JP2008187861A

JP2008187861A - モータ制御装置、モータ制御方法及び車両用駆動制御装置

Info

Publication number: JP2008187861A
Application number: JP2007021163A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Momose; 友昭百瀬; Yoshinori Sugita; 喜徳杉田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-14

Abstract

【課題】界磁コイルの温度上昇に起因するモータの加熱をより適切に防止すること。
【解決手段】モータ４の界磁コイル１０の抵抗値を検出し、その検出結果に基づいて界磁コイル１０の温度を推定するようにした。そのため、界磁コイル１０の温度を精度よく検出でき、例えば、ステータコイル１２の温度に基づいてモータ４の出力制限を行う方法に比べ、界磁コイル１０の温度上昇に起因するモータ４の加熱をより適切に防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータの出力を制御するモータ制御装置、モータ制御方法及び車両用駆動制御装置に関する。

従来、この種の技術としては、例えば、ステータコイルの温度が設定温度以上となると、モータの出力トルクに制限をかけることで、モータの加熱によって不具合が生じることを防止するモータ制御装置がある（例えば、特許文献１参照）。
このようなモータ制御装置にあっては、通常、モータの回転数が高く、モータの磁気回路による渦電流損やヒステリシス損（鉄損）が増大して、ステータコイルの発熱量よりも、ロータコイルの発熱量が増大し、モータが加熱される場合には、モータの出力トルクの制限の開始温度（前記設定温度）を下げるようになっている。
特開２０００―１８４５０２号公報、図２

しかしながら、上記従来の技術にあっては、ロータコイルの発熱量の増大時には、単に、モータの出力トルクの制限の開始温度を下げ、出力トルクの制限を早いタイミングで開始するだけであるため、モータの加熱を適切に防止することが難しかった。
本発明は、上記従来の技術に鑑みてなされたものであって、ロータの温度上昇に起因するモータの加熱をより適切に防止可能なモータ制御装置、モータ制御方法及び車両用駆動制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るモータ制御装置は、モータのロータに巻かれているコイルの抵抗値を検出し、その抵抗値に基づいて前記コイルの温度を推定し、その温度に基づいて前記モータの出力制限を行うようにしたことを特徴とする。

本発明に係るモータ制御装置にあっては、ロータに巻かれているコイルの温度を精度よく検出できるため、例えば、ステータの温度に基づいてモータの出力制限を行う方法に比べ、ロータの温度上昇に起因するモータの加熱をより適切に防止することができる。

以下、本発明を適用した車両の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜構成＞
図１は、本実施形態の車両の概略構成を示す構成図である。この図１に示すように、モータ制御装置は、エンジン１、発電機２、インバータ３、モータ４、モータ温度センサ５、電流検出センサ６、回転センサ７、及び４ＷＤ(Wheel Drive)制御回路８を含んで構成される。

エンジン１は、運転者のアクセル操作に従って駆動力を発生し、その駆動力によって前輪９及び発電機２を回転駆動する。
発電機２は、エンジン１によってロータが回転駆動され、その回転速度と界磁の磁束とに応じた電力を発生してインバータ３に出力する。
インバータ３は、４ＷＤ制御回路８から出力される駆動制御信号に従って、発電機２から供給される電力を用いてモータ４に交流電流を供給する。

モータ４は、界磁巻き線型同期モータであり、図２に示すように、界磁コイル１０が巻かれており、界磁コイル１０を流れる電流によって磁束を発生するロータ１１と、ロータ１１の周囲に配され、ステータコイル１２が巻かれており、ステータコイル１２を流れる電流（インバータ３から出力される交流電流）によって磁束を発生するステータ１３と、ロータ１１とステータ１３とを覆うハウジング１４と、を含んで構成される。

そして、モータ４は、ロータ１１で発生される磁束とステータ１３で発生される磁束とによって駆動力を発生し、その駆動力で減速機１５及びクラッチ１６を介して後輪１７を回転駆動する。
ここで、モータ４が発生するトルクＴは、モータ４の極対数Ｐ、鎖交時速数φ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑに基づき、下記（１）式で表される。
Ｔ＝Ｐ×φ×Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ・・・（１）

さらに、界磁コイル１０で発生される磁束をφ’とすると、前記（１）式は下記（２）式で表される。
Ｔ＝Ｐ×φ’×Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ・・・（２）
また、Ｕ、Ｖ、Ｗ相それぞれのステータコイル１２に流れる電流Ｉｕは、下記（３）式で表される。
Ｉｕ＝（（Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２）／３）^１／２・・・（３）
つまり、モータ４で大きなトルクＴを発生するためには、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の電流Ｉｕを大きな値とする必要がある。また、ステータコイル１２の電流Ｉｕが大きな値となると、ステータコイル１２の抵抗による銅損Ｉ^２×Ｒ（Ｉ：電流、Ｒ：相抵抗）が発生する。
そのため、モータ４のトルクＴが大きい場合には（回転数が低い場合には）、銅損が増大してステータコイル１２が発熱し、モータ４が加熱される。

一方、モータ４の磁気回路による渦電流損及びヒステリシス損の総和である鉄損Ｗｃは、渦電流損失Ｗｅ、ヒステリシス損Ｗｈ（渦電流損失β、スイッチング周波数ｆ、磁束密度Ｂｍ、ヒス損定数α）に基づき、下記（４）式で表される。
Ｗｃ＝Ｗｅ＋Ｗｈ・・・（４）
Ｗｅ＝β×ｆ^２×Ｂｍ
Ｗｈ＝α×ｆ×Ｂｍ^２
つまり、鉄損Ｗｃは、界磁コイル１０を流れる交流電流の周波数の約１．５〜２乗に比例し、モータ４の回転数が高くなるほど増大する。

そのため、モータ４の回転数が高い場合には、鉄損が増大して、ステータコイル１２の発熱量よりも、界磁コイル１０の発熱量が増大し、モータ４が加熱される。
モータ温度センサ５は、図３に示すように、ステータコイル１２の近傍に配され、サーミスタ（周囲の温度に応じて抵抗値が変わる素子）を用いてステータコイル１２の温度を検出し、その検出結果（温度測定値）を４ＷＤ制御回路８に出力する。

電流検出センサ６は、図４に示すように、シャント抵抗１８を用いて界磁コイル１０を流れる電流を検出し、その検出結果（電流測定値）を４ＷＤ制御回路８に出力する。
回転センサ７は、モータ４（ロータ１１）の回転数を検出し、その検出結果（回転信号）を４ＷＤ制御回路８に出力する。
４ＷＤ制御回路８は、運転者による操作と車両の状態量（電流検出センサ６から出力される電流測定値）とに基づき、界磁コイル１０への供給電流を制御してモータ４を駆動させる（モータ４の出力を制御する）駆動制御信号をインバータ３に出力する。

また、４ＷＤ制御回路８は、モータコントローラ１９を含んで構成される。
モータコントローラ１９は、所定時間（例えば、１０ｍｓｅｃ．）が経過するたびにモータ出力制限処理を実行し、モータ温度センサ５、電流検出センサ６、回転センサ７から出力される検出結果に基づいてモータ４の運転状態（動作点）を判定し、その判定結果に基づいてステータコイル１２の温度又は界磁コイル１０の温度をモータ温度Ｔｍとし、そのモータ温度Ｔｍがトルク制限しきい値Ｔｔｈ以上となるとトルク制限制御（モータ４の回転数を設定閾値以下に制限する制御）を行い、モータ温度Ｔｍがフェール温度Ｔｆ以上となると運転停止（モータ４の回転数を０とする制御）を行う。

なお、その際、図５及び図６に示すように、モータ４の回転数が低〜中回転数域にある場合には、銅損が増大してステータコイル１２が発熱することで、界磁コイル１０よりも、ステータコイル１２の温度が上昇し、モータ４が加熱されるため、モータ４の温度としてステータ１３の温度を用いる（モータ温度センサ５の検出結果を用いる）。
また、図７に示すように、モータ４の回転数が高回転数域にある場合には、鉄損が増大して界磁コイル１０の発熱量が増大し、ステータコイル１２よりも、界磁コイル１０の温度が上昇し、モータ４が加熱されるため、モータ４の温度として界磁コイル１０の温度を用いる（電流検出センサ６の検出結果から推定される温度を用いる）。

さらに、図８に示すように、モータ４の回転数が極低回転数域にあり、且つ、モータ４の出力トルクが高トルク域にある極低回転・高トルク状態である場合には、極低回転・高トルク状態になってからの経過時間が制限時間（モータ４の温度に応じた時間）以上となるとトルク制限制御を行い、経過時間がフェール時間以上となると運転停止を行う。

＜モータ出力制限処理の説明＞
次に、モータコントローラ１９で実行されるモータ出力制限処理を図９のフローチャートに基づいて説明する。このモータ出力制限処理は、所定時間が経過するたびに実行される処理であって、まず、そのステップＳ１で、この演算処理が以前実行されたときに設定されたモータ温度Ｔｍ及びトルク制限しきい値Ｔｔｈに基づき、Ｔｍ≧Ｔｔｈであるか否かを判定する。そして、Ｔｍ＜Ｔｔｈである場合には（Ｎｏ）ステップＳ２に移行し、Ｔｍ≧Ｔｔｈである場合には（Ｙｅｓ）ステップＳ１０に移行する。

なお、この演算処理が以前に一度も実行されたことがないときには、この演算処理が以前実行されたときに設定されたモータ温度Ｔｍとしてサーミスタから出力される温度測定値に応じた温度を用い、トルク制限しきい値Ｔｔｈとして予め設定された値を用いる。
前記ステップＳ２では、４ＷＤ制御回路８から出力される駆動制御信号（トルク指令値）と回転センサ７から出力されるモータ４の回転数とに基づき、図１０の制御マップ（トルク指令値と回転数との組み合わせに応じて、モータ４の動作状態を規定するマップ）に従ってモータ４の動作状態（動作点）が第１領域（モータ４の回転数が極低回転数域（０〜１００ｒｐｍ）にあり且つモータ４の出力が高トルク域（４０〜５０Ｎｍ）にある領域）、第３領域（モータ４の回転数が高回転数域（８５００〜１００００ｒｐｍ）にある領域）、第２領域（モータ４の回転数が低〜中回転数域にある領域、第１領域及び第３領域のいずれにも含まれない領域）のいずれの領域にあるかを判定する。そして、第１領域にある場合には（第１領域）ステップＳ３に移行し、第２領域にある場合には（第２領域）ステップＳ６に移行し、第３領域にある場合には（第３領域）ステップＳ８に移行する。

前記ステップＳ３では、モータ温度センサ５から出力される温度測定値に基づいてステータコイル１２の温度を検出する。
次にステップＳ４に移行して、前記ステップＳ３で検出されたステータコイル１２の温度（モータ温度）に基づき、図１１の制御マップ（モータ温度が高いほど制限時間を短くするマップ）に従って制限時間を算出する。

次にステップＳ５に移行して、モータ４の動作状態が第１領域の状態になってからの経過時間（制限実時間）をモータ温度Ｔｍとし、前記ステップＳ４で設定された制限時間をトルク制限しきい値Ｔｔｈとし、予め設定された時間（トルク制限しきい値Ｔｔｈより長い時間、フェール時間）をフェール温度Ｔｆとしてから、この演算処理を終了する。
一方、前記ステップＳ６では、モータ温度センサ５から出力される温度測定値に基づいてステータコイル１２の温度を検出する。

次にステップＳ７に移行して、前記ステップＳ６で検出されたステータ１３の温度（モータ温度）をモータ温度Ｔｍとし、予め設定された温度（ステータ温度しきい値）をトルク制限しきい値Ｔｔｈとし、ステータ温度しきい値より高い温度（ステータフェール温度）をフェール温度Ｔｆとしてから、この演算処理を終了する。
一方、前記ステップＳ８では、電流検出センサ６から出力される電流測定値Ｉ_ｆに基づき、下記（５）式に従って界磁コイル１０の抵抗値Ｒｆを算出し、その算出結果に基づいて、図１２の制御マップ（界磁コイル１０の抵抗値が大きいほど界磁コイル１０の温度を高めに推定するマップ）に従って界磁コイル１０の温度を推定する。
Ｒｆ＝（Ｖ_ＢＡＴ−Ｉ_ｆ×（Ｒ_ＳＬ１＋Ｒ_ＳＬ２＋Ｒ_ＳＨ＋Ｒ_ＦＥ）／Ｉ_ｆ・・・（５）

次にステップＳ９に移行して、前記ステップＳ８で推定された界磁コイル１０の温度をモータ温度Ｔｍとし、予め設定された温度（ロータ温度しきい値）をトルク制限しきい値Ｔｔｈとし、ロータ温度しきい値より高い温度（ロータフェール温度）をフェール温度Ｔｆとしてから、この演算処理を終了する。
一方、前記ステップＳ１０では、この演算処理が以前実行されたときに設定されたモータ温度Ｔｍ及びフェール温度Ｔｆに基づき、Ｔｍ≧Ｔｆであるか否かを判定する。そして、Ｔｍ＜Ｔｆである場合には（Ｎｏ）ステップＳ１１に移行し、Ｔｍ≧Ｔｆである場合には（Ｙｅｓ）ステップＳ１２に移行する。
前記ステップＳ１１では、トルク制限処理を行ってから、この演算処理を終了する。
一方、前記ステップＳ１２では、運転停止を行ってから、この演算処理を終了する。

＜具体的動作＞
次に、本実施形態の車両用駆動装置の動作を具体的状況に基づいて説明する。
まず、車両の走行速度が高く、モータ４の回転数が高いため、鉄損が増大して界磁コイル１０の発熱量が増大し、モータ４の温度が上昇しているときに（モータ温度Ｔｍがトルク制限しきい値Ｔｔｈより低いが、モータ４の回転数が高回転数域（８５００〜１００００ｒｐｍ）にあるときに）、モータコントローラ１９でモータ出力制限処理が実行されたとする。すると、図９に示すように、まず、そのステップＳ１の判定が「Ｎｏ」となり、ステップＳ２の判定が「第３領域」となり、ステップＳ８で、電流検出センサ６から出力される電流測定値に基づいて界磁コイル１０の抵抗値が算出され、その算出結果に基づいて界磁コイル１０の温度が推定される。また、ステップＳ９で、その界磁コイル１０の温度がモータ温度Ｔｍとされ、ロータ温度しきい値がトルク制限しきい値Ｔｔｈとされ、ロータフェール温度がフェール温度Ｔｆとされた後、この演算処理を終了する。そして、所定時間が経過するたびに、上記フローがステップＳ１から繰り返し実行される。

上記フローが繰り返されるうちに、界磁コイル１０の発熱量の増大により、モータ温度Ｔｍがトルク制限しきい値Ｔｔｈより高く且つフェール温度Ｔｆより低い温度になったとする。すると、前記ステップＳ１の判定が「Ｙｅｓ」となり、ステップＳ１０の判定が「Ｎｏ」となり、ステップＳ１１で、トルク制限制御が行われ、モータ４の回転数が設定閾値以下に制限された後に、この演算処理を終了する。
そして、モータ４の回転数が低減することで、鉄損が減少して界磁コイル１０の発熱量が減少し、モータ４の加熱が抑制され、モータ４の温度が低下する。

以上、図１及び図３の電流検出センサ６、図１の４ＷＤ制御回路８、図３のモータコントローラ１９、図９のステップＳ８が特許請求の範囲に記載のコイル抵抗値検出手段を構成し、以下同様に、図９のステップＳ８がロータ温度推定手段を構成し、図９のステップＳ１、Ｓ１０及びＳ１１がモータ出力制限手段を構成し、図１及び図３のモータ温度センサ、図１の４ＷＤ制御回路８、図３のモータコントローラ１９、図９のステップＳ６がステータ温度検出手段を構成し、図９のステップＳ１、Ｓ１０及びＳ１１が第２モータ出力制限手段を構成し、図１及び図３の回転センサ７がモータ回転数検出手段を構成し、図９のステップＳ２が状態判定手段を構成し、図９のステップＳ１及びＳ５が経過時間判定手段を構成し、図９のステップＳ１、Ｓ１０及びＳ１１が制限実行手段を構成し、図１のエンジン１が内燃機関を構成し、図１及び図３の電流検出センサ６が電流検出手段を構成し、図１の４ＷＤ制御回路８が制御手段を構成する。

＜作用・効果＞
（１）このように、本実施形態のモータ制御装置にあっては、モータ４の界磁コイル１０の抵抗値を検出し、その抵抗値に基づいて界磁コイル１０の温度を推定し、その温度に基づいてモータ４の出力制限を行うようにしたため、界磁コイル１０の温度を精度よく検出でき、例えば、ステータコイル１２の温度に基づいてモータ４の出力制限を行う方法に比べ、界磁コイル１０の温度上昇に起因するモータ４の加熱をより適切に防止できる。
また、例えば、モータ４の回転数が高くなり、界磁コイル１０が発熱しているときに、ステータコイル１２の温度に対するモータ４の出力の制限の開始温度を低下させる方法と異なり、モータ４の出力の制限を適切なタイミングで行うことができ（モータ４の出力の制限が必要以上に早いタイミングで開始されることを防止でき）、モータ４の動作範囲を広げて動作時間を延ばし、モータ４の出力性能を向上することができる。

（２）さらに、ステータコイル１２の温度がステータ温度しきい値以上である場合にトルク制限制御を行うようにした。そのため、回転数が低く、ステータコイル１２が発熱しているときに、モータ４の出力を制限し、ステータコイル１２の発熱を抑制でき、ステータコイル１２の温度上昇に起因するモータ４の加熱を適切に防止することができる。

（３）また、モータ４の回転数が極低回転数域にあり、且つ、モータ４の出力トルクが高トルク域にある極低回転・高トルク状態である場合には、極低回転・高トルク状態になってからの経過時間が制限時間以上となるとトルク制限制御を行うようにした。そのため、ステータコイル１２の温度に基づいてモータ４の出力制限を行う方法と異なり、モータ温度センサ５の応答性を向上させる必要がなく、コストを抑えて、ステータコイル１２の温度上昇に起因するモータ４の加熱をより適切に防止することができる。

（４）一方、本実施形態のモータ制御方法にあっては、モータ４の界磁コイル１０の抵抗値を検出し、その検出結果に基づいて界磁コイル１０の温度を推定するようにした。そのため、界磁コイル１０の温度を精度よく検出でき、例えば、ステータコイル１２の温度に基づいてモータ４の出力制限を行う方法に比べ、界磁コイル１０の温度上昇に起因するモータ４の加熱をより適切に防止することができる。

（５）また、本実施形態の車両用駆動制御装置にあっては、モータ４の制御に用いられる界磁コイル１０の電流値に基づいて界磁コイル１０の抵抗値を検出するようにしたため、界磁コイル１０の温度検出用の専用センサを設ける必要がなく、コストを抑えて、界磁コイル１０の温度上昇に起因するモータ４の加熱をより適切に防止することができる。

車両の概略構成を示す構成図である。図１のモータを拡大して示す要部拡大図である。図１のモータ温度センサ、電流検出センサ及び回転センサの配置を示す構成図である。図１の電流検出センサを拡大して示す要部拡大図である。モータの回転数と出力トルクとによって決まるモータの動作状態を説明するための説明図である。モータの回転数が低〜中回転数域にある場合におけるステータ温度とロータ温度との関係を説明するための説明図である。モータの回転数が高回転数域にある場合におけるステータ温度とロータ温度との関係を説明するための説明図である。モータの回転数が極低回転数域であり且つ出力トルクが高トルク域にある場合におけるステータ温度とロータ温度との関係を説明するための説明図である。モータ出力制御処理のフローを示すフローチャートである。モータの回転数とトルク指令値とによって決まる各領域を規定する制御マップである。モータ温度と制限時間との関係を規定する制御マップである。界磁コイルの抵抗値と温度との関係を規定するマップである。

符号の説明

１はエンジン、２は発電機、３はインバータ、４はモータ、５はモータ温度センサ、６は電流検出センサ、７は回転センサ、８は４ＷＤ制御回路、９は前輪、１０は界磁コイル、１１はロータ、１２はステータコイル、１３はステータ、１４はハウジング、１５は減速機、１６はクラッチ、１７は後輪、１８はシャント抵抗、１９はモータコントローラ

Claims

制御対象であるモータのロータに巻かれているコイルの抵抗値を検出するコイル抵抗値検出手段と、前記コイル抵抗値検出手段で検出された前記コイルの抵抗値に基づいて前記コイルの温度を推定するロータ温度推定手段と、前記ロータ温度推定手段で推定された前記コイルの温度に基づいて前記モータの出力を制限するモータ出力制限手段と、を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
前記モータ出力制限手段は、前記ロータ温度取得手段で推定された前記コイルの温度が第１閾値以上である場合に前記モータの出力を制限し、
前記モータのステータに巻かれているコイルの温度を検出するステータ温度検出手段と、前記ステータ温度検出手段で検出された前記コイルの温度が第２閾値以上である場合に前記モータの出力を制限する第２モータ出力制限手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
前記モータの回転数を検出するモータ回転数検出手段と、前記モータの出力トルクを検出する出力トルク検出手段と、前記モータ回転数検出手段で検出された前記モータの回転数が回転数閾値より低く且つ前記出力トルク検出手段で検出された前記モータの出力トルクがトルク閾値より大きい極低回転・高トルク状態であるか否かを判定する状態判定手段と、前記状態判定手段で極低回転・高トルク状態であると判定されるようになってからの経過時間が時間閾値以上であるか否かを判定する経過時間判定手段と、前記経過時間判定手段で前記経過時間が時間閾値制限であると判定されると前記モータの出力を制限する制限実行手段と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
制御対象であるモータのロータに巻かれているコイルの抵抗値を検出し、その抵抗値に基づいて前記コイルの温度を推定し、その温度に基づいて前記モータの出力を制限することを特徴とするモータ制御方法。
主駆動輪を駆動する内燃機関と、前記内燃機関で駆動されて発電する発電機と、前記発電機の出力電力が供給されて従駆動輪を駆動するモータと、前記モータのロータに巻かれているコイルに流れる電流値を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で検出された電流値に基づいて前記コイルへの供給電流を制御して前記モータの出力を制御する制御手段と、前記電流検出手段で検出された電流値に基づいて前記界磁コイルの抵抗値を検出するコイル抵抗値検出手段と、前記コイル抵抗値検出手段で検出された前記コイルの抵抗値に基づいて前記コイルの温度を推定するロータ温度推定手段と、前記ロータ温度取得手段で推定された前記コイルの温度に基づいて前記モータの出力を制限するモータ出力制限手段と、を備えたことを特徴とする車両用駆動制御装置。