JP2014054066A - 回転電機駆動システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束可変型の回転電機を含む回転電機駆動システムの制御装置において、ＰＷＭ制御と矩形波制御との切替を行う構成で、システム損失を低くすることである。
【解決手段】制御装置１０は、ＰＷＭ制御モードと矩形波制御モードとの間で切り替えるモード切替部５４と、回転電機２０の回転数及びトルク指令値とロータ３２の設定磁束量との関係を予め設定した磁束量マップ１６，１８から、回転数及びトルク指令値に応じた設定磁束量を設定する磁束量設定部５６とを含む。磁束量マップ１６，１８は、回転数及びトルク指令値と設定磁束量との関係において、回転数が増大するほど設定磁束量が減少しトルク指令値が増大するほど設定磁束量が増大し、モード切替境界Ｌ１の磁束切替境界Ｓ１，Ｓ２近傍では、回転数の増大に応じて設定磁束量が不連続に増大する関係を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータの磁束量を可変とする磁束可変型の回転電機を含む回転電機駆動システムの制御装置に関する。

従来から特許文献１、２に記載されるように磁束可変型の回転電機が知られている。特許文献１に記載された回転電機は、回転軸方向に二分割した２つのロータの回転軸方向の位置関係を変化させ、ロータで発生しトルクに寄与する有効磁束を可変とする機械的磁束可変型の構造である。また、特許文献１には、回転電機の回転数とトルクと最大効率点との関係を示す効率マップを使用することも記載されている。

特許文献２に記載された回転電機は、ロータにそれぞれ複数ずつ設けられた固定磁石及び可変磁石を含む電気的磁束可変型の構造である。固定磁石の磁束量はほぼ一定であり、可変磁石の磁束量はステータ電流に応じて変化する。

特開２０１０−２５２４８９号公報 特開２０１０−２１３４２９号公報

特許文献１、２に記載された磁束可変型の回転電機は、駆動回路であるインバータにより駆動される。インバータは、回転電機とともに回転電機駆動システムを構成する。また、回転電機駆動システムの制御装置によって、回転電機の制御方式をＰＷＭ制御モードと矩形波制御モードとの間で切り替える場合がある。回転電機駆動システムのシステム損失には、鉄損等の回転電機自体の損失だけでなく、スイッチング損失等のインバータ損失も含まれる。制御方式としてＰＷＭ制御を使用すると、矩形波制御の場合よりもスイッチング回数が多くなりスイッチング損失が高くなるので、システム損失を小さくするためにＰＷＭ制御よりも矩形波制御を使用する方がよい場合がある。

また、高回転領域では誘起電圧がインバータの入力電圧を越えるのでＰＷＭ制御領域を行えず、ＰＷＭ制御から矩形波制御に切り換えることが一般的である。一方、特許文献１に記載された磁束可変型回転電機で使用する効率マップでは、回転電機のトルクが一定で、回転数が高くなるほど磁束量が減少するように、トルクと回転数との関係から磁束量を設定し、回転電機の高回転での効率が向上するようにしている。ただし、磁束量が減少するほどＰＷＭ制御から矩形波制御への切り替わりが高回転側になり、ＰＷＭ制御が使用される範囲が大きくなる。このため、システム損失として、回転電機の損失だけでなくスイッチング損失も考慮すると、回転数の増大に応じて磁束量を単純に減少させることはシステム損失を低くする面から好ましくない。このため、ＰＷＭ制御と矩形波制御との切替を行う構成で、駆動回路の損失を含めたシステム損失を低くする面から改良の余地がある。

本発明の目的は、磁束可変型の回転電機を含む回転電機駆動システムの制御装置において、ＰＷＭ制御と矩形波制御との切替を行う構成で、駆動回路の損失を含めたシステム損失を低くすることである。

本発明に係る回転電機駆動システムの制御装置は、ロータの磁束量を可変とする磁束可変型の回転電機と、前記回転電機を駆動する駆動回路とを備える回転電機駆動システムの制御装置であって、前記回転電機の制御方式をＰＷＭ制御モードと矩形波制御モードとの間で切り替えるモード切替部と、前記回転電機の回転数及びトルク指令値と前記ロータの設定磁束量との関係を予め設定した磁束量関係から、前記回転数及び前記トルク指令値に応じた前記設定磁束量を設定する磁束量設定部と、前記ロータの磁束量が前記設定磁束量になるように前記磁束量を変更する磁束量変更部とを備え、前記磁束量関係は、前記回転数及び前記トルク指令値と前記設定磁束量との関係において、前記回転数が増大するほど前記設定磁束量が減少し、前記トルク指令値が増大するほど前記設定磁束量が増大し、前記制御方式のモード切替の設定磁束量切替近傍では、前記回転数の増大に応じて前記設定磁束量が不連続に増大する関係を有することを特徴とする。

本発明に係る回転電機駆動システムの制御装置において、好ましくは、前記磁束量関係は、前記回転電機駆動システムの損失が最小となるように、前記回転数及び前記トルク指令値と前記設定磁束量との関係を設定している。

本発明に係る回転電機駆動システムの制御装置において、好ましくは、前記モード切替が前記回転数及び前記トルク指令値の関係で非線形に変化する。

本発明に係る回転電機駆動システムの制御装置において、好ましくは、前記磁束量関係を記憶する磁束量関係記憶部を備え、前記磁束量設定部は、前記磁束量関係記憶部から取得した前記磁束量関係から、前記制御装置で取得された前記回転数及び前記トルク指令値に応じた前記設定磁束量を設定する。

本発明に係る回転電機駆動システムの制御装置において、好ましくは、前記磁束量関係記憶部は、前記駆動回路の入力電圧の複数の設定電圧値に対応して複数種類の前記磁束量関係を記憶し、前記磁束量設定部は、前記制御装置で取得された前記駆動回路の入力電圧に応じて前記磁束量関係を選択し、選択された前記磁束量関係から、前記制御装置で取得された前記回転数及び前記トルク指令値に応じて前記設定磁束量を設定する。

本発明に係る回転電機駆動システムの制御装置において、好ましくは、前記磁束量関係記憶部は、前記磁束量関係として、前記回転数及び前記トルク指令値と前記設定磁束量との関係を表すマップまたは関係式を記憶する。

本発明の回転電機駆動システムの制御装置によれば、回転電機の回転数及びトルク指令値と設定磁束量との関係を設定する磁束量関係は、制御方式のモード切替の設定磁束量切替近傍で、回転電機の回転数の増大に応じて設定磁束量が不連続に増大する関係を有する。このため、設定磁束量の低い側で回転数が比較的低くても、設定磁束量が不連続に、すなわちステップ状に増大するので、磁束量と回転数との積に比例する誘起電圧を高くでき、システム損失を低くするための矩形波制御の実行範囲を大きくでき、システム損失を低くできる。

本発明の実施形態の制御装置を含む回転電機駆動システムの概略構成（ａ）と、制御装置の磁束量関係記憶部に記憶された磁束量マップ（ｂ）とを示す図である。 図１に示した回転電機でロータの２つのロータ要素の位相をずらした様子を示す図である。 インバータ電圧がＫ１（Ｖ）である場合の磁束量マップを示す図である。 インバータ電圧が、Ｋ１（Ｖ）よりも大きいＫ２（Ｖ）である場合の磁束量マップを示す図である。 図３のＡ部拡大図である。 図３で矢印γ方向に移行する場合の磁束量の変化を示す図である。 図３の磁束量マップで磁束量領域を省略して制御切替境界を分かりやすくした図である。 図６で点Ｑ１から点Ｑ２に移行する場合の制御方式の変化を示す図である。 比較例の制御装置で使用する磁束量マップを示す図である。 実施形態の制御装置で回転電機の回転数の増大に応じて不連続増大部分で誘起電圧が不連続に増大し制御が切り替わる様子を示す図である。 インバータの入力電圧がＫ１（Ｖ）である場合の、比較例で生じるシステム損失（ａ）と本発明の実施形態で生じるシステム損失（ｂ）とを比較して示す図である。 インバータの入力電圧がＫ２（Ｖ）である場合の、比較例で生じるシステム損失（ａ）と本発明の実施形態で生じるシステム損失（ｂ）とを比較して示す図である。 実施形態の制御装置で使用する磁束量マップの別例を示す、図５Ａに対応する図である。 実施形態の制御装置で使用する磁束量マップの別例の第２例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。以下ではすべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。

図１は、本発明の実施形態の制御装置１０を含む回転電機駆動システム１２の概略構成（ａ）と、制御装置１０の磁束量関係記憶部１４に記憶された磁束量マップ１６，１８（ｂ）とを示す図である。

回転電機駆動システム１２は、回転電機２０と、駆動回路であるインバータ２６と、電源である蓄電装置２８と、昇圧回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ２９と、制御装置１０とを備える。回転電機駆動システム１２は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両に搭載されて、回転電機２０をモータとして使用し、図示しない車輪を回転電機２０により駆動するために使用する。回転電機２０は、発電機として使用してもよい。

回転電機２０は、図示しないケーシングに固定されるステータ３０と、ステータ３０に径方向に対向配置されるロータ３２とを備える。回転電機２０は、ロータ３２で発生しトルクに寄与する有効磁束を機械的に可変とする。なお、回転電機は、有効磁束を可変とするものであればよく、後述するように有効磁束を電気的に可変とするものでもよい。

ステータ３０は、ステータコア３４と、複数相であるｕ相、ｖ相、ｗ相の３相のステータ巻線３６とを含む。３相のステータ巻線３６は、ステータコア２４に集中巻きまたは分布巻き等で巻回されている。

ステータ巻線３６に複数相の交流電流が流れるとステータコア３４の内周面に設けられた複数の突極３８が磁化し、ステータ３０に回転磁界が生成される。

ロータ３２は、ステータ３０と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ３０に対し回転可能である。ロータ３２の中心軸孔には回転電機２０のケーシングの軸受に支持された回転軸４０が挿入固定される。ロータ３２は、回転軸方向に分離された第１ロータ要素４２と第２ロータ要素４４と、アクチュエータ４６とを含む。第１ロータ要素４２は回転軸４０に固定されるが、第２ロータ要素４４は、回転軸４０上に設けられた図示しない螺旋状のスプラインに沿って回転しながら回転軸４０方向に変位可能である。

第１ロータ要素４２は、図示しない円筒状の第１ロータコアの外周面に埋め込み等により固定された複数の永久磁石４８，５０を含む。複数の永久磁石４８，５０の極性はロータ回転方向に交互に異なっている。第２ロータ要素４４は、図示しない円筒状の第２ロータコアの外周面に同様に固定された複数の永久磁石４８，５０を含んでいる。永久磁石４８は外周側がＮ極であり、永久磁石５０は外周側がＳ極である

アクチュエータ４６は、第２ロータ要素４４を回転軸４０方向に移動させることで、第１ロータ要素４２に対する第２ロータ要素４４の回転軸４０方向の位置関係を変更可能とする。この位置関係が変更されることで第２ロータ要素４４における永久磁石４８，５０の回転方向の位置関係が、第１ロータ要素４２の永久磁石４８，５０に対して変わるのでロータ３２の有効磁束量が変化する。

図１（ａ）は第１ロータ要素４２の永久磁石４８，５０の位相が第２ロータ要素４４の永久磁石４８，５０の位相と一致する場合である。この場合、ロータ３２の有効磁束量が最大となる。これに比べて第２ロータ要素４４が回転軸４０に対しいずれかの方向に回転して、第２ロータ要素４４の永久磁石４８，５０の位相が第１ロータ要素４２の永久磁石４８，５０の位相に対してずれると有効磁束量が減少する。

図２は、図１に示した回転電機２０でロータ３２の２つのロータ要素４２，４４の位相をずらした様子を示す図である。図２に示すように、第２ロータ要素４４の永久磁石４８，５０の位相が第１ロータ要素４２の永久磁石４８，５０の位相に対して１８０度の電気角分ずれると、ロータ３２のロータ要素４２，４４は、軸方向にＮ極とＳ極とが配置され、有効磁束量は０になる。図１の有効磁束量を１００％とすると、第２ロータ要素４４を第１ロータ要素４２に対し回転軸４０方向に移動させることで有効磁束量を０〜１００％の間、すなわち図１と図２とのそれぞれのロータ要素４２，４４の配置関係の間で変化させることが可能になる。ロータ３２の有効磁束量は後述するように、制御装置１０で設定され、その設定された有効磁束量が得られるようにアクチュエータ４６が制御される。

図１に示すように、回転電機２０の単位時間当たりの回転数Ｒｅ（min^-1）は、レゾルバ等を含む回転数検出部５２で検出され、その回転数Ｒｅが制御装置１０に入力される。なお、回転数検出部５２の代わりに、回転電機２０の回転角度を検出し、その回転角度を制御装置１０に入力する角度検出部を使用してもよい。この場合、制御装置１０で検出された回転角度から回転電機２０の単位時間当たりの回転数を演算し取得する。

回転電機２０は、回転電機駆動システム１２のインバータ２６により駆動する。インバータ２６は、蓄電装置２８に接続され、制御装置１０により制御されて、蓄電装置２８からの直流電流をｕ相、ｖ相、ｗ相の３相の交流電流に変換する。蓄電装置２８は、充放電可能であり、例えば二次電池により構成する。蓄電装置２８はキャパシタでもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２９は、インバータ２６と蓄電装置２８との間に接続され、蓄電装置２８の電圧を、蓄電装置２８の出力電圧ＶＬ（Ｖ）から後述するＫ２（Ｖ）までの範囲で昇圧してインバータ２６に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２９の昇圧比は制御装置１０により制御される。蓄電装置２８に昇圧の必要がない場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２９を省略してもよい。インバータ２６の入力電圧であるインバータ電圧Ｖｈは、電圧センサ５３により検出され、制御装置１０に入力される。

制御装置１０は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータを含み、例えば回転電機２０が車両の駆動モータとして利用された場合、車両の図示しないアクセルペダルセンサ等から入力される加速指令信号に応じて図示しない別の制御装置で回転電機２０のトルク指令値Ｔｒ（Ｎｍ）を算出する。制御装置１０は、別の制御装置から供給されたトルク指令値Ｔｒに応じて、インバータ２６のスイッチング素子を制御してインバータ２６を駆動して回転電機２０を制御する。制御装置１０は、機能ごとに分割された複数の制御装置により構成してもよい。また、制御装置１０で加速指令信号を入力しトルク指令値Ｔｒを算出してもよい。

制御装置１０は、モード切替部５４と磁束量設定部５６と磁束量変更部５８とを有する。モード切替部５４は、回転電機２０の回転数Ｒｅ及びトルク指令値Ｔｒに関係づけて、図１（ｂ）、図３、図４に示す磁束量マップ１６，１８に設定されるモード切替であるモード切替境界Ｌ１，Ｌ２で、回転電機２０の制御方式をＰＷＭ制御と矩形波制御との間で切り替える機能を有する。なお、ＰＷＭ制御は、正弦波ＰＷＭ制御と、過変調ＰＷＭ制御との一方または両方でもよい。ＰＷＭ制御は、電圧指令値と搬送波とを比較することでＰＷＭ信号を生成し、回転電機を制御する方式である。一方、矩形波制御は、矩形波の電圧で回転電機を制御する方式であり、電圧振幅は最大値に固定され電流位相を制御することでトルクを制御する。図３の場合、モード切替境界Ｌ１は、ロータ３２の有効磁束量に応じて異なる範囲に設定される境界要素Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を含む。境界要素Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、それぞれ磁束量が異なる領域に設定されており、磁束量が低い領域の境界要素になるほど回転数が高くなるように設定されている。この理由は、ロータ３２の磁束量が低くなるほど、インバータ電圧Ｖｈとバランスさせる誘起電圧が高回転側にずれるためである。インバータ電圧Ｖｈに対する回転電機２０の電圧指令の実効値の比である変調率が所定値未満ではＰＷＭ制御が実行され、所定値以上では矩形波制御が実行される。

磁束量設定部５６は、電圧センサ５３から取得したインバータ電圧Ｖｈと、回転電機２０の回転数Ｒｅ及びトルク指令値Ｔｒとロータ２２の有効磁束量である設定磁束量との関係を予め設定した磁束量関係である磁束量マップとから、回転数Ｒｅ及びトルク指令値Ｔｒに応じた設定磁束量を設定する機能を有する。より具体的には、制御装置１０が有する磁束量関係記憶部１４に、複数の磁束量マップ１６，１８のデータを記憶している。複数の磁束量マップ１６，１８は、インバータ電圧Ｖｈについて予め所定電圧間隔ごとに設定された複数の設定電圧値Ｋ１，Ｋ２（Ｖ）のそれぞれに対応して複数種類が記憶されている。なお、以下の説明では磁束量マップ１６，１８が２つ記憶された場合を説明するが、磁束量マップとして１つまたは３つ以上を記憶させ、記憶させたものを使用してもよい。

図３、図４は、２つのインバータ電圧Ｖｈにおける磁束量マップである。図３は、インバータ電圧ＶｈがＫ１（Ｖ）である場合の磁束量マップ１６を示す図であり、図４は、インバータ電圧ＶｈがＫ２（Ｖ）である場合の磁束量マップ１８を示す図である。Ｋ２はＫ１よりも大きい。図５Ａは、図３のＡ部拡大図である。

各磁束量マップ１６，１８で、回転数Ｒｅ及びトルク指令値Ｔｒに関係づけて互いに設定磁束量が異なる複数の磁束量領域Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５が設定される。図３、図４で砂地部分、複数の丸印部分、複数のＸ印部分、複数の三角印部分、白地部分のそれぞれで、磁束量領域Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５を示している。ここでＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５ではそれぞれ設定磁束量φが１００％、７５％、５０％、２５％、０％である。ここで設定磁束量は最大に設定される場合を１００％として、他の磁束量を最大設定の場合に対する比率として説明する。

このような磁束量領域Ｇ１、Ｇ２・・・Ｇ５は、回転数Ｒｅ及びトルク指令値Ｔｒの関係で、鉄損や弱め界磁損失等の回転電機２０の損失及びインバータ２６の損失であるスイッチング損失を含む回転電機駆動システム１２のシステム損失を最小にするように設定される。各磁束量マップ１６，１８において、隣り合う磁束量領域Ｇ１、Ｇ２・・・Ｇ５間は、設定磁束量切替である磁束切替境界Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４で仕切られている。図３の各磁束切替境界Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、回転電機２０の回転数の増大に応じて階段状に、トルク指令値の高い側である図３の上側に単調に変化する。また、図３の磁束切替境界Ｓ１，Ｓ２は、モード切替境界Ｌ１の近傍で、回転数の増大に応じてトルク指令値の低い側に変化する磁束量切替要素Ｓ１ａ、Ｓ２ａを有する。また、磁束切替境界Ｓ１，Ｓ２は、磁束量切替要素Ｓ１ａ、Ｓ２ａの高回転数側端部からトルク指令値の高い側に向かって立ち上がる磁束量切替要素Ｓ１ｂ、Ｓ２ｂを有する。このような図３の磁束量マップ１６は、回転数Ｒｅ及びトルク指令値Ｔｒと設定磁束量φとの関係として、標準関係と磁束量増大関係とを有する。次にこれを詳しく説明する。

標準関係は、回転数Ｒｅが増大するほど設定磁束量φが減少し、トルク指令値Ｔｒが増大するほど設定磁束量φが増大する関係である。図３ではＧ１，Ｇ２・・・の順に設定磁束量が減少しており、図３の回転数増大方向である矢印α方向に向かうほどＧ１，Ｇ２，Ｇ３と移行するため、設定磁束量φが減少する。また、図３のトルク指令値増大方向である矢印β方向に向かうほどＧ５、Ｇ４，Ｇ３，Ｇ２、Ｇ１と移行するため、設定磁束量φが増大する。

図５Ａに示すように、磁束量増大関係はモード切替境界Ｌ１を構成し、磁束量φが１００％である領域Ｇ１内の境界要素Ｍ１の磁束切替境界Ｓ１近傍の端部Ｖ１近傍で、回転数Ｒｅの増大に応じて、斜格子で示す不連続増大部分Ｐ１で設定磁束量が不連続に、すなわち７５％から１００％にステップ状に増大する関係を有する。この不連続増大部分Ｐ１は、モード切替境界Ｌ１を構成して磁束量φが７５％である領域Ｇ２内の境界要素Ｍ２の低回転数側に設定される。同様に、図３に示すように、モード切替近傍関係は、モード切替境界Ｌ１を構成し磁束量φが７５％である領域Ｇ２内の境界要素Ｍ２の端部Ｖ２近傍で、回転数Ｒｅの増大に応じて、斜格子で示す不連続増大部分Ｐ２で設定磁束量が不連続に、すなわち５０％から７５％にステップ状に増大する関係を有する。

図５Ｂは、図３で矢印γ方向に移行する場合の磁束量の変化を示す図である。トルク一定で回転数が増大する矢印γ方向に移行する場合、磁束量は１００％から７５％に不連続に低下するが、不連続増大部分Ｐ１で１００％に不連続に増大し、その後、７５％、５０％と単調に不連続に低下する。

同様に、図４の各磁束切替境界Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４も、回転電機２０の回転数Ｒｅの増大に応じてステップ状に、トルク指令値Ｔｒの高い側である図４の上側に変化する部分と、磁束量切替要素Ｓ１ａとを有する。磁束量切替要素Ｓ１ａは、モード切替境界Ｌ２の磁束切替境界Ｓ１近傍の端部Ｖａ近傍に設定され、回転数Ｒｅの増大に応じてトルク指令値Ｔｒの低い側である図３の下側に変化する。

また、図４の磁束量マップ１８でも、回転数Ｒｅ及びトルク指令値Ｔｒと設定磁束量φとの関係として、標準関係と磁束量増大関係とを有する。標準関係は、回転数Ｒｅが増大するほど設定磁束量φが減少し、トルク指令値Ｔｒが増大するほど設定磁束量φが増大する関係である。図４では回転数増大方向である矢印α方向に向かうほどＧ１，Ｇ２，Ｇ３と移行するため、設定磁束量φが減少する。また、図４のトルク指令値増大方向である矢印β方向に向かうほどＧ５、Ｇ４，Ｇ３，Ｇ２、Ｇ１と移行するため、設定磁束量φが増大する。磁束量増大関係は、モード切替境界Ｌ２を構成し磁束量φが１００％である領域Ｇ１内の境界要素Ｍａの磁束切替境界Ｓ１近傍の端部Ｖａ近傍で、回転数Ｒｅの増大に応じて、斜格子で示す不連続増大部分Ｐａで設定磁束量が不連続に、すなわち７５％から１００％にステップ状に増大する関係を有する。

図６は、図３の磁束量マップ１６で磁束量領域を省略してモード切替境界Ｌ１を分かりやすくした図である。モード切替境界Ｌ１は、異なる磁束量領域Ｇ１，Ｇ２・・・内に設定される境界要素Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３と、不連続増大部分Ｐ１，Ｐ２のトルク指令値の変化側の外周部を構成する磁束量切替要素Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂとを含んで構成される。モード切替境界Ｌ１は、回転数及びトルク指令値の関係で非線形に変化している。

図３、図４の各磁束量マップ１６，１８では、２つのインバータ電圧Ｖｈに応じて、回転電機駆動システム１２の損失が最小となるように複数の磁束量領域Ｇ１、Ｇ２・・・Ｇ５が設定されている。例えば蓄電装置２８の出力電圧をＶＬとする場合に、インバータ電圧ＶｈがＶＬ以上でＫ１以下の範囲で磁束量マップ１６が選択され、インバータ電圧ＶｈがＫ１を超えてＫ２以下の範囲で磁束量マップ１８が選択されるようにする。３つ以上のマップを使用する場合も同様に、インバータ電圧に応じてマップを選択できる。

また、インバータ電圧ＶｈがＫ１である図３の磁束量マップの磁束量１００％の不連続増大部分Ｐ１に比べて、インバータ電圧ＶｈがＫ２である図４の磁束量マップの磁束量１００％の不連続増大部分Ｐａは高回転数側に設定されている。このように、インバータ電圧Ｖｈが異なる磁束量マップ１６，１８同士の間で、回転数及びトルク指令値と不連続増大部分Ｐ１，Ｐａとの関係は変化している。なお、図１（ｂ）、図３、図４のマップでは、回転数とトルク指令値との関係で不連続増大部分Ｐ１，Ｐ２等の一部を除いて磁束切替境界Ｓ１，Ｓ２・・・が階段状に変化している。このように磁束切替境界Ｓ１，Ｓ２・・・が変化する理由は、マップの記憶のために数が限定された離散的なデータを使用するためである。記憶されるデータ数を多くすることで階段部分の一部を滑らかな曲線状に設定してもよい。

図１に戻って、磁束量設定部５６は、このように設定された磁束量マップ１６，１８から、制御装置１０で取得された回転数及びトルク指令値に応じた設定磁束量を設定する。この場合、磁束量設定部５６は、磁束量関係記憶部１４にインバータ電圧に応じて２種類記憶されている磁束量マップ１６，１８のうち、制御装置１０で取得されたインバータ電圧Ｖｈに対応する磁束量マップを選択し、選択された磁束量マップから、制御装置１０で取得された回転数及びトルク指令値に応じて設定磁束量を設定する。

そして、磁束量変更部５８は、ロータ３２の磁束量が設定された設定磁束量になるように磁束量を変更する。この場合、設定磁束量が得られるようにアクチュエータ４６に第２ロータ要素４４の移動を指示する制御信号を出力する。アクチュエータ４６は、この制御信号に応じて第２ロータ要素４４と第１ロータ要素４２との位置関係を変更することで、ロータ３２で発生する有効磁束量を設定磁束量に変更する。

このような回転電機駆動システム１２の制御装置１０によれば、磁束量設定に使用される磁束量マップ１６，１８は、モード切替境界Ｌ１，Ｌ２の磁束量切替境界Ｓ１，Ｓ２の近傍で、回転電機２０の回転数Ｒｅの増大に応じて設定磁束量が不連続に増大する関係を有するので、設定磁束量の低い側で回転数が比較的低くても、設定磁束量が不連続増大部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐａで不連続に、すなわちステップ状に増大する。このため、磁束量と回転数との積に比例する誘起電圧を高くでき、システム損失を低くするための矩形波制御の実行範囲を大きくでき、システム損失を低くできる。この結果、回転電機駆動システム１２をハイブリッド車両等の電動車両に搭載して回転電機２０を車輪の駆動源として使用する場合に、車両のエネルギ消費を低減でき、燃料を使用する場合に燃費改善を図れる。

図７は、図６で点Ｑ１から点Ｑ２に移行する場合の制御方式の変化を示す図である。点Ｑ１、Ｑ２はトルク指令値一定であり、低回転数側のＰＷＭ制御領域内のＱ１から不連続増大部分Ｐ１を通過しながら、高回転数側の矩形波制御領域内のＱ２に向かっている。図７では、トルク指令値を一定とし、モード切替境界Ｌ１を境界要素Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｍ２によって分断している。この場合、Ｑ１からＱ２に向かって、制御方式がＰＷＭ制御モード→矩形波制御モード→ＰＷＭ制御モード→矩形波制御モードと切り替わる。このように不連続増大部分Ｐ１でＰＷＭ制御モードから矩形波制御モードに切り替えることができる。

次に、本実施形態の効果をより明らかにするために比較例と本実施形態との磁束量マップを比較する。図８は、比較例の制御装置で使用する磁束量マップ１６ａを示す図である。磁束量マップ１６ａは、図３の磁束量マップ１６に対応する。磁束量マップ１６ａは、回転数Ｒｅが増大するほど設定磁束量φが減少し、トルク指令値Ｔｒが増大するほど設定磁束量φが増大する標準関係を有する。例えば図８で回転数Ｒｅが高くなるように矢印α方向に向かうほど領域Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３に順に移行して、設定磁束量φは低くなる。また、図８でトルク指令値Ｔｒが増大するように矢印β方向に向かうほど領域Ｇ５，Ｇ４、Ｇ３・・・に順に移行して、設定磁束量φは増大する。また、磁束量マップ１６ａでは、図３の磁束量マップ１６と異なり、磁束量増大関係を有しない。すなわち、図３の実施形態と図８の比較例とを比較して理解されるように、図８では、不連続増大部分Ｐ１，Ｐ２がなく、モード切替境界Ｌ１ａの近傍で、回転数の増大に応じて設定磁束量が不連続に増大する関係はない。

このような比較例では、図８で太い実線で示したモード切替境界Ｌ１ａでＰＷＭ制御モードから矩形波制御モードに切り替わるが、例えば境界要素Ｍ２の低回転数側ではＰＷＭ制御のままである。このため、図８の一点鎖線δで囲んだ部分で磁束量を多くすれば矩形波制御への切替によりシステム損失を低くできる場合でも、比較例ではスイッチング損失の大きいＰＷＭ制御のままであり、システム損失を低くする面から改良の余地がある。

この点に関して図９は、実施形態の制御装置１０で回転電機２０の回転数Ｒｅの増大に応じて不連続増大部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐａで誘起電圧Ｖｐが不連続に増大し制御が切り替わる様子を示す図である。図９に示すように回転数の低い領域でも不連続部分で誘起電圧を不連続に増大でき、矩形波制御を実行できる。図９のように回転数Ｒｅと誘起電圧Ｖｐとの基本的な関係として、磁束量φが一定であれば回転数Ｒｅの増大に直線状に比例して誘起電圧Ｖｐが増大する関係がある。すなわち、誘起電圧Ｖｐは回転数Ｒｅと磁束量φと定数ｋとを用いて次式で表される。

Ｖｐ＝ｋ×Ｒｅ×φ・・・（１）

したがって、誘起電圧Ｖｐは、所定回転数Ｒ１以上で矩形波制御実行のために必要な電圧Ｖｑとなり、矩形波制御を実行できる。回転数Ｒ１以上では矩形波制御の実行で誘起電圧Ｖｐは一定に維持される。特に、本実施形態ではこの基本関係に、不連続増大部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐａで誘起電圧Ｖｐが不連続に増大する関係を持たせるので、（１）式でφが急激に増大して比較的低回転数でも誘起電圧Ｖｐが電圧Ｖｑとなり、矩形波制御を実行できる。このため、システム損失を低くする矩形波制御の実行範囲を大きくできる。

なお、図９のＴ１部分に相当する図５Ａに示す不連続増大部分Ｐ１と境界要素Ｍ２とで挟まれた範囲Ｗ１では、設定磁束量は領域Ｇ２の７５％のままであり、設定磁束量が増大していない。この理由は、回転数がＰ１部分よりも高くなることで、磁束量が増大した場合の矩形波制御の実行で発生する弱め界磁損失が大きくなり、インバータ損失の低減分と比較した場合に磁束量を低くした方がシステム損失を低くできる範囲であるためである。

図１０、図１１は、比較例で生じるシステム損失（ａ）と、図１〜図７で説明した本発明の実施形態で生じるシステム損失（ｂ）とを計算し比較して示す図である。図１０は、インバータの入力電圧がＫ１（Ｖ）である場合であり、図１１は、インバータの入力電圧がＫ１（Ｖ）よりも大きいＫ２（Ｖ）である場合である。図１０、図１１の複数のＸ印部分、複数の丸印部分、砂地部分、斜線部分、斜格子部分、黒地部分のそれぞれは、回転電機駆動システムのシステム損失が互いに異なる領域Ｌ１，Ｌ２・・・Ｌ６である。ここで領域Ｌ１，Ｌ２・・・Ｌ６の順に損失が大きくなっている。図１０、図１１の計算結果から明らかなように、本実施形態では比較例に比べて高回転数側でシステム損失を低くできる。

また、磁束量関係記憶部１４は、インバータ電圧Ｖｈの複数の設定電圧値に対応して複数種類の磁束量関係である磁束量マップ１６，１８を記憶し、磁束量設定部５６は、制御装置１０で取得されたインバータ電圧Ｖｈに応じて磁束量マップとして１６（または１８）を選択し、選択された磁束量マップから、制御装置１０で取得された回転数Ｒｅ及びトルク指令値Ｔｒに応じて設定磁束量を設定するので、インバータ電圧Ｖｈの違いに応じて精度よくシステム損失を低減できる。また、蓄電装置２８の充電状態やＤＣ／ＤＣコンバータ２９の昇圧率等によりインバータ電圧Ｖｈが頻繁に変動する場合でもインバータ電圧Ｖｈに応じてシステム損失を低くできる磁束量マップを適切に選択して、最適な磁束量を設定できる。なお、上記では回転電機２０の回転数及びトルク指令値と設定磁束量との関係を記憶部にマップとして記憶させ、このマップを用いて磁束量を設定する場合を説明した。ただし、回転電機２０の回転数及びトルク指令値と設定磁束量との関係を表す関係式を記憶部に記憶させ、この関係式を用いて磁束量を設定してもよい。

また、本実施形態の別例として図１２に示すように不連続増大部分Ｐ１ａを広く設定することもできる。図１２は、実施形態の制御装置で使用する磁束量マップの別例を示す、図５Ａに対応する図である。図１２の別例では、モード切替境界Ｌ１の近傍に設定する不連続増大部分を図５Ａの境界要素Ｍ２に対応する部分まで広げている。この場合、点Ｑ１から点Ｑ２に移行する場合に、不連続増大部分Ｐ１ａの外周部を構成する磁束量切替要素Ｓ１ａで、制御方式がＰＷＭ制御モードから矩形波制御モードへ切り替わるだけでＰＷＭ制御モードに戻る場合がない。このように不連続増大部分Ｐ１ａの設定範囲は種々に変更できる。不連続増大部分Ｐ１ａは、システム損失を低減するように種々の範囲に設定できる。

図１３は、実施形態の制御装置１０で使用する磁束量マップの別例の第２例を示す図である。図１３の例では、磁束切替境界Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を階段状に設定せず回転数の増大に応じて直線状にトルク指令値が増大するように設定している。この場合でも、回転数及びトルク指令値と設定磁束量との関係において、回転数が増大するほど設定磁束量が減少し、トルク指令値が増大するほど設定磁束量が増大するが、モード切替の設定磁束量切替近傍では、不連続増大部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で回転数の増大に応じて設定磁束量が不連続に増大する関係を有する。その他の構成及び作用は、上記の図１から図７の実施形態と同様である。

また、上記では、可変磁束型の回転電機２０として機械的にロータ３２の有効磁束量を変化させる場合を説明したが、可変磁束型の回転電機の構造はこれに限定するものではなく種々の構造を採用できる。例えば、特許文献２に記載されているようなロータの有効磁束量を電気的に変化させる回転電機も採用できる。この場合、ロータコアの周方向複数個所に設定された磁極部と、隣接する磁極部の境界部とに固定磁石と可変磁石とをそれぞれ配置する。固定磁石は磁化方向がロータ径方向に向くように配置し、可変磁石は磁化方向が径方向に対し直交する方向に向くように配置する。固定磁石として例えば高保磁力磁石であるネオジム磁石を採用し、可変磁石として例えば低保磁力磁石であるアルニコ磁石を採用する。ステータ電流のｄ軸電流を変化させることで、可変磁石の磁束量を変化させ、ロータ全体の有効磁束量を設定磁束量に応じて変化させることができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ 制御装置、１２ 回転電機駆動システム、１４ 磁束量関係記憶部、１６，１８ 磁束量マップ、２０ 回転電機、２６ インバータ、２８ 蓄電装置、２９ ＤＣ／ＤＣコンバータ、３０ ステータ、３２ ロータ、３４ ステータコア、３６ ステータ巻線、３８ 突極、４０ 回転軸、４２ 第１ロータ要素、４４ 第２ロータ要素、４６ アクチュエータ、４８，５０ 永久磁石、５２ 回転数検出部、５３ 電圧センサ、５４ モード切替部、５６ 磁束量設定部、５８ 磁束量変更部。

Claims (6)

1. ロータの磁束量を可変とする磁束可変型の回転電機と、前記回転電機を駆動する駆動回路とを備える回転電機駆動システムの制御装置であって、
   前記回転電機の制御方式をＰＷＭ制御モードと矩形波制御モードとの間で切り替えるモード切替部と、
   前記回転電機の回転数及びトルク指令値と前記ロータの設定磁束量との関係を予め設定した磁束量関係から、前記回転数及び前記トルク指令値に応じた前記設定磁束量を設定する磁束量設定部と、
   前記ロータの磁束量が前記設定磁束量になるように前記磁束量を変更する磁束量変更部とを備え、
   前記磁束量関係は、
   前記回転数及び前記トルク指令値と前記設定磁束量との関係において、前記回転数が増大するほど前記設定磁束量が減少し、前記トルク指令値が増大するほど前記設定磁束量が増大し、前記制御方式のモード切替の設定磁束量切替近傍では、前記回転数の増大に応じて前記設定磁束量が不連続に増大する関係を有することを特徴とする回転電機駆動システムの制御装置。
2. 請求項１に記載の回転電機駆動システムの制御装置において、
   前記磁束量関係は、前記回転電機駆動システムの損失が最小となるように、前記回転数及び前記トルク指令値と前記設定磁束量との関係を設定していることを特徴とする回転電機駆動システムの制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機駆動システムの制御装置において、
   前記モード切替が前記回転数及び前記トルク指令値の関係で非線形に変化することを特徴とする回転電機駆動システムの制御装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機駆動システムの制御装置において、
   前記磁束量関係を記憶する磁束量関係記憶部を備え、
   前記磁束量設定部は、前記磁束量関係記憶部から取得した前記磁束量関係から、前記制御装置で取得された前記回転数及び前記トルク指令値に応じた前記設定磁束量を設定することを特徴とする回転電機駆動システムの制御装置。
5. 請求項４に記載の回転電機駆動システムの制御装置において、
   前記磁束量関係記憶部は、前記駆動回路の入力電圧の複数の設定電圧値に対応して複数種類の前記磁束量関係を記憶し、
   前記磁束量設定部は、前記制御装置で取得された前記駆動回路の入力電圧に応じて前記磁束量関係を選択し、選択された前記磁束量関係から、前記制御装置で取得された前記回転数及び前記トルク指令値に応じて前記設定磁束量を設定することを特徴とする回転電機駆動システムの制御装置。
6. 請求項４に記載の回転電機駆動システムの制御装置において、
   前記磁束量関係記憶部は、前記磁束量関係として、前記回転数及び前記トルク指令値と前記設定磁束量との関係を表すマップまたは関係式を記憶することを特徴とする回転電機駆動システムの制御装置。

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