JP2008193789A - スイッチトリラクタンスモータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成が複雑化することを抑制しつつ所望の目標出力を適切に確保する。
【解決手段】スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）の制御装置１０を、ＳＲモータ１１の目標出力に応じた電流指令値を生成する電流指令値演算部５１と、ＳＲモータ１１の回転速度を検出する回転速度演算部５３と、目標出力および回転速度に応じてＳＲモータ１１への通電に対する通電角および進角を設定する制御マップ記憶部５５と、ＳＲモータ１１に通電される巻線電流を検出する電流検出部５７と、電流指令値と巻線電流の検出値との偏差に基づき、パルス幅変調信号を生成する電流制御部５８と、通電角および進角と、パルス幅変調信号とに応じて、ＳＲモータ１１への通電を順次切り換える駆動装置１２とを備えて構成した。
【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制御装置に関する。

従来、例えば径方向外方に突出する複数の磁性体からなる突極部を具備するロータと、このロータの突極部に径方向で対向可能であって径方向内方に突出するステータ側突極部およびステータ側突極部に巻装された巻線からなる複数の励磁コイルを具備するステータとを備え、各励磁コイルに対する通電を順次切り換えることにより、各励磁コイルとロータの突極部との間の磁気吸引力に起因した回転トルクをロータに発生させるスイッチトリラクタンスモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平３−１４３２８５号公報

ところで、上記従来技術の一例に係るスイッチトリラクタンスモータにおいては、例えばステータ側突極部とロータの突極部との間の相対位相に応じたインダクタンスの変化に基づき各励磁コイルに対する通電を制御する際に、例えば通電開始位相を進角側にずらす進角等の各種パラメータに対するマップを予め設定しておき、目標出力や運転状態等に応じたマップ検索によって各種パラメータを取得することで、制御装置の構成が複雑化することを抑制しつつ所望の通電制御を行うことが望まれている。
しかしながら、マップ検索によって取得した各種パラメータに応じて通電制御をおこなう場合には、例えば通電される電流の立ち上り時間等に起因して、適切なタイミングで所望の電流を確保することが困難となり、出力が低下してしまう虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、装置構成が複雑化することを抑制しつつ所望の目標出力を適切に確保することが可能な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を目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置は、スイッチトリラクタンスモータの目標出力を設定する目標出力設定手段（例えば、実施の形態での電流指令値演算部５１）と、前記スイッチトリラクタンスモータの回転速度を検出する回転速度検出手段（例えば、実施の形態での回転速度演算部５３）と、前記目標出力設定手段により設定された前記目標出力および前記回転速度検出手段により検出された前記回転速度に応じて、前記スイッチトリラクタンスモータへの通電に対する通電角および進角を設定する通電状態設定手段（例えば、実施の形態での制御マップ記憶部５５）と、前記目標出力に応じた電流指令値を生成する電流指令値生成手段（例えば、実施の形態での電流指令値演算部５１が兼ねる）と、前記スイッチトリラクタンスモータに通電される電流を検出する電流検出手段（例えば、実施の形態での電流検出部５７）と、前記電流指令値生成手段により生成された前記電流指令値と前記電流検出手段により検出された電流検出値との偏差に基づき、パルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成手段（例えば、実施の形態でのＤＵＴＹ演算部５８ｂ）と、前記通電状態設定手段により設定された前記通電角および前記進角と、前記パルス幅変調信号生成手段により生成された前記パルス幅変調信号とに応じて、前記スイッチトリラクタンスモータへの通電状態を順次切り換える通電切換手段（例えば、実施の形態での駆動装置１２）とを備える。

さらに、本発明の第２態様に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置では、前記通電状態設定手段は、前記目標出力に比例する前記通電角および前記進角を設定する。

以上説明したように、本発明の第１態様に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置によれば、目標出力および回転速度に応じた進角および通電角によってスイッチトリラクタンスモータの各相に対する通電を行うと共に、電流指令値と電流検出値との偏差に応じたフィードバック制御によってパルス幅変調信号を生成することにより、装置構成が複雑化することを抑制しつつ所望の目標出力を適切に確保することができる。

さらに、本発明の第２態様に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置によれば、スイッチトリラクタンスモータの操作性を向上させることができると共に、例えば電流指令値が相対的に小さい場合であっても、進角および通電角が過剰に大きな値となってしまうことを防止することができる。

以下、本発明のスイッチトリラクタンスモータの制御装置の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施の形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置（以下、単に、モータ制御装置と呼ぶ）１０は、例えばスイッチトリラクタンスモータ１１を駆動源とする電動カートに搭載され、例えば図１に示すように、駆動装置１２と、バッテリ１３と、制御装置１４とを備えて構成されている。

スイッチトリラクタンスモータ（Switched Reluctance Motor：ＳＲモータ）１１は、例えば３相・４極・６スロットのインナロータ型のＳＲモータであって、略円筒状のステータ２１と、このステータ２１の内部に回転可能に配置されたロータ２２とを備えて構成されている。
ステータ２１は、例えば珪素鋼板等の磁性鋼板が複数枚積層されて形成されたステータコア３１と、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の各励磁コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗを形成する複数の巻線３２とを備えている。
ステータコア３１は、円筒状のヨーク部３１ａと、ヨーク部３１ａの内周面上において周方向に所定間隔を置いた位置から径方向内方に突出する６個のステータ側突極３１ｂとを備え、径方向で対向する各１対のステータ側突極３１ｂ，３１ｂに巻装された巻線３２，３２同士は直列に接続され、３対の巻線３２，３２の各対（つまり、１対のＵ相励磁コイルＬｕ，Ｌｕと、１対のＶ相励磁コイルＬｖ，Ｌｖと、１対のＷ相励磁コイルＬｗ，Ｌｗ）が、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の各相に対応付けられている。

ロータ２２は、例えば珪素鋼板等の磁性鋼板が複数枚積層されて形成されたロータコア３３と、ロータコア３３に固定され、ＳＲモータ１１の回転軸をなす出力軸３４とを備えている。
ロータコア３３は、円筒状のヨーク部３３ａと、ヨーク部３３ａの外周面上において周方向に所定間隔を置いた位置から径方向外方に突出する４個のロータ側突極３３ｂとを備え、出力軸３４には、回転軸周りのロータコア３３の回転角度を検出するレゾルバ等の回転角センサ３５が設けられている。

このＳＲモータ１１では、径方向で対向する２対のロータ側突極３３ｂ，３３ｂのうち何れか１対のロータ側突極３３ｂ，３３ｂのみが、３対のステータ側突極３１ｂ，３１ｂのうち何れか１対のステータ側突極３１ｂ，３１ｂに対して、径方向で対向可能となることから、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の各励磁コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗに対する通電が順次切り換えられることによって発生する回転磁界と、ロータ側突極３３ｂとの間の磁気吸引力に起因する回転トルク、つまりリラクタンストルクによってロータ２２が回転駆動される。

駆動装置１２は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータであって、ＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタのスイッチング素子およびダイオードからなるスイッチング回路４１と、平滑コンデンサ４２とを備えて構成されている。

スイッチング回路４１は、各相毎にハイ側トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨとロー側ダイオードＤＵＬ，ＤＶＬ，ＤＷＬとがバッテリ１３に対して直列に接続されたハイ側アーム、および、各相毎にロー側トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬとハイ側ダイオードＤＵＨ，ＤＶＨ，ＤＷＨとがバッテリ１３に対して直列に接続されたロー側アームを備えて構成されている。
ハイ側アームにおいて、各ハイ側トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのドレインはバッテリ１３の正極側端子に接続され、ロー側ダイオードＤＵＬ，ＤＶＬ，ＤＷＬはバッテリ１３の負極側端子から各ハイ側トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのソースに向けて順方向とされている。
ロー側アームにおいて、各ロー側トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのソースはバッテリ１３の負極側端子に接続され、ハイ側ダイオードＤＵＨ，ＤＶＨ，ＤＷＨは各ロー側トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのドレインからバッテリ１３の正極側端子に向けて順方向とされている。
また、各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのドレイン−ソース間には、ソースからドレインに向けて順方向となるようにして、各ダイオードＤが接続されている。

そして、ＳＲモータ１１の３相の各相毎に直列に接続された各１対の励磁コイルＬｕ，ＬｕおよびＬｖ，ＬｖおよびＬｗ，Ｌｗの各一端は、各ハイ側トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのソースに接続され、各他端は各ロー側トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのドレインに接続されている。
そして、各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのゲートには、各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのオン／オフ状態を制御するパルスからなるゲート信号が制御装置１４から入力されている。
また、各ロー側トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬと、各励磁コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗとの間には、ＳＲモータ１１の各相に通電される各相電流（巻線電流）を検出する電流センサ４３，４３，４３が設けられている。

そして、駆動装置１２は、例えばＳＲモータ１１の駆動時等において、制御装置１４から入力されるゲート信号に応じて、スイッチング回路４１において各相毎に各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのオン（導通）／オフ（遮断）状態を切り換えることによって、バッテリ１３から供給される直流電力を３相交流電力に変換し、各相の各励磁コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗに交流のＵ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ，Ｗ相電流Ｉｗを通電する。

制御装置１４は、例えば電流指令値演算部５１と、位置検出部５２と、回転速度演算部５３と、マップ選択部５４と、制御マップ記憶部５５と、通電タイミング出力部５６と、電流検出部５７と、電流制御部５８と、ＰＷＭ信号出力部５９とを備えて構成されている。

電流指令値演算部５１は、例えば運転者のアクセル操作に係るアクセル開度を検出するアクセルペダル開度センサ等の検出結果に応じたアクセル操作信号からＳＲモータ１１の目標出力を設定し、この目標出力に応じた電流指令値、つまり目標出力をＳＲモータ１１から出力させるために必要とされる通電に対する指令値を演算し、この電流指令値を制御マップ記憶部５５および電流制御部５８に出力する。

位置検出部５２は、回転角センサ３５から出力される検出信号に基づき、ロータ２２の回転位置、つまり所定の基準回転位置からのロータ２２の回転角度を検出し、この回転位置を回転速度演算部５３および通電タイミング出力部５６に出力する。
回転速度演算部５３は、位置検出部５２により検出されるロータ２２の回転位置に基づき、ロータ２２の回転数（回転速度）を算出して、制御マップ記憶部５５に出力する。

マップ選択部５４は、例えば外部の制御装置等から出力される所定のマップ切換信号に応じて、制御マップ記憶部５５に記憶されている複数の進角マップ５５ａおよび通電角マップ５５ｂの中から、適宜の進角マップ５５ａおよび通電角マップ５５ｂを選択することを指示する指令信号を制御マップ記憶部５５に出力する。
制御マップ記憶部５５は、電流指令値演算部５１から入力される電流指令値および回転速度演算部５３から入力される回転数と、マップ選択部５４から入力される指令信号とに基づき、進角および通電角をマップ検索して、通電タイミング出力部５６に出力する。

なお、進角マップ５５ａは、ＳＲモータ１１の各相の各励磁コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗに対する通電開始位相および通電終了位相を、各相のインダクタンス変化に応じた所定位相（例えば、インダクタンスの増大開始位相および減少開始位相等）から進角側に変更するための進角と、目標出力に応じた電流指令値と回転数との所定の対応関係を示すマップであって、例えば図２に示すように、目標出力に応じた電流指令値と回転数との増大に伴い、進角は増大傾向に変化し、例えば進角は電流指令値（つまり目標出力）に比例している。

また、通電角マップ５５ｂは、各相の各励磁コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗに対する通電角（例えば、電気角１２０°以上の値等）と、目標出力に応じた電流指令値と回転数との所定の対応関係を示すマップであって、例えば図３に示すように、目標出力に応じた電流指令値と回転数との増大に伴い、通電角は増大傾向に変化し、例えば通電角は電流指令値（つまり目標出力）に比例している。

通電タイミング出力部５６は、位置検出部５２から入力されるロータ２２の回転位置と、制御マップ記憶部５５から入力される進角および通電角に基づき、スイッチング回路４１の各ロー側トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのオン／オフ状態を制御するパルスからなる各ゲート信号を生成し、各ロー側トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのゲートに出力すると共に、進角および通電角をＰＷＭ信号出力部５９に出力する。
なお、各ロー側トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬに出力されるゲート信号は、例えば進角および通電角に応じた通電区間において、オンデューティが所定値（例えば、１００％）とされている。

電流検出部５７は、例えば各電流センサ４３から出力される各相電流（巻線電流）の検出信号に基づき、ＳＲモータ１１に通電されている巻線電流を検出し、この巻線電流の検出値を電流制御部５８に出力する。

電流制御部５８は、ＳＲモータ１１に通電されている巻線電流のフィードバック制御を行うものであり、例えばフィードバック処理部５８ａと、ＤＵＴＹ演算部５８ｂとを備えて構成され、電流指令値演算部５１から入力される電流指令値と、電流検出部５７から入力される巻線電流の検出値との偏差がゼロとなるように制御を行う。

フィードバック処理部５８ａは、例えばＰＩ（比例積分）動作により、各相毎の電流指令値と巻線電流の検出値との偏差を制御増幅して、巻線電圧に対する電圧指令値を算出する。
ＤＵＴＹ演算部５８ｂは、フィードバック処理部５８ａにより算出された電圧指令値に応じて、スイッチング回路４１の各ハイ側トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのオン／オフ状態を制御するパルスからなる各ゲート信号のデューティを算出する。
例えば、ＤＵＴＹ演算部５８ｂは、電圧指令値と、三角波等のキャリア信号とに基づくパルス幅変調により、各ゲート信号（つまり、ＰＷＭ信号）を生成し、各ゲート信号のデューティつまりオン／オフ状態の比率を算出する。そして、各ゲート信号およびデューティをＰＷＭ信号出力部５９に出力する。

ＰＷＭ信号出力部５９は、通電タイミング出力部５６から入力される進角および通電角に基づき、電流制御部５８から入力される各ハイ側トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのオン／オフ状態を制御するパルスからなる各ゲート信号を、各ハイ側トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのゲートに出力する。
各ハイ側トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨに出力されるゲート信号は、例えば進角および通電角に応じた通電区間において、オンデューティがＤＵＴＹ演算部５８ｂにより算出された値（つまり、電圧指令値に応じた値）とされている。

本実施形態によるモータ制御装置１０は上記構成を備えており、次に、このモータ制御装置１０の動作について添付図面を参照しながら説明する。

例えば図４に示すように、ＳＲモータ１１の各相毎にステータ側突極３１ｂとロータ側突極３３ｂとの対向配置状態に応じて変化する各励磁コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗのインダクタンス（巻線インダクタンス）に基づき、先ず、ステータ側突極３１ｂとロータ側突極３３ｂとの周方向での重なり量が増大し始める位相に対応する巻線インダクタンスの増大開始位相θｓから、通電タイミング出力部５６から出力される進角ａだけ進角側にずれた通電開始位相θａと、巻線インダクタンスの低下開始位相θｅよりも進角側であって、通電開始位相θａから通電角ｂだけ遅角側の通電終了位相θｂとが設定される。

そして、通電開始位相θａから通電終了位相θｂまでの通電区間に亘って、各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのゲートに入力されるゲート信号に応じて、ＳＲモータ１１の各相に対する通電が行われる。
この通電において、電圧指令値に応じたオンデューティでオン／オフ状態が制御される各ハイ側トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨに対しては、例えば通電開始位相θａ近傍等の相対的に電圧指令値が大きい状態、つまり目標出力に応じた電流指令値と実際にＳＲモータ１１に通電される巻線電流の検出値との偏差が相対的に大きい状態（例えば、図４に示す通電開始位相θａから増大開始位相θｓに亘る通電区間等）では、オンデューティが相対的に大きい値となる。
そして、電流指令値と巻線電流の検出値との偏差が相対的に小さくなり、巻線電流の検出値が電流指令値（例えば、図４に示す電流値Ｉａ等）にほぼ収束する状態（例えば、図４に示す増大開始位相θｓ以降の通電区間等）では、この収束状態を維持するようにして、オンデューティが相対的に小さな値となる。

この実施の形態に係るモータ制御装置１０によれば、電流指令値および回転数に応じた進角および通電角によって通電開始位相θａおよび通電終了位相θｂを設定すると共に、巻線電流のフィードバック制御を行うことから、巻線インダクタンスの変化に応じた駆動トルク発生区間（例えば、図４に示す増大開始位相θｓから低下開始位相θｅに亘る通電区間等）に到達するまでの間に、巻線電流の検出値を所望の電流指令値に収束させることができる。
これにより、例えば図４に示す比較例のように、単に、目標出力に応じたオンデューティによって、いわばオープンループの制御で各ハイ側トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのオン／オフ状態が制御される場合には、駆動トルク発生区間においても所望の巻線電流をＳＲモータ１１に通電させることができずに、目標出力に応じた所望の駆動トルクを確保することができなくなる虞があることに対して、この実施の形態（例えば図４に示す実施例）によれば、駆動トルク発生区間の全域に亘って所望の駆動トルクを適切に出力させることができる。

上述したように、本実施形態によるスイッチトリラクタンスモータの制御装置１０によれば、電流指令値および回転数に応じた進角および通電角によってＳＲモータ１１の各相に対する通電を行うと共に、電流指令値に基づき巻線電流のフィードバック制御を行うことから、装置構成が複雑化することを抑制しつつ所望の目標出力を適切に確保することができる。
しかも、進角および通電角は電流指令値（つまり目標出力）に比例して変化することから、ＳＲモータ１１の操作性を向上させることができると共に、例えば電流指令値が相対的に小さい場合であっても、進角および通電角が過剰に大きな値となってしまうことを防止することができる。これにより、例えば図５に示すように、電流指令値が相対的に小さい場合に進角および通電角が過剰に大きな値となる比較例では、ＳＲモータ１１の各相電流Ｉｕ，Ｉｖ、Ｉｗの立ち上がりに過剰なオーバーシュートが発生してしまうことに対して、この実施の形態（例えば図５に示す実施例）によれば、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ、Ｉｗの立ち上がりでのオーバーシュートの発生を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置の構成図である。 本発明の実施の形態に係る進角マップを示すグラフ図である。 本発明の実施の形態に係る通電角マップを示すグラフ図である。 本発明の実施の形態に係る実施例での巻線インダクタンスと巻線電圧と巻線電流との変化、および、比較例での巻線電圧と巻線電流との変化を示す図である。 本発明の実施の形態に係る実施例および比較例での各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの変化を示す図である。

符号の説明

１０ モータ制御装置
１１ スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）
１２ 駆動装置（通電切換手段）
５１ 電流指令値演算部（目標出力設定手段、電流指令値生成手段）
５３ 回転速度演算部（回転速度検出手段）
５５ 制御マップ記憶部（通電状態設定手段）
５７ 電流検出部（電流検出手段）
５８ａ フィードバック処理部
５８ｂ ＤＵＴＹ演算部（パルス幅変調信号生成手段）

Claims (2)

1. スイッチトリラクタンスモータの目標出力を設定する目標出力設定手段と、前記スイッチトリラクタンスモータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記目標出力設定手段により設定された前記目標出力および前記回転速度検出手段により検出された前記回転速度に応じて、前記スイッチトリラクタンスモータへの通電に対する通電角および進角を設定する通電状態設定手段と、
   前記目標出力に応じた電流指令値を生成する電流指令値生成手段と、
   前記スイッチトリラクタンスモータに通電される電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流指令値生成手段により生成された前記電流指令値と前記電流検出手段により検出された電流検出値との偏差に基づき、パルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成手段と、
   前記通電状態設定手段により設定された前記通電角および前記進角と、前記パルス幅変調信号生成手段により生成された前記パルス幅変調信号とに応じて、前記スイッチトリラクタンスモータへの通電状態を順次切り換える通電切換手段と
   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. 前記通電状態設定手段は、前記目標出力に比例する前記通電角および前記進角を設定することを特徴とする請求項１に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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