JP6891755B2 - 多相回転機の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、多相回転機の制御装置に関する。
従来、多相回転機のベクトル制御において、所望の条件に応じて最適なdq軸電流指令値を演算する技術が知られている。例えば特許文献1に開示された制御装置は、弱め界磁制御時の電流リプルの発生をなくすことを目的として、電動機の目標トルクに基づいてd軸電流指令値及びq軸電流指令値、すなわちdq軸の電流振幅及び電流位相を変更する。
特許第4462207号公報
一般に、d軸インダクタンスとq軸インダクタンスとの値が異なる埋込磁石型回転機では、その差分に基づくリラクタンストルクが発生する。また、表面磁石型回転機でも微小なリラクタンストルクが発生する場合がある。したがって、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクが回転機の出力する総トルクとなる。
ところで、二組の巻線組を有する多相回転機に二つの電力変換器から電力を供給する二系統の制御装置において、片側系統の故障等により、二系統駆動モードから一系統駆動モードへ制御を切り替える場合がある。二系統駆動モードでは、二組の巻線間の相互インダクタンスに基づくリラクタンストルクが発生するのに対し、一系統駆動モードでは、相互インダクタンスに基づくリラクタンストルクは発生しない。各系統の電流振幅が同一であることを前提とすると、一系統駆動モードでは、マグネットトルクは二系統駆動モードの半分になり、リラクタンストルクは二系統駆動モードの半分よりも小さくなるため、総トルクは、二系統駆動モードの半分よりも小さくなる。
また、二系統駆動モードと一系統駆動モードとでは、電流振幅を一定としたとき総トルクが最大となる電流位相、すなわちd軸電流とq軸電流との比率が変化する。つまり、二系統駆動モードに適用される最適電流位相をそのまま一系統駆動モードに用いると、最大トルクを出力することができないという問題がある。
本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生する二系統の多相回転機の制御装置において、二系統駆動モード及び一系統駆動モードのいずれにおいても効率良くトルクを出力可能な多相回転機の制御装置を提供することにある。
本発明による多相回転機の制御装置は、二組の巻線組(801、802)を有し、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生する多相回転機(80)の通電を制御する。この制御装置は、二つの電力変換器(601、602)と制御部(65)とを備える。二つの電力変換器は、二組の巻線組に対応して設けられ、交流電流を二組の巻線組に出力する。
以下、巻線組及び電力変換器を含む構成要素の単位を系統と定義する。制御部は、二つの電力変換器から二組の巻線組に通電し多相回転機を駆動する「二系統駆動モード」、及び、いずれか一つの電力変換器から対応する一組の巻線組に通電し多相回転機を駆動する「一系統駆動モード」を切り替え可能であり、多相回転機の通電を制御する。そして制御部は、一系統駆動モードにおいて、二系統駆動モードに対し、二組の巻線組の相互インダクタンスにより発生するリラクタンストルクを補うよう、一系統当たりに通電される電流の最大振幅又は交流電流位相の少なくとも一方を変更する。例えば制御部は、一系統駆動モードにおいて、巻線組に通電される電流の振幅を二系統駆動モードにおける最大振幅の50%より大きく設定する。或いは制御部は、一系統駆動モードにおいて、二系統駆動モードに対し、巻線組に通電される交流電流位相をd軸電流及びq軸電流の大きさを変えることで変更する。
本発明では、二系統駆動モード及び一系統駆動モードにおいて一系統当たりに出力されるリラクタンストルクの違いを考慮し、各駆動モードに適した最大電流振幅又は電流位相が設定される。したがって、いずれの駆動モードにおいても多相回転機のトルクを効率良く出力することができる。
好ましくは、制御部は、二系統駆動モードと一系統駆動モードとで、トルク指令からd軸電流指令を算出する演算、又は、トルク指令からq軸電流指令を算出する演算の少なくとも一方を切り替える。さらに好ましくは、制御部は、トルク指令からd軸電流指令又はq軸電流指令を算出する演算をマップ参照により行うものであり、二系統駆動モードと一系統駆動モードとで、トルク−d軸電流マップ又はトルク−q軸電流マップの少なくとも一方を切り替える。これにより、二系統駆動モードでの一系統当たりの通電量と、一系統駆動モードでの通電量とを簡易かつ適切に切り替えることができる。
各実施形態による多相回転機の制御装置が適用される電動パワーステアリング装置の概略構成図。 二系統機電一体モータの軸方向断面図。 図2のIII−III線断面図。 埋込磁石構成を示す図2のIV−IV線断面図。 二系統多相同軸モータの構成を示す模式図。 多相回転機の制御装置の全体構成図。 (a)二系統駆動モード、(b)一系統駆動モードの電流位相とトルクとの関係を示す特性図。 図7(b)の拡大図。 第1、第2実施形態による制御部のブロック図。 第1実施形態で用いられるトルク制限マップ。 第1実施形態で用いられる(a)トルク−iq和マップ、(b)トルク−id和マップ。 第1実施形態で用いられる(a)二系統駆動モード、(b)一系統駆動モードのiq和−トルクマップ。 第2実施形態で用いられるトルク制限マップ。 第2実施形態で用いられる(a)トルク−iq和マップ、(b)トルク−id和マップ。 第3実施形態による制御部のブロック図。 第3実施形態で用いられる(a)二系統駆動モード、(b)一系統駆動モードのトルク−iq和マップ。 第4実施形態による制御部のブロック図。
以下、多相回転機の制御装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。各実施形態において「多相回転機の制御装置」としてのECUは、車両の電動パワーステアリング装置に適用され、操舵アシストトルクを発生するモータ(すなわち、多相回転機)の通電を制御する。第1〜第4実施形態を包括して「本実施形態」という。最初に図1〜図6を参照し、各実施形態に共通の構成について説明する。
[電動パワーステアリング装置の構成]
図1に、電動パワーステアリング装置90を含むステアリングシステム100の全体構成を示す。なお、図1には、ECU10がモータ80の軸方向の一方側に一体に構成されている「機電一体式」のモータ800が図示されるが、ECU10とモータ80とがハーネスで接続された「機電別体式」にも、本実施形態は同様に適用可能である。また、図1に示す電動パワーステアリング装置90はコラムアシスト式であるが、ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置にも、本実施形態は同様に適用可能である。
ステアリングシステム100は、ハンドル91、ステアリングシャフト92、ピニオンギア96、ラック軸97、車輪98、及び、電動パワーステアリング装置90等を含む。ハンドル91にはステアリングシャフト92が接続されている。ステアリングシャフト92の先端に設けられたピニオンギア96は、ラック軸97に噛み合っている。ラック軸97の両端には、タイロッド等を介して一対の車輪98が設けられる。運転者がハンドル91を回転させると、ハンドル91に接続されたステアリングシャフト92が回転する。ステアリングシャフト92の回転運動は、ピニオンギア96によりラック軸97の直線運動に変換され、ラック軸97の変位量に応じた角度に一対の車輪98が操舵される。
電動パワーステアリング装置90は、操舵トルクセンサ93、ECU10、モータ80及び減速ギア94等を含む。操舵トルクセンサ93は、ステアリングシャフト92の途中に設けられ、運転者の操舵トルクTsを検出する。ECU10は、操舵トルクTsに基づいてモータ80が所望のアシストトルクを発生するようにモータ80の駆動を制御する。モータ80が出力したアシストトルクは、減速ギア94を介してステアリングシャフト92に伝達される。
モータ80の軸方向の一方側にECU10が一体に構成された機電一体式モータ800の構成について、図2〜図4を参照して説明する。図2に示す形態では、ECU10は、モータ80の出力側とは反対側において、シャフト87の軸Axに対して同軸に配置されている。なお、他の実施形態では、ECU10は、モータ80の出力側において、モータ80と一体に構成されてもよい。モータ80は、3相ブラシレスモータであって、ステータ840、ロータ860、及びそれらを収容するハウジング830を備えている。
ステータ840は、ハウジング830に固定されているステータコア844と、ステータコア844に組み付けられている二組の3相巻線組801、802とを有している。第1巻線組801を構成する各相巻線からは、リード線851、853、855が延び出している。第2巻線組802を構成する各相巻線からは、リード線852、854、856が延び出している。各相巻線は、ステータコア844の各スロット848に巻回される。
ロータ860は、リア軸受835及びフロント軸受836により支持されているシャフト87と、シャフト87が嵌入されたロータコア864とを有している。ロータ860は、ステータ840の内側に設けられており、ステータ840に対して相対回転可能である。本実施形態のモータ80は、複数の磁石865がロータコア864の外周部に埋め込まれた埋込磁石型の同期回転機(いわゆるIPMSM)である。シャフト87の一端には、回転角検出用の永久磁石88が設けられている。
ハウジング830は、リアフレームエンド837を含む有底筒状のケース834と、ケース834の一端に設けられているフロントフレームエンド838とを有している。ケース834及びフロントフレームエンド838は、ボルト等により互いに締結されている。各巻線組801、802のリード線851、852等は、リアフレームエンド837のリード線挿通孔839を挿通してECU10側に延び、基板230に接続されている。
ECU10は、カバー21と、カバー21に固定されているヒートシンク22と、ヒートシンク22に固定されている基板230と、基板230に実装されている各種の電子部品とを備えている。カバー21は、外部の衝撃から電子部品を保護したり、ECU10内への埃や水等の浸入を防止したりする。カバー21は、外部からの給電ケーブルや信号ケーブルが外部接続用コネクタ部214と、カバー部213とを有している。外部接続用コネクタ部214の給電用端子215、216は、図示しない経路を経由して基板230に接続されている。
基板230は、例えばプリント基板であり、リアフレームエンド837と対向する位置に設けられ、ヒートシンク22に固定されている。基板230には、二系統分の各電子部品が系統毎に独立して設けられている。本実施形態では基板230は一枚であるが、他の実施形態では、二枚以上の基板を備えるようにしてもよい。基板230の二つの主面のうち、リアフレームエンド837に対向している面をモータ面237とし、その反対側の面、すなわちヒートシンク22に対向している面をカバー面238とする。
モータ面237には、複数のスイッチング素子241、242、回転角センサ251、252、カスタムIC261、262等が実装されている。本実施形態では複数のスイッチング素子241、242は各系統について6個であり、モータ駆動回路の3相上下アームを構成する。回転角センサ251、252は、シャフト87の先端に設けられた永久磁石88と対向するように配置される。カスタムIC261、262及びマイコン401、402は、ECU10の制御回路を有する。
カバー面238には、マイコン401、402、コンデンサ281、282、及び、インダクタ271、272等が実装されている。特に、第1マイコン401及び第2マイコン402は、同一の基板230の同一側の面であるカバー面238に、所定間隔を空けて配置されている。コンデンサ281、282は、電源から入力された電力を平滑化し、また、スイッチング素子241、242のスイッチング動作等に起因するノイズの流出を防止する。インダクタ271、272は、コンデンサ281、282と共にフィルタ回路を構成する。
図2、図3の例では、系統毎に二つの回転角センサ251、252や二つのマイコン401、402等が設けられているが、これらは、二系統共通に各一つ設けられてもよい。図6の例では、各一つの回転角センサ25及びマイコン40を備える構成が想定される。
図5、図6に示すように、ECU10の制御対象であるモータ80は、二組の3相巻線組801、802が同軸に設けられた3相ブラシレスモータである。巻線組801、802は、電気的特性が同等であり、例えば特許第5672278号公報の図3に参照されるように、共通のステータに互いに電気角30[deg]ずらして配置されている。
[制御装置の構成]
図6にECU10の全体構成を示す。「多相回転機」としてのモータ80は、互いに磁気的に結合する二組の3相巻線組801、802を有する3相ブラシレスモータである。第1巻線組801はU相、V相、W相のコイル811、812、813により構成されている。第2巻線組802は、U相、V相、W相のコイル821、822、823により構成されている。回転角センサ25は、モータ80の電気角θを検出し、制御部65に出力する。
さらに、モータ80は、IPMSM、すなわち埋込磁石型の同期回転機である。一般に埋込磁石型回転機は、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生する。つまり、各実施形態のECU10は、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生するモータ80の駆動を制御することを前提とする。
「制御装置」としてのECU10は、「電力変換器」としてのインバータ601、602、電流センサ701、702、及び、制御部65等を備えている。以下、巻線組、及び対応するインバータを含む構成要素の単位を「系統」という。第1系統のインバータ601及び第2系統の第2インバータ602は、二組の巻線組801、802に対応して設けられ、振幅が互いに同一であり、nを整数とすると、互いの位相差が(30±60×n)[deg]である交流電流を二組の巻線組801、802に出力する。
インバータ601、602は、それぞれ、例えばMOSFET等の6つのスイッチング素子611〜616、621〜626が、高電位ラインLpと低電位ラインLgとの間にブリッジ接続されている。インバータ601、602は、制御部65の駆動回路68からの駆動信号によりスイッチング動作し、バッテリ51の直流電力を変換して、二組の巻線組801、802に供給する。インバータ601、602の入力部には、各系統の電源リレー521、522及び平滑コンデンサ53が設けられている。また、分圧Vr1、Vr2を検出することにより入力電圧を検出可能である。
電流センサ701、702は、電流検出素子711、712、713、721、722、723により各系統の相電流iu1、iv1、iw1、iu2、iv2、iw2を検出し、制御部65にフィードバックする。
制御部65は、マイコン40、駆動回路(又はプリドライバ)68等で構成され、図示しないCPU、ROM、I/O、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御部65は、ROM等の実体的なメモリ装置(すなわち、読み出し可能非一時的有形記録媒体)に予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理による制御を実行する。制御部65は、操舵トルクセンサ93が検出した操舵トルクTsに基づきトルク指令を演算し、トルク指令、及び、相電流iu1、iv1、iw1、iu2、iv2、iw2や電気角θのフィードバック情報等に基づいてモータ80の通電を制御する。
以下、二つのインバータ601、602から二組の巻線組801、802に通電しモータ80を駆動するモードを「二系統駆動モード」といい、いずれか一つのインバータから対応する一組の巻線組に通電しモータ80を駆動するモードを「一系統駆動モード」という。本実施形態の制御部65は、「二系統駆動モード」及び「一系統駆動モード」を切り替え可能である。代表的には、通常は二系統駆動モードで駆動し、いずれか一方の系統に故障が検出された場合に、正常な系統での一系統駆動モードに移行するパターンが想定される。ただしこのパターンに限らず、例えば運転状況等に応じて二つの駆動モードが切り替えられてもよい。
次に、本実施形態による解決課題について説明する。マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生する二系統のモータにおいて、第1系統の巻線トルクTm1、及び第2系統の巻線トルクTm2は、式(1.1)、(1.2)で表される。ここで、Ktはトルク定数、Ld、Lqはd軸、q軸自己インダクタンス、Md、Mqはd軸、q軸相互インダクタンスを表す。また、id1、iq1は第1系統のd軸、q軸電流を表し、id2、iq2は第2系統のd軸、q軸電流を表す。なお、本実施形態では高調波電流を考慮しないため、dq軸電流はいずれも0次、すなわち基本波成分を意味する。
Figure 0006891755
式(1.1)、(1.2)を合算すると、二系統の合計巻線トルクTmは、式(2)で表される。
Figure 0006891755
式(2)において「id1=id2」、「iq1=iq2」とすると、二系統の合計巻線トルクTmはid1、iq1を用いて、式(3)で表される。
Figure 0006891755
また参考までに、式(1)より、第1系統のd軸磁束Φd1及びq軸磁束Φq1は、式(4.1)、(4.2)で表される。
Figure 0006891755
次に、回転座標系の交流電流位相であるdq軸電流位相とマグネットトルク及びリラクタンストルクとの関係について、図7、図8を参照して説明する。以下、dq軸電流位相は、+d軸を0[deg]とし反時計回りに増加するように定義する。すなわち、+q軸が90[deg]、−d軸が180[deg]に相当する。
図7、図8の数値は、式(2)又は(3)において、最大電流振幅[A]、トルク定数Kt[Nm/A]、(Ld−Lq)[H]及び(Md−Mq)[H]に、それぞれ任意の値を設定した条件で計算されたものである。最大電流振幅は、d軸電流idとq軸電流iqとの二乗和平方根である。言い換えれば、二乗和平方根が一定となるように設定されたd軸電流id及びq軸電流iqの値に基づいて各電流位相でのトルクが計算される。以下の各マップも同様の条件に基づく計算で得られたものである。そのため、特性図やマップにおけるトルク、電流等の数値は例示に過ぎず、単に傾向を理解するためのものとして示される。なお、一部の数値は、相対比較のため[%]に換算して示される。
図7(a)に、二系統駆動モードでの電流位相に対する各トルクの変化を示す。なお、実用上はd軸電流が負となる90[deg]を超える範囲が対象となるが、曲線の傾向を知るために70[deg]からの範囲を示す。マグネットトルクは90[deg]を頂点とする山型を描く。リラクタンストルクは、70[deg]から約120[deg]までの範囲でほぼ直線的に増加する。そして、これらが合算された総トルクが最大となる位相は約114[deg]となる。
図7(b)に、一系統駆動モードでの電流位相に対する各トルクの変化を示す。一系統駆動モードでは最大電流振幅を二系統駆動モードの50%として計算する。一系統駆動モードでのマグネットトルクは、二系統駆動モードでのマグネットトルクの50%となる。一方、一系統駆動モードではリラクタンストルクについては、相互インダクタンスに係る(Md−Mq)項が0になるため、一系統駆動モードでのリラクタンストルクは、二系統駆動モードでのリラクタンストルクの50%よりも小さくなる。その結果、合算された総トルクが最大となる位相は約112[deg]となり、二系統駆動モードでのピーク位相である約114[deg]からずれる。
ピーク位相付近の拡大図である図8に、二系統駆動モードでのリラクタンストルク及び総トルクの50%値を比較のために示す。一系統駆動モードでのリラクタンストルクが、二系統駆動モードでのリラクタンストルクの50%よりも小さい値となっている。また、一系統駆動モードで総トルクが最大となる電流位相(すなわち約112[deg])は、二系統駆動モードで総トルクが最大となる電流位相(すなわち約114[deg])からずれている。
このように、二系統駆動モードと一系統駆動モードとでは最大トルクを出力可能な最適な電流位相が異なる。また、二系統駆動モードにおける一系統当たりの電流と同じ電流を通電しても、一系統駆動モードでの出力ルクは、二系統駆動モードの出力トルクの50%に達しない。したがって、例えば二系統駆動モードで動作中にいずれか一方の系統の故障により一系統駆動モードに移行したとき、二系統駆動モードでの一系統当たりの通電量をそのまま維持すると、一系統当たりの出力が実質的に低下することとなる。
そこで本実施形態の制御部は、例えば二系統駆動モードから一系統駆動モードに移行したとき、二系統駆動モードでの一系統当たりの出力、すなわち二系統駆動モードでの出力の50%の出力を維持可能なように通電量を切り替える。具体的に各実施形態の制御部は、一系統駆動モードにおいて、二系統駆動モードに対し、二組の巻線組801、802の相互インダクタンスにより発生するリラクタンストルクを補うよう、一系統当たりに通電される電流の最大振幅、又は、dq軸電流位相(すなわち交流電流位相)の少なくとも一方を変更する。
次に、各実施形態の制御部65の構成について実施形態毎に説明する。第1〜第4実施形態の制御部の符号として、「65」に続く3桁目に実施形態の番号を付す。各実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第1実施形態)
第1実施形態について、図9〜図12を参照して説明する。図9に第1実施形態の制御部651の構成を示す。この構成は、第2実施形態の制御部652にも共通するため、図中に符号「651、652」を並べて記す。第1実施形態の制御部651は、二組の巻線組801、802に流れるdq軸実電流の和と差を、二系統のd軸電流指令及びq軸電流指令の和と差に対してフィードバック制御するものである。この方式は、系統毎の電流指令に対してフィードバック制御する構成に比べ演算を簡単にすることができる。ここで、二系統に通電される電流振幅は等しく、三相電流の位相が互いに30degずれている。
制御部651は、アシスト制御部41、トルク制限部42、トルク−電流算出部431、432、電流偏差算出器451−454、制御器461−464、系統電圧算出部47、フィードバック(図中「F/B」)電流加減算部52、dq軸電流和−トルク算出部531、切替判定部54等を含む。
図示の都合上、制御部651の出力演算に関しては、q軸電流に係る要素を上に、d軸電流に係る要素を下に記載する。一方、図の右下に記されるフィードバック電流に関しては、d軸電流を上にq軸電流を下に記載する。q軸電流とd軸電流とをまとめて記載する場合は、図示の順とは関係なく「dq軸電流」のように記す。「トルク−iq和算出部431」等の「−」は、図中、「トルク」から「iq和」等に向かう矢印に対応する。「dq軸電流和−トルク算出部531」の「−」は、図中、「id和,iq和」から「トルク」に向かう矢印に対応する。また、図中、「算出部」の記載を省略する。
図9には、dq軸電圧指令vq1、vd1、vq2、vd2を2相3相変換する部分、及び、3相電圧指令に基づきPWM信号等のゲート信号を生成しインバータ601、602に出力する部分の図示が省略される。また、電流センサ701、702からフィードバックされた3相電流をdq軸電流id1、iq1、id2、iq2に3相2相変換する部分の図示が省略される。これらは、ベクトル制御やPWM制御等の周知技術に基づき理解される。なお、座標変換演算において、例えば第1系統では電気角としてθが用いられ、第2系統では位相が30[deg]ずれた(θ−30)[deg]が用いられる。
アシスト制御部41は、操舵トルクセンサ93から入力される操舵トルクTs、及び、dq軸電流和−トルク算出部531が実電流から算出したモータ80のトルク等に基づいてトルク指令を演算する。以下、「操舵トルクTs」のように区別する場合を除き、単に「トルク」という場合、モータ80が出力するアシストトルクを意味する。また、文脈により自明な場合等、トルク指令の「指令」を省略し、単に「トルク」と記す。
トルク制限部42は、図10に示すトルク制限マップを用いてトルク指令の上限値を制限する。図10のマップでは、二系統駆動モードのトルクの制限値を100%とすると、一系統駆動モードのトルクは50%に制限される。ここで、電流制限値、すなわち電流振幅の制限値は、トルク制限値にほぼ相関する。ただし、上述のリラクタンストルクの影響により、二系統駆動モードに対する一系統駆動モードの電流制限値の比率とトルク制限値の比率とは厳密には一致しない。すなわち、一系統駆動モードにおいて二系統駆動モードに対して電流振幅を50%としても、出力されるトルクは50%を下回る。その点を考慮した上で、トルク制限マップに対応する電流制限マップが得られる。
トルク−iq和算出部431及びトルク−id和算出部432は、制限後トルクに基づいて、q軸電流指令の和であるiq和*、及び、d軸電流指令の和であるid和*をマップ参照により算出する。また、二系統のq軸電流指令及びd軸電流指令は同一に設定されるため、二系統のq軸電流指令の差であるiq差*、及び、d軸電流指令の差であるid差*は「0」に相当する。
トルク−iq和算出部431及びトルク−id和算出部432では図11(a)、(b)に示すトルク−iq和マップ、トルク−id和マップが用いられる。マップの説明では、電流指令の記号に付される「*」を省略し、「iq和」、「id和」と記す。一系統駆動モードでは、第1系統のみが通電されるものとし、通電されるq軸電流及びd軸電流の記号を「iq1」、「id1」と記す。また、文中、「q軸電流」、「d軸電流」の語句の記載を適宜省略し、「iq」、「id」の記号のみを記載する。
実線で示すように、二系統駆動モードでは、トルク0%から100%までの範囲で、正の値であるiq和は正方向に増加し、負の値であるid和の絶対値は負方向に増加する。破線で示すように、一系統駆動モードでは、トルク0%から50%までの範囲で、正の値であるiq1は正方向に増加し、負の値であるid1の絶対値は負方向に増加する。トルク0%から50%までの範囲におけるiq1の増加曲線の傾きは、iq和の増加曲線の傾きよりもやや小さく、id1の絶対値の増加曲線の傾きは、id和の絶対値の増加曲線の傾きよりもやや大きい。
二系統駆動モードでのトルク100%に対応するiq和及びid和を100%とする。このマップの例では、一系統駆動モードでのトルク50%に対応するq軸電流iq1は、二系統駆動モードでのトルク100%に対応するiq和に対し53%に相当する。また、一系統駆動モードでのトルク50%に対応するd軸電流id1は、二系統駆動モードでのトルク100%に対応するid和に対し48%に相当する。なお、「二系統駆動モードでのトルク100%に対応する最大電流振幅」に対する「一系統駆動モードでのトルク50%に対応する最大電流振幅」の比が52%となる。つまり、一系統駆動モードにおいて通電される電流の最大振幅は、二系統駆動モードにおいて一系統当たりに通電される電流の最大振幅、すなわち二系統駆動モードでの最大電流振幅の50%より大きく設定される。
また、図11(a)、(b)のマップによると、同一のトルクに対し、二系統駆動モードにおける「iq和とid和との比」と、一系統駆動モードにおける「iq1とid1との比」は異なる。すなわち、マップで算出されたiqとidとの比のアークタンジェントに相当する「最小電流で最大トルクを出力可能な電流位相」は、二系統駆動モードと一系統駆動モードとで異なる。このように第1実施形態の制御部651は、同一のトルク指令に対する二系統駆動モードでの最適な電流位相と、一系統駆動モードでの最適な電流位相とを変更する。
フィードバック電流加減算部52は、図示しない3相2相変換部から入力されたdq軸電流id1、iq1、id2、iq2を加減算し、iq和、id和、iq差、id差を算出する。dq軸電流和−トルク算出部531は、iq和、及び、id和に基づいて、マップ参照によりトルクを算出する。dq軸電流和−トルク算出部531では、図12(a)、(b)に示すiq和、id和−トルクマップ、すなわちiq和及びid和の2入力マップが用いられる。
図12(a)には、二系統駆動モードにおいて、id和=0、−40、−80[A]のときのiq和とトルクとの関係を示す。この例では、最大のiq和は約91.4[A]に相当する。ここで、id和=0[A]のときの最大のiq和に対応するトルクを100%とする。id和が0から−40、−80[A]と小さくなる(絶対値が大きくなる)ほど、同一のiq和に対応するトルクの値は大きくなる。例えばid和=−60[A]でのトルクを算出するには、id和=−40[A]とid和=−80[A]との算出結果を線形補間する。
図12(b)には、一系統駆動モードにおいて、id1=0、−20、−40[A]のときのiq1とトルクとの関係を示す。この例では、最大のiq1は、二系統駆動モードのiq和の50%である約45.7[A]に相当する。ここで、id1=0[A]のときの最大のiq和に対応するトルクを50%とする。id1が0から−20、−40[A]と小さくなる(絶対値が大きくなる)ほど、同一のiq1に対応するトルクの値は大きくなる。例えばid1=−30[A]でのトルクを算出するには、id1=−20[A]とid1=−40[A]との算出結果を線形補間する。
iq和偏差算出器451は、iq和*と、フィードバックされたiq和との偏差を算出する。id和偏差算出器452は、id和*と、フィードバックされたid和との偏差を算出する。iq差偏差算出器453は、iq差*に相当する「0」と、フィードバックされたiq差との偏差を算出する。id差偏差算出器454は、id差*に相当する「0」と、フィードバックされたid差との偏差を算出する。
iq和制御器461は、iq和*とiq和との偏差を0に近づけるように、PI演算により、q軸電圧指令の和であるvq和を演算する。id和制御器462は、id和*とid和との偏差を0に近づけるように、PI演算により、d軸電圧指令の和であるvd和を演算する。iq差制御器463は、0とiq差との偏差を0に近づけるように、PI演算により、q軸電圧指令の差であるvq差を演算する。id差制御器464は、0とid差との偏差を0に近づけるように、PI演算により、d軸電圧指令の差であるvd差を演算する。
系統電圧算出部47は、vq和、vd和、vq差、vd差を、第1系統及び第2系統の電圧指令値vq1、vd1、vq2、vd2に変換し、図示しない2相3相変換部に出力する。そして、3相電圧指令に基づいて生成されたPWM信号がインバータ601、602に出力され、インバータ601、602のスイッチング動作によって変換された交流電圧が巻線組801、802に印加される。
切替判定部54は、二系統駆動モードと一系統駆動モードとの切替を判定する。例えば切替判定部54は、二系統駆動モードで動作中に各系統の三相電流iu1、iv1、iw1、iu2、iv2、iw2、或いは、インバータ601、602や巻線組801、802の温度等の情報を取得する。切替判定部54は、それらの情報に基づいて、いずれかの系統の過電流又は断線等の異常を検出すると、異常系統の駆動を停止し、二系統駆動モードから一系統駆動モードに切り替えるよう判定する。そして、図9に破線で示すように、その判定結果を、トルク制限部42、トルク−iq和算出部431、トルク−id和算出部432、及び、dq軸電流和−トルク算出部531に通知する。
なお、故障モードによっては駆動が停止された系統の巻線組に流れる電流が0になるとは限らない。したがって、一系統駆動モードにおいても、故障と判定された系統のdq軸電流情報をマップの入力として取得する意義がある。また、切替判定部54は、一方の系統の故障以外の要因により、駆動モードの切り替えを判定してもよい。
以上の通り、第1実施形態の制御部651は、二系統駆動モードと一系統駆動モードとで、トルク−iq和算出部431及びトルク−id和算出部432が用いるトルク−iq和マップ及びトルク−id和マップを切り替える。また、制御部651は、二系統駆動モードと一系統駆動モードとで、dq軸電流和−トルク算出部531が用いるiq和、id和−トルクマップを切り替える。
これにより、二系統駆動モードから一系統駆動モードに移行した場合でも、二系統駆動モードでの一系統当たりの出力が適切に維持される。したがって、例えば車両の電動パワーステアリング装置では、一方の系統の故障時においても通常動作時の50%のアシスト力を確保することができる。よって、ECU10は、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生するモータ80の駆動にあたり、二系統駆動モード及び一系統駆動モードのいずれにおいても効率良くトルクを出力することができる。また、具体的な手段として、トルク−電流マップを切り替えることにより、二系統駆動モードでの一系統当たりの通電量と、一系統駆動モードでの通電量とを簡易かつ適切に切り替えることができる。
本実施例では一系統駆動モードで二系統駆動モードの半分のトルクを出力すべく最大電流振幅を50%より大きく設定したが、一系統当たりの最大電流振幅を一系統駆動モードと二系統駆動モードで同じにするよう図11(a)、(b)もしくは図12(a)、(b)のマップを設定してもよい。その場合、一系統駆動モードと二系統駆動モードとで交流電流の位相を変えることで、最大電流振幅の制約下で最大のトルクを出力することができる。
(第2実施形態)
第2実施形態について、図13、図14を参照して説明する。第2実施形態の制御部652は、第1実施形態と同じ図9の構成において、一系統駆動モードで用いられるマップが異なる。トルク制限部42では図13に示すトルク制限マップが用いられる。このマップの例では、二系統駆動モードのトルクの制限値を100%とすると、一系統駆動モードのトルクは52%に制限される。
トルク−iq和算出部431及びトルク−id和算出部432では図14(a)、(b)に示すトルク−iq和マップ、トルク−id和マップが用いられる。二系統駆動モードのマップは図11(a)、(b)と同一である。また、一系統駆動モードでも、二系統駆動モードと同じマップが、二系統駆動モードの最大トルクの52%までの範囲で用いられる。こうして、一系統駆動モードにおいて通電される最大電流の振幅は、二系統駆動モードにおいて一系統当たりに通電される最大電流の振幅、すなわち「二系統駆動モードでの最大電流振幅の50%」より大きく設定される。また、q軸電流とd軸電流との比に相関するdq軸電流位相は、二系統駆動モードと一系統駆動モードとで同じになる。dq軸電流和−トルク算出部531では、第1実施形態と同様に、図12(a)、(b)のiq和、id和−トルクマップが用いられる。
このように、第2実施形態の制御部652は、一系統駆動モードで通電される電流の最大振幅を、二系統駆動モードで一系統当たりに通電される電流の最大振幅よりも大きく設定する。具体的に制御部652は、一系統駆動モードにおいて、トルク指令に対するトルク制限値、又はそれに対応する電流制限値を、二系統駆動モードにおけるトルク制限値又は電流制限値の50%より大きく設定する。よって、第1実施形態と同様の効果が得られる。
(第3実施形態)
第3実施形態について、図15、図16を参照して説明する。第3実施形態の制御部653は、図9に示す制御部651の構成に加え、弱め界磁制御部49及び最小値セレクト(図中「MINセレクト」)部442を備える。弱め界磁制御部49は、各系統の電圧指令値vq1、vd1、vq2、vd2に基づく弱め界磁制御により、d軸電流指令の和であるid和_weakを算出する。
最小値セレクト部442は、トルク−id和マップ432が算出したd軸電流指令の和であるid*和と、弱め界磁制御部49が算出したid和_weakとのうち小さい方の値を選択する。id*和及びid和_weakは負の値であるため、絶対値の大きい方の負の値が選択される。このように、モータ80の動作状態によってid和_weakがid*和より小さくなる場合、弱め界磁制御が優先して実行される。
第3実施形態では、トルク制限部42で用いられるトルク制限マップ、トルク−id和算出部432で用いられるトルク−id和マップ、及び、dq軸電流和−トルク算出部531で用いられるiq和、id和−トルクマップは、第1実施形態と同じである。トルク−iq和算出部431には、トルク指令に加えて、フィードバック電流加減算部52からid和が入力される。なお、検出電流であるid和に代えて、トルク−id和算出部432から最小値セレクト部442に出力されるd軸電流指令の和であるid*和が入力されてもよい。トルク−iq和算出部431では、第1実施形態の図11(a)とは異なり、図16に示すトルク、id和−iq和マップが用いられる。
図16(a)に示す二系統駆動モード用のマップ、及び、図16(b)に示す一系統駆動モード用のマップは、それぞれ、図12(a)、(b)に示すiq和、id和−トルクマップの縦軸と横軸とを入れ替えたものである。iq和は、トルク及びid和に応じて変化する。図16では、二系統駆動モードにおけるid和=0[A]のときの最大のiq和に対応するトルクを100%として記す。一系統駆動モードでは、id1=0[A]のときの最大のiq1に対応するトルクは50%となる。また、二系統駆動モードではid和が−40、−80[A]と小さくなる(絶対値が大きくなる)ほど、一系統駆動モードではid1が−20、−40[A]と小さくなる(絶対値が大きくなる)ほど、同一のトルクに対応するiq和、id1の値は小さくなる。
(第4実施形態)
第4実施形態について、図17を参照して説明する。第4実施形態の制御部654は、二組の巻線組801、802に流れるd軸電流id1、id2及びq軸電流iq1、iq2を系統毎にd軸電流指令id*1、id*2及びq軸電流指令iq*1、iq*2に対してフィードバック制御する。トルク制限部42で用いられるトルク制限マップは、第1実施形態と同じである。制御部654は、二系統のq軸電流及びd軸電流に対応する四つのトルク−電流算出部435、436、437、438、四つの電流偏差算出器455、456、457、458、及び、四つの制御器465、466、467、468を備える。
トルク−iq1算出部435及びトルク−id1算出部436は、制限後トルクに基づいて、第1系統のdq軸電流指令iq*1、id*1をマップ参照により算出する。トルク−iq2算出部437及びトルク−id2算出部438は、制限後トルクに基づいて、第2系統のdq軸電流指令iq*2、id*2をマップ参照により算出する。
iq1偏差算出器455、id1偏差算出器456、iq2偏差算出器457、id2偏差算出器458は、二系統のdq軸電流指令iq*1、id*1、iq*2、id*2とフィードバック電流iq1、id1、iq2、id2との電流偏差を算出する。iq1制御器465、id1制御器466、iq2制御器467、id2制御器468は、各電流偏差を0に近づけるように、PI演算により、二系統のdq軸電圧指令vq1、vd1、vq2、vd2を演算する。
トルク−iq1算出部435には、フィードバック電流のうちiq1自身を除く、id1、id2、iq2が入力される。トルク−id1算出部436には、他系統のd軸電流であるid2が入力される。トルク−iq2算出部437には、フィードバック電流のうちiq2自身を除く、id1、id2、iq1が入力される。トルク−id2算出部438には、他系統のd軸電流であるid1が入力される。
トルク−iq1算出部435は、二系統駆動モードで、図16(a)のトルク−iq和マップにおいて「iq2=iq1、id和=id1+id2」としてiq1を算出する。つまり、図16(a)のマップ出力はiq和であるため、「iq和/2」をiq1として算出する。また、トルク−iq1算出部435は、一系統駆動モードで、図16(a)のトルク−iq和マップにおいて「iq2=0、id和=id1+id2」としてiq1を算出する。或いは、図16(b)のトルク−iq和マップよりiq1を算出する。トルク−iq2算出部437についても、iq1とiq2とを入れ換える以外は同様である。
トルク−id1算出部436は、二系統駆動モードで、図14(b)のトルク−id和マップよりid1を算出する。つまり、図14(b)のマップ出力はid和であるため、「id和−id2」をid1として算出する。また、トルク−id1算出部436は、一系統駆動モードでも同様に、図14(b)のトルク−id和マップにおいて「id和−id2」をid1として算出する。トルク−id2算出部438についても、id1とid2とを入れ換える以外は同様である。
また、制御部654は、二系統のフィードバック電流iq1、id1、iq2、id2に基づきトルクを算出する各系統電流−トルク算出部535を備える。各系統電流−トルク算出部535は、マップではなく、式(2)を直接用いてトルクを算出する。
弱め界磁制御部49は、第3実施形態と同様に,各系統の電圧指令値vq1、vd1、vq2、vd2に基づく弱め界磁制御により、一系統当たりのd軸電流指令id_weakを算出する。第1系統の最小値セレクト部446は、トルク−id1マップ436が算出したd軸電流指令id1*と、弱め界磁制御部49が算出したid_weakとのうち小さい方の値を選択する。第2系統の最小値セレクト部448は、トルク−id2マップ438が算出したd軸電流指令id2*と、弱め界磁制御部49が算出したid_weakとのうち小さい方の値を選択する。これにより、第4実施形態は第3実施形態と同様の効果を奏する。
(その他の実施形態)
(a)上記実施形態では、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生する典型的な多相回転機として埋込磁石型回転機を挙げている。ただし、表面磁石型回転機でも微小なリラクタンストルクを発生する場合があるため、本発明を表面磁石型回転機の制御装置に適用することも可能である。
(b)上記実施形態で例示した特性図やマップは、上述の通り、最大電流振幅[A]、トルク定数Kt[Nm/A]、(Ld−Lq)[H]及び(Md−Mq)[H]に、それぞれ任意の値を設定した条件で計算されたものである。各設定値を変更すれば特性図やマップの具体的な値は当然に異なる。要するに本実施形態の技術的意義は、具体的な数値にかかわらず、二系統駆動モードでの一系統当たりの通電量と一系統駆動モードでの通電量とを切り替えるという思想そのものにある。
(c)各実施形態におけるトルク−iq算出部及びトルク−id算出部は、マップ参照によらず、数式を用いて、トルク指令からd軸電流指令及びq軸電流指令を算出する演算を実施してもよい。その場合、制御部は、二系統駆動モードと一系統駆動モードとで、トルク指令からd軸電流指令を算出する数式演算、又は、トルク指令からq軸電流指令を算出する数式演算の少なくとも一方を切り替える。
(d)二系統のインバータ601、602から二組の巻線組801、802に出力される交流電流は、上記実施形態のように、振幅が互いに同一であり、nを整数とすると、互いの位相差が(30±60×n)[deg]である交流電流でなくてもよい。
(e)その他、多相回転機の制御装置の具体的な構成は、上記実施形態に例示した構成に限らない。例えばインバータのスイッチング素子は、MOSFET以外の電界効果トランジスタやIGBT等であってもよい。
(f)本発明の多相回転機の制御装置は、電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータの制御装置に限らず、他の3相モータまたは発電機用の制御装置として適用されてもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
10 ・・・ECU(制御装置)、
601、602・・・インバータ(電力変換器)、
65(651、652、653、654)・・・制御部、
80 ・・・モータ(多相回転機)、
801、802・・・巻線組。

Claims (9)

  1. 二組の巻線組(801、802)を有し、マグネットトルク及びリラクタンストルクが合算されたトルクを発生する多相回転機(80)の通電を制御する制御装置であって、
    二組の前記巻線組に対応して設けられ、交流電流を二組の前記巻線組に出力する二つの電力変換器(601、602)と、
    前記巻線組及び前記電力変換器を含む構成要素の単位を系統と定義すると、二つの前記電力変換器から二組の前記巻線組に通電し前記多相回転機を駆動する二系統駆動モード、及び、いずれか一つの前記電力変換器から対応する一組の前記巻線組に通電し前記多相回転機を駆動する一系統駆動モードを切り替え可能であり、前記多相回転機の通電を制御する制御部(65)と、
    を備え、
    前記制御部は、前記一系統駆動モードにおいて、前記二系統駆動モードに対し、前記二組の巻線組の相互インダクタンスにより発生するリラクタンストルクを補うよう一系統当たりに通電される電流の最大振幅又は交流電流位相の少なくとも一方を変更する多相回転機の制御装置。
  2. 前記制御部は、前記一系統駆動モードにおいて、前記巻線組に通電される電流の最大振幅を、前記二系統駆動モードにおける最大振幅の50%より大きく設定する請求項1に記載の多相回転機の制御装置。
  3. 前記制御部は、前記一系統駆動モードにおいて、トルク指令に対するトルク制限値、又はそれに対応する電流制限値を、前記二系統駆動モードにおけるトルク制限値又は電流制限値の50%より大きく設定する請求項2に記載の多相回転機の制御装置。
  4. 前記制御部は、前記一系統駆動モードにおいて、前記二系統駆動モードに対し、前記巻線組に通電される交流電流位相をd軸電流及びq軸電流の大きさを変えることで変更する請求項1〜3のいずれか一項に記載の多相回転機の制御装置。
  5. 前記制御部は、前記二系統駆動モードと前記一系統駆動モードとで、トルク指令からd軸電流指令を算出する演算、又は、トルク指令からq軸電流指令を算出する演算の少なくとも一方を切り替える請求項2〜4のいずれか一項に記載の多相回転機の制御装置。
  6. 前記制御部は、トルク指令からd軸電流指令又はq軸電流指令を算出する演算をマップ参照により行うものであり、前記二系統駆動モードと前記一系統駆動モードとで、トルク−d軸電流マップ又はトルク−q軸電流マップの少なくとも一方を切り替える請求項5に記載の多相回転機の制御装置。
  7. 前記制御部(651−653)は、二組の前記巻線組に流れるd軸電流及びq軸電流の和と差を二系統のd軸電流指令及びq軸電流指令の和と差に対してフィードバック制御するものであり、
    前記トルク−d軸電流マップは、トルク指令から二系統のd軸電流指令の和を算出し、
    前記トルク−q軸電流マップは、トルク指令から二系統のq軸電流指令の和を算出する請求項6に記載の多相回転機の制御装置。
  8. 前記制御部(654)は、二組の前記巻線組に流れるd軸電流及びq軸電流を系統毎にd軸電流指令及びq軸電流指令に対してフィードバック制御するものであり、
    各系統のd軸電流又はq軸電流の少なくとも一方に応じて、前記トルク−d軸電流マップ又は前記トルク−q軸電流マップの少なくとも一方を切り替える請求項6に記載の多相回転機の制御装置。
  9. 車両の電動パワーステアリング装置(90)に適用され、操舵アシストトルクを出力する前記多相回転機の通電を制御する請求項1〜8のいずれか一項に記載の多相回転機の制御装置。
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