JP2016127672A - モータコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの回転位置の検出精度に依存することなく、連続電流モードにおいて適切な制御を行うスイッチドリラクタンスモータの制御装置を提供する。
【解決手段】インバータと、前記インバータからの出力およびスイッチドリラクタンスモータのロータ角に基づいて、算出トルクＴとして推定または測定するトルク演算部と、前記インバータからの出力および前記スイッチドリラクタンスモータのロータ角に基づいて、算出相磁束として推定または測定する磁束演算部と、トルクの指令値である参照トルクＴ＊および前記算出トルクを少なくとも用いて、前記インバータを制御するスイッチング制御部と、を備え、前記スイッチング制御部は、前記スイッチドリラクタンスモータの回転速度が予め定められた速度を超えた状態で、各相の算出相磁束が予め定められた最小値以上となるように前記インバータを制御する最小磁束維持部２３３、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、スイッチドリラクタンスモータを制御するモータコントローラに関する。

製造コストが低く、かつ、単純で丈夫な構造であることから、近年、スイッチドリラクタンスモータ（以下、「ＳＲＭ」という。）が注目されている。希土類元素の価格の上昇に伴い、希土類永久磁石を必要としない点でもＳＲＭは注目されている。ＳＲＭでは、インダクタンスが変化する間にステータ巻線に電流を与えることにより、トルクが得られる。

ＳＲＭでは、制御方式に関わらず、高速回転時に磁束の変化幅が小さくなるため、トルクが減少する。そこで、トルク減少を抑制する方法として、例えば、特開２００３−１８９６６９号公報では電流連続モード（以下、「ＣＣＭ」という。）による制御が開示されている。

ＣＣＭでは、磁束および電流がエネルギーリターン期間の終わりにおいて０に戻る前に、相巻線は通電される。連続的に流れる電流に起因する磁束により、相巻線は常に鎖交される。ＣＣＭを実現するために、相巻線が励磁される電気角が広げられる。これにより、電流および磁束の大きさが底上げされ、０に戻ることはなくなる。すなわち、電流が０になる前に次の励磁が発生する。その結果、高速回転時においても、磁束の変化幅は一定に維持され、トルクの減少が防止される。
特開２００３−１８９６６９号公報

ところで、上記ＣＣＭでは、励磁される電気角を広げるために、ロータの回転位置を正確に取得する必要がある。取得されたロータの回転位置と、実際の回転位置とにずれがあると、励磁開始のタイミングが不適切となり、理想的な連続電流が流れず、モータの効率が低下してしまう。

本発明は、ロータの回転位置の検出精度に依存することなく、連続電流モードにおいて適切なＳＲＭの制御を行うことを目的としている。

本発明の例示的な一の実施形態に係るモータコントローラは、３相集中巻きのスイッチドリラクタンスモータに接続されるインバータと、前記インバータからの出力および前記スイッチドリラクタンスモータのロータ角に基づいて、前記スイッチドリラクタンスモータにて発生するトルクを、算出トルクとして推定または測定するトルク演算部と、前記インバータからの出力および前記スイッチドリラクタンスモータのロータ角に基づいて、前記スイッチドリラクタンスモータにて発生する各相の相磁束を、算出相磁束として推定または測定する磁束演算部と、トルクの指令値である参照トルクおよび前記算出トルクを少なくとも用いて、前記インバータを制御するスイッチング制御部と、を備え、前記スイッチング制御部は、前記スイッチドリラクタンスモータの回転速度が予め定められた速度を超えた状態で、各相の算出相磁束が予め定められた最小値以上となるように前記インバータを制御する最小磁束維持部、を備える。

本発明によれば、連続電流モードにおいて適切なスイッチドリラクタンスモータの制御を行うことができる。

図１は、モータコントローラの構成を示すブロック図である。 図２は、ＳＲＭの概略図である。 図３は、インバータの構成を示す図である。 図４は、スイッチング制御部の構成を示すブロック図である。 図５は、磁束フラグ生成部の動作を説明するための図である。 図６は、デューティ比制御の一例をヒステリシス制御と対比して示す図である。 図７は、角度領域を示す図である。 図８は、スイッチング制御部に追加される角度オフセット部を示す図である。 図９は、最小磁束維持部の動作を示す図である。 図１０は、スイッチング制御部の他の例を示す図である。 図１１は、磁束位相角とＫとの関係を示す図である。 図１２は、磁束方向に対応する各相のコイルの位置を示す図である。

図１は、モータコントローラ１の構成を示すブロック図である。モータコントローラ１は、ＳＲＭ(スイッチドリラクタンスモータ)９を制御する。

図２は、ＳＲＭ９の概略図である。ＳＲＭ９は、ロータ９１と、ステータ９２と、を含む。図示省略の軸受機構により、ロータ９１は、回転軸を中心としてステータ９２に対して回転可能に支持される。ロータ９１は、ステータ９２に向かって突出する複数の突出部９１１を有する。ステータ９２は、ロータ９１に向かって突出する複数の突出部９２１を有する。換言すれば、ＳＲＭ９は、二重突極構造を有する。ステータ９２の各突出部９２１には、導線が巻回されてコイル９２２が形成される。ＳＲＭ９のコイル９２２は、３相集中巻きである。ロータ９１には、コイルも永久磁石も設けられない。各位相巻線、すなわち、コイル９２２のインダクタンスが変化する間に切替電流が供給されることにより、トルクが生じる。

図１に示すように、モータコントローラ１は、インバータ１１と、トルク・磁束演算ユニット１２と、スイッチング制御部１３と、を含む。トルク・磁束演算ユニット１２には、ＳＲＭ９のロータ９１の回転位置であるロータ角θｒおよびインバータ１１から出力される電流Ｉの値が入力される。トルク・磁束演算ユニット１２は、トルク演算部１２１と、磁束演算部１２２と、を含む。トルク演算部１２１は、インバータ１１からの出力およびロータ角θｒに基づいて、ＳＲＭ９にて発生するトルクを演算により推定または正確に求める。磁束演算部１２２は、インバータ１１からの出力およびロータ角θｒに基づいて、ＳＲＭ９内にて発生する各相の磁束を演算により推定または正確に求める。

以下、トルク・磁束演算ユニット１２にて求められるトルクを「算出トルクＴ」といい、各相の磁束ψａ，ψｂ，ψｃを「算出相磁束ψｐ」という。すなわち、トルク演算部１２１は、算出トルクＴを推定または測定する。磁束演算部１２２は、算出相磁束ψｐを推定または測定する。スイッチング制御部１３は、ＳＲＭ９およびトルク・磁束演算ユニット１２から入力される値、並びに、トルクの指令値である参照トルクＴ^＊に基づいてインバータ１１におけるスイッチングを制御する。

図３は、ＳＲＭ９に接続されるインバータ１１の構成を示す図である。インバータ１１は、６個のスイッチング素子を有する３相の非対称ハーフブリッジインバータである。インバータ１１は、３相のコイル９２２にそれぞれ対応する３対のスイッチング素子１１２および３対のダイオード１１３を有する。すなわち、１相のコイル９２２に対して１対のスイッチング素子１１２および１対のダイオード１１３が設けられる。上記１相のコイル９２２は、正確には、当該相のコイル群である。

１対のスイッチング素子１１２の一方は、直流電源１１４の正極とコイル９２２の一端との間に配置される。他方は、直流電源１１４の負極とコイル９２２の他端との間に配置される。以下、正極側のスイッチング素子１１２を「上段のスイッチング素子」という。負極側のスイッチング素子１１２を「下段のスイッチング素子」という。１対のダイオード１１３の一方は、電源１１４の正極と、コイル９２２と下段のスイッチング素子１１２との間に配置され、正極から負極へ向かう方向の電流を妨げる。１対のダイオード１１３の他方は、電源１１４の負極と、コイル９２２と上段のスイッチング素子１１２との間に配置され、正極から負極へ向かう方向の電流を妨げる。

図４は、スイッチング制御部１３の１つの相に対応する構成を示す図である。スイッチング制御部１３は、フィードバック演算部２１と、フィードフォワード演算部２２と、強制励磁オフ部２３１と、加算器２３２と、最小磁束維持部２３３と、デューティ変換部２３４と、を含む。フィードバック演算部２１は、トルク差分器２１１と、ＰＩゲイン部２１２と、指令電圧生成部２１３と、を含む。フィードフォワード演算部２２は、参照磁束算出部２２１と、セクタ番号取得部２２２と、磁束フラグ生成部２２３と、指令電圧生成部２２４と、を含む。

まず、強制励磁オフ部２３１、最小磁束維持部２３３およびフィードフォワード演算部２２の機能を除いた場合の制御について説明する。フィードバック演算部２１のトルク差分器２１１には、指令トルクである参照トルクＴ^＊と算出トルクＴとが入力される。トルク差分器２１１は、参照トルクＴ^＊と算出トルクＴとの（符号付き）差分を求める。差分にはＰＩゲイン部２１２にてＰＩゲインが乗算される。ＰＩゲイン部２１２からの値は、指令電圧生成部２１３に入力される。

指令電圧生成部２１３は、ＰＩゲイン部２１２からの値およびロータ角θｒ、すなわち、予め定められた位置からのロータ９１の回転角度に基づいて対応する相の指令電圧を生成する。実際には、トルク差分器２１１およびＰＩゲイン部２１２は、全相共通に設けられ、他の構成要素は、相毎に設けられる。指令電圧は、強制励磁オフ部２３１を経由して加算器２３２に入力される。

強制励磁オフ部２３１、最小磁束維持部２３３およびフィードフォワード演算部２２を無視した場合、指令電圧生成部２１３からの（−１００）％〜（＋１００）％を示す指令電圧の値は、デューティ変換部２３４にてスイッチング信号へと変換される。スイッチング信号に従ってインバータ１１が制御されることにより、算出トルクＴと参照トルクＴ^＊との差分を減少させるフィードバック制御が実現される。フィードバック制御およびデューティ比制御により、ＳＲＭであってもトルクリップルの少ない制御が実現される。また、算出トルクＴを利用することにより、個々のモータの製造誤差の影響を受けにくくなり、量産に適したモータコントローラが実現される。

次に、フィードフォワード制御について説明する。フィードフォワード演算部２２の参照磁束算出部２２１には、算出トルクＴとＳＲＭ９の回転速度ωｒが入力される。参照磁束算出部２２１は参照磁束テーブル２２８を含む。参照磁束テーブル２２８は、予め算出トルクＴおよび回転速度ωｒに対応する参照相磁束ψｐ^＊を格納する。ψｐ^＊は、３つの参照相磁束ψａ^＊，ψｂ^＊，ψｃ^＊のいずれかを示す。参照磁束算出部２２１は、算出トルクＴおよび回転速度ωｒを参照して参照相磁束ψｐ^＊を取得する。参照相磁束ψｐ^＊は磁束フラグ生成部２２３に入力される。参照磁束算出部２２１では、算出トルクＴに代えて、参照トルクＴ^＊が利用されてもよい。

セクタ番号取得部２２２には、ＳＲＭ９からロータ角θｒが入力される。セクタ番号は、ロータ９１の回転位置を示す電気角を６等分した範囲を示す番号である。以下、各範囲を「セクタ」と呼ぶ。各セクタの先頭の位置は、原則としてステータ９２の突出部９２１の中心位置であるが、適宜調整されてもよい。セクタ番号および算出相磁束ψｐは磁束フラグ生成部２２３に入力される。

図５は、磁束フラグ生成部２２３の動作を説明するための図である。表１は、磁束フラグを生成する際に利用されるセクタコマンドを示す。

表１に示すように、各相にはセクタ番号に対応して「Up」「Keep」「Down」が設定される。例えば、Ａ相では、セクタ番号「４」のセクタにUpが設定される。以下、Ｎを１から６のいずれかの整数として、セクタ番号「Ｎ」のセクタを「セクタＮ」という。セクタ５にはKeepが設定され、セクタ６にはDownが設定される。セクタ１〜３にはセクタコマンドは設定されない。同様に、Ｂ相では、セクタ６にUp、セクタ１にKeep、セクタ２にDownが設定される。他のセクタにはセクタコマンドは設定されない。Ｃ相では、セクタ２にUp、セクタ３にKeep、セクタ４にDownが設定される。他のセクタにはセクタコマンドは設定されない。

図５において、算出相磁束を示す線９５ａは表１のＡ相に対応する。以下、線に付した符号を算出相磁束に付して説明する。算出相磁束９５ｂはＢ相に対応する。算出相磁束９５ｃはＣ相に対応する。算出相トルクを示す線９６ａはＡ相に対応する。以下、線に付した符号を算出相トルクに付す。算出相トルク９６ｂはＢ相に対応する。算出相トルク９６ｃはＣ相に対応する。符号９７１にて示す直線は、参照磁束算出部２２１にて求められた参照相磁束を示す。

表２は指令電圧生成部２２４の動作を説明するための表である。指令電圧生成部２２４では、予め、参照トルクＴ^＊、回転速度ωｒおよびロータ角θｒに基づいて出力すべき指令値を示す指令電圧がテーブルまたは関数として準備されている。なお、回転速度ωｒに代えて指令速度である参照回転速度ωｒ^＊が用いられてもよい。磁束フラグ生成部２２３は、初期状態では「１」を示す磁束フラグを出力している。この状態では、磁束フラグ生成部２２３は、テーブルまたは関数を参照してＳＲＭ９に対して１相励磁を行う。具体的には、セクタコマンドがKeepおよびDownの相のみにて励磁を行う。Upではインバータ１１のダイオードに逆方向に電圧が掛けられ、励磁は行われない。

さらに具体的には、Upでは、図３の上段および下段のスイッチング素子１１２がＯＦＦとなり、コイル９２２には原則として電流は流れない。Keepでは、立ち上げに相当する（＋１００）％のデューティ比を示す指令電圧に従って、上段および下段のスイッチング素子１１２がＯＮとなり、電流およびトルクが立ち上がる。すなわち、励磁の立ち上げが行われる。その後、下段のスイッチング素子１１２がＯＮの状態で、指令電圧が示す正のデューティ比に応じて上段のスイッチング素子１１２のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、電圧の印加とフリーホイールとが切り替えられて、電流およびトルクが維持される。すなわち、励磁が維持される。例えば、デューティ比が（＋４０）％の場合、上段のスイッチング素子１１２のＯＮ時間の割合は４０％となる。

Downでは、上段のスイッチング素子１１２がＯＦＦの状態で、指令電圧が示す負のデューティ比の絶対値を１００％から減算した値に応じて下段のスイッチング素子１１２のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、フリーホイールと回生とが切り替えられる。例えば、デューティ比が（−４０）％の場合、下段のスイッチング素子１１２のＯＮ時間の割合は６０％となる。これにより、電流およびトルクが０になるまで減少し、励磁が立ち下がる。指令電圧が（−１００）％を示す場合、上段および下段のスイッチング素子１１２はＯＦＦとなり、励磁が急速に立ち下がる。

一方、例えば、図４の構成がＡ相に対応するものである場合、セクタ４では、磁束フラグ生成部２２３はDownのＣ相に注目している。参照トルクの値が増加した場合に、Ｃ相の算出相磁束９５ｃが符号９７２にて示す時刻にて参照相磁束を超えると、磁束フラグ生成部２２３は、磁束フラグを「０」に変更する。「０」に変更された磁束フラグはセクタ４が終了するまで維持される。

Ａ相の指令電圧生成部２２４では、磁束フラグ「０」が入力されると、Ａ相にUpが設定されているため、Ａ相の指令電圧が（＋１００）％に設定され、励磁の立ち上げが行われる。Downが設定されているＣ相では、指定電圧が示すデューティ比に従って励磁の立ち下げが行われる。その結果、符号９５ｃ，９５ａ，９６ｃ，９６ａにて示すように、時刻９７２からしばらくの間、Ｃ相とＡ相の２相励磁が行われ、十分なトルクの出力が実現される。次のセクタにおいて、Ａ相では１相励磁の場合と同様に、励磁が維持され、さらに次のセクタではＡ相の立ち下げとＢ相の立ち上げとが並行して行われる。

換言すれば、フィードフォワード演算部２２は、一の相の算出相磁束が参照相磁束を超えたときに、次の相の励磁を開始し、当該一の相の励磁と次の相の励磁とを部分的に重ねる演算結果を取得する。図５の時刻９７３では、Ａ相とＢ相の２相励磁が同様に開始される。

加算器２３２では、指令電圧生成部２１３から強制励磁オフ部２３１を経由して入力される指令電圧と、指令電圧生成部２２４からの指令電圧とが加算される。加算後の指令電圧は、下限が（−１００）％に制限され、上限が（＋１００）％に制限され、（−１００）％〜（＋１００）％の範囲の値をとる。加算後の値は最小磁束維持部２３３およびデューティ変換部２３４を介してインバータ１１に入力される。これにより、参照トルクＴ^＊に従ったフィードバック制御およびフィードフォワード制御が実現される。

なお、フィードバック制御のみが行われる場合は、トルクの指令値である参照トルクおよび算出トルクを用いてインバータ１１が制御される。フィードフォワード制御が併用される場合は、さらに、相磁束の指令値である参照相磁束および算出相磁束も用いて、インバータ１１が制御される。フィードバック制御を行わずにフィードフォワード制御のみが行われてもよい。

次に、デューティ変換部２３４について説明する。例えば、直接トルク制御（ＤＴＣ）にて採用されるヒステリシス制御では、サンプリング期間毎にインバータ１１におけるスイッチングが切り替えられる。これに対し、モータコントローラ１では、デューティ変換部２３４が指令電圧に従って、１サンプリング期間におけるＯＮ時間を決定する。すなわち、スイッチング制御部１３は、フィードバック演算部２１による演算結果と、フィードフォワード演算部２２による演算結果とを用いて、または両演算結果の何れかを用いて、パルスの時間幅を取得する。その結果、インバータ１１によりＳＲＭ９に印加される電圧の１サンプリング期間当たりのパルス幅が変更される。

図６は、デューティ変換部２３４による上記デューティ比制御の一例を、ヒステリシス制御と対比して示す図である。横軸はサンプリング期間８１の繰り返しであるサンプリング周期を示す。デューティ変換部２３４では、各相に対して必要に応じて、１サンプリング期間８１の間にＯＮとＯＦＦとが切り替えられ、デューティ比の時間だけＯＮとなり、既述のように、各相に対応するコイル９２２に電圧が印加される。ＯＦＦの間は、コイル９２２はフリーホイール状態となる。図６では、デューティ比が正の場合のＯＮとＯＦＦとを示している。デューティ比が負の場合は、１サンプリング時間８１のうち、デューティ比の絶対値の割合で、回生が行われる。

これに対し、例えば、ＤＴＣのヒステリシス制御では、算出トルクと参照トルクとがヒステリシス比較器に入力され、１サンプリング期間の間、ＯＮまたはＯＦＦが維持される。その結果、出力トルクは参照トルクに対して大きく変動する。もちろん、サンプリング期間を短くすることにより、より適切な制御が実現されるが、ＤＴＣのように高度な演算を行う場合、サンプリング期間の短縮はコスト増を招く。また、ヒステリシス幅を小さくする設定を行った場合も、スイッチング頻度が増加し、外乱の影響も受けやすくなる。

モータコントローラ１によるデューティ比制御では、必要に応じて、１サンプリング期間の間にＯＮ／ＯＦＦが切り替えられるため、出力トルクを参照トルクにより近づける制御が実現される。また、演算処理の簡素化により、モータコントローラの製造コストが削減される。さらに、トルクリップルも低減される。その結果、量産に適したモータコントローラが実現される。

次に、強制励磁オフ部２３１の動作について説明する。図７は、ステータ９２において同相の突出部９２１の間を６等分した領域を示す図である。各領域は、原則として上述のセクタと一致するが、用途に若干の相違があるため、以下、「角度領域」と表現する。ロータ９１は反時計回りに回転するものとし、図７では、最も下の突出部９２１から反時計回りに番号「１」「２」「３」「４」「５」「６」を付している。以下、Ｎを１ないし６のいずれかの整数として番号「Ｎ」の角度領域を「角度領域Ｎ」と呼ぶ。図７では右半分の角度領域を示しているが、左半分にも反時計回りに角度領域１〜６が存在する。

表３は、ヒステリシス制御を含むＤＴＣやフィードバック制御のみを採用した場合の角度領域と各相におけるトルクとの関係の概略を示す図である。図７における最も下および最も上のコイル９２２はＡ相に対応するものとする。また、これらのコイル９２２を以下、「注目コイル」と呼ぶ。

ＳＲＭ９では、注目コイル９２２に電流が流れると、ロータ９１の突出部９１１とステータ９２の突出部９２１との間に引力が働く。Ａ相の場合、角度領域４，５，６において注目コイル９２２に電流を流すことにより、ロータ９１に正の相トルクが作用する。具体的には、角度領域４において相トルクが上昇し、角度領域５において一時的に相トルクが目標値を超え、角度領域６において相トルクは減少する。

しかし、突出部９１１が角度領域６と角度領域１との間の境界を通過した直後では、すなわち、突出部９２１を通過した直後では、注目コイル９２２の励磁を理想的に終了させることができないため、角度領域１にて突出部９１１と突出部９２１との間に僅かに引力が作用する場合がある。その結果、角度領域１においてロータ９１に負の相トルクが作用する。もちろん、制御方式によっては、負の相トルクは角度領域２まで維持される虞もある。

ＳＲＭ９が出力すべきトルクが正のとき、すなわち、ＳＲＭ９全体の算出トルクまたは参照トルクが正のときに、各相における負の相トルクの発生によりＳＲＭ９の効率は低下する。そこで、強制励磁オフ部２３１は、ＳＲＭ９の算出トルクまたは参照トルクが正のときに、少なくとも角度領域１において、Ａ相の電流を強制的に停止する。もちろん、角度領域２においても負の相トルクの発生を防止する必要がある場合は、強制励磁オフ部２３１は、角度領域２においてもＡ相の電流を強制的に停止する指令電圧を加算器２３２に出力する。

詳細には、強制励磁オフ部２３１にはロータ角θｒが入力されており、指令電圧生成部２１３から入力される値に基づいて、（−１００）％のデューティ比を負電圧を指示する予め定められた指令電圧が加算器２３２に入力される。その結果、電流は０になった後に逆流することなく０が維持され、所望の期間、Ａ相に流れる電流が強制的に停止される。もちろん、上記説明はフィードフォワード制御が実質的に機能していない場合の動作であり、フィードフォワード制御が機能している場合は、電流は０になるとは限らない。

同様に、強制励磁オフ部２３１がＢ相に対応する場合、強制励磁オフ部２３１は、角度領域３、または、角度領域３および４において、Ｂ相の電流を強制的に停止する指令電圧を出力する。強制励磁オフ部２３１がＣ相に対応する場合、強制励磁オフ部２３１は、角度領域５、または、角度領域５および６において、Ｃ相の電流を強制的に停止する指令電圧を出力する。強制励磁オフ部２３１により、各相における負の相トルクの発生が防止され、ＳＲＭ９の効率が向上する。

図７では、制御の便宜上、６個の角度領域を設定しているが、角度領域の数は６には限定されない。負の相トルクが発生する可能性のある角度にて強制的に励磁が停止されるのみでよい。負の相トルクの発生は、完全に防止されることが好ましいが、必ずしも完全に防止される必要はない。強制励磁オフ部２３１は、各相において、少なくともインダクタンスが増加から減少に変化した直後に、励磁を一時的に停止する。

ステータ９２のコイル９２２が設けられる突出部９２１の数およびロータ９１の突出部９１１の数は図７に示すものには限定されない。３相集中巻きの場合、一般的に表現すれば、ｎを正の整数として、ステータ９２のコイル９２２が設けられる突出部９２１の数は３ｎであり、ロータ９１の突出部９１１の数は２ｎである。この場合、各相において、インダクタンスが増加から減少に変化する角度位置から、次に増加から減少に変化する角度位置までの範囲が、６個の等しい角度領域に分けられる。そして、好ましくは、少なくとも最初の１つの角度領域において、強制励磁オフ部２３１は、励磁を一時的に停止する。図７に示すように、ステータ９２の突出部９２１を基準に角度領域の番号を定めた場合、Ａ相の最初の角度領域は角度領域１であり、Ｂ相の最初の角度領域は角度領域３であり、Ｃ相の最初の角度領域は角度領域５である。

強制励磁オフ部２３１は、必ずしもフィードバック演算部２１の直後に設けられる必要はなく、例えば、加算器２３２と最小磁束維持部２３３との間に配置されてもよい。さらには、デューティ変換部２３４の後にスイッチング信号自体を変更する強制励磁オフ部２３１が設けられてもよい。

フィードバック演算部２１が省かれ、フィードフォワード制御のみが行われる場合においても、２相励磁の利用により、実質的に負の相トルクの防止が実現される。したがって、フィードフォワード演算部２２は、実質的に強制励磁オフ部としての機能を含む。

図８は、スイッチング制御部１３に角度オフセット部２３５が追加された例を示す図である。ＳＲＭ９の回転速度が大きくなると、電流の立ち上がりが悪くなり、理想的なタイミングでコイル９２２は励磁されなくなる。その結果、Ａ相の場合、磁束が増加する表３の角度領域４において、十分なトルクが得られなくなる。磁束の増加する角度領域は、Ｂ相の場合、角度領域６が対応し、Ｃ相の場合、角度領域２が対応する。各相において、インダクタンスが増加から減少に変化する角度位置から、次に増加から減少に変化する角度位置までの範囲を、６つの等しい角度領域に分けた場合、磁束が増加する角度領域は、４番目の角度領域である。

そこで、角度オフセット部２３５は、回転速度が予め定められた値を超えるときに、各相において、スイッチング制御部１３による励磁を、３番目の角度領域の途中から開始させる。これにより、高速回転時のトルクが容易に確保される。励磁の開始位置だけが時計回りにオフセットされてもよいが、処理を容易とするために、角度オフセット部２３５は、６つの全ての角度領域を時計回りに、すなわち、ロータ９１の回転方向とは反対方向にシフトすることにより、３番目の角度領域の途中から励磁を開始させる。具体的には、角度オフセット部２３５は、動作タイミングのシフトを指令電圧生成部２１３および強制励磁オフ部２３１に入力する。これにより、強制励磁オフ部２３１の動作も早まり、高速回転時の強制励磁オフ動作のタイミングの遅れも防止される。

次に、最小磁束維持部２３３の動作について説明する。最小磁束維持部２３３にはＳＲＭ９の回転速度ωｒが入力される。ＳＲＭ９では、通常、高速回転時に磁束の変化幅が小さくなり、トルクが減少する。そこで、最小磁束維持部２３３は、高速回転時に磁束の最小値を維持するように、指令電圧を変更する。これにより、回転速度ωｒが予め定められた速度を超えた状態で、各相の算出相磁束が予め定められた最小値以上となるようにインバータが制御される。すなわち、連続電流モードの制御となる。その結果、高速回転時のトルクが維持される。

相磁束の最小値が所定の値に維持される際のスイッチングパターンは予め定められており、回転速度ωｒを変数とするＣＣＭテーブルとして最小磁束維持部２３３に準備されている。もちろん、相磁束と最小値とを比較する比較器を利用して、最小相磁束を維持する制御が行われてもよい。

図９は、最小磁束維持部２３３の動作を示す図である。図９の下段は、最小磁束維持を行わない場合の相磁束の変化を例示する。図９の上段は、最小磁束維持が行われる場合の相磁束の変化を示す。最小磁束維持が行われる場合、相磁束は全体的に底上げされ、０よりも大きい最小値が維持される。その結果、磁束の変化幅を維持することができ、トルクの減少を抑制または防止することができる。最小磁束維持部２３３は、磁束制御による連続電流制御を実現する。これにより、従来の連続電流制御とは異なり、ロータ角を正確に取得する必要がなくなり、ホール素子などの組立誤差等のロータ角の検出精度に依存することなく、安定した制御が実現される。

ＳＲＭ９のトルクの減少は、回転速度が大きくなるほど著しくなるため、最小磁束維持部２３３にて予め定められる相磁束の最小値は、回転速度が大きいほど大きいことが好ましい。これにより、効率よくトルクが維持される。

スイッチング制御部１３では、最小磁束維持部２３３は強制励磁オフ部２３１よりも下流側、すなわち、インバータ１１側に設けられる。そのため、強制励磁オフ部２３１にて電流が一時的に０になるように指令電圧が生成されても、最小磁束維持部２３３が機能する場合、電流が０とはならないように指令電圧が修正される。このように、スイッチング制御部１３による各相における制御において、強制励磁オフ部２３１の動作よりも最小磁束維持部２３３の動作が優先される。換言すれば、最小磁束維持部２３３は、各相によるトルクが一時的に負になることを許容して高速回転時のトルクを維持する。

図１０は、スイッチング制御部１３の他の例を示す図である。図１０の例では、ＳＲＭ９はＤＴＣにより制御される。

スイッチング制御部１３は、トルク差分器３１１と、トルクヒステリシス比較器３１２と、磁束差分器３２１と、磁束ヒステリシス比較器３２２と、参照磁束算出部３２３と、スイッチングパターン選択部３３と、強制励磁オフ部２３１と、最小磁束維持部２３３と、角度オフセット部２３５と、を含む。

スイッチングパターン選択部３３は、予め準備されている複数のスイッチングパターンからインバータ１１に適用されるスイッチングパターンを選択する。トルク差分器３１１は、算出トルクＴと参照トルクＴ^＊との差分を求め、トルクヒステリシス比較器３１２に入力する。参照トルクＴ^＊は、例えば、ロータ９１の回転速度を目標速度とするためのトルクとして図示省略の演算器にて求められる。トルクヒステリシス比較器３１２は、ヒステリシスを与えつつ、算出トルクＴと参照トルクＴ^＊との差分の符号をスイッチングパターン選択部３１に与える。

磁束差分器３２１は、算出磁束ψと参照磁束ψ^＊との差分を求める。算出磁束ψは、３つの相磁束ψｐを合成したものであり、磁束演算部１２２にて相磁束ψｐから求められてもよいし、別途、相磁束ψｐを合成する演算部が設けられてもよい。参照磁束ψ^＊は、参照磁束算出部３２３にて求められる。参照磁束算出部３２３は、参照磁束テーブル３２４を記憶する。参照磁束テーブル３２４では、算出トルクＴおよび回転速度ωｒに参照磁束ψ^＊が関連づけられている。参照磁束算出部３２３は、算出トルクＴおよび回転速度ωｒを参照して参照磁束ψ^＊を特定し、磁束差分器３２１に入力する。

算出磁束ψと参照磁束ψ^＊との差分は、磁束ヒステリシス比較器３２２に入力される。磁束ヒステリシス比較器３２２は、所定のヒステリシスを与えつつ、算出磁束ψと参照磁束ψ^＊の差分の符号をスイッチングパターン選択部３３に与える。

トルクヒステリシス比較器３１２は、２値のヒステリシス比較器である。トルクヒステリシス比較器３１２は、参照トルクＴ^＊と算出トルクＴとの（符号付き）差分が、所定の正の閾値よりも大きい場合に、「１」を出力し、所定の負の閾値よりも小さい場合に、「−１」を出力する。差分が正の閾値と負の閾値との間の場合には、前の状態である「１」または「−１」の出力を維持する。磁束ヒステリシス比較器３２２も、２値のヒステリシス比較である。磁束ヒステリシス比較器３２２は、参照磁束ψ^＊と算出磁束ψとの（符号付き）差分が、所定の正の閾値よりも大きい場合に、「１」を出力し、所定の負の閾値よりも小さい場合に、「−１」を出力する。差分が正の閾値と負の閾値との間の場合には、前の状態である「１」または「−１」の出力を維持する。

トルクヒステリシス比較器３１２および磁束ヒステリシス比較器３２２から出力される値、すなわち、参照トルクＴ^＊と算出トルクＴとの比較結果、および、参照磁束ψ^＊と算出磁束ψとの比較結果は、スイッチングパターン選択部３３に入力される。一方、図１では図示を省略しているが、トルク・磁束演算ユニット１２は磁束位相角θｐを演算により推定または測定し、磁束位相角θｐをスイッチングパターン選択部３３に入力する。スイッチングパターン選択部３３は、これらの入力値に基づいて複数のスイッチングパターン３３１から１つのスイッチングパターンを選択し、この選択パターンを示す信号を出力する。

表４は、スイッチングパターンを選択するためのテーブルを示す。表４のトルクＴの欄において、「↑」は、トルクヒステリシス比較器３１２からスイッチングパターン選択部３３に入力される値が「１」であることを示す。すなわち、ＳＲＭ９において磁束ベクトルが反時計回りに回転され、反時計回りのトルクを増大させる場合を示す。「↓」は、入力値が「−１」であることを示し、ＳＲＭ９にて磁束ベクトルが時計回りに回転され、反時計回りのトルクを減少させる場合を示す。

磁束ψの欄において、「↑」は、磁束ヒステリシス比較器３２２からスイッチングパターン選択部３３に入力される値が「１」であることを示す。すなわち、ＳＲＭ９にて発生する磁束を増大させる場合を示す。「↓」は、入力値が「−１」であることを示し、磁束を減少させる場合を示す。

表４において、ｎは、インバータ１１にて設定されるスイッチングパターンの番号である。Ｋに磁束位相角θｐの範囲を示す値が代入されることにより、ｎが決定される。図１１は、磁束位相角θｐとＫとの関係を示す図である。Ｒ（１）が示す範囲は、Ｋに１が代入される磁束位相角θｐの範囲を示す。同様に、Ｒ（２）、Ｒ（３）、・・・、Ｒ（６）は、それぞれＫに２、３、・・・、６が代入される範囲を示す。なお、（Ｋ＋２）または（Ｋ＋１）が６を超える場合は、これらの値から６を減算した値がｎに設定される。（Ｋ−１）または（Ｋ−２）が１未満の場合は、これらの値に６を加算した値がｎに設定される。

図１２は、図１１に示す磁束方向ａ，ｂ，ｃに対応する各相のコイル９２２の位置を示す図である。図１２において、ａ’からａに向かう方向が、図１１の（ａ−）から（ａ＋）に向かう方向に対応する。ｂ’からｂに向かう方向が、図１１の（ｂ−）から（ｂ＋）に向かう方向に対応し、ｃ’からｃに向かう方向が、図１１の（ｃ−）から（ｃ＋）に向かう方向に対応する。

スイッチングパターン選択部３３により、トルクヒステリシス比較器３１２および磁束ヒステリシス比較器３２２からの値、磁束位相角θｐ、および、表４に基づいてｎが決定されると、電圧ベクトルＶｎ（Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ）を実現するインバータ１１のスイッチングパターンが選択される。Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃは３つの相のコイル群に対応する。Ｖｎ（Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ）は、図１１に示す電圧ベクトルＶ１（１，０−，−１），Ｖ２（０＋，１，−１），・・・，Ｖ６（１，−１，０＋）のいずれかに対応し、ｎの値に応じてＬａ，Ｌｂ，Ｌｃに「１」、「０」または「−１」が設定される。「１」は、対応するコイル群に順方向の電圧が付与されることを示し、「−１」は逆方向の電圧が付与されることを示し、「０＋」「０−」は、コイル群の両端が電源１１４の正極または負極の電位になることを示す。

例えば、トルクヒステリシス比較器３１２から入力される値が「１」であり、磁束ヒステリシス比較器３２２から入力される値が「−１」であり、磁束位相角θｐが範囲Ｒ（１）内の場合、Ｋに「１」が代入され、かつ、表４の最上段の行からｎが、（Ｋ＋２）、すなわち、３に設定される。これにより、電圧ベクトルが図１１のＶ３（−１，１，０−）となるように、インバータ１１において、コイル９２２に接続される配線に電圧を与えるスイッチングパターンが設定される。原点からの磁束ベクトルは電圧ベクトルの積分として表現されるため、範囲Ｒ（１）内に位置する磁束ベクトルの終端が、図１１中のＶ３の方向に移動する。その結果、トルクが増加し、磁束が減少する。

他の例として、トルクヒステリシス比較器３１２から入力される値が「−１」であり、磁束ヒステリシス比較器３２２から入力される値が「１」であり、磁束位相角θｐが範囲Ｒ（３）内の場合、Ｋに「３」が代入され、かつ、表４の３段目の行からｎが、（Ｋ−１）、すなわち、２に設定される。これにより、電圧ベクトルが図１１のＶ２（０＋，１，−１）となるように、インバータ１１において、コイル９２２に接続される配線に電圧を与えるスイッチングパターンが選択される。範囲Ｒ（３）に位置する磁束ベクトルの終端は、図１１中のＶ２の方向に移動し、トルクが減少し、磁束が増加する。

以上のようにしてスイッチングパターン選択部３３にてインバータ１１のスイッチングパターンが選択されることにより、トルクおよび磁束が制御され、算出トルクＴおよび算出磁束ψが参照トルクＴ^＊および参照磁束ψ^＊に追従するように、ＳＲＭ９の制御が行われる。例えば、参照磁束算出部３２３では、参照磁束ψ^＊は、磁束ベクトルの終端の軌跡である磁束軌跡が円を描くように求められる。強制励磁オフ部２３１が機能する際には、実際の磁束軌跡は、円形ではなくなる。もちろん、参照磁束算出部３２３に設定される磁束軌跡は円形には限定されない。

図１０のスイッチング制御部１３では、スイッチングパターン選択部３３に、強制励磁オフ部２３１と、最小磁束維持部２３３とが順に接続される。最小磁束維持部２３３はインバータ１１に接続される。図１０では、強制励磁オフ部２３１および最小磁束維持部２３３は、３相まとめて１つのブロックにて示している。強制励磁オフ部２３１および最小磁束維持部２３３の機能は、スイッチングパターン選択部３３からの信号に対して修正を加えるという点を除いて、図４を参照して説明したものと同様である。

すなわち、強制励磁オフ部２３１は、ＳＲＭ９の算出トルクまたは参照トルクが正のときに、各相において、少なくともインダクタンスが増加から減少に変化した直後に、励磁を一時的に停止する。最小磁束維持部２３３は、ＳＲＭ９の回転速度が予め定められた速度を超えた状態で、各相の算出相磁束が予め定められた最小値以上となるようにインバータ１１を制御する。各相における制御において、強制励磁オフ部２３１の動作よりも最小磁束維持部２３３の動作が優先される。

また、角度オフセット部２３５は、スイッチングパターン選択部３３および強制励磁オフ部２３１に接続される。角度オフセット部２３５により、図８を参照して行った説明と同様に、回転速度が予め定められた値を超えるときに、各相において、スイッチング制御部１３による励磁を、上述の３番目の角度領域の途中から開始させる。

強制励磁オフ部２３１、最小磁束維持部２３３および角度オフセット部２３５に関して図４を参照して行った説明は全て、図１０のスイッチング制御部１３に適用される。

上記モータコントローラ１では、様々な変形が可能である。

例えば、強制励磁オフ部２３１や最小磁束維持部２３３は、他の制御方式の場合においても採用可能である。

上記実施形態では、ステータ９２を基準に６個のセクタおよび角度領域を設定しているが、ロータ９１の突出部９１１を基準にセクタおよび角度領域が設定され、これらのセクタおよび角度領域に基づいて制御が行われてもよい。突出部９１１の数が４の場合、６個のセクタおよび６個の角度領域は、９０度を６等分して得られる範囲になる。

モータコントローラ１では、上記実施形態にて示したインバータ１１が利用されることが好ましいが、他の構造を有するインバータが利用されてもよい。

ＤＴＣの細部についても適宜変形されてよい。例えば、トルクヒステリシス比較器３１２の出力は３値でもよい。

上記実施形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

本発明の詳細について述べたが、上記実施形態は全てにおいて例示にすぎず、限定解釈されるものではない。したがって、発明の範囲から外れることなく、多数の修正および変形が考えられる。

本発明は、様々な用途のスイッチドリラクタンスモータの制御に利用することができる。

１ モータコントローラ
９ スイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）
１１ インバータ
１３ スイッチング制御部
１２１ トルク演算部
１２２ 磁束演算部
２３１ 強制励磁オフ部
２３３ 最小磁束維持部

Claims (3)

1. ３相集中巻きのスイッチドリラクタンスモータに接続されるインバータと、
   前記インバータからの出力および前記スイッチドリラクタンスモータのロータ角に基づいて、前記スイッチドリラクタンスモータにて発生するトルクを、算出トルクとして推定または測定するトルク演算部と、
   前記インバータからの出力および前記スイッチドリラクタンスモータのロータ角に基づいて、前記スイッチドリラクタンスモータにて発生する各相の相磁束を、算出相磁束として推定または測定する磁束演算部と、
   トルクの指令値である参照トルクおよび前記算出トルクを少なくとも用いて、前記インバータを制御するスイッチング制御部と、
   を備え、
   前記スイッチング制御部は、
   前記スイッチドリラクタンスモータの回転速度が予め定められた速度を超えた状態で、各相の算出相磁束が予め定められた最小値以上となるように前記インバータを制御する最小磁束維持部、
   を備える、スイッチドリラクタンスモータを制御するモータコントローラ。
2. 前記予め定められた最小値は、前記スイッチドリラクタンスモータの回転速度が大きいほど大きい、請求項１に記載のモータコントローラ。
3. 前記スイッチング制御部は、
   前記スイッチドリラクタンスモータの算出トルクまたは参照トルクが正のときに、各相において、少なくともインダクタンスが増加から減少に変化した直後に、励磁を一時的に停止する強制励磁オフ部、
   をさらに備え、
   各相における制御において、前記強制励磁オフ部の動作よりも前記最小磁束維持部の動作が優先される、請求項２に記載のモータコントローラ。

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