JP4709218B2 - 界磁巻線型同期モータの制御装置，電動駆動システム，電動４輪駆動車およびハイブリッド自動車 - Google Patents

界磁巻線型同期モータの制御装置，電動駆動システム，電動４輪駆動車およびハイブリッド自動車 Download PDF

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Description

本発明は、界磁巻線に電流を流して磁束を発生させ、その磁束に基づいてトルクを発生する界磁巻線型同期モータを制御する制御装置，電動駆動システム，電動４輪駆動車およびハイブリッド自動車に関する。
最近、モータを駆動源として走行する自動車が増加している。電気自動車やハイブリッド車に代表される環境対応自動車である。さらに、環境対応自動車とともに、前輪をエンジンで直接駆動し、後輪をモータで駆動する電動４輪駆動自動車も普及し始めている。これら電動自動車の走行駆動用モータは小形で高効率という特長から同期モータが主流として用いられている。この同期モータにはいくつかの種類がある。回転子に永久磁石を埋め込んだタイプの埋め込み型永久磁石モータ、回転子の周囲に永久磁石を貼り付けた表面型永久磁石モータ、さらには回転子側に界磁巻線を有し、その巻線に電流を流して磁束を発生させる界磁巻線型同期モータなどである。
これら同期モータは、回転子側に磁束を有している。この磁束の持たせ方には種々の方法があり、永久磁石モータは回転子に永久磁石を備え、また界磁巻線型モータは界磁巻線に電流を流すことにより磁束を発生させる。モータは、この回転子側の磁束に直交するように固定子側の固定子巻線に電流を流すことでトルクを発生させる。
以上のように、モータは磁束を有していることから、モータの回転数が高くなると、回転数に応じて誘起電圧が発生する。モータが高回転になることによりこの誘起電圧が高くなり、誘起電圧がシステム電圧を超えた場合、その回転において電流を流し込めず必要トルクが出せないこととなる。
このときに、誘起電圧の上昇を抑える方策が一般的に行われているのが、「弱め界磁制御」である。永久磁石モータでは、固定子巻線電流のうち回転子の磁束方向（一般的にｄ軸方向とする）に、回転子が発生している磁束を打ち消すように、ｄ軸の負方向に電流を流すことで弱め界磁制御を実現している。これに対して、界磁巻線型同期モータでは、直接界磁電流を減少させて磁束を減らすことができる。
さらに、界磁巻線型モータを用いた場合、アプリケーションによっては上記２つの弱め界磁制御方式を併用することがある。このような場合には、特許第３３３１７３４号明細書に記載されているように、界磁電流を回転数に逆比例させて流す方式と、固定子巻線電流を誘起電圧と同位相成分と直交する成分に分けて（いわゆるｄ軸電流とｑ軸電流）、それぞれの電流を制御する方式がある。特許第３３３１７３４号明細書に記載の方式では、界磁電流とｄ軸電流をそれぞれ制御できるため、モータに誘起される電圧を抑えながら、所望のトルクを発生させることができる。
特許第３３３１７３４号明細書
ここで、界磁巻線型同期モータにおいて、磁束を発生するために界磁電流を流し、さらに弱め界磁制御としてｄ軸方向に電流を流した場合、界磁巻線にｄ軸電流の脈動による影響が現れる場合がある。すなわち、通常は、界磁巻線に界磁電流Ｉｆを流し、磁束φを発生させる。このとき、界磁巻線の端子間には所要の界磁電圧Ｖｆを印加する。この界磁電流は通常、直流電流であり、磁束φを一定に発生させようとする。このとき、磁束φを弱めようとｄ軸電流Ｉｄを流したときには、ｄ軸電流も磁束方向においては直流分の電流とみなすことができ、基本的には界磁巻線とｄ軸方向巻線は干渉することはないものである。
しかしながら、磁束φを弱めようとするｄ軸電流Ｉｄがモータ速度変動などの外乱等により脈動を起こした場合、この脈動により磁束φの変化が発生する。このように磁束が脈動による変動を起こした場合、界磁巻線に誘起電圧ｅｆが発生する。誘起電圧ｅｆが発生すると、界磁電流Ｉｆは界磁電圧Ｖｆと誘起電圧ｅｆの電位差で流れるため、ｄ軸電流の脈動成分と同周波数で変動を起こす。この界磁電流Ｉｆの変動により磁束φが脈動し、結果としてトルク脈動が発生するという問題があった。
本発明の目的は、ｄ軸電流に脈動が生じても、トルクに作用する磁束を変動させることなく、トルク脈動を低減して、安定にトルクを出すことができる界磁巻線型同期モータの制御装置，電動駆動システム，電動４輪駆動車およびハイブリッド自動車を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、界磁巻線を回転子に有する界磁巻線型モータから所望のトルクを発生するように制御する制御手段を有する界磁巻線型同期モータの制御装置であって、前記制御手段は、ｄ軸電流に脈動が生じた際の、前記界磁巻線型モータの界磁巻線に流れる界磁電流の脈動を抑制するように、ｄ軸電流を入力とし、該ｄ軸電流の脈動により発生する前記界磁巻線の誘起電圧成分を前記ｄ軸電流の時間変化量を演算することにより求め、界磁巻線電圧指令に対し補償するようにしたものである。
かかる構成により、ｄ軸電流に脈動が生じても、トルクに作用する磁束を変動させることなく、トルク脈動を低減して、安定にトルクを出すことができるものとなる。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段により演算される前記ｄ軸電流の時間変化量は、前記制御手段の制御周期の所定倍数での時間変化量である。
（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段により演算される前記ｄ軸電流の時間変化量は、前記モータの磁束方向に流れる固定子巻線電流をローパスフィルタ処理し、前記ローパスフィルタ処理された電流値について前記時間変化量を演算するものである。
（４）上記目的を達成するために、本発明は、界磁巻線を回転子に有する界磁巻線型モータと、前記界磁巻線型モータに交流電力を供給するインバータと、前記界磁巻線型モータから所望のトルクを発生するように前記インバータに電圧指令を印加する制御手段とを有する電動駆動システムであって、前記制御手段は、ｄ軸電流に脈動が生じた際の、前記界磁巻線型モータの界磁巻線に流れる界磁電流の脈動を抑制するように、ｄ軸電流を入力とし、該ｄ軸電流の脈動により発生する前記界磁巻線の誘起電圧成分を前記ｄ軸電流の時間変化量を演算することにより求め、界磁巻線電圧指令に対し補償するようにしたものである。
かかる構成により、ｄ軸電流に脈動が生じても、トルクに作用する磁束を変動させることなく、トルク脈動を低減して、安定にトルクを出すことができるものとなる。
（５）上記目的を達成するために、本発明は、第１の車輪を駆動する内燃機関によって駆動されて発電するとともに、電力を供給されて駆動力を発生する電動発電機と、この電動発電機の発電電力によって駆動され、第２の車輪を駆動するとともに、界磁巻線を回転子に有する界磁巻線型モータと、前記界磁巻線型モータに交流電力を供給するインバータと、前記界磁巻線型モータから所望のトルクを発生するように前記インバータに電圧指令を印加する制御手段とを有する電動４輪駆動車であって、前記制御手段は、ｄ軸電流に脈動が生じた際の、前記界磁巻線型モータの界磁巻線に流れる界磁電流の脈動を抑制するように、ｄ軸電流を入力とし、該ｄ軸電流の脈動により発生する前記界磁巻線の誘起電圧成分を前記ｄ軸電流の時間変化量を演算することにより求め、界磁巻線電圧指令に対し補償するようにしたものである。
かかる構成により、ｄ軸電流に脈動が生じても、トルクに作用する磁束を変動させることなく、トルク脈動を低減して、安定にトルクを出すことができるものとなる。
（６）上記目的を達成するために、本発明は、車輪を駆動するとともに、界磁巻線を回転子に有する界磁巻線型モータと、前記界磁巻線型モータに交流電力を供給するインバータと、前記界磁巻線型モータから所望のトルクを発生するように前記インバータに電圧指令を印加する制御手段とを有するハイブリット自動車であって、前記制御手段は、ｄ軸電流に脈動が生じた際の、前記界磁巻線型モータの界磁巻線に流れる界磁電流の脈動を抑制するように、ｄ軸電流を入力とし、該ｄ軸電流の脈動により発生する前記界磁巻線の誘起電圧成分を前記ｄ軸電流の時間変化量を演算することにより求め、界磁巻線電圧指令に対し補償するようにしたものである。
かかる構成により、ｄ軸電流に脈動が生じても、トルクに作用する磁束を変動させることなく、トルク脈動を低減して、安定にトルクを出すことができるものとなる。
本発明によれば、ｄ軸電流に脈動が生じても、トルクに作用する磁束を変動させることなく、トルク脈動を低減して、安定にトルクを出し得るものとなる。
本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置を搭載した電動４輪駆動車の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置に用いる非干渉補償量演算部の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータにおける干渉原理の説明図である。 本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータにおける非干渉補償の内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータにおける非干渉補償の原理説明図である。 本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置を搭載したハイブリット自動車の構成を示すブロック図である。
符号の説明
１０…エンジン
１４…インバータ
２０…界磁巻線型同期モータ
２０Ａ…モータジェネレータ
２２ａ…固定子巻線
２２ｆ…界磁巻線
１００…モータコントルールユニット
１１０…電流指令演算部
１３０…ＰＷＭ変換部
１４０…モータ電流犬種部
１８０…Ｉｄ−Ｉｆ非干渉補償量演算部
１８２…Ｉｄ変化量演算部
１８４…Ｖｆ補償演算部
１９０…ローパスフィルタ
以下、図１〜図７を用いて、本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置を搭載した電動４輪駆動車の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置を搭載した電動４輪駆動車の構成を示すブロック図である。
電動４輪駆動車は、前輪ＦＷをエンジン１０により駆動され、後輪ＲＷを界磁巻線型同期モータ２０により駆動される。エンジン１０の回転数は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０によって制御される。高圧直流電力を発電する専用の発電機１２は、エンジン１０により駆動される。発電機１２が出力する直流電力は、インバータ１４によって交流電力に変換され、モータ２０に供給される。モータコントロールユニット（ＭＣＵ）１００は、エンジンコントロールユニット３０から与えられるモータトルク指令値Ｔｒ*に基づいて、インバータ１４を制御して、モータ２０の固定子巻線に供給する電流を制御し、また、モータ２０の界磁巻線に流す電流を制御することで、モータ２０から所定のトルクが得られるように制御する。
エンジン１０の出力は、変速機１６を介して、前輪ＦＷに伝達される。モータ２０の出力は、デフ１８によって左右に分配され、後輪ＲＷに伝達される。なお、モータ２０とデフ１８の間には、動力伝達経路を開閉するクラッチ（図示せず）が設けられている。
なお、前輪をモータで駆動し、後輪をエンジンで駆動するようにしてもよいものである。
電動４輪駆動自動車では、後輪駆動用のモータとして、界磁巻線型モータを用いた場合、ｄ軸方向に電流を流す方式と直接界磁電流を減じる方式の２つの方式を併用する場合がある。これにより、モータに誘起される電圧を抑えながら、所望のトルクを得ることができる。
すなわち、電動４輪駆動車として後輪駆動用モータに求められる性能は、まず動作点が広いということである。例えば深雪の中で発進する場合、前輪が完全にグリップを失ったときでも後輪のみで発進できることが重要となり、低速域で大トルクを出力する必要が生じる。また、中速走行域まで４輪駆動を継続するとした場合、モータとしては非常に高回転にする必要が生じる。このように、低速大トルクと高速回転域を両立しようとした場合、永久磁石同期モータでは低速大トルクを発生するために必要な永久磁石の磁束が災いして高回転域では誘起電圧が高くなりすぎてしまい、必要な高回転域まで駆動できない場合が生じる。それに対して、動作点が広い電動４輪駆動システムに用いるモータとしては、「界磁巻線型の同期モータ」が有効である。界磁巻線型の同期モータであれば、高回転域において界磁電流を抑えることにより磁束を小さくすることが可能となり、結果として誘起電圧を小さく抑え、高回転域まで駆動できるようになる。さらに、電動４輪駆動システムでは、後輪駆動用モータの電力発生源となる発電機はエンジンの回転数により出力電圧に制限が生じる。例えば発進時のとき、エンジン回転数が十分に上がりきれない状態においても発進するだけのトルクが必要となってくる。このときモータとしては、低電圧で大きなトルクを出すことになる。したがって、このような場合には、界磁電流を落としすぎるとトルクが出なくなるため、界磁電流をあまり落とさず、ｄ軸電流を流すことで誘起電圧を下げる必要がある。すなわち、上述のような場合、モータのトルクを制御するモータコントロールユニット１００は、界磁電流Ｉｆ、弱め界磁制御を行うためのＩｄ、トルクを制御するためのＩｑをそれぞれ制御する。
次に、図２を用いて、本実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
図２に示すモータコントロールユニット１００は、モータ２０のｄ軸電流Ｉｄと、ｑ軸電流Ｉｑと、界磁電流Ｉｆを、フィードバック制御する。モータコントロールユニット１００に入力するトルク指令Ｔｒ*は、エンジンコントロールユニット３０から与えられる。
トルク指令Ｔｒ*は、車両の状態に応じて、エンジンコントロールユニット３０が出力する。例えば、シフト位置がニュートラルレンジの場合、運転モード（ＭＯＤＥ）を２ＷＤモードとして、トルク指令Ｔｒ*を、例えば，０Ｎｍとする。シフト位置が１ＳＴレンジとなると、運転モードを４ＷＤ待機モードとして、トルク指令Ｔｒ*を、第１の所定値とする。更に、アクセルペダルが踏み込まれると、運転モードが４ＷＤモードとして、第２の所定値（第２の所定値＞第１の所定値）までトルク指令Ｔｒ* を徐々に増加する。また、前輪速と後輪速の差が発生してスリップしている状態では、前後輪差に応じてトルク指令Ｔｒ*を出力する。
モータコントロールユニット１００は、電流指令決定部１１０と、ｄ−ｑ／３相変換部１２０と、ＰＷＭ変換部１３０と、モータ電流検出部１４０と、３相／ｄ−ｑ変換部１５０と、磁極位置・回転速度検出部１６０と、デューティ変換部１７０と、Ｉｄ−Ｉｆ非干渉補償量演算部１８０と、制御器ＣＮＴ１，ＣＮＴ２，ＣＮＴ３と、減算器ＤＦ１，ＤＦ２，ＤＦ３と、加算器ＡＤ１とを備えている。
モータコントロールユニット１００の電流指令決定部１１０は、エンジンコントロールユニット３０から入力したトルク指令Ｔｒ*と、磁極位置・回転速度検出部１６０によって検出されたモータの回転速度ωｍにより、ｄ軸電流Ｉｄの指令値Ｉｄ*、ｑ軸電流Ｉｑの指令値Ｉｑ*、界磁電流Ｉｆの指令値Ｉｆ*をそれぞれ決定する。電流指令決定方法としては、モータのトルク式に基づいて算出する方式や、予めデータをテーブル化してコントローラのＲＯＭ領域に記憶させておいて、Ｔｒ*とωｍを引数として各電流指令値を検索する方式などを用いることができる。ここで、モータの回転子速度ωｍは、モータ２０の回転軸に取り付けられた位置センサ２４からの位置信号ＰＬＳに基づき、磁極位置回転速度検出部１６０によって演算される。
ここで、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流ＩｑＩｑは直接モータ電流から検出できるものではなく、図２に示すように、モータ２０の３相電流を電流センサＣＳで検出し、モータ電流検出部１４０で３相交流電流の物理値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとする。さらに、３相／ｄ−ｑ変換部１５０は、３相交流電流の物理値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと磁極位置回転速度検出部１６０によって得られるモータ２０の回転子磁極位置θに基づいて、ｄ軸電流・ｑ軸電流の検出値Ｉｄ＾、Ｉｑ＾を演算する。
減算器ＤＦ１は、ｄ軸電流Ｉｄの指令値Ｉｄ*と、演算されたｄ軸電流の検出値Ｉｄ＾の差分を演算する。減算器ＤＦ２は、ｑ軸電流Ｉｑの指令値Ｉｑ*と、演算されたｑ軸電流の検出値Ｉｑ＾の差分を演算する。制御器ＣＮＴ１は、減算器ＤＦ１の出力から、ｄ−ｑ座標の電圧指令Ｖｄ*を算出する。制御器ＣＮＴ２は、減算器ＤＦ２の出力から、ｄ−ｑ座標の電圧指令Ｖｑ*を算出する。
電圧指令Ｖｄ*、Ｖｑ*は、３相交流モータ２０に印加されるために、ｄ−ｑ／３相変換部１２０で交流電圧信号Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*に変換される。さらに、ＰＷＭ変換部１３０において、パルス幅変調され、インバータ１４のスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗが得られる。そして、このＰＷＭ信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗに基づいて、ＰＷＭインバータ１４からモータ２０の３相の固定子巻線２２ａに電圧が印加される。なお、図２ではＰＷＭ信号を簡略化して３本で図示したが、実際はＰＷＭインバータの６つのスイッチング素子をＯＮ／ＦＦするため、６本の信号が出力される。
以上のように、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑはそれぞれフィードバック制御系が構成される。さらに、Ｉｄ−Ｉｆ非干渉補償量演算部１８０は、ｄ軸とｑ軸間に生じる誘起電圧の干渉を補償するため、ｄ−ｑ軸間の非干渉制御に用いられるものであるが、この詳細については、図３を用いて後述する。
ここで、本実施形態で用いるモータ２０は界磁巻線型同期モータであり、回転子の磁束を発生させるために界磁巻線２２ｆに界磁電流Ｉｆを流す。界磁電流指令値Ｉｆ*は、電流指令決定部１１０によって決定される。減算器ＤＦ３は、界磁電流指令値Ｉｆ*と、電流センサ２６にて検出された界磁電流検出値Ｉｆ＾の差分を演算する。制御器ＣＮＴ３は、減算器ＤＦ３の出力に基づいて、界磁電圧指令Ｖｆ*を演算する。デューティ変換器１７０は、界磁電圧指令Ｖｆ*に相当する電圧が界磁巻線２２ｆにかかるように、界磁電圧指令Ｖｆ*をデューティー変換し、スイッチング素子ＳＷ１を駆動する。
以上が、界磁巻線型同期モータの制御方式の一例である。この制御方式では、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、界磁電流Ｉｆのそれぞれにフィードバックループを設けて制御している。この方式はそれぞれの電流を指令値に対してある所定の応答速度で追従させることが可能である。
ここで、交流モータでは、ｄ−ｑ軸間には一般的に非干渉成分が発生する。非干渉成分とは、以下の式（１）に示すｑ軸誘起電圧成分ｅｑがｄ軸電圧に、式（２）に示すｄ軸誘起電圧成分ｅｄがｑ軸電圧に作用するものである。

ｅｑ＝ω×Ｌｑ×Ｉｑ …（１）

ｅｄ＝ω×（Ｌｄ×Ｉｄ＋φ） …（２）

ここで、ωはモータ角速度［ｒａｄ／ｓ］、Ｌｄはｄ軸インダクタンス［Ｈ］、Ｌｑはｑ軸インダクタンス［Ｈ］、φは界磁主磁束［Ｗｂ］である。
この誘起電圧成分ｅｄ，ｅｑはｄ−ｑ軸間の電圧に影響するため、各ｄ，ｑ軸電流制御系に外乱となって現れる。Ｉｄ−Ｉｆ非干渉補償量演算部１８０は、ｄ軸とｑ軸間に生じる誘起電圧の干渉を補償するため、ｄ−ｑ軸間の非干渉制御に用いられるものである。非干渉補償量演算部１８０は、それぞれｄ軸、ｑ軸の誘起電圧相当を推定演算し、電流制御の出力であるｄ−ｑ軸電圧指令Ｖｄ*，Ｖｑ*を補償する。
次に、図３〜図６を用いて、本実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置に用いる非干渉補償量演算部１８０の構成及び動作について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置に用いる非干渉補償量演算部１８０の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。図４は、本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータにおける干渉原理の説明図である。図５は、本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータにおける非干渉補償の内容を示すフローチャートである。図６は、本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータにおける非干渉補償の原理説明図である。
ここで、本実施形態で用いる界磁巻線型同期モータでは、界磁巻線に電流を流すことによって発生する界磁主磁束φとｄ軸電流により発生する弱め方向の磁束が干渉する。この干渉原理を図４を用いて説明する。通常、界磁巻線２２ｆに界磁電流Ｉｆを流し、磁束φを発生させる。このとき、界磁巻線２２ｆの端子間には所要の界磁電圧Ｖｆを印加する。この界磁電流Ｉｆは直流電流であり、磁束φを一定に発生させようとする。このとき、磁束φを弱めようとｄ軸電流を流したときには、ｄ軸電流も磁束方向においては直流分の電流とみなすことができるため、基本的には界磁巻線２２ｆと固定子巻線のｄ軸方向巻線２２ａｄは干渉することはない。しかしながら、磁束φを弱めようとするｄ軸電流Ｉｄは、前述のようにｑ軸電流の脈動やモータ速度の変動などの外乱等により脈動を起こした場合には、ｄ軸電流Ｉｄの脈動により磁束の変化が発生する。このように磁束がｄ軸電流脈動による変動を起こした場合、界磁巻線２２ｆに誘起電圧ｅｆが発生する。誘起電圧ｅｆが発生すると、界磁電流Ｉｆは界磁電圧Ｖｆと誘起電圧ｅｆの電位差で流れるため、ｄ軸電流の脈動成分と同周波数で変動を起こす。この界磁電流Ｉｆの変動により磁束φが脈動し、結果としてトルク脈動を引き起こすことがある。
次に、図３を用いて、Ｉｄ−Ｉｆ非干渉補償量演算部１８０による界磁電流Ｉｆとｄ軸電流の非干渉制御方法（以下、「Ｉｄ−Ｉｆ非干渉制御」と称する）について説明する。本制御方法の目的は、前述のＩｄの脈動により発生する界磁電流Ｉｆの脈動、そして、その結果として発生するトルク脈動を抑制することにある。すなわち、図６（Ａ）は、本来破線で示すようなｄ軸電流Ｉｄ１が流れている状態で、実線で示すように、ｄ軸電流Ｉｄに脈動が発生した状態を示している。このｄ軸電流Ｉｄの脈動によって、図６（Ｂ）に示すように、破線で示す本来の界磁電流Ｉｆ１に対して、実線で示すように、界磁電流Ｉｆに脈動が発生する。
図３に示すように、Ｉｄ−Ｉｆ非干渉補償量演算部１８０は、Ｉｄ変化量演算部１８２と、Ｖｆ補償演算部１８４と、調整ゲイン乗算部１８６とを備えている。Ｉｄ−Ｉｆ非干渉補償量演算部１８０は、ｄ軸電流Ｉｄのフィードバック制御系と界磁電流Ｉｆのフィードバック制御系との間に設けられている。
Ｉｄ−Ｉｆ非干渉補償量演算部１８０のＩｄ変化量演算部１８２は、ｄ軸電流Ｉｄの時間変化量ｄｉｄ／ｄｔを演算する。すなわち、図５のステップｓ１０において、Ｉｄ変化量演算部１８２は、前回のｄ軸電流値Ｉｄ（ｎ−１）を格納する。次に、ステップｓ２０において、Ｉｄ変化量演算部１８２は、今回のｄ軸電流値Ｉｄ（ｎ）を格納する。そして、ステップｓ２０において、Ｉｄ変化量演算部１８２は、ステップｓ１０の値とステップｓ２０の値の差分を取ることにより、ｄ軸電流Ｉｄの変化分ΔＩｄを算出する。
次に、図３のＶｆ補償演算部１８４は、図６のステップｓ４０に示すように、Ｉｄ変化量演算部１８２によって求められたｄ軸電流Ｉｄの時間変化量ｄｉｄ／ｄｔに、ｄ軸インダクタンスＬｄ相当を乗算することで、誘起電圧相当の変化ｄΦｄ／ｄｔを演算する。
これは、ｄ軸電流Ｉｄによる磁束Φｄが、以下の式（３）であらわされることに基づいている。

Φｄ ＝ Ｌｄ × Ｉｄ …（３）

すなわち、Ｉｄ変化量演算部１８２において、Ｉｄの時間変化量を演算し、Ｖｆ補償演算部１８４にてｄ軸インダクタンスＬｄ相当を乗算することで誘起電圧相当の変化を得られている。
理論的にはＶｆ補償演算部１８４にてｄ軸電流の時間変化量ｄｉｄ／ｄｔに対し、ｄ軸インダクタンスＬｄ相当を乗算することで、界磁巻線電圧指令に対するｄ軸電流脈動による誘起電圧ｄΦｄ／ｄｔとすることができる。実際にはパラメータ誤差や制御安定性を考慮する必要があるため、図３の調整ゲイン乗算部１８６は、図６のステップｓ５０において、調整ゲインＫをさらに乗算して、補償量Ｖｆ２が演算される。ここで、調整ゲインＫは、例えば、０．８〜０．９程度の数値が選ばれる。
さらに、Ｉｄ−Ｉｆ非干渉補償量演算部１８０で求められた補償量Ｖｆ２は、図６（Ｃ）に示すように、ｄ軸電流Ｉｄの脈動分に相当する電圧となる。そして、Ｉｄ−Ｉｆ非干渉補償量演算部１８０で求められた補償量Ｖｆ２は、加算器ＡＤ１によって、界磁巻線電圧指令Ｖｆ１に加算され、非干渉の補償される界磁巻線電圧指令Ｖｆ*として、デューティ変換器１７０に入力する（図６のステップｓ６０）。
以上に述べたように、ｄ軸電流の脈動により発生する界磁巻線の誘起電圧成分をｄ軸電流の時間変化量を演算することにより求め、界磁巻線電圧指令に対し補償することにより、界磁巻線電流の脈動やトルク脈動を抑制することができる。
ここで、ｄ軸の時間変化量ｄｉｄ／ｄｔを求めるための時間間隔（ｄｔ）は、コントローラのサンプリングや検出されたｄ軸電流に含まれるノイズの周波数やその振幅等によって決定する。実際には、サンプリングの整数倍の時間長さでの電流変化量とすることで、演算負荷を軽くすることができる。また、検出されたｄ軸電流にノイズが含まれていて、正しい時間変化量が演算しにくい場合は、図２に破線で示したように、ｄ軸電流検出値をローパスフィルタ１９０に通して、含まれるノイズ成分を取り除くことにより、実ｄ軸電流の変化量を検出しやすくする。
次に、図７を用いて、本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置を搭載したハイブリット自動車の構成について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による界磁巻線型同期モータの制御装置を搭載したハイブリット自動車の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
ハイブリット自動車は、前輪ＦＷをエンジン１０及びモータジェネレータ２０Ａにより駆動される。エンジン１０及びモータジェネレータ２０Ａの出力は、変速機１６を介して、前輪ＦＷに伝達される。ここで、モータジェネレータ２０Ａは、図１における界磁巻線型同期モータと同様の構成を有し、エンジン１０によって駆動され、発電電力をバッテリ４０に蓄電する。また、モータジェネレータ２０Ａは、バッテリ４０の電力によって駆動され、エンジン１０を駆動して、アイドルストップ後のエンジンの再始動をする。さらに、モータジェネレータ２０Ａは、バッテリ４０の電力によって駆動され、前輪ＦＷを駆動する。ここで、モータジェネレータ２０Ａが出力する交流電力は、インバータ１４によって直流電力に変換され、バッテリ４０に蓄電される。また、バッテリ４０の直流電力は、インバータ１４によって交流電力に変換され、モータジェネレータ２０Ａに供給される。
エンジン１０の回転数は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０によって制御される。モータコントロールユニット（ＭＣＵ）１００は、エンジンコントロールユニット３０から与えられるモータトルク指令値Ｔｒ*に基づいて、インバータ１４を制御して、モータジェネレータ２０Ａの固定子巻線に供給する電流を制御し、また、モータジェネレータ２０Ａの界磁巻線に流す電流を制御することで、モータジェネレータ２０Ａから所定のトルクが得られるように制御する。
ここで、モータコントルールユニット１００の構成は、図２に示したものと同様である。本例でも、モータコントルールユニット１００は、非干渉補償量演算部１８０を有しており、本発明のＩｄ−Ｉｆ非干渉制御を適用することにより、モータジェネレータ２０Ａのトルク脈動を抑制することが可能となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、ｄ軸電流の時間変化量を演算し、この時間変化量に基づいて界磁巻線に発生する誘起電圧を補償するように動作するため、トルク脈動を抑制することができる。

Claims (6)

  1. 界磁巻線を回転子に有する界磁巻線型モータから所望のトルクを発生するように制御する制御手段を有する界磁巻線型同期モータの制御装置であって、
    前記制御手段は、ｄ軸電流に脈動が生じた際の、前記界磁巻線型モータの界磁巻線に流れる界磁電流の脈動を抑制するように、ｄ軸電流を入力とし、該ｄ軸電流の脈動により発生する前記界磁巻線の誘起電圧成分を前記ｄ軸電流の時間変化量を演算することにより求め、界磁巻線電圧指令に対し補償することを特徴とする界磁巻線型同期モータの制御装置。
  2. 請求項１記載の界磁巻線型同期モータの制御装置において、
    前記制御手段により演算される前記ｄ軸電流の時間変化量は、前記制御手段の制御周期の所定倍数での時間変化量であることを特徴とする界磁巻線型同期モータの制御装置。
  3. 請求項１記載の界磁巻線型同期モータの制御装置において、
    前記制御手段により演算される前記ｄ軸電流の時間変化量は、前記モータの磁束方向に流れる固定子巻線電流をローパスフィルタ処理し、前記ローパスフィルタ処理された電流値について前記時間変化量を演算することを特徴とする界磁巻線型同期モータの制御装置。
  4. 界磁巻線を回転子に有する界磁巻線型モータと、
    前記界磁巻線型モータに交流電力を供給するインバータと、
    前記界磁巻線型モータから所望のトルクを発生するように前記インバータに電圧指令を印加する制御手段とを有する電動駆動システムであって、
    前記制御手段は、ｄ軸電流に脈動が生じた際の、前記界磁巻線型モータの界磁巻線に流れる界磁電流の脈動を抑制するように、ｄ軸電流を入力とし、該ｄ軸電流の脈動により発生する前記界磁巻線の誘起電圧成分を前記ｄ軸電流の時間変化量を演算することにより求め、界磁巻線電圧指令に対し補償することを特徴とする電動駆動システム。
  5. 第１の車輪を駆動する内燃機関によって駆動されて発電するとともに、電力を供給されて駆動力を発生する電動発電機と、
    この電動発電機の発電電力によって駆動され、第２の車輪を駆動するとともに、
    界磁巻線を回転子に有する界磁巻線型モータと、
    前記界磁巻線型モータに交流電力を供給するインバータと、
    前記界磁巻線型モータから所望のトルクを発生するように前記インバータに電圧指令を印加する制御手段とを有する電動４輪駆動車であって、
    前記制御手段は、ｄ軸電流に脈動が生じた際の、前記界磁巻線型モータの界磁巻線に流れる界磁電流の脈動を抑制するように、ｄ軸電流を入力とし、該ｄ軸電流の脈動により発生する前記界磁巻線の誘起電圧成分を前記ｄ軸電流の時間変化量を演算することにより求め、界磁巻線電圧指令に対し補償することを特徴とする電動４輪駆動車。
  6. 車輪を駆動するとともに、界磁巻線を回転子に有する界磁巻線型モータと、
    前記界磁巻線型モータに交流電力を供給するインバータと、
    前記界磁巻線型モータから所望のトルクを発生するように前記インバータに電圧指令を印加する制御手段とを有するハイブリット自動車であって、
    前記制御手段は、ｄ軸電流に脈動が生じた際の、前記界磁巻線型モータの界磁巻線に流れる界磁電流の脈動を抑制するように、ｄ軸電流を入力とし、該ｄ軸電流の脈動により発生する前記界磁巻線の誘起電圧成分を前記ｄ軸電流の時間変化量を演算することにより求め、界磁巻線電圧指令に対し補償することを特徴とするハイブリット自動車。
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