JP5164440B2

JP5164440B2 - 可変界磁モータの定速制御装置

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Publication number: JP5164440B2
Application number: JP2007155847A
Authority: JP
Inventors: 健也柳原
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2027-06-13
Also published as: JP2008312298A

Description

本発明は、回転子と固定子との相対距離を可変にした可変界磁モータの定速制御装置に関するものである。

従来、電動モータにおいて、ステータとロータとの有効磁束を通す部分となる対向面積を増減させることで出力を調整可能にしたものがあり、例えばロータ側の磁気部材を軸線方向に移動させてロータとステータとの両磁気部材間の互いに重なり合う面積を増減させるようにしたもの（例えば特許文献１・２参照）や、ロータとステータとの対向面間のギャップ（間隙）を調整するようにしたものがあった（例えば特許文献３参照）。
特開平５−３００７１２号公報特開平６−１４１４０１号公報特開２００４−８０８４７号公報

上記したような可変界磁モータの駆動制御にあっては、ＰＷＭ制御を行い、必要に応じて界磁を可変させる制御を行うことができる。

一方、電動自動車の駆動モータに可変界磁モータを用いたものがある。また自動車にあっては、一定の速度で走行する定速走行装置を設けることにより快適な運転を行うことができる。可変界磁モータを用いた電動自動車にあって、定速走行制御する場合には、上記ＰＷＭ制御のデューティ比を増減して速度制御を行うことが考えられる。しかしながら、その場合には、速度が低いとデューティ比が小さくなるため、モータの効率が低下するという問題がある。

このような課題を解決して、可変界磁モータを用いた電動自動車の定速走行制御においてモータ効率を高め得ることを実現するために本発明に於いては、複数の磁石及び複数の電機子コイルの一方を周方向に配設された回転子と、前記複数の磁石及び複数の電機子コイルの他方を周方向に配設された固定子とを備えるモータと、電源と前記モータとの間で駆動電流を流すように設けられたパワー素子回路と、前記回転子と前記固定子との相対距離を可変にするべく前記回転子と前記固定子とのいずれか一方を前記回転子の回転軸の軸線方向に変位可能にするアクチュエータと、前記パワー素子回路を制御すると共に前記アクチュエータにより前記回転子と前記固定子との相対距離を変えて界磁を制御する制御装置と、前記モータを定回転速度で運転させるための定速信号を発生する定速走行信号発生手段と、前記回転子の前記固定子に対する回転角度を検出する回転センサとを備え、前記制御装置は、前記回転センサの検出信号に基づいて前記回転子の回転速度を検出する回転速度検出回路と、前記定速信号に応じた目標回転速度と前記回転速度検出手段により検出された実回転速度との回転速度偏差を求める速度比較回路と、前記目標回転速度に基づきかつ前記回転速度偏差に応じて前記駆動電流の基準となるデューティ比の出力デューティ決定信号を発生する出力デューティ決定回路と、前記出力デューティ決定信号に応じてパルス幅変調した駆動信号を前記回転角度信号に基づいて出力して前記パワー素子回路を制御するＰＷＭ信号生成回路と、前記ＰＷＭ信号生成回路から出力される前記駆動信号の位相を進角させる進角信号を発生する進角制御回路と、前記出力デューティ決定信号が予め定められた上限デューティ比に達したと判定した場合には上昇判定信号を発生し、前記出力デューティ決定信号が予め定められた下限デューティ比以下になったと判定した場合には低下判定信号を発生するデューティ判別回路と、前記上昇判定信号が発生した場合には前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を増大させる移動信号を、前記低下判定信号が発生した場合には前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を減少させる移動信号を前記アクチュエータに出力するアクチュエータ位置制御手段とを備え、前記上昇判定信号が発生した場合には、前記アクチュエータ位置制御手段により前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を増大させる移動信号を前記アクチュエータに出力し、前記進角制御回路により前記回転速度偏差に対応した前記進角信号を発生してから、前記出力デューティ決定回路により前記回転速度偏差に対応した前記デューティ比による出力デューティ決定信号を発生するものとした。

特に、前記進角制御回路は、前記上昇判定信号が発生した場合には前記回転速度偏差に対応した前記進角信号を発生すると良い。

このように本発明によれば、可変界磁モータを用い、界磁量を制御することで定速走行を実現し、ＰＷＭ制御のデューティ比の上限値として１００％または１００％に近い高デューティ比を設定し、定速走行時の駆動制御においてデューティ比が上限値になった場合には固定子と回転子との相対距離を増大させることにより、固定子と回転子との磁気結合力が弱まるため、デューティ比１００％または１００％に近い高デューティ比での定速制御が可能となり、低い速度であってもモータ効率を高めた制御を行うことができる。

特に、デューティ比が上限値になった場合に進角制御を行うことにより、固定子と回転子との相対距離を可変とするような機械的に動いて界磁が変化する制御では応答遅れが生じ易いのに対して、電気的な素早い応答による制御が可能になり、応答性の良い定速走行制御を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は電動自動車の駆動輪Ｗに適用された例を示す模式的断面図である。図において、車体１に固定支持軸２が側方に突出するように固定されており、その固定支持軸２には一対の軸受３ａ・３ｂを介してモータのアウタロータとなるロータ４が回転自在に支持されている。ロータ４の外周部にはホイールを介して駆動輪Ｗが取り付けられている。

ロータ４は、有底円筒形状をなしかつその中心部にボス部を有する形状であり、ボス部を形成する小径周壁部４ａと、その小径周壁部を同軸に外囲する大径周壁部４ｂとを有する。図に示されるように、ロータ４の両周壁部４ａ・４ｂ間の空間が車体１側に開放されている。大径周壁部４ｂの内周面には周方向にＮ・Ｓ極を並べた永久磁石としての複数のマグネット５が配設されている。また、両周壁部４ａ・４ｂによる空間に受容されるようにステータ６が設けられている。

固定支持軸２の車体１に固設された部分には外向フランジが形成されており、その外向フランジには小径周壁部４ａを外囲するガイド部材７が固設されている。ガイド部材７には例えばセレーションにより固定支持軸２の軸線方向に移動自在にされたスライド部材８が支持されている。スライド部材８の外周面には半径方向外向きの鍔が突設されており、その鍔に例えばビス止めされたブラケットを介してステータ６が支持されている。

ステータ６は、積層鋼板により形成された環状部分及びその環状部分から半径方向外向きに突出する複数のティースからなるコア６ａと、それらティースに巻回されたコイル巻線としてのコイル９とを有し、上記したようにスライド部材８と一体のブラケットにコア６ａの環状部分が適所でねじ止めされている。このようにして構成されたステータ６と上記ロータ４とにより本発明が適用される回転電機としてのモータＭが構成されている。

スライド部材８は、回転モータを駆動源とするモータ駆動型アクチュエータ１１により上記固定支持軸２の軸線方向に往復駆動されるようになっており、一体のステータ６も同様に往復移動する。図示例では、固定支持軸２の外向フランジにブラケットを介してアクチュエータ１１が固定されていると共に、アクチュエータ１１のモータ軸からなる回転軸に設けられた大ギアと噛み合う小ギアを同軸に有する駆動軸１２が、スライド部材８の移動方向に延在するように固定支持軸２の外向フランジ及び上記ブラケットにより軸支されている。その駆動軸１２のスライド部材８側には例えば台形ねじ部１２ａが設けられており、その台形ねじ部１２ａに螺合するナット部材１３がスライド部材８の鍔に固着されている。また、モータ駆動アクチュエータ１１には回転検出センサ１１ａが内蔵されている。そのモータにあっては、公知のパルスセンサを内蔵するモータと同様であって良い。なお、ナット部材１３の可動範囲は図示されない機械的ストッパにより規制されている。この機械的ストッパは単純なブラケットやブロック状部材を固定支持軸２のフランジ部に固設して設けるなどしたものであって良く、何等特別なものではないためその図示および説明を省略する。

このアクチュエータ１１により、モータＭの界磁（有効磁束の大きさ）を調整することができる。すなわち、アクチュエータ１１の回転駆動により駆動軸１２が回転し、そのねじ部１２ａに螺合しているナット部材１３が駆動軸１２の軸線方向に移動するため、スライド部材８と一体のコア６ａが駆動軸１２と平行になる固定支持軸２（ロータ４の回転軸）の軸線方向に移動し得る。これにより、コア６ａのティース突出端面がマグネット５の磁極面と重なる量が変化し、マグネット５とコア６ａとの間の磁束が増減するため、可変界磁型のモータが構成される。

次に、本発明に基づく制御要領について、図２のブロック回路図を参照して示す。なお、図示例のモータＭの基本形にあっては３相のブラシレスモータと同様のものであって良い。

図示例では、電源としての車載バッテリＢＴに、ＦＥＴを用いたブリッジ回路が構成されたパワー素子回路としてのインバータ２１を介してモータＭの各相コイル９が接続されている。なお、バッテリＢＴとインバータ２１とを接続する電源線にはメインスイッチＳＷが設けられている。モータＭにはロータ４の回転角度を検出する回転センサ２４が設けられており、その回転角度信号が制御回路ＥＣＵ内の回転角度検出回路２７と回転速度検出回路４１とに入力し、回転角度検出回路２７ではロータ４のステータ６に対する回転（角度）位置を算出し、回転速度検出回路４１ではロータ４のステータ６に対する回転速度を算出する。

また、制御回路ＥＣＵ内には運転操作入力回路２８が設けられており、運転操作入力回路２８には定速走行信号発生回路２８ａと加減速信号発生回路２８ｂとが設けられている。定速走行信号発生回路２８ａは、外部の図示されない定速走行選択スイッチからの選択信号の入力により定速走行の制御を行う定速走行制御信号を出力する。加減速信号発生回路２８ｂは、外部の例えばアクセル開度センサ（図示せず）からの信号であって良いアクセル操作信号の入力により加減速制御信号を出力する。

また、制御回路ＥＣＵ内には、定速走行制御信号が発生した時の回転速度検出回路４１からの回転速度信号による回転速度を定速走行時の目標回転速度として記録する回転速度記憶回路５１と、目標回転速度と回転速度検出回路４１からの現在回転速度との回転速度偏差を求める速度比較回路５２と、加減速制御信号に基づいて制御すべき出力電流の指令値を発生する出力指令回路２９と、その出力電流指令値と速度比較回路５２からの回転速度偏差信号とに基づいてインバータ２１のＰＷＭ制御におけるデューティ比ＤＵＴＹを決定する出力Ｄｕｔｙ決定回路３３と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３と接続されかつデューティ比を求めるデータが記憶されたデューテイ比マップ５３と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３からの出力信号と予め定められた判別値とによる判別結果を発生するＤｕｔｙ判別回路３６と、速度比較回路５２とＤｕｔｙ判別回路３６とからの各出力信号に基づいてＰＷＭ制御における進角値を求める進角制御回路３７と、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３と回転角度検出回路２７と進角制御回路３７とからの各出力信号が入力されると共にそれら入力値に応じてインバータ２１にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号生成手段としてのＰＷＭ信号生成回路３８と、出力指令回路２９とＤｕｔｙ判別回路３６と速度比較回路５２とからの各出力信号が入力されると共にそれら入力値に応じてステータ６の位置制御を行うためのステータ位置制御信号を発生するステータ位置制御回路３９と、ステータ位置制御回路３９と接続されかつステータ位置を求めるデータが記憶されたステータ位置マップ５４と、ステータ位置制御回路３９からのステータ位置制御信号と予め定められた判定値とによる判定結果を出力Ｄｕｔｙ決定回路３３に出力するステータ位置判定回路５５と、ステータ位置制御回路３９からの出力信号に基づいてアクチュエータ１１を駆動制御する位置駆動回路４０とが設けられている。

なお、図２における各回路はＩＣを用いて構成されるものと、ＣＰＵのプログラム制御により構成されるものとを含むものであって良い。また、図示された回路名称及び信号線により理解される部分についてはその詳しい説明を省略する。

上記ステータ位置制御回路３９にてステータ６（コア６ａ）の設定位置（目標位置）を算出し、それに応じた位置制御信号が位置駆動回路４０からアクチュエータ１１に出力され、アクチュエータ１１によりステータ６（コア６ａ）を駆動しかつ上記目標位置で停止状態にする。これにより、上記したようにマグネット５の磁極面とコア６ａのティース突出端面との重なり量（互いに対向する部分の面積；以下、対向面積と称する）が増減し、対向面積を通ることになる磁束が増減するため、モータＭの特性を、対向面積を大きくした場合には低回転・高トルク型とし、対向面積を小さくした場合には高回転・低トルク型とすることができる。

次に、本発明に基づく回生制御要領を図３のフロー図を参照して以下に示す。この図３のフローに入る条件は定速走行が選択されたことを定速走行信号発生回路２８ａにより認識した場合（定速走行制御信号の出力）であって良い。なお、アクセル量の変化に応じて加減速信号発生回路２８ｂで加速か減速かを判別し、加速制御である場合にその加速量に応じた加速信号を、減速制御である場合にはその減速量に応じた減速信号を出力指令回路２９に出力し、それぞれに応じたデューティ比ＤＵＴＹによる加減速制御を行う点については、公知のＰＷＭ制御と同じであって良く、その詳しい説明を省略する。なお、進角制御にあっては、公知のブラシレスモータにおける進角制御と同様に各相（Ｕ・Ｖ・Ｗ相）の電流波形の立ち上がりを電気角において進角させ、それに応じてＰＷＭ信号生成回路３８によりインバータ２１を制御することであって良く、その詳細な説明は省略する。

まずステップＳＴ１では、定速走行制御信号の出力時の回転速度を定速走行時の目標速度Ｖｐとして回転速度記憶回路５１に記憶し、次のステップＳＴ２では、目標速度Ｖｐと、回転速度検出回路４１で常に連続して検出されている現在速度Ｖｎとから速度比較回路５２にて速度偏差ｄＶ（＝Ｖｐ−Ｖｎ）を求める。

例えばモータＭの負荷が増大すると、回転子４の回転速度が低下する。それにより速度比較回路５２から大きな速度偏差ｄＶの信号が出力される。その大きな速度偏差ｄＶに応じて出力Ｄｕｔｙ決定回路３３から出力されるデューティ比ＤＵＴＹも大きくなる。

次のステップＳＴ３で、デューティ比ＤＵＴＹが本図示例の上限値となる１００％に達したか否かをＤｕｔｙ判別回路３６で判別する。なお、上限値は１００％に限られるものではなく、１００％近くの値に設定しても良い。

ステップＳＴ３でデューティ比ＤＵＴＹが１００％に達したと判定された場合にはステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４では、デューティ比ＤＵＴＹが１００％に達したとする上昇判定信号をＤｕｔｙ判別回路３６から進角制御回路３７とステータ位置制御回路３９とに出力する。

ステップＳＴ３でデューティ比ＤＵＴＹが１００％未満であると判定された場合にはステップＳＴ５に進み、上昇判定されている状態か否かを判別する。上昇判定されていないと判定された場合にはステップＳＴ６に進む。

ステップＳＴ６では、出力指令回路２９からの出力電流指令値と速度偏差ｄＶとに基づいて出力Ｄｕｔｙ決定回路３３によりデューティ比ＤＵＴＹを決定し、次のステップＳＴ７では、デューティ比ＤＵＴＹに基づきパルス幅変調されたＰＷＭ信号をＰＷＭ信号生成回路３８からインバータ２１に出力して、モータＭ駆動制御する。デューティ比ＤＵＴＹが１００％に達するまでは、速度偏差ｄＶの大きさに応じてデューティ比ＤＵＴＹを増減し、目標速度Ｖｐに現在速度Ｖｎが近づいて、両速度がほぼ同じになるように回転子４の回転速度が維持されるようになる。

ステップＳＴ３でデューティ比ＤＵＴＹが１００％に達したと判定されてステップＳＴ４に進んだ場合には、上記したステップＳＴ４での処理の後にステップＳＴ８に進む。そのステップＳＴ８では、ステータ位置制御回路３９により速度偏差ｄＶに基づいてステータ６であるコア６ａを抜く位置をステータ位置マップ５４から求め、ロータ４に対してコア６ａをその位置に向けて抜く制御を行う。これにより、ロータ４とステータ６との磁気結合力が弱められ、回転子６の回転速度が上昇し得る。なお、ステータ位置マップ５４にあっては、速度偏差ｄＶに対するステータ位置を段階的に変化させるようにマップ化したものであっても良い。またはアナログ的に変化させるように、速度偏差ｄＶを変数とした関数によりステータ位置を求めるようにしても良い。

ステップＳＴ８の次にはステップＳＴ９に進み、そこで、進角制御回路３７により速度偏差ｄＶに基づいて進角値を求める。ステップＳＴ９の次には上記したステップＳＴ６に進む。この場合には、ステップＳＴ７で、進角されたＰＷＭ信号で駆動制御することから、回転子４の回転速度が上昇し得る。これにより、デューティ比ＤＵＴＹが１００％に達した状態でも回転子４の回転速度を上昇させることができ、負荷増大により低下した回転速度を復活させて、目標速度Ｖｐに現在速度Ｖｎをほぼ一致させる定速走行制御を維持し得る。

なお、進角制御およびＰＷＭ制御は電気的に行われ、ステータ位置制御は機械的変位により行われる。したがって、回転子４の速度変化の応答特性（周波数特性）にあっては、進角制御およびＰＷＭ制御の方が優れているため、上昇判定信号発生後の制御は、まず進角制御およびＰＷＭ制御によって行われ、続いてステータ位置制御が行われるようになる。

このように、進角およびステータ変位制御を行う場合であっても、出力Ｄｕｔｙ決定回路３３によりＰＷＭ信号生成回路３８に出力されるデューティ比ＤＵＴＹが決定される（ステップＳＴ６）。ステータ６を抜いて回転速度が高まり、目標速度Ｖｐに対して現在速度Ｖｎが高まり過ぎた場合には、ステータ６を入れるより先にデューティ比ＤＵＴＹを低下させることになる。

また、上記ステップＳＴ５で上昇判定されている状態であると判定された場合にはステップＳＴ１０に進む。ステップＳＴ１０では、デューティ比ＤＵＴＹが下限値Ｄｄｏｗｎ以下になったか否かを判別する。下限値Ｄｄｏｗｎ以下になったと判定された場合にはステップＳＴ１１に進む。ステップＳＴ１１では、デューティ比ＤＵＴＹが下限値Ｄｄｏｗｎ以下になったと判定されたことにより上記上昇判定状態を解除する（低下判定）。この低下判定信号はＤｕｔｙ判別回路３６から進角制御回路３７とステータ位置制御回路３９とに出力される。

続くステップＳＴ１２では、その低下判定信号に応じてステータ位置制御回路３９により、速度偏差ｄＶに基づいてステータ位置マップ５４からステータ６であるコア６ａを入れる位置を求め、ロータ４に対してコア６ａをその位置に向けて入れる制御を行う。これにより、ロータ４とステータ６との磁気結合力が強められ、回転子６の回転速度が低下し得るため、上昇し過ぎた回転速度を元に戻して、目標速度Ｖｐに現在快速度Ｖｎをほぼ一致させる定速走行制御を維持し得る。

ステップＳＴ１２の次にはステップＳＴ９を経てステップＳＴ６に進むため、コア入れ制御中にあっても上記と同様に、進角およびデューティ比ＤＵＴＹが決定され、それらに応じたＰＷＭ制御が行われる。このようにして、本発明に基づく定速走行制御のルーチンが実行される。

上述したように、デューティ比ＤＵＴＹが１００％に達してもステータ６の位置をロータ４に対して抜くことから、より高速回転可能に制御でき、広範囲な速度域での定速走行制御が可能になる。例えば、低速度での定速走行において、ステータ６を大きく抜くことにより、デューティ比ＤＵＴＹを１００％または１００％に近い状態でのＰＷＭ制御が可能になるため、モータＭの駆動制御の効率が良くなる。

また、図２の二点鎖線で示されるように、外部であって運転者が操作可能な位置にステータ位置を手動操作可能にする手動操作装置５６を設けても良い。手動操作装置５６にあっては、例えばダイヤルや切替スイッチにより複数段階のステータ位置を選択可能にした操作盤とし、ステータ位置の選択信号を位置駆動回路４０に入力する。位置駆動回路４０では、ステータ位置の選択信号に応じてアクチュエータ１１を駆動して、ステータ６を強制的に変位させる。

このようにすることにより、低速度走行時などにステータ６を手動で大きく変位させることができ、より一層モータ効率を追求した制御を意識的に行うことができる。

本発明にかかる可変界磁モータの定速制御装置は、低回転速度においても効率の良いモータ制御を行うことができ、可変界磁型モータを用いて定回転速度制御を行う定速制御装置等として有用である。

電動自動車の駆動輪Ｗに適用された例を示す模式的断面図である。制御要領を示す回路ブロック図である。本発明に基づく制御要領を示すフロー図である。

符号の説明

４ロータ
５マグネット
６ステータ
１１アクチュエータ
２１インバータ
２８ａ定速走行信号発生回路
３７進角制御回路
３８ＰＷＭ信号生成回路
３９ステータ位置制御回路
５１回転速度記録回路
５２速度比較回路
ＥＣＵ制御回路
Ｍモータ

Claims

複数の磁石及び複数の電機子コイルの一方を周方向に配設された回転子と、前記複数の磁石及び複数の電機子コイルの他方を周方向に配設された固定子とを備えるモータと、電源と前記モータとの間で駆動電流を流すように設けられたパワー素子回路と、前記回転子と前記固定子との相対距離を可変にするべく前記回転子と前記固定子とのいずれか一方を前記回転子の回転軸の軸線方向に変位可能にするアクチュエータと、前記パワー素子回路を制御すると共に前記アクチュエータにより前記回転子と前記固定子との相対距離を変えて界磁を制御する制御装置と、前記モータを定回転速度で運転させるための定速信号を発生する定速走行信号発生手段と、前記回転子の前記固定子に対する回転角度を検出する回転センサとを備え、
前記制御装置は、
前記回転センサの検出信号に基づいて前記回転子の回転速度を検出する回転速度検出回路と、
前記定速信号に応じた目標回転速度と前記回転速度検出手段により検出された実回転速度との回転速度偏差を求める速度比較回路と、
前記目標回転速度に基づきかつ前記回転速度偏差に応じて前記駆動電流の基準となるデューティ比の出力デューティ決定信号を発生する出力デューティ決定回路と、
前記出力デューティ決定信号に応じてパルス幅変調した駆動信号を前記回転角度信号に基づいて出力して前記パワー素子回路を制御するＰＷＭ信号生成回路と、
前記ＰＷＭ信号生成回路から出力される前記駆動信号の位相を進角させる進角信号を発生する進角制御回路と、
前記出力デューティ決定信号が予め定められた上限デューティ比に達したと判定した場合には上昇判定信号を発生し、前記出力デューティ決定信号が予め定められた下限デューティ比以下になったと判定した場合には低下判定信号を発生するデューティ判別回路と、
前記上昇判定信号が発生した場合には前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を増大させる移動信号を、前記低下判定信号が発生した場合には前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を減少させる移動信号を前記アクチュエータに出力するアクチュエータ位置制御手段とを備え、
前記上昇判定信号が発生した場合には、前記アクチュエータ位置制御手段により前記回転子と前記固定子との間の前記相対距離を増大させる移動信号を前記アクチュエータに出力し、前記進角制御回路により前記回転速度偏差に対応した前記進角信号を発生してから、前記出力デューティ決定回路により前記回転速度偏差に対応した前記デューティ比による出力デューティ決定信号を発生することを特徴とする可変界磁モータの定速制御装置。