JP2006304441A - 同期モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
バッテリ電圧の変動により電流量を変化させるとともに、モータ温度の変化により電流を変化させ、トルク変動の抑制や効率向上を図った同期モータ制御装置を提供する。
【解決手段】
バッテリ電圧とモータ温度からバッテリ電圧換算値を演算し、モータ温度による同期モータの誘起電圧の変化をバッテリ電圧の変化に見立てて、ｄ，ｑ軸電流指令を補正することにより、バッテリ電圧の変化とモータ温度の変化を同時に補正することができ、効率向上とトルク変動の抑制を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置に係り、特に、バッテリを利用したモータ駆動システムに用いられ、トルク指令に従い電動機を制御する同期モータ制御装置に関する。

従来、同期モータの制御では、バッテリの電圧の変化に応じて弱め界磁電流を変えて制御する方法が用いられてきた。同期モータは回転数に応じて誘起電圧が発生する。その誘起電圧のピーク値がバッテリ電圧よりも高くなると、電流が同期モータからバッテリに逆流するため、モータの端子電圧を抑える必要がある。そのため、弱め界磁電流が必要になる。バッテリ電圧が高いときには、弱め界磁電流を減らし、電流を少なくして制御できるため、効率を良くすることができる。

例えば、特許文献１（特開２０００−２２８８９２号公報）には、バッテリの電圧に応じて、弱め界磁開始の回転数を変化させる方法が開示されている。

特開２０００−２２８８９２号公報

しかしながら、上記方法では、バッテリ電圧の変動のみ考慮したものであり、同期モータは温度によっても誘起電圧が変化するが、温度による変動は考慮していない。温度による誘起電圧の変動があると、トルクの変動や効率の悪化が起こる。

そこで、本発明の目的は、バッテリ電圧の変動により電流量を変化させるだけでなく、モータの温度が変化した場合にも電流量を変化させ、トルク変動の抑制や効率向上を図ることにある。

本発明の代表的な同期モータ制御装置は、同期モータと、同期モータのモータ温度を検出するモータ温度検出器と、モータ電流を用いて同期モータを駆動する電力変換装置と、電力変換器に電力を供給するバッテリと、バッテリの電圧を検出する電圧検出器と、同期モータを制御する制御装置とを有し、制御装置は、モータ温度に応じてモータ電流を変化させるものである。

より好ましくは、制御装置は、バッテリの電圧に応じてモータ電流を変化させる電圧補正手段を備え、電圧補正手段は、モータ温度の変化をバッテリの電圧の変化に換算し、換算したバッテリの電圧の変化に応じて、モータ電流を変化させるものである。

本発明によれば、トルク変動の抑制や効率向上を図った同期モータ制御装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。本発明では、バッテリ電圧に応じた複数のｄｑ軸電流指令マップを用い、バッテリ電圧の変化とモータ温度の変化に応じてモータ電流を変化させることで、電圧変化時の効率向上とモータ温度変化時のトルク変動を抑えることを実現している。

第一の実施例につき、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本発明の同期モータ制御装置の概要を示すブロック図である。図１において、バッテリ２の直流電圧はインバータ３（電力変換装置）により３相交流電圧に変換され、同期モータ１に印加される。この印加電圧は、コントローラ４（制御装置）において、次のような演算を行って決定される。

まず、電流指令発生部６において、同期モータ１が発生すべきトルク指令値τｒに対し、ｄ軸電流指令値ｉｄｒ，ｑ軸電流指令値ｉｑｒが決定される。ここで、ｄ軸は磁極位置（磁束）の方向を示し、また、ｑ軸は電気的にｄ軸に直交する方向を示している。これらは、回転座標系（ｄ−ｑ軸）を構成している。

本実施例のコントローラ４は、ｄ−ｑ軸上での電流制御系を構成する。このため、電流制御部７にフィードバックする値は、電流センサ５ｕ，５ｖにより検出されたｕ相電流
ｉｕ、ｖ相電流ｉｖをｄ−ｑ変換部８にて座標変換したｄ軸電流検出値ｉｄ＾とｑ軸電流検出値ｉｑ＾である。

なお、本実施例の電流検出では、３相モータ電流のＵ相とＶ相の２相を用いているが、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相電流のうちのいずれか２相の組み合わせでも、電流検出は可能である。また、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相電流の全てを検出して電流検出を行うこともできる。

電流指令発生部６の詳細図を図２に示す。電流指令発生部６では、モータ電流の変化とバッテリ電圧の変化の両方を考慮している。ｄ軸電流指令ｉｄｒ及びｑ軸電流指令ｉｑｒは、トルク指令τｒ及び同期モータ１のモータ回転数から決定されるテーブルを備えている。このテーブルは、バッテリ電圧に応じて、少なくとも２つの複数個存在する。本実施例では、バッテリ電圧が低・中・高の場合の３つのテーブルを備えている場合を説明する。

バッテリ電圧検出部（バッテリ電圧センサ１６）により検出されたバッテリ電圧値と、モータ温度検出部（モータ温度センサ１５）により検出されたモータ温度を用いて、例えば、下記（式１）の数式に示される換算式によりバッテリ電圧換算値を計算する。
（式１）
Ｖｂｃ＝Ｖｂ・Ｋ・Ｔ２５／（Ｔｍ（１−ｅ（−ａｔ）））
ここで、Ｖｂはバッテリ電圧、Ｋは定数、Ｔ２５は２５℃の温度、Ｔｍはモータ温度、ａは時定数、であり、これらからバッテリ電圧換算値Ｖｂｃを計算する。通常、同期モータの固定子に接続されているモータ温度検出器から回転子にあるマグネット温度を推定する方式を採用するため、モータ温度Ｔｍに所定の時定数ａを掛けている。

このバッテリ電圧換算値Ｖｂｃを基準として、バッテリ電圧換算値Ｖｂｃが低電圧Ｖblよりも低い場合には、図２のＳＷ１及びＳＷ２は１に接続され、ＶＢ低用の電流指令テーブルが用いられる。

また、バッテリ電圧換算値Ｖｂｃが低電圧Ｖｂｌと中電圧Ｖｂｍの間、Ｖｂｌ＜Ｖｂｃ＜Ｖｂｍの場合には、図２のＳＷ１及びＳＷ２は２に接続され、ＶＢ低用とＶＢ中用の電流指令テーブルからｄ軸電流指令ｉｄｒ及びｑ軸電流指令ｉｑｒを検索する。この場合は、バッテリ電圧換算値Ｖｂｃにより補完し、電流指令が決定される。

また、バッテリ電圧換算値Ｖｂｃが中電圧Ｖｂｍと高電圧Ｖｂｈの間、Ｖｂｍ＜Ｖｂｃ＜Ｖｂｈの場合には図２のＳＷ１及びＳＷ２は４に接続され、ＶＢ中用とＶＢ高用の電流指令テーブルからｄ軸電流指令ｉｄｒ及びｑ軸電流指令ｉｑｒを検索する。この場合は、バッテリ電圧換算値Ｖｂｃにより補完し、電流指令が決定される。

また、バッテリ電圧換算値Ｖｂｃがバッテリ電圧高値よりも高い場合には、図２のＳＷ１及びＳＷ２は５に接続され、バッテリ電圧高用の電流指令テーブルからｄ軸電流指令
ｉｄｒ及びｑ軸電流指令ｉｑｒが決定される。

このように、バッテリ電圧換算値Ｖｂｃを用いることにより、バッテリ電圧とモータ温度の変化をバッテリ電圧の変化に換算される。バッテリ電圧換算値Ｖｂｃに応じた電流指令テーブルを検索して電流指令を求めることにより、バッテリ電圧とモータ温度の変化が同時に補正される。このため、効率よく制御でき、トルク変動も抑制することができる。

なお、本実施例では、バッテリ電圧換算値Ｖｂｃに応じた電流指令テーブルを３つ用意した場合を説明したが、３つには限定されず、必要に応じて２つでも４つでも可能である。電流指令テーブルは、それが複数であれば問題なく適用できる。

第二の実施例につき、図３を用いて説明する。図３は、モータ温度に応じて電流指令の補正を行う電流指令生成部の簡易図である。第二の実施例は、モータ温度の変化によって変化する電流指令を検索する方法に関する。

走行補助・アシスト用のモータと発電用のモータを備えたハイブリッド電気自動車等の場合、バッテリ電圧は、バッテリコントローラによりそれほど変化せずに発電用モータで発電しながら駆動する場合がある。このような場合には、バッテリ電圧による補正はあまり必要ではない。

また、モータの特性により、使用範囲のモータ回転数領域で弱め界磁電流を必要とせずに駆動できるモータも存在する。この場合にも、バッテリ電圧により弱め界磁電流を変化させる補正は必要ない。モータのトルク変動を抑制し、効率を向上させるには、モータ温度による同期モータの誘起電圧の変化のみを考慮すればよい。

本実施例では、このような場合の、モータ温度の変化のみを考慮したものとなっている。モータ温度に応じて、あらかじめ、ｄ軸電流指令テーブルとｑ軸電流指令テーブルを備えておく。ｄ軸電流指令テーブル及びｑ軸電流指令テーブルは、モータ回転数とトルク指令から構成される。

ここで、モータ温度Ｔｍがモータ温度低値Ｔｍｌより低い場合には、モータ温度低用の電流指令テーブルに基づいて、ｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令を決定する。

また、モータ温度Ｔｍが、モータ温度低値Ｔｍｌとモータ温度中値Ｔｍｍの間（Ｔｍｌ＜Ｔｍ＜Ｔｍｍ）にある場合には、モータ温度低用とモータ温度中用のマップから電流指令の仮値を検索し、モータ温度Ｔｍにより補完してｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令を決定する。

モータ温度Ｔｍがモータ温度中値Ｔｍｍとモータ温度高値Ｔｍｈの間（Ｔｍｍ＜Ｔｍ＜Ｔｍｈ）にある場合には、モータ温度中用とモータ温度高用のマップから電流指令の仮値を検索し、モータ温度Ｔｍにより補完してｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令を決定する。モータ温度Ｔｍがモータ温度高Ｔｍｈより高い場合には、モータ温度高用の電流指令テーブルからｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令を決定する。

このようにして、モータ温度の変化に応じて最適な電流指令を求めることができ、モータ温度の変化によるトルクの変動が抑制され、効率を向上させることも可能となる。なお、本実施例についても、モータ温度に応じた電流指令テーブルを３つ用意した場合を説明したが、３つとは特に限定されず、２つでも４つでも、複数存在するのであれば問題ない。

第三の実施例につき、図４を用いて説明する。図４は、バッテリ電圧とモータ温度からバッテリ電圧換算値を用いて補正を行う電流指令発生部６の構成図である。第三の実施例はバッテリ電圧の補正後にモータ温度でも補正する方法に関する。

電流指令発生部６は、始めに、バッテリ電圧Ｖｂによる補正を行う。このとき、モータ温度Ｔｍがモータ温度低値Ｔｍｌよりも低い場合には、図４のＳＷ５及びＳＷ６は１に接続され、モータ温度低側の電流指令テーブルからバッテリ電圧補正を行いながら電流指令を検索する。

モータ温度Ｔｍがモータ温度低値Ｔｍｌとモータ温度高値Ｔｍｈの間（Ｔｍｌ＜Ｔｎ＜Ｔｍｈ）の場合には、図４のＳＷ５及びＳＷ６は２に接続され、モータ温度低側の電流指令テーブルとモータ温度高側の電流指令テーブルからそれぞれバッテリ電圧の補正を行いながら、電流指令を検索する。それぞれのモータ温度側から求めた電流指令をモータ温度によって補正し、ｄ軸電流指令Ｉｄｒ，ｑ軸電流指令Ｉｑｒとする。

モータ温度Ｔｍがモータ温度高値Ｔｍｈよりも高い場合には、図４のＳＷ５及びＳＷ６は３に接続され、モータ温度高側の電流指令テーブルからバッテリ電圧補正を行いながら電流指令を検索する。

このような構成により、バッテリ電圧による補正とモータ温度による補正とを同時に行うことができる。このため、バッテリ電圧の変動による効率の向上とともに、モータ温度によるトルク変動の抑制を同時に行うことができる。

なお、本実施例では、バッテリ電圧による電流指令テーブルを２つ、モータ温度に応じて２つの計４つの電流指令テーブルを用いて説明した。ただし、それぞれのテーブルは２つと３つや、３つと２つなど組み合わせが異なってもよい。また２つや３つには限定されず、電流指令テーブルを複数個備えていればよい。

電気自動車やハイブリッド車では、電圧可変周波数，可変電圧となるため、電圧の変動や、高速での連続走行や高トルクでのモータ温度上昇が挙げられる。このため、本発明の補正方法は非常に有効になり、本発明は、このような電気自動車やハイブリッド車に特に適して用いられる。ただし、本発明は、永久磁石同期モータを対象としたモータ制御装置であれば、そのアプリケーションを問わず適用可能である。

また、本実施例では、コントローラにトルク指令が入力されるトルク制御系を示しているが、トルク制御系の上位に速度制御系や位置制御系を構成することもできる。

以上、本発明の同期モータ制御装置は、バッテリ電圧の変化により効率を向上できるとともに、モータ温度の変化に応じてもトルク変動を補正できるという利点がある。

なお、本発明の構成を具体的実施例に基づいて説明したが、本発明はその具体的実施例に限定されることなく、その思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施例では、モータ位置センサ１０を有するモータ駆動システムを示したが、センサレスでモータを駆動制御するシステムにも適用できる。

また、（式１）では、マグネット温度を推定することを考慮し、時定数ａを用いてバッテリ電圧換算値Ｖｂｃを求めたが、マグネット温度の推定方式は、モータ電流や回転数等から演算により推定する方式等、他の方式でもよい。

バッテリ電圧補正とモータ温度補正を同時に行うモータ制御装置の構成を説明した図である。 バッテリ電圧とモータ温度からバッテリ電圧換算値を用いて補正を行う、電流指令生成部の構成図である。（実施例１） モータ温度に応じて電流指令の補正を行う電流指令生成部の簡易図である。（実施例２） バッテリ電圧とモータ温度からバッテリ電圧換算値を用いて補正を行う、電流指令生成部の構成図である。（実施例３）

符号の説明

１…同期モータ、２…バッテリ、３…インバータ、４…モータコントローラ、５…電流センサ、６…電流指令発生部、７…電流制御部、８…ｄ−ｑ変換部、９…電流検出部、
１０…モータ位置センサ、１１…位相検出部、１２…回転速度検出部、１３…３相座標変換部、１４…ＰＷＭ信号発生部、１５…モータ温度センサ、１６…バッテリ電圧センサ。

Claims (5)

1. 同期モータと、
   前記同期モータのモータ温度を検出するモータ温度検出器と、
   モータ電流を用いて前記同期モータを駆動する電力変換装置と、
   前記電力変換器に電力を供給するバッテリと、
   前記バッテリの電圧を検出する電圧検出器と、
   前記同期モータを制御する制御装置とを有する同期モータ制御装置であって、
   前記制御装置は、前記モータ温度に応じて前記モータ電流を変化させることを特徴とする同期モータ制御装置。
2. 請求項１記載の同期モータ制御装置において、
   前記制御装置は、前記バッテリの電圧に応じて前記モータ電流を変化させる電圧補正手段を備え、
   前記電圧補正手段は、前記モータ温度の変化を前記バッテリの電圧の変化に換算し、換算した該バッテリの電圧の変化に応じて、前記モータ電流を変化させることを特徴とする同期モータ制御装置。
3. 請求項２記載の同期モータ制御装置において、
   前記制御装置は、異なるモータ温度に対応した複数のｄ軸電流指令テーブルまたは複数のｑ軸電流指令テーブルの少なくとも一方を有し、
   前記制御装置は、前記モータ温度の検出値を用いて補間することにより、ｄ軸電流指令またはｑ軸電流指令の少なくとも一方を生成することを特徴とする同期モータ制御装置。
4. 請求項２記載の同期モータ制御装置において、
   前記制御装置は、使用可能なバッテリ電圧間で少なくとも２つ以上の値の違う前記バッテリの電圧に対応したｄ軸電流指令テーブル及びｑ軸電流指令テーブルの少なくとも一方と、
   前記モータ温度に応じて少なくとも２つ以上のｄ軸電流指令テーブル及びｑ軸電流指令テーブルの少なくとも一方とを有し、
   前記制御装置は、前記バッテリの電圧及び前記モータ温度の検出値を用いて、補間によりｄ軸電流指令またはｑ軸電流指令の少なくとも一方を生成することを特徴とする同期モータ制御装置。
5. 請求項２に記載の同期モータ制御装置において、
   前記制御装置は、使用可能なモータ温度間で少なくとも２つ以上の値の違う前記モータ温度に対応したｄ軸電流指令テーブル及びｑ軸電流指令テーブルの少なくとも一方と、
   前記バッテリの電圧に応じて、少なくとも２つ以上のｄ軸電流指令テーブルまたはｑ軸電流指令テーブルの少なくとも一方とを有し、
   前記制御装置は、前記モータ温度及び前記バッテリの電圧の検出値を用いて、補間によりｄ軸電流指令またはｑ軸電流指令の少なくとも一方を生成することを特徴とする同期モータ制御装置。
   

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