JP2016039679A - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造を簡素化することのできる回転電機の制御装置を提供する。
【解決手段】回転電機１０は、スター結線された各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗを有するステータ１１と、スター結線の中性点Ｐｎに接続される界磁巻線１２ａを有するロータ１２と、ロータ１２の電気角θｅを検出する回転角センサ１３とを備える。制御装置２０は、駆動回路２２を介して回転電機１０の駆動を制御するマイコン２１を備える。マイコン２１は、ｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び零相電圧指令値を設定するとともに、これらの各電圧指令値を電気角θｅを用いて各相電圧指令値に変換し、変換した各相電圧指令値に基づき各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗに付与される電圧値を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、巻線界磁型の回転電機の制御装置に関する。

この種の回転電機としては、特許文献１に記載の電動機がある。この電動機は、電機子巻線を有するステータと、界磁巻線を有するロータと、電機子巻線に供給される交流電圧を制御する電機子電圧印加手段と、界磁巻線に供給される直流電圧を制御する界磁電圧印加手段とを有している。電機子巻線は、電機子電圧印加手段から供給される交流電力に基づき回転磁界を形成する。界磁巻線は、界磁電圧印加手段から供給される直流電圧に基づき励磁され、界磁を形成する。電機子巻線により形成される回転磁界の磁極と、界磁巻線により形成される界磁の磁極との間で吸引力及び反発力が生じることによりロータにトルクが付与される。

特開２０１２−８０７７６号公報

ところで、特許文献１に記載の電動機は、界磁巻線に供給される電圧を制御するための界磁電圧印加手段が必須の構成である。これが電動機の制御装置の構成を複雑化させる要因となっている。

なお、このような課題は、電動機に限らず、発電機や、電動機及び発電機の両者の機能を有するモータジェネレータ等、回転電機の制御装置に共通する課題である。
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、構造を簡素化することのできる回転電機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決する回転電機の制御装置は、スター結線された各相の電機子巻線を有するステータと、前記スター結線の中性点に接続される界磁巻線を有するロータと、を備える回転電機の制御装置であって、前記ロータの電気角を検出する回転角センサと、前記回転電機に付与すべき電圧の指令値としてｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び零相電圧指令値を設定するとともに、前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び前記零相電圧指令値を前記電気角を用いて各相電圧指令値に変換し、前記各相電圧指令値に基づき前記各相の電機子巻線に付与される電圧値を制御する制御部と、を備える。

各相電機子巻線のスター結線の中性点は零相電圧となっている。したがって、上記構成によれば、零相電圧が界磁巻線に付与されるため、零相電圧指令値を所要に設定することにより、界磁巻線に付与される電圧値を制御することが可能である。これにより、界磁巻線に付与される電圧値を制御するための専用の制御回路が不要となるため、回転電機の構造を簡素化することができる。

界磁を形成する方法としては、ロータに界磁巻線を設けるという方法に限らず、例えば励磁巻線により磁界を形成し、この磁界に基づき界磁を形成する界磁形成手段をロータに設けるという方法が考えられる。しかしながら、この方法を採用した場合、励磁巻線の電圧値を制御するための専用の制御回路が必要となるため、回転電機の制御装置の構造が複雑化するという課題が同様に生じ得る。

この課題を解決する回転電機の制御装置は、スター結線された各相の電機子巻線を有するステータと、前記スター結線の中性点に接続される励磁巻線と、前記励磁巻線により形成される磁界に基づき界磁を形成する界磁形成手段を有するロータと、を備える回転電機の制御装置であって、前記ロータの電気角を検出する回転角センサと、前記回転電機に付与すべき電圧の指令値としてｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び零相電圧指令値を設定するとともに、前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び前記零相電圧指令値を前記電気角を用いて各相電圧指令値に変換し、前記各相電圧指令値に基づき前記各相の電機子巻線に付与される電圧値を制御する制御部と、を備える。

この構成によれば、零相電圧が励磁巻線に付与されるため、零相電圧指令値を所要に設定することにより、励磁巻線に付与される電圧値を制御することが可能である。これにより、励磁巻線に付与される電圧値を制御するための専用の制御回路が不要となるため、回転電機の構造を簡素化することができる。

上記回転電機の制御装置について、前記回転電機の各相電流値を検出する電流センサを更に備え、前記制御部は、前記回転電機に付与すべき電流の指令値としてｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値、及び零相電流指令値を設定するとともに、前記各相電流値を前記電気角を用いてｄ軸電流値、ｑ軸電流値、及び零相電流値に変換し、前記ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流値との偏差、前記ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流値との偏差、及び前記零相電流指令値と前記零相電流値との偏差に基づき前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び前記零相電圧指令値をそれぞれ設定することが好ましい。

この構成によれば、零相電圧指令値を所要に設定することにより、零相電流値を、すなわち界磁巻線に供給される電流値を任意に設定することができるため、界磁の強さを任意に設定することができる。また、ｑ軸電流値を所要に設定することにより、ｑ軸鎖交磁束数を任意に設定することもできる。したがって、上記構成によれば、界磁の強さ及びｑ軸鎖交磁束数を任意に設定することができるため、より精度良く回転電機の駆動トルクや負荷トルクを制御することが可能となる。

上記回転電機の制御装置について、前記回転電機により発生すべき駆動トルクの指令値を設定する駆動トルク設定部を更に備え、前記制御部は、前記駆動トルク指令値に基づきｑ軸電流指令値及び零相電流指令値を設定するとともに、前記ｄ軸電流指令値を零に設定することが好ましい。

この構成によれば、駆動トルク指令値に応じた駆動トルクを回転電機から発生させることができる。
上記回転電機の制御装置について、前記制御部は、前記ロータの角速度が速くなるほど、界磁が弱まるように前記零相電流指令値を調整することが好ましい。

この構成によれば、ロータの角速度が速くなるほど界磁が弱まるため、各相の電機子巻線に発生する逆起電圧を減少させることができる。これにより、ロータの角速度を上昇させることができるため、ｄ軸電流値を零に維持したまま、弱め界磁制御と同等の効果を得ることができる。

上記回転電機の制御装置について、前記回転電機により発生すべき負荷トルクの指令値を設定する負荷トルク設定部を更に備え、前記制御部は、前記負荷トルク指令値に基づきｑ軸電流指令値及び零相電流指令値を設定するとともに、前記ｄ軸電流指令値を零に設定することが好ましい。

この構成によれば、負荷トルク指令値に応じた駆動トルクを回転電機から発生させることができる。

本発明によれば、構造を簡素化することができる。

回転電機の制御装置の一実施形態についてその概略構成を示すブロック図。 実施形態の回転電機の制御装置についてそのマイコンの制御処理の手順を示す制御ブロック図。 実施形態のマイコンについてそのｑ軸電流指令値及び零相電流指令値の演算手順を示すフローチャート。 ロータ角速度とゲインとの関係を示すマップ。 （ａ），（ｂ）は、実施形態の回転電機の制御装置におけるロータの電気角、Ｕ相電圧値、Ｖ相電圧値、Ｗ相電圧値、及び零相電圧値の関係をそれぞれ示すグラフ。 回転電機の制御装置の他の実施形態についてその概略構成を示すブロック図。

以下、回転電機の制御装置の一実施形態について説明する。本実施形態の回転電機１０は電動機及び発電機のそれぞれの機能を併せ持つ、いわゆるモータジェネレータである。
図１に示すように、回転電機１０は、ステータ１１と、回転電機１０の出力軸（図示略）と一体的に回転するロータ１２と、ロータ１２の電気角θｅを検出する回転角センサ１３とを有している。

ステータ１１は、スター結線されたＵ相電機子巻線１１ｕ、Ｖ相電機子巻線１１ｖ、及びＷ相電機子巻線１１ｗを有している。
ロータ１２は界磁巻線１２ａを有している。界磁巻線１２ａの一端部はスリップリング１４ａを介して各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗのスター結線の中性点Ｐｎに電気的に接続されている。スリップリング１４ａは、ロータ１２の回転の際に界磁巻線１２ａの一端部が中性点Ｐｎに電気的に接続された状態を維持する。また、界磁巻線１２ａの他端部はスリップリング１４ｂ及び抵抗１５を介して接地に接続されている。スリップリング１４ｂは、ロータ１２の回転の際に界磁巻線１２ａの他端部が抵抗１５と電気的に接続された状態を維持する。

次に、回転電機１０の駆動を制御する制御装置２０の構成について説明する。
制御装置２０は、制御部としてのマイクロコンピュータ２１と、駆動回路２２と、電流センサ２３ｕ〜２３ｗとを有している。以下では、マイクロコンピュータ２１を「マイコン２１」と略記する。

駆動回路２２は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電力を給電線Ｗｕ〜Ｗｗを介して回転電機１０の各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗに供給する。詳しくは、駆動回路２２は、上側トランジスタ２２ａ及び下側トランジスタ２２ｄの直列回路と、上側トランジスタ２２ｂ及び下側トランジスタ２２ｅの直列回路と、上側トランジスタ２２ｃ及び下側トランジスタ２２ｆの直列回路とをそれぞれ並列接続してなる周知のインバータ回路を有している。また、駆動回路２２は、トランジスタ２２ａ〜２２ｆにそれぞれ並列接続される環流ダイオードＤを有している。各上側トランジスタ２２ａ〜２２ｃはバッテリ４０に接続されている。各下側トランジスタ２２ｄ〜２２ｆは接地に接続されている。上側トランジスタ２２ａと下側トランジスタ２２ｄとの接続点Ｐｕ、上側トランジスタ２２ｂと下側トランジスタ２２ｅとの接続点Ｐｖ、及び上側トランジスタ２２ｃと下側トランジスタ２２ｆとの接続点Ｐｗは、給電線Ｗｕ〜Ｗｗを介して回転電機１０の各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗにそれぞれ接続されている。駆動回路２２は、マイコン２１から送信される駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６に基づき各トランジスタ２２ａ〜２２ｆがスイッチングされることにより、バッテリ４０から供給される直流電圧「＋Ｂ」を三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電圧に変換する。変換された各相交流電圧は給電線Ｗｕ〜Ｗｗを介して回転電機１０の各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗにそれぞれ供給される。

電流センサ２３ｕ〜２３ｗは下側トランジスタ２２ｄ〜２２ｆのそれぞれの接地配線に設けられている。電流センサ２３ｕ〜２３ｗは、下側トランジスタ２２ｄ〜２２ｆに対して直列接続されたシャント抵抗を有する周知の構成からなる。電流センサ２３ｕ〜２３ｗは、回転電機１０の各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗに供給される電流値Ｉｕ〜Ｉｗをそれぞれ検出する。

マイコン２１は、電流センサ２３ｕ〜２３ｗの出力、及び回転電機１０の回転角センサ１３の出力を取り込む。また、マイコン２１は、制御装置２０とは別の上位ＥＣＵ３０と通信可能に接続されている。

上位ＥＣＵ３０は、回転電機１０を電動機及び発電機のいずれで駆動させるかを示すモード指令信号Ｓｍをマイコン２１に送信する。上位ＥＣＵ３０は、回転電機１０を電動機として駆動させる場合、その旨のモード指令信号Ｓｍをマイコン２１に送信するとともに、回転電機１０により発生すべき駆動トルクの指令値ＴＤ＊をマイコン２１に送信する。また、上位ＥＣＵ３０は、回転電機１０を発電機として駆動させる場合、その旨のモード指令信号Ｓｍをマイコン２１に送信するとともに、回転電機１０に発生すべき負荷トルクの指令値ＴＬ＊をマイコン２１に送信する。なお、上位ＥＣＵ３０は、回転角センサ１３により検出される電気角θｅの経時的な変化に基づきロータ１２の回転方向を検出し、検出された回転方向と逆方向のトルクがロータ１２に作用するように負荷トルク指令値ＴＬ＊を設定する。このように、本実施形態では、上位ＥＣＵ３０が駆動トルク設定部及び負荷トルク設定部に対応している。

マイコン２１は、上位ＥＣＵ３０から送信されるモード指令信号Ｓｍに基づき回転電機１０を電動機及び発電機のいずれで駆動させるかを判断する。マイコン２１は、回転電機１０を電動機として駆動させる場合、上位ＥＣＵ３０から送信される駆動トルク指令値ＴＤ＊、電流センサ２３ｕ〜２３ｗにより検出される各相電流値Ｉｕ〜Ｉｗ、及び回転角センサ１３により検出される電気角θｅに基づき駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６を生成する。また、マイコン２１は、回転電機１０を発電機として駆動させる場合、上位ＥＣＵ３０から送信される負荷トルク指令値ＴＬ＊、各相電流値Ｉｕ〜Ｉｗ、及び電気角θｅに基づき駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６を生成する。

次に、図２を参照して、マイコン２１による駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６の生成手順を説明する。
図２に示すように、マイコン２１は、電流指令値演算部５０と、減算器５１ａ〜５１ｃと、Ｆ／Ｂ（フィードバック）制御部５２ａ〜５２ｃと、電圧指令値座標変換部５３と、制御信号生成部５４と、電流値座標変換部５５と、角速度演算部５６とを備えている。

角速度演算部５６は、回転角センサ１３により検出される電気角θｅの微分値を演算することにより、ロータ１２の角速度ωを演算する。角速度演算部５６は、演算したロータ角速度ωを電流指令値演算部５０に出力する。

電流指令値演算部５０はｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、及び零相電流指令値Ｉ０＊を演算する。ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊は、ｄ／ｑ座標系における回転電機１０の供給電流の指令値を示す。零相電流指令値Ｉ０＊は零相電圧の指令値を示す。本実施形態の零相電流指令値Ｉ０＊は、中性点Ｐｎを流れる電流の指令値、換言すれば界磁巻線１２ａに供給される電流の指令値に対応する。

具体的には、電流指令値演算部５０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を零に設定するとともに、駆動トルク指令値ＴＤ＊及び負荷トルク指令値ＴＬ＊に基づきｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊を演算する。その演算手法は次の通りである。

回転電機の駆動トルクＴｅは、界磁磁束（電機子巻線鎖交磁束数）Φｆａ、及びｑ軸電流値Ｉｑに基づき以下の式（１）により求めることができる。
Ｔｅ＝Φｆａ×Ｉｑ ・・・（１）
ここで、図１に示すように、本実施形態の回転電機１０では、ロータ１２の界磁巻線１２ａが界磁を形成する。したがって、界磁巻線１２ａに供給される電流値（零相電流値）をＩ０、界磁巻線１２ａのインダクタンスをＬ０とすると、界磁磁束Φｆａは以下の式（２）により求めることができる。

Φｆａ＝Ｌ０×Ｉ０ ・・・（２）
よって、式（１）及び式（２）により、駆動トルクＴｅは以下の式（３）により求めることができる。

Ｔｅ＝Ｌ０×Ｉ０×Ｉｑ ・・・（３）
すなわち、駆動トルク指令値ＴＤ＊及び負荷トルク指令値ＴＬ＊は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊に基づき以下の式（４）及び式（５）のようにそれぞれ設定することができる。

ＴＤ＊＝Ｌ０×Ｉ０＊×Ｉｑ＊ ・・・（４）
ＴＬ＊＝Ｌ０×Ｉ０＊×Ｉｑ＊ ・・・（５）
また、本実施形態では、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と零相電流指令値Ｉ０＊との関係を以下の式（６）に示すように定義している。なお、「ｎ」は零よりも大きい整数である。

Ｉ０＝Ｉｑ／ｎ ・・・（６）
電流指令値演算部５０は、この式（４）〜式（６）を利用して駆動トルク指令値ＴＤ＊及び負荷トルク指令値ＴＬ＊からｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊をそれぞれ演算する。図３は、電流指令値演算部５０によるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊の演算手順を示したものである。

図３に示すように、電流指令値演算部５０は、まず、モード指令信号Ｓｍに基づき回転電機１０を電動機として駆動させるか否かを判断する（Ｓ１）。電流指令値演算部５０は、回転電機１０を電動機として駆動させる場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、上記の式（４）及び式（６）に基づき駆動トルク指令値ＴＤ＊からｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊を演算する（Ｓ２）。次に、電流指令値演算部５０は、弱め界磁制御を実行すべく、Ｓ３及びＳ４の処理を実行する。すなわち、電流指令値演算部５０は、零相電流指令値Ｉ０＊のゲインＧをロータ角速度ωに基づき演算する（Ｓ３）。詳しくは、電流指令値演算部５０は、図４に示すようなロータ角速度ωの絶対値が大きくなるほど、ゲインＧが小さくなるように設定されたマップを有している。電流指令値演算部５０は、図４に示すマップに基づきロータ角速度ωに基づきゲインＧを演算し（Ｓ３）、このゲインＧを零相電流指令値Ｉ０＊に乗算することにより零相電流指令値Ｉ０＊を補正する（Ｓ４）。このような零相電流指令値Ｉ０＊の補正により、ロータ角速度ωが速くなるほど、零相電流指令値Ｉ０＊の絶対値が小さくなる。

また、電流指令値演算部５０は、回転電機１０を電動機として駆動させていない場合（Ｓ１：ＮＯ）、すなわち回転電機１０を発電機として駆動させる場合、上記の式（５）及び式（６）に基づき負荷トルク指令値ＴＬ＊からｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊を演算する（Ｓ５）。

図２に示すように、電流指令値演算部５０は、演算したｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、及び零相電流指令値Ｉ０＊を減算器５１ａ〜５１ｃにそれぞれ出力する。

電流値座標変換部５５は、（ｕ−ｖ−ｗ）座標系の各相電流値Ｉｕ〜Ｉｗを（ｄ−ｑ−０）座標系に座標変換することによりｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑ、及び零相電流指令値Ｉ０＊を演算する。具体的には、電流値座標変換部５５は、以下の式（７）及び式（８）に基づきｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑ、及び零相電流指令値Ｉ０＊を演算する。

なお、［ｃ］^-1は、以下の変換行列の逆行列を示す。

電流値座標変換部５５は、演算したｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑ、及び零相電流値Ｉ０を減算器５１ａ〜５１ｃにそれぞれ出力する。

減算器５１ａは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊からｄ軸電流値Ｉｄを減算することによりｄ軸電流偏差ΔＩｄ（＝Ｉｄ＊−Ｉｄ）を演算し、このｄ軸電流偏差ΔＩｄをＦ／Ｂ制御部５２ａに出力する。Ｆ／Ｂ制御部５２ａは、ｄ軸電流偏差ΔＩｄに基づきｄ軸電流値Ｉｄをｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に追従させる電流フィードバック制御を実行することによりｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を演算し、このｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を電圧指令値座標変換部５３に出力する。

減算器５１ｂは、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊からｑ軸電流値Ｉｑを減算することによりｑ軸電流偏差ΔＩｑ（＝Ｉｑ＊−Ｉｑ）を演算し、このｑ軸電流偏差ΔＩｑをＦ／Ｂ制御部５２ｂに出力する。Ｆ／Ｂ制御部５２ｂは、ｑ軸電流偏差ΔＩｑに基づきｑ軸電流値Ｉｑをｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に追従させる電流フィードバック制御を実行することによりｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を演算し、このｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を電圧指令値座標変換部５３に出力する。

減算器５１ｃは、零相電流指令値Ｉ０＊から零相電流値Ｉ０を減算することにより零相電流偏差ΔＩ０（＝Ｉ０＊−Ｉ０）を演算し、この零相電流偏差ΔＩ０をＦ／Ｂ制御部５２ｃに出力する。Ｆ／Ｂ制御部５２ｃは、零相電流偏差ΔＩ０に基づき零相電流値Ｉ０を零相電流指令値Ｉ０＊に追従させる電流フィードバック制御を実行することにより零相電圧指令値Ｖ０＊を演算し、この零相電圧指令値Ｖ０＊を電圧指令値座標変換部５３に出力する。

電圧指令値座標変換部５３は、（ｄ−ｑ−０）座標系のｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、及び零相電圧指令値Ｖ０＊を（ｕ−ｖ−ｗ）座標系に座標変換することにより各相電圧指令値Ｖｕ＊〜Ｖｗ＊を演算する。具体的には、電圧指令値座標変換部５３は、以下の式（９）に基づき各相電圧指令値Ｖｕ＊〜Ｖｗ＊を演算する。なお、［ｃ］は上記式（８）の変換行例を示す。

電圧指令値座標変換部５３は、演算した各相電圧指令値Ｖｕ＊〜Ｖｗ＊を制御信号生成部５４に出力する。

制御信号生成部５４は各相電圧指令値Ｖｕ＊〜Ｖｗ＊に基づき駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６を生成する。駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６は、回転電機１０をＰＷＭ（パルス幅変調）駆動させるための制御信号である。例えば、制御信号生成部５４は、各相電圧指令値Ｖｕ＊〜Ｖｗ＊に対応した各相のデューティ指示値を演算した後、各相のデューティ指示値と搬送波（ＰＷＭキャリア）との比較に基づき駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６を生成する。

図１に示すように、マイコン２１は、駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６を駆動回路２２のトランジスタ２２ａ〜２２ｆのそれぞれのベース端子に印加することにより各トランジスタ２２ａ〜２２ｆを開閉駆動させる。この各トランジスタ２２ａ〜２２ｆの開閉駆動に基づき駆動回路２２から回転電機１０に各相交流電力が供給され、回転電機１０が駆動する。

次に、本実施形態の回転電機１０の動作例（作用）を説明する。
回転電機１０が電動機として駆動している場合、マイコン２１は、上位ＥＣＵ３０から伝達される駆動トルク指令値ＴＤ＊に基づき駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６を生成する。この駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６に基づき駆動回路２２が駆動することにより、各相交流電圧Ｖｕ〜Ｖｗが回転電機１０の各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗにそれぞれ印加され、回転磁界が形成される。各相交流電圧Ｖｕ〜Ｖｗは電圧指令値Ｖｕ＊〜Ｖｗ＊に追従するようにそれぞれ変化する。図５（ａ）は、各相交流電圧Ｖｕ〜Ｖｗの変化を示したものである。図５（ａ）に示すように、各相交流電圧Ｖｕ〜Ｖｗは零相電圧Ｖ０を振幅の中央値として電気角θｅの変化に対して正弦波状に変化するとともに、それぞれの位相が電気角θｅの位相で１２０度ずつずれている。零相電圧Ｖ０は各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗのスター結線の中性点Ｐｎに印加される電圧となる。すなわち、零相電圧Ｖ０が界磁巻線１２ａに印加されることにより界磁巻線１２ａに零相電流（Ｉ０）が供給され、界磁巻線１２ａが界磁を形成する。この界磁の磁極と、各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗにより形成される回転磁界の磁極との間で吸引力及び反発力が生じることにより駆動トルク指令値ＴＤ＊に応じた駆動トルクがロータ１２に付与され、ロータ１２が回転する。

そして、図５（ａ）に示すように各相交流電圧Ｖｕ〜Ｖｗが推移している状態で上位ＥＣＵ３０が駆動トルク指令値ＴＤ＊を増加させると、マイコン２１はｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊のそれぞれの値を増加させる。これにより、各相電圧指令値Ｖｕ＊〜Ｖｗ＊が増加するため、各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗにそれぞれ印加される各相交流電圧Ｖｕ〜Ｖｗが増加する。そのため、各相交流電圧Ｖｕ〜Ｖｗの波形は、図５（ａ）に示す波形から、図５（ｂ）に示す波形へと変化する。これにより、零相電圧Ｖ０が増加するため、界磁巻線１２ａに供給される電流値が増加し、界磁が強くなる。また、ｑ軸鎖交磁束数も増加する。そのため、ロータ１２に付与されるトルク、すなわち回転電機１０の駆動トルクが増加する。

また、回転電機１０が電動機として駆動している場合、マイコン２１は零相電流指令値Ｉ０＊のゲインＧをロータ角速度ωに応じて図４に示すように変化させる。これにより、ロータ角速度ωが速くなるほど、零相電圧Ｖ０が小さくなるため、界磁巻線１２ａに供給される電流値が小さくなる。すなわち、界磁巻線１２ａにより形成される界磁が弱くなる。したがって、各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗに発生する逆起電圧を抑制することができるため、ロータ角速度ωを速めることができる。すなわち、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を零に設定したまま、弱め界磁制御と同等の効果を得ることができる。

一方、回転電機１０が発電機として駆動している場合、マイコン２１は、上位ＥＣＵ３０から伝達される負荷トルク指令値ＴＬ＊に基づき駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６を生成する。この駆動信号Ｓｃ１〜Ｓｃ６に基づき駆動回路２２が駆動することにより、界磁巻線１２ａに零相電流（Ｉ０）が流れ、界磁巻線１２ａが界磁を形成する。この界磁がロータ１２の回転に伴い回転することにより、各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗに電磁誘導作用により起電力が誘起される。各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗに誘起された起電力は、駆動回路２２の環流ダイオードＤを介してバッテリ４０に充電される。このとき、負荷トルク指令値ＴＬ＊に応じた負荷トルクがロータ１２に付与され、ロータ１２に回生ブレーキが作用する。具体的には、負荷トルク指令値ＴＬ＊の絶対値が大きくなるほど、ロータ１２の回転の際にロータ１２に作用する負荷トルクが大きくなり、負荷トルク指令値ＴＬ＊の絶対値が小さくなるほど、ロータ１２の回転の際にロータ１２に作用する負荷トルクが小さくなる。すなわち、負荷トルク指令値ＴＬ＊の設定値に応じてロータ１２に作用する負荷トルクの大きさを変化させることができる。特に、上位ＥＣＵ３０が負荷トルク指令値ＴＬ＊を零に設定した場合には、ロータ１２に作用する負荷トルクを零にすることができるため、無負荷の状態でロータ１２を回転させることが可能となる。

以上説明した本実施形態の回転電機１０によれば以下の効果を得ることができる。
（１）零相電圧指令値Ｖ０＊に基づき零相電圧Ｖ０を制御することにより、界磁巻線１２ａに印加される電圧値を制御することができる。これにより、界磁巻線１２ａに印加される電圧を制御するための専用の制御回路が不要となるため、回転電機１０の構造を簡素化することができる。また、磁石界磁型の回転電機１０と比較すると、希土類磁石を用いる必要がないため、コストを低減することもできる。

（２）マイコン２１は、上位ＥＣＵ３０から伝達される駆動トルク指令値ＴＤ＊あるいは負荷トルク指令値ＴＬ＊に基づきｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊を設定するとともに、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を零に設定することとした。そして、マイコン２１は、各電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊，Ｉ０＊と実際の電流値Ｉｄ，Ｉｑ，Ｉ０とのそれぞれの偏差に基づきｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、及び零相電圧指令値Ｖ０＊を演算することとした。これにより、駆動トルク指令値ＴＤ＊に応じた駆動トルク、あるいは負荷トルク指令値ＴＬ＊に応じた負荷トルクを回転電機１０から発生させることができる。

（３）マイコン２１は、回転電機１０を電動機として駆動させる場合、ロータ角速度ωが速くなるほど、界磁巻線１２ａにより形成される界磁が弱まるように零相電流指令値Ｉ０＊を調整することとした。これにより、ｄ軸電流値を零に維持したまま、弱め界磁制御と同等の効果を得ることができる。また、ゲインＧを零に近づけることにより、界磁の強さを限りなく零に近づけることができる。すなわち、弱め界磁制御の限界が無くなるため、磁石界磁型の電動機と比較すると、より高速でロータを回転させることが可能である。

なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・回転電機１０から抵抗１５を割愛してもよい。
・回転電機１０は、界磁を形成するための構造として、図６に示す構造を採用してもよい。図６に示すように、この変形例の回転電機１０は、各相電機子巻線１１ｕ〜１１ｗのスター結線の中性点Ｐｎに接続される励磁巻線１６を備えている。励磁巻線１６における中性点Ｐｎに接続される一端部と反対側の他端部は抵抗１５を介して接地に接続されている。これにより、零相電圧Ｖ０が励磁巻線１６に印加されることにより励磁巻線１６に零相電流（Ｉ０）が流れ、励磁巻線１６が磁界Ｍを形成する。ロータ１２は、励磁巻線１６により形成される磁界に基づき界磁を形成する界磁形成手段１２ｂを有している。界磁形成手段１２ｂとしては、例えば磁性部材や電磁石を採用することができる。このような構成によれば、励磁巻線１６に付与される電圧値を制御するための専用の制御回路が不要となるため、上記実施形態と同様に、回転電機１０の構造を簡素化することができる。

・電流指令値演算部５０は、駆動トルク指令値ＴＤ＊に基づきｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊を設定するものに限らず、駆動トルク指令値ＴＤ＊に基づきｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊のいずれか一方を設定するものであってもよい。例えばｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を一定値とし、駆動トルク指令値ＴＤ＊に基づき零相電流指令値Ｉ０＊を設定してもよい。また、その逆に、零相電流指令値Ｉ０＊を一定値とし、駆動トルク指令値ＴＤ＊に基づきｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を設定してもよい。負荷トルク指令値ＴＬ＊に関しても同様である。

・電流指令値演算部５０は、図３のＳ３及びＳ４の処理に代えて、ロータ角速度ωが所定の閾値以上になることに基づいて、界磁巻線により形成される界磁が弱まるように零相電流指令値Ｉ０＊を調整してもよい。

・電流指令値演算部５０は図３のＳ３及びＳ４の処理を実行しなくてもよい。すなわち、弱め界磁制御を実行しなくてもよい。この構成であっても、上記の（１）及び（２）の効果を得ることは可能である。

・電流指令値演算部５０は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊の演算手法として、上記式（４）〜（６）を用いた演算手法に限らず、適宜の演算手法を採用することが可能である。要は、電流指令値演算部５０は、駆動トルク指令値ＴＤ＊及び負荷トルク指令値ＴＬ＊からｑ軸電流指令値Ｉｑ＊及び零相電流指令値Ｉ０＊をそれぞれ演算するものであればよい。

・電流指令値演算部５０は、各種補償制御を実行することにより、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、及び零相電流指令値Ｉ０＊を設定してもよい。なお、採用する補償制御によっては、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を零以外の値に設定してもよい。

・上記実施形態の回転電機１０は、電動機及び発電機のいずれか一方の機能のみを有するものであってもよい。すなわち、上記実施形態の回転電機１０は電動機としてのみ用いてもよいし、発電機としてのみ用いてもよい。この場合、上位ＥＣＵ３０は、駆動トルク指令値ＴＤ＊を設定する駆動トルク設定部、及び負荷トルク指令値ＴＬ＊を設定する負荷トルク設定部のいずれか一方のみとして機能してもよい。

・マイコン２１は、各種センサの出力値に基づいて自身で駆動トルク指令値ＴＤ＊及び負荷トルク指令値ＴＬ＊を演算してもよい。
（付記）
次に、上記実施形態及びその変形例から把握できる技術的思想について追記する。

（イ）前記制御部は、前記ロータの角速度が所定の閾値以上になることに基づいて、前記界磁巻線により形成される界磁が弱まるように前記零相電流指令値を調整する回転電機の制御装置。この構成によれば、弱め界磁制御と同等の効果を得ることができる。

１０…回転電機、１１…ステータ、１１ｕ〜１１ｗ…各相の電機子巻線、１２…ロータ、１２ａ…界磁巻線、１２ｂ…界磁形成手段、１３…回転角センサ、１６…励磁巻線、２０…制御装置、２１…マイコン（制御部）、２３ｕ〜２３ｗ…電流センサ、３０…上位ＥＣＵ（駆動トルク設定部，負荷トルク設定部）。

Claims (6)

1. スター結線された各相の電機子巻線を有するステータと、
   前記スター結線の中性点に接続される界磁巻線を有するロータと、を備える回転電機の制御装置であって、
   前記ロータの電気角を検出する回転角センサと、
   前記回転電機に付与すべき電圧の指令値としてｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び零相電圧指令値を設定するとともに、前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び前記零相電圧指令値を前記電気角を用いて各相電圧指令値に変換し、前記各相電圧指令値に基づき前記各相の電機子巻線に付与される電圧値を制御する制御部と、
   を備える回転電機の制御装置。
2. スター結線された各相の電機子巻線を有するステータと、
   前記スター結線の中性点に接続される励磁巻線と、
   前記励磁巻線により形成される磁界に基づき界磁を形成する界磁形成手段を有するロータと、を備える回転電機の制御装置であって、
   前記ロータの電気角を検出する回転角センサと、
   前記回転電機に付与すべき電圧の指令値としてｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値、及び零相電圧指令値を設定するとともに、前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び前記零相電圧指令値を前記電気角を用いて各相電圧指令値に変換し、前記各相電圧指令値に基づき前記各相の電機子巻線に付与される電圧値を制御する制御部と、
   を備える回転電機の制御装置。
3. 前記回転電機の各相電流値を検出する電流センサを更に備え、
   前記制御部は、
   前記回転電機に付与すべき電流の指令値としてｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値、及び零相電流指令値を設定するとともに、
   前記各相電流値を前記電気角を用いてｄ軸電流値、ｑ軸電流値、及び零相電流値に変換し、
   前記ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流値との偏差、前記ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流値との偏差、及び前記零相電流指令値と前記零相電流値との偏差に基づき前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値、及び前記零相電圧指令値をそれぞれ設定する
   請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
4. 前記回転電機により発生すべき駆動トルクの指令値を設定する駆動トルク設定部を更に備え、
   前記制御部は、前記駆動トルク指令値に基づきｑ軸電流指令値及び零相電流指令値を設定するとともに、前記ｄ軸電流指令値を零に設定する
   請求項３に記載の回転電機の制御装置。
5. 前記制御部は、前記ロータの角速度が速くなるほど、界磁が弱まるように前記零相電流指令値を調整する
   請求項４に記載の回転電機の制御装置。
6. 前記回転電機により発生すべき負荷トルクの指令値を設定する負荷トルク設定部を更に備え、
   前記制御部は、前記負荷トルク指令値に基づきｑ軸電流指令値及び零相電流指令値を設定するとともに、前記ｄ軸電流指令値を零に設定する
   請求項３〜５のいずれか一項に記載の回転電機の制御装置。