JP2020010501A - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石を使用するロータを備えた回転電機を対象としてトルク制御の精度を向上させること。【解決手段】ロータに磁石が設けられた回転電機の制御装置であって、回転電機の無負荷誘起電圧波形から、磁石の起磁力を推定する推定手段と、推定された起磁力に応じて、回転電機のトルク指令に対する電流値および電流位相を設定する設定手段とを備える。【選択図】図７

Description

本発明は、回転電機の制御装置に関する。

特許文献１には、マグネットトルクとリラクタンストルクとの合成トルクに基づいて回転電機の駆動を制御する制御装置について、ロータに設けられた磁石の温度に基づいて、電流位相を合成トルクが最大となる最適電流位相を設定し、その磁石温度が予め定められた閾値以上の場合には、電流位相を最適電流位相よりも遅角側に設定することが開示されている。

特開２０１３−００５５０３号公報

ところで、回転電機に適用される磁石（永久磁石）では、高温時にいわゆる減磁が発生することが知られている。この磁石の減磁について、高温時に逆磁界が入力された部位では、温度が低下しても起磁力が元に戻らなくなってしまう、不可逆減磁が発生する場合がある。特許文献１に記載の構成では、磁石温度のみで判断するため、温度が低下した後でも不可逆減磁が発生すると、所望のトルクを出力できない虞がある。このように、不可逆減磁を考慮せずに回転電機の駆動を制御すると、トルク制御の精度が低下してしまう。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、磁石を使用するロータを備えた回転電機を対象としてトルク制御の精度を向上させることができる回転電機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、ロータに磁石が設けられた回転電機の制御装置であって、回転電機の無負荷誘起電圧波形から、磁石の起磁力を推定する推定手段と、推定された起磁力に応じて、回転電機のトルク指令に対する電流値および電流位相を設定する設定手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、推定された起磁力に応じて回転電機の電流値と電流位相とを設定するので、磁石の減磁を考慮でき、トルク制御の精度が向上する。

図１は、実施形態のシステム構成を模式的に示す図である。 図２は、モータの構造を模式的に示す図である。 図３は、保磁力と磁束密度との関係を示す図である。 図４は、減磁が発生する場合を説明するための図である。 図５は、電流値および電流位相を設定する制御フローを示すフローチャートである。 図６は、減磁前後での無負荷誘起電圧波形を示す図である。 図７は、無負荷誘起電圧に応じて電流値および電流位相を設定する制御フローを示すフローチャートである。 図８は、実電流波形と指令値とを示す図である。 図９は、実電流波形の履歴に応じて電流値および電流位相を設定する制御フローを示すフローチャートである。 図１０は、モータの別の構造を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における回転電機の制御装置について具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は、実施形態のシステム構成を模式的に示す図である。図１に示すように、実施形態のシステム構成は、モータ１と、インバータ２と、昇圧部３と、バッテリ４と、制御装置１００とを備える。バッテリ４の電力を昇圧部３およびインバータ２を介してモータ１に供給することによってモータ１が駆動する。制御装置１００は、モータ１の駆動を制御するものである。

モータ１は、マグネットトルクとリラクタンストルクとを発生させる回転電機であり、バッテリ４から供給される電力によって駆動する。図１に示すように、モータ１はインバータ２および昇圧部３を介してバッテリ４と電気的に接続されている。また、モータ１とインバータ２とが三相のコイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル）を介して電気的に接続されている。つまり、モータ１は、回転子に永久磁石が設けられた回転電機であり、三相のコイルに電流が流れることによって駆動する。このモータ１は電動機としてだけではなく発電機としても機能する。

図２に示すように、モータ１は、ステータ１０と、ロータ２０とを備える。ステータ１０は、環状構造に形成され、その内周部に突極としてのステータ歯１１を複数備える。各ステータ歯１１にはコイル１２が巻回されている。コイル１２は、三相のコイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル）である。ロータ２０は、ステータ１０の径方向内側に配置され、ロータ軸（図示せず）と一体回転する。ロータ２０には、永久磁石２１が設けられている。永久磁石２１は、ボンド磁石により構成される。図２に示す例では、ロータ２０に軸方向に沿って延設された磁石用スロットにボンド磁石からなる永久磁石２１が充填されている。また、複数の永久磁石２１を、ロータ２０の周方向に所定間隔を空けて配置することによって、ロータ２０に磁気的な突極性を持たせている。ステータ１０の回転磁界がロータ２０に作用したときに、モータ１にはマグネットトルクとリラクタンストルクとが発生する。

インバータ２は、三相の電流をコイル１２に通電できるように複数のスイッチング素子を備えた電気回路（インバータ回路）によって構成されており、インバータ回路に接続されたそれぞれのコイル１２に対して相ごとに電流を流す。インバータ２を構成するインバータ回路は、一つのコンデンサと、相ごとに設けられた複数のトランジスタおよびダイオードとを備える。例えば、各相の回路（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の回路）は、二つのトランジスタと、二つのダイオードとを備える。

昇圧部３は、モータ１に印加する電圧を昇圧するものであり、例えば昇圧コンバータによって構成される。図１に示すように、インバータ２とバッテリ４との間に昇圧部３が設けられている。

バッテリ４は、モータ１に供給する電力を充電する蓄電装置である。モータ１が電動機として機能する場合には、バッテリ４に充電されていた電力がモータ１に供給される。モータ１が発電機として機能する場合には、モータ１で発電された電力をバッテリ４に充電することが可能である。

制御装置１００は、モータ１を駆動制御する電子制御装置（ＥＣＵ）によって構成される。この制御装置１００は、ＣＰＵと、各種プログラム等のデータが格納された記憶部と、モータ１を駆動制御するための各種の演算を行う演算処理部とを備える。また、制御装置１００には、モータ１の回転数を検出する回転数センサ３１からレゾルバ信号が入力される。演算処理部は、そのレゾルバ信号に基づいてモータ１の回転数を演算するなど、モータ制御のための演算処理を行う。そして、演算処理部における演算の結果、インバータ２を制御するための指令信号が制御装置１００からインバータ２に出力される。このように、制御装置１００はインバータ２を制御することによってモータ１に印加する電圧および電流を制御する。

例えば、制御装置１００は、レゾルバ信号から、回転方向におけるステータ歯１１とロータ突極との相対的な位置関係に基づいて、通電対象となるコイル１２の切り替えを相ごとに繰り返す制御を実行する。この制御において制御装置１００は、ある相のコイル１２に励磁電流を流してステータ歯１１を励磁させ、ステータ歯１１とロータ突極との間に磁気吸引力を発生させることによって、リラクタンストルクによりロータ２０を回転させる。このように、永久磁石２１によるマグネットトルクに加えて、リラクタンストルクも得られる。そのため、制御装置１００は、マグネットトルクとリラクタンストルクとを合成した合成トルクに基づいて、モータ１の駆動を制御する。

マグネットトルクは、永久磁石２１の温度が変化することによって増減する。そこで、永久磁石２１の温度が変化してマグネットトルクが増減することを考慮するために、制御装置１００は、永久磁石２１の温度（磁石温度）に基づいて、電流位相を合成トルクが最大となる最適電流位相に設定する位相設定部を有する。制御装置１００には、永久磁石２１の温度を検出する温度センサ（図示せず）からの信号が入力される。制御装置１００は、この温度センサから入力された信号を用いて演算処理を実施するとともに、温度履歴情報として記憶部に記録することもできる。また、制御装置１００の位相設定部は、磁石温度が予め定められた閾値以上である場合に、電流位相を最適電流位相よりも遅角側に設定し、あるいは電流値を上昇させることもできる。

また、永久磁石２１は、高温時などの使用条件によって減磁が発生する。永久磁石２１の減磁について、高温時に逆磁界が入力された部位では、温度が低下しても起磁力が元に戻らなくなってしまう、不可逆減磁が発生する場合がある。特に、ボンド磁石のような保磁力が比較的低い磁石では、モータ１の実使用域でも各部位ごとに減磁が発生し、減磁量が異なるということが起こり得る。この磁石の保磁力の強さと減磁の発生との関係について図３および図４を参照して説明する。

図３は、保磁力と磁束密度との関係を示す図である。焼結磁石のような保磁力の強い磁石では、図３に破線で示す減磁曲線（Ｂ−Ｈカーブ）のように、Ｂ−Ｈカーブの角形性が良い。保磁力の強い磁石は、例えばＮｄ焼結磁石など、希土類を含有する焼結磁石である。一方、ボンド磁石のような保磁力の弱い磁石では、図３に実線で示す減磁曲線のように、Ｂ−Ｈカーブの角形性が良くない。そして、図４に示すように、保磁力が弱く角形性が良くない磁石は、逆磁界を受けると、Ｂ−Ｈカーブに沿って動作点が変化する。逆磁界を受ける前の動作点Ｐ１から、Ｂ−Ｈカーブ上を移動して、Ｂ−Ｈカーブ上の動作点Ｐ２に変化する。そして、逆磁界をなくして元に戻そうとすると、リコイル線に沿って動作点が変化する。逆磁界を受けていた動作点Ｐ２から、リコイル線上を移動して、逆磁界をなくした後の動作点Ｐ３に変化する。しかし、逆磁界を受けた後の起磁力（磁束）は、元通りには完全に戻らず、減磁が発生してしまう。逆磁界をなくした後の動作点Ｐ３の磁束密度は、逆磁界を受ける前の動作点Ｐ１の磁束密度よりも減っている。このように逆磁界が弱まった後でも起磁力が回復しないこと（不可逆減磁）が起こる。不可逆減磁が発生すると、磁束密度の減少量（減磁量）に応じて磁石の起磁力が低下する。なお、図４に示すＢ−Ｈカーブは保磁力の弱い磁石の初期性能を表すものである。

このように、減磁が発生すると、指令トルクに対して実際に出力されるトルク（実トルク）が乖離する可能性がある。これを抑制するために、制御装置１００では、減磁による起磁力の低下を考慮して、モータ１へ通電する際の電流値および電流位相を決定する。そして、制御装置１００は、決定した電流値および電流位相を含む電流条件によってモータ１へ通電する。

具体的には、制御装置１００は、これまでのモータ１の使用負荷（磁石温度と電流位相、電流値）の積算、もしくは永久磁石２１への負荷が最大となる使用条件（磁石温度と電流位相、電流値）を記憶部に記録する。そして、制御装置１００は、記録された使用負荷または使用条件に応じて、モータ１の電流位相および電流値を設定する。

図５は、電流値および電流位相を設定する制御フローを示すフローチャートである。図５に示す制御は制御装置１００によって実施される。

制御装置１００は、磁石温度履歴と、電流通電履歴とを読込む（ステップＳ１）。磁石温度履歴は、永久磁石２１の温度を記録した履歴情報である。電流通電履歴は、モータ１に通電した電流値の履歴情報であり、例えば制御装置１００からインバータ２に出力された指令電流を記録した履歴情報である。ステップＳ１では、制御装置１００の記憶部に記録されている情報を読込む。

制御装置１００は、磁石現状温度を読込む（ステップＳ２）。磁石現状温度は、永久磁石２１の現在の温度を表す情報である。ステップＳ２では、永久磁石２１の温度を検出する温度センサからの入力信号に基づいて現在の磁石温度を読込む。

制御装置１００は、指令トルクと、回転数と、電圧とを読込む（ステップＳ３）。指令トルクは、制御装置１００からインバータ２に出力される指令信号としてのモータ１のトルク指令値である。回転数は、回転数センサ３１からのレゾルバ信号に基づいて演算されるモータ１の回転数である。電圧は、モータ１に印加される電圧である。この電圧は制御装置１００により演算された値である。

制御装置１００は、磁石温度履歴と、電流通電履歴と、磁石現状温度と、指令トルクと、回転数と、電圧とに応じて、指令電流と位相とをマップから読込む（ステップＳ４）。マップは、制御装置１００の記憶部に予め記憶されたマップであり、電流値と電流位相とを求めることが可能なマップである。例えば電流値についてトルクと回転数との関係を規定したＴ−Ｎマップなどを含まれる。ステップＳ４では、ステップＳ１で読込まれた磁石温度履歴と電流通電履歴、ステップＳ２で読込まれた磁石現状温度、ステップＳ３で読込まれた指令トルクと回転数と電圧、記憶部に予め記憶されたマップ、を用いて、モータ１の電流値と電流位相とを設定する。例えば、指令トルクと回転数から指令電流を求める。そして、この指令電流と磁石温度とに基づいて電流位相を設定する。この場合、電流位相と磁石温度との関係を規定するマップに基づいて、磁石温度から電流位相を設定してもよい。

制御装置１００は、上記マップに基づいて設定された指令電流および位相に基づいてモータ１へ通電する（ステップＳ５）。ステップＳ５では、制御装置１００からインバータ２へ指令信号が出力される。

以上説明した通り、実施形態によれば、永久磁石２１の不可逆減磁を考慮して電流値と電流位相とを設定することができるため、実トルクと指令トルクとの乖離が抑制される。これにより、トルク制御の精度が向上する。その結果、永久磁石２１の実際の起磁力に応じた最適な電流条件によってモータ１の駆動制御を実施できるため、モータ１が精度よく動作する。例えば、モータ１を走行用動力源として車両に搭載する場合には、車両の走行性能が向上する。さらに、モータ１の高効率化を図れるため、車両の燃費あるいは電費が向上する。また、モータ１についての冷却システムを簡素化できるため、車両の燃費あるいは電費の向上を図れる。

また、実施形態の変形例として、永久磁石２１の起磁力を推定して、その推定値に基づいて電流値と電流位相とを設定してもよい。この変形例の制御装置１００では、モータ１の無負荷誘起電圧波形から永久磁石２１の起磁力を推定して、電流値および電流位相を設定する。この無負荷誘起電圧を用いて起磁力を推定する変形例について、図６および図７を参照して説明する。

図６は、減磁前後での無負荷誘起電圧波形を示す図である。図６に実線で示す減磁前の波形と破線で示す減磁後の波形を比較すると、モータ１の無負荷誘起電圧は、永久磁石２１の減磁が発生した後は低下する（絶対値が小さくなる）。そこで、変形例の制御装置１００は、予めマップを記録させておいた上で、モータ１の相電圧をセンシングして、無負荷誘起電圧から永久磁石２１の起磁力（減磁量）を推定する。つまり、制御装置１００は、無負荷誘起電圧に基づいて永久磁石２１の起磁力を推定する推定部を有する。そして、制御装置１００は、起磁力の推定値に基づいて、モータ１のトルク指令に対する電流値と位相とを設定する。この場合、無負荷誘起電圧をモニタするために、モータ１の相電圧を検出する電圧計を設けてもよい。その電圧計からの信号が制御装置１００に入力される。また、位相設定部は、起磁力の推定値に応じて電流位相を設定することができる。

図７は、無負荷誘起電圧に応じて電流値および電流位相を設定する制御フローを示すフローチャートである。なお、図７に示す制御フローは制御装置１００によって実施される。また、図７に示すステップＳ１２、Ｓ１３、Ｓ１５は、上述した図５に示すステップＳ２、Ｓ３、Ｓ５と同じ処理のため、説明を省略する。

制御装置１００は、無負荷誘起電圧を読込む（ステップＳ１１）。無負荷誘起電圧は、ロータ２０を外力によって回転させた場合に発生する誘導起電力である。ステップＳ１１では、モータ１の相電圧を検出する電圧計によって相電圧をセンシングして、無負荷誘起電圧をモニタリングする。

また、制御装置１００は、無負荷誘起電圧と、磁石現状温度と、指令トルクと、回転数と、電圧とに応じて、指令電流と位相とをマップから読込む（ステップＳ１４）。ステップＳ１４では、ステップＳ１１で読込まれた無負荷誘起電圧、ステップＳ１２で読込まれた磁石現状温度、ステップＳ１３で読込まれた指令トルクと回転数と電圧、制御装置１００の記憶部に予め記憶されたマップ、を用いて、モータ１の電流値と電流位相とを設定する。このマップは、無負荷誘起電圧に応じて指令電流と電流位相とを求めることが可能なマップを含む。そのマップの一例として、上述した図６に示された減磁前後での無負荷誘起電圧波形のように、無負荷誘起電圧から減磁量を推定することが可能なマップが挙げられる。つまり、ステップＳ１４では、無負荷誘起電圧波形から永久磁石２１の起磁力（減磁量）を推定する。そのうえで、ステップＳ１４では、推定した起磁力に基づいて、モータ１の電流値と電流位相とを設定する。

上述した変形例のように、無負荷誘起電圧を用いて永久磁石２１の減磁量を推定し、その推定値に基づいて指令電流および電流位相を設定するができるので、トルク制御の精度が向上する。

また、実施形態の別の変形例として、実際の電流波形（実通電波形）の履歴に基づいて電流値と電流位相を設定してもよい。この変形例の制御装置１００では、モータ１の相電流をセンシングし、実際に通電された電流値（実電流値）を記録して、その記録された実電流値の履歴に基づいて電流位相および電流値を設定する。この実電流履歴を用いる変形例について、図８および図９を参照して説明する。

図８は、実電流波形と指令値とを示す図である。図８に実線で示す実電流波形は、破線で示す理想的な正弦波（指令値）からの乖離が生じることがある。例えば、実電流値が指令値よりも上振れする領域では想定していたよりも逆磁界が生じて減磁（不可逆減磁）が発生する可能性がある。そこで、この変形例の制御装置１００は、モータ１の実際の相電流をセンシングして、実電流波形の履歴に基づいて、モータ１のトルク指令に対する電流値と位相とを設定する。この場合、モータ１の相電流を検出する電流計を設けてもよい。その電流計からの信号が制御装置１００に入力される。また、位相設定部は、実電流波形の履歴に応じて電流位相を設定することができる。

図９は、実電流波形の履歴に応じて電流値および電流位相を設定する制御フローを示すフローチャートである。なお、図９に示す制御フローは制御装置１００によって実施される。また、図９に示すステップＳ２２、Ｓ２３、Ｓ２５は、上述した図５に示すステップＳ２、Ｓ３、Ｓ５と同じ処理のため、説明を省略する。

制御装置１００は、磁石温度履歴、電流実通電履歴を読込む（ステップＳ２１）。電流実通電履歴は、実電流値の履歴情報であり、実電流波形の履歴を含む。ステップＳ２１では、制御装置１００の記録部に記憶されている実電流波形の履歴を読込む。なお、実電流波形の履歴は、電流計により相電流をセンシングした履歴として制御装置１００の記憶部に記録されている。

また、制御装置１００は、磁石温度履歴と、電流実通電履歴と、磁石現状温度と、指令トルクと、回転数と、電圧とに応じて、指令電流と位相とをマップから読込む（ステップＳ２４）。ステップＳ２４では、ステップＳ２１で読込まれた磁石温度履歴と電流実通電履歴、ステップＳ２２で読込まれた磁石現状温度、ステップＳ２３で読込まれた指令トルクと回転数と電圧、制御装置１００の記憶部に予め記憶されたマップ、を用いて、モータ１の電流値と電流位相とを設定する。このマップは、電流実通電履歴に応じて指令電流と電流位相とを求めることが可能なマップを含む。例えば、上述した図８に示された実電流波形と指令値の波形のように、指令値に対して実電流波形が上振れする履歴から、減磁の発生を推定することが可能なマップが挙げられる。このステップＳ２４では、電流実通電履歴から永久磁石２１の起磁力（減磁量）を推定し、推定した起磁力に基づいて、モータ１の電流値と電流位相とを設定する。

上述した別の変形例のように、モータ１への実電流波形の履歴を用いて指令電流および電流位相を設定することによって、永久磁石２１の減磁を考慮できるため、トルク制御の精度を向上させることができる。

なお、上述した実施形態および変形例では、温度センサによって永久磁石２１の温度を検出する構成について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ステータ１０の温度（ステータ温度）を検出する温度センサを設け、その温度センサにより測定したステータ温度に基づいて永久磁石２１の温度を算出してもよい。同様に、コイル１２の温度（コイル温度）を検出する温度センタを用いてコイル温度から、永久磁石２１の温度を算出してもよい。このように、磁石温度の測定値を用いる構成に限らず、制御装置１００が永久磁石２１の温度を推定する構成であってもよい。

また、昇圧部３は、必ずしも設けられていなくてもよい。例えば、昇圧部３の代わりに降圧部（降圧コンバータ）が設けられてもよい。あるいは、バッテリ４とインバータ２との間にコンバータ（昇圧部３も降圧部もどちらも）が設けられていなくもよい。

さらに、永久磁石２１は、保磁力の弱いボンド磁石に限らず、保磁力の強い希土類磁石（合金磁石）であってもよい。例えば、永久磁石２１が焼結磁石により構成される場合、図１０に示すように、ロータ２０に形成された磁石用スロットに、焼結磁石からなる永久磁石２１が挿入されている。

１ モータ
２ インバータ
３ 昇圧部
４ バッテリ
１０ ステータ
１１ ステータ歯
１２ コイル
２０ ロータ
２１ 永久磁石
３１ 回転数センサ
１００ 制御装置

Claims (1)

1. ロータに磁石が設けられた回転電機の制御装置であって、
   前記回転電機の無負荷誘起電圧波形から、前記磁石の起磁力を推定する推定手段と、
   前記推定された起磁力に応じて、前記回転電機のトルク指令に対する電流値および電流位相を設定する設定手段と
   を備えることを特徴とする回転電機の制御装置。

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