JP5441979B2 - 電力変換器の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、主に車両に搭載され、エンジンの始動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し、電機子巻線および界磁巻線を有する界磁巻線式回転発電電動機に接続されて用いられる電力変換器の制御装置および制御方法に関する。

近年、環境保護や燃費向上を目的として、エンジンとそれ以外の動力源、例えば回転発電電動機等とを備えたいわゆるハイブリッド車と呼ばれるものの開発・実用化が進んでいる。このような車両においては、走行状況に応じてエンジンとそれ以外の動力源との使い分けを行う。

例えば、アイドリング時の不必要な燃料消費を抑制するために、信号にて停車した場合等に内燃機関を停止させ、アクセルオンやブレーキオフ等の運転者による発進の意思を感知した場合に、回転発電電動機にて内燃機関の再始動等を行うアイドルストップと呼ばれる技術がある。

このような車両に搭載される回転発電電動機は、エンジンにトルクを授受可能な形態で搭載されるので、運転者のアクセル操作やエンジンのフリクションの影響等により回転速度が大きく変化する。そのため、エンジンの回転速度によらず回転発電電動機の誘起電圧を制御可能な形態として、回転子に永久磁石を内蔵したものではなく、界磁電流にて制御可能な界磁巻線式が採用されてきた。

車両に搭載した回転発電電動機を発電機として使用する場合、結合しているエンジンには、発電量に応じた発電トルクが発生し、回転速度を一定とすると発電量が大きいほど発電トルクも増大する。そのため、スタータによるエンジン始動直後は、発電量が大きく、発生する発電トルクも大きくなるので、始動直後にエンジンストールを引き起こす可能性がある。また、負荷変動による発電トルクの増加がアイドリング時に発生すると、エンジンの出力トルクが低いので、エンジンストールを引き起こす可能性がある。

そこで、エンジンストールを防止するために、発電時のエンジンへの発電負荷トルクを推定し、発電負荷トルクが所定の値となるように、回転電機の界磁巻線電流を制御する界磁巻線式同期発電電動機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

なお、特許文献１には、発電電圧制御と発電トルク制御との選択に関して、具体的な条件が示されていないところ、発電電圧制御および発電トルク制御の何れかを、外部からの指令または電力変換器の負荷に応じて選択することにより、発電トルクの変動の抑制や過剰な発電を防止することができる電力変換器の制御装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−８１７０９号公報 特開２０１１−１６６９１０号公報

一般に、車両に搭載された発電機は、発電機と電気的に接続された電源の電圧を所定値にするように発電電圧制御を行っている。
しかしながら、特許文献２において、発電電圧を制御するモードでは、発電電圧指令に基づいて発電機の発電電圧を発電電圧指令に追従するように制御するので、発電機で発生する発電トルクは、全く制御されておらず、発電量に依存した状態である。その結果、エンジン始動後等エンジン出力が安定していない状態やエンジン出力トルクの小さいアイドリングでは、エンジンストールを引き起こす可能性がある。

また、発電トルクを制御するモードでは、所望の発電トルクを発生するように、発電トルク指令と回転速度およびＢ端子電圧とに応じて界磁電流を演算し、界磁コイルに所望の界磁電流を通電することで所望の発電トルクを発生させている。そのため、発電機で発生する発電電圧は、全く制御されておらず、発電量に依存した状態であり、発電トルクが大きければ、過電圧を引き起こす可能性がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、界磁巻線を有する界磁巻線式同期発電電動機において、発電電圧制御の制御出力と発電トルク制御の制御出力との最小値を出力することで、発電電圧または発電トルクの上限を制限し、発電時の過電圧または過剰なトルクの発生を防止することができる電力変換器の制御装置および制御方法を得ることを目的とする。

この発明に係る電力変換器の制御装置は、電機子巻線と界磁巻線とを有する多相交流発電電動機に接続されて用いられる電力変換器の制御装置であって、電力変換部と、電力変換部のスイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御装置と、を備え、電力変換部は、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て電機子巻線の通電制御を行うブリッジ回路と、界磁スイッチング素子を用いて界磁巻線の通電制御を行う界磁回路と、を有し、制御装置は、多相交流発電電動機の電力の入出力端子であるＢ端子と基準電位との間に発生するＢ端子電圧を検出するＢ端子電圧検出部と、界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出部と、多相交流発電電動機の回転速度を検出する回転速度演算部と、多相交流発電電動機のＢ端子電圧が発電電圧指令に一致するように界磁電流を制御する発電電圧制御部と、多相交流発電電動機の発電トルクが発電トルク指令に一致するように、Ｂ端子電圧および回転速度に基づいて、界磁電流を制御する発電トルク制御部と、発電電圧制御部の制御出力および発電トルク制御部の制御出力の何れか一方を選択する制御選択部と、界磁電流が制御選択部の出力に一致するように界磁電流を制御する界磁電流制御部と、Ｂ端子電圧と多相交流発電電動機の発電動作時の発電電圧の下限値との大小を比較する大小比較部と、発電電圧制御部に入力される指令値を、外部からの発電電圧指令、または発電電圧の下限値の何れかに切り換える第１切り換え部と、を有し、制御選択部は、発電電圧制御部の制御出力と発電トルク制御部の制御出力との最小値を選択して出力する最小値選択部と、大小比較部の出力に応じて、最小値選択部の出力と発電電圧制御部の制御出力との何れかを切り換えて出力する第２切り換え部と、を含み、Ｂ端子電圧が、発電電圧の下限値よりも大きい場合には、第１切り換え部は、発電トルク制御部の演算を有効にするとともに、第２切り換え部は、発電電圧制御部の制御出力と発電トルク制御部の制御出力との最小値を出力とし、Ｂ端子電圧が、発電電圧の下限値よりも小さい場合には、第１切り換え部は、発電トルク制御部の演算を無効にするとともに、第２切り換え部は、Ｂ端子電圧と発電電圧の下限値とを入力とした発電電圧制御部の制御出力を出力とするものである。

この発明に係る電力変換器の制御方法は、電機子巻線と界磁巻線とを有する多相交流発電電動機に接続されて用いられる電力変換器の制御方法であって、多相交流発電電動機の電力の入出力端子であるＢ端子と基準電位との間に発生するＢ端子電圧を検出するＢ端子電圧検出ステップと、界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出ステップと、多相交流発電電動機の回転速度を検出する回転速度演算ステップと、多相交流発電電動機のＢ端子電圧が発電電圧指令に一致するように界磁電流を制御する発電電圧制御ステップと、多相交流発電電動機の発電トルクが発電トルク指令に一致するように、Ｂ端子電圧および回転速度に基づいて、界磁電流を制御する発電トルク制御ステップと、発電電圧制御ステップの制御出力および発電トルク制御ステップの制御出力の何れか一方を選択する制御選択ステップと、界磁電流が制御選択ステップの出力に一致するように界磁電流を制御する界磁電流制御ステップと、を有するとともに、Ｂ端子電圧と多相交流発電電動機の発電動作時の発電電圧の下限値との大小を比較する大小比較ステップと、発電電圧制御ステップにおける指令値を、外部からの発電電圧指令、または発電電圧の下限値の何れかに切り換える第１切り換えステップと、をさらに有し、制御選択ステップは、発電電圧制御ステップの制御出力と発電トルク制御ステップの制御出力との最小値を選択して出力する最小値選択ステップを含むとともに、大小比較ステップの出力に応じて、最小値選択ステップの出力と発電電圧制御ステップの制御出力との何れかを切り換えて出力する第２切り換えステップをさらに含み、Ｂ端子電圧が、発電電圧の下限値よりも大きい場合には、第１切り換えステップは、発電トルク制御ステップの演算を有効にするとともに、第２切り換えステップは、発電電圧制御ステップの制御出力と発電トルク制御ステップの制御出力との最小値を出力とし、Ｂ端子電圧が、発電電圧の下限値よりも小さい場合には、第１切り換えステップは、発電トルク制御ステップの演算を無効にするとともに、第２切り換えステップは、Ｂ端子電圧と発電電圧の下限値とを入力とした発電電圧制御ステップの制御出力を出力とするものである。

この発明に係る電力変換器の制御装置および制御方法によれば、制御選択部は、多相交流発電電動機のＢ端子電圧が発電電圧指令に一致するように界磁電流を制御する発電電圧制御部の制御出力と、多相交流発電電動機の発電トルクが発電トルク指令に一致するように、Ｂ端子電圧および回転速度に基づいて、界磁電流を制御する発電トルク制御部の制御出力との最小値を選択して出力する。
そのため、界磁巻線を有する界磁巻線式同期発電電動機において、発電電圧制御の制御出力と発電トルク制御の制御出力との最小値を出力することで、発電電圧または発電トルクの上限を制限し、発電時の過電圧または過剰なトルクの発生を防止することができる。

回転電機として界磁巻線式発電電動機を車両に搭載した車両システムの全体説明図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用電力変換器の制御装置を備えた発電電動機の構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るマイコン制御の要部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るマイコンの動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係るマイコン制御の要部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２に係るマイコンの動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係るマイコン制御の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３に係るマイコンの動作を示すフローチャートである。

以下、この発明に係る電力変換器の制御装置および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が、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、回転電機として界磁巻線式発電電動機を車両に搭載した車両システムの全体説明図である。図２は、この発明の実施の形態１に係る車両用電力変換器の制御装置を備えた発電電動機の構成を示す構成図である。図３は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の制御装置の構成を示すブロック図である。

図１において、内燃機関１０１が発電電動機１０２に、例えばベルト等の動力伝達部１０４を介して接続され、内燃機関１０１の運転中に、バッテリ（またはキャパシタ）１０３は、発電電動機１０２により交直変換された電気エネルギーを充電する。

図２において、発電電動機１０２は、電力変換装置１１０とモータジェネレータ部２００とにより構成されており、電力変換装置１１０は、電力変換部２２０とスイッチング素子のオン・オフ制御等を行う制御装置２１０とからなる。

電力変換部２２０は、界磁巻線２０２に流れる界磁電流をＰＷＭ制御するための界磁スイッチング素子２２１、この界磁スイッチング素子２２１に直列接続されたフリーホイールダイオード２２２、寄生ダイオードを内蔵した三相上アームスイッチング素子２２３ａ、２２３ｂ、２２３ｃ、および同じく寄生ダイオードを内蔵した三相下アームスイッチング素子２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃから構成されている。

また、三相上アームスイッチング素子２２３ａ〜２２３ｃは、バッテリ１０３からのプラス電源入力のＢ端子と、モータジェネレータ部２００の三相巻線２０１の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相端子とに接続され、三相下アームスイッチング素子２２４ａ〜２２４ｃは、バッテリ１０３からのアース入力であるＧＮＤ端子と、三相巻線２０１の各Ｕ、Ｖ、Ｗ相端子とに接続されている。

なお、図２は、モータジェネレータ部２００を三相巻線２０１と界磁巻線２０２とを有する三相界磁巻線方式発電電動機としているが、巻線方式や相数が異なっていてもよい。さらに、発電電動機１０２は、電力変換装置１１０とモータジェネレータ部２００とが一体となった一体構造式発電電動機としているが、電力変換装置１１０とモータジェネレータ部２００とが物理的に分割された別体構造式発電電動装置であっても構わない。

次に、制御装置２１０の内部構成を示す図３について説明する。制御装置２１０は、Ｂ端子電圧検出部３０１、界磁電流検出部３０２、マイコン３０３およびゲートドライバ３０４を有している。また、マイコン３０３は、回転速度演算部３０５、発電電圧制御部３０６、発電トルク制御部３０７、制御選択部３０８および界磁電流制御部３０９を含んでいる。制御装置２１０およびマイコン３０３は、図３に記載以外にも車両用電力変換器のさまざまな機能を有するが、ここではこの発明に関係する部分のみ記載する。

Ｂ端子電圧検出部３０１は、電力変換部２２０の負極側端子ＧＮＤの電位を基準とし、正極側端子Ｂの電圧ＶＢ（以下、「Ｂ端子電圧」と称する）を検出し、マイコンのＡＤ入力範囲に変換し、マイコン３０３に入力する。界磁電流検出部３０２は、界磁巻線２０２に流れる電流Ｉｆを電流センサ２０３にて検出し、センサ値である電圧値をマイコンのＡＤ入力範囲に変換し、マイコン３０３に入力する。

回転速度演算部３０５は、発電電動機１０２の回転速度を検出する。発電電圧制御部３０６は、発電電動機１０２の発電電圧を制御する。発電トルク制御部３０７は、発電電動機１０２で発生する発電トルクを制御する。制御選択部３０８は、発電電圧制御部３０６の制御出力と発電トルク制御部３０７の制御出力を選択する。界磁電流制御部３０９は、発電電動機１０２の界磁電流を制御する。

ゲートドライバ３０４では、マイコン３０３にて決定されたゲート信号に基づき、電力変換部２２０のスイッチング素子２２１、２２３、２２４のゲート操作を行い、スイッチングを行う。

発電動作時に、マイコン３０３は、発電電動機１０２の動作に応じて界磁電流の通電制御を行い、所望の発電電圧や発電トルクとなるように、ゲートドライバ３０４にＰＷＭ信号を出力している。

例えば、発電電動機１０２の発電電圧を制御するモードでは、入出力端子であるＢ端子の電圧（Ｂ端子電圧）が、発電電圧指令となるように制御するために、発電電圧制御部３０６では、発電電圧指令ＶＢｒｅｆとＢ端子電圧ＶＢｓｉｇとにより電圧フィードバック制御を行い、界磁電流指令Ｉｆｒｅｆの演算を行う。

制御選択部３０８を通過して界磁電流制御部３０９に入力された界磁電流指令Ｉｆｒｅｆに対して、界磁電流制御部３０９は、界磁電流検出部３０２で検出された界磁電流Ｉｆをフィードバック制御して界磁電流指令Ｉｆｒｅｆに追従するＰＷＭ信号を出力し、ゲートドライバ３０４にてＰＷＭ信号に基づき界磁スイッチング素子２２１のオン・オフを行って界磁電流を通電することで、発電電圧が発電電圧指令ＶＢｒｅｆに追従するように制御を行っている。

また、発電電動機１０２の発電トルクを制御するモードでは、発電トルクが発電トルク指令となるように界磁電流を通電するために、発電トルク制御部３０７では、発電トルク指令ＴＲＱｒｅｆに応じた界磁電流指令Ｉｆｒｅｆを、発電トルク指令ＴＲＱｒｅｆ、回転速度演算部３０５から出力される回転速度ＮｍｇｓｉｇおよびＢ端子電圧ＶＢｓｉｇから演算する。

制御選択部３０８を通過して界磁電流制御部３０９に入力された界磁電流指令Ｉｆｒｅｆに対して、界磁電流制御部３０９は、界磁電流検出部３０２で検出された界磁電流Ｉｆをフィードバック制御して界磁電流指令Ｉｆｒｅｆに追従するＰＷＭ信号を出力し、ゲートドライバ３０４にてＰＷＭ信号に基づき界磁スイッチング素子２２１のオン・オフを行って界磁電流を通電することで、発電トルクが発電トルク指令ＴＲＱｒｅｆに追従するように制御を行っている。

このようにして、マイコン３０３では、発電電圧制御部３０６や発電トルク制御部３０７にて発電電圧や発電トルクを所望の値となるように制御を行えばよく、他の公知の技術を用いてもよい。

図４に示すように、制御選択部３０８は、発電電圧制御部３０６および発電トルク制御部３０７の制御出力を入力し、何れか一方の出力を選択するものである。この発明の実施の形態１に係る制御選択部３０８は、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２とを最小値選択部４０１に入力し、何れかの最小値を出力する。

例えば、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１が、発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２よりも小さければ、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１が最小値選択部４０１の出力となり、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１で発電電動機１０２は動作する。すなわち、この場合、発電電動機１０２は、発電電圧指令ＶＢｒｅｆに追従するようにＢ端子電圧ＶＢｓｉｇが制御される。

これに対して、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１が、発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２よりも大きければ、発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２が最小値選択部４０１の出力となり、発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２で発電電動機１０２は動作し、発電トルク指令ＴＲＱｒｅｆに追従するように動作する。すなわち、発電電動機１０２は、発電トルク指令ＴＲＱｒｅｆに基づいた発電トルクを発生することになる。

このように、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２との最小値を出力することにより、発電電圧制御時に発生する発電トルクの上限値を設定することができる。そのため、発電電動機１０２の発電動作時に許容する発電トルクを設定することで、発電電圧制御時に、発電トルクを抑制したい値に制限することができ、設定した発電トルク以上の発電トルクになれば、発電トルクを抑制するように発電電動機１０２を動作する。

逆も同様に、発電トルク制御時に発生する発電電圧の上限値を設定することができる。そのため、発電電動機１０２の発電動作時に許容する発電電圧を設定することで、発電トルク制御時に、発電電圧を抑制したい値に制限することができ、設定した発電電圧以上のＢ端子電圧になれば、発電電圧を抑制するように発電電動機１０２を動作する。

図５は、この発明の実施の形態１に係るマイコン３０３の動作を示すフローチャートである。まず、発電電圧制御部３０６は、発電電圧指令ＶＢｒｅｆとＢ端子電圧ＶＢｓｉｇとから、界磁電流を制御する制御出力ＳＩＧ１を演算する（ステップＳ１０１）。

続いて、発電トルク制御部３０７は、発電トルク指令ＴＲＱｒｅｆ、回転速度およびＢ端子電圧ＶＢｓｉｇから、界磁電流を制御する制御出力ＳＩＧ２を演算する（ステップＳ１０２）。

次に、最小値選択部４０１は、発電電圧制御部３０６からの制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７からの制御出力ＳＩＧ２とを比較し、最小値を界磁電流指令Ｉｆｒｅｆとして出力し（ステップＳ１０３）、図５の処理を終了する。

このように、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２との最小値を選択することで、発電電動機１０２について、発電電圧制御時の発電トルクの上限制限や発電トルク制御時の発電電圧の上限制限を行うことができ、過剰な発電電圧や発電トルクの発生を防止することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、制御選択部は、多相交流発電電動機のＢ端子電圧が発電電圧指令に一致するように界磁電流を制御する発電電圧制御部の制御出力と、多相交流発電電動機の発電トルクが発電トルク指令に一致するように、Ｂ端子電圧および回転速度に基づいて、界磁電流を制御する発電トルク制御部の制御出力との最小値を選択して出力する。
そのため、界磁巻線を有する界磁巻線式同期発電電動機において、発電電圧制御の制御出力と発電トルク制御の制御出力とを並列に演算し、その最小値を出力することで、発電電圧または発電トルクの上限を制限し、発電時の過電圧または過剰なトルクの発生を防止することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２との最小値を選択することで、発電時の過電圧や過剰トルクを抑制している。しかしながら、発電トルク制御モードにおいて、発電トルクの小さな状態で発電を継続すると、発電電動機１０２の供給電力以上に負荷が大きくなり、発電電圧が低下して低電圧となる可能性がある。

そこで、この実施の形態２では、発電電圧が低電圧となることを防止する方法について説明する。なお、この実施の形態２では、上記実施の形態１との差異について説明し、実施の形態１と同様の構成および動作については、説明を省略する。

図６は、この発明の実施の形態２に係るマイコン制御の要部構成を示すブロック図である。図６において、制御選択部３０８Ａは、最小値選択部４０１と最大値選択部４０２とを有している。最小値選択部４０１は、実施の形態１と同様に、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２との最小値を出力する。

最大値選択部４０２は、最小値選択部４０１の出力と、発電電動機１０２の発電電圧の下限値およびＢ端子電圧から演算した発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ３とを入力とし、その最大値を出力する。なお、発電電圧の下限値は、発電電動機１０２の発電電圧の下限値を設定してもよいし、発電トルク制御時に最低限維持したい発電電圧を設定してもよい。

例えば、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１が、発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２よりも大きければ、発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２が最小値選択部４０１の出力となる。さらに、発電電圧の下限値を維持する制御出力ＳＩＧ３が発電電圧制御部３０６により演算され、最小値選択部４０１の出力と最大値選択部４０２で比較され、最大値が出力される。

すなわち、発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２が、発電電圧制御部３０６で演算された発電電圧の下限値を維持する制御出力ＳＩＧ３よりも大きければ、発電トルク制御を維持する。これに対して、発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２が、発電電圧制御部３０６で演算された発電電圧の下限値を維持する制御出力ＳＩＧ３よりも小さければ、発電電圧の下限値を維持するように制御装置が動作する。

図７は、この発明の実施の形態２に係るマイコン３０３の動作を示すフローチャートである。まず、発電電圧制御部３０６は、発電電圧指令ＶＢｒｅｆとＢ端子電圧ＶＢｓｉｇとから、界磁電流を制御する制御出力ＳＩＧ１を演算する（ステップＳ２０１）。

続いて、発電トルク制御部３０７は、発電トルク指令ＴＲＱｒｅｆ、回転速度およびＢ端子電圧ＶＢｓｉｇから、界磁電流を制御する制御出力ＳＩＧ２を演算する（ステップＳ２０２）。

次に、発電電圧制御部３０６は、発電電圧下限値ＶＢｍｉｎとＢ端子電圧ＶＢｓｉｇとから、界磁電流を制御する制御出力ＳＩＧ３を演算する（ステップＳ２０３）。

続いて、最小値選択部４０１は、発電電圧制御部３０６からの制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７からの制御出力ＳＩＧ２とを比較し、最小値を出力する（ステップＳ２０４）。

次に、最大値選択部４０２は、最小値選択部４０１の出力と発電電圧制御部３０６からの制御出力ＳＩＧ３とを比較し、最大値を界磁電流指令Ｉｆｒｅｆとして出力し（ステップＳ２０５）、図７の処理を終了する。

以上のように、実施の形態２によれば、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２との最小値と、発電電圧の下限値を維持する発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ３との最大値を出力することにより、発電トルク制御時に発生する発電電圧の上限値と下限値とを設定することができる。そのため、発電電動機１０２について、発電トルク制御時に発電電圧の上下限範囲で発電トルク制御を行うことができ、発電電圧の低電圧や過電圧の発生を防止することができる。

なお、上記実施の形態２では、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２との最小値を演算してから、発電電圧制御部３０６で発電電圧下限値ＶＢｍｉｎから演算した制御出力ＳＩＧ３と最小値選択部４０１の出力との最大値を演算しているが、これに限定されない。発電電圧制御部３０６で発電電圧下限値ＶＢｍｉｎから演算した制御出力ＳＩＧ３と、発電トルク制御部３０７の制御出力の最大値とを演算し、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と比較して、その最小値を出力する構成にしても同様の結果を得ることができる。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２との最小値を選択し、さらに発電電圧の下限値およびＢ端子電圧から発電電圧制御部３０６で制御出力ＳＩＧ３を演算し、最小値選択部４０１の出力と比較して最大値を出力している。そのため、マイコン３０３での演算量が多くなるという問題がある。

そこで、この実施の形態３では、マイコンでの演算量を削減する方法について説明する。具体的には、マイコンの演算量を削減するためにＢ端子電圧に応じて演算内容の切り替えを行い、マイコンでの演算負荷を低減する方法について説明する。

図８は、この発明の実施の形態３に係るマイコン制御の構成を示すブロック図である。図８において、マイコン３０３Ａは、大小比較部３１０、第１切り換え部３１１、回転速度演算部３０５、発電電圧制御部３０６、発電トルク制御部３０７、制御選択部３０８Ｂ、界磁電流制御部３０９を含んでいる。また、選択制御部３０８Ｂは、最小値選択部４０１および第２切り換え部４０３を有している。

大小比較部３１０は、Ｂ端子電圧ＶＢｓｉｇと発電電圧下限値ＶＢｍｉｎとを比較し、発電電圧下限値ＶＢｍｉｎよりもＢ端子電圧ＶＢｓｉｇが大きければ１を出力し、発電電圧下限値ＶＢｍｉｎよりもＢ端子電圧ＶＢｓｉｇが小さければ０を出力する。

第１切り換え部３１１は、発電電圧指令ＶＢｒｅｆと発電電圧下限値ＶＢｍｉｎとを入力とし、大小比較部３１０の出力に応じて出力の切り換えを行う。すなわち、大小比較部３１０の出力が１（ＶＢｍｉｎ≦ＶＢｓｉｇ）の場合には、第１切り換え部３１１は、発電電圧指令ＶＢｒｅｆを出力とする。一方、大小比較部３１０の出力が０（ＶＢｍｉｎ＞ＶＢｓｉｇ）の場合には、第１切り換え部３１１は、発電電圧下限値ＶＢｍｉｎを出力とする。

発電電圧制御部３０６は、第１切り換え部３１１の出力を目標値として、Ｂ端子電圧ＶＢｓｉｇが追従するような界磁電流指令Ｉｆｒｅｆを演算する。発電トルク制御部３０７は、発電トルク指令ＴＲＱｒｅｆ、Ｂ端子電圧ＶＢｓｉｇおよび回転速度演算部３０５から出力される回転速度Ｎｍｇｓｉｇから、界磁電流指令Ｉｆｒｅｆを演算する。

なお、発電トルク制御部３０７は、大小比較部３１０の出力に応じて演算実行判定を行っており、大小比較部３１０の出力が１（ＶＢｍｉｎ≦ＶＢｓｉｇ）の場合には、制御出力ＳＩＧ２を演算し、大小比較部３１０の出力が０（ＶＢｍｉｎ＞ＶＢｓｉｇ）の場合には、制御出力ＳＩＧ２を演算しない。

最小値選択部４０１は、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２とを比較し、最小値を出力する。なお、最小値選択部４０１は、大小比較部３１０の出力に応じて演算実行判定を行っており、大小比較部３１０の出力が１（ＶＢｍｉｎ≦ＶＢｓｉｇ）の場合には、最小値を演算し、大小比較部３１０の出力が０（ＶＢｍｉｎ＞ＶＢｓｉｇ）の場合には、最小値を演算しない。

第２切り換え部４０３は、大小比較部３１０の出力に応じて、最小値選択部４０１の出力と発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１との何れかを出力する。すなわち、大小比較部３１０の出力が１（ＶＢｍｉｎ≦ＶＢｓｉｇ）の場合には、第２切り換え部４０３は、最小値選択部４０１の出力を出力とする。このとき、発電電圧制御部３０６では、発電電圧指令ＶＢｒｅｆを目標値として制御出力ＳＩＧ１が演算されている。

一方、大小比較部３１０の出力が０（ＶＢｍｉｎ＞ＶＢｓｉｇ）の場合には、第２切り換え部４０３は、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１を出力する。このとき、発電電圧制御部３０６では、発電電圧下限値ＶＢｍｉｎを目標値として制御出力ＳＩＧ１が演算されており、Ｂ端子電圧ＶＢｓｉｇが発電電圧下限値ＶＢｍｉｎ以下にならないように制御される。

図９は、この発明の実施の形態２に係るマイコン３０３の動作を示すフローチャートである。まず、大小比較部３１０は、Ｂ端子電圧ＶＢｓｉｇと発電電圧下限値ＶＢｍｉｎとを比較し、Ｂ端子電圧ＶＢｓｉｇが発電電圧下限値ＶＢｍｉｎよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３０１）。

ステップＳ３０１において、Ｂ端子電圧ＶＢｓｉｇが発電電圧下限値ＶＢｍｉｎよりも大きい（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、発電電圧制御部３０６は、発電電圧指令ＶＢｒｅｆを目標値として、界磁電流を制御する制御出力ＳＩＧ１を演算する（ステップＳ３０２）。

続いて、発電トルク制御部３０７は、発電トルク指令ＴＲＱｒｅｆ、Ｂ端子電圧ＶＢｓｉｇおよび発電電動機１０２の回転速度Ｎｍｇｓｉｇから、界磁電流を制御する制御出力ＳＩＧ２を演算する（ステップＳ３０３）。

次に、制御選択部３０８Ｂは、最小値選択部４０１から出力された、発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２との最小値を、制御選択部３０８Ｂの出力として（ステップＳ３０４）、図９の処理を終了する。

一方、ステップＳ３０１において、Ｂ端子電圧ＶＢｓｉｇが発電電圧下限値ＶＢｍｉｎ以下である（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、制御選択部３０８Ｂは、発電電圧制御部３０６において、発電電圧下限値ＶＢｍｉｎとＢ端子電圧ＶＢｓｉｇとから、界磁電流を制御する制御出力ＳＩＧ３を演算し、制御選択部３０８Ｂの出力として（ステップＳ３０５）、図９の処理を終了する。

以上のように、実施の形態３によれば、発電電圧下限値ＶＢｍｉｎとＢ端子電圧ＶＢｓｉｇとに応じて演算内容を切り換えることで、マイコン３０３Ａの演算量を削減して、マイコン３０３Ａでの演算負荷を低減することができる。

このように、発電電圧指令ＶＢｒｅｆに応じた発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ１と、発電トルク指令ＴＲＱｒｅｆに応じた発電トルク制御部３０７の制御出力ＳＩＧ２との最小値を選択することにより、発電電圧または発電トルクの一方に上限値を設定することができ、発電時の過電圧または過剰なトルクの発生を防止することができる。

さらに、発電電圧下限値ＶＢｍｉｎから演算した発電電圧制御部３０６の制御出力ＳＩＧ３と、最小値選択部４０１の出力との最大値を制御出力とすることで、発電電圧の下限値を設定することができ、発電時の過電圧および低電圧または過剰なトルクの発生を防止することができる。
さらに、Ｂ端子電圧ＶＢｓｉｇに応じて制御を切り換えることで、マイコン３０３Ａでの演算負荷を低減することができる。

なお、上記実施の形態１〜３では、発電電圧制御部３０６および発電トルク制御部３０７の制御出力を界磁電流指令Ｉｆｒｅｆで表しているが、これに限定されず、界磁コイルに印加するＰＷＭのＤＵＴＹ比であってもよい。この場合には、制御選択部３０８の出力が界磁コイルに印加するＰＷＭ信号となるので、制御選択部３０８の出力をゲートドライバに入力すればよい。

１０１ 内燃機関、１０２ 発電電動機、１０３ バッテリ、１０４ 動力伝達部、１１０ 電力変換装置、２００ モータジェネレータ部、２０１ 三相巻線、２０２ 界磁巻線、２０３ 電流センサ、２１０ 制御装置、２２０ 電力変換部、２２１ 界磁スイッチング素子、２２２ フリーホイールダイオード、２２３ａ〜２２３ｃ 三相上アームスイッチング素子、２２４ａ〜２２４ｃ 三相下アームスイッチング素子、３０１ Ｂ端子電圧検出部、３０２ 界磁電流検出部、３０３、３０３Ａ マイコン、３０４ ゲートドライバ、３０５ 回転速度演算部、３０６ 発電電圧制御部、３０７ 発電トルク制御部、３０８、３０８Ａ、３０８Ｂ 制御選択部、３０９ 界磁電流制御部、３１０ 大小比較部、３１１ 第１切り換え部、４０１ 最小値選択部、４０２ 最大値選択部、４０３ 第２切り換え部。

Claims (2)

1. 電機子巻線と界磁巻線とを有する多相交流発電電動機に接続されて用いられる電力変換器の制御装置であって、
   電力変換部と、
   前記電力変換部のスイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御装置と、を備え、
   前記電力変換部は、
   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て前記電機子巻線の通電制御を行うブリッジ回路と、
   界磁スイッチング素子を用いて前記界磁巻線の通電制御を行う界磁回路と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記多相交流発電電動機の電力の入出力端子であるＢ端子と基準電位との間に発生するＢ端子電圧を検出するＢ端子電圧検出部と、
   前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出部と、
   前記多相交流発電電動機の回転速度を検出する回転速度演算部と、
   前記多相交流発電電動機の前記Ｂ端子電圧が発電電圧指令に一致するように前記界磁電流を制御する発電電圧制御部と、
   前記多相交流発電電動機の発電トルクが発電トルク指令に一致するように、前記Ｂ端子電圧および前記回転速度に基づいて、前記界磁電流を制御する発電トルク制御部と、
   前記発電電圧制御部の制御出力および前記発電トルク制御部の制御出力の何れか一方を選択する制御選択部と、
   前記界磁電流が前記制御選択部の出力に一致するように前記界磁電流を制御する界磁電流制御部と、
   前記Ｂ端子電圧と前記多相交流発電電動機の発電動作時の発電電圧の下限値との大小を比較する大小比較部と、
   前記発電電圧制御部に入力される指令値を、外部からの発電電圧指令、または前記発電電圧の下限値の何れかに切り換える第１切り換え部と、を有し、
   前記制御選択部は、
   前記発電電圧制御部の制御出力と前記発電トルク制御部の制御出力との最小値を選択して出力する最小値選択部と、
   前記大小比較部の出力に応じて、前記最小値選択部の出力と前記発電電圧制御部の制御出力との何れかを切り換えて出力する第２切り換え部と、を含み、
   前記Ｂ端子電圧が、前記発電電圧の下限値よりも大きい場合には、前記第１切り換え部は、前記発電トルク制御部の演算を有効にするとともに、前記第２切り換え部は、前記発電電圧制御部の制御出力と前記発電トルク制御部の制御出力との最小値を出力とし、
   前記Ｂ端子電圧が、前記発電電圧の下限値よりも小さい場合には、前記第１切り換え部は、前記発電トルク制御部の演算を無効にするとともに、前記第２切り換え部は、前記Ｂ端子電圧と前記発電電圧の下限値とを入力とした前記発電電圧制御部の制御出力を出力とする
   ことを特徴とする電力変換器の制御装置。
2. 電機子巻線と界磁巻線とを有する多相交流発電電動機に接続されて用いられる電力変換器の制御方法であって、
   前記多相交流発電電動機の電力の入出力端子であるＢ端子と基準電位との間に発生するＢ端子電圧を検出するＢ端子電圧検出ステップと、
   前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出ステップと、
   前記多相交流発電電動機の回転速度を検出する回転速度演算ステップと、
   前記多相交流発電電動機の前記Ｂ端子電圧が発電電圧指令に一致するように前記界磁電流を制御する発電電圧制御ステップと、
   前記多相交流発電電動機の発電トルクが発電トルク指令に一致するように、前記Ｂ端子電圧および前記回転速度に基づいて、前記界磁電流を制御する発電トルク制御ステップと、
   前記発電電圧制御ステップの制御出力および前記発電トルク制御ステップの制御出力の何れか一方を選択する制御選択ステップと、
   前記界磁電流が前記制御選択ステップの出力に一致するように前記界磁電流を制御する界磁電流制御ステップと、を有するとともに、
   前記Ｂ端子電圧と前記多相交流発電電動機の発電動作時の発電電圧の下限値との大小を比較する大小比較ステップと、
   前記発電電圧制御ステップにおける指令値を、外部からの発電電圧指令、または前記発電電圧の下限値の何れかに切り換える第１切り換えステップと、をさらに有し、
   前記制御選択ステップは、
   前記発電電圧制御ステップの制御出力と前記発電トルク制御ステップの制御出力との最小値を選択して出力する最小値選択ステップを含むとともに、
   前記大小比較ステップの出力に応じて、前記最小値選択ステップの出力と前記発電電圧制御ステップの制御出力との何れかを切り換えて出力する第２切り換えステップをさらに含み、
   前記Ｂ端子電圧が、前記発電電圧の下限値よりも大きい場合には、前記第１切り換えステップは、前記発電トルク制御ステップの演算を有効にするとともに、前記第２切り換えステップは、前記発電電圧制御ステップの制御出力と前記発電トルク制御ステップの制御出力との最小値を出力とし、
   前記Ｂ端子電圧が、前記発電電圧の下限値よりも小さい場合には、前記第１切り換えステップは、前記発電トルク制御ステップの演算を無効にするとともに、前記第２切り換えステップは、前記Ｂ端子電圧と前記発電電圧の下限値とを入力とした前記発電電圧制御ステップの制御出力を出力とする
   ことを特徴とする電力変換器の制御方法。

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