(57)【要約】【課題】ロストルクに影響されない高精度、高分解能なモータ技術の提供。【解決手段】フライホイール等の被回転体に設けられたマグネットに対して感磁素子を対向して配置し、感磁素子の出力信号に基づいて、被回転体を回転駆動する３相モータの相励磁切替信号となるコミュテーション信号を生成し、コミュテーション信号に基づいて、ＰＷＭ制御インバータを通じて３相モータを高精度に駆動し、その制御過程において、感磁素子からの速度情報をフィードバックして、指令値との比較で高分解能な駆動を可能にしたリアクションホイール等の回転装置及びその制御方法に関する。【選択図】図４
2018107943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被回転体に設けられたマグネットに対して感磁素子を対向して配置し、前記感磁素子の出力信号に基づいて、前記被回転体を回転駆動する３相モータの相励磁切替信号となるコミュテーション信号を生成し、前記コミュテーション信号に基づいて、ＰＷＭ制御インバータを通じて前記３相モータを駆動することを特徴とする被回転体の駆動制御方法。
【請求項２】
前記感磁素子の出力信号から求めた前記被回転体の回転角と、前記３相モータの誘起電圧の位相とを合わせて前記コミュテーション信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の被回転体の駆動制御方法。
【請求項３】
外部からの指令値である角加速度と当該角加速度を積分して求めた角速度とで所望の変調波を生成し、当該変調波をパルス幅変調により変換したパルス波形に基づいて３相インバータを経由して前記３相モータを駆動するＰＷＭ制御インバータ方式を採用したことを特徴とする請求項１又は２に記載の被回転体の駆動制御方法。
【請求項４】
外部からの指令値である角加速度に基づいて定めた角速度と、前記感磁素子の出力信号であるｓｉｎ波及びｃｏｓ波の位相差に基づく回転パルスから求めた角速度との比較結果に基づいて、前記３相モータを制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の被回転体の駆動制御方法。
【請求項５】
前記３相モータのトルク制御は、前記３相モータのトルクＴ［N-m］、前記３相モータの角加速度α［rad/s2］、前記被回転体の慣性モーメントＪ［kg・m2］としたとき、Ｔ=Ｊ・αの条件式に基づいて行われることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の被回転体の駆動制御方法。
【請求項６】
被回転体を回転させる駆動部と、
前記被回転体を回転軸回りに回転可能に保持する回転保持部と、を備え、
前記回転保持部には、前記駆動部による前記被回転体の回転駆動に伴って、前記被回転体が有するマグネットが発する磁界の変化を検出する感磁素子が、前記回転軸の軸方向において前記マグネットに対向して設けられたことを特徴とする回転装置。
【請求項７】
前記感磁素子の出力信号に基づいて、前記駆動部を駆動するための駆動信号を生成する制御基板、を備え、
前記回転保持部には、前記回転軸の軸線と同軸である固定軸部が設けられ、
前記感磁素子と前記制御基板とは、前記固定軸部を軸方向に貫通して設けられた配線経路を通じて通信ケーブルにより接続されたことを特徴とする請求項６に記載の回転装置。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の被回転体の駆動制御方法を、人工衛星の姿勢制御を行うためのリアクションホイールの駆動に用いたことを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。
【請求項９】
請求項６又は７に記載の回転装置を搭載し、人工衛星の姿勢制御に用いたことを特徴とする人工衛星。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、フライホイール等の被回転体を駆動するモータ技術及び回転装置に関するもので、特に人工衛星の姿勢制御に要求されるトルク制御において、ロストルクに影響されない高精度な制御が可能な回転装置、及びその制御技術を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星に搭載されるホイールアセンブリ（リアクションホイール）は、図１に示されているようにその内部のロータをモータにより加速あるいは減速し、その回転数を制御することにより、角運動量によるジャイロ安定効果を生成するとともに、制御トルクを発生、人工衛星に対する外乱トルク等の吸収による角運動量の蓄積の機能を有する。
【０００３】
ホイール加速の場合は、指令トルク値を受け、モータ制御回路を通してモータ巻線に加速の電流を印加する。一方、減速の場合は逆の減速方向のトルクを発生させる方向にモータ電流を流す。これにより生ずるモータトルクによりロータの回転数を変化させ、その反作用トルクは、モータステータを通して人工衛星に伝達される。
【０００４】
ホイールアセンブリは人工衛星からのトルク指令信号を受けて、モータ制御回路にてトルク指令信号に比例したモータ電流をモータに流し、ホイールロータを回転させる。減速時にモータは発電機として動作し、ロータの蓄えた回転エネルギ（機械的エネルギ）を、電流として取り出すことにより回転数を減少するトルクを発生する。
【０００５】
このとき発生するロータ回転トルクの反力が人工衛星本体に伝わり、人工衛星本体を回転させるトルクとなる。
【０００６】
モータ電流によりモータが発生するトルクから、モータ及びロータを支持する軸受等で生じるロストルクを除いたトルクが、ホイールから外部への出力トルク（Ｔ）となる。
Ｔ＝ＫＴ・Ｉ−ロストルク        （式１）
ここで、ＫＴはトルクスケールファクタ［N-m/A］、Ｉはモータ電流［A］である。
【０００７】
また、ロータが回転するときの振動（並進力、回転トルク）が擾乱として衛星に伝わる。
【０００８】
リアクションホイールアセンブリの構成は以下の通りである。
・角運動量を支えるロータ
・ロータを支える軸受
・ロータを駆動するＤＣモータ（ブラシレスＤＣモータが一般的である）
・ＤＣモータを駆動するための制御基板
・そして上記構成要素を包括するハウジング
【０００９】
従来のリアクションホイールのブラシレスＤＣモータの駆動は、図２に示されているようにホール素子でロータの位置検出をおこない、コイル（巻線）に流れる極性を変化させて駆動を行っている。通常ロータは永久磁石で、ステータはコイルで構成されている。例えば３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のステータ巻線は１２０°間隔に配置されており、またホール素子は１２０°間隔に３個配置されており、ロータに着磁された矩形波や台形波の磁束の変化を電圧に変換して出力する。ホール素子からのタコパルスは、一般的に８極モータでは、１回転４パルスである。
【００１０】
ホール素子の役割は大まかに云って二つあり、一つは駆動電流の極性を変化させる、コミュテーションの役割、もう一つはリアクションホイールのループ制御（電圧制御、速度制御、あるいはトルク制御）の速度センサとして使用すること、の二つである。
【００１１】
図３に従来ホイールのトルク制御ループを示す。この系では電流フィードバックをおこなっている。すなわち、指令値であるコマンドα（角加速度：［rad/s2］）を積分し、速度情報ω（加速度：［rad/s］）とし、誘起電圧係数（ＫＥ：［Vs/rad］）より電圧［V］に変換し、モータを励磁する。このモータの電流Ｉ［A］を検知し、α´に変換し、フィードバックして指令値αと比較して所望のトルクを出力する。また、ホールセンサ出力から角速度ω［rad/s］を求め、フィードバックして速度安定を期待している。ここで、図３におけるＪはロータ慣性モーメント[kg・m2]、ＫＴはトルク定数[N-m/A]である。
【００１２】
図３の構成は、一般的トルク制御の構成であるが、本ループは基本的にＴ＝ＫＴ・Ｉの方程式をベースにしているため、上記式１に示されているようにロストルクの影響が入る。また、角速度ωはホールセンサからタコパルス(一般的に４パルス/１回転)により求めるため低速回転では精度が得られない。
【００１３】
以上のように、従来のホール素子使用のリアクションホイールのトルク制御では、
（１）ロストルクの影響がでる。
（２）低回転での速度精度が悪く、低トルクのコマンドに対して対応できない。
（３）モータはＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によるＤｕｔｙ制御で駆動するが、基本的に矩形波励磁のため電流リップルが大きく制御精度に影響を与えやすい。
【００１４】
上記パルス数の問題はエンコーダを使えば解決できるが、一般にはコストが高くなると考えられる。また、リアクションホイール及びその駆動制御に関しては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１４−１０５７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述した背景より求められているのは、
（イ）  モータの正弦波駆動
（ロ）  ロストルクの影響がないトルク制御方式
（ハ）  速度パルスの増加
（ニ）  低価格
である。
特に、フライホイール等の被回転体に対する高性能な駆動制御、及びそのような駆動制御を実現するための回転装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、被回転体に設けられたマグネットに対して感磁素子を対向して配置し、前記感磁素子の出力信号に基づいて、前記被回転体を回転駆動する３相モータの相励磁切替信号となるコミュテーション信号を生成し、前記コミュテーション信号に基づいて、ＰＷＭ制御インバータを通じて前記３相モータを制御することを特徴とする被回転体の駆動制御方法にある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、高性能な被回転体の駆動制御方法、及び回転装置、並びに、人工衛星の姿勢制御装置、人工衛星の姿勢制御方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】衛星のダイナミクスとリアクションホイールの機能を示したブロック図。
【図２】従来のホール素子を使用したリアクションホイールの制御回路とのつながりを示す図。
【図３】従来のリアクションホイールのトルク制御ループの一例を示す図。
【図４】本発明のトルク制御ブロック図。
【図５】外輪回転型のリアクションホイールの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
本実施形態では、被回転体の一例であるフライホイールに設けられたマグネットに対して感磁素子を対向して配置し、感磁素子の出力信号に基づいて、フライホイールを回転駆動する３相モータ（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相）に対する相励磁切替信号となるコミュテーション信号を生成し、コミュテーション信号に基づいて、ＰＷＭ制御インバータを通じて３相モータを制御する点に特徴がある。
【００２２】
ここで、感磁素子は、フライホイールと一体的に回転するマグネットの磁界変化を感知するものであり、詳細には、磁界を形成するＮ極／Ｓ極の各部が感磁素子の対向位置で回転することで、対向位置で固定された感磁素子が、マグネットの磁界変化を検出する。そして、このような感磁素子は、マグネットの磁界変化に基づいて、正弦波のアナログ信号等を出力信号として出力する。なお、本実施形態の感磁素子は、レゾルバ機能を備え、以下、レゾルバ型ホールセンサとして説明する。
【００２３】
本発明は、レゾルバ型ホールセンサの出力信号を用いて、次の［Ａ］及び［Ｂ］の要素を新たに取り入れることで、高精度な３相モータのＰＷＭ制御インバータでの駆動を実現するものである。
［Ａ］センサ出力のｓｉｎ波／ｃｏｓ波からロータ位置検出を行うこと
［Ｂ］センサ出力から速度情報を生成すること（ｓｉｎ波／ｃｏｓ波の位相角をパルス化して高分解能な速度情報を作り出すこと）
【００２４】
ここで、本発明において、ＤＣモータ（３相モータ）を正弦波駆動する手段としては、上述したパルス幅変調方式、つまり、ＰＷＭ制御インバータ回路の導入が１つの要点となる。従来のホール素子に替わって、励磁コイルのスイッチィングタイミングを決めるセンサが必要である。すなわち、個別のホール素子を使用しないと云うことはセンサレス駆動であることから、なんらかの手段でロータ位置を検出しなければならない。
【００２５】
従来構成（図２）のように３つのホール素子の出力を個別の位置検知アンプで増幅し、その出力をスイッチングマトリックスにて処理し、ロータの回転制御を行う場合には、ロータに対して、個別のホール素子及び位置検知アンプを要する。
【００２６】
これに対し、本発明は、このような個別のホール素子及び位置検知アンプを設けた構成としなくても、被回転体側に設けたマグネットに対して対向配置されるレゾルバ型ホールセンサを適用する、すなわち、レゾルバ型ホールセンサとマグネットとで構成されるセンサユニットを、フライホイールの回転駆動機構に組み込んだことで、レゾルバ型ホールセンサの出力信号であるｓｉｎ波／ｃｏｓ波に基づいてロータ位置検知を高精度に行え、更に回転検知の構成を簡略化できる。
【００２７】
本実施形態では、上述したレゾルバ型ホールセンサからの出力、すなわちｓｉｎ波出力とｃｏｓ波出力とでロータの回転角位相を求め、これにモータの誘起電圧の位相を合わせ、トランジスタの駆動タイミングを調整することで、高精度なモータ駆動を行うことができる。この位相調整を基準に、詳細は後述するが、モータ駆動のコミュテーション信号、すなわち、３相モータの相励磁切替信号を作り出す。なお、基本的にこの駆動は１８０°通電となる。
【００２８】
ここで、上述したレゾルバ型ホールセンサを使い、ＰＷＭ制御インバータを通じた３相モータの駆動制御について説明する。図４には、モータのトルク制御のブロック図を示す。
まず、トルク制御の入力であるが、外部からの指令値の入力１０１はコマンドである角加速度α［rad/s2］であることから、これを積分して角速度ωを求め、目標（速度Ｌｉｍｉｔ）の角速度ωを決め、そこからα/ωより時間を決めて、角加速度αと角速度ωを入力（１０２）し、所望の変調波生成１１１を行う。このとき、変調波生成１１１には、レゾルバ型ホールセンサ３０からのｓｉｎ波／ｃｏｓ波に基づくロータの位置検出結果と、モータの誘起電圧との位相を調整（１０８）し、モータのスイッチングタイミングを決める。一方、この変調波生成１１１では、角加速度αと角加速度ωの指令値を受け、所望する変調波を生成（１０３）する。この所望の波形をコンパレータ１１２に入力、コンパレータ１１２のもう１つの端子には、例えば、鋸波（三角波）を入力し、電圧パルスの生成（１０５）を行い、この出力をインバータ３２に入力すると略所望とする変調波に則った動作でモータ３３が駆動される。これが本発明におけるＰＷＭ制御インバータ方式を用いたモータの駆動制御である。
【００２９】
また、このようなモータ３３の駆動に伴ってレゾルバ型ホールセンサ３０も駆動することから、レゾルバ型ホールセンサ３０により、速度情報１０６として角速度ω［rad/s］を出力し、指令値の角速度ω［rad/s］と比較することで、その偏差でモータ３３を駆動、すなわち、フィードバック制御１１０によってモータ３３を高精度なトルク制御で駆動することが可能となる。
【００３０】
ここで、３相モータのトルクＴ［N-m］、３相モータの角加速度α［rad/s2］、フライホイールの慣性モーメントＪ［kg・m2］としたとき、３相モータのトルク制御は、下記の式２により導かれる。
Ｔ＝Ｊ・α              （式２）
この上記式２の基本方程式を基に制御系が組まれていることから、モータ制御において、ロストルク（トルク損失）の影響はない。
【００３１】
本発明におけるセンサユニットは、エンコーダやレゾルバに比較してコストも安く、リアクションホイール全体のコスト低減に結びつく。また１２０°毎３個配置のホール素子に比較して配線数も低減でき、この点からもコスト低減が可能となる。また、本発明のリアクションホイールのモータ駆動は正弦波であり、電流リップルが少ない。
【００３２】
以下、図面を参照して、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明するが、本発明は下記の形態に限定されるものではない。
【００３３】
図５は外輪回転型のリアクションホイールの断面図であり、１０はリアクションホイール全体を示している。角運動量発生のホイールロータ（フライホイール）１３は、軸受１６の外輪１６ａに取り付けられ、回転保持部となる軸受１６の内輪１６ｂは、シャフト（固定軸部）１４に固定される。このシャフト１４はベース１５に取り付けられている。シャフト１４は固定であり、従って、本実施形態のリアクションホイールは外輪回転型のホイールである。
【００３４】
ロータ１３は、径方向外側において、回転軸の軸方向と平行に突出するスカート部１３ａが設けられ、このスカート部１３ａには、マグネット１８が取り付けられ、モータコイル１７に電流が流されることでロータ１３がシャフト１４の回転軸ｘの回りに回転駆動される。
【００３５】
このようにして回転するロータ１３に台座１１が取り付けられ、センサユニットの一部を構成するマグネット１２が、シャフト１４に対向する下端面に装着されている。一方、マグネット１２と共にセンサユニットを構成するレゾルバ型ホールセンサ３０は、マグネット１２に対向してシャフト１４の一端部に適宜な空間（間隔）２０で取り付けられる。
【００３６】
また、図５では、ベース１５の下端部において、ロータ１３の駆動を制御する制御基板４０が設けられている。この制御基板４０とレゾルバ型ホールセンサ３０とは、シャフト１４を回転軸と同軸方向に貫通して設けられた配線経路１４ａを通じて、通信ケーブル２５により接続されている。この通信ケーブル２５を通じて、レゾルバ型ホールセンサ３０からの信号が制御基板４０に伝達され、制御基板４０を介してモータコイル１７への通電が制御される。これにより、ロータ１３の回転駆動が制御される。
【００３７】
このように、本実施形態では、シャフト１４を貫通する配線経路１４ａを設けることで、ロータ１３の回転中心部の近傍にレゾルバ型ホールセンサ３０を配置でき、ロータ１３の回転軸受構造をシャフト１４内の配線経路１４ａを通じて、制御基板４０に対して最短距離で配線を行うことが可能となる。すなわち、本実施形態の構成によれば、リアクションホイール本体の可動中心、つまり回転軸ｘの線上で且つロータ１３の回転中心部に対して、配線を伴うセンサユニットを組み込み易く、制御基板４０への配線を含めてコンパクトに収容できる。
【００３８】
本発明のリアクションホイールは、殆どの衛星のアクチュエータとして使用可能であり、特にトルク制御において、軸受の摩擦トルクによる誤差がないため、従来品に比べて著しく高い分解能を誇り、且つその出力直線性も優れたものであることから、高精度のポインティング用のアクチュエータとして力を発揮する。つまり、本発明のリアクションホイール及びその駆動制御方法は、人工衛星等の姿勢を制御する姿勢制御装置に組み込むことにより、人工衛星の姿勢を高精度に制御することができる。本発明のリアクションホイールは、コストが安く実現できることから、通常の産業機器において高精度トルク制御が必要な機器には適用でき、広範囲な需要が期待できる。
【００３９】
以上、本発明を具体的な例を含めながら詳細に説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。
上述した実施形態の図５では、本発明を外輪回転型のリアクションホイールに適用した構造について例示して説明したが、本発明は勿論これに限定されず、例えば、軸受内輪すなわち、シャフトが回転するリアクションホイールにもセンサモジュールの適用は可能であり、この場合はシャフトにマグネットを取り付け、ベース１５にセンサを取り付けることで目的は達成される。
【００４０】
＜付記＞
本発明は、上述した実施形態に限定されず、以下のような特徴を有するものである。
［特徴１］
感磁素子とマグネットとを対向配置して構成されるセンサモジュールを具備したリアクションホイールで、このセンサ出力とモータの誘起電圧波形との位相を調整し、３相のコミュテーション信号を形成してセンサレス駆動を可能にしたリアクションホイール。
［特徴２］
リアクションホイールのモータ駆動にＰＷＭ制御インバータ方式を採用し、指令値として所望の波形（変調波）とキャリヤでパルス生成を行い、１８０°通電と正弦波駆動としたリアクションホイール。
［特徴３］
上記［特徴１］と［特徴２］を組み合わせ、指令値としての速度に追随するようセンサモジュールの速度出力を帰還し比較器で誤差をなくす系を持つリアクションホイール。
［特徴４］
上記［特徴３］の制御系で、Ｔ＝Ｊ・αの方程式に基づいた制御設計により、ロストルクの影響がないトルク制御が出来るリアクションホイール。
［特徴５］
トルク制御ループは入力が角加速度α[rad/s2]と速度ｌｉｍｉｔの角速度ω[rad/s]を基本とした所望のランプ入力を変調波とし、このランプ入力に追随するように設計された系で、その追随は、指令値とセンサモジュールのｓｉｎ、ｃｏｓの位相差より求めた回転パルスを基にした速度との比較で動作するリアクションホイール。
【００４１】
また、上述した［特徴１］乃至［特徴５］のいずれか１つのリアクションホイールの駆動系へ好適に用いることができる回転装置については、以下のような構成を有する回転装置が挙げられる。
［構成１］
被回転体を回転させる駆動部と、
前記被回転体を回転軸回りに回転可能に保持する回転保持部と、を備え、
前記回転保持部には、前記駆動部による前記被回転体の回転駆動に伴って、前記被回転体が有するマグネットが発する磁界の変化を検出する感磁素子が、前記回転軸の軸方向において前記マグネットに対向して設けられたことを特徴とする回転装置。
［構成２］
前記感磁素子の出力信号に基づいて、前記駆動部を駆動するための駆動信号を生成する制御基板、を備え、
前記回転保持部には、前記回転軸の軸線と同軸である固定軸部が設けられ、
前記感磁素子と前記制御基板とは、前記固定軸部を軸方向に貫通して設けられた配線経路を通じて通信ケーブルにより接続されたことを特徴とする回転装置。
なお、上述した回転装置又はその駆動制御方法は、人工衛星の姿勢制御を行うためのリアクションホイールの駆動や、人工衛星の姿勢制御装置にも広く適用できる好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０    リアクションホイール
１１    マグネット台座
１２    センサモジュール用マグネット
１３    ロータ
１４    シャフト
１５    ベース
１６    軸受
１６ａ  軸受外輪
１６ｂ  軸受内輪
１７    モータコイル
１８    モータ用マグネットロータ
２０    空間（間隔）
３０    レゾルバ型ホールセンサ（センサ部）
３１    ＩＣ（ＬＳＩ）
３２    ３相インバータ
３３    モータ
４０    制御基板
【図１】
2018107943.tif 000003
【図２】
2018107943.tif 000004
【図３】
2018107943.tif 000005
【図４】
2018107943.tif 000006
【図５】
2018107943.tif 000007