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JP4939127B2 - 交流電動機の駆動制御装置及び駆動制御方法 - Google Patents

交流電動機の駆動制御装置及び駆動制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、より安定した制御を可能とする交流電動機の駆動制御装置及び駆動制御方法に関する。
直流電源を用いて交流電動機を駆動するために、インバータを用いた駆動方法が採用されている。インバータは、インバータ駆動回路によりスイッチング制御されており、例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ）波形電圧が交流電動機に印可される。
スイッチによりＰＷＭ電流制御モード、過変調制御モード及び矩形波電圧位相制御モードを選択的に切り替えて交流電動機に電力を供給する方法が開示されている。電圧振幅が基準三角波のピーク値を超えたらＰＷＭ電流制御モードから過変調制御モードに切り替え、電圧振幅が基準三角波のピーク値の１．２７倍を超えたら過変調制御モードから矩形波電圧位相制御モードに切り替える。一方、実電流位相の絶対値が電流指令位相の絶対値未満となったら矩形波電圧位相制御モードから過変調制御モードに切り替え、電圧振幅が基準三角波のピーク値未満となったら過変調制御モードからＰＷＭ電流制御モードに切り替える。
特開２００１−７８４９５号公報
しかしながら、ｄ軸電流及びｑ軸電流には周期的なノイズや高調波が含まれるので、これらの影響を取り除くために測定電流にローパスフィルタ処理を施した値を擬似的な実電流として実電流位相を求める。ところが、このようにローパスフィルタ処理を施した場合、トルク指令が急激に低下すると、電流指令位相の絶対値と実電流位相の絶対値とを比較する際に、図１１のｄ軸電流及びｑ軸電流のリサージュ図に示すように、フィルタ処理された擬似的な実電流値から求められた実電流位相（図中の波線Ａ）と本来の実電流から求められる実電流位相（図中の太線Ｂ）との差が大きくなり、フィルタ処理後の電流から求められた実電流位相の絶対値が電流指令位相の絶対値（図中の細線Ｃ）よりも小さくなった時点（図中の点ａ）において矩形波電圧位相制御モードから過変調制御モードへと切り替えると、実際には実電流位相が電流指令位相からローパスフィルタの時定数の程度のずれた時点（図中の点ｂ）において矩形波電圧位相制御モードから過変調制御モードへと制御が切り替わることになる。このような、制御の切り替えの遅れは、電流位相のハンチング（振動）等を引き起こし、制御が不安定となる原因となる。
本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、安定した交流電動機の駆動制御装置及び駆動制御方法を提供することを目的とする。
本発明は、同期交流電動機と、インバータと、トルク指令に応じた所定電圧振幅及び所定位相であり、前記電圧振幅が基準三角波のピーク値を超えるＰＷＭ（パルス幅変調）電圧を、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加する過変調制御手段と、トルク指令に応じた出力電圧基本波の半周期に１つのパルスを出力する矩形波電圧の位相を制御して、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加する矩形波電圧位相制御手段と、前記同期交流電動機に実際に印加される電圧の振幅を算出する電圧振幅演算部と、外部から前記同期交流電動機に対して要求される出力に応じた必要電圧振幅を算出する必要電圧振幅演算部と、前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍より小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記矩形波電圧位相制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行う制御モード判定部と、を備えることを特徴とする。
ここで、本発明において、トルク指令に応じた所定電圧振幅及び所定位相のＰＷＭ（パルス幅変調）電圧を、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加するＰＷＭ電流制御手段をさらに備え、前記制御モード判定部は、前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記ＰＷＭ電流制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行い、前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記矩形波電圧位相制御手段に切り替える判定を行い、前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍より小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うものとしてもよい。前記電圧振幅演算部は、前記同期交流電動機へ印加されるｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令から（ｄ軸電圧指令2＋ｑ軸電圧指令2）1/2により前記電圧振幅を算出することができる。
また、前記制御モード判定部は、前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍よりオフセット値α1だけ小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことも好適である。
また、本発明において、トルク指令に応じた所定電圧振幅及び所定位相のＰＷＭ（パルス幅変調）電圧を、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加するＰＷＭ電流制御手段をさらに備え、前記制御モード判定部は、前記同期交流電動機に印加される電圧に３次高調波が含まれていない場合には、前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記ＰＷＭ電流制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行い、前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記矩形波電圧位相制御手段に切り替える判定を行い、前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値より小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うものとしてもよい。
また、前記制御モード判定部は、前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値よりオフセット値α1だけ小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことも好適である。
また、トルク指令に応じた所定電圧振幅及び所定位相のＰＷＭ（パルス幅変調）電圧を、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加するＰＷＭ電流制御手段をさらに備え、前記制御モード判定部は、前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記ＰＷＭ電流制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行い、前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記矩形波電圧位相制御手段に切り替える判定を行い、前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍より小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うものとしてもよい。
また、前記制御モード判定部は、前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍よりオフセット値α1だけ小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことも好適である。
また、トルク指令に応じた所定電圧振幅及び所定位相のＰＷＭ（パルス幅変調）電圧を、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加するＰＷＭ電流制御手段をさらに備え、前記制御モード判定部は、前記同期交流電動機に印加される電圧に３次高調波が含まれていない場合には、前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記ＰＷＭ電流制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行い、前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記矩形波電圧位相制御手段に切り替える判定を行い、前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値より小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うものとしてもよい。
また、前記制御モード判定部は、前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値よりオフセット値α1だけ小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことも好適である。
さらに、前記制御モード判定部は、前記同期交流電動機が必要とする必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍よりオフセット値α2だけ小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記矩形波電圧位相制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行うことも好適である。
以上の発明において、前記必要電圧振幅演算部は、前記同期交流電動機へ供給される電力Ｐ／（前記同期交流電動機へ供給される電流振幅×前記同期交流電動機へ供給される電力の力率）により前記必要電圧振幅を算出することができる。
本発明によれば、交流電動機の制御モードを切り替える駆動制御において従来よりも安定した制御を可能とすることができる。
本発明の実施の形態における交流電動機の駆動制御装置１００は、図１に示すように、ＰＷＭ電流制御部１０２、過変調制御部１０４、矩形波電圧位相制御部１０６、制御モード判定部１０８及び電流指令算出部１１０を含んで構成される。駆動制御装置１００は、インバータ２００を介して、交流電動機３００に接続される。駆動制御装置１００は、ＰＷＭ電流制御部１０２、過変調制御部１０４及び矩形波電圧位相制御部１０６のうちいずれか１つからインバータ２００へ３相電力を供給することによって交流電動機３００の駆動を制御する。
ＰＷＭ電流制御部１０２は、スイッチＳＷ２及びスイッチＳＷ５がオン状態にある場合に機能する。電流制御器１０には、スイッチＳＷ２を介して、インバータ２００から出力される交流電流の電流値を電流センサ２０２によって検出し、それらの検出値を３相／ｄｑ軸変換器２０４によってｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑに変換処理した結果が入力される。一方、電流制御器１０には、電流指令算出部１１０においてトルク指令値Ｔ*及び交流電動機３００の角速度ωから算出されたｄ軸電流指令値ｉｄ*及びｑ軸電流指令値ｉｑ*が入力される。電流制御器１０は、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑがそれぞれｄ軸電流指令値ｉｄ*及びｑ軸電流指令値ｉｑ*に近づくようにｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑを制御する。ｄｑ軸／３相変換器１２は、電流制御器１０からｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑを受けて、交流電動機３００に備わるレゾルバ３０２で検出される交流電動機３００の回転子の回転位置（回転角度）θを基準として３相電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに変換してＰＷＭ発生器１４へ出力する。ＰＷＭ発生器１４は、図２（ａ）に示すように、３相電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗと三角波Ｖｃとを比較することによって、図２（ｂ）に示すような３相電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの振幅に対応するパルス幅を有するスイッチング指令を生成する。スイッチング指令は、スイッチＳＷ５を介して、インバータ２００へ供給される。
過変調制御部１０４は、スイッチＳＷ３及びスイッチＳＷ６がオン状態にある場合に機能する。電流制御器２０には、スイッチＳＷ３を介して、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑが３相／ｄｑ軸変換器２０４から入力される。一方、電流制御器２０には、電流指令算出部１１０において算出されたｄ軸電流指令値ｉｄ*及びｑ軸電流指令値ｉｑ*が入力される。電流制御器２０は、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑがそれぞれｄ軸電流指令値ｉｄ*及びｑ軸電流指令値ｉｑ*に近づくように補償前のｄ軸電圧ｖｄB及びｑ軸電圧指令値ｖｑBを制御する。電圧振幅線形補償部２２は、補償前のｄ軸電圧ｖｄB及びｑ軸電圧指令値ｖｑBを受けて、ｄ軸電圧ｖｄB及びｑ軸電圧指令値ｖｑBの電圧値を線形補償したｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑを出力する。ｄｑ軸／３相変換器２４は、電圧振幅線形補償部２２からｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑを受けて、レゾルバ３０２から入力される回転位置（回転角度）θを基準として３相電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに変換してＰＷＭ発生器２６へ出力する。ＰＷＭ発生器２６は、図３（ａ）に示すように、３相電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗと三角波Ｖｃとを比較することによって、図３（ｂ）に示すような３相電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの振幅に対応するパルス幅を有するスイッチング指令を生成する。ここで、３相電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗが基準となる三角波Ｖｃのピーク値よりも大きくなると、三角波Ｖｃの周期よりも長いパルス幅を有するスイッチング指令が生成される（過変調モード）。スイッチング指令は、スイッチＳＷ６を介して、インバータ２００へ供給される。
矩形波電圧位相制御部１０６は、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ４がオン状態にある場合に機能する。電圧位相演算器３０は、スイッチＳＷ１を介してトルク指令値Ｔ*を電流指令算出部１１０から受けて、トルク偏差ΔＴに応じて電圧位相φｖを生成して出力する。この電圧位相φｖは、交流電動機３００に印加される矩形波の位相である。具体的には、電圧位相演算器３０は、電圧位相φｖを生成する際のパラメータとして、トルク偏差ΔＴと共に、インバータ２００に接続される直流電源の電圧Ｖｄｃや交流電動機３００の角速度ωを用い、それらを所定の演算式に代入して（又は、それと等価な処理を施して）必要な電圧位相φｖを生成する。スイッチング選択器３２は、電圧位相演算器３０から電圧位相φｖを受けて、図４に示すように、インバータ２００の直流電源の電源電圧Ｖｄｃによって定まる電圧振幅｜Ｖ｜を有する矩形波電圧の位相を電圧位相φｖに応じて制御して出力する。矩形波電圧は、スイッチＳＷ４を介して、インバータ２００へ印加される。
インバータ２００は、電圧型インバータ回路を含んで構成される。インバータ２００は、ＰＷＭ電流制御部１０２からスイッチング指令、又は、過変調制御部１０４からスイッチング指令、又は、矩形波電圧位相制御部１０６から矩形波電圧を受けて、３相の疑似正弦波電圧を生成する。その疑似正弦波電圧は交流電動機３００に印加される。
交流電動機３００は、永久磁石同期（ＰＭ）モータを含んで構成される。交流電動機３００は、インバータ２００から３相の疑似正弦波電圧を受けて、回転子を回転させる。
インバータ２００から交流電動機３００への電源供給ライン上には電流センサ２０２が取り付けられており、それらでリアルタイムに検出される各相の電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが３相／ｄｑ軸変換器２０４に入力される。３相／ｄｑ軸変換器２０４は、電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑに変換して出力する。
また、交流電動機３００には、回転子の回転位置（回転角度）θを検出するためのレゾルバ３０２が付設されている。レゾルバ３０２は、交流電動機３００の回転子の回転位置（回転角度）θを検出して、ｄｑ軸／３相変換器１２，２４及び角速度演算器３０４へ出力する。角速度演算器３０４は、レゾルバ３０２から回転位置（回転角度）θを受けて、交流電動機３００の回転子の角速度ωに換算して電流指令算出部１１０及び制御モード判定部１０８へ出力する。
例えば、駆動制御装置１００を車両の駆動系に適用した場合、電流指令算出部１１０には、電子制御装置（ＥＣＵ：図示しない）にてアクセル開度やブレーキ踏み角に応じて生成されたトルク指令値Ｔ*が入力される。電流指令算出部１１０は、トルク指令値Ｔ*及び角速度ωに応じたｄ軸電流指令値ｉｄ*及びｑ軸電流指令値ｉｑ*を生成する。ｄ軸電流指令値ｉｄ*及びｑ軸電流指令値ｉｑ*は、スイッチＳＷ２がオン状態の場合にはＰＷＭ電流制御部１０２の電流制御器１０へ入力され、スイッチＳＷ３がオン状態の場合には過変調制御部１０４の電流制御器２０へ入力される。また、電流指令算出部１１０からは、スイッチＳＷ１がオン状態の場合には、トルク指令値Ｔ*が矩形波電圧位相制御部１０６の電圧位相演算器３０へ入力される。
また、電流指令算出部１１０は、トルク指令値Ｔ*及び角速度ωに応じたｄ軸電流指令値ｉｄ*及びｑ軸電流指令値ｉｑ*の電流振幅絶対値｜Ｉ｜及び電流位相角φｉを算出する。算出された電流指令値の電流振幅絶対値｜Ｉ｜及び電流位相角φｉ並びにトルク指令値Ｔ*は制御モード判定部１０８へ入力される。なお、ｄ軸電流指令値ｉｄ*及びｑ軸電流指令値ｉｑ*の電流振幅絶対値｜Ｉ｜及び電流位相角φｉは数式（１），（２）により算出することができる。
Figure 0004939127
制御モード判定部１０８は、角速度ω、トルク指令値Ｔ*、電流指令値の電流振幅絶対値｜Ｉ｜及び電流位相角φｉ及び電圧位相φｖ（又は、ｄ軸電圧値ｖｄ及びｑ軸電圧値ｖｑ又は補償前のｄ軸電圧値ｖｄB及びｑ軸電圧値ｖｑB）を受けて、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の開閉を制御することによって交流電動機３００の制御モードの切り替えを行う。なお、制御モード判定部１０８は、スイッチＳＷ１及びＳＷ４がオン状態とされて矩形波電圧位相制御部１０６が選択されている場合には電圧位相演算器３０から電圧位相φｖを取得し、スイッチＳＷ２及びＳＷ５がオン状態とされてＰＷＭ電流制御部１０２が選択されている場合には電流制御器１０からｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑを取得し、スイッチＳＷ３及びＳＷ６がオン状態とされて過変調制御部１０４が選択されている場合には電流制御器２０からｄ軸電圧ｖｄB及びｑ軸電圧ｖｑBを取得するための入力信号切替器を内蔵している。
交流電動機３００の制御モードは、交流電動機３００の回転数及びトルクに応じて切り替えられる。すなわち、図５に示すように、交流電動機３００の回転数が低く、出力トルクが大きい状態ではＰＷＭ電流制御モードとし、回転数が上昇し、出力トルクが低下するにつれて過変調制御モード、矩形波電圧位相制御モードへと移行させることが好適である。
本実施の形態では、制御モード判定部１０８は、図６に示すフローチャートに沿って駆動制御装置１００の制御モードの切り替えを行う。制御が開始されると、ステップＳ１０において現在の制御モードが判定される。スイッチＳＷ２及びＳＷ５がオン状態であってＰＷＭ電流制御部１０２が選択されている場合にはステップＳ１２に処理が移行され、スイッチＳＷ３及びＳＷ６がオン状態であって過変調制御部１０４が選択されている場合にはステップＳ１４に処理が移行され、スイッチＳＷ１及びＳＷ４がオン状態であって矩形波電圧位相制御部１０６が選択されている場合にはステップＳ１６に処理が移行される。
ステップＳ１２では、ＰＷＭ発生器１４，２６に印加される三角波電圧Ｖｃのピーク値の絶対値｜ＶｃP｜を基準として必要電圧振幅ＶRの絶対値｜ＶR｜に応じて制御モードの切り替えの判断が行われる。必要電圧振幅ＶRは、数式（３）に基づいて算出することができる。
Figure 0004939127
ここで、電流振幅絶対値｜Ｉ｜は数式（１）により算出することができ、電力Ｐ及び力率φは数式（４），（５）により算出することができる。
Figure 0004939127
ＰＷＭ電流制御部１０２及び過変調制御部１０４において３次高調波成分を含まない正弦波状変調が行われている場合には、制御の閾値電圧｜Ｖ1｜は基準三角波電圧Ｖｃのピーク値の絶対値｜ＶｃP｜に設定される。必要電圧振幅ＶRの絶対値｜ＶR｜が閾値電圧｜Ｖ1｜未満である場合にステップＳ２０に処理が移行されて、スイッチＳＷ２及びＳＷ５がオン状態に維持されると共にスイッチＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ６がオフ状態に維持されることによって交流電動機３００はＰＷＭ電流制御部１０２によって制御され続ける。一方、交流電動機３００の回転数が上昇し、図７の点Ｘに示すように、必要電圧振幅ＶRの絶対値｜ＶR｜が閾値電圧｜Ｖ1｜以上となった場合にはステップＳ２２に処理が移行されて、スイッチＳＷ２及びＳＷ５がオフ状態、スイッチＳＷ３及びＳＷ６がオン状態に切り替えられると共にスイッチＳＷ１及びＳＷ４がオフ状態に維持されることによって、交流電動機３００の制御はＰＷＭ電流制御部１０２から過変調制御部１０４へと移行される。なお、図７において、横軸は回転数を示し、縦軸は電圧振幅を示している。
ステップＳ１４に処理が移行された場合、ＰＷＭ発生器１４，２６に印加される三角波電圧Ｖｃのピーク値の絶対値｜ＶｃP｜を基準として必要電圧振幅ＶRの絶対値｜ＶR｜に応じて制御モードの切り替えの判断が行われる。ここでは、判断の基準となる閾値電圧｜Ｖ2｜は、三角波電圧Ｖｃのピーク値の絶対値｜ＶｃP｜の１．２７倍（π／４倍）に設定される。
必要電圧振幅ＶRの絶対値｜ＶR｜が閾値電圧｜Ｖ2｜未満である場合にステップＳ１８に処理が移行され、閾値電圧｜Ｖ2｜以上である場合にステップＳ２４に処理が移行される。ステップＳ１８では、必要電圧振幅ＶRの絶対値｜ＶR｜が閾値電圧｜Ｖ1−α1｜未満である場合にステップＳ２０に処理が移行され、閾値電圧｜Ｖ1−α1｜以上である場合にステップＳ２２に処理が移行される。ここで、α1は正の値を有するオフセット電圧値であり、交流電動機３００の制御が閾値電圧｜Ｖ1｜を境にＰＷＭ電流制御モードと過変調制御モードとの間でチャタリングを起こさないように、ＰＷＭ電流制御モードから過変調制御モードへの移行時と過変調制御モードからＰＷＭ電流制御モードへの移行時とにおいて閾値電圧を異ならせるために用いられる。例えば、α1は閾値電圧｜Ｖ1｜の１％以上１０％以下に設定することが好適である。
ステップＳ２２に処理が移行された場合、スイッチＳＷ３及びＳＷ６がオン状態に維持されると共にスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ５がオフ状態に維持されることによって交流電動機３００は過変調制御部１０４によって制御され続ける。一方、図７の点Ｙに示すように、必要電圧振幅ＶRの絶対値｜ＶR｜が閾値電圧｜Ｖ2｜以上となりステップＳ２４に処理が移行された場合、スイッチＳＷ３及びＳＷ６がオフ状態、スイッチＳＷ１及びＳＷ４がオン状態に切り替えられると共にスイッチＳＷ２及びＳＷ５がオフ状態に維持されることによって、交流電動機３００の制御は過変調制御部１０４から矩形波電圧位相制御部１０６へと移行される。逆に、必要電圧振幅ＶRの絶対値｜ＶR｜が閾値電圧｜Ｖ1−α1｜未満まで低下してステップＳ２０に処理が移行された場合、スイッチＳＷ３及びＳＷ６がオフ状態、スイッチＳＷ２及びＳＷ５がオン状態に切り替えられると共にスイッチＳＷ１及びＳＷ４がオフ状態に維持されることによって、交流電動機３００の制御は過変調制御部１０４からＰＷＭ電流制御部１０２へと戻される。
ステップＳ１６に処理が移行された場合、必要電圧振幅ＶＲの絶対値｜ＶR｜が閾値電圧｜Ｖ2−α2｜以上である場合にはステップＳ２４に処理が移行され、閾値電圧｜Ｖ2−α2｜未満となった場合にステップＳ２２に処理が移行される。ここで、α2は正の値を有するオフセット電圧値であり、交流電動機３００の制御が閾値電圧｜Ｖ2｜を境に過変調制御モードと矩形波電圧位相制御モードの間でチャタリングを起こさないように、過変調制御モードから矩形波電圧位相制御モードへの移行時と矩形波電圧位相制御モードから過変調制御モードへの移行時とにおいて閾値電圧を異ならせるために用いられる。例えば、α２は閾値電圧｜Ｖ2｜の１％以上１０％以下に設定することが好適である。
ステップＳ２４に処理が移行された場合、スイッチＳＷ１及びＳＷ４がオン状態に維持されると共にスイッチＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ５，ＳＷ６がオフ状態に維持されることによって交流電動機３００は矩形波電圧位相制御部１０６によって制御され続ける。一方、必要電圧振幅ＶRの絶対値｜ＶR｜が閾値電圧｜Ｖ2−α2｜未満まで低下してステップＳ２２に処理が移行された場合、スイッチＳＷ１及びＳＷ４がオフ状態、スイッチＳＷ３及びＳＷ６がオン状態に切り替えられると共にスイッチＳＷ２及びＳＷ５がオフ状態に維持されることによって、交流電動機３００の制御は矩形波電圧位相制御部１０６から過変調制御部１０４へと戻される。
以上のように、必要電圧振幅ＶRを用いて交流電動機３００の制御モードの切り替え処理を行うことによって、図８に示すように、矩形波電圧位相制御部１０６による制御状態（図７及び図８の点Ｚ）から過変調制御部１０４による制御状態（図７及び図８の点Ｘと点Ｙとの間）への制御の切り替えの遅れを生ずることがなくなる。そうすると、交流電動機３００へ供給される電流の電流位相が最低電流位相からずれる幅が狭くなり、ハンチング（振動）を抑制することができる。その結果、交流電動機３００の駆動制御を安定化させることができる。
なお、ＰＷＭ電流制御部１０２及び過変調制御部１０４において３次高調波成分を含む変調が行われている場合には、制御の閾値電圧｜Ｖ1｜は基準三角波電圧Ｖｃのピーク値の絶対値｜ＶｃP｜の１．１５倍に設定することが好適である。この場合、図６のフローチャートに沿った交流電動機３００の駆動制御モードの切り替えは、図９に示すようなものとなる。なお、図７において、横軸は回転数を示し、縦軸は電圧振幅を示している。
なお、本実施の形態では、ＰＷＭ電流制御部１０２から過変調制御部１０４、過変調制御部１０４から矩形波電圧位相制御部１０６、矩形波電圧位相制御部１０６から過変調制御部１０４、及び、過変調制御部１０４からＰＷＭ電流制御部１０２への制御モードの切り替えの総てを必要電圧振幅ＶRを用いて行うものとしたがこれに限定されるものではない。少なくとも、矩形波電圧位相制御部１０６から過変調制御部１０４への制御の切り替えの際に必要電圧振幅ＶRを用いて切り替えの判断を行うものとすればよい。
＜変形例＞
上記実施の形態では、制御モード判定部１０８は電流指令算出部１１０からトルク指令値Ｔ*を受けて、トルク指令値Ｔ*に応じて電力Ｐを算出するものとした。本変形例では、トルク指令値Ｔ*を用いずに制御を行うことができる交流電動機の駆動制御装置１０１について説明する。
駆動制御装置１０１は、ＰＷＭ電流制御部１０２、過変調制御部１０４、矩形波電圧位相制御部１０６、制御モード判定部１０９及び電流指令算出部１１１を含んで構成される。駆動制御装置１０１は、上記実施の形態と同様に、インバータ２００を介して、交流電動機３００に接続され、ＰＷＭ電流制御部１０２、過変調制御部１０４及び矩形波電圧位相制御部１０６のうちいずれか１つからインバータ２００へ３相電力を供給することによって交流電動機３００の駆動を制御する。本変形例は、上記駆動制御装置１００における制御モード判定部１０８及び電流指令算出部１１０をそれぞれ制御モード判定部１０９及び電流指令算出部１１１に置き換えた構成を有する。そこで、駆動制御装置１０１の構成部のうち駆動制御装置１００と同じものについて同一の符号を付して説明を省略する。
電流指令算出部１１１は、電流指令算出部１１０とほぼ同様の機能を有するが、外部から入力されるトルク指令値Ｔ*を制御モード判定部１０９へ出力しない点で相違する。
制御モード判定部１０９は、電流指令算出部１１１からトルク指令値Ｔ*を受けない。代わりに、制御モード判定部１０９は、ＰＷＭ電流制御部１０２の電流制御器１０からｄ軸電圧値ｖｄ及びｑ軸電圧値ｖｑ、過変調制御部１０４の電流制御器２０から補正前のｄ軸電圧値ｖｄB及びｑ軸電圧値ｖｑB、３相／ｄｑ軸変換器２０４からｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑ、及び、矩形波電圧位相制御部１０６の電圧位相演算器３０からの電力Ｐを受けて、これらの値から電力Ｐを求める。
交流電動機３００の制御がＰＷＭ電流制御部１０２によって行われている場合、制御モード判定部１０９は、ＰＷＭ電流制御部１０２の電流制御器１０からｄ軸電圧値ｖｄ及びｑ軸電圧値ｖｑ、並びに、３相／ｄｑ軸変換器２０４からｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑを取得して、数式（６）に基づいて電力Ｐを算出する。
Figure 0004939127
交流電動機３００の制御が過変調制御部１０４によって行われている場合、制御モード判定部１０９は、過変調制御部１０４の電流制御器２０から補正前のｄ軸電圧値ｖｄB及びｑ軸電圧値ｖｑB、並びに、３相／ｄｑ軸変換器２０４からｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑを取得して、数式（７）に基づいて電力Ｐを算出する。
Figure 0004939127
交流電動機３００の制御が矩形波電圧位相制御部１０６によって行われている場合、制御モード判定部１０９は、矩形波電圧位相制御部１０６の電圧位相演算器３０から電力Ｐを直接受けて、その値を制御に用いる。
電力Ｐが算出されると、制御モード判定部１０９は、数式（３）を用いて必要電圧振幅ＶRを算出し、上記実施の形態と同様に交流電動機３００の駆動制御モードの切り替え処理を行う。
なお、本変形例ではｄ軸電圧ｖｄ（ｖｄB）、ｑ軸電圧ｖｑ（ｖｑB）、ｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑを用いて電力Ｐを算出するものとしたが、３相電圧ｖｕ（Ｕ相電圧），ｖｖ（Ｖ相電圧），ｖｗ（Ｗ相電圧）及び３相電流ｉｕ（Ｕ相電流），ｉｖ（Ｖ相電流），ｉｗ（Ｗ相電流）を用いて数式（８）により電力Ｐを算出することもできる。
Figure 0004939127
また、上記実施の形態及び本変形例では、より正確に電力Ｐを算出するために交流電動機３００等における電力の損失を補正してもよい。例えば、交流電動機３００に接続される負荷に応じた損失を予め計測しておき、負荷と損失のマップを制御モード判定部１０８（１０９）に登録しておくことによって、負荷に応じた損失分を考慮してより正確な電力Ｐを求めることができる。
本発明の実施の形態における交流電動機の駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態におけるＰＷＭ電流制御部での変調処理を説明するための図である。 本発明の実施の形態における過変調制御部での変調処理を説明するための図である。 本発明の実施の形態における矩形波電圧位相制御部から出力される矩形波電圧を示す図である。 本発明の実施の形態における交流電動機の回転数及びトルクと駆動制御の制御モードとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態における交流電動機の駆動制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態における交流電動機の回転数及び電圧振幅と駆動制御モードとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態におけるｄ軸電流値とｑ軸電流値の変化を示すリサージュ図である。 本発明の実施の形態における交流電動機の回転数及び電圧振幅と駆動制御モードとの関係を示す図である。 本発明の変形例における交流電動機の駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 従来の交流電動機の駆動制御方法におけるｄ軸電流値とｑ軸電流値の変化を示すリサージュ図である。
符号の説明
１０ 電流制御器、１２ ｄｑ軸／３相変換器、１４ ＰＷＭ発生器、２０ 電流制御器、２２ 電圧振幅線形補償部、２４ ｄｑ軸／３相変換器、２６ ＰＷＭ発生器、３０ 電圧位相演算器、３２ スイッチング選択器、１００，１０１ 駆動制御装置、１０２ ＰＷＭ電流制御部、１０４ 変調制御部、１０６ 矩形波電圧位相制御部、１０８，１０９ 制御モード判定部、１１０，１１１ 電流指令算出部、２００ インバータ、２０２ 電流センサ、２０４ ３相／ｄｑ軸変換器、３００ 交流電動機、３０２ レゾルバ、３０４ 角速度演算器。

Claims (11)

  1. 同期交流電動機と、インバータと、
    トルク指令に応じた所定電圧振幅及び所定位相であり、前記電圧振幅が基準三角波のピーク値を超えるＰＷＭ（パルス幅変調）電圧を、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加する過変調制御手段と、
    トルク指令に応じた出力電圧基本波の半周期に１つのパルスを出力する矩形波電圧の位相を制御して、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加する矩形波電圧位相制御手段と、
    前記同期交流電動機に実際に印加される電圧の振幅を算出する電圧振幅演算部と、
    外部から前記同期交流電動機に対して要求される出力に応じた必要電圧振幅を算出する必要電圧振幅演算部と、
    前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍より小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記矩形波電圧位相制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行う制御モード判定部と、
    を備えることを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
  2. 請求項１に記載の駆動制御装置であって、
    トルク指令に応じた所定電圧振幅及び所定位相のＰＷＭ（パルス幅変調）電圧を、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加するＰＷＭ電流制御手段をさらに備え、
    前記制御モード判定部は、前記同期交流電動機に印加される電圧に３次高調波が含まれる場合には、
    前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記ＰＷＭ電流制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行い、
    前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記矩形波電圧位相制御手段に切り替える判定を行い、
    前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍より小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことを特徴とする駆動制御装置。
  3. 請求項１に記載の駆動制御装置であって、
    トルク指令に応じた所定電圧振幅及び所定位相のＰＷＭ（パルス幅変調）電圧を、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加するＰＷＭ電流制御手段をさらに備え、
    前記制御モード判定部は、前記同期交流電動機に印加される電圧に３次高調波が含まれていない場合には、
    前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記ＰＷＭ電流制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行い、
    前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記矩形波電圧位相制御手段に切り替える判定を行い、
    前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値より小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことを特徴とする駆動制御装置。
  4. 請求項１に記載の駆動制御装置であって、
    トルク指令に応じた所定電圧振幅及び所定位相のＰＷＭ（パルス幅変調）電圧を、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加するＰＷＭ電流制御手段をさらに備え、
    前記制御モード判定部は、前記同期交流電動機に印加される電圧に３次高調波が含まれる場合には、
    前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記ＰＷＭ電流制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行い、
    前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記矩形波電圧位相制御手段に切り替える判定を行い、
    前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍より小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことを特徴とする駆動制御装置。
  5. 請求項１に記載の駆動制御装置であって、
    トルク指令に応じた所定電圧振幅及び所定位相のＰＷＭ（パルス幅変調）電圧を、前記インバータを介して前記同期交流電動機に印加するＰＷＭ電流制御手段をさらに備え、
    前記制御モード判定部は、前記同期交流電動機に印加される電圧に３次高調波が含まれていない場合には、
    前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記ＰＷＭ電流制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行い、
    前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍以上となった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記矩形波電圧位相制御手段に切り替える判定を行い、
    前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値より小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことを特徴とする駆動制御装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の駆動制御装置であって、
    前記制御モード判定部は、前記同期交流電動機が必要とする必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．２７倍よりオフセット値α2だけ小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記矩形波電圧位相制御手段から前記過変調制御手段に切り替える判定を行うことを特徴とする駆動制御装置。
  7. 請求項２に記載の駆動制御装置であって、
    前記制御モード判定部は、前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍よりオフセット値α1だけ小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことを特徴とする駆動制御装置。
  8. 請求項３に記載の駆動制御装置であって、
    前記制御モード判定部は、前記電圧振幅演算部で算出された電圧の振幅が前記基準三角波のピーク値よりオフセット値α1だけ小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことを特徴とする駆動制御装置。
  9. 請求項４に記載の駆動制御装置であって、
    前記制御モード判定部は、前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値の１．１５倍よりオフセット値α1だけ小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことを特徴とする駆動制御装置。
  10. 請求項５に記載の駆動制御装置であって、
    前記制御モード判定部は、前記必要電圧振幅が前記基準三角波のピーク値よりオフセット値α1だけ小さくなった場合に前記同期交流電動機へ電圧を印加する手段を前記過変調制御手段から前記ＰＷＭ電流制御手段に切り替える判定を行うことを特徴とする駆動制御装置。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の駆動制御装置であって、
    前記必要電圧振幅演算部は、前記同期交流電動機へ供給される電力Ｐ／（前記同期交流電動機へ供給される電流振幅×前記同期交流電動機へ供給される電力の力率）により前記必要電圧振幅を算出することを特徴とする駆動制御装置。
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