(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合電流によって駆動される二つのロータを有する回転電機において、二つのロータ回転数及びトルクに基づき二つのロータに供給する電流振幅及び電流位相を、各ロータ回転座標から見た電流成分であるＤ軸分及びＱ軸分で表し、二つのＱ軸電流を各ロータに配置された永久磁石の磁束鎖交数及び極対数を用いてそれぞれ演算し、二つの演算によって求まったＱ軸電流に、求めたＱ軸電流とリラクタンストルク成分まで考慮したＱ軸電流との差分を、二つのロータの回転数及びトルクに基づきルックアップテーブルによる検索で求め、この差分を加えることで、二つのＱ軸電流を決定するとともに、二つのＤ軸電流をルックアップテーブルによる検索で求めることで決定する、ことを特徴とする回転電機の制御方法。
【請求項２】
前記二つのロータ回転数及びトルクに基づくルックアップテーブルに記憶するデータ配列を、前記二つのＱ軸電流の差分を８ビットずつ、前記二つのＤ軸電流の合計電流を９ビット、二つのＤ軸電流の分配率を７ビット、合計３２ビットで記憶する請求項１記載の回転電機の制御方法。
【請求項３】
二つのロータの回転数及びトルクに関し、二つのロータのそれぞれの動作点を有限個の区間で分割し、分割した各区間の格子点のＤ軸電流及び必要に応じて求めるＱ軸電流の差分をルックアップテーブルに格納し、
（１）目標回転数及びトルクが各区間の格子点上に存在する場合は、二つのＱ軸電流を各ロータに配置された永久磁石の磁束鎖交数及び極対数を用いてそれぞれ演算するとともに、二つのＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分をルックアップテーブルによる検索で求め、求めたＱ軸電流及びＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分から、それぞれの電流振幅及び電流位相を決定し、
（２）目標回転数及びトルクが各区間の格子点上に存在しない場合は、二つのＱ軸電流を各ロータに配置された永久磁石の磁束鎖交数及び極対数を用いてそれぞれ演算するとともに、近傍の格子点におけるＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分をルックアップテーブルによる検索でそれぞれ求め、求めたＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分を補間して所定のＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分を求め、求めたＱ軸電流及びＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分から、それぞれの電流振幅及び電流位相を決定する請求項１または２に記載の回転電機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合電流によって駆動される二つのロータを有する回転電機において、目標とする与えられた二つのロータ回転数及びトルクに基づき、二つのロータに供給する電流振幅及び電流位相を決定し、決定した二つのロータに供給する電流振幅及び電流位相に基づき回転電機を制御する回転電機の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平１１−３５６０１５号公報において、複合電流によって駆動される二つのロータを有する回転電機が提案されている。この回転電機は二つの電流成分を有する複合電流によって駆動され、これらの電流成分は二つのロータの目標とする回転数及びトルクによって変わる。すなわち、ロータ１の電流成分はロータ１自身の回転数やトルクだけで決まらず、ロータ２の回転数やトルクの影響を大きく受ける。同様に、ロータ２の電流成分もロータ１の回転数やトルクの影響を大きく受ける。
【０００３】
そのため、二つのロータを目標の回転数及びトルクで駆動するために、従来は、予め二つのロータの回転数及びトルク毎に必要な二つの電流成分からなる複合電流を実際の回転電機において求めておき、求めた複合電流と二つのロータの回転数及びトルクの関係をルックアップテーブルに格納している。そして、目標とする二つのロータの回転数とトルクとが変更させる毎に、ルックアップテーブルで検索して複合電流を求め、その複合電流で回転電機を駆動している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の回転電機の制御方法では、ルックアップテーブルが必須となる。しかし、このルックアップテーブルには、二つのロータ各々の回転数とトルクに対しデータが必要となる。そのため、それぞれの電流成分を決定するためには４次元のルックアップテーブルが必要であり、メモリー容量が非常に大きくなる問題があった。例えば、二つのロータ各々の回転数とトルクをそれぞれ１０段階変化させようとすると、必要なルックアップテーブルの数は１０×１０×１０×＝１０，０００となり、さらに、各々二つのロータの電流成分を１バイト毎必要とすると、１０，０００×２＝２０（キロバイト）必要となる。このメモリー容量は、通常のコンピュータでは問題にならない容量であるが、メモリー容量を極端に制限される車載用のコンピュータでは、大きな問題となっていた。
【０００５】
そこで本発明は、二つのロータの回転数及びトルクを制御するのに必要な二つのロータへの電流位相と電流振幅を、より少ない記憶容量、早い速度で演算することができるようにした回転電機の制御方法を提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、複合電流によって駆動される二つのロータを有する回転電機において、二つのロータ回転数及びトルクに基づき二つのロータに供給する電流振幅及び電流位相を、各ロータ回転座標から見た電流成分であるＤ軸分及びＱ軸分で表し、二つのＱ軸電流を各ロータに配置された永久磁石の磁束鎖交数及び極対数を用いてそれぞれ演算し、二つの演算によって求まったＱ軸電流に、求めたＱ軸電流とリラクタンストルク成分まで考慮したＱ軸電流との差分を、二つのロータの回転数及びトルクに基づきルックアップテーブルによる検索で求め、この差分を加えることで、二つのＱ軸電流を決定するとともに、二つのＤ軸電流をルックアップテーブルによる検索で求めることで決定する、ことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項１記載の発明は、複合電流によって駆動される二つのロータを有する回転電機において、二つのロータ回転数及びトルクに基づき二つのロータに供給する電流振幅及び電流位相を、各ロータ回転座標から見た電流成分であるＤ軸分及びＱ軸分で表し、二つのＱ軸電流を各ロータに配置された永久磁石の磁束鎖交数及び極対数を用いてそれぞれ演算し、二つのＤ軸電流をルックアップテーブルによる検索で求めることで、決定することを特徴とする。
【０００８】
さらに、請求項１記載の発明では、二つの演算によって求まったＱ軸電流に、求めたＱ軸電流とリラクタンストルク成分まで考慮したＱ軸電流との差分を、二つのロータの回転数及びトルクに基づきルックアップテーブルによる検索で求め、この差分を加えることで、二つのＱ軸電流を決定する。
【０００９】
請求項２記載の発明では、二つのロータ回転数及びトルクに基づくルックアップテーブルに記憶するデータ配列を、前記二つのＱ軸電流の差分を８ビットずつ、前記二つのＤ軸電流の合計電流を９ビット、二つのＤ軸電流の分配率を７ビット、合計３２ビットで記憶する。
【００１０】
請求項３記載の発明では、二つのロータの回転数及びトルクに関し、二つのロータのそれぞれの動作点を有限個の区間で分割し、分割した各区間の格子点のＤ軸電流及び必要に応じて求めるＱ軸電流の差分をルックアップテーブルに格納し、（１）目標回転数及びトルクが各区間の格子点上に存在する場合は、二つのＱ軸電流を各ロータに配置された永久磁石の磁束鎖交数及び極対数を用いてそれぞれ演算するとともに、二つのＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分をルックアップテーブルによる検索で求め、求めたＱ軸電流及びＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分から、それぞれの電流振幅及び電流位相を決定し、（２）目標回転数及びトルクが各区間の格子点上に存在しない場合は、二つのＱ軸電流を各ロータに配置された永久磁石の磁束鎖交数及び極対数を用いてそれぞれ演算するとともに、近傍の格子点におけるＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分をルックアップテーブルによる検索でそれぞれ求め、求めたＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分を補間して所定のＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分を求め、求めたＱ軸電流及びＤ軸電流さらにはＱ軸電流の差分から、それぞれの電流振幅及び電流位相を決定する。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、二つのロータ回転数及びトルクに基づき二つのロータに供給する電流振幅及び電流位相を、各ロータ回転座標から見た電流成分であるＤ軸分及びＱ軸分で表し、二つのＤ軸電流及びＱ軸電流のいずれか一つを計算で求めているため、メモリー容量を大幅に低減することが出来る。
【００１２】
また、請求項１記載の発明によれば、以下の効果を得ることができる。本発明の対象となる回転電機は、内外ロータに二つの磁石を有するために、ティース鎖交磁束が大きくインダクタンスが小さく、また、リラクタンストルクに寄与するＤ軸、Ｑ軸のインダクタンス差も小さい。このため、必要とするトルクはほとんどＱ軸電流で決まる。即ち、リラクタンストルク成分は非常に小さく、磁石磁束によるトルクで軸トルクが決まる。このためにＤ軸電流のみを記憶させておけば良く、目標電流を決めるまで演算時間及び記憶容量を小さくできる。また、これによって大きな外部メモリーが不要でコスト低減にもなる。
【００１３】
さらに、請求項１記載の発明によれば、以下の効果を得ることができる。すなわち、インダクタンスの大きさ及び差はティース飽和度合いで決まり、従って電流の大きさによりリラクタンストルクの大きさが変わってくる。これを、上述したように演算したＱ軸電流との差をとり、これを誤差として記憶させれば、より正確なＱ軸電流が得られることになる。また、誤差分だけの情報のため、その大きさは小さく記憶させるための容量が小さくて済む。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、二つのロータのＱ値偏差分と、二つのロータの合計したＤ軸電流と、Ｄ軸電流分配率とを、所定のフォーマットでルックアップテーブルに記憶することで、上記４つの値を一回の検索で決定でき、演算スピードを更に向上させることができる。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、以下の効果を得ることができる。すなわち、上位コントローラからの目標回転数、目標トルクの更新時間は、電流制御系の演算スピード１００（μｓｅｃ）以下に対して、非常に遅く７〜１０（ｍｓｅｃ）である。従って、全ての目標電流値の更新には７〜１０（ｍｓｅｃ）の時間の余裕がある。ここで、従来よりデータ数を減らしてルックアップテーブルを作成し、ルックアップテーブルの検索時に必要に応じて補間処理をして電流振幅及び電流位相を決定することで、記憶するデータ量をさらに減少させることができる一方、更新にかかる７〜１０（ｍｓｅｃ）という時間を有効に使うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の回転電機の制御方法の実施対象となる回転電機を示し、この回転電機を本実施の形態においては複合電流多層モータとして構成する。先ず、図１により複合電流多層モータの全体構成を概略説明するに、このモータは１個の円環状のステータ１と、その内外周にそれぞれ同軸に配置したインナーロータ２およびアウターロータ３とよりなる三重構造とし、これらをハウジング４内に収納して構成する。
【００１７】
この収納するに当たっては、アウターロータ３の外周にトルク伝達シェル５を結合して設け、該トルク伝達シェル５の両端をそれぞれベアリング６，７によりハウジング４に回転自在に支持し、トルク伝達シェル５をベアリング７の側で中空のアウターロータシャフト８に連続させる。インナーロータ２は中心にインナーロータシャフト９に結合して具え、該シャフト９の一端をベアリング１０によりハウジング４に回転自在に支持し、また他端をベアリング１１により中空のアウターロータシャフト８内に回転自在に支持する。
【００１８】
ステータ１は、アウターロータシャフト８が存在する側をハウジング４に支持することができないため、以下の構造により片持ち梁型式に支持する。つまり、ステータ１を軸線方向に貫通する径方向外側のボルト１２および径方向内側のボルト１３を設け、これらボルト１２，１３を、アウターロータシャフト８から遠いハウジング４の端壁に緊締することによりステータ１をハウジング４に片持ち梁型式に支持する。
【００１９】
次に、本発明の回転電機の制御方法について説明する。
図２は本発明の請求項１、２に対応する制御方法を説明するためのフローチャートであり、Ｑ軸電流を演算により求め、Ｄ軸電流をルックアップテーブルに対する検索で求める例を示す。図２に従って本発明の回転電機の制御方法を説明すると、まず、上位コントローラからのロータ１の目標回転数１、目標トルク１、ロータ２の目標回転数２、目標トルク２を受け取る（ブロック１）。受信した各変数は、ブロック２において、ロータ１の極対数と永久磁石磁束及びロータ２の極対数及び永久磁石磁束を用いて、目標とするトルク１、トルク２を実現するためのＱ軸電流ＩＱ１、ＩＱ２を演算する。また、受信した各変数に基づいてルックアップテーブルに基づく検索を行うロータ１及びロータ２のＤ軸電流ＩＤ１、ＩＤ２を求める。このようにしてロータ１、２に流すべきＤＱ各電流値ＩＱ１、ＩＱ２、ＩＤ１、ＩＤ２が決定されれば、この値が電流制御系の目標値となる。
【００２０】
実際の回転電機の制御は、求めたＤＱ各電流目標値からゲート駆動信号生成を行い、この生成したゲート駆動信号に基づき実施される。この方法は従来から公知の方法を採ることができ、その一例を図３のフローチャートに示す。図３に示す例は、求めたＤＱ各電流目標値からゲート駆動信号を生成する公知方法の典型的な一例であり、ここではその説明を省略する。
【００２１】
以上の例ではＱ軸電流値を演算により求めた。これは、必要とするトルクはほとんどＱ軸電流で決まるためである。即ち、リラクタンストルク成分は非常に小さく、磁石磁束によるトルクで軸トルクが決まる。このためにＤ軸電流のみを記憶させておけば良いからである。しかし、本発明は、Ｑ軸電流の変わりにＤ軸電流のみを求めても達成することができる。ただ、Ｄ軸電流を演算により求めることは、上述したようにＱ軸電流を演算により求めることよりも若干難しい演算となる。以下、Ｄ軸電流を演算により求める例を説明する。
【００２２】
図４はＤ軸電流を演算により求める場合の一例を示すフローチャートである。まず、前提として、線型近似モデルによる電流とトルクとの関係を図５に示す。図５中カッコ書きの式番号は、図４のフローチャートで使用する。図４に示す例において、一つのＤ軸電流（ｉｄｏ）を計算で求める場合、ｉｄｉ、ｉｑｉ、ｉｑｏはルックアップテーブルでの検索により既知とする。モータ定数（φｉ、Ｌｄｉ、Ｌｑｉ、φｏ、Ｌｄｏ、Ｌｑｏ）も既知とする。このようにｉｄｏを演算で求めることで、メモリー容量を低減する手段と考えることができる。
【００２３】
図６は本発明の請求項３に対応する制御方法を説明するためのフローチャートであり、Ｑ軸電流を演算により求め、Ｄ軸電流をルックアップテーブルに対する検索で求め、Ｑ軸電流偏差分をルックアップテーブルに対する検索で求める例を示す。図６に従って本発明の回転電機の制御方法を説明すると、まず、上位コントローラからのロータ１の目標回転数１、目標トルク１、ロータ２の目標回転数２、目標トルク２を受け取る（ブロック１）。受信した各変数は、ブロック２において、ロータ１の極対数と永久磁石磁束及びロータ２の極対数及び永久磁石磁束を用いて、目標とするトルク１、トルク２を実現するためのＱ軸電流ＩＱ１ｒｅｆ、ＩＱ２ｒｅｆを演算する。また、受信した各変数に基づいてルックアップテーブルに基づく検索を行うロータ１及びロータ２のＤ軸電流ＩＤ１、ＩＤ２を求める。
【００２４】
同時に、ルックアップテーブルに基づく検索により、実際に流すべきＱ軸電流とブロック２で計算される理論Ｑ軸電流ＩＱ１ｒｅｆ、ＩＱ２ｒｅｆとの偏差分ΔＩＱ１、ΔＩＱ２を求める。そして、ブロック４で、理論Ｑ軸電流ＩＱ１ｒｅｆ、ＩＱ２ｒｅｆと偏差分ΔＩＱ１、ΔＩＱ２を加算することで、ロータ１、２に流すべきＤＱ各電流値ＩＱ１、ＩＱ２、ＩＤ１、ＩＤ２が決定され、この値が電流制御系の目標値となる。実際に流すべきＱ軸電流は、モータ及びインバータの損失が最小となるように決められるが、この値とブロック２で計算される理論Ｑ軸電流ＩＱ１ｒｅｆ、ＩＱ２ｒｅｆは非常に近い。そのために、この偏差分ΔＩＱ１、ΔＩＱ２だけをルックアップテーブルに格納し、ルックアップテーブルから検索して求めれば、メモリー容量を低減するとともに、より正確なＱ軸電流及びＤ軸電流を求めることができる。
【００２５】
図７は本発明の請求項４に対応する制御方法を説明するための図である。本例では、演算によって求めたＱ軸電流に加えるべき偏差分ΔＩＱ１、ΔＩＱ２と、Ｄ軸電流値ＩＤ１とＩＤ２の、ルックアップテーブル中での格納方法の一例を開示している。Ｄ、Ｑ軸電流を分解能１（Ａ／ＬＳＢ）で記憶させるとする。ＩＰＭの電流容量が４００（Ａ）であるとすると、複合電流は最大約６００（Ａ）となる。Ｑ軸電流偏差分ΔＩＱ１、ΔＩＱ２は計算結果により１２８（Ａ）分あれば十二分であり、従って８ビットずつ合計１６ビットとする。また、Ｄ軸電流は符号無しで９ビットあれば５１２（Ａ）まで可能であり、残り７ビットで分配率を決めるとすれば最大１２８％となる。従って、５１２×１．２８＝６５５（Ａ）までとれることになり、複合時の電流ピークに対して十分である。以上をまとめると、図７に示すように、３２ビットの配列で記憶できる。３２ビットの配列は、コンピュータでの計算の一単位であり、効率よくデータの記録／読み出しを行うことができる。
【００２６】
図８は本発明の請求項５に対応する制御方法を説明するためのフローチャートであり、Ｑ軸電流を演算により求め、Ｄ軸電流をルックアップテーブルに対する検索で求め、Ｑ軸電流偏差分をルックアップテーブルに対する検索で求める例において、ルックアップテーブルに対する検索方法を改良した例を示すフローチャートである。
【００２７】
図８に示す例では、上述した例におけるルックアップテーブル中のデータの構成を改良し、上述した例におけるルックアップテーブル中のデータを、二つのロータのそれぞれの動作点を有限個の区分で分割し、分割した各区間の格子点のＤ軸電流ＩＤ１、ＩＤ２及び必要に応じて求めるＱ軸電流の差分ΔＩＱ１、ΔＩＱ２を格納する。分割する区間のピッチは不等ピッチでも等ピッチでも良い。例えば、データが集中しやすい領域の区分はピッチを小さくし、データが集中しない領域の区間はピッチを大きく、する不等ピッチをとることができる。このように、各区間の格子点のデータのみをルックアップテーブル中に格納することで、上述した例に比べて格納するデータ容量を大幅に減少させることができる。そして、ルックアップテーブルでの検索で格子点以外のデータを要求された場合は、補間演算によりデータを求める。演算スピード１００（μｓｅｃ）に対し、目標回転数、目標トルクの更新時間は７〜１０（ｍｓｅｃ）と長く、多少の補間演算を行っても十分に次の更新時間に間に合い、その演算で求めるデータの分だけ、格納するデータ容量を減らすことができる。
【００２８】
図８に示す例では、まず、上位コントローラからのロータ１の目標回転数１、目標トルク１、ロータ２の目標回転数２、目標トルク２を受け取る（ブロック１）。次に、ブロック２において、各変数が全て格子点上にあるかどうかを調べる。各変数が全て格子点上にある場合は、ブロック３において、ルックアップテーブルに基づく検索によりＤ軸電流ＩＤ１、ＩＤ２を求め、さらに必要な場合はルックアップテーブルに基づく検索によりＱ軸電流偏差ΔＩＱ１、ΔＩＱ２を求める。その後、上述した方法と同様に、演算によって求めたＱ軸電流ＩＱ１、ＩＱ２と、ルックアップテーブルから求めたＤ軸電流ＩＤ１、ＩＤ２さらにはＱ軸電流偏差ΔＩＱ１、ΔＩＱ２から、電流振幅及び電流位相を求める。
【００２９】
一方、各変数が格子点上にない場合は、ブロック４において、受け取ったロータ１の目標回転数１、目標トルク１、ロータ２の目標回転数２、目標トルク２に最も近い格子点の組み合わせ合計１６箇所を探す。その１６箇所は、（Ｎ１ｉ、Ｔ１ｉ、Ｎ２ｉ、Ｔ２ｉ）、（Ｎ１ｉ＋１、Ｔ１ｉ、Ｎ２ｉ、Ｔ２ｉ）‥‥（Ｎ１ｉ＋１、Ｔ１ｉ＋１、Ｎ２ｉ＋１、Ｔ２ｉ）、（Ｎ１ｉ＋１、Ｔ１ｉ＋１、Ｎ２ｉ＋１、Ｔ２ｉ＋１）となる。その後、ルックアップテーブルに基づく検索により求めた上記格子点の各別のＤ軸電流と必要に応じて求めるＱ軸電流偏差とから補間演算をロータ１及びロータ２の各別に対して行い、Ｄ軸電流ＩＤ１、ＩＤ２と必要に応じてＱ軸電流偏差ΔＩＱ１、ΔＩＱ２を求める。その後、上述した方法と同様に、演算によって求めたＱ軸電流ＩＱ１、ＩＱ２と、ルックアップテーブルから求めた、あるいは、ルックアップテーブルから求めた値の補正演算から求めたＤ軸電流ＩＤ１、ＩＤ２さらにはＱ軸電流偏差ΔＩＱ１、ΔＩＱ２から、電流振幅及び電流位相を求める。
【００３０】
補正演算については、図９及び図１０を参照して説明する。図９は、Ｄ軸電流ＩＤ１を求めるため最初に行う４つの２次元線型補間を示し、この２次元線型補間演算によりＤ１ｉ、Ｄ１ｊ、Ｄ１ｋ、Ｄ１ｌを求める例を示す。図１０は、図９で求めたＤ１ｉ、Ｄ１ｊ、Ｄ１ｋ、Ｄ１ｌから２次元線型補間によりＩＤ１を求める例を示す。同じ操作をロータ２についても繰り返すことで、ＩＤ２を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の回転電機の制御方法の実施対象となる回転電機の一例の構成を示す図である。
【図２】  本発明の回転電機の制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【図３】  求めたＤＱ各電流目標値からゲート駆動信号を生成する公知方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】  Ｄ軸電流を演算により求める場合の一例を示すフローチャートである。
【図５】  線型近似モデルによる電流とトルクとの関係を説明するための図である。
【図６】  本発明の回転電機の制御方法の他の例を説明するためのフローチャートである。
【図７】  本発明の回転電機の制御方法におけるルックアップテーブルに対するデータ格納方法の一例を説明するための図である。
【図８】  本発明の回転電機の制御方法のさらに他の例を説明するためのフローチャートである。
【図９】  Ｄ軸電流ＩＤ１を求めるため最初に行う４つの２次元線型補間を説明するための図である。
【図１０】  図９で求めたＤ１ｉ、Ｄ１ｊ、Ｄ１ｋ、Ｄ１ｌから２次元線型補間によりＩＤ１を求める例を説明するための図である。
【符号の説明】
１  ステータ
２  インナーロータ
３  アウターロータ
４  ハウジング
５  トルク伝達シェル
６  ベアリング
７  ベアリング
８  アウターロータシャフト
９  インナーロータシャフト
10  ベアリング
11  ベアリング
12  ステータ取り付けボルト
13  ステータ取り付けボルト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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