JPWO2017217102A1

JPWO2017217102A1 - Ｓｒモータ制御システム及びｓｒモータ制御方法

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Publication number: JPWO2017217102A1
Application number: JP2018523540A
Authority: JP
Inventors: 佳央山田; 大助仙波; 正大石島; 宏昭岡田; 貴彦大兼; 航楠元
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2016-06-13
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2037-04-14
Also published as: JP6609700B2; CN109478863B; EP3471263A1; WO2017217102A1; EP3471263A4; CN109478863A

Abstract

ＳＲモータ１の駆動制御を行うＳＲモータ制御システム１０は、パワーモジュール１１,１２と、スイッチ部３１、昇圧コンデンサ３８を有する。スイッチ部３１は電源ライン３０上に配置され、電源ライン３０の電気的接続を制御するＦＥＴ３２,３３を備える。昇圧コンデンサ３８は、パワーモジュール１１,１２とスイッチ部３１との間に配される。ＦＥＴ３３をオフにした状態で電力回生動作を実施し、昇圧コンデンサ３８の電荷を供給して供給モードを行う一方で、回生電流にて昇圧コンデンサ３８を充電する還流昇圧を行う。還流昇圧を複数回実施した後、ＦＥＴ３３をオンさせ昇圧コンデンサ３８に蓄電された電荷をバッテリ７に還送する。

Description

本発明は、ＳＲモータ(スイッチドリラクタンスモータ：Switched Reluctance Motor)の制御技術に関し、特に、ＩＳＧ(インテグレーテッド・スタータ・ジェネレータ：Integrated Starter Generator)における電力回生技術に関する。

従来より、電動モータの分野では、モータの回転を利用して回生電流を発生させ、モータの運動エネルギを電力に変換して取り出す発電技術が知られている。例えば、自動車や電車などの車両においては、車両の減速時に回生制御を行い、そこで得られた電力をバッテリやコンデンサに充電し、それを車両の始動時や加速時に使用することが行われている。特に、自動車などにおいては、回生動作によって制動効果が得られることもあり、回生動作が可能なスタータ・ジェネレータ・システムが、エンジンのスタータ用モータとして広く用いられている。

一方、レアアース価格の高騰などを背景に、近年、ロータに永久磁石を使用しないモータとしてＳＲモータの需要が増大している。ＳＲモータは、複数の内向突極が形成されたステータと、ステータの内側に配置され複数の外向突極を備えたロータと、を有しており、内向突極に巻装された励磁コイルを選択的に通電することにより、ステータの内向突極にロータの外向突極を磁気吸引させてロータに回転トルクを発生させている。ＳＲモータは、構造が簡単で堅牢であることから、エンジンスタータの駆動源などにも、その利用範囲が拡大している。さらに、制御技術の向上に伴い、ＳＲモータを発電機（ジェネレータ）としても使用することが容易となり、昨今では、前述のようなスタータ・ジェネレータ（始動発電機）・システムへの適用も増加している。

図９は、エンジンのクランク軸に接続されたＳＲモータにおける電力回生動作を示す説明図である。車両が惰性状態で走行している場合や下り坂などでは、ＳＲモータ５１のロータ５２は外力によって回されている状態となっており、このとき、ロータ５２の回転を利用して電力回生が行われる。図９に示すように、ＳＲモータ５１では、ステータ５３の突極５４とロータ突極５５が対向し整列したタイミングで、コイル５６に一時的に通電を行う（図９のＡ部：供給モード）。一時的通電により、モータ内には、ロータ５２を介して磁束が発生するが、外力によってロータ５２が回転すると、この回転動作によって、発生した磁束が減少する。すると、この磁束を保持しようとすべく、コイル５６に起電力が生じ、コイル５６に回生電流が流れ、電力回生が行われる（図９のＢ部：回生モード）。

特開平１０−２７１８９３号公報特開平１１−２２２９７号公報

図９に示したような回生動作では、回生電流の大きさは、磁束が交差する早さ（ロータ突極５５とコイル５６とが交差する早さ）、すなわちモータの回転数と、コイル５６に生じる磁束の強度、すなわちコイル５６に流れる励磁電流の大きさに比例する。このため、大きな回生電流を得るためには、モータが高回転数の時にコイルに大きな励磁電流を与えてやれば良い。しかしながら、モータ回転数が高くなると、ティースと突極が対向する時間が短くなり、コイル５６への通電時間も短くなるため、コイル５６を励磁するための電流が十分に流せなくなる。つまり、図９におけるＡ部の山が低くなる（面積が小さくなる）。すると、それに対応して、回生電流も少なくなってしまい（図９におけるＢ部の山が低くなる）、モータ高回転域では発電効率が低下するという問題があった。

また、回生動作時は、モータに対して電流を供給し（励磁）、その後、モータからの電流をバッテリに戻す（発電）制御を繰り返す。このため、図１０に示すように、電源ラインの電流の向きや大きさに変動が発生し、この電流変動により、抵抗成分に応じて電圧リップルが発生する。すなわち、電力供給区間では、配線抵抗により電圧降下が生じ、モータドライバ回路の端子電圧が落ち込む（図１０のＸ部）。また、回生区間では、バッテリ側に向かって大電流が流れ、インダクタンス成分によるバッテリへの充電遅れが生じ（図１０のＹ部）、これらが電圧リップルとして現れる。このような電圧リップルは、接続されている電子回路が動作不安定を起こす要因となったり、伝導／輻射ノイズの増大の原因となったりするため、その低減が求められていた。

本発明のＳＲモータ制御システムは、複数の励磁コイルを備えるステータと、該ステータの内側に配置され複数の突極を備えるロータと、を有してなるスイッチドリラクタンスモータの駆動制御を行うと共に、駆動中の前記スイッチドリラクタンスモータから回生電力を得る電力回生動作を実施可能なＳＲモータ制御システムであって、該ＳＲモータ制御システムは、前記複数の励磁コイルに対する通電を切り替える複数個のパワー素子を有するパワー回路部と、前記パワー回路部と電源との間の電源ライン上に配置され、該電源ラインの電気的接続を制御するスイッチング素子を備えたスイッチ部と、前記スイッチ部と前記パワー回路部との間に、前記パワー回路部と並列に配置されたコンデンサと、前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御手段と、を有し、前記電力回生動作は、前記励磁コイルに通電し磁束を発生させる供給モードと、前記磁束の変化により前記励磁コイルに回生電流を発生させる回生モードと、を有し、前記制御手段は、前記スイッチング素子をオフにした状態で前記電力回生動作を実施することにより、前記励磁コイルに対し前記コンデンサの電荷を供給して前記供給モードを行う一方で、前記回生電流にて前記コンデンサを充電する還流昇圧を行い、該還流昇圧を複数回実施した後、前記スイッチング素子をオンさせ前記コンデンサに蓄電された電荷を前記電源側に還送することを特徴とする。

本発明にあっては、回生動作にて得られた電力をそのまま電源に返さずコンデンサに蓄え、コンデンサを昇圧し、供給モード時の電圧を昇圧しつつ回生動作を行う。これにより、高い電圧で回生動作を行うことができ、高価な特別の回路を用いることなく、効率の良い電力回生（発電）を行うことができる。

前記制御手段は、前記スイッチドリラクタンスモータの回転数が所定の回転数を超える高回転領域にて、前記還流昇圧を伴う前記電力回生動作を実施しても良い。すなわち、高回転のため、ティースと突極が対向する時間が短く、コイルへの通電時間も短くなり、１回の回生動作では回生電力が小さくなるような場合に、還流昇圧を伴う電力回生動作を実施する。これにより、モータが高回転数のときにはコンデンサ昇圧動作を行い、それ以外の時にはコンデンサ昇圧動作を行わないので、効率良く発電を行うことができると共に、コンデンサへの負荷を低減できる。

前記ＳＲモータ制御システムにおいて、前記ＳＲモータ制御システムに、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部をさらに設け、前記制御手段は、前記還流昇圧を伴う前記電力回生動作において、前記電圧検出部における検出値が所定の閾値を超えたとき、前記スイッチング素子をオンさせても良い。このように、コンデンサ電圧を監視することにより、コンデンサに対する過電圧を防ぐことができる。

前記制御手段は、前記還流昇圧を伴う前記電力回生動作において、前記励磁コイルに対し通電を行っていないタイミングで前記スイッチング素子をオンさせても良く、これにより、コンデンサの昇圧と電源充電を制御により切り離すことができ、安定した発電動作を行うことが可能となる。

また、前記スイッチング素子と前記電源との間に、前記電力回生動作によって前記電源に還流される電荷を蓄電可能な平滑化コンデンサを配しても良い。この平滑化コンデンサにより、回生電圧の急激な変化が抑えられ、回生電圧のリップル低減が図られる。

前記スイッチング素子をＦＥＴにて構成し、前記制御手段は、前記コンデンサに蓄電された電荷を前記電源側に還送する際、回生電流の電圧値が所定の閾値を超えないように、前記ＦＥＴに対してＰＷＭ制御を行っても良い。このように、電源への充電電圧をＰＷＭ制御することにより、電源に対する過電圧充電を防ぐことができ、またハーネス等の機械的要素などに起因して発生するノイズの低減が図られる。

さらに、本発明の他のＳＲモータ制御システムは、複数の励磁コイルを備えるステータと、該ステータの内側に配置され複数の突極を備えるロータと、を有してなるスイッチドリラクタンスモータの駆動制御を行うと共に、駆動中の前記スイッチドリラクタンスモータから回生電力を得る電力回生動作を実施可能なＳＲモータ制御システムであって、該ＳＲモータ制御システムは、前記複数の励磁コイルに対する通電を切り替える複数個のパワー素子を有するパワー回路部と、前記パワー回路部と電源との間の電源ライン上に配置され、該電源ラインの電気的接続を制御するスイッチング素子を備えたスイッチ部と、前記スイッチ部と前記パワー回路部との間に、前記パワー回路部と並列に配置された第１コンデンサと、前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御手段と、を有し、前記スイッチ部は、前記電源ライン上に直列に接続された第１及び第２スイッチング素子と、該第１及び第２スイッチング素子とそれぞれ並列に配置された第１及び第２ダイオードとを備え、前記第１及び第２ダイオードは、導通方向が互いに逆方向となるように配置され、前記第１及び第２スイッチング素子の間には、一端側が前記電源ラインの前記第１及び第２スイッチング素子の間に接続され、他端側がグランド側に接続された第２コンデンサが配置されてなることを特徴とする。

一方、本発明のＳＲモータ制御方法は、複数の励磁コイルを備えるステータと、該ステータの内側に配置され複数の突極を備えるロータと、を有してなるスイッチドリラクタンスモータと、前記複数の励磁コイルに対する通電を切り替える複数個のパワー素子を有するパワー回路部と、前記パワー回路部と電源との間の電源ライン上に配置され、該電源ラインの電気的接続を制御するスイッチング素子を備えたスイッチ部と、前記スイッチ部と前記パワー回路部との間に、前記パワー回路部と並列に配置されたコンデンサと、前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御手段と、を有し、駆動中の前記スイッチドリラクタンスモータから回生電力を得る電力回生動作を実施可能なＳＲモータ制御システムにおける前記スイッチドリラクタンスモータの制御方法であって、前記電力回生動作は、前記励磁コイルに通電し磁束を発生させる供給モードと、前記磁束の変化により前記励磁コイルに回生電流を発生させる回生モードと、を有し、前記スイッチング素子をオフにした状態で前記電力回生動作を実施することにより、前記励磁コイルに対し前記コンデンサの電荷を供給して前記供給モードを行う一方で、前記回生電流にて前記コンデンサを充電する還流昇圧を行い、該還流昇圧を複数回実施した後、前記スイッチング素子をオンさせ前記コンデンサに蓄電された電荷を前記電源側に還送することを特徴とする。

また、本発明の他のＳＲモータ制御方法は、複数の励磁コイルを備えるステータと、該ステータの内側に配置され複数の突極を備えるロータと、を有してなるスイッチドリラクタンスモータと、前記複数の励磁コイルに対する通電を切り替える複数個のパワー素子を有するパワー回路部と、前記パワー回路部と電源との間の電源ライン上に配置され、該電源ラインの電気的接続を制御するスイッチング素子を備えたスイッチ部と、前記スイッチ部と前記パワー回路部との間に、前記パワー回路部と並列に配置されたコンデンサと、前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御手段と、を有し、駆動中の前記スイッチドリラクタンスモータから回生電力を得る電力回生動作を実施可能なＳＲモータ制御システムにおける前記スイッチドリラクタンスモータの制御方法であって、前記スイッチ部は、前記電源ライン上に直列に接続された第１及び第２スイッチング素子と、該第１及び第２スイッチング素子とそれぞれ並列に配置された第１及び第２ダイオードとを備え、前記第１及び第２ダイオードは、導通方向が互いに対向するように配置され、前記第１及び第２スイッチング素子の間には、一端側が前記電源ラインの前記第１及び第２スイッチング素子の間に接続され、他端側がグランド側に接続された第２コンデンサが配置され、前記電力回生動作は、前記励磁コイルに通電し磁束を発生させる供給モードと、前記磁束の変化により前記励磁コイルに回生電流を発生させる回生モードと、を有し、前記回生モードの際、回生電流の電圧値が所定の閾値を超えないように、前記第２スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦを制御することを特徴とする。

本発明のＳＲモータ制御システムは、スイッチング素子をオフにした状態で電力回生動作を実施し、励磁コイルに対しコンデンサの電荷を供給して供給モードを行う一方で、回生電流にてコンデンサを充電する還流昇圧を行う。そして、この還流昇圧を複数回実施した後、スイッチング素子をオンさせ、コンデンサに蓄電された電荷を電源側に還送するので、高い電圧で回生動作を行うことができ、特別な回路を用いることなく、効率の良い電力回生を行うことが可能となる。

本発明のＳＲモータ制御方法は、スイッチング素子をオフにした状態で電力回生動作を実施し、励磁コイルに対しコンデンサの電荷を供給して供給モードを行う一方で、回生電流にてコンデンサを充電する還流昇圧を行う。そして、この還流昇圧を複数回実施した後、スイッチング素子をオンさせ、コンデンサに蓄電された電荷を電源側に還送するので、高い電圧で回生動作を行うことができ、特別な回路を用いることなく、効率の良い電力回生を行うことが可能となる。

本発明の実施の形態１であるＳＲモータ制御システムの回路構成を示す説明図である。図１のＳＲモータ制御システムにおける電力回生動作を示す説明図である。電力回生時における回生電流・電圧の変化を示す説明図である。従来のＳＲモータ制御システムの回路構成を示す説明図である。平滑コンデンサへの突入電流防止のためプリチャージ回路を設けた構成を示す説明図である。本発明の実施の形態２であるＳＲモータ制御システムの各動作モードにおける動作パターンを示す説明図である。回生モードと還流モードを繰り返す場合の巻線電流値の変化を示す説明図である。本発明の実施の形態３であるＳＲモータ制御システムの回路構成を示す説明図である。ＳＲモータにおける一般的な電力回生動作を示す説明図である。従来のＳＲモータ制御システムにおける電力回生時の回生電流・電圧の変化を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１であるＳＲモータ制御システム１０の回路構成を示す説明図である。本実施形態の目的は、ＳＲモータを用いたスタータ・ジェネレータ・システムにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ昇圧回路のような、高価で複雑な回路を用いることなく、発電効率を向上させることにある。

図１の回路にて駆動されるＳＲモータ１は、励磁コイル（巻線）２を有するステータ３と、ステータ３内に回転自在に配置されたロータ４とを備えている。ＳＲモータ１は、例えば、車両エンジンのクランク軸に直結され、スタータ・ジェネレータとして使用される。ステータ３には、径方向内側に向かって突設された複数の突極５が設けられている。各突極５には、３相の励磁コイル２（２Ｕ,２Ｖ,２Ｗ）が巻装されている。ロータ４の外周には、径方向外側に向かって突設された複数の突極６が設けられている。ロータ４の回転位置は、レゾルバ等の図示しない回転位置検出センサによって検知されている。そして、ロータ回転位置に応じて、各励磁コイル２を選択的に通電することにより、ステータ３の突極５にロータ４の突極６が磁気吸引される。その結果、ロータ４に回転トルクが発生し、ＳＲモータ１が回転駆動する。

図１に示すように、ＳＲモータ１の上段側（バッテリ７側：ハイサイド）と下段側（ローサイド）にはそれぞれ、複数個のパワー素子を備えたパワーモジュール（パワー回路部）１１,１２が配されている。各パワーモジュール１１,１２には、パワー素子として、半導体スイッチ素子であるＦＥＴ１３,１４が６個ずつ設けられている（ＦＥＴ１３ａ〜１３ｆ，ＦＥＴ１４ａ〜１４ｆ）。ＦＥＴ１３,１４は、コントローラ１５によって適宜オン／オフされる。

パワーモジュール１１,１２の出力段側（モータ接続ライン側）には、モータ電流を検出するための抵抗１６,１７（１６ａ〜１６ｃ，１７ａ〜１７ｃ）が各相ごとに設けられている。各相の抵抗１６,１７は、ＳＲモータ１の励磁コイル２（２Ｕ,２Ｖ,２Ｗ）にそれぞれ接続されている。抵抗１６,１７はそれぞれ、電圧検出回路１８ａ,１８ｂと接続されている。電圧検出回路１８ａ,１８ｂは、各抵抗１６ａ〜１６ｃ,１７ａ〜１７ｃにおける電圧降下を検出し、その検出値はコントローラ１５に送られる。コントローラ１５は、電圧検出回路１８ａ,１８ｂの検出値に基づいて、ＳＲモータ１の各相の励磁コイル２Ｕ,２Ｖ,２Ｗに流れる電流値を算出し、ＳＲモータ１の動作を制御する。

ＳＲモータ制御システム１０では、ＳＲモータ１を駆動するに際し、例えば、Ｕ相を励磁する場合は、コントローラ１５は、上段側パワーモジュール１１のＦＥＴ１３ａと、下段側パワーモジュール１２のＦＥＴ１４ｄをオンさせ、ＳＲモータ１のＵ相励磁コイル２Ｕに通電する。コントローラ１５は、同様にＶ相（ＦＥＴ１３ｂ・ＦＥＴ１４ｅ：ＯＮ）、Ｗ相（ＦＥＴ１３ｃ・ＦＥＴ１４ｆ：ＯＮ）を順に励磁し、ＳＲモータ１を回転駆動させる。

一方、ＳＲモータ１を発電機として使用する場合には、Ｕ相の回生動作では、上段側パワーモジュール１１のＦＥＴ１３ｄと、下段側パワーモジュール１２のＦＥＴ１４ａをオンさせて回生モードを実施し、バッテリ７側（電源側）に電力を回生する。Ｖ相,Ｗ相における回生動作も同様に、Ｖ相ではＦＥＴ１３ｅ・ＦＥＴ１４ｂを、Ｗ相ではＦＥＴ１３ｆ・ＦＥＴ１４ｃをそれぞれオンさせ、バッテリ７側に電力を回生する。

図１のＳＲモータ制御システム１０は、前述のように６個のパワー素子が１パッケージ化されたパワーモジュール１１,１２を採用している。このため、ディスクリート部品にて回路を構成する場合に比して、回路構成が簡略化され、回路の小型化が図られる。また、電気的な接続ポイントを減らせるため、加工性の向上が図られ、製品の低コスト化が可能となる。例えば、従来のＳＲモータ駆動回路では、各ＦＥＴの前後２４箇所の接続が必要であるのに対し、図１の回路では、各パワーモジュール１１,１２で５個ずつ（図１における３相のモータ側端子２１,２２と上下の接続端子２３,２４）計１０箇所の接続で済み、配線作業工数を大幅に削減できる。さらに、パワーモジュールを２つ使用してモータの上下段に配する構成となっており、同時にオンするＦＥＴが異なるパワーモジュールに配されている（例えば、Ｕ相通電時のＦＥＴ１３ａとＦＥＴ１４ｄ）。その結果、発熱素子を別モジュールに分散配置することが可能となり、パワーモジュールの発熱を抑制することが可能となる。

図１のＳＲモータ制御システム１０にはさらに、バッテリ７とパワーモジュール１１,１２との間の電源ライン３０上に、電源ライン３０の電気的接続を制御するスイッチ部３１が配されている。スイッチ部３１は、パワーモジュール１１,１２の前段（ハイサイド側）に配置され、半導体スイッチング素子として、ＦＥＴ３２（第１スイッチング素子）,ＦＥＴ３３（第２スイッチング素子）が設けられている。ＦＥＴ３２,３３の間には、パワーモジュール１１,１２と並列に平滑コンデンサ３４（第２コンデンサ）が配されている。

平滑コンデンサ３４の一端側は、電源ライン３０のＦＥＴ３２,３３の間に接続され、他端側はグランドに接続（接地）されている。ＦＥＴ３２,３３には、それらと並列にダイオード４１,４２が配されている。各ダイオード４１,４２は、導通方向が互いに逆方向となるように設けられている。すなわち、ダイオード４１は、ＳＲモータ１側からバッテリ７側が順方向となるように、また、ダイオード４２は、バッテリ７側からＳＲモータ１側が順方向となるよう、両ダイオード４１,４２の向きが互いに向かい合わせ（反対方向）となる形で配置されている。

スイッチ部３１の前段にはさらに、電源ライン側の電流を検出するためのシャント抵抗３５が設けられている。シャント抵抗３５は、ＦＥＴ３２,３３と共に電源側モジュール３６として１パッケージ化されており、電圧検出回路３７と接続されている。電圧検出回路３７は、シャント抵抗３５における電圧降下を検出し、その検出値はコントローラ１５に送られる。コントローラ１５は、電圧検出回路３７の検出値に基づいて、電源ライン側の電流値を算出、制御する。また、電圧検出回路３７は、電源７の電圧も検出し、その検出値をコントローラ１５に送る。コントローラ１５は、電圧検出回路３７の検出値に基づいて、電源電圧を制御する。

スイッチ部３１とパワーモジュール１１,１２との間にも、パワーモジュール１１,１２と並列に昇圧コンデンサ３８（第１コンデンサ）が配されている。昇圧コンデンサ３８の一端側は、電源ライン３０のスイッチ部３１とパワーモジュール１１,１２の間に接続され、他端側はグランドに接続（接地）されている。スイッチ部３１と昇圧コンデンサ３８との間には、昇圧コンデンサ３８の充電状態（電源ライン３０におけるＰ部の電圧）を検出する電圧検出回路（電圧検出部）３９が接続されている。電圧検出回路３９の検出値もまたコントローラ１５に送られる。コントローラ１５は、電圧検出回路３９の検出値に基づいて、ＦＥＴ３３のオンオフを制御する。なお、昇圧コンデンサ３８は、名称は「昇圧」となっているが、平滑コンデンサ３４と同様に、モータ駆動時や回生動作時のスイッチングによる電圧リップルを抑制するためのバッファとして機能させても良い。すなわち、昇圧コンデンサ３８も、いわゆる平滑コンデンサとして使用可能である。

ここで、本発明によるＳＲモータ制御システム１０では、回生動作におけるＦＥＴ３３のオンオフ制御により、（１）供給モード時の励磁電圧を上昇させ回生電流量を増加させると共に、（２）回生モード時における電圧リップルの低減を図っている。以下、（１）昇圧回生と（２）回生電圧のリップル抑制に分けて、これらの制御形態を説明する。

（１）昇圧回生
ＳＲモータ１においても、ロータ４が外力によって回されている状態のとき電力回生が行われる。但し、ＳＲモータ１では、従来のＳＲモータ５１とは異なり、ＦＥＴ３３をオフさせた状態で電力回生動作を実施する。すなわち、ＳＲモータ１を電源ライン３０と切り離した状態で回生動作（発電動作）を行う。図２は、ＳＲモータ制御システム１０における電力回生動作を示す説明図である（１相分）。図２に示すように、ＳＲモータ１においても、ステータ３の突極５とロータ４の突極６が対向し整列したタイミングで、励磁コイル２に一時的に通電を行う（図２のＡ部：供給モード）。通電は、回転位置検出センサによりロータ４の回転位置を検出し、突極５と突極６の間の距離が所定値以下となっている部位の励磁コイル２に対して実施され、両者間の距離が所定値を超えると停止される。この際、ＳＲモータ１では、モータ駆動中に充電された昇圧コンデンサ３８から電力が供給される。

励磁コイル２への通電により、ＳＲモータ１内ではロータ４を介して磁束が発生する。その状態でロータ４が回転すると、発生した磁束が減少し、磁束を保持すべく励磁コイル２に起電力が生じる。これにより、励磁コイル２に回生電流が流れ、電力回生が行われる（図２のＢ部：回生モード）。その際、ＳＲモータ制御システム１０では、ＳＲモータ１と電源ライン３０が切り離されていることから、回生で発生した電力は、昇圧コンデンサ３８に充電される。そして、次相（次のティース−突極の接近）での回生動作の際には、改めて昇圧コンデンサ３８から励磁コイル２に電力が供給される。

前述のように、ＳＲモータを発電機として用いる場合、モータ回転数が高くなると、コイル通電時間が短くなるため、回生電流が少なくなり発電効率が低下する。従って、高回転領域では、余り大きな回生電力をバッテリ７側に戻すことができなくなる（図２のＢ１）。そこで、本発明によるＳＲモータ制御システム１０では、Ｂ１の回生電力はバッテリ７側には戻さずに、昇圧コンデンサ３８に蓄電し、それを次回の回生動作に使用する。これにより、次回の回生動作は、前回よりも電圧が上昇した状態で実施され、その分、励磁コイル２への供給電流量が増え、励磁される磁束も増加する。励磁される磁束が増えると、それに伴って励磁コイル２に生じる回生電流も増大する（図２のＢ２）。

そして、このような還流昇圧動作を適宜繰り返し、昇圧コンデンサ３８が所定の電圧Ｖ１（閾値）以上となったとき、励磁コイル２に対し通電を行っていないタイミングでＦＥＴ３３をオンさせる。昇圧コンデンサ３８の充電状態は、電圧検出回路３９を介してコントローラ１５によって監視されており、所定値以上の電力回生が可能となったところで、ＳＲモータ１と電源ライン３０を接続し、バッテリ７側に電力を還送する。これにより、エネルギをある程度蓄積してからバッテリに電力を回生でき、１回１回電力回生を行う場合に比して、発電量を増加させることが可能となる。従って、高回転時のように、ティースと突極が対向する時間が短い場合でも、効率の良い電力回生を行うことが可能となる。

（２）回生電圧のリップル抑制
本発明によるＳＲモータ制御システム１０では、バッテリ７側に電力を回生する際、電圧検出回路３７の検出値に基づいて、ＦＥＴ３３をＰＷＭ制御することにより、回生電圧のリップルを抑制している。図３は、電力回生時における回生電流・電圧の変化を示す説明図である。コントローラ１５は、昇圧コンデンサ３８の電荷をバッテリ７に回生する際、電圧検出回路３７によって電源ライン３０の電圧Ｖ２を監視し、それが一定電圧となるようにＦＥＴ３３をＰＷＭ制御する。すなわち、図３に示すように、回生電流の電圧値が制御電圧（閾値）Ｖｓを超えないようにＦＥＴ３３をＰＷＭ制御する。そして、電圧値がＶｓを超えた場合は、ＰＷＭ制御のDutyを下げ電圧を降下させ、電圧の変動を抑制する。

本制御システム１０では、ＰＷＭ制御によるＦＥＴ３３のスイッチング動作と、昇圧コンデンサ３８の静電容量は、バッテリ７側に電力を回生する際に、回生電圧が制御電圧Ｖｓ以下となるように設定される。なお、リップル抑制に際しては、電源ライン電圧Ｖ２に代えて、電源ライン３０の回生電流値を検出し、それが所定値以下となるようにＦＥＴ３３をＰＷＭ制御しても良い。

また、バッテリ７とＦＥＴ３３の間には、整流用の平滑コンデンサ３４が配されている。ＦＥＴ３３がオンされ、昇圧コンデンサ３８からバッテリ７に電荷が流れると、その一部が平滑コンデンサ３４に流入し、これにより、回生電圧の急激な変化が抑えられる。すなわち、平滑コンデンサ３４は、回生時におけるバッファの役割を果たしており、インダクタンス成分の影響などを緩和し、回生電圧のリップルを吸収する。

ＳＲモータ制御システム１０にあっては、まず、ＦＥＴ３３をオフさせ、昇圧コンデンサ３８にエネルギを蓄積しつつ電力回生動作を実施する。その結果、単発で電力回生する場合に比して発電量を増大させることができ、特に、高回転域における発電効率の向上が可能となる。また、バッテリ７側に電力を回生するに際し、当該システムでは、平滑コンデンサ３４を用いて回生電流を整流しつつ、回生電圧に合わせてＦＥＴ３３をＰＷＭ制御する。これにより、回生電圧のリップルを抑制し、電子回路の動作を安定させたり、伝導／輻射ノイズを低減させたりすることが可能となる。

なお、当該システムでは、ＦＥＴ３２,３３をＯＦＦさせることにより、ＳＲモータ１とバッテリ７とを完全に分離できる。図４に示すように、従来のＳＲモータ制御システムには、大電流系の通電ＯＮ／ＯＦＦ装置として、過電流防止用のコンタクタ４３が設けられている。これに対し、本発明によるＳＲモータ制御システム１０では、ＦＥＴ３２,３３を電源ライン３０上に配することにより、コンタクタ４３を省くことができ、システム構成を簡素化することが可能となる。

また、図５に示すように、平滑コンデンサ３４への突入電流防止のため、プリチャージ回路４４を設けることも可能であるが、ＳＲモータ制御システム１０では、ＦＥＴ３２を能動領域にて適宜作動させることにより、プリチャージ回路４４を省くこともできる。この場合、例えば、ＦＥＴ３２をＰＷＭ制御することにより、平滑コンデンサ３４への流入電流を適宜抑制できる。その際、平滑コンデンサ３４の電圧は、電圧検出回路３９にて監視することが可能である。

一方、昇圧コンデンサ３８やＦＥＴ３３のＰＷＭ制御は、回生動作時以外にも、スタータ・ジェネレータであるＳＲモータ１をモータとして駆動する際にも使用可能である。例えば、ＳＲモータ１を始動する際、未充電の昇圧コンデンサ３８に過渡的に大電流が流れるのを防止するため、電源投入時にＦＥＴ３３をＰＷＭ制御し、昇圧コンデンサ３８への流入電流を適宜抑制しても良い。この場合も、昇圧コンデンサ３８の電圧は、電圧検出回路３９にて監視する。そして、昇圧コンデンサ３８の電圧が所定値に達した場合は、ＰＷＭ制御を停止しＦＥＴ３３をオン状態とする。すなわち、ＦＥＴ３３のＰＷＭ制御は、回生動作時におけるリップル抑制以外にも利用可能である。

（実施の形態２）
実施の形態１では、電力回生動作時に、供給モードと回生モードを実施する構成について説明したが、回生モード時における目標電流値を維持するため、供給モードの後、回生モードと共に還流モードを実施しても良い。図６は、還流モードを実施する場合の各モードにおける動作パターンを示す説明図（１相分）である。なお、実施の形態２も図１と同様のシステムにて実施されるが、図６では、パワーモジュール１１,１２内のオンオフされないＦＥＴ１３,１４は、ダイオードにて置換された形で記載されている。

実施の形態２においても、図６（ａ）の停止モードにあるＳＲモータ１に対し、まず、図６（ｂ）の供給モード(1)（電源からの励磁）が実施される。すなわち、ＦＥＴ３２,３３をオンさせた状態で、ＦＥＴ１３,１４をオンさせることにより、励磁コイル２に一時的に通電を行う。次に、図６（ｃ）のように、ＦＥＴ３２,３３とＦＥＴ１３,１４を共にオフさせ、回生モード(1)（コンデンサ回生）を行い、昇圧コンデンサ３８の充電を行う。その際、ここでは、目標電流値を維持するため、回生モード(1)と、還流モード(1)又は(2)を繰り返し実施する。還流モード(1)(2)は、図６（ｄ）（ｅ）のように、ＦＥＴ３２,３３をオフさせた状態で、ＦＥＴ１３,１４の何れか一方のみをオンさせることにより行われる。

図７は、回生モード(1)と還流モード(1)(2)を繰り返す場合の巻線電流値の変化を示す説明図である。図７に示すように、ここでは、回生電流値が基準供給電流値Ｉｒを超えると還流モードが実施される。回生モードと還流モードの切り替えは、制御周期ごとに行われ、還流モードにより回生電流が低下すると、次の制御周期では回生モードが実施される。その後、回生電流値が基準供給電流値Ｉｒを超えると、次の制御周期にて還流モードに切り替えられ、これが交互に繰り返される。この場合、還流モード(1)(2)は何れを実施しても良く、一方のみを実施させる形でも良い。但し、２パターンの還流モードを両方（例えば、交互に）実施することにより、一方のＦＥＴのみに負荷を与えることなく、ＦＥＴの負荷（発熱等）を均等化することが可能となる。

回生モード(1)と還流モード(1)又は(2)を繰り返し実施し、昇圧コンデンサ３８を充電した後、次相での回生動作は、昇圧コンデンサ３８から励磁コイル２に電力が供給される（図６（ｆ）供給モード(2):コンデンサからの励磁）。つまり、先の回生モード(1)にて生じる回生電力はバッテリ７側には戻さずに、昇圧コンデンサ３８に蓄電し、それを次回の回生動作に使用する。これにより、前述同様、次回の回生動作は、前回よりも電圧が上昇した状態で実施され、その分、励磁コイル２への供給電流量が増え、励磁される磁束も増加する。励磁される磁束が増えると、それに伴って励磁コイル２に生じる回生電流も増大する。

そして、還流昇圧動作を適宜繰り返し、昇圧コンデンサ３８が所定の電圧Ｖ１（閾値）以上となったとき、励磁コイル２に対し通電を行っていないタイミングでＦＥＴ３２,３３をオンさせる（図６（ｇ）回生モード(2):電源回生）。昇圧コンデンサ３８の充電状態は、電圧検出回路３９を介してコントローラ１５によって監視されており、所定値以上の電力回生が可能となったところで、ＳＲモータ１と電源ライン３０を接続し、バッテリ７側に電力を還送する。この際、バッテリ７とＦＥＴ３３の間には、前述同様、整流用の平滑コンデンサ３４が配されているため、ＦＥＴ３２,３３がオンされ、昇圧コンデンサ３８からバッテリ７に電荷が流れると、その一部が平滑コンデンサ３４に流入し、これにより、回生電圧の急激な変化が抑えられる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３として、既存の昇圧機能付き制御回路により、昇圧コンデンサ３８を、通常電圧よりも高い昇圧電圧（例えば２倍の電圧)にて充電するようにした構成について説明する。図８は、本発明の実施の形態３であるＳＲモータ制御システム４５の回路構成を示す説明図である（１相分）。なお、本実施の形態中、実施の形態１と同様の部分、部材等については同一の符号を付し、その説明は省略する。

ＳＲモータ制御システム４５では、コントローラ１５内に設けられている昇圧機能付きの制御回路４６を用いて昇圧コンデンサ３８のプリチャージを行う。ＦＥＴ１３,１４を作動させるに際しては、電源電圧よりも高い電圧が必要であり、コントローラ１５内には、ＦＥＴ作動用として昇圧機能付きの制御回路４６が設けられている。当該システムでは、この既存の制御回路４６を活用し、昇圧コンデンサ３８の充電を行う。このように、制御回路４６にて昇圧コンデンサ３８を充電すると、安定した電圧にて昇圧コンデンサ３８を充電できるため、回生電流のリップルを低減させることが可能となる。

なお、ＳＲモータ１を始動する際や、より大きな回転数を得たい場合も、昇圧電圧にて充電された昇圧コンデンサ３８から電流を供給できる。これにより、一時的に大きな電流をＳＲモータ１に供給でき、必要に応じてモータトルクの向上を図ることが可能となる。すなわち、昇圧コンデンサ３８は、前述の昇圧回生のみならず、モータ始動時等における昇圧駆動にも利用可能である。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、パワー素子をモジュール化したパワーモジュール１１,１２を用いた例を示したが、パワーモジュール１１,１２ではなく、パワー素子を個々に配置した回路にも本発明は適用可能である。また、本発明による制御形態は、モータ高回転領域での発電効率向上のみならず、ティース数が多く、ティース−突極間の対向時間が短いモータにおける発電効率向上にも有効である。さらに、前述の実施形態では、３回目の還流昇圧後にＦＥＴ３３をオンさせてバッテリ７側に電力を回生しているが、還流昇圧の回数はこれには限定されず、還流昇圧を繰り返し、昇圧コンデンサ３８の充電電圧が電圧Ｖ１を超えた時点でＦＥＴ３３をオンさせる。

本発明によるＳＲモータ制御システムは、ＩＳＧ用ＳＲモータのみならず、他の車載ＳＲモータや、家電製品や産業機械等に使用されるＳＲモータの駆動制御にも広く適用可能である。

１ＳＲモータ２励磁コイル
２ＵＵ相励磁コイル２ＶＶ相励磁コイル
２ＷＷ相励磁コイル３ステータ
４ロータ５突極
６突極７バッテリ
１０ＳＲモータ制御システム
１１パワーモジュール（上段側）
１２パワーモジュール（下段側）
１３ＦＥＴ１３ａ〜１３ｆＦＥＴ
１４ＦＥＴ１４ａ〜１４ｆＦＥＴ
１５コントローラ１６抵抗
１６ａ〜１６ｃ抵抗１７抵抗
１７ａ〜１７ｃ抵抗１８ａ,１８ｂ電圧検出回路
２１モータ側端子２２モータ側端子
２３接続端子２４接続端子
３０電源ライン３１スイッチ部
３２ＦＥＴ３３ＦＥＴ
３４平滑コンデンサ３５シャント抵抗
３６電源側モジュール３７電圧検出回路
３８昇圧コンデンサ
３９電圧検出回路（電圧検出部）
４１ダイオード４２ダイオード
４３コンタクタ４４プリチャージ回路
４５ＳＲモータ制御システム４６昇圧機能付き制御回路
５１ＳＲモータ５２ロータ
５３ステータ５４突極
５５突極５６コイル
Ｖ１還流昇圧停止電圧（閾値）Ｖ２電源ライン電圧
Ｖｓ制御電圧（閾値）

Claims

複数の励磁コイルを備えるステータと、該ステータの内側に配置され複数の突極を備えるロータと、を有してなるスイッチドリラクタンスモータの駆動制御を行うと共に、駆動中の前記スイッチドリラクタンスモータから回生電力を得る電力回生動作を実施可能なＳＲモータ制御システムであって、
該ＳＲモータ制御システムは、
前記複数の励磁コイルに対する通電を切り替える複数個のパワー素子を有するパワー回路部と、
前記パワー回路部と電源との間の電源ライン上に配置され、該電源ラインの電気的接続を制御するスイッチング素子を備えたスイッチ部と、
前記スイッチ部と前記パワー回路部との間に、前記パワー回路部と並列に配置されたコンデンサと、
前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御手段と、を有し、
前記電力回生動作は、前記励磁コイルに通電し磁束を発生させる供給モードと、前記磁束の変化により前記励磁コイルに回生電流を発生させる回生モードと、を有し、
前記制御手段は、前記スイッチング素子をオフにした状態で前記電力回生動作を実施することにより、前記励磁コイルに対し前記コンデンサの電荷を供給して前記供給モードを行う一方で、前記回生電流にて前記コンデンサを充電する還流昇圧を行い、該還流昇圧を複数回実施した後、前記スイッチング素子をオンさせ前記コンデンサに蓄電された電荷を前記電源側に還送することを特徴とするＳＲモータ制御システム。
請求項１記載のＳＲモータ制御システムにおいて、
前記制御手段は、前記スイッチドリラクタンスモータの回転数が所定の回転数を超える高回転領域にて、前記還流昇圧を伴う前記電力回生動作を実施することを特徴とするＳＲモータ制御システム。
請求項１又は２記載のＳＲモータ制御システムにおいて、
前記ＳＲモータ制御システムはさらに、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部を有し、
前記制御手段は、前記還流昇圧を伴う前記電力回生動作において、前記電圧検出部における検出値が所定の閾値を超えたとき、前記スイッチング素子をオンさせることを特徴とするＳＲモータ制御システム。
請求項１〜３記載の何れか１項に記載のＳＲモータ制御システムにおいて、
前記制御手段は、前記還流昇圧を伴う前記電力回生動作において、前記励磁コイルに対し通電を行っていないタイミングで前記スイッチング素子をオンさせることを特徴とするＳＲモータ制御システム。
請求項１〜４記載の何れか１項に記載のＳＲモータ制御システムにおいて、
前記スイッチング素子と前記電源との間に、前記電力回生動作によって前記電源に還流される電荷を蓄電可能な平滑化コンデンサを配したことを特徴とするＳＲモータ制御システム。
請求項１〜５記載の何れか１項に記載のＳＲモータ制御システムにおいて、
前記スイッチング素子はＦＥＴにて構成され、
前記制御手段は、前記コンデンサに蓄電された電荷を前記電源側に還送する際、回生電流の電圧値が所定の閾値を超えないように、前記ＦＥＴに対してＰＷＭ制御を行うことを特徴とするＳＲモータ制御システム。
複数の励磁コイルを備えるステータと、該ステータの内側に配置され複数の突極を備えるロータと、を有してなるスイッチドリラクタンスモータの駆動制御を行うと共に、駆動中の前記スイッチドリラクタンスモータから回生電力を得る電力回生動作を実施可能なＳＲモータ制御システムであって、
該ＳＲモータ制御システムは、
前記複数の励磁コイルに対する通電を切り替える複数個のパワー素子を有するパワー回路部と、
前記パワー回路部と電源との間の電源ライン上に配置され、該電源ラインの電気的接続を制御するスイッチング素子を備えたスイッチ部と、
前記スイッチ部と前記パワー回路部との間に、前記パワー回路部と並列に配置された第１コンデンサと、
前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御手段と、を有し、
前記スイッチ部は、前記電源ライン上に直列に接続された第１及び第２スイッチング素子と、該第１及び第２スイッチング素子とそれぞれ並列に配置された第１及び第２ダイオードとを備え、前記第１及び第２ダイオードは、導通方向が互いに逆方向となるように配置され、
前記第１及び第２スイッチング素子の間には、一端側が前記電源ラインの前記第１及び第２スイッチング素子の間に接続され、他端側がグランド側に接続された第２コンデンサが配置されてなることを特徴とするＳＲモータ制御システム。
複数の励磁コイルを備えるステータと、該ステータの内側に配置され複数の突極を備えるロータと、を有してなるスイッチドリラクタンスモータと、
前記複数の励磁コイルに対する通電を切り替える複数個のパワー素子を有するパワー回路部と、
前記パワー回路部と電源との間の電源ライン上に配置され、該電源ラインの電気的接続を制御するスイッチング素子を備えたスイッチ部と、
前記スイッチ部と前記パワー回路部との間に、前記パワー回路部と並列に配置されたコンデンサと、
前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御手段と、を有し、
駆動中の前記スイッチドリラクタンスモータから回生電力を得る電力回生動作を実施可能なＳＲモータ制御システムにおける前記スイッチドリラクタンスモータの制御方法であって、
前記電力回生動作は、前記励磁コイルに通電し磁束を発生させる供給モードと、前記磁束の変化により前記励磁コイルに回生電流を発生させる回生モードと、を有し、
前記スイッチング素子をオフにした状態で前記電力回生動作を実施することにより、前記励磁コイルに対し前記コンデンサの電荷を供給して前記供給モードを行う一方で、前記回生電流にて前記コンデンサを充電する還流昇圧を行い、該還流昇圧を複数回実施した後、前記スイッチング素子をオンさせ前記コンデンサに蓄電された電荷を前記電源側に還送することを特徴とするＳＲモータ制御方法。
複数の励磁コイルを備えるステータと、該ステータの内側に配置され複数の突極を備えるロータと、を有してなるスイッチドリラクタンスモータと、
前記複数の励磁コイルに対する通電を切り替える複数個のパワー素子を有するパワー回路部と、
前記パワー回路部と電源との間の電源ライン上に配置され、該電源ラインの電気的接続を制御するスイッチング素子を備えたスイッチ部と、
前記スイッチ部と前記パワー回路部との間に、前記パワー回路部と並列に配置されたコンデンサと、
前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御手段と、を有し、
駆動中の前記スイッチドリラクタンスモータから回生電力を得る電力回生動作を実施可能なＳＲモータ制御システムにおける前記スイッチドリラクタンスモータの制御方法であって、
前記スイッチ部は、前記電源ライン上に直列に接続された第１及び第２スイッチング素子と、該第１及び第２スイッチング素子とそれぞれ並列に配置された第１及び第２ダイオードとを備え、前記第１及び第２ダイオードは、導通方向が互いに対向するように配置され、
前記第１及び第２スイッチング素子の間には、一端側が前記電源ラインの前記第１及び第２スイッチング素子の間に接続され、他端側がグランド側に接続された第２コンデンサが配置され、
前記電力回生動作は、前記励磁コイルに通電し磁束を発生させる供給モードと、前記磁束の変化により前記励磁コイルに回生電流を発生させる回生モードと、を有し、
前記回生モードの際、回生電流の電圧値が所定の閾値を超えないように、前記第２スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦを制御することを特徴とするＳＲモータ制御方法。