JP4749941B2

JP4749941B2 - 電動機の制御装置

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Publication number: JP4749941B2
Application number: JP2006156048A
Authority: JP
Inventors: 浩光佐藤; 正成福地; 博文新
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-06-05
Filing date: 2006-06-05
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-06-05
Also published as: JP2007325471A

Description

本発明は、永久磁石界磁型の回転電動機の界磁制御を、回転軸の周囲に配置された二つのロータ間の位相差を変更することによって行う電動機の制御装置に関する。

従来より、永久磁石界磁型の回転電動機の回転軸の周囲に同心円状に設けた第１ロータ及び第２ロータを備え、回転速度の応じて第１ロータと第２ロータの位相差を変更することで、界磁弱め制御を行うようにした電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかる従来の電動機においては、第１ロータと第２ロータが、遠心力の作用により径方向に沿って変位する部材を介して接続されている。また、電動機が停止状態にあるときに、第１ロータに配置された永久磁石の磁極と第２ロータに配置された永久磁極の磁極の向きが同一となって界磁の磁束が最大となり、電動機の回転速度が高くなるに従って遠心力により第１ロータと第２ロータの位相差が拡大して、界磁の磁束が減少するように構成されている。

ここで、図１２は縦軸を出力トルクＴrとし横軸を回転数Ｎとして、電動機の界磁弱めが必要となる領域を示したものであり、図中ｕは電動機の直交ライン（界磁弱め制御を行わずに電動機を作動させたときに、回転数と出力トルクの組合わせにより電動機の相電圧が電源電圧と等しくなる点を結んだもの）である。図中Ｘは界磁弱めが不要な領域であり、Ｙは界磁弱めが必要な領域である。

図１２に示したように、界磁弱めが必要となる領域Ｙは電動機の回転数Ｎと出力トルクＴrにより決定されるため、従来の回転数のみによる界磁弱め制御では、界磁弱めの制御量が過大又は過小となるという不都合がある。また、電動機の回転数に依らずに、電動機の効率や運転状態の変化に対応したより柔軟な制御を行うことができないという不都合がある。
特開２００２−２０４５４１号公報

本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、電動機の回転数に依らずに、電動機の効率と運転状態の変化に対応した制御を行うことができる電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、永久磁石による界磁を複数個有する第１ロータ及び第２ロータを、回転軸の周囲に配置した永久磁石界磁型の回転電動機の作動を、該第１ロータと該第２ロータとの位相差であるロータ位相差を変更して該電動機の誘起電圧定数を変更する界磁制御を行って制御する電動機の制御装置に関する。

そして、所定の目標トルクと前記電動機の誘起電圧定数とに応じて、前記電動機の出力トルクが該目標トルクとなるように、前記電動機の電機子への通電量を制御する通電制御を実行する通電制御手段と、前記通電制御を実行する際の前記電動機の効率を推定する効率推定手段と、前記通電制御を実行する際に、前記効率推定手段により推定される前記電動機の効率が第１の制限効率よりも高くなる範囲内で、前記電動機の誘起電圧定数が小さくなるように前記ロータ位相差を変更する誘起電圧減少制御を行うロータ位相差制御手段とを備える。

上記構成によれば、前記ロータ位相差制御手段は、前記通電制御手段により前記通電制御が実行される際に、前記電動機の効率が前記第１の基準効率よりも高くなる範囲内で、前記電動機の誘起電圧定数が小さくなるように前記ロータ位相差を変更する。このように、前記電動機の誘起電圧定数を小さくすることで、前記電動機の回転数が増加するほど高くなる電機子に生じる誘起電圧を低下させることができる。そのため、前記電動機の運転状況の変化や前記電動機の駆動回路の故障等により前記電動機の回転数が急増したときに、前記電動機の電機子に生じる誘起電圧の上昇を抑えて、前記電動機の電機子の端子間電圧が電源電圧を超えて前記電動機の制御が不能となることや駆動回路の破損が生じることを防止することができる。これにより、前記電動機の効率を前記第１の制限効率以上に維持した上で、前記電動機の運転状況の変化に対応し得る制御を行うことができる。

また、後述する本発明の第１の態様及び第２の態様において、前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、前記効率推定手段は、前記目標トルクと、前記電動機の回転数と、前記電動機の駆動回路の電源電圧とに基づいて、前記通電制御を実行する際の前記電動機の効率を推定することを特徴とする。

かかる本発明において、前記電動機の出力トルクは、前記電動機に対する通電量と前記電動機の誘起電圧定数に比例する。そのため、前記電動機の誘起電圧定数が大きいほど前記電動機の効率は高くなる。また、前記電動機の回転数が高くなるほど前記電動機の電機子に生じる誘起電圧が上昇する。この場合、前記電動機の通電量を確保するために前記電動機に供給する電圧を高める必要があるが、これにより前記電動機の効率が低下する。このように、前記電動機の効率は、前記電動機の出力トルクと誘起電圧定数と回転数に依存するため、前記効率推定手段は、前記電動機の回転数と前記電動機の誘起電圧定数と前記目標トルクとに基いて、前記通電制御を実行する際の前記電動機の効率を推定することができる。

本発明の第１の態様は、前記電動機の温度を検知する温度検知手段を備え、前記ロータ位相差制御手段は、前記電動機の温度に応じて、前記誘起電圧減少制御と、前記電動機の効率が前記第１の制限効率よりも高い第２の制限効率以上となるように前記ロータ位相差を変更する効率向上制御とを切替えることを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機の温度が低いほど、発熱により前記電動機の温度が前記電動機の動作補償温度範囲を超えるまでの余裕度が大きくなる。そのため、この場合は、効率低下による発熱の増加をある程度許容して、前記誘起電圧減少制御により前記電動機の誘起電圧定数を小さくすることによって、前記電動機の回転数が急増したときに前記電動機の制御が不能となることを抑制することができる。

一方、前記電動機の温度が高くなると、発熱により前記電動機の温度が前記電動機の動作保証温度範囲を超えるまでの余裕度が小さくなる。そのため、この場合には、前記効率向上制御により、前記電動機の効率を第１の制限効率よりも高い前記第２の制限効率以上とすることによって、前記電動機の発熱を減少させて温度上昇による前記電動機の性能低下を抑制することができる。

また、前記ロータ位相差を検出するロータ位相差検出手段を備え、前記通電制御手段は、前記ロータ位相差制御手段により前記ロータ位相差を変更するときに、前記ロータ位相差の目標値と前記ロータ位相差検出手段による前記ロータ位相差の検出値との差が減少するように、前記電動機の電子機の端子間電圧を減少させるための界磁弱め電流の通電量を制御することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記ロータ位相差を変更する際の応答遅れにより生じ得る、前記電機子の界磁弱めの過不足を減少させることができる。
次に、本発明の第２の態様は、前記ロータ位相差を検出するロータ位相差検出手段を備え、前記通電制御手段は、前記ロータ位相差制御手段により前記ロータ位相差を変更するときに、前記ロータ位相差の目標値と前記ロータ位相差検出手段による前記ロータ位相差の検出値との差が減少するように、前記電動機の電子機の端子間電圧を減少させるための界磁弱め電流の通電量を制御することを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記ロータ位相差を変更する際の応答遅れにより生じ得る、前記電機子の界磁弱めの過不足を減少させることができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図１１を参照して説明する。図１は２重ロータを備えたＤＣブラシレスモータの構成図、図２は図１に示したＤＣブラシレスモータの外側ロータと内側ロータの位相差を変更する機構の構成図及び作動説明図、図３及び図４は外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図、図５は電動機の制御装置の制御ブロック図、図６は電流及び電圧の制限に対応した電流ベクトルの選択範囲の説明図、図７は誘起電圧定数の相違による電動機の出力範囲の変化の説明図、図８は電動機の損失が最小となる誘起電圧定数を算出する処理に関する説明図、図９は電動機の効率とフェイルに対する余裕度を考慮して誘起電圧定数を選択する処理の説明図、図１０は誘起電圧定数を決定するためのマップ及び２重ロータの位相差を決定するためのマップの説明図、図１１は電動機の温度に応じた効率条件により２重ロータの位相差を制御する処理のフローチャートである。

図１を参照して、本実施の形態における電動機１は、永久磁石１１ａ，１１ｂの界磁が周方向に沿って等間隔に配設された内側ロータ１１（本発明の第２のロータに相当する）と、永久磁石１２ａ，１２ｂの界磁が周方向に沿って等間隔に配設された外側ロータ１２（本発明の第１のロータに相当する）と、内側ロータ１１及び外側ロータ１２に対する回転磁界を発生させるための電機子１０ａを有するステータ１０とを備えたＤＣブラシレスモータである。電動機１は、例えばハイブリッド車両や電動車両の駆動源として使用され、ハイブリッド車両に搭載されたときは、電動機及び発電機として動作する。

内側ロータ１１と外側ロータ１２は、共に回転軸が電動機１の回転軸２と同軸となるように同心円状に配置されている。そして、内側ロータ１１においては、Ｎ極を回転軸２側とする永久磁石１１ａとＳ極を回転軸２側とする永久磁石１１ｂが交互に配設されている。同様に、外側ロータ１２においても、Ｎ極を回転軸２側とする永久磁石１２ａとＳ極を回転軸２側とする永久磁石１２ｂが交互に配設されている。

次に、電動機１は、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差であるロータ位相差を変更するために、図２（ａ）に示した遊星歯車機構３０を備えている。図２（ａ）を参照して、遊星歯車機構３０は、内側ロータ１１の内周側の中空部に配置されたシングルピニオン型の遊星歯車機構であり、外側ロータ１２と同軸且つ一体に形成された第１リングギアＲ１、内側ロータ１１と同軸且つ一体に形成された第２リングギアＲ２、第１リングギアＲ１と噛合する第１プラネタリギア３１、第２リングギアＲ２に噛合する第２プラネタリギア３２、第１プラネタリギア３１及び第２プラネタリギア３２と噛合するアイドルギアであるサンギアＳ、第１プラネタリギア３１を回転自在に支持すると共に回転軸２に回転可能に軸支された第１プラネタリキャリアＣ１、及び第２プラネタリギア３２を回転自在に支持すると共にステータ１０に固定された第２プラネタリキャリアＣ２を備えている。

遊星歯車機構３０において、第１リングギアＲ１と第２リングギアＲ２は略同等のギア形状とされ、第１プラネタリギア３１と第２プラネタリギア３２も略同等のギア形状とされている。また、サンギアＳの回転軸３３は電動機１の回転軸２と同軸に配置されると共に、軸受け３４により回転可能に軸支されている。そして、これにより、第１プラネタリギア３１と第２プラネタリギア３２がサンギアＳと噛合し、外側ロータ１２と内側ロータ１１が同期して回転するように構成されている。

さらに、第１プラネタリキャリアＣ１の回転軸３５は、電動機１の回転軸２と同軸に配置されると共にアクチュエータ２５に接続されており、第２プラネタリキャリアＣ２はステータ１０に固定されている。

アクチュエータ２５は、外部から入力される制御信号に応じて、油圧により第１プラネタリキャリアＣ１を正転方向又は逆転方向に回転させ、或いは回転軸２回りの第１プラネタリキャリアＣ１の回転を規制する。そして、アクチュエータ２５によって第１プラネタリキャリアＣ１が回転すると、外側ロータ１２と内側ロータ１１間の相対的な位置関係（位相差）が変化する。

図２（ｂ）は、遊星歯車機構３０における第１リングギアＲ１と、第１プラネタリキャリアＣ１と、サンギアＳと、第２プラネタリキャリアＣ２と、第２リングギアＲ２の回転速度の関係を示した図であり、縦軸が各ギアの回転速度Ｖrに設定されている。

図２（ｂ）において、ステータ１０に固定された第２プラネタリキャリアＣ２の速度はゼロである。そのため、第２リングギアＲ２及び内側ロータ１１は、例えば逆転方向（Ｖr＜０）に回動するサンギアＳに対して、第２リングギアＲ２に対するサンギアＳのギア比ｇ２に応じた速度で正転方向（Ｖr＞０）に回転することになる。

ここで、アクチュエータ２５が非作動状態（アクチュエータ２５による第１プラネタリキャリアＣ１の回動がなされていない状態）にあるときは、第１プラネタリキャリアＣ１の回転速度はゼロである。そのため、第１リングギアＲ１及び外側ロータ１２は、回転するサンギヤＳに対して、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１に応じた速度で逆方向に回転する。そして、ギヤ比ｇ１とギヤ比ｇ２は略同等（ｇ１≒ｇ２）に設定されているので、内側ロータ１１と外側ロータ１２は同期して回転し、内側ロータ１１と外側ロータ１２間の位相差が一定に維持される。

一方、アクチュエータ２５が作動状態（アクチュエータ２５により第１プラネタリキャリアＣ１が回動している状態）にあるときは、第１リングギアＲ１及び外側ロータ１２は、回転するサンギアＳに対して、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１に応じた速度に対して、第１プラネタリキャリアＣ１の回動分だけ増速又は減速されて、逆方向に回転する。そして、これにより、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差が変化する。

また、アクチュエータ２５は、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１と電動機１の極対数Ｐに対して、少なくとも、機械角度β（度）＝（180／Ｐ）×ｇ１／（１＋ｇ１）だけ、第１プラネタリキャリアＣ１を正転方向又は逆転方向に回動可能に構成されている。

そのため、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差は、少なくとも電気角で１８０度の範囲で進角側又は遅角側に変更することができ、電動機１の状態は、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂが同極同士を対向して配置された界磁弱め状態と、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂが異極同士を対向して配置された界磁強め状態との間で、適宜設定可能である。

図３（ａ）は界磁強め状態を示しており、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂの磁束Ｑ１の向きが同一であるため、合成された磁束Ｑ３が大きくなる。一方、図３（ｂ）は界磁弱め状態を示しており、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂの磁束Ｑ１の向きが逆であるため、合成された磁束Ｑ３が小さくなる。

図４は、図３（ａ）の状態と図３（ｂ）の状態において、電動機１を所定回転数で作動させた場合にステータ１０の電機子に生じる誘起電圧を比較したグラフであり、縦軸が誘起電圧（Ｖ）に設定され、横軸が電気角（度）に設定されている。図中ａが図３（ａ）の状態（界磁強め状態）であり、ｂが図３（ｂ）の状態（界磁弱め状態）である。図４から、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差を変更することで、生じる誘起電圧のレベルが大幅に変化していることがわかる。

そして、このように、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差を変更して、界磁の磁束を増減させることにより、電動機１の誘起電圧定数Ｋeを変化させることができる。これにより、誘起電圧定数Ｋeが一定である場合に比べて、電動機１の出力トルク及び回転数に対する運転可能領域を拡大することができる。また、電動機の制御として一般的なｄｑ座標変換により、ｄ軸（界磁軸）側の電機子に通電して界磁弱め制御を行う場合に比べて、電動機１の銅損が減少するため、電動機１を作動させるときの効率を高めることができる。

次に、図５〜図１１を参照して、本発明の電動機の制御装置について説明する。図５に示した電動機の制御装置（以下、単に制御装置という）は、電動機１を界磁方向をｄ軸としてｄ軸と直交する方向をｑ軸とした２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱い、外部から与えられる目標トルクＴr_cが電動機１から出力されるように、電動機１に対する通電量を制御するものである。

制御装置はＣＰＵ、メモリ等により構成される電子ユニットであり、トルク指令Ｔr_cと、電動機１の回転数Ｎmと、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差θd（以下、ロータ位相差という）の検出値θd_sに応じた電動機１の誘起電圧定数Ｋeの算出値Ｋe_sとに基いて、ｄ軸側の電機子（以下、ｄ軸電機子という）の通電量（以下、ｄ軸電流という）の指令値Ｉd_cとｑ軸側の電機子（以下、ｑ軸電機子という）の通電量（以下、ｑ軸電流という）の指令値Ｉq_cとを算出する電流指令算出部５０、電流センサ６１，６２により検出されてバンドパスフィルタ５７により不要成分が除去された電流検出信号Ｉu，Ｉwと、レゾルバ７０により検出される外側ロータ１２のロータ角度θmとに基づいて、３相／ｄｑ変換によりｄ軸電流の検出値Ｉd_sとｑ軸電流の検出値Ｉq_sとを算出する３相／ｄｑ変換部５６、減算器５１により算出されるｄ軸電流の指令値Ｉd_cと検出値Ｉd_sの偏差ΔＩd及び減算器５２で算出されるｑ軸電流の指令値Ｉq_cと検出値Ｉq_sの偏差ΔＩqが減少するように、ｄ軸電機子に印加する電圧（以下、ｄ軸電圧という）の指令値Ｖd_cとｑ軸電機子に印加する電圧（以下、ｑ軸電圧という）の指令値Ｖq_cとを決定する電流フィードバック制御部５３、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値Ｖq_cを大きさｒと角度θの成分に変換するｒθ変換部５４、及び該大きさｒと角度θの成分をＰＷＭ制御により３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の交流電圧に変換するＰＷＭ演算部５５を備えている。なお、電流指令算出部５０と電流フィードバック制御部５３とにより、本発明の通電制御手段が構成される。

さらに、制御装置は、レゾルバ７０により検出される外側ロータ１２のロータ角度θmを微分して電動機１の単位時間あたりの回転数Ｎmを算出する回転数算出部７１、トルク指令値Ｔr_cと電動機１の回転数Ｎmと電動機１の駆動回路（ＰＷＭ演算部５５に含まれる）に電力供給する電源（図示しない）の電圧Ｖdcと温度センサ７２（本発明の温度検知手段に相当する）により検出される電動機１の巻線の温度Ｔh₁及びロータ磁石の温度Ｔh₂とに基いて、誘起電圧定数Ｋeの指令値Ｋe_cを算出するＫe指令算出部９０、ロータ位相差θdを検出する位相差検出器２６、ロータ位相差θdを誘起電圧定数Ｋeに変換するＫe算出部９２、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cと検出値Ｋe_sとの偏差ΔＫeを算出する減算器９１、及び該偏差ΔＫeとＫe_sとにより位相差の指令値θd_cを決定してアクチュエータ２５に出力する位相差制御部８０を備えている。なお、Ｋe指令算出部９０、位相差制御部８０、Ｋe算出部９２、及び減算器９１により、本発明のロータ位相差制御手段が構成される。

次に、Ｋe指令算出部９０は、電動機１の効率を考慮して誘起電圧定数の指令値Ｋe_cを算出するが、その前提となる電動機１の効率の考え方、及び電動機１の効率に応じた誘起電圧定数の指令値Ｋe_cの算出方法について図６〜図１０を参照して説明する。

先ず、電動機１に供給することができる電流の上限値をＩ_am、電圧の上限値をＶ_amとおくと、以下の式（１）、式（２）が成り立つ。

但し、Ｉa：相電流、Ｉd：ｄ軸電流、Ｉq：ｑ軸電流、Ｉam：電流の上限値。

但し、Ｖa：相電圧、Ｖd：ｄ軸電圧、Ｖq：ｑ軸電圧、ω：角速度、Ｌd：ｄ軸電機子のインダクタンス、Ｋe：誘起電圧定数、Ｒa：ｄ軸電機子及びｑ軸電機子の抵抗、Ｖam：電圧の上限値。

ここで、Ｖom＝Ｖam−Ｒa・Ｉam とおき、誘起電圧Ｖoの制限を以下の式（３）のようにおく。

但し、Ｖo：誘起電圧、Ｖom：誘起電圧の制限値。

ここで、誘起電圧定数Ｋeを（すなわち磁束密度φ_aを）最大、中間、最小という３段階に可変する場合に、上記式（１）及び式（３）について図示したのが図６（ａ）〜図６（ｃ）である。

図６（ａ）〜図６（ｃ）は、縦軸をｑ軸電流（Ｉq）に設定し、横軸をｄ軸電流（Ｉd）に設定して、上記式（１）をＩa＝Ｉa₁，Ｉa₂（Ｉa₂＜Ｉa₁）について図示し、上記式（３）をω＝ω₁，ω₂，ω₃（ω₁＜ω₂＜ω₃）について図示したものである。また、図６（ａ）は誘起電圧定数Ｋeが最大であるとき、図６（ｂ）は誘起電圧定数Ｋeが中間であるとき、図６（ｃ）は誘起電圧定数Ｋeが最小であるときを示している。

図６（ａ）の誘起電圧定数Ｋeを最大としたときは、相電流Ｉaの上限値ＩamをＩam₂に設定すると、ωがω₂，ω₃となったときに選択可能なｄ軸電流Ｉdとｑ軸電流Ｉqの範囲がなくなってしまう。それに対して、図６（ｂ）の誘起電圧定数Ｋeを中間にしたときには、相電流Ｉaの上限値ＩamをＩam₂に設定しても、ωがω₃まで上昇したときに図中Ｓa₁の範囲内でｄ軸電流Ｉdとｑ軸電流Ｉqの選択が可能である。

また、図６（ｃ）の誘起電圧定数Ｋeを最小にしたときには、相電流Ｉaの制限値ＩamをＩam₂に設定して、ωがω₃まで上昇したときに選択可能なｑ軸電流Ｉqとｄ軸電流の範囲が、図中Ｓa₂の範囲に拡大する。

このように、誘起電圧定数Ｋeが小さいほど、図６（ａ）〜図６（ｃ）における上記式（３）による楕円グラフの中心が原点（Ｉd＝０，Ｉq＝０）に近づいて、電動機１を高回転で作動させるときのｄ軸電流Ｉdとｑ軸電流Ｉqの選択範囲が広くなる。そのため、電動機１の高回転域における制御可能範囲を拡大することができる。しかしながら、誘起電圧定数Ｋeが小さいほど磁束密度φaが小さくなるため、同一のｑ軸電流Ｉqを供給したときに電動機１に生じるトルクが低くなって電動機１の効率が低下する。

次に、図７（ａ）〜図７（ｃ）は、仕様が異なるで電動機において、誘起電圧定数Ｋeを三段階（最大，中間，最小）に切り替えて、電動機１の界磁制御を行う場合の電動機１の出力範囲（トルクと回転数の選択可能範囲）を例示したものであり、縦軸が電動機１の出力トルク（Ｔr）に設定され、横軸が電動機１の回転数（Ｎm）に設定されている。

図７（ａ）〜図７（ｃ）において、ｇaは電動機１の出力保証範囲の境界ラインであり、ｇaとＴr軸及びＮm軸とにより囲まれる領域Ｇが電動機の出力保証範囲となる。また、Ｋlは誘起電圧定数Ｋeを最大としたときの電動機１の出力範囲の境界ライン、Ｋmは誘起電圧定数Ｋeを中間としたときの電動機１の出力範囲の境界ライン、Ｋsは誘起電圧定数Ｋeを最小としたきの電動機１の出力範囲の境界ラインである。

図７（ａ）の例では、誘起電圧定数Ｋeを最大、中間、最小のいずれに設定しても、電動機を出力保証範囲Ｇ内で作動させることができる。それに対して、図７（ｂ）の例では、誘起電圧定数Ｋeを最大に設定したときは電動機を出力保証範囲Ｇを維持して電動機を作動させることができるが、誘起電圧定数Ｋeを中間及び最小に設定したときには、トルクの不足により出力保証範囲Ｇを維持して電動機を作動させることができない。

また、図７（ｃ）の例では、誘起電圧定数Ｋeを最大に設定したときに、高回転域で出力保証範囲Ｇを維持して電動機を作動させることができない。また、誘起電圧定数Ｋeを中間に設定したときに、低回転域でトルクが不足すると共に高回転域でもトルクが不足して、出力保証範囲Ｇを維持して電動機を作動させることができない。さらに、誘起電圧定数Ｋeを最小に設定したときに、低回転域でトルクが不足して、出力保証範囲Ｇを維持して電動機を作動させることができない。

以上、図７（ａ）〜図７（ｃ）を参照して説明したように、誘起電圧定数Ｋeの設定に応じて電動機の出力範囲が変化するため、誘起電圧定数Ｋeの設定可能範囲は、電動機の出力保証範囲が維持されるように決定する必要がある。

次に、図８（ａ）〜図８（ｃ）を参照して、上記式（１），式（３）による相電流Ｉaと相電圧Ｖaの制限条件を満たす誘起電圧定数Ｋeの範囲で、電動機の損失が最小となるｄ軸電流Ｉdとｑ軸電流Ｉqを決定する処理について説明する。

図８（ａ）はｄ軸の等価回路であり、図中Ｒa，Ｒcはｄ軸電機子の抵抗、Ｌdはｄ軸電機子のインダクタンス、ωＬqＩoqはｑ軸電流Ｉqの通電によりｄ軸電機子に生じる誘起電圧を示している。また、図８（ｂ）はｑ軸の等価回路であり、図中Ｒa，Ｒcはｑ軸電機子の抵抗、Ｌqはｑ軸電機子のインダクタンス、ωＬdＩodはｄ軸電流Ｉdの通電によりｑ軸電機子に生じる誘起電圧を示している。

図８（ａ）、図８（ｂ）の等価回路において、先ず、電動機のトルクＴr、出力Ｐ、銅損Ｗ_c、鉄損Ｗ_iは、以下の式（４）〜式（７）により算出することができる。

但し、Ｔr：トルク、Ｌd：ｄ軸電機子のインダクタンス、Ｌq：ｑ軸電機子のインダクタンス。

但し、Ｐ：電動機の出力。

但し、Ｗc：電動機の銅損。

但し、Ｗi：電動機の鉄損。

そして、以下の式（８）に示したように、電動機の損失Ｗ_lossを上記式（６）の銅損Ｗcと上記式（７）の鉄損Ｗiで代表させて示すと、角速度ωとトルクＴrが与えられたときに、Ｗ_lossが最小となるＩodを、以下の式（９）によって算出することができる。

但し、Ｗ_loss：電動機の損失、Ｗc：電動機の銅損、Ｗi：電動機の鉄損。

また、上記式（９）により算出したＩodと誘起電圧定数Ｋeの設定値を上記式（４）に代入して、Ｉoqを算出することができる。そして、図８（ａ）の等価回路から以下の式（１０）によりＩdを算出することができ、図８（ｂ）の等価回路から以下の式（１１）によりＩqを算出することができる。

また、ロータ位相差を変更して誘起電圧定数Ｋeを可変する場合、Ｋeの最大値をＫe_maxとして、可変範囲内の誘起電圧定数をＫe＝ｋ・Ｋe_maxと表すと、以下の式（１２）により電動機の損失が最小となるｋを算出することができる。

上記式（１２）により、電動機の角速度ωとトルクＴrが与えられたときの誘起電圧定数Ｋeの指令値Ｋe_cを求めることができる。図８（ｃ）は、上記式（８）を縦軸を損失Ｗ_lossに設定し、横軸を誘起電圧定数Ｋeに設定して示したものであり、Ｗl₁の例ではＫeの可変範囲（Ｋe_₁〜Ｋe_₃）の下限であるＫe_₁でＷ_lossが最小となる。また、Ｗl₂の例ではＫe_₂でＷ_lossが最小となり、Ｗl₃の例ではＫe_₃でＷ_lossが最小となる。このようにして、電動機の損失が最小となる誘起電圧定数Ｋeを算出することができる。

次に、電動機の損失を最小にして効率が最高となるように誘起電圧定数Ｋeを大きく設定すると、例えば電動機に接続された変速機の故障や駆動回路の故障により、電動機の回転数が急激に上昇したときに、電動機の相電圧Ｖaが制限電圧Ｖamを超えて制御不能となるまでの余裕度が小さくなる。

そこで、制御装置は、電動機に接続された変速機の故障や駆動回路の故障等のフェイル（異常）に対する余裕度を確保するための制御を行う。

図９は、電動機の効率を重視して誘起電圧定数Ｋeを選択する「効率向上制御」と、フェイルに対する電動機の余裕度を重視して誘起電圧定数Ｋeを選択する「誘起電圧減少制御」とを、切替えて実行する場合の誘起電圧定数Ｋeの選択範囲の設定手順を示しており、(i)〜(v)において、縦軸がトルクＴrに設定され、横軸が回転数Ｎmに設定されている。また、ｇaは電動機の動作保証範囲の境界ラインである。

(i)は誘起電圧定数Ｋeを最大に設定したときの電動機の出力特性を示しており、Ｋlは電動機の出力範囲の境界ライン、Ｌa₁は効率９０％の境界ライン、Ｌb₁は効率８５％の境界ライン、Ｌc₁は効率８０％の境界ラインである。また、(ii)は誘起電圧定数Ｋeを中間に設定したときの電動機の出力特性を示しており、Ｋmは電動機の出力範囲の境界ライン、Ｌa₂は効率９０％の境界ライン、Ｌb₂は効率８５％の境界ライン、Ｌc₂は効率８０％の境界ラインである。また、(iii)は誘起電圧定数Ｋeを最小に設定したときの電動機の出力特性を示しており、Ｋsは電動機の出力範囲の境界ライン、Ｌa₃は効率９０％の境界ライン、Ｌb₃は効率８５％の境界ライン、Ｌc₃は効率８０％の境界ラインである。

(i)〜(iii)により、誘起電圧定数Ｋeを小さくするに従って、低回転域における電動機の効率が低下し、また、高回転域における電動機の出力トルクが減少することが分かる。

次に、(iv)は、(i)〜(iii)を合成して、電動機の効率を９０％（本発明の第１の制限範囲に相当する）以上に維持するための誘起電圧定数Ｋeの選択パターンを示したものである。

(iv)において、Ｂa₁は動作保証範囲の境界ラインｇaと誘起電圧定数Ｋeの最大時と中間時の境界ラインｄ₁とＴr軸及びＮm軸とにより囲まれた範囲であり、Ｂa₁においては最大の誘起電圧定数Ｋeが選択される。また、Ｂa₂はｄ₁と誘起電圧定数Ｋeの中間時と最小時の境界ラインｅ₁とＫmとＫsとＮm軸とにより囲まれた範囲であり、Ｂa₂においては中間の誘起電圧定数Ｋeが選択される。また、Ｂa₃はｅ₁とＫsとｇaとＮm軸とにより囲まれた範囲であり、Ｂa₃においては最小の誘起電圧定数Ｋeが選択される。

一方、（v)は(i)〜(iii)を合成して、電動機の効率が８５％（本発明の第１の制限効率に相当する）まで低下することを許容して、誘起電圧定数Ｋeをできる限り小さくするための選択パターンを示したものである。図中Ｆa₁は動作保証範囲の境界ラインｇaと誘起電圧定数Ｋeの最大時と中間時の境界ラインｄ₂とＴr軸及びＮm軸とにより囲まれた範囲であり、Ｆa₁においては最大の誘起電圧定数Ｋeが選択される。

また、Ｆa₂はｄ₂と誘起電圧定数Ｋeの中間時と最小時の境界ラインｅ₂とＫmとＫsとｇaとＮm軸とにより囲まれる範囲であり、Ｆa₂においては中間の誘起電圧定数Ｋeが選択される。また、Ｆa₃はｅ₂とＫsとｇaとＮm軸とのより囲まれた範囲であり、Ｆa₃においては最小の誘起電圧定数Ｋeが選択される。

そして、制御装置は、図１０（ａ）に示したように、電源電圧Ｖdc＝Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，…に対応した図９の(iv)の選択図をそれぞれマップ化した基本ＫeマップＢm_１，Ｂm₂，Ｂm₃，…と、電源電圧Ｖdc＝Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，…に対応した図９の(v)の選択図をそれぞれマップ化したフェイル対応ＫeマップＦm₁，Ｆm₂，Ｆm₃，…のデータをメモリ（図示しない）に記憶している。

次に、図１１に示したフローチャートに従って、制御装置によるロータ位相差θdの制御処理の実行手順について説明する。

ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ５及びＳＴＥＰ１０は、Ｋe指令算出部９０による処理であり、Ｋe指令算出部９０は、ＳＴＥＰ１でトルク指令Ｔr_cと電動機１の回転数Ｎmと電源電圧Ｖdcを取得する。また、続くＳＴＥＰ２で、Ｋe指令算出部９０は、電動機１の巻線温度Ｔh₁とロータ磁石の温度Ｔh₂とを取得する。

そして、ＳＴＥＰ３で、Ｋe指令算出部９０は、電動機１の巻線温度Ｔh₁とロータ磁石の温度Ｔh₂を予め設定された基準温度と比較することで、電動機１の発熱に対する余裕度を認識する。そして、電動機１の巻線温度Ｔh₁とロータ磁石の温度Ｔh₂が基準温度よりも低いときには、電動機１の効率を落として運転することが可能であると判断して、ＳＴＥＰ１０に分岐する。一方、電動機１の巻線温度Ｔh₁とロータ磁石の温度Ｔh₂が基準温度よりも低いときには、電動機１の効率を落として運転することが不能であると判断してＳＴＥＰ４に進む。

ＳＴＥＰ１０は上述した「誘起電圧減少制御」を実行するための処理であり、Ｋe指令算出部９０は、図１０（ａ）に示したフェイル対応ＫeマップＦm₁，Ｆm₂，Ｆm₃，…の中から、ＳＴＥＰ１で取得した電源電圧Ｖdcに対応したフェイル対応Ｋeマップを選択し、該マップにトルク指令Ｔr_cと回転数Ｎmを適用して誘起電圧定数Ｋeを求める。

また、ＳＴＥＰ４は上述した「効率向上制御」を実行するための処理であり、Ｋe指令算出部９０は、図１０（ａ）に示した基本ＫeマップＢm₁，Ｂm₂，Ｂm₃，…の中から、ＳＴＥＰ１で取得した電源電圧Ｖdcに対応した基本Ｋeマップを選択し、該マップにトルク指令Ｔr_cと回転数Ｎmを適用して誘起電圧定数Ｋeを求める。

なお、フェイル対応Ｋeマップ及び基本Ｋeマップにより、誘起電圧定数Ｋeを設定する際には、上述した図９の選択パターンにより電動機１の効率が推定されるが、この推定を行う構成が本発明の効率推定手段に相当する。

次に、ＳＴＥＰ５で、Ｋe指令算出部９０は、ＳＴＥＰ４又はＳＴＥＰ１０で求めたＫeを誘起電圧定数の指令値Ｋe_cとして出力する。

次のＳＴＥＰ６は、位相差制御部８０による処理であり、図５を参照して、位相差制御部８０は、減算器９１で算出される誘起電圧定数Ｋeの指令値Ｋe_cと検出値Ｋe_sとの偏差ΔＫeをＫe_sに加算して、図１０（ｂ）のロータ位相差θdと誘起電圧定数Ｋeの変換マップに適用する。そして、位相差制御部８０は、該変換マップにより求めたロータ位相差θdを、ロータ位相差の指令値θd_cとしてアクチュエータ２５に出力する。これにより、電動機１のロータ位相差θdが変更される。

この場合、ＳＴＥＰ１０，ＳＴＥＰ５，ＳＴＥＰ６の処理により「誘起電圧減少制御」が実行され、ＳＴＥＰ４，ＳＴＥＰ５，ＳＴＥＰ６の処理により「効率向上制御」が実行される。

また、ＳＴＥＰ６でロータ位相差の指令値θd_cがアクチュエータ２５に出力されてから、実際に内側ロータがθd_cに対応した位置に移動するまでにはある程度時間遅れが生じる。そこで、界磁制御部６０は、ロータ位相差の指令値θd_c（本発明のロータ位相差の目標値に相当する）と検出値θd_sとの偏差を減少させるように、加算器５１にｄ軸電流の補正値Ｉd_eを加算する。これにより、アクチュエータ２５の応答遅れによる界磁の過不足を減少させることができる。

以上説明した図１１の処理により、電動機１の温度が低く発熱に対する余裕度が大きいときは、「フェイル対応Ｋeマップ」により電動機１の誘起電圧定数Ｋeを小さくする「誘起電圧減少制御」が実行される。そして、これにより、電動機１に連結された変速機の故障や電動機１の駆動回路の故障等のフェイルが生じて電動機１の回転数が急増したときに、電動機１の電機子に生じる誘起電圧の上昇度合が小さくなるため、誘起電圧の増加により電動機１の相電圧が電源電圧以上となって電動機１の通電制御が不能となることを防止することができる。

また、電動機１の温度が高く発熱に対する余裕度が低いときには、「基本Ｋeマップ」により電動機１の誘起電圧定数Ｋeを大きして、電動機１の効率を向上させる「効率向上制御」が実行される。そして、これにより、熱損失による電動機１の発熱が抑制されるため、温度上昇による電動機１の性能低下を防止することができる。

なお、本実施の形態では、電動機１のロータ位相差θdを最大、中間、最小の３段階に切替えて選択する例を示したが、２段階や４段階以上に切替え、或いは段階的ではなく連続的にロータ位相差θdを変更するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、電動機１の温度を温度センサにより検知したが、電動機１に対する供給電力の積算値により電動機１の温度を推定して検知するようにしてもよい。この場合には、電動機１の温度変化を応答性良く検知することができる。

また、電動機１の温度変化の履歴から電動機１の将来の温度変化を予測し、予測結果に基いて「効率向上制御」と「誘起電圧減少制御」を切替えるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、電動機１の温度に応じて、「誘起電圧減少制御」と「効率向上制御」とを切替えたが、かかる切替を行わずに「誘起電圧減少制御」のみを実行する場合であっても、本発明の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、本発明の電動機の制御装置として、電動機１を２相直流の回転座標であるｄｑ座標系による等価回路に変換して扱うものを示したが、２相交流の固定座標系であるαβ座標系による等価回路に変換して扱う場合においても、本発明の適用が可能である。

２重ロータを備えたＤＣブラシレスモータの構成図。図１に示したＤＣブラシレスモータの外側ロータと内側ロータの位相差を変更する機構の構成図及び作動説明図。外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図。外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図。電動機の制御装置の制御ブロック図。電流及び電圧の制限に対応した電流ベクトルの選択範囲の説明図。誘起電圧定数の相違による電動機の出力範囲の変化の説明図。電動機の損失が最小となる誘起電圧定数を算出する処理に関する説明図。電動機の効率とフェイルに対する余裕度を考慮して誘起電圧定数を選択する処理の説明図。誘起電圧定数を決定するためのマップ及び２重ロータの位相差を決定するためのマップの説明図。電動機の温度に応じた効率条件により２重ロータの位相差を制御する処理のフローチャート。駆動側と回生側における界磁弱め制御の必要性の説明図。

符号の説明

１…電動機、２…電動機の回転軸、１０…ステータ、１１…内側ロータ、１１ａ，１１ｂ…永久磁石、１２…外側ロータ、１２ａ，１２ｂ…永久磁石、２５…アクチュエータ、３０…遊星歯車機構、Ｃ１…第１プラネタリキャリア、Ｃ２…第２プラネタリキャリア、Ｒ１…第１リングギア、Ｒ２…第２リングギア、Ｓ…サンギア、３１…第１プラネタリギア、３２…第２プラネタリギア、３３…サンギアの回転軸、３４…軸受け、３５…第１プラネタリキャリアの回転軸、５０…電流指令算出部、６０…界磁制御部、７２…温度センサ、８０…位相差制御部、９０…Ｋe指令算出部、９２…Ｋe算出部

Claims

永久磁石による界磁を複数個有する第１ロータ及び第２ロータを、回転軸の周囲に配置した永久磁石界磁型の回転電動機の作動を、該第１ロータと該第２ロータとの位相差であるロータ位相差を変更して該電動機の誘起電圧定数を変更する界磁制御を行って制御する電動機の制御装置であって、
所定の目標トルクと前記電動機の誘起電圧定数とに応じて、前記電動機の出力トルクが該目標トルクとなるように、前記電動機の電機子への通電量を制御する通電制御を実行する通電制御手段と、
前記通電制御を実行する際の前記電動機の効率を推定する効率推定手段と、
前記通電制御を実行する際に、前記効率推定手段により推定される前記電動機の効率が第１の制限効率よりも高くなる範囲内で、前記電動機の誘起電圧定数が小さくなるように前記ロータ位相差を変更する誘起電圧減少制御を行うロータ位相差制御手段と、
前記電動機の温度を検知する温度検知手段とを備え、
前記ロータ位相差制御手段は、前記電動機の温度に応じて、前記誘起電圧減少制御と、前記電動機の効率が前記第１の制限効率よりも高い第２の制限効率以上となるように前記ロータ位相差を変更する効率向上制御とを切替えることを特徴とする電動機の制御装置。
前記ロータ位相差を検出するロータ位相差検出手段を備え、
前記通電制御手段は、前記ロータ位相差制御手段により前記ロータ位相差を変更するときに、前記ロータ位相差の目標値と前記ロータ位相差検出手段による前記ロータ位相差の検出値との差が減少するように、前記電動機の電子機の端子間電圧を減少させるための界磁弱め電流の通電量を制御することを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
永久磁石による界磁を複数個有する第１ロータ及び第２ロータを、回転軸の周囲に配置した永久磁石界磁型の回転電動機の作動を、該第１ロータと該第２ロータとの位相差であるロータ位相差を変更して該電動機の誘起電圧定数を変更する界磁制御を行って制御する電動機の制御装置であって、
所定の目標トルクと前記電動機の誘起電圧定数とに応じて、前記電動機の出力トルクが該目標トルクとなるように、前記電動機の電機子への通電量を制御する通電制御を実行する通電制御手段と、
前記通電制御を実行する際の前記電動機の効率を推定する効率推定手段と、
前記通電制御を実行する際に、前記効率推定手段により推定される前記電動機の効率が第１の制限効率よりも高くなる範囲内で、前記電動機の誘起電圧定数が小さくなるように前記ロータ位相差を変更する誘起電圧減少制御を行うロータ位相差制御手段と、
前記ロータ位相差を検出するロータ位相差検出手段とを備え、
前記通電制御手段は、前記ロータ位相差制御手段により前記ロータ位相差を変更するときに、前記ロータ位相差の目標値と前記ロータ位相差検出手段による前記ロータ位相差の検出値との差が減少するように、前記電動機の電子機の端子間電圧を減少させるための界磁弱め電流の通電量を制御することを特徴とする電動機の制御装置。
前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、
前記効率推定手段は、前記目標トルクと、前記電動機の回転数と、前記電動機の駆動回路の電源電圧とに基づいて、前記通電制御を実行する際の前記電動機の効率を推定することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項記載の電動機の制御装置。