JP3557855B2 - リラクタンスモータのトルク制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所望のトルク値を出力するリラクタンスモータに関し、特に、リラクタンスモータの回転子及び固定子の突極の製造誤差あるいは回転子の位置検出誤差に起因して生じるトルク脈動を低減できる、リラクタンスモータのトルク制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リラクタンスモータのトルク制御装置としては、例えば、「メガトルクモータの理論解析とそのトルク制御法」（田中他、電気学会研究会、ＳＰＣ−８７−１４）や、特開平２−２０６３８９号公報に開示された装置がある。
本トルク制御装置の基本構成図を図１に示す。本装置は、リラクタンスモータ３の回転子位置を検出する回転子位置手段４と、トルク指令値及び回転子位置に応じてリラクタンスモータ３の各励磁相への電流指令値を演算する電流指令値演算手段１と、リラクタンスモータ３の各励磁相の電流を電流指令値に一致させる電流制御手段２とからなる。
【０００３】
ここで、電流指令値演算手段１は、以下のような原理で実現されている。尚、以下では、３相４極のリラクタンスモータ（図２）で説明し、３相４極以外のリラクタンスモータについては原理も同様に説明できるため、記述を省略する。
先ず、回転子位置及びトルク指令値の符号に応じて励磁する相をどのように選択するかについて説明する。
【０００４】
リラクタンスモータの出力トルクＴＲＱは、式１で記述される。
【０００５】
Ｌａ：ａ相の自己インダクタンス Ｌｂ：ｂ相の自己インダクタンス
Ｌｃ：ｃ相の自己インダクタンス Ｍａｂ：ａｂ相の相互インダクタンス
Ｍｂｃ：ｂｃ相の相互インダクタンス Ｍｃａ：ｃａ相の相互インダクタンス
ｉａ：ａ相電流 ｉｂ：ｂ相電流 ｉｃ：ｃ相電流
θ：モータ回転位置。
【０００６】
ここで通常、相互インダクタンスは自己インダクタンスに比べて著しく小さく、相互インダクタンスのモータ回転子位置に対する微分値も自己インダクタンスのそれに比べて著しく小さいため、リラクタンスモータの出力トルクＴＲＱは、式２で近似できる。
【０００７】
従って、自己インダクタンスのモータ回転子位置に対する微分値が正である相に電流を流すことで正値のトルクを出力でき、逆に自己インダクタンスのモータ回転子位置に対する微分値が負である相に電流を流すことで負値のトルクを出力することができる。
例えば、モータ回転子位置と各相の自己インダクタンスとの関係が図３であるリラクタンスモータについて言えば、正値のトルクを出力したいときには、区間ｓ１ではｂ相のみに電流を流し、区間ｓ２ではｂ及びｃ相に電流を流し、区間ｓ３ではｃ相のみに電流を流し、区間ｓ４ではｃ及びａ相に電流を流すといった具合に、図３（ｂ）に示した相を励磁すればよく、逆に負値のトルクを出力したいときには、図３（ｃ）に示した相を励磁すればよい。尚、回転子角度値と回転子位置との関係については図５に示す。
【０００８】
さて、次に指令値通りのトルクを出力すべく各相への電流指令値を演算する方法について説明する。
図３（ｂ）（ｃ）に示した通り、電流を流す相は回転子の位置に応じて１相のみである状況と２相の状況とがある。尚、以下では、指令トルクが正の場合について説明し、負の場合は正の向きと同様に実現及び説明できるため、記述を省略する。
【０００９】
１相のみの場合、例えば励磁相をａ相のみとした場合、式１は式３となるため、ａ相の電流指令値ｉａ＊ を式４とすることで、指令値通りのトルクＴＲＱ＊ を出力できる。
ＴＲＱ＝ （１／２） ｉａ２ （ｄＬａ／ｄθ） ・・・（式３）
ｉａ＊ ＝（ＴＲＱ＊ ）１／２ （２／（ｄＬａ／ｄθ））１／２ ・・・（式４）。
【００１０】
２相の場合、例えば励磁相をａ及びｂ相とした場合、式１は式５となるため、ａ相の電流指令値ｉａ＊ 及びｂ相の電流指令値ｉｂ＊ を式６とすることで、指令値通りのトルクＴＲＱ＊ を出力できる。
ＴＲＱ＝ （１／２） ｉａ２ （ｄＬａ／ｄθ）＋（１／２） ｉｂ２ （ｄＬｂ／ｄθ）＋ｉａｉｂ（ｄＭａｂ／ｄθ）・・・（式５）
ｉａ＊ ＝α（ＴＲＱ＊ ）１／２ ｉｂ＊ ＝β（ＴＲＱ＊ ）１／２ ・・・（式６）
ここで、α，βは式７を満たす正値である。
【００１１】
１＝ （１／２） α２ （ｄＬａ／ｄθ）＋（１／２） β２ （ｄＬｂ／ｄθ）＋αβ（ｄＭａｂ／ｄθ） ・・・（式７）。
式７から明らかなように、２相励磁区間では、αもしくはβを、α，βは式７を満たす正値であるという範囲で、自由に選定できる。
以上、１相励磁区間についてはａ相について述べたが、ｂ相あるいはｃ相についても全く同様であるので説明を省略する。また、同じ理由で２相励磁区間についてもｂ相及びｃ相励磁、ｃ相及びａ相励磁についての説明を省略する。
【００１２】
さて、電流指令値演算手段１の原理を説明したが、「メガトルクモータの理論解析とそのトルク制御法」に示されている方法では、電流指令値が不連続に変化することを避けるべく、つまり、不連続とすることで電流応答性が要求されることを回避すべく、２相励磁区間でのα（もしくはβ）を回転子位置に対する電流指令パターンが連続的にかつ直線的になるように設定し、β（もしくはα）は式７を満たす値に設定するものとしている（図４）。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなリラクタンスモータのトルク制御装置にあっても、リラクタンスモータの製造誤差（製造公差）、あるいは、回転子位置の検出誤差（計測あるいは推定誤差）に対する配慮は何らなされていなかった。
例えば、図９（ａ）に示す回転子突極の製造誤差がある場合、ａ相の自己インダクタンス特性及び自己インダクタンスの回転角に対する微分値特性は概略図１０のように変化する。従って、正のトルクを発生させようとして、図４に示す従来の電流指令値を適用しても、−４５＜θ＜−４５＋θ１の範囲では、ａ相は負のトルクを発生し、逆に４５−θ１＜θ＜４５の範囲では、ａ相は過剰なトルクを発生することになり、結局、回転位相に応じたトルク脈動を引き起こしてしまい、トルクの制御性が悪化するという問題点があった。また、−４５＜θ＜−４５＋θ１の範囲では、ａ相は負のトルクを発生し、同時にｃ相では正のトルクを発生するわけであるから、回転子に正負両方向のトルクが加わることになるため、機械的歪みを引き起し、モータが異音を発生してしまう状況も考えられた。
【００１４】
あるいは、図９（ｂ）に示す回転子突極の製造誤差がある場合、ａ相の自己インダクタンス特性及び自己インダクタンスの回転角に対する微分値特性は概略図１１のように変化する。従って、正のトルクを発生させようとした場合、図４に示す従来の電流指令値を適用しても、−４５＜θ＜−４５＋θ２の範囲では、ａ相の発生トルクは不足し、４５−θ２＜θ＜４５の範囲においても、ａ相の発生トルクは不足することになり、結局、回転位相に応じたトルク脈動を引き起こしてしまい、トルクの制御性が悪化するという問題点があった。
【００１５】
回転子位置に検出誤差がある場合についても、図９（ａ）等と同様の理由によりトルク脈動を引き起こしてしまい、トルクの制御性が悪化するという問題点があった。また、モータが異音を発生してしまう状況も考えられた。
以上のように従来の方法では、リラクタンスモータの製造誤差、あるいは、回転子位置の検出誤差に対する配慮が何らなされていなかったため、トルクの制御性が悪化する、モータが異音を発生するなどといった不都合が起きる場合があるという問題点があった。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものである。
請求項１に係る発明では、リラクタンスモータの回転子位置を計測あるいは推定により検出する回転子位置検出手段と、この検出手段によって得られるリラクタンスモータの回転子位置に応じて、指令値通りのトルクを出力するように、リラクタンスモータの各励磁相への電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、各励磁相の電流値が、電流指令値演算手段によって演算された電流指令値に一致するように、各励磁相への電流を制御する電流制御手段と、を備えるリラクタンスモータのトルク制御装置において、前記電流指令値演算手段を、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の符号が切り換わる回転角の前後所定角度範囲においては、その励磁相ヘの電流指令値を０もしくはモータの発生トルクへの影響が著しく小さい値とするものとしたことを特徴とする。
【００１７】
請求項２に係る発明では、前記電流指令値演算手段は、前記所定角度範囲を、リラクタンスモータの回転子及び固定子の突極部角度の製造誤差に応じて定められる角度範囲とすることを特徴とする。つまり、考えられる製造誤差の範囲では、製造誤差のトルクへの感度が高い励磁相の電流指令値を０もしくは著しく小さい値とした。
【００１８】
請求項３に係る発明では、前記電流指令値演算手段は、前記所定角度範囲を、リラクタンスモータの回転子位置の検出誤差に応じて定められる角度範囲とすることを特徴とする。つまり、考えられる検出誤差の範囲では、検出誤差のトルクへの感度が高い励磁相の電流指令値を０もしくは著しく小さい値とした。
請求項４に係る発明では、リラクタンスモータの回転子位置を計測あるいは推定により検出する回転子位置検出手段と、この検出手段によって得られるリラクタンスモータの回転子位置に応じて、指令値通りのトルクを出力するように、リラクタンスモータの各励磁相への電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、各励磁相の電流値が、電流指令値演算手段によって演算された電流指令値に一致するように、各励磁相への電流を制御する電流制御手段と、を備えるリラクタンスモータのトルク制御装置において、前記電流指令値演算手段を、各励磁相への電流指令値を回転子位置に対して連続的に変化させると共に、２相以上を励磁する状況においては、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値の絶対値が大きい相ほど電流配分が小さくなるように重み付けするものとしたことを特徴とする。
【００１９】
すなわち、式５から、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値の絶対値が大きい相においては、回転子の位置検出誤差に対してトルク制御精度が悪くなるので、そのような相においては電流を少なく配分し、逆に２階微分値の絶対値が小さい相には電流を多くするようにした。
請求項５に係る発明では、前記電流指令値演算手段は、リラクタンスモータの回転子及び固定子の突極部角度の製造誤差と、リラクタンスモータの回転子位置の検出誤差との少なくとも一方に起因して、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の絶対値が所定値より大きく変化する、角度範囲を含めて、重み付けすることを特徴とする。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の符号が切り換わる回転角近傍の所定角度範囲においては、その励磁相ヘの電流指令値を０もしくはモータの発生トルクへの影響が著しく小さい値とすることにより、モータ製造時の製造誤差が存在する場合においても、製造誤差のトルクヘの感度が高い励磁相への電流指令値を０もしくは著しく小さい値とすることになるので、製造誤差に起因するトルク脈動を低減でき、トルクの制御性を向上させることができる。また、２相で正負のトルクを同時に発生する状況をなくせるので、モータの歪みによる異音も低減できる。
【００２１】
請求項２に係る発明によれば、前記所定角度範囲を、リラクタンスモータの製造誤差に応じて定められる角度範囲として、考えられる製造誤差の範囲内では、製造誤差のトルクへの感度が高い励磁相の電流指令値を０もしくは著しく小さい値としたので、モータを大量生産する場合であっても、製造誤差に起因するトルク脈動を低減でき、トルクの制御性を向上させることができる。
【００２２】
請求項３に係る発明によれば、前記所定角度範囲を、回転子位置の検出誤差（計測あるいは推定誤差）に応じて定められる角度範囲として、考えられる検出誤差の範囲では、検出誤差のトルクへの感度が高い励磁相の電流指令値を０もしくは著しく小さい値としたので、回転子位置計測用のセンサ出力精度による検出誤差、センサ出力をコントローラへ取込む際のＡ／Ｄ変換の分解能による検出誤差、更には回転子位置を推定する場合の推定精度による検出誤差に起因するトルク脈動を低減でき、トルクの制御性を向上させることができる。また、２相での正負のトルクを同時に発生させる状況をなくせるので、モータの歪みによる異音も低減できる。
【００２３】
請求項４に係る発明によれば、各励磁相への電流指令値を回転子位置に対して連続的に変化させると共に、２相以上を励磁する状況においては、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値の絶対値が大きい相ほど電流配分が小さくなるように重み付けするものとしたことにより、すなわち、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値の絶対値が大きい相においては、回転子の位置検出誤差に対してトルク制御精度が悪くなるので、そのような相においては電流を少なく配分し、逆に２階微分値の絶対値が小さい相には電流を多くするようにしたことにより、回転位置検出誤差よって生じる２相励磁区間でのトルク脈動を低減でき、トルクの制御性を向上させることができる。
【００２４】
請求項５に係る発明によれば、リラクタンスモータの回転子及び固定子の突極部角度の製造誤差と、リラクタンスモータの回転子位置の検出誤差との少なくとも一方に起因して、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の絶対値が所定値より大きく変化する、角度範囲を含めて、重み付けすることにより、モータの製造誤差及び回転子位置の検出誤差によって生じる２相励磁区間でのトルク脈動を低減でき、トルクの制御性を向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係るリラクタンスモータのトルク制御装置の実施の形態を説明する。
本トルク制御装置の基本構成は、図１に示すように、リラクタンスモータ３の回転子位置を計測あるいは推定により検出する回転子位置手段４と、トルク指令値（ＴＲＱ＊ ）及び回転子位置に応じてリラクタンスモータ３の各励磁相への電流指令値を演算する電流指令値演算手段１と、リラクタンスモータ３の各励磁相の電流を電流指令値に一致させる電流制御手段２とからなる。
【００２６】
ここで、電流指令値演算手段１は、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の符号が切り換わる回転角近傍の所定角度範囲においては、その励磁相ヘの電流指令値を０もしくはモータの発生トルクへの影響が著しく小さい値とするものとしてあるが、具体的内容については後述する。
リラクタンスモータ３は、例えば図２に示す３相４極構造のものとする。
【００２７】
回転子３４は回転軸３５回りを回転するが、９０度毎に４つの突起を備える。これを囲む固定子３６は突極を６０度毎に備える。向かい合う突極には同じ向きの磁束が発生するように１本の巻線が巻かれている（３１，３２，３３）。
一方、固定子３６に対する回転子３４の位置を検出するように、回転子位置検出手段としてのエンコーダ式回転角センサ（以下エンコーダという）３７が備えられている。
【００２８】
図６に示すように、回転子位置検出手段としてのエンコーダ３７の出力するパルスは、電流指令値演算手段としての制御回路１３に入力されている。
制御回路１３は、パルス処理回路、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、タイマ、直流電源などを備え、トルク指令値（ＴＲＱ＊ ）及び回転子位置に応じてリラクタンスモータ３の各相への電流指令値を演算し、Ｄ／Ａ出力する。その出力は、電流制御手段としての駆動回路１４に入力されている。
【００２９】
駆動回路１４は、リラクタンスモータ３の各励磁相の電流値が、電流指令値に一致するように、各励磁相への印加電圧を調整して、各励磁相の電流を制御する。この制御のため、駆動回路１４にはリラクタンスモータ３の各励磁相の実際の電流を検出する電流センサ１２から信号が入力されている。
この駆動回路１４の詳細は図７に示される。
【００３０】
比較器１５により、電流センサ１２で検出する３相分の出力ｉｍｓｒａ，ｉｍｓｒｂ，ｉｍｓｒｃと、制御回路１３からＤ／Ａ出力される３相分の電流指令値ｉａ＊ ，ｉｂ＊ ，ｉｃ＊ とをそれぞれ比較して、各相３１，３２，３３のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ等）４２，４３，４４を駆動することで、各相の電流値を指令値と一致するように調整する。
【００３１】
すなわち、ａ相を例にとって説明すると、ｉｍｓｒａ≧ｉａ＊ なら、図７のスイッチング素子４２をＯＦＦ操作し、ｉｍｓｒａ＜ｉａ＊ なら、ＯＮ操作することで、ａ相（３１）に加わる電圧をＯＮ／ＯＦＦ的に調整し、ａ相の電流値が指令値と一致するように調整する。
尚、図７において、４１は電源、４５〜４７はコイル、４８〜５０は抵抗、５１〜５３はダイオードである。類似した回路は、リラクタンスモータに限らず直流モータ等でも一般的に用いられるものであるため詳細な記述は省略する。
【００３２】
次に作用について説明する。
本発明のポイントである、トルク指令値（ＴＲＱ＊ ）及びエンコーダ出力（回転子位置θ）から各相への電流指令値を演算する制御回路１３について、作用を説明する。
制御回路１３は、１相のみを励磁する回転角区間においては、式４を満たすγ＝（２／（ｄＬａ／ｄθ））１／２ を、２相を励磁する回転角区間においては、式７を満たすα，βを、励磁しない回転角区間においては、０を値として持つテーブルＴＡＢＬＥ−Ｐ（負の向きのトルク用としては、ＴＡＢＬＥ−Ｎ）をＲＯＭデータとして備える。
【００３３】
ここで、リラクタンスモータ３が回転角９０度毎の周期的構造であることから、テーブル値は回転角９０度分だけを備えておく。本テーブルについては、後で詳細に説明する。
次に、各相への電流指令値の演算方法を図８のフローチャートで説明する。
本演算ルーチン（７０１）は、１００μｓ毎に実行される。
【００３４】
先ず、エンコーダからのパルス信号を処理することで、回転子位置を得て、ＲＡＭ変数（回転子位置変数）θに代入する（７０２）。
次にトルク指令値ＴＲＱ＊ が０であるか否かを判定し（７０３）、０である場合には、７１１に進み、３相の電流指令値を全て０とする（ｉａ＊ ＝ｉｂ＊ ＝ｉｃ＊ ＝０）。
【００３５】
トルク指令値ＴＲＱ＊ が０でない場合は、トルク指令値ＴＲＱ＊ の絶対値の平方根を求めて、ＲＡＭ変数ｋに代入する（７０４）と共に、回転子位置を９０で除算したときの余りをθとおくことにより、回転子位置変数θを０≦θ＜９０度の範囲に正規化する（７０６）。
次にトルク指令値ＴＲＱ＊ の符号を判定し（７０７）、正の場合には、７１２に進む。
【００３６】
７１２ではＴＡＢＬＥ−Ｐを参照し、ＲＡＭ変数ｋを乗じることにより、ａ相の電流指令値ｉａ＊ を導出する。
ｂ相の電流指令値ｉｂ＊ は、ａ相の電流指令値ｉａ＊ を３０度遅らせたものであるため、７１３で回転子位置変数θをθ−３０と置き換えた後、７１４でＴＡＢＬＥ−Ｐを参照し、ＲＡＭ変数ｋを乗じることにより導出する。
【００３７】
同様に、ｃ相の電流指令値ｉｃ＊ は、ｂ相の電流指令値ｉｂ＊ を更に３０度遅らせたものであるため、７１５で回転子位置変数θをθ−３０と置き換えた後、７１６でＴＡＢＬＥ−Ｐを参照し、ＲＡＭ定数ｋを乗じることにより導出する。７０７にてトルク指令値ＴＲＱ＊ の符号が負であると判定した場合には、７２２に進む。
【００３８】
７２２〜７２６については、７１２〜７１６の使用テーブルをＴＡＢＬＥ−ＰからＴＡＢＬＥ−Ｎに置き換えたものであるので、作用の説明を省略する。
最後に、７０８にて、導出された電流指令値ｉａ＊ ，ｉｂ＊ ，ｉｃ＊ をＤ／Ａ出力し、本ルーチンを終了する（７０９）。
ここで、請求項１に係る発明を適用する場合には、モータ回転子・固定子の製造誤差をθ１としたときに、ＴＡＢＬＥ−Ｐを図１２とすることで実現できる。すなわち、従来２相を励磁していた区間にあって、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の符号が切り換わる回転角からθ１の範囲のデータ値を０とすることで、実現できる。この場合、−θ１＜θ＜０の範囲では、ｂ相のみの１相励磁となり、−４５＜θ＜−４５＋θ１の範囲では、ｂ相のみの１相励磁となる。言うまでもなく、従来２相の励磁区間にあって、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の符号が切り換わる回転角からθ１の範囲のデータ値を著しく小さい値としてもよい。
【００３９】
請求項２に係る発明を適用する場合であっても、モータ回転子・固定子の製造誤差をθ１としたとき、ＴＡＢＬＥ−Ｐを、請求項１に係る発明を適用する場合と同様に、図１２とすることで実現できる。
請求項３に係る発明を適用する場合には、回転子位置の検出誤差をθ１としたときに、ＴＡＢＬＥ−Ｐを、請求項１に係る発明を適用する場合と同様に、図１２とすることで実現できる。
【００４０】
請求項４に係る発明を適用する場合には、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値が大きく変動する角度範囲をθ３としたとき、ＴＡＢＬＥ−Ｐを、図１３とすることで実現できる。
請求項５に係る発明を適用する場合には、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値が大きく変動する角度範囲をθ３、モータの製造誤差と回転子位置の検出誤差との和をθ４としたとき、ＴＡＢＬＥ−Ｐを、図１４とすることで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トルク制御装置の基本構成図
【図２】リラクタンスモータの構造図
【図３】トルクの向きに対応した励磁相を説明する図
【図４】従来の電流指令値を示す図
【図５】回転子角度とインダクタンスとの関係を示す図
【図６】トルク制御装置の具体的構成図
【図７】駆動回路の詳細図
【図８】電流指令値演算のフローチャート
【図９】製造誤差例を示す図
【図１０】製造誤差によるモータ特性変化例１を示す図
【図１１】製造誤差によるモータ特性変化例２を示す図
【図１２】請求項１〜請求項３に係る発明を説明する図
【図１３】請求項４に係る発明を説明する図
【図１４】請求項５に係る発明を説明する図
【符号の説明】
１ 電流指令値演算手段
２ 電流制御手段
３ リラクタンスモータ
４ 回転子位置検出手段
１２ 電流センサ
１３ 制御回路
１４ 駆動回路
１５ 比較回路
３７ エンコーダ
【発明の属する技術分野】
本発明は、所望のトルク値を出力するリラクタンスモータに関し、特に、リラクタンスモータの回転子及び固定子の突極の製造誤差あるいは回転子の位置検出誤差に起因して生じるトルク脈動を低減できる、リラクタンスモータのトルク制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リラクタンスモータのトルク制御装置としては、例えば、「メガトルクモータの理論解析とそのトルク制御法」（田中他、電気学会研究会、ＳＰＣ−８７−１４）や、特開平２−２０６３８９号公報に開示された装置がある。
本トルク制御装置の基本構成図を図１に示す。本装置は、リラクタンスモータ３の回転子位置を検出する回転子位置手段４と、トルク指令値及び回転子位置に応じてリラクタンスモータ３の各励磁相への電流指令値を演算する電流指令値演算手段１と、リラクタンスモータ３の各励磁相の電流を電流指令値に一致させる電流制御手段２とからなる。
【０００３】
ここで、電流指令値演算手段１は、以下のような原理で実現されている。尚、以下では、３相４極のリラクタンスモータ（図２）で説明し、３相４極以外のリラクタンスモータについては原理も同様に説明できるため、記述を省略する。
先ず、回転子位置及びトルク指令値の符号に応じて励磁する相をどのように選択するかについて説明する。
【０００４】
リラクタンスモータの出力トルクＴＲＱは、式１で記述される。
Ｌａ：ａ相の自己インダクタンス Ｌｂ：ｂ相の自己インダクタンス
Ｌｃ：ｃ相の自己インダクタンス Ｍａｂ：ａｂ相の相互インダクタンス
Ｍｂｃ：ｂｃ相の相互インダクタンス Ｍｃａ：ｃａ相の相互インダクタンス
ｉａ：ａ相電流 ｉｂ：ｂ相電流 ｉｃ：ｃ相電流
θ：モータ回転位置。
【０００６】
ここで通常、相互インダクタンスは自己インダクタンスに比べて著しく小さく、相互インダクタンスのモータ回転子位置に対する微分値も自己インダクタンスのそれに比べて著しく小さいため、リラクタンスモータの出力トルクＴＲＱは、式２で近似できる。
従って、自己インダクタンスのモータ回転子位置に対する微分値が正である相に電流を流すことで正値のトルクを出力でき、逆に自己インダクタンスのモータ回転子位置に対する微分値が負である相に電流を流すことで負値のトルクを出力することができる。
例えば、モータ回転子位置と各相の自己インダクタンスとの関係が図３であるリラクタンスモータについて言えば、正値のトルクを出力したいときには、区間ｓ１ではｂ相のみに電流を流し、区間ｓ２ではｂ及びｃ相に電流を流し、区間ｓ３ではｃ相のみに電流を流し、区間ｓ４ではｃ及びａ相に電流を流すといった具合に、図３（ｂ）に示した相を励磁すればよく、逆に負値のトルクを出力したいときには、図３（ｃ）に示した相を励磁すればよい。尚、回転子角度値と回転子位置との関係については図５に示す。
【０００８】
さて、次に指令値通りのトルクを出力すべく各相への電流指令値を演算する方法について説明する。
図３（ｂ）（ｃ）に示した通り、電流を流す相は回転子の位置に応じて１相のみである状況と２相の状況とがある。尚、以下では、指令トルクが正の場合について説明し、負の場合は正の向きと同様に実現及び説明できるため、記述を省略する。
【０００９】
１相のみの場合、例えば励磁相をａ相のみとした場合、式１は式３となるため、ａ相の電流指令値ｉａ＊ を式４とすることで、指令値通りのトルクＴＲＱ＊ を出力できる。
ＴＲＱ＝ （１／２） ｉａ２ （ｄＬａ／ｄθ） ・・・（式３）
ｉａ＊ ＝（ＴＲＱ＊ ）１／２ （２／（ｄＬａ／ｄθ））１／２ ・・・（式４）。
【００１０】
２相の場合、例えば励磁相をａ及びｂ相とした場合、式１は式５となるため、ａ相の電流指令値ｉａ＊ 及びｂ相の電流指令値ｉｂ＊ を式６とすることで、指令値通りのトルクＴＲＱ＊ を出力できる。
ＴＲＱ＝ （１／２） ｉａ２ （ｄＬａ／ｄθ）＋（１／２） ｉｂ２ （ｄＬｂ／ｄθ）＋ｉａｉｂ（ｄＭａｂ／ｄθ）・・・（式５）
ｉａ＊ ＝α（ＴＲＱ＊ ）１／２ ｉｂ＊ ＝β（ＴＲＱ＊ ）１／２ ・・・（式６）
ここで、α，βは式７を満たす正値である。
【００１１】
１＝ （１／２） α２ （ｄＬａ／ｄθ）＋（１／２） β２ （ｄＬｂ／ｄθ）＋αβ（ｄＭａｂ／ｄθ） ・・・（式７）。
式７から明らかなように、２相励磁区間では、αもしくはβを、α，βは式７を満たす正値であるという範囲で、自由に選定できる。
以上、１相励磁区間についてはａ相について述べたが、ｂ相あるいはｃ相についても全く同様であるので説明を省略する。また、同じ理由で２相励磁区間についてもｂ相及びｃ相励磁、ｃ相及びａ相励磁についての説明を省略する。
【００１２】
さて、電流指令値演算手段１の原理を説明したが、「メガトルクモータの理論解析とそのトルク制御法」に示されている方法では、電流指令値が不連続に変化することを避けるべく、つまり、不連続とすることで電流応答性が要求されることを回避すべく、２相励磁区間でのα（もしくはβ）を回転子位置に対する電流指令パターンが連続的にかつ直線的になるように設定し、β（もしくはα）は式７を満たす値に設定するものとしている（図４）。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなリラクタンスモータのトルク制御装置にあっても、リラクタンスモータの製造誤差（製造公差）、あるいは、回転子位置の検出誤差（計測あるいは推定誤差）に対する配慮は何らなされていなかった。
例えば、図９（ａ）に示す回転子突極の製造誤差がある場合、ａ相の自己インダクタンス特性及び自己インダクタンスの回転角に対する微分値特性は概略図１０のように変化する。従って、正のトルクを発生させようとして、図４に示す従来の電流指令値を適用しても、−４５＜θ＜−４５＋θ１の範囲では、ａ相は負のトルクを発生し、逆に４５−θ１＜θ＜４５の範囲では、ａ相は過剰なトルクを発生することになり、結局、回転位相に応じたトルク脈動を引き起こしてしまい、トルクの制御性が悪化するという問題点があった。また、−４５＜θ＜−４５＋θ１の範囲では、ａ相は負のトルクを発生し、同時にｃ相では正のトルクを発生するわけであるから、回転子に正負両方向のトルクが加わることになるため、機械的歪みを引き起し、モータが異音を発生してしまう状況も考えられた。
【００１４】
あるいは、図９（ｂ）に示す回転子突極の製造誤差がある場合、ａ相の自己インダクタンス特性及び自己インダクタンスの回転角に対する微分値特性は概略図１１のように変化する。従って、正のトルクを発生させようとした場合、図４に示す従来の電流指令値を適用しても、−４５＜θ＜−４５＋θ２の範囲では、ａ相の発生トルクは不足し、４５−θ２＜θ＜４５の範囲においても、ａ相の発生トルクは不足することになり、結局、回転位相に応じたトルク脈動を引き起こしてしまい、トルクの制御性が悪化するという問題点があった。
【００１５】
回転子位置に検出誤差がある場合についても、図９（ａ）等と同様の理由によりトルク脈動を引き起こしてしまい、トルクの制御性が悪化するという問題点があった。また、モータが異音を発生してしまう状況も考えられた。
以上のように従来の方法では、リラクタンスモータの製造誤差、あるいは、回転子位置の検出誤差に対する配慮が何らなされていなかったため、トルクの制御性が悪化する、モータが異音を発生するなどといった不都合が起きる場合があるという問題点があった。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものである。
請求項１に係る発明では、リラクタンスモータの回転子位置を計測あるいは推定により検出する回転子位置検出手段と、この検出手段によって得られるリラクタンスモータの回転子位置に応じて、指令値通りのトルクを出力するように、リラクタンスモータの各励磁相への電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、各励磁相の電流値が、電流指令値演算手段によって演算された電流指令値に一致するように、各励磁相への電流を制御する電流制御手段と、を備えるリラクタンスモータのトルク制御装置において、前記電流指令値演算手段を、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の符号が切り換わる回転角の前後所定角度範囲においては、その励磁相ヘの電流指令値を０もしくはモータの発生トルクへの影響が著しく小さい値とするものとしたことを特徴とする。
【００１７】
請求項２に係る発明では、前記電流指令値演算手段は、前記所定角度範囲を、リラクタンスモータの回転子及び固定子の突極部角度の製造誤差に応じて定められる角度範囲とすることを特徴とする。つまり、考えられる製造誤差の範囲では、製造誤差のトルクへの感度が高い励磁相の電流指令値を０もしくは著しく小さい値とした。
【００１８】
請求項３に係る発明では、前記電流指令値演算手段は、前記所定角度範囲を、リラクタンスモータの回転子位置の検出誤差に応じて定められる角度範囲とすることを特徴とする。つまり、考えられる検出誤差の範囲では、検出誤差のトルクへの感度が高い励磁相の電流指令値を０もしくは著しく小さい値とした。
請求項４に係る発明では、リラクタンスモータの回転子位置を計測あるいは推定により検出する回転子位置検出手段と、この検出手段によって得られるリラクタンスモータの回転子位置に応じて、指令値通りのトルクを出力するように、リラクタンスモータの各励磁相への電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、各励磁相の電流値が、電流指令値演算手段によって演算された電流指令値に一致するように、各励磁相への電流を制御する電流制御手段と、を備えるリラクタンスモータのトルク制御装置において、前記電流指令値演算手段を、各励磁相への電流指令値を回転子位置に対して連続的に変化させると共に、２相以上を励磁する状況においては、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値の絶対値が大きい相ほど電流配分が小さくなるように重み付けするものとしたことを特徴とする。
【００１９】
すなわち、式５から、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値の絶対値が大きい相においては、回転子の位置検出誤差に対してトルク制御精度が悪くなるので、そのような相においては電流を少なく配分し、逆に２階微分値の絶対値が小さい相には電流を多くするようにした。
請求項５に係る発明では、前記電流指令値演算手段は、リラクタンスモータの回転子及び固定子の突極部角度の製造誤差と、リラクタンスモータの回転子位置の検出誤差との少なくとも一方に起因して、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の絶対値が所定値より大きく変化する、角度範囲を含めて、重み付けすることを特徴とする。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の符号が切り換わる回転角近傍の所定角度範囲においては、その励磁相ヘの電流指令値を０もしくはモータの発生トルクへの影響が著しく小さい値とすることにより、モータ製造時の製造誤差が存在する場合においても、製造誤差のトルクヘの感度が高い励磁相への電流指令値を０もしくは著しく小さい値とすることになるので、製造誤差に起因するトルク脈動を低減でき、トルクの制御性を向上させることができる。また、２相で正負のトルクを同時に発生する状況をなくせるので、モータの歪みによる異音も低減できる。
【００２１】
請求項２に係る発明によれば、前記所定角度範囲を、リラクタンスモータの製造誤差に応じて定められる角度範囲として、考えられる製造誤差の範囲内では、製造誤差のトルクへの感度が高い励磁相の電流指令値を０もしくは著しく小さい値としたので、モータを大量生産する場合であっても、製造誤差に起因するトルク脈動を低減でき、トルクの制御性を向上させることができる。
【００２２】
請求項３に係る発明によれば、前記所定角度範囲を、回転子位置の検出誤差（計測あるいは推定誤差）に応じて定められる角度範囲として、考えられる検出誤差の範囲では、検出誤差のトルクへの感度が高い励磁相の電流指令値を０もしくは著しく小さい値としたので、回転子位置計測用のセンサ出力精度による検出誤差、センサ出力をコントローラへ取込む際のＡ／Ｄ変換の分解能による検出誤差、更には回転子位置を推定する場合の推定精度による検出誤差に起因するトルク脈動を低減でき、トルクの制御性を向上させることができる。また、２相での正負のトルクを同時に発生させる状況をなくせるので、モータの歪みによる異音も低減できる。
【００２３】
請求項４に係る発明によれば、各励磁相への電流指令値を回転子位置に対して連続的に変化させると共に、２相以上を励磁する状況においては、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値の絶対値が大きい相ほど電流配分が小さくなるように重み付けするものとしたことにより、すなわち、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値の絶対値が大きい相においては、回転子の位置検出誤差に対してトルク制御精度が悪くなるので、そのような相においては電流を少なく配分し、逆に２階微分値の絶対値が小さい相には電流を多くするようにしたことにより、回転位置検出誤差よって生じる２相励磁区間でのトルク脈動を低減でき、トルクの制御性を向上させることができる。
【００２４】
請求項５に係る発明によれば、リラクタンスモータの回転子及び固定子の突極部角度の製造誤差と、リラクタンスモータの回転子位置の検出誤差との少なくとも一方に起因して、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の絶対値が所定値より大きく変化する、角度範囲を含めて、重み付けすることにより、モータの製造誤差及び回転子位置の検出誤差によって生じる２相励磁区間でのトルク脈動を低減でき、トルクの制御性を向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係るリラクタンスモータのトルク制御装置の実施の形態を説明する。
本トルク制御装置の基本構成は、図１に示すように、リラクタンスモータ３の回転子位置を計測あるいは推定により検出する回転子位置手段４と、トルク指令値（ＴＲＱ＊ ）及び回転子位置に応じてリラクタンスモータ３の各励磁相への電流指令値を演算する電流指令値演算手段１と、リラクタンスモータ３の各励磁相の電流を電流指令値に一致させる電流制御手段２とからなる。
【００２６】
ここで、電流指令値演算手段１は、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の符号が切り換わる回転角近傍の所定角度範囲においては、その励磁相ヘの電流指令値を０もしくはモータの発生トルクへの影響が著しく小さい値とするものとしてあるが、具体的内容については後述する。
リラクタンスモータ３は、例えば図２に示す３相４極構造のものとする。
【００２７】
回転子３４は回転軸３５回りを回転するが、９０度毎に４つの突起を備える。これを囲む固定子３６は突極を６０度毎に備える。向かい合う突極には同じ向きの磁束が発生するように１本の巻線が巻かれている（３１，３２，３３）。
一方、固定子３６に対する回転子３４の位置を検出するように、回転子位置検出手段としてのエンコーダ式回転角センサ（以下エンコーダという）３７が備えられている。
【００２８】
図６に示すように、回転子位置検出手段としてのエンコーダ３７の出力するパルスは、電流指令値演算手段としての制御回路１３に入力されている。
制御回路１３は、パルス処理回路、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、タイマ、直流電源などを備え、トルク指令値（ＴＲＱ＊ ）及び回転子位置に応じてリラクタンスモータ３の各相への電流指令値を演算し、Ｄ／Ａ出力する。その出力は、電流制御手段としての駆動回路１４に入力されている。
【００２９】
駆動回路１４は、リラクタンスモータ３の各励磁相の電流値が、電流指令値に一致するように、各励磁相への印加電圧を調整して、各励磁相の電流を制御する。この制御のため、駆動回路１４にはリラクタンスモータ３の各励磁相の実際の電流を検出する電流センサ１２から信号が入力されている。
この駆動回路１４の詳細は図７に示される。
【００３０】
比較器１５により、電流センサ１２で検出する３相分の出力ｉｍｓｒａ，ｉｍｓｒｂ，ｉｍｓｒｃと、制御回路１３からＤ／Ａ出力される３相分の電流指令値ｉａ＊ ，ｉｂ＊ ，ｉｃ＊ とをそれぞれ比較して、各相３１，３２，３３のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ等）４２，４３，４４を駆動することで、各相の電流値を指令値と一致するように調整する。
【００３１】
すなわち、ａ相を例にとって説明すると、ｉｍｓｒａ≧ｉａ＊ なら、図７のスイッチング素子４２をＯＦＦ操作し、ｉｍｓｒａ＜ｉａ＊ なら、ＯＮ操作することで、ａ相（３１）に加わる電圧をＯＮ／ＯＦＦ的に調整し、ａ相の電流値が指令値と一致するように調整する。
尚、図７において、４１は電源、４５〜４７はコイル、４８〜５０は抵抗、５１〜５３はダイオードである。類似した回路は、リラクタンスモータに限らず直流モータ等でも一般的に用いられるものであるため詳細な記述は省略する。
【００３２】
次に作用について説明する。
本発明のポイントである、トルク指令値（ＴＲＱ＊ ）及びエンコーダ出力（回転子位置θ）から各相への電流指令値を演算する制御回路１３について、作用を説明する。
制御回路１３は、１相のみを励磁する回転角区間においては、式４を満たすγ＝（２／（ｄＬａ／ｄθ））１／２ を、２相を励磁する回転角区間においては、式７を満たすα，βを、励磁しない回転角区間においては、０を値として持つテーブルＴＡＢＬＥ−Ｐ（負の向きのトルク用としては、ＴＡＢＬＥ−Ｎ）をＲＯＭデータとして備える。
【００３３】
ここで、リラクタンスモータ３が回転角９０度毎の周期的構造であることから、テーブル値は回転角９０度分だけを備えておく。本テーブルについては、後で詳細に説明する。
次に、各相への電流指令値の演算方法を図８のフローチャートで説明する。
本演算ルーチン（７０１）は、１００μｓ毎に実行される。
【００３４】
先ず、エンコーダからのパルス信号を処理することで、回転子位置を得て、ＲＡＭ変数（回転子位置変数）θに代入する（７０２）。
次にトルク指令値ＴＲＱ＊ が０であるか否かを判定し（７０３）、０である場合には、７１１に進み、３相の電流指令値を全て０とする（ｉａ＊ ＝ｉｂ＊ ＝ｉｃ＊ ＝０）。
【００３５】
トルク指令値ＴＲＱ＊ が０でない場合は、トルク指令値ＴＲＱ＊ の絶対値の平方根を求めて、ＲＡＭ変数ｋに代入する（７０４）と共に、回転子位置を９０で除算したときの余りをθとおくことにより、回転子位置変数θを０≦θ＜９０度の範囲に正規化する（７０６）。
次にトルク指令値ＴＲＱ＊ の符号を判定し（７０７）、正の場合には、７１２に進む。
【００３６】
７１２ではＴＡＢＬＥ−Ｐを参照し、ＲＡＭ変数ｋを乗じることにより、ａ相の電流指令値ｉａ＊ を導出する。
ｂ相の電流指令値ｉｂ＊ は、ａ相の電流指令値ｉａ＊ を３０度遅らせたものであるため、７１３で回転子位置変数θをθ−３０と置き換えた後、７１４でＴＡＢＬＥ−Ｐを参照し、ＲＡＭ変数ｋを乗じることにより導出する。
【００３７】
同様に、ｃ相の電流指令値ｉｃ＊ は、ｂ相の電流指令値ｉｂ＊ を更に３０度遅らせたものであるため、７１５で回転子位置変数θをθ−３０と置き換えた後、７１６でＴＡＢＬＥ−Ｐを参照し、ＲＡＭ定数ｋを乗じることにより導出する。７０７にてトルク指令値ＴＲＱ＊ の符号が負であると判定した場合には、７２２に進む。
【００３８】
７２２〜７２６については、７１２〜７１６の使用テーブルをＴＡＢＬＥ−ＰからＴＡＢＬＥ−Ｎに置き換えたものであるので、作用の説明を省略する。
最後に、７０８にて、導出された電流指令値ｉａ＊ ，ｉｂ＊ ，ｉｃ＊ をＤ／Ａ出力し、本ルーチンを終了する（７０９）。
ここで、請求項１に係る発明を適用する場合には、モータ回転子・固定子の製造誤差をθ１としたときに、ＴＡＢＬＥ−Ｐを図１２とすることで実現できる。すなわち、従来２相を励磁していた区間にあって、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の符号が切り換わる回転角からθ１の範囲のデータ値を０とすることで、実現できる。この場合、−θ１＜θ＜０の範囲では、ｂ相のみの１相励磁となり、−４５＜θ＜−４５＋θ１の範囲では、ｂ相のみの１相励磁となる。言うまでもなく、従来２相の励磁区間にあって、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の符号が切り換わる回転角からθ１の範囲のデータ値を著しく小さい値としてもよい。
【００３９】
請求項２に係る発明を適用する場合であっても、モータ回転子・固定子の製造誤差をθ１としたとき、ＴＡＢＬＥ−Ｐを、請求項１に係る発明を適用する場合と同様に、図１２とすることで実現できる。
請求項３に係る発明を適用する場合には、回転子位置の検出誤差をθ１としたときに、ＴＡＢＬＥ−Ｐを、請求項１に係る発明を適用する場合と同様に、図１２とすることで実現できる。
【００４０】
請求項４に係る発明を適用する場合には、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値が大きく変動する角度範囲をθ３としたとき、ＴＡＢＬＥ−Ｐを、図１３とすることで実現できる。
請求項５に係る発明を適用する場合には、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値が大きく変動する角度範囲をθ３、モータの製造誤差と回転子位置の検出誤差との和をθ４としたとき、ＴＡＢＬＥ−Ｐを、図１４とすることで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トルク制御装置の基本構成図
【図２】リラクタンスモータの構造図
【図３】トルクの向きに対応した励磁相を説明する図
【図４】従来の電流指令値を示す図
【図５】回転子角度とインダクタンスとの関係を示す図
【図６】トルク制御装置の具体的構成図
【図７】駆動回路の詳細図
【図８】電流指令値演算のフローチャート
【図９】製造誤差例を示す図
【図１０】製造誤差によるモータ特性変化例１を示す図
【図１１】製造誤差によるモータ特性変化例２を示す図
【図１２】請求項１〜請求項３に係る発明を説明する図
【図１３】請求項４に係る発明を説明する図
【図１４】請求項５に係る発明を説明する図
【符号の説明】
１ 電流指令値演算手段
２ 電流制御手段
３ リラクタンスモータ
４ 回転子位置検出手段
１２ 電流センサ
１３ 制御回路
１４ 駆動回路
１５ 比較回路
３７ エンコーダ
Claims (5)
- リラクタンスモータの回転子位置を計測あるいは推定により検出する回転子位置検出手段と、
この検出手段によって得られるリラクタンスモータの回転子位置に応じて、指令値通りのトルクを出力するように、リラクタンスモータの各励磁相への電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、
各励磁相の電流値が、電流指令値演算手段によって演算された電流指令値に一致するように、各励磁相への電流を制御する電流制御手段と、
を備えるリラクタンスモータのトルク制御装置において、
前記電流指令値演算手段を、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の符号が切り換わる回転角の前後所定角度範囲においては、その励磁相ヘの電流指令値を０もしくはモータの発生トルクへの影響が著しく小さい値とするものとしたことを特徴とするリラクタンスモータのトルク制御装置。 - 前記電流指令値演算手段は、前記所定角度範囲を、リラクタンスモータの回転子及び固定子の突極部角度の製造誤差に応じて定められる角度範囲とすることを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータのトルク制御装置。
- 前記電流指令値演算手段は、前記所定角度範囲を、リラクタンスモータの回転子位置の検出誤差に応じて定められる角度範囲とすることを特徴とする請求項１記載のリラクタンスモータのトルク制御装置。
- リラクタンスモータの回転子位置を計測あるいは推定により検出する回転子位置検出手段と、
この検出手段によって得られるリラクタンスモータの回転子位置に応じて、指令値通りのトルクを出力するように、リラクタンスモータの各励磁相への電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、
各励磁相の電流値が、電流指令値演算手段によって演算された電流指令値に一致するように、各励磁相への電流を制御する電流制御手段と、
を備えるリラクタンスモータのトルク制御装置において、
前記電流指令値演算手段を、各励磁相への電流指令値を回転子位置に対して連続的に変化させると共に、２相以上を励磁する状況においては、自己インダクタンスの回転角に対する２階微分値の絶対値が大きい相ほど電流配分が小さくなるように重み付けするものとしたことを特徴とするリラクタンスモータのトルク制御装置。 - 前記電流指令値演算手段は、リラクタンスモータの回転子及び固定子の突極部角度の製造誤差と、リラクタンスモータの回転子位置の検出誤差との少なくとも一方に起因して、自己インダクタンスの回転角に対する微分値の絶対値が所定値より大きく変化する、角度範囲を含めて、重み付けすることを特徴とする請求項４記載のリラクタンスモータのトルク制御装置。
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