JP5317422B2 - モータの制御装置及びモータの制御方法並びに電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、モータの制御装置、モータの制御方法、電動車両に関する。

スイッチトリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータという）は、突極構造を有する回転子と固定子とを有し、固定子の極ごとに巻装されたコイルに通電して磁力を発生させて回転子の突極を吸引することで回転駆動される。
ここで、ＳＲモータをその出力が最大になるように制御するときは、予め設定された進角で通電の切り替えタイミングを決定し、目標トルクと回転数に対応してデューティを設定していた。例えば、特許文献１に開示されている制御方法では、目標トルクと回転数で検索すれば、電流目標値が得られるような電流マップメモリが設けられている。
実開平６−２５２２４号公報

しかしながら、従来の制御方法では、進角は略一定の値が用いられ、進角を変化させる場合でも回転数の大小によって段階的に変化させるのみであった。さらに、進角の設定とデューティ（電流目標値）の設定が独立して行われるので、最も効率が良い条件でＳＲモータが運転されるとは限らなかった。このため、ＳＲモータを電動バイク等のように電源容量が限られた装置に使用する場合には、モータ効率を最適化することが望まれていた。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、モータ効率を向上させることを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、目標トルク及び回転数の組み合わせに対してモータの通電を切り換えるタイミングを演算するときの進角を前記モータのコイルに通電する際のデューティを１００％に設定した状態の値として関連付け目標トルクに応じて進角が段階的に変化する進角制御マップと、目標トルク及び回転数に対してモータに通電する際のデューティを関連付け、前記進角制御マップで選択された進角で得られるトルクを目標トルクに調整するようなデューティが得られるデューティ制御マップと、前記進角制御マップおよび前記デューティ制御マップに基づいて、目標トルクに応じて段階的に進角を変化させ、当該目標トルクに応じてデューティを変化させる制御部と、を有することを特徴とするモータの制御装置とした。
このモータの制御装置は、目標トルク及び回転数に応じて、進角とデューティのそれぞれを制御する。進角制御マップで決定された進角で通電制御をしたときに得られるトルクが目標トルクに一致するようにデューティの値が変化させられる。

本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のモータの制御装置と、目標トルクの入力手段であって運転者が回動操作するグリップと、前記モータで回転駆動させる駆動輪の回転数を検出する回転検出センサと、を有することを特徴とする電動車両とした。
このモータの制御装置は、運転者によるグリップの操作量を目標トルクとして捕らえ、回転数は回転検出センサで実測する。このようにして得られる目標トルク及び回転数に応じて進角制御及びデューティ制御を行う。

本発明の請求項３に係る発明は、目標トルク及び回転数の組み合わせに対してモータの通電を切り換えるタイミングを演算するときの進角を前記モータのコイルに通電する際のデューティを１００％に設定した状態の値として関連付け目標トルクに応じて進角が段階的に変化する進角制御マップ、および目標トルク及び回転数に対してモータに通電する際のデューティを関連付け、前記進角制御マップで選択された進角で得られるトルクを目標トルクに調整するようなデューティが得られるデューティ制御マップに基づいて、目標トルク及び回転数からなる動作点の情報で、目標トルクに応じて段階的に進角を変化させ、当該目標トルクに応じてデューティを変化させることによって、その動作点におけるモータの通電を切り換えるタイミングを演算するときの進角を決定するステップと、前記動作点におけるモータに通電する際のデューティとして、決定した前記進角で運転させたときに得られるトルクと目標トルクが一致するように調整するデューティを決定するステップと、決定した前記進角及び前記デューティに基づいてモータの通電制御を行うステップと、を有することを特徴とするモータの制御方法とした。
このモータの制御方法は、進角を決定するステップとデューティを決定するステップを実施することで、目標トルク及び回転数に応じて、進角とデューティのそれぞれを制御する。進角を決定するステップとデューティを決定するステップはどちらを先に実施しても良い。

本発明によれば、目標トルク及び回転数に応じて進角とデューティのそれぞれを制御するようにしたので、従来のように進角をほとんど変化させずにデューティの増減で目標トルクの増減に対応させていた場合に比べ、モータの運転効率を向上させることができる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１にＳＲモータを用いた電動車両の一例として電動バイクの概略構成を示す。
電動バイク１は、車体２に回動自在に支持されたフロントフォーク３に前輪４が支持されており、フロントフォーク３の上端に設けられたハンドル５で前輪４を操舵可能になっている。車体２には、運転者が着座するシート６が取り付けられると共に、駆動輪である後輪７が回転自在に支持されている。後輪７には、ＳＲ（スイッチトリラクタンス）モータ８が内蔵されており、車体２に固定された制御装置１０からの出力で回転駆動されるようになっている。制御装置１０には、ハンドル５に設けられたアクセルグリップ１１の出力と、後輪７の回転を検出する回転検出センサ１２の出力とが接続されている。

ＳＲモータ８は、車体２側に固定されたステータ２１の外周にロータ２２が回転自在に支持されたアウターロータタイプになっている。ステータ２１は、外周に複数の突極２３が等間隔に２４個突設されている。各突極２３には、コイル２４が巻装されている。ロータ２２は、内周に突極２５が等間隔に１６個突設されている。

制御装置１０は、バッテリ３１から直流電圧が印加されてＳＲモータ８のコイル２４に電流を出力するインバータ３２と、インバータ３２を制御する制御部３３とを有する。制御部３３は、マイコンを備え、アクセルグリップ１１の出力信号と、回転検出センサ１２の出力信号に基づいてインバータ３２のスイッチング素子のＯＮ−ＯＦＦを切り換える構成を有する。さらに、制御部３３には、進角制御マップ３５と、デューティ制御マップ３６が設けられており、進角やデューティの制御が可能になっている。

図２に示すように、進角制御マップ３５は、回転数及び目標トルクの組み合わせに対して進角が１通りに求まるように構成されている。進角制御マップ３５は、デューティを１００％にしてＳＲモータ８を回転させたときに、特定の回転数で特定の目標トルクが得られるような進角を調べて作成してある。例えば、回転数がゼロでは、目標トルクが増加するに従って進角が段階的に減少している。これに対して回転数が増加した領域では、同じ回転数でも目標トルクが増加するに従って進角が段階的に増加する。同じ目標トルクでは、回転数がゼロより大きい領域であれば、回転数が増加するに従って進角が増加する。

図３に示すように、デューティ制御マップ３６は、回転数及び目標トルクの組み合わせに対してデューティが１通りに求まるように構成されている。デューティ制御マップ３６は、トルクとデューティの関係を回転数ごとに調べて作成してあり、進角制御マップ３５で決定される進角で目標トルクが得られるようなデューティが得られるように構成されている。例えば、回転数がゼロの領域では、目標トルクが減少すればデューティも減少する。回転数がゼロより大きい領域では、目標トルクの増加に伴ってデューティが増減する。

図１に示すアクセルグリップ１１は、運転者が回転操作できるようにハンドル５に設けられており、操作量に応じた信号が制御装置１０に出力されるようになっている。この電動バイク１でアクセルグリップ１１の操作量の情報は、目標トルクとして取り扱われる。つまり、アクセルグリップ１１の回転量に比例して目標トルクの値が大きくなる。
回転検出センサ１２は、後輪７の回転数を検出できるセンサであれば如何なる構成でも良い。インホイールモータタイプの電動バイク１で、ＳＲモータ８の回転を減速させることなく後輪７に伝達する場合は、ロータ２２の回転を検出するロータリエンコーダを使用できる。

次に、ＳＲモータ８の制御方法について説明する。
運転者がアクセルグリップ１１を回転操作すると、操作量の情報が制御装置１０の制御部３３に入力される。さらに、回転検出センサ１２の出力信号も制御部３３に入力される。制御部３３は、アクセルグリップ１１の操作量から目標トルクを算出し、回転検出センサ１２の出力信号から回転数を算出する。そして、目標トルクと回転数の組み合わせ（以下、動作点という）で進角制御マップ３５を検索して進角を決定する。同様に、同じ動作点でデューティ制御マップ３６を検索してデューティを決定する。このときの進角は、その動作点で効率の良い通電切替が可能な値が選択される。さらに、デューティは、選択された進角で目標トルクが得られるように調整されたデューティが選択される。

例えば、動作点から抽出される進角でデューティを１００％にしたときに目標トルクを達成させているとき、アクセルグリップ１１の回転量が減って目標トルクが減少した場合を考える。減少量が少ない場合は、進角制御マップ３５を検索しても減少前と同じ進角が得られる。これに対して、デューティ制御マップ３６の検索結果として１００％より低いデューティが得られる。このように、減少量が少ない領域では進角は変えずにデューティを変化させる。
減少量が大きくなると、進角制御マップ３５を検索したときに得られる進角の値が小さくなる。デューティ制御マップ３６からは、減少させた進角で運転させたときに目標トルクが得られるようなデューティが検索される。このように、変化が大きい領域では、進角及びデューティを共に変化させる。
そして、目標トルクが増加する場合にも、これらの処理と同様に進角及びデューティをマップ３５，３６の検索結果に応じて適宜変化させる。デューティ制御マップ３６は、進角の変化を考慮して作成されているので、進角制御マップ３５の検索とデューティ制御マップ３６の検索は、どちらを先に実施しても良い。

制御部３３は、マップ検索で決定した進角に応じて通電の切り換えタイミングを決定し、マップ検索で決定したデューティになるようにインバータ３２に駆動信号を出力する。インバータ３２がステータ２１のコイル２４への通電を制御し、ロータ２２を回転させる。そして、ロータ２２と一体に固定されている後輪７が回転する。

この実施の形態では、制御部３３に進角制御マップ３５とデューティ制御マップ３６を設け、回転数及び目標トルクの組み合わせで最も出力が得られる進角を決定すると共に、デューティを変化させることで目標トルクに一致するように調整するので、モータ効率を最適化し易くなる。このようなシステムを電動バイク１に使用することで、効率の良い運転が可能になる。

ここで、この実施の形態におけるＳＲモータ８の効率を測定した結果を表１に示す。計測に使用したＳＲモータ８は、ステータ２１が２４極でロータ２２が１６極のものを使用し、４００ｒｐｍにおいて負荷を９．５Ｎｍ、１３．４Ｎｍ、１７．３Ｎｍ、２１．２Ｎｍの４通りに変化させ、それぞれにおけるモータ効率を測定した。表１には、比較として、従来の制御装置によるモータ効率を調べた結果も載せている。

従来の制御装置では、進角が固定され、負荷が増大するごとにデューティを徐々に増大させている。これに対して、この制御装置１０では、回転数が同じでも負荷の違いによって進角が２°、３．５°、５°のように異なる値が選択される。負荷が低い方から３つ目までの負荷条件では、進角とデューティの２つを同時に制御して最適化を図ることでモータ効率が従来の制御装置に比べて向上した。４つ目の負荷条件では、結果的に同じ進角及びデューティになっていたので両者の間に差は生じなかった。なお、この制御装置１０による制御でデューティは、全てにおいて１００％になっているが、負荷の値が異なれば同じ回転数でもデューティの値が異なることがある。
また、従来の装置では、進角が固定され、負荷が増大する度にデューティを徐々に増大させるので、アクセルグリップの操作量をデューティにしていた。これに対して、この実施の形態では、アクセルグリップの操作量を目標トルクとして扱うことで、デューティの調整が可能になって、運転の効率化が図れた。

なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、ＳＲモータ８のステータ２１及びロータ２２の極数は、図示したものに限定されない。
トルクセンサやインバータ３２に設けたシャント抵抗などの電流センサを設け、これらの情報を制御部３３に入力することでさらに最適な進角及びデューティを演算するようにしても良い。
制御装置１０を用いたシステムは、電動バイク１に限定されない。その他の車両であっても良い。

本発明の実施の形態に係るモータの制御装置を含むシステムの一例を示す電動バイクのブロック図である。 進角制御マップの一例を示す図である。 デューティ制御マップの一例を示す図である。

符号の説明

１ 電動バイク（電動車両）
８ ＳＲモータ
１０ 制御装置
１１ アクセルグリップ
１２ 回転検出センサ
３５ 進角制御マップ
３６ デューティ制御マップ

Claims (3)

1. 目標トルク及び回転数の組み合わせに対してモータの通電を切り換えるタイミングを演算するときの進角を前記モータのコイルに通電する際のデューティを１００％に設定した状態の値として関連付け目標トルクに応じて進角が段階的に変化する進角制御マップと、
   目標トルク及び回転数に対してモータに通電する際のデューティを関連付け、前記進角制御マップで選択された進角で得られるトルクを目標トルクに調整するようなデューティが得られるデューティ制御マップと、
   前記進角制御マップおよび前記デューティ制御マップに基づいて、目標トルクに応じて段階的に進角を変化させ、当該目標トルクに応じてデューティを変化させる制御部と、
   を有することを特徴とするモータの制御装置。
2. 請求項１に記載のモータの制御装置と、
   目標トルクの入力手段であって運転者が回動操作するグリップと、
   前記モータで回転駆動させる駆動輪の回転数を検出する回転検出センサと、
   を有することを特徴とする電動車両。
3. 目標トルク及び回転数の組み合わせに対してモータの通電を切り換えるタイミングを演算するときの進角を前記モータのコイルに通電する際のデューティを１００％に設定した状態の値として関連付け目標トルクに応じて進角が段階的に変化する進角制御マップ、および目標トルク及び回転数に対してモータに通電する際のデューティを関連付け、前記進角制御マップで選択された進角で得られるトルクを目標トルクに調整するようなデューティが得られるデューティ制御マップに基づいて、目標トルク及び回転数からなる動作点の情報で、目標トルクに応じて段階的に進角を変化させ、当該目標トルクに応じてデューティを変化させることによって、その動作点におけるモータの通電を切り換えるタイミングを演算するときの進角を決定するステップと、
   前記動作点におけるモータに通電する際のデューティとして、決定した前記進角で運転させたときに得られるトルクと目標トルクが一致するように調整するデューティを決定するステップと、
   決定した前記進角及び前記デューティに基づいてモータの通電制御を行うステップと、
   を有することを特徴とするモータの制御方法。

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