JP2015070699A - Control circuit of switched reluctance motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチトリラクタンスモータ(以下、SRモータともいう)の制御回路に関し、詳しくは、部品点数の削減及びトルクリプルの低減を図りつつSRモータの高速回転を実現するための技術に関するものである。 The present invention relates to a control circuit for a switched reluctance motor (hereinafter also referred to as an SR motor), and more particularly to a technique for realizing high-speed rotation of an SR motor while reducing the number of components and torque ripple. .
図3は、SRモータの制御回路の従来技術を示している。図3において、1は直流電源(電圧値をEdとする)、Tu,Tv,Tw,Tx,Ty,TzはIGBT等の半導体スイッチング素子、Du,Dv,Dw,Dx,Dy,Dzはダイオード、20はSRモータである。
ここで、SRモータ20の相数は三相であり、制御回路は、一相当たりそれぞれ2つのレグからなるA相レグ10A,B相レグ10B、C相レグ10Cにより合計6レグによって構成されている。
FIG. 3 shows the prior art of the control circuit of the SR motor. In FIG. 3, 1 is a DC power supply (voltage value is E d ), T u , T v , T w , T x , T y , T z are semiconductor switching elements such as IGBTs, D u , D v , D w , Dx , Dy , and Dz are diodes, and 20 is an SR motor.
Here, the number of phases of the
図4は、SRモータ20の模式的な断面図であり、以下では、この図4を参照しつつSRモータ20のトルク発生原理を説明する。図4において、21は固定子、21aはその突極、22は回転子、22aはその突極、23は回転軸を示す。
いま、固定子21の突極21aと回転子22の突極22aとが一致する場合を「対向位置」、固定子21の2つの突極21aの間に回転子22の突極22aが位置する場合を「非対向位置」と定義する。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the
Now, the case where the
図5は、モータ20の回転子位置θに対するインダクタンスL(θ)と駆動トルクを発生する電流(固定子巻線電流)iとの関係を、SRモータ20の一相分について示した図である。図示するように、SRモータ20のインダクタンスL(θ)は、非対向位置において最小となるため磁束が最も流れにくく、対向位置において最大となるため磁束が最も流れやすい。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the inductance L (θ) with respect to the rotor position θ of the
ここで、説明を簡略化するために、インダクタンスL(θ)が回転子位置θに対して線形に変化するものとすると、SRモータ20のトルクTは、電流i、インダクタンスL(θ)及び回転子位置θを用いて、数式1によって表される。
よって、図6に示すように、SRモータ20のA,B,C相について、∂L(θ)/∂θが正である区間に制御回路から電流iA,iB,iCをそれぞれ通流すれば、ほぼ一定のトルクを得ることができる。
Here, in order to simplify the description, assuming that the inductance L (θ) changes linearly with respect to the rotor position θ, the torque T of the
Therefore, as shown in FIG. 6, the currents i A , i B , and i C are passed from the control circuit to the sections where ∂L (θ) / ∂θ is positive for the A, B, and C phases of the
しかしながら、制御回路によって図5や図6に示すような矩形波電流を生成することは困難であるため、実際には、図7に示すごとく、理想電流を矩形波として実電流が目標値に近付くようにSRモータ20への印加電圧をチョッピング制御している。
この印加電圧には、以下の三つの電圧モードが存在し、電流のパターンに応じて図3の半導体スイッチング素子のオンオフを切り替えている。以下、図3のA相レグ10Aを例に挙げて各電圧モードを説明する。
However, since it is difficult to generate a rectangular wave current as shown in FIGS. 5 and 6 by the control circuit, in practice, the actual current approaches the target value with the ideal current as a rectangular wave as shown in FIG. In this way, the voltage applied to the
The applied voltage has the following three voltage modes, and the semiconductor switching element of FIG. 3 is switched on and off according to the current pattern. Hereinafter, each voltage mode will be described by taking the
1)正電圧モード:A相巻線には+Edcの電圧が印加される。この時のA相レグ10Aにおける各素子のオンオフ状態を、表1に示す。
2)零電圧モード:A相巻線の電圧は0[V]となる。この時のA相レグ10Aにおける各素子のオンオフ状態を、表2に示す。
3)負電圧モード:A相巻線には−Edcの電圧が印加される。この時のA相レグ10Aにおける各素子のオンオフ状態を、表3に示す。
なお、電流立ち上げ時には正電圧モードが、電流を一定に制御するときは正電圧モード及び零電圧モードが、電流立ち下げ時には負電圧モードが、それぞれ用いられる。 The positive voltage mode is used when the current is raised, the positive voltage mode and the zero voltage mode are used when the current is controlled to be constant, and the negative voltage mode is used when the current is lowered.
図8は、実際のA相電流iA及びB相電流iBの波形図である。
図8に示すように、A相電流iAが立ち下がった後にB相電流iBを立ち上げると、iAの立ち下り時にトルクが減少し、iBの立ち上がり時にトルクが増加する。すなわち、通流相の切り替わり区間T1において、トルクリプルが発生することになる。
この問題を解決する方法として、図9に示すように、A相電流iAが立ち下がるタイミングよりも所定の時間ΔTだけ余裕を持ってB相電流iBを立ち上げ、上記のトルクリプルを低減する技術がある。この技術は、二つの相の電流がオーバーラップしていることから、電流オーバーラップと呼ばれている。
Figure 8 is a waveform diagram of an actual A-phase current i A and B-phase current i B.
As shown in FIG. 8, when launching the B-phase current i B after the fall of the A-phase current i A, the torque is reduced to fall when i A, torque increases at the rising edge of the i B. That is, in the switch interval T 1 of the flowing phase, so that the torque ripple is generated.
As a method for solving this problem, as shown in FIG. 9, the B-phase current i B is raised with a margin of a predetermined time ΔT from the timing when the A-phase current i A falls, and the torque ripple is reduced. There is technology. This technique is called current overlap because the currents of the two phases overlap.
ところで、回路構成の簡略化を目的としたSRモータ20の制御回路として、特許文献1に記載された従来技術が知られている。
図10は、特許文献1に記載された制御回路を示している。この制御回路では、ダイオードが逆並列に接続されたIGBT等の半導体スイッチング素子Tu,Tx,Tv,Ty,Tw,Tzを2個ずつ用いてA相レグ10A’、B相レグ10B’、C相レグ10C’を構成すると共に、これらのレグ10A’,10B’,10C’の並列回路に、同じくダイオードが逆並列に接続された半導体スイッチング素子Tm,Tnからなる中性点レグ10Dを並列に接続して構成されている。ここで、ダイオードDu,Dx,Dv,Dy,Dw,Dz,Dm,Dnとしては、各スイッチング素子にそれぞれ内蔵されたものが用いられる。
CA,CB,CCはSRモータ20の固定子のA相,B相,C相巻線であり、Mは、各相巻線CA,CB,CCの一端が共通に接続された中性点である。
By the way, as a control circuit of the
FIG. 10 shows a control circuit described in
CA, CB and CC are the A-phase, B-phase and C-phase windings of the stator of the
この従来技術によれば、図3の回路に比べて素子の数が12個から8個になり、また、レグの数も6個(図3では、各相レグがそれぞれ2個のレグにより構成されるため、合計6個)から4個に減少する。
更に、各相巻線CA,CB,CCの一端をスター結線してその中性点Mをスイッチング素子Tm,Tnの直列接続点に接続し、各相巻線CA,CB,CCの他端を、A相レグ10A’のスイッチング素子Tu,Txの直列接続点、B相レグ10B’の同Tv,Tyの直列接続点、C相レグ10C’の同Tw,Tzの直列接続点にそれぞれ接続することにより、制御回路と各相巻線CA,CB,CCとの間の配線数も図3の6本から4本に減少する。
これらの理由により、特許文献1では、図3の回路よりも構成を簡略化することができる。
According to this prior art, the number of elements is reduced from 12 to 8 compared to the circuit of FIG. 3, and the number of legs is also 6 (in FIG. 3, each phase leg is composed of 2 legs. Therefore, the total is reduced from 6) to 4.
Furthermore, one end of each phase winding CA, CB, CC is star-connected, and its neutral point M is connected to the series connection point of the switching elements T m , T n , and other than each phase winding CA, CB, CC. end, 'the series connection point of the switching elements T u, T x of, B-
For these reasons, the configuration of
なお、図10における各素子のオンオフ状態は、以下の表4〜表7に示す通りとなる。ただし、これらのオンオフ状態は、制御回路によるA相巻線CAへの通流からB相巻線CBへの通流までの区間に関するものである。 In addition, the on / off state of each element in FIG. 10 is as shown in Tables 4 to 7 below. However, these on / off states relate to a section from the flow to the A-phase winding CA to the flow to the B-phase winding CB by the control circuit.
1)A相巻線正電圧モード
2)A相巻線零電圧モード
3)A相巻線負電圧モード、B相巻線正電圧モード
このモードでは、A相電流iAとB相電流iBとの大小関係により、第4レグ10Dのスイッチング素子Tn及びダイオードDnのON,OFFが決まる。
4)A相巻線負電圧モード、B相巻線零電圧モード
このモードでは、A相電流iAとB相電流iBとの大小関係により、第4レグ10DのダイオードDm,DnのON,OFFが決まる。
更に、他の従来技術として、特許文献2に記載された図11の制御回路が知られている。
図11において、図10と同一の機能を有するものには同一の参照符号を付してある。また、11,12は、A相レグ10A’とB相レグ10B’との間、及び、B相レグ10B’とC相レグ10C’との間に接続された均圧線を示している。
この従来技術では、隣接する二相間を均圧線にて接続すると共に半導体スイッチング素子を駆動するPWM信号を工夫することにより、制御回路(インバータ)とSRモータとの間の配線数を、特許文献1と同様に4本に減少させている。
Furthermore, the control circuit of FIG. 11 described in Patent Document 2 is known as another conventional technique.
In FIG. 11, components having the same functions as those in FIG.
In this prior art, the number of wires between the control circuit (inverter) and the SR motor is determined by connecting the adjacent two phases with a pressure equalizing line and devising a PWM signal for driving the semiconductor switching element. Similar to 1, the number is reduced to 4.
また、SRモータの励磁方法として、特許文献3が公知になっている。
この特許文献3には、前述したように電流オーバーラップによってSRモータのトルクリプルを低減させることが記載されている。更に、SRモータを高速運転する場合には、各相の巻線にパルス状の電圧を印加し、その電圧の一周期内で、相電流が0[A]から所定のピーク値まで増加してその後に0[A]に減少するような単一パルスモードで駆動することが望ましい旨、記載されている。なお、この特許文献3において、例えば配線数を減少させて回路構成を簡略化させる技術については、特に言及されていない。
Patent Document 3 is known as an SR motor excitation method.
This Patent Document 3 describes that the torque ripple of the SR motor is reduced by current overlap as described above. Furthermore, when the SR motor is operated at high speed, a pulse voltage is applied to the windings of each phase, and the phase current increases from 0 [A] to a predetermined peak value within one cycle of the voltage. Then, it is described that it is desirable to drive in a single pulse mode that decreases to 0 [A]. In Patent Document 3, for example, a technique for simplifying the circuit configuration by reducing the number of wirings is not particularly mentioned.
前述した特許文献1,2によれば、回路構成の簡略化が可能である。しかし、これらの従来技術のように構成を簡略化した制御回路を用いて、特許文献3に記載されているような単一パルスモードにてSRモータを運転するための制御方法については、何れの従来技術にも開示されていない。
そこで、本発明の解決課題は、レグ数及び配線数を少なくしたSRモータの制御回路において、単一パルスモードにより高速運転を行う際に電流オーバーラップ動作によりトルクリプルを低減可能とした制御回路を提供することにある。
According to
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a control circuit capable of reducing torque ripple by current overlap operation when performing high-speed operation in a single pulse mode in a control circuit for an SR motor with a reduced number of legs and wires. There is to do.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、ダイオードが逆並列に接続された半導体スイッチング素子を2個直列に接続してなる一相分のレグをn(nは3以上の整数)相分、互いに並列に接続し、かつ、これらのn相分のレグの並列回路に、前記一相分のレグと同一構成の中性点レグを並列に接続すると共に、前記中性点レグに並列に直流電源を接続し、前記中性点レグを構成する2個の半導体スイッチング素子の直列接続点である中性点と、前記n相分のレグを構成する2個の半導体スイッチング素子の直列接続点との間に、スイッチトリラクタンスモータの各相の巻線をそれぞれ接続して構成された、スイッチトリラクタンスモータの制御回路において、
前記中性点レグの片側アームの半導体スイッチング素子を常にONさせた状態で、前記n相分のレグのうち一相分のレグの前記片側アームとは反対側に位置する対向アームの半導体スイッチング素子をスイッチング動作させて当該相の巻線に通流する動作を、前記n相分のレグに対して順次実行し、前記スイッチトリラクタンスモータのトルクを連続的に制御するものである。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
The semiconductor switching element of the opposite arm located on the opposite side of the one-phase leg of the n-phase leg in the state where the semiconductor switching element of the one-side arm of the neutral point leg is always turned on The switching operation is performed on the legs of the n-phase in order, and the torque of the switched reluctance motor is continuously controlled.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載したスイッチトリラクタンスモータの制御回路において、前記n相分のレグの半導体スイッチング素子を、一周期内に単一のパルス状電圧を印加する単一パルスモードにより制御し、かつ、各相の前記巻線に流れる電流が一部の期間でオーバーラップするように制御するものである。 According to a second aspect of the present invention, in the control circuit of the switched reluctance motor according to the first aspect, a single pulse voltage is applied to the semiconductor switching element of the n-phase leg within one cycle. Control is performed in a pulse mode, and control is performed so that the currents flowing in the windings of each phase overlap in a part of the period.
本発明によれば、レグ数及び配線数を少なくしたSRモータの制御回路において、単一パルスモード運転及び電流オーバーラップ動作により、トルクリプルを低減して安定した高速運転を行うことができる。 According to the present invention, in a SR motor control circuit with a reduced number of legs and wires, a single pulse mode operation and a current overlap operation can reduce torque ripple and perform stable high-speed operation.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、この実施形態に係る制御回路の構成は、前述した図10と同一である。すなわち、図10に示すように、直流電源1(電圧値をEdとする)の両端には、IGBT等の半導体スイッチング素子Tu,Txが直列に接続されたA相レグ10A’と、半導体スイッチング素子Tv,Tyが直列に接続されたB相レグ10B’と、半導体スイッチング素子Tw,Tzが直列に接続されたC相レグ10C’とが互いに並列に接続されている。そして、これらA相レグ10A’、B相レグ10B’、C相レグ10C’の並列回路に、半導体スイッチング素子Tm,Tnが直列に接続された中性点レグ10Dが並列に接続されている。なお、Du,Dx,Dv,Dy,Dw,Dz,Dm,Dnは各スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード、CA,CB,CCはSRモータの固定子のA相,B相,C相巻線であり、Mは中性点である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the configuration of the control circuit according to this embodiment is the same as that shown in FIG. That is, as shown in FIG. 10, an
ここで、半導体スイッチング素子Tu,Tv,Tw,Tx,Ty,Tz,Tm,Tnとしては、IGBT以外にMOSFETを用いても良い。また、ダイオードDu,Dv,Dw,Dx,Dy,Dz,Dm,Dnには、IGBTやMOSFET等の内蔵ダイオードを用いることが望ましい。 Here, the semiconductor switching element T u, T v, T w , T x, T y, T z, T m, as the T n, may be used MOSFET in addition IGBT. The diode D u, D v, D w , D x, D y, D z, D m, the D n, it is desirable to use the built-in diode such as an IGBT or MOSFET.
次に、この制御回路の動作を、図1のフローチャート及び図2の波形図を参照しつつ説明する。
図1に示すように、図10に示した中性点レグ10Dの下アームのスイッチング素子Tnを常にONさせておく(図1のステップS1)。まず、A相巻線CAへの通流時には、A相レグ10A’の上アームのスイッチング素子TuをONする(ステップS2)。これにより、A相巻線CAは正電圧モードとなり、A相電流iAが直流電源1→スイッチング素子Tu→A相巻線CA→中性点M→スイッチング素子Tn→直流電源1の経路で流れる。
Next, the operation of this control circuit will be described with reference to the flowchart of FIG. 1 and the waveform diagram of FIG.
As shown in FIG. 1, previously always ON the switching element T n of the lower arm of the
A相巻線CAへの通流以前にC相巻線CCに通流されていた場合には、スイッチング素子TuをONした後でC相レグ10C’の上アームのスイッチング素子TwをOFFする(ステップS3)。なお、図2の波形図は、A相巻線CAへの通流以前にはC相巻線CCに通流されていない例を示してある。
If that was flowed through the C phase winding CC in flowing prior to the A-phase winding CA is, OFF the switching element T w of the upper arm of the C-
次いで、A相電流iAを遮断する前に、B相レグ10B’の上アームのスイッチング素子TvをONする(ステップS4)。これにより、B相巻線CBは正電圧モードとなり、B相電流iBが直流電源1→スイッチング素子Tv→B相巻線CB→中性点M→スイッチング素子Tn→直流電源1の経路で流れ始める。
その後、A相電流iAを遮断する場合には、A相レグ10A’の上アームのスイッチング素子TuをOFFする(ステップS5)。これにより、A相巻線CAは零電圧モードとなり、A相電流iAはA相巻線CA→中性点M→スイッチング素子Tn→ダイオードDxの経路で還流し、やがて零になる。
Then, before interrupting the A-phase current i A, turning ON the switching element T v of the upper arm of the
Thereafter, when interrupting the A-phase current i A is OFF the switching element T u of the upper arm of the
同様に、B相電流iBを遮断する前に、C相レグ10C’の上アームのスイッチング素子TwをONする(ステップS6)。これにより、C相巻線CCは正電圧モードとなり、C相電流iCが直流電源1→スイッチング素子Tw→C相巻線CC→中性点M→スイッチング素子Tn→直流電源1の経路で流れ始める。
その後、B相電流iBを遮断する場合には、でB相レグ10B’の上アームのスイッチング素子TvをOFFする(ステップS7)。これにより、B相巻線CBは零電圧モードとなり、B相電流iBはB相巻線CB→中性点M→スイッチング素子Tn→ダイオードDyの経路で還流し、やがて零になる。
Similarly, prior to shutting off the B-phase current i B, turning ON the switching element T w of the upper arm of the C-
Thereafter, when interrupting the B-phase current i B is in turns OFF the switching element T v of the upper arm of the
以後は、上述したステップS2〜S7を繰り返すことにより、各相電流が順次流れて回転子を連続的に回転させることができる。なお、図2におけるθ1〜θ9は、各相のスイッチング素子をON,OFFするタイミングに相当する角度、及び、各相電流が零になるタイミングに相当する角度である。 Thereafter, by repeating steps S2 to S7 described above, each phase current flows sequentially, and the rotor can be rotated continuously. Note that θ 1 to θ 9 in FIG. 2 are angles corresponding to timings at which the switching elements of the respective phases are turned on and off, and angles corresponding to timings at which the respective phase currents become zero.
上記のように、この実施形態によれば、図10に示すように、レグ数とSRモータの各相巻線との間の配線数を少なくして構成を簡略化した制御回路において、単一パルスモードにより高速運転を行う際に、図2に示すごとく、各相電流を一部の期間でオーバーラップさせる電流オーバーラップ動作を行わせてトルクリプルを低減することが可能になる。 As described above, according to this embodiment, as shown in FIG. 10, in the control circuit in which the configuration is simplified by reducing the number of wires between the number of legs and each phase winding of the SR motor, When performing high-speed operation in the pulse mode, as shown in FIG. 2, it is possible to reduce torque ripple by performing a current overlap operation in which each phase current is overlapped in a partial period.
なお、各相巻線に流れる電流の方向は逆になるが、中性点レグ10Dの上アームのスイッチング素子Tmを常にONさせておき、A相巻線CAへの通流、遮断時にはA相レグ10A’の下アームのスイッチング素子TxをON,OFFし、B相巻線CBへの通流、遮断時にはB相レグ10B’の下アームのスイッチング素子TyをON,OFFし、C相巻線CCへの通流、遮断時にはC相レグ10C’の下アームのスイッチング素子TzをON,OFFさせても良い。
Although the direction of the current flowing in each phase winding is reversed, advance constantly ON the switching element T m of a upper arm of the
更に、上記実施形態では、三相のSRモータを駆動するために、各相レグ10A’,10B’,10C’と中性点レグ10Dとを直流電源1に並列に接続した例を説明したが、本発明は、一般にn(nは3以上の整数)相のSRモータを駆動するために同一構成の(n+1)相のレグを備え、そのうちの一相分を中性点レグとして使用する制御回路に適用することができる。
Furthermore, in the above-described embodiment, the example in which the
1:直流電源
10A’:A相レグ
10B’:B相レグ
10C’:C相レグ
10D:中性点レグ
20:スイッチトリラクタンスモータ(SRモータ)
21:固定子
21a:突極
22:回転子
22a:突極
23:回転軸
Tu,Tv,Tw,Tx,Ty,Tz,Tm,Tn:半導体スイッチング素子
Du,Dv,Dw,Dx,Dy,Dz,Dm,Dn:ダイオード
CA:A相巻線
CB:B相巻線
CC:C相巻線
M:中性点
1:
21:
Claims (2)
前記中性点レグの片側アームの半導体スイッチング素子を常にONさせた状態で、前記n相分のレグのうち一相分のレグの前記片側アームとは反対側に位置する対向アームの半導体スイッチング素子をスイッチング動作させて当該相の巻線に通流する動作を、前記n相分のレグに対して順次実行し、前記スイッチトリラクタンスモータのトルクを連続的に制御す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回路。 Legs for one phase formed by connecting two semiconductor switching elements having diodes connected in anti-parallel are connected in parallel for n (n is an integer of 3 or more) phases, and these n phases A neutral point leg having the same configuration as that of the one-phase leg is connected in parallel to a parallel circuit of the minute leg, and a DC power source is connected in parallel to the neutral point leg to constitute the neutral point leg. Between each of the phases of the switched reluctance motor between a neutral point that is a series connection point of the two semiconductor switching elements and a series connection point of the two semiconductor switching elements constituting the leg for the n phase. In the control circuit of the switched reluctance motor configured by connecting the windings,
The semiconductor switching element of the opposite arm located on the opposite side of the one-phase leg of the n-phase leg in the state where the semiconductor switching element of the one-side arm of the neutral point leg is always turned on Switching operation is performed sequentially on the n-phase legs, and the torque of the switched reluctance motor is continuously controlled. Control circuit for reluctance motor.
前記n相分のレグの半導体スイッチング素子を、一周期内に単一のパルス状電圧を印加する単一パルスモードにより制御し、かつ、各相の前記巻線に流れる電流が一部の期間でオーバーラップするように制御す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回路。 In the control circuit of the switched reluctance motor according to claim 1,
The n-phase leg semiconductor switching elements are controlled by a single pulse mode in which a single pulse voltage is applied within one period, and the current flowing through the windings of each phase is limited during a certain period. A control circuit for a switched reluctance motor, characterized by being controlled to overlap.
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