JP2004088849A

JP2004088849A - Ｓｒモータの制御装置

Info

Publication number: JP2004088849A
Application number: JP2002243944A
Authority: JP
Inventors: Tadayuki Hatsuda; 初田　匡之; Yasuhiko Kitajima; 北島　康彦
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: JP4052063B2

Abstract

【課題】ＳＲモータの低回転速度領域における異音や振動を減少させることを目的とする。
【解決手段】電流制御回路５は、回転角度位置検出器１６より得られた信号θをもとに制御部１で電流指令値Ｉ^＊を生成し、比較制御部２で制御部１からの電流指令値Ｉ^＊と巻線４の電流検知器１５の信号を比較して、巻線４への電流通電状態をスイッチ素子１３、１４により制御する。比較制御部２は、巻線電流の相間切換に起因する出力トルクの脈動幅に対応するトルク脈動を巻線電流通電期間中に発生する巻線電流波形を生成することにより、相間電流切換に起因する出力トルク脈動の基本波成分を減少させ、高周波成分を増す。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＲモータ（スイッチドリラクタンスモータ）の制御装置に関するものであり、特にＳＲモータの異音、振動を改善するようにした制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を用いないタイプの同期モータとしてＳＲモータが知られている。ＳＲモータは筒状のヨークに中心軸に向かって突出する複数の突極を備えた固定子と、複数の突極を備えた回転子とを同心軸に配置し、固定子の突極に巻線を装着して構成される。
【０００３】
ＳＲモータは、固定子の巻線に電流を流して、固定子の突極に磁束を発生させ、回転子の突極を固定子の突極に引き付けることで出力トルクを発生させる。このとき、固定子と回転子の１つの突極同士が対向すると、他の固定子と回転子の突極同士は対向せずずれが生じており、逐次ずれた突極を選んでその固定子の突極の巻線に通電すれば、回転子の突極が連続的に引き付けられ、回転子を軸周りに回転させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術では、例えば固定子の突極の数が６で、回転子の突極の数が４でＵ相、Ｖ相、Ｗ相を有する三相モータの場合には、相間の電流切換時に置いて電流が不連続になることなどの理由により、図８においてｂで示すようにＵ相−Ｖ相間、Ｖ相−Ｗ相間、Ｗ相−Ｕ相間の電流切換に起因するＳＲモータの出力トルクの落ち込みつまり出力トルクの脈動が発生してしまう。
この出力トルクをパワスペクトルで表示すると図９のようになり、出力トルク脈動の基本波成分が比較的大きいことを示している。
車両駆動用に搭載されるＳＲモータにおいて、特定の低回転速度範囲で、この出力トルクの脈動が運転者などにゴツゴツ感のある不快な異音または振動に感じられる。
【０００５】
本発明は、ＳＲモータにおいて、上記のような出力トルク脈動に起因する不快な異音または振動を低減するＳＲモータの制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、突極構造を形成した固定子と、該固定子の突極の周囲に巻き回された巻線群と、突極構造を形成した回転子を有するＳＲモータの制御装置にあって、前記回転子の回転角度位置を検出する回転角度位置検出手段と、前記巻線電流を検知する電流検知手段と、前記回転角度位置検出手段より得られた信号をもとに電流指令値を生成し、該電流指令値と前記電流検知手段からの巻線電流信号を比較して巻線への電流通電状態を制御する電流制御手段を備え、該電流制御手段は、巻線電流の相間切り換えに起因する出力トルクの脈動幅に対応するトルク脈動を巻線電流通電期間中に発生する巻線電流波形を生成するものとする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明により、前記電流制御手段が巻線に流す電流波形は、従来方形波状の電流波形に近づけることとしていたのを、巻線電流の相間切り換えに起因する出力トルクの脈動幅に対応するトルク脈動を巻線電流通電期間中に発生する電流波形とすることによって、ＳＲモータの出力トルクの脈動の低周波数成分を減少させることができる。その結果、ゴツゴツ感の不快な異音または振動を感じさせないＳＲモータを提供できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を実施例により説明する。
三相モータに適用した第１の実施例を図１に示す。図１は１相の駆動回路分を示し、同一構成が各相の駆動回路毎に設けられ、巻線電流を制御する。
各相の巻線電流を制御する電流制御回路５は、大きくは制御部１と比較制御部２より構成される。電流制御回路５によって制御される巻線電流の回路である駆動回路は、電源３、巻線４、平滑用のコンデンサ７、スイッチ素子１３、１４およびダイオード１１、１２とを備えている。
【０００９】
巻線４の始端Ｔ１はスイッチ素子１３を介して電源３に接続されるとともに、ダイオード１１を介して接地されている。巻線４の終端Ｔ２はスイッチ素子１４を介して接地されると共に、ダイオード１２を介して電源３に接続されている。
制御部１はＳＲモータの回転角度位置検出器１６に接続する。比較制御部２は巻線４を流れる電流を検出する電流検出器１５、スイッチ素子１３、１４に接続する。
なお、本実施例の制御部１と比較制御部２より構成された電流制御回路５を１つのマイクロコンピュータとしてもよい。
【００１０】
制御部１は回転角度位置検出器１６からの回転角度位置θの信号を入力され、回転角度位置θに応じて比較制御部２に電流指令値Ｉ^＊を出力する。
図２の（ａ）から（ｃ）は電流指令値Ｉ^＊、巻線電流Ｉ、ＳＲモータの出力トルクの回転角度位置θに対する変化をＵ相を例に示したものである。
制御部１で生成する各相の電流指令値Ｉ^＊は、図２の（ａ）に示すように方形波状の平坦部の中央部に窪みを設けてある。この窪みの深さは巻線電流の相間切り換えに起因する出力トルクの脈動幅に対応するトルク脈動を巻線電流通電期間中に発生させる程度のものとする。
比較制御部２は、電流検出器１５からの巻線電流Ｉの信号を受け、電流指令値Ｉ^＊と電流Ｉを比較して、その大小関係に応じてスイッチ素子１３、１４を制御する。
【００１１】
比較制御部２は巻線電流ＩをＩ^＊に維持制御するためのヒステリシス幅である固定のヒステリシス幅Ｉ_ｈｙｓを保有する。Ｉ_ｈｙｓは巻線電流Ｉを目標値に一定に制御するという電流制御特性を高める観点から小さいことが望ましいが、スイッチ素子１３、１４のオンオフ周期が短くなることから、実際はスイッチ素子のオンオフ能力に応じて、所定の値に設定する。
【００１２】
まず、電流指令値Ｉ^＊がゼロから立ち上がる回転角度領域Ａでは、電流指令値Ｉ^＊と実際に巻線に流れている電流Ｉとの比較結果がＩ^＊＞Ｉであり、スイッチ素子１３、１４の両方がオンされて電流Ｉは増加する。
次に、巻線に流れている電流Ｉが電流指令値Ｉ^＊に達してＩ^＊＜Ｉとなったとき、スイッチ素子１３、１４の両方はオフされて、巻線電流は減少する。
次に巻線に流れている電流Ｉが電流指令値Ｉ^＊よりヒステリシス幅Ｉ_ｈｙｓの分だけ小さいＩ^＊−Ｉ_ｈｙｓ＞Ｉとなると、再度スイッチ素子１３、１４の両方がオンされて電流Ｉは増加する。この繰り返しの結果、図２の（ｂ）に示すように回転角度領域Ｂでは、巻線電流Ｉは細かいのこぎり歯状の微小のヒステリシス幅を持ったほぼ一定電流に制御される。回転角度領域Ｂが続いた後、電流指令値Ｉ^＊が一時的に窪んでいる回転角度領域Ｃに対応し、比較制御部２はスイッチ素子１３、１４を制御し、巻線電流Ｉを追従させ窪ませる。その後、回転角度領域Ｂ’に至り、比較制御部２は再び巻線電流Ｉを回復させてほぼ一定値の制御をする。
最後に電流指令値Ｉ^＊はゼロとなり、スイッチ素子１３、１４はオフされ、巻線電流Ｉは電源３に回生しながらゼロとなる。
【００１３】
Ｕ相における巻線電流波形の１周期において、出力トルクは図２の（ｃ）に示したように、中間に窪みのある波形となる。同様の巻線電流の制御をＶ相、Ｗ相、Ｕ相、…と繰り返すことによって、ＳＲモータの出力トルクは図２の（ｃ）に示したような出力トルクの窪みａとｂを有する出力トルク脈動の波形となる。
この切り換りの期間における出力トルクの窪みｂは従来から発生している出力トルクの脈動である。その中間に生じている出力トルクの窪みａは、本実施例において電流指令値Ｉ^＊を回転角度領域Ｃにおいて一時的に低下させ、積極的に出力トルクに生じさせた脈動である。
【００１４】
図２の（ｃ）に示した出力トルクの窪みａの基本波を図２の（ｄ）の曲線ｄに、図２の（ｃ）に示した出力トルクの窪みｂの基本波を図２の（ｄ）の曲線ｃに示す。ここで、Ｕ相―Ｖ相、Ｖ相―Ｗ相、Ｗ相―Ｕ相間の切換周波数をｆ_０としている。
曲線ｃに示す基本波成分に対して、電気角で１８０度ずれた曲線ｄの基本波成分を有する新たな出力トルク脈動を与えたことになり、従来の出力トルク脈動を打ち消す効果がある。また、周波数２ｆ_０の出力トルク脈動の波形になり、従来の出力トルク脈動の周波数からずらしたことになる。
【００１５】
本実施例において、電流検出器１５は本発明の電流検知手段に、回転角度位置検出器１６は回転角度位置検出手段に、電流制御回路５は電流制御手段に、制御部１は第１の制御部に、比較制御部２は第２の制御部にそれぞれ対応している。
【００１６】
本実施例は以上のように構成され、ＳＲモータの出力トルク脈動の周波数をｆ_０から２ｆ_０に変えている。その結果、従来のＳＲモータの低回転速度領域で生じていたゴツゴツ感のある不快な異音、振動などが軽減される。
【００１７】
本実施例では、２個のスイッチ素子１３、１４を設けて、双方をオン、オフするものとしているが、いずれか一方のスイッチ素子だけを設けるものとしてもよい。その場合、両方のスイッチ素子をオフする場合に比較して、電流の減少率が小さくなることから電流の制御性は低下するが、電源に流れる電流の脈動は小さいという利点がある。
【００１８】
なお、上述の実施例では出力トルクの窪みを、相間切換による出力トルクの脈動の１周期の中間に１箇所としたが、変形例として２箇所以上のｎ箇所とすることもできる。その場合は、相間切換による出力トルクの脈動の１周期をｎ＋１等分して、分割された切れ目の回転角度位置θを中心にした出力トルクの窪みが発生するように、電流指令値Ｉ^＊を窪ませ、巻線電流Ｉを電流指令値Ｉ^＊に追随させる。
【００１９】
ｎがいずれの場合も、新たに追加された出力トルクの脈動の基本波成分は図２の（ｄ）の曲線ｃに対して（ｎ＋１）倍の周波数の基本波成分の出力トルク脈動とするものであり、高次の周波数成分に対して人の音、振動に対する感覚は弱まるので、いっそうゴツゴツ感のある異音、振動は減少する。
【００２０】
さらに、上述のように出力トルクに積極的に窪みを設ける場合、電流指令値の直流分を増加させて、出力トルクの低下を補償することができる。
なお、相間切換によって生じる出力トルクの脈動が、図２の（ｃ）では下に凸の形状であったが、逆に上に凸の形状の場合、本実施例およびその変形例で積極的に発生させる出力トルクの脈動も上に凸の形状となるように、方形波に上に凸形状の突出部を重畳した形状の電流指令値Ｉ^＊とすることにより、相間切換による出力トルクの脈動を軽減できる。
【００２１】
第２の実施例を説明する。図３は本実施例の構成を示す。
電流制御回路５’は、制御部１’と比較制御部２’とから構成されている。その他は第１の実施例と同じ構成である。
制御部１’は比較制御部２’と接続され、制御部１’において電流指令値Ｉ^＊と、ヒステリシス幅指令値Ｉ_ｈｙｓ ^＊生成し、比較制御部２’に送出する。
【００２２】
本実施例の制御部１’では、通常はヒステリシス幅は小さい値であるものを、ＳＲモータの所定の低回転速度範囲においては、通常より大きい所定のヒステリシス幅指令値Ｉ_ｈｙｓ ^＊を生成する。この通常より大きい所定のヒステリシス幅指令値Ｉ_ｈｙｓ ^＊は巻線電流の相間切り換えに起因する出力トルクの脈動幅に対応するトルク脈動を巻線電流通電期間中に発生させる程度のものとする。
一方、制御部１’の生成する電流指令値Ｉ^＊は方形波である。
ここで、所定の低回転速度範囲は、従来相間電流切換に起因して不快な異音、振動を生じる領域を含むように設定する。
【００２３】
第２の実施例の作用を図４にしたがってＵ相を例に説明する。回転子の回転速度が所定の低回転速度範囲にあるとき、制御部１’は図４の（ａ）に示す方形波状の電流指令値Ｉ^＊を生成し比較制御部２’に送出し、かつ通常より大きな所定の値のヒステリシス幅指令値Ｉ_ｈｙｓ ^＊を生成し、比較制御部２’に送出する。
その結果、比較制御部２’は巻線電流を、図４の（ｂ）のＵ相電流で例示するように制御する。すなわち、電流指令値Ｉ^＊の方形波の立ち上がりに追随する領域Ａを経過して、一旦Ｉ＞Ｉ^＊となると、以後領域Ｂ”では電流指令値Ｉ^＊の所定レベルを維持するため、比較制御部２’からの制御で、Ｉ＞Ｉ^＊でスイッチ素子１３、１４がオフとなり、Ｉ^＊−Ｉ_ｈｙｓ ^＊＞Ｉとなった時点で再びスイッチ素子１３、１４をオンとすることを繰り返す。
【００２４】
この制御の結果、回転角度領域Ｂ”における巻線電流は、図４の（ｂ）に示すようにヒステリシス幅指令値Ｉ_ｈｙｓ ^＊が通常より大きい分、大きなのこぎり歯状の山谷をなす。ヒステリシス幅指令値Ｉ_ｈｙｓ ^＊を適切に選定することによって、電流指令値Ｉ^＊が方形波の一定レベルを維持している期間に、ヒステリシス比較方式の制御による巻線電流の窪み回数を整数回とすることができる。
【００２５】
本実施例において、電流検出器１５は本発明の電流検知手段に、回転角度位置検出器１６は回転角度位置検出手段に、電流制御回路５’は電流制御手段に、制御部１’は第１の制御部に、比較制御部２’は第２の制御部にそれぞれ対応している。
【００２６】
本実施例は以上のように構成され、図４の（ｂ）に示す巻線電流の変化は、図４の（ｃ）に示すような出力トルクの波形を与える。図５の（ａ）に示す出力トルク波形のパワスペクトルを図５の（ｂ）に示すが、出力トルク脈動の基本波形の重みが低減し、出力トルクの脈動の周波数成分は高次側に移動する。
その結果、従来のＳＲモータの低回転速度領域で生じていたゴツゴツ感のある不快な異音、振動などが軽減される。
【００２７】
なお、ヒステリシス幅指令値Ｉ_ｈｙｓ ^＊の具体的な設定に当たっては、事前にＳＲモータの音、振動の相関を測定し、騒音やゴツゴツ感のある振動の最も低減効果の認められるヒステリシス幅指令値Ｉ_ｈｙｓ ^＊とすることが好ましい。
【００２８】
第３の実施例を説明する。図６は本実施例の構成を示す。
電流制御回路５”は、制御部１”とＰＷＭ（パルス幅モジュレイション）制御部６とから構成されている。第１の実施例では制御部２としていた代わりに、本実施例ではＰＷＭ制御部６に置き換わり、他は第１の実施例と同じ構成である。
制御部１”は回転角度位置検出器１６からの回転角度位置θの検出信号を受ける。制御部１”は電流指令値Ｉ^＊と、キャリア周波数指令値ｆ_ｃ ^＊を生成し、ＰＷＭ制御部６に送出する。ＰＷＭ制御部６は電流指令値Ｉ^＊と、キャリア周波数指令値ｆ_ｃ ^＊にしたがって、ＰＷＭ制御部内部でＰＷＭ出力信号を発生させる。
【００２９】
このキャリア周波数指令値ｆ_ｃ ^＊は通常、電流制御特性を考慮して高い周波数が与えられるが、本実施例では所定のＳＲモータの低回転速度範囲においては、通常より低い所定の周波数が与えられる。この通常より低い所定のキャリア周波数指令値ｆ_ｃ ^＊は、ＰＷＭ出力信号がオフの期間の巻線電流低下によって、巻線電流の相間切り換えに起因する出力トルクの脈動幅に対応するトルク脈動を巻線電流通電期間中に発生させる程度のものとする。
一方、電流指令値Ｉ^＊は方形波である。
ここで、所定の低回転速度範囲は、従来相間電流切換に起因してＳＲモータが不快な異音、振動を生じる領域を含むように設定する。
ＰＷＭ制御部６で、キャリア周波数指令値ｆ_ｃ ^＊によるパルス間隔毎に、電流指令値Ｉ^＊と巻線電流Ｉとの差分に応じてスイッチ素子１３、１４のオンオフデユーティが決定される。
【００３０】
ＰＷＭ制御部６はキャリア周波数指令値ｆ_ｃ ^＊に応じ、ＰＷＭ出力信号を内部で発生させ、電流指令値Ｉ^＊の方形波の一定値を維持するように巻線電流Ｉを制御する。すなわち、ＰＷＭ制御部６は、図７の（ａ）のＵ相電流指令値Ｉ^＊にしたがって図７の（ｂ）に示す方形波のＰＷＭ出力信号をキャリア周波数ｆ_ｃ ^＊で発生させる。さらに、ＰＷＭ制御部６は、ＰＷＭ出力信号がオンのときスイッチ素子１３、１４をオンとして巻線電流Ｉを増加させ、ＰＷＭ出力信号がオフのときスイッチ素子１３、１４をオフとして巻線電流Ｉを減少させる。ただし、ＰＷＭ出力信号がオンの状態で巻線電流ＩがＩ＞Ｉ^＊となったときスイッチ素子１３、１４をオフする。
【００３１】
この制御の結果、図７の（ｃ）に示すように巻線電流は、キャリア周波数指令値ｆ_ｃ ^＊が通常より低いので、大きなのこぎり歯状の山谷をなす。
キャリア周波数指令値ｆ_ｃ ^＊を適切に選定することによって、電流指令値Ｉ^＊が方形波の一定レベルを維持している期間に、ＰＷＭ制御による巻線電流の窪み回数を整数回とすることができる。
【００３２】
本実施例において、電流検出器１５は本発明の電流検知手段に、回転角度位置検出器１６は回転角度位置検出手段に、電流制御回路５は”電流制御手段に、制御部１”は第１の制御部に、ＰＷＭ制御部６は第２の制御部にそれぞれ対応している。
【００３３】
本実施例は以上のように構成され、巻線電流通電期間中の図７の（ｃ）に示すような巻線電流の変化は、図７の（ｄ）に示すような出力トルクの波形を与え、相間切換に起因する出力トルク脈動の基本成分を低減するとともに、出力トルクの脈動の周波数は高次側に移動する。
その結果、従来のＳＲモータの低回転速度領域で生じていたゴツゴツ感のある不快な異音、振動などが軽減される。
【００３４】
なお、具体的なキャリア周波数指令値ｆ_ｃ ^＊を設定するに当たっては、事前にキャリア周波数指令値ｆ_ｃ ^＊と音、振動の相関を測定し、騒音やゴツゴツ間のある振動の最も低減効果の認められるキャリア周波数指令値ｆ_ｃ ^＊とすることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す図である。
【図２】第１の実施例の作用説明図である。
【図３】第２の実施例の構成を示す図である。
【図４】第２の実施例の作用説明図である。
【図５】第２の実施例の出力トルクとパワスペクトルを示す図である。
【図６】第３の実施例の構成を示す図である。
【図７】第３の実施例の作用説明図である。
【図８】従来技術の説明図である。
【図９】従来技術の出力トルクのパワスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１、１’、１”　制御部
２、２’　　比較制御部
３　電源
４　巻線
５、５’、５”　電流制御回路
６　ＰＷＭ制御部
７　コンデンサ
１１、１２　　　ダイオード
１３、１４　　スイッチ素子
１５　電流検出器
１６　回転角度位置検出器

Claims

突極構造を形成した固定子と、該固定子の突極の周囲に巻き回された巻線群と、突極構造を形成した回転子を有するＳＲモータの制御装置にあって、
前記回転子の回転角度位置を検出する回転角度位置検出手段と、
前記巻線電流を検知する電流検知手段と、
前記回転角度位置検出手段より得られた信号をもとに電流指令値を生成し、該電流指令値と前記電流検知手段からの巻線電流信号を比較して巻線への電流通電状態を制御する電流制御手段を備え、
該電流制御手段は、巻線電流の相間切り換えに起因する出力トルクの脈動幅に対応するトルク脈動を巻線電流通電期間中に発生する巻線電流波形を生成することを特徴とするＳＲモータの制御装置。
前記電流制御手段は、電流指令値を生成する第１の制御部と、該第１の制御部からの前記電流指令値と前記電流検知手段からの巻線電流信号を比較して巻線への電流通電状態を制御する第２の制御部を備え、
前記第１の制御部が生成する電流指令値が方形波の一定電流期間中に窪みまたは突出を有することを特徴とする請求項１に記載のＳＲモータの制御装置。
前記電流制御手段は、電流指令値を生成する第１の制御部と、該第１の制御部からの前記電流指令値と前記電流検知手段からの巻線電流信号を比較して巻線への電流通電状態を制御するヒステリシス比較方式の第２の制御部を備え、
前記第１の制御部は、方形波状の電流指令値を生成し、かつ、該方形波状の一定電流指令値期間のヒステリシス幅を、予め設定されたＳＲモータの回転速度範囲に応じて選択し、第２の制御部に指令することを特徴とする請求項１に記載のＳＲモータの制御装置。
前記電流制御手段は、電流指令値を生成する第１の制御部と、該第１の制御部からの前記電流指令値と前記電流検知手段からの巻線電流信号を比較して巻線への電流通電状態を制御するＰＷＭ制御方式の第２の制御部を備え、
前記第１の制御部は、方形波状の電流指令値を生成し、かつ、該方形波状の一定電流指令値期間のＰＷＭのキャリア周波数を、予め設定されたＳＲモータの回転速度範囲に応じて選択し、第２の制御部に指令することを特徴とする請求項１に記載のＳＲモータの制御装置。
前記第１の制御部は、相電流の切換周期をｎ＋１等分（ｎは自然数）したタイミングで、前記電流指令値に窪みまたは突出を設けることを特徴とする請求項２に記載のＳＲモータの制御装置。
突極構造を形成した固定子と、該固定子の突極の周囲に巻き回された巻線群と、突極構造を形成した回転子を有し、該回転子の前記回転角度位置に応じて電流指令値を生成し、該電流指令値と実際の巻線電流を比較して巻線への電流通電状態を制御するＳＲモータの制御方法であって、
巻線電流の相間切り換えに起因する出力トルクの脈動幅に対応するトルク脈動を各相の巻線電流通電期間中に発生させることを特徴とするＳＲモータの制御方法。