(57)【要約】【課題】コイルの駆動部は従来から良く知られた簡単な構成としながらも、コイルに流れる電流の立ち上がりおよび立ち下がり特性を改善する。【解決手段】コイル駆動部４０と直流電源１の間に蓄電部３０、昇圧機能部１０、整流機能部２０を配置し、コイル３を励磁する直前に昇圧機能部で昇圧電圧を発生し、その昇圧電圧を蓄電部３０に蓄え、コイル３を励磁時に蓄電部３０に蓄えられた昇圧電圧でコイル３を励磁することにより、コイル３に立ち上がりの早い電流を供給し、コイル３の消磁に入る前にも蓄電部３０に昇圧電圧を蓄え、消磁時に蓄電部３０の電圧がより早く高い電圧に達することにより、消磁電流を急速に減少せしめ、消磁電流の立下りを早めることにより、効率よくＳＲモータを駆動できる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源とＳＲモータのステータ突極に巻かれた１相当たり１つまたは複数個のコイルを駆動するコイル駆動部とを備えたＳＲモータの駆動回路において、
前記直流電源と前記コイル駆動部の間に、
前記ＳＲモータの回転子角度に応じて前記直流電源の電圧の昇圧を行う昇圧機能部と、
前記回転子角度に応じて通電期間と通電方向を設定する整流機能部と、
前記回転子角度に応じて前記昇圧機能部により昇圧された昇圧電圧を一時保持することができる蓄電部と
、を備えたことを特徴とするＳＲモータの駆動回路。
【請求項２】
直流電源とＳＲモータのステータ突極に巻かれた１相当たり１つまたは複数個のコイルを駆動するコイル駆動部とを備えたＳＲモータの駆動回路において、前記直流電源と前記コイル駆動部の間に、前記ＳＲモータの回転子角度に応じて前記直流電源の電圧の昇圧を行う昇圧機能部と、前記回転子角度に応じて前記昇圧機能部により昇圧された昇圧電圧を一時保持することができる蓄電部と、前記蓄電部の端子間電圧に応じて通電開始時期と通電方向を設定する整流機能部と、を備えたことを特徴とするＳＲモータの駆動回路。
【請求項３】
前記昇圧機能部は第１のスイッチと第１のコイルと第１の整流器からなり、前記整流機能部は第２のスイッチと第２の整流器からなり、前記直流電源の一端と前記第１のコイルの一端と前記第２の整流器の一端と前記第２のスイッチの一端とが接続され、前記第１のコイルの他端と前記第１のスイッチの一端と前記第１の整流器の一端が接続され、前記第２のスイッチの他端と前記第２の整流器の他端と前記第１の整流器の他端と前記蓄電部の一端と前記コイル駆動部の一端が接続され、前記直流電源の他端と前記第１のスイッチの他端と前記蓄電部の他端と前記コイル駆動部の他端が接続されることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載のＳＲモータの駆動回路。
【請求項４】
前記第１のスイッチは前記回転子角度によりオン、オフ動作することを特徴とする請求項３に記載のＳＲモータの駆動回路。
【請求項５】
前記昇圧機能部は、前記コイル駆動部が前記コイルの励磁を開始する前に前記蓄電部に前記昇圧電圧を充電することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＳＲモータの駆動回路。
【請求項６】
前記昇圧機能部は前記コイル駆動部が前記コイルの消磁を開始する前に動作を行い、前記コイル駆動部がフライホイールモード期間中に前記蓄電部に前記昇圧電圧を蓄えることを特徴とする請求項１〜３、５のいずれかに記載のＳＲモータの駆動回路。
【請求項７】
前記第１のスイッチをオンする期間は前回の前記コイルを励磁した時に流れた平均電流値により決定することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のＳＲモータの駆動回路。
【請求項８】
前記整流機能部は前記蓄電部の端子間電圧が所定値を超えた時に通電を開始することを特徴とする請求項２記載のＳＲモータの駆動回路。
【請求項９】
前記整流機能部は前記コイルに流れる電流が零になった時に通電を停止することを特徴とする請求項２または８に記載のＳＲモータの駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスイッチト・リラクタンス・モータ（ＳＲモータ）の駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献】特開２０００−３１２４９４号公報。
【０００３】
上記特許文献に示されたＳＲモータの駆動回路は、ＳＲモータを駆動するために２種類の電圧を切替えてＳＲモータに給電することにより矩形波に近い電流をＳＲモータのコイルに供給できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来例において、２種類の直流電源からコイルに電流を供給しなければならないため駆動回路が複雑化していた。
【０００５】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、簡単な構成で効率よくＳＲモータを駆動できるＳＲモータの駆動回路を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、コイル駆動部と直流電源の間に高い電圧を保持できる蓄電部を配し、回転子角度に応じ、昇圧機能部より蓄電部に高い電圧を充電する。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、コイル駆動部は従来から良く知られた簡単な構成とし、コイルに加えるＤＣリンク電圧を回転子角度に応じて変化させることで、コイルに流れる電流の立ち上がり特性を改善し効率よくＳＲモータを駆動できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する図面で同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【０００９】
図１は本発明の第１の実施の形態を示すＳＲモータの駆動回路（１相分）の概略図であり、直流電源１（バッテリ）とＳＲモータのステータ突極に巻かれたコイル３と、このコイル３を駆動する従来からの回路構成であるコイル駆動部４０（第３のスイッチ４２、第４のスイッチ４３、第３の整流ダイオード４１、第４の整流ダイオード４４で構成されている）に加え、直流電源１とコイル駆動部４０の間にＳＲモータのロータの回転角度（以後回転子角度と称す、一般にθで表す）に応じて直流電源１の電圧の昇圧を行う昇圧機能部１０（第１のコイル１１、第１の整流ダイオード１２、第１のスイッチ１３で構成されている）、回転子角度に応じて通電期間と通電方向を設定するか、あるいは蓄電部３０の端子間電圧に応じて通電開始時期と通電方向を設定する整流機能部２０（第２のスイッチ２１、第２の整流ダイオード２２で構成されている）および昇圧機能部により昇圧された昇圧電圧を一時保持することができる蓄電部３０（高電圧保持用コンデンサ３１で構成されている）を備えた回路構成としている。
【００１０】
次に昇圧機能部１０と整流機能部２０の回路構成について説明する。直流電源１と並列接続されている入力コンデンサ２の一端は直流電源１のプラス端に接続され、かつ第１のコイル１１の一端、第２の整流ダイオード２２のアノード端および第２のスイッチ２１のエミッタ端に接続される。第１のコイル１１の他端、第１のスイッチ１３のコレクタ端および第１の整流ダイオード１２のアノード端が接続される。第１の整流ダイオード１２のカソード端、第２の整流ダイオード２２のカソード端、第２のスイッチ２１のコレクタ端および高電圧保持用コンデンサ３１の一端がコイル駆動部４０の一端に接続されている。入力コンデンサ２の他端、第１のスイッチ１３のエミッタ端、高電圧保持用コンデンサ３１の他端およびコイル駆動部４０の他端は直流電源１のマイナス端に接続されている。
【００１１】
次に各スイッチの動作について説明する。図２はＳＲモータの回転子角度に対する１つのステータ突極に巻回されたコイル３のインダクタンスの変化を示したグラフである。ａにおいてコイル３の励磁を開始し、ｂにおいて励磁を停止すると仮定する。なおここではＳＲモータは比較的低速回転で動作させるものとしてヒステリシスコンパレータ制御方式を用いてコイル３を励磁することを前提とする。
【００１２】
トランジスタで構成されている第３のスイッチ４２、第４のスイッチ４３は回転子角度がａからｂの間にあるときにコイル３の電流が第１の所定値以下、第２の所定値以上の値に保たれるように下記のように制御される。すなわちＳＲモータの回転子角度がａに到達したことにより第３のスイッチ４２、第４のスイッチ４３をオンした後、コイル３の電流が上昇する。コイル３の電流が第１の所定値に達すると第３のスイッチ４２はオフに切替え、コイル３の電流は第４のスイッチ４３と第３の整流ダイオード４１のループを巡ってフライホイールする。これによりコイル３の電流は第２の所定値に向かい比較的ゆっくりと下降する。次に電流が第２の所定値に達した時、再び第３のスイッチ４２がオンに切替えられると直流電源１から供給される電流は比較的緩やかに上昇し、第１の所定値に達する。以上のサイクルを繰り返した後に、回転子角度がｂに到達するとコイル３の励磁を停止する。以上のスイッチ動作により図３のような電流がコイル３に流れる。
【００１３】
次に本発明による各スイッチの動作について、各スイッチの動作を示した図５のタイムチャート、図５のタイムチャートに沿ったスイッチ動作により高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃを示した図６およびコイル３に流れる電流の波形を示した図７を用いて説明する。
【００１４】
第１のスイッチ１３は回転子角度により制御し、回転子角度がａに到達する前の所定の回転子角度でオンし、一定期間オン（ｔｏｎ）の後、回転子角度がａに到達した時点でオフする。第１のスイッチ１３がオンしている間に第１のコイル１１に蓄えられたエネルギーが、第１のスイッチ１３がオフした後にすべて高電圧保持用コンデンサ３１に蓄えられるとすると、高電圧保持用コンデンサ３１に充電される端子間電圧Ｖｃは、式（１）のように表される。なお、第１のコイル１１のインダクタンスをＬ１１、高電圧保持用コンデンサ３１の静電容量をＣ３１とする。また、第３のスイッチ４２、第４のスイッチ４３はオフしているものとする。
【００１５】
【数１】
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電流Ｉ１１は第１のスイッチ１３がオフする直前に第１のコイル１１に流れていた電流値で、本第１の実施の形態の場合は第１のスイッチ１３のオン時間ｔｏｎに比例する。したがって回転子角度に応じて第１のスイッチ１３をオン、オフすることにより決まるオン時間ｔｏｎにより高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃを制御することができる。このようにコイル駆動部４０の入力端子間には直流電源１と等しいかそれよりも高い電圧を印加できる。
【００１６】
ここでオン時間ｔｏｎは（高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃが各素子の耐圧を超えない範囲で）１対のステータ・ロータ突極同士が対面する際の励磁動作において、コイルに流れる平均電流を電流指令値に近づけるように制御する。例えば、ある高電圧保持用コンデンサ３１のＶｃ´によって励磁が開始されたときにその励磁期間の平均電流が電流指令値よりも不足していれば、次の励磁開始に高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃ´よりも高い電圧が高電圧保持用コンデンサ３１に充電されるように第１のスイッチ１３のオン期間を前回よりも長く設定する。このように第１のスイッチ１３をオンする期間は前回のコイル３を励磁した時に流れた平均電流値により決定するので、電流が不足であれば（各スイッチの耐圧に至らない範囲で）段階的に昇圧電圧の値を上げることができ、ＳＲモータの駆動に最適な電圧条件を設定しやすくなる。この制御の流れを図４に示す。なお電流の不足を検出した相と第１のスイッチ１３のオン時間を修正する相は一致している必要はない。
【００１７】
回転子角度がａからｂの間はフライホイールモード期間となり、図７に示すコイル３の電流波形のごとく、コイル３の電流は第１の所定値と第２の所定値の間を行き来するように第３のスイッチ４２のオン、オフで制御する。このコイル３の電流が第２の所定値から第１の所定値に向かう場合の電流は直流電源１から供給される。
【００１８】
次に第１のスイッチ１３は回転子角度がｂに到達する前のフライホイールモード期間中の所定の回転子角度でオンし、一定期間オンした後、第３のスイッチ４２がオフしてフライホイール動作中にオフする。これによりコイル３の消磁の直前にも昇圧電圧を高電圧保持用コンデンサ３１に充電することが出来る。この状態でコイル３の励磁を停止するように、すでに第３のスイッチ４２はオフしているので、第４のスイッチ４３をオフすると、第３の整流ダイオード４１、コイル３、第４のスイッチ４３を巡回していた電流が第３の整流ダイオード４１、コイル３、第４の整流ダイオード４４に流れ、急速に高電圧保持用コンデンサ３１が充電され、高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃがさらに上昇し始める。
【００１９】
次に第２のスイッチ２１の動作を説明する。第２のスイッチ２１は回転子角度がｂ以降の所定の角度でオンし、または高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃが第３の所定値を超えた時にオンし、コイル３から直流電源１に向けて電流を流す。また第２のスイッチ２１のオフの制御は回転子角度で電流の減少を予測し、所定の回転子角度でオフするか、コイル３の電流が零になった時点でオフする。なお、本第１の実施の形態では図５に示すように第２のスイッチ２１が第３の所定値でオンし、コイル３の電流が零になった時点でオフする場合を示している。
【００２０】
次に本第１の実施の形態の効果を説明する。図５に示すようにコイル３を励磁する前に第１のスイッチ１３がオンからオフになれば、第１のコイル１１に蓄えられていたエネルギーにより高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃが図６に示すように高い電圧に上昇し、次に第３のスイッチ４２、第４のスイッチ４３をオンしコイル３を励磁すれば高電圧保持用コンデンサ３１に蓄えられた昇圧電圧でコイル３を励磁でき、励磁開始時にコイルに流れる電流の立ち上がりを早めることができトルクを向上させる。また、図５に示すようにコイル３の励磁停止前のフライホイールモード期間に第１のスイッチ１３をオン、オフさせ高電圧保持用コンデンサ３１に昇圧電圧を充電しておけば、図６に示すようにコイル３の励磁停止後の消磁時にコイル３に蓄えられていたエネルギーにより高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃがさらに急速に増加し、高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃが急速に第３の所定値を超え第２のスイッチ２１がオンし、コイル３から直流電源１に電流を流すので、この消磁開始時にコイル３に流れる電流を素早く減少させることができるとともに、高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃが各素子の耐圧を超える過電圧となることを防止できる。このようにＳＲモータが力行動作をしている高い電圧が不必要なときは直流電源１から第２の整流ダイオード２２を通してコイル３に向けて電流を流すため、不必要な電力の損失を抑えることができる。また、コイル３の消磁時には直流電源１に電流を戻すことができる。なお、第２のスイッチ２１をオフさせるタイミングはコイル３に流れる電流が零になったときであり、コイル３の消磁が終了した時点でコイル駆動部から直流電源１への整流機能部の通電動作を終了することができる。
【００２１】
また、コイル３の励磁停止をする際、第３の整流ダイオード４１からコイル３、第４の整流ダイオード４４の経路に流れる電流により高電圧保持用コンデンサ３１が急速に充電されることによりコイル３に流れる電流の下降が十分に早ければ、コイル３の励磁を停止する回転子角度ｂ直後ではコイル駆動部４０から直流電源１に通電しないように回転子角度を判断し、第２のスイッチ２１をオフにしておく制御をすれば、コイル３の消磁電流を高電圧保持用コンデンサ３１にのみ急速に吸収しコイル３の消磁電流の下降を早めることができるので第１のスイッチ１３による消磁用の昇圧電圧の発生動作は省略することができる。
【００２２】
図７は本発明によりコイル３の励磁時、消磁時の電流の上昇、下降を早めた場合にフライホイールモード期間が長くなった状態のコイル３に流れる電流波形の改善例を示す。
【００２３】
以上本発明によれば昇圧機能部１０はコイル駆動部４０がコイル３の励磁を開始する前に動作するので、励磁開始時に昇圧電圧をコイル３に印加し、電流の立ち上がりを早めることができる。さらに昇圧機能部１０はコイル３の消磁を開始する直前にも動作するので、消磁開始時に昇圧電圧をコイル３に印加し、電流の下降を早めることができるのでこれらの結果、ＳＲモータの出力トルクが向上する。さらに、消磁の時は高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃが第３の所定値を超えた時にコイル３から直流電源１に電流を流すので、高電圧保持用コンデンサＣ３１の端子間電圧Ｖｃが各素子の耐圧を超えることを防止できる。
【００２４】
なおＳＲモータを高速回転させる場合は、上記のようなヒステリシスコンパレータ制御やＰＷＭ制御でなく１つのコイルの励磁に１回のみ第３のスイッチ４２、第４のスイッチ４３をオンする制御方法がとられるが、この場合も上記低速回転と同様に第１のスイッチ１３、第２のスイッチ２１を動作させる。
【００２５】
この第１の実施の形態は動作の一例を示したもので、以上で説明した動作条件にのみ限定されるものではない。またこの第１の実施の形態での説明は１相分の説明であるが複数相にも同様に適応できる。
【００２６】
次に本発明の第２の実施の形態を図８の回路図に示す。図８と図１の違いは図１では第２のスイッチ２１が第２の整流ダイオード２２に並列に接続されていたが、図８では第２のスイッチ２１が第１の整流ダイオード１２に並列に接続されている。それ以外は図１と同じである。
【００２７】
次に回路動作を説明する。コイル３の励磁開始から消磁直前までは各スイッチは第１の実施の形態と同様に動作させるがコイル３が消磁を開始し、第２のスイッチ２１がオンすると、高電圧保持用コンデンサ３１からの電流および第３の整流ダイオード４１からコイル３および第４の整流ダイオード４４を通る消磁電流は第１のコイル１１を介して直流電源１に流れるので、消磁電流が直流電源１に急激に流れることを抑制できる。
【００２８】
以上本第２の実施の形態によれば、１度励磁を行ったコイル３が消磁する際コイル３から直流電源１に通電を行う第２のスイッチ２１と直流電源１の間に第１のコイル１１を直列接続している。これにより、コイル３の励磁から消磁直前までは第１実施の形態と同様な効果が得られる上に消磁開始後の電流が直流電源１に急激に流れることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す回路図。
【図２】ＳＲモータのステータ突極に巻かれたコイルの回転子角度に対するインダクタンスの変化を示すグラフ。
【図３】一般的なＳＲモータの駆動回路においてヒステリシスコンパレータ制御を行った場合の回転子角度に対するコイル電流変化の一例を示したグラフ。
【図４】本発明の第１のスイッチ１３のオン時間制御の流れを示したフローチャート。
【図５】本発明のＳＲモータの駆動回路の各スイッチの動作手順を示したタイムチャート。
【図６】本発明の高電圧保持用コンデンサ３１の端子間電圧Ｖｃの回転子角度に対する電圧変化を示したグラフ。
【図７】本発明のコイル３に流れるコイル電流の回転子角度に対する変化を示したグラフ。
【図８】本発明の第２の実施の形態を示す回路図。
【符号の説明】
１  直流電源
３  コイル
１０  昇圧機能部
１１  第１のコイル
１２  第１の整流ダイオード
１３  第１のスイッチ
２０  整流機能部
２１  第２のスイッチ
２２  第２の整流ダイオード
３０  蓄電部
３１  高電圧保持用コンデンサ
４０  コイル駆動部
４１  第３の整流ダイオード
４２  第３のスイッチ
４３  第４のスイッチ
４４  第４の整流ダイオード
【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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