JP4712585B2 - 電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石界磁型の回転電動機の界磁弱め制御を、回転軸の周囲に配置された二つのロータ間の位相差を変更することによって行う電動機の制御装置に関する。

従来より、永久磁石界磁型の回転電動機の回転軸の周囲に同心円状に設けた第１ロータ及び第２ロータを備え、回転速度に応じて第１ロータと第２ロータの位相差を変更することで、界磁弱め制御を行うようにした電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかる従来の電動機においては、第１ロータと第２ロータが、遠心力の作用により径方向に沿って変位する部材を介して接続されている。また、電動機が停止状態にあるときに、第１ロータに配置された永久磁石の磁極と第２ロータに配置された永久磁極の磁極の向きが同一となって界磁の磁束が最大となり、電動機の回転速度が高くなるに従って遠心力により第１ロータと第２ロータの位相差が拡大して、界磁の磁束が減少するように構成されている。

ここで、図１４は縦軸を出力トルクＴrとし横軸を回転数Ｎとして、電動機の界磁弱めが必要となる領域を示したものであり、図中ｕは電動機の直交ライン（界磁弱め制御を行わずに電動機を作動させたときに、回転数と出力トルクの組合わせにより電動機の相電圧が電源電圧と等しくなる点を結んだもの）である。図中Ｘは界磁弱めが不要な領域であり、Ｙは界磁弱めが必要な領域である。

図１４に示したように、界磁弱めが必要となる領域Ｙは電動機の回転数Ｎと出力トルクＴrにより決定されるため、従来の回転数のみによる界磁弱め制御では、界磁弱めの制御量が過大又は過小となるという不都合がある。

また、本来、界磁弱め制御は、電動機の回転により電機子に生じる逆起電力を減少させて電機子の端子間電圧が電源電圧よりも大きくなることを抑制し、これにより、電動機をより高回転域で使用できるようにするものである。そして、電動機の回転数や遠心力で第１ロータと第２ロータの位相差を変更する場合には、界磁弱めを変更するパラメータが回転数のみであるため、電動機の出力トルクや回転数の制御範囲を柔軟に変更することができないという不都合がある。

また、発電機としても作動する電動機においては、一般的に駆動時（出力トルクが正）と発電時（出力トルクが負）では同一回転数に対する界磁の制御量を変えた方が運転効率が高くなるが、回転数や遠心力で第１ロータと第２ロータの位相差を変更するときには、このように駆動時と発電時で界磁の制御量を変えることができないという不都合がある。
特開２００２−２０４５４１号公報

本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、回転軸の周囲に配置された二つのロータを有する電動機を作動させる際に、電動機の回転数に依ることなく、電動機の作動状態に応じた効率の良い通電制御を実行することができる電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、永久磁石による界磁を複数個有する第１ロータ及び第２ロータを、回転軸の周囲に配置した永久磁石界磁型の回転電動機の作動を、該第１ロータと該第２ロータとの位相差であるロータ位相差を変更することによる界磁制御を行って制御する電動機の制御装置に関する。なお、前記界磁制御には、前記電動機の界磁の磁束を減少させる界磁弱め制御と、前記電動機の界磁の磁束を増大させる界磁強め制御とが含まれる。

そして、本発明の第１の態様は、直流電源から供給される直流電力を前記電動機の電機子に供給する多相交流電力に変換するインバータ回路と、前記ロータ位相差を変更するロータ位相差変更手段と、前記直流電源の出力電圧を変更する直流電圧変更手段と、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された目標電圧よりも大きくなったときに、前記ロータ位相差変更手段により、前記電動機の界磁の磁束が減少する方向に前記ロータ位相差を変更する「第１の端子間電圧上昇対処処理」と、前記直流電圧変更手段により、前記直流電源の出力電圧を上昇させる「第２の端子間電圧上昇対処処理」とのうちの、少なくともいずれか一方を実行する端子間電圧上昇対処手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きくなると、前記インバータ回路から前記電動機への通電量が減少して前記電動機の出力トルクが減少する。そこで、この場合に、前記端子間電圧上昇対処手段により、前記ロータ位相差を前記電動機の界磁の磁束が減少する方向に変更する前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」を実行することによって、前記電動機の逆起電力が減少するため、前記電動機への通電量を増加させることができる。また、前記端子間電圧上昇対処手段により、前記直流電源の出力電圧を上昇させる前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」を実行することによっても、前記電動機への通電量を増加させることができる。そして、前記端子間電圧上昇対処手段による前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」は、前記電動機の回転数ではなく前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさに応じて実行されるため、前記電動機の作動状態に応じて、必要な通電量を確保して前記電動機を効率良く作動させることができる。

また、前記端子間電圧上昇対処手段は、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きくなったときに、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」を前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」よりも先に実行し、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」を実行しても、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きい状態が維持されるときには、前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」を実行することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きくなったときに、前記端子間電圧上昇対処手段により、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」を先に実行して、前記電動機の界磁の磁束を減少させる。そして、この前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」により、前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧以下となれば、前記インバータ回路から前記電動機への通電を維持することができる。一方、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」を実行しても、前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きいときには、前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」を実行して、前記直流電源の出力電圧を上昇させることによって、前記インバータから前記電動機への通電が可能な前記電動機の作動範囲をさらに拡大することができる。

また、所定のトルク指令値に応じて前記電動機の作動を制御し、前記端子間電圧上昇対処手段は、前記トルク指令値の変化率に応じて、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」において前記ロータ位相差変更手段により前記ロータ位相差を変更する機械的な処理は、前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」において前記直流電圧変更手段により前記直流電源の出力電圧を変更する電気的な処理よりも、変更指令に対する応答時間が長くなる。そこで、前記トルク指令値の変化率に応じて、例えば、該変化率が予め設定された基準値よりも大きいときは、応答時間が短い前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」を先に実行して前記電動機の通電量の維持を優先し、また、該変化率が該基準値以下であるときには、応答時間が長い前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」を先に行って電動機の運転効率の維持を優先することができる。

また、前記端子間電圧上昇対処手段は、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさと前記目標電圧との偏差の大きさに応じて、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさと前記目標電圧との偏差の大きさに応じて、例えば、該偏差が予め設定された基準値よりも大きいときは、応答時間が短い前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」を先に実行して前記電動機の通電量の維持を優先し、また、該偏差が該基準値以下であるときには、応答時間が長い前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」を先に行って電動機の運転効率の維持を優先することができる。

また、前記第１ロータの位置を検出するロータ位置検出手段と、前記第１ロータの位置に基づいて、前記電動機を界磁の磁束方向であるｄ軸と該ｄ軸に直交するｑ軸からなる２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱い、該等価回路における各軸の電機子の通電量を制御することにより、前記電動機の通電制御を行う通電制御手段とを備え、前記端子間電圧上昇対処手段は、前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きくなったときに、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と、前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」と、前記通電制御におけるｄ軸側の電機子の通電量を増加させる「第３の端子間電圧上昇対処処理」とのうちの少なくともいずれか一つを実行することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記端子間電圧上昇対処手段により、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」に加えて、ｄ軸側の電機子の通電量を増加させる「前記第３の端子間電圧上昇対処処理」を実行することによって、前記電動機に生じる逆起電圧をさらに低下させることができるため、前記電動機をより高回転領域で作動させることができる。

また、前記端子間電圧上昇対処手段は、前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きくなったときに、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」及び前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」を、前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」よりも先に実行し、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」及び前記「第２の端子間上昇対処処理」を実行しても、前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きい状態が維持されるときには、前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」を実行することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きくなったときに、前記端子間電圧上昇対処手段により、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」及び前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」を前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」よりも先に実行することによって、前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」によるｄ軸電機子の通電量の増加によって前記電動機の運転効率が低下することを極力回避することができる。

また、所定のトルク指令値に応じて前記電動機の作動を制御し、前記端子間電圧上昇対処手段は、前記トルク指令値の変化率に応じて、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と、前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」と、前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記トルク指令値の変化率に応じて、例えば、該変化率が予め設定された基準値よりも大きいときは、電気的な処理であって応答時間が短い前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」又は前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」を先に行って前記電動機の通電量の維持を優先し、また、該変化率が該基準値以下であるときには、機械的な処理であって応答時間が長いが、前記電動機への通電量が減少する前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」を先に行って電動機の運転効率の維持を優先することができる。

また、前記端子間電圧上昇対処手段は、前記電動機の各相の端子間電圧の合成ベクトルの大きさと前記目標電圧との偏差の大きさに応じて、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と、前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」と、前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさと前記目標電圧との偏差の大きさに応じて、例えば、該偏差が予め設定された基準値よりも大きいときは、応答時間が短い前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」及び前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」を先に実行して前記電動機の通電量の維持を優先し、また、該偏差が該基準値以下であるときには、応答時間が長い前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」を先に行って電動機の運転効率の維持を優先することができる。

また、本発明の第２の態様は、直流電源から供給される直流電力を前記電動機の電機子に供給する多相交流電力に変換するインバータ回路と、前記ロータ位相差を変更するロータ位相差変更手段と、前記直流電源の出力電圧を変更する直流電圧変更手段と、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された目標電圧よりも小さくなったときに、前記ロータ位相差変更手段により、前記電動機の界磁の磁束が増加する方向に前記ロータ位相差を変更する「第１の端子間電圧低下対処処理」と、前記直流電圧変更手段により、前記直流電源の出力電圧を低下させる「第２の端子間電圧低下対処処理」とのうちの、少なくともいずれか一方を実行する端子間電圧低下対処手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも小さくなると、前記インバータ回路における前記直流電力から前記多相の交流電力への変換の際に生じる電力損失が増大する。そこで、この場合に、前記端子間電圧低下対処手段により、前記ロータ位相差の変更による「前記第１の端子間電圧低下対処処理」を実行することによって、前記電動機の界磁の磁束を増加させて前記電動機の各相の電機子の端子間電圧を上昇させることができる。そして、これにより、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさと前記目標電圧との偏差を減少させて、前記インバータ回路における電力損失を低減することができる。

また、前記端子間電圧低下対処手段により、前記直流電源の出力電圧の変更による前記「第２の端子間電圧低下対処処理」を実行することによって、前記直流電源の出力電圧を低下させることができる。そして、これにより、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさと前記インバータ回路に入力される直流電力の電圧との偏差を減少させて、前記インバータ回路における電力損失を低減することができる。そして、前記端子間電圧低下対処手段による前記「第１の端子間電圧低下対処処理」と前記「第２の端子間電圧低下対処処理」は、前記電動機の回転数ではなく前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさに応じて実行されるため、前記電動機の作動状態に応じて前記電動機の運転効率の低下を抑制することができる。

また、前記端子間電圧低下対処手段は、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも小さくなったときに、前記「第１の端子間電圧低下対処処理」を前記「第２の端子間電圧低下対処処理」よりも先に実行し、前記「第１の端子間電圧低下対処処理」を実行しても、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも小さい状態が維持されるときには、前記「第２の端子間電圧低下対処処理」を実行することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも小さくなったときに、前記端子間電圧低下対処手段により、前記「第１の端子間電圧低下対処処理」を先に実行して、前記電動機の界磁の磁束を増加させる。そして、この前記「第１の端子間電圧低下対処処理」により、前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさを前記目標電圧に近づけて、前記インバータ回路における電力損失を低減することができると共に、前記電動機の通電量を減少させることができる。

また、所定のトルク指令値に応じて前記電動機の作動を制御し、前記端子間電圧低下対処手段は、前記トルク指令値の変化率に応じて、前記「第１の端子間電圧低下対処処理」と前記「第２の端子間電圧低下対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記トルク指令値の変化率に応じて、例えば、該変化率が予め設定された基準値よりも大きいときは、電気的な処理であって応答時間が短い前記「第２の端子間電圧低下対処処理」を先に実行して、前記電動機の出力トルクの変化に応じて前記インバータ回路の作動状態を速やかに変更することができる。また、該変化率が該基準値以下であるときには、機械的な処理であって応答時間が長いが、前記電動機への通電量を減少させることができる前記「第１の端子間電圧低下対処処理」を先に行って、前記インバータ回路の作動状態を変更することができる。

また、前記端子間電圧低下対処手段は、前記電動機の各相の端子間電圧の合成ベクトルの大きさと前記目標電圧との偏差の大きさに応じて、前記「第１の端子間電圧低下対処処理」と前記「第２の端子間電圧低下対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機の各相の端子間電圧の合成ベクトルの大きさと前記目標電圧との偏差の大きさに応じて、例えば該偏差が予め設定された基準値よりも大きいときは、応答時間が短い前記「第２の端子間電圧低下対処処理」を先に実行して、前記電動機の出力トルクの変化に応じて前記インバータ回路の作動状態を速やかに変更することができる。また、該偏差が該基準値以下であるときには、応答時間が長いが前記電機子への通電量を減少させることができる前記「第１の端子間電圧低下対処処理」を先に行なって、前記インバータ回路の作動状態を変更することができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図１３を参照して説明する。図１は２重ロータを備えたＤＣブラシレスモータの構成図、図２は図１に示したＤＣブラシレスモータの外側ロータと内側ロータの位相差を変更する機構の構成図及び作動説明図、図３及び図４は外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図、図５は電動機の制御装置の制御ブロック図、図６はｄｑ座標系における電圧ベクトル図、図７は誘起電圧定数からロータ位相差を決定するマップ及び誘起電圧定数とｑ軸電機子のインダクタンスからロータ位相差を決定するマップの説明図、図８は界磁弱め及び電源電圧の上昇による効果の説明図、図９は界磁強め及び電源電圧の低下による効果の説明図、図１０は電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルを目標電圧円に近づける処理の実行順序を決定する処理のフローチャート、図１１は電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルを目標電圧円に近づける処理のフローチャート、図１２は誘起電圧定数からロータ位相差を決定するマップの説明図、図１３はアクチュエータによりロータ位相差を変更する処理のフローチャートである。

図１を参照して、本実施の形態における電動機１は、永久磁石１１ａ，１１ｂの界磁が周方向に沿って等間隔に配設された内側ロータ１１（本発明の第２ロータに相当する）と、永久磁石１２ａ，１２ｂの界磁が周方向に沿って等間隔に配設された外側ロータ１２（本発明の第１ロータに相当する）と、内側ロータ１１及び外側ロータ１２に対する回転磁界を発生させるための電機子１０ａを有するステータ１０とを備えたＤＣブラシレスモータである。電動機１は、例えばハイブリッド車両や電動車両の駆動源として使用され、ハイブリッド車両に搭載されたときは、電動機及び発電機として動作する。

内側ロータ１１と外側ロータ１２は、共に回転軸が電動機１の回転軸２と同軸となるように同心円状に配置されている。そして、内側ロータ１１においては、Ｎ極を回転軸２側とする永久磁石１１ａとＳ極を回転軸２側とする永久磁石１１ｂが交互に配設されている。同様に、外側ロータ１２においても、Ｎ極を回転軸２側とする永久磁石１２ａとＳ極を回転軸２側とする永久磁石１２ｂが交互に配設されている。

次に、電動機１は、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差であるロータ位相差を変更するために、図２（ａ）に示した遊星歯車機構３０を備えている。図２（ａ）を参照して、遊星歯車機構３０は、内側ロータ１１の内周側の中空部に配置されたシングルピニオン型の遊星歯車機構であり、外側ロータ１２と同軸且つ一体に形成された第１リングギアＲ１、内側ロータ１１と同軸且つ一体に形成された第２リングギアＲ２、第１リングギアＲ１と噛合する第１プラネタリギア３１、第２リングギアＲ２に噛合する第２プラネタリギア３２、第１プラネタリギア３１及び第２プラネタリギア３２と噛合するアイドルギアであるサンギアＳ、第１プラネタリギア３１を回転自在に支持すると共に回転軸２に回転可能に軸支された第１プラネタリキャリアＣ１、及び第２プラネタリギア３２を回転自在に支持すると共にステータ１０に固定された第２プラネタリキャリアＣ２を備えている。

遊星歯車機構３０において、第１リングギアＲ１と第２リングギアＲ２は略同等のギア形状とされ、第１プラネタリギア３１と第２プラネタリギア３２も略同等のギア形状とされている。また、サンギアＳの回転軸３３は電動機１の回転軸２と同軸に配置されると共に、軸受け３４により回転可能に軸支されている。そして、これにより、第１プラネタリギア３１と第２プラネタリギア３２がサンギアＳと噛合し、外側ロータ１２と内側ロータ１１が同期して回転するように構成されている。

さらに、第１プラネタリキャリアＣ１の回転軸３５は、電動機１の回転軸２と同軸に配置されると共にアクチュエータ２５に接続されており、第２プラネタリキャリアＣ２はステータ１０に固定されている。

アクチュエータ２５は、外部から入力される制御信号に応じて、油圧により第１プラネタリキャリアＣ１を正転方向又は逆転方向に回転させ、或いは回転軸２回りの第１プラネタリキャリアＣ１の回転を規制する。そして、アクチュエータ２５によって第１プラネタリキャリアＣ１が回転すると、外側ロータ１２と内側ロータ１１間の相対的な位置関係（位相差）が変化する。なお、遊星歯車機構３０とアクチュエータ２５により、本発明のロータ位相差変更手段が構成される。また、油圧ではなく電動により第１プラネタリキャリアＣ１を回転させるアクチュエータを用いてもよい。

図２（ｂ）は、遊星歯車機構３０における第１リングギアＲ１と、第１プラネタリキャリアＣ１と、サンギアＳと、第２プラネタリキャリアＣ２と、第２リングギアＲ２の回転速度の関係を示した図であり、縦軸が各ギアの回転速度Ｖrに設定されている。

図２（ｂ）において、ステータ１０に固定された第２プラネタリキャリアＣ２の速度はゼロである。そのため、第２リングギアＲ２及び内側ロータ１１は、例えば逆転方向（Ｖr＜０）に回動するサンギアＳに対して、第２リングギアＲ２に対するサンギアＳのギア比ｇ２に応じた速度で正転方向（Ｖr＞０）に回転することになる。

ここで、アクチュエータ２５が非作動状態（アクチュエータ２５による第１プラネタリキャリアＣ１の回動がなされていない状態）にあるときは、第１プラネタリキャリアＣ１の回転速度はゼロである。そのため、第１リングギアＲ１及び外側ロータ１２は、回転するサンギヤＳに対して、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１に応じた速度で逆方向に回転する。そして、ギヤ比ｇ１とギヤ比ｇ２は略同等（ｇ１≒ｇ２）に設定されているので、内側ロータ１１と外側ロータ１２は同期して回転し、内側ロータ１１と外側ロータ１２間の位相差が一定に維持される。

一方、アクチュエータ２５が作動状態（アクチュエータ２５により第１プラネタリキャリアＣ１が回動している状態）にあるときは、第１リングギアＲ１及び外側ロータ１２は、回転するサンギアＳに対して、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１に応じた速度に対して、第１プラネタリキャリアＣ１の回動分だけ増速又は減速されて、逆方向に回転する。そして、これにより、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差が変化する。

また、アクチュエータ２５は、第１リングギアＲ１に対するサンギアＳのギア比ｇ１と電動機１の極対数Ｐに対して、少なくとも、機械角度β（度）＝（180／Ｐ）×ｇ１／（１＋ｇ１）だけ、第１プラネタリキャリアＣ１を正転方向又は逆転方向に回動可能に構成されている。

そのため、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差は、少なくとも電気角で１８０度の範囲で進角側又は遅角側に変更することができ、電動機１の状態は、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂが同極同士を対向して配置された界磁弱め状態と、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂが異極同士を対向して配置された界磁強め状態との間で、適宜設定可能である。

図３（ａ）は界磁強め状態を示しており、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂの磁束Ｑ１の向きが同一であるため、合成された磁束Ｑ３が大きくなる。一方、図３（ｂ）は界磁弱め状態を示しており、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂの磁束Ｑ１の向きが逆であるため、合成された磁束Ｑ３が小さくなる。

図４は、図３（ａ）の状態と図３（ｂ）の状態において、電動機１を所定回転数で作動させた場合にステータ１０の電機子に生じる誘起電圧を比較したグラフであり、縦軸が誘起電圧（Ｖ）に設定され、横軸が電気角（度）に設定されている。図中ａが図３（ａ）の状態（界磁強め状態）であり、ｂが図３（ｂ）の状態（界磁弱め状態）である。図４から、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差を変更することで、生じる誘起電圧のレベルが大幅に変化していることがわかる。

そして、このように、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差を変更して、界磁の磁束を増減させることにより、電動機１の誘起電圧定数Ｋeを変化させることができる。これにより、誘起電圧定数Ｋeが一定である場合に比べて、電動機１の出力及び回転数に対する運転可能領域を拡大することができる。また、電動機の制御として一般的なｄｑ座標変換により、ｄ軸（界磁軸）側の電機子に通電して界磁弱め制御を行う場合に比べて、電動機１の銅損が減少するため、電動機１の運転効率を高めることができる。

次に、図５〜図１３を参照して、本発明の電動機の制御装置について説明する。図５に示した電動機の制御装置（以下、単に制御装置という）は、電動機１を界磁方向をｄ軸としてｄ軸と直交する方向をｑ軸とした２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱い、外部から与えられるトルク指令値Ｔr_cに応じたトルクが電動機１から出力されるように、電動機１に対する通電量を制御するものである。

制御装置はＣＰＵ、メモリ等により構成される電子ユニットであり、トルク指令値Ｔr_cと電動機１の外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差（ロータ位相差）の推定値θd_eとに基づいて、ｄ軸側の電機子（以下、ｄ軸電機子という）に流れる電流（以下、ｄ軸電流という）の指令値Ｉd_cとｑ軸側の電機子（以下、ｑ軸電機子という）に流れる電流（以下、ｑ軸電流という）の指令値Ｉq_cとを決定する電流指令値決定部６０、電流センサ７０，７１により検出されてバンドパスフィルタ７２により不要成分が除去された電流検出信号と、レゾルバ７３（本発明のロータ位置検出手段に相当する）により検出された外側ロータ１２のロータ角度θrとに基づいて、３相／ｄｑ変換によりｄ軸電流の検出値Ｉd_sとｑ軸電流の検出値Ｉq_sとを算出する３相／ｄｑ変換部７５、ｄ軸電流の指令値Ｉd_cと検出値Ｉd_sの偏差ΔＩd及びｑ軸電流の指令値Ｉq_cと検出値Ｉq_sの偏差ΔＩqを減少させるように、ｄ軸電機子の端子間電圧（以下、ｄ軸電圧という）の指令値Ｖd_cとｑ軸電機子の端子間電圧（以下、ｑ軸電圧という）の指令値Ｖq_cとを決定する通電制御部５０（本発明の通電制御手段に相当する）、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値Ｖq_cを大きさＶ1と角度θの成分に変換するｒθ変換部６１、及び該大きさＶ1と角度θの成分をＰＷＭ制御により３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の交流電圧に変換するＰＷＭ演算部６２（本発明のインバータ回路の機能を含む）を備えている。

また、制御装置は、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_c及びｑ軸電圧の指令値Ｖq_cとｄ軸電流の検出値Ｉd_s及びｑ軸電流の検出値Ｉq_sと電動機１の角速度の検出値ω_s（図示しない角速度検出手段により検出される）とに基づいて、電動機１の誘起電圧定数Ｋeとｑ軸電機子のインダクタンスＬqとを算出する定数算出部６３、誘起電圧定数Ｋeとｑ軸電機子のインダクタンスＬqとに基づいてロータ位相差の推定値θd_eを求めるロータ位相差推定部６４、ＰＷＭ演算部６２に直流電力を供給する直流電源１００の出力電圧Ｖdcから後述する目標電圧円の半径Ｖp_targetを算出する目標電圧円算出部９０、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値Ｖq_cから後述する実電圧円の半径Ｖpを算出する実電圧円算出部９２、Ｖp_targetとＶpとの偏差ΔＶpに基づいて誘起電圧定数の指令値Ｋe_cを決定する誘起電圧定数指令値決定部９３、誘起電圧定数の指令値Ｋe_cに対応したロータ位相差θd_c1を取得するロータ位相差取得部９５、該θd_c1とロータ位相差の推定値θd_eとの偏差Δθdに基づいてロータ位相差の指令値θd_c2を決定するロータ位相差指令値決定部９７を備えている。

さらに、制御装置は、Ｖp_targetとＶpとの偏差ΔＶpと誘起電圧定数の指令値Ｋe_cとに基づいて直流電源１００の出力電圧の指令値Ｖdc_cを決定する直流電圧指令値決定部１２０、該出力電圧の指令値Ｖdc_c及び減算器１２５により算出されるＶdc_cと電圧センサ１０３により検出される直流電源１００の出力電圧Ｖdcとの偏差に応じて界磁弱め電流の補正値ΔＩd_volを算出する界磁弱め電流補正値算出部１２１、及びトルク指令値Ｔr_cとＶp_targetとＶpとの偏差ΔＶpとに応じて、誘起電圧定数指令値決定部９３と直流電圧指令値決定部１２０と界磁弱め電流補正値算出部１２１の作動タイミングを決定するトルク応答判定部１１０を備えている。

なお、直流電源１００はバッテリ１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ１０１とにより構成され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１が本発明の直流電圧変更手段に相当する。また、電圧センサ１０３、目標電圧円算出部９０、実電圧円算出部９２、減算器９１、トルク応答判定部１１０、誘起電圧定数指令値決定部９３、直流電圧指令値決定部１２０、界磁弱め電流補正値算出部１２１、加算器５１、ロータ位相差取得部９５、減算器９６、及びロータ位相差指令値決定部９７により、本発明の端子間電圧上昇対処手段と端子間電圧低下対処手段が構成される。

また、通電制御部５０は、ｄ軸電流の指令値Ｉd_cに補正値ΔＩd_volを加算する加算器５１、該補正値ΔＩd_volが加算されたｄ軸電流の指令値Ｉd_caとｄ軸電流の検出値Ｉd_sとの偏差ΔＩdを算出する減算器５２、該偏差ΔＩdを生じさせるためのｄ軸偏差電圧ΔＶdを算出するｄ軸電流制御部５３、ｄ軸電流の指令値Ｉd_cとｑ軸電流の指令値Ｉq_cとに基づいて、ｄ軸とｑ軸間で干渉し合う速度起電力の影響を打ち消すための成分（非干渉成分）を算出する非干渉制御部５６、ｄ軸偏差電圧ΔＶdから非干渉制御部５６により算出された非干渉成分を減じる減算器５４、ｑ軸電流の指令値Ｉq_cと検出値Ｉq_sとの偏差ΔＩqを算出する減算器５５、該偏差ΔＩqを生じさせるためのｑ軸偏差電圧ΔＶqを算出するｑ軸電流制御部５７、及びｑ軸偏差電圧ΔＶqに非干渉成分を加える加算器５８を備えている。

次に、図６はｄｑ座標系における電流と電圧の関係を示したものであり、縦軸がｑ軸（トルク軸）に設定され、横軸がｄ軸（界磁軸）に設定されている。図中Ｃは目標電圧円算出部９０によってその半径Ｖp_target（本発明の目標電圧に相当する）が算出される目標電圧円である。Ｖp_targetは例えばＶdc×０．５に設定され、或いは正弦波変調に対応したＶdc／６^1/2に設定される。

そして、制御装置は、ｄ軸電機子の端子間電圧Ｖdとｑ軸電機子の端子間電圧Ｖqの合成ベクトルＶ（その大きさが実電圧円の半径となる）が、目標電圧円Ｃの円周上をトレースするように、電動機１のロータ位相差と直流電源１００の出力電圧とｄ軸電流とを制御する。なお、図中Ｅは電動機１の回転によりｑ軸電機子に生じる逆起電力、ωは電動機１の角速度、Ｒはｄ軸電機子及びｑ軸電機子の抵抗、Ｌqはｑ軸電機子のインダクタンス、Ｌdはｄ軸電機子のインダクタンス、Ｖdはｄ軸電圧、Ｖqはｑ軸電圧、Ｉdはｄ軸電流、Ｉqはｑ軸電流である。

ここで、図６のｑ軸側の成分について、以下の式（１）の関係が成立するため、以下の式（２）から電動機１の誘起電圧定数Ｋeを算出することができる。

但し、Ｋe：誘起電圧定数、ω：電動機の角速度、Ｒ：ｑ軸電機子及びｄ軸電機子の抵抗、Ｉq：ｑ軸電流、Ｖq：ｑ軸電機子の端子間電圧、Ｌd：ｄ軸電機子のインダクタンス、Ｉd：ｄ軸電流。

また、図６のｄ軸側の成分について、以下の式（３）の関係が成立するため、以下の式（４）からｑ軸電機子のインダクタンスＬqを算出することができる。

そこで、定数算出部６３は、ｑ軸指令電圧Ｖq_c、電動機１の角速度の検出値ω_s、ｄ軸電流の検出値Ｉd_s、及びｑ軸電流の検出値Ｉq_sを、上記式（２）のＶq、ω、Ｉd、及びＩqにそれぞれ代入して、誘起電圧定数Ｋeを算出する。また、定数検出部６３は、ｄ軸電流の検出値Ｉd、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_c、電動機１の角速度の検出値ω_s、及びｑ軸電流の検出値Ｉqを、上記式（４）のＩd、Ｖd、ω、及びＩqにそれぞれ代入して、ｑ軸電機子のインダクタンスＬqを算出する。

なお、上記式（２），式（４）におけるｄ軸電機子及びｑ軸電機子の抵抗Ｒは、予め設定した固定値である。また、上記式（２）におけるｄ軸電機子のインダクタンスＬdは、予め設定した固定値としてもよいが、ロータ位相差が大きくなるほどｄ軸電機子のインダクタンスＬdが小さくなるので、ロータ位相差の指令値θd_cが大きいほどインダクタンスＬdが小さくなるようにした推定値を用いてもよい。

次に、ロータ位相差推定部６４は、定数算出部６３により算出された誘起電圧定数Ｋeとｑ軸電機子のインダクタンスＬqとに基づいて、ロータ位相差の推定値θd_eを求める。ここで、ロータ位相差が変化すると、それに応じて電動機１の誘起電圧定数Ｋeとｑ軸電機子のインダクタンスＬqが変化する。

そこで、ロータ位相差推定部６４は、図７（ｂ）に示したＫe，Ｌq／θdの対応マップに、定数検出部６３により算出された誘起電圧定数Ｋeとｑ軸電機子のインダクタンスＬqとを適用して対応する位相差θdを取得し、該位相差θdを外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差の推定値θd_eとする。

なお、Ｋe，Ｌq／θdの対応マップは、実験データやコンピュータシミュレーションに基づいて作成され、予めメモリ（図示しない）に記憶されている。また、図７（ａ）に示したＫe／θdの対応マップに、定数算出部６３により算出された誘起電圧定数Ｋeを適用して、θd_eを求めることもできるが、誘起電圧定数Ｋeに加えてｑ軸電機子のインダクタンスＬqを用いてロータ位相差の推定値θd_eを求めることで、ロータ位相差の推定精度を高めることができる。

そして、電流指令値決定部６０は、予めメモリに記憶されたＴr，θd／Ｉd，Ｉqの対応マップに、トルク指令値Ｔr_cと、ロータ位相差の推定値θd_eを適用して、対応するＩd，Ｉqを取得し、該取得したＩd，Ｉqをそれぞれｄ軸電流の指令値Ｉd_c及びｑ軸電流の指令値Ｉq_cとして決定する。このように、ロータ位相差の推定値θd_eを用いることで、実際の電動機１の界磁の磁束の変化を反映したｄ軸電流の指令値Ｉd_c及びｑ軸電流の指令値Ｉq_cを決定することができる。そのため、トルク指令値Ｔr_cに対して電動機１の出力トルクを精度良く制御することができる。

次に、図８を参照して、ｄ軸電機子の端子間電圧とｑ軸電機子の端子間電圧の合成ベクトルＶの大きさＶpがＶp_targetよりも大きいとき（Ｖp_target＜Ｖp）に、合成ベクトルＶがＶp_targetを半径とする目標電圧円Ｃの周上をトレースするように、ロータ位相差と直流電源１００の出力電圧とｄ軸電流を変更することによる効果について説明する。

図８（ａ）は、合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃの外側にある場合であり、この場合は、ＰＭＷ演算部６２から電動機１への通電量が制限されて、電動機１の通電制御が妨げられる。そこで、先ず、ロータ位相差を界磁の磁束を減少させる方向（ロータ位相差を大きくして界磁を弱める方向）に変更する「第１の端子間電圧上昇対処処理」を実行する。これにより、電動機１の誘起電圧定数Ｋeが減少し、誘起電圧定数Ｋeが減少した分、ｑ軸電機子で発生する逆起電力Ｅが小さくなる。その結果、図８（ｂ）に示したように、合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃの円周に近づく。

次に、直流電源１００の出力電圧Ｖdcを上昇させる「第２の端子間電圧上昇対処処理」を実行する。これにより、目標電圧円算出部９０で算出されるＶp_targetが大きくなり、その結果、図８（ｃ）に示したように、目標電圧円Ｃが拡大されて合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃにさらに近づく。

そして、さらに、ｄ軸電流を増加させる「第３の端子間電圧上昇対処処理」を実行する。これにより、図８（ｄ）に示したように、合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃの円周上に至っている。このように、合成ベクトルＶを目標電圧円Ｃに近づけることにより、ＰＷＭ演算部６２から電動機１への通電量を増加させることができるため、電動機１の通電制御の制限を回避することができる。

次に、図９を参照して、ｄ軸電機子の端子間電圧とｑ軸電機子の端子間電圧の合成ベクトルＶの大きさＶpがＶp_targetよりも小さいとき（Ｖp＜Ｖp_target）に、合成ベクトルＶがＶp_targetを半径とする目標電圧円Ｃの周上をトレースするように、ロータ位相差と直流電源１００の出力電圧を変更することによる効果について説明する。

図９（ａ）は、合成ベクトルが目標電圧円Ｃの内側にある場合であり、この場合は、ＰＷＭ演算部６２に直流電圧Ｖdcのスイッチング処理に伴う電力損失が大きくなる。そこで、制御装置は、先ず、ロータ位相差を界磁の磁束を増大させる方向（ロータ位相差を小さくして界磁を強める方向）に変更する「第１の端子間電圧低下対処処理」を実行する。これにより、電動機１の誘起電圧定数Ｋeが増大し、誘起電圧定数Ｋeが増大した分、ｑ軸電機子で発生する逆起電力Ｅが大きくなる。その結果、図９（ｂ）に示したように、合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃの円周に近づく。

次に、制御装置は、直流電源１００の出力電圧Ｖdcを低下させる「第２の端子間電圧低下対処処理」を実行する。これにより、目標電圧円算出部９０で算出されるＶp_targetが小さくなり、その結果、図９（ｃ）に示したように、目標電圧円Ｃが縮小されて合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃにさらに近づいて、目標電圧円Ｃの円周上に至っている。

このように、合成ベクトルＶを目標電圧円Ｃに近づけることにより、ＰＷＭ演算部６２における直流電圧Ｖdcのスイッチング処理に伴う電力損失を減少させることができる。また、電動機１に供給される電流に重畳するリップル電流が低減して電動機１で生じる銅損が減少し、さらに、高次周波数の電流の重畳が低減するため、電動機１で生じる鉄損も減少するという効果を得ることができる。

次に、図１０を参照して、トルク応答判定部１１０により、誘起電圧定数指令値決定部９３と直流電圧指令値決定部１２０と界磁弱め電流補正値算出部１２１の作動を制御する処理について説明する。

トルク応答判定部１１０は、ＳＴＥＰ１０で、トルク指令値Ｔr_cの変化率ΔＴr_c（例えば、制御装置の連続する制御サイクル間におけるＴr_cの変化率を算出）が、予め設定された基準値ΔＴr_limit以下であるか否かを判断する。そして、ΔＴr_cがＴr_limitよりも小さかったとき（ΔＴr_c＜ΔＴr_limit）は、ＳＴＥＰ２０に分岐し、誘起電圧定数指令値決定部９３の作動フラグＦ１と直流電圧指令値決定部１２０の作動フラグＦ２と界磁弱め電流補正値算出部１２１の作動フラグＦ３を全てＯＮ（作動許可）して、ＳＴＥＰ１３に進む。

これにより、誘起電圧定数指令値決定部９３の作動による上記「第１の端子間電圧上昇対処処理」が、直流電圧指令値決定部１２０による上記「第２の端子間電圧上昇対処処理」及び界磁弱め電流補正値算出部１２１による上記「第３の端子間電圧上昇対処処理」よりも先に実行される。また、誘起電圧定数指令値決定部９３による上記「第１の端子間電圧低下対処処理」が、直流電圧指令値決定部１２０による上記「第２の端子間電圧低下対処処理」よりも先に実行される。

そして、機械的な処理であるために応答速度が遅いが、電動機の運転効率向上の効果が高い「第１の端子間電圧上昇対処処理」と「第１の端子間電圧低下対処処理」により、運転効率を優先させて電動機１の作動を制御することができる。

一方、ＳＴＥＰ１０で、トルク指令値Ｔr_cの変化率ΔＴr_cが基準値ΔＴr_limit以上であったときにはＳＴＥＰ１１に進む。そして、ＳＴＥＰ１１で、トルク応答判定部１１０は、ｄ軸電機子の端子間電圧とｑ軸電機子の端子間電圧の合成ベクトルＶの大きさＶpと目標電圧Ｖp_targetとの偏差ΔＶpが、予め設定された基準値ΔＶp_limit以上であるか否かを判断する。ΔＶpがΔＶp_limitよりも大きかったとき、すなわち、トルク指定値の変化率ΔＴr_cは大きいが、ΔＶpは小さいときにはＳＴＥＰ２０に分岐し、トルク応答判定部１１０は上述したＳＴＥＰ２０の処理を実行して、ＳＴＥＰ１３に進む。

一方、ΔＶpがΔＶp_limit以上であったとき、すなわち、トルク指令値の変化率ΔＴr_cが大きく、且つ、ΔＶpも大きいときにはＳＴＥＰ１２に進む。そして、トルク応答判定部１１０は、誘起電圧定数指令値決定部９３の作動フラグＦ１をＯＦＦ（作動禁止）し、直流電圧指令値決定部１２０の作動フラグＦ２と界磁弱め電流補正値算出部１２１の作動フラグＦ３をＯＮ（作動許可）して、ＳＴＥＰ１３に進む。

これにより、直流電圧指令値決定部１２０による上記「第２の端子間電圧上昇対処処理」及び界磁弱め電流補正値算出部１２１による上記「第３の端子間電圧上昇対処処理」が、誘起電圧定数指令値決定部９３の作動による上記「第１の端子間電圧上昇対処処理」よりも先に実行される。また、直流電圧指令値決定部１２０による上記「第２の端子間電圧低下対処処理」が、誘起電圧定数指令値決定部９３による上記「第１の端子間電圧低下対処処理」よりも先に実行される。

そして、電気的な処理であって応答速度が速い「第２の端子間電圧上昇対処処理」、「第３の端子間電圧上昇対処処理」及び「第２の端子間電圧低下対処処理」により、トルク指令値Ｔr_cの変化に対する応答性を優先させて電動機１の作動を制御することができる。

なお、本実施の形態では、ＳＴＥＰ１０でΔＴr_cのレベルを判断すると共に、ＳＴＥＰ１１でΔＶpのレベルを判断して、「第１の端子間電圧上昇対処処理」と「第２の端子間電圧上昇対処処理」と「第３の端子間電圧上昇対処処理」の実行順序と、「第１の端子間電圧低下対処処理」と「第２の端子間電圧低下対処処理」の実行順序を決定したが、ΔＴr_cのレベルとΔＶpのいずれかのレベルのみを判断して、これらの実行順序を決定してもよい。

次に、図５を参照しつつ、図１１に示したフローチャートに従って、上述したフラグＦ１，Ｆ２，Ｆ３が全てＯＮであるときの誘起電圧定数指令値決定部９３、直流電圧指令値決定部１２０、及び界磁弱め電流補正値算出部１２１の作動について説明する。図１１において、ＳＴＥＰ３０〜ＳＴＥＰ３２及びＳＴＥＰ４０〜ＳＴＥＰ４１が誘起電圧定数指令値決定部９３による処理であり、ＳＴＥＰ３２とＳＴＥＰ５０〜ＳＴＥＰ５１が直流電圧指令値決定部１２０による処理である。また、ＳＴＥＰ６０は界磁弱め電流補正値算出部１２１である。

図１１のＳＴＥＰ３０で、誘起電圧定数指令値決定部９３は、減算器９１（図５参照）で算出されたΔＶp（Ｖp_target−Ｖp）が０以上（０≦ΔＶp）であるか否かを判断する。そして、ΔＶpが０よりも小さいとき（ΔＶp＜０）、すなわち、上述した図８（ａ）の合成ベクトルＶが目標電圧円Ｃの外側にある状態のときは、ＳＴＥＰ４０に分岐する。

誘起電圧定数指令値決定部９３は、ＳＴＥＰ４０で、ΔＶpに対するＰＩ（比例積分）制御によって算出した誘起電圧定数の指令値Ｋe_cに対応するロータ位相差の指令値θd_cが、アクチュエータ３０による界磁弱め側の限界値θd_max（１８０度）以上であるか否かを判断する。そして、θd_cがθd_maxよりも小さかったとき（θd_c＜θd_max）は、ＳＴＥＰ４１に進み、誘起電圧定数指令値決定部９３は、Ｋe_cをロータ位相差取得部９５に出力する。

ロータ位相差取得部９５は、図１２に示したＫe／θdマップにＫe_cを適用してＫe_cに対応したロータ位相差θd_c1を取得する。そして、減算器９６で算出されるθd_c1とθd_eの偏差Δθdがロータ位相差指令値決定部９７に出力される。ロータ位相差指令値決定部９７は、Δθdに対するＰＩ（比例積分）制御により決定したロータ位相差の指令値θd_c2をアクチュエータ２５に出力する。

そして、アクチュエータ２５は、図１３に示したフローチャートの処理を実行して、電動機１のロータ位相差を変更する。すなわち、アクチュエータ２５は、図１３のＳＴＥＰ１でロータ位相差指令値決定部９７からロータ位相差の指令値θd_c2を受信すると、ＳＴＥＰ２でθd_c2を機械角度βに変換する。そして、続くＳＴＥＰ３で、アクチュエータ２５は機械角度βを第１プラネタリキャリアＣ1の動作角度γに変換し、ＳＴＥＰ４で該動作角度γ分だけ、第１プラネタリキャリアＣ1を回動させる。これにより、ロータ位相差の指令値θd_c2に応じた角度分だけロータ位相差が変更されて電動機１の界磁の磁束が変化し、上述した図８（ａ）から図８（ｂ）に移行する「第１の端子間電圧上昇対処処理」が実行される。

そして、Ｖdc_cがＶdc_maxよりも小さかったときはＳＴＥＰ５１に進み、直流電圧指令値決定部１２０は、ΔＶpに対するＰＩ（比例積分）制御により算出したＶdc_c（この場合、Ｖdc_cは増加する）をＤＣ／ＤＣコンバータ１０１に出力して、ＳＴＥＰ３３に進む。これにより、直流電源１００の出力電圧Ｖdcが上昇し、それに応じて目標電圧円算出部により算出される目標電源電圧円の半径Ｖp_targetが増加する。そして、上述した図８（ｂ）から図８（ｃ）に移行する「第２の端子間電圧上昇対処処理」が実行される。

また、ＳＴＥＰ５０でＶdc_cがＶdc_max以上（Ｖdc_max≦Ｖdc_c）であったときには、ＳＴＥＰ６０に分岐する。そして、この場合は直流電源１００の出力電圧Ｖdcをこれ以上上昇させることができない。そこで、界磁弱め電流補正値算出部１２１は、Ｖdc_cとＶdc_sとの偏差ΔＶdcに対するＰＩ（比例積分）制御により算出した界磁弱め電流の補正値ΔＩd_volを加算器５１に出力する。これにより、ｄ軸電流が増加し、上述した図８（ｃ）から図８（ｄ）に移行する「第３の端子間電圧上昇対処処理」が実行される。

このように、ＳＴＥＰ３０でＶpがＶp_targetよりも大きかったときは、「第１の端子間電圧上昇対処処理」→「第２の端子間電圧上昇対処処理」→「第３の端子間電圧上昇対処処理」の順で、ＶpをＶp_targetに近づける処理が実行される。

次に、ＳＴＥＰ３０でＶpがＶp_target以下であったとき（上述した図９（ａ）の状態）は、ＳＴＥＰ３１に進む。そして、ＳＴＥＰ３１で、誘起電圧定数指令値決定部９３は、ΔＶpに対するＰＩ（比例積分）制御によって算出した誘起電圧定数の指令値Ｋe_cに対応するロータ位相差の指令値θd_cが、アクチュエータ３０による界磁強め側の限界値θd_min（０度）以下であるか否かを判断する。

そして、θd_cがθd_minよりも大きかったとき（θd_min＜θd_c）は、ＳＴＥＰ３２に進み、誘起電圧定数指令値決定部９３は、Ｋe_cをロータ位相差取得部９５に出力する。これにより、上述したＳＴＥＰ４１の処理と同様にして電動機１のロータ位相差が変更され、電動機１の界磁の磁束が増大して、上述した図９（ａ）から図９（ｂ）に移行する「第１の端子間電圧低下対処処理」が実行される。

一方、ＳＴＥＰ３１でθd_cがθd_min以下であったとき（θd_c≦θd_min）には、ＳＴＥＰ７０に分岐する。そして、この場合はこれ以上ロータ位相差を減少させることができない。そこで、直流電圧指定値決定部１２０は、ΔＶpに対するＰＩ（比例積分）制御により算出したＶdc_c（この場合、Ｖdc_cは減少する）を出力してＳＴＥＰ３３に進む。

これにより、直流電源１００の出力電圧Ｖdcが減少し、それに応じて目標電圧円算出部により算出される目標電源電圧円の半径Ｖp_targetが減少する。そして、上述した図９（ｂ）から図９（ｃ）に移行する「第２の端子間電圧低下対処処理」が実行される。

このように、ＳＴＥＰ３０でＶpがＶp_target以下であったときは、「第１の端子間電圧低下対処処理」→「第２の端子間電圧低下対処処理」の順序で、ＶpをＶp_targetに近づける処理が実行される。

なお、本実施の形態においては、図１１に示した処理により、ＶpがＶp_targetよりも大きいときに、「第１の端子間電圧上昇対処処理」と「第２の端子間電圧上昇対処処理」と「第３の端子間電圧上昇対処処理」を実行してＶpをＶp_targetに近づける制御と、ＶpがＶp_target以下であるときに、「第１の端子間電圧低下対処処理」と「第２の端子間電圧低下対処処理」を実行してＶpをＶp_targetに近づける制御とを行ったが、いづれか一方の制御のみを行う場合にも本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、界磁弱め電流補正値算出部１２１を備えて、ｄ軸電流の増加により電動機１の界磁を弱める「第３の端子間電圧上昇対処処理」を実行したが、「第３の端子間電圧上昇対処処理」を実行しない場合にも、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態においては、図１０のＳＴＥＰ１１及び図１１のＳＴＥＰ３０で、ｄ軸電圧の指令値Ｖd_cとｑ軸電圧の指令値Ｖq_cの合成ベクトルＶの大きさＶpと、目標電圧円の半径Ｖp_targetとを比較したが、電動機１の電機子の端子間電圧を検出して各相の端子間電圧の合成ベクトルの大きさを算出し、その算出値（本発明の電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさに相当する）と目標電圧円の半径Ｖp_targetとを比較するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、電動機をｄ軸及びｑ軸からなる２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱う電動機の制御装置を示したが、α軸及びβ軸からなる２相交流の固定座標系による等価回路に変換して扱う電動機の制御装置や、等価回路への変換を行わずに３相交流のまま扱う電動機の制御装置においても、本発明の適用が可能である。

２重ロータを備えたＤＣブラシレスモータの構成図。 図１に示したＤＣブラシレスモータの外側ロータと内側ロータの位相差を変更する機構の構成図及び作動説明図。 外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図。 外側ロータと内側ロータの位相差を変更することによる効果の説明図。 電動機の制御装置の制御ブロック図。 ｄｑ座標系における電圧ベクトル図。 誘起電圧定数からロータ位相差を決定するマップ及び誘起電圧定数とｑ軸電機子のインダクタンスからロータ位相差を決定するマップの説明図。 界磁弱め及び電源電圧の上昇による効果の説明図。 界磁強め及び電源電圧の低下による効果の説明図。 電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルを目標電圧円に近づける処理の実行順序を決定する処理のフローチャート。 電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルを目標電圧円に近づける処理のフローチャート。 誘起電圧定数からロータ位相差を決定するマップの説明図。 アクチュエータによりロータ位相差を変更する処理のフローチャート。 電動機の界磁弱めが必要となる領域の説明図。

符号の説明

１…電動機、２…電動機の回転軸、１０…ステータ、１１…内側ロータ、１１ａ，１１ｂ…永久磁石、１２…外側ロータ、１２ａ，１２ｂ…永久磁石、２５…アクチュエータ、３０…遊星歯車機構、Ｃ１…第１プラネタリキャリア、Ｃ２…第２プラネタリキャリア、Ｒ１…第１リングギア、Ｒ２…第２リングギア、Ｓ…サンギア、３１…第１プラネタリギア、３２…第２プラネタリギア、３３…サンギアの回転軸、３４…軸受け、３５…第１プラネタリキャリアの回転軸、５０…通電制御部、６０…電流指令値決定部、６３…定数算出部、６４…ロータ位相差推定部、９０…目標電圧円算出部、９２…実電圧円算出部、９３…誘起電圧定数指令値決定部、１００…直流電源、１０１…ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流電圧変更手段）、１１０…トルク応答判定部、１２０…直流電圧指令値決定部、１２１…界磁弱め電流補正値算出部

Claims (12)

1. 永久磁石による界磁を複数個有する第１ロータ及び第２ロータを、回転軸の周囲に配置した永久磁石界磁型の回転電動機の作動を、該第１ロータと該第２ロータとの位相差であるロータ位相差を変更することによる界磁制御を行って制御する電動機の制御装置であって、
   直流電源から供給される直流電力を前記電動機の電機子に供給する多相交流電力に変換するインバータ回路と、
   前記ロータ位相差を変更するロータ位相差変更手段と、
   前記直流電源の出力電圧を変更する直流電圧変更手段と、
   前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された目標電圧よりも大きくなったときに、前記ロータ位相差変更手段により、前記電動機の界磁の磁束が減少する方向に前記ロータ位相差を変更する「第１の端子間電圧上昇対処処理」と、前記直流電圧変更手段により、前記直流電源の出力電圧を上昇させる「第２の端子間電圧上昇対処処理」とのうちの、少なくともいずれか一方を実行する端子間電圧上昇対処手段とを備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記端子間電圧上昇対処手段は、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きくなったときに、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」を前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」よりも先に実行し、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」を実行しても、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きい状態が維持されるときには、前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」を実行することを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
3. 所定のトルク指令値に応じて前記電動機の作動を制御し、
   前記端子間電圧上昇対処手段は、前記トルク指令値の変化率に応じて、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
4. 前記端子間電圧上昇対処手段は、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさと前記目標電圧との偏差の大きさに応じて、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
5. 前記第１ロータの位置を検出するロータ位置検出手段と、
   前記第１ロータの位置に基づいて、前記電動機を界磁の磁束方向であるｄ軸と該ｄ軸に直交するｑ軸からなる２相直流の回転座標系による等価回路に変換して扱い、該等価回路における各軸の電機子の通電量を制御することにより、前記電動機の通電制御を行う通電制御手段とを備え、
   前記端子間電圧上昇対処手段は、前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きくなったときに、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と、前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」と、前記通電制御におけるｄ軸側の電機子の通電量を増加させる「第３の端子間電圧上昇対処処理」とのうちの少なくともいずれか一つを実行することを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
6. 前記端子間電圧上昇対処手段は、前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きくなったときに、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」及び前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」を、前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」よりも先に実行し、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」及び前記「第２の端子間上昇対処処理」を実行しても、前記電動機の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも大きい状態が維持されるときには、前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」を実行することを特徴とする請求項５記載の電動機の制御装置。
7. 所定のトルク指令値に応じて前記電動機の作動を制御し、
   前記端子間電圧上昇対処手段は、前記トルク指令値の変化率に応じて、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と、前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」と、前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする請求項５記載の電動機の制御装置。
8. 前記端子間電圧上昇対処手段は、前記電動機の各相の端子間電圧の合成ベクトルの大きさと前記目標電圧との偏差の大きさに応じて、前記「第１の端子間電圧上昇対処処理」と、前記「第２の端子間電圧上昇対処処理」と、前記「第３の端子間電圧上昇対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする請求項５記載の電動機の制御装置。
9. 永久磁石による界磁を複数個有する第１ロータ及び第２ロータを、回転軸の周囲に配置した永久磁石界磁型の回転電動機の作動を、該第１ロータと該第２ロータとの位相差であるロータ位相差を変更することによる界磁制御を行って制御する電動機の制御装置であって、
   直流電源から供給される直流電力を前記電動機の電機子に供給する多相交流電力に変換するインバータ回路と、
   前記ロータ位相差を変更するロータ位相差変更手段と、
   前記直流電源の出力電圧を変更する直流電圧変更手段と、
   前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが、前記直流電源の出力電圧以下に設定された目標電圧よりも小さくなったときに、前記ロータ位相差変更手段により、前記電動機の界磁の磁束が増加する方向に前記ロータ位相差を変更する「第１の端子間電圧低下対処処理」と、前記直流電圧変更手段により、前記直流電源の出力電圧を低下させる「第２の端子間電圧低下対処処理」とのうちの、少なくともいずれか一方を実行する端子間電圧低下対処手段とを備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
10. 前記端子間電圧低下対処手段は、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも小さくなったときに、前記「第１の端子間電圧低下対処処理」を前記「第２の端子間電圧低下対処処理」よりも先に実行し、前記「第１の端子間電圧低下対処処理」を実行しても、前記電動機の各相の電機子の端子間電圧の合成ベクトルの大きさが前記目標電圧よりも小さい状態が維持されるときには、前記「第２の端子間電圧低下対処処理」を実行することを特徴とする請求項９記載の電動機の制御装置。
11. 所定のトルク指令値に応じて前記電動機の作動を制御し、
    前記端子間電圧低下対処手段は、前記トルク指令値の変化率に応じて、前記「第１の端子間電圧低下対処処理」と前記「第２の端子間電圧低下対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする請求項９記載の電動機の制御装置。
12. 前記端子間電圧低下対処手段は、前記電動機の各相の端子間電圧の合成ベクトルの大きさと前記目標電圧との偏差の大きさに応じて、前記「第１の端子間電圧低下対処処理」と前記「第２の端子間電圧低下対処処理」の実行順序を決定することを特徴とする請求項９記載の電動機の制御装置。

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