JP6870577B2 - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の制御装置に関する。

従来、特許文献１に見られるように、回転電機のステータ巻線に流す電流を制御し、回転電機の界磁巻線に流す界磁電流を制御する制御装置が知られている。制御装置は、回転電機の回転速度が所定値以下の場合、界磁電流を制御するとともに、ＰＷＭ制御された電流をステータ巻線に流して回転電機に発電させるＰＷＭ制御モードを実施する。制御装置は、回転電機の回転速度が所定値を超える場合、界磁電流の制御により回転電機に発電させる界磁制御モードを実施する。

国際公開第２０１６／００６３８６号

ＰＷＭ制御モードでは、直流電源とステータ巻線との間の電力伝達を行うインバータのスイッチが駆動されることにより、ステータ巻線に流れる電流が制御される。界磁制御モードが実施される場合におけるスイッチのスイッチング周波数は、ＰＷＭ制御モードが実施される場合におけるスイッチのスイッチング周波数よりも低い。このため、界磁制御モードが実施される場合に発生する主な動作音の周波数は、ＰＷＭ制御モードが実施される場合に発生する主な動作音の周波数よりも低い。

ここで、回転電機の回転速度が所定値近傍で変動すると、ＰＷＭ制御モード及び界磁制御モードのうち、一方の制御モードから他方の制御モードへと頻繁に切り替えられる事態が発生し得る。制御モードが頻繁に切り替えられると、主な動作音の周波数が頻繁に切り替わり、ＮＶＨ特性が悪化する懸念がある。

なお、ＰＷＭ制御モード及び界磁制御モードのうち、一方の制御モードから他方の制御モードへの切り替えを実施する制御装置に限らず、スイッチング周波数が異なる２つの制御モードの切り替えを実施する制御装置であれば、上述した問題は同様に生じ得る。

本発明は、回転電機の駆動制御におけるＮＶＨ特性を改善できる回転電機の制御装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、ステータ巻線を有する回転電機と、スイッチを有し、前記スイッチを駆動することにより直流電源と前記ステータ巻線との間の電力伝達を行うインバータと、を備える制御システムに適用される回転電機の制御装置である。本発明は、前記スイッチをスイッチング制御する第１制御部と、前記第１制御部における前記スイッチのスイッチング周波数とは異なるスイッチング周波数で前記スイッチをスイッチング制御する第２制御部と、前記回転電機の回転速度が高回転側閾値以上になったと判定した場合、前記第２制御部によるスイッチング制御から前記第１制御部によるスイッチング制御に切り替え、前記回転電機の回転速度が、前記高回転側閾値よりも小さい低回転側閾値以下になったと判定した場合、前記第１制御部によるスイッチング制御から前記第２制御部によるスイッチング制御に切り替える切替部と、を備える。

本発明では、第２制御部におけるインバータのスイッチのスイッチング周波数と、第１制御部におけるスイッチのスイッチング周波数とが異なっている。この構成を前提として、本発明では、回転電機の回転速度が高回転側閾値以上になったと判定された場合、第２制御部によるスイッチング制御から第１制御部によるスイッチング制御に切り替えられる。一方、回転電機の回転速度が、高回転側閾値よりも小さい低回転側閾値以下になったと判定された場合、第１制御部によるスイッチング制御から前２制御部によるスイッチング制御に切り替えられる。このため、回転電機の回転速度が変動する場合であっても、第１制御部によるスイッチング制御及び第２制御部によるスイッチング制御のうち、一方から他方への頻繁な切り替えを抑制することができる。これにより、回転電機の駆動制御におけるＮＶＨ特性を改善することができる。

一実施形態に係る車載制御システムの全体構成図。 ＰＷＭ発電制御モードのブロック図。 ＰＷＭ発電制御モード時におけるインバータのスイッチの駆動態様及び相電流の推移を示すタイムチャート。 同期整流制御モードのブロック図。 同期整流制御モード時におけるインバータのスイッチの駆動態様及び相電流の推移を示すタイムチャート。 制御モードの切替処理の手順を示すフローチャート。 ＰＷＭ発電制御モードから同期整流制御モードへの切り替え態様を示すタイムチャート。 同期整流制御モードからＰＷＭ発電制御モードへの切り替え態様を示すタイムチャート。 比較例に係る制御モードの切り替え態様を示すタイムチャート。

以下、本発明に係る制御装置を車両に搭載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に示すように、車両は、車載主機としてのエンジン１０を備えている。エンジン１０は、燃料噴射弁等を備え、燃料噴射弁から噴射されたガソリン又は軽油等の燃料の燃焼により動力を発生する。発生した動力は、エンジン１０の出力軸１０ａから出力される。

車両は、直流電源としてのバッテリ２０と、回転電機装置２１とを備えている。バッテリ２０は、例えば、定格電圧が１２Ｖの鉛蓄電池である。回転電機装置２１は、コンデンサ２２、交流駆動される回転電機３０、インバータ４０、界磁通電回路４１、及び回転電機３０を制御する制御装置であるＭＧＥＣＵ６０を備えている。本実施形態では、回転電機３０として、巻線界磁型の同期機が用いられている。また、本実施形態において、ＭＧＥＣＵ６０は、回転電機３０が電動機兼発電機であるＩＳＧ（Integrated Starter Generator）として機能するように回転電機３０を制御する。回転電機装置２１は、回転電機、インバータ４０、界磁通電回路４１及びＭＧＥＣＵ６０を備える機電一体型駆動装置である。

回転電機３０は、ロータ３１を備えている。ロータ３１は、界磁巻線３２を備えている。ロータ３１の回転軸は、図示しないプーリ等を介してエンジン１０の出力軸１０ａと動力伝達が可能とされている。回転電機３０が発電機として駆動される場合、出力軸１０ａから供給される回転動力によってロータ３１が回転し、回転電機３０が発電する。回転電機３０の発電電力により、バッテリ２０が充電される。一方、回転電機３０が電動機として駆動される場合、ロータ３１の回転に伴って出力軸１０ａが回転し、出力軸１０ａに回転力が付与される。これにより、例えば車両の走行をアシストすることができる。なお、出力軸１０ａには、変速装置等を介して車両の駆動輪が接続されている。

回転電機３０は、ステータ３３を備えている。ステータ３３は、ステータ巻線を備えている。ステータ巻線は、電気角で互いに１２０°ずれた状態で配置されたＵ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗを含む。

インバータ４０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐと、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎとの直列接続体を備えている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐと、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎとの接続点には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの第１端が接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの第２端は、中性点で接続されている。すなわち、本実施形態において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗは、星形結線されている。

なお、本実施形態において、各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴがオン駆動される場合、高電位側端子であるドレイン及び低電位側端子であるソースの間の電流の流通が許可される。一方、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴがオフ駆動される場合、ドレイン及びソース間の電流の流通が阻止される。各スイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐ，ＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎには、各ボディダイオードＤＵｐ，ＤＶｐ，ＤＷｐ，ＤＵｎ，ＤＶｎ，ＤＷｎが逆並列に接続されている。

Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐのドレインには、高電位側電気経路Ｌｐを介してバッテリ２０の正極端子が接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎのソースには、低電位側電気経路Ｌｎを介してバッテリ２０の負極端子が接続されている。各電気経路Ｌｐ，Ｌｎは、バスバー等の導電部材である。各上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐのドレインと高電位側電気経路Ｌｐとの接続点のうちバッテリ２０の正極端子に最も近い接続点と、バッテリ２０の正極端子とを接続する高電位側電気経路Ｌｐには、コンデンサ２２の高電位側端子が接続されている。各下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎのソースと低電位側電気経路Ｌｎとの接続点のうちバッテリ２０の負極端子に最も近い接続点と、バッテリ２０の負極端子とを接続する低電位側電気経路Ｌｎには、コンデンサ２２の低電位側端子が接続されている。

界磁通電回路４１は、フルブリッジ回路であり、第１上アームスイッチＳＨ１及び第１下アームスイッチＳＬ１の直列接続体と、第２上アームスイッチＳＨ２及び第２下アームスイッチＳＬ２の直列接続体とを備えている。第１上アームスイッチＳＨ１と第１下アームスイッチＳＬ１との接続点には、図示しないブラシを介して界磁巻線３２の第１端が接続されている。第２上アームスイッチＳＨ２と第２下アームスイッチＳＬ２との接続点には、図示しないブラシを介して界磁巻線３２の第２端が接続されている。なお、本実施形態において、各アームスイッチＳＨ１，ＳＬ１，ＳＨ２，ＳＬ２は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。各スイッチＳＨ１，ＳＬ１，ＳＨ２，ＳＬ２には、各ボディダイオードＤＨ１，ＤＬ１，ＤＨ２，ＤＬ２が逆並列に接続されている。

第１，第２上アームスイッチＳＨ１，ＳＨ２のドレインには、高電位側電気経路Ｌｐのうちコンデンサ２２の高電位側端子との接続点よりもインバータ４０側が接続されている。第１，第２下アームスイッチＳＬ１，ＳＬ２のソースには、低電位側電気経路Ｌｎのうちコンデンサ２２の低電位側端子との接続点よりもインバータ４０側が接続されている。

回転電機装置２１は、電圧検出部５０、相電流検出部５１、界磁電流検出部５２及び角度検出部５３を備えている。電圧検出部５０は、コンデンサ２２の端子電圧を電源電圧ＶＤＣとして検出する。相電流検出部５１は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに流れる相電流を検出する。界磁電流検出部５２は、界磁巻線３２に流れる界磁電流を検出する。角度検出部５３は、ロータ３１の回転角に応じた信号である角度信号を出力する。各検出部５０〜５３の出力信号は、ＭＧＥＣＵ６０に入力される。

なお、ＭＧＥＣＵ６０の各機能の一部又は全部は、例えば、１つ又は複数の集積回路等によりハードウェア的に構成されていてもよい。また、ＭＧＥＣＵ６０の各機能は、例えば、非遷移的実体的記録媒体に記録されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータによって構成されていてもよい。

車両は、エンジン１０の燃焼制御を行う制御装置であるエンジンＥＣＵ１１と、車両の制御を統括する上位の制御装置である上位ＥＣＵ１２とを備えている。ＭＧＥＣＵ６０、エンジンＥＣＵ１１及び上位ＥＣＵ１２は、ＣＡＮ等の通信線により情報のやり取りが可能とされている。

エンジンＥＣＵ１１は、エンジン１０のアイドリング運転中の燃焼制御として、通常時制御と、アイドルアップ制御とを行う。通常時制御は、出力軸１０ａの回転速度であるエンジン回転速度Ｎｅｒを第１指令回転速度Ｎｅｔｇｔ１に制御するための燃焼制御である。アイドルアップ制御は、エンジン回転速度Ｎｅｒを、第１指令回転速度Ｎｅｔｇｔ１よりも高い第２指令回転速度Ｎｅｔｇｔ２に制御するための燃焼制御である。各指令回転速度Ｎｅｔｇｔ１，Ｎｅｔｇｔ２は、エンジン１０の冷却水の温度等に応じて可変設定される。エンジンＥＣＵ１１は、所定の条件が成立したと判定した場合、通常時制御からアイドルアップ制御に切り替える。所定の条件は、例えば、出力軸１０ａの動力により駆動される車載機器の消費動力が所定動力以上になったとの条件である。この場合の車載機器には、回転電機３０も含まれる。

ＭＧＥＣＵ６０は、インバータ４０及び界磁通電回路４１を構成する各スイッチの駆動信号を生成する。

まず、インバータ４０について説明する。ＭＧＥＣＵ６０は、角度検出部５３の角度信号を取得し、取得した角度信号に基づいて、インバータ４０を構成する各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフする駆動信号を生成する。詳しくは、ＭＧＥＣＵ６０は、回転電機３０を電動機として駆動させる場合、バッテリ２０から出力された直流電力を交流電力に変換してＵ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに供給すべく、各アームスイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフする駆動信号を生成し、生成した駆動信号を各アームスイッチＳＵｐ〜ＳＷｎのゲートに供給する。一方、ＭＧＥＣＵ６０は、回転電機３０を発電機として駆動させる場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗから出力された交流電力を直流電力に変換してバッテリ２０に供給すべく、各アームスイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフする駆動信号を生成する。

続いて、界磁通電回路４１について説明する。ＭＧＥＣＵ６０は、界磁巻線３２を励磁すべく、界磁通電回路４１を構成する各スイッチをオンオフする。詳しくは、ＭＧＥＣＵ６０は、第１状態と第２状態とが交互に出現するように各スイッチをオンオフする。第１状態は、第１上アームスイッチＳＨ１と第２下アームスイッチＳＬ２とがオンされて、かつ、第２上アームスイッチＳＨ２と第１下アームスイッチＳＬ１とがオフされている状態である。第２状態は、第１上アームスイッチＳＨ１と第２下アームスイッチＳＬ２とがオフされて、かつ、第２上アームスイッチＳＨ２と第１下アームスイッチＳＬ１とがオンされている状態である。

ＭＧＥＣＵ６０は、角度検出部５３の角度信号に基づいて、回転電機３０の電気角θｅと、ロータ３１の回転速度Ｎｍとを算出する。

以下、本実施形態では、回転電機３０を発電機として駆動させる場合について説明する。図２に、ＭＧＥＣＵ６０が行うＰＷＭ発電制御モードのブロック図を示す。なお、本実施形態において、ＭＧＥＣＵ６０のうち、図２に示す処理を行う構成が第２制御部に相当する。

電圧偏差算出部６１は、指令発電電圧ＶＤ＊から、電圧検出部５０により検出された電源電圧ＶＤＣを減算することにより、電圧偏差ΔＶを算出する。指令発電電圧ＶＤ＊は、インバータ４０からバッテリ２０に出力する直流電圧の指令値である。指令発電電圧ＶＤ＊は、例えば、上位ＥＣＵ１２からＭＧＥＣＵ６０へと入力される。

トルク算出部６２は、電圧偏差ΔＶを０にフィードバック制御するための操作量として、回転電機３０の制御量の指令値を算出する。本実施形態において、制御量はトルクであり、その指令値は指令トルクＴｒｑ＊である。また、本実施形態において、トルク算出部６２で用いられるフィードバック制御は、比例積分制御である。なお、フィードバック制御としては、比例積分制御に限らず、例えば比例積分微分制御であってもよい。

２相変換部７０は、相電流検出部５１により検出された相電流及び電気角θｅに基づいて、回転電機３０の３相固定座標系におけるＵ，Ｖ，Ｗ相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを、２相回転座標系であるｄｑ座標系におけるｄ，ｑ軸電流Ｉｄｒ，Ｉｑｒに変換する。

ｄ軸指令設定部７１は、指令トルクＴｒｑ＊に基づいて、回転電機３０のトルクを指令トルクＴｒｑ＊とするためのｄ軸指令電流Ｉｄ＊を設定する。具体的には、ｄ軸指令設定部７１は、指令トルクＴｒｑ＊とｄ軸指令電流Ｉｄ＊とが関係付けられたマップ情報に基づいて、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊を設定する。

ｑ軸指令設定部７２は、指令トルクＴｒｑ＊に基づいて、回転電機３０のトルクを指令トルクＴｒｑ＊とするためのｑ軸指令電流Ｉｑ＊を設定する。具体的には、ｑ軸指令設定部７２は、指令トルクＴｒｑ＊とｑ軸指令電流Ｉｑ＊とが関係付けられたマップ情報に基づいて、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊を設定する。

ステータ制御部７３は、ｄ軸電流Ｉｄｒをｄ軸指令電流Ｉｄ＊にフィードバック制御するための操作量として、ｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を算出する。具体的には、ステータ制御部７３は、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊からｄ軸電流Ｉｄｒを減算した値としてｄ軸電流偏差ΔＩｄを算出し、算出したｄ軸電流偏差ΔＩｄを０にフィードバック制御するための操作量として、ｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を算出する。

ステータ制御部７３は、ｑ軸電流Ｉｑｒをｑ軸指令電流Ｉｑ＊にフィードバック制御するための操作量として、ｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を算出する。具体的には、ステータ制御部７３は、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊からｑ軸電流Ｉｑｒを減算した値としてｑ軸電流偏差ΔＩｑを算出し、算出したｑ軸電流偏差ΔＩｑを０にフィードバック制御するための操作量として、ｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を算出する。

なお、本実施形態において、ステータ制御部７３で用いられるフィードバック制御は、比例積分制御である。なお、フィードバック制御としては、比例積分制御に限らず、例えば比例積分微分制御であってもよい。

ｄ軸指令電圧Ｖｄ＊及びｑ軸指令電圧Ｖｑ＊により、ｄｑ座標系における電圧ベクトルの指令値である指令電圧ベクトルが定まる。ここで、ステータ巻線に印加される電圧ベクトルは、そのｄ軸成分がｄ軸電圧Ｖｄとなり、ｑ軸成分がｑ軸電圧Ｖｑとなるものである。電圧ベクトルの位相である電圧位相は、例えば、ｄ軸の正方向を基準とし、この基準から反時計回りの方向が正方向として定義されている。

３相変換部７４は、ｄ，ｑ軸指令電圧Ｖｄ＊，Ｖｑ＊及び電気角θｅに基づいて、ｄ，ｑ軸指令電圧Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を、３相固定座標系におけるＵ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する。本実施形態において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊は、電気角で位相が１２０°ずれた正弦波状の信号となる。

ステータ生成部７５は、キャリア信号、各相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊及び電源電圧ＶＤＣに基づいて、ＰＷＭ制御により、インバータ４０の各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフするための各駆動信号を生成する。詳しくは、ＰＷＭ制御は、各相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を「ＶＤＣ／２」で除算した値と、キャリア信号との大小比較に基づいて、各駆動信号を生成するものである。本実施形態において、キャリア信号は、三角波信号である。ＰＷＭ制御において、各相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊の振幅を「ＶＤＣ／２」で除算した値は、キャリア信号の振幅以下である。

界磁指令設定部８０は、指令トルクＴｒｑ＊に基づいて、界磁指令電流Ｉｆ＊を設定する。具体的には、界磁指令設定部８０は、指令トルクＴｒｑ＊と界磁指令電流Ｉｆ＊とが関係付けられたマップ情報に基づいて、界磁指令電流Ｉｆ＊を設定する。

界磁電流制御部８１は、界磁電流検出部５２により検出された界磁電流Ｉｆｒを界磁指令電流Ｉｆ＊にフィードバック制御するための操作量として、界磁指令電圧Ｖｆ＊を算出する。具体的には、界磁電流制御部８１は、界磁指令電流Ｉｆ＊から界磁電流Ｉｆｒを減算した値として界磁電流偏差ΔＩｆを算出し、算出した界磁電流偏差ΔＩｆを０にフィードバック制御するための操作量として、界磁指令電圧Ｖｆ＊を算出する。なお、本実施形態において、界磁電流制御部８１で用いられるフィードバック制御は、比例積分制御である。なお、フィードバック制御としては、比例積分制御に限らず、例えば比例積分微分制御であってもよい。

界磁生成部８２は、界磁指令電圧Ｖｆ＊を電源電圧ＶＤＣで除算した値と、三角波信号であるキャリア信号との大小比較に基づいて、界磁巻線３２の印加電圧を界磁指令電圧Ｖｆ＊に制御するための界磁通電回路４１の各スイッチＳＨ１〜ＳＬ２の各駆動信号を生成する。

図３に、ＰＷＭ発電制御モードが実行される場合における１相分のゲート信号及び相電流の推移を示す。図３（ａ）において、ゲート信号は、Ｈによって上アームスイッチをオン駆動してかつ下アームスイッチをオフ駆動することを示し、Ｌによって上アームスイッチをオフ駆動してかつ下アームスイッチをオン駆動することを示す。また、相電流は、インバータ４０側からステータ巻線側へと流れる電流方向を正と定義する。

続いて、図４に、ＭＧＥＣＵ６０が行う同期整流制御モードのブロック図を示す。なお、本実施形態において、ＭＧＥＣＵ６０のうち、図４に示す処理を行う構成が第１制御部に相当する。同期整流制御モードでは、回転電機３０の発電時において、インバータ４０のスイッチに逆並列接続されたボディダイオードに電流が流れようとする期間に、電流が流れようとするダイオードに逆並列接続されたスイッチがオンされる。ボディダイオードに電流が流れようとする期間は、ステータ巻線の発電電圧（逆起電圧）がバッテリ２０の端子電圧を超える期間である。同期整流制御モードでは、１電気角周期のうち、ステータ巻線の発電電圧がバッテリ２０の端子電圧を超える期間の少なくとも一部において上アームスイッチが１回オン駆動される。これにより、ステータ巻線から出力される交流電流が直流電流に変換される。

同期生成部９０は、電気角θｅ、インバータ４０の上，下アームスイッチのデッドタイムＤＴ、及び電圧位相の指令値δに基づいて、インバータ４０の各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフするための各駆動信号を生成する。同期生成部９０により生成された駆動信号は、各相の１電気角周期において、上アームスイッチ及び下アームスイッチのそれぞれを１回ずつオン駆動させる信号となる。この駆動信号は、各相それぞれで位相が電気角で１２０°ずれている。

なお、図４において、電圧偏差算出部６１、トルク算出部６２、界磁指令設定部８０、界磁電流制御部８１及び界磁生成部８２は、図２に示した構成と同じである。このため、ＰＷＭ発電制御モード及び同期整流制御モードのうち、一方から他方へと切り替えられる場合においても、指令トルクＴｒｑ＊に基づく界磁電流の制御の連続性が維持される。

図５に、同期整流制御モードが実行される場合における１相分のゲート信号及び相電流の推移を示す。なお、図５（ａ），（ｂ）は、先の図３（ａ），（ｂ）に対応している。

続いて、アイドリング運転中における制御モードの切替処理について説明する。この処理は、算出したロータ３１の回転速度Ｎｍが高回転側閾値Ｎｔｈ２以上になったと判定された場合、ＰＷＭ発電制御モードから同期整流制御モードに切り替え、回転速度Ｎｍが、高回転側閾値Ｎｔｈ２よりも小さい低回転側閾値Ｎｔｈ１以下になったと判定された場合、同期整流制御モードからＰＷＭ発電制御モードに切り替える処理である。ここで、本実施形態の高回転側閾値Ｎｔｈ２及び低回転側閾値Ｎｔｈ１について説明する。

第１指令回転速度Ｎｅｔｇｔ１に対応するロータ３１の回転速度を第１ロータ回転速度Ｎｍ１とする。第１ロータ回転速度Ｎｍ１は、プーリ比等により定まる出力軸１０ａからロータ３１までの変速比と、第１指令回転速度Ｎｅｔｇｔ１とに基づいて定まる。例えば、第１指令回転速度Ｎｅｔｇｔ１が７００ｒｐｍであり、変速比が３である場合、第１ロータ回転速度Ｎｍ１は２１００ｒｐｍとなる。

第２指令回転速度Ｎｅｔｇｔ２に対応するロータ３１の回転速度を第２ロータ回転速度Ｎｍ２（＞Ｎｍ１）とする。第２ロータ回転速度Ｎｍ２は、プーリ比等により定まる出力軸１０ａからロータ３１までの変速比と、第２指令回転速度Ｎｅｔｇｔ２とに基づいて定まる。

第１，第２指令回転速度Ｎｅｔｇｔ１，Ｎｅｔｇｔ２に対するエンジン回転速度Ｎｅｒの高回転側への最大想定変動量をエンジン変動量ΔＮｅ（＞０）とし、エンジン変動量ΔＮｅに対応するロータ３１の回転速度の高回転側への最大想定変動量をロータ変動量ΔＮｍとする。ロータ変動量ΔＮｍは、プーリ比等により定まる出力軸１０ａからロータ３１までの変速比と、エンジン変動量ΔＮｅとに基づいて定まる。例えば、エンジン変動量ΔＮｅが８０ｒｐｍであり、変速比が３である場合、ロータ変動量ΔＮｍは２４０ｒｐｍとなる。

高回転側閾値Ｎｔｈ２は、第１ロータ回転速度Ｎｍ１及びロータ変動量ΔＮｍの加算値よりも大きい値に設定され、例えば、この加算値よりも大きくてかつ第２ロータ回転速度Ｎｍ２以下の値に設定されている。本実施形態において、高回転側閾値Ｎｔｈ２は、第２ロータ回転速度Ｎｍ２に設定されている。

低回転側閾値Ｎｔｈ１は、高回転側閾値Ｎｔｈ２よりも小さい値に設定され、例えば、高回転側閾値Ｎｔｈ２よりも小さくて、かつ、第１ロータ回転速度Ｎｍ１以上の値に設定されている。本実施形態において、低回転側閾値Ｎｔｈ１は、第１ロータ回転速度Ｎｍ１に設定されている。

図６に、アイドリング運転中における制御モードの切替処理の手順を示す。この処理は、ＭＧＥＣＵ６０により、例えば所定の制御周期毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０では、エンジンＥＣＵ１１によりアイドルアップ制御が実行されているか否かを判定する。アイドルアップ制御が実行されているか否かは、例えば、エンジンＥＣＵ１１から上位ＥＣＵ１２及び通信線を介して入力される外部信号に基づいて判定されればよい。ちなみに、上位ＥＣＵ１２を介さずにエンジンＥＣＵ１１からＭＧＥＣＵ６０に入力された外部信号に基づいて、アイドルアップ制御が実行されているか否かが判定されてもよい。また、上位ＥＣＵ１２やエンジンＥＣＵ１１の外部装置からの外部信号によらず、例えば、ロータ３１の回転速度Ｎｍに基づいて、アイドルアップ制御が実行されているか否かをＭＧＥＣＵ６０自身で判定してもよい。この場合、ＭＧＥＣＵ６０は、例えば、ロータ３１の回転速度Ｎｍに基づいて、回転速度Ｎｍが第２ロータ回転速度Ｎｍ２に制御されていると判定した場合にアイドルアップ制御が実行されていると判定すればよい。

ステップＳ１０においてアイドルアップ制御が実行されていないと判定した場合には、通常時制御が実行されていると判定し、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、算出したロータ３１の回転速度Ｎｍの変動量が所定量よりも小さいか否かを判定する。ステップＳ１１の処理は、ロータ３１と動力伝達可能な出力軸１０ａの回転速度の変動量が小さいか否かを判定し、制御モードの切り替えを判定するための高回転側閾値Ｎｔｈ２を小さくできる状況であるか否かを判定する処理である。つまり、高回転側閾値Ｎｔｈ２は、低回転側閾値Ｎｔｈ１に対して、ロータ変動量ΔＮｍを含むマージンを持たせて設定されている。このため、出力軸１０ａの回転速度の変動量が小さく、ロータ変動量ΔＮｍが小さい状況であれば、高回転側閾値Ｎｔｈ２を小さくできる。

なお、例えば、エンジン１０の暖機が完了したと判定した場合、回転速度Ｎｍの変動量が所定量よりも小さいと判定してもよい。ここでは、例えば、エンジン１０の燃焼室での燃焼が開始されてからの経過時間が判定時間以上になったと判定した場合、又はエンジン１０の温度又はその相関値（例えば、エンジン１０のオイル又は冷却水の温度）を検出する検出部の検出値が所定温度以上になったと判定した場合に暖機が完了したと判定すればよい。

また、例えば、出力軸１０ａから動力を供給されて駆動可能な回転電機３０以外の車載機器の駆動が停止していると判定した場合、回転速度Ｎｍの変動量が所定量よりも小さいと判定してもよい。ここで、この車載機器としては、例えば空調用のコンプレッサが挙げられる。

また、例えば、クランク角度センサ等の出力信号に基づいて速度算出部により算出されたエンジン回転速度Ｎｅｒから、回転速度Ｎｍの変動量が所定量よりも小さいと判定してもよい。

ステップＳ１１において回転速度Ｎｍの変動量が所定量以上であると判定した場合には、ステップＳ１２に進み、高回転側閾値Ｎｔｈ２を第１閾値Ｎαに設定する。一方、ステップＳ１１において回転速度Ｎｍの変動量が所定量よりも小さいと判定した場合には、ステップＳ１３に進み、高回転側閾値Ｎｔｈ２を、後述する低回転側閾値Ｎｔｈ１よりも大きい値であってかつ第１閾値Ｎαよりも小さい第２閾値Ｎβに設定する。ステップＳ１５の処理によれば、同期整流制御モードが実行される機会を増やすことができ、インバータ４０で発生するスイッチング損失を低減することができる。

ステップＳ１２，Ｓ１３の処理の完了後、ステップＳ１４に進み、算出したロータ３１の回転速度Ｎｍが高回転側閾値Ｎｔｈ２以上になっているか否かを判定する。ステップＳ１４において回転速度Ｎｍが高回転側閾値Ｎｔｈ２よりも低いと判定した場合には、ステップＳ１５に進み、算出したロータ３１の回転速度Ｎｍが低回転側閾値Ｎｔｈ１以下になっているか否かを判定する。

ステップＳ１５において回転速度Ｎｍが低回転側閾値Ｎｔｈ１以下になっていると判定した場合には、ステップＳ１６に進み、判定フラグＦを０にする。判定フラグＦは、０によってＰＷＭ発電制御モードの実行を指示し、１によって同期整流制御モードの実行を指示する。なお、本実施形態において、判定フラグＦの初期値は０とされている。

ステップＳ１４において回転速度Ｎｍが高回転側閾値Ｎｔｈ２以上になっていると判定した場合には、ステップＳ１７に進み、判定フラグＦを１にする。ステップＳ１５において回転速度Ｎｍが低回転側閾値Ｎｔｈ１よりも高くなっていると判定した場合には、現在実行されている制御モードが引き続き実行される。

ステップＳ１６，Ｓ１７の処理が完了した場合、又はステップＳ１５において否定判定した場合には、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、判定フラグＦが１であるか否かを判定する。ステップＳ１８において判定フラグＦが０であると判定した場合には、ステップＳ１９に進み、先の図２に示したＰＷＭ発電制御モードの実行を指示する。一方、ステップＳ１８において判定フラグＦが１であると判定した場合には、ステップＳ２０に進み、先の図４に示した同期整流制御モードの実行を指示する。なお、本実施形態において、ステップＳ１４〜Ｓ２０の処理が、制御モードを切り替える切替部に相当する。

ステップＳ１０においてアイドルアップ制御がなされていると判定した場合には、ステップＳ１７に進む。これにより、判定フラグＦが１とされる。その結果、ロータ３１の回転速度Ｎｍにかかわらず、その後ステップＳ２０において同期整流制御モードの実行が指示される。このため、ＰＷＭ発電制御モードが実施される場合と比較して、インバータ４０で発生するスイッチング損失を低減することができる。

図７に、ＰＷＭ発電制御モードから同期整流制御モードへの切り替え態様を示し、図８に、同期整流制御モードからＰＷＭ発電制御モードへの切り替え態様を示す。図７（ａ），図８（ａ）は、ＭＧＥＣＵ６０により算出されたロータ３１の回転速度Ｎｍの推移を示し、図７（ｂ），図８（ｂ）は、制御方式の推移を示す。図７に示す例は、通常時制御が実行される場合に制御モードが切り替えられる例である。図８に示す例は、例えば、アイドルアップ制御から通常時制御に切り替えられた後、回転速度Ｎｍが低回転側閾値Ｎｔｈ１以下になったと判定されて制御モードが切り替えられる例である。

図９に、比較例における制御モードの切り替え態様を示す。ここで、比較例とは、ロータ３１の回転速度Ｎｍが速度閾値Ｎｔｈｃを超えていると判定された場合に同期整流制御モードが実行され、回転速度Ｎｍが速度閾値Ｎｔｈｃ以下になっていると判定された場合にＰＷＭ発電制御モードが実行される構成である。図９（ａ），（ｂ）は、先の図７（ａ），（ｂ）に対応しており、図９（ｃ）は、各制御モードが実行される場合に発生するインバータ４０における主な動作音の周波数の推移を示す。図９（ｄ）は、回転電機３０のトルクの推移を示し、図９（ｅ）は、発電に伴いインバータ４０からバッテリ２０へと流れる出力電流の推移を示す。

算出されたロータ３１の回転速度Ｎｍが図９（ａ）に示すように速度閾値Ｎｔｈｃ近傍で変動すると、図９（ｂ）に示すように、ＰＷＭ発電制御モード及び同期整流制御モードのうち、一方の制御モードから他方の制御モードへと頻繁に切り替えられる事態が発生する。なお、この頻繁な切り替えは、ロータ３１の実際の回転速度が変動すること以外に、算出された回転速度Ｎｍにノイズ成分が混入することによっても発生する。

同期整流制御モードが実施される場合におけるインバータ４０のスイッチのスイッチング周波数は、ＰＷＭ発電制御モードが実施される場合におけるインバータ４０のスイッチのスイッチング周波数よりも低い。このため、図９（ｃ）に示すように、同期整流制御モードが実施される場合に発生する主な動作音の周波数は、ＰＷＭ発電制御モードが実施される場合に発生する主な動作音の周波数よりも低くなる。制御モードが頻繁に切り替えられると、主な動作音の周波数が頻繁に切り替わり、回転電機装置２１のＮＶＨ特性が悪化してしまう。

また、制御モードが頻繁に切り替えられると、図９（ｄ）に示すように、回転電機３０のトルク変動が頻繁に発生したり、図９（ｅ）に示すように、出力電流のアンダーシュートやオーバーシュートが発生したりする。オーバーシュートが発生すると、インバータ４０からバッテリ２０へと過電流が流れ、バッテリ２０やインバータ４０等の信頼性が低下し、ひいては回転電機装置２１の信頼性が低下する懸念がある。

これに対し、本実施形態では、ＰＷＭ制御モード及び同期整流制御モードの切り替え用閾値Ｎｔｈ１，Ｎｔｈ２にヒステリシスが設定されている。このため、ロータ３１の回転速度Ｎｍが変動する場合であっても、制御モードの頻繁な切り替えを抑制することができる。これにより、回転電機装置２１のＮＶＨ特性及び信頼性を改善することができる。

＜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。

・図６のステップＳ１３において、回転速度Ｎｍの変動量が小さいほど、第２閾値Ｎβが小さい値に設定されてもよい。

・上記実施形態では、同期整流制御モードとＰＷＭ発電制御モードとが切り替えられる構成であったがこれに限らない。例えば、同期整流制御モードと、このモードよりもスイッチング周波数の高い過変調制御モードとが切り替えられる構成、又は過変調制御モードとＰＷＭ発電制御モードとが切り替えられる構成であってもよい。

・回転電機が電動機として駆動される場合においても、本発明を適用することができる。この場合、例えば、第１制御部のスイッチング制御に相当する矩形波制御モードと、第２制御部のスイッチング制御に相当するＰＷＭ制御モードとが切り替えられる。矩形波制御モードは、インバータ４０の各相の１電気角周期において、上アームスイッチ及び下アームスイッチがそれぞれ１回ずつオン駆動されるモードである。

・ロータ３１の回転速度Ｎｍが高回転側閾値Ｎｔｈ２以上になったと判定された場合に実行されるスイッチング制御のスイッチング周波数が、回転速度Ｎｍが低回転側閾値Ｎｔｈ１以下になったと判定された場合に実行されるスイッチング制御のスイッチング周波数よりも高くされていてもよい。

・界磁通電回路としては、フルブリッジ回路に限らず、例えばハーフブリッジ回路であってもよい。

・インバータ及び界磁通電回路で用いられるスイッチとしては、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限らない。

・回転電機の制御量としては、トルクに限らず、例えば、回転電機３０の発電電力であってもよい。

・回転電機としては、星形結線されるものに限らず、例えば、Δ結線されるものであってもよい。また、回転電機としては、界磁巻線を備える巻線界磁型のものに限らず、例えば、ロータに永久磁石を備える永久磁石型のものであってもよい。

３０…回転電機、３２…界磁巻線、３４Ｕ〜３４Ｗ…Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線、４０…インバータ、６０…ＭＧＥＣＵ。

Claims (8)

1. ステータ巻線（３４Ｕ〜３４Ｗ）を有する回転電機（３０）と、
   スイッチ（ＳＵｐ〜ＳＷｎ）を有し、前記スイッチを駆動することにより直流電源（２０）と前記ステータ巻線との間の電力伝達を行うインバータ（４０）と、
   を備える制御システムに適用される回転電機の制御装置（６０）において、
   前記制御システムは、エンジン（１０）を備える車両に搭載され、
   前記車両は、アイドリング運転中における前記エンジンの出力軸（１０ａ）の回転速度を第１指令回転速度（Ｎｅｔｇｔ１）に制御すべく前記エンジンの燃焼制御を行う通常時制御と、アイドリング運転中における前記出力軸の回転速度を、前記第１指令回転速度よりも高い第２指令回転速度（Ｎｅｔｇｔ２）に制御すべく前記エンジンの燃焼制御を行うアイドルアップ制御とを行うエンジン制御装置（１１）を備え、
   前記回転電機は、前記出力軸から動力の供給を受けて発電する機能を有し、
   前記スイッチをスイッチング制御する第１制御部と、
   前記第１制御部における前記スイッチのスイッチング周波数とは異なるスイッチング周波数で前記スイッチをスイッチング制御する第２制御部と、
   前記回転電機の回転速度が高回転側閾値（Ｎｔｈ２）以上になったと判定した場合、前記第２制御部によるスイッチング制御から前記第１制御部によるスイッチング制御に切り替え、前記回転電機の回転速度が、前記高回転側閾値よりも小さい低回転側閾値（Ｎｔｈ１）以下になったと判定した場合、前記第１制御部によるスイッチング制御から前記第２制御部によるスイッチング制御に切り替える切替部と、を備え、
   前記切替部は、前記エンジン制御装置により前記アイドルアップ制御が行われていると判定した場合、前記第１制御部にスイッチング制御を実施させる回転電機の制御装置。
2. 前記切替部は、前記アイドルアップ制御の実行指令が外部の前記エンジン制御装置から入力されたと判定した場合、前記第１制御部にスイッチング制御を実施させる請求項１に記載の回転電機の制御装置。
3. 前記第２制御部における前記スイッチのスイッチング周波数が前記第１制御部における前記スイッチのスイッチング周波数よりも高い請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
4. 前記切替部は、前記回転電機の回転速度の変動量が所定量以上であると判定した場合、前記高回転側閾値を第１閾値（Ｎα）に設定し、前記回転電機の回転速度の変動量が前記所定量よりも小さいと判定した場合、前記高回転側閾値を、前記低回転側閾値よりも大きい値であってかつ前記第１閾値よりも小さい第２閾値（Ｎβ）に設定する請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。
5. ステータ巻線（３４Ｕ〜３４Ｗ）を有する回転電機（３０）と、
   スイッチ（ＳＵｐ〜ＳＷｎ）を有し、前記スイッチを駆動することにより直流電源（２０）と前記ステータ巻線との間の電力伝達を行うインバータ（４０）と、
   を備える制御システムに適用される回転電機の制御装置（６０）において、
   前記スイッチをスイッチング制御する第１制御部と、
   前記第１制御部における前記スイッチのスイッチング周波数とは異なるスイッチング周波数で前記スイッチをスイッチング制御する第２制御部と、
   前記回転電機の回転速度が高回転側閾値（Ｎｔｈ２）以上になったと判定した場合、前記第２制御部によるスイッチング制御から前記第１制御部によるスイッチング制御に切り替え、前記回転電機の回転速度が、前記高回転側閾値よりも小さい低回転側閾値（Ｎｔｈ１）以下になったと判定した場合、前記第１制御部によるスイッチング制御から前記第２制御部によるスイッチング制御に切り替える切替部と、を備え、
   前記切替部は、前記回転電機の回転速度の変動量が所定量以上であると判定した場合、前記高回転側閾値を第１閾値（Ｎα）に設定し、前記回転電機の回転速度の変動量が前記所定量よりも小さいと判定した場合、前記高回転側閾値を、前記低回転側閾値よりも大きい値であってかつ前記第１閾値よりも小さい第２閾値（Ｎβ）に設定する回転電機の制御装置。
6. 前記回転電機は、界磁巻線（３２）を有し、
   前記制御システムは、前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁通電回路（４１）を備え、
   前記第１制御部及び第２制御部は、前記スイッチをスイッチング制御しつつ、前記回転電機の制御量をその指令値に制御するための界磁指令電流が前記界磁巻線に流れるように前記界磁通電回路を制御する請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。
7. 前記第１制御部は、前記スイッチをスイッチング制御しつつ、前記界磁指令電流が前記界磁巻線に流れるように前記界磁通電回路を制御し、
   前記第２制御部は、前記制御量を前記指令値に制御するための指令電流が前記ステータ巻線に流れるように前記スイッチをスイッチング制御しつつ、前記界磁指令電流が前記界磁巻線に流れるように前記界磁通電回路を制御する請求項６に記載の回転電機の制御装置。
8. 前記インバータは、前記スイッチとして上アームスイッチ（ＳＵｐ〜ＳＷｐ）及び下アームスイッチ（ＳＵｎ〜ＳＷｎ）の直列接続体を有し、
   前記第１制御部は、前記回転電機の１電気角周期のうち、前記ステータ巻線の発電電圧が前記直流電源の電圧を超える期間の少なくとも一部において前記上アームスイッチを１回オン駆動し、
   前記第２制御部は、ＰＷＭ制御に基づいて前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチを交互にオン駆動する請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。

Images