JP2019068594A - 可変磁力モータの制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭ制御を用いた従来型のインバータを用いた着減磁制御における着減磁量制御精度を改善し、モータ効率を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】駆動中に永久磁石の磁力を変化させる可変磁力モータの制御方法であって、現在の鎖交磁束ベクトルを推定し、目標着減磁量に着減磁する時の着減磁鎖交磁束ベクトル、又は、走行要求に基づいて設定される目標トルクを着減磁がされた状態で出力する制御完了時の鎖交磁束ベクトルを目標鎖交磁束ベクトルとして算出し、現在の鎖交磁束ベクトルと目標鎖交磁束ベクトルとから複数の指令鎖交磁束ベクトルを算出する。そして、着減磁制御開始から着減磁鎖交磁束ベクトルまでの第１行程、及び、着減磁鎖交磁束ベクトルから制御完了時の鎖交磁束ベクトルまでの第２行程は、それぞれ２以上の指令鎖交磁束ベクトルを組み合わせて構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、可変磁力モータの制御方法および制御装置に関する。

従来、インバータから固定子巻線に供給される磁化電流によって永久磁石の磁力を変化させる可変磁束（可変磁力）モータの駆動システムが知られている（特許文献１参照）。この駆動システムは、直流電圧を昇圧する昇圧回路を有しており、これを着磁制御時に動作させ、昇圧した電圧をインバータに入力することで着磁制御時の電圧不足を補償している。また、可変磁力モータは、車両の運転状態に応じて永久磁石の磁力を変化させることにより、駆動時の損失を低減させて、モータ効率を向上させることができるという特性を有している。

特開２００７−２４０８３３号公報

しかしながら、上記の昇圧回路は、着磁制御時以外においてその動作を停止している際に、昇圧回路を構成する素子が電力を消費することによる損失が発生する。このため、可変磁力モータの特性による駆動時の損失低減代が相殺され、結果として駆動システム全体としての効率が向上しないという課題がある。

本発明は、着減磁制御時に要する電圧を抑制し、追加の昇圧回路を不要とすることでシステム全体の効率の改善を図るとともに、ＰＷＭ制御を用いた従来型のインバータを用いた着減磁制御における着減磁量制御精度を改善し、モータ効率を向上させることができる技術を提供することを目的とする。

本発明による可変磁力モータの制御方法は、駆動中に永久磁石の磁力を変化させる可変磁力モータの制御方法であって、現在の鎖交磁束ベクトルを推定し、目標着減磁量に着減磁する時の着減磁鎖交磁束ベクトル、又は、走行要求に基づいて設定される目標トルクを着減磁がされた状態で出力する制御完了時の鎖交磁束ベクトルを目標鎖交磁束ベクトルとして算出し、現在の鎖交磁束ベクトルと目標鎖交磁束ベクトルとから複数の指令鎖交磁束ベクトルを算出する。そして、着減磁制御開始から着減磁鎖交磁束ベクトルまでの第１行程、及び、着減磁鎖交磁束ベクトルから制御完了時の鎖交磁束ベクトルまでの第２行程は、それぞれ２以上の指令鎖交磁束ベクトルを組み合わせて構成される。

本発明によれば、少なくとも２種類の指令鎖交磁束ベクトルの組み合わせで着減磁制御時の鎖交磁束ベクトルの軌跡を構成することができるので、電圧利用率が向上し、着減磁制御時に要する電圧を抑制することができる。また、２種類の指令鎖交磁束ベクトルの組み合わせにより、着減磁制御の終了時点において目標鎖交磁束ベクトルλｅ１に一致する指令鎖交磁束ベクトルを実現することができるので、着減磁量制御精度を改善することができる。

図１は、第１実施形態の可変磁力モータの制御装置の構成例を示す制御ブロック図である。 図２は、第１実施形態のモータ制御装置が着減磁制御においてモータを制御する際のαβ座標上の鎖交磁束ベクトルを模式的に表した図である。 図３は、第１実施形態の着減磁制御における指令鎖交磁束ベクトルλｃ１とλｃ２の出力順序を説明する図である。 図４は、第１実施形態の着減磁制御の全体構成を説明する為の図である。 図５は、第２実施形態のモータ制御装置が着減磁制御においてモータを制御する際のαβ座標上の鎖交磁束ベクトルを模式的に表した図である。

[第1実施形態]
図１は、本発明の第１実施形態に係る可変磁力モータ６の制御装置１００の構成例を示す制御ブロック図である。

可変磁力モータ６の制御装置１００（以下「モータ制御装置１００」と称する）は、可変磁力モータ６を駆動するとともに、可変磁力モータ６が備える永久磁石の着減磁を制御する。モータ制御装置１００は、例えば、可変磁力モータ６を備えるハイブリッド車両や電気自動車などに搭載される。

本実施形態のモータ制御装置１００は、ベクトル制御器１と、電流制御器２と、ｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器３と、切替器４と、ＰＷＭ電圧インバータ５と、ＵＶＷ相／ｄｑ軸変換器７と、磁束オブザーバ８０と、鎖交磁束制御器９０とを含んで構成される。これら構成のうち、磁束オブザーバ８０および鎖交磁束制御器９０は、可変磁力モータ６が備える永久磁石の着減磁を制御する着減磁制御部１０を構成する。着減磁制御部１０を含むモータ制御装置１００の制御対象は、可変磁力モータ６である。

モータ制御装置１００は、１個、又は複数のコントローラにより構成される。コントローラは、例えば、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および、入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）から構成される。モータ制御装置１００を構成するコントローラは、以下に説明する各機能を実現するようにプログラムされている。

可変磁力モータ６（以下単に「モータ６」と呼ぶ）は、固定子巻線を有する固定子と、永久磁石を埋め込んだ回転子とにより構成される可変磁力モータである。回転子に埋め込まれた永久磁石は、モータ６が回転動作（駆動）しているときに固定子巻線を流れる電流により形成される磁界によってその磁力を変化させることができる特性を有している。すなわち、可変磁力モータ６が備える永久磁石は、モータ６の巻線に流れる電流によって着磁或いは減磁がなされ、その残留磁束密度が変化するものである。なお、このような特性を持つ永久磁石は低保磁力磁石とも呼ばれ、その保磁力は、一般的なＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータで用いられる永久磁石（高保磁力磁石）の保持力の１／５程度である。

本実施形態のモータ６は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相の固定子巻線に交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが供給されることによって駆動する。モータ６には、不図示の回転子位置検出器が備えられている。この回転子位置検出器がモータ６の回転子の位置を所定の周期で検出することにより、回転子の電気角（ロータ位相）θが算出される。算出されたロータ位相θは、ＵＶＷ相／ｄｑ軸変換器７と、鎖交磁束制御器９０とに出力される。なお、回転子位置検出器は、例えばレゾルバやエンコーダである。

また、モータ制御装置１００は、不図示の回転速度演算器を備え、所定の周期で取得されるロータ位相θの単位時間当たりの変化量からモータ６のロータ回転速度ωを算出する。算出されたロータ回転速度ωは、ベクトル制御器１、磁束オブザーバ８０、及び鎖交磁束制御器９０に出力される。

ベクトル制御器１は、不図示のコントローラ、あるいはモータ制御装置１００が有する不図示の機能部から、モータ６の駆動力を決定するトルク指令値Ｔ^*を取得する。不図示のコントローラにおいては、車両の運転状態に応じてトルク指令値Ｔ^*が算出される。例えば、車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、ベクトル制御器１に出力されるトルク指令値Ｔ^*は大きくなる。すなわち、トルク指令値Ｔ^*は、ドライバの走行要求に基づき決定される目標トルクである。なお、以下では、可変磁力モータ６に当該目標トルクを達成させるための制御を「負荷動作制御」と称する。

ベクトル制御器１は、トルク指令値Ｔ^*と、ロータ回転速度ωとに基づいて、モータ６に供給される電流の電流ベクトルを表すｄ軸電流指令値ｉｄ^*およびｑ軸電流指令値ｉｑ^*を演算する。本実施形態では、ベクトル制御器１は、モータ６のトルク指令値Ｔ^*及びロータ回転速度ωで特定される運転点ごとに、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を互いに対応付けたベクトル制御マップを予め記憶している。このベクトル制御マップは、実験データ等により適宜設定される。

そして、ベクトル制御器１は、モータ６に対するトルク指令値Ｔ^*と、ロータ回転速度ωとを取得すると、ベクトル制御マップを参照し、トルク指令値Ｔ^*及びロータ回転速度ωで特定された運転点に対応付けられたｄ軸電流指令値ｉｄ^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ^*を算出して、電流制御器２に出力する。なお、本明細書では、モータ６に供給される電流のｄ軸成分及びｑ軸成分を、それぞれｄ軸電流及びｑ軸電流と称している。なお、ベクトル制御器１は、ベクトル制御マップを予め記憶しておく必要は必ずしもなく、演算によりｄ軸電流指令値ｉｄ^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ^*を求めてもよい。

また、ベクトル制御器１は、モータ６が備える永久磁石を所望の車速およびトルクを実現するのに適した磁化状態に制御するために、永久磁石への着減磁量を指令する着磁量指令値ＭＳ^*を算出して、後述する鎖交磁束制御器９０に出力する。

ベクトル制御器１は、例えば、予め記憶された複数の損失マップの中から、所望の車速およびトルクを実現するのに適した損失マップを選択することにより着磁量指令値ＭＳ^*を算出することができる。各損失マップは、ロータが備える永久磁石の磁化状態（magnetized state）に対応する損失特性が車速とトルクとに関連付けて示されている。したがって、磁化状態毎に記憶された複数の損失マップから、トルク指令値Ｔ^*を実現するのに損失の最も少ない磁化状態を選択して、当該磁化状態にするのに必要な着減磁量を算出することができる。本実施形態のベクトル制御器１は、モータ６が備える永久磁石を所望の車速およびトルクを実現するのに理想的な磁化状態に制御するための着磁量指令値ＭＳ^*を損失マップから算出し、鎖交磁束制御器９０に出力する。この着磁量指令値ＭＳ^*に応じて実行される、着減磁制御部１０によるモータ６に対する着減磁制御については、後述する。なお、ベクトル制御器１は、ベクトル制御マップを予め記憶しておく必要は必ずしもなく、演算により着磁量指令値ＭＳ^*を求めてもよい。

電流制御器２は、永久磁石のＳ極からＮ極へ向かう方向を正とするｄ軸と、ｄ軸と直交し、回転子の回転方向を正とするｑ軸とを有する回転子同期座標系であるｄｑ軸座標系において、電流ベクトルを目標値に収束させる電流ベクトル制御を実行する。すなわち、本実施形態の電流制御器２は、モータ６に供給される三相の交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをｄｑ軸座標へ変換したｄ軸電流検出値ｉ_d及びｑ軸電流検出値ｉ_qがそれぞれｄ軸電流指令値ｉ_d ^*及びｑ軸電流指令値ｉ_q ^*に収束するように、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を算出する。算出されたｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*は、ｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器３と、磁束オブザーバ８０とに出力される。

ｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器３は、電流制御器２が算出したｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を、三相の電圧指令値であるＵ相電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ相電圧指令値Ｖ_v ^*及びＷ相電圧指令値Ｖ_w ^*に変換する。

切替器４は、ｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器３から出力される三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*（以下、「第１三相電圧指令値」と呼ぶ）と、後述する鎖交磁束制御器９０から出力される着減磁制御時における三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*（以下、「第２三相電圧指令値」と呼ぶ）とを、モータ６の運転状態に応じて切替える。

より具体的には、切替器４は、走行要求に基づく負荷動作を行う負荷動作制御区間では、入力される第１三相電圧指令値をＰＷＭ電圧インバータ５に出力する。一方で、モータ６の永久磁石を着減磁する着減磁制御区間では、鎖交磁束制御器９０から出力される切替え指令Ｓｓｗに応じて、ＰＷＭ電圧インバータ５に出力する出力値を第１三相電圧指令値から第２三相電圧指令値に切り替える。

ＰＷＭ電圧インバータ５は、入力される第１又は第２三相電圧指令値に基づいて、不図示の電源から出力される直流電圧を各相のＰＷＭ電圧Ｖｕ、Ｖｖ、及びＶｗに変換し、変換された各相のＰＷＭ電圧Ｖｕ、Ｖｖ、及びＶｗをモータ６の各相に出力する。これにより、モータ６の各相の固定子巻線にそれぞれ三相の交流電流ｉｕ、ｉｖ、及びｉｗが供給される。なお、本実施形態のＰＷＭ電圧インバータ５は、従来公知の一般的な電圧型インバータを用いるものとする。したがって、本実施形態におけるＰＷＭ電圧インバータ５のスイッチング周期は原則として一定である。

ＵＶＷ相／ｄｑ軸変換器７は、ロータ位相θに基づいて、三相の交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをｄ軸実電流ｉｄ及びｑ軸実電流ｉｑに変換して、電流制御器２にフィードバックするとともに、磁束オブザーバ８０に出力する。

磁束オブザーバ８０は、着減磁制御部１０を構成し、現在の鎖交磁束ベクトルλｓを算出する。具体的には、磁束オブザーバ８０は、現在のモータ電流であるｄ軸実電流ｉｄ及びｑ軸実電流ｉｑと、ロータ回転速度ωと、電流制御器２０から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*と、ＰＷＭ電圧インバータ５が備えるスイッチング素子のスイッチング時間Ｔｓとを入力として、現在の鎖交磁束ベクトルλｓを算出する。スイッチング時間Ｔｓは、設定値から取得されてもよいし、例えばＰＷＭ電圧インバータ５が備えるスイッチング素子の制御端子等の実際値から取得されてもよい。磁束オブザーバ８０が実行する鎖交磁束ベクトルλｓの算出方法は、従来公知の方法を用いてよい。

より具体的には、例えば、本実施形態の磁束オブザーバ８０は、モータ６の回転速度が低速域にある場合は、上記の入力値に加えて、モータインダクタンス（Ｌｑ、Ｌｄ）とモータ６が備える永久磁石の磁石鎖交磁束とから現在の鎖交磁束ベクトルλｓを算出する。なお、可変磁力モータでは、モータインダクタンス、および、磁石鎖交磁束は永久磁石の磁化状態（着磁量）によって変化するため、算出した値の精度を担保する必要がある。本実施形態では、例えばモータ電流に対する鎖交磁束応答マップを予め記憶しておくことにより、算出した鎖交磁束ベクトルλｓと鎖交磁束応答マップとを比較して、その誤差を把握することができるので、当該誤差を小さくする値として、現在のモータインダクタンス、および、磁石鎖交磁束を推定することにより、現在の鎖交磁束ベクトルλｓの算出精度を担保することができる。

また、例えば、磁束オブザーバ８０は、モータ６の回転速度が中速から高速域にある場合は、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*を積分することにより現在の鎖交磁束ベクトルλｓを算出することができる。例えば上記のように算出された現在の鎖交磁束ベクトルλｓは、鎖交磁束制御器９０に出力される。

鎖交磁束制御器９０は、着減磁制御部１０を構成し、モータ６の磁化状態（着減磁量）を制御する際に用いられるフィードフォワード制御器である。鎖交磁束制御器９０は、着磁量指令ＭＳ^*と、ロータ位相θと、ロータ回転速度ωと、現在の鎖交磁束ベクトルλｓと、トルク指令値Ｔ^*（目標トルク）とを入力とし、以下の鎖交磁束ベクトルを算出する。すなわち、鎖交磁束制御器９０は、所望の着減磁量を達成するための目標鎖交磁束ベクトルλｅ１を算出し、モータ６が当該着減磁量を達成した状態で目標トルクを出力する目標鎖交磁束ベクトルλｅ２を算出し、さらに、着減磁制御開始時から目標鎖交磁束ベクトルλｅ１に至る第１行程（着磁前行程）、及び、所望の着減磁量を達成してから目標鎖交磁束ベクトルλｅ２に至る第２行程（着磁後行程）をそれぞれ構成する複数の指令鎖交磁束ベクトルを算出する。本実施形態では、２種類の指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２を算出する。以下、これら鎖交磁束ベクトルの詳細について説明する。

なお、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２の算出方法を以下に示すが、制御開始から着減磁するまでの行程（着磁前行程）と、着減磁後から目標トルクを出力するまでの行程（着磁後行程）とにおける指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２は同様の方法により算出可能であるため、代表例として「着磁前行程」における算出方法について説明する。また、着磁及び減磁も同様の制御でその目的を達成できるため、以下では代表例として「着磁制御」について説明する。

図２は、本実施形態のモータ制御装置１００が着減磁制御においてモータ６を制御する際のαβ座標上の鎖交磁束ベクトルを模式的に表した図である。図２で示すαβ座標は、モータ６のＵ相コイルの中心（Ｕ軸）と一致し、且つ、ロータのｄ軸と一致した際に磁石磁束を強める方向を正とするα軸と、α軸に対してロータ回転方向に電気角で９０°回転したβ軸とで構成される直交座標系である。図中の一点鎖線は、ロータのｄ軸の位置を示している。ロータのｄ軸は、制御開始時点ではβ軸に近い位置にいるが、図示するとおり着磁制御中も回転しているので、着磁動作完了時点ではα軸と略一致する位置まで移動する。

鎖交磁束ベクトル１０１は、着磁制御開始時点における現在の鎖交磁束ベクトルλｓを示している。現在の鎖交磁束ベクトルλｓは、上述のとおり磁束オブザーバ８０で算出されたものである。

図示するＭＧ点は、着磁量指令値ＭＳ^*により指令された目標となる着磁量を表している。すなわち、ＭＧ点まで引かれた鎖交磁束ベクトル１０２は、着磁時の鎖交磁束ベクトルであって、所望の着磁量を達成するための目標鎖交磁束ベクトルλｅ１である。着磁量指令値ＭＳ^*に応じた目標鎖交磁束ベクトルλｅ１は、例えば、目標着磁量と当該着磁量を達成する鎖交磁束ベクトルとを対応づけたマップを予め記憶しておき、当該マップを参照することにより算出される。

そして、着磁前行程において出力すべき指令鎖交磁束ベクトルの総和（λｃ１＋λｃ２）は、着減磁制御開始時の現在の鎖交磁束ベクトルλｓから、目標鎖交磁束ベクトルλｅ１に至る鎖交磁束ベクトルの軌跡で示される。この鎖交磁束ベクトルを実現する電圧時間積をＰＷＭ電圧インバータ５が出力することで、鎖交磁束ベクトルλｓを目標鎖交磁束ベクトルλｅ１に移動させて、着磁を完了させることができる。

ここで、モータ６が高速駆動中であっても確実に着磁するためには、着磁制御を可能な限り短時間で完了させることが好ましい。このためには、ＰＷＭ電圧インバータ５の出力電圧を着磁制御期間中最大に維持することが望ましい。

一方で、従来の一般的なＰＷＭ電圧インバータ５は、一定のスイッチング周期で動作するので、出力電圧を例えば最大出力電圧などの一定値に固定した場合には、出力可能な電圧時間積が離散的な値となる。このため、従来の着減磁制御では、目標となる着減磁時の鎖交磁束ベクトルと制御完了時点での鎖交磁束ベクトルとを一致させるのが難しく、双方の間に誤差が生じ、着磁量制御精度が低下してしまうという問題があった。

そこで、本実施形態では、着磁制御開始時点の鎖交磁束ベクトルλｓから目標鎖交磁束ベクトルλｅ１に至る指令鎖交磁束ベクトルを、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１（１０３）と、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２（１０４）の２種類の鎖交磁束ベクトルにより構成することで、上記問題を解決する。指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、及び、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、以下式（１）に基づいて決定される。

ただし、上記式（１）において、λｃｏｍｍａｎｄ１は指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃｏｍａｎｄ２は指令鎖交磁束ベクトルλｃ２、λｅｎｄは目標鎖交磁束ベクトルλｅ１、λｓｔａｒｔは現在の鎖交磁束ベクトルλｓ、Ｖｍａｘはモータ６を駆動するＰＷＭ電圧インバータ５の最大出力電圧、ＴはＰＷＭ電圧インバータのスイッチング周期、ωはモータ６のロータ回転速度ωを示す。

上記（１）式で算出された指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２は図２に示すとおりである。図で示す鎖交磁束ベクトル１０３は、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１である。本実施形態の指令鎖交磁束ベクトルλｃ１は、ＰＷＭ電圧インバータ５の最大出力電圧Ｖｍａｘにより実現される。そして、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２を実現する出力電圧値は、以下（２）式を用いて決定される。

ただし、上記（２）式中のＶｃｏｍｍａｎｄは、ＰＷＭ電圧インバータ５の出力電圧値、ＴはＰＷＭ電圧インバータ５のスイッチング周期、λｃｏｍｍａｎｄ２は指令鎖交磁束ベクトルλｃ２を示す。

上記式（１）および（２）により指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２が算出されると、鎖交磁束制御器９０は、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２を実現する第２三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、及びＶｗ^*を算出して、切替器４に出力するとともに、第２三相電圧指令値の印加時間（スイッチングＯＮの回数に関連するスイッチング期間）を指令するためのスイッチング期間指令値ＴｓｗをＰＷＭ電圧インバータ５に出力する。すなわち、鎖交磁束制御器９０は、モータ６への印加電圧の振幅と位相成分（スイッチング期間）とを制御することにより、指令鎖交磁束ベクトルλｃを実現する。

以上のように実現される指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２によって構成される指令鎖交磁束ベクトルの軌跡は、図２で示すように、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１を４回、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２を１回出力することにより実現される。このように、着磁制御開始から目標鎖交磁束ベクトルλｅ１までの着磁前行程を種類の異なる二つの鎖交磁束ベクトルを組み合わせて構成することにより、着磁制御の終了時点において目標鎖交磁束ベクトルλｅ１に一致する指令鎖交磁束ベクトルを実現することができる。この結果、着磁制御において、永久磁石を目標とする着磁量に精度よく着磁することができる。

また、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２は、スイッチング周期は一定のまま、電圧値の大きさ（第２三相電圧指令値）と、出力する回数（スイッチング期間Ｔｓｗ）を可変にするだけで実現することができる。したがって、上記の指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２をスイッチング周期が一定な従来の電圧型インバータを用いて実現することができるので、従来の電圧型インバータの制御プログラムを変更するだけで、コストを増加させずに着減磁量制御精度を改善し、モータ効率を向上させることができる。

次に、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１と、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２を出力する順序について、図３を用いて説明する。

図３は、図２と同様のαβ座標上の鎖交磁束ベクトルを模式的に表した図であって、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１とλｃ２の出力順序を説明する図である。

本実施形態では、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１を着磁制御開始直後の制御周期から適用する。そして、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２を目標鎖交磁束ベクトルλｅ１に至る直前の制御周期に適用する。すなわち、本実施形態の指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、着磁前行程における最後の制御周期に適用される。

また、このようなタイミングで出力される指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、以下（３）式に基づき決定されてもよい。

ただし、上記式（３）中のλｃｏｍｍａｎｄ２は指令鎖交磁束ベクトルλｃ２、λｃｏｍｍｎｄ１は指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｅｎｄは目標鎖交磁束ベクトルλｅ１、Ｖｍａｘはモータ６を駆動するＰＷＭ電圧インバータ５の最大出力電圧、ＴはＰＷＭ電圧インバータのスイッチング周期、ωはモータ６のロータ回転速度ωを示す。

そして、上記式（３）中のλｓｔａｒｔ１は、着磁制御開始後、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１をＮ回（本実施形態では４回（図３参照））出力した後のタイミングにおける現在の鎖交磁束ベクトルλｓを推定した鎖交磁束ベクトルとする。すなわち、本実施形態において上記式（３）を用いて算出される指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、目標鎖交磁束ベクトルλｅ１に至る一つ前の制御周期において推定された現在の鎖交磁束ベクトルλｓｔａｒｔ１に基づいて算出される。これにより、着磁制御開始後、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１がＮ回出力される間に発生し得る誤差が補償できるので、着磁量制御精度をさらに向上させることができる。

なお、λｓｔａｒｔ１で表される現在の鎖交磁束ベクトルλｓが磁束オブザーバ８０で算出される際、すなわち、着磁制御期間中において現在の鎖交磁束ベクトルλｓが算出される際は、磁束オブザーバ８０に入力される電圧指令値を、電流制御器２から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*に代えて、鎖交磁束制御器９０が出力する第２三相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｕ＊，Ｖｗ＊をロータ位相θに基づいてｄｑ軸電圧指令値に変換したｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*とする。

以上が着磁前行程における着減磁制御の詳細である。上述したとおり、本実施形態に係る可変磁力モータの制御装置１００が行う着減磁制御は、着磁前行程と着磁後行程とから構成される。そして、着磁後行程の制御は着磁前行程と同様である。ここで、着磁前行程と着磁後行程とから構成される着減磁制御全体の態様を図４に示す。

図４は、着磁前行程と着磁後行程とから構成された着減磁制御全体におけるαβ座標上の鎖交磁束ベクトルを模式的に表した図である。α軸を基準に、α軸の下方が着磁前行程、α軸の上方が着磁後行程を表している。そして、鎖交磁束ベクトル１０６は、所望の着減磁を達成した状態で、負荷動作制御時の目標トルクを出力する目標鎖交磁束ベクトルλｔ２である。また、図１、図２と同様に、鎖交磁束ベクトル１０１は、着減磁制御開始時点における現在の鎖交磁束ベクトルλｓ、鎖交磁束ベクトル１０２は、着減磁時の鎖交磁束ベクトルである目標鎖交磁束ベクトルλｔ１、１点鎖線は、モータ６のｄ軸を表している。

図示するように、着磁前行程における指令鎖交磁束ベクトルの総和（λｃ１、λｃ２）と、着磁後行程における指令鎖交磁束ベクトルの総和（λｃ１、λｃ２）は同様の組み合わせで構成されている。

ただし、着磁後行程における制御開始時点は、着減磁時の鎖交磁束ベクトルである目標鎖交磁束ベクトルλｔ２であり、これは、着磁前行程における制御開始時の現在の鎖交磁束ベクトルλｓに相当する。また、着磁後行程における制御完了点は、目標トルクを出力する目標鎖交磁束ベクトルλｔ２であり、これは、着磁前行程における目標鎖交磁束ベクトルλｔ１に相当する。したがって、着磁後行程における指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２が算出される際は、上記式（１）〜（３）において現在の鎖交磁束ベクトルλｓを表すλｓｔａｒｔは、着減磁時の鎖交磁束ベクトルである目標鎖交磁束ベクトルλｔ１と一致する値となる。また、λｅｎｄは、目標トルクを出力可能な目標鎖交磁束ベクトルλｔ２が設定される。これにより、着減磁前行程と同様の制御により、着磁後行程においても着磁前行程と同様の指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２の軌跡を実現することができる。なお、着磁制御中における現在の鎖交磁束ベクトルλｓは、上述のとおり、鎖交磁束制御器９０が出力する第２三相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｕ＊，Ｖｗ＊をロータ位相θに基づいてｄｑ軸電圧指令値に変換したｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*とに基づいて算出される。

以上の構成により、少なくとも２種類の指令鎖交磁束ベクトルの組み合わせにより着減磁制御を完了させることができるので、一般的に用いられるＦＢ制御を用いた着減磁制御よりも大幅に少ない指令鎖交磁束ベクトルの組み合わせにより着減磁制御を完了させることができる。また、上述のとおり、本実施形態の着減磁制御は、従来のＰＷＭ制御を用いた電圧型のインバータを用いて行うことができる。このため、コストの増加を生じさせることなく、高い電圧利用率により着減磁制御を実行することができるので、着磁可能なモータ回転数を低下させることなく着減磁量制御精度の向上を図り、モータ効率を向上させることができる。

なお、本実施形態のモータ制御装置１００は、上述のとおり、着磁制御時には、鎖交磁束制御器９０によって負荷動作時とは別個に着磁制御を実行する。したがって、本実施形態のモータ制御装置１００は、鎖交磁束制御器９０による着磁制御をロータの回転（位相）に同期して行う必要がない。このため、例えば高速回転時においてトルクを弱める際に、弱め界磁制御をしながら同時に着磁制御を実行するような場面を回避することができ、着磁制御に要する電圧を抑制することができるので、従来のように着磁制御時の電圧不足分を補償するための追加の昇圧回路を不要とすることができる。その結果、モータ制御装置１００によってモータ６を制御する際の全体的な損失を抑え、全体効率の改善を図ることができる。

以上、第１実施形態の可変磁力モータの制御装置１００は、駆動中に永久磁石の磁力を変化させる可変磁力モータ６の制御方法を実現するモータ制御装置である。モータ制御装置１００は、現在の鎖交磁束ベクトルλｓを推定し、目標着減磁量に着減磁する時の着減磁鎖交磁束ベクトル（目標鎖交磁束ベクトルλｅ１）、又は、走行要求に基づいて設定される目標トルクを着減磁がされた状態で出力する制御完了時の鎖交磁束ベクトル（目標鎖交磁束ベクトルλｅ２）を目標鎖交磁束ベクトルとして算出し、現在の鎖交磁束ベクトルλｓと目標鎖交磁束ベクトルとから複数の指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２を算出する。そして、着減磁制御開始から着減磁鎖交磁束ベクトルまでの第１行程（着磁前行程）、及び、着減磁鎖交磁束ベクトルから制御完了時の鎖交磁束ベクトルまでの第２行程（着後行程）は、それぞれ２以上の指令鎖交磁束ベクトルを組み合わせて構成される。これにより、着磁制御の終了時点において目標鎖交磁束ベクトルλｅ１に一致する指令鎖交磁束ベクトルを実現することができるので、着減磁量制御精度を改善することができる。

また、第１実施形態の可変磁力モータの制御装置１００によれば、着磁前行程および着後行程は、それぞれ、第１指令鎖交磁束ベクトル（λｃ１）と第２指令鎖交磁束ベクトル（λｃ２）とから構成される。これにより、少なくとも２種類の指令鎖交磁束ベクトルの組み合わせで着減磁制御時の鎖交磁束ベクトルの軌跡を構成することができるので、電圧利用率が向上し、着減磁制御時に要する電圧を抑制することができる。

また、第１実施形態の可変磁力モータの制御装置１００によれば、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１および指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、上記式（１）により決定される。これにより、算出式をコントローラプログラムすることによる寛敏な構成によって、現在の鎖交磁束ベクトルと目標鎖交磁束ベクトルとから指令鎖交磁束ベクトルを算出することができるので、低コストで必要な着減磁量制御精度を改善し、モータ効率を向上させることができる。

また、第１実施形態の可変磁力モータの制御装置１００によれば、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、目標鎖交磁束ベクトルに至る少なくとも一つ前の制御周期において推定された現在の鎖交磁束ベクトルλｃ１から算出され、目標鎖交磁束ベクトルに至る直前の制御周期に適用される。これにより、着磁制御時間を延ばすことなく、着磁可能回転数を低下させずに指令鎖交磁束ベクトルを目標鎖交磁束ベクトルに至らせることができるので、着磁量制御精度を改善し、モータ効率をさらに向上させることができる。

また、第１実施形態の可変磁力モータの制御装置１００によれば、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、可変磁力モータへ印加する電圧の大きさ（第２三相電圧指令値）、または当該電圧の印加時間（スイッチング期間）を変化させることで実現される。また、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、可変磁力モータを駆動するインバータが、上記式（２）で算出される電圧をスイッチング周期の間出力することで実現される。これにより、スイッチング周期を固定したまま、電圧指令値の変更のみで上記の着減磁制御を実現できるので、コストを増加させずに着減磁量制御精度を改善し、モータ効率を向上させることができる。

また、第１実施形態の可変磁力モータの制御装置１００によれば、現在の鎖交磁束ベクトルλｓは、可変磁力モータに供給される現在のモータ電流（ｄ軸実電流ｉｄ及びｑ軸実電流ｉｑ）と、可変磁力モータへの電圧指令値（ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*）と、モータ回転数（ロータ回転速度ω）とから算出され、着減磁鎖交磁束ベクトル（λｅ１）は、ロータ回転速度ωと、着減磁量指令ＭＳ^*とから算出され、制御完了時の鎖交磁束ベクトル（λｅ２）は、目標トルク（トルク指令値Ｔ^*）から算出され、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２は、着減磁鎖交磁束ベクトル（λｅ１）又は制御完了時の鎖交磁束ベクトル（λｅ２）と、現在の鎖交磁束ベクトルλｓと、可変磁力モータのロータ位相θと、ロータ回転速度ωとから算出される。算出された指令鎖交磁束ベクトルλｃ１、λｃ２は、可変磁力モータを駆動するインバータが出力する出力電圧と、当該出力電圧の出力時間（スイッチング期間）とを制御することにより実現される。これにより、上述の着減磁制御を従来の一般的な電圧型インバータを用いて実現することができるので、従来の電圧型インバータの制御プログラムを変更するだけで、コストを増加させずに着減磁量制御精度を改善し、モータ効率を向上させることができる。

［第２実施形態］
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、その説明を省略する。

本実施形態が第１実施形態と異なる点は、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１とλｃ２の出力順序である。

本実施形態では、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２を着減磁制御開始直後の制御周期、または、着減磁制御開始直後の制御周期の次の制御周期に適用する。すなわち、本実施形態の指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、着磁前行程における最初（１回目）、または、２回目の制御周期に適用される。そして、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１は、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２が１回目の制御周期に適用された場合は２回目以降に適用され、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２が２回目の制御周期に適用された場合は、１回目、および、３回目以降の制御周期に適用される。

図５は、第２実施形態のモータ制御装置２００がモータ６を着減磁制御する際のαβ座標上の鎖交磁束ベクトルを模式的に表した図であって、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２が、着磁制御開始直後の制御周期に適用された場合を示す図である。

図示する指令鎖交磁束ベクトルλｃ１（２０１）、λｃ２（２０２）は、第１実施形態にて用いた式（１）の、λｃｏｍｍａｎｄ１、λｃｏｍｍａｎｄ２である。図示するとおり、本実施形態の指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、着磁制御開始直後において、現在の鎖交磁束ベクトルλｓを起点として出力される。

ここで、着減磁をより速く行うために、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１は最大出力電圧で実現されるのが好ましい。このため、モータ電流は、着磁制御開始以降から大きくなり、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１の出力期間は最大になる。したがって、指令鎖交磁束ベクトルλｃ１よりも小さい出力電圧で実現できる指令鎖交磁束ベクトルλｃ２を、着磁制御開始直後、あるいは２回目の制御周期においてモータ電流がまだ低い期間（最大値に達する前）に適用する。これにより、モータ電流が最大値に達した後に、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２を実現するためにモータ電流を小さくする場面を回避できるので、着減磁制御期間全体における効率を向上させることができる。

以上、第２実施形態の可変磁力モータの制御装置２００によれば、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、着磁前行程開始直後の制御周期または当該制御周期の次の制御周期、及び、着磁後制御開始直後の制御周期または当該制御周期の次の制御周期に適用される。これにより、モータ電流がまだ低い期間に指令鎖交磁束ベクトルλｃ２を算出することができるので、着減磁制御期間全体における効率を向上させることができる。

［第３実施形態］
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、その説明を省略する。

本実施形態のモータ制御装置３００は、指令鎖交磁束ベクトルλｃ２の実現方法が第１実施形態と相違している。以下に説明する指令鎖交磁束ベクトルλｃ２を実現するため、本実施形態のモータ制御装置３００が備えるＰＷＭ電圧インバータ５は、そのスイッチング周期（スイッチングＯＮ時間）を制御可能なスイッチング周期可変型のインバータであることを前提とする。

本実施形態の指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、ＰＷＭ電圧インバータ５の最大出力電圧を下記式（４）で決定される時間Ｔｃｏｍｍａｎｄの間、モータ６に出力することにより実現される。

ただし、上記（４）式中のＴｃｏｍｍａｎｄは電力出力時間、λｃｏｍｍａｎｄ２は指令鎖交磁束ベクトルλｃ２、ＶｍａｘはＰＷＭ電圧インバータ５の最大出力電圧を示す。

鎖交磁束ベクトルは、モータ６への印加電圧と位相成分（スイッチング周期）とからなる電圧時間積により実現できる。したがって、本実施形態の指令鎖交磁束ベクトルλｃ２は、印加電圧を最大とし、その分スイッチング周期を短く調整することで、例えば、第１実施形態と略同一の電圧時間積をより短い時間で達成することができる。このため、着磁制御に要する時間を短縮することができるので、着減磁制御が可能なロータ回転数を拡大しつつ、着減磁量制御精度を改善して、モータ効率を向上させることができる。

以上、第３実施形態の可変磁力モータの制御装置３００によれば、指令鎖交磁束ベクトルは、前記インバータの最大出力電圧を上記式（４）で算出される電圧出力時間の間出力することで実現される。これにより、着制制御期間中、最大電圧出力を維持することができるので、着減磁制御に要する時間を短縮することができる。この結果、着減磁制御可能な回転数を向上させつつ、着減磁量制御精度を改善し、モータ効率を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

例えば、可変磁力モータ６が備える永久磁石は、その全てが低保磁力磁石である必要は必ずしもなく、高保磁力磁石と組み合わせて用いられてもよい。

また、着減磁制御部１０は、図１で示すモータ制御装置１００や、スイッチング周期可変型のＰＷＭ電圧インバータ５を備えるモータ制御装置３００に適用される必要は必ずしもない。着減磁制御部１０は、可変磁力モータを制御対象とするシステムであれば、当該可変磁力モータに対する着減磁制御を担う機能部として適用することができる。

５…インバータ（ＰＷＭ電圧インバータ）
６…可変磁力モータ
１０、１００、２００、３００…コントローラ

Claims (10)

1. モータ駆動中に永久磁石の磁力を変化させる着減磁制御を実行する可変磁力モータの制御方法であって、
   現在の鎖交磁束ベクトルを推定し、
   目標着減磁量に着減磁する時の着減磁鎖交磁束ベクトル、又は、走行要求に基づいて設定される目標トルクを前記着減磁がされた状態で出力する制御完了時の鎖交磁束ベクトルを目標鎖交磁束ベクトルとして算出し、
   前記現在の鎖交磁束ベクトルと前記目標鎖交磁束ベクトルとから複数の指令鎖交磁束ベクトルを算出し、
   前記着減磁制御を開始してから前記着減磁鎖交磁束ベクトルに至るまでの第１行程、及び、前記着減磁鎖交磁束ベクトルから前記制御完了時の鎖交磁束ベクトルに至るまでの第２行程は、それぞれ２以上の前記指令鎖交磁束ベクトルを組み合わせて構成される、
   ことを特徴とする可変磁力モータの制御方法。
2. 前記第１行程および前記第２行程は、それぞれ、第１指令鎖交磁束ベクトルと第２指令鎖交磁束ベクトルとから構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変磁力モータの制御方法。
3. 前記第１指令鎖交磁束ベクトルおよび前記第２指令鎖交磁束ベクトルは、以下式（１）により決定される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の可変磁力モータの制御方法。
   

   

   ただし、上記式（１）において、λｃｏｍｍａｎｄ１は前記第１指令鎖交磁束ベクトル、λｃｏｍａｎｄ２は前記第２指令鎖交磁束ベクトル、λｅｎｄは前記目標鎖交磁束ベクトル、λｓｔａｒｔは前記現在の鎖交磁束ベクトル、Ｖｍａｘは前記可変磁力モータを駆動するインバータの最大出力電圧、Ｔは前記インバータのスイッチング周期、ωは前記可変磁力モータのロータ回転速度、ｎは整数を示す。
4. 前記第２指令鎖交磁束ベクトルは、前記目標鎖交磁束ベクトルに至る少なくとも一つ前の制御周期において推定された前記現在の鎖交磁束ベクトルから算出され、前記目標鎖交磁束ベクトルに至る直前の制御周期において適用される、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の可変磁力モータの制御方法。
5. 前記第２指令鎖交磁束ベクトルは、前記第１行程開始直後の制御周期または当該制御周期の次の制御周期、及び、前記第２行程開始直後の制御周期または当該制御周期の次の制御周期において適用される、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の可変磁力モータの制御方法。
6. 前記第２指令鎖交磁束ベクトルは、前記可変磁力モータへ印加する電圧の大きさ、または当該電圧の印加時間を変化させることで実現される、
   ことを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の可変磁力モータの制御方法。
7. 前記第２指令鎖交磁束ベクトルは、前記可変磁力モータを駆動するインバータが、下記式（２）で算出される電圧をスイッチング周期の間出力することで実現される、
   ことを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の可変磁力モータの制御方法。
   

   

   ただし、上記（２）式中のＶｃｏｍｍａｎｄは前記インバータが出力する電圧、Ｔは前記インバータのスイッチング周期、λｃｏｍｍａｎｄ２は前記第２指令鎖交磁束ベクトルを示す。
8. 前記第２指令鎖交磁束ベクトルは、前記インバータの最大出力電圧を下記式（３）で算出される電圧出力時間の間出力することで実現される、
   ことを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の可変磁力モータの制御方法。
   

   

   ただし、上記（３）式中のＴｃｏｍｍａｎｄは前記電圧出力時間、Ｖｍａｘは、インバータの最大出力電圧、λｃｏｍｍａｎｄ２は前記第２指令鎖交磁束ベクトルを示す。
9. 前記現在の鎖交磁束ベクトルは、前記可変磁力モータに供給される現在のモータ電流と、前記可変磁力モータへの電圧指令値と、モータ回転数とから算出され、
   前記着減磁鎖交磁束ベクトルは、前記モータ回転数と、前記目標着減磁量とから算出され、
   前記制御完了時の鎖交磁束ベクトルは、前記目標トルクから算出され、
   前記指令鎖交磁束ベクトルは、前記着減磁鎖交磁束ベクトル又は前記制御完了時の鎖交磁束ベクトルと、前記現在の鎖交磁束ベクトルと、前記可変磁力モータのロータ位相と、前記モータ回転数とから算出され、
   算出された指令鎖交磁束ベクトルは、前記可変磁力モータを駆動するインバータが出力する出力電圧と、当該出力電圧の出力時間とを制御することにより実現される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変磁力モータの制御方法。
10. 駆動中に永久磁石の磁力を制御するコントローラを備えた可変磁力モータの制御装置であって、
    前記コントローラは、
    現在の鎖交磁束ベクトルを推定する推定し、
    着減磁時の鎖交磁束ベクトル、又は、走行要求に基づいて設定される目標トルクを出力する鎖交磁束ベクトルを目標鎖交磁束ベクトルとして算出し、
    前記現在の鎖交磁束ベクトルと前記目標鎖交磁束ベクトルとから複数の指令鎖交磁束ベクトルを算出し、
    着減磁制御開始から前記着減磁時の鎖交磁束ベクトルまでの第１行程、及び、前記着減磁時の鎖交磁束ベクトルから前記目標トルクを出力する鎖交磁束ベクトルまでの第２行程は、それぞれ２以上の前記指令鎖交磁束ベクトルを組み合わせて構成する、
    ことを特徴とする可変磁力モータの制御装置。

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