JP5038008B2 - モータ制御装置 - Google Patents
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また、従来、例えばロータの中心方向に対して非対称に配置されたティースに起因する誘起電圧の位相ずれを検出し、この検出結果に応じて誘起電圧の位相ずれを補正する制御装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。
また、上記特許文献2に係る制御装置においては、各相電圧の位相差を検出して誘起電圧のずれを推定しており、各相のインダクタンスの不整合に係る補正により相電圧の位相差自体が変化する場合には、誘起電圧の位相差を検出することができなくなるという問題が生じる。
さらに、請求項3に記載の本発明のモータ制御装置によれば、例えばステータでのコイルエンドの高さおよびステータの軸方向の寸法が増大してしまうことを防止する場合等において、複数相のティースが各相の相互間での軸方向位置に偏差を有するように配置された場合であっても、この軸方向位置偏差に起因する線間誘起電圧同士の位相差に基づき、複数相の各相に印加する電圧の位相を補正することから、モータを適切に制御することができる。
しかも、電流位相補正手段は、電圧位相補正手段により補正された電圧が複数相の各相に印加された以後に、電圧指令補正値を算出することから、電流のフィードバック制御を適切に行うことができる。
さらに、請求項5に記載の本発明のモータ制御装置によれば、電圧位相補正手段は、複数相の各相に電圧の印加を開始する時点から、例えば予めモータの構造に応じて設定された補正量等によって、電圧の位相を補正することから、より一層、モータを適切に制御することができる。
本実施の形態に係るモータ1は、例えばハイブリッド車両や燃料電池車両や電動車両等の車両に搭載され、例えば内燃機関Eと共に車両の駆動源としてモータ1を備えるハイブリッド車両において、内燃機関Eとモータ1とトランスミッションT/Mとを直列に直結した構造のパラレルハイブリッド車両では、少なくとも内燃機関Eまたはモータ1の何れか一方の駆動力はトランスミッションT/Mを介して車両の駆動輪W,Wに伝達されるようになっている。
また、車両の減速時に駆動輪W,W側からモータ1に駆動力が伝達されると、モータ1は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギー(回生エネルギー)として回収する。さらに、内燃機関Eの出力がモータ1に伝達された場合にもモータ1は発電機として機能して発電エネルギーを発生する。
このロータ5において、複数の略長方形板状の永久磁石5a,…,5aは、例えばロータ5の外周部に周方向に所定間隔をおいて配置され、各永久磁石5aは厚さ方向(つまりロータ5の径方向)に磁化され、周方向で隣り合う永久磁石5a,5aは互いに磁化方向が異方向となるように、すなわち外周側がN極とされた永久磁石5aには、外周側がS極とされた永久磁石5aが周方向で隣接するように配置されている。
また、各永久磁石5aの外周面は、ロータ5の外周部に対向配置される略円筒状のステータ10の内周面に向かい露出している。
各蛇行部31,32の周方向Cの幅つまりコイルピッチは、例えば図2に示すように、電気角で120°に設定され、各蛇行部31,32は互いに異なる方向(つまり互いの対向方向であって軸線方向Pの一方および他方)に向かい突出するように設けられ、U相環状巻線14とW相環状巻線15とは、電気角で240°(edeg)の位相差を有するようにして周方向Cに沿って相対的にずれた位置に配置されている。これにより、例えばU相蛇行部31に対して、周方向Cの一方側で隣り合うW相蛇行部32は電気角で240°(edeg)の位相差を有し、周方向Cの他方側で隣り合うW相蛇行部32は電気角で120°(edeg)の位相差を有することになる。そして、2相の各環状巻線14,15は、互いの対向方向に突出する互いの各蛇行部31,32が周方向Cに沿って交互に配列され、互いに交差しないように配置されている。
これにより、周方向Cで隣り合う各ティース22,24または24,26または22,26間を縫うようにして配置された2相の各環状巻線14,15は所謂電気角で120°(edeg)の短節波巻きをなすように形成されている。
なお、下記数式(1)において、L=−2Mとし、漏れ磁束を無視した。
さらに、後述するように、この実施形態によるモータ1では、ステータ10の各ティース22,24,26同士の間隔が不均等に配置されていることから、複数相の各相の相互間で誘起電圧位相差が異なっており、2π/3=120°(edeg)からずれた値となっている。
PDU51は、例えばトランジスタのスイッチング素子を複数用いてブリッジ接続してなるブリッジ回路を具備するパルス幅変調(PWM)によるPWMインバータを備え、モータ1と電気エネルギーの授受を行う高圧系のバッテリ52が接続されている。
PDU51は、例えばモータ1の駆動時に、制御部53から出力される指令値(U相交流電圧指令値Vu,V相交流電圧指令値Vv,W相交流電圧指令値Vw)に基づき、バッテリ52から供給される直流電力を3相交流電力に変換し、3相のモータ1の2相のU相およびW相環状巻線14,15への通電を順次転流させることで各電圧指令値Vu,Vv,Vwに応じたU相電流Iu及びW相電流Iwをモータ1の各相へと出力する。
この制御部53は、例えば、電流指令入力部61と、減算器62,63と、電流フィードバック制御部64と、dq−3相個別変換部65と、電圧位相補正部66と、3相−dq変換部67と、電流位相ずれ演算部68と、積分補償部69と、電流位相補正部70とを備えて構成されている。
この回転直交座標をなすdq座標は、例えばロータ5の永久磁石5aによる界磁極の磁束方向をd軸(界磁軸)とし、このd軸と直交する方向をq軸(トルク軸)としており、モータ1のロータ5と共に同期して電気角速度ω(以下、単に、回転角速度ωと呼ぶ)で回転している。これにより、PDU51からモータ1の各相に供給される交流信号に対する電流指令として、直流的な信号であるId指令及びIq指令を与えるようになっている。
電流フィードバック制御部64は、例えばPI(比例積分)動作により、偏差ΔIdを制御増幅してd軸電圧指令値Vdを算出し、偏差ΔIqを制御増幅してq軸電圧指令値Vqを算出する。電流フィードバック制御部64から出力されるd軸電圧指令値Vd及びq軸電圧指令値Vqはdq−3相個別変換部65に入力されている。
このdq−3相個別変換部65は、例えば図6に示すように、各相毎に個別に変換処理を行い、特に、U相およびW相に対しては、電流位相補正部89から出力される各相毎の電圧補正値kΔVdu,kΔVqu,kΔVdw,kΔVqwに応じて、各相毎にd軸電圧指令値Vd及びq軸電圧指令値Vqを補正し、補正により得たdq座標上での各指令値を各相毎に個別に静止座標である3相交流座標上でのU相交流電圧指令値Vu及びW相交流電圧指令値Vwに変換する。
つまり、この実施の形態でのステータ10では、単一の各環状巻線14,15が配置される各ティース22,24間および各ティース24,26間の間隔C1と、2相の各環状巻線14,15が配置される各ティース22,26間の間隔C2とが異なることで、隣り合う各ティース22,24,26同士の間隔が不均等となっている。そして、この各ティース22,24,26同士の不均等配置に起因して、複数相の各相の相互間で誘起電圧位相差が異なっている。
ここで、複数相の各相の相互間の線間誘起電圧Ewu,Euv,Ewv同士に対する位相差は、各ティース22,24,26同士の不均等配置に起因して、例えば図8に示すように、互いに異なる値となっている。これに対して、各相電流間の電流位相差が2π/3=120°(edeg)であることを前提とする通常のベクトル制御によれば、複数相の各相の相互間の線間電圧Vwu,Vuv,Vwv同士に対する位相差は、例えば図7(a)に示すように、互いに同等の値(つまり、120°(edeg))とされている。
そして、このように、誘起電圧に対する線間電圧位相差と、各電圧指令値Vu,Vv,Vwに対する線間電圧位相差とが異なる状態では、各相電流Iu,Iwの位相変化が所望の値からずれてしまうという問題が生じる。
なお、電圧位相補正部66は、この電圧位相補正処理を、例えばモータ1の運転開始時等のように、複数相のモータ1の各相に電圧の印加を開始する時点の直前の無通電時において、予めモータ1の構造(例えば、ステータ10の各ティース22,24,26の配置状態等)に応じて設定された補正量等に基づき実行する。つまり、この電圧位相補正処理は、モータ1に対する通電が開始されると共に、後述する電流位相補正処理を含む電流のフィードバック制御の一連の処理が開始される状態に先立って、無通電時に少なくとも一度だけ実行されるように設定されている。
積分補償部69は、電流位相ずれ演算部68にて算出される各相電流Iu,Iwの位相ずれβを積分動作により制御増幅して積分ゲインkを算出し、電流位相補正部70へ出力する。
電流位相補正部70は、積分補償部69にて算出される積分ゲインkに基づき、各相毎の電圧補正値kΔVdu,kΔVqu,kΔVdw,kΔVqwを算出し、dq−3相個別変換部65へ出力する。
先ず、図9に示すステップS01においては、通電開始に先立って、例えばモータ1の構造(つまり、ステータ10の各ティース22,24,26の配置状態等)に応じて予め設定された各電圧指令値Vu,Vv,Vwに対する位相補正量等により、各電圧指令値Vu,Vv,Vwに対する各相間の電圧位相差が、各ティース22,24,26の配置状態に起因して各相間で異なる誘起電圧位相差に等しくなるようにして、各電圧指令値Vu,Vv,Vwの位相を補正する。
次に、ステップS03においては、各相のインダクタンス不整合に基づく各相電流Iu,Iwの位相ずれβを検出する。
次に、ステップS04においては、位相ずれβに対するPI(比例積分)動作により、各相毎の電圧補正値kΔVdu,kΔVquおよび電圧補正値kΔVdw,kΔVqwを算出する。
次に、ステップS05においては、dq座標上でのd軸電圧指令値Vd及びq軸電圧指令値Vqを、各相毎の電圧補正値kΔVdu,kΔVquおよび電圧補正値kΔVdw,kΔVqwにより補正し、補正により得たdq座標上での各指令値を各相毎に個別に3相交流座標上でのU相交流電圧指令値Vu及びW相交流電圧指令値Vwに変換する。
そして、ステップS06においては、通電終了指示が有るか否かを判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、上述したステップS03に戻る。
この実施の形態でのモータ1によれば、3相(U相、V相、W相)のステータ10に対し、2相のU相環状巻線14およびW相環状巻線15が備えられているだけであるから、U相−W相間の磁気抵抗は、他の2相間(つまり、U相−V相間およびV相−W相間)の磁気抵抗に比べて小さくなり、V相に係るインダクタンスがU相およびV相に係る各インダクタンスとは異なる値となり、例えばV相の自己インダクタンスおよび相互インダクタンスに比べて、U相およびW相の自己インダクタンスおよび相互インダクタンスが大きくなっている。
しかしながら、単に、U相電圧指令値Vuを遅角状態に設定し、V相電圧指令値Vvを進角状態に設定するだけでは、例えば図14に示すように、各電圧差V1,V2の位相はほとんど変化せず、しかも、電圧差V1の大きさが減少し、電圧差V2の大きさが増大してしまう。このため、U相電流IuおよびW相電流Iwを所望の各位相状態(つまり、U相電流Iuは遅角状態、W相電流Iwは進角状態)に変化させることができず、しかも、U相電流IuおよびW相電流Iwの各電流値が不必要に変化してしまう。
例えばV相電圧指令値Vvの電圧値および位相を固定した場合には、U相電圧指令値VuをU相電流Iuが遅角する方向に変化させ、W相電圧指令値VwをW相電流Iwが進角する方向に変化させればよい。
ここで、各相のインダクタンスの不整合に起因してU相電流IuとW相電流Iwとには、互いに逆方向の位相ずれβが生じることから、各相電流Iu,Iv,Iwを正弦波状とすれば、U相電流IuおよびW相電流Iwは下記数式(25)に示すように記述される。
なお、比較例においては、3相の各相電圧指令値Vu,Vv,Vwの大きさを同等とし、各相電圧指令値Vu,Vv,Vw間の位相差を2π/3=120°(edeg)に固定した通常のベクトル制御によりモータ1の通電電流の電流位相を制御した。つまり、この比較例においては、上述した電圧位相補正処理および電流位相補正処理を省略した。
この比較例における試験結果として、例えば図16(a)には、所定回転数(1500rpm)および所定電流指令(25Arms)での各相電流Iu,Iv,Iwの時間変化を示した。
そして、実施例においては、モータ制御装置50よりモータ1の通電電流の電流位相を制御した試験結果として、例えば図16(b)には、所定回転数(1500rpm)および所定電流指令(25Arms)での各相電流Iu,Iv,Iwの時間変化を示した。
これに対し、図16(b)に示す実施例においては、各相電流Iu,Iv,Iwの位相および波高値が適切に制御され、さらに、滑らかな波形を示すように制御されていることがわかる。
さらに、各相のインダクタンス不整合に係る補正を各相毎に個別に行うことで、各相電圧指令値Vu,Vv,Vwを適切に算出することができ、モータ1の構造に起因して各相のインダクタンス不整合が存在する場合であっても、各相電流Iu,Iv,Iwの振幅および位相を整合させることができ、モータ1を適切に駆動制御することができる。
しかも、電圧位相補正部66は、電圧位相補正処理を、電流位相補正処理を含む電流のフィードバック制御の一連の処理が開始される状態に先立って、無通電時に少なくとも一度だけ実行することから、モータ1をより一層、適切に駆動制御することができる。
そして、この第1変形例において、電圧位相補正部66は、ステータ10の各ティース22,24,26が各相の相互間での軸方向位置に偏差を有するように配置された状態での軸方向位置偏差に起因する誘起電圧位相差に基づき、各電圧指令値Vu,Vv,Vwに対する各相間の電圧位相差が、各ティース22,24,26の配置状態に起因して各相間で異なる誘起電圧位相差に等しくなるようにして、各電圧指令値Vu,Vv,Vwの位相を補正する。
そして、この第2変形例において、電圧位相補正部66は、ステータ10の各ティース22,24,26の不均等配置および軸方向位置偏差に起因する誘起電圧位相差に基づき、各電圧指令値Vu,Vv,Vwに対する各相間の電圧位相差が、各ティース22,24,26の配置状態に起因して各相間で異なる誘起電圧位相差に等しくなるようにして、各電圧指令値Vu,Vv,Vwの位相を補正する。
10 ステータ
22 U相ティース(ティース)
24 V相ティース(ティース)
26 W相ティース(ティース)
66 電圧位相補正部(電圧位相補正手段)
68 電流位相ずれ演算部(電流位相ずれ算出手段)
70 電流位相補正部(電流位相補正手段)
Claims (5)
- 複数相の各相の相互間での線間誘起電圧同士の位相差が互いに異なるようにしてティースが配置されたステータを備えるモータを制御するモータ制御装置であって、
前記線間誘起電圧同士の位相差に基づき前記複数相の各相に印加する電圧の位相を補正する電圧位相補正手段を備えることを特徴とするモータ制御装置。 - 前記複数相のティースは、隣り合う前記ティース同士の間隔が不均等になるように配置され、
前記電圧位相補正手段は、隣り合う前記ティース同士の間隔が不均等であることに起因する前記線間誘起電圧同士の位相差に基づき前記複数相の各相に印加する電圧の位相を補正することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記複数相のティースは、各相の相互間での軸方向位置に偏差を有するように配置され、
前記電圧位相補正手段は、前記複数相のティースが各相の相互間での軸方向位置に偏差を有することに起因する前記線間誘起電圧同士の位相差に基づき前記複数相の各相に印加する電圧の位相を補正することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のモータ制御装置。 - 各相のインダクタンス不整合に基づく各相電流の位相ずれを算出する電流位相ずれ算出手段と、
前記電流位相ずれ算出手段にて算出された前記位相ずれに基づき、各相毎のd軸電圧指令値およびq軸電圧指令値の位相および振幅を補正する電圧指令補正値を、d軸電流指令値およびq軸電流指令値から算出する電流位相補正手段とを備え、
前記電流位相補正手段は、前記電圧位相補正手段により補正された電圧が前記複数相の各相に印加された以後に、前記電圧指令補正値を算出することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1つに記載のモータ制御装置。 - 前記電圧位相補正手段は、前記複数相の各相に電圧の印加を開始する時点から前記電圧の位相を補正することを特徴とする請求項4に記載のモータ制御装置。
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