JP3968785B2 - 駆動回生制御システム - Google Patents

Description

本発明は、電動モータを駆動源として利用し被駆動体を駆動するための駆動回生制御システムに関するものである。被駆動体としては、自動車、飛行体、船舶がある。さらに、内燃機関と電動モータとを併用した、ハイブリッドシステムにおける駆動回生制御システムに関するものである。

従来この種の駆動制御システムとして、例えば、ＷＯ ０２／０８７０６６号公報に記載されたものが存在する。このものは、駆動体を移動させるための電動回転駆動部を制御する駆動制御装置において、基準比較信号発生回路と、前記駆動部の速度を検出し、これを検出信号として出力する検出回路と、前記駆動部の速度指示回路と、前記駆動部の回転制御回路と、前記基準比較信号の位相と前記検出信号の位相とを比較し、比較結果を前記回転制御回路に出力する位相比較回路と、を備え、前記回転制御回路は、前記位相比較結果に基づいて前記駆動部の速度を前記速度指示に一致するようにＰＬＬ制御することを特徴とするものである。

この駆動制御システムに使用される、交流などの周波数信号によって駆動されるＡＣモータには、大きく分けるとシンクロナス（同期）モータとインダクション（誘導）モータの２種類がある。シンクロナスモータは、ロータに永久磁石や鉄などの強磁性体の積層コアを使い、電源周波数によって決まる回転磁界の速さと同じ回転速度で回転するモータである。

ロータの違いによって永久磁石を使ったマグネット型とコイルが巻いてある巻線型、鉄などの強磁性体を使ったリアクタンス形がある。このうちマグネット型は、ロータの永久磁石がステータの回転磁界に引かれて回転する。一方、インダクションモータは、導線がカゴのような形のロータに、電磁誘導作用によって別の磁界を発生させることで回転するモータである。

このようなモータの中には、回転しないで直線状に動いたり、平面を自由に動けるモータも存在する。この種のモータは、広くリニアモータと呼ばれ、磁極を発生するコイルを直線状に並べ、流す電流を順次切替えることで、その上に載った永久磁石や強磁性体を移動させている。直線状に配置されたコイル列はステータであって、ロータは平たくなってその上を滑動するのでスライダに相当する。

前記マグネット型のシンクロナスモータとして、例えば、特開平８−５１７４５号公報（特許文献１）に記載された小型同期モータが存在する。この小型同期モータは、特許文献１の図１に示されるように、励磁コイル７を巻回したステータコア６と、内部にマグネット１を内蔵し周面にＮＳ極が等間隔に配列されたロータコア２を有するロータ３とを備えた構成を持っている。
ＷＯ ０２／０８７０６６号公報 特開平８−５１７４５号公報

しかしながら、従来の技術で説明したモータは、発生トルクに比較して重量が嵩み、発生トルクを大きくしようとすると大型化してしまうという課題があった。また、従来の技術では、電動モータのトルクを多段又はリニアに制御することができなかった。そこで、この発明は、トルクと重量バランスに優れ、小型化に適したモータを被駆動体の駆動制御及び回生制御用として用いたシステムを提供することを目的とするものである。さらに、本発明は、被駆動体の駆動使用される電動モータのトルクを多段又はリニアに制御可能にしたシステムを提供することである。

前記目的を解決するために、本発明は、電動モータを他の駆動源と組み合わせた、被駆動体を駆動するための駆動システムと、この駆動システムから前記被駆動体に駆動力を伝達する機構と、前記電動モータの駆動と回生を制御する電動モータ動作制御回路と、回生エネルギを蓄電する蓄電機構と、蓄電制御回路と、前記被駆動体の動作を検出するセンサと、前記センサ出力に基づいて前記駆動システムに駆動制御信号を出力する運転制御装置と、を備え、前記電動モータは、磁性体からなる移動体と複数相のコイルとを備えてなり、前記運転制御装置は、前記被駆動体の運転状態に応じて前記コイル相の一つ又は複数を駆動用及び／又は回生用に制御し、前記電動モータ動作制御回路は、前記センサ出力に基づいて得られた前記被駆動体の実速度を表す検出信号と基準信号とを比較する比較回路を備え、この比較結果に基づいて前記電動モータの駆動制御信号を形成してこれを前記電動モータの駆動回路に供給し、さらに、前記比較結果に基づいて前記回生制御信号を形成してこれを前記蓄電制御部に供給するように構成され、前記比較回路は、前記検出信号と基準信号の位相を比較し、位相差に基づいて前記駆動制御信号又は回生制御信号を形成し、前記運転制御装置は、前記比較回路による位相の比較結果に基づいて、前記複数相のコイルの一部を駆動用とし、他を回生用に同時に制御するものである駆動回生制御システムであることを特徴とする。

ここで、上記構成にあっては、前記電動モータ動作制御回路は、前記位相差に基づいて前記駆動回路に供給される前記電動モータの駆動信号のデューティ比を決定し、前記位相差に基づいて前記蓄電制御部に供給される回生許可信号のデューティ比を決定してなる態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記コイル相毎に前記移動体に対する磁気センサを備え、前記電動モータ動作制御回路は、前記比較結果に基づいて前記磁気センサの出力に対するヒステリシスレベルを決定し、前記ヒステリシスレベルと前記磁気センサ出力から前記駆動回路に供給される前記電動モータの駆動信号のデューティ比を決定し、前記ヒステリシスレベルと前記磁気センサ出力から前記蓄電制御部に供給される回生許可信号のデューティ比を決定してなる態様を採用しても良い。

図１及び図２は、本発明に使用される代表的なモータの動作原理を示したものである。このモータは、第１のコイル組（Ａ相コイル）１０及び第２のコイル組（Ｂ相コイル）１２の間に第３の永久磁石１４を介在した構成を備えている。これらコイルと永久磁石は環状（円弧状、円状）或いは直線状のいずれに構成されても良い。これら環状に形成された場合は、永久磁石又はコイル相のいずれかがロータとして機能し、これらがリニアに形成された場合には、いずれかがスライダとなる。

第１のコイル組１０は、交互に異極に励磁可能なコイル１６が、所定間隔、好適には、均等間隔を介して順番に配列された構成を備えている。この第１のコイル組の等価回路図を図５に示す。図１及び図２によれば、後述のとおり、２相の励磁コイルには、始動回転中（２π）中常時全コイルを既述した極性で交互励磁させている。したがって、ロータやスライダ等の被駆動手段を高トルクで回転・駆動することが可能となる。

図３（１）に示すように、交互に異極に励磁される、複数の電磁コイル１６（磁性単位）が等間隔に直列に接続されている。符号１８Ａはこの磁気コイルに周波数パルス信号を印加する駆動回路を示すブロックである。この駆動回路から電磁コイル１６にコイルを励磁させるための励磁信号を流したとき、隣接するコイル間で交互に磁極の向きが変わるように、各コイルが励磁されるように予め設定されている。図３（２）に示すように、電磁コイル１６が並列に接続されていても良い。このコイルの構造は、Ａ，Ｂ相コイルについて同様である。

この励磁回路１８Ａから電磁コイル１６に、供給される励磁電流の極性の方向を所定の周期で交互に切り替えるための周波数を持った信号を印加すると、図１及び図２に示すように、ロータ１４と面する側の極性がＮ極→Ｓ極→Ｎ極と交互に変化する磁気パターンがＡ相コイル組１０に形成される。周波数信号が逆極性になると、第１磁性体の第３磁性体側の極性がＳ極→Ｎ極→Ｓ極と交互に変化する磁気パターンが発生する。この結果、Ａ相コイル組１０に現れる励磁パターンは周期的に変化する。

Ｂ相コイル組の構造は、Ａ相コイル組と同様であるが、Ｂ相コイル組の電磁コイル１８はＡ相コイル組の１６に対して位置的にずれて配列されている点が異なる。すなわち、Ａ相コイル組におけるコイルの配列ピッチとＢ相コイル組の配列ピッチとが所定のピッチ差（角度差）を持つようにオフセット配置されている。このピッチ差は、永久磁石１４がコイル１６,１８に対して励磁電流の周波数の１周期（２π）に対応して動く角度の（１回転）、例えば、π／（２／Ｍ）：Ｍは永久磁石（Ｎ＋Ｓ）のセット数でＭ＝３である、π／６が好適である。

次に永久磁石について説明する。図１及び図２に示されるように、永久磁石からなるロータ１４は、二相のコイル組間に配置されており、交互に逆の極性を持った複数の永久磁石２０（黒く塗り潰されている。）が線状（円弧状）に、所定間隔、好適には均等間隔を介して配列されている。円弧状とは、完全な円、楕円など閉じられたループの他、不特定環状構造や、半円、扇型をも包含する。

Ａ相コイル組１０とＢ相コイル組１２とは等距離を介して配置されており、Ａ相コイル組とＢ相コイル組との中間に第３の磁性体１４が配置されている。永久磁石２０の永久磁石の配列ピッチは、殆どＡ相コイル１０及びＢ相コイル１２における磁気コイルの配列ピッチと同じである。

次に第１磁性体１０と第２磁性体１２との間に既述の第３磁性体１４が配置された磁気体構造の動作を、図1及び図２を利用して説明する。既述の励磁回路（図３の１８である。後に説明する。）によって、ある瞬間においてＡ相コイルとＢ相コイルの電磁コイル１６,１８には、図１（１）に示すような励磁パターンが発生しているとする。

この時、Ａ相コイル１０の永久磁石１４側に臨む表面の各コイル１６には、→Ｓ→Ｎ→Ｓ→Ｎ→Ｓ→のパターンで磁極が生じ、Ｂ相コイル１２の永久磁石１４側に臨む表面のコイル１８には、→Ｎ→Ｓ→Ｎ→Ｓ→Ｎ→のパターンで磁極が生じる。永久磁石と各相コイルとの磁気的な関係が図示されており、同極間では反発力が発生し、異極間では吸引力が働く。

次の瞬間、（２）に示すように、Ａ相コイルに駆動回路１８を介して印加されるパルス波の極性が反転すると、（１）のＡ相コイル１０のコイル１６に発生する磁極と永久磁石２０の磁極との間に反発力が発生し、一方、Ｂ相コイル１２のコイル１８に発生している磁極と永久磁石２０の表面の磁極との間に引力が発生しているために、図１（１）乃至図２（５）に示すように、永久磁石１４は、図示右方向に順次移動する。

Ｂ相コイル１２のコイル１８に、Ａ相コイルの励磁電流とは位相がずれたパルス波が印加されており、図２の（６）乃至（８）に示すように、Ｂ相コイル１２のコイル１８の磁極と永久磁石２０の表面の磁極とが反発して永久磁石１４をさらに右方向に移動させる。（１）乃至（８）はロータ１４がπに対応する回転をした場合を示し、（９）以降は同様にして残りのπ→2πに対応する回転をする。このようにロータはＡ相コイル列とＢ相コイル列に位相がずれた所定周波数の駆動電流（電圧）信号を供給することにより、回転するようになる。

なお、Ａ相コイル列、Ｂ相コイル列、及び永久磁石を円弧状にすると、図１に示す磁気構造は回転モータを構成するものとなり、これらを直線状に形成すると、この磁気構造はリニアモータを構成するものとなる。ケース、ロータ等の永久磁石と電磁コイルを除く部分は、非磁性体である樹脂（カーボン系含み）、セラミックス系により軽量化し、ヨークを用いないで磁気回路の開放状態にすることにより鉄損失を発生させずパワー・ウエイト比に優れた回転駆動体が実現できる。

この構造によれば、永久磁石にはＡ相コイル及びＢ相コイルから磁力を受けて動くことができるために、永久磁石が発生するトルクが大きくなり、トルク／重量バランスに優れ、したがって高トルクで駆動可能な小型軽量モータを提供することが可能となる。

図３の（１）は複数のコイル列が直列に形成された場合のＡ相コイル及びB相コイルの各回路であり、（２）は複数のコイル列が並列に形成されば場合のＡ相コイル及びＢ相コイルの各回路である。

図４はモータの斜視図であり、（１）は当該モータの斜視図、（２）はロータ（第３磁性体）の概略平面図、（３）はその側面図、（４）はＡ相電磁コイル（第１磁性体）、（５）はＢ相電磁コイル（第２磁性体）を示したものである。付された符号は、既述の図において対応する構成部分と同じものである。

このモータは、ステータに相当する一対のＡ相磁性体１０とＢ相磁性体１２を備え、そしてロータを構成する既述の第３の磁性体１４とを備え、Ａ相磁性体とＢ相磁性体との間にロータ１４が軸３７を中心に回転自在に配置されている。ロータと回転軸は一体に回転するように、回転軸３７はロータの中心にある回転軸用開口孔に圧入されている。図４の（２）、（４）、（５）に示すように、ロータには６つの永久磁石が円周方向に均等に設けられ、そして永久磁石の極性は交互に反対になるようになっており、ステータには６つの電磁コイルが円周方向に均等に設けられている。

Ａ相センサ３４ＡとＢ相センサ３４Ｂとが、位相をシフトさせて(π／６に相当する距離)Ａ相磁性体（第1磁性体）のケース内面側壁に設けられている。Ａ相センサ３４ＡとＢ相センサ３４Ｂとは、Ａ相コイル１６に供給される周波数信号とＢ相コイル１８に供給される周波数信号とに所定の位相差を設けるために既述のとおりセンサを設けた位相をシフトさせている。
センサとしては、永久磁石の運動に伴う磁極の変化から永久磁石の位置を検出可能であり、ホール効果を利用したホール素子が好ましい。このセンサを用いることにより、永久磁石のＳ極から次のＳ極までを２πとしたときに、永久磁石がこのどこにあっても永久磁石の位置がホール素子によって検出可能である。ホール素子としてはパルスを発生する方式のもののほか、磁極強度に応じたアナログ値を出力するものがある。

図５（１）及び（２）は、Ａ相コイル列からなるＡ相磁性体とＢ相コイル列からなるＢ相磁性体のそれぞれ別の駆動回路である。

この回路は、Ａ相電磁コイル又はＢ相電磁コイルにセンサの出力波形を励磁電流として印加すべきスイッチングトランジスタＴＲ１乃至ＴＲ４を含んでいる。今、信号としてＡ相センサの出力が「H」のとき、ＴＲ1のゲートには「Ｌ」が、ＴＲ２のゲートには「Ｌ」が、ＴＲ3のゲートには「Ｈ」が、ＴＲ４のゲートには「Ｈ」が印加される。すると、ＴＲ1及びＴＲ４がオンとなってＩＡ１の向きを持ったセンサからの出力としての励磁電流がＡ相コイルに印加される。一方、信号としてＡ相センサの出力が「Ｌ」のとき、ＴＲ1のゲートには「Ｈ」が、ＴＲ２のゲートには「Ｈ」が、ＴＲ3のゲートには「Ｌ」が、ＴＲ４のゲートには「Ｌ」が印加される。すると、ＴＲ２及びＴＲ３がオンとなってＩＡ２の向きを持った励磁電流がＡ相コイルに印加される。更に、ＴＲ１、ＴＲ３に「Ｈ」、ＴＲ２、ＴＲ４に「Ｌ」の場合はＨｉＺ状態となり電磁コイルには電流は供給されない。（２）のＢ相コイルへの励磁についても同様である。

図６は、前記モータの回生制御時における発電原理を示すものである。Ａ相コイルとＢ相コイルとの間の移動体（ロータ）には隣接する異極間で図示の矢印方向の磁束が、ロータの表面に沿って発生する。ロータが回転するとコイルには磁束密度が周期的に変化して、図６に示す正弦波の起電力の出力がＡ相コイル及Ｂ相コイルから発生する。コイルの設置位相がずれていることから、Ａ相に発生する起電力波形の位相とＢ相コイルに発生する位相とにずれが生じている。また、Ａ相コイル、Ｂ相コイルに対してフレミングの左手の法則が適用される。

図７は、本発明に係わる駆動回生制御システムを利用した、被駆動体に対する応力伝達のためのブロック図を示したものである。符号７０は内燃機関であり、符号７２は駆動回生制御部である。図７の全体システムは、これら二つの動力源を組み合わせたハイブリッド型駆動システムを構成する。このシステムの応力伝達部７６と動力源との切換部７４は、応力伝達部７６と駆動回生制御部とを常時、駆動又は回生のために接続する一方で、内燃機関部７０とは連結又は切断するようにしている。応力伝達部７６とは例えば駆動輪７８（負荷）に対するドライブシャフトである。

図８は、駆動回生制御部のブロック図であり、符号８０は各相コイルの駆動を司る駆動部であり、符号８２はその回生電流を受電する受電部であり、符号８４はモータの回生を制御する回生制御部である。この回生制御部は得られた回生電気エネルギは複数の蓄電部８６,８８に充電される。符号９０は負荷部であり、負荷の検出信号が各相駆動部８０に供給されている。充電される蓄電部は、蓄電量が少ないものから優先される。

図９は駆動回生制御部のさらに詳しいブロック構成を示すものである。各センサ９２ａ―９２ｄの出力はＣＰＵ部９８に供給されている。速度センサ９２ａの出力は速度パルス９４に変換され、分周器１００でＭ分周された後の実速度波形がＰＬＬ回路を構成する位相比較器１０４に供給される。Ｍ分周率は、ＣＰＵの制御を受けて決定される。この実速度波形は、比較波形形成部１０２にも供給される。この比較波形形成部１０２では、ＣＰＵの制御及び実速度から、位相比較部１０４で実速度波形と位相比較される基準波形(指令波形)を形成する。

モータを加速する場合（ＵＰ）には、実速度波形との位相差が出るように指令波形の位相を、実速度やＣＰＵの制御を受けて変えるようにしている。このことは、ＷＯ０２／０８７０６６号公報に記載されている。なお、モータを減速方向に制御する場合には、位相比較部１０４からＤＯＷＮ（ＤＮ）が出力される。符号１０６はＰＬＬ回路を構成するローパスフィルタである。また、符号９６がレベル変換機（アンプ）である。

比較波形形成部１０２はモータのＡ相コイルとＢ相コイルのどちらを使用するかを決定し、これをＰＷＭ駆動制御部１０８に供給する。モータをより増速させる場合は、両相のコイルを励磁し、そうで無い場合には片方の相の励磁で良い。モータを回生制御する場合も同様に、回生される相が決定され、これが回生制御部８４に供給される。ローパスフィルタ１０６から出力されたモータの駆動制御信号ＬＰＦ１はＰＷＭ駆動制御部に供給され、駆動信号のデューティがＰＷＭ変調される。このＰＷＭ変調によってモータの駆動トルクを連続的或いは段階的に調整することができる。ＰＷＭ変調を受けた駆動信号は駆動ドライバ(コイルの励磁回路)１１０に供給され、電磁コイル部を励磁する。

ローパスフィルタ１０６から出力される回生回路の制御信号ＬＰＦ２は回生制御回路８４に供給される。位相比較部１０４からのモータの加速信号（ＵＰ）に基づいてＬＰＦ１が形成され、位相比較部１０４からのモータの減速信号（ＤＮ）に基づいてＬＰＦ２が形成される。回生制御部８４は蓄電制御部１１２を制御して、すなわち、蓄電の際の蓄電圧を制御して、回生電気エネルギーを二つの蓄電部のいずれかに供給する。なお、センサ３４Ａ，Ｂからの信号はＰＷＭ駆動制御部１０８に供給されており、このセンサからの信号をＰＷＭ変調した後、直接励磁信号として駆動ドライバ部１１０に供給するようにしても良い。また、センサ出力を回生制御部に直接供給して、センサ出力を回生電気エネルギーとしても良い。

図１０は比較波形成部１０２を示すものであり、このシステムは二つの係数テーブル１３０,１３２をメモリの所定領域に備えている。各変換テーブルによって、励磁相又は回生相が決定される。アクセル量に変換テーブルからの所定係数が乗じられて（１３４）、これが速度センサ量に加算される（１３８）。この速度増加指令はアクセルスイッチ１４２を介して、指令値１４６として指令ＰＬＬ部１４８に供給される。指令ＰＬＬ部１４８は指令波形を形成する。ブレーキ量に変換テーブル１３２の所定係数が乗じられて（１３６）、速度センサ量からこの演算値が減じられる（１４０）。この速度減速指令はブレーキスイッチ１４４を介して、指令値１４６として指令ＰＬＬ部１４８に供給される。ＣＰＵシステム９８は、アクセルスイッチ１４２又はブレーキスイッチ１４４のオンーオフを制御する。指令ＰＬＬ部には実速度波形が供給され、指令ＰＬＬ部１４８は指令値１４６に基づいて実速度波形を分周して指令波形を形成する。この指令波形は図９に示すように、位相比較部１０４に供給される。すなわち、アクセル操作速度が大きくなるにしたがって、位相比較部１０４で、実速度波形と指令波形との間でより位相差が増速方向に出るようにし、一方、ブレーキの操作速度が大きくなるに従って、位相差は減速方向に出るようにする。

図１１は指令ＰＬＬ部のブロック図を示すものである。図１０の指令値はＭ分周器１５０に供給され、指令値に応じて分周率が決定される。ＶＣＯ１５８の出力の周波数がＭ倍されて位相比較器１５４に供給される。水晶発信器からの基準信号はＣＰＵの制御を受けた分周部１５２でＭ分周され、基準信号として位相比較器１５４に供給される。位相比較器では、基準信号と比較信号の位相差が比較され、比較出力がローパスフィルタ１５６、ＶＣＯ、加速スイッチ１６０を介して指令波形として出力される。モータを駆動する必要が無い場合には、実速度波形側にスイッチが切り換えられる。このとき、図９に示すように、位相比較器１０４には同じ実速度波形信号が供給されるので、モータは駆動も回生も行われない。

図１２は、図９のＬＰＦ部のブロック図を示すものであり、ＵＰの周波数波形の「Ｈ」,ＤＯＷＮの周波数波形「Ｌ」が印加されると、ＴＲ１０、ＴＲ１６がともにオン、ＴＲ１４、ＴＲ１２はオフで、ローパスフィルタ２００が電源に接続され、ローパスフィルタ２０２は接地されることによりＬＰＦ１が出力される。一方、ＵＰ＝「Ｌ」,ＤＯＷＮ＝「Ｈ」が印加されると、ＴＲ１０、ＴＲ１６がともにオフ、ＴＲ１４、ＴＲ１２はオンで、ローパスフィルタ２０２が電源に接続され、ローパスフィルタ２００は接地されることによりＬＰＦ２が出力される。この結果、ＵＰ信号の周波数矩形波がアナログ化され、又、ＤＮ信号の周波数矩形波がアナログ化される。

図１３は、アナログ方式センサによるデジタル駆動回路を示したものであり、２３０は、ヒステリシスレベル設定手段の一例としての、ウインドコンパレータから得られた反転信号に係わる回路構成を用いたものであり(以下、これを「ウインドコンパレータ」という。)であり、Ａ相センサ３４Ａ出力とＢ相センサ出力３４Ｂとが入力され可変抵抗制御回路２３６の入力値と比較されてヒステリシスレベルが決定される。符合２３２は、ＡコイルをＡ１相の駆動波形かＡ２相駆動波形で制御するかを切り換えるスイッチ回路であり、Ｂ相コイルについても同様である。

前記可変抵抗制御回路２３６は、ＬＰＦ１の入力値に基づいて抵抗値を決定し、ヒステリシスレベルが設定される。すなわち、ヒステリシスレベルを可変にすることによってモータ特性のトルク制御ができる。例えば、始動時にヒステリシスレベルを最小で効率を犠牲にしてトルク優先でモータを駆動させる。これは後述のとおり図１４に説明されている。また、モータの安定回転動作時にはヒステリシスレベルを最大にして高効率を優先としたモータ駆動に切り換える。制御回路２３４はＡ相コイル及びＢ相コイルを励磁してロータを回転させるモードと、どちらか一相を励磁してロータを回転させるモードと、どちらか１相への励磁電流の極性を変化させてモータを逆転させるモードと、を選択する。制御回路２３４の出力はＭＰＸに供給されて、ウィンドコンパレータ２３０の出力が制御回路２３４の制御指令に基づいてスイッチングされ、相励磁制御部１１０Ａに供給される。相励磁制御部１１０Ａの出力によって、Ａ相コイルとＢ相コイルとはそれぞれ２相に駆動される。

図１４は、ロータを高トルクで、例えば、停止状態にあるロータを回転させようとする場合の制御波形図であり、ヒステリシスレベルを最小にすると、ウィンドコンパレータ２３０によってセンサ出力値とヒステリシスレベルとが比較されて、センサの出力値がロジック量に変換され、マルチプレクサ２３２からＡ相コイル列及びＢ相コイル列に高いデューティ比の励磁信号が切り換えられて供給され、モータは高トルクで回転しようとする。ＬＰＦ１信号が大きくなるとヒテリシス調製電子ＶＲの抵抗値は小となり、駆動トルク大の状態となって、消費電力が大きくなる。

図１５のように、ロータが安定回転している状態ではヒステリシスレベルを最大にすると、各相コイル列に低いデューティ比の励磁信号が印加されてモータの駆動トルクは減少するが、モータを高効率で運転することが可能となる。図１４ではトルクは最大となるが消費電流も最大となる。図１５の場合では、トルクは最小となるが、消費電流も最小となる。ヒステリシスレベルを連続的あるいは段階的に切り換えることによってモータのトルクをリニア或いは多段に調整することができる。すなわち、ＬＰＦ１信号が小さくなるとヒテリシス調製電子ＶＲの抵抗値は大となり、駆動トルク小の状態となって、消費電力を小さくできる。

図１６が回生制御のためのブロック図である。符号３００は既述のものと同じウィンドコンパレータであり、各相センサの出力と、既述のＬＰＦ２の出力によって定まるヒステリシスレベル（３０２）が比較され、ＯＲゲート３０１又は３０３を介してその出力がアンドゲート３０６又は３０４に供給されている。アンドゲート３０６の出力はインバータ３１２及び３１０に供給され、インバータ３１２の出力は反転されてトランジスタ３３０
、インバータ３１０の出力はトランジスタ３３２に供給されている。アンドゲート３０４の出力はインバータ３１６，３１４に供給され、インバータ３１６の出力は反転されてトランジスタ３３４に供給され、インバータ３１４の出力はトランジスタ３３６に供給されている。ＯＲゲート３０１からの出力はＡ相コイルへの回生許可信号となり、ＣＰＵからＡ相充電指令「１」がアンドゲート３０６に供給されると、許可信号が「Ｈ」レベルの際にゲート３０６から「Ｈ」が出力され、トランジスタ３３０がオンする。すると、Ａ相コイルに発生した逆起電力をＡ相起電力として充電手段に供給することができる。一方、ＣＰＵシステムからの充電指令信号が「０」＝非回生時、又は、回生許可信号が「Ｌ」の時トランジスタ３３２がオンとなり、Ａ相駆動ドライバ部へ駆動出力「Ｈ」が供給される。ＣＰＵは駆動体が駆動時或いは制動時(回生時)にあるかを判断して、Ａ相充電切替部３４０に回生許可「１」又は非回生「０」を出力する。Ｂ相コイルについても同様である。符号３６０はＢ相充電切替部である。

図１７は、充電(蓄電)制御部のブロック図であり、Ａ相コイルの起電力とＢ相コイルの起電力は、平滑化回路３５０に供給され、次いで、ＤＣ／ＤＣ変換部(充電電流制御部)３５２を経て充電制御部(定量電流制御部)３５４に供給される。符号３５６は充電選択部であり、ＣＰＵシステムによって蓄電部１（３５８）又は蓄電部２(３６０)が選択されて、蓄電が行われる。

図１８は、ヒステリシス調整電子ＶＲが小の場合に回生エネルギーが最大となっている状態を示した場合の波形図であり、図１９はヒステリシス調整用電子ＶＲが最大の場合に回生エネルギーが最小となった状態を示した波形図である。高負荷時の場合(強い回生制動状態)には、各相の回生許可信号のデューティ比が高くなり、回生許可信号が「Ｈ」の期間Ａ相及びＢ相の各コイルからの回生電流が負荷（バッテリ）に供給される。これが図１８の状態である。Ａ相コイルの回生信号とＢ相コイルの回生信号が混合されて図９の蓄電制御部１１２への入力値となり、これが平滑化された直流電流として蓄電部に供給される。すなわち、ＬＰＦ２信号が大きくなるとヒテリシス調製電子ＶＲの抵抗値は小となり、回生エネルギが最大となる。

一方、低負荷の場合(弱い回生制動状態)では、図１９に示すように、各相の許可信号のデューティ比が小さくなり、回生許可信号が「Ｈ」の期間各相コイルからの回生電流が負荷に供給される。ＬＰＦ２信号が大きくなるとヒステリシス調製用電子ボリュームの抵抗値は小となり回生エネルギーは最大となる。一方、ＬＰＦ２信号が小さくなるとヒステリシス調製用電子ボリュームの抵抗値は大となり回生エネルギーは最小となる。すなわち、ＬＰＦ２信号が小さくなるとヒテリシス調製電子ＶＲの抵抗値は大となり、回生エネルギが最小となる。

図２０は、図９の符号９８で示されるＣＰＵ部の制御システム図であり、内燃機関と既述の電動モータとのハイブリッドシステムの制御に関する制御テーブルである。状態は、被駆動体である自動車の運転状態を示したものであり、「駆動」のＡＨ１はモータを高トルクで駆動される場合を示し、ＡＨ２はモータを低トルクで駆動する場合を示している。前者ではＡＢの両相の電磁コイルに励磁電流が供給され、後者はＡ相のみに励磁電流が供給される。前者の場合は、内燃機関も始動され、強い加速力が得られる。後者の場合は、内燃機関が停止状態にある。「安定」は平地での定速走行状態（低負荷状態）にあり、Ａ相コイルをＬＰＦ１による駆動制御に置き、Ｂ相コイルをＬＰＦ２による回生制御においている。この時、内燃機関を始動させ、モータの駆動と回生の併用を助けている。

回生状態のＣＨ２は、下り坂などでの制動を目的とするものであり、比較的弱い制動力を目的とするものである。Ａ相コイルのみを制動に使用している。ＣＨ１は、車両の停止までを考慮に入れた比較的強い制動（フットブレーキ以外）を目的とするものであり、両相コイルを回生制御している。また、強制制動のときは、ＡＢ相コイルの一方に供給される励磁電流の極性を逆にしてロータを逆回転させるようにしている。

図２１は、今、車両が停止状態から始動し、安定走行状態を経たのち停止される一連の動作を考えた時の、図２０のテーブルの使用状態を示したものである。車の運転状況に応じて、目的とする制御態様がテーブルの中から選択される。図２２はアクセル量と加速レベルとの関係図であって、アクセルの開度が大きいほど駆動力がより得られるテーブルが選択される。図２３は、ブレーキと減速度レベルの関係図であって、ブレーキの操作量が大きいほど回生量がより大きいテーブルが選択される。

図２４は、車両が停止状態から安定走行領域へのタイミング変化図であり、実速度波形は図９の速度センサの出力値をエンコーダでカウントした速度パルス波形であり、指令波形はアクセルペダルの開度と操作速度から、車へ要求される制御状態を判定し、すなわち、比較波形成部１０２から位相比較部１０４に供給されるパルス波形である。アクセル開度とその操作速度と車両速度から目的とする状態テーブル（ＡＨ１又はＡＨ２）が選択され、その間での位相差からモータを増速制御するＵＰ信号が各コイル相に供給される。車両が安定状態に到った場合には、制御状態がＢＨのテーブルとなり、Ａ相コイルには低周波数のＵＰ信号が供給され、Ｂ相コイルを回生制御するためのＤＮ信号がＢ相コイル側に供給される。ＵＰ期間中図１２の回路のＬＰＦフィルタ２００によってモータへの駆動出力（パルス波）が積分されＬＰＦ１(アナログ量)として出力される。ＬＰＦ１がＰＷＭ制御部１０８に出力されてデューティ比が作られ、このデューティ比に基づいてモータが駆動される。

図２５は安定走行領域のタイミング変異図であって、選択される状態テーブルが図２４の場合とは異なる。図２６は、車両の安定走行から制動を経て停止に至る状態を示したものであり、状態テーブルとしては、回生制御状態を選択されるので、図９のＬＰＦ２が回生制御回路に供給されていることを示している。図１２の回路のローパスフィルタ２０２によってモータへの回生制御出力（パルス波）が積分されてＬＰＦ２(アナログ量)として回生制御部８４に出力される。

図２７は回転軸４００に対して、回転軸を回転させるための回転子が直列に設けられた電動モータの構造を示している。一つの回転子４１２はＡ１相コイルとＢ１相コイルをステータとして回転される。第２の回転子４１０はＢ１相コイルを共通にしてＡ２相コイルをステータとして回転される。このモータは、複数である二つの回転子を備えているために、単独の回転子を持つモータに比べて駆動トルクを倍(多段)にすることができる。

図２８は、図２７のモータに対して適用される制御テーブルを示したものであり、第１：Ａ相はＡ１相を示し、第２：Ａ相はＡ２相を示したものである。このテーブルから明らかなように、電動モータの駆動/安定制御/回生制御の各々に対して、モータの駆動トルクを多段に制御することが可能となる。

図２９は、車両が始動から安定走行を経て停止状態に至るまでの、制御テーブルから選択される制御ステイタスと車両速度の関係曲線を示している。車両の速度、アクセル操作量、ブレーキ操作量からＣＰＵシステムは制御テーブルの中から該当する制御ステイタスを選択し、その制御ステイタスにおいて選択される電磁コイル相に駆動指令又は回生制御指令が出力されるようになっている。

図３０はアクセル操作量と加速レベルの関係曲線であり、アクセル操作量に応じて選択される制御状態が異なる。図３１はブレーキ操作量と減速レベルの関係曲線である。図３２は図９のシステムに対する変形例であり、図３３は図３２のシステムのタイミングチャートである。図３２のシステムが図９のシステムとは異なる点は、位相比較部１０４における位相比較結果がＰＷＭ駆動制御部１１０又は回生制御部８４に直接供給されている点である。図３３に示すように、ＰＷＭ駆動制御部１０８はモータ駆動指令値ＵＰの波形をそのままモータ駆動信号としてモータの駆動回路に出力する。また、回生制御部には、モータの回生制御指令ＤＯＷＮがそのまま出力されている。

図３４は、前記蓄電制御のためのブロック図であり、回生制御部によって複数の蓄電1部と蓄電２部への充電の切替が行われる。回生制御部或いは蓄電制御部は、各蓄電部の蓄電容量を調べて、蓄電容量の大きい蓄電部に優先的に回生電流を充電する。なお、図３４において、負荷部は例えば車両の電装系をいい、電気変換部は、例えばオルタネータなど内燃機関による発電系統をいう。

既述の実施形態では、電動モータのコイルをＡ相とＢ相の２相から形成したが、これをさらに複数相のモータから形成しても良い。なお、本発明の駆動制御システムでは、車両が低負荷走行状態（低負荷運転状態）において、一つの電動モータの複数のコイル相を、駆動用と回生用になるようにしたので、駆動用モータと回生用モータとを別にすることがなく、電動機のシステムが簡略化されるとともに、車両の重量を低減できるという利点がある。

本発明に係わる磁性体構造の模式図と動作原理を示したものである。 図１に続く動作原理を示したものである。 電磁コイルの接続状態を示す等価回路図である。 モータの斜視図である。 コイル列に励磁電流を供給する駆動回路のブロック図である。 前記モータの発電原理を示す模式図である。 本発明に係わる駆動回生制御システムの電動モータから駆動輪への応力伝達のブロック図である。 駆動／回生制御の機能ブロック図である。 駆動と回生制御のシステムブロック図である。 図９のブロック図の比較波形成部の制御ブロック図である。 図１０の指令ＰＬＬ部の制御ブロック図である。 図９のローパスフィルタ部の制御ブロック図である。 図９のＰＷＭ駆動制御部のブロック図である。 ＬＰＦ１信号が大の時の高駆動トルク状態の信号のタイミングチャートである。 ＬＰＦ１が小の時の駆動トルク小状態の信号のタイミングチャートである。 回生制御部の機能ブロック図である。 蓄電制御部の機能ブロック図である。 ＬＰＦ２信号による回生制御タイミングチャートである。 同タイミングチャートの変形例である。 被駆動体である車両の駆動／回生状態変移特性テーブルを表にして示したものである。 車両の始動から安定走行を経て、車両の停止状態までの状態変移例である。 アクセルと加速レベルとの特性図である。 ブレーキと減速レベルとの特性図である。 車両の停止、始動、安定走行領域の制御タイミング変移を示す波形図である。 車両の安定走行領域の制御タイミング変移を示す波形図である。 車両の安定走行、制動を経て停止状態に至るまでの制御タイミングの変移を示す波形図である。 電動モータに複数のロータを直列に設けた状態を示す、モータの構造図である。 同モータに適用される制御テーブルである。 同制御テーブルを用いた、車両の始動、安定走行、停止までの電動モータの制御特性図である。 同モータに適用される、アクセルと加速レベルとの制御特性図である。 同モータに適用される、ブレーキと減速レベルとの特性図である。 図９のシステムの変形例である。 図３２のシステムの制御タイミングチャートである。 蓄電制御系統のブロック図である。

Claims (3)

1. 電動モータを他の駆動源と組み合わせた、被駆動体を駆動するための駆動システムと、この駆動システムから前記被駆動体に駆動力を伝達する機構と、前記電動モータの駆動と回生を制御する電動モータ動作制御回路と、回生エネルギを蓄電する蓄電機構と、蓄電制御回路と、前記被駆動体の動作を検出するセンサと、前記センサ出力に基づいて前記駆動システムに駆動制御信号を出力する運転制御装置と、を備え、
   前記電動モータは、磁性体からなる移動体と複数相のコイルとを備えてなり、
   前記運転制御装置は、前記被駆動体の運転状態に応じて前記コイル相の一つ又は複数を駆動用及び／又は回生用に制御し、
   前記電動モータ動作制御回路は、前記センサ出力に基づいて得られた前記被駆動体の実速度を表す検出信号と基準信号とを比較する比較回路を備え、この比較結果に基づいて前記電動モータの駆動制御信号を形成してこれを前記電動モータの駆動回路に供給し、さらに、前記比較結果に基づいて前記回生制御信号を形成してこれを前記蓄電制御部に供給するように構成され、
   前記比較回路は、前記検出信号と基準信号の位相を比較し、位相差に基づいて前記駆動制御信号又は回生制御信号を形成し、
   前記運転制御装置は、前記比較回路による位相の比較結果に基づいて、前記複数相のコイルの一部を駆動用とし、他を回生用に同時に制御するものである駆動回生制御システム。
2. 前記電動モータ動作制御回路は、前記位相差に基づいて前記駆動回路に供給される前記電動モータの駆動信号のデューティ比を決定し、前記位相差に基づいて前記蓄電制御部に供給される回生許可信号のデューティ比を決定してなる請求項１記載のシステム。
3. 前記コイル相毎に前記移動体に対する磁気センサを備え、前記電動モータ動作制御回路は、前記比較結果に基づいて前記磁気センサの出力に対するヒステリシスレベルを決定し、前記ヒステリシスレベルと前記磁気センサ出力から前記駆動回路に供給される前記電動モータの駆動信号のデューティ比を決定し、前記ヒステリシスレベルと前記磁気センサ出力から前記蓄電制御部に供給される回生許可信号のデューティ比を決定してなる請求項１記載のシステム。

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