JPH0923698A

JPH0923698A - モータ制御装置

Info

Publication number: JPH0923698A
Application number: JP7169054A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanaka; 普田中
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1995-07-04
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 1997-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】バッテリからの給電に基づいてモータに対す
る通電を行い、かつ、高速領域においてモータに界磁電
流を通電する等価弱め界磁制御を行うモータ制御装置に
おいて、バッテリの出力電圧に拘わらず安定したトルク
をモータから発生させるようにする。【構成】モータ制御装置１００における電流制御回路
１０１は、アクセル開度に基づいて要求トルクＴｑ＊を
求め、この要求トルクＴｑ＊に基づいてトルク電流の指
令値Ｉｑ＊を求める。そして、モータ２００の回転速度
Ｎと、バッテリ３００の出力電圧Ｖと、トルク電流指令
値Ｉｑ＊に基づいて界磁電流の指令値Ｉｄ＊を演算す
る。このように電圧Ｖを考慮した演算が行われる結果、
バッテリ３００が消耗して出力電圧Ｖが低下した場合に
はこれと連動して界磁電流の通電を開始する回転速度が
低下することとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、等価弱め界磁制
御が可能なモータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石同期モータを動力源として使用
したスクータ等の電動車両が知られている。ここで、永
久磁石同期モータは、回転磁界を発生する固定子とこの
回転磁界によって回転駆動されるロータとにより構成さ
れる。所与の条件下において、アクセル開度に対応した
駆動トルクをモータから得るためには、固定子によって
発生される磁界がロータの回転に同期しかつ所定の位相
差を持って回転するように制御する必要があり、この制
御を行うためのモータ制御装置が電動車両に搭載され
る。

【０００３】従来のモータ制御装置においては、固定子
に流れる電流を、ロータに生じるトルクを決定するトル
ク電流ｉｑとトルクに寄与せず回転磁界の強度を決定す
るのみの界磁電流ｉｄのベクトル和とみなし、これらを
個別的に制御するベクトル制御が行われていた。

【０００４】ところで、スクータ等においては、低速走
行時にはモータによって大きなトルクを発生させる必要
がある。そこで、従来のモータ制御装置においては、モ
ータの回転速度が低い低速領域においては、界磁電流ｉ
ｄの目標値を０とすることにより界磁の強度を一定と
し、アクセル開度に見合ったトルクを得るのに必要なト
ルク電流ｉｑを固定子に供給する制御を行っていた。

【０００５】さて、モータの回転速度をＮ、固定子およ
びロータ間の空隙に発生する磁束をφとした場合、固定
子の巻線の両端の印加電圧Ｖ_Mは、Ｖ_M＝ｉｑＲ＋φ・Ｎ−ｉｄ・φ ・・・（１）となる。なお、上記式（１）においてＲは固定子巻線の
抵抗である。ここで、ロータの回転速度Ｎが上昇してゆ
くと、これに伴って固定子巻線の印加電圧Ｖ_Mが上昇し
てゆき、ついには電源電圧Ｖに到達することとなる。こ
のように固定子巻線の印加電圧Ｖ_Mが電源電圧Ｖに達し
てしまうと、固定子巻線に通電可能なトルク電流ｉｑは
回転速度Ｎの増加に伴って減少してゆき、最終的にはｉ
ｑ＝０の状態、すなわち、回転速度Ｎを上昇させること
が不可能な状態となる。

【０００６】このように、上記制御方法を採った場合に
は、モータの回転速度Ｎが電源電圧により上限が制限さ
れてしまい、電動車両の速度を広い範囲で制御すること
ができない。そこで、従来のモータ制御装置において
は、モータの回転速度が所定値以上である場合には、ト
ルク電流ｉｑに加えて界磁電流ｉｄを固定子に流すこと
により、界磁（すなわち、上記式（１）におけるφ）を
弱めたときと等価な状況を作り出し、回転速度の高い領
域までモータの動作可能範囲を拡張していた。いわゆる
等価弱め界磁制御である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、スクータ等
の電動車両のモータ制御装置は、バッテリからの供給電
圧に基づいてモータに対する通電を行う。ここで、バッ
テリが消耗してその出力電圧が低下したとすると、トル
ク電流の低下が始まるモータの回転速度がこの電源電圧
の低下に伴って低下することとなる。従って、上述のよ
うに所定の回転速度以上の領域において界磁電流を流す
制御を行ったのでは、充分なトルク電流を流すことがで
きず、回転速度の可変範囲を広げることができないとい
う問題があった。

【０００８】この発明は上述した事情に鑑みてなされた
ものであり、電源電圧の変動に拘わらず、安定した等価
弱め界磁制御の効果を得ることができ、常に広範囲に亙
って回転速度を制御することができるモータ制御装置を
提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
バッテリからの電力に基づいてモータに対する通電を行
うと共に、このモータに流れる電流をトルク電流と界磁
電流とに分け、各々を要求トルクおよびモータの回転速
度に基づいて制御するモータ制御装置において、前記回
転速度が所定値以上となることによる前記モータの発生
トルクの低下を前記界磁電流の通電によって補償する等
価弱め界磁制御を行う手段であって、該界磁電流を前記
バッテリの出力電圧に基づいて制御し、該出力電圧の変
動に拘わらず前記モータから所定のトルクを発生させる
制御手段を具備することを特徴とするモータ制御装置を
要旨とする。また、請求項２に係る発明は、前記制御手
段は、前記界磁電流の通電を開始する回転速度を前記バ
ッテリの出力電圧に応じて変化させることにより、前記
モータから所定のトルクを発生させることを特徴とする
請求項１記載のモータ制御装置を要旨とする。

【００１０】（作用）上記発明によれば、バッテリの出
力電圧が変動した場合に該出力電圧の変動に連動して界
磁電流が制御されるため、常に安定した等価弱め界磁制
御の効果を得ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の実
施形態について説明する。図１はこの発明の一実施形態
によるモータ制御装置１００の構成を示すブロック図で
ある。本実施形態によるモータ制御装置１００は、電動
車両に搭載され、バッテリ３００からの給電に基づき、
電動車両の動力源たるモータ２００を駆動制御するもの
であり、電流制御部１０１、２相３相変換回路１０２、
インバータパワー部１０３、３相２相変換回路１０４お
よび回転状態検出回路１０５により構成されている。

【００１２】ここでモータ２００は、永久磁石形同期モ
ータであり、永久磁石が表面に取り付けられたロータ
と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相の巻線からなる固定子
とによって構成されている。固定子の３相巻線には、イ
ンバータパワー部１０３によって出力される３相の交流
電圧が印加される。この交流電圧の印加により、各巻線
により回転磁界が発生される。ロータはこの回転磁界に
より回転駆動される。モータ２００のロータに生じるト
ルクは図示しない伝達機構を介して電動車両の車軸に伝
達される。また、モータ２００のロータにはロータリエ
ンコーダ２０１が取り付けられており、ロータが所定角
度回転する毎にロータリエンコーダ２０１によってパル
ス信号が出力される。

【００１３】回転状態検出回路１０５は、ロータリエン
コーダ２０１から出力されるパルス信号をカウントする
ことにより、ロータの回転角度θおよび回転速度Ｎを検
出する。インバータパワー部１０３は、バッテリ３００
から供給される直流電圧に基づいて３相の交流電圧を発
生し、モータ２００のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線に
対し供給する。ここで、各相の交流電圧の電圧値（各時
点での瞬時値）は、インバータパワー部１０３内で行わ
れるＰＷＭ制御（後述）により、２相３相変換回路１０
２が出力する電圧指令値Ｖ_U＊、Ｖ_V＊およびＶ_W＊に対
応した値に制御されるようになっている。

【００１４】電流制御部１０１、２相３相変換回路１０
２および３相２相変換回路１０４は、いわゆるベクトル
制御により、インバータパワー部１０３に対する電圧指
令値Ｖ_U＊、Ｖ_V＊およびＶ_W＊を演算する。図２は、こ
のベクトル制御を表わすブロック図であり、符号１０４
ａを付したボックスは３相２相変換回路１０４によって
行われる３相２相変換処理を、符号１０１ａを付したボ
ックスは電流制御回路１０１によって行われる指令値設
定処理を、符号１０２ａを付したボックスは２相３相変
換回路１０２によって行われる２相３相変換処理を表わ
している。本実施形態においては、電流制御回路１０１
により、要求トルクＴｑ＊、回転速度Ｎ、電源電圧Ｖに
基づいてトルク電流および界磁電流の指令値が演算さ
れ、これらの指令値をモータ２００の固定子巻線に通電
するためのベクトル制御が図２に示す手順に従って行わ
れる。

【００１５】次に本実施形態の動作を説明する。本実施
形態においては、モータ２００の固定子巻線のうちＵ相
およびＷ相の各巻線に流れる電流ｉｕおよびｉｗが電流
センサによって常時検出される。そして、検出された固
定子巻線電流ｉｕおよびｉｗに対し、３相２相変換回路
１０４により、図２のボックス１０２ａ内の演算処理が
施され、座標変換が２回に亙って行われる。そして、最
終的には、ロータと同期して回転する直交座標系（回転
角θ）に電流ｉｕおよびｉｗを写像した電流ベクトルの
各座標軸方向の電流成分ｉｄおよびｉｑが得られる。こ
こで、前者の電流成分ｉｄが固定子およびロータ間の空
隙に発生する磁界の強度を決定する界磁電流である。ま
た、後者の電流成分ｉｑがロータに生じるトルクの大き
さを決定するトルク電流である。

【００１６】一方、電流制御回路１０１により、アクセ
ル開度が検出され、このアクセル開度に対応した要求ト
ルクＴｑ＊が求められる。そして、この要求トルクＴｑ
＊相当のトルクをロータに生じさせるのに必要なトルク
電流の指令値Ｉｑ＊が求められる。また、このトルク電
流の指令値Ｉｑ＊とバッテリ３００の出力電圧Ｖとロー
タの回転速度Ｎとを用いた下記式（２）の演算が行わ
れ、界磁電流指令値Ｉｄ＊が求められる。Ｉｄ＊＝Ｋ₁（Ｒ・Ｉｑ＊＋Ｋ₂・Ｎ−Ｋ₃・Ｖ）・・・（２）ただし、上記式において、Ｋ₁、Ｋ₂、Ｋ₃はモータ２０
０の特性により決定される定数、Ｒは固定子の巻線抵抗
である。

【００１７】そして、電流制御回路１０１により、図２
のボックス１０１ａ内の演算処理が行われる。すなわ
ち、現在における界磁電流ｉｄおよびトルク電流ｉｑと
界磁電流指令値Ｉｄ＊およびトルク電流指令値Ｉｑ＊と
の差分ΔｉｄおよびΔｉｑが演算され、これらの差分に
対し、比例要素ＫＩおよび積分要素ＫＩ／Ｓが各々適用
されることにより界磁電圧指令値Ｖｄ＊およびトルク電
圧指令値Ｖｑ＊が各々求められる。

【００１８】これらの界磁電圧指令値Ｖｄ＊およびトル
ク電圧指令値Ｖｑ＊に対し、２相３相変換回路１０２に
よって図２のボックス１０２ａ内の座標変換演算が施さ
れ、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の電圧の指令値Ｖ_U＊、Ｖ_V＊およ
びＶ_W＊が求められ、インバータパワー部１０３へ供給
される。

【００１９】インバータパワー部１０３では、所定の周
波数のキャリアに対し、電圧指令値Ｖ_U＊、Ｖ_V＊および
Ｖ_W＊を変調信号として用いたＰＷＭ（パルス幅変調）
が施される。そして、この結果得られる各ＰＷＭ変調波
に対し、ローパスフィルタによる高域除去処理が施さ
れ、３相の交流電圧Ｖ_U、Ｖ_VおよびＶ_Wとなって出力さ
れ、モータ２００の３相の巻線に各々供給される。

【００２０】以上のフィードバック制御が常時行われる
結果、モータ２００の固定子の各巻線に界磁電流指令値
Ｉｄ＊およびトルク電流指令値Ｉｑ＊に対応した電流が
通電されることとなる。

【００２１】さて、本実施形態は、電流制御回路１０１
によって行われる界磁電流の設定方法に主要な特徴を有
するものである。以下、かかる設定方法を採用したこと
による作用効果について詳述する。

【００２２】電源電圧の変化に対応した界磁電流の補
正図３はモータ２００に流れるトルク電流ｉｑ、モータ２
００のトルクτおよび効率ηの回転速度に対する変化の
様子を示すものである。なお、図３においては、トルク
およびトルク電流を最大トルクおよび最大トルク電流に
対する比率によって示している。図３に示すように、低
速領域においては、モータ２００にはアクセル開度に応
じて設定されたトルク電流ｉｑが流れ、このトルク電流
ｉｑに対応した一定のトルクτがモータ２００により発
生される。そして、既に説明したように、回転速度Ｎの
上昇によりモータ２００の固定子の印加電圧Ｖ_Mが電源
電圧Ｖに達すると、実線Ｂによって示すように回転速度
Ｎの増加に伴ってトルク電流ｉｑおよびトルクτが低下
することとなる。そこで、このトルク電流ｉｑおよびト
ルクτの低下を抑制して回転速度の可変範囲を拡張すべ
く、上記式（２）に従って界磁電流の指令値Ｉｄ＊が求
められ、トルク電流に加えて界磁電流をモータに流す等
価弱め界磁制御が行われる。この等価弱め界磁制御が行
われる結果、トルクτが低下し始める付近の回転速度Ｎ
_D以上の領域において、図示の通り、界磁電流ｉｄがモ
ータ２００に流され、モータ２００によって発生される
トルクτが破線Ａによって示すように増加することとな
る。このため、広範囲に亙って回転速度Ｎを変化させる
ことができ、また、この拡張された回転速度の可変範囲
内において高い効率ηが得られる（以上は一般的な等価
弱め界磁制御）。

【００２３】さて、バッテリ３００が消耗して電源電圧
Ｖが低下すると、破線Ｂ’によって示すように、トルク
τが低下し始める回転速度が低下し、回転速度がＮ_D以
上の高速領域でのトルクτも電源電圧が低下する前と比
べて低くなる。従って、仮に電源電圧の低下に拘わらず
モータの回転速度が一定値Ｎ_D以上の領域においてのみ
等価弱め界磁制御を行ったとすると、トルクτの低下を
補償するのに必要な充分な界磁電流が流されず、等価弱
め界磁制御の効果として充分なものが得られないという
問題が生じる。

【００２４】本実施形態における上記式（２）の右辺括
弧内の第３項は、この問題を解決すべく設けられた項で
あり、電源電圧の変化に対応した界磁電流の補正を行う
作用効果を奏するものである。

【００２５】すなわち、この第３項が設けられている結
果、破線Ｃによって示すように、電源電圧Ｖが低下した
場合にこれに連動し、界磁電流ｉｄの通電が開始される
回転速度Ｎ_Dが低下することとなる。このため、電源電
圧Ｖが低下することによってトルクτの低下が始まる回
転速度が低下したとしても、充分な界磁電流ｉｄが流さ
れ、電源電圧Ｖが低下する前と殆ど変ることなく、破線
Ａに示すように高速領域でのトルクτを高めることがで
きる。

【００２６】回転速度Ｎ、要求トルクＴｑ＊に対応し
た等価弱め界磁制御本実施形態においては、上記式（２）の右辺括弧内の第
１項および第２項が設けられているため、所与の回転速
度Ｎおよび要求トルクＴｑ＊において最も高い効率が得
られるように界磁電流Ｉｄの通電制御が行われる。以
下、詳述する。

【００２７】まず、図４において、ｉ₁₀〜ｉ₄₀は本実施
形態においてモータ２００に通電される界磁電流ｉｄを
例示するものであり、各々設定可能な界磁電流の最大値
の１０％〜４０％に相当する大きさの界磁電流を示して
いる。また、破線Ａ₁₀〜Ａ₄₀はこれらの界磁電流ｉ₁₀〜
ｉ₄₀の通電により増加されたトルクτを示している。こ
の図に示すように、等価弱め界磁制御においては、界磁
電流を増加させることにより等価弱め界磁の効果を増加
させることができる。

【００２８】しかし、要求トルクＴｑ＊によっては、界
磁電流をあまり多くすると、損失が増し、モータ２００
の効率ηが低下することとなる。図５は要求トルクＴｑ
＊が最大値の２５％の場合（すなわち、トルク電流ｉｑ
が最大値の２５％の場合）の例を示すものである。同図
において、ｉ₂₀およびｉ₄₀は界磁電流、Ａ₂₀およびＡ₄₀
は各界磁電流を通電した場合のトルクである。そして、
η₂₀は界磁電流を最大値の２０％以下にしたときの効
率、η₄₀は界磁電流を最大値の４０％以下にしたときの
効率である。この例の場合、界磁電流としてｉ₄₀を採用
したとすると高いトルクが得られるものの、効率ηが低
くなってしまうため得策ではない。

【００２９】そこで、本実施形態においては、界磁電流
の大きさを要求トルク（すなわち、トルク電流ｉｑの指
令値）に応じた大きさとし（上記式（２）の右辺括弧内
第１項）、かつ、回転速度Ｎの増加に応じて増加させる
（上記式（２）の右辺括弧内第２項）という手段を用い
ている。このようにすることで、回転速度Ｎおよび要求
トルクの組合せの全範囲において効率ηを最大限に高め
ることができる。

【００３０】過回転防止等価弱め界磁制御が行われる結果、モータ２００の回転
速度Ｎを広範囲に亙って制御することが可能となる。し
かし、モータ２００の回転速度Ｎがあまりに高速になる
と、例えばロータリエンコーダ２０１による回転速度Ｎ
の検出が正常に行われなくなる等の事態が生じる。

【００３１】そこで、本実施形態においては、図３に示
すように、回転速度Ｎが所定値Ｎ_MA _Xを越えた場合に界
磁電流ｉｄを回転速度Ｎの増加に応じて漸減させること
により、モータ２００の過回転を防止している。

【００３２】すなわち、回転速度Ｎが所定値Ｎ_MAXを越
えることにより界磁電流ｉｄが減少すると、前掲式
（１）から明らかなようにモータ２００の固定子の印加
電圧Ｖ_Mが上昇することとなる。この結果、モータ２０
０の固定子の印加電圧Ｖ_Mが電源電圧Ｖより高くなり、
モータ２００の固定子からバッテリ３００へ電流が戻さ
れ、回生制動が行われる。この回生制動が行われる結
果、モータ２００の回転速度が低下し、過回転が防止さ
れる。

【００３３】回生制動時の界磁電流制御本実施形態においても、電動車両の速度がアクセル開度
に対応した速度よりも低くなると、回生制動が行われ
る。ただし、本実施形態において、等価弱め界磁制御を
行っている際に回生制動へ移る場合には、等価弱め界磁
制御のために流していた界磁電流よりも低い界磁電流ｉ
ｄ（例えばｉｄ＝０）がモータ２００に通電される。

【００３４】このように回生制動への移行に伴って界磁
電流ｉｄが低い値に切り換えられる結果、前掲式（１）
における磁束φが増加することとなり、多くの回生電流
がバッテリ３００に戻されることとなる。従って、本実
施形態によれば、バッテリ３００について充分な残存容
量を保つことができる。

【００３５】＜他の実施形態＞（１）上記実施形態においては、界磁電流の指令値Ｉｄ
＊を式（２）を用いた演算により求めるようにしたが、
トルク電流の指令値Ｉｑ＊、バッテリ３００の出力電圧
Ｖおよびモータの回転速度Ｎの各組合せについての最適
な界磁電流指令値Ｉｄ＊のマップを予めメモリに記憶さ
せておき、このメモリを参照することにより所与の条件
Ｉｑ＊、ＶおよびＮに対応した界磁電流指令値Ｉｄ＊を
読み出して設定するようにしてもよい。この構成によれ
ば、最適な界磁電流指令値Ｉｄ＊を自由に定義すること
ができるので、前掲式（２）のような線形１次式を使用
する場合に比べ、モータの特性に適合した精度の高い制
御を行うことができる。

【００３６】（２）電源電圧Ｖの低下に応じて界磁電流
ｉｄの通電を開始する回転速度Ｎ_Dを低下させるように
したが、この通電を開始する回転速度Ｎ_Dを変えること
なく界磁電流ｉｄの大きさを増加させるようにしてもよ
い。また、電源電圧Ｖの低下に応じて界磁電流ｉｄの通
電を開始する回転速度Ｎ_Dを低下させ、かつ、界磁電流
ｉｄの大きさを増加させるようにしてもよい。

【００３７】（３）上記実施形態は本発明をモータのみ
を動力源とする電動車両に適用した場合を例に説明した
が、本発明は、動力源の一部をモータによって賄ってい
るもの、例えば補助動力付き人力車両に適用してもよ
い。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、等価弱め界磁制御を行う際の界磁電流をバッテリの
出力電圧に基づいて制御するようにしたので、バッテリ
の出力電圧の変動に拘わらず常に安定した等価弱め界磁
制御の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態によるモータ制御装置
の構成を示すブロック図である。

【図２】同実施形態において行われるベクトル制御を
示すブロック図である。

【図３】同実施形態における界磁電流の発生態様を示
す図である。

【図４】同実施形態における界磁電流の発生態様を示
す図である。

【図５】同実施形態におけるモータの効率を示す図で
ある。

【符号の説明】

１００……モータ制御装置、２００……モータ、２０１……ロータリエンコーダ、１０１……電流制御回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バッテリからの電力に基づいてモータに
対する通電を行うと共に、このモータに流れる電流をト
ルク電流と界磁電流とに分け、各々を要求トルクおよび
モータの回転速度に基づいて制御するモータ制御装置に
おいて、前記回転速度が所定値以上となることによる前記モータ
の発生トルクの低下を前記界磁電流の通電によって補償
する等価弱め界磁制御を行う手段であって、該界磁電流
を前記バッテリの出力電圧に基づいて制御し、該出力電
圧の変動に拘わらず前記モータから所定のトルクを発生
させる制御手段を具備することを特徴とするモータ制御
装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記界磁電流の通電を
開始する回転速度を前記バッテリの出力電圧に応じて変
化させることにより、前記モータから所定のトルクを発
生させることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装
置。