(57)【要約】【課題】界磁電流指令値と電圧位相指令値に基づいてモータを駆動するモータ制御装置において、制御対象のモータのトルク応答を向上する。【解決手段】界磁電流指令値と電圧位相指令値に基づいてモータを制御するモータ制御装置において、モータ駆動用電圧とモータ回転数に基づいて界磁電流指令値を算出する。また、モータ回転数が回転数指令値に一致するようにフィードバックトルク指令値を算出するとともに、モータ駆動用電圧とモータ回転数と界磁電流指令値に基づいてトルク基準値を算出し、モータ駆動用電圧とモータ回転数とフィードバックトルク指令値とトルク基準値に基づいて、電圧位相指令値を算出する。【選択図】図１
2015080349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ駆動用電圧を検出する電圧検出手段と、
モータ回転数を算出するモータ回転数算出手段と、
前記モータ回転数がモータ回転数指令値に一致するようにフィードバックトルク指令値を算出する回転数制御手段と、
前記モータ駆動用電圧と前記モータ回転数に基づいて界磁電流指令値を算出する界磁電流指令値算出手段と、
前記モータ駆動用電圧と前記モータ回転数と前記界磁電流指令値に基づいてトルク基準値を算出するトルク基準値算出手段と、
前記モータ駆動用電圧と前記モータ回転数と前記フィードバックトルク指令値と前記トルク基準値に基づいて電圧位相指令値を算出する電圧位相指令値算出手段と、
前記界磁電流指令値と前記電圧位相指令値に基づいてモータを制御するモータ制御手段と、を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記界磁電流指令値算出手段は、
モータ回転数が定常状態か否かを判断する定常状態判断手段と、
モータ回転数とモータ駆動用電圧と界磁電流の各動作点において最大トルクを実現するために必要な最大トルク電圧位相を算出する最大トルク電圧位相算出手段と、
前記定常状態判断手段によって判断された結果と前記最大トルク電圧位相と前記電圧位相指令値に基づいて前記界磁電流指令値を補正する界磁電流補正手段とを有し、
前記界磁電流補正手段は、前記モータ回転数が定常状態と判断された場合に、前記最大トルク電圧位相と前記電圧位相指令値との差が所定の閾値よりも小さい値となるまで前記界磁電流指令値を補正する、
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載のモータ制御装置において、
前記界磁電流補正手段は、前記モータ回転数指令値に応じて前記所定の閾値を変更する、
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載のモータ制御装置において、
前記トルク基準値算出手段は、前記トルク基準値を算出するにあたり前記界磁電流補正手段にて補正された界磁電流指令値を用いる、
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモータ制御装置おいて、
前記トルク基準値算出手段は、算出した前記トルク基準値に対し、界磁電流の応答遅れ処理を行う、
ことを特徴とするモータ制御装置。
【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する。
【背景技術】
【０００２】
従来、矩形波駆動方式により効率よく巻線界磁型同期モータを駆動するために、３相電流指令値とモータ回転速度とから、界磁電流指令値とステータに印加する矩形波電圧の位相（電圧位相）を調整する方法が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2009−183051号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、一般的に界磁電流はPWM駆動で実現されており、界磁巻線電圧（PWM Duty比）の操作に対する界磁電流やトルクの応答は遅く、電圧位相に対する３相電流やトルクの応答は早いことが知られている。したがって、所望のトルクを効率よく得るために界磁電流指令値と電圧位相とを操作すると、応答の遅い界磁電流に応じたトルク操作となり、高応答なトルク操作が出来ないため、比較的周波数の高い外乱を抑制することができず、回転数が変動してしまう。
【０００５】
本発明は、モータのトルク応答を向上させる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
界磁電流指令値と電圧位相指令値に基づいてモータを制御するモータ制御装置において、モータ駆動用電圧とモータ回転数に基づいて界磁電流指令値を算出する。また、モータ回転数が回転数指令値に一致するようにフィードバック（F/B）トルク指令値を算出するとともに、モータ駆動用電圧とモータ回転数と界磁電流指令値に基づいてトルク基準値を算出し、モータ駆動用電圧とモータ回転数とF/Bトルク指令値とトルク基準値に基づいて、電圧位相指令値を算出する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、F/Bトルク指令値が比較的応答の遅い界磁電流に反映されず、比較的応答の速い電圧位相操作により実現できるため、モータのトルク応答を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態におけるモータ制御装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本実施形態における始動用モータコントローラで行われるモータ制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】図３は、本実施形態における始動用モータコントローラで行われる界磁電流指令値算出の処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図４は、本実施形態における補正係数算出テーブルの１例を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態におけるトルクの電圧位相特性の１例を示す図である。
【図６】図６は、本実施形態におけるモータ制御装置を適用した際において、モータ回転数が定常状態と判断された場合であって、界磁電流値指令値の補正を行わない場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態におけるモータ制御装置を適用した際において、モータ回転数が定常状態と判断された場合であって、界磁電流値指令値の補正を行う場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】図８は、特開２００９−１８３０５１号公報（従来技術）に記載の制御方法を模擬したシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明におけるモータ制御装置の一実施形態を示すシステム構成図である。
【００１０】
本実施形態によるモータ制御装置はハイブリッド車に搭載されており、エンジン１と、始動用モータ２と、センサ３と、始動用モータコントローラ４と、統合コントローラ５と、エンジンコントローラ６と、ベルト７と、を備える。
【００１１】
エンジン１は、希薄燃焼可能なエンジンであり、後述するエンジンコントローラ６により、エンジントルクがエンジントルク指令値と一致するように制御される。
【００１２】
始動用モータ２は、巻線界磁型同期モータである。始動用モータ２のモータ出力軸とエンジン１のエンジン回転軸とはベルト７により接続されており、例えばEV走行からHEV走行へ移行する場合などに力行モードで駆動することによりエンジン１を始動する。
【００１３】
センサ３は、始動用モータ２の磁極位置を検出するセンサである。センサ３は電気角１８０°毎に反転するホールセンサであり、１２０°の差を持ちながら３相分設置されている。
【００１４】
始動用モータコントローラ４は、後述する統合コントローラ５からの始動要求、モータ回転数指令値に応じて、センサ３により検出された磁極位置を基に、モータ回転数をモータ回転数指令値に一致させるように始動用モータ２を制御する。
【００１５】
統合コントローラ５は、アクセルペダル、ブレーキペダルなどのドライバーの運転操作や、車速、バッテリー状態などの車両状態に基づいて、EV、HEV走行の判断を行い、エンジン始動要求、モータ回転数指令値、エンジントルク指令値などを算出する。算出されたエンジン始動要求、モータ回転数指令値は、CANなどの通信線を介して始動用モータコントローラ４に送信され、エンジントルク指令値は同じくCANなどの通信線を介してエンジンコントローラ６に送信される。  
【００１６】
エンジンコントローラ６は、受信したエンジントルク指令値やエンジン回転数に基づいて、スロットルアクチュエータによる吸入空気量と、インジェクタによる燃料噴射量と、点火プラグによる点火時期を操作することにより、エンジントルクが統合コントローラ５より送信されたエンジントルク指令値と一致するように制御する。
【００１７】
以下、図２を参照して、本実施形態における始動用モータコントローラ４の処理内容の詳細を説明する。
【００１８】
図２は、本実施形態における始動用モータコントローラ４の処理内容について説明するフローチャートである。図２に示す処理内容は一部割り込み処理を含むが、基本的には一定サンプリングで実行される。
【００１９】
ステップＳ１において、始動用モータコントローラ４は、統合コントローラ５から送信されるエンジン始動要求フラグおよびモータ回転数指令値Ｎｍ＊を受信する。
【００２０】
ステップＳ２において、始動用モータコントローラ４は、モータ電源電圧（モータ駆動用電圧）、界磁電源電圧を計測する。
【００２１】
ステップＳ３において、始動用モータコントローラ４は、ホールセンサ信号に基づいてモータ回転数Ｎｍを算出する。モータ回転数ＮｍはCPUのインプットキャプチャ機能を用いて割込み処理にて算出される。具体的には電気角１８０°に相当するホールセンサエッジ間の時間計測値Ｔを基に次（１）式より算出する。
【００２２】
【数１】
2015080349.tif 000003
【００２３】
なお、モータ回転数Ｎｍは、割込み処理を用いずに一定サンプリングで実行される定時処理にて、一定サンプリング間に発生するホールセンサ信号の変化数をカウントすることで算出してもよい。ステップＳ４において、始動用モータコントローラ４は、ステップＳ１にて受信した始動要求フラグに基づき、始動要求の有無を判断する。始動要求有りの場合にはステップＳ５へ進み、始動要求無しの場合には処理を完了する。ステップＳ５において、始動用モータコントローラ４は、ステップＳ１にて受信したモータ回転数指令値Ｎｍ＊と、ステップＳ３にて算出したモータ回転数Ｎｍに基づいてモータ回転数制御演算を行い、F/Bトルク指令値Ｔｍ＿ＦＢ＊を算出する。具体的には、モータ回転数指令値Ｎｍ＊とモータ回転数Ｎｍとの差分（回転数差）に対し、次（２）式で示されるＰＩ制御を行う。
【００２４】
【数２】
2015080349.tif 000004
【００２５】
ここで、Ｋｐ、Ｋｉはそれぞれ比例ゲイン、積分ゲインであり、F/Bループの安定性を考慮して決定する。
【００２６】
ステップＳ６において、始動用モータコントローラ４は、モータ回転数制御の定常／過度判断を行う。モータ回転数指令値Ｎｍ＊とモータ回転数Ｎｍとの差分の絶対値が定常判断閾値Ｎm_static_judgeよりも小さければ定常状態と判断し、過渡判断閾値Ｎm_trans_judge以上であれば過渡状態と判断する。なお、定常判断閾値Ｎm_static_judgeよりも過度判断閾値Ｎm_trans_judgeが大きい値とし、両閾値間にはチャタリング防止のため所定のヒステリシス幅を設けるものとする。
【００２７】
ステップＳ７では、ステップＳ６での定常/過渡判断結果に基づいて界磁電流指令値の算出を行う。以下、ステップＳ７の詳細について図３を参照して説明する。
【００２８】
図３は、ステップＳ７で行う界磁電流指令値演算の処理内容を説明するフローチャートである。ステップＳ３０では、モータ回転数とモータ電源電圧とから界磁電流基本値を算出する。
【００２９】
ステップＳ３１では、ステップＳ６での定常／過渡判断結果に応じて定常用処理を行うか過渡用処理を行うかを判断する。定常状態と判断した場合にはステップＳ３２へ進み、過渡状態と判断した場合にはステップＳ３８へ進む。
【００３０】
＜過渡状態の処理＞
ステップＳ３８では、ステップＳ３０で算出した界磁電流基本値を界磁電流指令値として界磁電流指令値演算を終了し、ステップＳ３９へ進む。そして、ステップＳ３９では後述する補正係数および補正停止判断を初期化し、ステップＳ８へ進む。
【００３１】
＜定常状態の処理＞
ステップＳ３２では、最大トルク電圧位相を算出する。始動用モータコントローラ４は、予め、各モータ電源電圧、界磁電流およびモータ回転数において最大トルクとなる電圧位相を実験的に求めて記憶したテーブルを格納しており、ステップＳ２にて検出したモータ電源電圧、ステップＳ３にて算出したモータ回転数Ｎｍおよび１サンプル前の界磁電流指令値を入力して、上記テーブルを参照することにより、最大トルク電圧位相を求める。
【００３２】
＜補正停止判断の処理＞
ステップＳ３３、Ｓ３４では、界磁電流指令値の補正停止判断を行う。ステップＳ３２にて算出された最大トルク電圧位相と、１サンプル前の電圧位相指令値との差分（絶対値）が、後述する補正停止判断閾値よりも小さい場合は補正停止と判断し、ステップＳ３７へ進む。そうでない場合は補正継続と判断し、ステップＳ３５へ進む。
【００３３】
補正停止判断閾値は、モータ回転数指令値に応じて決める。始動用モータコントローラ４は、予め各モータ回転数で必要となる電圧位相調整量を求めて記憶したテーブルを格納しており、モータ回転数指令値に応じて上記テーブルを参照することにより、補正停止判断閾値を決めることができる。
【００３４】
＜補正継続処理＞
ステップＳ３５では、界磁電流指令値を補正するための補正係数を算出する。具体的には、図４で示すように１から所定の変化率でゼロになるように補正係数を算出し、ステップＳ３６へ進む。
【００３５】
ステップＳ３６では、界磁電流指令値を算出する。ステップＳ３０にて算出した界磁電流基本値と、ステップＳ３５にて算出した補正係数の積を界磁電流指令値とし、図２のステップＳ８へ進む。
【００３６】
＜補正停止処理＞
ステップＳ３７では、１サンプル前の界磁電流指令値を保持し、今回の界磁電流指令値とする。その後、図２のステップＳ８へ進む。また、ステップＳ３３、Ｓ３４にて一度補正停止判断がなされた場合、ステップＳ３１にて過渡状態判断がなされるまで補正の再開は行わない。
【００３７】
以上で、図３を用いてのステップＳ７に関する説明を終了し、以下、ステップＳ８以降の詳細について、図２を参照して説明する。
【００３８】
ステップＳ８では、トルク基準値を算出する。始動用モータコントローラ４は、予め実験的に取得した各動作点（モータ回転数、モータ電源電圧、界磁電流）でのトルクデータを格納しており、これをもとに、モータ回転数Ｎｍ、モータ電源電圧および界磁電流指令値からトルク基準値Ｔmを算出する。
【００３９】
ここで、本実施例においては、上記により求めたトルク基準値Ｔmに対し、界磁電流の応答遅れ処理を行った値を最終的なトルク基準値Ｔm_hoseiとする。具体的には、界磁電流の応答遅れを一次遅れとし、次（３）式に示す伝達特性に基づいて処理を行う。ここで、ｓはラプラス演算子であり、Ｔｆは界磁電流の時定数である。
【００４０】
【数３】
2015080349.tif 000005
【００４１】
ステップＳ９では、電圧位相指令値を算出する。まず、ステップＳ５で算出したF/Bトルク指令値Ｔｍ＿ＦＢ＊と、ステップＳ８で算出したトルク基準値Ｔmとの和（トルク指令値）を求め、次に、上記トルク指令値を実現する為に必要な電圧位相指令値θvを算出する。ここで、トルクは、界磁電流、モータ回転数、モータ電源電圧そして電圧位相に大きく依存する。したがって、始動用モータコントローラ４は、図５に示すようなトルクの電圧位相特性を各動作点にて予め取得して記憶しており、ステップＳ２で取得したモータ電源電圧、ステップＳ３で算出したモータ回転数およびステップＳ７で算出した界磁電流指令値を入力し、上記トルクの電圧位相特性を参照することにより、現在の動作点においてトルク指令値を実現する為に必要な電圧位相を電圧位相指令値θvとして算出することができる。
【００４２】
ステップＳ１０では、ステップＳ７にて算出された界磁電流指令値をPWM制御にて実現するための処理を行う。具体的には、ステップＳ２にて検出した界磁電源電圧に応じたDuty比を算出し、CPUに備えたPWM出力用レジスタに設定する。
【００４３】
ステップＳ１１では、ステップＳ９にて算出した電圧位相指令値を実現すべく、３相電流通電処理を行う。本実施例では、３相電流の駆動信号をCPUのアウトプットコンペア機能にて実現する。具体的には、各ホールセンサからの信号に変化が確認されたタイミングにおいて、直近に操作すべき３相駆動信号のアウトプットコンペア値に、次（４）式で示す回転周期用遅れ時間と、ステップＳ９で求めた電圧位相指令値θvを実現するために必要な時間（電圧位相調整用時間（次（５）式で示す））との合計時間を設定する。
【００４４】
【数４】
2015080349.tif 000006
【００４５】
【数５】
2015080349.tif 000007
【００４６】
以下に、本実施形態におけるモータ制御装置を適用したシミュレーション結果を図６、７を参照して、従来技術を模擬したシミュレーション結果を図８を参照して説明する。ただし、図６は界磁電流値の補正を行わなかった場合の結果であり、図７は界磁電流値の補正を行った場合である。
【００４７】
図６乃至８は、上から、界磁電流[Ａ]、電圧位相調整代[]、実トルク[Ｎｍ]、回転数[ｒｐｍ]のシミュレーション結果を表し、横軸はすべて時間[ｓ]軸を表す。界磁電流[Ａ]における点線は指令値、実線は実値、一点鎖線は最大トルク相当値を示す。回転数[ｒｐｍ]における点線は指令値、実線は実値、一点鎖線は規範応答を示す。電圧位相調整代[]における0軸は最大トルク電圧位相を示す。
【００４８】
図６は、本実施形態におけるモータ制御装置を適用した際のシミュレーション結果であり、回転数制御中に周期外乱を印加している（A[s]以降）。印加された周期外乱を補償するために必要なF/Bトルク指令値が比較的応答の速い電圧位相操作により実現できているため、定常的に界磁電流を流しつつ、電圧位相でトルクを低減することができており、その結果、周期外乱の影響を大きく低減しつつ一定回転数を維持できていることが分かる。
【００４９】
図7は、図６とほぼ同じ条件にて本実施例におけるモータ制御装置を適用したシミュレーション結果であるが、界磁電流値の補正（ステップＳ３６）を行っている点で異なる。A[s]付近で定常状態判断を行っており、その後、電圧位相が最大トルク電圧位相近傍となるまで界磁電流を低減している。その結果、定常的には必要最小限な界磁電流で、図6同様に周期外乱抑止効果を実現できていることが分かる。
【００５０】
図8は、特開２００９−１８３０５１号公報（従来技術）に記載の制御方法を模擬したシミュレーション結果であり、図６、図７と同様に、A[s]以降に周期外乱を印加している。従来技術の制御方法では、所望のトルクを効率よく得るために界磁電流と電圧位相とを操作している。したがって、各動作点で最大トルクとなるように界磁電流と電圧位相を決めた場合、実現されるトルクの応答は比較的応答の遅い界磁電流に大きく依存するため、高応答なトルク操作が出来ない。その結果、A[s]以降に印加されている周期外乱を補償することができず、回転数が変動していることがわかる。
【００５１】
以上、本実施形態におけるモータ制御装置に依れば、始動用モータコントローラ４は、モータ駆動用電圧を検出する電圧検出手段と、モータ回転数を算出するモータ回転数算出手段と、モータ回転数が回転数指令値に一致するようにF/Bトルク指令値を算出する回転数制御手段と、モータ駆動用電圧とモータ回転数に基づき界磁電流指令値を算出する界磁電流指令値算出手段と、モータ駆動用電圧とモータ回転数と界磁電流指令値に基づきトルク基準値を算出するトルク基準値算出手段と、モータ駆動用電圧とモータ回転数とF/Bトルク指令値とトルク基準値に基づき電圧位相指令値を算出する電圧位相指令値算出手段としての機能を備える。これにより、F/Bトルク指令値が比較的応答の遅い界磁電流に依存することなく、電圧位相操作により高応答に実現できるため、回転数制御性能を向上することが出来る。
【００５２】
また、本実施形態におけるモータ制御装置に依れば、始動用モータコントローラ４は、モータ回転数が定常状態か否かを判断する定常状態判断手段と、モータ回転数とモータ電源電圧と界磁電流の各動作点において最大トルクを実現するために必要な最大トルク電圧位相を算出する最大トルク電圧位相算出手段と、定常状態判断手段によって判断された結果と最大トルク電圧位相と電圧位相指令値とから界磁電流指令値を補正する界磁電流補正手段としての機能も有する。界磁電流補正手段は、定常状態と判断された場合に、最大トルク電圧位相と電圧位相指令値との差が補正停止判断閾値よりも小さい値となるまで界磁電流指令値を補正するので、定常状態において界磁電流と電圧位相を最適効率点近傍で動作することができ、必要最小限の界磁電流で回転数制御性能を向上することが出来る。
【００５３】
ここで、電圧位相を最大トルク電圧位相θVmaxとした場合、さらに電圧位相を操作してもトルクを増加することは出来ないため、トルクの増減を必要とする周期外乱を補償するためには、所定の電圧位相調整幅を設ける必要がある（図５参照）。一方で、例えば間欠燃焼によるトルク脈動のような周期外乱が及ぼすエンジン回転数への影響は、回転数が低いほど大きく、回転数が高い領域では小さくなる。したがって、効率向上のために補正停止判断閾値を小さくし、実動作点を最大トルク電圧位相近傍に設定した場合、低回転数領域では周期外乱を補償するために必要な電圧位相操作ができないことが懸念される。また、外乱抑制効果を確保するために補正判断閾値を大きくし、実動作点を最大トルク電圧位相から離れて設定した場合、効率の悪い動作点となる状態が長くなるという懸念がある。
【００５４】
しかしながら、本実施形態におけるモータ制御装置に依れば、始動用モータコントローラ４は、モータ回転数指令値に応じて補正停止判断閾値を変更するので、各回転数域にて周期外乱抑制効果を維持しつつ、効率化を図ることが出来る。
【００５５】
また、本実施形態におけるモータ制御装置に依れば、始動用モータコントローラ４は、トルク基準値を算出するにあたり、上述した方法により補正された界磁電流指令値を用いるので、基準トルクを用いて算出する電圧位相指令値によるトルク操作の精度を向上することができる。
【００５６】
さらに、本実施形態におけるモータ制御装置に依れば、始動用モータコントローラ４は、算出したトルク基準値に対し、界磁電流の応答遅れ処理を行うので、界磁電流を操作した過渡領域において、界磁電流と電圧位相操作によるトルク応答の差異に起因した回転数制御性能劣化を低減することができる。
【００５７】
本発明は、上述した実施形態に限定されることはない。例えば、上述した説明ではハイブリッド車に搭載する例を挙げて説明したが、電気自動車や車両以外のシステムに適用することもできる。
【符号の説明】
【００５８】
２…始動用モータ
３…センサ
４…始動用モータコントローラ（電圧検出手段、モータ回転数算出手段、回転数制御手
段、界磁電流指令値算出手段、トルク基準値算出手段、電圧位相指令値算出手段、モータ制御手段）
【図２】
2015080349.tif 000008
【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１】
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