JP4943719B2

JP4943719B2 - スイッチトリラクタンスモータの回生制御装置

Info

Publication number: JP4943719B2
Application number: JP2006056256A
Authority: JP
Inventors: 宏昭岡田
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2026-03-02
Also published as: JP2007236135A

Description

本発明は、スイッチトリラクタンスモータに発電させる回生モードを行うスイッチトリラクタンスモータの回生制御装置に関するものである。

従来、ロータに複数の磁性体からなる突極部を設け、ロータを外囲するように同軸的に配設されたステータの複数の内向突極部を設け、各内向突極部にそれぞれ巻線して励磁コイルを形成し、各励磁コイルに選択的に通電することにより、ステータの内向突極部にロータの突極部を磁気吸引してロータに回転トルクを発生させるようにしたスイッチトリラクタンスモータが知られている。このスイッチトリラクタンスモータにあっては、マグネットを必要としないため構造が簡単であることから、悪環境に対処し易くかつ安価に小型高出力化が可能であるなどの利点があり、種々のモータ装置への適用が考えられ、例えば電動カートなどの電動車両としての駆動モータに利用することも考えられている。

スイッチトリラクタンスモータを電動車両に用いて、内燃機関を用いた車両におけるアクセル操作と同様の運転を行うようにした場合には、アクセルオフ操作時にはエンジンブレーキに相当する回生制動を行うと良い。例えばステータの巻線にバッテリからの電力を供給する供給モードと、ロータ回転中に巻線に生じる起電力をバッテリに回収する回生モードとを切り換えて制御するものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−５７７９５号公報

一方、従来の回生制動制御において電源から巻線への供給電流が一定にしているものがある。その場合であっても、回転速度が低く回生時の通電電流が少ない場合には回転速度にかかわらず一定の制動トルクが得られていた。

しかしながら、上記巻線への供給電流を一定にする制御では回転速度が高い場合には高回転速度域で制動トルクが大きく増大してしまうため、回転速度にかかわらず一定となる所望の制動トルクを得ることができない。このような制御を行うスイッチトリラクタンスモータを用いた電動車両にあっては、アクセルオフの内燃機関搭載車両におけるエンジンブレーキに相当する操作を行った時に、速度低下（回転速度の低下）の過程において制動トルクが一定するようなフィーリングの良い制動感覚が得られないという問題がある。

さらに、走行性能の向上のために低回転速度域での大きな制動トルクを得たいという要望に応えるべく供給電流を多くすると、高回転速度域での回生制動時に発電量が多くなり過ぎて、回転速度の変化に対するトルク変動がより一層大きくなるばかりでなく、パワー素子の破損にもなり得る虞がある。

このような課題を解決して、スイッチトリラクタンスモータの回生制動において制動トルクが一定となり得る制御を実現するために本発明に於いては、回生制動指令信号が入力された場合に、スイッチトリラクタンスモータに電源から電流を流す供給モードの後に、前記スイッチトリラクタンスモータに発電させる回生モードを行う制御回路を有するスイッチトリラクタンスモータの回生制御装置であって、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、制動トルクを設定する制動トルク設定手段と、前記制動トルク設定手段により設定された制動トルクがブレーキ効果が望まれる前記回転速度の所定の範囲で略一定となるようにした前記回転速度と前記電流との関係を示すマップとを有し、前記制御回路が、前記供給モードにおいて前記検出された電流が前記検出された回転速度に基づき前記マップから読み出された電流値に達したら前記回生モードに切り換えて前記スイッチトリラクタンスモータに回生電流を連続して流す制御を行うものとした。

特に、前記制御回路が、前記回生制動指令信号が入力された時に検出された前記回転速度が所定の低回転速度域の場合には前記回生モードでは前記回転速度に基づき前記マップから読み出された電流値となるように前記スイッチトリラクタンスモータに流れる電流を制御すると良い。また、前記マップが、前記制動トルクの複数の値に対応して複数設けられ、前記複数のマップの任意の１つを選択するスイッチ手段を有すると良く、また、前記供給モードにおいて還流モードを逐次行い、また前記回生モードにおいて還流モードを逐次行うと良い。

このように本発明によれば、回生モードにおいて回転速度の変化にかかわらず制動トルクが略一定となるように、回転速度に応じて電流を設定したマップを用い、回生モードを行う時には回転速度検出値に基づきマップから読み出された電流値に電流検出値が達したら回生モードに切り換えることから、回転速度の違いに応じて回生モードに切り換える電流値を変えることができ、例えば高回転速度側では低回転速度側よりも小さな電流値で回生モードに切り換えることにより回生制動時に電流が増大し過ぎることを防止できる。回転速度に応じて回生モードに切り換える電流値をマップにより適切に設定することができ、回転速度の違いにかかわらず略一定の制動トルクに制御することを実現し得る。

特に、低回転速度域ではマップから読み出された電流値となるように電流を制御することにより、低回転速度域における制動トルク一定制御を正確に行うことができる。また、制動トルクの値別にマップを複数設け、スイッチにより選択することができることにより、例えば電動カートにおいて回生制動による制動トルクを運転技量や好みに応じて容易に調整することができ、電動カートの取り扱い性が大幅に向上し得る。また、供給モードや回生モードにおいて還流モードを逐次行うことにより、制動トルク一定制御となる電流制御を容易に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明が適用された電動カートに搭載される駆動モータ制御装置の概略ブロック図である。図示されないアクセルペダルの踏み込み量であって良いアクセル操作信号が制御回路としての制御ユニット１に入力し、それに応じて制御ユニット１から出力される駆動制御信号に応じて本発明の対象となるスイッチトリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータとする）２が駆動制御される。

制御ユニット１には、アクセル操作信号が入力されるＣＰＵ３と、ＳＲモータ２に通電するためのドライバ回路４と、ＳＲモータ２の各相（Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相）に流れる電流をそれぞれ検出する電流検出手段としての各電流検出センサ５ｕ・５ｖ・５ｗとが設けられている。また、ＳＲモータ２にはそのロータの回転速度を検出する回転速度検出手段としての回転センサ６が設けられ、ＣＰＵ２に、各電流検出センサ５ｕ・５ｖ・５ｗにより検出された各電流検出信号と、回転センサ６により検出された回転検出信号とが入力するようになっている。

本発明に基づくＳＲモータ２にあっては、図２で示される３相構造のものであって良い。例えば、ロータ７には４つの半径方向外向き突極部が設けられ、ロータ７を同軸に外囲する円環状のステータ８には６つの半径方向内向き突極部が設けられていると共に、ステータ８の各突極部にはＵ相・Ｖ相・Ｗ相の各励磁コイルＬｕ・Ｌｖ・Ｌｗが巻回されかつ対向位置同士で連結されている。この図示例のものにあっては、ステータ８の各対向する一対の突極部の一方がＮ極となって、他方がＳ極となるように上記巻線が行われている。

上記ＳＲモータ２を回転駆動する場合には、通常のＳＲモータの転流制御であって良く、その詳しい説明は省略するが、ドライバ回路４の一例を図２に示す。図２にあっては、電源としての図示されないバッテリからの電源ライン（電圧Ｖｂ）に並列接続された各トランジスタＱ１・Ｑ２・Ｑ３を介して各相の一方の励磁コイルＬｕ・Ｌｖ・Ｌｗが接続され、各相の他方の励磁コイルＬｕ・Ｌｖ・Ｌｗが各トランジスタＱ４・Ｑ５・Ｑ６を介して接地されている。なお、各ダイオードＤ１・Ｄ２・Ｄ３・Ｄ４・Ｄ５・Ｄ６は還流用である。

各トランジスタＱ１〜Ｑ６は、例えばＵ相励磁コイルＬｕ・Ｖ相励磁コイルＬｖ・Ｗ相励磁コイルＬｗの順にロータ７の回転に合わせて電流を流すコイルを切り換えるように、ＣＰＵ３からの制御信号に応じてオン・オフする。さらに、本駆動制御にあってはＰＷＭ制御を行うものであり、ＣＰＵ３から各トランジスタＱ１〜Ｑ６にはＰＷＭ制御信号が出力され、ＳＲモータ２をデューティ制御することができるようになっている。

そして、電動カートにおいて内燃機関搭載車両と同様にエンジンブレーキの効果を出すべく、例えば回生制御開始の条件をアクセルオフ（アクセル操作量が０）の信号入力として、その場合にはＣＰＵ３により回生制御を実行する。その回生制御での制御要領について以下に示す。

回生制御が選択された場合には図３に示される制御ルーチンを実行する。まずステップＳＴ１では上記した回転センサ６により検出された回転検出信号に基づいてＣＰＵ３で回転速度を算出する。次のステップＳＴ２ではステップＳＴ１で求められた回転速度に基づきマップから読み出された電流値としての基準供給電流値Ｉａの決定を行う。この基準供給電流値Ｉａは、回生モードに切り換えるための基準である。

本実施例にあっては、上記基準供給電流値Ｉａの決定をマップにより求める。図１に示されるように、制御ユニット１には例えば予めメモリに記憶する形態のマップ記憶部９が設けられている。そのマップ記憶部９には例えば図４（ａ）に示される波形となるマップが設定されている。また、図では例えば１Ｎｍ・２Ｎｍ・３Ｎｍ・４Ｎｍの４段階に分けた場合を示している。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のように電流を変化させた場合の回転速度に対する制動トルクを示す波形である。このように、図４（ａ）に示されるように供給電流の変化に基づいてＳＲモータ２に流す供給電流を制御することにより、電動カートにおいてエンジンブレーキ効果が望まれる回転速度範囲ＤＲのほぼ全範囲で回生による制動トルクが図４（ｂ）に示されるように略一定となるようにすることができる。なお、低回転速度域ではフィーリングを考慮して、図に示されるように制動トルクが徐々に低減するように設定すると良い。

また、図１に示されるようにマップ記憶部９に制動トルク設定手段としての設定スイッチ１０を接続しておき、設定スイッチ１０により上記図示例のように４段階の設定トルクを任意に選択できるようにしている。ユーザは運転前に設定スイッチ１０により任意の設定トルクを選択して設定することができ、回生制動時にはその設定された略一定の制動トルクで減速させることができる。このようにすることにより、例えば、初級者の段階では比較的小さな制動トルクを設定し、上級になるにつれて大きな制動トルクを設定することができ、１台の電動カートで上記したような要求に対応することができ、初級者から上級者までの幅広いユーザに適用可能な電動カートを提供し得る。

上記したように、ユーザが予め選択した制動トルクに応じて図４（ａ）のマップに基づき基準供給電流値Ｉａを決定したら、ステップＳＴ３で供給（供給・還流）モードを実行する。供給（供給・還流）モードにあっては、供給電流を連続して流す供給モードであっても良く、図示例（図５〜７）のように供給電流を流す状態とモータを介して電流を還流させる状態とを行う供給・還流モードであっても良い。その供給・還流モードについて図５を参照して説明する。図５ではロータ７の１つの突極部と対応するステータ８の半径方向内向き突極部との間における回転方向変位に応じたインダクタンスの変化と、対応する相の励磁コイルに対する印加電圧パターン及びそれに伴う電流の変化とを示す。この図５にあっては、図４における比較的低速走行域に該当する範囲（低回転速度域）ＤＲ１における一例である。

図５に示されるように、インダクタンスはロータ７の回転に応じて最低値から最高値まで増大した後最低値まで減少する三角波状に変化する。また、本実施例では還流も併せて行う供給・還流モードの例であり、その制御の一例としてはＰＷＭ制御がある。なお、電流供給状態と還流状態とを行わせることができるものであれば良く、ＰＷＭ制御に限られない。図示例の場合には、電圧波形は、図に示されるようにキャリア周波数に応じかつデューティに応じた連続的な矩形パルス波となって出力される。インダクタンスが上昇する範囲で電圧波形が正の場合には供給電流となり、それによりＳＲモータ２の駆動状態となる（図の駆動範囲）。また、インダクタンスが下降する範囲で電流が流れる場合には制動トルクが発生する制動状態となる（図の制動範囲）。なお、それぞれにおいて電圧が印加されない状態（電圧が０）では還流状態となる。駆動範囲での還流状態にあっては電流は増加せず、制動範囲では電流が増加する。

上記ステップＳＴ３の次のステップＳＴ４では電流Ｉの検出を行い、次のステップＳＴ５ではその検出電流値ＩがステップＳＴ２で決定された基準供給電流値Ｉａに達したか否かを判別する。図５の場合には基準供給電流値ＩａはＩ１となる。

そして、ステップＳＴ５で検出電流値Ｉが基準供給電流値Ｉａ（＝Ｉ１）に達したと判断された場合にはステップＳＴ６に進み、そこで回生（還流・回生）モードを実行する。この回生（還流・回生）モードにあっては、回生電流を連続して流す回生モード（図６・７）であっても良く、回生電流を流す状態とモータを介して電流を還流させる状態とを行う還流・回生モード（図５）であっても良い。なお、ステップＳＴ５で未だ検出電流値Ｉが基準供給電流値Ｉａ（＝Ｉ１）に達していないと判断された場合にはステップＳＴ３に戻る。

ステップＳＴ６では、通電していたトランジスタ（例えばＵ相の場合にはＱ１・Ｑ４）をオフにする。それにより励磁コイル（例えばＬｕ）には逆起電力が生じて、発電電力が発生し、電源Ｖｂに向けて電流を流す回生状態になる。この時も図に示されるようにＰＷＭ制御することにより、そのデューティに応じた略一定の電流値Ｉ１を流すことができる。

なお、回生制動を行うには一定以上の電流が、インダクタンスが減少する際に励磁コイルに流れている必要がある。しかしながら、低速走行（低回転速度）域では回生モード時には電流が減少してしまう。そのため、還流モードを用いて電流を略一定値に保つ必要がある。また、インダクタンスが最小値に近づき回生制動がまもなく終了する場合には、電流を一定に保つ必要がなくなり、還流モードを用いず回生モードのみを行う。この回生制動場合には、図５に示される電流波形におけるハッチング範囲が制動トルクに寄与する。

次に図４に示される比較的中速走行域に該当する範囲ＤＲ２での一例について図６を参照して以下に示す。なお、図６は上記図５に対応する図であり、図示で同様の部分についての説明を省略する。この範囲ＤＲ２では範囲ＤＲ１よりも回転速度が高いことから供給電流値がＩ１のままだと回生時の電流が大きくなる。図４（ａ）に示されるように、範囲ＤＲ１よりも回転速度の高い範囲ＤＲ２では電流値が下がるようにマップが作成されている。そこで図４（ａ）に示されるマップから回転速度に応じた基準供給電流値Ｉａ（図６のＩ２）を決定し、ステップＳＴ５で検出電流Ｉがその基準供給電流値Ｉａ（＝Ｉ２）に達したと判断されたらステップＳＴ６で回生（還流・回生）モードを実行する。

この場合には、図６に示されるように供給電流値Ｉ２が上記範囲ＤＲ１の場合の供給電流値Ｉ１よりも低く、図５に比較して早い段階で回生モードに切り換わることになる。また中回転速度範囲ＤＲ２においては、回生モードに切り換わっても励磁コイルを流れる電流がインダクタンスの減少とともに減少しないので還流モードを用いる必要がない。またさらに図６では、供給電流値Ｉ２が低く抑えられているため、所望の回生制動に必要な電流値を維持するとともに、その最大値を低く抑えられていることが示されている。これにより、図４（ｂ）に示されるように中回転速度範囲ＤＲ２においても制動トルクが略一定となる。なお、図は一例であり、この範囲ＤＲ２では常に回生時に還流モードを行わないことを示すものではない。

次に図４に示される比較的高速走行域に該当する範囲ＤＲ３での一例について図７を参照して以下に示す。この図７においても上記と同様に図５に対応するものであり、図示で同様の部分についての説明を省略する。この範囲ＤＲ３では範囲ＤＲ２よりもさらに回転速度が高いことから、図４（ａ）に示されるように、より小さな基準供給電流値Ｉａ（図７のＩ３）が決定される。この供給電流値Ｉ３がステップＳＴ５の基準供給電流値Ｉａとなるため、図６よりも早い段階で回生モードに切り換わることになる。

この場合も図６と同様に回生モードに切り換わっても励磁コイルを流れる電流がインダクタンスの減少とともに減少しないので還流モードを用いる必要がない。さらに、供給電流値Ｉ３がより低く抑えられているため、所望の回生制動に必要な電流値を維持するとともに、その最大値を低く抑えられ、図７ではその場合が示されている。そして、図４（ｂ）に示されるように高回転速度範囲ＤＲ３においても制動トルクが略一定となる。このようにして、使用全回転速度範囲ＤＲにおいて図４（ｂ）に示されるように略一定の制動トルクとなる回生制御が実現でき、内燃機関搭載車両のエンジンブレーキと同様の制動フィーリングが得られる。

そして、例えば高速走行状態でアクセルオフとして低速域まで減速する場合には、上記範囲ＤＲ３で示した状態から範囲ＤＲ２で示した状態を経て範囲ＤＲ１で示した状態に至る。その場合には、制御サイクル毎に、検出される回転速度値に基づきマップから供給電流値を読み出し、減速に応じて時々刻々変化する供給電流値に基づく回生制御が連続的に行われる。

すなわち、予め設定スイッチ１０で選択された制動トルクに対応して図４（ａ）の電流波形から回転速度に応じた供給電流値が読み出されるため、図４（ｂ）の制動トルク波形に示されるように範囲ＤＲにあっては回転速度の違いにかかわらず略一定の制動トルクが得られることになる。また、制動トルクの選択を図示例のように４段階で選択できるようにすることにより、ユーザにあっては簡単に好みの制動トルクに調整することができ、電動カートにおける利便性が大となる。なお、制動トルクの選択数は図示例の４段階に限られるものではなく、適用車両に応じて固定であっても良く、さらに使用状態から考えられる数の複数段の設定であっても良く、さらにメモリ容量や処理能力に応じてダイアル操作による無段階状態の設定とするようにしても良い。

本発明にかかるＳＲモータは、回生制動による制動トルクを回転速度にかかわらず略一定にすることができ、電動車両だけでなく、モータ駆動装置において回生制動による制動トルクを一定にした制御を行う場面を有する機械装置等にも適用できる。

本発明が適用された電動カートに搭載される駆動モータ制御回路の概略ブロック図である。ドライバ回路を示す回路図である。本発明に基づく制御を示すフロー図である。（ａ）は回転速度に対する供給電流の変化を示すマップであり、（ｂ）は回転速度に対する制動トルクの変化を示す（ａ）に対応する図である。低速走行域における回生制動の制御波形の例を示す図である。中速走行域における回生制動の制御波形の例を示す図である。高速走行域における回生制動の制御波形の例を示す図である。

符号の説明

１制御ユニット
２スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）
３ＣＰＵ
４ドライバ回路
５ｕ・５ｖ・５ｗ電流検出センサ
６回転センサ
９マップ記憶部
１０設定スイッチ

Claims

回生制動指令信号が入力された場合に、スイッチトリラクタンスモータに電源から電流を流す供給モードの後に、前記スイッチトリラクタンスモータに発電させる回生モードを行う制御回路を有するスイッチトリラクタンスモータの回生制御装置であって、
前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、制動トルクを設定する制動トルク設定手段と、前記制動トルク設定手段により設定された制動トルクがブレーキ効果が望まれる前記回転速度の所定の範囲で略一定となるようにした前記回転速度と前記電流との関係を示すマップとを有し、
前記制御回路が、前記供給モードにおいて前記検出された電流が前記検出された回転速度に基づき前記マップから読み出された電流値に達したら前記回生モードに切り換えて前記スイッチトリラクタンスモータに回生電流を連続して流す制御を行うことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータの回生制御装置。
前記制御回路が、前記回生制動指令信号が入力された時に検出された前記回転速度が所定の低回転速度域の場合には前記回生モードでは前記回転速度に基づき前記マップから読み出された電流値となるように前記スイッチトリラクタンスモータに流れる電流を制御することを特徴とする請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータの回生制御装置。
前記マップが、前記制動トルクの複数の値に対応して複数設けられ、
前記複数のマップの任意の１つを選択するスイッチ手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチトリラクタンスモータの回生制御装置。
前記供給モードにおいて還流モードを逐次行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のスイッチトリラクタンスモータの回生制御装置。
前記回生モードにおいて還流モードを逐次行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のスイッチトリラクタンスモータの回生制御装置。