JP2009254081A

JP2009254081A - 電動機の制御装置

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Publication number: JP2009254081A
Application number: JP2008097532A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kondo; 一近藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-03
Also published as: JP5273706B2

Abstract

【課題】２重ロータを有する電動機の通電制御を、ロータ角度を検出するセンサを設けることなくロータ角度の推定値に基づいて行なうときに、ロータ角度の推定精度を高めることができる電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】電動機１の誘起電圧定数の指令値Ｋe_cと、電動機１の通電量Ｉd_s，Ｉq_sとに基いて、ｄ軸インダクタンス推定値Ｌd_e，ｑ軸インダクタンス推定値Ｌq_eを算出するインダクタンス推定値算出部９１ａと、電動機１に対するｄ軸電圧指令値Ｖd_c，ｑ軸電圧指令値Ｖq_cと、ｄ軸電流検出値Ｉd_s，ｑ軸電流検出値Ｉq_sと、インダクタンス推定値算出部９１ａにより算出されたｄ軸インダクタンス推定値Ｌd_e，ｑ軸インダクタンス推定値Ｌq_eとに基いて、電動機１のロータ角度推定値θm_eを算出するロータ角度推定値算出部９２ａとを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、永久磁石界磁型の回転電動機の制御を、同心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状に設けた第１ロータ及び第２ロータを備え、回転速度に応じて第１ロータと第２ロータの位相差（ロータ位相差）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ロータ位相差が拡大して、界磁の磁束が減少するように構成されている。

また、第１ロータと第２ロータを相対的に回転・保持する位相差変更機構を設けて、ロータ位相差を任意に設定する構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。そして、ロータ位相差を変更すると、これに応じて電動機の誘起電圧定数が変化する。

また、電動機のロータ角度（ロータの回転位置）を検出するセンサを設けずに、電動機に印加される電圧と通電量等に基いて、電動機のロータ角度を推定する構成が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−２０４５４１号公報特開２００７−２５９５５０号公報特開２００４−３４３９６３号公報

上述した特許文献３においては、いわゆるｄｑベクトル制御の下で、以下の式（７）により算出したロータ位相差の実際値と推定値との偏差θeの参照値Ｖs，Ｖcを用いて、以下の式（８）により該偏差θeを算出し、該偏差θeに基づいて、ロータ角度の推定値を算出している。

Ｖs：θeの正弦参照値、Ｖc：θeの余弦参照値、ω：角速度、Ｋe：誘起電圧定数、Ｖd：ｄ軸電機子の端子間電圧、Ｖq：ｑ軸電機子の端子間電圧、Ｒ：ｄ軸電機子及びｑ軸電機子の抵抗値、Ｌ：ｄ軸電機子及びｑ軸電機子のインダクタンス、Ｉd：ｄ軸電機子の通電量、Ｉq：ｑ軸電機子の通電量。

そして、上記式（７）におけるｄ軸電機子及びｑ軸電機子のインダクタンスＬは、固定値とされていた。しかし、２重ロータを有する電動機においては、ロータ位相差を変更すると、それに応じてｄ電機子及びｑ軸電機子のインダクタンスが変化する。そのため、２重ロータを有する電動機に対して、インダクタンスＬを固定値として上記式（７），式（８）により偏差θeを算出し、この偏差θeに基づいてロータ角度の推定値を算出すると、ロータ角度の推定誤差が大きくなるという不都合がある。

そこで、本発明は、２重ロータを有する電動機のロータ角度の推定値を、精度良く算出す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、永久磁石による磁極を複数個有する第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の変更を行って制御する電動機の制御装置に関する。

そして、前記ロータ位相差を変更するためのロータ位相差変更手段と、前記電動機の電機子の通電量を検出する電流検出手段と、前記電動機の誘起電圧定数の指令値又は前記ロータ位相差の指令値に応じて、前記ロータ位相差変更手段により前記ロータ位相差を変更するロータ位相差制御手段と、前記電動機の誘起電圧定数の指令値又は前記ロータ位相差の指令値と、前記電動機の通電量とに基いて、前記電動機のインダクタンスの推定値を算出するインダクタンス推定手段と、前記電動機の電機子の端子間電圧と、前記電動機の電機子の通電量と、前記インダクタンス推定手段により算出されたインダクタンスの推定値とに基いて、前記電動機のロータ角度の推定値を算出するロータ角度推定手段と、前記ロータ角度推定手段により算出された前記ロータ角度の推定値に基いて、前記電動機に対する通電を制御する通電制御手段とを備えた通電制御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、前記ロータ位相差制御手段により、前記電動機の誘起電圧定数の指令値又は前記ロータ位相差の指令値に応じて前記電動機のロータ位相差が変更される。そして、詳細は後述するが、前記電動機のロータ位相差及び通電量と、前記電動機のインダクタンスとの間には相関関係があり、前記電動機のロータ位相差と誘起電圧定数との間にも相関関係がある。そのため、前記インダクタンス推定手段は、前記電動機のロータ位相差の指令値又は誘起電圧定数の指令値と通電量とに基づいて、ロータ位相差に応じて変化する前記電動機のインダクタンスの推定値を算出することができる。

そして、前記ロータ角度推定手段は、前記電動機の電機子の端子間電圧と、前記電動機の電機子の通電量と、前記インダクタンス推定手段により算出されたインダクタンスの推定値とに基いて、前記電動機のロータ角度の推定値を精度良く算出することができ、前記通電制御手段は、ロータ角度の推定値に基づいて電動機に対する通電を精度良く制御することができる。

また、前記ロータ角度推定手段によるロータ角度の推定値の算出処理において算出されるロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値に基づいて、前記電動機の誘起電圧定数の推定値を算出する誘起電圧定数推定手段を備え、前記ロータ位相差制御手段は、誘起電圧定数の指令値と前記誘起電圧定数推定手段により算出された誘起電圧定数の推定値との偏差を減少させるように、前記ロータ位相差変更手段により前記ロータ位相差を変更することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記誘起電圧定数推定手段は、前記ロータ角度推定手段によるロータ角度の推定値の算出処理において算出されるロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値を流用して、前記電動機の誘起電圧定数の推定値を算出する。そのため、誘起電圧定数の推定値の算出に要する負荷を軽減することができる。そして、前記ロータ位相差変更手段により、誘起電圧定数の指令値と推定値との偏差を減少させるように、前記ロータ位相差変更手段により前記ロータ位相差を変更することで、前記電動機の誘起電圧定数を指令値に精度良く追従させることができる。

また、前記ロータ角度推定手段は、以下の式（９），式（１０）による処理により得られるロータ角度の実際値と推定値との偏差を用いてロータ角度の推定値を算出し、

但し、Ｖs：電動機のロータ角度の実際値θm_sと推定値θm_eとの偏差θe（θe＝θm_s−θm_e）の正弦参照値、Ｖc：偏差θeの余弦参照値、ω：電動機の角速度、Ｋe：電動機の誘起電圧定数、Ｖd：ｄ軸電機子の端子間電圧、Ｖq：ｑ軸電機子の端子間電圧、Ｒ：ｄ軸電機子及びｑ軸電機子の抵抗値、Ｌd：ｄ軸電機子のインダクタンス、Ｌq：ｑ軸電機子のインダクタンス、Ｉd：ｄ軸電機子の通電量、Ｉq：ｑ軸電機子の通電量。

前記誘起電圧定数推定手段は、上記式（１）により算出される正弦参照値Ｖsと余弦参照値Ｖcを、ロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値として、以下の式（１１）による誘起電圧定数Ｋeを、誘起電圧定数推定値として算出することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記ロータ角度推定手段は、上記式（９），式（１０）による処理により、ロータ角度の実際値と推定値との偏差θeを算出して、ロータ角度の推定値を算出する。そして、前記誘起電圧定数推定手段は、上記式（９）により算出される正弦参照値ＶsとＶcを、ロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値として、上記式（１１）により容易に誘起電圧定数の推定値を算出することができる。

また、前記ロータ角度推定手段によるロータ角度の推定値の算出処理において算出されるロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値に基づいて、前記電動機のロータ位相差の推定値を算出するロータ位相差推定手段を備え、前記ロータ位相差制御手段は、ロータ位相差の指令値と前記ロータ位相差推定手段により算出されたロータ位相差の推定値との偏差を減少させるように、前記ロータ位相差変更手段により前記ロータ位相差を変更することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記ロータ位相差推定手段は、前記ロータ角度推定手段によるロータ角度の推定値の算出処理において算出されるロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値を流用して、前記電動機のロータ位相差の推定値を算出する。そのため、ロータ位相差の推定値の算出に要する負荷を軽減することができる。そして、前記ロータ位相差変更手段により、ロータ位相差の指令値と推定値との偏差を減少させるように、前記ロータ位相差変更手段により前記ロータ位相差を変更することで、前記電動機のロータ位相差を指令値に精度良く追従させることができる。

また、前記ロータ角度推定手段は、以下の式（１２），式（１３）による処理により得られるロータ角度の実際値と推定値との偏差を用いてロータ角度の推定値を算出し、

前記ロータ位相差推定手段は、上記式（１２）により算出される正弦参照値Ｖsと余弦参照値Ｖcを、ロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値として、以下の式（１４）による誘起電圧定数Ｋeに対応するロータ位相差を、ロータ位相差推定値として算出することを特徴とする電動機の制御装置。

かかる本発明によれば、前記ロータ角度推定手段は、上記式（１２），式（１３）による処理により、ロータ角度の実際値と推定値との偏差θeを算出して、ロータ角度の推定値を算出する。そして、前記ロータ位相差推定手段は、上記式（１２）により算出される正弦参照値ＶsとＶcを、ロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値として、上記式（１４）により容易にロータ位相差の推定値を算出することができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図７を参照して説明する。

先ず、図１及び図２を参照して、本実施の形態における電動機の構成を説明する。図１は、本実施の形態における電動機の要部の断面図、図２は図１に示した電動機の２つのロータ間の位相差を変更することによる効果の説明図である。

図１を参照して、電動機１は、２重ロータ構造のＤＣブラシレスモータであり、出力軸２、外ロータ１２、及び内ロータ１１を同軸に備えている。なお、外ロータ１２と内ロータ１１のいずれか一方が本発明の第１ロータに相当し、他方が本発明の第２ロータに相当する。

内ロータ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、周方向に沿って等間隔に交互に配設されている。同様に、外ロータ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、周方向に沿って等間隔に交互に配設されている。

また、電動機１は、内ロータ１１及び外ロータ１２に対する回転磁界を発生するための電機子１０ａを有するステータ１０を備えている。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。

次に、電動機１は、外ロータ１２と内ロータ１１の位相差であるロータ位相差を変更するために、外ロータ１２と内ロータ１１を相対的に回転させる位相可変機構（図示しない。遊星歯車等の差動機構により構成される。）を備えている。

そして、位相可変機構により、外ロータ１２と内ロータ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、外ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内ロータ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、外ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内ロータ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２（ａ）は界磁強め状態を示しており、外ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内ロータ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、外ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内ロータ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。

そして、このように、外ロータ１２と内ロータ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。

［第１の実施形態］次に、図３〜図６を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図３は、第１の実施形態の電動機の制御装置Ａ１（以下、制御装置Ａ１という）の制御ブロック図である。

制御装置Ａ１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に対する通電を制御する。

制御装置Ａ1は、ＣＰＵ、メモリ等により構成された電子ユニットであり、該ＣＰＵに所定の制御プログラムを実行させることによって、制御装置Ａ1は、本発明のインダクタンス推定手段、ロータ角度推定手段、通電制御手段、誘起電圧定数推定手段、及びロータ位相差制御手段として機能する。また、制御装置Ａ1は所定の制御サイクル毎に電動機１の制御処理を繰り返し実行する。

制御装置Ａ１は、外部から与えられるトルク指令値Ｔr_cと電動機１の角速度の推定値ω_e（以下、角速度推定値ω_eという）と電動機１の誘起電圧定数の推定値Ｋe_e（以下、誘起電圧定数推定値Ｋe_eという）とに基づいて、ｄ軸側の電機子（以下、ｄ軸電機子という）の通電量（以下、ｄ軸電流という）の指令値であるｄ軸電流指令値Ｉd_cとｑ軸側の電機子（以下、ｑ軸電機子という）の通電量（以下、ｑ軸電流という）の指令値であるｑ軸電流指令値Ｉq_cとを算出する電流指令算出部５０ａ、及び電流センサ７０，７１（本発明の電流検出手段に相当する）による電動機１の相電流の検出信号Ｉu_s，Ｉw_sと、電動機１のロータ角度の推定値θm_e（以下、ロータ角度推定値θm_eという）とに基づいて、３相−ｄｑ変換によりｄ軸電機子の通電量の検出値Ｉd_s（以下、ｄ軸電流検出値Ｉd_sという）と、ｑ軸電機子の通電量の検出値Ｉq_s（以下、ｑ軸電流検出値Ｉq_sという）を算出する３相−ｄｑ変換部６１とを備えている。

電流指令算出部５０ａは、電動機１のトルクＴr，角速度ω，誘起電圧定数Ｋeという３つの要素と、ｄ軸電流Ｉd，ｑ軸電流Ｉqという２つの要素との間の相関関係を規定したマップ（Ｔr，ω，Ｋe／Ｉd，Ｉqマップ）に、トルク指令値Ｔr_c，角速度推定値ω_e，誘起電圧定数推定値Ｋe_eを適用して得られるｄ軸電流Ｉdとｑ軸電流Ｉqを、ｄ軸電流指令値Ｉd_cとｑ軸電流指令値Ｉq_cとしてそれぞれ算出する。

なお、このＴr，ω，Ｋe／Ｉd，Ｉqマップは、実験やコンピュータシミュレーション等に基いて作成されたものであり、そのデータはメモリに保持されている。なお、マップではなく、トルクＴr，角速度ω，誘起電圧定数Ｋeという３つの要素を入力して、ｄ軸電流Ｉdとｑ軸電流Ｉqを出力する相関式を用いて、ｄ軸電流指令値Ｉd_cとｑ軸電流指令値Ｉq_cを算出するようにしてもよい。

また、制御装置Ａ１は、ｄ軸電流指令値Ｉd_cの補正値ΔＩdaを求める界磁制御部５１と、ｑ軸電流指令値Ｉq_cの補正値ΔＩqaを求める電力制御部５５とを備えている。界磁制御部５１で決定される補正値ΔＩdaは、ｄ軸電機子の電圧とｑ軸電機子の電圧との合成ベクトルの大きさが電動機１の電源電圧Ｖdc（より詳しくは、後述するＰＭＷ演算部６２のインバータ回路の電源電圧）に応じた電圧円内に納まるようにするためのｄ軸電流の操作量（フィードバック操作量）を意味する。

補正値ΔＩdaは、前回の制御サイクルにおいて、後述する電流制御部５３により決定されたｄ軸電圧指令値Ｖd_c及びｑ軸電圧指令値Ｖq_cの合成ベクトルの大きさと、電源電圧Ｖdcに応じて決定した目標値（電圧円の半径）との偏差に応じて、フィードバック制御により決定される。

電力制御部５５で決定される補正値ΔＩqaは、電動機１の運転時における永久磁石１１ａ〜１２ｂ（１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ）の温度変化と電機子１０ａの温度変化が、電動機１のトルクに及ぼす影響を補償するためのものである。永久磁石１１ａ〜１２ｂの温度が変化すると、一般にロータ位相差が一定であっても電動機１の誘起電圧定数が変化し、電機子１０ａのコイル抵抗（電機子１０ａを構成する巻線の抵抗）が変化する。このため、ｑ軸電流指令値Ｉq_cが一定であっても、永久磁石１１ａ〜１２ｂや電機子１０ａの温度変化の影響により、電動機１のトルクが変化する。

そこで、電力制御部５５は、この影響をｑ軸電流補正値ΔＩqaにより補償する。ｑ軸電流補正値ΔＩqaは、Ｕ相電流検出値Ｉu_s又はＷ相電流検出値Ｉw_sから推定されるコイル抵抗や、後述するロータ角度推定値算出部９２ａで算出された誘起電圧定数推定値Ｋe_e等に基いて決定される。

加減算部５２は、ｄ軸電流指令値Ｉd_cからｄ軸電流検出値Ｉd_sを減じると共に、ｄ軸電流補正値ΔＩdaを加えて、ｄ軸電流偏差ΔＩdを算出する。同様に、加減算部５６は、ｑ軸電流指令値Ｉq_cからｑ軸電流検出値Ｉq_sを減じると共に、ｑ軸電流補正値ΔＩqaを加えて、ｑ軸電流偏差ΔＩqを算出する。

電流制御部５３は、加減算部５２で算出されたｄ軸電流偏差ΔＩdを０に近づけるように、ＰＩ制御則（比例・積分制御則）等のフィードバック制御則により、ｄ軸電機子の指令電圧値であるｄ軸電圧指令値Ｖd_cを決定する。同様に、電流制御部５３は、加減算部５６で算出されたｑ軸電流偏差ΔＩqを０に近づけるように、ＰＩ制御則等のフィードバック制御則により、ｑ軸電機子の指令電圧値であるｑ軸電圧指令値Ｖq_cを決定する。

なお、ｄ軸電圧指令値Ｖd_cとｑ軸電圧指令値Ｖq_cとを決定するときに、ｄ軸電流偏差ΔＩdから求められるｄ軸電圧指令値と、ｑ軸電流偏差ΔＩqから求められるｑ軸電圧指令値とに、ｄ軸とｑ軸の間で干渉し合う速度起電力の影響を打ち消すための非干渉成分を付加して、ｄ軸電圧指令値Ｖd_cとｑ軸電圧指令値Ｖq_cを求めることが好ましい。

さらに、制御装置Ａ1は、ｄ軸電圧指令値Ｖd_c及びｑ軸電圧指令値Ｖq_cと、ロータ角度推定値θm_eとから、ｄｑ−３相変換によりＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相の相電圧指令値Ｖu_c，Ｖv_c，Ｖw_cを求めるｄｑ−３相変換部６０、及び、相電圧指令値Ｖu_c，Ｖv_c，Ｖw_cに応じて、電動機１の各相の電機子にＰＷＭ制御によりインバータ回路（図示省略）を介して通電するＰＷＭ演算部６２を備えている。

なお、ｄｑ−３相変換は、ｄ軸電圧指令値Ｖd_c及びｑ軸電圧指令値Ｖq_cの組を、ロータ角度推定値θm_e（電気角での出力軸２の回転角度の推定値）に応じた変換行列に座標変換する処理である。

また、電力制御部５５、界磁制御部５１、加減算器５２，５６、電流制御部５３、加算器５４，５７、検出用電圧重畳部８０、ｄｑ−３相変換部６０、３相−ｄｑ変換部６１、及びＰＷＭ演算部６２により、本発明の通電制御手段が構成される。

また、制御装置Ａ1は、トルク指令値Ｔr_cと角速度推定値ω_eと電源電圧Ｖdcに応じて、電動機１の誘起電圧定数の指令値Ｋe_c（以下、誘起電圧定数指令値Ｋe_cという）を決定する誘起電圧定数指令算出部９０ａを備えている。

誘起電圧定数指令算出部９０ａは、電動機１のトルクＴr，角速度ω，電源電圧Ｖdcという３つの要素と、誘起電圧定数Ｋeとの間の相関関係を規定したマップ（Ｔr_c，ω，Ｖdc／Ｋeマップ）に、トルク指令値Ｔr_c，角速度推定値ω_e，電源電圧Ｖdcを適用して、誘起電圧定数指令値Ｋe_cを算出する。

このＴr，ω，Ｖdc／Ｋeマップは、実験やコンピュータシミュレーション等に基いて作成されたものであり、そのデータはメモリに保持されている。なお、マップではなく、電動機１のトルクＴr，角速度ω，電源電圧Ｖdcという３つの要素を入力して、誘起電圧定数Ｋeを出力する相関式を用いて、誘起電圧定数指令値Ｋe_cを算出するようにしてもよい。

また、制御装置Ａ1は、ｄ軸電流検出値Ｉd_s及びｑ軸電流検出値Ｉq_sと誘起電圧定数指令値Ｋe_cとに基いて、ｄ軸電機子のインダクタンスの推定値Ｌd_e（以下、ｄ軸インダクタンス推定値Ｌd_eという）とｑ軸電機子のインダクタンスの推定値Ｌq_e（以下、ｑ軸インダクタンス推定値Ｌq_eという）を算出するインダクタンス推定値算出部９１ａを備えている。

ここで、電動機１のインダクタンスと誘起電圧定数との間には相関関係がある。図４（ａ）は、縦軸をｄ軸インダクタンスＬdに設定し、横軸をｄ軸電流Ｉdに設定して、電動機１のロータ位相差θdを０度，３０度，６０度、９０度、１２０度、１５０度、１８０度に設定したときの、ＬdとＩdの関係を示したものである。図４（ａ）に示した対応関係から、電動機１のロータ位相差θdとｄ軸電流Ｉdの組に対して、対応するｄ軸インダクタンスＬdが定まることが分る。

同様に、図４（ｂ）は、縦軸をｑ軸電機子のインダクタンスＬqに設定し、横軸をｑ軸電流Ｉqに設定して、電動機１のロータ位相差θdを０度，３０度，６０度，９０度，１２０度，１５０度，１８０度に設定したときの、ＬqとＩqの関係を示したものである。図４（ｂ）に示した対応関係から、電動機１の位相差θdとｑ軸電流Ｉqの組に対して、対応するｑ軸インダクタンスＬqが定まることが分る。

そして、電動機１のロータ位相差と誘起電圧定数との間には、図５に示したように、ロータ位相差が０度であるときに誘起電圧定数が最大となり、ロータ位相差が１８０度であるときに誘起電圧定数が最小となるという相関関係がある。

そこで、インダクタンス推定値算出部９１ａ、図４（ａ），図４（ｂ），図５に基いて電動機１のｄ軸電流Ｉd，ｑ軸電流Ｉq，誘起電圧定数Ｋeという３つの要素と、ｄ軸インダクタンスＬd，ｑ軸インダクタンスＬqという２つの要素との間の相関関係を規定したマップ（Ｉd，Ｉq，Ｋe／Ｌd，Ｌqマップ）に、ｄ軸電流検出値Ｉd_s，ｑ軸電流検出値Ｉq_s，誘起電圧定数指令値Ｋe_cを適用して、ｄ軸インダクタンス推定値Ｌd_eとｑ軸インダクタンス推定値Ｌq_eを算出する。

このＩd，Ｉq，Ｋe／Ｌd，Ｌqマップは、実験やコンピュータシミュレーション等に基いて作成されたものであり、そのデータはメモリに保持されている。なお、マップではなく、ｄ軸電流Ｉd，ｑ軸電流Ｉq，誘起電圧定数Ｋeという３つの要素を入力して、ｄ軸インダクタンスＬdとｑ軸インダクタンスＬqを出力する相関式を用いて、ｄ軸インダクタンス推定値Ｌd_eとｑ軸インダクタンス推定値Ｌq_eを算出してもよい。

次に、制御装置Ａ1は、電動機１のロータ角度を検出するレゾルバ等の位置センサを備えておらず、ロータ角度推定値算出部９２ａ（本発明の第ロータ角度推定手段、及び誘起電圧定数推定手段に相当する）により、ロータ角度の推定値θm_e（以下、ロータ角度推定値θm_eという）と、角速度の推定値ω_e（以下、角速度推定値ω_eという）を算出する処理を行う。また、制御装置Ａ1は、ロータ位相差を検出するセンサを用いずに、ロータ角度推定値算出部９２ａにより、誘起電圧定数の推定値Ｋe_e（以下、誘起電圧定数推定値Ｋe_eという）を算出する処理を行う。

以下、ロータ角度推定値算出部９２ａによるロータ角度推定値θm_e、角速度推定値ω_e、及びロータ位相差推定値θd_eの算出処理について説明する。

図３を参照して、ロータ角度推定値算出部９２ａは、電動機１が回転しているときに、インダクタンス推定値算出部９１ａによって算出されるｄ軸インダクタンス推定値Ｌd_eとｑ軸インダクタンス推定値Ｌq_eとを用いて、ロータ角度推定値θm_eと角速度推定値ω_eを算出する。

ロータ角度推定値算出部９２ａは、以下の式（１５）のＶdにｄ軸電圧指令値Ｖd_cを代入し、Ｖqにｑ軸電圧指令値Ｖq_cを代入し、Ｒに予め設定した抵抗値を代入し、ωに角速度推定値ω_eを代入し、Ｌdにｄ軸インダクタンス推定値Ｌd_eを代入し、Ｌqにｑ軸インダクタンス推定値Ｌq_eを代入し、Ｉdにｄ軸電流検出値Ｉd_sを代入し、Ｉqにｑ軸電流検出値Ｉq_sを代入して、ロータ角度の実際値と推定値との偏差θeの正弦参照値Ｖsと余弦参照値Ｖcを算出する。

但し、Ｖs：正弦参照値、Ｖc：余弦参照値、ω：角速度、Ｋe：誘起電圧定数、θe：ロータ角度の実際値と推定値との偏差、Ｖd：ｄ軸電圧、Ｖq：ｑ軸電圧、Ｒ：ｄ軸電機子及びｑ軸電機子の抵抗値、Ｌd：ｄ軸インダクタンス、Ｌq：ｑ軸インダクタンス、Ｉd：ｄ軸電流、Ｉq：ｑ軸電流。

ロータ角度推定値算出部９２ａは、以下の式（１６）により、ロータ角度の実際値と推定値との偏差θeを算出する。そして、ロータ角度推定値算出部９２ａは、この偏差θeが０になるように、以下の式（１７）によるオブザーバの演算係数Ｋ1，Ｋ2を決定する追従演算により算出したθm_e(n+1)とω_e(n+1)を、ロータ角度推定値θm_eと角速度推定値ω_eとしてそれぞれ出力する。

但し、θm_e(n+1)：今回の制御サイクルにおけるロータ角度の推定値、ω_e(n+1)：今回の制御サイクルにおける角速度の推定値、Δｔ：１制御サイクルの時間、θm_e(n)：前回の制御サイクルにおける角速度の推定値、ω_e(n)：前回の制御サイクルにおける角速度の推定値、Ｋ1，Ｋ2：演算ゲイン。

また、ロータ角度推定値算出部９２ａは、以下の式（１８）により、誘起電圧定数推定値Ｋe_eを算出する。

但し、Ｋe_e：誘起電圧定数推定値、ω：角速度（実際値）、Ｋe：誘起電圧定数（実際値）、ω_e：角速度推定値。

図６は、以上説明したロータ角度推定値算出部９２ａによるロータ角度推定値θm_e及び角速度推定値ω_eと、誘起電圧定数推定値Ｋe_eの算出処理のブロック図である。ロータ角度推定値算出部９２ａは、参照値算出部１００により、上記式（１５）のＩd，Ｉqに３相−ｄｑ変換部６１で算出されたｄ軸電流検出値Ｉd_s，ｑ軸電流検出値Ｉq_sを代入し、Ｖd，Ｖqにｄ軸電流指令値Ｖd_c，ｑ軸電流指令値Ｖq_cを代入し、Ｌd，Ｌqにインダクタンス推定値算出部９１ａで算出されたｄ軸インダクタンス推定値Ｌd_e，ｑ軸インダクタンス推定値Ｌq_eを代入して、正弦参照値Ｖsと余弦参照値Ｖcとを算出する。なお、上記式（１５）の抵抗値Ｒは、予め設定された固定値が用いられ、角速度ωは前回の制御サイクルで算出された角速度推定値ω_eが用いられる。

そして、ロータ角度推定値算出部９２ａは、除算器１０２によって、上記式（１６）により、正弦参照値Ｖs（＝-ωＫｅsinθe）を、合成値算出部１０１で算出した√(Ｖs²＋Ｖc²)で除して、ロータ角度の実際値と推定値との偏差θeを算出する。そして、この偏差θeを用いて、上記式（１７）によるオブザーバ１０３により、偏差θeが０になるように演算ゲインＫ1，Ｋ2を決定する追従演算を行なって、ロータ角度推定値θm_eと角速度推定値ω_eを算出する。

このように、インダクタンス推定値算出部９１ａにより算出されたｄ軸インダクタンス推定値Ｌd_eとｑ軸インダクタンス推定値Ｌq_eとを用いて、ロータ角度推定値θm_eと角速度推定値ω_eを算出することにより、ロータ角度推定値θm_eと角速度推定値ω_eの推定精度を高めることができる。そして、ロータ角度推定値算出部９２ａにより算出されたロータ角度推定値θm_eと角速度推定値ω_eを用いることで、電動機１の通電制御を精度良く行うことができる。

また、ロータ角度推定値算出部９２ａは、除算器１０４により、合成値算出部１０１で算出した√(Ｖs²＋Ｖc²)を角速度推定値ω_eで除して、誘起電圧定数推定値Ｋe_eを算出する。この場合、ロータ角度推定値算出部９２ａは、ロータ角度推定値θm_eと角速度ω_eを算出するために参照部算出部１００で算出した正弦参照値Ｖsと余弦参照値Ｖcを流用して、誘起電圧定数推定値Ｋe_eを算出する。そのため、誘起電圧定数推定値Ｋe_eの算出負荷を低減して、効率良く誘起電圧定数推定値Ｋe_eを算出することができる。

そして、減算器９３により、誘起電圧定数指令値Ｋe_cと誘起電圧定数推定値Ｋe_eとの偏差ΔＫeが算出されて、ロータ位相差制御部９５ａに入力される。ロータ位相差制御部９５ａは、この偏差ΔＫeを減少させるように、アクチュエータ２５に対する指令値ＬＳ_cを決定して出力する。これにより、ロータ位相差を検出するセンサを設けることなく、電動機１のロータ位相差が誘起電圧定数指令値Ｋe_cに対応する状態となるように、フィードバック制御を行うことができる。

［第２の実施形態］次に、図７を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、第２の実施形態の電動機の制御装置Ａ2（以下、制御装置Ａ2という）の制御ブロック図である。

制御装置Ａ2は、ＣＰＵ、メモリ等により構成された電子ユニットであり、該ＣＰＵに所定の制御プログラムを実行させることによって、制御装置Ａ2は、本発明のインダクタンス推定手段、ロータ角度推定手段、通電制御手段、ロータ位相差推定手段、及びロータ位相差制御手段として機能する。また、制御装置Ａ2は所定の制御サイクル毎に電動機１の制御処理を繰り返し実行する。

上述した第１の実施形態の制御装置Ａ1では、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cと推定値Ｋe_eとの偏差ΔＫeを減少させるように、電動機１のロータ位相差をフィードバック制御したが、第２の実施の形態の制御装置Ａ2は、ロータ位相差の指令値θd_cと推定値θd_eとの偏差Δθdを減少させるように、電動機１のロータ位相差をフィードバック制御する。

そのため、制御装置Ａ2は、制御装置Ａ1の電流指定算出部５０ａに代えて電流指令算出部５０ｂを備え、誘起電圧定数指令算出部９０ａに代えてロータ位相差指令算出部９０ｂを備え、インダクタンス推定値算出部９１ａに代えてインダクタンス推定値算出部９１ｂ（本発明のインダクタンス推定手段に相当する）を備え、ロータ角度推定値算出部９２ａに代えてロータ角度推定値算出部９２ｂ（本発明のロータ角度推定手段及びロータ位相差推定手段に相当する）を備え、ロータ位相差制御部９５ａに代えてロータ位相差制御部９５ｂ（本発明のロータ位相差制御手段に相当する）を備えている。なお、制御装置Ａ1と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

電流指令算出部５０ｂは、電動機１のトルクＴr，角速度ω，ロータ位相差θdという３つの要素と、ｄ軸電流Ｉd，ｑ軸電流Ｉqという２つの要素との間の相関関係を規定したマップ（Ｔr，ω，θd／Ｉd，Ｉqマップ）に、トルク指令値Ｔr_c，角速度推定値ω_e，ロータ位相差推定値θd_eを適用して得られるｄ軸電流Ｉdとｑ軸電流Ｉqを、ｄ軸電流指令値Ｉd_cとｑ軸電流Ｉq_cとしてそれぞれ算出する。

なお、このＴr，ω，θd_／Ｉd，Ｉqマップは、実験やコンピュータシミュレーション等に基いて作成されたものであり、そのデータはメモリに保持されている。なお、マップではなく、トルクＴr，角速度ω，ロータ位相差θdという３つの要素を入力して、ｄ軸電流Ｉdとｑ軸電流Ｉqという２つの要素を出力する相関式を用いて、ｄ軸電流指令値Ｉd_cとｑ軸電流指令値Ｉq_cを算出するようにしてもよい。

ロータ位相差指令算出部９０ｂは、電動機１のトルクＴr，角速度ω，電源電圧Ｖdcという３つの要素と、電動機１のロータ位相差θdとの間の相関関係を規定したマップ（Ｔr，ω，Ｖdc／θdマップ）に、トルク指令値Ｔr_c，角速度推定値ω_e，電源電圧Ｖdcを適用して得られるロータ位相差θdを、ロータ位相差指令値θd_cとして算出する。

このＴr，ω，Ｖdc／θdマップは、実験やコンピュータシミュレーション等に基いて作成されたものであり、そのデータはメモリに保持されている。なお、マップではなく、トルク指令値Ｔr，角速度ω，電源電圧Ｖdcという３つの要素を入力して、ロータ位相差θdを出力する相関式を用いて、ロータ位相差指令値θd_cを算出するようにしてもよい。

インダクタンス推定値算出部９２ｂは、図４（ａ），図４（ｂ）に基く電動機１のｄ軸電流Ｉd，ｑ軸電流Ｉq，ロータ位相差θdという３つの要素と、ｄ軸インダクタンスＬd，ｑ軸インダクタンスＬqという２つの要素との間の相関関係を規定したマップ（Ｉd，Ｉq，θd／Ｌd，Ｌqマップ）に、ｄ軸電流検出値Ｉd_s，ｑ軸電流検出値Ｉq_s，ロータ位相差指令値θd_cを適用して得られるＬdとＬqを、それぞれｄ軸インダクタンス推定値Ｌd_eとｑ軸インダクタンス推定値Ｌq_eとして出力する。

このＩd，Ｉq，θd／Ｌd，Ｌqマップは、実験やコンピュータシミュレーション等に基いて作成されたものであり、そのデータはメモリに保持されている。なお、マップではなく、ｄ軸電流Ｉd，ｑ軸電流Ｉq，ロータ位相差θdという３つの要素を入力して、ｄ軸インダクタンスＬdとｑ軸インダクタンスＬqを出力する相関式を用いて、ｄ軸インダクタンス推定値Ｌd_eとｑ軸インダクタンス推定値Ｌq_eを算出してもよい。

ロータ角度推定値算出部９２ｂは、上述した第１の実施形態の制御装置Ａ1のロータ角度推定値算出部９２ａと同様にして、上記式（１５）により、ロータ角度の実際値と推定値との偏差θeの正弦参照値Ｖsと余弦参照値Ｖcを算出する。そして、ロータ角度推定値算出部９２ｂは、上記式（１６）により算出した偏差θeを用いて、上記式（１７）のオブザーバによる追従演算により、ロータ角度推定値と角速度推定値を算出する。

さらに、ロータ角度推定値算出部９２ｂは、上記式（１８）により算出した誘起電圧定数推定値Ｋe_eを、図５に示した誘起電圧定数Ｋeと位相差θdとの間の相関関係に基づくマップ（Ｋe／θdマップ）に適用して、対応するロータ位相差θdをロータ位相差推定値θdとして算出する。

この場合、ロータ角度推定値算出部９２ｂは、ロータ角度推定値θm_eと角速度ω_eを算出するために算出した正弦参照値Ｖsと余弦参照値Ｖcを流用して、ロータ位相差推定値θd_eを算出する。そのため、ロータ位相差推定値θd_eの算出負荷を低減して、効率良くロータ位相差推定値θd_eを算出することができる。

そして、減算器９３により、ロータ位相差指令値θd_cとロータ位相差推定値θd_eとの偏差Δθdが算出されて、ロータ位相差制御部９５ｂに入力される。ロータ位相差制御部９５ｂは、この偏差Δθdを減少させるように、アクチュエータ２５に対する指令値ＬＳ_cを決定して出力する。これにより、ロータ位相差を検出するセンサを設けることなく、電動機１のロータ位相差がロータ位相差指令値θd_cとなるように、フィードバック制御を行うことができる。

なお、上記第１の実施形態では、誘起電圧定数指令値Ｋe_cに対応するロータ位相差となるように、ロータ位相差のフィードバック制御を行い、上記第２の実施形態では、ロータ位相差指令値θd_cとなるようにロータ位相差のフィードバック制御を行ったが、電動機のロータ位相差と誘起電圧定数とインダクタンスとの間には相関関係があるため、インダクタンスの指令値を設定して、この指令値に対応するロータ位相差となるように、ロータ位相差のフィードバック制御を行うようにしてもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態では、本発明の電動機の制御装置として、電動機１を２相直流の回転座標であるｄｑ座標系による等価回路に変換して扱う制御装置Ａ1〜Ａ3を示したが、２相交流による固定座標系であるαβ座標系による等価回路に変換して扱う場合や、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）のまま扱う場合等、他の制御形態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。外ロータと内ロータの位相差を変更することによる効果の説明図。第１の実施形態の電動機の制御装置の制御ブロック図。ロータ位相差θdとｄ軸電機子のインダクタンスＬd及びｄ軸電流Ｉdとの相関関係、及びロータ位相差θdとｑ軸電機子のインダクタンスＬq及びｑ軸電流Ｉqとの相関関係を示した説明図。誘起電圧定数Ｋeとロータ位相差θdとの相関関係を示した説明図。ロータ角度推定値算出部の演算ブロック図。第２の実施形態の電動機の制御装置の制御ブロック図。

符号の説明

１…電動機、２…電動機の回転軸、１０…ステータ、１１…内ロータ、１１ａ，１１ｂ…永久磁石、１２…外ロータ、１２ａ，１２ｂ…永久磁石、２５…アクチュエータ、２６…差動機構、２７…ロータ位相差変更部、５０ａ…電流指令算出部、５３…電流制御部、９０ａ…誘起電圧定数指令算出部、９１ａ…インダクタンス推定値算出部、９２ａ…ロータ角度推定値算出部、９５ａ…ロータ位相差制御部。

Claims

永久磁石による磁極を複数個有する第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の変更を行って制御する電動機の制御装置であって、
前記ロータ位相差を変更するためのロータ位相差変更手段と、
前記電動機の電機子の通電量を検出する電流検出手段と、
前記電動機の誘起電圧定数の指令値又は前記ロータ位相差の指令値に応じて、前記ロータ位相差変更手段により前記ロータ位相差を変更するロータ位相差制御手段と、
前記電動機の誘起電圧定数の指令値又は前記ロータ位相差の指令値と、前記電動機の通電量とに基いて、前記電動機のインダクタンスの推定値を算出するインダクタンス推定手段と、
前記電動機の電機子の端子間電圧と、前記電動機の電機子の通電量と、前記インダクタンス推定手段により算出されたインダクタンスの推定値とに基いて、前記電動機のロータ角度の推定値を算出するロータ角度推定手段と、
前記ロータ角度推定手段により算出された前記ロータ角度の推定値に基いて、前記電動機に対する通電を制御する通電制御手段とを備えた通電制御手段とを備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
請求項１記載の電動機の制御装置において、
前記ロータ角度推定手段によるロータ角度の推定値の算出処理において算出されるロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値に基づいて、前記電動機の誘起電圧定数の推定値を算出する誘起電圧定数推定手段を備え、
前記ロータ位相差制御手段は、誘起電圧定数の指令値と前記誘起電圧定数推定手段により算出された誘起電圧定数の推定値との偏差を減少させるように、前記ロータ位相差変更手段により前記ロータ位相差を変更することを特徴とする電動機の制御装置。
請求項２記載の電動機の制御装置において、
前記ロータ角度推定手段は、以下の式（１），式（２）による処理により得られるロータ角度の実際値と推定値との偏差を用いてロータ角度の推定値を算出し、

但し、Ｖs：電動機のロータ角度の実際値θm_sと推定値θm_eとの偏差θe（θe＝θm_s−θm_e）の正弦参照値、Ｖc：偏差θeの余弦参照値、ω：電動機の角速度、Ｋe：電動機の誘起電圧定数、Ｖd：ｄ軸電機子の端子間電圧、Ｖq：ｑ軸電機子の端子間電圧、Ｒ：ｄ軸電機子及びｑ軸電機子の抵抗値、Ｌd：ｄ軸電機子のインダクタンス、Ｌq：ｑ軸電機子のインダクタンス、Ｉd：ｄ軸電機子の通電量、Ｉq：ｑ軸電機子の通電量。

前記誘起電圧定数推定手段は、上記式（１）により算出される正弦参照値Ｖsと余弦参照値Ｖcを、ロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値として、以下の式（３）による誘起電圧定数Ｋeを、誘起電圧定数推定値として算出することを特徴とする電動機の制御装置。
請求項１記載の電動機の制御装置において、
前記ロータ角度推定手段によるロータ角度の推定値の算出処理において算出されるロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値に基づいて、前記電動機のロータ位相差の推定値を算出するロータ位相差推定手段を備え、
前記ロータ位相差制御手段は、ロータ位相差の指令値と前記ロータ位相差推定手段により算出されたロータ位相差の推定値との偏差を減少させるように、前記ロータ位相差変更手段により前記ロータ位相差を変更することを特徴とする電動機の制御装置。
請求項４記載の電動機の制御装置において、
前記ロータ角度推定手段は、以下の式（４），式（５）による処理により得られるロータ角度の実際値と推定値との偏差を用いてロータ角度の推定値を算出し、

但し、Ｖs：電動機のロータ角度の実際値θm_sと推定値θm_eとの偏差θe（θe＝θm_s−θm_e）の正弦参照値、Ｖc：偏差θeの余弦参照値、ω：電動機の角速度、Ｋe：電動機の誘起電圧定数、Ｖd：ｄ軸電機子の端子間電圧、Ｖq：ｑ軸電機子の端子間電圧、Ｒ：ｄ軸電機子及びｑ軸電機子の抵抗値、Ｌd：ｄ軸電機子のインダクタンス、Ｌq：ｑ軸電機子のインダクタンス、Ｉd：ｄ軸電機子の通電量、Ｉq：ｑ軸電機子の通電量。

前記ロータ位相差推定手段は、上記式（４）により算出される正弦参照値Ｖsと余弦参照値Ｖcを、ロータ角度の実際値と推定値との偏差の参照値として、以下の式（６）による誘起電圧定数Ｋeに対応するロータ位相差を、ロータ位相差推定値として算出することを特徴とする電動機の制御装置。