(57)【要約】【課題】モータの全損失を最小にして、該モータを効率良く運転する。【解決手段】  トルク指令Ｔ*に対応するｄ,ｑ軸電流を発生してモータ２を駆動するモータ制御装置であって、モータ２の回転数を検出する回転数検出手段１と、下記のように分類したモータ２の全損失に基づき、トルク指令Ｔ*およびモータ回転数Ｎに対して全損失を最小にするためのｄ,ｑ軸電流ｉd,ｉqを予め規定した変換テーブル８ａと、を備えている。  全損失＝鉄損（基本波鉄損（Ｉ,θ,Ｎ）＋高調波鉄損（Ｉ,θ,Ｎ）          ＋キャリア鉄損（Ｉ,θ,Ｎ））＋銅損（Ｉ）＋機械損（Ｎ）        ここで、Ｉ：モータ電流、θ：電流位相、Ｎ：モータ回転数【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク指令に対応するｄ,ｑ軸電流を発生してモータを駆動するモータ制御装置であって、
前記モータの回転数を検出する回転数検出手段と、
下記のように分類した前記モータの全損失に基づき、前記トルク指令およびモータ回転数に対して前記全損失を最小にするための前記ｄ,ｑ軸電流ｉd,ｉqを予め規定した変換テーブルと、を備え、
前記変換テーブルによって得られる前記ｄ,ｑ軸電流ｉd,ｉqが前記モータに流れるように該モータを制御することを特徴とするモータ制御装置。
全損失＝鉄損（基本波鉄損（Ｉ,θ,Ｎ）＋高調波鉄損（Ｉ,θ,Ｎ）
＋キャリア鉄損（Ｉ,θ,Ｎ））＋銅損（Ｉ）＋機械損（Ｎ）
ここで、Ｉ：モータ電流、θ：電流位相、Ｎ：モータ回転数
【請求項２】
前記モータがＩＰＭモータであることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
バッテリの直流出力電力を前記ｄ,ｑ軸電流指令に対応する交流電力に変換して前記モータに供給する電力変換手段を備え、前記バッテリの複数の電圧に対応するために前記変換テーブルを複数設けたことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
トルク指令に対応するｄ,ｑ軸電流を発生してモータを駆動するモータ制御方法であって、
前記モータの回転数を検出するステップと、
下記のように分類した前記モータの全損失に基づき、前記トルク指令およびモータ回転数に対して前記全損失を最小にするための前記ｄ,ｑ軸電流ｉd,ｉqを予め規定した変換テーブルを作成するステップと、
前記変換テーブルによって得られる前記ｄ,ｑ軸電流ｉd,ｉqが前記モータに流れるように該モータを制御するステップと、
を含むことを特徴とするモータ制御方法。
全損失＝鉄損（基本波鉄損（Ｉ,θ,Ｎ）＋高調波鉄損（Ｉ,θ,Ｎ）
＋キャリア鉄損（Ｉ,θ,Ｎ））＋銅損（Ｉ）＋機械損（Ｎ）
ここで、Ｉ：モータ電流、θ：電流位相、Ｎ：モータ回転数
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルク指令に対応するｄ,ｑ軸電流を発生してモータを駆動するモータ制御装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＰＭモータ等のモータを高効率で運転するため、トルク指令、モータ回転数およびモータ温度の組合せに対応する適切な（例えば、モータの効率が最大となる）ｄ軸電流およびｑ軸電流の組合せを保持した電流マップを予め形成しておき、トルク指令と、モータ回転数の組合せに対応するｄ軸電流およびｑ軸電流を上記電流マップから求めて、このｄ軸電流およびｑ軸電流をｄ,ｑ軸電流指令としてモータを制御する技術が提案されている。（例えば、特許文献１）
この従来技術によれば、その時々でのモータ温度に応じた適切なｄ，ｑ軸電流指令を求めることができるので、モータの効率を向上させることが可能になる。
【特許文献１】特開２００３−４７３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記モータ温度は、モータの鉄損に影響する。しかし、上記従来技術では、鉄損、銅損および機械損を含む該モータの全損失を考慮していないので、この全鉄損に起因するモータの効率低下を充分に抑制することができないという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、かかる状況に鑑み、モータの全損失を最小にすることができるｄ,ｑ軸電流指令を設定して、該モータを極めて効率良く運転することができるモータ制御装置およびモータ制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、トルク指令に対応するｄ,ｑ軸電流を発生してモータを駆動するモータ制御装置であって、前記モータの回転数Ｎを検出する回転数検出手段と、下記のように分類した前記モータの全損失に基づき、前記トルク指令Ｔ*およびモータ回転数Ｎに対して前記全損失を最小にするための前記ｄ,ｑ軸電流ｉd,ｉqを予め規定した変換テーブルと、を備え、前記変換テーブルによって得られる前記ｄ,ｑ軸電流ｉd,ｉqが前記モータに流れるように該モータを制御するようにしている。
全損失＝鉄損（基本波鉄損（Ｉ,θ,Ｎ）＋高調波鉄損（Ｉ,θ,Ｎ）
＋キャリア鉄損（Ｉ,θ,Ｎ））＋銅損（Ｉ）＋機械損（Ｎ）
ここで、Ｉ：モータ電流、θ：電流位相、Ｎ：モータ回転数
【０００６】
このモータ制御装置においては、前記モータとして、例えばＩＰＭモータが使用される。このモータ制御装置は、バッテリの直流出力電力を前記ｄ,ｑ軸電流指令に対応する交流電力に変換して前記モータに供給する電力変換手段を備えることができる。この場合、前記バッテリの複数の電圧に対応するために前記変換テーブルを複数設けることが望ましい。
【０００７】
また、本発明は、トルク指令に対応するｄ,ｑ軸電流を発生してモータを駆動するモータ制御方法であって、前記モータの回転数を検出するステップと、下記のように分類した前記モータの全損失に基づき、前記トルク指令およびモータ回転数に対して前記全損失を最小にするための前記ｄ,ｑ軸電流ｉd,ｉqを予め規定した変換テーブルを作成するステップと、前記変換テーブルによって得られる前記ｄ,ｑ軸電流ｉd,ｉqが前記モータに流れるように該モータを制御するステップと、を含んでいる。。
全損失＝鉄損（基本波鉄損（Ｉ,θ,Ｎ）＋高調波鉄損（Ｉ,θ,Ｎ）
＋キャリア鉄損（Ｉ,θ,Ｎ））＋銅損（Ｉ）＋機械損（Ｎ）
ここで、Ｉ：モータ電流、θ：電流位相、Ｎ：モータ回転数
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、鉄損、銅損および機械損を含むモータの全損失を最小にするｄ,ｑ軸電流が設定され、このｄ,ｑ軸電流によってモータが駆動される。したがって、モータの運転効率を著しく向上することができる。また、全損失を最小するｄ,ｑ軸電流がテーブルによって規定されるので、つまり、該ｄ,ｑ軸電流をＣＰＵ等の演算手段によって演算する必要がないので、内蔵するＣＰＵ等の演算手段の負担を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明に係るモータ制御装置の実施の形態を示している。この実施の形態に係るモータ制御装置は、３相ＩＰＭモータの制御に適用しているが、他のモータ（３相よりも相数の多いＩＰＭモータ、多相誘導モータ、多相シンクロナス・リラクタンスモータ等）の制御にも適用可能である。
【００１０】
図１において、速度・位置計算部１は、ＩＰＭモータ２のＡＢ相パルス信号あるいはレゾルバ３の出力に基づいて、該ＩＰＭモータ２の回転数Ｎおよび電流位相（回転位置）θを計算する。Ａ／Ｄ変換部４は、ＩＰＭモータ２を流れる電流ｉu，ｉv，ｉwをＡ／Ｄ変換して、３相／２相変換部５に出力する。３相／２相変換部５は、上記モータ２の電流位相θと周知の３相／２相変換式とに基づいて、３相のモータ電流ｉu，ｉv，ｉwを２相の電流ｉd，ｉq、つまり、いわゆるベクトル制御のためのｄ,ｑ軸電流ｉd，ｉqに変換する。
【００１１】
このモータ制御装置では、アナログトルク指令Ｔ*がＡ／Ｄ変換器６によってデジタルトルク指令Ｔ*に変換される。ランプ処理部７は、このデジタルトルク指令Ｔ*を図示するようなランプ関数に基づいてランプ処理し、そのランプ処理されたトルク指令Ｔ*を電流指令作成部８に出力する。
電流指令作成部８は、与えられるトルク指令Ｔ*とモータ回転数Ｎに基づいてモータ２の全損失を最小にする電流指令ｉ*d,ｉ*qを設定するものである。この電流指令作成部８についての詳しい説明は後述する。
【００１２】
ＰＩ制御部９は、電流指令作成部８から出力されるｄ，ｑ軸電流指令ｉ*d,ｉ*qと３相／２相変換部３から出力されるモータ２の実電流ｉd，ｉqとの偏差にＰＩ（比例・積分）処理を施して、該偏差に対応する電圧指令ｖ*d,ｖ*qを出力する。このＰＩ制御部９から出力される電圧指令ｖ*d,ｖ*qは、リミッタ１０を介して２相／３相変換部１１に入力される。
【００１３】
２相／３相変換部１１は、上記モータ２の電流位相θと周知の２相／３相変換式とに基づいて、上記電圧指令ｖ*d,ｖ*qを３相の電圧指令ｖ*u，ｖ*v，ｖ*wに変換する。この２相／３相変換部１１から出力される電圧指令ｖ*u，ｖ*v，ｖ*wは、３次高調波注入部１２で３次高調波を注入され、かつ、デューティ計算部１３でＰＷＭ制御のためのデューティ比を設定された後、インバータ１４に入力される。したがって、インバータ１４は、図示していないバッテリの直流出力電力を上記電圧指令ｖ*u，ｖ*v，ｖ*wに対応する電力に変換して、この電力をＩＰＭモータ２に供給する。
この結果、このモータ制御装置によれば、上記トルク指令Ｔ*に対応したトルクを発生するようにＩＰＭモータ２が駆動される。
【００１４】
ここで、ＩＰＭモータ２等のモータの損失について説明する。モータの全損失は、以下のように表される。
全損失（Ｗ）＝銅損（Ｗc）＋鉄損（Ｗi）+機械損(Ｗm)    ・・・（１）
そして、この全損失（Ｗ）の内の銅損（Ｗc）および機械損(Ｗm)は、それぞれ次式（２）および（３）によって与えられる。
Ｗc＝ｎ×Ｒ×Ｉ2＝Ｗc（Ｉ）  ・・・（２）
但し、ｎ：相数、Ｒ:巻線抵抗（Ω）、Ｉ：モータ電流（Arms）。
Ｗm＝８×Ｄ×（ｌ１＋１５）×ｖａ2×１０4＝Ｗm（Ｎ）  ・・・（３）
ここで、Ｄ：回転子外径（ｃｍ）、ｌ１:鉄芯積厚（ｃｍ）、ｖａ：回転子表面の周速（ｍ／ｓ），Ｎ：モータ回転数である。
上記式（２）および（３）から明らかなように、銅損Ｗｃおよび機械損Ｗｍは、それぞれモータ電流Ｉおよびモータ回転数Ｎによって与えられる。すなわち、銅損Ｗｃおよび機械損Ｗｍは、それぞれＷｃ（Ｉ）およびＷｍ（Ｎ）と表される。
【００１５】
一方、鉄損は、以下のように分類される。
鉄損（Ｗi）＝基本波鉄損（Ｗif）＋高調波鉄損（Ｗih）
＋キャリア鉄損（Ｗic）  ・・・（４）
上記基本波鉄損Ｗif、高調波鉄損Ｗihおよびキャリア鉄損Ｗicは、それぞれ下式(５)、(６)および（７）で与えられる。
Ｗif ＝ Ｋe1・ｆ12・Ｂ12＋Ｋh1・ｆ1・Ｂ12       ・・・（５）
Ｗih ＝ Σn（Ｋen・ｆn2・Ｂn2 ）                  ・・・（６）
Ｗic ＝ Σm（Ｋem・ｆm2・Ｂm2 ＋ Ｋhm・ｆm・Ｂm2 )   ・・・（７）
ここで、Ｂ1：基本周波数ｆ1の磁束成分、Ｂn：周波数ｆ1×ｎの磁束成分、Ｂm：前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数ｆc×ｍの磁束成分である。
ｎ,ｍは次数であり、上記損失の計算において採用上限次数は、概ね９次までである。
【００１６】
基本周波数ｆ1は回転数Ｎで、磁束成分Ｂ1，Ｂn，Ｂmは電流Ｉおよび電流位相θで、
係数Ｋe1, Ｋh1は磁束成分Ｂ1および基本周波数ｆ1で、係数Ｋen, Ｋhnは磁束成分Ｂnおよび基本周波数ｆnで、係数Ｋem, Ｋhmは磁束成分Ｂmおよびキャリア周波数ｆcで、それぞれ決定される。
【００１７】
以上の説明から明らかなように、基本波鉄損Ｗif、高調波鉄損Ｗihおよびキャリア鉄損Ｗicは、電流Ｉ、電流位相θおよび回転数Ｎから与えられる。
図３は、銅損Ｗc、鉄損Ｗi（基本波鉄損Ｗif＋高調波鉄損Ｗih＋キャリア鉄損Ｗic）および機械損Ｗmと、電流Ｉ、電流位相θ、回転数Ｎとの関係をまとめて示したものである。
【００１８】
次に、前記電流指令作成部８について説明する。
３相ＩＰＭモータのトルクは、電流Ｉと電流位相θとを用いて以下のように表される。
Ｔ＝Ｐn×[√３×φa×Ｉ×cosθ＋（３／２）×（Ｌd＋Ｌq）×Ｉ2×sin２θ]
・・・（８）
ここで、Ｐn:対極数、φa：鎖交磁束[Ｗb]、Ｌd：ｄ軸インダクタンス[Ｈ]、Ｌq：ｑ軸インダクタンス[Ｈ]である。
【００１９】
この３相ＩＰＭモータにおいては、同じトルクを出力する電流Ｉと電流位相θの組み合わせが無数に存在する。しかし、上記ように、銅損Ｗcが電流Ｉで、鉄損Ｗｉが電流Ｉ、電流位相θおよび回転数Ｎで、機械損ＷmがＮでそれぞれ規定されることから、トルクとモータ回転数Ｎとが与えられれば、そのトルクを実現する種々の電流Ｉと電流位相θの組み合わせの中から、前記全損失（Ｗ）を最小とする電流Ｉと電流位相θの組み合わせを設定することが可能である。
【００２０】
前記電流指令作成部８の変換テーブル８は、上記の考察に基づいて作成されている。すなわち、変換テーブル８を作成するにあたっては、ＦＥＭ解析手法等を用いて基本波鉄損（Ｗif）とΣ、θおよびＮとの関係Ｗif（Σ，θ，Ｎ）を計算するとともに、高調波鉄損（Ｗih）とΣ、θおよびＮとの関係Ｗiｈ（Σ，θ，Ｎ）を計算する。また、キャリア鉄損（Ｗic）とΣ、θおよびＮとの関係Ｗiｃ（Σ，θ，Ｎ）も計算によって得る。
次に、種々のトルク指令Ｔ*とモータ回転数Ｎに対して前記全損失（Ｗ）を最小とする電流Ｉと電流位相θの組み合わせを、上記関係Ｗif（Σ，θ，Ｎ）、Ｗiｈ（Σ，θ，Ｎ）、Ｗiｃ（Σ，θ，Ｎ）および前記関係Ｗｃ（Ｉ）およびＷｍ（Ｎ）に基づいて決定し、この組み合わせをテーブル化することによって上記変換テーブル８を作成する。
したがって、トルク指令Ｔ*とモータ回転数Ｎを電流指令作成部８に与えれば、変換テーブル８ａによって全損失（Ｗ）を最小にする最適な電流Ｉと電流位相θの組み合わせが設定される。
なお、電流Ｉは、電流位相θに基づいてｄ軸電流ｉdとｑ軸電流ｉqに変換することができる。上記変換テーブル８ａの実際の出力は、上記ｄ軸電流ｉdとｑ軸電流ｉqである。
【００２１】
上記のような電流指令作成部８を備えるこの実施の形態に係るモータ制御装置およびモータ制御方法によれば、全損失が最小となるｄ,ｑ軸電流が電流指令作成部８において一義的に設定され、このｄ,ｑ軸電流がｄ,ｑ軸電流指令ｉ*d,ｉ*qとして該電流指令作成部８から出力される。したがって、モータ２をその全損失が最小となるように効率良く運転することができる。しかも、ｄ,ｑ軸電流指令ｉ*d,ｉ*qをＣＰＵ等の演算手段で演算する必要がなくなるので、制御用演算手段の負担が軽減される。
【００２２】
上記実施の形態の形態に係るモータ制御装置およびモータ制御方法は、例えば、ＥＶ（電気自動車）、ＨＥＶ（ハイブリッド車）、フォークリフト、特車、各種ロボット、電車等に使用されるモータの制御に適用することができる。
ところで、上記各種モータ駆動機器には、その機種に応じた出力電圧のバッテリを搭載している。これに対応するには、電流指令発生部８に、種々のバッテリの出力電圧に適応する複数の変換テーブルを設けて、バッテリの出力電圧に対応する変換テーブルを選択するようにすれば良い。図２には、種々のバッテリの出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３・・・ＶＮに適応する複数の変換テーブル８ａ−１〜８ａ−Ｎが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るモータ制御装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】バッテリ電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３・・・ＶＮに適応する複数の変換テーブルを示すブロック図である。
【図３】銅損、鉄損（基本波鉄損、高調波鉄損、キャリア鉄損）および機械損と、電流、電流位相、モータ回転数との関係を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  速度・位置計算部
２  ＩＰＭモータ
３  レゾルバ
４，６  Ａ／Ｄ変換部
５  ３相／２相変換部
８  電流指令作成部
８ａ，８ａ−１〜８ａ−Ｎ  変換テーブル
９  ＰＩ制御部
１１  ２相／３相変換部
１４  インバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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