JP4403781B2 - Ｓｒモータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＲモータの制御装置に関し、特に、電流フィードバック制御を行うことにより、ＳＲモータを駆動制御する装置に関する。

ＳＲモータのトルク制御方法として、モータコイルの通電開始時期と通電終了時期とを決め、さらに、モータコイル電流のピーク値をヒステリシスコンパレータにより制御する方法が知られている（特許文献１参照）。この従来の方法では、通電開始時期と通電終了時期とを予めマップ化してフィードフォワード制御を行っていた。

特開２００２−２８１７８４号公報

しかしながら、フィードフォワード制御を用いた電流制御では、電流制御精度が低いという問題があった。

本発明によるＳＲモータの制御装置および制御方法は、以下の方法により、ＳＲモータに電圧を印加するインバータを制御することを特徴とする。ＳＲモータの各相に流れる電流値を検出し、検出した電流値の符号を操作する。符号を操作された各相電流値を、ＳＲモータの回転に同期して回転する直交座標系上の電流値に変換し、直交座標系において、変換された電流値と電流指令値とに基づいて、モータ制御電圧を算出する。算出されたモータ制御電圧を３相交流電圧に変換して、その絶対値を算出し、算出した絶対値に基づいて、ＳＲモータに電圧を印加するインバータを制御する。

本発明によるＳＲモータの制御装置および制御方法によれば、ＳＲモータに流れる電流をフィードバック制御することができるので、電流の制御精度を向上させることができる。

−第１の実施の形態−
図１は、ＳＲモータ（Switched Reluctance Motor）１を走行駆動源とする電気自動車の概略的な全体構成を示す底面図である。この電気自動車は、前部の左右の車輪２０ａ，２０ｂと、後部の左右の車輪２０ｃ，２０ｄを備える。前部の二つの車輪２０ａ，２０ｂをそれぞれ回転可能に支持するアクスル２１ａ，２１ｂには、車輪２０ａ，２０ｂを回転駆動するＳＲモータ１ａ，１ｂが取り付けられている。ＳＲモータ１ａ，１ｂには、インバータ２を介して、直流電源４から電力が供給される。

図２は、本発明によるＳＲモータの制御装置の第１の実施の形態の構成を示す図である。以下では、第１の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置により、電気自動車に搭載される車両駆動用のＳＲモータ１ａ，１ｂを制御する方法について説明する。ただし、以下では、ＳＲモータ１ａ，１ｂを総称して、ＳＲモータ１と呼ぶ。第１の実施の形態におけるモータ制御装置は、ユニポーラ駆動インバータ２と、平滑コンデンサ３と、直流電源４と、回転位置センサ５と、位相速度演算器６と、電流符号変換器７と、電流座標変換器８と、トルク制御器９と、電流制御器１０と、電圧座標変換器１１と、電圧指令生成器１２と、ゲート駆動信号生成器１３と、電流センサ１００ａ〜１００ｃとを備える。

第１の実施の形態におけるモータ制御装置では、ＳＲモータ１のロータ（不図示）の回転に同期して回転する直交座標系、すなわち、ｄ軸とｑ軸とを有するｄｑ座標系において、各種制御演算を行う。回転位置センサ５は、例えばエンコーダであり、ＳＲモータ１のロータの位置θmを検出する。

位相速度演算器６は、回転位置センサ５により検出された回転位置θmに基づいて、ｄｑ座標系上の制御演算に用いる電気的な位相θeを演算するとともに、θmを時間微分することにより、ＳＲモータ１の機械的角速度ωmを算出する。図３は、ＳＲモータ１のロータの回転に応じて変化する、ＳＲモータ１のＵ相のインダクタンスを示す図である。第１の実施の形態におけるモータ制御装置では、このインダクタンス変化の基本波成分の２周期をｄｑ座標系における電気的な位相θeの１周期とする。

電流センサ１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、ＳＲモータ１に流れるＵ相電流Ｉu，Ｖ相電流Ｉv，Ｗ相電流Ｉwをそれぞれ検出して、電流符号変換器７に出力する。電流符号変換器７は、位相速度演算器６で演算された電気的な位相θeに応じて、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電流値の符号を変換する処理を行う。

例えば、Ｕ相電流Ｉuに関しては、０≦θe＜πの場合には、符号を変換せず、π≦θe＜２πの場合に、符号を変換して出力する。すなわち、電流符号変換器７から出力されるＵ相の出力電流値をＩusとすると、０≦θe＜πの場合には、Ｉus＝Ｉuとなり、π≦θe＜２πの場合に、Ｉus＝−Ｉuとなる。図４は、位相θeに対応するＵ相インダクタンスと、Ｕ相電流検出値Ｉuおよび電流符号変換器７から出力される出力電流値Ｉusとの関係を示す図である。図４に示すように、位相θeに応じて電流の符号を操作することにより、出力電流Ｉuを交流電流として扱うことができる。

Ｖ相電流Ｉvの符号変換処理を行った後の出力電流値Ｉvsについては、２π／３≦θe＜５π／３の場合に、Ｉvs＝Ｉvとし、５π／３≦θe＜８π／３の場合に、Ｉvs＝−Ｉvとする。Ｗ相電流Ｉwの符号変換処理を行った後の出力電流値Ｉwsについては、−２π／３≦θe＜π／３の場合に、Ｉws＝Ｉwとし、π／３≦θe＜４π／３の場合に、Ｉws＝−Ｉwとする。これにより、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電流を３相交流電流として扱うことができる。

電流座標変換器８は、電流符号変換器７から出力される電流Ｉus，Ｉvs，Ｉwsを、次式（１）に基づいて、ｄｑ座標系のｄ軸電流Ｉdおよびｑ軸電流Ｉqに変換する。

トルク制御器９は、ＳＲモータ１のトルク指令値Ｔe^*とモータ回転速度ωmとに基づいて、モータのｄ軸電流指令値Ｉd^*とｑ軸電流指令値Ｉq^*とを算出する。なお、トルク制御器９は、予め用意した、トルク指令値Ｔe^*とモータ回転速度ωmとを座標軸とするマップを参照することにより、電流指令値Ｉd^*，Ｉq^*を算出する。

図５は、電流制御器１０の構成を示すブロック図である。電流制御器１０は、減算器２００ａ，２００ｂと、ＰＩ制御器２０１ａ，２０１ｂとを備える。減算器２００ａは、トルク制御器９で算出された電流指令値Ｉd^*と、電流座標変換器８から入力されるｄ軸の実電流ｉdとの差を演算して、演算結果をＰＩ制御器２０１ａに出力する。また、減算器２００ｂは、電流指令値Ｉq^*とｑ軸の実電流Ｉqとの差を演算して、演算結果をＰＩ制御器２０１ｂに出力する。

ＰＩ制御器２０１ａは、減算器２００ａによる演算結果（Ｉd^*−Ｉd）に対してＰＩ（比例・積分）演算を行うことにより、ｄ軸電圧指令値ｖdを算出する。また、ＰＩ制御器２０１ｂは、減算器２００ｂによる演算結果（Ｉq^*−Ｉq）に対してＰＩ（比例・積分）演算を行うことにより、ｑ軸電圧指令値ｖqを算出する。すなわち、電流制御器１０は、ＳＲモータ１に流れる実電流と電流指令値とに基づいて、電流フィードバック制御を行うことにより、電圧指令値を算出している。電流制御器１０で算出された電圧指令値ｖd，ｖqは、電圧座標変換器１１に出力される。

電圧座標変換器１１は、電流制御器１０で算出されたｄｑ座標系上の電圧指令値ｖd，ｖqを、次式（２）に基づいて、Ｕ相制御電圧ｖus，Ｖ相制御電圧ｖvs，Ｗ相制御電圧ｖwsの３相電圧に変換する。

電圧座標変換器１１で変換された３相電圧ｖus，ｖvs，ｖwsは、電圧指令生成器１２に出力される。電圧指令生成器１２は、電圧座標変換器１１で変換された３相電圧ｖus，ｖvs，ｖwsの絶対値を演算して、演算結果ｖu^*＝｜ｖus｜，ｖv^*＝｜ｖvs｜，ｖw^*＝｜ｖws｜をゲート駆動信号生成器１３に出力する。

ゲート駆動信号生成器１３は、インバータ２を構成するスイッチＳ１〜Ｓ６のオン／オフを制御するための駆動信号を生成する。まず、平滑コンデンサ３の電圧値Ｖcと、電圧指令生成器１２から入力される電圧ｖu^*，ｖv^*，ｖw^*とに基づいて、次式（３）により、各相の変調率ｍu^*，ｍv^*，ｍw^*を算出する。
ｍu^*＝ｖu^*／Vc
ｍv^*＝ｖv^*／Vc
ｍw^*＝ｖw^*／Vc …（３）

図６は、Ｕ相のゲート駆動信号を生成する方法を説明するための図である。図６に示すように、算出された変調率ｍu^*とキャリア信号である三角波の大きさとが比較されて、変調率ｍu^*が三角波よりも大きい場合には、後述するインバータ２のＵ相のスイッチＳ１，Ｓ２をオンとするためのゲート駆動信号（ＯＮ信号）が出力される。一方、変調率ｍu^*が三角波よりも小さい場合には、Ｕ相のスイッチＳ１，Ｓ２をオフとするためのゲート駆動信号（ＯＦＦ信号）が出力される。図６では、Ｕ相のゲート駆動信号を生成する方法について説明したが、Ｖ相およびＷ相のゲート駆動信号についても、同様の方法により生成される。

ユニポーラ駆動インバータ２は、ＳＲモータ１を駆動制御するために用いられる一般的なインバータであり、スイッチＳ１〜Ｓ６およびフリーホイールダイオードＤ１〜Ｄ６を備える。スイッチＳ１およびＳ２は、Ｕ相のゲート駆動信号がＯＮ信号である場合にオンし、ＯＦＦ信号の場合にオフする。同様に、スイッチＳ３，Ｓ４、および、スイッチＳ５，Ｓ６は、それぞれＶ相およびＷ相のゲート駆動信号がＯＮ信号である場合にオンし、ＯＦＦ信号の場合にオフする。これにより、直流電源４の電圧を所望の電圧値に変換して、ＳＲモータ１に印加し、ＳＲモータ１の駆動を制御する。なお、直流電源４と並列に接続されている平滑コンデンサ３は、電圧変動を抑制する役割を果たす。

第１の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置によれば、ＳＲモータ１の各相に流れる電流値を検出し、検出した電流値の符号の変換処理を行うことにより、ＳＲモータ１の回転に同期して回転する直交座標系（ｄｑ座標系）上の電流値に変換して、電流フィードバック制御を行うことができる。また、電流フィードバック制御により求められる電圧指令値を３相交流電圧指令値に変換し、その絶対値を求めることにより、インバータ２を制御するための信号を生成することができる。これにより、ＳＲモータ１に流れる電流の制御精度を向上させることができる。例えば、従来のフィードフォワード制御では、直流電源４の電圧の変動等による制御外乱の影響を受けやすいという問題があったが、第１の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置によれば、フィードバック制御を行うことにより、実電流を電流指令値に追従させることができる。

また、第１の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置のように、車両の駆動モータとしてＳＲモータを用いる場合には、モータの制御精度が向上することにより、車両の乗り心地を向上させることができる。

第１の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置では、ｄｑ座標系の回転周期を、ＳＲモータ１の回転に応じて各相のインダクタンスが変化する際の変化周期の２倍とするので、符号を操作された電流を交流として扱うことができる。すなわち、ｄｑ座標系において、モータ電流の基本波成分を直流量として扱うことができるので、モータの高回転時においても、実電流の応答性が低下することはない。これに対し、ＳＲモータ１の各相の電流検出値に対して、直接フィードバック制御を行う場合には、例えば、モータの高回転時に、電流指令値に対する実電流の追従性が問題になることがある。

また、電流指令値を算出するためのマップは、トルク指令値Ｔe^*とモータ回転速度ωmとに基づいて作成することができるので、通電開始時期と通電終了時期とをマップ化する従来の装置と比べて、マップの作成労力および制御装置のマップ記憶容量を低減することができる。

−第２の実施の形態−
図７は、第２の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置の構成を示す図である。第１の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置と異なるのは、電流符号変換器７ａである。従って、以下では、電流符号変換器７ａで行う処理について詳しく説明し、同一の構成部分についての説明は省略する。

電流符号変換器７ａは、ＳＲモータ１の各相に流れる電流値の大きさに基づいて、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電流値の符号を変換する処理を行う。すなわち、電流センサ１００ａ〜１００ｃにより検出された電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwと所定の電流しきい値とを比較し、電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwが所定の電流しきい値以下であれば、出力電流値を０とし、所定の電流しきい値より大きい区間がある場合には、その区間の電流値を、区間の一つ置きに、符号を反転させて出力する。この処理について、図８を用いて説明する。

図８は、電流センサ１００ａにより検出されたＵ相の電流Ｉuと、電流符号変換器７ａから出力されるＵ相電流Ｉusとの関係を示す図である。第２の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置では、電流しきい値にヒステリシスを設けている。すなわち、Ｕ相の電流に対して、第１の電流しきい値Ｉu1と、第２の電流しきい値Ｉu2とを予め定めておく。なお、電流しきい値Ｉu1，Ｉu2は、電流センサ１００ａ〜１００ｃの分解能や、リップル電流の大きさなどに基づいて定めることができる。

電流符号変換器７ａは、電流センサ１００ａにより検出されたＵ相の電流Ｉuと、第２の電流しきい値Ｉu2とを比較し、Ｉu≦Ｉu2が成り立つ場合には、出力電流値Ｉus＝０とする。電流Ｉuが第２の電流しきい値Ｉu2より大きくなると、出力電流値Ｉus＝Ｉuとする（区間（i））。その後、電流Ｉuが第１の電流しきい値Ｉu1以下になると、再び、出力電流値Ｉus＝０とする。

電流Ｉuが第１の電流しきい値Ｉu1以下になって、Ｉus＝０を出力後に、電流Ｉuが第２の電流しきい値Ｉu2より大きくなると、Ｕ相の電流Ｉuの符号を反転して出力する。すなわち、出力電流値Ｉus＝−Ｉuとする（区間（ii））。その後、電流センサ１００ａにより検出された電流Ｉuが第１の電流しきい値Ｉu1以下になると、再び、出力電流値Ｉus＝０とする。この後、電流Ｉuが第２の電流しきい値Ｉu2より大きくなると、区間（i）と同様に、出力電流値Ｉus＝Ｉuとする（区間（iii））。以後、この処理が繰り返し行われる。

第２の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置によれば、ＳＲモータの各相ごとに電流しきい値を定めておき、電流センサ１００ａ〜１００ｃにより検出された各相電流値が所定の電流しきい値以下の場合には、電流値を０とし、所定の電流しきい値より電流値が大きい区間に対しては、１つ置きの区間の電流値の符号を負とする。これにより、第１の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置と同様に、制御精度の高い電流フィードバック制御を行うことができる。また、電流値の符号変換処理を行う際に、電気的な位相θeを必要とせず、電流値のみを検出すればよいので、例えば、回転位置センサ５を省いた構成としたり、検出精度の低い回転位置センサ５を用いることができる。

第２の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置によれば、検出電流値と比較する電流しきい値にヒステリシスを設けるので、検出電流値にノイズが含まれるような場合でも、出力電流値の符号が頻繁に切り替わるチャタリングの発生を防ぐことができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、ＳＲモータは、電気自動車の車両駆動用モータとして用いられる例について説明したが、他の用途に用いられるものでもよい。また、本発明がＳＲモータの種類、例えば、ロータおよびステータの極数などにより限定されることもない。

第２の実施の形態では、電流しきい値にヒステリシスを設けたが、ヒステリシスを設けずに、電流しきい値を１つだけ設定することもできる。

特許請求の範囲の構成要素と第１，第２の実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、インバータ２がインバータを、電流センサ１００ａ〜１００ｃが電流検出手段を、電流符号変換器７，７ａが電流符号操作手段を、電流座標変換器８が座標変換手段を、電流制御器１０が制御電圧算出手段を、電圧座標変換器１１が電圧変換手段を、電圧指令生成器１２が絶対値算出手段を、ゲート駆動信号生成器１３がインバータ制御手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

ＳＲモータを走行駆動源とする電気自動車の概略的な全体構成を示す底面図 本発明によるＳＲモータの制御装置の第１の実施の形態の構成を示す図 ＳＲモータのロータの位相と、Ｕ相インダクタンスとの関係を示す図 Ｕ相インダクタンスと、Ｕ相電流Ｉuおよび出力電流Ｉu_kとの関係を示す図 電流制御器の構成を示すブロック図 Ｕ相のゲート駆動信号を生成する方法を説明するための図 第２の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置の構成を示す図 第２の実施の形態におけるＳＲモータの制御装置において、Ｕ相の電流Ｉuと、電流符号変換器７ａから出力されるＵ相電流Ｉu_kとの関係を示す図

符号の説明

１…ＳＲモータ
２…インバータ
３…平滑コンデンサ
４…直流電源
５…回転位置センサ
６…位相速度演算器
７，７ａ…電流符号変換器
８…電流座標変換器
９…トルク制御器
１０…電流制御器
１１…電圧座標変換器
１２…電圧指令生成器
１３…ゲート駆動信号生成器
１００ａ〜１００ｃ…電流センサ

Claims (7)

1. ＳＲモータの各相に流れる電流を検出し、
   前記検出した各相電流値の符号を操作し、
   前記符号を操作された各相電流値を、前記ＳＲモータの回転に同期して回転する直交座標系上の電流値に変換し、
   前記直交座標系において、前記変換された電流値と前記ＳＲモータの電流指令値とに基づいて、モータ制御電圧を算出し、
   前記算出されたモータ制御電圧を３相交流電圧に変換し、
   前記変換された３相交流電圧の絶対値を算出し、
   前記算出された３相交流電圧の絶対値に基づいて、前記ＳＲモータに電圧を印加するインバータを制御することを特徴とするＳＲモータの制御方法。
2. ＳＲモータを駆動制御するために、各相ごとに所望の電圧を印加するインバータと、
   前記ＳＲモータの各相に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出された各相電流値の符号を操作する電流符号操作手段と、
   前記電流符号操作手段により符号を操作された各相電流値を、前記ＳＲモータの回転に同期して回転する直交座標系上の電流値に変換する座標変換手段と、
   前記直交座標系において、前記座標変換手段により変換された電流値と、前記ＳＲモータの電流指令値とに基づいて、モータ制御電圧を算出する制御電圧算出手段と、
   前記制御電圧算出手段により算出されたモータ制御電圧を３相交流電圧に変換する電圧変換手段と、
   前記電圧変換手段により変換された３相交流電圧の絶対値を算出する絶対値算出手段と、
   前記絶対値算出手段により算出された３相交流電圧の絶対値に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御手段とを備えることを特徴とするＳＲモータの制御装置。
3. 請求項２に記載のＳＲモータの制御装置において、
   前記ＳＲモータのロータの回転位相を検出する位相検出手段をさらに備え、
   前記電流符号操作手段は、前記位相検出手段により検出された回転位相に基づいて、各相電流値の符号を操作することを特徴とするＳＲモータの制御装置。
4. 請求項２に記載のＳＲモータの制御装置において、
   前記ＳＲモータの各相ごとに電流しきい値を定め、
   前記電流符号操作手段は、前記電流検出手段により検出された各相電流値が前記電流しきい値以下の場合には、出力電流を０とし、前記電流検出手段により検出された各相電流値が前記電流しきい値より大きい場合には、前記電流しきい値より大きい電流値の区間に対し、１つおきの区間の電流値の符号を負にすることを特徴とするＳＲモータの制御装置。
5. 請求項４に記載のＳＲモータの制御装置において、
   前記電流しきい値にヒステリシスを設けることを特徴とするＳＲモータの制御装置。
6. 請求項２〜５のいずれかに記載のＳＲモータの制御装置において、
   前記直交座標系の回転周期は、前記ＳＲモータの回転に応じて各相のインダクタンスが変化する際の変化周期の２倍とすることを特徴とするＳＲモータの制御装置。
7. 請求項２〜６のいずれかに記載のＳＲモータの制御装置により制御されるＳＲモータを走行駆動源とする車両。

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