JP6376049B2 - 回転機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器の複数のスイッチング素子を操作し回転機の通電を制御する制御装置に関する。

近年、電圧型ＰＷＭインバータ等を用いて回転機に交流電圧を印加する制御装置では、スイッチング周波数が高周波化され、回転機に生じるサージ電圧が増大する傾向にある。そのため、回転機の巻線間の絶縁性を適切に確保することが必要となる。
例えば特許文献１には、部分放電の発生電圧を上げるために、導体と被膜との間にエナメル焼き付け層を挟んで絶縁層を厚膜化した絶縁ワイヤが開示されている。
また特許文献２に開示されたインバータ装置は、ゲート抵抗を２段階に切り替えることにより、スイッチング動作時の出力電圧の立ち上がり速度を調整可能である。第１の抵抗器選択時のサージ電圧波形と、第２の抵抗器選択時のサージ電圧波形とが互いに打ち消し合って、回転機へのサージ電圧を低減する。

特開２０１３−０４１７００号公報 特開２０１０−２０６８８９号公報

特許文献１のように巻線の絶縁層を厚膜化すると、回転機の体格が大きくなる。また、導体の占積率が低下し、回転機の性能が低下するという問題がある。
特許文献２のようにスイッチング速度を低下させるとスイッチング損失が増大するという問題がある。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、回転機の巻線間の部分放電を抑制しつつ、電力変換器のスイッチング損失を低減する回転機の制御装置を提供することにある。

本発明の回転機の制御装置は、複数のスイッチング素子を含む電力変換器により直流電圧を交流電圧に変換し、回転機の複数相の巻線に印加する回転機駆動システムに用いられ、複数のスイッチング素子を操作し回転機の通電を制御する。
この回転機の制御装置は、ゲート指令演算部、及びゲート駆動回路を備える。

ゲート指令演算部は、回転機に対する電圧指令に基づいて、複数のスイッチング素子に対するゲート指令を演算する。ゲート駆動回路は、ゲート指令に基づいて生成したゲート信号を複数のスイッチング素子に出力し、且つ、複数のスイッチング素子が動作するスイッチング速度を可変制御可能である。
回転機に印加される電圧ベクトルが零ベクトル状態に移行するタイミングを「零ベクトル移行タイミング」とすると、ゲート駆動回路は、零ベクトル移行タイミングであることを通知する「零ベクトル信号」を受信したとき、複数のスイッチング素子のスイッチング速度を増加させることを特徴とする。

スイッチング動作に伴うサージ電圧発生時における巻線間の線間電圧に着目すると、零ベクトル状態では各相の目標電圧は同電位となる。したがって、線間電圧は、サージ電圧によって目標電圧から超過した電圧のみとなり、他のベクトル状態に比べて最小となる。そのため、零ベクトル移行タイミングでは、サージ電圧がある程度発生しても、部分放電の発生を回避可能である。

そこで、本発明の回転機の制御装置では、ゲート駆動回路が零ベクトル信号を受信したとき、複数のスイッチング素子のスイッチング速度を増加させる。一方、零ベクトル移行タイミング以外では、原則として、巻線間の部分放電を抑制可能な程度にスイッチング速度を低下させる。
これにより、サージ電圧発生時の線間電圧が相対的に小さく、巻線間の絶縁性の確保に有利となる零ベクトル状態においてスイッチング損失を低減することができる。よって、回転機の巻線間の部分放電を抑制しつつ、電力変換器のスイッチング損失を効果的に低減することができる。

例えば、ゲート指令演算部が電圧指令とキャリア信号との比較によるＰＷＭ制御によりゲート指令を演算する形態では、制御装置は、「ゲート指令に基づき零ベクトル移行タイミングを判定し、零ベクトル信号をゲート駆動回路に送信する零ベクトル判定回路」をさらに備えることが好ましい。
零ベクトル判定回路は、通電中の都度のゲート指令に基づく絶対判定に加え、絶対判定の後、同一の変調方式で継続して回転機へ通電されているとき、相対判定を実行するようにしてもよい。この相対判定では、前回の零ベクトル移行タイミングからのスイッチング回数をカウントし、今回の零ベクトル移行タイミングを判定する。

本発明の第１〜第４実施形態による回転機の制御装置（ＰＷＭ制御）が適用されるシステムの概略構成図。 巻線間のサージ電圧を説明する図。 ＰＷＭ制御による零ベクトル信号を示すタイムチャート。 （ａ）ゲート信号を説明するタイムチャート、（ｂ）零ベクトル判定回路（ロジック）で用いる真理値表。 本発明の第１実施形態による回転機の制御装置の制御ブロック図。 本発明の第２実施形態による回転機の制御装置の制御ブロック図。 本発明の第３実施形態による回転機の制御装置の制御ブロック図。 （ａ）３相変調、（ｂ）２相変調での零ベクトル移行タイミングを示すタイムチャート。 第３実施形態の零ベクトル判定回路（パルスカウンタ）の動作を説明するタイムチャート。 本発明の第４実施形態による回転機の制御装置の制御ブロック図。 本発明の第５実施形態による回転機の制御装置（空間ベクトル変調）が適用されるシステムの概略構成図。 空間ベクトル変調の（ａ）空間ベクトル図、（ｂ）任意空間ベクトルの成分分解図。

以下、本発明の実施形態による回転機の制御装置を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
この回転機の制御装置は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車の主機モータの制御装置として適用される。以下の実施形態の説明では、特許請求の範囲の「回転機」に相当する部分を「モータ」と記す。また、「本実施形態」とは、第１〜第５実施形態を包括していう。

最初に、第１〜第４実施形態による回転機の制御装置が適用されるモータ駆動システム９０の全体構成を図１に示す。モータ駆動システム９０は、バッテリ（直流電源）５０、「電力変換器」としてのインバータ６０、及び、交流電力によって駆動されるモータ８０等を備える。
モータ８０は、例えば永久磁石式同期型の三相交流電動機であり、典型的には力行及び回生動作可能なモータジェネレータである。モータ８０のステータには、Ｕ相巻線８１、Ｖ相巻線８２、Ｗ相巻線８３が巻回されている。ここで、Ｕ相−Ｖ相間、Ｖ相−Ｗ相間の線間電圧をＶｕ−ｖ、Ｖｖ−ｗと記す。なお、Ｕ相−Ｗ相間の線間電圧Ｖｕ−ｗは、Ｖｕ−ｖとＶｖ−ｗとの和から求められる。

インバータ６０にはバッテリ５０から直流電圧が入力される。インバータ６０は、上下アームの複数のスイッチング素子６１〜６６がブリッジ接続されている。詳しくは、スイッチング素子６１、６２、６３は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アームのスイッチング素子であり、スイッチング素子６４、６５、６６は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アームのスイッチング素子である。スイッチング素子６１〜６６として、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が用いられる。
インバータ６０は、スイッチング素子６１〜６６のスイッチング動作により直流電圧を交流電圧に変換し、モータ８０の各相巻線８１、８２、８３に印加する。また、インバータ６０の入力部には、平滑コンデンサ５５が接続されている。

図１中、モータ制御装置の符号１０１〜１０４は、それぞれ、後述する第１〜第４実施形態に対応する。モータ制御装置１０１〜１０４は、マイコン等により構成され、内部にはいずれも図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらを接続するバスライン等を備えている。モータ制御装置１０１〜１０４は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理による制御を実行する。

モータ制御装置１０１〜１０４は、三相交流インバータ６０のスイッチング素子６１〜６６を操作してモータ８０の通電を制御する。特に第１〜第４実施形態のモータ制御装置１０１〜１０４は、ＰＷＭ制御によりゲート信号を生成し、スイッチング素子６１〜６６のゲート（ベース端子）に出力する。
モータ制御装置１０１〜１０４は、一般的なモータ制御の構成として、電圧指令演算器１１、キャリア生成器１２、ゲート指令演算部（変調器）２１、及びゲート駆動回路４０を備えている。また、特徴的な構成として零ベクトル判定回路３１、３３を備えている。

電圧指令演算器１１は、トルク指令や、モータ８０の現在挙動を示す情報に基づいて、モータ８０に対する電圧指令を演算する。この演算は、電流又はトルクのフィードバック制御によるものでもよく、フィードフォワード制御によるものでもよい。或いは、位置センサレス制御でもよい。図１では、電圧指令演算器１１への入力信号を記載しない。
キャリア生成器１２は、ＰＷＭ制御に用いるキャリア信号を生成する。
ゲート指令演算部（変調器）２１は、電圧指令とキャリア信号とを比較し、ゲート指令を演算する。また、変調率又は電圧利用率に応じて、３相変調と２相変調（上べた２相変調、下べた２相変調）との変調方式を切り替える。

ゲート駆動回路４０は、ゲート指令に基づいて、ゲート信号ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬを生成し、各スイッチング素子６１〜６６に出力する。また、本実施形態のゲート駆動回路４０は、スイッチング素子６１〜６６がＯＮ／ＯＦＦ動作するスイッチング速度を可変制御可能である。
一般的なＰＷＭ制御の構成については周知技術であるため、詳細な説明を省略する。また、零ベクトル判定回路３１、３３については、本発明の課題を説明した後で説明する。

ところで、インバータ６０のスイッチング動作時には、急激な電流変化により、一般に電流微分値に比例するサージ電圧が発生する。特にスイッチング周波数が高周波化されると、モータ８０の各相巻線８１、８２、８３に印加されるサージ電圧が増大する傾向にある。そのため、各相巻線８１、８２、８３の線間での部分放電による短絡を防止し、絶縁性を適切に確保することが重要である。

そこで、特許文献１（特開２０１３−０４１７００号公報）には、巻線の絶縁層を厚膜化する技術が開示されている。しかし、巻線の絶縁層を厚膜化するとモータ８０の体格が大きくなる。また、導体の占積率が低下し、モータ８０の性能が低下するという問題がある。
また、特許文献２（特開２０１０−２０６８８９号公報）に開示されたように、スイッチング速度を低下させてサージ電圧を低減する方法がある。しかし、その背反として損失が増大するという問題がある。したがって、巻線間の部分放電を抑制するための必要最小限の範囲でスイッチング速度を低下させ、巻線間の絶縁性に問題の無い領域では、できるだけスイッチング速度を増加させて損失を低減することが求められる。

この課題に対する本発明の着眼点について、図２を参照して説明する。
図２は、ある相のスイッチング素子を時刻ｔｓｗでスイッチング動作した時の相電圧の時間変化を示す。スイッチング直後に急激なサージ電圧が現れ、その後、減衰しながら、目標電圧Ｖに収束する。ピーク電圧と目標電圧Ｖとの差を超過電圧ΔＶと表す。
ここで、例えばＵ相−Ｖ相間の線間電圧Ｖｕ−ｖに注目する。すると、Ｕ相の目標電圧ＶｕとＶ相の目標電圧Ｖｖとに差がある場合、二相の目標電圧の差（｜Ｖｕ−Ｖｖ｜）に超過電圧ΔＶを加算した電圧が線間電圧となる。一方、各相の目標電圧が全て同電位である「零ベクトル状態」では、線間電圧は超過電圧ΔＶのみとなり、他のベクトル状態に比べて最小となる。そのため、零ベクトル移行タイミングでは、サージ電圧がある程度発生しても、部分放電の発生を回避可能である。

本発明はこの点に着目し、零ベクトル状態に移行するタイミング（以下、「零ベクトル移行タイミング」）において、複数のスイッチング素子６１〜６６のスイッチング速度を増加させることを特徴とする。一方、零ベクトル移行タイミング以外では、原則として、巻線間の部分放電を抑制可能な程度にスイッチング速度を低下させる。
ただし、零ベクトル移行タイミング以外であっても、巻線間の絶縁性確保に有利な条件が他に存在する場合には、スイッチング速度を増加させるようにしてもよい。それについては、「その他の実施形態」で後述する。

次に、ＰＷＭ制御における零ベクトル状態について、図３、図４を参照して説明する。
図３に示すように、ＰＷＭ制御では、各相電圧指令とキャリア（例えば三角波）との大小関係に応じて、パルス信号のゲート指令が生成される。電圧指令がキャリアを上回ったとき、ゲート指令のパルスがハイレベルに立ち上がり、電圧指令がキャリアを下回ったとき、ゲート指令のパルスがローレベルに立ち下がる。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の全てのゲート指令がハイレベル又はローレベルのとき、零ベクトル状態となる。そして、零ベクトル移行タイミングであることを通知する「零ベクトル信号」が生成される。

図４（ａ）は、ゲート指令に基づいて生成されるゲート信号と、上下アームのスイッチング素子６１〜６６のＯＮ／ＯＦＦとの関係を示す。ゲート信号がＨ（ハイレベル）とは、その相の上アームのスイッチング素子をＯＮし、下アームのスイッチング素子をＯＦＦすることを意味する。ゲート信号がＬ（ローレベル）とは、その相の上アームのスイッチング素子をＯＦＦし、下アームのスイッチング素子をＯＮすることを意味する。このように、各相の上アームのスイッチング素子６１、６２、６３と下アームのスイッチング素子６４、６５、６６とは、相補的にＯＮ／ＯＦＦするように指令される。
厳密に言うと、上下アームの一方のスイッチング素子のＯＦＦタイミングと他方のスイッチング素子のＯＮタイミングとの間にはデッドタイムＤＴが設けられる。ただし、本明細書では、以下、デッドタイムに関する言及を省略する。

図４（ｂ）は、各相ゲート指令のＨ／Ｌの状態から零ベクトル状態を判定し、零ベクトル信号を生成する真理値表を示す。三相モータ８０に印加される電圧ベクトルは、８パターンのベクトル状態を取る。そのうち、全相のゲート指令がＬの状態が零ベクトル状態Ｚ０に相当し、零ベクトル信号をＨとする。また、全相のゲート指令がＨの状態が零ベクトル状態Ｚ７に相当し、零ベクトル信号をＨとする。その他６パターンの有効電圧ベクトル状態では、零ベクトル信号をＬとする。

次に、モータ制御装置１０１〜１０４の構成の説明に戻り、零ベクトル判定回路３１、３３について説明する。零ベクトル判定回路３１、３３は、ゲート指令演算部２１が演算したゲート指令に基づいて零ベクトル移行タイミングを判定し、零ベクトル信号をゲート駆動回路４０に送信する。零ベクトル信号を受信したゲート駆動回路４０は、スイッチング速度を増加させる。ここで、零ベクトル信号は、ゲート指令から、実際にスイッチング動作が行われるまでの間に、例えばｎｓｅｃオーダーで生成され、通信される。
図１中、零ベクトル判定回路３１は、第１、第２実施形態に用いられるロジック回路であり、零ベクトル判定回路３３は、第３、第４実施形態に用いられるパルスカウンタである。以下、実施形態毎に詳しく説明する。

（第１、第２実施形態）
第１及び第２実施形態による回転機の制御装置について、図５、図６を参照して説明する。図５に示す第１実施形態のモータ制御装置１０１、及び、図６に示す第２実施形態のモータ制御装置１０２は、いずれも、ロジック回路で構成される零ベクトル判定回路３１が、図４（ｂ）の真理値表を用いて零ベクトル移行タイミングを判定する。
なお、図５、図６、及び、第３、第４実施形態の図７、図１０において、電圧指令演算器１１及びキャリア生成器１２（図１参照）の図示を省略する。
零ベクトル判定回路３１による零ベクトル判定は、モータ８０の起動時や変調方式の切替え時を含め、通電中の都度、指令されるゲート指令に基づいて、常に同じロジックで実行される。以下、この方法による零ベクトル判定を「絶対判定」という。

第１実施形態及び第２実施形態は、ゲート駆動回路４０が零ベクトル移行タイミングにスイッチング速度を変更するための構成が異なる。ゲート駆動回路の符号について、第１実施形態のゲート駆動回路の符号を「４０１」、第２実施形態のゲート駆動回路の符号を「４０２」とする。
図５、図６では、インバータ６０を省略し、１つのスイッチング素子６１〜６６のみを図示する。また、ゲート駆動回路４０１、４０２の構成として、各スイッチング素子６１〜６６に対応する６式のうち、１式の構成を示す。実際には、零ベクトル移行タイミングにおいて相補的にＯＮ／ＯＦＦする同相の上下アームのスイッチング素子に対し、一方のＯＦＦ速度と、他方のＯＮ速度とを同調して変更することが好ましい。

図５に示すゲート駆動回路４０１は、ドライバ４１、切替スイッチ４３、抵抗器ＲＧ１及びＲＧ２を含む。ここで「ＲＧ１、ＲＧ２」は、抵抗器の符号と抵抗器の抵抗値とを兼ねるものとする。
ドライバ４１にはゲート指令演算部２１からゲート指令が入力される。抵抗器ＲＧ１及びＲＧ２は、ドライバ４１とスイッチング素子６１〜６６のゲート（ベース端子）とを結ぶゲート信号経路に直列に接続されている。切替スイッチ４３は、抵抗器ＲＧ１と並列に常開（ＯＦＦ）状態で接続されており、零ベクトル判定回路３１から零ベクトル信号が入力されたとき閉（ＯＮ）動作する。

零ベクトル状態以外のとき切替スイッチ４３はＯＦＦであるため、破線矢印のように抵抗値ＲＧ１とＲＧ２との合計がゲート信号経路の抵抗、すなわちゲート抵抗ＲＧとなる。一方、零ベクトル状態に移行したとき、切替スイッチ４３がＯＮするため、実線矢印のように抵抗値ＲＧ２がゲート抵抗ＲＧとなる。
したがって、零ベクトル状態に移行したときゲート抵抗ＲＧが小さくなるため、スイッチング速度は速くなる。このように、ゲート駆動回路４０１は、零ベクトル移行タイミングにてゲート抵抗ＲＧを切り替えることにより、スイッチング速度を変更可能である。

図６に示すゲート駆動回路４０２は、ドライバ４２、切替スイッチ４４、絶縁電源４６、抵抗器Ｒ１及びＲ２を含む。ここで「Ｒ１、Ｒ２」は、抵抗器の符号と抵抗器の抵抗値とを兼ねるものとする。
ドライバ４２にはゲート指令演算部２１からゲート指令が入力される。ドライバ４２の出力端は、スイッチング素子６１〜６６のゲート（ベース端子）に接続されている。直列接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２は、絶縁電源４６の電圧Ｖ０を分圧する。分圧された電圧は、ドライバ４２が出力するゲート電圧ＶＧに対応する。切替スイッチ４４は、抵抗器Ｒ１と並列に常開（ＯＦＦ）状態で接続されており、零ベクトル判定回路３１から零ベクトル信号が入力されたとき閉（ＯＮ）動作する。

零ベクトル状態以外のとき切替スイッチ４４はＯＦＦであるため、ゲート電圧ＶＧは、絶縁電源４６の電圧Ｖ０を分圧した「Ｖ０×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）」に対応する。一方、零ベクトル状態に移行したとき、切替スイッチ４４がＯＮするため、ゲート電圧ＶＧは、絶縁電源４６の電圧Ｖ０に対応する。
したがって、零ベクトル状態に移行したときゲート電圧ＶＧが大きくなるため、スイッチング速度は速くなる。このように、ゲート駆動回路４０２は、零ベクトル移行タイミングにてゲート電圧ＶＧを切り替えることにより、スイッチング速度を変更可能である。

以上のように、第１、第２実施形態のモータ制御装置１０１、１０２では、ゲート駆動回路４０が零ベクトル信号を受信したとき、スイッチング素子６１〜６６のスイッチング速度を増加させる。一方、零ベクトル移行タイミング以外では、原則として、巻線間の部分放電を抑制可能な程度にスイッチング速度を低下させる。
これにより、サージ電圧発生時の線間電圧が相対的に小さく、巻線間の絶縁性の確保に有利となる零ベクトル状態においてスイッチング損失を低減することができる。よって、モータ８０の巻線間の部分放電を抑制しつつ、インバータ６０のスイッチング損失を効果的に低減することができる。

また、第１、第２実施形態の零ベクトル判定回路３１は、通電中の都度、ゲート指令演算部２１から取得したゲート信号に基づいて、常に同じロジックで、零ベクトルの「絶対判定」を実施する。これにより、制御構成を単純にすることができる。
さらに、零ベクトル移行タイミングにてゲート駆動回路４０１ではゲート抵抗を切り替えることにより、また、ゲート駆動回路４０２ではゲート電圧を切り替えることにより、スイッチング速度を適切に変更することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による回転機の制御装置について、図７〜図９を参照して説明する。
第３実施形態及び第４実施形態は、上記の第１又は第２実施形態による絶対判定と組み合わせて用いられる。また、以下の実施形態では、ゲート駆動回路４０として、上述したゲート抵抗の切替え、ゲート電圧の切替え（図５、図６参照）等、いずれの構成を採用してもよい。

図７に示すように、第３実施形態のモータ制御装置１０３は、パルスカウンタの機能を有する零ベクトル判定回路３３を備えている。零ベクトル判定回路３３は、第１、第２実施形態等によって零ベクトル移行タイミングが絶対判定された後、前回の零ベクトル移行タイミングからのスイッチングの回数をカウントし、今回の零ベクトル移行タイミングを判定する。この零ベクトル判定回路３３による判定を、絶対判定に対して「相対判定」という。ここで、相対判定を実行するためには、同一の変調方式で継続してモータ８０へ通電されていることが前提となる。

まず、図８（ａ）に示すように、３相変調で、電圧指令がＵ相＞Ｖ相＞Ｗ相の順に大きい場合を想定する。各相のゲート信号は、電圧指令がキャリア信号を上回るタイミングで立ち上がり、電圧指令がキャリア信号を下回るタイミングで立ち下がる。
例えば、Ｕ相ゲート信号の立ち上がりからパルスエッジのカウントを始めると、３回目にＷ相ゲート信号が立ち上がるタイミングで全相がハイレベルとなり、零ベクトル状態Ｚ７に移行する。また、６回目にＵ相ゲート信号が立ち下がるタイミングで全相がローレベルとなり、零ベクトル状態Ｚ０に移行する。

そこで、図９に示すように、零ベクトル判定回路３３は、パルスエッジのタイミングでパルスカウンタを１ずつ増加させる。つまり、Ｕ相立ち上がりの時刻ｔ１に０から１に増加させ、Ｖ相立ち上がりの時刻ｔ２に１から２に増加させる。そして、Ｗ相立ち上がりの時刻ｔ３にカウンタを２から０にリセットすると同時に、零ベクトル信号を出力する。
また、Ｗ相立ち下がりの時刻ｔ４に０から１に増加させ、Ｖ相立ち下がりの時刻ｔ５に１から２に増加させる。そして、Ｕ相立ち下がりの時刻ｔ６にカウンタを２から０にリセットすると同時に、零ベクトル信号を出力する。要するに、３相変調の場合、ゲート信号のパルスエッジの３回目毎に零ベクトル信号を出力する。

一方、２相変調の場合、いずれか一相が常時ハイレベルもしくはローレベルとなる。図８（ｂ）ではＵ相が常時ハイレベルであるため、全相がローレベルとなる零ベクトル状態Ｚ０は存在しない。そして、パルスエッジの４回に１回、全相がハイレベルとなる零ベクトル状態Ｚ７に移行する。したがって、零ベクトル判定回路３３は、ゲート信号のパルスエッジの４回目毎に零ベクトル信号を出力する。
このように、モータ制御装置１０３は、ゲート指令演算部２１が採用する変調方式に応じて、相対判定においてカウントするスイッチングの回数を変更する。

零ベクトル信号を受信したゲート駆動回路４０は、第１、第２実施形態と同様に、スイッチング速度を増加させる。このように、第３実施形態では、絶対判定の後、同一の変調方式で継続してモータ８０へ通電されているとき、相対判定によって、スイッチング速度を増加させるタイミングを決定する。ロジック回路よりもパルスカウンタの方が演算時間が短い場合、絶対判定が必要となる起動時又は変調方式の変更時以外には相対判定を実行することにより、常に絶対判定を行う形態に比べ、処理時間を短縮することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態による回転機の制御装置について、図１０を参照して説明する。第４実施形態のモータ制御装置１０４は、第３実施形態に対し、さらに故障判定回路３４、及び、零ベクトル判定回路（ロジック）３５、３６を備える。
零ベクトル判定回路３５、３６は、それぞれ、ゲート駆動回路４０が出力する上アーム及び下アームのゲート信号に基づき、零ベクトル移行タイミングを判定する。

故障判定回路３４は、零ベクトル判定回路３３による零ベクトル信号と、零ベクトル判定回路３５、３６による零ベクトル信号とを取得する。そして、それらの零ベクトル信号が不一致のとき、零ベクトル判定回路３３又はゲート駆動回路４０が故障していると判定し、ゲート指令演算部２１に故障信号を出力する。ゲート指令演算部２１は、故障信号を受信すると、ゲート指令の出力を中止する。

例えば、零ベクトル判定回路３５、３６が判定した上下アームのゲート信号に基づく零ベクトル信号が互いに不一致であり、その一方が零ベクトル判定回路３３による零ベクトル信号と一致している場合、ゲート駆動回路４０における上下アームのいずれかの回路が故障していると推定される。
このように第４実施形態では、フェールセーフの思想に基づき、回路が故障したとき、早期にゲート指令の出力を中止し、モータ８０の駆動を停止することができる。

（第５実施形態）
第５実施形態による回転機の制御装置について、図１１、図１２を参照して説明する。上記第１〜第４実施形態のモータ制御装置１０１〜１０４がＰＷＭ制御によりゲート信号を生成するのに対し、図１１に示す第５実施形態のモータ制御装置１０５のゲート指令演算部（変調器）２５は、「空間ベクトル変調」によりゲート指令を生成する。そして、ゲート指令演算部２５は、ゲート指令及び零ベクトル信号の両方をゲート駆動回路４０に出力する。したがって、空間ベクトル変調では零ベクトル判定回路が不要となる。

図１２を参照し、空間ベクトル変調の概要を説明する。空間ベクトル変調とは、三相波形を図１２（ａ）のようなベクトル図に置き換え、８つのスイッチングパターンで考える方式であり、三相信号を一括で扱うことができる。図１２（ａ）中の「１」は、各相の上アームの素子がＯＮ、下アームの素子がＯＦＦである状態を意味し、「０」は、各相の上アームの素子がＯＦＦ、下アームの素子がＯＮである状態を意味する。
三相をＵ、Ｖ、Ｗ相とすると、Ｅ（１００）がＵ相の最大電圧時、Ｅ（０１０）がＶ相の最大電圧時、Ｅ（００１）がＷ相の最大電圧時であり、これらのベクトル表示によって三相交流波形を図１２（ａ）のようなベクトル図として示す。

図１２（ｂ）に示すように、各ブロックでのベクトルの大きさは、下式（１）を用いてＥ（１００）×Ｔ１とＥ（１１０）×Ｔ２との和で計算することができる。ここで、Ｔはキャリア周期である。Ｔ１及びＴ２を変化させることにより、各ブロックでベクトルを変化させ、円を描くように回転させて三相交流を出力させる。

空間ベクトル変調では、零ベクトル指令を任意のタイミングで発生可能であるため、零ベクトル判定回路を用いずに、ゲート指令演算部（変調器）２５からゲート駆動回路４０に零ベクトル信号を出力することができる。ゲート駆動回路４０の動作は、上記実施形態と同様である。よって、第５実施形態は上記実施形態と同様の作用効果を奏する。

（その他の実施形態）
（ア）上述のように、零ベクトル移行タイミング以外であっても、巻線間の絶縁性確保に有利な条件が他に存在する場合にはスイッチング速度を増加させるようにしてもよい。例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線が一列に並べられ、Ｕ相−Ｖ相間、及びＶ相−Ｗ相間の部分放電は考慮する必要があるが、Ｕ相−Ｗ相間の部分放電を考慮する必要がない形態を想定する。この形態では、Ｕ相とＶ相とが同電位、又は、Ｖ相とＷ相とが同電位になるタイミングでは、相対的に線間電圧が下がると考えられるため、スイッチング速度を速くすることができる。

（イ）上記以外の方法で零ベクトル移行タイミングを判定してもよい。例えば、ＰＷＭ制御の３相変調では、キャリア信号の山、谷のタイミングは、必ず零ベクトル状態となる（図８（ａ）参照）。そのため、キャリア信号の山、谷のタイミングを取得し、山、谷のタイミングの直前のスイッチングタイミングを零ベクトル移行タイミングとして判定することができる。

（ウ）上記実施形態の図３では正弦波ＰＷＭ制御の例を示しているが、過変調ＰＷＭ制御でも同様に考えることができる。
（エ）本発明の制御対象とする回転機は、三相回転機に限らず、四相以上の多相回転機であってもよい。
（オ）電圧ベクトル状態に応じて線間電圧のレベルが多段階に存在する場合等、スイッチング速度を三段階以上に変更可能な構成としてもよい。

（カ）本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車の主機モータとして使用される回転機以外に、車両の補機用モータや、車両以外の昇降機、一般機械等に用いられる回転機に適用されてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０１〜１０５・・・回転機の制御装置、
２１、２５・・・ゲート指令演算部、
３１、３３・・・零ベクトル判定回路、
４０・・・ゲート駆動回路、
６０・・・インバータ（負荷回路、電力変換器）、
６１〜６６・・・スイッチング素子、
８０・・・モータ（回転機）、
８１、８２、８３・・・各相巻線、
９０・・・回転機駆動システム。

Claims (8)

1. 複数のスイッチング素子（６１〜６６）を含む電力変換器（６０）により直流電圧を交流電圧に変換し、回転機（８０）の複数相の巻線（８１、８２、８３）に印加する回転機駆動システム（９０）に用いられ、前記複数のスイッチング素子を操作し前記回転機の通電を制御する回転機の制御装置であって、
   前記回転機に対する電圧指令に基づいて、前記複数のスイッチング素子に対するゲート指令を演算するゲート指令演算部（２１、２５）と、
   前記ゲート指令に基づいて生成したゲート信号を前記複数のスイッチング素子に出力し、且つ、前記複数のスイッチング素子が動作するスイッチング速度を可変制御可能であるゲート駆動回路（４０）と、
   を備え、
   前記回転機に印加される電圧ベクトルが零ベクトル状態に移行するタイミングを零ベクトル移行タイミングとすると、
   前記ゲート駆動回路は、前記零ベクトル移行タイミングであることを通知する零ベクトル信号を受信したとき、前記複数のスイッチング素子のスイッチング速度を増加させることを特徴とする回転機の制御装置。
2. 前記ゲート指令演算部（２１）は、前記電圧指令とキャリア信号との比較によるＰＷＭ制御により前記ゲート指令を演算し、
   前記ゲート指令に基づき前記零ベクトル移行タイミングを判定し、前記零ベクトル信号を前記ゲート駆動回路に送信する零ベクトル判定回路（３１、３３）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の回転機の制御装置。
3. 前記零ベクトル判定回路（３１）は、
   通電中の都度の前記ゲート指令に基づいて、前記零ベクトル移行タイミングを判定する絶対判定を実行することを特徴とする請求項２に記載の回転機の制御装置。
4. 前記零ベクトル判定回路（３３）は、
   前記絶対判定の後、同一の変調方式で継続して前記回転機へ通電されているとき、前回の前記零ベクトル移行タイミングからのスイッチング回数をカウントし、今回の前記零ベクトル移行タイミングを判定する相対判定を実行することを特徴とする請求項３に記載の回転機の制御装置。
5. 前記零ベクトル判定回路は、前記相対判定においてカウントするスイッチングの回数を変調方式に応じて変更することを特徴とする請求項４に記載の回転機の制御装置。
6. 前記零ベクトル判定回路による前記零ベクトル信号と、前記ゲート駆動回路が出力したゲート信号に基づく前記零ベクトル信号とが不一致のとき、前記零ベクトル判定回路又は前記ゲート駆動回路が故障していると判定する故障判定回路（３４）をさらに備えることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。
7. 前記ゲート駆動回路（４０１）は、前記零ベクトル移行タイミングにて、
   前記スイッチング素子に出力される前記ゲート信号の経路の抵抗を切り替えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。
8. 前記ゲート駆動回路（４０２）は、前記零ベクトル移行タイミングにて、
   前記スイッチング素子のゲートに印加される電圧を切り替えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。

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