JP2016226084A - スイッチトリラクタンスモータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな電流で且つ高い回転数で駆動する条件下でも、トルクリップルを抑制できるスイッチトリラクタンスモータの制御装置を提供する。【解決手段】電流センサ１０は、インバータ回路３を介してＳＲＭ８の各相固定子巻線９に通電される電流を検出し、乗算器２２は、ロータ位置検出器１３が検出したロータ回転位置を電気角に変換する。ヒステリシスコンパレータ部２５は、各相に対応して設けられ、入力端子の一方に電気角に応じて変化する電流指令値が入力され、他方に電流センサ１０の電流センサ値が入力されて、双方の比較結果をＳＷ信号として出力する。ＳＷ信号調停部２６は、ＳＷ信号と電気角同期ＳＷ信号発生部２４より出力される強制ＳＷＯＦＦ信号との何れか一方を選択して、最終ＳＷ信号としてインバータ回路３に出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチトリラクタンスモータの駆動回路に制御信号を出力する制御装置に関する。

スイッチトリラクタンスモータを駆動制御する際にトルクリップルを抑制する技術として、例えば非特許文献１には以下のような制御方法が開示されている。トルクリップルを抑制可能な電流指令値を事前に求めて記憶しておき、ロータの回転位置より求めた電気角に応じて前記電流指令値を読み出す。非対称Ｈブリッジ駆動回路を介してモータに通電される電流を検出し、電流指令値と検出した電流値とについて３レベルヒステリシスバンド制御法を適用し、電流制御の結果として得られた制御信号を前記駆動回路に出力する。

電気学会論文誌Ｄ，Vol.132,NO.5，pp534−540

上記の制御方法により、トルクリップルを抑制する効果が得られているが、スイッチトリラクタンスモータの駆動条件としては、通電電流値は２５Ａで、モータの回転数が１５００ｒｐｍ程度を想定している。

ここで、非特許文献１の技術を例えば電気自動車の走行駆動用モータに適用することを想定すると、駆動条件は、通電電流値が３００Ａ程度，回転数が１５０００ｒｐｍ程度と何れも１桁以上高い値になる。このような駆動条件では、モータに通電する電流の変化がより急峻となる。その結果、電流の比較処理を行う周期間での電流変化が大きくなり、ヒステリシス幅を大きくはみ出すため、トルクリップルを抑制できなくなってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より大きな電流で且つ高い回転数で駆動する条件下でも、トルクリップルを抑制できるスイッチトリラクタンスモータの制御装置を提供することにある。

請求項１記載のスイッチトリラクタンスモータの制御装置によれば、電流検出器は、駆動回路を介して各相固定子巻線に通電される電流を検出し、電気角変換器は、回転位置検出器が検出したロータ回転位置を電気角に変換する。ヒステリシスコンパレータ部は、各相について、入力端子の一方に電気角に応じて変化する電流波形情報が入力され、他方に電流検出器による電流の検出値が入力されて、双方の比較結果を駆動制御信号として出力する。そして、信号選択器は、駆動制御信号と強制応答信号出力器によって出力される強制応答信号との何れか一方を選択して駆動回路に出力する。

このように構成すれば、強制応答信号を用いることで、固定子巻線に通電される電流を、駆動制御信号に基づく応答とは異なるように変化させることができる。したがって、通電電流が比較的大きく、モータの回転数が比較的高いため電流変化が急峻となる駆動条件下において、駆動制御信号に基づくヒステリシスコンパレータの応答によってはトルクリップルが発生してしまう場合でも、強制応答信号を用いてトルクリップルを低減させることが可能になる。

請求項２記載のスイッチトリラクタンスモータの制御装置によれば、信号選択器は、強制応答信号が入力されると、当該信号を駆動制御信号よりも優先して駆動回路に出力する。これにより、電流指令値に基づく実電流の変化応答を、強制応答信号により確実に変更することができる。

請求項３記載のスイッチトリラクタンスモータの制御装置によれば、強制応答信号を、電流波形情報の振幅が最大値を示す電気角で、駆動回路によるスイッチトリラクタンスモータに流れる電流を低減させる信号とする。これにより、前記モータに通電される電流振幅のピークを低減してトルクリップルを確実に低減できる。

一実施形態であり、スイッチトリラクタンスモータの駆動システムの構成を示す図 ＳＲＭ制御器の構成を示す機能ブロック図 回転数Ｎ，トルクＴで決まる格子点を特定するためのＮ−Ｔ座標と、各格子点毎に、電気角に応じた電流プロファイルマップとを示す図 電流指令値の決定処理を示すフローチャート 電気角指令値を決定するための回転数Ｎ，トルクＴの２次元マップを示す図 電気角指令値の決定処理を示すフローチャート ヒステリシスコンパレータ部の処理を示すフローチャート 電気角同期ＳＷ信号発生部の動作を示すタイミングチャート 各信号及び実電流の変化を示すタイミングチャート 従来技術について、各相の実電流及び出力トルクのシミュレーション結果を示す図 本実施形態について、各相の実電流及び出力トルクのシミュレーション結果を示す図

図１に示すように、直流電源１の両端には、コンデンサ２と駆動回路に相当するインバータ回路３とが接続されている。インバータ回路３は、各相レグ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗからなり、これらはそれぞれ、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４及び逆方向のダイオード５の直列回路と、逆方向のダイオード６及びＮチャネルＭＯＳＦＥＴ７の直列回路とを有している。そして、ダイオード５のカソードとダイオード６のアノードとの間には、スイッチトリラクタンスモータ（以下、ＳＲＭ）８の各相固定子巻線９（Ｕ，Ｖ，Ｗ）が接続されている。また、各相のＦＥＴ７のドレイン側には、電流センサ１０が介挿されている。電流センサ１０は、電流検出器に相当する。

ＳＲＭ８は、断面形状が概ね円環である固定子鉄心１１の内周側に突出した形状の複数のティース部を有しており、それらのティース部に各相の固定子巻線９が巻装されており、集中巻で構成されている。固定子鉄心１１の中空部には、ロータを構成する断面形状が概ね十字状の回転子鉄心１２が配置されている。

ＳＲＭ８のロータには、例えばロータリエンコーダなどのロータ位置検出器１３が配置されており、ロータ回転位置θｍの検出信号はＳＲＭ制御器１４（制御装置）に入力されている。ロータ位置検出器１３は、回転位置検出器に相当する。また、電流センサ１０より出力されるセンサ信号もＳＲＭ制御器１４に入力されている。ＳＲＭ制御器１４は、例えばマイクロコンピュータにより構成され、トルク指令発生器１５より入力されるトルク指令及び前記センサ信号等に基づいて、インバータ回路３の各相レグ３Ｕ，３Ｖ，３Ｗを構成し、スイッチング素子に相当するＦＥＴ４及び７のゲートに駆動信号を出力する。なお、スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴに限ることなく、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor），バイポーラトランジスタやサイリスタなどでも良い。

ＳＲＭ８は３相独立で制御されるため、図２にはＳＲＭ制御器１４の１相分の構成を示す。他の２相についても同様に構成可能である。微分器２１は、ロータ位置検出器１３より入力されるロータ回転位置θｍからモータ回転速度又は回転数を算出する。電気角変換器に相当する乗算器２２は、前記ロータ回転位置θｍにＳＲＭ８の極数を乗じて電気角を算出する。

電流プロファイル選択部２３は、微分器２１より入力されるモータ回転速度と、トルク指令発生器１５より入力されるトルク指令値とから、電気角１周期分の電流波形情報, 電流波形データに相当する電流プロファイルを決定する。電流プロファイル選択部２３は、指令値演算器に相当する。電流プロファイル選択部２３は、さらに選択した電流プロファイルの中より、乗算器２２から入力される電気角に対応する電流値を電流指令値として出力する。加えて、電流プロファイル選択部２３は、電流プロファイルの電流が最大になる電気角を電気角指令値として、電気角同期ＳＷ信号発生部２４に出力する。電気角同期ＳＷ信号発生部２４は、強制応答信号出力器に相当する。

ヒステリシスコンパレータ部２５は、電流プロファイル選択部２３より入力される電流指令値と電流センサ１０より入力される電流センサ値とを、ヒステリシス幅を持たせて大小判定した結果を、駆動制御信号に相当するＳＷ信号として出力する。具体的には
（１）電流指令値＋ヒステリシス幅＜電流センサ値の場合 ＳＷ信号＝ＯＦＦ
（２）電流指令値−ヒステリシス幅＞電流センサ値の場合 ＳＷ信号＝ＯＮ
（３）それ以外の時 ＳＷ信号＝現在の値を保持
とする。また、後述するＳＷ信号調停部２６の出力信号が、ヒステリシスコンパレータ部２５が保持しているＳＷ信号と異なる場合、ヒステリシスコンパレータ部２５は、ＳＷ信号調停部２６の出力信号を、自身が保持しているＳＷ信号に置き換える。

尚、本実施形態では、ヒステリシスコンパレータ部２５は、ソフトウェアにより上述した比較処理機能を実現しており、比較処理は一定周期で繰り返し実行される。

電気角同期ＳＷ信号発生部２４は、乗算器２２より入力される電気角が、電流プロファイル選択部２３より入力される電気角指令値に達するとＳＷ信号を強制的にＯＦＦする指令であり、強制応答信号に相当する強制ＳＷＯＦＦ信号を出力にする。そして、その次にヒステリシスコンパレータ部２５が比較処理するタイミングで、前記強制ＳＷＯＦＦ信号の出力を停止する。

ＳＷ信号調停部２６は、電気角同期ＳＷ信号発生部２４より強制ＳＷＯＦＦ信号が入力されたときはＳＷ信号をＯＦＦさせるが、それ以外の状態では、ヒステリシスコンパレータ部２５より入力されるＳＷ信号をそのまま最終ＳＷ信号として出力する。ＳＷ信号調停部２６は、信号選択器に相当する。また、ＳＷ信号調停部２６が出力する最終ＳＷ信号は、前述したようにヒステリシスコンパレータ部２５にフィードバックされる。

次に、第１実施形態の作用について説明する。図３に示すように、電流プロファイル選択部２３は、例えば横軸を回転数Ｎ，縦軸をトルクＴとする格子点を特定するためのＮ−Ｔ座標と、各格子点毎に、電気角に応じた電流指令値を決定するための電流プロファイルマップとを有している。このマップは、電流プロファイル選択部２３が備える図示しないメモリに記憶されている。前記メモリは、波形情報記憶回路に相当する。

電流プロファイル選択部２３は、図４に示すように、現在入力されている（回転数Ｎ，トルクＴ）で決まるＮ−Ｔ座標上の座標点を囲む４つの格子点，例えば（Ｎ１，Ｔ１），（Ｎ２，Ｔ１），（Ｎ１，Ｔ２），（Ｎ２，Ｔ２）を特定する。そして、電流プロファイル選択部２３は、４つの格子点に対応する電流プロファイルマップより、電気角Ｔｅに応じた４つの電流指令値Ｉ１〜Ｉ４を決定する（Ｓ１）。

続いて、電流プロファイル選択部２３は、上記の各値を用いて（１）式により最終的な電流指令値を求める（Ｓ２）。

また、電流プロファイル選択部２３は電気角指令値についても同様に、図５に示すように、回転数Ｎ，トルクＴの２次元マップをメモリに記憶している。そして、実際のＳＲＭ８の回転数とトルク指令とに応じて電流指令値と同様に４つの格子点を決定し、２次元補間により電気角指令値を求める（図６，Ｓ３）。

図７に示すように、ヒステリシスコンパレータ部２５は、先ず入力される実電流（電流センサ値）と、電流指令値にヒステリシス幅値を加えたものとを比較する（Ｓ１１）。前者が後者よりも大であれば（ＹＥＳ）ＳＷ信号を「出力ＯＦＦ」のローレベルにして、ＦＥＴ４及び７をＯＦＦさせる（Ｓ１２）。前者が後者よりも小であれば（ＮＯ）、次のステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３では、実電流と、電流指令値からヒステリシス幅値を減じたものとを比較する。前者が後者よりも小であれば（ＹＥＳ）ＳＷ信号を「出力ＯＮ」のハイレベルにして、ＦＥＴ４及び７をＯＮさせる（Ｓ１４）。前者が後者よりも大であれば（ＮＯ）、その時点でＳＷ信号調停部２６が出力している最終ＳＷ信号を、ＳＷ信号として出力する（Ｓ１５）。ヒステリシスコンパレータ部２５は、以上の処理を一定周期で繰り返し実行する。

図８に示すように、電気角同期ＳＷ信号発生部２４は、入力される電気角と電気角指令値とを比較し、前者が後者よりも小であれば閾値判定フラグをＯＦＦにし、大であれば閾値判定フラグをＯＮにする。図中に示す破線は、図９に示す「ソフト処理周期」であり、強制ＯＦＦ履歴フラグは、閾値判定フラグがＯＦＦであればソフト処理周期に同期してＯＦＦに、閾値判定フラグがＯＮであれば同じくソフト処理周期に同期してＯＮに設定される。この場合、強制ＯＦＦ履歴フラグのＯＮ／ＯＦＦタイミングは、閾値判定フラグのＯＮ／ＯＦＦタイミングよりもソフト処理周期との時間差分だけ遅延する。そして、最終出力である強制ＳＷＯＦＦ信号は、
閾値判定フラグがＯＮで、且つ強制ＯＦＦ履歴フラグがＯＦＦ
を条件としてアクティブ状態のハイレベルになる。よって、電気角同期ＳＷ信号発生部２４の最終出力段には、入力端子の一方が負論理のＡＮＤゲートが配置される。

そして、ＳＷ信号調停部２６も上記と同様のＡＮＤゲートで構成され、強制ＳＷＯＦＦ信号がＯＦＦに相当するローレベルを示す期間に、ＳＷ信号が示すレベルが最終ＳＷ信号として出力される。強制ＳＷＯＦＦ信号がＯＮに相当するハイレベルを示す期間は、ＳＷ信号が示すレベルに関わらず最終ＳＷ信号はローレベルになる。

図９に破線で示す電流指令値がゼロレベルから上昇する期間において、実線で示す実電流は、当初は電流指令値よりヒステリシス幅値を減じた値よりも小さいので、ヒステリシスコンパレータ部２５の出力信号であるＳＷ信号はハイレベルを示す（Ｓ１４）。そして、ＳＷ信号調停部２６の出力信号である最終ＳＷ信号も、同様にハイレベルを示す。その後、実電流の値が大きくなり、ステップＳ１４での判断が「ＮＯ」になっても、ＳＷ信号はハイレベルを維持する（Ｓ１５）。

上記の条件が維持されている状態で、電気角が電気角指令値に等しくなると、電気角同期ＳＷ信号発生部２４が強制ＳＷＯＦＦ信号をアクティブ（ＯＮ）にする。すると、ＳＷ信号はハイレベルを示しているが、最終ＳＷ信号はローレベルになるので、ＦＥＴ４及び７がＯＦＦして実電流は低下を開始する。強制ＳＷＯＦＦ信号がターンＯＮした次のソフト処理周期の開始タイミングで、強制ＳＷＯＦＦ信号がターンＯＦＦすると共に、ヒステリシスコンパレータ部２５の出力信号もターンＯＦＦする。

実電流がさらに低下する過程で、電流指令値は略フラットな値に変化する。そして、実電流が下側のヒステリシス幅値を下回ると、ヒステリシスコンパレータ部２５の出力信号がターンＯＮし（Ｓ１４）実電流が再度上昇に転じる。その後、実電流が上側のヒステリシス幅値を上回ると、前記出力信号がターンＯＦＦする（Ｓ１２）。以後、電流指令値が略フラットな値を示している期間では、上記の状態が繰り返される。

強制ＳＷＯＦＦ信号を使用しない従来技術の場合、図９中に太い破線で示すように、電流指令値に応じて実電流が低下，上昇するタイミングは全てソフト処理周期に同期するため、本実施形態の場合よりも１処理周期分遅れた応答になる。その結果、実電流の振幅変化が大きくなり、図１０に示すように、ＳＲＭ８に比較的大きなトルクリップルが発生する。これに対して、本実施形態では、実電流の変化応答を早めることでその振幅変化を抑制しているため、図１１に示すようにトルクリップルが従来技術よりも低減されている。

以上のように本実施形態によれば、電流センサ１０は、インバータ回路３を介してＳＲＭ８の各相固定子巻線９に通電される電流を検出し、乗算器２２は、ロータ位置検出器１３が検出したロータ回転位置を電気角に変換する。ヒステリシスコンパレータ部２５は、各相について、入力端子の一方に電気角に応じて変化する電流指令値が入力され、他方に電流センサ１０の電流センサ値が入力されて、双方の比較結果をＳＷ信号として出力する。そして、ＳＷ信号調停部２６は、ＳＷ信号と電気角同期ＳＷ信号発生部２４より出力される強制ＳＷＯＦＦ信号との何れか一方を選択して、最終ＳＷ信号としてインバータ回路３に出力する。

このように構成すれば、強制ＳＷＯＦＦ信号を用いることで、固定子巻線９に通電される電流を、電流指令値に基づく応答とは異なるように変化させることができる。したがって、通電電流が比較的大きく、ＳＲＭ８の回転数が比較的高いため電流変化が急峻となる駆動条件下において、電流指令値に基づくヒステリシスコンパレータ部２５の応答によってはトルクリップルが発生してしまう場合でも、強制ＳＷＯＦＦ信号を用いてトルクリップルを低減させることが可能になる。

また、電流プロファイル選択部２３は、電流プロファイルが記憶されるメモリを備え、電気角，回転速度及び入力されるトルク指令に対応して、メモリより読み出した複数の電流プロファイルより（１）式に基づいて電流指令値を演算する。そして、ヒステリシスコンパレータ部２５には、前記電流指令値が入力される。したがって、実際の回転速度及びトルク指令の値と、メモリに記憶されている電流プロファイルに対応する回転速度及びトルク指令の値とが異なる場合でも、電流指令値を適切に演算してヒステリシスコンパレータ部２５に与えることができる。

更に、ＳＷ信号調停部２６は、強制ＳＷＯＦＦ信号が入力されると、当該信号をＳＷ信号よりも優先してインバータ回路３に出力するので、電流指令値に基づく実電流の変化応答を、強制ＳＷＯＦＦ信号により確実に変更することができる。また、前記強制ＳＷＯＦＦ信号を、電流プロファイルの振幅が最大値を示す電気角において、インバータ回路３を介してＳＲＭ８に通電される実電流を低減させる信号とするので、実電流振幅のピークを低減してトルクリップルを確実に低減できる。

加えて、ヒステリシスコンパレータ部２５は、ソフトウェアによる処理で機能が実現され、比較動作を周期的に実行し、電気角同期ＳＷ信号発生部２４は、強制ＳＷＯＦＦ信号をＯＮに相当するハイレベルにした後、ヒステリシスコンパレータ部２５による次の比較処理タイミング,すなわち、次のソフト処理周期の開始タイミングで強制ＳＷＯＦＦ信号をＯＦＦに相当するローレベルにする。これにより、強制ＳＷＯＦＦ信号を適切な期間だけＯＮにすることができる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
図２示す各部の機能については、ハードウェア，ソフトウェアの何れによって実現しても良い。
電流指令値や電気角指令値を決定する方式は、上記実施形態で示したものに限らない。

図面中、３はインバータ回路（駆動回路）、８はスイッチトリラクタンスモータ、９は固定子巻線、１０は電流センサ（電流検出器）、１２は回転子鉄心（ロータ）、１３はロータ位置検出器（回転位置検出器）、１４はＳＲＭ制御器（制御装置）、２２は乗算器（電気角変換器）、２３は電流プロファイル選択部（指令値演算器）、２４は電気角同期ＳＷ信号発生部（強制応答信号出力器）、２５はヒステリシスコンパレータ部、２６はＳＷ信号調停部（信号選択器）を示す。

Claims (5)

1. 駆動回路（３）を介して、スイッチトリラクタンスモータ（８）の各相固定子巻線（９）に通電される電流を検出する電流検出器（１０）と、
   前記スイッチトリラクタンスモータのロータ回転位置を検出する回転位置検出器（１３）と、
   前記ロータ回転位置を電気角に変換する電気角変換器（２２）と、
   各相について、入力端子の一方に前記電気角に応じて変化する電流波形情報が入力され、入力端子の他方に前記電流検出器による電流の検出値が入力され、双方の比較結果を駆動制御信号として出力するヒステリシスコンパレータ部（２５）と、
   前記電流波形情報の一部につき、前記駆動制御信号とは異なる強制応答信号を出力する強制応答信号出力器（２４）と、
   前記駆動制御信号と前記強制応答信号との何れか一方を選択して、前記駆動回路に出力する信号選択器（２６）とを備えることを特徴とするスイッチトリラクタンスモータの制御装置。
2. 前記信号選択器は、前記強制応答信号が入力されると、当該信号を前記駆動制御信号よりも優先して前記駆動回路に出力することを特徴とする請求項１記載のスイッチトリラクタンスモータの制御装置。
3. 前記強制応答信号は、前記電流波形情報の振幅が最大値を示す電気角で、前記駆動回路によるスイッチトリラクタンスモータに流れる電流を低減させる信号であることを特徴とする請求項１又は２記載のスイッチトリラクタンスモータの制御装置。
4. 回転速度と、トルク指令とに応じて予め決定された電流波形情報が記憶されている波形情報記憶回路と、
   前記電気角，前記ロータ回転位置を微分して得られる回転速度及び入力されるトルク指令に対応して、前記波形情報記憶回路より読み出した複数の電流波形情報に基づいて電流指令値を演算する指令値演算器（２３）とを備え、
   前記ヒステリシスコンパレータ部には、前記電流指令値が入力されることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のスイッチトリラクタンスモータの制御装置。
5. 前記ヒステリシスコンパレータ部は、ソフトウェアによる処理で機能が実現され、前記比較動作を周期的に実行し、
   前記強制応答信号出力器は、前記強制応答信号を前記信号選択器に出力した後、前記ヒステリシスコンパレータ部による次の比較処理タイミングで、前記強制応答信号の出力を停止することを特徴とする請求項４記載のスイッチトリラクタンスモータの制御装置。

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