JP6705392B2 - 極数切替電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、極数を切替可能な電動機の制御装置に関する。

この種の制御装置としては、特許文献１に見られるように、極数切替時における電動機のトルクショックの抑制を図るものが知られている。詳しくは、この制御装置は、例えば８極から４極への切替時において、８極に対応する指令トルクと４極に対応する指令トルクとの合計指令トルクを一定にしたまま、８極に対応する指令トルクを徐々に減少させるとともに４極に対応する指令トルクを徐々に増加させる。

特開平８−２２３９９９号公報

特許文献１に記載された制御方法を用いたとしても、極数切替時において電動機で発生する電圧のピーク値が大きくなってしまう問題が生じ得る。このため、極数の切り替えが、例えば電動機の負荷が低負荷の場合にしか実施できなくなるといった制約が課される。この制約を無くすために、電圧のピーク値を低下させるべく極数切替時における合計指令トルクを低下させる方法も考えられる。しかし、この場合、電動機の実際の発生トルクが要求トルクに満たなくなる不都合が生じ得る。

本発明は、上記不都合の発生を回避しつつ、極数切替時に発生する電圧のピーク値を低減できる極数切替電動機の制御装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、極数を切替可能な電動機（１０）と、前記電動機に電気的に接続されたインバータ（２０；２６Ａ，２６Ｂ）と、を備えるシステムに適用され、３以上の整数をｍとし、２以上の整数をｎとする場合において、前記電動機は、ｍ相のステータ巻線（１２Ａ〜１２Ｆ）をｎ組有し、Ａを２以上の偶数とする場合において、Ａ極とｎ×Ａ極とのうち、一方が切替前極数として定義され、他方が切替後極数として定義されている。

本発明は、前記切替前極数に対応する前記電動機のトルクである切替前トルクを切替前指令トルクに制御して、かつ、前記切替後極数に対応する前記電動機のトルクである切替後トルクを切替後指令トルクに制御すべく、前記インバータを操作するインバータ操作部（３２〜３５）と、極数切替期間において、前記切替前指令トルクを０に向かって徐々に減少させて、かつ、前記切替後指令トルクを０よりも大きい値に向かって徐々に増加させる切替部（３１；３６）と、を備え、前記切替前極数に対応した前記電動機の２次磁束が切替前２次磁束として定義され、前記切替前２次磁束を生じさせるために前記電動機に流れる電流が切替前励磁電流として定義され、前記切替後極数に対応した前記電動機の２次磁束が切替後２次磁束として定義され、前記切替後２次磁束を生じさせるために前記電動機に流れる電流が切替後励磁電流として定義されている。前記切替部は、前記極数切替期間の開始タイミングに先立ち、前記切替後励磁電流を増加させる処理、及び前記切替前励磁電流を減少させる処理のうち少なくとも一方の処理を行う。

本発明は、切替前トルクを切替前指令トルクに制御して、かつ、切替後トルクを切替後指令トルクに制御すべく、インバータを操作するインバータ操作部を備えている。また本発明は、極数切替時のトルクショックを低減すべく、極数切替期間において、切替前指令トルクを０に向かって徐々に減少させて、かつ、切替後指令トルクを０よりも大きい値に向かって徐々に増加させる切替部を備えている。

ここで、本発明と比較する構成として、極数切替期間の開始タイミングにおいて、切替後指令トルクとともに切替後励磁電流を増加させ始める構成を比較例１と称すこととする。

電動機のトルクは、電動機に流れるトルク電流と、電動機の２次磁束とに基づいて定まる。切替後励磁電流の上昇変化に伴う切替後２次磁束の上昇変化の応答性は、トルク電流の応答性よりも低い。このため、比較例１では、極数切替期間の開始タイミングから切替後励磁電流を急峻に増加させるようにしている。ただし、比較例１のように、極数切替期間の開始タイミングから切替後励磁電流を急峻に増加させようとすると、電動機の印加電圧が急峻に立ち上げられることとなる。その結果、極数切替時において電動機で発生する電圧のピーク値が大きくなってしまう。

そこで本発明の切替部は、極数切替期間の開始タイミングに先立ち、切替後励磁電流を増加させる処理を行う。このため、切替後指令トルクを増加させ始める前に、切替後励磁電流を増加させて切替後２次磁束を増加させることができる。これにより、比較例１のように切替後励磁電流を急峻に増加させる必要がなくなる。その結果、電動機で発生する電圧のピーク値を低減することができる。

また、本発明と比較する構成として、極数切替期間の開始タイミングにおいて、切替前指令トルクとともに、切替前励磁電流と、切替前指令トルクに対応したトルク電流である切替前トルク電流とを減少させ始める構成を比較例２と称すこととする。

比較例２のように、極数切替期間の開始タイミングから切替前励磁電流及び切替前トルク電流を切替前指令トルクとともに減少させようとすると、電動機の印加電圧が緩やかに立ち下げられることとなる。極数切替時においては、切替前の電流変動による緩やかな電圧立ち下がりが生じる状況下で切替後の電流変動による急峻な電圧立ち上がりが生じるため、電動機で発生する電圧のピーク値が大きくなってしまう。

そこで本発明の切替部は、極数切替期間の開始タイミングに先立ち、切替前励磁電流を減少させる。切替前励磁電流の減少により、極数切替期間の開始タイミングに先立ち、電動機で発生する電圧のピーク値を低減することができる。また、本発明が、切替前励磁電流の減少とともに切替前トルク電流を増加させる処理を行う構成を備えることにより、切替前励磁電流の減少に伴うトルク低下を抑えられる。切替前励磁電流の下降変化に伴う切替前２次磁束の下降変化の応答性は、トルク電流の応答性よりも低いため、切替前励磁電流の減少に対し切替前トルク電流の増加は小さくなる。これにより、電動機に流れる電流ピーク値の増加を抑えることができる。

第１実施形態に係る車載モータ制御システムの全体構成図。 ステータ巻線を示す図。 制御装置が行うベクトル制御を示すブロック図。 極数切替時の処理を示すタイムチャート。 ｄ軸電流の増加態様を示すタイムチャート。 ｄ軸電流の減少態様を示すタイムチャート。 比較技術における極数切替時の処理を示すタイムチャート。 相電圧等のピーク値の減少効果を示すタイムチャート。 第２実施形態に係る制御装置が行うベクトル制御を示すブロック図。 第３実施形態に係る車載モータ制御システムの全体構成図。 その他の実施形態に係るｄ軸電流の増加態様を示すタイムチャート。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る制御装置を、車載主機として電動機を備える電気自動車又はハイブリッド車等の車両に適用した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、車載制御システムは、モータ１０、インバータ２０及び制御装置３０を備えている。

モータ１０は、車載主機であり、駆動輪４０と動力伝達可能とされている。本実施形態において、モータ１０は、極数が切り替え可能なかご型誘導電動機であり、具体的には極数を４極及び８極のいずれかに切り替え可能に構成されている。なお、極数が切り替え可能な誘導電動機は、ポールチェンジモータとも呼ばれる。

本実施形態では、モータ１０のステータ１１は、６相の巻線１２Ａ〜１２Ｆを備えている。これら巻線１２Ａ〜１２Ｆは、電気角で６０度ずつずれるようにしてステータ１１に設けられている。

本実施形態では、図２に示すように、ステータ１１には、第１巻線群及び第２巻線群が設けられている。第１巻線群には、Ａ相巻線１２Ａ、Ｃ相巻線１２Ｃ及びＥ相巻線１２Ｅが含まれている。第２巻線群には、Ｂ相巻線１２Ｂ、Ｄ相巻線１２Ｄ及びＦ相巻線１２Ｆが含まれている。Ａ相巻線１２Ａ、Ｃ相巻線１２Ｃ及びＥ相巻線１２Ｅのそれぞれの第１端は、第１中性点Ｎ１で接続されている。Ａ相巻線１２Ａ、Ｃ相巻線１２Ｃ及びＥ相巻線１２Ｅは、互いに電気角で１２０度ずれた状態でステータ１１に設けられている。Ｂ相巻線１２Ｂ、Ｄ相巻線１２Ｄ及びＦ相巻線１２Ｆのそれぞれの第１端は、第２中性点Ｎ２で接続されている。Ｂ相巻線１２Ｂ、Ｄ相巻線１２Ｄ及びＦ相巻線１２Ｆは、互いに電気角で１２０度ずれた状態でステータ１１に設けられている。本実施形態において、第１巻線群と第２巻線群とは、電気角で６０度ずれるようにステータ１１に設けられている。このため、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ相の順で６０度ずつ電気角が変化するように各相巻線１２Ａ〜１２Ｆがステータ１１に設けられている。

先の図１の説明に戻り、モータ１０は、６相のインバータ２０を介して直流電源としてのバッテリ２１に接続されている。インバータ２０は、６相分の上アームスイッチ及び下アームスイッチの直列接続体を備えている。Ａ相上，下アームスイッチＳＡｐ，ＳＡｎの接続点ＰＡには、Ａ相巻線１２Ａの第２端が接続されており、Ｂ相上，下アームスイッチＳＢｐ，ＳＢｎの接続点ＰＢには、Ｂ相巻線１２Ｂの第２端が接続されており、Ｃ相上，下アームスイッチＳＣｐ，ＳＣｎの接続点ＰＣには、Ｃ相巻線１２Ｃの第２端が接続されている。Ｄ相上，下アームスイッチＳＤｐ，ＳＤｎの接続点ＰＤには、Ｄ相巻線１２Ｄの第２端が接続されており、Ｅ相上，下アームスイッチＳＥｐ，ＳＥｎの接続点ＰＥには、Ｅ相巻線１２Ｅの第２端が接続されており、Ｆ相上，下アームスイッチＳＦｐ，ＳＦｎの接続点ＰＦには、Ｆ相巻線１２Ｆの第２端が接続されている。

なお、各スイッチＳＡｐ〜ＳＦｎは、例えば、ＩＧＢＴ又はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ等の電圧制御形の半導体スイッチング素子であればよい。また、各スイッチＳＡｐ〜ＳＦｎには、ダイオードが逆並列に接続されている。

制御システムは、電流センサ２２及び速度センサ２３を備えている。電流センサ２２は、モータ１０に流れる各相電流を検出する。図１には、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ相に流れる電流の検出値をＩａｒ，Ｉｂｒ，Ｉｃｒ，Ｉｄｒ，Ｉｅｒ，Ｉｆｒにて示す。速度センサ２３は、モータ１０を構成するロータの機械角周波数ωｒを検出する。電流センサ２２及び速度センサ２３の検出値は、制御装置３０に入力される。

制御装置３０は、マイコンを主体として構成され、モータ１０のトルクを合計指令トルクＴｒ＊にフィードバック制御すべく、インバータ２０を操作する。合計指令トルクＴｒ＊は、例えば、車両の走行制御を統括する制御装置等、制御装置３０よりも上位の制御装置から制御装置３０に対して出力される。

図２を用いて、制御装置３０が行うモータ１０のトルク制御について説明する。

制御装置３０は、指令値算出部３１と、４極制御部３２と、８極制御部３３と、座標変換部３４とを備えている。

指令値算出部３１は、外部から入力された合計指令トルクＴｒ＊を取得し、取得した合計指令トルクＴｒ＊と、速度センサ２３により検出された機械角周波数ωｒとに基づいて、第１指令トルクＴ４＊、第２指令トルクＴ８＊、第１指令２次磁束φ４＊及び第２指令２次磁束φ８＊を算出する。本実施形態において、第１指令トルクＴ４＊は、４極に対応する指令トルクであり、第２指令トルクＴ８＊は、８極に対応する指令トルクである。また、指令値算出部３１は、第１指令トルクＴ４＊と第２指令トルクＴ８＊との加算値が合計指令トルクＴｒ＊となるように、各指令トルクＴ４＊，Ｔ８＊を算出する。

本実施形態において、指令値算出部３１は、モータ１０の極数として８極を選択した場合、第１指令トルクＴ４＊及び第１指令２次磁束φ４＊を０にし、モータ１０の極数として４極を選択した場合、第２指令トルクＴ８＊及び第２指令２次磁束φ８＊を０にする。

４極制御部３２は、モータ１０の極数として４極が選択された場合のモータ１０の電流制御系である。８極制御部３３は、モータ１０の極数として８極が選択された場合のモータ１０の電流制御系である。

まず、４極制御部３２について説明する。第１周波数算出部３２ａは、機械角周波数ωｒと、４極の場合の極数Ｐ４とに基づいて、４極に対応するモータ１０の電気角周波数である第１の電気角周波数ω４ｒを算出する。

第１磁束推定部３２ｂは、電流センサ２２により検出された各相電流Ｉａｒ〜Ｉｆｒと、座標変換部３４により算出された各相指令電圧Ｖａ＊〜Ｖｆ＊と、第１の電気角周波数ω４ｒとに基づいて、４極に対応するモータ１０の２次磁束ベクトルを推定する。この２次磁束ベクトルは、４極に対応するｄｑ座標系におけるｄ軸成分及びｑ軸成分からなる。本実施形態では、このｄ軸成分を第１の２次磁束φ４ｒと称すこととする。第１磁束推定部３２ｂは、例えば、周知の磁束オブザーバにより構成されていればよい。

４極に対応するｄｑ座標系は、インバータ２０の出力電圧ベクトルの回転角周波数である１次角周波数で回転する直交２次元回転座標系である。本実施形態において、位相の基準となるｄ軸の正方向は、第１磁束推定部３２ｂにより推定された４極に対応する２次磁束ベクトルの方向に設定されている。

なお本実施形態では、制御装置３０は、２次磁束ベクトルのｑ軸成分を０にするとの条件を課してトルク制御を行う。これは、指令トルクを与えただけでは、ｄ，ｑ軸指令電流を一義的に定めることができないことによるものである。

第１磁束推定部３２ｂは、推定した第１の２次磁束φ４ｒに基づいて、４極に対応するモータ１０の電気角である第１の電気角θ４を算出する。

第１ｄｑ変換部３２ｃは、第１の電気角θ４に基づいて、各相電流Ｉａｒ〜Ｉｆｒを、４極に対応するｄｑ軸上の第１ｄ軸電流Ｉｄ４ｒ及び第１ｑ軸電流Ｉｑ４ｒに変換する。ここで、ｄ軸電流は２次磁束を生じさせるために励磁電流であり、ｑ軸電流はトルク電流である。なお、第１ｄｑ変換部３２ｃにおける変換は、例えば、下式（ｅｑ１）に基づいて実施されればよい。ここで、下式（ｅｑ１）の右辺の第１変換行列Ｃ１は、下式（ｅｑ２）で表される。

第１トルク推定部３２ｄは、第１の２次磁束φ４ｒと、各相電流Ｉａｒ〜Ｉｆｒとに基づいて、４極に対応するモータ１０のトルクである第１実トルクＴ４ｒを推定する。

第１トルク制御部３２ｅは、第１トルク推定部３２ｄにより推定された第１実トルクＴ４ｒを第１指令トルクＴ４＊にフィードバック制御するための操作量として、ｑ軸上の第１ｑ軸指令電流Ｉｑ４＊を算出する。なお、第１トルク制御部３２ｅで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。

第１磁束制御部３２ｆは、第１磁束推定部３２ｂにより推定された第１の２次磁束φ４ｒを第１指令２次磁束φ４＊にフィードバック制御するための操作量として、ｄ軸上の第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊を算出する。なお、第１磁束制御部３２ｆで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。

第１電流制御部３２ｇは、第１ｄｑ変換部３２ｃにより変換された第１ｄ軸電流Ｉｄ４ｒを、第１トルク制御部３２ｅにより算出された第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊にフィードバック制御するための操作量として、ｄ軸上の第１ｄ軸指令電圧Ｖｄ４＊を算出する。また、第１電流制御部３２ｇは、第１ｄｑ変換部３２ｃにより変換された第１ｑ軸電流Ｉｑ４ｒを、第１トルク制御部３２ｅにより算出された第１ｑ軸指令電流Ｉｑ４＊にフィードバック制御するための操作量として、ｑ軸上の第１ｑ軸指令電圧Ｖｑ４＊を算出する。なお、第１電流制御部３２ｇで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。

続いて、８極制御部３３について説明する。第２周波数算出部３３ａは、機械角周波数ωｒと、８極の場合の極数Ｐ８とに基づいて、８極に対応するモータ１０の電気角周波数である第２の電気角周波数ω８ｒを算出する。

第２磁束推定部３３ｂは、各相電流Ｉａｒ〜Ｉｆｒと、座標変換部３４により算出された各相指令電圧Ｖａ＊〜Ｖｆ＊と、第２の電気角周波数ω８ｒとに基づいて、８極に対応するモータ１０の２次磁束ベクトルを推定する。この２次磁束ベクトルは、８極に対応するｄｑ座標系におけるｄ軸成分及びｑ軸成分からなる。本実施形態では、このｄ軸成分を第２の２次磁束φ８ｒと称すこととする。第２磁束推定部３３ｂは、例えば、周知の磁束オブザーバにより構成されていればよい。

８極に対応するｄｑ座標系は、８極に対応する１次角周波数で回転する直交２次元回転座標系である。本実施形態において、位相の基準となるｄ軸の正方向は、第２磁束推定部３３ｂにより推定された８極に対応する２次磁束ベクトルの方向に設定されている。

第２磁束推定部３３ｂは、推定した第２の２次磁束φ８ｒに基づいて、８極に対応するモータ１０の電気角である第２の電気角θ８を算出する。

第２ｄｑ変換部３３ｃは、第２の電気角θ８に基づいて、各相電流Ｉａｒ〜Ｉｆｒを、８極に対応するｄｑ軸上の第２ｄ軸電流Ｉｄ８ｒ及び第２ｑ軸電流Ｉｑ８ｒに変換する。なお、第２ｄｑ変換部３３ｃにおける変換は、例えば、下式（ｅｑ３）に基づいて実施されればよい。ここで、下式（ｅｑ３）の右辺の第２変換行列Ｃ２は、下式（ｅｑ４）で表される。

ちなみに、第１ｄｑ変換部３２ｃ及び第２ｄｑ変換部３３ｃにおける処理を一括して実施することもできる。この場合、各相電流Ｉａｒ〜Ｉｆｒは、下式（ｅｑ５）に基づいて変換されればよい。下式（ｅｑ５）の右辺の変換行列Ｄは、下式（ｅｑ６）で表される。

第２トルク推定部３３ｄは、第２の２次磁束φ８ｒと、各相電流Ｉａｒ〜Ｉｆｒとに基づいて、８極に対応するモータ１０のトルクである第２実トルクＴ８ｒを推定する。

第２トルク制御部３３ｅは、第２トルク推定部３３ｄにより推定された第２実トルクＴ８ｒを第２指令トルクＴ８＊にフィードバック制御するための操作量として、ｑ軸上の第２ｑ軸指令電流Ｉｑ８＊を算出する。なお、第２トルク制御部３３ｅで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。

第２磁束制御部３３ｆは、第２磁束推定部３３ｂにより推定された第２の２次磁束φ８ｒを第２指令２次磁束φ８＊にフィードバック制御するための操作量として、ｄ軸上の第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊を算出する。なお、第２磁束制御部３３ｆで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。

第２電流制御部３３ｇは、第２ｄｑ変換部３３ｃにより変換された第２ｄ軸電流Ｉｄ８ｒを、第２トルク制御部３３ｅにより算出された第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊にフィードバック制御するための操作量として、ｄ軸上の第２ｄ軸指令電圧Ｖｄ８＊を算出する。また、第２電流制御部３３ｇは、第２ｄｑ変換部３３ｃにより変換された第２ｑ軸電流Ｉｑ８ｒを、第２トルク制御部３３ｅにより算出された第２ｑ軸指令電流Ｉｑ８＊にフィードバック制御するための操作量として、ｑ軸上の第２ｑ軸指令電圧Ｖｑ８＊を算出する。なお、第２電流制御部３３ｇで用いられるフィードバック制御は、例えば、比例積分制御であればよい。

座標変換部３４は、第１電流制御部３２ｇにより算出された第１ｄ，ｑ指令電圧Ｖｄ４＊，Ｖｑ４＊、第１の電気角θ４、第２電流制御部３３ｇにより算出された第２ｄ，ｑ指令電圧Ｖｄ８＊，Ｖｑ８＊、及び第２の電気角θ８に基づいて、６相の固定座標系におけるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ相指令電圧Ｖａ＊，Ｖｂ＊，Ｖｃ＊，Ｖｄ＊，Ｖｅ＊，Ｖｆ＊を算出する。なお、座標変換部３４における変換は、例えば下式（ｅｑ７）に表される行列に基づいて実施されればよい。ここで、下式（ｅｑ７）の右辺には、上式（ｅｑ６）に示した変換行列Ｄの転置行列が含まれている。この転置行列は、下式（ｅｑ８）で表される。

モータ１０の極数として４極が選択されている場合、座標変換部３４により算出される各相指令電圧Ｖａ＊〜Ｖｆ＊は、下式（ｅｑ９）に示すように、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ相の順で６０度ずつずれた波形となる。なお下式（ｅｑ９）において、Ｖｍ４は指令電圧の振幅を示し、ｔは時間を示し、ω４ｃは１次角周波数を示し、σ４は指令電圧の位相を示す。

一方、モータ１０の極数として８極が選択されている場合、座標変換部３４により算出される各相指令電圧Ｖａ＊〜Ｖｆ＊は、下式（ｅｑ１０）に示すように、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ相の順で１２０度ずつずれた波形となる。なお下式（ｅｑ１０）において、Ｖｍ８は指令電圧の振幅を示し、ω８ｃは１次角周波数を示し、σ８は指令電圧の位相を示す。

指令値算出部３１は、モータ１０の機械角周波数ωｒが閾値速度以下であると判定した場合にモータ１０の極数として８極を選択し、機械角周波数ωｒが閾値速度を超えると判定した場合にモータ１０の極数として４極を選択する。このため、座標変換部３４により算出される各指令電圧において、４極に対応する１次角周波数ω４ｃは、８極に対応する１次角周波数ω８ｃよりも低い値とされる。具体的には例えば、４極に対応する１次角周波数ω４ｃは、８極に対応する１次角周波数ω８ｃの約１／２倍の値とされる。

操作信号生成部３５は、インバータ２０から各相巻線１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆに印加する電圧を各相指令電圧Ｖａ＊，Ｖｂ＊，Ｖｃ＊，Ｖｄ＊，Ｖｅ＊，Ｖｆ＊とするための操作信号を生成し、生成した操作信号をインバータ２０の各スイッチに出力する。操作信号生成部３５は、例えば、各相指令電圧と三角波信号等のキャリア信号との大小比較に基づくＰＷＭ制御により操作信号を生成すればよい。ちなみに本実施形態において、４極制御部３２、８極制御部３３、座標変換部３４及び操作信号生成部３５が「インバータ操作部」に相当する。

以上説明した制御により、モータ１０の極数として４極が選択された場合、各相巻線１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆに下式（ｅｑ１１）に示す各相電流Ｉａ４，Ｉｂ４，Ｉｃ４，Ｉｄ４，Ｉｅ４，Ｉｆ４が流れる。下式（ｅｑ１１）において、Ｉｍ４は相電流の振幅を示し、α４は相電流の位相を示す。

一方、モータ１０の極数として８極が選択された場合、各相巻線１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆに下式（ｅｑ１２）に示す各相電流Ｉａ８，Ｉｂ８，Ｉｃ８，Ｉｄ８，Ｉｅ８，Ｉｆ８が流れる。下式（ｅｑ１２）において、Ｉｍ８は相電流の振幅を示し、α８は相電流の位相を示す。

指令値算出部３１は、極数切替期間において、４極及び８極のうち一方から他方にモータ１０の極数を切り替えるための処理を行う。本実施形態において、指令値算出部３１が「切替部」に相当する。以下、図４を用いて、８極から４極に切り替える場合を例にして説明する。このため本実施形態では、８極が「切替前極数」に相当し、４極が「切替後極数」に相当し、第２指令トルクＴ８＊が「切替前指令トルク」に相当し、第１指令トルクＴ４＊が「切替後指令トルク」に相当する。また、第２指令２次磁束φ８＊が「切替前２次磁束」に相当し、第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊が「切替前励磁電流」に相当し、第１指令２次磁束φ４＊が「切替後２次磁束」に相当し、第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊が「切替後励磁電流」に相当する。なお図４（ａ）には、合計指令トルクＴｒ＊が一定とされている例を示す。

指令値算出部３１は、図４（ａ）に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３の極数切替期間ＴＣにおいて、第１指令トルクＴ４＊と第２指令トルクＴ８＊との合計値が合計指令トルクＴｒ＊となるように各指令トルクＴ４＊，Ｔ８＊を算出する。これにより、極数切替期間ＴＣにおいて、モータ１０のトルクが合計指令トルクＴｒ＊から乖離することを抑制できる。

指令値算出部３１は、極数切替期間ＴＣの開始タイミングｔ２において、第２指令トルクＴ８＊を合計指令トルクＴｒ＊から０に向かって減少させ始めるとともに、第１指令トルクＴ４＊を０から合計指令トルクＴｒ＊に向かって増加させ始める。指令値算出部３１は、極数切替期間ＴＣにおいて、第２指令トルクＴ８＊を徐々に減少させるとともに、第１指令トルクＴ４＊を徐々に増加させる。これにより、ｄ軸電流の減少に起因した相電流及び相電圧の変動を抑制するとともに、２次磁束の変化速度を低下させることができる。その結果、ｑ軸電流の変動を抑制し、モータ１０のトルク変動を抑制できる。

指令値算出部３１は、極数切替期間ＴＣの終了タイミングｔ３において、第２指令トルクＴ８＊を０にし、第１指令トルクＴ４＊を合計指令トルクＴｒ＊にする。

なお、極数切替期間ＴＣにおける各相指令電圧Ｖａ＊〜Ｖｆ＊は、下式（ｅｑ１３）で表される。また、極数切替期間ＴＣにおいてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ相に流れる電流Ｉａｓ，Ｉｂｓ，Ｉｃｓ，Ｉｄｓ，Ｉｅｓ，Ｉｆｓは、下式（ｅｑ１４）で表される。

指令値算出部３１は、極数切替期間ＴＣにおいて相電圧及び相電流のピーク値の上昇を防止するために、図４（ｃ）に示すように、極数切替期間ＴＣの開始タイミングｔ２に先立つ時刻ｔ１において、第１指令２次磁束φ４＊を０から増加させ始める。指令値算出部３１は、第１指令２次磁束φ４＊を徐々に増加させる。これにより、第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊が徐々に増加し、図４（ｂ）に示すように第１ｄ軸電流Ｉｄ４ｒも徐々に増加する。

本実施形態において、指令値算出部３１は、切替後極数である４極に対応するモータ１０における１次遅れ要素の時定数τ４の応答性で、第１指令２次磁束φ４＊及び第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊を徐々に増加させる。これにより、第１指令トルクＴ４＊を増加させ始める時刻ｔ２までに、応答性の低い第１の２次磁束φ４ｒを適切に立ち上げることができる。また、第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊を徐々に増加させることにより、第１ｄ軸電流Ｉｄ４ｒを緩やかに増加させることができ、第１ｄ軸電流Ｉｄ４ｒの変化に起因した相電圧及び相電流の増加を抑制できる。なお、時定数τ４は、モータ１０のロータの特性により定まる。ロータの特性には、例えば、ロータの巻線抵抗値及びロータの自己インダクタンスが含まれる。図５には、第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊のステップ応答に対する時定数τ４を時刻ｔ１〜ｔ２で示す。

指令値算出部３１は、極数切替期間ＴＣにおいて相電圧及び相電流のピーク値の上昇を防止するために、図４（ｆ）に示すように、時刻ｔ１において、第２指令２次磁束φ８＊を０に向かって減少させ始める。指令値算出部３１は、第２指令２次磁束φ８＊を徐々に減少させる。これにより、第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊が０に向かって徐々に減少し、図４（ｅ）に示すように第２ｄ軸電流Ｉｄ８ｒも０に向かって徐々に減少する。

本実施形態において、指令値算出部３１は、切替前極数である８極に対応するモータ１０における１次遅れ要素の時定数τ８と同等の応答性で、第２指令２次磁束φ８＊及び第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊を徐々に減少させる。これにより、第２指令トルクＴ８＊を減少させ始める時刻ｔ２までに、第２の２次磁束φ８ｒを適切に立ち下げることができる。また、第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊を徐々に減少させることにより、第２の２次磁束φ８ｒを緩やかに減少させることができ、第２ｑ軸電流Ｉｑ８ｒの変動を抑制できる。なお、時定数τ８は、モータ１０のロータの特性により定まる。図６には、第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊のステップ応答に対する時定数τ８を時刻ｔ１〜ｔ２で示す。

図４において、時刻ｔ１〜ｔ２の時間は、切替後極数である４極に対応する時定数τ４に設定されている。これにより、極数切替期間ＴＣにおける相電圧及び相電流の低減効果を高めることができる。

指令値算出部３１は、時刻ｔ１〜ｔ２において、切替前極数に対応する第２ｑ軸指令電流Ｉｑ８＊を、第２トルク制御部３３ｅにより算出された第２ｑ軸指令電流Ｉｑ８＊に対して増加させる。これにより、時刻ｔ１からの第２の２次磁束φ８ｒの減少に伴うトルク低下分を補償することができる。なお、第２の２次磁束φ８ｒの減少変化は、第２ｄ軸電流Ｉｄ８ｒの減少変化に対して遅れて発生するため、第２ｄ軸電流Ｉｄ８ｒの減少分に対して第２ｑ軸電流Ｉｑ８ｒの増加分は小さい。このため、第２ｑ軸電流Ｉｑ８ｒを増加させたとしても、相電流及び相電圧のピーク値は大きく変動しない。

８極から４極に切り替えられる場合の指令値算出部３１の上述した処理は、４極から８極に切り替えられる場合にも同様に適用できる。この場合、指令値算出部３１は、時刻ｔ１〜ｔ２において、切替前極数に対応する第１ｑ軸指令電流Ｉｑ４＊を、第１トルク制御部３２ｅにより算出された第１ｑ軸指令電流Ｉｑ４＊に対して増加させればよい。

続いて、本実施形態と比較するための比較技術について、図７を用いて説明する。図７には、８極から４極に切り替えられる場合を示す。図７に示す比較技術では、極数切替期間ＴＣの開始タイミングｔ１で、図７（ｃ）に示す第１の２次磁束φ４ｒを立ち上げるために、図７（ｂ）に示すように第１ｄ軸電流Ｉｄ４ｒがステップ状に立ち上げられる。そして、４極に対応するモータ１０のトルクが第１指令トルクＴ４＊に追従するように第１ｑ軸電流Ｉｑ４ｒが徐々に増加させられる。ここで比較技術では、第１ｄ軸電流Ｉｄ４ｒをステップ状に立ち上げるために第１ｄ軸電圧が急峻に立ち上げられるため、図７（ｈ）に示すように、モータ１０で発生する相電圧のピーク値が、図４（ｈ）に示す相電圧のピーク値よりも大きくなってしまう。

また、第１ｄ軸電流Ｉｄ４ｒがステップ状に立ち上げるため、図８に示すように、比較技術は本実施形態よりも相電流のピーク値が大きくなってしまう。なお図８は、８極から４極への切替時における比較技術及び本実施形態のそれぞれシミュレーション結果を示す。図８のトルク波形を示す欄のＴｒｒは、モータ１０の実際のトルクを示す。また、図８の比較技術のｔ１は、先の図７の時刻ｔ１に対応しており、図８の本実施形態のｔ１，ｔ２は、先の図４の時刻ｔ１，ｔ２に対応している。

図８に示すように、本実施形態によれば、比較技術と比較して、第１ｄ軸電流Ｉｄ４ｒの上昇変化を緩やかにすることができ、相電流及び相電圧のピーク値を低減できる。

ちなみに本実施形態では、先の図１に示すように、システムは表示部５０を備えている。表示部５０は、例えばナビゲーション装置のディスプレイである。制御装置３０は、現時点が極数切替期間内であることを表示部５０に表示させる処理を行う。これにより、車両のユーザは、モータ１０の極数が切替途中であることを把握できる。また制御装置３０は、モータ１０の現在の極数が４極及び８極のいずれであるかを表示部に表示させる処理を行う。これにより、ユーザは、モータ１０の現在の極数を把握することができる。

以上説明した本実施形態では、極数切替期間ＴＣの開始タイミングに先立ち、切替後励磁電流が増加させられる。これにより、切替後極数に対応するｄ軸電流を急上昇させる必要がなくなる。その結果、モータ１０で発生する相電圧及び相電流のピーク値を低減することができる。また、極数切替期間ＴＣの開始タイミングに先立ち、切替前励磁電流が減少させられる。これにより、極数切替期間ＴＣの開始タイミングまでに相電圧及び相電流のピーク値を下げることができる。その結果、極数切替期間ＴＣにおいてモータ１０で発生する相電圧及び相電流のピーク値を低減することができる。

また本実施形態によれば、モータ１０の負荷状態にかかわらず、極数を切り替えることができる。このため、モータ１０の負荷状態が高負荷状態である場合であっても、合計指令トルクＴｒ＊を低下させることなく極数を切り替えることができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図９に示すように、制御装置３０のトルク制御方法が、すべり角周波数を用いた方法に変更されている。なお図９において、先の図３に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。

制御装置３０は、指令値算出部３６を備えている。指令値算出部３６は、取得した合計指令トルクＴｒ＊と、機械角周波数ωｒとに基づいて、第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊、第１ｑ軸指令電流Ｉｑ４＊、第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊、第２ｑ軸指令電流Ｉｑ８＊、４極に対応したすべり角周波数である第１のすべり角周波数ωｓ４、及び８極に対応したすべり角周波数である第２のすべり角周波数ωｓ８を算出する。指令値算出部３６は、第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊及び第１ｑ軸指令電流Ｉｑ４＊から定まる４極に対応するモータ１０のトルクと、第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊及び第２ｑ軸指令電流Ｉｑ８＊から定まる８極に対応するモータ１０のトルクとの加算値が合計指令トルクＴｒ＊となるように、第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊、第１ｑ軸指令電流Ｉｑ４＊、第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊及び第２ｑ軸指令電流Ｉｑ８＊を算出する。

４極制御部３２について説明する。第１加算部３２ｈは、第１周波数算出部３２ａにより算出された第１の電気角周波数ω４ｒに、指令値算出部３６により算出された第１のすべり角周波数ωｓ４を加算して出力する。

第１角度算出部３２ｉは、第１加算部３２ｈの出力値を積分することにより、第１の電気角θ４を算出する。算出された第１の電気角θ４は、第１ｄｑ変換部３２ｃ及び座標変換部３４に入力される。

８極制御部３３について説明する。第２加算部３３ｈは、第２周波数算出部３３ａにより算出された第２の電気角周波数ω８ｒに、指令値算出部３６により算出された第２のすべり角周波数ωｓ８を加算して出力する。

第２角度算出部３３ｉは、第２加算部３３ｈの出力値を積分することにより、第２の電気角θ８を算出する。算出された第２の電気角θ８は、第２ｄｑ変換部３３ｃ及び座標変換部３４に入力される。

続いて、本実施形態に係る極数切替時の処理について、８極から４極への切替時を例にして説明する。

本実施形態において、指令値算出部３６は、極数切替期間ＴＣの開始タイミングに先立ち、第１指令２次磁束φ４＊に代えて、第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊を０から増加させ始める。指令値算出部３６は、第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊を徐々に増加させる。

指令値算出部３６は、極数切替期間ＴＣの開始タイミングに先立ち、第２指令２次磁束φ８＊に代えて、第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊を０に向かって減少させ始める。指令値算出部３６は、第２ｄ軸指令電流Ｉｄ８＊を徐々に減少させる。

以上説明した本実施形態によれば、上記第１実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１０に示すように、巻線群の数に対応した２つの３相インバータ２６Ａ，２６Ｂがシステムに備えられている。なお図１０において、先の図１に示した構成と同一及び対応する構成には、便宜上、同一の符号を付している。また図１０では、表示部５０の図示を省略している。

第１インバータ２６Ａは、Ａ相上，下アームスイッチＳＡｐ，ＳＡｎ、Ｂ相上，下アームスイッチＳＢｐ，ＳＢｎ、及びＣ相上，下アームスイッチＳＣｐ，ＳＣｎを備えている。第２インバータ２６Ｂは、Ｄ相上，下アームスイッチＳＤｐ，ＳＤｎ、Ｅ相上，下アームスイッチＳＥｐ，ＳＥｎ、及びＦ相上，下アームスイッチＳＦｐ，ＳＦｎを備えている。

以上説明した本実施形態によれば、上記第１実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・極数切替期間の開始タイミングに先立ち、切替後励磁電流を増加させる処理と、切替前励磁電流を減少させる処理とのうち、いずれかのみが実施されてもよい。この場合であっても、上記各実施形態の効果に準じた効果を得ることはできる。

・励磁電流を徐々に増加及び減少させる手法としては、図１１に実線に示す手法に限らない。例えば、図１１に一点鎖線にて示すように変化させてもよいし、図１１に破線にて示すようにランプ状に変化させてもよい。なお図１１には、第１ｄ軸指令電流Ｉｄ４＊を増加させる場合を例示した。

また、励磁電流を徐々に変化させる手法としては、図１１に示したように連続的に変化させる手法に限らず、段階的に変化させる手法であってもよい。

・極数切替期間の開始タイミングに先立ち、切替後励磁電流を変化させる手法としては、徐々に変化させる手法に限らず、ステップ状に変化させる手法であってもよい。

・モータとしては、４相以上のものが用いられてもよい。また、ステータ巻線は、３組以上ステータに設けられていてもよい。なお、この場合、インバータの相数は、「ステータ巻線の組数ｎ」×「モータの相数ｍ」とされればよい。インバータは、この相数分の上，下アームスイッチの組を備えることとなる。

・Ａを２以上の偶数とする場合、モータの切り替え可能は極数の組は、Ａ極及び「ｎ×Ａ」極の組であればよい。このため、極数の組としては、４極及び８極の組に限らず、例えばｎ＝２の場合において、２極及び４極の組、又は８極及び１６極の組であってもよい。

・モータの切り替え可能な極数としては、２つに限らず、３つ以上であってもよい。例えば、４極、８極及び１６極のいずれかに切り替え可能なモータの場合、４極及び８極のうち一方から他方への切替時と、８極及び１６極のうち一方から他方への切替時とにおいて、極数切替期間の開始タイミングに先立ち、切替後励磁電流を増加させる処理と、切替前励磁電流を減少させる処理とを適用できる。

・モータとしては、車載主機として用いられるものに限らず、例えば車載補機として用いられるものであってもよい。また、モータ及びインバータが備えられるシステムとしては、車両に搭載されるものに限らない。

１０…モータ、２０…インバータ、３０…制御装置。

Claims (11)

1. 極数を切替可能な電動機（１０）と、前記電動機に電気的に接続されたインバータ（２０；２６Ａ，２６Ｂ）と、を備えるシステムに適用され、
   ３以上の整数をｍとし、２以上の整数をｎとする場合において、前記電動機は、ｍ相のステータ巻線（１２Ａ〜１２Ｆ）をｎ組有し、
   Ａを２以上の偶数とする場合において、Ａ極とｎ×Ａ極とのうち、一方が切替前極数として定義され、他方が切替後極数として定義されており、
   前記切替前極数に対応する前記電動機のトルクである切替前トルクを切替前指令トルクに制御して、かつ、前記切替後極数に対応する前記電動機のトルクである切替後トルクを切替後指令トルクに制御すべく、前記インバータを操作するインバータ操作部（３２〜３５）と、
   前記電動機の極数を前記切替前極数から前記切替後極数に切り替える場合、前記切替前指令トルクを０に向かって徐々に減少させて、かつ、前記切替後指令トルクを０よりも大きい値に向かって徐々に増加させる切替部（３１；３６）と、を備え、
   前記切替前極数に対応した前記電動機の２次磁束が切替前２次磁束として定義され、前記切替前２次磁束を生じさせるために前記電動機に流れる電流が切替前励磁電流として定義され、前記切替後極数に対応した前記電動機の２次磁束が切替後２次磁束として定義され、前記切替後２次磁束を生じさせるために前記電動機に流れる電流が切替後励磁電流として定義されており、
   前記切替部は、前記切替前指令トルクを０に向かって減少させ始めるタイミング及び前記切替後指令トルクを０よりも大きい値に向かって増加させ始めるタイミングに先立ち、前記切替後励磁電流を増加させる処理、及び前記切替前励磁電流を減少させる処理のうち少なくとも一方の処理を行う極数切替電動機の制御装置。
2. 前記切替部は、前記切替後指令トルクを０よりも大きい値に向かって増加させ始めるタイミングに先立ち、前記切替後２次磁束を増加させる処理を行う請求項１に記載の極数切替電動機の制御装置。
3. 前記切替部は、前記切替後指令トルクを０よりも大きい値に向かって増加させ始めるタイミングに先立ち、前記切替後２次磁束を徐々に増加させる処理を行う請求項２に記載の極数切替電動機の制御装置。
4. 前記切替部は、前記切替後極数に対応する前記電動機における２次時定数と同等の応答性で前記切替後２次磁束を徐々に増加させる処理を行う請求項３に記載の極数切替電動機の制御装置。
5. 前記切替部は、前記切替前指令トルクを０に向かって減少させ始めるタイミングに先立ち、前記切替前２次磁束を減少させる処理を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載の極数切替電動機の制御装置。
6. 前記切替部は、前記切替前指令トルクを０に向かって減少させ始めるタイミングに先立ち、前記切替前２次磁束を徐々に減少させる処理を行う請求項５に記載の極数切替電動機の制御装置。
7. 前記切替部は、前記切替前極数に対応する前記電動機における２次時定数と同等の応答性で前記切替前２次磁束を徐々に減少させる処理を行う請求項６に記載の極数切替電動機の制御装置。
8. 前記切替部は、前記切替前指令トルクを０に向かって減少させ始めるタイミングに先立ち、前記切替前２次磁束を減少させるとともに、前記切替前指令トルクに対応する前記電動機に流すトルク電流を増加させる処理を行う請求項５〜７のいずれか１項に記載の極数切替電動機の制御装置。
9. 前記切替部は、前記電動機の合計指令トルクを取得し、前記切替前指令トルクを前記合計指令トルクから減少させ始めてから前記切替前指令トルクを０にするまでの期間であって、かつ、前記切替後指令トルクを０から増加させ始めてから前記切替後指令トルクを前記合計指令トルクにするまでの期間である極数切替期間において、前記切替前指令トルクと前記切替後指令トルクとの合計値が前記合計指令トルクとなるように前記切替前指令トルク及び前記切替後指令トルクを設定し、
   前記切替部は、前記極数切替期間において、前記切替前指令トルクを前記合計指令トルクから０に向かって徐々に減少させて、かつ、前記切替後指令トルクを０から前記合計指令トルクに向かって徐々に増加させる請求項１〜８のいずれか１項に記載の極数切替電動機の制御装置。
10. 前記切替部は、前記切替後指令トルクを０よりも大きい値に向かって増加させ始めるタイミングから、前記切替後極数に対応する前記電動機の２次時定数だけ前のタイミングにおいて、前記切替後励磁電流を増加させる処理を開始する請求項１〜９のいずれか１項に記載の極数切替電動機の制御装置。
11. 前記切替部は、前記切替前指令トルクを０に向かって減少させ始めるタイミングから、前記切替後極数に対応する前記電動機の２次時定数だけ前のタイミングにおいて、前記切替前励磁電流を減少させる処理を開始する請求項１〜１０のいずれか１項に記載の極数切替電動機の制御装置。

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