(57)【要約】      （修正有）【課題】レグ数及び配線数を少なくしたＳＲモータの制御回路において、単一パルスモードにより高速運転を行う際に電流オーバーラップ動作によりトルクリプルを低減可能とする。【解決手段】各相レグを互いに並列に接続し、かつ、これらの並列回路に中性点レグ及び直流電源を並列に接続し、各相レグの２個の半導体スイッチング素子の直列接続点と中性点との間に、ＳＲモータの各相の巻線をそれぞれ接続した制御回路において、中性点レグの片側アームのスイッチング素子Ｔｎを常にＯＮさせた状態で、Ａ相レグの対向アームのスイッチング素子Ｔｕをスイッチング動作させてＡ相巻線に通流する動作を、他相のレグについても順次実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイオードが逆並列に接続された半導体スイッチング素子を２個直列に接続してなる一相分のレグをｎ（ｎは３以上の整数）相分、互いに並列に接続し、かつ、これらのｎ相分のレグの並列回路に、前記一相分のレグと同一構成の中性点レグを並列に接続すると共に、前記中性点レグに並列に直流電源を接続し、前記中性点レグを構成する２個の半導体スイッチング素子の直列接続点である中性点と、前記ｎ相分のレグを構成する２個の半導体スイッチング素子の直列接続点との間に、スイッチトリラクタンスモータの各相の巻線をそれぞれ接続して構成された、スイッチトリラクタンスモータの制御回路において、
前記中性点レグの片側アームの半導体スイッチング素子を常にＯＮさせた状態で、前記ｎ相分のレグのうち一相分のレグの前記片側アームとは反対側に位置する対向アームの半導体スイッチング素子をスイッチング動作させて当該相の巻線に通流する動作を、前記ｎ相分のレグに対して順次実行し、前記スイッチトリラクタンスモータのトルクを連続的に制御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回路。
【請求項２】
請求項１に記載したスイッチトリラクタンスモータの制御回路において、
前記ｎ相分のレグの半導体スイッチング素子を、一周期内に単一のパルス状電圧を印加する単一パルスモードにより制御し、かつ、各相の前記巻線に流れる電流が一部の期間でオーバーラップするように制御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回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチトリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータともいう）の制御回路に関し、詳しくは、部品点数の削減及びトルクリプルの低減を図りつつＳＲモータの高速回転を実現するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、ＳＲモータの制御回路の従来技術を示している。図３において、１は直流電源（電圧値をＥｄとする）、Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ，Ｔｘ，Ｔｙ，ＴｚはＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子、Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚはダイオード、２０はＳＲモータである。
ここで、ＳＲモータ２０の相数は三相であり、制御回路は、一相当たりそれぞれ２つのレグからなるＡ相レグ１０Ａ，Ｂ相レグ１０Ｂ、Ｃ相レグ１０Ｃにより合計６レグによって構成されている。
【０００３】
図４は、ＳＲモータ２０の模式的な断面図であり、以下では、この図４を参照しつつＳＲモータ２０のトルク発生原理を説明する。図４において、２１は固定子、２１ａはその突極、２２は回転子、２２ａはその突極、２３は回転軸を示す。
いま、固定子２１の突極２１ａと回転子２２の突極２２ａとが一致する場合を「対向位置」、固定子２１の２つの突極２１ａの間に回転子２２の突極２２ａが位置する場合を「非対向位置」と定義する。
【０００４】
図５は、モータ２０の回転子位置θに対するインダクタンスＬ（θ）と駆動トルクを発生する電流（固定子巻線電流）ｉとの関係を、ＳＲモータ２０の一相分について示した図である。図示するように、ＳＲモータ２０のインダクタンスＬ（θ）は、非対向位置において最小となるため磁束が最も流れにくく、対向位置において最大となるため磁束が最も流れやすい。
【０００５】
ここで、説明を簡略化するために、インダクタンスＬ（θ）が回転子位置θに対して線形に変化するものとすると、ＳＲモータ２０のトルクＴは、電流ｉ、インダクタンスＬ（θ）及び回転子位置θを用いて、数式１によって表される。
【数１】
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すなわち、∂Ｌ（θ）／∂θが正の区間に通電すれば駆動トルクが得られ、また、∂Ｌ（θ）／∂θが負の区間に通電すれば制動トルクが得られる。
よって、図６に示すように、ＳＲモータ２０のＡ，Ｂ，Ｃ相について、∂Ｌ（θ）／∂θが正である区間に制御回路から電流ｉＡ，ｉＢ，ｉＣをそれぞれ通流すれば、ほぼ一定のトルクを得ることができる。
【０００６】
しかしながら、制御回路によって図５や図６に示すような矩形波電流を生成することは困難であるため、実際には、図７に示すごとく、理想電流を矩形波として実電流が目標値に近付くようにＳＲモータ２０への印加電圧をチョッピング制御している。
この印加電圧には、以下の三つの電圧モードが存在し、電流のパターンに応じて図３の半導体スイッチング素子のオンオフを切り替えている。以下、図３のＡ相レグ１０Ａを例に挙げて各電圧モードを説明する。
【０００７】
１）正電圧モード：Ａ相巻線には＋Ｅｄｃの電圧が印加される。この時のＡ相レグ１０Ａにおける各素子のオンオフ状態を、表１に示す。
【表１】
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【０００８】
２）零電圧モード：Ａ相巻線の電圧は０[Ｖ]となる。この時のＡ相レグ１０Ａにおける各素子のオンオフ状態を、表２に示す。
【表２】
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【０００９】
３）負電圧モード：Ａ相巻線には−Ｅｄｃの電圧が印加される。この時のＡ相レグ１０Ａにおける各素子のオンオフ状態を、表３に示す。
【表３】
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【００１０】
なお、電流立ち上げ時には正電圧モードが、電流を一定に制御するときは正電圧モード及び零電圧モードが、電流立ち下げ時には負電圧モードが、それぞれ用いられる。
【００１１】
図８は、実際のＡ相電流ｉＡ及びＢ相電流ｉＢの波形図である。
図８に示すように、Ａ相電流ｉＡが立ち下がった後にＢ相電流ｉＢを立ち上げると、ｉＡの立ち下り時にトルクが減少し、ｉＢの立ち上がり時にトルクが増加する。すなわち、通流相の切り替わり区間Ｔ１において、トルクリプルが発生することになる。
この問題を解決する方法として、図９に示すように、Ａ相電流ｉＡが立ち下がるタイミングよりも所定の時間ΔＴだけ余裕を持ってＢ相電流ｉＢを立ち上げ、上記のトルクリプルを低減する技術がある。この技術は、二つの相の電流がオーバーラップしていることから、電流オーバーラップと呼ばれている。
【００１２】
ところで、回路構成の簡略化を目的としたＳＲモータ２０の制御回路として、特許文献１に記載された従来技術が知られている。
図１０は、特許文献１に記載された制御回路を示している。この制御回路では、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子Ｔｕ，Ｔｘ，Ｔｖ，Ｔｙ，Ｔｗ，Ｔｚを２個ずつ用いてＡ相レグ１０Ａ’、Ｂ相レグ１０Ｂ’、Ｃ相レグ１０Ｃ’を構成すると共に、これらのレグ１０Ａ’，１０Ｂ’，１０Ｃ’の並列回路に、同じくダイオードが逆並列に接続された半導体スイッチング素子Ｔｍ，Ｔｎからなる中性点レグ１０Ｄを並列に接続して構成されている。ここで、ダイオードＤｕ，Ｄｘ，Ｄｖ，Ｄｙ，Ｄｗ，Ｄｚ，Ｄｍ，Ｄｎとしては、各スイッチング素子にそれぞれ内蔵されたものが用いられる。
ＣＡ，ＣＢ，ＣＣはＳＲモータ２０の固定子のＡ相，Ｂ相，Ｃ相巻線であり、Ｍは、各相巻線ＣＡ，ＣＢ，ＣＣの一端が共通に接続された中性点である。
【００１３】
この従来技術によれば、図３の回路に比べて素子の数が１２個から８個になり、また、レグの数も６個（図３では、各相レグがそれぞれ２個のレグにより構成されるため、合計６個）から４個に減少する。
更に、各相巻線ＣＡ，ＣＢ，ＣＣの一端をスター結線してその中性点Ｍをスイッチング素子Ｔｍ，Ｔｎの直列接続点に接続し、各相巻線ＣＡ，ＣＢ，ＣＣの他端を、Ａ相レグ１０Ａ’のスイッチング素子Ｔｕ，Ｔｘの直列接続点、Ｂ相レグ１０Ｂ’の同Ｔｖ，Ｔｙの直列接続点、Ｃ相レグ１０Ｃ’の同Ｔｗ，Ｔｚの直列接続点にそれぞれ接続することにより、制御回路と各相巻線ＣＡ，ＣＢ，ＣＣとの間の配線数も図３の６本から４本に減少する。
これらの理由により、特許文献１では、図３の回路よりも構成を簡略化することができる。
【００１４】
なお、図１０における各素子のオンオフ状態は、以下の表４〜表７に示す通りとなる。ただし、これらのオンオフ状態は、制御回路によるＡ相巻線ＣＡへの通流からＢ相巻線ＣＢへの通流までの区間に関するものである。
【００１５】
１）Ａ相巻線正電圧モード
【表４】
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【００１６】
２）Ａ相巻線零電圧モード
【表５】
2015070699.tif 000008
【００１７】
３）Ａ相巻線負電圧モード、Ｂ相巻線正電圧モード
このモードでは、Ａ相電流ｉＡとＢ相電流ｉＢとの大小関係により、第４レグ１０Ｄのスイッチング素子Ｔｎ及びダイオードＤｎのＯＮ，ＯＦＦが決まる。
【表６】
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【００１８】
４）Ａ相巻線負電圧モード、Ｂ相巻線零電圧モード
このモードでは、Ａ相電流ｉＡとＢ相電流ｉＢとの大小関係により、第４レグ１０ＤのダイオードＤｍ，ＤｎのＯＮ，ＯＦＦが決まる。
【表７】
2015070699.tif 000010
【００１９】
更に、他の従来技術として、特許文献２に記載された図１１の制御回路が知られている。
図１１において、図１０と同一の機能を有するものには同一の参照符号を付してある。また、１１，１２は、Ａ相レグ１０Ａ’とＢ相レグ１０Ｂ’との間、及び、Ｂ相レグ１０Ｂ’とＣ相レグ１０Ｃ’との間に接続された均圧線を示している。
この従来技術では、隣接する二相間を均圧線にて接続すると共に半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号を工夫することにより、制御回路（インバータ）とＳＲモータとの間の配線数を、特許文献１と同様に４本に減少させている。
【００２０】
また、ＳＲモータの励磁方法として、特許文献３が公知になっている。
この特許文献３には、前述したように電流オーバーラップによってＳＲモータのトルクリプルを低減させることが記載されている。更に、ＳＲモータを高速運転する場合には、各相の巻線にパルス状の電圧を印加し、その電圧の一周期内で、相電流が０［Ａ］から所定のピーク値まで増加してその後に０［Ａ］に減少するような単一パルスモードで駆動することが望ましい旨、記載されている。なお、この特許文献３において、例えば配線数を減少させて回路構成を簡略化させる技術については、特に言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００７−２８８６６号公報（段落[００１９]〜[００１３]、図１等）
【特許文献２】特開２０００−２９５８９１号公報（段落[００４２]〜[００４６]、図１等）
【特許文献３】特許第４１４１７４３号公報（段落[０００５]，[０００６]，［００１０］，［００３９］、図３，図９等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
前述した特許文献１，２によれば、回路構成の簡略化が可能である。しかし、これらの従来技術のように構成を簡略化した制御回路を用いて、特許文献３に記載されているような単一パルスモードにてＳＲモータを運転するための制御方法については、何れの従来技術にも開示されていない。
そこで、本発明の解決課題は、レグ数及び配線数を少なくしたＳＲモータの制御回路において、単一パルスモードにより高速運転を行う際に電流オーバーラップ動作によりトルクリプルを低減可能とした制御回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、ダイオードが逆並列に接続された半導体スイッチング素子を２個直列に接続してなる一相分のレグをｎ（ｎは３以上の整数）相分、互いに並列に接続し、かつ、これらのｎ相分のレグの並列回路に、前記一相分のレグと同一構成の中性点レグを並列に接続すると共に、前記中性点レグに並列に直流電源を接続し、前記中性点レグを構成する２個の半導体スイッチング素子の直列接続点である中性点と、前記ｎ相分のレグを構成する２個の半導体スイッチング素子の直列接続点との間に、スイッチトリラクタンスモータの各相の巻線をそれぞれ接続して構成された、スイッチトリラクタンスモータの制御回路において、
前記中性点レグの片側アームの半導体スイッチング素子を常にＯＮさせた状態で、前記ｎ相分のレグのうち一相分のレグの前記片側アームとは反対側に位置する対向アームの半導体スイッチング素子をスイッチング動作させて当該相の巻線に通流する動作を、前記ｎ相分のレグに対して順次実行し、前記スイッチトリラクタンスモータのトルクを連続的に制御するものである。
【００２４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載したスイッチトリラクタンスモータの制御回路において、前記ｎ相分のレグの半導体スイッチング素子を、一周期内に単一のパルス状電圧を印加する単一パルスモードにより制御し、かつ、各相の前記巻線に流れる電流が一部の期間でオーバーラップするように制御するものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、レグ数及び配線数を少なくしたＳＲモータの制御回路において、単一パルスモード運転及び電流オーバーラップ動作により、トルクリプルを低減して安定した高速運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図２】本発明の実施形態における各相の電流及び電圧の波形図である。
【図３】ＳＲモータの制御回路の従来技術を示す回路図である。
【図４】ＳＲモータの模式的な断面図である。
【図５】ＳＲモータの回転子位置に対するインダクタンス及び電流の関係を一相分について示した図である。
【図６】ＳＲモータの各相電流の波形図である。
【図７】ＳＲモータの電流及び印加電圧の波形図である。
【図８】ＳＲモータの実際のＡ相電流及びＢ相電流の波形図である。
【図９】電流オーバーラップ時のＳＲモータのＡ相電流及びＢ相電流の波形図である。
【図１０】特許文献１に記載された従来技術を示す回路図である。
【図１１】特許文献２に記載された従来技術を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、この実施形態に係る制御回路の構成は、前述した図１０と同一である。すなわち、図１０に示すように、直流電源１（電圧値をＥｄとする）の両端には、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子Ｔｕ，Ｔｘが直列に接続されたＡ相レグ１０Ａ’と、半導体スイッチング素子Ｔｖ，Ｔｙが直列に接続されたＢ相レグ１０Ｂ’と、半導体スイッチング素子Ｔｗ，Ｔｚが直列に接続されたＣ相レグ１０Ｃ’とが互いに並列に接続されている。そして、これらＡ相レグ１０Ａ’、Ｂ相レグ１０Ｂ’、Ｃ相レグ１０Ｃ’の並列回路に、半導体スイッチング素子Ｔｍ，Ｔｎが直列に接続された中性点レグ１０Ｄが並列に接続されている。なお、Ｄｕ，Ｄｘ，Ｄｖ，Ｄｙ，Ｄｗ，Ｄｚ，Ｄｍ，Ｄｎは各スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード、ＣＡ，ＣＢ，ＣＣはＳＲモータの固定子のＡ相，Ｂ相，Ｃ相巻線であり、Ｍは中性点である。
【００２８】
ここで、半導体スイッチング素子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｍ，Ｔｎとしては、ＩＧＢＴ以外にＭＯＳＦＥＴを用いても良い。また、ダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚ，Ｄｍ，Ｄｎには、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の内蔵ダイオードを用いることが望ましい。
【００２９】
次に、この制御回路の動作を、図１のフローチャート及び図２の波形図を参照しつつ説明する。
図１に示すように、図１０に示した中性点レグ１０Ｄの下アームのスイッチング素子Ｔｎを常にＯＮさせておく（図１のステップＳ１）。まず、Ａ相巻線ＣＡへの通流時には、Ａ相レグ１０Ａ’の上アームのスイッチング素子ＴｕをＯＮする（ステップＳ２）。これにより、Ａ相巻線ＣＡは正電圧モードとなり、Ａ相電流ｉＡが直流電源１→スイッチング素子Ｔｕ→Ａ相巻線ＣＡ→中性点Ｍ→スイッチング素子Ｔｎ→直流電源１の経路で流れる。
【００３０】
Ａ相巻線ＣＡへの通流以前にＣ相巻線ＣＣに通流されていた場合には、スイッチング素子ＴｕをＯＮした後でＣ相レグ１０Ｃ’の上アームのスイッチング素子ＴｗをＯＦＦする（ステップＳ３）。なお、図２の波形図は、Ａ相巻線ＣＡへの通流以前にはＣ相巻線ＣＣに通流されていない例を示してある。
【００３１】
次いで、Ａ相電流ｉＡを遮断する前に、Ｂ相レグ１０Ｂ’の上アームのスイッチング素子ＴｖをＯＮする（ステップＳ４）。これにより、Ｂ相巻線ＣＢは正電圧モードとなり、Ｂ相電流ｉＢが直流電源１→スイッチング素子Ｔｖ→Ｂ相巻線ＣＢ→中性点Ｍ→スイッチング素子Ｔｎ→直流電源１の経路で流れ始める。
その後、Ａ相電流ｉＡを遮断する場合には、Ａ相レグ１０Ａ’の上アームのスイッチング素子ＴｕをＯＦＦする（ステップＳ５）。これにより、Ａ相巻線ＣＡは零電圧モードとなり、Ａ相電流ｉＡはＡ相巻線ＣＡ→中性点Ｍ→スイッチング素子Ｔｎ→ダイオードＤｘの経路で還流し、やがて零になる。
【００３２】
同様に、Ｂ相電流ｉＢを遮断する前に、Ｃ相レグ１０Ｃ’の上アームのスイッチング素子ＴｗをＯＮする（ステップＳ６）。これにより、Ｃ相巻線ＣＣは正電圧モードとなり、Ｃ相電流ｉＣが直流電源１→スイッチング素子Ｔｗ→Ｃ相巻線ＣＣ→中性点Ｍ→スイッチング素子Ｔｎ→直流電源１の経路で流れ始める。
その後、Ｂ相電流ｉＢを遮断する場合には、でＢ相レグ１０Ｂ’の上アームのスイッチング素子ＴｖをＯＦＦする（ステップＳ７）。これにより、Ｂ相巻線ＣＢは零電圧モードとなり、Ｂ相電流ｉＢはＢ相巻線ＣＢ→中性点Ｍ→スイッチング素子Ｔｎ→ダイオードＤｙの経路で還流し、やがて零になる。
【００３３】
以後は、上述したステップＳ２〜Ｓ７を繰り返すことにより、各相電流が順次流れて回転子を連続的に回転させることができる。なお、図２におけるθ１〜θ９は、各相のスイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦするタイミングに相当する角度、及び、各相電流が零になるタイミングに相当する角度である。
【００３４】
上記のように、この実施形態によれば、図１０に示すように、レグ数とＳＲモータの各相巻線との間の配線数を少なくして構成を簡略化した制御回路において、単一パルスモードにより高速運転を行う際に、図２に示すごとく、各相電流を一部の期間でオーバーラップさせる電流オーバーラップ動作を行わせてトルクリプルを低減することが可能になる。
【００３５】
なお、各相巻線に流れる電流の方向は逆になるが、中性点レグ１０Ｄの上アームのスイッチング素子Ｔｍを常にＯＮさせておき、Ａ相巻線ＣＡへの通流、遮断時にはＡ相レグ１０Ａ’の下アームのスイッチング素子ＴｘをＯＮ，ＯＦＦし、Ｂ相巻線ＣＢへの通流、遮断時にはＢ相レグ１０Ｂ’の下アームのスイッチング素子ＴｙをＯＮ，ＯＦＦし、Ｃ相巻線ＣＣへの通流、遮断時にはＣ相レグ１０Ｃ’の下アームのスイッチング素子ＴｚをＯＮ，ＯＦＦさせても良い。
【００３６】
更に、上記実施形態では、三相のＳＲモータを駆動するために、各相レグ１０Ａ’，１０Ｂ’，１０Ｃ’と中性点レグ１０Ｄとを直流電源１に並列に接続した例を説明したが、本発明は、一般にｎ（ｎは３以上の整数）相のＳＲモータを駆動するために同一構成の（ｎ＋１）相のレグを備え、そのうちの一相分を中性点レグとして使用する制御回路に適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１：直流電源
１０Ａ’：Ａ相レグ
１０Ｂ’：Ｂ相レグ
１０Ｃ’：Ｃ相レグ
１０Ｄ：中性点レグ
２０：スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）
２１：固定子
２１ａ：突極
２２：回転子
２２ａ：突極
２３：回転軸
Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｍ，Ｔｎ：半導体スイッチング素子
Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚ，Ｄｍ，Ｄｎ：ダイオード
ＣＡ：Ａ相巻線
ＣＢ：Ｂ相巻線
ＣＣ：Ｃ相巻線
Ｍ：中性点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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