JP2021111986A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、インバータのスイッチング素子が過熱する前にそのスイッチング素子に流れる電流を抑える技術を提供する。【解決手段】本明細書はモータ制御装置３０を開示する。モータ制御装置３０は、モータの回転数が所定の低速閾値以下、かつ、三相のいずれかに流れる電流の絶対値が電流閾値以上になったら、その電流の絶対値が小さくなるように、ステータ１５ｂが発生する磁界のｄ軸ｑ軸空間における方向を調整する。本明細書が開示する技術は、モータ制御装置にもともと組み込まれている制御則が利用できるので、実装が容易である。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、モータ制御装置に関する。特に、モータがロックしたときにインバータのスイッチング素子に流れる電流を抑制する技術に関する。

同期モータ（三相交流同期モータ）は、インバータから三相交流の供給を受けて動作する。インバータは多数のスイッチング素子を備えており、各スイッチング素子を制御することで、直流電力から交流電力を作り出す。インバータは２個のスイッチング素子の直列接続を３セット備えており、３セットの直列接続は直流電力端の正極と負極の間に並列に接続される。合計６個のスイッチング素子のそれぞれを適宜にオンオフすると、３セットの直列接続のそれぞれの中点から交流が出力される。３種類の交流（３相の交流）は１２０度の位相差を有している。

モータ制御装置は、モータのロータの磁極の方向に応じてステータに流す電流を調整する。従ってモータがロック（トルクを出しているにも関わらずに回転が止まっている状態）すると、各相の電流は一定の値となる。それゆえ、特定の相に大きな電流が流れ続けることになる。すなわち、特定のスイッチング素子に大きな電流が流れ続けることになり、そのスイッチング素子が過熱するおそれが生じる。特許文献１には、いずれかのスイッチング素子の温度が閾値を超えるとインバータへの電力供給（すなわちモータへの電力供給）を遮断する技術が開示されている。

特開２００８−１３１７２２号公報

インバータ（すなわちモータ）への電力供給を遮断するとモータがいきなり停止することになる。電気自動車など、特定の用途のモータでは、いきなりモータが停止することは好ましくない。本明細書は、モータがロックしたときにインバータのスイッチング素子に流れる電流を抑える技術を提供する。特に、モータのもともとの制御則に容易に盛り込むことが可能な素子保護技術を提供する。

本明細書はモータ制御装置を開示する。同期モータの制御装置は、もともと、ステータが発生する磁界の向きを制御する。ロータに固定した座標系としてｄ軸ｑ軸平面が良く知られている。モータ制御装置は、ステータが発生する磁界の向きがｄ軸ｑ軸平面にて所定の方向を向くようにステータに流す電流を調整する。そこで、本明細書が開示するモータ制御装置では、モータの回転数が所定の低速閾値以下、かつ、三相のいずれかに流れる電流の絶対値が電流閾値以上になったら、その絶対値が小さくなるように、ステータが発生する磁界のｄ軸ｑ軸空間における方向を調整する。本明細書が開示する技術は、モータ制御装置にもともと組み込まれている制御則が利用できるので、実装が容易である。

説明の便宜上、以下では、ステータが発生する磁界のｄ軸ｑ軸平面における方向を、ｑ軸に対する角度で表し、その角度を位相角と称する。また、３相交流のうち、絶対値が最も大きい相の電流を最大電流と称する。本明細書が開示する技術は、モータがロックしたときに最大電流の絶対値が小さくなるように位相角を調整する。そうすることで、最大電流が流れているスイッチング素子の温度上昇を抑えることができる。

最大電流の絶対値が小さくなるように位相角を調整すると、モータの出力トルクが下がる。そこで、位相角調整前よりも最大電流の絶対値が大きくならないように制限しつつ、モータに供給する電流を大きくするとよい。理想的には、位相角の調整前後でモータの出力トルクが同じになるようにモータに供給する電流を増加させるとよい。本明細書が開示する技術を電気自動車に適用した場合、モータがロックしたときに、出力トルクを変化させずに最大電流の絶対値を小さくすることができる。出力トルクが変化しないのでドライバビリティが悪化しない。

モータの回転数がゼロでなく低速閾値以下の場合、すなわち、モータが極低速で回転している場合、最大電流の絶対値が所定時間の間、電流閾値以上になることが推定される場合に位相角を調整するようにしてもよい。極低速であってもモータが回転していれば、ｕ相からｖ相へ、あるいは、ｖ相からｗ相へ、いずれ最大電流の相が変化する。しかし、ある一つの相が最大電流となっている時間が例えば１秒続くとその相のスイッチング素子の温度が急上昇するおそれがある。それゆえ、極低速の場合も位相角を調整することで特定のスイッチング素子の温度が過度に上昇することを防止するとよい。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例のモータ制御装置のブロック図である。 位相角調整制御の原理と効果を示す図である。 位相角とトルクの関係を示すグラフである。

図面を参照して実施例のモータ制御装置３０を説明する。モータ制御装置３０は、電気自動車１０に搭載されている。図１に、モータ制御装置３０を含む電気自動車１０のブロック図を示す。

電気自動車１０は、バッテリ１１、電圧コンバータ１２、インバータ２０、走行用のモータ１５、モータ制御装置３０、上位制御装置４０を備えている。走行用のモータ１５は、バッテリ１１の電力で駆動される。バッテリ１１には電圧コンバータ１２の低電圧端が接続されており、電圧コンバータ１２の高電圧端はインバータ２０の直流端２３に接続されている。走行用のモータ１５は三相交流の同期モータである。モータ１５は、ロータ１５ａとステータ１５ｂを備えている。図１ではロータ１５ａとステータ１５ｂを模式的に表しており、理解を助けるために図ではステータ１５ｂにはハッチングを付してある。

電圧コンバータ１２は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであり、バッテリ１１の出力電圧を昇圧してインバータ２０に出力する昇圧機能と、インバータ２０が出力する回生電力（後述）を降圧してバッテリ１１を充電する降圧機能を有している。インバータ２０は、直流端２３に入力される直流電力を交流電力に変換してモータ１５に供給する。モータ１５は、運転者がブレーキを踏んだときに車両の運動エネルギを利用して発電する場合がある。モータ１５が発電した電力は回生電力と呼ばれる。インバータ２０は、モータ１５が生成する交流の回生電力を直流電力に変換して直流端２３から出力することもできる。

電圧コンバータ１２の詳しい回路構成の説明は割愛する。インバータ２０は、６個のスイッチング素子２１ａ−２１ｆと、６個のダイオード２２で構成される。スイッチング素子２１ａ−２１ｆは、２個ずつが直列に接続されている。３組の直列接続（２個のスイッチング素子の直列接続）は、インバータ２０の直流正極端２３ａと直流負極端２３ｂの間に並列に接続される。

６個のスイッチング素子２１ａ−２１ｆはモータ制御装置３０によって制御される。モータ制御装置３０が直列に接続された２個のスイッチング素子（例えばスイッチング素子２１ａ、２１ｂ）を交互にオンオフすると、直列接続の中点から交流が出力される。３組の直列接続のそれぞれから交流が出力される。インバータ２０は３組の直列接続から三相交流を出力する。良く知られているように、三相の各相はＵ相、Ｖ相、Ｗ相と呼ばれる。三相各相の交流は互いに１２０度の位相差を有している。

モータ１５の目標出力は上位制御装置４０が決定する。上位制御装置４０は、アクセルペダルの開度と車速からモータ１５の目標出力を決定し、モータ制御装置３０へ指令する。モータ制御装置３０は、目標出力が実現するように、電圧コンバータ１２とインバータ２０を制御する。

モータ制御装置３０は、与えられた目標出力からモータ１５の目標電流と目標回転数を決定する。インバータ２０の交流出力端には電流センサ１４が備えられている。また、モータ１５にはロータ１５ａの位置を計測するレゾルバ１６と回転数センサ１７が備えられている。それらセンサの計測値はモータ制御装置３０に送られる。モータ制御装置３０は、電流センサ１４の計測値が目標電流に一致するように電圧コンバータ１２を制御する。電流センサ１４の計測値が目標電流を下回っている（上回っている）場合には、電圧コンバータ１２の昇圧比を高くする（低くする）。また、モータ制御装置３０は、回転数センサ１７の計測値が目標回転数に一致するように、インバータ２０が出力する交流の周波数を調整する。インバータ２０が出力する交流の周波数は、スイッチング素子２１ａ−２１ｆに与える駆動指令（具体的にはＰＷＭ信号のデューティ比）で調整することができる。

また、モータ制御装置３０は、レゾルバ１６で得たロータ１５ａの回転位置に基づいて、ステータ１５ｂが発生する磁界（すなわちステータ１５ｂが発生する磁極）の位置を制御する。よく知られているように、モータ制御装置３０は、ロータ１５ａのＮ極に対してステータ１５ｂのＳ極の位置がロータ回転方向で所定角度だけ先行するように三相交流の位相が定められる。ロータ１５ａのＮ極とステータ１５ｂのＳ極の間の角度を以下では位相角と称し、位相角が所定の角度となるように三相交流の位相を定める制御を以下では位相角制御と称する。

なお、ロータ１５ａのＮ極とステータ１５ｂのＳ極の間の角度は、ロータ１５ａの磁極の向きとステータ１５ｂの磁極の向きの間の角度であればよい。すなわち、上記した位相角は、Ｎ極を基準としてもＳ極を基準としても、あるいは、Ｎ極とＳ極の中間を基準として測っても等価である。ロータ固定の座標系として、ｄ軸ｑ軸平面がよく知られている。ｄ軸は、ロータ１５ａの磁極の方向に対応し、ｑ軸はロータ１５ａにおいて隣り合う磁極の中間の方向に対応する。位相角は、ステータ１５ｂが発生する磁界（磁極）の向きをｄ軸ｑ軸平面に投影したときのｑ軸に対する角度に相当する。

ところで、車輪が車輪止めに乗り掛かっている場合など、運転者がアクセルペダルを踏んでいるにも関わらずに車輪が回らないことがある。別言すれば、モータ１５がトルクを出力しているにも関わらずにモータ１５が回転しない状況が生じることがある。そのような状況をモータがロックしている、と表現する。位相角制御を実施していると、モータ１５が回転していないとステータ１５ｂが発生する磁界の位置（回転方向の磁極の位置）も動かない。そうすると、インバータ２０の特定のスイッチング素子に流れる電流も一定値となる。特に大きい電流が流れ続けるスイッチング素子は他のスイッチング素子に比較して温度が上昇し、適正な許容温度範囲を超えるおそれがある。

そこで、実施例のモータ制御装置３０は、モータ１５がロックした場合であって三相のいずれかの電流の絶対値が所定の電流閾値以上になったらその絶対値が小さくなるように位相角を調整する。

図２に、位相角調整の原理と効果を説明する図を示す。図２は、横軸に時間をとり、縦軸に三相交流の電流値をとったグラフである。今、時刻ｔａまではモータ１５が正常に回転しており、時刻ｔａにモータ１５がロックしたと仮定する。時刻ｔａ以降、Ｕ相は電流値Ｉｕ＿ａで一定となる。同様に、Ｖ相は電流Ｉｖ＿ａで一定となり、Ｗ相は電流Ｉｗ＿ａで一定となる。図２の例では、時刻ｔａではＶ相電流Ｉｖ＿ａとＷ相電流Ｉｗ＿ａは同じ大きさである。

図２の左下に示すように、時刻ｔａまで、モータ制御装置３０は、位相角Ｑａが一定となるようにインバータ２０を制御してきたとする。時刻ｔａ以降、ロータ１５ａが動かないのであるから、停止したロータ１５ａに対して位相角Ｑａに相当する方向にステータ１５ｂの磁界が発生するようにモータ制御装置３０はインバータ２０を制御する。その結果、上記したように、時刻ｔａ以降、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電流はＩｕ＿ａ、Ｉｖ＿ａ、Ｉｗ＿ａの一定値となる。

今、Ｕ相の電流値Ｉｕ＿ａが三相の中で最大の電流値であり、電流閾値を超えているとする。モータ制御装置３０は、Ｕ相の電流値が電流閾値を下回るように、位相角を調整する。モータ制御装置３０は、位相角をＱａからＱｂに変更する。このことは、等価的には、図２の三相交流の正弦波のグラフにおいて、位相角の角度差（Ｑｂ−Ｑａ）に対応する時間差の分だけ時刻ｔａを進めることに相当する。位相角の角度差（Ｑｂ−Ｑａ）に対応する時間差がｄｔであるとする。時間差ｄｔは具体的には、時刻ｔａまでの三相交流の周期に｛（Ｑｂ−Ｑａ）／３６０｝を乗じた値となる。

図２の正弦波のグラフが示すように、位相角をＱａからＱｂに変更することで、Ｕ相電流は電流値Ｉｕ＿ａから電流値Ｉｕ＿ｂに変化する。同様に、Ｖ相電流とＷ相電流はそれぞれ電流値Ｉｖ＿ｂと電流値Ｉｗ＿ｂに変化する。図２の場合、位相角を調整することで、Ｕ相電流が下がる。同時にＷ相電流が下がりＶ相電流は増加する。位相角を適宜に調整することで、全ての相の電流が電流閾値を下回るようにすることができる。

上記した位相角制御によって、モータ１５がロックしたときに特定の相のスイッチング素子に過大な電流が流れ続けることを回避することができる。

位相角を調整するとモータの出力トルクが変化する。そこで、モータ制御装置３０は、位相角を調整した後、三相交流のうち最大電流が電流閾値を超えない範囲でモータに供給する電流を増加させる。

図３に、位相角とモータ１５の出力トルクの関係の一例を示す。図３は、横軸に位相角をとり、縦軸にモータ１５の出力トルクをとったグラフである。Ｉ１〜Ｉ５は、電流値を示しており、それらの大小関係はＩ１＞Ｉ２＞Ｉ３＞Ｉ４＞Ｉ５である。当然、位相角が同じであれば電流値が大きいほど出力トルクも大きくなる。点線のグラフＧは、グラフＩ１−Ｉ５のそれぞれにおいて出力トルクが最大となる点を結んだ曲線である。同期モータであるモータ１５の出力トルクは磁石トルクとリラクタンストルクの合算となり、位相角はゼロから４５度の範囲で最大となることが知られている。モータ制御装置３０は、モータ１５が回転している間は、目標出力とグラフＧから位相角を決定する。

例えば、図２の時刻ｔａまで、モータ１５の目標トルクがＴａであったとする。トルクＴａが最大値となるのは電流値がＩ３の場合であり、そのときの位相角がＱａとなる（図３のポイントＰａの箇所）。従ってモータ制御装置３０は、モータ１５に流れる電流がＩ３となり、位相角がＱａとなるようにインバータ２０を制御する。

時刻ｔｂにモータ１５がロックする。モータ制御装置３０は、最大電流（先に示したＵ相の電流Ｉｕ＿ａ）が電流閾値よりも下がるように、位相角をＱａからＱｂに変更することを決定する（図２参照）。モータ１５に供給される電流が同じで位相角がＱａからＱｂに変化するとモータ１５の出力トルクはＴａからＴｂに下がる（図３のポイントＰｂの箇所）。アクセルペダル開度が変わらないのにモータ１５の出力トルクが変化することは望ましくない。図３の場合、モータ１５に供給する電流をＩ３からＩ２に増やせば、位相角がＱｂであっても出力トルクがＴａとなり、位相角を調整する前と後で出力トルクが等しくなる（図３のポイントＰｃの箇所）。そこで、モータ制御装置３０は、最大電流が電流閾値を超えない範囲でモータ１５に供給する電流（インバータ２０の出力電流）を増やす。最大電流が電流閾値を超えないのであれば、モータ制御装置３０は、位相角の調整の前後で出力トルクが等しくなるようにモータ１５への供給電流を増やす。先に述べたように、電圧コンバータ１２の昇圧比を増加させることで、モータ１５に流れる電流を増加させることができる。

モータ１５がロックしておらず回転しているときには三相各相の電流は常に変化する。しかし、モータ１５の回転数がゼロでなく低速閾値以下の場合、すなわち、モータ１５が極低速で回転している場合は、短い期間（例えば１秒程度）はいずれかの相の電流が電流閾値を超えることが起こり得る。例えば、急な上り坂を低速で走行しているときなど、そのような状況が生じ得る。

最大電流の絶対値が所定時間の間、電流閾値以上になることが推定される場合には、モータ制御装置３０は位相角を調整するようにしてもよい。モータ制御装置３０は、最大電流の絶対値が所定時間の間、電流閾値以上になることが推定される場合、その所定時間の間だけ上記した位相角制御を実施する。モータ制御装置３０は、所定時間が経過したら、元の位相角に戻す。

以上説明したように、実施例のモータ制御装置３０は、モータ１５がロックした場合、あるいは、モータ１５が低速閾値以下の極低速で回転している場合、最大電流（三相交流のなかで最大の絶対値）が電流閾値以上であれば、最大電流が電流閾値を下回るように位相角を調整する。その結果、インバータ２０のスイッチング素子２１ａー２１ｆの中の特定の素子（最大電流が流れる素子）の温度が過度に上昇することを抑えることができる。

モータ制御装置３０のその他の特徴を以下にまとめる。モータ制御装置３０は、モータ１５が回転している間は、出力トルクが最大となるように位相角を調整する。そして、モータ１５がロックした場合、あるいは低速閾値以下で回転している場合、最大電流が閾値電流を下回るように位相角を調整する。

モータ制御装置３０とインバータ２０と電圧コンバータ１２を含めてモータ駆動装置と称してもよい。その場合、モータ駆動装置は、モータ１５の回転数が所定の低速閾値以下、かつ、三相のいずれかに流れる電流の絶対値が電流閾値以上になったら、絶対値が小さくなるように、ステータ１５ｂが発生する磁界のｄ軸ｑ軸平面における方向を調整する。モータ駆動装置は、磁界の方向を調整するとともに、モータ１５に供給する電流（インバータ２０の出力電流）を増加させるように、電圧コンバータの昇圧比を高くする。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：電気自動車、 １１：バッテリ、 １２：電圧コンバータ、 １４：電流センサ、 １５：モータ、 １６：レゾルバ、 １７：回転数センサ、 ２０：インバータ、 ３０：モータ制御装置、 ４０：上位制御装置

Claims (4)

1. モータの回転数が所定の低速閾値以下、かつ、三相のいずれかに流れる電流の絶対値が電流閾値以上になったら、前記絶対値が小さくなるように、ステータが発生する磁界のｄ軸ｑ軸平面における方向を調整する、モータ制御装置。
2. 前記磁界の方向を調整するとともに前記モータに供給する電流を増加させる、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記磁界の方向を調整する前と後で前記モータの出力トルクが等しくなるように、前記モータに供給する電流を増加させる、請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記回転数がゼロでなく前記低速閾値以下の場合、前記絶対値が所定時間の間、電流閾値以上になることが推定される場合に、前記磁界の方向を調整する、請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。

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