(57)【要約】【課題】電流センサの数を減少する。【解決手段】３相コイルＹ１，Ｙ２の２つに対し、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２からそれぞれ相電流を供給する。ここで、通常であれば、各３相コイルＹ１，Ｙ２について、２つの相電流を検出しなければならず、電流センサは４つ必要である。一方３相コイルＹ１についての２つの相電流を検出し、３相コイルＹ２における相電流を推定する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータを回転させるための回転磁界を生起する多相コイルを１つのロータに対し複数個有するモータの駆動装置であって、
前記複数個の多相コイルの内の１つの多相コイルの各相コイル電流を検出する相電流検出手段と、
この相電流検出手段により検出した１つの多相コイルの各相コイル電流に基づいて他の多相コイルの各相コイル電流を推定する相電流推定手段と、
を有し、
相電流検出手段により検出した１つの多相コイルの各相コイル電流と、前記相電流推定手段により推定した他の多相コイルの各相コイル電流とに基づいて、モータの各相電流を制御して、モータの駆動を制御するモータ駆動制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
各多相コイルにはそれぞれ対応してインバータが設けられ、このインバータから各相電流をそれぞれ供給し、
かつ、前記各インバータに流れる総電流を検出するインバータ電流検出手段を有し、このインバータ電流検出手段の検出結果に基づき、モータの各相電流を補正して、モータの駆動を制御するモータ駆動制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、
各多相コイルにはそれぞれ対応してインバータが設けられ、このインバータから各相電流をそれぞれ供給するとともに、
前記各インバータから各多相コイルへの電流供給時におけるコイル端電圧を少なくとも１つずつ検出するコイル端電圧をコイル端電圧検出手段と、
を有し、
このコイル端電圧検出手段により検出した各多相コイルへの電流供給時のコイル端電圧に基づいたモータの各相電流を制御して、モータの駆動を制御するモータ駆動制御装置。
【請求項４】
ロータを回転させるための回転磁界を生起する多相コイルを１つのロータに対し複数個有するモータの駆動装置であって、
前記複数個の多相コイルの１つずつの相電流を加算した少なくとも１つの加算相電流を計測する加算相電流検出手段と、
前記加算相電流検出手段により検出された２つのコイルのインバータからの電流供給時におけるコイル端電圧を検出するコイル端電圧を検出手段と、
を有し、
加算相電流検出手段により検出した加算相電流をコイル端電圧検出手段の検出結果により各多相コイルに配分して相電流を求め、求められた多相コイル毎の相電流に基づいて、モータの各相電流を制御して、モータの駆動を制御するモータ駆動制御装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置において、
前記多相コイルは、３相コイルであるモータ駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータを回転させるための回転磁界を生起する多相コイルを複数個有するモータの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、永久磁石モータや、誘導モータなど、ステータコイルにより回転磁界を形成し、ロータを回転させる形式の交流モータが知られている。このような交流モータにおいては、インバータを用いてステータコイルの電流を制御することで、広範囲の出力トルク制御が行えるとともに、回生電力をバッテリなどに回収できるというメリットも得られる。
【０００３】
このような交流モータとしては、互いに１２０度ずつずれた３相コイルを有する３相モータが最も一般的であるが、システムによっては、この３相コイルを複数設ける場合もある。例えば、複数の３相モータを駆動する場合であれば、３相コイルが複数個設けられる。さらに、３相コイルを１つのロータに対し複数組設けるモータも知られている。このモータにおいても、１つのシステム内に３相コイルが複数個設けられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなモータは、各３相コイルに対し、インバータをそれぞれ設け、このインバータのスイッチングをそれぞれ制御して駆動制御が行われる。そこで、複数の３相コイルのコイル電流を別途検出して、インバータのスイッチングを制御することが必要になる。
【０００５】
通常３相モータでは、３相コイルの内の２相のコイル電流を測定し、これに基づいて３相コイルの電流を算出し、各相コイル電流が所望の値になるようにインバータのスイッチングを制御している。
【０００６】
このため、６相のコイルでは、４つの電流センサが必要となる。この電流センサは、交流モータの正確な制御のためには、精度のよいものとする必要があり、多数の電流センサを必要とするためにシステムが高価になってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、モータにおいて、電流センサ数を減少することができるモータの駆動制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
また、本発明は、ロータを回転させるための回転磁界を生起する多相コイルを１つのロータに対し複数個有するモータの駆動装置であって、前記複数個の多相コイルの内の１つの多相コイルの各相コイル電流を検出する相電流検出手段と、この相電流検出手段により検出した１つの多相コイルの各相コイル電流に基づいて他の多相コイルの各相コイル電流を推定する相電流推定手段と、を有し、相電流検出手段により検出した１つの多相コイルの各相コイル電流と、前記相電流推定手段により推定した他の多相コイルの各相コイル電流とに基づいて、モータの各相電流を制御して、モータの駆動を制御することを特徴とする。
【０００９】
１つのロータに対し、３相コイルなどの多相コイルを複数設けるシステムでは、両多相コイルに流れる電流は位相差はあるがモータモデルを用いると基本的に同一と推定される。そこで、本発明においては、一方の多相コイルの相電流を計測することで、これが他方の多相コイルに流れる電流と位相以外は基本的に同一であると推定し、モータ駆動を制御する。これによって、電流センサの数を減少することができる。
【００１０】
また、各多相コイルにはそれぞれ対応してインバータが設けられ、このインバータから各相電流をそれぞれ供給し、かつ、前記各インバータに流れる総電流を検出するインバータ電流検出手段を有し、このインバータ電流検出手段の検出結果に基づき、モータの各相電流を補正して、モータの駆動を制御することが好適である。このように、インバータに流れる電流を計測することで、複数のインバータのそれぞれにおける消費電流を検出することができる。そこで、この検出値の比を用いて、推定する相電流を補正することで、より正確な相電流の推定が行える。
【００１１】
また、各多相コイルにはそれぞれ対応してインバータが設けられ、このインバータから各相電流をそれぞれ供給するとともに、前記各インバータから各多相コイルへの電流供給時におけるコイル端電圧を少なくとも１つずつ検出するコイル端電圧検出手段と、を有し、このコイル端電圧検出手段により検出した各多相コイルへの電流供給時のコイル端電圧に基づいたモータの各相電流の制御を行い、モータの駆動を制御することが好適である。
【００１２】
このように、コイル端電圧は、コイル電流と関係がある。また、このコイル端電圧は、温度などの影響を受けやすいので、これをコイル電流の絶対値計測に利用することは難しい。しかし、複数のモータ間の電流の比として用いるのであれば、十分な精度になる。そこで、このコイル端電圧を用いて、実際に電流検出を行わないモータについてのコイル電流を推定することがより精度の高い推定が行える。
【００１３】
特に、コイル端電圧検出は、Ａ／Ｄコンバータなどを用いて容易に行え、さらにこのＡ／Ｄコンバータを通常の電流検出に兼用することも可能である。これによって、システムを簡略化、低コスト化できる。
【００１４】
さらに、コイル端電圧は、インバータのスイッチング素子のオンオフによって大きく変化する。そこで、インバータのスイッチングを制御するコントローラからの信号によって、対象とするスイッチング素子がオンしているときの電圧値をホールド回路でホールドすることが好適であり、計測時のベクトルとしては零ベクトルが簡易である。
【００１５】
また、ロータを回転させるための回転磁界を生起する多相コイルを１つのロータに対し複数個有するモータの駆動装置であって、前記複数個の多相コイルの１つずつの相電流を加算した少なくとも１つの加算相電流を計測する加算相電流検出手段と、前記加算相電流検出手段により検出された２つのコイルのインバータからの電流供給時におけるコイル端電圧を検出するコイル端電圧を検出手段と、を有し、加算相電流検出手段により検出した加算相電流をコイル端電圧検出手段の検出結果により各多相コイルに配分して相電流を求め、求められた多相コイル毎の相電流に基づいて、モータの各相電流を制御して、モータの駆動を制御することを特徴する。
【００１６】
このように、加算相電流を検出し、これを２つの多相コイルにおけるコイル端電圧に基づいて配分することで、精度の高い相電流の推定が行える。
【００１７】
なお、２つの多相コイルのＬ定数が等しい場合には、加算相電流を２つの多相コイルのＩｄ電流、Ｉｑ電流が等しいとして単に等配分することのみでも制御可能である。
【００１８】
なお、前記多相コイルは、３相コイルであることが好適である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１に、実施形態の構成を示す。この構成においては、モータＭは、３つの３相コイルＹ１、Ｙ２を有している。これら２つの３相コイルＹ１、Ｙ２は独立しており、かつ１つのロータに対し配置されている。また、２つの３相コイルＹ１、Ｙ２は、基本的に同様の特性を有している。
【００２１】
３相コイルＹ１には、インバータＩＮＶ１が接続されており、３相コイルＹ２には、インバータＩＮＶ２が接続されている。これらインバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２は、それぞれ直列接続された一対の直列接続したトランジスタからなるアームを３本有しており、一対のトランジスタ同士の接続点が対応する３相コイルＹ１、Ｙ２の各相コイル端にそれぞれ接続されている。
【００２２】
そして、コントローラＣＯＮがインバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２のスイッチングを制御して、所望の３相電流を３相コイルＹ１、Ｙ２に供給することで、モータＭが駆動される。
【００２３】
なお、このモータ駆動制御は、ｄ軸電流と、ｑ軸電流を指示値からの偏差に比例および積分補正した値を三角波（キャリア）と比較し、３相の時間変調された矩形波電圧に変換し、これによってインバータをスイッチングして、モータを駆動するＰＷＭ制御である。この制御は、従来行われているものであり、説明は省略する。
【００２４】
ここで、モータＭの一構成例について図２に基づいて説明する。この例では、モータＭは、ロータ内に８つの永久磁石が埋め込まれた４極対のＰＭ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）モータである。そして、ステータコイルは、隣接する３つのコイルが１つの３相コイルを構成しており、この３相コイル２つはロータとの関係では同相として、１つの３相コイルとして電流が供給されている。この例では、上側の６つのコイルが１組の３相コイルとして機能しており、下側の６つのコイルが他の１組の３相コイルとして機能している。図２には、上下２組の３相コイルは同相であるが、電気角で３０度ずつずらす配置でその有効性を確認している。
【００２５】
そして、本実施形態では、図１に示すように、電流センサとして、２つの３相コイルＹ１、Ｙ２の内、一方の３相コイルＹ１のｕ相コイル、およびｖ相コイルに流れる電流Ｉｕ１、Ｉｖ１のみを検出する電流センサＳ１、Ｓ２のみを設けている。
【００２６】
そして、この電流センサＳ１、Ｓ２から得られた電流値から、３相コイルＹ１の制御信号を得るとともに、３相コイルＹ２の制御信号も算出する。すなわち、３相コイルＹ１について、ｄ軸電流と、ｑ軸電流を指示値からの偏差に比例および積分補正した値を算出するが、この値を３相コイルＹ２について流用する。
【００２７】
また、３相コイルＹ１の相電流を検出したが、これに限らず、２つの３相コイルＹ１、Ｙ２の加算相電流を検出し、両者を同一として配分してもよい。
【００２８】
本実施形態では、３相コイルＹ１とＹ２とは、位相が３０度ずれている。そこで、基本的には、この位相ずれを補償した値を利用して、インバータの制御信号を生成する。すなわち、３相コイルＹ１とＹ２とは基本的のその特性が同一であり、従ってこれら３相コイルＹ１とＹ２に流れる電流が位相が異なるだけであって、他は同一でよいはずである。そこで、位相を補償した値で３相コイルＹ２を駆動する。
【００２９】
ここで、３相コイルＹ１、Ｙ２間には、相互作用がある。このため、偏差に対する比例係数と、積分係数を別々に設定することが好ましい。さらに、コイル構造によっては、制御が不安定になる場合もある。このような場合には、逆変換モデルを用いた偏差補正を用いることで制御可能になる。
【００３０】
逆変換による制御の概要を式（１０１）に示す。
【数１】
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【００３１】
また、Ｌ（ω）、Ｃ（ω）はモータの特性に関わる特性式の行列であり、Ｉｄ１、Ｉｑ１はコイルＹ１に関わるｄ軸電流、ｑ軸電流、Ｉｄ２、Ｉｑ２はコイルＹ２に関わるｄ軸電流、ｑ軸電流、Ｖｄ１、Ｖｑ１は第１コイルに関わるｄ軸電圧、ｑ軸電圧、Ｖｄ２、Ｖｑ２は第２コイルに関わるｄ軸電圧、ｑ軸電圧であり、Ｉｄ＊、Ｉｑ＊はモータ制御における指示値、ΔＴは制御周期、Φｍは磁束鎖交数である。
【００３２】
この式（１０１）を用いて、Ｖｄｑを算出し、偏差補正を用いた制御を行うことで、相互インダクタンス成分が大きい場合においても安定した制御が行える。なお、電流計測は、Ｉｄ１、Ｉｑ１について行い、Ｉｄ２＝Ｉｄ１、Ｉｑ２＝Ｉｑ１とすることに変わりはない。
【００３３】
そして、図１の回路構成の制御性をモータの電圧方程式により検討した場合、安定化することが確認されている。これについてのシミュレーション結果の一例を図４に示す。このように、初期値がずれている場合においても指示値に収斂することが分かる。
【００３４】
また、逆変換モデルを用いて偏差補正する方法を用いた場合には、モータ使用時におけるモータ温度の上昇あるいは経年劣化などにより、逆変換に用いるモータ定数と実際のモータ定数の間に乖離が生じる。
【００３５】
図１において、コイルＹ１はセンサＳ１、Ｓ２により電流計測されるため、制御指示値との間に定数誤差による乖離は少ないが、コイルＹ２の場合には定数誤差により逆変換モデルに誤差を生じるため制御指示値と実際の制御値の間に乖離が生じる。従って、駆動中のモータＭの温度上昇などにより、定数が変化した場合には制御に誤差を生じる。
【００３６】
この誤差は、コイルＹ１は直接電流を計測しているため小さいが、コイルＹ２では、大きな誤差となりやすい。
【００３７】
そこで、図３に示すように、インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２のバスライン（図の場合には、正極母線）にセンサＳ３、Ｓ４を設け、このセンサＳ３、Ｓ４で測定した電流値の積分を行う。
【００３８】
これにより、各インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２での消費電力（回生の場合には、回生電力）をそれぞれ算出する。次に、得られた各インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２における消費電力と、それぞれのインバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２において目標として設定した消費電力との比率ｎ１、ｎ２を算出する。例えば、インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２における測定した消費電力がＰ１、Ｐ２、目標とする消費電力がＰ１＊、Ｐ２＊であれば、ｎ１＝Ｐ１／Ｐ１＊、ｎ２＝Ｐ２／Ｐ２＊である。
【００３９】
そして、指示値を、インバータＩＮＶ１で１／ｎ１倍、インバータＩＮＶ２で１／ｎ２倍に補正することにより、モータ定数の変動に対しても安定した制御が可能になる。
【００４０】
また、インバータＩＮＶ１の誤差は小さいためインバータＩＮＶ１に対するインバータＩＮＶ２の消費電力の比を算出し、その逆数をインバータＩＮＶ２の指示値に乗じるようにしてもよい。この場合、比率のみが問題になるため、センサ精度に対する要求が緩い。このため、センサコストの増加がさらに少なくなる。
【００４１】
なお、図３において、センサ３、４は高圧側（正極母線）に設置されているが、グランド側（負極母線）に設置しても何ら問題ない。
【００４２】
また、３相コイルＹ１における２つの相電流を検出したが、これに限定されることなく、３相コイルＹ１、Ｙ２の加算相電流を検出し、これを測定した消費電流によって配分することも好適である。
【００４３】
さらに、１つのセンサにより電池Ｂからの消費電力を測定し、インバータＩＮＶ１の消費電力との差分をインバータＩＮＶ２の消費電力としてインバータＩＮＶ２の電流を補正してもよい。
【００４４】
次に、さらに他の実施形態の構成を図５に基づいて説明する。この例では、モータＭは６相であり、ステータコイルであるコイルＹ１、Ｙ２は、２つのスター結線（Ｙ結線）構造（２Ｙ型）になっている。２つの３相駆動インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２によりコイルＹ１、Ｙ２が駆動される。
【００４５】
従来技術を適用した場合、３相のコイル毎に２つのセンサが必要であり、計４つの高精度センサが必要である。
【００４６】
本実施形態では、２つのＹ結線のコイルＹ１、Ｙ２を並列に接続した形で、Ｉｖ１＋Ｉｖ２の値をセンサＳ５で計測し、Ｉｗ１＋Ｉｗ２の値をセンサＳ６で計測する（図５）。
【００４７】
これにより、並列接続での３相電流、すなわち、Ｉｕ１＋Ｉｕ２，Ｉｖ１＋Ｉｖ２，Ｉｗ１＋Ｉｗ２を制御できる。
【００４８】
一方、各相間での電流の比率は、センサＳ７、センサＳ８を用いることにより測定が可能である。
【００４９】
具体的には、センサＳ７およびセンサＳ８は、２つのインバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２間での相電流の比率をスイッチング素子（ＭＯＳやＩＧＢＴなどのトランジスタ）のオン電圧（コイル端電圧）の測定値を用いて測定する。
【００５０】
オン電圧は３相の中で、電流センサをＳ７、Ｓ８をつける２相においてモニタされる。ここで、インバータアームの中点電位はスイッチング動作により激しく変動する。このため、中点電位と測定回路の間に図６に示すようにスイッチを設け、オン電圧を測定する素子のゲート信号と連動してそのスイッチの開閉を行い、オン電圧のみを通す。これによって、オン電圧はホールド回路によりホールドされた後Ａ／Ｄコンバータに送られ、ここでデジタル信号に変換され制御コンピュータに取り込まれる。
【００５１】
この際、測定に必要となる数μｓの間は必ずスイッチング素子がオンするように制御コンピュータが制御する。測定は、通常下側素子同士あるいは上側スイッチング素子同士で行われる。スイッチング素子のオン電圧はスイッチング素子がＭＯＳＦＥＴの場合には、電流に比例し、ＩＧＢＴの場合には概略二次関数となる。従って、その特性をコンピュータ内に設定することが可能であり、２相アームの電流の概略値をオン電圧により測定することができる。
【００５２】
特に、図５の構成では、Ｉｕ１，Ｉｕ２およびＩｖ１とＩｖ２の比率が分かればよい。ここで、スイッチング素子のオン電圧は、スイッチング素子温度により大きく変動する。このため、通常その信号を用いることは大きな誤差を生む。しかし、本実施形態では、比率測定を行うだけである。従って、インバータＩＮＶ１およびインバータＩＮＶ２におけるスイッチング素子は、ほぼ同じ動作をし、近い温度状態にあり、絶対値の誤差は大きいが、比率を算出するための相対値としての比率については必要な精度を得ることができる。
【００５３】
さらに、図６には、オン電圧検出のための具体的構成が示されている。このように、インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２の１つのインバータアーム中点には、スイッチＳｗ１、Ｓｗ２を介し、ホールド回路Ｈ１、Ｈ２が接続されている。そして、ホールド回路Ｈ１、Ｈ２には、セレクタＳＬを介しＡ／ＤコンバータＡＤが接続されている。そこで、オン電圧測定のタイミングで、オン電圧がホールド回路Ｈ１、Ｈ２にホールドされ、これがセレクタＳＬによって選択されて順次Ａ／ＤコンバータＡＤに供給される。従って、１つのＡ／ＤコンバータによってインバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２のオン電圧を順次デジタルデータに変換することができる。
【００５４】
Ａ／ＤコンバータＡＤの出力は、マイコンＭＣに供給され、このマイコンは２つのオン電圧から比率を計算するとともに、この比率に応じたインバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２の制御のための信号を発生する。マイコンＭＣは、ＣＰＵでもよい。なお、マイコンＭＣとコントローラＣＯＮは、必要なインバータ制御用の信号を発生するための部材であり、１つの回路として構成してもよい。
【００５５】
マイコンＣＯＮの出力はコントローラＣＯＮに供給される。このコントローラＣＯＮは、インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２の各スイッチング素子のオンオフ制御信号を出力するとともに、これに同期してスイッチＳｗ１、Ｓｗ２のオンオフ制御信号も出力する。これによって、検出対象とするインバータアーム中点において、上側スイッチング素子がオンしているタイミングで、スイッチＳｗ１、Ｓｗ２をオンし、オン電圧をホールド回路Ｈ１、Ｈ２に保持することが可能になる。
【００５６】
このように、この回路においては、１つのＡ／ＤコンバータＡＤを２つのオン電圧検出に共用することが可能になる。また、このＡ／Ｄコンバータは、通常の電流センサなどの信号を変換するためのＡ／Ｄコンバータを共用することも可能である。このため、新たな機器としては、オン電圧検出用のスイッチＳｗ１、Ｓｗ２およびホールド回路Ｈ１、Ｈ２だけでよく、低コストで構成することが可能である。
【００５７】
このようにして、インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２におけるスイッチング素子のオン電圧を検出し、検出した２つのオン電圧に基づいて２つの３相コイルＹ１、Ｙ２への相電流を制御することで、相電流を検出しない側の相電流の推定値を正しいものに近づけることができる。また、オン電圧検出には、高精度の電流センサなどは不要であり、簡単な構成で実現できる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、モータモデルを用いて一方の多相コイルの相電流を計測することで、これが他方の多相コイルに流れる電流と位相以外は基本的に同一であると推定し、モータ駆動を制御する。これによって、電流センサの数を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】６相構成における駆動回路の構成例を示す図である。
【図２】８極あるいは４極対のモータの構成例を示す図である。
【図３】６相構成における駆動回路（インバータ消費電流の計測）の構成例を示す図である。
【図４】初期変動を与えた場合の収斂のシミュレーション例を示す図である。
【図５】６相構成における駆動回路（素子オン電圧利用）の構成例を示す図である。
【図６】オン電圧の測定回路構成例を示す図である。
【符号の説明】
Ｂ　バッテリ、Ｙ１，Ｙ２　３相コイル、Ｍ　モータ、ＩＮＶ１，ＩＮＶ２　インバータ、ＣＯＮ　コントローラ。
【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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