JP4493639B2

JP4493639B2 - 回転電機の制御装置

Info

Publication number: JP4493639B2
Application number: JP2006288931A
Authority: JP
Inventors: 暢彦藤田; 敏行吉澤; 晴之米谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2026-10-24
Also published as: JP2008109759A

Description

この発明は、回転電機の制御装置に係り、特に、車両に搭載される回転電機の制御装置に関するものである。

従来、矩形波信号を用いてブラシレスＤＣモータを駆動制御する際に、矩形波信号の位相を調整することによりモータの出力特性を制御するモータの制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１４５３８１号公報（段落０００７、図１）

上記特許文献１に開示されたモータの制御装置は、モータの固定子に印加する矩形波信号、即ち矩形波電圧の位相によってのみモータの出力を制御しているため、所定の出力に調整する位相は一義的に決まってしまい、矩形波電圧に起因するトルクリプルを抑えることが出来ない課題がある。また、同様にモータの固定子と回転子間の磁気吸引力によって発生する電磁騒音を抑えることが出来ない課題もある。

この発明は、上記課題を解決することを目的とし、回転子の磁束を変化させられるように巻線界磁式回転子を採用した回転電機を、指令トルクに対して回転電機の状況により界磁電流と固定子電圧位相の組合せによって最適に制御する回転電機の制御装置を提供するものである。

この発明に係る回転電機の制御装置は、固定子と巻線界磁式回転子を備えた回転電機を制御する回転電機の制御装置であって、上記固定子に印加する電圧の位相を制御すると共に、上記巻線界磁式回転子の界磁電流を制御する制御部を備えた回転電機の制御装置において、上記制御部は、上記巻線界磁式回転子への界磁電流と上記固定子に印加する電圧の位相との組合せの制御マップからなり、上記回転電機への指令トルクに対して、損失最小、銅損最小、トルクリプル最小、電磁加振力最小となる４つ制御マップのうちの少なくとも２つの制御マップと、これらの制御マップを上記回転電機の状況に応じて切り換える切り換え手段と、を備えたことを特徴とするものである。

この発明によれば、回転電機の指令トルクに対して、損失最小となる巻線界磁式回転子への界磁電流と固定子に印加する電圧の位相との組合せからなる制御マップ、回転電機の指令トルクに対して、銅損最小となる巻線界磁式回転子への界磁電流と固定子に印加する電圧の位相との組合せからなる制御マップ、回転電機の指令トルクに対して、トルクリプル最小となる巻線界磁式回転子への界磁電流と固定子に印加する電圧の位相との組合せからなる制御マップ、及び電磁加振力最小となる巻線界磁式回転子への界磁電流と固定子に印加する電圧の位相との組合せからなる制御マップの４つの制御マップのうち、少なくとも２つを有し、これらの制御マップを回転電機の状況に応じて適宜選択して切り換えることにより、回転電機の最適制御が可能になる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る回転電機の制御装置について好適な実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を説明するもので、巻線界磁式同期電動機あるいは巻線界磁式発電電動機に例示される回転電機の制御装置を車両に適用した構成図である。
図１において、回転電機１００は、制御装置と一体構成されており、駆動源として、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関１０１を備えている。この回転電機１００と内燃機関１０１は、直接結合あるいはベルトやプーリーなどの結合手段１０２を介して互いにトルクの授受可能な状態で配置されている。また、回転電機１００は、蓄電池１０３と電気的に接続されている。この蓄電池１０３は、他の車両用負荷との共用蓄電池でも良く、また、回転電機１００の専用蓄電池であっても良い。

次に、制御装置と一体構成された回転電機１００の電気回路図を図２に示す。図２のように、回転電機１００は３相のＹ型結線された固定子巻線２００と界磁巻線２０１からなるいわゆる回転電機本体部分２０２と、制御部を構成する電力変換部２０３から構成されている。なお、回転電機１００は３相のΔ型結線された固定子巻線２００と界磁巻線２０１から回転電機本体部分２０２を構成してもよい。

電力変換部２０３はいわゆる３相インバータであり、回転電機本体部２０２の固定子巻線２００の各相に接続された６個の電力変換用スイッチング素子、即ち、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各上アームスイッチング素子２０４ａ〜２０４ｃ、各下アームスイッチング素子２０５ａ〜２０５ｃと、これらのスイッチング素子２０４ａ〜２０４ｃ、２０５ａ〜２０５ｃを駆動する駆動回路２０６、発電時の整流動作や電動機として使用した時のスイッチング素子２０４ａ〜２０４ｃ、２０５ａ〜２０５ｃのオフ時の電流還流動作をするダイオード２０７ａ〜２０７ｃ、２０８ａ〜２０８ｃ、回転電機本体部分２０２の界磁巻線２０１に接続された界磁巻線電流用スイッチング素子２０９およびフライホイールダイオード２１０から構成されている。なお、界磁巻線電流用スイッチング素子２０９にもスイッチング素子２０９のオフ時の電流還流動作をする界磁巻線フライホイールダイオード２１１が接続されており、また、界磁巻線２０１にはシャント抵抗２１２が直列接続されている。

駆動回路２０６には、入力された固定子巻線２００の各相、及び界磁巻線２０１への印加電圧オン・オフ指令に基づいて、電力変換用スイッチング素子２０４ａ〜２０４ｃ、２０５ａ〜２０５ｃに指令を送るスイッチング素子駆動回路２１３、及び界磁巻線電流用スイッチング素子２０９に指令を送るスイッチング素子駆動回路２１４が設けられている。

また、駆動回路２０６には、演算装置２１５が設けられており、この演算装置２１５の演算結果がスイッチング素子駆動回路２１３、及びスイッチング素子駆動回路２１４に出力され、後述する制御方法により、回転電機本体部２０２を電動機としてトルクを発生させたり、発電機として発電させたりする制御を行う構成となっている。

演算装置２１５には、後述するように、界磁巻線２０１に流れる界磁電流Ｉｆと電圧位相とを組み合わせた制御マップと、この制御マップを切り換える手段を有しており、これらはソフトウェアから構成されている。また、演算装置２１５には、回転電機１００に対する指令トルクが入力されるように構成されている。なお、回転電機１００の回転子位置を検出する回転子位置検出装置２１６の検出信号を演算装置２１５に対して入力する回転子位置検出回路２１７が設けられ、フィードバック回路が構成されている。

上記のように、実施の形態１においては、回転電機１００が制御装置と一体化された構成となっており、これにより次の特徴を有するものである。即ち、回転電機１００と制御装置を一体化することにより、固定子巻線２００や界磁巻線２０１と電力変換部２０３間の配線が不要となるので、配線ドロップなどの影響が軽減できると共に、限られた電圧を有効利用することができ、特性アップが図れる。加えて、固定子巻線２００と電力変換部２０３の配線は通常、線径の太いものが使用されるため、重量、コスト、信頼性などの面で非常に優位である。更に、損失が低減できるため、損失最小制御と組み合わせて最も燃費のよいシステムを構築することができる。

実施の形態１に係る回転電機の制御装置は上記のように構成されており、次にその制御方法について説明する。

本発明者の実験結果によれば、回転電機１００について、ある回転速度で界磁巻線２０１に通電する界磁電流Ｉｆと、３相インバータの電圧印加における電圧位相、即ち、Ｕ相電圧印加開始角度δをパラメータとしたときのトルクの等高線は図３に示すようになる。この図３は、界磁電流Ｉｆを最大まで流し、蓄電池１０３の電圧を最大利用して、最大トルクとなる点を１００％と示したものである。

この図３により、最大トルク以下のトルクに対しては、界磁電流ＩｆとＵ相電圧印加開始角度δの組合せが複数存在することがわかる。これら複数の組合せの中には、損失、銅損、あるいはトルクリプルをそれぞれ最小とする条件、あるいは、電磁加振力を最小とするなどの条件を満たす界磁電流ＩｆとＵ相電圧印加開始角度δの組合せが存在し、それぞれの条件で界磁電流Ｉｆを固定値で制御し、トルクを変化させた場合の軌跡を図４に示す。この軌跡について、界磁電流Ｉｆと電圧印加開始角度δをそれぞれグラフにすると図５、図６に示すようになる。即ち、図５は、損失、銅損、あるいはトルクリプル、電磁加振力をそれぞれ最小とするトルクと界磁電流Ｉｆの関係を示し、図６は、損失、銅損、あるいはトルクリプル、電磁加振力をそれぞれ最小とするトルクと電圧印加開始角度δの関係を示している。また、図７、図８は、トルクを変化させた場合で、固定子巻線２００に流れる電流をｄｑ軸変換したときのｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑを示したもので、図７はトルクとｄ軸電流Ｉｄの関係を示し、図８はトルクとｑ軸電流Ｉｑの関係を示したものである。

これらの関係から理解されるように、例えば、銅損を最小にする時には、回転電機１００の演算装置２１５へ入力する指令トルクを下げた場合、界磁電流Ｉｆ、Ｕ相電圧印加開始角度δともに比例して減少させ、トルクにあまり寄与しないｄ軸電流Ｉｄを零に近づけて力率１となるように制御する。また、損失を最小にする時には、銅損と鉄損の和を最小とし効率最大となるように制御する。即ち、上記のように銅損が最小に近いところで制御する。

また、トルクリプルを最小、電磁加振力を最小にする時には、指令トルクを減少させていくとき界磁電流Ｉｆは小さく制御していくが、Ｕ相電圧印加開始角度δはほぼ一定値に制御する。この時、トルク指令値に対してｑ軸電流Ｉｑを線形的に変化させていく。なお、電磁加振力を最小にする時には、界磁電流Ｉｆを弱めて回転子側の磁束を小さくし、固定子側からｄ軸磁束を出すようにする。

このように、演算装置２１５は、界磁電流ＩｆとＵ相電圧印加開始角度δの組合せの制御マップと、この制御マップを切り換える手段を有し、回転電機１００の状態により制御マップを切り換えて制御する。例えば、回転電機１００の温度が高い場合には銅損が最小となるようにして発熱を抑える制御を行う。また、アイドリングストップでエンジン再始動時にはトルクリプル最小でなめらかに始動する制御を行うことが可能である。更に、効率を上げて燃費をよくするためには、損失が最小となるような制御を行う。例えば損失は銅損のみの場合や銅損と鉄損と機械損を含めた全ての損失を採用してもよく、制御マップについても銅損が最小になる制御マップ、全損失が最小になる制御マップを２つ同時に、あるいはどちらかを使用してもよい。

なお、３相インバータの制御については、固定子相電圧を矩形波電圧としてもよい。矩形波電圧の通電角は１２０度や１８０度とする。通電角１８０度は、通電角１２０度に比べて通電角度幅が大きいために、通電時間も長くなり、平均電流が大きくなって大きなトルクを発生することができる。図９は、１８０度矩形波通電時の回転子位置と直流交流変換機相電圧、線間電圧の一例を示し、図中のδ（回転子位置に対する相対角）がＵ相電圧印加開始角度である。

以上のように、実施の形態１による回転電機の制御装置によれば、回転電機１００の状況に応じて、損失最小（効率最大）、銅損最小（発熱最小）、トルクリプル最小（脈動最小）、電磁加振力最小（電磁音最小）の条件を選択して指令トルクを出力する制御を可能とする。

実施の形態２．
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態１においては、界磁電流Ｉｆと固定子側の電圧印加開始角度δを変更制御する場合について説明したが、回転電機１００のトルクを急変させる必要がある場合には、時定数の大きい界磁電流Ｉｆを固定制御し、固定子側の電圧印加開始角度δを変更制御する。これにより指令トルクに追従させることが可能である。この場合、界磁巻線２０１側と固定子巻線２００側の両方を制御せず、固定子巻線２００側の制御のみであるので制御装置を簡略化出来る効果がある。

実施の形態３．
次に、実施の形態３について説明する。実施の形態１で説明したように、指令トルクに対して界磁電流ＩｆとＵ相電圧印加開始角度δの組合せが複数存在するので、両者の複数の組合せをとることが可能である。そこで、図４あるいは図５と図６に示すように、指令トルクを変化させた場合に界磁電流Ｉｆ及び相電圧印加開始角度δがなめらかに変化する組合せを選択することができる。

このように、指令トルクの変化に対して、界磁電流Ｉｆ及び相電圧印加開始角度δをなめらかに変化させる制御により、界磁電流Ｉｆと相電圧印加開始角度δの変更を短時間に追従させられると共に、電圧、電流のサージや過渡的な不安定性を回避する効果がある。

実施の形態４．
次に、実施の形態４について説明する。実施の形態１で説明した回転電機の制御装置を、回転速度によって異なる制御マップを有する構成としてもよい。制御マップは全回転速度を持たなくても、回転速度を持っていない回転数は制御マップ間の補間により、界磁電流Ｉｆと相電圧印加開始角度δを決めて制御を行う。

回転速度が変化した場合、固定子巻線２００の誘起電圧が変わることにより、蓄電池１０３との関係で流せる電流に制約が生じる。その電流制約の範囲において指令トルクにするためには、回転速度によって界磁電流Ｉｆと相電圧印加開始角度δの制御マップを変化させる必要がある。そのため、回転速度によって異なる制御マップを有すことができる制御装置を用いることにより最適制御を行うことができる。

銅損を最小とする場合を例として、トルク指令に対する界磁電流If、相電圧印加開始角度を図１０及び図１１に示し、図１０は極低速回転、低速回転、中速回転と変化させた場合のトルクと界磁電流Ｉｆの関係を示し、図１１は極低速回転、低速回転、中速回転と変化させた場合のトルクと相電圧印加開始角度δの関係を示すものである。また、トルク指令時のｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑの変化を図１２及び図１３に示し、図１２は極低速回転、低速回転、中速回転と変化させた場合のトルクとｄ軸電流Ｉｄの関係を示し、図１３は極低速回転、低速回転、中速回転と変化させた場合のトルクとｑ軸電流Ｉｑの関係を示すものである。

回転速度が小さい極低速回転では、誘起電圧が小さいため、界磁電流Ｉｆを小さくし、固定子コイルでのｄ軸電流Ｉｄをプラスとして、銅損最小となるようにバランスさせることによりｄ軸磁束を出すように制御する。また、中速回転域では、誘起電圧が大きく電流制約を受けるため、ｄ軸磁束は界磁電流Ｉｆで負担し、ｄ軸電流Ｉｄを小さく押さえ固定子電流を小さくするように制御すればよい。

実施の形態５．
次に、実施の形態５について説明する。実施の形態１で説明した回転電機の制御装置を、直流電圧に対して複数の制御マップを有する構成としてもよい。蓄電池１０３の充電状況や温度や劣化度合により、制御装置に入力される直流電圧Ｖｐｎが異なる状態となりうる。直流電圧Ｖｐｎが小さい場合は、回転による固定子巻線２００の誘起電圧は同じであるので、直流電圧Ｖｐｎと誘起電圧の関係で流せる電流の制約を受ける。このことにより、最適制御の界磁電流Ｉｆと相電圧印加開始角度δの制御マップが異なってくる。直流電圧に対して複数の制御マップを有する制御装置を用いることにより、最適に制御を行うことができる。銅損最小時を例で直流電圧が異なる同一回転速度のトルク指令に対する界磁電流Ｉｆと相電圧印加開始角度δとの関係をそれぞれ図１４及び図１５に示す。また、トルク指令時のｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑの変化をそれぞれ図１６及び図１７に示す。直流電圧が低い場合は、流せる電流値が小さくなるため、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑは共に小さくなる。

以上のように、この発明に係る回転電機の制御装置は、車両に搭載される回転電機の制御装置として好適で、固定子に印加される電圧位相とともに、巻線界磁式回転子の界磁電流を制御することにより、指令トルクに対する銅損、トルクリプル、電磁加振力を最小とする最適制御を可能とするので、産業上の利用可能性は大なるものがある。

この発明の実施の形態１に関わる回転電機の制御装置を車両に適用した構成図である。この発明の実施の形態１に関わる制御装置と一体構成された回転電機の電気回路図である。界磁電流と電圧位相によるトルクマップを示す図である。界磁電流と電圧位相によるトルクマップで、リップル最小、損失最小、銅損最小、加振力最小としたときのマップを示す図である。トルク指令を変化させた時の界磁電流の変化を示す図である。トルク指令を変化させた時の電圧位相の変化を示す図である。トルク指令を変化させた時の界磁電流の変化を示す図である。トルク指令を変化させた時のｑ軸電流の変化を示す図である。矩形波通電波形と電圧印加開始角度の説明図である。銅損最小時におけるトルク指令に対する界磁電流の変化を示す図である。銅損最小時におけるトルク指令に対する電圧位相の変化を示す図である。銅損最小時におけるトルク指令に対するｄ軸電流の変化を示す図である。銅損最小時におけるトルク指令に対するｑ軸電流の変化を示す図である。銅損最小時における直流電圧が異なる同一回転速度のトルク指令に対する界磁電流の変化を示す図である。銅損最小時における直流電圧が異なる同一回転速度のトルク指令に対する電圧位相の変化を示す図である。銅損最小時における直流電圧が異なる同一回転速度のトルク指令に対するｄ軸電流の変化を示す図である。銅損最小時における直流電圧が異なる同一回転速度のトルク指令に対するｑ軸電流の変化を示す図である。

符号の説明

１００回転電機
１０１内燃機関
１０２結合手段
１０３蓄電池
２００固定子巻線
２０１界磁巻線
２０２回転電機本体部分
２０３電力変換部
２０４ａＵ相上アームスイッチング素子
２０４ｂＶ相上アームスイッチング素子
２０４ｃＷ相上アームスイッチング素子
２０５ａＵ相下アームスイッチング素子
２０５ｂＶ相下アームスイッチング素子
２０５ｃＷ相下アームスイッチング素子
２０６駆動回路
２０７ａＵ相上アームフライホイールダイオード
２０７ｂＶ相上アームフライホイールダイオード
２０７ｃＷ相上アームフライホイールダイオード
２０８ａＵ相下アームフライホイールダイオード
２０８ｂＶ相下アームフライホイールダイオード
２０８ｃＷ相下アームフライホイールダイオード
２０９界磁巻線電流用電力素子
２１０フライホイールダイオード
２１１界磁巻線フライホイールダイオード
２１２シャント抵抗
２１３，２１４スイッチング素子駆動回路
２１５演算装置
２１６回転子位置検出装置
２１７回転子位置検出回路

Claims

固定子と巻線界磁式回転子を備えた回転電機を制御する回転電機の制御装置であって、上記固定子に印加する電圧の位相を制御すると共に、上記巻線界磁式回転子の界磁電流を制御する制御部を備えた回転電機の制御装置において、
上記制御部は、上記巻線界磁式回転子への界磁電流と上記固定子に印加する電圧の位相との組合せの制御マップからなり、上記回転電機への指令トルクに対して、損失最小、銅損最小、トルクリプル最小、電磁加振力最小となる４つ制御マップのうちの少なくとも２つの制御マップと、これらの制御マップを上記回転電機の状況に応じて切り換える切り換え手段と、を備えたことを特徴とする回転電機の制御装置。
上記界磁電流の制御マップは、界磁電流が固定のマップであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。
上記固定子に印加される電圧は、所定通電角の矩形波電圧であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機の制御装置。
上記所定通電角は、１８０度であることを特徴とする請求項３に記載の回転電機の制御装置。
上記巻線界磁式回転子への界磁電流と上記固定子に印加する電圧の位相との組合せの制御マップは、上記界磁電流と上記電圧の位相がそれぞれ連続する制御マップであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の回転電機の制御装置。
上記巻線界磁式回転子への界磁電流の制御マップと上記固定子に印加する電圧の位相の制御マップは、上記回転電機の回転速度により異なる制御マップであることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の回転電機の制御装置。
上記巻線界磁式回転子への界磁電流の制御マップと上記固定子に印加する電圧の位相の制御マップは、上記制御装置に入力される直流電圧により異なる制御マップであることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の回転電機の制御装置。