JP3675171B2 - 電動機制御装置および制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の運転を制御する制御装置および制御方法に関し、詳しくは出力トルクの変動を抑制して電動機の運転を行うための制御装置および制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多相交流を巻線に流し、該巻線による磁界と永久磁石による磁界との相互作用により回転子を回転させる電動機で、所望の回転トルクを得るためには、要求トルクに応じて巻線に流す多相交流を制御する必要がある。巻線に流す多相交流は、電流値と位相角によって設定される。
【０００３】
位相角とは、固定子に対する回転子の電気的な回転位置を示す電気角と巻線に流す電流によって生じる磁界の方向との偏差を表す角度である。例えば回転子に永久磁石を備える同期モータでは、永久磁石により生じる磁界が回転子の中心を貫く方向をｄ軸方向とし、ｄ軸方向に電気的に直交する方向をｑ軸方向と定義すると、ｑ軸に近い方向に磁界が生じる位相角で巻線に電流を流した場合に最大トルクが生じる。
【０００４】
従来は、電動機から出力すべきトルクと、巻線に流す電流の電流値および位相角との関係を記憶するマップを用意し、要求トルクに基づいてこのマップを参照することにより、巻線に流す電流を設定していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる方法により電流を設定した場合、電動機の出力トルクに脈動が生じることが見いだされた。出力トルクの脈動の様子を図１０に示す。図１０は、一定の要求トルクＴｒｅｑを出力するための制御を実施した場合の出力トルクＴｏｌｄを、横軸に電気角をとって示したグラフである。図１０に示される通り、電気角の変化、即ち電動機の回転に応じて出力トルクＴｏｌｄは要求トルクＴｒｅｑよりも増えたり、減ったりする脈動を生じていた。図１０で示した例では、電気角が概ね６０度の周期で脈動を生じていた。脈動の周期は電動機の回転子に備えられた永久磁石や固定子のティースの数等に応じて変化した。
【０００６】
このようなトルクの脈動は電動機を種々の装置の動力源として使用する上で好ましくない現象である。例えば、いわゆるハイブリッド車両の動力源として電動機を利用した場合には、図１０に示したトルクの脈動により、車両の乗り心地を損ねる可能性があった。また、トルクの脈動が生じているとき、電動機は余剰のトルクを出力したりトルクが不足したりしているため、要求トルクＴｒｅｑに相当する一定のトルクを出力し続ける場合に比較して運転効率が低下していた。一般に余剰のトルクとして出力されたエネルギは熱等の形で消費されてしまうからである。
【０００７】
図１０では、一例として同期モータについてトルクの脈動が生じている場合を示した。かかるトルクの脈動は、同期モータのみならず誘導モータなど種々の交流モータにおいて同様に生じていた。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされ、巻線に多相交流を流すことにより回転子を回転させる電動機において、出力トルクの脈動を低減するための制御装置および制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を採った。
本発明の電動機制御装置は、
巻線に流す多相交流を制御することによって、該多相交流を流した際に該巻線に生じる回転磁界を利用して回転子を回転させる電動機の運転を制御する電動機制御装置であって、
該電動機から出力すべき要求トルクを設定する設定手段と、
前記回転子の電気的な回転位置を定義する電気角を検出する電気角検出手段と、
前記要求トルクを出力するために巻線に流す電流を、該要求トルクのみならず前記検出された電気角も考慮して設定する電流設定手段と、
該設定された電流を前記巻線に流す通電手段とを備えることを要旨とする。
【００１０】
かかる電動機制御装置によれば、電動機から出力するトルクの脈動を低減することができる。この結果、種々の装置の動力源として適用した場合に、電動機ひいては該電動機が適用された装置を安定して運転することができる。また、電動機を効率よく運転することもできる。以下、かかる作用について説明する。
【００１１】
本発明の電動機制御装置を完成するために、従来の制御方法により出力トルクの脈動（図１０参照）が生じていた原因を探求する必要があった。図１０に示すトルクの脈動には種々の原因が考えられる。例えば、回転子の重心位置の変動や軸受けの摩擦の不均一性などの機械的な要素および巻線に電流を流すための回路における抵抗やスイッチング素子の応答性の不均一性などの電気的な要素等である。本発明の発明者は、トルクの脈動の原因を探求するため、図１０のトルクが出力される際に電動機の巻線に流れる電流を測定した。電流の測定結果を図１１に示す。図１０で用いた同期モータには多相交流が流れている。図１１は、これらのうち一つの相に着目した相電流の変化を示したグラフである。図１１に示す通り、一定のトルクを出力するために巻線に流すべき電流値ｉｏｐｔに対し、現実の電流値ｉｏｌｄが多かったり少なかったりしている。これにより、図１０に示すトルクの脈動の主要因が巻線に流す電流にあることが見いだされた。
【００１２】
発明者は、次に図１０のトルクの脈動は約６０度の電気角の周期で生じている点に着目した。一般に巻線にはインダクタンスと呼ばれる一種の抵抗が生じている。この抵抗は外部からの磁界の影響を受けて変化する。回転子が回転している場合には、回転子に備えられた永久磁石による磁界が巻線に与える影響が変化するから、巻線のインダクタンスが変化することになる。この変化は、モータの磁極の数に応じた電気角の周期で現れる。インダクタンスが変化すれば、要求トルクに応じて設定された電流指令値に基づいて電圧を印加しても実際に流れる電流値は電流指令値とは異なってしまう。発明者はかかる考察から、図１０に示したトルクの脈動の主要因がインダクタンスの変化にあることを見いだした。
【００１３】
本発明は、上述の観点により完成されたものである。本発明の電動機制御装置における電流設定手段は、巻線に流す電流を要求トルクのみならず電気角も考慮して設定する。電気角を考慮する点で従来の電流の設定方法と大きく相違する。このように電気角に応じて巻線に流す電流を変化させることにより、要求トルクを出力するために必要となる電流を適切に巻線に流すことができ、トルクの脈動を低減することができる。
【００１４】
「電気角を考慮する」とは、設定される電流が電気角に応じて変え得るように設定されることを意味する。図１０に示したように、ほぼ全般の電気角においてトルクの脈動が生じている場合には、各電気角で設定される電流が周期的に変化することになる。また、ある特定の電気角においてパルス的にトルクの変動が生じるような場合には、該電気角においてのみ電流が変化することになる。本発明における「考慮」には、両者の態様を含んでいる。
【００１５】
また、「電流の設定」としては、電動機のトルク制御に関する本質的な要素の設定という意味である。一般には、先に説明したｄ軸方向およびｑ軸方向の電流がトルク制御においては、本質的な要素とされている。これらの要素を設定するものとして、具体的にｄ軸方向の電流値およびｑ軸方向の電流値をそれぞれ与えるものとしてもよいし、巻線に流す電流値と位相角を与えるものとしてもよい。もちろん、電動機に実際に流れる各相の電流値の大きさとして設定することも可能である。
【００１６】
本発明では、「電流の設定」を上述の意味で用いるから、ｄ軸電流およびｑ軸電流に置換した場合に電気角に依らずに一定値となるような「電流の設定」は、本発明における電気角を考慮した電流の設定には該当しない。例えば、電動機に実際に流れる各相の電流値の大きさは電気角によって変化することになるが、ｄ軸電流、ｑ軸電流としての大きさが変化しない場合には本発明における「電流の設定」には含まれない。
【００１７】
なお、本発明の電動機制御装置における「要求トルク設定手段」は、電動機制御装置内部で要求トルクを設定する手段であってもよいし、外部から要求トルクを入力することにより電動機から出力すべきトルクを設定する手段であってもよい。
【００１８】
また、「電気角検出手段」としては、いわゆるホール素子その他のセンサを用いて電気角を検出する装置であっても良いし、巻線の電圧値および電流値などに基づいて演算により電気角を検出する手段であってもよい。
【００１９】
本発明の電動機制御装置において、
前記電流設定手段は、
電気角およびトルクと、該トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流との関係を記憶する記憶手段と、
前記要求トルクおよび電気角に基づいて、前記関係を参照して該要求トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流を求める参照手段とを有するものとすることが望ましい。
【００２０】
かかる構成によれば、巻線に流す電流を、要求トルクおよび電気角に応じて設定することができる。上記記憶手段としては、電気角およびトルクの離散的な値に対して巻線に流すべき電流を記憶するマップや、電気角およびトルクと電流値との関係を与える関数を記憶する手段などが挙げられる。もちろん、従来の制御方法によって一旦トルクに応じた電流を設定した後、電気角に応じて設定された電流を補正するものとしても構わない。かかる場合には記憶手段にはトルクに基づいて電流を設定するための関係と、電気角に基づいて設定された電流を電気角に応じて補正するための関係とを記憶することになる。
【００２１】
また、「参照」とは、記憶手段にマップが記憶されている場合には、該マップから適切な値を読みとることおよび必要に応じて該マップの補完演算を行うことが該当する。記憶手段に関数が記憶されている場合には、必要な諸量を代入して該関数を演算することが該当する。その他、巻線に流すべき電流を、記憶手段に記憶されている内容に応じて求める方法が本発明における「参照」に相当する。
【００２２】
本発明の電動機制御装置においては、
さらに、
該電動機の回転子の回転数を検出する回転数検出手段を有し、
前記電流設定手段は、該検出された回転数をも考慮して電流を設定する手段であるものとすることが望ましい。
【００２３】
こうすれば、回転数に応じた適切な電流を流すことができる。回転子の回転により電動機の巻線には誘導起電力が生じる。かかる誘導起電力は電動機の回転数に応じて変化する。従って、トルクを効率的に出力するためには、電動機に流す電流の位相角を回転数に応じて変化させることが好ましい。上記構成によれば、回転数も考慮して電流を設定するため、回転数に応じて適切なトルクを効率よく出力することができる。
【００２４】
さらに、本発明の電動機制御装置において、
該電動機の回転子の回転数を検出する回転数検出手段を有し、
前記電流設定手段は、前記電動機の回転数が所定の値以下の場合のみに前記検出された電気角を考慮する手段であるものとすることも好ましい。
【００２５】
かかる構成によれば、電動機の回転数が所定の値以下の場合のみに電気角を考慮して電流を設定する。電動機がある装置の動力源として適用された場合、トルクの脈動による装置の運転への影響は、電動機が低速回転しているときに顕著である。従って、上記構成によれば、このようにトルクの脈動による影響が顕著な領域において、電気角を考慮した電流の設定を行うことにより、トルクの脈動を低減することができるため、有用性が高い。上記発明における所定の値は、このようにトルクの脈動による影響に基づいて予め設定される値である。
【００２６】
また、本発明は以下に示す電動機の制御方法としても成立する。
本発明の電動機の制御方法は、
多相交流を巻線に流した際に該巻線に生じる回転磁界を利用して回転子を回転させる電動機について、該巻線に流す電流を制御して該電動機の運転を制御する電動機の制御方法であって、
（ａ） 該電動機から出力すべきトルクの要求値を設定する工程と、
（ｂ） 前記回転子の電気的な回転位置を定義する電気角を検出する工程と、
（ｃ） 電気角およびトルクと、該トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流とについて予め記憶された関係を、前記要求トルクおよび電気角に基づいて参照することにより、該要求トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流を求める工程と、
（ｄ） 該設定された電流を前記巻線に流す工程と
を備えることを要旨とする。
【００２７】
かかる制御方法によれば、先に電動機の制御装置として説明した種々の作用により、トルクの脈動を低減しつつ、効率よく電動機の運転を制御することができる。
【００２８】
なお、上述した電動機の制御装置および制御方法は、中心部にロータを備え、外周部にステータを備えるいわゆるインナロータ型の電動機のみならず、いわゆるアウタロータと呼ばれるタイプの電動機にも適用可能である。アウタロータ型の電動機は、中心部のステータと、その外周を円状に取り囲むようにロータとを備え、三相コイルに制御電流を流すことにより回転磁界が形成され、円環状のアウタロータを回転させる電動機である。また、インナロータとアウタロータとを備える対ロータ電動機にも適用可能である。また、電動機の構成としては、永久磁石を備えた電動機および永久磁石に代えて電磁石を用いた電動機など種々の構成に適用可能である。
【００２９】
また、本発明の電動機制御装置を組み込むことにより、電動機を動力源とする種々の装置の発明を構成することも可能である。かかる装置としては、種々の工作機械や家電製品が挙げられる。また、近年では、電動機を動力源として走行可能な車両も提案されており、以下に示す通り、かかる車両の発明として構成することもできる。
例えば、
巻線に流す多相交流を制御することによって、該多相交流を流した際に該巻線に生じる回転磁界を利用して回転子を回転させる電動機と、該電動機の運転を制御する電動機制御装置とを備え、該電動機を動力源として走行可能な車両であって、
該車両の走行状態に応じて、前記電動機から出力すべき要求トルクを設定する設定手段を備え、
前記電動機制御装置は、
前記回転子の電気的な回転位置を定義する電気角を検出する電気角検出手段と、
前記要求トルクを出力するために巻線に流す電流を、該要求トルクのみならず前記検出された電気角も考慮して設定する電流設定手段と、
該設定された電流を前記巻線に流す通電手段とを備える装置であることを要旨とすることができる。もちろん、先に説明した種々の構成からなる電動機制御装置をそれぞれ適用することが可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（１）実施例の構成：
以下、本発明の実施の形態について、実施例を用いて説明する。図１は、本実施例の電動機制御装置１０の機能ブロックを示す説明図である。電動機制御装置１０が制御する対象はモータ４０である。モータ４０は、後述する通り、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相交流を流すことにより回転する同期モータである。
【００３１】
電動機制御装置１０には、このモータ４０の電気角θを検出するための電気角センサ１１４と回転数Ｎを検出するための回転数センサ１１５が設けられている。これらのセンサ１１４，１１５により検出された電気角θおよび回転数Ｎは電流設定部２１２に受け渡される。電流設定部２１２には要求トルク設定部２１６により設定された要求トルクＴ＊も受け渡される。これらの値に基づいて、電流設定部２１２は電流マップ２１４を参照し、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を設定する。
【００３２】
一方、３相／２相変換部２１０は、モータ４０のＵ，Ｖ，Ｗの各相に流れている電流を３相／２相変換し、ｄ軸に流れている電流ｉｄとｑ軸に流れている電流ｉｑとを算出する。図１では、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に流れている電流のうちＵ相の電流ｉｕとＶ相の電流ｉｖのみを用いるものとして示した。これは、３相交流の場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相に流れる電流の合計値は常に値０となるため、Ｗ相の電流値ｉｗは検出する必要がないからである。
【００３３】
先に設定された電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊と、実際に流れている電流ｉｄ，ｉｑとの差分に基づいてＰＩ制御部２０２ｄ，２０２ｑは、いわゆる比例積分制御によってそれぞれｄ軸およびｑ軸に印加すべき電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を設定する。こうして設定された電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊は２相／３相変換部２０４によりＵ，Ｖ，Ｗの各相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換される。これらの指令値に基づいて、ＰＷＭ制御部２０６は各相への印加電圧を制御するためのスイッチング信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗを設定する。このスイッチング信号に基づいたスイッチングを行うことにより通電部２０８は各相に電流を通電する。
【００３４】
なお、本実施例では、後述する通り、通電部２０８として内部にスイッチング素子を備える構成を採用しているため、ＰＷＭ制御部２０６では通電部２０８を駆動するためのスイッチング信号を生成している。これに対し、スイッチング素子を持たない通電部２０８を採用する場合には、ＰＷＭ制御部２０６を省略しても構わない。また、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を実現可能な制御方法であれば、ＰＷＭ制御に依らずその他の制御方法によるスイッチング信号の生成を行うものとしても良い。ｌ
【００３５】
次に、本実施例の電動機制御装置１０およびモータ４０のハードウェア構成を説明する。図２は、本実施例の電動機制御装置１０のハードウェア構成を示す説明図である。モータ制御装置１０は、モータ４０の電気角θを検出する電気角センサ１１４，回転数Ｎを検出する回転数センサ１１５，外部からのトルク指令を受けて三相同期モータ４０の三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）のモータ電流を制御する制御用ＥＣＵ１００、三相同期モータ４０のＵ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖを検出する電流センサ１０２、１０３、検出された電流の高周波ノイズを除去するフィルタ１０６、１０７、検出した電流値をディジタルデータに変換する２個のアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）１１２、１１３から構成されている。電気角センサとしては、ホール素子を用いたものが知られている。なお、電気角センサ１１４と回転数センサ１１５は兼用することも可能である。また、電気角はセンサによらず演算によって求めるものとしてもよい。
【００３６】
制御用ＥＣＵ１００の内部には、図示するように、算術論理演算を行うマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）１２０、このＣＰＵ１２０が行う処理や必要なデータを予め記憶したＲＯＭ１２２、処理に必要なデータ等を一時的に読み書きするＲＡＭ１２４、計時を行うクロック１２６等が設けられており、バスにより相互に接続されている。このバスには、入力ポート１１６や出力ポート１１８も接続されており、ＣＰＵ１２０は、これらのポート１１６，１１８を介して、三相同期モータ４０のＵ，Ｖ，Ｗの各相に流れる電流ｉｕ，ｉｖ、電気角θ、回転数Ｎを読み込むことができる。
【００３７】
また、制御用ＥＣＵ１００には、別途入力されるトルク指令に基づいて決定されたモータ４０の各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが得られるようモータ４０の各コイル間に電圧を印加するインバータ１３０およびバッテリ１３２が、その出力部に設けられている。ＣＰＵ１２０からの制御出力Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ，ＳＤが、このインバータ１３０に出力されており、三相同期モータ４０の各コイルに印加される電圧を外部から制御することが可能となっている。
【００３８】
インバータ１３０は本実施例ではいわゆるトランジスタインバータを採用している。インバータ１３０はスイッチング素子としてのトランジスタが各相に対し２つ一組で設けられている。各相の２つのトランジスタは一方がバッテリ１３２のソース側、他方がシンク側に接続されている。制御用ＥＣＵ１００からの制御出力Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ、ＳＤはこれらのトランジスタのゲート信号に入力され、各トランジスタのオンオフを制御する。但し、各相のシンク側に設けられたトランジスタにはインバータ素子により制御出力がハイロー反転されて入力されるようになっている。従って、上記インバータの各相のトランジスタは通常は、ソース側とシンク側とが排他的にオンオフするようになっている。なお、制御信号ＳＤは、全てのトランジスタをオフ状態にするシャットダウン信号である。
【００３９】
図２における制御用ＥＣＵ１００が、図１に示したＰＩ制御部２０２ｄ、２０２ｑ、２相／３相変換部２０４、ＰＷＭ制御部２０６、３相／２相変換部２１０、電流設定部２１２、電流マップ２１４、要求トルク設定部２１６の各機能を果たす部分である。本実施例では、要求トルク設定部２１６は、外部から入力されたトルク指令値を要求トルクＴ＊として設定する機能を奏するものとして構成した。また、インバータ１３０およびバッテリ１３２が通電部２０８に相当する機能を果たす部分である。
【００４０】
次に、本実施例の電動機制御装置による制御対象であるモータ４０の構成について説明する。図３は、モータ４０の回転軸を含む断面における断面図である。図４は、回転軸に直交する断面における断面図である。図３に示す通り、この三相同期モータ４０は、固定子３０と回転子５０とこれらを収納するケース６０とからなる。回転子５０は、外周に永久磁石５１ないし５４が貼付されており、その軸中心に設けられた回転軸５５を、ケース６０に設けられた軸受６１，６２により回転自在に軸支している。
【００４１】
回転子５０は、無方向性電磁鋼板を打ち抜いて成形した板状回転子５７を複数枚積層したものである。この板状回転子５７は、図４に示すように、直交する位置に４箇所の突極７１ないし７４を備える。板状回転子５７を積層した後、回転軸５５を圧入し、積層した板状回転子５７を仮止めする。この電磁鋼板を素材とする板状回転子５７は、その表面に絶縁層と接着層が形成されており、積層後所定温度に加熱され、接着層が溶融することにより、固定される。
【００４２】
こうして回転子５０を形成した後、回転子５０の外周面であって、突極７１ないし７４の中間位置に、永久磁石５１ないし５４を軸方向に亘って貼付する。永久磁石５１ないし５４は、回転子５０の半径方向に磁化されており、その極性は隣り合う磁石同士が互いに異なる磁極となっている。例えば、永久磁石５１は外周面がＮ極であり、その隣の永久磁石５２は外周面がＳ極となっている。この永久磁石５１，５２は、回転子５０を固定子３０に組み付けた状態では、板状回転子５７および板状固定子２０を貫く磁路Ｍｄを形成する（図４破線参照）。
【００４３】
固定子３０を構成する板状固定子２０は、板状回転子５７と同じく無方向性電磁鋼板の薄板を打ち抜くことで形成されており、図３に示すように、計１２個のティース２２を備える。ティース２２間に形成されたスロット２４には、固定子３０に回転磁界を発生させるコイル３２が巻回されている。尚、板状固定子２０の外縁部には、固定用のボルト３４を通すボルト孔が設けられているが、図４では図示を省略してある。
【００４４】
固定子３０は、板状の板状固定子２０を積層し互いに押圧した状態として、接着層を加熱・溶融することで一応固定される。この状態で、コイル３２をティース２２に巻回して固定子３０を完成した後、これをケース６０に組み付け、ボルト孔に固定用のボルト３４を通し、これを締め付けて全体を固定する。更に回転子５０をケース６０の軸受６１，６２により回転自在に組み付けることにより、この三相同期モータ４０は完成する。
【００４５】
固定子３０のコイル３２に回転磁界を発生するよう励磁電流を流すと、図４に示すように、隣接する突極および板状回転子５７，板状固定子２０を貫く磁路Ｍｑが形成される。尚、上述した永久磁石５１により形成される磁束が回転子５０を、その回転軸中心を通って径方向に貫く軸をｄ軸と呼び、回転子５０の回転面内において前記ｄ軸に電気的に直交する軸をｑ軸と呼ぶ。つまり、ｄ軸およびｑ軸は回転子５０の回転に伴い回転する軸である。本実施例では、回転子５０に貼付された永久磁石５１および５３は外周面がＮ極となっており、永久磁石５２および５４は外周面がＳ極となっていることから、図４に示す通り、幾何学的にはｄ軸と４５度方向にある軸がｑ軸となる。
【００４６】
図５に本実施例の三相同期モータ４０の等価回路を示す。図５に示す通り、三相同期モータ４０はＵ，Ｖ，Ｗの三相コイルと、回転軸中心回りに回転する永久磁石を有する等価回路により表される。ｄ軸はこの等価回路において永久磁石のＮ極側を正方向として貫く軸として表され、ｑ軸はｄ軸に対し幾何学的にも直交した軸として表される。また、電気角はＵ相コイルを貫く軸とｄ軸との回転角θとなる。
【００４７】
（２）トルク制御：
次に本実施例におけるモータ制御装置１０におけるトルク制御について図６のフローチャートを用いて説明する。トルク制御ルーチンは、図２に示したＣＰＵ１２０により周期的に実行される処理である。
【００４８】
このルーチンが開始されると、ＣＰＵ１２０は目標トルクＴ＊を読み込む（ステップＳ１００）。次に、電気角θおよび回転数Ｎの検出を行う（ステップＳ１０５）。電気角θは電気角センサ１１４により検出され、回転数Ｎは回転数センサ１１５により検出される。また、電流ｉｕ，ｉｖを検出する（ステップＳ１１０）。これらの値は電流センサ１０２，１０３により検出される。
【００４９】
こうして検出された諸量に基づいて、ＣＰＵ１２０は３相／２相変換を行いｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑを算出する（ステップＳ１１５）。３相／２相変換は以下に示す式を演算することにより実行される。
ｉｄ＝√２×（−ｉｕ・ｓｉｎ（θ−１２０）＋ｉｖ・ｓｉｎθ）；
ｉｑ＝√２×（−ｉｕ・ｃｏｓ（θ−１２０）＋ｉｖ・ｃｏｓθ）；
こうして演算されたｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑは、後述する電圧指令値の設定に用いられる。なお、電動機のトルク制御においては、ｄ軸電流およびｑ軸電流が本質的なパラメータとなるため、本実施例ではこれらの電流に変換して制御を実施している。かかる変換を行わずにＵ，Ｖ，Ｗの３相のまま制御することも可能である。
【００５０】
次に、ＣＰＵ１２０は目標トルクＴ＊、回転数Ｎおよび電気角θに基づいてｄ軸、ｑ軸の目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊を設定する（ステップＳ１２０）。この処理は、ＲＯＭ１２２内に記憶された電流マップ２１４から、目標トルクＴ＊、回転数Ｎおよび電気角θに相当する値を読み出すことにより行う。電流マップ２１４の内容については、その作成方法も含めて後述する。
【００５１】
なお、電流マップ２１４は、目標トルクＴ＊、回転数Ｎおよび電気角θの離散的な値に対し、目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊を与えるマップである。従って、目標トルｋＴ＊等の値によっては該当する値がマップに存在しない場合もある。本実施例では、かかる場合には、電流マップ２１４を線形補完することにより該当する値を求めるものとしている。マップを構成するトルク、回転数、電気角の離散的な値が十分細かく設定されている場合には、補完演算を省略してもよい。例えば、マップ上に存在するポイントから目標トルクＴ＊、回転数Ｎおよび電気角θに最も近いポイントを選択し、そのポイントに対応する目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊を用いるものとしてもよい。
【００５２】
こうして目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊が設定されると、ＣＰＵ１２０はｄ軸方向、ｑ軸方向に印加すべき電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を設定する（ステップＳ１２５）。この電圧指令値は、いわゆる比例積分制御（ＰＩ制御）により設定される。つまり、ステップＳ１１５において算出されたｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑと、ステップＳ１２０において設定された目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊との差分△ｉｄ、△ｉｑを求め、その差分△ｉｄ、△ｉｑの比例項と積分項との和により電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を設定する。比例積分制御は周知の制御方法であるため、これ以上の詳細な説明は省略する。
【００５３】
以上の処理により、ｄ軸、ｑ軸に印加する電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊が設定された。次にＣＰＵ１２０はこれらの電圧指令値を２相／３相変換によりＵ，Ｖ，Ｗの各相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する（ステップＳ１３０）。２相／３相変換は次式を演算することにより行われる。
【００５４】
Ｖｕ＊＝√（２／３）×（Ｖｄ＊・ｃｏｓθ−Ｖｑ＊・ｓｉｎθ）；
Ｖｖ＊＝√（２／３）×（Ｖｄ＊・ｃｏｓ（θ−１２０）−Ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ−１２０））；
Ｖｗ＊＝−Ｖｕ−Ｖｖ；
【００５５】
ＣＰＵ１２０は、２相／３相変換した結果に基づいて、ＰＷＭ制御してインバータに出力する。つまり、各相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を、インバータの各トランジスタのオンオフ信号のディーティ比に変換して出力する。この信号によってインバータの各トランジスタがオンオフされると、ステップＳ１２０で設定した目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊が流れる。この結果、モータ４０は目標トルクＴ＊に相当するトルクを出力する。以上の制御処理を周期的に繰り返すことにより本実施例の電動機制御装置は、モータ４０の運転を制御する。
【００５６】
（３）電流マップ：
次に、上記トルク制御のステップＳ１２０において用いられる電流マップ２１４の内容を説明する。図７は、本実施例の電流マップ２１４を作成するために用いられる基礎データをプロットしたグラフである。図７のグラフは、電流位相角と、トルクおよび電流値との関係を示している。図７中に示した３本の曲線は、それぞれ電流値ｉ１，ｉ２，ｉ３に対応した曲線である。電流値は、ｉ１＜ｉ２＜ｉ３となっている。また、図７に示す通り、このグラフは電気角θおよび回転数Ｎに応じて描かれる。
【００５７】
本実施例では、有限要素法等を用いた磁場解析により図７のグラフを作成した。この解析では、モータ４０の回転中のある状態を入力すると、ロータおよびステータ間の磁場を解析することによりロータに作用するトルクを出力することができる。かかる解析自体は周知であるため詳細な説明は省略する。
【００５８】
例えば、かかる解析により、電気角θ＝０度、回転数Ｎ＝０ｒｐｍ、電流値＝ｉ２、電流位相角＝２０度なる条件を与えると、出力トルク＝Ｔ２なる結果が得られる。これをプロットしたのが、図７の点Ｐ２である。このように上記パラメータを種々の値に変化させて解析を実行すれば、図７に示す曲線を引くことができる。もちろん、図７のグラフを実験的に作成するものとしても構わない。
【００５９】
ここで、位相角φの定義についてモータの等価回路（図５）により説明する。位相角φとは、図５に示す通り、巻線に流す電流ベクトルの方向とｑ軸方向の偏差をいう。電流ベクトルの大きさをｉとすると、図５より明らかな通り、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑとの間には、次式（１）が成立する。
ｉｄ＝−ｉ×ｓｉｎφ；
ｉｑ＝ ｉ×ｃｏｓφ …（１）
【００６０】
一般に同期モータにおいては、巻線に流す電流ベクトルがｑ軸方向に近い場合に大きなトルクを出力することができる。電流ベクトルがｄ軸と一致した場合、即ち位相角＝９０度の場合には、ロータを回転させる成分が生じなくなるため、トルクは出力されない。図７に示す通り、本実施例のモータ４０についても位相角９０度では電流値に関わらず、出力トルクが値０となっている。
【００６１】
図７に示したグラフは電気角θおよび回転数Ｎに応じて描かれる。本実施例では、電気角θを５度刻み、回転数Ｎを１００ｒｐｍ刻みの値で設定し、各電気角及び回転数の組み合わせに応じて図７に示すグラフを作成した。なお、電気角と回転数の刻みはモータの特性およびトルク制御に要求される精度等に応じて任意に設定可能である。また、必ずしも等間隔で設定する必要はない。例えば、電気角で３０度付近のみを細かく設定し、０度付近は粗く設定するものとしても構わない。
【００６２】
また、電気角および回転数の全ての範囲に対して図７のグラフを描く必要もない。本実施例のモータ４０の場合は、３相の同期電動機であり、ロータとステータの位置関係は、電気角６０度周期で同じ関係が繰り返される。従って、本実施例では、電気角については、０度から６０度の範囲でマップを用意し、６０度から１２０度およびそれ以降の電気角については、このマップを繰り返し用いるものとしている。
【００６３】
図７のグラフに基づいて、トルク制御に用いられる電流マップ２１４を設定する。電流マップ２１４の例を図８および図９に示した。電流マップ２１４は、これらの図に示す通り、２つのマップから成り立っている。図８は、トルクと電流位相角との関係を与えるマップである。図９は、電流位相角とモータ電流の関係を与えるマップである。これらのマップは、図７のグラフにおける曲線ｉ１，ｉ２，ｉ３のピーク部分（図７中の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）を用いて作成される。ピーク部分を用いてマップを作成するのは、かかる部分が電流値に対して最も出力トルクが大きくなる点を示しており、電動機を最も効率よく運転できる状態を示しているからである。
【００６４】
図７の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を横軸にトルク、縦軸に電流位相角を採ってプロットすると、それぞれ図８の点Ｐ１，ｐ２，Ｐ３となる。図７では、図示の都合上、３本の曲線しか描いていないが、更に多くの電流値に対して図７のグラフを作成することにより、図８に示した曲線を得ることができる。
【００６５】
一方、図７の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を横軸に電流値、縦軸に電流位相角を採ってプロットすると、それぞれ図９の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３となる。図７では、図示の都合上、３本の曲線しか描いていないが、更に多くの電流値に対して図７のグラフを作成することにより、図９に示した曲線を得ることができる。
【００６６】
本実施例では、図８および図９のマップをそれぞれディジタル化したデータテーブルとしてＲＯＭ１２２に記憶している。図８および図９に示す通り、これらのマップが電気角θに応じて用意されているところが、従来技術と大きく相違する。先に説明したトルク制御ルーチンでは、検出された電気角θおよび回転数Ｎに応じて、最初に図８に示したマップから目標トルクＴ＊に対応する電流位相角φを求める。次に、図９に示したマップから電流位相角φに対応するモータ電流を求める。こうしてモータ電流と電流位相角が求まれば、上式（１）に基づいてｄ軸およびｑ軸の目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊を求めることができる。
【００６７】
本実施例ではモータ電流と位相角とを与えるマップを用いて、ｄ軸およびｑ軸の目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊を設定している。これに対し、モータ電流および位相角を与えるマップに代えて、ｄ軸電流、ｑ軸電流を与えるマップを用いるものとしてもよい。こうすれば、上式（１）を演算する必要がなくなる分、処理の高速化を図ることができる。
【００６８】
以上で説明した本実施例の電動機制御装置１０によれば、モータ４０のトルクの脈動を低減することができる。図１０にトルク要求値Ｔｒｅｑと出力トルクとの関係を示す。図１０中のＴｏｌｄで示した曲線が要求値Ｔｒｅｑに対して、従来の制御方法により出力されるトルクを示している。図示される通り、大きな脈動を示している。これに対し、本実施例の電動機制御装置によれば、出力トルクを要求トルクＴｒｅｑにほぼ一致させることができる。また、図１１には電動機の運転中に流れる相電流を示した。図１１中のｉｏｌｄで示される曲線が従来の制御方法により電動機を運転した場合の電流を示している。図１１中のｉｏｐｔで示される曲線が要求トルクＴｒｅｑを出力するために流すべき電流を示している。図示される通り、従来の制御方法では、電流値は本来流すべき電流ｉｏｐｔに対して脈動している。これに対し、本実施例の電動機制御装置によれば、曲線ｉｐｏｔに相当する電流を流すことができる。
【００６９】
上述した通り、本実施例の電動機制御装置によれば、トルクの脈動を低減して電動機を運転することができる。この結果、本実施例の電動機制御装置によれば、電動機の運転効率を向上することができる。
【００７０】
なお、上記実施例のトルク制御には、いくつかの変形した態様が可能である。例えば、上記実施例ではステップＳ１２０において、目標電流値を設定するために図８および図９に示したマップを用いた。これに対し、図８および図９の曲線を近似した関数を用いて目標電流を設定するものとしても構わない。
【００７１】
また、上記実施例では、モータ４０が低速回転であるか高速回転であるかに関わらず、図８および図９のマップを用いることにより、電気角θに応じて目標電流を設定していた。モータ４０の回転数が非常に高速になった場合には、電気角θに応じて目標電流を設定する処理がモータ４０の回転に間に合わない可能性もある。従って、モータ４０が比較的低速で回転している場合にのみ図８および図９に示したような電気角θを考慮したマップを使用するものとし、その他の場合には電気角θを考慮しない従来と同様のマップを用いるものとしてもよい。
【００７２】
（４）モータ制御装置の適用例：
本実施例における電動機制御装置を備えたモータの有用性を示すため、これらの適用例について図１２を用いて説明する。図１２は、これらを適用したハイブリッドカーの概略構成を示す説明図である。ハイブリッドカーとは、エンジンとモータの双方を搭載した車両をいう。図１２に示すハイブリッドカーは以下で説明する通り、エンジンの動力を直接駆動輪に伝達可能な構成となっている。かかるハイブリッドカーを特にパラレル・ハイブリッドカーと呼ぶ。
【００７３】
まず、図１２に示したハイブリッドカーの概略構成を説明する。エンジンＥＧは通常の車両に用いられているガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンである。エンジンＥＧのクランクシャフトはプラネタリギヤＰＧに機械的に接続されている。プラネタリギヤＰＧは中心で回転するサンギヤＳＧと、サンギヤＳＧのまわりを自転しながら公転するプラネタリキャリアＰＣと、プラネタリキャリアＰＣの周囲で回転可能なリングギヤＲＧとから構成されている。プラネタリギヤＰＧは周知の通り、サンギヤＳＧ、プラネタリキャリアＰＣ、リングギヤＲＧのうちいずれか２つに入出力される動力が決定されると残余の一つに入出力される動力が決まるという機械的特性を有している。
【００７４】
本実施例のハイブリッドカーは図１２に示す通り、エンジンＥＧのクランクシャフトがプラネタリキャリアＰＣに結合されている。また、サンギヤＳＧには発電機ＭＧ１が結合され、リングギヤＲＧにはモータＧＭ２が結合されている。リングギヤＲＧは、またベルト等の動力伝達機構を経て駆動輪ＷＨに結合されている。発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２はそれぞれ同期モータである。発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２はバッテリＢＡに電気的に接続されており、バッテリＢＡと電力のやりとりを行っている。
【００７５】
エンジンＥＧの運転は、ＥＦＩＥＣＵにより制御されている。また、発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２は、駆動回路ＤＵ１，Ｄｕ２を介して制御ユニットＣＵに電気的に接続されており、制御ユニットＣＵにより運転が制御されている。制御ユニットＣＵは、かかる制御に必要な情報を種々のセンサにより取得している。これらのセンサには、例えば、モータＭＧ２の電気角および回転数を検出するセンサＳＮ１，ＳＮ２がある。その他のセンサについては、図示を省略した。
【００７６】
制御ユニットＣＵは、エンジンを制御するために必要となる情報をＥＦＩＥＣＵに出力することにより、間接的にエンジンＥＧの運転をも制御している。本実施例における電動機制御装置１０（図２）との対応を示すと、制御ユニットＣＵが制御用ＥＣＵ１００に相当し、駆動回路ＤＵ２はそれぞれインバータ１３０に相当し、モータＭＧ２がモータ４０に相当する。電流センサ１０２，１０３、フィルタ１０６，１０７およびＡＤＣ１１２，１１３については図１２では図示を省略した。
【００７７】
上記構成によるハイブリッドカーでは、エンジンＥＧから出力される動力はプラネタリギヤＰＧにより２つに分配されて伝達される。即ち、一部はサンギヤＳＧに分配され発電機ＭＧ１によって電力として回生される。この電力はバッテリＢＡに蓄えられる。プラネタリギヤＰＧにより分配された残余の動力はリングギヤＲＧを経て駆動輪ＷＨに伝達され、車両の走行に用いられる。リングギヤＲＧにはモータＭＧ２から出力される動力も付加される。制御ユニットＣＵはエンジンＥＧから駆動輪ＷＨに伝達される動力とモータＭＧ２から出力される動力の総和が要求された動力に一致するようにエンジンＥＧ、発電機ＭＧ１、およびモータＭＧ２の運転をそれぞれ制御しているのである。このようなハイブリッドカーではその他、エンジンＥＧの運転を停止してモータＭＧ２から出力される動力のみを用いて走行するなど、種々の運転モードによる走行が可能となっている。
【００７８】
上述した通り、モータＭＧ２から出力される動力は駆動輪ＷＨに伝達可能であるから、例えば、モータＭＧ２からの出力トルクが脈動すればその分車両の乗り心地を損ねることになる。上記ハイブリッド車両において、本実施例のモータ制御装置を備えていれば、モータＭＧ２から出力されるトルクの変動を抑制することができ、車両の走行状態に応じて設定された要求トルクを定常的に出力することができるため乗り心地を改善することができる。また、トルク変動なくモータＭＧ２を運転可能とすることによりハイブリッドカーの運転効率を向上することもできる。なお、上記ハイブリッドカーにおいては、発電機ＭＧ１も同期モータとして構成されており、運転モードによっては電力の供給を受けてトルクを出力するモータとしても機能し得るため、本発明は発電機ＭＧ１の制御装置として適用することも可能である。
【００７９】
上記説明ではパラレルハイブリッドカーを例にとって説明したが、本発明のモータ制御装置は、エンジンＥＧから出力される動力が直接は駆動輪ＷＨに伝達できないタイプのハイブリッドカー、いわゆるシリーズハイブリッドカーにも適用可能である。当然、エンジンＥＧを搭載しない、いわゆる電気自動車にも適用可能である。
【００８０】
以上で説明した通り、本発明のモータ制御装置は、トルク変動なくスムーズにモータを運転することができる点で非常に有用なものである。上記説明では、一例としてハイブリッドカーや電気自動車を挙げたが、本発明のモータ制御装置の適用例はこれに限定されるものではない。例えば、工作機械や家電製品などの種々の装置に適用可能である。
【００８１】
以上、本発明の種々の実施例について説明してきたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の形態による実施が可能である。例えば、本実施例ではトルク制御を図６に示したフローチャートによりソフトウェアで実現しているが、同様の処理をハードウェアにより実現するものとしてもよい。逆に本実施例においてハードウェアによって実現している処理、例えば電気角の検出などをソフトウェアにより実現するものとしてもよい。また、本発明の電動機制御装置は同期機のみならず、誘導機など種々の交流モータに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の電動機制御装置の機能ブロックを示す説明図である。
【図２】電動機制御装置１０のハードウェア構成を示す説明図である。
【図３】モータ４０の回転軸を含む断面における断面図である。
【図４】回転軸に直交する断面における断面図である。
【図５】三相同期モータ４０の等価回路図である。
【図６】トルク制御ルーチンの処理内容を示すフローチャートである。
【図７】電流位相角とトルクとの関係を示す説明図である。
【図８】電流設定のための第１のマップを示す説明図である。
【図９】電流設定のための第２のマップを示す説明図である。
【図１０】トルク指令値に対するトルクの脈動を示すグラフである。
【図１１】巻線に流れる電流の変動を示すグラフである。
【図１２】本発明の電動機制御装置を適用したハイブリッド車両の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…電動機制御装置
２０…板状固定子
２２…ティース
２４…スロット
３０…固定子
３２…コイル
３４…ボルト
４０…三相同期モータ
５０…回転子
５１，５２，５３，５４…永久磁石
５５…回転軸
５７…板状回転子
６０…ケース
６１，６２…軸受
７１，７２，７３，７４…突極
１００…制御用ＥＣＵ
１０２，１０３…電流センサ
１０６，１０７…フィルタ
１１２，１１３…ＡＤＣ
１１４…電気角センサ
１１５…回転数センサ
１１６…入力ポート
１１８…出力ポート
１２０…ＣＰＵ
１２２…ＲＯＭ
１２４…ＲＡＭ
１２６…クロック
１３０…インバータ
１３２…バッテリ
２０２ｄ、２０２ｑ…ＰＩ制御部
２０４…２相／３相変換部
２０６…ＰＷＭ制御部
２０８…通電部
２１０…３相／２相変換部
２１２…電流設定部
２１４…電流マップ
２１６…要求トルク設定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の運転を制御する制御装置および制御方法に関し、詳しくは出力トルクの変動を抑制して電動機の運転を行うための制御装置および制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多相交流を巻線に流し、該巻線による磁界と永久磁石による磁界との相互作用により回転子を回転させる電動機で、所望の回転トルクを得るためには、要求トルクに応じて巻線に流す多相交流を制御する必要がある。巻線に流す多相交流は、電流値と位相角によって設定される。
【０００３】
位相角とは、固定子に対する回転子の電気的な回転位置を示す電気角と巻線に流す電流によって生じる磁界の方向との偏差を表す角度である。例えば回転子に永久磁石を備える同期モータでは、永久磁石により生じる磁界が回転子の中心を貫く方向をｄ軸方向とし、ｄ軸方向に電気的に直交する方向をｑ軸方向と定義すると、ｑ軸に近い方向に磁界が生じる位相角で巻線に電流を流した場合に最大トルクが生じる。
【０００４】
従来は、電動機から出力すべきトルクと、巻線に流す電流の電流値および位相角との関係を記憶するマップを用意し、要求トルクに基づいてこのマップを参照することにより、巻線に流す電流を設定していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる方法により電流を設定した場合、電動機の出力トルクに脈動が生じることが見いだされた。出力トルクの脈動の様子を図１０に示す。図１０は、一定の要求トルクＴｒｅｑを出力するための制御を実施した場合の出力トルクＴｏｌｄを、横軸に電気角をとって示したグラフである。図１０に示される通り、電気角の変化、即ち電動機の回転に応じて出力トルクＴｏｌｄは要求トルクＴｒｅｑよりも増えたり、減ったりする脈動を生じていた。図１０で示した例では、電気角が概ね６０度の周期で脈動を生じていた。脈動の周期は電動機の回転子に備えられた永久磁石や固定子のティースの数等に応じて変化した。
【０００６】
このようなトルクの脈動は電動機を種々の装置の動力源として使用する上で好ましくない現象である。例えば、いわゆるハイブリッド車両の動力源として電動機を利用した場合には、図１０に示したトルクの脈動により、車両の乗り心地を損ねる可能性があった。また、トルクの脈動が生じているとき、電動機は余剰のトルクを出力したりトルクが不足したりしているため、要求トルクＴｒｅｑに相当する一定のトルクを出力し続ける場合に比較して運転効率が低下していた。一般に余剰のトルクとして出力されたエネルギは熱等の形で消費されてしまうからである。
【０００７】
図１０では、一例として同期モータについてトルクの脈動が生じている場合を示した。かかるトルクの脈動は、同期モータのみならず誘導モータなど種々の交流モータにおいて同様に生じていた。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされ、巻線に多相交流を流すことにより回転子を回転させる電動機において、出力トルクの脈動を低減するための制御装置および制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を採った。
本発明の電動機制御装置は、
巻線に流す多相交流を制御することによって、該多相交流を流した際に該巻線に生じる回転磁界を利用して回転子を回転させる電動機の運転を制御する電動機制御装置であって、
該電動機から出力すべき要求トルクを設定する設定手段と、
前記回転子の電気的な回転位置を定義する電気角を検出する電気角検出手段と、
前記要求トルクを出力するために巻線に流す電流を、該要求トルクのみならず前記検出された電気角も考慮して設定する電流設定手段と、
該設定された電流を前記巻線に流す通電手段とを備えることを要旨とする。
【００１０】
かかる電動機制御装置によれば、電動機から出力するトルクの脈動を低減することができる。この結果、種々の装置の動力源として適用した場合に、電動機ひいては該電動機が適用された装置を安定して運転することができる。また、電動機を効率よく運転することもできる。以下、かかる作用について説明する。
【００１１】
本発明の電動機制御装置を完成するために、従来の制御方法により出力トルクの脈動（図１０参照）が生じていた原因を探求する必要があった。図１０に示すトルクの脈動には種々の原因が考えられる。例えば、回転子の重心位置の変動や軸受けの摩擦の不均一性などの機械的な要素および巻線に電流を流すための回路における抵抗やスイッチング素子の応答性の不均一性などの電気的な要素等である。本発明の発明者は、トルクの脈動の原因を探求するため、図１０のトルクが出力される際に電動機の巻線に流れる電流を測定した。電流の測定結果を図１１に示す。図１０で用いた同期モータには多相交流が流れている。図１１は、これらのうち一つの相に着目した相電流の変化を示したグラフである。図１１に示す通り、一定のトルクを出力するために巻線に流すべき電流値ｉｏｐｔに対し、現実の電流値ｉｏｌｄが多かったり少なかったりしている。これにより、図１０に示すトルクの脈動の主要因が巻線に流す電流にあることが見いだされた。
【００１２】
発明者は、次に図１０のトルクの脈動は約６０度の電気角の周期で生じている点に着目した。一般に巻線にはインダクタンスと呼ばれる一種の抵抗が生じている。この抵抗は外部からの磁界の影響を受けて変化する。回転子が回転している場合には、回転子に備えられた永久磁石による磁界が巻線に与える影響が変化するから、巻線のインダクタンスが変化することになる。この変化は、モータの磁極の数に応じた電気角の周期で現れる。インダクタンスが変化すれば、要求トルクに応じて設定された電流指令値に基づいて電圧を印加しても実際に流れる電流値は電流指令値とは異なってしまう。発明者はかかる考察から、図１０に示したトルクの脈動の主要因がインダクタンスの変化にあることを見いだした。
【００１３】
本発明は、上述の観点により完成されたものである。本発明の電動機制御装置における電流設定手段は、巻線に流す電流を要求トルクのみならず電気角も考慮して設定する。電気角を考慮する点で従来の電流の設定方法と大きく相違する。このように電気角に応じて巻線に流す電流を変化させることにより、要求トルクを出力するために必要となる電流を適切に巻線に流すことができ、トルクの脈動を低減することができる。
【００１４】
「電気角を考慮する」とは、設定される電流が電気角に応じて変え得るように設定されることを意味する。図１０に示したように、ほぼ全般の電気角においてトルクの脈動が生じている場合には、各電気角で設定される電流が周期的に変化することになる。また、ある特定の電気角においてパルス的にトルクの変動が生じるような場合には、該電気角においてのみ電流が変化することになる。本発明における「考慮」には、両者の態様を含んでいる。
【００１５】
また、「電流の設定」としては、電動機のトルク制御に関する本質的な要素の設定という意味である。一般には、先に説明したｄ軸方向およびｑ軸方向の電流がトルク制御においては、本質的な要素とされている。これらの要素を設定するものとして、具体的にｄ軸方向の電流値およびｑ軸方向の電流値をそれぞれ与えるものとしてもよいし、巻線に流す電流値と位相角を与えるものとしてもよい。もちろん、電動機に実際に流れる各相の電流値の大きさとして設定することも可能である。
【００１６】
本発明では、「電流の設定」を上述の意味で用いるから、ｄ軸電流およびｑ軸電流に置換した場合に電気角に依らずに一定値となるような「電流の設定」は、本発明における電気角を考慮した電流の設定には該当しない。例えば、電動機に実際に流れる各相の電流値の大きさは電気角によって変化することになるが、ｄ軸電流、ｑ軸電流としての大きさが変化しない場合には本発明における「電流の設定」には含まれない。
【００１７】
なお、本発明の電動機制御装置における「要求トルク設定手段」は、電動機制御装置内部で要求トルクを設定する手段であってもよいし、外部から要求トルクを入力することにより電動機から出力すべきトルクを設定する手段であってもよい。
【００１８】
また、「電気角検出手段」としては、いわゆるホール素子その他のセンサを用いて電気角を検出する装置であっても良いし、巻線の電圧値および電流値などに基づいて演算により電気角を検出する手段であってもよい。
【００１９】
本発明の電動機制御装置において、
前記電流設定手段は、
電気角およびトルクと、該トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流との関係を記憶する記憶手段と、
前記要求トルクおよび電気角に基づいて、前記関係を参照して該要求トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流を求める参照手段とを有するものとすることが望ましい。
【００２０】
かかる構成によれば、巻線に流す電流を、要求トルクおよび電気角に応じて設定することができる。上記記憶手段としては、電気角およびトルクの離散的な値に対して巻線に流すべき電流を記憶するマップや、電気角およびトルクと電流値との関係を与える関数を記憶する手段などが挙げられる。もちろん、従来の制御方法によって一旦トルクに応じた電流を設定した後、電気角に応じて設定された電流を補正するものとしても構わない。かかる場合には記憶手段にはトルクに基づいて電流を設定するための関係と、電気角に基づいて設定された電流を電気角に応じて補正するための関係とを記憶することになる。
【００２１】
また、「参照」とは、記憶手段にマップが記憶されている場合には、該マップから適切な値を読みとることおよび必要に応じて該マップの補完演算を行うことが該当する。記憶手段に関数が記憶されている場合には、必要な諸量を代入して該関数を演算することが該当する。その他、巻線に流すべき電流を、記憶手段に記憶されている内容に応じて求める方法が本発明における「参照」に相当する。
【００２２】
本発明の電動機制御装置においては、
さらに、
該電動機の回転子の回転数を検出する回転数検出手段を有し、
前記電流設定手段は、該検出された回転数をも考慮して電流を設定する手段であるものとすることが望ましい。
【００２３】
こうすれば、回転数に応じた適切な電流を流すことができる。回転子の回転により電動機の巻線には誘導起電力が生じる。かかる誘導起電力は電動機の回転数に応じて変化する。従って、トルクを効率的に出力するためには、電動機に流す電流の位相角を回転数に応じて変化させることが好ましい。上記構成によれば、回転数も考慮して電流を設定するため、回転数に応じて適切なトルクを効率よく出力することができる。
【００２４】
さらに、本発明の電動機制御装置において、
該電動機の回転子の回転数を検出する回転数検出手段を有し、
前記電流設定手段は、前記電動機の回転数が所定の値以下の場合のみに前記検出された電気角を考慮する手段であるものとすることも好ましい。
【００２５】
かかる構成によれば、電動機の回転数が所定の値以下の場合のみに電気角を考慮して電流を設定する。電動機がある装置の動力源として適用された場合、トルクの脈動による装置の運転への影響は、電動機が低速回転しているときに顕著である。従って、上記構成によれば、このようにトルクの脈動による影響が顕著な領域において、電気角を考慮した電流の設定を行うことにより、トルクの脈動を低減することができるため、有用性が高い。上記発明における所定の値は、このようにトルクの脈動による影響に基づいて予め設定される値である。
【００２６】
また、本発明は以下に示す電動機の制御方法としても成立する。
本発明の電動機の制御方法は、
多相交流を巻線に流した際に該巻線に生じる回転磁界を利用して回転子を回転させる電動機について、該巻線に流す電流を制御して該電動機の運転を制御する電動機の制御方法であって、
（ａ） 該電動機から出力すべきトルクの要求値を設定する工程と、
（ｂ） 前記回転子の電気的な回転位置を定義する電気角を検出する工程と、
（ｃ） 電気角およびトルクと、該トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流とについて予め記憶された関係を、前記要求トルクおよび電気角に基づいて参照することにより、該要求トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流を求める工程と、
（ｄ） 該設定された電流を前記巻線に流す工程と
を備えることを要旨とする。
【００２７】
かかる制御方法によれば、先に電動機の制御装置として説明した種々の作用により、トルクの脈動を低減しつつ、効率よく電動機の運転を制御することができる。
【００２８】
なお、上述した電動機の制御装置および制御方法は、中心部にロータを備え、外周部にステータを備えるいわゆるインナロータ型の電動機のみならず、いわゆるアウタロータと呼ばれるタイプの電動機にも適用可能である。アウタロータ型の電動機は、中心部のステータと、その外周を円状に取り囲むようにロータとを備え、三相コイルに制御電流を流すことにより回転磁界が形成され、円環状のアウタロータを回転させる電動機である。また、インナロータとアウタロータとを備える対ロータ電動機にも適用可能である。また、電動機の構成としては、永久磁石を備えた電動機および永久磁石に代えて電磁石を用いた電動機など種々の構成に適用可能である。
【００２９】
また、本発明の電動機制御装置を組み込むことにより、電動機を動力源とする種々の装置の発明を構成することも可能である。かかる装置としては、種々の工作機械や家電製品が挙げられる。また、近年では、電動機を動力源として走行可能な車両も提案されており、以下に示す通り、かかる車両の発明として構成することもできる。
例えば、
巻線に流す多相交流を制御することによって、該多相交流を流した際に該巻線に生じる回転磁界を利用して回転子を回転させる電動機と、該電動機の運転を制御する電動機制御装置とを備え、該電動機を動力源として走行可能な車両であって、
該車両の走行状態に応じて、前記電動機から出力すべき要求トルクを設定する設定手段を備え、
前記電動機制御装置は、
前記回転子の電気的な回転位置を定義する電気角を検出する電気角検出手段と、
前記要求トルクを出力するために巻線に流す電流を、該要求トルクのみならず前記検出された電気角も考慮して設定する電流設定手段と、
該設定された電流を前記巻線に流す通電手段とを備える装置であることを要旨とすることができる。もちろん、先に説明した種々の構成からなる電動機制御装置をそれぞれ適用することが可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（１）実施例の構成：
以下、本発明の実施の形態について、実施例を用いて説明する。図１は、本実施例の電動機制御装置１０の機能ブロックを示す説明図である。電動機制御装置１０が制御する対象はモータ４０である。モータ４０は、後述する通り、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相交流を流すことにより回転する同期モータである。
【００３１】
電動機制御装置１０には、このモータ４０の電気角θを検出するための電気角センサ１１４と回転数Ｎを検出するための回転数センサ１１５が設けられている。これらのセンサ１１４，１１５により検出された電気角θおよび回転数Ｎは電流設定部２１２に受け渡される。電流設定部２１２には要求トルク設定部２１６により設定された要求トルクＴ＊も受け渡される。これらの値に基づいて、電流設定部２１２は電流マップ２１４を参照し、電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を設定する。
【００３２】
一方、３相／２相変換部２１０は、モータ４０のＵ，Ｖ，Ｗの各相に流れている電流を３相／２相変換し、ｄ軸に流れている電流ｉｄとｑ軸に流れている電流ｉｑとを算出する。図１では、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に流れている電流のうちＵ相の電流ｉｕとＶ相の電流ｉｖのみを用いるものとして示した。これは、３相交流の場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相に流れる電流の合計値は常に値０となるため、Ｗ相の電流値ｉｗは検出する必要がないからである。
【００３３】
先に設定された電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊と、実際に流れている電流ｉｄ，ｉｑとの差分に基づいてＰＩ制御部２０２ｄ，２０２ｑは、いわゆる比例積分制御によってそれぞれｄ軸およびｑ軸に印加すべき電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を設定する。こうして設定された電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊は２相／３相変換部２０４によりＵ，Ｖ，Ｗの各相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換される。これらの指令値に基づいて、ＰＷＭ制御部２０６は各相への印加電圧を制御するためのスイッチング信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗを設定する。このスイッチング信号に基づいたスイッチングを行うことにより通電部２０８は各相に電流を通電する。
【００３４】
なお、本実施例では、後述する通り、通電部２０８として内部にスイッチング素子を備える構成を採用しているため、ＰＷＭ制御部２０６では通電部２０８を駆動するためのスイッチング信号を生成している。これに対し、スイッチング素子を持たない通電部２０８を採用する場合には、ＰＷＭ制御部２０６を省略しても構わない。また、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を実現可能な制御方法であれば、ＰＷＭ制御に依らずその他の制御方法によるスイッチング信号の生成を行うものとしても良い。ｌ
【００３５】
次に、本実施例の電動機制御装置１０およびモータ４０のハードウェア構成を説明する。図２は、本実施例の電動機制御装置１０のハードウェア構成を示す説明図である。モータ制御装置１０は、モータ４０の電気角θを検出する電気角センサ１１４，回転数Ｎを検出する回転数センサ１１５，外部からのトルク指令を受けて三相同期モータ４０の三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）のモータ電流を制御する制御用ＥＣＵ１００、三相同期モータ４０のＵ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖを検出する電流センサ１０２、１０３、検出された電流の高周波ノイズを除去するフィルタ１０６、１０７、検出した電流値をディジタルデータに変換する２個のアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）１１２、１１３から構成されている。電気角センサとしては、ホール素子を用いたものが知られている。なお、電気角センサ１１４と回転数センサ１１５は兼用することも可能である。また、電気角はセンサによらず演算によって求めるものとしてもよい。
【００３６】
制御用ＥＣＵ１００の内部には、図示するように、算術論理演算を行うマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）１２０、このＣＰＵ１２０が行う処理や必要なデータを予め記憶したＲＯＭ１２２、処理に必要なデータ等を一時的に読み書きするＲＡＭ１２４、計時を行うクロック１２６等が設けられており、バスにより相互に接続されている。このバスには、入力ポート１１６や出力ポート１１８も接続されており、ＣＰＵ１２０は、これらのポート１１６，１１８を介して、三相同期モータ４０のＵ，Ｖ，Ｗの各相に流れる電流ｉｕ，ｉｖ、電気角θ、回転数Ｎを読み込むことができる。
【００３７】
また、制御用ＥＣＵ１００には、別途入力されるトルク指令に基づいて決定されたモータ４０の各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが得られるようモータ４０の各コイル間に電圧を印加するインバータ１３０およびバッテリ１３２が、その出力部に設けられている。ＣＰＵ１２０からの制御出力Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ，ＳＤが、このインバータ１３０に出力されており、三相同期モータ４０の各コイルに印加される電圧を外部から制御することが可能となっている。
【００３８】
インバータ１３０は本実施例ではいわゆるトランジスタインバータを採用している。インバータ１３０はスイッチング素子としてのトランジスタが各相に対し２つ一組で設けられている。各相の２つのトランジスタは一方がバッテリ１３２のソース側、他方がシンク側に接続されている。制御用ＥＣＵ１００からの制御出力Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ、ＳＤはこれらのトランジスタのゲート信号に入力され、各トランジスタのオンオフを制御する。但し、各相のシンク側に設けられたトランジスタにはインバータ素子により制御出力がハイロー反転されて入力されるようになっている。従って、上記インバータの各相のトランジスタは通常は、ソース側とシンク側とが排他的にオンオフするようになっている。なお、制御信号ＳＤは、全てのトランジスタをオフ状態にするシャットダウン信号である。
【００３９】
図２における制御用ＥＣＵ１００が、図１に示したＰＩ制御部２０２ｄ、２０２ｑ、２相／３相変換部２０４、ＰＷＭ制御部２０６、３相／２相変換部２１０、電流設定部２１２、電流マップ２１４、要求トルク設定部２１６の各機能を果たす部分である。本実施例では、要求トルク設定部２１６は、外部から入力されたトルク指令値を要求トルクＴ＊として設定する機能を奏するものとして構成した。また、インバータ１３０およびバッテリ１３２が通電部２０８に相当する機能を果たす部分である。
【００４０】
次に、本実施例の電動機制御装置による制御対象であるモータ４０の構成について説明する。図３は、モータ４０の回転軸を含む断面における断面図である。図４は、回転軸に直交する断面における断面図である。図３に示す通り、この三相同期モータ４０は、固定子３０と回転子５０とこれらを収納するケース６０とからなる。回転子５０は、外周に永久磁石５１ないし５４が貼付されており、その軸中心に設けられた回転軸５５を、ケース６０に設けられた軸受６１，６２により回転自在に軸支している。
【００４１】
回転子５０は、無方向性電磁鋼板を打ち抜いて成形した板状回転子５７を複数枚積層したものである。この板状回転子５７は、図４に示すように、直交する位置に４箇所の突極７１ないし７４を備える。板状回転子５７を積層した後、回転軸５５を圧入し、積層した板状回転子５７を仮止めする。この電磁鋼板を素材とする板状回転子５７は、その表面に絶縁層と接着層が形成されており、積層後所定温度に加熱され、接着層が溶融することにより、固定される。
【００４２】
こうして回転子５０を形成した後、回転子５０の外周面であって、突極７１ないし７４の中間位置に、永久磁石５１ないし５４を軸方向に亘って貼付する。永久磁石５１ないし５４は、回転子５０の半径方向に磁化されており、その極性は隣り合う磁石同士が互いに異なる磁極となっている。例えば、永久磁石５１は外周面がＮ極であり、その隣の永久磁石５２は外周面がＳ極となっている。この永久磁石５１，５２は、回転子５０を固定子３０に組み付けた状態では、板状回転子５７および板状固定子２０を貫く磁路Ｍｄを形成する（図４破線参照）。
【００４３】
固定子３０を構成する板状固定子２０は、板状回転子５７と同じく無方向性電磁鋼板の薄板を打ち抜くことで形成されており、図３に示すように、計１２個のティース２２を備える。ティース２２間に形成されたスロット２４には、固定子３０に回転磁界を発生させるコイル３２が巻回されている。尚、板状固定子２０の外縁部には、固定用のボルト３４を通すボルト孔が設けられているが、図４では図示を省略してある。
【００４４】
固定子３０は、板状の板状固定子２０を積層し互いに押圧した状態として、接着層を加熱・溶融することで一応固定される。この状態で、コイル３２をティース２２に巻回して固定子３０を完成した後、これをケース６０に組み付け、ボルト孔に固定用のボルト３４を通し、これを締め付けて全体を固定する。更に回転子５０をケース６０の軸受６１，６２により回転自在に組み付けることにより、この三相同期モータ４０は完成する。
【００４５】
固定子３０のコイル３２に回転磁界を発生するよう励磁電流を流すと、図４に示すように、隣接する突極および板状回転子５７，板状固定子２０を貫く磁路Ｍｑが形成される。尚、上述した永久磁石５１により形成される磁束が回転子５０を、その回転軸中心を通って径方向に貫く軸をｄ軸と呼び、回転子５０の回転面内において前記ｄ軸に電気的に直交する軸をｑ軸と呼ぶ。つまり、ｄ軸およびｑ軸は回転子５０の回転に伴い回転する軸である。本実施例では、回転子５０に貼付された永久磁石５１および５３は外周面がＮ極となっており、永久磁石５２および５４は外周面がＳ極となっていることから、図４に示す通り、幾何学的にはｄ軸と４５度方向にある軸がｑ軸となる。
【００４６】
図５に本実施例の三相同期モータ４０の等価回路を示す。図５に示す通り、三相同期モータ４０はＵ，Ｖ，Ｗの三相コイルと、回転軸中心回りに回転する永久磁石を有する等価回路により表される。ｄ軸はこの等価回路において永久磁石のＮ極側を正方向として貫く軸として表され、ｑ軸はｄ軸に対し幾何学的にも直交した軸として表される。また、電気角はＵ相コイルを貫く軸とｄ軸との回転角θとなる。
【００４７】
（２）トルク制御：
次に本実施例におけるモータ制御装置１０におけるトルク制御について図６のフローチャートを用いて説明する。トルク制御ルーチンは、図２に示したＣＰＵ１２０により周期的に実行される処理である。
【００４８】
このルーチンが開始されると、ＣＰＵ１２０は目標トルクＴ＊を読み込む（ステップＳ１００）。次に、電気角θおよび回転数Ｎの検出を行う（ステップＳ１０５）。電気角θは電気角センサ１１４により検出され、回転数Ｎは回転数センサ１１５により検出される。また、電流ｉｕ，ｉｖを検出する（ステップＳ１１０）。これらの値は電流センサ１０２，１０３により検出される。
【００４９】
こうして検出された諸量に基づいて、ＣＰＵ１２０は３相／２相変換を行いｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑを算出する（ステップＳ１１５）。３相／２相変換は以下に示す式を演算することにより実行される。
ｉｄ＝√２×（−ｉｕ・ｓｉｎ（θ−１２０）＋ｉｖ・ｓｉｎθ）；
ｉｑ＝√２×（−ｉｕ・ｃｏｓ（θ−１２０）＋ｉｖ・ｃｏｓθ）；
こうして演算されたｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑは、後述する電圧指令値の設定に用いられる。なお、電動機のトルク制御においては、ｄ軸電流およびｑ軸電流が本質的なパラメータとなるため、本実施例ではこれらの電流に変換して制御を実施している。かかる変換を行わずにＵ，Ｖ，Ｗの３相のまま制御することも可能である。
【００５０】
次に、ＣＰＵ１２０は目標トルクＴ＊、回転数Ｎおよび電気角θに基づいてｄ軸、ｑ軸の目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊を設定する（ステップＳ１２０）。この処理は、ＲＯＭ１２２内に記憶された電流マップ２１４から、目標トルクＴ＊、回転数Ｎおよび電気角θに相当する値を読み出すことにより行う。電流マップ２１４の内容については、その作成方法も含めて後述する。
【００５１】
なお、電流マップ２１４は、目標トルクＴ＊、回転数Ｎおよび電気角θの離散的な値に対し、目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊を与えるマップである。従って、目標トルｋＴ＊等の値によっては該当する値がマップに存在しない場合もある。本実施例では、かかる場合には、電流マップ２１４を線形補完することにより該当する値を求めるものとしている。マップを構成するトルク、回転数、電気角の離散的な値が十分細かく設定されている場合には、補完演算を省略してもよい。例えば、マップ上に存在するポイントから目標トルクＴ＊、回転数Ｎおよび電気角θに最も近いポイントを選択し、そのポイントに対応する目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊を用いるものとしてもよい。
【００５２】
こうして目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊が設定されると、ＣＰＵ１２０はｄ軸方向、ｑ軸方向に印加すべき電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を設定する（ステップＳ１２５）。この電圧指令値は、いわゆる比例積分制御（ＰＩ制御）により設定される。つまり、ステップＳ１１５において算出されたｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑと、ステップＳ１２０において設定された目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊との差分△ｉｄ、△ｉｑを求め、その差分△ｉｄ、△ｉｑの比例項と積分項との和により電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を設定する。比例積分制御は周知の制御方法であるため、これ以上の詳細な説明は省略する。
【００５３】
以上の処理により、ｄ軸、ｑ軸に印加する電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊が設定された。次にＣＰＵ１２０はこれらの電圧指令値を２相／３相変換によりＵ，Ｖ，Ｗの各相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する（ステップＳ１３０）。２相／３相変換は次式を演算することにより行われる。
【００５４】
Ｖｕ＊＝√（２／３）×（Ｖｄ＊・ｃｏｓθ−Ｖｑ＊・ｓｉｎθ）；
Ｖｖ＊＝√（２／３）×（Ｖｄ＊・ｃｏｓ（θ−１２０）−Ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ−１２０））；
Ｖｗ＊＝−Ｖｕ−Ｖｖ；
【００５５】
ＣＰＵ１２０は、２相／３相変換した結果に基づいて、ＰＷＭ制御してインバータに出力する。つまり、各相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を、インバータの各トランジスタのオンオフ信号のディーティ比に変換して出力する。この信号によってインバータの各トランジスタがオンオフされると、ステップＳ１２０で設定した目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊が流れる。この結果、モータ４０は目標トルクＴ＊に相当するトルクを出力する。以上の制御処理を周期的に繰り返すことにより本実施例の電動機制御装置は、モータ４０の運転を制御する。
【００５６】
（３）電流マップ：
次に、上記トルク制御のステップＳ１２０において用いられる電流マップ２１４の内容を説明する。図７は、本実施例の電流マップ２１４を作成するために用いられる基礎データをプロットしたグラフである。図７のグラフは、電流位相角と、トルクおよび電流値との関係を示している。図７中に示した３本の曲線は、それぞれ電流値ｉ１，ｉ２，ｉ３に対応した曲線である。電流値は、ｉ１＜ｉ２＜ｉ３となっている。また、図７に示す通り、このグラフは電気角θおよび回転数Ｎに応じて描かれる。
【００５７】
本実施例では、有限要素法等を用いた磁場解析により図７のグラフを作成した。この解析では、モータ４０の回転中のある状態を入力すると、ロータおよびステータ間の磁場を解析することによりロータに作用するトルクを出力することができる。かかる解析自体は周知であるため詳細な説明は省略する。
【００５８】
例えば、かかる解析により、電気角θ＝０度、回転数Ｎ＝０ｒｐｍ、電流値＝ｉ２、電流位相角＝２０度なる条件を与えると、出力トルク＝Ｔ２なる結果が得られる。これをプロットしたのが、図７の点Ｐ２である。このように上記パラメータを種々の値に変化させて解析を実行すれば、図７に示す曲線を引くことができる。もちろん、図７のグラフを実験的に作成するものとしても構わない。
【００５９】
ここで、位相角φの定義についてモータの等価回路（図５）により説明する。位相角φとは、図５に示す通り、巻線に流す電流ベクトルの方向とｑ軸方向の偏差をいう。電流ベクトルの大きさをｉとすると、図５より明らかな通り、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑとの間には、次式（１）が成立する。
ｉｄ＝−ｉ×ｓｉｎφ；
ｉｑ＝ ｉ×ｃｏｓφ …（１）
【００６０】
一般に同期モータにおいては、巻線に流す電流ベクトルがｑ軸方向に近い場合に大きなトルクを出力することができる。電流ベクトルがｄ軸と一致した場合、即ち位相角＝９０度の場合には、ロータを回転させる成分が生じなくなるため、トルクは出力されない。図７に示す通り、本実施例のモータ４０についても位相角９０度では電流値に関わらず、出力トルクが値０となっている。
【００６１】
図７に示したグラフは電気角θおよび回転数Ｎに応じて描かれる。本実施例では、電気角θを５度刻み、回転数Ｎを１００ｒｐｍ刻みの値で設定し、各電気角及び回転数の組み合わせに応じて図７に示すグラフを作成した。なお、電気角と回転数の刻みはモータの特性およびトルク制御に要求される精度等に応じて任意に設定可能である。また、必ずしも等間隔で設定する必要はない。例えば、電気角で３０度付近のみを細かく設定し、０度付近は粗く設定するものとしても構わない。
【００６２】
また、電気角および回転数の全ての範囲に対して図７のグラフを描く必要もない。本実施例のモータ４０の場合は、３相の同期電動機であり、ロータとステータの位置関係は、電気角６０度周期で同じ関係が繰り返される。従って、本実施例では、電気角については、０度から６０度の範囲でマップを用意し、６０度から１２０度およびそれ以降の電気角については、このマップを繰り返し用いるものとしている。
【００６３】
図７のグラフに基づいて、トルク制御に用いられる電流マップ２１４を設定する。電流マップ２１４の例を図８および図９に示した。電流マップ２１４は、これらの図に示す通り、２つのマップから成り立っている。図８は、トルクと電流位相角との関係を与えるマップである。図９は、電流位相角とモータ電流の関係を与えるマップである。これらのマップは、図７のグラフにおける曲線ｉ１，ｉ２，ｉ３のピーク部分（図７中の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）を用いて作成される。ピーク部分を用いてマップを作成するのは、かかる部分が電流値に対して最も出力トルクが大きくなる点を示しており、電動機を最も効率よく運転できる状態を示しているからである。
【００６４】
図７の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を横軸にトルク、縦軸に電流位相角を採ってプロットすると、それぞれ図８の点Ｐ１，ｐ２，Ｐ３となる。図７では、図示の都合上、３本の曲線しか描いていないが、更に多くの電流値に対して図７のグラフを作成することにより、図８に示した曲線を得ることができる。
【００６５】
一方、図７の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を横軸に電流値、縦軸に電流位相角を採ってプロットすると、それぞれ図９の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３となる。図７では、図示の都合上、３本の曲線しか描いていないが、更に多くの電流値に対して図７のグラフを作成することにより、図９に示した曲線を得ることができる。
【００６６】
本実施例では、図８および図９のマップをそれぞれディジタル化したデータテーブルとしてＲＯＭ１２２に記憶している。図８および図９に示す通り、これらのマップが電気角θに応じて用意されているところが、従来技術と大きく相違する。先に説明したトルク制御ルーチンでは、検出された電気角θおよび回転数Ｎに応じて、最初に図８に示したマップから目標トルクＴ＊に対応する電流位相角φを求める。次に、図９に示したマップから電流位相角φに対応するモータ電流を求める。こうしてモータ電流と電流位相角が求まれば、上式（１）に基づいてｄ軸およびｑ軸の目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊を求めることができる。
【００６７】
本実施例ではモータ電流と位相角とを与えるマップを用いて、ｄ軸およびｑ軸の目標電流ｉｄ＊，ｉｑ＊を設定している。これに対し、モータ電流および位相角を与えるマップに代えて、ｄ軸電流、ｑ軸電流を与えるマップを用いるものとしてもよい。こうすれば、上式（１）を演算する必要がなくなる分、処理の高速化を図ることができる。
【００６８】
以上で説明した本実施例の電動機制御装置１０によれば、モータ４０のトルクの脈動を低減することができる。図１０にトルク要求値Ｔｒｅｑと出力トルクとの関係を示す。図１０中のＴｏｌｄで示した曲線が要求値Ｔｒｅｑに対して、従来の制御方法により出力されるトルクを示している。図示される通り、大きな脈動を示している。これに対し、本実施例の電動機制御装置によれば、出力トルクを要求トルクＴｒｅｑにほぼ一致させることができる。また、図１１には電動機の運転中に流れる相電流を示した。図１１中のｉｏｌｄで示される曲線が従来の制御方法により電動機を運転した場合の電流を示している。図１１中のｉｏｐｔで示される曲線が要求トルクＴｒｅｑを出力するために流すべき電流を示している。図示される通り、従来の制御方法では、電流値は本来流すべき電流ｉｏｐｔに対して脈動している。これに対し、本実施例の電動機制御装置によれば、曲線ｉｐｏｔに相当する電流を流すことができる。
【００６９】
上述した通り、本実施例の電動機制御装置によれば、トルクの脈動を低減して電動機を運転することができる。この結果、本実施例の電動機制御装置によれば、電動機の運転効率を向上することができる。
【００７０】
なお、上記実施例のトルク制御には、いくつかの変形した態様が可能である。例えば、上記実施例ではステップＳ１２０において、目標電流値を設定するために図８および図９に示したマップを用いた。これに対し、図８および図９の曲線を近似した関数を用いて目標電流を設定するものとしても構わない。
【００７１】
また、上記実施例では、モータ４０が低速回転であるか高速回転であるかに関わらず、図８および図９のマップを用いることにより、電気角θに応じて目標電流を設定していた。モータ４０の回転数が非常に高速になった場合には、電気角θに応じて目標電流を設定する処理がモータ４０の回転に間に合わない可能性もある。従って、モータ４０が比較的低速で回転している場合にのみ図８および図９に示したような電気角θを考慮したマップを使用するものとし、その他の場合には電気角θを考慮しない従来と同様のマップを用いるものとしてもよい。
【００７２】
（４）モータ制御装置の適用例：
本実施例における電動機制御装置を備えたモータの有用性を示すため、これらの適用例について図１２を用いて説明する。図１２は、これらを適用したハイブリッドカーの概略構成を示す説明図である。ハイブリッドカーとは、エンジンとモータの双方を搭載した車両をいう。図１２に示すハイブリッドカーは以下で説明する通り、エンジンの動力を直接駆動輪に伝達可能な構成となっている。かかるハイブリッドカーを特にパラレル・ハイブリッドカーと呼ぶ。
【００７３】
まず、図１２に示したハイブリッドカーの概略構成を説明する。エンジンＥＧは通常の車両に用いられているガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンである。エンジンＥＧのクランクシャフトはプラネタリギヤＰＧに機械的に接続されている。プラネタリギヤＰＧは中心で回転するサンギヤＳＧと、サンギヤＳＧのまわりを自転しながら公転するプラネタリキャリアＰＣと、プラネタリキャリアＰＣの周囲で回転可能なリングギヤＲＧとから構成されている。プラネタリギヤＰＧは周知の通り、サンギヤＳＧ、プラネタリキャリアＰＣ、リングギヤＲＧのうちいずれか２つに入出力される動力が決定されると残余の一つに入出力される動力が決まるという機械的特性を有している。
【００７４】
本実施例のハイブリッドカーは図１２に示す通り、エンジンＥＧのクランクシャフトがプラネタリキャリアＰＣに結合されている。また、サンギヤＳＧには発電機ＭＧ１が結合され、リングギヤＲＧにはモータＧＭ２が結合されている。リングギヤＲＧは、またベルト等の動力伝達機構を経て駆動輪ＷＨに結合されている。発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２はそれぞれ同期モータである。発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２はバッテリＢＡに電気的に接続されており、バッテリＢＡと電力のやりとりを行っている。
【００７５】
エンジンＥＧの運転は、ＥＦＩＥＣＵにより制御されている。また、発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２は、駆動回路ＤＵ１，Ｄｕ２を介して制御ユニットＣＵに電気的に接続されており、制御ユニットＣＵにより運転が制御されている。制御ユニットＣＵは、かかる制御に必要な情報を種々のセンサにより取得している。これらのセンサには、例えば、モータＭＧ２の電気角および回転数を検出するセンサＳＮ１，ＳＮ２がある。その他のセンサについては、図示を省略した。
【００７６】
制御ユニットＣＵは、エンジンを制御するために必要となる情報をＥＦＩＥＣＵに出力することにより、間接的にエンジンＥＧの運転をも制御している。本実施例における電動機制御装置１０（図２）との対応を示すと、制御ユニットＣＵが制御用ＥＣＵ１００に相当し、駆動回路ＤＵ２はそれぞれインバータ１３０に相当し、モータＭＧ２がモータ４０に相当する。電流センサ１０２，１０３、フィルタ１０６，１０７およびＡＤＣ１１２，１１３については図１２では図示を省略した。
【００７７】
上記構成によるハイブリッドカーでは、エンジンＥＧから出力される動力はプラネタリギヤＰＧにより２つに分配されて伝達される。即ち、一部はサンギヤＳＧに分配され発電機ＭＧ１によって電力として回生される。この電力はバッテリＢＡに蓄えられる。プラネタリギヤＰＧにより分配された残余の動力はリングギヤＲＧを経て駆動輪ＷＨに伝達され、車両の走行に用いられる。リングギヤＲＧにはモータＭＧ２から出力される動力も付加される。制御ユニットＣＵはエンジンＥＧから駆動輪ＷＨに伝達される動力とモータＭＧ２から出力される動力の総和が要求された動力に一致するようにエンジンＥＧ、発電機ＭＧ１、およびモータＭＧ２の運転をそれぞれ制御しているのである。このようなハイブリッドカーではその他、エンジンＥＧの運転を停止してモータＭＧ２から出力される動力のみを用いて走行するなど、種々の運転モードによる走行が可能となっている。
【００７８】
上述した通り、モータＭＧ２から出力される動力は駆動輪ＷＨに伝達可能であるから、例えば、モータＭＧ２からの出力トルクが脈動すればその分車両の乗り心地を損ねることになる。上記ハイブリッド車両において、本実施例のモータ制御装置を備えていれば、モータＭＧ２から出力されるトルクの変動を抑制することができ、車両の走行状態に応じて設定された要求トルクを定常的に出力することができるため乗り心地を改善することができる。また、トルク変動なくモータＭＧ２を運転可能とすることによりハイブリッドカーの運転効率を向上することもできる。なお、上記ハイブリッドカーにおいては、発電機ＭＧ１も同期モータとして構成されており、運転モードによっては電力の供給を受けてトルクを出力するモータとしても機能し得るため、本発明は発電機ＭＧ１の制御装置として適用することも可能である。
【００７９】
上記説明ではパラレルハイブリッドカーを例にとって説明したが、本発明のモータ制御装置は、エンジンＥＧから出力される動力が直接は駆動輪ＷＨに伝達できないタイプのハイブリッドカー、いわゆるシリーズハイブリッドカーにも適用可能である。当然、エンジンＥＧを搭載しない、いわゆる電気自動車にも適用可能である。
【００８０】
以上で説明した通り、本発明のモータ制御装置は、トルク変動なくスムーズにモータを運転することができる点で非常に有用なものである。上記説明では、一例としてハイブリッドカーや電気自動車を挙げたが、本発明のモータ制御装置の適用例はこれに限定されるものではない。例えば、工作機械や家電製品などの種々の装置に適用可能である。
【００８１】
以上、本発明の種々の実施例について説明してきたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の形態による実施が可能である。例えば、本実施例ではトルク制御を図６に示したフローチャートによりソフトウェアで実現しているが、同様の処理をハードウェアにより実現するものとしてもよい。逆に本実施例においてハードウェアによって実現している処理、例えば電気角の検出などをソフトウェアにより実現するものとしてもよい。また、本発明の電動機制御装置は同期機のみならず、誘導機など種々の交流モータに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の電動機制御装置の機能ブロックを示す説明図である。
【図２】電動機制御装置１０のハードウェア構成を示す説明図である。
【図３】モータ４０の回転軸を含む断面における断面図である。
【図４】回転軸に直交する断面における断面図である。
【図５】三相同期モータ４０の等価回路図である。
【図６】トルク制御ルーチンの処理内容を示すフローチャートである。
【図７】電流位相角とトルクとの関係を示す説明図である。
【図８】電流設定のための第１のマップを示す説明図である。
【図９】電流設定のための第２のマップを示す説明図である。
【図１０】トルク指令値に対するトルクの脈動を示すグラフである。
【図１１】巻線に流れる電流の変動を示すグラフである。
【図１２】本発明の電動機制御装置を適用したハイブリッド車両の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…電動機制御装置
２０…板状固定子
２２…ティース
２４…スロット
３０…固定子
３２…コイル
３４…ボルト
４０…三相同期モータ
５０…回転子
５１，５２，５３，５４…永久磁石
５５…回転軸
５７…板状回転子
６０…ケース
６１，６２…軸受
７１，７２，７３，７４…突極
１００…制御用ＥＣＵ
１０２，１０３…電流センサ
１０６，１０７…フィルタ
１１２，１１３…ＡＤＣ
１１４…電気角センサ
１１５…回転数センサ
１１６…入力ポート
１１８…出力ポート
１２０…ＣＰＵ
１２２…ＲＯＭ
１２４…ＲＡＭ
１２６…クロック
１３０…インバータ
１３２…バッテリ
２０２ｄ、２０２ｑ…ＰＩ制御部
２０４…２相／３相変換部
２０６…ＰＷＭ制御部
２０８…通電部
２１０…３相／２相変換部
２１２…電流設定部
２１４…電流マップ
２１６…要求トルク設定部
Claims (5)
- 巻線に流す多相交流を制御することによって、該多相交流を流した際に該巻線に生じる回転磁界を利用して回転子を回転させる電動機の運転を制御する電動機制御装置であって、
該電動機から出力すべき要求トルクを設定する設定手段と、
前記回転子の電気的な回転位置を定義する電気角を検出する電気角検出手段と、
前記要求トルクを出力するために巻線に流す電流を、該要求トルクのみならず前記検出された電気角も考慮して設定する電流設定手段と、
該設定された電流を前記巻線に流す通電手段と、
を備え、
前記電流設定手段は、
前記電気角毎にそれぞれ用意された、前記電動機のトルクと該トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流との関係を示すマップを記憶する記憶手段と、
前記要求トルクおよび電気角に基づいて、前記マップを参照して該要求トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流を求める参照手段と、
を有する電動機制御装置。 - 請求項１記載の電動機制御装置であって、
前記マップは、前記電動機のトルクと電気位相角との関係を示す第１のマップと、前記巻線に流すべき電流と前記電気位相角との関係を示す第２のマップと、を備える電動機制御装置。 - 請求項１記載の電動機制御装置であって、さらに、
該電動機の回転子の回転数を検出する回転数検出手段を有し、
前記電流設定手段は、該検出された回転数をも考慮して電流を設定する手段である電動機制御装置。 - 請求項１記載の電動機制御装置であって、
該電動機の回転子の回転数を検出する回転数検出手段を有し、
前記電流設定手段は、前記電動機の回転数が所定の値以下の場合のみに前記検出された電気角を考慮する手段である電動機制御装置。 - 多相交流を巻線に流した際に該巻線に生じる回転磁界を利用して回転子を回転させる電動機について、該巻線に流す電流を制御して該電動機の運転を制御する電動機の制御方法であって、
（ａ） 該電動機から出力すべきトルクの要求値を設定する工程と、
（ｂ） 前記回転子の電気的な回転位置を定義する電気角を検出する工程と、
（ｃ） 前記電気角毎にそれぞれ用意された、前記電動機のトルクと該トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流との関係を示すマップを、前記要求トルクおよび電気角に基づいて参照することにより、該要求トルクを出力するために前記巻線に流すべき電流を求める工程と、
（ｄ） 該設定された電流を前記巻線に流す工程と
を備える電動機の制御方法。
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