JP4052075B2

JP4052075B2 - Ｓｒモータの制御装置

Info

Publication number: JP4052075B2
Application number: JP2002272192A
Authority: JP
Inventors: 勉谷本; 匡之初田; 哲也新国
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2022-09-18
Also published as: JP2004112914A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチド・リラクタンス・モータ（ＳＲモータ）の制御装置に関し、とくに電流制御に用いられる電流センサのオフセット値を検出するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平０７−２７１４４５号公報
【特許文献２】
特開２０００−２３４９０号公報
電動機の制御において、回転速度または出力トルクを回転速度指令値または出力トルク指令値に追従させるために、それらの指令値を一旦、巻線電流指令値に変換し、この巻線電流指令値と電流センサによって検知した巻線電流値とを比較して電流フィードバック制御が行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなフィードバック制御を行うにあたっては、電流センサが巻線電流を正確に検出する必要があるため、電流センサの検出値にオフセットがあると、正確な制御が行われず、出力にトルクリップルが発生することになる。
またオフセット値について補正を行っても、運転中の温度変化などにより電流センサのオフセット値が変化した場合は、補正値がそれにしたがって変化しないとずれが生ずる。その結果、所望のトルクを発生できなかったり、また各相のオフセット値が適切でないことに起因してトルクリップルが生じたりすることがあった。
【０００４】
このオフセット値の補正について、例えば特開平０７−２７１４４５号公報には、オフセット値の変化にしたがって補正する方法が開示されているが、補正のタイミングはモータ速度及びモータ電流が零の場合に限られているので、連続運転中におけるオフセット変化には対応できない。
また特開２０００−２３４９０号公報記載のものでは、電動機を制御するためのＰＷＭ信号を出力していないときの電流センサの出力値をオフセット値として補正しており、オフセット値補正のタイミングはモータ速度が零である必要はなくなるが、トルク出力中ではオフセット値補正をすることができない。
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、ＳＲモータにおいて、連続運転中であっても電流センサのオフセット値を検出可能とするＳＲモータの制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、ＳＲモータの固定子の突極に巻回された巻線の電流を制御するスイッチング素子と、回転子の回転位置を検出する回転位置検出手段とを備え、前記検出された回転子の回転位置に基づいて、前記スイッチング素子を制御し、電流を流す前記巻線を相ごとに順次に切り替えて制御するＳＲモータの制御装置において、所定相の前記巻線の電流を検出する電流検出手段を有し、この電流検出手段のオフセット値を検出するために、非通電期間検出手段が、回転子の回転位置に基づいて、巻線が非通電期間であることを検出し、オフセット値検出手段は、非通電期間中で、電流検出手段の検出値をサンプリングし、サンプリング値を当該電流検出手段のオフセット値として検出する。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、ＳＲモータにおいて、巻線の非通電期間中で、電流検出手段の検出値をサンプリングし、サンプリング値をオフセット値として検出するから、運転を停止する必要がなくまたトルク出力中でも、オフセット値の検出が可能で、検出されたオフセット値に基づいて電流検出手段の検出値を補正すれば、ＳＲモータの出力トルク精度が向上し、またトルクリップルが低減できる効果が得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例により説明する。
図１は、本実施例に用いられるＳＲモータの構成を示す図である。
内周面に６つの突極４（４ａ、４ｂ、４ｃ）が均等に形成された固定子１の内部に、回転子２が回転可能に配置され、各突極４に巻線３（３ａ、３ｂ、３ｃ）が巻回されている。巻線３は、対向する突極を1相として、各相に同じ電流が流れるように、対向する突極の巻線３が互いに接続されている。すなわち、対向する突極４ａ同士の巻線３ａ、突極４ｂ同士の巻線３ｂ、突極４ｃ同士の巻線３ｃが互いに一端接続されるようになっている。
回転子２の回転位置に応じて、各相の巻線３ａ、３ｂ、３ｃに、順次に通電することによって、回転子２の突極を吸引してモータ駆動が行われる。
【０００８】
回転子２は、突極４ａの中央位置Ｐ１を電気角ゼロとした場合、隣である突極４ｂと突極４ｃの中間位置Ｐ２にきたときに、電気角３６０度で１周期となり、この周期にしたがって相ごとに通電する巻線が切り替えられて回転子２が回転する。
【０００９】
図２は、上記ＳＲモータの制御装置の構成を示す図である。ここでは、１相のみを示すが、ほかの２相も同じ構成である。
ＳＲモータの回転子２の回転位置を検出する回転位置検出部７０が設けられている。回転位置検出部７０は、例えばレゾルバやロータリエンコーダのようなロータ角度センサが用いられ、その検出値θが、制御部１０に出力される。制御部１０では、検出値θに応じて、巻線３に電圧を印加するタイミングを図り、必要なトルクを発生するように巻線３に流すモータ電流を演算する。演算されたモータ電流の電流指令値Ｉ^＊が比較制御部２０に出力される。比較制御部２０では、電流指令値Ｉ^＊と、電流センサ３０によって検出された電流値Ｉｓとにより制御信号を作成する。
巻線３の両端が、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２を介して電源Ｖｄｃとグラウンドにそれぞれ接続され、制御信号がスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２に出力されることによって、巻線３が通電される。
【００１０】
比較制御部２０における電流制御は、以下のようである。通電期間中に、検出された電流値Ｉｓがゼロから立ち上がる領域では、電流指令値Ｉ^＊と検出された電流値Ｉｓとの比較の結果がＩ^＊＞Ｉｓであり、制御信号が出力されスイッチング素子ＳＷ１とＳＷ２とがオンとなることによって巻線３に流れる電流が増加する。次に、検出された電流値Ｉｓが電流指令値Ｉ^＊に達してＩ^＊≦Ｉｓとなったとき、電流指令値Ｉ^＊がゼロとなり、スイッチング素子ＳＷ１とＳＷ２の両方がオフとなることによって電流は減少する。そして次に、検出された電流Ｉｓ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＞Ｉｓとなると、再度制御信号が出力され、スイッチ素子ＳＷ１とＳＷ２がオンされ電流が増加する。この繰り返しの結果、巻線３に流れる電流Ｉは、電流指令値Ｉ^＊対応した微小のヒステリシスのある一定電流に制御される。
【００１１】
図３は、電流指令値Ｉ^＊、巻線に実際に流れるモータ電流Ｉおよび電流センサの検出値の波形を示す図である。
図中、インダクタンスは、回転子２の回転によって巻線３のインダクタンスの変化を示し、その周期は電気角周期と同じである。
巻線３に加えられるモータ電圧はプラス、マイナスの両方向に向くパルスになっている。
巻線３に流れるモータ電流Ｉは、電流指令値Ｉ^＊とほぼ同じ形状で変化するが、電流指令値Ｉ^＊が零となり、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２がオフとなった後も、巻線３の両端に接続されたダイオード１２によって電源に回生電流を発生するから、指令値Ｉ^＊よりは伸びている。この伸びは、モータの回転速度が大きくなるにしたがって増大する。したがって、巻線３の非通電期間の時間は、指令値Ｉ^＊が休止する時間より短い。モータを中低速で回転することにより、非通電期間が確保される。
【００１２】
比較制御部２０における電流制御では、巻線に流れるモータ電流を正確に検出する必要がある。しかし、温度の変化などで電流センサ３０にオフセット値が存在する。この場合、図３に示すように、電流検出値Ｉｓは、実際の電流Ｉにオフセット値Ｉｏｓを加えた検出値となっている。このオフセット値Ｉｏｓを検出するには、巻線３が非通電期間中の電流センサ３０の検出値を検出すればよい。
このオフセット値を検出し補正するために、図２に示すように、オフセット値検出部５０、非通電期間検出部４０、記憶部６０が設けられ、電流センサ３０の検出値がオフセット値検出部５０にも出力されるようになっている。
非通電期間検出部４０は、回転位置検出部７０で検出した回転子２の位置によって、非通電期間を検出し、オフセット値検出部５０は、非通電期間中で、電流センサ３０の検出値をサンプリングし、サンプリング値をオフセット値Ｉｏｓとして記憶部６０に記憶する。比較制御部２０は、電流センサ３０の検出値Ｉｓからオフセット値Ｉｏｓを差し引いた電流値を巻線の電流として、前述の電流制御を行う。
【００１３】
オフセット値の検出タイミングは、非通電期間中であればよいが、本実施例では、電気角の周期ごとに、時間をずらすようにしている。
これは、周期的に巻線に重畳されるノイズの原因は主にインバータ素子のスイッチングノイズであり、このノイズは、モータが一定速度、一定トルクで定常運転している場合には、電気角で毎周期同じ位置にモータ電流に重畳される可能性があるからである。電流センサ３０の検出値をサンプリングするタイミングを周期ごとにずらすことによって、周期的にモータ電流に重畳されるノイズによるサンプリング値の誤りを回避することができる。
【００１４】
図４は、検出タイミングの変更の説明図である。
ここで、巻線３に電源電圧Ｖｄｃを印加し、通電を始めるときの回転子２の角度をθｏｎとする。また、回転位置検出部７０が検出できる角度の最小単位をαとする。
電流センサ３０の検出値をサンプリングする時の回転子角度をθｎ（ｎ＝１、２、３、…）とすると、電気角で最初の１周期は、θ１＝θｏｎ−１αの角度で電流センサの検出値をサンプリングする。次の１周期ではθ２＝θｏｎ−２αの角度で電流センサの検出値をサンプリングし、以降１周期ごとにθ３＝θｏｎ−３α、θ４＝θｏｎ−４α、…、θｎ＝θｏｎ−ｎαのようにタイミングをずらしてサンプリングする。サンプリングするタイミングは非通電期間に限る必要があるから、ｎには例えば１０などの上限値を設け、上限値に達したら、次の周期からはまたｎ＝１としてカウントした回転角度からサンプリングする。
そして、各周期でサンプリングした電流値ｉ１、ｉ２、ｉ３、ｉ４、…ｉｎがオフセット値として古い検出値を更新しながら記憶部６０に記憶される。
【００１５】
図５は、オフセット値検出部５０におけるオフセット値検出の流れを示すフローチャートである。
非通電期間検出部４０は、回転位置検出部７０の検出値によって、回転子が設定した位置θｏｎにきたと検出すると、オフセット値検出部５０は、内蔵のカウンタのカウント値ｎを零に設定して電流センサ３０の検出値のサンプリングを開始する。
ステップ１００において、カウント値ｎをチェックし、カウント値ｎが１０以下であれば、ステップ１１０でカウント値ｎを１増やし、ｎが１０を超えていれば、ステップ１２０で、カウント値ｎを１に設定する。
【００１６】
ステップ１３０において、設定した回転位置θｏｎとカウント値ｎとによって、次式で示す演算式にしたがって、次にサンプリングする回転子位置θｎを算出する。
θｎ＝θｏｎ＋ｎα
ステップ１４０において、回転子位置θが演算した回転子位置θｎにきたことを確認すると、ステップ１５０へ進む。
ステップ１５０においては、電流センサ３０の検出値をサンプリングして、オフセット値Ｉｏｓを検出する。
ステップ１６０において、検出したオフセット値Ｉｏｓを記憶部６０に出力して、オフセット値の更新を行う。
【００１７】
本実施例は、以上のように構成され、ＳＲモータにおける巻線の非通電期間を利用して電流センサのオフセット値を検出するようになっているので、ＳＲモータ駆動中にも、オフセット値の検出が可能で、温度の変化などによりオフセット値が変化した場合には、その都度検出できＳＲモータ駆動時のトルクリップルを最小に抑えることができる。
【００１８】
次に、第２の実施例について説明する。
図６は、第２の実施例の構成を示す図である。
この実施例は、図２に示す第１の実施例に、マップ記憶部８０、非通電期間設定部９０を加えて構成される。
第１の実施例では、非通電期間を検出しオフセット値を検出するようになっているが、本実施例では、図７に示すようにＳＲモータが高回転速度で運転し、非通電期間の時間がサンプリングできないほど短い、あるいはない場合に電流指令値Ｉ^＊をゼロにして、点線で示すように電気角３６０度に亘って、非通電期間を積極的に作るようにしている。
マップ記憶部８０には、モータ回転速度ごとに、巻線３に最大電流を流したときの非通電期間の時間の測定値を記憶させておく。
【００１９】
非通電期間設定部９０は、モータ回転速度Ｖの検出値または、回転位置θを微分演算して得たものを入力し、マップ記憶部８０から対応する非通電期間の時間を検出し、その時間がモータの制御周期すなわちサンプリングできる時間より短い場合は、非通電期間を設定する信号を比較制御部２０’に出力する。これを受けて、比較制御部２０’は、電流指令値Ｉ^＊をゼロにし、電気角３６０度に亘って出力の停止をさせる。これによって巻線３に非通電期間が形成されオフセット値を検出可能になる。オフセット値検出部５０’は、出力停止のタイミングに合わせて電流センサ３０の検出値をサンプリングしてオフセット値を検出する。
なお、サンプリングタイミングは、第１の実施例と同様に、周期ごとに時間をずらして行うようになっている。
非通電期間設定部９０は、マップ記憶部８０に記憶された非通電期間の時間が、サンプリング可能の長さであると判断した場合、信号を非通電期間検出部４０’に出力し、非通電期間検出部４０’は、第１実施例と同様に、非通電期間を検出してオフセット値を検出する。
【００２０】
本実施例では、積極的に非通電期間を作るために、電気角で３６０度に亘って出力をゼロに設定したが、必ずしも電気角３６０度にわたってゼロに設定する必要はない。十分な非通電時間が得られれば、例えば電気角１８０度分のように、電気角３６０度より小さい角度に設定しても構わない。こうすることによって、電気角３６０度に亘ってゼロにする時に比べて、発生するトルクリップルはより小さくなる。
【００２１】
更に、積極的に非通電期間を設けるタイミングは、システムの機械的な共振周波数を外すことが望ましい。また、３相の間で時間的に休止時間を設けるのが望ましい。
図８は、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相の電流波形と回転子位置の関係を示す図である。
図７で示した電流波形がＵ相であるとすると、Ｖ相、Ｗ相はそれぞれ電気角で１２０度ずれた波形であり、点線で示すようにＵ、Ｖ、Ｗ相と連続的に非通電期間を設けると、トルクは電気角３６０度に亘って発生しないことになる。これに対し、図９に示すように３相の間で、所定の周期数相当の休止時間Ｄを設けることによって、トルクが発生しない期間は電気角１２０度の間であり、時間的に分散されることとなるので、発生するトルクリップルは小さい。
【００２２】
本実施例は、以上のように構成され、モータが高速度で運転され、電流検出値をサンプリングできるほどの非通電期間が得られなかった場合は、制御指令値をゼロにして、非通電期間を積極的に作ることによって、高速度運転領域でも、電流センサのオフセット値を検出できるから、運転領域を選ばずにオフセット値の検出が可能になる。
なお、この期間は１相分のトルクが出力されなくなるが、高速回転中においてはその時間は非常に短いため、例えば電気自動車にこの実施例を適用しても、運転手が気付くようなトルクリップルが発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に用いられるＳＲモータの構成を示す図である。
【図２】上記ＳＲモータの制御装置の構成を示す図である。
【図３】電流指令値、巻線に実際に流れるモータ電流および電流センサの検出値の波形を示す図である。
【図４】検出タイミング変更の説明図である。
【図５】オフセット値検出部におけるオフセット値検出の流れを示すフローチャートである。
【図６】第２の実施例の構成を示す図である。
【図７】非通電期間を作るのを説明するための図である。
【図８】Ｕ、Ｖ、Ｗの３相の電流波形と回転子位置の関係を示す図である。
【図９】休止時間を設けた場合、出力トルクに与える影響を説明するための図である。
【符号の説明】
１固定子
２回転子
３巻線
４突極
１０制御部
２０、２０’ 比較制御部
３０電流センサ（電流検出手段）
４０、４０’ 非通電期間検出部（非通電期間検出手段）
５０、５０’ オフセット値検出部（オフセット値検出手段）
６０記憶部
７０回転位置検出部
８０マップ記憶部
９０非通電期間設定部（非通電期間設定手段）

Claims

ＳＲモータの固定子の突極に巻回された巻線の電流を制御するスイッチング素子と、回転子の回転位置を検出する回転位置検出手段とを備え、前記検出された回転子の回転位置に基づいて、前記スイッチング素子を制御し、電流を流す前記巻線を相ごとに順次に切り替えて制御するＳＲモータの制御装置において、
所定相の前記巻線の電流を検出する電流検出手段を有し、
前記回転子の回転位置に基づいて、前記巻線が非通電期間であることを検出する非通電期間検出手段と、
前記検出された非通電期間中で、前記電流検出手段の検出値をサンプリングし、サンプリング値を当該電流検出手段のオフセット値とするオフセット値検出手段とを設けたことを特徴とするＳＲモータの制御装置。
さらに、非通電期間の時間がサンプリング可能時間より短い場合に、前記スイッチング素子に出力される制御指令値をゼロにして非通電期間を設定する非通電期間設定手段を有し、
前記オフセット値検出手段は、前記非通電期間設定手段で非通電期間が設定されたときは、当該設定された非通電期間中で、前記電流検出手段の検出値をサンプリングすることを特徴とする請求項１記載のＳＲモータの制御装置。
前記設定された非通電期間は、電気角で３６０度以下とすることを特徴とする請求項２記載のＳＲモータの制御装置。
前記非通電期間の設定は、各相で所定の電気角周期数相当の時間をずらして行われるものとすることを特徴とする請求項２または３記載のＳＲモータの制御装置。
前記オフセット値検出手段は、電気角周期ごとにタイミングを変更してオフセット値を検出するようになっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載のＳＲモータの制御装置。