JP2008206256A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロック時においてもモータの発生トルクを低下させることなく、半導体素子の発熱を十分に抑制できるモータ制御装置を提供することにある。
【解決手段】トルク制御部１３は、トルク指令からｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を演算する第１の電流指令演算部４１と、トルク指令から、第１の電流指令演算手段が出力するｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とは逆相のｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を演算する第２の電流指令値演算部４３とを備える。過温度判断部４５は、インバータのスイッチング素子が過温度となったどうかを判断し、過温度と判断されると、切り替え部４７により、第１の電流指令値演算部４１と第２の電流指令値演算部４３との出力を切り替えて交互に出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、産業機器や移動体等に搭載されるモータの駆動を制御するモータ制御装置に係り、特に、モータロック時の制御に好適なモータ制御装置に関する。

従来、モータがロックした際の発熱を抑制するためのインバータ制御方法として、モータのロックを判定すると、特定の半導体素子が過度に発熱しないように、複数のｄ軸電流指令とｑ軸電流指令から適切な指令パターンを選択し切り替えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１６５４９９号公報

しかしながら、特許文献１記載の方式では、電流位相（β）の制御によって電流集中相の発熱を抑制することはできるが、βの制御範囲は０〜９０度に限定されているため、３相のうち電流値が最大および２番目に大きい相を流れる電流の向きは一方向であり、これにより、通流し得る半導体素子（ＭＯＳ−ＦＥＴや、ＩＧＢＴと、ダイオード）は限定される。したがって、通流し得た半導体素子に電流が集中するため、半導体素子の発熱を十分に抑制するとは言えないものである。

本発明の目的は、モータのロック時等においてもモータの発生トルクを低下させることなく、半導体素子の発熱を十分に抑制できるモータ制御装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、入力したトルク指令からｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を演算し、これらの電流指令値にモータ電流を追従させる電流制御手段を有し、前記電流指令値に基づいてインバータにより、直流電力を交流電力に変換してリラクタンストルクを利用する三相交流モータに交流電力を供給して、前記モータを駆動制御するモータ制御装置であって、前記電流制御手段は、前記トルク指令からｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を演算する第１の電流指令演算手段と、前記トルク指令から、前記第１の電流指令演算手段が出力する前記ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とは逆相のｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を演算する第２の電流指令値演算手段と、前記インバータのスイッチング素子が過温度となったどうかを判断する過温度判断手段とを備え、前記過温度判断手段によって、過温度と判断されると、前記第１の電流指令値演算手段と第２の電流指令値演算手段との出力を切り替えて交互に出力し、これらの交互に出力された電流指令値にモータ電流を追従させるように制御するようにしたものである。
かかる構成により、モータのロック時等においてもモータの発生トルクを低下させることなく、半導体素子の発熱を十分に抑制し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記電流制御手段は、前記第１の電流指令値演算手段と第２の電流指令値演算手段との出力を、前記インバータのスイッチング素子の接合部の熱時定数以下の周期で変化させるようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記モータ制御装置によって制御されるリラクタンストルクを利用する三相交流モータは、同期リラクタンスモータである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記モータ制御装置によって制御されるリラクタンストルクを利用する三相交流モータは、逆突極型交流モータである。

本発明によれば、ロック時においてもモータの発生トルクを低下させることなく、半導体素子の発熱を十分に抑制できるものとなる。

以下、図１〜図４を用いて、本発明の一実施形態によるモータ制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるモータ制御装置の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

モータ制御装置は、トルク制御部１３と、制御部１５と、インバータ１６とから構成されている。インバータ１６から供給される３相交流電流によって、モータ１７が駆動される。モータ１７は、リラクタンストルクを利用する三相交流モータである。

トルク制御部１３は、上位の制御装置から与えられ、モータ１７に出力させるべきトルクを表すトルク指令と、制御部１５によって算出されたモータの回転速度ωｅに基づいて、指令値に一致するトルクをモータから出力させるとともに、最も効率を最大にするｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力する。また、インバータ１６のスイッチング素子の温度は、トルク制御部１３に入力する。モータ１７のロック時等は、インバータ１６のスイッチング素子に過大な電流が流れ、スイッチング素子の温度が上昇するので、そのような際には、トルク制御部１３は、図２を用いて詳述する方法により、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を切り替えて、特定のスイッチング素子のみに電流が流れ続けるのを防止する。

制御部１５は、３相／２相変換部２１と、電流制御部２３と、非干渉制御部２５と、減算器２７ｄ，２７ｑと、加算器２９ｄ，２９ｑと、２相／３相変換部３１と、位相・速度計算部３３とから構成されている。

３相／２相変換部２１は、電流センサ１９ｕ，１９ｖで検出されたモータの相電流ｉｕ，ｉｖを、モータ１７のロータの電気的回転角θｅに同期して回転する座標系を表すｄｑ座標系のｄ軸電流値ｉｄ，ｑ軸電流値ｉｑに変換する。

トルク制御部１３が出力するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊，ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と、３相／２相変換部２１が出力するｄ軸電流値Ｉｄ，ｑ軸電流値Ｉｑとは、減算器２７ｄ，２７ｑにて差分が求められ、両者の偏差が電流制御部２３に入力する。電流制御部２３は、減算器２７ｄ，２７ｑからの偏差に基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊，ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。

非干渉制御部２５は、モータ１７の回転速度ωｅと、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊，ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とに基づいて、ｄ軸とｑ軸の干渉成分を非干渉化する。さらに、加算器２７ｄ，２７ｑは、電流制御部２３と非干渉制御部２５からのそれぞれの出力を加算した和をｄｑ座標系のｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊，ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とする。

２相／３相変換部３１は、ｄｑ座標系のｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊，ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、３相座標系の電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に変換してインバータ１６に出力する。位相・速度計算部３３は、モータ１７の回転角θｍからモータの回転速度ωｅ、電気的回転位相θｅを演算する。

インバータ１６は、２相／３相変換部３１からの電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊をそれぞれブリッジ接続されたスイッチング素子により電力変換してモータ１７に出力する。このスイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、サイリスタ等の半導体素子が用いられる。モータ１７は、三相交流モータからなり、その出力軸は例えば電気自動車の回転軸や差動歯車を介して車両の駆動輪に接続されている。

次に、図２を用いて、本実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク制御部１３の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク制御部の構成を示すブロック図である。

トルク制御部１３は、第１の電流指令演算部４１と、第２の電流指令演算部４３と、過温度判断部４５と、選択部４７とを備えている。

電流指令演算部４１と電流指令演算部４３は、それぞれ入力されたトルク指令にモータ１７の出力トルクを追従させるための、異なるｄ軸電流指令・ｑ軸電流指令を演算する。過温度判断部４５は、インバータ１６の温度検出値から過熱保護が必要か否かを判断して、判断結果を選択部４７に出力する。通常は、例えば、電流指令演算部４１の出力を選択して、ｄ軸電流値ｉｄ，ｑ軸電流値ｉｑを制御部１５に出力する。過熱保護が必要な場合には、選択部４７は、電流指令演算部４１と電流指令演算部４３の出力を所定のタイミング（例えば、１００μｓ毎に）切り替えて、電流指令演算部４１が算出したｄ軸電流値ｉｄ，ｑ軸電流値ｉｑと、電流指令演算部４３が算出したｄ軸電流値ｉｄ，ｑ軸電流値ｉｑとを交互の制御部１５に出力する。

次に、図３及び図４を用いて、本実施形態によるモータ制御装置における電流指令値の切り替え制御について説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるモータ制御装置における電流指令値の切り替え制御の電流の流れの説明図である。図４は、本発明の一実施形態によるモータ制御装置によって制御されるモータの出力トルクの説明図である。

例えば、図３（Ａ）に示すように、インバータ１６は、直列接続されたＵ相上アームスイッチング素子ＳＷUUとＵ相下アームスイッチング素子ＳＷUDと、同じく、直列接続されたＶ相上アームスイッチング素子ＳＷVUとＶ相下アームスイッチング素子ＳＷVDと、同じく、直列接続されたW相上アームスイッチング素子ＳＷWUとＷ相下アームスイッチング素子ＳＷWDとが、それぞれ並列接続されている。各スイッチング素子ＳＷUU，ＳＷUD，ＳＷVU，ＳＷVD，ＳＷWU，ＳＷWDのエミッタ端子とコレクタ端子の間には、フライホイールダイオードＦＤUU，ＦＤUD，ＦＤVU，ＦＤVD，ＦＤWU，ＦＤWDが接続されている。なお、図３（Ｂ）に示すインバータ１６の構成も同様である。

図３（Ａ）は、電流指令演算部４１が選択された場合に、モータ１７に流れる電流を示し、図３（Ｂ）は、電流指令演算部４３が選択された場合に、モータ１７に流れる電流を示している。電流指令演算部４１は、電流位相βが０〜９０度の範囲の電流指令値を出力する。電流指令演算部４３は、電流指令演算部４１の電流指令値に対して逆相，すなわち、電流位相βが１８０〜２７０度の範囲の電流指令値を出力する。

図３（Ａ）に示す例では、スイッチング素子ＳＷUUがオンすることで、スイッチング素子ＳＷUU及びフライホイールダイオードＦＤUDを電流が流れ、モータ１７のＵ相コイル１７Ｕに、図示の矢印の向きに電流が流れる。また、スイッチング素子ＳＷVUがオンすることで、スイッチング素子ＳＷVU及びフライホイールダイオードＦＤVDを電流が流れ、モータ１７のＶ相コイル１７Ｖに、図示の矢印の向きに電流が流れる。さらに、スイッチング素子ＳＷWDがオンすることで、スイッチング素子ＳＷWD及びフライホイールダイオードＦＤWUを電流が流れ、モータ１７のＷ相コイル１７Ｗに、図示の矢印の向きに電流が流れる。モータ１７に全体として流れる電流Ｉallは、図示の矢印の向きとなり、ｑ軸方向を基準とすると、電流位相はβとなる。電流位相βは、０〜９０度の範囲である。モータ１７に全体として流れる電流Ｉallの強さは、スイッチング素子ＳＷUU，ＳＷVU，ＳＷWDのゲート信号を、ＰＷＭ制御することで変えることができる。

以上のように、スイッチング素子ＳＷUU，ＳＷVU，ＳＷWDをＰＷＭ制御することで、直流電源Ｂの直流電圧は、３相交流電流に変換され、モータ１７の３相コイル１７Ｕ，１７Ｖ，１７Ｗに供給される。

また、図３（Ｂ）に示す例では、スイッチング素子ＳＷUDがオンすることで、スイッチング素子ＳＷUD及びフライホイールダイオードＦＤUUを電流が流れ、モータ１７のＵ相コイル１７Ｕに、図示の矢印の向きに電流が流れる。また、スイッチング素子ＳＷVDがオンすることで、スイッチング素子ＳＷVD及びフライホイールダイオードＦＤVUを電流が流れ、モータ１７のＶ相コイル１７Ｖに、図示の矢印の向きに電流が流れる。さらに、スイッチング素子ＳＷWUがオンすることで、スイッチング素子ＳＷWU及びフライホイールダイオードＦＤWDを電流が流れ、モータ１７のＷ相コイル１７Ｗに、図示の矢印の向きに電流が流れる。モータ１７に全体として流れる電流Ｉall’は、図示の矢印の向きとなり、ｑ軸方向を基準とすると、電流位相βは、１８０〜２７０度の範囲である。

以上のように、スイッチング素子ＳＷUD，ＳＷVD，ＳＷWDをＰＷＭ制御することで、直流電源Ｂの直流電圧は、３相交流電流に変換され、モータ１７の３相コイル１７Ｕ，１７Ｖ，１７Ｗに供給される。

図３（Ａ）と、図３（Ｂ）を比較すると理解されるように、６個のスイッチング素子ＳＷUU，ＳＷUD，ＳＷVU，ＳＷVD，ＳＷWU，ＳＷWDの内、図３（Ａ）の場合には、スイッチング素子ＳＷUU，ＳＷVU，ＳＷWDが導通し、図３（Ｂ）の場合には、残りのスイッチング素子ＳＷUD，ＳＷVD，ＳＷWDが導通する。すなわち、図３（Ａ）のように、電流位相βを０〜９０度の範囲とした場合には、６個のスイッチング素子の内、３個のスイッチング素子が導通して、発熱するのに対して、図３（Ｂ）のように、電流位相βをず３（Ａ）に対して逆相である１８０〜２７０度の範囲とした場合には、６個のスイッチング素子の内、残りの３個のスイッチング素子が導通して、発熱する。

従来例である特開２００２−１６５４９９号公報に記載のものでは、電流位相βの制御範囲は０〜９０度に限定されているため、図３（Ａ）の例で言うならば、常に、スイッチング素子ＳＷUU，ＳＷVU，ＳＷWDが導通し、スイッチング素子ＳＷUD，ＳＷVD，ＳＷWDは非道通のままであるので、前者のスイッチング素子ＳＷUU，ＳＷVU，ＳＷWDに発熱が集中することになる。

一方、本実施形態では、図２に示したように、過熱保護が必要な場合には、選択部４７は、電流指令演算部４１と電流指令演算部４３の出力を所定のタイミング（例えば、１００μｓ毎に）切り替えて、電流指令演算部４１が算出したｄ軸電流値ｉｄ，ｑ軸電流値ｉｑと、電流指令演算部４３が算出したｄ軸電流値ｉｄ，ｑ軸電流値ｉｑとを交互の制御部１５に出力しているので、前者のスイッチング素子ＳＷUU，ＳＷVU，ＳＷWDと、後者のスイッチング素子ＳＷUD，ＳＷVD，ＳＷWDとが交互に導通し、発熱するため、前者のスイッチング素子に発熱が集中するのを防止できる。したがって、インバータ１６の発熱を低減することができる。

このとき、選択部４７による、電流指令演算部４１と電流指令演算部４３の出力を所定のタイミングは、各スイッチング素子の接合部の熱時定数（例えば、１００μｓ）以下とすることで、導通しているスイッチング素子の接合部が高温まで温度上昇する前に、そのスイッチング素子を非導通とすることとなり、冷却できるため、温度上昇をさらに低減できる。

次に、図４を用いて、リラクタンストルクを利用する三相交流モータのトルク特性について説明し、併せて、各リラクタンストルクを利用する三相交流モータ毎における、電流指令演算部４１と電流指令演算部４３の電流指令値について説明する。

リラクタンストルクを利用する三相交流モータの中で、本実施形態を適用できるものとしては、（１）同期リラクタンスモータ，（２）逆突極型交流モータがある。

（１）同期リラクタンスモータは、例えば、特開平１０−１５０７５４号公報に示されるように、回転子のコアに溝（フラックスバリア形）を設けて、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスに差異を設けるように構成したものである。なお、固定子の巻線方式は、３相分布巻きとしている。

（２）逆突極型交流モータは、磁極に直交するｑ軸の透磁率が高く、磁極方向のｄ軸の透磁率が低いものである。特に、回転子が永久磁石型のものにあっては、例えば、特開２００６−１８７１８９号公報に示されているように、永久磁石を回転子の内部に埋め込んだ永久磁石埋め込み型のものが該当する。

図４において、横軸は電流位相βを示し、縦軸はトルクを示している。（１）同期リラクタンスモータのトルク特性は、図４に実線で示すトルクＴ１の特性となる。すなわち、（１）同期リラクタンスモータのトルクは、正弦波状に変化するとともに、例えば、電流位相βがπ／４の場合のトルクと、この電流位相から１８０度（π）だけずれた５π／４の場合のトルクは等しくなる。

図２及び図３にて説明したように、選択部４７による、電流指令演算部４１と電流指令演算部４３の出力を切り替えた場合、短時間の間で見ると、電流指令演算部４１に対するトルク指令値と、電流指令演算部４３に対するトルク指令値は同じである。電流指令演算部４１及び電流指令演算部４３は、それぞれ、同じトルク指令値を満足する電流指令値を出力する。

ここで、リラクタンストルクを利用する三相交流モータとして、（１）同期リラクタンスモータを用いた場合、図４のトルクＴ１に示したように、電流位相βを１８０度ずらした場合のトルクは同じであるため、電流指令演算部４１が出力する電流指令値と、電流指令演算部４３が出力する指令値は、絶対値が等しいが、電流位相が１８０度ずれたものとなる。

（２）逆突極型交流モータのトルク特性は、図４に実線で示すトルクＴ２の特性となる。すなわち、（２）逆突極型交流モータのトルクは、正弦波状に変化するとともに、例えば、電流位相βがπ／４の場合のトルクは、この電流位相から１８０度（π）だけずれた５π／４の場合のトルクよりも大きくなる。

図２及び図３にて説明したように、選択部４７による、電流指令演算部４１と電流指令演算部４３の出力を切り替えた場合、短時間の間で見ると、電流指令演算部４１に対するトルク指令値と、電流指令演算部４３に対するトルク指令値は同じである。電流指令演算部４１及び電流指令演算部４３は、それぞれ、同じトルク指令値を満足する電流指令値を出力する。

ここで、リラクタンストルクを利用する三相交流モータとして、（２）逆突極型交流モータを用いた場合、図４のトルクＴ３に示したように、電流位相βを１８０度ずらした場合のトルクは異なるため、電流指令演算部４１が出力する電流指令値と、電流指令演算部４３が出力する指令値は、電流位相が１８０度ずれているが、電流指令演算部４３が出力する指令値の絶対値が、電流指令演算部４１が出力する電流指令値よりも大きくなり、それによって、モータは、切替の前後で同じトルクを出力することができる。

なお、（２）逆突極型交流モータを用いた場合、電流位相は、必ずしも１８０度ずらす場合だけでなく、逆相であれば、１８０度以外でもよいものである。例えば、図４において、電流位相が５π／４におけるトルク値に対して、電流位相がπ／２よりも僅かに小さいのトルク値は等しくなる。従って、両者の電流位相を、３π／２よりも僅かに大きい程度ずらして逆相にした場合でも、同じトルクを出力することができる。

以上説明したように、２つの電流指令演算部４１と電流指令演算部４３を備え、両者は電流位相が逆相となる電流指令値を出力するものであり、選択部４７によって両者を切り替えることで、電流指令演算部４１の電流指令値が出力されたときに導通するスイッチング素子と、電流指令演算部４３の電流指令値が出力されたときに導通するスイッチング素子を異ならせ、導通しているスイッチング素子の接合部が高温まで温度上昇する前に、そのスイッチング素子を非導通とすることとなり、冷却できるため、温度上昇をさらに低減できる。

本発明の一実施形態によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるモータ制御装置に用いるトルク制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるモータ制御装置における電流指令値の切り替え制御の電流の流れの説明図である。 本発明の一実施形態によるモータ制御装置によって制御されるモータの出力トルクの説明図である。

符号の説明

１１…モータ制御装置
１３…トルク制御部
１５…制御部
１６…インバータ
１７…モータ
２１…３相／２相変換部
２３…電流制御部
２５…非干渉制御部
２７ｄ，２７ｑ…減算器
２９ｄ，２９ｑ…加算器
３１…２相／３相変換部
３３…位相・速度計算部
４１，４３…電流指令演算部
４５…過温度判断部
４７…選択部

Claims (4)

1. 入力したトルク指令からｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を演算し、これらの電流指令値にモータ電流を追従させる電流制御手段を有し、
   前記電流指令値に基づいてインバータにより、直流電力を交流電力に変換してリラクタンストルクを利用する三相交流モータに交流電力を供給して、前記モータを駆動制御するモータ制御装置であって、
   前記電流制御手段は、
   前記トルク指令からｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を演算する第１の電流指令演算手段と、
   前記トルク指令から、前記第１の電流指令演算手段が出力する前記ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とは逆相のｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を演算する第２の電流指令値演算手段と、
   前記インバータのスイッチング素子が過温度となったどうかを判断する過温度判断手段とを備え、
   前記過温度判断手段によって、過温度と判断されると、前記第１の電流指令値演算手段と第２の電流指令値演算手段との出力を切り替えて交互に出力し、これらの交互に出力された電流指令値にモータ電流を追従させるように制御することを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１記載のモータ制御装置において、
   前記電流制御手段は、前記第１の電流指令値演算手段と第２の電流指令値演算手段との出力を、前記インバータのスイッチング素子の接合部の熱時定数以下の周期で変化させることを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１記載のモータ制御装置において、
   前記モータ制御装置によって制御されるリラクタンストルクを利用する三相交流モータは、同期リラクタンスモータであることを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１記載のモータ制御装置において、
   前記モータ制御装置によって制御されるリラクタンストルクを利用する三相交流モータは、逆突極型交流モータであることを特徴とするモータ制御装置。

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