JP5236965B2

JP5236965B2 - モータの制御装置

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Publication number: JP5236965B2
Application number: JP2008049362A
Authority: JP
Inventors: 義樹加藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: JP2009207323A

Description

本発明は、電気自動車（ＥＶ）等に用いられる電気モータの制御に関し、特に、永久磁石同期モータの回転速度の変化に応じて駆動電流をＰＷＭ制御するためのキャリア信号を切り換えるキャリア切換方式のモータの制御装置に関する。

電気モータを動力とする電気自動車や、内燃機関と電気モータを併用して動力とするハイブリッド自動車（以下、「電気自動車等」という）が開発されている。電気自動車等では、内燃機関を動力とする自動車の場合のいわゆる燃費に相当するような電力利用効率を高めるという技術課題があり、モータの制御には３相の駆動電流を制御する際にパルス幅を変調させるパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）が用いられている。

電気自動車等では主に永久磁石同期モータが用いられ、そのモータには、回転に同期した３相電流が流される。その３相電流をＰＷＭ制御するために、キャリア信号と呼ばれる一定の周波数の電気パルスが用いられる。この場合、駆動電流は、キャリア信号のタイミングに合わせてパルス幅が変調された矩形波としてモータに供給され、モータのインダクタンスによって滑らかな正弦波の３相電流となる。

このような駆動電流を得るために、従来のモータ制御装置では、図４に示すモータ制御装置１００が採用される。そこでは、所定の周波数のキャリア信号ｆ_ｃによって定まるタイミングでデューティー信号Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗが生成されて電力制御素子が開閉制御され、駆動電流が生成される。

すなわち、図４に示したように、モータＭの回転に合わせた周波数の正弦波駆動電流を印加するため、モータＭには角度検出器１２が取り付けられて、各瞬間におけるモータの回転角度を検出し角度測定信号θを生成する。そして、その角度測定信号θから、速度計算部１４によって回転速度ωが計算され、電流指令部１６に入力されている。

モータＭを制御するためには、自動車の場合にはスロットルペダルの開度などに関連付けられた指令信号を、まず電流指令部１６によって受信する。この指令信号は、典型的には、モータに発生させるトルクを指定するトルク指令である。そして電流指令部１６は、そのトルク指令の値と回転速度ωから励磁成分を表すｄ軸成分およびトルク成分を表すｑ軸成分を持つ２相の電流の指令信号、すなわち、２相電流指令信号Ｉｄ^＊およびＩｑ^＊を生成する。

角度測定信号θは３相／２相変換部１８にも入力される。電流検出部２８は、正弦波である駆動電流信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを測定し、その駆動電流信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは３相／２相変換部１８に入力される。そして、３相／２相変換部１８は、その駆動電流信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗがモータの回転角度が角度測定信号θそのものであるとして、駆動電流の測定信号のうち励磁電流の成分（励磁成分）の値を示すｄ軸成分Ｉｄ、およびトルク電流の成分（トルク成分）の値を示すｑ軸成分Ｉｑを生成する。このｄ軸成分Ｉｄおよびｑ軸信号成分Ｉｑは、電流ＰＩ制御部２０に対してフィードバック制御のための制御変数となる。なお、本明細書全般に、指令値や指令信号には「＊」を右上に付した変数によって表し、ｄ軸成分（励磁成分）およびｑ軸成分（トルク成分）はそれぞれｄ、ｑのサフィックスをつけて表し、３相のｕ、ｖ、ｗ相成分、ｄ軸成分やｑ軸成分との表現は変数にサフィックスが明示されている場合には省略する。

電流ＰＩ制御部２０は、制御変数である電流測定信号ＩｄおよびＩｑが２相電流指令信号Ｉｄ^＊およびＩｑ^＊に応じた値になるように、モータＭに流れる電流の値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを制御する。つまり、電流ＰＩ制御部２０は、電流測定信号ＩｄおよびＩｑと２相電流指令信号Ｉｄ^＊およびＩｑ^＊との間の偏差に所定の比例ゲインおよび積分ゲインを用いて比例積分制御を行い、ｄ軸およびｑ軸に対する電圧指令信号すなわち電圧指令信号Ｖｄ^＊およびＶｑ^＊を生成する。その信号は、さらに２相／３相変換部２２によって３相の電圧指令信号Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に変換される。この際、角度検出器１２からの角度測定信号θが変換のために使用される。電圧指令信号Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊は、運転されている電気モータに対してはモータの回転に同期した周波数をもち、駆動電流信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを生成するのに必要な振幅を持つ正弦波であり、回転速度が変化すると、それに応じて変化する周波数を有する。

そして、デューティー計算部１２４が、その３相の電圧指令信号Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊から、モータに与える駆動電流信号を表すデューティー信号Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗを生成する。そのデューティー信号Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗは、電力変換部２６の出力を、瞬時値としては０、正か負の駆動振幅値という３つの値しか取らない駆動電流信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとするような信号である。電力変換部２６には、このようなデューティー信号Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗから駆動電流信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを生成するためのスイッチングを行う例えばＩＧＢＴ素子などの電力制御素子（パワー素子）が備えられている。

このように、キャリア信号の周波数は、デューティー信号Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗによって電力制御素子が開閉されるタイミングを指定する周波数となり、実際の電気自動車等などにおいては、数ｋＨｚ程度の周波数に選ばれる。このような駆動では、スイッチングを行う電力制御素子の電力損失が問題になるのは電力制御素子がスイッチング（切り替わり）の瞬間ごとに発生させる損失となる。

ここで、電気自動車等の実際の走行パターンを調査すると、市街地の走行などの低速走行の場面が多く、その一方で高速走行も行われる。このため、ＥＶ用モータとして効率を追求する必要があるのは、低速から高速にいたるあらゆる速度といえる。ＰＷＭ制御それ自体は比較的電力効率が高い制御方式ではあるが、一方で、回転速度が高い場合に滑らかな正弦波が得られるように高い周波数のキャリア信号を用いると、回転速度が低い場合には、単位時間当たりのスイッチングの回数（スイッチング速度）が大きくなりすぎるという課題がある。つまり、低速走行の際には、相対的なキャリア信号の周波数が必要以上に高くなり、損失が過大となって燃費の低下を招くという問題がある。特に、低速回転が用いられる低速走行時にはモータに大きなトルクが必要とされ、駆動電流の値それ自体が大きい。したがって、インバータによる損失が問題となる。

この問題を解決するために、キャリア周波数を切り換えるキャリア周波数切換法が特許文献１（特開平９−７０１９５号公報）に開示されている。しかしながら、図４の構成によってキャリア周波数を実際の走行途中に切り換えると、その切り換えの際にモータが生成しているトルクにショックが生じ、それが車両の運転者や同乗者にショックとして伝達したり、あるいは、瞬間的な騒音（異音）を発生させてしまう場合があるという別の問題が生じる。また、運転状況によってトルクショックとまではならなくても、電流波形の乱れが生じてしまうという問題を生じさせる。現在のところキャリア信号を切り換えてモータの制御を行う電気自動車等は実用化されていないが、その一つの原因がこれらの点にあるものと本願発明者は考えている。
特開平９−７０１９５号公報

本発明は、上記のような周波数の異なるキャリア信号を切換える場合において、キャリア信号の切り換えの際に生じるトルク変動を緩和するモータ制御装置またはそのような制御を実現するコンピュータプログラムを提供することを課題とする。

本願の発明者は、上記トルクショックや電流波形の乱れが生じる原因を鋭意精査した。それによれば、このような問題点は、制御のために用いる電流についての比例積分制御における積分の処理が周波数の異なるキャリア信号の切り替えに対応できていために生じていることを見出した。すなわち、電流ＰＩ制御部においては、制御に用いる電流指令信号と電流測定信号との間におけるｄ軸成分同士、ｑ軸成分同士の間での偏差が積分される。この積分値がキャリア信号の切換を行う前にすでに大きくなっていて、キャリア切換においてその値が大きいこと自体がトルクショックや電流波形の乱れを生じさせているとの考えに至った。

そして、時には、その積分値は、制御部の設計上取りうる値の限界値を超えて過大となる場合があること（リミッタが作動する場合があること）もトルクショックや電流波形の乱れの原因となっていることと考えるに至った。

これらの場合には、あるキャリア信号での偏差の値（積分値）とそれから切り替わった後の別のキャリア信号における積分値が一般には異なった値となり、キャリア信号を切り換える際に偏差の積分値が追随できずにトルクショックや電流波形の乱れとなってしまっている。このとき、積分値をキャリア信号の切り替わりに追随させようとしても積分処理の性質上一定の時間がかかる。本願発明者は、運転者にとって体感上十分に良好な応答性を持たせる短い時定数（例えば、１００ミリ秒以下の時定数）を用いてこの積分を行っても、なおキャリア切換には不十分であることも見出している。

そして、そのような大きな積分値が生じる原因は、検討によれば、モータから角度測定信号θを得て電圧指令信号Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊としてフィードバック制御が行われるまでの間に、キャリア信号の周期を単位として１〜１．５周期程度の遅延が生じているためであること、そして、制御対象のモータがｑ軸成分およびｄ軸成分の間に干渉成分を生じさせていることも影響しているとの知見を得ている。

なお、上述の原因の全てが、全てのキャリア切換時のタイミングでいつも影響を及ぼしているとは限らないと発明者は考えている。

そこで、上記の分析に基づいてキャリア切換によって生じる課題を解決するための解決策を検討した結果、ＰＷＭ出力タイミングと角度測定のタイミングとの間に生じる遅延（第１のタイミング遅延量）がひき起こす誤差が大きな原因であることを見出した。この誤差が影響する２相／３相変換部２２の入力となる角度に関して補償することによって、積分値が小さい値となり、キャリア切換におけるトルク変動の原因が除去される。すなわち、本発明において、モータの駆動電流をＰＷＭ制御するための制御装置であって、外部から与えられる指令信号に応じてトルク成分と励磁成分とを有する２相電流指令信号を生成する電流指令部と、モータを駆動する３相電流の測定信号から変換された２相電流測定信号と前記２相電流指令信号との間において、それぞれの信号のトルク成分同士および励磁成分同士の偏差に関して比例積分制御を行って、トルク成分および励磁成分を有する２相電圧指令信号を生成する電流比例積分制御部と、前記モータの各時点における回転角度信号から計算される回転速度に応じて、互いに周波数の異なる複数のキャリア信号のいずれを用いるかを判定し、キャリア切換信号またはキャリア指定信号を生成するキャリア切換判定部と、前記キャリア切換判定部からの前記キャリア切換信号または前記キャリア指定信号に応じて、キャリア信号ごとに予め定められる第１のタイミング遅延量に前記回転速度を乗じて第１の角度補償信号Δθ_２３を生成する第１の角度補償部と、前記第１の角度補償部からの前記第１の角度補償信号Δθ_２３によってモータの前記回転角度信号を補償して得られる第１の補償済角度信号θ_２３を位相信号として用いて、前記電流比例積分制御部からの前記２相電圧指令信号を変換して、ＰＷＭ出力タイミングを与える３相電圧指令信号を生成する２相／３相変換部と、前記モータの前記回転角度信号を受信するための角度信号入力部を有し、該角度信号入力部へ入力される角度信号を位相信号として用いて、前記３相電流の測定信号を変換して前記２相電流測定信号のトルク成分および励磁成分を生成する３相／２相変換部と、前記キャリア切換判定部からの前記キャリア切換信号または前記キャリア指定信号と前記３相電圧指令信号と互いに周波数の異なる複数のキャリア信号とを受信し、該３相電圧指令信号に応じたモータの駆動電流をＰＷＭ制御するためのデューティー制御信号を、前記キャリア切換信号または前記キャリア指定信号によって選択した一のキャリア信号が与えるタイミングによって生成するデューティー計算部と、前記キャリア切換判定部が生成する前記キャリア切換信号または前記キャリア指定信号に応じて、キャリア信号ごとに予め定められる第２のタイミング遅延量に前記回転速度を乗じて第２の角度補償信号Δθ _３２を生成する第２の角度補償部と、を備え、前記３相／２相変換部は、該第２の角度補償部からの前記第２の角度補償信号Δθ _３２によって前記モータの前記回転角度を補償して得られる第２の補償済角度信号を前記角度信号入力部により受信して、該第２の補償済角度信号を位相信号として前記３相電流の測定信号を変換して前記２相電流測定信号のトルク成分および励磁成分を生成するものである、モータ制御装置が提供される。

前記第２の角度補償部は、制御のために検出される３相電流と角度測定との間に生じる遅延（第２のタイミング遅延量）がひき起こす誤差を３相／２相変換部の入力となる角度に関して補償するものであり、これにより、さらに好適にキャリア切換におけるトルク変動の原因を除去することができる。

また、本願発明者は、さらに好適には、干渉項成分をキャンセルするような信号（非干渉補償信号）を用いて電流ＰＩ制御系をバイパスするフィードフォワード制御を用いることにより、積分値の値がキャリア信号の切り換えに良好に追随し、トルク変動がさらに良好に低減されることを見出した。すなわち、本発明においては、前記２相電流指令信号のトルク成分とモータのインダクタンスのトルク成分と該回転速度とを乗じた第１の電圧補償信号と、該２相電流指令信号の励磁成分とモータのインダクタンスの励磁成分との積に電機子鎖交磁束値を加えた和の値に前記回転速度を乗じて第２の電圧補償信号とを生成する非干渉補償部をさらに備え、前記２相／３相変換部は、少なくとも該第１の電圧補償信号と第２の電圧補償信号によって励磁成分とトルク成分とのそれぞれが補償された前記２相電圧指令信号に応じて前記３相電圧指令信号を生成するものであり、これにより、前記電流比例積分制御部をバイパスするフィードフォワード制御を行うモータ制御装置が提供される。

上記のような各モータ制御装置は、演算装置や記憶装置を備えるコンピュータによって実現することもできる。

本発明により、少なくとも２つのキャリア周波数の間で回転速度に応じてキャリア周波数を切り換えるキャリア切換方式のモータの制御装置において、キャリア切換時に生じるトルクのショックや電流波形の乱れの少なくとも一部が低減される。これにより、キャリア切換方式の実用性が高まり、例えば電気自動車等の動力源としてモータを利用する際に低速域で効率のよい低周波のキャリア信号を用い、高速域で滑らかな駆動波形が得られる高い周波数のキャリア信号を用いるというキャリア信号の切り換えを行うことができるようになる。

以下、図面を参照して本願の実施の形態について説明する。図１は、本願の実施の形態のモータ制御装置１０を示す制御ブロック図である。本実施の形態において、従来のモータ制御装置１００（図４）の要素と同様の処理を行う要素には同様の符号を付している。また、従来のモータ制御装置１００に比べて追加されているブロックは、キャリア切換判定部３２、２相／３相角度補償部（第１の角度補償部）３４、３相／２相角度補償部（第２の角度補償部）３６、非干渉補償部３８であり、その追加されたブロックに関連して用いられる信号は、２相／３相角度補償部３４が生成するΔθ_２３（第１の角度補償信号）および３相／２相角度補償部３６が生成するΔθ_３２（第２の角度補償信号）、これらによって補償した回転角度θの値である、それぞれθ_２３（第１の補償済角度信号）とθ_３２（第２の補償済角度信号）、および、非干渉補償部３８が生成する非干渉補償電圧信号Ｖｄｆｆ（第１の電圧補償信号）、Ｖｑｆｆ（第２の電圧補償信号）である。以下、モータ制御装置１０の各要素の動作について説明する。なお、サフィックス「ｆｆ」はフィードフォワードを表している。

［キャリア切換判定部］
キャリア切換判定部３２は、キャリア信号を異なる周波数のものと切り換えるための判定を行う。本発明においてキャリア周波数は、低速回転時にはスイッチング損失を低減すること、および、パワー素子の過熱を抑制することを目的として、また、高速回転時には、駆動電流を十分に滑らかな正弦波とすることを目的として、低速回転時には低い周波数、高速回転時には高い周波数とされる。キャリア信号の切り換えの段数に特段の制限はないが、一例として、低速用、中速用、高速用という３段階にすることができる。この場合の周波数の具体例を挙げるなら、例えば低速用は４ｋＨｚ、中速用は７ｋＨｚ、高速用は１２ｋＨｚとすることができる。

図２に示すように、キャリア信号の切り換えには、ヒステリシス特性を持たせることができる。すなわち、図２に示したように、低速用キャリア信号から中速用キャリア信号への切り換えは、回転速度ωを３０００ｒｐｍとし、逆に中速用キャリア信号から低速用キャリア信号への切り換えは２５００ｒｐｍとすることができる。こうすることにより、わずかな回転数の変化によって頻繁にキャリア切換が発生する現象（チャタリング）を防止することができる。中速用キャリア信号と高速用キャリア信号との間においても同様であり、この場合は例えば、４０００ｒｐｍと３５００ｒｐｍを切換回転数とすることができる。これらのキャリア信号の周波数やその切り換えの回転数は、具体的に利用するパワー素子の熱特性などに応じて決めることができる。また、ハイブリッド自動車においてトランスミッション装置と組み合わせてモータが用いられる場合には、トランスミッション装置の選択ギアと関連付けることもできる。なお、図２においては、回転数によって回転速度を示している。

キャリア切換判定部３２は、このような動作を可能にするために、少なくともこれらの回転数つまり角速度ωに対応させるキャリア信号の種類をテーブルとして保持している。そして、キャリア切換判定部３２は、そのテーブルを常時参照しながら、キャリア切換信号３２Ａを出力して、デューティー計算部にキャリア信号ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３のいずれを用いるかを指示する。このキャリア信号は、矩形波などのサンプリング情報を与えるタイミング信号である。キャリア切換判定部３２は、さらに、２相／３相角度補償部３４および３相／２相角度補償部３６に対しても、キャリア信号の切換信号３２Ｂおよび３２Ｃを伝達する。なお、キャリア切換信号３２Ａ〜Ｃは、切り換えのタイミングのみにアサートされる信号であってもよく、あるいは、各時点において用いられるキャリア信号を指定する信号（キャリア指定信号）とすることもできる。

［２相／３相角度補償部］
２相／３相角度補償部３４は、ＰＷＭ出力タイミングと角度検出タイミングの時間差Ｔ_２３（第１のタイミング遅延量）に速度ωを乗じた値を計算し、２相／３相変換角度補償信号Δθ_２３を生成する。これは、２相／３相変換部２２の出力となる、３相電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊（ＰＷＭ出力タイミングを定める電圧パルス）と、角度θの検出タイミングのずれにより、２相／３相変換の入力となる電圧指令信号Ｖｄ^＊および電圧指令信号Ｖｑ^＊が正しい値からずれるのを防ぐためである。このずれは、主に、角度検出してから電力変換までの遅延に基づくものであるため、このタイミングの遅延を適切に補償する。さらに、この遅延量である時間差Ｔ_２３はキャリア周波数により変化するため、キャリア周波数切換時にはＴ_２３も切り換えている。キャリア信号が切り換えられない場合には、時間差Ｔ_２３は一定に保たれる。２相／３相角度補償部３４には、用いるキャリア周波数に対して与える時間差Ｔ_２３のテーブルが備えられている。２相／３相角度補償部３４が出力する２相／３相変換角度補償信号Δθ_２３は、角度測定信号θに加算されて、２相／３相変換用補償済角度θ_２３として２相／３相変換部２２に与えられる。

［２相／３相変換部］
２相／３相変換部２２は、２相／３相角度補償部３４から受け付ける２相／３相変換用補償済角度θ_２３によって、電流ＰＩ制御部２０から受け付ける電圧指令Ｖｄ^＊および電圧指令Ｖｑ^＊を座標変換し、３相電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊を計算する。この際、角度検出器１２からの角度測定信号θをそのまま利用する代りに、２相／３相変換用補償済角度θ_２３を利用する。これ以外の２相／３相変換部２２の動作は図４の従来のものと同様である。

上述の２相／３相角度補償部３４による２相／３相変換用補償済角度θ_２３は、主に、デューティー計算部２４、電力変換部２６、モータＭ、および、角度検出器１２のタイミングの遅延を補償した角度でありこれが２相／３相変換部２２における計算に用いられる。

２相／３相変換部２２においては、２相／３相角度補償部３４からの２相／３相変換用補償済角度θ_２３が用いられるため、Ｖｄ^＊およびＶｑ^＊がこれらの遅延が補償された後のタイミングにあわせた位相を持つこととなる。このため、測定される駆動電流信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを介して３相／２相変換部１８によって算出される電流測定信号ＩｄおよびＩｑと２相電流指令信号Ｉｄ^＊とＩｑ^＊との間の偏差は、キャリア信号の値にかかわらず、すなわち、キャリア信号が切り替わる前にも切り替わった後にも小さくなる。したがって、いずれの場合にもその偏差を積分した積分値も小さくなる。つまり、キャリア信号の切換時に、当該積分値が積分器のリミッタにかかることを防ぐことができる。

［３相／２相角度補償部］
３相／２相角度補償部３６は、電流検出タイミングと角度検出タイミングの時間差Ｔ_３２（第２のタイミング遅延量）に速度ωを乗じた値、すなわち、３相／２相変換角度補償信号Δθ_３２を計算する。これは、３相／２相変換部への入力となる３相電流測定信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの電流検出タイミングと、角度θの検出タイミングとの間のずれにより、３相／２相変換の出力である２相電流測定信号ＩｄおよびＩｑが正しい値からずれるのを防ぐためである。このずれは、主に、角度検出してから電流測定のタイミングまでの遅延に基づくものである。ここで、この時間差Ｔ_３２はキャリア周波数により変化する。したがって、キャリア切換時には時間差Ｔ_３２も切り換える。キャリア信号が切り換えられない場合には、時間差Ｔ_３２は一定に保たれる。３相／２相角度補償部３６には、用いるキャリア周波数に対して与える時間差Ｔ_３２のテーブルが備えられている。３相／２相角度補償部３６が出力する３相／２相変換角度補償信号Δθ_３２は、角度測定信号θに加算されて、３相／２相変換用補償済角度θ_３２として３相／２相変換部１８に与えられる。

［３相／２相変換部］
３相／２相変換部１８は、３相／２相角度補償部３６から受け付ける３相／２相変換用補償済角度θ_３２によって、検出した３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを座標変換し、２相電流測定信号ＩｄおよびＩｑを計算する。つまり、図４の従来のものとは異なり、モータ角度測定信号θをそのまま利用する代りに、３相／２相変換用補償済角度θ_３２を利用する。

このように、３相／２相角度補償部３６を用いることにより、電流ＰＩ制御部２０が電圧指令信号Ｖｄ^＊およびＶｑ^＊を算出する際に用いる積分器において、積分対象となる２相電流指令信号Ｉｄ^＊およびＩｑ^＊と電流測定信号ＩｄおよびＩｑとの間の偏差は、キャリア信号の周波数にかかわらず、すなわち、キャリア信号が切り替わる前にも切り替わった後にも小さくなる。したがって、いずれの場合にもその偏差を積分した積分値も小さくなる。つまり、キャリア信号の切換時に、当該積分値が積分器のリミッタにかかることを防ぐことができる。

なお、上述のような３相／２相角度補償部３６における角度の補償を行わない場合には、測定される角度と測定される電流との間のタイミングの誤差を含んだ状態で制御が行われるため、後述する電流ＰＩ制御部２０での偏差の積分値が大きくなるとともに、さらに、そのタイミングの誤差がキャリア信号に依存しているという誤差自体にも飛びが生じ、キャリア信号を切り換えた際のトルクショックの原因となる。

［電流指令部］
電流指令部１６は、従来のものと同様である。すなわち、トルク指令などの指令信号と回転速度ωから２相電流指令信号Ｉｄ^＊およびＩｑ^＊を準備する。電流指令部１６の出力であるｄ軸電流指令信号Ｉｄ^＊およびｑ軸電流指令信号Ｉｑ^＊は、電流ＰＩ制御部２０に加えて、非干渉補償部３８にも入力される。

［電流ＰＩ制御部］
電流ＰＩ制御部２０についても、従来のものと同様である。つまり、電流ＰＩ制御部２０は、ｄ軸およびｑ軸の２相電流指令信号Ｉｄ^＊およびＩｑ^＊と、電流測定信号ＩｄおよびＩｑに基づいて、ｄ軸およびｑ軸に対する電圧指令信号すなわち電圧指令信号Ｖｄ^＊およびＶｑ^＊を生成する。

本実施の形態においては、キャリア信号を異なる周波数のものに切換えても、電流ＰＩ制御部において用いられるゲイン、すなわち、偏差の比例成分に対して乗じる比例ゲインと偏差の積分成分に対して乗じる積分ゲインは、共に変更されない。

［非干渉補償部］
本実施の形態の非干渉補償部３８は、ｄ軸電流指令Ｉｄ^＊、およびｑ軸電流指令Ｉｑ^＊と電気角速度ωｅ＝Ｐｎ×ωから、以下の成分（非干渉補償電圧信号）を電流ＰＩ制御部２０をバイパスするようにフィードフォワードして非干渉成分を補償する。ここで、Ｐｎはモータの極対の数である。
Ｖｄｆｆ＝Ｒａ×Ｉｄ^＊−ω×Ｌｑ×Ｉｑ^＊
Ｖｑｆｆ＝Ｒａ×Ｉｑ^＊＋ω×Ｌｄ×Ｉｄ^＊＋ωｅ×φａ
ここで、Ｒａ、Ｌｄ、Ｌｑ、φａは以下に相当するパラメータ、
Ｒａ：モータの電機子巻線１相あたりの抵抗、
Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス、および、
Φａ：モータの永久磁石による電機子鎖交磁束。
ここでは、積分値を可能な限り小さくする観点から、抵抗Ｒａがあるものとした場合の式を明示しているが、この抵抗成分の寄与は省略も可能である。

非干渉補償部３８がこのような成分を計算し、電流ＰＩ制御部２０の出力である電圧指令信号Ｖｄ^＊およびＶｑ^＊に加算するので、電流ＰＩ制御部２０が電圧指令信号Ｖｄ^＊およびＶｑ^＊を算出する際に用いる積分器において、積分対象となる２相電流指令信号Ｉｄ^＊およびＩｑ^＊と電流測定信号ＩｄおよびＩｑとの間の偏差は、キャリア信号の値にかかわらず、すなわち、キャリア信号が切り替わる前にも切り替わった後にも、干渉分の成分の分だけ小さくなる。したがって、いずれの場合にもその偏差を積分した積分値も小さくなる。つまり、キャリア信号の切換時に、当該積分値が積分器のリミッタにかかることを防ぐことができる。

なお、非干渉補償は、必ずしも２相電流指令信号Ｉｄ^＊およびＩｑ^＊に対して行う必要はなく、電流測定信号ＩｄおよびＩｑに対して行い、フィードバック制御することも考えられる。そのような場合であっても、積分値それ自体の大きさは小さくなり、一定の効果がある。その場合には、電流ＰＩ制御部２０によって生じる応答の悪化がそのまま残存してしまうため、本実施の形態では、電流ＰＩ制御部２０が積分のために不可避に生じる応答性の悪化を防止するために、電流ＰＩ制御部２０をバイパスする形で、フィードフォワード制御する態様としている。

これにより、偏差を積分する積分器において、キャリア切換時にリミッタが作動するような過大な偏差の積分値が生じることが防止できる。また、積分値それ自体のスムーズな切り換えも可能となる。これらの効果によって、電流波形の乱れやそれに伴うトルクショックが防止できる。このため、低速時の電力効率を改善できるような低いキャリア周波数を用いることができ、キャリア切換方式による電気自動車等の効率（燃費）の改善が可能となる。

以下、本実施の形態のモータ制御装置１０の動作の様子を図３（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図３（ａ）は、比較のために示したものであり、２相／３相角度補償も、３相／２相角度補償も、非干渉補償もいずれも行っていない場合において、トルク指令信号が一定となるような条件で回転速度が少しずつ上昇し、あるタイミングＴにおいてキャリア信号が切り替わった状況での２相電流指令信号と測定信号のｑ軸成分の積分値変化と、ｄ軸成分の積分値変化と、トルクの値の様子を示す特性図である。図３（ｂ）も比較のために示したものであり、２相／３相角度補償も、３相／２相角度補償も行っていないが非干渉補償を行った場合であり、図３（ｃ）は２相／３相角度補償と３相／２相角度補償を行っているが、非干渉補償を行っていない場合であり、そして、図３（ｄ）は２相／３相角度補償も、３相／２相角度補償も、非干渉補償もいずれも行った場合である。

図３（ａ）に示したように、２相／３相角度補償も、３相／２相角度補償も、非干渉補償もいずれも行っていない場合には、非干渉補償がないため積分値が大きくなっており、時刻Ｔにその状態でキャリア切換が起こるため、トルクの変動が大きくなっている。また、ｑ軸およびｄ軸の積分値が限界値に到達して電流制御が良好に行えなくなる。

図３（ｂ）に示したように、２相／３相角度補償も３相／２相角度補償も行っていないが非干渉補償を行った場合には、非干渉補償が行われるために、積分値はある程度低減されている。しかし、時刻Ｔのキャリア切換時に、角度補償（２相／３相、３相／２相）が行われない。このため、積分値の変動が大きく、トルク出力は一時的に変動する。

図３（ｃ）に示したように、２相／３相角度補償と３相／２相角度補償を行っているが、非干渉補償を行っていない場合には、キャリア切換時に、角度補償（２相／３相、３相／２相）が行われるため、積分値の変動が小さく、よってトルク出力の変動が小さくなる。しかし、非干渉補償が行われないために、この例では積分値それ自体が大きくなっており、積分値が限界値に到達して電流制御が良好に行えなくなる。

そして、図３（ｄ）に示したように、２相／３相角度補償も３相／２相角度補償も非干渉補償もいずれも行った場合には、非干渉補償が行われていて積分値も低減されている。そして、キャリア切換時に角度補償（２相／３相、３相／２相）が行われ、キャリア信号の切り換えに応じて補償値も変更されるため積分値の変動が小さくなる。これらによって、トルク出力の変動も小さく、積分値が限界値になることもない。

なお、本実施形態の場合には、理論的には、非干渉補償と角度補償（２相／３相、３相／２相）により積分値変動とトルク変動を０にすることができるはずであるが、実際には、抵抗Ｒａ、インダクタンスＬｑ、Ｌｄ、電機子鎖交磁束φａの大きさが温度や電流量で変わるため微小な変動が発生する。しかし、これらのみの効果で生じるトルクショックは、体感されたり、異音となる程度のものではない。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形、変更および組み合わせが可能である。

本発明の実施形態のモータ制御装置の構成を示すブロックダイアグラムである。本発明の実施形態におけるキャリア切換の態様を示す説明図である。本発明の実施形態の制御を行った場合のトルク変動の様子を示す説明図であり、（ａ）は従来の制御を行った場合のもの、（ｂ）は角度補償をせずに非干渉補償を行った場合のもの、（ｃ）は角度補償を行い、非干渉補償を行わない場合のもの、そして（ｄ）は、本実施形態の制御である、角度補償と非干渉補償を共に行った場合のものである。従来のモータ制御装置の構成を示すブロックダイアグラムである。

符号の説明

１０、１００モータ制御装置
１６電流指令部
１８３相／２相変換部
２０電流ＰＩ（比例積分）制御部
２２２相／３相変換部
２４、１２４デューティー計算部
２６電力変換部
Ｍモータ

Claims

モータの駆動電流をＰＷＭ制御するための制御装置であって、
外部から与えられる指令信号に応じてトルク成分と励磁成分とを有する２相電流指令信号を生成する電流指令部と、
モータを駆動する３相電流の測定信号から変換された２相電流測定信号と前記２相電流指令信号との間において、それぞれの信号のトルク成分同士および励磁成分同士の偏差に関して比例積分制御を行って、トルク成分および励磁成分を有する２相電圧指令信号を生成する電流比例積分制御部と、
前記モータの各時点における回転角度信号から計算される回転速度に応じて、互いに周波数の異なる複数のキャリア信号のいずれを用いるかを判定し、キャリア切換信号またはキャリア指定信号を生成するキャリア切換判定部と、
前記キャリア切換判定部からの前記キャリア切換信号または前記キャリア指定信号に応じて、キャリア信号ごとに予め定められる第１のタイミング遅延量に前記回転速度を乗じて第１の角度補償信号Δθ_２３を生成する第１の角度補償部と、
前記第１の角度補償部からの前記第１の角度補償信号Δθ_２３によって前記モータの前記回転角度信号を補償して得られる第１の補償済角度信号θ_２３を位相信号として用いて、前記電流比例積分制御部からの前記２相電圧指令信号を変換して、ＰＷＭ出力タイミングを与える３相電圧指令信号を生成する２相／３相変換部と、
前記モータの前記回転角度信号を受信するための角度信号入力部を有し、該角度信号入力部へ入力される角度信号を位相信号として用いて、前記３相電流の測定信号を変換して前記２相電流測定信号のトルク成分および励磁成分を生成する３相／２相変換部と、
前記キャリア切換判定部からの前記キャリア切換信号または前記キャリア指定信号と前記３相電圧指令信号と互いに周波数の異なる複数のキャリア信号とを受信し、該３相電圧指令信号に応じたモータの駆動電流をＰＷＭ制御するためのデューティー制御信号を、前記キャリア切換信号または前記キャリア指定信号によって選択した一のキャリア信号が与えるタイミングによって生成するデューティー計算部と、
前記キャリア切換判定部が生成する前記キャリア切換信号または前記キャリア指定信号に応じて、キャリア信号ごとに予め定められる第２のタイミング遅延量に前記回転速度を乗じて第２の角度補償信号Δθ _３２を生成する第２の角度補償部と、を備え、
前記３相／２相変換部は、該第２の角度補償部からの前記第２の角度補償信号Δθ _３２によって前記モータの前記回転角度を補償して得られる第２の補償済角度信号を前記角度信号入力部により受信して、該第２の補償済角度信号を位相信号として前記３相電流の測定信号を変換して前記２相電流測定信号のトルク成分および励磁成分を生成するものである、モータ制御装置。
前記２相電流指令信号のトルク成分とモータのインダクタンスのトルク成分と該回転速度とを乗じた第１の電圧補償信号と、該２相電流指令信号の励磁成分とモータのインダクタンスの励磁成分との積に電機子鎖交磁束値を加えた和の値に前記回転速度を乗じて第２の電圧補償信号とを生成する非干渉補償部をさらに備え、
前記２相／３相変換部は、少なくとも該第１の電圧補償信号と第２の電圧補償信号によって励磁成分とトルク成分とのそれぞれが補償された前記２相電圧指令信号に応じて前記３相電圧指令信号を生成するものであり、これにより、前記電流比例積分制御部をバイパスするフィードフォワード制御を行う請求項１に記載のモータ制御装置。
モータの駆動電流を検出する電流検出部からの信号と該モータの回転角度を検出する角度検出部からの信号と互いに周波数の異なる複数のキャリア信号とを受信し、該モータをＰＷＭ制御によって駆動するための電力を供給する電力変換部にデューティー制御信号を送信する演算装置と、該演算装置に接続され、プログラム保存領域と予め定められる値を保存するパラメータ保存領域とを有する記憶装置とを含むコンピュータを動作させるためのコンピュータプログラムであって、
前記演算装置を、請求項１に記載の電流比例積分制御部、電流指令部、キャリア切換判定部、第１の角度補償部、第２の角度補償部、２相／３相変換部、３相／２相変換部、および、デューティー計算部として動作させ、これにより前記コンピュータを請求項１に記載のモータ制御装置として動作させるためのコンピュータプログラム。
前記演算装置をさらに請求項２に記載の非干渉補償部として動作させ、これにより前記コンピュータを請求項２に記載のモータ制御装置として動作させるための請求項３に記載のコンピュータプログラム。