JP2006129668A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小負荷領域に限らず広範囲でモータの運転効率を向上することができるモータ制御装置を提供するものである。
【解決手段】三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ、三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔを備えたモータＭを第一インバータ３、第二インバータ４により駆動するモータ制御装置であって、要求運転状態に応じて第一インバータ３、第二インバータ４を切り替えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、三相ブラシレスモータ等の駆動制御を行うモータ制御装置に関するものである。

従来から、三相ブラシレスモータ等のモータを駆動制御するモータ制御装置が知られている。このモータ制御装置は、ＰＷＭ制御などモータを駆動制御するためのインバータ回路を備え、このインバータ回路のスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作（ＰＷＭ制御等）により駆動電流を制御するものである。このようなモータ制御装置では、１つのモータに同一の三相電機子巻線を２組設け、これらに三相電機子巻線に対応したそれぞれ同一のインバータ回路を個別に接続し、これらの三相電機子巻線に通電する駆動電流を各インバータ回路で個々に制御するものがある。そして、これら２つのインバータ回路のＰＷＭデューティ、又は、平均出力電流の絶対値が小さいいわゆる小負荷運転時においては、１つのインバータ回路で１組の三相電機子巻線に通電し、インバータ回路でのスイッチング損失を低減し、モータの運転効率が向上するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１７４７９０号公報

しかしながら、上記モータ制御装置においては、インバータ回路のＰＷＭデューティ又は平均出力電流の絶対値が小さい小負荷領域でのみスイッチング損失を低減するに留まり、小負荷領域以外ではインバータ回路の損失を低減することができないという問題がある。

そこで、この発明は、小負荷領域に限らず広範囲でモータの運転効率を向上することができるモータ制御装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、異なる巻数の電機子巻線（例えば、実施の形態における三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ、三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔ）を複数組備えたモータ（例えば、実施の形態におけるモータＭ）を多重インバータ（例えば、実施の形態における第一インバータ３、第二インバータ４）により駆動するモータ制御装置であって、要求運転状態に応じて多重インバータを切り替えることを特徴とする。
このように構成することで、モータの要求運転状態に基づいて、異なる巻数の電機子巻線から最適な巻数の電機子巻線を選択して、それぞれに対応したインバータで個々に駆動電流を通電することができる。

請求項２に記載した発明は、前記要求運転状態による多重インバータの切替えは、モータトルクとモータ回転数とモータの制御領域（例えば、実施の形態における直交領域１３、弱め界磁領域１４）とに基づいて行われることを特徴とする。
このように構成することで、モータトルクとモータ回転数とによって予め決められたモータの制御領域毎に最適な巻数の電機子巻線を選択して駆動電流を通電することができる。

請求項３に記載した発明は、前記モータの制御領域は直交領域を含むことを特徴とする。
このように構成することで、直交領域で最適な巻数の電機子巻線を用いてこれにインバータから駆動電流を通電することができる。

請求項４に記載した発明は、前記直交領域内でモータトルクが第一トルク以下である場合には、巻数が多い電機子巻線にのみ通電することを特徴とする。
このように構成することで、モータ回転数が低回転領域である直交領域内において、同一電流値でより高トルクを発生できる巻数の多い電機子巻線のみを使用してモータを駆動することができる。

請求項５に記載した発明は、前記直交領域内でモータトルクが前記第一トルクより大きい場合には、全ての電機子巻線に通電することを特徴とする。
このように構成することで、巻数の多い電機子巻線のみで電流が流しきれなくなった場合に他の電機子巻線を同時に用いて第一トルク以上のモータトルクを得ることができる。

請求項６に記載した発明は、前記モータの制御領域が弱め界磁領域では巻数の少ない電機子巻線のみに通電することを特徴とする。
このように構成することで、モータ回転数が高回転領域である弱め界磁領域で、モータ回転数が高回転の時に高効率となる巻数の少ない電機子巻線のみを用いることができる。

請求項１に記載した発明によれば、モータの要求運転状態に基づいて、異なる巻数の電機子巻線から最適な巻数の電機子巻線を選択して、それぞれに対応したインバータで個々に駆動電流を通電することができるため、モータの運転効率を向上させることができる効果がある。

請求項２に記載した発明によれば、請求項１の効果に加え、モータトルクとモータ回転数とによって予め決められたモータの制御領域毎に最適な巻数の電機子巻線を選択して通電することができるため、モータの運転効率の更なる向上を図ることができる効果がある。

請求項３に記載した発明によれば、請求項１又は請求項２の効果に加え、直交領域で最適な巻数の電機子巻線を用いてこれにインバータから駆動電流を通電することができるため、さらにモータの運転効率を向上させることができる。

請求項４に記載した発明によれば、請求項３の効果に加え、モータ回転数が低回転領域である直交領域内において、同一駆動電流でより高トルクを発生できる巻数の多い電機子巻線のみを使用してモータを駆動することができるため、直交領域内でのモータの運転効率を向上させることができる効果がある。

請求項５に記載した発明によれば、巻数の多い電機子巻線のみで電流が流しきれなくなった場合にだけ、他の電機子巻線を同時に用いて第一のトルク以上のモータトルクを得ることができるため、効率よく前記モータを駆動させることができる効果がある。

請求項６に記載した発明によれば、上述の効果に加え、モータ回転数が高回転領域である弱め界磁領域で、モータ回転数が高回転の時に高効率となる巻数の少ない電機子巻線のみを用いることができるため、弱め界磁領域でのモータの運転効率を向上させることができる効果がある。

次に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１はモータ制御ユニットのシステム構成を示したものである。同図において、１は三相ブラシレスタイプのモータＭをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって制御するモータ制御ユニットを示している。このモータ制御ユニット１は、直流電源であるバッテリ２から電力が供給される第一インバータ３と第二インバータ４とを備え、モータＭに設けられた２組の三相電機子巻線５へ通電する駆動電流を制御している。前記第一インバータ３と第二インバータ４とは、前記バッテリ２に対してそれぞれ並列に接続されており、平滑コンデンサ６を共有している。この平滑コンデンサ６によって前記バッテリ２の電圧（以下、バッテリ電圧と呼ぶ）が平滑化され、このバッテリ電圧に重畳するノイズが除去されることとなる。

前記第一インバータ３と第二インバータ４とは、それぞれ前記モータＭの三相電機子巻線５の各相に対応したアーム７で構成されている。このアーム７は、前記バッテリ２のプラス端子に接続された高電位側トランジスタ８と、バッテリ２のマイナス端子に接続された低電位側トランジスタ９と、これら高電位側トランジスタ８、低電位側トランジスタ９にそれぞれ接続されたダイオード１０とで構成されている。そして、前記高電位側トランジスタ８と低電位側トランジスタ９とはバッテリ２に対して直列に接続されている。ここで、前記ダイオード１０は高電位側トランジスタ８と低電位側トランジスタ９とのコレクタ−エミッタ間にエミッタからコレクタに向けて順方向となるように接続されている。尚、スイッチング素子はトランジスタに限られるものではなく、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＥＴ（Field Effect Transistor）等を用いても良い。

前記第一インバータ３の各アーム７には、高電位側トランジスタ８と低電位側トランジスタ９との間から分岐して前記モータＭのＵ，Ｖ，Ｗ相の三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗが接続されている。同様に、第二インバータ４の各アーム７には、高電位側トランジスタ８と低電位側トランジスタ９との間から分岐してモータＭのＲ，Ｓ，Ｔ相の電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔが接続されている。

そして、前記第一インバータ３と第二インバータ４とには、ゲート制御回路１１が接続されている。このゲート制御回路１１は、前記高電位側トランジスタ８と低電位側トランジスタ９とに向けてゲート信号を出力し、これらのＰＷＭデューティを制御するものである。前記ゲート制御回路１１には駆動指令回路（ＥＣＵ）１２が接続され、この駆動指令回路１２からの制御信号に基づいて前記第一インバータ３と第二インバータ４とを制御している。この駆動指令回路１２は、モータトルクセンサＳ１、モータ回転数センサＳ２又は他のセンサ類からの検出信号に基づいて図５に示す効率マップを検索して各第一インバータ３と第二インバータ４とのＰＷＭデューティを求めている。尚、前記駆動指令回路１２とゲート制御回路１１とを一体的に構成しても良い。

ここで、前記モータＭの三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗと三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔとは、各々同一巻線径であり、同一直径のティースに巻回されている。そして、前記三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗよりも前記三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔの方が巻数が多く設定されている。すなわち、前記三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗよりも前記三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔは自己インダクタンスが大きく、且つ、同一電流を通電した時の起磁力が大きくなっている。

図２は縦軸をトルク（Ｎｍ）、横軸をモータ回転数（ｋｒｐｍ）とした場合の三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔに通電した場合の効率マップである。ここで、この効率マップは前記三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔに接続された第二インバータ４の効率とモータＭの効率との和を示している。前記モータＭの上限トルクである０ｒｐｍ時トルクＴ０１は回転数０から回転数Ｎ０１まで一定となり、その後、低下して行き回転数Ｎ０ｍでトルクが０となる。つまり、前記三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔは起磁力が大きいため、小さい駆動電流でも効率よくモータＭのトルクを発生することができるが、自己インダクタンスが大きいため、モータ回転数が高く通電電流の周波数が高くなった場合にはこの三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔにより大きな逆起電力が生じることとなる。よって、低回転、高トルク領域において、前記効率が高くなっている。

図３は縦軸をトルク（Ｎｍ）、横軸をモータ回転数（ｋｒｐｍ）とした場合の三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗを用いた場合の効率マップである。ここで、この効率マップは、前述した三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔの効率マップと同様に、前記三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗに接続された第一インバータ３の効率とモータＭの効率との和を示している。前記モータＭの０ｒｐｍ時トルクＴ０２は同一相電流において前記０ｒｐｍ時トルクＴ０１より小さいが、この０ｒｐｍ時トルクＴ０２は回転数Ｎ０１よりも大きい回転数Ｎ０２まで一定の値となり、その後、同一出力アウトライン上においてトルクは低下して行き回転数Ｎ０ｍよりも大きい回転数Ｎ２ｍでトルク０となる。

つまり、前記電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗは、三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔと比較して自己インダクタンスが小さいため、モータ回転数が高くなり通電電流の周波数が高くなったとしても、この三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗで生じる逆起電力は三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔよりも低い状態を維持できる。そのため、Ｒ，Ｓ，Ｔ相の三相巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔよりも上限回転数が高くなる。しかしながら、三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔ起磁力が低くなるためモータトルクの上限値が低くなる。よって、高回転領域において前記効率が高くなる。

図４は縦軸をトルク（Ｎｍ）、横軸をモータ回転数（ｋｒｐｍ）とした場合のＵ，Ｖ，Ｗ相とＲ，Ｓ，Ｔ相との両方の三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ、５Ｒ，５Ｓ，５Ｔを同時に用いた場合の効率マップである。ここで、この効率マップは前記第一インバータ３の効率と第二インバータ４の効率とモータＭの効率との和を示している。前記モータＭの０ｒｐｍ時トルクＴ０３は０ｒｐｍ時トルクが回転数Ｎ０２よりも低い回転数Ｎ０３まで一定となり、上限トルクの回転数範囲が狭くなっているが、０ｒｐｍ時トルクＴ０３のトルク値は前記０ｒｐｍ時トルクＴ０１、Ｔ０２よりも大きい０ｒｐｍ時トルク値となる。

そして、前記回転数Ｎ０３よりもモータ回転数が上昇すると同一出力アウトライン上においてトルクが低下して行き前記回転数Ｎ２ｍと同等の回転数Ｎ３ｍで０となる。この時、効率は、前述した三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗと三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔを用いた場合の効率の中間領域で高くなる。

図５は縦軸をトルク、横軸をモータ回転数とした場合の、第一インバータ３、第二インバータ４によるモータＭの制御領域を示したマップである。同図に示すように、モータＭの制御領域は直交領域１３と弱め界磁領域１４とで構成されている。ここで、前記直交領域１３は、モータＭの回転速度（ω）が増加して、モータＭの端子電圧が上昇していく過程での制御領域である。尚、前記回転数Ｎａ，ＮｂはモータＭの特性すなわち三相電機子巻線５の巻数等によって決定するものである。

前記直交領域１３には前記第二インバータ４でモータＭを制御する領域（図６中、（２）で示す）と、この第二インバータの電流容量を超えるトルクＴ２ｍよりも高いトルクの領域では第一インバータと第二インバータとの両者で前記モータＭを制御する領域（図６中、（１）＋（２）で示す）が設定されている。

一方、前記弱め界磁領域１４は、モータＭの端子電圧が回転による逆起電力が上昇して電圧制限に達した後、電流位相を制御する制御領域である。この弱め界磁領域１４では前記第一インバータ３でモータを制御する領域（図６中、（１）で示す）が設定されている。すなわち、トルクＴ２ｍよりも低いトルクで、且つ、モータ回転数が低回転の領域では、電流からトルクへの変換効率が高い第二インバータ４を用いて三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔに通電し、さらに、高回転領域の弱め界磁領域１４では回転効率の高い第一インバータ３を用いて前記三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗに通電するようになっている。

したがって、上述の実施の形態によれば、モータＭの要求運転状態に基づいて、異なる巻数の三相電機子巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗと三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔとから最適な巻数の三相電機子巻線を選択して、それぞれに対応したインバータで個々に駆動電流を通電することができるため、モータＭの運転効率を向上させることができる。

そして、モータＭのトルクとモータ回転数とによって要求運転状態を判定して第一インバータ３、第二インバータ４の駆動を選択的に行うことができるため、モータＭの運転効率をさらに向上させることができる。

また、モータ回転数が低回転領域である直交領域１３で、第二インバータ４を用いて三相電機子巻線５Ｒ，５Ｓ，５Ｔに通電することができるため、モータＭの通電電流をモータＭのトルクへ変換する際の効率を向上させることができる。
さらに、第二インバータ４のみを用いて要求運転状態を満たせない場合に第一インバータ３と第二インバータ４との両者を用いて前記モータＭを制御することができるため、要求運転状態に対応したモータＭのトルクを発生することができる。

そして、弱め界磁領域１４において、第一インバータ３のみを用いて前記モータＭの制御を行うことができるため、モータＭの駆動（回生）効率を向上させることができる。
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、ゲート制御回路に制御領域のマップを格納してマップ検索するようにしても良い。さらに、モータの巻線は巻数を変化させる場合について説明したが、前記三相電機子巻線の線径や、巻回するティースの直径を変化させても良い。
また、上記実施の形態ではインバータと三相電機子巻線を二組ずつ設ける場合について説明したが、三組以上設けてもよい。このように構成した場合、制御領域をさらに細分化して最適なモータ制御を行うことができる。
ここで、本願発明のモータ制御装置は様々な分野に用いられるモータに適用可能であるが、とりわけ、モータ回転数が変動する頻度の高い、ハイブリッド車や電気自動車等の車両のモータに用いた場合には、使用回転域が広がることで商品性を向上できると共に、モータの運転効率が向上することで航続距離を伸ばすことができる点で有利となる。

本発明の実施の形態におけるモータ制御装置のシステム構成図である。 本発明の実施の形態における巻数の少ない巻線を用いた場合の効率マップである。 本発明の実施の形態における巻数の多い巻線を用いた場合の効率マップである。 本発明の実施の形態に全ての巻線を用いた場合の効率マップである。 本発明の実施の形態における制御領域を示すマップである。

符号の説明

３ 第一インバータ（多重インバータ）
４ 第二インバータ（多重インバータ）
５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ 三相電機子巻線（電機子巻線）
５Ｒ，５Ｓ，５Ｔ 三相電機子巻線（電機子巻線）
１３ 直交領域（制御領域）
１４ 弱め界磁領域（制御領域）
Ｍ モータ

Claims (6)

1. 異なる巻数の電機子巻線を複数組備えたモータを多重インバータにより駆動するモータ制御装置であって、要求運転状態に応じて多重インバータを切り替えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記要求運転状態による多重インバータの切替えは、モータトルクとモータ回転数とモータの制御領域とに基づいて行われることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記モータの制御領域は直交領域を含むことを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記直交領域内でモータトルクが第一トルク以下である場合には、巻数が多い電機子巻線にのみ通電することを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記直交領域内でモータトルクが前記第一トルクより大きい場合には、全ての電機子巻線に通電することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記モータの制御領域が弱め界磁領域である場合には、巻数の少ない電機子巻線のみに通電することを特徴とする請求項３〜請求項５に記載のモータ制御装置。
   

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