JP2010178488A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の駆動回路の電源電圧の変動や電動機の性能の個体ばらつき等の影響により、電動機の最大出力パワーが低下することを抑制した電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】電流進角の上限である上限進角θa_lmtを、バッテリ６０の出力電圧Ｖpinが低いほど大きく設定する電力制御器１００と、電動機７０の上限出力パワーをバッテリ６０の出力電圧Ｖpinが低いほど小さく設定し、上限出力パワーと電動機７０の回転速度ＭＯＴ_rpmに応じた上限トルクＴr_lmtを設定する上限出力設定部４０とを有し、電流進角が上限進角θa_lmtを超えず、且つ、モータの出力トルクが上限トルクＴt_lmtを超えないように、ＰＤＵ５０に対する制御信号ＵH，ＵL，ＶH，ＶL，ＷH，ＷLを生成するコントローラ１を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流進角を変更する制御を行う電動機の制御装置に関する。

電動機を駆動する制御装置において、ロータの位置に対する供給電流の進み角度（電流進角）を大きくする制御を行うことによって、電動機から最大出力パワーが得られる回転速度の上限を高めることができる。

しかし、電流進角を進め過ぎると、電動機に供給される電流が急増して、電動機の制御が不安定となる。そこで、従来は、このように、電動機の制御が不安定となる手前に電流進角の上限を設定するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−９９５１１号公報

本願発明者らは、電流進角の上限を一定値に設定したときに、電動機の駆動回路の電源電圧の変動や、電動機の性能の個体ばらつき等の影響によって、本来得ることができる電動機の最大出力パワーが得られない場合があることを知見した。

そこで、本発明は、電動機の駆動回路の電源電圧の変動や電動機の性能の個体ばらつき等の影響により、電動機の最大出力パワーが低下することを抑制した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、電動機に供給する電流を制御する制御装置に関する。

そして、電源と、前記電源の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記電動機のロータ位置を検出又は推定するロータ位置取得手段と、前記電源から供給される電力により作動し、所定の制御信号に応じた駆動電圧を生成して、前記電動機に出力する駆動回路と、前記制御信号を、前記電動機のロータ位置に従って生成する制御手段とを備えた電動機の制御装置において、前記電動機のロータ位置に対する、前記駆動電圧により前記電動機に供給される電流の進み角である電流進角について、該電流進角の上限である上限進角を、前記電源の出力電圧が低いほど大きく設定する上限進角設定手段を備え、前記制御手段は、前記電流進角が前記上限進角以下となるように、前記制御信号を生成することを特徴とする。

かかる本発明によれば、詳細は後述するが、前記電源の出力電圧が低下するに従って、前記電動機の最大出力パワーが得られる電流進角が大きくなる。そこで、前記上限進角設定手段により、前記電源の出力電圧が低いほど前記上限進角を大きく設定することによって、前記電源の出力電圧の変化に応じて、前記電動機の出力パワーが極力大きくなるように、前記制御手段により前記駆動回路に対する制御信号を生成することができる。そして、これにより、前記電源の出力電圧が低下したときに、前記電動機の最大出力パワーが低下することを抑制することができる。

また、前記電動機の出力パワーの上限である上限出力パワーを、前記電源の出力電圧が低いほど小さく設定する上限出力パワー設定手段を備え、前記制御手段は、前記電流進角が前記上限進角以下となり、且つ、前記電動機の出力パワーが、前記電流進角が増加するに従って前記電動機の出力パワーが前記上限出力パワーまで増大する範囲内となるように、前記制御信号を生成することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記制御手段により電流進角を前記上限進角付近まで大きくしたときに、前記電動機の特性の個体ばらつき等の要因により、前記電動機の出力パワーがピークを超えて低下してしまう場合がある。そして、前記電源の出力電圧が低いほど前記電動機の最大出力パワーが低くなる。そこで、前記上限出力設定手段は、前記電動機の上限出力パワーを、前記電源の出力電圧が低いほど小さく設定する。そして、前記制御手段は、電流進角が前記上限進角以下となり、且つ、前記電動機の出力パワーが、電流進角が増加するに従って前記電動機の出力パワーが前記上限出力パワーまで増大する範囲内となるように、前記制御信号を生成する。これにより、電流進角を増大させて前記電動機の出力パワーを大きくするときに、前記電動機の出力パワーがピークを過ぎて低下することを防止することができる。

本発明の電動機の制御装置の構成図。 図１に示した電力制御器の構成図。 電動機の上限出力パワーの設定と、電流進角との関係を示した説明図。 電動機の駆動電流の許容範囲と、電流進角との関係を示した説明図。 電動機の上限出力パワーの設定と、上限進角の設定との関係を示した説明図。 バッテリの出力電圧に応じた、電動機の上限出力パワー及び上限進角の設定例を示した説明図。

本発明の実施の形態について、図１〜６を参照して説明する。図１を参照して、本実施の形態の電動機の制御装置は、電動機７０を２相直流のｄ−ｑ座標系での等価回路に変換して取り扱うｄ−ｑベクトル制御を用いて電動機を制御する。

電動機７０の等価回路は、ｄ軸上の電機子（以下、ｄ軸電機子という）と、ｑ軸上の電機子（以下、ｑ軸電機子という）とを有する。なお、ｄ−ｑ座標系は、電動機７０のロータ（図示しない）永久磁石による界磁方向をｄ軸、ｄ軸と直交する方向をｑ軸として電動機７０のロータと一体に回転する回転座標系である。以下の説明では、ｄ軸電機子のコイルに流れる電流をｄ軸電流、ｄ軸電機子のコイルの端子間電圧をｄ軸電圧、ｑ軸電機子のコイルに流れる電流をｑ軸電流、ｑ軸電機子のコイルの端子間電圧をｑ軸電圧という。

図１に示した電動機の制御装置は、電動機（モータ）７０の出力トルク（実トルク）と、外部から与えられる指令トルクＴr_cとの差を減少させるように、ＰＤＵ（Power Drive Unit、本発明の駆動回路に相当する）５０に出力する３相電圧の制御信号ＵH、ＵL，ＶH，ＶL，ＷH，ＷHを生成する電流フィードバック制御を行うコントローラ１と、電動機７０の相電流Ｉu，Ｉvを検出する電流センサ５１，５２と、電動機７０のロータ位置を検出するロータ位置センサ５３（本発明のロータ位置取得手段に相当する）とを備えている。

コントローラ１は、図示しないマイクロコンピュータ等を用いて構成された電子ユニットであり、該マイクロコンピュータに電動機７０の制御用プログラムを実行させることによって、該マイクロコンピュータが本発明の制御手段、上限進角設定手段、及び上限出力パワー設定手段として機能する。

コントローラ１は、ロータ位置センサ５３により検出されたロータ角度θ_sを、電動機７０の対極数で除してロータの電気角度θ（以下、ロータ角度θという）を算出する角度変換器３６と、ロータ角度θの変化から電動機７０の回転速度ＭＯＴ_rpmを算出する位相／回転速度変換器３４と、電圧センサ６１（本発明の電圧検出手段に相当する）により検出されるバッテリ６０の電圧Ｖpin及び電動機７０の回転速度ＭＯＴ_rpmに基づいて、上限トルクＴq_lmtを設定する上限トルク設定部４０（本発明の上限出力パワー設定手段の機能を含む）と、指令トルクＴr_cを上限トルクＴr_lmt以下に制限して目標トルクＴr_tarを決定する目標トルク決定部１０とを備えている。

また、コントローラ１は、目標トルクＴr_tarに対応するd軸指令電流Ｉd_map及びq軸指令電流Ｉq_mapを決定する指令電流決定部１１と、電流進角を制限するためのｄ軸補正電流Ｉd_apr及びｑ軸補正電流Ｉq_aprを算出する電力制御器１００と、ｄ軸指令電流Ｉd_mapにｄ軸補正電流Ｉd_aprを加算する加算器１２と、ｑ軸指令電流Ｉq_mapにｑ軸補正電流Ｉq_aprを加算する加算器２０とを備えている。

また、コントローラ１は、電動機７０のｄ軸電機子のコイル及びｑ軸電機子のコイルで生じる電圧のベクトル和が、電源電圧Ｖpinに応じて設定された上限電圧以下となるように、ｄ軸弱め界磁電流Ｉd_volsat及びｑ軸弱め界磁電流Ｉq_volsatを算出する弱め界磁制御器３５と、相電流Ｉu，Ｉvをｄ軸実電流Ｉd_act及びｑ軸実電流Ｉq_actに変換する３相／d-q電流変換器３３と、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器３２とを備えている。

また、コントローラ１は、加算器１２の出力にｄ軸弱め電流Ｉd_volsatを加算してｄ軸目標電流Ｉd_tarを算出する加算器１３と、ｄ軸目標電流Ｉd_tarとｄ軸実電流Ｉd_actの偏差ΔＩdを算出する減算器１４と、この偏差ΔＩdを減少させるように、ｄ軸目標電流Ｉd_tarとΔＩdに基づくｄ軸電圧を決定するｄ軸Ｆ／Ｂ（feedback）演算器１５と、ｄ軸Ｆ／Ｂ演算器１５により決定されたｄ軸電圧から非干渉成分を減じてｄ軸指令電圧Ｖdを算出する減算器１６とを備えている。

また、コントローラ１は、加算器２０の出力にｑ軸弱め電流Ｉq_volsatを加算してｑ軸目標電流Ｉq_tarを算出する加算器２１と、ｑ軸目標電流Ｉq_tarとｑ軸実電流Ｉq_actの偏差ΔＩqを算出する減算器２２と、この偏差ΔＩqを減少させるように、ｑ軸目標電流Ｉq_tarとΔＩqに基づくｑ軸電圧を決定するｑ軸電圧を決定するｑ軸Ｆ／Ｂ（feedback）演算器２３と、ｑ軸Ｆ／Ｂ演算器２３により決定されたｑ軸電圧から非干渉成分を減じてｑ軸指令電圧Ｖqを算出する減算器２４とを備えている。

さらに、コントローラ１は、ｄ軸指令電圧Ｖd及びｑ軸指令電圧Ｖqを、ロータ角度θに基づいて３相電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwに変換するｄｑ／３相変換器３０と、この３相電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwから、ＰＤＵ５０を構成するスイッチングトランジスタをＰＷＭ制御によりＯＮ／ＯＦＦするための制御信号ＵH，ＵL，ＶH，ＶL，ＷH，ＷLを生成するＰＷＭタイマ３１とを備えている。

なお、コントローラ１により、このように制御信号ＵH，ＵL，ＶH，ＶL，ＷH，ＷLを生成する構成が、本発明の制御手段に相当する。また、ＰＤＵ５０は、本発明の駆動回路に相当する。

次に、図２を参照して、図１に示した電力制御器１００について説明する。電力制御器１００は、バッテリ６０の出力電圧Ｖpin及び電動機７０の回転速度ＭＯＴ_rpmに基づいて、電動機７０の電流進角（電動機７０のロータ位置に対する、電動機７０に供給される電流の進み角）の上限（上限進角）θa_limを決定する上限進角設定部１０１（本発明の上限進角設定手段に相当する）と、ｄ軸指令電流Ｉd_mapとｑ軸指令電流Ｉq_mapから、Ｉd_mapとＩq_mapの合成ベクトルの角度θiと大きさＩ1_mapを算出するｒ・θ変換部１２０とを備えている。

また、電力制御器１００は、ｄ軸指令電圧Ｖdとｄ軸制御電流Ｉd_tar'（＝Ｉd_tar＋ΔＩd）を乗算する乗算器１０２と、ｑ軸指令電圧Ｖqとｑ軸制御電流Ｉq_tar'（＝Ｉq_tar＋ΔＩq）を乗算する乗算器１０４と、乗算器１０２と乗算器１０３の出力を加算して、目標電力Ｐwtarを算出する加算器１０３と、ｄ軸指令電圧Ｖdとｄ軸実電流Ｉd_actを乗算する乗算器１０５と、ｑ軸指定電圧Ｖqとｑ軸実電流Ｉq_actを乗算する乗算器１０６と、乗算器１０５と乗算器１０６の出力を加算して、実電力Ｐwactを算出する加算器１０７とを備えている。

さらに、電力制御器１００は、目標電力Ｐwtarと実電力Ｐwactとの偏差ΔＰwを算出する減算器１１０と、偏差ΔＰwを電流位相のずれ量θa_erに変換する電力／電流位相変換器１１１と、ずれ量θa_erとθiとを加算する加算器１１２と、加算器１１２により算出された角度を上限進角θa_lmt以下に制限して目標電流進角θa_tarを決定する電流進角制限部１１３と、目標電流進角θa_tarを合成ベクトルの大きさＩ1_mapによりＩd電流とＩq電流成分に変換するｄ−ｑ変換部１１４と、ｄ−ｑ変換部１１４により算出されたｄ軸電流の成分からｄ軸指令電流Ｉd_mapを減じて、ｄ軸進角補正電流Ｉd_aprを算出する減算器１１５と、ｄ−ｑ変換部１１４により算出されたｑ軸電流の成分からｑ軸指令電流Ｉq_mapを減じて、ｑ軸進角補正電流Ｉq_aprを算出する減算器１１６とを備えている。

次に、図３〜図７を参照して、図１に示した上限トルク設定部４０による上限トルクＴr_lmtの設定処理と、図２に示した上限進角設定部１０１による上限進角θa_limの設定処理について説明する。

図３（ａ），図３（ｂ）は、コントローラ１により上述した電流フィードバック制御を行うときの、電動機７０の出力パワー（Ｐ，ワット）と電流進角（θa，電気角）との関係を、縦軸を電動機７０の出力パワー（Ｐ）とし、横軸を電動機７０の電流進角（θa）として表したものである。図中ａ1はバッテリ６０の出力電圧が高い場合を示し、ｂ1はバッテリ６０の出力電圧がａ1よりも低い場合を示している。

図３（ａ）に示したように、電流進角を進める制御を行う場合に、電動機７０の上限出力パワーＰ1のみをａ1に基づいて設定し、電流進角の上限を設定しなかったときには、バッテリ６０の出力電圧が低下したｂ1では、電動機７０の出力パワーが上限出力パワーＰ1に達しないため、電流進角が大きくしたときに電動機７０の出力パワーがピークを過ぎて低下してしまう。

そこで、図３（ｂ）に示したように、電流進角についても上限θa1を設定することによって、バッテリ６０の電圧が低下したｂ1において、電流進角が進み過ぎて電動機７０の出力パワーが低下することを防止することができる。

次に、図４は、ｄ軸電流とｑ軸電流のベクトル図であり、縦軸がｑ軸電流に設定され、横軸がｄ軸電流に設定されている。図中Ｌ1はバッテリ６０の電圧が高いときの電流制限円（半径が電流制限値となる）、Ｌ2はバッテリ６０の電圧がＬ1よりも低いときの電流制限円である。Ｌ1においては、ベクトルＣ1がＩq軸となす角度θa2が、Ｌ1の電流制限値での電流供給が可能な上限進角となる。

そして、上限進角をθa2の一定値に設定すると、Ｌ2においては、ベクトルｄ1で電流進角の制限がかかることになる。しかし、この場合には、供給される電流はＬ2の電流上限値よりも低くなり、本来供給が可能な電流よりも小さい電流しか供給されないことになる。そのため、電動機７０を最大出力パワー付近まで駆動させることができない。

そこで、Ｌ2においては、ベクトルｄ2の位置を電流位相の上限に設定することによって、バッテリ６０の電圧が低下したＬ2においても、電動機７０を最大出力パワー付近で駆動させることができるようになる。

また、図５（ａ）、図５（ｂ）は、上述した図３（ａ），図３（ｂ）と同様に、上述した電流フィードバック制御を行うときの、電動機７０の出力パワー（Ｐ）と電流進角（θa）との関係を、縦軸を電動機７０の出力パワー（Ｐ，ワット）とし、横軸を電動機７０の電流進角（θa，電気角）として表したものである。

図５（ａ），図５（ｂ）では、バッテリ６０の電圧が低下したときに対応するために、上限進角を図３（ａ），図３（ｂ）における場合（θa1）よりも大きいθa2に設定している。そして、図中ａ2，ａ3は、特性の個体ばらつき等により、電動機７０として用いた電動機の出力パワーと電流進角との関係が相違する場合を示している。

図５（ａ）に示したように、ａ2の特性を有する電動機７０に対しては、上限進角θa2の設定により、出力パワーがピークに達する付近で電流進角を制限することができる。しかし、ａ3の特性を有する電動機７０に対しては、θa2まで電流進角を大きくすると、電動機７０の出力パワーがピークを過ぎて低下してしまい、電動機７０の最大出力パワーを得ることができなくなる。そして、この場合に、電動機７０の上限出力パワーＰ1の設定が大きいと、出力パワーの制限もかからない。

そこで、本実施の形態では、図５（ｂ）に示したように、上限進角θa2を設定すると共に、電動機７０の上限出力パワーＰ2を、バッテリ６０の出力電圧に応じて低く設定している。これにより、ａ2の特性を有する電動機７０に対しては、電流進角が上限進角θa2を超えて、出力パワーが低下することを防止することができる。また、ａ3の特性を有する電動機７０に対しては、出力パワーが上限出力パワーＰ2を超えて低下することを防止することができる。

このように、電動機７０の上限進角をバッテリ６０の出力電圧が低いほど大きく設定することによって、バッテリ６０の出力電圧が低下したときの電動機７０の出力パワーを、極力大きくすることが可能となる。また、電動機７０の上限進角の設定に併せて、電動機７０の上限出力パワーをバッテリ６０の出力電圧が低いほど小さく設定することによって、電動機７０として採用する電動機の特性の相違により、電動機７０の電流進角が上限進角に達する前に、電動機７０の出力パワーがピークを過ぎて低下することを防止することが可能となる。

そこで、上限トルク設定部４０と、上限進角設定部１０１は、図６に示したように、バッテリ６０の出力電圧に応じて、上限出力パワーと上限進角の設定を変更している。図６では、バッテリ６０の出力電圧が低下するに従って、上限出力パワーと上限進角の設定を、Ａ11→Ａ12→Ａ13→Ａ14と変更している。

Ａ11は（上限出力パワー，上限進角）＝（Ｐ11，θa11）に設定された範囲、Ａ12は（上限出力パワー，上限進角）＝（Ｐ12，θa12）に設定された範囲、Ａ13は（上限出力パワー，上限進角）＝（Ｐ13，θa13）に設定された範囲、Ａ14は（上限出力パワー，上限進角）＝（Ｐ14，θa14）に設定された範囲である。

なお、電動機７０の出力パワーはトルク×回転速度であり、上限トルク設定部４０は、上限出力パワーを電動機７０の回転速度の検出値ＭＯＴ_rpmで除して、上限トルクＴr_lmtを設定する。

なお、本実施の形態では、上限進角をバッテリ６０の出力電圧が低いほど大きく設定すると共に、上限出力パワーをバッテリ６０の出力電圧が低いほど小さく設定したが、上限進角を変更する設定のみを行い、上限出力パワーについては一定とする場合にも、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、電動機７０をｄ−ｑベクトル制御を用いて制御したが、ベクトル制御を用いずに、３相電流を直接制御する場合であっても本発明を適用することができる。

１…コントローラ、４０…上限トルク設定部、５０…ＰＤＵ、６０…バッテリ、６１…電圧センサ、７０…モータ、１００…電力制御器、１０１…上限進角設定部

Claims (2)

1. 電動機に供給する電流を制御する制御装置であって、
   電源と、
   前記電源の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電動機のロータ位置を検出又は推定するロータ位置取得手段と、
   前記電源から供給される電力により作動し、所定の制御信号に応じた駆動電圧を生成して、前記電動機に出力する駆動回路と、
   前記制御信号を、前記電動機のロータ位置に従って生成する制御手段とを備えた電動機の制御装置において、
   前記電動機のロータ位置に対する、前記駆動電圧により前記電動機に供給される電流の進み角である電流進角について、該電流進角の上限である上限進角を、前記電源の出力電圧が低いほど大きく設定する上限進角設定手段を備え、
   前記制御手段は、前記電流進角が前記上限進角以下となるように、前記制御信号を生成することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 請求項１記載の電動機の制御装置において、
   前記電動機の出力パワーの上限である上限出力パワーを、前記電源の出力電圧が高いほど大きく設定する上限出力パワー設定手段を備え、
   前記制御手段は、前記電流進角が前記上限進角以下となり、且つ、前記電動機の出力パワーが、前記電流進角が増加するに従って前記電動機の出力が前記上限出力パワーまで増大する範囲内となるように、前記制御信号を生成することを特徴とする電動機の制御装置。