WO2010100989A1

WO2010100989A1 - 電動機の制御装置

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Publication number: WO2010100989A1
Application number: PCT/JP2010/051430
Authority: WO
Inventors: 博文新; 仁志堀川; 俊之西田; 真佐人喜多
Original assignee: 本田技研工業株式会社
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2010-09-10
Also published as: RU2011140153A; RU2486658C1; JP2010206958A; CN102342018A; CN102342018B; US20120242262A1; US8749184B2; JP5196269B2; DE112010000965T5; BRPI1009152A2

Abstract

　永久磁石を有する回転子と、印加電圧によって回転磁界を発生して回転子を回転させる固定子と、を有する電動機の制御装置は、電動機の固定子に矩形波電圧を印加して電動機を駆動する矩形波インバータと、直流電源の出力電圧を昇圧又は降圧して矩形波インバータに印加する電圧変換部と、電動機の回転子の電気角度を取得する電気角度取得部と、電気角度取得部が取得した回転子の電気角度の変化に同期して振幅が脈動する電気角度同期電圧を出力するよう電圧変換部に指示するための指令を生成する出力電圧指令生成部と、を備える。電圧変換部は、出力電圧指令生成部が生成した指令に応じて、直流電源の出力電圧を当該指令が示す電圧に昇圧又は降圧して、矩形波インバータに印加する。このため、電動機の応答遅れによる損失を低減できる。

Description

電動機の制御装置

　本発明は、永久磁石を有する回転子と、印加電圧によって回転磁界を発生して回転子を回転させる固定子と、を有する電動機の制御装置に関する。

　図１８は、本発明の関連技術としての電動機の制御装置を示すブロック図である。図１８に示す電動機１０の制御装置は、レゾルバ１０１と、電流センサ１０３と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０５と、３相－ｄｑ変換部１０７と、電流指令算出部１０９と、ｄ軸電流制御部１１１と、ｑ軸電流制御部１１３と、ｒθ変換部１１５と、インバータ（ＩＮＶ）１１７と、角速度算出部１１９と、直流電圧指令生成部１２１と、ＤＣＤＣコンバータ１２３と、出力電圧検出部１２５と、インバータ制御方式決定部１２７とを備える。図１８に示す電動機１０には、当該制御装置を介して、蓄電器１５から電力が供給される。なお、電動機１０は、例えば、永久磁石を有する回転子と、３相の印加電圧によって回転磁界を発生して回転子を回転させる固定子とを備えた３相ブラシレスＤＣモータである。

　レゾルバ１０１は、電動機１０の回転子の機械角度を検出し、検出した機械角度に応じた電気角度θｍを出力する。レゾルバ１０１から出力された電気角度θｍは、３相－ｄｑ変換部１０７及び角速度算出部１１９に送られる。電流センサ１０３は、インバータ１１７から出力された電動機１０の固定子に供給される３相電流の各相電流を検出する。

　ＢＰＦ１０５は、電流センサ１０３によって検出された３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを示す各電流検出信号の不要成分を除去する。３相－ｄｑ変換部１０７は、ＢＰＦ１０５により不要成分が除去された電流検出信号と、レゾルバ１０１によって検出された回転子の電気角度θｍとに基づいて３相－ｄｑ変換を行って、ｄ軸電流の検出値Ｉｄ＿ｓ及びｑ軸電流の検出値Ｉｑ＿ｓを算出する。

　電流指令算出部１０９は、外部から入力されたトルク指令値Ｔに基づいて、ｄ軸側の固定子（以下「ｄ軸固定子」という。）に流す電流（以下「ｄ軸電流」という。）の指令値Ｉｄ*及びｑ軸側の固定子（以下「ｑ軸固定子」という。）に流す電流（以下「ｑ軸電流」という。）の指令値Ｉｑ*を決定する。ｄ軸電流の指令値Ｉｄ*はｄ軸電流制御部１１１に入力される。また、ｑ軸電流の指令値Ｉｑ*はｑ軸電流制御部１１３に入力される。なお、ｄ軸は界磁軸であり、ｑ軸はトルク軸である。

　ｄ軸電流制御部１１１は、ｄ軸電流の指令値Ｉｄ*と検出値Ｉｄ＿ｓの偏差ΔＩｄが減少するよう、ｄ軸固定子の端子間電圧（以下「ｄ軸電圧」という。）の指令値Ｖｄ**を決定する。ｑ軸電流制御部１１３は、ｑ軸電流の指令値Ｉｑ*と検出値Ｉｑ＿ｓの偏差ΔＩｑが減少するよう、ｑ軸固定子の端子間電圧（以下「ｑ軸電圧」という。）の指令値Ｖｑ**を決定する。ｄ軸電圧の指令値Ｖｄ**及びｑ軸電圧の指令値Ｖｑ**は、ｒθ変換部１１５及びインバータ制御方式決定部１２７に入力される。

　ｒθ変換部１１５は、ｄ軸電圧の指令値Ｖｄ**及びｑ軸電圧の指令値Ｖｑ**を電圧レベルＶ１と角度θの成分に変換する。

　インバータ１１７は、ｒθ変換部１１５から入力された電圧レベルＶ１と角度θの成分に基づいて、ＤＣＤＣコンバータ１２３を介した蓄電器１５からの直流電圧を３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の交流電圧に変換する。なお、インバータ１１７は、矩形波インバータであって、インバータ制御方式決定部１２７から入力される切替フラグに応じて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御及びワンパルス（１ＰＬＳ）制御のいずれかを行う。なお、ＰＷＭ制御は、スイッチング周波数が高いほどインバータ１１７の出力電圧を高い精度で制御可能である。一方、１ＰＬＳ制御は、スイッチング周波数が低いためスイッチング損失が小さい。

　角速度算出部１１９は、レゾルバ１０１から出力された電気角度θｍを時間微分することによって、電動機１０の回転子の角速度ωを算出する。角速度算出部１１９によって算出された角速度ωは、直流電圧指令生成部１２１に入力される。

　直流電圧指令生成部１２１は、角速度ωと出力電圧指令Ｖｃｕ*とが対応したテーブルを参照して、角速度算出部１１９から入力された角速度ωに対応した一定の直流電圧を出力するようＤＣＤＣコンバータ１２３に指示する出力電圧指令Ｖｃｕ*を生成する。出力電圧指令Ｖｃｕ*は、ＤＣＤＣコンバータ１２３に入力される。ＤＣＤＣコンバータ１２３は、蓄電器１５の直流出力電圧を直流のまま昇圧又は降圧する。出力電圧検出部１２５は、ＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電圧Ｖｄｃを検出する。

　インバータ制御方式決定部１２７は、ＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電圧Ｖｄｃ、並びに、ｄ軸電流制御部１１１から出力されたｄ軸電圧の指令値Ｖｄ**及びｑ軸電流制御部１１３から出力されたｑ軸電圧の指令値Ｖｑ**に基づいて、インバータ１１７に入力する切替フラグを決定する。

　図１９は、インバータ制御方式決定部１２７の内部構成及びこれに関連する構成要素との関係を示すブロック図である。図１９に示すように、インバータ制御方式決定部１２７は、最大電圧円算出部２０１と、出力電圧円算出部２０３と、切替フラグ出力部２０５とを有する。最大電圧円算出部２０１は、ＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電圧Ｖｄｃを√６で除算した値（Ｖｄｃ／√６）Ｖｐ_targetを導出する。この値Ｖｐ_targetは、電動機１０に印加可能な相電圧の最大値、すなわち、インバータ１１７におけるデューティ比が１００％の状態で電動機１０に印加される相電圧値である。

　出力電圧円算出部２０３は、√（Ｖｄ**^２＋Ｖｑ**^２）の算出結果を合成ベクトル電圧Ｖｐとして導出する。切替フラグ出力部２０５は、最大電圧円算出部２０１によって導出された値Ｖｐ_targetと出力電圧円算出部２０３によって導出された合成ベクトル電圧Ｖｐの差分ΔＶｐ（＝Ｖｐ_target－Ｖｐ）に応じた切替フラグを出力する。切替フラグ出力部２０５は、差分ΔＶｐが０より大きい場合（ΔＶｐ＞０）はＰＷＭ制御を示す切替フラグを出力し、差分ΔＶｐが０以下の場合（ΔＶｐ≦０）は１ＰＬＳ制御を示すフラグを出力する。

日本国特開２００５－５１８９４号公報

　上記説明した電動機１０の制御装置では、ＤＣＤＣコンバータ１２３は、電動機１０の回転子の角速度ωに応じた一定の直流電圧を出力するよう制御される。また、インバータ１１７は、インバータ制御方式決定部１２７で導出された差分ΔＶｐ（＝Ｖｐ_target－Ｖｐ）が０より大きい（ΔＶｐ＞０）ときにはＰＷＭ制御を行い、差分ΔＶｐが０以下（ΔＶｐ≦０）のときには１ＰＬＳ制御を行う。このように、ＤＣＤＣコンバータ１２３は、電動機１０の出力範囲を拡げるために、電動機１０が高回転時には高電圧を出力するよう制御され、電動機１０のトルクは、インバータ１１７がＰＷＭ制御又は１ＰＬＳ制御を行うことによって制御される。

　インバータ１１７から各相電圧が印加される電動機１０の転流タイミングは、１電気角周期に６回しかない。このため、１ＰＬＳ制御時のインバータ１１７は、１電気角周期に６回しか出力を変更できない。また、インバータ１１７は、電動機１０に供給する各相電流のオーバーシュートの発生を抑えつつ、電動機１０への印加電圧、電動機１０に発生する誘起電圧、及び電動機１０のインピーダンスのバランスをとる必要がある。このため、インバータ１１７が１ＰＬＳ制御時に電動機１０が出力するトルクの応答性は低い。その結果、応答遅れによる損失が発生する。

　本発明の目的は、電動機の応答遅れによる損失を低減可能な電動機の制御装置を提供することである。

　上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の電動機の制御装置は、永久磁石を有する回転子（例えば、実施の形態での回転子１１）と、印加電圧によって回転磁界を発生して前記回転子を回転させる固定子（例えば、実施の形態での固定子１３）と、を有する電動機（例えば、実施の形態での電動機１０）の制御装置であって、前記電動機の前記固定子に矩形波電圧を印加して前記電動機を駆動する矩形波インバータ（例えば、実施の形態でのインバータ１１７）と、直流電源（例えば、実施の形態での蓄電器１５）の出力電圧を昇圧又は降圧して前記矩形波インバータに印加する電圧変換部（例えば、実施の形態でのＤＣＤＣコンバータ１２３）と、前記電動機の前記回転子の電気角度を取得する電気角度取得部（例えば、実施の形態でのレゾルバ１０１，位相推定部１７３）と、前記電気角度取得部が取得した前記回転子の電気角度の変化に同期して振幅が脈動する電気角度同期電圧を出力するよう前記電圧変換部に指示するための指令を生成する出力電圧指令生成部（例えば、実施の形態での出力電圧指令生成部１５１，１７１，１８１）と、を備え、前記電圧変換部は、前記出力電圧指令生成部が生成した前記指令に応じて、前記直流電源の出力電圧を当該指令が示す電圧に昇圧又は降圧して、前記矩形波インバータに印加することを特徴としている。

　さらに、請求項２に記載の発明の電動機の制御装置では、前記矩形波インバータは、複数相の矩形波電圧を前記固定子に印加し、前記出力電圧指令生成部が生成する前記指令が示す脈動パターンは、前記電気角度の所定変化量を一周期として前記電気角度同期電圧の振幅が変化し、前記複数相の矩形波電圧の絶対値のいずれか１つが最大となる電気角度で前記電気角度同期電圧が最大となる波形であることを特徴としている。

　さらに、請求項３に記載の発明の電動機の制御装置では、前記電気角度同期電圧の平均値は、前記電動機に求められたトルク及び前記回転子の角速度に基づいて導出された要求出力電力と、前記電圧変換部の出力電圧及び出力電流に基づいて導出された実際出力電力の差分に応じて得られた値であることを特徴としている。

　さらに、請求項４に記載の発明の電動機の制御装置では、永久磁石を有する回転子（例えば、実施の形態での回転子１１）と、印加電圧によって回転磁界を発生して前記回転子を回転させる固定子（例えば、実施の形態での固定子１３）と、を有する電動機（例えば、実施の形態での電動機１０）の制御装置であって、前記電動機の前記固定子に矩形波電圧を印加して前記電動機を駆動する矩形波インバータ（例えば、実施の形態でのインバータ１１７）と、直流電源（例えば、実施の形態での蓄電器１５）の出力電圧を昇圧又は降圧して前記矩形波インバータに印加する電圧変換部（例えば、実施の形態でのＤＣＤＣコンバータ１２３）と、前記固定子に印加される前記矩形波電圧の変化に同期して振幅が脈動する電気角度同期電圧を出力するよう前記電圧変換部に指示するための指令を生成する出力電圧指令生成部（例えば、実施の形態での出力電圧指令生成部１６１）と、を備え、前記電圧変換部は、前記出力電圧指令生成部が生成した前記指令に応じて、前記直流電源の出力電圧を当該指令が示す電圧に昇圧又は降圧して、前記矩形波インバータに印加することを特徴としている。

　さらに、請求項５に記載の発明の電動機の制御装置では、前記矩形波インバータは、複数相の矩形波電圧を前記固定子に印加し、前記出力電圧指令生成部が生成する前記指令が示す脈動パターンは、前記複数相の矩形波電圧の内のいずれか２つの相電圧が同一値となる電気角度に、前記電気角度同期電圧の最大値が対応する波形であることを特徴としている。

　さらに、請求項６に記載の発明の電動機の制御装置では、前記矩形波インバータは、複数相の矩形波電圧を前記固定子に印加し、前記出力電圧指令生成部が生成する前記指令が示す脈動パターンは、前記複数相の矩形波電圧の内のいずれか１つの相電圧０となる電気角度に、前記電気角度同期電圧の最大値が対応する波形であることを特徴としている。

　さらに、請求項７に記載の発明の電動機の制御装置では、前記電動機の前記回転子の角速度を取得する角速度取得部（例えば、実施の形態での角速度算出部１１９）を備え、前記電気角度同期電圧の平均値は、前記電動機に求められたトルク及び前記回転子の角速度に基づいて導出された要求出力電力と、前記電圧変換部の出力電圧及び出力電流に基づいて導出された実際出力電力の差分に応じて得られた値であることを特徴としている。

　さらに、請求項８に記載の発明の電動機の制御装置では、前記電圧変換部は、前記直流電源の出力電圧を昇圧して前記矩形波インバータに印加する昇圧型電圧変換部（例えば、実施の形態でのＤＣＤＣコンバータ２２３）であって、前記出力電圧指令生成部は、前記電気角度同期電圧の最小値が前記直流電源の出力電圧より大きいとき、当該電気角度同期電圧を出力するよう前記電圧変換部に指示するための前記指令を出力し、前記電気角度同期電圧の最小値が前記直流電源の出力電圧以下のとき、一定電圧を出力するよう前記電圧変換部に指示するための指令を出力し、前記電圧変換部は、前記出力電圧指令生成部が出力した指令に応じて、前記直流電源の出力電圧を当該指令が示す電圧に昇圧して、前記矩形波インバータに印加することを特徴としている。

　請求項１～８に記載の発明の電動機の制御装置によれば、矩形波インバータが１ＰＬＳ制御時であっても電動機の応答遅れによる損失を低減できる。すなわち、電圧変換部は、電動機の回転子の電気角度の変化に同期して振幅が脈動する電機角度同期電圧を出力するため、電気角度の変化に起因する電動機のトルクリプルが低減して、トルクの応答性が低いことに起因する損失が低減する。さらに、トルクリプルが低減するため、電動機１０の騒音や振動が低減される。

　請求項４～７に記載の発明の電動機の制御装置によれば、電動機の回転子の電気角度を取得する電気角度取得部を備えないため、出力電圧指令生成部は、当該電気角度取得部の誤差に影響されない電気角度同期電圧指令を生成することができる。

第１の実施形態の電動機の制御装置を示すブロック図第１の実施形態の電動機の制御装置の一部と、ＤＣＤＣコンバータ及びインバータ１１７の各回路とを示すブロック図第１の実施形態の電動機の制御装置の一部として、出力電圧指令生成部１５１及びインバータ制御方式決定部１２７の各内部構成、並びに、これらに関連する構成要素との関係を示すブロック図第１の実施形態の目標直流電圧指令生成部３０１の内部構成を示すブロック図電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***によるＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電圧、目標直流電圧指令Ｖｃｕ**が示す目標直流電圧、及び電動機１０に印加される３相交流電圧を示すグラフ基本波のみによって構成された３相電流とその合計値を示すグラフ基本波に加えて６次高調波が２０％重畳された３相電流とその合計値を示すグラフ基本波に加えて１２次高調波が２０％重畳された３相電流とその合計値を示すグラフ基本波に加えて１８次高調波が２０％重畳された３相電流とその合計値を示すグラフ第２の実施形態の電動機の制御装置を示すブロック図第２の実施形態の電動機の制御装置の一部として、出力電圧指令生成部１６１及びインバータ制御方式決定部１２７の各内部構成、並びに、これらに関連する構成要素との関係を示すブロック図第３の実施形態の電動機の制御装置を示すブロック図第４の実施形態の電動機の制御装置を示すブロック図第５の実施形態の電動機の制御装置を示すブロック図第５の実施形態の電動機の制御装置の一部と、ＤＣＤＣコンバータ及びインバータ１１７の各回路とを示すブロック図第５の実施形態の電動機の制御装置の一部として、出力電圧指令生成部１９１及びインバータ制御方式決定部１２７の各内部構成、並びに、これらに関連する構成要素との関係を示すブロック図第５の実施形態の目標直流電圧指令生成部５０１の内部構成を示すブロック図本発明の関連技術としての電動機の制御装置を示すブロック図図１８に示したインバータ制御方式決定部１２７の内部構成及びこれに関連する構成要素との関係を示すブロック図

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態の電動機の制御装置を示すブロック図である。図１に示すように、第１の実施形態の電動機の制御装置は、図１８に示した電動機の制御装置と同様に、レゾルバ１０１と、電流センサ１０３と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０５と、３相－ｄｑ変換部１０７と、電流指令算出部１０９と、ｄ軸電流制御部１１１と、ｑ軸電流制御部１１３と、ｒθ変換部１１５と、インバータ（ＩＮＶ）１１７と、角速度算出部１１９と、ＤＣＤＣコンバータ１２３と、出力電圧検出部１２５と、インバータ制御方式決定部１２７とを備え、直流電圧指令生成部１２１の代わりに出力電圧指令生成部１５１を備え、さらに、出力電流検出部１５３を備える。なお、図１において、図１８と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。

　図２は、第１の実施形態の電動機の制御装置の一部と、ＤＣＤＣコンバータ及びインバータ１１７の各回路とを示すブロック図である。図２に示すように、本実施形態で用いられるＤＣＤＣコンバータ１２３は、昇降圧コンバータである。

　図１及び図２に示した出力電流検出部１５３は、ＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電流Ｉｄｃを検出する。

　本実施形態の出力電圧指令生成部１５１は、電動機１０の回転子の電気角度θｍの位相に同期してレベルが変化する電圧を出力するようＤＣＤＣコンバータ１２３に指示するための指令Ｖｃｕ***を生成する。図１及び図２に示すように、出力電圧指令生成部１５１には、外部から入力されたトルク指令値Ｔと、角速度算出部１１９によって算出された角速度ωと、レゾルバ１０１から出力された電気角度θｍと、出力電圧検出部１２５が検出したＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電圧Ｖｄｃと、出力電流検出部１５３が検出したＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電流Ｉｄｃとが入力される。

　図３は、第１の実施形態の電動機の制御装置の一部として、出力電圧指令生成部１５１及びインバータ制御方式決定部１２７の各内部構成、並びに、これらに関連する構成要素との関係を示すブロック図である。なお、図３において、図１９と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。図３に示すように、出力電圧指令生成部１５１は、目標直流電圧指令生成部３０１と、電気角度同期電圧指令生成部３０３とを有する。図４は、第１の実施形態の目標直流電圧指令生成部３０１の内部構成を示すブロック図である。

　図４に示すように、目標直流電圧指令生成部３０１は、係数Ｋとトルク指令値Ｔと角速度ωを乗算して、要求出力電力Ｐ０を導出する。また、目標直流電圧指令生成部３０１は、ＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電流Ｉｄｃと出力電圧Ｖｄｃを乗算して、実際出力電力Ｐ１を導出する。目標直流電圧指令生成部３０１は、要求出力電力Ｐ０と実際出力電力Ｐ１の差分ΔＰ（＝Ｐ０－Ｐ１）に応じたＰＩ制御の制御量として、目標直流電圧指令Ｖｃｕ**を生成する。目標直流電圧指令Ｖｃｕ**は、電気角度同期電圧指令生成部３０３に入力される。

　電気角度同期電圧指令生成部３０３は、電動機１０の回転子の電気角度θｍの変化に同期して振幅が脈動し、その平均値が電気角度同期電圧指令生成部３０３から入力された目標直流電圧指令Ｖｃｕ**となる電気角度同期電圧を出力するようＤＣＤＣコンバータ１２３に指示する電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***を生成する。電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***は、ＤＣＤＣコンバータ１２３に入力される。

　電気角度θｍに同期した脈動パターンは、図示しないメモリにテーブル又は計算式の形態で記憶されている。図５は、電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***によるＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電圧、目標直流電圧指令Ｖｃｕ**が示す目標直流電圧、及び電動機１０に印加される３相交流電圧を示すグラフである。図５に示す脈動パターンは、一周期が電気角度６０度であって、正弦波を全波整流した波形である。したがって、当該脈動パターンは、｜ｋ×ｓｉｎ（３θｍ）｜（但し、ｋは係数）の計算式で表される。

　以上説明した本実施形態の電動機１０の制御装置では、ＤＣＤＣコンバータ１２３が、電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***に応じて、電動機１０の回転子の電気角度θｍに同期して脈動する電圧を出力する。インバータ１１７が１ＰＬＳ制御時には電動機１０が出力するトルクの応答性が低いため、インバータ１１７は、電動機１０の回転子の電気角度θｍの変化に起因するトルクリプルに対応することができない。しかし、本実施形態では、ＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電圧が、図５に示した脈動パターンで電気角度θｍに同期して脈動する。その結果、電気角度θｍの変化に起因する電動機１０のトルクリプルが低減して、トルクの応答性が低いことに起因する損失が低減する。さらに、電動機１０のトルクリプルが低減するため、電動機１０の騒音や振動が低減される。

　インバータ１１７から出力される相電流が基本波のみによって構成されていれば、図６に示すように、３相電流の合計値は電気角度θｍによらず０である。したがって、電気角度θｍが変化しても電動機１０のトルクは変化しない。しかし、矩形波インバータであるインバータ１１７から出力される相電流には高調波が含まれる。例えば、インバータ１１７は、基本波に加え６次高調波が全体の２０％を占める３相電流を出力する。しかし、図７に示すように、６次高調波が重畳された当該３相電流の合計値は一定しない。

　しかし、本実施形態では、ＤＣＤＣコンバータ１２３からインバータ１１７に入力される電圧が、本実施形態のように電気角度θｍに同期して脈動する。したがって、６次高調波が重畳された３相電流の合計値の変化がＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電流の脈動によって相殺されれば、インバータ１１７から出力される３相電流の合計値は一定となる。その結果、相電流の高調波が抑制されることとなり、インバータ１１７が１ＰＬＳ制御時であっても、その運転効率は向上する。

　一方、図８及び図９に示すように、６次高調波が重畳された３相電流の合計値の変化の次数をＤＣＤＣコンバータ１２３の出力電流の脈動によって高くすることによって、相電流の高調波を積極的にのせた場合、電動機１０のトルクリップルは低減する。その結果、電動機１０の騒音や振動が低減する。

　このように、ＤＣＤＣコンバータ１２３からインバータ１１７に入力される電圧が、電気角度θｍに同期して脈動すると、１ＰＬＳ制御時のインバータ１１７は、ＰＷＭ制御に切り替えなくても、電機角度θｍに応じて平均振幅が変化する各相電圧を出力できる。さらに、ＩＰＬＳ制御からＰＷＭ制御に切り替えてスイッチング周波数を上げる必要がないため、インバータ１１７におけるスイッチング損失を低減できる。

（第２の実施形態）
　図１０は、第２の実施形態の電動機の制御装置を示すブロック図である。図１０に示すように、第２の実施形態の電動機の制御装置は、図１に示した第１の実施形態の電動機の制御装置が備える構成要素に加えて、相電圧検出部１６３及び相電圧クロスポイント検出部１６５を備える。なお、図１０において、図１と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。

　相電圧検出部１６３は、電動機１０の固定子１３に印加される３相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを検出する。相電圧検出部１６３によって検出された３相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、相電圧クロスポイント検出部１６５に入力される。相電圧クロスポイント検出部１６５は、３相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの内のいずれか２つの相電圧が同一値となるタイミングを検出する。相電圧クロスポイント検出部１６５がこのタイミングを検出した時、相電圧クロスポイント検出部１６５は信号Ｓｃｒ１を出力電圧指令生成部１６１に入力する。このように、本実施形態の出力電圧指令生成部１６１には、回転子１１の電気角度θｍの代わりに、相電圧クロスポイント検出部１６５からの信号Ｓｃｒ１が入力される。

　図１１は、第２の実施形態の電動機の制御装置の一部として、出力電圧指令生成部１６１及びインバータ制御方式決定部１２７の各内部構成、並びに、これらに関連する構成要素との関係を示すブロック図である。なお、図１１において、図３と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。

　本実施形態の出力電圧指令生成部１６１が有する電気角度同期電圧指令生成部４０３は、相電圧クロスポイント検出部１６５からの信号Ｓｃｒ１に同期して振幅が脈動し、その平均値が電気角度同期電圧指令生成部４０３から入力された目標直流電圧指令Ｖｃｕ**となる電気角度同期電圧を出力するようＤＣＤＣコンバータ１２３に指示する電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***を生成する。信号Ｓｃｒ１に同期した脈動パターンでは、相電圧クロスポイント検出部１６５から信号Ｓｃｒ１が入力されたタイミングに、電気角度同期電圧の最大値が対応する。

　なお、他の実施形態として、相電圧クロスポイント検出部１６５の代わりに、３相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの内のいずれか１つの相電圧が０となるタイミングを検出する相電圧ゼロポイント検出部を備えても良い。相電圧ゼロポイント検出部がこのタイミングを検出した時、相電圧ゼロポイント検出部は信号Ｓｃｒ２を出力電圧指令生成部１６１に入力する。

　出力電圧指令生成部１６１が有する電気角度同期電圧指令生成部４０３は、相電圧ゼロポイント検出部からの信号Ｓｃｒ２に同期して振幅が脈動し、その平均値が電気角度同期電圧指令生成部４０３から入力された目標直流電圧指令Ｖｃｕ**となる電気角度同期電圧を出力するようＤＣＤＣコンバータ１２３に指示する電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***を生成する。信号Ｓｃｒ２に同期した脈動パターンでは、相電圧ゼロポイント検出部から信号Ｓｃｒ２が入力されたタイミングに、電気角度同期電圧の最小値が対応する。

　以上説明した本実施形態の電動機１０の制御装置では、レゾルバ１０１が検出した回転子１１の電気角度θｍの代わりに、相電圧クロスポイント検出部１６５からの信号Ｓｃｒ１又は相電圧ゼロポイント検出部からの信号Ｓｃｒ２に応じた電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***が生成される。このため、本実施形態の電気角度同期電圧指令生成部４０３は、レゾルバ１０１の検出誤差に影響されない電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***を生成することができる。

（第３の実施形態）
　図１２は、第３の実施形態の電動機の制御装置を示すブロック図である。図１２に示すように、第３の実施形態の電動機の制御装置は、図１に示した第１の実施形態の電動機の制御装置が備えるレゾルバ１０１の代わりに、位相推定部１７３を備える。なお、図１２において、図１と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。

　位相推定部１７３は、電流センサ１０３によって検出された３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから電動機１０の回転子の電気角度を推定する。位相推定部１７３によって推定された電気角度θｓは、３相－ｄｑ変換部１０７、角速度算出部１１９及び出力電圧指令生成部１７１に送られる。このように、本実施形態の出力電圧指令生成部１７１には、レゾルバ１０１によって検出された回転子１１の電気角度θｍの代わりに、位相推定部１７３によって推定された電気角度θｓが入力される。本実施形態の出力電圧指令生成部１７１は、電気角度θｓを第１の実施形態の電気角度θｍと同様に扱う。

（第４の実施形態）
　図１３は、第４の実施形態の電動機の制御装置を示すブロック図である。図１３に示すように、第４の実施形態の電動機の制御装置では、出力電圧指令生成部１８１に入力される電動機１０の回転子の電気角度として、ｒθ変換部１１５が出力する角度θが入力される。なお、図１３において、図１と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。本実施形態の出力電圧指令生成部１８１は、角度θを第１の実施形態の電気角度θｍと同様に扱う。

（第５の実施形態）
　図１４は、第５の実施形態の電動機の制御装置を示すブロック図である。また、図１５は、第５の実施形態の電動機の制御装置の一部と、ＤＣＤＣコンバータ及びインバータ１１７の各回路とを示すブロック図である。図１４に示すように、第５の実施形態の電動機の制御装置は、図１に示した第１の実施形態の電動機の制御装置が備える構成要素に加えて、蓄電器１５の出力電圧（以下「バッテリ電圧」という）Ｖｂを検出するバッテリ電圧検出部１９３を備える。なお、バッテリ電圧検出部１９３で検出されたバッテリ電圧Ｖｂは、出力電圧指令生成部１９１に入力される。また、図１５に示すように、本実施形態で用いられるＤＣＤＣコンバータ２２３は、昇圧コンバータである。すなわち、ＤＣＤＣコンバータ２２３は、蓄電器１５の直流出力電圧を直流のまま昇圧のみ行う。

　また、図１５に示すように、本実施形態の出力電圧指令生成部１９１の内部構成は、第１の実施形態の出力電圧指令生成部１５１と異なる。さらに、本実施形態では、インバータ制御方式決定部１２７から出力電圧指令生成部１９１に、第１の実施形態で説明した合成ベクトル電圧Ｖｐ、及び最大電圧円算出部２０１によって導出された値Ｖｐ_targetと合成ベクトル電圧Ｖｐの差分ΔＶｐが入力される。図１４及び図１５において、図１及び図２と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。

　図１６は、第５の実施形態の電動機の制御装置の一部として、出力電圧指令生成部１９１及びインバータ制御方式決定部１２７の各内部構成、並びに、これらに関連する構成要素との関係を示すブロック図である。なお、図１６において、図３と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。図１６に示すように、本実施形態の出力電圧指令生成部１９１は、目標直流電圧指令生成部５０１と、電気角度同期電圧指令生成部３０３と、判断部５０５とを有する。図１７は、第５の実施形態の目標直流電圧指令生成部５０１の内部構成を示すブロック図である。

　図１７に示すように、目標直流電圧指令生成部５０１は、第１の実施形態と同様に、要求出力電力Ｐ０と実際出力電力Ｐ１の差分ΔＰ（＝Ｐ０－Ｐ１）に応じたＰＩ制御の制御量として、目標直流電圧指令Ｖｃｕ**1を生成する。また、目標直流電圧指令生成部５０１は、インバータ制御方式決定部１２７から入力された合成ベクトル電圧Ｖｐと電圧利用率α（√６）を乗算して、目標直流電圧指令Ｖｃｕ**2を生成する。さらに、目標直流電圧指令生成部５０１は、インバータ制御方式決定部１２７から入力された差分ΔＶｐに応じた目標直流電圧指令Ｖｃｕ**を出力する。すなわち、目標直流電圧指令生成部５０１は、ΔＶｐ＞０のときは目標直流電圧指令Ｖｃｕ**1を出力し、ΔＶｐ≦０のときは目標直流電圧指令Ｖｃｕ**2を出力する。

　目標直流電圧指令生成部５０１から出力された目標直流電圧指令Ｖｃｕ**は、電気角度同期電圧指令生成部３０３及び判断部５０５に入力される。また、電気角度同期電圧指令生成部３０３で生成された電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***は、判断部５０５に入力される。判断部５０５は、電動機１０の回転子の電気角度θｍの変化に同期して振幅が脈動する電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***の最小値（Ｖｃｕ***min）と蓄電器１５のバッテリ電圧Ｖｂの比較結果に応じて、目標直流電圧指令Ｖｃｕ**又は電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***を出力する。すなわち、判断部５０５は、Ｖｃｕ***min≦Ｖｂのときは目標直流電圧指令Ｖｃｕ**を出力し、Ｖｃｕ***min＞Ｖｂのときは電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***を出力する。判断部５０５から出力された目標直流電圧指令Ｖｃｕ**又は電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***は、ＤＣＤＣコンバータ２２３に入力される。

　以上説明した本実施形態の電動機１０の制御装置では、昇圧型のＤＣＤＣコンバータ２２３が、目標直流電圧指令Ｖｃｕ**又は電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***に応じて動作する。Ｖｃｕ***minがＶｂより大きい（Ｖｃｕ***min＞Ｖｂ）とき、ＤＣＤＣコンバータ２２３は昇圧のみを行えば良いため電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***に対応できる。一方、Ｖｃｕ***minがＶｂ以下（Ｖｃｕ***min≦Ｖｂ）のとき、ＤＣＤＣコンバータ２２３は電気角度同期電圧指令Ｖｃｕ***に対応できない。したがって、Ｖｃｕ***minがＶｂ以下のとき、ＤＣＤＣコンバータ２２３は、目標直流電圧指令Ｖｃｕ**に応じて動作し、バッテリ電圧Ｖｂ以上の振幅が脈動しない電圧を出力する。

　したがって、昇圧型のＤＣＤＣコンバータ２２３であってもＶｃｕ***minがＶｂより大きい場合には、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、本実施形態の電動機１０の制御装置に、第２～第４の実施形態を適用しても良い。

　上記実施形態の電動機の制御装置を車両に搭載され、電動機１０が当該車両の駆動のために設けられた場合、電動機１０のトルクリプル低減によって電動機１０の騒音や振動が低減すれば、ドライバビリティが向上する。

　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

　本出願は、2009年3月4日出願の日本特許出願（特願2009－050255）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１０　電動機
１１　回転子
１３　固定子
１５　蓄電器
１０１　レゾルバ
１０３　電流センサ
１０５　バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１０７　３相－ｄｑ変換部
１０９　電流指令算出部
１１１　ｄ軸電流制御部
１１３　ｑ軸電流制御部
１１５　ｒθ変換部
１１７　インバータ（ＩＮＶ）
１１９　角速度算出部
１２３，２２３　ＤＣＤＣコンバータ
１２５　出力電圧検出部
１２７　インバータ制御方式決定部
１５１，１６１，１７１，１８１，１９１　出力電圧指令生成部
１５３　出力電流検出部
２０１　最大電圧円算出部
２０３　出力電圧円算出部
２０５　切替フラグ出力部
３０１，５０１　目標直流電圧指令生成部
３０３，４０３　電気角度同期電圧指令生成部
１６３　相電圧検出部
１６５　相電圧クロスポイント検出部
１７３　位相推定部
１９３　バッテリ電圧検出部
５０５　判断部

Claims

　永久磁石を有する回転子と、印加電圧によって回転磁界を発生して前記回転子を回転させる固定子と、を有する電動機の制御装置であって、
　前記電動機の前記固定子に矩形波電圧を印加して前記電動機を駆動する矩形波インバータと、
　直流電源の出力電圧を昇圧又は降圧して前記矩形波インバータに印加する電圧変換部と、
　前記電動機の前記回転子の電気角度を取得する電気角度取得部と、
　前記電気角度取得部が取得した前記回転子の電気角度の変化に同期して振幅が脈動する電気角度同期電圧を出力するよう前記電圧変換部に指示するための指令を生成する出力電圧指令生成部と、を備え、
　前記電圧変換部は、前記出力電圧指令生成部が生成した前記指令に応じて、前記直流電源の出力電圧を当該指令が示す電圧に昇圧又は降圧して、前記矩形波インバータに印加することを特徴とする電動機の制御装置。
　請求項１に記載の電動機の制御装置であって、
　前記矩形波インバータは、複数相の矩形波電圧を前記固定子に印加し、
　前記出力電圧指令生成部が生成する前記指令が示す脈動パターンは、前記電気角度の所定変化量を一周期として前記電気角度同期電圧の振幅が変化し、前記複数相の矩形波電圧の絶対値のいずれか１つが最大となる電気角度で前記電気角度同期電圧が最大となる波形であることを特徴とする電動機の制御装置。
　請求項１又は２に記載の電動機の制御装置であって、
　前記電気角度同期電圧の平均値は、前記電動機に求められたトルク及び前記回転子の角速度に基づいて導出された要求出力電力と、前記電圧変換部の出力電圧及び出力電流に基づいて導出された実際出力電力の差分に応じて得られた値であることを特徴とする電動機の制御装置。
　永久磁石を有する回転子と、印加電圧によって回転磁界を発生して前記回転子を回転させる固定子と、を有する電動機の制御装置であって、
　前記電動機の前記固定子に矩形波電圧を印加して前記電動機を駆動する矩形波インバータと、
　直流電源の出力電圧を昇圧又は降圧して前記矩形波インバータに印加する電圧変換部と、
　前記固定子に印加される前記矩形波電圧の変化に同期して振幅が脈動する電気角度同期電圧を出力するよう前記電圧変換部に指示するための指令を生成する出力電圧指令生成部と、を備え、
　前記電圧変換部は、前記出力電圧指令生成部が生成した前記指令に応じて、前記直流電源の出力電圧を当該指令が示す電圧に昇圧又は降圧して、前記矩形波インバータに印加することを特徴とする電動機の制御装置。
　請求項４に記載の電動機の制御装置であって、
　前記矩形波インバータは、複数相の矩形波電圧を前記固定子に印加し、
　前記出力電圧指令生成部が生成する前記指令が示す脈動パターンは、前記複数相の矩形波電圧の内のいずれか２つの相電圧が同一値となる電気角度に、前記電気角度同期電圧の最大値が対応する波形であることを特徴とする電動機の制御装置。
　請求項４に記載の電動機の制御装置であって、
　前記矩形波インバータは、複数相の矩形波電圧を前記固定子に印加し、
　前記出力電圧指令生成部が生成する前記指令が示す脈動パターンは、前記複数相の矩形波電圧の内のいずれか１つの相電圧０となる電気角度に、前記電気角度同期電圧の最大値が対応する波形であることを特徴とする電動機の制御装置。
　請求項４～６のいずれか一項に記載の電動機の制御装置であって、
　前記電動機の前記回転子の角速度を取得する角速度取得部を備え、
　前記電気角度同期電圧の平均値は、前記電動機に求められたトルク及び前記回転子の角速度に基づいて導出された要求出力電力と、前記電圧変換部の出力電圧及び出力電流に基づいて導出された実際出力電力の差分に応じて得られた値であることを特徴とする電動機の制御装置。
　請求項１～７のいずれか一項に記載の電動機の制御装置であって、
　前記電圧変換部は、前記直流電源の出力電圧を昇圧して前記矩形波インバータに印加する昇圧型電圧変換部であって、
　前記出力電圧指令生成部は、前記電気角度同期電圧の最小値が前記直流電源の出力電圧より大きいとき、当該電気角度同期電圧を出力するよう前記電圧変換部に指示するための前記指令を出力し、前記電気角度同期電圧の最小値が前記直流電源の出力電圧以下のとき、一定電圧を出力するよう前記電圧変換部に指示するための指令を出力し、
　前記電圧変換部は、前記出力電圧指令生成部が出力した指令に応じて、前記直流電源の出力電圧を当該指令が示す電圧に昇圧して、前記矩形波インバータに印加することを特徴とする電動機の制御装置。