JP6396728B2 - 電動モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動モータを制御して、電動モータで駆動される車載機器の動作位置を制御する電動モータ制御装置に関する。

電動モータを制御して、電動モータで駆動される車載機器の動作位置を制御する電動モータ制御装置には、車載機器の動作位置変更に対して高応答が求められる過渡時において、電動モータの回転速度を上昇させるため、電動モータの界磁磁束を弱める磁束が電機子巻線で発生するように電流を流す、いわゆる弱め界磁制御を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１８４０５７号公報

しかしながら、界磁磁束を弱めた状態で電動モータを駆動すると、消費電力の増大を招くおそれがあった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、電動モータの弱め界磁制御において、消費電力の低減が可能な電動モータ制御装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る電動モータ制御装置の一態様では、電動モータを制御して、この電動モータで駆動される車載機器の動作位置を制御することを前提として、車載機器の実際の動作位置が目標動作位置に近づくように電動モータを一方向に回転させるときに、目標動作位置では車載機器の実際の動作位置よりも車載機器に対する負荷が低い場合に、電動モータの界磁磁束を弱める弱め界磁制御を行う。弱め界磁制御において、界磁磁束を弱める磁束は、車載機器の実際の動作位置が目標動作位置に近づくに従って小さくなり、かつ、電動モータの実際の回転速度に応じた値が所定回転速度から高くなるに従って大きくなり、電動モータの実際の回転速度に応じた値は、電動モータの実際の回転速度に１より大きい所定のゲインを乗算して得られた乗算値であり、かつ、電動モータの実際の回転速度に近い値である。
また、本発明に係る電動モータ制御装置の別態様では、圧縮比を可変とする圧縮比可変機構において内燃機関のピストンの上死点位置を制御する電動モータの電動モータ制御装置であって、圧縮比を低下させるときに電動モータを回転させる方向で、電動モータの界磁磁束を弱める弱め界磁制御を行い、弱め界磁制御において、界磁磁束を弱める磁束の大きさは、ピストンの実際の上死点位置が目標位置に近づくに従って小さくなり、かつ、電動モータの実際の回転速度に応じた値が所定回転速度から高くなるに従って大きくなる。

本発明に係る電動モータ制御装置によれば、電動モータの弱め界磁制御が、車載機器の目標動作位置と実際の動作位置との偏差に応じて電動モータの界磁磁束を弱めるように実施されるので、消費電力を低減することができる。

本発明に係る電動モータ制御装置を適用したエンジンのシステム図である。 電動モータ制御機能の一例を示す機能ブロック図である。 ｄ軸及びｑ軸電流指令値の設定処理の一例を示す機能ブロック図である。 弱め界磁量設定マップの内容を示す模式図である。 弱め界磁制御有無によるモータ回転速度の始動特性を示した模式図である。 目標弱め界磁量の演算・設定処理を示すフローチャートである。 ｄ軸電流指令値を選択する処理を示すフローチャートである。 本実施形態による応答性の向上を示す模式図であり、（ａ）モータ実回転速度の時間変化、（ｂ）はコントロールシャフトの実回転角度の時間変化である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る電動モータ制御装置を適用可能なエンジンの一例を示す図である。

図１において、エンジン１０は、ピストン１２の上死点位置を変更する圧縮比可変機構１００を備えている。
圧縮比可変機構（ＶＣＲ：Variable Compression Ratio system）１００は、クランクシャフト１４とピストン１２とを、ロアリンク１６及びアッパリンク１８で連結すると共に、コントロールリンク２０でロアリンク１６の移動を規制し、ピストン１２の上死点位置を変更することで圧縮比を変更する機構である。ピストン１２の上死点位置が高くなる、すなわち、ピストン１２の上死点位置がシリンダヘッド２１に近づく変化を高圧縮比化といい、ピストン１２の上死点位置が低くなる、すなわち、ピストン１２の上死点位置がシリンダヘッド２１から離れる変化を低圧縮比化という。

ロアリンク１６は、左右の２部材に分割可能に構成され、略中央の連結孔でクランクシャフト１４のクランクピン１４ｂに取り付けられる。そして、ロアリンク１６は、クランクピン１４ｂを中心軸として回転する。

クランクシャフト１４は、複数のジャーナル１４ａとクランクピン１４ｂとを備える。ジャーナル１４ａは、シリンダブロック２２及びラダーフレーム２４によって回転自在に支持される。クランクピン１４ｂは、ジャーナル１４ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１６が回転自在に連結する。

ロアリンク１６の一端は、連結ピン２６を介してアッパリンク１８に連結し、ロアリンク１６の他端は、連結ピン２８を介してコントロールリンク２０に連結する。
アッパリンク１８の下端は、連結ピン２６を介してロアリンク１６の一端に連結し、アッパリンク１８の上端は、ピストンピン３０を介してピストン１２に連結する。
ピストン１２は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック２２のシリンダ２２ａ内を往復動する。

コントロールリンク２０は、先端に設けた連結ピン２８を介して、ロアリンク１６に回動可能に連結し、コントロールリンク２０の他端は、連結ピン３２を介してコントロールシャフト３６に対して偏心して連結し、コントロールリンク２０は、連結ピン３２を中心として揺動する。

コントロールシャフト３６の外周にはギヤが形成されており、ギヤは、電動アクチュエータ１０２の回転軸１０４に設けられたピニオン１０６に噛合する。そして、電動アクチュエータ１０２によってコントロールシャフト３６が回転させられ、連結ピン３２が移動する。電動アクチュエータ１０２は内蔵の電動モータ１１２を動力源としている。電動モータ１１２は正逆両方向に回転できるように構成され、したがって、回転軸１０４、ピニオン１０６、ひいてはコントロールシャフト３６も正逆両方向に回転することができ、ピストン１２の上死点位置を低圧縮比側にも高圧縮比側にも変化させることが可能となる。

また、コントロールシャフト３６の軸端には、コントロールシャフト３６の実際の回転角度である実回転角度を検出する回転角度検出器（例えば、レゾルバセンサ）１０８が接続され、検出した実回転角度の実回転角度信号をＶＣＲコントローラ１１０へ出力する。コントロールシャフト３６の実回転角度は、ピストン１２の実際の上死点位置である実上死点位置（実際の動作位置）に相当するパラメータである。

筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置（燃料噴射弁）３８の燃料噴射を制御し、また、点火プラグ（点火コイル）４０の点火時期を制御するメインコントローラ４２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェースなどを備えたマイクロコンピュータを含んで構成される。メインコントローラ４２は、エンジン１０のエンジン負荷ＴＰを検出する負荷センサ４４、エンジン１０の回転速度ＮＥを検出する回転センサ４６、エンジン１０の冷却水の温度（エンジン温度）ＴＷを検出する水温センサ４８など、各種センサからの検出信号を入力する。メインコントローラ４２は、これら各種センサからの検出信号に基づいて、燃料噴射装置３８、点火プラグ４０などの制御信号（操作信号）を出力する。

また、メインコントローラ４２は、各種センサからの検出信号に基づいて、エンジン１０の負荷状態（例えば、車両の加速状態など）を推定し、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの車載ネットワークにより通信可能に接続される下位のＶＣＲコントローラ１１０に対し、推定したエンジン１０の負荷状態に応じて、ピストン１２の目標となる上死点位置である目標上死点位置（目標動作位置）に相当する信号、すなわち、圧縮比可変機構１００におけるコントロールシャフト３６の目標回転角度の信号をＶＣＲコントローラ１１０へ出力する。

ＶＣＲコントローラ１１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェースなどを備えたマイクロコンピュータを含んで構成され、回転角度検出器１０８から入力する実回転角度信号と、メインコントローラ４２から入力するコントロールシャフト３６の目標回転角度信号と、に基づいて、圧縮比可変機構１００における電動アクチュエータ１０２（電動モータ１１２）を制御してコントロールシャフト３６を回転させる。これにより、ＶＣＲコントローラ１１０は、ピストン１２の上死点位置を変更し、エンジン１０の圧縮比（機械圧縮比）を低圧縮比化又は高圧縮比化のいずれかへ変更する。

より具体的には、ＶＣＲコントローラ１１０は、コントロールシャフト３６の実回転角度と目標回転角度との偏差Ｄに応じて電動モータ１１２に供給する電流の目標電流値を設定し、この目標電流値と電動モータ１１２に実際に流れる実電流値との差分に基づいて電流フィードバック制御を行う。電流フィードバック制御は、ベクトル制御と称される周知の制御方式により、回転直交座標であるｄ−ｑ座標上で行う。ｄ−ｑ座標は、電動モータ１１２のうち、永久磁石回転子であるロータ（図示省略）に同期して回転する界磁方向をｄ軸とするとともに、このｄ軸と直交するトルク生成方向をｑ軸としたものである。

図２は、ＶＣＲコントローラ１１０における電動モータ１１２の制御機能の一例を示す機能ブロック図である。
ＶＣＲコントローラ１１０はインバータ２００を含み、電動モータ１１２に対してインバータ２００から電力を供給している。

電動モータ１１２は、スター結線される３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗからなる巻線組１１２ａを有する３相ブラシレスモータであり、巻線組１１２ａ（３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗ）はインバータ２００と直接接続されている。

インバータ２００は、スイッチング素子として電力用のパワー半導体素子を各相２組ずつ用いた３相ブリッジ回路を構成し、車載電源から供給される直流電力を交流電力に変換して電動モータ１１２へ供給する電力変換器である。インバータ２００は、巻線組１１２ａの各巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに流れる電流の値をそれぞれについて検出する電流検出器（図示省略）を内蔵するとともに、車載電源からインバータ２００に供給される電源電圧の値を検出する電源電圧検出器（図示省略）を内蔵している。

磁極角度演算部２０２は、電動モータ１１２のロータ（図示省略）に固定された永久磁石による磁極の角度を検出する磁極位置センサ（図示省略）の出力信号を入力して、磁極角度（磁極位置）を演算し、モータ回転演算部２０４は、磁極角度の情報に基づいて電動モータ１１２の実際の回転速度であるモータ実回転速度を演算し、モータ実回転速度の信号を目標電流値演算部２０６及び出力電圧演算部２０８に出力する。

目標電流値演算部２０６は、メインコントローラ４２からの目標回転角度、回転角度検出器１０８からの実回転角度、モータ回転演算部２０４からのモータ実回転速度、及び電流検出器から求められたｑ軸実電流値Ｉ_qの各データを入力する。

また、ＶＣＲコントローラ１１０又はメインコントローラ４２は、電動モータ１１２の制御が不可能な故障が発生しているか否かを診断する故障診断機能を有し、目標電流値演算部２０６は、かかる故障診断機能による診断結果を示す故障診断フラグを入力する。

目標電流値演算部２０６は、これらの入力データ（目標回転角度、実回転角度、モータ実回転速度、ｑ軸実電流値Ｉ_q、故障診断フラグ）に基づいて、操作量としてのｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*及びｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を演算して出力する。ここで、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*は、電動モータ１１２のモータ回転速度を上昇させるべく電動モータ１１２の界磁状態を制御するためのものであり、所定条件を満たした場合に、負の値（電動モータ１１２の界磁を弱める方向）に設定されることで、電動モータ１１２の界磁状態を全界磁よりも弱める弱め界磁制御が実施される。弱め界磁制御を行わないときには、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*は零に設定される。なお、目標電流値演算部２０６におけるｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*及びｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*の演算内容の詳細については、後述する。

出力電圧演算部２０８は、目標電流値演算部２０６から出力されるｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*及びｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*、並びに、インバータ２００に内蔵の電流検出器の出力から求められたｄ軸実電流値Ｉ_d、ｑ軸実電流値Ｉ_qを入力する。

出力電圧演算部２０８は、ｄ軸実電流値Ｉ_dがｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*に、ｑ軸実電流値Ｉ_qがｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*に近づくように、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d及びｑ軸電圧指令値Ｖ_qを演算して出力する電流フィードバック制御を行う。

具体的には、出力電圧演算部２０８は、ｄ軸実電流値Ｉ_dとｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*との差分、ｑ軸実電流値Ｉ_qとｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*との差分が零に近づくように、ベクトル制御用の周知のモータモデル式を用いてｄ軸電圧指令値Ｖ_d及びｑ軸電圧指令値Ｖ_qを演算して出力する。出力電圧演算部２０８が出力するｄ軸電圧指令値Ｖ_d及びｑ軸電圧指令値Ｖ_qは、出力デューティ演算部２１０に入力される。

出力デューティ演算部２１０は、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d、ｑ軸電圧指令値Ｖ_q、及び、インバータ２００に内蔵の電源電圧検出器の出力から検出された電源電圧に基づいて、インバータ２００のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御におけるｄ軸デューティDutyd及びｑ軸デューティDutyqを演算して出力する。

出力デューティ演算部２１０から出力されるｄ軸デューティDutyd、ｑ軸デューティDutyq、更に、電動モータ１１２の磁極角度の情報は２相３相変換部２１２に入力され、２相３相変換部２１２は、これらに基づいて巻線組１１２ａの３相の各相に対するデューティ指令値DutyＵ、DutyＶ、DutyＷを演算して出力する。

インバータ２００では、デューティ指令値DutyＵ、DutyＶ、DutyＷに従って各相の上アーム、下アームを構成するスイッチング素子が駆動され、巻線組１１２ａの各巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに流れる出力電流はＰＷＭ制御により調整される。

巻線組１１２ａの各巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに流れる電流Ｉu、Ｉv、Ｉwは、前述のようにインバータ２００に内蔵される電流検出器によって検出され、検出結果は３相２相変換部２１４に入力される。３相２相変換部２１４は、電流Ｉu、Ｉv、Ｉwをｄ軸実電流値Ｉ_d、ｑ軸実電流値Ｉ_qに変換して出力電圧演算部２０８へ出力する。

図３は、目標電流値演算部２０６におけるｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*及びｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*の演算内容の詳細を示す機能ブロック図である。
目標電流値演算部２０６は、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を設定するための位置フィードバック制御部３００を備えている。また、目標電流値演算部２０６は、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*を設定するために、減算器３０２、乗算器３０４、弱め界磁量設定部３０６、弱め界磁量上限値演算部３０８、低値演算部３１０、反転器３１２及び出力選択部３１４を備えている。

位置フィードバック制御部３００は、圧縮比可変機構１００におけるコントロールシャフト３６の目標回転角度と実回転角度との回転角度偏差に基づいて、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を設定する。すなわち、位置フィードバック制御部３００は、ピストン１２の目標上死点位置に対して実上死点位置をフィードバックして、電動アクチュエータ１０２（電動モータ１１２）の操作量を設定している。

例えば、コントロールシャフト３６の目標回転角度と実回転角度との回転角度偏差に基づく比例積分制御（ＰＩ制御）によって、下式に従ってｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を演算する。
回転角度偏差＝目標回転角度−実回転角度
ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*＝回転角度偏差＊比例ゲイン＋回転角度偏差積分値＊積分ゲイン
なお、目標回転角度に実回転角度を近づけるためのｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*の演算処理を、比例積分制御に限定するものではなく、比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）など公知の演算処理方法を適宜採用できる。

減算器３０２は、コントロールシャフト３６の目標回転角度と実回転角度との偏差Ｄを演算する。具体的には、目標回転角度から実回転角度を減じた減算値を演算する。
本実施形態では、減算器３０２により演算された偏差Ｄが０又は正の値である場合には、ピストン１２の実上死点位置が目標上死点位置と同じ又は目標上死点位置よりも低いことを意味し、コントロールシャフト３６の目標回転角度と実回転角度との偏差Ｄが負の値である場合には、ピストン１２の実上死点位置が目標上死点位置よりも高いこと意味している。したがって、偏差Ｄが０又は正値であれば、高圧縮比化の方向に電動アクチュエータ１０２を駆動し、偏差Ｄが負値であれば、低圧縮比化の方向に電動アクチュエータ１０２を駆動することが判断できる。
なお、減算器３０２で演算された偏差Ｄは位置フィードバック制御部３００において演算される回転角度偏差として直接用いられてもよい。

乗算器３０４は、モータ実回転速度に対しゲインＧを乗算して得られた値を、後述する弱め界磁制御における目標モータ回転速度Ｎとして出力する。ゲインＧは１より若干大きい値であり、したがって、目標モータ回転速度Ｎは、モータ実回転速度よりもわずかに大きい値となる。ゲインＧは、ＶＣＲコントローラ１１０に内蔵のＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶手段に予め記憶されている。なお、乗算器３０４において、モータ実回転速度に対しゲインＧを乗算して得られた値を目標モータ回転速度Ｎとする理由については後述する。

モータ実回転速度の正負については、電動モータ１１２が高圧縮比化を行う回転方向（例えば、正転方向）に回転する場合を正値とし、電動モータ１１２が低圧縮比化を行う回転方向（例えば、逆転方向）に回転する場合を負値とする。モータ実回転速度の正負は、減算器３０２で演算された偏差Ｄの正負から必然的に決定される。すなわち、偏差Ｄが正値であれば高圧縮比化を行っているのでモータ実回転速度も正値であり、偏差Ｄが負値であれば低圧縮比化を行っているのでモータ実回転速度も負値である。

弱め界磁量設定部３０６は、減算器３０２において演算されたコントロールシャフト３６の目標回転角度と実回転角度との偏差Ｄ、及び、乗算器３０６においてモータ実回転速度にゲインＧを乗算した目標モータ回転速度Ｎ、に基づいて、電動モータ１１２の界磁磁束を弱める磁束の大きさがｄ軸の電流値で示された目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を設定する。ここで、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋は、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*として設定されることで、電動モータ１１２の界磁状態を全界磁よりも弱めて電動モータ１１２のモータ回転速度を上昇させるための値である。

具体的には、弱め界磁量設定部３０６は、コントロールシャフト３６の目標回転角度と実回転角度との偏差Ｄ、及び目標モータ回転速度Ｎを用いて弱め界磁量設定マップを参照することにより、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を演算する。

弱め界磁量設定マップは、図４に示すように、目標回転角度と実回転角度との偏差Ｄと、目標モータ回転速度Ｎと、の２つを格子軸とし、各格子点には、シミュレーションや実験などの結果に基づいて得られた目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋が格納された３次元マップで構成され、ＶＣＲコントローラ１１０に内蔵の記憶手段に予め記憶されている。

弱め界磁量設定マップでは、低圧縮比化の際に取りうる負値の目標モータ回転速度及び負値の偏差Ｄの格子点で構成される低圧縮比化参照領域のうち、弱め界磁制御実施領域と称される範囲において目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋が負値に設定されている。すなわち、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*を負値の目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋に設定して電動モータ１１２の界磁状態を全界磁よりも弱める弱め界磁制御は、低圧縮比化の際に実施することを前提としている。

弱め界磁制御が低圧縮比化の際に実施されるのは、以下の理由による。すなわち、圧縮比可変機構１００には、高圧縮比化・低圧縮比化それぞれに対して応答要求性能が課せられている。応答要求性能としては、例えば、コントロールシャフト３６の実回転角度が目標回転角度に達するまでに許容される電動アクチュエータ１０２の最大駆動時間がある。しかし、電動アクチュエータ１０２（電動モータ１１２）の性能等によっては、低圧縮比化の際に応答要求性能を満足できず、車両の加速の際にエンジン１０のトルク応答性能が一定のレベルに達しないことがある。したがって、低圧縮比化の際には、弱め界磁制御を実施することで、弱め界磁制御が実施されない通常制御時よりもモータ回転速度を一時的に上昇させて、応答要求性能を満足させるようにする一方、応答要求性能をすでに満足している高圧縮比化の際には弱め界磁制御を実施しないようにしている（目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋＝０）。

弱め界磁量設定マップにおいて、負値の目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋が設定されている弱め界磁制御実施領域は、目標モータ回転速度Ｎの絶対値が所定回転速度Ｎ₀以上、かつ、偏差Ｄの絶対値が所定値Ｄ₀以上の格子点の範囲である。このような範囲を弱め界磁制御実施領域としているのは、以下の２つの理由による。

第１に、弱め界磁制御を電動モータ１１２が動作を開始する始動時から実施すると、電動モータ１１２の界磁量の低下により始動時における発生トルクが低下する。このため、図５に示すように、弱め界磁制御を実施した場合と弱め界磁制御を実施しない場合とで、電動モータ１１２の始動時からのモータ実回転速度に応じた値（目標モータ回転速度Ｎ）の時間変化を比較すると、所定回転速度（例えば、定格電圧印加かつ無負荷時の電動モータ１１２の回転速度である定格最大回転速度）Ｎ₀で一致するが、それまでに、弱め界磁制御を実施している場合にはモータ回転速度の上昇のし方が比較的緩やかな時間が発生する。これにより、電動アクチュエータ１０２の立ち上がり応答性に遅れが生じるので、モータ回転速度が所定回転速度Ｎ₀となるまでは弱め界磁制御を実施しないようにしている。

第２に、弱め界磁制御によりモータ回転速度は上昇するが、コントロールシャフト３６の回転角度が目標回転角度に到達する直前の偏差Ｄが零に収束する直前において、すなわち偏差Ｄの絶対値が所定値Ｄ₀未満である場合、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を零にして弱め界磁制御を停止し、その分、モータ回転速度も低下させることにより、電動モータ１１２の停止時におけるモータシャフトへの負担を低減させるようにしている。

弱め界磁量設定マップの弱め界磁制御実施領域において、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋は、コントロールシャフト３６の目標回転角度と実回転角度との偏差Ｄに応じて設定されている。
例えば、偏差Ｄの絶対値が大きくなるに従って目標回転角度と実回転角度との乖離も大きくなり、実回転角度を迅速に目標回転角度に近づけるべくモータ回転速度の上昇率を高くする必要性が相対的に高まるので、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋も相対的に大きく設定される。一方、偏差Ｄの絶対値が小さくなるに従って目標回転角度と実回転角度との乖離も小さくなり、モータ回転速度の上昇率を高くする必要性が相対的に低くなるので、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋も相対的に小さく設定される。
このように、偏差Ｄに応じて目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を設定することで、電動アクチュエータ１０２の応答要求性能に対して必要十分とされるモータ回転速度で電動モータ１１２を回転できるように適切に弱め界磁制御を実施し、これにより、過剰な弱め界磁制御を抑制して、電動モータ１１２やＶＣＲコントローラ１１０における消費電力を低減している。

また、弱め界磁量設定マップの弱め界磁制御実施領域において、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋はモータ回転速度に応じて設定されている。例えば、モータ回転速度の絶対値が大きくなるに従って、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋の絶対値も大きく設定される。これは、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋の絶対値を増大させて界磁量を減らさないとモータ回転速度が上昇しないからである。

本実施形態では、刻々変化するモータ実回転速度に応じた回転速度、すなわち前述のように、乗算器３０４においてモータ実回転速度にゲインＧを逐次乗算した値、を電動モータ１１２の目標モータ回転速度Ｎとして、この目標モータ回転速度Ｎを用いて弱め界磁量設定マップを参照することで、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を徐々に増大させて弱め界磁制御を実施している。換言すれば、電動モータ１１２のモータ実回転速度にかかわらず固定の目標モータ回転速度Ｎ_BIGを設定して、この目標モータ回転速度Ｎ_BIGを用いて弱め界磁量設定マップを参照することで、固定値としての目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を設定して弱め界磁制御を実施するという構成を採用していない。その理由は以下の通りである。

すなわち、エンジン１０の負荷状態によっては、モータ実回転速度が目標モータ回転速度Ｎ_BIGに到達せず大きく乖離した回転速度に制限される状態も発生し得る。このような場合に、モータ実回転速度が固定の目標モータ回転速度Ｎ_BIGとなるように、弱め界磁量を一度に大きく設定して弱め界磁制御を行っても、モータ実回転速度が効果的に上昇しないだけでなく、電力を無駄に消費することにもなる。そこで、本実施形態では、電動モータ１１２のモータ実回転速度にゲインＧを乗算して得られた若干大きな値を目標モータ回転速度Ｎとして、この目標モータ回転速度Ｎに応じて設定された目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋で弱め界磁制御を行ってモータ実回転速度を徐々に上昇させることで、弱め界磁制御においてエンジン１０の負荷状態によりモータ実回転速度が上昇しない場合であっても、無駄な電力を消費しないようにしている。

弱め界磁量上限値設定部３０８は、インバータ２００など電動モータ１１２の通電系統における耐熱限界により定まる許容電流Ｉ_maxと、ｑ軸実電流値Ｉ_qと、に基づいてｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*の上限値Ｉ_dmax ^*を設定する。具体的には下式に従って演算して上限値Ｉ_dmax ^*を設定する。なお、許容電流Ｉ_maxの値は、ＶＣＲコントローラ１１０に内蔵の記憶手段に予め記憶されている。
Ｉ_dmax ^*＝（Ｉ_max ^２−Ｉ_q ^２）^1/2

低値選択器３１０は、弱め界磁量設定部３０８で設定された目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋と、弱め界磁量上限値設定部３０８で設定されたｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*の上限値Ｉ_dmax ^*と、を比較し、低い方の値をｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*として選択する。低値選択器３１０によりｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*を選択することで、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋が、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*の上限値Ｉ_dmax ^*を超えてインバータ２００等に過熱故障が発生することを抑制している。

出力選択器３１４は、故障診断フラグの値に基づいて、低値選択器３１０でｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*として選択された値を出力するか、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*として０を出力するか、いずれかを選択する。

出力選択器３１４は反転器３１２により故障診断フラグの値が反転した値を入力する。故障診断フラグの値が、例えば、電動モータ１１２の制御が不可能な故障が発生していると診断された場合に１に設定され、電動モータ１１２の制御が不可能な故障が発生していないと診断された場合に０に設定されるとき、出力選択器３１４は、入力値が１であれば、低値選択器３１０でｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*として選択された値を出力する一方、入力値が０であれば、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*として０を出力するように構成される。電動モータ１１２の制御が不可能な故障が発生していると診断された場合には、弱め界磁制御も実施できないので安全を優先してｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*を０に設定する一方、インバータ１０２ａなどに故障が発生したと診断されても、故障モードによっては電動モータ１１２の制御が可能である場合があるので、この場合には弱め界磁制御を実施するようにしている。

次に、目標電流値演算部２０６においてｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*を設定する処理手順の一例を、図６及び図７を参照して説明する。
図６は、弱め界磁量設定部３０６において目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を設定する設定処理を示すフローチャートである。

ステップ１００１（図中、「Ｓ１００１」と略記する。以下、同様である。）では、可変圧縮比機構１００が低圧縮比化を行っているか否かを判定する。
具体的には、偏差Ｄが負値であるか否かを判定して、偏差Ｄが負値と判定された場合には低圧縮比化を行っていると判断してステップ１００２へ進む（Ｙｅｓ）。一方、偏差Ｄが０以上であると判定された場合には、高圧縮比化を行っている、あるいは、圧縮比の変更制御を行っていないと判断して、ステップ１００５へ進んで目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を０に設定する（Ｎｏ）。
なお、ＶＣＲコントローラ１１０の処理負担を軽減すべく、ステップ１００１で低圧縮比化を行っているか否かの判定を省略して、ステップ１００２から開始してもよい。

ステップ１００２では、減算器３０２で演算されたコントロールシャフト３６の目標回転角度と実回転角度との偏差Ｄの絶対値が所定値Ｄ_０以上であるか否かを判定する。
ステップ１００３では、乗算器３０４で演算された目標モータ回転速度Ｎの絶対値が所定回転速度Ｎ₀以上であるか否かを判定する。

ステップ１００２で偏差Ｄの絶対値が所定値Ｄ_０以上であると判定され（Ｙｅｓ）、かつ、ステップ１００３で目標モータ回転速度Ｎの絶対値が所定回転速度Ｎ₀以上であると判定された（Ｙｅｓ）場合には、弱め界磁量設定マップにおける弱め界磁制御実施領域に該当するので、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を演算・設定すべくステップ１００４へ進む。一方、ステップ１００２で偏差Ｄの絶対値が所定値Ｄ_０未満であると判定され（Ｎｏ）、あるいは、ステップ１００３で目標モータ回転速度Ｎの絶対値が所定回転速度Ｎ₀未満であると判定された（Ｎｏ）場合には、弱め界磁量設定マップにおける低圧縮比化参照領域に該当するが弱め界磁制御実施領域に該当しないので、ステップ１００５へ進み目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を０に設定する。

ステップ１００４では、コントロールシャフト３６の目標回転角度と実回転角度との偏差Ｄ、及び目標モータ回転速度Ｎを用いて弱め界磁量設定マップを参照することにより、目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を演算・設定する。

図７は、目標電流値演算部２０６から出力するｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*を選択する選択処理を示すフローチャートである。
ステップ２００１では、故障診断フラグの値が電動モータ１１２の制御が不可能な故障が発生していないことを示す０であるか否かを判定する。

故障診断フラグの値が０であると判定された場合には、電動モータ１１２の制御が可能であるので、弱め界磁制御の実施が可能であると判断してステップ２００２へ進む（Ｙｅｓ）。
一方、故障診断フラグの値が１であると判定された場合には、電動モータ１１２の制御が不可能であり、弱め界磁制御の実施が不可能であると判断して、ステップ２００５へ進み、目標電流値演算部２０６から出力するｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*として０を選択する。

ステップ２００２では、弱め界磁量上限値設定部３０８で演算されているｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*の上限値Ｉ_dmax ^*と、図６のフローチャートで示される設定処理により設定されている目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋と、の大小関係を比較する。

ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*の上限値Ｉ_dmax ^*が目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋以上であると判定された場合には、ステップ２００３へ進み、目標電流値演算部２０６から出力するｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*として目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋を選択する（Ｙｅｓ）。
一方、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*の上限値Ｉ_dmax ^*が目標弱め界磁量Ｉ_ｄ ^＋未満であると判定された場合には、ステップ２００４へ進み、目標電流値演算部２０６から出力するｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*として上限値Ｉ_dmax ^*を選択する（Ｎｏ）。

このようなＶＣＲコントローラ１１０によれば、電動モータ１１２の弱め界磁制御が、コントロールシャフト３６の目標回転角度と実回転角度との偏差Ｄに応じて電動モータ１１２の界磁磁束を弱めるように実施されるので、弱め界磁制御を偏差Ｄの大きさにかかわらず実施した場合と比較すると、消費電力を低減することができる。

また、ＶＣＲコントローラ１１０は、モータ実回転速度に応じた値（目標モータ回転速度Ｎ）が所定回転速度Ｎ₀以上である場合に、弱め界磁制御を実施するように構成されている。換言すれば、ＶＣＲコントローラ１１０は、モータ実回転速度に応じた値（目標モータ回転速度Ｎ）が所定回転速度Ｎ₀未満では、弱め界磁制御を実施しない。

したがって、図８に示すように、モータ実回転速度に応じた値（目標モータ回転速度Ｎ）が所定回転速度Ｎ₀となるまでは、電動モータ１１２の始動時における発生トルクの低下の影響を受けず、弱め界磁制御の実施がない場合と同様にモータ実回転速度を速やかに上昇させることができ、所定回転速度Ｎ₀以上では、弱め界磁制御によりさらにモータ実回転速度を上昇させることができる。よって、弱め界磁制御を全モータ回転速度範囲で実施しない場合と比較すると、コントロールシャフト３６の実回転角度が目標回転角度に達するまでの時間を短縮することができるので、モータ実回転速度の立ち上がり遅れを抑制することが可能である。

本実施形態では、ＶＣＲコントローラ１１０はメインコントローラ４２と別体として構成しているが、ＶＣＲコントローラ１１０とメインコントローラ４２とを一体化して構成してもよい。また、本実施形態では、インバータ２００はＶＣＲコントローラ１１０に内蔵されて構成されていたが、これに限らず、ＶＣＲコントローラ１１０と別体で構成されてもよい。

本実施形態では、本発明に係る電動モータ制御装置として、電動モータ１１２を制御することにより、圧縮比可変機構１００におけるコントロールシャフト３６を回転させてピストン１２の上死点位置を変更し、これによりエンジン１０の圧縮比を変更するＶＣＲコントローラ１１０を適用例として説明したが、このような適用例に本発明が限定されるものではない。

例えば、吸排気バルブの開閉タイミングを可変とする機構である可変バルブタイミング機構において、クランクシャフトに対してカムシャフトを進角・遅角させる電動モータ制御装置や、電動パワーステアリングにおいて操舵補助力をステアリングシャフトに加える電動モータ制御装置など、電動モータで駆動される車載機器の位置を制御するものであれば、いかなるものにも適用可能である。

ここで、前記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。
（イ）前記所定回転速度は、定格電圧（例えば、直流１２ボルト）が印加され、かつ、負荷トルクが与えられていない状態の前記電動モータの回転速度である定格最大回転速度であることを特徴とする請求項３に記載の電動モータ制御装置。
このような構成によれば、弱め界磁制御を実施しない場合の最大回転速度である定格最大回転速度までは弱め界磁制御を実施しないので、電動モータ始動時における回転速度の立ち上がり遅れの抑制をより確実にすることができる。

（ロ）前記電動モータの実際の回転速度に応じた値は、前記電動モータの実際の回転速度よりもわずかに大きい回転速度であることを特徴とする請求項３に記載の電動モータ制御装置。
このような構成によれば、弱め界磁制御により徐々にモータ実回転速度を上昇させていくことが可能になるので、モータ実回転速度にかかわらず固定の目標モータ回転速度を設定して、この固定の目標モータ回転速度に応じて界磁磁束を一度に弱める構成と比較すると、エンジンの負荷状態によりモータ実回転速が固定の目標モータ回転速度に到達せず大きく乖離した回転速度に制限されるという状態になりにくく、電力の無駄な消費を抑制できる。

（ハ）前記弱め界磁制御は、回転直交座標のｄ−ｑ座標におけるｄ軸の電流指令値を設定することで実施され、
前記ｄ軸の電流指令値は、ｑ軸の電流指令値と前記電動モータの通電系統における許容電流とに基づいて演算される上限値以下に制限されることを特徴とする請求項２に記載の電動モータ制御装置。
このような構成によれば、弱め界磁制御を実施しても、電動モータの通電系統における過熱故障の発生を抑制することができる。

（ニ）電動モータの制御が不可能な故障が発生しているか否かを診断する故障診断機能を備え、
前記弱め界磁制御は、故障診断機能による診断結果に基づいて制限されることを特徴とする請求項２に記載の電動モータ制御装置。
このような構成によれば、電動モータの制御が不可能な故障が発生していると診断された場合には、安全を優先して弱め界磁制御の実施を制限する一方、電動モータの制御が不可能な故障が発生していないと診断された場合には、圧縮比可変機構１００の機能を優先して、弱め界磁制御を実施することができる。

（ホ）前記弱め界磁制御は、前記偏差の正負に応じて実施されることを特徴とする請求項２に記載の電動モータ制御装置。
このような構成によれば、偏差の正負に応じて、弱め界磁制御を実施するか否かを設定することができる。本実施形態を例に説明すれば、コントロールシャフトの目標角度と実回転角度との偏差Ｄが負値であれば、低圧縮比化の方向に電動モータ１１２を駆動することを判断できるので、弱め界磁制御を実施する。一方、偏差Ｄが０又は正値であれば、高圧縮比化の方向に電動モータ１１２を駆動することを判断できるので、弱め界磁制御を実施しない。

（ヘ）前記弱め界磁制御は、前記偏差が零に近づいたときに停止されることを特徴とする請求項１に記載の電動モータ制御装置。
このような構成によれば、車載機器の実際の動作位置が目標動作位置に到達したとき、電動モータの回転を停止させるが、弱め界磁制御を実施していなければ実施時よりもモータ実回転速度は低下しているので、その分、モータシャフトへの負荷を低減させることができる。

（ト）前記弱め界磁制御は、前記車載機器の目標動作位置と実際の動作位置との偏差に加えて、さらに、前記電動モータの実際の回転速度に応じた値に基づいて前記電動モータの界磁磁束を弱めることを特徴とする請求項１に記載の電動モータ制御装置。
このような構成によれば、電動モータの実際の回転速度に応じて徐々に回転速度を上昇させることができる。

１０…エンジン、１２…ピストン、３６…コントロールシャフト、４２…メインコントローラ、１００…圧縮比可変機構、１０２…電動アクチュエータ、１０８…回転角度検出器、１１０…ＶＣＲコントローラ、２０４…モータ回転演算部、２０６…目標電流値演算部、３０２…減算部、３０４…乗算部、３０６…弱め界磁量設定部、３０８…弱め界磁量上限値設定部、３１０…低値選択部、３１４…出力選択部

Claims (3)

1. 電動モータを制御して、該電動モータで駆動される車載機器の動作位置を制御する電動モータ制御装置であって、
   前記車載機器の実際の動作位置が目標動作位置に近づくように前記電動モータを一方向に回転させるときに、前記目標動作位置では前記車載機器の実際の動作位置よりも前記車載機器に対する負荷が低い場合に、前記電動モータの界磁磁束を弱める弱め界磁制御を行い、
   前記弱め界磁制御において、前記界磁磁束を弱める磁束の大きさは、前記車載機器の実際の動作位置が前記目標動作位置に近づくに従って小さくなり、かつ、前記電動モータの実際の回転速度に応じた値が所定回転速度から高くなるに従って大きくなり、
   前記電動モータの実際の回転速度に応じた値は、前記電動モータの実際の回転速度に１より大きい所定のゲインを乗算して得られた乗算値であり、かつ、前記電動モータの実際の回転速度に近い値であることを特徴とする電動モータ制御装置。
2. 前記弱め界磁制御は、故障診断によって前記電動モータの制御が可能であると診断された場合に実施されることを特徴とする請求項１に記載の電動モータ制御装置。
3. 圧縮比を可変とする圧縮比可変機構において内燃機関のピストンの上死点位置を制御する電動モータの電動モータ制御装置であって、
   前記圧縮比を低下させるときに前記電動モータを回転させる方向で、前記電動モータの界磁磁束を弱める弱め界磁制御を行い、
   前記弱め界磁制御において、前記界磁磁束を弱める磁束の大きさは、前記ピストンの実際の上死点位置が目標位置に近づくに従って小さくなり、かつ、前記電動モータの実際の回転速度に応じた値が所定回転速度から高くなるに従って大きくなることを特徴とする電動モータ制御装置。