JP6656404B2 - 発電電動機の制御装置および発電電動機の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、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ともに、始動後には発電機としても動作する電機子巻線および界磁巻線を有する発電電動機の制御装置および発電電動機の制御方法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て、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、発進時に再始動を行う、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。このような車両用の発電電動機は、小型、低コスト、高トルクが求められる。このため、車両用の発電電動機としては、巻線界磁式発電電動機を用いることが多い。

車両用の発電電動機は、一般的に、界磁巻線への通電量のみを制御し、電機子巻線の通電量は制御せずに、ダイオード整流することによって直流電流を車両へと供給する発電モードと、界磁巻線への通電量を制御するとともに電機子巻線への通電量をベクトル制御することで駆動トルクを発生させる駆動モードと、を切り替えながら動作する。

このような動作を行う界磁巻線式発電電動機は、電機子巻線に大電流を流す必要がある。このため、車両用の界磁巻線式発電電動機は、電機子巻線のインダクタンスに比べ、界磁巻線のインダクタンスが大きく設計される。この結果、界磁電流の時定数が電機子電流の時定数に比べて大きい。従って、電機子巻線と界磁巻線への通電指令を同時に変化させると、電機子電流の応答速度に対して界磁電流の応答速度が遅く、界磁電流指令値と実際の界磁電流との間に差異が生じる。

発電モードと駆動モードの切り替えが行われる際に、このような界磁電流の応答遅れが生じた場合には、発電側から駆動側、あるいは駆動側から発電側へと切り替わる前後のトルクの大きさを制御できない。この結果、意図せぬトルクが発生して、ベルトやエンジンに対し過大な力がかかり、ベルトの摩耗やエンジン制御の不安定化を引き起こすことがある。

このような問題に対し、発電モードと駆動モードとの切り替え過程に、目標トルクをゼロとする期間を設けることで、急激なトルク変動を抑制し、ベルトの摩耗を防ぎ、乗り心地を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−６７２２５号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
このような制御を行った場合、モードを素早く切り替えたいとき、例えば、エンジンのクランキングのために駆動を行った後、バッテリ電圧の低下を抑えるために即座に発電を行いたい場合などには、目標トルクがゼロとなる期間中は、発電を行うことができない。この結果、車両の電気負荷の制御に影響を及ぼす可能性がある。

このように、特許文献１による切り替え制御は、駆動停止後、次のモードに迅速に遷移できないという課題がある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、発電モードと駆動モードとの切り替え時における急激なトルク変動を抑え、界磁電流の時定数に制限されることなく、迅速にモード遷移を行うことのできる発電電動機の制御装置および発電電動機の制御方法を得ることを目的とする。

本発明に係る発電電動機の制御装置は、電機子巻線と界磁巻線とを有する発電電動機の制御装置であって、正極側アームのスイッチング素子と負極側アームのスイッチング素子とで構成され、電機子巻線への通電を行うブリッジ回路と、界磁巻線への通電を行う界磁回路と、ブリッジ回路および界磁回路の通電制御を行う通電制御装置とを備え、発電電動機は、車両からトルクを供給されて発電し、車両電気負荷への電力供給およびバッテリへの充電を行う発電モードと、バッテリから電力を供給されて駆動トルクを発生させ、エンジンの再始動およびアシストを行う駆動モードと、の２つのモードを有しており、通電制御装置は、外部指令に従って、発電モードから駆動モードへ、および駆動モードから発電モードへのいずれのモード切り替えを行う際にも、界磁巻線への通電量の制御を行うとともに、電機子巻線への通電量のベクトル制御を行い、モード切り替え時に発生する界磁電流指令に対して界磁巻線に流れる界磁電流の遅れを補償するように、電機子巻線への通電量を制御するものである。

また、本発明に係る発電電動機の制御方法は、電機子巻線と界磁巻線とを備えて構成された界磁巻線型発電電動機の制御に適用され、車両からトルクを供給されて発電し、車両電気負荷への電力供給およびバッテリへの充電を行う発電モードと、バッテリから電力を供給されて駆動トルクを発生させ、エンジンの再始動およびアシストを行う駆動モードと、の２つのモードの切り替え制御を通電制御装置により実行する際の発電電動機の制御方法であって、通電制御装置において、外部指令に従って、発電モードから駆動モードへ、および駆動モードから発電モードへのいずれのモード切り替えを行う際にも、界磁巻線への通電量の制御を実行する第１ステップと、第１ステップによる制御と併行して、電機子巻線への通電量のベクトル制御を行う第２ステップとを有し、第２ステップは、モード切り替え時に発生する界磁電流指令に対して界磁巻線に流れる界磁電流の遅れを補償するように、電機子巻線への通電量を制御するものである。

本発明によれば、発電電動機の発電モードと駆動モードの切り替え時においては、界磁巻線に流れる界磁電流をゼロにすることなく、電機子巻線の通電量を制御する構成を備えている。この結果、発電モードと駆動モードとの切り替え時における急激なトルク変動を抑え、界磁電流の時定数に制限されることなく、迅速にモード遷移を行うことのできる発電電動機の制御装置および発電電動機の制御方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１における巻線界磁型の発電電動機の制御装置を車両に搭載した場合のシステム全体の構成図である。 本発明の実施の形態１における発電電動機１０２の構成を示すブロック図である。 従来の発電電動機の制御装置において、駆動モードから発電モードへの切り替え動作を行った際の各部の値の時間遷移を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る発電電動機の制御装置において、駆動モードから発電モードへの切り替え動作を行った際の各部の値の時間遷移を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る発電電動機の制御装置において、駆動モードから発電モードへの切り替え動作を行った際の各部の値の時間遷移を示した図である。

以下、本発明の発電電動機の制御装置および発電電動機の制御方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における巻線界磁型の発電電動機の制御装置を車両に搭載した場合のシステム全体の構成図である。図１において、車両用内燃機関１０１は、シャフトあるいはプーリおよびベルトを介した動力伝達部１０４によって発電電動機１０２とトルクを授受可能な状態で結合されている。また、発電電動機１０２は、バッテリ、あるいはキャパシタ１０３と電気的に接続されている。

発電電動機１０２は、図１では省略している上位のエンジン制御装置からの指令に従い、車両用内燃機関１０１を始動および補助する電動機として動作する駆動モードと、車両の電気負荷に電力を供給またはバッテリ１０３を充電する発電機として動作する発電モードとを有している。

なお、バッテリあるいはキャパシタは、他の車両負荷と共用するものであってもよく、また、発電電動機１０２に専用のものであってもよい。

図２は、本発明の実施の形態１における発電電動機１０２の構成を示すブロック図である。図２において、発電電動機１０２は、回転電機２００、通電制御装置２１０、ブリッジ回路２２０、および界磁回路２３０を含んで構成されている。

通電制御装置２１０によってブリッジ回路２２０および界磁回路２３０の制御が行われ、回転電機２００の電機子巻線２０１および界磁巻線２０２への通電がなされることにより、発電電動機１０２の電動機としての機能、および発電機としての機能が実現される。

回転電機２００は、電機子巻線２０１と界磁巻線２０２を有し、各巻線が通電されることによって、内燃機関１０１の始動および補助を行うトルクを発生し、または、バッテリを充電する電流を発生する。回転電機２００は、さらに、エンコーダやレゾルバといった回転位置センサ２０３を内蔵する。

ブリッジ回路２２０は、三相インバータ回路、三相ブリッジ整流回路、および電機子電流センサ２２７ａ〜２２７ｃを含んで構成されている。三相インバータ回路は、ＭＯＳＦＥＴあるいはＩＧＢＴなどのスイッチング素子からなる上アームスイッチング素子２２３ａ〜２２３ｃ、および下アームスイッチング素子２２４ａ〜２２４ｃが三相ブリッジ接続されて構成されている。

また、三相ブリッジ整流回路は、各スイッチング素子に対し逆並列に接続された、上アームダイオード２２５ａ〜２２５ｃ、および下アームダイオード２２６ａ〜２２６ｃで構成されている。そして、電機子電流センサ２２７ａ〜２２７ｃは、各相から電機子巻線２０１へと流れる電機子電流を検出する。

通電制御装置２１０は、通電信号に従って、ブリッジ回路２２０を構成する各スイッチング素子のオンオフ制御を実行し、電機子巻線２０１への通電制御を行う。

なお、図２においては、上アームダイオード２２５ａ〜２２５ｃ、および下アームダイオード２２６ａ〜２２６ｃを独立した素子として記述した。しかしながら、上アームスイッチング素子２２３ａ〜２２３ｃ、および下アームスイッチング素子２２４ａ〜２２４ｃの内部に存在する寄生ダイオードを、これらのダイオードの代わりとして利用してもよい。

また、界磁回路２３０は、上アームスイッチング素子２３１、および下アームスイッチング素子２３２と、界磁巻線２０２を流れる電流を検出する界磁電流センサ２３３によって構成されている。そして、通電制御装置２１０は、通電信号に従って、界磁回路２３０を構成する各スイッチング素子のオンオフ制御を実行し、界磁巻線２０２への通電制御を行う。

なお、図２においては、回転電機２００を三相の電機子巻線２０１と界磁巻線２０２とを有する三相巻線界磁型交流回転電機として例示している。ただし、巻線界磁型交流回転電機の巻線方式や相数は、この図２の構成と異なっていてもよい。

続いて、本発明における発電電動機の制御装置のモード切り替え時の動作について、図面を用いて詳細に説明する。発電電動機がエンジンの再始動やトルクアシストのために駆動モードで動作中に、上位のエンジン制御装置から発電モード指令が与えられた場合を考える。

この場合、通電制御装置２１０は、上位のエンジン制御装置から与えられるトルク指令ＴＲＱｒｅｆ、制御状態であるＢ端子電圧ＶＢ、および回転速度ＮＭＧに基づいて、発電モードにおける制御指令値を計算する。

ここで、本実施の形態１においては、駆動モードから発電モードへのモード切り替え時に、電機子巻線２０１への通電を停止せず、電機子電流のベクトル制御を継続する点に技術的特徴を有している。

図３は、従来の発電電動機の制御装置において、駆動モードから発電モードへの切り替え動作を行った際の各部の値の時間遷移を示した図である。これに対して、図４は、本発明の実施の形態１に係る発電電動機の制御装置において、駆動モードから発電モードへの切り替え動作を行った際の各部の値の時間遷移を示した図である。

具体的には、図３、図４には、トルク、界磁電流、ｄ軸電流、ｑ軸電流に関して、指令値および発電電動機の出力値が示されている。

図３に示す従来のモード切り替え動作では、図３の時刻ｔ２に相当する、駆動モードから発電モードへと切り替える瞬間に、電機子巻線への通電が停止されている。そのため、時刻ｔ２以降において、界磁電流指令Ｉｆｒｅｆに対する界磁電流Ｉｆの遅れに起因したトルク誤差、すなわちトルク変動が生じている。

一方、本実施の形態１のモード切り替え動作では、図４の時刻ｔ２以降に相当する、発電モードへの切り替え後も、電機子巻線２０１への通電が継続されている。すなわち、通電制御装置２１０は、時刻ｔ２以降も電機子電流を制御することで、発電トルクを制御している。

通電制御装置２１０は、界磁電流指令Ｉｆｒｅｆに対する界磁電流Ｉｆの遅れを補償するように、ブリッジ回路２２０に対してｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆおよびｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを与えることで、トルクの誤差を生じない制御を行うことができる。

また、発電モードから駆動モードへとモード切り替えを行う際には、通電制御装置２１０は、駆動モード指令が与えられたときに、電機子電流のベクトル制御を開始する。このような制御により、通電制御装置２１０は、駆動モードから発電モードへの切り替え時と同様にして、界磁電流指令Ｉｆｒｅｆに対する界磁電流Ｉｆの遅れを補償するように、ブリッジ回路２２０に対してｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆおよびｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆを与えることで、トルクの誤差を生じない制御を行うことができる。

以上のように、実施の形態１によれば、発電トルク指令と現在の界磁電流をもとに、モード切り替え時に発生する界磁電流指令に対する界磁電流の遅れを補償するように、電機子巻線への通電量を制御する構成を備えている。この結果、界磁電流と界磁電流指令との差異によるトルク変動を抑えることが可能な発電電動機の制御装置を実現できる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、先の実施の形態１と比較して、界磁電流指令が異なる具体例について説明する。なお、本実施の形態２における制御動作は、モード切り替え時の通電制御装置２１０の動作を除いては、先の実施の形態１と同様であり、相違点を中心に以下に説明する。

図５は、本発明の実施の形態２に係る発電電動機の制御装置において、駆動モードから発電モードへの切り替え動作を行った際の各部の値の時間遷移を示した図である。具体的には、図５には、トルク、界磁電流、ｄ軸電流、ｑ軸電流に関して、指令値および発電電動機の出力値が示されている。

本実施の形態２における通電制御装置２１０は、駆動モードから発電モードへ切り替わる際の界磁電流指令Ｉｆｒｅｆを、界磁巻線の時定数に合わせて変化させている点にさらなる技術的特徴を有している。そのため、界磁電流指令Ｉｆｒｅｆと界磁電流Ｉｆとの間に遅れは生じない。

さらに、本実施の形態２における通電制御装置２１０は、先の実施の形態１と同様に、発電トルク指令Ｔｒｅｆと現在の界磁電流Ｉｆをもとに、モード切り替え時に発生する界磁電流指令に対する界磁電流の遅れを補償するように、電機子巻線への通電量を制御している。

図５の具体例においては、時刻ｔ２以降に相当する、発電モードへの切り替え後も、電機子巻線２０１への通電が継続されるように、通電制御装置２１０は、ｄ軸電流指令Ｉｄｒｅｆおよびｑ軸電流指令Ｉｑｒｅｆによって出力トルクを制御している。この結果、トルクの誤差を生じることもない。

また、先の実施の形態１における図４と比較すると、図５における界磁電流は、駆動モードから発電モードへ切り替わる際の界磁電流指令Ｉｆｒｅｆを、界磁巻線の時定数に合わせて変化させることで、結果的に、界磁電流がゼロとならないように制御されることで、結果的に、モード切り替え時、界磁電流がゼロとならないようにしながら、前記界磁回路への通電量の制御と電機子巻線への通電量のベクトル制御を行うことができる。

以上のように、実施の形態２によれば、発電トルク指令現在の界磁電流をもとに、モード切り替え時に発生する界磁電流指令に対する界磁電流の遅れを補償するように、電機子巻線への通電量を制御する構成を備えている。さらに、実施の形態２では、モード切り替え時の界磁電流指令を、界磁巻線の時定数に合わせて変化させる構成を兼ね備えている。この結果、界磁電流と界磁電流指令との差異によるトルク変動を抑えることが可能な発電電動機の制御装置を実現できる。

なお、上述した実施の形態１および実施の形態２では、電機子電流のベクトル制御をｄ−ｑ座標上で行うこととして説明した。しかしながら、本発明は、このようなｄ−ｑ座標上の制御に限定されるものではなく、三相座標上、あるいはその他の回転座標上で制御を行ってもよい。

また、上述した実施の形態１および実施の形態２では、トルクの変動が生じないように、界磁電流と電機子電流の制御を行う場合について説明した。これに対して、直流電流ＩＤＣの変動が生じないように、界磁電流と電機子電流の制御を行ってもよい。この場合にも、結果的に、モード切り替え時における急激なトルク変動を抑え、従来技術と比較してモード切り替えを迅速に行うという本願の目的を達成することが可能である。

また、実施の形態２では、モード切り替え時の界磁電流指令を、界磁巻線の時定数に合わせて変化させる場合について説明したが、本発明は、このような界磁電流制御に限定されるものではない。モード切り替え時において、界磁巻線の時定数に合わせて界磁電流指令を変化させる代わりに、界磁電流がゼロとならないようにしながら、前記界磁回路への通電量の制御と電機子巻線への通電量のベクトル制御を行うことによっても、界磁電流指令と界磁電流との間の遅れを生じさせない効果を得ることができる。

あるいは、モード切り替え時において、界磁巻線の時定数に合わせて界磁電流指令を変化させる代わりに、界磁電流を一定の値に固定されるようにして界磁巻線への通電量制御を行った上で、電機子巻線への通電量をベクトル制御することによっても、界磁電流指令と界磁電流との間の遅れを生じさせない効果を得ることができる。

１０１ 車両用内燃機関、１０２ 発電電動機、１０３ バッテリ（あるいはキャパシタ）、２００ 回転電機、２０１ 電機子巻線、２０２ 界磁巻線、２０３ 回転位置センサ、２１０ 通電制御装置、２２０ ブリッジ回路、２２３ａ〜２２３ｃ 上アームスイッチング素子、２２４ａ〜２２４ｃ 下アームスイッチング素子、２２５ａ〜２２５ｃ 上アームダイオード、２２６ａ〜２２６ｃ 下アームダイオード、２２７ａ〜ｃ 電機子電流センサ、２３０ 界磁回路、２３１、２３２ 界磁回路スイッチング素子、２３３ 界磁電流センサ。

Claims (5)

1. 電機子巻線と界磁巻線とを有する発電電動機の制御装置であって、
   正極側アームのスイッチング素子と負極側アームのスイッチング素子とで構成され、前記電機子巻線への通電を行うブリッジ回路と、
   前記界磁巻線への通電を行う界磁回路と、
   前記ブリッジ回路および前記界磁回路の通電制御を行う通電制御装置と
   を備え、
   前記発電電動機は、車両からトルクを供給されて発電し、車両電気負荷への電力供給およびバッテリへの充電を行う発電モードと、バッテリから電力を供給されて駆動トルクを発生させ、エンジンの再始動およびアシストを行う駆動モードと、の２つのモードを有しており、
   前記通電制御装置は、外部指令に従って、前記発電モードから前記駆動モードへ、および前記駆動モードから前記発電モードへのいずれのモード切り替えを行う際にも、前記界磁巻線への通電量の制御を行うとともに、前記電機子巻線への通電量のベクトル制御を行い、前記モード切り替え時に発生する界磁電流指令に対して前記界磁巻線に流れる界磁電流の遅れを補償するように、前記電機子巻線への通電量を制御する
   発電電動機の制御装置。
2. 前記通電制御装置は、前記モード切り替えを行う際に、前記界磁電流指令を前記界磁巻線の時定数に合わせて変化させながら、前記界磁回路への通電量の制御と前記電機子巻線への通電量のベクトル制御を行う
   請求項１に記載の発電電動機の制御装置。
3. 前記通電制御装置は、前記モード切り替えを行う際に、界磁電流がゼロとならないようにしながら、前記界磁回路への通電量の制御と前記電機子巻線への通電量のベクトル制御を行う
   請求項１に記載の発電電動機の制御装置。
4. 前記通電制御装置は、前記モード切り替えを行う際に、界磁電流が一定の値に固定されるよう前記界磁巻線への通電量制御を行うとともに、前記電機子巻線への通電量をベクトル制御する
   請求項１に記載の発電電動機の制御装置。
5. 電機子巻線と界磁巻線とを備えて構成された界磁巻線型発電電動機の制御に適用され、車両からトルクを供給されて発電し、車両電気負荷への電力供給およびバッテリへの充電を行う発電モードと、バッテリから電力を供給されて駆動トルクを発生させ、エンジンの再始動およびアシストを行う駆動モードと、の２つのモードの切り替え制御を通電制御装置により実行する際の発電電動機の制御方法であって、
   前記通電制御装置において、外部指令に従って、前記発電モードから前記駆動モードへ、および前記駆動モードから前記発電モードへのいずれのモード切り替えを行う際にも、
   前記界磁巻線への通電量の制御を実行する第１ステップと、
   前記第１ステップによる制御と併行して、前記電機子巻線への通電量のベクトル制御を行う第２ステップとを有し、
   前記第２ステップは、前記モード切り替え時に発生する界磁電流指令に対して前記界磁巻線に流れる界磁電流の遅れを補償するように、前記電機子巻線への通電量を制御する
   発電電動機の制御方法。

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