(57)【要約】【課題】  モータの許容しない方向への回転を抑制しながらモータ巻線による放電を可能とする。【解決手段】  回転方向が制限された回転機構と連結されるモータと、直流電力を平滑化するコンデンサを有するインバータと、前記モータの回転状態を検出する磁極位置検出回路と、を備えるモータ制御装置であって、前記インバータから前記モータに供給されるモータ電流のうち永久磁石と共に前記モータを励磁する励磁電流成分と、前記モータにトルクを発生させるトルク電流成分と、を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記励磁電流成分を非ゼロの第１所定値に設定し、前記モータが制限された方向のみに回転するように前記トルク電流成分を非ゼロの第２所定値に設定し、前記コンデンサに蓄えられた電荷を前記モータの巻線に発生するジュール熱による損失で放電させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転方向が制限された回転機構と連結されるモータと、直流電力を平滑化するコンデンサを有するインバータと、前記モータの回転状態を検出する磁極位置検出回路と、を備えるモータを制御するモータ制御装置であって、
前記インバータから前記モータに供給されるモータ電流のうち永久磁石と共に前記モータを励磁する励磁電流成分と、前記モータにトルクを発生させるトルク電流成分と、を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記励磁電流成分を非ゼロの第１所定値に設定し、前記モータが制限された方向のみに回転するように前記トルク電流成分を非ゼロの第２所定値に設定し、前記コンデンサに蓄えられた電荷を前記モータの巻線に発生するジュール熱による損失で放電させるモータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたモータ制御装置であって、
前記制御部は、前記第１所定値と前記第２所定値を最小値にした後、閾値以上の前記モータの加速度を検知した際に前記第２所定値を減少させ、閾値未満の加速度を検知した際に前記第１所定値と前記第２所定値を増大させるモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータ制御装置に関し、特に車両駆動用モータシステムのモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電源からの出力をインバータにより交流電圧に変換し、交流モータを駆動するシステムにおいては、交流モータへ印加する電圧を制御するためにインバータ内に高速でスイッチングを行う素子を有し、このスイッチングにより変動する直流電圧を平滑化するためのコンデンサがインバータと直流電源の間に配置される。
【０００３】
システム動作時は、直流電源とインバータの間にあるコンタクタを閉じ、直流電源とインバータが接続され直流電源よりインバータへ電力の供給が行われる。この際、コンデンサには電荷が蓄積し、コンデンサの電圧は直流電源の電圧と略同じになる。直流電源の電圧は、ハイブリッド自動車や電気自動車など数１０ｋＷ程度の出力が必要とされるシステムでは通常数１００Ｖになる。  
コンデンサには、システムの動作を停止する際に直流電源とインバータを切り離した後でも、電荷が残っている。システムの動作停止後の機器の補修等を行う際には、作業の安全性を確保するため、システムの動作停止時にコンデンサの電圧を短い時間で低い電圧まで放電することが望ましい。
【０００４】
従来より、交流モータに電流を流すことによりモータ巻き線にジュール熱を発生させ、その損失によりコンデンサの放電を行う手法が提案されている。
【０００５】
交流モータが回転方向を制限された回転機構と連結されているシステムでは、放電の際に交流モータが制限された方向のみに回転するようにモータ巻き線に電流を流す必要がある。例えば交流モータにオイルポンプが接続されている場合、オイルポンプは回転方向が一意に決められており、制限された方向とは逆の回転が加わると負圧によりオイルの逆流、オイルポンプの破損等が発生する。
【０００６】
そこで、交流モータに供給されるモータ電流のうち、永久磁石と共にモータを励磁するｄ軸電流指令を非ゼロに、モータにトルクを付与するｑ軸電流指令をゼロにすることで、モータにトルクを発生させることなく放電する方法が提案されている。例えば、その一例として、特開平9-70196号公報があり、この方法はモータのトルクＴが、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、ｄ軸インダクタンスＬｄ，ｑ軸インダクタンスＬｑ、電機子鎖交磁束定数φ、および極対数ｐを用いて「Ｔ＝ｐ｛φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）｝Ｉｄ・Ｉｑ」と表されることに起因している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平9-70196号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、ｑ軸電流指令をゼロにしてもモータ電流をd軸電流成分とq軸電流成分に変換する際に使用するモータ磁極位置の検出値に誤差があると、モータにはトルクを付与するq軸電流が発生し、モータが正回転または負回転する可能性がある。
【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、回転方向が制限された回転機構と連結されるモータと、直流電力を平滑化するコンデンサを有するインバータと、前記モータの回転状態を検出する磁極位置検出回路と、を備えるモータを制御するモータ制御装置であって、前記インバータから前記モータに供給されるモータ電流のうち永久磁石と共に前記モータを励磁する励磁電流成分と、前記モータにトルクを発生させるトルク電流成分と、を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記励磁電流成分を非ゼロの第１所定値に設定し、前記モータが制限された方向のみに回転するように前記トルク電流成分を非ゼロの第２所定値に設定し、前記コンデンサに蓄えられた電荷を前記モータの巻線に発生するジュール熱による損失で放電させる。
【００１０】
また、本発明のモータ制御装置の他の実施態様においては、前記制御部は、前記第１所定値と前記第２所定値を最小値にした後、閾値以上の前記モータの加速度を検知した際に前記第２所定値を減少させ、閾値未満の加速度を検知した際に前記第１所定値と前記第２所定値を増大させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によりモータの許容しない方向への回転を抑制しながらモータ巻線による放電が可能となる。
【００１２】
さらに、発生するトルクを最小限に抑えながら放電時間を短縮する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１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２】回転座標系におけるトルク電流、励磁電流成分を説明する概念図である。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるモータ制御装置の起動から停止までの流れを説明するフロー図である。
【図４】磁極位置検出に誤差がある場合の回転座標系のずれを説明する概念図である。
【図５】理論最大誤差を考慮したトルク電流指令をあらかじめ正方向に設定した際の電流指令を説明する概念図である。
【図６】理論最大誤差を考慮したトルク電流指令をあらかじめ正方向に設定した際の実モータ上の電流指令を説明する概念図である。
【図７】本発明の第２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８】本発明の第２の実施形態における放電処理装置の処理フローを示した図である。
【図９】モータに発生するトルクを抑制しながら電流指令を増加させる際の励磁電流指令及びトルク電流指令の状態を説明する概要図である。
【図１０】モータに発生するトルクを抑制しながら電流指令を増加させる際の励磁電流指令及びトルク電流指令の状態を説明する概要図である。
【図１１】モータに発生するトルクを抑制しながら電流指令を増加させる際の励磁電流指令及びトルク電流指令の状態を説明する概要図である。
【図１２】モータに発生するトルクを抑制しながら電流指令を増加させる際の励磁電流指令及びトルク電流指令の状態を説明する概要図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の第１の実施形態における直流電源、交流モータ及びコンデンサの放電処理を実施する装置を含むモータ制御装置の概要を説明するシステム図である。
【００１５】
システムは、直流電源１０と、コンタクタ２０と、交流モータ３０と、交流モータ３０の磁極位置検出回路４０と、インバータ５０と、コンデンサ６０と、コンデンサ６０の電圧検出回路７０と、電流検出回路８０と、制御装置９０と、交流モータ３０と回転軸を介して接続されている回転機構１００を備える。
【００１６】
直流電源１０は、数１００[V]の直流電源でありコンタクタ２０が閉状態の場合にインバータ５０へ電力を供給する。
【００１７】
コンデンサ６０は、直流電源１０の出力を平滑化し、コンタクタ２０が閉状態のときには直流電源１０と同じ電圧となる。コンデンサ６０へ印加された電圧は、電圧検出回路７０により検出され、制御装置９０へ伝達される。直流電源１０からインバータ５０へ供給される電力は、コンタクタ２０が開状態になることで遮断される。
【００１８】
インバータ５０は、複数個のスイッチングを行う素子（たとえばIGBT)を内蔵し、直流電源１０からの電力を直流から三相交流への電力変換を行う。インバータ５０に内蔵されるスイッチング素子は、直流電源１０の正極側と負極側にそれぞれ３相分ずつ配置され、この合計６つの素子のスイッチングにより発生する電圧のパルス幅を変化させ、所定の電圧を交流モータ３０へ印加するパルス幅変調方式が可能である。
【００１９】
交流モータ３０は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）巻線を有するステータと、巻線に電流が流れることで変化する磁束によってトルクが発生するロータの２つの部分から構成される。交流モータ３０を流れる電流は、電流検出回路８０により検出され制御装置９０へ伝達される。
【００２０】
交流モータ３０には、回転軸を介して正回転のみに制限された回転機構１００が連結される。
【００２１】
磁極位置検出回路４０は、交流モータ３０のロータの回転により変化する磁極位置を検出し、磁極位置は制御装置９０へと伝達される。この磁極位置の検出値には、交流モータ３０への取り付け時に発生する誤差や、磁極位置検出回路４０の検出精度による誤差、に代表される要因で誤差が含まれる。
【００２２】
回転機構１００は、正回転のみに制限された装置であり、例えば回転軸のトルクを利用しオイルを圧送するオイルポンプなどがある。オイルポンプは回転方向が一意に決められており、負回転を与えると負圧によりオイルの逆流、オイルポンプの破損等が発生する可能性がある。
【００２３】
制御装置９０は、回転数演算回路９１と、電流マップ回路９２と、PI制御回路９３と、dq/３相変換回路９４と、PWM信号生成回路９５と、３相/dq変換回路９６と、放電処理回路９７から構成され、外部からの外部トルク指令を受信し、モータの電流を制御する。モータの電流は、図２に示すように、磁極位置に応じて回転する回転座標系において励磁電流とトルク電流に変換される。
【００２４】
回転数演算回路９１は、磁極位置検出回路４０から磁極位置θを取得し、磁極位置θの変化量からモータの回転数ωを生成する。
【００２５】
電流マップ回路９２は、外部から受信したトルク指令値に基づいて、指定したトルクを出力するために、励磁電流指令値であるd軸電流指令値Id*とトルク電流指令値であるq軸電流指令値Iq*を、回転数演算回路９１より生成したモータの回転数ωとコンデンサ６０の電圧Vdcに応じて生成する。コンタクタ２０が開状態でコンデンサの放電処理を行う場合、電流マップ回路９２は、d軸電流指令値Id*、q軸電流指令値Iq*共に０を出力する。
【００２６】
３相/dq変換回路９６は、磁極位置θに応じて電流検出回路８０より検出されたU相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iwを基に、d軸実電流値Idとq軸実電流値Iqを生成する。
【００２７】
PI制御回路９３は、電流マップ回路９２より得られたd軸電流指令値Id*、q軸電流指令値Iq*と、放電処理回路９７から得られたd軸放電電流指令値Id´、q軸放電電流指令値Iq´とをそれぞれ加算した値と、３相/dq変換回路９６から得られたd軸実電流値Idと、q軸実電流値Iqを比較し、その差分に対しＰＩ演算を施して、d軸電圧指令値Vd*と、q軸電圧指令値Vq*を生成する。
【００２８】
dq/３相変換回路９４は、 d軸電圧指令値Vd*とq軸電圧指令値Vq*を基に、磁極位置θに応じてモータを駆動させるための３相電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*に変換する。
【００２９】
ＰＷＭ信号生成回路９５は、３相電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*とコンデンサ電圧Vdcに基づいて、インバータ５０に内蔵されるスイッチング素子をオンオフ制御するためのPWM駆動信号を生成する。
【００３０】
放電処理回路９７は、コンタクタ２０が開状態でコンデンサの放電処理を行う場合、モータの巻き線による放電に必要なd軸放電電流指令値Id´と、q軸放電電流指令Iq´を出力する。コンタクタ２０が閉状態で交流モータ３０制御状態の場合、放電処理回路９７はd軸放電電流指令値 Id´、q軸放電電流指令 Iq´ 共に０を出力する。
【００３１】
図３はモータ制御装置の起動から停止までの流れを説明するフロー図である。
【００３２】
ステップ１０においてシステムが起動すると、ステップ２０においてコンタクタ２０が閉状態にされることで直流電源１０とインバータ５０が接続され、コンデンサ６０に電圧が印加される。
交流モータ３０を制御する準備が完了するとステップ３０に遷移し、交流モータ３０を制御することが可能となり、制御装置９０は目標となる外部トルク指令からd軸電流指令値Id*、q軸電流指令値Iq*の算出とＰＷＭ信号の出力制御を行う。
ステップ４０においてシステムへの停止要求が確認されると、ステップ５０にてコンタクタ２０は開状態となり、直流電源１０とインバータ５０は電気的に切り離される。
次に、コンデンサ６０に残っている電荷を放電するためステップ６０の放電処理が実施される。
放電処理によりコンデンサ６０の電圧が所定値を下回った場合、ステップ７０において放電処理の完了が確認され、ステップ８０においてシステムは停止する。
【００３３】
次に本実施形態の特徴部である放電処理回路９７について詳細を説明する。
放電処理を行う際にモータを負回転させないためには、数1で表されるトルク T を常に0以上とする必要があるため、モータに流れるトルク電流 Iq が 0以上になるように放電電流指令値を設定する必要がある。
〔数1〕
T = Pn ・（ Φ + （ Ld − Lq ) ・ Id ） ・ Iq
ここで、
Ｐｎ  ：  モータの極対数、
Φ[Wb]：  モータの磁束、
Ld[H]  ：  d軸インダクタンス、
Lq[H]  ：  q軸インダクタンス、
Id, Iq ： 実モータ上の励磁電流とトルク電流
一方、磁極位置検出回路４０による磁極位置の検出値には、前述のように複数の要因から誤差が含まれるため、図４のように磁極位置検出の誤差をθeとすると、制御装置９０からみた回転座標系（図４中実線）に対して、実モータ上の回転座標系(図４中破線）が誤差θeだけずれる。
【００３４】
よって、前述の磁極位置の検出値の理論誤差の最大値が存在しても実モータ上のトルク電流が負とならない放電電流指令値を設定することで、モータを負回転させないことができる。
【００３５】
図５と図６は、上記のようにトルク電流が負とならない放電電流指令値を設定した状態を示している。磁極位置の検出値の理論誤差の最大値を図５中の理論最大誤差θmとすると、放電処理回路９７は、放電に必要な励磁電流成分Idと、理論最大誤差θmを考慮したトルク電流成分Iqからなる電流指令Ｉを設定する。
【００３６】
上記電流指令Ｉは、実モータ上では図６のような電流成分Ｉ´となり、磁極位置検出の誤差があるため電流成分の回転軸がずれる（図６中破線）。
【００３７】
ここで、回転軸のずれは理論最大誤差θm以内となるため、トルク電流成分Iｑ´は必ず０以上となり、モータの負回転を防ぐことができる。
【００３８】
また、放電処理はシステムの停止要求後に行われるため、放電処理時には交流モータ３０から回転機構１００に伝達するトルクを極力抑える必要がある。
【００３９】
例えば、回転機構１００がオイルポンプである場合はシステムの停止要求後には不要な油圧の発生を極力抑えることが望まれる。
【００４０】
一方、コンタクタ２０が閉状態から開状態になった際にはコンデンサには数100Vの高い電圧が残るため、放電処理完了までの時間が極力短いことも望まれる。
【００４１】
以上より、 本実施例では以下のように放電電流指令を設定する。
【００４２】
d軸放電電流指令値 Id´は、希望する放電処理完了時間を満足できる大きさに設定し、q軸放電電流指令値 Iq´は、前述の磁極位置の検出値の理論誤差の最大値が存在しても実モータ上のトルク電流が負とならない最小値に設定する 。
【００４３】
d軸放電電流指令値 Id´の具体的な値はコンデンサに残った電荷とモータ巻き線に発生するジュール熱による損失の関係から求められる。
【００４４】
なお、本実施例は正回転のみに制限された回転機構１００を使用した例を示したが、回転機構１００が負回転のみに制限されている場合にも適応が可能である。
【００４５】
その場合、q軸放電電流指令値 Iq´は、トルク電流が正とならない最小値に設定する。
【実施例２】
【００４６】
図７は、第２の実施の形態による直流電源、交流モータ及びコンデンサの放電処理を実施する装置を含むモータ制御装置の概要を説明するシステム図である。本実施の形態では、放電制御回路９７は、回転数演算回路９１から出力される回転数ωを入力とし、回転数ωの変化量から加速度を算出する。
【００４７】
その他、実施例 １と同じ機能を有する要素については、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。さらに、実施の形態 １と同じ構成を有することに起因して得られる同様の作用及び効果についても、重複的な記載は省略する。
【００４８】
図８は、d軸放電電流指令値 Id´、q軸放電電流指令値 Iq´をそれぞれ所定値１と所定値２に設定し、モータの加速度に応じて所定値１と所定値２を変化させることで、交流モータ３０に発生するトルクを抑制しながら放電処理を行う放電処理回路９７の処理フローを示した図である。
【００４９】
ステップ１０において、放電処理における放電電流指令値の演算処理を開始する。ステップ２０において、所定値１と所定値２に実施例１で示した理論最大誤差θmを考慮した最小値を設定する。最小値とは、制御上の最小分解能とする。
【００５０】
モータの加速度が閾値未満の場合（ステップ３０）、ステップ５０にてステップ２０と同等の放電電流指令値を、所定値１と所定値２に加算する。
【００５１】
ステップ５０を繰り返し、モータの加速度が閾値以上となった場合、ステップ４０にて、設定している放電電流指令値のうち所定値２から最小分解能分を減算する。ステップ４０は、モータの加速度が閾値未満になるまで繰り返される。
【００５２】
上記ステップ３０、４０、５０を繰り返すことで、モータに負のトルクが発生することなく所定値１と所定値２を増加させていく。
【００５３】
その際、ステップ６０にて所定値１が放電に必要な値まで到達した場合には、放電電流指令値を確定とし放電完了まで保持する。
【００５４】
図９、１０、１１、１２は、図８で示した放電処理回路９７の処理フローによって増加減させる所定値１及び所定値２の概要を説明する図である。
【００５５】
図９は、図８中のステップ２０における所定値１及び所定値２を示す概要図である。ステップ１０にて放電処理における放電電流指令の演算処理を開始した後、理論最大誤差θm分のトルク放電電流を正方向に付与した放電電流指令を、分解能の最小単位で所定値１と所定値２に設定する。放電電流指令を最小単位ごとに入力することで、交流モータ３０に閾値以上の加速度が発生する放電電流指令を検出することが可能となる。
【００５６】
交流モータ３０の加速度が閾値未満の場合、理論最大誤差θm分のトルク放電電流指令を正方向に付与した放電電流指令を、分解能の最小単位分所定値１と所定値２に加算する。（図１０）
ステップ３０で加速度が閾値以上になった場合、図１１に示すように所定値１はそのままとし、所定値２のみを減算する。
【００５７】
図１１の処理を繰り返すことにより、交流モータ３０の加速度を閾値未満になるように設定する。
【００５８】
一度所定値２を減算後（ステップ４０）、加速度が閾値未満の場合には、図１２に示すとおり放電電流指令値の最小分解能を所定値１と所定値２に加算する。
【００５９】
これにより、交流モータ３０の発生トルクを極力抑え、モータを負回転させることがない状態でモータ巻き線に放電に必要な大きさの電流を流すことが可能となる。
【００６０】
加速度に関する閾値の設定は、例えばシステムの停止要求後に回転機構１００に伝達が許容されるトルクの大きさを考慮して決定される。
【００６１】
なお、本実施例は正回転のみに制限された回転機構１００を使用した例を示したが、回転機構１００が負回転のみに制限されている場合にも適応が可能である。
【００６２】
その場合、モータに正のトルクが発生することなく所定値１と所定値２を負方向に増加させる。また、実施例２のモータ加速度、トルク放電電流、所定値１及び所定値２の操作を記載の正負方向と逆にすることで適応が可能となる。
【符号の説明】
【００６３】
１０    直流電源
２０    コンタクタ
３０    交流モータ
４０    磁極位置検出回路
５０    インバータ
６０    コンデンサ
７０    電圧検出回路
８０    電流検出回路
９０    制御装置
１００  回転機構
【図１】
2015154579.tif 000003
【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】
2015154579.tif 000012
【図１１】
2015154579.tif 000013
【図１２】
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