JP7114968B2 - 電動機駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、２台のインバータで電動機を駆動する電動機駆動装置に関する。

従来、交流電動機のオープン巻線の両端にそれぞれ接続された２台のインバータの出力により交流電動機を駆動する技術が知られている。例えば特許文献１に開示されたインバータ装置は、２電源２インバータの電気回路構成において、互いに逆極性となる第１のインバータの出力と第２のインバータの出力とを合成する。

また、従来、２つの直流電源の一方から他方へ電力を移動させる技術が知られている。例えば特許文献２に開示された電力変換装置は、２電源及び単一インバータの電気回路構成において、インバータの共通の下アームに対し、一方の電源である燃料電池に接続された上アームと、他方の電源である二次電池に接続された上アームとが並列に接続されている。燃料電池及び二次電池から供給される電力は、分配目標値にしたがって制御される。

特許第３３５２１８２号公報 特開２００７－１４１８５号公報

特許文献１には、２電源２インバータの電気回路構成での基本的な制御概念が記載されているに過ぎず、２つの電源間の電力移送や分配に関する言及は一切無い。

特許文献２には、一方の電源から他方の電源に電力移送する技術が開示されているが、例えばハイブリッド車両の主機モータ駆動装置に適用された場合、走行中にモータ力行、回生電力に対する各インバータの分担電力量を変えることについては言及されていない。特許文献２の技術は一方向の充放電制御が前提となっており、車両走行中のＳＯＣ枯渇や電池劣化を防ぐことは困難である。また、その充放電を実現するには、トルクや回転数に加え、電力を考慮したｄｑ軸電流指令や補正ｄｑ軸電圧指令等、多くのパラメータが必要であるため、制御の複雑化を招き、安定してモータを駆動できないシーンが発生するおそれがある。

本発明は上述の課題に鑑みて創作されたものであり、その目的は、２電源２インバータの構成において、２つの電源から２台のインバータへ供給される電力の分配を適切に制御する電動機駆動装置を提供することにある。

本発明による電動機駆動装置は、２つの電源が個別に接続される２台のインバータを用いて、端点同士がオープンである２相以上の巻線（８１、８２、８３）を有する電動機（８０）の駆動を制御する。この電動機駆動装置は、第１インバータ（６０）と、第２インバータ（７０）と、制御部（２００）と、を備える。

第１インバータは、第１電源（１１）から直流電力が入力され、巻線の各相に対応して設けられる複数の第１スイッチング素子（６１～６６）を有し、巻線の一端に接続される。第２インバータは、第２電源（１２）から直流電力が入力され、巻線の各相に対応して設けられる複数の第２スイッチング素子（７１～７６）を有し、巻線の他端に接続される。

制御部は、トルク指令に基づき、第１インバータへの出力電圧指令である第１電圧指令を生成する第１インバータ制御回路（２０１）、及び、第２インバータへの出力電圧指令である第２電圧指令を生成する第２インバータ制御回路（２０２）、の２つのインバータ制御回路を有する。

いずれか一方のインバータ制御回路は、目標電力指令にしたがって、２つの電源から２台のインバータへ供給される電力の分配を制御する電力制御部（４０）を有する電力管理回路として設定され、他方のインバータ制御回路が電力制御部を有しない電力非管理回路として設定される。本発明では、２電源の電力分配量を管理し２電源間の電力を調整することで、電源のＳＯＣや電圧値を管理可能とする。したがって、一方の電源のＳＯＣ枯渇や電池劣化を適切に防止することができる。

電力管理回路はフィードフォワード制御によりｄｑ軸電圧指令を生成し、電力非管理回路はフィードバック制御によりｄｑ軸電圧指令を生成する。電力管理回路の電力制御部は、各インバータ制御回路のｄｑ軸電圧指令に基づき、電力管理回路のみのｄｑ軸電圧指令を調整する。

電力制御部は、電力管理回路側インバータの分担電力量が目標電力指令となるように、フィードフォワード制御側の電圧指令を調整する。電力管理回路側インバータの電力量が目標電力指令に近づくと、その変化に応じて、電力非管理回路は、実トルクがトルク指令に追従するように電圧指令をフィードバック制御する。その結果、電力非管理回路側インバータの電力量も所望の値となり、目標の電力分配が実現される。

本発明では、目標電力指令として、電力管理回路側のインバータに対する目標電力量、又は、２台のインバータに対する合計の目標電力量及び電力非管理回路側のインバータに対する目標電力量が指令される。電力制御部は、目標電力量の急変の影響を抑えるようにフィルタ処理する。電力制御部は、２台のインバータに対するフィルタ処理後の合計の目標電力量を２台のインバータへの合成電圧指令の電圧振幅（Ｖａｍｐ）で除して電力定数（ｋ）を算出し、電力非管理回路側のインバータに対するフィルタ処理後の目標電力量を電力定数で除した値を、２台のインバータへの合成電圧指令の電圧振幅から減じて、電力管理回路側のインバータに対する電圧指令の電圧振幅（Ｖａｍｐ２＃）を算出する。こうして電力制御部は、電力管理回路のｄｑ軸電圧指令を調整する。
なお、参考態様では、目標電力指令として、２台のインバータに対する目標電力分配比率が指令されてもよい。その場合、電力制御部は、目標電力分配比率の急変の影響を抑えるようにフィルタ処理し、フィルタ処理後の目標電力分配比率に応じて、電力管理回路のｄｑ軸電圧指令を調整する。

各実施形態の電動機駆動装置が適用されるシステムの全体構成図。 各実施形態の制御部の概略構成図。 電力制御部を除く制御部の構成を示す詳細ブロック図。 電力制御部の信号入出力を記した概略ブロック図。 電力制御部の信号入出力を記した詳細ブロック図。 電力制御部による電力分配処理のフローチャート。 電力制御部による電力分配の基本理論を説明する図。 第１実施形態の電力制御部のブロック図。 第２実施形態の電力制御部のブロック図。 第３実施形態の電力制御部のブロック図。

以下、電動機駆動装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。また、第１～第３実施形態を包括して「本実施形態」という。本実施形態の電動機駆動装置は、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、３相交流電動機であるＭＧの駆動を制御する装置である。実施形態中の「ＭＧ」及び「ＭＧ制御装置」は、「電動機」及び「電動機駆動装置」に相当する。

図１に、「２電源２インバータ」、すなわち、２つの電源１１、１２及び２台のインバータ６０、７０が用いられるシステムの全体構成を示す。ＭＧ８０は、Ｕ相巻線８１、Ｖ相巻線８２及びＷ相巻線８３を有する永久磁石式同期型の３相交流電動機である。ハイブリッド車両に適用される場合、ＭＧ８０は、駆動輪を駆動するためのトルクを発生する電動機としての機能、及び、エンジンや駆動輪から伝わる車両の運動エネルギにより駆動されて発電可能な発電機としての機能を有する。

本実施形態のＭＧ８０は、３相巻線８１、８２、８３の端点同士が結合されていないオープン巻線の構成である。第１インバータ６０の各相出力端子は、３相巻線８１、８２、８３の一端８１１、８２１、８３１に接続されており、第２インバータ７０の各相出力端子は、３相巻線８１、８２、８３の他端８１２、８２２、８３２に接続されている。回転角センサ８５は、レゾルバ等により構成され、ＭＧ８０の機械角θｍを検出する。機械角θｍは、制御部２００の電気角演算部８７で電気角θｅに換算される。

第１電源１１及び第２電源１２は、互いに絶縁された独立した２つの電源であり、それぞれがニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池や電気二重層キャパシタ等の充放電可能な蓄電装置である。例えば第１電源１１に出力型のリチウムイオン電池を用い、第２電源１２に容量型のリチウムイオン電池を用いるというような構成であってもよい。２台のインバータ６０、７０は、２つの電源１１、１２から個別に直流電力が入力される。第１電源１１は、第１インバータ６０を経由してＭＧ８０と電力を授受可能であり、第２電源１２は、第２インバータ７０を経由してＭＧ８０と電力を授受可能である。

ＭＧ８０は、第１インバータ６０を経由して第１電源１１から電力が供給され、第２インバータ７０を経由して第２電源１２から電力が供給される。３相巻線８１、８２、８３の第１インバータ６０側には、Ｕ相電圧ＶＵ１、Ｖ相電圧ＶＶ１、Ｗ相電圧ＶＷ１が印加される。３相巻線８１、８２、８３の第２インバータ７０側には、Ｕ相電圧ＶＵ２、Ｖ相電圧ＶＶ２、Ｗ相電圧ＶＷ２が印加される。

例えば第１インバータ６０からＭＧ８０への電力経路に、３相巻線８１、８２、８３に通電される相電流を検出する電流センサ８４が設けられる。図１の例では、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗが検出されるが、どの２相又は３相の電流が検出されてもよい。また、電流センサ８４は、第２インバータ７０からＭＧ８０への電力経路に設けられてもよく、第１インバータ６０及び第２インバータ７０の両方の経路に設けられてもよい。

第１コンデンサ１６は、高電位側配線Ｐ１と低電位側配線Ｎ１との間に接続され、第２コンデンサ１７は、高電位側配線Ｐ２と低電位側配線Ｎ２との間に接続される。第１電圧センサ１８は、第１電源１１から第１インバータ６０に入力される入力電圧ＶＨ１を検出する。第２電圧センサ１９は、第２電源１２から第２インバータ７０に入力される入力電圧ＶＨ２を検出する。

ＭＧ制御装置１００は、第１インバータ６０、第２インバータ７０、制御部２００及びドライブ回路６７、７７を備える。第１インバータ６０は、巻線８１、８２、８３の各相に対応して設けられ、ブリッジ接続される６つの第１スイッチング素子６１～６６を有する。スイッチング素子６１、６２、６３は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アームのスイッチング素子であり、スイッチング素子６４、６５、６６は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アームのスイッチング素子である。第２インバータ７０は、巻線８１、８２、８３の各相に対応して設けられ、ブリッジ接続される６つの第２スイッチング素子７１～７６を有する。スイッチング素子７１、７２、７３は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アームのスイッチング素子であり、スイッチング素子７４、７５、７６は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アームのスイッチング素子である。

各スイッチング素子６１～６６、７１～７６は、例えばＩＧＢＴで構成され、低電位側から高電位側へ向かう電流を許容する還流ダイオードが並列に接続されている。高電位側配線Ｐ１、Ｐ２と低電位側配線Ｎ１、Ｎ２との短絡を防止するため、各相の上アーム素子と下アーム素子とは、同時にオンせず、相補的にオンオフするように、すなわち、一方がオンのとき他方がオフするように制御される。

制御部２００は、マイコン等により構成され、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御部２００は、ＲＯＭ等の実体的なメモリ装置（すなわち、読み出し可能非一時的有形記録媒体）に予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理による制御を実行する。

制御部２００は、トルク指令ｔｒｑ^*及び検出値の情報に基づき、第１インバータ６０への出力電圧指令である第１電圧指令を生成する第１インバータ制御回路２０１、及び、第２インバータへの出力電圧指令である第２電圧指令を生成する第２インバータ制御回路２０２を有する。各インバータ制御回路２０１、２０２には、電気角θｅ、入力電圧ＶＨ１、ＶＨ２等の情報が入力される。後述のように本実施形態では、相電流Ｉｖ、Ｉｗは、少なくとも第１インバータ制御回路２０１にフィードバックされる。第１ドライブ回路６７は、第１インバータ制御回路２０１が生成した第１電圧指令に基づくゲート信号を第１インバータ６０へ出力する。第２ドライブ回路７７は、第２インバータ制御回路２０２が生成した第２電圧指令に基づくゲート信号を第２インバータ７０へ出力する。

図２に制御部２００の概略構成を示す。以下の図中、インバータを「ＩＮＶ」と記す。第１インバータ制御回路２０１及び第２インバータ制御回路２０２は、個別のマイコン内にそれぞれ設けられてもよく、共通の１つのマイコン内に設けられてもよい。各インバータ制御回路２０１、２０２は、２電源２インバータのシステムとして駆動するために、独立且つ協調した電圧指令を生成する。

制御部２００が取得する情報として、ＭＧ８０は共通であるため、角度（具体的には電気角θｅ）及び３相電流の検出値は共通でよい。ただし、第２インバータ制御回路２０２はフィードフォワード制御を行うため、実電流に基づいて電圧方程式を演算する場合を除き、３相電流の検出値を取得しなくてもよい。また、第２インバータ制御回路２０２が電流検出値を用いる場合を含めて言及すると、破線で示すように、電流センサ８４や回転角センサ８５が複数設けられ、各インバータ制御回路２０１、２０２が対応する検出値を取得してもよい。

例えば特許文献１（特許第３３５２１８２号公報）には、２電源２インバータの構成で電動機を駆動するインバータ装置が開示されている。しかし、２電源２インバータの構成において２つのインバータ制御回路が電圧指令を成り行きで制御すると、対応する各電源からの入出力電力も成り行きで決まってしまい、場合によっては、一方の電源のＳＯＣ枯渇や電池劣化につながるおそれがある。

そこで本実施形態の制御部２００は、２つのインバータ制御回路のうち一方が電力制御部４０を有する。図２の例では、第２インバータ制御回路２０２が、電力制御部４０を有する「電力管理回路」として設定される。他方の第１インバータ制御回路２０１は電力制御部４０を有しない「電力非管理回路」として設定される。電力管理回路としての第２インバータ制御回路２０２は、フィードフォワード（図中「ＦＦ」）制御によりｄｑ軸電圧指令を生成する。電力非管理回路としての第１インバータ制御回路２０１は、フィードバック（図中「ＦＢ」）制御によりｄｑ軸電圧指令を生成する。なお、第１インバータ制御回路２０１と第２インバータ制御回路２０２とを入れ替えてもよい。

第２インバータ制御回路２０２の電力制御部４０は、外部の上位ＥＣＵから目標電力指令を取得する。また、電力制御部４０は、相手側の第１インバータ制御回路２０１がフィードバック制御で生成した電圧指令と、自分側の第２インバータ制御回路２０２がフィードフォワード制御で生成した電圧指令とを取得する。電力制御部４０は、これらの情報から、電力管理回路側の第２インバータ７０が出力すべき分配後電圧指令を生成する。

電力制御部４０は、電力管理回路側である第２インバータ７０の分担電力量が目標電力指令となるように、フィードフォワード制御側の電圧指令を調整する。第２インバータ７０の電力量が目標電力指令に近づくと、その変化に応じて、電力非管理回路である第１インバータ制御回路２０１は、実トルクがトルク指令に追従するように電圧指令をフィードバック制御する。その結果、電力非管理回路側である第１インバータ６０の電力量も所望の値となり、目標の電力分配が実現される。

続いて、本実施形態を詳細に説明する。まず図３を参照し、電力制御部４０を除くインバータ制御回路２０１、２０２の全体構成について説明する。第１インバータ制御回路２０１は、電流指令演算部２１、電流減算器２２、制御器２３、フィードフォワード演算部２４、電圧指令加算器２５、三相変換部２７、変調器２８、ｄｑ変換部２９等を含む。

また、電気角演算部８７は、回転角センサ８５が検出した機械角θｍを電気角θｅに換算する。回転数演算部８８は、電気角θｅを時間微分した電気角速度、又は電気角速度に係数を乗じた回転数ωに換算する。なお、電気角演算部８７及び回転数演算部８８は、第１インバータ制御回路２０１以外の制御部２００に設けられてもよい。図３中、インバータ制御回路２０１、２０２毎に用いられる値には、記号末尾に「１」又は「２」を付す。また、共通に入力される機械角θｍには「１」又は「２」を付さない。

電流指令演算部２１は、トルク指令ｔｒｑ^*に基づき、マップや数式を用いてｄｑ軸電流指令Ｉｄ１^*、Ｉｑ１^*を演算する。ｄｑ変換部２９は、電流センサ８４から取得した相電流Ｉｖ、Ｉｗを、電気角θｅを用いてｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑに座標変換し、フィードバックする。電流減算器２２は、ｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑとｄｑ軸電流指令Ｉｄ１^*、Ｉｑ１^*との偏差であるｄｑ軸電流偏差ΔＩｄ１、ΔＩｑ１を算出する。制御器２３は、ｄｑ軸電流偏差ΔＩｄ１、ΔＩｑ１を０に近づけるようにｄｑ軸電圧指令のフィードバック項ｖｄ＿ｆｂ１、ｖｑ＿ｆｂ１をＰＩ演算する。

フィードフォワード演算部２４は、式（１）に示す電圧方程式を用いて、ｄｑ軸電流指令Ｉｄ１^*、Ｉｑ１^*及びＭＧ回転数ωに基づき、ｄｑ軸電圧指令のフィードフォワード項ｖｄ＿ｆｆ１、ｖｑ＿ｆｆ１を演算する。式（１）中のＲは巻線抵抗、Ｌｄ、Ｌｑはｄｑ軸自己インダクタンス、φは逆起電圧定数を示す。なお、Ｉｄ、Ｉｑは、電流指令Ｉｄ１^*、Ｉｑ１^*に代えて、ｄｑ変換部２９が変換した実電流を用いてもよい。また、温度特性等を考慮して機器定数を可変に設定してもよい。

ｖｄ＝Ｒ×Ｉｄ－ω×Ｌｑ×Ｉｑ
ｖｑ＝Ｒ×Ｉｑ＋ω×Ｌｄ×Ｉｄ＋ω×φ ・・・（１）

電圧指令加算器２５は、フィードバック項ｖｄ＿ｆｂ１、ｖｑ＿ｆｂ１とフィードフォワード項ｖｄ＿ｆｆ１、ｖｑ＿ｆｆ１とを加算したｄｑ軸電圧指令ｖｄ１、ｖｑ１を三相変換部２７に出力する。三相変換部２７は、電気角θｅを用いてｄｑ軸電圧指令ｖｄ１、ｖｑ１を三相電圧指令ｖｕ１、ｖｖ１、ｖｗ１に変換する。変調器２８は、各インバータ６０、７０から入力電圧ＶＨ１、ＶＨ２を取得し、ＰＷＭ制御により、第１インバータ６０の各スイッチング素子６１～６６へのゲート信号ＵＵ１、ＵＬ１、ＶＵ１、ＶＬ１、ＷＵ１、ＷＬ１を生成する。

第２インバータ制御回路２０２は、フィードバック制御の構成を有しなくてよい。したがって、フィードフォワード演算部２４が生成したフィードフォワード項ｖｄ＿ｆｆ２、ｖｑ＿ｆｆ２のみが三相変換部２７に入力される。つまり、フィードフォワード項ｖｄ＿ｆｆ２、ｖｑ＿ｆｆ２が第２電圧指令に相当する。

回転角センサ８５から入力された機械角θｍは、信号反転部８６で反転された後、電気角演算部８７で電気角（θｅ－１８０［ｄｅｇ］）に換算される。また、第２インバータ制御回路２０２の変調器２８は、入力電圧ＶＨ１、ＶＨ２を取得し、第１インバータ制御回路２０１に対し反転したＰＷＭ制御により、第２インバータ６０の各スイッチング素子６１～６６へのゲート信号ＵＵ２、ＵＬ２、ＶＵ２、ＶＬ２、ＷＵ２、ＷＬ２を生成する。以上が制御部２００の構成の説明である。

次に、図４及び図５に、電力制御部４０の信号入出力を記したブロック図を示す。図４は基本構成を示す概略図であり、図５は、図３に基づいて電力制御部４０を追加した詳細図である。図４では、第１インバータ制御回路２０１のフィードバック制御部を簡略化して一つのブロックで示し、図３における制御器の符号「２３」をフィードバック制御部の符号として用いる。また、図３の電流減算器に相当する偏差算出部２２は、ｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑの偏差に限らず、トルク指令ｔｒｑ^*と実トルクｔｒｑとの偏差を算出する部分として広く解釈される。

電力管理回路である第２インバータ制御回路２０２には電力制御部４０が設けられる。電力制御部４０には、第１インバータ制御回路２０１が生成した第１電圧指令、第２インバータ制御回路２０２が生成した第２電圧指令、各インバータ６０、７０の入力電力ＶＨ１、ＶＨ２、及び、目標電力指令として目標電力分配比率又は目標電力量が入力される。これらの情報に基づいて電力制御部４０が生成した分配用の調整量は、調整量加算器２６にて、フィードフォワード演算部２４が出力した第２電圧指令に加算される。

図５において、第１インバータ６０の目標電力分配比率はｐｗｒ１＿ｒａｔｉｏ、又は「ａ」の記号で表され、第２インバータ７０の目標電力分配比率はｐｗｒ２＿ｒａｔｉｏ、又は「ｂ」の記号で表される。各分配比率の合計（ａ＋ｂ）は１である。また、第１インバータ６０の目標電力量はｐｗｒ１＿ｏｕｔ、又は「Ａ［Ｗ］」の記号で表され、第２インバータ７０の目標電力量はｐｗｒ２＿ｏｕｔ、又は「Ｂ［Ｗ］」の記号で表される。

図５に示すように、電力制御部４０は、第２電圧指令調整量ｖｄ２＃＿ｐｌｕｓ、ｖｑ２＃＿ｐｌｕｓを出力する。調整量加算器２６で元の第２電圧指令ｖｄ２＿ｆｆ、ｖｑ２＿ｆｆに第２電圧指令調整量ｖｄ２＃＿ｐｌｕｓ、ｖｑ２＃＿ｐｌｕｓが加算された値が、分配後第２電圧指令ｖｄ２＃、ｖｑ２＃としてｄｑ変換部２７に出力される。以下、記号「＃」は分配後の電圧指令に関する値を意味する。

本実施形態の動作原理としては、フィードフォワード制御側の第２インバータ制御回路２０２で電力分配制御を実施することがポイントである。フィードフォワード制御で生成された第２電圧指令に分配用調整量を加えた電圧指令がフィードフォワード制御側の第２インバータ７０に与えられる。その結果、第２インバータ７０に現れる電力変化の影響を受けたフィードバック制御側の第１インバータ制御回路２０１が反応し、実トルクｔｒｑをトルク指令ｔｒｑ^*に追従させるように制御する。これにより、目標通りに各インバータ６０、７０の電力分配が達成される。

図６のフローチャートに本実施形態の電力制御部４０による電力分配処理を示す。以下のフローチャートの説明で、記号「Ｓ」はステップを意味する。Ｓ３１で電力制御部４０は、トルク指令ｔｒｑ^*及び目標電力指令を受領する。Ｓ３２で第１インバータ制御回路２０１は、トルク指令ｔｒｑ^*からフィードバック制御で第１電圧指令ｖｄ１、ｖｑ１を生成する。Ｓ３３で第２インバータ制御回路２０２は、トルク指令ｔｒｑ^*からフィードフォワード制御で第２電圧指令ｖｄ２、ｖｑ２を生成する。

Ｓ３４で電力制御部４０は、フィードフォワード制御側で、第１電圧指令ｖｄ１、ｖｑ１及び第２電圧指令ｖｄ２、ｖｑ２と目標電力指令とから第２電圧指令調整量ｖｄ２＃＿ｐｌｕｓ、ｖｑ２＃＿ｐｌｕｓを算出する。Ｓ３５で第２インバータ制御回路２０２は、調整前の第２電圧指令ｖｄ２、ｖｑ２に第２電圧指令調整量ｖｄ２＃＿ｐｌｕｓ、ｖｑ２＃＿ｐｌｕｓを加算して得られた分配後第２電圧指令ｖｄ２＃、ｖｑ２＃により第２インバータ７０を制御する。

Ｓ３６では、第２インバータ７０の電力変化を受けて、第１インバータ制御回路２０１がフィードバック制御を実行する。こうしてＳ３７では、トルクを指令ｔｒｑ^*に追従させつつ、第１インバータ６０及び第２インバータ７０の電力が分配される。

続いて図７を参照し、電力制御部４０による電力分配の基本理論を説明する。本実施形態では、２台のインバータ６０、７０に対するｄｑ軸電圧指令ベクトルの位相を揃えた上で、振幅の大小により、ＭＧ出力に対して各インバータ６０、７０が分担する電力量を調整する。電圧指令ベクトルの位相は充放電の極性を変える特性を反映し、振幅は電力の絶対量を表す。

ここで、２電源２インバータシステムにおいて２台のインバータ６０、７０が協調動作し出力最大となるときの電圧位相は、特許文献１に開示されているように互いに逆極性、すなわち位相差が１８０°の状態である。そこで、例えば第１電圧指令ベクトルＶ１をそのまま図示し、第２電圧指令ベクトルＶ２を原点に対して反転して図示することで、両ベクトルの電圧位相が一致するように示される。以下の説明では、２つの電圧指令ベクトルをこのような位置関係に設定することを「位相を揃える」と表現する。

図７の上段の図は、電圧ベクトルと電流ベクトルとの積が電力になることを表す。左の電圧ベクトルの図において、第１電圧指令ベクトルＶ１は、ｄ軸成分ｖｄ１及びｑ軸成分ｖｑ１からなり、第２電圧指令ベクトルＶ２は、ｄ軸成分ｖｄ２及びｑ軸成分ｖｑ２からなる。ｖｄ１、ｖｑ１、ｖｄ２、ｖｑ２は、それぞれ電圧補正した値である。合成ベクトルＶの振幅をＶａｍｐ、位相をＶθと表す。電圧位相Ｖθは、ｑ軸の正方向を基準として反時計回りに増加するように定義される。

また、右の電流ベクトルＩの図において、電流振幅Ｉａｍｐ及び電流位相Ｉθは、２台のインバータ６０、７０に共通である。電流位相Ｉθは、電圧位相Ｖθと同様にｑ軸の正方向を基準として反時計回りに増加するように定義される。この関係において、２台のインバータ６０、７０の総電力Ｐｗｒ＿ａｌｌは、電圧実効値Ｖｍｅａｎ、電流実効値Ｉｒｍｓ、力率角ψを用いて、式（２）の第１行に表される。また、第２行に示すように、総電力Ｐｗｒ＿ａｌｌは、第１インバータ６０の電力（Ｉｄ×ｖｄ１＋Ｉｑ×ｖｑ１）と第２インバータ７０の電力（Ｉｄ×ｖｄ２＋Ｉｑ×ｖｑ２）との和で表される。ｄ軸電圧の和（ｖｄ１＋ｖｄ２）、ｑ軸電圧の和（ｖｑ１＋ｖｑ２）を変えなければ総電力Ｐｗｒ＿ａｌｌは不変である。

図７の下段の図は、上記電力式への分配比（ａ：ｂ）の反映を表す。上記式（２）は、各インバータ６０、７０の分配比率ａ、ｂを用いて式（３）で表される。式（３）の第１項は電力分配後ｖｄ１＃、第２項は電力分配後ｖｑ１＃、第３項は電力分配後ｖｄ２＃、第４項は電力分配後ｖｑ２＃を意味する。

次に第１～第３実施形態の電力制御部４０の詳細な構成について、図８～図１０を参照し、実施形態毎に説明する。各実施形態の電力制御部の符号は、「４０」に続く３桁目に実施形態の番号を付す。

（第１実施形態）
図８に第１実施形態の電力制御部４０１の構成を示す。第１実施形態では、目標電力指令として、２台のインバータ６０、７０に対する目標電力分配比率が電力制御部４０１に入力される。電力制御部４０１は、２台のインバータ６０、７０に対するｄｑ軸電圧指令を電力分配比率により分配して得られる調整量を用いて、第２インバータ７０の電圧指令を調整する。第１実施形態では、目標電力分配比率（すなわちゲイン）に応じて電圧指令を乗除算することで、分配応答性が向上する。

詳しくは、目標電力指令として、第１インバータ６０と第２インバータ７０との電力分配比率ａ、ｂ（ａ＋ｂ＝１）が電力制御部４０１に入力され、フィルタ４１１で、急変を抑制するように緩変化処理される。フィルタ処理後、電力の合計に対する第２インバータ７０の電力分配比（ｂ／（ａ＋ｂ））が第２電圧値演算部４６１に入力される。

電圧補正値算出部４２は、第１電圧指令ｖｄ１、ｖｑ１及び第２電圧指令ｖｄ２、ｖｑ２、並びに、第１入力電圧ＶＨ１及び第２入力電圧ＶＨ２を取得する。電圧補正値算出部４２は、式（４．１）により、各電圧指令ｖｄ１、ｖｄ２、ｖｑ１、ｖｑ２に、入力電圧の合計に対する各入力電圧ＶＨ１、ＶＨ２の比を乗じ、電圧補正値ｖｄ１＿ｒａｔｉｏ、ｖｄ２＿ｒａｔｉｏ、ｖｑ１＿ｒａｔｉｏ、ｖｑ２＿ｒａｔｉｏを算出する。この電圧補正値は、実際の変調度に相当する値である。

第２電圧値演算部４６１は、式（４．２）により、ｄ軸、ｑ軸毎に、各インバータ６０、７０の電圧補正値の合計に第２インバータ７０の電力分配比（ｂ／（ａ＋ｂ））を乗じて、分配後第２電圧値ｖｄ２＃＿ｒａｔｉｏ、ｖｑ２＃＿ｒａｔｉｏを算出する。

出力用電圧値変換部４８は、式（４．３）により、分配後第２電圧値ｖｄ２＃＿ｒａｔｉｏ、ｖｑ２＃＿ｒａｔｉｏに入力電圧比の逆数を乗じて、フィルタ前の出力用第２電圧値ｖｄ２＃＿０、ｖｑ２＃＿０に変換する。

ＦＦ項減算器４９は、フィルタ前の出力用第２電圧値ｖｄ２＃＿０、ｖｑ２＃＿０から第２電圧指令のフィードフォワード項ｖｄ２＿ｆｆ、ｖｑ２＿ｆｆを減算する。フィードフォワード項ｖｄ２＿ｆｆ、ｖｑ２＿ｆｆが差し引かれた調整量のみがフィルタ４９５で応答性鈍化処理され、第２電圧指令調整量ｖｄ２＃＿ｐｌｕｓ、ｖｑ２＃＿ｐｌｕｓとして、調整量加算器２６に入力される。調整量加算器２６では、第２電圧指令のフィードフォワード項ｖｄ２＿ｆｆ、ｖｑ２＿ｆｆに第２電圧指令調整量ｖｄ２＃＿ｐｌｕｓ、ｖｑ２＃＿ｐｌｕｓを加算して、分配後第２電圧指令ｖｄ２＃、ｖｑ２＃を出力する。

（第２実施形態）
図９に第２実施形態の電力制御部４０２の構成を示す。第２実施形態では、目標電力指令として、電力管理回路側の第２インバータ７０に対する目標電力量が電力制御部４０２に入力される。分配比率に応じた乗除算を基礎とする第１実施形態に対し、電力量そのものを加減算する第２実施形態では、誤差の増幅が無いため、分配安定性が向上する。

目標電力指令が分配比率でなく電力量である第２実施形態では、電力制御部４０２は、電力管理回路側の第２インバータ７０の電力量を、目標電力量に追従するように、ｄｑ軸電流及びｄｑ軸電圧から電力式により演算する。そして電力制御部４０２は、分配前電力量との乖離分を埋める電圧振幅を算出し、電力指令に相当する電力量を発生し得るｄｑ軸電圧指令を決定する。

詳しくは、目標電力指令として、第２インバータ７０に対する目標電力量Ｂ［Ｗ］が電力制御部４０２に入力され、急変の影響を抑えるようにフィルタ４１２で処理される。フィルタ処理後の目標電力量Ｂ［Ｗ］は、第２電圧振幅演算部４６２に入力される。また、電流振幅位相変換部４５２は、２台のインバータ６０、７０に共通のｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑを取得し、式（５．１）により、電流振幅Ｉａｍｐ、及びｑ軸基準の電流位相Ｉθに変換して電力用第２電圧算出部４６２に出力する。

電圧補正値算出部４２は、第１実施形態と同様に、各電圧指令ｖｄ１、ｖｄ２、ｖｑ１、ｖｑ２及び入力電圧ＶＨ１、ＶＨ２に基づき、電圧補正値ｖｄ１＿ｒａｔｉｏ、ｖｄ２＿ｒａｔｉｏ、ｖｑ１＿ｒａｔｉｏ、ｖｑ２＿ｒａｔｉｏを算出する。合成電圧算出部４３は、式（５．２）により、ｄｑ軸合成電圧ｖｄ、ｖｑを算出する。合成電圧振幅位相変換部４４は、式（５．３）により、ｄｑ軸合成電圧ｖｄ、ｖｑをｑ軸基準の合成電圧位相Ｖθに変換して電力用第２電圧振幅算出部４６２及びｄｑ変換部４７に出力する。

電力用第２電圧振幅算出部４６２は、式（５．４）により、目標電力量Ｂ［Ｗ］、電流振幅Ｉａｍｐ及び合成電圧の力率角（Ｖθ－Ｉθ）に基づいて、分配後第２電圧振幅Ｖａｍｐ２＃を演算する。

ｄｑ変換部４７は、式（５．５）により、分配後第２電圧振幅Ｖａｍｐ２＃及び合成電圧位相Ｖθに基づいて分配後のｄｑ軸第２電圧値ｖｄ２＃＿ｒａｔｉｏ、ｖｑ２＃＿ｒａｔｉｏを算出する。

出力用電圧値変換部４８は、第１実施形態と同様に、分配後第２電圧値ｖｄ２＃＿ｒａｔｉｏ、ｖｑ２＃＿ｒａｔｉｏに入力電圧比の逆数を乗じて、フィルタ前の出力用第２電圧値ｖｄ２＃＿０、ｖｑ２＃＿０に変換する。さらに第１実施形態と同様に、ＦＦ項減算器４９及びフィルタ４９５を経て、第２電圧指令調整量ｖｄ２＃＿ｐｌｕｓ、ｖｑ２＃＿ｐｌｕｓが調整量加算器２６に入力される。第２電圧指令のフィードフォワード項ｖｄ２＿ｆｆ、ｖｑ２＿ｆｆに第２電圧指令調整量ｖｄ２＃＿ｐｌｕｓ、ｖｑ２＃＿ｐｌｕｓが加算され、分配後第２電圧指令ｖｄ２＃、ｖｑ２＃が出力される。

（第３実施形態）
図１０に第３実施形態の電力制御部４０３の構成を示す。第３実施形態では、目標電力指令として、２台のインバータ６０、７０に対する合計の目標電力量、及び、電力非管理回路側の第１インバータ６０に対する目標電力量が電力制御部４０３に入力される。第２実施形態と同様に、電力量そのものを加減算する第３実施形態では、誤差の増幅が無いため、第１実施形態に比べ分配安定性が向上する。

目標電力指令が電力量である第３実施形態では、電力制御部４０３は、電力管理回路側の第２インバータ７０の電力量を、全体の目標電力量から電力非管理回路側の第１インバータ６０の目標電力量を差し引いた電力量に追従するように、ｄｑ軸電圧から電力式により演算する。なお、第３実施形態ではｄｑ軸電流を用いない。そして電力制御部４０３は、分配前電力量との乖離分を埋める電圧振幅を算出し、電力指令に相当する電力量を発生し得るｄｑ軸電圧指令を決定する。

詳しくは、目標電力指令として、合計の目標電力量（Ａ＋Ｂ）［Ｗ］、及び、第１インバータ６０に対する目標電力量Ａ［Ｗ］が電力制御部４０３に入力され、急変の影響を抑えるように、それぞれフィルタ４１３、４１４で処理される。フィルタ処理後の目標電力量Ａ［Ｗ］は、電力用第２電圧振幅算出部４６３に入力される。また、フィルタ処理後の合計の目標電力量（Ａ＋Ｂ）［Ｗ］は、電力定数算出部４５３に入力される。

電圧補正値算出部４２及び合成電圧算出部４３は、第２実施形態と同様の構成である。合成電圧振幅位相変換部４４は、式（６．１）により、ｄｑ軸合成電圧ｖｄ、ｖｑをｑ軸基準の合成電圧振幅Ｖａｍｐ及び合成電圧位相Ｖθに変換する。合成電圧振幅Ｖａｍｐは電力定数算出部４５３に出力され、合成電圧位相Ｖθはｄｑ変換部４７に出力される。

第１電圧指令ベクトルと第２電圧指令ベクトルとの位相Ｖθが揃っている場合、合計の目標電力量（Ａ＋Ｂ）［Ｗ］は、合成電圧振幅Ｖａｍｐに比例する。この原理に基づき、電力定数算出部４５３は、式（６．２）により、合計の目標電力量（Ａ＋Ｂ）［Ｗ］を合成電圧振幅Ｖａｍｐで除して電力定数ｋを算出し、電力用第２電圧振幅算出部４６３に出力する。

電力用第２電圧振幅算出部４６３は、式（６．３）により、第１インバータ６０に対する目標電力量Ａ［Ｗ］を電力定数ｋで除して算出される第１電圧振幅Ｖａｍｐ１を合成電圧振幅Ｖａｍｐから差し引いて、分配後第２電圧振幅Ｖａｍｐ２＃を算出する。第３実施形態におけるｄｑ変換部４７以後の構成は、第２実施形態と同様である。

以上のように、第１～第３実施形態において一方の第２インバータ制御回路２０２は、目標電力指令にしたがって、２つの電源１１、１２から２台のインバータ６０、７０へ供給される電力の分配を制御する電力制御部４０１、４０２、４０３を有する。各実施形態では、２電源の電力分配量を管理し２電源間の電力を調整することで、電源のＳＯＣや電圧値を管理可能とする。したがって、一方の電源のＳＯＣ枯渇や電池劣化を適切に防止することができる。

（その他の実施形態）
（ａ）上記実施形態の電力制御部は、第１電圧指令ベクトル及び第２電圧指令ベクトルの位相を揃えることを前提とし、振幅のみを調整して電力分配を制御している。その他の実施形態では、２つの電圧指令ベクトルの振幅に加えて位相を調整してもよい。

（ｂ）上記実施形態では、２つのインバータ制御回路のうち一方のみに電力制御部４０が設けられて電力管理回路として機能し、他方が電力非管理回路として機能する。電力非管理回路がフィードバック制御を実行することで、外乱抑圧性が向上し、実トルクを適切に指令に追従させることができる。ただし他の実施形態として、例えば外乱抑圧性が要求されないシステムでは、両方のインバータ制御回路が電力制御部を有して対応する各インバータの電力を管理し、且つ、いずれもフィードフォワード制御を実行してもよい。或いは、制御干渉の影響が無いシステムでは、両方のインバータ制御回路がフィードバック制御を実行する構成もあり得る。

（ｃ）独立した２電源が用いられる構成において、各電源は、両方ともバッテリやキャパシタで代表される二次電池である構成に限定されない。例えば、一方の電源が二次電池であり、他方の電源が燃料電池や発電機により構成されてもよい。

（ｄ）電動機のオープン巻線の相数は、３相に限らず４相以上であってもよい。また、２相のオープン巻線がブリッジ接続された構成であってもよい。

（ｅ）２電源２インバータ式の電動機駆動装置は、電気自動車、燃料電池車などの純電気車や、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド）、レンジエクステンダをはじめとする電気リッチなハイブリッドパワトレイン、さらには、１２～４８ＶのＩＳＧ（Integrated Starter Generator）といった軽い電動化車両に至るまで適用される。この技術は、従来技術例であるリアクトルによる昇圧回路を一切使用せずに、高効率に高出力を実現する用途に適用可能な電圧型回路トポロジによるものであり、各車両において、従来の昇圧回路では熱的に成立困難な領域においても高出力化が求められる用途に適する。

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、そ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。

１１・・・第１電源、 １２・・・第２電源、
２００・・・制御部、
２０１・・・第１インバータ制御回路、
２０２・・・第２インバータ制御回路、
４０・・・電力制御部、
６０・・・第１インバータ、 ６１～６６・・・第１スイッチング素子、
７０・・・第２インバータ、 ７１～７６・・・第１スイッチング素子、
８０・・・ＭＧ（モータジェネレータ、電動機）、
８１、８２、８３・・・３相巻線。

Claims (1)

1. ２つの電源が個別に接続される２台のインバータを用いて、端点同士がオープンである２相以上の巻線（８１、８２、８３）を有する電動機（８０）の駆動を制御する電動機駆動装置であって、
   第１電源（１１）から直流電力が入力され、前記巻線の各相に対応して設けられる複数の第１スイッチング素子（６１～６６）を有し、前記巻線の一端に接続される第１インバータ（６０）と、
   第２電源（１２）から直流電力が入力され、前記巻線の各相に対応して設けられる複数の第２スイッチング素子（７１～７６）を有し、前記巻線の他端に接続される第２インバータ（７０）と、
   トルク指令に基づき、前記第１インバータへの出力電圧指令である第１電圧指令を生成する第１インバータ制御回路（２０１）、及び、前記第２インバータへの出力電圧指令である第２電圧指令を生成する第２インバータ制御回路（２０２）、の２つのインバータ制御回路を有する制御部（２００）と、
   を備え、
   いずれか一方の前記インバータ制御回路は、目標電力指令にしたがって、前記２つの電源から前記２台のインバータへ供給される電力の分配を制御する電力制御部（４０）を有する電力管理回路として設定され、他方の前記インバータ制御回路は、前記電力制御部を有しない電力非管理回路として設定され、
   前記電力管理回路はフィードフォワード制御によりｄｑ軸電圧指令を生成し、前記電力非管理回路はフィードバック制御によりｄｑ軸電圧指令を生成し、
   前記電力管理回路の前記電力制御部は、各前記インバータ制御回路のｄｑ軸電圧指令に基づき、前記電力管理回路のみのｄｑ軸電圧指令を調整し、
   前記目標電力指令として、前記２台のインバータに対する合計の目標電力量（Ａ＋Ｂ）及び前記電力非管理回路側のインバータに対する目標電力量（Ａ）が指令され、
   前記電力制御部は、前記目標電力量の急変の影響を抑えるようにフィルタ処理し、
   前記２台のインバータに対するフィルタ処理後の合計の目標電力量を前記２台のインバータへの合成電圧指令の電圧振幅（Ｖａｍｐ）で除して電力定数（ｋ）を算出し、
   前記電力非管理回路側のインバータに対するフィルタ処理後の目標電力量を前記電力定数で除した値を、前記２台のインバータへの合成電圧指令の電圧振幅から減じて、前記電力管理回路側のインバータに対する電圧指令の電圧振幅（Ｖａｍｐ２＃）を算出し、前記電力管理回路のｄｑ軸電圧指令を調整する電動機駆動装置。

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