JP5997582B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は農業機械や建設機械、草刈り機等に搭載される交流モータの制御装置に関し、特にモータのベクトル制御を簡易にした回転制御に特徴を有するモータ制御装置に関するものである。

電気自動車やハイブリッド車においては従来車両の動力源として永久磁石同期モータ（IＰＭモータ）が用いられている。しかし農業機械や建設機械等においては、特許文献１に提案されているが、ハイブリッド車や電気を動力源とする車両はまだほとんど実用化されていない。

電気自動車等の分野においては、ＩＰＭモータの三相に夫々電流を検出する電流センサと、ロータの回転位置を検出する回転位置センサとを設け、これらのセンサの信号に基づいて三相交流の各相に流す電流を制御し、必要な電流値となるようスイッチングトランジスタでＰＷＭ制御している。即ち電流センサの値と回転位置センサからの値に基づいてベクトル順変換を行い、ベクトル順変換によって得られた回転座標系の電流値と、目標となるトルクから得られる電流値との差がなくなるようにＰＩ制御を行い、更にこれをベクトル逆変換して三相の目標となる電圧値を得る。この電圧値をＰＷＭ信号に変換してスイッチングトランジスタを制御し、モータを回転制御するようにしている。このように各種センサを用いてモータ制御を行うことによって、負荷の変動があっても高い効率でモータを駆動することができる。

特開２００３−９６０７号公報

しかしモータを制御するためにベクトル順変換、ベクトル逆変換を所定の周期、例えば５０μＳの短時間内に行うには高速の処理が必要となり、高価なマイクロコンピュータチップを必要とする。

本発明はベクトル制御に必要となるマイクロコンピュータの処理能力を少なくして、制御することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明のモータ制御装置は、永久磁石同期型の三相モータを用いたモータ制御装置であって、永久磁石同期型のモータと、前記モータの動作時の温度を測定する温度センサと、前記モータのロータの回転位置を測定する回転位置センサと、前記モータの出力可能なトルクの範囲の所定値毎に、及びモータの回転可能な回転数範囲の所定回転数毎に、前記モータの動作時の温度に対する回転座標での電流値の変化をマップとして保持するマップメモリと、前記モータの各相に流れる電流値をスイッチングによって制御するドライバと、車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量から得られるトルクが入力される操作信号入力部と、前記モータの出力となるトルクの値であって前記操作信号入力部に入力されたトルクの値と、前記回転位置センサから得られるモータの回転数と前記温度センサから得られる温度に基づいて、前記マップメモリに保持されているマップのうち前記トルクの値と前記モータの回転数に対応したマップから前記温度に対応する回転座標系の電流値を読み出してベクトル逆変換を行い、この出力をＰＷＭ制御信号として前記ドライバを制御するコントローラと、を具備するものである。

この課題を解決するために、本発明のモータ制御装置は、永久磁石同期型の三相モータを用いたモータ制御装置であって、永久磁石同期型のモータと、前記モータの動作時の温度を測定する温度センサと、前記モータのロータの回転位置を測定する回転位置センサと、前記モータの出力可能なトルクの範囲の所定値毎に、及びモータの回転可能な回転数範囲の所定回転数毎に、前記モータの動作時の温度に対する回転座標であって前記ロータの回転角度に対応するデューティ比の変化をマップとして保持するマップメモリと、前記モータの各相に流れる電流値をスイッチングによって制御するドライバと、車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量から得られるトルクが入力される操作信号入力部と、前記モータの出力となるトルクの値であって前記操作信号入力部に入力されたトルクの値と、前記回転位置センサから得られるモータの回転数と前記温度センサから得られる温度及び前記回転位置センサから得られる回転角度に基づいて、前記マップメモリに保持されているマップのうち前記トルクの値と前記モータの回転数に対応したデューティ比のデータを読出し、このデューティ比に基づいて前記ドライバを制御するコントローラと、を具備する。

このような特徴を有する本願の請求項１の発明によれば、電流センサを用いずにモータを制御するため、ベクトル制御に必要となるマイクロコンピュータの処理を約１／２とすることができるという効果が得られる。

又請求項２の発明によれば、ベクトル逆変換を行わないためマイクロコンピュータの処理を更に少なくすることができるという効果が得られる。

図１は本発明の第１の実施の形態によるモータ制御装置の全体構成を示すブロック図である。 図２は本実施の形態によるモータのマップメモリの保持するデータを取得するためのモータ評価システムの構成を示すブロック図である。 図３はマップメモリに保持されているデータの一例を示すグラフである。 図４はこの実施の形態によるモータ制御の概略フローチャートである。 図５は本発明の第２の実施の形態によるモータ制御装置の全体構成を示すブロック図である。 図６は第２の実施の形態によるモータ制御の概略フローチャートである。

図１は本発明の第１の実施の形態によるモータ制御装置の全体構成を示すブロック図である。本図において電池１１は例えば数百ボルトの二次電池であって、モータの電源として用いられる。この電池１１からの直流出力はドライバ１２に供給される。ドライバ１２は直流電圧をスイッチングし、三相交流に変換するものである。ドライバ１２の三相のラインＵ，Ｖ，Ｗはモータ１３に接続されている。ここでモータ１３は、リラクタンストルクを発生する電磁鋼板と永久磁石を埋め込んだロータを組み合わせたＩＰＭ三相モータとする。又モータ１３は内部を回転するロータの位置角度θを検出するための回転位置センサ１４が設けられる。

更に本実施の形態では、モータ１３に近接する位置にモータ１３の温度を検出するための温度センサ１５が設けられる。この温度センサ１５は熱電対やサーミスタによって実現することができ、故障の可能性は低い。回転位置センサ１４及び温度センサ１５からの出力は、コントローラ２０に与えられる。

さてコントローラ２０には操作信号入力部２１が接続される。操作信号入力部２１はモータ１３の回転を制御するため操作信号であるトルク（Ｎｍ）の値を入力するものである
。この値は車両のアクセルペダルの踏み込み量から得ることができる。又コントローラ２０にはマップメモリ２２が接続されている。マップメモリ２２は後述するように、回転座標系の目標値となる電流Ｉｄ，Ｉｑのデータを保持するものである。コントローラ２０の内部には、入力されたトルクの値を回転座標であるｄ−ｑ座標系の電流値Ｉｄ，Ｉｑに変換するトルク−ＩｄＩｑ変換マップが設けられる。

次にマップメモリ２２の内容について説明する。モータの運転を開始すると常温の温度から動作が開始されるが、例えば８０℃程度まではほぼ通常の電流値がそのまま維持されており、８０℃を超えるとモータのコイル巻線のインダクタンスや内部抵抗値が変化するため、モータ自体がわずかに元の状態とは異なり、必要な電流値が増加してくる。そこであらかじめ図２に示すように、測定対象となるテストモータ３０と負荷となるベンチモータ３１とをトルクセンサ３２を介して連結する。テストモータ３０は車両に用いられている図１のモータ１３と同一種類のモータとする。又電源３３はベンチモータ３１を駆動するための電源であり、電源３３にインバータ（ＩＮＶ）３４を介してベンチモータ３１が接続されている。一方電源３５はテストモータ３０を駆動するための電源であり、電源３５にはインバータ３６を介してテストモータ３０が接続されている。テストモータ３０には、その温度を測定するための温度センサ３７や、テストモータ３０の温度を制御するための温冷水注入機構３８が設けられる。又インバータ３６からテストモータ３０に供給する三相の電流値を測定するための電流センサ３９〜４１やテストモータ３０内のロータの回転位置を検出する回転位置センサ４２が設けられる。更にインダクタンスＬｄ，Ｌｑ、コイルの抵抗Ｒを測定するためのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４３が接続されている。モニタ４４はこれらのうち必要なデータを表示するものとする。

そしてテストモータ３０の負荷をベンチモータ３１により一定に制御して駆動し、テストモータ３０の回転数、温度変化をあらかじめ計測する。車両のモータ１３に要求されるトルクの範囲を例えば±１００Ｎｍの範囲とし、必要な回転数を例えば０〜±４０００ｒｐｍとする。この場合、±１００Ｎｍの範囲で所定のトルクの単位、例えば５Ｎｍ毎に、及び０〜±４０００ｒｐｍの範囲で所定の回転数、例えば１００ｒｐｍ毎に、温度に対してｄ−ｑ座標で表したテストモータ３０の電流値Ｉｑ，Ｉｄのデータを取得する。このＩｑ，Ｉｄのデータはテストモータ３０の各相に流れる電流値をベクトル順変換して求めてもよく、モニタ４４に得られるコイルのインダクタンスＬｄ，Ｌｑの値に基づいて演算により電流値Ｉｄ，Ｉｑとしてもよい。こうして温度に対応した電流値の変化をマップとして作成する。このときの温度の範囲はこの車両が使用される温度の範囲、例えば−４０℃〜＋１２０℃の範囲とする。尚トルクの負の値は回生モードを示している。このように各トルク及び各回転数毎に温度と電流値を保持する多数のマップをあらかじめマップメモリ２２に保持しておく。

図３は横軸を温度とし、これに対応する電流値Ｉｄ，Ｉｑを縦軸としたときのマップの一例であって、図３（ａ）は１０Ｎｍの操作力、モータ回転数１０００ｒｐｍの場合、図３（ｂ）は５０Ｎｍの操作力、モータ回転数１０００ｒｐｍの場合とする。このように前述したトルクの全ての範囲及び全ての回転数の範囲についてのマップ群の情報をマップメモリ２２が保持している。

次にこの実施の形態の動作について説明する。図４はこの実施の形態によるモータ制御の概略フローチャートである。この処理を開始すると、コントローラ２０はステップＳ１１においてまず回転位置センサ１４と温度センサ１５とのデータを入力する。そしてステップＳ１２において回転位置センサ１４からの出力を回転数に変換する。その後ステップＳ１３において操作信号入力部２１より得られたトルクとこの回転数とを用い、それらの値に最も近いマップメモリ２２のマップを選択し、そのときの温度から電流値Ｉｄ，Ｉｑを読出す（ステップＳ１４）。そしてこの値と回転位置センサ１４から得られたロータの
位相角θを用いてステップＳ１５でベクトル逆変換を行い、三相の各ラインに対する電圧値を出力する。そしてこの電圧値に対応するＰＷＭ信号を生成し、ドライバ１２にＰＷＭ信号を出力する（ステップＳ１６）。これによってドライバ１２のスイッチングトランジスタを用いてモータ１３を制御することができる。そしてこの処理を所定のサイクル（例えば５０μＳ）で繰り返す。これによってあまり能率を低下させることなくモータ１３を制御することができる。

こうすれば電流センサからの電流値に基づいてベクトル順変換、ベクトル逆変換を行ってモータ制御する場合に比べてやや能率は低下するものの、ベクトル順変換は不要となるためマイクロコンピュータチップでの処理を約１／２としてモータ１３を正常に制御することができる。尚この制御時には、フィードバック制御は行われていないが、車両の乗員はモータ１３の出力が過大であればアクセルをゆるめ、モータ１３の出力が過少であればアクセルを踏み込む。従って結果的に車両の乗員によるフィードバック制御となり、必要な操作力を得ることができる。

次に本発明の第２の実施の形態によるモータ制御装置について説明する。図５はこの実施の形態によるモータ制御装置の構成を示すブロック図であり、前述した第１の実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態では第１のマップメモリ２２に代えて第２のマップメモリ２３を用いる。マップメモリ２３はベクトル逆変換を行わないための必要なデータを保持するものである。又コントローラ２４は回転位置センサ１４と温度センサ１５からの値に基づいてモータを制御する際に、ベクトル逆変換を除くことによって更に演算処理を容易にするようにしたものである。

この場合に用いられるマップメモリ２３は、必要なトルク、全ての回転数、及び使用される温度の範囲内で、回転位置センサ１４からのロータの位置情報θに基づいてそのタイミングでモータに必要なデューティ比を全てマップメモリに保持している。例えば車両のモータに要求されるトルクの範囲を例えば±１００Ｎｍの範囲とし、必要なモータの回転数を例えば０〜±４０００ｒｐｍとする。この場合、所定のトルクの単位、例えば±１００Ｎｍの範囲で５Ｎｍ毎に、及び０〜±４０００ｒｐｍの範囲で所定の回転数、例えば１００ｒｐｍ毎に、及び必要な温度、例えば−４０℃〜１２０℃の範囲で所定の温度毎に、全ての位相角についてモータ制御に必要なデューティ比を全てマップメモリに保持している。この場合も図２に示すようにデータ測定のための装置を用いて所定の温度毎にモータを種々の条件で駆動し、このときに検出される三相の電流値をベクトル順変換してＩｄ，Ｉｑを得る。そしてこのときのトルク，温度，回転数を得る。そしてこのベクトル電流Ｉｄ，Ｉｑを得るのに必要なベクトル変換電圧Ｖｄ，Ｖｑを検出し、位相角θが０〜３５９°までの各角度についての固定のデューティ比を算出する。こうして得られたデューティ比をマップメモリ２３に保持しておく。

図６はこのモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。この処理を開始すると、コントローラ２４はステップＳ２１においてまず回転位置センサ１４と温度センサ１５とのデータを入力する。そしてステップＳ２２において回転位置センサ１４からの出力を回転数に変換する。その後ステップＳ２３において操作信号入力部２１より得られたトルクとこの回転数、及びそのときの温度センサ１５の値に基づいてマップメモリ２３のうち１つのマップを選択し、回転位置センサ１４からのロータの回転角度θに対応するデューティ比の値を読出す。これをＵ相のラインに対するデューティ比とすると、そのマップからＵ相に対しＶ相を１２０°、Ｗ相を２４０°の位相角をずらせた位相角でのデューティ比を読出す。そして三相のラインに対してＰＷＭ制御を行う（ステップＳ２５）。これによってドライバ１２のスイッチングトランジスタを用いてモータ１３を制御することができる。こうすればベクトル逆変換処理を行う必要がないので、コントローラ２４での演算を大幅に減少させて、しかも高能率でモータを制御することができる。そしてこの処理を
所定のサイクル（例えば５０μＳ）で繰り返す。こうすれば第１の実施の形態よりも更にマイクロコンピュータによる演算処理を少なくして、モータ１３を制御することができる。

次にハイブリッド車については、アシスト力を決定する際、複雑なアルゴリズムを用いれば、限られた計算時間の中、処理を終わらせるには高性能のマイクロコンピュータが必要となる。そこでハイブリッド車のアシスト力を決定する際に以下の式に基づいて決定するようにしてもよい。
Ｖ_ｍ＝ａ・Ｖ_ｍａｘ・Ｂ
ここで重み付け係数をＢ、アシストモータの目標値の速度をＶ_ｍ、アクセルの踏み込み割合をａ（０〜１）とし、最も踏み込んだときの踏み込み割合を１、踏み込んでいないときの値を０とし、車速の最高速度をＶ_ｍａｘとする。
ここで重み付け係数Ｂは例えばパワーモータでは０．９５、標準モードで０．８等とし、０〜１の範囲でユーザが自由に設定できる係数とする。

このときアシスト力Ｆは、アシストモータの現在の車速回転Ｖｒ、アシスト力ゲインＧとすると、次式
Ｆ＝（Ｖｍ−Ｖｒ）×Ｇ
とする。これによってハイブリッドモードでもＥＶモードでも使用することができ、条件分岐などのアルゴリズムを必要とせず、ユーザ好みのアシスト力を得ることができる。

この場合には目標車速と現在の車速の差が大きいときに大きなアシスト力が得られ、目標車速に近づくとアシスト力が減る。更にハイブリッド時は目標車速以上になると自動的に充電モードに移行する。目標車速が抑えられることで、パワーモード、標準モード、エコモードの順で消費電力を減少させることができる。

本発明は比較的簡単な制御でモータを駆動することができるため、農業機械等に有用に使用ことができる。

１１ 電池
１２ ドライバ
１３ モータ
１４ 回転位置センサ
１５ 温度センサ
２０，２４ コントローラ
２１ 操作信号入力部
２２，２３ マップメモリ

Claims (2)

1. 永久磁石同期型の三相モータを用いたモータ制御装置であって、
   永久磁石同期型のモータと、
   前記モータの動作時の温度を測定する温度センサと、
   前記モータのロータの回転位置を測定する回転位置センサと、
   前記モータの出力可能なトルクの範囲の所定値毎に、及びモータの回転可能な回転数範囲の所定回転数毎に、前記モータの動作時の温度に対する回転座標での電流値の変化をマップとして保持するマップメモリと、
   前記モータの各相に流れる電流値をスイッチングによって制御するドライバと、
   車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量から得られるトルクが入力される操作信号入力部と、
   前記モータの出力となるトルクの値であって前記操作信号入力部に入力されたトルクの値と、前記回転位置センサから得られるモータの回転数と前記温度センサから得られる温度に基づいて、前記マップメモリに保持されているマップのうち前記トルクの値と前記モータの回転数に対応したマップから前記温度に対応する回転座標系の電流値を読み出してベクトル逆変換を行い、この出力をＰＷＭ制御信号として前記ドライバを制御するコントローラと、を具備するモータ制御装置。
2. 永久磁石同期型の三相モータを用いたモータ制御装置であって、
   永久磁石同期型のモータと、
   前記モータの動作時の温度を測定する温度センサと、
   前記モータのロータの回転位置を測定する回転位置センサと、
   前記モータの出力可能なトルクの範囲の所定値毎に、及びモータの回転可能な回転数範囲の所定回転数毎に、前記モータの動作時の温度に対する回転座標であって前記ロータの回転角度に対応するデューティ比の変化をマップとして保持するマップメモリと、
   前記モータの各相に流れる電流値をスイッチングによって制御するドライバと、
   車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量から得られるトルクが入力される操作信号入力部と、
   前記モータの出力となるトルクの値であって前記操作信号入力部に入力されたトルクの値と、前記回転位置センサから得られるモータの回転数と前記温度センサから得られる温度及び前記回転位置センサから得られる回転角度に基づいて、前記マップメモリに保持されているマップのうち前記トルクの値と前記モータの回転数に対応したデューティ比のデータを読出し、このデューティ比に基づいて前記ドライバを制御するコントローラと、を具備するモータ制御装置。

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