JP6998717B2 - 可変磁力モータの制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変磁力モータの制御方法および制御装置に関する。

従来、インバータから固定子巻線に供給される磁化電流によって永久磁石の磁力を変化させる可変磁束（可変磁力）モータの駆動システムが知られている（特許文献１参照）。この駆動システムは、直流電圧を昇圧する昇圧回路を有しており、これを着磁制御時に動作させ、昇圧した電圧をインバータに入力することで着磁制御時の電圧不足を補償している。また、可変磁力モータは、車両の運転状態に応じて永久磁石の磁力を変化させることにより、駆動時の損失を低減させて、モータ効率を向上させることができるという特性を有している。

特開２００７－２４０８３３号公報

しかしながら、上記の昇圧回路は、着磁制御時以外においてその動作を停止している際に、昇圧回路を構成する素子が電力を消費することによる損失が発生する。このため、可変磁力モータの特性による駆動時の損失低減代が相殺され、結果として駆動システム全体としての効率が向上しないという課題がある。

本発明は、着減磁制御時に要する電圧を抑制し、追加の昇圧回路を不要とすることでシステム全体の効率の改善を図るとともに、着減磁制御完了後のトルク応答性を改善することができる可変磁力モータの制御方法を提供することを目的とする。

本発明による可変磁力モータの制御方法は、駆動中に永久磁石の磁力を変化させる可変磁力モータの制御方法であって、可変磁力モータに供給される電流をフィードバックする電流フィードバックＰＩ制御により走行要求に基づいて設定される目標トルクを出力するように当該可変磁力モータを制御するＰＩ制御ステップと、当該目標トルクと同等のトルクを出力する指令鎖交磁束ベクトルを算出して、フィードフォワード制御により指令鎖交磁束ベクトルを実現するように可変磁力モータを制御するフィードフォワード制御ステップと、を含む。そして、ＰＩ制御ステップとフィードフォワード制御ステップとを可変磁力モータの運転状態に応じて切り替える。ここでいう運転状態は、目標トルクを出力させる負荷動作制御が実行される状態と、永久磁石の磁力を変化させる着減磁制御が実行される状態とを含み、着減磁制御が実行される際にはフィードフォワード制御ステップに切り替え、着減磁制御が完了して負荷動作制御が実行される際にはＰＩ制御ステップに切り替える。永久磁石が目標着減磁量に達した状態で目標トルクを出力する目標鎖交磁束ベクトルを算出し、後述する式（１）を用いて指令鎖交磁束ベクトルを算出し、フィードフォワード制御ステップにおいて、目標着減磁量を達成する着減磁を完了させた後に、指令鎖交磁束ベクトルを実現するように前記可変磁力モータを制御する。

本発明によれば、ＰＩ制御ステップとフィードフォワード制御ステップとを運転状態に応じて切り替えることで着減磁制御に要する電圧を抑制することができるので、追加の昇圧回路を不要とし、システム全体の効率改善を図ることができる。また、ＰＩ制御ステップおよびフィードフォワード制御ステップが同等のトルクを出力するように制御されるので、着減磁制御完了後のトルク応答性を改善することができる。

図１は、第１実施形態の可変磁力モータの制御装置の構成例を示す制御ブロック図である。 図２は、第１実施形態において可変磁力モータを制御する際のαβ座標上の鎖交磁束ベクトルを模式的に表した図である。 図３は、電流ＦＢ制御器の構成例を示す制御ブロック図である。 図４は、電流ＦＢ制御器の他の構成例を示す制御ブロック図である。 図５は、第２実施形態において、可変磁力モータが鎖交磁束ベクトル制御される際のｄｑ座標系における動作点の軌跡を表した模式図である。 図６は、第３実施形態において可変磁力モータを制御する際のαβ座標上の鎖交磁束ベクトルを模式的に表した図である。 図７は、ｄｑ座標系における中間鎖交磁束ベクトルを説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

[第1実施形態]
図１は、本発明の第１実施形態に係る可変磁力モータの制御装置１００の構成例を示す制御ブロック図である。

可変磁力モータの制御装置１００（以下「モータ制御装置１００」と称する）は、可変磁力モータ６を駆動するとともに、可変磁力モータ６が備える永久磁石の着減磁を制御する。モータ制御装置１００は、例えば、可変磁力モータ６を備えるハイブリッド車両や電気自動車などに搭載される。

本実施形態のモータ制御装置１００は、ベクトル制御器１と、電流フィードバック制御器２０と、ｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器３と、切替器４と、ＰＷＭ電圧インバータ５と、ＵＶＷ相／ｄｑ軸変換器７と、磁束オブザーバ８と、鎖交磁束フィードフォワード制御器１０とを含む。本実施形態のモータ制御装置の制御対象は可変磁力モータ６である。

モータ制御装置１００は、１個、又は複数のコントローラにより構成される。コントローラは、例えば、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および、入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）から構成される。モータ制御装置１００を構成するコントローラは、以下に説明する各機能を実現するようにプログラムされている。

モータ制御装置１００の制御対象である可変磁力モータ６（以下単に「モータ６」と呼ぶ）は、固定子巻線を有する固定子と、永久磁石を埋め込んだ回転子とにより構成される可変磁力モータである。回転子に埋め込まれた永久磁石は、モータ６が回転動作（駆動）しているときに固定子巻線を流れる電流により形成される磁界によってその磁力を変化させることができる特性を有している。すなわち、可変磁力モータ６が備える永久磁石は、モータ６の巻線に流れる電流によって着磁或いは減磁がなされ、その残留磁束密度が変化するものである。なお、このような特性を持つ永久磁石は低保磁力磁石とも呼ばれ、その保磁力は、一般的なＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータで用いられる永久磁石（高保磁力磁石）の保持力の１／５程度である。

本実施形態のモータ６は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相の固定子巻線に交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが供給されることによって駆動する。モータ６には、不図示の回転子位置検出器が備えられている。この回転子位置検出器がモータ６の回転子の位置を所定の周期で検出することにより、回転子の電気角（ロータ位相）θが算出される。算出されたロータ位相θは、ＵＶＷ相／ｄｑ軸変換器７と、鎖交磁束フィードフォワード制御器１０とに出力される。なお、回転子位置検出器は、例えばレゾルバやエンコーダである。

また、モータ制御装置１００は、不図示の回転速度演算器を備え、所定の周期で取得されるロータ位相θの単位時間当たりの変化量からモータ６のロータ回転速度ωを算出する。算出されたロータ回転速度ωは、ベクトル制御器１、磁束オブザーバ８、及び鎖交磁束フィードフォワード制御器１０に出力される。

ベクトル制御器１は、不図示のコントローラ、あるいはモータ制御装置１００が有する不図示の機能部から、モータ６の駆動力を決定するトルク指令値Ｔ^*を取得する。不図示のコントローラにおいては、車両の運転状態に応じてトルク指令値Ｔ^*が算出される。例えば、車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、ベクトル制御器１に出力されるトルク指令値Ｔ^*は大きくなる。すなわち、トルク指令値Ｔ^*は、ドライバの走行要求に基づき決定される目標トルクである。なお、以下では、可変磁力モータ６に当該目標トルクを達成させるための制御を「負荷動作制御」と称し、負荷動作制御による制御区間における可変磁力モータ６の運転状態を「第１運転状態」と称する。

ベクトル制御器１は、トルク指令値Ｔ^*と、ロータ回転速度ωとに基づいて、モータ６に供給される電流の電流ベクトルを表すｄ軸電流指令値ｉｄ^*およびｑ軸電流指令値ｉｑ^*を演算する。本実施形態では、ベクトル制御器１は、モータ６のトルク指令値Ｔ^*及びロータ回転速度ωで特定される運転点ごとに、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を互いに対応付けたベクトル制御マップを予め記憶している。このベクトル制御マップは、実験データ等により適宜設定される。

そして、ベクトル制御器１は、モータ６に対するトルク指令値Ｔ^*と、ロータ回転速度ωとを取得すると、ベクトル制御マップを参照し、トルク指令値Ｔ^*及びロータ回転速度ωで特定された運転点に対応付けられたｄ軸電流指令値ｉｄ^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ^*を算出して、電流フィードバック制御器２０に出力する。なお、本明細書では、モータ６に供給される電流のｄ軸成分及びｑ軸成分を、それぞれｄ軸電流及びｑ軸電流と称している。なお、ベクトル制御器１は、ベクトル制御マップを予め記憶しておく必要は必ずしもなく、演算によりｄ軸電流指令値ｉｄ^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ^*を求めてもよい。

また、本実施形態のベクトル制御器１は、モータ６が備える永久磁石を所望の車速およびトルクを実現するのに適した磁化状態に制御するために、永久磁石への着減磁量を指令する着磁量指令値ＭＳ^*を算出して、後述する鎖交磁束フィードフォワード制御器１０に出力する。

ベクトル制御器１は、例えば、予め記憶された複数の損失マップの中から、所望の車速およびトルクを実現するのに適した損失マップを選択することにより着磁量指令値ＭＳ^*を算出することができる。各損失マップは、ロータが備える永久磁石の磁化状態（magnetized state）に対応する損失特性が車速とトルクとに関連付けて示されている。したがって、磁化状態毎に記憶された複数の損失マップから、トルク指令値Ｔ^*を実現するのに損失の最も少ない磁化状態を選択して、当該磁化状態にするのに必要な着減磁量を算出することができる。本実施形態のベクトル制御器１は、モータ６が備える永久磁石を所望の車速およびトルクを実現するのに理想的な磁化状態に制御するための着磁量指令値ＭＳ^*を損失マップから算出し、鎖交磁束フィードフォワード制御器１０に出力する。この着磁量指令値ＭＳ^*に応じて実行される、鎖交磁束フィードフォワード制御器１０によるモータ６に対する着減磁制御については、後述する。なお、ベクトル制御器１は、ベクトル制御マップを予め記憶しておく必要は必ずしもなく、演算により着磁量指令値ＭＳ^*を求めてもよい。

電流フィードバック制御器２０（以下「電流ＦＢ制御器２０」と呼ぶ）は、永久磁石のＳ極からＮ極へ向かう方向を正とするｄ軸と、ｄ軸と直交し、回転子の回転方向を正とするｑ軸とを有する回転子同期座標系であるｄｑ軸座標系において、電流ベクトルを目標値に収束させる電流ベクトル制御を実行する。すなわち、本実施形態の電流ＦＢ制御器２０は、モータ６に供給される三相の交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをｄｑ軸座標へ変換したｄ軸電流検出値ｉ_d及びｑ軸電流検出値ｉ_qがそれぞれｄ軸電流指令値ｉ_d ^*及びｑ軸電流指令値ｉ_q ^*に収束するように、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を算出する。

図２は、電流ＦＢ制御器２０の制御ブロックを示す図である。電流ＦＢ制御器２０は、ＰＩ制御器２１、２２を備え、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*及びｑ軸電流指令値ｉ_q ^*と、ｄ軸電流検出値ｉ_d及びｑ軸電流検出値ｉ_qとの偏差に対してそれぞれ比例演算と積分演算とを施すことにより、ｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*を算出する。算出したｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*はｄｑ軸／ｕｖｗ相変換器３に出力される。ＰＩ制御器２１、２２に入力されるリセット信号Ｓｓｗの機能については後述する。

なお、電流ＦＢ制御器２０が算出する上記のｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*は、走行要求に基づく負荷動作制御時においてモータ６に所望のトルクを発生させるために算出される電圧指令値である。一方で、永久磁石を着磁又は減磁する着磁制御時には、後述する鎖交磁束フィードフォワード制御器１０により、モータ６に所望の磁化電流を発生させる等するための電圧指令値（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）が算出される。

すなわち、本実施形態のモータ制御装置１００は、走行要求に基づく負荷動作時においてモータ６を制御する制御区間（第１運転状態）と、永久磁石を着磁又は減磁するためにモータ６を制御する制御区間（第２運転状態）とを行き来しながら、損失のより少ない磁化状態で所望のトルクを出力できるように、モータ６を制御する。第１運転状態の制御主体は、電流ＦＢ制御器２０であり、第２運転状態の制御主体は、鎖交磁束フィードフォワード制御器１０である。第２運転状態の制御の詳細、及び、第２運転状態から第１運転状態に切り替わる際の第１運転状態の制御の詳細については後述する。

ｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器３は、電流ＦＢ制御器２０が算出したｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を、三相の電圧指令値であるＵ相電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ相電圧指令値Ｖ_v ^*及びＷ相電圧指令値Ｖ_w ^*に変換する。

切替器４は、ｄｑ軸／ＵＶＷ相変換器３から出力される第１運転状態における三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*（以下、「第１三相電圧指令値」と呼ぶ）と、後述する鎖交磁束フィードフォワード制御器１０から出力される第２運転状態における三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*（以下、「第２三相電圧指令値」と呼ぶ）とを、運転状態に応じて切替える。

より具体的には、切替器４は、走行要求に基づく負荷動作を行う制御区間では、入力される第１三相電圧指令値をＰＷＭ電圧インバータ５に出力する。一方で、モータ６の永久磁石を着減磁する制御区間では、鎖交磁束フィードフォワード制御器１０から出力される切替え指令Ｓｓｗに応じて、ＰＷＭ電圧インバータ５に出力する出力値を第１三相電圧指令値から第２三相電圧指令値に切り替える。

ＰＷＭ電圧インバータ５は、入力される第１又は第２三相電圧指令値に基づいて、不図示の電源から出力される直流電圧を各相のＰＷＭ電圧Ｖｕ、Ｖｖ、及びＶｗに変換し、変換された各相のＰＷＭ電圧Ｖｕ、Ｖｖ、及びＶｗをモータ６の各相に出力する。これにより、モータ６の各相の固定子巻線にそれぞれ三相の交流電流ｉｕ、ｉｖ、及びｉｗが供給される。

ＵＶＷ相／ｄｑ軸変換器７は、ロータ位相θに基づいて、三相の交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをｄ軸実電流ｉｄ及びｑ軸実電流ｉｑに変換して、電流ＦＢ制御器２０にフィードバックするとともに、磁束オブザーバ８に出力する。

磁束オブザーバ８は、ｄ軸実電流ｉｄ及びｑ軸実電流ｉｑと、ロータ回転速度ωと、電流ＦＢ制御器２０から出力されるｄ軸電圧指令値ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令値ｖ_q ^*とに基づいて、現在の鎖交磁束ベクトルの推定値λを算出する。算出方法は、従来公知の方法を用いてよい。算出した鎖交磁束ベクトル推定値λは、鎖交磁束フィードフォワード制御器１０に出力される。

鎖交磁束フィードフォワード制御器１０（以下「鎖交磁束ＦＦ制御器１０」と呼ぶ）は、上記の第２運転状態においてモータ６の磁化状態（着減磁量）を制御する際に用いられるＦＦ制御器である。鎖交磁束ＦＦ制御器１０は、所望の着減磁量を達成するための着減磁鎖交磁束ベクトルλｍａｇを算出し、モータ６が当該着減磁量を達成した状態で目標トルクを出力する目標鎖交磁束ベクトルλｔを算出し、さらに、着減磁鎖交磁束ベクトルλｍａｇから目標鎖交磁束ベクトルλｔに至る指令鎖交磁束ベクトルλｃを算出する。なお、着磁及び減磁は同様の制御となるため、以下では、着磁制御を前提として説明する。

図３は、本実施形態のモータ制御装置１００が第２運転状態においてモータ６を制御する際のαβ座標上の鎖交磁束ベクトルを模式的に表した図である。図３で示すαβ座標は、モータ６のＵ相コイルの中心（Ｕ軸）と一致し、且つ、ロータのｄ軸と一致した際に磁石磁束を強める方向を正とするα軸と、α軸に対してロータ回転方向に電気角で９０°回転したβ軸とで構成される直交座標系である。図中の一点鎖線は、ロータのｄ軸の位置を示している。ロータのｄ軸は、上記のとおり着磁開始時点ではα軸と一致しているが、ロータは着磁動作中にも回転するので、着磁動作完了時点では、例えば、図示するようにβ軸に近い位置まで移動する。

図示するＭＧ点は、着磁量指令値ＭＳ^*により指令された目標となる着磁量を表している。すなわち、ＭＧ点まで引かれた鎖交磁束ベクトル１０１は、着磁時の鎖交磁束ベクトルλｍａｇである。着磁量指令値ＭＳ^*に応じた鎖交磁束ベクトルλｍａｇは、例えば、着磁量と当該着磁量を達成する鎖交磁束ベクトルとを対応づけたマップを予め記憶しておき、当該マップを参照することにより算出される。

目標鎖交磁束ベクトル１０２は、モータ６が、着磁量指令値ＭＳ^*で指令される目標着磁量に着磁された状態で目標トルク（トルク指令値Ｔ^*）を出力する目標鎖交磁束ベクトルλｔを表している。目標鎖交磁束ベクトルλｔは、例えば、磁化状態と、当該磁化状態により所定のトルクを出力する鎖交磁束ベクトルとを対応付けたマップを予め記憶しておき、当該マップを参照することにより算出される。

そして、鎖交磁束ベクトル１０３は、ＭＧ点から目標鎖交磁束ベクトルλｔに至る指令鎖交磁束ベクトルλｃである。指令鎖交磁束ベクトルλｃは、本実施形態におけるモータ６が適用されたαβ座標上の鎖交磁束ベクトルであって、永久磁石を所望の磁化状態に変化させ、且つ、着磁完了後に第２運転状態から第１運転状態に切り替わる際に、モータ６のトルクを目標トルクに速やかに収束させるための鎖交磁束ベクトルである。指令鎖交磁束ベクトルλｃは、以下式（１）を用いて算出される。

ただし、λｃｏｍａｎｄは、指令鎖交磁束ベクトルλｃを、λｔａｒｇｅｔは、目標鎖交磁束ベクトルλｔを、λｍａｇｎｅｔｉｚｅは、着減磁時の鎖交磁束ベクトル推定値λｍａｇを、Ｖｍａｘは、ＰＷＭ電圧インバータ５の最大出力電圧を、ωは、ロータ回転速度ωを、それぞれ示している。

上記式（１）により指令鎖交磁束ベクトルλｃが算出されると、鎖交磁束ＦＦ制御器１０は、指令鎖交磁束ベクトルλｃを実現する第２三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、及びＶｗ^*を算出して、切替器４に出力するとともに、第２三相電圧指令値の印加時間（スイッチング期間）を指令するためのスイッチング期間指令値ＴｓｗをＰＷＭ電圧インバータ５に出力する。すなわち、鎖交磁束ＦＦ制御器１０は、モータ６への印加電圧の振幅と位相成分（スイッチング期間）とを制御することにより、指令鎖交磁束ベクトルλｃを実現する。

また、鎖交磁束ＦＦ制御器１０は、ＰＷＭ電圧インバータ５に出力される電圧指令値を第１三相電圧指令値から第２三相電圧指令値に切り替えるための切替え指令Ｓｓｗを切替器４に出力する。切替え指令Ｓｓｗが入力された切替器４は、ＰＷＭ電圧インバータ５に出力する電圧指令値を第１三相電圧指令値から第２三相電圧指令値に切り替える。

そして、ＰＷＭ電圧インバータ５は、入力される第２三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*と、スイッチング周期を指令するためのスイッチング期間指令値Ｔｓｗとに基づいて、指令鎖交磁束ベクトルλｃを実現するＰＷＭ電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを、モータ６の各相に印加する。

この時、指令鎖交磁束ベクトルλｃ（１０３）は、目標の着磁量に着磁された磁化状態により目標トルクを出力する鎖交磁束ベクトルとして算出されているので、着磁制御を含む着磁制御区間（第２運転状態）の鎖交磁束ベクトルは、着磁制御区間完了時にはトルク指令値Ｔ^*に相当するトルク（目標トルク）を出力するように制御される。すなわち、鎖交磁束ＦＦ制御器１０は、着磁制御区間において、指令鎖交磁束ベクトルλｃを第２三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、及びＶｗ^*とで実現することにより、αβ座標上におけるモータの動作点を永久磁石を所望の磁化状態に変化させるＭＧ点からトルク指令値Ｔ^*に基づく目標トルクを出力する位置まで移動させる。

そして、鎖交磁束ＦＦ制御器１０は、着磁制御が完了した時に切替え指令Ｓｓｗを切替器４へ出力する。これにより、ＰＷＭ電圧インバータ５へ入力される電圧指令値が、第２三相電圧指令値から第１三相電圧指令値に切り替わる。換言すると、モータ６を制御する主体が、鎖交磁束ＦＦ制御器１０から、電流ＦＢ制御器２０に切り替わる。

この時、電流ＦＢ制御器２０には、上記の着磁制御によって着磁された磁化状態のモータ６がトルク指令値Ｔ^*に応じた目標トルクを出力させるための電流指令値ｉｄ^*、ｉｑ^*を入力しておく。そして、モータの動作点は、上記したとおりトルク指令値Ｔ^*に基づく目標トルクを出力可能な位置にある。したがって、鎖交磁束ＦＦ制御器１０による着磁制御から、電流ＦＢ制御器２０による負荷動作制御に速やかに移行することができる。

ただし、着磁制御中である第２運転状態中においても、電流ＦＢ制御器２０はＰＩ制御によりｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*を算出している。したがって、鎖交磁束ＦＦ制御器１０が鎖交磁束ベクトル制御を行っている期間中、電流ＦＢ制御器２０が備えるＰＩ制御器２１、２２が有する積分器には、電流指令値ｉｄ^*、ｉｑ^*とｄｑ軸実電流ｉｄ、ｉｑとの偏差が蓄積されてしまう。そうすると、電流ＦＢ制御器２０を主体とするモータ制御での第１三相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*は、積分器に蓄積された偏差分だけ目標トルクを出力するための所望の値から外れてしまう。すなわち、着磁制御完了後に、モータ６を制御する主体を鎖交磁束ＦＦ制御器１０から電流ＦＢ制御器２０に単に切り替えるのみでは、着磁制御期間中に積分器に蓄積された偏差によって目標トルクに一致するトルクを出力できないだけでなく、過電流を生じさせる可能性がある。

そこで、本実施形態では、鎖交磁束ＦＦ制御器１０から電流ＦＢ制御器２０へ制御主体を切り替える時には、電流ＦＢ制御器２０のＰＩ制御器２１、２２が有する積分器をリセットする。より具体的には、鎖交磁束ＦＦ制器１０は、着磁制御が完了した時に切替器４へ出力する切替え指令Ｓｓｗを、リセット信号Ｓｓｗとして電流ＦＢ制御器２０にも出力する。そして、電流ＦＢ制御器２０は、入力されるリセット信号Ｓｓｗに従って、ＰＩ制御器２１、２２が有する積分器をリセットする。これにより、着磁制御期間中に不必要に蓄積された偏差が負荷動作制御に反映されなくなるので、制御主体が鎖交磁束ＦＦ制御器１０から電流ＦＢ制御器２０へ切り替わっても、モータトルクを目標トルクにトルク段差を生じさせることなく速やかに収束させることができる。

なお、本実施形態のモータ制御装置１００は、上述のとおり、着磁制御時には、電流ＦＢ制御器２０から鎖交磁束ＦＦ制御器１０へ制御主体を切り替えて、鎖交磁束ＦＦ制御器１０によって負荷動作時とは別個に着磁制御を実行する。したがって、本実施形態のモータ制御装置１００は、鎖交磁束ＦＦ制御器１０による着磁制御をロータの回転（位相）に同期して行う必要がない。このため、例えば高速回転時においてトルクを弱める際に、弱め界磁制御をしながら同時に着磁制御を実行するような場面を回避することができ、着磁制御に要する電圧を抑制することができるので、従来のように着磁制御時の電圧不足分を補償するための追加の昇圧回路を不要とすることができる。その結果、モータ制御装置１００によってモータ６を制御する際の全体的な損失を抑え、全体効率の改善を図ることができる。

また、鎖交磁束ＦＦ制御器１０によって着磁制御を実行することで、着磁期間中にロータの回転（位相）に対して着磁界を同期させる必要がないので、ロータの高速回転時でもより確実に着磁を完了させることができる。すなわち、本実施形態のモータ制御装置１００は、鎖交磁束ＦＦ制御器１０によって着磁制御を実行することにより、従来に比べてより高速域での着減磁を可能とする。

また、本実施形態の電流ＦＢ制御器２０は、例えば図４に示すように、ｄ軸及びｑ軸に発生する速度起電力を補償するｄ－ｑ軸非干渉制御器２３を有して構成されてもよい。ｄ－ｑ軸非干渉制御器２３では、ＰＩ制御器２１の出力から、ｄ軸実電流ｉｄにｄ軸インダクタンスωＬｄを乗算して得たｄ軸干渉電圧を減算することによりｄ軸電圧指令値Ｖｄ^*を算出する。また、ＰＩ制御器２２の出力に対して、ｑ軸実電流ｉｑにｑ軸インダクタンスωＬｑを乗算して得たｑ軸干渉電圧を減算するとともに、永久磁石の鎖交磁束ωλｐｍを加算することによりｑ軸電圧指令値Ｖｑ^*を算出する。これにより、上記した積分器のリセット後でも、ｄ軸及びｑ軸に発生する速度起電力が補償された必要十分なｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*が出力されるので、制御主体が鎖交磁束ＦＦ制御器１０から電流ＦＢ制御器２０へ切り替わる際に、モータトルクを目標トルクによりトルク振動なく速やかに収束させることができる。なお、速度起電力とは、固定子巻線が励磁された状態でロータが回転する際に、回転速度に比例して発生する起電力である。

なお、ｄ－ｑ軸非干渉制御器２３で用いられるｄ軸インダクタンスωＬｄ、ｑ軸インダクタンスωＬｑ、および、鎖交磁束ωλｐｍは、推定値または固定値のどちらを用いてもよい。ただし、推定値を用いた方が、より目標トルクに一致したｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*を算出することができるので、モータトルクを目標トルクにより滑らかに収束させることができる。なお、推定方法は公知の方法を用いてよい。

以上の構成により、モータ制御装置１００は、着磁するための着減磁制御区間の後、通常の負荷動作における負荷動作制御区間に切り替わる際に、トルク段差が生じることに起因するトルク振動を発生させることなく、着磁制御完了後、ｄｑ軸電流指令値ｉｄ^*、ｉｑ^*に応じた目標トルクを出力するまでの時間（トルク応答性）を改善することができる。

以上、第１実施形態の可変磁力モータ６の制御装置１００は、駆動中に永久磁石の磁力を変化させる可変磁力モータ６の制御方法を実現するモータ制御装置１００である。モータ制御装置１００は、可変磁力モータ６に供給される電流をフィードバックする電流フィードバックＰＩ制御により走行要求に基づいて設定される目標トルクを出力するように当該可変磁力モータを制御する電流ＦＢ制御器２０と、当該目標トルクと同等のトルクを出力する指令鎖交磁束ベクトルを算出して、フィードフォワード制御により指令鎖交磁束ベクトルを実現するように可変磁力モータ６を制御する鎖交磁束フィードフォワード制御器１０と、を含む。そして、電流ＦＢ制御器２０による制御と鎖交磁束ＦＦ制御器１０による制御とを可変磁力モータ６の運転状態に応じて切り替える。上記の運転状態は、走行要求に基づいて設定される目標トルクを出力させる負荷動作制御が実行される状態と、永久磁石の磁力を変化させる着減磁制御が実行される状態とを含み、着減磁制御が実行される際にはフィードフォワード制御に切り替え、負荷動作制御が実行される際には電流フィードバックＰＩ制御に切り替える。

これにより、着減磁制御を負荷動作時の電流フィードバックＰＩ制御とは別個に実行することができるので、着減磁制御に要する電圧を抑制してシステム全体の効率改善を図ることができる。また、電流ＦＢ制御器２０による電流フィードバックＰＩ制御および鎖交磁束ＦＦ制御器１０によるフィードフォワード制御が同等のトルクを出力するように制御されるので、着減磁制御完了後、目標トルクに至るまでの応答時間（トルク応答性）を改善することができる。

また、第１実施形態の可変磁力モータの制御装置１００によれば、永久磁石が目標着減磁量に達した状態で目標トルクを出力する目標鎖交磁束ベクトルλｔを算出し、上記式（１）を用いて指令鎖交磁束ベクトルλｃを算出する。そして、フィードフォワード制御において、目標着減磁量を達成する着減磁を完了させた後に、指令鎖交磁束ベクトルλｃを実現するように可変磁力モータ６を制御する。これにより、着減磁制御完了後のトルク応答性能の改善を上記式（１）により実現することができる。

また、第１実施形態の可変磁力モータ６の制御装置１００によれば、鎖交磁束ＦＦ制御器１０によるフィードフォワード制御の完了時に、永久磁石が目標着減磁量に達した状態で目標トルクを出力する電流指令値に基づいて実行される電流フィードバックＰＩ制御に切り替える。これにより、目標着減磁を達成した後に目標トルクを維持した状態で、従来のモータ制御において用いられるＰＩ制御を活用しながら負荷動作制御に移行できるので、コストを増加させることなく、着減磁制御完了後のトルク応答性の改善を図ることができる。

また、第１実施形態の可変磁力モータ６の制御装置１００によれば、電流フィードバックＰＩ制御は、ｄ軸及びｑ軸の回転子同期座標系であるｄｑ座標系において電流ベクトルを目標値に収束させる電流ベクトル制御であって、フィードフォワード制御から電流フィードバックＰＩ制御に切り替わる時に、電流フィードバックＰＩ制御における積分値をリセットする。これにより、フィードフォワード制御期間中に電流フィードバックＰＩ制御で用いる積分器に蓄積された偏差をリセットすることができるので、トルク振動の発生を抑制して安定して電流ベクトル制御に移行することができる。

また、第１実施形態の可変磁力モータ６の制御装置１００によれば、電流フィードバックＰＩ制御は、ｄ軸及びｑ軸に発生する速度起電力を補償する非干渉制御を含む。これにより、トルク振動を発生させることなく安定して電流ベクトル制御に移行することができる。

［第２実施形態］
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、その説明を省略する。

図５は、第２実施形態のモータ制御装置２００がモータ６を鎖交磁束ベクトル制御する際のモータ６の動作点の軌跡を模式的に表した図である。ｄ軸はｄ軸電流ｉｄを表し、ｑ軸はｑ軸電流ｉｑを表している。実線で表す半円は、定格電流円を示しており、この円内がモータ６の動作点を制御可能な領域を示している。なお、ｄ軸ｑ軸の交点から右側の領域が強め界磁制御、左側の領域が弱め界磁制御の範囲である。

図中の点Ｆは、着磁制御完了時の動作点を示している。点Ｆは、第１実施形態において、目標鎖交磁束ベクトルλｔが目標とする動作点と略一致する点である。

図中の点線は、等トルク線である。モータ６の動作点が当該線上にある場合は、同じ大きさのトルクを出力することができる。すなわち、当該線上は、第１実施形態で述べた目標トルクを出力可能な動作点である。なお、図示する等トルク線の軌跡は本実施形態における例示であって、モータの設計（トルク重視、或いは回転数重視等）によって異なるので、モータ６がどのように設計されているかによって適宜設定されてよい。

そして、点Ｈは、目標トルクを出力可能な動作点において、最も効率が高い最高効率点である。

ここで、着磁可能なロータ回転数の向上の観点からは、可能な限りｄ軸電流値が大きい動作点で着磁制御を完了させるように、目標鎖交磁束ベクトルλｔを定めることが好ましい。一方で、モータ効率の観点からは、最小電流で最大のトルクが得られるように制御することが一般的には望ましく、これは、上記の目標鎖交磁束ベクトルλｔと異なる場合がある。

本実施形態では、モータ６の動作点が着磁制御完了時点において点Ｆに到達した後、制御主体が電流ＦＢ制御器２０に切り替わった際に、電流ＦＢ制御器２０による電流フィードバックＰＩ制御によって、動作点を点Ｆから等トルク線を辿って点Ｈに移動させる。これにより、可能な限りｄ軸電流値が大きい動作点で着磁制御を完了させた後に、最小電流で最大のトルクが得られる動作点にて目標トルクを出力することができるので、着磁可能な回転数を拡大させつつ、モータ６の効率を高めることができる。

以上、第２実施形態の可変磁力モータ６の制御装置２００によれば、電流フィードバックＰＩ制御は、ｄ軸及びｑ軸の回転子同期座標系であるｄｑ座標系において電流ベクトルを目標値に収束させる電流ベクトル制御である。電流フィードバックＰＩ制御では、フィードフォワード制御から切り替わった時に、可変磁力モータ６の動作点を可変磁力モータ６が制御可能な電流範囲を規定する電流定格円上において目標トルクを出力する動作点から、目標トルクを出力し、且つ、最高効率となる動作点まで等トルク線上を辿って移動させる。これにより、着磁可能な回転数を拡大させつつ、モータの効率を高めることができる。

［第３実施形態］
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、その説明を省略する。

図６は、第３実施形態のモータ制御装置３００がモータ６を制御する際のαβ座標上の鎖交磁束ベクトルを模式的に表した図である。本実施形態による制御が第１実施形態と異なる点は、着磁制御中において、ＭＧ点から目標鎖交磁束ベクトルλｔに至る軌跡上に折れ点λｋ（中間鎖交磁束ベクトルλｋ）を設けたことである。

中間鎖交磁束ベクトルλｋは、以下式（２）に基づいて決定される。

ただし、λｋは中間鎖交磁束ベクトルλｋを、λｋ－１は、中間鎖交磁束ベクトルλｋの前回値を、λｃｏｍａｎｄは、指令鎖交磁束ベクトルλｃ（３０１）を、λｔａｒｇｅｔは、目標鎖交磁束ベクトルλｔを、λｍａｇｎｅｔｉｚｅは、着減磁時の鎖交磁束ベクトルλｍａｇを、Ｖｍａｘは、ＰＷＭ電圧インバータ５の最大出力電圧を、ωは、ロータ回転速度ωを、それぞれ示している。

本実施形態では、上記式（２）に基づいて中間鎖交磁束ベクトルλｋを定め、定めた中間鎖交磁束ベクトルλｋを経由して目標鎖交磁束ベクトルλｔに至るような指令鎖交磁束ベクトルλｃ（３０１）を実現するようにモータ６を制御する。これにより、可変磁力モータ６の動作点は、より短い時間で着磁を完了させた後に、目標トルクを出力可能な動作点へと移動していくので、より高回転領域での着磁を可能とし、かつ、着磁制御期間中のトルク変動をより低減することができる。

また、中間鎖交磁束ベクトルλｋを鎖交磁束のｄｑ平面上で表すと、以下のように表すことができる。

図７は、ｄｑ座標系における中間鎖交磁束ベクトルλｋを説明するための図である。ｄ軸はｄ軸鎖交磁束λｄを表し、ｑ軸はｑ軸鎖交磁束λｑを表している。実線で表す半円は、定格鎖交磁束円を示しており、この円内がｄｑ平面上において実現可能な鎖交磁束の範囲を示している。また、ＭＧ点から目標鎖交磁束ベクトルλｔまで引いた線は、第１実施形態で述べた指令鎖交磁束ベクトルλｃ（１０３）を示している。

図示するｄｑ平面を参照すれば、中間鎖交磁束ベクトルλｋ（折れ点λｋ）は、ＭＧ点から定格鎖交磁束円に引いた接線との交点で表される。中間鎖交磁束ベクトルλｋをこのように規定することにより、着磁可能回転数をさらに拡大することができ、より高速回転中においても着磁制御を完了させることができる。また、着磁可能回転数の観点から言えば、折れ点λｋを上述の接点に設定するのが最も好ましいが、折れ点λｋは、図中のＭＧ点と、折れ点λｋと、目標鎖交磁束ベクトルλｔの到達点とを結ぶ三角形の領域内に設定されてもよい。この領域内に折れ点λｋが設定されれば、第１実施形態での指令鎖交磁束ベクトルλｃ（１０３）のみによって着磁制御を完了させるのに比べて、着磁可能回転数を拡大することができる。

以上、第３実施形態の可変磁力モータ６の制御装置３００によれば、永久磁石が目標着減磁量に達した状態で目標トルクを出力する目標鎖交磁束ベクトルを算出し、上記式（２）を用いて中間鎖交磁束ベクトルλｋを算出し、フィードフォワード制御において、目標着減磁量を達成する着減磁を完了させた後に、中間鎖交磁束ベクトルλｋを経由して目標鎖交磁束ベクトルλｔに至る指令鎖交磁束ベクトルλｃを実現するように可変磁力モータ６を制御する。これにより、より高回転領域での着磁を可能としながら、フィードフォワード制御期間中のトルク変動を最小化でき、車両の振動をより抑制することができる。

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、及びその変形例は、適宜組み合わせ可能である。

例えば、可変磁力モータ６が備える永久磁石は、その全てが低保磁力磁石である必要は必ずしもなく、高保磁力磁石と組み合わせて用いられてもよい。

また、可変磁力モータ６の運転状態は、上述の第１運転状態と第２運転状態には限られない。例えば、可変磁力モータ６の動作中において発生し得る過渡的なトルクリップルを低減するための制御区間を第３運転状態と定義してもよい。その場合は、可変磁力モータ６の制御装置は、電流ＦＢ制御器２０による負荷動作制御（第１運転状態）と、鎖交磁束ＦＦ制御器１０によるトルクリップル低減制御（第３運転状態）とで、制御主体を切り替えるように構成されてよい。

６…可変磁力モータ
１０…フィードフォワード制御器（鎖交磁束ＦＦ制御器）
２０…ＰＩ制御器（電流ＦＢ制御器）
１００、２００、３００…コントローラ

Claims (7)

1. 駆動中に永久磁石の磁力を変化させる可変磁力モータの制御方法であって、
   前記可変磁力モータに供給される電流をフィードバックする電流フィードバックＰＩ制御により、走行要求に基づいて設定される目標トルクを出力するように当該可変磁力モータを制御するＰＩ制御ステップと、
   前記目標トルクと同等のトルクを出力する指令鎖交磁束ベクトルを算出して、フィードフォワード制御により前記指令鎖交磁束ベクトルを実現するように前記可変磁力モータを制御するフィードフォワード制御ステップと、を含み、
   前記ＰＩ制御ステップと前記フィードフォワード制御ステップとを前記可変磁力モータの運転状態に応じて切り替え、
   前記運転状態は、前記目標トルクを出力させる負荷動作制御が実行される状態と、前記永久磁石の磁力を変化させる着減磁制御が実行される状態とを含み、
   前記着減磁制御が実行される際には前記フィードフォワード制御ステップに切り替え、前記着減磁制御が完了して前記負荷動作制御が実行される際には前記ＰＩ制御ステップに切り替え、
   前記永久磁石が目標着減磁量に達した状態で前記目標トルクを出力する目標鎖交磁束ベクトルを算出し、
   下記式（１）を用いて前記指令鎖交磁束ベクトルを算出し、
   前記フィードフォワード制御ステップにおいて、前記目標着減磁量を達成する着減磁を完了させた後に、前記指令鎖交磁束ベクトルを実現するように前記可変磁力モータを制御する、
   ことを特徴とする可変磁力モータの制御方法。
   

   

   ただし、上記式（１）において、λｃｏｍａｎｄは指令鎖交磁束ベクトル、λｔａｒｇｅｔは目標鎖交磁束ベクトル、λｍａｇｎｅｔｉｚｅは着減磁時の鎖交磁束ベクトル、Ｖｍａｘは前記可変磁力モータを駆動するインバータの最大出力電圧、ωは前記可変磁力モータのロータ回転速度ωを示す。
2. 前記フィードフォワード制御ステップの完了時に、前記永久磁石が目標着減磁量に達した状態で前記目標トルクを出力する電流指令値に基づいて実行される前記ＰＩ制御ステップに切り替える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変磁力モータの制御方法。
3. 前記電流フィードバックＰＩ制御は、ｄ軸及びｑ軸の回転子同期座標系であるｄｑ座標系において電流ベクトルを目標値に収束させる電流ベクトル制御であって、
   前記フィードフォワード制御ステップから前記ＰＩ制御ステップに切り替わる時に、前記電流フィードバックＰＩ制御における積分値をリセットする、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の可変磁力モータの制御方法。
4. 前記電流フィードバックＰＩ制御は、前記ｄ軸及びｑ軸に発生する速度起電力を補償する非干渉制御を含む、
   ことを特徴とする請求項３に記載の可変磁力モータの制御方法。
5. 前記電流フィードバックＰＩ制御は、ｄ軸及びｑ軸の回転子同期座標系であるｄｑ座標系において電流ベクトルを目標値に収束させる電流ベクトル制御であって、
   前記ＰＩ制御ステップでは、前記フィードフォワード制御ステップから切り替わった時に、前記可変磁力モータの動作点を前記可変磁力モータが制御可能な電流範囲を規定する電流定格円上において前記目標トルクを出力する動作点から、前記目標トルクを出力し、且つ、最高効率となる動作点まで等トルク線上を辿って移動させる、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の可変磁力モータの制御方法。
6. 駆動中に永久磁石の磁力を変化させる可変磁力モータの制御方法であって、
   前記可変磁力モータに供給される電流をフィードバックする電流フィードバックＰＩ制御により、走行要求に基づいて設定される目標トルクを出力するように当該可変磁力モータを制御するＰＩ制御ステップと、
   前記目標トルクと同等のトルクを出力する指令鎖交磁束ベクトルを算出して、フィードフォワード制御により前記指令鎖交磁束ベクトルを実現するように前記可変磁力モータを制御するフィードフォワード制御ステップと、を含み、
   前記ＰＩ制御ステップと前記フィードフォワード制御ステップとを前記可変磁力モータの運転状態に応じて切り替え、
   前記運転状態は、前記目標トルクを出力させる負荷動作制御が実行される状態と、前記永久磁石の磁力を変化させる着減磁制御が実行される状態とを含み、
   前記着減磁制御が実行される際には前記フィードフォワード制御ステップに切り替え、前記着減磁制御が完了して前記負荷動作制御が実行される際には前記ＰＩ制御ステップに切り替え、
   前記永久磁石が目標着減磁量に達した状態で前記目標トルクを出力する目標鎖交磁束ベクトルを算出し、
   下記式（２）を用いて中間鎖交磁束ベクトルを算出し、
   前記フィードフォワード制御ステップにおいて、前記目標着減磁量を達成する着減磁を完了させた後に、前記中間鎖交磁束ベクトルを経由して前記目標鎖交磁束ベクトルに至る前記指令鎖交磁束ベクトルを実現するように前記可変磁力モータを制御する、
   ことを特徴とする可変磁力モータの制御方法。
   

   

   
   ただし、上記式（２）において、λｋは中間鎖交磁束ベクトル、λｃｏｍａｎｄは指令鎖交磁束ベクトル、λｔａｒｇｅｔは目標鎖交磁束ベクトル、λｍａｇｎｅｔｉｚｅは着減磁時の鎖交磁束ベクトル、Ｖｍａｘは前記可変磁力モータを駆動するインバータの最大出力電圧、ωは前記可変磁力モータのロータ回転速度を示す。
7. 駆動中に永久磁石の磁力を制御するコントローラを備えた可変磁力モータの制御装置であって、
   前記コントローラは、
   前記可変磁力モータに供給される電流をフィードバックする電流フィードバックＰＩ制御により、走行要求に基づいて設定される目標トルクを出力するように当該可変磁力モータを制御するＰＩ制御器と、
   前記目標トルクと同等のトルクを出力する指令鎖交磁束ベクトルを算出して、フィードフォワード制御により前記指令鎖交磁束ベクトルを実現するように前記可変磁力モータを制御するフィードフォワード制御器と、を備え、
   前記ＰＩ制御器による制御と前記フィードフォワード制御器による制御とを前記可変磁力モータの運転状態に応じて切り替え、
   前記運転状態は、前記目標トルクを出力させる負荷動作制御が実行される状態と、前記永久磁石の磁力を変化させる着減磁制御が実行される状態とを含み、
   前記着減磁制御が実行される際には前記フィードフォワード制御ステップに切り替え、前記着減磁制御が完了して前記負荷動作制御が実行される際には前記ＰＩ制御ステップに切り替え、
   前記永久磁石が目標着減磁量に達した状態で前記目標トルクを出力する目標鎖交磁束ベクトルを算出し、
   下記式（１）を用いて前記指令鎖交磁束ベクトルを算出し、
   前記フィードフォワード制御ステップにおいて、前記目標着減磁量を達成する着減磁を完了させた後に、前記指令鎖交磁束ベクトルを実現するように前記可変磁力モータを制御する、
   ことを特徴とする可変磁力モータの制御装置。
   

   

   
   ただし、上記式（１）において、λｃｏｍａｎｄは指令鎖交磁束ベクトル、λｔａｒｇｅｔは目標鎖交磁束ベクトル、λｍａｇｎｅｔｉｚｅは着減磁時の鎖交磁束ベクトル、Ｖｍａｘは前記可変磁力モータを駆動するインバータの最大出力電圧、ωは前記可変磁力モータのロータ回転速度ωを示す。

Images