JP2014068499A - 電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通電される相を切り替えながら制御する電動機の出力トルク値を高効率かつ高精度に制御することができ、トルクリプルの発生を抑制した電動機制御装置を提供することを目的としている。
【解決手段】電動機制御装置１は、電動機２が所定の出力トルク値Ｔで駆動されるようにトルク指令値Ｔｒｅｆを出力するトルク指令回路１１と、このトルク指令値Ｔｒｅｆに基づいて電流指令値Ｉｒｅｆを出力する電流指令回路１２と、この電流指令値Ｉｒｅｆに基づいて駆動信号を生成する駆動信号生成回路１３と、この駆動信号に基づいて電動機２の固定子２１に駆動電流を供給する駆動回路１４と、固定子２１に流れる電流値Ｉを測定する電流センサ１５と、電動機２の回転子２２の回転位置θを測定する位置センサ２３と、で構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の相を有する電動機を、通電される相を順次切り替えながら制御する電動機制御装置に関するものである。

通電される相を切り替えながら制御する電動機の１つに、スイッチトリラクタンスモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ、以下ＳＲＭと称する。）がある。ＳＲＭは、回転子に永久磁石や巻線がなく、モータ構造が簡単で安価、機械的に堅牢であり、回転子（ロータ）の発熱問題がない。また、永久磁石の熱減磁の問題がなく高温での運転が可能といった特徴を持っていることから、近年、電気自動車やハイブリッドカーに搭載される車載用の電動機として注目されている。固定子（ステータ）、回転子ともに突極構造を有し、各固定子の突極に集中巻された巻線に回転子の位置情報に基づいて電流を供給して生じる連続的な磁気吸引力により回転運動を作り出す。しかしながら、ＳＲＭは、トルクと電流の関係が非線形であり、また、通電される相を切り替えながら駆動するため、通電される相を切り替えるタイミングで特に大きなトルクリプル（トルク脈動）、振動が発生するといった問題があった。

このトルクリプルを軽減する方法の例として、例えば、特許文献１に示される可変リラクタンス型ＡＣサーボモータのトルクリプル軽減方式では、ロータ位相に応じて各相の重みをトルク指令値に乗じて各相の電流指令値を求め、該電流指令値に基づいてサーボモータを駆動し、トルク指令値が一定ならば、サーボモータの出力トルクがロータ位相にかかわらず一定になるように各相の重みを設定することによってトルクリプルを軽減させている。ここで、まず、ロータ位相に応じた各相の仮の重みを設定しておき、ロータ位相毎にサーボモータの出力トルクが同一になるようにトルク指令値を調整し、該トルク指令値を検出するか、または、その時の各相の電流指令値を測定する。そして、ロータ位相毎の検出されたトルク指令値と各相の仮の重みに乗じて得られる値に比例する値を各相のロータ位相毎の重みとして設定する。若しくは測定されたロータ位相毎の各相の電流指令値に比例する値を各相のロータ位相毎の重みとして設定する。

また、特許文献２に示されるリラクタンスモータの制御方式では、速度指令信号と実速度信号との偏差信号によりトルク指令信号を形成し、固定子巻線に対する回転子位置信号により、該トルク指令信号に対応する各相巻線の電流指令信号を形成し、該電流指令信号と各巻線の実際の電流との偏差信号により制御素子を駆動して、各巻線の電流の瞬時値の合成値を零にすると共に、一相巻線の電流により発生した正方向トルクのリプル成分を、他の２相の負方向トルクにより除去して、正方向の一定値の合成トルクが得られるようにして、トルクリプルを軽減させている。

特開平３−１５９５８９号公報 特開昭６２−１９３５９３号公報

しかしながら、特許文献１に示す従来のトルクリプル軽減方式では、トルク値と電流指令値との関係は回転子の回転位置ごとにトルク値を静的に測定していくことにより得られたものであるため、電流制御の応答性が十分高くなければ、電流指令値によりモータを駆
動させても所望のトルク値が得られず、例えば、一定のトルクを発生させたい場合には、トルクリプルが生じる可能性があるという課題があった。この電流制御の応答性を制限する要因としては、十分な電圧出力がない、回転速度が高い、ことなどが挙げられる。例えば、高速回転及び高トルク領域では、ＳＲＭの逆起電力が大きくなるため、電流値の立ち上がりが設定よりも遅れる可能性があり、この電流値の遅れによりトルクリプルが生じることがある。

また、特許文献２の制御方式では、トルク値と電流指令値の関係について詳細な説明はないが、所望のトルク値に基づいて予め定められた電流指令値によって電流制御するという点で、上記と同様の問題が発生し得るという課題があった。さらに、正方向の一定値の合成トルク値を得るために常に負方向のトルクを発生させているため、モータ効率が低下するという課題もあった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、通電される相を切り替えながら制御する電動機の出力トルク値を高効率かつ高精度に制御することができ、トルクリプルの発生を抑制した電動機制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る電動機制御装置は、複数の相を有する固定子巻線に順次通電させる電流指令値を設定する電流指令生成手段と、前記電流指令値に基づいて前記固定子巻線に前記電流指令値の電流を通電し、回転子を駆動させる駆動回路と、前記固定子巻線に流れる電流値を算出する電流算出手段と、を備え、前記複数の相のうち通電される相の前記電流指令値は、少なくとも１つの他の相の前記固定子巻線に流れる前記電流値に基づいて設定されることを特徴とするものである。

本発明の電動機制御装置によれば、通電される一つの相の電流指令値が、他の相の電流値に基づいて設定されるため、ある相の電流値の立ち上がりが遅れたとしても、他の相の電流値で補うように電流指令値が設定されて通電されるため、出力トルク指令値が一定の場合におけるトルクリプルを低減することができる。また、必ずしも出力トルクに対して、特定の相で反対の相トルク（ある一つの相で発生するトルク）を発生させる必要がないため、出力トルクと反対のトルクを特定の相で発生させることによる、モータの効率低下を防ぐことができるという効果がある。

実施の形態１に係る電動機制御装置と適用される電動機とを示す概略構成図である。 実施の形態１に係る電動機制御装置の駆動回路と電動機の固定子巻線との接続関係を示す図である。 図２における駆動回路の動作状態を示す図である。 実施の形態１に係る電動機制御装置における電動機の回転子の回転位置とインダクタンスとの関係を示す図である。 実施の形態１に係る電動機制御装置における電動機の回転子の回転位置と各相で発生する相トルク値との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電動機制御装置について、図１から図５を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電動機制御装置と適用される電動機とを示す概略構成図であり、図２は、実施の形態１に係る電動機制御装置の駆動回路と電動機の固定子巻線との接続関係を示す図であり、図３は、駆動回路の動作状態を示す図である。図４は、電動機の回転子位置とインダクタンスとの関係を、図５は、電動機の回転子の回転位置と各相で発生する相トルク値との関係を示す図である。なお、ここでは、本発明の電動機制御装置が適用される電動機として、固定子が６極、回転子が８極で外側に回転子がある三相のＳＲＭを例として説明する。

まず、図１を用いて、実施の形態１に係る電動機制御装置と適用される電動機の構成について説明する。電動機制御装置１は、電動機２が所定の出力トルク値Ｔで駆動されるようにトルク指令値Ｔｒｅｆを出力するトルク指令生成手段としてのトルク指令回路１１と、このトルク指令値Ｔｒｅｆに基づいて電流指令値Ｉｒｅｆを出力する電流指令生成手段としての電流指令回路１２と、この電流指令値Ｉｒｅｆに基づいて駆動信号を生成する駆動信号生成手段としての駆動信号生成回路１３と、この駆動信号に基づいて電動機２の固定子２１に駆動電流を供給する駆動回路１４と、固定子２１に流れる電流値Ｉを測定し、電流指令回路１２に伝達する、電流算出手段としての電流センサ１５と、で構成されている。また、電動機２は、駆動回路１４と接続された固定子２１と、固定子２１の外側に配置された回転子２２と、この回転子２２の回転位置θと回転速度ωを測定し、電流指令回路１２と駆動信号生成回路１３に伝達する、位置算出手段としての位置センサ２３と、で構成されている。

続いて、図２を用いて、電動機制御装置１の駆動回路１４と電動機２の固定子巻線Ｗ（励磁巻線）との接続関係について説明する。駆動回路１４は、非対称Ｈブリッジ回路と呼ばれる回路で構成された電圧型インバータ回路から成り、三相（Ａ相，Ｂ相，Ｃ相）の各相とも２個のスイッチング素子ＳＷ１ａとＳＷ２ａ，ＳＷ１ｂとＳＷ２ｂ，ＳＷ１ｃとＳＷ２ｃ、２個の還流ダイオードＤ１ａとＤ２ａ，Ｄ１ｂとＤ２ｂ，Ｄ１ｃとＤ２ｃと、各相のインバータ回路に電力を供給する直流電圧源１６と、で構成されている。なお、各相のインバータ回路の出力端は、電動機２の固定子２１において、対となる回転子突極ＡとＡ’，ＢとＢ’，ＣとＣ’の固定子巻線ＷａとＷａ’，ＷｂとＷｂ’，ＷｃとＷｃ’にそれぞれ接続されている。また、固定子２１の外側に設けられた回転子２２の内周部には、回転子突極ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ａ’，ｂ’，ｃ’，ｄ’が設けられている。さらに、回転子２２の回転位置θ、回転速度ωを検出するための位置センサ２３が設けられている。スイッチング素子としては、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴを用いることができる。

トルク指令回路１１は、電動機２が所定の出力トルク値Ｔで駆動されるように、トルク指令値Ｔｒｅｆを設定して電流指令回路１２に出力するものである。ここで、回転子２２の回転方向と同一方向のトルク指令値Ｔｒｅｆ（力行トルク）を正、回転方向と逆方向のトルク指令値Ｔｒｅｆ（回生トルク）を負とする。

電流指令回路１２は、トルク指令回路１１のトルク指令値Ｔｒｅｆに基づいて、電動機２の固定子２１に通電される電流値Ｉを設定し、電流指令値Ｉｒｅｆとして駆動信号生成回路１３に出力するものである。電流指令回路１２の詳細な機能については後述する。

駆動信号生成回路１３は、電流指令値Ｉｒｅｆ、トルク指令値Ｔｒｅｆ、及び電動機２の回転子２２の回転位置θ、回転速度ωに基づいて設定される駆動信号を駆動回路１４に出力するものである。具体的には、回転子２２の回転位置θに応じて固定子２１の各相の固定子巻線Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃに通電するか否かを決定し、通電しない場合には、２個のスイッチング素子ＳＷ１ａとＳＷ２ａ，ＳＷ１ｂとＳＷ２ｂ，ＳＷ１ｃとＳＷ２ｃをともにオフ状態（開放）とする駆動信号を生成し、通電する場合には、電流指令値Ｉｒｅｆとデューティ（Ｄｕｔｙ）指令値を設定して、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌ ａｔｉｏｎ）制御により駆動信号を生成し、駆動回路１４に出力するものである。デューティ指令値は、ＰＩ制御によって算出される。つまり、電流指令値Ｉｒｅｆから固定子２１に流れる電流値Ｉを減算して得られる電流偏差に比例する項と電流偏差の積分値に比例する項の和としてデューティ指令値を算出する。

駆動回路１４は、駆動信号生成回路１３からの駆動信号に基づいて、電動機２の固定子２１の各相の固定子突極ＡとＡ’，ＢとＢ’，ＣとＣ’の固定子巻線ＷａとＷａ’，ＷｂとＷｂ’，ＷｃとＷｃ’に通電するものである。

次に、駆動回路１４の動作について、図２と図３を参照して説明する。
図２の状態でＢ相を励磁すれば、回転子突極ｂが固定子突極Ｂに、また、回転子突極ｂ’が固定子突極Ｂ’にそれぞれ引き付けられ、回転子２２が反時計方向に１５度（固定子２１と回転子２２の極ピッチ角の差）回転する。同様に、Ｂ相からＣ相に励磁を切り換えれば、回転子突極ｃが固定子突極Ｃに、また、回転子突極ｃ’が固定子突極Ｃ’にそれぞれ引き付けられ、回転子２２がさらに１５度回転する。したがって、ロータリエンコーダなどの位置センサ２３で回転子２２の位置検出を行い、励磁を適切に切り換えることにより連続的に回転させることができる。

この励磁の切り替えを駆動回路１４の各相のインバータ回路により行う。この駆動回路１４の動作状態を図３に示す。電流経路の通電状態により、動作状態には３つの状態がある。なお、図３では、実線は電流が流れている配線を、破線は電流が流れていない配線を表す。ここでは、Ａ相を例に一相分のインバータ回路の状態の変化について説明する。

第一の状態Ｍ１は、スイッチング素子ＳＷ１ａとＳＷ２ａがともにオン状態（導通）の場合である。このとき、電流Ｉａはスイッチング素子ＳＷ１ａを通して、固定子突極ＡとＡ’の固定子巻線Ｗａ、スイッチング素子ＳＷ２ａを流れ、固定子２１には正電圧Ｅがかかる。

第二の状態Ｍ２は、第一の状態Ｍ１からスイッチング素子ＳＷ２ａのみがオフ状態（開放）にされる場合である。このとき、電流Ｉａは固定子突極ＡとＡ’の固定子巻線Ｗａからスイッチング素子ＳＷ１ａ、ダイオードＤ２ａに流れ、固定子２１にかかる電圧は０となり、電流Ｉａは減少していく。なお、第一の状態Ｍ１からスイッチング素子ＳＷ２ａの代わりにスイッチング素子ＳＷ１ａのみがオフ状態にされる場合も、経路は異なるが電流は固定子突極ＡとＡ’の固定子巻線Ｗａ、ダイオードＤ１ａ、スイッチング素子ＳＷ２ａを流れ、固定子２１にかかる電圧は同様に０であり、電流Ｉａは減少していく。この場合も第二の状態Ｍ２である。このように、どちらか一方のスイッチング素子ＳＷ１ａ，ＳＷ２ａのみがオフ状態（開放）にされたこの状態を第二の状態Ｍ２とする。

第三の状態Ｍ３は、第一の状態Ｍ１または第二の状態Ｍ２からスイッチング素子ＳＷ１ａとＳＷ２ａがともにオフ状態（開放）にされる場合である。このとき、電流ＩａはダイオードＤ２ａを通して、固定子突極ＡとＡ’の固定子巻線Ｗａ、ダイオードＤ１ａを流れ、固定子２１には負電圧−Ｅがかかり、電流Ｉａは減少していく。

ＰＷＭ制御時には、状態Ｍ１とＭ２、または状態Ｍ２とＭ３を繰り返し、通電区間が終了すると前述の通りスイッチング素子ＳＷ１ａとＳＷ２ａがともにオフ状態（開放）とされるため、状態Ｍ３に移行する。なお、状態Ｍ２と状態Ｍ３では、電流Ｉａは減少するが、状態Ｍ３では、固定子２１に負電圧−Ｅが印加されているため、状態Ｍ２に比べて電流Ｉａの時間的減少率が大きい。また、電流Ｉａの減少は０までであり、負電流が流れることはない。

次に、電流指令回路１２の詳細な機能について説明する。電流指令回路１２は、先にも触れたように、トルク指令回路１１のトルク指令値Ｉｒｅｆに基づいて、電動機２の固定子２１に通電される電流値Ｉを設定し、電流指令値Ｉｒｅｆとして駆動信号生成回路１３に出力するものである。

一般的にＳＲＭでは、回転子２２の回転位置θによって、インダクタンスＬの値が変化し、さらに電流値Ｉと出力トルク値Ｔの関係が変化するため、トルク指令値Ｔｒｅｆが一定であっても、電流指令値Ｉｒｅｆを回転子２２の回転位置θに応じて変化させる必要がある。なお、Ｌが回転子２２の回転方向に対して増加する方向の時に通電されると力行トルク、減少する方向の時に通電されると回生トルクが得られる。図４に回転子２２の回転位置θとインダクタンスＬとの関係を示す。また、図４では、インダクタンスＬが直線状に変化するとしているが、実際には、必ずしもインダクタンスＬが直線状に変化するとは限らない。また、磁気飽和が起こる場合には、電流依存性も有する。

通電される相の切り替えは一度に行うのではなく、同時に２相に通電される区間を経て行うようにする。同時に２相に通電される区間では、出力トルク値Ｔが一定となるように各相の電流指令値Ｉｒｅｆを適切に定めることで、トルクリプルを低減することが可能である。出力トルク値Ｔは、式（１）で表される。

ただし、Ｌａ、Ｌｂ、ＬｃはそれぞれＡ相、Ｂ相、Ｃ相の固定子２１のインダクタンスを、Ｉａ、Ｉｂ、ＩｃはそれぞれＡ相、Ｂ相、Ｃ相の電流値、θは回転位置を示す。

まず、通電される相が１つである区間における電流指令値Ｉｒｅｆの設定方法について説明する。通電される相が１つであっても、残り２相に電流が残っている場合がある。特に、通電される相が切り替えられた直後では、前に通電されていた相の電流が残っている場合がある。また、例えば、通電区間が長く、回転速度ωが高い場合には、さらにその前に通電されていた相の電流が残っている場合もある。そのため、残りの２相の電流値に基づいて電流指令値Ｉｒｅｆを設定する。例えば、Ｂ相の電流指令値Ｉｂｒｅｆを設定する場合には、式（２）を用いる。なお、ＳＲＭの場合、発生する出力トルク値Ｔは電流値Ｉの大きさに依存し、電流の向きには依存しない。また、本実施の形態では、駆動回路１４は、非対称Ｈブリッジ回路で構成されており、一方向にしか電流を流すことができない。従って、以下、電流値Ｉは０以上の値であるとする。

ただし、Ｔｒｅｆはトルク指令値である。
通電される相がＢ相以外の他の相であっても、上記と同様の方法で電流指令値Ｉｒｅｆを設定することができる。

次に、同時に２相に通電される区間における電流指令値Ｉｒｅｆの設定方法について説明する。まず、通電が開始される相についての電流指令値Ｉｒｅｆを、通電が終了される相の電流値Ｉによらずに設定する。例えば、通電される相の順序が、Ａ相→Ｂ相→Ｃ相であって、通電される相がＡ相からＢ相へ切り替えられる場合、すなわち、Ａ相の電流値Ｉａが立ち下げられ、Ｂ相の電流値Ｉｂが立ち上げられる場合におけるＢ相の電流指令値Ｉｂｒｅｆは、式（３）により設定される。このとき、Ｃ相の相トルクＴｃが一定か、Ｃ相の電流値Ｉｃが０であれば、Ｂ相の相トルク値Ｔｂは直線状に立ち上がる。

ただし、ここで、θｂは、Ｂ相を基準とする回転子２２の回転位置、θｏｎは、通電開始角、θｌａｐは、同時通電区間角である。また、式（３）には、通電されていないＣ相の電流値Ｉｃに関する項が含まれている。これは特に、通電区間が長く、回転速度ωが高い場合に、Ｃ相への通電が終わっても電流が下がり切らない場合があるためである。

また、通電が終了される相については、通電が開始される相の電流値Ｉに基づいて電流指令値Ｉｒｅｆが設定される。上記と同様、通電される相の順序が、Ａ相→Ｂ相→Ｃ相であって、通電される相がＡ相からＢ相へ切り替えられるとき、すなわち、Ａ相の電流値Ｉａが立ち下げられ、Ｂ相の電流値Ｉｂが立ち上げられる場合に、同時に２相（Ａ相、Ｂ相）に通電される区間におけるＡ相の電流指令値Ｉａｒｅｆは、式（４）により設定される。

同時に通電される相の組み合わせが、Ｂ相とＣ相、Ｃ相とＡ相であっても、また、通電される相の順序が、Ｂ相→Ａ相→Ｃ相であって、同時に通電される相が、Ｂ相とＡ相、Ａ相とＣ相、Ｃ相とＢ相であっても、同様の方法で電流指令値Ｉｒｅｆを設定することができる。

通電が開始されて電流値Ｉｂが指令通りに追従していれば、通電が開始されたＢ相の相トルク値Ｔｂは、直線状に立ち上がるため、通電が終了されるＡ相の相トルク値Ｔａも直線状に立ち下がる（ただし、上記の例でＣ相の相トルク値Ｔｃが一定か、Ｃ相の電流値Ｉｃが０の場合。）。図５に、通電される相の順序が、Ａ相→Ｂ相→Ｃ相であって、同時に２つの相に通電される区間がある場合のそれぞれの相トルク値Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃの変化を示す。なお、通電される相の順序が、Ｂ相→Ａ相→Ｃ相であっても、各相トルクの発生順が変わるだけで相トルク値の形状は同様である。

仮に、通電が開始された相の電流値Ｉが指令通りに立ち上がらない場合は、通電が開始された相の相トルク値は、想定通りには立ち上がらないが、通電が終了される相の電流指令値Ｉｒｅｆを通電が開始された相の電流値Ｉに基づいて設定されているため、通電が開始された相の相トルク値の立ち上がり遅れによるトルク不足分は、通電が終了される相の
相トルクにより補われ、出力トルク値Ｔは一定に保たれる。

トルク指令値Ｔｒｅｆの符号と異なる符号の相トルク値が発生すると判定される場合には、回転子２２の回転位置θ、回転速度ω、トルク指令値Ｔｒｅｆに基づいて通電される相の電流指令値Ｉｒｅｆが設定される。以下、これについて説明する。

ＳＲＭの場合、前述した通り、通電を行うと回転子２２の回転位置θの区間によって発生する相トルクの方向（力行・回生）が異なる。トルク指令値Ｔｒｅｆの符号と異なる符合の相トルクが発生すると、モータ効率の低下を招くため、通常は電流指令値Ｉｒｅｆが０に設定される、あるいは、電流指令値に依らず、駆動回路１４で固定子２１の固定子巻線Ｗに通電しないように駆動信号生成回路１３で駆動信号が設定される。これは、電流制御の応答が十分に速くない場合、電流指令値に依らず駆動回路１４で固定子２１の固定子巻線Ｗに通電しないように駆動信号を生成して出力した方が速やかに電流値を０（ゼロ）にできることがあり、このようなときには、電流指令値に依らずに駆動信号生成回路１３で通電しないように駆動信号を生成して出力する。

ただし、高回転、高トルクの場合、例えば、力行トルクの発生時には、逆起電力の影響で電流値Ｉの立ち上がりが遅れる場合があり、この遅れを考慮して、通電の開始直後、一時的に相トルクが回生トルクとなるとしても、通電が開始されるタイミングを早めておく場合がある。

このように、通電の開始直後、一時的に回生トルクが生じるとしても、通電が開始されるタイミングを早めて電流値Ｉを立ち上げたい場合には、トルク指令値Ｔｒｅｆの符号と異なる符号の相トルクが発生すると判定される場合でも、一定の電流値Ｉが流れるように電流指令値Ｉｒｅｆが設定される。

上記のように、高回転、高トルクの場合、各相への通電の開始直後のみ、トルク指令値Ｔｒｅｆの符号と異なる符号の相トルクの発生を許容する場合には、回転速度ω、トルク指令値Ｔｒｅｆ、回転子２２の回転位置θに応じて電流指令値Ｉｒｅｆが設定される。

なお、上記では同時に２つの相に通電する際、通電を終了する相の電流指令については、通電を開始する相の電流に基づいて生成しているが、サンプル値制御を行っている場合、電流のサンプル時間が十分に短くない場合には、サンプル時間内に電流が大きく変化することによって制御誤差が生じ、所望のトルクが得られない可能性がある。

したがって、このような場合には、通電が開始される相の電流値Ｉの代わりに、通電が開始される相の電流指令値Ｉｒｅｆを用いることにより、制御誤差を低減することができる。例えば、通電される相の順序が、Ａ相→Ｂ相→Ｃ相であって、通電される相がＡ相からＢ相へ切り替えられるとき、すなわち、Ａ相の電流値Ｉａが立ち下げられ、Ｂ相の電流値Ｉｂが立ち上げられるとき、同時に２相（Ａ相、Ｂ相）に通電される区間におけるＡ相の電流指令値Ｉａｒｅｆは、式（４）中のＩｂをＩｂｒｅｆに置き換えることにより、式（５）で設定される。

ただし、電圧飽和などによって、電流値Ｉが電流指令値Ｉｒｅｆに追従しない場合には、制御誤差が大きくなるため、電圧飽和が起きずに電流値Ｉが電流指令値Ｉｒｅｆに十分追従する運転領域に限定して、この電流指令値Ｉｒｅｆを設定する方法に切り替えることが望ましい。その際、回転速度ω、トルク指令値Ｔｒｅｆ、回転子２２の回転位置θに応じて切り替えるようにする。

また、通電されていない相の電流値Ｉを用いて、通電される相の電流指令値Ｉｒｅｆを設定しているが、通電されていない相の電流値Ｉを用いる必要があるのは、当該相に電流が残っている場合のみである。つまり、当該相に電流が残っていない場合、当該相の電流値Ｉを用いて通電される相の電流指令値Ｉｒｅｆを設定すると、例えば、電流センサ１５の電流信号にノイズが重畳している場合には、適切な電流指令値Ｉｒｅｆを設定できない場合がある。

このような場合には、予め電流値Ｉの立ち下がりの挙動を測定あるいは解析しておき、それに基づいて通電される相以外の電流値Ｉを用いるか用いないかを切り替えられるようにしておく。つまり、通電される相以外の電流値Ｉが立ち下がっている回転子２２の位置区間では通電される相以外の電流値Ｉについての項を０とする。なお、一般的に、電流値Ｉの立ち下がりの挙動は、回転速度ω、トルク指令値Ｔｒｅｆ、回転子２２の回転位置θによって変化するため、これらのうち少なくとも１つに基づいて、通電される相以外の電流値Ｉを用いるか用いないかを切り替えられるようにしておく。

また、回転子２２の回転位置θに基づいて電流指令値Ｉｒｅｆは設定されているが、例えば、サンプル値制御を行っている場合には、電流指令値Ｉｒｅｆの演算周期に対して回転周期が短い（回転速度ωが高い）場合、通電する時間が短い場合、また、回転子２２の回転位置θの範囲によっては、一定の出力トルク値Ｔを得るために、回転子２２の回転位置θの変化に対して、大きく電流指令値Ｉｒｅｆを変化させる必要があるが、電流値Ｉが電流指令値Ｉｒｅｆの通りには大きく変化しないために、瞬時の出力トルク値Ｔをトルク指令値Ｔｒｅｆに追従させることができない場合がある。また、出力トルク値Ｔが大きい場合、回転速度ωによっては逆起電力も大きくなって電圧飽和が生じ、電流値Ｉの立ち上がりが遅れる、電流指令値Ｉｒｅｆ通りの電流が流れない、といった現象が生じ、出力トルク値Ｔをトルク指令値Ｔｒｅｆに追従させることができない場合もある。

このように、出力トルク値Ｔが、トルク指令値Ｔｒｅｆに追従しないまま、電動機２が駆動されると出力トルク値Ｔの平均値（以下、平均トルク値Ｔａｖｅと称する。）もトルク指令値Ｔｒｅｆに追従しなくなり、適切な動作点で電動機２を駆動させることができない。なお、トルク指令値Ｔｒｅｆが一定の場合で、瞬時の出力トルク値Ｔがトルク指令値Ｔｒｅｆに追従している場合には、平均トルク値Ｔａｖｅもトルク指令値Ｔｒｅｆに等しくなる。

このような場合には、通電される相の電流指令値Ｉｒｅｆを回転子２２の回転位置θに依らずに一定の電流指令値Ｉｒｅｆｃをトルク指令値Ｔｒｅｆに基づいて設定するようにする。具体的には、平均トルク値Ｔａｖｅがトルク指令値Ｔｒｅｆと等しくなるように一定の電流指令値Ｉｒｅｆｃを設定する。

ただし、一般的に、ＳＲＭは同一の電流値Ｉでも回転子２２の回転位置θによって発生する出力トルク値Ｔが異なるため、回転子２２の回転位置θに依らずに一定の電流指令値Ｉｒｅｆｃを設定すると、平均トルク値Ｔａｖｅがトルク指令値Ｔｒｅｆと等しくてもトルクリプルが生じる。そのため、瞬時の出力トルク値Ｔを十分に制御できない場合にのみ、回転子２２の回転位置θに依らず一定の電流指令値Ｉｒｅｆｃを設定することが望ましい。つまり、回転子２２の回転位置θに基づいて電流指令値Ｉｒｅｆを設定する方法と、回転子位置θに依らず一定の電流指令値Ｉｒｅｆｃを設定する方法とを、回転速度ω、トルク指令値Ｔｒｅｆ、回転子２２の回転位置θに応じて切り替えることができるようにすればよい。

なお、上記のように設定された電流指令値Ｉｒｅｆに対して上限値を設け、電流指令値Ｉｒｅｆを上限値Ｉｒｅｆｍａｘに制限することができる。これは、例えば、電流指令値Ｉｒｅｆが、駆動回路１４や電動機２の許容電流値を超える場合、駆動回路１４や電動機２を損傷する可能性があるため、このような場合には、上限値Ｉｒｅｆｍａｘを駆動回路１４や電動機２の許容電流値として、電流指令値Ｉｒｅｆを上限値Ｉｒｅｆｍａｘで制限する上限値処理を行えばよい。

また、上記のように設定された電流指令値Ｉｒｅｆに対して下限値を設け、電流指令値Ｉｒｅｆを下限値Ｉｒｅｆｍｉｎに制限することができる。これは、例えば、電流指令値Ｉｒｅｆが、所定の値を下回る場合、電流センサ１５や駆動回路１４の特性によっては、小電流領域の制御性が低下する可能性があるため、このような場合には、電流指令値Ｉｒｅｆを下限値Ｉｒｅｆｍｉｎで制限する下限値処理を行えばよい。

なお、通電される相の電流指令値Ｉｒｅｆを他の通電される相の電流指令値Ｉｒｅｆに基づいて設定する場合において、他の通電される相の電流指令値Ｉｒｅｆが、上限値処理あるいは下限値処理された場合には、上限値処理あるいは下限値処理された後の、他の通電される相の電流指令値Ｉｒｅｆに基づいて通電される相の電流指令値Ｉｒｅｆを設定する。

また、電流指令回路１２、駆動信号生成回路１３で回転子２２の回転位置θを用いているが、電流指令回路１２の演算周期や駆動信号生成回路１３の演算周期が長い場合には、回転子２２の回転位置θを取得してから、電流指令値Ｉｒｅｆや駆動信号が更新されてから出力されるまでの間に回転子２２の回転位置θの変化が大きくなるため、取得した回転子２２の回転位置θをそのまま用いて、電流指令値Ｉｒｅｆや駆動信号が設定された場合、電流指令値Ｉｒｅｆや駆動信号にずれが生じ、制御に支障をきたす場合がある。

このような場合には、電流指令回路１２で回転子２２の回転位置θを取得してから、電流指令値Ｉｒｅｆが更新されるまでの時間内に、回転子２２の回転位置θが変化する分を、取得した回転子２２の回転位置θに対して加算したものを回転子２２の第１の補正回転位置θ１として設定し、回転子２２の第１の補正回転位置θ１を用いて電流指令値Ｉｒｅｆを設定するようにする。

また、駆動信号生成回路１３についても、駆動信号生成回路１３で回転子２２の回転位置θを取得してから、駆動信号が更新されて出力されるまでの時間内に、回転子２２の回転位置θが変化する分を、取得した回転子２２の回転位置θに対して加算したものを回転子２２の第２の補正回転位置θ２として設定し、回転子２２の第２の補正回転位置θ２を用いて駆動信号が設定されるようにする。

以上のように、実施の形態１に係る電動機制御装置によれば、通電される一つの相の電流指令値が、他の相の電流値に基づいて設定されるため、ある相の電流値の立ち上がりが遅れたとしても、他の相の電流値で補うように電流指令値が設定されて通電されるため、高精度に電動機の出力トルク値を制御することができ、トルクリプルを低減することができるという顕著な効果が期待できる。

なお、トルクリプルを低減させるために、必ずしも出力トルクと反対の符号を持つ相トルク（ある１つの相で発生するトルク）を発生させる必要はないため、出力トルクと反対の相トルクが発生することによる、モータ効率低下を防ぐことができる。

また、本実施の形態では、電動機制御装置の制御対象である電動機の例として三相ＳＲＭの場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ＳＲＭと同様に通電される相を切り替えながら駆動するＶＲステッピングモータ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｓｔｅｐｐｅｒ Ｍｏｔｏｒ）などにも適用できる。また、固定子が６極、回転子が８極で外側に回転子がある三相のＳＲＭについて説明したが、回転子が内側にあるものであってもよく、固定子、回転子の極数や相数についても制限はなく、相数が二相以上であれば適用可能である。

また、本実施の形態では、デューティ指令値をＰＩ制御に基づいて設定していたが、デューティ指令値の設定方法はこれに限定されない。Ｐ制御、Ｉ制御に基づいて設定してもよい。また、電動機２の電流値Ｉをフィードバックせずに、電流指令値Ｉｒｅｆからルックアップテーブル等によってデューティ指令値を設定してもよい。

また、本実施の形態では、電動機２の電流値Ｉを電流センサ１５によって検出するとしたが、電流センサ１５を用いずに、電動機２の電流値Ｉを推定する場合について説明する。電動機２の電流値Ｉを推定する方法としては、電動機２の固定子２１に印加される電圧値、電動機２の定数（固定子２１の抵抗、インダクタンス、インダクタンスの回転位置偏微分）、電動機２の回転速度ωを把握し、式（６）に基づく演算により求める方法が挙げられる。

ただし、Ｖ、Ｉは、それぞれ固定子２１に印加される電圧値、電流値を、Ｒ、Ｌは、それぞれ固定子２１の抵抗、インダクタンスを、ωは、電動機２の回転速度を示す。

なお、固定子２１に印加される電圧値Ｖを把握する方法としては、固定子２１の電圧値Ｖを電圧センサで直接検出する、あるいは駆動回路１４の直流電圧源１６の電圧値とデューティ指令値、直流電圧源１６の電圧値と駆動信号を用いて間接的に求めることなどが挙げられる。また、電動機２の定数はあらかじめ測定しておくことで把握することができる。また、電圧値Ｖと電流値Ｉの関係を示す式としては、式（６）に限定されず、例えば鉄損を考慮した場合の電圧値Ｖと電流値Ｉの関係を示す式を用いることもできる。

また、本実施の形態では、電動機２が位置センサ２３を備え、位置センサ２３から出力される回転子２２の回転位置θの情報を用いて電動機２を制御する位置センサ制御を行っていたが、位置センサ２３を備えず、位置センサ２３から出力される回転子２２の回転位置θの情報なしで電動機２を駆動する、あるいは回転位置θを推定して電動機２を駆動する位置センサレス制御であってもよい。回転位置θを推定する方法としては、式（６）に基づく演算により求める方法などが挙げられる。式（６）中でインダクタンスＬとインダクタンスＬの回転位置偏微分は、ともに回転位置θの関数であるため、回転位置θによって、電圧値Ｖと電流値Ｉの関係が変わることになる。このことを用いて回転位置θを推定することができる。なお、１相分の演算では回転位置θが推定できない場合には、複数の相について式（６）に基づく演算を行うことにより、回転位置θを推定することができる。

また、本実施の形態では、駆動信号生成回路１３により駆動回路１４のスイッチング素子のオン・オフの駆動信号を設定して出力していたが、駆動信号はこれに限定されない。
駆動回路１４にＰＡＭインバータや電流型インバータなどを使用することも可能であり、駆動信号も駆動回路１４に応じて変更できる。

また、本実施の形態では、ＰＷＭ制御時にモードＭ１とモードＭ２、または、モードＭ２とモードＭ３を繰り返していたが、モードＭ１とモードＭ３を繰り返してもよい。

また、本実施の形態では、駆動信号をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｅｌ）制御に基づいて設定していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、電流ヒステリシス幅に基づくヒステリシス制御を行って駆動信号を設定することもできる。

また、本実施の形態では、出力トルク値Ｔを式（１）で表せるとして電流指令値Ｉｒｅｆを設定したが、磁気飽和を考慮する場合、ラジアル力を考慮する場合、各相の相互インダクタンスを考慮する場合、鉄損を考慮する場合などには、用いる出力トルク値Ｔの式を適宜変更することが可能である。

また、本実施の形態では、同時に２つの相に通電される場合、各相で発生する相トルクが直線状に変化するように電流指令値を設定したが、発生する相トルクの変化のパターンはこれに限定されない。２次曲線や他の変化パターンであってもよい。

また、本実施の形態では、トルク指令生成手段、電流指令生成手段、駆動信号生成手段、電流算出手段をとして、それぞれトルク指令回路、電流指令回路、駆動信号生成回路、電流算出回路のハードウエアで構成する場合について説明したが、ソフトウエアで構成してもよい。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

また、図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１ 電動機制御装置 ２ 電動機 １１ トルク指令回路
１２ 電流指令回路 １３ 駆動信号生成回路 １４ 駆動回路
１５ 電流センサ １６ 直流電圧源 ２１ 固定子
２２ 回転子 ２３ 位置センサ
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’ 固定子突極
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ａ’，ｂ’，ｃ’，ｄ’ 回転子突極
Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃ，Ｗａ’，Ｗｂ’，Ｗｃ’ 固定子巻線
ＳＷ１ａ，ＳＷ２ａ，ＳＷ１ｂ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ１ｃ，ＳＷ２ｃ スイッチング素子
Ｄ１ａ，Ｄ２ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ２ｂ，Ｄ１ｃ，Ｄ２ｃ ダイオード

上記課題を解決するために、本発明に係る電動機制御装置は、複数の相を有する固定子巻線に順次通電させる電流指令値を設定する電流指令生成手段と、前記電流指令値に基づいて前記固定子巻線に前記電流指令値の電流を通電し、回転子を駆動させる駆動回路と、前記固定子巻線に流れる電流値を算出する電流算出手段と、前記回転子の回転位置を算出する位置算出手段と、を備え、前記複数の相のうち通電される相の前記電流指令値は、少なくとも１つの他の相の前記固定子巻線に流れる前記電流値あるいは前記電流指令値と、前記回転位置から算出される前記回転子の回転速度と、に基づいて設定されることを特徴とするものである。

Claims (8)

1. 複数の相を有する固定子巻線に順次通電させる電流指令値を設定する電流指令生成手段と、
   前記電流指令値に基づいて前記固定子巻線に前記電流指令値の電流を通電し、回転子を駆動させる駆動回路と、
   前記固定子巻線に流れる電流値を算出する電流算出手段と、
   を備え、
   前記複数の相のうち通電される相の前記電流指令値は、少なくとも１つの他の相の前記固定子巻線に流れる前記電流値に基づいて設定されることを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記電流指令値に基づいて前記駆動回路を駆動させる駆動信号を生成する駆動信号生成手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
3. 前記複数の相のうち同時に２つ以上前記通電される相があり、
   前記通電される相のうち少なくとも１つの前記電流指令値は、他の通電される相の前記固定子巻線に流れる前記電流値に基づいて設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置。
4. 電動機の出力トルク値を定めるトルク指令値を設定するトルク指令回路および前記回転子の回転位置を算出する位置算出手段の両方もしくは一方を備え、
   前記通電される相の前記電流指令値あるいは前記駆動信号は、前記電流値に加え、少なくとも１つの他の相の前記電流指令値、前記トルク指令値、前記回転位置および前記回転位置から算出される前記回転子の回転速度のうち少なくとも１つに基づいて設定されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
5. 前記回転位置に所定の値を加算した補正回転位置を前記回転位置として用いることを特徴とする請求項４に記載の電動機制御装置。
6. 前記補正回転位置は、前記回転位置が検出されてから前記電流指令値が出力されるまでの前記回転位置の変化量、または前記回転位置が検出されてから前記駆動信号が出力されるまでの前記回転位置の変化量が前記回転位置に加算されたものであることを特徴とする請求項５に記載の電動機制御装置。
7. 前記電流指令値に上限値および下限値の両方もしくは一方が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
8. 前記トルク指令値の符号と、前記通電される相で発生する相トルク値の符号とが、異なる場合には、
   前記電流指令生成手段により前記通電される相の前記電流指令値が０（ゼロ）に設定されるか、あるいは前記駆動信号生成手段により前記通電される相の通電が停止されることを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
   

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