JP2005168140A - モータ制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、インバータの小型化，高効率化を実現する。
【解決手段】インバータ供給電圧演算手段３１が、モータ１ａ，１ｂに印加される相電圧の瞬時値の中の最大値と最小値に応じてＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの直流入力電圧を変化させる。そして、このような構成によれば、モータ１ａ，１ｂを駆動する際のＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの負荷を大幅に軽減することができるので、モータ１ａ，１ｂの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの小型化，高効率化を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータに電圧を印加するインバータの直流入力電圧を制御することによってモータの出力を制御するモータ制御装置及びその制御方法に関し、より詳しくは、モータの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、インバータの小型化，高効率化を実現する技術に係わる。

従来より、モータの駆動状態に応じて、インバータの直流入力電圧を一定の電圧に保った状態でＰＷＭ（Pulse Wide Modulation；パルス幅変調）制御する領域と、インバータの直流入力電圧を昇圧回路により変化させながらＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation；パルス振幅変調）制御する領域とを切り換えることにより、モータの出力を制御するモータ制御装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。そして、このようなモータ制御装置によれば、運転状況に応じてモータを最適の条件で駆動すると共に、振動が少ない運転を効率良く行うことができる。
特開２００１−３１４０９５号公報（段落［００３６］，図４）

しかしながら、インバータの直流入力電圧を一定の電圧に保った状態でＰＷＭ制御を行う場合には、モータのリップル電流を小さくするために、インバータのスイッチング周波数を高くしなければならないので、インバータ損失内においてスイッチング損失が占める割合が大きくなる。また、ＰＷＭ制御に伴いインバータの直流母線に現れるリップル電流が大きくなる。

一方、インバータの直流入力電圧を昇圧回路により変化させながらＰＡＭ制御を行う場合には、インバータのスイッチング周波数は低く抑えられるが、モータのリップル電流が増加し、ＰＷＭ制御と比較して電流制御の応答性が悪くなる。また、モータによっては駆動効率が悪化するものもある。

このような技術的背景から、従来までのモータ制御装置の構成によれば、モータの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、インバータの小型化，高効率化を実現することが困難であった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、モータの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、インバータの小型化，高効率化を実現するモータ制御装置及びその制御方法を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明は、複数の電動機毎に設けられたインバータから出力される相電圧の瞬時値の中で最大及び最小の相電圧値に応じて、インバータに供給する直流入力電圧を変化させる。

本発明によれば、モータを駆動する際のインバータの運転負荷を軽減することができるので、モータの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、インバータの小型化，高効率化を実現することができる。

本発明は、図１に示すような、２つの埋め込み磁石モータ（ＩＰＭモータ）のベクトル制御システムに適用することができる。なお、このＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータとは、駆動軸に取り付けられ回転するロータの中に、コイルではなく永久磁石が埋め込まれた交流モータであり、２つのモータの一方を右前輪の駆動用、他方を左前輪の駆動用として用いることにより、電動車両の動力源として利用することができる。以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態となるベクトル制御システムの構成と動作について説明する。

始めに、図１〜図７を参照して、本発明の第１の実施形態となるベクトル制御システムの構成と動作について説明する。

［ベクトル制御システムの構成］
本発明の第１の実施形態となるベクトル制御システムは、１つの電力変換手段により出力された直流入力電圧が複数のＰＷＭインバータに供給される構成となっており、図１に示すように、モータ１ａ，１ｂの出力を制御するモータ制御装置２ａ，２ｂと、バッテリ３の電圧の大きさを変換して直流入力電圧としてモータ制御装置２ａ，２ｂに供給する直流電圧制御装置４とを主な構成要素として備える。

〔モータ制御装置の内部構成〕
次に、上記モータ制御装置２ａ，２ｂの内部構成について詳しく説明する。なお、モータ制御装置２ｂの内部構成はモータ制御装置２ａのそれと同じであるので、以下ではモータ制御装置２ａの内部構成についてのみ説明し、モータ制御装置２ｂの内部構成の図示及び説明は省略する。

上記モータ制御装置２ａは、図１に示すように、トルク制御手段１１ａにより構成されるトルク制御系と、電流制御手段１２ａ，非干渉制御手段１３ａ，加算器１４ａ，ｄｑ／３相変換手段１５ａ，電源利用率最大化手段１６ａ，規格化電圧指令生成手段１７ａ，電流検出手段１８ａ，３相／ｄｑ変換手段１９ａ，及び位相・速度計算手段２２ａにより構成される電流制御系と、直流交流電圧変換器であるＰＷＭインバータ２０ａと、モータ回転角度検出手段（ＰＳ）２１ａとを備える。

上記トルク制御手段１１ａは、トルク指令Ｔｅ１＊と位相・速度計算手段２２ａから入力されるモータ回転速度ωｅ１とに基づいて、モータ１ａのｄ軸電流指令値ｉｄ１＊とｑ軸電流指令値ｉｑ１＊を生成し、生成した電流指令値ｉｄ１＊，ｉｑ１＊を電流制御手段１２ａと非干渉制御手段１３ａに入力する。

上記電流制御手段１２ａは、ｄ軸とｑ軸の実電流ｉｄ１，ｉｑ１をそれぞれｄ軸電流指令値ｉｄ１＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ１＊に一致させるようにＰＩ（比例・積分）演算を行うことにより、ｄ軸とｑ軸の電圧指令値ｖｄ１＊，ｖｑ１＊を生成し、生成した電圧指令値ｖｄ１＊，ｖｑ１＊を加算器１４ａに入力する。

上記非干渉制御手段１３ａは、トルク制御手段１１ａから入力された電流指令値ｉｄ１＊，ｉｑ１＊を利用して、ｄ軸とｑ軸の干渉項を補償するために用いる電圧成分である、ｄ軸補償電圧ｖｄ＿ｃｍｐ１とｑ軸補償電圧ｖｑ＿ｃｍｐ１を算出し、算出した補償電圧ｖｄ＿ｃｍｐ１，ｖｑ＿ｃｍｐ１を加算器１４ａに入力する。

上記加算器１４ａは、電流制御手段１２ａ及び非干渉制御手段１３ａから入力される電圧指令値ｖｄ１＊，ｖｑ１＊と補償電圧ｖｄ＿ｃｍｐ１，ｖｑ＿ｃｍｐ１とを加算することにより、ｄ軸とｑ軸の電圧指令値ｖｄｏ＊，ｖｑｏ＊を算出し、算出した電圧指令値ｖｄｏ＊，ｖｑｏ＊をｄｑ／３相変換手段１５ａに入力する。

上記ｄｑ／３相変換手段１５ａは、位相・速度計算手段２２ａから入力される３相交流座標系から見たｄｑ座標系の位相θｅ１に基づいて、加算器１４ａから入力された電圧指令値ｖｄｏ＊，ｖｑｏ＊を相電圧指令値ｖｕ＿ｔｍｐ１＊，ｖｖ＿ｔｍｐ１＊，ｖｗ＿ｔｍｐ１＊に変換し、相電圧指令値ｖｕ＿ｔｍｐ１＊，ｖｖ＿ｔｍｐ１＊，ｖｗ＿ｔｍｐ１＊を電源利用率最大化手段１６ａに入力する。

上記電源利用率最大化手段１６ａは、所定のインバータ供給電圧Ｖｄｃに対しモータ１ａに印加する電圧を最大にするための処理を相電圧指令値ｖｕ＿ｔｍｐ１＊，ｖｖ＿ｔｍｐ１＊，ｖｗ＿ｔｍｐ１＊に対し行うことにより相電圧指令値ｖｕ１＊，ｖｖ１＊，ｖｗ１＊を生成し、生成した相電圧指令値ｖｕ１＊，ｖｖ１＊，ｖｗ１＊を規格化電圧指令生成手段１７ａと直流電圧制御装置４内のインバータ供給電圧演算手段３１に入力する。

上記規格化電圧指令生成手段１７ａは、電源利用率最大化手段１６ａ及びインバータ供給電圧演算手段３１から入力された相電圧指令値ｖｕ１＊，ｖｖ１＊，ｖｗ１＊及びインバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊を利用して、ＰＷＭインバータ２０ａのＵ相，Ｖ相，Ｗ相の出力電圧をインバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊で規格化した規格化電圧指令値ｍｕ１＊，ｍｖ１＊，ｍｗ１＊を生成し、生成した規格化電圧指令値ｍｕ１＊，ｍｖ１＊，ｍｗ１＊をＰＷＭインバータ２０ａに入力する。

上記電流検出手段１８ａは、モータ１ａのＵ相とＶ相の実電流ｉｕ１，ｉｖ１を検出し、検出した実電流ｉｕ１，ｉｖ１を３相／ｄｑ変換手段１９ａに入力する。上記３相／ｄｑ変換手段１９ａは、位相・速度計算手段２２ａから入力される３相交流座標系から見たｄｑ座標系の位相θｅ１に基づいて、モータ１ａの実電流ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１（＝−ｉｕ１−ｉｖ１）をｄ軸とｑ軸の実電流ｉｄ１，ｉｑ１に変換し、実電流ｉｄ１，ｉｑ１を電流制御手段１２ａに入力する。

上記ＰＷＭインバータ２０ａは、図２に示すように、パワー素子に設けられたスイッチング素子のオン／オフを切り換えることによりＵ相，Ｖ相，Ｗ相のモータ印加電圧を生成するＵ相，Ｖ相，Ｗ相のハーフブリッジ回路を備える。また、ＰＷＭインバータ２０ａ，２０ｂの電圧入力側には、図２に示すように、電圧安定化用のコンデンサ４４が備えられている。そして、このＰＷＭインバータ２０ａは、規格化電圧指令手段１７ａから入力された規格化電圧指令値ｍｕ＊，ｍｖ＊，ｍｗ＊に従って、直流電圧制御装置４内の電圧変換手段３２から入力されるインバータ供給電圧（直流入力電圧）Ｖｄｃに対してＰＷＭ制御を行ってモータ印加電圧ｖｕ＿ｐｗｍ１，ｖｖ＿ｐｗｍ１，ｖｗ＿ｐｗｍ１を生成し、生成したモータ印加電圧（出力電圧）ｖｕ＿ｐｗｍ１，ｖｖ＿ｐｗｍ１，ｖｗ＿ｐｗｍ１をモータ１ａに印加する。

上記モータ回転角検出手段（ＰＳ）２１ａは、モータ１ａの回転角度θｍ１を検出し、検出した回転角度θｍ１を位相・速度計算手段２２ａに入力する。また、上記位相・速度検出手段２２ａは、モータ回転角度検出手段２１ａから入力された回転角度θｍ１に基づいて、回転速度ωｅ１と３相交流座標系から見たｄｑ座標系の位相θｅ１を演算し、演算結果をトルク制御手段１１ａ，非干渉制御手段１３ａ，ｄｑ／３相変換手段１５ａ，及び３相／ｄｑ変換手段１９ａに入力する。

〔直流電圧制御装置の内部構成〕
次に、上記直流電圧制御装置４の内部構成について説明する。

上記直流電圧制御装置４は、図１に示すように、インバータ供給電圧演算手段３１と電圧変換手段３２とを備える。

上記インバータ供給電圧演算手段３１は、モータ制御装置２ａ，２ｂの電源利用率最大化手段１６ａ，１６ｂから入力された相電圧指令値ｖｕ１＊，ｖｖ１＊，ｖｗ１＊及び相電圧指令値ｖｕ２＊，ｖｖ２＊，ｖｗ２＊に基づいて、モータ１ａ，１ｂに印加する電圧を生成するのに最適なインバータ供給電圧Ｖｄｃの指令値（インバータ供給電圧指令値）Ｖｄｃ＊を生成し、生成したインバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊をモータ制御装置２ａ，２ｂの規格化電圧指令生成手段１７ａ，１７ｂと電圧変換手段３２に入力する。なお、このインバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊の具体的な生成方法については後述する。

上記電圧変換手段３２は、図２に示すように、スイッチング素子４１ａ，４１ｂ及びダイオード４２ａ，４２ｂにより構成されるハーフブリッジ回路と、バッテリ３の高電位側とハーフブリッジ回路の中心位置に接続されたインダクタンス４３とを備える。そして、この電圧変換手段３２は、インバータ供給電圧演算手段３２から入力されたインバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊に一致するようにバッテリ３からインバータ供給電圧Ｖｄｃを生成し、生成したインバータ供給電圧ＶｄｃをＰＷＭインバータ２０ａ，ｂに入力する。

［ベクトル制御システムの動作］
このような構成を有するベクトル制御システムでは、モータ１ａ，１ｂの出力トルクを制御する際、インバータ供給電圧演算手段３２が以下に示すように動作することにより、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂのスイッチング回数を減らすと同時に、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの直流母線（以下、ＤＣ電流と表記）に現れるリップル電流を小さくする。以下、図３〜図５を参照して、モータ１ａ，１ｂの出力トルクを制御する際のインバータ供給電圧演算手段３２の動作について説明する。なお、以下では、インバータ供給電圧演算手段３２は、２つのモータ１ａ，１ｂの駆動を制御することとするが、インバータ供給電圧演算手段３２は、同様の方法により３つ以上のモータの駆動も制御することができる。

〔インバータ供給電圧演算手段の動作〕
図３は、（ｂ）モータ制御装置２ａ，２ｂの電源利用率最大化手段１６ａ，１６ｂから入力された相電圧指令値ｖｕ１＊，ｖｖ１＊，ｖｗ１＊及び相電圧指令値ｖｕ２＊，ｖｖ２＊，ｖｗ２＊に応じて、（ａ）インバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊が変化する様子を示すシミュレーション波形図である。なお、以下の説明では、図中の時刻ｔａにおけるインバータ供給電圧演算手段３１の動作と、このインバータ供給電圧演算手段３２の動作に応じたＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの動作についてのみ説明するが、インバータ供給電圧演算手段３１及びＰＷＭインバータ２０ａ，ｂはその他の時刻においても同様に動作するものとする。

図３に示す時刻ｔａでは、電源利用率最大化手段１６ａ，１６ｂから入力される相電圧指令値は、モータ制御装置２ａのＵ相電圧指令値ｖｕ１＊，モータ制御装置２ｂのＵ相電圧指令値ｖｕ２＊，モータ制御装置２ｂのＶ相電圧指令値ｖｖ２＊，モータ制御装置２ａのＶ相電圧指令値ｖｖ１＊，モータ制御装置２ｂのＷ相電圧指令値ｖｗ２＊，モータ制御装置２ａのＷ相電圧指令値ｖｗ１＊の順に小さくなる。そこで、インバータ供給電圧演算手段３１は、最も大きい相電圧指令値（以下、最大値と表記）及び最も小さい相電圧指令値（以下、最小値）を順にｖ３ｍａｘ及びｖ３ｍｉｎとして、最大値ｖ３ｍａｘと最小値ｖ３ｍｉｎの差、すなわち、ｖ３ｍａｘ−ｖ３ｍｉｎ（時刻ｔａではｖｕ１＊−ｖｗ１＊）を演算し、この演算結果をインバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊として規格化電圧指令生成手段１７ａ，１７ｂ及び電圧変換手段３２に入力する。

そして、このようにして演算されたインバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊に対応するインバータ供給電圧Ｖｄｃが電圧変換手段３２からＰＷＭインバータ２０ａ，ｂに入力されると、ＰＷＭインバータ２０ａは、Ｕ相及びＷ相の相電圧をそれぞれＨｉｇｈ状態及びＬｏｗ状態に保持することによりＵ相及びＷ相の相電圧値を相電圧指令値に等しい値に制御することができるので、Ｖ相に対応するハーフブリッジ回路のスイッチング素子のみをオン／オフ制御することにより、モータ１ａのモータ印加電圧ｖｕ＿ｐｗｍ１，ｖｖ＿ｐｗｍ１，ｖｗ＿ｐｗｍ１を生成する。一方、ＰＷＭインバータ２０ｂは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相のハーフブリッジ回路のスイッチング素子をオン／オフ制御することにより、モータ１ｂのモータ印加電圧ｖｕ＿ｐｗｍ２，ｖｖ＿ｐｗｍ２，ｖｗ＿ｐｗｍ２を生成する。

このように、本発明の第１の実施形態となるベクトル制御システムによれば、電源利用率最大化手段１６ａ，１６ｂから入力される６つの相電圧指令値の中で、図４に示す各区間における最大値と最小値以外の相電圧指令値に対応する相のハーフブリッジ回路のみをスイッチング制御することにより、電源利用率最大化手段１６ａ，１６ｂから入力される相電圧指令値に対応したモータ印加電圧を生成することができるので、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂのスイッチング回数を減らすと同時に、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂのＤＣ電流に現れるリップル電流を小さくすることができる。なお、図４は、電源利用率最大化手段１６ａ，１６ｂから入力される相電圧指令値が図３に示す関係にある時の各時間帯における最大値及び最小値を示す。

ここで、図５を参照して、Ｕ相のモータ印加電圧を制御する際の動作を例としてインバータ供給電圧演算手段３１の動作についてさらに詳しく説明する。なお、以下では、Ｕ相のモータ印加電圧を制御する際の動作についてのみ説明するが、インバータ供給電圧演算手段３１は、Ｖ相及びＷ相のモータ印加電圧を制御する際も同様に動作するものとする。

図５は、（ａ）モータ制御装置２ａの相電圧指令値の最大値と最小値の差ｖ３ｍｍ１，（ｂ）モータ制御装置２ｂの相電圧指令値の最大値と最小値の差ｖ３ｍｍ２，（ｃ）インバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊，（ｄ）モータ制御装置２ａのＵ相電圧指令値ｖｕ１＊，（ｅ）モータ制御装置２ｂのＵ相電圧指令値ｖｕ２＊，（ｆ）モータ制御装置２ａの出力電圧ｖｕ＿ｐｗｍ１，（ｇ）モータ制御装置２ｂの出力電圧ｖｕ＿ｐｗｍ２が変化する様子を示すシミュレーション波形図である。なお、この図５に示す例は、時刻２ｔ０以前はモータ制御装置２ａの出力電圧がモータ制御装置２ｂの出力電圧よりも大きく（ｖ３ｍｍ１＞ｖ３ｍｍ２）、時刻２ｔ０以後では出力電圧の大小関係が逆となる（ｖ３ｍｍ１＜ｖ３ｍｍ２）例を示し、これにより、インバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊は、時刻２ｔ０以前はｖ３ｍｍ１、時刻２ｔ０以後ではｖ３ｍｍ２となる。

この図５に示すように、区間１では、モータ制御装置２ａのＵ相の相電圧指令値ｖｕ１＊が最大値であるので、ＰＷＭインバータ２０ａのＵ相をＨｉｇｈ状態に保つことにより、モータ制御装置２ａの出力電圧ｖｕ＿ｐｗｍ１は相電圧指令値ｖｕ１＊に対応する相電圧値となる。また、区間２では、モータ制御装置２ａのＵ相の相電圧指令値ｖｕ１＊は最大値でも最小値でもないので、ＰＷＭインバータ２０ａのＵ相に対応するハーフブリッジ回路をスイッチング動作させることにより、モータ制御装置２ａの出力電圧ｖｕ＿ｐｗｍ１は相電圧指令値ｖｕ１＊に対応する相電圧値となる。また、区間３では、モータ制御装置２ａのＵ相の相電圧指令値ｖｕ１＊が最小値であるので、ＰＷＭインバータ２０ａのＵ相をＬｏｗ状態に保つことにより、モータ制御装置２ａの出力電圧ｖｕ＿ｐｗｍ１は相電圧指令値ｖｕ１＊に対応する相電圧値となる。

一方、区間６では、モータ制御装置２ｂのＵ相の相電圧指令値ｖｕ２＊が最小値であるので、ＰＷＭインバータ２０ｂのＵ相をＬｏｗ状態に保つことにより、モータ制御装置２ｂの出力電圧ｖｕ＿ｐｗｍ２は相電圧指令値ｖｕ２＊に対応する相電圧値となる。また、区間７では、モータ制御装置２ｂのＵ相の相電圧指令値ｖｕ２＊は最大値でも最小値でもないので、ＰＷＭインバータ２０ｂのＵ相に対応するハーフブリッジ回路をスイッチング動作させることにより、モータ制御装置２ｂの出力電圧ｖｕ＿ｐｗｍ２は相電圧指令値ｖｕ２＊に対応する相電圧値となる。また、区間８では、モータ制御装置２ｂのＵ相の相電圧指令値ｖｕ２＊が最大であるので、ＰＷＭインバータ２０ｂのＵ相をＨｉｇｈ状態に保つことにより、モータ制御装置２ｂの出力電圧ｖｕ＿ｐｗｍ２は相電圧指令値ｖｕ２＊に対応する相電圧値となる。

そして、このような制御方法によれば、従来までのＰＷＭ制御では、図６に示すように単位時間辺りのＰＷＭインバータ２０ａ（ｖｕ＿ｐｗｍ１），２０ｂ（ｖｕ＿ｐｗｍ２）のスイッチング回数が多いのに対し、図５に示すように、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂがスイッチング動作を行っていない時間を作り、単位時間辺りのスイッチング回数を低減することができる。また、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの６相の出力電圧のうち、２相の出力電圧をスイッチング動作を行うことなく相電圧指令値に対応する相電圧値を生成することができるので、スイッチング回数、換言すれば、スイッチング損失を４／６に低減することができる。さらに、図７に示すように、同じ相電圧指令値で同じ相電流を流すという条件下でＤＣリンク電流波形をシミュレーションした場合には、上記制御方法によれば、従来までのＰＷＭ制御と比較して、ＤＣリンク電流ｉｄｃのリップル成分の振幅を小さくすることができる。また、リップル電流が低減されることにより、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの直流リンク部に設けられた電圧安定化用コンデンサ４４（図２参照）の容量を従来と比較して小型化することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となるベクトル制御システムによれば、インバータ供給電圧演算手段３１が、電圧変換手段３２の出力電圧、換言すれば、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの直流入力電圧をモータ１ａ，１ｂに印加される相電圧の瞬時値の中の最大値と最小値に応じて変化させる。そして、このような構成によれば、モータ１ａ，１ｂを駆動する際のＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの負荷を大幅に軽減することができるので、モータ１ａ，１ｂの駆動効率を悪化させることなくインバータ損失を低減し、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの小型化，高効率化を実現できる。

また、本発明の第１の実施形態となるベクトル制御システムによれば、インバータ供給電圧演算手段３１が、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの直流入力電圧をモータ１ａ，１ｂに印加される相電圧の瞬時値中の最大値と最小値の差に等しい値に変化させることにより、相電圧の最大値及び最小値をそれぞれ電圧変換手段３２の出力電圧の高電位側及び低電位側と等しくし、相電圧の最大値と最小値の相に対応するスイッチング素子を動作させる必要をなくす。そして、このような構成によれば、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂの単位時間辺りのスイッチング回数の平均値を４／６に低減すると共に、ＤＣリンクのリップル電流成分を大幅に低減することができる。また、これにより、電圧安定化用コンデンサ４４やＰＷＭインバータ装置２０ａ，ｂ内のパワー素子の冷却装置を小型化することができるので、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂを大幅に小型化することができる。また、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂのスイッチング損失も低減することができる。

ところで、上記第１の実施形態のベクトル制御システムによれば、相電圧指令値が最大や最小の相ではスイッチング動作が行われないはずであるが、実際には、演算誤差や演算タイミング、制御誤差等の影響によって、相電圧指令値が最大や最小の相でもスイッチング動作が行われ、スイッチング回数の減少幅が減ることがあり得る。また、第１の実施形態のベクトル制御システムによれば、２つのモータ制御装置２ａ，２ｂのうち、相電圧指令値が最大や最小の相を出力するモータ制御装置のスイッチング回数は減少するが、他方のモータ制御装置のスイッチング回数は減少しないことになる。そこで、本発明の第２の実施形態となるベクトル制御システムは、以下に示すような構成及び動作により、相電圧指令値が最大や最小の相では必ずスイッチング動作が行われないように制御すると共に、２つのモータ制御装置２ａ，２ｂの双方のスイッチング回数が減少するように制御する。以下、図８〜図１０を参照して、本発明の第２の実施形態となるベクトル制御システムの構成について説明する。

［ベクトル制御システムの構成］
本発明の第２の実施形態となるベクトル制御システムは、図８に示すように、第１の実施形態のベクトル制御システムに対して、スイッチング停止判断手段５１及び電圧指令値オフセット処理手段５２ａ，５２ｂを付加した構成となっている。そこで以下では、スイッチング停止判断手段５１及び電圧指令値オフセット処理手段５２ａ，５２ｂの構成及び動作についてのみ説明し、その他の構成要素の説明は省略する。なお、電圧指令値オフセット処理手段５２ｂの構成は電圧指令値オフセット処理手段５２ａと同じであるので、以下では電圧指令値オフセット処理手段５２ａの構成についてのみ説明し、電圧指令値オフセット処理手段５２ｂの構成の説明は省略する。

上記スイッチング停止判断手段５１は、直流電圧制御装置４内に設けられ、電源利用率最大化手段１６ａ，１６ｂから入力される暫定相電圧指令値ｖｕｍ１＊，ｖｖｍ１＊，ｖｗｍ１＊及び暫定相電圧指令値ｖｕｍ２＊，ｖｖｍ２＊，ｖｗｍ２＊を参照して、暫定相電圧指令値が最も大きい相と最も小さい相を判別する。そして、スイッチング停止判断手段５１は、この判別結果に基づいて、ＰＷＭインバータ２０ａ及び電圧指令値オフセット処理手段５２ａにスイッチング許可信号ｆｓｗ＿ｕ１，ｆｓｗ＿ｖ１，ｆｓｗ＿ｗ１、ＰＷＭインバータ２０ｂ及び電圧指令値オフセット処理手段５２ｂにはスイッチング許可信号ｆｓｗ＿ｕ２，ｆｓｗ＿ｖ２，ｆｓｗ＿ｗ２を入力することにより、ＰＷＭインバータ２０ａ，ｂのスイッチング動作を制御する。

より具体的には、この実施形態では、スイッチング停止判断手段５１は、Ｈｉｇｈレベルのみのインバータ出力を許可する場合は「０」、Ｌｏｗレベルのみの出力を許可する場合には「１」、ＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルの両方のインバータ出力を許可する場合には「２」をスイッチング許可信号として入力する。換言すれば、スイッチング停止判断手段５１は、最大値の相のインバータ出力のみを許可する場合は「０」、最小値の相のインバータ出力のみを許可する場合には「１」、その他の相のインバータ出力を許可する場合には「２」をスイッチング許可信号として入力する。

上記電圧指令値オフセット処理手段５２ａは、電源利用率最大化手段１６ａ及びスイッチング停止判断手段５１から入力される暫定相電圧指令値ｖｕｍ１＊，ｖｖｍ１＊，ｖｗｍ１＊及びスイッチング許可信号ｆｓｗ＿ｕ１，ｆｓｗ＿ｖ１，ｆｓｗ＿ｗ１とに基づいて、暫定相電圧指令値をオフセット値Ｖｓｈｉｆｔ１だけオフセットさせることにより、相電圧指令値ｖｕ１＊，ｖｖ１＊，ｖｗ１＊を生成し、生成した相電圧指令値ｖｕ１＊，ｖｖ１＊，ｖｗ１＊を規格化電圧指令生成手段１７ａに入力する。

［ベクトル制御システムの動作］
このような構成を有するベクトル制御システムでは、モータ１ａ，１ｂの出力トルクを制御する際、スイッチング停止判断手段５１及び電圧指令値オフセット処理手段５２ａ，５２ｂが以下に示すように動作することにより、相電圧指令値が最大や最小の相ではスイッチングが行われないように制御すると共に、２つのモータ制御装置２ａ，２ｂの双方のスイッチング回数が減少するように制御する。以下、図９，図１０を参照して、スイッチング停止判断手段５１及び電圧指令値オフセット処理手段５２ａ，５２ｂの動作について説明する。

〔スイッチング停止判断手段の動作〕
始めに、図９を参照して、Ｕ相のモータ印加電圧を制御する際のスイッチング停止判断手段５１の動作について説明する。なお、以下では、Ｕ相のモータ印加電圧を制御する場合についてのみ説明するが、スイッチング停止判断手段５１は、Ｖ相及びＷ相のモータ印加電圧を制御する際も同様に動作するものとする。

図９は、（ａ）モータ制御装置２ａの相電圧指令値の最大値と最小値の差ｖ３ｍｍ１，（ｂ）モータ制御装置２ｂの相電圧指令値の最大値と最小値の差ｖ３ｍｍ２，（ｃ）インバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊，（ｄ）モータ制御装置２ａのＵ相電圧指令値ｖｕ１＊，（ｅ）モータ制御装置２ｂのＵ相電圧指令値ｖｕ２＊，（ｆ）モータ制御装置２ａの出力電圧ｖｕ＿ｐｗｍ１，（ｇ）モータ制御装置２ｂの出力電圧ｖｕ＿ｐｗｍ２，（ｈ）モータ制御装置２ａのＵ相のスイッチング許可信号ｆｓｗ＿ｕ１，及び（ｉ）モータ制御装置２ｂのＵ相のスイッチング許可信号ｆｓｗ＿ｕ２の変化の様子を示すシミュレーション波形図である。

図９に示すように、区間４では、モータ制御装置２ａのＵ相の相電圧指令値ｖｕ１＊が最小であるので、スイッチング停止判断手段５１は、ＰＷＭインバータ２０ａのＵ相をＬｏｗ状態に保つように、スイッチング許可信号「１」をＰＷＭインバータ２０ａに入力する。そして、このような構成によれば、図９（ｆ）に示すように、モータ制御装置２ａのＵ相電圧指令値ｖｕ１＊が最小である時にスイッチング動作が行われること（図５（ｆ）の○内参照）を防止することができる。

〔電圧指令値オフセット処理手段の動作〕
次に、図１０を参照して、電圧指令値オフセット処理手段５２ａの動作について説明する。

電圧指令値オフセット処理手段５２ａは、スイッチング停止判断手段５１からスイッチング許可信号ｆｓｗ＿ｕ１，ｆｓｗ＿ｖ１，ｆｓｗ＿ｗ１が入力されるのに応じて、スイッチング許可信号ｆｓｗ＿ｕ１，ｆｓｗ＿ｖ１，ｆｓｗ＿ｗ１全てが「２」であるか否か、すなわち、モータ制御装置２ａの暫定相電圧指令値の全てがモータ制御装置２ａ，２ｂの６つの暫定相電圧指令値の中の最大値でも最小値でもないか否かを判別する。そして、スイッチング許可信号ｆｓｗ＿ｕ１，ｆｓｗ＿ｖ１，ｆｓｗ＿ｗ１の全てが「２」である場合、電圧指令値オフセット処理手段５２ａは、暫定相電圧指令値ｖｕｍ１＊，ｖｖｍ１＊，ｖｗｍ１＊をオフセット値Ｖｓｈｉｆｔ１だけオフセットさせた値に変換する。なお、オフセット値Ｖｓｈｉｆｔ１は、図１０に示す（数式１）又は（数式２）により算出される。また、数式中、max(vu1*, vv1*, vuw1*)は、vu1*, vv1*, vuw1*の中の最大値を示し、min(vu1*, vv1*, vuw1*)は、vu1*, vv1*, vuw1*の中の最小値を示す。

このような処理によれば、上記（数式１）により算出されるオフセット値Ｖｓｈｉｆｔ１を使用した場合、モータ制御装置２ａの３つの暫定相電圧指令値の中で最大となる相の相電圧指令値はＶｄｃ＊／２となるので、その相のインバータ出力は、Ｈｉｇｈ状態を保持すれば相電圧指令値に対応する相電圧値となり、３相中１相ではスイッチング動作を行う必要がなくなる。また、上記（数式２）により算出されるオフセット値Ｖｓｈｉｆｔ１を算出した場合には、モータ制御装置２ａの３つの暫定相電圧指令値の中で最小となる相の相電圧指令値は−Ｖｄｃ＊／２となるので、その相のインバータ出力はＬｏｗ状態を保持すれば相電圧指令値に対応する相電圧値となり、３相中１相ではスイッチング動作を行う必要がなくなる。すなわち、上記電圧指令値オフセット処理手段５２ａによる処理によれば、モータ制御装置２ａ，２ｂのうち、最大や最小の相電圧を出力するモータ制御装置とは異なるモータ制御装置においてもスイッチング回数を低減させることができる。

ここで、図５，図９を参照して、第１の実施形態となるベクトル制御システムの動作と第２の実施形態となるベクトル制御システムの動作とを比較することにより、上記電圧指令値オフセット処理手段５２ａの動作についてさらに詳しく説明する。なお、この図９に示す例は、図５に示す例と同様、時刻２ｔ０以前はモータ制御装置２ａの出力電圧がモータ制御装置２ｂの出力電圧よりも大きく（ｖ３ｍｍ１＞ｖ３ｍｍ２）、時刻２ｔ０以後では出力電圧の大小関係が逆となる（ｖ３ｍｍ１＜ｖ３ｍｍ２）例を示し、これにより、インバータ供給電圧指令値Ｖｄｃ＊は、時刻２ｔ０以前はｖ３ｍｍ１、時刻２ｔ０以後ではｖ３ｍｍ２となる。

図５に示すように、第１の実施形態となるベクトル制御システムによれば、時刻ｔ０以前では、モータ制御装置２ａがスイッチング動作を行っている区間は区間２と区間５の区間のみであるのに対し、モータ制御装置２ｂは、区間１〜区間６の全ての区間においてスイッチングを行っている。一方、図９に示すように、第２の実施形態となるベクトル制御システムによれば、時刻ｔ０以前では、モータ制御装置２ａの出力電圧ｖｕ＿ｐｗｍ１は、第１の実施形態となるベクトル制御システムにおけるそれとほぼ同じであるが、モータ制御装置２ｂの出力電圧は、区間１，区間４，区間５の多くの範囲でＨｉｇｈ状態のままであり、スイッチング動作を行っていない区間がある。これは、このスイッチングを行っていない区間では、モータ１ｂのＵ相電圧指令値ｖｕ２＊が電圧指令値オフセット手段５２ｂによってインバータ供給電圧の高電位電圧側と同じ値にされているためである。なお、時刻ｔ０以後は、モータ制御装置２ａ，２ｂの暫定相電圧指令値の大小関係が時刻ｔ０以前のそれとは逆の関係になり、モータ制御装置２ａ，２ｂの役割が入れ替わるが、全体としての動作は時刻ｔ０以前と同じである。

なお、この実施形態では、電圧指令値オフセット手段５２ａ，５２ｂは、一方のモータ制御装置の暫定相電圧指令値をオフセットさせているが、一般に、暫定相電圧指令値をオフセットさせると、ＰＷＭ制御を行って出力される電圧は高周波電圧成分が増える傾向にある。しかしながら、モータ制御装置２ａ，２ｂの仕様が同じであり、且つ、その回転速度や出力トルクが近い値で使用される場合には、モータに印加する電圧の周波数や大きさは近い値となるので、重畳するオフセット値は小さな値ですみ、高周波電圧成分の増加は実用上無視することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となるベクトル制御システムでは、スイッチング停止判断手段５１が、相電圧の瞬時値の最大値及び最小値を生成するハーフブリッジ回路の出力をそれぞれＨｉｇｈ状態及びＬｏｗ状態に固定するように制御するので、演算誤差やノイズ等の影響によって相電圧の瞬時値が最大及び最小である相のスイッチング動作が行われることを防止できる。

また、本発明の第２の実施形態となるベクトル制御システムによれば、電圧指令値オフセット手段５２ａ，５２ｂが、相電圧の瞬時値の最大値及び最小値を出力するＰＷＭインバータ以外のＰＷＭインバータが出力する相電圧の瞬時値の中の最大値若しくは最小値が電力変換手段３２の出力電圧の高電位側電圧若しくは低電位側電圧と等しくなるように制御するので、相電圧の最大値及び最小値を出力するＰＷＭインバータ以外のＰＷＭインバータにおいてもスイッチング回数を低減すると共に、ＤＣリンクのリップル電流成分を大低減することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１の実施形態となるベクトル制御システムの構成を示すブロック図である。 図１に示す電圧変換手段及びＰＷＭインバータの構成を示す模式図である。 相電圧指令値に応じてインバータ供給電圧指令値が変化する様子を示すシミュレーション波形図である。 図３に示す区間における相電圧指令値の最大値及び最小値を示す図である。 Ｕ相のインバータ出力を制御する際の図１に示すベクトル制御システムの動作を示す図である。 Ｕ相のインバータ出力を制御する際の従来までのベクトル制御システムの動作を示す図である。 本願発明と従来技術におけるＤＣリンク電流を示すシミュレーション波形図である。 本発明の第２の実施形態となるベクトル制御システムの構成を示すブロック図である。 Ｕ相のインバータ出力を制御する際の図８に示すベクトル制御システムの動作を示す図である。 図８に示す電圧指令値オフセット処理手段の動作を説明するための図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ：モータ
２ａ，２ｂ：モータ制御装置
３：バッテリ
４：直流電圧制御装置
２０ａ，ｂ：ＰＷＭインバータ
３１：インバータ供給電圧演算手段
３２：電圧変換手段
５１：スイッチング停止判断手段
５２ａ，５２ｂ：電圧指令値オフセット処理手段
ｖｕ１＊，ｖｖ１＊，ｖｗ１＊，ｖｕ２＊，ｖｖ２＊，ｖｗ２＊：相電圧指令値
ｖｕｍ１＊，ｖｖｍ１＊，ｖｗｍ１＊，ｖｕｍ２＊，ｖｖｍ２＊，ｖｗｍ２＊：暫定相電圧指令値
Ｖｄｃ：インバータ供給電圧（直流入力電圧）
Ｖｄｃ＊：インバータ供給電圧指令値
ｆｓｗ＿ｕ１，ｆｓｗ＿ｖ１，ｆｓｗ＿ｗ１，ｆｓｗ＿ｕ２，ｆｓｗ＿ｖ２，ｆｓｗ＿ｗ２：スイッチング許可信号

Claims (5)

1. 複数の電動機と、当該電動機毎に設けられ、電動機に電圧を印加するインバータと、電圧源の出力電圧を変換して当該インバータに供給する直流入力電圧を出力する電圧変換手段とを備えるモータ制御装置であって、
   前記複数の電動機毎に設けられたインバータから出力される相電圧の瞬時値の中で最大及び最小の相電圧値に応じて、前記電圧変換手段の出力電圧を変化させるインバータ供給電圧演算手段を備えること
   を特徴とするモータ制御装置。
2. 前記インバータ供給電圧演算手段は、前記インバータから出力される相電圧の瞬時値の中で最大の相電圧値と最小の相電圧値の差に等しい値に前記電圧変換手段の出力電圧を変化させることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記最大及び最小の相電圧値を出力するインバータにおいて最大及び最小の相電圧値に対応する相のスイッチング動作が行われないように制御するスイッチング停止判断手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記最大及び最小の相電圧値を出力するインバータ以外のインバータの各々において出力する相電圧の中の最大値若しくは最小値が前記電力変換手段の出力電圧の高電位側電圧若しくは低電位側電圧と等しくなるように制御する電圧指令値オフセット処理手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のうち、いずれか１項に記載のモータ制御装置。
5. 複数の電動機と、当該電動機毎に設けられ、電動機に電圧を印加するインバータと、電圧源の出力電圧を変換して当該インバータに供給する直流入力電圧を出力する電圧変換手段とを備えるモータ制御装置の制御方法であって、
   前記複数の電動機毎に設けられたインバータから出力される相電圧の瞬時値の中で最大及び最小の相電圧値に応じて、前記電圧変換手段の出力電圧を変化させるステップを有すること
   を特徴とするモータ制御装置の制御方法。

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