JP2006050705A

JP2006050705A - 電動機制御装置

Info

Publication number: JP2006050705A
Application number: JP2004225466A
Authority: JP
Inventors: Kantaro Yoshimoto; 貫太郎吉本; Michiyuki Haniyu; 倫之羽二生
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】回転子の磁石または固定子の磁極歯の位相をずらした場合でも、外乱の影響がなく、電流制御の応答性・安定性を向上させることができる電動機制御装置を提供する。
【解決手段】電動機の固定子もしくは回転子のいずれか一方が回転軸に直交する方向に分割され、分割された固定子間もしくは分割された回転子間に回転角位相差を与えるように、分割された固定子もしくは回転子を可動しうるよう構成された電動機において、その電流を制御する電動機制御装置１５０であって、分割された固定子間もしくは回転子間の回転角位相差を得る手段５と、得られた回転角位相差に応じた電動機のインダクタンス値と誘起電圧値とを演算する手段１と、演算された電動機のインダクタンス値と誘起電圧値、及び、電動機の電気的回転角速度と電動機電流値から、前記電動機の印加電圧を演算する手段２、とを備える（第１発明）。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機の固定子もしくは回転子のいずれか一方が回転軸に直交する方向に分割され、分割された固定子間もしくは分割された回転子間に回転角位相差を与えるように、分割された固定子もしくは回転子を可動しうるよう構成された電動機において、その電流を制御する電動機制御装置に関するものである。

近年、低公害性と航続距離、および、エネルギ供給のインフラ等の要求から、エンジンとモータジェネレータ（ＭＧ）を組み合わせて搭載したハイブリッド車両（ＨＥＶ）の実用化が進められている。このＨＥＶに求められるＭＧ特性は、高効率、比較的低出力でありながら、高回転かつ高トルクを発生することである。

高効率および高トルクという条件では、ロータに永久磁石を用いる磁石式同期モータ（以下、磁石モータとも記載する）が有望である。しかし、磁石モータでは、回転数の上昇とともに磁石による逆起電力が大きくなるため、高回転化が困難であった。また、高回転領域では弱め界磁が必要となり、効率の低下を招いていた。

これらの問題を解決する方式として、高回転時にロータの磁石の位相をずらすことにより、機械的な弱め界磁を行い、高回転化する方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１５５２６２号公報

しかしながら、上述した方式では、回転子の磁石の位相をずらすと、固定子巻線と鎖交する磁束の位相がずれ、磁束の大きさも変化する。巻線には、磁束の時間微分が誘起電圧として発生し、永久磁石同期電動機の電流制御においては、この誘起電圧が外乱として作用する。このため、回転子の磁石の位相をずらした場合には、外乱が変化し、電流制御の応答性・安定性が低下するという問題があった。このことは、回転子の代わりに固定子の磁極歯の位相をずらして上記方式と同じ作用効果を得ようとした場合でも同じであった。

本発明の目的は上述した課題を解消して、回転子の磁石または固定子の磁極歯の位相をずらした場合でも、外乱の影響がなく、電流制御の応答性・安定性を向上させることができる電動機制御装置を提供しようとするものである。

本発明の電動機制御装置の第１発明は、電動機の固定子もしくは回転子のいずれか一方が回転軸に直交する方向に分割され、分割された固定子間もしくは分割された回転子間に回転角位相差を与えるように、分割された固定子もしくは回転子を可動しうるよう構成された電動機において、その電流を制御する電動機制御装置であって、分割された固定子間もしくは回転子間の回転角位相差を得る手段と、得られた回転角位相差に応じた電動機のインダクタンス値と誘起電圧値とを演算する手段と、演算された電動機のインダクタンス値と誘起電圧値、及び、電動機の電気的回転角速度と電動機電流値から、前記電動機の印加電圧を演算する手段、とを備えることを特徴とするものである。

本発明の電動機制御装置の第２発明は、永久磁石同期電動機の固定子もしくは回転子のいずれか一方が回転軸に直交する方向に分割され、分割された固定子間もしくは分割された回転子間に回転角位相差を与えるように、分割された固定子もしくは回転子を可動しうる永久磁石同期電動機において、永久磁石同期電動機の磁束の回転に同期して回転するｄｑ座標系で永久磁石同期電動機の電流を制御する電動機制御装置であって、分割された固定子間もしくは回転子間の回転角位相差を得る手段と、回転角位相差０における回転子回転位相を検出する手段と、得られた回転角位相差と検出した回転子回転位相とから永久磁石磁束の回転位相を演算する手段と、永久磁石同期電動機のｄｑ座標における、回転角位相差に応じたインダクタンス値と誘起電圧値とを演算する手段と、演算されたインダクタンス値と誘起電圧値、及び、永久磁石磁束の電気的回転角速度とｄｑ軸電流値から、永久磁石同期電動機のｄｑ座標における印加電圧を演算する手段と、検出された永久磁石磁束の回転位相に基づいて、永久磁石同期電動機の電流、もしくは、演算された印加電圧の３相交流とｄｑ座標の座標変換を演算する手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明の電動機制御装置の第１発明では、分割された固定子間もしくは回転子間の回転角位相差に応じたインダクタンス値と誘起電圧値を演算し、これらの値と電動機の電流値と電気的回転角速度から電動機の印加電圧を演算するため、電動機の分割された固定子もしくは回転子が可動し、磁石磁束の位相がずれる場合においても、誘起電圧の影響を抑圧し、電流制御の応答性・安定性を高め、電動機の高回転化を図ることが可能である。

本発明の電動機制御装置の第２発明では、ｄｑ座標における永久磁石同期電動機の分割された固定子間もしくは回転子間の回転角位相差に応じたインダクタンス値と誘起電圧値を演算し、これらの値と永久磁石同期電動機の電流値と電気的回転角速度から、永久磁石同期電動機のｄｑ座標における印加電圧を演算するとともに、永久磁石磁束の向きに同期した座標変換が可能になるため、永久磁石同期電動機の分割された固定子もしくは回転子が可動し、磁石磁束の位相がずれる場合においても、誘起電圧の影響を抑圧したｄｑ軸電流制御を実現し、電流制御の応答性・安定性を高め、永久磁石同期電動機の高回転化を図ることが可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の電動機制御装置を電動機とともに説明するための図である。図１に示す例は、回転軸に直交する方向に２つに固定子を分割した永久磁石型同期電動機１１０（以下、モータ）と、モータ１１０に電圧を印加するインバータ１１９及びバッテリ１２０と、本発明による電動機制御装置１５０と、を示したものである。

図１に示す例では、モータ１１０の固定子は、固定子１２１と固定子１２２の２つに分割されており、シャフト１１１に取り付けられた回転子は分割されていない。回転アクチュエータ１１７がアクチュエータ駆動軸１１８を介してウォームギア１１６を回転すると、固定子１２２が固定子１２１に対して回転し、固定子１２２と１２１とはモータ回転方向の電気角位相差θαを持つようになる。モータ１１０を駆動する際に、固定子１２２には反トルクが発生するため、電気角位相差θαを保持するためには、回転アクチュエータ１１７によって保持力を発生させる。ここで、ウォームギア１１６の特性により、反トルクは回転アクチュエータ１１７にはほとんど伝達しないため、回転アクチュエータ１１７に求められる保持力はごくわずかですむ。シャフト１１１には位置センサ２００が取り付けられ、モータ回転子の回転角を検出する。また、回転アクチュエータ１１７にも電気角位相差センサとして作用する位置センサ２０１が取り付けられ、電気角位相差θαを検出する。

モータ１１０への電力供給は、バッテリ１２０から直流をインバータ１１９へ供給し、インバータ１１９で直流電力を交流電力へ変換する。モータ１１０とインバータ１１９は給電線１４２Ａと給電部１３２Ａを介して接続される。モータ１１０のＵ相とＶ相の電流値を電流センサ６ａ、６ｂによって検出し、前述の電気角位相差θαとモータ回転子の回転角らとともに、電動機制御装置１５０に送られる。

図２は本発明の電動機制御装置の一例の構成を示すブロック図である。図２に示す例において、電動機制御装置１５０は、電流制御器１、３相座標変換器２、非干渉制御器３、ｄｑ座標変換器４、位相速度演算器５、モータトルク制御器７、ＰＷＭ生成器８から構成されている。図２に示す電動機制御装置１５０における動作は以下の通りである。

位相速度演算５では、まず、検出されたモータ回転子の回転角から、モータの電気角θｅを演算する。このθｅは、電気角位相差θα＝０の際の、永久磁石によって作られる磁束の方向を基準とする。分割された固定子１２２を回転アクチュエータ１１７により可動させると、電気角位相差θαが生じ、モータＵ相・Ｖ相・Ｗ相のそれぞれにおいて、永久磁石による誘起電圧の振幅と位相がθαに応じて変化する。固定子１２１と固定子１２２が電気的に等分割された場合、すなわち永久磁石による誘起電圧の振幅が固定子１２１の巻線と固定子１２２の巻線で等しくなるように分割された場合には、モータＵ相・Ｖ相・Ｗ相に発生する永久磁石による誘起電圧の位相は、θｅよりθαの半分だけ位相差を持つようになる。

このことを次のように図３を参照にして式を用いて説明する。
図３は電動機の分割された固定子１２１と１２２を駆動するための回路図の一例を示すである。図３の回路図が示す誘起電圧ｅｕ１とｅｕ２は、それぞれ固定子１２１と１２２の巻線に発生する誘起電圧であり、以下の式（１）（２）で表される。

ここで、φ'はモータの永久磁石による誘起電圧定数であり、ωｅはモータの電気角速度を示している。モータ給電端子部１３２ＡのＵ相から見た誘起電圧ｅｕは、ｅｕ１＋ｅｕ２の和であるから、式（１）（２）より、以下の式（３）が導かれる。

この式（３）が示すように、誘起電圧ならびに磁束の位相はθαの１／２だけ位相がずれる。このように、固定子１２１と固定子１２２が電気的に等分割されている場合には、位相速度演算が出力するθｅ２は、以下の式（４）が示すような関係になる。

以下、図２において電動機制御装置１５０を構成する各部について詳細に説明する。

位相速度演算
位相速度演算器５では、回転位置センサ２００及び電気角位相差センサ２０１の信号を受けて、θαの値に応じて、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相に発生する永久磁石による磁束の位相を補正して、θｅ２を出力する。なお固定子１２１と固定子１２２が電気角位相差が無い場合でも、同様にθｅ２を出力する。このθｅ２の演算は前述の(4)式に基づいて演算するが、演算が複雑になる場合には、事前に入力θα・出力θｅ２のマップを作成しておき、参照するようにしても良い。また、位相速度演算器５では前述のθｅ２を時間微分して電気角速度ωｅを出力する。このため、ωｅは電気角位相差θαの変化も考慮した値となり、回転アクチュエータ１１７によって固定子１２２を可動させた場合にも、精度良く電気角速度が求められる。

ｄｑ座標変換
ｄｑ座標変換器４では、検出したモータ相電流ｉｕとｉｖを、位相θｅ２を用いてｄｑ座標の電流値ｉｄ、ｉｑに変換する。ここで、座標軸ｄ軸は、モータ固定子に鎖交する磁石磁束の向きに設定する。ｄｑ座標への変換は、以下の式（５）（６）に基づいて演算する。

つまり、ここでも現在のｄｑ座標の電流値ｉｄ、ｉｑは電気角位相差θαの変化も考慮した値となる。

モータトルク制御
モータトルク制御器７ではモータトルク指令Ｔｅ＊とモータの角速度ωｅとθαを受けて、トルク指令値Ｔｅ＊を実現するモータｄｑ軸電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊を出力する。このｉｄ＊、ｉｑ＊は、モータの機械的な回転角速度ωｅとモータトルク指令値Ｔｅ＊及びθα＊から、用意されたマップを参照することで得られる。なお、一般的なモータにおいてはモータの特性は固定であるので、モータトルク指令Ｔｅ＊とモータの角速度ωｅに基づきマップからモータｄｑ軸電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊を求めることができるが、本願においては、固定子１２１、１２２を動かすことにより後述のようにモータ特性が変化しているので、マップを固定子の位相差毎に用意するか、マップを位相差に応じて補正する。

モータ電流制御
電流制御器１では、モータトルク制御器７が出力したｉｄ＊、ｉｑ＊を実現するため、電流のフィードバック制御とフィードフォワード制御を行ってインバータ１１９のスイッチをOn/Offさせるインバータ駆動信号を生成する。前述のモータトルク制御器７からのモータｄｑ軸電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と同じく前述のｄｑ座標変換器４からのｉｄ、ｉｑの電流制御偏差を減算器５００ａ、５００ｂで求め、これらを入力としてＰＩ制御を用いたｄｑ電流制御器１によって電流制御偏差が０になるように、ｄ軸電流制御・ｑ軸電流制御が行われｖｄとｖｑを出力する。モータの誘起電圧に対するフィードフォワード制御が非干渉制御器３であり、次の式（７）（８）から演算する。
vd_cmp = - Lq・ωe・iq* 式（７）
vq_cmp = ωe・(Ld・id* + φ) 式（８）
ここでＬｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、またφは、ｄｑ座標における磁石磁束による誘起電圧の定数である。

これらの値はθαに応じて変化するため、事前に入力θαに応じてマップを作成しておき、参照することによって値を得る。ωｅは先に述べたように、固定子１２２が可動する際の位相変化も考慮しているため、固定子１２２が可動した際に発生する誘起電圧を補償する制御電圧を演算することが可能になる。ｄｑ電流制御器１の制御出力ｖｄ、ｖｑとvd_cmp、vq_cmpをそれぞれ加算器５０１ａ、５０１ｂで加算することによって、ｄ軸制御電圧ｖｄ＊、ｑ軸制御電圧ｖｑ＊が得られる。得られたｄｑ軸制御電圧を３相電圧に３相座標変換２を行ってｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を求める。

３相座標変換
３相座標変換器２における３相座標変換は、以下の式（９）に基づいて演算される。

求められたｖｕ＊、ｖｖ＊、Ｖｗ＊をＰＷＭ生成器８に入力し、インバータ駆動信号を生成する。このインバータ駆動信号によって、インバータ１１９のスイッチがそれぞれOn/Off動作し、モータ端子に電圧が印加され、電流が流れる。これによって、モータトルクが発生し、モータが駆動される。

以上の説明から明らかなように、本発明の電動機制御装置では、モータの分割された固定子間もしくは回転子間の回転角位相差に応じたインダクタンス値と誘起電圧値を演算し、これらの値とモータの電流値と電気的回転角速度から、モータのｄｑ座標における印加電圧を演算することで、モータの誘起電圧を抑圧し、電流制御の応答性・安定性を高めることができる。また、座標変換に用いる位相を、回転角位相差を考慮した位相を用いる事で、常に永久磁石の磁束に同期した座標変換が可能になる。この結果、従来知られているdq軸電流制御の概念、すなわちq軸電流をトルク電流とする制御則を適用することができ、電流制御の制御設計が容易になる。これら本発明によって、インバータの電源電圧を高めることなく、モータの誘起電圧を機械的に弱め界磁を行って高回転化を図る際にも、高い安定性・応答性を持つ電流制御、トルク制御が可能になる。

なお、上述した実施例では、固定子を２分割して固定子１２１と１２２との間に位相差を発生させた例について説明したが、本発明は、回転子を２分割して位相差を発生させた例にも同様に適用することができる。

本発明の電動機制御装置は、分割された固定子間もしくは回転子間の回転角位相差に応じたインダクタンス値と誘起電圧値を演算し、これらの値と電動機の電流値と電気的回転角速度から電動機の印加電圧を演算することで、電動機の分割された固定子もしくは回転子が可動し、磁石磁束の位相がずれる場合においても、誘起電圧の影響を抑圧し、電流制御の応答性・安定性を高め、電動機の高回転化を図ることが可能であり、そのような課題を解決する用途に好適に使用することができる。

本発明の電動機制御装置を電動機とともに説明するための図である。本発明の電動機制御装置の一例の構成を示すブロック図である。電動機の分割された固定子を駆動するための回路図の一例を示すである。

符号の説明

１電流制御器
２３相座標変換器
３非干渉制御器
４ｄｑ座標変換器
５位相速度演算器
６ａ、６ｂ電流センサ
７モータトルク制御器
８ＰＷＭ生成器
１５０電流制御装置
２００、２０１回転位置センサ

Claims

電動機の固定子もしくは回転子のいずれか一方が回転軸に直交する方向に分割され、分割された固定子間もしくは分割された回転子間に回転角位相差を与えるように、分割された固定子もしくは回転子を可動しうるよう構成された電動機において、その電流を制御する電動機制御装置であって、
分割された固定子間もしくは回転子間の回転角位相差を得る手段と、得られた回転角位相差に応じた電動機のインダクタンス値と誘起電圧値とを演算する手段と、演算された電動機のインダクタンス値と誘起電圧値、及び、電動機の電気的回転角速度と電動機電流値から、前記電動機の印加電圧を演算する手段、とを備えることを特徴とする電動機制御装置。
永久磁石同期電動機の固定子もしくは回転子のいずれか一方が回転軸に直交する方向に分割され、分割された固定子間もしくは分割された回転子間に回転角位相差を与えるように、分割された固定子もしくは回転子を可動しうる永久磁石同期電動機において、永久磁石同期電動機の磁束の回転に同期して回転するｄｑ座標系で永久磁石同期電動機の電流を制御する電動機制御装置であって、
分割された固定子間もしくは回転子間の回転角位相差を得る手段と、回転角位相差０における回転子回転位相を検出する手段と、得られた回転角位相差と検出した回転子回転位相とから永久磁石磁束の回転位相を演算する手段と、永久磁石同期電動機のｄｑ座標における、回転角位相差に応じたインダクタンス値と誘起電圧値とを演算する手段と、演算されたインダクタンス値と誘起電圧値、及び、永久磁石磁束の電気的回転角速度とｄｑ軸電流値から、永久磁石同期電動機のｄｑ座標における印加電圧を演算する手段と、検出された永久磁石磁束の回転位相に基づいて、永久磁石同期電動機の電流、もしくは、演算された印加電圧の３相交流とｄｑ座標の座標変換を演算する手段と、を備えることを特徴とする電動機制御装置。