JP5710030B2 - 永久磁石電動機の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石を有する永久磁石電動機の出力を制御する永久磁石電動機の制御装置および制御方法に関するものである。

永久磁石を用いた電動機は、ステータ（固定子）の巻線およびコアから発生した熱によって、回転子の永久磁石の温度が上昇するため、永久磁石に残留する磁束密度が減少し、トルクが低下する。そのため、永久磁石の温度を推定して、それに基づいて、低下したトルクを補うための補正電流を流し、出力を安定させる制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところが、補正電流を流すと、当該補正電流により、ステータ（固定子）の巻線およびコアから発生する熱量が増加し、永久磁石の温度も上昇する。そして、永久磁石が高温減磁磁石である場合には、永久磁石が使用可能な温度以上の高温状態にさらされると、保磁力が低下し、不可逆減磁を引き起こす。そのため、永久磁石の推定温度が最高使用可能温度に近づくと、トルク指令を制限し、永久磁石を保護することが必要となる。

また、永久磁石を保護する為には、永久磁石の温度を正確に推定する必要がある。従来の電動機の制御装置においては、電動機に対し、誘起電圧と回転数と永久磁石の温度との関係を、予めマップとして求めておく。そして、実動作において、電動機が、非通電で、かつ、内燃機関に係わる外力によって空転状態にあるとき、電圧センサ及び磁極センサの出力に基づいて誘起電圧と回転数とを検出し、この検出した誘起電圧と回転数を用いて、先に求めたマップを参照して、永久磁石の温度を推定している（例えば、特許文献２参照）。

特許第４７０１４８１号公報 特開２００７−１０４８５５号公報

上記の特許文献１に記載の永久磁石電動機の磁石温度推定方法は、発生損失演算値と熱抵抗モデルから求めた電動機温度と、温度検出手段からの電動機温度とに基づき、永久磁石による磁束を推定するもので、周囲温度に左右される構成であるため、精度が悪いという問題点があった。

また、上記の特許文献２に記載の内燃機関の制御装置においては、電動機が、内燃機関に係わる外力によって空転状態にあるとき、電圧センサ及び磁極センサの出力に基づいて誘起電圧と回転数とを検出し、この検出した誘起電圧と回転数を用いて、先に求めたマップを参照して、永久磁石の温度を推定するものである。しかしながら、推定するときに、負荷とは切り離されていないため、回転子の慣性以外の影響を受けるため、精度が悪いという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、周囲の温度や回転子以外の慣性に左右されることなく、電動機を制御することが可能な、永久磁石電動機の制御装置および制御方法を得ることを目的としている。

この発明は、クラッチにより負荷から切り離されて無通電状態で回転する状態の永久磁石電動機の回転子の回転数を検出する回転子位置検出器と、検出された前記回転数に基づいて前記永久磁石電動機の磁石温度を推定する磁石温度推定器と、前記推定された磁石温度に基づいて前記永久磁石電動機に対する電流指令を補正するための補正量を求める電流補正器と、前記補正量に基づいて前記永久磁石電動機を駆動する電力変換器を制御する駆動制御装置とを備え、前記磁石温度推定器は、前記永久磁石電動機の電機子鎖交磁束と、前記永久磁石の磁石温度との関係を示す第２の磁石温度情報をマップとして求めた第２の磁石温度マップを予め格納しており、前記回転子位置検出器によって検出された前記回転数と、前記電力変換器によって検出された前記永久磁石電動機の端子間誘起電圧に基づいて電機子鎖交磁束を算出し、算出した電機子鎖交磁束と前記第２の磁石温度マップとから、前記永久磁石の磁石温度を推定する永久磁石電動機の制御装置である。

この発明は、クラッチにより負荷から切り離されて無通電状態で回転する状態の永久磁石電動機の回転子の回転数を検出する回転子位置検出器と、検出された前記回転数に基づいて前記永久磁石電動機の磁石温度を推定する磁石温度推定器と、前記推定された磁石温度に基づいて前記永久磁石電動機に対する電流指令を補正するための補正量を求める電流補正器と、前記補正量に基づいて前記永久磁石電動機を駆動する電力変換器を制御する駆動制御装置とを備え、前記磁石温度推定器は、前記永久磁石電動機の電機子鎖交磁束と、前記永久磁石の磁石温度との関係を示す第２の磁石温度情報をマップとして求めた第２の磁石温度マップを予め格納しており、前記回転子位置検出器によって検出された前記回転数と、前記電力変換器によって検出された前記永久磁石電動機の端子間誘起電圧に基づいて電機子鎖交磁束を算出し、算出した電機子鎖交磁束と前記第２の磁石温度マップとから、前記永久磁石の磁石温度を推定する永久磁石電動機の制御装置であるので、周囲の温度や回転子以外の慣性に左右されることなく、電動機を制御することができる。

この発明の実施の形態１，２による永久磁石電動機の制御方法のブロック図である。 この発明の実施の形態１，２による、変速時の電動機回転数の変化をグラフで示した図である。 この発明の実施の形態１による永久磁石電動機の制御装置および制御方法における処理の流れを示したフローチャートである。 この発明の実施の形態１による電動機回転数と各温度における鉄損と機械損との和の関係をグラフで示した図である。 この発明の実施の形態１による図４の点線部を拡大した図である。 この発明の実施の形態１、２による磁石推定温度と電流補正量との関係を示した図である。 この発明の実施の形態１、２による磁石推定温度と電流補正量との関係を示した図である。 この発明の実施の形態１、２による磁石推定温度と電流補正量との関係を示した図である。 この発明の実施の形態１、２による磁石推定温度と電流補正量との関係を示した図である。 この発明の実施の形態１，２による永久磁石の温度から電流補正量の算出方法における処理の流れを示したフローチャートである。 この発明の実施の形態２による永久磁石電動機の制御装置および制御方法における処理の流れを示したフローチャートである。 この発明の実施の形態２による電機子鎖交磁束と磁石温度の関係をグラフで示した図である。 この発明の実施の形態３による誘起電圧のゼロクロスを説明する図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による永久磁石電動機の制御装置の構成を示したブロック図である。本発明に係る永久磁石電動機の制御装置および制御方法は、電気自動車やハイブリッド自動車のモータだけでなく、他のあらゆる種類のモータ駆動システムにも適用可能である。

図１において、１は永久磁石電動機、２は電力変換器、３はコンデンサ、４は直流電源、５は変速機、６はクラッチ、７は回転子位置検出器、８は電流検出器、１１は駆動制御装置、１２は３φ／２φ変換器、１３は電流指令生成器、１４は電流制御器、１５は２φ／３φ変換器、１６はＰＷＭ生成器、１７は磁石温度推定器、１８は電流補正器、１９はニュートラル検出器である。

この発明の実施の形態１による永久磁石電動機の制御装置は、回転子位置検出器７と、磁石温度推定器１７と、電流補正器１８と、駆動制御装置１１とから構成されている。回転子位置検出器７は、クラッチ６により負荷から切り離されて無通電状態で回転している状態の永久磁石電動機１の回転子の回転数を検出する。磁石温度推定器１７は、検出された回転数に基づいて永久磁石電動機１の磁石温度を推定する。電流補正器１８は、推定された磁石温度に基づいて永久磁石電動機１に対する電流指令を補正する補正量を出力する。駆動制御装置１１は、永久磁石電動機１を駆動する電力変換器２を当該補正量に基づいて制御する。

図１に示すように、永久磁石電動機１は、直流／交流変換する電力変換器２を用いて給電され、駆動される。電力変換器２には、電圧平滑化するコンデンサ３を介して直流電源４が接続されている。永久磁石電動機１の出力軸側には、クラッチ６を備えた変速機５が接続される。永久磁石電動機１には、回転子位置検出器７が直結されている。永久磁石電動機１と電力変換機２との間には、電流検出器８が接続されている。駆動制御装置１１には、回転子位置検出器７の出力信号および電流検出器８で検出した三相交流電流値が入力される。駆動制御装置１１は、３φ／２φ変換器１２、電流指令生成器１３、電流制御器１４、２φ／３φ変換器１５、および、ＰＷＭ生成器１６を含む。磁石温度推定器１７には、回転子位置検出器７の出力信号およびニュートラル検出器１９の出力信号が入力され、磁石温度が推定される。電流補正器１８は、磁石温度推定器１７にて推定した磁石温度と電流指令生成器１３からの永久磁石電動機１に対する電流指令とが入力されて、磁石温度に基づいて永久磁石電動機１に対する電流指令値（ｉｄ，ｉｑ）を補正する補正量を出力する。駆動制御装置１１は、当該補正量により、電流指令生成器１３が出力した電流指令値を補正し、補正した電流指令値により、電力変換器２を駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。こうして、駆動制御装置１１、磁石温度推定器１７、および、電流補正器１８により、永久磁石電動機１が制御される。

以下に、図１の各構成について説明する。

永久磁石電動機１は、回転子の永久磁石にネオジム等の希土類磁石を使用した三相交流電動機で構成される。なお、永久磁石はサマリウムコバルト磁石、フェライト磁石など他の磁石でも良い。

電力変換器２は、例えばインバータであり、６個のパワースイッチング素子（ＩＧＢＴ等）と、それらのパワースイッチング素子に並列に接続されたダイオードとを用いて構成される。電力変換器２は、平滑コンデンサ３から直流電圧が供給されると、ＰＷＭ生成器１６からの出力信号に基づいて、直流電圧を交流電圧に変換して、交流電動機である永久磁石電動機１を駆動する。

コンデンサ３は、電解コンデンサまたはセラミックコンデンサからなり、直流電源４から供給された直流電圧を平滑化し、電力変換器２へ供給する。

直流電源４は、鉛蓄電池、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池からなる。

変速機５は、クラッチ６を備え、２段以上の多段ギアで構成され、変速時に、クラッチ６で、永久磁石電動機１と車両の駆動側との動力を遮断し、変速を行う。

回転子位置検出器７は、レゾルバやエンコーダが用いられる。回転子位置検出器７は、永久磁石電動機１の回転軸に連結される。回転子位置検出器７は、永久磁石電動機１の回転子位置に基づいて、回転角情報を、３φ／２φ変換器１２および２φ／３φ変換器１５へ出力する。また、回転子位置検出器７は、永久磁石電動機１の回転子位置に基づいて、速度情報（回転数）を、電流指令生成器１３と磁石温度推定器１７へ出力する。

電流検出器８は、永久磁石電動機１と電力変換機２を流れる三相交流電流を検出するもので、出力信号を３φ／２φ変換器１２へ出力する。

駆動制御装置１１は、上記のように、３φ／２φ変換器１２、電流指令生成器１３、電流制御器１４、２φ／３φ変換器１５、および、ＰＷＭ生成器１６を含み、電力変換器２を駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。

３φ／２φ変換器１２は、回転子位置検出器７からの回転角情報を基に、電流検出器８で検出した三相交流電流を二軸の電流（ｄ軸電流およびｑ軸電流）に変換する。

電流指令生成器１３は、回転子位置検出器７からの速度情報とトルク指令値とを基に、二軸の電流指令値（ｉｄ，ｉｑ）を生成する。

電流制御器１４は、３φ／２φ変換器１２から出力される二軸電流値と、電流指令生成器１３によって生成され、電流補正器１８によって補正された、二軸の電流指令値との差を基に、ＰＩ制御を行う。

２φ／３φ変換器１５は、回転子位置検出器７からの回転角情報を基に、電流制御器１４からの信号を三相電圧指令値に変換し、ＰＷＭ生成器１６へ出力する。

ＰＷＭ生成器１６は、２φ／３φ変換器１５からの三相電圧指令値を入力とし電力変換機２を駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。

磁石温度推定器１７は、予め、磁石温度情報（以下、第１の磁石温度情報とする）を格納している。第１の磁石温度情報は、回転子の回転数と、所定時間（Δｔ）の間に消費される鉄損と機械損との和と、磁石温度との関係をマップ（第１の磁石温度マップ）として予め求めておいたものである。磁石温度推定器１７は、所定時間（Δｔ）における回転数の減少度合い（回転勾配）と回転子の慣性とに基づいて、所定時間（Δｔ）の間に消費された回転子の鉄損と機械損との和を算出する。その後、磁石温度推定器１７は、ニュートラル検出器１９にてニュートラル状態であることが検知されたときに、回転子位置検出器７にて検出された回転子の速度情報（回転数）と、算出した鉄損と機械損との和とに基づいて、第１の磁石温度マップを参照して、磁石温度を推定する。磁石温度推定器１７は、推定した磁石温度を、電流補正器１８へ出力する。

電流補正器１８は、磁石温度と電流指令値ｉｄ，ｉｑを補正するための補正量との関係を予め求めておき、当該関係を温度−補正量マップとして格納している。電流補正器１８は、温度−補正量マップを参照して、磁石温度推定器１７にて推定した磁石温度に基づいて、永久磁石電動機１に対する電流指令値（ｉｄ，ｉｑ）を補正するための補正量を、温度−補正量マップから抽出する。また、電流補正器１８は、永久磁石電動機１の永久磁石温度が使用限界温度を超えると、磁石の不可逆減磁しないように永久磁石を保護する。

ニュートラル検出器１９は、クラッチ６により永久磁石電動機１の出力軸と車軸の動力が遮断された状態か否かを検出し、磁石温度推定器１７に出力する。検出方法としては、ニュートラル検出器１９の入力側を図１に示すように２箇所（モータ側、動力側）としておき、例えば、それらの回転数の差（モータ側、動力側）を求めて、それに基づき検出するようにすればよい。

図２は、本発明の実施の形態１による、変速時における、クラッチ６により動力が切断されて再び締結されるまでの、電動機回転数の変化をグラフで表したものである。横軸に時間、縦軸に電動機の回転数（電動機角速度）を示している。クラッチ６が動力を遮断した時刻をｔ₁、再び動力を締結した時刻をｔ_nとする。また、時刻ｔ₁から所定の時間Δｔが経過した時刻をｔ₂とする。変速時に、時刻ｔ₁で、クラッチ６が動力を遮断すると、永久磁石電動機１は車軸と切り離され、電力変換機２から通電されない状態で空回りする。この状態を、以下では、フリーランと呼ぶ。永久磁石電動機１の回転運動エネルギーＫは、機械損と鉄損とにより減少していく。機械損は風損やベアリング等での損失であり、温度との関係性がない。一方、鉄損は電磁鋼板の中で消費されるエネルギー損失で、永久磁石の磁束密度と周波数に関連して定まる。この永久磁石の磁束密度は、温度の変動によりほぼ線形的に変化する。例えば、サマリウムコバルト磁石であれば−０．０４［％／Ｋ］、ネオジム磁石は−０．１［％／Ｋ］、フェライト磁石は−０．１８［％／Ｋ］である。このため、温度上昇により永久磁石の磁束が低下すると、鉄損も低下する。本実施の形態１では、フリーラン状態において、温度の上昇と共に減少する鉄損に着目して、回転数の減少度合から鉄損と機械損とを求め、この値から磁石温度を推定し、温度により変化する磁石の磁束に応じて電力変換器を制御する。

図３は、本発明の実施の形態１による永久磁石電動機の制御装置の処理の流れを示したフローチャートで、車両が変速するときに適応する。図３に示すように、まず、磁石温度推定器１７が温度推定を開始すると、回転子位置検出器７にて永久磁石電動機１の速度情報（回転子の回転数）を検知し、電流検出器８にて電力変換器２からの永久磁石電動機１への通電状態を検知する（ステップＳ３１）。その結果、永久磁石電動機１が回転していて、且つ、無通電状態ならば、ステップ３２へ進む。一方、車両が停車していて永久磁石電動機１が駆動していないときや、通電状態の場合には、磁石温度の推定は行なわず、処理を終了する。ステップ３２においては、ニュートラル検出器１９にて、永久磁石電動機１がクラッチ６により負荷から切り離されたニュートラル状態であることを検知する（ステップＳ３２）。ニュートラル状態を検知すると、回転子位置検出器７にて永久磁石電動機１の回転数を測定する（ステップＳ３３）。次に、ステップＳ３３の回転数を測定した時刻からΔｔ秒経過後に、再び、回転子位置検出器７にて永久磁石電動機１の回転数を測定する（ステップＳ３４）。Δｔは微小時間であり、回転子位置検出器７の分解能に応じて調整し、適宜設定する必要がある。次に、磁石温度推定器１７で、ステップＳ３３で測定した回転数から、ステップＳ３４で測定した回転数を減算して、ステップＳ３３とステップＳ３４との間の回転数の減少度合い（回転勾配）を求め、当該回転数の減少度合いと回転子の慣性とからエネルギー変換を行い、回転運動エネルギーの差Ｋを算出する（ステップＳ３５）。回転運動エネルギーの差Ｋは、回転子の慣性をＪ、ステップＳ３３およびステップＳ３４の角速度をそれぞれω１およびω２とすると、次式（１）で算出できる。

回転運動エネルギーの差Ｋは、ステップＳ３３とステップＳ３４の間で消費された機械損と鉄損の和とみなすことができる。従って、磁石温度推定器１７は、上記の式（１）により、鉄損と機械損との和（鉄損＋機械損）を算出し、算出した鉄損と機械損との和、及び、回転子位置検出器７にて測定された永久磁石電動機１の回転数とに基づいて、第１の磁石温度マップから、磁石推定温度を抽出する（ステップＳ３６）。なお、磁石温度の抽出方法は、永久磁石電動機１の回転数および鉄損と機械損との和と磁石温度との関係（以下、第１の磁石温度情報）を予め求めておき、それをマップしたものを第１の磁石温度マップとして磁石温度推定器１７が格納しており、第１の磁石温度マップにより、磁石温度を抽出する。

図４は、第１の磁石温度情報（第１の磁石温度マップ）を示したもので、横軸に永久磁石電動機１の回転数、縦軸に鉄損と機械損との和（鉄損＋機械損）を示し、永久磁石電動機１の回転数と（鉄損＋機械損）との関係を磁石温度ごとに示したものである。磁石温度は、低い方から順に、ＴＬ３（符号４３）、基準温度（符号４４）、ＴＬ１（符号４２）、ＴＬ２（符号４１）となっている。すなわち、ＴＬ３（符号４３）が最も低い磁石温度で、ＴＬ２（符号４１）が最も高い磁石温度である。いずれの磁石温度においても、回転数に対する、鉄損と機械損の和（鉄損＋機械損）は右肩上がりとなっている。同一回転数では、磁石温度が高くなるにつれて、永久磁石の磁束密度が低下するために、鉄損と機械損の和（鉄損＋機械損）が小さくなる。ここで、基準温度は常温の２０℃とする。磁石温度ＴＬ２（符号４１）は、高温減磁磁石を用いたときの使用限界温度とする。磁石温度ＴＬ３（符号４３）は、低温減磁磁石を用いたときの使用限界温度とする。高温減磁磁石は、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石であり、使用限界温度ＴＬ２（符号４１）以上になると、常温に戻しても磁束が回復しない不可逆減磁が起こる磁石である。一方、低温減磁磁石はフェライト磁石であり、使用限界温度ＴＬ３（符号４３）以下になると、常温に戻しても磁束が回復しない不可逆減磁が起こる磁石である。使用限界温度は、磁石の品種とパーミアンス係数によって決定される。また、磁石温度ＴＬ１（符号４２）は、磁束低下の補正制御から不可逆減磁を防ぐ制御に変更することを決定するための設定温度である。

図５は、図４の点線４５内の部分を拡大したものを示していて、磁石温度が２０℃、４０℃、６０℃、および、８０℃のときのそれぞれの回転数と、鉄損と機械損との和（鉄損＋機械損）との関係を示したものである。ここで、ステップＳ３５の演算で得られた鉄損と機械損との和の値が、ａ点で示すプロットであったとき、磁石温度は４０℃より高く、６０℃より低い温度である。このように、磁石温度推定器１７は、算出した鉄損と機械損の和（鉄損＋機械損）と、第１の磁石温度情報とを参照して、磁石温度の範囲を推定することができる（ステップＳ３６）。また、磁石温度推定器１７が保持する第１の磁石温度情報の温度間隔を図５の例では２０℃としているが、その場合に限らず、当該温度間隔を小さくすると、磁石温度推定の分解能をより向上することができるため、温度間隔は適宜決定すればよい。

次に、ステップＳ３７では、図７に示すように、電流補正器１８が、ステップＳ３６で推定した磁石温度に基づいて、同一トルク時の電流−温度カーブ（図６Ａ〜６Ｄの符号６３参照）から電流値ｉａを算出し（ステップＳ７２）、磁石減磁開始時の電流−温度カーブ（図６Ａ〜６Ｄの符号６２参照）から電流値ｉｂを算出し（ステップＳ７３）、電力変換器２の最大電流値（図６Ａ〜６Ｄの符号６１参照）から電流値ｉｃを算出する（ステップＳ７４）。そして、電流補正器１８は、各々の電流値ｉａ，ｉｂ，ｉｃの中から最も小さいものを抽出し、それを電流補正量とする（ステップＳ７５）。なお、同一トルク時の電流−温度カーブおよび磁石減磁開始時の電流−温度カーブについては、以下に説明する。

図６Ａ〜図６Ｄに、推定された磁石温度（磁石推定温度）と、電流補正器１８にて補正する補正量との関係を示す。図６Ａ及び図６Ｂが高温減磁磁石の場合を示し、図６Ｃ及び図６Ｄが低温減磁磁石の場合を示す。図６Ａ〜図６Ｄにおいて、横軸が推定した磁石温度（磁石推定温度）で、縦軸が電流補正器１８の補正量である。また、６１は、電力変換器２の最大電流値である。電流補正器１８は、この電力変換器２の最大電流値（符号６１）のデータを予め格納している。また、６２は、永久磁石が減磁開始する時の永久磁石の磁石温度と永久磁石が減磁する最大電流との関係（以下、磁石減磁開始時の電流−温度カーブという。）を示している。電流補正器１８は、この磁石減磁開始時の電流−温度カーブ（符号６２）のデータを、磁石減磁開始時の電流−温度マップとして予め格納している。６３は、同一トルク時の永久磁石の磁石温度と補正量との関係（以下、同一トルク時の電流−温度カーブという。）を示している。電流補正器１８の補正量は、同一トルク時の電流−温度カーブ（符号６３）で示すように、磁石推定温度と基準温度との温度差と、永久磁石の残留磁束密度の温度係数の絶対値との乗算で求められる。電流補正器１８は、この同一トルク時の電流−温度カーブ（符号６３）のデータを、電流−温度補正量マップとして予め格納している。なお、図６Ａ〜図６Ｄに図示される補正量は、電流指令値に対する割合（％）である。例えば、補正量が１０％のときは、電流補正器１８は、電流指令生成器１３が出力した電流指令値ｉｄおよびｉｑの１０％の値を出力する。

好ましくは、補正対象の電流指令値ｉｄおよびｉｑの割合は、駆動状態に応じて変化させ、位相や周波数を変更することができる。

磁石温度ＴＬ１は、高温減磁磁石を使用する時のトルク補正を行う最高温度で、補正電流を加えても磁石が不可逆減磁しない温度に設定する。また、ＴＬ２は、高温減磁磁石を使用する時の永久磁石を有する電動機の使用限界温度である。ＴＬ３は、低温減磁磁石を使用する時の永久磁石を有する電動機の使用限界温度である。

図６Ａを用いて、高温減磁磁石を使用するときの補正量について説明する。図６Ａには、電力変換器２の最大電流値（磁石温度依存なし）（符号６１）、磁石減磁開始時の電流―温度カーブ（符号６２）、および、同一トルク時の電流−温度カーブ（符号６３）を示している。ここで、図６Ａでは、ＴＬ１のときに、磁石減磁開始時の電流―温度カーブ（符号６２）と同一トルク時の電流−温度カーブ（符号６３）とが一致した場合の図を示している。まず、推定された磁石温度がＴＬ１未満の場合は、電流補正量は、同一トルク時の電流−温度カーブ（符号６３）で示すように、磁石推定温度と基準温度との差と、磁石の残留磁束密度の温度係数の絶対値との乗算で求められる。また、推定された磁石温度がＴＬ１以上ＴＬ２未満の場合は、同一トルク時の電流−温度カーブ（符号６３）が、磁石減磁開始時の電流―温度カーブ（符号６２）よりも大きくなるため、永久磁石を保護するために、磁石減磁開始時の電流−温度カーブ（符号６２）に従って、電流補正器１８の補正量を減少させる。従って、電流補正量は、太線で示すように、磁石推定温度がＴＬ１未満の場合は、同一トルク時の電流−温度カーブ（符号６３）に従って求め、ＴＬ１以上の場合は、磁石減磁開始時の電流−温度カーブ（符号６２）に従って求める。さらに、ＴＬ２以上でも、同様に、磁石減磁開始時の電流―温度カーブ（符号６２）に従って電流量を補正すればよい。

次に、図６Ｂに、図６Ａよりもトルクが大きい場合を示す。なお、図６Ｂでは、図６Ａと同様に、電力変換器２の最大電流値（符号６１）と、磁石減磁開始時の電流―温度カーブ（符号６２）と、同一トルク時の電流−温度カーブ（符号６３）を示している。トルクが大きい場合、図６Ｂに示すように、磁石温度がＴＬ２よりも低い領域で、永久磁石が減磁することなく、同一トルク時の電流−温度カーブ(符号６３）が、電力変換器２の最大電流値（符号６１）に到達してしまう。このような場合には、モータの電流を、電力変換器２の最大電流値（符号６１）以下にする必要がある。従って、図６Ｂの太線で示すように、磁石推定温度の値に応じて、電力変換器２の最大電流値（符号６１）、磁石減磁開始時の電流―温度カーブ（符号６２）、および、同一トルク時の電流−温度カーブ（符号６３）の中の最も小さい値で、電流を補正する。
また、基準温度である２０℃を下回る温度の場合、磁石の磁束は基準温度に比べて増加するので、電流補正器１８は電流指令値を減少させるように出力して、トルクの増加を補正する。

また、図６Ｃを用いて、低温減磁磁石を使用するときの補正量について説明する。低温減磁磁石を使用する場合、推定された磁石温度がＴＬ３以上の場合は、電流補正量は、同一トルク時の電流−温度カーブ（符号６３）で示すように、磁石推定温度と基準温度との差と、磁石の残留磁束密度の温度係数の絶対値との乗算で求められる。また、図６Ｃにおいても、図６Ａと同様に、磁石減磁開始時の電流―温度カーブ（符号６２）を併記する。ここでは、磁石温度がＴＬ３の場合に、磁石減磁開始する電流が通電されている温度とする。この場合、ＴＬ３以下の温度では、永久磁石を不可逆減磁から保護するために磁石減磁開始時の電流―温度カーブ（符号６２）を用いて電流の補正を実施する。

一方、図６Ｄに示すように、磁石減磁開始時の電流温度カーブ（符号６２）の傾きよりも電流補正量の傾きのほうが緩やかになっている場合には、永久磁石は減磁しにくいことを示しているため、電流補正量は、同一トルク時の電流−温度カーブ（符号６３）で示すように、残留磁束密度の温度係数に従って補正すればよい。

次に、ステップＳ３８で、ニュートラル検出器１９にて再びニュートラル状態か否かの検出を行い、ニュートラル状態であればステップＳ３３に戻る。この動作をクラッチ６が再び締結する時刻ｔ_nまで繰り返し行う。抽出した磁石推定温度を近似することで、温度推定の精度を向上することができる。ステップＳ３８の判定で、ニュートラル検出器１９にてニュートラル状態が検出されなくなり、クラッチ６が車軸と動力を締結したと検知されると、次のステップＳ３９に進む。ステップＳ３９では、ステップＳ３７で抽出した補正量を電流補正器１８から出力し、この補正量に基づいて電流指令値ｉｄ，ｉｑを補正し、さらに、電流制御器１４、２φ／３φ変換器１５、および、ＰＷＭ生成器１６での処理の後、電力変換器２に出力し、電力変換器２により永久磁石電動機１に電圧を印加する。

好ましくは、時刻ｔ₁と時刻ｔ_nとの間の間隔が長い場合は、時刻ｔ_nから数回前の抽出値のみで磁石推定温度を近似してもよい。

また、好ましくは、ステップＳ３８からステップＳ３３へ戻るときは、ある程度時間を経過してからでもよい。

以下、補正量の決定方法について、具体的な例を挙げて説明する。

はじめに、高温減磁磁石の場合について説明する。今、高温減磁磁石であるネオジム磁石を用いた、永久磁石電動機１を駆動して磁石温度推定を行ったとする。この永久磁石電動機１の使用限界温度は１８０℃なので、磁石温度ＴＬ２は１８０℃で、ＴＬ１は１００℃とする。

ある駆動状態で推定した磁石温度が−１０℃であったとする。基準温度２０℃との温度差は−３０℃であるから、ネオジム磁石の残留磁束密度の温度係数を−０．１［％／Ｋ］とすると、温度差と温度係数の絶対値との乗算から、磁束密度が３％増加すると求められるので、電流補正器１８では電流指令生成器１３の出力に−３％補正して制御を行う（（−３０）×｜−０．１｜＝−３）。

同様に、推定した磁石温度が８０℃であったとすると、基準温度２０℃との温度差は６０℃であるから、磁束密度は６％減少するので、電流補正器１８では電流指令生成器１３の出力に６％補正して制御を行う（６０×｜−０．１｜＝６）。

そして、推定した磁石温度が１５０℃であったとすると、基準温度２０℃との温度差は１３０℃であるから、磁束密度は１３％減少する。これにより、電流補正器１８では、電流指令生成器１３の出力に、１３％補正して制御を行う。しかし、磁石温度がＴＬ１（１００℃）以上ＴＬ２（１８０℃）未満の場合は、永久磁石を保護するために、電流補正器１８の補正量を減少させるので、補正量は、磁石減磁開始時の電流―温度マップ（符号６２）を用いて１５０度の場合を補正すればよい。なお、磁石減磁開始時の電流―温度マップ（符号６２）については、磁界解析もしくは実験等で磁石温度が基準温度の２０℃、１００℃、１８０℃のときの磁石減磁開始時の電流―温度の関係をあらかじめ把握しておき、そのマップから磁石温度に応じて電流補正量を補完する。

一方、推定した磁石温度が２００℃であったとすると、磁石温度がＴＬ２（１８０℃）以上なので、永久磁石を不可逆減から保護するために、電流指令生成器１３の出力に磁石減磁開始時の電流―温度マップ（符号６２）に従って補正する。また、永久磁石電動機１に流れる電流を遮断する制御を行ってもよい。また、磁石温度がＴＬ２以上で、回転数が高い場合は、通電する電流量が少なくても、永久磁石電動機１自体の無負荷鉄損が大きくなるため、電流指令値ｉｄを０にして、回転数が上がらないように制御するようにしてもよい。

次に、低温減磁磁石の場合について説明する。低温減磁磁石であるフェライト磁石を用いた、永久磁石電動機１を駆動して磁石温度推定を行ったとする。この永久磁石電動機１の使用限界温度は−４０℃なので、磁石温度ＴＬ３は−４０℃とする。

ある駆動時の推定した磁石温度が５０℃であったとする。基準温度２０℃との温度差は３０℃であるから、フェライト磁石の残留磁束密度の温度係数が−０．１８［％／Ｋ］とすると、磁束密度は５．４％減少するので、電流補正器１８では電流指令生成器１３の出力に５．４％補正して制御を行う（３０×｜−０．１８｜＝５．４）。

同様に、推定した磁石温度が０℃であったとすると基準温度２０℃との温度差は−２０℃であるから、磁束密度は３．６％増加するので、電流補正器１８では電流指令生成器１３の出力に−３．６％補正して制御を行う（（−２０）×｜−０．１８｜＝−３．６）。

推定した磁石温度が−６０℃であったとすると、基準温度２０℃との温度差は−８０℃であるから、磁束密度は１４．４％増加するので、電流補正器１８では電流指令生成器１３の出力に−１４．４％補正して制御を行うところであるが、図６Ｃに示すように、電流補正量の傾きと比べて磁石減磁開始時の電流―温度マップ（符号６２）の傾きのほうが急な場合は、電流値を−１４．４％補正して制御しても減磁してしまう。そのため、磁石減磁開始時の電流―温度マップ（符号６２）に応じて、電流補正量をさらに小さくするように制御する。なお、図６Ｄのように、電流補正量の傾きと比べて磁石減磁開始時の電流―温度マップ（符号６２）の傾きのほうが緩やかな場合は、電流補正量は−１４．４％のままでよい。

好ましくは、磁石温度がＴＬ３以下になった場合は、反磁界のかからない微弱電流を長時間流し、永久磁石電動機1を暖機させる装置を備えてもよい。

以上のように、この発明の実施の形態１に係る永久磁石電動機の制御装置および制御方法においては、クラッチにより負荷から切り離されて無通電状態で回転する永久磁石電動機１の回転子の回転数を検出し、検出された回転数に基づいて永久磁石電動機１の磁石温度を推定し、推定された磁石温度に基づいて永久磁石電動機１に対する電流指令を補正する補正量を求め、駆動制御装置１が、当該補正量に基づいて永久磁石電動機１に電力を制御する電力変換器２を制御する構成としたので、永久磁石電動機がクラッチにより負荷から切り離されて無通電状態で回転する状態で、回転子の回転数を測定するため、回転子以外の慣性および通電状態の影響を受けることなく永久磁石の温度推定を行うことが可能で、永久磁石が温度変化により磁束が変化した場合でも、トルク変動、効率低下を抑えることができる。

また、この発明の実施の形態１に係る永久磁石電動機の制御装置および制御方法においては、磁石温度推定器１７は、所定時間（Δｔ）における回転数の回転勾配（減少度合）と回転子の慣性とから鉄損と機械損との和（鉄損＋機械損）を算出し、この算出値（鉄損＋機械損）と回転数とを用いて、第１の磁石温度情報（予め求めておいた、鉄損と機械損との和と回転数と磁石温度との関係（マップ））を参照して、磁石温度を推定するようにしたので、新たなセンサ等を必要とせずに、回転子位置検出器７のみで磁石温度を推定することができる。

また、この発明の実施の形態１に係る永久磁石電動機の制御装置および制御方法においては、電流補正器１８は、磁石温度と補正量との関係を示すマップを予め備え、磁石温度推定器１７で推定した温度と、当該マップとを参照することで、電流指令値ｉｄ，ｉｑの補正量を抽出するようにしたので、温度変化による永久磁石の不可逆減磁を防ぐことができる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２による永久磁石電動機の制御装置および制御方法に用いられる制御コントローラのフローチャートの図である。上記の図３に示した実施の形態１との変更点は、磁石の温度推定方法が異なる。実施の形態１では、図３のステップＳ３４，Ｓ３５で、Δｔ秒間の電動機回転数の減少度合いと回転子の慣性とから鉄損と機械損との和（鉄損＋機械損）を求め、ステップＳ３６で、算出した鉄損と機械損との和と第１の磁石温度情報とを参照して温度情報を推定していた。本実施の形態２では、図３のステップＳ３４，Ｓ３５の代わりに、図８のステップＳ４０で、電力変換器２にて、永久磁石電動機１の端子間誘起電圧を測定し、図３のステップＳ３６の代わりに、図８のステップＳ４１で、磁石温度推定器１７にて、永久磁石電動機１の回転数（角速度）と端子間誘起電圧とから電機子鎖交磁束を算出する。電機子鎖交磁束φａは、端子間誘起電圧をＶ、永久磁石電動機１の極対数をＰｎ、ステップＳ３３で測定した回転数（角速度）をω１とすると、次式（２）で算出できる。

本実施の形態２においては、算出した電機子鎖交磁束の値と、予め求めておいた電機子鎖交磁束と磁石温度の関係（以下、第２の磁石温度情報という）とを参照して、磁石温度を推定する点が、実施の形態１とは異なる。従って、本実施の形態２においては、電機子鎖交磁束と磁石温度との関係（第２の磁石温度情報）を予め求めておき、それを、第２の磁石温度マップとして、磁石温度推定器１７に格納しておく。図９は、第２の磁石温度情報（第２の磁石温度マップ）を示したもので、横軸に電機子鎖交磁束、縦軸に磁石温度をとり、それらの関係を示している。他の動作については実施の形態１と同様であるため、以下では、変更点を中心に説明を行うこととする。また、実施の形態２による永久磁石電動機の制御装置の構成は、図１に示した実施の形態１と同じであるため、図１を参照し、ここでは説明を省略する。

本実施の形態２においては、図８に示すように、実施の形態１と同様に、まず、ステップＳ３１〜Ｓ３３の処理を行う。本実施の形態２においては、次に、電力変換器２にて、永久磁石電動機１の端子間誘起電圧を測定する（ステップＳ４０）。次に、ステップＳ３３で測定した回転数とステップＳ４０で測定した端子間誘起電圧とから、上記の式（２）を用いて電機子鎖交磁束を算出し、予め格納された第２の磁石温度マップを参照して、磁石温度を推定する(ステップＳ４１)。当該推定した磁石温度を用いて、実施の形態１と同様に、ステップＳ３７〜Ｓ３９の処理を行う。

以上のように、本実施の形態２に係る永久磁石電動機の制御装置および制御方法においても、上記の実施の形態１と同様に、クラッチにより負荷から切り離されて無通電状態で回転する永久磁石電動機１の回転子の回転数を検出し、検出された回転数に基づいて永久磁石電動機１の磁石温度を推定し、推定された磁石温度に基づいて永久磁石電動機１に対する電流指令を補正する補正量を求め、駆動制御装置１が、当該補正量に基づいて永久磁石電動機１に電力を制御する電力変換器２を制御するようにしたので、永久磁石電動機１がクラッチにより負荷から切り離されて無通電状態で回転子の回転数を測定するため、回転子以外の慣性および通電状態の影響を受けることなく永久磁石の温度推定を行うことが可能で、温度推定した永久磁石が温度変化により磁束が変化した場合でも、トルク変動、効率低下を抑えることができる。

また、本実施の形態２に係る永久磁石電動機の制御装置および制御方法においては、磁石温度推定器１７が、測定した回転数と端子間誘起電圧とから電機子鎖交磁束を算出し、第２の磁石温度マップを参照して、磁石温度を推定するようにしたので、複雑な演算を必要とせずに磁石温度を推定することができる。

また、本実施の形態２に係る永久磁石電動機の制御装置および制御方法においても、上記の実施の形態１と同様に、電流補正器１８は、磁石温度と補正量との関係を示す温度−補正量マップを予め備え、磁石温度推定器１７で推定した温度を用いて、温度−補正量マップを参照することで、電流指令値ｉｄ，ｉｑの補正量を抽出するようにしたので、温度変化による永久磁石の不可逆減磁を防ぐことができる。

実施の形態３．
実施の形態１および２では、回転子位置検出器７として、レゾルバやエンコーダなどの既存の装置を用いる例を記載したが、回転子位置検出は、永久磁石電動機１の端子間誘起電圧から算出することにより行ってもよい。永久磁石電動機１の端子間誘起電圧は実施の形態２において用いており、誘起電圧のゼロクロス（図１０参照）の間隔ΔＴ３を測定しておけば、永久磁石電動機１の電気角１周期の時間は２×ΔＴ３となるため、永久磁石電動機１の極対数ＰｎとΔＴ３より、永久磁石電動機１の回転速度Ｒ［ｒ／ｍｉｎ］は、Ｒ＝６０／（Ｐｎ×２×ΔＴ３）であらわすことができる。これにより、回転数を容易に測定できる。また、回転子位置検出器７による検出と誘起電圧のゼロクロスの測定との双方を備えておけば、回転子位置検出器７の故障や誘起電圧の巻線短絡などを検出可能である。

１ 永久磁石電動機、２ 電力変換器、３ コンデンサ、４ 直流電源、５ 変速機、６ クラッチ、７ 回転子位置検出器、８ 電流検出器、１１ 駆動制御装置、１２ ３φ／２φ変換器、１３ 電流指令生成器、１４ 電流制御器、１５ ２φ／３φ変換器、１６ ＰＷＭ生成器、１７ 磁石温度推定器、１８ 電流補正器、１９ ニュートラル検出器。

Claims (5)

1. クラッチにより負荷から切り離されて無通電状態で回転する状態の永久磁石電動機の回転子の回転数を検出する回転子位置検出器と、
   検出された前記回転数に基づいて前記永久磁石電動機の磁石温度を推定する磁石温度推定器と、
   前記推定された磁石温度に基づいて前記永久磁石電動機に対する電流指令を補正するための補正量を求める電流補正器と、
   前記補正量に基づいて前記永久磁石電動機を駆動する電力変換器を制御する駆動制御装置と
   を備え、
   前記磁石温度推定器は、
   前記永久磁石電動機の電機子鎖交磁束と、前記永久磁石の磁石温度との関係を示す第２の磁石温度情報をマップとして求めた第２の磁石温度マップを予め格納しており、
   前記回転子位置検出器によって検出された前記回転数と、前記電力変換器によって検出された前記永久磁石電動機の端子間誘起電圧に基づいて電機子鎖交磁束を算出し、
   算出した電機子鎖交磁束と前記第２の磁石温度マップとから、前記永久磁石の磁石温度を推定する
   永久磁石電動機の制御装置。
2. クラッチにより負荷から切り離されて無通電状態で回転する状態の永久磁石電動機の回転子の回転数を検出する回転子位置検出器と、
   検出された前記回転数に基づいて前記永久磁石電動機の磁石温度を推定する磁石温度推定器と、
   前記推定された磁石温度に基づいて前記永久磁石電動機に対する電流指令を補正するための補正量を求める電流補正器と、
   前記補正量に基づいて前記永久磁石電動機を駆動する電力変換器を制御する駆動制御装置と
   を備え、
   前記磁石温度推定器は、
   前記回転子の回転数と、前記回転子の鉄損と機械損との和と、前記永久磁石の磁石温度との関係を示す第１の磁石温度情報をマップとして求めた第１の磁石温度マップを予め格納しており、
   前記回転子位置検出器によって検出された前記回転数の回転勾配と前記回転子の慣性とに基づいて鉄損と機械損との和を算出し、
   算出した鉄損と機械損との和と検出された前記回転数とに基づいて、前記第１の磁石温度マップを参照して、前記永久磁石の磁石温度を推定する
   永久磁石電動機の制御装置。
3. 前記電流補正器は、
   同一トルク時の前記永久磁石の磁石温度と前記電流指令を補正するための補正量との関係を示す電流−温度補正量マップ、前記電力変換器の最大電流値、および、前記永久磁石が減磁開始する時の前記永久磁石の磁石温度と前記永久磁石が減磁する最大電流との関係を示す磁石減磁開始時の電流−温度マップを予め格納しており、前記磁石温度推定器によって推定された前記磁石温度を用いて、前記電流−温度補正量マップ、前記電力変換器の最大電流値、前記磁石減磁開始時の電流−温度マップのうちの最も小さい値を参照して、前記補正量とする
   請求項１または２に記載の永久磁石電動機の制御装置。
4. クラッチにより負荷から切り離された無通電状態で回転可能な永久磁石電動機の制御方法であって、
   前記永久磁石電動機の回転を検知するステップと、
   前記永久磁石電動機への通電状態を検知するステップと、
   前記検知の結果、前記永久磁石電動機が回転していて、且つ、無通電状態の場合に、前記永久磁石電動機の回転数を測定するステップと、
   前記測定された回転数に基づき、前記永久磁石電動機の磁石温度を推定するステップと、
   前記推定した磁石温度に基づき、前記永久磁石電動機に対する電流指令を補正する補正量を抽出するステップと、
   前記補正量に基づいて、前記永久磁石電動機を駆動する電力変換器を制御するステップと
   を備え、
   前記磁石温度を推定するステップは、
   前記永久磁石電動機の電機子鎖交磁束と、前記永久磁石の磁石温度との関係を示す第２の磁石温度情報をマップとして求めた第２の磁石温度マップを予め格納するステップと、
   前記回転子位置検出器によって検出された前記回転数と、前記電力変換器によって検出された前記永久磁石電動機の端子間電圧に基づいて電機子鎖交磁束を算出するステップと、
   算出した電機子鎖交磁束と前記第２の磁石温度マップとから、前記永久磁石の磁石温度を推定するステップと
   を備えている
   永久磁石電動機の制御方法。
5. 前記補正量を抽出するステップは、
   同一トルク時の前記永久磁石の磁石温度と前記電流指令を補正するための補正量との関係を示す電流−温度補正量マップ、前記電力変換器の最大電流値、および、前記永久磁石が減磁開始する時の前記永久磁石の磁石温度と前記永久磁石が減磁する最大電流との関係を示す磁石減磁開始時の電流−温度マップを予め格納するステップと、
   前記磁石温度を推定するステップによって推定された前記磁石温度を用いて、前記電流−温度補正量マップ、前記電力変換器の最大電流値、前記磁石減磁開始時の電流−温度マップのうちの最も小さい値を参照して、前記補正量を求めるステップと
   を備えている
   請求項４に記載の永久磁石電動機の制御方法。

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