(57)【要約】      （修正有）【課題】特別な装置を用いなくとも特に高回転域においてパワー増大が可能な回転電機の駆動方法を提供する。【解決手段】複数のロータを有し、複合電流によって駆動される回転電機の駆動方法において、電機子コイル電流をフィードバック制御する電流制御と、電機子コイル端子の印加電圧を制御する電圧制御と、を有し、通常は電流制御に基づき制御を行い、電流制御で演算された電圧値が制御可能な電圧を超えたら、電流制御から電圧制御に制御方法を切り替える。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のロータを有し、複合電流によって駆動される回転電機の駆動方法において、電機子コイル電流をフィードバック制御する電流制御と、電機子コイル端子の印加電圧を制御する電圧制御と、を有し、通常は電流制御に基づき制御を行い、電流制御で演算された電圧値が制御可能な電圧を超えたら、電流制御から電圧制御に制御方法を切り替えることを特徴とする回転電機の駆動方法。
【請求項２】
電圧制御を、波形を正側及び負側を絶対値の等しい一定のレベルでスライスされている電圧波形で行うことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の駆動方法。
【請求項３】
電流制御から電圧制御への切り替えを、電流歪みが大きくならないロータ回転数より高いときのみ行うことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の駆動方法。
【請求項４】
電流制御から電圧制御への切り替えが発生した際、電機子コイル電流制御実行中に演算される目標電圧は、モータ端子電圧制御で出力される目標電圧を最終値として、これへ有限な時間内で徐々に漸近させて行くことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機の駆動方法。
【請求項５】
電圧制御から電流制御への切り替えが発生した際、モータ端子電圧制御時の相電流を常に監視しておき、電機子コイル電流制御での目標電流値を最終値として、これへ有限な時間で徐々に漸近させて行くことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機の駆動方法。
【請求項６】
最終値へ到達するまでの変化代が、二つのロータのうち軸トルクの大きなものは、軸トルクの小さなものに比べて長いことを特徴とする請求項４または５に記載の回転電機の駆動方法。
【請求項７】
上位コントローラより与えられた二つのトルク目標値及び二つのロータ回転数を用いて、実現できる電流目標値と電圧目標値を予め記憶しておき、同時にこれらをルックアップし、ロータ切り替え回転数よりも回転数が大きくなったら電圧制御へ切り替えると共に、ロータ切り替え回転数よりも低下したら電流制御へ切り替え、切り替え回転数はヒステリシスを持つことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のロータを有し、複合電流によって駆動される回転電機の駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のロータを有し、複合電流によって駆動させる回転電機は種々の構成のものが知られている。その一例として、円筒状のステータを挟み、内外周にアウターロータ及びインナーロータが配置され、ステータに巻回された多相コイルに複合電流を流すことで、アウターロータとインナーロータを独立して回転制御可能な複軸多層構造を有する回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００１−７８４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この種の従来の回転電機の駆動方法では、目標電流値を実現するために指令電圧を演算し、インバータから出力するように制御するのが一般的であった。しかしながら、目標電流値を実現するために指令電圧を演算し、インバータから出力するようにすると、高回転や高電流の領域になると電源電圧で決まる制御電圧以上の電圧を印加できないために、与えられた電流を実現できなくなる問題があった。
【０００４】
また、従来の回転電機の駆動方法として、電流制御装置で発生するスイッチング損を、複数の回転電機のそれぞれに専用の電流制御装置を用意する場合のスイッチング損の和よりも小さくして制御装置全体の効率を向上する技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献２】特開２００２−１２５３９４号公報
【０００５】
この技術は、それぞれ複数のロータ回転数及び目標トルク値に応じて目標電流値を生成し、電流値を実現する為の電圧を加算して複合電圧をモータ端子に印加する方法である。このときインバータ電源電圧がVDCのとき、実現されるできる相電圧振幅はVDC／２であり、これを超過して印加する事はできない。従って、ロータ回転数が高くなった場合これらの電源電圧による制約のために駆動範囲が大きくとれず、結果としてモータパワーを十分に引き出すことができない問題があった。一方、パワー増大のために電源電圧を増加することも考えられるが、この場合は、特別な電力変換機が必要となりコスト高となる問題もあった。
【０００６】
本発明の目的は上述した問題点を解消して、特別な装置を用いなくとも特に高回転域においてパワー増大が可能な回転電機の駆動方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の回転電機の駆動方法は、複数のロータを有し、複合電流によって駆動される回転電機の駆動方法において、電機子コイル電流をフィードバック制御する電流制御と、電機子コイル端子の印加電圧を制御する電圧制御と、を有し、通常は電流制御に基づき制御を行い、電流制御で演算された電圧値が制御可能な電圧を超えたら、電流制御から電圧制御に制御方法を切り替えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の回転電機の駆動方法では、電機子コイル電流をフィードバック制御する電流制御と、電機子コイル端子の印加電圧を制御する電圧制御と、を有し、通常は電流制御に基づき制御を行い、電流制御で演算された電圧値が制御可能な電圧を超えたら、電流制御から電圧制御に制御方法を切り替えることで、インバータに印加できる電圧の基本波振幅を実現可能電圧振幅の約１．６倍まで増大することができ、特別な装置を用いなくともパワー増大を達成することができる。
【０００９】
なお、本発明の回転電機の駆動方法では、電圧制御を、波形を正側及び負側を絶対値の等しい一定のレベルでスライスされている電圧波形で行うことができる。このように構成すれば、電源電圧で決まる制御電圧以上の電圧振幅を達成できる図１に示すような指令電圧を生成することができる。
【００１０】
また、本発明の回転電機の駆動方法では、電流制御から電圧制御への切り替えを、電流歪みが大きくならないロータ回転数より高いときのみ行うことができる。このように構成すれば、電流歪みやトルクリップルなどを低減することができる。すなわち、図１に示すような指令電圧に対するスペクトルは図２に示すグラフとなり、基本波振幅の他に多数の高調波を含んでいるものとなる。回転数が小さい場合は高調波成分に対するモータＬの電気的インピーダンス（＝２×π×Ｌ）の小さいために、高調波電流も大きくなり、ひいては、電流歪みが大きくなってしまう。これによってトルク変動を生じる。このために、電流歪みが大きくならない回転数を予め決めておき、これより高い場合に限り電圧制御を行うように構成することで、電流歪みやトルクリップルなどを低減している。
【００１１】
さらに、本発明の回転電機の駆動方法では、電流制御から電圧制御への切り替えが発生した際、電機子コイル電流制御実行中に演算される目標電圧は、モータ端子電圧制御で出力される目標電圧を最終値として、これへ有限な時間内で徐々に漸近させて行くことができる。このように構成すれば、トルク段差を軽減することができる。すなわち、ロータ回転数に応じて、電流制御から電圧制御へ切り替える際に制御側を切り替えると電流制御系によって演算された電圧と電圧制御で用いる電圧値が、モータのインダクタンスや磁束、または電機子コイル抵抗、その他インバータとの接続部での接触抵抗、電源電圧値などで必ずしも一致しないために、制御則切り替え点で電流値の変動が生じトルク段差が生じてしまう。電流制御系によって演算された電圧から電圧制御で用いる電圧値へ有限な時間で徐々に漸近させる構成とした為に、トルク段差を軽減することができる。
【００１２】
さらにまた、本発明の回転電機の駆動方法では、電圧制御から電流制御への切り替えが発生した際、モータ端子電圧制御時の相電流を常に監視しておき、電機子コイル電流制御での目標電流値を最終値として、これへ有限な時間で徐々に漸近させて行くことができる。このように構成すれば、上述した例と同様に、トルク段差を軽減することができる。すなわち、上述した例とは逆に電圧制御から電流制御系は切り替える際に、上記と同様な理由でトルク段差が生じる。電圧制御で用いる電圧値と電流制御系で演算された電圧値を有限な時間で徐々に近ずけるようにした為にトルク段差を軽減できる。
【００１３】
また、本発明の回転電機の駆動方法では、最終値へ到達するまでの変化代が、二つのロータのうち軸トルクの大きなものは、軸トルクの小さなものに比べて長くすることができる。このように構成すれば、トルクの小さい状態での切り替えに伴う段差トルクは小さいために、切り替えの時間を短くし、逆にトルクの大きな状態での切り替えに要する時間を長くする構成としてあるので、上位コントローラからのトルク目標値が高い場合に、トルク目標値が頻繁に変化しても、モータ制御装置で早い周波数のトルク変動は追従しないようになるので、上位コントローラで目標トルク値に修正を入れなくとも、モータ制御装置で簡易に実現できる。
【００１４】
さらに、本発明の回転電機の駆動方法では、上位コントローラより与えられた二つのトルク目標値及び二つのロータ回転数を用いて、実現できる電流目標値と電圧目標値を予め記憶しておき、同時にこれらをルックアップし、ロータ切り替え回転数よりも回転数が大きくなったら電圧制御へ切り替えると共に、ロータ切り替え回転数よりも低下したら電流制御へ切り替え、切り替え回転数はヒステリシスを持つことができる。このように構成することで、本発明の回転電機の駆動方法をより好適に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図３は本発明の駆動方法の対象となる回転電機の一例として複合型回転電機の部分構造を示す図である。図３に示す例において、回転電機１は、固定部であるステータ２の内外に、それぞれ、インナーロータ３とアウターロータ４とを有している。インナーロータ３には内側永久磁石５が、アウターロータ４には外側永久磁石６が埋め込まれている。またステータ２は１８スロットで構成され、ステータティース７とこの周囲を取り囲む図示しない電機子コイルとステータ全体を支持するボルト８で構成されている。図３に示した回転電機１は、内側は６極、外側１２極であり、６相の電流によってトルクが制御される。つまり、インバータと回転電機１は６本の強電ケーブルで接続されている。そして、６相の電流が複合電流となっており、インナーロータ３とアウターロータ４とを同時に駆動制御している。
【００１６】
図４及び図５はそれぞれ本発明の回転電機の駆動方法を実施する制御ブロックの一例を示す図である。まず、本発明の回転電機の駆動方法は、図４に示すように、通常の電流制御を行う電流制御ブロック１１と電圧制御を行う電圧制御ブロック２１とを有している。ここで、電流制御ブロック１１では、ステータ２の電機子コイルに供給する電流をフィードバック制御しており、電圧制御ブロック２１では、電機子コイル端子の印加電圧を制御している。電流制御ブロック１１は、目標トルクと目標回転数を基に、予め求めて作成してあるＤ軸及びＱ軸電流のテーブルから、最適なＤ軸及びＱ軸電流を検索する目標電流ルックアップ部１２と、この目標電流値を実現する為に必要な電圧を演算する電流制御系１３と、から構成される。一方、電圧制御ブロック２１は、目標トルクと目標回転数を基に、予め求めて作成してあるＤ軸及びＱ軸電圧のテーブルから、ダイレクトに必要なＤ軸、Ｑ軸電圧を検索する目標電圧ルックアップ部２２から構成される。これら二つの制御ブロック１１、２１からの電圧目標値をＡ、Ｂと二つに分け、Ａは電流制御ブロック１１の演算結果としての目標電圧、Ｂは電圧制御ブロック２１による目標電圧とする。
【００１７】
次に、図５に示すように、インナー、アウター回転数はインナー切り替え判定部３１及びアウター切り替え判定部３２の制御ロジク切り替え判定部で、どちらの制御を使用するか、すなわち、電流制御を使用するのか電圧制御を仕様するのか、を判定する。判定フラグは、インナー目標電圧変更部３３及びアウター目標電圧変更部３４の目標電圧変更部に入力され、目標電圧をフラグで切り替える。例えば、判定フラグが立ったときは、電流制御から電圧制御（目標電圧Ａから目標電圧Ｂ）へ変更するものと予め設定する。最後に、インナー目標電圧変更部３３及びアウター目標電圧変更部３４からのＤ軸、Ｑ軸目標電圧を、それぞれ、インナー６相電圧へ変換するインナー６相目標電圧生成部３５と、アウター３相電圧へ変換するアウター３相目標電圧生成部３６へ入力し、出力をそれぞれ加算した電圧を目標値とする。
【００１８】
図６はインナー切り替え判定部３１及びアウター切り替え判定部３２として用いる切り替え判定部の制御切り替え方法の一例を説明するための図である。図５に示す例では、回転数に応じて、目標電圧Ａから目標電圧Ｂへ移行する例を示している。目標電圧Ｂから目標電圧Ａへ移行するに当たっては、切り替え途中で目標電圧Ａを生成する電流制御系１３を飽和なしに安定して動作させる必要があるために、切り替え回転数は目標回転数ＮよりもΔＮだけ低いところで切り替えるようにする。
【００１９】
図７はインナー目標電圧変更部３３及びアウター目標電圧変更部３４において目標電圧Ａから目標電圧Ｂへ移行する為の演算内容の一例を示す図である。すなわち、図７に示す例では、電流制御ブロック１１から電圧制御ブロック２１へ制御方法を変更する場合を示している。図７に示す例において、切り替えフラグによる目標電圧Ａから目標電圧Ｂへの切り替え判定により、電流制御系１３の出力電圧値はホールドされる。ホールドされた電圧を初期値、目標電圧Ｂによる電圧目標値を最終値としてΔＶだけ毎時加算することで、目標電圧Ｂによる電圧目標値へ漸近させる。一致したところで完全に目標電圧Ｂへ切り替わる。ここでΔＶの演算はトルク指令値によって決まるようにしてある。また最終値と現在値の偏差によってはΔＶの符号を考慮する。
【００２０】
図８はインナー目標電圧変更部３３及びアウター目標電圧変更部３４において目標電圧Ｂから目標電圧Ａへ移行する為の演算内容の一例を示す図である。すなわち、図８に示す例では、電圧制御ブロック２１から電流制御ブロック１１へ制御方法を変更する場合を示している。図８に示す例において、切り替えフラグによる目標電圧Ｂから目標電圧Ａへの切り替え判定により、電圧制御系１３の出力電圧値はホールドされる。ホールドされた電圧を初期値、目標電圧Ａによる電圧目標値を最終値としてΔＶだけ毎時加算することで、目標電圧Ａによる電圧目標値へ漸近させる。一致したところで完全に目標電圧Ａへ切り替わる。ここでΔＶの演算はトルク指令値によって決まるようにしてある。また最終値と現在値の偏差によってはΔＶの符号を考慮する。
【００２１】
本発明の回転電機の駆動方法では、上述した構成の装置を用いて、通常は電流制御に基づき制御を行い、電流制御で演算された電圧値が制御可能な電圧を超えたら、電流制御から電圧制御に制御方法を切り替えることができるよう構成している。そして、電圧制御においては、図１に示すように、例えば電圧の上下端を制限して電圧制限値±１５０Ｖとした指令電圧により制御することで、インバータに印加できる電圧の基本波振幅を実現可能電圧振幅の約１．６倍まで増大することができ、特別な装置を用いなくともパワー増加を達成できる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の回転電機の駆動方法は、複数のロータを有し、複合電流によって複数のロータが各別に駆動される回転電機において、特別な装置を用いなくとも特に高回転域においてパワー増大を可能となる用途に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の回転電機の駆動方法における電圧制御時の指令電圧波形の一例を示すグラフである。
【図２】図１に示す指令電圧波形のスペクトルを示すグラフである。
【図３】本発明の駆動方法の対象となる回転電機の一例として複合型回転電機の部分構造を示す図である。
【図４】本発明の回転電機の駆動方法を実施する制御ブロックの一例を示す図である。
【図５】本発明の回転電機の駆動方法を実施する制御ブロックの他の例を示す図である。
【図６】本発明の回転電機の駆動方法における切り替え判定部の制御切り替えの一例を説明するための図である。
【図７】本発明の回転電機の駆動方法において電流制御から電圧制御へ制御方法を変更する場合を説明するための図である。
【図８】本発明の回転電機の駆動方法において電圧制御から電流制御へ制御方法を変更する場合を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  回転電機
２  ステータ
３  インナーロータ
４  アウターロータ
５  内側永久磁石
６  外側永久磁石
７  ステータティース
８  ボルト
１１  電流制御ブロック
１２  目標電流ルックアップ部
１３  電流制御系
２１  電圧制御ブロック
２２  目標電流ルックアップ部
３１  インナー切り替え判定部
３２  アウター切り替え判定部
３３  インナー目標電圧変更部
３４  アウター目標電圧変更部
３５  インナー６相目標電圧生成部
３６  アウター３相目標電圧生成部
【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】
2006081376.tif 000008
【図８】
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