JP7152132B2 - モータの制御方法、及び、モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの制御方法、及び、モータ制御装置に関する。

着磁量を可変に制御できる磁石が用いられる同期電動機の一例として、可変磁力モータが知られている。そのような可変磁力モータにおいては、電流を印加して磁場を発生することにより磁石を着減磁させることができる。このような可変磁力モータにおいては、運転状態に応じて着磁量を変化させることにより、運転効率を最適化することができる。

しかしながら、着磁量の制御のためには、磁場を発生させるために多くの電力が必要である。例えば、特許文献１には、昇圧回路を有し、この昇圧回路を着磁量制御時に動作させる技術が開示されている。この技術によれば、十分に電力を供給できるので着磁量を適切に制御することができる。

特開２００７－６６１３号公報

特許文献１に開示された方法では、昇圧回路は動作をしていない間でもエネルギーを消費してしまう。そのため、可変磁力モータを用いることにより駆動時の損失を低減することができても、その低減量を上回る電力を昇圧回路が使用してしまう場合には、全体として運転効率を向上させることができない。

本発明のモータの制御方法は、着磁量を変化可能な磁石を備えるモータの制御方法であって、モータの回転駆動に用いる基本波よりも高い高調波の温調電流を重畳させて磁石の温度を調整する温度調整ステップと、温度調整ステップの後に、着磁量、及び、着磁指令値に応じた着磁電流量を算出し、該着磁電流量だけの電流を印加することにより外部磁場を発生させて、磁石の着磁量を変化させる着磁量制御ステップと、を備える。

本発明によれば、磁石の着磁量を少ないエネルギーで変化させることができるので、エネルギー損失を低減することができる。

図１は、第１実施形態によるモータ制御装置の概略構成図である。 図２は、ｄ軸電流値と着減率との関係を示す図である。 図３は、電流指令値生成制御を示すフローチャートである。 図４Ａは、温調指令値の算出に用いるパラメータを示す図である。 図４Ｂは、温調指令値の算出に用いるパラメータを示す図である。 図５は、第２実施形態によるモータ制御装置の概略構成図である。 図６Ａは、ｄ軸電流値と着磁量との関係を示す図である。 図６Ｂは、ｄ軸電流値と着磁量との関係を示す図である。 図７は、ｄ軸電流値と着減率との関係を示す図である。 図８は、第３実施形態によるモータ制御装置の概略構成図である。 図９Ａは、磁化時間と振幅との関係を示す図である。 図９Ｂは、磁化時間と周波数との関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるモータ制御装置について説明する。

図１は、第１実施形態によるモータ制御装置の概略構成図である。

図１においては、モータ制御装置１が開示されており、このモータ制御装置１によってモータ２が制御される。モータ２は、電気自動車などの電動車両の駆動源となる。なお、モータ２は、可変磁力モータであり、回転子が備える磁石の着磁量が、モータ制御装置１によって制御可能に構成されている。以下では、モータ制御装置１の構成の詳細について説明する。なお、磁石の着磁量は、磁束量と称されることもある。

着磁状態保持制御部１１においては、車両の運転状態に応じたトルク指令値Ｔｒ^*、及び、磁束オブザーバ２４にて推定されるモータ２の磁石の着磁量推定値Ψａが入力される。そして、着磁状態保持制御部１１は、これらの入力値に基づいて、モータ２の回転駆動させるための基本波成分、及び、磁石の着磁率を維持するのに必要な維持成分を含むｄ軸電流指令値ｉｄ１^*、及び、ｑ軸電流指令値ｉｑ１^*が算出される。

そして、着磁状態保持制御部１１は、ｄ軸電流指令値ｉｄ１^*をｄ軸演算器１２ｄに出力するとともに、ｑ軸電流指令値ｉｑ１^*をｑ軸演算器１２ｑに出力する。さらに、着磁状態保持制御部１１は、ｄ軸電流指令値ｉｄ１^*及びｑ軸指令値ｉｑ１^*を、非干渉制御部１５に出力する。

ｄ軸演算器１２ｄには、ｄ軸指令値ｉｄ１^*、３相－ｄｑ変換部２１から出力されるモータ２のｄ軸電流値ｉｄ、及び、温調電流指令値生成部２６から出力される磁石温度の調整に用いられるｄ軸温調電流指令値ｉｄｔ^*が入力される。そして、ｄ軸演算器１２ｄは、ｄ軸電流指令値ｉｄ１^*からｄ軸電流値ｉｄを減ずることにより指令値と測定値との偏差を求め、その偏差に対してｄ軸温調電流指令値ｉｄｔ^*を加える。すなわち、ｄ軸演算器１２ｄは、ｄ軸電流指令値ｉｄ１^*からｄ軸電流値ｉｄを減じた結果に、ｄ軸温調電流指令値ｉｄｔ^*を加えることにより、ｄ軸電流指令値ｉｄ２^*を算出する。ｄ軸演算器１２ｄは、ｄ軸電流指令値ｉｄ２^*をＰＩ－ｄｑ電流制御器１３に出力する。

同様に、ｑ軸演算器１２ｑには、ｑ軸電流指令値ｉｑ１^*、３相－ｄｑ変換部２１から出力されるモータ２のｑ軸電流値ｉｑ、及び、温調電流指令値生成部２６から出力される磁石温度の調整に用いられるｑ軸温調電流指令値ｉｑｔ^*が入力される。そして、ｑ軸演算器１２ｑは、ｑ軸電流指令値ｉｑ１^*からｑ軸電流値ｉｑを減ずることにより指令値と測定値との偏差を求め、その偏差に対してｑ軸温調電流指令値ｉｑｔ^*を加える。すなわち、ｑ軸演算器１２ｑは、ｑ軸電流指令値ｉｑ１^*からｑ軸電流値ｉｑを減じた結果に、ｑ軸温調電流指令値ｉｑｔ^*を加えることにより、ｑ軸電流指令値ｉｑ２^*を算出する。ｑ軸演算器１２ｑは、ｑ軸電流指令値ｉｑ２^*をＰＩ－ｄｑ電流制御器１３に出力する。

ＰＩ－ｄｑ電流制御器１３においては、ｄ軸電流指令値ｉｄ２^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ２^*が入力される。ＰＩ－ｄｑ電流制御器１３は、ｄ軸演算器１２ｄ、及び、ｑ軸演算器１２ｑにおける演算途中にて求められる指令値と測定値との偏差を、ＰＩ演算によって補正する。そして、ＰＩ－ｄｑ電流制御器１３は、補正後の指令値をもとにｄ軸電圧指令値ｖｄ１をｄ軸加算器１４ｄに出力するとともに、ｑ軸電圧指令値ｖｑ１をｑ軸加算器１４ｑに出力する。

ｄ軸加算器１４ｄにおいては、ｄ軸電圧指令値ｖｄ１に加えて、非干渉制御部１５から出力されるｄ軸干渉電圧指令値ｖｄ’が入力される。ｄ軸加算器１４ｄは、ｄ軸電圧指令値ｖｄ１とｄ軸干渉電圧指令値ｖｄ’とを加算し、その加算結果であるｄ軸電圧指令値ｖｄをｄｑ－３相変換部１６に出力する。

ｑ軸加算器１４ｑにおいては、ｑ軸電圧指令値ｖｑ１に加えて、非干渉制御部１５から出力されるｑ軸干渉電圧指令値ｖｑ’が入力される。ｑ軸加算器１４ｑは、ｑ軸電圧指令値ｖｑ１とｑ軸干渉電圧指令値ｖｑ’とを加算し、その加算結果であるｑ軸電圧指令値ｖｑをｄｑ－３相変換部１６に出力する。

非干渉制御部１５は、ｄ軸電流指令値ｉｄ１^*、ｑ軸電流指令値ｉｑ１^*、及び、モータ２の電気角速度ωに基づいて、ｄ軸電流とｑ軸電流における干渉を抑制するための、ｄ軸干渉電圧指令値ｖｄ’及びｑ軸干渉電圧指令値ｖｑ’を求める。そして、非干渉制御部１５は、ｄ軸干渉電圧指令値ｖｄ’をｄ軸加算器１４ｄに出力するとともに、ｑ軸干渉電圧指令値ｖｑ’をｑ軸加算器１４ｑに出力する。

ｄｑ－３相変換部１６においては、ｄ軸電圧指令値ｖｄ、及び、ｑ軸電圧指令値ｖｑに加えて、位相速度演算部２２から出力されるモータ２の回転子位相角θが入力される。そして、ｄｑ－３相変換部１６は、指令値に対して回転子位相角θに基づいて、３相電圧指令値ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを算出する。そして、ｄｑ－３相変換部１６は、算出した３相電圧指令値ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを変調率演算部１７に出力する。

変調率演算部１７は、３相電圧指令値ｖｕ、ｖｖ、ｖｗと、モータ２への印可電圧を生成するインバータ１９における基準電圧であるＤＣ電圧Ｖｄｃとに基づいて、ＰＷＭ信号の生成に用いる変調率ｍｕ、ｍｖ、ｍｗを算出すると、それらの変調率を三角波比較部１８に出力する。

三角波比較部１８は、入力される変調率ｍｕ、ｍｖ、ｍｗと三角波とを比較することにより、ＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をインバータ１９に出力する。

インバータ１９は、ＰＷＭ信号に基づいて、上アーム及び下アームからなるスイッチ回路（図示省略）を制御することにより、直流電圧から３相交流信号を生成する。そして、インバータ１９は、それらの３相交流信号をモータ２に出力する。これにより、モータ２を回転駆動させることができる。

電流センサ２０は、インバータ１９とモータ２との間に設けられており、ｕ相電流ｉｕ、及び、ｗ相電流ｉｗを測定する。そして、電流センサ２０は、測定した電流値を、３相－ｄｑ変換部２１に出力する。

３相－ｄｑ変換部２１には、ｕ相電流ｉｕ、及び、ｗ相電流ｉｗが入力されるとともに、位相速度演算部２２から回転子位相角θが入力される。そして、３相－ｄｑ変換部２１は、これらの入力に基づいて、モータ２に流れる電流値をｄｑ軸で示したｄ軸電流値ｉｄ、及び、ｑ軸電流値ｉｑを算出する。そして、３相－ｄｑ変換部２１は、ｄ軸電流値ｉｄをｄ軸演算器１２ｄに出力し、ｑ軸演算器１２ｑをｑ軸電流値ｉｑに出力する。同時に、３相－ｄｑ変換部２１は、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸演算器１２ｑを、非干渉制御部１５、及び、磁束オブザーバ２４に出力する。

位相速度演算部２２においては、モータ２に設けられているレゾルバ等の回転角度センサ２３により検出された信号に基づいて、モータ２の回転子位相角θを求める。位相速度演算部２２は、回転子位相角θを、ｄｑ－３相変換部１６及び３相－ｄｑ変換部２１に出力する。更に、位相速度演算部２２は、モータ２の電気角速度ωを演算により求め、求めた電気角速度ωを磁束オブザーバ２４に出力する。

磁束オブザーバ２４においては、ｄ軸電流値ｉｄ、ｑ軸電流値ｉｑ、及び、モータ２の電気角速度ωが入力される。磁束オブザーバ２４は、これらの入力に基づいて、着磁量推定値Ψａを算出し、算出した着磁量推定値Ψａを、着磁状態保持制御部１１、及び、温調電流指令値生成部２６に出力する。ここで、着磁量推定値Ψａとは、磁石の着磁量（磁束数）であって、固定子コイルにより発生する磁束と鎖交する磁束の合計数を示す値である。

具体的には、磁束オブザーバ２４は、ｄ軸電流値ｉｄ、ｑ軸電流値ｉｑ、及び、電気角速度ωに基づきモータ電圧方程式を予め記憶している。ここで、モータ電圧方程式においては、磁石温度を予測するために使用されるモータパラメータなどがあり、これらのパラメータも記憶されている。そして、磁束オブザーバ２４は、モータ電圧方程式を用いて着磁量推定値Ψａを算出する。

磁石温度推定部２５は，ｄ軸電流値ｉｄ、ｑ軸電流値ｉｑ、ｄ軸電圧指令値ｖｄ、及び、ｑ軸電圧指令値ｖｑからモータ２のインピーダンスを算出する。そして、インピーダンスと磁石温度とは相関があるため、磁石温度推定部２５は、算出したインピーダンスを用いて磁石温度推定値Ｔを推定する。

温調電流指令値生成部２６の前段には減算器２７が設けられている。減算器２７には、上位システム（不図示）から出力される磁石の着磁量指令値Ψａ^*から、磁束オブザーバ２４から出力される着磁量推定値Ψａを減じて、着磁量偏差ΔΨａを算出する。なお、上位システムにおいては、運転状態に応じて最適な磁石の着磁量となるような着磁量指令値Ψａ^*が求められている。

そして、温調電流指令値生成部２６においては、減算器２７から着磁量偏差ΔΨａが入力され、磁束オブザーバ２４から着磁量推定値Ψａが入力され、磁石温度推定部２５から磁石温度推定値Ｔが入力される。温調電流指令値生成部２６は、これらの入力に応じて、磁石の温度の制御に用いる、ｄ軸温調電流指令値ｉｄｔ^*、及び、ｑ軸温調電流指令値ｉｑｔ^*を算出する。なお、温調電流指令値生成部２６において生成される、温調電流指令値は、モータ２の回転駆動に用いられる基本波よりも高い周波数の高調波成分により構成される。そして、温調電流指令値生成部２６は、ｄ軸温調電流指令値ｉｄｔ^*をｄ軸演算器１２ｄに出力するとともに、ｑ軸温調電流指令値ｉｑ^*ｔをｑ軸演算器１２ｑに出力する。

同時に、温調電流指令値生成部２６は、磁石の着磁量を着磁量偏差ΔΨａだけ変化させるような、電流指令値を算出する。なお、着磁量を変化させるために電流を印加する時間は極めて短いので、運転状態に応じて定まる着磁量を変化させるタイミングにおいてのみ、着磁量を変化させる電流指令値を、ｄ軸演算器１２ｄ、及び、ｑ軸演算器１２ｑに出力する。温調電流指令値生成部２６は、温度調整部、及び、着磁量制御部の一例である。

このようにして、モータ制御装置１においては、温調電流指令値生成部２６が設けられることにより、モータ２における磁石の温度を調整が可能となるとともに、磁石の着磁量を変化させる。なお、磁石の着磁量を変化させるために電流を流す時間は、磁石の温度を調整するために電流を流す時間と比較すると、極めて短い。そのため、温調電流指令値生成部２６は、比較的短時間で着磁量変化のための電流を印可するとともに、比較的長い時間、温度調整のための電流を印可する。

次に、図２を用いて、磁石の温度を制御することによる利点について説明する。

図２は、本実施形態における磁石温度に応じた、印加するｄ軸電流値ｉｄと磁石の着磁率Ｊとの関係を示す図である。この図においては、実線で磁石の温度が２０℃である場合が、破線で１００℃である場合が示されている。なお、図１で示したように、モータ制御装置１においては、着磁量推定値Ψａに基づいて制御を行うために、装置内部にて着磁量と着磁率との変換を行っている。

この図によれば、ｄ軸電流値ｉｄを変化させることにより磁石の着磁率Ｊが変化するが、ｄ軸電流値ｉｄと着磁率Ｊとの関係はヒステリシスがある。また、磁石の温度が高い方が、ｄ軸電流値ｉｄが小さくても着磁率Ｊを変化させることができる。そこで、本実施形態においては、着磁率Ｊを変化させる前に、温調電流指令値生成部２６にて生成される温調電流指令値によって、回転するモータ２が備える磁石において渦電流を誘起させる。このようにすることにより、磁石が加熱されて温度が上昇するので、小さい電流で着磁率Ｊを制御できることになる。

図３は、温調電流指令値生成部２６における処理を示すフローチャートである。これらの処理は、モータ制御装置１のコントローラにプログラムされている。

ステップＳ３０１においては、温調電流指令値生成部２６は、着磁量偏差ΔΨａがゼロであるか否かを判定する。着磁量偏差ΔΨａがゼロでない場合には（Ｓ３０１：Ｙｅｓ）、温調電流指令値生成部２６は、磁石温度を調整する必要があると判断して、ステップＳ３０２へと進む。一方、着磁量偏差ΔΨａがゼロである場合には（Ｓ３０１：Ｎｏ）、温調電流指令値生成部２６は、磁石温度を調整する必要がないと判断して、ステップＳ３０１へと戻る。

ステップＳ３０２においては、温調電流指令値生成部２６は、磁石温度推定値Ｔが調整上限温度Ｔｍａｘ未満であるか（Ｔ＜Ｔｍａｘ）否かを判定する。磁石には、これ以上加熱してしまうと磁石が消磁してしまうような温度があり、この温度が調整上限温度Ｔｍａｘとして定められている。なお、調整上限温度Ｔｍａｘに、マージンをもたせてもよい。

磁石温度推定値Ｔが調整上限温度Ｔｍａｘ未満である場合には（Ｓ３０２：Ｙｅｓ）、温調電流指令値生成部２６は、磁石温度を調整できると判断してステップＳ３０３へと進む。一方、磁石温度推定値Ｔが調整上限温度Ｔｍａｘ以上である場合には（Ｓ３０２：Ｎｏ）、温調電流指令値生成部２６は、磁石温度を調整できないと判断してステップＳ３０１へと進む。

ステップＳ３０３においては、温調電流指令値生成部２６は、磁石温度を制御するために、ｄ軸温調電流指令値ｉｄｔ^*、及び、ｑ軸温調電流指令値ｉｑｔ^*を決定する。磁石温度を上昇させることにより、磁石の保磁力が下がるので、より少ない電流で着磁量の制御が可能となる。

本実施形態においては、モータ制御装置１は、磁石温度推定部２５を備えているので、あらかじめ着磁量推定値Ψａ、着磁量偏差ΔΨａ、及び、磁石温度推定値Ｔに対応した電流指令値マップを記憶しておき、このマップを参照して電流指令値を算出する。モータ制御装置１が磁石温度推定部２５を備えていない場合には、着磁量推定値Ψａ、及び、着磁量偏差ΔΨａに基づいて電流指令値を決定する。

ステップＳ３０４においては、温調電流指令値生成部２６は、着磁量制御タイミングであるか否かを判定する。そのため、着磁量制御タイミングである場合には（Ｓ３０４：Ｙｅｓ）、着磁量を制御するためにステップＳ３０５に進む。一方、着磁量制御タイミングでない場合には（Ｓ３０４：Ｎｏ）、磁石温度を調整するためにステップＳ３０６に進む。なお、上述のように、着磁量の制御に要する時間は極めて短い。

ステップＳ３０５においては、着磁量制御ステップが実行される。着磁量制御ステップが行われるタイミングにおいて、温調電流指令値生成部２６は、モータ２が備える磁石の着磁量を変化させるのに必要なｄ軸電流指令値ｉｄ１^*、及び、ｑ軸電流指令値ｉｑ１^*を算出して出力する。これにより、モータ２において磁界が発生して磁石の着磁量が変化する。

ステップＳ３０６においては、温度調整ステップが実行される。温度調整ステップにおいては、温調電流指令値生成部２６は、磁石の温度を上昇させる渦電流を発生させるためのｄ軸電流指令値ｉｄ１^*、及び、ｑ軸電流指令値ｉｑ１^*を算出して出力する。なお、温度調整が不要であると判断される場合には、温調電流指令値生成部２６からの出力はゼロとなる。

なお、着磁量制御タイミングでない場合には（Ｓ３０４：Ｎｏ）、温度調整を行う（Ｓ３０５）例について説明したが、これに限らない。例えば、温度調整に要する調整時間を算出し、着磁量制御タイミングから調整時間だけ前のタイミングから温度調整を開始してもよい。このようにすることで、温度調整の直後に着磁量制御が行われることになるので、より適切に着磁量を制御することができる。

また、温度調整は複数回行ってもよい。例えば、磁石の温度を３０℃上昇させる場合には、１０℃ずつ３回に分けて温調制御を行ってもよい。いずれの温度調整も磁石温度推定部２５により推定される磁石温度推定値Ｔに基づいて行われるため、磁石温度の制御の誤差を低減できる。

図４Ａ、図４Ｂは、図３に示したステップＳ３０３において、温調電流指令値を算出するために用いられるパラメータの関係を示す図である。図４Ａは、モータ制御装置１が磁石温度推定部２５を備える場合のパラメータの関係を示す図であり、図４Ｂは、モータ制御装置１が磁石温度推定部２５を備えない場合のパラメータの関係を示す図である。

図４Ａによれば、温調電流指令値ｉｄｔ^*、ｉｑｔ^*は、着磁量偏差ΔΨａ、着磁量推定値Ψａ、及び、磁石温度推定値Ｔの３つのパラメータにより求められることが示されている。図４Ａのように、磁石温度推定部２５を備えるほうが、温調電流指令値ｉｄｔ^*、ｉｑｔ^*を精度よく求めることができる。

一方、図４Ｂによれば、温調電流指令値ｉｄｔ^*、ｉｑｔ^*は、着磁量偏差ΔΨａ、及び、着磁量推定値Ψａの２つのパラメータにより求められることが示されている。また、図４Ｂのように、磁石温度推定部２５を備えない場合であっても、磁石温度を用いずに、着磁量偏差ΔΨａ、及び、着磁量推定値Ψａの２つのパラメータを用いて、温調電流指令値ｉｄｔ^*、ｉｑｔ^*を求めることができる。たとえば、モータ２の回転時の磁石の温度は所定の範囲内（４０℃）にあることが多いため、磁石を高温（１００℃）にするのに必要な温調電流指令値をあらかじめ定める事ができる。

なお、磁石温度が低い場合には、磁石の着磁量を変化させるのに必要な指令値を出力して磁界を発生させても、着磁量指令値Ψａ^*だけの着磁をできないことがある。そのため、モータ制御装置１は、ｄ軸電流値を変動させている間、磁石温度推定値Ｔと着磁量指令値Ψａ^*とに基づいて着磁量指令値Ψａ^*だけの着磁ができるか否かを判断し、着磁量指令値Ψａ^*だけの着磁ができないと判断している間は、温度調整ステップを継続する。そして、磁石温度が上昇し、着磁量指令値Ψａ^*だけの着磁ができると判断した後に、着磁量制御ステップを実行する。このようにすることにより、磁石を、着磁量指令値Ψａ^*だけの着磁ができる温度に確実に制御することができる。

第１実施形態によれば以下の効果を得る事ができる。

第１実施形態のモータ２の制御方法によれば、温調電流指令値生成部２６において温調電流指令値が生成され、この温調電流指令値がｄ軸演算器１２ｄ、ｑ軸演算器１２ｑにて重畳される。ここで、温調電流指令値は高調波であるので、モータ２へ印加される電流に高調成分が生じる。そのため、モータ２の回転子が備える磁石においては、固定子コイルの巻線電流によって作られる交番磁界によって渦電流が発生するので、磁石の温度を上昇させることができる。

ここで、磁石は、温度が高い方が磁石の保磁力が弱く、着磁量制御に用い電流が小さくなる。そこで、温度調整ステップを行うことにより、磁石の温度を上昇させると、少ない電流で着磁量制御が可能となる。このようにすることにより、着磁量制御ステップにおいて、少ない電流で着磁量制御が行えるようになるので、エネルギー損失を低減できる。

また、第１実施形態のモータ２の制御方法によれば、着磁量制御タイミングが到来するまでの間（Ｓ３０４：Ｎｏ）のうち、着磁量制御タイミングから予め算出した着磁量制御に要する調整時間だけ前のタイミングから、磁石の温度調整を行ってもよい（Ｓ３０６）。このようにすることで、着磁量制御タイミングが到来した時には（Ｓ３０４：Ｎｏ）、磁石が所望の温度になった直後であり、このタイミングから着磁量制御が行われることになる（Ｓ３０５）。したがって、磁石において加熱後の温度低下などがないため、さらにエネルギー損失を抑制することができる。

また、第１実施形態のモータ２の制御方法によれば、温度調整ステップにおいて、温調電流指令値生成部２６は、磁石温度推定部２５により推定される磁石温度推定値Ｔに応じて、温調電流指令値を生成する。このようにすることで、磁石の現在の温度から、目標温度までの加熱に必要なエネルギーをより正確に求めることができるので、不要な加熱が行われず、エネルギー損失を抑制することができる。

また、第１実施形態のモータ２の制御方法によれば、図４Ｂに示すように、着磁量偏差ΔΨａ、及び、着磁量推定値Ψａの２つのパラメータのみで温調電流指令値を定めることができる。このようにすることで、磁石温度推定部２５を省略することができるので、モータ制御装置１の構成を簡略化できるとともに、フィードフォーワード制御が行われるので応答速度を高めることができる。また、図４Ａに示すように、磁石温度推定部２５により推定される磁石温度を用いて温調電流指令値を定める場合には、温調電流指令値の算出精度が上がるとともに、磁石温度に基づくフィードバック制御が行われるので、磁石の温度を適切に制御することができる。

第１実施形態のモータ２の制御方法によれば、磁石の温度調整のためにｄ軸電流を印加している間に磁石温度推定部２５が磁石温度の推定を行う。そして、モータ制御装置１は、磁石温度推定値Ｔと着磁量指令値Ψａ^*とに基づいて着磁量指令値Ψａ^*だけの着磁ができるか否かを判断する。着磁量指令値Ψａ^*だけの着磁ができないと判断している間は、温度調整ステップを継続し、磁石温度が上昇して着磁量指令値Ψａ^*だけの着磁ができると判断した後に、着磁量制御ステップを実行する。このようにすることにより、磁石を、着磁量指令値Ψａ^*だけの着磁ができる温度に確実に制御することができるので、不要なエネルギー損失を抑制することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態においては、温調電流指令値生成部２６は、ｄ軸温調電流指令値ｉｄｔ^*、及び、ｑ軸温調電流指令値ｉｑｔ^*を出力する例を用いて説明した。本実施形態においては、温調電流指令値生成部２６が、ｄ軸温調電流指令値ｉｄｔ^*のみを出力する例について説明する。

図５は、本実施形態による磁石温度調整システムの概略構成図である。第１実施形態の磁石温度調整システムと比較すると、温調電流指令値生成部２６が、ｑ軸温調電流指令値ｉｑｔ^*を出力せずに、ｄ軸温調電流指令値ｉｄｔ^*のみを出力する点が異なる。

同期回転機の中には、リラクタンストルクを用いない磁気回路構成となっているものもある。そのような同期電動機においては、ｄ軸電流はトルクへの影響がないため、ｄ軸電流を変動させてもトルク変動は発生しない。そのため、ｄ軸温調電流指令値ｉｄｔ^*のみを用いて温度調整をすることにより、トルクリプルの発生を抑制することができる。具体的には、交流であるｄ軸電流の振幅を脈動させることによって回転子速度と非同期な周波数の交番磁界を発生させることで、磁石において渦電流を発生させて加熱する。

次に、ｄ軸電流を振動させる場合の、その振幅及び中心値について、図６、図７を用いて説明する。

図６Ａには、磁石温度が１００℃であり、かつ、着磁率が７０％である状態において、ｄ軸電流値ｉｄを印可した場合の着磁率Ｊの変化を示す図である。なお、ｄ軸電流値ｉｄは、－ｉｄｍａｘから＋ｉｄｍａｘまでの範囲で変化させることができる。この図によれば、ｄ軸電流値ｉｄがｉ１を上回ると着磁率が上昇する。一方、ｄ軸電流値ｉｄがｉ２を下回ると着磁率Ｊが減少する。また、ｄ軸電流値ｉｄがｉ２とｉ１との間にある場合には、着磁率Ｊは変化しない。このような着磁率が変化しない範囲を、着磁率不変領域と称するものとする。

図６Ｂには、磁石温度が１００℃であり、かつ、着磁率が１００％である状態において、ｄ軸電流値ｉｄを印可した場合の着磁率Ｊの変化を示す図である。この図によれば、すでに着磁率が１００％であるので、ｄ軸電流を大きくしても着磁率Ｊは変化しない。一方、ｄ軸電流値ｉｄがｉ３を下回ると着磁率Ｊは減少する。そのため、着磁率変化領域は、ｉ３から＋ｉｄｍａｘまでの範囲となる。

ここで、図７用いて上述の着磁率の変化について説明する。

図７は、ｄ軸電流値ｉｄと磁石の着磁率Ｊとの関係を示す図である。この図において、１点鎖線で示される関係は図６Ａと対応し、２点鎖線で示される関係は図６Ｂと対応する。

図６Ａと対応する１点鎖線で示される特性を参照すれば、ｄ軸電流値ｉｄと磁石の着磁率Ｊとの関係にはヒステリシス特性があるため、ｄ軸電流値ｉｄがｉ１とｉ２との間にある場合には、着磁率Ｊは変化しない。そして、ｄ軸電流値ｉｄがｉ１を上回ると着磁率Ｊの増加が開始する。一方、ｄ軸電流値ｉｄがｉ２を下回るまでは着磁率は変化せず、ｄ軸電流値ｉｄがｉ２を下回ると着磁率Ｊは減少を開始する。

ここで、モータ２がリラクタンストルクを用いない同期電動機である場合には、ｄ軸電流値ｉｄを交流振動させることにより磁石の着磁率を変化させることなく、磁石温度を制御することができる。具体的には、ｄ軸電流値ｉｄの振幅を変化させる。そのため、ｄ軸電流値ｉｄが、ｉ１とｉ２との間の着磁率不変領域にあるような振幅を設定することにより、着磁率Ｊを変化させずに磁石の温度を制御することができる。

一方、図６Ｂと対応する２点鎖線で示される特性を参照すれば、ｄ軸電流値ｉｄを大きくしても着磁率Ｊは変化せず、ｄ軸電流値ｉｄがｉ３を下ると着磁率が減少を開始する。したがって、ｄ軸電流値ｉｄがｉ３を下回らないように制御することで、着磁率Ｊを変化させずに磁石の温度を制御できる。さらに、ｄ軸電流値ｉｄは最大電流＋ｉｄｍａｘまで大きくなるので、渦電流が大きくなり、加熱効率を向上させることができる。

具体的には、振幅の上限値であるｉｄ＿ｍａｘとｉ３とより定まる着磁率不変領域の中間点ｉｍが交流電流の振動の中心となるように、交流電流のゼロ点をオフセットするとともに、振幅Ａがｉｄ＿ｍａｘと中間点ｉｍとの差となるように設定する。このようにすることで、着磁率Ｊを変化させることなく、効率よく渦電流を発生させることができる。

なお、着磁率不変領域は、現在の着磁率Ｊ、及び、磁石温度に基づいて、図２に示したような着磁率特性に従って定まる。そのため、着磁量推定値Ψａ、及び、磁石温度推定値Ｔに応じて、交流であるｄ軸電流値ｉｄの振動の中心をオフセットするとともに、ｄ軸電流値の交流電流の振幅を設定する。このようにすることで、着磁率を変化させることなく、高効率に温度を制御することができる。

第２実施形態によれば以下の効果を得る事ができる。

第２実施形態のモータ２の制御方法によれば、温調電流指令値生成部２６は、ｄ軸温調電流指令値ｉｄｔ^*を生成する。ここで、ｄ軸成分の電流は、モータ２の回転トルクに影響を与えずに、交番磁界を生成して磁石に渦電流を発生させることができる。そのため、トルクに影響を与えることなく磁石の温度調整できるので、モータ２の回転駆動の制御精度を向上することができる。

第２実施形態のモータ２の制御方法によれば、磁石には、着磁量が変化しないｄ軸交流電流の大きさの範囲（着磁量不変領域）がある。これは、着減量の制御において電流値と磁化量との関係にヒステリシスがあるためである。そこで、ｄ軸電流が着磁量不変領域の全体を使用するように、ｄ軸交流電流の振幅と位相を調整することにより、磁化量を変化させることなく渦電流を大きくすることができる。このようにすることで、着磁率Ｊを変化させずに渦電流を大きくできるので、磁石温度の調整効率を向上することができる。

第２実施形態のモータ２の制御方法によれば、さらに、ｄ軸交流電流が着磁量不変領域を超えないように、振幅の中心である交流電流のゼロ点をオフセットする。ここで、例えば、着磁率が１００％に近い値の場合には、図７にて２点鎖線で示したように、ｄ軸電流を大きくしても着磁率は変化しにくい。そこで、ｄ軸交流電流を、印加できるｄ軸電流の最大値であるｉｄｍａｘと、着磁率が減少を開始するｉ３との間にて変化するように、交流電流の振動中心であるゼロ点がｉｄｍａｘとｉ２との中間点ｉｍとなるようにオフセットする。このようにすることで、着磁量不変領域の全体でｄ軸交流電流が変化することになるので、着磁率Ｊに影響を与えることなく渦電流を大きくすることができるので、磁石温度の調整効率を向上することができる。

（第３実施形態）
第１実施形態、及び、第２実施形態においては、温調電流指令値生成部２６に着磁量偏差ΔΨａ、着磁量推定値Ψａ、磁石温度推定値Ｔが入力される例について説明した。本実施形態においては、温調電流指令値生成部２６に、さらに温調許可時間ｔａが入力される例について説明する。

図８は、本実施形態によるモータ制御装置の概略構成図である。第１実施形態の磁石温度調整システムと比較すると、温調電流指令値生成部２６に、温調許可時間ｔａが入力される点が異なる。ここで、温調許可時間ｔａは、温度調整を開始するタイミングから、次に着磁量を制御するタイミング（着磁量制御ステップの開始タイミング）に至るまでの時間である。

ここで、磁石において発生する渦電流が小さい方が、磁石の加熱時間が長くなるので、磁石の一部だけが加熱されることが抑制され、磁石温度が均一になり好ましい。そこで、温調許可時間ｔａが長いほど、温調電流の振幅Ａ及び周波数ｆを小さく設定する。一方、温調許可時間ｔａが短いほど、短時間で磁石温度を上昇させるために、温調電流の振幅Ａ及び周波数ｆを大きく設定する。なお、温調電流の振幅Ａについては、第２実施形態にて示した着磁量不変領域によって、その上限が定められ、モータ制御装置１の分解能に応じて下限が定められる。また、周波数ｆについては、インバータ１９のスイッチング素子の性能に基づいて上限及び下限が定められる。

図９Ａには、温調許可時間ｔａと温調電流振幅Ａとの関係が示されている。この図において、温調電流振幅の最大値であるＡｍａｘは、着磁率Ｊが変化しないｄ軸交流電流の最大値である。また、温調電流振幅の最小値であるＡｍｉｎは、着磁率Ｊが変化しないｄ軸交流電流の最小値である。

磁石温度を温調許可時間ｔａかけて所望の温度にするように、最大振幅Ａｍａｘと対応して温調許可時間ｔａ１が、最小振幅Ａｍｉｎと対応して温調許可時間ｔａ２が示されている。そして、温調許可時間ｔａがｔａ１とｔａ２との間にある場合には、温調許可時間ｔａが長くなるほど温調電流振幅Ａは小さくなるように設定される。なお、温調許可時間ｔａがｔａ１よりも短い場合には、最大振幅Ａｍａｘが用いられる。一方、モータ制御装置１の分解能の下限に応じて、最小振幅Ａｍｉｎが用いられる。

図９Ｂには、温調許可時間ｔａと温調電流周波数との関係が示されている。この図において、温調電流周波数の最大周波数ｆｍａｘ、及び、最小周波数ｆｍｉｎは、インバータ１９の性能にて定まる値である。

磁石温度を温調許可時間ｔａかけて所望の温度にするように、最大周波数ｆｍａｘと対応して温調許可時間がｔａ３が、最小周波数ｆｍｉｎと対応して温調許可時間ｔａ４が示されている。そして、温調許可時間ｔａがｔａ３とｔａ４との間にある場合には、温調許可時間ｔａが長くなるほど温調電流周波数は小さくなるように設定される。なお、温調許可時間ｔａがｔａ３よりも短い場合には、最大周波数ｆｍａｘが用いられ、温調許可時間ｔａがｔａ４よりも長い場合には、最小周波数ｆｍｉｎが用いられる。

第３実施形態によれば以下の効果を得る事ができる。

第３実施形態のモータ２の制御方法によれば、さらに、温度調整制御の開始までに許容される時間である温調許可時間ｔａに応じて磁石温度調整に用いるｄ軸交流電流の振幅、及び、周波数を決定する。温調許可時間ｔａが短いほど、短時間で温度を上げる必要があるため、振幅、及び、周波数を高くして渦電流による発熱量を増加させる。一方、温調許可時間ｔａが長いほど、時間をかけで温度を上昇させることにより磁石の温度が均一になりやすくなるため、振幅、及び、周波数を低くして渦電流による発熱量を小さくする。このようにすることで、設計の自由度が上がるとともに、時間をかけて磁石の温度を上昇させることにより磁石温度の偏りが抑制されるのでモータ２の制御精度の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１ モータ制御装置
２ モータ
１１ 着磁状態保持制御部
１５ 非干渉制御部
１９ インバータ
２２ 位相速度演算部
２４ 磁束オブザーバ
２５ 磁石温度推定部
２６ 温調電流指令値生成部

Claims (10)

1. 着磁量を変化可能な磁石を備えるモータの制御方法であって、
   前記モータの回転駆動に用いる基本波に対して該基本波よりも周波数が高い高調波の温調電流を重畳し、該重畳された電流を前記モータに印加することにより、前記磁石の温度を調整する温度調整ステップと、
   前記温度調整ステップの後に、着磁量、及び、着磁指令値に応じた着磁電流を前記モータに印加することにより、前記モータにて磁場を発生させて前記磁石の着磁量を変化させる着磁量制御ステップと、を備えるモータの制御方法。
2. 請求項１に記載のモータの制御方法であって、
   前記温度調整ステップにおいて、前記磁石の温度に応じて、前記温調電流を制御する、モータの制御方法。
3. 請求項１または２に記載のモータの制御方法であって、
   前記温度調整ステップにおいて、前記温調電流はｄ軸電流である、モータの制御方法。
4. 請求項３に記載のモータの制御方法であって、
   前記ｄ軸電流は、交流電流であり、
   前記磁石には、着磁量が変化しない前記ｄ軸電流の大きさの範囲があり、
   前記ｄ軸電流は、前記範囲を超えないように位相及び振幅が制御される、モータの制御方法。
5. 請求項４に記載のモータの制御方法であって、
   前記ｄ軸電流は、磁石温度及び着磁量に応じて、前記交流電流の中心値が前記範囲の中心となるようにオフセットされる、モータの制御方法。
6. 請求項４または５に記載のモータの制御方法であって、
   前記ｄ軸電流は、前記温度調整ステップの開始から前記着磁量制御ステップまでの許容時間が長いほど、前記ｄ軸電流の前記振幅を小さくする、モータの制御方法。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載のモータの制御方法であって、
   前記ｄ軸電流は、前記温度調整ステップの開始から前記着磁量制御ステップまでの許容時間が長いほど、前記ｄ軸電流の周波数を小さくする、モータの制御方法。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のモータの制御方法であって、
   前記着磁量制御ステップにおいて、さらに磁石温度に応じて前記着磁電流を制御する、モータの制御方法。
9. 請求項８に記載のモータの制御方法であって、
   前記磁石温度に応じて前記着磁指令値だけの着磁の可否を判断し、該着磁ができないと判断する間は、前記温度調整ステップを実行する、モータの制御方法。
10. 着磁量を変化可能な磁石を備えるモータを制御するモータ制御装置であって、
    前記モータの回転駆動に用いる基本波に対して該基本波よりも周波数が高い高調波の温調電流を重畳し、該重畳された電流を前記モータに印加することにより、前記磁石の温度を調整する温度調整部と、
    前記温度調整部による前記磁石の温度の調整後に、着磁量、及び、着磁指令値に応じた着磁電流を印加することにより、前記モータにて磁場を発生させて前記磁石の着磁量を変化させる着磁量制御部と、を備えるモータ制御装置。

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