される出力として負の出力（負のトルク指令値Ｔ＊）、即ち制動出力の場合についても同様に算出される。モータ２２に要求される出力が算出されると、この出力の要求に見合った電力がコンデンサ３０に蓄電されるように直流電源３２からモータ２２の中性点に流れる中性点電流の指令値（以下、中性点電流指令Ｉｏ＊という）を算出する（ステップＳ２０４）。中性点電流指令Ｉｏ＊は、例えば、モータ２２に要求される出力Ｐを電力換算し、電力換算後の出力Ｐから直流電源３２の端子間電圧Ｖｂを除することにより算出される。こうして、中性点電流指令Ｉｏ＊が算出されると、算出された中性点電流指令Ｉｏ＊と読み込まれた中性点電流Ｉｏとの差分に基づいてオフセット量Ｏを設定して（ステップＳ２０６）本ルーチンを終了する。このオフセット量Ｏは、例えば、コンデンサ３０の端子間の中間電位（インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８の中間電位）に対するモータ２２の中性点電位Ｖ０を操作量として中性点電流指令Ｉｏ＊と中性点電流Ｉｏとの差分に基づいて比例積分制御（ＰＩ制御）を行なうことにより調節することができる。なお、ステップＳ２００のトルク指令値Ｔ＊と回転角θと直流電源の端子間電圧Ｖｂと中性点電流Ｉｏの読み込み処理は、図３のルーチンのステップＳ１００の処理で既に読み込まれているため図４のルーチンでは不要であるが理解容易のために記載した。
【００３５】
図３のモータ駆動制御ルーチンに戻って、モータ２２に印加する三相交流にオフセット量Ｏを加えてＰＷＭ制御信号を設定し（ステップＳ１０６）、設定されたＰＷＭ制御信号をインバータ回路２４に出力して（ステップＳ１０８）、本ルーチンを終了する。ＰＷＭ制御信号の設定は、例えば、ステップＳ１０２で設定された三相交流を搬送波（三角波など）に対してオフセット量Ｏだけオフセットすることにより行なわれる。
【００３６】
以上説明した実施例の動力出力装置２０によれば、モータ２２に要求される出力に応じた電力がコンデンサ３０に供給されるように中性点電位Ｖ０を操作、即ち三相交流をオフセットしてコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃを調節するから、簡易な演算処理を行なうだけで急激な負荷の変動に対しても発散することのなく、コンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃ、即ちインバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８の電位差を安定して保持することができる。
【００３７】
実施例の動力出力装置２０では、モータ２２に要求される出力を直流電源３２の端子間電圧Ｖｂで除した値を中性点電流指令Ｉｏ＊として設定するものとしたが、更にコンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊を入力し、この目標端子間電圧Ｖｃ＊と電圧センサ６２により検出されたコンデンサ電圧Ｖｃとの差分に基づくＰＩ制御などにより算出される値を加えて中性点電流指令Ｉｏ＊を修正するものとしてもよい。こうすれば、コンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃ、即ち、インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８の電位をより安定して保持することができる。ここで、コンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊はモータ２２のトルク指令値Ｔ＊や回転角θなどに基づき設定されるものである。
【００３８】
実施例の動力出力装置２０では、モータ２２に要求される出力に応じた電力をコンデンサ３０に供給することによりコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃを保持するものとしたが、コンデンサ３０の充放電により駆動する他の電気機器、例えば、コンデンサ３０の電力により駆動する他の補機やインバータを介して取り付けられた他のモータを備える場合はこれらの駆動に要求される出力に応じた電力も加えてコンデンサ３０に供給するものとしてもよい。
【００３９】
実施例の動力出力装置２０では、モータ２２に要求される出力に応じた電力と直流電源３２の端子間電圧Ｖｂとに基づいてモータ２２の中性点に流れる電流を調節、即ち、三相交流のオフセット量Ｏを設定するものとしたが、コンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊と直流電源３２の端子間電圧Ｖｂとに基づいてコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃが目標端子間電圧Ｖｃ＊に保持されるようにオフセット量Ｏを設定するものとしてもよい。この場合、図４のルーチンに代わって図５のオフセット量設定処理ルーチンが実行される。このオフセット量Ｏの設定処理は、読み込まれたコンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊と直流電源３２の端子間電圧Ｖｂとにより次式を用いてオフセット量Ｏを算出する（ステップＳ２１０，Ｓ２１２）ことにより行なわれる。
【００４０】
Ｏ＝Ｖｂ−Ｖｃ＊／２ （１）
【００４１】
図６は、コンデンサ３０の電位Ｖｃと直流電源３２の電位Ｖｂとオフセット量Ｏとの関係を示す説明図である。なお、コンデンサ３０の電位Ｖｃと直流電源３２の電位Ｖｂは、インバータ回路２４の負極母線２８を基準電位とした。いま、モータ２２の三相コイルに印加する三相交流の一相分の電圧指令Ｖｏｕｔの平均電位Ｖｏｕｔａｖｅが直流電源３２の電位Ｖｂに一致している状態（この状態を定常状態と呼ぶことにする）でモータ２２を駆動している場合、即ちコンデンサ３０に対する電力授受がない状態でモータ２２を駆動している場合を考えると、図６に示すように三相交流の平均電位Ｖｏｕｔａｖｅは、コンデンサ３０の電位Ｖｃの中間電位Ｖｃ／２に対するオフセット量Ｏで表わすことができる（式（２））。
【００４２】
Ｖｏｕｔａｖｅ＝Ｖｂ＝Ｖｃ／２＋Ｏ （２）
【００４３】
したがって、定常状態でモータ２２を駆動している場合の三相交流に対するオフセット量Ｏは、次式で表わすことができる。
【００４４】
Ｏ＝Ｖｂ−Ｖｃ／２ （３）
【００４５】
これにより、（３）式からから算出されるオフセット量Ｏを用いて三相交流をオフセットした状態でモータ２２を駆動していれば、定常状態、即ちコンデンサ３０への電力供給がなくなった状態でのコンデンサ３０の電位は電位Ｖｃに保持されることが解る。したがって、コンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊が入力されたときにインバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８の中間電位Ｖｃ／２に対するオフセット量Ｏとして式（１）により算出された値を用いることにより、定常状態となったときにコンデンサ３０の端子間電圧を目標端子間電圧Ｖｃ＊に保持させることができるのである。なお、コンデンサ３０の目標端子間電圧Ｖｃ＊は、トルク指令値Ｔ＊や回転角θなどに基づいて設定されるが、コンデンサ３０の充放電に伴って駆動する他のモータや補機を備える場合には、これらの出力要求なども勘案して設定される。
【００４６】
ここで、直流電源３２の端子間電圧Ｖｂは、電圧センサ６４を用いて直接検出することなく、電圧センサ６２により検出されたコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃに基づいて直流電源３２の端子間電圧Ｖｂを推定するものとしてもよい。この場合、直流電源３２の端子間電圧Ｖｂは、（２）式からオフセット量Ｏとコンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃとにより算出することができるから、オフセット量Ｏとして前回のルーチンで設定された値を用いることにより推定することができる。また、直流電源３２の端子間電圧Ｖｂを、直流電源３２の蓄電状態（ＳＯＣ）などに基づいて推定するものとしても構わない。
【００４７】
実施例の動力出力装置２０やその変形例では、直流電源３２をモータ２２の中性点とインバータ回路２４の負極母線２８とに接続したが、直流電源３２をモータ２２の中性点とインバータ回路２４の正極母線２６に接続するものとしても構わない。
【００４８】
実施例の動力出力装置２０やその変形例では、コンデンサ３０をインバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とに接続するものとしたが、図７に例示する動力出力装置２０Ｂに示すようにコンデンサ３０Ｂをモータ２２の中性点とインバータ回路２４の正極母線２６とに接続するものとしてもよい。この変形例の動力出力装置２０Ｂにおいては、コンデンサ３０Ｂによる端子間電圧と直流電源３２による端子間電圧との和の電圧の直流電源を、インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とを接続するように取り付けた構成、即ち、実施例の動力出力装置２０のコンデンサ３０をインバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とを接続するように取り付けた構成と同一の構成とみなすことができる。
【００４９】
図８は、モータ２２の三相コイルのｕ相に着目した変形例の動力出力装置２０Ｂの回路図である。いま、トランジスタＴ２をオンとした状態を考えると、図中波線矢印で示す短絡回路が形成され、モータ２２の三相コイルのｕ相はリアクトルとして機能する。この状態からトランジスタＴ２をオフすると、リアクトルとして機能している三相コイルのｕ相に蓄えられているエネルギは、図中実線矢印で示す回路によりコンデンサ３０Ｂに蓄えられる。一方、この回路トランジスタＴ１をオンとした状態からオフとすることにより同様にコンデンサ３０Ｂの電荷を用いて直流電源３２を充電することもできる。したがって、この回路は、直流電源３２のエネルギをコンデンサ３０Ｂに蓄えると共にコンデンサ３０Ｂの電位を用いて直流電源３２に充電可能なチョッパ回路とみなすことができる。モータ２２のｖｗ相も、ｕ相と同様にチョッパ回路とみなすことができるから、トランジスタＴ１〜Ｔ６をオンオフすることによりコンデンサ３０Ｂを充電したり、コンデンサ３０Ｂに蓄えられた電荷を用いて直流電源３２を充電することができる。
【００５０】
こうしたコンデンサ３０Ｂへの充電により生じる電位差はコンデンサ３０Ｂに蓄えられる電荷の量、即ちリアクトルに流す電流に応じて変動するから、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜６のスイッチング制御を行なってリアクトルに流す電流を調節することによりコンデンサ３０Ｂの端子間電圧を調節することができる。こうした回路によるモータ２２の駆動制御は、モータ２２の三相コイルにインバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチング制御により擬似的な三相交流を供給することにより行なわれる。その際、この三相交流に直流成分を加えて、即ち三相交流をオフセットしてモータ２２に供給すれば、交流成分でモータ２２を回転駆動すると共に直流成分でコンデンサ３０Ｂに蓄電することができる。したがって、変形例の動力出力装置２０Ｂでも実施例の動力出力装置２０やその変形例と同様に、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６をスイッチング制御してモータ２２の中性点電位Ｖ０を調節することにより、モータ２２の中性点に流れる電流を調節でき、モータ２２を駆動しつつコンデンサ３０の端子間電圧を調節することができる。
【００５１】
したがって、変形例の動力出力装置２０Ｂでも上述の図３のコンデンサ電圧制御ルーチンや図４あるいは図５のオフセット量設定処理ルーチンを実施することができ、実施例の動力出力装置２０やその変形例と同様の効果を得ることができる。なお、変形例の動力出力装置２０Ｂでは、コンデンサ３０Ｂをモータ２２の中性点とインバータ回路２４の正極母線２６とに接続すると共に直流電源３２をモータ２２の中性点とインバータ回路２４の負極母線２８に接続するものとしたが、コンデンサ３０Ｂと直流電源３２とを入れ替えて構成するものとしてもよい。
【００５２】
実施例の動力出力装置２０や動力出力装置２０Ｂおよびその変形例では、モータ２２として三相交流で駆動する同期発電電動機を用いたが、多相交流で駆動する如何なるタイプの電動機を用いるものとしてもよい。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明のこうした実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である動力出力装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 実施例の動力出力装置２０におけるモータ２２のｕ相に着目した回路図である。
【図３】 実施例の動力出力装置２０の電子制御ユニット４０により実行されるコンデンサ電圧制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】 実施例の動力出力装置２０の電子制御ユニット４０により実行されるオフセット量設定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図５】 オフセット量設定処理ルーチンの他の例を示すフローチャートである。
【図６】 コンデンサ３０の端子間電圧Ｖｃと直流電源３２の端子間電圧Ｖｂとオフセット量Ｏとの関係を示す説明図である。
【図７】 変形例の動力出力装置２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。
【図８】 変形例の動力出力装置２０Ｂにおけるモータ２２のｕ相に着目した回路図である。
【符号の説明】
２０，２０Ｂ 動力出力装置、２２ モータ、２４ インバータ回路、２６ 正極母線、２８ 負極母線、３０，３０Ｂ コンデンサ、３２ 直流電源、４０電子制御ユニット、４２ ＣＰＵ、４４ ＲＯＭ、４６ ＲＡＭ、５２〜５８電流センサ、６０ 回転角センサ、６２，６４ 電圧センサ。
Claims (10)
- 多相交流により回転駆動する電動機と、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、
前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続された蓄電可能な第１電源と、
前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、
前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の端子間電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給するよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段と
を備える動力出力装置。 - 多相交流により回転駆動する電動機と、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、
前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された蓄電可能な第１電源と、
前記インバータ回路の前記一方の母線とは異なる他方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、
前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の端子間電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給するよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段と
を備える動力出力装置。 - 前記制御手段は、前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給することで前記電動機の中性点に流れる電流を調節する手段である請求項１または２記載の動力出力装置。
- 前記電動機に要求される出力は、前記電動機のトルク指令に回転数を乗じた値である請求項１ないし３いずれか一項記載の動力出力装置。
- 請求項１ないし４いずれか一項記載の動力出力装置であって、
前記第１電源の充放電に伴って駆動する電気機器を備え、
前記制御手段は、更に前記電気機器の要求出力に応じた電力が前記第２電源から前記第１電源に対して供給されるよう前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する手段を含む動力出力装置。 - 多相交流により回転駆動する電動機と、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、
前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続された蓄電可能な第１電源と、
前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、
前記第２電源の電圧と前記第１電源の目標電圧の半分との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給することにより前記第１電源の電圧が目標電圧に保持されるよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段と
を備える動力出力装置。 - 多相交流により回転駆動する電動機と、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、
前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された蓄電可能な第１電源と、
前記インバータ回路の前記一方の母線とは異なる他方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、
前記第２電源の電圧と前記第１電源の目標電圧の半分との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給することにより前記第１電源の電圧が目標電圧に保持されるよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段と
を備える動力出力装置。 - 多相交流により回転駆動する電動機と、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、
前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続された蓄電可能な第１電源と、
前記インバータ回路の正極母線および負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と、
を備える動力出力装置の制御方法であって、
前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の端子間電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給するよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する動力出力装置の制御方法。 - 多相交流により回転駆動する電動機と、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより多相交流電力を前記電動機に供給可能なインバータ回路と、
前記インバータ回路の正極母線または負極母線のいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された蓄電可能な第１電源と、
前記インバータ回路の前記一方の母線とは異なる他方の母線と前記電動機の中性点とに接続された第２電源と
を備える動力出力装置の制御方法であって、
前記電動機に要求される出力に応じた電力と前記第２電源の端子間電圧とから求められる中性点電流指令値と、読み込まれた中性点電流との差分に基づいて前記多相交流電力をオフセットして、前記第２電源から前記電動機に対して供給するとともに前記第１電源に対して供給するよう、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチング制御する動力出力装置の制御方法。 - 請求項１ないし５いずれか一項記載の動力出力装置であって、
前記制御手段は、更に、前記第１電源の目標電圧と、検出された前記第１電源の電圧とに基づいて、前記中性点電流指令値を修正する手段を含む動力出力装置。
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