JP4879683B2

JP4879683B2 - 電動機の制御装置

Info

Publication number: JP4879683B2
Application number: JP2006248759A
Authority: JP
Inventors: 裕玉川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-09-13
Also published as: JP2008072828A

Description

本発明は、永久磁石によりそれぞれ界磁を発生する２つのロータを有し、両ロータ間の位相差を変更可能とした電動機の制御装置に関する。

永久磁石型の電動機においては、同軸に配置された２つのロータのそれぞれに界磁を発生する永久磁石を備えた２重ロータ構造の電動機が従来より知られている（例えば特許文献１を参照）。この種の電動機では、２つのロータは、それらの軸心回りに相対回転可能とされ、その相対回転によって、両ロータ間の位相差を所定の範囲内で変更可能としている。そして、両ロータ間の位相差を変更することによって、各ロータの永久磁石により発生する界磁を合成してなる合成界磁の強さ（磁束の大きさ）を変化させることが可能となる。

前記特許文献１に見られる電動機では、該電動機の回転速度に応じて機構的に両ロータ間の位相差が変化するようになっている。すなわち、両ロータが遠心力の作用により電動機の径方向に変位する部材を介して接続されている。なお、両ロータのうちの一方のロータは、電動機の発生トルクを外部に出力する出力軸と一体に回転可能とされている。そして、上記部材の変位に伴い、他方のロータが、出力軸と一体に回転可能な一方のロータに対して相対的に回転し、両ロータ間の位相差が変化するように構成されている。この場合、電動機が停止状態にあるときに、両ロータにそれぞれ備えた永久磁石の磁極の向き（磁束の向き）が互いに同一となって、それらの永久磁石の合成界磁の強さが最大となるように、各ロータの永久磁石が配列されている。そして、電動機の回転速度が高くなるに従って、遠心力により両ロータの間の位相差が変化して、両ロータの永久磁石の合成界磁の強さが弱くなる。
特開２００２−２０４５４１号公報

上記の如く、２つのロータの永久磁石の合成界磁の強さを変更可能な電動機では、その合成界磁を適切に変化させることによって、電動機の運転領域の拡大や電動機のエネルギー効率の向上などを効果的に図ることが可能である。

しかるに前記特許文献１に見られる電動機では、単に出力軸の回転速度に応じて機構的に両ロータ間の位相差が変更されるだけなので、きめ細かな制御を行なうことが困難である。このため、電動機の運転領域の拡大や電動機のエネルギー効率の向上などを効果的に図ることが困難であった。

そこで、本願出願人は、両ロータ間の位相差をアクチュエータを介して能動的に制御することを試みている。このようにアクチュエータを使用して両ロータ間の位相差を制御することで、該位相差を所望の位相差に制御できる。

このようにアクチュエータを使用して両ロータ間の位相差を制御する場合、両ロータ間の実際の位相差の検出値または推定値と、目標値との偏差に応じて両ロータ間の位相差を目標値にフィードバック制御することが考えられる。そして、この場合、電動機の運転状態によらずに、高い応答性で速やかに目標とする位相差に両ロータ間の実際の位相差を制御できることが望まれる。また、両ロータ間の位相差が振動的な挙動を呈すると、電動機の出力トルクの振動が生じる恐れがあることから、両ロータ間の位相差はできるだけ振動的な挙動を呈することなく、滑らかに目標値に収束することが望まれる。

しかるに、両ロータ間の位相差は、アクチュエータの駆動力だけで一義的に規定されるものではなく、両ロータの一方の永久磁石と他方の永久磁石との間に作用する磁力（吸引力または反発力）に起因して両ロータ間に作用するトルクや、両ロータのうちのアクチュエータにより相対回転させようとするロータの回転速度（電動機のステータに対する回転速度）の変化に起因して発生する慣性力トルク、電機子の通電によって発生する界磁と各ロータの永久磁石の界磁との相互作用に起因して両ロータ間に発生する反力トルクなどの影響を受ける。そして、これらのトルク（以下、外乱トルクということがある）は一定ではなく、両ロータ間の実際の位相差、電動機の出力軸の回転加速度（角加速度）、電機子の出力トルクなど、電動機の運転状態に応じて変化する。特に、ハイブリッド車両や電動車両の推進力発生源として電動機を使用する場合には、その電動機の要求される運転状態が広範なものとなることから、上記外力トルクの変化幅も大きくなりがちである。

このため、両ロータ間の位相差を、一般的なＰＩＤ則などのフィードバック制御で制御しようとしても、電動機の種々様々な運転状態において、両ロータ間の位相差を所望の応答特性で目標値に制御することが困難であった。例えば、電動機の運転状態によっては、両ロータ間の位相差が振動的な挙動を呈しながら目標値に収束したり、あるいは、両ロータ間の実際の位相差と目標値との偏差の減衰速度が遅くなり過ぎたりするなどの不都合が発生しやすい。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、２つのロータを有する電動機の運転状態によらずに、両ロータ間の位相差を所要の応答特性で目標とする位相差に制御する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。

本発明の電動機の制御装置は、かかる目的を達成するために、永久磁石によりそれぞれ界磁を発生する第１ロータおよび第２ロータと、両ロータのうちの第１ロータと一体に回転可能な出力軸とを互いに同軸に備えると共に、前記第２ロータが前記第１ロータに対して相対回転可能に設けられ、該第２ロータの相対回転によって両ロータ間の位相差を変更することにより、各ロータの永久磁石の界磁を合成してなる合成界磁の強さを変更可能とした電動機の制御装置であって、前記第１ロータに対する第２ロータの相対回転を行なわせる駆動力を発生するアクチュエータを有する位相差変更駆動手段と、前記両ロータ間の実際の位相差を表す実位相差データを出力する実位相差データ出力手段と、前記両ロータ間の位相差の目標値を表す目標位相差データを可変的に決定する目標位相差データ決定手段と、前記実位相差データと前記目標位相差データとの偏差に応じて、該偏差を０に収束させるようにフィードバック制御処理により前記位相差変更駆動手段に対するフィードバック操作量を決定し、少なくともその決定したフィードバック操作量に応じて該位相差変更駆動手段を制御する位相差制御手段とを備え、該位相差制御手段のフィードバック制御処理として、前記偏差の減衰挙動を該フィードバック制御処理に用いる所定のパラメータの値により指定可能な応答指定型のフィードバック制御処理を用いており、前記両ロータ間の位相差は所定の変更可能範囲内で変更可能であり、前記実位相差データが表す両ロータ間の実際の位相差が、該変更可能範囲内で該変更可能範囲の各境界の近傍にあらかじめ定めた所定の範囲に存する場合には、該実際の位相差が該所定の範囲外に存する場合よりも、前記偏差の減衰速度が遅くなり、且つ、前記変更可能範囲の各境界うち、前記合成界磁の強さが相対的に強い境界側の前記所定の範囲よりも、該合成界磁の強さが相対的に弱い境界側の前記所定の範囲での前記偏差の減衰速度が相対的に速くなるように前記所定のパラメータの値を設定する手段を備えたことを特徴とする（第１発明）。

この第１発明によれば、前記実位相差データと前記目標位相差データとの偏差に応じて、該偏差を０に収束させるようにフィードバック操作量を決定するフィードバック制御処理として、応答指定型のフィードバック制御処理を用いるので、該偏差の減衰挙動（減衰形態や減衰速度）を前記パラメータの値によって、所望の挙動に指定できる。例えば、該偏差を、非振動的な減衰形態（いわゆる過制動または臨界制動の減衰形態）で０に減衰させると共に、その減衰形態に対して、電動機の運転状態の変化が及ぼす影響を極力少なくすることができる。従って、第１発明によれば、電動機の運転状態の変化の影響を極力抑制し、両ロータ間の位相差を所要の応答特性で目標値に制御することが可能となる。
加えて、第１発明によれば、前記両ロータ間の位相差は、通常、電動機の機構的な構成上、所定の変更可能範囲内で変更可能である。例えば、その変更可能範囲の境界は、両ロータの一方に設けたストッパに他方のロータに設けた部材が当接することで規制される。
そして、前記実位相差データが表す両ロータ間の実際の位相差が、該変更可能範囲内で該変更可能範囲の各境界の近傍にあらかじめ定めた所定の範囲に存する場合には、該実際の位相差が該所定の範囲外に存する場合よりも、前記偏差の減衰速度が遅くなり、且つ、前記変更可能範囲の各境界うち、前記合成界磁の強さが相対的に強い境界側の前記所定の範囲よりも、該合成界磁の強さが相対的に弱い境界側の前記所定の範囲での前記偏差の減衰速度が相対的に速くなるように前記所定のパラメータの値を設定する手段を備える。
これにより、両ロータ間の実際の位相差が、前記変更可能範囲の境界近傍の所定の範囲に存するときには、該所定の範囲外に存する場合より、前記偏差の減衰速度を遅くできる。その結果、前記変更可能範囲の境界付近で、両ロータの部材同士が急激に衝突するような事態を回避できる。ひいては、両ロータの部材の損傷が生じたり、該部材同士の衝突に伴う両ロータ間の位相差の過渡的な振動が発生するのを防止することができる。さらに、前記変更可能範囲の各境界うち、前記合成界磁の強さが相対的に強い境界側の前記所定の範囲よりも、該合成界磁の強さが相対的に弱い境界側の前記所定の範囲での前記偏差の減衰速度が相対的に速くなるようにすることができる。

なお、第１発明において、前記実位相差データとしては、両ロータ間の実際の位相差の検出値または推定値や、当該実際の位相差に対して一定の相関性を有する電動機の特性パラメータ（具体的には当該実際の位相差の変化に対して単調な変化（単調増加または単調減少）を呈する特性パラメータ）が挙げられる。該特性パラメータとしては、例えば電動機の誘起電圧定数が挙げられる。同様に、前記目標位相差データとしては、両ロータ間の位相差そのものの目標値や、上記特性パラメータの目標値が挙げられる。

また、前記応答指定型のフィードバック制御処理としては、例えば前記偏差を変数成分として有する線形な切換関数の値を０に収束させるように前記操作量を決定するスライディングモード制御の処理が挙げられる。この場合、前記所定のパラメータは、前記切換関数の係数パラメータである（第２発明）。

すなわち、スライディングモード制御の処理では、一般に、制御量と目標値との偏差を変数成分として有する線形な切換関数が定義される。この場合、その切換関数は、その値が０となる状態で制御量が外乱などの影響によらずに目標値に安定に収束するように定義される。このため、スライディングモード制御によれば、切換関数の値を０に収束させることで、極めて安定に制御量を目標値に収束制御することができる。そして、このスライディングモード制御では、切換関数の係数パラメータ（変数成分に係る係数）の値によって、制御量と目標値との偏差の減衰挙動（減衰形態および減衰速度）を指定できる。

従って、第２発明によれば、外乱などの影響に対して制御の安定性が高いスライディングモード制御の処理を前記応答指定型のフィードバック制御処理として使用することで、両ロータ間の位相差の目標値への制御を極めて安定に行なうことができると共に、前記偏差の減衰挙動（減衰形態と減衰速度との両者）を切換関数の係数パラメータの値によって容易に所望の挙動に指定できる。

なお、第１発明における応答指定型のフィードバック制御処理は、スライディングモード制御の処理に限られるものではなく、Ｉ−ＬＱ制御（応答指定型最適制御）の処理なども挙げられる。

前記第１、第２発明では、前記第１ロータの永久磁石と第２ロータの永久磁石との間に作用する磁力に起因して両ロータ間に作用するトルクなど、前記アクチュエータの駆動力以外の要因に起因する種々の外乱トルクが前記両ロータ間に作用する。これらの外乱トルクは、電動機の運転状態の変化に応じて変化する。そして、その外乱トルクの変化が比較的大きなものとなると、前記フィードバック操作量の過大な変動や頻繁な変動を生じて、両ロータ間の位相差の制御の安定性が損なわれる恐れがある。そこで、第１、第２発明では、その外乱トルクの変化の影響をフィードフォワード的に補償することが望ましい。

すなわち、前記アクチュエータの駆動力以外の要因に起因して前記両ロータ間に発生する所定の種類のトルクである外乱トルクに抗する駆動力を前記アクチュエータに発生させるために前記位相差変更駆動手段に与えるべきフィードフォワード操作量である外乱トルク補償操作量を前記電動機の運転状態に応じて決定する外乱トルク補償操作量決定手段を備え、前記位相差制御手段は、前記フィードバック制御処理により決定したフィードバック操作量と前記外乱トルク補償操作量とを合成してなる操作量に応じて前記位相差変更駆動手段を制御することが好ましい（第４発明）。

この第４発明によれば、前記所定の種類の外乱トルクに抗する駆動力を前記アクチュエータに発生させるために前記位相差変更駆動手段に与えるべきフィードフォワード操作量としての外乱トルク補償操作量が前記電動機の運転状態に応じて決定される。そして、この外乱トルク補償操作量と前記フィードバック操作量とを合成してなる操作量に応じて位相差変更駆動手段が制御される。このため、外乱トルクの変化の影響が、外乱トルク補償操作量によって即座に補償され、前記応答指定型のフィードバック制御処理によるフィードバック操作量が過大に変動したり、頻繁に変動するのを防止し、両ロータ間の位相差の制御の安定性を高めることができる。

この第４発明では、より具体的には、例えば、前記外乱トルクは、前記第１ロータの永久磁石と第２ロータの永久磁石との間に作用する磁力（吸引力または反発力）に起因するトルクである磁力トルクを含み、前記外乱トルク補償操作量決定手段は、少なくとも前記実ロータ間位相差データに応じて前記外乱トルク補償操作量を決定する（第５発明）。

すなわち、両ロータ間には、前記磁力トルクが作用するので、両ロータ間の実際の位相差をある目標値に保持するためには、少なくともその磁力トルクに抗する駆動力を前記アクチュエータに発生させる必要がある。そして、この磁力トルクは、両ロータ間の実際の位相差に応じて変化する。そこで、第５発明では、少なくとも前記実ロータ間位相差データに応じて前記外乱トルク補償操作量を決定する。これにより、少なくとも磁力トルクに抗する駆動力を前記アクチュエータに発生させ得る外乱トルク補償操作量を適切にフィードフォワード的に決定できる。この場合、磁力トルクの変化に起因する前記フィードバック操作量の変動分は小さなもので済むため、該フィードバック操作量の過大な変動を抑制できる。

あるいは、前記第４発明では、前記外乱トルクは、前記第２ロータの回転速度の変化に起因して発生する慣性力トルクを含み、前記外乱トルク補償操作量決定手段は、少なくとも前記出力軸の実際の回転加速度または前記第２ロータの実際の回転加速度を表す実回転加速度データに応じて前記外乱トルク補償操作量を決定する（第６発明）。

すなわち、両ロータ間の実際の位相差をある目標値に保持するためには、前記第２ロータを電動機の出力軸および第１ロータと同一の速度で電動機のステータに対して回転させる必要がある。従って、出力軸および第１ロータの回転速度（電動機のステータに対する回転速度）が変化するときには、その変化に追従させて第２ロータの回転速度（電動機のステータに対する回転速度）を変化させる必要がある。そして、この第２ロータの回転速度の変化時には、第２ロータのイナーシャ（より正確には、第２ロータと該第２ロータに対して固定された部材とを合わせたトータルのイナーシャ（慣性モーメント））に応じた慣性力トルクが第２ロータに発生する。この慣性力トルクは、両ロータ間の位相差を一定の目標値に制御している状態では、前記出力軸の回転加速度（＝第１ロータの回転加速度≒第２ロータの回転加速度）にほぼ比例する。また、該慣性力トルクは、両ロータ間の位相差を変化させている過程では、第２ロータの回転加速度（これは出力軸の回転加速度と第１ロータに対する第２ロータの相対的回転加速度との和である）に比例する。そこで、第６発明では、少なくとも前記出力軸の実際の回転加速度または第２ロータの実際の回転加速度を表す実回転加速度データに応じて前記外乱トルク補償操作量を決定する。これにより、少なくとも慣性力トルクに抗する駆動力を前記アクチュエータに発生させ得る外乱トルク補償操作量を適切にフィードフォワード的に決定できる。

なお、前記実回転加速度データとしては、出力軸または第２ロータの回転加速度の検出値または推定値を用いればよい。この場合、出力軸の回転加速度は、例えば、出力軸または第１ロータの回転角度をレゾルバなどのセンサで検出し、その検出角度を２階微分することで求めることができる。また、第２ロータの回転加速度は、例えば、出力軸の回転加速度（検出値または推定値）と、前記実位相差データにより表される両ロータ間の位相差の２階微分値（第１ロータに対する第２ロータの相対回転加速度）とを加え合わせることで求めることができる。また、それらの回転加速度は、加速度センサを使用して検出することも可能である。

あるいは、前記第４発明では、前記外乱トルクは、前記電動機の電機子の通電により発生する界磁と各ロータの永久磁石の界磁との相互作用に起因して両ロータ間に発生するトルクである磁気反力トルクを含み、前記外乱トルク補償操作量決定手段は、少なくとも前記電動機の実際の出力トルクを表す実出力トルクデータに応じて前記外乱トルク補償操作量を決定する（第７発明）。

すなわち、電動機の出力軸にトルクを発生させるために、電機子に通電すると、その通電により該電機子から発生する界磁（回転界磁）と、前記合成界磁との相互作用により第１ロータおよび出力軸を回転させようとするトルクが発生する。そして、そのトルクの反力は、主として電動機のステータに作用するが、その反力の一部は、第１ロータの永久磁石と第２ロータの永久磁石との間の界磁を介して第２ロータに作用する。この第２ロータに作用する反力が前記磁気反力トルクである。すなわち、磁気反力トルクは、電機子の通電により出力軸に発生するトルク（電動機の出力トルク）の反力の一部として第１ロータから第２ロータに作用するトルクを意味する。この磁気反力トルクは、一般に、電動機の出力トルクに応じて変化する。そこで、第７発明では、少なくとも前記電動機の実際の出力トルクを表す実出力トルクデータに応じて前記外乱トルク補償操作量を決定する。これにより、少なくとも磁気反力トルクに抗する駆動力を前記アクチュエータに発生させ得る外乱トルク補償操作量を適切にフィードフォワード的に決定できる。

なお、前記実出力トルクデータとしては、電動機の出力トルクの検出値または推定値を使用すればよい。この場合、出力トルクの推定値は、例えば、電動機の出力トルクの指令値（目標値）にローパス特性のフィルタリング処理を施すことで得ることができる。

前記第５〜第７発明は、それの２つ以上を併用することが好ましく、特に、第５〜第７発明の全てを併用することが好ましい。

より具体的には、前記第４発明において、前記外乱トルクは、前記第１ロータの永久磁石と第２ロータの永久磁石との間に作用する磁力に起因するトルクである磁力トルクと、前記第２ロータの回転速度の変化に起因して発生する慣性力トルクと、前記電動機の電機子の通電により発生する界磁と各ロータの永久磁石の界磁との相互作用に起因して両ロータ間に発生するトルクである磁気反力トルクとを含むと共に、前記外乱トルク補償操作量は、前記磁力トルクと慣性力トルクと磁気反力トルクとにそれぞれ抗する駆動力を前記アクチュエータに発生させるための磁力トルク補償用操作量と慣性力トルク補償用操作量と磁気反力トルク補償用操作量との合成値であり、前記外乱トルク補償操作量決定手段は、前記実ロータ間位相差データに応じて前記磁力トルク補償用操作量を決定する手段と、前記出力軸の実際の回転加速度または前記第２ロータの実際の回転加速度を表す実回転加速度データに応じて前記慣性力トルク補償用操作量を決定する手段と、前記電動機の実際の出力トルクを表す実出力トルクデータに応じて前記磁気反力補償用操作量を決定する手段と、その決定された磁力トルク補償用操作量、慣性力トルク補償用操作量、および磁気反力トルク補償用操作量を合成して前記外力トルク補償操作量を決定する手段とから構成されていることが好適である（第８発明）。

この第８発明によれば、前記磁力トルク、慣性力トルク、および磁気反力トルクにそれぞれ抗する駆動力を前記アクチュエータに発生させ得る操作量として、前記磁力トルク補償操作量、慣性トルク補償操作量、磁気反力トルク補償操作量がそれぞれ適切に決定される。そして、これらのトルク補償操作量を合成することで、前記外力トルク補償操作量を決定するので、磁力トルク、慣性力トルクおよび磁気反力トルクの合成トルクに抗する駆動力を前記アクチュエータに発生させ得る操作量として、前記外乱トルク補償操作量を適切にフィードフォワード的に決定できる。この結果、前記応答指定型のフィードバック制御処理によるフィードバック操作量の過大な変動や頻繁な変動を効果的に防止し、両ロータ間の位相差の制御の安定性を好適に高めることができる。

本発明の一実施形態を図１〜図１７を参照して説明する。

まず、図１および図２を参照して、本実施形態における電動機の機構的な構成を説明する。図１は、本実施形態における電動機の要部の断面図、図２は図１の電動機のドライブプレート１９を外した状態で該電動機の軸心方向で見た図である。

この電動機１は、２重ロータ構造のＤＣブラシレスモータであり、出力軸２、外ロータ３、および内ロータ４とを同軸に備える。外ロータ３および内ロータ４はそれぞれ本発明における第１ロータ、第２ロータに相当する。外ロータ３の外側には、電動機１のハウジング（図示省略）に固定されたステータ５を有し、このステータ５には図示を省略する電機子（３相分の電機子）が装着されている。なお、電動機１は、例えば、ハイブリッド車両や電動自動車の推進力発生源として車両に搭載され、電動機としての動作（力行動作）と、発電機としての動作（回生動作）とが可能とされている。

外ロータ３は環状に形成されており、その周方向にほぼ等間隔で配列された複数の永久磁石６を備える。この永久磁石６は、長尺の方形板状に形成されており、その長手方向を外ロータ３の軸方向に向け、且つ、法線方向を外ロータ３の径方向に向けた状態で、外ロータ３に埋め込まれている。また、外ロータ３には、その軸心と平行な軸心を有する複数のネジ穴７が穿設されている。これらのネジ穴７は、外ロータ３の周方向に等間隔で配列されている。

内ロータ４も環状に形成されている。この内ロータ４は、その外周面を外ロータ３の内周面に摺接させた状態で、外ロータ３の内側に該外ロータ３と同軸に配置されている。なお、内ロータ４の外周面と外ロータ３の内周面との間に若干のクリアランスが設けられていてもよい。さらに、この内ロータ４の軸心部を、該内ロータ４および外ロータ３と同軸に出力軸２が貫通している。この場合、内ロータ４の内径は、出力軸２の外径よりも大きく、出力軸２の外周面と内ロータ４の内周面との間に間隔を有する。

また、内ロータ４は、その周方向にほぼ等間隔で配列された複数の永久磁石８を備える。この永久磁石８は、外ロータ３の永久磁石６と同形状で、外ロータ３の場合と同様の形態で、内ロータ４に埋め込まれている。内ロータ４の永久磁石８の個数は、外ロータ３の永久磁石８の個数と同じである。

ここで、図２を参照して、外ロータ３の永久磁石６のうちの白抜きで示す永久磁石６ａと、点描を付した永久磁石６ｂとは、外ロータ３の径方向における磁極の向きが互いに逆になっている。例えば、永久磁石６ａは、その外側（外ロータ３の外周面側）の面がＮ極、内側（外ロータ３の内周面側）の面がＳ極とされ、永久磁石６ｂは、その外側の面がＳ極、内側の面がＮ極とされている。同様に、内ロータ４の永久磁石８のうちの白抜きで示す永久磁石８ａと、点描を付した永久磁石８ｂとは、内ロータ４の径方向での磁極の向きが互いに逆になっている。例えば、永久磁石８ａは、その外側（内ロータ４の外周面側）の面がＮ極、内側（内ロータ４の内周面側）の面がＳ極とされ、永久磁石８ｂは、その外側の面がＳ極、内側の面がＮ極とされている。

そして、本実施形態では、外ロータ３においては、図２に示す如く、互いに隣り合された永久磁石６ａ，６ａの対と、互いに隣り合わされた永久磁石６ｂ，６ｂの対とが、外ロータ３の周方向に交互に配列されている。同様に、内ロータ４においては、互いに隣り合された永久磁石８ａ，８ａの対と、互いに隣り合わされた永久磁石８ｂ，８ｂの対とが、内ロータ４の周方向に交互に配列されている。

内ロータ４の内側には、出力軸２の外周面との間で、第１部材９と第２部材１０とが設けられている。これらの第１部材９および第２部材１０は、内ロータ４の内側に複数の油圧室２４、２５を形成するものである。

第２部材１０は、環状部１１と、この環状部１１の内周面から該環状部１１の中心部に向かって径方向に突設された複数の突起部１２（以下、第２部材側突起部１２ということがある）とを有する。第２部材１０は、その環状部１１を内ロータ４に同軸に嵌入することにより、該内ロータ４に同軸に固定されている。また、第２部材側突起部１２は、周方向に等間隔で設けられている。

第１部材９は、ベーンロータ状のものであり、その軸部としての環状部１３と、この環状部１３の外周面から径方向に突設された複数の突起部１４（以下、第１部材側突起部１４ということがある）とを有する。第１部材９の環状部１３は、第２部材１０の環状部１１の内側に該環状部１１と同軸に設けられ、その外周面に、第２部材１０の各突起部１２の先端部がシール部材１５を介して摺接されている。また、第１部材９の環状部１３は、出力軸２に外挿されており、その内周面が出力軸２の外周面に形成されたスプライン１６に嵌合されている。このスプライン嵌合により第１部材９が出力軸２と一体に回転可能とされている。

第１部材側突起部１４の個数は、第２部材側突起部１２の個数と同数であり、周方向に等間隔で配列されている。この場合、この各第１部材側突起部１４は、周方向に隣り合う２つの第２部材側突起部１２，１２の間の箇所に介装されている。換言すれば、第１部材９と第２部材１０とは、それらの突起部１４，１２が周方向で交互に並ぶように係合されている。そして、各第１部材側突起部１４の先端部は、シール部材１７を介して第２部材１０の環状部１１の内周面に摺接されている。また、各第１部材側突起部１４には、環状部１３の軸心と平行な軸心を有するネジ穴１８が穿設されている。

図１を参照して、外ロータ３の軸心方向の両端面部には、円板状のドライブプレート１９，１９が該外ロータ３と同軸に装着されている。これらのドライブプレート１９，１９は、それぞれ、その中心部（軸心部）に出力軸２の外径よりも大径の穴２０を有し、この穴２０を出力軸２が同軸に貫通していると共に、該穴２０に第１部材９の環状部１３の各端部が嵌入されている。そして、各ドライブプレート１９は、外ロータ３の各ネジ穴７と、第１部材９の各突起部１４のネジ穴１８とにそれぞれボルト２１により締結されている。これにより、外ロータ３および第１部材９は、一体に回転可能に連結されている。この場合、前記したように第１部材９は、スプライン嵌合により出力軸２と一体に回転可能であるので、外ロータ３も出力軸２と一体に回転可能とされている。

また、ドライブプレート１９，１９は、それらの間に、前記内ロータ４および第２部材１０を支承している。具体的には、ドライブレート１９，１９の互いに相対する面には、それぞれ、同軸に環状溝２２が形成されている。そして、この環状溝２２に前記第２部材１０の環状部１１の各端部が摺動自在に挿入されている。これにより、内ロータ４および第２部材１０は、環状部１１を介してドライブプレート１９，１９に支承されると共に、ドライブプレート１９，１９の環状溝２２に沿って、外ロータ３、第１部材９および出力軸２に対して相対回転可能とされている。

前記第１部材９と第２部材１０とは、内ロータ４を外ロータ３に対して相対的に回転させることにより両ロータ３，４間の位相差を変化させる位相差変更駆動手段２３の構成要素である。この位相差変更駆動手段２３は、前記第１部材９と第２部材１０とによって、第１部材９の環状部１３と、第２部材１０の環状部１１と、ドライブプレート１９，１９とで囲まれた空間内に、図２に示す如く形成された複数対（突起部１２，１４と同数の対）の油圧室２４，２５を有する。さらに詳細には、第２部材１０の環状部１１と第１部材９の環状部１３との間の空間のうち、各第２部材側突起部１２と、該突起部１２の両側（周方向での両側）に存する２つの第１部材側突起部１４，１４との間の空間が、それぞれ、作動油を流入・流出させる油圧室２４，２５となっている。この場合、各第２部材側突起部１２の一方の側の油圧室２４は、出力軸２の内部に設けられた油通路２６に、第１部材９の環状部１３に穿設されている図示しない油通路を介して連通されて、作動油が充填されている。同様に、各第２部材側突起部１２の他方の側の油圧室２５は、出力軸２の内部に油通路２６とは別に設けられた油通路２７に、第１部材９の環状部１３に穿設されている図示しない油通路を介して連通されて、作動油が充填されている。この場合、油圧室２４の油圧は、それを増圧したとき、内ロータ４を外ロータ３に対して図２の時計まわり方向に相対回転させようとする圧力となる。また、油圧室２４の圧力（油圧）は、それを増圧したとき、内ロータ４を外ロータ３に対して図２の反時計まわり方向に相対回転させようとする圧力となる。

また、図１に示す如く、位相差変更駆動手段２３は、出力軸２の油通路２６，２７に、電動機１の外部で四方弁２８を介して接続された油圧ポンプ２９を備えている。四方弁２８は、電磁式の４ポート弁であり、そのソレノイド２８ａの通電量をＰＷＭ制御により制御することで、油圧ポンプ２９から油圧室２４，２５への作動油の供給流量が調整され、それらの油圧室２４，２５の圧力差が制御されるようになっている。この場合、四方弁２８のソレノイド２８ａの通電量のＰＷＭ制御におけるデューティの変化に応じて、油圧室２４，２５の圧力差がほぼリニアに変化するようになっている。

ここで、油圧室２４，２５の圧力差によって、第２部材１０と共に内ロータ４を外ロータ３および第１部材９に対して回転させようとするトルクが発生する。すなわち、油圧室２４の圧力を油圧室２５よりも大きくすることで、それらの圧力差によって、内ロータ４を外ロータ３に対して図２の時計まわり方向に回転させようとするトルクが発生する。逆に油圧室２５の圧力を油圧室２４よりも大きくすることで、それらの圧力差によって、内ロータ４を外ロータ３に対して図２の反時計まわり方向に回転させようとするトルクが発生する。そして、このように発生するトルクは、油圧室２４，２５の圧力差に比例する。従って、本実施形態における位相差変更駆動手段２３は、油圧室２４，２５の圧力差を四方弁２８を介して操作することによって、内ロータ４を外ロータ３に対して回転させる（両ロータ４，５間の位相差を変更させる）トルクを発生する。このように、油圧室２４，２５の圧力差に応じて両ロータ４，５の間に作用するトルクを以降、位相差変更駆動トルクという。

補足すると、前記第１部材９、第２部材１０、および油圧室２４，２５によって、位相差変更駆動手段２３のアクチュエータ（油圧式ロータリーアクチュエータ）が構成される。

以上が、電動機１および位相差変更駆動手段２３の機構的な構成である。

なお、本実施形態では、電動機１の出力軸２と外ロータ３とが一体に回転するように構成したが、出力軸と内ロータとが一体に回転するようにして、これらの出力軸および内ロータに対して外ロータが相対回転し得るように構成してもよい。また、位相差変更駆動手段２３の構成は、上記した構成に限られるものではない。例えば直動シリンダのピストンの直動運動を回転運動に変換する機構を介して内ロータを外ロータに対して相対回転させるようにしてもよい。また、例えば、内ロータを外ロータに対して回転させる駆動力をロータリーアクチュエータなどのアクチュエータから遊星歯車機構を介して内ロータに伝達するように位相差変更駆動手段を構成してもよい。

前記位相差変更駆動手段２３によって、内ロータ４を外ロータ３に対して回転させ、両ロータ３，４間の位相差（以下、ロータ間位相差θdという）を変化させることで、内ロータ４の永久磁石８ａ，８ｂによって発生する界磁と外ロータ３の永久磁石６ａ，６ｂによって発生する界磁とを合成してなる合成界磁の強さ（ステータ５に向かう径方向の磁束の強さ）が変化することとなる。以降、その合成界磁の強さが最大となる状態を界磁最大状態、該合成界磁の強さが最小となる状態を界磁最小状態という。図３（ａ）は界磁最大状態での内ロータ４と外ロータ３との位相関係を示す図であり、図３（ｂ）は界磁最小状態での内ロータ４と外ロータ３との位相関係を示す図である。

図３（ａ）に示す如く、界磁最大状態は、内ロータ４の永久磁石８ａ，８ｂと、外ロータ３の永久磁石６ａ，６ｂとが異極同士を対向させた状態である。より詳しくは、この界磁最大状態では、内ロータ４の永久磁石８ａが外ロータ３の永久磁石６ａに対向すると共に、内ロータ４の永久磁石８ｂが外ロータ３の永久磁石６ｂに対向する。この状態では、径方向において、内ロータ４の永久磁石８ａ，８ｂのそれぞれの磁束Ｑ１の向きと、外ロータ３の永久磁石６ａ，６ｂのそれぞれの磁束Ｑ２の向きとが同一となるため、それらの磁束Ｑ１，Ｑ２の合成磁束Ｑ３の強さ（合成界磁の強さ）が最大となる。

また、図３（ｂ）に示す如く、界磁最小状態は、内ロータ４の永久磁石８ａ，８ｂと、外ロータ３の永久磁石６ａ，６ｂとが同極同士を対向させた状態である。より詳しくは、この界磁最小状態では、内ロータ４の永久磁石８ａが外ロータ３の永久磁石６ｂに対向すると共に、内ロータ４の永久磁石８ｂが外ロータ３の永久磁石６ａに対向する。この状態では、径方向において、内ロータ４の永久磁石８ａ，８ｂのそれぞれの磁束Ｑ１の向きと、外ロータ３の永久磁石６ｂ，６ａのそれぞれの磁束Ｑ２の向きとが逆向きとなるため、それらの磁束Ｑ１，Ｑ２の合成磁束Ｑ３の強さ（合成界磁の強さ）が最小となる。

本実施形態では、前記内ロータ４は、外ロータ３に対して、前記合成界磁が界磁最大状態となる回転位置と、界磁最小状態となる回転位置との間の範囲内で相対回転可能とされている。この場合、本実施形態では、界磁最小状態と最大界磁状態とでは、第１部材側突起部１４と第２部材側突起部１２とが当接し、これにより、内ロータ４の外ロータ３に対する相対回転可能範囲（第２部材１０の第１部材１１に対する相対回転可能範囲）が規制される。その相対回転可能範囲、すなわち、ロータ間位相差θdの変更可能範囲は、電気角で１８０［ｄｅｇ］の範囲である。そして、本実施形態では、前記界磁最大状態におけるロータ間位相差θdを０［ｄｅｇ］、前記界磁最小状態におけるロータ間位相差θdを１８０［ｄｅｇ］と定義する。ただし、最大界磁状態におけるロータ間位相差θdを０［ｄｅｇ］と定義する必要はなく、ロータ間位相差θdの零点やスケールは、任意に設定してよい。

図４は、前記界磁最大状態と界磁最小状態とにおいて、電動機１の出力軸２を所定回転速度で作動させた場合に、ステータ５の電機子に誘起される誘起電圧を比較したグラフである。このグラフの縦軸と横軸とは、それぞれ、誘起電圧［Ｖ］、電気角での出力軸２の回転角度［度］である。参照符号ａを付したグラフが、界磁最大状態（ロータ間位相差θd＝０［ｄｅｇ］の状態）でのグラフであり、参照符号ｂを付したグラフが、界磁最小状態（ロータ間位相差θd＝１８０［ｄｅｇ］の状態）でのグラフである。図４から判るように、ロータ間位相差θdを０［ｄｅｇ］と１８０［ｄｅｇ］との間で変化させることで、誘起電圧のレベル（振幅レベル）を変化させることができる。なお、ロータ間位相差θdを０［ｄｅｇ］と１８０［ｄｅｇ］まで増加させていくと、合成界磁の強さが減少していき、これに伴い、誘起電圧のレベルが減少していく。

このようにロータ間位相差θdを変化させて、合成界磁の強さ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。なお、誘起電圧定数Ｋｅは、電動機１の出力軸２の角速度と、この角速度に応じて電機子に生じる誘起電圧（実効値）との関係を規定する比例定数である。誘起電圧定数Ｋｅの値は、後述する如く、ロータ間位相差θdを０［ｄｅｇ］から１８０［ｄｅｇ］まで増加させていくに伴い、小さくなる。

次に、図５〜図１７を参照して、本実施形態における電動機１の制御装置５０を説明する。図５は、電動機１の制御装置５０（以下、単に制御装置５０という）の機能的構成を示すブロック図である。なお、図５では、電動機１を模式化して記載し、前記第１部材９および第２部材１０から構成される機構（すなわち、位相差変更駆動手段２３のアクチュエータ）を「位相可変機構」と表現している。

図５を参照して、本実施形態の制御装置５０は、基本的には、いわゆるｄ−ｑベクトル制御により電動機１の電機子の通電を制御する。すなわち、制御装置５０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軸とする２相直流の回転座標系であるｄ−ｑ座標系での等価回路に変換して取り扱う。その等価回路は、ｄ軸上の電機子（以下、ｄ軸電機子という）と、ｑ軸上の電機子（以下、ｑ軸電機子という）とを有する。ｄ−ｑ座標系は、電動機１の出力軸２に対して固定された座標系である。そして、制御装置５０は、外部から与えられるトルク指令値Ｔr_c（電動機１の出力軸２に発生させるトルクの指令値）に応じたトルクを電動機１の出力軸２に発生させるように電動機１の電機子（３相分の電機子）の通電電流を制御する。また、制御装置５０は、この通電制御と並行して、電動機１のロータ間位相差θdを前記位相差変更駆動手段２３を介して目標値に制御する。

これらの制御を行なうために、本実施形態では、電動機１の状態量を検出する検出手段として、電動機１の電機子の３相のうちの２つの相、例えばＵ相およびＷ相のそれぞれの電流を検出する電流センサ４１，４２（電流検出手段）と、電動機１の出力軸２または外ロータ３の回転角度θm（電動機１のステータ５に対して固定された座標系での回転角度）を検出する回転角度検出用センサとしてのレゾルバ４３と、ロータ間位相差θd（出力軸２または外ロータ３に対して固定された座標系での内ロータ４の回転角度）を検出する位相差検出器４４とが備えられている。なお、内ロータ４の回転角度（電動機１のステータ５に対して固定された座標系での回転角度）をレゾルバなどにより検出し、その内ロータ４の回転角度の検出値と、外ロータ３の回転角度（本実施形態では、これは出力軸２の回転角度と同一である）の検出値とからロータ間位相差θdを検出するようにしてもよい。

補足すると、位相差検出器４４は、本発明における実位相差データ出力手段に相当し、該位相差検出器４４から出力されるロータ間位相差θdの検出値θd_sが実位相差データに相当する。

制御装置５０は、ＣＰＵ、メモリ等により構成される電子ユニットであり、その制御処理が所定の演算処理周期で逐次実行される。以下に、制御装置５０の機能的な手段を具体的に説明する。

制御装置５０は、レゾルバ４３で検出された回転角度θmを微分することで、電動機１の出力軸２の回転速度Ｎm（＝外ロータ３の回転速度）を求める回転速度算出部５１と、電動機１の各相の電機子の通電電流をインバータ回路（図示省略）を介して制御する通電制御部５２とを備える。

通電制御部５２は、前記電流センサ４１，４２の出力信号から不要成分を除去することで、電動機１の電機子のＵ相、Ｗ相のそれぞれの電流検出値Ｉｕ，Ｉｗを得るバンドパスフィルタ６１と、該電流検出値Ｉｕ，Ｉｗと前記レゾルバ４３により検出された電動機１の出力軸２の回転角度θm（＝外ロータ３の回転角度）とに基づいて、３相−ｄｑ変換によりｄ軸電機子の電流（以下、ｄ軸電流という）の検出値Ｉd_sおよびｑ軸電機子の電流（以下、ｑ軸電流という）の検出値Ｉq_sを算出する３相−ｄｑ変換部６２とを備える。

補足すると、ｄ−ｑベクトル制御を好適に行なう上では、ｄ軸の向きを前記合成界磁の向きに合わせることが望ましい。そして、その合成界磁の向きは、概ね、外ロータ３の回転角度に応じて定まるものの、ロータ間位相差θdに応じてずれを生じる。従って、３相−ｄｑ変換部６２の処理を行なうときには、レゾルバ４３により検出された回転角度θｍをロータ間位相差θdの検出値θd_sに応じて補正し、その補正後の回転角度を用いて３相−ｄｑ変換を行なうようにしてもよい。

また、通電制御部５２は、ｄ軸電流の指令値であるｄ軸電流指令値Ｉd_cとｑ軸電流の指令値であるｑ軸電流指令値Ｉq_cとを決定する電流指令算出部６３と、ｄ軸電流指令値Ｉd_cを補正するための補正値ΔＩd_volを求める界磁制御部６４と、この補正値ΔＩd_volをｄ軸電流指令値Ｉd_cに加えることでｄ軸電流指令値Ｉd_cを補正してなる補正後ｄ軸電流指令値Ｉd_c'（＝Ｉd_c＋ΔＩd_vol）を求める演算部６５と、補正後ｄ軸電流指令値Ｉd_c'とｄ軸電流の検出値Ｉd_sとの偏差ΔＩd（＝Ｉd_c'−Ｉd_s＝Ｉd_c＋ΔＩd_vol−Ｉd_s。以下、ｄ軸電流偏差ΔＩdという）を求める演算部６６と、ｑ軸電流指令値Ｉq_cとｑ軸電流の検出値Ｉq_sとの偏差ΔＩｑ（Ｉq_c−Ｉq_s。以下、ｑ軸電流偏差ΔＩqという）を求める演算部６７とを備える。

ここで、電流指令算出部６３には、制御装置５０に外部から与えられるトルク指令値Ｔr_cと、前記回転速度算出部５１で求められた回転速度Ｎmと、後述するＫe推定部５３で求められた電動機１の実際の誘起電圧定数Ｋeの推定値Ｋe_s（以下、誘起電圧定数推定値Ｋe_sという）とが入力される。そして、電流指令算出部６３は、これらの入力値から、あらかじめ設定されたマップに基づいて、前記ｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cを決定する。このｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cは、トルク指令値Ｔr_cのトルクを電動機１に出力軸２に発生させるためのｄ軸電流およびｑ軸電流のフィードフォワード指令値としての意味を持つ。

なお、トルク指令値Ｔr_cは、例えば電動機１を推進力発生源として搭載した車両（ハイブリッド車両や電動車両）のアクセル操作量（アクセルペダルの踏み込み量）や走行速度に応じて決定される。また、トルク指令値Ｔr_cには、力行トルクの指令値と回生トルクの指令値とがあり、本実施形態では、力行トルクのトルク指令値Ｔr_cを正の値、回生トルクのトルク指令値Ｔr_cを負の値とする。

また、前記界磁制御部６４で決定される補正値ΔＩd_volは、ｄ軸電機子の電圧とｑ軸電機子の電圧との合成ベクトルの大きさが電動機１の電源電圧Ｖdc（より詳しくは、インバータ回路の印加電圧）を超えないようにするためのｄ軸電流の操作量（フィードバック操作量）を意味する。この補正値ΔＩd_volを決定するために、界磁制御部６４には、後述する電流フィードバック制御部６８で決定されたｄ軸電圧指令値Ｖd_cおよびｑ軸電圧指令値Ｖq_c（前回の演算処理周期で決定された値）と、電源電圧Ｖdcの値とが逐次入力される。そして、界磁制御部６４は、入力されたＶd_cおよびＶd_qの合成ベクトルの大きさ（＝√（Ｖd_c²＋Ｖd_q²））と、電源電圧Ｖdcに応じて決定した目標電圧との偏差に応じて、この偏差を０に近づけるようにフィードバック制御則により、補正値ΔＩd_volを決定する。

通電制御部５２はさらに、前記演算部６６，６７でそれぞれ求められたｄ軸電流偏差ΔＩｄおよびｑ軸電流偏差ΔＩｑに応じて、ｄ軸電機子の電圧指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖd_cと、ｑ軸電機子の電圧指令値であるｑ軸電圧指令値Ｖq_cとを決定する電流フィードバック制御部６８を備える。この電流フィードバック制御部６８は、ｄ軸電流偏差ΔＩdに応じて、該偏差ΔＩdを０に近づけるようにＰＩ制御則などのフィードバック制御則によりｄ軸電圧指令値Ｖd_cを決定する。同様に、電流フィードバック制御部６８は、ｑ軸電流偏差ΔＩqに応じて、該偏差ΔＩqを０に近づけるようにＰＩ制御則などのフィードバック制御則によりｑ軸電圧指令値Ｖq_cを決定する。

なお、ｄ軸電圧指令値Ｖd_cとｑ軸電圧指令値Ｖq_cとを決定するとき、ｄ軸電流偏差ΔＩｄ、ｑ軸電流偏差ΔＩｑからフィードバック制御則によりそれぞれ求められるｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値に、ｄ軸とｑ軸との間で干渉し合う速度起電力の影響を打ち消すための非干渉成分を付加することで、ｄ軸電圧指令値Ｖd_cとｑ軸電圧指令値Ｖq_cを求めることが好ましい。

さらに、通電制御部５２は、電流フィードバック制御部６８で決定したｄ軸電圧指令値Ｖd_cとｑ軸電圧指令値Ｖq_cとを成分とするベクトルを、その大きさＶ１の成分と、角度θの成分とに変換するｒθ変換部６９と、その大きさＶ１および角度θの成分を３相の交流電圧に変換し、その各相の交流電圧に応じて電動機１の各相の電機子にＰＷＭ制御によりインバータ回路（図示省略）を介して通電するＰＷＭ演算部７０とを備える。この場合、ＰＷＭ演算部７０は、インバータ回路の各スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦを制御することで、各相の電機子に通電する。なお、図５では図示を省略しているが、ＰＷＭ演算部７０には、上記Ｖ1、θ1を電動機１の各相の電機子の交流電圧に変換するために、前記レゾルバ４３で検出された出力軸２の回転角度θm（＝外ロータ３の回転角度）が入力される。この場合、３相−ｄｑ変換部６２の処理の場合と同様に、回転角度θmの検出値を位相差検出器４４によるロータ間位相差θdの検出値θd_sに応じて補正してもよい。

以上説明した通電制御部５２の機能によって、ｄ軸電圧とｑ軸電圧との合成電圧が、電源電圧Ｖdcを超えないようにしつつ、電動機１の出力軸２に発生するトルク（電動機１の出力トルク）をトルク指令値Ｔcに従わせるように（ΔＩd，ΔＩqが０に収束するように）、電動機１の各相の電機子の通電電流が制御される。

制御装置５０は、前記回転角度算出部５１および通電制御部５２のほか、位相差検出器４４によるロータ間位相差θdの検出値θd_sに応じて前記誘起電圧定数推定値Ｋe_sを求めるＫe推定部５３と、ロータ間位相差θdの指令値（目標値）である位相差指令値θd_cを逐次決定する位相差指令算出部５４と、前記位相差変更駆動手段２３に対する制御指令（操作量）を逐次決定する位相差制御部５５とを備える。

ここで、電動機１の誘起電圧定数Ｋeは、前記したようにロータ間位相差θdに応じて変化し、該ロータ間位相差θdとの間には概ね一定の相関関係がある。図６はその相関関係を示すグラフである。図示の如く、誘起電圧定数Ｋeは、ロータ間位相差θdの増加に伴い（前記合成界磁の強さが低下するに伴い）、単調に減少する。

そこで、本実施形態では、図６のグラフで示す相関関係をあらかじめテーブル化しておき、そのデータテーブルをあらかじめ図示しないメモリに記憶保持している。そして、前記Ｋe推定部５３は、位相差検出器４４から入力されるロータ間位相差θdの検出値θd_sから、図６のグラフで示すデータテーブルに基づいて、誘起電圧定数推定値Ｋe_sを逐次求める。このように求められた誘起電圧定数推定値Ｋe_sが、前記ｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cを決定するために、前記電流指令算出部６３に逐次入力される。

前記位相差指令算出部５４には、前記トルク指令値Ｔr_cと、電動機１の電源電圧Ｖdcの値と、前記回転速度算出部５１で求められた回転速度Ｎmとが逐次入力される。そして、位相差指令算出部５４は、これらの入力値Ｔr_c，Ｎm，Ｖdcからあらかじめ設定されたマップに従って、位相差指令値θd_cを逐次決定する。

この場合、上記マップは、例えば、該マップにより決定される位相差指令値θdに従ってロータ間位相差θdを制御したとき、トルク指令値Ｔr_cと回転速度Ｎmと電源電圧Ｖdcとの組に対して、電動機１のｄ軸電圧とｑ軸電圧との合成電圧（ベクトル和）の大きさが電源電圧Ｖdcを超えないようにしつつ、電動機１のエネルギー効率（入力エネルギーに対する出力エネルギーの割合）をできるだけ高めることができるような合成界磁が発生するように設定されている。

ここで、一般的には、前記合成界磁の強さを小さくするほど（換言すれば、ロータ間位相差θdを大きくするほど、あるいは、誘起電圧定数Ｋeを小さくするほど）、電動機１の出力軸２をより高速域で回転させることが可能となると共に、電動機１のエネルギー効率が高効率となる領域を高速回転側にずらすことができる。また、前記合成界磁の強さを大きくするほど（換言すれば、ロータ間位相差θdを小さくするほど、あるいは、誘起電圧定数Ｋeを大きくするほど）、電動機１の出力トルクを大きくすることができる。従って、位相差指令値θd_cは、上記のようなロータ間位相差θdに対する電動機１の特性と、電動機１の要求される運転形態とを考慮して設定すればよく、種々様々な設定の仕方が可能である。

本実施形態では、位相差指令算出部５４では、回転速度Ｎmと電源電圧Ｖdcとを一定としたとき、位相差指令値θd_cは、基本的には、トルク指令値Ｔr_cの絶対値｜Ｔr_c｜が大きくなるほど、θd_cの値が小さくなるように（換言すれば、前記合成界磁の強さ、あるいは誘起電圧定数Ｋeを大きくするように）設定される。

また、トルク指令値Ｔr_cと電源電圧Ｖdcとを一定としたとき、位相差指令値θd_cは、基本的には、回転速度Ｎmが高速となる領域で、該回転速度Ｎmが大きくなるほど、θd_cの値が大きくなるように（換言すれば、前記合成界磁の強さ、あるいは、誘起電圧定数Ｋeを小さくするように）設定される。また、トルク指令値Ｔr_cと回転速度Ｎmとを一定としたとき、位相差指令値θd_cは、基本的には、電源電圧Ｖdcが小さくなるほど、位相差指令値θd_cの値が大きくなるように設定される。

補足すると、位相差指令値θd_cを設定するとき、電動機１の過熱防止などの要求を考慮して設定してもよい。

なお、位相差指令算出部５４は、本発明における目標位相差データ決定手段に相当し、該位相差指令算出部５４で決定される位相差指令値θd_cが目標位相差データに相当する。

前記位相差制御部５５は、本発明における位相差制御手段に相当するものである。この位相差制御部５５には、位相差指令算出部５４で決定された位相差指令値θd_cと、前記位相差検出器４４によるロータ間位相差θdの検出値θd_sと、前記トルク指令値Ｔr_cと、前記回転速度算出部５１で求められた回転速度Ｎmとが入力される。そして、位相差制御部５５は、これらの入力値を基に、前記位相差変更駆動手段２３に対する制御指令（操作量）を決定する。その制御指令は、位相差変更駆動手段２３によって、外ロータ３に対して内ロータ４に付与する前記位相差変更駆動トルクの値（要求値）を規定する操作量（制御入力）である。本実施形態では、位相差変更駆動トルクは、前記したように、位相差変更駆動手段２３の四方弁２８のソレノイド２８ａの通電量によって規定され、その通電量は、ＰＷＭ制御により制御される。そこで、本実施形態では、位相差制御部５５は、四方弁２８のソレノイド２８ａの通電量のＰＷＭ制御におけるデューティ指令値Ｄt_cを位相差変更駆動手段２３を制御するための操作量（制御入力）として逐次決定する。そして、位相差制御部５５は、このデューティ指令値Ｄt_cを位相差変更駆動手段２３に出力する。

この場合、位相差制御部５５は、位相差変更駆動手段２３により発生する位相差変更駆動トルク以外に、両ロータ３，４間で発生するトルク（外乱トルク）の影響を補償しつつ、ロータ間位相差θdの検出値θd_sを位相差指令値θd_cに一致させるようにデューティ指令値Ｄt_cを決定する。このディーティ指令値Ｄt_cは、本実施形態では、応答指定型のフィードバック制御処理としてのスライディングモード制御の処理により決定される第１指令値成分Ｄt_c1と、外乱トルクの影響を補償するための第２指令値成分Ｄt_c2との合成値である。

補足すると、前記第１指令値成分Ｄt_c1は本発明におけるフィードバック操作量に相当し、第２指令値成分Ｄt_c2は本発明における外乱トルク補償操作量に相当する。

図７は、位相差制御部５５の処理機能を示すブロック図である。図示の如く、位相差制御部５５は、その機能を大別すると、応答指定型のフィードバック制御としてのスライディングモード制御の処理により上記第１指令値成分Ｄt_c1を求めるスライディングモード制御部８０と、外乱トルクの影響を補償するための上記第２成分指令値Ｄt_c2を求める外乱トルク補償部８１と、これらの指令値成分Ｄt_c1，Ｄt_c2を合成する（加え合わせる）ことで、デューティ指令値Ｄt_cを求める演算部８２とから構成される。

なお、外乱トルク補償部８１は、本発明における外乱トルク補償操作量決定手段に相当する。

前記スライディングモード制御部８０には、位相差指令値θd_cと、ロータ間位相差θdの検出値θd_s（以下、単にロータ間位相差検出値θd_sという）と、位相差制御部５５が既に決定したディーティ指令値Ｄt_c（過去値）とが入力される。そして、スライディングモード制御部８０は、これらの入力値を基に、第１指令値成分Ｄt_c1を逐次決定する。

スライディングモード制御では、一般に、制御対象の制御量と目標値との偏差を制御すべき状態量とし、この状態量を変数成分として有する線形な切換関数があらかじめ定義される。そして、この切換関数の値を０に収束させるように、制御入力（操作量）を決定する。

本実施形態では、ロータ間位相差検出値θd_sと、位相差指令値θd_cとの偏差ｅ（＝θd_s−θd_c）の時系列を変数成分とする切換関数σを定義する。具体的には、次式（１）により、スライディングモード制御用の切換関数σが定義される。

σ(k)＝ｅ(k)＋Ｓ・ｅ(k-1) ……（１）
ただし、ｅ(k)＝θd_s(k)−θd_c(k-1)

なお、「ｋ」は、制御装置５０の演算処理周期の番数（量子化時刻）を意味する。また、「Ｓ」は偏差ｅの減衰挙動を規定する係数パラメータである。また、θd_c(k-1)は、時刻ｋの演算処理周期で観測されるロータ間位相差検出値θd_s(k)の目標値として、時刻ｋ−１の演算処理周期で決定された位相差指令値を意味する。

スライディングモード制御部８０のスライディングモード制御の処理では、それを概略的に説明すると、上記の如く定義された切換関数σの値を０に収束させ、さらには、０に維持するように制御入力（操作量）としての第１指令値成分Ｄt_c1が決定される。図８は、ｅ(k)を縦軸、ｅ(k-1)を横軸とする座標平面上において、偏差ｅがスライディングモード制御によって０に収束していく様子を概念的に示している。図示の如く、今現在のｅ(k)、ｅ(k-1)の値の組が、点Ｐで表されるとすると、ｅ(k)、ｅ(k-1)の値の組は、図中の矢印で示す如く、σ＝０により表される直線（これは一般に切換直線あるいはスライディングラインなどと言われる）上に収束し、さらに、該切換直線σ＝０上を滑るようにして、ｅ(k)＝ｅ(k-1)＝０となる原点に収束する。

ここで、σ＝０となる状態では、前記式（１）により、ｅ(k)＝−Ｓ・ｅ(k-1)となる。この系は、係数パラメータＳの値が０＜｜Ｓ｜＜１となる値であれば、入力のない安定系となる。特に、−１＜Ｓ＜０となるように係数パラメータＳの値を設定しておけば、偏差ｅは、振動的な挙動を示すことなく、一次遅れの挙動で０に収束する。従って、切換関数σの係数パラメータＳの値を−１＜Ｓ＜０の範囲内の値に設定しておけば、切換関数σの値を０に収束させることによって、結果的に偏差ｅを、外乱などの影響を受けることなく、高いロバスト性で０に収束させることができる。そこで、本実施形態では、係数パラメータＳの値は、−１＜Ｓ＜０となるような値に設定される。この場合、本実施形態では、Ｓの値は、−１＜Ｓ＜０の範囲内で可変的に設定されるが、これについては後述する。

スライディングモード制御部８０による処理では、上記のように定義された切換関数σを用い、各演算処理周期における前記第１指令値成分Ｄt_c1(k)が例えば次式（２）により逐次決定される。

この式（２）の右辺の第１項は偏差ｅ(k)、ｅ(k-1)の組を切換直線σ＝０に拘束するための制御入力としての等価制御入力項、第２項は切換関数σの値を０に収束させるための制御入力としての到達則項、第３項は切換関数σを０に収束させるに際しての外乱やモデル化誤差（後述するモデルの誤差）の影響を補償するための制御入力としての適応則項である。なお、Ｋrch、Ｋadpは、それぞれ到達則項、適応則項のゲインであり、それらの値としては、あらかじめ設定された値（固定値）が用いられる。

式（２）に示すように、到達則項は、切換関数σの値に比例させた値である。また、適応則項は、初期時刻から現在時刻ｋまでの切換関数σの値の累積加算値（これはσの積分値を意味する）に比例させた値である。従って、本実施形態では、ＰＩ則によりσの値を０に収束させる。

また、等価制御入力項Ｄt_eq(k)は、ロータ間位相差θdと前記デューティ指令値Ｄt_cとの関係を表すモデルに基づいて構築された演算式により決定される。

本実施形態では、そのモデルとして、次式（３）により記述される自己回帰モデルを用いている。

θd(k+1)＝ａ1・θd(k)＋ａ2・θ(k-1)＋ｂ1・Ｄt_c(k)＋ｂ2・Ｄt_c(k-1）
……（３）

このモデルでは、現在時刻ｋの次の演算処理周期の時刻ｋ＋１におけるロータ間位相差θd(k+1)が、ロータ間位相差θdの現在値θd(k)および過去値θd(k-1)と、ディーティ指令値Ｄt_cの現在値Ｄt_c(k)および過去値Ｄt_c(k-1)との線形結合により表される。そして、式（３）の右辺の各項の係数ａ1，ａ2，ｂ1，ｂ2（モデルパラメータ）の値は、あらかじめ実験やシミュレーションに基づき同定される。

前記等価制御入力項Ｄt_eqは、式（３）により表されるモデルにおいて、σ(k+1)＝σ(k)を満たすようなＤt_c(k)の値として与えられる。従って、等価制御入力項Ｄt_eqは、前記式（１）、（３）とσ(k+1)＝σ(k)という条件とから、次式（４）により与えられる。

Ｄt_eq(k)＝（１／ｂ1）・{ (１−ａ1−Ｓ）・θd_s(k)＋（Ｓ−ａ2）・θd_s(k-1)
−ｂ2・Ｄt_eq(k-1)−Ｓ・θd_c(k-2)
＋（Ｓ−１）・θd_c(k-1)＋θd_c(k) }
……（４）

従って、本実施形態では、スライディングモード制御部８０は、入力されたロータ間位相差検出値θd_sと、位相差指令値θd_cとから、それらの偏差ｅおよび切換関数σの値が、前記式（１）に従って逐次求められ、その切換関数σの値を用いて前記式（２）の右辺の到達則項および適応則項の値が求められる。なお、この場合、切換関数σの値を求めるために必要な前記係数パラメータＳの値とし、制御装置５０の各演算処理周期において後述するように設定した値が使用される。

さらに、スライディングモード制御部８０は、入力されたロータ間位相差検出値θd_sの時系列θd_s(k)，θd_s(k-1)（現在値および過去値）と、位相差指令値θd_cの時系列θd_c(k-2)，θd_c(k-1)，θd_c(k)（現在値および過去値）と、デューティ指令値Ｄt_eq(k-1)（過去値）とから、前記式（４）の右辺の演算により、等価制御入力項Ｄt_eqを求める。なお、この場合、式（４）の右辺の演算に必要なａ1，ａ2，ｂ1，ｂ2の値としては、前記式（３）のモデルに対してあらかじめ同定された値が用いられる。また、Ｓの値は、制御装置５０の各演算処理周期において後述するように設定した値が使用される。

そして、スライディングモード制御部８０は、上記のように求めた等価制御入力項と、到達則項と、適応則項とを前記式（２）の通り、加え合わせることにより、各演算処理周期における前記第１指令値成分Ｄt_c1(k)を決定する。

このようにしてスライディングモード制御部８０により第１指令値成分Ｄt_c1を逐次決定することにより、該第１指令値成分Ｄt_c1は、切換関数σの値を０に収束させ、ひいては、前記偏差ｅを０に収束させる（ロータ間位相差検出値θd_sを位相差指令値θd_cに収束させる）ように決定される。なお、このように決定される第１指令値成分Ｄt_c1は、デューティ指令値Ｄt_cのフィードバック操作量の成分を意味する。

ところで、本実施形態では、前記切換関数σの係数パラメータＳの値は、前記したように−１＜Ｓ＜０の範囲内の値に設定される。この場合、切換関数σの値が０に収束した状態では、ｅ(k)＝−Ｓ・ｅ(k-1)となるので、係数パラメータＳの値によって、偏差ｅの減衰挙動における減衰速度を指定できる。図９のグラフｃ，ｄは、それぞれＳの値を例えば−０．８、−０．５に設定した場合における偏差ｅの時間的変化を示すグラフである。これらのグラフｃ，ｄに示されるように、Ｓの絶対値が小さい方が、偏差ｅの減衰速度が速くなる（偏差ｅがより早く０に収束する）。

一方、実際のロータ間位相差θdを位相差指令値θdに制御する上では、基本的には、その制御の応答性が速いことが望ましい。ただし、内ロータ４の外ロータ３に対する相対回転可能範囲（ロータ間位相差θdの変更可能範囲）の境界付近では、ロータ間位相差θdの制御の応答性が速すぎると、内ロータ４と一体に回転する部材がストッパに急激に衝突し（具体的には、前記第２部材側突起部１２が第１部材側突起部１４に衝突する）、その衝突する部材の損傷や、実際のロータ間位相差θdの過渡的な振動を生じる恐れがある。そして、実際のロータ間位相差θdの振動は、電動機１の出力トルクの振動の原因となる。

そこで、本実施形態では、スライディングモード制御部８０は、ロータ間位相差検出値θd_sに応じて、前記切換関数σの係数パラメータＳの値を−１＜Ｓ＜０の範囲内で可変的に設定する。この場合、特に、ロータ間位相差検出値θd_sがロータ間位相差θdの変更可能範囲の境界近傍の所定範囲内にあるときには、θd_sが該所定範囲外にあるときよりも、前記偏差ｅの減衰速度が遅くなるように、係数パラメータＳの値を設定する。

具体的には、Ｓの値は、図１０のグラフで示すようにθd_sに応じて設定される。図１０はその設定例を示すグラフである。図示の如く、ロータ間位相差θdの変更可能範囲［０ｄｅｇ，１８０ｄｅｇ］の下限側の境界値０［ｄｅｇ］よりも若干大きい下限側閾値θd_thminと、上限側の境界値１８０［ｄｅｇ］よりも若干小さい上限側閾値θd_thmaxとがあらかじめ設定されている。そして、ロータ間位相差検出値θd_sがθd_thmin＜θd_s＜θd_thmaxであるときには、係数パラメータＳの値は、ロータ間位相差θdの制御の十分な応答性が得られるような一定値とされ、例えば−０．５に設定される。また、θd_s≦θd_thminである場合と、θd_s≧θd_thmaxである場合とでは、係数パラメータＳの値は、θd_thmin＜θd_s＜θd_thmaxである場合よりも絶対値の大きい値に設定される。この場合、θd_s≦θd_thminである場合には、Ｓの値は、例えば−０．８に設定され、θd_s≧θd_thmaxである場合には、Ｓの値は、例えば−０．７に設定される。

なお、θd_s≧θd_thmaxである場合に、θd_s≦θd_thminである場合よりもＳの絶対値を若干小さくするのは、次の理由による。すなわち、ロータ間位相差θdが比較的大きい場合（１８０［ｄｅｇ］に近い場合）には、外ロータ３の永久磁石６と、内ロータ４の永久磁石８との間に作用する磁力（吸引力または反発力）に起因するトルク（後述する磁力トルク）によって、ロータ間位相差θdが減少方向に変化しやすい。そこで、本実施形態では、θd_s≧θd_thmaxである場合に、θd_s≦θd_thminである場合よりもロータ間位相差θdの制御の応答性を高めるために、係数パラメータＳの絶対値を小さめに設定した。

図１１は、上記のようにスライディングモード制御部８０により係数パラメータＳの値を設定する処理を示すフローチャートである。

同図示の如く、スライディングモード制御部８０は、まず、ロータ間位相差検出値θd_sを前記位相差検出器４４から取得する（ＳＴＥＰ１）。次いで、スライディングモード制御部８０は、θd_s≦θd_thminであるか否かを判断する（ＳＴＥＰ２）。この判断結果が、肯定的であるときには、スライディングモード制御部８０は、係数パラメータＳの値を−０．８に設定する（ＳＴＥＰ３）。

また、ＳＴＥＰ２の判断結果が否定的である場合には、スライディングモード制御部８０は、θd_s≧θd_thmaxであるか否かを判断する（ＳＴＥＰ４）。そして、この判断結果が肯定的である場合には、スライディングモード制御部８０は、係数パラメータＳの値を−０．７に設定する（ＳＴＥＰ５）。

また、ＳＴＥＰ４の判断結果が否定的である場合、すなわち、θd_thmin＜θd_s＜θd_thmaxである場合には、スライディングモード制御部８０は、係数パラメータＳの値を−０．５に設定する（ＳＴＥＰ６）。

本実施形態では、制御装置５０の各演算処理周期において、スライディングモード制御部８０は、上記の如く切換関数σの係数のパラメータＳの値をロータ間位相差検出値θd_sに応じて可変的に設定する。そして、スライディングモード制御部８０は、このように設定したＳの値を用いて、前述の通り、前記式（２）の等価制御入力項、到達則項、および適応則項を求め、それらを加え合わせることにより第１指令値成分Ｄt_c1(k)を求める。この場合、応答指定型の制御としてのスライディングモード制御の処理により第１指令値成分Ｄt_c1(k)を求めるので、前記偏差ｅを高いロバスト性を有する好適な減衰挙動（振動を生じない減衰挙動）で円滑に０に収束させるように第１指令値成分Ｄt_c1を決定できる。また、特に、実際のロータ間位相差θdが、変更可能範囲の境界に近い状況では、係数パラメータＳの絶対値が通常よりも大きめの値に設定されるので、偏差ｅの減衰速度を遅めにすることができる。すなわち、ロータ間位相差θdの位相差指令値θd_cへの収束を緩やかに行なうことができる。その結果、内ロータ４と一体に回転する部材がストッパに急激に衝突する（前記第２部材側突起部１２が第１部材側突起部１４に急激に衝突する）のを防止し、その衝突に伴う部材の損傷や、実際のロータ間位相差θdの過渡的な振動の発生を防止することができる。

なお、図１０のグラフで示すようなロータ間位相差θdと係数パラメータＳの設定値との関係をテーブル化しておき、そのデータテーブルに基づいてロータ間位相差検出値θd_sから係数パラメータＳの値を決定するようにしてもよい。また、第１指令値成分Ｄt_c1を算出するために使用する係数パラメータＳの値が不連続的に変化するのを防止するために、例えば、前記図１１のフローチャートの処理で設定したＳの値を目標値とし、この目標値に徐々に追従させた値（例えば一次遅れで追従する値）を第１指令値成分Ｄt_c1を算出するための係数パラメータＳの値として使用するようにしてもよい。

以上が、本実施形態におけるスライディングモード制御部８０の処理の詳細である。

なお、本実施形態では、スライディングモード制御用の切換関数σを偏差ｅの時系列を変数成分として構成したが、例えば偏差ｅと、この微分値de/dtとの線形結合したものとを切換関数として用いてもよい。また、本実施形態では、切換関数σの偏差ｅ(k)に係る係数を「１」にしたが、その係数は「１」でなくてもよい。その場合には、偏差ｅ(k)に係る係数と、偏差ｅ(k-1)に係る係数との比の値が、偏差ｅの減衰速度などの減衰挙動を規定するものとなる。また、本実施形態では、前記式（２）により、偏差ｅを０に収束させるための制御入力（操作量）としての第１指令値成分Ｄt_c1を求めるようにしたが、スライディングモード制御の処理による第１指令値成分Ｄt_c1の決定手法は、これに限られるものではない。例えば、式（２）の右辺の等価制御入力項もしくは適応則項を省略してもよい。

次に、前記外乱トルク補償部８１の処理を説明する。前記位相差変更駆動手段２３による前記位相差変更駆動トルク以外に外ロータ３と内ロータ４の間に作用するトルクである外乱トルクとして、主に、次の３種類の外乱トルクがある。

（１）外ロータ３の永久磁石６と、内ロータ４の永久磁石８との間に作用する磁力（吸引力または反発力）に起因するトルク（以下、磁力トルクという）。

（２）内ロータ４の回転速度（ステータ５に対して固定された座標系での回転速度）の変化に起因する慣性力トルク（内ロータ４の回転加速度に応じて発生する慣性力トルク）。

（３）電機子の通電によって発生する界磁（回転界磁）と各ロータ３，４の永久磁石６，７の界磁との相互作用に起因するトルク。より詳しくは、電機子の通電によって発生する回転界磁と前記合成界磁との相互作用によって外ロータ３および出力軸２に発生するトルクの反力の一部として（当該反力の残部はステータ５に作用する）、外ロータ３から磁気的に内ロータ４に作用するトルク（以下、磁気反力トルクという）。

実際のロータ間位相差θdを位相差指令値θdに安定に制御するためには、これらの外乱トルクに抗し得る位相差変更駆動トルクを位相差変更駆動手段２３から内ロータ４に付与する必要がある。この場合、これらの外乱トルクは、電動機１の運転状態に応じて変化する。具体的には、前記磁力トルクは、ロータ間位相差θdに応じて変化する。図１２は、ロータ間位相差θdに応じた磁力トルクの変化の様子を示すグラフである。図示の如く、磁力トルクは、ロータ間位相差θdが０［ｄｅｇ］、１８０［ｄｅｇ］であるときには、０となるとなると共に、ロータ間位相差θdが０［ｄｅｇ］と１８０［ｄｅｇ］との中間的な値θdxであるときに（前記合成界磁の強さが前記最大界磁状態と最小界磁状態との中間的な強さであるときに）、ピーク値（極大値）を持つような特性（凸特性）で、ロータ間位相差θdに応じて変化する。

また、前記慣性力トルクは、一般的には、内ロータ４の回転加速度（ステータ５に対して固定された座標系で見た回転加速度（角加速度））に比例して変化する。また、特に、ロータ間位相差θdをある一定の位相差指令値θd_cに制御している状態では、慣性力トルクは、出力軸２および外ロータ３の回転加速度（角加速度）に比例して変化する。

また、前記磁気反力トルクは、図１３のグラフで示すように、概ね、電動機１の出力トルクに比例して変化する。

本実施形態では、前記外乱トルク補償部８１は、これらの磁力トルク、慣性力トルク、および磁気反力トルクの影響を補償して、ロータ間位相差θdの制御の安定性を高めるために、以下に説明するように前記第２指令値成分Ｄt_c2を決定する。

前記図７に示すように、外乱トルク補償部８１には、前記トルク指令値Ｔr_cと、出力軸２の回転速度Ｎm（＝外ロータ３の回転速度）と、ロータ間位相差検出値θd_sとが入力される。そして、外乱トルク補償部８１は、前記トルク指令値Ｔr_cにフィルタリング処理（ローパス特性のフィルタリング処理）を施すことにより、電動機１の実際の出力トルクの推定値に相当する実出力トルクデータＴr_sを求めるフィルタ８３と、前記磁力トルクの影響を補償するためのフィードフォワード操作量Ｄt_c21をロータ間位相差検出値θd_sに応じて決定する磁力トルク補償部８４と、前記慣性力トルクの影響を補償するためのフィードフォワード操作量Ｄt_c22を電動機１の出力軸２の回転速度Ｎmに応じて決定する磁力トルク補償部８５と、前記磁気反力トルクの影響を補償するためのフィードフォワード操作量Ｄt_c23を前記実出力トルクデータＴr_sに応じて決定する磁気反力トルク補償部８６と、前記各フィードフォワード操作量Ｄt_c21，Ｄt_c22，Ｄt_c23を合成する（加え合わせる）ことで、前記第２指令値成分Ｄt_c2を求める演算部８７とを備える。各フィードフォワード操作量Ｄt_c21，Ｄt_c22，Ｄt_c23は、それぞれ磁力トルク、慣性力トルク、磁気反力トルクの影響を補償するためのデューティ指令値Ｄt_cのフィードフォワード成分を意味する。従って、フィードフォワード操作量Ｄt_c21，Ｄt_c22，Ｄt_c23は、本発明における磁力トルク補償用操作量、慣性力トルク補償用操作量、磁気反力トルク補償用操作量に相当する。

この場合、前記磁力トルク補償部８４は、図１４フローチャートで示す処理によって、フィードフォワード操作量Ｄt_c21を求める。すなわち、まず、磁力トルク補償部８４は、前記位相差検出器４４からロータ間位相差検出値θd_sを取得する（ＳＴＥＰ１１）。次いで、磁力トルク補償部８４は、このロータ間位相差検出値θd_sから、あらかじめ設定されたデータテーブルに基づいて、そのθd_sの値に対応して発生する磁力トルク（推定値）を求める（ＳＴＥＰ１２）。このＳＴＥＰ１２で使用するデータテーブルは、前記図１２に示したロータ間位相差θdと、磁力トルクとの相関関係をあらかじめテーブル化し、図示しないメモリに記憶保持したものである。

次いで、磁力トルク補償部８４は、ＳＴＥＰ１２で求めた磁力トルクの値から、図１７のグラフで示すような特性であらかじめ設定されたデータテーブルに基づいて、フィードフォワード操作量Ｄt_c21を求める（ＳＴＥＰ１３）。ここで、このＳＴＥＰ１３で使用するデータテーブルは、外乱トルクに抗して位相差変更駆動手段２３に発生させるべきトルク（位相差変更駆動トルク）と、デューティ指令値との相関関係をあらかじめテーブル化し、図示しないメモリに記憶保持したものである。そして、ＳＴＥＰ１３では、ＳＴＥＰ１２で求めた磁力トルクの値（図１７のグラフの横軸の値）に対応して、図１７のデータテーブルにより定まるデューティ指令値の値がフィードフォワード操作量Ｄt_c21として求められる。

以上説明した磁力トルク補償部８４の処理によって、磁力トルクに抗する位相差変更駆動トルクを位相差変更駆動手段２３に発生させるためのディーティ指令値のフィードフォワード成分としてのフィードフォワード操作量Ｄt_c21がロータ間位相差検出値θd_sに応じて決定される。なお、ＳＴＥＰ１２，１３では、それぞれで使用するデータテーブルを近似する演算式によって、磁力トルクやフィードフォワード操作量Ｄt_c21を求めるようにしてもよい。また、ロータ間位相差θdと、フィードフォワード操作量Ｄt_c21との関係をテーブル化しておくか、もしくは、演算式で近似しておき、そのデータテーブルまたは演算式を用いてロータ間位相差検出値θd_sから、直接的にフィードフォワード操作量Ｄt_c21を求めるようにしてもよい。

また、前記慣性トルク補償部８５は、図１５のフローチャートで示す処理によって、フィードフォワード操作量Ｄt_c22を求める。すなわち、まず、慣性力トルク補償部８５は、前記回転速度算出部５１から出力軸２の回転速度Ｎmを取得する（ＳＴＥＰ２１）。次いで、慣性力トルク補償部８５は、この回転速度Ｎmを微分することによって、出力軸２の角加速度β（回転加速度）を求める（ＳＴＥＰ２２）。なお、このＳＴＥＰ２２で求められる角加速度βが、本発明における実回転加速度データ（より詳しくは、出力軸２の実際の回転加速度を表す実回転加速度データに相当する。

次いで、慣性力トルク補償部８５は、この角加速度βとあらかじめ同定された内ロータ４（ここでは前記第２部材１０など、内ロータ４と一体に回転する部材を含む）のイナーシャとから、慣性力トルクを求める（ＳＴＥＰ２３）。具体的には、角加速度βに、イナーシャを乗じることにより、慣性力トルクが求められる。

次いで、慣性力トルク補償部８５は、ＳＴＥＰ２３で求めた慣性力トルクの値から、前記図１７のグラフで示すデータテーブルに基づいて、フィードフォワード操作量Ｄt_c22を求める（ＳＴＥＰ２４）。すなわち、ＳＴＥＰ２３で求めた慣性力トルクの値（図１７のグラフの横軸の値）に対応して、図１７のデータテーブルにより定まるデューティ指令値の値がフィードフォワード操作量Ｄt_c22として求められる。なお、ＳＴＥＰ２４の処理では、図１７のデータテーブルの代わりに、これを近似する演算式により、慣性力トルクの値から、フィードフォワード操作量Ｄt_c22を算出するようにしてもよい。

以上説明した慣性力トルク補償部８５の処理によって、慣性力トルクに抗する位相差変更駆動トルクを位相差変更駆動手段２３によって発生させるためのディーティ指令値のフィードフォワード成分としてのフィードフォワード操作量Ｄt_c22が出力軸２の回転速度Ｎm（＝外ロータ３の回転速度）に応じて決定される。

補足すると、本実施形態では、前記ＳＴＥＰ２４で求められる慣性力トルクは、ロータ間位相差θdを一定の目標値に保持する場合に、出力軸２および外ロータ３の回転速度Ｎmの変化に伴うロータ４の回転速度（≒Ｎm）の変化に起因する慣性力トルクである。従って、その慣性力トルクには、ロータ間位相差θdの変化時に、内ロータ４が外ロータ３に対して相対回転することに起因する慣性力トルクは含まれていない。この内ロータ４の相対回転に起因する慣性力トルクを含めた慣性力トルクを求める場合には、例えば、出力軸２の回転速度Ｎmを微分して得られる前記角加速度βと、ロータ間位相差検出値θd_cを２階微分して得られる内ロータ４の相対角加速度（外ロータ３に対する内ロータ４の相対角加速度）とを加え合わせることにより、内ロータ４の角加速度（ステータ５に対して固定された座標系で見た内ロータ４の回転加速度）を求める。そして、この内ロータ４の角加速度に、前記イナーシャを乗じることで、慣性力トルクを求めるようにすればよい。また、出力軸２の回転加速度、または、内ロータ４の回転加速度を検出する手段を備えた場合には、それらの検出値から慣性力トルクを求めるようにしてもよい。

また、磁気反力トルク補償部８６は、図１６のフローチャートで示す処理によって、フィードフォワード操作量Ｄt_c23を求める。すなわち、まず、磁気反力トルク補償部８６は、前記フィルタ８３から実出力トルクデータＴr_sを取得する（ＳＴＥＰ３１）。次いで、磁気反力トルク補償部８６は、この実出力トルクデータＴr_sから、あらかじめ設定されたデータテーブルに基づいて、その実出力トルクデータＴr_sの値に対応して発生する磁気反力トルク（推定値）を求める（ＳＴＥＰ３２）。このＳＴＥＰ３２で使用するデータテーブルは、前記図１３に示した電動機１の出力トルクと、磁気反力トルクとの相関関係をあらかじめテーブル化し、図示しないメモリに記憶保持したものである。

次いで、磁気反力トルク補償部８６、ＳＴＥＰ３２で求めた磁気反力トルクの値から、前記図１７のグラフで示すデータテーブルに基づいて、フィードフォワード操作量Ｄt_c23を求める（ＳＴＥＰ３３）。すなわち、ＳＴＥＰ３２で求めた磁気反力トルクの値（図１７の横軸の値）に対応して、図１７のデータテーブルにより定まるデューティ指令値の値がフィードフォワード操作量Ｄt_c23として求められる。

以上説明した磁気反力トルク補償部８６の処理によって、磁気反力トルクに抗する位相差変更駆動トルクを位相差変更駆動手段２３に発生させるためのディーティ指令値のフィードフォワード成分としてのフィードフォワード操作量Ｄt_c23が実際の出力トルクの推定値に相当する実出力トルクデータＴr_sに応じて決定される。なお、ＳＴＥＰ３２，３３では、それぞれで使用するデータテーブルを近似する演算式によって、磁気反力トルクやフィードフォワード操作量Ｄt_c23を求めるようにしてもよい。また、電動機１の出力トルクと、フィードフォワード操作量Ｄt_c23との関係をテーブル化しておくか、もしくは、演算式で近似しておき、そのデータテーブルまたは演算式を用いて実出力トルクデータＴr_sから、直接的にフィードフォワード操作量Ｄt_c23を求めるようにしてもよい。また、電動機１の出力トルクを検出する手段を備えている場合には、前記フィルタ８３の出力の代わりに、その出力トルクの検出値を実出力トルクデータＴr_sとして使用してもよい。

本実施形態における外乱トルク補償部８１は、以上のように各トルク補償部８４，８５，８６で求められたフィードフォワード操作量Ｄt_c21，Ｄt_c22，Ｄt_c23を前記演算部８７で加え合わせて合成することにより、前記第２指令値成分Ｄt_c2を決定する。このようにして決定される第２指令値成分Ｄt_c2は、前記磁力トルク、慣性力トルクおよび磁気反力トルクを合わせた外乱トルクに抗する位相差変更駆動トルクを位相差変更駆動手段２３に発生させるためのディーティ指令値のフィードフォワード成分としての意味を持つ。

そして、位相差制御部５５は、前記スライディングモード制御部８０で求めた第１指令値成分Ｄt_c1と前記外乱トルク補償部８１で求めた第２指令値成分Ｄt_c2とを前記演算部８２で加え合わせて合成することにより、最終的にデューティ指令値Ｄt_cを決定する。

以上が、位相差制御部５５の処理の詳細である。このように位相差制御部５５で逐次決定されるデューティ指令値Ｄt_cは、位相差変更駆動手段２３に出力される。そして、位相差変更駆動手段２３は、そのデューティ指令値Ｄt_cに従って図示しない通電回路により、四方弁２８のソレノイド２８ａに通電する。これにより、ロータ間位相差検出値θd_sを位相差指令値θd_cに収束させるように、位相差変更駆動手段２３により内ロータ４に付与される位相差変更駆動トルクが操作される。

この場合、磁力トルク、慣性力トルク、および磁気反力トルクからなる外力トルクの影響がデューティ指令値Ｄt_cのうちの第２指令値成分Ｄt_c2によってフィードフォワード則により補償されるので、該外乱トルクが電動機１の運転状態に応じて変化しても、スライティングモード制御の処理によるデューティ指令値Ｄt_cの第１指令値成分Ｄt_c1が過大に変動するのを抑制できる。その結果、ロータ間位相差θdの制御を安定に行なうことができる。また、第１指令値成分Ｄt_cを応答指定型のフィードバック制御であるスライディングモード制御の処理により求めるので、電動機１の運転状態によらずに、ロータ間位相差θdの振動を発生させたりすることなく、極めて安定にロータ間位相差θdを位相差指令値θd_cに追従制御することができる。さらに、ロータ間位相差θdの変更可能範囲の境界付近で、偏差ｅの減衰速度が遅めになるように、スライディングモード制御における切換関数σの係数パラメータＳの値を設定するので、位相差変更駆動手段２３の機構的部材の損傷を防止できると共に、ロータ間位相差θdの過渡的な振動を抑制して、電動機１の出力トルクの安定性を高めることができる。

なお、以上説明した実施形態では、位相差変更駆動手段２３に対する制御入力（操作量）として、ディーティ指令値θd_cを用いたが、例えば、位相差変更駆動手段２３により内ロータ４に付与するトルクである位相差変更駆動トルクの目標値（指令値）を位相差変更駆動手段２３に対する制御入力（操作量）として用いてもよい。この場合には、例えば位相差制御部５５のスライディングモード制御部８０と同様のスライディングモード制御の処理によって、位相差変更駆動トルクの目標値のフィードバック成分を求める。また、位相差制御部５５の外乱補償部８１に関して説明した前記の処理（具体的には、図１４のＳＴＥＰ１１，１２の処理、図１５のＳＴＥＰ２１〜２３の処理、図１６のＳＴＥＰ３１，３２の処理）によって、前記磁力トルク、慣性力トルク、磁気反力トルクを推定し、それらの総和に抗するトルクを該位相差変更駆動トルクの目標値のフィードフォワード成分として求める。そして、これらのフィードバック成分とフィードフォワード成分とを合成する（加え合わせる）ことで、位相差変更駆動トルクの目標値を決定するようにすればよい。また、この場合は、位相差変更駆動手段２３において、位相差変更駆動トルクの目標値をデューティ指令値に変換し、そのデューティ指令値に応じて四方弁２８のソレノイド２８ａの通電を制御すればよい。

また、前記実施形態では、応答指定型の制御としてスライディングモード制御を用いたが、ＩＬ−Ｑ制御などを使用してもよい。

また、前記実施形態では、実位相差データとして、位相差検出器４４によるロータ間位相差検出値θd_sを用いたが、実際のロータ間位相差θdを電機子の通電電流の検出値もしくは目標値等を基に、適当なモデルを用いて推定し、その推定値を実位相差データとして使用してもよい。また、前記したようにロータ間位相差θdと誘起電圧定数Ｋeとの間には一定の相関関係があるので、例えば前記Ｋe推定部５３で求められた誘起電圧定数推定値Ｋe_sを実位相差データとして使用してもよい。この場合には、位相差指令値θd_cの代わりに、それに対応する誘起電圧定数Ｋeの指令値（目標値）を目標位相差データとして逐次決定するようにして、この指令値と誘起電圧定数推定値Ｋe_sとを位相差指令値θd_cおよびロータ間位相差検出値θd_sの代わりに、位相差制御部５５に入力するようにすればよい。

また、前記実施形態では、磁力トルク、慣性力トルク、および磁気反力トルクの３種類の外乱トルクを考慮したが、これらのうちの一つ、もしくは二つの種類の外乱トルクだけを考慮するようにしてもよい。

本発明の一実施形態における電動機の要部の断面図。図１の電動機のドライブプレート１９を外した状態で該電動機の軸心方向で見た図。図３（ａ）は界磁最大状態での電動機の内ロータと外ロータとの位相関係を示す図であり、図３（ｂ）は界磁最小状態での電動機の内ロータと外ロータとの位相関係を示す図。界磁最大状態と界磁最小状態とにおける電動機の電機子の誘起電圧を示すグラフ。図１の電動機の制御装置の機能的構成を示すブロック図。図５の制御装置に備えたＫe推定部５３の処理を説明するためのグラフ。図５の制御装置に備えた位相差制御部５５の処理機能を示すブロック図。図７の位相差制御部５５に備えたスライディングモード制御部８０の処理を説明するための図。スライディングモード制御部８０の処理による偏差ｅの時間的変化を示すグラフ。スライディングモード制御部８０による切換関数の係数パラメータＳの設定例を示すグラフ。スライディングモード制御部８０による切換関数の係数パラメータＳの設定処理を示すフローチャート。図１の電動機の両ロータ間の位相差と磁力トルクとの関係を示すグラフ。図１の電動機の出力トルクと磁気反力トルクとの関係を示すグラフ。図７の位相差制御部５５に備えた磁力トルク補償部８４の処理を示すフローチャート。図７の位相差制御部５５に備えた慣性力トルク補償部８５の処理を示すフローチャート。図７の位相差制御部５５に備えた磁気反力トルク補償部８６の処理を示すフローチャート。図１４〜図１６のフローチャートの処理で使用するデータテーブルを示すグラフ。

符号の説明

１…電動機、２…出力軸、３…外ロータ（第１ロータ）、４…内ロータ（第２ロータ）、５…ステータ、２３…位相差変更駆動手段、４４…位相差検出器（実位相差データ出力手段）、５０…制御装置、５４…位相差指令算出部（目標位相差データ決定手段）、５５…位相差制御部（位相差制御手段）、８１…外乱トルク補償部（外乱トルク補償操作量決定手段）。

Claims

永久磁石によりそれぞれ界磁を発生する第１ロータおよび第２ロータと、両ロータのうちの第１ロータと一体に回転可能な出力軸とを互いに同軸に備えると共に、前記第２ロータが前記第１ロータに対して相対回転可能に設けられ、該第２ロータの相対回転によって両ロータ間の位相差を変更することにより、各ロータの永久磁石の界磁を合成してなる合成界磁の強さを変更可能とした電動機の制御装置であって、
前記第１ロータに対する第２ロータの相対回転を行なわせる駆動力を発生するアクチュエータを有する位相差変更駆動手段と、
前記両ロータ間の実際の位相差を表す実位相差データを出力する実位相差データ出力手段と、
前記両ロータ間の位相差の目標値を表す目標位相差データを可変的に決定する目標位相差データ決定手段と、
前記実位相差データと前記目標位相差データとの偏差に応じて、該偏差を０に収束させるようにフィードバック制御処理により前記位相差変更駆動手段に対するフィードバック操作量を決定し、少なくともその決定したフィードバック操作量に応じて該位相差変更駆動手段を制御する位相差制御手段とを備え、
該位相差制御手段のフィードバック制御処理として、前記偏差の減衰挙動を該フィードバック制御処理に用いる所定のパラメータの値により指定可能な応答指定型のフィードバック制御処理を用いており、
前記両ロータ間の位相差は所定の変更可能範囲内で変更可能であり、
前記実位相差データが表す両ロータ間の実際の位相差が、該変更可能範囲内で該変更可能範囲の各境界の近傍にあらかじめ定めた所定の範囲に存する場合には、該実際の位相差が該所定の範囲外に存する場合よりも、前記偏差の減衰速度が遅くなり、且つ、前記変更可能範囲の各境界うち、前記合成界磁の強さが相対的に強い境界側の前記所定の範囲よりも、該合成界磁の強さが相対的に弱い境界側の前記所定の範囲での前記偏差の減衰速度が相対的に速くなるように前記所定のパラメータの値を設定する手段を備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
前記応答指定型のフィードバック制御処理は、前記偏差を変数成分として有する線形な切換関数の値を０に収束させるように前記操作量を決定するスライディングモード制御の処理であり、前記所定のパラメータは、前記切換関数の係数パラメータであることを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
前記アクチュエータの駆動力以外の要因に起因して前記両ロータ間に発生する所定の種類のトルクである外乱トルクに抗する駆動力を前記アクチュエータに発生させるために前記位相差変更駆動手段に与えるべきフィードフォワード操作量である外乱トルク補償操作量を前記電動機の運転状態に応じて決定する外乱トルク補償操作量決定手段を備え、前記位相差制御手段は、前記フィードバック制御処理により決定したフィードバック操作量と前記外乱トルク補償操作量とを合成してなる操作量に応じて前記位相差変更駆動手段を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の電動機の制御装置。
前記外乱トルクは、前記第１ロータの永久磁石と第２ロータの永久磁石との間に作用する磁力に起因するトルクである磁力トルクを含み、前記外乱トルク補償操作量決定手段は、少なくとも前記実ロータ間位相差データに応じて前記外乱トルク補償操作量を決定することを特徴とする請求項３記載の電動機の制御装置。
前記外乱トルクは、前記第２ロータの回転速度の変化に起因して発生する慣性力トルクを含み、前記外乱トルク補償操作量決定手段は、少なくとも前記出力軸の実際の回転加速度または前記第２ロータの実際の回転加速度を表す実回転加速度データに応じて前記外乱トルク補償操作量を決定することを特徴とする請求項３記載の電動機の制御装置。
前記外乱トルクは、前記電動機の電機子の通電により発生する界磁と各ロータの永久磁石の界磁との相互作用に起因して両ロータ間に発生するトルクである磁気反力トルクを含み、前記外乱トルク補償操作量決定手段は、少なくとも前記電動機の実際の出力トルクを表す実出力トルクデータに応じて前記外乱トルク補償操作量を決定することを特徴とする請求項３記載の電動機の制御装置。
前記外乱トルクは、前記第１ロータの永久磁石と第２ロータの永久磁石との間に作用する磁力に起因するトルクである磁力トルクと、前記第２ロータの回転速度の変化に起因して発生する慣性力トルクと、前記電動機の電機子の通電により発生する界磁と各ロータの永久磁石の界磁との相互作用に起因して両ロータ間に発生するトルクである磁気反力トルクとを含むと共に、前記外乱トルク補償操作量は、前記磁力トルクと慣性力トルクと磁気反力トルクとにそれぞれ抗する駆動力を前記アクチュエータに発生させるための磁力トルク補償用操作量と慣性力トルク補償用操作量と磁気反力トルク補償用操作量との合成値であり、
前記外乱トルク補償操作量決定手段は、前記実ロータ間位相差データに応じて前記磁力トルク補償用操作量を決定する手段と、前記出力軸の回転速度に応じて前記慣性力トルク補償用操作量を決定する手段と、前記電動機の実際の出力トルクを表す実出力トルクデータに応じて前記磁気反力補償用操作量を決定する手段と、その決定された磁力トルク補償用操作量、慣性力トルク補償用操作量、および磁気反力トルク補償用操作量を合成して前記外力トルク補償操作量を決定する手段とから構成されていることを特徴とする請求項３記載の電動機の制御装置。