JP2020120433A - モータ制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ところで、このようなスイッチトリラクタンスモータによって負荷を駆動した後、回転しているスイッチトリラクタンスモータの運動エネルギーをバイポーラ方式の通電により回生電流に変換する技術が考案されている。しかしながらこのような技術は、通電パターンの切り替え後も切り替え前の相電流の一部がスイッチトリラクタンスモータに流れてしまうために、トルクリプルが発生してしまい、モータの回転運動のエネルギーを電力に変換する効率である回生効率が低下する場合があった。
図1は、第1の実施形態におけるモータ制御装置2を備えたモータシステム1の概略構成の一例を示す図である。モータシステム1は、モータ制御装置2、SRモータM、及び回転角センサKを備える。モータ制御装置2は、四相のスイッチトリラクタンスモータ(以下「SRモータ」という。)Mを回転駆動する。SRモータMは、例えば、車両の車輪を駆動するモータに用いられる。
図2に示すように、SRモータMは、ロータR及びステータSを備える。
ステータSは、ロータRを外囲するように位置する。また、ステータSは、内側のロータRに向かって8つの突極部SP1〜SP8を有する。
A相巻線La、B相巻線Lb、C相巻線Lc及びD相巻線Ldは、隣り合う巻線の巻き方は逆向きである。
モータ制御装置2は、電源部3、一対の三相インバータ4−1、4−2、電流センサ5及び制御部6を備える。
以下に、第1の実施形態における制御部6の構成について、説明する。
力行駆動時における、駆動制御部14によるA相及びB相に流れる相電流の制御について説明する。
力行駆動時には、駆動制御部14は、三相インバータ4−1において、A相巻線La及びB相巻線Lbを交互に励磁させる2つの通電パターン(力行通電パターン#1及び力行通電パターン#2)でA相及びB相に流れる相電流を制御する。駆動制御部14は、三相インバータ4−1において、力行通電パターン#1、#2の順に通電パターンを切り替えることを繰り返す。また、駆動制御部14は、三相インバータ4−2において、C相巻線Lc及びD相巻線Ldを交互に励磁させる2つの通電パターン(力行通電パターン#1及び#2)でC相及びD相に流れる相電流を制御する。駆動制御部14は、三相インバータ4−2において、力行通電パターン#1、力行通電パターン#2の順に通電パターンを切り替えることを繰り返す。
図3は、実施形態における三相インバータ4−1のスイッチング素子に対する、力行駆動時の通電パターンについて説明する説明図である。
図4は、実施形態における力行通電パターン#1について説明する説明図である。
図4(A)は、スイッチング素子BL及びスイッチング素子NABHが共にオン状態である場合に三相インバータ4−1に流れる電流の流れを説明する説明図である。
駆動制御部14は、力行通電パターン#1において、スイッチング素子BL(下アームスイッチング素子)をオン状態に制御し、スイッチング素子NABH(上アームスイッチング素子)をPWM制御する。これにより、B相巻線Lbに対して正方向に励磁電流として相電流IBが流れる。すなわち、力行通電パターン#1では、B相は通電相であり、B相に対する他方の相であるA相は非通電相である。
なお、正方向とは、A相巻線La又はB相巻線Lbの他端側(中性点側)から一端側へ相電流が流れる方向である。
スイッチング素子NABHがPWM制御されている場合であって、スイッチング素子BLがオン状態であり、スイッチング素子NABHがオフ状態である場合には、B相巻線Lb、スイッチング素子BL、及びスイッチング素子NABLの還流ダイオードで閉ループが形成される。B相巻線Lbを流れる相電流IBは、スイッチング素子BL、スイッチング素子NABLの還流ダイオードを通り、B相巻線Lbに対して正方向に還流する(力行駆動時の還流モード)。これにより、B相巻線Lbの励磁は継続する。
また、スイッチング素子NABHがPWM制御されている場合であって、スイッチング素子BLがオン状態であり、スイッチング素子NABHがオフ状態である場合には、スイッチング素子NABLの還流ダイオード、A相巻線La、スイッチング素子AHの還流ダイオード、及び電源部3からなる回路が形成される。A相巻線Laを流れる相電流IAは、スイッチング素子AHの還流ダイオードを介して電源部3に回生する。このように、A相巻線Laを流れる相電流IAは、三相インバータ4−1内で還流することなく電源部3に回生する。電源部3に回生する相電流IAはA相からB相に通電相を切り替えた場合にA相に残っている、いわゆる残留電流である。
駆動制御部14は、通電パターンを力行通電パターン#1から力行通電パターン#2に切り替える時には、スイッチング素子BL及びスイッチング素子NABHを共にオフ状態する。これにより、B相巻線Lbの逆起電力により発生する相電流IBが、スイッチング素子BHの還流ダイオードを通り電源部3に回生する(力行駆動時の回生モード)。
図5は、実施形態における力行通電パターン#2について説明する説明図である。
図5(A)は、スイッチング素子NABL及びスイッチング素子AHが共にオン状態である場合に三相インバータ4−1に流れる電流の流れを説明する説明図である。
駆動制御部14は、力行通電パターン#2において、スイッチング素子NABL(下アームスイッチング素子)をオン状態に制御し、スイッチング素子AH(上アームスイッチング素子)をPWM制御する。これにより、A相巻線Laに対して負方向に励磁電流として相電流IAが流れる。すなわち、力行通電パターン#2では、A相は通電相であり、A相に対する他方の相であるB相は非通電相である。
スイッチング素子AHがPWM制御されている場合であって、スイッチング素子NABLがオン状態であり、スイッチング素子AHがオフ状態である場合には、A相巻線La、スイッチング素子NABL、及びスイッチング素子ALの還流ダイオードで閉ループが形成される。A相巻線Laを流れる相電流IAは、スイッチング素子NABL、スイッチング素子ALの還流ダイオードを通り、A相巻線Laに対して負方向に還流する(力行駆動時の還流モード)。これにより、A相巻線Laの励磁は継続する。
駆動制御部14は、通電パターンを力行通電パターン#2から力行通電パターン#1に切り替える時には、スイッチング素子NABL及びスイッチング素子AHを共にオフ状態する。これにより、A相巻線Laの逆起電力により発生する相電流IAが、スイッチング素子AHの還流ダイオードを通り電源部3に回生する(力行駆動時の回生モード)。
図6が示すように、C相に通電されるタイミングは、A相に通電されるよりも電気角で90°早いタイミングである。また、D相に通電されるタイミングは、B相に通電されるタイミングよりも電気角で90°早いタイミングである。
回生時における、駆動制御部14によるA相及びB相に流れる相電流の制御について説明する。
回生時には、駆動制御部14は、三相インバータ4−1において、A相巻線La及びB相巻線Lbを交互に励磁させる2つの通電パターン(回生通電パターン#1及び回生通電パターン#2)でA相及びB相に流れる相電流を制御する。駆動制御部14は、三相インバータ4−1において、回生通電パターン#1、#2の順に通電パターンを切り替えることを繰り返す。また、駆動制御部14は、三相インバータ4−2において、C相巻線Lc及びD相巻線Ldを交互に励磁させる2つの通電パターン(回生通電パターン#1及び回生通電パターン#2)でC相及びD相に流れる相電流を制御する。駆動制御部14は、三相インバータ4−2において、回生通電パターン#1、回生通電パターン#2の順に通電パターンを切り替えることを繰り返す。
図7は、実施形態における三相インバータ4−1のスイッチング素子に対する、回生時の通電パターンについて説明する説明図である。
図8は、実施形態における回生通電パターン#1について説明する説明図である。
図8(A)は、スイッチング素子AL及びスイッチング素子NABHが共にオン状態である場合に三相インバータ4−1に流れる電流の流れを説明する説明図である。
駆動制御部14は、通電パターン#1において、第1の期間の間、スイッチング素子NABH(上アームスイッチング素子)及びスイッチング素子AL(下アームスイッチング素子)をオン状態に制御する。これにより、スイッチング素子AL、A相巻線La、スイッチング素子NABH及び電源部3からなる回路が形成され、A相巻線Laに対して正方向に励磁電流として相電流IAが流れる(回生時の供給モード)。
このように、通電パターン#1においては、A相巻線Laに対して正方向に励磁電流として相電流IAが流れるため、A相は通電相であり、A相に対する他方の相であるB相は非通電相である。
なお、正方向とは、A相巻線La又はB相巻線Lbの他端側(中性点側)から一端側へ相電流が流れる方向である。
スイッチング素子ALがPWM制御されている場合であって、スイッチング素子ALがオン状態であって、スイッチング素子NABHがオフ状態である場合、A相巻線La、スイッチング素子AL、及びスイッチング素子NABLの還流ダイオードで閉ループが形成される。A相巻線Laを流れる相電流IAは、スイッチング素子AL、スイッチング素子NABLの還流ダイオードを通り、A相巻線Laに対して正方向に還流する(回生時の還流モード)。これにより、A相巻線Laの励磁は継続する。
駆動制御部14は、通電パターンを回生通電パターン#1から回生通電パターン#2に切り替える時には、スイッチング素子AL及びスイッチング素子NABHを共にオフ状態する。
スイッチング素子ALがPWM制御されている場合であって、スイッチング素子ALがオフ状態であって、スイッチング素子NABHがオフ状態である場合、スイッチング素子NABLの還流ダイオード、A相巻線La、スイッチング素子AHの還流ダイオード及び電源部3からなる回路が形成される。これにより、相電流IAが、スイッチング素子NABLの還流ダイオードを通り電源部3に回生する(回生時の回生モード)。
電源部3に回生する相電流IAはA相からB相に通電相を切り替えた場合にA相に残っている、いわゆる残留電流である。
図9は、実施形態における回生通電パターン#2について説明する説明図である。
図9(A)は、スイッチング素子BH及びスイッチング素子NABLが共にオン状態である場合に三相インバータ4−1に流れる電流の流れを説明する説明図である。
駆動制御部14は、回生通電パターン#2において、第3の期間の間、スイッチング素子NABL(下アームスイッチング素子)及びスイッチング素子BH(上アームスイッチング素子)をオン状態に制御する。これにより、スイッチング素子BH、B相巻線Lb、スイッチング素子NABL及び電源部3からなる回路が形成され、B相巻線Lbに対して正方向に励磁電流として相電流IBが流れる(回生時の供給モード)。
このように、回生通電パターン#2においては、B相巻線Lbに対して正方向に励磁電流として相電流IBが流れるため、B相は通電相であり、B相に対する他方の相であるA相は非通電相である。
スイッチング素子NABLがPWM制御されている場合であって、スイッチング素子NABLがオン状態であって、スイッチング素子BHがオフ状態である場合、B相巻線Lb、スイッチング素子NABL及びスイッチング素子BLの還流ダイオードで閉ループが形成される。B相巻線Lbを流れる相電流IBは、スイッチング素子NABL及びスイッチング素子BLの還流ダイオードを通り、B相巻線Lbに対して正方向に還流する(回生時の還流モード)。これにより、B相巻線Lbの励磁は継続する。
駆動制御部14は、通電パターンを回生通電パターン#2から回生通電パターン#1に切り替える時には、スイッチング素子NABL及びスイッチング素子BHを共にオフ状態する。
スイッチング素子NABLがPWM制御されている場合であって、スイッチング素子NABLがオフ状態であって、スイッチング素子BHがオフ状態である場合、スイッチング素子BLの還流ダイオード、B相巻線Lb、スイッチング素子NABHの還流ダイオード及び電源部3からなる回路が形成される。これにより、相電流IBが、スイッチング素子NABHの還流ダイオードを通り電源部3に回生する(回生時の回生モード)。
電源部3に回生する相電流IBはB相からA相に通電相を切り替えた場合にB相に残っている、いわゆる残留電流である。
図10が示すように、C相に通電されるタイミングは、A相に通電されるよりも電気角で90°早いタイミングである。また、D相に通電されるタイミングは、B相に通電されるタイミングよりも電気角で90°早いタイミングである。
図11は、実施形態におけるモータシステム1のA相及びB相に、回生時に流れる相電流の実験結果を示す図である。
図11は、SRモータMの回転数が3000rpm(rotations per minute)であって、進角が60degであって、通電角が170degの条件における実験結果である。
図11は、A相の供給区間における相電流の波形と、A相の電流制御区間における相電流の波形と、A相OFF区間における相電流の波形と、B相の供給区間における相電流の波形と、B相の電流制御区間における相電流の波形と、の実験結果を示す。
A相の供給区間とは、三相インバータ4−1がA相の供給モードである期間である。A相の電流制御区間とは、三相インバータ4−1がA相の還流モード又は回生モードである期間である。B相の供給区間とは、三相インバータ4−1がB相の供給モードである期間である。B相の電流制御区間とは、三相インバータ4−1がB相の還流モード又は回生モードである期間である。
A相OFF区間とは、駆動制御部14が、A相からB相に通電相を切り替える期間である。B相供給開始区間とは、三相インバータ4−1がB相の供給モードになって以降の所定の期間である。
図11において、A相の通電角に対応する区間は、A相の供給区間とA相の電流制御区間との和の区間である。図11において、B相の通電角に対応する区間は、B相の供給区間とB相の電流制御区間との和の区間である。
A相通電OFF区間においては、相電流IAが、スイッチング素子AHを通り電源部3に回生する。
B相供給開始区間においては、相電流IBが、スイッチング素子NABLを通る。B相供給開始区間においては、相電流IAが、スイッチング素子AHを通り電源部3に回生する。このように、B相が供給モードである場合であっても、A相の残留電流は、三相インバータ4−1がバイポーラ方式によって駆動される場合と異なり、電源部3に回生する。
図14の横軸は、SRモータMの回転速度を示す。図14の縦軸は、SRモータMが発生させるトルクを示す。図14は、モータシステム1の回生効率の、SRモータMの回転速度と、SRモータMが発生させるトルクとへの依存性を示す。
図14は、回転速度が2000rpmであってトルクが25N・mである場合の回生効率が80%であることを示す。
図15の横軸は、SRモータMの回転速度を示す。図15の縦軸は、SRモータMが発生させるトルクを示す。図15は、バイポーラ方式で駆動されるモータシステムの回生効率の、SRモータMの回転速度と、SRモータMが発生させるトルクとへの依存性を示す。
図15は、回転速度が2000rpmであってトルクが20N・mである場合の回生効率が80%であることを示す。
なお、スイッチング素子AHは第1のスイッチング素子の一例である。スイッチング素子ALは第2のスイッチング素子の一例である。スイッチング素子NABHは第3のスイッチング素子の一例である。スイッチング素子NABLは第4のスイッチング素子の一例である。スイッチング素子BHは第5のスイッチング素子の一例である。スイッチング素子BLは第6のスイッチング素子の一例である。
なお、スイッチング素子CHは第7のスイッチング素子の一例である。スイッチング素子CLは第8のスイッチング素子の一例である。スイッチング素子NCDHは第9のスイッチング素子の一例である。スイッチング素子NCDLは第10のスイッチング素子の一例である。スイッチング素子DHは第11のスイッチング素子の一例である。スイッチング素子DLは第12のスイッチング素子の一例である。
なお、B相が第1相の一例である場合、スイッチング素子BH、スイッチング素子NABH、スイッチング素子BL及びスイッチング素子NABLは第1相に対応するスイッチング素子の一例である。なお、B相が第2相の一例である場合、スイッチング素子BH、スイッチング素子NABH、スイッチング素子BL及びスイッチング素子NABLは第2相に対応するスイッチング素子の一例である。
なお、C相が第1相の一例である場合、スイッチング素子CH、スイッチング素子NCDH、スイッチング素子CL及びスイッチング素子NCDLは第1相に対応するスイッチング素子の一例である。なお、C相が第2相の一例である場合、スイッチング素子CH、スイッチング素子NCDH、スイッチング素子CL及びスイッチング素子NCDLは第2相に対応するスイッチング素子の一例である。
なお、D相が第1相の一例である場合、スイッチング素子DH、スイッチング素子NCDH、スイッチング素子DL及びスイッチング素子NCDLは第1相に対応するスイッチング素子の一例である。なお、D相が第2相の一例である場合、スイッチング素子DH、スイッチング素子NCDH、スイッチング素子DL及びスイッチング素子NCDLは第2相に対応するスイッチング素子の一例である。
Claims (5)
- 電源部に接続され、四相のスイッチトリラクタンスモータのA相及びB相の二相の巻線とC相及びD相の二相の巻線とのそれぞれに接続された一対の三相インバータと、
前記各三相インバータの複数のスイッチング素子のオン状態とオフ状態とを制御することで前記電源部から前記巻線のそれぞれに流れる電流をユニポーラ方式で制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、回生時に、非通電相に流れている相電流を還流させることなく前記電源部に回生させるように複数の前記スイッチング素子のオン状態とオフ状態とを制御する、
モータ制御装置。 - 前記A相の巻線の一端であって前記A相の巻線と前記B相の巻線との接続点ではない一端をA端とし、前記B相の巻線の一端であって前記A相の巻線と前記B相の巻線との接続点ではない一端をB端とし、前記C相の巻線の一端であって前記C相の巻線と前記D相の巻線との接続点ではない一端をC端とし、前記D相の巻線の一端であって前記C相の巻線と前記D相の巻線との接続点ではない一端をD端として、
複数の前記スイッチング素子は、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の正極に接続される端子と、前記A端に接続される端子とを備える第1のスイッチング素子と、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の負極に接続される端子と、前記A端に接続される端子とを備える第2のスイッチング素子と、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の正極に接続される端子と、前記A相の巻線とB相の巻線との接続点に接続される端子とを備える第3のスイッチング素子と、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の負極に接続される端子と、前記A相の巻線とB相の巻線との接続点に接続される端子とを備える第4のスイッチング素子と、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の正極に接続される端子と、前記B端に接続される端子とを備える第5のスイッチング素子と、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の負極に接続される端子と、前記B端に接続される端子とを備える第6のスイッチング素子と、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の正極に接続される端子と、前記C端に接続される端子とを備える第7のスイッチング素子と、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の負極に接続される端子と、前記C端に接続される端子とを備える第8のスイッチング素子と、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の正極に接続される端子と、前記C相の巻線とD相の巻線との接続点に接続される端子とを備える第9のスイッチング素子と、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の負極に接続される端子と、前記C相の巻線とD相の巻線との接続点に接続される端子とを備える第10のスイッチング素子と、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の正極に接続される端子と、前記D端に接続される端子とを備える第11のスイッチング素子と、
前記制御部に接続される端子と、前記電源部の負極に接続される端子と、前記D端に接続される端子とを備える第12のスイッチング素子と、
である請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記制御部は、前記一対の三相インバータのうちの一方の三相インバータに接続された2つの巻線のうちの一方を第1相とし他方を第2相として、第1の期間において前記第1相に対応する複数の前記スイッチング素子のうち上アームのスイッチング素子をオン状態に制御しつつ第1相に対応する複数の前記スイッチング素子のうち前記接続点に接続された下アームのスイッチング素子をオン状態にし、前記第1の期間の直後の第2の期間の間において前記上アームのスイッチング素子をオフ状態に制御しつつ前記下アームのスイッチング素子をPWM制御する第1の回生制御と、第3の期間において前記第2相に対応する複数の前記スイッチング素子のうち上アームのスイッチング素子をオン状態に制御しつつ前記第1相に対応する複数の前記スイッチング素子のうち前記接続点に接続された下アームのスイッチング素子をオン状態にし、前記第3の期間の直後の第4の期間の間において前記上アームのスイッチング素子をオフ状態に制御しつつ前記下アームのスイッチング素子をPWM制御する第2の回生制御とを、前記回生時に交互に実行する、
請求項2に記載のモータ制御装置。 - 前記制御部は、回生時に、通電相である相に対応するスイッチング素子のうちPWM制御されるスイッチング素子がPWM制御されている場合であって、かつ、前記PWM制御されるスイッチング素子がオフ状態である場合において、通電相に流れる相電流を前記電源部に回生させるように複数の前記スイッチング素子のオン状態とオフ状態とを制御する、
請求項3に記載のモータ制御装置。 - 前記制御部は、前記一対の三相インバータのうちの一方の三相インバータに接続された2つの巻線のうちの一方を第1相とし他方を第2相として、第1相に対応する複数の前記スイッチング素子のうち上アームのスイッチング素子をPWM制御し、前記第1相に対応する複数の前記スイッチング素子のうち前記接続点に接続された下アームのスイッチング素子をオン状態に制御する第1の力行制御と、第2相に対応する複数の前記スイッチング素子のうち上アームのスイッチング素子をPWM制御し、前記第2相に対応する複数の前記スイッチング素子のうち前記接続点に接続された下アームのスイッチング素子をオン状態に制御する第2の力行制御とを、力行駆動時に交互に実行する、
請求項2に記載のモータ制御装置。
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