JP5164415B2

JP5164415B2 - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP5164415B2
Application number: JP2007100578A
Authority: JP
Inventors: 健也柳原; 邦亮川越
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: JP2008259358A

Description

本発明は、ロータ及びステータ間に通る磁束を増減可能なモータ駆動装置に関するものである。

従来、電動モータにおいて、ステータとロータとの有効磁束を通す部分となる対向面積を増減させることで出力を調整可能にしたものがあり、例えばロータ側の磁気部材を軸線方向に移動させてロータとステータとの両磁気部材間の互いに重なり合う面積を増減させるようにしたもの（例えば特許文献１・２参照）や、ロータとステータとの対向面間のギャップ（間隙）を調整するようにしたものがあった（例えば特許文献３参照）。
特開平５−３００７１２号公報特開平６−１４１４０１号公報特開２００４−８０８４７号公報

上記したような可変界磁型のモータにおいて、例えば電動モータカーのモータ駆動装置として用いる場合には、ブラシレスモータと同様にＦＥＴのブリッジ回路などによるパワー素子回路を用いると共にＰＷＭ制御することが考えられる。しかしながら、走行状況によってはモータの回転数が無負荷回転数以上になる場合があり、そのような場合に回生制御を行うとモータからパワー素子回路を介して電源へ回生電流が流れるが、この回生電流に対しては制御することができない。そのため、例えば電源にバッテリを用いている場合には過充電となったり、回生エネルギの分によりモータのフリクションが増大したりするという問題が生じる。

このような課題を解決して、モータの回転数が無負荷回転数以上になった場合の回生電流を制御可能にすることを実現するために本発明に於いては、複数の磁石及び複数の電機子コイルの一方を周方向に配設された回転子と、前記複数の磁石及び複数の電機子コイルの他方を周方向に配設された固定子とを備えるモータと、前記回転子と前記固定子との相対距離を前記回転子の回転軸の軸線方向に可変可能にするアクチュエータと、前記回転子の前記固定子に対する回転角度を検出する回転センサと、電源と前記モータとの間で駆動電流及び回生電流を流すように設けられたパワー素子回路と、前記電源と前記パワー素子回路との間に流れる電流値を検出する電流検出センサと、前記パワー素子回路と前記アクチュエータとを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記モータを運転する指令信号を発生する出力指令信号発生手段と、加速側の前記指令信号に応じて前記駆動電流の基準となる出力デューティ決定信号を発生する出力デューティ決定手段と、減速側の前記指令信号に応じて前記回生電流の基準となる回生電流指令信号を発生する回生電流指令手段と、前記回生電流指令信号と前記電流検出センサによる電流検出値との偏差に基づいて回生デューティ決定信号を発生する回生デューティ決定手段と、前記出力デューティ決定信号に応じてパルス幅変調した駆動信号または前記回生デューティ決定信号に応じてパルス幅変調した回生信号を前記回転角度信号に基づいて出力して前記パワー素子回路を制御するＰＷＭ信号発生手段と、前記ＰＷＭ信号発生手段から出力される前記各信号の位相を進角させる進角信号を発生する進角制御手段と、前記回生デューティ決定手段に接続されかつ前記回生デューティ決定信号のデューティ比が予め定められた第１の判定値以下と判定した場合には第１の回生デューティ判定信号を発生し、予め定められかつ前記第１の判定値より大きい第２の判定値より大きいと判定した場合には第２の回生デューティ判定信号を発生する回生デューティ判定手段と、前記進角制御手段および前記回生デューティ判定手段に接続されると共に回生時に、前記第１の回生デューティ判定信号が発生した場合には前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を増大させる移動信号を、また前記第２の回生デューティ判定信号が発生した場合には前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を減少させる移動信号を前記アクチュエータに出力するアクチュエータ位置制御手段とを備え、前記回生デューティ決定信号のデューティ比が前記第１の判定値以下であり、かつ前記回生電流指令信号が前記電流検出値以下である場合には前記進角制御手段により前記進角信号の進角量を増やし、前記回生電流指令信号が前記電流検出値を超えている場合には前記進角制御手段により前記進角信号の進角量を減らすものとした。

特に、前記制御装置は、前記回生電流指令手段と前記電流検出センサとに接続され、かつ前記回生電流指令信号の値と前記回生電流の値とを比較し、両値の差に基づく差信号を発生する回生電流比較手段を有し、前記進角制御手段は、前記回生電流比較手段が発生する前記差信号に基づいて前記進角信号の進角値を決定すると良い。

このように本発明によれば、モータを運転する指令信号に応じて出力デューティ決定信号または回生デューティ決定信号を発生して駆動電流または回生電流を流すべく、各デューティ決定信号と回転角度信号とに応じてパルス幅変調した駆動信号または回生信号によりパワー素子回路を制御し、回生時に、第１の回生デューティ判定信号が発生している場合には回転子と固定子との相対距離を増大させることにより有効磁束を低減し、第２の回生デューティ判定信号が発生している場合には回転子と固定子との相対距離を減少させることにより、高速回転に対応して進角制御が過剰な状態となった場合に、有効磁束を減らすことにより高速回転における鉄損を低減して、高速回転時の高効率化を可能にして、より高速回転させた状態における回生処理を行うことができ、過回転による過充電を防止することができる。また、回生時のデューティ比が大きくなって第２の回生デューティ判定信号が発生した場合には電流偏差が大きくなったことになり、回転子と固定子との相対距離を減少させることにより有効磁束を増大させる（両者の相対する位置を互いに一致する方に戻す）ことができ、モータ特性を最大限に生かした高効率の回生制御が可能になる。

特に、回生信号デューティ決定信号のデューティ比の最大値を回転数毎に制限することにより、回生時のチョッパ制御をデューティ比の上げ過ぎによる効率低下を防止することができる。また、回生信号デューティ決定信号のデューティ比の増大を回生電圧により制限することにより、または回転子と固定子の相対距離の減少を回生電圧により制限することにより、過電圧による素子の損傷を防止し得る。また、回生時の電流指令値（目標回生電流）と電流検出値（その時の回生電流）との差に応じて進角値を決定することにより、指令値と検出値との差が大きい場合には大きく進角することにより高速回転可能にし、差が小さい場合には小さな進角にて効率を高めるという回生時の好適な進角制御を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は電動自動車の駆動輪Ｗに適用された例を示す模式的断面図である。図において、車体１に固定支持軸２が側方に突出するように固定されており、その固定支持軸２には一対の軸受３ａ・３ｂを介してモータのアウタロータとなるロータ４が回転自在に支持されている。ロータ４の外周部にはホイールを介して駆動輪Ｗが取り付けられている。

ロータ４は、有底円筒形状をなしかつその中心部にボス部を有する形状であり、ボス部を形成する小径周壁部４ａと、その小径周壁部を同軸に外囲する大径周壁部４ｂとを有する。図に示されるように、ロータ４の両周壁部４ａ・４ｂ間の空間が車体１側に開放されている。大径周壁部４ｂの内周面には周方向にＮ・Ｓ極を並べた永久磁石としての複数のマグネット５が配設されている。また、両周壁部４ａ・４ｂによる空間に受容されるようにステータ６が設けられている。

固定支持軸２の車体１に固設された部分には外向フランジが形成されており、その外向フランジには小径周壁部４ａを外囲するガイド部材７が固設されている。ガイド部材７には例えばセレーションにより固定支持軸２の軸線方向に移動自在にされたスライド部材８が支持されている。スライド部材８の外周面には半径方向外向きの鍔が突設されており、その鍔に例えばビス止めされたブラケットを介してステータ６が支持されている。

ステータ６は、積層鋼板により形成された環状部分及びその環状部分から半径方向外向きに突出する複数のティースからなるコア６ａと、それらティースに巻回されたコイル巻線としてのコイル９とを有し、上記したようにスライド部材８と一体のブラケットにコア６ａの環状部分が適所でねじ止めされている。このようにして構成されたステータ６と上記ロータ４とにより本発明が適用される回転電機としてのモータＭが構成されている。

スライド部材８は、モータ回転型の電動アクチュエータ１１により上記固定支持軸２の軸線方向に往復駆動されるようになっており、一体のステータ６も同様に往復移動する。図示例では、固定支持軸２の外向フランジにブラケットを介してアクチュエータ１１が固定されていると共に、アクチュエータ１１の回転軸に設けられた大ギアと噛み合う小ギアを同軸に有する駆動軸１２が、スライド部材８の移動方向に延在するように固定支持軸２の外向フランジ及び上記ブラケットにより軸支されている。その駆動軸１２のスライド部材８側には例えば台形ねじ部１２ａが設けられており、その台形ねじ部１２ａに螺合するナット部材１３がスライド部材８の鍔に固着されている。

このアクチュエータ１１により、モータＭの有効磁束の大きさを調整することができる。すなわち、アクチュエータ１１を回転駆動することにより駆動軸１２が回転し、そのねじ部１２ａに螺合しているナット部材１３が駆動軸１２の軸線方向に移動するため、スライド部材８と一体のコア６ａが駆動軸１２と平行になる固定支持軸２の軸線方向に移動し得る。これにより、コア６ａのティース突出端面がマグネット５の磁極面と重なる量が変化し、マグネット５とコア６ａとの間の磁束が増減するため、可変界磁型のモータが構成される。

次に、本発明に基づく制御要領について、図２のブロック回路図を参照して示す。なお、図示例のモータＭの基本形にあっては３相のブラシレスモータと同様のものであって良い。

図示例では、電源としての車載バッテリＢＴに、ＦＥＴを用いたブリッジ回路が構成されたパワー素子回路としてのインバータ２１を介してモータＭの各相コイル９が接続されている。なお、バッテリＢＴとインバータ２１とを接続する電源線には電流検出センサ２２と電圧検出センサ２３とが設けられており、それぞれにより検出された電流検出信号と電圧検出信号とが、制御装置を構成する制御回路ＥＣＵの電流検出回路２５と電圧検出回路２６とに入力するようになっている。モータＭにはロータ４の回転角度を検出する回転センサ２４が設けられており、その回転角度信号が回転角度検出回路２７と回転速度検出回路４１とに入力し、回転角度検出回路２７ではロータ４のステータ６に対する回転（角度）位置を算出し、回転速度検出回路４１ではロータ４のステータ６に対する回転速度を算出する。

また、制御回路ＥＣＵ内には、外部の例えばアクセル開度センサ（図示せず）からの信号であって良い運転操作信号が入力される運転操作入力回路２８と、運転操作入力回路２８からの出力信号がそれぞれ入力される出力指令信号発生手段としての出力電流指令回路２９および回生電流指令手段としての回生電流指令回路３０と、出力電流指令回路２９及び電流検出回路２５からの各出力信号が入力される出力電流比較回路３１と、回生電流指令回路３０及び電流検出回路２５からの各出力信号が入力される回生電流比較回路３２と、出力電流比較回路３１及び回生電流比較回路３２からの各出力信号が入力される出力デューティ決定手段としての出力Ｄｕｔｙ決定回路３３と、回生電流比較回路３２・電圧検出回路２６・回転速度検出回路４１からの各出力信号が入力される回生デューティ決定手段としての回生Ｄｕｔｙ決定回路３４と、回生Ｄｕｔｙ決定回路３４によりアクセス可能なマップデータを記憶しているメモリ３５と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３からの出力信号が入力される出力Ｄｕｔｙ判定回路３６と、出力Ｄｕｔｙ判定回路３６からの出力信号が入力される進角制御回路３７と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３・回生信号Ｄｕｔｙ決定回路３４・回転角度検出回路２７・進角制御回路３７からの各出力信号が入力されると共にそれら入力値に応じてインバータにＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号生成回路３８と、出力Ｄｕｔｙ判定回路３６及び進角制御回路３７からの各出力信号が入力されるアクチュエータ位置制御手段としてのステータ位置制御回路３９と、ステータ位置制御回路３９からの出力信号及び外部のステータ位置操作手段（図示せず）からのステータ位置信号が入力されると共に各信号に応じてアクチュエータ１１に移動信号を出力する位置駆動回路４０とが設けられている。さらに、回生Ｄｕｔｙ決定回路３４からの回生デューティ決定信号が入力される回生デューティ判定手段としての回生デューティ判定回路４２が設けられており、その回生デューティ判定回路４２から出力される第１の回生デューティ判定信号（ＤＵＴＹ＝０％）と第２の回生デューティ判定信号（ＤＵＴＹ＝５％）がステータ位置制御回路３９に入力するようになっている。なお、各回路はＩＣを用いて構成されるものと、ＣＰＵのプログラム制御により構成されるものとを含むものであって良い。また、図示された回路名称及び信号線により理解される部分についてはその詳しい説明を省略する。

上記ステータ位置制御回路３９にてステータ６（コア６ａ）の設定位置（目標位置）を算出し、それに応じた位置制御信号が位置駆動回路４０からアクチュエータ１１に出力され、アクチュエータ１１によりステータ６（コア６ａ）を駆動しかつ上記目標位置で停止状態にする。これにより、上記したようにマグネット５の磁極面とコア６ａのティース突出端面との重なり量（互いに対向する部分の面積；以下、対向面積と称する）が増減し、対向面積を通ることになる磁束が増減するため、モータＭの特性を、対向面積を大きくした場合には低回転・高トルク型とし、対向面積を小さくした場合には高回転・低トルク型とすることができる。

次に、本発明に基づく回生制御要領を図３のフロー図を参照して以下に示す。なお、アクセル量の変化に応じて運転操作入力回路で加速か減速かを判別し、加速制御である場合にその加速量に応じた加速信号を出力電流指令回路２９に出力し、減速制御である場合にはその減速量に応じた減速信号を回生電流指令回路３０に出力し、それぞれに応じたデューティ比（以後ＤＵＴＹと記す）による加減速制御を行う点については、公知のＰＷＭ制御と同じであって良く、その詳しい説明を省略する。なお、進角制御にあっては、公知のブラシレスモータにおける進角制御と同様に各相（Ｕ・Ｖ・Ｗ相）の電流波形の立ち上がりを電気角において進角させ、それに応じてＰＷＭ信号生成回路３８によりインバータ２１を制御する等であって良く、その詳細な説明は省略する（進角制御にあっては以後同様とする）。

上記運転操作入力回路２８において回生制御を行うとした場合には、図３のステップＳＴ１で電圧及び電流値を読み込み、次のステップＳＴ２では、予め定められた第１の判定値（ＤＵＴＹ＝０％）以下を判定するべく回生デューティ比が０％であるか否かを判別する。

ステップＳＴ２で回生デューティ比が０％ではないと判定された場合にはステップＳＴ３に進む。ステップＳＴ３では、回生電流比較回路３２により回生電流指令回路３０の出力値である目標回生電流が、電流検出回路２５から出力される現在の電流検出値である現在回生電流を超えているか否かを判別する。ステップＳＴ３で目標回生電流が現在回生電流を超えていると判定された場合にはステップＳＴ４に進み、越えていないと判定された場合にはステップＳＴ５に進む。

ステップＳＴ４では回生Ｄｕｔｙ決定回路３４によりＤＵＴＹを増やす処理として、その増加されたＤＵＴＹによるＰＷＭ信号をＰＷＭ信号生成回路３８からインバータ２１に出力して回生制御におけるＤＵＴＹを増やしたデューティ制御を行う。これにより、回生電流がより多く流れるようになり、目標回生電流に至るまで現在回生電流を増大し得る。ステップＳＴ５では逆に回生制御におけるＤＵＴＹを減らしたデューティ制御を行い、回生電流がより少なく流れるようにして、目標回生電流に至るまで現在回生電流を減少し得る。

上記ステップＳＴ２で回生デューティ比が０％であると判定された場合にはステップＳＴ６に進み、そこではステップＳＴ３と同様に目標回生電流が現在回生電流を超えているか否かを判別する。ステップＳＴ６で目標回生電流が現在回生電流を超えていると判定された場合にはステップＳＴ７に進み、越えていないと判定された場合にはステップＳＴ８に進む。ステップＳＴ７では、進角制御回路３７により進角量を減らす処理として、その減少された進角量によるＰＷＭ信号をＰＷＭ信号生成回路３８からインバータ２１に出力して回生制御における進角量を減らした進角制御を行う。これにより、回生電流がより多く流れるようになり、目標回生電流に至るまで現在回生電流を増大し得る。ステップＳＴ８では逆に回生制御における進角量を増やした進角制御を行い、回生電流がより少なく流れるようにして、目標回生電流に至るまで現在回生電流を減少し得る。

上記ステップＳＴ４〜８を経た後にはステップＳＴ９に進み、そこでは回生デューティ比が０％であるか否かを判別し、回生デューティ比が０％であると判定された場合にはステップＳＴ１０に進む。ステップＳＴ１０では、コア６ａを抜く方向に移動させる指令をステータ位置制御回路３９から位置駆動回路４０に出力し、位置駆動回路４０ではその指令に応じてアクチュエータ１１を駆動制御する。そして、ステップＳＴ１に戻る。

なお、コア６ａが図１の実線で示されるように位置する方向にコア６ａが入ると表現し、二点鎖線で示されるように位置する方向に対してはコア６ａを抜くと表現するものとする。界磁弱め制御を行わない場合には最大に入れて有効磁束が最大になるようにする（図１の実線）。コア６ａを入れる（回転子と固定子との間の相対距離を減少させる）ことにより磁束が増えるため、コイル９に流せる電流を増大させることができ、コア６ａを抜く（回転子と固定子との間の相対距離を増大させる）ことにより磁束が減るため、コイル９に流せる電流を減少させることができる。

上記ステップＳＴ９で回生デューティ比が０％でないと判定された場合にはステップＳＴ１１に進む。ステップＳＴ１１では回生デューティ比が予め定められた第２の判定値（例えば５％）より大きいか否かを判別する。回生デューティ比が第２の判定値より大きいと判定された場合にはステップＳＴ１２に進む。ステップＳＴ１２では、コア６ａを入れる方向に移動させる指令をステータ位置制御回路３９から位置駆動回路４０に出力し、位置駆動回路４０ではその指令に応じてアクチュエータ１１を駆動制御する。ステップＳＴ１１で回生デューティ比が第２の判定値以下であると判定された場合およびステップＳＴ１２を経た場合にはステップＳＴ１に戻る。

モータＭの低速回転にあっては進角すると効率が低下してしまうが、高速回転にあっては進角することにより磁束と電流角度の適正な位相で電流を流すことができ好適である。そのような進角制御中にあって、より高速回転させるためには磁束を減らすと良く、本発明のように可変界磁型モータの場合にはコア６ａを抜くことにより可能である（ステップＳＴ１０）。進角制御は高速回転において有効であり、ステップＳＴ９で進角制御中であると判定された場合には高速回転における回生処理を行う場合となり、高速回転における回生処理を効果的に行うためにステップＳＴ１０で示したようにコア６ａを抜く。

次に、本発明における回生処理の例を示す。目標回生電流が現在回生電流より大きい場合には回生電流を増やすべく、上記したように進角中であれば進角量を減らすことにより、進角が有効な高速領域から低速になるに連れて進角を戻して効率向上により回生電流を増大させることができる。また、進角を戻し切って進角中でなくなった場合には回生ＤＵＴＹを増やすことにより通電量が増大して回生電流を増大させることができる。

目標回生電流が現在回生電流以下である場合には、発生している電流が大きくなっているので、モータ特性をより高回転型にすると良い。そこで、上記したように進角量を増やして磁束と電流角度との位相差を大きくして、磁束を減らしたモータ特性とする。それにより、より高回転型となり、モータの最高回転数が高まり、現在回生電流が目標回生電流より大きくなった場合に対応できる。

上記処理を行った後に進角制御中であれば、高速回転中の場合になり、高速回転に対応し得るようにコア６ａを抜く（ＳＴ１０）。コア６ａを抜いていくことにより結果的に進角量は減少し、進角制御中でない状態になる。そのようにして進角制御中でなくなった場合には、高速回転状態から低速回転側に減速した場合となり、低速回転側での回生電流増減制御において有効となる回生ＤＵＴＹの大きさを見て、デューティ制御に有効な最小値より小さくなった場合にはコア６ａを入れて有効磁束を増大して効果的なデューティ制御ができる状態にする。

なお、低速回転側でモータＭの発電電圧を上昇させる方法としては、図示例のインバータ２１のように上下段にＦＥＴを並べた回路の場合、下段ＦＥＴをオフし、上段ＦＥＴをオンオフさせるスイッチング制御を行うようにしても良い。

本発明にかかる可変界磁型回転電機の制御回路は、回生処理においてより高速回転が可能な効果を有し、可変界磁型回転電機の回生処理として有用である。

電動自動車の駆動輪Ｗに適用された例を示す模式的断面図である。制御要領を示す回路ブロック図である。本発明に基づく制御要領を示すフロー図である。

符号の説明

４ロータ
５マグネット
６ステータ
７ガイド部材
８スライド部材
１１アクチュエータ
２１インバータ
２４回転センサ
ＢＴバッテリ
ＥＣＵ制御回路
Ｍモータ

Claims

複数の磁石及び複数の電機子コイルの一方を周方向に配設された回転子と、前記複数の磁石及び複数の電機子コイルの他方を周方向に配設された固定子とを備えるモータと、前記回転子と前記固定子との相対距離を前記回転子の回転軸の軸線方向に可変可能にするアクチュエータと、前記回転子の前記固定子に対する回転角度を検出する回転センサと、電源と前記モータとの間で駆動電流及び回生電流を流すように設けられたパワー素子回路と、前記電源と前記パワー素子回路との間に流れる電流値を検出する電流検出センサと、前記パワー素子回路と前記アクチュエータとを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記モータを運転する指令信号を発生する出力指令信号発生手段と、加速側の前記指令信号に応じて前記駆動電流の基準となる出力デューティ決定信号を発生する出力デューティ決定手段と、
減速側の前記指令信号に応じて前記回生電流の基準となる回生電流指令信号を発生する回生電流指令手段と、
前記回生電流指令信号と前記電流検出センサによる電流検出値との偏差に基づいて回生デューティ決定信号を発生する回生デューティ決定手段と、
前記出力デューティ決定信号に応じてパルス幅変調した駆動信号または前記回生デューティ決定信号に応じてパルス幅変調した回生信号を前記回転角度信号に基づいて出力して前記パワー素子回路を制御するＰＷＭ信号発生手段と、
前記ＰＷＭ信号発生手段から出力される前記各信号の位相を進角させる進角信号を発生する進角制御手段と、
前記回生デューティ決定手段に接続されかつ前記回生デューティ決定信号のデューティ比が予め定められた第１の判定値以下と判定した場合には第１の回生デューティ判定信号を発生し、予め定められかつ前記第１の判定値より大きい第２の判定値より大きいと判定した場合には第２の回生デューティ判定信号を発生する回生デューティ判定手段と、
前記進角制御手段および前記回生デューティ判定手段に接続されると共に回生時に、前記第１の回生デューティ判定信号が発生した場合には前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を増大させる移動信号を、また前記第２の回生デューティ判定信号が発生した場合には前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を減少させる移動信号を前記アクチュエータに出力するアクチュエータ位置制御手段とを備え、
前記回生デューティ決定信号のデューティ比が前記第１の判定値以下であり、かつ前記回生電流指令信号が前記電流検出値以下である場合には前記進角制御手段により前記進角信号の進角量を増やし、前記回生電流指令信号が前記電流検出値を超えている場合には前記進角制御手段により前記進角信号の進角量を減らすことを特徴とするモータ駆動装置。
前記制御装置は、前記回生電流指令手段と前記電流検出センサとに接続され、かつ前記回生電流指令信号の値と前記回生電流の値とを比較し、両値の差に基づく差信号を発生する回生電流比較手段を有し、
前記進角制御手段は、前記回生電流比較手段が発生する前記差信号に基づいて前記進角信号の進角値を決定することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。