JP2018107843A - スイッチトリラクタンスモータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチトリラクタンスモータの振動を抑制しつつ、スイッチトリラクタンスモータのトルク出力期間を延長することができる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。
【解決手段】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ロータ回転角度が励磁開始角となった以降の所定期間では、前記コイルへの印加電圧を正電圧に切り替え、前記ロータ回転角度が転流角となった以降の０電圧期間Ｔ_１では、前記コイルへの印加電圧を０電圧に切り替え、前記０電圧期間Ｔ_１以降の所定期間では、前記コイルへの印加電圧を負電圧に切り替え、前記０電圧期間Ｔ_１を、Ｔ_１＝Ｔ×（０．５＋ｎ）により決定する（但し、０≦ｎ＜（ロータ１回転当たりの時間［ｍｓ］／ロータ極数−スイッチトリラクタンスモータの固有振動周期Ｔ［ｍｓ］／２）／Ｔ［ｍｓ］）。
【選択図】図２

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。

互いに対向する複数の突極を各々備えたステータおよびロータと、ステータの突極に巻回されたコイルとを備え、ステータとロータのそれぞれの突極間に発生させた磁気吸引力によってロータを回転させるスイッチトリラクタンスモータが知られている。

このようなスイッチトリラクタンスモータでは、ロータ回転角度に応じてコイルへの印加電圧を正電圧から０電圧へ、あるいは０電圧から負電圧へと切り替える駆動制御が行われるが、このように電圧を切り替えると、スイッチトリラクタンスモータの固有振動周期に応じた振動が発生する。

そこで、特許文献１では、スイッチトリラクタンスモータを用いた産業機械において、コイルの印加電圧を正電圧から負電圧へと切り替える間に設けられる０電圧期間（還流期間）を、スイッチトリラクタンスモータの固有振動周期の半周期分とすることにより、前記した振動に対して逆位相の振動を発生させ、振動抑制を図っている。

なお、０電圧期間では、スイッチトリラクタンスモータに通電する電流が徐々に小さくなるのに対して、負電圧期間では、０電圧期間よりも電流減少の勾配が急峻となる。そこで、特許文献１では、電流が０（スイッチトリラクタンスモータの出力トルクが０）になった際に負電圧期間を終了させて０電圧に切り替えている。

特開２０１５−１９８５０２号公報

ここで、スイッチトリラクタンスモータを車両に用いた場合、産業機械に用いた場合とは異なり、ロータ回転数が一定ではなく、低回転から高回転まで幅広い回転数に変化する。そして、ロータ回転数が低回転の場合は、高回転の場合と比較して、スイッチトリラクタンスモータの進角が遅くなる。そのため、前記した特許文献１のように、０電圧期間をスイッチトリラクタンスモータの固有振動周期の半周期分に設定し、０電圧期間経過後に負電圧に切り替えた場合、振動は抑制できるものの、電流が０まで急激に減少し、それに伴いスイッチトリラクタンスモータの出力トルクも急激に０になってしまう。すなわち、特許文献１で開示された技術では、振動は抑制できるものの、スイッチトリラクタンスがトルクを出力できる期間（以下、「トルク出力期間」という）が短くなってしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スイッチトリラクタンスモータの振動を抑制しつつ、スイッチトリラクタンスモータのトルク出力期間を延長することができる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。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置は、三相のコイルを備えるスイッチトリラクタンスモータの制御装置において、前記制御装置は、前記スイッチトリラクタンスモータのロータ回転角度が励磁開始角となった以降の所定期間では、前記コイルへの印加電圧を正電圧に切り替え、前記ロータ回転角度が転流角となった以降の０電圧期間Ｔ_１では、前記コイルへの印加電圧を０電圧に切り替え、前記０電圧期間Ｔ_１以降の所定期間では、前記コイルへの印加電圧を負電圧に切り替え、前記０電圧期間Ｔ_１を、下記式（１）により決定することを特徴とする。
Ｔ_１＝Ｔ×（０．５＋ｎ） ・・・式（１）
但し、０≦ｎ＜（ロータ１回転当たりの時間［ｍｓ］／ロータ極数−スイッチトリラクタンスモータの固有振動周期Ｔ［ｍｓ］／２）／Ｔ［ｍｓ］

これにより、スイッチトリラクタンスモータの制御装置は、ロータ回転数が低回転になり、ロータ１回転当たりの時間が長くなるほど、ｎが大きくなり、０電圧期間Ｔ_１が長くなる。従って、０電圧期間をスイッチトリラクタンスモータの固有振動周期の半周期分に設定し、０電圧期間経過後に負電圧に切り替える場合と比較して、電流減少の勾配が緩やかになるため、スイッチトリラクタンスモータのトルク出力期間が長くなる。さらに、式（１）において、ｎにスイッチトリラクタンスモータの固有振動周期の半周期分を加えて０電圧期間Ｔ_１を求めているため、電圧切り替え時に発生する振動に対して逆位相の振動を発生させ、振動を抑制することができる。

本発明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、ロータ回転数が低回転になるほど０電圧期間Ｔ_１を延長することにより、スイッチトリラクタンスモータの振動を抑制しつつ、スイッチトリラクタンスモータのトルク出力期間を延長することができる。

図１は、本発明の実施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を模式的に示す図である。 図２は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置による駆動制御方法を示すフローチャートである。 図３は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置による駆動制御方法によって駆動制御を行った際のスイッチトリラクタンスモータの状態を示すタイムチャートである。 図４は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置を適用した車両を示すスケルトン図である。

本発明に係る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、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

[システム構成]
本実施形態のシステム構成は、図１に示すように、スイッチトリラクタンスモータ（以下、「ＳＲモータ」という）１と、インバータ２と、バッテリ３と、制御部１００と、を含んでいる。本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置は、少なくともインバータ２および制御部１００を含んで構成される。

ＳＲモータ１は、回転子に永久磁石を使用しない電動機であり、三相のコイル１２に励磁電流（以下、「電流」という）が流れることによって駆動する。ＳＲモータ１は、突極構造のステータ１０と、突極構造のロータ２０と、を備えている。なお、同図では、ＳＲモータ１として、６極のステータ１０および４極のロータ２０を備える三相誘導電動機を一例として示しているが、ステータ１０およびロータ２０の極数は同図に示すものに限定されない。例えばステータ１０およびロータ２０の極数は、それぞれ「１２極／８極」、「１８極／１２極」、「２４極／１６極」等であってもよい。

三相交流式であるＳＲモータ１は、一対のステータ歯１１およびコイル１２ａにより構成されるＡ相（Ｕ相）と、一対のステータ歯１１およびコイル１２ｂにより構成されるＢ相（Ｖ相）と、一対のステータ歯１１およびコイル１２ｃにより構成されるＣ相（Ｗ相）と、を含んでいる。

ステータ１０は、図１に示すように、環状構造の内周部に、突極としてのステータ歯１１を複数備えている。各ステータ歯１１には、インバータ２に接続されたコイル１２が巻回されている。

ロータ２０は、ステータ１０の径方向内側に配置されており、環状構造の外周部に、突極としてのロータ歯２１を複数備えている。なお、ロータ２０は、図示しないロータ軸と一体回転するように構成されている。

インバータ２は、三相交流をコイル１２に通電できるように複数のスイッチング素子を備えた電気回路（インバータ回路）によって構成されている。インバータ２は、インバータ回路に接続されたそれぞれのコイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃに対して、相ごとに電流を流す。

インバータ２を構成するインバータ回路は、相ごとに設けられた２つのトランジスタおよび２つのダイオードと、１つのコンデンサＣｏと、を備えている。そして、インバータ２は、各相において、複数のトランジスタを同時にオンまたはオフにすることにより、コイル１２に流れる電流値を変更する。

インバータ２は、Ａ相のコイル１２ａの周辺に、トランジスタＴｒａ１，Ｔｒａ２と、ダイオードＤａ１，Ｄａ２と、を備えている。また、インバータ２は、Ｂ相のコイル１２ｂの周辺に、トランジスタＴｒｂ１，Ｔｒｂ２と、ダイオードＤｂ１，Ｄｂ２と、を備えている。また、インバータ２は、Ｃ相のコイル１２ｃの周辺に、トランジスタＴｒｃ１，Ｔｒｃ２と、ダイオードＤｃ１，Ｄｃ２と、を備えている。

制御部１００は、ＳＲモータ１を駆動制御する電子制御装置（ＥＣＵ）である。制御部１００は、ＣＰＵと、各種プログラム等のデータが格納された記憶部と、ＳＲモータ１を駆動制御するための各種の演算を行う演算部と、を備えている。そして、演算部における演算の結果、インバータ２を制御するための指令信号が、制御部１００からインバータ２に出力される。このように、制御部１００は、インバータ２を制御することにより、ＳＲモータ１に印加する電圧および電流を制御する。

制御部１００には、ＳＲモータ１のロータ回転数を検出する回転数センサ５１からレゾルバ信号が入力される。制御部１００は、当該レゾルバ信号から、回転方向におけるステータ歯１１とロータ歯２１との相対的な位置関係に基づいて、通電対象となるコイル１２の切り替えを相ごとに繰り返す制御を実行する。そして、制御部１００は、この制御において、ある相のコイル１２に電流を流してステータ歯１１を励磁させ、ステータ歯１１と、そのステータ歯１１の近くのロータ歯２１との間に磁気吸引力を発生させることにより、ロータ２０を回転させる。

[駆動制御方法]
以下、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置による駆動制御方法の第１実施形態について、図２および図３を参照しながら説明する。

まず、制御部１００は、ＳＲモータ１の駆動制御に用いる各種情報を読み込む（ステップＳ１）。前記した「各種情報」とは、例えば回転数センサ５１から入力されるレゾルバ信号、ＳＲモータ１の要求トルクおよびＳＲモータ１から読み込んだ電圧等が挙げられる。

続いて、制御部１００は、回転数センサ５１のレゾルバ信号に基づいてＳＲモータ１のロータ回転数を演算する（ステップＳ２）。続いて、制御部１００は、要求トルクに応じたモータトルク指令値を導出する（ステップＳ３）。

続いて、制御部１００は、０電圧期間（還流期間）Ｔ_１を決定する（ステップＳ４）。ここで、制御部１００は、図３に示す要因、ＳＲモータ１の駆動制御の際に正電圧モード、還流モードおよび負電圧モードを実行する。なお、同図は、駆動制御時におけるＳＲモータ１の状態を示すタイムチャートであり、横軸はロータ回転角度、縦軸はコイル１２に印加する電圧および電流、ＳＲモータ１に発生するラジアル力および振動である。

正電圧モードとは、図３に示すように、コイル１２への印加電圧を正電圧に切り替える（コイル１２に正電圧を印加する）モードである。この正電圧モードは、同図に示すように、ＳＲモータ１のロータ回転角度がＯＮ角（励磁開始角）となった以降の所定期間に実行される。

還流モードとは、図３に示すように、コイル１２への印加電圧を０電圧に切り替える（コイル１２への印加電圧を０にする）モードである。この還流モードは、同図に示すように、正電圧モードの実行後の所定期間Ｔ_０や、ＳＲモータ１のロータ回転角度が転流角となった以降の所定期間Ｔ_１に実行される。なお、このように還流モードが実行される所定期間Ｔ_０，Ｔ_１のことを、本実施形態では「０電圧期間Ｔ_０，Ｔ_１」と定義する。

負電圧モードとは、図３に示すように、コイル１２への印加電圧を負圧に切り替える（コイル１２に負電圧を印加する）モードである。この負電圧モードは、同図に示すように、ＳＲモータ１のロータ回転角度がＯＦＦ角（励磁終了角）となった以降、すなわち同図に示す０電圧期間Ｔ_１以降の所定期間に実行される。

ステップＳ４において、制御部１００は、図３に示す０電圧期間Ｔ_１を、下記式（１）により決定する。
Ｔ_１＝Ｔ×（０．５＋ｎ） ・・・式（１）
但し、０≦ｎ＜（ロータ１回転当たりの時間［ｍｓ］／ロータ極数−スイッチトリラクタンスモータの固有振動周期Ｔ［ｍｓ］／２）／Ｔ［ｍｓ］

なお、ステップＳ４では、図３に示した０電圧期間Ｔ_０，Ｔ_１のうち、転流角以降かつ負電圧モード直前の０電圧期間Ｔ_１のみを上記式（１）によって決定し、転流角以前の０電圧期間Ｔ_０については、従来（例えば特許文献１参照）と同様の方法により予め決定される。

続いて、制御部１００は、励磁条件を決定する（ステップＳ５）。この励磁条件としては、例えば図３に示すような、ＯＮ角（励磁開始角）、ＯＦＦ角（励磁終了角）、転流角、最大電流値Ｉ_ｍａｘ等が挙げられる。制御部１００は、ＳＲモータ１の電圧、ロータ回転数、モータトルク指令値に応じて、予め設定されたマップにより励磁条件を決定する。

続いて、制御部１００は、コイル１２に流れている各相の電流（瞬時電流）と、ロータ２０の回転位相（ロータ回転角度）とを読み込む（ステップＳ６）。本ステップにおいて、制御部１００は、図示しない電流センサからの検出信号に基づいて、ある相のコイル１２に実際に流れている電流を読み込む。また、制御部１００は、回転数センサ５１のレゾルバ信号に基づいてロータ２０の回転位相を検出する。

続いて、制御部１００は、ロータ２０の回転位相に基づいて、励磁区間内であるか否かを判定する（ステップＳ７）。ここで、前記した「励磁区間」とは、図３に示すように、ＯＮ角（励磁開始角）からＯＦＦ角（励磁終了角）までの回転角度範囲（励磁幅）のことを示している。

制御部１００は、励磁区間内であると判定した場合（ステップＳ７でＹｅｓ）、電流Ｉが最大電流値Ｉ_ｍａｘよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ８）。制御部１００は、電流Ｉが最大電流値Ｉ_ｍａｘよりも小さいと判定した場合（ステップＳ８でＹｅｓ）、コイル１２に正電圧を印加する「正電圧モード」を実行し（ステップＳ９）、処理を終了する。一方、制御部１００は、電流Ｉが最大電流値Ｉ_ｍａｘ以上であると判定した場合（ステップＳ８でＮｏ）、コイル１２に印加する電圧を０にする「還流モード」を実行し（ステップＳ１０）、処理を終了する。

制御部１００は、励磁区間内ではないと判定した場合（ステップＳ７でＮｏ）、電流Ｉが０とほぼ等しいか否かを判定する（ステップＳ１１）。制御部１００は、電流Ｉが０とほぼ等しいと判定した場合（ステップＳ１１でＹｅｓ）、コイル１２に印加する電圧を０にする「還流モード」を実行し（ステップＳ１２）、処理を終了する。一方、制御部１００は、電流Ｉが０とほぼ等しくないと判定した場合（ステップＳ１１でＮｏ）コイル１２に負電圧を印加する「負電圧モード」を実行し（ステップＳ１３）、ステップＳ１１の判定処理に戻る。

以上のように、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置は、上記式（１）によって０電圧期間Ｔ_１を決定することにより、ロータ回転数が低回転になり、ロータ１回転当たりの時間が長くなるほど、ｎが大きくなり、０電圧期間Ｔ_１が長くなる。従って、例えば特許文献１に示すように、０電圧期間Ｔ_１をＳＲモータの固有振動周期の半周期分に設定し、０電圧期間経過後に負電圧に切り替える場合と比較して、電流減少の勾配が緩やかになるため、ＳＲモータ１のトルク出力期間が長くなる。

さらに、ＳＲモータ１の制御装置によれば、上記式（１）において、ｎにＳＲモータ１の固有振動周期の半周期分を加えて０電圧期間Ｔ_１を求めているため、図３に示すように、電圧切り替え時に発生する振動（波形ａ_１参照）に対して逆位相の振動（波形ａ_２参照）を発生させ、振動を抑制することができる（波形ａ_１＋ａ_２参照）。なお、同図において、波形ａ_１は転流時に発生する振動、波形ａ_２は負電圧印加時に発生する振動である。

また、特許文献１を始めとする従来の技術では、０電圧期間が一定値（ＳＲモータの固有振動周期の半周期分）に固定されていたが、ＳＲモータ１の制御装置によれば、ロータ回転数に応じて０電圧期間Ｔ_１を変化させることができ、負電圧モード直前の０電圧期間Ｔ_１を、ロータ回転数に応じて延長することができる。従って、スイッチング低減によって効率を向上させることができ、かつ無駄な起振力変化を抑制することができる。

[適用例]
以下、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置を適用した車両について、図４を参照しながら説明する。同図に示した車両２００は、エンジン２０１と、車輪２０２と、変速機（Ｔ／Ｍ）２０３と、デファレンシャルギヤ２０４と、駆動軸２０５と、走行用動力源としてのＳＲモータ（ＳＲＭ）１と、を備えている。車両２００は、四輪駆動車であり、エンジン２０１が左右の前輪２０２ＦＬ，２０２ＦＲを駆動し、リヤモータであるＳＲモータ１が左右の後輪２０２ＲＬ，２０２ＲＲを駆動する。

ＳＲモータ１は、いわゆるインホイールモータであり、左右の後輪２０２ＲＬ，２０２ＲＲにそれぞれ１つずつ設けられている。車両２００のリヤ側駆動装置では、左後輪２０２ＲＬには左後ＳＲモータ１ＲＬが接続され、かつ右後輪２０２ＲＲには右後ＳＲモータ１ＲＲが接続されている。左右の後輪２０２ＲＬ，２０２ＲＲは、互いに独立して回転可能である。

左後輪２０２ＲＬは、左後ＳＲモータ１ＲＬの出力トルク（モータトルク）によって駆動される。また、右後輪２０２ＲＲは、右後ＳＲモータ１ＲＲの出力トルク（モータトルク）によって駆動される。

左後ＳＲモータ１ＲＬおよび右後ＳＲモータ１ＲＲは、インバータ２を介してバッテリ（Ｂ）４に接続されている。また、左後ＳＲモータ１ＲＬおよび右後ＳＲモータ１ＲＲは、バッテリ３から供給される電力によって電動機として機能するとともに、後輪２０２ＲＬ，２０２ＲＲから伝達されるトルク（外力）を電力に変換する発電機として機能する。なお、インバータ２には、左後ＳＲモータ１ＲＬ用の電気回路と、右後ＳＲモータ１ＲＲ用の電気回路と、が含まれる。

制御部１００は、左後ＳＲモータ１ＲＬおよび右後ＳＲモータ１ＲＲと、エンジン２０１と、を制御する。例えば、制御部１００には、ＳＲモータ用制御部（ＳＲモータ用ＥＣＵ）と、エンジン用制御部（エンジンＥＣＵ）と、が含まれる。この場合、エンジンＥＣＵは、吸気制御、燃料噴射制御、点火制御等によって、エンジン２０１の出力トルクを目標とするトルク値に調節するエンジントルク制御を実行する。また、ＳＲモータ用ＥＣＵは、回転数センサ５１から入力されるレゾルバ信号に基づいて、左後ＳＲモータ１ＲＬおよび右後ＳＲモータ１ＲＲについてのモータ制御を実行する。回転数センサ５１には、左後ＳＲモータ１ＲＬの回転数を検出する左後回転数センサ５１ＲＬと、右後ＳＲモータ１ＲＲの回転数を検出する右後回転数センサ５１ＲＲと、が含まれる。

以上、本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置について、発明を実施するための形態により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

例えば、実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置の適用例は、図４に示したもの（以下、「適用例１」という）に限定されない。例えば、ＳＲモータ１の制御装置の適用例は、適用例１とは異なり、全ての車輪２０２にＳＲモータ１が設けられた構成であってもよい（適用例２）。また、適用例１とは異なり、フロント側駆動装置が設けられていない後輪駆動車であってもよい（適用例３）。

ＳＲモータ１の制御装置の適用例は、適用例１〜３とは異なり、車両２００の走行用動力源がインホイールモータとしてのＳＲモータ１のみである構成であってもよい（適用例４）。また、適用例４とは異なり、ＳＲモータ１がインホイールモータではない構成であってもよい（適用例５）。

ＳＲモータ１の制御装置の適用例は、適用例５とは異なり、フロント側駆動装置として適用例１の構成が搭載されていてもよい（適用例６）。また、適用例３とは異なりリヤ側駆動装置が設けられていない、あるいは適用例４とは異なり駆動装置の配置が前後で逆である構成であってもよい（適用例７）。

１ スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）
２ インバータ
３ バッテリ
１０ ステータ
１１ ステータ歯
１２ コイル
２０ ロータ
２１ ロータ歯
５１ 回転数センサ
１００ 制御部

Claims (1)

1. 三相のコイルを備えるスイッチトリラクタンスモータの制御装置において、
   前記制御装置は、
   前記スイッチトリラクタンスモータのロータ回転角度が励磁開始角となった以降の所定期間では、前記コイルへの印加電圧を正電圧に切り替え、
   前記ロータ回転角度が転流角となった以降の０電圧期間Ｔ_１では、前記コイルへの印加電圧を０電圧に切り替え、
   前記０電圧期間Ｔ_１以降の所定期間では、前記コイルへの印加電圧を負電圧に切り替え、
   前記０電圧期間Ｔ_１を、下記式（１）により決定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装置。
   Ｔ_１＝Ｔ×（０．５＋ｎ） ・・・式（１）
   但し、０≦ｎ＜（ロータ１回転当たりの時間［ｍｓ］／ロータ極数−スイッチトリラクタンスモータの固有振動周期Ｔ［ｍｓ］／２）／Ｔ［ｍｓ］

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