JP7072721B2 - 回転電機の制御装置および駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の各相巻線に電圧を印加するインバータを制御することで各相巻線に通電させる電流を相巻線ごとに制御する回転電機の制御装置、およびその制御装置を備えた駆動システムに関する。

従来、回転電機に通電する電流実効値あたりの出力トルクを向上させる方法として、以下の方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、回転電機の相巻線に発生する無負荷誘起電圧に含まれる高調波を指令値に付加し、マグネットトルクの高調波成分を利用する。

また、回転電機の瞬時トルクを制御する方法として、以下の方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。すなわち、回転電機のバックヨークの最外周に２つの磁束センサを埋め込み、その２つの磁束センサの検出信号の差分を磁極磁束検出値として、磁極磁束検出値と磁極磁束指令値とを比較することで、巻線への印加電圧を制御する。

特開２０１３－１１５９０１号公報 特開２００７－１８９８３６号公報

ここで、特許文献１に記載の従来技術では、マグネットトルクを大きくすることができるが、リラクタンストルクを大きくすることができない。したがって、ステータコアとロータコアとの間の空隙に相当するエアギャップ部の磁束密度（以下、エアギャップ磁束密度と称す）に含まれる高調波成分を考慮した電流－トルク特性の向上を実現することができない。また、特許文献２に記載の従来技術では、エアギャップ磁束密度に含まれる高調波成分を考慮した電流－トルク特性の向上については何ら検討されていない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、回転電機において、エアギャップ磁束密度に含まれる高調波成分を考慮した電流－トルク特性の向上の実現を図った回転電機の制御装置、およびその制御装置を備えた駆動システムを得ることを目的とする。

本発明における回転電機の制御装置は、回転電機の各相巻線に電圧を印加するインバータを制御することで各相巻線に通電させる電流を相巻線ごとに制御する制御装置であって、制御装置は、回転電機のステータコアとロータコアとの間のエアギャップ部の径方向磁束密度と周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が予め定められた位相差目標値になるように、各相巻線に印加する電圧指令値を演算し、演算した電圧指令値に従って、インバータを制御する制御部を備えたものである。

本発明における駆動システムは、上述の回転電機の制御装置と、インバータと、回転電機と、回転電機のステータコアに設けられており、周方向磁束密度を検出する周方向磁束密度検出部と、を備えたものである。

本発明によれば、回転電機において、エアギャップ磁束密度に含まれる高調波成分を考慮した電流－トルク特性の向上の実現を図った回転電機の制御装置、およびその制御装置を備えた駆動システムを得ることができる。

本発明の実施の形態１における駆動システムの構成を示すブロック図である。 図１のモータの構造を示す回転軸に沿った断面図である。 図１のモータの構造を示す回転軸に垂直な断面図である。 図１のインバータの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１における制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における制御装置がインバータを制御する一連の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１における制御装置のハードウェア構成の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態２における制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３における制御装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明による回転電機の制御装置、およびその制御装置を備えた駆動システムを、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における駆動システム１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、駆動システム１００は、モータ１と、モータ１に設けられている周方向磁束密度検出部４０と、インバータ２００と、制御装置３００とを備える。また、駆動システム１００には、直流電源２７および負荷４００が接続される。

モータ１は、本発明が適用される回転電機の一例であり、８極４８スロットの永久磁石モータである。モータ１は、外部の負荷４００と接続される。インバータ２００は、直流電力と交流電力を相互に変換する。インバータ２００の直流側端子は、外部の直流電源２７に接続され、インバータ２００の交流側端子は、モータ１に接続される。

制御装置３００は、モータ１の状態に関する情報を検出し、検出した情報に基づいてインバータ２００を制御するための制御信号を生成し、生成した制御信号をインバータ２００に出力することによって、モータ１の状態を制御する。

次に、モータ１の構造の一例について、図２および図３を参照しながら説明する。図２は、図１のモータ１の構造を示す回転軸に沿った断面図である。図３は、図１のモータ１の構造を示す回転軸に垂直な断面図である。なお、図３では、ティース１４およびステータスロット１６の各個数が４８であり、永久磁石２１の個数が８である場合を例示している。

図２に示すように、負荷側ブラケット３および反負荷側ブラケット４は、円筒形状のフレーム２の両側に覆って設けられる。シャフト７は、フレーム２の中心軸線上に配置され、負荷側ブラケット３および反負荷側ブラケット４によって、負荷側ベアリング５および反負荷側ベアリング６を介して回転自在に２点支持される。

ケース１０は、シャフト７が挿入されて、フレーム２、負荷側ブラケット３および反負荷側ブラケット４によって構成される。ロータ８は、ケース１０内に収納される。円環状のステータ９は、圧入、焼バメ等によってフレーム２の内壁面に固定され、ロータ８と空隙を介して配置される。

負荷側ベアリング５は、ベアリング押さえ１１によって負荷側ブラケット３に固定される。反負荷側ベアリング６は、波ワッシャ１２を介して軸線方向に自由度を持って反負荷側ブラケット４に固定される。ケース１０は、負荷側ブラケット３および反負荷側ブラケット４をフレーム２に固定することで形成される。

図３に示すように、ステータ９は、ステータコア１５と、波巻の形態でステータコア１５に組み立てて構成される６相分の相巻線１７とを備える。なお、説明の便宜上、６相分の相巻線１７をそれぞれ区別する場合には、相巻線１７ａ、相巻線１７ｂ、相巻線１７ｃ、相巻線１７ｄ、相巻線１７ｅ、相巻線１７ｆと表記する。

ステータコア１５は、両面が絶縁処理された薄板鋼板を複数枚積層して形成される。ステータコア１５は、円環形状のヨーク１３と、それぞれヨーク１３の内周面から径方向内方に延在して互いに等間隔で周方向に配列される４８個のティース１４と、それぞれ周方向に隣り合うティース１４の間に形成される４８個のステータスロット１６とを有する。

６相分の相巻線１７は、巻装されるステータスロット１６を１スロットずつずらしてステータコア１５に装着される。６相分の相巻線１７のそれぞれは、インシュレータ１８で被覆された１本の導体線を６スロット毎のステータスロット１６に周方向に波状に３ターン巻回して構成される。なお、図３では、各ステータスロット１６に配置される相巻線１７の三箇所の部位の断面が正確に示されるべきであるが、便宜上、１つに纏めて記載してある。

各相巻線１７の両端には、負荷側リード２３および反負荷側リード２４がそれぞれ接続される。負荷側リード２３および反負荷側リード２４は、それぞれフレーム２に形成された引出し口２５を通ってモータ１の外部に引出される。

ロータ８は、円柱形状のロータコア１９と、それぞれロータコア１９の外周面に互いに等間隔で周方向に配列される８個の永久磁石２１とを備える。

ロータコア１９には、それぞれロータコア１９の軸線方向に延びて互いに等間隔で周方向に配列される８個の磁石スロット２０が形成される。８個の永久磁石２１は、Ｎ極とＳ極が周方向に沿って交互に位置するように、１個ずつ各磁石スロット２０に配置される。

端板２２は、ロータコア１９の軸線方向の両端に固定され、磁石スロット２０の両側を塞ぐ。端板２２は、非磁性材料で製作されるのが望ましい。

次に、インバータ２００の構成について、図４を参照しながら説明する。図４は、図１のインバータ２００の構成を示す回路図である。

図４において、インバータ２００は、相巻線１７ａ～１７ｆに個別に対応する６個のインバータサブユニット２０１を有する。インバータサブユニット２０１は、図１に示す制御装置３００による制御に従ってオンとオフに切り替え可能な４個のスイッチ、すなわち、第１の正極側スイッチ２６、第１の負極側スイッチ２８、第２の負極側スイッチ２９および第２の正極側スイッチ３０を有する所謂Ｈブリッジ回路によって構成される。

インバータサブユニット２０１の負荷側リード２３は、第１の正極側スイッチ２６を介して直流電源２７の正極端子３１に電気的に接続されるとともに、第１の負極側スイッチ２８を介して直流電源２７の負極端子３２に電気的に接続される。

インバータサブユニット２０１の反負荷側リード２４は、第２の負極側スイッチ２９を介して直流電源２７の負極端子３２に電気的に接続されるとともに、第２の正極側スイッチ３０を介して直流電源２７の正極端子３１に電気的に接続される。

第１の正極側スイッチ２６、第２の正極側スイッチ３０、第１の負極側スイッチ２８および第２の負極側スイッチ２９のそれぞれは、シリコン半導体を用いた半導体スイッチによって構成される。半導体スイッチの具体例としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電界効果トランジスタ等が挙げられる。なお、これら４個のスイッチのそれぞれは、炭化珪素、窒化ガリウム等のワイドバンドギャップ半導体などを用いた半導体スイッチによって構成されてもよい。

第１の正極側スイッチ２６、第２の正極側スイッチ３０、第１の負極側スイッチ２８および第２の負極側スイッチ２９のそれぞれと並列に還流ダイオードが挿入される。

相巻線１７ａ～１７ｆは、それぞれ個別に対応するＨブリッジ回路に電気的に接続される。また、６個のＨブリッジ回路は、それぞれ個別に対応する直流電源に電気的に接続される。直流電源２７は、６個のＨブリッジ回路に個別に対応して設けられる６個の直流電源によって構成される。直流電源は、例えば、バッテリによって構成される。バッテリの具体例としては、鉛バッテリ、リチウムイオンバッテリ等が挙げられる。

制御装置３００による制御に従って、第１の正極側スイッチ２６および第２の負極側スイッチ２９がオンとなり、第１の負極側スイッチ２８および第２の正極側スイッチ３０がオフとなると、負荷側リード２３の端部は、正極側の電位となり、反負荷側リード２４の端部は、負極側の電位となる。その結果、相巻線１７には、負荷側リード２３から反負荷側リード２４に向けて電流が流れる。

また、制御装置３００による制御に従って、第１の正極側スイッチ２６および第２の負極側スイッチ２９がオフとなり、第１の負極側スイッチ２８および第２の正極側スイッチ３０がオンとなると、負荷側リード２３の端部は、負極側の電位となり、反負荷側リード２４の端部は、正極側の電位となる。その結果、相巻線１７には、反負荷側リード２４から負荷側リード２３に向けて電流が流れる。

さらに、制御装置３００による制御に従って、第１の正極側スイッチ２６、第１の負極側スイッチ２８、第２の負極側スイッチ２９および第２の正極側スイッチ３０のすべてがオフとなると、相巻線１７が直流電源２７から切り離される。その結果、相巻線１７には、電流が流れない。

このように、制御装置３００は、６個のＨブリッジ回路のそれぞれについて、第１の正極側スイッチ２６、第１の負極側スイッチ２８、第２の負極側スイッチ２９および第２の正極側スイッチ３０の各スイッチをオンとオフに切り替え、さらに、各スイッチのオン時間およびオフ時間の比を変化させる。これにより、制御装置３００は、相巻線１７ａ～１７ｆに通電させる電流の振幅と位相を、相巻線ごとに個別に制御することが可能となる。

次に、制御装置３００の構成について、図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態１における制御装置３００の構成を示すブロック図である。

図５に示すように、制御装置３００は、電圧検出部３０１、電流検出部３０２、径方向磁束密度演算部３０３、周方向磁束密度演算部３０４、特性パラメータ演算部３０５、特性パラメータ指令部３０６、比較部３０７および制御部３０８を備える。

電圧検出部３０１は、各相巻線１７ａ～１７ｆの両端部に印加される電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃ、ｖｄ、ｖｅおよびｖｆをそれぞれ検出し、検出した６個の電圧ｖａ～ｖｆを径方向磁束密度演算部３０３に出力する。

電流検出部３０２は、各相巻線１７ａ～１７ｆに通電される電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃ、ｉｄ、ｉｅおよびｉｆをそれぞれ検出し、検出した６個の電流ｉａ～ｉｆを径方向磁束密度演算部３０３に出力する。

径方向磁束密度演算部３０３には、電圧検出部３０１の検出結果と、電流検出部３０２の検出結果と、ｄｑ変換およびｄｑ逆変換に用いられるモータ１の磁極位置とが入力される。

径方向磁束密度演算部３０３に入力される磁極位置は、例えば、モータ１に取り付けられた回転位置センサ（図示せず）の出力を用いて算出される。径方向磁束密度演算部３０３に入力される磁極位置として、高調波磁束の重畳または誘起電圧波形を用いて算出される磁極位置推定値を用いてもよい。

径方向磁束密度演算部３０３は、電圧検出部３０１から入力される６個の電圧ｖａ～ｖｆと、電流検出部３０２から入力される６個の電流ｉａ～ｉｆと、入力される磁極位置とに基づいて、径方向ｄ軸磁束密度の各次高調波成分λｘｄ３，λｘｄ５，・・・と、径方向ｑ軸磁束密度の各次高調波成分λｘｑ３，λｘｑ５，・・・を演算する。また、径方向磁束密度演算部３０３は、その演算結果を特性パラメータ演算部３０５に出力する。

なお、λｘｄに付された数字は高調波成分の次数を表し、例えば、λｘｄ３は、径方向ｄ軸磁束密度の３次高調波成分を表したものである。同様に、λｘｑに付された数字は高調波成分の次数を表し、例えば、λｘｑ３は、径方向ｑ軸磁束密度の３次高調波成分を表したものである。

ここで、径方向磁束密度演算部３０３によって行われる上記の演算処理について説明する。径方向磁束密度演算部３０３は、６個の電圧ｖａ～ｖｆと、６個の電流ｉａ～ｉｆと、予め分かっている各相巻線１７ａ～１７ｆの抵抗Ｒとを用いて、λ＝∫（ｖ－Ｒ×ｉ）ｄｔの関係から、各相巻線１７ａ～１７ｆに鎖交する磁束密度λａ、λｂ、λｃ、λｄ、λｅおよびλｆをそれぞれ演算する。

続いて、径方向磁束密度演算部３０３は、演算した６個の磁束密度λａ～λｆを用いて、相巻線１７ａ～１７ｆに個別に対応する６個のティース１４の各ティースに発生する径方向の磁束密度λＴｘａ、λＴｘｂ、λＴｘｃ、λＴｘｄ、λＴｘｅおよびλＴｘｆをそれぞれ演算する。

具体的には、径方向磁束密度演算部３０３は、隣り合う２個のステータスロット１６のそれぞれに配置される２個の相巻線に鎖交する磁束密度の差から、一方の相巻線に対応するティースに発生する磁束密度を演算する。例えば、径方向磁束密度演算部３０３は、ステータスロット１６に配置される相巻線１７ａに鎖交する磁束密度λａと、その相巻線１７ａが配置されるステータスロット１６に隣り合うステータスロット１６に配置される相巻線１７ｂに鎖交する磁束密度λｂとの差から、相巻線１７ａに対応するティース１４に発生する磁束密度λＴｘａを演算する。磁束密度λＴｘｂ～λＴｘｆの演算についても、磁束密度λＴｘａの演算と同様である。

続いて、径方向磁束密度演算部３０３は、磁極位置を用いて、演算した６個の磁束密度λＴｘａ～λＴｘｆをｄｑ変換することによって、モータ１のエアギャップ磁束密度の径方向成分の各次高調波成分として、径方向ｄ軸磁束密度の各次高調波成分λｘｄ３，λｘｄ５，・・・と、径方向ｑ軸磁束密度の各次高調波成分λｘｑ３，λｘｑ５，・・・を演算する。以下、エアギャップ磁束密度の径方向成分を径方向磁束密度と称す。

このように、径方向磁束密度演算部３０３は、径方向磁束密度の各次高調波成分として、径方向ｄ軸磁束密度の各次高調波成分λｘｄ３，λｘｄ５，・・・と、径方向ｑ軸磁束密度の各次高調波成分λｘｑ３，λｘｑ５，・・・を演算する。

図５の説明に戻り、周方向磁束密度演算部３０４には、相巻線１７ａ～１７ｆに個別に対応する６個のティース１４の各ティースに発生する周方向の磁束密度λＴｙａ、λＴｙｂ、λＴｙｃ、λＴｙｄ、λＴｙｅおよびλＴｙｆが入力される。これらの磁束密度λＴｙａ～λＴｙｆは、モータ１のエアギャップ磁束密度の周方向成分に相当する。

周方向磁束密度演算部３０４に入力される磁束密度λＴｙａ～λＴｙｆは、図１、図３および図５に示す周方向磁束密度検出部４０によって検出される。周方向磁束密度検出部４０は、例えば、モータ１のスロットオープン部の周方向磁束が垂直に鎖交するように取り付けられたコイルを用いて構成される。なお、磁束密度λＴｙａ～λＴｙｆを検出する周方向磁束密度検出部４０は、コイルの代わりに、ホールセンサを用いて構成されていてもよい。また、磁束密度λＴｙａ～λＴｙｆを検出する周方向磁束密度検出部４０は、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）等を利用した他の磁束検出方法を適用した構成であってもよい。周方向磁束密度検出部４０は、例えば、ステータコア１５に設けられている。より具体的には、周方向磁束密度検出部４０は、ステータコア１５のティース１４の先端部分に配置されている。周方向磁束密度検出部４０は、ステータコア１５の面であって、ロータコア１９に対向する面に配置されていてもよい。

周方向磁束密度演算部３０４は、入力される６個の磁束密度λＴｙａ～λＴｙｆをｄｑ変換することによって、モータ１のエアギャップ磁束密度の周方向成分の各次高調波成分として、周方向ｄ軸磁束密度の各次高調波成分λｙｄ３，λｙｄ５，・・・と、周方向ｑ軸磁束密度の各次高調波成分λｙｑ３，λｙｑ５，・・・を演算する。周方向磁束密度演算部３０４は、その演算結果を特性パラメータ演算部３０５に出力する。以下、エアギャップ磁束密度の周方向成分を周方向磁束密度と称す。

なお、λｙｄに付された数字は高調波成分の次数を表し、例えば、λｙｄ３は、周方向ｄ軸磁束密度の３次高調波成分を表したものである。同様に、λｙｑに付された数字は高調波成分の次数を表し、例えば、λｙｑ３は、周方向ｑ軸磁束密度の３次高調波成分を表したものである。

このように、周方向磁束密度演算部３０４は、周方向磁束密度の各次高調波成分として、周方向ｄ軸磁束密度の各次高調波成分λｙｄ３，λｙｄ５，・・・と、周方向ｑ軸磁束密度の各次高調波成分λｙｑ３，λｙｑ５，・・・を演算する。

特性パラメータ演算部３０５には、径方向磁束密度演算部３０３の演算結果と、周方向磁束密度演算部３０４の演算結果とが入力される。

特性パラメータ演算部３０５は、径方向ｄ軸磁束密度の各次高調波成分λｘｄ３，λｘｄ５，・・・と、径方向ｑ軸磁束密度の各次高調波成分λｘｑ３，λｘｑ５，・・・と、周方向ｄ軸磁束密度の各次高調波成分λｙｄ３，λｙｄ５，・・・と、周方向ｑ軸磁束密度の各次高調波成分λｙｑ３，λｙｑ５，・・・とを用いて、次数ごとに対応する内積を特性パラメータＰ３，Ｐ５，・・・として演算する。また、特性パラメータ演算部３０５は、その演算結果を比較部３０７に出力する。

なお、Ｐに付された数字は高調波成分の次数を表し、例えば、Ｐ３は、ｄｑ軸座標上において、（λｘｄ３，λｘｑ３）で示されるベクトルと、（λｙｄ３，λｙｑ３）で示されるベクトルの内積を表すものである。

このように、特性パラメータ演算部３０５は、径方向ｄ軸磁束密度と径方向ｑ軸磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分からなるベクトルと、周方向ｄ軸磁束密度と周方向ｑ軸次数密度とで同じ次数同士の高調波成分からなるベクトルとの内積を、次数ごとに特性パラメータとして演算して出力する。

例えば、３次高調波成分に対応する特性パラメータＰ３は、ｄｑ軸座標上において、ｄ軸成分がλｘｄ３であって、ｑ軸成分がλｘｑ３であるベクトルと、ｄ軸成分がλｙｄ３であって、ｑ軸成分がλｙｑ３であるベクトルとの内積である。

特性パラメータ指令部３０６は、各次高調波成分に対応する特性パラメータＰ３，Ｐ５，・・・を制御するための指令値である特性パラメータ指令値Ｐ３＊，Ｐ５＊，・・・を比較部３０７に出力する。

なお、特性パラメータ指令値Ｐ３＊，Ｐ５＊，・・・は、以下の条件（１）および条件（２）を満たすように、予め解析、測定等を行うことによって予め設定される値である。
・条件（１）：径方向磁束密度の各次高調波成分の振幅比が特定の比となって、周方向磁束密度の各次高調波成分の振幅比が特定の比となる。特定の比は、例えば、無負荷誘起電圧に含有される対応する高調波成分の次数の比と同じになるように設定される。
・条件（２）：径方向磁束密度と周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が予め定められた位相差目標値となる。なお、位相差目標値は、０を含む許容範囲内の値になるように適宜設計される。この許容範囲とは、エアギャップ磁束密度に含まれる高調波成分を考慮した電流－トルク特性の向上の実現に不都合を生じさせるようなことがない範囲をいう。特に、位相差目標値が０になるように設計されることが望ましい。

このように、特性パラメータ指令部３０６は、径方向磁束密度と周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が位相差目標値となるように予め設定される特性パラメータ指令値Ｐ３＊，Ｐ５＊，・・・を出力する。

比較部３０７には、特性パラメータ指令部３０６の出力結果と、特性パラメータ演算部３０５の演算結果とが入力される。

比較部３０７は、特性パラメータ指令値Ｐ３＊，Ｐ５＊，・・・と、特性パラメータＰ３，Ｐ５，・・・とを用いて、次数ごとに対応する差分Ｄ３，Ｄ５，・・・を演算する。また、比較部３０７は、その演算結果を制御部３０８に出力する。

なお、Ｄに付された数字は高調波成分の次数を表し、例えば、Ｄ３は、特性パラメータ指令値Ｐ３＊と、特性パラメータＰ３の差分を表すものである。

このように、比較部３０７は、特性パラメータ指令部３０６から入力される特性パラメータ指令値Ｐ３＊，Ｐ５＊，・・・と、特性パラメータ演算部３０５から入力される特性パラメータＰ３，Ｐ５，・・・との差分Ｄ３，Ｄ５，・・・を、次数ごとに演算する。

例えば、３次高調波成分に対応する差分Ｄ３は、特性パラメータ指令値Ｐ３＊と、特性パラメータＰ３の差である。

制御部３０８には、比較部３０７の演算結果が入力される。制御部３０８は、差分Ｄ３，Ｄ５，・・・がそれぞれ、予め定められた特性パラメータ差分目標値ε３，ε５，・・・となるように、ＰＩ制御を行うことで、相巻線１７ａ～１７ｆに個別に対応する６個の電圧指令値ｖａ＊、ｖｂ＊、ｖｃ＊、ｖｄ＊、ｖｅ＊およびｖｆ＊をそれぞれ演算する。電圧指令値ｖａ＊、ｖｂ＊、ｖｃ＊、ｖｄ＊、ｖｅ＊およびｖｆ＊は、それぞれ、電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃ、ｖｄ、ｖｅおよびｖｆを制御するための指令値である。

なお、各特性パラメータ差分目標値ε３，ε５，・・・は、０を含む許容範囲内の値になるように適宜設計される。この許容範囲とは、エアギャップ磁束密度に含まれる高調波成分を考慮した電流－トルク特性の向上の実現に不都合を生じさせるようなことがない範囲をいう。各特性パラメータ差分目標値ε３，ε５，・・・は、すべて同じ値であってもよいし、すべて同じ値でなくてもよい。特に、特性パラメータ差分目標値ε３，ε５，・・・がそれぞれ０になるように設計されることが望ましい。

制御部３０８は、演算した電圧指令値ｖａ＊～ｖｆ＊に従って、６個のＨブリッジ回路のそれぞれについて、第１の正極側スイッチ２６、第１の負極側スイッチ２８、第２の負極側スイッチ２９および第２の正極側スイッチ３０の各スイッチの動作を制御する。

このように、制御部３０８は、比較部３０７から入力される次数ごとの差分Ｄ３，Ｄ５，・・・がそれぞれ特性パラメータ差分目標値ε３，ε５，・・・となるように、各相巻線１７ａ～１７ｆに印加する電圧指令値ｖａ＊～ｖｆ＊を演算し、その電圧指令値ｖａ＊～ｖｆ＊に従って、インバータ２００を制御する。

次に、本実施の形態１における制御装置３００がインバータ２００を制御する一連の処理について、図６を参照しながら説明する。図６は、本発明の実施の形態１における制御装置３００がインバータ２００を制御する一連の処理を示すフローチャートである。なお、図６に示すフローチャートの処理は、例えば、予め設定される周期で繰り返し実行される。

ステップＳ１において、比較部３０７は、特性パラメータ指令部３０６から特性パラメータ指令値Ｐ３＊，Ｐ５＊，・・・を取得し、特性パラメータ演算部３０５から特性パラメータＰ３，Ｐ５，・・・を取得する。その後、処理がステップＳ２へと進む。

ステップＳ２において、比較部３０７は、ステップＳ１で取得された特性パラメータ指令値Ｐ３＊，Ｐ５＊，・・・と、ステップＳ１で取得された特性パラメータＰ３，Ｐ５，・・・とを用いて、次数ごとに対応する差分Ｄ３，Ｄ５，・・・を演算する。その後、処理がステップＳ３へと進む。

ステップＳ３において、制御部３０８は、ステップＳ２で演算された差分Ｄ３，Ｄ５，・・・が特性パラメータ差分目標値ε３，ε５，・・・となるように、ＰＩ制御を行うことで、相巻線１７ａ～１７ｆに個別に対応する６個の電圧指令値ｖａ＊～ｖｆ＊をそれぞれ演算する。その後、処理がステップＳ４へと進む。

ステップＳ４において、制御部３０８は、ステップＳ３で演算された電圧指令値ｖａ＊～ｖｆ＊に従って、インバータ２００の各スイッチの動作を制御する。その後、処理が終了となる。

以上から分かるように、制御装置３００は、モータ１のステータコア１５とロータコア１９との間のエアギャップ部の径方向磁束密度に含まれる高調波成分と周方向磁束密度に含まれる高調波成分とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が位相差目標値になるように、インバータ２００を制御する制御部３０８を備えて構成されている。したがって、モータ１において、径方向磁束密度と周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が位相差目標値になるようにすることができる。そのため、高調波成分のトルクが最大となるように高調波成分を制御することができ、その結果、電流－トルク特性が向上する。

電圧検出部３０１は、モータ１の各相巻線１７ａ～１７ｆに印加される電圧ｖａ～ｖｆを検出する構成であり、径方向磁束密度演算部３０３は、電圧検出部３０１によって検出される電圧ｖａ～ｖｆを用いて各ティースに発生する径方向の磁束密度λＴｘａ～λＴｘｆを演算する構成である。したがって、各ティースを通過する径方向の磁束密度を検出するための新たな部材をモータ１に追加する必要がない。結果として、モータ１の小型化に寄与する。

モータ１は、１極対に対向するティース１４の個数が６個であり、これら６個のティース１４によって形成される６個のステータスロット１６に各相独立に制御可能な６相の相巻線１７ａ～１７ｆが個別に配置されている。したがって、６個のティース１４のそれぞれに発生する磁束密度を任意に制御する自由度があり、その結果、すべてのティース１４のトルクを最大化することができる。

電圧検出部３０１は、モータ１の負荷側リード２３と反負荷側リード２４との間にローパスフィルタを有して構成されてもよい。これにより、ＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって駆動されるモータ１を制御するインバータ２００のスイッチングに起因する電圧変動を抑制することができる。

なお、実施の形態１では、エアギャップ部の磁束密度の径方向成分と周方向成分とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が位相差目標値になるように制御するにあたって、磁束密度を用いる場合を例示したが、磁束密度の代わりに、磁束を用いても、同様の効果が得られる。

なお、実施の形態１では、各相巻線１７を全節巻の波巻巻線の構成とする場合を例示したが、各相巻線１７の構成はこれに限定されず、他の構成でも同様の効果が得られる。例えば、各相巻線１７が集中巻であっても同様の効果が得られる。また、各相巻線１７が短節巻であっても同様の効果が得られる。

なお、実施の形態１では、毎極毎相スロット数が１である例として、モータ１の相数が６、スロット数が４８、磁極数が８である場合を示したが、これに限定されない。例えば、相数が６、スロット数が３６、磁極数が６である場合であっても同様の効果が得られる。また、毎極毎相スロット数が１とは異なる数である場合、例えば、相数が６、スロット数が７２、磁極数が８である場合であっても同様の効果が得られる。さらに、相数が６とは異なる数、例えば、５または７である場合であっても同様の効果が得られる。

なお、本発明が適用可能なモータ１は、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータ、ＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータ等の永久磁石モータに限定されない。例えば、誘導電動機、スイッチトリラクタンスモータ、シンクロナスリラクタンスモータ等の他のモータに本発明を適用した場合であっても、同様の効果を得られる。

なお、実施の形態１では、６個のインバータサブユニット２０１にはそれぞれ個別の直流電源が接続される場合を例示したが、同一の直流電源に対して６個のインバータサブユニット２０１がそれぞれ並列に接続される場合であっても、同様の効果が得られる。

以上、本実施の形態１によれば、回転電機の制御装置は、ステータコアとロータコアとの間のエアギャップ部の径方向磁束密度に含まれる高調波成分と周方向磁束密度に含まれる高調波成分とで、同じ次数同士の高調波成分の位相差が予め定められた位相差目標値になるように、各相巻線に電圧を印加するインバータを制御するように構成されている。

具体的には、回転電機の制御装置は、径方向ｄ軸磁束密度と径方向ｑ軸磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分からなるベクトルと、周方向ｄ軸磁束密度と周方向ｑ軸磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分からなるベクトルとの内積を、次数ごとに特性パラメータとして演算するように構成されている。また、回転電機の制御装置は、演算した次数ごとの特性パラメータと、予め設定される次数ごとの特性パラメータ指令値とが一致するように各相巻線に印加する電圧指令値を演算し、演算した電圧指令値に従ってインバータを制御するように構成されている。

これにより、径方向磁束密度と周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相がほぼ同相となり、その結果、回転電機において、エアギャップ磁束密度に含まれる高調波成分を考慮した電流－トルク特性の向上の実現を図ることができる。また、径方向磁束密度と周方向磁束密度とから算出されるマクスウェル応力の周方向成分、すなわちトルクを最大化することができる。

なお、本実施の形態１における制御装置３００のハードウェア構成は、例えば、図７に示す構成が挙げられる。図７は、本発明の実施の形態１における制御装置３００のハードウェア構成の一例を示す構成図である。

図７に示すように、制御装置３００は、ハードウェア構成として、プロセッサ５００および記憶装置６００を備える。上述の径方向磁束密度演算部３０３、周方向磁束密度演算部３０４、特性パラメータ演算部３０５、特性パラメータ指令部３０６、比較部３０７および制御部３０８の機能は、記憶装置６００に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ５００によって実現される。上述の電圧検出部３０１および電流検出部３０２は、それぞれ、電圧センサおよび電流センサによって実現される。

記憶装置６００は、ランダムアクセスメモリ等の揮発性の記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを備えて構成される。なお、記憶装置６００は、不揮発性の補助記憶装置の代わりに、ハードディスク等の補助記憶装置を備えて構成されていてもよい。

プロセッサ５００には、記憶装置６００の不揮発性の補助記憶装置から揮発性の記憶装置を介してプログラムが入力される。プロセッサ５００は、その入力されたプログラムを実行する。プロセッサ５００は、演算結果等のデータを、揮発性の記憶装置に出力するか、あるいは、揮発性の記憶装置を介して不揮発性の補助記憶装置に出力して当該データを保存する。

なお、上述の径方向磁束密度演算部３０３、周方向磁束密度演算部３０４、特性パラメータ演算部３０５、特性パラメータ指令部３０６、比較部３０７および制御部３０８の機能は、システムＬＳＩ等の処理回路によって実現されてもよい。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、先の実施の形態１と構成が異なる制御装置３００について説明する。なお、本実施の形態２では、先の実施の形態１と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

図８は、本発明の実施の形態２における制御装置３００の構成を示すブロック図である。図８に示すように、制御装置３００は、磁束密度指令部３０９および制御部３０８を備える。

磁束密度指令部３０９には、モータ１の回転数およびトルクが入力される。モータ１の回転数は、例えば、モータ１に取り付けられた回転数センサを用いて検出される。モータ１のトルクは、例えば、モータ１に取り付けられたトルクセンサを用いて検出される。

磁束密度指令部３０９は、予め設定される磁束密度指令マップに従って、入力されるモータ１の回転数およびトルクに対応する磁束密度指令値を演算し、演算した磁束密度指令値を制御部３０８に出力する。

上記の磁束密度指令値は、径方向磁束密度の各次高調波成分を制御するための指令値と、周方向磁束密度の各次高調波成分を制御するための指令値とを含んで構成される。

上記の磁束密度指令マップは、径方向磁束密度と周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が位相差目標値となるように、モータ１の回転数およびトルクと、磁束密度指令値とが関連付けられたマップであり、予め解析、測定等を行うことによって設定される。

制御部３０８には、磁束密度指令部３０９から入力される磁束密度指令値に従って、ＰＩ制御を行うことで、相巻線１７ａ～１７ｆに個別に対応する６個の電圧指令値ｖａ＊、ｖｂ＊、ｖｃ＊、ｖｄ＊、ｖｅ＊およびｖｆ＊をそれぞれ演算する。

制御部３０８は、演算した電圧指令値ｖａ＊～ｖｆ＊に従って、６個のＨブリッジ回路のそれぞれについて、第１の正極側スイッチ２６、第１の負極側スイッチ２８、第２の負極側スイッチ２９および第２の正極側スイッチ３０の各スイッチの動作を制御する。

このように、制御部３０８は、磁束密度指令部３０９から入力される磁束密度指令値に従って、各相巻線１７ａ～１７ｆに印加する電圧指令値ｖａ＊～ｖｆ＊を演算し、演算した電圧指令値ｖａ＊～ｖｆ＊に従って、インバータ２００を制御する。

このように制御装置３００を構成することで、先の実施の形態１と同様に、径方向磁束密度と周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が位相差目標値になるようにすることができる。

以上、本実施の形態２によれば、回転電機の制御装置は、予め設定される磁束密度指令マップに従って、回転電機の回転数およびトルクに対応する磁束密度指令値を演算し、演算した磁束密度指令値に従って各相巻線に印加する電圧指令値を演算し、演算した電圧指令値に従ってインバータを制御するように構成されている。

このように構成した場合であっても、先の実施の形態１と同様の効果が得られる。また、先の実施の形態１の制御装置３００の構成に対して、本実施の形態２の制御装置３００は、構成要素が少ないので、制御装置３００の小型化に寄与する。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３では、先の実施の形態１および２と構成が異なる制御装置３００について説明する。なお、本実施の形態３では、先の実施の形態１および２と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１および２と異なる点を中心に説明する。

図９は、本発明の実施の形態３における制御装置３００の構成を示すブロック図である。図９に示すように、制御装置３００は、電流指令部３１０、電流比較部３１１、電流検出部３０２および制御部３０８を備える。

電流指令部３１０には、先の実施の形態２と同様に、モータ１の回転数およびトルクが入力される。

電流指令部３１０は、予め設定される電流指令マップに従って、入力されるモータ１の回転数およびトルクに対応する電流指令値を演算し、演算した電流指令値を電流比較部３１１に出力する。

上記の電流指令値は、各相巻線１７ａ～１７ｆに通電される電流ｉａ～ｉｆをそれぞれ制御するための指令値ｉａ＊、ｉｂ＊、ｉｃ＊、ｉｄ＊、ｉｅ＊およびｉｆ＊を含んで構成される。

上記の電流指令マップは、径方向磁束密度と周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が位相差目標値となるように、モータ１の回転数およびトルクと、電流指令値とが関連付けられたマップであり、予め解析、測定等を行うことによって設定される。

電流比較部３１１は、電流指令部３１０から入力される６個の電流指令値ｉａ＊～ｉｆ＊と、電流検出部３０２によって検出される６個の電流ｉａ～ｉｆとの差分を相ごとに演算し、その演算結果を制御部３０８に出力する。

制御部３０８は、電流比較部３１１から入力される６個の差分がそれぞれ、予め定められた電流差分目標値となるように、ＰＩ制御を行うことで、相巻線１７ａ～１７ｆに個別に対応する６個の電圧指令値ｖａ＊、ｖｂ＊、ｖｃ＊、ｖｄ＊、ｖｅ＊およびｖｆ＊をそれぞれ演算する。

なお、各電流差分目標値は、０を含む許容範囲内の値になるように適宜設計される。この許容範囲とは、エアギャップ磁束密度に含まれる高調波成分を考慮した電流－トルク特性の向上の実現に不都合を生じさせるようなことがない範囲をいう。各電流差分目標値は、すべて同じ値であってもよいし、すべて同じ値でなくてもよい。特に、電流差分目標値がそれぞれ０になるように設計されることが望ましい。

制御部３０８は、演算した電圧指令値ｖａ＊～ｖｆ＊に従って、６個のＨブリッジ回路のそれぞれについて、第１の正極側スイッチ２６、第１の負極側スイッチ２８、第２の負極側スイッチ２９および第２の正極側スイッチ３０の各スイッチの動作を制御する。

このように、制御部３０８は、電流比較部３１１から入力される相ごとの差分がそれぞれ電流差分目標値となるように、各相巻線１７ａ～１７ｆに印加する電圧指令値を演算し、演算した電圧指令値に従って、インバータ２００を制御する。

このように制御装置３００を構成することで、先の実施の形態１および２と同様に、径方向磁束密度と周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が位相差目標値になるようにすることができる。

以上、本実施の形態３によれば、回転電機の制御装置は、予め設定される電流指令マップに従って、回転電機の回転数およびトルクに対応する電流指令値を演算し、その電流指令値と、各相巻線に通電される電流とが相ごとに一致するように各相巻線に印加する電圧指令値を演算し、演算した電圧指令値に従ってインバータを制御するように構成されている。

このように構成した場合であっても、先の実施の形態１と同様の効果が得られる。また、エアギャップ磁束密度に含まれる高調波成分を考慮した電流－トルク特性の最大化が電流フィードバック制御によって行われる。そのため、一般に多く使用される電流フィードバック制御の駆動システムに対して実施の形態３の構成を適用することができる。

１ モータ、２ フレーム、３ 負荷側ブラケット、４ 反負荷側ブラケット、５ 負荷側ベアリング、６ 反負荷側ベアリング、７ シャフト、８ ロータ、９ ステータ、１０ ケース、１１ ベアリング押さえ、１２ 波ワッシャ、１３ ヨーク、１４ ティース、１５ ステータコア、１６ ステータスロット、１７，１７ａ～１７ｆ 相巻線、１８ インシュレータ、１９ ロータコア、２０ 磁石スロット、２１ 永久磁石、２２ 端板、２３ 負荷側リード、２４ 反負荷側リード、２５ 引出し口、２６ 第１の正極側スイッチ、２７ 直流電源、２８ 第１の負極側スイッチ、２９ 第２の負極側スイッチ、３０ 第２の正極側スイッチ、３１ 正極端子、３２ 負極端子、４０ 周方向磁束密度検出部、１００ 駆動システム、２００ インバータ、２０１ インバータサブユニット、３００ 制御装置、３０１ 電圧検出部、３０２ 電流検出部、３０３ 径方向磁束密度演算部、３０４ 周方向磁束密度演算部、３０５ 特性パラメータ演算部、３０６ 特性パラメータ指令部、３０７ 比較部、３０８ 制御部、３０９ 磁束密度指令部、３１０ 電流指令部、３１１ 電流比較部、４００ 負荷、５００ プロセッサ、６００ 記憶装置。

Claims (8)

1. 回転電機の各相巻線に電圧を印加するインバータを制御することで前記各相巻線に通電させる電流を相巻線ごとに制御する制御装置であって、
   前記制御装置は、
   前記回転電機のステータコアとロータコアとの間のエアギャップ部の径方向磁束密度と周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が予め定められた位相差目標値になるように、前記各相巻線に印加する電圧指令値を演算し、演算した前記電圧指令値に従って、前記インバータを制御する制御部を備えた
   回転電機の制御装置。
2. 前記制御装置は、
   前記径方向磁束密度の各次高調波成分として、径方向ｄ軸磁束密度の各次高調波成分と、径方向ｑ軸磁束密度の各次高調波成分を演算する径方向磁束密度演算部と、
   前記周方向磁束密度の各次高調波成分として、周方向ｄ軸磁束密度の各次高調波成分と、周方向ｑ軸磁束密度の各次高調波成分を演算する周方向磁束密度演算部と、
   前記径方向ｄ軸磁束密度と前記径方向ｑ軸磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分からなるベクトルと、前記周方向ｄ軸磁束密度と前記周方向ｑ軸磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分からなるベクトルとの内積を、前記次数ごとに特性パラメータとして演算して出力する特性パラメータ演算部と、
   前記径方向磁束密度と前記周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が前記位相差目標値となるように予め設定される特性パラメータ指令値を出力する特性パラメータ指令部と、
   前記特性パラメータ指令部から入力される前記特性パラメータ指令値と、前記特性パラメータ演算部から入力される前記特性パラメータとの差分を前記次数ごとに演算し、演算した前記次数ごとの差分を出力する比較部と、
   をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記比較部から入力される前記次数ごとの差分がそれぞれ、予め定められた特性パラメータ差分目標値となるように、前記電圧指令値を演算し、演算した前記電圧指令値に従って、前記インバータを制御する
   請求項１に記載の回転電機の制御装置。
3. 前記径方向磁束密度と前記周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が前記位相差目標値となるように、前記回転電機の回転数およびトルクと磁束密度指令値とが関連付けられた磁束密度指令マップが予め設定され、
   前記磁束密度指令値は、前記径方向磁束密度の各次高調波成分を制御するための指令値と、前記周方向磁束密度の各次高調波成分を制御するための指令値とを含んで構成され、
   前記制御装置は、
   前記磁束密度指令マップに従って、入力される前記回転数および前記トルクに対応する前記磁束密度指令値を演算し、演算した前記磁束密度指令値を出力する磁束密度指令部をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記磁束密度指令部から入力される前記磁束密度指令値に従って、前記電圧指令値を演算し、演算した前記電圧指令値に従って、前記インバータを制御する
   請求項１に記載の回転電機の制御装置。
4. 前記径方向磁束密度と前記周方向磁束密度とで同じ次数同士の高調波成分の位相差が前記位相差目標値となるように、前記回転電機の回転数およびトルクと電流指令値とが関連付けられた電流指令マップが予め設定され、
   前記電流指令値は、前記各相巻線に通電される電流をそれぞれ制御するための指令値を含んで構成され、
   前記制御装置は、
   前記電流指令マップに従って、入力される前記回転数および前記トルクに対応する前記電流指令値を演算し、演算した前記電流指令値を出力する電流指令部と、
   前記電流指令部から入力される前記電流指令値と、前記各相巻線に通電される電流との差分を相ごとに演算し、演算した前記相ごとの差分を出力する電流比較部と、
   をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記電流比較部から入力される前記相ごとの差分がそれぞれ、予め定められた電流差分目標値となるように、前記電圧指令値を演算し、演算した前記電圧指令値に従って、前記インバータを制御する
   請求項１に記載の回転電機の制御装置。
5. 前記位相差目標値は、０である
   請求項１または請求項３に記載の回転電機の制御装置。
6. 前記位相差目標値は、０であり、
   前記特性パラメータ差分目標値は、０である
   請求項２に記載の回転電機の制御装置。
7. 前記位相差目標値は、０であり、
   前記電流差分目標値は、０である
   請求項４に記載の回転電機の制御装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置と、
   前記インバータと、
   前記回転電機と、
   前記回転電機の前記ステータコアに設けられており、前記周方向磁束密度を検出する周方向磁束密度検出部と、
   を備えた駆動システム。

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