旋轉電機控制系統以及車輛驅動系統的制作方法

專利名稱：旋轉電機控制系統以及車輛驅動系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有使直流電源的輸出升壓的電源變換部，并對用于驅動車輛的旋轉 電機進行控制的旋轉電機控制系統。另外，還涉及具備該旋轉電機控制系統的車輛驅動系 統。
背景技術：
近年來，人們提出了與借助使化石燃料燃燒的內燃機來進行驅動的汽車相比，環 境負荷較小的汽車。借助于作為旋轉電機的電動機進行驅動的電動汽車及借助于內燃機以 及電動機進行驅動的混合動力汽車就是其中一例。對搭載于電動汽車及混合動力汽車中的 電動機，人們期待其能夠在整個很寬的速度范圍(轉速范圍)內發揮適合于駕乘驅動的良 好轉矩作為旋轉電機(電動機及發電機)的電動機基于通過磁場和電流產生力(轉矩) 這一原理而工作。但是，當電動機處于旋轉中，在磁場之中力也起作用，產生所謂的反電動 勢。因反電動勢在妨礙用于產生轉矩的電流的流動的方向上產生，故減少了為使電動機旋 轉而流過磁場的電流，降低了力(轉矩)。因反電動勢隨著電動機轉速的上升也增加，故當 轉速達到某一值則由反電動勢所產生的電流會達到驅動電流，電動機就變得無法控制。因 而，進行減弱產生磁場的勵磁力以抑制反電動勢的發生的“弱勵磁控制”。但是，若進行弱勵 磁控制，則因減弱勵磁力而使磁場強度亦降低，所獲得的最大轉矩就會降低。另外，損失增 加所導致的效率降低也備受指責。針對這一問題，在日本特開平10-66383號公報(專利文獻1)中提出了如下技術 方案將用于對電動機供給驅動功率的電池的電壓升壓，以使轉移到弱勵磁控制的轉速向 更高的轉速進行轉移。根據這一技術，根據由轉矩和轉速所設定的電動機的目標工作點的 位置，通過升壓電路(變換器)使電池的電壓升壓。據此，就可以使進行弱勵磁控制的區域 向高輸出側(高轉矩側以及高轉速側)進行轉移。在專利文獻1所記載的例子中，通過設 定多級升壓電壓值，而使不進行弱勵磁控制的通常勵磁控制(一般而言為最大轉矩控制) 的區域逐級地擴大。在開始升壓時，如日本特開2005-210779號公報(專利文獻2)及國際公開第 W02003/015254號小冊子(專利文獻3)所記載那樣，通過PWM (脈寬調制)等來控制根據旋 轉電機的旋轉速度以及目標轉矩所計算出的逆變器的輸入電壓目標值即升壓電路(變換 器)的輸出電壓。然后，升壓后的電壓良好地跟蹤所需要的電壓。專利文獻1 日本特開平10-66383號公報(第3 12段落，圖1、2等)專利文獻2 日本特開2005-210779號公報(第55 59段落等)專利文獻3 國際公開第W02003/015254號小冊子(權利要求第1項等)

發明內容
另一方面，在非升壓時，也就是說從電池的電壓為驅動電動機的逆變器(inverter)的輸入電壓的狀態開始升壓的情況下，對在非升壓時固定地進行控制的變換器 的開關元件，開始基于PWM控制的開關控制。此時，為了可靠地阻止變換器的短路，而設定 用于將構成變換器(converter)的高壓側以及低壓側的開關元件均設為斷開狀態的死區 時間(dead time)。因死區時間的影響，在升壓目標值上升的狀況下存在無法從電池的電 壓開始遍及規定的電壓范圍升壓的區域。因此，超過此規定電壓就能夠初次開始升壓，升壓 電壓急速地上升。在像這樣升壓電壓急劇地變化這種狀況下，就會產生控制裝置取得升壓 后的電壓測定值為止的傳遞時間及控制裝置中的運算時間等所造成的響應延遲。因這一影 響，旋轉電機被施加低于實際電壓的電壓來進行驅動控制。這樣，由于實際上施加的電壓高 于由控制裝置所識別的電壓測定值，旋轉電機就輸出大于目標轉矩的轉矩。其結果，旋轉電 機的消耗電流就不必要地增大，從電池輸出包含所增大的部分在內的許多消耗電流。也就 是說，在旋轉電機以高轉矩進行運行，電池的消耗功率較大的狀態下，若源于變換器的升壓 電壓急劇地上升，就有從電池輸出超過需要電流以上的電流而成為過電流的可能性。即便 利用專利文獻2的技術來實施轉矩限制，因未考慮升壓后的電壓測定值的傳遞時間等延遲 時間，因而是不充分的。本發明就是鑒于上述課題而完成的，其目的在于提供如下技術，在具有用于使直 流電源的輸出升壓的電源變換部的旋轉電機控制系統中抑制伴隨在升壓開始時產生的過 渡電壓的上升而在直流電源中發生過電流的情況。用于達到上述目的的本發明所涉及的旋轉電機控制系統之特征構成在于一種旋 轉電機控制系統，具備頻率變換部，其設置在對用于驅動車輛的旋轉電機供給功率的直流電源和上述旋 轉電機之間，至少在上述旋轉電機牽引之際將上述直流電源的輸出變換成交流；電壓變換部，其設置在上述直流電源和上述頻率變換部之間，基于根據上述旋轉 電機的目標轉矩以及旋轉速度而設定的升壓指令值使上述直流電源的輸出升壓；以及控制部，其控制上述頻率變換部以及上述電壓變換部，上述控制部在以上述旋轉電機的上述目標轉矩以及上述旋轉速度超越了基于它 們的相關關系而設定的規定的轉移邊界作為條件，進行從上述直流電源的輸出沒有升壓而 經由上述電壓變換部供給到上述頻率變換部的非升壓控制轉移至由上述電壓變換部升壓 后供給上述頻率變換部的升壓控制這一控制之際，以從上述直流電源可輸出的容許功率中扣除了在該轉移之際過渡性地產生的上 升功率后的功率即可升壓功率作為基準，并在上述旋轉電機的消耗功率為上述可升壓功率 以下的區域中設定上述轉移邊界。根據這一特征構成，以從容許功率中扣除了從非升壓控制向升壓控制進行轉移時 過渡產生的上升功率后的功率即可升壓功率作為基準，并在旋轉電機的消耗功率沒有超過 此可升壓功率的區域中設定轉移邊界。因而，即便在從非升壓控制向升壓控制進行轉移時 過渡地產生上升功率，旋轉電機的消耗功率也不會超過容許功率，能夠良好地抑制直流電 源的過電流。另外，優選本發明所涉及的旋轉電機控制系統的上述轉移邊界根據上述目標轉矩 的最大值而設定。目標轉矩越大，旋轉電機其消耗功率越大。從而，容許功率和消耗功率之差就隨著目標轉矩變高而變小。另外，目標轉矩越大則過渡地產生的上升功率也變得越大。目標轉 矩最大時的上升功率在發生的上升功率之內為最大值。也就是說，在消耗功率上相加了上 升功率的總消耗功率在目標轉矩最大時成為最大值。根據本特征，在總消耗功率最大的情 況下也以不超過容許功率的方式設定轉移邊界。因此，不論目標轉矩如何，都可以可靠地抑 制伴隨在升壓開始時產生的過渡的電壓上升而發生直流電源的過電流的情況。另外，優選本發明所涉及的旋轉電機控制系統的上述可升壓功率被設定為從上述 容許功率中扣除了上述目標轉矩為最大時產生的上述上升功率后的功率。如上所述，目標轉矩最大時的上升功率在發生的上升功率之內為最大值。從而，從 容許功率中扣除了上升功率后的可升壓功率在目標轉矩最大時變得最小。由于以這一可升 壓功率作為基準來設定轉移邊界，所以不論目標轉矩的大小如何，都可以可靠地抑制伴隨 在升壓開始時產生的過渡的電壓上升而發生直流電源的過電流的情況。這里，優選上述轉移邊界隨著上述目標轉矩升高而設定于低功率側。如上所述，旋轉電機是目標轉矩越大其消耗功率變得越大。從而，容許功率和消耗 功率之差就隨著目標轉矩變高而變小。另外，目標轉矩越大則過渡地產生的上升功率也變 得越大。也就是說，在消耗功率中加入了上升功率的總消耗功率隨著目標轉矩變大而變大。 通過隨著目標轉矩變大而在低功率側設定轉移邊界，就能夠使上升功率經過加法運算時的 消耗功率之值變小，能夠抑制總消耗功率。其結果，就可以良好地抑制伴隨在升壓開始時產 生的過渡電壓的上升而發生直流電源的過電流的情況。另外，優選本發明所涉及的旋轉電機控制系統的上述可升壓功率被設定為以從上 述容許功率中扣除了上述目標轉矩為最大時產生的上述上升功率后的功率為最低值，并隨 著上述目標轉矩變低而成為較高的值。如上所述，旋轉電機是目標轉矩越大其消耗功率變得越大，過渡產生的上升功率 也變得越大。目標轉矩最大時的上升功率在發生的上升功率之內為最大值。因此，從容許 功率中扣除了上升功率后的可升壓功率在目標轉矩最大時變得最小。另一方面，因上升功 率隨著目標轉矩從最大值變低而變小，故可升壓功率與其相應能夠采用較高的值。若以從 容許功率中扣除了目標轉矩最大時產生的上升功率后的功率作為最低值，可升壓功率隨著 目標轉矩變低而設定成較高的值，則設定與目標轉矩相應的轉移邊界，而不會在目標轉矩 較低的狀態下實施不必要的升壓。從而，就可以抑制伴隨不必要升壓的開關損失等，并且可 以良好地抑制伴隨在升壓開始時產生的過渡電壓的上升而發生直流電源的過電流的情況。另外，本發明所涉及的旋轉電機控制系統能夠優選應用于以下情況上述電壓變 換部具有一端連接到上述直流電源的電抗器；連接該電抗器的另一端和上述頻率變換部的 正極側的上級開關元件；連接該電抗器的另一端和上述頻率變換部的負極側的下級開關元 件，上述上升功率在從上述非升壓控制向上述升壓控制進行轉移之際，起因于用于將 上述上級開關元件和上述下級開關元件均控制成斷開狀態的死區時間而過渡性地產生。若電壓變換部如上述那樣構成則能夠通過簡單的構成而實現升壓電路。另外，在 電壓變換部如上所述而構成的情況下，為了可靠地防止在從非升壓控制向升壓控制進行轉 移時，電壓變換部的上級以及下級開關元件均成為接通狀態、即正極側和負極側發生短路 而設置死區時間。因而，通過設置死區時間就能夠良好地抑制旋轉電機控制系統的故障等。
6但是，因為在死區時間中無法升壓，故與各個系統相應的規定的電壓范圍就無法升壓。也就 是說，在從非升壓控制向升壓控制進行轉移時，電壓變換部的輸出就會超過此電壓范圍并 急劇大幅度地上升。而且，因與這一急劇電壓上升相對的頻率變換部等的跟蹤延遲，有時候 會過渡性地發生上升功率，從直流電源輸出較大的電流而導致過電流。但是，因鑒于起因于 死區時間所產生的上升功率而設定轉移邊界，所以能夠良好地抑制過電流的發生。另外，本發明所涉及的車輛驅動系統能夠采用以下構成具備上述本發明所涉及 的旋轉電機控制系統，且具備第1旋轉電機和第2旋轉電機作為上述旋轉電機，還具備動力分配機構，該動力分配機構對由上述第1旋轉電機以及上述第2旋轉 電機以外的驅動源發生的驅動力進行分配，由上述動力分配機構所分配的一方驅動力傳遞 到車輪，另一方驅動力傳遞到上述第1旋轉電機，而且由上述第2旋轉電機所發生的驅動力 傳遞到上述車輪。這一構成的車輛驅動系統能夠實現具備一對旋轉電機和該一對旋轉電機以外的 驅動源(例如發動機)的進行所謂分離形式的動力分配的混合動力車輛。而且，該混合動 力車輛以滿足這些旋轉電機所要求的轉速以及轉矩的形式來實現一對旋轉電機的運行，進 而，通過單一電壓變換部容易地實現了使一對旋轉電機分別獲得所需要的電壓這樣形式的 系統。進而，優選本發明的車輛驅動系統的構成為上述動力分配機構包含行星齒輪機構，該行星齒輪機構按旋轉速度的順序具有第 1旋轉構件、第2旋轉構件以及第3旋轉構件，上述第1旋轉電機連接到上述第1旋轉構件，上述旋轉電機以外的驅動源連接到 上述第2旋轉構件，上述第2旋轉電機以及上述第3旋轉構件連接到車輪。通過采用這一構造，就能夠使用單一行星齒輪機構容易地實現進行分離形式的動 力分配的混合動力車輛。


圖1是示意性地表示車輛驅動系統的驅動系統的構成的框圖。圖2是示意性地表示旋轉電機控制系統的構成的框圖。圖3是旋轉電機的旋轉速度和轉矩的相關圖。圖4是表示升壓開始時的過渡性現象的說明圖。圖5是表示升壓開始時的過渡性現象的說明圖。圖6是旋轉電機的轉矩和上升功率的相關圖。圖7是表示直流電源的V/I特性的分布圖。圖8是在旋轉電機的旋轉速度和轉矩的相關圖中設定轉移邊界的說明圖。圖9是表示每個目標轉矩的升壓目標電壓的曲線圖。
具體實施例方式下面，邊參照附圖邊就本發明所涉及的旋轉電機控制系統一實施方式進行說明。 該旋轉電機控制系統被安裝到車輛驅動系統中，用于該車輛驅動系統中所裝備的旋轉電機 的運行控制。圖1是示意性地表示車輛驅動系統200的驅動系統的構成的框圖，圖2是示意性地表示為了控制旋轉電機MG1、MG2而設置的以旋轉電機驅動裝置In為主的旋轉電機 控制系統的構成的框圖。旋轉電機驅動裝置In相當于本發明的旋轉電機控制系統。如圖1所示，在車輛上具備作為內燃機的發動機E ；—對旋轉電機MG1、MG2。該車 輛驅動系統200是所謂的混合動力系統，在發動機E和車輪W之間具備混合動力驅動裝置 1。作為發動機E，可以采用汽油發動機及柴油發動機等公知的各種內燃機。如后所述，旋轉 電機MGl、MG2分別作為電動機(motor)或者發電機(generator)而工作。從而，在下面的 說明中不需要特別地指定某個旋轉電機時，有時候省略標記MG1、MG2。車輛可以從作為電 動機而工作的旋轉電機或者發動機E獲得驅動力而行駛。另外，由發動機E所發生的驅動 力的至少一部分在作為發電機而工作的旋轉電機中變換成功率，以供電池B的充電或者作 為電動機而工作的旋轉電機的驅動之用。進而，在制動時，還可以利用制動力通過旋轉電機 進行發電，并在電池B中再生功率。混合動力驅動裝置1的輸入軸I連接到發動機E的曲軸等輸出旋轉軸上。此外，最 好是做成輸入軸I與發動機E的輸出旋轉軸之間經由減振器及離合器等進行連接的結構。 混合動力驅動裝置1的輸出經由差速器裝置D等而傳遞到車輪W。進而，輸入軸I聯結到動 力分配機構Pl的行星齒輪架ca上，在車輪W上經由差速器裝置D連接的中間軸M被聯結 到內齒輪r。第1旋轉電機MGl具有定子Stl和自由旋轉地被支承在此定子Stl的徑向內側的 轉子Rol。此第1旋轉電機MGl的轉子Rol以與動力分配機構Pl的太陽輪s—體旋轉的方 式進行聯結。另外，第2旋轉電機MG2具有定子St2和自由旋轉地被支承在此定子St2的 徑向內側的轉子Ro2。此第2旋轉電機MG2的轉子Ro2以與輸出齒輪0 —體旋轉的方式進 行聯結，并連接到差速器裝置D的輸入側。第1旋轉電機MGl以及第2旋轉電機MG2如圖1所示，經由旋轉電機驅動裝置(逆 變器裝置)In電連接到電池(直流電源)B上。第1旋轉電機MGl以及第2旋轉電機MG2 構成為可以分別起到接受功率的供給以發生動力的電動機(motor)的功能；和接受動力的 供給以發生功率的發電機(generator)的功能。在本實施方式中的構成例，第1旋轉電機MGl主要是作為發電機而發揮功能，并供 給用于對電池B進行充電或者驅動第2旋轉電機MG2的功率，發電機借助于經由動力分配 機構Pl的太陽輪s所輸入的驅動力來進行發電。但是，有時候在車輛高速行駛時等，第1 旋轉電機MGl還作為電動機而發揮功能。另一方面，第2旋轉電機MG2主要是作為輔助車 輛行駛用的驅動力的電動機而發揮功能。另外，在車輛減速時等，第2旋轉電機MG2作為將 車輛的慣性力再生為電能的發電機而發揮功能。這種第1旋轉電機MGl以及第2旋轉電機 MG2的運行通過TCU(trans-axle control unit) 10 (參照圖2)進行控制。TCU10作為本發 明的控制部而發揮功能，如后所述經由電壓變換部4以及頻率變換部5來控制旋轉電機MGl 及 MG2。如圖1所示，動力分配機構Pl由與輸入軸I呈同軸狀而配置的單小齒輪型的行星 齒輪機構而構成。亦即、動力分配機構Pi作為旋轉構件具有支承多個小齒輪的行星齒輪架 ca ；分別與上述小齒輪相嚙合的太陽輪s以及內齒輪r。作為第1旋轉構件的太陽輪s以 與第1旋轉電機MGl的轉子Rol —體旋轉的方式進行連接。作為第2旋轉構件的行星齒輪 架ca以與發動機E的輸出旋轉軸上所連接的輸入軸I 一體旋轉的方式進行連接。作為第3旋轉構件的內齒輪r以與中間軸M —體旋轉的方式進行連接，內齒輪r經由中間軸M連接 到差速器裝置D。在圖1所示的構成中，第1旋轉電機MGl連接到作為第1旋轉構件的太陽輪s，旋 轉電機MGl及MG2以外的驅動源即發動機E連接到作為第2旋轉構件的行星齒輪架ca。然 后，第2旋轉電機MG2以及作為第3旋轉構件的內齒輪r經由差速器裝置D連接到車輪W。 但是，驅動系統的構成并不限定于此構成。第2旋轉電機MG2既可以是直接連接到差速器 裝置D的形式，也可以是連接到第3旋轉構件或者其他驅動傳遞構件上，并經由這些旋轉構 件及驅動傳遞構件而連接到差速器裝置D的形式。圖2是示意性地表示以旋轉電機驅動裝置In為核心的旋轉電機控制系統的構成 的框圖。此旋轉電機控制系具備電池B和各旋轉電機MGl、MG2 ；介于兩者之間安裝的旋轉電 機驅動裝置In。另外，旋轉電機驅動裝置In從電池B—側起具備電壓變換部(變換器)4、 頻率變換部(逆變器)5。如圖2所示，在本實施方式中作為頻率變換部5，分別對一對旋轉 電機MG1、MG2逐個地設置有頻率變換部51和52。在頻率變換部5和各旋轉電機MG1、MG2 之間具備用于對流經旋轉電機的電流進行計測的電流傳感器13。此外，雖然在本例中表示 對三相全部的電流進行計測的構成，但因三相處于平衡狀態其瞬時值之總和為零，故還可 以僅僅對兩相的電流進行計測，在TCUlO中通過運算來求解剩余一相的電流。此外，電池B 可以向旋轉電機MG1、MG2供給功率，并且還可以從旋轉電機MGl、MG2接受功率的供給以進 行蓄電。電壓變換部4具有電抗器4a、濾波電容器4b、上下一對開關元件4c、4d、放電用電 阻器4e、平滑電容器4f。作為開關元件4c、4d最好是應用IGBT (insulated gate bipolar transistor)或MOSFET(metal oxidesemiconductor field effect transistor)。在本實 施方式中例示采用IGBT而構成的情況。電壓變換部4的上級開關元件4c的發射極連接到下級開關元件4d的集電極，同 時經由電抗器4a連接到電池B的正極側。上級開關元件4c的集電極連接到頻率變換部5 的輸入正極側。下級開關元件4d的發射極連接到電池B的負極側(接地)。因頻率變換 部5的輸入負極側也接地，故下級開關元件4d的發射極與頻率變換部5的輸入負極側相連接。上級開關元件4c以及下級開關元件4d的柵極經由驅動電路7 (7C)連接到TCU10。 開關元件4c、4d通過TCU10進行控制，使來自電池B的電壓升壓并提供給頻率變換部5。 TCU10基于根據旋轉電機的目標轉矩而設定的升壓指令值來控制開關元件4c、4d。具體而 言，TCU10將上級開關元件4c設成斷開狀態，并對下級開關元件4d例如進行PWM控制，由 此來切換接通/斷開以使電池B的電壓升壓并輸出。另一方面，在旋轉電機進行再生運行 的情況下，電壓變換部4將由旋轉電機所發電的功率再生至電池B。例如，TCU10將下級開 關元件4d設成斷開狀態，并將上級開關元件4c控制成接通狀態，由此經由電壓變換部4使 功率再生。此外，在將由旋轉電機所發電的功率進行降壓以使其再生到電池B的情況下，也 可以對上級開關元件4c進行PWM控制。頻率變換部5由電橋電路構成。在頻率變換部5的輸入正極側和輸入負極側之間 串聯連接兩個開關元件，此串聯電路并聯連接3條線。也就是說，在旋轉電機MGl、MG2的定 子線圈U相、V相、W分別構成與一組串聯電路對應的電橋電路。在圖2中，
標記8a是U相的上級側開關元件，標記8b是V相的上級側開關元件，標記8c是W相的上級側開關元件，標記8d是U相的下級側開關元件，標記8e是V相的下級側開關元件，標記8f是W相的下級側開關元件。此外，最好是對于頻率變換部5的開關元件 8a 8f也應用IGBT或MOSFET。在本實施方式中，例示了采用IGBT的情況。如圖2所示，各相的上級側開關元件8a、8b、8c的集電極連接到電壓變換部4的輸 出正極側(頻率變換部5的輸入正極側)，發射極連接到各相的下級側開關元件8d、8e、8f 的集電極。另外，各相的下級側開關元件8d、8e、8f的發射極連接到電壓變換部4的輸出負 極側(頻率變換部5的輸入負極側)、即電池B的負極側(接地)。各開關元件8a 8f的 柵極經由驅動電路7(7A、7B)連接到TCU10，并分別單獨地進行開關控制。配成對兒的各相的開關元件(8a、8d)、(8b、8e)、(8c、8f)所形成的串聯電路的中 間點(開關元件的連接點)9u、9v、9w分別連接到旋轉電機MGl及MG2的U相、V相、W相的 定子線圈(繞組)。向各線圈供給的驅動電流通過電流傳感器13來進行檢測。TCUlO接受 電流傳感器13的檢測值，并用于反饋控制。另外，在旋轉電機MG1、MG2上具備作為旋轉檢測部之一部分發揮功能的分解器等 旋轉檢測傳感器11、12，以檢測轉子Rol、Ro2的旋轉角(機械角)。旋轉檢測傳感器11、12 根據轉子Rol、Ro2的極數(極對數)而設定，還可以將轉子Rol、Ro2的旋轉角變換成電角 度9，并可輸出與電角度θ相應的信號。TCUlO基于此旋轉角來運算旋轉電機MGl及MG2 的旋轉速度(角速度ω)和頻率變換部5的各開關元件8a 8f的控制定時。TCUlO通過基于針對旋轉電機MGl及MG2的目標轉矩以及旋轉速度(轉速)對這 些開關元件8a 8f進行PWM控制，向各旋轉電機MG1、MG2供給三相交流驅動電流。據此， 各旋轉電機MG1、MG2根據目標轉矩而進行牽引。在旋轉電機MGl及MG2作為發電機而工 作，從旋轉電機側接受功率時，TCUlO對頻率變換部5進行控制以便將規定頻率的交流變換 成直流。圖3是旋轉電機的旋轉速度和轉矩的相關圖。如上述那樣，旋轉電機驅動裝置In 具備電壓變換部4，可以使電池B的直流電壓升壓。亦即、使對旋轉電機供給驅動功率的電 池B的電壓升壓，以使將轉移到弱勵磁控制的旋轉速度及轉矩向更高的旋轉速度及轉矩進 行轉移。圖中的標記K2 (K)表示由電壓變換部4開始升壓的轉移邊界。如從圖3所知那樣， 轉移邊界K2(K)是基于旋轉電機的目標轉矩以及旋轉速度的相關關系而設定的。在旋轉電機的旋轉速度以及目標轉矩的絕對值的至少一方大于轉移邊界Κ2的情 況下，通過電壓變換部4使電池B的輸出升壓。升壓的目標值即升壓指令值作為升壓后的 電壓值，既可以逐級地進行設定，也可以無級地進行設定。圖中的標記Kl表示設定最大的 升壓指令值的邊界，標記Tki表示在基于此升壓指令值經過升壓的情況下，旋轉電機可以輸 出的轉矩區域。TCUlO以旋轉電機的目標轉矩以及旋轉速度超越了轉移邊界Κ2作為條件，使電壓 變換部4的控制狀態轉移。具體而言就是進行如下控制自使電池B的輸出沒有升壓而經 由電壓變換部4供給到頻率變換部5的非升壓控制轉移至由電壓變換部4升壓后供給頻率變換部5的升壓控制。在這一升壓開始之際，也就是說超過了轉移邊界K2之際，因電壓變 換部4的死區時間以及包含TCUlO在內的反饋控制的響應延遲的影響而引起過渡性的消耗 功率上升。如上所述，電壓變換部4具有一端連接到電池B的電抗器4a ；將電抗器4a的另 一端和頻率變換部5的正極側進行連接的上級開關元件4c ；將電抗器4a的另一端和頻率 變換部5的負極側進行連接的下級開關元件4d。從非升壓控制向升壓控制轉移之際，設置 用于將上級開關元件4c和下級開關元件4d均控制成斷開狀態的死區時間，起因于此，過渡 性地發生消耗功率的上升。這里，就升壓開始之際、也就是說超過了轉移邊界K2之際發生的過渡性的消耗功 率上升進行說明。圖4以及圖5是表示升壓開始時的過渡性現象的說明圖。在圖4的上段 示意性地表示的波形是表示利用電壓變換部4升壓后的電壓V。的波形。在圖4的中段示 意性地表示的波形是表示頻率變換部5的調制率的波形。在圖4的下段示意性地表示的波 形是表示旋轉電機的電流(Iki及IK2)的波形。在上述死區時間中，因電壓變換部4的開關元件4c、4d均被控制成斷開狀態，故無 法升壓。因此，在升壓目標值上升的狀況下與各個系統相應的規定的電壓范圍就變得無法 升壓。當死區時間經過，從非升壓控制轉移至升壓控制時，電壓變換部4的輸出就超過此電 壓范圍而急劇大幅度地上升。在旋轉電機驅動裝置In中具備未圖示的電壓傳感器，計測電 池B的電壓Vb及利用電壓變換部4升壓后的電壓V。，其結果被TCUlO所取得。此時，因利 用硬件的濾波器或利用軟件的濾波器、與TCUlO的工作時鐘相應的取樣間隔等的影響，有 時候TCUlO無法高精度地取得急劇地上升的電壓\的值。也就是說，如在圖4的上段通過 實線示意性地表示那樣，盡管實際上電壓V。急劇地上升，但TCUlO卻檢測為電壓V。如虛線 所示那樣緩慢地上升。TCUlO根據所取得的電壓V。、也就是說頻率變換部5的輸入側的直流電壓的電壓 值，來運算變換成交流時的調制率。具體而言，就是運算PWM控制的占空比。此時，因為將 電壓V。識別為比實際值低的值，所以計算出比必要的調制率高的調制率，并根據此調制率 對頻率變換部5進行PWM控制。如在圖4的中段通過實線示意性地表示那樣，盡管實際上 必須急劇地使調制率降低，但卻如虛線所示那樣緩慢地使調制率降低。其結果，旋轉電機接受相對于目標轉矩過大的功率供給被驅動，旋轉電機中流過 的電動機電流(例如第2旋轉電機MG2的電動機電流IMe2)增加。也就是說，如在圖4的下 段使用單點劃線示意性地表示那樣，產生脈動狀的過渡電流。流經旋轉電機的電流通過電 流傳感器13來計測，其計測結果被輸入到TCU10。然后，通過反饋控制如在圖4的中段使用 單點劃線示意性地表示那樣對調制率進行調整。但是，因具有這種花費在電壓以及電流測 定上的延遲時間、以及源于TCUlO的反饋控制的響應延遲，所以無法完全地抑制過渡電流 的發生。因這一過渡電流是從電池B中輸出，故在旋轉電機以高負荷進行旋轉等消耗功率 較大的條件下，就有可能超過電池B能夠輸出的容許電流而使其處于過電流的狀態。圖5的波形圖分別是上段示意性地表示電池B的功率Wb，中段示意性地表示電池 B的電流Ib，下段示意性地表示升壓后的電壓\。如上所述，因脈動狀的過渡電流為來自電 池B的帶出現象，故在電池B的電流Ib中也產生脈動。當然，在電池B的功率Wb上也就產 生脈動。在旋轉電機以高負荷進行驅動，旋轉電機的電流(Iki及IK2)增加時，電池B的電流Ib也增加。電池B的電壓Vb伴隨電池B的電流Ib增加而降低。在非升壓控制時，因為 電壓變換部4的輸出電壓\為電池電壓VB，所以電壓變換部4的輸出電壓Vc如圖5的下段 所示那樣伴也隨于電池B的電流Ib的增加而降低。另一方面，電壓變換部4的升壓指令值根據旋轉電機的旋轉速度以及目標轉矩而 決定，設此升壓指令值為升壓后的升壓目標值E。在旋轉電機以高負荷進行驅動的情況下， 因升壓目標值E也有上升傾向，故在時刻t升壓目標值E超過電壓變換部4的輸出電壓\， 電壓變換部4開始升壓動作。此時，如上所述，為了可靠地防止電壓變換部4的短路而設置死區時間DT，因此在 電壓變換部4的開關元件的接通時間小于死區時間DT時，實際上就無法進行開關，所以電 壓變換部4無法升壓。若在電池電壓Vb和升壓目標值E之間使差值增大規定的不可升壓 電壓\，則因開關元件的接通時間大于死區時間DT而實際地開始進行開關。其結果，在電 池電壓Vb和升壓目標值E之間的差值大于不可升壓電壓Vd以后，包含不可升壓電壓Vd在 內就一直升壓，所以升壓后的電壓Vc急劇地上升。若包含因這一電壓急劇上升而產生的脈 動電流的電池B的電流Ib超過電池B的電流上限值(容許電流Ibmax)則成為電池過電流。為了抑制向弱勵磁控制的轉移，使電池B的電壓％升壓的轉移邊界K2上的升壓目 標值E及不可升壓電壓Vd的值成為與旋轉電機驅動裝置In的系統構成相應的規定值。從 而，從非升壓控制轉移到升壓控制時的電池B的電壓Vb也為大致確定的值。因此，上限值、 即容許值還能夠根據電池的功率Wb來規定(容許功率Wbmax)。因此，只要使電壓V。急劇地 上升時的電池功率Wb不超過容許功率Wbmax，就可以抑制電池B的過電流，亦不會使電池B的 電流Ib超過容許電流IBMAX。下面，就抑制電池B的過電流的技術進行說明。首先，測定上升功率(Δ)的最大值。由于上升功率的值因旋轉電機的轉矩而變 動，所以對多個轉矩測定上升功率。圖6是表示這一測定結果的旋轉電機的轉矩和上升功 率的相關圖。如從圖6可知那樣，上升功率隨著轉矩變大而變大。從而，旋轉電機的轉矩最 大(Tmax)時的上升功率就成為上升功率的最大值(△■)。其次，測定電池B的容許功率。圖7是表示對電池B的V/I特性進行了測定的結 果的分布圖。這里，若在分布圖上表示與電池B的容許電流Ibmax相對應的曲線，這就成為電 池B的容許功率WBMAX。可以將從這一容許功率Wbmax扣除了在上面所求出的上升功率的最大 值(Δμχ)后的功率設為可升壓功率Ws。如上所述，旋轉電機的轉矩為最大(Tmax)時的上升功率(Δ)在發生的上升功率之 內成為最大值(△■)。從而，從容許功率Wbmax扣除了上升功率(△)后的可升壓功率化在 目標轉矩最大(Tmax)時變得最小。如果以這一可升壓功率Ws作為基準來設定轉移邊界K， 則不論目標轉矩的大小如何，都可以良好地抑制伴隨在升壓開始時產生的過渡性電壓的上 升而發生的電池B的過電流的情況。另外，根據電池B的V/I特性和可升壓功率Ws來求解升壓開始電壓Es。此外，如 利用圖5所說明那樣，在從非升壓控制轉移到升壓控制時，也就是說在升壓開始時因死區 時間DT的影響而產生不可升壓電壓VD。因此，應當作為升壓指令值提供給電壓變換部4的 升壓目標電壓Et就成為在上述升壓開始電壓Es中加入不可升壓電壓Vd后的值。如圖3所示，電壓變換部4以旋轉電機的目標轉矩以及旋轉速度超越了基于它們 的相關關系而設定的規定的轉移邊界K2 (K)作為條件，從非升壓控制向升壓控制轉移。如
12果這一轉移邊界K2 (K)被設定在即便產生上升功率旋轉電機的消耗功率也達不到容許功 率Wbmax的區域中，則在從非升壓控制向升壓控制轉移之際電池B就不會成為過電流。亦即、 以從電池B的可輸出容許功率Wbmax扣除了在轉移之際過渡性地產生的上升功率(例如最大 值Amax)后的功率即可升壓功率Ws作為基準，在旋轉電機的消耗功率為可升壓功率Ws以下 的區域中設定轉移邊界K為好。圖8是在旋轉電機的旋轉速度和轉矩的相關圖中設定轉移邊界K的說明圖。圖8 與圖3相對應，但為了簡化而僅表示正方向的轉矩區域。在圖8中，轉移邊界K2是不考慮 如上述那樣的上升功率，為了不向弱勵磁控制轉移，對旋轉電機進行通常勵磁控制，為開始 升壓所設置的邊界。這里，在圖8中加入與可升壓功率Ws相當的邊界線。圖中，較相當于 可升壓功率Ws的邊界線靠右上側的區域、也就是說轉矩變大的方向以及旋轉速度變快的方 向就是消耗功率大于可升壓功率Ws的區域。參照圖8，轉移邊界K2還設定于消耗功率大于可升壓功率Ws的區域。從而，根據升 壓開始時的旋轉電機的旋轉速度及目標轉矩，存在電池功率％超過電池B的容許功率Wbmax， 超過容許電流Ibmax的電流從電池B中輸出而成為過電流的可能性。因而，將升壓開始時朝 向升壓目標電壓Et開始升壓用的邊界設定為在圖中僅僅設定于較相當于可升壓功率Ws的 邊界線靠左下側的區域的轉移邊界K3(K)。也就是說，以從電池B的可輸出容許功率Wbmax 中扣除了在轉移之際過渡地產生的上升功率(例如最大值Δμχ)后的功率即可升壓功率化 作為基準，在旋轉電機的消耗功率為可升壓功率Ws以下的區域中設定轉移邊界Κ3 (K)。圖9是表示每個目標轉矩的升壓目標電壓&的曲線圖。雖然表示多個曲線，但卻 表示越是靠右側的曲線其目標轉矩越小，隨著向左側靠近目標轉矩變大這一情況的曲線。 圖9 (a)表示應用了圖8中的轉移邊界K2的情況，圖9 (b)表示應用了圖8中的轉移邊界K3 的情況。如圖8所示，轉移邊界K2和K3在目標轉矩較低的區域中為同一曲線。從而，在圖 9(a)以及(b)的右側為同一曲線。另一方面，如圖8所示，在目標轉矩較高的區域轉移邊 界K2和K3為不同的曲線。可知在圖9(a)以及(b)的左側、特別是圖9(b)的橢圓所示的 區域中，升壓目標電壓Et成為高于圖9(a)的電壓值。當旋轉電機的負荷增大，旋轉電機的消耗功率不斷增加，則從電池B輸出的電流Ib 增加，所以電池B的電壓Vb不斷降低。此時，通過使升壓目標電壓Et變高，不斷降低的電池 B的電壓Vb (升壓開始前的電壓變換部4的輸出電壓V。)低于升壓目標電壓Et的時期來得 快。換言之，較之于以往，在電池電壓B的電壓Vb(電壓變換部4的輸出電壓Vc)為較高值 之內就開始升壓。也就是說，消耗功率雖包含上升功率(Δ)但尚未達到容許功率在較低功 率之內就開始升壓。從而，在消耗功率較大的狀況下，即便開始升壓也不會導致源于上升功 率的電池B的過電流。〔其他實施方式〕(1)在上述實施方式中，以轉移邊界K3根據目標轉矩的最大值Tmax進行設定的情 況為例進行了說明。也就是說，以可升壓功率Ws被設定為從容許功率Wbmax中扣除了目標轉 矩為最大(Tmax)時產生的上升功率(最大值Amax)后的功率，并在旋轉電機的消耗功率為可 升壓功率化以下的區域設定轉移邊界K3的情況為例進行了說明。但是，還可以根據目標 轉矩來設定各自不同的轉移邊界K。也就是說，還可以將從容許功率Wbmax中扣除了在一個目標轉矩所產生的上升功率后的功率設定為與該目標轉矩相對應的可升壓功率Ws，并在該目標轉矩處的旋轉電機的消 耗功率為這一可升壓功率Ws以下的區域設定轉移邊界K。如圖6所示，上升功率也隨著目 標轉矩增加而變大。從而，轉移邊界K最好是隨著目標轉矩變高而設定在低功率側。更具 體而言，優選按照以下設定可升壓功率Ws 將從容許功率Wbmax中扣除目標轉矩為最大(Tmax) 時所產生的最大上升功率(△■)后的功率設為最低值，并隨著目標轉矩降低而成為較高的 值。(2)在上述實施方式中，表示了車輛作為驅動源具備旋轉電機和此旋轉電機以外 的驅動源(發動機)的混合動力車輛的例子。但是，本申請的對象以具備通過具有電壓變 換部的旋轉電機驅動裝置進行驅動控制的旋轉電機的系統作為對象。因而，本發明還可以 應用于驅動源只是旋轉電機，將旋轉電機作為驅動源的電氣車輛中。(3)在上述實施方式中，表示在混合動力車輛上具備一對旋轉電機，一個旋轉電 機作為電動機而另一個旋轉電機作為發電機工作的例子。但是，本發明還能夠應用于具備 單一旋轉電機，并具有以此旋轉電機作為電動機以及發電機工作的模式的任意混合動力車 輛。工業上的可利用性本發明能夠應用于對用于驅動車輛的旋轉電機進行控制的旋轉電機控制系統，該 旋轉電機控制系統具有使直流電源的輸出升壓的電源變換部。另外，還能夠應用于具備該 旋轉電機控制系統的車輛驅動系統。例如，能夠應用于通過作為旋轉電機的電動機進行驅 動的電動汽車、通過內燃機以及電動機進行驅動的混合動力汽車。
權利要求
一種旋轉電機控制系統，具備頻率變換部，其設置在對用于驅動車輛的旋轉電機供給功率的直流電源和上述旋轉電機之間，至少在上述旋轉電機牽引之際將上述直流電源的輸出變換成交流；電壓變換部，其設置在上述直流電源和上述頻率變換部之間，基于根據上述旋轉電機的目標轉矩以及旋轉速度而設定的升壓指令值使上述直流電源的輸出升壓；以及控制部，其控制上述頻率變換部以及上述電壓變換部，上述控制部在以上述旋轉電機的上述目標轉矩以及上述旋轉速度超越了基于它們的相關關系而設定的規定的轉移邊界作為條件，進行從上述直流電源的輸出沒有升壓而經由上述電壓變換部供給到上述頻率變換部的非升壓控制轉移至由上述電壓變換部升壓后供給上述頻率變換部的升壓控制這一控制之際，以從上述直流電源可輸出的容許功率中扣除了在該轉移之際過渡性地產生的上升功率后的功率即可升壓功率作為基準，并在上述旋轉電機的消耗功率為上述可升壓功率以下的區域中設定上述轉移邊界。
2.根據權利要求1所述的旋轉電機控制系統，其特征在于上述轉移邊界根據上述目標轉矩的最大值而設定。
3.根據權利要求1或2所述的旋轉電機控制系統，其特征在于上述可升壓功率被設定為從上述容許功率中扣除了上述目標轉矩為最大時產生的上 述上升功率后的功率。
4.根據權利要求1所述的旋轉電機控制系統，其特征在于上述轉移邊界隨著上述目標轉矩變高而設定于低功率側。
5.根據權利要求1或4所述的旋轉電機控制系統，其特征在于上述可升壓功率被設定為以從上述容許功率中扣除了上述目標轉矩為最大時產生的 上述上升功率后的功率為最低值，并隨著上述目標轉矩變低而成為較高的值。
6.根據權利要求1 5中任意一項所述的旋轉電機控制系統，其特征在于上述電壓變換部具有一端連接到上述直流電源的電抗器；連接該電抗器的另一端和上 述頻率變換部的正極側的上級開關元件；連接該電抗器的另一端和上述頻率變換部的負極 側的下級開關元件，上述上升功率在從上述非升壓控制向上述升壓控制轉移之際，起因于用于將上述上級 開關元件和上述下級開關元件均控制成斷開狀態的死區時間而過渡性地產生。
7.—種車輛驅動系統，其特征在于具備權利要求1 6中任意一項所述的旋轉電機控制系統，并且作為上述旋轉電機具 備第1旋轉電機和第2旋轉電機，還具備動力分配機構，該動力分配機構對由上述第1旋轉電機以及上述第2旋轉電機 以外的驅動源發生的驅動力進行分配，由上述動力分配機構所分配的一方驅動力傳遞到車 輪，另一方驅動力傳遞到上述第1旋轉電機，而且由上述第2旋轉電機所發生的驅動力傳遞 到上述車輪。
8.根據權利要求7所述的車輛驅動系統，其特征在于上述動力分配機構包含行星齒輪機構，該行星齒輪機構按旋轉速度的順序具有第1旋 轉構件、第2旋轉構件以及第3旋轉構件，上述第1旋轉電機連接到上述第1旋轉構件，上述旋轉電機以外的驅動源連接到上述 第2旋轉構件，上述第2旋轉電機以及上述第3旋轉構件連接到車輪。
全文摘要
本發明提供一種具有使直流電源的輸出升壓這一功能的旋轉電機控制系統，抑制伴隨在升壓開始時產生的過渡性電壓的上升而在直流電源發生過電流的情況。其具備設置在直流電源和旋轉電機之間，使直流電源的輸出變換成交流的頻率變換部；設置在直流電源和頻率變換部之間，基于升壓指令值使直流電源的輸出升壓的電壓變換部；控制頻率變換部以及電壓變換部的控制部，以旋轉電機的目標轉矩以及旋轉速度超越了基于它們的相關關系而設定的規定的轉移邊界作為條件，在控制部進行使之從非升壓控制轉移至升壓控制這一控制之際，以從直流電源的可輸出容許功率中扣除了在轉移之際過渡地產生的上升功率后的功率即可升壓功率WS作為基準，并在旋轉電機的消耗功率為可升壓功率(WS)以下的區域中設定轉移邊界(K3)。
文檔編號H02P27/06GK101926087SQ200980102970
公開日2010年12月22日 申請日期2009年5月27日 優先權日2008年7月31日
發明者伊澤仁, 吉田高志, 大野佳紀, 蘇布拉塔·薩哈, 荻野大介 申請人:愛信艾達株式會社