JP2019047573A - 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回生時に効率低下を抑制しつつ振動および騒音を低減させること。【解決手段】スイッチトリラクタンスモータの制御装置において、回生領域で印加する負電圧を式（１）に基づいて算出し（ステップＳ２）、回転数とトルクに基づいて、回生領域で負電圧を印加し始める励磁終了角と、該励磁終了角での電流値である最大電流値とを決定し（ステップＳ８）、励磁終了角と最大電流値に基づいてスイッチトリラクタンスモータで発生する磁束を推定し（ステップＳ９）、推定した磁束を用いて、回生領域で正電圧を印加し始める励磁開始角を決定する（ステップＳ１１）。【選択図】図５

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。

特許文献１には、スイッチトリラクタンスモータの回生制動時に、制動トルクが一定になるよう電流値をモータ回転数とモータトルクに応じて制御することが開示されている。

特開２００７−２３６１３５号公報

特許文献１に記載の構成では、回生制動時に電流を制御しているものの、電圧の制御については考慮されていない。具体的には、電圧、回転数、トルクから成り行きで複数回のスイッチングを行うか否かが決定してしまうため、回生制動時に複数回のスイッチングを行いスイッチング損失が大きくなる虞がある。

さらに、スイッチトリラクタンスモータでは、効率だけではなく、振動と騒音を低減することも考慮されることが望まれる。特に、スイッチトリラクタンスモータの回生時については考慮しきれていない。

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回生時に効率低下を抑制しつつ振動および騒音を低減させ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。

本発明は、突極構造のステータと、突極構造のロータとを有し、三相のコイルに励磁電流が流れることによって駆動するスイッチトリラクタンスモータの制御装置において、スイッチトリラクタンスモータの回生領域において印加する負電圧を下式（１）に基づいて算出する手段と、スイッチトリラクタンスモータの回転数とトルクに基づいて、回生領域で負電圧を印加し始める位相である励磁終了角と、励磁終了角での電流値である最大電流値とを決定する手段と、励磁終了角と最大電流値に基づいて、スイッチトリラクタンスモータで発生する磁束を推定する手段と、推定した磁束を用いて、回生領域で正電圧を印加し始める位相である励磁開始角を決定する手段とを備えることを特徴とする。

ただし、式（１）において、Ｅは電圧、Ｒは抵抗値、ｉは電流、ωは回転数、θは位相、Ｌはインダクタンスである。

本発明によれば、スイッチトリラクタンスモータの回生領域において電流の変化が緩やかになるため、起振力の変化が緩やかになり、回生時に振動および騒音を低減可能である。さらに、インバータのスイッチング回数を減少できるのでスイッチング損失を低減でき、回生時の高効率化を図ることが可能である。

図１は、実施形態のシステム構成を模式的に示す図である。 図２は、スイッチトリラクタンスモータの構成を模式的に示す図である。 図３は、インバータ回路例を示す回路図である。 図４は、図３に示す三相のコイルのうち、いずれか一相のコイルを含む閉回路を模式的に示す回路図である。 図５は、回生制御フローを示すフローチャートである。 図６（ａ）は、電流波形の一部を模式的に示す図である。図６（ｂ）は、磁束を推定する際に用いるマップを模式的に示す図である。 図７は、回生制御時の電圧波形および電流波形を示す図である。 図８は、適用車両の一例を示すスケルトン図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータの制御装置について具体的に説明する。

[１．システム構成]
図１は、実施形態のシステム構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態のシステム構成は、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、印加電圧調整器３と、バッテリ４と、制御部１００とを含む構成である。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を含む。

ＳＲモータ１は、インバータ２および印加電圧調整器３を介してバッテリ４と電気的に接続され、インバータ２とは三相のコイル１２を介して電気的に接続されている。その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に励磁電流が流れることによって駆動する。さらに、ＳＲモータ１は、電動機としてだけではなく、発電機としても機能する。

図２に示すように、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。ステータ１０は、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、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、図示しないロータ軸と一体回転する回転子であり、ステータ１０の径方向内側に配置され、環状構造の外周部には突極としてのロータ歯２１を複数備えている。そして、図２に示すＳＲモータ１は、十八極のステータ１０と、十二極のロータ２０とを備える三相電動機である。

また、三相のＳＲモータ１には、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、が含まれる。

インバータ２は、三相の電流をコイル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。つまり、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１２に対して、相ごとに電流を流す。図３に示すように、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複数のダイオードおよびトランジスタと、一つのコンデンサＣｏと、を備えている。詳細には、Ａ相の回路において、二つのトランジスタＴｒａ１，Ｔｒａ２と、四つのダイオードＤａ１，Ｄａ２，Ｄａ３，Ｄａ４とを備えている。また、Ｂ相の回路において、二つのトランジスタＴｒｂ１，Ｔｒｂ２と、四つのダイオードＤｂ１，Ｄｂ２，Ｄｂ３，Ｄｂ４とを備えている。さらに、Ｃ相の回路において、二つのトランジスタＴｒｃ１，Ｔｒｃ２と、四つのダイオードＤｃ１，Ｄｃ２，Ｄｃ３，Ｄｃ４とを備えている。

印加電圧調整器３は、インバータ２とバッテリ４との間に設けられており、ＳＲモータ１に印加する電圧を降圧するものである。印加電圧調整器３は、例えば降圧コンバータによって構成されている。

制御部１００は、ＳＲモータ１を駆動制御する電子制御装置（ＥＣＵ）によって構成される。その制御部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処理部とを備える。また、制御部１００には、ＳＲモータ１の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。演算処理部は、そのレゾルバ信号に基づいてＳＲモータ１の回転数（モータ回転数）を演算するなど、モータ制御のための演算処理を行う。そして、演算処理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。

例えば、制御部１００は、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。この制御において制御部１００は、ある相のコイル１２に励磁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。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励磁電流を制御する。

［２．回生制御］
制御部１００は、ＳＲモータ１が発電機として機能する回生制御時に、ＳＲモータ１の回転数とトルクに応じて適切な電圧を決定し、必要な電流値や励磁終了角から適切な励磁開始角を選定する。具体的には、ＳＲモータ１での回生時に電流値の変化が少なくなるよう、制御部１００はＳＲモータ１の抵抗値、回転数、位相に応じて、印加する電圧を適切な大きさに制御する。加えて、回生時の励磁条件（励磁開始角、励磁終了角、最大電流値）についても、インバータ２のスイッチング回数が減少し、電流値の変化が少なくなるよう、制御部１００はＳＲモータ１の回転数、トルクに応じて適切な励磁条件を選定する。なお、この説明において、励磁開始角θ_ｏｎは回生領域において正電圧を印加し始める位相、励磁終了角θ_ｏｆｆは回生領域において負電圧を印加し始める位相、最大電流値Ｉ_ｒｅｆは回生領域における励磁電流の最大値である。

［２−１．電圧制御］
図４を参照して、回生制御時に印加する電圧値の算出方法について説明する。図４は、図３に示す三相のコイル１２のうち、いずれか一相のコイルを含む閉回路を模式的に示す回路図である。なお、説明の便宜上、図４には一相のコイルを含む閉回路のみ記載されているが、図４に示す閉回路は三相のコイル１２のうち、どの相についても成り立つ閉回路である。

図４に示す閉回路における電圧は、下式（２）のように表される。

上式（２）において、Ｅは電圧（起電力）、Ｒは抵抗値、ｉは電流、ｅは誘導起電力、Ｌはコイル１２のインダクタンス、ωは回転数、θは位相である。

そして、上式（２）を電流の時間変化を表す式に変形することができる。電流の時間変化を表す式は、下式（３）のように表される。

上式（３）において、電流値を一定の値に保つ場合には、右辺がゼロになる。この際の電圧Ｅは、上式（３）の右辺を変形して下式（４）のように表すことができる。

上式（４）において、電圧Ｅは、電流ｉ、回転数ω、位相θの関数となる。なお、上式（４）において抵抗値Ｒは一定の値である。このように、制御部１００は上式（４）に基づいて算出した電圧を、回生領域において印加する負電圧に決定することができる。

[２−２．回生制御フロー]
図５は、回生制御フローを示すフローチャートである。なお、図５に示す制御フローは制御部１００によって実施される。

制御部１００は、ＳＲモータ１の回生時における電圧および励磁条件を決定するために用いる各種情報を読み込む（ステップＳ１）。この各種情報には、ＳＲモータ１の位相、アクセル開度、車両状態が含まれる。さらに、ステップＳ１の処理では、情報の読み込みに加え、読み込んだ情報を用いて演算を行う。具体的には、制御部１００は、位相に基づいてＳＲモータ１の回転数を演算し、アクセル開度に基づいて要求トルクに対応したＳＲモータ１の指令トルクを導出し、車両状態に基づいてバッテリ４で使用可能な許容電圧範囲を演算する。許容電圧範囲は下限値Ｅ１から上限値Ｅ２までの範囲であり、例えばバッテリ４の充電容量（ＳＯＣ）や温度特性などに基づいて定まる。

また、制御部１００はステップＳ１の処理で読込まれた情報に基づいて、ＳＲモータ１の回生時に印加する必要がある電圧（必要電圧）Ｅａを演算する（ステップＳ２）。必要電圧Ｅａは上式（４）を用いて演算される。

そして、制御部１００は必要電圧Ｅａが許容電圧範囲内の電圧であるか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３の処理では、必要電圧Ｅａが許容電圧範囲の下限値Ｅ１以上かつ上限値Ｅ２以下であるか否かが判定される。

必要電圧Ｅａが許容電圧範囲内の電圧であることによりステップＳ３で肯定的に判定された場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、制御部１００は回生領域において印加する電圧を必要電圧Ｅａに決定する（ステップＳ４）。

必要電圧Ｅａが許容電圧範囲内の電圧ではないことによりステップＳ３で否定的に判定された場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、制御部１００は必要電圧Ｅａが許容電圧範囲の下限値Ｅ１よりも低いか否かを判定する（ステップＳ５）。

必要電圧Ｅａが許容電圧範囲の下限値Ｅ１よりも低いことによりステップＳ５で肯定的に判定された場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、制御部１００は回生領域において印加する電圧を許容電圧範囲の下限値Ｅ１に決定する（ステップＳ６）。

必要電圧Ｅａが許容電圧範囲の下限値Ｅ１よりも低くないことによりステップＳ５で否定的に判定された場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、必要電圧Ｅａが許容電圧範囲を上回るため、制御部１００は回生領域において印加する電圧を許容電圧範囲の上限値Ｅ２に決定する（ステップＳ７）。

そして、制御部１００は、ＳＲモータ１の回転数とトルク（指令トルク）に基づいて、回生領域における励磁終了角θ_ｏｆｆを決定する（ステップＳ８）。ステップＳ８の処理では、励磁終了角θ_ｏｆｆに加えて、励磁終了角θ_ｏｆｆでの電流値（以下「最大電流値」という）Ｉ_ｒｅｆを決定する。この最大電流値Ｉ_ｒｅｆは、ステップＳ１の処理で演算されたＳＲモータ１の回転数とトルク（指令トルク）に基づいて決定される。

また、制御部１００は、励磁終了角θ_ｏｆｆと最大電流値Ｉ_ｒｅｆとに基づいて磁束φを推定する（ステップＳ９）。

ここで、磁束φは、下式（５）に示す理論式（ファラデーの法則を表す式）に基づいて、下式（６）のように表すことができる。

上式（５），（６）において、ｖは電圧（誘導起電力）、φは磁束、ｉは電流、θは位相、ｔは時間である。

ステップＳ９の処理を実施する際、ステップＳ８の処理で最大電流値Ｉ_ｒｅｆと励磁終了角θ_ｏｆｆとが既に決定している。この最大電流値Ｉ_ｒｅｆと励磁終了角θ_ｏｆｆとの関係は、図６（ａ）に示す電流波形のように表される。そして、上式（６）に示すように、磁束φは電流ｉと位相θの関数である。そのため、制御部１００は、最大電流値Ｉ_ｒｅｆと励磁終了角θ_ｏｆｆと図６（ｂ）に示すマップとを用いて磁束φを推定することができる。図６（ｂ）に示すマップは、横軸が電流ｉ、縦軸が磁束φであり、同じ電流を励磁しても位相θが異なれば発生する磁束φの大きさが異なることを表している。そのため、図６（ｂ）に示すマップ上には、電流ｉと磁束φとの対応関係を表す線が位相θごとに複数本存在する。具体的には、電流ｉが同じ場合、図６（ｂ）に「対向」と記載された側（実線で記載）の位相θにおける磁束φは、図６（ｂ）に「非対向」と記載された側（破線で記載）の位相θにおける磁束φよりも大きくなる。「対向」とは、ロータ歯２１とステータ歯１１とが径方向に対向することを意味する。「非対向」とは、ロータ歯２１とステータ歯１１とが径方向に対向していないことを意味する。例えば、対向から非対向に向けて位相θが変化すると、電流値が一定であっても、発生する磁束は減少する。

また、制御部１００は、推定した磁束φに基づいて位相差ｄθを推定する（ステップＳ１０）。上述したステップＳ９の処理において図６（ｂ）に示すマップを用いた磁束φの推定が行われたことにより、ステップＳ１０の処理では位相差ｄθを推定することができる。この推定された位相差ｄθは、励磁開始角θ_ｏｎと励磁終了角θ_ｏｆｆとの差を表すものである。また、制御部１００は位相差ｄθを求める際に、推定された磁束φと、上式（６）とを用いてもよい。

そして、制御部１００は、ステップＳ８で決定した励磁終了角θ_ｏｆｆと、ステップＳ９で推定した位相差ｄθとに基づいて、回生領域における励磁開始角θ_ｏｎを決定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１の処理では励磁終了角θ_ｏｆｆから位相差ｄθを引いて励磁開始角θ_ｏｎを求める。このステップＳ１１の処理を実施すると、この制御ルーチンは終了する。

上述した図５に示す制御フローのように、制御部１００は、回生時の印加電圧を決定するとともに、回生領域における励磁条件である励磁開始角θ_ｏｎ、励磁終了角θ_ｏｆｆ、最大電流値Ｉ_ｒｅｆを決定することができる。この印加電圧と励磁条件とを用いて制御部１００が回生制御を実施した際の電圧波形および電流波形の一例を図７に示す。

［２−３．電圧波形および電流波形］
図７は、回生制御時の電圧波形および電流波形を示す図である。図７にはインダクタンスの変化が波形状の破線で示されている。なお、インダクタンスの変化方向が減少である場合を回生領域、インダクタンスの変化方向が増加である場合をモータ領域とする。回生領域において、制御部１００は上述した回生制御を実施する。回生制御とは、ある相の閉回路内を電流が流れている状態で負電圧を印加する制御のことをいう。

図７に示すように、制御部１００は励磁開始角θ_ｏｎで正電圧を印加して電流を立ち上げる。この正電圧は上式（４）により求めた電圧の正の値である。また、位相θが変化して励磁開始角θ_ｏｎに到達後、励磁終了角θ_ｏｆｆに到達するまでは正電圧を印加し続ける。これにより、励磁開始角θ_ｏｎから励磁終了角θ_ｏｆｆまでの電圧波形は１パルスの矩形波（正電圧の矩形波）となる。そして、励磁終了角θ_ｏｆｆに到達すると、制御部１００は負電圧を印加する。この負電圧は上式（４）により求めた電圧の負の値である。励磁終了角θ_ｏｆｆで負電圧を印加すると電流は最大電流値Ｉ_ｒｅｆを超えない。このように閉回路内を電流が流れている状態で負電圧を印加することにより回生が実施される。また、励磁終了角θ_ｏｆｆに到達した後も負電圧を印加し続ける。これにより、励磁終了角θ_ｏｆｆから電流値がゼロになるまでの電圧波形は１パルスの矩形波（負電圧の矩形波）となる。さらに、上式（４）により求めた負電圧は理論上、電流を一定に保つ値となるため、図７に示すように、励磁終了角θ_ｏｆｆ後の電流は緩やかに変化する状態となる。そして、電流値が減少してゼロになると回生が終了する。

以上のように、ＳＲモータ１の制御装置によれば、回生時に、ＳＲモータ１の抵抗値、回転数、位相に応じた電圧に制御するので、回生領域における電流の変化が緩やかになる。そのため、回生時に起振力（ラジアル力、トルクリプル）の変化を緩やかにすることができる。これにより、回生制御時にＳＲモータ１の振動および騒音を低減することも可能である。加えて、回生時にモータ損失を低減でき、高効率化を図れる。さらに、回生制御によるインバータ２のスイッチング回数を減少させてスイッチング損失を低減できるので高効率化を図れる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

例えば、上述した印加電圧調整器３に代えて、ＳＲモータ１に印加する電圧を昇圧する昇圧部（昇圧コンバータ）を設けてもよい。

また、上述したＳＲモータ１の制御部１００は、各種の車両に適用することが可能である。その適用可能な車両の一例を図８に示す。図８に示す車両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にそれぞれ一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。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４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、左右の後輪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（エンジン用ＥＣＵ）と、が含まれる。この場合、エンジン用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。

さらに、ＳＲモータ１の制御部１００を適用可能な車両は、上述した図８に示す車両例（以下「適用例１」という）に限定されない。例えば、ＳＲモータ１の制御部１００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の制御部１００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の制御部１００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 印加電圧調整器
４ 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. 突極構造のステータと、突極構造のロータとを有し、三相のコイルに励磁電流が流れることによって駆動するスイッチトリラクタンスモータの制御装置において、
   前記スイッチトリラクタンスモータの回生領域において印加する負電圧を下式（１）に基づいて算出する手段と、
   前記スイッチトリラクタンスモータの回転数とトルクに基づいて、前記回生領域で前記負電圧を印加し始める位相である励磁終了角と、該励磁終了角での電流値である最大電流値とを決定する手段と、
   前記励磁終了角と前記最大電流値に基づいて、前記スイッチトリラクタンスモータで発生する磁束を推定する手段と、
   推定した前記磁束を用いて、前記回生領域で正電圧を印加し始める位相である励磁開始角を決定する手段と
   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。
   

   

   ただし、式（１）において、Ｅは電圧、Ｒは抵抗値、ｉは電流、ωは回転数、θは位相、Ｌはインダクタンスである。

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