JP2009177989A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変界磁制御可能なモータ駆動装置において急激な電流指令の変化に対応する。
【解決手段】アクセル操作信号出力回路２９からの電流指令値に応じて出力Ｄｕｔｙ決定回路３３でデューティ比を決定し、デューティ比に応じてＰＷＭ信号生成回路３８によりインバータ２１を制御してモータＭに流す駆動電流を制御する回路に、電流指令値の変化から急加減速であるか否かを判定する急加減速判定回路３２と、Ｄｕｔｙ判定回路３６とを設ける。急加減速指令を行わない通常は、例えば高効率なＰＷＭデューティ比が１００％となる界磁量で運転し、急加減速指令を行う場合にはＰＷＭデューティ比が例えば８０％となる界磁量とすることにより、界磁量減少分、電流制御の追従性を高くすることができ、急激な電流指令値の変化に対応した運転をすることができる
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータ及びステータ間に通る磁束を増減可能なモータ駆動装置に関するものである。

従来、ロータとステータとの一方にコイル巻線を設け、他方に永久磁石を設けたモータに対して、ステータに対するロータの回転角度を検出し、回転角度検出信号に同期した位相であってパルス幅変調された制御信号によりデューティ制御するようにしたモータ駆動装置がある（例えば特許文献１参照）。
特開２０００−１３４９７８号公報

上記したようなモータ駆動装置にあっては、モータの回転数を所定の回転数まで上げるためにデューティ比を上げていくが、デューティ比が予め定められた限度値として例えば最大値となる１００％になっても所望の電流が流れていない場合がある。そのような場合にはモータの電流角を進角させてより多くの電流を流すことができるようにし、それによりモータ出力を増大することが可能となる。しかしながら、過度の進角はモータ効率を低下させることになるという問題があった。

そこで、デューティ制御と進角制御とを上記したように行うと共に、さらに可変界磁構造にして進角制御と併せて可変界磁も行うようにして、より広範な電流制御を行うことができるようにすることが考えられる。可変界磁構造としては、例えばステータをロータの軸線方向に変位可能に設けると共にそのステータを電動アクチュエータにより移動させるようにして、ステータをロータに対して出し入れすることで可能である。ステータを出す（抜く）ことにより、界磁が弱まり、より電流を流すことができる。

しかしながら、ステータを出し入れすることによる制御にあっては、機械的な動作であるため制御の変化が遅い。そのため、例えばアクセル操作による急激な駆動電流指令の増加が生じた場合に、電流をより多く流せるようにするべくステータを抜く動作を行わせることになるが、急激な電流指令変化に対してステータを抜く動作が間に合わず、モータに流れる電流の立ち上がりが遅れるという問題があった。

このような課題を解決して、可変界磁制御可能なモータ駆動装置において急激な電流指令の変化に対応できることを実現するために本発明に於いては、ステータと、前記ステータに対して同軸かつ回転可能に設けられたロータと、前記ステータおよび前記ロータの磁束が通る面同士の距離を可変にするべく前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記ロータの軸線方向へ移動可能にする電動アクチュエータとを備え、前記ステータと前記ロータとの一方にコイル巻線が設けられ、前記ステータと前記ロータとの他方に前記コイル巻線に対向して永久磁石が配設されたモータと、アクセルの操作量に応じて増減するアクセル操作信号を発生するアクセル操作信号発生手段と、前記アクセル操作信号に基づいて前記モータを制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記ステータに対する前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、前記コイル巻線に駆動電流を供給する駆動電流供給回路と、前記駆動電流を検出する電流検出手段と、前記回転角度検出手段により検出された前記ロータの回転角度検出信号に同期した位相であってパルス幅変調された制御信号を前記駆動電流供給回路に供給するパルス幅変調信号発生手段と、前記パルス幅変調される制御信号のデューティ比を決定するデューティ信号を前記パルス幅変調信号発生手段に供給するデューティ決定手段と、前記アクセル操作信号が所定の変化率異常で増減した場合の急加減速を判定する急加減速判定手段と、前記電動アクチュエータに位置駆動信号を出力する界磁変更手段とを有し、前記界磁変更手段が、前記急加減速ではないと判定された場合には前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記デューティ比が最大値ににる位置にし、前記急加減速であると判定された場合には前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記デューティ比が最大値より小さな所定値となる位置にする制御を行うもの、あるいは、前記界磁変更手段が、前記急加減速ではないと判定された場合には前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記進角が最大値になる位置にし、前記急加減速であると判定された場合には前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記進角の最大値より小さな所定値となる位置にする制御を行うものとした。

このように本発明によれば、急加減速指令を行わない通常は、例えば高効率なＰＷＭデューティ比が１００％となる界磁量で運転し、急加減速指令を行う場合にはＰＷＭデューティ比が例えば８０％となる界磁量とすることにより、界磁量減少分、電流制御の追従性を高くすることができ、急激な電流指令値の変化に対応した運転をすることができる。あるいは、パラメータとしてデューティ比の代わりに進角とすることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は電気自動車の駆動輪Ｗに適用された例を示す模式的断面図である。図において、車体１に固定支持軸２が側方に突出するように固定されており、その固定支持軸２には一対の軸受３ａ・３ｂを介してモータのアウタロータとなるロータ４が回転自在に支持されている。ロータ４の外周部にはホイールを介して駆動輪Ｗが取り付けられている。

ロータ４は、有底円筒形状をなしかつその中心部にボス部を有する形状であり、ボス部を形成する小径周壁部４ａと、その小径周壁部を同軸に外囲する大径周壁部４ｂとを有する。図に示されるように、ロータ４の両周壁部４ａ・４ｂ間の空間が車体１側に開放されている。大径周壁部４ｂの内周面には周方向にＮ・Ｓ極を並べた永久磁石としての複数のマグネット５が配設されている。また、両周壁部４ａ・４ｂによる空間に受容されるようにステータ６が設けられている。

固定支持軸２の車体１に固設された部分には外向フランジが形成されており、その外向フランジには小径周壁部４ａを外囲するガイド部材７が固設されている。ガイド部材７には例えばセレーションにより固定支持軸２の軸線方向に移動自在にされたスライド部材８が支持されている。スライド部材８の外周面には半径方向外向きの鍔が突設されており、その鍔に例えばビス止めされたブラケットを介してステータ６が支持されている。

ステータ６は、積層鋼板により形成された環状部分及びその環状部分から半径方向外向きに突出する複数のティースからなるコア６ａと、それらティースに巻回されたコイル巻線としてのコイル９とを有し、上記したようにスライド部材８と一体のブラケットにコア６ａの環状部分が適所でねじ止めされている。このようにして構成されたステータ６と上記ロータ４とにより本発明が適用されるモータＭとなる部分が構成されている。なお、図示例ではステータ６にコイル９を設け、ロータ４にマグネット５を設けたが、これに限られるものではなく、ステータ６にマグネットを設け、ロータ４にコイル６を設ける構造であっても良い。

スライド部材８は、モータ回転型の電動アクチュエータ１１により上記固定支持軸２の軸線方向に往復駆動されるようになっており、一体のステータ６も同様に往復移動する。図示例では、固定支持軸２の外向フランジにブラケットを介してアクチュエータ１１が固定されていると共に、アクチュエータ１１の回転軸に設けられた大ギアと噛み合う小ギアを同軸に有する駆動軸１２が、スライド部材８の移動方向に延在するように固定支持軸２の外向フランジ及び上記ブラケットにより軸支されている。その駆動軸１２のスライド部材８側には例えば台形ねじ部１２ａが設けられており、その台形ねじ部１２ａに螺合するナット部材１３がスライド部材８の鍔に固着されている。このようにして移動手段が構成されている。

この移動手段によりモータＭの有効磁束を調整することができる。すなわち、アクチュエータ１１を回転駆動することにより駆動軸１２が回転し、そのねじ部１２ａに螺合しているナット部材１３が駆動軸１２の軸線方向に移動するため、スライド部材８と一体のコア６ａが駆動軸１２と平行になる固定支持軸２の軸線方向に移動し得る。これにより、コア６ａのティース突出端面がマグネット５の磁極面と重なる量が変化し、マグネット５とコア６ａとの間の磁束が増減するため、可変界磁型のブラシレスモータが構成される。なお、コア６ａがマグネット５から離脱していく向きに移動する場合をコア抜きと称し、離脱状体から磁極面が完全に対峙する（重なる）向きに移動する場合をコア入れと称するものとする。

次に、本発明に基づく制御要領について、図２のブロック回路図を参照して示す。なお、図示例のモータＭの基本形にあっては３相のブラシレスモータと同様のものであって良い。

図示例では、電源としての車載バッテリＢＴに、ＦＥＴを用いたブリッジ回路が構成された駆動電流供給回路としてのインバータ２１を介してモータＭの各相コイル９が接続されている。なお、バッテリＢＴとインバータ２１とを接続する電源線には電流検出センサ２２が設けられており、それにより検出された電流検出信号が、制御手段を構成する制御回路ＥＣＵの電流検出回路２５に入力するようになっている。モータＭにはステータ６に対するロータ４の回転角度を検出する回転センサ２４が設けられており、その回転角度信号が回転角度検出回路２７に入力し、回転角度検出回路２７ではロータ４の回転位置及び回転数（回転速度）を算出する。このようにして回転角度検出手段が構成されている。

また、制御回路ＥＣＵ内には、外部の図示されない例えばアクセルペダルに連動するアクセルセンサ（図示せず）からのアクセル信号が入力する運転操作回路２８と、運転操作回路２８に設けられたアクセル操作信号出力回路２９と、運転操作回路２８と電流検出回路２５とからの各出力信号が入力する電流比較回路３１と、アクセル操作信号出力回路２９からの出力信号が入力する急加減速判定回路３２と、電流比較回路３１からの出力信号が入力する出力信号が入力するデューティ決定手段としての出力Ｄｕｔｙ決定回路３３と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３からの出力信号が入力するＤｕｔｙ判定回路３６と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３と回転角度検出回路２７とからの各出力信号に基づいてパルス幅変調されかつデューティ比に応じた制御信号としてのＰＷＭ信号をインバータ２１に出力するパルス幅変調信号発生手段としてのＰＷＭ信号生成回路３８と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３からの出力信号に基づいてステータ６の位置を決めるステータ位置制御回路３９と、ステータ位置制御回路３９からのステータ位置信号に基づいてアクチュエータ１１に駆動信号を出力する移動制御手段としての位置駆動回路４０とが設けられている。なお、ステータ位置制御回路３９からの出力信号は出力Ｄｕｔｙ決定回路３３に入力しており、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３から上記各Ｄｕｔｙ判定回路３６とＰＷＭ信号生成回路３８とに出力される信号にあっては、ステータ位置信号も考慮される。

なお、急加減速判定回路３２にあっては、アクセル操作信号の急激な操作を判定する。例えば、アクセル操作量に応じて変化する電流指令値の増減が絶対値で１０Ａ／ｓ以上であった場合に急加減速であるとする急加減速判定信号を出力する。また、その急加減速判定信号を受けるＤｕｔｙ判定回路３６にあっては、上記急加減速判定信号の非入力時には出力Ｄｕｔｙ決定回路３３からの出力信号によるデューティ比が予め定められた限度値としての１００％に達した場合にはコア抜き信号を出力し、例えば９０％まで下がったデューティ比出力信号が入力されるまでコア抜き信号を出力し、９０％まで下がったらコア入れ信号を出力する。それに対して、急加減速判定信号の入力時には所定値としてデューティ比が８０％以上になったと判定したらコア抜き信号を出力し、例えば７０％まで下がったと判定したらコア入れ信号を出力する。

上記コア入れ／コア抜き信号に応じてステータ位置制御回路３９およびステータ位置駆動回路４０によりアクチュエータ１１を駆動し、コア抜き／コア入れ制御を行う。これら急加減速判定回路３２・Ｄｕｔｙ判定回路３６・ステータ位置制御回路３９・ステータ位置駆動制御回路４０により界磁変更手段が構成されている。

なお、ステータ位置制御回路３９にてステータ６（コア６ａ）の設定位置（目標位置）を算出し、それに応じた位置制御信号が位置駆動回路４０からアクチュエータ１１に出力され、アクチュエータ１１によりステータ６（コア６ａ）を駆動しかつ上記目標位置で停止状態にする。これにより、上記したようにマグネット５の磁極面とコア６ａのティース突出端面との重なり量（互いに対向する部分の面積；以下、対向面積と称する）が増減し、対向面積を通ることになる有効磁束が増減するため、モータＭの特性を、対向面積を大きくした場合には低回転・高トルク型とし、対向面積を小さくした場合には高回転・低トルク型とすることができる。

また、各回路はＩＣを用いて構成されるものと、ＣＰＵのプログラム制御により構成されるものとを含むものであって良い。また、図示された回路名称及び信号線により理解される部分についてはその詳しい説明を省略する。

次に、本発明に基づく駆動制御要領を図３を参照して以下に示す。なお、自動車におけるアクセル踏み込み量に相当する操作量に応じて運転操作回路２８から操作信号を電流比較回路３１に出力し、その操作信号に応じて出力Ｄｕｔｙ決定回路３３により決定したデューティ比による加減速制御を行う点については、公知のＰＷＭ制御と同じであって良く、その詳しい説明を省略する。

ステップＳＴ１では、アクセル操作に応じた電流指令の読み込みを行う。アクセル踏み込み量が大きい場合には電流指令値も大きいとする。次のステップＳＴ２では前回電流指令値Ｉｐと今回電流指令値Ｉｃとの偏差（絶対値）が急加減速であると推定される値（例えば２０Ａ）より大きいか以下否かを判別する。大きいと判定された場合にはステップＳＴ３に進み、そこで急加減速判定カウンタＣが所定値として例えば１０回より少ないか否かを判別する。ステップＳＴ３でカウンタＣが１０回より少ないと判定された場合にはステップＳＴ４に進み、そこでカウンタＣに１を加算する。このように本図示例では、カウンタＣが１０になったか否かで急加減速になったか否かを判別するが、その回数は一例であり、制御ステップのタイミングに応じて適宜変更される。

また、上記ステップＳＴ２で急加減速であると推定される値（２０Ａ）より小さいと判定された場合にはステップＳＴ５に進み、そこでカウンタＣが０より大きいか否かを判別する。カウンタＣが０より大きいと判定された場合にはステップＳＴ６に進み、そこでカウンタＣから１を減算する。

ステップＳＴ３でカウンタＣが１０より小さくない場合、ステップＳＴ５でカウンタＣが０より大きくない場合（Ｃ＝０）、ステップＳＴ４またはステップＳＴ６の次にはそれぞれステップＳＴ７に進む。ステップＳＴ７では、カウンタＣが１０より小さいか否かを判別し、小さいと判定された場合にはステップＳＴ８に進み、１０より小さくない（Ｃ＝１０）と判定された場合にはステップＳＴ９に進む。

ステップＳＴ８では、コア抜き開始デューティ比Ｄｔｈを１００％に設定すると共にコア入れ開始デューティ比Ｄｔｌを９０％に設定して、ステップＳＴ１０に進む。それに対して、ステップＳＴ９では、コア抜き開始デューティ比Ｄｔｈを８０％に設定すると共にコア入れ開始デューティ比Ｄｔｌを７０％に設定して、ステップＳＴ１０に進む。

ステップＳＴ１０では、現在のモータ駆動ＰＷＭデューティ比ＤＵＴＹがコア抜き開始デューティ比Ｄｔｈより大きいか否かを判別し、大きい場合にはステップＳＴ１１に進み、そこでコア抜き制御を行って本ルーチンを終了する。また、ステップＳＴ１０でＰＷＭデューティ比ＤＵＴＹがコア抜き開始デューティ比Ｄｔｈより小さいと判定された場合にはステップＳＴ１２に進み、そこでＰＷＭデューティ比ＤＵＴＹがコア入れ開始デューティ比Ｄｔｌより小さいか否かを判別する。ステップＳＴ１２で小さいと判定された場合にはステップＳＴ１３に進み、そこでコア入れ制御を行って本ルーチンを終了する。なお、ステップＳＴ１２でＷＭデューティ比ＤＵＴＹがコア入れ開始デューティ比Ｄｔｌより大きいと判定された場合にはそのまま本ルーチンを終了する。

これにより、図４に示されるように電流指令値の変化が小さい区間Ａでは急加減速判定はオフ（急加減速状態ではない）であり、その場合にはコア抜き開始デューティ比が１００％に設定され、界磁量が１００％となる位置にコア６ａが位置している。したがって電流（検出値）変化は電流指令と同様に変化する。

次に区間Ｂに示されるように電流指令値の変化が大きくなったら、急加減速判定がオンとなり、その場合にはコア抜き開始デューティ比が８０％に設定される。電流指令に応じてコア抜きが行われ、界磁量が図に示されるように変化して、電流（検出値）変化が電流指令と同様に変化し得る。

このように、急加減速指令を行わない通常は高効率なＰＷＭデューティ比１００％となる界磁量で運転し、急激な加減速区間ＢではＰＷＭデューティ比を下げるようになる界磁量として、その分電流制御の追従性を高くすることができ、電流指令値に対応した運転をすることができる。

次に、上記図示例ではパラメータをデューティ比としてステップＳＴ８・９でその制御を行ったが、パラメータを進角としても良く、その第２の例について図２に対応する図５および図３に対応する図６を参照して以下に示す。なお、各図でそれぞれ上記図示例と同様の部分には同一の符合を付してその詳しい説明を省略する。

図５において、アクセル操作信号出力回路２９からの出力信号が進角制御回路４１と急加減速判定回路３２とに入力し、進角制御回路４１には電流比較回路３１とＤｕｔｙ１００％判定回路４２とからの各出力信号が入力し、進角制御回路４１からの出力信号が出力Ｄｕｔｙ決定回路３３と進角判定回路４３とに入力し、進角判定回路４３には急加減速判定回路３２からの出力信号が入力し、進角判定回路４３からの出力信号がステータ位置制御回路３９に入力するようになっている。

ここで、Ｄｕｔｙ１００％判定回路４２は、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３からの出力信号によるデューティ比が予め定められた１００％に達したと判定したらその結果を進角制御回路４１に出力する。進角制御回路４１にあっては、デューティ比が１００％に達した場合に、アクセル操作信号と電流比較結果の信号とに基づいて進角量を決定し、その進角値を出力する。また、Ｄｕｔｙ１００％判定回路４２は、その判定信号をＰＷＭ信号生成回路３８に出力する。ＰＷＭ信号生成回路３８にあっては、デューティ比が１００％に達するまではデューティ制御を行う。

次に、進角判定回路４３による制御要領について図６を参照して示す。ステップＳＴ１〜ＳＴ７およびステップＳＴ１０〜ＳＴ１３は上記図示例と同じであり、ステップＳＴ８にステップＳＴ８ａが対応し、ステップＳＴ９にステップＳＴ９ａが対応している。そのステップＳＴ８ａでは、未だ急加減速判定に至らない場合であり、その場合にはコア抜き開始進角を６度とし、コア入れ開始進角を４度とする。すなわち、通常時には進角６度になったらコア６ａを抜き始める。

それに対してステップＳＴ９ａでは、急加減速になった場合であり、その場合にはコア抜き開始進角を２度とし、コア入れ開始進角を０度とする。このようにすることにより、急加減速指令を行わない通常は大きな進角とし得る界磁量で運転し、急激な加減速時には進角を下げるようになる界磁量として、その分電流制御の追従性を高くすることができ、電流指令値に対応した運転をすることができる。

電動自動車の駆動輪Ｗに適用された例を示す模式的断面図である。 制御要領を示す回路ブロック図である。 本発明に基づく制御要領を示すフロー図である。 本発明による電流制御の例を示す図である。 第２の例を示す図２に対応する図である。 第２の例を示す図３に対応する図である。

符号の説明

４ ロータ
５ マグネット
６ ステータ
７ ガイド部材
８ スライド部材
１１ アクチュエータ
２１ インバータ
２４ 回転センサ
２８ 運転操作回路
２９ アクセル操作信号出力回路
３２ 急加減速判定回路
３３ 出力Ｄｕｔｙ決定回路
３６ Ｄｕｔｙ判定回路
３８ ＰＷＭ信号生成回路
３９ ステータ位置制御回路
４０ 位置駆動回路
４１ 進角制御回路
４３ 進角判定回路
ＢＴ バッテリ
ＥＣＵ 制御回路
Ｍ モータ

Claims (2)

1. ステータと、前記ステータに対して同軸かつ回転可能に設けられたロータと、前記ステータおよび前記ロータの磁束が通る面同士の距離を可変にするべく前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記ロータの軸線方向へ移動可能にする電動アクチュエータとを備え、前記ステータと前記ロータとの一方にコイル巻線が設けられ、前記ステータと前記ロータとの他方に前記コイル巻線に対向して永久磁石が配設されたモータと、
   アクセルの操作量に応じて増減するアクセル操作信号を発生するアクセル操作信号発生手段と、前記アクセル操作信号に基づいて前記モータを制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記ステータに対する前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、前記コイル巻線に駆動電流を供給する駆動電流供給回路と、前記駆動電流を検出する電流検出手段と、前記回転角度検出手段により検出された前記ロータの回転角度検出信号に同期した位相であってパルス幅変調された制御信号を前記駆動電流供給回路に供給するパルス幅変調信号発生手段と、前記パルス幅変調される制御信号のデューティ比を決定するデューティ信号を前記パルス幅変調信号発生手段に供給するデューティ決定手段と、前記アクセル操作信号が所定の変化率異常で増減した場合の急加減速を判定する急加減速判定手段と、前記電動アクチュエータに位置駆動信号を出力する界磁変更手段とを有し、
   前記界磁変更手段が、前記急加減速ではないと判定された場合には前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記デューティ比が最大値になる位置にし、前記急加減速であると判定された場合には前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記デューティ比が最大値より小さな所定値となる位置にする制御を行うことを特徴とするモータ駆動装置。
2. ステータと、前記ステータに対して同軸かつ回転可能に設けられたロータと、前記ステータおよび前記ロータの磁束が通る面同士の距離を可変にするべく前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記ロータの軸線方向へ移動可能にする電動アクチュエータとを備え、前記ステータと前記ロータとの一方にコイル巻線が設けられ、前記ステータと前記ロータとの他方に前記コイル巻線に対向して永久磁石が配設されたモータと、
   アクセルの操作量に応じて増減するアクセル操作信号を発生するアクセル操作信号発生手段と、前記アクセル操作信号に基づいて前記モータを制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記ステータに対する前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、前記コイル巻線に駆動電流を供給する駆動電流供給回路と、前記駆動電流を検出する電流検出手段と、前記回転角度検出手段により検出された前記ロータの回転角度検出信号に同期した位相であってパルス幅変調された制御信号を前記駆動電流供給回路に供給するパルス幅変調信号発生手段と、前記パルス幅変調される制御信号のデューティ比を決定するデューティ信号を前記パルス幅変調信号発生手段に供給するデューティ決定手段と、前記アクセル操作信号が所定の変化率異常で増減した場合の急加減速を判定する急加減速判定手段と、前記パルス幅変調信号発生手段による前記パルス幅変調された制御信号の位相を進角させる進角制御手段と、前記電動アクチュエータに位置駆動信号を出力する界磁変更手段とを有し、
   前記界磁変更手段が、前記急加減速ではないと判定された場合には前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記進角が最大値になる位置にし、前記急加減速であると判定された場合には前記ステータおよび前記ロータのいずれか一方を前記進角の最大値より小さな所定値となる位置にする制御を行うことを特徴とするモータ駆動装置。

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