JP2019118245A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの温度を適切に管理することができるモータ制御装置を提供する。【解決手段】モータ制御装置に、モータの温度を入力する温度入力部と、入力されたモータの温度が第１の閾値以下である場合には、電源電圧を降圧して定電流・電圧可変制御によってモータを駆動し、モータの温度が第１の閾値を超えている場合には、所定の電源電圧により定電圧・電流可変制御によってモータを駆動するように制御を行う制御部と、を備える。【選択図】図７

Description

本発明は、モータの駆動制御を行うモータ制御装置に関する。

車両等の動力となるモータの駆動電力をインバータ回路を用いて制御する技術が知られている。
例えば特許文献１には、電源からの電圧を昇圧してインバータ回路に印加するＤＣＤＣコンバータ回路を備え、モータの消費電力量に関連する情報に基づいて、インバータ回路に印加する電圧の昇圧比を設定する技術が開示されている。

特開２００４−２０８４０９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、インバータ回路に印加する電圧の昇圧比を設定することにより、モータの消費電力量を制限することはできるが、電流が一定であるため、モータの界磁コイルの抵抗による発熱（いわゆる銅損）により、モータの温度が上昇してしまう。
上述の課題に鑑み、本発明は、モータの温度を適切に管理することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るモータ制御装置のある態様によれば、モータの温度を入力する温度入力部と、前記入力されたモータの温度が第１の閾値以下である場合には、電源電圧を降圧して定電流・電圧可変制御によって前記モータを駆動し、前記モータの温度が第１の閾値を超えている場合には、所定の電源電圧により定電圧・電流可変制御によって前記モータを駆動するように制御を行う制御部と、を備えることを特徴とするモータ制御装置が提供される。

以上の構成を有する本発明によれば、モータの温度に応じて、モータの制御方法を変更することにより、モータの温度を適切に管理することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態１に係るモータ制御装置の構成例を示すブロック図である。 モータの消費電力とモータの回転数ＮとトルクＴとの関係を示す図である。 モータを駆動する駆動電圧の波形の例を模式的に示す図である。 モータの制御処理を示すフローチャートである。 モータの駆動に要求される電力Ｐと駆動電圧Ｖ及び駆動電流Ｉの関係を示す図である。 インバータに印加する電圧Ｖとインバータの損失ηの関係を示す図である。 実施形態２におけるモータの制御処理を示すフローチャートである。 インバータに印可する電圧と電流の関係の例を示す図である。 モータの温度の変化の例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための実施形態について詳細に説明する。
＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係るモータ制御装置の構成例を示すブロック図である。
このモータ制御装置は、車両等に駆動力を出力するモータ１と、車両の状態に応じてトルク指令（トルク指示値）を出力するＶＣＵ（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：車両制御装置）２と、ＶＣＵ２からのトルク指令に応じて駆動電圧を生成するインバータ３と、直流の電源電圧（Ｖ_BATT）を供給するバッテリ４と、インバータ３からの指示に応じてバッテリ４からの電源電圧を降圧してインバータ３に供給する降圧ＤＣＤＣ変換部５と、モータ１の周囲の温度あるいはモータ１を冷却する冷媒の温度等を検出する温度センサ６とを備えている。このモータ制御装置では、降圧ＤＣＤＣ変換部５は、インバータ３の制御部３１からの要求電圧に応じてバッテリ４の電圧（Ｖ_BATT）から所定の降圧比で電圧を降圧し、降圧した電圧Ｖをインバータ３に供給する。

モータ１は、例えば出力端を有する回転軸を中心として回動自在に設けられたロータ、三相の駆動電圧に応じた駆動電流によって磁界を発生する界磁コイル等を有するステータ、ロータ及びステータ等を収納するハウジング等を備えるブラシレスモータからなる。ロータには、永久磁石が取り付けられており、界磁コイルにより発生される磁界に応じてロータの回転軸を中心として回転し、回転軸の一端（出力端）から駆動力を出力する。
また、モータ１には、ロータの角度を検出する位置センサ１１と、モータ１の温度を検出する温度センサ１２が設けられている。位置センサ１１は、例えばロータの周囲に１２０°毎に配置され、ロータの磁気を検出する３つのホール素子等の磁気センサを備え、ロータの角度を検出する。なお、ロータリーエンコーダ等の他の手段によってロータの角度を検出するようにしてもよい。温度センサ１２は、サーミスタ等の温度検出素子を備えており、界磁コイル等のモータ１の温度を検出し、インバータ３に供給する。

ＶＣＵ２は、現在のアクセル開度、車両速度、加速あるいは減速の際の加速度等の車両の状態に応じて必要なトルクの値を示すトルク指令を生成し、インバータ３に供給する。
インバータ３は、インバータ３全体の動作を制御する制御部３１と、制御部３１からの指示に応じて降圧ＤＣＤＣ変換部５から供給される電圧Ｖのスイッチングを行って三相の駆動電圧を生成するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）モジュール（以下、単にＩＧＢＴという）３２と、ＩＧＢＴ３２等の温度を検出する温度センサ３３とを備えている。ＩＧＢＴ３２は、三相の駆動電圧を生成するため、３組６個のスイッチング素子（ＩＧＢＴ素子）を備えている。なお、このＩＧＢＴ素子の代わりにＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子を用いてもよい。

制御部３１は、例えば位置センサ１１の検出電圧を所定の基準電圧と比較し、比較結果に応じて、ロータの角度を６０°単位で検出する。また、制御部３１は位置センサ１１の検出電圧に基づいてモータ１の回転数を検出する。なお、モータの回転数は位置センサ１１とは別のセンサを用いて検出するようにしてもよい。
制御部３１は、ＶＣＵ２からのトルク指令と検出したモータ１の回転数に応じて、モータを駆動するために必要な必要電力を算出する。モータ１の回転数ＮとトルクＴとの関係は、例えば図２に示すように、モータ１の消費電力に応じて変化する。モータ１の回転数ＮとトルクＴとの関係は、例えば、消費電力が６０ｋＷのときは同図中の実線のようになるが、消費電力が４０ｋＷ、２０ｋＷのときは夫々破線で示すようになる。このため、制御部３１は、このような関係に基づいて、トルク指令とモータ１の回転数に応じて、必要なトルクが得られる消費電力を必要電力として算出する。

さらに、制御部３１は、算出した必要電力に応じて、モータ１の駆動に必要な電圧値と電流値を算出する。制御部３１は、算出した電圧値を要求電圧として降圧ＤＣＤＣ変換部５に供給する。降圧ＤＣＤＣ変換部５は、制御部３１からの要求電圧に応じてバッテリ４の電圧（Ｖ_BATT）から所定の降圧比で降圧した電圧Ｖをインバータ３に供給する。なお、必要電力はＶＣＵ２からのトルク指令と検出したモータ１の回転数に応じて算出されており、トルク指令はアクセル開度等に応じて生成されているため、降圧比はアクセル開度に応じた値となっている。

制御部３１は、上述のように検出したロータの回転角と上述のように算出した電流値に応じてＩＧＢＴ３２の各スイッチング素子によるスイッチングを制御し、例えば図３に示すような三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動電圧（駆動信号）を生成させる。この駆動電圧の波形は、正弦波駆動の場合においてモータ１の界磁コイルに流れる駆動電流の実効値（以下、単に電流値という。）が所定の電流値になるようにＰＷＭ（Ｐｉｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）制御を行った場合の波形を示している。制御部３１は、電流値に応じて駆動電圧のパルスのデューティ比を制御する。具体的には、制御部３１は、ＰＷＭによる変調度を変更する。なお、この図３では、後述の電流可変の場合に、変調度を０．８程度とした状態について、模式的に示している。この場合では、パルス幅が、変調度が１の場合の０．８倍になっている。また、後述の電圧可変の場合は変調度を１程度（厳密には０．９８程度）とする。また、実際には、ＰＷＭの変調周波数は数ｋＨｚ程度である。

ＩＧＢＴ３２によって生成された駆動電圧はモータ１のステータの界磁コイルに供給され、界磁コイルには駆動電圧に応じた駆動電流が流れ、界磁コイルによる磁界とロータの永久磁石との相互作用により、ロータにトルクが発生する。このトルクはロータの出力端を介して外部に出力される。
図４は、このモータ制御装置におけるモータの制御処理を示すフローチャートである。
このモータ制御装置では、制御部３１は、上述のように算出した必要電力Ｐが閾値Ｐｔｈ未満である場合には、電圧値Ｖを所定の電圧値Ｖ´として必要電力Ｐに応じて電流値Ｉを変更し、必要電力Ｐが閾値Ｐｔｈ以上である場合には、電流値を所定の電流値Ｉ´として必要電力Ｐに応じて電圧値Ｖを変更するように制御する。すなわち、このモータ制御装置では、制御部３１が、ＶＣＵ２からのトルク指令とモータの回転数に応じて求めた必要電力Ｐが、所定の閾値Ｐｔｈ以上であるか否かでモータの制御方法を変更する。

まず、制御部３１は、モータ１が停止している状態で駆動を開始すると、電圧値Ｖを所定の電圧Ｖ´で一定とし（電圧一定）、必要電力Ｐに応じて電流値Ｉを変更する（電流可変）。制御部３１は、このように求めた電圧値と電流値に基づいて、上述のようにモータ１の駆動の制御を行う（Ｓ１）。
さらに、制御部３１は、要求電力Ｐが所定の閾値Ｐｔｈを超えたか否かを判断する（Ｓ２）。要求電力Ｐが所定の閾値Ｐｔｈ未満であれば、制御部３１は、Ｓ１の処理を継続する。要求電力Ｐが所定の閾値Ｐｔｈ以上となっていれば、制御部３１は、Ｓ３に進み、電流値Ｉを所定の電流Ｉ´で一定とし（電流一定）、必要電力Ｐに応じて電圧値Ｖを変更する（電圧可変）。制御部３１は、このように求めた電圧値と電流値に基づいて、上述のようにモータ１の駆動の制御を行う。

さらに、制御部３１は、要求電力Ｐが所定の閾値Ｐｔｈ未満であるか否かを判断する（Ｓ４）。要求電力Ｐが所定の閾値Ｐｔｈ以上であれば、制御部３１は、Ｓ３の処理を継続する。要求電力Ｐが所定の閾値Ｐｔｈ未満となっていれば、制御部３１は、Ｓ１に進み、上述の処理を繰り返す。
上述のような制御を行った結果、必要電力Ｐと、モータ１の駆動電圧（降圧ＤＣＤＣ変換部５から供給される電圧Ｖ）と、モータ１の駆動電流Ｉの関係は、図５に示すように、閾値Ｐｔｈ未満では電圧が一定（Ｖ´）の状態、閾値Ｐｔｈ以上では電流が一定（Ｉ´）の状態でモータ１が駆動される。

ところで、インバータ３における損失ηは、例えば図６に示すように、所定の電圧（Ｖ´）を境に（降圧ＤＣＤＣ変換部５から供給される）電圧Ｖが小さくなっても大きくなっても増加する。
このため、本実施形態では、定電流・電圧可変制御を行った場合に電圧Ｖが電圧Ｖ´となる値に応じて閾値Ｐｔｈの値を決定する。
さらに、本実施形態では、要求電力Ｐが閾値Ｐｔｈ以上の領域では、必要電力に応じたモータ１の消費電力の制御は、上述のように、電流を一定値Ｉ´として上述の降圧ＤＣＤＣ変換部５による降圧による電圧Ｖの制御によって行っている。これにより、電圧Ｖの値を必要最小限に低下させて、総合的なインバータ３の損失を低減させることができる。
また、本実施形態では、消費電力が閾値Ｐｔｈ未満の領域では、必要電力に応じたモータ１の消費電力の制御は、上述のように、電圧Ｖを所定値Ｖ´で一定とし、駆動電圧のパルスのデューティの変更による電流Ｉの制御によって行っている。これにより、必要電力が小さい領域すなわちモータ１の出力が低い低出力時のインバータ３の損失を低減させることができる。

以上説明したように、本実施形態では、モータを駆動するために必要な必要電力が閾値（Ｐｔｈ）未満である場合には、電圧値を所定の電圧値（Ｖ´）として必要電力に応じて電流値を変更し、必要電力が閾値（Ｐｔｈ）以上である場合には、電流値を所定の電流値（Ｉ´）として必要電力に応じて電圧値を変更する。すなわち、必要電力が閾値未満であるか否かに応じて、モータの制御方法を変更することにより、低出力時のインバータにおける損失を低減させることができる。すなわち、本実施形態では、インバータにおける損失を最小限に保ちつつ、走行条件（車両の状態）に応じた適切なモータの駆動制御を行うことができる。

＜実施形態２＞
実施形態２のモータ制御装置は、上述の図１と同様に構成されている。
上述の実施形態１では、必要電力が閾値未満であるか否かに応じて、モータの制御方法を変更していたが、実施形態２では、モータの温度に応じてモータの制御方法を変更する。
このモータ制御装置では、制御部３１は、上述の実施形態１と同様に、ＶＣＵ２からのトルク指令と検出したモータ１の回転数に応じて、モータを駆動するために必要な必要電力を算出し、必要電力に応じてモータ１の駆動に必要な電圧値と電流値を算出する。さらに、制御部３１は、算出した電圧値に応じて降圧ＤＣＤＣ変換部５が生成する電圧Ｖをインバータ３に供給させ、算出した電流値に応じてＩＧＢＴ３２のスイッチングを制御し、駆動電圧を生成させる。

本実施形態のモータ制御装置では、さらに、温度センサ１２が検出したモータ１の温度に応じてモータの制御方法を変更する。
具体的には、例えば図７に示すように、制御部３１は、処理を開始すると、まずは、上述の実施形態１における必要電力Ｐが閾値Ｐｔｈ以上である場合と同様に、電流値Ｉを所定の電流Ｉ´で一定とし（電流一定）、必要電力Ｐに応じて電圧値Ｖを変更する（電圧可変）。制御部３１は、このように求めた電圧値と電流値に基づいて、上述のようにインバータ３を制御してモータ１の駆動電圧の制御を行う（Ｓ１１）。

さらに、制御部３１は、温度センサ１２が検出したモータ１の温度Ｔｍが予め設定した第１の閾値Ｔ１を超えているか否かを判定する（Ｓ１２）。モータ１の温度Ｔｍが閾値Ｔ１を超えていなければ、制御部３１は、Ｓ１１の処理を継続する。温度Ｔｍが閾値Ｔ１を超えている場合には、制御部３１は、Ｓ１３に進み、例えば図８に示すように、電圧値Ｖを所定の電圧Ｖｍａｘ（＝Ｖ_BATT）で一定とし（電圧一定）、必要電力Ｐに応じて電流値Ｉを変更する（電流可変）。制御部３１は、このように求めた電圧値と電流値に基づいて、上述のようにインバータ３を制御してモータ１の駆動電圧の制御を行う。
さらに、制御部３１は、温度Ｔｍが予め設定した第２の閾値Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）より低いか否かを判定する（Ｓ１４）。温度ＴｍがＴ２以上であれば、制御部３１は、Ｓ１３の処理を継続する。温度Ｔｍが閾値Ｔ２より低い場合には、制御部３１は、Ｓ１１に進み、上述の処理を繰り返す。

ところで、上述のＳ１１における処理のように、電流値Ｉを所定の電流Ｉ´で一定とし（電流一定）、必要電力Ｐに応じて電圧値Ｖを変更する（電圧可変）制御を行った場合、インバータ３の損失は低減できるものの、界磁コイルに流れる電流は、最低な電流値よりも高く維持される。この結果、モータ１の界磁コイルの抵抗による発熱（いわゆる銅損）により、モータの温度が上昇してしまう。
これに対し、上述のＳ１３における処理のように、電圧値Ｖを所定の電圧Ｖｍａｘで一定とし（電圧一定）、必要電力Ｐに応じて電流値Ｉを変更する（電流可変）制御を行った場合、電圧値Ｖが高めに維持されるためインバータ３の損失は増えるが、電流値は必要電力に応じて変動するため、Ｓ１１の場合より低めになる。このため、Ｓ１１の場合より、モータの界磁コイル１の抵抗による発熱が抑制される。この結果、上昇してしまったモータ１の温度Ｔｍの低下に寄与することができる。

また、モータ１の駆動方法の切り替えの判断は、モータ１の温度Ｔｍを１つの閾値のみと比較して行ってもよいが、状況によっては頻繁に駆動方法の切り替えが生じてしまう可能性がある。このため、上述のように、閾値Ｔ１、Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）を設定しておき、上述のような制御処理を行うことにより、モータの制御方法の切り替え頻度を抑制することができる。

ところで、制御部３１が、温度センサ６で検出するモータ１の周囲の温度（外気温）、モータ１を冷却する冷媒の温度等の環境情報を入力し、環境情報に応じて上述の閾値Ｔ１又は閾値Ｔ２あるいは両方を動的に変更するようにしてもよい。外気温が低い、あるいは冷媒の温度が低い等のモータ１が冷えやすい環境にある場合には、制御部３１は、例えば図９の時刻ｔ１、ｔ２に示すように、閾値Ｔ１、Ｔ２をモータ１が冷え難い環境にある場合の値より高く変更する。逆に、外気温が高い、あるいは冷媒の温度が高い等のモータ１が冷え難い環境にある場合には、制御部３１は、閾値Ｔ１、Ｔ２をモータ１が冷えやすい環境にある場合の値より低く変更する。このような制御を行うことにより、モータ１の温度を環境に応じて適切に管理することができる。

以上説明したように、本実施形態では、モータの温度が第１の閾値Ｔ１以下である場合には、電流値を所定の電流値とし、必要電力に応じて電圧値を変更する定電流・電圧可変制御によりモータを駆動し、モータの温度が第１の閾値Ｔ１を超えている場合には、電圧値を所定の電圧値とし、必要電力に応じて電流値を変更する定電圧・電圧可変制御によりモータを駆動する。すなわち、本実施形態では、モータの温度に応じてモータの制御方法を変更することにより、モータの温度を適切に管理することができる。

また、以上の説明では、モータの温度に応じてモータの制御方法を変更する場合について説明したが、さらにインバータ３が備える駆動素子（ＩＧＢＴ３２等）の温度に応じたモータの制御方法の変更を行うようにしてもよい。この場合、例えば、制御部３１は、インバータ３の温度センサ３３が検出するＩＧＢＴ３２等の温度が、予め設定しておいた第３の閾値Ｔ３を超えている場合に、電流値Ｉを所定の電流Ｉ´で一定とし（電流一定）、必要電力Ｐに応じて電圧値Ｖを変更する（電圧可変）制御を行う。すなわち、制御部３１は、モータの制御方法を定電流・電圧可変制御に切り替える。定電圧・電流可変制御では、駆動素子の負荷が高く、状況によっては駆動素子の温度が上昇する場合があるが、定電流・電圧可変制御に切り替えることにより、駆動素子の負荷を低減させて温度の上昇を抑制することができる。これにより、駆動素子の温度を適切に管理することができる。
また、モータの温度が第１の閾値Ｔ１より高く、モータの温度上限Ｔｍａｘより低い第４の閾値Ｔ４を超えた場合に、出力制限、例えば算出した必要電力Ｐを低減させる等の出力制限を行うようにしてもよい。これにより、モータの温度をより適切に管理することができる。

＜変形例＞
なお、上述の実施形態１における制御と実施形態２における制御を併用するようにしてもよい。すなわち、必要電力が閾値未満であるか否かに応じたモータの制御方法の変更とモータの温度に応じてモータの制御方法の変更を同時に行う。これにより、実施形態１の効果と実施形態２の効果を共に得ることができる。
また、上述の各実施形態では、降圧ＤＣＤＣ変換部５による降圧によって制御部３１からの要求電圧に応じた電圧Ｖを生成していたが、昇圧により制御部３１からの要求電圧に応じた電圧Ｖを生成する昇圧ＤＣＤＣ変換部を設けても、上述と同様の効果を得ることができる。
また、上述の各実施形態では、正弦波駆動によりモータ１の駆動電圧を生成していたが、正弦波駆動の代わりに矩形波駆動によって駆動電圧を生成するようにしてもよい。
また、上述の各実施形態では、ブラシレスモータの駆動制御を行う場合について説明したが、インバータを用いて３相同期モータ等の駆動制御を行う場合についても本発明を適用することができる。

１…モータ、２…ＶＣＵ、３…インバータ、４…バッテリ、５…降圧ＤＣＤＣ変換部、６，１２，３３…温度センサ、１１…位置センサ、３１…制御部、３２…ＩＧＢＴ

Claims (6)

1. モータの温度を入力する温度入力部と、
   前記入力されたモータの温度が第１の閾値以下である場合には、定電流・電圧可変制御によって前記モータを駆動し、前記モータの温度が第１の閾値を超えている場合には、所定の電源電圧により定電圧・電流可変制御によって前記モータを駆動するように制御を行う制御部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記定電流・電圧可変制御において、電源電圧を降圧して電圧を可変する電圧供給部、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記定電圧・電流可変制御を行っている際に、前記モータの温度が前記第１の閾値より低い第２の閾値より低くなった場合に、前記定電流・電圧可変制御に切り替える、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のモータ制御装置。
4. 少なくとも前記モータの周囲の温度、前記モータを冷却する冷媒の温度を含む環境情報を入力する環境入力部をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記入力した環境情報に応じて、少なくとも前記第１の閾値又は前記第２の閾値のいずれかを変更する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記モータに電源を供給する駆動素子の温度を入力する素子温度入力部をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記入力した駆動素子の温度が第３の閾値を超えた場合に、前記定電流・電圧可変制御に切り替える、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
6. 必要なトルク値を示すトルク指示値を入力するトルク指示値入力部と、
   モータの回転数を入力する回転数入力部と、
   前記制御部から指示される電圧値に応じた電圧を出力する電圧供給部と、
   前記制御部から指示される電流値に応じて前記電力供給部が出力した電圧からモータを駆動する駆動信号を生成するインバータ部とをさらに備え、
   前記制御部は、
   前記入力したトルク指示値と前記入力したモータの回転数に応じてモータを駆動するために必要な必要電力を算出し、前記算出した必要電力が所定の閾値未満である場合には、前記電圧値を所定の電圧値とし、前記必要電力に応じて前記電流値を変更し、前記算出した必要電力が所定の閾値以上である場合には、前記電流値を所定の電流値とし、前記必要電力に応じて前記電圧値を変更することにより前記定電流・電圧可変制御を行う、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ制御装置。

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