(57)【要約】【課題】回転電機の制御装置において、逆起電圧特性を適切に補正することで、ロータ磁石の温度の推定精度を向上させることである。【解決手段】逆起電圧と温度との関係を規定する逆起電圧特性を用いて、回転電機１２のロータ磁石２４の温度を推定する回転電機１２の制御装置１６であって、回転電機１２の動作中の逆起電圧を算出する逆起電圧算出部６２と、回転電機１２を冷却する冷媒の温度を取得する冷媒温度取得部６４と、算出された逆起電圧と取得された冷媒の温度とに基づいて逆起電圧特性を補正する特性補正部６６と、補正された逆起電圧特性を用いてロータ磁石２４の温度を推定する温度推定部６８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコイルに生じる逆起電圧とロータ磁石の温度との関係を規定する逆起電圧特性を用いて、回転電機のロータ磁石の温度を推定する回転電機の制御装置であって、
前記回転電機の動作中の逆起電圧を算出する逆起電圧算出部と、
前記回転電機を冷却する冷媒の温度を取得する冷媒温度取得部と、
前記算出された逆起電圧と前記取得された冷媒の温度とに基づいて前記逆起電圧特性を補正する特性補正部と、
前記補正された前記逆起電圧特性を用いて前記ロータ磁石の温度を推定する温度推定部と、
を備えることを特徴とする回転電機の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機の制御装置において、
前記冷媒は、前記ロータ磁石の長手方向に沿って隣接して設けられる冷媒流路を流れることを特徴とする回転電機の制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の回転電機の制御装置において、
前記冷媒温度取得部は、前記回転電機が予め定められた所定の一定運転条件下で動作している冷却期間に前記冷媒の温度を取得することを特徴とする回転電機の制御装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置を用いて補正された前記逆起電圧特性に基づいて前記ロータ磁石の温度を推定し、推定温度が所定値以上となる場合に前記回転電機の駆動電流を制限することを特徴とする回転電機駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機の制御装置及びその制御装置を備えた回転電機駆動システムに係り、特に、ロータを冷媒で冷却する回転電機の改良された制御装置及びその制御装置を備えた回転電機駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石で構成されるロータ磁石を有する回転電機では、温度変化によるロータ磁石の減磁が問題となるため、ロータ磁石の温度を検出する必要がある。そこで、温度センサを用いてロータ磁石の温度を直接計測することが考えられるが、ロータは回転可能に構成されているため、温度センサを直接取り付けることができない。
【０００３】
ロータ磁石の温度を推定する方法として、例えば、特許文献１には、回転電機の冷媒温度に基づいてロータ磁石の温度を推定することが述べられている。また、特許文献２には、回転電機として、ステータコイルに生じる逆起電圧に基づいてロータ磁石の温度を推定することが述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０６３４０号公報
【特許文献２】特開２００５−０１２９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
冷媒の温度に基づいてロータ磁石の温度を推定する場合は、回転電機の負荷の状態に応じて冷媒の温度とロータ磁石の温度との関係が異なることを考慮する必要がある。また、ステータコイルに生じる逆起電圧からロータ磁石の温度を推定する場合は、逆起電圧とロータ磁石の温度との関係を規定する逆起電圧特性を事前に取得する必要がある。このように事前に取得された逆起電圧特性と、実際のロータ磁石の逆起電圧特性との間にずれが生じている場合には、ロータ磁石の温度の推定精度が低下するという課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、逆起電圧特性を適切に補正することで、ロータ磁石の温度の推定精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る回転電機の制御装置は、ステータコイルに生じる逆起電圧とロータ磁石の温度との関係を規定する逆起電圧特性を用いて、回転電機のロータ磁石の温度を推定する回転電機の制御装置であって、前記回転電機の動作中の逆起電圧を算出する逆起電圧算出部と、前記回転電機を冷却する冷媒の温度を取得する冷媒温度取得部と、前記算出された逆起電圧と前記取得された冷媒の温度とに基づいて前記逆起電圧特性を補正する特性補正部と、前記補正された前記逆起電圧特性を用いて前記ロータ磁石の温度を推定する温度推定部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る回転電機の制御装置において、前記冷媒は、前記ロータ磁石の長手方向に沿って隣接して設けられる冷媒流路を流れることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る回転電機の制御装置において、前記冷媒温度取得部は、前記回転電機が予め定められた所定の一定運転条件下で動作している冷却期間に前記冷媒の温度を取得することが好ましい。
【００１０】
本発明に係る回転電機駆動システムは、上記回転電機の制御装置を用いて補正された前記逆起電圧特性に基づいて前記ロータ磁石の温度を推定し、推定温度が所定値以上となる場合に前記回転電機の駆動電流を制限することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成により、特性補正部は、算出された逆起電圧と取得された冷媒の温度とに基づいて逆起電圧特性を補正する。これにより、ロータ磁石の温度と同程度の冷媒の温度によって、逆起電圧特性を適切なものに補正することができ、ロータ磁石の温度の推定精度を向上させることができる。
【００１２】
また、上記構成により、冷媒は、ロータ磁石の長手方向に沿って隣接して設けられる冷媒流路を流れる。これにより、逆起電圧特性を補正する際のロータ磁石の温度と冷媒の温度との相関性を高めることができる。
【００１３】
また、上記構成により、冷媒の温度の検出は、回転電機が予め定められた所定の一定運転条件下で動作している冷却期間に行われる。これにより、逆起電圧特性を補正する際のロータ磁石の温度と冷媒の温度との相関性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る実施形態の回転電機の制御装置を備えた回転電機駆動システムを示す図である。
【図２】本発明に係る実施形態において、逆起電圧特性を用いて回転電機のロータ磁石の温度を推定する手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係る実施形態において、ステータコイルに生じる逆起電圧とロータ磁石の温度の関係を示す逆起電圧特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に図面を用いて本発明に係る回転電機の制御装置及びその制御装置を備えた回転電機駆動システムの実施形態について詳細に説明する。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、車両用の回転電機駆動システム１０の構成を示す図である。回転電機駆動システム１０は、車両に搭載される回転電機１２と、回転電機１２に接続される駆動回路１４と、駆動回路１４を制御する制御装置１６とを備える。
【００１７】
回転電機１２は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータである。すなわち、回転電機１２は、車両の力行時には電動機として機能し、車両の制動時には発電機として機能する。回転電機１２は、回転磁界を発生するステータコイルを有する円環状のステータと、ステータの内周側に配置されるロータ２０とを備える。図１では、回転電機１２のロータ２０の部分を抜き出して断面図で示している。
【００１８】
ロータ２０は、電磁鋼板を積層して形成されたロータコア２２にロータ磁石２４が埋め込まれ、ロータコア２２の中心軸に回転軸２６が取り付けられている。ロータ磁石２４は、希土類焼結磁石であるネオジム磁石等の永久磁石が用いられる。ネオジム磁石は、温度が高温になるにつれて磁力が減少する温度特性を有する。この温度特性は、温度があまり高くないうちは可逆的な減磁特性であるが、さらに温度が高温となると、受ける反磁界の強さに依存して、不可逆的な減磁を生じる。ロータ磁石２４の減磁が進行すると回転電機１２の出力トルクが低下する。このため、不可逆的な減磁を生じさせないための温度として減磁閾値温度θthを設定し、ロータ磁石２４を減磁閾値温度θth以下とするような制御を行う必要がある。この具体的な制御方法ついては、後述する。
【００１９】
回転軸２６は、図示されていないモータケースに設けられる軸受に回転自在に支持される。ステータのステータコイルに所定の駆動電流が供給されると、ステータは回転磁界を発生し、その回転磁界とロータ磁石２４との協働作用によって、ロータ２０は回転し、回転軸２６にトルクを出力する。回転角速度検出部２８は、回転軸２６の回転角速度ωを検出する手段で、検出結果は適当な信号線で制御装置１６に伝送される。
【００２０】
回転軸２６を貫通して設けられた冷媒流路３０は、ロータ２０を冷却する冷媒を流す流路である。冷媒流路３１は、冷媒流路３０から分岐してロータコア２２の中をロータ磁石２４の長手方向に沿って隣接して設けられる流路である。冷媒流路３０，３１を流れる冷媒としては、ＡＴＦ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｆｌｕｉｄ）と呼ばれる流体が用いられる。冷媒温度センサ３２は、冷媒であるＡＴＦの温度θAを検出する手段で、検出結果は適当な信号線で制御装置１６に伝送される。
【００２１】
駆動回路１４は、電源回路３６と、電源回路３６に接続されるインバータ３８と、トルク指令値Ｔ*を与えるトルク指令部４０と、正弦波制御回路４２と、矩形波制御回路４４と、モード切替回路４６とを備える。
【００２２】
電源回路３６は、インバータ３８にシステム電圧ＶHを供給する高電圧直流電源である。電源回路３６は、リチウムイオン組電池、ニッケル水素組電池、大容量キャパシタ等の電源と、適当な昇降圧回路とを備える。システム電圧ＶHとしては、約５００から６００Ｖが用いられる。
【００２３】
インバータ３８は、回転電機１２のステータに接続される回路で、複数のスイッチング素子と逆接続ダイオードを備え、直流電力と交流電力との間の電力変換を行う機能を有する。インバータ３８は、回転電機１２を電動機として機能させるときは、電源回路３６側からの直流電力を三相駆動電力に変換し、回転電機１２に交流駆動電力として供給する直交変換機能を有する。また、回転電機１２を発電機として機能させるときは、回転電機１２からの三相回生電力を直流電力に変換し、電源回路３６側に充電電力として供給する交直変換機能を有する。
【００２４】
トルク指令部４０は、車両のユーザである運転者のアクセル操作等に基づいてトルク指令値Ｔ*を算出し、そのトルク指令値Ｔ*を正弦波制御回路４２と矩形波制御回路４４とに与える。正弦波制御回路４２は、回転電機１２の制御モードが正弦波制御モードのときに、ＰＷＭ駆動信号を生成してインバータ３８に供給する回路である。正弦波制御回路４２は、電流指令値に実電流値をフィードバックする電流フィードバック制御を行う回路で、電流指令生成部４８と、電流制御部５０と、ＰＷＭ回路５２とを備える。
【００２５】
電流指令生成部４８は、トルク指令値Ｔ*を受け取って、ベクトル制御におけるｄ軸電流指令値Ｉd*とｑ軸電流指令値Ｉq*を出力する。電流制御部５０は、回転電機１２の三相駆動電流の実際の値であるＩU，ＩV，ＩWを変換してｄ軸実電流値Ｉdとｑ軸実電流値Ｉqを求め、これらから求められるｄ軸電流偏差ΔＩd＝（Ｉd*−Ｉd）とｑ軸電流偏差ΔＩq＝（Ｉq*−Ｉq）をそれぞれゼロにするように比例積分（ＰＩ）制御を実行してｄ軸電圧指令値Ｖd*とｑ軸電圧指令値Ｖq*を出力する。ＰＷＭ回路５２は、Ｖd*，Ｖq*をパルス変換して三相駆動電圧指令値ＶU*，ＶV*，ＶW*を出力する。
【００２６】
矩形波制御回路４４は、回転電機１２の制御モードが矩形波制御モードのときに、矩形波駆動信号を生成してインバータ３８に供給する回路である。矩形波制御回路４４は、トルク指令値Ｔ*に実トルク値Ｔをフィードバックするトルクフィードバック制御を行う回路で、減算器５４と、電圧位相制御部５６と、矩形波発生部５８とを備える。
【００２７】
減算器５４は、回転電機１２のｄ軸実電流値Ｉdとｑ軸実電流値Ｉqから回転電機１２の実トルク値Ｔを求め、トルク偏差ΔＴ＝（Ｔ*−Ｔ）を出力する。電圧位相制御部５６は、トルク偏差をゼロとするように、指令電圧ベクトルの絶対値｜Ｖ*｜と指令電圧位相Ψを出力する。ここで、指令電圧ベクトルの絶対値は、｜Ｖ*｜＝（Ｖd*2＋Ｖq*2）1/2で計算される値である。矩形波発生部５８は、｜Ｖ*｜とΨとを有する矩形波駆動信号を出力する。
【００２８】
モード切替回路４６は、予め定めた切替基準に従って回転電機１２の制御モードを定め、定められた制御モードに従ってＰＷＭ回路５２または矩形波発生部５８のいずれかをインバータ３８の接続先とする切替回路である。予め定めた切替基準として、変調率＝｜Ｖ*｜／ＶHを用いることができる。例えば、変調率が０．６１以下のときは正弦波制御モードとし、変調率が０．７８のときに矩形波制御モードとすることができる。
【００２９】
変調率が０．６１から０．７８の場合は、回転電機１２の制御モードを過変調制御モードとすることができる。過変調制御モードを用いるときは、過変調駆動信号を供給する過変調制御回路が駆動回路１４に設けられる。過変調制御回路は、ＰＷＭ回路５２において適用される変調率が０．６１から０．７８であることを除けば、正弦波制御回路４２と同様の構成を有するので、詳細な説明を省略する。
【００３０】
制御装置１６は、逆起電圧と温度との関係を規定する逆起電圧特性を用いて、回転電機１２のロータ磁石２４の温度θMを推定する機能を有する。そのために、制御装置１６は、回転電機１２の動作条件を設定する運転条件設定部６０と、回転電機１２の動作中にステータコイルに生じる逆起電圧を算出する逆起電圧算出部６２と、回転電機１２を冷却するＡＴＦの温度を取得する冷媒温度取得部６４と、算出された逆起電圧と取得された冷媒の温度とに基づいて逆起電圧特性を補正する特性補正部６６と、補正された逆起電圧特性を用いてロータ磁石２４の温度θMを推定する温度推定部６８と、回転電機１２の駆動電流を制限する駆動電流制限部７０とを備える。かかる機能は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、回転電機駆動制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００３１】
上記構成の作用を図１〜図３を用いて詳細に説明する。図２は、逆起電圧特性を用いて、回転電機１２のロータ磁石２４の温度θMを推定する手順を示すフローチャートである。各手順は、回転電機駆動制御プログラムの処理手順にそれぞれ対応する。図３は、ステータコイルに生じる逆起電圧Ｅとロータ磁石２４の温度θMの関係を示す逆起電圧特性Ｃを示す図である。逆起電圧特性Ｃにおいて、Ｘ軸はロータ磁石２４の温度θMに対応し、Ｙ軸は逆起電圧Ｅに対応する。逆起電圧特性Ｃは、予め実験やシミュレーション等から求めておくことができる。逆起電圧特性Ｃは、制御装置１６の適当なメモリに記憶され、必要なときに読み出される。
【００３２】
最初に、回転電機１２を予め定められた所定の一定運転条件下で動作させる（Ｓ２）。一定運転条件は、ロータ磁石２４の温度θMとＡＴＦの温度θAとの相関性を高めるように設定することが好ましい。例えば、回転電機１２の回転数を１０００ｒｐｍとし、回転電機１２の出力トルクを１０Ｎｍとして設定することが好適である。この処理手順は、制御装置１６の運転条件設定部６０の機能によって実行される。
【００３３】
次に、回転電機１２が上記運転条件下で動作するＡＴＦ循環冷却期間に、ｑ軸電圧指令値Ｖq*と、ｑ軸実電圧値Ｖqと、回転電機１２の回転角速度ωを取得し、回転電機１２のステータコイルに生じる逆起電圧Ｅ1を算出する（Ｓ４）。この処理手順は、制御装置１６の逆起電圧算出部６２の機能によって実行される。なお、図３に示されるように、逆起電圧Ｅ1と逆起電圧特性Ｃを用いると、ロータ磁石２４の温度θMは、θ1と推定することができるが、実際のロータ磁石２４の逆起電圧特性と事前に取得された逆起電圧特性Ｃと間にずれが生じている可能性があるため、逆起電圧特性Ｃを実際のロータ磁石２４の特性に近い逆起電圧特性ＣAへと補正する必要がある。逆起電圧特性ＣAと逆起電圧特性Ｃとの変化率（ΔＹ／ΔＸ）は同じである。
【００３４】
そして、上記ＡＴＦ循環冷却期間に、冷媒温度センサ３２から冷媒流路３０，３１を流れるＡＴＦの温度θAを取得する（Ｓ６）。この処理手順は、制御装置１６の冷媒温度取得部６４の機能によって実行される。
【００３５】
続いて、Ｓ４で算出された逆起電圧Ｅ1とＳ６で取得された温度θAとに基づいて、逆起電圧特性Ｃを実際のロータ磁石２４の特性を示す逆起電圧特性ＣAへと補正する（Ｓ８）。具体的には、逆起電圧特性Ｃが示されるＸ−Ｙ軸上において、Ｙ＝Ｅ1の直線とＸ＝θAの直線との交点Ｐを求め、図３に示されるように、逆起電圧特性Ｃから交点Ｐを通る逆起電圧特性ＣAへと補正する。この処理手順は、制御装置１６の特性補正部６６の機能によって実行される。
【００３６】
次に、補正後の逆起電圧特性ＣAを用いてロータ磁石２４の温度θMを求める（Ｓ１０）。具体的には、補正後に逆起電圧算出部６２によって検出された逆起電圧が例えばＥ2である場合に、図３に示されるように、逆起電圧特性ＣAを用いると、ロータ磁石２４の温度θMはθ2と推定することができる。この処理手順は、制御装置１６の温度推定部６８の機能によって実行される。
【００３７】
そして、逆起電圧特性ＣAに基づいて推定された温度が上記閾値θth以上となるか否かを判断する（Ｓ１２）。Ｓ１２において、推定温度が閾値θth以上でなければ、所定の時間を経過させた後、再びＳ１２へと戻る。この処理手順は、制御装置１６の温度推定部６８の機能によって実行される。
【００３８】
Ｓ１２において、推定温度が閾値θth以上であれば、回転電機１２の三相駆動電流ＩU，ＩV，ＩWを制限する（Ｓ１４）。このとき、回転電機１２の三相駆動電流ＩU，ＩV，ＩWはロータ磁石２４の温度θMを閾値θth以下とするために予め求められた所定値以下となるように制限される。この処理手順は、制御装置１６の駆動電流制限部７０の機能によって実行される。
【００３９】
上記のように、回転電機駆動システム１０の制御装置１６は、逆起電圧Ｅ1とＡＴＦの温度θAとに基づいて逆起電圧特性Ｃを補正する。これにより、ロータ磁石２４の温度θMと同程度のＡＴＦの温度θAによって、逆起電圧特性Ｃを実際のロータ磁石２４の特性に近い逆起電圧特性ＣAへ補正することができ、ロータ磁石２４の温度θMの推定精度を向上させることができる。
【００４０】
また、回転電機駆動システム１０では、ＡＴＦが、ロータ磁石２４の長手方向に沿って隣接して設けられる冷媒流路３１を流れる。これにより、上記のように逆起電圧特性Ｃを補正する際のロータ磁石の温度θMとＡＴＦの温度θAとの相関性を高めることができる。
【００４１】
また、回転電機駆動システム１０では、ＡＴＦの温度θAの検出は、回転電機１２がロータ磁石の温度θMとＡＴＦの温度θAとの相関性が高められる一定運転条件下で動作している冷却期間に行われる。これにより、上記のように逆起電圧特性Ｃを補正する際のロータ磁石２４の温度θMとＡＴＦの温度θAとの相関性を高めることができる。
【００４２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の改良や変更が可能である。
【００４３】
上記回転電機駆動システム１０では、回転電機１２として車両に搭載されるモータ・ジェネレータを述べたが、車両搭載以外の回転電機であってもよい。また、永久磁石として、ネオジム磁石を述べたが、これ以外の希土類磁石、例えば、サマリウムコバルト系磁石、サマリウム鉄窒素系磁石等であってもよい。また、希土類磁石の他、フェライト磁石、アルニコ磁石であってもよい。また、ロータ２０を冷却する冷媒としてＡＴＦを述べたが、これ以外の油性冷媒であってもよく、場合によっては水性冷媒、気体冷媒であってもよい。
【００４４】
また、上記回転電機駆動システム１０では、回転電機１２の制御モードの切替を矩形波制御モードと正弦波制御モードとの間で行うものとして述べたが、過変調制御モードを含めた３つの制御モードの間で切り替えるものとしてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１０  回転電機駆動システム、１２  回転電機、１４  駆動回路、１６  制御装置、２０  ロータ、２２  ロータコア、２４  ロータ磁石、２６  回転軸、２８  回転角速度検出部、３０，３１  冷媒流路、３２  冷媒温度センサ、３６  電源回路、３８  インバータ、４０  トルク指令部、４２  正弦波制御回路、４４  矩形波制御回路、４６  モード切替回路、４８  電流指令生成部、５０  電流制御部、５２  ＰＷＭ回路、５４  減算器、５６  電圧位相制御部、５８  矩形波発生部、６０  運転条件設定部、６２  逆起電圧算出部、６４  冷媒温度取得部、６６  特性補正部、６８  温度推定部、７０  駆動電流制限部。
【図１】
2014057385.tif 000003
【図２】
2014057385.tif 000004
【図３】
2014057385.tif 000005