JP5391697B2 - 回転機の制御装置及び制御システム - Google Patents

Description

本発明は、回転機の端子に直流電源の正極及び負極のそれぞれを電気的に接続するスイッチング素子を備える電力変換回路を操作することで前記回転機のトルクを制御する回転機の制御装置及び制御システムに関する。

この種の制御装置としては、例えば下記特許文献１に見られるように、インバータの出力電圧ベクトルのノルムが所定以上となる場合、３相電動機のトルクを要求トルクにフィードバック制御すべく、インバータの出力電圧の位相を操作することも提案されている。すなわち、３相電動機を流れる電流から推定される３相電動機のトルクを要求トルクにフィードバック制御するための操作量として、インバータの出力電圧の位相を設定し、所定のベクトルノルムを有する電圧の位相をこの設定される位相に操作する。これにより、３相電動機のトルクを要求トルクにフィードバック制御することができる。

なお、従来の制御装置としては、他にも例えば下記特許文献２に記載されているものもある。

特開平１１−２９９２９７号公報 特許第３７２７２６８号公報

ところで、上記のようにトルクのフィードバック制御を行う場合、３相電動機のトルクが要求トルクから離間することで初めて位相が変更されるため、トルクの追従性が必ずしも高くならず、３相電動機の実際のトルクが想定外のものとなる事態が生じる懸念がある。

なお、上記トルクのフィードバック制御を行うものに限らず、回転機のトルクを要求トルクに制御するものにあっては、実際のトルクが想定外のものとなる懸念があるこうした実情も概ね共通したものとなっている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転機の端子に直流電源の正極及び負極のそれぞれを電気的に接続するスイッチング素子を備える電力変換回路を操作することで前記回転機のトルクをより好適に制御することのできる回転機の制御装置及び制御システムを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

第１の発明は、回転機の端子に直流電源の正極及び負極のそれぞれを電気的に接続するスイッチング素子を備える電力変換回路を操作することで前記回転機のトルクを制御する回転機の制御装置において、前記電力変換回路の操作状態を複数通りのそれぞれに設定した場合のこれら各操作状態に応じた前記電力変換回路の出力電圧のそれぞれによって実現されるトルクをそれぞれ予測する予測手段と、前記予測されるトルクと目標値とに基づき、前記電力変換回路の実際の操作状態を決定して前記電力変換回路を操作する操作手段とを備えることを特徴とする。

電力変換回路の入力電圧と電力変換回路の操作状態とによって定まる電力変換回路の出力電圧(回転機の入力電圧)により、回転機に流れる電流が定まる。そして回転機に流れる電流は、トルクと相関を有するパラメータである。したがって、電力変換回路の操作状態を設定した場合の電力変換回路の出力電圧によって、トルクを予測することができる。特に、電力変換回路の操作状態を複数通りに設定することで、回転機のトルクを目標値に制御する上でより適切な操作状態を選択することができる。このため、上記発明によれば、回転機のトルクをより好適に制御することができる。

なお、上記予測手段は、前記電力変換回路の操作状態を、非ゼロベクトルの全てと少なくとも１つのゼロベクトルとのそれぞれに設定した場合に実現されるトルクを予測するものであることが望ましい。

第２の発明は、第１の発明において、前記操作手段は、前記予測されるトルクと目標値との偏差を最小とする操作状態となるように前記電力変換回路を操作することを特徴とする。

上記発明によれば、電力変換回路の操作によって回転機のトルクを目標値に好適に近づけることができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記予測手段は、前記電力変換回路の操作状態を設定した場合に前記回転機に流れる電流を予測する手段と、該予測される電流に基づきトルクを予測する手段とを備えることを特徴とする。

回転機のトルクは、回転機を流れる電流に依存するため、回転機を流れる電流に基づき推定可能である。また、回転機を流れる電流は、電力変換回路から回転機に印加される電圧によって予測することができる。上記発明では、この点に鑑み、回転機を流れる電流を予測することで、電力変換回路の操作状態を設定した場合の回転機のトルクを予測することができる。

第４の発明は、第３記載の発明において、前記操作手段は、前記予測される電流が許容範囲を超えるものとなる操作状態を避けて前記電力変換回路を操作することを特徴とする。

上記発明では、トルクを制御するに際し、電流が過度に不適切な値となることを回避することができる。

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれか１つの回転機の制御装置と、前記電力変換回路とを備えることを特徴とする回転機の制御システムである。

上記発明では、操作手段を備えるために、トルクの制御性の高いシステムを実現している。

一実施形態にかかるシステム構成図。 電圧ベクトルを示す図。 上記実施形態にかかるトルク制御の処理手順を示す流れ図。

以下、本発明にかかる回転機の制御装置をハイブリッド車の制御装置に適用した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態にかかるモータジェネレータの制御システムの全体構成を示す。モータジェネレータ１０は、３相の永久磁石同期モータである。また、モータジェネレータ１０は、突極性を有する回転機（突極機）である。詳しくは、モータジェネレータ１０は、埋め込み磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）である。

モータジェネレータ１０は、インバータＩＶ及び昇圧コンバータＣＶを介して高圧バッテリ１２に接続されている。ここで、昇圧コンバータＣＶは、高圧バッテリ１２の電圧(例えば「２８８Ｖ」)を所定の電圧(例えば「６６６Ｖ」)を上限として昇圧するものである。一方、インバータＩＶは、スイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎの直列接続体と、スイッチング素子Ｓｖｐ，Ｓｖｎの直列接続体と、スイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎの直列接続体とを備えており、これら各直列接続体の接続点がモータジェネレータ１０のＵ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ接続されている。これらスイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎ，Ｓｖｐ，Ｓｖｎ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎとして、本実施形態では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられている。そして、これらにはそれぞれ、ダイオードＤｕｐ，Ｄｕｎ，Ｄｖｐ，Ｄｖｎ，Ｄｗｐ，Ｄｗｎが逆並列に接続されている。

本実施形態では、モータジェネレータ１０やインバータＩＶの状態を検出する検出手段として、以下のものを備えている。まずモータジェネレータ１０の回転角度θ（電気角）を検出する回転角度センサ１５を備えている。また、モータジェネレータ１０の各相を流れる電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する電流センサ１６，１７，１８を備えている。更に、インバータＩＶの入力電圧(電源電圧ＶＤＣ)を検出する電圧センサ１９を備えている。

上記各種センサの検出値は、インターフェース１３を介して低圧システムを構成する制御装置１４に取り込まれる。制御装置１４では、これら各種センサの検出値に基づき、インバータＩＶやコンバータＣＶを操作する操作信号を生成して出力する。ここで、インバータＩＶのスイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎ，Ｓｖｐ，Ｓｖｎ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎを操作する信号が、操作信号ｇｕｐ，ｇｕｎ，ｇｖｐ，ｇｖｎ，ｇｗｐ，ｇｗｎである。また、昇圧コンバータＣＶの２つのスイッチング素子を操作する信号が、操作信号ｇｕｐ，ｇｃｎである。

上記制御装置１４は、モータジェネレータ１０のトルクを要求トルクに制御するためにインバータＩＶを操作する。特に、本実施形態では、インバータＩＶの操作状態を設定した場合についてのモータジェネレータ１０のトルクを予測し、このトルクが要求トルクに近くなる操作状態となるようにインバータＩＶを操作するモデル予測制御を行う。ここでは、まずインバータＩＶの操作状態について説明する。

インバータＩＶの操作状態は、図２に示す８つの電圧ベクトルによって表現できる。ここで例えば、低電位側のスイッチング素子Ｓｕｎ，Ｓｖｎ，Ｓｗｎがオン状態となる操作状態（図中、「下」と表記）を表現する電圧ベクトルが電圧ベクトルＶ０であり、高電位側のスイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐがオン状態となる操作状態（図中、「上」と表記）を表現する電圧ベクトルが電圧ベクトルＶ７である。これら、電圧ベクトルＶ０，Ｖ７は、モータジェネレータ１０の全相を短絡させるものであり、インバータＩＶからモータジェネレータ１０に印加する電圧がゼロとなるものであるため、ゼロベクトルと呼ばれている。これに対し、残りの６つの電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６は、上側アーム及び下側アームの双方にオン状態となるスイッチング素子が存在する操作パターンによって規定されるものであり、非ゼロベクトルと呼ばれている。なお、図２（ｂ）に示すように、電圧ベクトルＶ１、Ｖ３，Ｖ５のそれぞれがＵ相、Ｖ相、Ｗ相の正側にそれぞれ対応している。

本実施形態では、インバータＩＶの操作状態をこれら８つの電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７のそれぞれとした場合についてのモータジェネレータ１０のトルクを予測し、これに基づき実際の操作状態とする電圧ベクトルを選択する。

図３に、本実施形態にかかるモデル予測制御の処理手順を示す。図３に示す処理は、制御装置１４によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、現在の電流の検出値ｉｄ，ｉｑを取得する。この処理は、電流センサ１６〜１８によって検出される実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを３相変換することで、実電流ｉｄ，ｉｑとする処理である。続くステップＳ１２では、電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７を指定するパラメータｎをゼロとする。続くステップＳ１４では、電流の初期値を上記ステップＳ１０における実電流ｉｄ，ｉｑとし、インバータＩＶの操作状態を電圧ベクトルＶｎとした際の電流を予測する（電流ｉｄｅ，ｉｑｅを算出する）。この予測処理に際しては、下記の式（ｃ１）、（ｃ２）にて表現される電圧方程式を用いる。
ｖｄ＝（Ｒ＋ｐＬｄ）ｉｄ −ωＬｑｉｑ …（ｃ１）
ｖｑ＝ωＬｄｉｄ （Ｒ＋ｐＬｑ）ｉｑ ＋ωΦ …（ｃ２）
上記電圧方程式においては、モータジェネレータ１０の抵抗Ｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ，ｑ軸インダクタンスＬｑ，鎖交磁束定数Φ、及び電気角速度ωを用いた。これら電圧方程式を、電流の微分項について解くことで下記の状態方程式（式（ｃ３）、（ｃ４））を導出することができる。
ｐｉｄ
＝−（Ｒ／Ｌｄ）ｉｄ ＋ω（Ｌｑ／Ｌｄ）ｉｑ ＋ｖｄ／Ｌｄ …（ｃ３）
ｐｉｑ
＝−ω（Ｌｄ／Ｌｑ）ｉｄ−（Ｒｄ／Ｌｑ）ｉｑ＋ｖｑ／Ｌｑ−ωΦ／Ｌｑ…（ｃ４）
本実施形態では、上記の式（ｃ３）、（ｃ４）にて表現される状態方程式を離散化し、１ステップ先の電流を予測する。ちなみに、上記の式（ｃ３）、（ｃ４）にて表現される状態方程式において、出力電圧ベクトル（ｖｄ、ｖｑ）は、インバータＩＶの操作状態としてゼロベクトル（Ｖ０，Ｖ７）を選択する場合にはゼロベクトルとし、非ゼロベクトルを選択する場合には、先の図２（ｂ）に示したベクトルのノルムをインバータＩＶの入力電圧（電源電圧ＶＤＣ）として、これをｄｑ変換したベクトルとすればよい。また、電気角速度ωは、上記回転角度センサ１５によって検出される回転角度の時間微分演算に基づき算出された値を用いればよい。

続くステップＳ１６においては、上記ステップＳ１４において予測された電流ｉｄｅ，ｉｑｅを３相変換することで、３相の電流（ｉｕｅ，ｉｖｅ，ｉｗｅ）を予測する。続くステップＳ１８においては、これら３相電流ｉｕｅ，ｉｖｅ，ｉｗｅの最大値が、閾値電流Ｉｔｈを超えるか否かを判断する。ここで閾値電流Ｉｔｈは、インバータＩＶの許容最大電流である。ここで最大許容電流とは、インバータＩＶの構造上、その信頼性を維持することのできる上限値としてもよい。また、インバータＩＶを駆動する駆動回路等に、インバータＩＶを流れる電流が過度に大きくなることでインバータＩＶを強制的にシャットダウンする機能が搭載されている場合には、シャットダウンがなされることのない電流の上限値としてもよい。

上記ステップＳ１８において閾値電流Ｉｔｈを上回ると判断される場合、ステップＳ２０において、電圧ベクトルＶｎを、インバータＩＶの操作状態の候補から排除する。

上記ステップＳ２０の処理が完了する場合や、ステップＳ１８において否定判断される場合には、ステップＳ２２において、パラメータｎが「７」であるか否かを判断する。この処理は、電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７の全てについて、これらをインバータＩＶの操作状態とした場合の電流の予測が完了したか否かを判断するためのものである。そして、ステップＳ２２において否定判断される場合、ステップＳ２４においてパラメータｎを「１」インクリメントし、ステップＳ１４に移行する。

これに対し、上記ステップＳ２２においてパラメータｎが「７」であると判断される場合、ステップＳ２６において、上記ステップＳ１４において予測された電流ｉｄｅ，ｉｑｅに基づき、トルクＴを予測する。ここで、トルクＴは、下記のモデル式（式（ｃ５））を用いることで予測することができる。

Ｔ＝ｐ｛Φ・ｉｄｅ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄｅ・ｉｑｅ｝ …（ｃ５）
続くステップＳ２８においては、予測されたトルクと要求トルクとの偏差が最小となる電圧ベクトルを、インバータＩＶの操作状態に決定し、実際のインバータＩＶの操作状態がこの電圧ベクトルとなるようにインバータＩＶを操作する。

なお、ステップＳ２８の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）インバータＩＶの操作状態を、非ゼロベクトルの全てとゼロベクトルとに設定した場合のそれぞれについて予測されるトルクと要求トルクとに基づき、インバータＩＶの実際の操作状態を決定してインバータＩＶを操作した。これにより、要求トルクへの制御にとってより適切な操作状態を選択することができる。

（２）予測されるトルクと要求トルクとの偏差を最小とする操作状態となるようにインバータＩＶを操作した。これにより、要求トルクへの追従性を極力向上させることができる。

（３）インバータＩＶの操作状態を設定した場合にモータジェネレータ１０に流れる電流を予測し、予測される電流に基づきトルクを予測した。これにより、モータジェネレータ１０のトルクを好適に予測することができる。

（４）予測される電流ｉｄｅ，ｉｑｅが許容範囲を超えるものとなる操作状態を避けてインバータＩＶを操作した。これにより、トルクを制御するに際し、電流が過度に不適切な値となることを回避することができる。

（その他の実施形態）
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記実施形態では、全領域においてモデル予測制御を行ったがこれに限らない。例えば、電圧利用率が所定以下の領域では、三角波ＰＷＭ制御を行って且つ、電圧利用率が所定以上となることでモデル予測制御を行ってもよい。また例えば、電圧利用率が所定以下の領域でモデル予測制御を行って且つ、電圧利用率が所定以上となることで、周知の矩形波制御等を行ってもよい。

・モデル予測制御としては、１制御周期後のトルクの予測に基づきインバータＩＶの操作状態とする電圧ベクトルを設定するものに限らない。例えば、複数の制御周期のそれぞれにおける電圧ベクトルを設定する場合についての各制御周期におけるモータジェネレータ１０のトルクの予測に基づき、これら複数の制御周期のそれぞれにおいてインバータＩＶを操作するための電圧ベクトルを設定するものであってもよい。

・モデル予測制御としては、インバータＩＶの操作状態となり得る全電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７をインバータＩＶの操作状態として設定した場合のトルクをそれぞれ予測するものに限らず、電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７のうちの一部に設定した場合のそれぞれのトルクを予測するものであってもよい。

・モデル予測制御としては、予測される電流に基づきトルクを予測するものに限らない。例えば、インバータＩＶの操作状態を設定する場合に生じる磁束を予測することでトルクを予測するものであってもよい。

・上記各実施形態では、各候補のうち推定トルクと要求トルクとの偏差が最小となる電圧ベクトルを選択したがこれに限らない。例えば、最大トルク制御や弱め界磁制御によって要求される指令電流を設定し、予測される電流と指令電流との偏差と、トルクの偏差とのそれぞれに所定の係数を乗算して重み付けしたもの同士の和を評価関数としてこれを最小とするものを選択してもよい。ここでは、最大トルク制御のための電流を電源電圧ＶＤＣによっては実現できなくなる場合に弱め界磁制御の指令電流と予測される電流との偏差を利用して評価関数の値を算出することが望ましい。なお、この際、弱め界磁制御による指令電流との偏差に基づき評価関数の値が算出されている状況下、予測される電流が最大トルク制御による電流よりも磁極方向の磁束を強めるインバータＩＶの操作状態となることを排除してインバータＩＶの最終的な操作状態を決定してもよい。ここでは、弱め界磁制御による指令電流との偏差を利用して評価関数の値を算出する場合における電流の許容範囲が、最大トルク制御による電流よりも磁極方向の磁束を強めない範囲となる。

また例えば、トルクの偏差と、スイッチング周波数とのそれぞれに所定の係数を乗算して重み付けしたもの同士の和を評価関数としてこれを最小とするものとしてもよい。更に、電圧ベクトルの切替に際してのスイッチング状態が切り替わるスイッチング素子数とトルクの偏差とのそれぞれに所定の係数を乗算したもの同士の和を評価関数としてこれを最小としてもよい。なお、こうしたものにおいて、評価関数に基づき選択した電圧ベクトルによって実際に実現されるトルクと要求トルクとの乖離度合いに応じて、上記評価関数の係数を学習補正するようにしてもよい。これにより、例えば乖離度合いを累積したものが過度に大きくなる場合にトルクの偏差に乗算する重みを相対的に大きくする補正を行うことで、要求トルクへの追従性を向上させることができる。

・電流を予測するために用いるモデルとしては、基本波を前提としたモデルに限らない。例えば、インダクタンスや誘起電圧について高次成分を含むモデルを用いてもよい。また、電流の予測手段としては、モデル式を用いるものに限らず、マップを用いるものであってもよい。この際、マップの入力パラメータとしては、電圧（ｖｄ、ｖｑ）及び電気角速度ωであってもよく、また温度等を更に含めてもよい。なお、ここでマップとは、入力パラメータについての離散的な値に対応した出力パラメータの値が記憶された記憶手段のこととする。

・電流を予測するために用いるモデルとしては、鉄損を無視したモデルに限らず、これを考慮したモデルであってもよい。

・上記実施形態では、予測された電流に基づき、モデルを用いてトルクを予測したがこれに限らない。例えば、予測される電流を入力パラメータとするマップを用いるものであってもよい。この際、マップの入力パラメータに温度等を更に加えてもよい。

・回転機としては、埋め込み磁石同期機に限らず、表面磁石同期機や、界磁巻線型同期機等、任意の同期機であってもよい。更に、同期機にも限らず、誘導モータ等、誘導回転機であってもよい。

・回転機としては、ハイブリッド車に搭載されるものに限らず、電気自動車に搭載されるものであってもよい。また、回転機としては車両の主機として用いられるものに限らない。

・直流電源としては、コンバータＣＶに限らず、高圧バッテリ１２であってもよい。換言すれば、コンバータＣＶを備えることなく、インバータＩＶの入力端子を高圧バッテリ１２に接続してもよい。

１０…モータジェネレータ、１２…高圧バッテリ、１４…制御装置（回転機の制御装置の一実施形態）。

Claims (4)

1. 回転機の端子に直流電源の正極及び負極のそれぞれを電気的に接続するスイッチング素子を備える電力変換回路を操作することで前記回転機のトルクを制御する回転機の制御装置において、
   前記回転機を流れる現在のｄｑ電流を検出する検出手段と、
   前記検出される前記ｄｑ電流を初期値として、前記電力変換回路の操作状態を複数通りのそれぞれに設定した場合のこれら各操作状態に応じた前記電力変換回路の出力電圧のそれぞれによって実現される前記回転機に流れるｄｑ電流を予測する電流予測手段と、
   前記予測される前記ｄｑ電流に基づきトルクをそれぞれ予測するトルク予測手段と、
   前記予測されるトルクと目標値との偏差を最小とする操作状態となるように、前記電力変換回路の実際の操作状態を決定して前記電力変換回路を操作する操作手段とを備えることを特徴とする回転機の制御装置。
2. 回転機の端子に直流電源の正極及び負極のそれぞれを電気的に接続するスイッチング素子を備える電力変換回路を操作することで前記回転機のトルクを制御する回転機の制御装置において、
   前記回転機を流れる現在のｄｑ電流を検出する検出手段と、
   前記検出される前記ｄｑ電流を初期値として、前記電力変換回路の操作状態を複数通りのそれぞれに設定した場合のこれら各操作状態に応じた前記電力変換回路の出力電圧のそれぞれによって実現される前記回転機に流れるｄｑ電流を予測する電流予測手段と、
   前記予測される前記ｄｑ電流に基づきトルクをそれぞれ予測するトルク予測手段と、
   前記予測されるトルクと目標値とに基づき、前記電力変換回路の実際の操作状態を決定して前記電力変換回路を操作する操作手段とを備えることを特徴とする回転機の制御装置。
3. 前記操作手段は、前記予測される電流が許容範囲を超えるものとなる操作状態を避けて前記電力変換回路を操作することを特徴とする請求項１又は２記載の回転機の制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転機の制御装置と、
   前記電力変換回路とを備えることを特徴とする回転機の制御システム。

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