JP2013074769A - 電動機の制御データ更新方法と制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の個体差に応じてマップのデータを最適化できるようにする。
【解決手段】トルクと駆動電流及び電流位相角との関係を示すマップを参照して、目標トルクが出力されるように同期電動機の駆動装置を制御しつつ（Ｓ１）、当該同期電動機の出力軸に取り付けたトルク測定器で実トルクを測定する（Ｓ２）。この実トルクの測定結果に基づいて、目標トルクが出力されているか否か判断し（Ｓ３）、目標トルクが出力されていない場合に、現在の駆動電流の電流位相角を変更してトルク測定器で実トルクを測定することにより、当該測定トルクが最適値になる電流位相角を決定し（Ｓ４〜Ｓ６）、この決定した電流位相角に基づいてマップを更新する（Ｓ７）、電動機の制御データ更新方法を提案する。
【選択図】図９

Description

電動機、中でも同期電動機の制御に関する技術が以下に開示される。

ハイブリッド自動車や電気自動車では、一般的に永久磁石同期電動機が、走行用モータ、ポンプ等に使用される。車両に搭載されるこのタイプの電動機を駆動する駆動装置は、例えば、直流電源を交流変換して駆動電流を提供するインバータを含む。インバータは、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を使用して構成され、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号によって制御される。このようなインバータを含んだ駆動装置を制御する制御装置は、例えば特許文献１に開示されるように、駆動電流、電流位相角、トルクの関係を予めマップとして記憶しており、目標とするトルクに応じてマップを参照し、駆動電流及びその電流位相角を決定してこれに応じたＰＷＭ信号を生成し、駆動装置を制御する。当該制御に必要なマップは、電動機設計時のシミュレーション解析などによって作成され、制御装置の備えるＲＯＭ等に予め記憶されたものである。

特開平１１−３３２２９８号公報

上述のように、制御装置が参照するマップは設計時に作成されるデータであるため、実際に装備される電動機の個体差やその経時的変化が考慮されておらず、必ずしも全製品で最適な制御が行われているというわけではない。この点に鑑みると、電動機の固体ごと、あるいは経時的に、マップすなわち制御データを最適化できるようにすることが望ましい。

当課題に対して提案するのは、
トルクと駆動電流及び電流位相角との関係を示すマップを参照して、目標トルクが出力されるように同期電動機の駆動装置を制御しつつ、当該同期電動機の出力軸に取り付けたトルク測定器で実トルクを測定し、
この実トルクの測定結果に基づいて、前記目標トルクが出力されているか否か判断し、
前記目標トルクが出力されていない場合に、現在の駆動電流の電流位相角を変更して前記トルク測定器で実トルクを測定することにより、当該測定トルクが最適値になる電流位相角を決定し、
この決定した電流位相角に基づいて前記マップを更新する、電動機の制御データ更新方法である。

あるいは、別の態様として、
トルクと駆動電流及び電流位相角との関係を示すマップを参照して、目標トルクが出力されるように同期電動機の駆動装置を制御する制御装置であって、
前記同期電動機の出力軸に取り付けられてトルクを測定するトルク測定器を備え、
該トルク測定器により測定される実トルクの測定結果に基づいて、前記目標トルクが出力されているか否かを判断し、
前記目標トルクが出力されていない場合に、現在の駆動電流の電流位相角を変更して前記トルク測定器で実トルクを測定することにより、当該測定トルクが最適値になる電流位相角を決定し、
この決定した電流位相角に基づいて前記マップを更新する、制御装置を提案する。

上記提案に係る制御データ更新方法及び制御装置は、トルク制御を行っている同期電動機の出力軸から実トルク（実際に出力されているトルク）を測定し、目標とするトルクが得られない場合は、実測値に従って現在の駆動電流の電流位相角を較正することができる。この較正後の値に基づいて制御データ、すなわちマップを更新することにより、電動機の個体差や経時的変化に対応してマップが最適化される。

同期電動機を駆動する駆動装置及び制御装置の実施形態を示したブロック図。 トルク測定器の取り付け状態を説明する同期電動機の断面図。 トルク測定器の構成例を示したブロック図。 トルク測定器と無線通信する通信器の構成例を示したブロック図。 回転速度とトルクの関係をマッピングした電動機の出力特性図。 同期電動機に関するｄ軸−ｑ軸の電流ベクトル図。 駆動電流の電流位相角とトルクとの関係を説明する図。 駆動電流設定に使用するマップを例示した図。 マップ更新処理の一例を示したフローチャート。

図１は、車載される永久磁石同期電動機を駆動する駆動装置及び制御装置の実施形態を示している。
同期電動機Ｍは、一例として３相のスター結線型で、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の固定子コイルを含む固定子と、永久磁石を含む回転子とを有する。この同期電動機Ｍを制御するパワーモジュールＰＭは、駆動電流を提供する駆動装置１及び該駆動装置１を制御する制御装置２を有する。駆動装置１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相ごとに、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を直流電源ＢＡＴの高位側と低位側の間に直列接続したインバータを有し、直流を交流変換して同期電動機Ｍへ提供する。その各スイッチング素子は制御装置２によるＰＷＭ信号で制御され、これに従いＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各固定子コイルが、例えば正弦波通電（１８０度通電）で制御される。

制御装置２は、プログラムに従い動作するマイコン等のコンピュータにより構成され、同期電動機Ｍの各相電流を検出する電流検出器３及びホール素子等を利用した回転角度検出器４の各検出信号に基づいて制御を実行する。本実施形態の回転角度検出器４は、回転速度検出器も兼ねており、その検出信号は回転角度エンコーダ４ａを通して制御装置２へ送られる。制御装置２には、エンジンの電子制御ユニットＥＣから運転に関する指令等の運転情報が受信される。

制御装置２はさらに、同期電動機Ｍの出力軸Ｍ１に取り付けられたトルク測定器５を備える。本実施形態のトルク測定器５は、無線通信式で、通信器６から無線で電力供給を受け且つ信号を送受信する。通信器６は、パワーモジュールＰＭから電力供給され、トルク測定器５から受信した測定信号を制御装置２に送る。これらトルク測定器５及び通信器６の取り付け状態について、図２の断面図に示す。

同期電動機Ｍは、出力軸Ｍ１の周囲に回転子Ｍ２が固定され、回転子Ｍ２の外周部位に永久磁石Ｍ３が固定されている。この出力軸Ｍ１をベアリングを介し回転自在に装着するハウジングＭ４では、電磁石の固定子Ｍ５が内周面に固定されている。そして、ハウジングＭ４内の出力軸Ｍ１端部には、回転角度検出器４が設けられる。トルク検出器５は、ハウジングＭ４から外へ延伸する出力軸Ｍ１の側面に形成された切欠平坦部に固定される。一方、トルク検出器５を固定した出力軸Ｍ１の切欠平坦部に対応させて、ハウジングＭ４の側面に鍔部Ｍ４ａが突設され、この鍔部４ａに通信器６が固定される。鍔部４ａに固定された通信器６が、出力軸Ｍ１と共に回転するトルク測定器５に給電し且つ測定信号を受信する。
本実施形態では、ハウジングＭ４の鍔部Ｍ４ａに通信器６を固定し、無線でトルク測定器５と通信する形態を示すが、トルク測定器５から出力軸Ｍ１の中を通して配線し、制御装置２と有線接続する形態も可能である。

トルク検出器５は、一例として、特開２００６−２２０５７４公報に開示される半導体チップ型の歪みセンサを使用することができる。この歪みセンサは、単結晶半導体基板に形成したホイートストンブリッジ回路を有し、取り付けられた軸に生じるトルクを高精度に測定する。また、同一チップに電源回路、無線回路、増幅回路等を集積して、測定信号を無線でとばすことが可能となっている（詳細は特開２００６−２２０５７４公報参照）。このようなトルク検出器５及びこれと通信する通信器６の回路構成について、図３及び図４に示す。

図３に示すようにトルク測定器５は、上記の歪みセンサ５ａと、この歪みセンサ５ａの出力信号を増幅する増幅回路５ｂと、増幅回路５ｂで増幅された信号を通信用に処理し、送信アンテナ５ｃから送信する高周波回路５ｄと、これら回路に電源供給する電源回路５ｅと、を有する。電源回路５ｅは、受電コイル５ｆを備え、外部から加えられる電磁波エネルギを電源として各回路へ供給する。

また、図４に示す通信器６は、これも１つの半導体チップに集積された回路であり、パワーモジュールＰＭから電源供給される電源回路６ａと、送電コイル６ｂから送電を行う誘導電源発生回路６ｃと、受信アンテナ６ｄを通しトルク測定器５の送信信号を受信する検波回路６ｅと、該受信信号を処理して制御装置２へ測定信号を送る信号復調回路６ｆと、を有する。この通信器６から電磁誘導方式でトルク測定器５に電源供給され、トルク測定器５から、実トルクを測定した測定信号が無線通信される。

本実施形態の制御装置２は、図５に示す電動機出力特性のマップを、内蔵したＰＲＯＭ（プログラマブルＲＯＭ）に記憶しており、回転角度検出器４により得られる現在の同期電動機Ｍの回転速度Ｎ（ｒ／ｍｉｎ）とトルクＴ（Ｎｍ）との関係から駆動電流ｉとその電流位相角βを決定する。
駆動電流ｉは、図６の電流ベクトルに示すように、回転子座標軸におけるｄ軸の電流成分ｉｄとこれと９０°位相のｑ軸の電流成分ｉｑに従い電流位相角βが決まり、この電流位相角βに応じて、例えば図７Ａに示すように同期電動機Ｍの出力トルクが変化する。図７Ａは、図８に示す電流設定のマップを作成するための基礎データをプロットしたグラフであり、同期電動機Ｍの設計時等にシミュレーション解析（もしくは実験）で作成され得る。図７Ａのグラフは、Ｎ＝０，Ｎ＝１００，Ｎ＝２００・・・（ｒ／ｍｉｎ）といった回転速度Ｎの所定の区切りごとに、トルクＴ、駆動電流ｉ、その電流位相角βの関係を示している。回転速度の区切りの間の値は補完又は近い値で代用される。なお、前述の特許文献１にあるように、回転角度検出器４で検出される固定子の回転角度（θ）と回転速度Ｎの両方に応じてデータをプロットしてもよい。駆動電流ｉは、ｉ１＜ｉ２＜ｉ３の関係にある。ｉ＝ｉ１，ｉ２，ｉ３の値を示すが、より多くの電流値で作成されることは勿論である。

図７Ａに「×」で示すように、駆動電流ｉの各値ｉ１，ｉ２，ｉ３において、トルクＴのピーク値があり、当該ピーク値のトルクＴを出力できるときの電流位相角βが最適値（最高効率）とされる。各回転速度Ｎごとに、横軸にトルクＴ、縦軸に電流位相角βをとって、トルクＴのピーク値をプロットすると、図８Ａに点線で示す電流位相角−トルクマップが作成され、これが制御装置２に記憶される。そして、各回転速度Ｎごとに、横軸に駆動電流ｉ、縦軸に電流位相角βをとって、トルクＴのピーク値をプロットすると、図８Ｂに点線で示す電流位相角−駆動電流マップが作成され、これも制御装置２に記憶される。

制御装置２は、同期電動機Ｍから出力するべき目標トルクが決まると、図８Ａ及び図８Ｂの点線に示す、トルクと駆動電流及び電流位相角との関係を示すマップを参照して、目標トルクを出力するように、駆動電流ｉ及び電流位相角β（ｄ軸電流成分ｉｄ及びｑ軸電流成分ｉｑ）に応じたＰＷＭ信号を生成し、駆動装置１へ印加し制御する。すなわち、目標トルクに応じた電流位相角βを図８Ａの電流位相角−トルクマップを参照して決定し、該決定した電流位相角βに応じた駆動電流ｉを図８Ｂの電流位相角−駆動電流マップを参照して決定する。なお、図８Ｂの電流位相角−駆動電流マップは、電流位相角βにｄ軸電流成分ｉｄ及びｑ軸電流成分ｉｑを対応させたマップであってもよい。そして、制御装置２は、電流検出器３で検出される各相電流に基づいて周知のフィードバック制御を実行する。すなわち、目標トルクに対応した駆動電流ｉとその電流位相角βが維持されるように制御する。

図７Ｂに示すように、同期電動機Ｍにおいて、部品の経時的変化や電動機の個体差等の要因により、上述のようにして設計時にプロットしたトルク−電流位相角特性に対する誤差が生じ得る。すなわち、点線で示す設計時の特性曲線に対し、実線で示す実際の同期電動機Ｍの特性曲線が相異し、電流位相角βに対するトルクＴのピーク値が設計値と実際の最適値とでΔβだけ違ってしまうことがある。この状態になると、制御装置２がフィードバック制御で駆動電流ｉとその電流位相角βを維持したとしても、同期電動機Ｍから実際に出力されるトルクは所望の値にはならず、不足又は過剰となる。そこで、制御装置２は、トルク測定器５による実トルクの測定を利用して、図８のマップつまり制御データの更新を図る。このマップ更新処理のフローを図９に示す。

図９のフローチャートは、組み付け終わった同期電動機Ｍの出荷前テスト時、数ヶ月おきなどの所定期間ごと、同期電動機Ｍを交換した際、などのデータ更新可能な時期に適宜実行される。また、制御装置２がプログラムに従って実行するものとして説明するが、例えば出荷前テスト時であれば、外部からパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を制御装置２と接続し、当該ＰＣでマップ更新処理をソフトウエアにより実行し、制御装置２が記憶しているマップを更新する手法でもよい。

マップ更新処理を開始した制御装置２は、ステップＳ１で、目標トルクを設定し、図８に示すトルクと駆動電流及び電流位相角との関係を示すマップを参照して駆動電流ｉ及び電流位相角βを決定し、同期電動機Ｍが目標トルクを出力するように駆動装置１を制御する。この制御中に制御装置２は、ステップＳ２で、同期電動機Ｍの出力軸Ｍ１に取り付けたトルク測定器５の測定信号を受信する。すなわち、トルク測定器５により実トルクを測定する。このトルク測定器５により測定される実トルクの測定結果に基づいて、制御装置２はステップＳ３で、ステップＳ１の目標トルクが出力されているか否か判断する。このときの制御装置２は、トルク測定器５から受信される測定信号の所定時間の平均値を利用して判断してもよい。制御装置２は、ステップＳ３で目標トルクが得られていると判断した場合は、処理を終了する。もしくは、ステップＳ１へ戻って別の目標トルクを設定し、処理を再スタートしてもよい。

ステップＳ３で目標トルクが出力されていないと判断した場合、制御装置２は、ステップＳ４において、現在の駆動電流ｉの電流位相角β、言い換えると、ステップＳ１〜Ｓ２で設定していた駆動電流ｉの電流位相角βを変更する。すなわち制御装置２は、駆動電流ｉの大きさは変えずにｄ軸電流成分ｉｄとｑ軸電流成分ｉｑを変更する。これにより、例えば現在の駆動電流ｉが図７Ａのｉ１であれば、その特性曲線に沿って電流位相角βが変わり、ｉ＝ｉ１におけるトルクＴのピーク値を出力する電流位相角βの値を見つけ出すことができる。制御装置２は、ステップＳ５で、ｉｄ及びｉｑによって電流位相角βを変更しつつ、トルク測定器５により実トルクを測定しており、ステップＳ６において、トルク測定器５による測定トルクが最大となるか否かを判断する。例えば、制御装置２は、ステップＳ４の電流位相角β変更後に測定トルクが上昇するか下降するかを判断し、上昇するうちはステップＳ４から繰り返す一方、下降に転じたときは、その直前の電流位相角βを、この場合のトルク最適値であるピーク値を出力する電流位相角として決定する。

トルクの最適値を出力する電流位相角βが決まれば、制御装置２は、ステップＳ７で、図８のマップ、つまり記憶した制御データを新しい値に更新する。マップにある各回転速度Ｎと駆動電流ｉの各電流値でデータを更新することで、図８中に実線で示すように、マップが新しいデータに更新されていく。

更新対象のマップは、図８に示す例に限られず、トルク−駆動電流−電流位相角の関係を示した各種マップが更新対象となり得る。

１ 駆動装置
２ 制御装置
３ 電流検出器
４ 回転角度検出器
５ トルク測定器
６ 通信器
Ｍ 同期電動機
Ｍ１ 出力軸
ＰＭ パワーモジュール

Claims (2)

1. トルクと駆動電流及び電流位相角との関係を示すマップを参照して、目標トルクが出力されるように同期電動機の駆動装置を制御しつつ、当該同期電動機の出力軸に取り付けたトルク測定器で実トルクを測定し、
   この実トルクの測定結果に基づいて、前記目標トルクが出力されているか否か判断し、
   前記目標トルクが出力されていない場合に、現在の駆動電流の電流位相角を変更して前記トルク測定器で実トルクを測定することにより、当該測定トルクが最適値になる電流位相角を決定し、
   この決定した電流位相角に基づいて前記マップを更新する、
   電動機の制御データ更新方法。
2. トルクと駆動電流及び電流位相角との関係を示すマップを参照して、目標トルクが出力されるように同期電動機の駆動装置を制御する制御装置であって、
   前記同期電動機の出力軸に取り付けられてトルクを測定するトルク測定器を備え、
   該トルク測定器により測定される実トルクの測定結果に基づいて、前記目標トルクが出力されているか否かを判断し、
   前記目標トルクが出力されていない場合に、現在の駆動電流の電流位相角を変更して前記トルク測定器で実トルクを測定することにより、当該測定トルクが最適値になる電流位相角を決定し、
   この決定した電流位相角に基づいて前記マップを更新する、制御装置。

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