(57)【要約】【課題】交流モータがロックしたときに、インバータの過熱を防止しながら騒音の発生を防止できるようにする。【解決手段】交流モータがロックしたときに、交流モータの損失を増加させてインバータの損失を減少させるように交流モータの電流ベクトルを変化させるベクトル切換制御を実行して、インバータの特定のスイッチング素子に電流が集中することを回避する。このベクトル切換制御では、指令電流ベクトルを電流ベクトルｉ0 ，ｉ1 ，ｉ2 の順に切り換えることで、交流モータの無効電力を周期的に増加させて交流モータのトルクを一定に保持する。ここで、電流ベクトルｉ0 は、最大トルクよりも少し小さいトルクを発生する電流ベクトルであり、電流ベクトルｉ1 と電流ベクトルｉ2 は、電流ベクトルｉ0 と同一トルクを発生すると共に電流ベクトルｉ0 よりも無効電力が増加する電流ベクトルである。【選択図】図２
2007267512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期型の多相交流モータと該交流モータ駆動するインバータとを備えた交流モータの駆動制御装置において、
前記交流モータの回転速度が所定回転速度以下のときに、前記交流モータの損失を増加させて前記インバータの損失を減少させるように前記交流モータに通電する電流ベクトル又は前記交流モータに印加する電圧ベクトルを変化させるベクトル切換制御を実行するモータ制御手段を備えていることを特徴とする交流モータの駆動制御装置。
【請求項２】
前記モータ制御手段は、前記交流モータの回転速度が所定回転速度以下で且つトルク指令値が所定トルク以上のときに、前記ベクトル切換制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の交流モータの駆動制御装置。
【請求項３】
前記モータ制御手段は、前記ベクトル切換制御の際に、前記交流モータの無効電力を周期的に増加させるように前記電流ベクトル又は前記電圧ベクトルを周期的に切り換えることで前記交流モータのトルクを一定に保持することを特徴とする請求項１又は２に記載の交流モータの駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期型の多相交流モータをインバータで駆動する交流モータの駆動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、三相永久磁石式同期モータ等の交流モータの駆動制御技術として、正弦波ＰＷＭ制御等によりインバータのスイッチングを制御して交流モータを駆動するようにしたものがある。しかし、車両の動力源として交流モータを搭載した電気自動車においては、車輪がロックして交流モータがロックしたとき（交流モータの回転速度がほぼ０になったとき）に、所望のトルクを発生させようとすると、インバータに設けられた各アームのスイッチング素子のうち特定のスイッチング素子に電流が集中して、スイッチング素子が過熱状態になってしまう可能性がある。
【０００３】
この対策として、特許文献１（特開２０００−６９７６１号公報）に記載されているように、交流モータがロックしたときに、ＰＷＭ制御のキャリア周波数（キャリア信号の周波数）を低周波に切り換えてインバータのスイッチング周波数を低周波に切り換えることで、インバータのスイッチング損失を低減させてインバータ（スイッチング素子）の過熱を防止するようにしたものがある。
【０００４】
しかし、インバータの過熱を防止できるレベルまでキャリア周波数（インバータのスイッチング周波数）を低周波化すると、磁気音等が可聴領域内に入って騒音が発生するという問題がある。
【０００５】
そこで、特許文献２（特開２０００−１３４９９０号公報）に記載されているように、交流モータがロックしたときに、交流モータのトルク指令値とインバータの温度とに基づいてインバータの熱破損のおそれが高い領域であるか否かを判定し、インバータの熱破損のおそれが高い領域になったときに、キャリア周波数（インバータのスイッチング周波数）を通常よりも低い保護周波数に切り換えることで、低周波化による騒音が発生する期間を短くできるようにしたものがある。
【特許文献１】特開２０００−６９７６１号公報（第２頁〜第３頁等）
【特許文献２】特開２０００−１３４９９０号公報（第５頁、第４図等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２の技術においても、交流モータがロックしたときに、インバータの過熱を防止するためにキャリア周波数（インバータのスイッチング周波数）を低周波化するという事情は変わらず、低周波化による騒音を発生を十分に防止することができないという欠点がある。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、従って本発明の目的は、交流モータがロックしたときに、インバータの過熱を防止しながら騒音の発生を防止することができる交流モータの駆動制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、同期型の多相交流モータと該交流モータを駆動するインバータとを備えた交流モータの駆動制御装置において、交流モータの回転速度が所定回転速度以下のときに、交流モータの損失を増加させてインバータの損失を減少させるように交流モータに通電する電流ベクトル又は交流モータに印加する電圧ベクトルを変化させるベクトル切換制御を実行するようにしたものである。
【０００９】
この構成では、交流モータがロックして交流モータの回転速度が所定回転速度以下になったときに、ベクトル切換制御を実行して交流モータの損失を増加させてインバータの損失を減少させるように交流モータの電流ベクトル又は電圧ベクトルを変化させることで、インバータの電流経路（つまり電流が流れるスイッチング素子）を変化させて特定のスイッチング素子に電流が集中することを回避することができ、インバータ（スイッチング素子）の過熱を防止することができる。しかも、インバータのスイッチング周波数を低周波化する必要がないため、低周波化による騒音の発生を防止することができる。
【００１０】
ところで、交流モータのロックではなく、交流モータを停止から運転させる際に交流モータの回転速度が所定回転速度以上になったときには、インバータの過熱の心配がないため、ベクトル切換制御を実行する必要はない。
【００１１】
そこで、請求項２のように、交流モータの回転速度が所定回転速度以下で且つトルク指令値が所定トルク以上のときに、ベクトル切換制御を実行するようにしても良い。つまり、交流モータの回転速度が所定回転速度以下で且つトルク指令値が所定トルク以上のときには、交流モータがロックしていると判断して、ベクトル切換制御を実行し、交流モータの回転速度が所定回転速度よりも高いとき又はトルク指令値が所定トルクよりも低いときには、交流モータのロックではないと判断して、ベクトル切換制御を実行しない。このようにすれば、交流モータを停止させるとき（交流モータの回転速度が所定回転速度以下でトルク指令値が所定トルクよりも低いとき）に、ベクトル切換制御を実行することを回避できる。
【００１２】
また、請求項３のように、ベクトル切換制御の際に、交流モータの無効電力を周期的に増加させるように電流ベクトル又は電圧ベクトルを周期的に切り換えることで交流モータのトルクを一定に保持するようにしても良い。このようにすれば、交流モータのトルクを一定に保持したままでインバータの特定のスイッチング素子に電流が集中することを回避することができ、不快なトルク変動やトルク不足を発生させることなくインバータの過熱を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、交流モータを動力源とする電気自動車又はハイブリッド車に適用して具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいて交流モータの駆動制御装置全体の構成を概略的に説明する。交流モータ１１は、車両の動力源として用いられる三相永久磁石式同期モータで、永久磁石が内装されたものであり、そのロータの回転位置θを検出するロータ回転位置センサ１２が搭載されている。この交流モータ１１は、電圧制御型の三相のインバータ１３によって駆動される。このインバータ１３は、上下のアームにそれぞれ各相に対応したスイッチング素子が設けれていると共に、これらのスイッチング素子を駆動する駆動回路や直流電圧を平滑化してサージ電圧を吸収する平滑コンデンサ等（いずれも図示せず）が設けられている。このインバータ１３は、インバータ制御装置１４（モータ制御手段）から出力される三相の電圧指令信号ＵＵ，ＵＶ，ＵＷに基づいて、二次電池等の直流電源１５から供給される直流電圧を三相交流電圧Ｕ，Ｖ，Ｗに変換して交流モータ１１を駆動する。この交流モータ１１のＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗが、それぞれ電流センサ１６，１７によって検出される。
【００１４】
また、車両ＥＣＵ１８は、車両全体を総合的に制御するコンピュータであり、アクセル操作量を検出するアクセルセンサ、シフト操作を検出するシフトスイッチ、ブレーキ操作を検出するブレーキスイッチ、車速を検出する車速センサ等（いずれも図示せず）の各種センサやスイッチの出力信号を読み込んで車両の運転状態を検出する。この車両ＥＣＵ１８は、インバータ制御装置１４との間で制御信号やデータ信号を送受信し、インバータ制御装置１４によって車両の運転状態に応じてインバータ１３を制御して交流モータ１１の運転を制御する。
【００１５】
その際、インバータ制御装置１４は、交流モータ１１をトルク制御するために、後述する図３のモータ制御プログラムを実行することで、車両ＥＣＵ１８から出力されるトルク指令値Ｔ* と、交流モータ１１のＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗ（電流センサ１６，１７の出力信号）と、交流モータ１１のロータ回転位置θ（ロータ回転位置センサ１２の出力信号）に基づいて正弦波ＰＷＭ制御方式で三相電圧指令信号ＵＵ，ＵＶ，ＵＷを次のようにして生成する。
【００１６】
まず、交流モータ１１のロータ回転位置θに基づいて交流モータ１１の回転速度Ｎを演算する。この後、交流モータ１１のロータの回転座標として設定したｄ−ｑ座標系において、ｄ軸電流ｉd とｑ軸電流ｉq をそれぞれ独立に電流フィードバック制御するために、交流モータ１１のトルク指令値Ｔ* と回転速度Ｎとに応じた指令電流ベクトルｉ* （ｄ軸指令電流ｉd*，ｑ軸指令電流ｉq*）をマップ又は数式等により演算する。
【００１７】
この後、交流モータ１１のＵ相，Ｗ相の電流ｉｕ，ｉｗと交流モータ１１のロータ回転位置θに基づいて実際の電流ベクトルｉ（ｄ軸電流ｉd ，ｑ軸電流ｉq ）を演算し、ｄ軸指令電流ｉd*と実際のｄ軸電流ｉd との偏差Δｉd が小さくなるようにＰＩ制御によりｄ軸指令電圧Ｖd*を演算すると共に、ｑ軸指令電流ｉq*と実際のｑ軸電流ｉq との偏差Δｉq が小さくなるようにＰＩ制御によりｑ軸指令電圧Ｖq*を演算する。そして、ｄ軸指令電圧Ｖd*とｑ軸指令電圧Ｖq*を三相電圧指令信号ＵＵ，ＵＶ，ＵＷに変換し、これらの三相電圧指令信号ＵＵ，ＵＶ，ＵＷをインバータ１３に出力する。このようにして、車両ＥＣＵ１８から出力されるトルク指令値Ｔ* を実現するように交流モータ１１のトルクを制御するトルク制御を実行する。
【００１８】
ところで、車輪がロックして交流モータ１１がロックしたとき（交流モータ１１の回転速度がほぼ０になったとき）に、通常のモータ制御を継続したまま所望のトルクを発生させようとすると、インバータ１３に設けられた各アームのスイッチング素子のうち特定のスイッチング素子に電流が集中して、スイッチング素子が過熱状態になってしまう可能性がある。
【００１９】
そこで、インバータ制御装置１４は、交流モータ１１がロックしたときに、交流モータ１１の損失を増加させてインバータ１３の損失を減少させるように交流モータ１１に通電する電流ベクトルを周期的に変化させるベクトル切換制御を次のようにして実行することで、インバータ１３の過熱を防止する。
【００２０】
図２に示すように、交流モータ１１のロータの回転座標として設定したｄ−ｑ座標系（ロータの界磁方向にｄ軸を定め、界磁方向と直交する方向にｑ軸を定めた座標系）において、電流制限円Ａは、電流の制限値（最大電流）を表す円であり、最大トルク曲線Ｂは、同一電流に対して発生トルクを最大にできる電流（最も効率的にトルク発生する電流）を表す曲線である。従って、電流制限円Ａと最大トルク曲線Ｂとの交点が最大トルクを発生する電流ベクトルｉとなる。
【００２１】
また、定トルク曲線Ｃは、同一トルクを発生する電流を表す曲線であり、次式で表すことができる。
ｉq ＝Ｔ／｛φ＋（Ｌd −Ｌq ）×ｉd ｝
ここで、φは磁束、Ｌd はｄ軸インダクタンス、Ｌq はｑ軸インダクタンスであり、それぞれ交流モータ１１の機器定数である。
【００２２】
そして、電流ベクトルｉ0 は、最大トルク曲線Ｂ上の電流ベクトルで、電流ベクトルｉよりも少し小さいトルク（つまり最大トルクよりも少し小さいトルク）を発生する電流ベクトルである。また、電流ベクトルｉ1 と電流ベクトルｉ2 は、電流ベクトルｉ0 と同一トルク発生する電流を表す定トルク曲線Ｃと電流制限円Ａとの交点となる電流ベクトルである。つまり、電流ベクトルｉ1 と電流ベクトルｉ2 は、電流ベクトルｉ0 と同一トルクを発生すると共に電流ベクトルｉ0 よりも無効電力が増加する電流ベクトルである。
【００２３】
本実施例のベクトル切換制御では、指令電流ベクトルｉ* を電流ベクトルｉ0 ，ｉ1 ，ｉ2 の順に周期的に切り換えることで、交流モータ１１の無効電力を周期的に増加させて交流モータ１１のトルクを一定に保持する。
【００２４】
以下、インバータ制御装置１４が実行する図３のモータ制御プログラムの処理内容を説明する。本プログラムが起動されると、ステップ１０１で初期化処理を実行した後、ステップ１０２以降の処理を所定周期で繰り返し実行する。
【００２５】
まず、ステップ１０２で、車両ＥＣＵ１８から出力されるトルク指令値Ｔ* を読み込んだ後、ステップ１０３に進み、交流モータ１１のロータ回転位置θ（ロータ回転位置センサ１２の出力信号）に基づいて交流モータ１１の回転速度Ｎを演算する。
【００２６】
この後、ステップ１０４に進み、交流モータ１１のトルク指令値Ｔ* と回転速度Ｎとに応じた指令電流ベクトルｉ* （ｄ軸指令電流ｉd*，ｑ軸指令電流ｉq*）をマップ又は数式等により演算する。
【００２７】
この後、ステップ１０５に進み、交流モータ１１がロックしているか否かを、交流モータ１１の回転速度が所定回転速度（例えば０又は０よりも少し高い回転速度）以下で且つ交流モータ１１のトルク指令値Ｔ* が所定トルク以上であるか否かによって判定する。
【００２８】
このステップ１０５で、交流モータ１１がロックしていないと判定された場合（つまり交流モータ１１の回転速度が所定回転速度よりも高いと判定された場合、又は、交流モータ１１のトルク指令値Ｔ* が所定トルクよりも低いと判定された場合）には、ステップ１０６に進み、後述する電流ベクトル切換用の変数ｎを０にリセットする。
【００２９】
この後、ステップ１１１に進み、指令電流ベクトルｉ* に基づいて電流制御を実行する。この電流制御では、ｄ軸指令電流ｉd*と実際のｄ軸電流ｉd との偏差Δｉd が小さくなるようにＰＩ制御によりｄ軸指令電圧Ｖd*を演算すると共に、ｑ軸指令電流ｉq*と実際のｑ軸電流ｉq との偏差Δｉq が小さくなるようにＰＩ制御によりｑ軸指令電圧Ｖq*を演算した後、ｄ軸指令電圧Ｖd*とｑ軸指令電圧Ｖq*を三相電圧指令信号ＵＵ，ＵＶ，ＵＷに変換し、これらの三相電圧指令信号ＵＵ，ＵＶ，ＵＷをインバータ１３に出力する。
【００３０】
これに対して、上記ステップ１０５で、交流モータ１１がロックしていると判定された場合（つまり交流モータ１１の回転速度が所定回転速度以下で且つ交流モータ１１のトルク指令値Ｔ* が所定トルク以上であると判定された場合）には、ステップ１０７に進み、電流ベクトル切換用の変数ｎを１だけインクリメントした後、ステップ１０８に進み、電流ベクトル切換用の変数ｎが３であるか否かを判定する。
【００３１】
このステップ１０８で、電流ベクトル切換用の変数ｎが３であると判定された場合には、ステップ１０９に進み、電流ベクトル切換用の変数ｎを０にリセットした後、ステップ１１０に進み、指令電流ベクトルｉ* を電流ベクトルｉ0 に設定する。図２に示すように、電流ベクトルｉ0 は、電流ベクトルｉよりも少し小さいトルク（つまり最大トルクよりも少し小さいトルク）を発生する電流ベクトルである。
【００３２】
一方、上記ステップ１０８で、電流ベクトル切換用の変数ｎが３ではない（つまり変数ｎが１又は２である）と判定された場合には、ステップ１１０に進み、電流ベクトル切換用の変数ｎが１のときには、指令電流ベクトルｉ* を電流ベクトルｉ1 に設定し、電流ベクトル切換用の変数ｎが２のときには、指令電流ベクトルｉ* を電流ベクトルｉ2 に設定する。図２に示すように、電流ベクトルｉ1 と電流ベクトルｉ2 は、電流ベクトルｉ0 と同一トルクを発生すると共に電流ベクトルｉ0 よりも無効電力が増加する電流ベクトルである。これらのステップ１０８〜１１０の処理により指令電流ベクトルｉ* を電流ベクトルｉ0 ，ｉ1 ，ｉ2 の順に周期的に切り換える。
【００３３】
この後、ステップ１１１に進み、電流ベクトルｉ0 ，ｉ1 ，ｉ2 の順に周期的に切り換わる指令電流ベクトルｉ* に基づいて電流制御を実行することで、交流モータ１１の無効電力を周期的に増加させるように電流ベクトルを周期的に切り換えるベクトル切換制御を実行する。これにより、交流モータ１１のトルクを一定に保持したままで交流モータ１１の損失を増加させてインバータ１３の損失を減少させる。
【００３４】
この後、ステップ１１２に進み、車両ＥＣＵ１８の電源がオフされたか否かを判定し、電源がオフされていなければ、ステップ１０２以降の処理を繰り返し実行する。その後、ステップ１１２で、車両ＥＣＵ１８の電源がオフされたと判定されたときに、本プログラムを終了する。
【００３５】
以上説明した本実施例では、交流モータ１１がロックしていると判定されたときに、交流モータ１１の損失を増加させてインバータ１３の損失を減少させるように交流モータ１１の電流ベクトルを周期的に変化させるベクトル切換制御を実行するようにしたので、交流モータ１１がロックしたときに、インバータ１３の電流経路（つまり電流が流れるスイッチング素子）を変化させて特定のスイッチング素子に電流が集中することを回避することができ、インバータ１３（スイッチング素子）の過熱を防止することができる。しかも、インバータ１３のスイッチング周波数を低周波化する必要がないため、低周波化による騒音の発生を防止することができる。
【００３６】
更に、本実施例では、ベクトル切換制御の際に、交流モータ１１の無効電力を周期的に増加させるように電流ベクトルを周期的に切り換えることで交流モータ１１のトルクを一定に保持するようにしたので、交流モータ１１のトルクを一定に保持したままでインバータ１３の特定のスイッチング素子に電流が集中することを回避することができ、不快なトルク変動やトルク不足を発生させることなくインバータ１３の過熱を防止することができる。
【００３７】
また、本実施例では、交流モータ１１の回転速度が所定回転速度以下で且つトルク指令値Ｔ* が所定トルク以上であると判定されたときに、交流モータ１１がロックしていると判断して、ベクトル切換制御を実行し、交流モータ１１の回転速度が所定回転速度よりも高いと判定された場合、又は、交流モータ１１のトルク指令値Ｔ* が所定トルクよりも低いと判定された場合には、交流モータ１１のロックではないと判断して、ベクトル切換制御を実行しないようにしたので、交流モータ１１を停止させるとき（交流モータ１１の回転速度が所定回転速度以下でトルク指令値が所定トルクよりも低いとき）に、ベクトル切換制御を実行することを回避することができる。
【００３８】
尚、上記実施例では、ベクトル切換制御を実行して指令電流ベクトルｉ* を電流ベクトルｉ0 ，ｉ1 ，ｉ2 との間で切り換える際に、電流ベクトルｉ0 と同一トルク発生する定トルク曲線Ｃと電流制限円Ａとの交点となる電流ベクトルを電流ベクトルｉ1 ，ｉ2 としたが、これに限定されず、電流ベクトルｉ0 と同一トルク発生する定トルク曲線Ｃ上又はその付近で電流制限円Ａの範囲内の電流ベクトルを電流ベクトルｉ1 ，ｉ2 としても良く、要は、指令電流ベクトルｉ* を電流ベクトルｉ0 ，ｉ1 ，ｉ2 との間で切り換えたときに、インバータ１３の電流経路（つまり電流が流れるスイッチング素子）が切り換わるように電流ベクトルｉ1 と電流ベクトルｉ2 のなす角が電気角で所定角度（例えば６０°）以上となる電流ベクトルｉ1 ，ｉ2 を設定すれば良い。
【００３９】
更に、電流ベクトルｉ0 に代わりに、最大トルクを発生する電流ベクトルｉを用いて、ベクトル切換制御の際に、指令電流ベクトルｉ* を電流ベクトルｉ，ｉ1 ，ｉ2 との間で切り換えるようにしても良い。
【００４０】
また、上記実施例では、ベクトル切換制御の際に、指令電流ベクトルｉ* を変化させるようにしたが、指令電圧ベクトルを変化させるようにしても良い。この場合、電流制御を一時的にオープン制御にして、指令電圧ベクトルＶ* を電圧ベクトルＶ，Ｖ1 ，Ｖ2 との間で変化させ、電圧ベクトルＶ（電流ベクトルｉ又はｉ0 に対応する電圧）のときにフィードバック制御するようにしても良い。
【００４１】
その他、本発明は、電気自動車やハイブリッド車に搭載される交流モータの駆動制御装置に限定されず、交流モータを駆動源とする様々な装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施例における交流モータの駆動制御装置全体の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本実施例のベクトル切換制御を説明するための図である。
【図３】本実施例のモータ制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１１…交流モータ、１２…ロータ回転位置センサ、１３…インバータ、１４…インバータ制御装置（モータ制御手段）、１５…電源、１６，１７…電流センサ、１８…車両ＥＣＵ
【図１】
2007267512.tif 000003
【図２】
2007267512.tif 000004
【図３】
2007267512.tif 000005