JP2010226921A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクショックの発生を低減した駆動方式の切り替えを行う。
【解決手段】直流電力から矩形波電圧を生成して電動機に印加する矩形波電圧駆動と、直流電力からＰＷＭ波電圧を生成して電動機に印加するＰＷＭ波電圧駆動とを有し、電動機の運転状況に応じて矩形波電圧駆動とＰＷＭ波電圧駆動との切り替えを行う電動機の制御装置において、矩形波電圧駆動およびＰＷＭ波電圧駆動の駆動方式の切り替えに際し、主磁気回路を流れる磁束の高調波磁束を増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、ＰＷＭインバータを用いた電動機の制御方法が開示されている。具体的には、変調方形波と搬送逆台形波を比較する変調方式、もしくはこれによって得られる信号と等価の電圧パターンを電圧と周波数の指令により生成する変調方式を用いて、３パルスから１パルスへの切り替え、または１パルスから３パルスへの切り替えをＵ，Ｖ，Ｗ各相個別にそれぞれの相の基本波成分の最大値または最小値に達したタイミングで行う。これにより、各相でパルス切替前、切替途中、切替後で電圧面積の変動がなく、ゲート信号の基本波成分に直流成分を含まず、位相ずれを起こさない切り替えを実現することができる。

特開平０６−７８５５８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、駆動方式の切替前後で電動機の鉄損が変化することにより、トルクショックが発生するという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、トルクショックの発生を低減した駆動方式の切り替えを行うことである。

かかる課題を解決するために、本発明は、電動機の運転状況に応じて矩形波電圧駆動とＰＷＭ波電圧駆動との間で駆動方式の切り替えを行うとともに、切替設定される駆動方式に応じて電力変換手段を制御する。そして、駆動方式の切り替えに応じて、主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束が増加させられる。

本発明によれば、高調波磁束の増加により、電動機の鉄損を増加させることができるので、高調波磁束を操作することで、駆動方式の切替前後における電動機の鉄損を対応させることができる。これにより、切替前後における電動機の鉄損の急激な変化を吸収することができるので、切替時のトルクショックを低減することができる。

第１の実施形態にかかる制御システムの全体構成を模式的に示す説明図 駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動へと切り替える際の処理手順を示すフローチャート 駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧へと切り替えた際に切替後の鉄損が増加するケースでのモータ１０の相電流およびトルクの推移を示す説明図 第２の実施形態にかかる制御システムの全体構成を模式的に示す説明図 駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動へと切り替える際の処理手順を示すフローチャート 駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧へと切り替えた際に切替後の鉄損が減少するケースでのモータ１０の各相の電圧指令およびトルクの推移を示す説明図 第３の実施形態にかかる制御システムの全体構成を模式的に示す説明図 駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動へと切り替える際の処理手順を示すフローチャート 駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧へと切り替えた際に切替後の鉄損が減少するケースでのインバータ２０への入力電圧、モータ１０の相電流およびトルクの推移を示す説明図 第４の実施形態にかかる制御システムの全体構成を模式的に示す説明図 モータ１０の構成を模式的に示す断面図 駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動へと切り替える際の処理手順を示すフローチャート 駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧へと切り替えた際に切替後の鉄損が減少するケースでのモータ１０の相電流およびトルクの推移を示す説明図

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる制御システムの全体構成を模式的に示す説明図である。本実施形態では、電気自動車の駆動用モータに適用されたモータ制御システムについて説明を行う。この制御システムは、モータ１０、インバータ２０および制御ユニット４０を主体に構成されている。

モータ１０は、ロータ（可動子）とステータ（固定子）とを主体に構成されており、中性点を中心に星形結線された複数の相巻線（本実施形態では、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線からなる３つの相巻線）がステータに巻回された永久磁石同期電動機である。このモータ１０は、後述するインバータ２０から、３相の交流電力が各相巻線にそれぞれ供給されることにより生じる磁界と、回転子の永久磁石が作る磁界との相互作用により駆動する。具体的には、モータ１０では、ロータに埋め込まれた永久磁石と、ロータ自体を構成する磁性体（例えば、電磁鋼板）と、ステータ自体を構成する磁性体（電磁鋼板）とによって主磁気回路が形成される。そして、永久磁石からの磁石磁束、および、各相の巻線へ通電することで発生する交番磁束が、主磁気回路を流れることで電磁力によるトルクが発生する。これにより、ロータおよびこれに連結された出力軸が回転する。モータ１０の出力軸は、自動変速機に連結されている。

インバータ２０は、電源３０に接続されており、電源３０からの直流電力を交流電力に変換してモータ１０に供給する電力変換手段である。この交流電力はモータ１０の各相に対応して生成され、インバータ２０は各相の交流電力をモータ１０にそれぞれ出力し、これにより、モータ１０を駆動する。

ここで、電源３０は、直流電源であり、例えば、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池といったバッテリを用いることができる。電源３０と、インバータ２０との間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３１が設けられており、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、電源３０の電圧を昇圧した上で、インバータ２０に印加する。インバータ２０の入力端子間には、平滑コンデンサ３２が設けられている。

インバータ２０は、正極側の母線と、３相に対応する各出力端子との間に、上アームに対応する一方向の導通を制御可能なスイッチがそれぞれ接続され、負極側の母線と、３相に対応する各出力端子との間に、下アームに対応するスイッチがそれぞれ接続されている。個々のスイッチは、半導体スイッチ（例えば、ＩＧＢＴ等のトランジスタといったスイッチング素子）を主体に構成されており、個々の半導体スイッチには、還流用ダイオードが逆並列接続されている。

各スイッチのオン・オフ状態、すなわち、導通および遮断の切り替え（スイッチング動作）は、制御ユニット４０から出力される駆動信号を通じて制御される。個々のスイッチは、制御ユニット４０によってオンされることにより導通状態となり、オフされることにより非導通状態（遮断状態）となる。

制御ユニット４０は、インバータ２０を制御する制御手段であり、このインバータ２０を介して負荷であるモータ１０の出力トルクを制御する。制御ユニット４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。制御ユニット４０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、インバータ２０を制御するための演算を行う。そして、制御ユニット４０は、この演算によって算出された制御信号（駆動信号）をインバータ２０に対して出力する。

制御ユニット４０には、各種のセンサ（図示せず）によって検出されるセンサ信号が入力されている。モータ１０におけるＵ相およびＷ相の電流ｉｕ，ｉｗは、電流センサによって検出され、これが制御ユニット４０に入力されている。なお、３相の電流の総和はゼロとなるため、Ｕ相およびＷ相の電流ｉｕ，ｉｗより残りのＶ相の電流ｉｖを検出することができる。また、モータ１０に取り付けられた位置センサ（例えば、レゾルバ）によって検出される情報も制御ユニット４０に入力されている。

本実施形態において、制御ユニット４０は、切替可能な駆動方式として、矩形波電圧駆動と、ＰＷＭ波電圧駆動とを有し、駆動方式に応じてインバータ２０を制御する。ここで、矩形波電圧駆動は、直流電力から矩形波電圧を生成してモータ１０に印加する、具体的には、モータ１０の電気的な回転位相である電気角１周期に対してインバータ２０が出力する出力電圧パルスの位相を可変とする駆動方式である。これに対して、ＰＷＭ波電圧駆動は、直流電力からＰＷＭ波電圧を生成して負荷に印加する、具体的には、キャリア電圧と正弦波制御電圧とに基づいてＰＷＭ制御を行い、ＰＷＭ制御のデューティー指令値を算出することで等価的な正弦波交流電圧を生成する駆動方式である。制御ユニット４０は、これを機能的に捉えた場合、トルク制御部４１と、電流制御部４２と、３相／ｄｐ変換部４３と、鉄損マップ４４と、高調波電圧指令生成部４５と、ｄｑ／３相変換部４６と、ＰＷＭ信号生成部４７と、矩形波電圧演算部４８と、電圧指令演算部４９と、位相演算部５０とを有している。

トルク制御部４１は、モータ１０の運転状況、例えば、外部より与えられるトルク指令Ｔe*と、位相演算部５０において演算されるモータ回転数ωとに基づいて、駆動方式を決定する。一般に、矩形波電圧駆動は、ＰＷＭ波電圧駆動に比べて電圧利用率の点で優れており、高出力が得られるが、トルク指令値Ｔe*やモータ回転数ωが急変する過渡変化時には、ＰＷＭ波電圧駆動に比べて応答が悪い。そのため、トルク指令値Ｔe*とモータ回転数ωが小さい領域では、モータ出力は最高出力よりも低い状態で運転されるので、高出力を得るための矩形波電圧駆動よりも応答性がよいＰＷＭ波電圧駆動の方が適している。これに対して、トルク指令値Ｔe*とモータ回転数ωが大きい領域では、モータ出力は最高出力に近い状態で運転されるので、応答性がよいＰＷＭ波電圧駆動よりも高出力を得るための矩形波電圧駆動の方が適している。

トルク制御部４１は、このような観点から作成された制御マップを保持しており、この制御マップを参照した上で、モータ１０の回転数ωとトルク指令値Ｔe*とに基づいて、駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動とするのかそれとも矩形波電圧駆動とするのかを決定する。決定された駆動方式が現在の設定されている駆動方式と異なる場合、トルク制御部４１は、駆動方式の切替指示を行う。なお、駆動方式の切替時に処理については後述する。

駆動方式としてＰＷＭ波電圧駆動が選択されている場合、トルク制御部４１は、外部より与えられるトルク指令Ｔe*と、位相演算部５０において演算されるモータ回転数ωとに基づいて、トルク指令に対応するｄ軸およびｑ軸電流指令ｉd*，ｉqをそれぞれ演算する。そのため、モータ１０の特性等を考慮して、トルク指令値Ｔe*およびモータ回転数ωと、ｄ軸およびｑ軸電流指令ｉd*，ｉq*との関係を実験やシミュレーションを通じて予め取得しておくことで、トルク制御部４１は、この関係を規定したマップを保持する。トルク制御部４１は、当該マップを参照してｄ軸およびｑ軸電流指令ｉd*，ｉq*をそれぞれを演算する。得られる。演算されたｄ軸およびｑ軸電流指令ｉd*，ｉq*は、電流制御部４２に対して出力される。

一方、駆動方式として矩形波電圧駆動が選択されている場合、トルク制御部４１は、トルク指令Ｔe*と、モータ回転数ωとに基づいて、トルク指令に対応する電圧位相指令δ*を演算する。そのため、モータ１０の特性等を考慮して、トルク指令値Ｔe*およびモータ回転数ωと、電圧位相指令δ*との関係を実験やシミュレーションを通じて予め取得しておくことで、トルク制御部４１は、この関係を規定したマップを保持する。トルク制御部４１は、当該マップを参照して電圧位相指令δ*を演算する。演算された電圧位相指令δ*は、矩形波電圧演算部４８に対して出力されるとともに、後述するように、駆動方式の切替時には、必要に応じて電圧指令演算部４９に対しても出力される。

電流制御部４２に対して出力されたｄ軸およびｑ軸電流指令ｉd*，ｉq*は、モータ１０の実電流値に対応するｄ軸およびｑ軸電流ｉｄ，ｉｑがそれぞれ減算され、これにより、電流制御部４２には、ｄ軸およびｑ軸の電流偏差が入力される。ここで、ｄ軸およびｑ軸電流ｉｄ，ｉｑは、３相／ｄｑ変換部４３が、３相の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを位相演算部５０において演算される電気角θに基づいて座標変換を行うことにより演算される。電流制御部４２は、例えば、ＰＩ制御を用いて、ｄ軸およびｑ軸の電流偏差がそれぞれ０となるようなｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*をそれぞれ演算する。演算されたｄ軸およびｑ軸電圧指令は、ｄｑ／３相変換部４６に出力される。なお、本実施形態では、電流制御部４２から出力されるｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*には、必要に応じて、後述するｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqhがそれぞれ加算された上で、ｄｑ／３相変換部４６に入力される。

鉄損マップ４４は、トルク指令Ｔe*とモータ回転数ωとを入力として、矩形波電圧駆動時におけるモータ１０の鉄損と、ＰＷＭ波電圧駆動時におけるモータ１０の鉄損とを出力するマップである。モータ１０の鉄損は、ステータやロータを構成する磁性体（コア材）を磁化したときに失われる電気エネルギーである。トルク指令Ｔe*およびモータ回転数ωと、矩形波電圧駆動時およびＰＷＭ波電圧駆動時におけるモータ１０の鉄損との関係は、実験やシミュレーションを通じて予め取得されており、これが鉄損マップ４４として規定されている。この鉄損マップ４４は、現在の駆動方式におけるモータ１０の鉄損を切替前の鉄損値Ｗｉとして出力し、駆動方式の切替指示に対応して切り替えられる他方の駆動方式におけるモータ１０の鉄損を切替後の鉄損値Ｗi_nとして出力する。なお、この鉄損マップ４４は、例えば、３相のうちの１相のみをＰＷＭ波電圧駆動し、残りの２相を矩形波電圧駆動するといったように、３相全てについて駆動方式の切り替えを行った場合のみならず、各相について駆動方式を段階的に切り替えた際の切替前後のモータ１０の鉄損をも規定するマップとなっている。

高調波電圧指令生成部４５は、駆動方式の切り替えに応じて、切替前の鉄損値Ｗｉと、切替後の鉄損値Ｗi_nとに基づいて、ｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*に重畳させるｄ軸およびｑ軸高調波電圧Ｖdh，Ｖqを演算する。モータ１０の鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損の和として表されるが、主磁気回路となる磁性体を通過する交番磁束の高調波成分ほど損失の比率が大きくなる。ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅を増加させることにより、モータ１０の主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束が増加し、これにより、モータ１０の鉄損を増加させることができる。なお、矩形波電圧駆動およびＰＷＭ波電圧駆動のいずれか一方のみの駆動方式で制御を行っている場合、高調波電圧指令生成部４５は、ｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*へのｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの重畳は行っておらず、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧Ｖdh，Ｖqはゼロとして演算される。駆動方式の切り替えに応じたｄ軸およびｑ軸高調波電圧Ｖdh，Ｖqの重畳手法の詳細については後述する。

ｄｑ／３相変換部４６は、位相演算部５０において演算される電気角θを参照した上で、ｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*から、各相に対応する電圧指令ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに座標変換を行う。各相の電圧指令ｖｕ〜ｖｗは、ＰＷＭ信号生成部４７に出力される。

ＰＷＭ信号生成部４７は、例えば、三角波といった周期的に変動するＰＷＭキャリアの電圧レベルと、各相の電圧指令ｖｕ〜ｖｗとの比較に基づいて、インバータ２０を駆動する駆動信号を生成する。具体的には、ＰＷＭ信号生成部４７は、各相毎に、電圧指令ｖｕ〜ｖｗと、キャリアとを比較し、上下アームのスイッチをオン・オフする駆動信号を生成する。そして、ＰＷＭ信号生成部４７は駆動信号をインバータ２０に対して出力する。インバータ２０は、この駆動信号に応じて各アームがスイッチング動作を行うことでＰＷＭ波電圧をモータ１０の各相に印加し、これにより、モータ１０を駆動する。

矩形波電圧演算部４８は、位相演算部５０において演算される電気角θを参照した上で、電圧位相指令θに基づいて、各相毎に、上下アームのスイッチをオン・オフする駆動信号を生成する。そして、矩形波電圧演算部４８は、駆動信号をインバータ２０に対して出力する。インバータ２０は、この駆動信号に応じて各アームがスイッチング動作を行うことで矩形波電圧をモータ１０の各相に印加し、これにより、モータ１０を駆動する。

電圧指令演算部４９は、電圧位相指令δ*と、電源３０の電圧（電源電圧）Ｖdcとに基づいて、ｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*をそれぞれ演算する。そのため、モータ１０の特性等を考慮して、電圧位相指令δ*および電源電圧Ｖdcと、ｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*との関係を実験やシミュレーションを通じて予め取得しておくことで、電圧指令演算部４９は、この関係を規定したマップを保持する。電圧指令演算部４９は、当該マップを参照してｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*を演算する。演算されたｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*は、必要に応じて、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqhがそれぞれ加算され、ｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*としてｄｑ／３相変換部４６に出力される。

位相演算部５０は、位置センサより検出されるモータ１０のロータ位置を表す情報に基づいて、位相演算部５０が電気的な位相（電気角）θと、この電気角θを時間微分することにより電気角速度、すなわち、モータ回転数ωとを演算している。

また、本実施形態の特徴の一つとして、制御ユニット４０は、駆動方式に応じて内部の制御経路の切り替えを行うべく、スイッチなど構成される経路切替部５１〜５４を備えている。第１の経路切替部５１は、電流制御部４２の後段に設けられており、第２の経路切替部５２は、電圧指令演算部４９の後段に設けられている。第３の経路切替部５３は、ｄｑ／３相変換部４６の後段に設けられており、第４の経路切替部５４は、矩形波電圧演算部４８の後段に設けられている。個々の経路切替部５１〜５４は、トルク制御部４１によって判断される駆動方式に応じて制御される。

３相の駆動方式が矩形波電圧駆動である場合、トルク制御部４１は、第１から第３の経路切替部５１〜５３を遮断し、第４の経路切替部５４を導通する。これにより、トルク制御部４１から矩形波電圧演算部４８を経由してインバータ２０へと至る経路が確保され、矩形波電圧駆動が可能となる。一方、３相の駆動方式がＰＷＭ波電圧駆動である場合、第１および第３の経路切替部５１，５３を導通するとともに、第２および第４の経路切替部５２，５４を遮断する。これにより、トルク制御部４１から、電流制御部４２、ｄｑ／３相変換部、ＰＷＭ信号生成部４７を経由してインバータ２０へと至る経路が確保され、ＰＷＭ波電圧駆動が可能となる。

また、駆動方式の切替時、少なくとも１相についてＰＷＭ波電圧駆動を行い、他の相について矩形波電圧駆動を行う場合には、トルク制御部４１は、第３および第４の経路切替部５３，５４については、駆動方式に対応する相のみを導通状態として、他の相を遮断状態に制御する。また、少なくとも１相について矩形波電圧駆動を行う場合、トルク制御部４１は、第１の経路切替部５１を遮断するとともに、第２の経路切替部５２を導通する。これにより、ｄｑ／３相変換部４６に出力されるｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*の演算は、電流制御部４２による電流ベクトル制御から、電圧指令演算部４９による電圧ベクトル制御によって行われる。

以下、矩形波電圧駆動およびＰＷＭ波電圧駆動の駆動方式の切り替えについて説明を行う。駆動方式の切り替えが判断された場合、制御ユニット４０（本実施形態では、高調波電圧指令生成部４５）は、駆動方式の切り替えに応じて、モータ１０の主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させる制御を行う。

図２は、駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動へと切り替える際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、制御ユニット４０（具体的には、トルク制御部４１）がＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動への切り替えを判断することにより、制御ユニット４０によって実行される。

まず、ステップ１（Ｓ１）において、制御ユニット４０は、鉄損マップ４４により、３相を矩形波電圧駆動した際のモータ１０の鉄損値を切替後の鉄損値Ｗi_nとして算出する。そして、ステップ２（Ｓ２）において、制御ユニット４０は、鉄損マップ４４により、３相をＰＷＭ波電圧駆動した際のモータ１０の鉄損値を切替前の鉄損値Ｗi_nとして算出する。

ステップ３（Ｓ３）において、高調波電圧指令生成部４５は、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも大きいか否かを判断する。ステップ３において肯定判定された場合、すなわち、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも大きい場合には、ステップ４（Ｓ４）に進む。一方、ステップ３において否定判定された場合、すなわち、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉ以下の場合には、後述するステップ７（Ｓ７）に進む。

ステップ４において、高調波電圧指令生成部４５は、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅を所定のステップ値だけ増加させ、このｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqをｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*に重畳する。ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅を増加させることにより、モータ１０の主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束が増加し、これにより、モータ１０の鉄損が増加する。

ステップ５（Ｓ５）において、高調波電圧指令生成部４５は、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅を増加させたことによるモータ１０の鉄損が、切替後の鉄損値Ｗi_nに到達したか否か判断する。ステップ５において肯定判定された場合、すなわち、モータ１０の鉄損が切替後の鉄損値Ｗi_nに到達した場合には、ステップ６（Ｓ６）に進む。一方、ステップ５において否定判定された場合、モータ１０の鉄損が切替後の鉄損値Ｗi_nに到達していない場合には、ステップ４に戻る。

ステップ６において、高調波電圧指令生成部４５は、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅をゼロに戻す。また、トルク制御部４１は、第１から第４の経路切替部５１〜５４を切り替えて、３相の駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動とする。このステップ６により、駆動方式の切り替えが完了する。

一方、ステップ７において、トルク制御部４１は、第１から第４の経路切替部５１〜５４を切り替えて、少なくとも１相（例えば、Ｕ相）を除く他の相（例えば、Ｖ，Ｗ相）を矩形波電圧駆動に切り替える。したがって、このステップ７以降では、Ｕ相のみの駆動方式がＰＷＭ波電圧駆動となり、Ｖ，Ｗ相の駆動方式が矩形波電圧駆動となる。

ステップ８（Ｓ８）において、高調波電圧指令生成部４５は、ステップ７の切替前後でモータ１０の鉄損値が変化しないように、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅を設定し、このｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqをｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*に重畳する。ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqを重畳させることにより、モータ１０の主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束が増加し、これにより、モータ１０の鉄損が切替前の鉄損値Ｗｉまで増加する。そして、ステップ９（Ｓ９）において、高調波電圧指令生成部４５は、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅を、所定のステップ値だけ減少させる。

ステップ１０（Ｓ１０）において、高調波電圧指令生成部４５は、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅がゼロに到達したか否かを判断する。このステップ１０において肯定判定された場合、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅がゼロに到達した場合には、ステップ１１（Ｓ１１）に進む。一方、ステップ１０において否定判定された場合、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅がゼロに到達していない場合には、ステップ９に戻る。

ステップ１１において、トルク制御部４１は、第１から第４の経路切替部５１〜５４を切り替えて、矩形波電圧駆動に切り替えていない相（例えば、Ｕ相）について、ＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替える。このステップ１１により、３相のすべてについて駆動方式が矩形波電圧駆動となり、駆動方式の切り替えが完了する。

つぎに、駆動方式を矩形波電圧駆動からＰＷＭ波電圧駆動へと切り替える際の処理手順について説明する。この処理手順は、上述したＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動への切替処理と同様の手順で行うことができる。具体的には、高調波電圧指令生成部４５は、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも大きいか否かを判断し、この判断結果に応じて、モータ１０の主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させる。なお、本実施形態では、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅を操作して、高調波磁束を増加させるものであるため、ＰＷＭ波電圧駆動をしている相がなければ高調波磁束の制御を行うことができない。そこで、高調波電圧指令生成部４５は、矩形波電圧駆動からＰＷＭ波電圧駆動へと切り替える際には、以下の通り制御を行う。

具体的には、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも大きい場合、トルク制御部４１は、第１から第４の経路切替部５１〜５４を切り替えて、少なくとも１相について矩形波電圧駆動からＰＷＭ波電圧駆動へと切り替える。つぎに、高調波電圧指令生成部４５は、モータ１０の鉄損が、切替後の鉄損値Ｗi_nに到達するまで、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅にステップ値を順次加算することにより、その振幅を漸次増加させる。そして、モータ１０の鉄損が切替後の鉄損値Ｗi_nに到達したこと条件に、トルク制御部４１は、第１から第４の経路切替部５１〜５４を切り替えて、残りの相について矩形波電圧駆動からＰＷＭ波電圧駆動へと切り替え、また、高調波電圧指令生成部４５は、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅をゼロに戻す。これにより、３相のすべてについて駆動方式が矩形波電圧駆動となり、駆動方式の切り替えが完了する。

一方、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉ以下の場合には、上述したステップ７からステップ１１の手順と同様に、駆動方式を矩形波電圧駆動からＰＷＭ波電圧駆動に切り替える。

このように本実施形態において、制御ユニット４０（主として、トルク制御部４１）は、モータ１０の運転状況に応じて矩形波電圧駆動とＰＷＭ波電圧駆動との間で駆動方式の切り替えを行うとともに、切替設定される駆動方式に応じてインバータ２０を制御する。また、制御ユニット４０（主として、高調波電圧指令生成部４５）は、駆動方式の切り替えに応じて、主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させる。かかる構成によれば、高調波磁束の増加により、モータ１０の鉄損を増加させることができるので、高調波磁束を操作することで、駆動方式の切替前後におけるモータ１０の鉄損を対応させることができる。これにより、駆動方式の切替前後におけるモータ１０の鉄損の急激な変化を吸収することができるので、切替時のトルクショックを低減することができる。

また、本実施形態において、制御ユニット４０は、駆動方式の切替前後におけるモータ１０の鉄損をそれぞれ推定する鉄損マップ４４として有している。そして、駆動方式の切替前の鉄損と切替後の鉄損とを比較して、高調波磁束を増加させる。具体的には、駆動方式の切替前の鉄損が切替後の鉄損よりも小さい場合、切替後の鉄損と対応するまで高調波磁束を漸次増加させて、モータ１０の鉄損が切替後の鉄損と対応したことを条件に高調波磁束の増加を終了させるとともに、駆動方式の切り替えを行う。一方、駆動方式の切替前の鉄損が切替後の鉄損よりも大きい場合、駆動方式を切り替えたこと条件に、電動機の鉄損が切替前の鉄損と対応するように高調波磁束を瞬間的に増加させ、その後に増加させた高調波磁束を漸次減少させる。かかる手法によれば、駆動方式の切替前後でモータ１０の鉄損の変化率を所望の値に制御することで、トルクの変化率を抑えることができる。これにより、駆動方式の切替前後のトルクショックを低減することができる。

また、本実施形態によれば、高調波電圧指令生成部４５は、ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqの振幅を操作することにより、少なくとも１相についてＰＷＭ波電圧駆動を行っている場合に、ＰＷＭ波電圧を生成するための電圧指令（ｄ軸およびｑ軸電圧指令ｖd*，ｖq*）に高調波成分（ｄ軸およびｑ軸高調波電圧指令Ｖdh，Ｖq）を重畳する（高調波磁束増加手段）。かかる構成によれば、電圧指令に高調波成分を重畳することにより、高調波磁束を増加させることができるので、高調波成分の重畳を通じて高調波磁束を操作することができる。これにより、トルクショックを低減することができるとともに、システム上の仕様を大きく変更することなく、高調波磁束の操作を行うことができる。

図３は、駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧へと切り替えた際に切替後の鉄損が増加するケースでのモータ１０の相電流およびトルクの推移を示す説明図である。本実施形態の切替手法によれば、タイミングｔ１〜ｔ２の期間において、切替前後でモータ１０の鉄損が同じになるよう高調波電圧指令Ｖdh，Ｖqを重畳させる。そして、切り替えの前後で鉄損値が同じと判断できたら、駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動へ切り替える。これにより、駆動方式の切替前後のトルクショックを低減することができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる制御システムについて説明する。第２の実施形態にかかる制御システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、高調波磁束を増加させる方法である。第１の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。

図４は、本発明の第２の実施形態にかかる制御システムの全体構成を模式的に示す説明図である。本実施形態のモータ制御システムは、第１の実施形態に示す高調波電圧指令生成部４５に代えて可変キャリア周波数生成部５７を備えている。この可変キャリア周波数生成部５７は、鉄損マップ４４から出力される切替前後の鉄損値Ｗｉ，Ｗi_nに基づいて、ＰＷＭ信号生成部４７におけるＰＷＭキャリアの周波数ｆｃを制御する。キャリアの周波数ｆｃを通常のＰＷＭ制御時の基準値よりも大きくした場合、モータ１０の主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束が増加し、これにより、モータ１０の鉄損を増加させることができる。

以下、矩形波電圧駆動およびＰＷＭ波電圧駆動の駆動方式の切り替えについて説明を行う。駆動方式の切り替えが判断された場合、制御ユニット４０（本実施形態では、可変キャリア周波数生成部５７）は、駆動方式の切り替えに応じて、モータ１０の主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させる制御を行う。

図５は、駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動へと切り替える際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、制御ユニット４０（具体的には、トルク制御部４１）がＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動への切り替えを判断することにより、制御ユニット４０によって実行される。

まず、ステップ２０（Ｓ２０）において、制御ユニット４０は、鉄損マップ４４により、矩形波電圧駆動におけるモータ１０の鉄損値を切替後の鉄損値Ｗi_nとして算出する。そして、ステップ２１（Ｓ２１）において、制御ユニット４０は、鉄損マップ４４により、ＰＷＭ波電圧駆動におけるモータ１０の鉄損値を切替前の鉄損値Ｗi_nとして算出する。

ステップ２２（Ｓ２２）において、可変キャリア周波数生成部５７は、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも小さいか否かを判断する。ステップ２２において肯定判定された場合、すなわち、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも小さい場合には、ステップ２３（Ｓ２３）に進む。一方、ステップ２２において否定判定された場合、すなわち、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉ以上の場合には、後述するステップ２８（Ｓ２８）に進む。

ステップ２３において、可変キャリア周波数生成部５７は、ＰＷＭ波電圧駆動時の基本周波数に所定値αを加算することにより、後述するステップ２４（Ｓ２４）において３相のうち任意の相をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替えた際に、その切替前後でモータ１０の鉄損値が変化しないようなキャリア周波数ｆｃを設定する。

そして、ステップ２４において、トルク制御部４１は、第１から第４の経路切替部５１〜５４を切り替えて、少なくとも１相（例えば、Ｕ相）をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替える。つぎに、ステップ２５（Ｓ２５）において、可変キャリア周波数生成部５７は、パラメータαを所定のステップ値減少させることにより、キャリア周波数ｆｃを更新する。

ステップ２６において、可変キャリア周波数生成部５７は、パラメータαがゼロに到達したか否かを判断する。このステップ２６において肯定判定された場合、すなわち、パラメータαがゼロに到達した場合には、ステップ２７（Ｓ２７）に進む。一方、ステップ２６において否定判定された場合、すなわち、パラメータαがゼロに到達していない場合には、ステップ２５に戻る。

ステップ２７において、トルク制御部４１は、全ての相について矩形波電圧駆動に切り替えが行われたか否かを判断する。このステップ２７において肯定判定された場合、すなわち、全ての相において矩形波電圧駆動に切り替えられた場合には、本処理を終了する。一方、ステップ２７において否定判定された場合、すなわち、全ての相について矩形波電圧駆動に切り替えが行われていない場合には、ステップ２３に戻り、矩形波電圧駆動のままの相のうちの一つの相を対象として駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替える。

これに対して、ステップ２８において、可変キャリア周波数生成部５７は、現在のキャリア周波数ｆｃに所定のステップ値Δｆを加算することにより、キャリア周波数を更新する。

ステップ２９（Ｓ２９）において、可変キャリア周波数生成部５７は、モータ１０の鉄損値が、後述するステップ３０（Ｓ３０）において３相のうち任意の相をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替えた場合のモータ１０の鉄損値に到達したか否かを判断する。このステップ２９において肯定判定された場合には、ステップ３０に進み、ステップ２９において否定判定された場合には、ステップ２８に戻る。

ステップ３０において、トルク制御部４１は、第１から第４の経路切替部５１〜５４を切り替えて、３相のうち少なくとも１相（例えば、Ｕ相）をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替える。そして、ステップ３１（Ｓ３１）において、可変キャリア周波数生成部５７は、キャリア周波数ｆｃを初期値、すなわち、ＰＷＭ波電圧駆動時の基本周波数に戻す。

ステップ３２において、トルク制御部４１は、全ての相について矩形波電圧駆動に切り替えが行われたか否かを判断する。このステップ３２において肯定判定された場合、すなわち、全ての相において矩形波電圧駆動に切り替えられた場合には、本処理を終了する。一方、ステップ３２において否定判定された場合、すなわち、全ての相について矩形波電圧駆動に切り替えが行われていない場合には、ステップ３０において残りの相のうちの一つの相を対象として駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替えることを前提に、ステップ２８の処理に戻る。

また、駆動方式を矩形波電圧駆動からＰＷＭ波電圧駆動へと切り替える場合には、上述したＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動への切り替えと同様の手順で行うことができる。具体的には、高調波電圧指令生成部４５は、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも大きいか否かを判断し、この判断結果に応じて、可変キャリア周波数生成部５７は、キャリア周波数ｆｃを調整する。

このように本実施形態において、駆動方式の切り替えに応じて、主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させる。かかる構成によれば、高調波磁束の増加により、モータ１０の鉄損を増加させることができるので、高調波磁束を操作することで、駆動方式の切替前後におけるモータ１０の鉄損を対応させることができる。これにより、駆動方式の切替前後におけるモータ１０の鉄損の急激な変化を吸収することができるので、切替時のトルクショックを低減することができる。

また、駆動方式の切替前の鉄損と切替後の鉄損とを比較して、高調波磁束を増加させる。これにより、駆動方式の切替前後でモータ１０の鉄損の変化率を所望の値に制御することで、トルクの変化率を抑えることができる。これにより、駆動方式の切替前後のトルクショックを低減することができる。

また、本実施形態によれば、可変キャリア周波数生成部５７は、少なくとも１相についてＰＷＭ波電圧駆動を行っている場合に、ＰＷＭ波電圧を生成するためのＰＷＭキャリア周波数ｆｃを変化させる（高調波磁束増加手段）。かかる構成によれば、ＰＷＭキャリア周波数ｆｃを変化させることにより、高調波磁束を増加させることができるので、ＰＷＭキャリア周波数ｆｃの変化を通じて高調波磁束を操作することができる。また、ＰＷＭキャリア周波数ｆｃを変化させることにより、変化させることができる高調波の周波数帯を広くとることができる。そのため、鉄損がキャリア周波数域の高調波磁束で大きく変化するようなモータに適用すれば、鉄損可変レンジを広くでき、トルクショックを低減しやすくなる。また、システム上の仕様を大きく変更することなく、高調波磁束の操作を行うことができる。

図６は、駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧へと切り替えた際に切替後の鉄損が減少するケースでのモータ１０の各相の電圧指令およびトルクの推移を示す説明図である。同図に示すように、駆動方式の切り替えを相毎に行い、少なくとも１相をＰＷＭ波電圧駆動を行っていれば、鉄損の制御は可能である。キャリア周波数ｆｃを可変して切替前後で鉄損が変化しないようにすることで、トルクの変化率が大きくならないよう抑制される。なお、同図に示すように、最終的に３相すべて矩形波駆動に切り替える際、ある１相をＰＷＭ波電圧駆動に切り替え、キャリア周波数ｆｃを増加させておいてもよい。これにより、有効印加電圧の減少と鉄損の増加とより、トルクが急激に上がってしまうといった事態の発生を抑制することができる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態にかかる制御システムについて説明する。第３の実施形態にかかる制御システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、高調波磁束を増加させる方法である。第１の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。

図７は、本発明の第３の実施形態にかかる制御システムの全体構成を模式的に示す説明図である。本実施形態のモータ制御システムは、第１の実施形態に示す高調波電圧指令生成部４５に代えて可変キャリア周波数生成部５９を備えている。この可変キャリア周波数生成部５９は、鉄損マップ４４から出力される切替前後の鉄損値Ｗｉ，Ｗi_nに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１のスイッチング動作を規定するキャリアの周波数（キャリア周波数）ｆdcを制御することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ３１のキャリア周波数ｆdcを通常のＰＷＭ制御時の基準値よりも小さくした場合、インバータ２０に出力される直流電圧に変動成分が重畳される。これにより、モータ１０の主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束が増加し、モータ１０の鉄損を増加させることができる。

なお、本実施形態の手法では、３相の駆動方式を一括して切り替えることができるため、第１の実施形態に示す電圧指令演算部４９および第２の経路切替部５２は省略されている。

以下、矩形波電圧駆動およびＰＷＭ波電圧駆動の駆動方式の切り替えについて説明を行う。駆動方式の切り替えが判断された場合、制御ユニット４０（本実施形態では、可変キャリア周波数生成部５９）は、駆動方式の切り替えに応じて、モータ１０の主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させる制御を行う。

図８は、駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動へと切り替える際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、制御ユニット４０（具体的には、トルク制御部４１）がＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動への切り替えを判断することにより、制御ユニット４０によって実行される。

まず、ステップ４０（Ｓ４０）において、制御ユニット４０は、鉄損マップ４４により、矩形波電圧駆動におけるモータ１０の鉄損値を切替後の鉄損値Ｗi_nとして算出する。そして、ステップ４１（Ｓ４１）において、制御ユニット４０は、鉄損マップ４４により、ＰＷＭ波電圧駆動におけるモータ１０の鉄損値を切替前の鉄損値Ｗi_nとして算出する。

ステップ４２（Ｓ４２）において、可変キャリア周波数生成部５９は、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも小さいか否かを判断する。ステップ４２において肯定判定された場合、すなわち、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも小さい場合には、ステップ４３（Ｓ４３）に進む。一方、ステップ４２において否定判定された場合、すなわち、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉ以上の場合には、後述するステップ４７（Ｓ４７）に進む。

ステップ４３において、可変キャリア周波数生成部５９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１のキャリアの基本周波数から所定値βを減算することにより、３相の駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替えた際に、その切替前後でモータ１０の鉄損値が変化しないように、キャリア周波数ｆdcを設定する。また、ステップ４４において、トルク制御部４１は、各経路切替部５１，５３，５４を切り替えて、３相の駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替える。そして、ステップ４５（Ｓ４５）において、可変キャリア周波数生成部５９は、パラメータβを所定のステップ値減少させることにより、キャリア周波数ｆｃを更新する。

ステップ４６において、可変キャリア周波数生成部５９は、パラメータβがゼロに到達したか否かを判断する。このステップ４６において肯定判定された場合、すなわち、パラメータβがゼロに到達した場合には、本処理を終了する。一方、ステップ４６において否定判定された場合、すなわち、パラメータβがゼロに到達していない場合には、ステップ４５に戻る。

これに対して、ステップ４７において、可変キャリア周波数生成部５９は、現在のキャリア周波数ｆdcから所定のステップ値Δｆを減算することにより、キャリア周波数ｆdcを更新する。

ステップ４８（Ｓ４８）において、可変キャリア周波数生成部５９は、モータ１０の鉄損値が、モータ１０の鉄損が切替後の鉄損値Ｗi_nに到達したか否かを判断する。このステップ４８において肯定判定された場合には、ステップ４９に進み、ステップ４８において否定判定された場合には、ステップ４７に戻る。

ステップ４９において、可変キャリア周波数生成部５９は、キャリア周波数を初期値、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１のキャリアの基本周波数に戻す。そして、ステップ５０において、トルク制御部４１は、各経路切替部５１，５３，５４を切り替えて、３相の駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替える。

また、駆動方式を矩形波電圧駆動からＰＷＭ波電圧駆動へと切り替える場合には、上述したＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動への切り替えと同様の手順で行うことができる。具体的には、高調波電圧指令生成部４５は、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも大きいか否かを判断し、この判断結果に応じて、可変キャリア周波数生成部５９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１のキャリア周波数ｆdcを調整する。

このように本実施形態において、駆動方式の切り替えに応じて、主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させる。かかる構成によれば、高調波磁束の増加により、モータ１０の鉄損を増加させることができるので、高調波磁束を操作することで、駆動方式の切替前後におけるモータ１０の鉄損を対応させることができる。これにより、駆動方式の切替前後におけるモータ１０の鉄損の急激な変化を吸収することができるので、切替時のトルクショックを低減することができる。

また、駆動方式の切替前の鉄損と切替後の鉄損とを比較して、高調波磁束を増加させる。これにより、駆動方式の切替前後でモータ１０の鉄損の変化率を所望の値に制御することで、トルクの変化率を抑えることができる。これにより、駆動方式の切替前後のトルクショックを低減することができる。

また、本実施形態において、可変キャリア周波数生成部５７は、電源３０からの直流電圧を変圧してインバータ２０に出力するＤＣ／ＤＣコンバータ３１を用いてインバータ２０に出力する直流電圧に変動成分（リプル）を重畳する。具体的には、可変キャリア周波数生成部５７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１のスイッチング周波数、すなわち、キャリア周波数ｆdcを低下させる。かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１のキャリア周波数ｆdcを変化させることにより、インバータ２０に出力する直流電圧に変動成分を重畳することができる。この変動成分の重畳により高調波磁束を増加させることができるので、キャリア周波数ｆdcの変化を通じて高調波磁束を操作することができる。

また、全ての相が矩形波電圧駆動の状態でも鉄損の制御が可能であるため、インバータ２０の駆動方式によらず鉄損を操作することができる。これにより、トルクショックを低減する効果を得やすい構成となる。また、モータ１０にハードウエアを付け加える必要がなく、安価に構成することができるので、モータの種類に制約がないため汎用性が高いシステムを提供することができる。

図９は、駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧へと切り替えた際に切替後の鉄損が減少するケースでのインバータ２０への入力電圧、モータ１０の相電流およびトルクの推移を示す説明図である。同図に示すように、切替前に、切替前後で鉄損値が変化しないようにインバータ２０への入力電圧に変動成分（リプル）を発生させることで鉄損を増加させることができる。これにより、トルクの変化率を抑えることができ、駆動方式の切替前後のトルクショックを低減することができる。

（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態にかかる制御システムについて説明する。第４の実施形態にかかる制御システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、高調波磁束を増加させる方法である。第１の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。

図１０は、本発明の第４の実施形態にかかる制御システムの全体構成を模式的に示す説明図である。本実施形態のモータ制御システムは、第１の実施形態に示す高調波電圧指令生成部４５に代えて電圧指令生成部６１を備えている。図１１に示すように、本実施形態にかかるモータ１０は、断面がリング状のステータ１１と、このステータ１１の内周側にエアギャップを介して配置され、シャフト１２に連結されたロータ１３とを備えている。ロータ１３には、永久磁石１４が所定の角度ピッチで埋め込まれている。また、ステータ１１の各ステータティース１１ａには、ステータ巻線１５が各々巻回されているとともに、高調波磁束用巻線１６が各々巻回されている。上述した電圧指令生成部６１は、電圧指令Ｖｈを高調波磁束用巻線１６の電源６２に対して出力することにより、所定の電圧を各高調波磁束用巻線１６に印加する。この高調波磁束用巻線１６が通電されることにより、高調波磁束用巻線１６が高調波起磁力源となり、モータ１０の主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させることができる。

なお、本実施形態の手法では、３相の駆動方式を一括して切り替えることができるため、第１の実施形態に示す電圧指令演算部４９および第２の経路切替部５２は省略されている。

以下、矩形波電圧駆動およびＰＷＭ波電圧駆動の駆動方式の切り替えについて説明を行う。駆動方式の切り替えが判断された場合、制御ユニット４０（本実施形態では、電圧指令生成部６１）は、駆動方式の切り替えに応じて、モータ１０の主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させる制御を行う。

図１２は、駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動へと切り替える際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、制御ユニット４０（具体的には、トルク制御部４１）がＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動への切り替えを判断することにより、制御ユニット４０によって実行される。

まず、ステップ６０（Ｓ６０）において、制御ユニット４０は、鉄損マップ４４により、矩形波電圧駆動におけるモータ１０の鉄損値を切替後の鉄損値Ｗi_nとして算出する。そして、ステップ６１（Ｓ６１）において、制御ユニット４０は、鉄損マップ４４により、ＰＷＭ波電圧駆動におけるモータ１０の鉄損値を切替前の鉄損値Ｗi_nとして算出する。

ステップ６２（Ｓ６２）において、電圧指令生成部６１は、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも小さいか否かを判断する。ステップ６２において肯定判定された場合、すなわち、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも小さい場合には、ステップ６３（Ｓ６３）に進む。一方、ステップ６２において否定判定された場合、すなわち、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉ以上の場合には、後述するステップ６７（Ｓ６７）に進む。

ステップ６３において、電圧指令生成部６１は、３相の駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替えた際に、その前後でモータ１０の鉄損値が変化しないような電圧指令Ｖｈを設定する。また、ステップ６４において、トルク制御部４１は、各経路切替部５１，５３，５４を切り替えて、３相の駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替える。つぎに、ステップ６５（Ｓ６５）において、電圧指令生成部６１は、現在の電圧指令Ｖｈから所定のステップ値を減少させることにより、高調波磁束用巻線１６から発生する高調波磁束の振幅が現在値よりも小さくなるように電圧指令Ｖｈを更新する。

ステップ６６（Ｓ６６）において、電圧指令生成部６１は、高調波磁束用巻線１６から発生する高調波磁束の振幅がゼロに到達したか否かを判断する。ステップ６６において肯定判定された場合、すなわち、高調波磁束の振幅がゼロに到達した場合には、本処理を終了する。一方、ステップ６６において否定判定された場合、すなわち、高調波磁束の振幅がゼロに到達していない場合には、ステップ６５に戻る。

これに対して、ステップ６７において、電圧指令生成部６１は、現在の電圧指令Ｖｈに所定のステップ値を加算することにより、高調波磁束用巻線１６から発生する高調波磁束の振幅が現在値よりも増加するように電圧指令Ｖhを設定する。

ステップ６８（Ｓ６８）において、電圧指令生成部６１は、モータ１０の鉄損値が、切替後の鉄損値Ｗi_nに到達したか否かを判断する。このステップ６８において肯定判定された場合には、ステップ６９に進み、ステップ６８において否定判定された場合には、ステップ６７に戻る。

ステップ６９において、トルク制御部４１は、各経路切替部５１，５３，５４を切り替えて、３相の駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替える。そして、ステップ７０において、電圧指令生成部６１は、高調波磁束の振幅がゼロとなるように電圧指令Ｖｈを設定する。

また、駆動方式を矩形波電圧駆動からＰＷＭ波電圧駆動へと切り替える場合には、上述したＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧駆動への切り替えと同様の手順で行うことができる。具体的には、高調波電圧指令生成部４５は、切替後の鉄損値Ｗi_nが切替前の鉄損値Ｗｉよりも大きいか否かを判断し、この判断結果に応じて、電圧指令生成部６１は電圧指令Ｖｈを調整する。

駆動方式の切り替えに応じて、主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させる。かかる構成によれば、高調波磁束の増加により、モータ１０の鉄損を増加させることができるので、高調波磁束を操作することで、駆動方式の切替前後におけるモータ１０の鉄損を対応させることができる。これにより、駆動方式の切替前後におけるモータ１０の鉄損の急激な変化を吸収することができるので、切替時のトルクショックを低減することができる。

また、駆動方式の切替前の鉄損と切替後の鉄損とを比較して、高調波磁束を増加させる。これにより、駆動方式の切替前後でモータ１０の鉄損の変化率を所望の値に制御することで、トルクの変化率を抑えることができる。これにより、駆動方式の切替前後のトルクショックを低減することができる。

また、本実施形態において、電圧指令生成部６１は、高調波磁束用巻線１６への通電を制御する（高調波磁束増加手段）。かかる構成によれば、高調波磁束用巻線１６への通電を変化させることにより、高調波磁束を増加させることができるので、高調波磁束用巻線１６への通電を通じて高調波磁束を操作することができる。また、かかる構成によれば、モータ制御用インバータ２０とは別回路で高調波磁束を生成することができる。これにより、例えば、直流電圧やインバータ出力電圧に脈動が発生することなく、高調波磁束を生成することができる。そのため、制御系に与える影響が少ない構成で、トルクショックの低減を図ることができる。

図１３は、駆動方式をＰＷＭ波電圧駆動から矩形波電圧へと切り替えた際に切替後の鉄損が減少するケースでのモータ１０の相電流およびトルクの推移を示す説明図である。同図に示すように、切替前後で鉄損値が変化しないように高調波磁束を重畳させることで鉄損を増加させている。これにより、トルクの変化率を抑えることができ、駆動方式の切替前後のトルクショックを低減することができる。

１０…モータ
１１…ステータ
１２…シャフト
１３…ロータ
１４…永久磁石
１５…ステータ巻線
１６…高調波磁束用巻線
２０…インバータ
３０…電源
３１…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３２…平滑コンデンサ
４０…制御ユニット
４１…トルク制御部
４２…電流制御部
４３…３相／ｄｑ変換部
４４…鉄損マップ
４５…高調波電圧指令生成部
４６…ｄｑ／３相変換部
４７…ＰＷＭ信号生成部
４８…矩形波電圧演算部
４９…電圧指令演算部
５０…位相演算部
５１〜５４…経路切替部
５７…可変キャリア周波数生成部
５９…可変キャリア周波数生成部
６１…電圧指令生成部
６２…電源

Claims (10)

1. 固定子および可動子を構成する磁性体により主磁気回路が形成され、前記磁性体をコアとして巻回した巻線への通電が制御されることで前記主磁気回路に交番磁束が流れる電動機の制御装置において、
   電源からの直流電力を交流電力に変換して前記電動機に供給する電力変換手段と、
   切替可能な駆動方式として、前記直流電力から矩形波電圧を生成して前記電動機に印加する矩形波電圧駆動と、前記直流電力からＰＷＭ波電圧を生成して前記電動機に印加するＰＷＭ波電圧駆動とを有し、前記電動機の運転状況に応じて前記矩形波電圧駆動と前記ＰＷＭ波電圧駆動との間で駆動方式の切り替えを行うとともに、切替設定される駆動方式に応じて前記電力変換手段を制御する制御手段と、
   前記駆動方式の切り替えに応じて、前記主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させる高調波磁束増加手段と
   を有することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記高調波磁束増加手段は、少なくとも１相について前記ＰＷＭ波電圧駆動を行っている場合に、前記制御手段において前記ＰＷＭ波電圧を生成するための電圧指令に高調波成分を重畳することを特徴とする請求項１に記載された電動機の制御装置。
3. 前記高調波磁束増加手段は、少なくとも１相について前記ＰＷＭ波電圧駆動を行っている場合に、前記制御手段において前記ＰＷＭ波電圧を生成するためのＰＷＭキャリア周波数を変化させることを特徴とする請求項１に記載された電動機の制御装置。
4. 前記電源からの直流電圧を変圧して前記電力変換手段に出力する電圧可変手段をさらに有し、
   前記高調波磁束増加手段は、前記電圧可変手段を用いて前記電力変換手段に出力する直流電圧に変動成分を重畳することを特徴とする請求項１に記載された電動機の制御装置。
5. 前記電圧可変手段は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
   前記高調波磁束増加手段は、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周波数を低下させることを特徴とする請求項４に記載された電動機の制御装置。
6. 前記電動機は、前記主磁気回路を流れる磁束において高調波磁束を増加させる回路を備え、
   前記高調波磁束増加手段は、前記回路を介して高調波磁束を増加させることを特徴とする請求項１に記載された電動機の制御装置。
7. 前記回路は、前記固定子または前記可動子に巻回された高調波磁束用巻線を含み、
   前記高調波磁束増加手段は、前記高調波磁束用巻線への通電を制御することを特徴とする請求項６に記載された電動機の制御装置。
8. 前記駆動方式の切替前後における前記電動機の鉄損をそれぞれ推定する推定手段をさらに有し、
   前記高調波磁束増加手段は、前記駆動方式の切替前の鉄損と切替後の鉄損とを比較して、高調波磁束を増加させることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された電動機の制御装置。
9. 前記高調波磁束増加手段は、前記駆動方式の切替前の鉄損が切替後の鉄損よりも小さい場合、切替後の鉄損と対応するまで高調波磁束を漸次増加させて、前記電動機の鉄損が切替後の鉄損と対応したことを条件に前記高調波磁束の増加を終了させ、
   前記制御手段は、前記電動機の鉄損が切替後の鉄損と対応したことを条件に前記駆動方式の切り替えを行うことを特徴とする請求項８に記載された電動機の制御装置。
10. 前記高調波磁束増加手段は、前記駆動方式の切替前の鉄損が切替後の鉄損よりも大きい場合、前記制御手段が前記駆動方式を切り替えたこと条件に、前記電動機の鉄損が切替前の鉄損と対応するように高調波磁束を瞬間的に増加させるとともに、当該増加させた高調波磁束を漸次減少させることを特徴とする請求項８または９に記載された電動機の制御装置。

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