JP2014045592A - 永久磁石式同期モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石式同期モータにおいて高調波のトルクリップルの次数に関係なく、トルクリップルを低減することができる。
【解決手段】トルク指令に基づいて演算された正弦波の基本電流信号を発生する電流信号発生装置６と、トルクリップルを低減するための補正信号を発生する補正信号発生装置９と、前記基本電流信号に補正信号を重畳する重畳装置１０を備え、前記基本電流信号に補正信号を重畳した電流信号に応じた電流をモータ２に供給する永久磁石式同期モータの制御装置１において、前記基本電流信号と、当該基本電流信号に相当する一定トルクで駆動した時の電流信号との差を求め、その差の電流信号を補正信号とする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、永久磁石式同期モータ、特に、電気自動車のインホイールモータとして最適な永久磁石式の同期モータの高次数のトルクリップルを低減する制振制御装置に関するものである。

永久磁石式同期モータには、３次、５次、７次、９次或いは６次、１２次等の高調波のトルクリップルが含まれているため、この形式のモータを電気自動車のインホイールモータとして用いた場合、特に、発進時或いは低速走行時においては、このトルクリップルのため、スムーズ感が損なわれ、また、車体に振動を誘発して乗員に不快感を与える原因となっていた。

特に、インホイールモータとして、アウターロータ形式の永久磁石式同期モータを用い、車輪を直接駆動する方式の場合には、０〜２０ｋｍ／ｈの低速域では車輪の回転数が０〜２００ｒｐｍと低いことから、トルクリップリにより発生する振動が車体側に伝わり、乗員に不快感を与える原因になっていた。そのため、非通電時のコギングトルクを低減するとともに、通電時におけるトルクリップルも低減する必要がある。

永久磁石式同期モータの通電時のトルクリップリを低減する技術は次の公報等で公知になっている。

特許文献１には、ロータに備えるマグネットを一方の磁極分のみとし、他方の磁極はロータコアの突極で代用したコンシクエントポール型モータのトルクリップルを低減する方法として、代表的な高調波成分である３次及び９次の高調波電流をマップ化し、このマップに記憶された所定の高周波電流を基本波電流に加味することにより、トルクリップルを低減させる技術が示されている。

また、特許文献２は、パワーステアリング用のブラシレスモータのトルクリップルを低減する方法として、通電に伴って電機子巻線に生じる誘起電圧の５次及び７次の高調波成分に対して、高調波成分と基本波との間に生じる位相差とモータ負荷との関係をマップ化するとともに、誘起電圧波形に含まれる高調波リップル率とモータ負荷との関係をマップ化し、これらのマップの位相差とモータ負荷の関係又は高調波リップル率とモータ負荷の関係を基本波に反映させることにより、５次及び７次のトルクリップルを低減させる技術が開示されている。

特開２０１１−１７６９９３号公報 特開２０１１−２５９６４８号公報

しかしながら、これらの特許文献１及び２の技術では、所定次数の高調波を低減するには有効であるが、モータの形式、或いはステータの形状等によって高調波の次数が異なるとともに、それらの高調波の基本波に対する含有率も異なるため、その都度制御方式を検討する必要がある。

そこで、この発明はこれらの従来技術を改善すべく、誘起電圧の歪みにともなう高調波成分を直接対象とするのではなく、トルクを所定の値に制御した場合の電流波形を利用し、トルクを所定の値に制御した時の電流波形と正弦波電流の波形との差を補正電流としてマップ化し、マップに記憶した補正電流値を正弦波の基本電流に重畳してモータに供給することによりトルクリップルを低減する、永久磁石式同期モータの制御装置を提供するものである。

請求項１の発明は、トルク指令に基づいて演算された正弦波の基本電流信号を発生する電流信号発生装置と、トルクリップルを低減するための補正信号を発生する補正信号発生装置と、前記基本電流信号に補正信号を重畳する重畳装置を備え、前記基本電流信号に補正信号を重畳した電流信号に応じた電流をモータに供給する永久磁石式同期モータの制御装置において、前記基本電流信号と、当該基本電流信号に相当する一定トルクで駆動した時の電流信号との差を求め、その差の電流信号を補正信号とする、永久磁石式同期モータの制御装置とした。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記補正信号発生装置は、前記基本波の回転角度及び負荷トルクの値、又は、基本波の回転角度、負荷トルクの値及び回転速度に応じて各補正信号を予めマップ化して選択自在に具備している、永久磁石式同期モータの制御装置とした。

また、請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記一定トルクで駆動した時の電流信号を、数理解析ソフトによるシミュレーション又は実験により求めた、永久磁石式同期モータの制御装置とした。

また、請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、前記モータは電気自動車のインホイールモータである、永久磁石式同期モータの制御装置とした。

また、請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記トルク一定駆動時の電流波形を、モータ回転速度０〜２００ｒｐｍの低速回転域を中心に求めた、永久磁石式同期モータの制御装置とした。

請求項１〜５の発明によれば、トルクを一定に制御した時の電流波形と基本波形の差の電流波形を補正信号としているので、高調波のトルクリップルの次数に関係なく、トルクリップルを低減することができる。また、補正信号を、トルク一定駆動時の電流波形を基準にして求めているので、トルクリップルの低減効果が確実で、かつ大きい。

この発明の実施の形態例１のアウターロータ式モータのロータとステータの関係を示す断面図である。 この発明の実施の形態例１のアウターロータ式モータの制御装置の構成図である。 この発明の実施の形態例１のアウターロータ式モータの正弦波の基本電流信号の波形と、この正弦波信号を与えた場合のトルクリップルを示すグラフ図であり、図３Ａは基本電流信号の波形を示し、図３Ｂはトルクリップル波形を示す。 この発明の実施の形態例１のアウターロータ式モータのトルク一定駆動した時のモータに供給された電流（上段）とその時のトルクリップル（下段）を示すグラフ図である。 この発明の実施の形態例１のアウターロータ式モータの制御装置における補正電流波形のグラフ図である。 この発明の実施の形態例のアウターロータ式モータの制御装置における出力トルク値の領域別の、基本波形の、ロータの回転角度（電気角）に対する補正信号波形を示したグラフ図である。 この発明の実施の形態例のアウターロータ式モータの制御装置における基本波形の、ロータの回転角度（電気角）に対する補正信号波形の電気角０．０２π毎のデータのマップ図である。 この発明の実施の形態例のアウターロータ式モータの制御装置における、基本波形に対する補正信号を近似式で表し、その近似式の係数の出力トルク及び回転速度に対する変化状態を示すマップ図である。 この発明の実施の形態例１のアウターロータ式モータを電気自動車のインホイールモータに使用した概略構成断面図である。

（実施の形態例１）
以下、この発明の実施の形態例１を図に基づいて説明する。図１はこの発明の制御装置を適用する永久磁石式同期モータであるアウターロータ式モータ２の構造を示す。当該アウターロータ式モータ２は、略円形のステータ２１と当該ステータ２１の外側を周方向に回転する円筒状のロータ２２から構成されている。前記ステータ２１は、所定間隔ごとに放射状に配設された複数本のティース２３と、当該各ティース２３に巻き回されたコイル２４とから成る。

また、前記ロータ２２には、当該ロータ２２を軸方向に貫通するＶ字マグネット２５が埋設され、当該Ｖ字マグネット２５はロータ２２の周方向に所定間隔毎に複数配設され、前記各Ｖ字マグネット２５は、２個の平板形状の永久磁石であるマグネット２５ａ、２５ｂから成り、当該マグネット２５ａ、２５ｂの側面の前記ロータ２２の内周面である内側縁２６がそれぞれ接して形成され、前記マグネット２５ａ、２５ｂは、前記ロータ２２の内周に対する接線と平行になるように配設されている。

そして、前記ロータ２２の磁極の数は１２であり、ステータ２１の前記各ティース２３の間の溝の数は１８である。

図２はこの発明の前記アウターロータ式モータ２の制御装置１の構成を示す。

前記アウターロータ式モータ２は、３相の永久磁石式同期モータであり、当該モータ２には前記ロータ２２の回転位置を検知するレゾルバ３を備えている。このレゾルバ３の出力信号は、制御装置１の回転情報検出部５に送られ、この回転情報検出部５で、前記ロータ２２の回転位置（電気角位置）及びロータ２２の回転速度が演算される。これらの出力信号は同じく制御装置１に設けられた電流信号発生装置６及び補正信号発生装置９に送られる。

また、同じく制御装置１に設けられたトルク指令部４は、運転手のアクセルペタル（図示省略）の位置センサー（図示省略）による踏み込み量に応じた信号を受け、それに基づいて必要トルクを演算し、トルク指令値を前記電流信号発生装置６に出力する。

前記電流信号発生装置６は、トルク指令部４からのトルク指令値及び回転情報検出部５からの回転位置信号及び回転速度信号を受け、トルク指令値、回転位置、回転速度に応じた電流量を演算し、図３Ａに示す、３相の正弦波の基本波電流信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを制御装置１の重畳装置１０に送出する。

前記電流信号発生装置６からの基本波電流信号は、後述する補正信号発生装置９からの補正信号と重畳装置１０で重畳され、補正信号により補正された電流信号が制御装置１の変換装置１１に送出される。

前記変換装置１１では補正された３相の電流信号Ｉｕ´、Ｉｖ´、Ｉｗ´を３相の電圧信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換され、制御装置１に設けたインバータ１２に供給され、インバータ１２の出力によって前記モータ２が駆動される構成となっている。

次に、補正信号発生装置９による補正信号が重畳されない場合について説明する。
補正信号が重畳されない場合は、電流信号発生装置６で発生した３相の電流信号が、補正されることなく、変換装置１１に供給され、正弦波の３相の電圧がインバータ１２に加えられる。この場合、図３Ｂに示すように、モータ２にはトルクリップルが含まれる。

図３Ｂは、数理解析ソフトを用いて、図３Ａに示す３相の正弦波電流を与えた場合のトルクリップルのシミュレーション結果を示す。なお、このシミュレーションは数理解析ソフト〔ジェイマグ（商標名）等〕によるが、実験によって測定しても同様の結果が得られる。

図３Ｂから明らかな通り、基本波電流波形に対して、高数次の高調波のトルクリップルが含まれている。

このトルクリップルの原因については電機子電流の反作用による誘起電圧の歪に因ると言われているが、このリップルの大きさ及び高調波次数は、モータ電機子のティース部の形状或いは磁極数とスリット数の関係等により変化することが知られている。

次に、図４について説明する。図４は、トルクリップルを低減する又はゼロにするため、モータ２のトルクを一定に制御した際の解析ソフトでシミュレーションした結果を示す。図４において、上側の電流波形はモータ２に供給された電流の波形であり、下側の波形はその時発生したトルクリップルである。当然、トルクリップルはゼロとなる。即ち、図４のグラフから、トルクリップルをゼロにするためには、補正電流を用いて、モータ２に供給する電流波形を正弦波から図４に示す電流波形に変える必要がある。

次に、図５に従って、補正信号の作成方法について説明する。図５において、波形Ａは正弦波の基本電流波形を示し、波形Ｂは正弦波の基本電流波形で得られるトルクに等しいトルクで、トルクを一定に制御した時の電流波形を示す。ここで、トルク一定制御で得られた電流波形Ｂとそれに相当する正弦波電流波形Ａの差電流差（波形Ｃ）を求め、この差の電流波形Ｃを補正信号として、正弦波の基本電流波形Ａに重畳すれば、トルクリップルを含まない、又はほとんど含まない、波形Ｂの電流波形が得られる。
（波形Ｂ）＝（波形Ａ）＋（波形Ｃ）＝（波形Ａ）＋（波形Ｂ−波形Ａ）

図２の前記補正信号発生装置９は、この原理に基づいて構成されたものである。即ち、波形Ａで示される正弦波の基本電流値に対する波形Ｃの補正電流値を、ロータ２２の回転位置及び負荷トルク（モータに供給される電流値）との関係でそれぞれ予め算出し、図６〜図８に示すように、これをマップ化して記憶しておき、回転情報検出部５からの回転位置信号及び電流センサ７からの電流値、即ち負荷トルクに応じて、電流信号発生装置６からの電流信号に対する補正信号を前記マップから選出し、この補正信号を重畳装置１０で電流信号発生装置６からの電流信号に重畳することによりトルクリップルの小さい、或いはトルクリップル率の少ない電流信号を得ることが出来る。

なお、前記制御装置１におけるローパスフィルタ８は、電流センサ７で検出された電流に含まれるリップル又はノイズを除去するためのものである。また、前記電流センサ７からの電流信号に代えて、電流信号発生装置６で演算された電流値を用いても良い。

次に、補正信号発生装置に記憶するマップの構成について述べる。
図６は、出力トルクの値別の、基本波形の、ロータの回転角度（電気角）に対する補正信号波形を示し、横軸は基本波形の電気角、縦軸は出力トルクに対するトルクリップルの割合（百分率）を示す。

図６に示すように、出力トルクが、０〜１００Ｎｍ、１００〜３００Ｎｍ及び３００Ｎｂ以上の３領域について、基本波形の電気角に応じた補正信号波形を作成し、その波形のデータをマップにそのまま記憶させておき、必要に応じて呼出して、補正信号を作成してもよい。

また、前記各波形のデータをそのまま記憶させた場合には、マップの容量が大きくなるが、記憶容量を小さくするため、図７に示すように、電気角０．０２π毎のデータをマップに記憶させ、必要に応じてそれらのデータを呼び出し、補正信号の作成に用いてもよい。

上記以外の他の方法としては、基本波形に対する図６に示す補正信号を以下の近似式で表し、
ｆ（θ）＝ａ１sin（ｎ１θ）＋ａ２sin（ｎ２θ）
係数ａ１、ａ２、及びｎ１、ｎ２を、図８に示すように、出力トルク、モータ回転速度に応じてマップ化し、上記近似式とマップの係数を用いて、補正信号を作成するようにしてもよい。なお、ａ１、ａ２は出力トルクに対する補正信号の波高の割合、ｎ１、ｎ２は基本波形に対する補正信号の高次数（例えば、６倍波、１２倍波の６及び１２を意味する）である。

また、特に、電気自動車用インホイールモータについてこの発明を適用する場合、電機自動車の不快感等から問題となるトルクリップルの範囲は、発進する、或いは２０ｋｍ／ｈ以下の低速領域であり、モータ回転数にして０〜２００ｒｐｍの範囲である。

従って、自動車用のインホイールモータの制御装置として用いる場合には、回転数０〜２００ｒｐｍの範囲については、回転数変化範囲が狭く、トルクリップルの速度依存性を無視することが出来るので、ロータ２２の回転位置とトルク負荷に対する補正信号をマップ化しておけば十分である。

なお、以上の実施の形態例１では、補正信号のマップを数理解析ソフトを用いたシミュレーション結果に基づき作成したが、これに限らず、実験等により、モータを一定トルク制御した時の電流波形を測定し、その測定結果に基づいて、マップを作成しても良い。

次に、この発明の三相永久磁石式同期モータを電気自動車のインホイールモータとして適用した時の概略構成図を図９に示す。

図示したように、ステータ２１とその外側のロータ２２から成るアウターロータ式モータ２は、略円筒形状のリム３１とディスク３２から成るホイール３３内に収容されている。ホイール３３のディスク３２は、シャフト３４の端部に備わるフランジ３５にボルト３６により固定されている。フランジ３５はボルト３７によりモータ２の外側を被うモータカバー３８と固定されている。

従って、ロータ２２が回転することにより、その回転はモータカバー３８、フランジ３５、ホイール３３の順に伝えられ、リム３１に取り付けられたタイヤ３９が回転する。ステータ２１は、その内側のインナーフレーム４０に固定されており、インナーフレーム４０とシャフト３４の間にはベアリング４１が介在されている。インナーフレーム４０は、ボルト４２によりナックル４３に固定される。また、ディスクキャリパー４４が前記ボルト４２により前記ナックル４３に固定され、前記シャフト３４の外周に固定されたブレーキディスク４５を把持自在となっている。

なお、上記実施例ではアウターロータ式モータの例を示したが、この発明は、インナーロータ式モータの制御装置にも適用できるものである。

１ 制御装置 ２ アウターロータ式モータ
３ レゾルバ ４ トルク指令部
５ 回転情報検出部 ６ 電流信号発生装置
７ 電流センサ ８ ローパスフィルタ
９ 補正信号発生装置 １０ 重畳装置
１１ 変換装置 １２ インバータ
２１ ステータ ２２ ロータ
２３ ティース ２４ コイル
２５ Ｖ字マグネット ２５ａ マグネット
２５ｂ マグネット ２６ 内側縁
３１ リム ３２ ディスク
３３ ホイール ３４ シャフト
３５ フランジ ３６ ボルト
３７ ボルト ３８ モータカバー
３９ タイヤ ４０ インナーフレーム
４１ ベアリング ４２ ボルト
４３ ナックル ４４ ディスクキャリパー
４５ ディスクブレーキ

Claims (5)

1. トルク指令に基づいて演算された正弦波の基本電流信号を発生する電流信号発生装置と、トルクリップルを低減するための補正信号を発生する補正信号発生装置と、前記基本電流信号に補正信号を重畳する重畳装置を備え、前記基本電流信号に補正信号を重畳した電流信号に応じた電流をモータに供給する永久磁石式同期モータの制御装置において、
   前記基本電流信号と、当該基本電流信号に相当する一定トルクで駆動した時の電流信号との差を求め、その差の電流信号を補正信号とすることを特徴とする、永久磁石式同期モータの制御装置。
2. 前記補正信号発生装置は、前記基本波の回転角度及び負荷トルクの値、又は、基本波の回転角度、負荷トルクの値及び回転速度に応じて各補正信号を予めマップ化して選択自在に具備していることを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石式同期モータの制御装置。
3. 前記一定トルクで駆動した時の電流信号を、数理解析ソフトによるシミュレーション又は実験により求めたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の永久磁石式同期モータの制御装置。
4. 前記モータは電気自動車のインホイールモータであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石式同期モータの制御装置。
5. 前記トルク一定駆動時の電流波形を、モータ回転速度０〜２００ｒｐｍの低速回転域を中心に求めたことを特徴とする、請求項４に記載の永久磁石式同期モータの制御装置。