JP4134716B2 - 電動機の電流制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固定子と回転子の相対角度位置を検知する角度位置センサを有し、角度位置センサより得られた回転子角度をもとにインバータを制御し、固定子に巻かれた巻線の駆動電流位相を変える電動機の電流制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献】
「Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐａｇｅ９９〜１００ Ｔ．Ｊ．Ｅ Ｍｉｌｌｅｒ（Ｌｕｃａｓ Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ／ ＳＰＥＥＤ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ／ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｌａｓｇｏｗ） Ｍａｇｎａ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ ａｎｄ Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ Ｐｒｅｓｓ ・ ＯＸＦＯＲＤ １９９３」。
【０００３】
上記非特許文献に示されたスイッチド・レラクタンス・モータの回転子の回転速度の制御にはモータのトルクを回転子速度に変換し、この回転子速度と基準とする回転子速度の誤差に比例したパルス幅を持つパルス列を発生し、このパルス列でモータを駆動する矩形波電圧を制御していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来技術においては回転子の回転速度と基準となる回転速度との誤差に対応させてパルス幅を決定していたので、温度特性によって巻線の抵抗値やインダクタンスが変化すると所望の回転数を維持できなかったり、トルクリップルが生じたりすることがあった。
【０００５】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、電動機の出力トルクを安定に供給することができる電動機の電流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】
上記の目的を達成するため、本発明においては、複数相からなる巻線が施された固定子と、前記固定子と相対回転させられる回転子との相対角度位置を検知する角度位置センサと、前記巻線の電流を検知する電流センサとを備え、前記角度位置センサにより得られた回転子角度をもとに、インバータの制御信号を生成し、前記巻線に矩形波電圧を印加し、電流を流す相を切り替えて運転する電動機の電流制御装置において、前記矩形波電圧の印加開始タイミング指令値と、前記矩形波電圧の印加終了タイミング指令値と、前記回転子角度と、前記インバータの入力電圧をもとに、瞬時電流期待値を決定する手段、または、前記矩形波電圧の印加を開始してからの時間と、前記回転子角度から求めた回転子角速度と、前記インバータの入力電圧をもとに、瞬時電流期待値を決定する手段、もしくは、前記矩形波電圧の印加を終了してからの時間と、前記回転子角度から求めた回転子角速度と、前記インバータの入力電圧をもとに、瞬時電流期待値を決定する手段を有し、前記電流センサ出力のサンプリング値と、サンプリングしたタイミングにおける前記瞬時電流期待値との差に応じて、前記矩形波電圧の波形を調整する波形調整手段を有するように構成している。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、固定子に巻かれた巻線の電流サンプリング値と瞬時電流期待値との差に基づいて所望の電流となるように電動機に加える巻線電圧波形を調整するので、精度良く所望のトルクを発生することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する図面で同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【０００９】
図１〜５を用いて第１の実施の形態を説明する。
【００１０】
図１は本発明の第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整のフローチャート、図２は第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整のタイムチャート、図３は第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整の電流制御装置のブロック図、図４は第１の実施の形態の印加終了タイミング指令値調整の電流制御装置のブロック図、図５は第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整および印加終了タイミング指令値調整の電流制御装置のブロック図を示す。
【００１１】
本第１の実施の形態は電動機の固定子に対する回転子の相対角度位置（以後回転子角度と称す）において、所定の回転子角度における固定子に巻かれた巻線（以後巻線と称す）に流れる電流のサンプリング値ｉｓと、所定の回転子角度θｓ（以後電流サンプル角度θｓと称す）における瞬時電流期待値ｉｅを比較し、次回に巻線に加える矩形波電圧の波形を調整することにより巻線に流れる電流を制御することを特徴とする。
【００１２】
先ず図１のフローチャート、および図３のブロック図を用いて、本第１の実施の形態の概要を説明する。図１のフローチャートは、電流制御装置１を構成しているマイコンの割り込み処理で、印加開始タイミング指令値θｏｎ＊を調整し、電流制御を実施する処理を表している。この割り込み処理１０は回転子の電気角１周期毎に１回開始され、まず処理１１において前回の割り込み処理において電流サンプル角度θｓでサンプリングしたサンプリング値ｉｓｎ−１を読み取る。次に処理１２において電流サンプル角度θｓにおける瞬時電流期待値ｉｅｎ−１を求める（図３では瞬時電流期待値生成部２１）。次に処理１３から１６において、サンプリング値ｉｓｎ−１と瞬時電流期待値ｉｅｎ−１が等しい場合は、そのまま割り込み処理１０を終了する。サンプリング値ｉｓｎ−１が瞬時電流期待値ｉｅｎ−１より大きい場合は次の電気角周期の巻線に加える印加開始タイミング指令値θｏｎ＊を今回より遅らせ、サンプリング値ｉｓｎ−１が瞬時電流期待値ｉｅｎ−１より小さい場合は次の電気角周期の印加開始タイミング指令値θｏｎ＊を今回より早める（図３では比例・積分演算部２２および加算器２４、２５）。なお、瞬時電流期待値ｉｅとは、１パルス駆動の電気角１周期に流れる想定している電流プロファイルにおける、電流サンプル角度θｓでの期待される電流値である。
【００１３】
次に本第１の実施の形態を示す図３のブロック図の構成を説明する。この第１の実施の形態は電動機４及び電流制御装置１で構成されており、電流制御装置１は電流センサ３の出力を読み込む電流サンプル部２６、巻線に流れる電流を検知する電流センサ３、回転子角度を検知する角度位置センサ５、電動機４を駆動するインバータ２、インバータ電源６、インバータ電圧の印加タイミングを指令する印加タイミング指令値生成部２０、インバータ素子制御信号を生成するインバータ制御信号生成部２３、瞬時電流期待値ｉｅを算出する瞬時電流期待値生成部２１、瞬時電流期待値ｉｅとサンプリング値ｉｓの差を演算する加算器２４、加算器２４の出力を入力する比例・積分制御部２２、印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と比例・積分制御部２２の出力の差を演算する加算器２５、角度位置センサ５の出力から回転子角速度ωを演算する速度演算部２８から構成されている。ここで波形調整手段は加算器２４、２５、比例・積分制御部２２、インバータ駆動信号生成部２３等から構成されている。
【００１４】
図１の電流制御を実施する割り込み処理１０は瞬時電流期待値生成部２１で実施する。
【００１５】
続いて、本第１の実施の形態の詳細を図１のフローチャートに沿って説明する。
【００１６】
まず、割り込み処理１０の実施タイミングの例を図２を用いて示す。図２は、固定子、回転子ともに突極構造として知られるＳＲモータを例にとり、回転子角度、１相分の巻線電流、印加開始タイミング指令値θｏｎ＊、割り込み処理１０の実施タイミングを表している。この第１の実施の形態においては、割り込み処理１０は回転子の電気角が０度になるのと同期して開始され、サンプリング値ｉｓは前の周期の値を用い、また印加開始タイミング指令値θｏｎ＊調整の反映は次の周期に実施している。なお、電流制御を実施する割り込み処理１０の実行頻度は、電気角１周期に対し１回以上が望ましい。また、割り込み処理１０の実施タイミングについては、図２のように電気角に同期して所定の角度で処理を開始してもよいし、角度とは非同期に一定周期で開始してもよい。
【００１７】
次に図１の処理１１について説明する。
【００１８】
処理１１では、図２に示すように、前の周期において電流サンプル角度θｓの回転子角度でサンプリングし、マイコンの記録装置に記録されたサンプリング値ｉｓｎ−１を読み出す。電流センサ出力のサンプリングは図１の処理とは別に図３の電流サンプル部２６で電流サンプル角度θｓに同期して行われる。
【００１９】
次に、図１の処理１２について説明する。
【００２０】
瞬時電流期待値ｉｅの算出は、マップまたは計算式を用いて行う。マップを用いる場合は、電流をサンプリングする電流サンプル角度θｓ、回転子角速度ω、１周期前の印加開始タイミング指令値θｏｎ＊をパラメータとした瞬時電流期待値マップを試験等であらかじめ計測しておき、制御用マイコンにプログラムすることでｉｅを求める。計算式を用いる場合の例は第３の実施の形態で説明する。
【００２１】
このように電流センサの出力値を所定の角度でサンプリングすることにより、サンプリングした所定の角度からダイレクトに瞬時電流期待値ｉｅを決定できるので、瞬時電流期待値ｉｅを決定する処理時間を短くできる。また、所定の角度をいずれの動作点においても一定とすれば、マップの容量も大幅に低減できる。
【００２２】
続いて、図１の処理１３から１６について説明する。
【００２３】
ｎ周期目において、ｎ−１周期目で電流をサンプリングした電流サンプル角度θｓにおけるサンプリング値ｉｓｎ−１を図１の処理１１において取得し、この電流サンプル角度θｓにおける瞬時電流期待値ｉｅｎ−１を図１の処理１２において求め、図３に示すように、ｉｅｎ−１からｉｓｎ−１を引いた値を比例・積分制御部２２に入力し、比例・積分制御部２２の出力値を印加開始タイミング指令値θｏｎｎ＊にフィードフォワードして、ｎ＋１周期目の印加開始タイミング指令値θｏｎｎ＋１＊とする。
【００２４】
このように回転子角度θｓにおける瞬時電流期待値ｉｅとその回転子角度θｓにおける巻線に流れる電流のサンプリング値ｉｓとの差に基づいて所望の電流となるように巻線電圧波形を調整するので、精度よく所望のトルクを発生することができる。
【００２５】
なお、変化させる指令値は印加開始タイミング指令値θｏｎ＊とは限らない。同様の方法で図４のように印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊を調整の対象としてもよいし、図５のように印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊の両方を調整の対象としてもよい。またこれらのどの指令値を変化させるかは、システムの効率が最適になるように選択するのが望ましく、回転子角速度や巻線入力電圧等の運転状況に応じて切り替えてもよい。
【００２６】
図４は印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊を調整の対象とした場合のブロック図である。図３との違いは、比例・積分制御部２９の出力と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊との差を加算器２７で演算し、インバータ制御信号生成部２３に入力している点である。図５は印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊の両方を調整の対象とした場合のブロック図である。図３との違いは、比例・積分制御部３０の出力が２系統あり、印加終了タイミング指令値θｏｎ＊との差および印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊との差を加算器２５、２７で演算し、インバータ駆動信号生成部２３に入力している点である
一般に１パルス制御のＳＲモータでは、回転子角速度とインバータ入力電圧とトルク指令値をパラメータとしたマップで印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊を決定する方法がとられるが、本実施例では電流サンプル角度θｓでの電流のサンプリング値ｉｓと瞬時電流期待値ｉｅとの差に基づいてインバータに加える印加開始タイミング指令値θｏｎ＊あるいは印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊を調整し、巻線の励磁開始角度もしくは励磁終了角度を調整し巻線に流れる電流を制御しているので、電動機の温度上昇等により運転中に巻線抵抗が変化しても、所望の電流波形を出力することができる。
【００２７】
なお、電流をサンプリングする頻度は、電気角１周期に１回とは限らない。電気角１周期に複数回サンプリングし、その中から任意の１つの値を対象に図１の処理を実施してもよいし、複数のサンプル値の平均値を対象に同様の処理を実施してもよい。
【００２８】
次に第２の実施の形態を図６から図８を用いて説明する。
【００２９】
図６は第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整を示すフローチャート、図７は第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整を示すタイムチャート、図８は第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整の電流制御装置１のブロック図を示す。
【００３０】
本第２の実施の形態は、電流サンプル角度θｓにおけるサンプリング値ｉｓと、電流サンプル角度θｓにおける瞬時電流期待値ｉｅを比較し、次回のインバータ入力電圧Ｖｉｎを調整することを特徴とする。
【００３１】
まず図６のフローチャート、および図８のブロック図を用いて、本第２の実施の形態の概要を説明する。図６のフローチャートは、電流制御装置１を構成するマイコンの割り込み処理で電流制御を実施する処理を表している。この割り込み処理３０の処理１１〜１４は図１の割り込み処理１０における処理１１〜１４と同じであるので、説明は省略するが処理１２での瞬時電流期待値ｉｅｎ−１を求めるのは図８では瞬時電流期待値生成部４０である。
【００３２】
次に図６の処理３５、３６においてサンプリング値ｉｓｎ−１が瞬時電流期待値ｉｅｎ−１より大きい場合は次の電気角周期のインバータ入力電圧Ｖｉｎｎを今回より低くし、サンプリング値ｉｓｎ−１が瞬時電流期待値ｉｅｎ−１より小さい場合は次の電気角周期のインバータ入力電圧Ｖｉｎｎを今回より高くする（図８では比例・積分演算部４１および加算器４２、４３）。
【００３３】
続いて、本第２の実施の形態の詳細を図６のフローチャートに沿って説明する。
【００３４】
まず、割り込み処理３０の実施タイミングを図７に示している。この第２の実施の形態における割り込み処理３０の実施タイミングも、実施例１の割り込み処理１０と同様である。
【００３５】
次に、図６の処理３５、３６について図８を使って説明する。
【００３６】
まずｎ周期目において、ｎ−１周期目での瞬時電流期待値ｉｅｎ−１からサンプリング値ｉｓｎ−１を引いた値を比例・積分制御部４１に入力し、インバータ入力電圧の補償値Ｖｃｏｍｐを求める。
【００３７】
一方、インバータ入力電圧のサンプリング値Ｖｉｎｓを記憶し、ｎ−１周期目のインバータ入力電圧を出力する電圧値保存部４６の出力値Ｖｉｎｎ−１にＶｃｏｍｐを加えて、ｎ＋１周期目のインバータ入力電圧指令値Ｖｉｎｎ＋１＊とする。
【００３８】
一般に１パルス制御では、回転子角速度とインバータ入力電圧とトルク指令値をパラメータとしたマップで印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊を決定する方法がとられるが、本第２の実施の形態ではさらにインバータ入力電圧を調整することにより精度の高いトルク出力が得られる。またインバータ入力電圧を必要最低限に抑えられるので、インバータ素子のスイッチング損失を減少させることができる。
【００３９】
第３の実施の形態を図９および図１０を用いて説明する。
【００４０】
図９は印加開始と終了タイミング指令値から瞬時電流期待値ｉｅを決定する電流制御装置の一部を示すブロック図、図１０は矩形波電圧印加時間から瞬時電流期待値ｉｅを決定する電流制御装置の一部を示すブロック図である。
【００４１】
本第３の実施の形態は、電動機の電圧方程式から瞬時電流期待値ｉｅを求めることを特徴としており、ｉｅの算出についてＳＲモータを例に説明する。
【００４２】
ＳＲモータのインダクタンスＬは、回転子角度θに応じて三角波状に変化するため、領域１：Ｌが一定、領域２：Ｌがθの変化に対して増加、領域３：Ｌがθの変化に対して減少、の３領域に分けてインダクタンスを近似することができる。ＳＲモータの電圧方程式は
【００４３】
【数１】
（Ｖ：巻線入力電圧、Ｒ：巻線抵抗、ｉ：巻線電流、Ψ：鎖交磁束数、ｔ：時間）
と表され、例えば領域１で励磁開始した場合、領域１では以下のような巻線電流となる。
【００４４】
【数２】
（θ：回転子角度、ｉｅ：θでの電流値、ｉ０：電流初期値、θｏｎ：印加開始タイミングの回転子角度、ω：回転子角速度、Ｌ０：インダクタンスの最小値）
領域２、領域３においても同様に、電圧方程式からｉｅを求めることができる。ｉｅを求める式（２）は、図９のブロック図では瞬時電流期待値生成部６２、図１０のブロック図では瞬時電流期待値生成部７２で実施される。図９では瞬時電流期待値生成部６２に回転子角度θ、印加開始タイミング指令値θｏｎ＊、印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊、巻線入力電圧Ｖを入力し、瞬時電流期待値ｉｅを算出する。また、図１０のように、矩形波電圧印加時間計算部７３で、前回の矩形波電圧印加開始からの時間ｔｏｎと、前回の矩形波電圧印加終了からの時間ｔｏｆｆを算出し、瞬時電流期待値生成部７２において前回の矩形波電圧印加開始からの時間ｔｏｎもしくは前回の矩形波電圧印加終了からの時間ｔｏｆｆと回転子角速度ωから回転子角度θを算出し、更に印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊と巻線入力電圧Ｖを入力して瞬時電流期待値ｉｅを求めることもできる。このようにいかなる動作点においても瞬時電流期待値ｉｅを決めることができる。
【００４５】
なお、第１の実施の形態においては、回転子角度θは、電流サンプル角度θｓに固定しているため定数となり、瞬時電流期待値ｉｅをマップから求める場合はマップの容量を低減でき、式から求める場合は演算が簡略化できる。
【００４６】
第４の実施の形態を図１１および図１２を用いて説明する。
【００４７】
図１１は第４の実施の形態の所定の角度を電気角１周期ごとに変更する処理のフローチャート、図１２は第４の実施の形態の所定の角度を電気角１周期ごとに変更する処理のタイムチャートを示す。
【００４８】
本第４の実施の形態は、所定の回転子角度において電流センサ出力をサンプリングし、更に所定の回転子角度を１周期毎に変更することを特徴とする。
【００４９】
図１１を用いて本第４の実施の形態の概要を説明する。
【００５０】
図１１のフローチャートは、電流制御装置１を構成するマイコンの割り込み処理で、電流センサの出力をサンプリングする処理を表している。この割り込み処理５０は電気角１周期毎に開始され、処理５１から５４において、前の電流サンプル角度θｓｎ−１に対してずらした角度θｓｎを、今回の周期でのサンプリング角度として設定し、処理５５から５６においてサンプリングを実行する。
【００５１】
次に図１２を用いて本第４の実施の形態の詳細を説明する。
【００５２】
図１２は、固定子、回転子ともに突極構造として知られるＳＲモータを例にとり、回転子角度、１相分の巻線電流、割り込み処理５０の実施タイミングを表している。
【００５３】
図１２に示すように、角度位置センサが検出できる角度の最小単位をαとする。電流センサの出力をサンプリングする時の回転子角度をθｓｎ（ｎ＝１、２、３、…）とすると、電気角で最初の１周期は、θｓ１の角度で電流センサの出力をサンプリングする。このθｓ１は任意の角度でもよいし、所定の角度に固定してもよい。次の１周期ではθｓ２＝θｓ１−１αの角度で電流センサの出力をサンプリングし、以降１周期毎にθｓ３＝θｓ１−２α、θｓ４＝θｓ１−３α、……、θｓｎ＝θｓ１−（ｎ−１）αのようにタイミングをずらしてサンプリングする。このように電流センサ出力のサンプリングタイミングをずらすことによって、巻線電流に重畳されるノイズによる、回転子角度に同期したサンプリング値の誤りを回避することができる。なぜなら、巻線に重畳される同期した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、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角度にノイズが重畳される可能性があるためである。このように所定の角度を電気角１周期ごとに変更することで、回転子角度に同期したノイズが重畳されない角度の電流センサ出力値を選択的にサンプリングでき、従って、精度良く所望のトルクを発生し、トルクリップルも低減できる。
【００５４】
なお、ｎの値の変化方法はｎ＝１、２、３、…とは限らない。乱数としてもよいし、図１２のようにｎ＝２、４、６、…としてもよい。また、サンプリングする回転子角度を限定したい場合には、ｎに例えば１０などの上限値ｋを設け、上限に達した次の周期からはまたｎ＝１としてカウントする。
【００５５】
なお、電流サンプル角度θｓｎで得られたサンプリング値ｉｓｎに対応して比較対照とする瞬時電流期待値ｉｅｎも変えるのは明らかである。
【００５６】
また、電流をサンプリングする頻度は、電気角１周期に１回とは限らない。電気角１周期に複数回サンプリングし、その中から任意の１つの値を対象に図１１の処理を実施してもよいし、複数のサンプル値の平均値を対象に同様の処理を実施してもよい。
【００５７】
この本第４の実施の形態は第１の実施の形態および第２の実施の形態と組み合わせることができる。図３、図４、図５、図８の電流サンプル部２６に本第４の実施の形態を適用することにより、サンプリング値ｉｓの誤る確率を下げ、より安定したトルク出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整のフローチャート。
【図２】本発明の第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整のタイムチャート。
【図３】本発明の第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整の電流制御装置のブロック図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の印加終了タイミング指令値調整の電流制御装置 のブロック図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整および印加終了タイミング指令値調整の電流制御装置のブロック図。
【図６】本発明の第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整を示すフローチャート。
【図７】本発明の第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整を示すタイムチャート。
【図８】本発明の第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整の電流制御装置のブロック図。
【図９】本発明の第３の実施の形態の印加開始と終了タイミング指令値から瞬時電流期待値を決定する電流制御装置の一部を示すブロック図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の矩形波電圧印加時間から瞬時電流期待値を決定する電流制御装置の一部を示すブロック図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の電流サンプル角度θｓを電気角１周期ごとに変更する処理のフローチャート。
【図１２】本発明の第４の実施の形態の電流サンプル角度θｓを電気角１周期ごとに変更する処理のタイムチャート。
【発明の属する技術分野】
本発明は固定子と回転子の相対角度位置を検知する角度位置センサを有し、角度位置センサより得られた回転子角度をもとにインバータを制御し、固定子に巻かれた巻線の駆動電流位相を変える電動機の電流制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献】
「Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐａｇｅ９９〜１００ Ｔ．Ｊ．Ｅ Ｍｉｌｌｅｒ（Ｌｕｃａｓ Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ／ ＳＰＥＥＤ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ／ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｌａｓｇｏｗ） Ｍａｇｎａ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ ａｎｄ Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ Ｐｒｅｓｓ ・ ＯＸＦＯＲＤ １９９３」。
【０００３】
上記非特許文献に示されたスイッチド・レラクタンス・モータの回転子の回転速度の制御にはモータのトルクを回転子速度に変換し、この回転子速度と基準とする回転子速度の誤差に比例したパルス幅を持つパルス列を発生し、このパルス列でモータを駆動する矩形波電圧を制御していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来技術においては回転子の回転速度と基準となる回転速度との誤差に対応させてパルス幅を決定していたので、温度特性によって巻線の抵抗値やインダクタンスが変化すると所望の回転数を維持できなかったり、トルクリップルが生じたりすることがあった。
【０００５】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、電動機の出力トルクを安定に供給することができる電動機の電流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】
上記の目的を達成するため、本発明においては、複数相からなる巻線が施された固定子と、前記固定子と相対回転させられる回転子との相対角度位置を検知する角度位置センサと、前記巻線の電流を検知する電流センサとを備え、前記角度位置センサにより得られた回転子角度をもとに、インバータの制御信号を生成し、前記巻線に矩形波電圧を印加し、電流を流す相を切り替えて運転する電動機の電流制御装置において、前記矩形波電圧の印加開始タイミング指令値と、前記矩形波電圧の印加終了タイミング指令値と、前記回転子角度と、前記インバータの入力電圧をもとに、瞬時電流期待値を決定する手段、または、前記矩形波電圧の印加を開始してからの時間と、前記回転子角度から求めた回転子角速度と、前記インバータの入力電圧をもとに、瞬時電流期待値を決定する手段、もしくは、前記矩形波電圧の印加を終了してからの時間と、前記回転子角度から求めた回転子角速度と、前記インバータの入力電圧をもとに、瞬時電流期待値を決定する手段を有し、前記電流センサ出力のサンプリング値と、サンプリングしたタイミングにおける前記瞬時電流期待値との差に応じて、前記矩形波電圧の波形を調整する波形調整手段を有するように構成している。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、固定子に巻かれた巻線の電流サンプリング値と瞬時電流期待値との差に基づいて所望の電流となるように電動機に加える巻線電圧波形を調整するので、精度良く所望のトルクを発生することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する図面で同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【０００９】
図１〜５を用いて第１の実施の形態を説明する。
【００１０】
図１は本発明の第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整のフローチャート、図２は第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整のタイムチャート、図３は第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整の電流制御装置のブロック図、図４は第１の実施の形態の印加終了タイミング指令値調整の電流制御装置のブロック図、図５は第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整および印加終了タイミング指令値調整の電流制御装置のブロック図を示す。
【００１１】
本第１の実施の形態は電動機の固定子に対する回転子の相対角度位置（以後回転子角度と称す）において、所定の回転子角度における固定子に巻かれた巻線（以後巻線と称す）に流れる電流のサンプリング値ｉｓと、所定の回転子角度θｓ（以後電流サンプル角度θｓと称す）における瞬時電流期待値ｉｅを比較し、次回に巻線に加える矩形波電圧の波形を調整することにより巻線に流れる電流を制御することを特徴とする。
【００１２】
先ず図１のフローチャート、および図３のブロック図を用いて、本第１の実施の形態の概要を説明する。図１のフローチャートは、電流制御装置１を構成しているマイコンの割り込み処理で、印加開始タイミング指令値θｏｎ＊を調整し、電流制御を実施する処理を表している。この割り込み処理１０は回転子の電気角１周期毎に１回開始され、まず処理１１において前回の割り込み処理において電流サンプル角度θｓでサンプリングしたサンプリング値ｉｓｎ−１を読み取る。次に処理１２において電流サンプル角度θｓにおける瞬時電流期待値ｉｅｎ−１を求める（図３では瞬時電流期待値生成部２１）。次に処理１３から１６において、サンプリング値ｉｓｎ−１と瞬時電流期待値ｉｅｎ−１が等しい場合は、そのまま割り込み処理１０を終了する。サンプリング値ｉｓｎ−１が瞬時電流期待値ｉｅｎ−１より大きい場合は次の電気角周期の巻線に加える印加開始タイミング指令値θｏｎ＊を今回より遅らせ、サンプリング値ｉｓｎ−１が瞬時電流期待値ｉｅｎ−１より小さい場合は次の電気角周期の印加開始タイミング指令値θｏｎ＊を今回より早める（図３では比例・積分演算部２２および加算器２４、２５）。なお、瞬時電流期待値ｉｅとは、１パルス駆動の電気角１周期に流れる想定している電流プロファイルにおける、電流サンプル角度θｓでの期待される電流値である。
【００１３】
次に本第１の実施の形態を示す図３のブロック図の構成を説明する。この第１の実施の形態は電動機４及び電流制御装置１で構成されており、電流制御装置１は電流センサ３の出力を読み込む電流サンプル部２６、巻線に流れる電流を検知する電流センサ３、回転子角度を検知する角度位置センサ５、電動機４を駆動するインバータ２、インバータ電源６、インバータ電圧の印加タイミングを指令する印加タイミング指令値生成部２０、インバータ素子制御信号を生成するインバータ制御信号生成部２３、瞬時電流期待値ｉｅを算出する瞬時電流期待値生成部２１、瞬時電流期待値ｉｅとサンプリング値ｉｓの差を演算する加算器２４、加算器２４の出力を入力する比例・積分制御部２２、印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と比例・積分制御部２２の出力の差を演算する加算器２５、角度位置センサ５の出力から回転子角速度ωを演算する速度演算部２８から構成されている。ここで波形調整手段は加算器２４、２５、比例・積分制御部２２、インバータ駆動信号生成部２３等から構成されている。
【００１４】
図１の電流制御を実施する割り込み処理１０は瞬時電流期待値生成部２１で実施する。
【００１５】
続いて、本第１の実施の形態の詳細を図１のフローチャートに沿って説明する。
【００１６】
まず、割り込み処理１０の実施タイミングの例を図２を用いて示す。図２は、固定子、回転子ともに突極構造として知られるＳＲモータを例にとり、回転子角度、１相分の巻線電流、印加開始タイミング指令値θｏｎ＊、割り込み処理１０の実施タイミングを表している。この第１の実施の形態においては、割り込み処理１０は回転子の電気角が０度になるのと同期して開始され、サンプリング値ｉｓは前の周期の値を用い、また印加開始タイミング指令値θｏｎ＊調整の反映は次の周期に実施している。なお、電流制御を実施する割り込み処理１０の実行頻度は、電気角１周期に対し１回以上が望ましい。また、割り込み処理１０の実施タイミングについては、図２のように電気角に同期して所定の角度で処理を開始してもよいし、角度とは非同期に一定周期で開始してもよい。
【００１７】
次に図１の処理１１について説明する。
【００１８】
処理１１では、図２に示すように、前の周期において電流サンプル角度θｓの回転子角度でサンプリングし、マイコンの記録装置に記録されたサンプリング値ｉｓｎ−１を読み出す。電流センサ出力のサンプリングは図１の処理とは別に図３の電流サンプル部２６で電流サンプル角度θｓに同期して行われる。
【００１９】
次に、図１の処理１２について説明する。
【００２０】
瞬時電流期待値ｉｅの算出は、マップまたは計算式を用いて行う。マップを用いる場合は、電流をサンプリングする電流サンプル角度θｓ、回転子角速度ω、１周期前の印加開始タイミング指令値θｏｎ＊をパラメータとした瞬時電流期待値マップを試験等であらかじめ計測しておき、制御用マイコンにプログラムすることでｉｅを求める。計算式を用いる場合の例は第３の実施の形態で説明する。
【００２１】
このように電流センサの出力値を所定の角度でサンプリングすることにより、サンプリングした所定の角度からダイレクトに瞬時電流期待値ｉｅを決定できるので、瞬時電流期待値ｉｅを決定する処理時間を短くできる。また、所定の角度をいずれの動作点においても一定とすれば、マップの容量も大幅に低減できる。
【００２２】
続いて、図１の処理１３から１６について説明する。
【００２３】
ｎ周期目において、ｎ−１周期目で電流をサンプリングした電流サンプル角度θｓにおけるサンプリング値ｉｓｎ−１を図１の処理１１において取得し、この電流サンプル角度θｓにおける瞬時電流期待値ｉｅｎ−１を図１の処理１２において求め、図３に示すように、ｉｅｎ−１からｉｓｎ−１を引いた値を比例・積分制御部２２に入力し、比例・積分制御部２２の出力値を印加開始タイミング指令値θｏｎｎ＊にフィードフォワードして、ｎ＋１周期目の印加開始タイミング指令値θｏｎｎ＋１＊とする。
【００２４】
このように回転子角度θｓにおける瞬時電流期待値ｉｅとその回転子角度θｓにおける巻線に流れる電流のサンプリング値ｉｓとの差に基づいて所望の電流となるように巻線電圧波形を調整するので、精度よく所望のトルクを発生することができる。
【００２５】
なお、変化させる指令値は印加開始タイミング指令値θｏｎ＊とは限らない。同様の方法で図４のように印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊を調整の対象としてもよいし、図５のように印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊の両方を調整の対象としてもよい。またこれらのどの指令値を変化させるかは、システムの効率が最適になるように選択するのが望ましく、回転子角速度や巻線入力電圧等の運転状況に応じて切り替えてもよい。
【００２６】
図４は印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊を調整の対象とした場合のブロック図である。図３との違いは、比例・積分制御部２９の出力と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊との差を加算器２７で演算し、インバータ制御信号生成部２３に入力している点である。図５は印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊の両方を調整の対象とした場合のブロック図である。図３との違いは、比例・積分制御部３０の出力が２系統あり、印加終了タイミング指令値θｏｎ＊との差および印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊との差を加算器２５、２７で演算し、インバータ駆動信号生成部２３に入力している点である
一般に１パルス制御のＳＲモータでは、回転子角速度とインバータ入力電圧とトルク指令値をパラメータとしたマップで印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊を決定する方法がとられるが、本実施例では電流サンプル角度θｓでの電流のサンプリング値ｉｓと瞬時電流期待値ｉｅとの差に基づいてインバータに加える印加開始タイミング指令値θｏｎ＊あるいは印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊を調整し、巻線の励磁開始角度もしくは励磁終了角度を調整し巻線に流れる電流を制御しているので、電動機の温度上昇等により運転中に巻線抵抗が変化しても、所望の電流波形を出力することができる。
【００２７】
なお、電流をサンプリングする頻度は、電気角１周期に１回とは限らない。電気角１周期に複数回サンプリングし、その中から任意の１つの値を対象に図１の処理を実施してもよいし、複数のサンプル値の平均値を対象に同様の処理を実施してもよい。
【００２８】
次に第２の実施の形態を図６から図８を用いて説明する。
【００２９】
図６は第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整を示すフローチャート、図７は第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整を示すタイムチャート、図８は第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整の電流制御装置１のブロック図を示す。
【００３０】
本第２の実施の形態は、電流サンプル角度θｓにおけるサンプリング値ｉｓと、電流サンプル角度θｓにおける瞬時電流期待値ｉｅを比較し、次回のインバータ入力電圧Ｖｉｎを調整することを特徴とする。
【００３１】
まず図６のフローチャート、および図８のブロック図を用いて、本第２の実施の形態の概要を説明する。図６のフローチャートは、電流制御装置１を構成するマイコンの割り込み処理で電流制御を実施する処理を表している。この割り込み処理３０の処理１１〜１４は図１の割り込み処理１０における処理１１〜１４と同じであるので、説明は省略するが処理１２での瞬時電流期待値ｉｅｎ−１を求めるのは図８では瞬時電流期待値生成部４０である。
【００３２】
次に図６の処理３５、３６においてサンプリング値ｉｓｎ−１が瞬時電流期待値ｉｅｎ−１より大きい場合は次の電気角周期のインバータ入力電圧Ｖｉｎｎを今回より低くし、サンプリング値ｉｓｎ−１が瞬時電流期待値ｉｅｎ−１より小さい場合は次の電気角周期のインバータ入力電圧Ｖｉｎｎを今回より高くする（図８では比例・積分演算部４１および加算器４２、４３）。
【００３３】
続いて、本第２の実施の形態の詳細を図６のフローチャートに沿って説明する。
【００３４】
まず、割り込み処理３０の実施タイミングを図７に示している。この第２の実施の形態における割り込み処理３０の実施タイミングも、実施例１の割り込み処理１０と同様である。
【００３５】
次に、図６の処理３５、３６について図８を使って説明する。
【００３６】
まずｎ周期目において、ｎ−１周期目での瞬時電流期待値ｉｅｎ−１からサンプリング値ｉｓｎ−１を引いた値を比例・積分制御部４１に入力し、インバータ入力電圧の補償値Ｖｃｏｍｐを求める。
【００３７】
一方、インバータ入力電圧のサンプリング値Ｖｉｎｓを記憶し、ｎ−１周期目のインバータ入力電圧を出力する電圧値保存部４６の出力値Ｖｉｎｎ−１にＶｃｏｍｐを加えて、ｎ＋１周期目のインバータ入力電圧指令値Ｖｉｎｎ＋１＊とする。
【００３８】
一般に１パルス制御では、回転子角速度とインバータ入力電圧とトルク指令値をパラメータとしたマップで印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊を決定する方法がとられるが、本第２の実施の形態ではさらにインバータ入力電圧を調整することにより精度の高いトルク出力が得られる。またインバータ入力電圧を必要最低限に抑えられるので、インバータ素子のスイッチング損失を減少させることができる。
【００３９】
第３の実施の形態を図９および図１０を用いて説明する。
【００４０】
図９は印加開始と終了タイミング指令値から瞬時電流期待値ｉｅを決定する電流制御装置の一部を示すブロック図、図１０は矩形波電圧印加時間から瞬時電流期待値ｉｅを決定する電流制御装置の一部を示すブロック図である。
【００４１】
本第３の実施の形態は、電動機の電圧方程式から瞬時電流期待値ｉｅを求めることを特徴としており、ｉｅの算出についてＳＲモータを例に説明する。
【００４２】
ＳＲモータのインダクタンスＬは、回転子角度θに応じて三角波状に変化するため、領域１：Ｌが一定、領域２：Ｌがθの変化に対して増加、領域３：Ｌがθの変化に対して減少、の３領域に分けてインダクタンスを近似することができる。ＳＲモータの電圧方程式は
【００４３】
【数１】
と表され、例えば領域１で励磁開始した場合、領域１では以下のような巻線電流となる。
【００４４】
【数２】
領域２、領域３においても同様に、電圧方程式からｉｅを求めることができる。ｉｅを求める式（２）は、図９のブロック図では瞬時電流期待値生成部６２、図１０のブロック図では瞬時電流期待値生成部７２で実施される。図９では瞬時電流期待値生成部６２に回転子角度θ、印加開始タイミング指令値θｏｎ＊、印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊、巻線入力電圧Ｖを入力し、瞬時電流期待値ｉｅを算出する。また、図１０のように、矩形波電圧印加時間計算部７３で、前回の矩形波電圧印加開始からの時間ｔｏｎと、前回の矩形波電圧印加終了からの時間ｔｏｆｆを算出し、瞬時電流期待値生成部７２において前回の矩形波電圧印加開始からの時間ｔｏｎもしくは前回の矩形波電圧印加終了からの時間ｔｏｆｆと回転子角速度ωから回転子角度θを算出し、更に印加開始タイミング指令値θｏｎ＊と印加終了タイミング指令値θｏｆｆ＊と巻線入力電圧Ｖを入力して瞬時電流期待値ｉｅを求めることもできる。このようにいかなる動作点においても瞬時電流期待値ｉｅを決めることができる。
【００４５】
なお、第１の実施の形態においては、回転子角度θは、電流サンプル角度θｓに固定しているため定数となり、瞬時電流期待値ｉｅをマップから求める場合はマップの容量を低減でき、式から求める場合は演算が簡略化できる。
【００４６】
第４の実施の形態を図１１および図１２を用いて説明する。
【００４７】
図１１は第４の実施の形態の所定の角度を電気角１周期ごとに変更する処理のフローチャート、図１２は第４の実施の形態の所定の角度を電気角１周期ごとに変更する処理のタイムチャートを示す。
【００４８】
本第４の実施の形態は、所定の回転子角度において電流センサ出力をサンプリングし、更に所定の回転子角度を１周期毎に変更することを特徴とする。
【００４９】
図１１を用いて本第４の実施の形態の概要を説明する。
【００５０】
図１１のフローチャートは、電流制御装置１を構成するマイコンの割り込み処理で、電流センサの出力をサンプリングする処理を表している。この割り込み処理５０は電気角１周期毎に開始され、処理５１から５４において、前の電流サンプル角度θｓｎ−１に対してずらした角度θｓｎを、今回の周期でのサンプリング角度として設定し、処理５５から５６においてサンプリングを実行する。
【００５１】
次に図１２を用いて本第４の実施の形態の詳細を説明する。
【００５２】
図１２は、固定子、回転子ともに突極構造として知られるＳＲモータを例にとり、回転子角度、１相分の巻線電流、割り込み処理５０の実施タイミングを表している。
【００５３】
図１２に示すように、角度位置センサが検出できる角度の最小単位をαとする。電流センサの出力をサンプリングする時の回転子角度をθｓｎ（ｎ＝１、２、３、…）とすると、電気角で最初の１周期は、θｓ１の角度で電流センサの出力をサンプリングする。このθｓ１は任意の角度でもよいし、所定の角度に固定してもよい。次の１周期ではθｓ２＝θｓ１−１αの角度で電流センサの出力をサンプリングし、以降１周期毎にθｓ３＝θｓ１−２α、θｓ４＝θｓ１−３α、……、θｓｎ＝θｓ１−（ｎ−１）αのようにタイミングをずらしてサンプリングする。このように電流センサ出力のサンプリングタイミングをずらすことによって、巻線電流に重畳されるノイズによる、回転子角度に同期したサンプリング値の誤りを回避することができる。なぜなら、巻線に重畳される同期した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、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角度にノイズが重畳される可能性があるためである。このように所定の角度を電気角１周期ごとに変更することで、回転子角度に同期したノイズが重畳されない角度の電流センサ出力値を選択的にサンプリングでき、従って、精度良く所望のトルクを発生し、トルクリップルも低減できる。
【００５４】
なお、ｎの値の変化方法はｎ＝１、２、３、…とは限らない。乱数としてもよいし、図１２のようにｎ＝２、４、６、…としてもよい。また、サンプリングする回転子角度を限定したい場合には、ｎに例えば１０などの上限値ｋを設け、上限に達した次の周期からはまたｎ＝１としてカウントする。
【００５５】
なお、電流サンプル角度θｓｎで得られたサンプリング値ｉｓｎに対応して比較対照とする瞬時電流期待値ｉｅｎも変えるのは明らかである。
【００５６】
また、電流をサンプリングする頻度は、電気角１周期に１回とは限らない。電気角１周期に複数回サンプリングし、その中から任意の１つの値を対象に図１１の処理を実施してもよいし、複数のサンプル値の平均値を対象に同様の処理を実施してもよい。
【００５７】
この本第４の実施の形態は第１の実施の形態および第２の実施の形態と組み合わせることができる。図３、図４、図５、図８の電流サンプル部２６に本第４の実施の形態を適用することにより、サンプリング値ｉｓの誤る確率を下げ、より安定したトルク出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整のフローチャート。
【図２】本発明の第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整のタイムチャート。
【図３】本発明の第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整の電流制御装置のブロック図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の印加終了タイミング指令値調整の電流制御装置 のブロック図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の印加開始タイミング指令値調整および印加終了タイミング指令値調整の電流制御装置のブロック図。
【図６】本発明の第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整を示すフローチャート。
【図７】本発明の第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整を示すタイムチャート。
【図８】本発明の第２の実施の形態のインバータ入力電圧調整の電流制御装置のブロック図。
【図９】本発明の第３の実施の形態の印加開始と終了タイミング指令値から瞬時電流期待値を決定する電流制御装置の一部を示すブロック図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の矩形波電圧印加時間から瞬時電流期待値を決定する電流制御装置の一部を示すブロック図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の電流サンプル角度θｓを電気角１周期ごとに変更する処理のフローチャート。
【図１２】本発明の第４の実施の形態の電流サンプル角度θｓを電気角１周期ごとに変更する処理のタイムチャート。
Claims (6)
- 複数相からなる巻線が施された固定子と、前記固定子と相対回転させられる回転子との相対角度位置を検知する角度位置センサと、前記巻線の電流を検知する電流センサとを備え、前記角度位置センサにより得られた回転子角度をもとに、インバータの制御信号を生成し、前記巻線に矩形波電圧を印加し、電流を流す相を切り替えて運転する電動機の電流制御装置において、
前記矩形波電圧の印加開始タイミング指令値と、前記矩形波電圧の印加終了タイミング指令値と、前記回転子角度と、前記インバータの入力電圧をもとに、瞬時電流期待値を決定する手段、または、前記矩形波電圧の印加を開始してからの時間と、前記回転子角度から求めた回転子角速度と、前記インバータの入力電圧をもとに、瞬時電流期待値を決定する手段、もしくは、前記矩形波電圧の印加を終了してからの時間と、前記回転子角度から求めた回転子角速度と、前記インバータの入力電圧をもとに、瞬時電流期待値を決定する手段を有し、
前記電流センサ出力のサンプリング値と、サンプリングしたタイミングにおける前記瞬時電流期待値との差に応じて、前記矩形波電圧の波形を調整する波形調整手段を有すること、を特徴とする電動機の電流制御装置。 - 前記波形調整手段は前記矩形波電圧の印加開始タイミング指令値を調整することを特徴とする請求項１記載の電動機の電流制御装置。
- 前記波形調整手段は前記矩形波電圧の印加終了タイミング指令値を調整することを特徴とする請求項１記載の電動機の電流制御装置。
- 前記波形調整手段は前記インバータの入力電圧を調整することを特徴とする請求項１記載の電動機の電流制御装置。
- 前記電流センサの出力を、前記回転子の電気角１周期中の所定の角度でサンプリングする手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電動機の電流制御装置。
- 前記所定の角度を前記電気角１周期毎に変更する手段を有することを特徴とする請求項５記載の電動機の電流制御装置。
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