JP2011015515A - 電動機の制御システムおよび電動機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの状態に制約があるような場合であっても、必要な回生制動トルクを得る。
【解決手段】モータ１０からの回生電力量が、バッテリ３０の状態から規定される上限電力量を超える場合であって、かつ、トルク指令Ｔe*およびモータ回転数ωが高回転低負荷を規定する運転領域に該当する場合には、オンオフ制御を行う。このオンオフ制御は、所定期間内の平均トルクがトルク指令Ｔe*と対応するように、回生制動トルクと、ゼロ以上の駆動トルクとを周期的に発生させる制御である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の制御システムおよびその制御方法に関する。

従来より、バッテリの直流電力を電力変換手段により交流電力に変換し電動機を駆動する電動機の制御システムが知られている。例えば、特許文献１には、バッテリの蓄電状態に応じて電動機の力率を制御する手法（力率低下制御）が開示されている。この手法によれば、力率制御により、回生された電気エネルギーを、バッテリに蓄電される蓄電エネルギーと、電動機および電力変換手段で消費される損失エネルギーとに分配する比率が変えられる。これにより、全体の回生電流は抑制せずに必要な量の電気エネルギーをバッテリに与え、余剰の電気エネルギーを損失として消費することで、所望の回生制動トルクが確保される。

特許第３１５２０２７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、例えば高回転低負荷といった運転状態において力率を低く制御した場合には、磁束が減少することによって鉄損が減り、結果として、損失エネルギーが小さくなる。そのため、十分な回生制動トルクが得られず、必要な制動力を確保することができないという問題がある。

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、所定の運転状態においても損失の向上を図ることにより、バッテリの制約に拘わらず必要な回生制動トルクを得ることである。

かかる課題を解決するために、本発明は、推定された電動機からの回生電力量が、電源手段の状態から規定される上限電力量を超える場合であって、かつ、トルク指令および電動機の回転数が高回転低負荷を規定する運転領域に該当する場合には、オンオフ制御を行う。ここで、オンオフ制御は、所定期間内の平均出力トルクがトルク指令と対応するように、回生制動トルクと、ゼロ以上の駆動トルクとのそれぞれを所定期間内において周期的に出力させる制御である。

本発明によれば、回生されるエネルギーのうち損失として消費される割合を力率低下制御の損失として消費される割合と比較して向上させることで、回生エネルギーに占める回生電力量（蓄電手段に充電される電力量）の割合を低下させることができため、高回転低負荷の運転状態においても、トルク指令に対応する回生制動トルクを十分に出力させることができる。

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 第１の実施形態にかかるモータ１０の制御方法の手順を示すフローチャート 第１の実施形態にかかるオンオフ制御の概念を示す説明図 通常制御による回生電力をベースとしてオンオフ制御による回生電力の割合をモータの回転数とトルクとをパラメータとして示す説明図 オンオフ制御と通常制御との電流ベクトルをｄｑ軸上にそれぞれ示す説明図 図５に対応する運転状態における磁束ベクトルをｄｑ軸上に表した説明図 図５に対応する運転状態において、オンオフ制御時においてオン期間のみにｄ軸電流を変化させた場合の銅損Ｌａと、力率低下制御時にｄ軸電流を変化させた場合の銅損Ｌｂとをそれぞれ示す説明図 図５と対応する運転状態において、オンオフ制御時においてオン期間のみにｄ軸電流を変化させた場合の鉄損Ｌａと、力率低下制御時にｄ軸電流を変化させた場合の鉄損Ｌｂとをそれぞれ示す説明図 図５と対応する運転状態において、オンオフ制御時の総損失Ｌａと、力率低下制御時の総損失Ｌｂを示す説明図 第２の実施形態にかかるオンオフ制御の概念を示す説明図 通常制御による回生電力をベースとしてオンオフ制御による回生電力の割合をモータの回転数とトルクとをパラメータとして示す説明図 第２の実施形態にかかるオンオフ制御と通常制御との電流ベクトルをｄｑ軸上にそれぞれ示す説明図 図１２に対応する運転状態における磁束ベクトルをｄｑ軸上に表した説明図 図１２に対応する運転状態において、オンオフ制御時において駆動トルクを出力するオフ期間のみにｄ軸電流を変化させた場合の銅損Ｌａと、力率低下制御時にｄ軸電流を変化させた場合の銅損Ｌｂとをそれぞれ示す説明図 図１２と対応する運転状態において、オンオフ制御時において駆動トルクを出力するオフ期間のみにｄ軸電流を変化させた場合の鉄損Ｌａと、力率低下制御時にｄ軸電流を変化させた場合の鉄損Ｌｂとをそれぞれ示す説明図 図１２と対応する運転状態において、オンオフ制御時の総損失Ｌａと、力率低下制御時の総損失Ｌｂを示す説明図 複数のモータに対するオンオフ制御の概念を示す説明図 複数のモータに対するオンオフ制御の概念を示す説明図

（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、電動車（例えば、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。このモータ制御システムは、モータ１０、インバータ２０および制御ユニット３０を主体に構成されている。

モータ１０は、ロータとステータ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、インバータ２０から３相の交流電流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、例えば、電動車の自動変速機に連結されている。

インバータ２０は、バッテリ３０に接続されており、バッテリ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、各相の交流電力は、モータ１０にそれぞれ供給される。ここで、バッテリ３０は、所定容量の電力を蓄電可能に構成されており、直流電源として機能する（電源手段）。バッテリ３０としては、例えば、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池などを用いることができる。

インバータ２０は、バッテリ３０の正極側の母線に接続される上アーム（スイッチング手段）と、バッテリ３０の負極側の母線に接続される下アーム（スイッチング手段）とが直列接続された回路を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相に対応して備えている。上アームおよび下アームは、一方向の導通を制御可能な半導体スイッチ（例えば、ＩＧＢＴ等のトランジスタといった自己消弧方素子）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。各アームのオンオフ状態、すなわち、半導体スイッチのオンオフ状態（スイッチング動作）は、制御ユニット３０から出力されるＰＷＭ信号Ｓpwmを通じて制御される。個々のアームを構成する半導体スイッチは、制御ユニット３０のＰＷＭ信号Ｓpwmを通じ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３０は、インバータ２０の各アームのスイッチング動作を制御することにより、モータ１０の出力トルクを制御する（制御手段）。制御ユニット３０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３０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３０は、この演算によって算出された制御信号（ＰＷＭ信号Ｓpwm）をインバータ２０に対して出力する。

制御ユニット３０は、これを機能的に捉えた場合、制御部４１と、記憶部４２とを有している。制御部４１は、例えば、ＰＷＭ波電圧駆動といった制御方式により、インバータ２０のスイッチング動作、具体的には、上下アームに対応する個々の半導体スイッチのオンオフ状態を相毎に制御する。ＰＷＭ波電圧駆動は、直流電圧からＰＷＭ波電圧を生成してモータ１０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モータ１０に印加する駆動方式である。制御部４１は、外部から与えられるトルク指令Ｔe*およびモータ１０の回転数ω、各相の電流値とに基づいて、各相に関する正弦波制御電圧を演算し、これにより、インバータ２０のスイッチング動作を制御する。

ここで、制御部４１には、モータ１０のロータ位置を表す位置情報を検出する位置センサ（図示せず）からの検出情報Ｓｍが入力されている。制御部４１は、この検出情報Ｓｍに基づいて電気的な位相（電気角）を演算し、この電気角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を演算している。また、制御部４１には、モータ１０におけるＵ相およびＷ相の実電流ｉｕ，ｉｗをそれぞれ検出する電流センサ（図示せず）からの検出情報が入力されている。なお、３相の電流の総和はゼロとなるため、制御部４１は、Ｕ相およびＷ相の実電流ｉｕ，ｉｗより残りのＶ相の実電流を検出することができる。さらに、制御部４１には、バッテリ３０の状態を管理するコントローラ（図示せず）からバッテリ情報Ｓｂが入力されている。このバッテリ情報Ｓｂには、バッテリ３０の蓄電量やバッテリ３０の温度などの情報が含まれている。

本実施形態との関係において、制御部４１は、トルク指令Ｔe*およびモータ回転数ωに基づいて、モータ１０の回生電力量を推定する。また、制御部４１は、推定される回生電力量が所定の上限電力量を超える場合には、トルク指令Ｔe*およびモータ回転数ωに基づいて、現在のモータ１０の運転状態が高回転低負荷を規定する運転領域に該当するか否かを判断する。記憶部４２には、トルク指令Ｔe*とモータ回転数ωとの関係において高回転低負荷を規定する運転領域Ａを示す運転領域データが格納されており、制御部４１は、この運転領域データを参照し、現在の運転状態が高回転低負荷の運転領域Ａに該当するか否かを判断する。この運転領域Ａは、後述するオンオフ制御を行うことにより、通常制御と比較して回生電力量を低下することができる運転領域に相当するものであり、モータ１０の特性などを考慮して、実験やシミュレーションを通じて最適な領域が予め設定されている。

現在の運転状態が運転領域Ａに該当する場合、制御部４１は、所定期間内のモータ１０の出力トルクの平均値がトルク指令Ｔe*と対応することを条件に、所定の回生制動トルクと、ゼロトルク（出力トルクがゼロの状態）とのそれぞれを所定期間において周期的に出力させるように、インバータ２０の制御を行う（オンオフ制御）。一方、現在の運転状態が運転領域Ａに該当しない場合、制御部４１は、トルク指令Ｔe*と対応する回生制動トルクを定常的に出力させるように、インバータ２０の制御を行う（通常制御）。この場合、制御部４１は、モータ１０からの回生電流が電流制限（電流制限円によって規定される電流の制限）を超えない範囲において界磁電流を最大に制御する（力率低下制御）。

図２は、第１の実施形態にかかるモータ１０の制御方法の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、車両のイグニッションスイッチのオン信号に応じて呼び出され、制御部４１によって実行される。

まず、ステップ１（Ｓ１）において、制御部４１は、現在のトルク指令Ｔe*が、回生指令であるか、すなわち、制動トルクであるか否かを判断する。ステップ１において肯定判定された場合、すなわち、トルク指令Ｔe*が回生指令である場合には、ステップ２（Ｓ２）に進む。一方、ステップ１において否定判定された場合、トルク指令Ｔe*が回生指令でない場合には、後述するステップ５（Ｓ５）に進む。

ステップ２（Ｓ２）において、制御部４１は、バッテリ情報Ｓｂに基づいて、バッテリ３０の状態が移行条件を具備するか否かを判断する。具体的には、制御部４１は、バッテリ温度が所定の温度判定値以上であるか否かを判断する。この温度判定値は、バッテリ３０の動作保証の観点から設定される上限温度である。また、制御部４１は、現在のトルク指令Ｔe*およびモータ回転数ωに基づいて、回生電力量を推定する。制御部４１は、推定された回生電力量と、バッテリ蓄電量とに基づいて、バッテリ３０に回生電力を蓄電可能か否かを判断する。制御部４１は、これらの２つの条件を判断することにより、推定されたモータ１０からの回生電力量が、バッテリ３０の状態から規定される上限電力量（具体的には、温度条件による上限電力量および蓄電量による上限電力）を超える状況であるか否かを移行条件として判断することとなる。２つの判断のうちいずれか一方の判断または両方の判断において肯定判定された場合には、移行条件を具備すると判断し、ステップ３（Ｓ３）の処理に進む。一方、２つの判断のうち両方の判断において否定判定された場合には、移行条件を具備しないと判断し、ステップ５に進む。

ステップ３において、制御部４１は、後述するオンオフ制御を実行するための制御条件を具備するか、具体的には、モータ１０の運転状態が高回転低負荷であるか否かを判断する。制御部４１は、記憶部４２に格納されている運転領域データを参照し、トルク指令Ｔe*およびモータ回転数ωが、高回転低負荷を規定する運転領域Ａに該当するか否かを判断する。このステップ３において肯定判定された場合には、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には、ステップ５に進む。

ステップ４において、制御部４１は、ＰＷＭ信号Ｓpwmを生成することにより、オンオフ制御を行う。具体的には、図３に示すように、制御部４１は、所定のオン期間に亘り、モータ１０の出力トルクＴがトルク指令Ｔe*の２倍値に対応する回生制動トルクとなるように、ＰＷＭ制御によりインバータ２０のスイッチング動作を制御する。また、制御部４１は、オン期間に続くオフ期間（オン期間と長さにおいて同じ）に亘り、インバータ２０のスイッチング動作を停止させる。このオフ期間では、モータ１０の出力トルクＴはゼロとなる。制御部４１は、ステップ１からステップ３の判断によりステップ４の処理が継続する範囲において、オン期間およびオフ期間に示す制御を交互に繰り返す。

ステップ５において、制御部４１は、ＰＷＭ信号Ｓpwmを生成することにより、通常制御を行う。具体的には、図３に示すように、制御部４１は、モータ１０の出力トルクＴがトルク指令Ｔe*と定常的に対応するように、ＰＷＭ制御によりインバータ２０のスイッチング動作を制御する。この場合、制御部４１は、モータ１０からの回生電流が電流制限を超えない範囲において界磁電流を最大に制御する。

このように本実施形態によれば、高回転低負荷の運転領域Ａにおいて上述したオンオフ制御を行うことにより、回生されるエネルギーのうち損失（具体的には、モータ１０の鉄損）として消費される割合を通常制御（力率低下制御）のそれと比較して向上させることができる。この損失の向上により、回生エネルギーに占める回生電力量（バッテリ３０に充電される電力量）の割合を低下させることができる。そのため、高回転低負荷の運転状態においても回生エネルギーに占める損失の向上を図ることにより、バッテリ３０の状態に制約があるような場合であっても、トルク指令Ｔe*に対応する回生制動トルクを十分に発生させることができる。これにより、十分な制動力を得ることができる。

図４は、通常制御による回生電力をベースとしてオンオフ制御による回生電力の割合をモータ１０の回転数と出力トルクとをパラメータとして示す説明図である。同図から分かるように、トルク（負荷）が小さく、回転数が大きい領域では、マイナスの数値で示されるように、オンオフ制御を行うことで、通常制御（力率低下制御）よりも回生電力が低下していることが分かる。特に、高回転低負荷領域の一部では、最大で２０％ほど回生電力を低下させることができる。

また、本実施形態によれば、バッテリ３０の温度を移行条件とすることで、過大な回生電流がバッテリ３０に供給されるといった事態を抑制することができるので、バッテリ３０が高温になり劣化するといった事態を抑制することができる。さらに、バッテリ３０の蓄電量を移行条件とすることで、バッテリ３０が過充電なることが少なくなり、過充電により回生制動トルクが得られなくなる頻度を低減することができる。

ここで、オンオフ制御にともなう損失の向上について詳細に説明する。図５は、オンオフ制御と通常制御との電流ベクトルをｄｑ軸上にそれぞれ示す説明図である。同図では、モータ回転数が４５００ｒｐｍ、回生制動トルクが３９Ｎｍ時の電流ベクトルを例示しており、この運転状態は高回転低負荷に相当する。同図において、Ｌa1は、ｄ軸電流を強め界磁側に流した場合のオンオフ制御時の電流ベクトルであり、Ｌa2は、ｄ軸電流を弱め界磁側に流した場合のオンオフ制御時の電流ベクトルである。また、Ｌb1は、ｄ軸電流を強め界磁側に流した場合の力率低下制御時の電流ベクトルであり、Ｌb2は、ｄ軸電流を弱め界磁側に流した場合の力率低下制御時の電流ベクトルである。また、Ｌc1は、オンオフ制御時の電流制限円であり、Ｌc2は、力率低下制御時の電流制限円であり、Ｌc3は電圧制限円である。

オンオフ制御と、通常制御（力率低下制御）の制御方法に対して銅損が等しくなるように、オンオフF制御時の電流制限円Ｌc1は、力率低下制御時の電流制限円Ｌc2よりも径が√2（２の平方根）倍になっている。これはモータの電流上限が、巻線の耐熱性から決まる巻線温度により規定されることが多く、巻線温度は銅損に比例するためである。回転数４５００ｒｐｍでは電圧制限円Ｌc3により、正のｄ軸電流を流すことができなくなっている。

図６は、図５に対応する運転状態における磁束ベクトルをｄｑ軸上に表した説明図である。同図において、Ｌa1は、ｄ軸電流を強め界磁側に流した場合のオンオフ制御時の磁束であり、Ｌa2は、ｄ軸電流を弱め界磁側に流した場合のオンオフ制御時の磁束である。また、Ｌb1は、ｄ軸電流を強め界磁側に流した場合の力率低下制御時の磁束であり、Ｌb2は、ｄ軸電流を弱め界磁側に流した場合の力率低下制御時の磁束である。同図から分かるように、いずれの場合も力率低下制御時の方が磁束が小さい。

図７は、図５に対応する運転状態において、オンオフ制御時においてオン期間のみにｄ軸電流を変化させた場合の銅損Ｌａと、力率低下制御時にｄ軸電流を変化させた場合の銅損Ｌｂとをそれぞれ示す説明図である。同図において、Ｌe1はオンオフ制御時のオン期間に対応する銅損であり、Ｌe2はオンオフ制御時のオフ期間に対応する銅損であり、銅損Ｌａは銅損Ｌe1，Ｌe2の合算値となる。同図から分かるように、いずれの制御においてもｄ軸電流の絶対値が大きくなるほど銅損は増えている。

図８は、図５と対応する運転状態において、オンオフ制御時においてオン期間のみにｄ軸電流を変化させた場合の鉄損Ｌａと、力率低下制御時にｄ軸電流を変化させた場合の鉄損Ｌｂとをそれぞれ示す説明図である。同図において、Ｌe1はオンオフ制御時のオン期間に対応する鉄損であり、Ｌe2はオンオフ制御時のオフ期間に対応する鉄損であり、鉄損Ｌａは、鉄損Ｌe1，Ｌe2の合算値となる。力率低下制御時は、ｄ軸電流の絶対値が大きくなるほど、磁束が小さくなり鉄損Ｌbが減少する。一方、オンオフ制御時は、オフ期間の鉄損Ｌe2が大きく、オン期間においてｄ軸電流の絶対値が増加するにつれ磁束が減少から増加へ転じるため、鉄損Ｌe2が増大する。

図９は、図５と対応する運転状態において、オンオフ制御時の総損失Ｌａと、力率低下制御時の総損失Ｌｂを示す説明図である。図８に示すように、ｄ軸電流の絶対値が大きい領域でオンオフ制御時の鉄損は大きいため、総損失もオンオフ制御時の方が大きくなる。したがって、同じ回生制動トルクを発生する場合でも、オンオフ制御時の方が回生エネルギーが損失として多く消費されるため、バッテリ３０への回生電力量は小さくなる。これにより、バッテリ３０の温度上昇を抑制することができたり、バッテリ３０への回生電力量が同じ場合には、より多くの制動力を発生したりすることができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態にかかるモータ制御システムおよびその制御方法について説明する。第２の実施形態が、第１の実施形態と相違する点は、より損失を増大させるようにオンオフ制御を行うことである。なお、第１の実施形態と共通する点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。

本実施形態において、制御部４１は、オンオフ制御を行うにあたり、所定期間内のモータ１０の出力トルクの平均値がトルク指令Ｔe*と対応することを前提に、最大の回生制動トルクと、駆動トルク（ゼロより大きな駆動トルク）とが周期的に発生するように、インバータ２０の制御を行う。具体的には、図１０に示すように、制御部４１は、所定のオン期間に亘り、モータ１０の出力トルクＴが最大の回生制動トルクとなるように、ＰＷＭ制御によりインバータ２０のスイッチング動作を制御する。また、制御部４１は、オン期間に続くオフ期間（オン期間と長さにおいて同じ）に亘り、先のオン期間とこのオフ期間との平均トルクがトルク指令Ｔe*となる駆動トルクを出力するように、ＰＷＭ制御によりインバータ２０のスイッチング動作を制御する。制御部４１は、推定される回生電力量が所定の上限電力量を超え、かつ、モータ１０の運転状態が高回転低負荷を規定する運転領域Ａに該当する場合、オン期間およびオフ期間に示す制御を交互に繰り返す。

このように本実施形態によれば、高回転低負荷の運転領域Ａにおいて上述したオンオフ制御を行うことにより、回生エネルギーのうち損失（具体的には、モータ１０の鉄損）として消費される割合を、第１の実施形態に示すオンオフ制御と比較して向上させることができる。この鉄損の向上により、回生エネルギーに占める回生電力の割合を低下させることができるので、バッテリ３０の状態に制限があるような場合であっても、トルク指令Ｔe*に対応する回生制動トルクを十分に発生させることができる。これにより、十分な制動力を得ることができる。

図１１は、通常制御による回生電力をベースとしてオンオフ制御による回生電力の割合をモータの回転数とトルクとをパラメータとして示す説明図である。同図から分かるように、トルク（負荷）が小さく、回転数が大きい領域では、マイナスの数値で示されるように、オンオフ制御を行うことで、通常制御（力率低下制御）よりも回生電力が低下していることが分かる。特に、高回転低負荷領域の一部では、最大で２０％ほど回生電力を低下させることができる。また、第１の実施形態と比較して、より広い運転領域で回生電力の低下を実現することができる。

図１２は、第２の実施形態にかかるオンオフ制御と通常制御との電流ベクトルをｄｑ軸上にそれぞれ示す説明図である。同図では、モータ回転数が４５００ｒｐｍ、回生制動トルクが３９Ｎｍ時の電流ベクトルを例示しており、この運転状態は高回転低負荷に相当する。同図において、Ｌa1は、ｄ軸電流を強め界磁側に流した場合のオンオフ制御時（駆動トルクを出力するオフ期間）の電流ベクトルであり、Ｌa2は、ｄ軸電流を弱め界磁側に流した場合のオンオフ制御時（駆動トルクを出力するオフ期間）の電流ベクトルである。Ｌa3は、オンオフ制御時（最大回生制動トルクを出力するオン期間）の電流ベクトルである。また、Ｌb1は、ｄ軸電流を強め界磁側に流した場合の力率低下制御時の電流ベクトルであり、Ｌb2は、ｄ軸電流を弱め界磁側に流した場合の力率低下制御時の電流ベクトルである。また、Ｌc1は、オンオフ制御時（最大回生制動トルクを出力するオン期間）の電流制限円であり、Ｌc4は、オンオフ制御時（駆動トルクを出力するオフ期間）の電流制限円であり、Ｌc2は、力率低下制御時の電流制限円である。Ｌc3は、電圧制限円である。

電流制限円は、オンオフ制御（オン期間およびオフ期間）と、力率低下制御時とで銅損が等しくなるように設定されている。これはモータの電流上限が巻線の耐熱性から決まる巻線温度により規定されることが多く、巻線温度は銅損に比例するためである。オンオフ制御のオン期間における最大回生制動トルクは、電圧制限円Ｌc3内で最大の回生制動トルクを出力するように設定されている。

図１３は、図１２に対応する運転状態における磁束ベクトルをｄｑ軸上に表した説明図である。同図において、Ｌa1は、ｄ軸電流を強め界磁側に流した場合のオンオフ制御時（駆動トルクを出力するオフ期間）の磁束であり、Ｌa2は、ｄ軸電流を弱め界磁側に流した場合のオンオフ制御時（駆動トルクを出力するオフ期間）の磁束であり、Ｌa3は、オンオフ制御時（最大トルクを出力するオフ期間）の磁束である。また、Ｌb1は、ｄ軸電流を強め界磁側に流した場合の力率低下制御時の磁束であり、Ｌb2は、ｄ軸電流を弱め界磁側に流した場合の力率低下制御時の磁束である。同図から分かるように、いずれの場合も力率低下制御時の方が磁束が小さい。

図１４は、図１２に対応する運転状態において、オンオフ制御時において駆動トルクを出力するオフ期間のみにｄ軸電流を変化させた場合の銅損Ｌａと、力率低下制御時にｄ軸電流を変化させた場合の銅損Ｌｂとをそれぞれ示す説明図である。同図において、Ｌe1はオンオフ制御時において駆動トルクを出力するオフ期間に対応する銅損であり、Ｌe2はオンオフ制御時において最大回生制動トルクを出力するオン期間に対応する銅損であり、銅損Ｌａは銅損Ｌe1，Ｌe2の合算値となる。同図から分かるように、いずれの制御においてもｄ軸電流の絶対値が大きくなるほど銅損は増えている。

図１５は、図１２と対応する運転状態において、オンオフ制御時において駆動トルクを出力するオフ期間のみにｄ軸電流を変化させた場合の鉄損Ｌａと、力率低下制御時にｄ軸電流を変化させた場合の鉄損Ｌｂとをそれぞれ示す説明図である。同図において、Ｌe1はオンオフ制御時において駆動トルクを出力するオフ期間に対応する鉄損であり、Ｌe2はオンオフ制御時において最大回生制動トルクを出力するオン期間に対応する鉄損であり、鉄損Ｌａは鉄損Ｌe1，Ｌe2の合算値となる。力率低下制御時は、ｄ軸電流が小さくなるほど、磁束が小さくなり鉄損Ｌｂが減少する。一方、オンオフ制御時には、最大回生制動トルクを出力するオン期間のｑ軸磁束は力率低下制御時より大きく、駆動トルクを出力するオフ期間のｄ軸電流が減少しｄ軸磁束が減少してもｑ軸磁束が大きいため、ｄｑ軸磁束は力率低下制御時より大きい。したがって、鉄損Ｌａはオンオフ制御時の方が大きくなる。

図１６は、図１２と対応する運転状態において、オンオフ制御時の総損失Ｌａと、力率低下制御時の総損失Ｌｂを示す説明図である。図１５に示すように、オンオフ制御時の鉄損Ｌａは大きく、総損失Ｌａもオンオフ制御時の方が大きくなる。したがって、同じ回生制動トルクを発生する場合でも、オンオフ制御時の方が回生エネルギーが損失として多く消費されるため、バッテリ３０への回生電力量は小さくなる。これにより、バッテリ３０の温度上昇を抑制することができたり、バッテリ３０への回生電力量が同じ場合には、より多くの制動力を発生したりすることができる。

なお、上述した各実施形態では、単一のモータ１０を有するシステム構成として説明を行ったが、本発明はこれに限定されない。複数のモータを有するモータ制御システムに適用することもできる。かかる構成においてオンオフ制御を行う場合には、図１７，１８に示すように、一方のモータがオン期間において回生制動トルクが発生している場合にはは、他方のモータはオフ期間とする。このようにすることで、複数のモータを含む駆動系としてのトルクリップルを低減することができる。

１０…モータ
２０…インバータ
３０…バッテリ
３０…制御ユニット
４１…制御部
４２…記憶部

Claims (8)

1. 各相に出力される相電流を制御することにより電動機を駆動する電動機の制御システムにおいて、
   所定容量の電力を蓄電可能で、直流電源となる電源手段と、
   導通状態を切り替えるスイッチング手段を備え、前記電源手段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、
   前記電動機へ要求されるトルク指令に基づいて、前記電力変換手段におけるスイッチング手段のスイッチング動作を制御することにより、前記電動機の出力トルクを制御する制御手段と、
   前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記トルク指令および前記回転数検出手段の検出結果とに基づいて、前記電動機からの回生電力量を推定する推定手段とを有し、
   前記制御手段は、前記推定手段によって推定された電動機からの回生電力量が、前記電源手段の状態から規定される上限電力量を超える場合であって、かつ、前記トルク指令および前記電動機の回転数が高回転低負荷を規定する運転領域に該当する場合には、所定期間内の平均出力トルクが前記トルク指令と対応するように、回生制動トルクと、ゼロ以上の駆動トルクとのそれぞれを前記所定期間内において周期的に出力させるオンオフ制御を行うことを特徴とする電動機の制御システム。
2. 前記制御手段は、前記トルク指令および前記電動機の回転数が高回転低負荷を規定する運転領域に該当しない場合には、前記トルク指令と対応するにように回生制動トルクを定常的に出力させるとともに、前記電動機からの回生電流が電流制限を超えない範囲において界磁電流を最大に制御する通常制御を行うことを特徴とする請求項１に記載された電動機の制御システム。
3. 前記制御手段は、前記オンオフ制御を行う場合、所定の回生制動トルクと、ゼロトルクとを前記所定期間において交互に出力させることを特徴とする請求項１または２に記載された電動機の制御システム。
4. 前記制御手段は、前記オンオフ制御を行う場合、最大回生制動トルクと、ゼロより大きい駆動トルクとを前記所定期間において交互に出力させることを特徴とする請求項１または２に記載された電動機の制御システム。
5. 前記制御手段は、前記電力変換手段が複数の電動機に対して交流電力を供給する場合、前記オンオフ制御として、電動機毎に回生制動トルクを出力するタイミングを異ならせることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された電動機の制御システム。
6. 前記上限電力量は、前記電源手段の温度に応じて規定されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載された電動機の制御システム。
7. 前記上限電力量は、前記電源手段の蓄電量に応じて規定されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載された電動機の制御システム。
8. 各相に出力される相電流を制御することにより電動機を駆動する電動機の制御方法において、
   所定容量の電力を蓄電可能な電源手段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におけるスイッチング手段のスイッチング動作を制御する第１のステップと、
   前記電動機の回転数を検出する第２のステップと、
   前記電動機へ要求されるトルク指令および前記検出された電動機の回転数とに基づいて、前記電動機からの回生電力量を推定する第３のステップとを有し、
   前記第１のステップは、前記推定された電動機からの回生電力量が前記電源手段の状態から規定される上限電力量を超える場合であって、かつ、前記トルク指令および前記電動機の回転数が高回転低負荷を規定する運転領域に該当する場合には、前記所定期間内の平均出力トルクを前記トルク指令と対応するように、回生制動トルクと、ゼロ以上の駆動トルクとのそれぞれを所定期間内において周期的に出力させるオンオフ制御を行うステップを含むことを特徴とする電動機の制御方法。

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