WO2020003770A1

WO2020003770A1 - モータ制御装置、モータ制御方法、およびモータシステム

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Publication number: WO2020003770A1
Application number: PCT/JP2019/018903
Authority: WO
Inventors: 祐一高野; 友博福村
Original assignee: 日本電産株式会社
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2020-01-02
Also published as: CN112335171A

Abstract

本開示のモータ制御装置は、実施形態において、ロータ（３０）に同期して回転するｄｑ座標系における電流ベクトルの指令値をトルク指令値に基づいて決定するモータ制御装置（１００）であって、プロセッサ（１０）と、モータの磁石鎖交磁束Ψ_ａによって規定される係数ａ、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄおよびｑ軸インダクタンスＬ_ｑの差異によって規定される係数ｂ、および極対数Ｎ_ｐｐを記録しているメモリ（２０）とを備える。プロセッサは、トルク指令値を受け取ると、（ａ）極対数Ｎ_ｐｐに対するトルク指令値の比によって規定される係数ｃを求めること、（ｂ）トルク方程式であるａｘ＋２ｂｘｙ－ｃ＝０を満足し、かつｆ（ｘ）＝ｘ^２＋（ｃ－ａｘ）^２／（２ｂｘ）^２を最小化するｘおよびｙの値を算出すること、（ｃ）ｑ軸成分としてｘ、ｄ軸成分としてｙを有するベクトルを電流ベクトルの指令値として決定することを実行する。

Description

モータ制御装置、モータ制御方法、およびモータシステム

本開示は、同期モータのためのモータ制御装置、モータ制御方法およびモータシステムに関する。

永久磁石同期モータなどの同期モータを制御するためにベクトル制御のアルゴリズムが用いられている。ベクトル制御では、速度指令値またはトルク指令値から、ロータの回転に同期して回転するｄｑ座標系における電流ベクトルを決定することが必要である。電流ベクトルを決定するに際して、電流に対するトルクを最大化する最大トルク／電流（ＭＴＰＡ：Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｐｅｒ　Ａｍｐｅｒｅ）制御が実用化されている。ＭＴＰＡ制御は、同一のトルクを発生させる電流ベクトルのなかで、大きさが最小となる電流ベクトルを選択する制御である。以下、本明細書において電流ベクトルの大きさを「ノルム」と称する。同一トルクで電流ベクトルのノルムを最小にするためには、電流ベクトルを規定するｄｑ座標平面上において、原点から定トルク曲線までの距離が最短になるように電流ベクトルを決定することが必要になる。　

このような電流ベクトルの決定は、以下のようにして行われ得る。まず、トルクの多数の値と、それぞれの値を最小のノルムで実現する電流ベクトルとを対応づけたテーブル（またはマップ）を用意しておく。モータの制御時にトルク指令値を受け取ると、そのテーブルから、対応する電流ベクトルを読み出す。　

日本国公開公報特開２０１６－１００９８２号公報に記載されているモータ制御装置は、テーブルのデータ量を減らすため、インダクタンスと電流ベクトルとの関係を規定するマップを備えている。

日本国公開公報：特開２０１６－１００９８２号公報

従来の最大トルク／電流（ＭＴＰＡ）制御は、後述するように、種々の課題を有している。本開示の実施形態は、最大トルク／電流制御に代わる最小電流／トルク制御を実現する、新しいモータ制御装置およびモータ制御方法を提供する。また、本開示の実施形態は、当該モータ制御装置を備えるモータシステムを提供する。

本開示のモータ制御装置は、例示的な実施形態において、ロータに同期して回転するｄｑ座標系における電流ベクトルの指令値をトルク指令値に基づいて決定するモータ制御装置であって、デジタル演算回路と、モータの磁石鎖交磁束Ψ_ａによって規定される係数ａ、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄおよびｑ軸インダクタンスＬ_ｑの差異によって規定される係数ｂ、および極対数Ｎ_ｐｐを記録しているメモリとを備える。前記デジタル演算回路は、トルク指令値を受け取ると、（ａ）極対数Ｎ_ｐｐに対するトルク指令値の比によって規定される係数ｃを求めること、（ｂ）トルク方程式であるａｘ＋２ｂｘｙ－ｃ＝０を満足し、かつｆ（ｘ）＝ｘ^２＋（ｃ－ａｘ）^２／（２ｂｘ）^２を最小化するｘおよびｙの値を算出すること、（ｃ）ｑ軸成分としてｘ、ｄ軸成分としてｙを有するベクトルを電流ベクトルの指令値として決定することを実行する。　

本開示のモータシステムは、例示的な実施形態において、上記のモータ制御装置と、前記モータ制御装置に接続されたモータ駆動回路と、前記モータ駆動回路に接続されたモータとを備える。　

本開示のモータ制御方法は、例示的な実施形態において、ロータに同期して回転するｄｑ座標系における電流ベクトルの指令値をトルク指令値に基づいて決定するモータ制御方法であって、（１）モータの極対数Ｎ_ｐｐに対するトルク指令値の比によって規定される係数ｃを求めること、（２）前記モータの磁石鎖交磁束Ψ_ａによって規定される係数をａ、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄおよびｑ軸インダクタンスＬ_ｑの差異によって規定される係数をｂとするとき、トルク方程式であるａｘ＋２ｂｘｙ－ｃ＝０を満足し、かつｆ（ｘ）＝ｘ^２＋（ｃ－ａｘ）^２／（２ｂｘ）^２を最小化するｘおよびｙの値を算出すること、（３）ｑ軸成分としてｘ、ｄ軸成分としてｙを有するベクトルを電流ベクトルの指令値として決定することを含む。

本開示の実施形態によると、従来の電流ベクトルからトルクを導出する順解法ではなく、トルクから電流ベクトルを導出する逆解法のアルゴルリズムを実行するため、過大なデータ量を要するテーブルまたはマップに頼ることなく、トルク指令値から電流指令値への変換が可能になる。

図１は、本開示によるモータ制御システムの限定的ではない例示的な実施形態の構成を模式的に示す図である。図２は、本開示によるモータ制御装置のハードウェア構成の例を示す図である。図３は、本開示の実施形態における処理の手順の例を示すフローチャートである。図４は、本開示によるモータ制御装置の実施形態における構成例を示すブロック図である。

本開示の実施形態を説明する前に、まず電流ベクトルからトルクを導出する「順解法（Ｆｏｒｗａｒｄ　ＭＴＰＡ）」と、トルクから電流ベクトルを導出する「逆解法（Ｉｎｖｅｒｓｅ　ＭＴＰＡ）」を説明する。　

＜電流ベクトルからトルクを導出する順解法＞

　ベクトル制御理論では、ロータの回転と同期して回転するｄｑ座標系で電圧、電流、磁束、インダクタンスなどの諸量が表現され得る。３相交流同期モータで発生するトルクＴは、数式１によって表される。　　

ここで、Ｎ_ｐｐは極対数、Ψ_ａはロータの永久磁石による鎖交磁束である。Ｌ_ｄおよびＬ_ｑは、それぞれ、ｄ軸インダクタンスおよびｑ軸インダクタンス、ｉ_ｄおよびｉ_ｑは、それぞれ、ｄ軸電流およびｑ軸電流である。トルクの単位はニュートン・メートル［Ｎｍ］、インダクタンスの単位はヘンリ［Ｈ］、電流の単位はアンペア［Ａ］である。数式１は、３相のステータ巻線に、それぞれ、２π／３の位相差で正弦波電流が流れることを前提として導出されている。また、インダクタンスおよび鎖交磁束の空間高調波成分は無視されている。これらの高調波成分が無視できない場合、トルクには小さな脈動が表れるが、高調波成分は平均トルクに影響を及ぼさないため、その平均のトルク（定常成分）は数式１のトルクに等しい。　

数式１の右辺における第１項は「マグネットトルク」、第２項は「リラクタンストルク」である。Ｌ_ｄおよびＬ_ｑが同じ大きさである非突極性のモータ、例えば表面磁石型モータ（ＳＰＭ）では、トルクは第１項のマグネットトルクのみである。これに対して、永久磁石がロータに取り付けられていないモータ、例えばスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）では、トルクは第２項のリラクタンストルクのみである。ロータの内部に永久磁石が埋め込まれた埋込型モータ（ＩＰＭ）のトルクは、マグネットトルクおよびリラクタンストルクの合計の値を有する。　

ベクトル制御を実行するモータ制御装置は、目的とするトルクの値（トルク指令値）が与えられると、そのトルクを実現するために必要な電流ベクトルを決定することが必要になる。電流ベクトルは、ｄｑ座標系で定義されるｄ軸電流Ｉ_ｄおよびｑ軸電流Ｉ_ｑを成分とするベクトルであり、ノルムＩ_ａおよびｑ軸からの進み位相角β_１によっても表現され得る。以下、電流ベクトルのノルムを「電流ノルム」、電流ベクトルのｑ軸からの進み位相角を「電流位相角」、または単に「位相角」と呼ぶ場合がある。　

ｄ軸電流Ｉ_ｄおよびｑ軸電流Ｉ_ｑは、それぞれ、ノルムＩ_ａおよび位相角β_１を用いて下記の数式２に示すように表される。　　

この関係を用いると、トルクＴを以下の数式３によって表わすこともできる。　　

効率的なモータ制御は、高効率制御と呼ばれており、その代表例はＭＴＰＡ（Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｐｅｒ　Ａｍｐｅｒｅ）制御である。ＭＴＰＡ制御では、ある電流ノルムに対して最大のトルクが得られるように電流位相角を決める。電流ノルムは銅損に比例するため、ＭＴＰＡは所定の銅損に対して最大のトルクが得られるように電流位相角を決める方法とも言える。ただし、現実のモータには、銅損以外にも鉄損や風損などの損失があるため、ＭＴＰＡは必ずしも最適効率解を与えるものではない。しかし、ＭＴＰＡはモデル化が容易であるため、広く利用されている。特に銅損が支配的な低速・高トルク領域では、ＭＴＰＡは最適解に十分近い解を与える。　

ＭＴＰＡ問題とは、電流ノルムＩ_ａが一定であるという条件のもと、トルクＴを最大にする電流位相角β_１を求めることである。数式３から明らかなように、Ｌ_ｑ－Ｌ_ｄ＝０であれば、与えられたトルクＴを実現する電流位相角β_１は一義的に定まり、β_１＝０°である。一方、リラクタンスモータのようにロータが永久磁石を含まない場合、永久磁石による鎖交磁束Ψ_ａがゼロであるため、電流位相角β_１＝４５°でトルクＴは最大になる。このように、マグネットトルクおよびリラクタンストルクの一方を無視できるモータでは、トルクＴから、そのトルクＴを実現する電流ベクトルが一義的に定まる。しかし、例えば埋め込み型磁石のように、マグネットトルクおよびリラクタンストルクの両方の寄与がある場合、与えられた大きさのトルクＴを実現する電流ベクトルは無数に存在する。このため、ＭＴＰＡ制御を行うためには、電流ノルムＩ_ａを固定した状態でトルクＴを最大にする電流位相角β_１を見つけることが必要になる。　

トルクＴを最大にする電流位相角β_１は、数式３を電流位相角β_１で微分した数式４を０にする。　　

数式４の右辺をゼロにすると、数式５が得られる。　　

Ｌ_ｑとＬ_ｄが異なるとき、数式５を解くことにより、以下のように電流位相角β_１が定まる。　　

もう一つの解き方として、Ｉ_ｑおよびＩ_ｄの一方が与えられた場合において他方を求める方法がある。この方法によると、それぞれ、以下の式に示される解Ｉ_ｑ、Ｉ_ｄが得られる。　　

いずれの方法でも、電流ベクトルを規定する２つの値の一方を固定した上で、ＭＴＰＡ条件を用いて他方の値を算出している。従来のＭＴＰＡ制御では、例えばトルク指令値Ｔから電流ノルムＩ_ａを仮決めし、その電流ノルムＩ_ａに対する電流位相角β_１を求めている。この方法では、最初に電流ノルムＩ_ａを恣意的に決めるため、必ずしもトルク指令値を発生する最小電流を得られないという課題がある。その対策として、繰り返し計算をする方法がある。しかし、これでは計算時間が増えてしまうとともに、何回計算をすれば十分な精度が得られるのかも不明であるため、実用的ではない。従来の方法は、逆解法で解くべき問題を順解法で解こうとしている。　

このため、上記の計算をオンラインで実行する代わりに、ルックアップテーブルを参照してトルクＴを実現する最小の電流を求めることが行われている。具体的には、多数の異なるトルクＴと、各トルクＴを最小の電流で実現する「電流ノルムおよび電流位相角」（または「ＩｄおよびＩｑ」）の２変数とを対応づけたテーブルを事前計算によってオフラインで作成し、メモリ内に記憶させる。オンラインでは、トルクＴの指令値が与えられると、モータ制御装置がテーブルを参照して「電流ノルムおよび電流位相角」（または「ＩｄおよびＩｑ」）の２変数を読み出す。事前計算はソルバー計算等を用いて行うことができる。この方法によれば、モータごとにテーブルの全体を作り直す必要がある。また、モータが同じであって、永久磁石磁束またはインダクタンスなどが変化すると、テーブルを書き換える必要があるため、モータの温度特性変化および経時変化にも対応できない。　

モータパラメータの変化に対応するため、様々なパラメータに対応した多数のテーブルを事前に用意しておくことが理論的には可能である。しかし、膨大なデータが必要になるため、実用的ではない。例えば、電流ノルムＩ_ａおよび電流位相角β_１のデータをそれぞれ１６ビットとすると、１変数の入力（１個のトルク値）に対する電流ベクトルを表現するために４バイトのデータが必要である。トルク分解能を１２ビット分（４０９６）として、各トルク値に対応する電流ノルムＩ_ａおよび電流位相角β_１のデータを用意した場合、データ量は１６.３８４ｋバイト（＝４バイト×２^１２）に達する。安価なマイコンは、３２ｋバイトから１２８ｋバイト程度のＲＯＭ容量を有しているため、１６ｋバイトの容量がこのテーブルに消費されるのは不経済である。　

テーブル量を増やすと、容量が急増する。例えばトルク分解能を２４ビット、電流３２ビットに拡張してテーブルを作成した場合、データ量は約１３４Ｍバイト（＝８バイト×２^２４）という膨大な量になる。この規模ではテーブルを作成して実装することは困難である。　

テーブルに頼らず、中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）で計算させる場合を考える。ＣＰＵのクロック数が高くなるほど、ＣＰＵコスト（マイコンコスト）が上昇する。また、モータはリアルタイムで駆動しているため、キャリア周波数が２０ｋＨｚのＰＷＭ信号で駆動する場合、５０μｓｅｃごとに信号を更新する必要がある。ＭＴＰＡ計算は、この周期で更新する必要はないが、電気時定数を考えると、１ｍｓｅｃ～１０ｍｓｅｃで更新する必要がある。よって、１回の計算に使えるクロック数が少なくなる。ＭＴＰＡ制御計算で多くのクロック数を使ってしまうと、その分のＣＰＵコストの上昇を招く。ところが、ＭＴＰＡ制御自体はモータ駆動に必須ではないので、これだけでマイコンのグレードを上げるのは許容されない。　

＜トルクから電流ベクトルを導出する逆解法＞

　本開示の実施形態において、モータ制御装置はトルク指令値を受け取ると、以下のモータ制御方法の各処理を実行することにより、電流ベクトルを導出する。　

　（１）モータの極対数Ｎ_ｐｐに対するトルク指令値の比によって規定される係数ｃを求める。　

　（２）モータの磁石鎖交磁束Ψ_ａによって規定される係数をａ、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄおよびｑ軸インダクタンスＬ_ｑの差異によって規定される係数をｂとするとき、トルク方程式であるａｘ＋２ｂｘｙ－ｃ＝０を満足し、かつｆ（ｘ）＝ｘ^２＋（ｃ－ａｘ）^２／（２ｂｘ）^２を最小化するｘおよびｙの値を算出する。　

　（３）ｑ軸成分としてｘ、ｄ軸成分としてｙを有するベクトルを電流ベクトルの指令値として決定する。　

以下、上記の処理を詳細に説明する。　

極対数Ｎ_ｐｐに対するトルク指令値Ｔの比は、Ｔ／Ｎ_ｐｐである。ここでは、最も簡単な例として、ｃ＝Ｔ／Ｎ_ｐｐとおく。また、磁石鎖交磁束Ψ_ａによって規定される係数ａについては、ａ＝Ψ_ａとおく。ｄ軸インダクタンスＬ_ｄおよびｑ軸インダクタンスＬ_ｑの差異によって規定される係数ｂについては、ｂ＝（Ｌ_ｑ－Ｌ_ｑ）／２とおく。また、電流ベクトルのｑ軸成分については、ｉ_ｑ＝ｘとおき、電流ベクトルのｄ軸成分については、ｉ_ｄ＝ｙとおく。　

上記のａ、ｂ、ｃ、ｘ、およびｙを用いると、トルク方程式を規定する数式１は、以下の式に変形され得る。　　

数式８については、両辺に任意の数、例えば極対数Ｎ_ｐｐを乗算しても等式は成立する。また、トルクの基準値で両辺を割っても等式は成立する。このため、上記の等式が成立するように、ａ、ｂ、およびｃを規格化することも可能である。例えば、基準電圧Ｖ_０［Ｖ］、基準電流Ｉ_０［Ａ］、基準電気角速度ω_０［ｒａｄ／ｓｅｃ］をモータごとに異なる電圧方程式に代入することにより、基準トルクＴ_０を求めることができる。数式８のトルクＴが基準トルクＴ_０に等しいときｃ＝１となるように、ａおよびｂを規格化してもよい。以下、ａ、ｂ、およびｃのパラメータは、それぞれ、ａ＝Ψ_ａ、（Ｌ_ｑ－Ｌ_ｑ）／２、およびＴ／Ｎ_ｐｐに限定されず、それらの規格値であってもよい。そのような規格値ａ、ｂ、およびｃも、それぞれ、前述した「・・・によって規定される係数」に該当する。　

上記の定義から明らかなように、係数ｃは、トルクＴに依存するパラメータであるため、トルク指令値が与えられると、係数ｃの大きさが決まる。また、係数ａ、ｂは、モータによって固有の大きさを有する。このため、「逆解法」とは、モータに固有の係数ａ、ｂのもとで、係数ｃの大きさが指定されたとき、数式８を満足するｘおよびｙのうちで、ノルム（ｘ^２＋ｙ^２）を最小にするｘ、ｙを求めることである。ノルム（ｘ^２＋ｙ^２）は、数式８におけるｘとｙの関係に基づいて、以下の式で表される。　　

モータが決まると係数ａ、ｂが決まり、トルク指令値が与えられると係数ｃが決まる。本開示の実施形態では、係数ａ、ｂ、ｃが既知の状況において、数式９の関数ｆ（ｘ）を最小にするｘを算出する。ｘが決まると、以下の式に基づいてｙが求められる。　　

電流ベクトルはｘおよびｙの値によって決まる。ｆ（ｘ）を最小にするｘは、ｆ（ｘ）の微分を０にする。このことから、ｘは、以下の方程式の解である。　　

数式１１の４次方程式は、未知数ｘの３次の項を有していない。このことに着目し、本発明者は、この４次方程式を代数的に解くため、フェラーリの方法を用いて媒介変数ｕを導出した。媒介変数ｕは、以下の数式１０に示される値を有することがわかった。　　

本開示の実施形態では、モータ制御装置が、メモリ２０に記憶されている係数ａ、ｂ、ｃの値をメモリ２０から読み出し、上記の式に基づいて媒介変数ｕの値を決定する。モータ制御装置は、次に、媒介変数ｕの値を以下の式に代入する。　　

こうしてモータ制御装置は、ｘの値を決定した後、数式１０にｘの値を代入してｙを得る。　

このように、本開示の実施形態では、トルク指令値Ｔが与えられると、最小のノルムでトルク指令値Ｔを実現する電流ベクトルを代数解法によって決定することが可能になる。本開示の実施形態によれば、膨大なデータ量を有するテーブルを前もって用意してメモリ内に記憶させる必要がない。モータ制御装置は、上述の式に基づく計算を１回行うだけで電流ベクトルを決定することができ、理論上の誤差もない。トルク指令値が更新されるごとに上記の計算を行えば、すぐにノルムが最小化された電流ベクトルを求めることができる。　

＜例示的な実施形態＞

　以下、添付の図面を参照しながら、本開示によるモータ制御装置の一例を説明する。なお、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供する。これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図しない。　

図１を参照する。図１は、本開示の実施形態にかかるモータシステムの概略構成を示す図である。図１に示されるモータシステム１０００は、ロータ３０およびステータ３２を備える永久磁石同期モータ（以下、単に「モータ」と称する）３００と、モータ３００のステータ３２が有する巻線３４に電圧を印加するモータ駆動回路２００と、巻線３４を流れる電流を測定する電流センサ２５０と、モータ駆動回路２００に接続されたモータ制御装置１００とを備える。　

本実施形態におけるロータ３０は、コア中に埋め込まれた複数の永久磁石を有している。本開示の実施形態は、この例に限定されない。ロータ３０は、永久磁石を有しないでリラクタンストルクのみを発生して回転してもよい。ロータ３０は多様な形態をとり得る。　

モータ駆動回路２００は、インバータを主回路として有する電力変換器である。主回路は、複数の電力半導体素子（図１において不図示）を構成要素として含む。モータ制御装置１００は、モータ駆動回路２００内における個々の電力半導体素子をスイッチングさせる制御信号（ゲート信号）を生成して出力する。図示される例において、電流センサ２５０は、カレントトランス（ＣＴ：Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）であるが、電流センサ２５０の例は、これに限定されない。モータ駆動回路２００が１個または複数個のシャント抵抗を有する場合、各シャント抵抗の電圧降下を測定することにより、巻線３４を流れる電流を測定することができる。　

図示されているモータ制御装置１００は、「デジタル演算回路」として機能するプロセッサ１０と、プロセッサ１０の動作を制御するソフトウェアプログラムが記録されたメモリ２０とを備えている。プロセッサ１０は、例えばＣＰＵまたはデジタル信号処理プロセッサなどの集積回路（ＩＣ）チップであり得る。メモリ２０は、プロセッサ１０の動作を制御するコンピュータプログラムを格納した記録媒体である。メモリ２０は、単一の記録媒体である必要はなく、複数の記録媒体の集合であり得る。メモリ２０は、後述するように、例えばＲＡＭなどの半導体揮発性メモリ、フラッシュＲＯＭなどの半導体不揮発性メモリ、およびハードディスクドライブなどのストレージ装置を含み得る。メモリ２０の少なくとも一部は、取り外し可能な記録媒体であってもよい。　

図１のモータ制御装置１００は、ロータ３０の回転に同期して回転するｄｑ座標系における電流ベクトルの指令値をトルク指令値に基づいて決定する。　

モータの磁石鎖交磁束Ψ_ａによって規定される係数ａ、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄおよびｑ軸インダクタンスＬ_ｑの差異によって規定される係数ｂ、および極対数Ｎ_ｐｐがメモリ２０に記憶されている。　

モータ制御装置１００のプロセッサ（デジタル演算回路）１０は、トルク指令値を受け取ると、以下の処理を実行する。

（ａ）極対数Ｎ_ｐｐに対するトルク指令値の比によって規定される係数ｃを求めること、

（ｂ）トルク方程式であるａｘ＋２ｂｘｙ－ｃ＝０を満足し、かつｆ（ｘ）＝ｘ^２＋（ｃ－ａｘ）^２／（２ｂｘ）^２を最小化するｘおよびｙの値を算出すること、および、

（ｃ）ｑ軸成分としてｘ、ｄ軸成分としてｙを有するベクトルを電流ベクトルの指令値として決定すること。　

これらの処理の内容は、前述した通りであり、ここでは同じ説明を繰り返さない。なお、トルク指令値は、外部にある上位のコンピュータまたはコントローラからプロセッサ１０に入力され得る。また、コンピュータまたはコントローラからプロセッサ１０に与えられた信号に基づいてプロセッサ１０の内部でトルク指令値が生成されてもよい。　

本開示の実施形態において、プロセッサ１０は、ｆ（ｘ）を最小化するｘおよびｙの値を算出するとき、４次方程式の解の公式を用いて、ｘ^４＋（ａｃ／４ｂ^２）ｘ－ｃ^２／（４ｂ^２）＝０の正の実数解を求める。このため、繰り返し演算も大容量のテーブルデータも必要なくなる。　

本実施形態において、メモリ２０は、係数ａおよび／または係数ｂについて、モータ３００の状態に応じて異なる複数の値を含むルックアップテーブルを記憶している。モータ３００の状態は、モータの動作温度、磁気飽和の程度、ロータ３０が永久磁石を有する場合における永久磁石の減磁の程度、および使用期間を含み得る。　

プロセッサ１０は、磁石鎖交磁束Ψ_ａ、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄ、および／またはｑ軸インダクタンスＬ_ｑの変化に応じて、メモリ２０に記録されている係数ａおよび／または係数ｂの値を更新してもよい。前述したように、係数ａは、磁石鎖交磁束Ψ_ａによって規定されるため、モータ３００の永久磁石の強さに依存する。永久磁石の強さは、モータ動作中の熱減磁によって低下し得る。このため、永久磁石の強さが変化した場合、その変化に基づいて係数ａの値を更新してもよい。例えば、モータの動作温度または巻線電流を検知し、温度および／または巻線電流に応じて係数ａを変化させても良い。温度および／または巻線電流と係数ａとの関係は、テーブルデータとしてメモリに記憶され得る。また、この関係を近似する関数をメモリに記憶させておいても良よい。係数ｂは、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄおよびｑ軸インダクタンスＬ_ｑの差異によって規定されるため、磁気飽和によってインダクタンスが変化する場合は、その変化に基づいて係数ｂを更新してもよい。巻線電流と係数ｂとの関係もテーブルデータとしてメモリに記憶され得る。　

本実施形態において、プロセッサ１０は、電流ベクトルの測定値を受け取ると、電流ベクトルの測定値と電流ベクトルの指令値の間にある差異に基づいて電圧ベクトルの指令値を決定する。　

本実施形態におけるモータ３００は、埋め込み型の永久磁石同期モータであるが、本開示におけるモータは、この例に限定されない。　

図２は、本開示によるモータモジュールにおけるモータ制御装置１００のハードウェア構成の例を示す図である。　

モータ制御装置１００は、例えば図２に示されるハードウェア構成を有していても良い。この例におけるモータ制御装置１００は、互いにバス接続されたＣＰＵ１５４、ＰＷＭ回路１５５、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）１５６、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１５７、およびＩ／Ｆ（入出力インタフェース）１５８を有している。図示されていない他の回路またはデバイス（ＡＤ変換器など）がバスに接続されていてもよい。ＰＷＭ回路１５５は、図１のモータ駆動回路２００にＰＷＭ信号を与える。ＣＰＵ１５４の動作を規定するプログラムおよびデータは、ＲＯＭ１５６およびＲＡＭ１５７の少なくとも一方に記憶されている。このようなモータ制御装置１００は、例えば３２ビットの汎用的なマイクロコントローラによって実現され得る。そのようなマイクロコントローラは、例えば１個または複数の集積回路チップから構成され得る。　

モータ制御装置１００が行う各種の動作の詳細については、後述する。典型的には、モータ制御装置１００が行う各種の動作は、メモリ２０に記憶されているプログラムによって規定されている。プログラムの内容の一部または全部を更新することにより、モータ制御装置１００の動作の一部または全部を変更することが可能である。そのようなプログラムの更新は、プログラムを格納した記録媒体を用いて行ってもよいし、有線または無線の通信によって行っても良い。通信は、図２のＩ／Ｆ１５８を用いて行うことができる。図２に示されるＣＰＵ１５４の演算量を低減するために、モータ制御装置１００が行う各種の動作の一部、例えばベクトル演算の一部が、その演算専用のハードウェア回路によって実行されてもよい。　

次に、図３を参照して、本開示の実施形態におけるモータ制御動作の基本的なフローを説明する。　

まず、ステップＳ１において、ＣＰＵ１５４は、トルク指令値の入力を受け取る。次に、ステップＳ２において、ＣＰＵ１５４は、上記の４次方程式を規定する係数ａ、ｂ、ｃを決定する。係数ｃは、ステップＳ１で受け取ったトルク指令値に依存する大きさを有する。ステップＳ３において、ＣＰＵ１５４は、解の公式を用いて４次方程式の解を算出する。ステップＳ４において、ＣＰＵ１５４は、４次方程式の解からｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を決定する。ステップＳ５において、ＣＰＵ１５４は、係数ａ、ｂの値を更新または維持する。更新は、モータの状態が変化した場合に実行され得る。　

次に、図４を参照して、本開示の実施形態におけるモータ制御装置の限定的ではない例示的な構成および動作の例を説明する。図示されている例において、本実施形態のモータシステム１０００におけるモータ制御装置１００は、上記の処理により、トルク指令値Ｔからｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を生成する電流指令値生成モジュールを有している。更に、モータ制御装置１００は、電流制御回路１２と、第１座標変換回路１４Ａと、ＰＷＭ回路１６とを備えている。電流制御回路１２は、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊からｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊を決定する。第１座標変換回路１４Ａは、電圧指令値をｄｑ座標系からＵＶＷ座標系に変換する。ＰＷＭ回路１６は、第１座標変換回路１４Ａから出力される電圧指令値（Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊）に基づいてパルス幅変調信号を生成する。これらの回路１２、１４Ａ、１６の構成および動作は、公知の例に従う。　

モータ制御装置１００は、更に、第２座標変換回路１４Ｂと、位置検出回路１８Ａと、速度演算回路１８Ｂとを備えている。第２座標変換回路１４Ｂは、インバータからモータ３００に供給される３相Ｕ、Ｖ、Ｗの巻線電流の検出値ｉ_ｕ、ｉ_ｖについて、ＵＶＷ座標系からｄｑ座標系に変換する。位置検出回路１８Ａは、モータ３００におけるロータの機械角位置θ_ｍを検出する。速度演算回路１８Ｂは、ロータの機械角位置θ_ｍからロータの機械角速度ω_ｍを算出する。　

第２座標変換回路１４Ｂから、ｄｑ座標系に変換されたｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑは、電流制御回路１２に与えられ、それぞれ、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊と比較される。電流制御回路１２の典型例は、比例積分（ＰＩ）制御器である。ロータの機械角位置θ_ｍからはロータの電気角位置θが算出される。ロータの電気角位置θは、ｄｑ座標系とＵＶＷ座標系との間の座標変換に利用される。ロータの機械角速度ω_ｍは、トルク指令値Ｔの決定に利用され得る。　

モータ駆動回路２００のインバータの前段には、ＰＷＭ信号に基づいてインバータ内のトランジスタをスイッチングするゲート駆動信号を生成するゲートドライバが設けられ得る。これらの要素は公知であり、簡単のため、記載が省略されている。　

上記の各回路の一部または全部は、集積回路装置によって実現され得る。このような集積回路装置は、典型的には１個または複数個の半導体部品によって形成され得る。集積回路装置は、位置センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、モータ３００の巻線を流れる電流を検出するセンサ（不図示）からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータとを含み得る。　

インバータの少なくとも一部が集積回路装置に含まれていても良い。このような集積回路装置は、典型的には、１個また複数個の半導体チップを１個のパッケージ内で相互に接続することによって実現される。集積回路装置の一部または全部は、例えば汎用的なマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）に本開示に特有のプログラムを書き込むことによって実現され得る。　

本開示のモータ制御装置、モータ制御方法、モータシステムは、高効率動作が求められる種々の同期モータに利用され得る。

１０・・・プロセッサ（デジタル演算回路）、２０・・・メモリ、１００・・・モータ制御装置、２００・・・モータ制御装置、３００・・・モータ、１０００・・・モータシステム

Claims

　ロータに同期して回転するｄｑ座標系における電流ベクトルの指令値をトルク指令値に基づいて決定するモータ制御装置であって、

　デジタル演算回路と、

　モータの磁石鎖交磁束Ψ_ａによって規定される係数ａ、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄおよびｑ軸インダクタンスＬ_ｑの差異によって規定される係数ｂ、および極対数Ｎ_ｐｐを記録しているメモリと、

を備え、

　前記デジタル演算回路は、トルク指令値を受け取ると、

　（ａ）極対数Ｎ_ｐｐに対するトルク指令値の比によって規定される係数ｃを求めること、

　（ｂ）トルク方程式であるａｘ＋２ｂｘｙ－ｃ＝０を満足し、かつｆ（ｘ）＝ｘ^２＋（ｃ－ａｘ）^２／（２ｂｘ）^２を最小化するｘおよびｙの値を算出すること、

　（ｃ）ｑ軸成分としてｘ、ｄ軸成分としてｙを有するベクトルを電流ベクトルの指令値として決定すること、

を実行するモータ制御装置。
　前記デジタル演算回路は、

　ｆ（ｘ）を最小化するｘおよびｙの値を算出するとき、

　４次方程式の解の公式を用いて、ｘ^４＋（ａｃ／４ｂ^２）ｘ－ｃ^２／（４ｂ^２）＝０の正の実数解を求める、請求項１に記載のモータ制御装置。
　前記メモリは、前記係数ａおよび／または係数ｂについて、モータの状態に応じて異なる複数の値を含むルックアップテーブルを記憶している、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
　前記モータの状態は、モータの動作温度、磁気飽和の程度、前記ロータが永久磁石を有する場合における前記永久磁石の減磁の程度、および使用期間を含む、請求項３に記載のモータ制御装置。
　前記デジタル演算回路は、磁石鎖交磁束Ψ_ａ、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄ、および／またはｑ軸インダクタンスＬ_ｑの変化に応じて、前記メモリに記録されている前記係数ａおよび／または係数ｂの値を更新する、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
　前記デジタル演算回路は、電流ベクトルの測定値を受け取り、前記電流ベクトルの測定値と前記電流ベクトルの指令値の間にある差異に基づいて電圧ベクトルの指令値を決定する、請求項１から５のいずれかに記載のモータ制御装置。
　前記モータは、埋め込み型の永久磁石同期モータである、請求項１から６のいずれかに記載のモータ制御装置。
　請求項１から７のいずれかに記載のモータ制御装置と、

　前記モータ制御装置に接続されたモータ駆動回路と、

　前記モータ駆動回路に接続されたモータと、

を備える、モータシステム。
　ロータに同期して回転するｄｑ座標系における電流ベクトルの指令値をトルク指令値に基づいて決定するモータ制御方法であって、

　（１）モータの極対数Ｎ_ｐｐに対するトルク指令値の比によって規定される係数ｃを求めること、

　（２）前記モータの磁石鎖交磁束Ψ_ａによって規定される係数をａ、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄおよびｑ軸インダクタンスＬ_ｑの差異によって規定される係数をｂとするとき、トルク方程式であるａｘ＋２ｂｘｙ－ｃ＝０を満足し、かつｆ（ｘ）＝ｘ^２＋（ｃ－ａｘ）^２／（２ｂｘ）^２を最小化するｘおよびｙの値を算出すること、

　（３）ｑ軸成分としてｘ、ｄ軸成分としてｙを有するベクトルを電流ベクトルの指令値として決定すること、

を含む、モータ制御方法。