JP4798638B2 - 同期モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばフォークリフトなどの電気車両に搭載される同期モータの制御装置に関し、特に、低速から高速までの広範囲な運転領域において高トルクと高回転を両立した、高効率な同期モータの制御装置に関する。

図１１は、フォークリフトに搭載される従来の同期モータの制御装置の概略構成図である。また、図１２は、図１１の同期モータのステータ側のコイルの等価回路図である。
図１１を参照して、同期モータの制御装置２３は、同期モータ２５と、同期モータ２５に接続されたインバータ回路２４と、インバータ回路２４に直流電圧を供給するバッテリ（直流電源）Ｂとを備えている。
図１２を参照して、同期モータ２５は、ロータおよびステータ（図示しない）からなる公知のモータであって、ステータ側の三相コイルＵ、Ｖ、Ｗで発生させる回転磁界によって、永久磁石を有するロータを所望の回転数で回転させるものである。
インバータ回路２４は、例えば、ＭＯＳ型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの６個の半導体スイッチング素子Ｑ１８〜Ｑ２３からなり、この半導体スイッチング素子Ｑ１８〜Ｑ２３のスイッチング動作によって同期モータ２５に三相交流出力を印加して、永久磁石を有するロータを回転させて、同期モータ２５を駆動する。なお、インバータ回路２４とバッテリＢの間にはメインコンタクタ５が介在し、インバータ回路２４の入力側にはコンデンサＣが並列接続されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−８９０９８号公報（段落００１９〜００２２、００４０、および図１）

ところで、同期モータ２５においては、永久磁石を有するロータの回転によって、ステータ側のコイルに、ロータの回転数に比例した誘起電圧（逆起電力）が、インバータ回路２４から印加される電圧を打ち消す方向に発生する。このため、同期モータ２５の最大回転数は、この誘起電圧がインバータ回路２４から印加される交流電圧以下となるような回転数に制限される。ここで、この誘起電圧を減少させるため、ステータ側のコイルＵ、Ｖ、Ｗの巻数を減らす等の方法により同期モータ２５の最大回転数を上げることができるが、この場合、同期モータ２５で発生する最大トルクが小さくなってしまう。即ち、同期モータ２５においては、得られる最大回転数と最大トルクとが互いにトレードオフの関係にあるため、高トルクと高回転を同時に実現できないという問題を有している。

また、同期モータ２５の最大回転数を上げるために、ロータの永久磁石による磁界を打ち消すような電流を、ステータ側のコイルＵ、Ｖ、Ｗに流して誘起電圧を下げるという弱め界磁制御がある。しかしながら、弱め界磁制御は、永久磁石の界磁と逆方向の磁界をかけるために永久磁石が減磁されるという問題点や、トルクに寄与していない電流をコイルに流すために銅損が増大してモータ効率が悪くなり、バッテリの消費電力が増大するという問題点を有している。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、低速から高速までの広範囲な運転領域において高トルクと高回転を両立した、高効率な同期モータの制御装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明は、（１）ステータに少なくとも第１および第２の多相コイルを含む複数の多相コイルを有する同期モータと、前記複数の多相コイルに対して回転磁界を発生させるための交流出力を個別に印加する少なくとも第１および第２のインバータ回路を含む複数のインバータ回路と、前記複数のインバータ回路に対して共通の直流電圧を供給するバッテリと、を備えた電気車両の同期モータの制御装置であって、前記バッテリと前記複数のインバータ回路の間に設けられて当該バッテリからの前記直流電圧の供給または供給停止の切り替えを行うメインコンタクタと、前記複数のインバータ回路間に設けられて当該複数のインバータ回路間の接続の切り替えを行う少なくとも１つのサブコンタクタと、外部信号の入力に基づいて、前記メインコンタクタおよび前記サブコンタクタの各々の切り替えの制御ならびに前記複数のインバータ回路の各々の交流出力の制御を行うことにより、前記同期モータを、少なくとも、前記第１および前記第２のインバータ回路の両方の交流出力で駆動させる第１の駆動モードと、前記第１のインバータ回路のみの交流出力で駆動させる第２の駆動モードとを含む複数の異なった駆動モードで駆動させる制御部と、前記同期モータの回転速度を検出する速度検出部と、前記電気車両のアクセル指令量を検出するアクセル指令量検出部と、前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出部と、を備え、前記外部信号としての前記速度検出部で検出された速度信号、前記アクセル指令量検出部で検知されたアクセル指令信号、および前記バッテリ電圧検出部で検知されたバッテリ電圧信号の入力に基づいて、前記制御部が、前記速度信号と予め設定された速度基準信号とを比較し、前記速度信号が前記速度基準信号よりも小さいと判定した場合に、前記同期モータを前記第１の駆動モードで駆動させ、前記速度信号が前記速度基準信号よりも大きいと判定した場合に、前記同期モータを前記第２の駆動モードで駆動させることを特徴とする同期モータの制御装置を提供する。

この構成（１）によれば、同期モータの制御装置において、ステータ側の多相コイルを少なくとも第１および第２の多相コイルで構成し、インバータ回路を、少なくとも第１および第２の多相コイルにそれぞれ対応して交流出力を印加する少なくとも第１および第２のインバータ回路で構成し、外部信号としての速度検出部で検出された速度信号の入力に基づいて、制御部が、速度信号と速度基準信号を比較し、その比較結果に応じて、同期モータを、少なくとも、第１および第２のインバータ回路の両方の交流出力で駆動させる第１の駆動モードと、第１のインバータ回路のみの交流出力で駆動させる第２の駆動モードとで駆動させるように構成した。したがって、同期モータを、第１の駆動モードにて高トルクにて駆動でき、さらに第２の駆動モードで高回転数まで駆動でき、結果として、低速域における高トルクと高速域における高回転を両立した、弱め界磁等の複雑な制御が不要な高効率の同期モータの制御装置を提供できる。

ここで、上記構成（１）において、（２）前記速度基準信号は前記バッテリ電圧信号と所定のゲインの積で定められることが好ましい。

上記構成（１）または（２）において、より好ましくは、（３）第１の多相コイルの巻数を第２の多相コイルの巻数よりも少なく構成する。

この構成（３）によれば、ステータ側の第１および第２の多相コイルの巻数を変えるだけで、低速から高速までの広範囲な運転領域において高トルクと高回転を可変に制御することができる、高効率な同期モータの制御装置を提供できる。

上記構成（１）〜（３）のいずれかにおいて、さらに好ましくは、（４）前記速度信号および前記アクセル指令信号の入力に基づいて、さらに、前記制御部が、前記同期モータに対する必要トルク値を算出し、この必要トルク値を前記同期モータから出力させるために前記第１および第２のインバータ回路に各々必要なトルク値を算出して、前記第１および第２のインバータ回路に交流出力として前記各々必要なトルク値を指令するように構成する。

この構成（４）によれば、外部信号として、速度信号およびアクセル指令信号の入力に基づいて、制御部によって同期モータに対する必要トルク値が算出され、この必要トルク値が同期モータから出力されるべく、第１および第２のインバータ回路に交流出力として各々必要なトルク値（トルク値に対応する電流値）が指令される。そして、この指令を受けて、第１および第２のインバータ回路がこれらの算出されたトルク（電流）を各々出力するので、トルクをより効率よく制御可能な同期モータの制御装置を提供できる。

本発明によれば、低速から高速までの広範囲な運転領域において高トルクと高回転を両立した、高効率な同期モータの制御装置を提供できる。

本発明の第１実施例によるフォークリフトに搭載される同期モータの制御装置の概略構成図である。 図１の同期モータのステータ側のコイルの等価回路図である。 図１の同期モータの制御装置の動作を説明するフロー図である。 図１の同期モータの制御装置の駆動状態を説明するためのトルク−回転速度（回転数）特性を示したグラフである。 図１の同期モータの制御装置と、従来の同期モータの制御装置とを比較するためのトルク−回転速度（回転数）特性を示したグラフである。 本発明の変形例によるフォークリフトに搭載される同期モータの制御装置の概略構成図である。 図６の同期モータのステータ側のコイルの等価回路図である。 図６の同期モータの制御装置の動作を説明するフロー図である。 図６の同期モータの制御装置の駆動状態を説明するためのトルク−回転速度（回転数）特性を示したグラフである。 図６の同期モータの制御装置と、従来の同期モータの制御装置とを比較するためのトルク−回転速度（回転数）特性を示したグラフである。 フォークリフトに搭載される従来の同期モータの制御装置の概略構成図である。 図１１の同期モータのステータ側のコイルの等価回路図である。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例によるフォークリフトに搭載される同期モータの制御装置の概略構成図である。また、図２は、図１の同期モータのステータ側のコイルの等価回路図である。ここで、図１１を参照して説明した従来の同期モータの制御装置との対応関係が明確となるように、図１１に示す各構成要素と共通する構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１を参照して、同期モータの制御装置１は、制御部２と、同期モータ７と、同期モータ７に各々接続された高速型連続回転用インバータ回路（本願請求項の第１のインバータ回路に相当）３および低速型回転用インバータ回路（本願請求項の第２のインバータ回路に相当）４と、高速型連続回転用インバータ回路３および低速型回転用インバータ回路４に共通の直流電圧を供給するバッテリ（直流電源）Ｂと、メインコンタクタ５と、サブコンタクタ６と、電流センサ８〜１１と、速度検出部（ＰＧ）１２と、アクセル指令量検出部１３と、バッテリ電圧検出部１４と、を備えている。速度検出部１２は、同期モータ７に設けられたパルスジェネレータ（パルス生成器）ＰＧからなり、同期モータ７の回転速度（回転数）を検出するものである。アクセル指令量検出部１３は、フォークリフトのアクセルレバー（図示しない）の操作量に応じたアクセル指令量を検出するものである。バッテリ電圧検出部１４は、バッテリＢの直流電圧を検出するものである。

この同期モータ７は、ロータおよびステータ（図示しない）からなる公知のモータである。図２を参照して、同期モータ７は、ステータ側に、高速型連続回転用インバータ回路３から交流出力が印加される高速型連続回転用三相コイル（本願請求項の第１の多相コイルに相当）Ｕ_Ｈ、Ｖ_Ｈ、Ｗ_Ｈと、低速型回転用インバータ回路４から交流出力が印加される低速型回転用三相コイル（本願請求項の第２の多相コイルに相当）Ｕ_Ｌ、Ｖ_Ｌ、Ｗ_Ｌを有する。同期モータ７は、永久磁石を有するロータを、これらの三相コイルで発生させる回転磁界によって所望の回転数で回転させるものである。ここで、高速型連続回転用三相コイルＵ_Ｈ、Ｖ_Ｈ、Ｗ_Ｈは、低速型回転用三相コイルＵ_Ｌ、Ｖ_Ｌ、Ｗ_Ｌよりもコイル巻数が少ない。
図示しないが、同期モータ７は、高速型連続回転用三相コイルＵ_Ｈ、Ｖ_Ｈ、Ｗ_Ｈおよび低速型回転用三相コイルＵ_Ｌ、Ｖ_Ｌ、Ｗ_Ｌのそれぞれで発生させた回転磁界に対応した回転力（トルク）を別々に出力、または合成して出力できる軸機構を有している。

高速型連続回転用インバータ回路３は、Ｕ_Ｈ相上、Ｕ_Ｈ相下、Ｖ_Ｈ相上、Ｖ_Ｈ相下、Ｗ_Ｈ相上、Ｗ_Ｈ相下の６個の公知の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６からなり、これら半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング動作によって同期モータ７に三相交流出力を印加して、同期モータ７を駆動する。
低速型回転用インバータ回路４は、Ｕ_Ｌ相上、Ｕ_Ｌ相下、Ｖ_Ｌ相上、Ｖ_Ｌ相下、Ｗ_Ｌ相上、Ｗ_Ｌ相下の６個の公知の半導体スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１２からなり、これら半導体スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１２のスイッチング動作によって同期モータ７に三相交流出力を印加して、同期モータ７を駆動する。
互いに直列接続された、Ｕ_Ｈ相上下に対応する半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と、Ｖ_Ｈ相上下に対応する半導体スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４と、Ｗ_Ｈ相上下に対応する半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６と、Ｕ_Ｌ相上下に対応する半導体スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８と、Ｖ_Ｌ相上下に対応する半導体スイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０と、Ｗ_Ｌ相上下に対応する半導体スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２とが、バッテリＢの両端に接続される電源ライン間に並列に接続されている。半導体スイッチング素子としては、例えば、ＭＯＳ型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの高速スイッチング動作が可能な素子が用いられる。図示しないが、それぞれの半導体スイッチング素子にはダイオードが並列接続されるのが好ましい。
また、互いに直列接続された各半導体スイッチング素子Ｑ１〜１２同士の接続点から、同期モータ７を駆動するための交流のＵ_Ｈ相電圧Ｖ_ＵＨ、Ｖ_Ｈ相電圧Ｖ_ＶＨ、Ｗ_Ｈ相電圧Ｖ_ＷＨ、Ｕ_Ｌ相電圧Ｖ_ＵＬ、Ｖ_Ｌ相電圧Ｖ_ＶＬ、Ｗ_Ｌ相電圧Ｖ_ＷＬが同期モータ７に供給される。ここで、Ｉ_ＵＨ、Ｉ_ＶＨ、Ｉ_ＷＨ、Ｉ_ＵＬ、Ｉ_ＶＬ、Ｉ_ＷＬは、それぞれＵ_Ｈ相電流、Ｖ_Ｈ相電流、Ｗ_Ｈ相電流、Ｕ_Ｌ相電流、Ｖ_Ｌ相電流、Ｗ_Ｌ相電流を示している。図１中の８〜１１は、それぞれＵ_Ｈ相電流、Ｖ_Ｈ相電流、Ｕ_Ｌ相電流、Ｖ_Ｌ相電流を検出する電流センサである。なお、Ｗ_Ｈ相電流およびＷ_Ｌ相電流は、それぞれ、Ｕ_Ｈ相電流とＶ_Ｈ相電流とを合算したもの、およびＵ_Ｌ相電流とＶ_Ｌ相電流とを合算したものとなるので、Ｗ_Ｈ相電流およびＷ_Ｌ相電流用の電流センサは設けられていない。なお、高速型連続回転用インバータ回路３および低速型回転用インバータ回路４の入力側には、それぞれ、コンデンサＣ_Ｈ、Ｃ_Ｌが並列接続されている。

メインコンタクタ５は、バッテリＢと、高速型連続回転用インバータ回路３および低速型回転用インバータ回路４の間に設けられて、当該バッテリＢからの当該インバータ回路３、４への直流電圧の供給または供給停止の切り替えを行うものである。また、サブコンタクタ６は、高速型連続回転用インバータ回路３および低速型回転用インバータ回路４の間に設けられて、当該インバータ回路３、４間の接続の切り替えを行うものである。

制御部２は、入力部２ａと、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）２ｂ、出力部２ｃとを備え、高速型連続回転用インバータ回路３および低速型回転用インバータ回路４の各々の交流出力の制御、ならびに、メインコンタクタ５およびサブコンタクタ６の各々の切り替えの制御を行うものである。
入力部２ａには、例えば、速度検出部（ＰＧ）１２で検出された速度信号Ｖ、アクセル指令量検出部１３で検知されたアクセル指令信号Ａ、バッテリ電圧検出部１４で検知されたバッテリ電圧信号Ｖ_Ｂ、Ｕ_Ｈ相電流に関するＵ_Ｈ相信号、Ｖ_Ｈ相電流に関するＶ_Ｈ相信号、Ｕ_Ｌ相電流に関するＵ_Ｌ相信号、およびＶ_Ｌ相電流に関するＶ_Ｌ相信号が入力される。
ＭＰＵ２ｂは、入力部２ａに入力された上記の信号に基づいて、同期モータ７の制御に必要な処理を実行する。
出力部２ｃは、ＭＰＵ２ｂによって処理された制御信号を用いて、高速型連続回転用インバータ回路３、低速型回転用インバータ回路４、メインコンタクタ５およびサブコンタクタ６に対して必要な指令（出力）を行う。

図３は、本発明の同期モータの制御装置１の動作を説明するフロー図であり、制御部２によって実行される手順を示してある。図４は、図１の同期モータの制御装置１の駆動状態を説明するためのトルク−回転速度（回転数）特性を示したグラフである。図３および図４を参照して、以下本手順について説明する。

最初に、制御部２によって、メインコンタクタ５がオンされる（ステップＳ１）。続いて、バッテリ電圧信号Ｖ_Ｂが入力部２ａに入力され（ステップＳ２）、速度信号Ｖおよびアクセル指令信号Ａが入力部２ａに入力される（ステップＳ３）。
そして、ＭＰＵ２ｂによって、速度信号Ｖと予め設定された速度基準信号Ｖ_０とが比較される（ステップＳ４）。ここで、予め設定された速度基準信号Ｖ_０は、バッテリ電圧信号Ｖ_Ｂと所定のゲインＧ_０の積で定められる。
上記のステップＳ４において、速度信号Ｖが速度基準信号Ｖ_０未満（Ｖ＜Ｖ_０）、すなわち低速（低回転）の駆動状態と判定されたら、サブコンタクタ６がオンされる（ステップＳ５）。このステップＳ５により、同期モータ７は、高速型連続回転用インバータ回路３および低速型回転用インバータ回路４の両方の交流出力としてのトルク値（トルク値に対応する電流値）で駆動され得る状態となる（第１の駆動モード）。これは、図４に示す領域１および領域２での駆動状態に相当する。
また、上記のステップＳ４において、速度信号Ｖが速度基準信号Ｖ_０以上（Ｖ≧Ｖ_０）、すなわち高速（高回転）の駆動状態と判定されたら、サブコンタクタ６がオフされる（ステップＳ６）。このステップＳ６により、同期モータ７は、高速型連続回転用インバータ回路３のみの交流出力としてのトルク値（トルク値に対応する電流値）で駆動される状態となる（第２の駆動モード）。これは、図４に示す領域３での駆動状態に相当する。このとき、低速型回転用インバータ回路４は、バッテリＢとは切り離されるが、制御部２によってトルク値０（電流値０）が指令された状態にコントロールされる。

次に、上記低速の駆動状態において高トルクを実現するために、ＭＰＵ２ｂによって、速度信号Ｖおよびアクセル指令信号Ａに基づいて、同期モータ７に対する必要トルク値Ｔが算出される（ステップＳ７、Ｓ８）。そして、この必要トルク値Ｔを同期モータ７に出力させるために、高速型連続回転用インバータ回路３および低速型回転用インバータ回路４に各々必要なトルク値（トルク値に対応する電流値）が、以下のように算出される。但し、説明を簡単にするために、高速型連続回転用インバータ回路３を常に最高トルク値（出力）に対応する交流出力で駆動して、当該インバータ回路３が同期モータ７に対する必要トルク値Ｔに対応する交流出力を出せなくなった場合のみ、その差分のトルク値に対応する交流出力を低速型回転用インバータ回路４が出せるように、両インバータ回路３、４を駆動させる場合について説明する。
まず、必要トルク値Ｔと予め設定されたトルク基準値（高速型連続回転用インバータ回路３の最高トルク値）Ｔ_０とが比較される（ステップＳ９）。このステップＳ９において、制御部２は、上記ステップＳ７で算出された必要トルク値Ｔがトルク基準値Ｔ_０未満（Ｔ＜Ｔ_０）と判定すれば、低速型回転用インバータ回路４に、必要なトルク値として、トルク値０を指令する（ステップＳ１０）。これは、図４に示す領域１での駆動状態に相当する。また、このステップＳ９において、制御部２は、上記ステップＳ７で算出された必要トルク値Ｔがトルク基準値Ｔ_０以上（Ｔ≧Ｔ_０）と判定すれば、低速型回転用インバータ回路４に、必要なトルク値として、必要トルク値Ｔとトルク基準値Ｔ_０との差分値（Ｔ−Ｔ_０）を指令する（ステップＳ１１）。これは、図４に示す領域２での駆動状態に相当する。
そして、ステップＳ１０、Ｓ１１の結果に応じて、低速型回転用インバータ回路４に必要なトルク値０または（Ｔ−Ｔ_０）に対応する交流出力が、当該インバータ回路４から同期モータ７に対して出力される（ステップＳ１２）。さらに、高速型連続回転用インバータ回路３に必要なトルク値に対応する交流出力が、当該インバータ回路３から同期モータ７に対して出力される（ステップＳ１３）。したがって、低速域において、同期モータ７を、高速型連続回転用インバータ回路３および低速型回転用インバータ回路４の両方の交流出力で駆動させることができるので、同期モータの制御装置１における高トルクが実現できる。
なお、ステップＳ８の後においては、制御部２は、低速型回転用インバータ回路４に、必要なトルク値として、トルク値０を指令する（ステップＳ１４）。これは、図４に示す領域３での駆動状態に相当し、上述したように、制御部２によって、低速型回転用インバータ回路４がバッテリＢと切り離されるがトルク値０（電流値０）でコントロールされた状態となっている。そして、ステップＳ１４の結果に応じて、高速型連続回転用インバータ回路３に必要なトルク値に対応する交流出力が、当該インバータ回路３から同期モータ７に対して出力される（ステップＳ１３）。したがって、高速域において、同期モータ７を、高速型連続回転用インバータ回路３のみの交流出力で高回転まで駆動させることができるので、同期モータの制御装置１における高回転が実現できる。
最後に、制御部２によって、同期モータ７が所望の動作で駆動するまでステップＳ２〜Ｓ１４が反復せしめられて、最適な駆動モードと必要トルク値とが得られるように制御が行われる。

（比較結果１）
図５に、図１の同期モータの制御装置１と、従来の同期モータの制御装置２３とを比較するためのトルク−回転速度（回転数）特性を示したグラフを示す。
図５を参照して、（ａ）は、同期モータ７を、高速型連続回転用インバータ回路３のみの交流出力で駆動させた場合のトルク−回転速度特性を示すグラフ、（ｂ）は、同期モータ７を、低速型回転用インバータ回路４のみの交流出力で駆動させた場合のトルク−回転速度特性を示すグラフ、（Ａ）は、図１の同期モータの制御装置１における（ａ）と（ｂ）を組み合わせた場合のトルク−回転速度特性を示すグラフである。
図５より明らかなように、従来の同期モータの制御装置２３においては、（ａ）または（ｂ）に示すいずれかのトルク−回転速度特性の範囲内でしか同期モータ２５を駆動できないが、図１の同期モータの制御装置１においては、（Ａ）に示すトルク−回転速度特性の幅広い範囲内で同期モータ７を駆動できる。
したがって、図１の同期モータの制御装置１は、従来の同期モータの制御装置２３と比べて、高トルクと高回転を両立できる。

（変形例）
図６は、本発明の第１実施例の変形例によるフォークリフトに搭載される同期モータの制御装置の概略構成図である。また、図７は、図６の同期モータのステータ側のコイルの等価回路図である。
ここで、本変形例は、第１実施例の同期モータの制御装置１において、さらに、中速型回転用インバータ回路を備え、この回路の追加に伴って、ステータ側の多相コイルの数、コンタクタの数、制御部の入出力信号の数および駆動モードの数を増やした点が、第１実施例と異なる。したがって、図１および図１１を参照して説明した従来のスイッチング電源装置との対応関係が明確となるように、図１および図１１に示す各構成要素と共通する構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６を参照して、同期モータの制御装置１５は、制御部１６と、同期モータ１７と、同期モータ１７に各々接続された高速型連続回転用インバータ回路（本願請求項の第１のインバータ回路に相当）３、低速型回転用インバータ回路（本願請求項の第２のインバータ回路に相当）４と、中速型回転用インバータ回路（第３のインバータ回路）１８と、当該インバータ回路３、４、１８に共通の直流電圧を供給するバッテリ（直流電源）Ｂと、メインコンタクタ５と、サブコンタクタ１９、２０と、速度検出部（ＰＧ）１２と、アクセル指令量検出部１３と、バッテリ電圧検出部１４と、電流センサ２１、２２と、を備えている。

この同期モータ１７は、ロータおよびステータ（図示しない）からなる公知のモータである。図７を参照して、同期モータ１７は、ステータ側に、高速型連続回転用インバータ回路３から交流出力が印加される高速型連続回転用三相コイル（本願請求項の第１の多相コイルに相当）Ｕ_Ｈ、Ｖ_Ｈ、Ｗ_Ｈと、低速型回転用インバータ回路４から交流出力が印加される低速型回転用三相コイル（本願請求項の第２の多相コイルに相当）Ｕ_Ｌ、Ｖ_Ｌ、Ｗ_Ｌと、中速型回転用インバータ回路１８から交流出力が印加される中速型回転用三相コイル（第３の多相コイル）Ｕ_Ｍ、Ｖ_Ｍ、Ｗ_Ｍとを有する。同期モータ１７は、永久磁石を有するロータを、これらの三相コイルで発生させる回転磁界によって所望の回転数で回転させるものである。ここで、高速型連続回転用三相コイルＵ_Ｈ、Ｖ_Ｈ、Ｗ_Ｈは、中速型回転用三相コイルＵ_Ｍ、Ｖ_Ｍ、Ｗ_Ｍよりもコイル巻数が少ない。また、中速型連続回転用三相コイルＵ_Ｍ、Ｖ_Ｍ、Ｗ_Ｍは、低速型回転用三相コイルＵ_Ｌ、Ｖ_Ｌ、Ｗ_Ｌよりもコイル巻数が少ない。
図示しないが、同期モータ１７は、高速型連続回転用三相コイルＵ_Ｈ、Ｖ_Ｈ、Ｗ_Ｈ、低速型回転用三相コイルＵ_Ｌ、Ｖ_Ｌ、Ｗ_Ｌおよび中速型連続回転用三相コイルＵ_Ｍ、Ｖ_Ｍ、Ｗ_Ｍのそれぞれで発生させた回転磁界に対応した回転力を別々に出力、または合成して出力できる軸機構を有している。

中速型回転用インバータ回路１８は、Ｕ_Ｍ相上、Ｕ_Ｍ相下、Ｖ_Ｍ相上、Ｖ_Ｍ相下、Ｗ_Ｍ相上、Ｗ_Ｍ相下の６個の公知の半導体スイッチング素子Ｑ１３〜Ｑ１８からなり、これら半導体スイッチング素子Ｑ１３〜Ｑ１８のスイッチング動作によって同期モータ１７に三相交流出力を印加して、同期モータ１７を駆動する。
互いに直列接続された、Ｕ_Ｍ相上下に対応する半導体スイッチング素子Ｑ１３、Ｑ１４と、Ｖ_Ｍ相上下に対応する半導体スイッチング素子Ｑ１５、Ｑ１６と、Ｗ_Ｍ相上下に対応する半導体スイッチング素子Ｑ１７、Ｑ１８とが、バッテリＢの両端に接続される電源ライン間に並列に接続されている。
また、互いに直列接続された各半導体スイッチング素子Ｑ１３〜Ｑ１８同士の接続点から、同期モータ１７を駆動するための交流のＵ_Ｍ相電圧Ｖ_ＵＭ、Ｖ_Ｍ相電圧Ｖ_ＶＭ、Ｗ_Ｍ相電圧Ｖ_ＷＭが同期モータ７に供給される。ここで、Ｉ_ＵＭ、Ｉ_ＶＭ、Ｉ_ＷＭは、それぞれＵ_Ｍ相電流、Ｖ_Ｍ相電流、Ｗ_Ｍ相電流を示している。図６中の２１、２２は、それぞれＵ_Ｍ相電流、Ｖ_Ｍ相電流を検出する電流センサである。なお、Ｗ_Ｍ相電流は、Ｕ_Ｍ相電流とＶ_Ｍ相電流とを合算したものとなるので、Ｗ_Ｍ相電流用の電流センサは設けられていない。なお、中速型回転用インバータ回路１８の入力側には、コンデンサＣ_Ｍが並列接続されている。

メインコンタクタ５は、バッテリＢと、各インバータ回路３、４、１８との間に設けられて、当該バッテリＢからの当該インバータ回路３、４、１８への直流電圧の供給または供給停止の切り替えを行うものである。サブコンタクタ１９は、高速型連続回転用インバータ回路３および低速型回転用インバータ回路４の間に設けられ、当該インバータ回路３、４間の接続の切り替えを行うものである。サブコンタクタ２０は、高速型連続回転用インバータ回路３および中速型回転用インバータ回路１８の間に設けられ、当該インバータ回路３、１８間の接続の切り替えを行うものである。

制御部１６は、入力部１６ａと、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）１６ｂ、出力部１６ｃとを備え、各インバータ回路３、４、１８の各々の交流出力の制御、ならびに、メインコンタクタ５およびサブコンタクタ１９、２０の各々の切り替えの制御を行うものである。
入力部１６ａには、Ｕ_Ｍ相電流に関するＵ_Ｍ相信号、Ｖ_Ｍ相電流に関するＶ_Ｍ相信号、が入力される。
ＭＰＵ１６ｂは、入力部１６ａに入力された信号に基づいて、同期モータ１７の制御に必要な処理を実行する。
出力部１６ｃは、ＭＰＵ１６ｂによって処理された制御信号を用いて、各インバータ回路３、４、１８、メインコンタクタ５およびサブコンタクタ１９、２０に対して必要な指令（出力）を行う。

図８は、本発明の同期モータの制御装置１５の動作を説明するフロー図であり、制御部１６によって実行される手順を示してある。図９は、図６の同期モータの制御装置１５の駆動状態を説明するためのトルク−回転速度（回転数）特性を示したグラフである。図８および図９を参照して、以下本手順について説明する。

最初に、制御部１６によって、メインコンタクタ５がオンされる（ステップＳ１５）。続いて、バッテリ電圧信号Ｖ_Ｂが入力部１６ａに入力され（ステップＳ１６）、速度信号Ｖおよびアクセル指令信号Ａが入力部１６ａに入力される（ステップＳ１７）。
そして、ＭＰＵ１６ｂによって、速度信号Ｖと予め設定された速度基準信号Ｖ_１、Ｖ_２（但し、Ｖ_１＜Ｖ_２）が比較される（ステップＳ１８）。ここで、予め設定された速度基準信号Ｖ_１、Ｖ_２は、それぞれ、バッテリ電圧信号Ｖ_Ｂと所定のゲインＧ_１の積、バッテリ電圧信号Ｖ_Ｂと所定のゲインＧ_２の積で定められる（但し、Ｇ_１＜Ｇ_２）。
上記のステップＳ１８において、速度信号Ｖが速度基準信号Ｖ_０未満（Ｖ＜Ｖ_０）、すなわち低速（低回転）の駆動状態と判定されたら、サブコンタクタ１９、２０が両方オンされる（ステップＳ１９）。このステップＳ１９により、同期モータ１７は、高速型連続回転用インバータ回路３、低速型回転用インバータ回路４および中速型回転用インバータ回路１８の３つの交流出力としてのトルク値（トルク値に対応する電流値）で駆動され得る状態となる（第１’の駆動モード）。これは、図９に示す領域１’および領域２’での駆動状態に相当する。
また、上記のステップＳ１８において、速度信号Ｖが速度基準信号Ｖ_１以上Ｖ_２未満（Ｖ_１≦Ｖ＜Ｖ_２）、すなわち中速（中回転）の駆動状態と判定されたら、サブコンタクタ１９がオフされ、サブコンタクタ２０がオンされる（ステップＳ２０）。このステップＳ２０により、同期モータ１７は、高速型連続回転用インバータ回路３および中速型回転用インバータ回路１８の両方の交流出力としてのトルク値（トルク値に対応する電流値）で駆動される状態となる（第２’の駆動モード）。これは、図９に示す領域３’での駆動状態に相当する。このとき、低速型回転用インバータ回路４は、バッテリＢとは切り離されるが、制御部１６によってトルク値０（電流値０）が指令された状態にコントロールされる。
さらに、上記のステップＳ１８において、速度信号Ｖが速度基準信号Ｖ_２以上（Ｖ_２≦Ｖ）、すなわち高速（高回転）の駆動状態と判定されたら、サブコンタクタ１９、２０が両方オフされる（ステップＳ２１）。このステップＳ２１により、同期モータ１７は、高速型連続回転用インバータ回路３のみの交流出力としてのトルク値（トルク値に対応する電流値）で駆動される状態となる（第３’の駆動モード）。これは、図９に示す領域４’での駆動状態に相当する。このとき、低速型回転用インバータ回路４および中速型回転用インバータ回路１８は、ともに、バッテリＢとは切り離されるが、制御部１６によってトルク値０（電流値０）が指令された状態にコントロールされる。

次に、上記低速の駆動状態において高トルクを実現するために、ＭＰＵ１６ｂによって、速度信号Ｖおよびアクセル指令信号Ａに基づいて、同期モータ１７に対する必要トルク値Ｔが算出される（ステップＳ２２、Ｓ２３、Ｓ２４）。そして、この必要トルク値Ｔを同期モータ１７に出力させるために、高速型連続回転用インバータ回路３、中速型回転用インバータ回路１８および低速型回転用インバータ回路４に各々必要なトルク値（トルク値に対応する電流値）が、以下のように算出される。但し、説明を簡単にするために、高速型連続回転用インバータ回路３および中速型回転用インバータ回路１８を常に最高トルク値（出力）に対応する交流出力で駆動して、当該両インバータ回路３、１８が同期モータ７に対する必要トルク値Ｔに対応する交流出力を出せなくなった場合のみ、その差分のトルク値に対応する交流出力を低速型回転用インバータ回路４が出せるように、これらのインバータ回路３、４、１８を駆動させる場合について説明する。
まず、必要トルク値Ｔと予め設定されたトルク基準値（高速型連続回転用インバータ回路３の最高トルク値と中速型回転用インバータ回路１８の最高トルク値の合計）Ｔ_０とが比較される（ステップＳ２５）。このステップＳ２５において、制御部１６は、上記ステップＳ２２で算出された必要トルク値Ｔがトルク基準値Ｔ_０未満（Ｔ＜Ｔ_０）と判定すれば、低速型回転用インバータ回路４に、必要なトルク値として、トルク値０を指令する（ステップＳ２６）。これは、図９に示す領域１’での駆動状態に相当する。また、このステップＳ２５において、制御部１６は、上記ステップＳ２２で算出された必要トルク値Ｔがトルク基準値Ｔ_０以上（Ｔ≧Ｔ_０）と判定すれば、低速型回転用インバータ回路４に、必要なトルク値として、必要トルク値Ｔとトルク基準値Ｔ_０との差分値（Ｔ−Ｔ_０）を指令する（ステップＳ２７）。これは、図９に示す領域２’での駆動状態に相当する。
そして、ステップＳ２６、Ｓ２７の結果に応じて、低速型回転用インバータ回路４に必要なトルク値０または（Ｔ−Ｔ_０）に対応する交流出力が、当該インバータ回路４から同期モータ１７に対して出力される（ステップＳ２８）。そして、中速型回転用インバータ回路１８に必要なトルク値に対応する交流出力が、当該インバータ回路１８から同期モータ１７に対して出力される（ステップＳ２９）。さらに、高速型連続回転用インバータ回路３に必要なトルク値に対応する交流出力が、当該インバータ回路３から同期モータ１７に対して出力される（ステップＳ３０）。したがって、低速域において、同期モータ１７を、高速型連続回転用インバータ回路３、中速型回転用インバータ回路１８および低速型回転用インバータ回路４の３つの交流出力で駆動させることができるので、同期モータの制御装置１５における高トルクが実現できる。
なお、ステップＳ２３の後においては、制御部１６は、低速型回転用インバータ回路４に、必要なトルク値として、トルク値０を指令する（ステップＳ３１）。これは、図９に示す領域３’での駆動状態に相当し、上述したように、制御部１６によって、低速型回転用インバータ回路４が、バッテリＢと切り離されるがトルク０（電流０）でコントロールされた状態となっている。そして、ステップＳ３１の結果に応じて、中速型回転用インバータ回路１８に必要なトルク値に対応する交流出力が、当該インバータ回路１８から同期モータ１７に対して出力される（ステップＳ２９）。さらに、高速型連続回転用インバータ回路３に必要なトルク値に対応する交流出力が、当該インバータ回路３から同期モータ１７に対して出力される（ステップＳ３０）。
また、ステップＳ２４の後においては、制御部１６は、低速型回転用インバータ回路４に、必要なトルク値として、トルク値０を指令し（ステップ３２）、中速型回転用インバータ回路１８に、必要なトルク値として、トルク値０を指令する（ステップ３３）。これは、図９に示す領域４’での駆動状態に相当し、上述したように、制御部１６によって、低速型回転用インバータ回路４および中速型回転用インバータ回路１８が、ともに、バッテリＢと切り離されるがトルク値０（電流値０）でコントロールされた状態となっている。そして、ステップＳ３２、Ｓ３３の結果に応じて、高速型連続回転用インバータ回路３に必要なトルク値に対応する交流出力が、当該インバータ回路３から同期モータ１７に対して出力される（ステップＳ３０）。したがって、高速域において、同期モータ１７を、高速型連続回転用インバータ回路３のみの交流出力で高回転まで駆動させることができるので、同期モータの制御装置１５における高回転が実現できる。
最後に、制御部１６によって、同期モータ１７が所望の動作で駆動するまでステップＳ１５〜Ｓ３３が反復せしめられて、最適な駆動モードと必要トルク値とが得られるように制御が行われる。

（比較結果２）
図１０に、図６の同期モータの制御装置１５と、従来の同期モータの制御装置２３とを比較するためのトルク−回転速度（回転数）特性を示したグラフを示す。
図１０を参照して、（ａ’）は、同期モータ１７を、高速型連続回転用インバータ回路３のみの交流出力で駆動させた場合のトルク−回転速度特性を示すグラフ、（ｂ’）は、同期モータ１７を、低速型回転用インバータ回路４のみの交流出力で駆動させた場合のトルク−回転速度特性を示すグラフ、（ｃ’）は、同期モータ１７を、中速型回転用インバータ回路１８のみの交流出力で駆動させた場合のトルク−回転速度特性を示すグラフ、（Ａ’）は、図６の同期モータの制御装置１５における（ａ’）〜（ｃ’）を組み合わせた場合のトルク−回転速度特性を示すグラフである。
図１０より明らかなように、従来の同期モータの制御装置２３においては、（ａ’）または（ｂ’）または（ｃ’）に示すいずれかのトルク−回転速度特性の範囲内でしか同期モータ２５を駆動できないが、図６の同期モータの制御装置１５においては、（Ａ’）に示すトルク−回転速度特性の範囲内で同期モータ１７を駆動できる。
したがって、図６の同期モータの制御装置１５は、従来の同期モータの制御装置２３と比べて、高トルクと高回転を両立できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。
例えば、本第１実施例および変形例において、インバータ回路をそれぞれ、２つ備えた場合、３つ備えた場合について説明したが、インバータ回路の個数をさらに増やしてもよいし、ステータ側の多相コイルの数、コンタクタの数、制御部への入出力信号の数および駆動モード状態も任意とすることができる。
また、制御部の構造は、本実施例に限定されるものではなく、速度の比較またはトルク値の比較を行うことにより、同期モータの最適な駆動状態を制御する構成を有していれば、どのような構成を有していても構わない。
さらに、本実施例において、同期モータの制御装置に関して説明したが、誘導モータなどの様々なモータの制御装置に応用することができる。

１ 同期モータの制御装置
２ 制御部
２ａ 入力部
２ｂ ＭＰＵ（Micro Processor Unit）
２ｃ 出力部
３ 高速型連続回転用インバータ回路
４ 低速型回転用インバータ回路
５ メインコンタクタ
６ サブコンタクタ
７ 同期モータ
８ Ｕ_Ｈ相電流を検出する電流センサ
９ Ｖ_Ｈ相電流を検出する電流センサ
１０ Ｕ_Ｌ相電流を検出する電流センサ
１１ Ｖ_Ｌ相電流を検出する電流センサ
１２ 速度検出部（ＰＧ）
１３ アクセル指令量検出部
１４ バッテリ電圧検出部
１５ 同期モータの制御装置
１６ 制御部
１６ａ 入力部
１６ｂ ＭＰＵ（Micro Processor Unit）
１６ｃ 出力部
１７ 同期モータ
１８ 中速型回転用インバータ回路
１９ サブコンタクタ
２０ サブコンタクタ
２１ Ｕ_Ｍ相電流を検出する電流センサ
２２ Ｖ_Ｍ相電流を検出する電流センサ
２３ 同期モータの制御装置
２４ インバータ回路
２５ 同期モータ
２６ Ｕ相電流を検出する電流センサ
２７ Ｖ相電流を検出する電流センサ
Ｂ バッテリ
Ｃ、Ｃ_Ｈ、Ｃ_Ｌ、Ｃ_Ｍ コンデンサ
ＰＧ パルスジェネレータ（パルス生成器）
Ｑ１〜１８ 半導体スイッチング素子
Ｕ 三相コイル
Ｕ_Ｈ 高速型連続回転用三相コイル
Ｕ_Ｌ 低速型回転用三相コイル
Ｕ_Ｍ 中速型回転用三相コイル
Ｖ 三相コイル
Ｖ_Ｈ 高速型連続回転用三相コイル
Ｖ_Ｌ 低速型回転用三相コイル
Ｖ_Ｍ 中速型回転用三相コイル
Ｗ 三相コイル
Ｗ_Ｈ 高速型連続回転用三相コイル
Ｗ_Ｌ 低速型回転用三相コイル
Ｗ_Ｍ 中速型回転用三相コイル
Ｓ１〜Ｓ３３ ステップ

Claims (4)

1. ステータに少なくとも第１および第２の多相コイルを含む複数の多相コイルを有する同期モータと、前記複数の多相コイルに対して回転磁界を発生させるための交流出力を個別に印加する少なくとも第１および第２のインバータ回路を含む複数のインバータ回路と、前記複数のインバータ回路に対して共通の直流電圧を供給するバッテリと、を備えた電気車両の同期モータの制御装置であって、
   前記バッテリと前記複数のインバータ回路の間に設けられて当該バッテリからの前記直流電圧の供給または供給停止の切り替えを行うメインコンタクタと、
   前記複数のインバータ回路間に設けられて当該複数のインバータ回路間の接続の切り替えを行う少なくとも１つのサブコンタクタと、
   外部信号の入力に基づいて、前記メインコンタクタおよび前記サブコンタクタの各々の切り替えの制御ならびに前記複数のインバータ回路の各々の交流出力の制御を行うことにより、前記同期モータを、少なくとも、前記第１および前記第２のインバータ回路の両方の交流出力で駆動させる第１の駆動モードと、前記第１のインバータ回路のみの交流出力で駆動させる第２の駆動モードとを含む複数の異なった駆動モードで駆動させる制御部と、
   前記同期モータの回転速度を検出する速度検出部と、
   前記電気車両のアクセル指令量を検出するアクセル指令量検出部と、
   前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出部と、を備え、
   前記外部信号としての前記速度検出部で検出された速度信号、前記アクセル指令量検出部で検知されたアクセル指令信号、および前記バッテリ電圧検出部で検知されたバッテリ電圧信号の入力に基づいて、前記制御部が、前記速度信号と予め設定された速度基準信号とを比較し、前記速度信号が前記速度基準信号よりも小さいと判定した場合に、前記同期モータを前記第１の駆動モードで駆動させ、前記速度信号が前記速度基準信号よりも大きいと判定した場合に、前記同期モータを前記第２の駆動モードで駆動させることを特徴とする同期モータの制御装置。
2. 前記速度基準信号は前記バッテリ電圧信号と所定のゲインの積で定められることを特徴とする請求項１に記載の同期モータの制御装置。
3. 前記第１の多相コイルは前記第２の多相コイルよりもコイル巻数が少ないことを特徴とする請求項１または２に記載の同期モータの制御装置。
4. 前記速度信号および前記アクセル指令信号の入力に基づいて、さらに、前記制御部が、前記同期モータに対する必要トルク値を算出し、この必要トルク値を前記同期モータから出力させるために前記第１および第２のインバータ回路に各々必要なトルク値を算出して、前記第１および第２のインバータ回路に交流出力として前記各々必要なトルク値を指令することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の同期モータの制御装置。

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