JP7069313B2 - モータ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、モータ制御装置に関する。
本技術分野の背景技術として、下記特許文献１が知られている。特許文献１には、各相の電気子巻線が互いに独立して設けられた多相モータの駆動を制御するモータ駆動装置であって、直流母線を介して供給される直流電力を多相の交流電力に変換して前記各相の電気子巻線にそれぞれ出力するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御するための制御器と、を備え、前記制御器は、前記交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、前記欠相した相を除いた他の正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、前記正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差を調整するモータ駆動装置が開示されている。
特許第６１９４１１３号
特許文献１に記載のモータ駆動装置を三相モータに適用した場合、Ｕ相またはＷ相が欠相した場合には特に問題ないが、Ｖ相が欠相した場合には、電流の位相を調整することでモータの回転方向がそれまでとは反対方向になるという問題が生じる。このように、特許文献１の技術では、欠相した相によっては電流の位相を適切に調整できないという問題がある。
本発明によるモータ制御装置の一態様は、複数の相のそれぞれに対応する複数の巻線を有し、各巻線が互いに独立して接続されたモータの駆動を制御するものであって、前記複数の相は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応し、前記Ｕ相が欠相した場合、欠相していない前記Ｖ相を基準相として前記Ｗ相に流れる電流の位相を位相角で進み方向に６０度シフトさせるか、または、欠相していない前記Ｗ相を基準相として前記Ｖ相に流れる電流の位相を位相角で遅れ方向に６０度シフトさせることにより、前記基準相以外の正常相に流れる電流の位相を調整し、前記Ｗ相が欠相した場合、欠相していない前記Ｕ相を基準相として前記Ｖ相に流れる電流の位相を位相角で進み方向に６０度シフトさせるか、または、欠相していない前記Ｖ相を基準相として前記Ｕ相に流れる電流の位相を位相角で遅れ方向に６０度シフトさせることにより、前記基準相以外の正常相に流れる電流の位相を調整し、前記Ｖ相が欠相した場合、欠相していない前記Ｕ相を基準相として前記Ｗ相に流れる電流の位相を位相角で遅れ方向に６０度シフトさせるか、または、欠相していない前記Ｗ相を基準相として前記Ｕ相に流れる電流の位相を位相角で進み方向に６０度シフトさせることにより、前記基準相以外の正常相に流れる電流の位相を調整する。
本発明によるモータ制御装置の他の一態様は、複数の相のそれぞれに対応する複数の巻線を有し、各巻線が互いに独立して接続されたモータの駆動を制御するものであって、前記複数の相のうちいずれかの相が欠相した場合に、前記欠相した相を除いた正常相のいずれかを基準相として、前記基準相以外の前記正常相に流れる各電流の位相を、所定のシフト方向に所定のシフト量でそれぞれシフトさせることにより調整し、前記所定のシフト量とは、ｎを前記モータの相数、ｍを欠相した相数としたときに、調整後の前記正常相の各電流の位相差Ｄｉ［°］がＤｉ＝３６０／（ｎ－ｍ）－３６０／ｎの条件式を満たす位相角のシフト量であり、前記所定のシフト方向とは、進み方向または遅れ方向のうち、前記基準相以外の前記正常相について前記条件式を満たすシフト量の大きさがより小さくなる方の方向である。
本発明によれば、多相モータにおいていずれの相が欠相した場合であっても、電流の位相を適切に調整できる。
本発明の一実施形態に係るモータ制御装置を含むモータ駆動システムの構成を示す図 モータの構造の一例を示す図 通常時のモータにおける各相の電流波形の一例を示す図 通常時のモータにおける起磁力ベクトルを示す図 通常時のモータにおける各相の誘起電圧、電流および電力の波形例を示す図 Ｗ相が欠相したときに電流の位相調整を行った場合のモータにおける各相の誘起電圧、電流および電力の波形例を示す図 Ｗ相が欠相したときのモータにおける位相調整前と位相調整後の各相の電流波形の一例を示す図 Ｗ相が欠相したときのモータにおける位相調整後の起磁力ベクトルを示す図 Ｕ相が欠相したときのモータにおける位相調整前と位相調整後の各相の電流波形の一例を示す図 Ｕ相が欠相したときのモータにおける位相調整後の起磁力ベクトルを示す図 Ｖ相が欠相したときのモータにおける位相調整前と従来の方法による位相調整後の各相の電流波形の一例を示す図 Ｖ相が欠相したときのモータにおける従来の方法による位相調整後の起磁力ベクトルを示す図 Ｖ相が欠相したときのモータにおける位相調整前と本発明の方法による位相調整後の各相の電流波形の一例を示す図 Ｖ相が欠相したときのモータにおける本発明の方法による起磁力ベクトルを示す図 本発明の方法による位相調整方法を説明する図 欠相時の位相調整後におけるモータのベクトル制御を説明する図
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るモータ制御装置を含むモータ駆動システムの構成を示す図である。図１に示すモータ駆動システム２００は、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）などに利用されるモータ１００と接続されており、モータ１００の駆動を制御する。モータ駆動システム２００は、直流電源２０１、平滑コンデンサ２０２、制御器２０３およびインバータ回路２１０を有する。
モータ１００は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応する三相の電気子巻線１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃを有する独立巻線型の六線三相式交流モータである。これらの電気子巻線１２１ａ～１２１ｃは、互いに独立してモータ駆動システム２００に接続されている。モータ駆動システム２００は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応する電気子巻線１２１ａ～１２１ｃに流れる電流をそれぞれ独立に制御することで、モータ１００を駆動させることができる。なお、以下の説明では、Ｕ相に対応する電気子巻線１２１ａを「Ｕ相コイル１２１ａ」、Ｖ相に対応する電気子巻線１２１ｂを「Ｖ相コイル１２１ｂ」、Ｗ相に対応する電気子巻線１２１ｃを「Ｗ相コイル１２１ｃ」と言うこともある。
モータ１００の出力軸１１５には、モータ１００の磁極位置θを検出する磁極位置検出器１１３が取り付けられている。磁極位置検出器１１３は、例えばレゾルバ等を用いて構成される。磁極位置検出器１１３による磁極位置θの検出結果は、制御器２０３に出力される。
直流電源２０１は、直流母線２０１ａ、２０１ｂを介してインバータ回路２１０に直流電力を供給する。直流電源２０１には、たとえばリチウムイオン電池等の二次電池などを利用することができる。
平滑コンデンサ２０２は、インバータ回路２１０の動作に伴って生じる直流電圧の変動を抑制するためのものであり、直流母線２０１ａと直流母線２０１ｂの間に、インバータ回路２１０と並列に接続されている。
制御器２０３は、インバータ回路２１０が有する各相のブリッジ回路２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃに対して、ドライブ信号Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗをそれぞれ出力する。このドライブ信号Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗに応じてブリッジ回路２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃをそれぞれ動作させることで、制御器２０３はインバータ回路２１０を制御することができる。なお、制御器２０３は、本発明の一実施形態に係るモータ制御装置に相当する。
インバータ回路２１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応するフルブリッジ型のブリッジ回路２１０ａ、２１０ｂおよび２１０ｃを有している。各ブリッジ回路２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、上下各アームのスイッチング素子として機能する４つのＩＧＢＴ２１１と、各ＩＧＢＴ２１１と並列に設けられた４つのダイオード２１２とを有している。ブリッジ回路２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃにおいて、各ＩＧＢＴ２１１は、制御器２０３からのドライブ信号Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗに応じてスイッチング動作を行う。これにより、直流電源２０１から供給された直流電力が三相交流電力に変換され、ブリッジ回路２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃから各相の交流パワーケーブル１３０を介して、モータ１００の各相の電気子巻線１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃにそれぞれ出力される。
各相の交流パワーケーブル１３０には、モータ１００の電気子巻線１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃに流れる各電流を検出するための電流センサ１４０がそれぞれ設けられている。電流センサ１４０により検出された各相の電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、制御器２０３に出力される。制御器２０３は、電流センサ１４０から入力される各相の電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと、磁極位置検出器１１３から入力される磁極位置θとに基づいて、所定の電流制御演算を行い、その演算結果に基づいて、各相のドライブ信号Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗを出力する。
図２は、モータ１００の構造の一例を示す図である。図２に示すように、たとえばモータ１００は、電気子巻線１２１ａ～１２１ｃが互いに電気的に１２０°の位相差となるように取り付けられたステータ１２０と、出力軸１１５に固定され、複数の永久磁石１１２が内部に埋め込まれたロータ１１１とによって構成される埋め込み磁石型モータである。ステータ１２０とロータ１１１の間には、エアギャップ１０１が設けられている。
図３は、通常時のモータ１００における各相の電流波形の一例を示す図である。図３では、図２に示す内部構造のモータ１００を、図１のようにモータ駆動システム２００と接続した場合に、モータ駆動システム２００から供給される交流電力によってモータ１００の電気子巻線１２１ａ～１２１ｃにそれぞれ流れる各相の電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの例を示している。本図に示す三相交流電流を通電した場合、図２のロータ１１１は反時計回りに回転する。
図４は、通常時のモータ１００における起磁力ベクトルを示す図である。図４では、図３に示したＡ～Ｅの各電気角に対応するモータ１００内の起磁力ベクトルを示している。図４において、起磁力ベクトルＦｕは、Ｕ相コイル１２１ａに流れるＵ相電流ｉｕが作る起磁力を表し、起磁力ベクトルＦｖは、Ｖ相コイル１２１ｂに流れるＶ相電流ｉｖが作る起磁力を表し、起磁力ベクトルＦｗは、Ｗ相コイル１２１ｃに流れるＷ相電流ｉｗが作る起磁力を表している。これらの起磁力ベクトルは、電流の時間変化に伴って振幅の大きさと正負が変化する交番磁界である。また、合成起磁力ベクトルＦｕｖｗは、三相の起磁力ベクトルＦｕ、Ｆｖ、Ｆｗを合計した起磁力を表しており、これは時間変化と共に一定の大きさのまま回転する回転磁界となる。
図２に示す内部構造のモータ１００に図３の三相交流電流を流した場合、これらによって生じる合成起磁力ベクトルＦｕｖｗは、図４に示すように反時計回りに回転する。ロータ１１１は、この合成起磁力ベクトルＦｕｖｗが表す磁界に同期して回転する。なお、図４では、図３に示したＡ～Ｅの各電気角での起磁力ベクトルＦｕ、Ｆｖ、Ｆｗおよび合成起磁力ベクトルＦｕｖｗを示しており、残りのＦ～Ｍの各電気角での起磁力ベクトルＦｕ、Ｆｖ、Ｆｗおよび合成起磁力ベクトルＦｕｖｗを省略している。Ｆ～Ｍの各電気角では、Ａ～Ｅの各電気角と同様に、これらの起磁力が反時計回りの回転を継続する。
図２に示したような永久磁石を用いたモータ１００の電圧方程式は、以下の式（１）で表される。
Figure 0007069313000001
上記の式（１）において、ｖｕ、ｖｖ、ｖｗおよびｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧と電流をそれぞれ表しており、Ｒは一相分の巻線抵抗を、Ｐは微分演算子をそれぞれ表している。また、式（１）において、各相の誘起電圧ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ、各相の自己インダクタンスＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗ、各相間の相互インダクタンスＭｕｖ、Ｍｖｗ、Ｍｗｕは、以下の式（２）、（３）、（４）でそれぞれ表される。
Figure 0007069313000002
Figure 0007069313000003
Figure 0007069313000004
式（２）において、ωｅはモータ１００の電気角回転速度を表し、ψｍは永久磁石１１２の巻線鎖交磁束を表している。また、式（３）において、ｌａは一相分の漏れインダクタンスを表し、式（３）、（４）において、Ｌａ、Ｌａｓは一相分の有効インダクタンスの平均値成分と振幅成分をそれぞれ表している。
なお、図２に示した埋め込み磁石型モータの場合、式（３）、（４）においてＬａｓ≠０となる。
モータ１００が出力軸１１５に対して出力する軸トルクＴは、以下の式（５）で表さる。式（５）において、ＰＯＵＴはモータ１００が出力軸１１５に出力する機械エネルギー（軸出力）を表し、ωｍは出力軸１１５の回転角速度（軸回転速度）を表している。すなわち軸トルクＴは、軸出力ＰＯＵＴを軸回転速度ωｍで割った値である。そのため、軸回転速度ωｍとモータ軸出力ＰＯＵＴが一定値であれば、軸トルクＴも一定になる。なお、式（５）では計算の簡略化のために、モータ１００の極対数を１とし、ωｅ＝ωｍとして計算しているが、実際にはモータ１００の極対数をＰｐとすると、ωｍ＝ωｅ／Ｐｐの関係が成り立つ。
Figure 0007069313000005
上記の式（５）におけるモータ１００の軸出力ＰＯＵＴは、以下の式（６）で表される。
Figure 0007069313000006
なお、式（６）で表される軸出力ＰＯＵＴは、モータ１００の入力電力ＰＩＮから銅損や鉄損などの各損失を差し引いた値に等しい。モータ１００の入力電力ＰＩＮは、以下の式（７）に示すように、各相の瞬時電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗと瞬時電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの積をそれぞれ足し合わせた値として求められる。
Figure 0007069313000007
表面磁石型モータや突極比の比較的小さな埋め込み磁石型モータでは、式（６）に示すように、入力電力ＰＩＮのうち、各相の誘起電圧ｅｕ、ｅｖ、ｅｗと瞬時電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの積で決まる電力Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗが主に軸出力ＰＯＵＴに変換される。
式（５）から判るように、モータ１００が一定の軸回転速度ωｍで回転しているときに軸出力ＰＯＵＴが一定値であれば、軸トルクＴが一定になる。式（６）から判るように、モータ１００の軸出力ＰＯＵＴを一定にするためには、先に述べたように、入力電力ＰＩＮのうち各相の誘起電圧ｅｕ、ｅｖ、ｅｗと瞬時電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの積で決まる電力Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗの和が一定である必要がある。
図５は、通常時のモータ１００における各相の誘起電圧、電流および電力の波形例を示す図である。前述のように、Ｕ相コイル１２１ａ、Ｖ相コイル１２１ｂ、Ｗ相コイル１２１ｃにそれぞれ生じる各相の誘起電圧ｅｕ、ｅｖ、ｅｗの位相差は、いずれも１２０°である。通常時には、制御器２０３は図５に示すように、Ｕ相コイル１２１ａ、Ｖ相コイル１２１ｂ、Ｗ相コイル１２１ｃにそれぞれ流れる各相の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが互いに１２０°の位相差となるように、各ブリッジ回路２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃにおけるＩＧＢＴ２１１の動作タイミングを決定する。その結果、誘起電圧と電流の積で求められる各相の電力Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗは、図５に示すように、誘起電圧および電流の２倍の周波数で脈動し、互いの位相差は６０°となる。一方、三相の電力Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを合計した入力電力ＰＩＮは、図５に示すように一定となる。したがって、誘起電圧と電流が正弦波であれば、原理的にトルク脈動が発生しないことが分かる。
なお、上記の説明では、誘起電圧波形や電流波形が理想的な正弦波と仮定しているが、実際には、誘起電圧波形や電流波形には多少の高調波が含まれており、理想的な正弦波とはならない。しかしこの場合でも、制御器２０３は、誘起電圧波形や電流波形を正弦波として扱ってモータ１００を制御することで、モータ１００を概ね問題無く動作させることが可能である。
以上説明したように、Ｕ相コイル１２１ａ、Ｖ相コイル１２１ｂ、Ｗ相コイル１２１ｃに流れる電流をそれぞれ独立に制御可能な独立巻線型のモータ１００においても、三相の電流が平衡している状態を作ることで、一定のトルクを発生させながらモータ１００を回すことが可能である。この原理は、三相以外の独立巻線型の多相モータについても成り立つ。すなわち、モータの相数をｎとすると、各相の電流の位相を３６０／ｎ°ずつずらすことで、各相の電流を平衡させ、一定のトルクでモータを回転させることができる。
通常時にモータ駆動システム２００は、モータ１００の全ての相を通電することで、モータ１００のトルクを制御してモータ１００を回転駆動させることができる。しかし、たとえばブリッジ回路２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃのいずれかにおいてＩＧＢＴ２１１の動作に異常が生じたり、いずれかの相で交流パワーケーブル１３０やモータ１００内の配線に断線等の異常が生じたりすることで、いずれかの相が欠相して通電不可能となった場合は、通常時と同じ制御方法ではモータ１００のトルクを適切に制御することができない。すなわち、インバータ回路２１０からモータ１００のＵ相コイル１２１ａ、Ｖ相コイル１２１ｂ、Ｗ相コイル１２１ｃにそれぞれ出力される交流電力においていずれかの相が欠相した場合に、通常時と同様に各相の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相を１２０°ずつずらして電流制御を行うと、モータ１００において大きなトルク脈動が発生してしまう。そのため、従来のモータ駆動システムでは、モータに出力する交流電力においていずれかの相が欠相した場合には、モータの回転を停止させる必要があった。
一方、本発明に係るモータ駆動システム２００では、モータ１００に出力する交流電力においていずれかの相が欠相した場合には、制御器２０３により、欠相した相を除いた他の正常相の各交流電力が互いに相殺されるように、正常相の電気子巻線に流れる電流の位相差を調整する。これにより、モータ１００における出力トルクの脈動を低減させ、モータ１００の回転を継続できるようにする。
図６は、Ｗ相が欠相したときに電流の位相調整を行った場合のモータ１００における各相の誘起電圧、電流および電力の波形例を示す図である。Ｗ相が欠相した場合、モータ駆動システム２００において制御器２０３は図６に示すように、Ｖ相の電流ｉｖの位相を通常時から６０°進む方向（図の左側方向）にずらすことで、これとＵ相の電流ｉｕとの位相差が６０°となるように調整する。具体的には、制御器２０３が行う電流制御演算において、出力しようとするＶ相電流ｉｖの位相を調整し、この調整後の位相に合わせて、制御器２０３からＶ相のブリッジ回路２１０ｂに対してドライブ信号Ｇｖを出力する。これにより、図６に示すように、Ｕ相電力Ｐｕの山部分とＶ相電力Ｐｖの谷部分、およびＵ相電力Ｐｕの谷部分とＶ相電力Ｐｖの山部分がそれぞれ重なるようにして、これらが互いに相殺されるようにする。その結果、Ｗ相の欠相時においても、三相の電力Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを合計した入力電力ＰＩＮを図６に示すように一定とすることができる。そのため、トルク脈動を抑えつつ、モータ１００の回転を継続させることができる。
図７は、Ｗ相が欠相したときのモータ１００における位相調整前と位相調整後の各相の電流波形の一例を示す図である。図７において、（ａ）は位相調整前のＵ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖの波形を示しており、図５で説明したように、これらは１２０°の位相差となっている。（ｂ）、（ｃ）はいずれも位相調整後のＵ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖの波形を示しており、図６で説明したように、これらは６０°の位相差となっている。なお、図７（ｂ）では図６で説明したのと同様に、Ｖ相電流ｉｖの位相を通常時から６０°進む方向（図の左側方向）にずらした場合を示している。一方、図７（ｃ）では図６で説明したのとは異なり、Ｕ相電流ｉｕの位相を通常時から６０°遅れる方向（図の右側方向）にずらした場合を示している。
図８は、Ｗ相が欠相したときのモータ１００における位相調整後の起磁力ベクトルを示す図である。図８では、図７（ｂ）に示したＡ～Ｅの各電気角に対応するモータ１００内の起磁力ベクトルを示している。図８において、起磁力ベクトルＦｕは、Ｕ相コイル１２１ａに流れるＵ相電流ｉｕが作る起磁力を表し、起磁力ベクトルＦｖは、Ｖ相コイル１２１ｂに流れるＶ相電流ｉｖが作る起磁力を表している。これらの起磁力ベクトルは、電流の時間変化に伴って振幅の大きさと正負が変化する交番磁界である。また、合成起磁力ベクトルＦｕｖは、起磁力ベクトルＦｕ、Ｆｖを合計した起磁力を表しており、これは時間変化と共に一定の大きさのまま回転する回転磁界となる。なお、図８ではＷ相が欠相しているため、Ｗ相電流ｉｗによる起磁力ベクトルＦｗは存在しない。
図８では、合成起磁力ベクトルＦｕｖが反時計回りに回転しており、ロータ１１１は、この合成起磁力ベクトルＦｕｖが表す磁界に同期して回転する。すなわち、Ｗ相が欠相したときの位相調整後のロータ１１１の回転方向は、図４で説明した通常時のロータ１１１の回転方向と一致している。そのため、Ｗ相が欠相した場合には、上記のようにＵ相電流ｉｕまたはＶ相電流ｉｖの位相調整を行うことで、トルク脈動を抑えつつ、ロータ１１１を正転方向に回転できることが分かる。
以上説明したように、Ｗ相が欠相した場合に制御器２０３は、図７（ｂ）、（ｃ）いずれかの方法により、Ｕ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖの位相差が６０°となるように調整する。これにより、モータ１００の回転状態を維持しつつ、三相の電力Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを合計した入力電力ＰＩＮを一定としてトルク脈動を抑えることが可能となる。
図９は、Ｕ相が欠相したときのモータ１００における位相調整前と位相調整後の各相の電流波形の一例を示す図である。図９において、（ａ）は位相調整前のＶ相電流ｉｖとＷ相電流ｉｗの波形を示しており、図５で説明したように、これらは１２０°の位相差となっている。（ｂ）、（ｃ）はいずれも位相調整後のＶ相電流ｉｖとＷ相電流ｉｗの波形を示しており、これらは６０°の位相差となっている。なお、図９（ｂ）ではＷ相電流ｉｗの位相を通常時から６０°進む方向（図の左側方向）にずらした場合を示している。一方、図９（ｃ）ではＶ相電流ｉｖの位相を通常時から６０°遅れる方向（図の右側方向）にずらした場合を示している。
図１０は、Ｕ相が欠相したときのモータ１００における位相調整後の起磁力ベクトルを示す図である。図１０では、図９（ｂ）に示したＡ～Ｅの各電気角に対応するモータ１００内の起磁力ベクトルを示している。図１０において、起磁力ベクトルＦｖは、Ｖ相コイル１２１ｂに流れるＶ相電流ｉｖが作る起磁力を表し、起磁力ベクトルＦｗは、Ｗ相コイル１２１ｃに流れるＷ相電流ｉｗが作る起磁力を表している。これらの起磁力ベクトルは、電流の時間変化に伴って振幅の大きさと正負が変化する交番磁界である。また、合成起磁力ベクトルＦｖｗは、起磁力ベクトルＦｖ、Ｆｗを合計した起磁力を表しており、これは時間変化と共に一定の大きさのまま回転する回転磁界となる。なお、図１０ではＵ相が欠相しているため、Ｕ相電流ｉｕによる起磁力ベクトルＦｕは存在しない。
図１０では、合成起磁力ベクトルＦｖｗが反時計回りに回転しており、ロータ１１１は、この合成起磁力ベクトルＦｖｗが表す磁界に同期して回転する。すなわち、Ｕ相が欠相したときの位相調整後のロータ１１１の回転方向についても、前述のＷ相が欠相した場合と同様に、図４で説明した通常時のロータ１１１の回転方向と一致している。そのため、Ｕ相が欠相した場合には、上記のようにＶ相電流ｉｖまたはＷ相電流ｉｗの位相調整を行うことで、トルク脈動を抑えつつ、ロータ１１１を正転方向に回転できることが分かる。
以上説明したように、Ｕ相が欠相した場合に制御器２０３は、図９（ｂ）、（ｃ）いずれかの方法により、Ｖ相電流ｉｖとＷ相電流ｉｗの位相差が６０°となるように調整する。これにより、モータ１００の回転状態を維持しつつ、三相の電力Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを合計した入力電力ＰＩＮを一定とし、トルク脈動を抑えることが可能となる。
図１１は、Ｖ相が欠相したときのモータ１００における位相調整前と従来の方法による位相調整後の各相の電流波形の一例を示す図である。図１１において、（ａ）は位相調整前のＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗの波形を示しており、これらは１２０°の位相差となっている。（ｂ）、（ｃ）はいずれも従来の方法での位相調整後のＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗの波形を示しており、これらは６０°の位相差となっている。なお、図１１（ｂ）ではＷ相電流ｉｗの位相を通常時から進み方向（図の左側方向）にずらしてＷ相電流ｉｗをＵ相電流ｉｕに近づけ、Ｕ相電流ｉｕに対してＷ相電流ｉｗの位相が６０°遅れるようにした場合を示している。一方、図１１（ｃ）ではＵ相電流ｉｕの位相を通常時から遅れ方向（図の右側方向）にずらしてＵ相電流ｉｕをＷ相電流ｉｗに近づけ、Ｕ相電流ｉｕに対してＷ相電流ｉｗの位相が６０°遅れるようにした場合を示している。
図１２は、Ｖ相が欠相したときのモータ１００における従来の方法による位相調整後の起磁力ベクトルを示す図である。図１２では、図１１（ｂ）に示したＡ～Ｅの各電気角に対応するモータ１００内の起磁力ベクトルを示している。図１２において、起磁力ベクトルＦｕは、Ｕ相コイル１２１ａに流れるＵ相電流ｉｕが作る起磁力を表し、起磁力ベクトルＦｗは、Ｗ相コイル１２１ｃに流れるＷ相電流ｉｗが作る起磁力を表している。これらの起磁力ベクトルは、電流の時間変化に伴って振幅の大きさと正負が変化する交番磁界である。また、合成起磁力ベクトルＦｕｗは、起磁力ベクトルＦｕ、Ｆｗを合計した起磁力を表しており、これは時間変化と共に一定の大きさのまま回転する回転磁界となる。なお、図１２ではＶ相が欠相しているため、Ｖ相電流ｉｖによる起磁力ベクトルＦｖは存在しない。
図１２では、合成起磁力ベクトルＦｕｗが時計回りに回転しており、ロータ１１１は、この合成起磁力ベクトルＦｕｗが表す磁界に同期して回転する。すなわち、従来の方法では、Ｖ相が欠相したときの位相調整後のロータ１１１の回転方向は、前述のＵ相やＷ相が欠相した場合とは異なり、図４で説明した通常時のロータ１１１の回転方向とは反対になっている。そのため、Ｖ相が欠相した場合には、上記のようにして従来の方法でＵ相電流ｉｕまたはＷ相電流ｉｗの位相調整を行うと、ロータ１１１が正転方向に対して逆回転してしまうことになる。
そこで本発明では、Ｖ相が欠相したときには従来とは異なる方法で位相調整を行うことにより、ロータ１１１の逆回転を防止する。その具体的な方法を以下に説明する。
図１３は、Ｖ相が欠相したときのモータ１００における位相調整前と本発明の方法による位相調整後の各相の電流波形の一例を示す図である。図１３において、（ａ）は位相調整前のＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗの波形を示しており、図１１と同様に、これらは１２０°の位相差となっている。（ｂ）、（ｃ）はいずれも本発明の方法での位相調整後のＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗの波形を示しており、これらは６０°の位相差となっている。なお、図１３（ｂ）では図１１（ｂ）の場合とは反対に、Ｗ相電流ｉｗの位相を通常時から遅れ方向（図の右側方向）にずらしてＷ相電流ｉｗをＵ相電流ｉｕに近づけ、Ｗ相電流ｉｗに対してＵ相電流ｉｕの位相が６０°遅れるようにした場合を示している。一方、図１３（ｃ）では図１１（ｃ）の場合とは反対に、Ｕ相電流ｉｕの位相を通常時から進み方向（図の左側方向）にずらしてＵ相電流ｉｕをＷ相電流ｉｗに近づけ、Ｗ相電流ｉｗに対してＵ相電流ｉｕの位相が６０°遅れるようにした場合を示している。すなわち、図１３（ｂ）、（ｃ）では、図１１（ｂ）、（ｃ）の場合とそれぞれ比較して、Ｕ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗの相順が入れ替わっている。
図１４は、Ｖ相が欠相したときのモータ１００における本発明の方法による位相調整後の起磁力ベクトルを示す図である。図１４では、図１３（ｂ）に示したＡ～Ｅの各電気角に対応するモータ１００内の起磁力ベクトルを示している。図１４において、起磁力ベクトルＦｕは、Ｕ相コイル１２１ａに流れるＵ相電流ｉｕが作る起磁力を表し、起磁力ベクトルＦｗは、Ｗ相コイル１２１ｃに流れるＷ相電流ｉｗが作る起磁力を表している。これらの起磁力ベクトルは、電流の時間変化に伴って振幅の大きさと正負が変化する交番磁界である。また、合成起磁力ベクトルＦｕｗは、起磁力ベクトルＦｕ、Ｆｗを合計した起磁力を表しており、これは時間変化と共に一定の大きさのまま回転する回転磁界となる。なお、図１４ではＶ相が欠相しているため、Ｖ相電流ｉｖによる起磁力ベクトルＦｖは存在しない。
図１４では、合成起磁力ベクトルＦｕｗが反時計回りに回転しており、ロータ１１１は、この合成起磁力ベクトルＦｕｗが表す磁界に同期して回転する。すなわち、本発明の方法によれば、Ｖ相が欠相したときの位相調整後のロータ１１１の回転方向についても、Ｕ相やＷ相が欠相した場合と同様に、通常時のロータ１１１の回転方向と一致させることができる。そのため、Ｖ相が欠相した場合には、上記のようにして本発明の方法でＵ相電流ｉｕまたはＷ相電流ｉｗの位相調整を行うことで、トルク脈動を抑えつつ、ロータ１１１を正転方向に回転できることが分かる。
以上説明したように、Ｖ相が欠相した場合に制御器２０３は、図１３（ｂ）、（ｃ）いずれかの方法により、Ｕ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗの位相差が６０°となるように調整する。これにより、モータ１００の回転状態を維持しつつ、三相の電力Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを合計した入力電力ＰＩＮを一定としてトルク脈動を抑えることが可能となる。
次に、本発明の方法による位相調整方法について、さらに図１５を参照して説明する。図１５は、本発明の方法による位相調整方法を説明する図である。
図１５（ａ）は、モータ１００において三相が欠相しておらずに健全である場合の各相の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相関係を示している。三相が健全である場合、図１５（ａ）に示すように、各相の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは互いの位相差が１２０°となっている。
図１５（ｂ）は、モータ１００において三相のうちＵ相が欠相した場合の位相調整後のＶ相電流ｉｖとＷ相電流ｉｗの位相関係を表している。この場合に制御器２０３は、例えば前述の図９（ｂ）で説明したように、Ｗ相電流ｉｗの位相を通常時から６０°進む方向にシフトさせる。すなわち、Ｕ相が欠相した場合に制御器２０３は、図１５（ｂ）に示すように、三相のうち欠相しているＵ相を除いた正常相の一方であるＶ相を基準相として、残りのＷ相に流れるＷ相電流ｉｗの位相を、進み方向（時計回り方向）に６０°のシフト量でシフトさせる。このときＷ相電流ｉｗの位相は、欠相したＵ相を跨がずに調整される。これにより、Ｕ相が欠相した場合でもトルク脈動を抑えつつ、モータ１００の回転を正転方向に維持することができる。
なお、図１５（ｂ）では、図９（ｂ）で説明した位相調整方法、すなわちＶ相を基準相としてＷ相電流ｉｗの位相を進み方向（時計回り方向）に６０°だけシフトさせる場合を示したが、図９（ｃ）で説明した位相調整方法を用いてもよい。具体的には、Ｕ相が欠相した場合に制御器２０３は、三相のうち欠相しているＵ相を除いた正常相の他方であるＷ相を基準相として、残りのＶ相に流れるＶ相電流ｉｖの位相を、遅れ方向（反時計回り方向）に６０°のシフト量でシフトさせてもよい。このときＶ相電流ｉｖの位相は、欠相したＵ相を跨がずに調整される。
図１５（ｃ）は、モータ１００において三相のうちＷ相が欠相した場合の位相調整後のＵ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖの位相関係を表している。この場合に制御器２０３は、例えば前述の図７（ｂ）で説明したように、Ｖ相電流ｉｖの位相を通常時から６０°進む方向にシフトさせる。すなわち、Ｗ相が欠相した場合に制御器２０３は、図１５（ｃ）に示すように、三相のうち欠相しているＷ相を除いた正常相の一方であるＵ相を基準相として、残りのＶ相に流れるＶ相電流ｉｖの位相を、進み方向（時計回り方向）に６０°のシフト量でシフトさせる。このときＶ相電流ｉｖの位相は、欠相したＷ相を跨がずに調整される。これにより、Ｗ相が欠相した場合でもトルク脈動を抑えつつ、モータ１００の回転を正転方向に維持することができる。
なお、図１５（ｃ）では、図７（ｂ）で説明した位相調整方法、すなわちＵ相を基準相としてＶ相電流ｉｖの位相を進み方向（時計回り方向）に６０°だけシフトさせる場合を示したが、図７（ｃ）で説明した位相調整方法を用いてもよい。具体的には、Ｗ相が欠相した場合に制御器２０３は、三相のうち欠相しているＷ相を除いた正常相の他方であるＶ相を基準相として、残りのＵ相に流れるＵ相電流ｉｕの位相を、遅れ方向（反時計回り方向）に６０°のシフト量でシフトさせてもよい。このときＵ相電流ｉｕの位相は、欠相したＷ相を跨がずに調整される。
図１５（ｄ）は、モータ１００において三相のうちＶ相が欠相した場合の位相調整後のＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗの位相関係を表している。この場合に制御器２０３は、例えば前述の図１３（ｂ）で説明したように、Ｗ相電流ｉｗの位相を通常時から６０°遅れる方向にシフトさせる。すなわち、Ｖ相が欠相した場合に制御器２０３は、図１５（ｄ）に示すように、三相のうち欠相しているＶ相を除いた正常相の一方であるＵ相を基準相として、残りのＷ相に流れるＷ相電流ｉｗの位相を、図１５（ｂ）に示したＵ相欠相時とは逆方向の遅れ方向（反時計回り方向）に６０°のシフト量でシフトさせる。このときＷ相電流ｉｗの位相は、欠相したＶ相を跨がずに調整される。これにより、Ｖ相が欠相した場合でもトルク脈動を抑えつつ、モータ１００の回転を正転方向に維持することができる。
ここで、Ｖ相欠相時にＷ相電流ｉｗの位相を、図１５（ｂ）に示したＵ相欠相時と同じ方向である進み方向（時計回り方向）にシフトさせた場合を考える。この場合には図１５（ｅ）に示すように、Ｗ相電流ｉｗの位相は、欠相したＶ相を跨いで１８０°のシフト量で調整される。その結果、図１２で説明したように、ロータ１１１において時計回りに回転する合成起磁力ベクトルＦｕｗが生じるため、モータ１００の回転方向が通常時に対して逆転してしまうことになる。
なお、図１５（ｄ）では、図１３（ｂ）で説明した位相調整方法、すなわちＵ相を基準相としてＷ相電流ｉｗの位相を遅れ方向（反時計回り方向）に６０°だけシフトさせる場合を示したが、図１３（ｃ）で説明した位相調整方法を用いてもよい。具体的には、Ｖ相が欠相した場合に制御器２０３は、三相のうち欠相しているＶ相を除いた正常相の他方であるＷ相を基準相として、残りのＵ相に流れるＵ相電流ｉｕの位相を、Ｗ相欠相時とは逆方向の進み方向（時計回り方向）に６０°のシフト量でシフトさせてもよい。このときＵ相電流ｉｕの位相は、欠相したＶ相を跨がずに調整される。
図１６は、欠相時の位相調整後におけるモータ１００のベクトル制御を説明する図である。モータ１００においてＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかが欠相した場合、制御器２０３は、欠相した相を除いた正常相に流れる各相の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗのいずれかに対して上記の位相調整を行った上で、正常相の合成起磁力ベクトルＦｕｖ、Ｆｖｗ、Ｆｕｗとロータ１１１の磁極位置との間の位相差が常にある一定の値となるように、正常相に流れる電流の振幅および位相を制御する。これにより、ロータ１１１の回転位置を例えば図１６（ａ）から図１６（ｂ）のように変化させ、これと同様の制御を継続することで、モータ１００を駆動させることができる。なお、このときの合成起磁力ベクトルと磁極位置との位相差は、例えばモータ１００の運転状態（トルク、回転数）に応じて変更することができる。また、磁極位置は磁極位置検出器１１３によって検出することができる。
なお、以上説明したような欠相時の電流位相調整によるトルク脈動の低減は、三相以外の独立巻線型の多相モータについても適用可能である。すなわち、制御対象とするモータの相数をｎとし、欠相した相数をｍとすると、本発明に係るモータ制御装置は、いずれかの相が欠相した場合に、正常相の各交流電力の位相差Ｄｐ（°）が以下の式（８）を満たすように、正常相の各電流を調整する。このとき、正常相のいずれかを基準相として、基準相以外の正常相に流れる各電流の位相を、欠相した相を跨がないようによう調整する。これにより、正常相の合成起磁力ベクトルの回転方向を通常時と同一方向に維持しつつ、正常相の各交流電力が互いに相殺されるようにすることができる。その結果、モータの出力トルクの脈動を抑えて、モータの回転を継続させることができる。
Ｄｐ＝３６０／２（ｎ－ｍ） ・・・（８）
ただし、ｎ、ｍは正の整数であり、ｎ≧ｍ＋２
上記の式（８）を満たすためには、正常相の電気子巻線に流れる各電流の位相差Ｄｉ（°）が以下の式（９）を満たすように調整すればよい。これにより、いずれかの相において欠相が生じたときに、正常相の各交流電力を互いに相殺し、モータの出力トルクの脈動を抑えることができる。
Ｄｉ＝３６０／（ｎ－ｍ）－３６０／ｎ ・・・（９）
なお、上記の式（８）、（９）においてｎ＝３、ｍ＝１とすると、Ｄｐ＝９０°、Ｄｉ＝６０°となり、図６に示したＵ相電力ＰｕとＶ相電力Ｐｖの関係、およびＵ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖの関係にそれぞれ一致することが分かる。
以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）モータ制御装置である制御器２０３は、モータ１００の駆動を制御する。モータ１００は、複数の相のそれぞれに対応する複数の電気子巻線１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃを有し、各電気子巻線が互いに独立して接続されている。制御器２０３は、複数の相のうちいずれかの相が欠相した場合に、欠相した相を除いた正常相のいずれかを基準相として、基準相以外の正常相に流れる電流の位相を、欠相した相を跨がないように調整する。このようにしたので、多相モータにおいていずれの相が欠相した場合であっても、電流の位相を適切に調整できる。
（２）モータ１００の複数の相は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応する。制御器２０３は、Ｕ相が欠相した場合、図９や図１５（ｂ）で説明したように、欠相していないＶ相またはＷ相の一方を基準相として、残りのＷ相またはＶ相に流れる電流ｉｗ、ｉｖの位相を、所定のシフト方向（進み方向または遅れ方向）に所定のシフト量（６０°）でシフトさせる。また、Ｗ相が欠相した場合、図７や図１５（ｃ）で説明したように、欠相していないＵ相またはＶ相の一方を基準相として、残りのＶ相またはＵ相に流れる電流ｉｖ、ｉｕの位相を、上記シフト方向（進み方向または遅れ方向）に上記シフト量（６０°）でシフトさせる。一方、Ｖ相が欠相した場合、図１３や図１５（ｄ）で説明したように、欠相していないＵ相またはＷ相の一方を基準相として、残りのＷ相またはＵ相に流れる電流ｉｗ、ｉｕの位相を、上記シフト方向とは逆方向（遅れ方向または進み方向）に上記シフト量（６０°）でシフトさせる。このようにしたので、代表的な多相モータである三相モータにおいて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれが欠相した場合であっても、電流の位相を適切に調整できる。
（３）欠相時に制御器２０３が電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相調整を行うときのシフト量は、位相角で６０°である。このようにしたので、欠相した相を跨がずに、正常相の各交流電力を互いに相殺して出力トルクの脈動を抑えることができる。
（４）モータ１００には、モータ１００が有するロータ１１１の磁極位置を検出する磁極位置検出器１１３が取り付けられている。制御器２０３は、この磁極位置検出器１１３で検出された磁極位置に基づいて、正常相に流れる電流の振幅および位相を制御することにより、モータ１００を駆動させる。このようにしたので、欠相時であってもモータ１００の駆動を適切に継続させることができる。
以上説明した実施の形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
１００：モータ
１１１：ロータ
１１３：磁極位置検出器
１２０：ステータ
１２１ａ：電気子巻線（Ｕ相コイル）
１２１ｂ：電気子巻線（Ｖ相コイル）
１２１ｃ：電気子巻線（Ｗ相コイル）
１３０：交流パワーケーブル
１４０：電流センサ
２００：モータ駆動システム
２０１：直流電源
２０１ａ、２０１ｂ：直流母線
２０２：平滑コンデンサ
２０３：制御器
２１０：インバータ回路
２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ：ブリッジ回路
２１１：ＩＧＢＴ
２１２：ダイオード

Claims (3)

  1. 複数の相のそれぞれに対応する複数の巻線を有し、各巻線が互いに独立して接続されたモータの駆動を制御するモータ制御装置であって、
    前記複数の相は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応し、
    前記Ｕ相が欠相した場合、欠相していない前記Ｖ相を基準相として前記Ｗ相に流れる電流の位相を位相角で進み方向に６０度シフトさせるか、または、欠相していない前記Ｗ相を基準相として前記Ｖ相に流れる電流の位相を位相角で遅れ方向に６０度シフトさせることにより、前記基準相以外の正常相に流れる電流の位相を調整し、
    前記Ｗ相が欠相した場合、欠相していない前記Ｕ相を基準相として前記Ｖ相に流れる電流の位相を位相角で進み方向に６０度シフトさせるか、または、欠相していない前記Ｖ相を基準相として前記Ｕ相に流れる電流の位相を位相角で遅れ方向に６０度シフトさせることにより、前記基準相以外の正常相に流れる電流の位相を調整し、
    前記Ｖ相が欠相した場合、欠相していない前記Ｕ相を基準相として前記Ｗ相に流れる電流の位相を位相角で遅れ方向に６０度シフトさせるか、または、欠相していない前記Ｗ相を基準相として前記Ｕ相に流れる電流の位相を位相角で進み方向に６０度シフトさせることにより、前記基準相以外の正常相に流れる電流の位相を調整するモータ制御装置。
  2. 複数の相のそれぞれに対応する複数の巻線を有し、各巻線が互いに独立して接続されたモータの駆動を制御するモータ制御装置であって、
    前記複数の相のうちいずれかの相が欠相した場合に、前記欠相した相を除いた正常相のいずれかを基準相として、前記基準相以外の前記正常相に流れる各電流の位相を、所定のシフト方向に所定のシフト量でそれぞれシフトさせることにより調整し、
    前記所定のシフト量とは、ｎを前記モータの相数、ｍを欠相した相数としたときに、調整後の前記正常相の各電流の位相差Ｄｉ［°］がＤｉ＝３６０／（ｎ－ｍ）－３６０／ｎの条件式を満たす位相角のシフト量であり、
    前記所定のシフト方向とは、進み方向または遅れ方向のうち、前記基準相以外の前記正常相について前記条件式を満たすシフト量の大きさがより小さくなる方の方向であるモータ制御装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置において、
    前記モータには、前記モータが有するロータの磁極位置を検出する磁極位置検出器が取り付けられており、
    前記磁極位置検出器で検出された前記磁極位置に基づいて、前記正常相に流れる電流の振幅および位相を制御することにより、前記モータを駆動させるモータ制御装置。
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