特開 2023-124890 モータ装置、モータ制御方法、プログラムおよび記録媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023124890

(43)【公開日】2023-09-07

(54)【発明の名称】モータ装置、モータ制御方法、プログラムおよび記録媒体

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/24 20160101AFI20230831BHJP

【ＦＩ】

H02P21/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022028743

(22)【出願日】2022-02-26

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(71)【出願人】

【識別番号】521210667

【氏名又は名称】株式会社Ａ．Ｈ．ＭｏｔｏｒＬａｂ

(74)【代理人】

【識別番号】110001667

【氏名又は名称】弁理士法人プロウィン

(72)【発明者】

【氏名】新口 昇

(72)【発明者】

【氏名】平田 勝弘

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 寛典

(72)【発明者】

【氏名】大石 純子

(72)【発明者】

【氏名】竹村 望

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505BB02

5H505CC01

5H505DD03

5H505DD11

5H505EE41

5H505GG02

5H505GG04

5H505HA09

5H505HB01

5H505JJ03

5H505JJ04

5H505JJ22

5H505JJ24

5H505JJ26

5H505LL01

5H505LL41

(57)【要約】

【課題】６相巻線を備えたスイッチトリラクタンスモータにおいて、各相の相電流を正確に制御してトルクを向上させることが可能なモータ装置、モータ制御方法、プログラムおよび記録媒体を提供する。
【解決手段】６相巻線の各相に電力を供給するスイッチインバータ部（２０）と、スイッチインバータ部に含まれる各スイッチを制御する制御部（３０）とを備え、制御部（３０）はスイッチインバータ部（２０）から各相に供給される相電流を検知し、相電流から回転子（１１）の回転座標系におけるｄ軸成分と、ｑ軸成分と、直流成分を導出し、ｄ軸成分とｑ軸成分と直流成分に基づいて、６相巻線に供給する相電流をベクトル制御するモータ装置（１００）。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有し、前記複数のティース部には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相からなる６相巻線が巻回され、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであるモータ装置であって、
前記６相巻線の各相に電力を供給するスイッチインバータ部と、
前記スイッチインバータ部に含まれる各スイッチを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記スイッチインバータ部から前記各相に供給される前記相電流を検知し、
前記相電流から前記回転子の回転座標系におけるｄ軸成分と、ｑ軸成分と、直流成分を導出し、
前記ｄ軸成分と前記ｑ軸成分と前記直流成分に基づいて、前記６相巻線に供給する前記相電流をベクトル制御することを特徴とするモータ装置。

【請求項2】

請求項１に記載のモータ装置であって、
前記制御部は、前記直流成分を含めた６行６列の変換行列を用いて相座標系から前記回転座標系への変換を行い、前記直流成分を含めた６行６列の逆変換行列を用いて前記回転座標系から前記相座標系への逆変換を行うことを特徴とするモータ装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載のモータ装置であって、
前記固定子に対する前記回転子の角度を検出する角度センサを備え、
前記制御部は、前記角度センサの検出結果から前記回転子の角速度を算出し、前記角度および前記角速度に基づいて前記ｑ軸成分を導出することを特徴とするモータ装置。

【請求項4】

請求項１または２に記載のモータ装置であって、
前記制御部は、前記回転座標系における誘起電圧を算出し、前記誘起電圧に基づいて前記回転子の推定角速度および推定角度を算出し、前記推定角度および前記推定角速度に基づいて電圧指令値のδ軸成分およびγ軸成分を導出し、前記δ軸成分および前記γ軸成分をそれぞれ前記ｄ軸成分および前記ｑ軸成分として用いることを特徴とするモータ装置。

【請求項5】

回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有し、前記複数のティース部には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相からなる６相巻線が巻回され、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであるモータ装置の制御方法であって、
前記６相巻線の各相に供給される相電流を検知し、
前記相電流から、前記回転子の回転座標系におけるｄ軸成分と、ｑ軸成分と、直流成分を導出し、
前記ｄ軸成分と前記ｑ軸成分と前記直流成分に基づいて、前記６相巻線に供給する前記相電流をベクトル制御することを特徴とするモータ装置の制御方法。

【請求項6】

回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有し、前記複数のティース部には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相からなる６相巻線が巻回され、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであるモータ装置を制御するプログラムであって、
コンピュータに、
前記６相巻線の各相に供給される相電流を検知する手順と、
前記相電流から、前記回転子の回転座標系におけるｄ軸成分と、ｑ軸成分と、直流成分を導出する手順と、
前記ｄ軸成分と前記ｑ軸成分と前記直流成分に基づいて、前記６相巻線に供給する前記相電流をベクトル制御する手順を実行させることを特徴とするプログラム。

【請求項7】

回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有し、前記複数のティース部には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相からなる６相巻線が巻回され、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであるモータ装置を制御するプログラムを記録した記録媒体であって、
コンピュータに、
前記６相巻線の各相に供給される相電流を検知する手順と、
前記相電流から、前記回転子の回転座標系におけるｄ軸成分と、ｑ軸成分と、直流成分を導出する手順と、
前記ｄ軸成分と前記ｑ軸成分と前記直流成分に基づいて、前記６相巻線に供給する前記相電流をベクトル制御する手順を実行させることを特徴とするプログラムを記録するコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータ装置、モータ制御方法、プログラムおよび記録媒体に関し、特に、回転子に強磁性体を用いるスイッチトリラクタンスモータのモータ装置、モータ制御方法、プログラムおよび記録媒体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から様々な技術分野において、交流の周波数を変化させることで回転数を制御でき、安定した回転数を得られる三相モータが動力源として用いられている。また、回転子に強磁性体を用いるスイッチトリラクタンスモータも提案されている（例えば特許文献１を参照）。また、複数の相を備えた多相巻線を複数系統備えたモータ装置も提案されている。

【0003】

従来の三相巻線を２系統備えたモータ装置では、第１系統の三相巻線としてＡ相コイル、Ｅ相コイル、Ｃ相コイルを有し、第２系統の三相巻線としてＤ相コイル、Ｂ相コイル、Ｆ相コイルを有している。このような従来のモータ装置では、各相に対応したスイッチを用いて、各相の巻線に電流が流れるタイミングを交互に切替えることで、各相のコイルに適切に電流が流れて、スイッチトリラクタンスモータを回転させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－１０３９５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このような従来のモータ装置およびモータ制御方法では、各コイルに流れる相電流を検知してスイッチインバータ部の各スイッチをベクトル制御で切り替えている。また、ベクトル制御では、コイルの相座標系（ＡＢＣＤＥＦ）における電流成分と、回転子の回転座標系（ｄ軸ｑ軸）における電流成分とを変換行列および逆変換行列で変換して、回転子の突極に作用する磁界の変化を制御している。この際に用いられる変換行列と逆変換行列では、６相の各コイルに流れる相電流を回転座標系であるｄ軸成分とｑ軸成分に変換している。

【0006】

しかし従来のモータ制御装置およびモータ制御方法における変換では、Ａ，Ｃ，Ｅの３相におけるｄ軸成分とｑ軸成分、およびＢ，Ｄ，Ｆの３相におけるｄ軸成分とｑ軸成分を算出しているため、Ａ，Ｃ，Ｅの３相とＢ，Ｄ，Ｆの３相との間を流れる直流成分は制御対象とならず、６相全体での相電流を正確に制御することが困難であることを本願発明者は見出した。

【0007】

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、６相巻線を備えたスイッチトリラクタンスモータにおいて、各相の相電流を正確に制御してトルクを向上させることが可能なモータ装置、モータ制御方法、プログラムおよび記録媒体を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明のモータ装置は、回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有し、前記複数のティース部には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相からなる６相巻線が巻回され、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであるモータ装置であって、前記６相巻線の各相に電力を供給するスイッチインバータ部と、前記スイッチインバータ部に含まれる各スイッチを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記スイッチインバータ部から前記各相に供給される前記相電流を検知し、前記相電流から前記回転子の回転座標系におけるｄ軸成分と、ｑ軸成分と、直流成分を導出し、前記ｄ軸成分と前記ｑ軸成分と前記直流成分に基づいて、前記６相巻線に供給する前記相電流をベクトル制御することを特徴とする。

【0009】

このような本発明のモータ装置では、制御部が前記相電流から前記回転子の回転座標系におけるｄ軸成分とｑ軸成分と直流成分を導出し、ｄ軸成分とｑ軸成分と直流成分に基づいて、６相巻線に供給する相電流をベクトル制御することで、各相の相電流を正確に制御してトルクを向上させることが可能となる。

【0010】

また、本発明の一態様では、前記制御部は、前記直流成分を含めた６行６列の変換行列を用いて相座標系から前記回転座標系への変換を行い、前記直流成分を含めた６行６列の逆変換行列を用いて前記回転座標系から前記相座標系への逆変換を行う。

【0011】

また、本発明の一態様では、前記固定子に対する前記回転子の角度を検出する角度センサを備え、前記制御部は、前記角度センサの検出結果から前記回転子の角速度を算出し、前記角度および前記角速度に基づいて前記ｑ軸成分を導出する。

【0012】

また、本発明の一態様では、前記制御部は、前記回転座標系における誘起電圧を算出し、前記誘起電圧に基づいて前記回転子の推定角速度および推定角度を算出し、前記推定角度および前記推定角速度に基づいて電圧指令値のδ軸成分およびγ軸成分を導出し、前記δ軸成分および前記γ軸成分をそれぞれ前記ｄ軸成分および前記ｑ軸成分として用いる。

【0013】

また、上記課題を解決するために、本発明のモータ制御方法は、回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有し、前記複数のティース部には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相からなる６相巻線が巻回され、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであるモータ装置の制御方法であって、前記６相巻線の各相に供給される相電流を検知し、前記相電流から、前記回転子の回転座標系におけるｄ軸成分と、ｑ軸成分と、直流成分を導出し、前記ｄ軸成分と前記ｑ軸成分と前記直流成分に基づいて、前記６相巻線に供給する前記相電流をベクトル制御することを特徴とする。

【0014】

また、上記課題を解決するために、本発明のプログラムは、回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有し、前記複数のティース部には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相からなる６相巻線が巻回され、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであるモータ装置を制御するプログラムであって、コンピュータに、前記６相巻線の各相に供給される相電流を検知する手順と、前記相電流から、前記回転子の回転座標系におけるｄ軸成分と、ｑ軸成分と、直流成分を導出する手順と、前記ｄ軸成分と前記ｑ軸成分と前記直流成分に基づいて、前記６相巻線に供給する前記相電流をベクトル制御する手順を実行させることを特徴とする。

【0015】

また、上記課題を解決するために、本発明の記録媒体は、回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有し、前記複数のティース部には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相からなる６相巻線が巻回され、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであるモータ装置を制御するプログラムを記録した記録媒体であって、コンピュータに、前記６相巻線の各相に供給される相電流を検知する手順と、前記相電流から、前記回転子の回転座標系におけるｄ軸成分と、ｑ軸成分と、直流成分を導出する手順と、前記ｄ軸成分と前記ｑ軸成分と前記直流成分に基づいて、前記６相巻線に供給する前記相電流をベクトル制御する手順を実行させることを特徴とするプログラムを記録する。

【発明の効果】

【0016】

本発明では、６相巻線を備えたスイッチトリラクタンスモータにおいて、各相の相電流を正確に制御してトルクを向上させることが可能なモータ装置、モータ制御方法、プログラムおよび記録媒体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態に係るモータ装置１００の構造例を示す模式図である。

【図2】モータ装置１００におけるスイッチインバータ部２０の制御を示すタイミングチャートであり、スイッチインバータ部２０の各相スイッチに印加される信号を示している。

【図3】モータ部１０のコイルに流れる相電流を模式的に示すグラフである。

【図4】モータ部１０における座標系の関係を示す模式図であり、図４（ａ）は静止座標系であるαβ座標系とＡＢＣＤＥＦ相の相座標系の関係を示し、図４（ｂ）は静止座標系であるαβ座標系と回転子１１の回転座標系であるｄｑ座標系の関係を示している。

【図5】モータ部１０における回転座標系について模式的に示す図であり、図５（ａ）は回転子１１および固定子１２におけるｄ軸とｑ軸を示し、図５（ｂ）は推定座標系であるγδ座標系と回転座標系であるｄｑ座標系の関係を示している。

【図6】第１実施形態の制御部３０におけるベクトル制御について説明する制御フロー図である。

【図7】第２実施形態の制御部３０におけるベクトル制御について説明する制御フロー図である。

【図8】推定座標系であるγδ座標系における誘起電圧オブザーバを模式的に示す制御ブロック図である。

【図9】第２実施形態におけるセンサレス制御での推定角速度ω_Ｍと推定角度θ_Ｍの算出について説明するブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態に係るモータ装置１００の構造例を示す模式図である。図１に示すようにモータ装置１００は、モータ部１０とスイッチインバータ部２０と制御部３０を備えている。

【0019】

図１に示すように本実施形態のモータ部１０は、回転子（ロータ）１１と、回転子１１の周囲に配置された固定子（ステータ）１２を備えている。また、回転子１１には、外周に沿って強磁性体からなるロータティース（突極）が配置されている。また固定子１２は、コアバック部とその内周に突出して形成された複数のティース部１３を備えている。また、各ティース部１３に巻線（コイル）１４が、Ａ１相巻線～Ｆ１相巻線、Ａ２相巻線～Ｆ２相巻線として順に巻回されている。図１に示した例では、モータ装置１００は１０突極１２スロットのスイッチトリラクタンスモータを構成している。モータ部１０の突極数Ｐとスロット数Ｓは、１０極１２スロットには限定されないが、Ｐ：Ｓ＝５：６の比率となっている。また、ティース部１３への各相の巻回方法も集中巻きに限定されず分布巻きであってもよい。

【0020】

コアバック部は、回転子１１の外側に回転子１１の外周を円周状に取り囲むように配置された部分であり、内周に複数のティース部１３が等間隔に突出して形成されている。コアバック部には公知のものを用いることができ、構成する材料や構造は限定されない。また、コアバック部よりも外周には別途モータハウジング等の部材が設けられている。

【0021】

ティース部１３は、コアバック部の内周面から回転子１１に向かって突出して形成された突起状部分であり、各ティース部１３は同じ長さと形状で形成されると共に等間隔に配置されており、各ティース部１３の間には間隔が設けられてスロットを構成している。各ティース部１３およびスロットには、巻線１４が巻回されており、巻線１４に電流が流れることでティース部１３に磁界が発生する。

【0022】

図１に示したように、各巻線１４は固定子１２の円周に沿って順にＡ１相、Ｂ１相、Ｃ１相、Ｄ１相、Ｅ１相、Ｆ１相、Ａ２相、Ｂ２相、Ｃ２相、Ｄ２相、Ｅ２相、Ｆ２相として１２スロットが配置されており、６相巻線が２周期で合計１２スロットが構成されている。ここで、Ａ１相巻線～Ｆ１相巻線とＡ２相巻線～Ｆ２相巻線は、対応する相を合わせてＡ相巻線～Ｆ相巻線を構成している。換言すると、Ａ相巻線～Ｆ相巻線のうち第１部分巻線がＡ１相巻線～Ｆ１相巻線であり、第２部分巻線がＡ２相巻線～Ｆ２相巻線である。６相巻線であるＡ相巻線～Ｆ相巻線の相互の接続例としては、各巻線の一端が共通の中性点に接続され、他端がスイッチインバータ部２０の各相に接続されたスター結線を用いることができる。

【0023】

上述したようにＡ相巻線～Ｆ相巻線が１周期６スロットを構成しており、電気角においては１周期が３６０度であるため、各相の間は電気角で６０度の位相差とされている。また、Ａ相とＣ相、Ｃ相とＥ相、Ｂ相とＤ相、Ｄ相とＦ相は、それぞれ電気角で１２０度の位相差で配置されている。したがって６相のうち、Ａ相とＥ相とＣ相の３相の組み合わせ、およびＤ相とＢ相とＦ相の３相の組み合わせは、それぞれ電気角の位相差が１２０度の３相交流を構成している。

【0024】

スイッチインバータ部２０は、電源電圧（＋Ｖ）と接地電圧（０Ｖ）の間に６つのスイッチ群（Ａ群～Ｆ群）が並列に接続されている。各スイッチ群には、２つのスイッチが直列接続されており、合計１２個のスイッチによって、モータ部１０のＡ相巻線～Ｆ相巻線に対応した６相スイッチインバータのスイッチＡ相～スイッチＦ相が構成されている。ここではスイッチインバータ部２０として６相スイッチインバータを用いたが、９個のスイッチを用いた改良型９スイッチインバータを用いるとしてもよい。

【0025】

各スイッチは、それぞれドレインが電源電圧側（上流側）に接続され、ソースが接地電圧側（下流側）に接続されている。また、各スイッチとしてＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いる場合には、ソースとドレインの間に寄生ダイオードが並列に逆接続された等価回路となる。また、各スイッチは制御部３０によって動作が制御される。

【0026】

制御部３０は、予め定められたプログラムに従って情報処理を行い、モータ装置１００の各部を制御する演算部であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等で実現される。また、制御部３０はモータ装置１００の各部から情報を取得してプログラムに従って演算処理を行う。制御部３０には、メモリー装置や入出力装置、表示装置などが接続され、プログラムやデータの記録、演算結果の出力や表示等を行うこととしてもよい。また制御部３０は、記録媒体に記録されたプログラムを読み込み、当該プログラムを実行することで本発明におけるモータ装置１００の制御方法を実行する。

【0027】

制御部３０は、スイッチインバータ部２０からモータ部１０の各相に供給される電流値と、モータ部１０に設けられた角度センサの出力を検出し、検出した電流値と角度に基づいてベクトル制御を行い、スイッチインバータ部２０の各スイッチに対してオン信号またはオフ信号を供給する部分である。制御部３０の構成及び動作についての詳細は後述する。

【0028】

図２は、モータ装置１００におけるスイッチインバータ部２０の制御を示すタイミングチャートであり、スイッチインバータ部２０の各相スイッチに印加される信号を示している。図２の横軸は電気角（度）を示し、縦軸は各スイッチに印加されるオン信号とオフ信号を示している。図２に示したように、Ａ相～Ｆ相の各スイッチには、オン信号とオフ信号が１８０度（π）ずつ交互に印加される。また、Ａ相～Ｆ相のオン信号とオフ信号は、それぞれ６０度（π／３）ずつ位相がずれている。また、Ａ相とＤ相、Ｂ相とＥ相、Ｃ相とＦ相は位相が１８０度（π）異なって互いに反転した信号が印加されている。換言すると、Ａ相～Ｆ相の各スイッチには、Ａ相、Ｃ相、Ｅ相と、Ｂ相、Ｄ相、Ｆ相の２つの三相交流信号が印加されている。したがって、巻線Ａ１～巻線Ｆ１と巻線Ａ２～巻線Ｆ２は、スイッチＡ相～Ｆ相で制御されることで、それぞれ２つの三相モータを備えた合計６相を有するモータとして機能する。

【0029】

図３は、モータ部１０のコイルに流れる相電流を模式的に示すグラフである。図３に示したように、Ａ相巻線に流れる電流とＤ相巻線に流れる電流は、位相が同じ正弦波であり、Ａ相は正方向に直流成分（＋ＤＣ）だけオフセットされ、Ｄ相は負方向に直流成分（－ＤＣ）だけオフセットされている。したがって、Ａ相とＤ相の電流値の合計は常に０となる。ここではＡ相とＤ相のみを示したが、Ｃ相とＦ相、Ｅ相とＢ相も同様である。

【0030】

次に、制御部３０によるベクトル制御を説明するための座標系について、図４、図５を用いて説明する。図４は、モータ部１０における座標系の関係を示す模式図であり、図４（ａ）は静止座標系であるαβ座標系とＡＢＣＤＥＦ相の相座標系の関係を示し、図４（ｂ）は静止座標系であるαβ座標系と回転子１１の回転座標系であるｄｑ座標系の関係を示している。図５は、モータ部１０における回転座標系について模式的に示す図であり、図５（ａ）は回転子１１および固定子１２におけるｄ軸とｑ軸を示し、図５（ｂ）は推定座標系であるγδ座標系と回転座標系であるｄｑ座標系の関係を示している。図４、図５に示したように、回転座標系のｄｑ軸は静止座標系のαβ軸から電気角θだけ回転したものであり、推定座標系のγδ軸はｄｑ軸とΔθだけ遅れており、その際のγ軸とα軸の差が推定角度θ_Ｍである。

【0031】

図６は、本実施形態の制御部３０におけるベクトル制御について説明する制御フロー図である。制御部３０は、モータ部１０の角度と電流を検知しながら、スイッチインバータ部２０を制御してモータ部１０に対して電流を供給する。図６に示すように制御部３０は、変換部３１と、速度ＰＩ制御部３２と、電流制御部３３と、逆変換部３４を備えている。

【0032】

仮に、６相のスイッチトリラクタンスモータのベクトル制御を行う際に、Ａ相とＤ相、Ｂ相とＥ相、Ｃ相とＦ相の２相ずつを組み合わせた後に３相ベクトル制御を行うとする。この場合には、図２および図３に示したように、２相の電流値は互いに正負の方向にオフセットされているため、合計電流での制御では直流成分である＋ＤＣと－ＤＣが打ち消しあって制御対象から外れてしまうため６相全体での相電流を正確に制御することが困難になる。そこで本発明のモータ装置１００および制御方法では、Ａ相とＣ相とＥ相の３相と、Ｂ相とＤ相とＦ相の３相のそれぞれにベクトル制御を適用し、直流成分ＤＣについても導出および制御の対象とする。

【0033】

スイッチトリラクタンスモータの回路方程式は、次の一般式で表される。ここで、ｖは電圧、Ｒは抵抗、Ｌはインダクタンス、ｉは電流、θは回転子１１の角度、ωは回転子１１の角速度を示している。ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスを求めるためにはｄｑ座標系での回路方程式を求める必要がある。

【数1】

各相を流れる相電流は、直流成分をＩ_ｄｃとし、振幅をＩ_ａｃ１とすると、以下の電流行列で表される。電流行列には直流成分であるＩ_ｄｃを含んでいるため、交流成分が同じでも直流成分が異なる相を別の電流として取り扱い、直流成分を考慮したベクトル制御を行うことができる。ここで、θ＝ωｔである。

【数2】

【0034】

また、相座標系から静止座標系への座標系変換と、静止座標系から回転座標系への座標系変換を行う変換行列は、次に示すものとなる。

【数3】

また、回転座標系から静止座標系への座標系変換を行い、静止座標系から相座標系への座標系変換を行う逆変換行列は、次に示すものとなる。

【数4】

上述したように、変換行列および逆変換行列は、ともに直流成分を含めた６行６列で表される。これにより、上述した６相の電流行列を変換行列と逆変換行列で演算して、直流成分を含めた正確な６相ベクトル制御を行うことができる。

【0035】

また、

【数5】

【数6】

とおくと、ｄｑ座標系での回路方程式は以下の式で表される。

【数7】

ここでｖ_ｄは電圧のｄ軸成分であり、ｖ_ｑは電圧のｑ軸成分であり、ｖ_ｄｃは電圧の直流成分であり、ｉ_ｄは電流のｄ軸成分であり、ｉ_ｑは電流のｑ軸成分であり、ｉ_ｄｃは電流の直流成分である。

【0036】

図６に示したように制御部３０では、モータ部１０を流れる相電流ｉ_ａ，ｉ_ｂ，ｉ_ｃ，ｉ_ｄ，ｉ_ｅ，ｉ_ｆと、モータ部１０の角度センサが検出した回転子１１の角度θを取得する。変換部３１は、取得した相電流ｉ_ａ，ｉ_ｂ，ｉ_ｃ，ｉ_ｄ，ｉ_ｅ，ｉ_ｆと角度θに基づいて、電流のｄ軸成分ｉ_ｄとｑ軸成分ｉ_ｑと直流成分ｉ_ｄｃを導出する。電流の各成分の導出には、上述した電流行列および変換行列が用いられる。変換部３１で導出された電流のｄ軸成分ｉ_ｄとｑ軸成分ｉ_ｑと直流成分ｉ_ｄｃは、電流制御部３３に伝達される。

【0037】

速度ＰＩ制御部３２は、角度センサから得られた角度θの変化量から角速度ωを算出し、目標角速度ω^＊との比較によって目標ｑ軸成分ｉ_ｑ ^＊を導出する。速度ＰＩ制御部３２で導出された目標ｑ軸成分ｉ_ｑ ^＊は、電流制御部３３に伝達される。

【0038】

電流制御部３３は、変換部３１から供給された電流のｄ軸成分ｉ_ｄとｑ軸成分ｉ_ｑと直流成分ｉ_ｄｃと、目標ｄ軸成分ｉ_ｄ ^＊と目標直流成分ｉ_ｄｃ ^＊と目標ｑ軸成分ｉ_ｑ ^＊を用いて、Ａ相Ｃ相Ｅ相の３相とＤ相Ｆ相Ｂ相の３相にそれぞれベクトル制御を行う。電流制御部３３によるベクトル制御によって、Ａ相Ｃ相Ｅ相およびＤ相Ｆ相Ｂ相に対するｄｑ座標軸における目標電圧のｄ軸成分ｖ_ｄ１、ｑ軸成分ｖ_ｑ１、直流成分ｖ_ｄｃ１およびｄ軸成分ｖ_ｄ２、ｑ軸成分ｖ_ｑ２、直流成分ｖ_ｄｃ２が決定される。電流制御部３３で決定された目標電圧のｄ軸成分ｖ_ｄ１、ｑ軸成分ｖ_ｑ１、直流成分ｖ_ｄｃ１およびｄ軸成分ｖ_ｄ２、ｑ軸成分ｖ_ｑ２、直流成分ｖ_ｄｃ２は、逆変換部３４に伝達される。

【0039】

逆変換部３４は、ｄｑ座標軸における目標電圧のｄ軸成分ｖ_ｄ１、ｑ軸成分ｖ_ｑ１、直流成分ｖ_ｄｃ１およびｄ軸成分ｖ_ｄ２、ｑ軸成分ｖ_ｑ２、直流成分ｖ_ｄｃ２と角度θに基づいて、スイッチインバータ部２０の各相スイッチの制御信号であるオン信号／オフ信号を決定する。各相スイッチに対する制御信号の決定には、上述した電流行列および逆変換行列が用いられる。逆変換部３４で決定された制御信号は、スイッチインバータ部２０の各相スイッチに入力される。

【0040】

上述したように、本実施形態のモータ装置１００および制御方法では、制御部３０がモータ部１０の相電流から回転子１１の回転座標系における電流のｄ軸成分とｑ軸成分と直流成分を導出し、ｄ軸成分とｑ軸成分と直流成分に基づいて、６相巻線に供給する相電流をベクトル制御している。これにより、６相スイッチトリラクタンスモータにおいて、モータ部１０の各相における相電流を正確に制御してトルクを向上させることが可能となる。

【0041】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図７は、本実施形態の制御部３０におけるベクトル制御について説明する制御フロー図である。本実施形態では、モータ部１０における回転子１１の角度θを角度センサを用いずに推定してセンサレス制御を行う点が第１実施形態とは異なっている。図７に示すように制御部３０は、変換部３１と、速度ＰＩ制御部３２と、電流制御部３３と、逆変換部３４と、オブザーバ３５を備えている。

【0042】

図７に示したように制御部３０では、モータ部１０を流れる相電流ｉ_ａ，ｉ_ｂ，ｉ_ｃ，ｉ_ｄ，ｉ_ｅ，ｉ_ｆを取得する。変換部３１は、取得した相電流ｉ_ａ，ｉ_ｂ，ｉ_ｃ，ｉ_ｄ，ｉ_ｅ，ｉ_ｆと、オブザーバ３５が導出した推定角度θ_Ｍに基づいて、電流の推定δ軸成分ｉ_δと推定γ軸成分ｉ_γと直流成分ｉ_ｄｃを導出する。電流の各成分の導出には、上述した電流行列および変換行列が用いられる。変換部３１で導出された電流のγ軸成分ｉ_γとδ軸成分ｉ_δと直流成分ｉ_ｄｃは、オブザーバ３５に伝達される。

【0043】

オブザーバ３５は、図５（ｂ）に示したように回転座標系のｄｑ軸と推定座標系のγδ軸の差をΔθとして、回転座標系における誘起電圧を算出する。また、推定座標系のγδ軸における推定電圧ｖ_γ、ｖ_δと、推定電流ｉ_γ、ｉ_δおよび誘起電圧に基づいて、回転子１１の推定角度θ_Ｍおよび推定角速度ω_Ｍを算出する。オブザーバ３５で算出された推定角度θ_Ｍは変換部３１および逆変換部３４に伝達され、推定角速度ω_Ｍは速度ＰＩ制御部３２に伝達される。

【0044】

速度ＰＩ制御部３２は、オブザーバ３５で算出された推定角度θ_Ｍの変化量から角速度ω_Ｍを算出し、目標角速度ω^＊との比較によって目標γ軸成分ｉ_γ ^＊を導出する。速度ＰＩ制御部３２で導出された目標γ軸成分ｉ_γ ^＊は、電流制御部３３に伝達される。

【0045】

電流制御部３３は、変換部３１から供給された電流のγ軸成分ｉ_γとδ軸成分ｉ_δと直流成分ｉ_ｄｃと、目標γ軸成分ｉ_γ ^＊と目標直流成分ｉ_ｄｃ ^＊と目標δ軸成分ｉ_δ ^＊を用いて、Ａ相Ｃ相Ｅ相の３相とＤ相Ｆ相Ｂ相の３相にそれぞれベクトル制御を行う。電流制御部３３によるベクトル制御によって、Ａ相Ｃ相Ｅ相およびＤ相Ｆ相Ｂ相に対するγδ座標軸における目標電圧のγ軸成分ｖ_ｄγ１、δ軸成分ｖ_δ１、直流成分ｖ_ｄｃ１およびγ軸成分ｖ_γ２、δ軸成分ｖ_δ２、直流成分ｖ_ｄｃ２が決定される。電流制御部３３で決定された目標電圧のγ軸成分ｖ_γ１、δ軸成分ｖ_δ１、直流成分ｖ_ｄｃ１およびγ軸成分ｖ_γ２、δ軸成分ｖ_δ２、直流成分ｖ_ｄｃ２は、逆変換部３４に伝達される。

【0046】

逆変換部３４は、γδ座標軸における目標電圧のγ軸成分ｖ_γ１、δ軸成分ｖ_δ１、直流成分ｖ_ｄｃ１およびγ軸成分ｖ_γ２、δ軸成分ｖ_δ２、直流成分ｖ_ｄｃ２と推定角度θ_Ｍに基づいて、スイッチインバータ部２０の各相スイッチの制御信号であるオン信号／オフ信号を決定する。各相スイッチに対する制御信号の決定には、上述した電流行列および逆変換行列が用いられる。逆変換部３４で決定された制御信号は、スイッチインバータ部２０の各相スイッチに入力される。

【0047】

次に、オブザーバ３５における推定座標系での推定角度θ_Ｍおよび推定角速度ω_Ｍの算出について説明する。本実施形態のモータ装置１００をセンサレス制御するために、オブザーバ３５では、［数７］に示した回路方程式を拡張誘起電圧項を含む次の形に変形して用いる。ここで、第１項から第３項までは通常の３相モータをセンサレス制御する際の拡張誘起電圧項を生成する際と同じ内容となっている。また、第４項および第５項が拡張誘起電圧項となっている。

【数8】

【0048】

図５（ｂ）に示したように、推定座標系であるγδ軸は、回転座標系であるｄｑ軸からΔθだけ異なるものであるため、ｄｑ座標系をΔθだけ回転させる座標変換によって、ｄｑ座標系をγδ座標系に変換する。このとき、直流成分については回転させない行列と逆行列を用いる。また、突極数をｐとする。最終的に得られる推定座標系における回路方程式は以下のものとなる。得られた回路方程式における第３項および第４項は、外乱に相当している。

【数9】

【0049】

図８は、推定座標系であるγδ座標系における誘起電圧オブザーバを模式的に示す制御ブロック図である。図８では回転座標系であるｄｑ軸成分と、推定座標系であるγδ軸成分についての添え字は省略している。図８に示すようにオブザーバ３５は、推定電圧ｖ_γ、ｖ_δと外乱ｅ_ｄ、ｅ_ｑに基づいたモータモデルによって推定電流ｉ_γ、ｉ_δが導出される。また、導出された推定電流ｉ_γ、ｉ_δは、逆モータモデルに入力され、推定電圧ｖ_γ、ｖ_δと逆モータモデルの算出結果との差がローパスフィルタ（Ｋ_Ｌ／Ｔ_ＬＳ＋１）に入力される。ローパスフィルタの出力が推定外乱ｅ＾_ｄ、ｅ＾_ｑとなる。ｄｑ座標系でのｄ軸の誘起電圧はゼロであるため、γδ推定座標系とｄｑ回転座標系の角度誤差Δθは次式で求めることができる。

【数10】

【0050】

さらにオブザーバ３５は、上述した［数１０］で導出された角度誤差Δθを用いてＰＩ制御を行う。図９は、本実施形態におけるセンサレス制御での推定角速度ω_Ｍと推定角度θ_Ｍの算出について説明する制御ブロック図である。角度誤差Δθから推定角速度ω_Ｍと推定角度θ_Ｍを算出するためには、図９（ａ）に示すような制御ブロックを用いればよい。しかし本実施形態のモータ装置１００では、目標角度θ_ｒｅｆが不明なため、図９（a）の制御ブロックは成立しない。

【0051】

ところが、角度誤差Δθは目標角度θ_ｒｅｆと推定角度θ_Ｍの差であり、Δθ＝θ_ｒｅｆ－θ_Ｍであり、Δθを０にする制御を実行するため、図９（ａ）は図９（ｂ）に書き換えることができる。さらに、図９（ｂ）のブロック図を展開すると、図９（ｃ）のブロック図となる。したがって、［数１０］で求めた角度誤差Δθを用いることで、オブザーバ３５では推定角速度ω_Ｍと推定角度θ_Ｍを算出することができる。また図７に示したように、オブザーバ３５が算出した推定角速度ω_Ｍと推定角度θ_Ｍを用いることで、制御部３０は推定座標系における演算のみで６相スイッチトリラクタンスモータをベクトル制御により回転させることができる。

【0052】

上述したように、本実施形態のモータ装置１００および制御方法では、制御部３０がモータ部１０の相電流から回転座標系における誘起電圧を算出し、誘起電圧に基づいて回転子１１の推定角速度ω_Ｍおよび推定角度θ_Ｍを算出している。また、推定角速度ω_Ｍおよび推定角度θ_Ｍに基づいて、回転子１１の回転座標系における電圧指令値のγ軸成分とδ軸成分と直流成分を導出し、γ軸成分とδ軸成分と直流成分に基づいて、６相巻線に供給する相電流をベクトル制御している。これにより、６相スイッチトリラクタンスモータにおいて、モータ部１０が角度センサを備えていなくても、センサレス制御によって各相における相電流を制御して回転駆動させることが可能となる。

【0053】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0054】

１００…モータ装置
１０…モータ部
２０…スイッチインバータ部
３０…制御部
１１…回転子
１２…固定子
１３…ティース部
１４…巻線
３１…変換部
３２…速度ＰＩ制御部
３３…電流制御部
３４…逆変換部
３５…オブザーバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】