JP6468266B2 - スイッチトリラクタンスモータの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチトリラクタンスモータの制御装置に関する。
互いに対向する複数の突極を各々備えたステータおよびロータと、ステータの突極に巻回されたコイルとを備え、ステータとロータのそれぞれの突極間に発生させた磁気吸引力によってロータを回転させるスイッチトリラクタンスモータが知られている。
非特許文献１では、上記のようなスイッチトリラクタンスモータに関して、二つの巻線パターン（ＮＮＮＳＳＳ巻およびＮＳＮＳＮＳ巻）のトルク性能を比較した結果が開示されている。そして、同文献には、ＮＮＮＳＳＳ巻よりもＮＳＮＳＮＳ巻のほうが磁気飽和しにくいため、ＮＮＮＳＳＳ巻の最大トルクよりも、ＮＳＮＳＮＳ巻の最大トルクのほうが大きくなることが開示されている。
竹野元貴、外４名、「ＨＥＶ用５０ｋＷＳＲＭのヨーク部の磁気飽和を考慮したトルク性能の向上」、日本ＡＥＭ学会、２０１１年６月、Ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．２
ここで、非特許文献１では、ＮＳＮＳＮＳ巻を採用することにより、スイッチトリラクタンスモータの最大トルクが向上することが示唆されている。しかしながら、ＮＮＮＳＳＳ巻およびＮＳＮＳＮＳ巻のトルク効率（以下、単に「効率」という）は、スイッチトリラクタンスモータの負荷状態によって変動する。従って、最大トルクの向上だけを考慮してＮＳＮＳＮＳ巻を採用すると、効率悪化を招くおそれがある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スイッチトリラクタンスモータの効率を悪化させることなく、最大トルクを向上させることができるスイッチトリラクタンスモータの制御装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置は、三相のコイルに励磁電流が流れることによって駆動するスイッチトリラクタンスモータの制御装置において、前記スイッチトリラクタンスモータとの接続態様に応じて、前記三相のコイルがそれぞれ同じ方向に巻かれた第１の巻線パターンと、前記三相のコイルのうちの二つが同じ方向に、残りの一つが反対方向に巻かれ、かつ巻線方向が同じ二つのコイルと巻線方向が反対の一つのコイルとが交互に配置された第２の巻線パターンと、を切り替えることが可能なスイッチング回路を備え、前記スイッチトリラクタンスモータのトルクおよび回転数により定められる前記スイッチトリラクタンスモータの駆動領域を、二つの領域に区分する境界に対し、印加電圧に応じて定まる前記トルクおよび前記回転数が、低負荷側の第１領域に位置する場合には、前記スイッチトリラクタンスモータが前記第１の巻線パターンとなるように前記スイッチング回路を接続し、前記印加電圧に応じて定まる前記トルクおよび前記回転数が、前記第１領域とは異なる第２領域に位置する場合には、前記スイッチトリラクタンスモータが前記第２の巻線パターンとなるように前記スイッチング回路を接続することを特徴とする。
これにより、スイッチトリラクタンスモータの制御装置は、スイッチトリラクタンスモータの負荷状態に応じて、効率面で最適な巻線パターンに切り替えることができる。
本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置は、上記発明において、前記スイッチトリラクタンスモータに印加される電圧が低い場合の前記第２領域は、前記スイッチトリラクタンスモータに印加される電圧が高い場合の前記第２領域よりも広いことを特徴とする。
これにより、スイッチトリラクタンスモータの制御装置は、それぞれの巻線パターンにおける効率のよい領域が電圧に応じて変化する点についても加味しながら、最適な巻線パターンに切り替えることができる。
本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置は、上記発明において、前記第１領域と前記第２領域との境界に、前記第１の巻線パターンと前記第２の巻線パターンとの間の切り替えを実施しない不感帯が設けられていることを特徴とする。
これにより、スイッチトリラクタンスモータの制御装置は、不感帯を設けることにより、例えば巻線パターンが頻繁に切り替わることによるスイッチング損失を抑制することができる。
本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置は、上記発明において、前記スイッチング回路を複数相分備えることを特徴とする。
これにより、スイッチトリラクタンスモータの制御装置は、複数のスイッチング回路によってスイッチング動作を受け持つことにより、例えば巻線パターンが頻繁に切り替わることによるインバータの負荷を分散させることができる。
本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置は、上記発明において、前記第１の巻線パターンの励磁幅が、前記第２の巻線パターンの励磁幅よりも大きくなるように制御することを特徴とする。
これにより、スイッチトリラクタンスモータの制御装置は、電流の立ち上がりが第２の巻線パターンよりも遅い第１の巻線パターンの励磁幅を、第２の巻線パターンの励磁幅よりも拡大することにより、第１の巻線パターンに切り替えられた際のトルク不足を防止することができる。
本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置は、上記発明において、前記第１の巻線パターンの励磁開始角の位相を、前記第２の巻線パターンの励磁開始角の位相よりも進角させることを特徴とする。
これにより、スイッチトリラクタンスモータの制御装置は、第１の巻線パターンの励磁区間を第２の巻線パターンの励磁区間よりも拡大することができる。
本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置によれば、低負荷領域では第１の巻線パターンに切り替え、低負荷領域以外の領域、すなわち高負荷領域では第２の巻線パターンに切り替えることにより、スイッチトリラクタンスモータの効率を悪化させることなく、最大トルクを向上させることができる。
図１は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置を含むシステム構成を模式的に示す図である。 図２は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置におけるスイッチトリラクタンスモータの構成を模式的に示す図である。 図３は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置におけるインバータ回路の構成を模式的に示す図である。 図４は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置のインバータ回路に含まれるスイッチング回路（スイッチオフの場合）の構成を模式的に示す図である。 図５は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置において、巻線パターンをＮＮＮＳＳＳ巻に切り替えた場合の磁極を示す図である。 図６は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置のインバータ回路に含まれるスイッチング回路（スイッチオンの場合）の構成を模式的に示す図である。 図７は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置において、巻線パターンをＮＳＮＳＮＳ巻に切り替えた場合の磁極を示す図である。 図８は、各巻線パターンにおけるトルクと効率の関係を示すグラフである。 図９は、各巻線パターンにおける電流波形を示すグラフである。 図１０は、各巻線パターンにおける鉄損および銅損を示すグラフである。 図１１は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置による駆動制御方法の一例を示すフローチャートである。 図１２は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置において、スイッチトリラクタンスモータに高電圧（６００Ｖ）が印加される場合のスイッチトリラクタンスモータの特性を示すグラフである。 図１３は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置において、スイッチトリラクタンスモータに低電圧（３００Ｖ）が印加される場合のスイッチトリラクタンスモータの特性を示すグラフである。 図１４は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置において、巻線パターンごとの励磁条件および電流波形を示すグラフである。 図１５は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置を適用した車両を示すスケルトン図である。 図１６は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置における巻線パターンごとの特性を示すグラフであって、低負荷領域と高負荷領域との境界に不感帯を設けた例を示すグラフである。 図１７は、本発明の実施形態に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置の変形例におけるインバータ回路の構成を模式的に示す図である。
本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
[システム構成]
本実施形態のシステム構成は、図１に示すように、スイッチトリラクタンスモータ（以下、「ＳＲモータ」という）１と、インバータ２と、昇圧部３と、バッテリ４と、制御部１００と、を含んでいる。本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置は、少なくともインバータ２および制御部１００を含んで構成される。
ＳＲモータ１は、図１に示すように、インバータ２および昇圧部３を介してバッテリ４と電気的に接続されている。また、ＳＲモータ１とインバータ２とは、コイル１２（図２参照）を介して電気的に接続されている。なお、ＳＲモータ１は、電動機としてだけではなく、発電機としても機能する。
ＳＲモータ１は、回転子に永久磁石を使用しない電動機であり、三相のコイル１２に励磁電流が流れることによって駆動する。ＳＲモータ１は、図２に示すように、突極構造のステータ１０と、突極構造のロータ２０と、を備えている。なお、同図では、ＳＲモータ１として、十八極のステータ１０と、十二極のロータ２０と、を備える三相誘導電動機を一例として示している。
三相交流式であるＳＲモータ１は、一対のステータ歯１１およびコイル１２ａにより構成されるＡ相（Ｕ相）と、一対のステータ歯１１およびコイル１２ｂにより構成されるＢ相（Ｖ相）と、一対のステータ歯１１およびコイル１２ｃにより構成されるＣ相（Ｗ相）と、を含んでいる。
ステータ１０は、図２に示すように、環状構造の内周部に、突極としてのステータ歯１１を複数備えている。各ステータ歯１１には、インバータ２に接続されたコイル１２が巻回されている。
ロータ２０は、ステータ１０の径方向内側に配置されており、環状構造の外周部に、突極としてのロータ歯２１を複数備えている。なお、ロータ２０は、図示しないロータ軸と一体回転するように構成されている。
インバータ２は、図３に示すように、三相交流をコイル１２に通電できるように複数のスイッチング素子を備えた電気回路（インバータ回路）によって構成されている。インバータ２は、インバータ回路に接続されたそれぞれのコイル１２に対して、相ごとに電流を流す。
インバータ２を構成するインバータ回路は、相ごとに設けられた二つのトランジスタおよび四つのダイオードと、一つのコンデンサＣｏと、を備えている。そして、インバータ２は、各相において、二つのトランジスタを同時にオンまたはオフにすることにより、コイル１２に流れる電流値を変更する。
インバータ２は、Ａ相において、トランジスタＴｒａ１，Ｔｒａ２と、ダイオードＤａ１，Ｄａ２，Ｄａ３，Ｄａ４と、を備えている。また、インバータ２は、Ｂ相において、トランジスタＴｒｂ１，Ｔｒｂ２と、ダイオードＤｂ１，Ｄｂ２，Ｄｂ３，Ｄｂ４と、スイッチＳｗと、を備えている。また、インバータ２は、Ｃ相において、トランジスタＴｒｃ１，Ｔｒｃ２と、ダイオードＤｃ１，Ｄｃ２，Ｄｃ３，Ｄｃ４と、を備えている。なお、図３における２ａ部、２ｂ部および２ｃ部は、それぞれＡ相、Ｂ相およびＣ相を構成する回路の一部を示している。２ａ部、２ｂ部および２ｃ部の説明は後記する。
昇圧部３は、インバータ２とバッテリ４との間に設けられており、ＳＲモータ１に印加する電圧を昇圧するものである。昇圧部３は、例えば昇圧コンバータによって構成されている。
制御部１００は、ＳＲモータ１を駆動制御する電子制御装置（ＥＣＵ）である。制御部１００は、ＣＰＵと、各種プログラム等のデータが格納された記憶部と、ＳＲモータ１を駆動制御するための各種の演算を行う制御部と、を備えている。そして、制御部における演算の結果、インバータ２を制御するための指令信号が、制御部１００からインバータ２に出力される。このように、制御部１００は、インバータ２を制御することにより、ＳＲモータ１に印加する電圧および励磁電流を制御する。また、制御部１００は、インバータ２を制御することにより、後記するようにＳＲモータ１の巻線パターンを切り替える（図４〜図７参照）。
制御部１００には、ＳＲモータ１の回転数を検出する回転数センサ５１からレゾルバ信号が入力される。制御部１００は、当該レゾルバ信号から、回転方向におけるステータ歯１１とロータ歯２１との相対的な位置関係に基づいて、通電対象となるコイル１２の切り替えを相ごとに繰り返す制御を実行する。そして、制御部１００は、この制御において、ある相のコイル１２に励磁電流を流してステータ歯１１を励磁させ、ステータ歯１１と、そのステータ歯１１の近くのロータ歯２１との間に磁気吸引力を発生させることにより、ロータ２０を回転させる。
ここで、インバータ２は、図３の２ｂ部で示すように、ＳＲモータ１との接続態様に応じて、当該ＳＲモータ１の巻線パターン（磁極配列パターン）を、ＮＮＮＳＳＳ巻（第１の巻線パターン）と、ＮＳＮＳＮＳ巻（第２の巻線パターン）と、に切り替えることが可能なスイッチング回路を備えている。このスイッチング回路では、例えば図４に示すようにスイッチＳｗがオフの場合、図５に示すように、隣接するＡ相、Ｂ相およびＣ相の磁極がそれぞれ同じになる。すなわち、同図では右から順に、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ａ相、Ｂ相およびＣ相の順に並んでいるが、それぞれの磁極は、Ｎ極、Ｎ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｓ極およびＳ極の順となる。
このように、三相のコイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃがそれぞれ同じ方向に巻かれたような巻線パターンのことを「ＮＮＮＳＳＳ巻」という。なお、図４における矢印は電流が流れる方向を示している（図６においても同様）。
一方、図３の２ｂ部で示したスイッチング回路では、例えば図６に示すようにスイッチＳｗがオンの場合、図７に示すように、隣接するＡ相、Ｂ相およびＣ相の磁極のうち、Ｂ相の磁極だけが反対となる。すなわち、同図では右から順に、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ａ相、Ｂ相およびＣ相の順に並んでいるが、それぞれの磁極は、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極およびＳ極の順となる。
このように、三相のコイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃのうちの二つ（ここではコイル１２ａ，１２ｃ）が同じ方向に、残りの一つ（ここではコイル１２ｂ）が反対方向に巻かれ、かつ巻線方向が同じ二つのコイル１２ａ，１２ｃと巻線方向が反対の一つのコイル１２ｂとが交互に配置された巻線パターンのことを「ＮＳＮＳＮＳ巻」という。なお、「巻線方向が同じ二つのコイル１２ａ，１２ｃと巻線方向が反対の一つのコイル１２ｂとが交互に配置された」とは、具体的には図７に示すように、ステータ１０の周方向において、コイル１２ａとコイル１２ｃの間にコイル１２ｂが配置されている状態を示している。
本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置では、図４および図６に示すように、スイッチング回路のスイッチＳｗをオンオフすることにより、ＳＲモータ１の駆動中に二つの巻線パターンを切り替える。一方、前記したように、ＮＮＮＳＳＳ巻およびＮＳＮＳＮＳ巻の効率は、ＳＲモータ１の負荷状態によって変動する。
図８は、ＳＲモータ１に６００Ｖの電圧を印加した場合において、各巻線パターン（ＮＮＮＳＳＳ巻およびＮＳＮＳＮＳ巻）の負荷（トルク）と効率の関係を示している。同図に示すように、低負荷（低トルク）側の領域である第１領域では、ＮＮＮＳＳＳ巻の効率がＮＳＮＳＮＳ巻の効率よりも相対的に高くなる。一方、高負荷（高トルク）側の領域である第２領域では、ＮＳＮＳＮＳ巻の効率がＮＮＮＳＳＳ巻の効率よりも相対的に高くなる。
図９は、各巻線パターン（ＮＮＮＳＳＳ巻およびＮＳＮＳＮＳ巻）の電流波形を示している。前記したように、ＮＳＮＳＮＳ巻の場合に低負荷時に効率が低下したのは、図９に示すように、ＮＳＮＳＮＳ巻（実線参照）は、電流が所定の最大電流値まで立ち上がるタイミング（回転角度）がＮＮＮＳＳＳ巻（破線参照）よりも早いため、スイッチング回数が増え、図１０に示すように、ＮＮＮＳＳＳ巻の場合と比較して鉄損が増えたためと考えられる。なお、同図に示すように、ＮＮＮＳＳＳ巻とＮＳＮＳＮＳ巻とで、銅損は同様である。ここで、前記した「最大電流値」とは、ＳＲモータ１の励磁条件に含まれる要素である（後記する図１４参照）。また、前記した「スイッチング回数」とは、コイル１２の励磁区間（具体的にはヒステリシス区間）において電流を増減させる回数のことを示している。
以上の知見に基づいて、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置では、ＳＲモータ１の駆動中に、当該ＳＲモータ１の負荷状態に応じて、ＮＮＮＳＳＳ巻とＮＳＮＳＮＳ巻の巻線パターンのいずれかに切り替えることとした。具体的には、図８の第１領域のように、低負荷（低トルク）の領域ではＮＮＮＳＳＳ巻に切り替え、同図の第２領域のように、高負荷（高トルク）の領域ではＮＳＮＳＮＳ巻に切り替える。これにより、それぞれの巻線パターンにおける効率のよい領域に応じて、最適な巻線パターンに切り替えることができる。
[駆動制御方法]
以下、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御部１００による駆動制御方法の一例について、図１１を参照しながら説明する。
まず、制御部１００は、ＳＲモータ１の駆動制御に用いる各種情報を読み込む（ステップＳ１）。前記した「各種情報」とは、具体的には回転数センサ５１から入力されるレゾルバ信号と、ＳＲモータ１の要求トルクである。
続いて、制御部１００は、回転数センサ５１のレゾルバ信号に基づいてＳＲモータ１の回転数（以下、「モータ回転数」という）を演算する（ステップＳ２）。続いて、制御部１００は、要求トルクに応じたモータトルク指令値を導出する（ステップＳ３）。続いて、制御部１００は、車両状態等に基づいて、電圧調整可能範囲を演算する（ステップＳ４）。前記した「電圧調整可能範囲」とは、ＳＲモータ１に印加する電圧の範囲のことを示している。続いて、制御部１００は、車両状態等に基づいて、ＳＲモータ１に印加する電圧を決定する（ステップＳ５）。
続いて、制御部１００は、モータ回転数およびモータトルク指令値が低負荷か否かを判定する（ステップＳ６）。本ステップでは、具体的には図１２に示すような切替マップを参照して判定処理を行う。
ここで、図１２に示す切替マップは、具体的には、ＳＲモータ１のトルクおよび回転数により定められる、ＳＲモータ１の駆動領域を示している。そして、同図の切替マップでは、ＳＲモータ１の駆動領域が、所定の切替線Ｌを境界として、低負荷領域（第１領域）と高負荷領域（第２領域）の二つの領域に区分されている。
なお、低負荷領域とは、トルクおよび回転数が相対的に低い領域であり、より具体的にはＳＲモータ１の駆動領域において、切替線Ｌよりも低トルクかつ低回転である領域である。また、高負荷領域とは、トルクおよび回転数が相対的に高い領域であり、より具体的にはＳＲモータ１の駆動領域において、切替線Ｌよりも高トルクかつ高回転である領域である。切替線Ｌは、図１２に示すように、高トルクであるほど低回転となり、低トルクであるほど高回転となる曲線で構成されている。なお、切替線Ｌは、例えば高トルクであるほど低回転となり、低トルクであるほど高回転となる直線で構成されてもよい。
本ステップでは、ステップＳ５で決定された電圧ごとに、異なる切替マップを用いる。例えば、ステップＳ５で決定された電圧が高電圧（例えば６００Ｖ）である場合、図１２に示すような切替マップ（高電圧用切替マップ）を用いる。一方、ステップＳ５で決定された電圧が低電圧（例えば３００Ｖ）である場合、図１３に示すような切替マップ（低電圧用切替マップ）を用いる。
図１３に示すように、低電圧用切替マップの高負荷領域は高電圧用切替マップ（図１２参照）の高負荷領域よりも広く、低電圧用切替マップの低負荷領域は高電圧用切替マップ（図１２参照）の低負荷領域よりも狭い。
また、図１３に示した低電圧用切替マップは、高電圧用切替マップ（図１２参照）と比較して、駆動領域における低負荷領域に対する高負荷領域の割合が大きい。すなわち、制御部１００は、本ステップにおいて、ＳＲモータ１に印加される電圧が低いほど、駆動領域における低負荷領域に対する高負荷領域の割合が大きい切替マップを用いる。これにより、それぞれの巻線パターンにおける効率のよい領域が電圧に応じて変化する点についても加味しながら、最適な巻線パターンに切り替えることができる。
ステップＳ６において、制御部１００は、モータ回転数およびモータトルク指令値によって定まる動作点が、切替マップの低負荷領域内であるか否かを判定する。すなわち、制御部１００は、ＳＲモータ１の駆動領域を二つの領域に区分する境界（切替マップの切替線Ｌ）に対し、印加電圧に応じて定まるモータ回転数およびモータトルク指令値が、低負荷領域側に位置しているか、あるいは低負荷領域とは異なる高負荷領域側に位置しているかを判定する。
制御部１００は、ＳＲモータ１の動作点が切替マップの低負荷領域内であると判定した場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、ＳＲモータ１の巻線パターンがＮＮＮＳＳＳ巻となるようにスイッチング回路を接続し、ＮＮＮＳＳＳ巻用の励磁条件マップを読み込む（ステップＳ７）。
本ステップにおいて、制御部１００は、図４および図５に示すように、スイッチング回路のスイッチＳｗをオフにすることにより、ＳＲモータ１の磁極をＮＮＮＳＳＳ巻に切り替える。そして、図１４に示すように、ＯＮ角（励磁開始角）、ＯＦＦ角（励磁終了角）、最大電流値等が記述された励磁条件マップを読み込む。なお、図１４では、説明の便宜上、ＮＮＮＳＳＳ巻およびＮＳＮＳＮＳ巻の励磁条件を両方同じマップ上で示しているが、実際には、ＮＮＮＳＳＳ巻用の励磁条件マップにはＮＮＮＳＳＳ巻用の励磁条件のみが記述され、ＮＳＮＳＮＳ巻用の励磁条件マップにはＮＳＮＳＮＳ巻用の励磁条件のみが記述されている。
なお、図１４に示すように、ＮＮＮＳＳＳ巻と、ＮＳＮＳＮＳ巻とで、励磁条件はそれぞれ異なる。すなわち制御部１００は、同図に示すように、ＮＮＮＳＳＳ巻の励磁区間（励磁幅）が、ＮＳＮＳＮＳ巻の励磁区間（励磁幅）よりも大きくなるように制御する。ここで、ＮＮＮＳＳＳ巻は、図１４（ｂ）に示すように、ＮＳＮＳＮＳ巻よりも電流の立ち上がりが遅いため、ＮＳＮＳＮＳ巻と励磁区間が同じであると、トルクが不足するおそれがある。従って、上記のように、電流の立ち上がりがＮＳＮＳＮＳ巻よりも遅いＮＮＮＳＳＳ巻の励磁幅を、ＮＳＮＳＮＳ巻の励磁幅よりも拡大することにより、ＮＮＮＳＳＳ巻に切り替えられた際のトルク不足を防止することができる。
なお、上記のようにＮＮＮＳＳＳ巻の励磁区間をＮＳＮＳＮＳ巻の励磁区間よりも拡大するには、図１４（ａ）に示すように、ＮＮＮＳＳＳ巻の励磁開始角（ＯＮ角）の位相を、ＮＳＮＳＮＳ巻の励磁開始角（ＯＮ角）の位相よりも進角（前出し）させればよい。
続いて、制御部１００は、コイル１２に流れている各相の瞬時電流と、ロータ２０の回転位相（回転角度）とを読み込む（ステップＳ８）。本ステップにおいて、制御部１００は、図示しない電流センサからの検出信号に基づいて、ある相のコイル１２に実際に流れている瞬時電流を読み込む。また、制御部１００は、回転数センサ５１のレゾルバ信号に基づいてロータ２０の回転位相を検出する。
続いて、制御部１００は、ロータ２０の回転位相に基づいて、励磁区間内であるか否かを判定する（ステップＳ９）。ここで、前記した「励磁区間」とは、図１４に示すように、ＯＮ角（励磁開始角）からＯＦＦ角（励磁終了角）までの回転角度範囲（励磁幅）のことを示している。制御部１００は、励磁区間内であると判定した場合（ステップＳ９でＹｅｓ）、励磁条件マップ（図１４参照）に基づいて、電流上昇が必要か否かを判定する（ステップＳ１０）。
制御部１００は、電流上昇が必要であると判定した場合（ステップＳ１０でＹｅｓ）、コイル１２に正電圧を印加する「正電圧モード」を実行し（ステップＳ１１）、ステップＳ９の処理に戻る。一方、制御部１００は、電流上昇が必要ではないと判定した場合（ステップＳ１０でＮｏ）、コイル１２に印加する電圧を０にする「還流モード」を実行し（ステップＳ１２）、ステップＳ９の処理に戻る。また、制御部１００は、前記したステップＳ９において、励磁区間内ではないと判定した場合（ステップＳ９でＮｏ）、コイル１２に負電圧を印加する「負電圧モード」を実行し（ステップＳ１３）、処理を終了する。
制御部１００は、前記したステップＳ６において、ＳＲモータ１の動作点が切替マップの低負荷領域内ではないと判定した場合（ステップＳ６でＮｏ）、ＳＲモータ１の巻線パターンがＮＳＮＳＮＳ巻となるようにスイッチング回路を接続し、ＮＳＮＳＮＳ巻用の励磁条件マップを読み込む（ステップＳ１４）。
本ステップにおいて、制御部１００は、図６および図７に示すように、スイッチング回路のスイッチＳｗをオンにすることにより、ＳＲモータ１の磁極をＮＳＮＳＮＳ巻に切り替える。そして、図１４に示すように、ＯＮ角（励磁開始角）、ＯＦＦ角（励磁終了角）、最大電流値等が記述された励磁条件マップを読み込む。
続いて、制御部１００は、コイル１２に流れている各相の瞬時電流と、ロータ２０の回転位相（回転角度）とを読み込む（ステップＳ１５）。本ステップの内容は、ステップＳ８と同様である。
続いて、制御部１００は、ロータ２０の回転位相に基づいて、励磁区間内であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。制御部１００は、励磁区間内であると判定した場合（ステップＳ１６でＹｅｓ）、励磁条件マップ（図１４参照）に基づいて、電流上昇が必要か否かを判定する（ステップＳ１７）。
制御部１００は、電流上昇が必要であると判定した場合（ステップＳ１７でＹｅｓ）、コイル１２に正電圧を印加する「正電圧モード」を実行し（ステップＳ１８）、ステップＳ１６の処理に戻る。一方、制御部１００は、電流上昇が必要ではないと判定した場合（ステップＳ１７でＮｏ）、コイル１２に印加する電圧を０にする「還流モード」を実行し（ステップＳ１９）、ステップＳ１６の処理に戻る。また、制御部１００は、前記したステップＳ１６において、励磁区間内ではないと判定した場合（ステップＳ１６でＮｏ）、コイル１２に負電圧を印加する「負電圧モード」を実行し（ステップＳ２０）、処理を終了する。
以上のように、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御部１００は、図３の２ｂ部に示すようなスイッチング回路を備えることにより、ＳＲモータ１の駆動中にコイル１２の巻線パターンを切り替えることができる。すなわち、従来は、インバータのハードウェア構成により、ＮＮＮＳＳＳ巻とＮＳＮＳＮＳ巻のいずれかの巻線パターンが一意的に決定され、ＳＲモータ１の駆動中に巻線パターンを変更することは不可能であった。一方、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御部１００によれば、ＳＲモータ１の負荷状態に応じて、効率面で最適な巻線パターンに切り替えることができる。
また、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御部１００は、低負荷領域ではＮＮＮＳＳＳ巻に切り替え（図４参照）、高負荷領域ではＮＳＮＳＮＳ巻に切り替える（図６参照）ことにより、ＳＲモータ１の効率を悪化させることなく、最大トルクを向上させることができる。
[適用例]
以下、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御部１００を適用した車両について、図１５を参照しながら説明する。同図に示した車両２００は、エンジン２０１と、車輪２０２と、変速機（Ｔ／Ｍ）２０３と、デファレンシャルギヤ２０４と、駆動軸２０５と、走行用動力源としてのＳＲモータ（ＳＲＭ）１と、を備えている。車両２００は、四輪駆動車であり、エンジン２０１が左右の前輪２０２ＦＬ，２０２ＦＲを駆動し、リヤモータであるＳＲモータ１が左右の後輪２０２ＲＬ，２０２ＲＲを駆動する。
ＳＲモータ１は、いわゆるインホイールモータであり、左右の後輪２０２ＲＬ，２０２ＲＲにそれぞれ一つずつ設けられている。車両２００のリヤ側駆動装置では、左後輪２０２ＲＬには左後ＳＲモータ１ＲＬが接続され、かつ右後輪２０２ＲＲには右後ＳＲモータ１ＲＲが接続されている。後輪２０２ＲＬ，２０２ＲＲは、互いに独立して回転可能である。
左後輪２０２ＲＬは、左後ＳＲモータ１ＲＬの出力トルク（モータトルク）によって駆動される。また、右後輪２０２ＲＲは、右後ＳＲモータ１ＲＲの出力トルク（モータトルク）によって駆動される。
左後ＳＲモータ１ＲＬおよび右後ＳＲモータ１ＲＲは、インバータ２を介してバッテリ（Ｂ）４に接続されている。また、左後ＳＲモータ１ＲＬおよび右後ＳＲモータ１ＲＲは、バッテリ４から供給される電力によって電動機として機能するとともに、後輪２０２ＲＬ，２０２ＲＲから伝達されるトルク（外力）を電力に変換する発電機として機能する。なお、インバータ２には、左後ＳＲモータ１ＲＬ用の電気回路と、右後ＳＲモータ１ＲＲ用の電気回路と、が含まれる。
制御部１００は、左後ＳＲモータ１ＲＬおよび右後ＳＲモータ１ＲＲと、エンジン２０１と、を制御する。例えば、制御部１００には、ＳＲモータ用制御部（ＳＲモータ用ＥＣＵ）と、エンジン用制御部（エンジンＥＣＵ）と、が含まれる。この場合、エンジンＥＣＵは、吸気制御、燃料噴射制御、点火制御等によって、エンジン２０１の出力トルクを目標とするトルク値に調節するエンジントルク制御を実行する。また、ＳＲモータ用ＥＣＵは、回転数センサ５１から入力される信号に基づいて、左後ＳＲモータ１ＲＬおよび右後ＳＲモータ１ＲＲについてのモータ制御を実行する。回転数センサ５１には、左後ＳＲモータ１ＲＬの回転数を検出する左後回転数センサ５１ＲＬと、右後ＳＲモータ１ＲＲの回転数を検出する右後回転数センサ５１ＲＲと、が含まれる。
以上、本発明に係るスイッチトリラクタンスモータの制御装置について、発明を実施するための形態により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。
例えば本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置では、昇圧部３（図１参照）に代えて、ＳＲモータ１に印加する電圧を降圧する降圧部（降圧コンバータ）を設けてもよい。
また、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置では、モータ回転数およびモータトルク指令値が低負荷か否かの判定（図１１のステップＳ６参照）の際に、例えば図１６に示すように、低負荷領域と高負荷領域との境界に、巻線パターンの切り替えを実施しない不感帯が設けられた切替マップを用いてもよい。この場合、同図に示すように、低負荷領域と高負荷領域との境界において、低負荷領域側に第１切替線Ｌ１を設けるとともに、高負荷領域側に第２切替線Ｌ２を設け、第１切替線Ｌ１と第２切替線Ｌ２との間に不感帯を設ける。そして、制御部１００は、ＳＲモータ１の動作点が不感帯内にある場合は、ＮＮＮＳＳＳ巻とＮＳＮＳＮＳ巻との間の切り替えを実施しない。
これにより、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置は、不感帯を設けることにより、例えば巻線パターンが頻繁に切り替わることによるスイッチング損失を抑制することができる。
また、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置では、図３に示すように、インバータ２が少なくとも一相分のスイッチング回路を備えていれば、ＮＮＮＳＳＳ巻とＮＳＮＳＮＳ巻との間の切り替えは可能であるが、スイッチング回路を複数相分備えていてもよい。この場合、同図の２ａ部および２ｃ部についても、２ｂ部と同様の回路構成にすればよい。
これにより、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置は、複数のスイッチング回路によってスイッチング動作を受け持つことにより、例えば巻線パターンが頻繁に切り替わることによるインバータ２の負荷を分散させることができる。
また、本実施形態に係るＳＲモータ１の制御装置では、図４および図６に示すように、スイッチＳｗを備えるスイッチング回路により巻線パターンの切り替えを実現していたが、スイッチング回路は例えば図１７に示すような構成であってもよい。同図に示すインバータ２Ａにおいて、Ａ相およびＣ相の構成は図３と同様である。一方、インバータ２Ａは、Ｂ相において、スイッチＳｗを備えておらず、ダイオードＤｂ３にトランジスタＴｒｂ３が追加され、ダイオードＤｂ４にトランジスタＴｒｂ４が追加されている。このように、二つのトランジスタＴｒｂ３，Ｔｒｂ４を追加することにより、図３におけるＳＲモータ１の制御装置と同様に、かつＳＲモータ１の制御装置よりも簡易な構成により、ＮＮＮＳＳＳ巻とＮＳＮＳＮＳ巻との間の切り替えが可能となる。
なお、図１７では、インバータ２Ａが一相分のスイッチング回路を備えている例を示しているが、スイッチング回路は複数相分備えていてもよい。この場合、同図において破線円で囲ったＡ相のダイオードＤａ３，Ｄａ４と、Ｃ相のダイオードＤｃ３，Ｄｃ４に、それぞれトランジスタを追加すればよい。
また、実施形態に係るＳＲモータ１の制御部１００の適用例は、図１５に示したもの（以下、「適用例１」という）に限定されない。例えば、ＳＲモータ１の制御部１００の適用例は、適用例１とは異なり、全ての車輪２０２にＳＲモータ１が設けられた構成であってもよい（適用例２）。また、適用例１とは異なり、フロント側駆動装置が設けられていない後輪駆動車であってもよい（適用例３）。
ＳＲモータ１の制御部１００の適用例は、適用例１〜３とは異なり、車両２００の走行用動力源がインホイールモータとしてのＳＲモータ１のみである構成であってもよい（適用例４）。また、適用例４とは異なり、ＳＲモータ１がインホイールモータではない構成であってもよい（適用例５）。
ＳＲモータ１の制御部１００の適用例は、適用例５とは異なり、フロント側駆動装置として適用例１の構成が搭載されていてもよい（適用例６）。また、適用例３とは異なりリヤ側駆動装置が設けられていない、あるいは適用例４とは異なり駆動装置の配置が前後で逆である構成であってもよい（適用例７）。
１ スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）
２，２Ａ インバータ
３ 昇圧部
４ バッテリ
１０ ステータ
１１ ステータ歯
１２ コイル
２０ ロータ
２１ ロータ歯
５１ 回転数センサ
１００ 制御部

Claims (6)

  1. 三相のコイルに励磁電流が流れることによって駆動するスイッチトリラクタンスモータの制御装置において、
    前記スイッチトリラクタンスモータとの接続態様に応じて、前記三相のコイルがそれぞれ同じ方向に巻かれた第１の巻線パターンと、前記三相のコイルのうちの二つが同じ方向に、残りの一つが反対方向に巻かれ、かつ巻線方向が同じ二つのコイルと巻線方向が反対の一つのコイルとが交互に配置された第２の巻線パターンと、を切り替えることが可能なスイッチング回路を備え、
    前記スイッチトリラクタンスモータのトルクおよび回転数により定められる前記スイッチトリラクタンスモータの駆動領域を、二つの領域に区分する境界に対し、印加電圧に応じて定まる前記トルクおよび前記回転数が、低負荷側の第１領域に位置する場合には、前記スイッチトリラクタンスモータが前記第１の巻線パターンとなるように前記スイッチング回路を接続し、
    前記印加電圧に応じて定まる前記トルクおよび前記回転数が、前記第１領域とは異なる第２領域に位置する場合には、前記スイッチトリラクタンスモータが前記第２の巻線パターンとなるように前記スイッチング回路を接続することを特徴とするスイッチトリラクタンスモータの制御装置。
  2. 前記スイッチトリラクタンスモータに印加される電圧が低い場合の前記第２領域は、前記スイッチトリラクタンスモータに印加される電圧が高い場合の前記第２領域よりも広い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制御装置。
  3. 前記第１領域と前記第２領域との境界に、前記第１の巻線パターンと前記第２の巻線パターンとの間の切り替えを実施しない不感帯が設けられてい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制御装置。
  4. 前記スイッチング回路を複数相分備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスイッチトリラクタンスモータの制御装置。
  5. 前記第１の巻線パターンの励磁幅が、前記第２の巻線パターンの励磁幅よりも大きくなるように制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のスイッチトリラクタンスモータの制御装置。
  6. 前記第１の巻線パターンの励磁開始角の位相を、前記第２の巻線パターンの励磁開始角の位相よりも進角させることを特徴とする請求項５に記載のスイッチトリラクタンスモータの制御装置。
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