(57)【要約】【課題】電動機のトルクを、安定して高い精度で制御できる、電動機の制御装置、制御システム及び制御方法を提供する。【解決手段】永久磁石同期電動機の回転軸に、半導体歪みセンサの出力を無線送信する無線送信装置を取り付ける一方、電動機本体に無線送信装置からの送信を受信する無線受信装置を設ける。電動機を駆動制御する制御装置は、無線送受信装置を介して歪みセンサの出力を入力し、電動機のトルクを検出し、トルク検出値とトルク指令値との偏差に基づき、電動機のＰＷＭ制御信号を演算して出力する。これにより、電動機における電流とトルクとの相関が、永久磁石の温度変化や劣化によって変動しても、電動機のトルクを高精度に制御できる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機を駆動制御する制御装置であって、
前記電動機の回転軸に取り付けられた歪みセンサの出力を入力し、
前記歪みセンサの出力に基づき前記電動機のトルクを検出し、
検出したトルクとトルク指令値とを比較して前記電動機を駆動制御する、電動機の制御装置。
【請求項２】
前記歪みセンサの出力を、無線送信装置及び無線受信装置を介して入力する、請求項１記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
前記無線受信装置が、前記無線送信装置に対して非接触で給電する、請求項２記載の電動機の制御装置。
【請求項４】
前記歪みセンサが半導体歪みセンサであり、前記半導体歪みセンサと、前記無線送信装置の回路とが同じ基板上に搭載されて、前記電動機の回転軸に取り付けられる、請求項２又は３記載の電動機の制御装置。
【請求項５】
前記電動機が、車両用の永久磁石同期電動機である、請求項１−４のいずれか１つに記載の電動機の制御装置。
【請求項６】
電動機と、
前記電動機を駆動する電源回路と、
前記電動機の回転軸に取り付けられ、歪センサ及び前記歪センサの出力を無線送信する回路を一体的に備えた無線送信装置と、
前記無線送信装置からの信号を受信すると共に、前記無線送信装置に対して非接触で給電する無線受信装置と、
前記無線受信装置が受信した前記歪センサの出力に基づいて、前記電動機のトルクを検出し、検出したトルクとトルク指令値とを比較して、前記電源回路に制御信号を出力する制御装置と、
を含む、電動機の制御システム。
【請求項７】
電動機の回転軸に取り付けられた歪センサの出力を、無線送信装置及び無線受信装置を介して送信し、
前記無線受信装置が受信した前記歪センサの出力に基づいて、前記電動機のトルクを検出し、
検出したトルクとトルク指令値とを比較して前記電動機の駆動制御する、電動機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機を駆動制御する制御装置、制御システム及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、トルク指令値に基づき演算したｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値と、交流モータのｄ軸電流値及びｑ軸電流値とを比較して、交流モータに供給する電力を制御する制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−０７４６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば永久磁石を回転子に埋め込んだ永久磁石同期電動機では、永久磁石の温度変化や経時劣化などによる磁束の変動によって、電動機における電流とトルクとの相関が変化する。このため、トルク指令値に応じて電流指令値を演算し、電流指令値と電流検出値とを比較して電動機を駆動制御しても、実際に得られるトルクが指令値からずれてしまい、電動機のトルクを高い精度で制御することができなくなる場合があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、電動機のトルクを、安定して高い精度で制御できる、電動機の制御装置、制御システム及び制御方法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】
そのため、本願発明では、電動機の回転軸に取り付けられた歪みセンサの出力を入力して前記電動機のトルクを検出し、検出したトルクとトルク指令値とを比較して前記電動機を駆動制御するようにした。
【発明の効果】
【０００７】
上記発明によると、温度変化や経時劣化などによる磁束の変動を補償して、安定して高い精度で電動機のトルクを制御できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本願発明の実施形態における電動機の制御装置を示す回路図である。
【図２】本願発明の実施形態における電動機の構造を示す断面図である。
【図３】本願発明の実施形態における無線受信装置を示すブロック図である。
【図４】本願発明の実施形態における無線送信装置を示すブロック図である。
【図５】本願発明の実施形態における歪みセンサを示す模式図である。
【図６】本願発明の実施形態における電動機の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施形態における電動機の制御システムを示すブロック図である。
図１に示す電動機の制御システムは、電動機１、車両制御装置２、インバータ３、トルク検出器４を備えている。
電動機１は、車両（電動車両）１１１を駆動する永久磁石同期電動機であり、電動機１のトルクは、車軸１１２を介して駆動輪１１３に伝達されて車両１１１を走行させる。
【００１０】
車両制御装置２は、コンピュータを備え、アクセルペダルの操作量やブレーキペダルの操作量などの検出信号を入力し、これらに基づいてトルク指令値（電動機１の目標トルク）を演算して、インバータ３に出力する。
インバータ３は、パワーモジュール（電源回路）３１、電動機制御装置３２、回転角度エンコーダ３３を備え、コンピュータを備えた電動機制御装置３２は、車両制御装置２が出力するトルク指令値を入力する。
【００１１】
パワーモジュール３１は、逆並列のダイオード３１１ａ〜３１１ｆを含んでなるＩＧＢＴ（スイッチング素子）３１２ａ〜３１２ｆを３相ブリッジ接続した回路を備え、バッテリ３１３に接続されている。
回転角度エンコーダ３３は、回転角度検出器３３１が出力する信号を入力して、電動機１の回転角度を検出し、回転角度信号を電動機制御装置３２に出力する。回転角度検出器３３１は、後述するように、電動機１の回転軸の端部に配置され、回転軸の回転に同期するパルス信号を出力する。
【００１２】
トルク検出器４は、電動機１の回転軸の歪（軸トルク）の検出信号を無線で送信する無線送信装置４２、無線送信装置４２から送信される信号を受信すると共に、無線送信装置４２に対して非接触で給電する無線受信装置４３を含み、無線受信装置４３が受信した歪の検出信号を、電動機制御装置３２に出力する。
電動機制御装置３２は、トルク指令値、回転角度検出値、トルク検出値に基づいて、ＩＧＢＴ（スイッチング素子）３１２ａ〜３１２ｆのオン／オフを、パルス幅変調（ＰＷＭ）動作により制御することで、電動機１の電機子の各相への通電を制御する。
【００１３】
図２は、電動機１の構造を詳細に示す。
電動機１は、本体１１に対してボールベアリング（軸受）１２ａ，１２ｂを介して回転可能に支持される回転軸１３、回転軸１３に軸支される回転子１４、回転子１４に埋め込まれた永久磁石１５、本体１１に支持され回転子１４の周囲に配置された電機子１６、を備える。電機子１６は、Ｕ相，Ｖ相及びＷ相の３相巻線からなり、電動機１は３相同期電動機（３相ブラシレスモータ）である。
回転軸１３の一端には、回転角度検出器３３１が配置され、回転角度検出器３３１は、回転軸１３の回転に応じてパルス信号を出力する。
【００１４】
回転軸１３の他端側には、回転軸１３の周面を切削して平らな取付け面１３ａが形成されており、取付け面１３ａには、歪みを検出するためのセンサ素子及びセンサ出力を無線送信するための回路を同一基板上に搭載した無線送信装置４２を固定してある。
また、取付け面１３ａが形成される回転軸１３の部分に径方向で対向するように、本体１１にステー部１１ａが形成され、このステー部１１ａの回転軸１３と対向する面に、無線受信装置４３を固定している。
【００１５】
図３は、無線受信装置４３の構成を示すブロック図である。
図３に示す無線受信装置４３は、内部電源回路４３１、誘導電源発生装置４３２、送電コイル４３３、受信アンテナ４３４、検波回路４３５、信号復調回路４３６を備え、これらの回路を同一基板上に搭載して、１つのパッケージを構成する。
内部電源回路４３１、誘導電源発生装置４３２、送電コイル４３３は、無線送信装置４２に対して非接触で給電を行うためのデバイスであり、誘導電源発生装置４３２は、内部電源回路４３１を電源として送電コイル４３３に通電を行う。
【００１６】
後述するように、無線送信装置４２は受電コイル４２１を備えており、送電コイル４３３に電流を流すと磁束を媒介して受電コイル４２１に起電力が発生する電磁誘導を用い、無線受信装置４３は、無線送信装置４２に対して非接触で給電を行う。
尚、非接触での給電方式を、上記の電磁誘導方式に限定するものではなく、例えば、電流を電磁波に変換しアンテナを介して送受信する電波方式や、電磁界の共鳴現象を利用する電磁界共鳴方式などを用いることができる。
【００１７】
また、受信アンテナ４３４、検波回路４３５、信号復調回路４３６は、無線送信装置４２から無線送信される歪検出信号（トルク検出信号）を受信するためのデバイスであり、無線送信装置４２から変調されて送られる歪検出信号を受信して元の信号に復調し、復調した歪検出信号を、電動機制御装置３２に出力する。
【００１８】
図４は、無線送信装置４２の構成を示すブロック図である。
図４に示す無線送信装置４２は、受電コイル４２１、内部電源回路４２２、半導体歪みセンサ（トルクセンサ）４２３、増幅回路４２４、高周波回路４２５、送信アンテナ４２６を備え、これらの回路を同一基板上に搭載して、１つのパケッケージを構成する。
受電コイル４２１及び内部電源回路４２２は、無線受信装置４３からの非接触の給電を受けるためのデバイスであり、送電コイル４３３に電流を流すことで受電コイル４２１に発生した誘導起電力を、内部電源回路４２２において直流に変換して、半導体歪みセンサ４２３、増幅回路４２４、高周波回路４２５の動作電源として用いる。
【００１９】
半導体歪みセンサ４２３は、応力が作用すると抵抗値が変化するピエゾ抵抗効果に基づき、トルク量（歪み量、応力）を示す検出信号を出力するセンサ（歪みゲージ）である。
電動機１の回転軸１３にトルクが生じると、回転軸１３の両端で回転量に差が発生し、回転軸１３にはせん断応力が生じる。従って、半導体歪みセンサ４２３を回転軸に取り付け、回転軸１３に生じるせん断応力を作用させることで、回転軸１３に生じるトルク量を計測することができる。
【００２０】
半導体歪みセンサ４２３は、歪み（トルク）を測定する素子となる不純物層をシリコン基板上に形成した半導体単結晶のチップであり、前記シリコン基板上には、半導体歪みセンサ４２３と共に、受電コイル４２１、内部電源回路４２２、増幅回路４２４、高周波回路４２５、送信アンテナ４２６を搭載してある。
そして、半導体歪みセンサ４２３を含む無線送信装置４２を搭載するシリコン基板は、素子形成面でない裏面を接着面として、電動機１の回転軸１３に形成した取付け面１３ａに固定される。シリコン基板の接着面と回転軸１３の取付け面１３ａとは、接着剤を用いて接着するのが好ましいが、接合や嵌合によって固定することができる。
【００２１】
また、半導体歪みセンサ４２３の測定素子となる不純物層の抵抗値は、温度変化に影響されて変動するため、温度変化に伴う出力変化を補償するための温度補償回路としてホイートストンブリッジ回路を備える。前記ホイートストンブリッジ回路は、歪みに対して感度をもつアクティブ抵抗と、歪みに対して感度をもたない若しくはアクティブ抵抗とは正負反対の出力を生じるダミー抵抗を必要とする。
シリコンは、歪みが加わるとその固有抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を有するが、シリコン単結晶の場合、ピエゾ抵抗効果は、結晶方位に依存した直交異方性を有しているので、シリコンの結晶方位、拡散抵抗の配置、歪みの基準となる座標系の相対関係を変化させることで、回転軸１３歪みに対する拡散抵抗の抵抗値変化を操作することができ、係る操作によって、アクティブ抵抗とは正負反対の出力を生じるダミー抵抗を同一シリコン基板上に形成できる。
【００２２】
例えば、４本のｐ型拡散抵抗を用いてホイートストンブリッジ回路を形成する場合、図５に示すように、対向する１組の拡散抵抗４２３ａ，４２３ｃを、シリコン単結晶の［−１１０］方向が長手方向となるように、換言すれば、シリコン単結晶の［−１１０］方向と平行に配置する。
一方、残りの１組の拡散抵抗４２３ｂ，４２３ｄは、［−１１０］方向に対して９０°回転させた［１１０］方向が長手方向となるように、換言すれば、シリコン単結晶の［１１０］方向と平行に配置する。
【００２３】
そして、歪みの基準座標となるｘｙ座標軸、即ち、回転軸１３に直角／平行な方向が、シリコン単結晶の［−１１０］方向に対して４５°になるように、回転軸１３に対してシリコン基板４２３ｅを接着させる。
このようにすれば、［１１０］方向に平行な拡散抵抗４２３ｂ，４２３ｄも回転軸１３の歪みに対して感度をもつが、［−１１０］方向に平行に配置した拡散抵抗４２３ａ，４２３ｃの出力とは、正負逆の出力を生じることになり、温度補償回路としてのホイートストンブリッジ回路を構成する４本の拡散抵抗４２３ａ〜４２３ｄを同一のシリコン基板４２３ｅ上に形成することができる。
【００２４】
尚、ｎ型拡散抵抗を用いてホイートストンブリッジ回路を形成する場合も、シリコンの結晶方位、拡散抵抗の配置、歪みの基準となる座標系の相対関係の設定によって、アクティブ抵抗とは正負反対の出力を生じるダミー抵抗を形成できる。
無線送信装置４２の増幅回路４２４、高周波回路４２５、送信アンテナ４２６は、歪みセンサ４２３の出力信号を、無線受信装置４３に向けて無線送信するためのデバイスであり、歪みセンサ４２３の出力を増幅回路（アンプ）４２４で増幅し、増幅した歪みセンサ４２３の出力を、高周波回路４２５で無線通信用の高周波信号に変調し、変調した高周波信号を、送信アンテナ４２６を介して無線受信装置４３側の受信アンテナ４３４に向けて送信する。
【００２５】
これにより、電動機１の回転軸１３（可動側）に取り付けられる歪みセンサ４２３の出力は、固定側である本体１１に取り付けられる無線受信装置４３に対し、無線で送信され、無線受信装置４３が受信した歪みセンサ４２３の出力信号が、電動機制御装置３２に入力される。
尚、無線送信装置４２と無線受信装置４３とを、前述のように、回転軸１３の径方向で対向するように配置できる他、回転軸１３の軸方向で対向するように配置することが可能であり、また、無線送信装置４２から歪みセンサ４２３を分離し、別部品として回転軸１３に取り付けることができる。
【００２６】
図６のフローチャートは、電動機制御装置３２が実施する電動機制御ルーチンを示す。
図６のフローチャートにおいて、ステップＳ５０１では、電動機１の制御モードとして、トルク制御モードと回転速度制御モードとのいずれが選択されているかを判別する。
トルク制御モード／回転速度制御モードの選択は、電動車両においては、例えば、シフトポジション、アクセルペダル位置、ブレーキペダル位置などに基づき行われる。
そして、トルク制御モードが選択されている場合には、ステップＳ５０２以降へ進み、電動機１をトルク指令値に応じて制御するトルク制御を実施する。
【００２７】
ステップＳ５０２では、無線受信装置４３が受信した歪みセンサ４２３の出力に基づき、電動機１の回転軸１３のトルクを計測する。
次いで、ステップＳ５０３では、車両制御装置２から入力したトルク指令値、即ち、電動機１のトルク目標値と、歪みセンサ４２３の出力に基づき検出した回転軸１３のトルク、即ち、電動機１のトルクの実測値との偏差（トルクエラー）を演算する。
一方、前記偏差の演算に平行して、ステップＳ５０４では、電動機１の回転角の計測を行う。
【００２８】
そして、ステップＳ５０５では、トルクの偏差、電動機１の回転角に基づいて、各ＩＧＢＴ（スイッチング素子）３１２ａ〜３１２ｆのオン／オフを制御するＰＷＭ信号を演算する。
ステップＳ５０５では、実際のトルクがトルク指令値に近づいて、トルク偏差が零に近づくようにＰＷＭ信号を修正する、トルクのフィードバック制御を実施する。
例えば、トルク偏差に基づく比例積分制御によって目標電流（ｑ軸電流）を演算し、目標ｑ軸電流、目標ｄ軸電流からｑ軸電圧指令値、ｄ軸電圧指令値を演算し、更に、２相／３相変換によってＵ、Ｖ、Ｗの各相の電圧指令値に変換し、各相の電圧指令値を、各ＩＧＢＴ３１２ａ〜３１２ｆのオン／オフのデューティ比に変換する。
【００２９】
また、例えば、トルク偏差に基づき、トルク指令値を補正し、補正したトルク指令値に基づいて目標ｑ軸電流、目標ｄ軸電流を演算し、係る目標ｑ軸電流、目標ｄ軸電流に基づいて、各ＩＧＢＴ３１２ａ〜３１２ｆのオン／オフのデューティ比を求めることができる。
ステップＳ５０５でＰＷＭ信号（各ＩＧＢＴ３１２ａ〜３１２ｆのオン／オフのデューティ比）を演算すると、次いで、ステップＳ５１０へ進み、ステップＳ５０５で演算したＰＷＭ信号に基づき、各ＩＧＢＴ３１２ａ〜３１２ｆのオン／オフを制御することで、電動機１を駆動制御する。
【００３０】
このように、上記のトルク制御モードでは、歪みセンサ４２３の出力に基づき、電動機１の回転軸１３のトルクを計測し、係るトルク計測値をフィードバック信号として、電動機１の回転軸１３のトルクを制御するから、トルク指令値に対応するトルクを高精度に発生させることができる。
例えば、トルク指令値に対応する電流指令値を設定し、実際に電動機１に流れている電流の計測値と電流指令値とを比較して電動機１をＰＷＭ制御する場合、回転子１４に埋め込まれた永久磁石１５の温度変化や経時劣化などによる磁束の変動があると、電動機１における電流とトルクとの相関が変化するため、トルク指令値に対応する電流指令値に精度よく制御できていても、実際に発生するトルクが、トルク指令値からずれてしまう場合がある。
【００３１】
これに対し、上記のトルク制御では、トルク計測値をフィードバックしてトルク指令値と比較するので、永久磁石１５の温度変化や経時劣化などによる磁束の変動があっても、トルク指令値に対応するトルクを高精度に発生させることができる。
従って、電動機１の出力で車両を走行させる電動車両の場合、運転者の要求に見合ったトルクを精度よく発生させることができ、スムーズでかつ安全な運転を実現できる。
【００３２】
また、電動機制御装置３２は、歪みセンサ４２３の出力を、無線送信装置４２及び無線受信装置４３を介して入力するから、電動機１の回転軸１３が回転している状態で、回転軸１３に取り付けた歪みセンサ４２３の出力を逐次入力して、電動機１を制御できる。
また、無線受信装置４３から無線送信装置４２に向け、非接触で給電を行うので、回転軸１３に取り付けられる無線送信装置４２の動作電源を安定的に確保でき、歪みセンサ４２３を用いた歪み（トルク）検出及びセンサ出力の無線送信を安定して行える。
【００３３】
一方、ステップＳ５０１で、電動機１の制御モードとして、回転速度制御モードが選択されていると判断すると、ステップＳ５０６以降へ進み、電動機１を回転速度指令値に応じて制御する回転速度制御を実施する。
ステップＳ５０６では、電動機１の回転速度を、回転角度エンコーダ３３の出力に基づき検出する。
【００３４】
次いで、ステップＳ５０７では、車両制御装置２から入力した回転速度指令値、即ち、回転軸１３の回転速度の目標値と、回転角度エンコーダ３３の出力に基づき検出した回転軸１３の回転速度、即ち、回転軸１３の回転速度の実測値との偏差（エラー）を演算する。
一方、前記偏差の演算に平行して、ステップＳ５０８では、電動機１の回転角の計測を行う。
【００３５】
そして、ステップＳ５０９では、回転速度の偏差、電動機１の回転角に基づいて、各ＩＧＢＴ３１２ａ〜３１２ｆのオン／オフを制御するＰＷＭ信号を演算する。
ステップＳ５０９では、実際の回転速度が回転速度指令値に近づいて、回転速度偏差が零に近づくようにＰＷＭ信号を修正する、回転速度のフィードバック制御を実施する。
例えば、回転速度偏差に基づく比例積分制御によって目標電流（ｑ軸電流）を演算し、目標ｑ軸電流、目標ｄ軸電流からｑ軸電圧指令値、ｄ軸電圧指令値を演算し、更に、２相／３相変換によってＵ、Ｖ、Ｗの各相の電圧指令値に変換し、各相の電圧指令値を、各ＩＧＢＴ３１２ａ〜３１２ｆのオン／オフのデューティ比に変換する。
【００３６】
ステップＳ５０９でＰＷＭ信号（各ＩＧＢＴ３１２ａ〜３１２ｆのオン／オフのデューティ比）を演算すると、次いで、ステップＳ５１０へ進み、ステップＳ５０９で演算したＰＷＭ信号に基づき、各ＩＧＢＴ３１２ａ〜３１２ｆのオン／オフを制御することで、電動機１を駆動制御する。
【００３７】
以上、好ましい実施形態を具体的に説明したが、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
例えば、電動機１は、電動車両の走行させるための電動機に限定されず、例えば、パワーステアリング用の操舵アシスト力を付与する電動機とすることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１…電動機、２…車両制御装置、３…インバータ、４…トルク検出器、３１…パワーモジュール（電源回路）、３２…電動機制御装置、３３…回転角度エンコーダ、４２…無線送信装置、４３…無線受信装置、４２１…受電コイル、４２２…内部電源回路、４２３…半導体歪みセンサ４２３、４２４…増幅回路、４２５…高周波回路、４２６…送信アンテナ、４３１…内部電源回路、４３２…誘導電源発生装置、４３３…送電コイル、４３４…受信アンテナ、４３５…検波回路、４３６…信号復調回路
【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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