モータ制御装置
【課題】モータに矩形波電圧を印加するモータ制御装置において、過電流の発生を抑制する。
【解決手段】モータに印加する電圧の位相を変化させてトルクを調整するとともに、モータに印加する電圧波形を矩形波形とＰＷＭ波形の間で切り替えてモータを制御するモータ制御装置であって、モータの回転数に応じて電圧位相の下限値を規定する下限値曲線ａ，ｃ，ｅを含むマップを備え、モータの回転数Ｎに応じた電圧位相φvが所定の下限値曲線ａ，ｃ，ｅ以下となった場合に、モータに印加する電圧波形を矩形波形からＰＷＭ波形に切り替える。
【解決手段】モータに印加する電圧の位相を変化させてトルクを調整するとともに、モータに印加する電圧波形を矩形波形とＰＷＭ波形の間で切り替えてモータを制御するモータ制御装置であって、モータの回転数に応じて電圧位相の下限値を規定する下限値曲線ａ，ｃ，ｅを含むマップを備え、モータの回転数Ｎに応じた電圧位相φvが所定の下限値曲線ａ，ｃ，ｅ以下となった場合に、モータに印加する電圧波形を矩形波形からＰＷＭ波形に切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動車両を駆動するモータを制御するモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータにより直流電力をスイッチング制御して交流モータや交流モータジェネレータを駆動する方法が多く用いられている。インバータによる駆動方式は、ＰＷＭによるものが制御性もよく一般的であるが、ＰＷＭでは電圧の利用率に限界があり、高出力が得られない。一方、交流モータに矩形波を印加して駆動する場合には、ＰＷＭよりも高出力を得られるという特徴がある。そこで、ＰＷＭと矩形波を必要に応じて切り替えて交流モータに印加する方法が用いられている。
【０００３】
例えば、モータの回転数が高い場合には、電圧波形を矩形波とし、電圧の位相を制御する矩形波電圧位相制御モードでモータを駆動し、モータの回転数が小さくなり、電圧位相が電流に対する最大トルク出力となる位相まで小さくなった際に、モータの制御方式を矩形波電圧位相制御モードからＰＷＭ電流制御モードに切り替える方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、矩形波をモータに印加する場合、１つの矩形波のパルスがモータに印加されている間はモータに流す電流を制御することができないので、モータの駆動状態によってはモータに過電流が流れる場合がある。特に、昇圧コンバータでモータに印加する電圧を昇圧している際にモータに矩形波を印加すると過電流の発生する場合が多くなる傾向がある。そこで、昇圧コンバータが昇圧動作を開始した場合には、モータへの印加電圧を矩形波からＰＷＭ波形に切り替えて過電流を抑制することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１８２９９号公報
【特許文献２】特開２００５−０５１８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、埋め込み磁石同期モータのように、マグネットトルクとリラクタンストルクを利用するモータでは、モータの出力トルクは電圧位相が大きくなるに従って大きくなり、出力トルクが最大となる電圧位相を超えると電圧位相が大きくなるに従って出力トルクが小さくなってくる。このため、電圧位相を変化させてトルクを調整する場合、電圧位相を変化させることの上限は、この出力トルクが最大となる電圧位相となる。この上限値は、モータに印加される電圧やモータの回転数によって変化するため、回転数に対して電圧位相の上限値を規定したマップによって電圧位相が上限値を超えないように制御している。
【０００７】
一方、モータに電圧を印加した場合、モータからは逆起電圧がモータに流れる。モータの電流を流して回転し続けるにはこの逆起電圧以上の電圧を印加することが必要となってくる。つまり、モータに印加する電圧はモータからの逆起電圧よりも大きいことが必要となってくる。矩形波をモータに印加して電圧位相制御を行う場合、矩形波をオンしてからオフするまでの間はモータに印加電圧が掛かり続けるので、印加電圧と逆起電力の差が大きくなる時間を調整できない。このため、印加電圧と逆起電圧の差によってモータに大きな電流が流れてしまう場合がある。特に、モータの回転数が低くなってくると、印加電圧と逆起電圧との差が大きくなる時間が長くなることから、逆起電圧によってモータに流れる電流に大きなスパイク状のピークが発生し、過電流が発生してしまう場合があるという問題があった。
【０００８】
本発明は、モータに矩形波電圧を印加するモータ制御装置において、過電流の発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のモータ制御装置は、モータに印加する電圧の位相を変化させてトルクを調整するとともに、前記モータに印加する電圧波形を矩形波形とＰＷＭ波形の間で切り替えて前記モータを制御するモータ制御装置であって、モータの回転数に応じて電圧位相の下限値を規定する下限値曲線を含むマップを備え、前記モータの回転数に応じた電圧位相が所定の下限値曲線以下となった場合に、前記モータに印加する電圧波形を前記矩形波形から前記ＰＷＭ波形に切り替えること、を特徴とする。
【００１０】
本発明のモータ制御装置において、前記マップは、前記モータに印加される電圧に対する複数の前記下限値曲線を含み、前記モータの回転数に応じた電圧位相が前記モータに印加される電圧に対応する前記下限値曲線以下となった場合に、前記モータに印加する電圧波形を前記矩形波形から前記ＰＷＭ波形に切り替えること、としても好適である。
【００１１】
本発明のモータ制御装置において、前記下限値曲線は、前記モータに印加される電圧を取得する電圧センサの誤差分だけモータの回転数の高い側に設定されていること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、モータに矩形波電圧を印加するモータ制御装置において、過電流の発生を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態におけるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの全体構成を示す系統図である。
【図２】本発明の実施形態においてモータに印加される電圧波形を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態におけるモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態におけるモータ制御装置のブロック図である。
【図５】本発明の実施形態におけるモータ制御装置に格納されているモータの回転数に応じて電圧位相の下限値を規定するマップである。
【図６】モータにおける回転数に対応する電圧位相とモータ相電流の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態におけるモータ制御装置によるモータの運転点の変化をｄｑ座標軸上で示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態におけるモータ制御装置を適用したモータの電流波形と従来技術の制御装置を適用したモータの電流波形とを比較する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本発明の制御装置６０を用いたモータ駆動システム１０は、バッテリ１１と、バッテリ１１から出力される低圧の直流電力を昇圧して高圧の直流電力として出力する昇圧コンバータ２０と、昇圧コンバータ２０によって昇圧された高圧の直流電力をモータ５０駆動用の三相交流電力に変換して出力するインバータ３０と、バッテリ１１と昇圧コンバータ２０との間にバッテリ１１と並列に設けられた低圧側コンデンサ１３と、低圧側コンデンサ１３の両端の電圧を検出する低圧側電圧検出器５４と、昇圧コンバータ２０とインバータ３０との間に並列に設けられた高圧側コンデンサ１４と、高圧側コンデンサ１４の両端の電圧を検出する高圧側電圧検出器５５と、高圧側コンデンサ１４と並列に設けられた放電抵抗１５と、低圧側コンデンサ１３とバッテリ１１との間に設けられ、バッテリ１１とモータ駆動システム１０とを遮断するシステムメインリレー１２と、モータ５０の制御を行う制御装置６０とを備えている。モータ駆動システム１０のインバータ３０はモータ５０に接続されている。モータ５０はＵ，Ｖ，Ｗの３相のコイル５１，５２，５３と永久磁石を備える三相の回転電機で、ロータの角度位置θを検出するレゾルバ５６と、Ｖ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗを検出する電流センサ５８，５９が設けられている。
【００１５】
昇圧コンバータ２０は、基準電路４９がバッテリ１１のマイナス側とインバータ３０のマイナス側との間に共通に接続され、入力側の低圧電路４８がバッテリ１１のプラス側に接続され、昇圧した後の高圧側の高圧電路４７がインバータ３０のプラス側に接続されている非絶縁双方向型のコンバータである。
【００１６】
図１に示すように、昇圧コンバータ２０は、スイッチング素子である上アームトランジスタ２１と、下アームトランジスタ２２と、電磁エネルギーを蓄積するリアクトル２５とを備えている。上アームトランジスタ２１と下アームトランジスタ２２とは、上アームトランジスタ２１のエミッタ端子と下アームトランジスタ２２のコレクタ端子とが直列に接続され、上アームトランジスタ２１のコレクタ端子は高圧電路４７に接続され、下アームトランジスタ２２のエミッタ端子は基準電路４９に接続されている。上アームトランジスタ２１及び下アームトランジスタ２２の各ベース端子は制御装置６０に接続され、各トランジスタ２１，２２は制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。
【００１７】
各トランジスタ２１，２２の各エミッタ端子とコレクタ端子との間には、各エミッタ端子からコレクタ端子に向かう方向が順方向になるように、逆並列に上アームダイオード２３と下アームダイオード２４とが接続されている。
【００１８】
上アームトランジスタ２１と下アームトランジスタ２２との接続点５７は、低圧電路４８に接続され、低圧電路４８の接続点５７とバッテリ１１のプラス側との間に電磁エネルギーを蓄積するリアクトル２５が設けられている。
【００１９】
図１に示すように、インバータ３０は、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のスイッチング動作を行う複数のトランジスタと各トランジスタに逆並列に接続された各ダイオードとを備えている。図１に示すように、Ｕ相上アームトランジスタ３１のエミッタ端子とＵ相下アームトランジスタ３２のコレクタ端子は直列に接続され、Ｕ相上アームトランジスタ３１のコレクタ端子は高圧電路４７に接続され、Ｕ相下アームトランジスタ３２のエミッタ端子は基準電路４９に接続されている。Ｕ相上アームトランジスタ３１とＵ相下アームトランジスタ３２の接続点はモータ５０のＵ相コイル５１に接続されている。Ｕ相の各トランジスタ３１，３２の各エミッタ端子とコレクタ端子との間には、各エミッタ端子からコレクタ端子に向かう方向が順方向になるように、逆並列にＵ相上アームダイオード３３とＵ相下アームダイオード３４とが接続されている。Ｕ相上アームトランジスタ３１及びＵ相下アームトランジスタ３２の各ベース端子は制御装置６０に接続され、Ｕ相の各トランジスタ３１，３２は制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。
【００２０】
Ｖ相、Ｗ相も同様に、Ｖ相上アームトランジスタ３５、Ｖ相下アームトランジスタ３６、Ｖ相上アームダイオード３７、Ｖ相下アームダイオード３８、Ｗ相上アームトランジスタ３９、Ｗ相下アームトランジスタ４０、Ｗ相上アームダイオード４１、Ｗ相下アームダイオード４２が接続され、各トランジスタ３５，３６，３９，４０の各ベース端子は制御装置６０に接続され、制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。
【００２１】
制御装置６０は、内部に信号処理や演算を行うＣＰＵと、プログラム、制御データなどを格納するメモリを含むコンピュータである。低圧側電圧検出器５４と高圧側電圧検出器５５は制御装置６０に接続され、制御装置６０は各電圧検出器５４，５５の検出信号を取得することができ、システムメインリレー１２も制御装置６０に接続され、制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。モータ５０のロータの角度位置θを検出するレゾルバ５６と、モータ５０のＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗを検出する電流センサ５８，５９とは制御装置６０に接続され、制御装置６０はモータ５０のロータの角度位置θとＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗとを取得することができる。また、制御装置６０はレゾルバ５６の信号に基づいてモータ５０の回転数を取得することができる。
【００２２】
制御装置６０は、低圧側電圧検出器５４で検出した低圧側電圧ＶＬと、高圧側電圧検出器５５で検出した高圧側電圧ＶＨとによって昇圧コンバータ２０の昇圧動作を制御する。ここで、高圧側電圧ＶＨは、モータ５０に印加される電圧である。また、制御装置６０は後で説明する図５に示すようなモータ５０の回転数Ｎと高圧側電圧ＶＨによって電圧位相φvの上限と下限とを規定する電圧位相制限マップを内蔵しており、このマップに基づいて電圧位相φvを制限すると共に、モータに印加する電圧波形を矩形波形からＰＷＭ波形に切り替える。
【００２３】
図２に示すように、本発明の実施の形態によるモータ駆動システム１０は、制御装置６０の指令によってインバータ３０の各トランジスタ３１〜４０をオンオフ動作させて正弦波ＰＷＭ波形、過変調ＰＷＭ波形、矩形波形の３つの電圧波形を出力する。
【００２４】
正弦波ＰＷＭ波形は、一般的なＰＷＭ波形として用いられるものであり、正弦波状の基本波と搬送波（代表的には三角波）との電圧比較に従って各トランジスタ３１〜４０をオンオフさせ、各上アームトランジスタ３１，３５，３９のオン期間に対応するハイレベル期間と、各下アームトランジスタ３２，３６，４０のオン期間に対応するローレベル期間との集合について、一定期間内でその基本波成分が正弦波となるように各トランジスタ３１〜４０のオンオフのデューティ比が制御される。つまり、正弦波ＰＷＭ波形は、その集合が疑似的に正弦波となる様にパルスの幅を変化させたパルスの集合である。正弦波ＰＷＭ波形では、基本波成分の電圧をインバータ入力電圧の０．６１倍までしか高めることができない。
【００２５】
一方、矩形波形は、上記一定期間内で、各トランジスタ３１〜４０のオンオフのデューティ比を最大値に維持した場合に相当し、ハイレベル期間およびローレベル期間の比が１：１の矩形波形１パルス分を交流モータに印加する。これにより、変調率は０．７８まで高められる。また、過変調ＰＷＭ波形は、搬送波の振幅を縮小するように歪ませた上で上記正弦波ＰＷＭ波形と同様に各トランジスタ３１〜４０をオンオフさせるものであり、その集合が疑似的に歪んだ正弦波となる様にパルスの幅を変化させたパルスの集合である。
過変調ＰＷＭ波形は、基本波成分を歪ませることによって、変調率を０．６１〜０．７８の範囲まで高めることができる。
【００２６】
正弦波ＰＷＭ波形は、トルク変動が小さいこと、各トランジスタ３１〜４０のオンオフのデューティ比によって基本波成分の電圧を変化させることができることから、モータ５０の制御性が良いという特徴がある。一方の矩形波形は、変調率が高く電源電圧の利用効率が高いので、モータ５０の出力トルクを増大させる場合に有効であるが、基本波形の電圧を変更することができないため、制御性が良くないという欠点を持つ。可変調ＰＷＭ波形は、正弦波ＰＷＭ波形と矩形波形との間の特性を持ち、中間速度領域での出力を向上させる場合に有効である。
【００２７】
以上のように構成されたモータ駆動システム１０の制御装置６０は、図３に示すフローチャートの様に、モータ５０が高回転数で回転している場合には、モータ５０に印加する矩形波の電圧位相φvを変化させることによって出力トルクをトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍにする矩形波電圧位相制御を行い、電圧位相φvが後で図５を参照して説明する下限値曲線以下となったら印加電圧波形を矩形波形からＰＷＭ波形に切り替え、ＰＷＭ電流制御を行う。矩形波電圧位相制御は、図４に示すトルクフィードバック部２００Ｂによって行われ、ＰＷＭ電流制御は図４に示す電流フィードバック部２００Ａによって行われる。以下、モータ駆動システム１０の動作を説明する前に、トルクフィードバック部２００Ｂの中の位相リミッタ４４０に格納されている電圧位相制限マップについて説明する。
【００２８】
モータ５０の出力トルクは電圧位相φvが大きくなるに従って大きくなり、出力トルクが最大となったら電圧位相φvが大きくなるにつれて出力トルクが小さくなってくる。このため、電圧位相φvを変化させてトルクを調整する場合、電圧位相φvは出力トルクが最大となる電圧位相が上限値となる。
【００２９】
矩形波をモータに印加して電圧位相制御を行う場合、矩形波をオンしてからオフするまでの間は印加電圧が掛かり続けるので、印加電圧と逆起電力の差が大きくなる時間を調整できない。このため、印加電圧と逆起電圧の差によってモータに大きな電流が流れてしまう場合がある。図６に示す様に、モータ５０の各相に流れる相電流は、電圧位相φvと回転数Ｎとモータに印加される電圧、即ち、高圧側電圧ＶＨによって変化する。図６に示す点線ｑは、高圧側電圧ＶＨが通常電圧で、モータ５０の回転数Ｎが高い場合の電圧位相φvに対する相電流の変化を示し、図６に示す実線ｐは、高圧側電圧ＶＨが通常電圧で、モータ５０の回転数Ｎが低い場合の電圧位相φvに対する相電流の変化を示している。図６の点線ｑに示すように、モータ５０の回転数が高い場合、電圧位相φvがゼロ以下、つまり、電圧位相φvがロータのｄ軸に対して遅角側になると、モータ５０の相電流は急速に大きくなるが、電圧位相φvがゼロ以上、つまり、電圧位相φvがロータのｄ軸に対して進角側では、モータ５０の電圧位相φvが大きくなってもモータ５０の相電流はあまり大きくならない。このため、図６に示す様に、モータ５０の相電流が制限値Ｉ0を超えるのは、電圧位相φvがマイナスになった場合、或いは、電圧位相φvが先に述べたトルク出力が最大となる電圧位相φv2よりも大きい場合となる。このため、モータ５０の回転数Ｎが高い場合には、電圧位相φvは、トルク出力が最大となる電圧位相φv2によって上限値が決まるが、電圧位相φvが正の場合には下限値はなく、電圧位相φvがゼロとなるまで変化させることができる。
【００３０】
一方、モータ５０の回転数が低い場合には、図６の実線ｐに示すように、電圧位相φvがゼロに近づくにつれて相電流が急速に大きくなり、図６に示す電圧位相φv0以下になると、モータ５０の相電流は制限値Ｉ0を超えてしまい、過電流が発生するようになる。また、電圧位相φvを増加させていくと、相電流は一旦小さくなった後、急速に大きくなり、トルク出力最大の電圧位相φv2に達する前の電圧位相φv1で制限値Ｉ0を越えてしまう。このため、モータ５０の回転数Ｎが低い場合には、電圧位相φvは、相電流による下限の電圧位相φv0と相電流による上限の電圧位相φv1の間しか変化させることができなくなる。
【００３１】
このように、モータ５０の回転数Ｎに対する電圧位相φvの上限値と下限値とをマップにしたのが図５に示す電圧位相制限マップである。図５に示す実線ｂは、高圧側電圧ＶＨが通常電圧の場合の電圧位相φvの上限を示す上限値曲線であり、回転数ＮがＮ1よりも高い場合には、図６を参照して説明したトルク出力最大となる電圧位相φv2によって決まり、回転数ＮがＮ1よりも低い場合には、図６を参照して説明した相電流による上限の電圧位相φv1によって決まってくる。また、図５に示す実線ａは高圧側電圧ＶＨが通常電圧の場合の電圧位相φvの下限を示す下限値曲線である。この下限値曲線は、図６を参照して説明した相電流による下限の電圧位相φv0によって決まってくる。
【００３２】
従って、モータ５０の回転数Ｎが低く、電圧位相φvの下限値曲線ａ以下の領域、つまり、図５にハッチングで示す領域Ａでは、モータ５０の相電流を制限値Ｉ0以下とするために、電圧波形を矩形波形からＰＷＭ波形に切り替え、制御方式を電圧位相制御から電流制御に切り替える。
【００３３】
また、図５に示す上限値曲線ｂ、下限値曲線ａは共に昇圧コンバータ２０からモータ５０に供給される高圧側電圧ＶＨによって変化する。高圧側電圧ＶＨが通常電圧よりも高い場合には、モータ５０に流れる相電流が大きくなるので、図５の一点鎖線で示す様に、上限値曲線ｄは先に説明した通常電圧の場合の上限値曲線ｂよりも低い位置となり、高圧側電圧ＶＨが低い場合には、モータ５０に流れる相電流が小さくなるので、図５の破線で示す様に、上限値曲線ｆは先に説明した通常電圧の場合の上限値曲線ｂよりも高い位置となる。また、高圧側電圧ＶＨが高い場合には、図５の一点鎖線で示す様に、下限値曲線ｃは先に説明した通常電圧の場合の下限値曲線ａよりも上、或いは高回転数側によった位置となり、高圧側電圧ＶＨが低い場合には、図５の破線で示す様に、下限値曲線ｅは先に説明した通常電圧の場合の下限値曲線ａよりも下或いは、低回転数側によった位置となる。
【００３４】
以下、モータ駆動システム１０の動作を説明する。まず、高圧側電圧ＶＨが通常電圧でモータ５０の運転点が図５に示す点Ｐ1にある場合のモータ５０の制御について説明する。この図５に示す点Ｐ1は、図７に示すｄｑ軸上では、モータ５０のｄ軸電流、ｑ軸電流が、電流一定円ｇの上の点Ｐ1にある場合に相当する。図３のステップＳ１０１に示すように、トルクフィードバック部２００Ｂの座標変換部２２０は、電流センサ５８，５９からモータ５０のＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗと、レゾルバ５６からロータの角度位置θを取得する。また、トルクフィードバック部２００Ｂの位相リミッタ４４０は、高圧側電圧検出器５５で検出した高圧側電圧ＶＨを取得する。
【００３５】
座標変換部２２０は、取得した電流ｉｖ，ｉｗ、ロータの角度位置θとからモータ５０のＵ，Ｖ，Ｗの各相の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑに変換し、トルク推定部４２０は、このＩｄ，Ｉｑからモータ５０の出力トルクの推定値を計算する。そして、トルクフィードバック部２００Ｂに入力されるトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍとトルク推定値とが比較され、トルク差ΔＴｑが計算される。そして、ＰＩ演算部４３０によってこのトルク差ΔＴｑから電圧位相φvの増減量Δθを計算する。
【００３６】
図３のステップＳ１０２に示すように、位相リミッタ４４０は、当初の電圧位相φvに電圧位相の増減量Δθを加えて、増減後の電圧位相φvを計算する。そして、図３のステップＳ１０３に示すように、位相リミッタ４４０は、内部に格納された図６に示す電圧位相制限マップを用いて、増減後の電圧位相φvと、レゾルバ５６から取得したロータの角度位置θから計算したロータの回転数Ｎと、高圧側電圧検出器５５で検出した高圧側電圧ＶＨとから増減後の電圧位相φvが高圧側電圧ＶＨに対応する電圧位相φvの上限値曲線ｂ，ｄ，ｆ以上となっていないか、或いは下限値曲線ａ，ｃ，ｅ以下となっていないかを確認する。運転点Ｐ1の場合、高圧側電圧ＶＨは通常電圧であるから、位相リミッタ４４０は、修正後の増減後の電圧位相φvが上限値曲線ｂ以上ではなく、下限値曲線ａ以下ではない場合には、修正後の電圧位相φvと電圧位相の増減量Δθを信号発生部４５０に出力する。信号発生部４５０はこの修正後の電圧位相φvと電圧位相の増減量Δθに基づいて、昇圧コンバータ２０から出力される電圧をオンオフする信号を出力する。インバータ３０はこの信号によって各トランジスタ３１〜４０をオンオフさせ、所定の電圧位相φvの矩形波をモータ５０に印加し、矩形波電圧位相制御を行う。
【００３７】
先に説明した運転点Ｐ1からモータ５０の回転数Ｎが低下してくると、それにつれてモータ５０の電圧位相φvは低下し、モータ５０の運転点は図５の点Ｐ1からＰ2に移動してくる。運転点Ｐ2では高圧側電圧ＶＨは運転点Ｐ1と同様の通常電圧である。モータ５０の運転点の移動は図７に示すｄｑ軸上では、例えば、電流一定円ｇの上の点Ｐ1から円ｇに沿って円ｇ上にある点Ｐ2に移動する。図７に示すように、点Ｐ2は、下限値曲線ａが設定されていない場合の矩形波電圧位相制御からＰＷＭ電流制御への切り替え点Ｐ2´よりも電流位相が大きい別の位置となっている。
【００３８】
先に述べたように、トルクフィードバック部２００Ｂは図３のステップＳ１０１に示す様に、電流ｉｖ，ｉｗ、ロータの角度位置θ、高圧側電圧ＶＨを取得し、図３のステップＳ１０２に示すように、位相リミッタ４４０は、当初の電圧位相φvに電圧位相の増減量Δθを加えて、増減後の電圧位相φvを計算し、図３のステップＳ１０３に示すように、位相リミッタ４４０は、内部に格納された図６に示す電圧位相制限マップを用いて、増減後の電圧位相φvと、ロータの回転数Ｎと、高圧側電圧ＶＨとから増減後の電圧位相φvが上限値曲線ｂ以上となっていないか、或いは下限値曲線ａ以下となっていないか確認する。
【００３９】
図５のモータ５０の運転点Ｐ2は、電圧位相φvは下限値曲線ａの上にあるので、図３のステップＳ１０３に示すように、位相リミッタ４４０は、増減後の電圧位相φvは下限値曲線ｂ以下となっていると判断する。そして、位相リミッタ４４０は、信号発生部４５０に修正後の電圧位相φvと電圧位相の増減量Δθを出力せず、図３のステップＳ１０４に示すように、モード切り替え部１５０に矩形波電圧位相制御モードとＰＷＭ電流制御モードとを切り替える信号を出力する。すると、モード切り替え部１５０は、入力されていたトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの出力先をトルクフィードバック部２００Ｂから電流フィードバック部２００Ａに切り替え、モータ５０の制御をトルクフィードバック部２００Ｂから電流フィードバック部２００Ａに切り替える。
【００４０】
電流フィードバック部２００Ａの電流指令生成部２１０は、入力されたトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと内部に格納した電流指令マップとからｄ軸、ｑ軸の各電流指令値Ｉｄｃｏｍ，Ｉｑｃｏｍを生成して出力する。また、トルクフィードバック部と同様、電流フィードバック部２００Ａの座標変換部２２０は、電流センサ５８，５９から取得したモータ５０のＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗと、レゾルバ５６から取得したロータの角度位置θを取得し、モータ５０のｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑを計算する。そして、各電流指令値Ｉｄｃｏｍ，Ｉｑｃｏｍとモータ５０のｄ軸、ｑ軸の電流Ｉｄ，Ｉｑの差ΔＩｄ，ΔＩｑがＰＩ演算部２４０に入力され、ＰＩ演算部２４０はｄ軸電圧の指令Ｖｄ#、ｑ軸電圧の指令Ｖｑ#を出力する。そして、この各電圧指令Ｖｄ#、Ｖｑ#は、座標変換部２５０でＵ，Ｖ，Ｗの各相電圧信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換され、ＰＷＭ部２６０に入力される。ＰＷＭ部２６０は入力された各相電圧信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいてインバータ３０の各トランジスタ３１〜４０をオンオフさせ、ＰＷＭ波形をモータ５０に印加し、ＰＷＭ電流制御を行う。
【００４１】
更に、モータ５０の回転数Ｎが低下すると、モータ５０の運転点は図５に示す点Ｐ3に移る。この場合、モータ５０の制御はＰＷＭ電流制御になっているので、図７に示すように、ｄｑ軸上の運転点は、点Ｐ2に近い最大トルク制御線ｊの上を移動する。モータ５０の回転数Ｎが変化した場合、モータ５０は線ｊの線上を移動する様、ｄｑ軸の電流がフィードバック制御される。
【００４２】
本発明の制御装置６０は、電圧位相φvが下限値曲線ａ以下となった場合にモータ５０の制御を矩形波電圧位相制御からＰＷＭ電流制御に切り替えるので、モータに流れる電流波形は図８（ｂ）の線ｓに示すような正弦波波形となり、図８（ａ）に示す線ｒの様な矩形波電圧位相制御の場合の電流のピークの発生を抑制し、過電流を抑制することができる。
【００４３】
以上説明したモータ制御システム１０の動作においては、高圧側電圧ＶＨが通常電圧の場合について説明したが、高圧側電圧ＶＨが通常電圧よりも高い場合には、位相リミッタ４４０は図５に示す上限値曲線ｄと下限値曲線ｃによって矩形波電圧位相制御とＰＷＭ電流制御とを切り替える信号を出力し、高圧側電圧ＶＨが通常電圧よりも低い場合には、位相リミッタ４４０は図５に示す上限値曲線ｆと下限値曲線ｅによって矩形波電圧位相制御とＰＷＭ電流制御とを切り替える信号を出力する。また、以上説明した本実施形態では、矩形波から正弦波ＰＷＭ波形に切り替えることとして説明したが、電圧波形を矩形波形から過変調ＰＷＭ波形に切り替えて電流制御を行うようにしてもよい。
【００４４】
また、高圧側電圧検出器５５から取得する高圧側電圧ＶＨに計測誤差がある場合には、瞬間的に過電流が発生してしまう場合があるので、図５に示すように、下限値曲線ａは、計測誤差を考慮しない場合の下限値曲線ａ´よりも回転数Ｎの高い側に寄せて設定する様にしてもよい。この場合、より確実に過電流の発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０ モータ駆動システム、１１ バッテリ、１２ システムメインリレー、１３ 低圧側コンデンサ、１４ 高圧側コンデンサ、１５ 放電抵抗、２０ 昇圧コンバータ、２１，２２，３１，３２，３５，３６，３９，４０ トランジスタ、２３，３３，３７，４１ 上アームダイオード、２４，３４，３８，４２ 下アームダイオード、２５ リアクトル、３０ インバータ、４７ 高圧電路、４８ 低圧電路、４９ 基準電路、５０ モータ、５１，５２，５３ コイル、５４ 低圧側電圧検出器、５５ 高圧側電圧検出器、５６ レゾルバ、５７ 接続点、５８，５９ 電流センサ、６０ 制御装置、１５０ モード切り替え部、２００Ａ 電流フィードバック部、２００Ｂ トルクフィードバック部、２１０ 電流指令生成部、２２０，２５０ 座標変換部、２４０，４３０ ＰＩ演算部、２６０ ＰＷＭ部、４２０ トルク推定部、４４０ 位相リミッタ、４５０ 信号発生部、ａ，ａ´，ｃ，ｅ 下限値曲線、ｂ，ｄ，ｆ 上限値曲線、ｇ 電流一定円、Ｉ0 制限値、Ｉｄ，Ｉｑ 電流、Ｉｄｃｏｍ，Ｉｑｃｏｍ 電流指令値、ｊ 最大トルク制御線、Ｎ 回転数、ΔＴｑ トルク差、Δθ 増減量、θ 角度位置、φv，φv0，φv1，φv2 電圧位相。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動車両を駆動するモータを制御するモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータにより直流電力をスイッチング制御して交流モータや交流モータジェネレータを駆動する方法が多く用いられている。インバータによる駆動方式は、ＰＷＭによるものが制御性もよく一般的であるが、ＰＷＭでは電圧の利用率に限界があり、高出力が得られない。一方、交流モータに矩形波を印加して駆動する場合には、ＰＷＭよりも高出力を得られるという特徴がある。そこで、ＰＷＭと矩形波を必要に応じて切り替えて交流モータに印加する方法が用いられている。
【０００３】
例えば、モータの回転数が高い場合には、電圧波形を矩形波とし、電圧の位相を制御する矩形波電圧位相制御モードでモータを駆動し、モータの回転数が小さくなり、電圧位相が電流に対する最大トルク出力となる位相まで小さくなった際に、モータの制御方式を矩形波電圧位相制御モードからＰＷＭ電流制御モードに切り替える方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、矩形波をモータに印加する場合、１つの矩形波のパルスがモータに印加されている間はモータに流す電流を制御することができないので、モータの駆動状態によってはモータに過電流が流れる場合がある。特に、昇圧コンバータでモータに印加する電圧を昇圧している際にモータに矩形波を印加すると過電流の発生する場合が多くなる傾向がある。そこで、昇圧コンバータが昇圧動作を開始した場合には、モータへの印加電圧を矩形波からＰＷＭ波形に切り替えて過電流を抑制することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１８２９９号公報
【特許文献２】特開２００５−０５１８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、埋め込み磁石同期モータのように、マグネットトルクとリラクタンストルクを利用するモータでは、モータの出力トルクは電圧位相が大きくなるに従って大きくなり、出力トルクが最大となる電圧位相を超えると電圧位相が大きくなるに従って出力トルクが小さくなってくる。このため、電圧位相を変化させてトルクを調整する場合、電圧位相を変化させることの上限は、この出力トルクが最大となる電圧位相となる。この上限値は、モータに印加される電圧やモータの回転数によって変化するため、回転数に対して電圧位相の上限値を規定したマップによって電圧位相が上限値を超えないように制御している。
【０００７】
一方、モータに電圧を印加した場合、モータからは逆起電圧がモータに流れる。モータの電流を流して回転し続けるにはこの逆起電圧以上の電圧を印加することが必要となってくる。つまり、モータに印加する電圧はモータからの逆起電圧よりも大きいことが必要となってくる。矩形波をモータに印加して電圧位相制御を行う場合、矩形波をオンしてからオフするまでの間はモータに印加電圧が掛かり続けるので、印加電圧と逆起電力の差が大きくなる時間を調整できない。このため、印加電圧と逆起電圧の差によってモータに大きな電流が流れてしまう場合がある。特に、モータの回転数が低くなってくると、印加電圧と逆起電圧との差が大きくなる時間が長くなることから、逆起電圧によってモータに流れる電流に大きなスパイク状のピークが発生し、過電流が発生してしまう場合があるという問題があった。
【０００８】
本発明は、モータに矩形波電圧を印加するモータ制御装置において、過電流の発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のモータ制御装置は、モータに印加する電圧の位相を変化させてトルクを調整するとともに、前記モータに印加する電圧波形を矩形波形とＰＷＭ波形の間で切り替えて前記モータを制御するモータ制御装置であって、モータの回転数に応じて電圧位相の下限値を規定する下限値曲線を含むマップを備え、前記モータの回転数に応じた電圧位相が所定の下限値曲線以下となった場合に、前記モータに印加する電圧波形を前記矩形波形から前記ＰＷＭ波形に切り替えること、を特徴とする。
【００１０】
本発明のモータ制御装置において、前記マップは、前記モータに印加される電圧に対する複数の前記下限値曲線を含み、前記モータの回転数に応じた電圧位相が前記モータに印加される電圧に対応する前記下限値曲線以下となった場合に、前記モータに印加する電圧波形を前記矩形波形から前記ＰＷＭ波形に切り替えること、としても好適である。
【００１１】
本発明のモータ制御装置において、前記下限値曲線は、前記モータに印加される電圧を取得する電圧センサの誤差分だけモータの回転数の高い側に設定されていること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、モータに矩形波電圧を印加するモータ制御装置において、過電流の発生を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態におけるモータ制御装置を用いたモータ駆動システムの全体構成を示す系統図である。
【図２】本発明の実施形態においてモータに印加される電圧波形を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態におけるモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態におけるモータ制御装置のブロック図である。
【図５】本発明の実施形態におけるモータ制御装置に格納されているモータの回転数に応じて電圧位相の下限値を規定するマップである。
【図６】モータにおける回転数に対応する電圧位相とモータ相電流の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態におけるモータ制御装置によるモータの運転点の変化をｄｑ座標軸上で示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態におけるモータ制御装置を適用したモータの電流波形と従来技術の制御装置を適用したモータの電流波形とを比較する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本発明の制御装置６０を用いたモータ駆動システム１０は、バッテリ１１と、バッテリ１１から出力される低圧の直流電力を昇圧して高圧の直流電力として出力する昇圧コンバータ２０と、昇圧コンバータ２０によって昇圧された高圧の直流電力をモータ５０駆動用の三相交流電力に変換して出力するインバータ３０と、バッテリ１１と昇圧コンバータ２０との間にバッテリ１１と並列に設けられた低圧側コンデンサ１３と、低圧側コンデンサ１３の両端の電圧を検出する低圧側電圧検出器５４と、昇圧コンバータ２０とインバータ３０との間に並列に設けられた高圧側コンデンサ１４と、高圧側コンデンサ１４の両端の電圧を検出する高圧側電圧検出器５５と、高圧側コンデンサ１４と並列に設けられた放電抵抗１５と、低圧側コンデンサ１３とバッテリ１１との間に設けられ、バッテリ１１とモータ駆動システム１０とを遮断するシステムメインリレー１２と、モータ５０の制御を行う制御装置６０とを備えている。モータ駆動システム１０のインバータ３０はモータ５０に接続されている。モータ５０はＵ，Ｖ，Ｗの３相のコイル５１，５２，５３と永久磁石を備える三相の回転電機で、ロータの角度位置θを検出するレゾルバ５６と、Ｖ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗを検出する電流センサ５８，５９が設けられている。
【００１５】
昇圧コンバータ２０は、基準電路４９がバッテリ１１のマイナス側とインバータ３０のマイナス側との間に共通に接続され、入力側の低圧電路４８がバッテリ１１のプラス側に接続され、昇圧した後の高圧側の高圧電路４７がインバータ３０のプラス側に接続されている非絶縁双方向型のコンバータである。
【００１６】
図１に示すように、昇圧コンバータ２０は、スイッチング素子である上アームトランジスタ２１と、下アームトランジスタ２２と、電磁エネルギーを蓄積するリアクトル２５とを備えている。上アームトランジスタ２１と下アームトランジスタ２２とは、上アームトランジスタ２１のエミッタ端子と下アームトランジスタ２２のコレクタ端子とが直列に接続され、上アームトランジスタ２１のコレクタ端子は高圧電路４７に接続され、下アームトランジスタ２２のエミッタ端子は基準電路４９に接続されている。上アームトランジスタ２１及び下アームトランジスタ２２の各ベース端子は制御装置６０に接続され、各トランジスタ２１，２２は制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。
【００１７】
各トランジスタ２１，２２の各エミッタ端子とコレクタ端子との間には、各エミッタ端子からコレクタ端子に向かう方向が順方向になるように、逆並列に上アームダイオード２３と下アームダイオード２４とが接続されている。
【００１８】
上アームトランジスタ２１と下アームトランジスタ２２との接続点５７は、低圧電路４８に接続され、低圧電路４８の接続点５７とバッテリ１１のプラス側との間に電磁エネルギーを蓄積するリアクトル２５が設けられている。
【００１９】
図１に示すように、インバータ３０は、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のスイッチング動作を行う複数のトランジスタと各トランジスタに逆並列に接続された各ダイオードとを備えている。図１に示すように、Ｕ相上アームトランジスタ３１のエミッタ端子とＵ相下アームトランジスタ３２のコレクタ端子は直列に接続され、Ｕ相上アームトランジスタ３１のコレクタ端子は高圧電路４７に接続され、Ｕ相下アームトランジスタ３２のエミッタ端子は基準電路４９に接続されている。Ｕ相上アームトランジスタ３１とＵ相下アームトランジスタ３２の接続点はモータ５０のＵ相コイル５１に接続されている。Ｕ相の各トランジスタ３１，３２の各エミッタ端子とコレクタ端子との間には、各エミッタ端子からコレクタ端子に向かう方向が順方向になるように、逆並列にＵ相上アームダイオード３３とＵ相下アームダイオード３４とが接続されている。Ｕ相上アームトランジスタ３１及びＵ相下アームトランジスタ３２の各ベース端子は制御装置６０に接続され、Ｕ相の各トランジスタ３１，３２は制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。
【００２０】
Ｖ相、Ｗ相も同様に、Ｖ相上アームトランジスタ３５、Ｖ相下アームトランジスタ３６、Ｖ相上アームダイオード３７、Ｖ相下アームダイオード３８、Ｗ相上アームトランジスタ３９、Ｗ相下アームトランジスタ４０、Ｗ相上アームダイオード４１、Ｗ相下アームダイオード４２が接続され、各トランジスタ３５，３６，３９，４０の各ベース端子は制御装置６０に接続され、制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。
【００２１】
制御装置６０は、内部に信号処理や演算を行うＣＰＵと、プログラム、制御データなどを格納するメモリを含むコンピュータである。低圧側電圧検出器５４と高圧側電圧検出器５５は制御装置６０に接続され、制御装置６０は各電圧検出器５４，５５の検出信号を取得することができ、システムメインリレー１２も制御装置６０に接続され、制御装置６０の指令によってオンオフ動作する。モータ５０のロータの角度位置θを検出するレゾルバ５６と、モータ５０のＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗを検出する電流センサ５８，５９とは制御装置６０に接続され、制御装置６０はモータ５０のロータの角度位置θとＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗとを取得することができる。また、制御装置６０はレゾルバ５６の信号に基づいてモータ５０の回転数を取得することができる。
【００２２】
制御装置６０は、低圧側電圧検出器５４で検出した低圧側電圧ＶＬと、高圧側電圧検出器５５で検出した高圧側電圧ＶＨとによって昇圧コンバータ２０の昇圧動作を制御する。ここで、高圧側電圧ＶＨは、モータ５０に印加される電圧である。また、制御装置６０は後で説明する図５に示すようなモータ５０の回転数Ｎと高圧側電圧ＶＨによって電圧位相φvの上限と下限とを規定する電圧位相制限マップを内蔵しており、このマップに基づいて電圧位相φvを制限すると共に、モータに印加する電圧波形を矩形波形からＰＷＭ波形に切り替える。
【００２３】
図２に示すように、本発明の実施の形態によるモータ駆動システム１０は、制御装置６０の指令によってインバータ３０の各トランジスタ３１〜４０をオンオフ動作させて正弦波ＰＷＭ波形、過変調ＰＷＭ波形、矩形波形の３つの電圧波形を出力する。
【００２４】
正弦波ＰＷＭ波形は、一般的なＰＷＭ波形として用いられるものであり、正弦波状の基本波と搬送波（代表的には三角波）との電圧比較に従って各トランジスタ３１〜４０をオンオフさせ、各上アームトランジスタ３１，３５，３９のオン期間に対応するハイレベル期間と、各下アームトランジスタ３２，３６，４０のオン期間に対応するローレベル期間との集合について、一定期間内でその基本波成分が正弦波となるように各トランジスタ３１〜４０のオンオフのデューティ比が制御される。つまり、正弦波ＰＷＭ波形は、その集合が疑似的に正弦波となる様にパルスの幅を変化させたパルスの集合である。正弦波ＰＷＭ波形では、基本波成分の電圧をインバータ入力電圧の０．６１倍までしか高めることができない。
【００２５】
一方、矩形波形は、上記一定期間内で、各トランジスタ３１〜４０のオンオフのデューティ比を最大値に維持した場合に相当し、ハイレベル期間およびローレベル期間の比が１：１の矩形波形１パルス分を交流モータに印加する。これにより、変調率は０．７８まで高められる。また、過変調ＰＷＭ波形は、搬送波の振幅を縮小するように歪ませた上で上記正弦波ＰＷＭ波形と同様に各トランジスタ３１〜４０をオンオフさせるものであり、その集合が疑似的に歪んだ正弦波となる様にパルスの幅を変化させたパルスの集合である。
過変調ＰＷＭ波形は、基本波成分を歪ませることによって、変調率を０．６１〜０．７８の範囲まで高めることができる。
【００２６】
正弦波ＰＷＭ波形は、トルク変動が小さいこと、各トランジスタ３１〜４０のオンオフのデューティ比によって基本波成分の電圧を変化させることができることから、モータ５０の制御性が良いという特徴がある。一方の矩形波形は、変調率が高く電源電圧の利用効率が高いので、モータ５０の出力トルクを増大させる場合に有効であるが、基本波形の電圧を変更することができないため、制御性が良くないという欠点を持つ。可変調ＰＷＭ波形は、正弦波ＰＷＭ波形と矩形波形との間の特性を持ち、中間速度領域での出力を向上させる場合に有効である。
【００２７】
以上のように構成されたモータ駆動システム１０の制御装置６０は、図３に示すフローチャートの様に、モータ５０が高回転数で回転している場合には、モータ５０に印加する矩形波の電圧位相φvを変化させることによって出力トルクをトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍにする矩形波電圧位相制御を行い、電圧位相φvが後で図５を参照して説明する下限値曲線以下となったら印加電圧波形を矩形波形からＰＷＭ波形に切り替え、ＰＷＭ電流制御を行う。矩形波電圧位相制御は、図４に示すトルクフィードバック部２００Ｂによって行われ、ＰＷＭ電流制御は図４に示す電流フィードバック部２００Ａによって行われる。以下、モータ駆動システム１０の動作を説明する前に、トルクフィードバック部２００Ｂの中の位相リミッタ４４０に格納されている電圧位相制限マップについて説明する。
【００２８】
モータ５０の出力トルクは電圧位相φvが大きくなるに従って大きくなり、出力トルクが最大となったら電圧位相φvが大きくなるにつれて出力トルクが小さくなってくる。このため、電圧位相φvを変化させてトルクを調整する場合、電圧位相φvは出力トルクが最大となる電圧位相が上限値となる。
【００２９】
矩形波をモータに印加して電圧位相制御を行う場合、矩形波をオンしてからオフするまでの間は印加電圧が掛かり続けるので、印加電圧と逆起電力の差が大きくなる時間を調整できない。このため、印加電圧と逆起電圧の差によってモータに大きな電流が流れてしまう場合がある。図６に示す様に、モータ５０の各相に流れる相電流は、電圧位相φvと回転数Ｎとモータに印加される電圧、即ち、高圧側電圧ＶＨによって変化する。図６に示す点線ｑは、高圧側電圧ＶＨが通常電圧で、モータ５０の回転数Ｎが高い場合の電圧位相φvに対する相電流の変化を示し、図６に示す実線ｐは、高圧側電圧ＶＨが通常電圧で、モータ５０の回転数Ｎが低い場合の電圧位相φvに対する相電流の変化を示している。図６の点線ｑに示すように、モータ５０の回転数が高い場合、電圧位相φvがゼロ以下、つまり、電圧位相φvがロータのｄ軸に対して遅角側になると、モータ５０の相電流は急速に大きくなるが、電圧位相φvがゼロ以上、つまり、電圧位相φvがロータのｄ軸に対して進角側では、モータ５０の電圧位相φvが大きくなってもモータ５０の相電流はあまり大きくならない。このため、図６に示す様に、モータ５０の相電流が制限値Ｉ0を超えるのは、電圧位相φvがマイナスになった場合、或いは、電圧位相φvが先に述べたトルク出力が最大となる電圧位相φv2よりも大きい場合となる。このため、モータ５０の回転数Ｎが高い場合には、電圧位相φvは、トルク出力が最大となる電圧位相φv2によって上限値が決まるが、電圧位相φvが正の場合には下限値はなく、電圧位相φvがゼロとなるまで変化させることができる。
【００３０】
一方、モータ５０の回転数が低い場合には、図６の実線ｐに示すように、電圧位相φvがゼロに近づくにつれて相電流が急速に大きくなり、図６に示す電圧位相φv0以下になると、モータ５０の相電流は制限値Ｉ0を超えてしまい、過電流が発生するようになる。また、電圧位相φvを増加させていくと、相電流は一旦小さくなった後、急速に大きくなり、トルク出力最大の電圧位相φv2に達する前の電圧位相φv1で制限値Ｉ0を越えてしまう。このため、モータ５０の回転数Ｎが低い場合には、電圧位相φvは、相電流による下限の電圧位相φv0と相電流による上限の電圧位相φv1の間しか変化させることができなくなる。
【００３１】
このように、モータ５０の回転数Ｎに対する電圧位相φvの上限値と下限値とをマップにしたのが図５に示す電圧位相制限マップである。図５に示す実線ｂは、高圧側電圧ＶＨが通常電圧の場合の電圧位相φvの上限を示す上限値曲線であり、回転数ＮがＮ1よりも高い場合には、図６を参照して説明したトルク出力最大となる電圧位相φv2によって決まり、回転数ＮがＮ1よりも低い場合には、図６を参照して説明した相電流による上限の電圧位相φv1によって決まってくる。また、図５に示す実線ａは高圧側電圧ＶＨが通常電圧の場合の電圧位相φvの下限を示す下限値曲線である。この下限値曲線は、図６を参照して説明した相電流による下限の電圧位相φv0によって決まってくる。
【００３２】
従って、モータ５０の回転数Ｎが低く、電圧位相φvの下限値曲線ａ以下の領域、つまり、図５にハッチングで示す領域Ａでは、モータ５０の相電流を制限値Ｉ0以下とするために、電圧波形を矩形波形からＰＷＭ波形に切り替え、制御方式を電圧位相制御から電流制御に切り替える。
【００３３】
また、図５に示す上限値曲線ｂ、下限値曲線ａは共に昇圧コンバータ２０からモータ５０に供給される高圧側電圧ＶＨによって変化する。高圧側電圧ＶＨが通常電圧よりも高い場合には、モータ５０に流れる相電流が大きくなるので、図５の一点鎖線で示す様に、上限値曲線ｄは先に説明した通常電圧の場合の上限値曲線ｂよりも低い位置となり、高圧側電圧ＶＨが低い場合には、モータ５０に流れる相電流が小さくなるので、図５の破線で示す様に、上限値曲線ｆは先に説明した通常電圧の場合の上限値曲線ｂよりも高い位置となる。また、高圧側電圧ＶＨが高い場合には、図５の一点鎖線で示す様に、下限値曲線ｃは先に説明した通常電圧の場合の下限値曲線ａよりも上、或いは高回転数側によった位置となり、高圧側電圧ＶＨが低い場合には、図５の破線で示す様に、下限値曲線ｅは先に説明した通常電圧の場合の下限値曲線ａよりも下或いは、低回転数側によった位置となる。
【００３４】
以下、モータ駆動システム１０の動作を説明する。まず、高圧側電圧ＶＨが通常電圧でモータ５０の運転点が図５に示す点Ｐ1にある場合のモータ５０の制御について説明する。この図５に示す点Ｐ1は、図７に示すｄｑ軸上では、モータ５０のｄ軸電流、ｑ軸電流が、電流一定円ｇの上の点Ｐ1にある場合に相当する。図３のステップＳ１０１に示すように、トルクフィードバック部２００Ｂの座標変換部２２０は、電流センサ５８，５９からモータ５０のＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗと、レゾルバ５６からロータの角度位置θを取得する。また、トルクフィードバック部２００Ｂの位相リミッタ４４０は、高圧側電圧検出器５５で検出した高圧側電圧ＶＨを取得する。
【００３５】
座標変換部２２０は、取得した電流ｉｖ，ｉｗ、ロータの角度位置θとからモータ５０のＵ，Ｖ，Ｗの各相の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑに変換し、トルク推定部４２０は、このＩｄ，Ｉｑからモータ５０の出力トルクの推定値を計算する。そして、トルクフィードバック部２００Ｂに入力されるトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍとトルク推定値とが比較され、トルク差ΔＴｑが計算される。そして、ＰＩ演算部４３０によってこのトルク差ΔＴｑから電圧位相φvの増減量Δθを計算する。
【００３６】
図３のステップＳ１０２に示すように、位相リミッタ４４０は、当初の電圧位相φvに電圧位相の増減量Δθを加えて、増減後の電圧位相φvを計算する。そして、図３のステップＳ１０３に示すように、位相リミッタ４４０は、内部に格納された図６に示す電圧位相制限マップを用いて、増減後の電圧位相φvと、レゾルバ５６から取得したロータの角度位置θから計算したロータの回転数Ｎと、高圧側電圧検出器５５で検出した高圧側電圧ＶＨとから増減後の電圧位相φvが高圧側電圧ＶＨに対応する電圧位相φvの上限値曲線ｂ，ｄ，ｆ以上となっていないか、或いは下限値曲線ａ，ｃ，ｅ以下となっていないかを確認する。運転点Ｐ1の場合、高圧側電圧ＶＨは通常電圧であるから、位相リミッタ４４０は、修正後の増減後の電圧位相φvが上限値曲線ｂ以上ではなく、下限値曲線ａ以下ではない場合には、修正後の電圧位相φvと電圧位相の増減量Δθを信号発生部４５０に出力する。信号発生部４５０はこの修正後の電圧位相φvと電圧位相の増減量Δθに基づいて、昇圧コンバータ２０から出力される電圧をオンオフする信号を出力する。インバータ３０はこの信号によって各トランジスタ３１〜４０をオンオフさせ、所定の電圧位相φvの矩形波をモータ５０に印加し、矩形波電圧位相制御を行う。
【００３７】
先に説明した運転点Ｐ1からモータ５０の回転数Ｎが低下してくると、それにつれてモータ５０の電圧位相φvは低下し、モータ５０の運転点は図５の点Ｐ1からＰ2に移動してくる。運転点Ｐ2では高圧側電圧ＶＨは運転点Ｐ1と同様の通常電圧である。モータ５０の運転点の移動は図７に示すｄｑ軸上では、例えば、電流一定円ｇの上の点Ｐ1から円ｇに沿って円ｇ上にある点Ｐ2に移動する。図７に示すように、点Ｐ2は、下限値曲線ａが設定されていない場合の矩形波電圧位相制御からＰＷＭ電流制御への切り替え点Ｐ2´よりも電流位相が大きい別の位置となっている。
【００３８】
先に述べたように、トルクフィードバック部２００Ｂは図３のステップＳ１０１に示す様に、電流ｉｖ，ｉｗ、ロータの角度位置θ、高圧側電圧ＶＨを取得し、図３のステップＳ１０２に示すように、位相リミッタ４４０は、当初の電圧位相φvに電圧位相の増減量Δθを加えて、増減後の電圧位相φvを計算し、図３のステップＳ１０３に示すように、位相リミッタ４４０は、内部に格納された図６に示す電圧位相制限マップを用いて、増減後の電圧位相φvと、ロータの回転数Ｎと、高圧側電圧ＶＨとから増減後の電圧位相φvが上限値曲線ｂ以上となっていないか、或いは下限値曲線ａ以下となっていないか確認する。
【００３９】
図５のモータ５０の運転点Ｐ2は、電圧位相φvは下限値曲線ａの上にあるので、図３のステップＳ１０３に示すように、位相リミッタ４４０は、増減後の電圧位相φvは下限値曲線ｂ以下となっていると判断する。そして、位相リミッタ４４０は、信号発生部４５０に修正後の電圧位相φvと電圧位相の増減量Δθを出力せず、図３のステップＳ１０４に示すように、モード切り替え部１５０に矩形波電圧位相制御モードとＰＷＭ電流制御モードとを切り替える信号を出力する。すると、モード切り替え部１５０は、入力されていたトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍの出力先をトルクフィードバック部２００Ｂから電流フィードバック部２００Ａに切り替え、モータ５０の制御をトルクフィードバック部２００Ｂから電流フィードバック部２００Ａに切り替える。
【００４０】
電流フィードバック部２００Ａの電流指令生成部２１０は、入力されたトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍと内部に格納した電流指令マップとからｄ軸、ｑ軸の各電流指令値Ｉｄｃｏｍ，Ｉｑｃｏｍを生成して出力する。また、トルクフィードバック部と同様、電流フィードバック部２００Ａの座標変換部２２０は、電流センサ５８，５９から取得したモータ５０のＶ相、Ｗ相の各コイル５２，５３に流れる電流ｉｖ，ｉｗと、レゾルバ５６から取得したロータの角度位置θを取得し、モータ５０のｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑを計算する。そして、各電流指令値Ｉｄｃｏｍ，Ｉｑｃｏｍとモータ５０のｄ軸、ｑ軸の電流Ｉｄ，Ｉｑの差ΔＩｄ，ΔＩｑがＰＩ演算部２４０に入力され、ＰＩ演算部２４０はｄ軸電圧の指令Ｖｄ#、ｑ軸電圧の指令Ｖｑ#を出力する。そして、この各電圧指令Ｖｄ#、Ｖｑ#は、座標変換部２５０でＵ，Ｖ，Ｗの各相電圧信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換され、ＰＷＭ部２６０に入力される。ＰＷＭ部２６０は入力された各相電圧信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいてインバータ３０の各トランジスタ３１〜４０をオンオフさせ、ＰＷＭ波形をモータ５０に印加し、ＰＷＭ電流制御を行う。
【００４１】
更に、モータ５０の回転数Ｎが低下すると、モータ５０の運転点は図５に示す点Ｐ3に移る。この場合、モータ５０の制御はＰＷＭ電流制御になっているので、図７に示すように、ｄｑ軸上の運転点は、点Ｐ2に近い最大トルク制御線ｊの上を移動する。モータ５０の回転数Ｎが変化した場合、モータ５０は線ｊの線上を移動する様、ｄｑ軸の電流がフィードバック制御される。
【００４２】
本発明の制御装置６０は、電圧位相φvが下限値曲線ａ以下となった場合にモータ５０の制御を矩形波電圧位相制御からＰＷＭ電流制御に切り替えるので、モータに流れる電流波形は図８（ｂ）の線ｓに示すような正弦波波形となり、図８（ａ）に示す線ｒの様な矩形波電圧位相制御の場合の電流のピークの発生を抑制し、過電流を抑制することができる。
【００４３】
以上説明したモータ制御システム１０の動作においては、高圧側電圧ＶＨが通常電圧の場合について説明したが、高圧側電圧ＶＨが通常電圧よりも高い場合には、位相リミッタ４４０は図５に示す上限値曲線ｄと下限値曲線ｃによって矩形波電圧位相制御とＰＷＭ電流制御とを切り替える信号を出力し、高圧側電圧ＶＨが通常電圧よりも低い場合には、位相リミッタ４４０は図５に示す上限値曲線ｆと下限値曲線ｅによって矩形波電圧位相制御とＰＷＭ電流制御とを切り替える信号を出力する。また、以上説明した本実施形態では、矩形波から正弦波ＰＷＭ波形に切り替えることとして説明したが、電圧波形を矩形波形から過変調ＰＷＭ波形に切り替えて電流制御を行うようにしてもよい。
【００４４】
また、高圧側電圧検出器５５から取得する高圧側電圧ＶＨに計測誤差がある場合には、瞬間的に過電流が発生してしまう場合があるので、図５に示すように、下限値曲線ａは、計測誤差を考慮しない場合の下限値曲線ａ´よりも回転数Ｎの高い側に寄せて設定する様にしてもよい。この場合、より確実に過電流の発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０ モータ駆動システム、１１ バッテリ、１２ システムメインリレー、１３ 低圧側コンデンサ、１４ 高圧側コンデンサ、１５ 放電抵抗、２０ 昇圧コンバータ、２１，２２，３１，３２，３５，３６，３９，４０ トランジスタ、２３，３３，３７，４１ 上アームダイオード、２４，３４，３８，４２ 下アームダイオード、２５ リアクトル、３０ インバータ、４７ 高圧電路、４８ 低圧電路、４９ 基準電路、５０ モータ、５１，５２，５３ コイル、５４ 低圧側電圧検出器、５５ 高圧側電圧検出器、５６ レゾルバ、５７ 接続点、５８，５９ 電流センサ、６０ 制御装置、１５０ モード切り替え部、２００Ａ 電流フィードバック部、２００Ｂ トルクフィードバック部、２１０ 電流指令生成部、２２０，２５０ 座標変換部、２４０，４３０ ＰＩ演算部、２６０ ＰＷＭ部、４２０ トルク推定部、４４０ 位相リミッタ、４５０ 信号発生部、ａ，ａ´，ｃ，ｅ 下限値曲線、ｂ，ｄ，ｆ 上限値曲線、ｇ 電流一定円、Ｉ0 制限値、Ｉｄ，Ｉｑ 電流、Ｉｄｃｏｍ，Ｉｑｃｏｍ 電流指令値、ｊ 最大トルク制御線、Ｎ 回転数、ΔＴｑ トルク差、Δθ 増減量、θ 角度位置、φv，φv0，φv1，φv2 電圧位相。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータに印加する電圧の位相を変化させてトルクを調整するとともに、前記モータに印加する電圧波形を矩形波形とＰＷＭ波形の間で切り替えて前記モータを制御するモータ制御装置であって、
モータの回転数に応じて電圧位相の下限値を規定する下限値曲線を含むマップを備え、前記モータの回転数に応じた電圧位相が所定の下限値曲線以下となった場合に、前記モータに印加する電圧波形を前記矩形波形から前記ＰＷＭ波形に切り替えること、
を特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ制御装置であって、
前記マップは、前記モータに印加される電圧に対する複数の前記下限値曲線を含み、
前記モータの回転数に応じた電圧位相が前記モータに印加される電圧に対応する前記下限値曲線以下となった場合に、前記モータに印加する電圧波形を前記矩形波形から前記ＰＷＭ波形に切り替えること、
を特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のモータ制御装置であって、
前記下限値曲線は、前記モータに印加される電圧を取得する電圧センサの誤差分だけモータの回転数の高い側に設定されていること、
を特徴とするモータ制御装置。
【請求項１】
モータに印加する電圧の位相を変化させてトルクを調整するとともに、前記モータに印加する電圧波形を矩形波形とＰＷＭ波形の間で切り替えて前記モータを制御するモータ制御装置であって、
モータの回転数に応じて電圧位相の下限値を規定する下限値曲線を含むマップを備え、前記モータの回転数に応じた電圧位相が所定の下限値曲線以下となった場合に、前記モータに印加する電圧波形を前記矩形波形から前記ＰＷＭ波形に切り替えること、
を特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ制御装置であって、
前記マップは、前記モータに印加される電圧に対する複数の前記下限値曲線を含み、
前記モータの回転数に応じた電圧位相が前記モータに印加される電圧に対応する前記下限値曲線以下となった場合に、前記モータに印加する電圧波形を前記矩形波形から前記ＰＷＭ波形に切り替えること、
を特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のモータ制御装置であって、
前記下限値曲線は、前記モータに印加される電圧を取得する電圧センサの誤差分だけモータの回転数の高い側に設定されていること、
を特徴とするモータ制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−７４７３４（Ｐ２０１３−７４７３４Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１２４４５（Ｐ２０１１−２１２４４５）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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