JP4052063B2 - Srモータの制御装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、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または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において、SRモータの低速側の所定の回転速度範囲において、脈動の周波数を高次側へ移動させるように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させたトルク脈動を発生させるヒステリシス幅またはPWMのキャリア周波数を第2の制御部に指令するものとした。
【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Ihysを保有する。Ihys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Ihysの分だけ小さいI−Ihys>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から2f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Ihys 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Ihys 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Ihys 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Ihys 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−Ihys >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Ihys 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Ihys 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Ihys 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Ihys 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 (2)

  1. 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、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において、SRモータの低速側の所定の回転速度範囲において、脈動の周波数を高次側へ移動させるように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させたトルク脈動を発生させるヒステリシス幅を第2の制御部に指令することを特徴とするSRモータの制御装置。
  2. 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、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において、SRモータの低速側の所定の回転速度範囲において、脈動の周波数を高次側へ移動させるように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させたトルク脈動を発生させるPWMのキャリア周波数を第2の制御部に指令することを特徴とするSRモータの制御装置。
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