JP2018125958A - Control apparatus of pole change electric motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、極数を切替可能な電動機の制御装置に関する。 The present invention relates to a motor control device capable of switching the number of poles.
この種の制御装置としては、特許文献1に見られるように、極数切替時における電動機のトルクショックの抑制を図るものが知られている。詳しくは、この制御装置は、例えば8極から4極への切替時において、8極に対応する指令トルクと4極に対応する指令トルクとの合計指令トルクを一定にしたまま、8極に対応する指令トルクを徐々に減少させるとともに4極に対応する指令トルクを徐々に増加させる。
As this type of control device, as disclosed in
特許文献1に記載された制御方法を用いたとしても、極数切替時において電動機で発生する電圧のピーク値が大きくなってしまう問題が生じ得る。このため、極数の切り替えが、例えば電動機の負荷が低負荷の場合にしか実施できなくなるといった制約が課される。この制約を無くすために、電圧のピーク値を低下させるべく極数切替時における合計指令トルクを低下させる方法も考えられる。しかし、この場合、電動機の実際の発生トルクが要求トルクに満たなくなる不都合が生じ得る。
Even if the control method described in
本発明は、上記不都合の発生を回避しつつ、極数切替時に発生する電圧のピーク値を低減できる極数切替電動機の制御装置を提供することを主たる目的とする。 The main object of the present invention is to provide a control device for a pole number switching motor that can reduce the peak value of the voltage generated at the time of pole number switching while avoiding the above-mentioned inconvenience.
本発明は、極数を切替可能な電動機(10)と、前記電動機に電気的に接続されたインバータ(20;26A,26B)と、を備えるシステムに適用され、3以上の整数をmとし、2以上の整数をnとする場合において、前記電動機は、m相のステータ巻線(12A〜12F)をn組有し、Aを2以上の偶数とする場合において、A極とn×A極とのうち、一方が切替前極数として定義され、他方が切替後極数として定義されている。 The present invention is applied to a system including an electric motor (10) whose number of poles can be switched, and an inverter (20; 26A, 26B) electrically connected to the electric motor, and an integer of 3 or more is m, In the case where n is an integer of 2 or more, the motor has n sets of m-phase stator windings (12A to 12F), and in the case where A is an even number of 2 or more, the A pole and the n × A pole Is defined as the number of poles before switching, and the other is defined as the number of poles after switching.
本発明は、前記切替前極数に対応する前記電動機のトルクである切替前トルクを切替前指令トルクに制御して、かつ、前記切替後極数に対応する前記電動機のトルクである切替後トルクを切替後指令トルクに制御すべく、前記インバータを操作するインバータ操作部(32〜35)と、極数切替期間において、前記切替前指令トルクを0に向かって徐々に減少させて、かつ、前記切替後指令トルクを0よりも大きい値に向かって徐々に増加させる切替部(31;36)と、を備え、前記切替前極数に対応した前記電動機の2次磁束が切替前2次磁束として定義され、前記切替前2次磁束を生じさせるために前記電動機に流れる電流が切替前励磁電流として定義され、前記切替後極数に対応した前記電動機の2次磁束が切替後2次磁束として定義され、前記切替後2次磁束を生じさせるために前記電動機に流れる電流が切替後励磁電流として定義されている。前記切替部は、前記極数切替期間の開始タイミングに先立ち、前記切替後励磁電流を増加させる処理、及び前記切替前励磁電流を減少させる処理のうち少なくとも一方の処理を行う。 The present invention controls the pre-switching torque, which is the torque of the motor corresponding to the pre-switching pole number, to the pre-switching command torque, and the post-switching torque, which is the torque of the motor corresponding to the post-switching pole number In order to control the command torque after switching, the inverter operating unit (32 to 35) that operates the inverter, and in the pole switching period, the command torque before switching is gradually decreased toward 0, and A switching unit (31; 36) for gradually increasing the command torque after switching toward a value larger than 0, and the secondary magnetic flux of the motor corresponding to the number of poles before switching is the secondary magnetic flux before switching. Defined, the current flowing through the motor to generate the secondary magnetic flux before switching is defined as the pre-switching excitation current, and the secondary magnetic flux of the motor corresponding to the post-switching pole number is defined as the secondary magnetic flux after switching. Is, the current flowing through the electric motor to produce a secondary magnetic flux after the switching is defined as the post-switching exciting current. The switching unit performs at least one of a process of increasing the post-switching excitation current and a process of decreasing the pre-switching excitation current prior to the start timing of the pole number switching period.
本発明は、切替前トルクを切替前指令トルクに制御して、かつ、切替後トルクを切替後指令トルクに制御すべく、インバータを操作するインバータ操作部を備えている。また本発明は、極数切替時のトルクショックを低減すべく、極数切替期間において、切替前指令トルクを0に向かって徐々に減少させて、かつ、切替後指令トルクを0よりも大きい値に向かって徐々に増加させる切替部を備えている。 The present invention includes an inverter operation unit that operates an inverter to control the pre-switching torque to the pre-switching command torque and to control the post-switching torque to the post-switching command torque. In the present invention, in order to reduce the torque shock at the time of switching the number of poles, the command torque before switching is gradually decreased toward 0 and the command torque after switching is larger than 0 in the period of switching the number of poles. The switching part which increases gradually toward is provided.
ここで、本発明と比較する構成として、極数切替期間の開始タイミングにおいて、切替後指令トルクとともに切替後励磁電流を増加させ始める構成を比較例1と称すこととする。 Here, as a configuration to be compared with the present invention, a configuration that starts increasing the post-switching excitation current together with the post-switching command torque at the start timing of the pole number switching period is referred to as Comparative Example 1.
電動機のトルクは、電動機に流れるトルク電流と、電動機の2次磁束とに基づいて定まる。切替後励磁電流の上昇変化に伴う切替後2次磁束の上昇変化の応答性は、トルク電流の応答性よりも低い。このため、比較例1では、極数切替期間の開始タイミングから切替後励磁電流を急峻に増加させるようにしている。ただし、比較例1のように、極数切替期間の開始タイミングから切替後励磁電流を急峻に増加させようとすると、電動機の印加電圧が急峻に立ち上げられることとなる。その結果、極数切替時において電動機で発生する電圧のピーク値が大きくなってしまう。 The torque of the electric motor is determined based on the torque current flowing through the electric motor and the secondary magnetic flux of the electric motor. The responsiveness of the rising change of the secondary magnetic flux after switching accompanying the rising change of the excitation current after switching is lower than the responsiveness of the torque current. For this reason, in Comparative Example 1, the post-switching excitation current is sharply increased from the start timing of the pole number switching period. However, as in the first comparative example, if the excitation current after switching is increased sharply from the start timing of the pole number switching period, the applied voltage of the motor is rapidly increased. As a result, the peak value of the voltage generated in the electric motor at the time of switching the number of poles becomes large.
そこで本発明の切替部は、極数切替期間の開始タイミングに先立ち、切替後励磁電流を増加させる処理を行う。このため、切替後指令トルクを増加させ始める前に、切替後励磁電流を増加させて切替後2次磁束を増加させることができる。これにより、比較例1のように切替後励磁電流を急峻に増加させる必要がなくなる。その結果、電動機で発生する電圧のピーク値を低減することができる。 Therefore, the switching unit of the present invention performs a process of increasing the post-switching excitation current prior to the start timing of the pole number switching period. For this reason, before starting to increase the command torque after switching, it is possible to increase the secondary magnetic flux after switching by increasing the excitation current after switching. This eliminates the need to sharply increase the excitation current after switching as in Comparative Example 1. As a result, the peak value of the voltage generated in the electric motor can be reduced.
また、本発明と比較する構成として、極数切替期間の開始タイミングにおいて、切替前指令トルクとともに、切替前励磁電流と、切替前指令トルクに対応したトルク電流である切替前トルク電流とを減少させ始める構成を比較例2と称すこととする。 Further, as a configuration to be compared with the present invention, at the start timing of the pole number switching period, the pre-switching excitation torque and the pre-switching torque current corresponding to the pre-switching command torque are reduced together with the pre-switching command torque. The starting configuration is referred to as Comparative Example 2.
比較例2のように、極数切替期間の開始タイミングから切替前励磁電流及び切替前トルク電流を切替前指令トルクとともに減少させようとすると、電動機の印加電圧が緩やかに立ち下げられることとなる。極数切替時においては、切替前の電流変動による緩やかな電圧立ち下がりが生じる状況下で切替後の電流変動による急峻な電圧立ち上がりが生じるため、電動機で発生する電圧のピーク値が大きくなってしまう。 As in Comparative Example 2, if the pre-switching excitation current and the pre-switching torque current are to be decreased together with the pre-switching command torque from the start timing of the pole number switching period, the applied voltage of the motor is gently lowered. At the time of switching the number of poles, the peak value of the voltage generated by the motor becomes large because the voltage rises sharply due to the current fluctuation after switching under the situation where the slow voltage falling due to the current fluctuation before switching occurs. .
そこで本発明の切替部は、極数切替期間の開始タイミングに先立ち、切替前励磁電流を減少させる。切替前励磁電流の減少により、極数切替期間の開始タイミングに先立ち、電動機で発生する電圧のピーク値を低減することができる。また、本発明が、切替前励磁電流の減少とともに切替前トルク電流を増加させる処理を行う構成を備えることにより、切替前励磁電流の減少に伴うトルク低下を抑えられる。切替前励磁電流の下降変化に伴う切替前2次磁束の下降変化の応答性は、トルク電流の応答性よりも低いため、切替前励磁電流の減少に対し切替前トルク電流の増加は小さくなる。これにより、電動機に流れる電流ピーク値の増加を抑えることができる。 Therefore, the switching unit of the present invention reduces the pre-switching excitation current prior to the start timing of the pole number switching period. By reducing the excitation current before switching, the peak value of the voltage generated in the motor can be reduced prior to the start timing of the pole number switching period. In addition, since the present invention includes a configuration for performing a process of increasing the pre-switching torque current along with the decrease of the pre-switching excitation current, it is possible to suppress a torque decrease due to the decrease of the pre-switching excitation current. Since the responsiveness of the lowering change of the secondary magnetic flux before switching accompanying the lowering change of the exciting current before switching is lower than the responsiveness of the torque current, the increase in the torque current before switching becomes smaller with respect to the decrease in the exciting current before switching. Thereby, the increase in the peak value of the current flowing through the electric motor can be suppressed.
(第1実施形態)
以下、本発明に係る制御装置を、車載主機として電動機を備える電気自動車又はハイブリッド車等の車両に適用した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which a control device according to the present invention is applied to a vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle including an electric motor as an in-vehicle main unit will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、車載制御システムは、モータ10、インバータ20及び制御装置30を備えている。
As shown in FIG. 1, the in-vehicle control system includes a
モータ10は、車載主機であり、駆動輪40と動力伝達可能とされている。本実施形態において、モータ10は、極数が切り替え可能なかご型誘導電動機であり、具体的には極数を4極及び8極のいずれかに切り替え可能に構成されている。なお、極数が切り替え可能な誘導電動機は、ポールチェンジモータとも呼ばれる。
The
本実施形態では、モータ10のステータ11は、6相の巻線12A〜12Fを備えている。これら巻線12A〜12Fは、電気角で60度ずつずれるようにしてステータ11に設けられている。
In the present embodiment, the
本実施形態では、図2に示すように、ステータ11には、第1巻線群及び第2巻線群が設けられている。第1巻線群には、A相巻線12A、C相巻線12C及びE相巻線12Eが含まれている。第2巻線群には、B相巻線12B、D相巻線12D及びF相巻線12Fが含まれている。A相巻線12A、C相巻線12C及びE相巻線12Eのそれぞれの第1端は、第1中性点N1で接続されている。A相巻線12A、C相巻線12C及びE相巻線12Eは、互いに電気角で120度ずれた状態でステータ11に設けられている。B相巻線12B、D相巻線12D及びF相巻線12Fのそれぞれの第1端は、第2中性点N2で接続されている。B相巻線12B、D相巻線12D及びF相巻線12Fは、互いに電気角で120度ずれた状態でステータ11に設けられている。本実施形態において、第1巻線群と第2巻線群とは、電気角で60度ずれるようにステータ11に設けられている。このため、A、B、C、D、E、F相の順で60度ずつ電気角が変化するように各相巻線12A〜12Fがステータ11に設けられている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the
先の図1の説明に戻り、モータ10は、6相のインバータ20を介して直流電源としてのバッテリ21に接続されている。インバータ20は、6相分の上アームスイッチ及び下アームスイッチの直列接続体を備えている。A相上,下アームスイッチSAp,SAnの接続点PAには、A相巻線12Aの第2端が接続されており、B相上,下アームスイッチSBp,SBnの接続点PBには、B相巻線12Bの第2端が接続されており、C相上,下アームスイッチSCp,SCnの接続点PCには、C相巻線12Cの第2端が接続されている。D相上,下アームスイッチSDp,SDnの接続点PDには、D相巻線12Dの第2端が接続されており、E相上,下アームスイッチSEp,SEnの接続点PEには、E相巻線12Eの第2端が接続されており、F相上,下アームスイッチSFp,SFnの接続点PFには、F相巻線12Fの第2端が接続されている。
Returning to the description of FIG. 1, the
なお、各スイッチSAp〜SFnは、例えば、IGBT又はNチャネルMOSFET等の電圧制御形の半導体スイッチング素子であればよい。また、各スイッチSAp〜SFnには、ダイオードが逆並列に接続されている。 Each switch SAp to SFn may be a voltage-controlled semiconductor switching element such as an IGBT or an N-channel MOSFET. In addition, a diode is connected in antiparallel to each of the switches SAp to SFn.
制御システムは、電流センサ22及び速度センサ23を備えている。電流センサ22は、モータ10に流れる各相電流を検出する。図1には、A,B,C,D,E,F相に流れる電流の検出値をIar,Ibr,Icr,Idr,Ier,Ifrにて示す。速度センサ23は、モータ10を構成するロータの機械角周波数ωrを検出する。電流センサ22及び速度センサ23の検出値は、制御装置30に入力される。
The control system includes a
制御装置30は、マイコンを主体として構成され、モータ10のトルクを合計指令トルクTr*にフィードバック制御すべく、インバータ20を操作する。合計指令トルクTr*は、例えば、車両の走行制御を統括する制御装置等、制御装置30よりも上位の制御装置から制御装置30に対して出力される。
The
図2を用いて、制御装置30が行うモータ10のトルク制御について説明する。
The torque control of the
制御装置30は、指令値算出部31と、4極制御部32と、8極制御部33と、座標変換部34とを備えている。
The
指令値算出部31は、外部から入力された合計指令トルクTr*を取得し、取得した合計指令トルクTr*と、速度センサ23により検出された機械角周波数ωrとに基づいて、第1指令トルクT4*、第2指令トルクT8*、第1指令2次磁束φ4*及び第2指令2次磁束φ8*を算出する。本実施形態において、第1指令トルクT4*は、4極に対応する指令トルクであり、第2指令トルクT8*は、8極に対応する指令トルクである。また、指令値算出部31は、第1指令トルクT4*と第2指令トルクT8*との加算値が合計指令トルクTr*となるように、各指令トルクT4*,T8*を算出する。
The command
本実施形態において、指令値算出部31は、モータ10の極数として8極を選択した場合、第1指令トルクT4*及び第1指令2次磁束φ4*を0にし、モータ10の極数として4極を選択した場合、第2指令トルクT8*及び第2指令2次磁束φ8*を0にする。
In this embodiment, the command
4極制御部32は、モータ10の極数として4極が選択された場合のモータ10の電流制御系である。8極制御部33は、モータ10の極数として8極が選択された場合のモータ10の電流制御系である。
The 4-
まず、4極制御部32について説明する。第1周波数算出部32aは、機械角周波数ωrと、4極の場合の極数P4とに基づいて、4極に対応するモータ10の電気角周波数である第1の電気角周波数ω4rを算出する。
First, the 4-
第1磁束推定部32bは、電流センサ22により検出された各相電流Iar〜Ifrと、座標変換部34により算出された各相指令電圧Va*〜Vf*と、第1の電気角周波数ω4rとに基づいて、4極に対応するモータ10の2次磁束ベクトルを推定する。この2次磁束ベクトルは、4極に対応するdq座標系におけるd軸成分及びq軸成分からなる。本実施形態では、このd軸成分を第1の2次磁束φ4rと称すこととする。第1磁束推定部32bは、例えば、周知の磁束オブザーバにより構成されていればよい。
The first magnetic flux estimator 32b includes the phase currents Iar to Ifr detected by the
4極に対応するdq座標系は、インバータ20の出力電圧ベクトルの回転角周波数である1次角周波数で回転する直交2次元回転座標系である。本実施形態において、位相の基準となるd軸の正方向は、第1磁束推定部32bにより推定された4極に対応する2次磁束ベクトルの方向に設定されている。
The dq coordinate system corresponding to the four poles is an orthogonal two-dimensional rotational coordinate system that rotates at the primary angular frequency that is the rotational angular frequency of the output voltage vector of the
なお本実施形態では、制御装置30は、2次磁束ベクトルのq軸成分を0にするとの条件を課してトルク制御を行う。これは、指令トルクを与えただけでは、d,q軸指令電流を一義的に定めることができないことによるものである。
In the present embodiment, the
第1磁束推定部32bは、推定した第1の2次磁束φ4rに基づいて、4極に対応するモータ10の電気角である第1の電気角θ4を算出する。
The first magnetic flux estimation unit 32b calculates a first electrical angle θ4 that is an electrical angle of the
第1dq変換部32cは、第1の電気角θ4に基づいて、各相電流Iar〜Ifrを、4極に対応するdq軸上の第1d軸電流Id4r及び第1q軸電流Iq4rに変換する。ここで、d軸電流は2次磁束を生じさせるために励磁電流であり、q軸電流はトルク電流である。なお、第1dq変換部32cにおける変換は、例えば、下式(eq1)に基づいて実施されればよい。ここで、下式(eq1)の右辺の第1変換行列C1は、下式(eq2)で表される。
The first
第1トルク制御部32eは、第1トルク推定部32dにより推定された第1実トルクT4rを第1指令トルクT4*にフィードバック制御するための操作量として、q軸上の第1q軸指令電流Iq4*を算出する。なお、第1トルク制御部32eで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。
The first torque control unit 32e uses the first q-axis command current Iq4 on the q-axis as an operation amount for feedback-controlling the first actual torque T4r estimated by the first
第1磁束制御部32fは、第1磁束推定部32bにより推定された第1の2次磁束φ4rを第1指令2次磁束φ4*にフィードバック制御するための操作量として、d軸上の第1d軸指令電流Id4*を算出する。なお、第1磁束制御部32fで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。
The first magnetic
第1電流制御部32gは、第1dq変換部32cにより変換された第1d軸電流Id4rを、第1トルク制御部32eにより算出された第1d軸指令電流Id4*にフィードバック制御するための操作量として、d軸上の第1d軸指令電圧Vd4*を算出する。また、第1電流制御部32gは、第1dq変換部32cにより変換された第1q軸電流Iq4rを、第1トルク制御部32eにより算出された第1q軸指令電流Iq4*にフィードバック制御するための操作量として、q軸上の第1q軸指令電圧Vq4*を算出する。なお、第1電流制御部32gで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。
The first
続いて、8極制御部33について説明する。第2周波数算出部33aは、機械角周波数ωrと、8極の場合の極数P8とに基づいて、8極に対応するモータ10の電気角周波数である第2の電気角周波数ω8rを算出する。
Next, the 8-
第2磁束推定部33bは、各相電流Iar〜Ifrと、座標変換部34により算出された各相指令電圧Va*〜Vf*と、第2の電気角周波数ω8rとに基づいて、8極に対応するモータ10の2次磁束ベクトルを推定する。この2次磁束ベクトルは、8極に対応するdq座標系におけるd軸成分及びq軸成分からなる。本実施形態では、このd軸成分を第2の2次磁束φ8rと称すこととする。第2磁束推定部33bは、例えば、周知の磁束オブザーバにより構成されていればよい。
The second
8極に対応するdq座標系は、8極に対応する1次角周波数で回転する直交2次元回転座標系である。本実施形態において、位相の基準となるd軸の正方向は、第2磁束推定部33bにより推定された8極に対応する2次磁束ベクトルの方向に設定されている。
The dq coordinate system corresponding to 8 poles is an orthogonal two-dimensional rotating coordinate system that rotates at the primary angular frequency corresponding to 8 poles. In the present embodiment, the positive direction of the d-axis serving as the phase reference is set to the direction of the secondary magnetic flux vector corresponding to the eight poles estimated by the second magnetic
第2磁束推定部33bは、推定した第2の2次磁束φ8rに基づいて、8極に対応するモータ10の電気角である第2の電気角θ8を算出する。
The second
第2dq変換部33cは、第2の電気角θ8に基づいて、各相電流Iar〜Ifrを、8極に対応するdq軸上の第2d軸電流Id8r及び第2q軸電流Iq8rに変換する。なお、第2dq変換部33cにおける変換は、例えば、下式(eq3)に基づいて実施されればよい。ここで、下式(eq3)の右辺の第2変換行列C2は、下式(eq4)で表される。
The second
第2トルク制御部33eは、第2トルク推定部33dにより推定された第2実トルクT8rを第2指令トルクT8*にフィードバック制御するための操作量として、q軸上の第2q軸指令電流Iq8*を算出する。なお、第2トルク制御部33eで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。
The second torque control unit 33e uses the second q-axis command current Iq8 on the q-axis as an operation amount for feedback-controlling the second actual torque T8r estimated by the second
第2磁束制御部33fは、第2磁束推定部33bにより推定された第2の2次磁束φ8rを第2指令2次磁束φ8*にフィードバック制御するための操作量として、d軸上の第2d軸指令電流Id8*を算出する。なお、第2磁束制御部33fで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。
The second magnetic flux control unit 33f uses the second d on the d axis as an operation amount for performing feedback control of the second secondary magnetic flux φ8r estimated by the second magnetic
第2電流制御部33gは、第2dq変換部33cにより変換された第2d軸電流Id8rを、第2トルク制御部33eにより算出された第2d軸指令電流Id8*にフィードバック制御するための操作量として、d軸上の第2d軸指令電圧Vd8*を算出する。また、第2電流制御部33gは、第2dq変換部33cにより変換された第2q軸電流Iq8rを、第2トルク制御部33eにより算出された第2q軸指令電流Iq8*にフィードバック制御するための操作量として、q軸上の第2q軸指令電圧Vq8*を算出する。なお、第2電流制御部33gで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。
The second current control unit 33g is an operation amount for performing feedback control of the second d-axis current Id8r converted by the second
座標変換部34は、第1電流制御部32gにより算出された第1d,q指令電圧Vd4*,Vq4*、第1の電気角θ4、第2電流制御部33gにより算出された第2d,q指令電圧Vd8*,Vq8*、及び第2の電気角θ8に基づいて、6相の固定座標系におけるA,B,C,D,E,F相指令電圧Va*,Vb*,Vc*,Vd*,Ve*,Vf*を算出する。なお、座標変換部34における変換は、例えば下式(eq7)に表される行列に基づいて実施されればよい。ここで、下式(eq7)の右辺には、上式(eq6)に示した変換行列Dの転置行列が含まれている。この転置行列は、下式(eq8)で表される。
The coordinate
操作信号生成部35は、インバータ20から各相巻線12A,12B,12C,12D,12E,12Fに印加する電圧を各相指令電圧Va*,Vb*,Vc*,Vd*,Ve*,Vf*とするための操作信号を生成し、生成した操作信号をインバータ20の各スイッチに出力する。操作信号生成部35は、例えば、各相指令電圧と三角波信号等のキャリア信号との大小比較に基づくPWM制御により操作信号を生成すればよい。ちなみに本実施形態において、4極制御部32、8極制御部33、座標変換部34及び操作信号生成部35が「インバータ操作部」に相当する。
The
以上説明した制御により、モータ10の極数として4極が選択された場合、各相巻線12A,12B,12C,12D,12E,12Fに下式(eq11)に示す各相電流Ia4,Ib4,Ic4,Id4,Ie4,If4が流れる。下式(eq11)において、Im4は相電流の振幅を示し、α4は相電流の位相を示す。
When four poles are selected as the number of poles of the
指令値算出部31は、図4(a)に示すように、時刻t2〜t3の極数切替期間TCにおいて、第1指令トルクT4*と第2指令トルクT8*との合計値が合計指令トルクTr*となるように各指令トルクT4*,T8*を算出する。これにより、極数切替期間TCにおいて、モータ10のトルクが合計指令トルクTr*から乖離することを抑制できる。
As shown in FIG. 4A, the command
指令値算出部31は、極数切替期間TCの開始タイミングt2において、第2指令トルクT8*を合計指令トルクTr*から0に向かって減少させ始めるとともに、第1指令トルクT4*を0から合計指令トルクTr*に向かって増加させ始める。指令値算出部31は、極数切替期間TCにおいて、第2指令トルクT8*を徐々に減少させるとともに、第1指令トルクT4*を徐々に増加させる。これにより、d軸電流の減少に起因した相電流及び相電圧の変動を抑制するとともに、2次磁束の変化速度を低下させることができる。その結果、q軸電流の変動を抑制し、モータ10のトルク変動を抑制できる。
The command
指令値算出部31は、極数切替期間TCの終了タイミングt3において、第2指令トルクT8*を合計指令トルクTr*にし、第1指令トルクT4*を合計指令トルクTr*にする。
The command
なお、極数切替期間TCにおける各相指令電圧Va*〜Vf*は、下式(eq13)で表される。また、極数切替期間TCにおいてA,B,C,D,E,F相に流れる電流Ias,Ibs,Ics,Ids,Ies,Ifsは、下式(eq14)で表される。 The phase command voltages Va * to Vf * in the pole number switching period TC are expressed by the following equation (eq13). Further, the currents Ias, Ibs, Ics, Ids, Ies, Ifs flowing in the A, B, C, D, E, and F phases in the pole number switching period TC are expressed by the following equation (eq14).
本実施形態において、指令値算出部31は、切替後極数である4極に対応するモータ10における1次遅れ要素の時定数τ4の応答性で、第1指令2次磁束φ4*及び第1d軸指令電流Id4*を徐々に増加させる。これにより、第1指令トルクT4*を増加させ始める時刻t2までに、応答性の低い第1の2次磁束φ4rを適切に立ち上げることができる。また、第1d軸指令電流Id4*を徐々に増加させることにより、第1d軸電流Id4rを緩やかに増加させることができ、第1d軸電流Id4rの変化に起因した相電圧及び相電流の増加を抑制できる。なお、時定数τ4は、モータ10のロータの特性により定まる。ロータの特性には、例えば、ロータの巻線抵抗値及びロータの自己インダクタンスが含まれる。図5には、第1d軸指令電流Id4*のステップ応答に対する時定数τ4を時刻t1〜t2で示す。
In the present embodiment, the command
指令値算出部31は、極数切替期間TCにおいて相電圧及び相電流のピーク値の上昇を防止するために、図4(f)に示すように、時刻t1において、第2指令2次磁束φ8*を0に向かって減少させ始める。指令値算出部31は、第2指令2次磁束φ8*を徐々に減少させる。これにより、第2d軸指令電流Id8*が0に向かって徐々に減少し、図4(e)に示すように第2d軸電流Id8rも0に向かって徐々に減少する。
In order to prevent the peak value of the phase voltage and phase current from increasing in the pole number switching period TC, the command
本実施形態において、指令値算出部31は、切替前極数である8極に対応するモータ10における1次遅れ要素の時定数τ8と同等の応答性で、第2指令2次磁束φ8*及び第2d軸指令電流Id8*を徐々に減少させる。これにより、第2指令トルクT8*を減少させ始める時刻t2までに、第2の2次磁束φ8rを適切に立ち下げることができる。また、第2d軸指令電流Id8*を徐々に減少させることにより、第2の2次磁束φ8rを緩やかに減少させることができ、第2q軸電流Iq8rの変動を抑制できる。なお、時定数τ8は、モータ10のロータの特性により定まる。図6には、第2d軸指令電流Id8*のステップ応答に対する時定数τ8を時刻t1〜t2で示す。
In the present embodiment, the command
図4において、時刻t1〜t2の時間は、切替後極数である4極に対応する時定数τ4に設定されている。これにより、極数切替期間TCにおける相電圧及び相電流の低減効果を高めることができる。 In FIG. 4, the time from t1 to t2 is set to the time constant τ4 corresponding to the four poles that are the number of poles after switching. Thereby, the reduction effect of the phase voltage and phase current in pole number switching period TC can be heightened.
指令値算出部31は、時刻t1〜t2において、切替前極数に対応する第2q軸指令電流Iq8*を、第2トルク制御部33eにより算出された第2q軸指令電流Iq8*に対して増加させる。これにより、時刻t1からの第2の2次磁束φ8rの減少に伴うトルク低下分を補償することができる。なお、第2の2次磁束φ8rの減少変化は、第2d軸電流Id8rの減少変化に対して遅れて発生するため、第2d軸電流Id8rの減少分に対して第2q軸電流Iq8rの増加分は小さい。このため、第2q軸電流Iq8rを増加させたとしても、相電流及び相電圧のピーク値は大きく変動しない。
The command
8極から4極に切り替えられる場合の指令値算出部31の上述した処理は、4極から8極に切り替えられる場合にも同様に適用できる。この場合、指令値算出部31は、時刻t1〜t2において、切替前極数に対応する第1q軸指令電流Iq4*を、第1トルク制御部32eにより算出された第1q軸指令電流Iq4*に対して増加させればよい。
The above-described processing of the command
続いて、本実施形態と比較するための比較技術について、図7を用いて説明する。図7には、8極から4極に切り替えられる場合を示す。図7に示す比較技術では、極数切替期間TCの開始タイミングt1で、図7(c)に示す第1の2次磁束φ4rを立ち上げるために、図7(b)に示すように第1d軸電流Id4rがステップ状に立ち上げられる。そして、4極に対応するモータ10のトルクが第1指令トルクT4*に追従するように第1q軸電流Iq4rが徐々に増加させられる。ここで比較技術では、第1d軸電流Id4rをステップ状に立ち上げるために第1d軸電圧が急峻に立ち上げられるため、図7(h)に示すように、モータ10で発生する相電圧のピーク値が、図4(h)に示す相電圧のピーク値よりも大きくなってしまう。
Subsequently, a comparison technique for comparison with the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a case where switching from 8 poles to 4 poles is performed. In the comparative technique shown in FIG. 7, in order to start up the first secondary magnetic flux φ4r shown in FIG. 7C at the start timing t1 of the pole number switching period TC, the first d as shown in FIG. The shaft current Id4r is raised stepwise. Then, the first q-axis current Iq4r is gradually increased so that the torque of the
また、第1d軸電流Id4rがステップ状に立ち上げるため、図8に示すように、比較技術は本実施形態よりも相電流のピーク値が大きくなってしまう。なお図8は、8極から4極への切替時における比較技術及び本実施形態のそれぞれシミュレーション結果を示す。図8のトルク波形を示す欄のTrrは、モータ10の実際のトルクを示す。また、図8の比較技術のt1は、先の図7の時刻t1に対応しており、図8の本実施形態のt1,t2は、先の図4の時刻t1,t2に対応している。
Further, since the first d-axis current Id4r rises in a step shape, the peak value of the phase current is larger in the comparative technique than in the present embodiment as shown in FIG. FIG. 8 shows the simulation results of the comparative technique and this embodiment when switching from 8 poles to 4 poles. Trr in the column showing the torque waveform in FIG. 8 indicates the actual torque of the
図8に示すように、本実施形態によれば、比較技術と比較して、第1d軸電流Id4rの上昇変化を緩やかにすることができ、相電流及び相電圧のピーク値を低減できる。 As shown in FIG. 8, according to the present embodiment, the increase in the first d-axis current Id4r can be moderated and the peak values of the phase current and the phase voltage can be reduced as compared with the comparative technique.
ちなみに本実施形態では、先の図1に示すように、システムは表示部50を備えている。表示部50は、例えばナビゲーション装置のディスプレイである。制御装置30は、現時点が極数切替期間内であることを表示部50に表示させる処理を行う。これにより、車両のユーザは、モータ10の極数が切替途中であることを把握できる。また制御装置30は、モータ10の現在の極数が4極及び8極のいずれであるかを表示部に表示させる処理を行う。これにより、ユーザは、モータ10の現在の極数を把握することができる。
Incidentally, in the present embodiment, the system includes a
以上説明した本実施形態では、極数切替期間TCの開始タイミングに先立ち、切替後励磁電流が増加させられる。これにより、切替後極数に対応するd軸電流を急上昇させる必要がなくなる。その結果、モータ10で発生する相電圧及び相電流のピーク値を低減することができる。また、極数切替期間TCの開始タイミングに先立ち、切替前励磁電流が減少させられる。これにより、極数切替期間TCの開始タイミングまでに相電圧及び相電流のピーク値を下げることができる。その結果、極数切替期間TCにおいてモータ10で発生する相電圧及び相電流のピーク値を低減することができる。
In the present embodiment described above, the post-switching excitation current is increased prior to the start timing of the pole number switching period TC. This eliminates the need to rapidly increase the d-axis current corresponding to the number of poles after switching. As a result, the peak value of the phase voltage and phase current generated in the
また本実施形態によれば、モータ10の負荷状態にかかわらず、極数を切り替えることができる。このため、モータ10の負荷状態が高負荷状態である場合であっても、合計指令トルクTr*を低下させることなく極数を切り替えることができる。
According to the present embodiment, the number of poles can be switched regardless of the load state of the
(第2実施形態)
以下、第2実施形態について、上記第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図9に示すように、制御装置30のトルク制御方法が、すべり角周波数を用いた方法に変更されている。なお図9において、先の図3に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
(Second Embodiment)
Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to the drawings with a focus on differences from the first embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the torque control method of the
制御装置30は、指令値算出部36を備えている。指令値算出部36は、取得した合計指令トルクTr*と、機械角周波数ωrとに基づいて、第1d軸指令電流Id4*、第1q軸指令電流Iq4*、第2d軸指令電流Id8*、第2q軸指令電流Iq8*、4極に対応したすべり角周波数である第1のすべり角周波数ωs4、及び8極に対応したすべり角周波数である第2のすべり角周波数ωs8を算出する。指令値算出部36は、第1d軸指令電流Id4*及び第1q軸指令電流Iq4*から定まる4極に対応するモータ10のトルクと、第2d軸指令電流Id8*及び第2q軸指令電流Iq8*から定まる8極に対応するモータ10のトルクとの加算値が合計指令トルクTr*となるように、第1d軸指令電流Id4*、第1q軸指令電流Iq4*、第2d軸指令電流Id8*及び第2q軸指令電流Iq8*を算出する。
The
4極制御部32について説明する。第1加算部32hは、第1周波数算出部32aにより算出された第1の電気角周波数ω4rに、指令値算出部36により算出された第1のすべり角周波数ωs4を加算して出力する。
The 4-
第1角度算出部32iは、第1加算部32hの出力値を積分することにより、第1の電気角θ4を算出する。算出された第1の電気角θ4は、第1dq変換部32c及び座標変換部34に入力される。
The first angle calculator 32i calculates the first electrical angle θ4 by integrating the output value of the
8極制御部33について説明する。第2加算部33hは、第2周波数算出部33aにより算出された第2の電気角周波数ω8rに、指令値算出部36により算出された第2のすべり角周波数ωs8を加算して出力する。
The 8-
第2角度算出部33iは、第2加算部33hの出力値を積分することにより、第2の電気角θ8を算出する。算出された第2の電気角θ8は、第2dq変換部33c及び座標変換部34に入力される。
The second angle calculation unit 33i calculates the second electrical angle θ8 by integrating the output value of the second addition unit 33h. The calculated second electrical angle θ8 is input to the second
続いて、本実施形態に係る極数切替時の処理について、8極から4極への切替時を例にして説明する。 Next, the processing at the time of switching the number of poles according to the present embodiment will be described by taking the case of switching from 8 poles to 4 poles as an example.
本実施形態において、指令値算出部36は、極数切替期間TCの開始タイミングに先立ち、第1指令2次磁束φ4*に代えて、第1d軸指令電流Id4*を0から増加させ始める。指令値算出部36は、第1d軸指令電流Id4*を徐々に増加させる。
In the present embodiment, the command
指令値算出部36は、極数切替期間TCの開始タイミングに先立ち、第2指令2次磁束φ8*に代えて、第2d軸指令電流Id8*を0に向かって減少させ始める。指令値算出部36は、第2d軸指令電流Id8*を徐々に減少させる。
Prior to the start timing of the pole number switching period TC, the command
以上説明した本実施形態によれば、上記第1実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。 According to the present embodiment described above, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment.
(第3実施形態)
以下、第3実施形態について、上記第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図10に示すように、巻線群の数に対応した2つの3相インバータ26A,26Bがシステムに備えられている。なお図10において、先の図1に示した構成と同一及び対応する構成には、便宜上、同一の符号を付している。また図10では、表示部50の図示を省略している。
(Third embodiment)
Hereinafter, the third embodiment will be described with reference to the drawings with a focus on differences from the first embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 10, the system includes two three-
第1インバータ26Aは、A相上,下アームスイッチSAp,SAn、B相上,下アームスイッチSBp,SBn、及びC相上,下アームスイッチSCp,SCnを備えている。第2インバータ26Bは、D相上,下アームスイッチSDp,SDn、E相上,下アームスイッチSEp,SEn、及びF相上,下アームスイッチSFp,SFnを備えている。
The
以上説明した本実施形態によれば、上記第1実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。 According to the present embodiment described above, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment.
(その他の実施形態)
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
(Other embodiments)
Each of the above embodiments may be modified as follows.
・極数切替期間の開始タイミングに先立ち、切替後励磁電流を増加させる処理と、切替前励磁電流を減少させる処理とのうち、いずれかのみが実施されてもよい。この場合であっても、上記各実施形態の効果に準じた効果を得ることはできる。 Prior to the start timing of the pole number switching period, only one of the process of increasing the excitation current after switching and the process of decreasing the excitation current before switching may be performed. Even in this case, it is possible to obtain the effects according to the effects of the above embodiments.
・励磁電流を徐々に増加及び減少させる手法としては、図11に実線に示す手法に限らない。例えば、図11に一点鎖線にて示すように変化させてもよいし、図11に破線にて示すようにランプ状に変化させてもよい。なお図11には、第1d軸指令電流Id4*を増加させる場合を例示した。 The method for gradually increasing and decreasing the excitation current is not limited to the method shown by the solid line in FIG. For example, it may be changed as shown by a one-dot chain line in FIG. 11, or may be changed into a ramp shape as shown by a broken line in FIG. FIG. 11 illustrates the case where the first d-axis command current Id4 * is increased.
また、励磁電流を徐々に変化させる手法としては、図11に示したように連続的に変化させる手法に限らず、段階的に変化させる手法であってもよい。 Further, the method of gradually changing the excitation current is not limited to the method of changing continuously as shown in FIG. 11, and may be a method of changing stepwise.
・極数切替期間の開始タイミングに先立ち、切替後励磁電流を変化させる手法としては、徐々に変化させる手法に限らず、ステップ状に変化させる手法であってもよい。 -Prior to the start timing of the pole number switching period, the method of changing the excitation current after switching is not limited to the method of gradually changing, and may be a method of changing in a stepped manner.
・モータとしては、4相以上のものが用いられてもよい。また、ステータ巻線は、3組以上ステータに設けられていてもよい。なお、この場合、インバータの相数は、「ステータ巻線の組数n」×「モータの相数m」とされればよい。インバータは、この相数分の上,下アームスイッチの組を備えることとなる。 -A motor having four or more phases may be used. Further, three or more sets of stator windings may be provided on the stator. In this case, the number of phases of the inverter may be “number of sets of stator windings n” × “number of phases of motor m”. The inverter includes a set of upper and lower arm switches corresponding to the number of phases.
・Aを2以上の偶数とする場合、モータの切り替え可能は極数の組は、A極及び「n×A」極の組であればよい。このため、極数の組としては、4極及び8極の組に限らず、例えばn=2の場合において、2極及び4極の組、又は8極及び16極の組であってもよい。 When A is an even number of 2 or more, the number of poles that can be switched between the motors may be a pair of A poles and “n × A” poles. For this reason, the number of poles is not limited to a group of 4 and 8 poles. For example, when n = 2, a group of 2 and 4 poles, or a group of 8 and 16 poles may be used. .
・モータの切り替え可能な極数としては、2つに限らず、3つ以上であってもよい。例えば、4極、8極及び16極のいずれかに切り替え可能なモータの場合、4極及び8極のうち一方から他方への切替時と、8極及び16極のうち一方から他方への切替時とにおいて、極数切替期間の開始タイミングに先立ち、切替後励磁電流を増加させる処理と、切替前励磁電流を減少させる処理とを適用できる。 -The number of poles to which the motor can be switched is not limited to two and may be three or more. For example, in the case of a motor that can be switched to any of 4 poles, 8 poles, and 16 poles, when switching from one of the 4 poles and 8 poles to the other, and from one to the other of the 8 poles and 16 poles In some cases, a process for increasing the post-switching excitation current and a process for decreasing the pre-switching excitation current can be applied prior to the start timing of the pole number switching period.
・モータとしては、車載主機として用いられるものに限らず、例えば車載補機として用いられるものであってもよい。また、モータ及びインバータが備えられるシステムとしては、車両に搭載されるものに限らない。 The motor is not limited to the one used as the in-vehicle main machine, but may be used as, for example, the in-vehicle auxiliary machine. Further, the system provided with the motor and the inverter is not limited to the one mounted on the vehicle.
10…モータ、20…インバータ、30…制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
3以上の整数をmとし、2以上の整数をnとする場合において、前記電動機は、m相のステータ巻線(12A〜12F)をn組有し、
Aを2以上の偶数とする場合において、A極とn×A極とのうち、一方が切替前極数として定義され、他方が切替後極数として定義されており、
前記切替前極数に対応する前記電動機のトルクである切替前トルクを切替前指令トルクに制御して、かつ、前記切替後極数に対応する前記電動機のトルクである切替後トルクを切替後指令トルクに制御すべく、前記インバータを操作するインバータ操作部(32〜35)と、
極数切替期間において、前記切替前指令トルクを0に向かって徐々に減少させて、かつ、前記切替後指令トルクを0よりも大きい値に向かって徐々に増加させる切替部(31;36)と、を備え、
前記切替前極数に対応した前記電動機の2次磁束が切替前2次磁束として定義され、前記切替前2次磁束を生じさせるために前記電動機に流れる電流が切替前励磁電流として定義され、前記切替後極数に対応した前記電動機の2次磁束が切替後2次磁束として定義され、前記切替後2次磁束を生じさせるために前記電動機に流れる電流が切替後励磁電流として定義されており、
前記切替部は、前記極数切替期間の開始タイミングに先立ち、前記切替後励磁電流を増加させる処理、及び前記切替前励磁電流を減少させる処理のうち少なくとも一方の処理を行う極数切替電動機の制御装置。 Applied to a system comprising an electric motor (10) capable of switching the number of poles, and an inverter (20; 26A, 26B) electrically connected to the electric motor,
In the case where m is an integer of 3 or more and n is an integer of 2 or more, the electric motor has n sets of m-phase stator windings (12A to 12F),
In the case where A is an even number of 2 or more, one of the A pole and the n × A pole is defined as the number of poles before switching, and the other is defined as the number of poles after switching,
The pre-switching torque, which is the torque of the motor corresponding to the pre-switching pole number, is controlled to the pre-switching command torque, and the post-switching torque, which is the torque of the motor corresponding to the post-switching pole number, is An inverter operation unit (32 to 35) for operating the inverter to control the torque;
A switching unit (31; 36) for gradually decreasing the pre-switching command torque toward 0 and gradually increasing the post-switching command torque toward a value larger than 0 in the pole number switching period; With
A secondary magnetic flux of the motor corresponding to the number of poles before switching is defined as a secondary magnetic flux before switching, and a current flowing through the motor to generate the secondary magnetic flux before switching is defined as an excitation current before switching, The secondary magnetic flux of the electric motor corresponding to the number of poles after switching is defined as secondary magnetic flux after switching, and the current flowing through the motor to generate the secondary magnetic flux after switching is defined as post-switching excitation current,
Prior to the start timing of the pole number switching period, the switching unit controls the pole number switching motor that performs at least one of a process of increasing the post-switching excitation current and a process of decreasing the pre-switching excitation current. apparatus.
前記切替部は、前記極数切替期間において、前記切替前指令トルクを前記合計指令トルクから0に向かって徐々に減少させて、かつ、前記切替後指令トルクを0から前記合計指令トルクに向かって徐々に増加させる請求項1〜8のいずれか1項に記載の極数切替電動機の制御装置。 The switching unit acquires a total command torque of the electric motor, and the switching is performed so that a total value of the pre-switching command torque and the post-switching command torque becomes the acquired total command torque in the pole number switching period. Set the pre-command torque and the post-switch command torque,
The switching unit gradually decreases the pre-switching command torque from the total command torque toward 0 and the post-switching command torque from 0 toward the total command torque during the pole number switching period. The control device for a pole number switching motor according to any one of claims 1 to 8, which is gradually increased.
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