JP2007259550A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同心円状に配置された二つのロータを有する電動機を所定条件で作動させる際に、必要となる通電量を減少させることができる電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】目標電圧円の半径Ｖp_targetと、電動機１のｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値とのベクトル和の大きさＶpとの偏差ΔＶpが減少するように、電動機１の誘起電圧定数の指令値Ｋe_cを決定する誘起電圧定数指令値決定部９３と、Ｋe_cに応じてロータ位相差を変更するロータ位相差取得部９５及びロータ位相差指令値決定部９７と、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cをロータ位相差の変更範囲の下限まで減少させても、ＶpをＶp_target以下にすることができないときに、ΔＶpに応じた界磁弱め補正電流ΔＩd_volを決定して、ｄ軸電流の指令値Ｉd_cに加算する界磁弱め電流補正値算出部９４とを備える。
【選択図】 図５

Description

本発明は、永久磁石界磁型の回転電動機の界磁弱め制御を、同心円状に配置された二つのロータ間の位相差を変更することによって行う電動機の制御装置に関する。

従来より、永久磁石界磁型の回転電動機の回転軸の周囲に同心円状に設けた第１ロータ及び第２ロータを備え、回転速度の応じて第１ロータと第２ロータの位相差を変更することで、界磁弱め制御を行うようにした電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかる従来の電動機においては、第１ロータと第２ロータが、遠心力の作用により径方向に沿って変位する部材を介して接続されている。また、電動機が停止状態にあるときに、第１ロータに配置された永久磁石の磁極と第２ロータに配置された永久磁極の磁極の向きが同一となって界磁の磁束が最大となり、電動機の回転速度が高くなるに従って遠心力により第１ロータと第２ロータの位相差が拡大して、界磁の磁束が減少するように構成されている。

ここで、図１２は縦軸を出力トルクＴrとし横軸を回転数Ｎとして、電動機の界磁弱めが必要となる領域を示したものであり、図中ｕは電動機の直交ライン（界磁弱め制御を行わずに電動機を作動させたときに、回転数と出力トルクの組合わせにより電動機の相電圧が電源電圧と等しくなる点を結んだもの）である。図中Ｘは界磁弱めが不要な領域であり、Ｙは界磁弱めが必要な領域である。

図１２に示したように、界磁弱めが必要となる領域Ｙは電動機の回転数Ｎと出力トルクＴrにより決定されるため、従来の回転数のみによる界磁弱め制御では、界磁弱めの制御量が過大又は過小となるという不都合がある。

また、本来、界磁弱め制御は、電動機の回転により電機子に生じる逆起電力を減少させて電機子の端子間電圧が電源電圧よりも大きくなることを抑制し、これにより、電動機をより高回転域で使用できるようにするものである。そして、電動機の回転数や遠心力で第１ロータと第２ロータの位相差を変更する場合には、界磁弱めを変更するパラメータが回転数のみであるため、電動機の出力トルクや回転数の制御範囲を柔軟に変更することができないという不都合がある。

また、発電機としても作動する電動機においては、一般的に駆動時（出力トルクが正）と発電時（出力トルクが負）では同一回転数に対する界磁の制御量を変えた方が運転効率が高くなるが、回転数や遠心力で第１ロータと第２ロータの位相差を変更するときには、このように駆動時と発電時で界磁の制御量を変えることができないという不都合がある。
特開２００２−２０４５４１号公報

本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、同心円状に配置された二つのロータを有する電動機を所定条件で作動させる際に、必要となる通電量を減少させることができる電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、永久磁石による界磁を複数個有する第１ロータ及び第２ロータを、回転軸の周囲に同心円状に配置した永久磁石界磁型の回転電動機の作動を、該第１ロータと該第２ロータとの位相差であるロータ位相差を変更することによる界磁制御を行って制御する電動機の制御装置に関する。なお、前記界磁制御には、前記電動機の界磁の磁束を減少させる界磁弱め制御と、前記電動機の界磁の磁束を増大させる界磁強め制御とが含まれる。

そして、本発明の第１の態様は、直流電源から供給される直流電力を前記電動機の電機子に供給する多相交流電力に変換するインバータ回路と、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された目標電圧よりも小さいときに、前記電動機の界磁の磁束が増加する方向に前記ロータ位相差の指令値を決定するロータ位相差指令値決定手段と、前記ロータ位相差の指令値に応じて、前記ロータ位相差を変更するロータ位相差変更手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された目標電圧よりも小さいときに、前記ロータ位相差指令値決定手段により、前記電動機の界磁の磁束が増加する方向に前記ロータ位相差の指令値が決定される。そして、前記ロータ位相差変更手段により、該ロータ位相差の指令値に応じて前記ロータ位相差が変更される。この場合、前記電動機の界磁の磁束を増加させることによって、前記電動機から所定レベルのトルクを出力するために必要となる通電量が減少するため、該トルクを発生させるために前記電動機に供給する電流を減少させることができる。

また、本発明の第２の態様は、直流電源から供給される直流電力を前記電動機の電機子に供給する多相交流電力に変換するインバータ回路と、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された目標電圧よりも大きいときに、前記電動機の界磁の磁束が減少する方向に前記ロータ位相差の指令値を決定するロータ位相差指令値決定手段と、前記ロータ位相差の指令値に応じて、前記ロータ位相差を変更するロータ位相差変更手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された目標電圧よりも大きいときに、前記ロータ位相差指令値決定手段により、前記電動機の界磁の磁束が減少する方向に前記ロータ位相差の指令値が決定される。そして、前記ロータ位相差変更手段により、該ロータ位相差の指令値に応じて前記ロータ位相差が変更される。この場合、前記電動機の界磁の磁束を減少させることによって、前記電動機を所定回転数で回転させたときに生じる誘起電圧が減少するため、界磁を弱めるために前記電動機に供給する電流を減少させることができる。

また、前記第１ロータの位置を検出するロータ位置検出手段と、前記第１ロータの位置に基づいて、前記電動機を界磁の磁束方向であるｄ軸と該ｄ軸に直交するｑ軸からなる２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱い、該等価回路における各軸の電機子の通電量を制御することにより、前記電動機の通電制御を行う通電制御手段と、前記電動機の電機子に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電動機の角速度を検出する角速度検出手段と、前記電動機の電機子の端子間電圧及び該電機子に流れる電流の前記等価回路における変換値と、前記電動機の角速度とに基づいて、前記ロータ位相差を推定するロータ位相差推定手段と、該ロータ位相差推定手段により推定された前記ロータ位相差の推定値と、前記電動機の出力トルクの指令値とに基づいて、前記通電制御手段による前記電動機の通電制御における前記等価回路のｄ軸側の電機子の通電量の指令値及びｑ軸側の電機子の通電量の指令値を決定する電流指令値決定手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機のロータ位相差が変更されて界磁の磁束が変化すると、それに応じて前記電動機から所定トルクを出力するために必要となる通電量が変化する。そこで、前記電流指令値決定手段により、前記ロータ位相差推定手段による前記電動機のロータ位相差の推定値と前記出力トルクの指令値とに基づいて、ｄ軸側の電機子及びｑ軸側の電機子の通電量の指令値とを決定することにより、ロータ位相差に応じて変化した前記電動機の界磁の状態に応じた適切な通電量の指令値を設定することができる。

また、前記第１ロータの位置を検出するロータ位置検出手段と、前記第１ロータの位置に基づいて、前記電動機を界磁の磁束方向であるｄ軸と該ｄ軸に直交するｑ軸からなる２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱い、該等価回路における各軸の電機子の通電量を制御することにより、前記電動機の通電制御を行う通電制御手段と、前記電動機の電機子に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電動機の角速度を検出する角速度検出手段と、前記電動機の電機子の端子間電圧及び該電機子に流れる電流の前記等価回路における変換値と、前記電動機の角速度とに基づいて、前記電動機の誘起電圧定数を算出する誘起電圧定数算出手段と、該誘起電圧定数算出手段により算出された前記電動機の誘起電圧定数と、出力トルクの指令値とに基づいて、前記通電制御手段による前記電動機の通電制御における前記等価回路のｄ軸側の電機子の通電量の指令値及びｑ軸側の電機子の通電量の指令値を決定する電流指令値決定手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機のロータ位相差が変更されると、それに応じて前記電動機の界磁の磁束が変化して、前記電動機の誘起電圧定数が変化する。そして、電動機の出力トルクは通電量と誘起電圧定数に比例するため、誘起電圧定数の変化に応じて、電動機から所定トルクを出力するために必要となる通電量が変化する。そこで、前記電流指令値決定手段により、前記誘起電圧定数算出手段により算出された前記電動機の誘起電圧定数と出力トルクの指令値とに基づいて、ｄ軸側の電機子及びｑ軸側の電機子の通電量の指令値とを決定することにより、変化した前記電動機の界磁の状態に応じた適切な通電量を設定することができる。

また、前記ロータ位相差指令値決定手段により決定された前記ロータ位相差の指令値と、前記ロータ角度推定手段により推定された前記ロータ位相差の推定値との偏差に応じて、前記ロータ位相差の変更による界磁弱めの不足分を減少させるように、ｄ軸側の電機子の通電量を補正する界磁弱め電流補正手段を備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記ロータ位相差の指令値に対する前記ロータ位相差変更手段の追従遅れにより、前記ロータ位相差の指令値と推定値との偏差が生じたときに、前記界磁弱め電流補正手段により、前記ロータ位相差の変更による界磁弱めの不足分を減少させるように、ｄ軸側の電機子の通電量が補正される。これにより、前記ロータ位相差の変更による界磁弱めでは対応することができない急速な界磁弱めレベルの変更が必要となった場合に、ｄ軸側の電機子の通電量を変更して対応することができる。

また、前記ロータ位相差指令値決定手段により決定された前記ロータ位相差の指令値が、前記ロータ位相差変更手段による前記ロータ位相差の変更範囲を超えたときに、前記ロータ位相差の変更による界磁弱めの不足分を減少させるように、ｄ軸側の電機子の通電量を補正する界磁弱め電流補正手段を備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記ロータ位相差の指令値による前記ロータ位相差の変更値が大きく、前記ロータ位相差変更手段による前記ロータ位相差の変更範囲を超えたときに、前記界磁弱め電流補正手段により、前記ロータ位相差の変更による界磁弱めの不足分を減少させるように、ｄ軸側の電機子の通電量が補正される。これにより、前記ロータ位相差の変更による界磁弱めでは対応することができない範囲まで、界磁弱めの設定レベルを拡大して、前記電動機の作動範囲を広げることができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図１１を参照して説明する。図１は２重ロータを備えたＤＣブラシレスモータの構成図、図２は図１に示したＤＣブラシレスモータの外側ロータと内側ロータの位相差を変更する機構の構成図及び作動説明図、図３及び図４は外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図、図５は電動機の制御装置の制御ブロック図、図６はｄｑ座標系における電圧ベクトル図、図７は誘起電圧定数からロータ位相差を決定するマップ及び誘起電圧定数とｑ軸電機子のインダクタンスからロータ位相差を決定するマップの説明図、図８は界磁弱め及び界磁強めの効果の説明図、図９は電動機の相電圧を目標電圧円に近づける処理のフローチャート、図１０は誘起電圧定数からロータ位相差を決定するマップの説明図、図１１はアクチュエータによりロータ位相差を変更する処理のフローチャートである。

図１を参照して、本実施の形態における電動機１は、永久磁石１１ａ，１１ｂの界磁が周方向に沿って等間隔に配設された内側ロータ１１（本発明の第２ロータに相当する）と、永久磁石１２ａ，１２ｂの界磁が周方向に沿って等間隔に配設された外側ロータ１２（本発明の第１ロータに相当する）と、内側ロータ１１及び外側ロータ１２に対する回転磁界を発生させるための電機子１０ａを有するステータ１０とを備えたＤＣブラシレスモータである。電動機１は、例えばハイブリッド車両や電動車両の駆動源として使用され、ハイブリッド車両に搭載されたときは、電動機及び発電機として動作する。

内側ロータ１１と外側ロータ１２は、共に回転軸が電動機１の回転軸２と同軸となるように同心円状に配置されている。そして、内側ロータ１１においては、Ｎ極を回転軸２側とする永久磁石１１ａとＳ極を回転軸２側とする永久磁石１１ｂが交互に配設されている。同様に、外側ロータ１２においても、Ｎ極を回転軸２側とする永久磁石１２ａとＳ極を回転軸２側とする永久磁石１２ｂが交互に配設されている。

次に、電動機１は、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差であるロータ位相差を変更するために、図２（ａ）に示した遊星歯車機構３０を備えている。図２（ａ）を参照して、遊星歯車機構３０は、内側ロータ１１の内周側の中空部に配置されたシングルピニオン型の遊星歯車機構であり、外側ロータ１２と同軸且つ一体に形成された第１リングギアＲ１、内側ロータ１１と同軸且つ一体に形成された第２リングギアＲ２、第１リングギアＲ１と噛合する第１プラネタリギア３１、第２リングギアＲ２に噛合する第２プラネタリギア３２、第１プラネタリギア３１及び第２プラネタリギア３２と噛合するアイドルギアであるサンギアＳ、第１プラネタリギア３１を回転自在に支持すると共に回転軸２に回転可能に軸支された第１プラネタリキャリアＣ１、及び第２プラネタリギア３２を回転自在に支持すると共にステータ１０に固定された第２プラネタリキャリアＣ２を備えている。

遊星歯車機構３０において、第１リングギアＲ１と第２リングギアＲ２は略同等のギア形状とされ、第１プラネタリギア３１と第２プラネタリギア３２も略同等のギア形状とされている。また、サンギアＳの回転軸３３は電動機１の回転軸２と同軸に配置されると共に、軸受け３４により回転可能に軸支されている。そして、これにより、第１プラネタリギア３１と第２プラネタリギア３２がサンギアＳと噛合し、外側ロータ１２と内側ロータ１１が同期して回転するように構成されている。

さらに、第１プラネタリキャリアＣ１の回転軸３５は、電動機１の回転軸２と同軸に配置されると共にアクチュエータ２５に接続されており、第２プラネタリキャリアＣ２はステータ１０に固定されている。

アクチュエータ２５は、外部から入力される制御信号に応じて、油圧により第１プラネタリキャリアＣ１を正転方向又は逆転方向に回転させ、或いは回転軸２回りの第１プラネタリキャリアＣ１の回転を規制する。そして、アクチュエータ２５によって第１プラネタリキャリアＣ１が回転すると、外側ロータ１２と内側ロータ１１間の相対的な位置関係（位相差）が変化する。なお、遊星歯車機構３０とアクチュエータ２５により、本発明のロータ位相差変更手段が構成される。また、油圧ではなく電動により第１プラネタリキャリアＣ１を回転させるアクチュエータを用いてもよい。

図２（ｂ）は、遊星歯車機構３０における第１リングギアＲ１と、第１プラネタリキャリアＣ１と、サンギアＳと、第２プラネタリキャリアＣ２と、第２リングギアＲ２の回転速度の関係を示した図であり、縦軸が各ギアの回転速度Ｖrに設定されている。

図２（ｂ）において、ステータ１０に固定された第２プラネタリキャリアＣ２の速度はゼロである。そのため、第２リングギアＲ２及び内側ロータ１１は、例えば逆転方向（Ｖr＜０）に回動するサンギアＳに対して、第２リングギアＲ２に対するｇ２に応じた速度で正転方向（Ｖr＞０）に回転することになる。

ここで、アクチュエータ２５が非作動状態（アクチュエータ２５による第１プラネタリキャリアＣ１の回動がなされていない状態）にあるときは、第１プラネタリキャリアＣ１の回転速度はゼロである。そのため、第１リングギアＲ１及び外側ロータ１２は、回転するサンギヤＳに対して、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１に応じた速度で逆方向に回転する。そして、ギヤ比ｇ１とギヤ比ｇ２は略同等（ｇ１≒ｇ２）に設定されているので、内側ロータ１１と外側ロータ１２は同期して回転し、内側ロータ１１と外側ロータ１２間の位相差が一定に維持される。

一方、アクチュエータ２５が作動状態（アクチュエータ２５により第１プラネタリキャリアＣ１が回動している状態）にあるときは、第１リングギアＲ１及び外側ロータ１２は、回転するサンギアＳに対して、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１に応じた速度に対して、第１プラネタリキャリアＣ１の回動分だけ増速又は減速されて、逆方向に回転する。そして、これにより、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差が変化する。

また、アクチュエータ２５は、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１と電動機１の極対数Ｐに対して、少なくとも、機械角度β（度）＝（180／Ｐ）×ｇ１／（１＋ｇ１）だけ、第１プラネタリキャリアＣ１を正転方向又は逆転方向に回動可能に構成されている。

そのため、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差は、少なくとも電気角で１８０度の範囲で進角側又は遅角側に変更することができ、電動機１の状態は、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂが同極同士を対向して配置された界磁弱め状態と、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂが異極同士を対向して配置された界磁強め状態との間で、適宜設定可能である。

図３（ａ）は界磁強め状態を示しており、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂの磁束Ｑ１の向きが同一であるため、合成された磁束Ｑ３が大きくなる。一方、図３（ｂ）は界磁弱め状態を示しており、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂの磁束Ｑ１の向きが逆であるため、合成された磁束Ｑ３が小さくなる。

図４は、図３（ａ）の状態と図３（ｂ）の状態において、電動機１を所定回転数で作動させた場合にステータ１０の電機子に生じる誘起電圧を比較したグラフであり、縦軸が誘起電圧（Ｖ）に設定され、横軸が電気角（度）に設定されている。図中ａが図３（ａ）の状態（界磁強め状態）であり、ｂが図３（ｂ）の状態（界磁弱め状態）である。図４から、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差を変更することで、生じる誘起電圧のレベルが大幅に変化していることがわかる。

そして、このように、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差を変更して、界磁の磁束を増減させることにより、電動機１の誘起電圧定数Ｋeを変化させることができる。これにより、誘起電圧定数Ｋeが一定である場合に比べて、電動機１の出力及び回転数に対する運転可能領域を拡大することができる。また、電動機の制御として一般的なｄｑ座標変換により、ｄ軸（界磁軸）側の電機子に通電して界磁弱め制御を行う場合に比べて、電動機１の銅損が減少するため、電動機１の運転効率を高めることができる。

次に、図５〜図１１を参照して、本発明の電動機の制御装置について説明する。図５に示した電動機の制御装置（以下、単に制御装置という）は、電動機１を界磁方向をｄ軸としてｄ軸と直交する方向をｑ軸とした２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱い、外部から与えられるトルク指令値Ｔr_cに応じたトルクが電動機１から出力されるように、電動機１に対する通電量を制御するものである。

制御装置はＣＰＵ、メモリ等により構成される電子ユニットであり、トルク指令値Ｔr_cと電動機１の外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差（ロータ位相差）の推定値θd_eとに基づいて、ｄ軸側の電機子（以下、ｄ軸電機子という）に流れる電流（以下、ｄ軸電流という）の指令値Ｉd_cとｑ軸側の電機子（以下、ｑ軸電機子という）に流れる電流（以下、ｑ軸電流という）の指令値Ｉq_cとを決定する電流指令値決定部６０（本発明の電流指令値決定手段に相当する）、電流センサ７０，７１（本発明の電流検出手段に相当する）により検出されてバンドパスフィルタ７２により不要成分が除去された電流検出信号と、レゾルバ７３（本発明のロータ位置検出手段に相当する）により検出された外側ロータ１２のロータ角度θrとに基づいて、３相／ｄｑ変換によりｄ軸電流の検出値Ｉd_sとｑ軸電流の検出値Ｉq_sとを算出する３相／ｄｑ変換部７５、ｄ軸電流の指令値Ｉd_cと検出値Ｉd_sの偏差ΔＩd及びｑ軸電流の指令値Ｉq_cと検出値Ｉq_sの偏差ΔＩqを減少させるように、ｄ軸電機子の端子間電圧（以下、ｄ軸電圧という）の指令値Ｖd_cとｑ軸電機子の端子間電圧（以下、ｑ軸電圧という）の指令値Ｖq_cとを決定する通電制御部５０（本発明の通電制御手段に相当する）、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値Ｖq_cを大きさＶ1と角度θの成分に変換するｒθ変換部６１、及び該大きさＶ1と角度θの成分をＰＷＭ制御により３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の交流電圧に変換するＰＷＭ演算部６２（本発明のインバータ回路の機能を含む）を備えている。

さらに、制御装置は、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_c及びｑ軸電圧の指令値Ｖq_cとｄ軸電流の検出値Ｉd_s及びｑ軸電流の検出値Ｉq_sと電動機１の角速度の検出値ω_s（図示しない角速度検出手段により検出される）とに基づいて、電動機１の誘起電圧定数Ｋeとｑ軸電機子のインダクタンスＬqとを算出する定数算出部６３（本発明の誘起電圧定数算出手段の機能を含む）、誘起電圧定数Ｋeとｑ軸電機子のインダクタンスＬqとに基づいてロータ位相差の推定値θd_eを求めるロータ位相差推定部６４（本発明のロータ位相差推定手段に相当する）、ＰＷＭ演算部６２に直流電力を供給する直流電源（図示しない）の出力電圧Ｖdcから後述する目標電圧円の半径Ｖp_targetを算出する目標電圧円算出部９０、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値Ｖq_cから後述する実電圧円の半径Ｖpを算出する実電圧円算出部９２、Ｖp_targetとＶpとの偏差ΔＶpに基づいて誘起電圧定数の指令値Ｋe_cを決定する誘起電圧定数指令値決定部９３、誘起電圧定数の指定値Ｋe_cとΔＶpとに基づいてｄ軸電流の指令値Ｉd_cの補正値ΔＩd_volを算出する界磁弱め電流補正値算出部９４、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cに対応したロータ位相差θd_c1を取得するロータ位相差取得部９５、該θd_c1とロータ位相差の推定値θd_eとの偏差Δθdに基づいてロータ位相差の指令値θd_c2を決定するロータ位相差指令値決定部９７を備えている。

なお、界磁弱め電流補正値算出部９４と、ｄ軸電流の指令値Ｉd_cに界磁弱め電流の補正値ΔＩd_volを加算する加算器５１とにより、本発明の界磁弱め電流補正手段が構成される。また、目標電圧円算出部９０、減算器９１、実電圧円算出部９２、誘起電圧定数指令値決定部９３、ロータ位相差取得部９５、減算器９６、及びロータ位相差指令値決定部９７により、本発明のロータ位相差指令値決定手段が構成される。

また、通電制御部５０は、ｄ軸電流の指令値Ｉd_cに補正値ΔＩd_volを加算する加算器５１、該補正値ΔＩd_volが加算されたｄ軸電流の指令値Ｉd_caとｄ軸電流の検出値Ｉd_sとの偏差ΔＩdを算出する減算器５２、該偏差ΔＩdを生じさせるためのｄ軸偏差電圧ΔＶdを算出するｄ軸電流制御部５３、ｄ軸電流の指令値Ｉd_cとｑ軸電流の指令値Ｉq_cとに基づいて、ｄ軸とｑ軸間で干渉し合う速度起電力の影響を打ち消すための成分（非干渉成分）を算出する非干渉制御部５６、ｄ軸偏差電圧ΔＶから非干渉制御部５６により算出された非干渉成分を減じる減算器５４、ｑ軸電流の指令値Ｉq_cと検出値Ｉq_sとの偏差ΔＩqを算出する減算器５５、該偏差ΔＩqを生じさせるためのｑ軸偏差電圧ΔＶqを算出するｑ軸電流制御部５７、及びｑ軸偏差電圧ΔＶqに非干渉成分を加える加算器５８を備えている。

次に、図６はｄｑ座標系における電流と電圧の関係を示したものであり、縦軸がｑ軸（トルク軸）に設定され、横軸がｄ軸（界磁軸）に設定されている。図中Ｃは目標電圧円算出部９０によってその半径Ｖp_targetが算出される目標電圧円である。Ｖp_targetは例えばＶdc×０．５に設定され、或いは正弦波変調に対応したＶdc／６^1/2に設定される。

そして、制御装置は、ｄ軸電機子の端子間電圧Ｖdとｑ軸電機子の端子間電圧Ｖqの合成ベクトルＶ（その大きさが実電圧円の半径となる）が、目標電圧円Ｃの円周上をトレースするように、ロータ位相差とｄ軸電流及びｑ軸電流を制御する。なお、図中Ｅは電動機１の回転によりｑ軸電機子に生じる逆起電力、ωは電動機１の角速度、Ｒはｄ軸電機子及びｑ軸電機子の抵抗、Ｌqはｑ軸電機子のインダクタンス、Ｌdはｄ軸電機子のインダクタンス、Ｖdはｄ軸電圧、Ｖqはｑ軸電圧、Ｉdはｄ軸電流、Ｉqはｑ軸電流である。

ここで、図６のｑ軸側の成分について、以下の式（１）の関係が成立するため、以下の式（２）から電動機１の誘起電圧定数Ｋeを算出することができる。

但し、Ｋe：誘起電圧定数、ω：電動機の角速度、Ｒ：ｑ軸電機子及びｄ軸電機子の抵抗、Ｉq：ｑ軸電流、Ｖq：ｑ軸電機子の端子間電圧、Ｌd：ｄ軸電機子のインダクタンス、Ｉd：ｄ軸電流。

また、図６のｄ軸側の成分について、以下の式（３）の関係が成立するため、以下の式（４）からｑ軸電機子のインダクタンスＬqを算出することができる。

そこで、定数算出部６３は、ｑ軸指令電圧Ｖq_c、電機子１の角速度の検出値ω_s、ｄ軸電流の検出値Ｉd_s、及びｑ軸電流の検出値Ｉq_sを、上記式（２）のＶq、ω、Ｉd、及びＩqにそれぞれ代入して、誘起電圧定数Ｋeを算出する。また、定数検出部６３は、ｄ軸電流の検出値Ｉd、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_c、電機子１の角速度の検出値ω_s、及びｑ軸電流の検出値Ｉqを、上記式（４）のＩd、Ｖd、ω、及びＩqにそれぞれ代入して、ｑ軸電機子のインダクタンスＬqを算出する。

なお、上記式（２），式（４）におけるｄ軸電機子及びｑ軸電機子の抵抗Ｒは、予め設定した固定値である。また、上記式（２）におけるｄ軸電機子のインダクタンスＬdは、予め設定した固定値としてもよいが、ロータ位相差が大きくなるほどｄ軸電機子のインダクタンスＬdが小さくなるので、ロータ位相差の指令値θd_cが大きいほどインダクタンスＬdが小さくなるようにした推定値を用いてもよい。

次に、ロータ位相差推定部６４は、定数検出部６３により算出された誘起電圧定数Ｋeとｑ軸電機子のインダクタンスＬqとに基づいて、ロータ位相差の推定値θd_eを求める。ここで、ロータ位相差が変化すると、それに応じて電動機１の誘起電圧定数Ｋeとｑ軸電機子のインダクタンスＬqが変化する。

そこで、ロータ位相差推定部６４は、図７（ｂ）に示したＫe，Ｌq／θdの対応マップに、定数検出部６３により算出された誘起電圧定数Ｋeとｑ軸電機子のインダクタンスＬqとを適用して対応する位相差θdを取得し、該位相差θdを外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差の推定値θd_eとする。

なお、Ｋe，Ｌq／θdの対応マップは、実験データやコンピュータシミュレーションに基づいて作成され、予めメモリ（図示しない）に記憶されている。また、図７（ａ）に示したＫe／θdの対応マップに、定数算出部６３により算出された誘起電圧定数Ｋeを適用して、θd_eを求めることもできるが、誘起電圧定数Ｋeに加えてｑ軸電機子のインダクタンスＬqを用いてロータ位相差の推定値θd_eを求めることで、ロータ位相差の推定精度を高めることができる。

そして、電流指令値決定部６０は、予めメモリに記憶されたＴr，θd／Ｉd，Ｉqの対応マップに、トルク指令値Ｔr_cと、ロータ位相差の推定値θd_eを適用して、対応するＩd，Ｉqを取得し、該取得したＩd，Ｉqをそれぞれｄ軸電流の指令値Ｉd_c及びｑ軸電流の指令値として決定する。このように、ロータ位相差の推定値θd_eを用いることで、実際の電動機１の界磁の磁束の変化を反映したｄ軸電流の指令値Ｉd_c及びｑ軸電流の指令値Ｉq_cを決定することができる。そのため、トルク指令値Ｔr_cに対して電動機１の出力トルクを精度良く制御することができる。

次に、図８を参照して、ｄ軸電機子の端子間電圧とｑ軸電圧の端子間電圧の合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃの周上をトレースするように、ロータ位相差を変更することによる効果について説明する。

図８（ａ）は、合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃの内側にある場合であり、この場合は、ロータ位相差を界磁の磁束を増加させる方向（界磁を強める方向）に変更する。そして、これにより、電動機１の誘起電圧定数Ｋeが増大し、誘起電圧定数Ｋeが増大した分、ｑ軸電機子で発生する逆起電力Ｅが大きくなる。その結果、図８（ｂ）に示したように、合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃの円周上に移動すると、ｑ軸電流Ｉqとｄ軸電流Ｉdが減少する。そのため、電動機１で生じる銅損を減少させることができる。

また、図８（ｃ）は、合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃの外側にある場合であり、この場合は、ロータ位相差を界磁の磁束を減少させる方向（界磁を弱める方向）に変更する。そして、これにより、電動機１の誘起電圧定数Ｋeが減少し、誘起電圧定数Ｋeが減少した分、ｑ軸電機子で発生する逆起電力Ｅが小さくなる。その結果、図８（ｂ）に示したように、合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃの円周上に移動すると、ＰＷＭ演算部６２から電動機１への通電が可能となり、電動機１の動作範囲を拡大することができる。

そして、このように、ロータ位相差を変更して界磁弱め制御を行った場合、ｄ軸電流を増加させて界磁弱め制御を行う場合に比べて、電動機１で生じる銅損を減少させることができる。また、合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃの円周上をトレースするように、ロータ位相差を変更することによって、ＰＷＭ演算部６２におけるスイッチングによる電力損失を低減することができる。

次に、図９に示したフローチャートに従って、制御装置によるロータ位相差及び界磁弱め電流の制御処理について説明する。図９のＳＴＥＰ１０〜ＳＴＥＰ１３及びＳＴＥＰ２０〜ＳＴＥＰ２１は誘起電圧定数指令値決定部９３による処理であり、ＳＴＥＰ３０は界磁弱め電流補正値算出部９４による処理である。

誘起電圧定数指令値決定部９３は、ＳＴＥＰ１０で誘起電圧定数の指令値Ｋe_cの初期値を、ロータ位相差の変更により設定可能な誘起電圧定数の最大値であるＫe_max（本実施の形態ではロータ位相差が０度の状態）とする。なお、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cは、ロータ位相差の変更により設定可能な誘起電圧定数の最小値であるＫe_min（本実施の形態ではロータ位相差が１８０度の状態）〜Ｋe_maxの範囲内で任意に設定すればよい。

そして、次のＳＴＥＰ１１で、誘起電圧定数指令値決定部９３は、実電圧円算出部９２により算出されたｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値Ｖq_cの合成ベクトルＶの大きさＶp（＝√（Ｖd_c²＋Ｖq_c²）、本発明の電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさに相当する）が、目標電圧円算出部９０により算出された目標電圧円Ｃの半径Ｖp_target以下であるか否かを判断する。

そして、ＶpがＶp_target以下であるときはＳＴＥＰ１２に進み、誘起電圧定数指令値決定部９３は、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cがＫe_max以上であるか否かを判断する。誘起電圧定数の指令値Ｋe_cがＫe_maxよりも小さいときはＳＴＥＰ１３に進み、誘起電圧定数指令値決定部９３は、減算器９１で算出されたＶp_targetとＶpとの偏差ΔＶpにＰＩ（比例積分）処理を行って、増加した新たな誘起電圧定数の指令値Ｋe_cを決定する。一方、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cがＫe_max以上であるときは、これ以上誘起電圧定数を増加させることができないためＳＴＥＰ１４に分岐し、誘起電圧定数指令値決定部９３は、ＳＴＥＰ１３の処理を行わない。

また、ＳＴＥＰ１１でＶpがＶp_targetよりも大きかったときにはＳＴＥＰ２０に分岐し、誘起電圧定数指令値決定部９３は、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cがＫe_min以下であるか否かを判断する。そして、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cがＫeよりも大きいときはＳＴＥＰ２１に進み、誘起電圧定数指令値決定部９３は、減算器９１で算出されたＶp_targetとＶpとの偏差ΔＶpにＰＩ（比例積分）処理を行って、減少した新たな誘起電圧定数の指令値Ｋe_cを決定する。

一方、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cがＫe_min以下であるときには、これ以上誘起電圧定数を減少させることができない。そこで、この場合はＳＴＥＰ３０に分岐し、界磁弱め電流補正値算出部９４は、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cの変更による界磁弱めの効果に加えて、ｄ軸電流の増加による界磁弱めの効果を生じさせるための補正値ΔＩd_volを、減算器９１で算出されたＶp_targetとＶpとの偏差ΔＶpにＰＩ（比例積分）処理を行って算出し、ＳＴＥＰ１１に進む。そして、誘起電圧定数指令値決定部９３と界磁弱め電流補正値算出部９４は、ＳＴＥＰ１１〜ＳＴＥＰ１３、ＳＴＥＰ２０〜ＳＴＥＰ２１、ＳＴＥＰ３０の処理を繰り返し実行する。

次に、図５を参照して、誘起電圧定数指令値決定部９３により決定された誘起電圧定数の指令値Ｋe_cはロータ位相差取得部９５に出力される。そして、ロータ位相差取得部９５は、図１０に示したＫe／θdマップに誘起電圧定数の指令値Ｋe_cを適用して、Ｋe_cに対応するロータ位相差θd_c1を取得する。

また、減算器９６により算出されたθd_c1とロータ位相差推定部６４によるロータ位相差の推定値θd_eとの偏差Δθdが、ロータ位相差指令値決定部９７に入力され、ロータ位相差指令値決定部９７は、ΔθdにＰＩ（比例積分）処理を施してロータ位相差の指令値θd_c2を決定する。

そして、アクチュエータ２５は、図１１に示した処理を実行して、ロータ位相差を変更する。すなわち、アクチュエータ２５は、図１１のＳＴＥＰ１でロータ位相差指令値決定部９７からロータ位相差の指令値θd_c2を受信すると、ＳＴＥＰ２でθd_c2を機械角度βに変換する。そして、続くＳＴＥＰ３で、アクチュエータ２５は機械角度βを第１プラネタリキャリアＣ1の動作角度γに変換し、ＳＴＥＰ４で該動作角度γ分だけ、第１プラネタリキャリアを回動させる。これにより、ロータ位相差の指令値θd_c2に応じた角度分だけロータ位相差が変更されて電動機１の界磁の磁束が変化し、界磁の強め／弱めの効果が生じる。

なお、本実施の形態においては、図９のＳＴＥＰ１１〜ＳＴＥＰ１３の処理により、ロータ位相差の変更により誘起電圧定数を増大させて相電圧ベクトルの大きさＶpを目標電圧円の半径Ｖp_targetに近づける処理と、ＳＴＥＰ２０〜ＳＴＥＰ２１及びＳＴＥＰ３０の処理により、ロータ位相差の変更により誘起電圧定数を減少させて相電圧ベクトルの大記載Ｖpを目標電圧円の半径Ｖp_targetに近づける処理とを行ったが、いずれか一方の処理のみを行う場合にも、本発明の効果を得ることができる。

また、誘起電圧定数の指令値を変更して界磁の磁束を増減する構成の他に、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値Ｖq_cの合成ベクトルの大きさＶpと目標電圧円の半径Ｖp_targetとの偏差ΔＶpに応じて、直接的にロータ位相差の指令値θd_cを変更して、界磁の磁束を増減する構成としてもよい。

また、図９のＳＴＥＰ２０及びＳＴＥＰ３０の処理により、誘起電圧定数の変更では相電圧Ｖpを目標電圧円の半径Ｖp_targetまで減少させることができない場合に、ｄ軸電流を増加させて界磁を弱める処理を行ったが、かかる処理を行わない場合であっても、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態においては、図９のＳＴＥＰ１１で、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値Ｖq_cの合成ベクトルＶの大きさＶpと、目標電圧円の半径Ｖp_targetとを比較したが、電動機１の電機子の端子間電圧を検出して各相の端子間電圧の合成ベクトルの大きさを算出し、その算出値（本発明の電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさに相当する）と目標電圧円の半径Ｖp_targetとを比較するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、電動機をｄ軸及びｑ軸からなる２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱う電動機の制御装置を示したが、α軸及びβ軸からなる２相交流の固定座標系による等価回路に変換して扱う電動機の制御装置や、等価回路への変換を行わずに３相交流のまま扱う電動機の制御装置においても、本発明の適用が可能である。

２重ロータを備えたＤＣブラシレスモータの構成図。 図１に示したＤＣブラシレスモータの外側ロータと内側ロータの位相差を変更する機構の構成図及び作動説明図。 外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図。 外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図。 電動機の制御装置の制御ブロック図。 ｄｑ座標系における電圧ベクトル図。 誘起電圧定数からロータ位相差を決定するマップ及び誘起電圧定数とｑ軸電機子のインダクタンスからロータ位相差を決定するマップの説明図。 界磁弱め及び界磁強めの効果の説明図。 電動機の相電圧を目標電圧円に近づける処理のフローチャート。 誘起電圧定数からロータ位相差を決定するマップの説明図。 アクチュエータによりロータ位相差を変更する処理のフローチャート。 電動機の界磁弱めが必要となる領域の説明図。

符号の説明

１…電動機、２…電動機の回転軸、１０…ステータ、１１…内側ロータ、１１ａ，１１ｂ…永久磁石、１２…外側ロータ、１２ａ，１２ｂ…永久磁石、２５…アクチュエータ、３０…遊星歯車機構、Ｃ１…第１プラネタリキャリア、Ｃ２…第２プラネタリキャリア、Ｒ１…第１リングギア、Ｒ２…第２リングギア、Ｓ…サンギア、３１…第１プラネタリギア、３２…第２プラネタリギア、３３…サンギアの回転軸、３４…軸受け、３５…第１プラネタリキャリアの回転軸、５０…通電制御部、６０…電流指令値決定部、６３…定数算出部、６４…ロータ位相差推定部、９０…目標電圧円算出部、９２…実電圧円算出部、９３…誘起電圧定数指令値決定部、９４…界磁弱め電流補正値算出部、９５…ロータ位相差取得部、９７…ロータ位相差指令値決定部

Claims (6)

1. 永久磁石による界磁を複数個有する第１ロータ及び第２ロータを、回転軸の周囲に同心円状に配置した永久磁石界磁型の回転電動機の作動を、該第１ロータと該第２ロータとの位相差であるロータ位相差を変更することによる界磁制御を行って制御する電動機の制御装置であって、
   直流電源から供給される直流電力を前記電動機の電機子に供給する多相交流電力に変換するインバータ回路と、
   前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された所定電圧よりも小さいときに、前記電動機の界磁の磁束が増加する方向に前記ロータ位相差の指令値を決定するロータ位相差指令値決定手段と、
   前記ロータ位相差の指令値に応じて、前記ロータ位相差を変更するロータ位相差変更手段とを備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
2. 永久磁石による界磁を複数個有する第１ロータ及び第２ロータを、回転軸の周囲に同心円状に配置した永久磁石界磁型の回転電動機の作動を、該第１ロータと該第２ロータとの位相差であるロータ位相差を変更することによる界磁制御を行って制御する電動機の制御装置であって、
   直流電源から供給される直流電力を前記電動機の電機子に供給する多相交流電力に変換するインバータ回路と、
   前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された目標電圧よりも大きいときに、前記電動機の界磁の磁束が減少する方向に前記ロータ位相差の指令値を決定するロータ位相差指令値決定手段と、
   前記ロータ位相差の指令値に応じて、前記ロータ位相差を変更するロータ位相差変更手段とを備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
3. 前記第１ロータの位置を検出するロータ位置検出手段と、
   前記第１ロータの位置に基づいて、前記電動機を界磁の磁束方向であるｄ軸と該ｄ軸に直交するｑ軸からなる２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱い、該等価回路における各軸の電機子の通電量を制御することにより、前記電動機の通電制御を行う通電制御手段と、
   前記電動機の電機子に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電動機の角速度を検出する角速度検出手段と、
   前記電動機の電機子の端子間電圧及び該電機子に流れる電流の前記等価回路における変換値と、前記電動機の角速度とに基づいて、前記ロータ位相差を推定するロータ位相差推定手段と、
   該ロータ位相差推定手段により推定された前記ロータ位相差の推定値と、前記電動機の出力トルクの指令値とに基づいて、前記通電制御手段による前記電動機の通電制御における前記等価回路のｄ軸側の電機子の通電量の指令値及びｑ軸側の電機子の通電量の指令値を決定する電流指令値決定手段とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電動機の制御装置。
4. 前記第１ロータの位置を検出するロータ位置検出手段と、
   前記第１ロータの位置に基づいて、前記電動機を界磁の磁束方向であるｄ軸と該ｄ軸に直交するｑ軸からなる２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱い、該等価回路における各軸の電機子の通電量を制御することにより、前記電動機の通電制御を行う通電制御手段と、
   前記電動機の電機子に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電動機の角速度を検出する角速度検出手段と、
   前記電動機の電機子の端子間電圧及び該電機子に流れる電流の前記等価回路における変換値と、前記電動機の角速度とに基づいて、前記電動機の誘起電圧定数を算出する誘起電圧定数算出手段と、
   該誘起電圧定数算出手段により算出された前記電動機の誘起電圧定数と、出力トルクの指令値とに基づいて、前記通電制御手段による前記電動機の通電制御における前記等価回路のｄ軸側の電機子の通電量の指令値及びｑ軸側の電機子の通電量の指令値を決定する電流指令値決定手段とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電動機の制御装置。
5. 前記ロータ位相差指令値決定手段により決定された前記ロータ位相差の指令値と、前記ロータ角度推定手段により推定された前記ロータ位相差の推定値との偏差に応じて、前記ロータ位相差の変更による界磁弱めの不足分を減少させるように、ｄ軸側の電機子の通電量を補正する界磁弱め電流補正手段を備えたことを特徴とする請求項３または請求項４記載の電動機の制御装置。
6. 前記ロータ位相差指令値決定手段により決定された前記ロータ位相差の指令値が、前記ロータ位相差変更手段による前記ロータ位相差の変更範囲を超えたときに、前記ロータ位相差の変更による界磁弱めの不足分を減少させるように、ｄ軸側の電機子の通電量を補正する界磁弱め電流補正手段を備えたことを特徴とする請求項３から請求項５のうちいずれか１項記載の電動機の制御装置。

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