JP5555954B2

JP5555954B2 - 駆動回路

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Publication number: JP5555954B2
Application number: JP2010185597A
Authority: JP
Inventors: 伸一星; 明千葉; 悠士朗城戸
Original assignee: Tokyo University of Science
Current assignee: Tokyo University of Science
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-08-20
Also published as: JP2012044816A

Description

この発明は、駆動回路に係り、特に、スイッチトリラクタンスモータを駆動する駆動回路に関する。

従来より、スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）を駆動するために用いられている一般的な駆動回路として、図１３に示すような基本駆動回路が知られている。この基本駆動回路では、電源電圧以上の電圧をＳＲＭの巻線に印加することはできない。この基本駆動回路の動作モードを図１４（Ａ）〜図１４（Ｄ）に示す。

正電圧モードにおいて、図１４（Ａ）に示すように、電源電圧（Ｅ［Ｖ］）をＳＲＭの巻線に印加する。環流モードでは、図１４（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、ＳＲＭの巻線両端の電圧を０Ｖとする。また、負電圧モードにおいて、図１４（Ｄ）に示すように、ＳＲＭの巻線に正電圧モードと逆向きの電圧（−Ｅ［Ｖ］）を印加する。

一般的にＳＲＭの出力をより大きくするには、電源電圧をより高くする必要がある。しかし安全面などの問題からバッテリ電圧を低く抑えたいという要求もある。そのため、図１５に示すように、電源電圧と基本回路との間にコイルとスイッチからなる昇圧回路を挿入し、電源電圧よりも高い電圧を基本駆動回路に印加する方式が知られている。この方式では、昇圧用のリアクトルが必要となるため、装置のサイズや重量の増加が懸念される。

また、トルクリプルの低減に着目した駆動回路が提案されている（非特許文献１）。この回路を図１６に示す。また、動作モードを図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）に示す。

昇圧された正電圧モードにおいて、図１７（Ａ）に示すように、電源とキャパシタの電圧を足し合わせた電圧（Ｅ＋Ｖ_ｃ）をＳＲＭの巻線に印加する。また、通常の正電圧モードでは、図１７（Ｂ）に示すように、電源電圧（Ｅ［Ｖ］）をＳＲＭの巻線に印加する。負電圧モードでは、図１７（Ｃ）に示すように、ＳＲＭの巻線に昇圧モードと逆向きの電圧（−（Ｅ＋Ｖ_ｃ）［Ｖ］）を印加する。また、環流モードにおいて、図１７（Ｄ）に示すように、ＳＲＭの巻線両端を短絡し０Ｖとする。

全宰徳、後藤博樹、一ノ倉理、「回生エネルギーを利用した電気自動車用SRM のトルクリプル低減」、電気学会全国大会講演論文集、２００９年、Ｎｏ．４、ｐ３２８

ＳＲＭを、たとえば電気自動車などの次世代自動車に適用する場合には、電源への電力の回生が必須となるが、上記の非特許文献１に記載の回路では、巻線に流れる電流を電源へ回生することができない、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、巻線に印加する電圧を昇圧することができると共に、巻線に流れる電流を容量素子及び電源に回生することができる駆動回路を提示することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る駆動回路は、ＳＲＭの巻線の各々に対して電流を流して前記ＳＲＭを駆動する駆動回路であって、直流電源と、前記直流電源の陽極側に前記直流電源と直列に接続された容量素子と、直列に接続された第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、及び第３スイッチング素子で構成され、かつ、前記容量素子と並列に接続されたスイッチング直列回路と、各巻線の一端と、前記第１スッチング素子及び前記第２スイッチング素子の接続部分との間に各々接続された複数の第４スイッチング素子と、各巻線の他端と、前記直流電源の陰極との間に各々接続された複数の第５スイッチング素子と、各巻線について、電流の逆流を防止するために前記直流電源の陰極と、前記第４スイッチング素子と前記巻線との接続部分との間に各々接続された複数の第１の電流逆流防止素子と、各巻線について、電流の逆流を防止するために前記第５スイッチング素子と前記巻線との接続部分と、前記第２スッチング素子及び前記第３スイッチング素子の接続部分との間に各々接続された複数の第２の電流逆流防止素子と、を含んで構成されている。

本発明に係る駆動回路によれば、各巻線について、第４スイッチング素子及び第５スイッチング素子のオンオフにより、巻線に電圧が印加されたり、巻線に流れる電流が環流したり、巻線に流れる電流が回生したりする。

第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、及び第３スイッチング素子のオンオフにより、直流電源の電圧又は直流電源及び容量素子の電圧が巻線に印加され、あるいは、巻線に流れる電流が、直流電源又は容量素子に回生する。

このように、容量素子と並列に接続された第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、及び第３スイッチング素子のオンオフと、各巻線に接続された第４スイッチング素子及び第５スイッチング素子のオンオフとにより、巻線に印加する電圧を昇圧することができると共に、巻線に流れる電流を容量素子及び電源に回生することができる。

本発明に係る駆動回路は、容量素子の両端の間における電圧を検出する電圧検出部と、巻線を励磁するときに、電圧検出部によって検出された電圧に応じて、直流電源の電圧、又は直流電源及び容量素子の電圧を前記巻線に印加するように、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、及び第３スイッチング素子をオンオフ制御すると共に、励磁する巻線に対応する第４スイッチング素子及び第５スイッチング素子をオンするように制御する制御部とを更に含むようにすることができる。

上記の制御部は、巻線を励磁するときに、電圧検出部によって検出された電圧が、予め定められた第１電圧未満になると、前記第２スイッチング素子をオフするように制御し、電圧検出部によって検出された電圧が、第１電圧より高い予め定められた第２電圧より高くなると、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子の各々をオンすると共に第１スッチング素子をオフするように制御するようにすることができる。

上記の制御部を含む本発明に係る駆動回路は、各巻線に流れる電流を検出する電流検出部を更に含み、制御部は、各巻線について、巻線を励磁するときであって、かつ、電流検出部によって検出された電流が予め定められた第１電流値より大きくなると、巻線に対応する第４スイッチング素子をオフすると共に第５スイッチング素子をオンするように制御するようにすることができる。

また、上記の制御部は、各巻線について、巻線を励磁するときであって、かつ、電流検出部によって検出された電流が第１電流値より小さい予め定められた第２電流値未満になると、巻線に対応する第４スイッチング素子及び第５スイッチング素子の各々をオンするように制御するようにすることができる。

上記の制御部は、各巻線について、巻線を励磁しないとき、巻線に対応する第４スイッチング素子及び前記第５スイッチング素子の各々をオフするように制御するようにすることができる。

本発明に係る駆動回路は、容量素子の両端の間の電圧を検出する電圧検出部と、巻線を励磁しないときに、電圧検出部によって検出された電圧に応じて、巻線に流れる電流を、容量素子又は直流電源に回生するように、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、及び第３スイッチング素子をオンオフ制御する制御部とを更に含むようにすることができる。

また、上記の制御部は、巻線を励磁しないときに、電圧検出部によって検出された電圧が、予め定められた第１電圧未満になると、前記第２スイッチング素子をオフするように制御し、電圧検出部によって検出された電圧が、第１電圧より高い予め定められた第２電圧より高くなると、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の各々をオンすると共に第３スッチング素子をオフするように制御するようにすることができる。

以上説明したように、本発明の駆動回路によれば、容量素子と並列に接続された第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、及び第３スイッチング素子のオンオフと、各巻線に接続された第４スイッチング素子及び第５スイッチング素子のオンオフとにより、巻線に印加する電圧を昇圧することができると共に、巻線に流れる電流を容量素子及び電源に回生することができる、という効果が得られる。

本発明の実施の形態に係るＳＲＭ駆動システムの構成を示す概略図である。本発明の実施の形態に係るＳＲＭの構成を示す図である。回転子位置に対する各相のインダクタンスを示すグラフである。本発明の実施の形態に係るＳＲＭ駆動回路の構成を示す回路図である。（Ａ）昇圧モードにおけるＳＲＭ駆動回路の動作を示す図、（Ｂ）正電圧モードにおけるＳＲＭ駆動回路の動作を示す図、（Ｃ）環流モードにおけるＳＲＭ駆動回路の動作を示す図、（Ｄ）負電圧モードにおけるＳＲＭ駆動回路の動作を示す図、及び（Ｅ）回生モードにおけるＳＲＭ駆動回路の動作を示す図である。巻線に流れる電流の変化を示すグラフである。容量素子の両端間の電圧の変化を示すグラフである。１つの巻線に対するスイッチング素子の制御フローを示す図である。本発明の実施の形態に係る駆動制御部における第１から第３スイッチング素子の制御フローを示す図である。本発明の実施の形態に係る駆動制御部における第４、及び第５スイッチング素子の制御フローを示す図である。基本駆動回路におけるシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の実施の形態に係るＳＲＭ駆動回路におけるシミュレーション結果を示すグラフである。従来技術における基本駆動回路の構成を示す回路図である。（Ａ）正電圧モードにおける基本駆動回路の動作を示す図、（Ｂ）環流モードにおける基本駆動回路の動作を示す図、（Ｃ）環流モードにおける基本駆動回路の動作を示す図、及び（Ｄ）負電圧モードにおける基本駆動回路の動作を示す図である。従来技術における昇圧回路を挿入した基本駆動回路の構成を示す回路図である。従来技術におけるトルクリプルの低減に着目した駆動回路の構成を示す回路図である。（Ａ）正電圧モード（昇圧）における駆動回路の動作を示す図、（Ｂ）正電圧モード（通常）における駆動回路の動作を示す図、（Ｃ）負電圧モードにおける駆動回路の動作を示す図、及び（Ｄ）環流モードにおける駆動回路の動作を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係るＳＲＭ駆動システム１０は、図２に示すようなＳＲＭ１２を駆動するＳＲＭ駆動回路１４と、電圧検出部１６と、３つの電流検出部１８ａ，１８ｂ，１８ｃと、電圧検出部１６及び電流検出部１８ａ，１８ｂ，１８ｃの出力に基づいて、ＳＲＭ駆動回路１４を制御する駆動制御部２０とを備えている。

図２に示すように、ＳＲＭ１２は、６極構成のステータＳと４突極構成のロータＲとを有する周知の３相モータであって、ステータ磁極Ｐa1とＰa2とが対極をなしてＡ相を形成し、ステータ磁極Ｐb1とＰb2とが対極をなしてＢ相を形成し、ステータ磁極Ｐc1とＰc2とが対極をなしてＣ相を形成する。

ロータ突極がステータ磁極Ｐa1・Ｐa2〜Ｐc1・Ｐc2に接近する区間では、相巻線Ｌａ〜Ｌｃのインダクタンスが増加し、ロータ突極がステータ磁極Ｐa1・Ｐa2〜Ｐc1・Ｐc2と正対したときにインダクタンスは最大となる。一方、ロータ突極がステータ磁極Ｐa1〜Ｐc2から離反する区間では、相巻線Ｌａ〜Ｌｃのインダクタンスが減少し、ロータ突極がＳＲモータの機械角（６０度）の中心位置（隣り合う二つの磁極の中央）にあるときに当該相巻線Ｌａ〜Ｌｃのインダクタンスは最小となる。

このような構成のＳＲＭ１２を駆動する場合には、図３に示すようにＡ相→Ｂ相→Ｃ相→Ａ相の循環順序でインダクタンスが時間的に増加する期間に当該相を励磁してＳＲＭ１２を駆動する。

なお、ロータＲの位置（角度）が、ロータリーエンコーダ（図示省略）によって検出される。

図４に示すように、ＳＲＭ駆動回路１４は、直流電源３０と、直流電源３０の陽極と直列に接続された容量素子Ｃと、直列に接続されたスイッチング素子Ｓ_Ａ、スイッチング素子Ｓ_Ｂ、及びスイッチング素子Ｓ_Ｃで構成され、かつ、容量素子Ｃと並列に接続されたスイッチング直列回路３２と、各巻線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの一端とスッチング素子Ｓ_Ａ及びスイッチング素子Ｓ_Ｂの接続部分との間に各々接続されたスイッチング素子Ｓ_１ａ、Ｓ_１ｂ、Ｓ_１ｃと、各巻線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの他端と直流電源３０の陰極との間に各々接続されたスイッチング素子Ｓ_２ａ、Ｓ_２ｂ、Ｓ_２ｃと、各巻線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃについて、直流電源３０の陰極とスイッチング素子Ｓ_１ａ、Ｓ_１ｂ、Ｓ_１ｃ及び巻線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの接続部分との間に各々接続されたダイオードＤ_２ａ，Ｄ_２ｂ，Ｄ_２ｃと、各巻線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃについて、スイッチング素子Ｓ_２ａ、Ｓ_２ｂ、Ｓ_２ｃ及び巻線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの接続部分とスッチング素子Ｓ_Ｂ及びスイッチング素子Ｓ_Ｃの接続部分との間に各々接続されたダイオードＤ_１ａ，Ｄ_１ｂ，Ｄ_１ｃと、を備えている。

電圧検出部１６は、容量素子Ｃの両端間の電圧Ｖ_ｃを検出する。

電流検出部１８ａは、巻線Ｌａに流れる電流Ｉ_１ａを検出する。電流検出部１８ｂは、巻線Ｌｂに流れる電流Ｉ_１ｂを検出する。電流検出部１８ｃは、巻線Ｌｃに流れる電流Ｉ_１ｃを検出する。

駆動制御部２０は、ＳＲＭ１２のロータＲの位置と、電圧検出部１６によって検出される電圧Ｖ_ｃと、電流検出部１８ａ，１８ｂ，１８ｃによって検出された電流Ｉ_１ａ、Ｉ_１ｂ、Ｉ_１ｃとに基づいて、スイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃ、スイッチング素子Ｓ_１ａ、Ｓ_１ｂ、Ｓ_１ｃ、及びスイッチング素子Ｓ_２ａ、Ｓ_２ｂ、Ｓ_２ｃのオンオフを制御して、以下に説明する５つの動作モードでＳＲＭ駆動回路１４が動作するように制御する。なお、以下では、巻線Ｌａに注目して説明する。

まず、昇圧モードにおいて、図５（Ａ）に示すように、直流電源３０と容量素子Ｃの電圧を足し合わせた電圧（Ｅ＋Ｖ_ｃ）［Ｖ］をＳＲＭ１２の巻線Ｌａに印加する。正電圧モードでは、図５（Ｂ）に示すように、電源電圧（Ｅ［Ｖ］）をＳＲＭ１２の巻線Ｌａに印加する。環流モードでは、図５（Ｃ）に示すように、ＳＲＭ１２の巻線Ｌａ両端が短絡して０Ｖとなる。

また、負電圧モードでは、図５（Ｄ）に示すように、ＳＲＭ１２の巻線Ｌａに昇圧モードと逆向きの電圧（−（Ｅ＋Ｖ_ｃ）［Ｖ］）を印加する。このモードは、容量素子Ｃに巻線Ｌａのエネルギーを充電するように機能する。回生モードでは、図５（Ｅ）に示すように、ＳＲＭ１２の巻線Ｌａに正電圧モードとは逆向きの電圧（−Ｅ［Ｖ］）を印加できる。このとき直流電源３０に電流を回生する。

上記の５つの動作モードは、巻線Ｌｂ、Ｌｃについても同様である。

次に、上述した５つの動作モードでＳＲＭ駆動回路１４が動作するように各種スイッチング素子のオンオフを制御する原理について説明する。なお、以下では、１つの巻線Ｌａに対してのみ制御する場合を例に説明する。

まず、図６に示すように、巻線Ｌａに流れる電流Ｉ_１ａについて、電流指令値Ｉ_ｔと、バンド幅Ｉ_Ｂが予め設定されると共に、過電流を規定するための電流偏差最大値指定バンド幅Ｉ_ＭＡＸが予め設定されている。なお、（Ｉ_ｔ＋Ｉ_Ｂ／２）が第１電流値の一例であり、（Ｉ_ｔ−Ｉ_Ｂ／２）が第２電流値の一例である。

また、図７に示すように、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃについて、電圧指令値Ｖ_ｔと、ハンド幅Ｖ_Ｂが予め設定されている。なお、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）が第１電圧の一例であり、（Ｖ_ｔ＋Ｖ_Ｂ／２）が第２電圧の一例である。

駆動制御部２０による各種スイッチング素子のオンオフ制御について、図８に示す制御フローを参照して説明する。

まず、ロータＲの位置に基づいて、巻線Ｌａを励磁するタイミングであると判定される時間である場合であって（１００）、検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ−Ｉ_Ｂ／２）より小さい場合には（１０２）、スイッチング素子Ｓ_１ａ，Ｓ_２ａをオンする（１０４）。また、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）より低い場合（１０６）には、正電圧モードとして、スイッチング素子Ｓ_Ａをオンすると共に、スイッチング素子Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃをオフする（１０８）。一方、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）以上であって（１０６）、かつ、（Ｖ_ｔ＋Ｖ_Ｂ／２）より高い場合（１１０）には、昇圧モードとして、スイッチング素子Ｓ_Ａをオフすると共に、スイッチング素子Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃをオンする（１１２）。容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）以上であって（１０６）、かつ、（Ｖ_ｔ＋Ｖ_Ｂ／２）以下である場合（１１０）には、スイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃのオンオフ状態を変化させずに、動作モードを維持する（１１４）。

一方、検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ−Ｉ_Ｂ／２）以上である場合には（１０２）、（Ｉ_ｔ＋Ｉ_Ｂ／２）より大きく（１１６）、かつ、（Ｉ_ｔ＋Ｉ_ＭＡＸ）未満である場合には（１１８）、スイッチング素子Ｓ_１ａをオフし、スイッチング素子Ｓ_２ａをオンする（１２０）。これによって、ＳＲＭ駆動回路１４が巻線Ｌａについて環流モードとして動作する（１２２）。

検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ−Ｉ_Ｂ／２）以上であり（１０２）、（Ｉ_ｔ＋Ｉ_Ｂ／２）以下である場合には（１１６）、スイッチング素子Ｓ_１ａ、Ｓ_２ａのオンオフ状態を変化させずに、状態を維持する（１２２〜１２８）。

また、ロータＲの位置に基づいて、巻線Ｌａを励磁するタイミングでないと判定される場合（１００）、スイッチング素子Ｓ_１ａ、スイッチング素子Ｓ_２ａをオフする（１３０）。また、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）より低い場合（１３２）には、負電圧モードとして、スイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂをオフすると共に、スイッチング素子Ｓ_Ｃをオンする（１３４）。一方、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）以上であって（１３２）、かつ、（Ｖ_ｔ＋Ｖ_Ｂ／２）より高い場合（１３６）には、回生モードとして、スイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂをオンすると共に、スイッチング素子Ｓ_Ｃをオフする（１３８）。容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）以上であって（１３２）、かつ、（Ｖ_ｔ＋Ｖ_Ｂ／２）以下である場合（１３６）には、スイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃのオンオフ状態を変化させずに、動作モードを維持する（１４０）。

また、巻線Ｌａを励磁している時間である場合であって（１００）、検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ＋Ｉ_ＭＡＸ）より大きい場合には（１１８）、過電流防止のために、強力に電流を減少させるように、スイッチング素子Ｓ_１ａ、スイッチング素子Ｓ_２ａをオフする（１３０）。そして、ＳＲＭ駆動回路１４が巻線Ｌａについて負電圧モード又は回生モードとして動作するように、スイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃのオンオフを制御する（１３２〜１３８）。

次に、本実施の形態に係るＳＲＭ駆動システム１０の動作について説明する。まず、駆動制御部２０によって、図９に示す制御フローに従って、スイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃのオンオフが制御される。

まず、ステップ１５０において、ロータＲの位置に基づいて、少なくとも１相について、励磁するタイミングであるか否かを判定する。１相でも励磁する場合には、ステップ１５２において、励磁する相の巻線に流れる電流Ｉ_１ｘ（ｘ＝ａ，ｂ，ｃ）が、（Ｉ_ｔ−Ｉ_Ｂ／２）未満であるか否かを判定する。励磁する相の巻線に流れる電流Ｉ_１ｘ（ｘ＝ａ，ｂ，ｃ）が、（Ｉ_ｔ−Ｉ_Ｂ／２）未満である場合には、ステップ１５４において、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）未満であるか否かを判定する。容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）以上である場合には、ステップ１５５において、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ＋Ｖ_Ｂ／２）より高いか否かを判定する。容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ＋Ｖ_Ｂ／２）より高い場合には、ステップ１５６へ移行して、スイッチング素子Ｓ_Ａをオフし、スイッチング素子Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃをオンするように制御して、ステップ１５０へ戻る。このとき、励磁する相の巻線に対応するスイッチング素子Ｓ_１ｘ，Ｓ_２ｘ（ｘ＝ａ，ｂ，ｃ）がオンされれば、励磁する相の巻線について昇圧モードでＳＲＭ駆動回路１４が動作する。

一方、上記ステップ１５４において、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）未満である場合には、ステップ１５８において、スイッチング素子Ｓ_Ｂをオフするように制御して、上記ステップ１５０へ戻る。このとき、スイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｃについては、オンオフ状態を変化させずに維持する。また、励磁する相の巻線に対応するスイッチング素子Ｓ_１ｘ，Ｓ_２ｘがオンされれば、励磁する相の巻線について正電圧モードでＳＲＭ駆動回路１４が動作する。

また、上記ステップ１５５で、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ＋Ｖ_Ｂ／２）以下であると判定された場合には、ステップ１５７で、スイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃのオンオフ状態を変化せずに維持して、上記ステップ１５０へ戻る。

また、上記ステップ１５０で、いずれの相も励磁しないと判定される場合、又は、上記ステップ１５２で、励磁する相の巻線に流れる電流Ｉ_１ｘ（ｘ＝ａ，ｂ，ｃ）が、（Ｉ_ｔ−Ｉ_Ｂ／２）以上である場合には、ステップ１６０において、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）未満であるか否かを判定する。容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）未満である場合には、上記ステップ１５８へ移行して、スイッチング素子Ｓ_Ｂをオフするように制御する。このとき、励磁する相の巻線に対応するスイッチング素子Ｓ_１ｘ，Ｓ_２ｘがオンされれば、励磁する相の巻線について正電圧モードでＳＲＭ駆動回路１４が動作する。また、いずれの相も励磁しない場合には、各巻線に対応するスイッチング素子Ｓ_１ｘ，Ｓ_２ｘがオフされれば、負電圧モードでＳＲＭ駆動回路１４が動作する。

一方、上記ステップ１６０で、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ−Ｖ_Ｂ／２）以上である場合には、ステップ１６２において、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ＋Ｖ_Ｂ／２）より高いか否かを判定する。容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ＋Ｖ_Ｂ／２）より高い場合には、ステップ１６４へ移行して、スイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂをオンすると共にスイッチング素子Ｓ_Ｃをオフするように制御して、上記ステップ１５０へ戻る。このとき、各巻線に対応するスイッチング素子Ｓ_１ｘ，Ｓ_２ｘがオフされれば、回生モードでＳＲＭ駆動回路１４が動作する。

一方、上記ステップ１６２で、容量素子Ｃの電圧Ｖ_ｃが、（Ｖ_ｔ＋Ｖ_Ｂ／２）以下であると判定された場合には、ステップ１６６で、スイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃのオンオフ状態を変化せずに維持して、上記ステップ１５０へ戻る。

また、駆動制御部２０によって、上記図９の制御フローと並行して、図１０に示す制御フローに従って、スイッチング素子Ｓ_１ａ、Ｓ_１ｂ、Ｓ_１ｃ、Ｓ_２ａ、Ｓ_２ｂ、Ｓ_２ｃのオンオフが制御される。以下、巻線Ｌａに対するスイッチング素子Ｓ_１ａ、Ｓ_２ａのオンオフを制御する場合について説明する。

まず、ステップ１７０において、ロータＲの位置に基づいて、巻線Ｌａを励磁するタイミングであるか否かを判定する。巻線Ｌａを励磁するタイミングである場合には、ステップ１７２において、検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ−Ｉ_Ｂ／２）未満であるか否かを判定する。検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ−Ｉ_Ｂ／２）未満である場合には、ステップ１７４において、スイッチング素子Ｓ_１ａ，Ｓ_２ａをオンして、上記ステップ１７０へ戻る。

一方、検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ−Ｉ_Ｂ／２）以上である場合には、ステップ１７６において、検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ＋Ｉ_Ｂ／２）より大きいか否かを判定する。検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ＋Ｉ_Ｂ／２）より大きい場合には、ステップ１７８において、検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ＋Ｉ_ＭＡＸ）より大きいか否かを判定する。検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ＋Ｉ_ＭＡＸ）より大きい場合には、ステップ１８０において、スイッチング素子Ｓ_１ａ，Ｓ_２ａをオフして、上記ステップ１７０へ戻る。

一方、検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ＋Ｉ_ＭＡＸ）以下である場合には、ステップ１８２において、スイッチング素子Ｓ_１ａをオフすると共に、スイッチング素子Ｓ_２ａをオンして、上記ステップ１７０へ戻る。これによって、巻線Ｌａについて環流モードでＳＲＭ駆動回路１４が動作する。

上記ステップ１７６において、検出された電流Ｉ_１ａが、（Ｉ_ｔ＋Ｉ_Ｂ／２）以下である場合には、ステップ１８４において、スイッチング素子Ｓ_１ａ、Ｓ_２ａのオンオフ状態を変化させずに維持して、上記ステップ１７０へ戻る。

また、巻線Ｌｂに対するスイッチング素子Ｓ_１ｂ、Ｓ_２ｂのオンオフ制御、及び巻線Ｌｃに対するスイッチング素子Ｓ_１ｃ、Ｓ_２ｃのオンオフ制御も、上記図１０に示す制御フローと同様に、並行して実行される。

次に、上記図１３に示した基本駆動回路と、本実施の形態に係るＳＲＭ駆動回路とを、シミュレーションにより比較した結果について説明する。シミュレーションでは、モータ回転数を１２００ｒｐｍ、電源電圧を２００Ｖ、励磁開始角を−１５度、終了角を−３度(対向時を機械角の０度として定義) とした。また、本実施の形態に係るＳＲＭ駆動回路の容量素子の電圧指令値を４００Ｖに設定した。

図１１に示すように、基本駆動回路について、飽和していないときのインダクタンス値、巻線に流れる電流値、トルク値の時間変化が得られた。また、図１２に示すように、本実施の形態に係るＳＲＭ駆動回路について、飽和していないときのインダクタンス値、巻線に流れる電流値、トルク値、巻線に印加される電圧の時間変化が得られた。

本実施の形態に係るＳＲＭ駆動回路は、巻線に印加される電圧が６００Ｖのとき、昇圧モードで動作しており、２００Ｖのとき、正電圧モードで動作している。

本実施の形態に係るＳＲＭ駆動回路によれば、基本駆動回路よりも大きな電流を流すことができ、基本駆動回路では５６．７Ｎｍであった出力トルクが、本実施の形態に係るＳＲＭ駆動回路では、２０５Ｎｍに上昇していることがわかった。

以上説明したように、本実施の形態に係るＳＲＭ駆動システムによれば、容量素子と並列に接続されたスイッチング素子Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃのオンオフと、各巻線に接続されたスイッチング素子Ｓ_１ａ、Ｓ_２ａ、Ｓ_１ｂ、Ｓ_２ｂ、Ｓ_１ｃ、Ｓ_２ｃのオンオフとにより、巻線に印加する電圧を昇圧することができると共に、巻線に流れる電流を容量素子及び電源に回生することができる。

また、ＳＲＭ駆動回路では、昇圧モードを使用することにより、電源電圧よりも高い電圧をモータに加えることができる。その結果、同一電源を利用した基本駆動回路と比較してより大きな電流をＳＲＭの巻線に流すことができ、モータの出力を増加させることができる。さらに、電源へのエネルギーの回生ができる

また、ＳＲＭ駆動回路において、リアクトルを必要とせずに、昇圧および回生が可能である。

なお、上記の実施の形態では、３相のＳＲＭを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、４相以上のＳＲＭを用いてもよい。

また、ＳＲＭ駆動回路において、電流逆流防止素子としてダイオードを用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、スイッチング素子を構成するＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを電流逆流防止素子として用いて構成してもよい。

１０駆動システム
１２ＳＲＭ
１４ＳＲＭ駆動回路
１６電圧検出部
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ電流検出部
２０駆動制御部
３０直流電源
３２スイッチング直列回路
Ｃ容量素子
Ｄ_１ａ、Ｄ_２ａダイオード
Ｄ_１ｂ、Ｄ_２ｂダイオード
Ｄ_１ｃ、Ｄ_２ｃダイオード
Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ巻線
Ｓ_１ａ、Ｓ_２ａスイッチング素子
Ｓ_１ｂ、Ｓ_２ｂスイッチング素子
Ｓ_１ｃ、Ｓ_２ｃスイッチング素子
Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ、Ｓ_Ｃスイッチング素子

Claims

スイッチトリラクタンスモータの巻線の各々に対して電流を流して前記スイッチトリラクタンスモータを駆動する駆動回路であって、
直流電源と、
前記直流電源の陽極側に前記直流電源と直列に接続された容量素子と、
直列に接続された第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、及び第３スイッチング素子で構成され、かつ、前記容量素子と並列に接続されたスイッチング直列回路と、
各巻線の一端と、前記第１スッチング素子及び前記第２スイッチング素子の接続部分との間に各々接続された複数の第４スイッチング素子と、
各巻線の他端と、前記直流電源の陰極との間に各々接続された複数の第５スイッチング素子と、
各巻線について、電流の逆流を防止するために前記直流電源の陰極と、前記第４スイッチング素子と前記巻線との接続部分との間に各々接続された複数の第１の電流逆流防止素子と、
各巻線について、電流の逆流を防止するために前記第５スイッチング素子と前記巻線との接続部分と、前記第２スッチング素子及び前記第３スイッチング素子の接続部分との間に各々接続された複数の第２の電流逆流防止素子と、
を含む駆動回路。
前記容量素子の両端の間における電圧を検出する電圧検出部と、
前記巻線を励磁するときに、前記電圧検出部によって検出された電圧に応じて、前記直流電源の電圧、又は前記直流電源及び前記容量素子の電圧を前記巻線に印加するように、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、及び前記第３スイッチング素子をオンオフ制御すると共に、励磁する巻線に対応する前記第４スイッチング素子及び前記第５スイッチング素子をオンするように制御する制御部とを更に含む請求項１記載の駆動回路。
前記制御部は、前記巻線を励磁するときに、前記電圧検出部によって検出された電圧が、予め定められた第１電圧未満になると、前記第２スイッチング素子をオフするように制御し、前記電圧検出部によって検出された電圧が、前記第１電圧より高い予め定められた第２電圧より高くなると、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子の各々をオンすると共に前記第１スッチング素子をオフするように制御する請求項２記載の駆動回路。
各巻線に流れる電流を検出する電流検出部を更に含み、
前記制御部は、各巻線について、前記巻線を励磁するときであって、かつ、前記電流検出部によって検出された電流が予め定められた第１電流値より大きくなると、前記巻線に対応する前記第４スイッチング素子をオフすると共に前記第５スイッチング素子をオンするように制御する請求項２又は３記載の駆動回路。
前記制御部は、各巻線について、前記巻線を励磁するときであって、かつ、前記電流検出部によって検出された電流が前記第１電流値より小さい予め定められた第２電流値未満になると、前記巻線に対応する前記第４スイッチング素子及び前記第５スイッチング素子の各々をオンするように制御する請求項４記載の駆動回路。
前記制御部は、各巻線について、前記巻線を励磁しないとき、前記巻線に対応する第４スイッチング素子及び前記第５スイッチング素子の各々をオフするように制御する請求項２〜請求項５の何れか１項記載の駆動回路。
前記容量素子の両端の間の電圧を検出する電圧検出部と、
前記巻線を励磁しないときに、前記電圧検出部によって検出された電圧に応じて、前記巻線に流れる電流を、前記容量素子又は前記直流電源に回生するように、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、及び第３スイッチング素子をオンオフ制御する制御部とを更に含む請求項１〜請求項６の何れか１項記載の駆動回路。
前記制御部は、前記巻線を励磁しないときに、前記電圧検出部によって検出された電圧が、予め定められた第１電圧未満になると、前記第２スイッチング素子をオフするように制御し、前記電圧検出部によって検出された電圧が、前記第１電圧より高い予め定められた第２電圧より高くなると、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の各々をオンすると共に前記第３スッチング素子をオフするように制御する請求項７記載の駆動回路。