JP4754378B2 - 電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石界磁型の回転電動機の界磁弱め制御を、同心円状に配置された二つのロータ間の位相差を変更することによって行う電動機の制御装置に関する。

従来より、永久磁石界磁型の回転電動機の回転軸の周囲に同心円状に設けた第１ロータ及び第２ロータを備え、回転速度に応じて第１ロータと第２ロータの位相差を変更することで、界磁弱め制御を行うようにした電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかる従来の電動機においては、第１ロータと第２ロータが、遠心力の作用により径方向に沿って変位する部材を介して接続されている。また、電動機が停止状態にあるときに、第１ロータに配置された永久磁石の磁極と第２ロータに配置された永久磁極の磁極の向きが同一となって界磁の磁束が最大となり、電動機の回転速度が高くなるに従って遠心力により第１ロータと第２ロータの位相差が拡大して、界磁の磁束が減少するように構成されている。

ここで、図１２は縦軸を出力トルクＴrとし横軸を回転数Ｎとして、電動機の界磁弱めが必要となる領域を示したものであり、図中ｕは電動機の直交ライン（界磁弱め制御を行わずに電動機を作動させたときに、回転数と出力トルクの組合わせにより電動機の相電圧が電源電圧と等しくなる点を結んだもの）である。図中Ｘは界磁弱めが不要な領域であり、Ｙは界磁弱めが必要な領域である。

図１２に示したように、界磁弱めが必要となる領域Ｙは電動機の回転数Ｎと出力トルクＴrにより決定されるため、従来の回転数のみによる界磁弱め制御では、界磁弱めの制御量が過大又は過小となるという不都合がある。

また、本来、界磁弱め制御は、電動機の回転により電機子に生じる逆起電力を減少させて電機子の端子間電圧が電源電圧よりも大きくなることを抑制し、これにより、電動機をより高回転域で使用できるようにするものである。そして、電動機の回転数や遠心力で第１ロータと第２ロータの位相差を変更する場合には、界磁弱めを変更するパラメータが回転数のみであるため、電動機の出力トルクや回転数の制御範囲を柔軟に変更することができないという不都合がある。

また、発電機としても作動する電動機においては、一般的に駆動時（出力トルクが正）と発電時（出力トルクが負）では同一回転数に対する界磁の制御量を変えた方が運転効率が高くなるが、回転数や遠心力で第１ロータと第２ロータの位相差を変更するときには、このように駆動時と発電時で界磁の制御量を変えることができないという不都合がある。
特開２００２−２０４５４１号公報

本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、簡易な構成により、電動機の回転数に依らずに、同心円状に配置された二つのロータ間の位相差を変更して界磁弱め制御を行うことができる電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、永久磁石による界磁を複数個有する第１ロータ及び第２ロータを、回転軸の周囲に同心円状に配置した永久磁石界磁型の回転電動機の作動を、該第１ロータと該第２ロータとの位相差であるロータ位相差を変更することによる界磁制御を行って制御する電動機の制御装置に関する。なお、前記界磁制御には、前記電動機の界磁の磁束を減少させる界磁弱め制御と、前記電動機の界磁の磁束を増大させる界磁強め制御とが含まれる。

そして、前記第１ロータの位置を検出するロータ位置検出手段と、前記第１ロータの位置に基づいて、前記電動機を界磁の磁束方向であるｄ軸と該ｄ軸と直交するｑ軸からなる２相直流の回転座標系による等価回路に変換し、ｄ軸側の電機子の通電量とｑ軸側の電機子の通電量を制御することで、前記電動機の通電制御を行う通電制御手段と、所定の界磁弱めの効果を得るために必要なｄ軸側の電機子の通電量である界磁弱め電流指令値を決定する界磁弱め電流指令値決定手段と、前記界磁弱め電流指令値に応じて、前記ロータ位相差の指令値を決定するロータ位相差指令値決定手段と、前記ロータ位相差の指令値に応じて、前記ロータ位相差を変更するロータ位相差変更手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記界磁電流指令値決定手段は、前記等価回路による電動機の通電制御において一般的な、ｄ軸側の電機子の通電量により前記電動機の界磁弱めを行うための前記界磁弱め電流指令値を決定する。そして、前記ロータ位相差指令値決定手段は、前記界磁弱め電流指令値に応じて前記ロータ位相差の指令値を決定する。そのため、前記等価回路による電動機の通電制御を行うために、従来より備えられていた前記界磁弱め電流指定値決定手段の構成を利用した簡易な構成により、前記ロータ位相差の指令値を決定することができる。そして、これにより、前記電動機の回転数に依らずに、前記ロータ位相差変更手段によって前記ロータ位相差を変更して前記電動機の界磁弱め制御を行うことができる。

また、直流電源から供給される直流電力を前記電動機の電機子に供給する多相交流電力に変換するインバータ回路を備え、前記界磁弱め電流指令値決定手段は、前記等価回路におけるｄ軸側の電機子の端子間電圧とｑ軸側の電機子の端子間電圧との合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された所定電圧以下となるように、前記界磁弱め電流指令値を決定することを特徴とする。

かかる本発明によれば、ｄ軸側の電機子の端子間電圧とｑ軸側の電機子の端子間電圧との合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された所定電圧以下となるように、前記界磁弱め電流指令値を決定して前記ロータ位相差を変更することにより、前記電動機の回転域の上限を前記所定電圧を超えない範囲で拡大することができる。

また、前記ロータ位相差の指令値と所定のトルク指令値とに応じて、ｑ軸側の電機子の通電量の指令値とｄ軸側の電機子の通電量の指令値とを決定する電流指令値決定手段を備え、前記通電制御手段は、該通電指令値決定手段により決定されたｑ軸側の電機子の通電量の指令値とｄ軸側の電機子の通電量の指令値とに基づいて、ｑ軸側の電機子の通電量とｄ軸側の電機子の通電量とを制御することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記ロータ位相差が変化すると、それに応じて前記電動機の界磁の磁束が変化するため、前記電動機の出力トルクを前記トルク指令値とするのに必要となるｑ軸側の電機子の通電量とｄ軸側の電機子の通電量が変化する。そこで、前記電流指令値決定手段により、前記ロータ位相差の指令値と前記トルク指令値とに応じて、ｑ軸側の電機子の通電量の指令値とｄ軸側の電機子の通電量の指令値とを決定することによって、前記電動機の界磁の磁束の変化の影響を考慮した適切なｑ軸側の電機子の通電量の指令値とｄ軸側の電機子の通電量の指令値とを決定することができる。

また、前記電流指令値決定手段は、前記ロータ位相差の指令値に基づいて前記電動機の誘起電圧定数を推定し、該誘起電圧定数の推定値を用いてｑ軸側の電機子の通電量の指令値とｄ軸側の電機子の通電量の指令値とを決定することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記ロータ位相差の変化に応じて前記電動機の界磁の磁束が変化すると、それに応じて前記電動機の誘起電圧定数が変化する。そこで、前記通電指令値決定手段は、前記電動機の誘起電圧定数の推定値を用いることで、前記電動機の実際の界磁の状態に応じた適切なｑ軸側の電機子の通電量の指令値とｄ軸側の電機子の通電量の指令値とを決定することができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図１１を参照して説明する。図１は２重ロータを備えたＤＣブラシレスモータの構成図、図２は図１に示したＤＣブラシレスモータの外側ロータと内側ロータの位相差を変更する機構の構成図及び作動説明図、図３及び図４は外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図、図５は電動機の制御装置の制御ブロック図、図６はｄｑ座標系における電圧ベクトル図、図７は界磁弱め電流算出部のブロック図、図８は界磁弱め電流に応じたロータ位相差を決定するマップの説明図、図９はロータ位相差に応じた誘起電圧定数を決定するマップの説明図、図１０は界磁弱め電流指令値に応じてロータ位相差の指令値とｄ軸電機子及びｑ軸電機子の通電量の指令値を決定する処理のフローチャート、図１１はアクチュエータによりロータ位相差を変更する処理のフローチャートである。

図１を参照して、本実施の形態における電動機１は、永久磁石１１ａ，１１ｂの界磁が周方向に沿って等間隔に配設された内側ロータ１１（本発明の第２ロータに相当する）と、永久磁石１２ａ，１２ｂの界磁が周方向に沿って等間隔に配設された外側ロータ１２（本発明の第１ロータに相当する）と、内側ロータ１１及び外側ロータ１２に対する回転磁界を発生させるための電機子１０ａを有するステータ１０とを備えたＤＣブラシレスモータである。電動機１は、例えばハイブリッド車両や電動車両の駆動源として使用され、ハイブリッド車両に搭載されたときは、電動機及び発電機として動作する。

内側ロータ１１と外側ロータ１２は、共に回転軸が電動機１の回転軸２と同軸となるように同心円状に配置されている。そして、内側ロータ１１においては、Ｎ極を回転軸２側とする永久磁石１１ａとＳ極を回転軸２側とする永久磁石１１ｂが交互に配設されている。同様に、外側ロータ１２においても、Ｎ極を回転軸２側とする永久磁石１２ａとＳ極を回転軸２側とする永久磁石１２ｂが交互に配設されている。

次に、電動機１は、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差であるロータ位相差を変更するために、図２（ａ）に示した遊星歯車機構３０を備えている。図２（ａ）を参照して、遊星歯車機構３０は、内側ロータ１１の内周側の中空部に配置されたシングルピニオン型の遊星歯車機構であり、外側ロータ１２と同軸且つ一体に形成された第１リングギアＲ１、内側ロータ１１と同軸且つ一体に形成された第２リングギアＲ２、第１リングギアＲ１と噛合する第１プラネタリギア３１、第２リングギアＲ２に噛合する第２プラネタリギア３２、第１プラネタリギア３１及び第２プラネタリギア３２と噛合するアイドルギアであるサンギアＳ、第１プラネタリギア３１を回転自在に支持すると共に回転軸２に回転可能に軸支された第１プラネタリキャリアＣ１、及び第２プラネタリギア３２を回転自在に支持すると共にステータ１０に固定された第２プラネタリキャリアＣ２を備えている。

遊星歯車機構３０において、第１リングギアＲ１と第２リングギアＲ２は略同等のギア形状とされ、第１プラネタリギア３１と第２プラネタリギア３２も略同等のギア形状とされている。また、サンギアＳの回転軸３３は電動機１の回転軸２と同軸に配置されると共に、軸受け３４により回転可能に軸支されている。そして、これにより、第１プラネタリギア３１と第２プラネタリギア３２がサンギアＳと噛合し、外側ロータ１２と内側ロータ１１が同期して回転するように構成されている。

さらに、第１プラネタリキャリアＣ１の回転軸３５は、電動機１の回転軸２と同軸に配置されると共にアクチュエータ２５に接続されており、第２プラネタリキャリアＣ２はステータ１０に固定されている。

アクチュエータ２５は、外部から入力される制御信号に応じて、油圧により第１プラネタリキャリアＣ１を正転方向又は逆転方向に回転させ、或いは回転軸２回りの第１プラネタリキャリアＣ１の回転を規制する。そして、アクチュエータ２５によって第１プラネタリキャリアＣ１が回転すると、外側ロータ１２と内側ロータ１１間の相対的な位置関係（位相差）が変化する。なお、遊星歯車機構３０とアクチュエータ２５により、本発明のロータ位相差変更手段が構成される。また、油圧ではなく電動により第１プラネタリキャリアＣ１を回転させるアクチュエータを用いてもよい。

図２（ｂ）は、遊星歯車機構３０における第１リングギアＲ１と、第１プラネタリキャリアＣ１と、サンギアＳと、第２プラネタリキャリアＣ２と、第２リングギアＲ２の回転速度の関係を示した図であり、縦軸が各ギアの回転速度Ｖrに設定されている。

図２（ｂ）において、ステータ１０に固定された第２プラネタリキャリアＣ２の速度はゼロである。そのため、第２リングギアＲ２及び内側ロータ１１は、例えば逆転方向（Ｖr＜０）に回動するサンギアＳに対して、第２リングギアＲ２に対するサンギアＳのギア比ｇ２に応じた速度で正転方向（Ｖr＞０）に回転することになる。

ここで、アクチュエータ２５が非作動状態（アクチュエータ２５による第１プラネタリキャリアＣ１の回動がなされていない状態）にあるときは、第１プラネタリキャリアＣ１の回転速度はゼロである。そのため、第１リングギアＲ１及び外側ロータ１２は、回転するサンギヤＳに対して、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１に応じた速度で逆方向に回転する。そして、ギヤ比ｇ１とギヤ比ｇ２は略同等（ｇ１≒ｇ２）に設定されているので、内側ロータ１１と外側ロータ１２は同期して回転し、内側ロータ１１と外側ロータ１２間の位相差が一定に維持される。

一方、アクチュエータ２５が作動状態（アクチュエータ２５により第１プラネタリキャリアＣ１が回動している状態）にあるときは、第１リングギアＲ１及び外側ロータ１２は、回転するサンギアＳに対して、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１に応じた速度に対して、第１プラネタリキャリアＣ１の回動分だけ増速又は減速されて、逆方向に回転する。そして、これにより、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差が変化する。

また、アクチュエータ２５は、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１と電動機１の極対数Ｐに対して、少なくとも、機械角度β（度）＝（180／Ｐ）×ｇ１／（１＋ｇ１）だけ、第１プラネタリキャリアＣ１を正転方向又は逆転方向に回動可能に構成されている。

そのため、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差は、少なくとも電気角で１８０度の範囲で進角側又は遅角側に変更することができ、電動機１の状態は、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂが同極同士を対向して配置された界磁弱め状態と、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂが異極同士を対向して配置された界磁強め状態との間で、適宜設定可能である。

図３（ａ）は界磁強め状態を示しており、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂの磁束Ｑ１の向きが同一であるため、合成された磁束Ｑ３が大きくなる。一方、図３（ｂ）は界磁弱め状態を示しており、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂの磁束Ｑ１の向きが逆であるため、合成された磁束Ｑ３が小さくなる。

図４は、図３（ａ）の状態と図３（ｂ）の状態において、電動機１を所定回転数で作動させた場合にステータ１０の電機子に生じる誘起電圧を比較したグラフであり、縦軸が誘起電圧（Ｖ）に設定され、横軸が電気角（度）に設定されている。図中ａが図３（ａ）の状態（界磁強め状態）であり、ｂが図３（ｂ）の状態（界磁弱め状態）である。図４から、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差を変更することで、生じる誘起電圧のレベルが大幅に変化していることがわかる。

そして、このように、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差を変更して、界磁の磁束を増減させることにより、電動機１の誘起電圧定数Ｋeを変化させることができる。これにより、誘起電圧定数Ｋeが一定である一つのロータを備えた一般的な電動機に比べて、電動機１の出力及び回転数に対する運転可能領域を拡大することができる。また、電動機の制御として一般的なｄｑ座標変換により、ｄ軸（界磁軸）側の電機子に通電して界磁弱め制御を行う場合に比べて、電動機１の銅損が減少するため、電動機１の運転効率を高めることができる。

次に、図５〜図１１を参照して、本発明の電動機の制御装置について説明する。図５に示した電動機の制御装置（以下、単に制御装置という）は、電動機１を界磁方向をｄ軸としてｄ軸と直交する方向をｑ軸とした２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱い、外部から与えられるトルク指令値Ｔr_cに応じたトルクが電動機１から出力されるように、電動機１に対する通電量を制御するものである。

制御装置はＣＰＵ、メモリ等により構成される電子ユニットであり、トルク指令値Ｔr_cと電動機１の外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差（ロータ位相差）の指令値θd_cとに基づいて、ｄ軸側の電機子（以下、ｄ軸電機子という）に流れる電流（以下、ｄ軸電流という）の指令値Ｉd_cとｑ軸側の電機子（以下、ｑ軸電機子という）に流れる電流（以下、ｑ軸電流という）の指令値Ｉq_cとを決定する電流指令値決定部６０（本発明の電流指令値決定手段に相当する）、電流センサ７０，７１により検出されてバンドパスフィルタ７２により不要成分が除去された電流検出信号と、レゾルバ７３（本発明のロータ位置検出手段に相当する）により検出される外側ロータ１２のロータ角度θrとに基づいて、３相／ｄｑ変換によりｄ軸電流の検出値Ｉd_sとｑ軸電流の検出値Ｉq_sとを算出する３相／ｄｑ変換部７５、ｄ軸電流の指令値Ｉd_cと検出値Ｉd_sの偏差ΔＩd及びｑ軸電流の指令値Ｉq_cと検出値Ｉq_sの偏差ΔＩqが減少するように、ｄ軸電機子の端子間電圧（以下、ｄ軸電圧という）の指令値Ｖd_cとｑ軸電機子の端子間電圧（以下、ｑ軸電圧という）の指令値Ｖq_cとを決定する通電制御部５０（本発明の通電制御手段に相当する）、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値Ｖq_cを大きさＶ1と角度θの成分に変換するｒθ変換部６１、及び該大きさＶ1と角度θの成分をＰＷＭ制御により３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の交流電圧に変換するＰＷＭ演算部６２（本発明のインバータ回路の機能を含む）を備えている。

さらに、制御装置は、ＰＷＭ演算部６２に直流電力を供給する直流電源（図示しない）の出力電圧Ｖdcから後述する目標電圧円の半径Ｖp_targetを算出する目標電圧円算出部９０、目標電圧円の半径Ｖp_targetとｄ軸電圧の指令Ｖd_c及びｑ軸電圧の指令Ｖq_cとに基づいて界磁弱め電流指令値ΔＩd_volを算出する界磁弱め電流算出部９１（本発明の界磁弱め電流指令値決定手段に相当する）、及び該界磁弱め電流指令値ΔＩd_volに応じて、ロータ位相差の指令値θd_cを決定するロータ位相差指令値決定部９４（本発明のロータ位相差指令値決定手段に相当する）を備えている。

また、通電制御部５０は、ｄ軸電流の指令値Ｉd_cと検出値Ｉd_sとの偏差ΔＩdを算出する減算器５２、該偏差ΔＩdを生じさせるためのｄ軸偏差電圧ΔＶdを算出するｄ軸電流制御部５３、ｄ軸電流の指令値Ｉd_cとｑ軸電流の指令値Ｉq_cとに基づいて、ｄ軸とｑ軸間で干渉し合う速度起電力の影響を打ち消すための成分（非干渉成分）を算出する非干渉制御部５６、ｄ軸偏差電圧ΔＶdから非干渉制御部５６により算出された非干渉成分を減じる減算器５４、ｑ軸電流の指令値Ｉq_cと検出値Ｉq_sとの偏差ΔＩqを算出する減算器５５、該偏差ΔＩqを生じさせるためのｑ軸偏差電圧ΔＶqを算出するｑ軸電流制御部５７、及びｑ軸偏差電圧ΔＶqに非干渉成分を加える加算器５８を備えている。

図６は、ｄｑ座標系における界磁弱め制御について説明したものであり、縦軸がｑ軸（トルク軸）に設定され、横軸がｄ軸（界磁軸）に設定されている。図中Ｃは目標電圧円算出部９０により算出されたＶp_targetを半径とする円（目標電圧円）である。Ｖp_targetは、例えばＶdc×０．５に設定され、或いは正弦波変調に対応したＶdc／６^1/2に設定される。

また、Ｖqはｑ軸電圧、Ｖdはｄ軸電圧、ωは電動機１の角速度、Ｌqはｑ軸電機子のインダクタンス、Ｉqはｑ軸電流、Ｌdはｄ軸電機子のインダクタンス、Ｉdはｄ軸電流、Ｋeは誘起電圧定数（Ｋeωは誘起電圧）である。

図６において、ｑ軸電圧Ｖqとｄ軸電圧Ｖdの合成ベクトルＶ１は、電源電圧円Ｃの範囲外（｜Ｖ１｜＞Ｖp_target）となり、この場合はＰＷＭ演算部６２からｑ軸電機子及びｄ軸電機子に通電することができない。そこで、界磁弱め電流算出部９１は、以下の式（１）により算出されるΔＶpを生じさせる電流分を、ｄ軸電機子の通電量に加えることによりｑ軸電圧をＶqからＶq'とする界磁弱め制御を行う。

これにより、ｄ軸電圧とｑ軸電圧の合成ベクトルがＶ１からＶ１'となり、合成ベクトルＶ１'は電源電圧円Ｃの範囲内となるため、ｑ軸電機子に通電することが可能となる。

界磁弱め電流算出部９１は、図７に示したように、上記ΔＶpを算出するΔＶp算出部１００と、ΔＶpに応じた界磁弱め電流指令値ΔＩd_volを算出するΔＩd_vol算出部１１０とにより構成されている。ΔＶp算出部１００には、目標電圧円の半径Ｖp_targetとｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値Ｖq_cとが入力される。そして、２乗器１０１，１０２、減算器１０３、平方器１０４、及び減算器１０５により、上記式（１）の演算が実行されてΔＶpが算出される。

また、ΔＩd_vol算出部１１０は、ΔＶpに対して、比例ゲインＫ1（１１１）と時定数Ｔ1（１１２）を乗じて、積分処理を行い（１１３）、演算値を電動機１の通常使用領域内に制限するリミット処理（１１４）を行う。そして、該リミット処理（１１４）により得られたΔＩd_aと、該値に対して時定数Ｔ2を乗じて（１２０）積分処理を行い（１２１）、演算値を電動機１の通常使用領域内に制限するリミット処理（１２２）を行ったΔＩd_bとを加算器１３０により加算して、演算値を電動機１の通常使用領域内に制限するリミット処理（１３１）を行うことで、界磁弱め電流指令値ΔＩd_volを算出する。

次に、図１０に示したフローチャートに従って、ロータ位相差指令値決定部９４及び電流指令値決定部６０の作動について説明する。図１０のＳＴＥＰ１０〜ＳＴＥＰ１２及びＳＴＥＰ２０がロータ位相差指令値決定部９４による処理であり、ＳＴＥＰ１３が電流指令値決定部６０による処理である。

ロータ位相差指令値決定部９４は、図８（ａ）に示したΔＩd_vol／θdマップを用いて、ロータ位相差θdを決定する。図８（ａ）に示したΔＩd_vol／θdマップは、図中Ａ１の設定により、界磁弱め電流指令値ΔＩd_volがΔＩd_vol_refよりも大きいとき（ΔＩd_vol_ref＜ΔＩd_vol）は、ロータ位相差θdを１８０度（界磁弱め側）とし、界磁弱め電流指令値ΔＩd_volがΔＩd_vol_ref以下であるとき（ΔＩd_vol≦ΔＩd_vol_ref）には、ロータ位相差θdを０度（界磁強め側）とするものである。

なお、Ａ１の設定はロータ位相差θdを２段階（０度又は１８０度）に切り替えるものであるが、Ｂ１の設定のように３段階に切り替えてもよく、或いは４段階以上に切り替える設定としてもよい。また、図８（ｂ）に示したように、界磁弱め電流指令値ΔＩd_volの大きさに反比例させてロータ位相差θdを連続的に変更するようにしてもよい。

ロータ位相差指令値決定部９４は、ＳＴＥＰ１０で、界磁弱め電流算出部９１により算出された界磁弱め電流指定値ΔＩd_volを読み込む。そして、続くＳＴＥＰ１１で、ロータ位相差指令値決定部９４は、界磁弱め電流指令値ΔＩd_volがΔＩd_vol_ref（図８（ａ）参照）以下であるか否かを判断する。

界磁弱め電流指令値ΔＩd_volがΔＩd_vol_ref以下であったときはＳＴＥＰ１２に進み、ロータ位相差指令値決定部９４は、図８（ａ）に示したΔＩd_vol／θdマップに従ってロータ位相差指令値θd_cを１８０度に決定し、ＳＴＥＰ１３に進む。一方、界磁弱め電流指令値ΔＩd_volがΔＩd_vol_refよりも大きいときにはＳＴＥＰ２０に分岐し、ロータ位相差指令値決定部９４は、図８（ａ）に示したΔＩd_vol／θdマップに従ってロータ位相差指令値θd_cを０度に決定して、ＳＴＥＰ１３に進む。

ＳＴＥＰ１３で、電流指令値決定部６０は、予めメモリ（図示しない）に記憶されたＴr，θd／Ｉd，Ｉqマップに、トルク指令値Ｔr_cとロータ位相差指令値θd_cを適用して、ｄ軸電流の指令値Ｉd_c及びｑ軸電流の指令値Ｉq_cを決定する。ここで、Ｔr，θd／Ｉd，Ｉqマップは、ロータ位相差θdの設定に応じて変化する電動機１の界磁の磁束の変化を考慮して、実験データ或いはコンピュータシミュレーションに基づいて作成されたものである。

このように、ロータ位相差θdの設定が変更されたときに、それに応じてｄ軸電流の指令値Ｉd_cとｑ軸電流の指令値Ｉq_cを決定することで、界磁の状態に応じた適切なＩd_cとＩq_qを決定することができる。

なお、本実施の形態では、Ｔr，θd／Ｉd，Ｉqマップを用いてＩd_cとＩq_cを決定したが、電動機１の出力トルクはｑ軸電流と誘起電圧定数Ｋeに比例するため、電動機１の誘起電圧定数Ｋeを推定して、ｑ軸電流の指令値Ｉq_cとｄ軸電流の指令値Ｉd_cを決定するようにしてもよい。

具体的には、図９（ａ）に示したθd／ＫeマップのＡ２の設定を用いて、ロータ位相差θd（０度又は１８０度）に対応した電動機１の誘起電圧定数Ｋeを取得し、該誘起電圧定数Ｋeの下でトルク指令Ｔr_cが得られるｑ軸電流の指令値Ｉq_cとｄ軸電流の指令値Ｉd_cを決定する。なお、図８（ａ）のＢ１の設定によりロータ位相差θdを３段階に切り替えて設定するときは、それに応じて、図９（ａ）のＢ２の設定により誘起電圧定数Ｋeも３段階に切り替えて設定する。ロータ位相差θdを４段階以上に設定するときも同様である。また、図８（ｂ）に示したように、界磁弱め電流指令値ΔＩd_volの大きさに反比例させてロータ位相差θdを連続的に変更するときは、それに応じて、図９（ｂ）に示したように、誘起電圧定数Ｋeもロータ位相差θdに反比例させて連続的に変更する。

次に、図１１に示したフローチャートに従って、アクチュエータ２５の動作について説明する。アクチュエータ２５は、図１１のＳＴＥＰ１でロータ位相差指令値決定部９４からロータ位相差の指令値θd_cを受信すると、ＳＴＥＰ２でθd_cを機械角度βに変換する。そして、続くＳＴＥＰ３で、アクチュエータ２５は機械角度βを第１プラネタリキャリアＣ1の動作角度γに変換し、ＳＴＥＰ４で該動作角度γ分だけ、第１プラネタリキャリアを回動させる。

なお、本実施の形態の電動機の制御装置は、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_c及びｑ軸電圧の指令値Ｖq_cと目標電圧円の半径Ｖp_targetとに基づいて、界磁弱め電流指令値ΔＩd_volを算出したが、他の構成により界磁弱め電流の指令値を算出する場合であっても、本発明の効果を得ることができる。

２重ロータを備えたＤＣブラシレスモータの構成図。 図１に示したＤＣブラシレスモータの外側ロータと内側ロータの位相差を変更する機構の構成図及び作動説明図。 外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図。 外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図。 電動機の制御装置の制御ブロック図。 ｄｑ座標系における電圧ベクトル図。 界磁弱め電流算出部のブロック図。 界磁弱め電流に応じたロータ位相差を決定するマップの説明図。 ロータ位相差に応じた誘起電圧定数を決定するマップの説明図。 界磁弱め電流指令値に応じてロータ位相差の指令値とｄ軸電機子及びｑ軸電機子の通電量の指令値を決定する処理のフローチャート。 アクチュエータによりロータ位相差を変更する処理のフローチャート。 電動機の界磁弱めが必要となる領域の説明図。

符号の説明

１…電動機、２…電動機の回転軸、１０…ステータ、１１…内側ロータ、１１ａ，１１ｂ…永久磁石、１２…外側ロータ、１２ａ，１２ｂ…永久磁石、２５…アクチュエータ、３０…遊星歯車機構、Ｃ１…第１プラネタリキャリア、Ｃ２…第２プラネタリキャリア、Ｒ１…第１リングギア、Ｒ２…第２リングギア、Ｓ…サンギア、３１…第１プラネタリギア、３２…第２プラネタリギア、３３…サンギアの回転軸、３４…軸受け、３５…第１プラネタリキャリアの回転軸、５０…通電制御部、６０…電流指令値決定部、９０…目標電圧円算出部、９１…界磁弱め電流算出部、９４…ロータ位相差指令値決定部

Claims (4)

1. 永久磁石による界磁を複数個有する第１ロータ及び第２ロータを、回転軸の周囲に同心円状に配置した永久磁石界磁型の回転電動機の作動を、該第１ロータと該第２ロータとの位相差であるロータ位相差を変更することによる界磁制御を行って制御する電動機の制御装置であって、
   前記第１ロータの位置を検出するロータ位置検出手段と、
   前記第１ロータの位置に基づいて、前記電動機を界磁の磁束方向であるｄ軸と該ｄ軸と直交するｑ軸からなる２相直流の回転座標系による等価回路に変換し、ｄ軸側の電機子の通電量とｑ軸側の電機子の通電量を制御することで、前記電動機の通電制御を行う通電制御手段と、
   所定の界磁弱めの効果を得るために必要なｄ軸側の電機子の通電量である界磁弱め電流指令値を決定する界磁弱め電流指令値決定手段と、
   前記界磁弱め電流指令値に応じて、前記ロータ位相差の指令値を決定するロータ位相差指令値決定手段と、
   前記ロータ位相差の指令値に応じて、前記ロータ位相差を変更するロータ位相差変更手段とを備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
2. 直流電源から供給される直流電力を前記電動機の電機子に供給する多相交流電力に変換するインバータ回路を備え、
   前記界磁弱め電流指令値決定手段は、前記等価回路におけるｄ軸側の電機子の端子間電圧とｑ軸側の電機子の端子間電圧との合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された所定電圧以下となるように、前記界磁弱め電流指令値を決定することを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
3. 前記ロータ位相差の指令値と所定のトルク指令値とに応じて、ｑ軸側の電機子の通電量の指令値とｄ軸側の電機子の通電量の指令値とを決定する電流指令値決定手段を備え、
   前記通電制御手段は、該通電指令値決定手段により決定されたｑ軸側の電機子の通電量の指令値とｄ軸側の電機子の通電量の指令値とに基づいて、ｑ軸側の電機子の通電量とｄ軸側の電機子の通電量とを制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電動機の制御装置。
4. 前記電流指令値決定手段は、前記ロータ位相差の指令値に基づいて前記電動機の誘起電圧定数を推定し、該誘起電圧定数の推定値を用いてｑ軸側の電機子の通電量の指令値とｄ軸側の電機子の通電量の指令値とを決定することを特徴とする請求項３記載の電動機の制御装置。

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