JP2013233055A - Motor controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動機の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for an electric motor.
EV(Electric Vehicle:電気自動車)又はHEV(Hybrid Electrical Vehicle:ハイブリッド電気自動車)等の車両には、駆動源としての電動機が設けられている。図12は、永久磁石界磁型の電動機の一部断面図である。図12に示す電動機50は、回転軸の周囲に同心円状に設けられた複数の永久磁石51を含む回転子53と、回転子53の外径側に設けられた3相の電機子55を含む固定子57とを備える。複数の永久磁石51の各々は板状に形成され、その側面は4つの角部を有する。また、電動機50の回転軸方向から見たときに、隣接する一対の永久磁石が回転子53の外周面に向かって開くV字状に配置されている。
A vehicle such as an EV (Electric Vehicle) or an HEV (Hybrid Electrical Vehicle) is provided with an electric motor as a drive source. FIG. 12 is a partial cross-sectional view of a permanent magnet field motor. An
回転子53に含まれる永久磁石51のパーミアンスは角部で低い。すなわち、永久磁石の角部は反磁界が作用しやすい。このため、永久磁石51に逆向きの外部磁界が加わることにより磁束密度が変化すると、永久磁石51においては角部から減磁が発生する。
The permeance of the
例えば、2極3スロットの電動機であれば、パーミアンスが低くなる箇所が1周期に6箇所存在する。電動機の動作中に減磁が発生すると、当該電動機におけるトルクが減少し、トルクリプルの増加に伴う振動及びこの振動の発生に伴う騒音が生じる場合がある。このため、特許文献1では、永久磁石を、軽希土類元素を主たる構成物質とした希土類焼結磁石とし、かつ、重希土類元素が部分的に他の部分よりも相対的に高い濃度で拡散された高保磁力部が永久磁石の一部に設けている。電動機の動作時に最も強く減磁界が作用する部分に高保磁力部が形成されていれば、電動機が動作時に発生する減磁を抑えることができる。 For example, in the case of a two-pole three-slot motor, there are six places where permeance is lowered in one cycle. When demagnetization occurs during operation of the motor, the torque in the motor decreases, and vibration associated with an increase in torque ripple and noise associated with the occurrence of this vibration may occur. For this reason, in Patent Document 1, the permanent magnet is a rare earth sintered magnet mainly composed of light rare earth elements, and the heavy rare earth elements are partially diffused at a relatively higher concentration than other parts. A high coercive force portion is provided in a part of the permanent magnet. If the high coercive force portion is formed in the portion where the demagnetizing field acts most strongly during the operation of the electric motor, the demagnetization generated during the operation of the electric motor can be suppressed.
上述したように、特許文献1の永久磁石式電動機を構成する永久磁石は、重希土類元素が添加された高保磁力部を部分的に備える。しかし、ジスプロシウム(Dy)やテルビウム(Tb)等の重希土類元素は希少であるため、その使用量を抑えることが望ましい。しかし、角部に重希土類元素を含まない永久磁石を備えた電動機であると、その動作時にトルクが減少したり、トルクリプルの増加に伴う振動及び騒音が発生する。 As described above, the permanent magnet constituting the permanent magnet motor of Patent Document 1 partially includes a high coercive force portion to which a heavy rare earth element is added. However, since rare earth elements such as dysprosium (Dy) and terbium (Tb) are rare, it is desirable to suppress the amount of use. However, in the case of an electric motor provided with a permanent magnet that does not contain heavy rare earth elements at the corners, torque is reduced during the operation, and vibration and noise accompanying an increase in torque ripple are generated.
本発明の目的は、重希土類元素を低減して、あるいは含まずに構成された永久磁石を備える電動機の動作時に減磁の発生を抑制可能な制御装置を提供することである。 The objective of this invention is providing the control apparatus which can suppress generation | occurrence | production of a demagnetization at the time of operation | movement of the electric motor provided with the permanent magnet comprised by reducing or not including a heavy rare earth element.
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項1に記載の発明の電動機の制御装置は、円周方向に所定間隔で並んだ複数の永久磁石(例えば、実施の形態での永久磁石51)から構成された磁極列を有する回転子(例えば、実施の形態での回転子53)と、前記円周方向に所定間隔で並んだ複数の電機子(例えば、実施の形態での電機子55)が前記磁極列に対向して配置され、電力の供給に応じて前記複数の電機子に発生する電機子磁極により、前記円周方向に移動する回転磁界を前記磁極列との間に発生させる電機子列を有する固定子(例えば、実施の形態での固定子57)と、を備えた電動機の制御装置(例えば、実施の形態でのECU100)であって、前記電動機の動作状態及び前記電動機に対する要求出力に応じて、前記電動機に供給する電流の基本成分を決定する電流成分決定部(例えば、実施の形態での電流指令決定部107)と、前記電動機に供給する電流よりも周波数の高い高調波電流の成分を決定する高調波電流制御部(例えば、実施の形態での高調波電流制御部117)と、前記電動機に供給する電流の基本成分に前記高調波電流制御部が決定した前記高調波電流の成分を重畳する重畳部(例えば、実施の形態での重畳部109d,109q)と、を備え、前記高調波電流制御部は、前記回転子の回転時の電気角度領域において、前記永久磁石の角部の前記回転磁界に対するパーミアンスが相対的に小さな電気角度の領域に前記高調波電流の振幅のボトム部分が一致するよう、前記高調波電流の成分を決定することを特徴としている。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, an electric motor control device according to a first aspect of the present invention includes a plurality of permanent magnets arranged at predetermined intervals in the circumferential direction (for example, the permanent magnet according to the embodiment). A rotor having a magnetic pole array composed of magnets 51 (for example, the
さらに、請求項2に記載の発明の電動機の制御装置では、前記パーミアンスが相対的に小さな電気角度領域は、前記永久磁石の角部の内、パーミアンスがしきい値未満である角部の数が所定数以上であるとの条件を満たす電気角度の範囲であることを特徴としている。 Furthermore, in the electric motor control device according to the second aspect of the present invention, in the electrical angle region where the permeance is relatively small, the number of corners whose permeance is less than a threshold among the corners of the permanent magnet. It is a range of electrical angles that satisfies the condition that it is a predetermined number or more.
さらに、請求項3に記載の発明の電動機の制御装置では、前記高調波電流制御部は、前記回転子の回転時の電気角度領域において、前記永久磁石の角部の前記回転磁界に対するパーミアンスが相対的に大きな電気角度の領域に前記高調波電流の振幅のピーク部分が一致するよう、前記高調波電流の成分を決定することを特徴としている。 Furthermore, in the motor control device according to claim 3, the harmonic current control unit is configured such that a permeance relative to the rotating magnetic field at a corner of the permanent magnet is relative to an electrical angle region during rotation of the rotor. The component of the harmonic current is determined so that the peak portion of the amplitude of the harmonic current coincides with a region of a large electrical angle.
さらに、請求項4に記載の発明の電動機の制御装置では、前記パーミアンスが相対的に大きな電気角度領域は、前記永久磁石の角部の内、パーミアンスがしきい値以上である角部の数が所定数以上であるとの条件を満たす電気角度の範囲であることを特徴としている。 Furthermore, in the electric motor control device according to the fourth aspect of the present invention, in the electrical angle region where the permeance is relatively large, among the corners of the permanent magnet, the number of corners where the permeance is equal to or greater than a threshold value. It is a range of electrical angles that satisfies the condition that it is a predetermined number or more.
さらに、請求項5に記載の発明の電動機の制御装置では、前記複数の永久磁石を構成する隣接した2つの永久磁石は、前記電動機の回転軸(例えば、実施の形態での回転軸59)方向から見たときに、前記回転子の外周面に向かって開くV字状に配置され、前記反磁界の影響を受けやすい電気角度領域は、前記V字状に配置された2つの永久磁石の内径側の角部の内、パーミアンスがしきい値未満である角部の数が所定数以上であるとの条件を満たす電気角度の範囲であることを特徴としている。
Furthermore, in the motor control apparatus according to the fifth aspect of the present invention, the two adjacent permanent magnets constituting the plurality of permanent magnets are in the direction of the rotating shaft (for example, the
さらに、請求項6に記載の発明の電動機の制御装置では、前記電動機に供給する前記高調波電流の成分のdq軸座標系における高調波次数は、前記電動機の極数と相数を乗算した値であることを特徴としている。 Furthermore, in the motor control apparatus according to claim 6, the harmonic order in the dq axis coordinate system of the harmonic current component supplied to the motor is a value obtained by multiplying the number of poles and the number of phases of the motor. It is characterized by being.
請求項1〜6に記載の発明の電動機の制御装置によれば、重希土類元素を低減して、あるいは含まずに構成された永久磁石を備える電動機の動作時に減磁の発生を抑制できる。
請求項3及び4に記載の発明の電動機の制御装置によれば、永久磁石が反磁界の影響を受けにくい電気角度領域でのトルクが増大するため、電動機は所望のトルクを出力できる。
請求項5に記載の発明の電動機の制御装置によれば、永久磁石の外径側の角部よりも内径側の角部における減磁の方がその発生を抑制しやすく、外径側の角部における減磁の発生を抑制する場合と比較して高調波電流の振幅を小さくできる。
According to the motor control device of the first to sixth aspects of the invention, it is possible to suppress the occurrence of demagnetization during the operation of the motor including the permanent magnet configured to reduce or not include heavy rare earth elements.
According to the electric motor control apparatus of the third and fourth aspects of the present invention, the torque in the electrical angle region where the permanent magnet is not easily affected by the demagnetizing field increases, so that the electric motor can output a desired torque.
According to the electric motor control device of the fifth aspect of the present invention, the demagnetization at the corner portion on the inner diameter side is more easily suppressed than the corner portion on the outer diameter side of the permanent magnet, and the corner on the outer diameter side is more easily suppressed. As compared with the case where the occurrence of demagnetization in the part is suppressed, the amplitude of the harmonic current can be reduced.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下説明する実施形態の電動機システムは、EV(Electric Vehicle:電気自動車)又はHEV(Hybrid Electrical Vehicle:ハイブリッド電気自動車)等の車両に搭載される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the electric motor system of embodiment described below is mounted in vehicles, such as EV (Electric Vehicle: Electric vehicle) or HEV (Hybrid Electrical Vehicle: Hybrid electric vehicle).
図1は、一実施形態の電動機システムの構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態の電動機システムは、電動機50と、電動機50の動作制御を行うECU(Electronic Control Unit)100と、インバータ回路を含む駆動回路であるPDU(Power Drive Unit)11と、バッテリ13とを備える。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an electric motor system according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the electric motor system of this embodiment includes an
電動機50は、図12に示した電動機50と同様である。すなわち、図1に断面図で示される電動機50は、回転軸59の周囲に同心円状に設けられた複数の永久磁石を含む回転子53と、回転子53の外径側に設けられた3相の電機子を含む固定子57とを備える。複数の永久磁石の各々は板状に形成され、その側面は4つの角部を有する。また、電動機50の回転軸59方向から見たときに、隣接する一対の永久磁石が回転子53の外周面に向かって開くV字状に配置されている。
The
ECU100は、CPU,RAM,ROM,インターフェース回路等を含む電子回路ユニットであり、予め実装された電動機50の制御用プログラムをCPUで実行することによって、電動機50の動作制御を行う。なお、ECU100による電動機50の動作制御は、ECU100がPDU11を制御することによって行われる。すなわち、PDU11は、ECU100からの指令値に応じて、インバータ回路を構成するスイッチング素子をPWM制御によりスイッチングする。
The ECU 100 is an electronic circuit unit including a CPU, a RAM, a ROM, an interface circuit, and the like, and controls the operation of the
図2は、ECU100の内部構成、及び、電動機50とECU100とPDU11の関係を示すブロック図である。図2に示すように、ECU100は、電気角度変換部101と、電気角速度算出部103と、3相/dq変換部105と、電流指令決定部107と、重畳部109d,109qと、減算部111d,111qと、電流制御部113と、dq/3相変換部115と、高調波電流制御部117とを有する。
FIG. 2 is a block diagram showing the internal configuration of the
ECU100には、アクセルペダル開度及び車速等に基づくトルク指令値Tr_cが入力される。さらに、ECU100には、レゾルバ等の回転位置センサ61によって検出された、電動機50の回転子53の機械角度位置θと、相電流センサ63u,63wによって検出された、PDU11から電動機50の固定子57に出力されたu相電流の検出値Iu_s及びw相電流の検出値Iw_sとが入力される。
The ECU 100 receives a torque command value Tr_c based on the accelerator pedal opening, the vehicle speed, and the like. Further, the
電気角度変換部101は、回転子53の機械角度位置θに基づいて、電動機50における回転磁界の磁束ベクトル回転角度位置θmfを算出する。なお、回転磁界の磁束ベクトル回転角度位置θmfは電気角度を示す。
The electrical
電気角速度算出部103は、電動機50における回転磁界の磁束ベクトル回転角度位置θmfを時間微分することによって、磁束ベクトル回転角速度ωmfを算出する。電気角速度算出部103が算出した磁束ベクトル回転角速度ωmfは、電流制御部113及び高調波電流制御部117に入力される。
The electric angular
3相/dq変換部105は、相電流センサ63u,63wから出力されたu相電流及びw相電流の各検出値Iu_s,Iw_sと、電気角度変換部101が算出した磁束ベクトル回転角度位置θmfとに基づいて3相/dq変換を行って、d軸電流の検出値Id_s及びq軸電流の検出値Iq_sを算出する。
The three-phase /
電流指令決定部107は、トルク指令値Tr_cに基づいて、電動機50の固定子57に供給するd軸電流及びq軸電流の各指令値Id_c,Iq_cを決定する。電流指令決定部107が決定したd軸電流の指令値Id_cは重畳部109dに入力される。また、電流指令決定部107が決定したq軸電流の指令値Iq_cは重畳部109qに入力される。
The current
重畳部109dは、d軸電流の指令値Id_cと、高調波電流制御部117から出力された高調波電流のd軸成分を示す値Id_hとを加算して、その加算値Id_mを出力する。重畳部109dから出力されたd軸成分の加算値Id_mは減算部111dに入力される。同様に、重畳部109qは、q軸電流の指令値Iq_cと、高調波電流制御部117から出力された高調波電流のq軸成分を示す値Iq_hとを加算して、その加算値Iq_mを出力する。重畳部109qから出力されたq軸成分の加算値Iq_mは減算部111qに入力される。
The superimposing
減算部111dは、d軸成分の加算値Id_mとd軸電流の検出値Id_sの偏差ΔIdを算出する。減算部111dが算出した偏差ΔIdは電流制御部113に入力される。同様に、減算部111qは、q軸成分の加算値Iq_mとq軸電流の検出値Iq_sの偏差ΔIqを算出する。減算部111qが算出した偏差ΔIqは電流制御部113に入力される。
The
電流制御部113は、偏差ΔId及び偏差ΔIqが減少するよう、当該偏差ΔId,ΔIqと、電気角速度算出部103が算出した磁束ベクトル回転角速度ωmfとに基づいて、電動機50の固定子57に印加するd軸電圧の指令値Vd_c及びq軸電圧の指令値Vq_cを決定する。
The
dq/3相変換部115は、電流制御部113によって決定されたd軸電圧の指令値Vd_c及びq軸電圧の指令値Vq_cと、電気角度変換部101が算出した磁束ベクトル回転角度位置θmfとに基づいてdq/3相変換を行って、電動機50の固定子57に印加する3相電圧Vu,Vv,Vwの各指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cを算出する。dq/3相変換部115が算出した3相電圧の各指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cは、PDU11に入力される。
The dq / 3-
高調波電流制御部117は、電動機50の固定子57に出力される相電流に重畳する高調波電流の成分を決定する。図2に示すように、高調波電流制御部117は、高調波電流振幅決定部121と、振幅重み係数決定部123と、乗算部125と、高調波電流位相決定部127と、高調波電流決定部129と、dq変換部131とを有する。なお、高調波電流振幅決定部121、振幅重み係数決定部123及び高調波電流位相決定部127は、それぞれ異なるマップ(ルックアップテーブル)を用いて所望の値を決定する。
The harmonic
高調波電流振幅決定部121は、トルク指令値Tr_cに基づいて、高調波電流の振幅成分を決定する。振幅重み係数決定部123は、電気角速度算出部103が算出した磁束ベクトル回転角速度ωmfに基づいて、高調波電流における振幅重み係数を決定する。乗算部125は、高調波電流振幅決定部121が決定した高調波電流の振幅成分に、振幅重み係数決定部123が決定した振幅重み係数を乗算する。
The harmonic current
高調波電流位相決定部127は、トルク指令値Tr_cに基づいて、高調波電流の位相成分を決定する。高調波電流決定部129は、乗算部125の乗算結果と、高調波電流位相決定部127が決定した高調波電流の位相成分とに基づいて、電動機50における回転磁界の磁束ベクトル回転角度位置θmfに応じた高調波電流を決定する。dq変換部131は、高調波電流決定部129が決定した高調波電流をdq軸上での各成分に変換する。dq変換部131によって変換された高調波電流のd軸成分を示す値Id_hは重畳部109dに入力され、q軸成分を示す値Iq_hは重畳部109qに入力される。
The harmonic current
次に、本実施形態の電動機システムにおける高調波電流の詳細について説明する。 Next, the detail of the harmonic current in the electric motor system of this embodiment is demonstrated.
上述したように、電動機50の回転子53には、同心円状に複数の永久磁石が配置されている。また、電動機50の固定子57には、PDU11を介して3相電流が供給され、回転磁界が発生する。回転子53の永久磁石がこの回転磁界による吸引力及び反発力の作用を受けることにより、回転子53が回転軸59を中心に回転する。このとき、永久磁石の特に角部には減磁が発生する。但し、減磁の程度は、永久磁石の角部毎に異なり、固定子57を構成する電機子と永久磁石の位置関係によっても異なる。このため、回転子53の回転中に、永久磁石において減磁が強く発生する箇所、すなわちパーミアンスが低下する箇所は刻々と変化する。
As described above, a plurality of permanent magnets are concentrically arranged on the
図3は、30度進角した正弦波の3相電流が固定子57に供給されているとき、回転子53の永久磁石に作用する磁力とパーミアンスが特に低下する箇所を30度の電気角度毎に示す図である。図3に示すように、3相電流の電気角度が変化するに従い回転子53が回転すると、電機子に対する回転子53の位置に応じて、永久磁石のパーミアンスが低下する箇所は変化する。なお、図3に示した例では、パーミアンスの変化の周期は120度である。
FIG. 3 shows a portion where the magnetic force and permeance acting on the permanent magnet of the
図4は、回転子53が回転したときの、一対の永久磁石の各角部のパーミアンスの変化の一例を示すグラフである。図4に示すように、一対の永久磁石の側面を構成する8つの角部1〜8の各パーミアンスは電気角度の変化に従って変化する。図4の例では、8つの角部1〜8の内、約45度〜約75度の領域及び約85度〜約130度(約10度)の領域で、パーミアンスがしきい値未満である角部の数が所定数(例えば4つ)以上となる。このように、電動機50に3相電流を供給した際には、上記電気角度の領域毎に永久磁石が固定子57の回転磁界による反磁界の影響を受けやすくなる。
FIG. 4 is a graph showing an example of a change in permeance of each corner portion of the pair of permanent magnets when the
なお、減磁の発生の抑制は、電動機の固定子57に供給する電流のレベルを低減することで実現可能である。図5は、永久磁石の一角部におけるB−H曲線(減磁曲線)の一例を示すグラフである。回転子53が回転して、回転子53と固定子57との位置関係(すなわち、回転子53の電気角度)が変化することにより永久磁石の所定の箇所(例えば、角部)でパーミアンスが低下すると、該所定の箇所では図5に直線で示すパーミアンス直線が点線の矢印で示すように倒れ、実線の丸印で示される動作点Aが点線の丸印で示される動作点Bに移る。減磁は図5に示すB−H曲線の屈曲点を越えた場合に発生するため、動作点Bでは減磁が発生する。しかし、実線の矢印で示すように、反磁界が低減されることにより動作点Bから動作点Cまで動作点が移動すれば、パーミアンスが低下した場合にも減磁の発生を抑制することができる。
In addition, suppression of generation | occurrence | production of a demagnetization is realizable by reducing the level of the electric current supplied to the
本実施形態では、電動機50の固定子57に供給する3相電流をdq軸座標系に変換した基本成分に対して、dq軸座標系において当該基本成分よりも高次の高調波電流成分を重畳することによって、減磁の発生を抑制する。この際、dq軸座標系における高調波電流成分の高調波次数nは、電気角度上での電動機50の極数Pと相数Sを乗算した値(=P×S)である。ここで、dq軸座標系において高調波次数がnの高調波電流成分とは、dq軸座標系において、3相座標系における3相電流の周波数のn倍の周波数で振動することを意味する。また、dq軸座標系における基本成分の次数は0(すなわち、dq軸座標系における基本成分は一定値)である。尚、dq軸座標系においてn次の電流は、3相座標系に逆変換した際にはn+1次の電流波形となる。また、高調波電流の位相は、永久磁石が反磁界の影響を受けやすい電気角度領域に高調波電流の振幅のボトム部分が一致するよう設定される。例えば、図4に示した例では、電気角度で約45度〜約75度の範囲及び約85度〜約130度(約10度)の範囲で永久磁石が反磁界の影響を受けやすくなるため、一周期が60度で、振幅のボトム部分が約60度に合わせて位相をずらした高調波電流が3相電流に重畳される。
In the present embodiment, a higher-order harmonic current component than the basic component is superimposed on the basic component obtained by converting the three-phase current supplied to the
なお、永久磁石が反磁界の影響を受けやすい電気角度領域は、一対の永久磁石の8つの角部1〜8の内、パーミアンスがしきい値未満である角部の数が所定数(例えば4つ)以上であるとの条件を満たす電気角度の範囲である。本実施形態の電動機システムでは、電動機50に対してシミュレーションを行い、どの電気角度領域で永久磁石が反磁界の影響を受けやすいかが予め認識されている。
In addition, the electrical angle region in which the permanent magnet is easily affected by the demagnetizing field has a predetermined number (for example, 4) of the corners whose permeance is less than the threshold value among the eight corners 1 to 8 of the pair of permanent magnets. The range of electrical angles that satisfies the above condition. In the electric motor system of the present embodiment, simulation is performed on the
図6は、2極3相の電動機の固定子に供給する基本波としての3相電流にdq軸上で6次の高調波電流を重畳する際の各電流の波形を示すグラフである。図7は、dq軸上の基本波と重畳波のベクトルを示す図である。図8は、基本波としてのd軸電流Id_c及びq軸電流Iq_cとそのベクトルIcとの関係を示す図である。以下、図6〜図8を参照して、dq軸上での高調波電流の重畳について説明する。 FIG. 6 is a graph showing waveforms of currents when a sixth-order harmonic current is superimposed on the dq axis on a three-phase current as a fundamental wave supplied to the stator of a two-pole three-phase motor. FIG. 7 is a diagram showing the vectors of the fundamental wave and the superimposed wave on the dq axis. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the d-axis current Id_c and the q-axis current Iq_c as the fundamental wave and the vector Ic. Hereinafter, the superposition of the harmonic current on the dq axis will be described with reference to FIGS.
図8に示すように、基本波としてのd軸電流Id_c及びq軸電流Iq_cとそのベクトルIcは、下記式(1)によって表される。γは基本波の電流位相を示す。 As shown in FIG. 8, the d-axis current Id_c and the q-axis current Iq_c as the fundamental wave and the vector Ic thereof are expressed by the following equation (1). γ represents the current phase of the fundamental wave.
図6の(C)に示す6次の高調波Id_h,Iq_hは、下記式(2)によって表される。なお、αは高調波電流の次数、βは高調波の電流位相、θは電気角度である。高調波電流の次数が6次の場合、α=6である。図6の(C)に示すように、高調波は電動機の電気角度の変数となっているため、電動機の回転に応じて変動する。 Sixth-order harmonics Id_h and Iq_h shown in (C) of FIG. 6 are expressed by the following equation (2). Α is the order of the harmonic current, β is the current phase of the harmonic, and θ is the electrical angle. When the order of the harmonic current is sixth, α = 6. As shown in FIG. 6C, the harmonic is a variable of the electric angle of the electric motor, and thus fluctuates according to the rotation of the electric motor.
式(2)の関係は図7に示される。当該高調波電流をdq軸上の基本波に重畳すると、その重畳波Id_m,Iq_mは、下記式(3)によって表される。また、図7に示されるように、重畳波Id_m,Iq_mのベクトルImは、基本波のベクトルIcと高調波Ihのベクトルの合成である。 The relationship of equation (2) is shown in FIG. When the harmonic current is superimposed on the fundamental wave on the dq axis, the superimposed waves Id_m and Iq_m are expressed by the following equation (3). As shown in FIG. 7, the vector Im of the superimposed waves Id_m and Iq_m is a combination of the fundamental wave vector Ic and the harmonic Ih vector.
重畳波Id_m,Iq_mのベクトルの大きさImは、下記式(4)によって表される。 The vector magnitude Im of the superimposed waves Id_m and Iq_m is expressed by the following equation (4).
式(4)の右辺の下線で示した値が最小となるとき、式(4)に示したベクトルImの大きさも最小となる。したがって、下線で示した値のボトムがパーミアンスの低い領域(例えば50度)に一致するよう、高調波電流位相決定部127は、高調波の位相βを決定する。
When the value indicated by the underline on the right side of Expression (4) is minimum, the size of the vector Im shown in Expression (4) is also minimum. Therefore, the harmonic current
なお,上記説明した高周波の重畳は、図9に示す電動機50の動作点領域の内、I及びIIで示す領域でのみ行っても良い。また、(領域IでのIa)>(領域IIでのIa)として、高調波の振幅を変えても良い。また、例えば、冷却用ATFの温度から測定される雰囲気温度Tがしきい値Thを超えた場合に高調波を重畳しても良い。
Note that the superposition of the high frequency described above may be performed only in the regions indicated by I and II in the operating point region of the
上記説明した高調波電流の周波数、位相及び振幅の決定は、ECU100の高調波電流制御部117が行う。すなわち、高調波電流制御部117の高調波電流振幅決定部121、振幅重み係数決定部123及び乗算部125によって高調波電流の振幅が決定され、高調波電流位相決定部127によって高調波電流の位相が決定される。なお、高調波電流の基本周波数は、レゾルバ等の回転位置センサ61によって検出される基本波電流の周波数と同じである。
The harmonic
以上説明したように、本実施形態の電動機システムによれば、電動機50の固定子57に供給する3相電流に、当該3相電流よりも周波数の高い正弦波の高調波電流が重畳される。この高調波電流の位相は、電動機50の回転子53内の永久磁石が固定子57の回転磁界による反磁界の影響を受けて減磁しやすい電気角度領域(すなわち、回転子の回転時の電気角度領域において、永久磁石の角部の回転磁界に対するパーミアンスが相対的に小さな電気角度領域)に同高調波電流の振幅のボトム部分が一致するよう決定される。その結果、永久磁石が反磁界の影響を受けて減磁しやすい電気角度領域では、固定子57に供給される高調波電流が重畳された電流のレベルが上記3相電流よりも小さくなる。このため、当該電気角度領域での反磁界が低下して、減磁の発生を抑制できる。
As described above, according to the electric motor system of the present embodiment, a sinusoidal harmonic current having a frequency higher than that of the three-phase current is superimposed on the three-phase current supplied to the
本実施形態の電動機システムは、上記説明した高調波電流の振幅のボトム部を永久磁石が反磁界の影響を受けやすい電気角度領域に合わせる制御に加え、永久磁石が反磁界の影響を受けても減磁しにくい電気角度領域(すなわち、回転子の回転時の電気角度領域において、永久磁石の角部の回転磁界に対するパーミアンスが相対的に大きな電気角度領域)に高調波電流の振幅のピーク部分が一致するよう、高調波電流の周波数を調整しても良い。なお、永久磁石が反磁界の影響を受けても減磁しにくい電気角度領域は、図4に示したように、一対の永久磁石の8つの角部1〜8の内、パーミアンスがしきい値以上である角部の数が所定数(例えば4つ)以上であるとの条件を満たす電気角度の範囲である。永久磁石が反磁界の影響を受けにくい電気角度領域では、固定子57に供給される高調波電流が重畳された電流のレベルが上記3相電流よりも大きくなる。このため、当該電気角度領域でのトルクが増大して、電動機50は所望のトルクを出力できる。
The motor system according to the present embodiment has the above-described control for adjusting the bottom of the amplitude of the harmonic current to the electrical angle region in which the permanent magnet is easily affected by the demagnetizing field, and even if the permanent magnet is affected by the demagnetizing field. In the electrical angle region where demagnetization is difficult (that is, the electrical angle region where the permeance of the corner of the permanent magnet is relatively large in the electrical angle region during rotation of the rotor), the peak portion of the harmonic current amplitude is You may adjust the frequency of a harmonic current so that it may correspond. In addition, as shown in FIG. 4, the electrical angle region in which the permanent magnet is difficult to demagnetize even if it is affected by the demagnetizing field has a permeance threshold value among the eight corners 1 to 8 of the pair of permanent magnets. This is a range of electrical angles that satisfies the condition that the number of corners is a predetermined number (for example, four) or more. In the electrical angle region where the permanent magnet is not easily affected by the demagnetizing field, the level of the current on which the harmonic current supplied to the
なお、本実施形態の電動機システムでは、一対の永久磁石の8つの角部1〜8の内、パーミアンスがしきい値未満である角部の数が所定数以上であるとの条件に基づいて、永久磁石が反磁界の影響を受けやすい電気角度領域を決定する。このとき、一対の永久磁石の8つの角部1〜8を内径側の角部1,2,7,8と外径側の角部3,4,5,6とに分けて、同電気角度領域を決定しても良い。図10は、永久磁石の角部の外径側と内径側におけるB−H曲線(減磁曲線)の一例を示すグラフである。図10に示すように、永久磁石の外径側の角部は内径側と比較して大きな反磁界を受ける。すなわち、永久磁石の外径側の角部は、内径側の角部と比べ固定子57に近接しているため反磁界の影響を受けやすく、減磁しやすい。一方、内径側の角部は、外径側の角部よりも反磁界の影響を受けにくい。このように、回転子53の電気角度が変化することにより、外径側の角部では屈曲点を超えて減磁が発生しやすく、内径側の角部では減磁が発生しにくい。このため、内径側の角部における減磁の方がその発生を抑制しやすく、外径側の角部における減磁の発生を抑制する場合と比較して高調波電流の振幅を小さくできる。このため、他の実施形態の電動機システムでは、図11に示すように、一対の永久磁石の内径側の角部1,2,7,8の内、パーミアンスがしきい値未満である角部の数が所定数(例えば3つ)以上であるとの条件に基づいて、永久磁石が反磁界の影響を受けやすい電気角度領域を決定しても良い。この実施形態では、高調波電流を重畳する際の電力消費量の増加を抑制できる。
In addition, in the electric motor system of this embodiment, based on the condition that the number of corners whose permeance is less than the threshold value among the eight corners 1 to 8 of the pair of permanent magnets is a predetermined number or more, The electrical angle region in which the permanent magnet is susceptible to the demagnetizing field is determined. At this time, the eight corners 1 to 8 of the pair of permanent magnets are divided into
50 電動機
51 永久磁石
53 回転子
55 電機子
57 固定子
59 回転軸
100 ECU
11 PDU
13 バッテリ
101 電気角度変換部
103 電気角速度算出部
105 3相/dq変換部
107 電流指令決定部
109d,109q 重畳部
111d,111q 減算部
113 電流制御部
115 dq/3相変換部
117 高調波電流制御部
61 回転位置センサ
63u,63w 相電流センサ
121 高調波電流振幅決定部
123 振幅重み係数決定部
125 乗算部
127 高調波電流位相決定部
129 高調波電流決定部
131 dq変換部
50
11 PDU
13
Claims (6)
前記円周方向に所定間隔で並んだ複数の電機子が前記磁極列に対向して配置され、電力の供給に応じて前記複数の電機子に発生する電機子磁極により、前記円周方向に移動する回転磁界を前記磁極列との間に発生させる電機子列を有する固定子と、を備えた電動機の制御装置であって、
前記電動機の動作状態及び前記電動機に対する要求出力に応じて、前記電動機に供給する電流の基本成分を決定する電流成分決定部と、
前記電動機に供給する電流よりも周波数の高い高調波電流の成分を決定する高調波電流制御部と、
前記電動機に供給する電流の基本成分に前記高調波電流制御部が決定した前記高調波電流の成分を重畳する重畳部と、を備え、
前記高調波電流制御部は、前記回転子の回転時の電気角度領域において、前記永久磁石の角部の前記回転磁界に対するパーミアンスが相対的に小さな電気角度の領域に前記高調波電流の振幅のボトム部分が一致するよう、前記高調波電流の成分を決定することを特徴とする電動機の制御装置。 A rotor having a magnetic pole array composed of a plurality of permanent magnets arranged at predetermined intervals in the circumferential direction;
A plurality of armatures arranged at predetermined intervals in the circumferential direction are arranged to face the magnetic pole row, and are moved in the circumferential direction by armature magnetic poles generated in the plurality of armatures in response to power supply. And a stator having an armature row that generates a rotating magnetic field between the magnetic pole row and a motor control device,
A current component determining unit that determines a basic component of a current to be supplied to the motor in accordance with an operation state of the motor and a required output for the motor;
A harmonic current control unit for determining a harmonic current component having a frequency higher than the current supplied to the electric motor;
A superimposing unit that superimposes the harmonic current component determined by the harmonic current control unit on a basic component of current supplied to the electric motor,
The harmonic current control unit has a bottom of the amplitude of the harmonic current in an electrical angle region where the permeance of the corner portion of the permanent magnet with respect to the rotating magnetic field is relatively small in the electrical angle region during rotation of the rotor. A control device for an electric motor, wherein a component of the harmonic current is determined so that the portions coincide with each other.
前記パーミアンスが相対的に小さな電気角度領域は、前記永久磁石の角部の内、パーミアンスがしきい値未満である角部の数が所定数以上であるとの条件を満たす電気角度の範囲であることを特徴とする電動機の制御装置。 The motor control device according to claim 1,
The electrical angle region having a relatively small permeance is a range of electrical angles that satisfies a condition that the number of corners having a permeance less than a threshold value is not less than a predetermined number among corners of the permanent magnet. An electric motor control device.
前記高調波電流制御部は、前記回転子の回転時の電気角度領域において、前記永久磁石の角部の前記回転磁界に対するパーミアンスが相対的に大きな電気角度の領域に前記高調波電流の振幅のピーク部分が一致するよう、前記高調波電流の成分を決定することを特徴とする電動機の制御装置。 The motor control device according to claim 1 or 2,
The harmonic current control unit has an amplitude peak of the harmonic current in an electrical angle region where the permeance of the corner portion of the permanent magnet with respect to the rotating magnetic field is relatively large in the electrical angle region during rotation of the rotor. A control device for an electric motor, wherein a component of the harmonic current is determined so that the portions coincide with each other.
前記パーミアンスが相対的に大きな電気角度領域は、前記永久磁石の角部の内、パーミアンスがしきい値以上である角部の数が所定数以上であるとの条件を満たす電気角度の範囲であることを特徴とする電動機の制御装置。 The motor control device according to claim 3,
The electrical angle region where the permeance is relatively large is a range of electrical angles satisfying a condition that the number of corners whose permeance is equal to or greater than a threshold value among the corners of the permanent magnet is equal to or greater than a predetermined number An electric motor control device.
前記複数の永久磁石を構成する隣接した2つの永久磁石は、前記電動機の回転軸方向から見たときに、前記回転子の外周面に向かって開くV字状に配置され、
前記反磁界の影響を受けやすい電気角度領域は、前記V字状に配置された2つの永久磁石の内径側の角部の内、パーミアンスがしきい値未満である角部の数が所定数以上であるとの条件を満たす電気角度の範囲であることを特徴とする電動機の制御装置。 The motor control device according to claim 1, 3 or 4,
Two adjacent permanent magnets constituting the plurality of permanent magnets are arranged in a V shape that opens toward the outer peripheral surface of the rotor when viewed from the rotation axis direction of the electric motor,
The electrical angle region susceptible to the influence of the demagnetizing field has a predetermined number or more of corners whose permeance is less than a threshold value among corners on the inner diameter side of the two permanent magnets arranged in the V shape. An electric motor control device having a range of electrical angles that satisfies the condition of.
前記電動機に供給する前記高調波電流の成分のdq軸座標系における高調波次数は、前記電動機の極数と相数を乗算した値であることを特徴とする電動機の制御装置。 A control device for an electric motor according to any one of claims 1 to 5,
The harmonic motor order in the dq axis coordinate system of the harmonic current component supplied to the motor is a value obtained by multiplying the number of poles and the number of phases of the motor.
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