JP6011324B2 - 回転電機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を備えるロータと複数相のステータコイルを備えるステータを有した交流の回転電機を制御する回転電機制御装置に関する。

回転電機のステータコイルには絶縁が施されるが、使用される絶縁素材は、回転電機の他の構成部材に比べても一般的に耐熱温度が高くはない。そのため、ステータコイルの温度が上昇すると絶縁素材の絶縁性能を低下させる可能性がある。このため、ステータコイルの温度を監視し、ステータコイルの温度が制限温度に達した場合に、ステータコイルに対する通電量を抑制するような制御が行われる場合がある。ステータコイルの温度を測定する方法としては、センサを設置する方法や、温度ヒューズなどの遮断器を利用する方法もある。しかし、センサは設置場所を確保する必要があり、遮断器は遮断後の復帰が容易ではない。また、センサや遮断器の部品コストも発生する。このため、回転電機の制御の際に取得可能な情報を用いて、温度によって変化するステータコイルの抵抗値を求め、当該抵抗値からステータコイルの温度を推定する手法が提案されている（例えば非特許文献１）。

このような熱伝導モデルの手法を用いてステータコイルの抵抗値を推定するためには、ステータコイルに印可されている電圧、及びステータコイルを流れる電流などの情報を取得する必要がある。回転電機が比較的高いトルク及び高い回転数で定常動作している場合には、抵抗値の推定に必要な精度でこれらの情報を取得することができる。しかし、回転電機が低トルクや低回転数で動作している場合には、特に電流の値が非常に小さくなり、測定値において誤差の占める割合が相対的に多くなって測定精度が低下する傾向がある。電流の測定精度が低下すると、ステータコイルの抵抗値の推定精度も低下するから、結果としてステータコイルの温度推定の精度も低下してしまうことになる。

Sang-Bin Lee and Thomas G. Habetler, "An Online Stator Winding Resistance Estimation Technique for Temperature Monitoring of Line-Connected Induction Machines", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL.39, NO.3, MAY/JUNE 2003, page.685-693

上記背景に鑑みて、回転電機の回転状態に応じてステータコイルに流れる電流が少なくなる場合においても、熱伝導モデルにより、ステータコイルの抵抗値を精度よく推定し、ステータコイルの温度を精度よく推定可能な技術が望まれる。

上記課題に鑑みた本発明に係る、永久磁石を備えるロータと複数相のステータコイルを備えるステータを有した交流の回転電機を制御する回転電機制御装置の特徴構成は、
前記ステータコイルに実際に流れるコイル電流を検出するコイル電流検出部と、
前記コイル電流と前記回転電機が目標トルクを出力するように決定される電流指令との偏差に基づいて前記回転電機のフィードバック制御を行う制御部であって、前記回転電機の通常時の制御条件を定めた通常制御条件に従って定まる前記電流指令である通常電流指令を決定し、当該通常電流指令に基づく前記フィードバック制御を少なくとも実行する主制御部と、
前記ステータコイルに対する印加電圧を取得する印加電圧取得部と、
少なくとも前記コイル電流と前記印加電圧とに基づいて前記ステータコイルの電気抵抗であるコイル抵抗を演算すると共に、当該コイル抵抗に基づいて前記ステータコイルの温度であるコイル温度を演算するコイル温度演算部と、を備え、
前記主制御部は、前記通常電流指令に基づく前記フィードバック制御の実行中に、前記回転電機の制御状態を表す指標が予め規定された電流増加制御実行条件を満たす場合には、少なくとも前記コイル電流検出部による検出の間、前記通常電流指令よりも電流を増加させるように、前記電流指令を変更する電流増加制御を実行する点にある。

この特徴構成によれば、コイル電流検出部によりコイル電流が検出される間、電流指令を一時的に変更することによって、コイル電流を増加させる。従って、通常制御条件に従えば、コイル電流が少なくなる場合でも、コイル電流の検出精度の低下を抑制することができ、コイル抵抗の演算精度の低下も抑制される。その結果、当該コイル抵抗に基づくコイル温度も精度よく演算される。即ち、本特徴構成によれば、回転電機の回転状態に応じてステータコイルに流れる電流が少なくなる場合においても、ステータコイルの抵抗値を精度よく推定し、ステータコイルの温度を精度よく推定することができる。

ここで、本発明に係る回転電機制御装置は、１つの態様として、前記回転電機が、直流電力と交流電力との間で電力変換を行うインバータを介して駆動制御されるものであり、当該回転電機制御装置が、前記回転電機の前記目標トルク、前記電力変換における変調率、前記コイル電流、前記電流指令の少なくとも１つに基づいて、前記電流増加制御実行条件を満たすか否かを判定する条件判定部をさらに備えると好適である。例えば、実際にステータコイルを流れるコイル電流が少ない場合には、コイル電流の検出誤差が大きくなる可能性がある。従って、電流増加制御実行条件を満たすか否かの判定に用いる指標としてコイル電流を利用すると好適である。また、主制御部は、電流指令にコイル電流が一致するようにフィードバック制御するものであるから、コイル電流は電流指令に追従する。従って、条件判定部による判定に用いる指標として電流指令を利用することによってコイル電流が少なくなるよりも前に電流増加制御を開始させることができる。また、電流指令は目標トルクに基づいて決定されるから、条件判定部が、目標トルクを指標として判定するとさらに早いタイミングで電流増加制御を開始させることができる。また、電力変換における変換率である変調率は、相対的に、目標トルクが高くなると大きくなり、目標トルクが低くなると小さくなる傾向がある。従って、変調率を電流増加制御実行条件を満たすか否かを判定する際の指標とすることも好適な実施形態の１つである。

また、本発明に係る回転電機制御装置は、１つの態様として、前記主制御部が、前記ロータと同速で回転する回転座標系に設定された直交ベクトル座標系におけるベクトル制御によって前記回転電機を制御するものであり、前記電流指令が、前記直交ベクトル座標系の一方の座標軸でありトルクに寄与するｑ軸の成分と、他方の座標軸であり界磁磁束に寄与するｄ軸の成分とに電流ベクトルを分割して設定され、前記電流増加制御が、前記直交ベクトル座標系において等トルクを出力可能な前記ｑ軸の成分と前記ｄ軸の成分とを規定した等トルク線上の動作点を、当該動作点を設定可能な範囲内において移動させることによって実行される場合、前記主制御部が、前記電流増加制御の実行に際して、前記直交ベクトル座標系における前記電流ベクトルの前記等トルク線に沿った移動量が相対的に少なくなる側に、前記動作点を移動させると好適である。あるいは、別の態様として、前記主制御部は、前記電流増加制御の実行に際して、前記直交ベクトル座標系における前記ｄ軸の成分の増加量が相対的に少なくなる側に、前記動作点を移動させると好適である。

当該移動量が相対的に少なくなる側に動作点を移動させることにより、より迅速に電流を増加させることができる。また、電流指令を一時的に変更した後、元の動作点へも迅速に復帰させることができる。従って、損失を最小限に抑制しつつ、コイル電流の検出精度を向上させることができる。また、ｄ軸の成分の増加量が相対的に少なくなる側に、動作点を移動させる場合には、トルクに寄与しないｄ軸成分の電流の増加量を抑制することができ、効率の低下を抑制することができる。

コイル抵抗の演算に際しては、回転電機の運転状態が影響する。例えば、最も極端に回転速度が“０”の場合には、３相各相の電流及び電圧が一定値となる。同様に、極めて回転速度が低い場合には、コイル抵抗を演算する演算期間内における回転速度がほぼ“０”と見なせる場合もある。従って、このような場合には、各相のステータコイルのコイル抵抗を個別に演算し、さらに各相のコイル温度を個別に演算すると好適である。一方、回転速度が比較的大きい場合には、３相各相の電流及び電圧は回転に応じて変化する。従って、よく知られた回転電機制御の電圧方程式などに基づき、全相のステータコイルを統合した電機子を対象として、抵抗値及び温度を演算すると好適である。即ち、１つの態様として、本発明に係る回転電機制御装置の前記コイル温度演算部は、前記回転電機の回転速度が、回転停止状態を含む予め規定された下限回転速度以下である場合には、複数相の前記ステータコイルの各相の前記コイル電流と前記印加電圧とに基づいて相ごとに前記コイル抵抗を演算して、相ごとの前記コイル温度を演算し、前記回転速度が前記下限回転速度より大きい場合には、全相の前記コイル電流を統合した電機子電流と前記印加電圧とに基づいて全相の電気抵抗を合成した前記コイル抵抗を演算して、全相の前記コイル温度を演算すると好適である。

ところで、コイル温度の推定精度を向上するためには、コイル抵抗の演算精度の向上が必要であり、コイル抵抗の演算精度の向上にはコイル電流の検出精度の向上が効果的である。コイル電流は交流であるから、その瞬時値は検出タイミングによって異なる。従って、コイル電流検出部は、交流波形のピークやボトムにおいてコイル電流を検出するとよい。即ち、１つの態様として、本発明に係る回転電機制御装置の前記コイル電流検出部は、前記ステータコイルを流れる交流電流の最大値及び最小値の少なくとも一方のみをサンプリングすると好適である。

車両の駆動系を模式的に示す図 回転電機制御装置の機能を示す模式的ブロック図 トルク特性の一例を示す図 電流増加制御の一例を示すフローチャート 回転速度とトルクとの関係を示すトルクマップ ステータコイルを流れる交流電流を模式的に示す波形図 ３相のステータコイルを流れる交流電流を示す波形図

以下、本発明の実施形態を、１モータハイブリッド駆動系を備えた車両における回転電機制御装置に適用する場合を例として、図面に基づいて説明する。図１は、当該車両の駆動系を模式的に示している。図１に示すように、ここでは、エンジンＥ（内燃機関）と回転電機ＭとがダンパＤを介して接続され、回転電機ＭがギアトレインＧを介して駆動輪ＤＷに接続されたパラレルハイブリッド方式の車両を例示している。例えば、エンジンＥ及び回転電機Ｍにより駆動される駆動輪ＤＷは前輪であり、後輪は従動輪ＦＷである。

回転電機Ｍは、直流電力と交流電力との間で電力変換を行うインバータ８１を介して駆動制御される。インバータ８１は、ＥＣＵ（electronic control unit）７０により制御される。回転電機Ｍは交流回転電機であり、電動機及び発電機として機能する。回転電機Ｍが電動機として機能する場合、インバータ８１は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して回転電機Ｍを駆動する。ここでは、直流電源として蓄電可能なバッテリー８０を例示している。回転電機Ｍが発電機として機能する場合には、インバータ８１は、回転電機Ｍにより発電された交流電力を直流電力に整流してバッテリー８０に回生する。バッテリー８０は、回生された電力を蓄電する。尚、直流電源は、蓄電池や二次電池の他、キャパシタなどにより構成されていてもよい。

ＥＣＵ７０は、本発明の回転電機制御装置の中核である。以下、回転電機制御装置（ＥＣＵ７０）の機能部を模式的に示したブロック図である図２も参照して説明する。回転電機Ｍは、永久磁石を備えるロータ４０と複数相（ここでは３相）のステータコイル３２を備えるステータ３０とを有した交流回転電機である。回転電機制御装置は、マイクロコンピュータやＤＳＰ（digital signal processor）等の論理プロセッサを中核として構成されたＥＣＵ７０を有して構成されている。ＥＣＵ７０には、図２に示すように、論理プロセッサなどのハードウェアとプログラムなどのソフトウェアとの協働により実現される各種の機能部が構築されている。本実施形態におけるＥＣＵ７０は、そのような機能部として、少なくとも主制御部７１と温度推定部７２とを有して構成されている。

主制御部７１は、回転電機制御装置の中心となる機能部である。主制御部７１は、ステータコイル３２に実際に流れるコイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）と回転電機Ｍの目標トルクＴ^＊に基づく電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）との偏差に基づいて、回転電機Ｍをフィードバック制御する。温度推定部７２は、ステータコイル３２の温度を推定する機能部である。ステータコイル３２には、絶縁が施されているが、この絶縁素材（例えば絶縁紙、絶縁被膜など）の耐温度性能は高くなく、ステータコイル３２が高温となると絶縁性能が低下する可能性がある。このため、ステータコイル３２の温度が予め規定された上限温度に達した場合、例えば主制御部７１は、ステータコイル３２に流す電流を減少させてステータコイル３２の温度を低下させる。温度推定部７２は、そのような制御に利用するために、ステータコイル３２の温度を推定する機能部である。

本実施形態において、主制御部７１は、トルク制御部（電流指令決定部）１と、電流指令マップ１ａと、電流制御部（電圧指令決定部）３と、フィードバック電流座標変換部４と、電圧制御部（駆動指令演算部）５と、変調率導出部６と、条件判定部７と、位置検出部９３と、速度検出部９４とを備えている。電圧制御部（駆動指令演算部）５により生成された駆動指令に基づいて、バッテリー８０とステータコイル３２との間で直流交流変換を行うインバータ８１が駆動制御される。主制御部７１は、ロータ４０に備えられた永久磁石による磁極の方向に設定されたｄ軸と当該ｄ軸に直交するｑ軸とで規定された直交ベクトル座標系におけるベクトル制御によって回転電機Ｍを駆動制御する。この直交ベクトル座標系は、ロータ４０と同速で回転する回転座標系に設定された座標系である。

トルク制御部１（電流指令決定部）は、回転電機Ｍの目標トルクＴ^＊に応じて、ステータコイル３２に流す電流の指令であってｄ軸及びｑ軸に対応した電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）を、電流指令マップ１ａに基づいて決定する機能部である。ｄ軸電流指令ｉｄ^＊は、直交ベクトル座標系の一方の座標軸であり、回転電機Ｍの界磁磁束に寄与するｄ軸の成分である。ｑ軸電流指令ｉｑ^＊は、直交ベクトル空間のもう一方の座標軸であり、回転電機Ｍ（ロータ４０）のトルクに寄与するｑ軸の成分である。電流指令マップ１ａは、図３に例示するようなトルクマップに基づいて予め生成されたマップである。尚、後述するように、トルク制御部１（主制御部７１）は、予め規定された電流増加制御実行条件を満たす場合に、回転電機Ｍの効率が最大となる制御条件での値よりも電流を増加させるように、電流指令を一時的に変更する電流増加処理を実行する。電流増加処理実行条件を満たすか否かは、後述するように、条件判定部７により判定される。

電流制御部（電圧指令決定部）３は、ステータコイル３２に印加する電圧の指令である電圧指令（ｖｄ^＊，ｖｑ^＊）を決定する機能部である。具体的には、電流制御部３は、実際にステータコイル３２を流れるコイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）がフィードバックされたフィードバック電流（ｉｄ，ｉｑ）と電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）との偏差に基づいて、比例積分制御（ＰＩ制御）や比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）を用いた電流制御を行って電圧指令（ｖｄ^＊，ｖｑ^＊）を決定する。本実施形態では、ホール効果を利用してバスバーなどの電流配線に近接して非接触で電流を計測する電流センサ９１によりコイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）が計測される例を示している。

フィードバック電流座標変換部４は、３相のコイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）を、ロータ４０の回転角度θ（電気角）に基づいて直交ベクトル座標系の２相のフィードバック電流（ｉｄ，ｉｑ）に座標変換する機能部である。ロータ４０の回転角度θは、レゾルバなどの回転センサ９２の計測結果を利用して位置検出部９３において検出される。同様に、ロータ４０の回転速度ωは、回転センサ９２の計測結果を利用して速度検出部９４において検出される。当然ながら、回転センサ９２が直接、回転角度θや回転速度ωを出力するように構成されていてもよい。

電圧制御部（駆動指令演算部）５は、ｄ軸電圧指令ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令ｖｑ^＊に基づいてインバータ８１を構成するＩＧＢＴなどのスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成して、インバータ８１をスイッチング制御する。インバータ８１は、よく知られているように、３相それぞれに対応する３アームのブリッジ回路により構成される。バッテリー８０の正極と負極との間に２つのＩＧＢＴが直列に接続され、この直列回路が３回線並列接続される。つまり、モータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応するステータコイル３２のそれぞれに１組の直列回路（アーム）が対応したブリッジ回路が構成される。対となる各相のＩＧＢＴによる直列回路の中間点、つまり、ＩＧＢＴの接続点は各相のステータコイル３２にそれぞれ接続される。尚、ＩＧＢＴには、それぞれフリーホイールダイオード（回生ダイオード）が並列に接続される。フリーホイールダイオードは、カソード端子がＩＧＢＴのコレクタ端子に接続され、アノード端子がＩＧＢＴのエミッタ端子に接続される形で、ＩＧＢＴに対して並列に接続される。

駆動信号は、例えば各ＩＧＢＴのゲート駆動信号として生成される。一般的に、インバータを駆動するパワー系の電気回路と、マイクロコンピュータなどの電子回路とは、電源電圧が大きく異なる。このため、低電圧の電子回路により生成されたＩＧＢＴのゲート駆動信号は、ドライバ回路を介して高電圧のパワー系の電気回路に配置された各ＩＧＢＴに供給される。図１及び図２では、このようなドライバ回路もインバータ８１に含むものとして図示している。

変調率導出部６は、バッテリー８０の直流電圧値Ｖｄｃに対するステータコイル３２の３相交流電圧の実効値の比率であり、電力変換における変換率を示す変調率ＭＩを演算する機能部である。具体的には、下記式(1)に示すように、ｄ軸電圧指令ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令ｖｑ^＊の２乗和の平方根を直流電圧値Ｖｄｃで除した値が変調率ＭＩとして求められる。

温度推定部７２は、コイル電流検出部１１と、印加電圧取得部１２と、コイル温度演算部１３とを有して構成されている。コイル電流検出部１１は、ステータコイル３２に実際に流れるコイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）を検出する機能部である。上述したように、コイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）は、直接的には、電流センサ９１により計測される。コイル電流検出部１１は、電流センサ９１の計測結果を取得してコイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）を検出する。図２においては発明の要旨を理解し易いように、主制御部７１とは別にコイル電流検出部１１を設けているが、当然ながらコイル電流検出部１１の一部又は全てが、主制御部７１に含まれていてもよい。例えば、フィードバック電流座標変換部４が、コイル電流検出部１１として機能することを妨げるものではない。また、コイル電流は、３相の電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）でも良いし、２相の電流（ｉｄ，ｉｑ）でもよい。演算時の利用形態に応じて何れの形態も採り得る。

印加電圧取得部１２は、ステータコイル３２に対する印加電圧を取得する機能部である。ステータコイル３２に対する印加電圧は、電圧指令（ｖｄ^＊，ｖｑ^＊）でもよいし、実際にステータコイル３２に掛かる電圧を電圧計等によって計測した値であってもよい。印加電圧取得部１２も、コイル電流検出部１１と同様に、その一部又は全てが、主制御部７１に含まれていてもよい。例えば、電流制御部３や電圧制御部５が、印加電圧取得部１２として機能することを妨げるものではない。また、コイル電流と同様に、印加電圧も、３相の電圧でも２相の電圧でもよい。

コイル温度演算部１３は、少なくともコイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）と印加電圧とに基づいてステータコイル３２の電気抵抗であるコイル抵抗Ｒａを演算すると共に、このコイル抵抗Ｒａに基づいてステータコイル３２の温度であるコイル温度Ｔｃを演算する機能部である。ところで、電流制御部３は、電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）から、電圧方程式に基づいて、電圧指令（Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊）を演算する。ｄ軸の電圧Ｖｄ及びｑ軸の電圧Ｖｑを表す電圧方程式は、ψａ：電機子の鎖交磁束、ω：角速度、Ｉｄ：ｄ軸電流、Ｉｑ：ｑ軸電流、Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス、Ｒａ：コイル抵抗（電機子抵抗）、ｐ：微分演算子として、以下の式(2)のように表される。従って、コイル抵抗Ｒａは、式(3)のように表される。

インダクタンス（Ｌｄ，Ｌｑ）は、非線形なパラメータであるため、電圧、回転速度ω、目標トルクＴ^＊などを引数としてマップから参照される。コイル抵抗Ｒａが演算されると、当該コイル抵抗Ｒａに基づいて下記式(4)を用いてステータコイル３２の温度であるコイル温度Ｔｃが演算される。式(4)において、Ｒ_２０は、２０℃におけるコイル抵抗を示し、αは、熱抵抗率（＝２３４．５）を示している。

ところで、式(3)に示すように、コイル抵抗Ｒａを求めるに際しては、ｄ軸及びｑ軸の電流が必要である。これは、図２に示すブロック図では、フィードバック電流（ｉｄ，ｉｑ）に相当する。フィードバック電流（ｉｄ，ｉｑ）は、コイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）が座標変換されたものであり、コイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）は、電流センサ９１により測定されたものである。被測定対象のコイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）の値が小さい場合には、電流値に対する誤差の割合が相対的に高くなり、電流センサ９１による測定精度が低下する。このため、コイル抵抗Ｒａの演算精度も低下し、結果としてコイル温度Ｔｃの演算精度も低下する。

そこで、トルク制御部１は、コイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）が小さい場合や、小さくなると予想される場合、電流増加制御を実行する。つまり、トルク制御部１は、後述するように、回転電機Ｍの通常時の制御条件を定めた通常制御条件に従って定まる通常電流指令に基づくフィードバック制御の実行中に、回転電機Ｍの制御状態を表す指標が電流増加制御実行条件を満たす場合に、電流増加制御を実行する。具体的には、少なくともコイル電流検出部１１による電流検出の間、通常電流指令よりも電流を増加させるように、電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）を一時的に変更する電流増加制御を実行する。ここで、通常制御条件とは、回転電機Ｍの効率が最大となる制御条件（最大効率制御）や、回転電機Ｍのトルクが最大となる制御条件（最大トルク制御）である。以下、そのような電流増加制御の実行時を含めた、トルク制御部１による電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）の決定について説明する。

上述したように、トルク制御部（電流指令決定部）１は、目標トルクＴ^＊に応じ、電流指令マップ１ａに基づいて電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）を決定する。電流指令マップ１ａは、図３に例示するようなトルクマップに基づいて予め生成されたマップである。以下、そのような電流指令マップ１ａの基準となるトルクマップについて説明する。上述したように、電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）は、直交ベクトル座標系の一方の座標軸でありトルクに寄与するｑ軸の成分と、他方の座標軸であり界磁磁束に寄与するｄ軸の成分とに電流ベクトルを分割して設定される。

トルクマップ（電流指令マップ１ａ）には、図３に示すように、ｄ−ｑ軸直交ベクトル座標系（ｄ−ｑ電流ベクトル座標系）における等トルク線ＣＴと、電圧制限楕円ＬＶと、基本制御線ＭＴと、限界トルク線ＬＴと、最大電流ラインＬＩとが規定されている。等トルク線ＣＴは、トルクの値に応じて設定され、各トルクを出力するためのｄ軸電流指令ｉｄ^＊とｑ軸電流指令ｉｑ^＊との合成ベクトルの軌跡である。電圧制限楕円ＬＶは、ロータ４０の回転速度ω及び直流電圧値Ｖｄｃに応じて設定され、設定可能なｄ軸電流指令ｉｄ^＊とｑ軸電流指令ｉｑ^＊との範囲をこれらの合成ベクトルの軌跡で示したものである。

基本制御線ＭＴは、電圧制限楕円ＬＶの内側で実行する通常制御の際の電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）として設定され、トルクに応じた通常制御の際の電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）をこれらの合成ベクトルの軌跡により示した線である。つまり、基本制御線ＭＴは、通常制御条件を示した線ということができる。一例として、基本制御線ＭＴは、最も少ない電流で各トルクを出力可能なｄ軸電流とｑ軸電流とを組み合わせた合成ベクトルの軌跡を示す最大トルク線とすることができる。

限界トルク線ＬＴは、等トルク線ＣＴ及び電圧制限楕円ＬＶに基づいて設定され、各トルクを出力可能な限界の電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）の組み合わせた場合のベクトル軌跡である。具体的には、限界トルク線ＬＴは、各等トルク線ＣＴが電圧制限楕円ＬＶの接線となる際の接点を結んだ線に相当する。最大電流ラインＬＩは、出力可能な最大の電機子電流（電流ベクトルの大きさ）のベクトル軌跡、つまり電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）の合成ベクトルの軌跡である。

電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）は、図３に示すトルクマップ上の動作点における電流ベクトルをｄ軸及びｑ軸にベクトル分解したものに相当する。通常の制御時には、トルク制御部１は、上述した等トルク線ＣＴと基本制御線ＭＴとの交点が動作点として設定される。図３における動作点“Ｐ１”，“Ｐ２”，“Ｐ５”がそのような動作点に相当する。目標トルクＴ＊が変化すると、通常は基本制御線ＭＴに沿って動作点が移動する。一方、いわゆる弱め界磁制御や強め界磁制御のように、界磁磁束を調整する制御を行う場合には、基本制御線ＭＴから外れた位置に動作点が設定される。

例えば、回転電機Ｍが基本制御線ＭＴ上の動作点“Ｐ２”において制御されている場合に、等トルク線“ＣＴ２”に沿って動作点“Ｐ４”の方向へ動作点を移動させると、出力トルクは維持した状態で界磁磁束を弱める弱め界磁制御となる。一方、等トルク線“ＣＴ２”に沿って動作点“Ｐ３”の方向へ動作点を移動させると、界磁磁束を強める強め界磁制御となる。このように動作点を移動させると、動作点が基本制御線ＭＴ上に設定されている場合と比べて電機子電流（電流ベクトルの大きさ）が大きくなり、効率が低下する。このため、弱め界磁制御や強め界磁制御は、特定の目的を有する場合に実行される。例えば、高回転時において逆起電力を抑制するために界磁磁束を弱める目的で弱め界磁制御が実施されたり、逆に例えば回生時において逆起電力を大きくするために界磁磁束を強める目的で、ｄ軸電流指令ｉｄ^＊が正側に変化するように動作点を移動させる強め界磁制御が実施されたりする。

本実施形態では、電機子電流が増加するように、電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）を一時的に変更する電流増加制御を行うために、弱め界磁制御や強め界磁制御が実行される。上述したように、基本制御線ＭＴ上の動作点は、最も少ない電流で各トルクを出力可能な電機子電流のベクトル軌跡を表している。従って、動作点を基本制御線ＭＴから移動させることによって、電機子電流の絶対値を大きくすることができる。つまり、等トルク線ＣＴ上において動作点を移動させることによって、出力トルクを維持した状態で電機子電流の絶対値を増やすことが可能である。

トルク制御部１（主制御部７１）は、通常制御条件で実行される通常制御で取得される指標が電流増加制御実行条件を満たす場合に、少なくともコイル電流検出部１１による検出の間、通常制御条件での値よりも電流を増加させるように、電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）を一時的に変更する電流増加制御を実行する。電流増加制御実行条件は、種々の条件を設定可能である。つまり、条件判定部７は、通常制御条件で実行される通常制御で取得可能な種々の指標を利用して電流増加制御実行条件を満たすか否かを判定することができる。１つの態様として、条件判定部７は、電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）により示される電機子電流（電流ベクトル）の絶対値をこの指標として電流増加制御実行条件を満たすか否かのを判定することができる。

図３において、動作点“Ｐ１”は、回転電機Ｍの出力トルクが最大トルクの５０％の際の等トルク線“ＣＴ１”と、基本制御線ＭＴとの交点に設定されている。この際の電機子電流（電流ベクトル）の絶対値を基準とすると、同一の絶対値を有するベクトルの軌跡は、原点を中心として動作点“Ｐ１”を通る円弧“Ｋ”となる。この円弧“Ｋ”を下限電流基準線と称する。条件判定部７は、動作点が下限電流基準線Ｋよりも原点側の範囲に存在するときに、電流増加制御実行条件を満たすと判定することができる。この場合の電流増加制御実行条件は、電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）により規定される動作点の直交ベクトル座標系における座標が下限電流基準線Ｋよりも原点側であることとすることができる。換言すれば、電流増加制御実行条件は、電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）の合成ベクトルの絶対値（大きさ）が、予め規定された値よりも小さいこととすることができる。

また、主制御部７１は、電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）にフィードバック電流（ｉｄ，ｉｑ）が一致するようにフィードバック制御するものである。従って、フィードバック電流（ｉｄ，ｉｑ）の合成ベクトルの絶対値を判定の指標として利用し、電流増加制御実行条件を満たすか否かが判定されてもよい。即ち、この場合の電流増加制御実行条件は、フィードバック電流指令（ｉｄ，ｉｑ）により規定される点の直交ベクトル座標系における座標が、下限電流基準線Ｋよりも原点側であることとすることができる。換言すれば、電流増加制御実行条件は、フィードバック電流（ｉｄ，ｉｑ）の合成ベクトルの絶対値（大きさ）が、予め規定された値よりも小さいこととすることができる。尚、この合成ベクトルは、コイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）の合成ベクトルでもある。従って、フィードバック電流ｉｄ，ｉｑの座標変換前の値、つまりコイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）に基づいて規定される点の直交ベクトル座標系における座標が、下限電流基準線Ｋよりも原点側であることを電流増加制御実行条件としてもよい。当然ながら、電流増加制御実行条件は、コイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）の合成ベクトルの絶対値（大きさ）が、予め規定された値よりも小さいこととすることができる。また、コイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）の実効値に対してしきい値を設定することも、好適な実施形態の１つである。

また、電流増加制御実行条件として設定される指標に目標トルクＴ^＊を用いることもできる。上述したように、トルク制御部１は、基本的には基本制御線ＭＴ上の動作点におけるｄ軸、ｑ軸の値を電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）として決定する。目標トルクＴ^＊が小さくなると、動作点は基本制御線ＭＴ上を原点方向へ移動する。一方、目標トルクＴ^＊が大きくなると、動作点は基本制御線ＭＴ上を原点とは反対方向へ移動する。つまり、例えば基本制御線ＭＴに沿って移動する動作点が、下限電流基準線Ｋよりも原点側であるか否かは、目標トルクＴ^＊によって判定可能である。よって、条件判定部７は、目標トルクＴ^＊に基づいて電流増加制御実行条件を満たすか否かを判定するように構成されていてもよい。例えば、目標トルクＴ^＊が予め規定された基準トルクより小さいことを電流増加制御実行条件とすることができる。

さらに、電力変換における変換率である変調率ＭＩは、目標トルクＴ^＊が高くなると大きくなり、目標トルクＴ^＊が低くなると小さくなる傾向がある。従って、判定のために取得される指標として変調率ＭＩを用い、条件判定部７が、変調率ＭＩに基づいて電流増加制御実行条件を満たすか否かを判定することも好適な実施形態の１つである。例えば、変調率ＭＩが予め規定された基準変調率より小さいことを電流増加制御実行条件とすることができる。

上述したように、条件判定部７は、回転電機Ｍの目標トルクＴ^＊、電力変換における変調率ＭＩ、コイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ又はｉｄ，ｉｑ）、電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊の少なくとも１つに基づいて、電流増加制御実行条件を満たすか否かを判定する。そして、トルク制御部１による電流増加制御は、直交ベクトル座標系において等トルクを出力可能なｑ軸の成分とｄ軸の成分とを規定した等トルク線ＣＴ上の動作点を移動させることによって実行される。この際、トルク制御部１は、動作点を設定可能な範囲内において、等トルク線ＣＴ上の動作点を移動させる。つまり、電流位相（図３において電機子電流を示す合成ベクトルとｄ軸とのなす角）を変化させる。

具体的には、図３に示す第４象限内であって、最大電流ラインＬＩよりも原点側であり、限界トルク線ＬＴよりも原点側の範囲内において、トルク制御部１は動作点を移動させる。例えば、等トルク線“ＣＴ２”の場合には、動作点“Ｐ２”から動作点“Ｐ３”及び“Ｐ４”への移動が可能である。等トルク線“ＣＴ３”の場合には、動作点“Ｐ５”から動作点“Ｐ６”への移動が可能である。動作点“Ｐ６”とは逆方向への移動では、電流ベクトルの絶対値が所望の値となるまでに、第１象限に入ってしまうので、等トルク線“ＣＴ３”の場合には、動作点“Ｐ５”から“Ｐ６”への一方向への移動となる。

尚、等トルク線“ＣＴ２”のように、複数方向へ動作点の移動が可能な場合には、図４のフローチャートに例示するように、直交ベクトル座標系における電流ベクトルの等トルク線ＣＴに沿った移動量が相対的に少なくなる側に、動作点を移動させると好適である。つまり、条件判定部７により電流増加制御実行条件を満たすか否かが判定され（＃１１）、条件を満たす場合には、弱め界磁方向及び強め界磁方向への動作点の移動量の大小関係が判定される（＃１２）。この際、移動先の動作点が、動作点を設定可能な範囲外となる場合には、設定可能な最大値が移動量としてＥＣＵ７０の内部レジスタ等に設定される。そして、より移動量の少ない側への移動が選択される（＃１３，＃１４）。つまり、弱め界磁方向への移動量が強め界磁方向への移動量よりも大きい場合には、強め界磁制御が選択され、動作点は強め界磁方向へ移動される。弱め界磁方向への移動量が強め界磁方向への移動量以下の場合には、弱め界磁制御が選択され、動作点は弱め界磁方向へ移動される。このように、移動量が少ない側へ動作点を移動させることによって、動作点の移動をより早く完了させることができる。例えば、図３において例示した等トルク線“ＣＴ２”上での移動では、動作点“Ｐ３”及び“Ｐ４”の内、相対的に移動量の少ない動作点“Ｐ３”へ移動すると好適である。

また、複数方向へ動作点の移動が可能な場合に別の条件で動作点の移動方向を決定することもできる。図５のフローチャートに例示するように、弱め界磁電流又は強め界磁電流の内、電流値（絶対値）が少ない側に対応させて動作点を移動させることも好適である。つまり、条件判定部７により電流増加制御実行条件を満たすか否かが判定され（＃２１）、条件を満たす場合には、それぞれの移動方向へ移動する際の弱め界磁電流及び強め界磁電流の大小関係が判定される（＃２２）。この際、移動先の動作点が、動作点を設定可能な範囲外となる場合には、設定可能な最大値が電流の値としてＥＣＵ７０の内部レジスタ等に設定される。そして、より電流の少ない側への移動が選択される（＃２３，＃２４）。即ち、弱め界磁制御、強め界磁制御を実行するために、基本制御線ＭＴ上におけるｄ軸電流よりも、絶対値において増加するｄ軸成分の電流が少なくなるように動作点を移動させてもよい。トルクに寄与しないｄ軸成分の電流の増加量を抑制することにより、効率の低下を抑制することができる。

このように、電流位相を変更することによってコイル抵抗Ｒａの推定精度が向上し、コイル温度Ｔｃの推定精度が向上する。発明者らによる実験によれば、本実施形態のように電流位相を変更しない場合には、約５０〜６０℃生じていたコイル温度Ｔｃの誤差が、電流位相を変更した場合には、約１２〜１７℃となり、温度の推定誤差が大幅に改善されることが確認された。

ところで、上述したように、コイル抵抗Ｒａは、式(3)に示したように電圧方程式を利用して演算される。つまり、コイル抵抗Ｒａの演算に際しては、回転電機Ｍの運転状態が影響する。回転電機Ｍが所定の回転速度以上や所定のトルク以上で運転しているような、いわゆる通常運転している場合には、式(3)を利用してコイル抵抗Ｒａを求め、式(4)を利用してコイル温度Ｔｃを求めることが可能である。しかし、例えば、車両がストール状態となった場合などでは、回転電機Ｍの回転速度が著しく低下する。最も極端に、回転速度が“０”の場合には、３相各相の電流及び電圧が一定値となる。また、極めて回転速度が低い場合には、コイル抵抗Ｒａを演算する演算周期内における回転速度がほぼ“０”と見なせる場合もある。従って、このような場合には、３相各相の相電圧と各相の相電流とに基づいて、各相のステータコイル３２のコイル抵抗（Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗ）を個別に演算し、各相のコイル抵抗に基づいて、各相のコイル温度（Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ）を個別に演算すると好適である。

図６は、回転電機Ｍの回転速度とトルクとの関係を示すトルクマップである。このトルクマップにおいて、回転速度が“ωｍｉｎ”以下の低回転領域“Ｈ２”においては、コイル温度演算部１３は、相ごとにオームの法則に基づいてコイル抵抗（Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗ）を演算して、式(4)に基づいて相ごとのコイル温度（Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ）を演算する。即ち、回転電機Ｍの回転速度が、回転停止状態を含む予め規定された下限回転速度ωｍｉｎ以下である場合には、複数相のステータコイル３２の各相のコイル電流（ｉｕ，ｕｖ，ｉｗ）と印加電圧とに基づいて相ごとにコイル抵抗（Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗ）が演算される。下限回転速度ωｍｉｎは、例えば“１０［ｒｐｍ］”である。回転速度が下限回転速度ωｍｉｎより大きい場合には（トルクマップにおける領域“Ｈ１”では）、上述したように式(3)に基づいてコイル抵抗Ｒａが演算され、式(4)に基づいてコイル温度Ｔｃが演算される。

尚、領域“Ｈ１”において、回転電機Ｍがシャットダウン制御中（出力トルクを“０”とする制御中）の場合には、トルクに寄与するｑ軸電流Ｉｑが“０”となるように制御されており、回転速度は一定である。従って、式(3)において“Ｉｑ”を含む項は“０”となり、微分演算子“ｐ”を含む項は定数の微分であるから“０”となる。つまり、コイル抵抗Ｒａは、“Ｖｄ／Ｉｄ”となる。

ところで、コイル温度Ｔｃの推定精度を向上するためには、コイル抵抗Ｒａの演算精度の向上が必要であり、コイル抵抗Ｒａの演算精度の向上にはコイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）の検出精度の向上が効果的である。コイル電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）は交流であるから、その瞬時値は検出タイミングによって異なる。従って、コイル電流検出部１１は、ステータコイル３２を流れる交流電流が最大振幅のタイミングにおいて電流値をサンプリングすると好適である。換言すれば、コイル電流検出部１１は、ステータコイル３２を流れる交流電流の最大値及び最小値の少なくとも一方のみをサンプリングすると好適である。

図７は、３相のステータコイル３２を流れる交流電流を模式的に示している。例えば、交流電流をサンプリングするストローブポイントとして、３相の交流電流のボトム（最小値）及びピーク（最大値）のみ、具体的には“ｓｐ１”、“ｓｐ２”、“ｓｐ３”、“ｓｐ４”、“ｓｐ５”、“ｓｐ６”が設定されるとよい。あるいは、３相の交流電流のピーク（最大値）のみ、具体的には“ｓｐ２”、“ｓｐ４”、“ｓｐ６”や、ボトム（最小値）のみ、具体的には“ｓｐ１”、“ｓｐ３”、“ｓｐ５”がストローブポイントして設定されてもよい。

発明者らによる実験によれば、同じＷ相の電流値を検出した場合において、ボトム及びピーク以外のストローブポイントも用いて、“ｓｐ１（ｗ１）”、“ｗ２”、“ｗ３”、“ｓｐ４（ｗ４）”の順に電流を検出し、各ストローブポイントにおける電流値に基づいて推定したコイル温度Ｔｃの誤差は、“３６度”、“９６度”、“５５度”、“９度”であった。つまり、ボトム及びピーク以外のストローブポイント（ｗ２，ｗ３）における検出値に基づいて推定されたコイル温度Ｔｃは、相対的に誤差が大きくなっている。

一方、３相の交流電流のボトム及びピークのみをストローブポイントに設定した場合、具体的には“ｓｐ１”、“ｓｐ２”、“ｓｐ３”、“ｓｐ４”、“ｓｐ５”、“ｓｐ６”をストローブポイントとして設定した場合には、推定されたコイル温度Ｔｃの誤差は、“３６度”、“１６度”、“２９度”、“９度”、“２４度”、“１６度”であった。ボトム及びピーク以外のストローブポイント（ｗ２，ｗ３）における電流の検出値に基づくコイル温度Ｔｃの誤差（９６度、５５度）に比べて高い精度でコイル温度Ｔｃが推定できている。また、この結果からは、ピークにおける電流の検出値を用いた場合の方が、ボトムにおける電流の検出値を用いた場合よりも精度よくコイル温度Ｔｃが推定できていることもわかる。従って、３相の交流電流の最小値及び最大値の何れか一方のみを用いる場合には、最大値のみを用いてコイル温度Ｔｃを推定すると好適である。

本発明は、永久磁石を備えるロータと複数相のステータコイルを備えるステータを有した交流の回転電機を制御する回転電機制御装置に利用することができる。

７ ：条件判定部
１１ ：コイル電流検出部
１２ ：印加電圧取得部
１３ ：コイル温度演算部
３０ ：ステータ
３２ ：ステータコイル
４０ ：ロータ
７１ ：主制御部
７２ ：温度推定部
８１ ：インバータ
Ｍ ：回転電機
ＭＩ ：変調率
Ｒａ ：コイル抵抗
Ｔｃ ：コイル温度
θ ：回転角度
ω ：回転速度
ωｍｉｎ ：下限回転速度

Claims (5)

1. 永久磁石を備えるロータと複数相のステータコイルを備えるステータを有した交流の回転電機を、直流電力と交流電力との間で電力変換を行うインバータを介して駆動制御する回転電機制御装置であって、
   前記ステータコイルに実際に流れるコイル電流を検出するコイル電流検出部と、
   前記コイル電流と前記回転電機が目標トルクを出力するように決定される電流指令との偏差に基づいて前記回転電機のフィードバック制御を行う制御部であって、前記回転電機の通常時の制御条件を定めた通常制御条件に従って定まる前記電流指令である通常電流指令を決定し、当該通常電流指令に基づく前記フィードバック制御を少なくとも実行する主制御部と、
   前記ステータコイルに対する印加電圧を取得する印加電圧取得部と、
   少なくとも前記コイル電流と前記印加電圧とに基づいて前記ステータコイルの電気抵抗であるコイル抵抗を演算すると共に、当該コイル抵抗に基づいて前記ステータコイルの温度であるコイル温度を演算するコイル温度演算部と、を備え、
   前記主制御部は、前記回転電機の前記目標トルク、前記電力変換における変調率、前記コイル電流、前記電流指令の少なくとも１つに基づいて、電流増加制御実行条件を満たすか否かを判定する条件判定部を備え、前記通常電流指令に基づく前記フィードバック制御の実行中に、前記電流増加制御実行条件を満たす場合には、少なくとも前記コイル電流検出部による検出の間、前記通常電流指令よりも電流を増加させるように、前記電流指令を変更する電流増加制御を実行する回転電機制御装置。
2. 前記主制御部は、前記ロータと同速で回転する回転座標系に設定された直交ベクトル座標系におけるベクトル制御によって前記回転電機を制御するものであり、
   前記電流指令は、前記直交ベクトル座標系の一方の座標軸でありトルクに寄与するｑ軸の成分と、他方の座標軸であり界磁磁束に寄与するｄ軸の成分とに電流ベクトルを分割して設定され、
   前記電流増加制御は、前記直交ベクトル座標系において等トルクを出力可能な前記ｑ軸の成分と前記ｄ軸の成分とを規定した等トルク線上の動作点を、当該動作点を設定可能な範囲内において移動させることによって実行され、
   前記主制御部は、前記電流増加制御の実行に際して、前記直交ベクトル座標系における前記電流ベクトルの前記等トルク線に沿った移動量が相対的に少なくなる側に、前記動作点を移動させる請求項１に記載の回転電機制御装置。
3. 前記主制御部は、前記ロータと同速で回転する回転座標系に設定された直交ベクトル座標系におけるベクトル制御によって前記回転電機を制御するものであり、
   前記電流指令は、前記直交ベクトル座標系の一方の座標軸でありトルクに寄与するｑ軸の成分と、他方の座標軸であり界磁磁束に寄与するｄ軸の成分とに電流ベクトルを分割して設定され、
   前記電流増加制御は、前記直交ベクトル座標系において等トルクを出力可能な前記ｑ軸の成分と前記ｄ軸の成分とを規定した等トルク線上の動作点を、当該動作点を設定可能な範囲内において移動させることによって実行され、
   前記主制御部は、前記電流増加制御の実行に際して、前記直交ベクトル座標系における前記ｄ軸の成分の増加量が相対的に少なくなる側に、前記動作点を移動させる請求項１に記載の回転電機制御装置。
4. 前記コイル温度演算部は、前記回転電機の回転速度が、回転停止状態を含む予め規定された下限回転速度以下である場合には、複数相の前記ステータコイルの各相の前記コイル電流と前記印加電圧とに基づいて相ごとに前記コイル抵抗を演算して、相ごとの前記コイル温度を演算し、
   前記回転速度が前記下限回転速度より大きい場合には、全相の前記コイル電流を統合した電機子電流と前記印加電圧とに基づいて全相の電気抵抗を合成した前記コイル抵抗を演算して、全相の前記コイル温度を演算する請求項１から３の何れか一項に記載の回転電機制御装置。
5. 前記コイル電流検出部は、前記ステータコイルを流れる交流電流の最大値及び最小値の少なくとも一方のみをサンプリングする請求項１から４の何れか一項に記載の回転電機制御装置。

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