KR20160076463A - 모터 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

모터 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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KR20160076463A
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히로유키 핫토리
도시노리 오코치
신지 와카마츠
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

모터 제어 장치는, 모터와, 상기 모터에 대하여 전력을 출력하는 인버터를 구비한 모터 시스템을 제어한다. 모터 제어 장치는, 전자 제어 유닛을 구비한다. 상기 전자 제어 유닛은 토크 지령값에 따라 q축 전류값을 설정하고, q축 d축 평면상에서의 전류 벡터의 전류 위상(β)의 변동에 수반하여 변동하는 동손(Pc)과 철손(Pi)과 인버터 손실(Pinv)을 합산한 시스템 손실(Ps)이, 상기 동손(Pc) 및 철손(Pi)을 합산한 모터 손실(Pm)이 최소가 될 때의 시스템 손실(Ps)보다 낮아지도록 d축 전류값을 제어하는, 시스템 손실 저감 제어를 행하도록 구성된다.

Description

모터 제어 장치 및 제어 방법{MOTOR CONTROL APPARATUS AND MOTOR CONTROL METHOD}
본 발명은, 모터와, 상기 모터에 대하여 전력을 출력하는 인버터를 구비한 모터 시스템을 제어하는 모터 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
종래부터, 배터리로부터의 전력에 의해 구동되어 동력을 출력하는 모터를 구동원으로서 구비한 전동 차량이 알려져 있다. 이러한 모터에는, 3상(相) 동기형 교류 모터가 이용되는 경우가 많다. 이 3상 동기형 교류 모터는, 전원으로부터 공급되는 직류 전압을 인버터에 의해 3상 교류 전압으로 변환하여 인가됨으로써 구동된다.
이러한 전동 차량에서는, 모터를 효율적으로 구동하기 위해, 모터의 제어 방식으로서, 동일한 전류에서 토크를 최대로 하는(동일한 토크에서 전류를 최소로 하는) 최대 토크 제어가 많이 사용되고 있었다. 최대 토크 제어에 의하면, d축 전류, 나아가서는, 모터 전류를 저감할 수 있다.
그러나, 최대 토크 제어를 행한 경우, 각종 손실이 증대하여, 효율이 악화되는 경우가 있었다. 그래서, 일본 공개특허 특개2008-236948호에는, 철손(鐵損) 및 동손(銅損)을 합산한 모터 손실이 최소가 되도록 d축 전류를 제어하는 모터의 제어 기술이 개시되어 있다. 이러한 기술에 의하면, 모터를 어느 정도는 효율적으로 운전할 수 있다.
그러나, 모터 및 인버터로 이루어지는 모터 시스템에서 생기는 손실은, 철손 및 동손에 한하는 것은 아니고, 인버터에서 생기는 인버터 손실도 있다. 인버터 손실은, 인버터에 설치된 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 생기는 손실이고, 모터 전류가 증가할수록 증가한다. 일본 공개특허 특개2008-236948호에서는, 이 인버터 손실에 대해서는, 조금도 고려되어 있지 않고, 결과적으로, 모터 시스템의 효율을 충분하게 향상시킬 수 없었다.
또한, 일본 공개특허 특개2005-210772호에는, 유기(誘起) 전압이, 모터 단자 전압을 상회하는 경우에, d축 q축 평면에 있어서의 전류 벡터의 위상(전류 위상)을 진행시켜 계자(界磁)를 약화시키는 약화 계자 제어를 행하는 기술이 개시되어 있다. 단, 이 약화 계자 제어는, 철손이나 동손, 인버터 손실을 고려한 것은 아니다. 즉, 종래, 철손이나 동손뿐만 아니라, 인버터 손실까지 고려한 모터 제어 기술은 없었다.
본 발명에서는, 철손, 동손, 인버터 손실을 합산한 시스템 손실을 보다 저감할 수 있는 모터 제어 장치 및 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 제 1 태양은, 모터 제어 장치를 제공한다. 당해 모터 제어 장치는, 모터와, 상기 모터에 대하여 전력을 출력하는 인버터를 구비한 모터 시스템을 제어한다. 당해 모터 제어 장치는, 전자 제어 유닛을 갖는다. 상기 전자 제어 유닛은 토크 지령값에 따라 q축 전류값을 설정하고, 동손과 철손과 인버터 손실을 합산한 시스템 손실이, 상기 동손 및 철손을 합산한 모터 손실이 최소가 될 때의 시스템 손실보다 낮아지도록 d축 전류값을 제어하는, 시스템 손실 저감 제어를 행하도록 구성된다. 상기 동손과 상기 철손과 상기 인버터 손실은, q축 d축 평면상에서의 전류 벡터의 전류 위상의 변동에 수반하여 변동한다.
상기 제 1 태양에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 유기 전압이 모터 단자 전압 이하가 되는 영역에 있어서, 상기 시스템 손실 저감 제어를 행하도록 구성되어도 된다. 상기 제 1 태양에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 시스템 손실 저감 제어에 있어서, 상기 시스템 손실이 최소가 되도록, 상기 d축 전류값을 제어하도록 구성되어도 된다.
상기 제 1 태양에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 미리, 모터 회전수 및 토크 지령값으로부터 정해지는 동작점마다, 대응하는 d축 전류값 및 q축 전류값을 기록한 맵을 기억하고 있고, 상기 시스템 손실 저감 제어에 있어서, 모터 회전수 및 토크 지령값을, 상기 맵에 대조하여, d축 전류값 및 q축 전류값을 특정하도록 구성되어도 된다.
본 발명의 제 2 태양은 모터 제어 방법을 제공한다. 당해 모터 제어 방법은, 모터와, 상기 모터에 대하여 전력을 출력하는 인버터를 구비한 모터 시스템을 제어한다. 당해 모터 제어 방법은 토크 지령값에 따라 q축 전류값을 설정하고, 동손과 철손과 인버터 손실을 합산한 시스템 손실이, 상기 동손 및 철손을 합산한 모터 손실이 최소가 될 때의 시스템 손실보다 낮아지도록 d축 전류값을 제어하는 것을 포함한다. 상기 동손과 상기 철손과 상기 인버터 손실은, q축 d축 평면상에서의 전류 벡터의 전류 위상의 변동에 수반하여 변동한다.
본 발명의 상기 태양에 의하면, 시스템 손실이, 모터 손실 최소일 때의 시스템 손실보다 낮아지도록 d축 전류값을 제어하기 때문에, 종래 기술에 비해, 시스템 손실을 보다 저감할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시형태의 특징, 이점, 기술적 및 산업적 의의는, 같은 숫자들이 같은 구성 요소들을 지시하는 첨부 도면을 참조하여 이하에 설명한다.
도 1은 하이브리드 자동차의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 각종 제어의 적용 영역을 나타내는 도면이다.
도 3은 전류 위상과 각종 손실의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 제어의 종류에 따른 손실의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 5는 모터 제어의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 6은 시스템 손실 저감 제어에 있어서의 제어 블록을 나타내는 도면이다.
도 7은 전류 지령 생성부의 다른 구성예를 나타내는 도면이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 모터 제어 장치가 적용되는 하이브리드 자동차의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 있어서, 동력 전달계는 둥근 막대형의 축 요소로서 도시되고, 전력계는 실선으로 도시되며, 신호계는 파선으로 도시되어 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 하이브리드 차량은, 주행용 동력원으로서의 엔진(12)과, 다른 주행용 동력원인 모터(MG2)(14)와, 엔진(12)의 출력축(18)이 연결되는 동력 분배 기구(20)를 개재하여 회전축(22)이 접속되는 모터(MG1)(24)와, 각 모터(14, 24)에 구동 전력을 공급 가능한 배터리(16)와, 상기 엔진(12) 및 모터(14, 24)의 각 작동을 통괄적으로 제어함과 함께 배터리(16)의 충방전을 제어하는 제어 장치(10)를 구비한다.
엔진(12)은, 가솔린이나 경유 등을 연료로 하는 내연 기관이고, 제어 장치(10)로부터의 지령에 의거하여 크래킹, 스로틀 개도(開度), 연료 분사량, 점화 타이밍 등이 제어되어, 엔진(12)의 시동, 운전, 정지 등이 제어된다.
엔진(12)으로부터 동력 분배 기구(20)로 연신하는 출력축(18)의 근방에는 엔진 회전수 Ne를 검출하는 회전수 센서(28)가 설치되어 있다. 또, 엔진(12)에는, 엔진 냉각 매체인 냉각수의 온도 Tw를 검출하는 온도 센서(13)가 설치되어 있다. 회전수 센서(28) 및 온도 센서(13)에 의한 각 검출값은, 제어 장치(10)에 송신되도록 되어 있다.
동력 분배 기구(20)는, 예를 들면, 유성 기어 기구로 구성된다. 엔진(12)으로부터 출력축(18)을 개재하여 동력 분배 기구(20)에 입력된 동력은, 변속기(30) 및 차축(32)을 개재하여 구동륜(34)에 전달되어, 차량이 엔진 동력에 의해 주행할 수 있다. 변속기(30)는, 엔진(12) 및 모터(14) 중 적어도 일방으로부터 입력되는 회전을 감속하여 차축(32)에 출력할 수 있다.
상기 동력 분배 기구(20)는, 출력축(18)을 개재하여 입력되는 엔진(12)의 동력의 일부 또는 전부를, 회전축(22)을 개재하여 모터(24)에 입력할 수 있다. 모터(14, 24)는, 모두, 전동기로서 기능함과 함께 발전기로서도 기능하는 모터·제너레이터이다. 이 모터(14, 24)로서는, 예를 들면, 3상 동기형 교류 모터를 이용할 수 있다.
모터(24)로 발전된 3상 교류 전압은, 인버터(36)에 의해 직류 전압으로 변환되어 배터리(16)에 충전되거나, 또는, 모터(14)의 구동 전압으로서 이용된다. 또, 모터(24)는, 배터리(16)로부터 컨버터(35) 및 인버터(36)를 개재하여 공급된 전력에 의해 회전 구동되는 전동기로서도 기능할 수 있다. 모터(24)가 회전 구동되어 회전축(22)에 출력되는 동력은, 동력 분배 기구(20) 및 출력축(18)을 개재하여 엔진(12)에 입력되어 크랭킹을 행할 수 있다. 또한, 모터(24)를 배터리(16)로부터 공급되는 전력에 의해 회전 구동하여, 그 동력을 동력 분배 기구(20) 및 변속기(30)를 개재하여 차축(32)에 출력함으로써 주행용 동력으로서 이용하는 것도 가능하다.
주로 전동기로서 기능하는 모터(14)는, 배터리(16)로부터 공급되는 직류 전압이, 필요에 따라 컨버터(35)에 의해 승압되고, 그 후, 인버터(38)에 의해 3상 교류 전압으로 변환되어 구동 전압으로서 인가됨으로써 회전 구동된다. 모터(14)가 구동되어 회전축(15)에 출력되는 동력은, 변속기(30) 및 차축(32)을 개재하여 구동륜(34)에 전달되고, 이에 따라 엔진(12)이 정지한 상태에서 이른바 EV 주행이 행해진다. 또, 모터(14)는, 운전자의 액셀러레이터 조작에 의해 급(急)가속 요구가 있었던 경우 등에, 주행용 동력을 출력하여 엔진 출력을 어시스트하는 기능도 갖는다. 이 모터(14)와 인버터(38), 또는, 모터(24)와 인버터(36)가 각각, 하나의 모터 시스템을 구성한다.
배터리(16)에는, 예를 들면 리튬 이온 전지 등의 이차 전지 및 커패시터 등의 충방전 가능한 축전 장치를 이용할 수 있다. 배터리(16)와 컨버터(35) 사이의 전기 회로에는 전압 센서(40) 및 전류 센서(42)가 설치되어 있다. 이들의 센서(40, 42)에 의해 검출된 배터리 전압 Vb 및 배터리 전류 Ib는, 제어 장치(10)에 입력된다. 또, 컨버터(35)와 인버터(36, 38)의 사이에는 전압 센서(전압 검출부)(44)가 추가로 접속되어 있고, 이에 따라 검출되는 컨버터 출력 전압, 즉 인버터 입력 전압인 시스템 전압 VH가 제어 장치(10)에 입력되도록 되어 있다.
제어 장치(10)는 엔진(12)이나, 모터(14, 24), 컨버터(35), 인버터(36, 38), 배터리(16) 등의 작동 제어나 상태 감시를 행하는 것이다. 즉, 제어 장치(10)는, 모터의 제어 장치로서도 기능한다. 이 제어 장치(10)는, 각종의 제어 프로그램을 실행하는 CPU, 제어 프로그램이나 제어용 맵 등을 미리 기억하는 ROM, 이 ROM으로부터 독출된 제어 프로그램이나 각 센서에 의한 검출값 등을 일시적으로 기억하는 RAM 등으로 이루어지는 마이크로컴퓨터이다. 제어 장치(10)는, 엔진 회전수 Ne, 배터리 전류 Ib, 배터리 전압 Vb, 배터리 온도 Tb, 액셀러레이터 개도 신호 Acc, 차속 Sv, 브레이크 조작 신호 Br, 엔진 냉각수의 수온 Tw, 컨버터(35)의 출력 전압 또는 인버터(36, 38)의 입력 전압인 시스템 전압 VH, 및 모터(14, 24)를 흐르는 모터 전류 등이 입력되는 입력 포트, 및, 엔진(12), 컨버터(35) 및 인버터(36, 38) 등의 운전 또는 작동을 제어하는 제어 신호를 출력하는 출력 포트를 포함한다.
또한, 본 실시형태에서는, 1개의 제어 장치(10)로 엔진(12), 모터(14, 24), 컨버터(35), 인버터(36, 38), 배터리(16) 등의 작동 제어나 상태 감시를 행하는 것으로서 설명한다. 그러나, 엔진(12)의 운전 상태를 제어하는 엔진 ECU, 컨버터(35) 및 인버터(36, 38)를 작동 제어하여 모터(14, 24)의 구동을 제어하는 모터 ECU, 배터리(16)의 SOC를 관리하는 배터리 ECU 등을 개별적으로 설치하여, 상기 제어 장치(10)가 하이브리드 ECU로서 상기 개별의 각 ECU를 통괄 제어하도록 구성해도 된다.
다음으로, 제어 장치(10)에 의한 모터의 제어에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 제어 장치(10)는, 모터(14, 24)의 회전수 및 출력 토크에 따라, 모터(14, 24)의 제어 방식을 변화시키고 있다. 도 2는, 2개의 제어 방식의 적용 영역을 나타내는 도면이다. 모터(14, 24)에서는, 모터 단자 전압과 유기 전압의 차이 전압에 상당하는 전류가 흐름으로써 토크가 생긴다. 여기서, 모터 단자 전압은, 컨버터 출력 전압이고, 인버터 입력 전압인 시스템 전압 VH이다. 이 시스템 전압 VH에는, 상한값이 있다. 회전수나 출력 토크의 증가에 수반하여, 유기 전압이 증가해 가고, 유기 전압이 시스템 전압 VH의 상한값을 초과하려고 하는 경우가 있다. 이 경우, 전류가 흐르지 않고 토크가 작아진다. 이와 같이 유기 전압이 시스템 전압 VH를 초과하려고 하는 영역에서는, 약화 계자 제어에 따른 구형파 제어 방식이 적용된다. 도 2에 있어서, 해칭을 실시하지 않고 있은 영역 E2가, 약화 계자 제어가 적용되는 영역이다. 영역 E2에 있어서의 제어 방식은, 주지의 공지 기술을 적용할 수 있기 때문에, 여기서의 상세한 설명은, 생략한다.
한편, 유기 전압이 시스템 전압 VH의 상한값 이하가 되는 영역 E1, 즉, 도 2에 있어서의 먹색 해칭 영역에서는, 벡터 제어에 따른 모터 전류 제어에 의해 출력 토크 Tr이 토크 지령값 Tr*가 되도록 제어된다. 이 영역 E1, 특히, 파선으로 둘러싼 저(低)부하 영역 Ea는, 전동 차량에서는, 사용 빈도가 높은 영역이다. 본 실시형태에서는, 이 사용 빈도가 높은 영역 Ea에 있어서의 연비를 향상하기 위해, 특수한 제어 방식을 채용하고 있다. 이하, 이것에 대하여 상세히 설명한다.
종래, 이 영역 E1에 있어서는, 동일 전류에서 최대 토크가 얻어지는(동일 토크에서 전류 최소가 되는) 최대 토크 제어가 적용되고 있었다. 그러나, 종래의 최대 토크 제어에서는, 다양한 손실이 커지고, 나아가서는, 연비의 악화를 초래하고 있었다. 여기서, 모터 구동 시에 생기는 손실로서는, 모터의 권선(卷線)의 저항 성분에 의해 발생하는 동손 Pc, 및, 주로 히스테리시스손(hysteresis損)과 과전류손(損)으로 이루어지는 철손 Pi가 알려져 있다. 이 동손 Pc 및 철손 Pi는, 모두, 모터 단체(單體)에서 생기는 손실이다. 이하에서는, 양자를 합친 것을 「모터 손실 Pm」이라고 부른다.
종래부터, 이 모터 손실 Pm을 저감하기 위한 제어 방식이 다수 제안되어 있다. 그러나, 이 모터 손실 Pm에만 주목하고 있어서는, 모터 시스템 전체의 효율을 향상시키는 것은 어렵고, 나아가서는, 전동 차량의 연비 향상은 어려웠다. 그래서, 본 실시형태에서는, 모터 단체에서 생기는 손실이 아니고, 모터(14, 24) 및 인버터(36, 38)를 포함시킨 모터 시스템 전체에서의 손실(이하 「시스템 손실 Ps」라고 한다)을 최소로 하도록 제어하고 있다. 여기서, 시스템 손실 Ps란, 모터 손실 Pm(동손 Pc+철손 Pi)에, 추가로, 인버터 손실 Pinv를 추가한 손실이다. 인버터 손실 Pinv는, 인버터(36, 38)에 있어서의 스위칭 동작에 수반하여 생기는 손실이고, 전류의 증가에 수반하여 증가하는 손실이다.
본 실시형태에서는, 이 시스템 손실 Ps가 최소가 되도록, q축 전류 지령값 Iq* 및 d축 전류 지령값 Id*를 설정하고 있다. 이 양쪽 전류 지령값의 설정에 대하여 설명하기 전에, 각 손실에 대하여 상세하게 설명한다. 동손 Pc, 철손 Pi, 인버터 손실 Pinv는, 각각, 이하의 식 1∼3으로 나타내어지는 손실이다. 또한, 식 중, R은, 1상(相)당의 권선 저항값, ω는, 모터의 회전 속도, K1∼K4는, 모터나 인버터의 특성에 의해 정해지는 정수이다.
Pc=R·I2=R(Id2+Iq2) 식 1
Pi=K1·ω1 .8(1+K2·Id) 식 2
Pinv=K3·I2+K4·I 식 3
이들의 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 철손 Pi는, 회전 속도 ω의 1.8승에 비례하기 때문에, 고속 회전 영역에서 매우 커지지만, 식 2에는 d축 전류 Id의 비례항이 존재하므로, 동일한 회전 속도 ω(회전수 Nm)와 동일한 토크를 갖는 동작점에서는, d축 전류 Id를 부(負)의 방향으로 크게 할수록 철손 Pi가 저감한다. 단, d축 전류 Id를 증가시키면 동손 Pc, 및, 인버터 손실 Pinv가 증가한다.
도 3은, 일정한 회전수 Nm과 토크 Tr을 갖는 동작점에 있어서의 q축 d축 평면상에서의 전류 벡터의 위상(전류 위상) β와 각종 손실의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3에 있어서, 파선은 철손 Pi를, 일점쇄선은 동손 Pc를, 이점쇄선은 인버터 손실 Pinv를 나타내고 있다. 또, 가는 실선은, 동손 Pc 및 철손 Pi를 합친 모터 손실 Pm을, 두꺼운 실선은, 모터 손실 Pm 및 인버터 손실 Pinv를 합친 시스템 손실 Ps를 나타내고 있다. d축 전류 Id는, 전류 위상이 커질수록 커진다. 즉, 도 3에 있어서, 좌단(左端)의 d축 전류 Id는 0이고, 우측으로 갈수록, 전류 위상 β가 진행되며, d축 전류 Id가 부의 방향으로 증가해 간다. 또한, 도 3의 좌단, 즉, β=0, Id=0일 때가, 최대 토크 제어 시의 손실을 나타내고 있다.
철손 Pi와 동손 Pc를 가산한 모터 손실 Pm은, 전류 위상 β의 증가(d축 전류의 증가)와 함께 감소하고, 전류 위상 β가 β3일 때에 최소값을 취한다. 그리고, 전류 위상 β가 β3을 초과하면, 서서히 증대해 간다. 모터 손실 Pm에 인버터 손실 Pinv를 가산한 시스템 손실 Ps도, 전류 위상 β의 증가(d축 전류의 증가)와 함께 감소해 가지만, 모터 손실 Pm보다 비교적 빠른 단계, 즉, 전류 위상 β가 β2(β2<β3)가 된 단계에서, 최소값 Ps_1을 취한다. 그리고, 시스템 손실 Ps는, 전류 위상 β가 β2를 초과하면, 서서히 증대해 간다.
본 실시형태에서는, 전류 위상 β가, 이 시스템 손실 Ps가 최소값 Ps_1을 취하는 β2가 되도록, d축 전류 지령값 Id*를 설정하고 있다. 이에 따라, 모터(14, 24)의 구동에 수반하는 손실을 최소한으로 억제할 수 있다. 그리고, 결과적으로, 당해 모터 시스템이 탑재된 전동 차량의 연비를 향상시킬 수 있다. 이하에서는, 이 시스템 손실 Ps에 따라 q축·d축 전류 지령값 Iq*，Id*를 정하는 제어 방식을, 「시스템 손실 저감 제어」라고 부른다.
도 4는, 종래부터 많이 사용되고 있는 최대 토크 제어, 모터 손실 최소 제어, 및, 본 실시형태의 시스템 손실 저감 제어에서의 손실의 차이를 나타내는 도면이다. 도 4에 있어서, 진한 먹색 해칭은 철손 Pi를, 연한 먹색 해칭은 동손 Pc를, 사선 해칭은 인버터 손실 Pinv를 각각 나타내고 있다.
이 도 4로부터 명백한 바와 같이, 본 실시형태의 시스템 손실 저감 제어에 의하면, 최대 토크 제어에 비해, 모터 손실 Pm 및 시스템 손실 Ps 모두를 저감할 수 있다. 또, 시스템 손실 저감 제어는, 모터 손실 최소 제어와 비교하면, 모터 손실 Pm은, 증가하고 있지만, 그 이상으로 인버터 손실 Pinv를 저감할 수 있기 때문에, 시스템 전체의 손실이 저감하고 있다.
이 시스템 손실 저감 제어를 행하기 위해, 미리, 동작점(회전수 및 토크)마다 대응하는 q축 전류 지령값 Iq* 및 d축 전류 지령값 Id*의 값을 기록한 맵을 제어 장치(10)의 ROM에 기억하고 있다. 그리고, 모터(14, 24)를 구동할 때에는, 토크 지령값 Tr*와 모터 회전수를 기억된 맵에 대조하여, 시스템 손실 최소가 되는 q축 전류 지령값 Iq* 및 d축 전류 지령값 Id*를 특정한다.
도 5는, 제어 장치(10)에 있어서 실행되는 제어 방식 설정 루틴을 나타내는 플로우 차트이다. 이 루틴은, 시스템 구동 시에 소정 시간마다 반복하여 실행된다. 구체적으로는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제어 장치(10)는, 입력된 액셀러레이터 개도 신호 Acc 등에 의거하는 차량 요구 출력으로부터 모터(14)의 토크 지령값 Tr*를 산출한다(S10). 계속해서, 제어 장치(10)는, 미리 기억된 맵 등을 참조함으로써, 모터(14)의 토크 지령값 Tr* 및 회전수 Nm으로부터 적용해야 할 제어 방식을 결정한다(S12). 즉, 필요해지는 토크 및 회전수가, 영역 E2에 포함되는 경우에는, 유기 전압이 모터 단자 전압을 초과한다고 판단하고, 약화 계자 제어를 적용한다(S16). 한편, 토크 및 회전수가 영역 E1에 포함되는 경우에는, 유기 전압이 모터 단자 전압 이하라고 판단하고, 시스템 손실 저감 제어를 실행한다(S14).
도 6은, 제어 장치(10)에 의해 실행되는 시스템 손실 저감 제어에 있어서의 제어 블록을 나타낸다. 도 6에 나타내는 제어 블록은, 제어 장치(10)에 의해 실행되는 소정 프로그램에 따른 제어 연산 처리에 의해 실현되지만, 그 일부 또는 전부가 하드웨어 요소에 의해 실현되어도 된다.
제어 장치(10)의 제어 블록은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 전류 지령 생성부(52)와, PI 연산부(54)와, 2축 3축 변환부(56)와, PWM 신호 생성부(58)와, 3축 2축 변환부(60)와, 회전수 산출부(62)를 포함한다.
전류 지령 생성부(52)는, 토크 지령값 Tr* 및 회전수 Nm에 따라 정해지는 동작점을, 미리 기억한 맵에 대조하여, 당해 토크 지령값 Tr* 및 회전수 Nm에 대응하는 q축 전류 지령값 Iq*, 및, d축 전류 지령값 Id*를 특정한다. 또한, 앞서 기술한 바와 같이, 이 맵에 기억되어 있는 q축 전류 지령값 Iq*는, 토크 지령값 Tr*에 의해 정해지는 값이고, d축 전류 지령값 Id*는, 약화 계자 제어에 의해 시스템 손실 Ps가 최소가 되는 값이다.
모터(14, 24)에는, 3상 코일 중 U상 및 V상에 흐르는 모터 전류 Iu, Iv를 검출하기 위한 전류 센서가 설치되어 있고, 이들의 센서에 의해 검출된 U상 전류 Iu 및 V상 전류 Iv가 3축 2축 변환부(60)에 입력된다.
또, 모터(14, 24)에는, 로터 회전각 θ를 검출하기 위한 예를 들면, 리졸버(resolver) 등으로 이루어지는 회전각 센서(41)가 설치되어 있고, 이 센서(41)에 의해 검출된 회전각 θ는, 2축 3축 변환부(56)나, 3축 2축 변환부(60), 회전수 산출부(62)에 입력된다.
3축 2축 변환부(60)는, 회전각 센서(41)에 의해 검출되는 모터(14)의 회전각 θ를 이용한 좌표 변환(3상→2상)에 의해, 검출 및 산출된 모터 전류 Iu, Iv, Iw를 기초로, d축 전류 Id 및 q축 전류 Iq를 산출한다.
PI 연산부(54)에는, 전류 지령 생성부(52)에 의해 구해진 d축 전류 지령값 Id* 및 q축 전류 지령값 Iq*와, 검출된 d축 전류 Id 및 q축 전류 Iq의 편차 ΔId(ΔId=Id*-Id), ΔIq(ΔIq=Iq*-Iq)가 입력된다. PI 연산부(54)는, d축 전류 편차 ΔId 및 q축 전류 편차 ΔIq의 각각에 대하여, 소정 게인에 의한 PI 연산(비례 적분 연산)을 행하여 제어 편차를 구하고, 이 제어 편차에 따른 d축 전압 지령값 Vd* 및 q축 전압 지령값 Vq*를 생성한다. 이 생성에서는 모터(14)의 회전수 Nm도 참조된다.
2축 3축 변환부(56)는, 모터(14, 24)의 회전각 θ를 이용한 좌표 변환(2상→3상)에 의해, d축 전압 지령값 Vd* 및 q축 전압 지령값 Vq*를 U상, V상, W상의 각 상전압 지령값 Vu, Vv, Vw로 변환한다. 이때, d축, q축 전압 지령값 Vd*，Vq*로부터 각 상전압 지령값 Vu, Vv, Vw에의 변환에는, 시스템 전압 VH도 반영된다.
PWM 신호 생성부(58)는, 각 상에 있어서의 전압 지령값 Vu, Vv, Vw와 소정의 반송파의 비교에 의거하여, 인버터(38, 36)에 포함되는 복수(예를 들면, 6개)의 스위칭 소자를 온·오프시키기 위한 스위칭 제어 신호를 생성한다. 인버터(38, 36)가, 생성된 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭 제어됨으로써, 모터(14, 24)에 대하여 토크 지령값 Tr*에 따른 토크를 출력하기 위한 교류 전압이 인가된다. 그리고, 이에 따라, 시스템 손실 Ps를 최소로 억제한 상태에서, 모터(14, 24)가 구동된다.
또한, 본 실시형태에서는, d축 전류 지령값 Id*를, 맵을 참조하여 특정하고 있지만, 맵을 참조하지 않고, 연산 등으로 산출해도 된다. 예를 들면 전류 지령 생성부(52)를, 도 7에 나타내는 바와 같이 구성해도 된다. 이 경우, q축 전류 지령 생성부(70)는, 토크 지령값 Tr*를 입력으로 하고, q축 전류 지령값 Iq*를 산출한다. q축 전류 지령값 Iq*의 산출 방법은, 공지의 주지 기술을 이용할 수 있다. 얻어진 q축 전류 지령값 Iq*는, 전류 위상 생성부(72)에 입력된다. 전류 위상 생성부(72)에서는, q축 전류 지령값 Iq* 및 회전수 Nm에 의거하여, 시스템 손실 Ps가 최소가 될 때의 전류 위상 β를 산출한다. 즉, 시스템 손실 Ps는, 식 1∼식 3의 합산값이고, 식 1∼식 3에 있어서의 d축 전류 Id 및 모터 전류 I는, 전류 위상 β 및 q축 전류 Iq로 나타낼 수 있다. 즉, 식 1∼식 3에 있어서의 q축 전류 Iq를 Iq=Iq*라고 하고, ω를 회전수 산출부(62)에 의해 산출된 회전수 Nm에 의해 결정되는 정수라고 간주하면, 시스템 손실 Ps는, 전류 위상 β를 변수로 하는 함수라고 간주되며, Ps=f(β)라고 나타낼 수 있다. 전류 위상 생성부(72)는, 이 함수를 연산하여, Ps가 최소가 되는 전류 위상 β를 산출한다. 산출된 전류 위상 β는, d축 전류 지령 생성부(74)에 입력된다. d축 전류 지령 생성부(74)는, 이 전류 위상 β와, q축 전류 지령값 Iq*에 의거하여, d축 전류 지령값 Id*를 산출한다.
또, 다른 형태로서, 1 제어 사이클마다, 전류 위상 β(나아가서는 d축 전류 지령값 Id*)를 미소(微小) 각도 Δβ씩 변화시키고, 그때의 시스템 손실 Ps의 변화 상황에 따라, 전류 위상 β의 변화 방향을 변경하도록 해도 된다. 예를 들면, 전류 위상 β를 미소 각도 Δβ만큼, 정(正)(또는 부)의 방향으로 변화시켰을 때, 시스템 손실 Ps의 절대값이 작아진다면, 그대로 전류 위상 β를 정(또는 부)의 방향으로 계속해서 변화시키고, 시스템 손실 Ps의 절대값이 커진다면, 전류 위상 β를 부(또는 정)의 방향으로 변화시키는 처리를 반복하여, d축 전류 지령값 Id*를 시스템 손실 Ps가 최소가 되도록 조정해도 된다. 어쨌든, 최종적으로 얻어지는 시스템 손실 Ps가, 최소값이 되는 것이면, q축 전류 지령값 Iq* 및 d축 전류 지령값 Id*의 특정 방법은, 한정되지 않는다.
또, 본 실시형태에서는, 시스템 손실 Ps가 최소가 되도록, q·d축 전류 지령값 Iq*，Id*를 설정하고 있다. 그러나, 시스템 손실 Ps가, 모터 손실 Pm 최소일 때의 시스템 손실 Ps보다 작아지는 것이면, 시스템 손실 Ps는, 반드시 최소일 필요는 없다. 예를 들면 도 3의 예이면, 시스템 손실 Ps가, 모터 손실 Pm이 최소가 되는 β=β3일 때의 시스템 손실 Ps=Ps_2보다 작은 것이면, 시스템 손실 Ps는, 최소값(Ps_1)이 되어 있지 않아도 된다. 도 3의 예이면, 전류 위상 β는, 시스템 손실 Ps가 Ps_2가 될 때의 전류 위상인 β1(β1<β2)보다 크고, β3보다 작으면 된다.
또, 본 실시형태에서는, 토크 지령값 Tr*에 의거하여 q축 전류 지령값 Iq*를 정하고, 또한, 전류 피드백 제어로 모터(14, 24)를 제어하고 있다. 그러나, 시스템 손실 Ps가, 모터 손실 Pm 최소일 때의 시스템 손실 Ps보다 작아지는 것이면, 그 밖의 제어 태양은, 적절히 변경되어도 된다. 예를 들면 본 실시형태에서는, 전류 편차에 대하여 PI 연산을 행하고 있지만, PID 연산을 행하도록 해도 된다. 또, 본 실시형태에서는, 토크 지령값을 입력으로 하고 있지만, 다른 파라미터를 입력으로 해도 된다. 예를 들면, 모터의 속도 지령값을 입력으로 하여, 당해 속도 지령값과 검지된 모터 속도의 편차를 산출하고, 이 속도 편차에 대하여 PI 연산 등을 행하여, 토크 지령값을 산출하며, 얻어진 토크 지령값으로부터 q축 전류 지령값 Iq*를 산출하도록 해도 된다.

Claims (5)

  1. 모터와, 상기 모터에 대하여 전력을 출력하는 인버터를 구비한 모터 시스템을 제어하는 모터 제어 장치에 있어서:
    토크 지령값에 따라 q축 전류값을 설정하고,
    동손과 철손과 인버터 손실을 합산한 시스템 손실이, 상기 동손 및 철손을 합산한 모터 손실이 최소가 될 때의 시스템 손실보다 낮아지도록 d축 전류값을 제어하는, 시스템 손실 저감 제어를 행하도록 구성되며, 상기 동손과 상기 철손과 상기 인버터 손실은, q축 d축 평면상에서의 전류 벡터의 전류 위상의 변동에 수반하여 변동하는 전자 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은 유기 전압이 모터 단자 전압 이하가 되는 영역에 있어서, 상기 시스템 손실 저감 제어를 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은 상기 시스템 손실 저감 제어에 있어서, 상기 시스템 손실이 최소가 되도록, 상기 d축 전류값을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은
    미리, 모터 회전수 및 토크 지령값으로부터 정해지는 동작점마다, 대응하는 d축 전류값 및 q축 전류값을 기록한 맵을 기억하고 있고,
    상기 시스템 손실 저감 제어에 있어서, 모터 회전수 및 토크 지령값을, 상기 맵에 대조하여, d축 전류값 및 q축 전류값을 특정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  5. 모터와, 상기 모터에 대하여 전력을 출력하는 인버터를 구비한 모터 시스템을 제어하는 모터 제어 방법에 있어서:
    토크 지령값에 따라 q축 전류값을 설정하고,
    동손과 철손과 인버터 손실을 합산한 시스템 손실이, 상기 동손 및 철손을 합산한 모터 손실이 최소가 될 때의 시스템 손실보다 낮아지도록 d축 전류값을 제어하는 것을 포함하며,
    상기 동손과 상기 철손과 상기 인버터 손실은, q축 d축 평면상에서의 전류 벡터의 전류 위상의 변동에 수반하여 변동하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
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