JP6658554B2 - 交流電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
例えば特許文献1に開示されたモータ制御装置は、電流センサの遅れ時間分に相当する位相(θc)だけdq座標軸の角度を補正することで、実際のdq軸電流の位相角と制御系内のdq軸電流の位相角とを等しくする。
また、電流センサが検出した電流は、三角波キャリアの山又は谷のタイミングでサンプリングされる。電流センサの検出遅れが無い理想状態では、電流リプルの中心値が取得される。しかし、実際には、電流センサの検出遅れ等により、電流リプルの中心値からずれた値が取得され、遅れ時間によっては、電流リプルのピーク値が取得される場合がある。このような、電流リプルの中心値からの電流取得値のずれを電流リプル誤差という。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、PWM制御において電流センサの検出遅れによる電流取得値の誤差を低減し、制御演算の精度を向上させる交流電動機の制御装置を提供することにある。
インバータは、PWM制御される複数のスイッチング素子(21−26)の動作により直流電力を交流電力に変換し、交流電動機(80)に供給する。
本明細書で「交流電動機」は、交流駆動のモータ、発電機、及びモータジェネレータを含むものであり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車の主機として用いられ駆動輪を駆動するためのトルクを発生するモータジェネレータが該当する。また、例えば、モータジェネレータの通電を制御する制御装置が「交流電動機の制御装置」に該当する。
平均値取得部は、電流センサが検出した電流値の取得において、キャリアの山と谷との間の期間であるキャリア半周期における電流値の平均値とみなされる値を取得可能なタイミングで電流値を取得する。
本発明の一態様の平均値取得部は、電流センサが検出した電流値を、キャリアの山又は谷のタイミングに対し検出遅れ時間を遅らせたタイミングで取得する。
この態様では、電流取得タイミングを調整するロジックのみで、「キャリア半周期における電流値の平均値とみなされる値」を適切に取得することができる。
平均値取得部は、キャリアの山又は谷のタイミングで交流電動機の回転角を取得してもよい。或いは、平均値取得部は、キャリアの山又は谷のタイミングに対し検出遅れ時間を遅らせたタイミングで、対応する電流値と同時に交流電動機の回転角を取得してもよい。この場合、取得された回転角から検出遅れ時間での回転角変化量に相当する補正値を減算して得られた補正後回転角が制御演算に用いられることが好ましい。
本実施形態の交流電動機の制御装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源であるモータジェネレータ(以下「MG」)を駆動するシステムにおいて、三相交流モータであるMGの通電を制御する装置である。各実施形態の「MG」及び「MG制御装置」は、特許請求の範囲に記載の「交流電動機」及び「交流電動機の制御装置」に相当する。
まず、各実施形態のMG制御装置が適用されるMG駆動システムの全体構成について図1を参照して説明する。図1には、一つのMGを備えるシステムを例示する。
MG駆動システム90は、充放電可能な二次電池であるバッテリ11の直流電力をインバータ20で三相交流電力に変換してMG80に供給するシステムである。MG駆動システム90においてMG制御装置10は、主にインバータ20及びインバータ制御部30を含む。
なお、MG制御装置10は、バッテリ11の電圧を昇圧してインバータ20に出力するコンバータを備えたMG駆動システムに適用されてもよい。また、MG制御装置10は、二つ以上のMGを備えたMG駆動システムにも同様に適用可能である。
本明細書では、回転角θは、機械角を磁極対数で除した電気角を意味する。また、実施形態の説明において、適宜、MG80の回転角を単に「角度」という。
なお、他の実施形態では、回転角センサが設けられない位置センサレス制御のシステムにおいて、MG制御装置10は、推定された回転角を取得してもよい。
インバータ制御部30は、これらの情報に基づいて、インバータ20を操作するゲート信号UU、UL、VU、VL、WU、WLを演算する。インバータ20は、ゲート信号UU、UL、VU、VL、WU、WLに従ってスイッチング素子21−26が動作することにより、バッテリ11から入力される直流電力を交流電力に変換しMG80に供給する。
次に、インバータ制御部30の構成について、図2を参照して説明する。本実施形態のインバータ制御部30は、基本的に、ベクトル制御、電流フィードバック制御及びPWM制御を行うための構成を有している。また、本実施形態のインバータ制御部30は、特有の構成として平均値取得部50等を有している。
電流指令演算部31は、トルク指令Trq*に基づき、マップや数式を用いてd軸電流指令Id*及びq軸電流指令Iq*を演算する。
電流減算器431、432は、それぞれ、3相2相変換部42からフィードバックされたd軸電流Id、q軸電流Iqと、d軸電流指令Id*、q軸電流指令Iq*との電流偏差ΔId、ΔIqを算出する。
なお、PI制御器は、微分演算を含むPID制御器として構成されてもよい。また、PI制御器441、442により演算されるフィードバック項に加え、別途算出されるフィードフォワード項がd軸電圧指令Vd*及びq軸電圧指令Vq*に加算されてもよい。
電圧DUTY変換部47は、システム電圧Vsys及び回転角θに基づき、各相の電圧指令Vu*、Vv*、Vw*を指令デューティDu、Dv、Dwに変換する。
上記の3相2相変換部42からPWM変調部48までの要素群を、フィードバック制御演算部40という。フィードバック制御演算部40は、平均値取得部50から入力された電流値及び角度データに基づき、一連のフィードバック制御演算を行う部分である。
キャリア生成部51は、PWM制御の三角波キャリアを生成し、PWM変調部48に出力する。三角波キャリアは、山から谷の期間と谷から山の期間とが同一の対称形であり、キャリアの山と谷との間の期間を「キャリア半周期」と定義する。なお、MG80の回転数や変調率に応じてキャリア周波数を変更する等の周知技術が採用されてもよい。
また、従来、一般にPWM制御では、キャリアの山又は谷のタイミングが、電流センサ87、88が検出した相電流、及び、回転角センサ85が検出した角度を取得するタイミングとして用いられてきた。後述するように、キャリアの山又は谷のタイミングで電流をサンプルすることにより、理想的には電流リプルの中心値を取得することができる。
なお、レゾルバにより検出される回転角θには実質的な遅れが生じない。したがって、回転角センサ85としてレゾルバの使用を想定する本実施形態では、回転角θに検出遅れが無いことを前提とし、電流センサの検出遅れのみを問題とする。
電流センサ87は、相電流をアナログ信号として検出し、コネクタ71を介して接続された制御装置70に送信する。
制御装置70の受信回路72は、電流センサ87からアナログ信号を受信する。A/D変換部73は、アナログ信号をデジタル信号に変換し、制御演算部74に出力する。
このように、電流信号が、電流センサ87及び制御装置70の受信回路72を経由し、制御演算に利用可能な値として認識されるまでの時間を「検出遅れ時間」と定義する。
特許文献1(特開平9−308300号公報)に開示された従来技術では、電流センサの検出遅れに対し、電流センサの遅れ時間分に相当する位相θcだけdq座標軸の角度を補正する。これにより、角度誤差を補正することができる。
以下、各相共通に、キャリアに基づくタイミングを説明するタイムチャートでは、図2の指令デユーティDu、Dv、Dwを包括して「DUTY」と表す。DUTYはスイッチング周期に対する上アーム素子のON時間比率を意味する。DUTYがキャリアを上回る期間、ゲート信号はONとなる。
特許文献1の従来技術では、電流センサの検出遅れ等による電流リプル誤差を低減することはできない。
以下の実施形態は、大きく、第1〜第4実施形態と、第5実施形態とに分けられる。
第1〜第4実施形態では、平均値取得部50は、電流センサ87、88が検出した電流を、キャリアの山又は谷のタイミングに対し所定時間遅らせたタイミングで取得することにより、キャリア半周期における電流値の平均値とみなされる値を取得する。
これに対し、第5実施形態では、平均値取得部50は、キャリア半周期における電流値の平均値を算出する。
一方、第5実施形態では、文字通り、キャリア半周期における電流値の平均値が算出される。第5実施形態による平均値取得処理を「平均値算出処理」という。
第1実施形態について、図7〜図10を参照して説明する。
図7には、任意の相について、電気角1周期の相電流及び角度と、電流サンプルタイミングとの関係を示す。縦方向の破線は、キャリアの山又は谷のタイミングである。破線上に記される白丸印の電流値Rは、あるキャリアの山又は谷のタイミングtcpkにおける実電流を示し、三角印の電流値Fは、そのタイミングtcpkにおける検出電流を示す。
また、上述の通り角度には検出遅れが無いという前提であるため、四角印の角度θは、キャリアの山又は谷のタイミングタイミングtcpkにおける実際の角度を示すと共に、そのタイミングtcpkに取得される検出角度を示す。
しかし現実には、検出電流は実電流に対して検出遅れ時間DLsnsだけ遅れるため、キャリアの山又は谷のタイミングでサンプルされる電流値Fと角度θとの対応関係に誤差が生じる。
第1実施形態では、電流のみが電流サンプルタイミングtsmpでサンプルされ、角度θはキャリアの山又は谷のタイミングtcpkでサンプルされることにより、互いに対応する電流値Sと角度θとが、理想状態と同様に、精度良く取得される。この電流値Sが、図2において平均値取得部50から出力されるV相電流Iv_smp、及び、W相電流Iw_smpに相当する。
第1実施形態の平均値取得部50は、キャリアの山又は谷のタイミングtspkに対し、検出遅れ時間DLsnsを遅らせたタイミングtsmpで検出電流をサンプルする。
図9のタイムチャートには、キャリア周期の2周期の期間を示す。図9の例では、キャリアの各山及び各谷のタイミングで、すなわち、(1/2)周期毎に一相以上の電流及び角度が取得され、それらの値を用いて各種制御演算が実行される。本実施形態では、各種制御演算は、次のキャリアの山又は谷のタイミング以前に終了し、次の(1/2)周期の開始時に更新されるものとする。
横線ハッチングの長方形は、角度データが取得されるタイミングを示す。破線矢印は、取得された角度データのホールド期間を示す。梨地模様の長方形は、各種制御演算が実行される期間を示す。
各部に併記したS番号は、図10のフローチャートの対応するステップ番号を示す。
平均値取得部50は、S1でキャリアトリガを検知すると同時に、S2で回転角センサ85から角度データを取得し、S3で角度データをホールドする。S3の角度データホールドは、S4で電流取得トリガが検知されたと判断されるまで続けられる。
電流取得トリガが検知され、S4でYESと判断されると、平均値取得部50は、S5で、各相の電流センサ87、88から電流値を取得する。
フィードバック制御演算部40は、S10で、平均値取得部50が出力した電流値及び角度を用いて制御演算を行う。また、フィードバック制御演算部40は、S12にて、次のキャリアの山又は谷のタイミングで演算結果を更新する。
第1実施形態のMG制御装置10の効果について説明する。
(1)平均値取得部50は、PWM制御における電流リプルの中心値に相当する「キャリア半周期における電流値の平均値」を取得する。フィードバック制御演算部40は、平均値取得部50が取得した電流値及び角度を用いて、ベクトル制御やフィードバック制御の制御演算を行う。よって、PWM制御において電流センサ87、88の検出遅れによる電流取得値の誤差を低減し、制御演算の精度を向上させることができる。
(第2実施形態)
第2実施形態について、図11〜図14を参照して説明する。
第2実施形態は、第1実施形態に対し、角度取得タイミングのみが異なる。図11に示すように、平均値取得部50は、キャリアの山又は谷のタイミングに対し検出遅れ時間DLsnsを遅らせたタイミングで、電流値Sと角度θsmpとを同時に取得する。
まず、電気周波数に比例する回転数N[rpm]に遅れ時間係数k[deg/rpm]が乗算され、補正値Δθ(=kN)が算出される。続いて、取得角度θsmpから補正値Δθが減算されて補正後角度θが算出される。
図12(b)に示すように、補正値Δθは、検出遅れ時間DLsnsでの角度変化量に相当する。なお、回転数N[rpm]と遅れ時間係数k[deg/rpm]との乗算は、回転角速度[deg/s]と遅れ時間[s]との乗算に置き換えてもよい。
平均値取得部50は、S1でキャリアトリガを検知する。その後、平均値取得部50は、S4で、電流取得トリガ生成部52が生成した電流取得トリガを検知し、S6で電流値及び角度を同時に取得する。また、平均値取得部50は、S9で取得角度θsmpを補正し、取得した電流値及び補正後角度θをフィードバック制御演算部40に出力する。
その後、フィードバック制御演算部40は、S12で演算結果を更新する。
第2実施形態では、第1実施形態と同様の効果が得られる。
第3実施形態について図15を参照して説明する。第3実施形態は、電流センサ87、88の検出遅れに加え、インバータ20のスイッチング素子の動作遅延の影響を考慮して平均値取得部50の電流取得タイミングを決定する。
第4実施形態について図16のタイムチャート、及び図17のフローチャートを参照して説明する。上記第1実施形態では、V相電流Iv及びW相電流Iwを検出する2つの電流センサ87、88の特性は実質的に等しいと仮定し、共通の検出遅れ時間DLsnsを用いる。これに対し、第4実施形態では、2つの電流センサ87、88の特性ばらつきに注目し、検出遅れ時間DLsnsが電流センサ毎に個別に設定される。
S1、S2、S3Aでは、平均値取得部50は、第1実施形態と同様に、キャリアトリガの検知と同時に角度を取得した後、角度データをホールドする。S3Aの角度データホールドは、S4Aで、V相電流取得トリガが検知されたと判断されるまで続けられる。
V相電流取得トリガが検知され、S4AでYESと判断されると、平均値取得部50は、S5Aで、V相電流センサ87からV相電流値を取得する。
W相電流取得トリガが検知され、S4BでYESと判断されると、平均値取得部50は、S5Bで、W相電流センサ88からW相電流値を取得する。
フィードバック制御演算部40は、S10で、平均値取得部50が出力したV相、W相の電流値及び角度を用いて制御演算を行い、S12で演算結果を更新する。
第4実施形態では、検出遅れ時間DLsnsが複数の電流センサ87、88毎に個別に設定されるため、複数の電流センサの特性にばらつきがある場合でも、各電流センサの検出電流について、電流リプルの中心値に相当する平均値とみなされる値を精度良く取得することができる。
第5実施形態について図18〜図20を参照して説明する。
第1〜第4実施形態とは異なり、第5実施形態では、平均値取得部50は、キャリア周期以内の予め設定された継続取得期間に複数回サンプリングした電流値の平均値を算出する。第5実施形態の電流取得トリガ生成部52は、演算周期毎に一回の電流取得トリガを生成するのでなく、継続取得期間の開始トリガ及び終了トリガを生成する。
平均値取得部50は、継続取得期間Psmpに複数回サンプリングした電流値の平均値Iavrを算出する。たとえ検出電流が実電流に対して遅れるとしても、継続取得期間Psmpにおける検出電流の平均値は、理論的に実電流の平均値、すなわち電流リプルの中心値に一致する。このように第5実施形態では、継続取得期間に複数回サンプリングされた電流値の平均値が算出され、フィードバック制御演算に用いられる。
S1、S2、S3では、平均値取得部50は、第1実施形態と同様に、キャリアトリガの検知と同時に角度を取得した後、角度データをホールドする。S3の角度データホールドは、S7で、継続取得期間Psmpの終了を示す電流取得終了トリガが検知されたと判断されるまで続けられる。
電流取得終了トリガが検知され、S7でYESと判断されると、S8に移行する。
フィードバック制御演算部40は、S10で、平均値取得部50が出力した電流値の平均値Iavr及び角度を用いて制御演算を行い、S12で演算結果を更新する。
また、S10の実行と併行し、S11では、次の継続取得期間Psmpの開始を示す電流取得開始トリガが検知される。
(a)上記実施形態では、キャリアの各山及び各谷のタイミング毎に取得された電流値及び角度に基づいて、キャリア(1/2)周期でフィードバック制御演算が実行される。ここで、フィードバック制御演算の時間は、キャリア(1/2)周期よりも短い。
ただし、フィードバック制御演算の演算周期は、キャリア1周期、1.5周期、2周期等のキャリア(N/2)周期(Nは自然数)に設定されてもよい。例えば、キャリア周波数が回転数に同期し、且つ制御演算量が多い場合、高回転領域では、演算周期をキャリア(1/2)周期よりも長く設定した方がよい場合が想定される。また、意図的に応答性を低下させたい場合等に、演算周期が長く設定されてもよい。
(c)上記実施形態のタイムチャートでは、上アーム素子のON時間比率として定義されたDUTYがキャリアを上回る期間に上アーム素子のゲート信号がONするものとして説明している。ただし、下アーム素子についてDUTYを定義し、又はゲート信号を表してもよく、その場合、チャートが上下反転する場合がある。
(e)本発明による交流電動機の制御装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車のMG駆動システムに限らず、どのような用途の交流電動機駆動システムに適用されてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
20・・・インバータ、 21−26・・・スイッチング素子、
40・・・フィードバック制御演算部、
50・・・平均値取得部、
80・・・MG(交流電動機)、
87、88・・・電流センサ。
Claims (8)
- PWM制御される複数のスイッチング素子(21−26)の動作により直流電力を交流電力に変換し、交流電動機(80)に供給するインバータ(20)と、
前記交流電動機に流れる電流を検出する一つ以上の電流センサ(87、88)から取得した電流値と前記交流電動機の回転角とを用いて、PWM制御における三角波キャリアの(N/2)周期(Nは自然数)で制御演算を行うフィードバック制御演算部(40)と、
前記電流センサが検出した電流値の取得において、キャリアの山と谷との間の期間であるキャリア半周期における電流値の平均値とみなされる値を取得可能なタイミングで電流値を取得する平均値取得部(50)と、
を備え、
前記交流電動機に流れる電流信号が前記電流センサ及び制御装置の受信回路を経由し、制御演算に利用可能な値として認識されるまでの時間を検出遅れ時間と定義すると、
前記平均値取得部は、前記電流センサが検出した電流値を、キャリアの山又は谷のタイミングに対し前記検出遅れ時間を遅らせたタイミングで取得する交流電動機の制御装置。 - 前記平均値取得部は、キャリアの山又は谷のタイミングで前記交流電動機の回転角を取得する請求項1に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記平均値取得部は、キャリアの山又は谷のタイミングに対し前記検出遅れ時間を遅らせたタイミングで、対応する電流値と同時に前記交流電動機の回転角を取得する請求項1に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記フィードバック制御演算部は、前記平均値取得部が取得した前記交流電動機の回転角から前記検出遅れ時間での回転角変化量に相当する補正値を減算して得られた補正後回転角を制御演算に用いる請求項3に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記フィードバック制御演算部は、互いに対応する電流値及び前記交流電動機の回転角を前記平均値取得部が取得した後、その電流値及び回転角を用いた制御演算を開始する請求項1〜4のいずれか一項に記載の交流電動機の制御装置。
- PWM制御される複数のスイッチング素子(21−26)の動作により直流電力を交流電力に変換し、交流電動機(80)に供給するインバータ(20)と、
前記交流電動機に流れる電流を検出する一つ以上の電流センサ(87、88)から取得した電流値と前記交流電動機の回転角とを用いて、PWM制御における三角波キャリアの(N/2)周期(Nは自然数)で制御演算を行うフィードバック制御演算部(40)と、
前記電流センサが検出した電流値の取得において、キャリアの山と谷との間の期間であるキャリア半周期における電流値の平均値とみなされる値を取得可能なタイミングで電流値を取得する平均値取得部(50)と、
を備え、
前記交流電動機に流れる電流信号が前記電流センサ及び制御装置の受信回路を経由し、制御演算に利用可能な値として認識されるまでの時間を検出遅れ時間と定義し、
前記スイッチング素子に指令されるゲート信号に対するON動作及びOFF動作の平均遅れ時間を素子動作遅れ時間とすると、
前記平均値取得部は、前記電流センサが検出した電流値を、キャリアの山又は谷のタイミングに対し、前記検出遅れ時間に前記素子動作遅れ時間を加算した加算遅れ時間を遅らせたタイミングで取得する交流電動機の制御装置。 - 前記検出遅れ時間は、複数の前記電流センサ毎に個別に設定されている請求項1〜6のいずれか一項に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記フィードバック制御演算部は、前記検出遅れ時間が設定された全ての電流センサが検出した複数の電流値、及び、対応する前記交流電動機の回転角を前記平均値取得部が取得した後、それらの電流値及び回転角を用いた制御演算を開始する請求項7に記載の交流電動機の制御装置。
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