(57)【要約】【課題】モータの減磁を正確に特定できるモータ制御システムを提供する。【解決手段】モータ制御システムは、ロータに永久磁石を有するモータ３０と、モータに印加する交流電圧を出力するインバータ２０と、モータのロータ回転位置を検出する回転位置センサ３２と、モータの動作を制御する制御装置４０とを備える。制御装置４０は、ｄ軸指令電圧Ｖｄ＊およびｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を導出できるマップ５６を有し、電圧方程式に基づいて算出される実ｄ軸電圧Ｖｄおよび実ｑ軸電圧Ｖｑとマップ５６から導出されるｄ軸指令電圧Ｖｄ＊およびｑ軸指令電圧Ｖｑ＊をそれぞれ比較し、ＶｄはＶｄ＊と差がないがＶｑはＶｑ＊より低いとき、ロータの永久磁石が減磁していると特定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータに永久磁石を有するモータと、モータに印加する交流電圧を出力するインバータと、モータのロータ回転位置を検出する回転位置センサと、モータの動作を制御する制御装置とを備える、モータ制御システムであって、
前記制御装置は、トルク指令値と前記ロータ回転位置から算出されるロータ回転速度とに基づいてｄ軸指令電圧Ｖｄ＊およびｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を導出し、電圧方程式（１）Ｖｄ＝ＲＩｄ−ωＬｑＩｑおよび（２）Ｖｑ＝ＲＩｑ＋ωＬｄＩｄ＋ωφ（ここで、Ｒは電機子抵抗、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ωはロータ回転速度、φは電機子鎖交磁束である）に基づいて算出される実ｄ軸電圧Ｖｄおよび実ｑ軸電圧Ｖｑと前記ｄ軸指令電圧Ｖｄ＊およびｑ軸指令電圧Ｖｑ＊をそれぞれ比較し、ＶｄはＶｄ＊と差がないがＶｑはＶｑ＊より低いとき、前記ロータの永久磁石が減磁していると特定することを特徴とする、モータ制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を有するロータを備えたモータを駆動制御するモータ制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石を有するモータでは、規定以上の電流をモータに通電することで、あるいは温度によって、永久磁石の減磁が生じることがある。永久磁石の減磁が生じると、モータの性能が低下するので、減磁を検知して対応を図る必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、永久磁石型モータをインバータで駆動制御する制御装置において、ｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑ、ｑ軸電圧Ｖｑ、およびロータ回転速度ωの各制御パラメータと、モータのｑ軸電圧方程式（Ｖｑ＝ＲＩｑ＋ωＬｄＩｄ＋ωφ）とに基づいて、モータの永久磁石の減磁を判断する手法が記載されている。
【０００４】
ここで、ｄ軸電圧方程式はＶｄ＝ＲＩｄ−ωＬｑＩｑで表すことができる。また、これらの電圧方程式において、Ｒは電機子抵抗、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ωはロータ回転速度、φは電機子鎖交磁束である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３９７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の手法のようにｑ軸電圧方程式だけを用いてモータの減磁を判断すると、仮に、永久磁石が減磁しておらず鎖交磁束φが変わっていないが回転位置センサの異常によってロータ回転速度が誤っている場合には、上記ｑ軸電圧方程式により算出されるｑ軸電圧Ｖｑが変化するので、減磁の誤判断がなされる可能性ある。
【０００７】
本発明の目的は、モータの減磁を正確に特定できるモータ制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るモータ制御システムは、ロータに永久磁石を有するモータと、モータに印加する交流電圧を出力するインバータと、モータのロータ回転位置を検出する回転位置センサと、モータの動作を制御する制御装置とを備える、モータ制御システムであって、前記制御装置は、トルク指令値と前記ロータ回転位置から算出されるロータ回転速度とに基づいてｄ軸指令電圧Ｖｄ＊およびｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を導出し、電圧方程式（１）Ｖｄ＝ＲＩｄ−ωＬｑＩｑおよび（２）Ｖｑ＝ＲＩｑ＋ωＬｄＩｄ＋ωφ（ここで、Ｒは電機子抵抗、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ωはロータ回転速度、φは電機子鎖交磁束である）に基づいて算出される実ｄ軸電圧Ｖｄおよび実ｑ軸電圧Ｖｑと前記ｄ軸指令電圧Ｖｄ＊およびｑ軸指令電圧Ｖｑ＊をそれぞれ比較し、ＶｄはＶｄ＊と差がないがＶｑはＶｑ＊より低いとき、前記ロータの永久磁石が減磁していると特定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るモータ制御システムでは、仮に回転位置センサの異常により回転速度が正しくなければ実ｄ軸電圧Ｖｄおよび実ｑ軸電圧Ｖｑの両方の値がｄ軸指令電圧Ｖｄ＊およびｑ軸指令電圧Ｖｑ＊に対して変化することになるが、モータに減磁が生じて鎖交磁束φが低下した場合には実ｑ軸電圧Ｖｑのみが低下してｑ軸指令電圧Ｖｑ＊との差が生じることになる。したがって、本発明に係るモータ制御システムによれば、ロータの永久磁石の減磁を正確に特定することができる。その結果、減磁していないモータの誤交換を確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施の形態であるモータ制御システムの構成を説明する図である。
【図２】図１のモータ制御装置の減磁特定部において実行される減磁特定ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明に係る実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。
【００１２】
以下では、モータ制御システムが用いられるものとして、モータが搭載される車両を例として説明するが、ベクトル制御を実行するモータ制御装置を用いるものであれば車両以外であってもよい。
【００１３】
また、この車両には、モータとして、モータ機能と発電機機能とを有するモータ・ジェネレータを１台用いるものとして説明するが、これは例示であって、モータ・ジェネレータを２台以上用いるものとしてもよい。また、モータ機能のみを有するモータを１台、発電機機能のみを有するモータを１台用いるものとしてもよい。なお、車両としては、モータの他に、エンジンを搭載するハイブリッド車両であってもよく、この場合、車体に充電口を備えたハイブリッド車両であってもよい。
【００１４】
以下では、モータに接続される電源回路として、電圧源であるバッテリ、電圧変換器、インバータ、平滑コンデンサを含む構成を説明するが、これは例示であって、これら以外の要素を含むものとしてもよい。例えばシステムメインリレー、低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ等を含むことができる。また、バッテリとは別に、燃料電池を電圧源として含むものとしてもよい。また、電圧変換器を省略して、電圧源の電圧がそのままインバータに供給される構成であってもよい。
【００１５】
図１は、車両に搭載されるモータについてのモータ制御システム８の全体構成を示す図である。モータ制御システム８は、モータ３０と、これに接続される電源回路１０と、これらの構成要素の動作を全体として制御するモータ制御装置４０とを備える。モータ制御装置４０は、いくつかの制御機能を有する回路の集合体であって、ここでは、ベクトル制御を行う部分を中心に示され、これとは区別して、特に減磁判断を行う機能の部分を減磁特定部６０として示してある。
【００１６】
モータ３０は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって、電源回路１０に含まれる電圧源としてのバッテリ１２から電力が供給されるときはモータとして機能し、図示されていないエンジンによる駆動時、あるいは車両の制動時には発電機として機能する３相同期型モータである。モータ３０は、ステータである電機子にコイルが巻回され、ロータに永久磁石が設けられる永久磁石型モータである。
【００１７】
モータ３０に設けられる回転位置センサ３２は、ロータの回転位置を回転角度θとして検出する機能を有する。かかる回転位置センサ３２としては、例えばレゾルバを用いることができる。検出された回転角度θのデータは、適当な信号線でモータ制御装置４０に伝送される。モータ制御装置４０においては、ベクトル制御に回転角度θが用いられ、また、回転角度θの時間微分からモータ３０の回転速度ωに換算されて、後述するようにモータ３０の駆動制御に用いられる。
【００１８】
電源回路１０は、モータ３０と接続される回路であり、モータ３０が駆動モータとして機能するときにこれに電力を供給し、あるいはモータ３０が発電機として機能するときは回生電力を受け取ってバッテリ１２を充電する機能を有する。電源回路１０は、２次電池であるバッテリ１２と、バッテリ１２側の平滑コンデンサ１４と、電圧変換器１６と、インバータ２０側の平滑コンデンサ１８と、インバータ２０を含んで構成される。
【００１９】
バッテリ１２は、モータ３０の駆動電力を供給する電圧源であり、例えば、約２００Ｖの端子間電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池等を用いることができる。なお、バッテリ１２に代えて、キャパシタ等の蓄電装置を電圧源として用いてもよい。
【００２０】
電圧変換器１６は、バッテリ１２側の電圧をリアクトルのエネルギー蓄積作用を利用して例えば約６５０Ｖに昇圧する機能を有する回路で、昇圧コンバータとも呼ばれる。なお、電圧変換器１６は双方向機能を有し、インバータ２０側からの電力をバッテリ１２側に充電電力として供給するときには、インバータ２０側の高圧をバッテリ１２に適した電圧に降圧する作用も有する。
【００２１】
バッテリ１２側の平滑コンデンサ１４と、インバータ２０側の平滑コンデンサ１８は、それぞれの側の正極母線と負極母線との間における電圧、電流の変動を抑制し平滑化する機能を有する。なお、インバータ２０側の正極母線と負極母線との間の電圧ＶＨは、システム電圧と呼ばれるものである。
【００２２】
インバータ２０は、モータ制御装置４０の制御の下で作動する複数のスイッチング素子を含んで構成され、交流電力と直流電力との間の電力変換を行う回路である。インバータ２０は、車両が力行のとき、バッテリ１２側からの直流電力を交流３相駆動電力に変換し、モータ３０に駆動電力として供給する直交変換機能と、車両が制動のとき、逆にモータ３０からの交流３相回生電力を直流電力に変換し、バッテリ１２側に充電電流として供給する交直変換機能とを有する。
【００２３】
インバータ２０とモータ３０とを接続する３つの各配線を流れる電流は、モータ３０の各相に流れる電流として、適当な電流検出センサを用いて検出され、モータ制御装置４０に伝送される。モータ３０の各相コイルは中性点で共通接続されるので、モータ３０を流れる各相電流は、（Ｕ相電流値Ｉｕ＋Ｖ相電流値Ｉｖ＋Ｗ相電流値Ｉｗ）＝０となる。したがって、３つの相電流をそれぞれ検出しなくても、２つの相電流を検出し、残りの相電流は上記の関係を用いて計算から求めることができる。図１の例では、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖを検出することが示されているので、残りのＷ相電流Ｉｗは計算で求めることになる。検出される各相電流は、適当な信号線でモータ制御装置４０に伝送される。モータ制御装置４０では、ベクトル制御において、まずｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑに変換され、これがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と比較されて電流フィードバックに用いられる。
【００２４】
モータ制御装置４０は、電源回路１０等の制御を通して、車両に搭載されるモータ３０の作動を全体として制御する機能を有する。特にここでは、ベクトル制御によってモータ３０の作動を制御し、またモータ３０の永久磁石の減磁について判断する機能を有する。最初に、ベクトル制御に関する部分を説明し、その後に、減磁特定部６０について説明する。
【００２５】
モータ３０の動作制御は、モータ３０の動作条件によって矩形波モード、過変調モード、正弦波ＰＷＭモードの間で切り替えられる。ここでは、主として、正弦波ＰＷＭ制御を行う構成について説明する。
【００２６】
ベクトル制御に関する部分は、正弦波ＰＷＭ制御における電流フィードバック制御を行う部分である。すなわち、正弦波ＰＷＭ制御モードにおいては、３相２相座標変換部４２においてモータ３０の各相電流値をｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑとに変換し、一方でトルク指令値Ｔ＊からｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を算出する。そして、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊にｄ軸電流値Ｉｄをフィードバックし、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊にｑ軸電流値Ｉｑをフィードバックする電流フィードバックが行われる。
【００２７】
上記トルク指令値Ｔ＊は、図示されていないアクセルの開度等から求められるユーザの要求トルクに基づいて算出される。電流指令生成部４４は、例えば予め作成したテーブルやマップ等を用いて、トルク指令値Ｔ＊をｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊の組として算出する機能を有する。
【００２８】
減算器４６は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊からｄ軸電流値Ｉｄを減算してｄ軸電流偏差ΔＩｄを算出し、減算器４８は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊からｑ軸電流値Ｉｑを減算してｑ軸電流偏差ΔＩｑを算出する機能を有する。
【００２９】
ＰＩ制御部５０は、ｄ軸電流偏差ΔＩｄとｑ軸電流偏差ΔＩｑについて、所定のゲインの下で比例積分制御を行ってこれらに対応する制御偏差を求め、その制御偏差に応じたｄ軸指令電圧Ｖｄ＊とｑ軸指令電圧Ｖｑ＊をＶｄｑマップ５６から導出する機能を有する。
【００３０】
ここでＶｄｑマップ５６は、トルク指令値Ｔ＊とロータ回転速度ωとに基づいてｄ軸指令電圧Ｖｄ＊およびｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を導出できるマップ（またはテーブル）であり、モータ制御装置４０の記憶装置に予め記憶されている。このＶｄｑマップ５６は、後述する減磁特定部６０における減磁判断においても用いられる。なお、ロータ回転速度ωはロータ回転数Ｎと実質的に相当するため、Ｖｄｑマップ５６ではトルク指令値Ｔ＊とロータ回転数とに基づいてｄ軸指令電圧Ｖｄ＊およびｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を導出できるマップとしてもよい。
【００３１】
２相３相座標変換部５２は、上記の３相２相座標変換部４２と互いに逆変換の関係にあるもので、ｄｑ電圧値を各相電圧値に変換する機能を有する。すなわち、モータ３０の回転角度θに基づいて、ｄ軸指令電圧Ｖｄ＊とｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を、各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する機能を有する。なお、これらの変換に際し、インバータ２０に電圧変換器１６から供給されるシステム電圧ＶＨも反映される。
【００３２】
ＰＷＭ生成部５４は、各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと所定の搬送波であるキャリアとの比較によって、インバータ２０を構成する各スイッチング素子に対する制御信号を発生する機能を有する。インバータ２０は、上記のように交流電力と直流電力との間の電力変換を行う回路であり、図１の例では６つのスイッチング素子を含むので、ＰＷＭ生成部５４からは６つの制御信号がインバータ２０に供給される。これによって、各相電圧指令値に対応する各相のＰＷＭ信号がモータ３０に供給される。
【００３３】
上記３相２相座標変換部４２は、モータ３０の各相電流のうち２つの電流値と回転角度θを取得し、各相電流値に基づいてｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑを算出する機能を有する。図１の例では、Ｕ相電流値ＩｕとＶ相電流値Ｉｖと、モータ３０の回転角度θに基づいて座標変換が行われている。
【００３４】
このようにして、正弦波ＰＷＭ制御モードにおいては、トルク指令値Ｔ＊に対応する電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に対し、モータ３０の実電流値Ｉｄ，Ｉｑがフィードバックされる制御が行われる。
【００３５】
以上でベクトル制御に関する部分の説明を行ったので、次に、モータ制御装置４０の減磁特定部６０について説明する。減磁特定部６０は、モータ３０に含まれる永久磁石に減磁が生じているか否かを判断する機能を有する。
【００３６】
図２は、モータ制御装置４０の減磁特定部６０において実行される減磁特定ルーチンを示すフローチャートである。この減磁特定ルーチンによる処理は、モータ３０が所定の回転速度（または回転数）で回転するときに実行されるが、所定回転速度になるごとに行う必要はなく適宜の期間ごとに実行されればよい。モータ３０の永久磁石の減磁は徐々に進行するものだからである。また、上記所定回転速度は、予め記憶された一定値を用いることがきるが、モータ３０の使用状況等に応じて適宜に設定される値であってもよい。
【００３７】
図２に示すように、まず、ステップＳ１０において、モータ３０が所定回転速度になったときの実ｄ軸電圧Ｖｄおよび実ｑ軸電圧Ｖｑを算出する。モータ制御装置４０の記憶部には、電圧方程式（１）Ｖｄ＝ＲＩｄ−ωＬｑＩｑおよび（２）Ｖｑ＝ＲＩｑ＋ωＬｄＩｄ＋ωφ（ここで、Ｒは電機子抵抗、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ωはロータ回転速度、φは電機子鎖交磁束である）が予め記憶されている。したがって、減磁特定部６０は、これらの電圧方程式（１）および（２）を用いて、実ｄ軸電圧Ｖｄおよび実ｑ軸電圧Ｖｑを算出することができる。
ここで、電機子抵抗Ｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、および電機子鎖交磁束φは、予め記憶された各規定値をそれぞれ用いる。また、実ｄ軸電流Ｉｄおよび実ｑ軸電流Ｉｑは３相２相座標変換部４２から入力されたものを用い、回転速度ωは回転位置センサ３２から入力された回転角度θを時間微分して算出したものを用いる。
【００３８】
次いで、減磁特定部６０は、ステップＳ１２において、モータ制御装置４０に入力されるトルク指令値Ｔ＊とロータ回転速度ωに基づいて、Ｖｄｑマップ５６からｄ軸指令電圧Ｖｄ＊およびｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を導出する。なお、上述したようにトルク指令値Ｔ＊はｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に実質的に対応するため、トルク指令値Ｔ＊に代えて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とロータ回転速度ωとに基づいてｄｑ軸指令電圧Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を導出できるようにＶｄｑマップ５６を構成してもよい。
【００３９】
減磁特定部６０は、続くステップＳ１４において、実ｄ軸電圧Ｖｄとｄ軸指令電圧Ｖｄ＊、および、実ｑ軸電圧Ｖｑとｑ軸指令電圧Ｖｑ＊をそれぞれ比較する。この比較においてＶｄとＶｄ＊とに差がなく、かつ、ＶｑとＶｑ＊にも差がない場合には、モータ３０を含むモータ制御システム８は正常状態にあると判断して減磁特定ルーチンの処理を終了する。ここで「差がない」とは、両者が完全に一致していなくてもよく、検出誤差やノイズの影響を排除できる程度の偏差閾値を予め設定しておき、その差が偏差閾値以下であれば差がないと判断することが好ましい。このことは、以下の処理においても同様である。
【００４０】
減磁特定部６０は、続くステップＳ１６において、ＶｄはＶｄ＊と差がないが、ＶｑはＶｑ＊と差があるか否かを判断する。この判断が肯定されれば、続くステップＳ１８において、モータ３０の減磁が生じていると特定される。これは、仮に回転位置センサ３２の異常により回転速度ωが正しくなければ実ｄ軸電圧Ｖｄおよび実ｑ軸電圧Ｖｑの両方の値がマップから導出されるｄ軸指令電圧Ｖｄ＊およびｑ軸指令電圧Ｖｑ＊に対して変化することになるが、モータ３０に減磁が生じて鎖交磁束φが低下した場合には実ｑ軸電圧Ｖｑのみが低下してｑ軸指令電圧Ｖｑ＊との差が生じることによるものである。
【００４１】
これに対し、上記ステップＳ１６において否定判定される場合、すなわち、実ｄ軸電圧Ｖｄおよび実ｑ軸電圧Ｖｑの両方が各指令電圧Ｖｄ＊，Ｖｑ＊に対して差があると判断された場合、続くステップＳ２０においてモータ３０の減磁以外の故障ありと判断する。ここで、モータ以外の故障としては、例えば、電流センサの故障、回転位置センサ３２の故障、インバータ２０の故障等の可能性がある。そして、このようにしてモータ３０の減磁判定を行った後、減磁特定ルーチンの処理を終了する。
【００４２】
上述したように本実施形態のモータ制御システム８によれば、モータ３０の永久磁石の減磁を正確に特定することができ、その結果、減磁していないモータ３０の誤交換を確実に防止できる。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、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内で、種々の変更や改良が行われてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係るモータ制御装置は、永久磁石を有するモータにおいて永久磁石の減磁判断を行う制御装置に利用できる。
【符号の説明】
【００４５】
８  モータ制御システム、１０  電源回路、１２  バッテリ（電圧源）、１４，１８  平滑コンデンサ、１６  電圧変換器、１７  スイッチグ素子、２０  インバータ、３０  モータ、３２  回転位置センサ、４０  モータ制御装置、４２  ３相２相座標変換部、４４  電流指令生成部、４６，４８  減算器、５０  ＰＩ制御部、５２  ３相２相座標変換部、５４  ＰＷＭ生成部、５６  Ｖｄｑマップ、６０  減磁特定部。
【図１】
2015082853.tif 000003
【図２】
2015082853.tif 000004