WO2015083449A1

WO2015083449A1 - 電動機の制御装置および制御方法

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Publication number: WO2015083449A1
Application number: PCT/JP2014/077558
Authority: WO
Inventors: 正治　満博; 晶子二瓶; 高橋　直樹; 中村　英夫
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2016-06-03
Also published as: JP6206505B2; JPWO2015083449A1

Abstract

　電動機の制御装置は、所定温度に対応した電動機定数およびトルク指令値に基づいて電動機への電流指令値を生成し、電流指令値に追従するように電動機への印加電圧を制御する電流制御モードを実行する機能と、所定温度に対応した電動機定数を用いて電動機のトルク推定値を算出し、算出したトルク推定値とトルク指令値との偏差に基づいて、電圧位相をフィードバック操作する電圧位相制御モードを実行する機能とを有する。電動機の制御装置はまた、電流制御モードにおける電流指令値と検出電流との間の大小関係に基づいて、制御モードの切替を判定して、制御モードを切り替える。電圧位相制御モード時の電圧振幅指令値は、電圧位相制御モードの適用領域では、電流制御モード時の電圧振幅よりも大きく、電流制御モードの適用領域では、電流制御モード時の電圧振幅以下である。

Description

電動機の制御装置および制御方法

　本発明は、電動機の制御装置および制御方法に関する。

　従来、電圧位相制御とＰＷＭ電流制御とを選択的に用いて交流電動機を制御する制御装置が知られている。ＪＰ３６８３１３５Ｂに記載された制御装置では、電圧位相制御中に、電流検出器で検出された電流の位相がトルク／電流比が最大となる位相に達すると、ＰＷＭ電流制御に切り替えることが開示されている。

　しかしながら、ＪＰ３６８３１３５Ｂに開示された技術では、電動機の温度変化や電動機の製造バラツキがある場合、電圧位相制御からＰＷＭ電流制御に切り替える際の切替前後で電流位相が一致していても、電流振幅や電圧振幅が一致せず、制御の切替時にトルク段差が発生する可能性がある。

　本発明は、電圧位相制御から電流制御に切り替える際のトルク段差の発生を抑制する技術を提供することを目的とする。

　本発明の一態様における電動機の制御装置は、所定温度に対応した電動機定数およびトルク指令値に基づいて電動機への電流指令値を生成し、電流指令値に追従するように電動機への印加電圧を制御する電流制御モードを実行する電流制御手段と、所定温度に対応した電動機定数を用いて電動機のトルク推定値を算出し、算出したトルク推定値とトルク指令値との偏差に基づいて、電圧位相をフィードバック操作する電圧位相制御モードを実行する電圧位相制御手段と、電流制御モードにおける電流指令値と検出電流との間の大小関係に基づいて、電圧位相制御モードから電流制御モードへの切替を判定する判定手段と、判定手段による判定結果に基づいて、電流制御手段による制御か電圧位相制御手段による制御かを切り替える制御モード切替手段とを備える。電圧位相制御モード時の電圧振幅指令値は、電圧位相制御モードの適用領域では、電流制御モード時に実現される電圧振幅よりも大きく、電流制御モードの適用領域では、電流制御モード時に実現される電圧振幅以下となるように設定されている。

　本発明の実施形態については、添付された図面とともに以下に詳細に説明する。

図１は、一実施の形態における電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。図２は、電流制御移行判定部の内部で行われる処理を示すブロック図である。図３は、電動機の回転数Ｎと、電圧位相制御モードにおける電圧振幅指令値Ｖ_a ^*との関係を定めた図である。図４は、ＪＰ３６８３１３５Ｂに記載の従来の制御装置による切替モード切替時の挙動を説明するための図である。図５は、一実施の形態における電動機の制御装置による切替モード切替時の挙動を説明するための図である。図６は、電圧位相制御モードおよび電流制御モードにおける制御内容を示すフローチャートである。図７は、一実施の形態における電動機の制御装置による制御結果の一例を示す図である。図８は、モータ回転数が所定回転数まで低下しても制御モードが電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わらなかった場合に、強制的に電流制御モードに切り換える状況を説明するための図である。

　図１は、一実施の形態における電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。この電動機の制御装置は、例えば、電気自動車に適用される。なお、電気自動車以外に、例えば、ハイブリッド自動車や、自動車以外のシステムに適用することも可能である。

　電流指令生成部１は、トルク指令値Ｔ^*、バッテリ７の直流電圧Ｖ_dc、および電動機９の回転数（以下、モータ回転数と呼ぶ）Ｎと、ｄ軸電流およびｑ軸電流との関係を定めたテーブルを格納しており、トルク指令値Ｔ^*、バッテリ７の直流電圧Ｖ_dc、およびモータ回転数Ｎを入力して、上記テーブルを参照することにより、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値ｉ_q ^*を求める。テーブルで規定されているｄ軸電流およびｑ軸電流は、予め実験または解析により求めた電動機温度２５℃の場合に所望のトルクを得るｄ軸電流およびｑ軸電流である。この電流指令値ｉ_d ^*、ｉ_q ^*は、電流制御モードにおける電流指令値である。

　なお、電流指令値を生成する方法は種々のものが提案されており、例えば、下記の参考文献に記載されている効率最大法を用いて、２５℃の場合のモータ定数を用いて計算的に求めることも可能である。
参考文献：「実用モータドライブ制御系設計とその実際」第７章第４項、内藤治夫著、日本テクノセンター発行

　干渉電圧生成部２は、トルク指令値Ｔ^*、バッテリ７の直流電圧Ｖ_dc、およびモータ回転数Ｎと、ｄ軸およびｑ軸の干渉電圧との関係を定めたテーブルを格納しており、トルク指令値Ｔ^*、バッテリ７の直流電圧Ｖ_dc、およびモータ回転数Ｎを入力して、上記テーブルを参照することにより、ｄ軸干渉電圧Ｖ_{d_dcpl} ^*およびｑ軸干渉電圧Ｖ_{q_dcpl} ^*を求める。

　電流ベクトル制御器３は、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値ｉ_q ^*と、ｄ軸電流検出値ｉ_dおよびｑ軸電流指令値ｉ_qと、ｄ軸干渉電圧Ｖ_{d_dcpl} ^*およびｑ軸干渉電圧Ｖ_{q_dcpl} ^*に基づいて、公知の非干渉制御と電流フィードバック制御によるベクトル電流制御を行い、ｄ軸電圧指令値Ｖ_di ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_qi ^*を算出する。この電圧指令値Ｖ_di ^*、Ｖ_qi ^*は、電流制御モードにおける電圧指令値である。

　電圧振幅生成部１３は、後述する方法により、電圧位相制御モードにおける電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を求める。

　トルク演算器１５は、予め記憶されている電動機温度２５℃における磁石磁束φ_{a_25}℃、電動機温度２５℃におけるｄ軸およびｑ軸のインダクタンス差（Ｌ_d－Ｌ_q）₂₅℃、および、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値ｉ_q ^*を入力し、次式（１）により電動機９のトルク推定値Ｔ_calを算出する。

　なお、式（１）において、ｐは電動機９の極対数である。また、電動機温度２５℃におけるｄ軸およびｑ軸のインダクタンス差（Ｌ_d－Ｌ_q）₂₅℃は、インダクタンス生成部１４により求められる。具体的には、予めオフラインで解析または実験を行って、トルク指令値Ｔ^*、バッテリ７の直流電圧Ｖ_dc、およびモータ回転数Ｎと、ｄ軸およびｑ軸のインダクタンス差（Ｌ_d－Ｌ_q）₂₅℃との関係を定めたテーブルを用意しておき、トルク指令値Ｔ^*、バッテリ７の直流電圧Ｖ_dc、およびモータ回転数Ｎを入力して、上記テーブルを参照することにより、ｄ軸およびｑ軸のインダクタンス差（Ｌ_d－Ｌ_q）₂₅℃を求める。

　トルク制御器１６は、トルク指令値Ｔ^*とトルク推定値Ｔ_calの差分を入力し、次式（２）によりＰＩ増幅した値を、電圧位相指令値α^*として算出する。ただし、式（２）中のＫ_pは比例ゲインであり、Ｋ_iは積分ゲインである。

　ｄｑ軸電圧生成部１７は、電圧振幅生成部１３によって求められる電圧振幅指令値Ｖ_a ^*と、トルク制御器１６によって算出される電圧位相指令値α^*とを入力し、次式（３）により、ｄ軸電圧指令値Ｖ_dv ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_qv ^*を算出する。この電圧指令値Ｖ_dv ^*、Ｖ_qv ^*は、電圧位相制御モードにおける電圧指令値である。

　電流制御移行判定部２０は、電流指令生成部１によって求められるｄ軸電流指令値ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値ｉ_q ^*と、ｄ軸電流検出値ｉ_dおよびｑ軸電流指令値ｉ_qとを入力し、電流制御モードにおける電流指令値と検出電流との間の大小関係に基づいて、電圧位相制御モードから電流制御モードへ移行するか否かの判定を行う。

　図２は、電流制御移行判定部２０の内部で行われる処理を示すブロック図である。ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値ｉ_q ^*は、規範応答フィルタ２１により、過渡状態を考慮して規範応答に相当するフィルタ処理が施され、フィルタ処理後の値に対して自乗和を求めることにより、ｉ_{a_LPF} ²が算出される。また、ｄ軸電流検出値ｉ_dおよびｑ軸電流指令値ｉ_qの自乗和を求めることにより、ｉ_a ²を算出する。そして、表１のように、ｉ_{a_LPF} ²がｉ_a ²より大きければ、電圧位相制御モードから電流制御モードへ移行しないと判定し、ｉ_{a_LPF} ²がｉ_a ²以下であれば、電圧位相制御モードから電流制御モードへ移行すると判定して、制御モードの切替要求を出力する。

　電圧位相制御移行判定部１９は、電流制御モードから電圧位相制御モードへの移行判定を行う。電圧位相制御モードから電流制御モードへの切替が起こる範囲よりも高回転高トルク側に設定した閾値Ｔ_refを、予めモータ回転数とバッテリ７の直流電圧を指標としたテーブルとして格納しており、トルク指令値Ｔ^*がテーブルを参照して求めた閾値Ｔ_ref以上の場合に、電流制御モードから電圧位相制御モードへ移行すると判定して、制御モードの切替要求を出力する。

　制御モード判定部２１は、電流制御移行判定部２０または電圧位相制御移行判定部１９から制御モードの切替要求が出力されると、切替後の制御モードを制御モード切替器１８に出力する。

　制御モード切替器１８は、電流制御モードによる電圧指令値Ｖ_di ^*、Ｖ_qi ^*と、電圧位相制御モードによる電圧指令値Ｖ_dv ^*、Ｖ_qv ^*のうち、制御モード判定部２１から入力される制御モードに応じた電圧指令値を選択して、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*としてｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器４に出力する。

　ｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器４は、位置検出器１０によって検出された回転子の電気角θに基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を、次式（４）により三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換する。

　ＰＷＭ変換器５は、デッドタイム補償や電圧利用率向上処理（いずれも公知）を行うとともに、三相電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ_v ^*、Ｖ_w ^*に対応したインバータ６のパワー素子駆動信号Ｄ_uu*、Ｄ_ul*、Ｄ_vu*、Ｄ_vl*、Ｄ_wu*、Ｄ_wl*を生成する。

　インバータ６には、バッテリ７が接続されており、バッテリ電圧Ｖ_dcは、直流電圧センサにより検出される。インバータ６は、パワー素子駆動信号Ｄ_uu*、Ｄ_ul*、Ｄ_vu*、Ｄ_vl*、Ｄ_wu*、Ｄ_wl*に基づいて、バッテリ７の直流電圧を疑似交流電圧Ｖ_u、Ｖ_v、Ｖ_wに変換して出力する。

　電動機９には、インバータ６により変換された疑似交流電圧Ｖ_u、Ｖ_v、Ｖ_wが印加される。電流センサ８は、電動機９の各相に流れる電流のうち、任意の２相の電流、例えば、Ｕ相電流ｉ_uおよびＶ相電流ｉ_vを検出する。検出されない残りの１相の電流、例えば、Ｗ相電流ｉ_wは、次式（５）に基づいて算出することができる。

　ＵＶＷ相／ｄｑ軸変換器１２は、位置検出器１０で検出された電動機９の回転子の電気角θに基づいて、電流センサ８で検出されたｉ_u、ｉ_v、および式（５）により算出されたｉ_wを、次式（６）に基づいて、ｄ軸電流ｉ_dおよびｑ軸電流ｉ_qに変換する。

　回転数演算器１１は、位置検出器１０で検出された電気角θの時間当たりの変化量から、電動機９の回転数Ｎを算出する。

　電圧振幅生成部１３が電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を求める方法について説明する。

　図３は、電動機９の回転数Ｎと、電圧位相制御モードにおける電圧振幅指令値Ｖ_a ^*との関係を定めた図である。図３では、基準温度（２５℃）での電流制御モードにおける電圧振幅Ｖａとともに、電動機９の動作保証範囲内における最低温度での電圧振幅Ｖａおよび最高温度での電圧振幅Ｖａも示している。電流制御モードによる制御は、低回転領域で行われ、電圧位相制御モードによる制御は、弱め磁束制御を行うような高回転領域で行われる。

　図３に示すように、電流制御モードでは、モータ回転数が高くなると、電圧振幅Ｖａも大きくなり、ある回転数以上になると、電圧振幅Ｖａは上限値に達する。モータ回転数の上昇に対する電圧振幅Ｖａの上昇率は、電動機９の温度により異なり、また、電圧振幅Ｖａの上限値も電動機９の温度により異なる。具体的には、基準温度よりも温度が低い場合には、電圧振幅Ｖａの上昇率が基準温度における電圧振幅Ｖａの上昇率よりも大きく、電圧振幅の上限値は、基準温度における電圧振幅の上限値よりも大きい。また、基準温度よりも温度が高い場合には、電圧振幅Ｖａの上昇率が基準温度における電圧振幅Ｖａの上昇率よりも小さく、電圧振幅の上限値は、基準温度における電圧振幅の上限値よりも小さい。

　電圧位相制御モードが適用されるモータ回転領域では、電動機９の温度変化や製造バラツキによって電流制御モードによる電圧振幅Ｖａが変動しても、必ず電圧振幅Ｖａより大きい値となるように電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を設定する。また、電流制御モードが適用されるモータ回転領域では、電動機９の温度変化や製造バラツキによって電流制御モードによる電圧振幅Ｖａが変動しても、必ず電圧振幅Ｖａ以下となるように電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を設定する。

　図３を参照しながら説明すると、電流制御モードでは基準温度における電圧振幅Ｖａが上限に達するような動作領域ａにおいては、電圧振幅Ｖａの上限値を超える電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を生成し、領域ａよりもモータ回転数が低い領域ｂでは、電流制御モードで実現される電圧振幅Ｖａを下回る電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を生成する。領域ｂでは、電流制御モードにおける電圧振幅Ｖａが電動機９の温度変化や製造バラツキによって変化したとしても、電圧振幅Ｖａが電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を下回らないように、電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を設定しておく。このように、電圧振幅が必ず制御モード間で反転するように電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を設定しておくことにより、制御モード間で電流の大きさも反転するようになる。

　上述したルールに従って、実験または解析を行い、トルク指令値、モータ回転数、およびバッテリ７の直流電圧と、電圧振幅指令値Ｖ_a ^*との関係を定めたテーブルを予め用意しておき、トルク指令値Ｔ^*、モータ回転数Ｎ、およびバッテリ７の直流電圧Ｖ_dcに基づいて、上記テーブルを参照することにより、電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を求める。

　なお、電流制御モードにおける電流指令値から、温度変化や電動機９の製造バラツキを考慮して実現される最小電圧振幅を演算して求めることも可能である。

　図４は、ＪＰ３６８３１３５Ｂに記載の従来の制御装置による切替モード切替時の挙動を説明するための図である。従来の制御装置では、検出電流の位相が、トルク／電流比が最大となる位相に達した時に制御モードを電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替えている。

　上述したように、電流制御モードにおける電圧振幅Ｖａは、電動機９の温度変化や製造バラツキによって変化する。電動機９の温度変化や製造バラツキが存在しない場合には、制御モードの切替時に電圧振幅Ｖａが急峻に変化することはない。すなわち、電動機９の温度変化や製造バラツキが存在しない場合には、モータ回転数が高回転側から低下していくと、ポイントＰ１で電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わるので、制御モードの切替時に電圧振幅Ｖａは急峻に変化しない。

　これに対して、電動機９の温度が基準温度（２５℃）よりも低い場合には、ポイントＰ２で電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わるので、制御モードの切替前後における電圧振幅が一致せず、電圧振幅Ｖａが急峻に変化する。また、電動機９の温度が基準温度（２５℃）よりも高い場合には、ポイントＰ３で電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わるので、電圧振幅Ｖａが急峻に変化する。

　なお、図４において、電動機９の温度が基準温度であっても、電動機９の製造バラツキが存在する場合には、電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わるポイントは、ポイントＰ１から変化して、電圧振幅Ｖａの急峻な変化が発生する。

　図５は、一実施の形態における電動機の制御装置による切替モード切替時の挙動を説明するための図である。一実施の形態における電動機の制御装置では、電動機９の温度変化や製造バラツキが存在する場合でも、モータ回転数が低下していくと、電圧位相制御モードにおける電圧振幅指令値Ｖ_a ^*と、電流制御モードにおける電圧振幅Ｖａとが一致する点が存在する。また、磁束変化によるトルク変動は許容するフィードバック制御構成である。さらに、一実施の形態における電動機の制御装置は、電流振幅値に基づいて、電圧位相制御モードから電流制御モードへの移行を判定する。これにより、電動機９の温度が基準温度（２５℃）よりも高くなったり、低くなったりした場合や、電動機９の製造バラツキが存在する場合でも、電圧位相制御モードから電流制御モードへの移行時には、電圧位相制御モードにおける電圧振幅指令値Ｖ_a ^*と、電流制御モードにおける電圧振幅Ｖａとが一致しているため、制御モードの切替時に電圧振幅の急峻な変化は生じない。

　図５に示す例では、電動機９の温度が基準温度（２５℃）の場合、モータ回転数が高回転側から低下していくと、ポイントＰ４で電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わり、制御モードの切替時に電圧振幅Ｖａは急峻に変化しない。また、電動機９の温度が基準温度よりも低い場合には、ポイントＰ５で電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わり、電動機９の温度が基準温度よりも高い場合には、ポイントＰ６で電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わる。図５に示すように、電動機９の温度が変化した場合でも、電圧位相制御モードから電流制御モードの切替時に電圧振幅の急峻な変化は生じない。

　図６は、電圧位相制御モードおよび電流制御モードにおける制御内容を示すフローチャートである。現在の制御モードが電圧位相制御モードであればステップＳ１０の処理を開始し、電流制御モードであれば、ステップＳ１００の処理を開始する。

　ステップＳ１０では、トルク指令値Ｔ^*、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値ｉ_q ^*、ｄ軸電流検出値ｉ_dおよびｑ軸電流指令値ｉ_q、回転子の電気角θ、モータ回転数Ｎ、バッテリ７の直流電圧Ｖ_dcを取得する。

　ステップＳ２０では、ｉ_a ²およびｉ_{a_LPF} ²を算出する（図２参照）。

　ステップＳ３０では、ステップＳ２０で算出したｉ_a ²がｉ_{a_LPF} ²以上であるか否かを判定する。ｉ_a ²がｉ_{a_LPF} ²以上であると判定すると、制御モードを電圧位相制御モードから電流制御モードに切り換えるために、ステップＳ１３０に進む。ｉ_a ²がｉ_{a_LPF} ²未満であると判定すると、電圧位相制御モードの処理を継続して行うために、ステップＳ４０に進む。

　ステップＳ４０では、電圧振幅生成部１３によって電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を算出するとともに、インダクタンス生成部１４によって、ｄ軸およびｑ軸のインダクタンス差（Ｌ_d－Ｌ_q）₂₅℃を求める。

　ステップＳ５０では、トルク演算器１５によって、式（１）より、電動機９のトルク推定値Ｔ_calを算出する。

　ステップＳ６０では、トルク制御器１６によって、トルク指令値Ｔ^*と推定トルクＴ_calの差分に基づいて、式（２）より、電圧位相指令値α^*を算出する。

　ステップＳ７０では、ｄｑ軸電圧生成部１７によって、電圧振幅指令値Ｖ_a ^*および電圧位相指令値α^*に基づいて、式（３）より、ｄ軸電圧指令値Ｖ_dv ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_qv ^*を算出する。制御モード切替器１８は、ｄ軸電圧指令値Ｖ_dv ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_qv ^*をｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*としてｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器４に出力する。

　ステップＳ８０では、ｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器４によって、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を、式（４）より、三相電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ_v ^*、Ｖ_w ^*に変換する。

　続いて、電流制御モード時の処理について説明する。ステップＳ１００では、トルク指令値Ｔ^*、ｄ軸電流検出値ｉ_dおよびｑ軸電流指令値ｉ_q、回転子の電気角θ、モータ回転数Ｎ、バッテリ７の直流電圧Ｖ_dcを取得する。

　ステップＳ１１０では、電圧位相制御移行判定部１９によって、閾値Ｔ_refを求める。

　ステップＳ１２０では、トルク指令値Ｔ^*が閾値Ｔ_ref以上であるか否かを判定する。トルク指令値Ｔ^*が閾値Ｔ_ref以上であると判定すると、制御モードを電流制御モードから電圧位相制御モードへ移行するためにステップＳ４０に進む。トルク指令値Ｔ^*が閾値Ｔ_ref未満であると判定すると、電流制御モードの処理を継続して行うために、ステップＳ１３０に進む。

　ステップＳ１３０では、電流指令生成部１によって、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*およびｑ軸電流指令値ｉ_q ^*を求める。

　ステップＳ１４０では、電流ベクトル制御器３によって、ｄ軸電圧指令値Ｖ_di ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_qi ^*を算出する。制御モード切替器１８は、ｄ軸電圧指令値Ｖ_di ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_qi ^*をｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*としてｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器４に出力する。

　ステップＳ１５０では、ｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器４によって、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を、式（４）より、三相電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ_v ^*、Ｖ_w ^*に変換する。

　図７は、一実施の形態における電動機の制御装置による制御結果の一例を示す図である。図７では、トルク指令値が一定のまま、モータ回転数が上昇および下降した場合の制御モードの切替タイミング、電圧振幅Ｖａおよび電流振幅Ｉａの時間変化を示している。

　モータ回転数が低い領域では、電流制御モードが適用される。モータ回転数が上昇していくと、電圧振幅Ｖａも上昇する。そして、電圧振幅Ｖａが上限に達すると、負のｄ軸電流を増加させて弱め界磁制御を行うので、電流振幅Ｉａが増加し、電圧振幅Ｖａの上昇を抑制する。

　さらにモータ回転数が上昇してＴａのタイミングになると、トルク指令値Ｔ^*が閾値Ｔ_ref以上となり、制御モードが電流制御モードから電圧位相制御モードに切り替わる。電圧位相制御モードに切り替わると、電圧振幅Ｖａを増加させるので、弱め電流が減少して、電流振幅Ｉａは減少する。

　モータ回転数が上昇から下降へと変化し、モータ回転数が一定以下に減少すると、電圧振幅指令値Ｖ_a ^*を減少させていき、電流振幅の減少率を抑制するので、電圧位相制御における電流指令値の振幅が電流制御における電流指令値の振幅へと近づいていく。Ｔｂのタイミングでそれらの大小関係が逆転すると、制御モードが電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わる。

　電動機９のトルクは磁束ベクトルと電流ベクトルの積であるから、電動機９の磁石温度が変化すると、磁束が変化することによりトルクは変化する。電流制御では、電流を一定に制御しているが、電圧位相制御では電流を制御しているわけではないので、電流の変化も伴う。従って、電圧位相制御モードと電流制御モードでは、電動機の温度変化に対するトルクの感度が異なる。

　しかし、電圧位相制御モードにおいて、電流制御モードにおける電流指令値生成の前提条件と同じ温度条件に基づいてトルクを推定し、電圧位相をフィードバックする構成とすることにより、電動機の温度変化に対するトルクの感度を電流制御モード時と同等にすることができ、制御モード間の定常トルクを一致させることができる。そして、電圧振幅が電流制御モードと電圧位相制御モードで交差するように、電圧位相制御モードの電圧振幅指令値を設定するとともに、電流制御モードでの電流指令値の振幅と電圧位相制御モードにおいて検出された電流の振幅とが交差するタイミングにおいて、電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替えるようにしている。これにより、電動機のトルク、ｄ軸電圧およびｑ軸電圧、ｄ軸電流およびｑ軸電流がいずれも段差なく制御モードを切り替えることができ、制御モードの切替に伴うトルク段差やショックを抑制することができる。

　本実施形態における電動機の制御装置では、電動機９の温度や製造バラツキが動作保証範囲を超えるなどの理由により、モータ回転数が所定回転数まで低下しても、制御モードが電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わらなかった場合には、強制的に電流制御モードに切り換える制御も行う。

　図８は、モータ回転数が所定回転数まで低下しても制御モードが電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わらなかった場合に、強制的に電流制御モードに切り換える状況を説明するための図である。図８では、電動機９の温度が動作保証範囲を超える高温になった場合における電流制御モードの電圧振幅を示す線を線８１で示している。

　図８に示すように、電動機９の温度が動作保証範囲を超えると、モータ回転数が高回転側から低下しても、電圧位相制御モードにおける電圧振幅指令値Ｖ_a ^*と、電流制御モードにおける電圧振幅指令値Ｖａ（線８１）とは交差しない。従って、電流振幅に基づいて電流制御モードに切り替える方法（表１参照）では、モータ回転数が低下しても、電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わらないままとなる。しかしながら、低回転領域で電圧位相制御モードによる制御を継続した場合、低回転領域では、電動機９に印加する必要がある電圧は微少になるため、制御精度確保が困難になる。また、電流制御モードでは問題とならない機械共振が起きる可能性がある。

　従って、本実施形態における電動機の制御装置では、モータ回転数が所定回転数まで低下しても、制御モードが電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わらなかった場合には、強制的に電流制御モードに切り換える。所定回転数は、電動機９の温度や製造バラツキが動作保証範囲内にあれば、電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替わるモータ回転数に基づいて、予め適切な値を設定しておく。

　以上、一実施の形態における電動機の制御装置は、所定温度に対応した電動機定数およびトルク指令値に基づいて電動機９への電流指令値を生成し、電流指令値に追従するように電動機９への印加電圧を制御する電流制御モードを実行する電流制御手段（電流指令生成部１、電流ベクトル制御器３）と、所定温度に対応した電動機定数を用いて電動機９のトルク推定値を算出し、算出したトルク推定値とトルク指令値との偏差に基づいて、電圧位相をフィードバック操作する電圧位相制御モードを実行する電圧位相制御手段（トルク演算器１５、トルク制御器１６、ｄｑ軸電圧生成部１７）と、電流制御モードにおける電流指令値と検出電流との間の大小関係に基づいて、電圧位相制御モードから電流制御モードへの切替を判定する判定手段（電流制御移行判定部２０）と、判定手段による判定結果に基づいて、電流制御モードによる制御か電圧位相制御モードによる制御かを切り替える制御モード切替手段（制御モード判定部２１、制御モード切替器１８）とを備える。電圧位相制御モード時の電圧振幅指令値は、電圧位相制御モードの適用領域では、電流制御モード時に実現される電圧振幅よりも大きく、電流制御モードの適用領域では、電流制御モード時に実現される電圧振幅以下となるように設定されている。これにより、電動機９の回転数が高回転側から低下していくときに、電流制御モードにおける電流指令値と、電圧位相制御モードにおける電流検出値とが逆転するポイントが存在する。このポイントで電圧位相制御モードから電流制御モードに切り替える。上述したように、電圧位相制御モードにおいて、電流制御モードにおける電流指令値生成の前提条件と同じ温度条件に基づいてトルクを推定し、電圧位相をフィードバックする構成とすることにより、制御モードの切替前後においてトルクが一致するので、トルク、電流の振幅と位相、電圧の振幅と位相が制御モードの切替前後で変化なく、トルク段差やショックを抑制することができる。

　また、一実施の形態における電動機の制御装置では、電動機９の回転数が所定回転数以下になっても、電圧位相制御モードから電流制御モードへ切り替える旨の判定が行われない場合には、強制的に電圧位相制御モードから電流制御モードへ切り替える。これにより、電圧位相制御モードを継続した場合に生じる制御精度の低下や、電流制御モードでは問題とならない機械共振の発生を防ぐことができる。

　本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、様々な変形や応用が可能である。例えば、所定温度に対応した電動機定数として、２５℃の場合の電動機定数を用いる例を挙げて説明したが、所定温度が２５℃に限定されることはない。

　本願は、２０１３年１２月３日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－２５０５２２に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

　所定温度に対応した電動機定数およびトルク指令値に基づいて電動機への電流指令値を生成し、前記電流指令値に追従するように前記電動機への印加電圧を制御する電流制御モードを実行する電流制御手段と、
　前記所定温度に対応した電動機定数を用いて前記電動機のトルク推定値を算出し、算出したトルク推定値と前記トルク指令値との偏差に基づいて、電圧位相をフィードバック操作する電圧位相制御モードを実行する電圧位相制御手段と、
　前記電流制御モードにおける電流指令値と検出電流との間の大小関係に基づいて、前記電圧位相制御モードから前記電流制御モードへの切替を判定する判定手段と、
　前記判定手段による判定結果に基づいて、前記電流制御手段による制御か前記電圧位相制御手段による制御かを切り替える制御モード切替手段と、
を備え、
　前記電圧位相制御モード時の電圧振幅指令値は、前記電圧位相制御モードの適用領域では、前記電流制御モード時に実現される電圧振幅よりも大きく、前記電流制御モードの適用領域では、前記電流制御モード時に実現される電圧振幅以下となるように設定されている、
電動機の制御装置。
　請求項１に記載の電動機の制御装置において、
　前記制御モード切替手段は、前記電動機の回転数が所定回転数以下になっても、前記判定手段によって前記電圧位相制御モードから前記電流制御モードへ切り替える旨の判定が行われない場合には、前記判定手段による判定結果とは関係なく、前記電圧位相制御手段による制御から前記電流制御手段による制御へ切り替える、
電動機の制御装置。
　電流制御モードと電圧位相制御モードのいずれか一方を実行して電動機を制御する電動機の制御方法であって、
　前記電圧位相制御モードにおける電流指令値と検出電流との間の大小関係に基づいて、前記電圧位相制御モードから前記電流制御モードへの切替を判定し、
　前記判定の結果に基づいて、前記電流制御モードによる制御か、前記電圧位相制御モードによる制御かを選択し、
　前記電流制御モードによる制御が選択された場合は、所定温度に対応した電動機定数およびトルク指令値に基づいて前記電動機への電流指令値を生成して、前記電流指令値に追従するように前記電動機への印加電圧を制御する電流制御モードを実行し、
　前記電圧位相制御モードによる制御が選択された場合は、前記所定温度に対応した電動機定数を用いて前記電動機のトルク推定値を算出して、算出したトルク推定値と前記トルク指令値との偏差に基づいて、電圧位相をフィードバック操作する電圧位相制御モードを実行し、
　前記電圧位相制御モード時の電圧振幅指令値は、前記電圧位相制御モードの適用領域では、前記電流制御モード時に実現される電圧振幅よりも大きく、前記電流制御モードの適用領域では、前記電流制御モード時に実現される電圧振幅以下となるように設定する、
電動機の制御方法。