JP2006074865A - 交流電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】矩形波電圧駆動制御において、電圧ＳＷパターン切り替えタイミングを適切に制御してトルクの過不足や過電流のおそれを抑制した電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】矩形波制御手段２−１は、一つの電圧ＳＷパターンの、開始から終わりまでの理想的な位相差π／３を、電気角速度ωと電気角加速度ω’とを用いて時間差ｔ’に換算し、電圧ＳＷパターン切り替え時の電気角予測値θnextを、今回の制御演算開始時の電気角θと電気角速度ωと電気角加速度ω’と今回のキャリア周期Ｔnowを用いて演算し、次回の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊を、電気角予測値θnextに最も近い値から決定し、θnextとθsw^＊との時間差△ｔを求め、時間差ｔ’と時間差△ｔとを加算することにより、次回のキャリア周期Ｔnextを求め、次回のキャリア周期を上記の求めたキャリア周期Ｔnextに変更するように構成した電動機の制御装置。
【選択図】図１

Description

本発明は交流電動機の制御装置に関し、特に矩形波電圧駆動でインバータを制御する制御装置における駆動周期の切替技術に関する。

従来における交流電動機の制御装置としては下記特許文献１に記載のものがある。
上記のような交流電動機の制御方法で、電動機に電流を供給するインバータを制御する方式として、ＰＷＭ電圧駆動方式では出力電圧が制限を受ける動作領域等において用いられる矩形波電圧駆動方式がある。この制御方式においては、一定間隔のクロックで動作するタイマカウンタを使用し、カウント値が目標値に達する毎に電圧スイッチングパターン（以下、電圧ＳＷパターンと略記）を切り替えて出力している。電圧ＳＷパターンが切り替わると、次の切替時に出力する電圧ＳＷパターンを判定し、次の電圧ＳＷパターン切り替えからその次の電圧ＳＷパターン切り替えまでの位相差目標値を電気角速度で除算して時間換算し、次回の電圧ＳＷパターン切り替えと同時に起動するカウンタの目標値を決めるようになっている。

特開２００２−３５９９９６号公報

上記のように、従来例においては、電圧ＳＷパターンを切り替える毎に、次回の電圧ＳＷパターン切り替えと同時に起動するカウンタの目標値を更新してカウンタを起動する、という構成になっていたため、制御周期が電圧ＳＷパターン切り替えタイミング（例えば三相電動機の場合、電気角で約６０°毎）になるので、ＰＷＭ駆動を行う場合に比べて制御周期が大きくなる。そして或る時点で検出または推定して得た回転速度および位相差目標値に基づく制御演算の結果が制御に反映されるのは、次々回の電圧ＳＷパターン切り替えタイミングとなるため、電圧ＳＷパターンが切り替わってから、次に電圧ＳＷパターンが切り替わるまでの間に回転速度の急峻な変化や位相差目標値が変化した場合には、次回の電圧ＳＷパターン切り替えタイミングにおいて理想的な切り替えタイミングに対する誤差が増加し、トルクの過不足が生じたり過電流が流れるおそれがある、という問題があった。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、矩形波電圧駆動制御において、電圧ＳＷパターン切り替えタイミングを適切に制御してトルクの過不足や過電流のおそれを抑制した交流電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明においては、キャリア信号の谷の位置毎に制御演算を開始するための割り込みを発生すると共に前記電圧スイッチングパターンの設定と前記キャリア信号のキャリア周期の設定とを行い、一つの電圧スイッチングパターンの、開始から終わりまでの理想的な位相差π／３を、電気角速度ωと電気角加速度ω’とを用いて時間差ｔ’に換算し、電圧スイッチングパターン切り替え時の電気角予測値θnextを、今回の制御演算開始時の電気角θと電気角速度ωと電気角加速度ω’と今回のキャリア周期Ｔnowを用いて演算し、次回の電圧スイッチングパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊を、前記電気角予測値θnextに最も近い値から決定し、前記θnextと前記θsw^＊との時間差△ｔを求め、前記時間差ｔ’と前記時間差△ｔとを加算することにより、次回のキャリア周期Ｔnextを求め、次回のキャリア周期を上記の求めたキャリア周期Ｔnextに変更するように構成している。

電圧ＳＷパターン切り替えの間に回転速度の急峻な変化や、電気角の位相差目標値に変化があった場合でも、電圧ＳＷパターン切り替えタイミングが適切になるようにキャリア周期を変更できるので、トルクの過不足が生じたり過電流が流れるおそれが低減される、という効果がある。特に、位相差を時間に換算する際に、電気角速度に加えて電気角加速度も考慮して換算することにより、加減速中のような過渡状態時であっても理想的な切り替えタイミングに対する誤差を抑制することができるので、トルクの過不足が生じたり過電流が流れるおそれをさらに低減できる、という効果がある。

図１は、この発明を適用する交流電動機の制御装置の構成を示す一実施例のブロック図である。
図１において、電圧位相生成手段１では、外部から入力されるトルク指令値Ｔ^＊および現在の回転速度ωを指標としてテーブル参照により求めた電圧位相目標値α^＊を出力する。具体的には、例えば制御の対象となる電動機の評価試験等において、トルク指令値Ｔ^＊と回転速度ωとに対する電圧位相目標値α^＊の値をテーブルデータとして求めておくことにより、そのときのトルク指令値Ｔ^＊と回転速度ωに対応した電圧位相目標値α^＊の値をテーブル参照によって求めることができる。

制御手段２は、矩形波制御手段２−１とＰＷＭ制御手段２−２からなる。本発明は矩形波電圧駆動に関するものなので、以下、矩形波制御手段２−１について主として説明し、ＰＷＭ制御手段２−２については必要のある個所のみを説明する。

矩形波制御手段２−１は、電圧位相生成手段１から出力された電圧位相目標値α^＊と、位置検出手段６で検出された電動機５の電気角θと、電気角θを入力とする速度演算手段７で求めた電気角速度ω（回転速度）および電気角加速度ω’（電気角速度ωを時間微分した値）とに基づいて、オン／オフ信号の駆動信号Ｐを演算して出力する（詳細後述）。この駆動信号Ｐでインバータ３を制御し、インバータ３から振幅が電源電圧Ｖdcか０（または＋Ｖdc／２か−Ｖdc／２）の３相の矩形波電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwを出力し、それによって３相の電動機５を駆動する。

上記の電圧位相生成手段１および制御手段２はコンピュータ等で構成され、所定周期で繰り返し演算を行って駆動信号Ｐを演算する。この駆動信号Ｐを演算する際におけるキャリア周期の設定と修正の内容が本発明の要旨である。

上記の駆動信号Ｐはオン／オフ信号であり、インバータ３の出力は駆動信号Ｐに同期して出力される。つまり、駆動信号Ｐのオン／オフの切り替わるタイミングがそのまま矩形波電圧の切り替わるタイミングとなる（厳密にはオンとオフが逆になることもある）。そして矩形波電圧駆動では、印加する電圧振幅は電源電圧Ｖdcか０（＋Ｖdc／２か−Ｖdc／２）であって振幅を制御できないので、電圧位相を電圧位相目標値α^＊に追従させるように制御することにより、与えられたトルク指令値Ｔ^＊を実現するように電動機５のトルク制御を行う。つまりトルクと電圧位相には相関があるので、電圧位相を制御することによってトルクを制御することが出来る。この電圧位相を制御するには後述する電圧ＳＷパターンを切り替えることによって行う。

なお、制御手段２におけるＰＷＭ制御手段２−２は、ＰＷＭ電圧駆動を行う領域では、電流センサ４で検出した検出電流Ｉu、Ｉvを用いて一般的なトルク制御演算を行い、インバータ３をＰＷＭ信号で制御し、電動機５の各相に与える電圧値を変えてトルク制御を行う。上記のＰＷＭ制御における一般的なトルク制御演算とは、例えば、入力したトルク指令値と電動機５の回転角度とに基づいてｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を算出し、ｄ軸電流指令値と実際のｄ軸電流値との偏差に基づき比例積分演算を行ってｄ軸電圧指令値を演算し、同様にｑ軸電流指令値と実際のｑ軸電流値との偏差に基づいてｑ軸電圧指令値を演算する。なお、実際のｄ軸電流値とｑ軸電流値は、検出電流Ｉu、Ｉv（ＩwはＩuとＩvから算出可能）から３相２相変換を行って求める。そしてｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値を２相３相変換し、３相電圧指令値を演算する。この３相電圧指令値からＰＷＭ信号のデューティ指令値を演算し、このデューティ指令値と所定のキャリア信号（三角波や鋸歯状波など）とを比較することにより、駆動信号Ｐを求めるものである。

本発明で用いる矩形波電圧駆動を行う場合には、上記キャリア信号と比較するデューティ指令値のデューティ比を０［％］か１００［％］のどちらかにセットすることにより矩形波（Ｖdcか０の２値）の駆動信号Ｐを生成することが出来る。なお、一般に、矩形波電圧駆動は、高電圧が必要な弱め界磁領域で用いられ、その他の領域ではＰＷＭ制御が用いられる。

また、矩形波制御手段２−１において、電圧位相を電圧位相目標値α^＊に追従させるように制御するには、電圧ＳＷパターン（詳細後述）を電圧位相目標値α^＊に応じて決まるタイミングで切り替えることによって行う。

電圧ＳＷパターンやキャリア周期の設定はキャリア信号の三角波や鋸歯状波の谷で有効になり、同時に制御演算を開始するための割り込みが発生する。そして電圧ＳＷパターン切り替えタイミングが適切になるように、キャリア周期を変更して矩形波のパターン（電圧ＳＷパターン）が切り替わるタイミングを調整している。つまり、矩形波を作るためのキャリア信号（例えば三角波）の周期を、電圧ＳＷパターンの切り替わり時点とキャリア信号の谷（割り込み演算開始時）とが一致するように制御することにより、電圧位相を電圧位相目標値α^＊に追従させるように制御している。

（実施例１）
以下、実施例１におけるキャリア周期の設定方法について詳細に説明する。
図２は、キャリア周期の設定方法を説明するための信号波形図である。
図２において、電圧ＳＷパターン（Ｕ、Ｖ、Ｗの三相各相に与える電圧のパターン）、つまり三相の何れを“１”つまりＶdcにし、何れを“０”にするかのパターンは、現在のキャリア周期Ｔnowの範囲ではＶu＝１、Ｖv＝０、Ｖw＝０の場合、次回のキャリア周期Ｔnextの範囲ではＶu＝１、Ｖv＝１、Ｖw＝０の場合を例示している。

図２の制御演算１（黒で塗りつぶした矢印で示す）においては、次回の電圧ＳＷパターン一区間のキャリア周期Ｔnextを、制御演算１開始時の電気角θと電気角速度ωと電気角加速度ω’とを用いて次のように演算する。
まず、下記（数１）式、（数２）式に示すように、一つの電圧ＳＷパターンの、開始から終わりまでの理想的な位相差π／３［ｒａｄ］を電気角速度ωと電気角加速度ω’とを用いて時間差ｔ’に換算する。

次に、下記（数３）式により、電圧ＳＷパターン切り替え時の電気角予測値θnextを算出する。

ただし、Ｔnow：現在のキャリア周期
次に、次回の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊は、電気角θと、電圧位相目標値α^＊と、電動機に入力すべき電圧のＳＷパターンとの関係を示す図３に基づき、θsw0^＊〜θsw5^＊の内からθnextと最も近い電気角を選択する。そして下記（数４）式に示すθnextとθsw^＊の関係式に基づた（数５）式によってθnextとθsw^＊との時間差△ｔを求める。

次に、（数２）式で求めた時間差ｔ’と（数５）式で求めた時間差△ｔとを（数６）式に示すように加算することにより、次回のキャリア周期Ｔnextを求める。

したがって次回のキャリア周期Ｔnextは、図２に実線で示すように、破線で示した値（Ｔnowに相当の値）から変更される。

上記のように、次回の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊は、電気角θと、電圧位相目標値α^＊と、電動機に入力すべき電圧のＳＷパターンとの関係を示す図３に基づき、θsw0^＊〜θsw5^＊の内からθnextと最も近い電気角を選択し、また、現在の回転方向から次の電圧ＳＷパターン切り替え以降に出力する電圧ＳＷパターンを判定する。例えば、図３において、θnextが（５π／３)−α^＊に最も近い値であった場合は、次回の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊としてθsw5^＊を選択し、次回の電圧ＳＷパターンは「Ｖu＝＋Ｖdc／２、Ｖv＝＋Ｖdc／２、Ｖw＝−Ｖdc／２」のパターンとなる。

なお、図３においては、各電圧ＳＷパターンが０を中心とした＋Ｖdc／２と−Ｖdc／２の２値の矩形波なっている。これは電動機の３相巻線をＹ接続した場合には、電源電圧Ｖdc端子と接地端子との間に、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相のうちの何れか２相の巻線が直列に接続された回路が接続されることになるので、中性点を０とすれば、Ｖdc端子側に接続された相に＋Ｖdc／２、接地端子側に接続された相に−Ｖdc／２が印加されたものと表示することが出来ることによる。したがって前記図２に示したように、＋Ｖdc／２をＶdc（“１”）、−Ｖdc／２を“０”で表してもよい。

上記のように、図２における制御演算１では、次々回の電圧ＳＷパターン切り替えタイミングが理想的なタイミングに近づくように、次回の電圧ＳＷパターンの開始から終了までの位相差を決め、これを時間に換算してキャリア周期としている。そして位相差を時間に換算する際、電気角速度に加え、電気角加速度も考慮して換算しているので、加減速中のような過渡状態時であっても、電圧ＳＷタイミングの誤差を抑制することができる。

（実施例２）
次に、実施例２におけるキャリア周期の設定方法について詳細に説明する。
図４は、実施例２におけるキャリア周期の設定方法を説明するための信号波形図である。この実施例は、図３におけるθsw0^＊〜θsw5^＊の各一区間（図２ではｔ’の区間に相当）をｎ等分（図４の例では７等分）し、ｎ個のキャリア周期Ｔc0に分けた例を示している。

電圧ＳＷパターン（図４ではＶu＝１、Ｖv＝０、Ｖw＝１の場合を例示）を切り替えてから、次に電圧ＳＷパターンを切り替えるまで（時点ｔ_０から時点ｔ_１まで）の間におけるキャリア周期Ｔc0は、電圧ＳＷパターン切り替えが行われる直前の制御演算１（黒で塗りつぶした矢印で示す）において以下の様に決定する。

まず、前記（数１）式、（数２）式により、時間差ｔ’求める。
次に、下記（数７）式に示すように、制御演算１開始時の電気角θ、電気角速度ω、電気角加速度ω’および現在のキャリア周期Ｔc’から、次に電圧ＳＷパターン切り替えが行われる電気角予測値θnextを算出する。

なお、現在のキャリア周期Ｔc’は前回の電圧ＳＷパターン切り替え直前の演算で算出されたキャリア周期である。

次に、次回の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊は、電気角θと、電圧位相目標値α^＊と、電動機に入力すべき電圧のＳＷパターンとの関係を示す図３に基づき、θsw0^＊〜θsw5^＊の内からθnextと最も近い電気角を選択する。そして下記（数８）式に示すθnextとθsw^＊の関係式に基づた（数９）式によってθnextとθsw^＊との時間差△ｔを求める。

次に、下記（数１０）式に示すように、ｔ’を△ｔで補正した値ｔを求め、（数１１）式に示すように、上記ｔをｎで等分割した値Ｔc0を次の電圧ＳＷパターン区間のキャリア周期とする。

なお、ｎはキャリア周期Ｔc0が設定可能な最小キャリア周期以上で最も小さくなる整数である。つまりキャリア周期Ｔc0をなるべく小さくするように、ｎをなるべく大きな値に設定する。

次回の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊は、電気角θと、電圧位相目標値α^＊と、電動機に入力すべき電圧のＳＷパターンとの関係を示す図３に基づき、θsw0^＊〜θsw5^＊の内からθnextと最も近い電気角を選択し、また、現在の回転方向から次の電圧ＳＷパターン切り替え以降に出力する電圧ＳＷパターンを判定する。

また、図３におけるθsw0^＊〜θsw5^＊の各一区間（例えばθsw0^＊からθsw1^＊までの一区間）は、図４のｔ’の区間に相当し、これをΔｔだけ補正したｔの区間（時点ｔ_０〜ｔ_１の区間）をｎ等分（図４の例では７等分）し、ｎ個のキャリア周期Ｔc0に分けている。

次に、キャリア周期の修正方法について説明する。
図５は、キャリア周期の修正方法を説明するための信号波形図である。
電圧ＳＷパターン切り替えが行われる直前以外の制御演算（斜線で塗りつぶした矢印で示す）では、電気角加速度と次回に電圧ＳＷパターン切り替えを行う電気角目標値θsw^＊の変化を監視する。つまり上記の値を検出し、その値の変化が所定の閾値を超えなければ、キャリア周期および電圧ＳＷパターンは前回の電圧ＳＷパターン切り替え直前の制御演算２（キャリア周期割り込み演算）で決定した状熊を継続する。

しかし、例えば途中の制御演算５において所定の閾値を超えた場合には、現在のキャリア周期Ｔc0および演算開始時の電気角θと電気角速度ωと電気角加速度ω’とを用いて、下記（数１２）式により、次回の演算開始時から次回の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊までの時間差△ｔを算出し、下記（数１３）式に示すように、その△ｔをｎ’等分（図５の例ではｎ’＝３）することによって算出したＴreを新たなキャリア周期として設定する。

次回の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊は、制御演算５開始時の電気角θと電気角速度ωの極性から図３に基づいて判定する。なお、電圧ＳＷパターン一区間内なので、電圧ＳＷパターンはキャリア周期割り込み演算２で決定した状態を継続している。
また、キャリア周期の修正は、電圧ＳＷパターン一区間の間に１回とは限らず、必要に応じて複数回同様の方法で行うことができる。

次に、作用を説明する。
図４における制御演算１で決定する次の電圧ＳＷパターン一区間のキャリア周期は、前記のように誤差を補正した値を等分割した値に設定する。つまり定常状態ならばその次の電圧ＳＷパターンが始まる理想的なタイミングとキャリア信号の谷のタイミングとが一致するようにキャリア周期を決めるので、電圧ＳＷパターンを切り替えるタイミングを設定するキャリア信号の谷のタイミング（割り込み演算の始点）を次の電圧ＳＷパターンが始まる理想的なタイミングに一致させることが出来る。そのため定常状態における電圧ＳＷパターンが切り替えられるタイミングの誤差を抑制することができる。

また、回転速度や電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値が大きく変化する場合でも、図５の制御演算５のように、変化を検知した時点で次の電圧ＳＷパターンが始まる理想的なタイミングとキャリア信号の谷が一致するようにキャリア周期を変更するので、電圧ＳＷパターンが切り替えられるタイミングの誤差を抑制することができる。

なお、図５で前記のようなキャリア周期の修正を行わなかった場合には、図５の破線３で示したように、制御演算２で決定したキャリア信号３の谷と電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊は一致しなくなり、電圧ＳＷパターン切り替えは電気角目標値θsw^＊からずれたタイミング（破線４）で行われてしまう。そのためトルクの過不足が生じたり過電流が流れるおそれがある。

上記のように、実施例２においては、矩形波電圧駆動を行う際は、電圧ＳＷパターンの開始から終了までの時間差をｎ等分（ｎは整数で、キャリア周期が設定可能な最小値以上で、なるべく小さくなるように決める）した値にキャリア周期を設定する。
また、電圧ＳＷパターン一区間中で、最後の制御演算（キャリア周期割り込み演算）において、次の電圧ＳＷパターン切り替えから、その次に電圧ＳＷパターン切り替えを行うまでのキャリア周期を決定する。
また、電圧ＳＷパターン一区間中で、最後以外の制御演算（キャリア周期割り込み演算）においては、電気角加速度および次の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値の変化を監視し、どちらかまたは両方が所定の閾値を超えたら、次の演算開始から次の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値までの時間差をｎ’等分した値でキャリア周期を変更するように構成している。

上記のように構成したことにより、電圧ＳＷパターン切り替えの間に回転速度の急峻な変化や、電気角の位相差目標値に変化があった場合でも、電圧ＳＷパターン切り替え間隔によらない小さな周期（電圧ＳＷパターン周期のほぼ１／ｎの周期）で電圧ＳＷパターン切り替えタイミングが適切になるようにキャリア周期を変更できるので、トルクの過不足や過電流が流れるおそれが低減される。

（実施例３）
実施例３においても構成のブロック図は実施例１と同じ図１であり、キャリア周期の設定方法と修正方法が異なっている。
以下、実施例３におけるキャリア周期の設定方法を説明する。
図６は、キャリア周期の設定方法を示す図である。
本実施例においては、基本のキャリア周期は予め定めた一定の基準値Ｔcpとしておき、電圧ＳＷパターンを切り替える場合のみ、その前後のキャリア周期の合計が基本のキャリア周期Ｔcpの３倍となるように設定する。なお、上記の基本のキャリア周期Ｔcpは、例えばＰＷＭ電圧駆動を行う場合のキャリア周期と同じ大きさとする。

電圧ＳＷパターンを切り替えてから、次に電圧ＳＷパターンを切り替えるまでのキャリア周期は、電圧ＳＷパターン切り替えが行われる直前の制御演算１（黒で塗りつぶした矢印）において以下の様に決定する。

まず、前記（数１）式、（数２）式を用いて時間差ｔ’を求める。
次に、下記（数１４）式に示すように、制御演算１開始時の電気角θ、電気角速度ω電気角加速度ω’および現在のキャリア周期Ｔc1から、次に電圧ＳＷパターン切り替えが行われる電気角予測値θnextを算出する。

ただし、現在のキャリア周期Ｔc1は前回の電圧ＳＷパターン切り替え直前の演算で求めた次回のキャリア周期Ｔc1nextに相当する。

次に、下記（数１５）式に示すように、次の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊と、次に電圧ＳＷパターン切り替えが行われる電気角予測値θnextとの差分を時間換算した値△ｔを算出する。

そして下記（数１６）式に示すように、ｔ’を△ｔで補正した値ｔを求める。

次に、下記（数１７）式に示すように、次回電圧ＳＷパターン切り替え直後のキャリア周期Ｔc2を、３ＴcpとＴc1の差分の値に設定し、下記（数１８）式に示すように、次々回の電圧ＳＷパターン切り替え直前のキャリア周期Ｔc1nextを、Ｔcpと、ｔからＴc2を差し引いた値をＴcpで割った余りとの和として求める。そして残りの期間はキャリア周期をＴcp一定とすることにより、次の電圧ＳＷパターン一区間の、キャリア周期の合計がｔとなるキャリア周期パターンを決定する。

ただし、ｍは、Ｔcp＜Ｔc1next＜２Ｔcpとなる整数
上記のように制御演算１で求める次の電圧ＳＷパターン一区間におけるキャリア周期は、Ｔc2とｍ個（図６ではｍ＝４）のＴcpとＴc1nextとからなるパターンとなる。
なお、Ｔc1、Ｔc2、Ｔc1nextの大きさはＴcpより大とする。これは一般にＴcpを演算可能な範囲で最も小さな値に設定していることから、それよりも小さな値は演算困難なためである。

次回の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊は、電気角θと、電圧位相目標値α^＊と、電動機に入力すべき電圧のＳＷパターンとの関係を表す図３に基づき、θsw０^＊〜θsw５^＊からθnextと最も近い点を選択する。また、現在の回転方向から、次の電圧ＳＷパターン切り替え以降に出力する電圧ＳＷパターンを判定する。

次に、キャリア周期の修正方法について説明する。
図７は、キャリア周期の修正方法を説明するための信号波形図である。
電圧ＳＷパターン切り替えが行われる直前以外の制御演算（斜線で塗りつぶした矢印で表示）では、電気角加速度と次回に電圧ＳＷパターン切り替えを行う電気角目標値θsw^＊の変化を監視する。これらの変化が所定の閾値を超えなければ、キャリア周期および電圧ＳＷパターンは前回の電圧ＳＷパターン切り替え直前の制御演算２（キャリア周期割り込み演算）で決定した状態を継続する。

しかし、例えば途中の制御演算５で所定の閾値を超えた場合には、現在のキャリア周期Ｔcpおよび演算開始時の電気角θ、電気角速度ω、電気角加速度ω’を用いて、下記（数１９）式により次回演算開始時から電気角目標値θsw^＊までの時間差△ｔを算出する。また、下記（数２０）式に示すように、次回電圧ＳＷパターン切り替え直前のキャリア周期Ｔc1nextを、Ｔcpと、△ｔをＴcpで割った余りとの和として演算する。そして残りの期間はキャリア周期をＴcp一定として、次の演算開始から電圧ＳＷパターン切り替えまでのキャリア周期の合計が△ｔとなるようにキャリア周期パターンを変更する。

ただし、ｍは、Ｔcp＜Ｔc1next＜２Ｔcpとなる整数
なお、キャリア周期の修正は、電圧ＳＷパターン一区間の間に１回とは限らず、必要に応じて複数回同様の方法で行うことができる。
また、キャリア周期がＴc2の区間の制御演算においても同様の方法でキャリア周期を変更できる。

次に、作用を説明する。
図６における制御演算５で決定する次の電圧ＳＷパターン一区間のキャリア周期パターンは、定常状態ならばその次の電圧ＳＷパターンが始まる理想的なタイミングとキャリア信号の谷のタイミングがなるべく一致するように決めるので、定常状態で電圧ＳＷタイミングの誤差は抑制される。

また、回転速度や電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値が大きく変化する場合でも、図７の制御演算５のように変化を検知した時点で次の電圧ＳＷパターンが始まる理想的なタイミングとキャリア信号の谷が一致するようにキャリア周期パターンを変更するので、電圧ＳＷタイミングの誤差を抑制することができる。

なお、図７で上記のようなキャリア周期の変更を行わなかった場合には、図７の制御演算２で決定したキャリア信号３（破線で示す）の谷と電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊が一致しなくなるので、電圧ＳＷパターン切り替えはθsw^＊からずれたタイミング４（破線で示す）で行われてしまう。

また、基本的なキャリア周期ＴcpをＰＷＭ電圧駆動時のキャリア周期と同じ値に設定した場合には、電圧ＳＷパターン切り替えに伴ってその前後のキャリア周期を変更した場合でも、その和は基本的なキャリア周期Ｔcpの整数倍、つまりＰＷＭ電圧駆動時のキャリア周期の整数倍であるため、図８に示すようにＰＷＭ電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替え、再度ＰＷ電圧駆動に切り替えた場合でも、電流制御などに用いる他のタイマ周期演算との相対的な時間差は一定に保たれるので、時間差の変化による影響を抑制することが出来る。

上記のように、実施例３においては、矩形波電圧駆動を行う際は、基本的なキャリア周期は一定値Ｔcp（例えばＰＷＭ電圧駆動を行う場合のキャリア周期と同じ値）とし、電圧ＳＷパターンを切り替える場合のみ、その前後のキャリア周期の合計が基本的なキャリア周期Ｔcpの３倍となるように設定する。そして切り替え前後のキャリア周期は基本的なキャリア周期Ｔcpよりも大きく、その値は電圧ＳＷパターン切り替えタイミングが切り替えを行う電気角目標値に出来るだけ一致するように決める。
また、電圧ＳＷパターン一区間中で、最後のキャリア周期割り込み演算では、次の電圧ＳＷパターン切り替えから、その次に電圧ＳＷパターン切り替えを行うまでのキャリア周期パターンを決定する。そして電圧ＳＷパターン一区間中で、最後以外のキャリア周期割り込み演算では、電気角加速度および次の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値の変化を監視し、何れか一方または両方が所定の閾値を超えたら、次の演算開始から次の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値までの時間差に応じてキャリア周期パターンを変更するように構成している。

上記のように構成したことにより、電圧ＳＷパターン切り替えの間に回転速度の急峻な変化や、電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊に変化があった場合でも、電圧ＳＷパターン切り替え間隔によらない小さな周期で電圧ＳＷパターン切り替えタイミングが適切になるようにキャリア周期を変更できるので、トルクが過不足になったり過電流が流れるおそれを低減することができる。

また、基本的なキャリア周期ＴcpをＰＷＭ電圧駆動を行う場合のキャリア周期と同じ値に設定した場合には、ＰＷＭ電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替え、再度ＰＷＭ電圧駆動に切り替えた場合でも、キャリア周期割り込みタイミングが容易に同期でき、ＰＷＭ電圧駆動時のキャリア周期割り込み以外の周期動作する割り込み演算に対して相対的な時間差を一定にできる、という効果が得られる。

（実施例４）
実施例４においても構成のブロック図は実施例１と同じ図１であり、キャリア周期の設定方法とキャリア周期の修正方法が異なっている。
以下、実施例４におけるキャリア周期の設定方法を説明する。
図９は、キャリア周期の設定方法を示す図である。
電圧ＳＷパターン切り替え直前の制御演算１では、次のキャリア周期Ｔc2を、現在のキャリア周期Ｔc1との和が３Ｔcpとなるように決定する。演算式は前記（数１７）式と同じである。ただし、現在のキャリア周期Ｔc1は前回の制御演算（制御演算１の直前の演算）で求めている。
また、制御演算１開始時の電気角θと電気角速度ωの極性から、図３に基づき次の電圧ＳＷパターンを決定する。

電圧ＳＷパターン切り替え直前以外の制御演算では、次回に電圧ＳＷパターン切り替えを行う電気角目標値θsw^＊と、演算開始時の電気角θおよび電気角速度ωと電気角加速度ω’と現在のキャリア周期Ｔcpを用いて、次回演算開始時から次回電圧ＳＷパターン切り替えまでの時間△ｔを前記（数１９）式により算出する。

図１０および図１１は、実施例３において、△ｔが２Ｔcpより大か以下かに応じて設定されるキャリア周期が異なる場合を説明するための信号波形図である。
図１０の制御演算１は、△ｔが２Ｔcpより大きい場合の例であり、次回のキャリア周期をＴcpと設定する。この場合には、制御演算１後の２回のキャリア周期がＴcpとなり、３回目が「Ｔc1＝△ｔ−２Ｔcp」となり、Ｔc2は前記（数１７）式と同じ「Ｔc2＝３Ｔcp−Ｔc1」となる。

図１１の制御演算１は、△ｔが２Ｔcp以下の場合の例であり、次回のキャリア周期をＴc1＝△ｔに設定する。この場合には、制御演算１後の１回のキャリア周期が「Ｔc1＝△ｔ」となり、Ｔc2は前記（数１７）式と同じ「Ｔc2＝３Ｔcp−Ｔc1」となる。

次に、作用を説明する。
電圧ＳＷパターン切り替え直前を除く制御演算では、次の制御演算開始から次の電圧ＳＷパターン切り替えが始まる理想的なタイミングまでの時間差△ｔが２Ｔcpを超える場合は次のキャリア周期をＴcpにし、△ｔが２Ｔcp以下なら△ｔを次のキャリア周期としてキャリア信号の谷のタイミングがなるべく理想的な電圧ＳＷタイミングと一致するように決めている。したがって電圧ＳＷタイミングの誤差を抑制することができる。

また、基本的なキャリア周期ＴcpをＰＷＭ電圧駆動時と同じにした場合は、電圧ＳＷパターン切り替えに伴ってその前後のキャリア周期を変更した場合でも、その和はＰＷＭ電圧駆動時のキャリア周期の整数倍であるため、前記図８に示したようにＰＷＭ電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替え、再度ＰＷ電圧駆動に切り替えた場合でも、電流制御などに用いる他のタイマ周期演算との相対的な時間差は一定に保たれ、時間差の変化による影響を抑制することができる。

上記のように実施例４においては、矩形波電圧駆動を行う際は、基本的なキャリア周期は一定値Ｔcp（例えばＰＷＭ電圧駆動を行う場合のキャリア周期と同じ値）とし、電圧ＳＷパターンを切り替える場合のみ、その前後のキャリア周期の合計が基本的なキャリア周期Ｔcpの３倍となるように設定する。そして切り替え前後のキャリア周期は基本的なキャリア周期Ｔcpよりも大きく、その値は電圧ＳＷパターン切り替えタイミングが切り替えを行う電気角目標値になるべく一致するように決める。また、各キャリア周期割り込み演算では、次の演算開始から次の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値までの時間差△ｔを監視し、時間差△ｔがＰＷＭ電圧駆動時のキャリア周期の２倍を下回ったら、時間差△ｔを次のキャリア周期とし、次の次の制御演算開始時（図１１のＴc1の次）に電圧ＳＷパターンを切り替えるように構成している。

上記のように構成したことにより、電圧ＳＷパターンを切り替える間に回転速度の変化や、電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊に変化があった場合でも、電圧ＳＷパターン切り替え間隔によらない小さな周期で電圧ＳＷパターン切り替えタイミングが適切になるようにキャリア周期を設定できるので、トルクの過不足や過電流が流れるおそれは低減される。また、ＰＷＭ電圧駆動から矩形波電圧駆動に切り替え、再度ＰＷＭ電圧駆動に切り替えた場合でも、キャリア周期割り込みタイミングが容易に同期でき、ＰＷＭ電圧駆動時のキャリア周期割り込み以外の周期動作する割り込み演算に対して相対的な時間差を一定にできる。また、時間差△ｔがＴcpの２倍よりも大きいか以下で次回のキャリア周期を決めているので、回転速度変化や電気角目標値θsw^＊変化の監視や、キャリア周期の再計算が不要である、という効果が得られる。

（実施例５）
これまで説明した実施例３、実施例４においては、キャリア周期を変更する際に、変更の前後では前記（数１７）式に示したように、「３Ｔcp＝Ｔc1＋Ｔc2」になるようにし、その後に基本のキャリア周期Ｔcpに戻るようになっている。しかし、Ｔc2の演算を省略し、キャリア周期は原則として基本のキャリア周期Ｔcpとすることも出来る。

図１２は、前記実施例３の構成においてＴc2の演算を省略した場合の例であり、キャリア周期は原則として基本のキャリア周期Ｔcpとし、電圧ＳＷパターンの切り替え直前の制御演算１において、時間差△ｔを補正するように次回のキャリア周期Ｔc1nextを演算し、それ一回のみで調整するように構成している。

この方法において、△ｔやｔの演算方法は前記（数９）式、（数１０）式で示したものと同様であるが、Ｔc1nextの演算式は下記（数２１）式を用いて行う。

ただし、ｍは、Ｔcp＜Ｔc1next＜２Ｔcpとなる整数
上記のように制御演算１で求める次の電圧ＳＷパターン一区間におけるキャリア周期は、Ｔc1nextとｍ個（図１２ではｍ＝６）のＴcpからなるパターンとなる。
なお、上記の実施例におけるキャリア周期の修正方法については前記実施例３と同様である。また、Ｔc1、Ｔc1nextの大きさはＴcpより大とする。これは一般にＴcpを演算可能な範囲で最も小さな値に設定していることから、それよりも小さな値は演算困難なためである。

上記と同様に、実施例４の構成において、Ｔc2の演算を省略することも出来る。この場合には、図１２において、Ｔc1nextの直前の制御演算においてＴc1nextを演算する。Ｔc1nextの演算式は上記（数２１）式と同じである。この場合においてもキャリア周期の修正方法については前記実施例４と同様である。

実施例５においては、キャリア周期割り込み以外のタイマ動作する割り込みとの同期が行われないことを除けば、実施例２、３と同様の作用、効果があるが、キャリア周期は原則として基本のキャリア周期Ｔcpとし、Ｔc1のみで時間差△ｔを補正しているので、キャリア周期を決定するモードを一つ（Ｔc2を決めるモード）減少させることが出来、構成を簡略化できる、という特徴がある。

本発明を適用する交流電動機の制御装置の構成を示す一実施例のブロック図。 実施例１におけるキャリア周期の設定方法を説明するための信号波形図。 電動機に入力すべき電圧のＳＷパターンを示す図。 実施例２におけるキャリア周期の設定方法を説明するための信号波形図。 実施例２におけるキャリア周期の修正方法を説明するための信号波形図。 実施例３におけるキャリア周期の設定方法を説明するための信号波形図。 実施例３におけるキャリア周期の修正方法を説明するための信号波形図。 ＰＷＭ電圧駆動と矩形波電圧駆動とを切り替えて駆動した場合における演算の相対時間差を示す信号波形図。 実施例４におけるキャリア周期の設定方法を説明するための信号波形図。 実施例４において、△ｔが２Ｔcpより大きい場合に設定されるキャリア周期を説明するための信号波形図。 実施例４において、△ｔが２Ｔcp以下の場合に設定されるキャリア周期を説明するための信号波形図。 実施例５におけるキャリア周期の設定方法を説明するための信号波形図。

符号の説明

１…電圧位相生成手段 ２…制御手段
２−１…矩形波制御手段 ２−２…ＰＷＭ制御手段
３…インバータ ４…電流センサ
５…電動機 ６…位置検出手段
７…速度演算手段

Claims (7)

1. 電源電圧の最高値と最低値を所定の電圧スイッチングパターンで電動機巻線の各相に印加する矩形波電圧駆動を行う交流電動機の制御装置において、
   外部から与えられたトルク指令値と現在の回転速度とに応じた電圧位相目標値を出力する電圧位相生成手段と、
   前記電圧位相目標値と、電動機の電気角と、前記電動機の電気角速度と、前記電動機の電気角加速度から前記電動機を駆動する矩形波の駆動信号を演算する矩形波制御手段と、
   前記矩形波の駆動信号に応じた矩形波電圧を前記電動機巻線の各相に印加して前記電動機を駆動するインバータと、を備え、
   前記矩形波制御手段は、
   キャリア信号の谷の位置毎に制御演算を開始するための割り込みを発生すると共に前記電圧スイッチングパターンの設定と前記キャリア信号のキャリア周期の設定とを行い、
   一つの電圧スイッチングパターンの、開始から終わりまでの理想的な位相差π／３を、電気角速度ωと電気角加速度ω’とを用いて時間差ｔ’に換算し、
   電圧スイッチングパターン切り替え時の電気角予測値θnextを、今回の制御演算開始時の電気角θと電気角速度ωと電気角加速度ω’と今回のキャリア周期Ｔnowを用いて演算し、
   次回の電圧スイッチングパターン切り替えの電気角目標値θsw^＊を、前記電気角予測値θnextに最も近い値から決定し、
   前記θnextと前記θsw^＊との時間差△ｔを求め、
   前記時間差ｔ’と前記時間差△ｔとを加算することにより、次回のキャリア周期Ｔnextを求め、
   次回のキャリア周期を上記の求めたキャリア周期Ｔnextに変更して前記電圧スイッチングパターンが切り替わるタイミングを調整することにより、電圧位相を電圧位相目標値に追従させるように制御することを特徴とする交流電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載の交流電動機の制御装置において、
   前記矩形波制御手段は、キャリア信号の谷の位置毎に制御演算を開始するための割り込みを発生すると共に前記電圧スイッチングパターンの設定と前記キャリア信号のキャリア周期の設定とを行い、
   前記電圧スイッチングパターン一区間中で、最後の前記割り込み演算において、次の電圧スイッチングパターン切り替えから、その次に電圧スイッチングパターン切り替えを行うまでのキャリア周期を、電圧スイッチングパターン一区間の開始から終了までの時間差をｎ等分（ｎは整数で、キャリア周期が設定可能な最小値以上で、キャリア周期が最小になるように出来るだけ大きな値）した値に設定し、
   かつ、電圧スイッチングパターン一区間中で、最後以外の前記割り込み演算において、電気角加速度および次回に電圧スイッチングパターンを切り替える電気角目標値の変化を監視し、何れか一方または両方が所定の閾値を超えた場合は、次の前記割り込み演算開始から次回に電圧スイッチングパターンを切り替える電気角目標値までの時間差をｎ'等分（ｎ'は整数で、キャリア周期が設定可能な最小値以上で、キャリア周期が最小になるように出来るだけ大きな値）した値に、それ以後のキャリア周期を変更するように構成し、
   キャリア周期を変更して前記電圧スイッチングパターンが切り替わるタイミングを調整することにより、電圧位相を電圧位相目標値に追従させるように制御することを特徴とする交流電動機の制御装置。
3. 請求項１に記載の交流電動機の制御装置において、
   前記矩形波制御手段は、キャリア信号の谷の位置毎に制御演算を開始するための割り込みを発生すると共に前記電圧スイッチングパターンの設定と前記キャリア信号のキャリア周期の設定とを行い、
   キャリア周期は原則として一定の基準値とし、電圧スイッチングパターンを切り替える場合にのみ、その前後のキャリア周期の合計が前記基準値の３倍となるように設定し、かつ、前記切り替え前後のキャリア周期は前記基準値よりも大きく、その値は電圧スイッチングパターン切り替えタイミングが切り替えを行う電気角目標値に一致するように設定し、電圧スイッチングパターン一区間中で、最後の前記割り込み演算では、次の電圧スイッチングパターン切り替えから、その次に電圧スイッチングパターン切り替えを行うまでのキャリア周期パターンを決定し、
   かつ、電圧スイッチングパターン一区間中で、最後以外の前記割り込み演算において、電気角加速度および次回に電圧スイッチングパターンを切り替える電気角目標値の変化を監視し、何れか一方または両方が所定の閾値を超えた場合は、次の前記割り込み演算開始から次回に電圧スイッチングパターンを切り替える電気角目標値までの時間差に応じてそれ以後のキャリア周期を変更するように構成し、
   キャリア周期を変更して前記電圧スイッチングパターンが切り替わるタイミングを調整することにより、電圧位相を電圧位相目標値に追従させるように制御することを特徴とする交流電動機の制御装置。
4. 請求項１に記載の交流電動機の制御装置において、
   前記矩形波制御手段は、キャリア信号の谷の位置毎に制御演算を開始するための割り込みを発生すると共に前記電圧スイッチングパターンの設定と前記キャリア信号のキャリア周期の設定とを行い、
   キャリア周期は原則として一定の基準値とし、電圧スイッチングパターンを切り替える場合にのみ、その前後のキャリア周期の合計が前記基準値の３倍となるように設定し、かつ、前記切り替え前後のキャリア周期は前記基準値よりも大きく、その値は電圧スイッチングパターン切り替えタイミングが切り替えを行う電気角目標値に一致するように設定し、
   かつ、前記各割り込み演算では、次の演算開始から次回に電圧スイッチングパターンを切り替える電気角目標値までの時間差を監視し、その時間差が前記キャリア周期の基準値の２倍を下回ったら、前記時間差を次のキャリア周期とし、次の次の制御演算開始時に電圧スイッチングパターンを切り替えるように構成し、
   キャリア周期を変更して前記電圧スイッチングパターンが切り替わるタイミングを調整することにより、電圧位相を電圧位相目標値に追従させるように制御することを特徴とする交流電動機の制御装置。
5. 請求項１に記載の交流電動機の制御装置において、
   前記矩形波制御手段は、キャリア信号の谷の位置毎に制御演算を開始するための割り込みを発生すると共に前記電圧スイッチングパターンの設定と前記キャリア信号のキャリア周期の設定とを行い、
   キャリア周期は原則として一定の基準値とし、電圧スイッチングパターンを切り替える場合にのみ、電圧スイッチングパターンの切り替え直前の前記割り込み演算において、次の前記割り込み演算開始から次回に電圧スイッチングパターンを切り替える電気角目標値までの時間差を補正するように次回の電圧スイッチングパターンの切り替え直前におけるキャリア周期を演算し、
   かつ、電圧スイッチングパターン一区間中で、最後以外の前記割り込み演算において、電気角加速度および次回に電圧スイッチングパターンを切り替える電気角目標値の変化を監視し、何れか一方または両方が所定の閾値を超えた場合は、次の前記割り込み演算開始から次回に電圧スイッチングパターンを切り替える電気角目標値までの時間差に応じてそれ以後のキャリア周期を変更するように構成し、
   キャリア周期を変更して前記電圧スイッチングパターンが切り替わるタイミングを調整することにより、電圧位相を電圧位相目標値に追従させるように制御することを特徴とする交流電動機の制御装置。
6. 請求項１に記載の交流電動機の制御装置において、
   前記矩形波制御手段は、キャリア信号の谷の位置毎に制御演算を開始するための割り込みを発生すると共に前記電圧スイッチングパターンの設定と前記キャリア信号のキャリア周期の設定とを行い、
   キャリア周期は原則として一定の基準値とし、電圧スイッチングパターンを切り替える場合にのみ、電圧スイッチングパターンの切り替え直前の割り込み演算の一つ前の割り込み演算において、前回の電圧スイッチングパターンの切り替えから次に電圧スイッチングパターンを切り替える電気角目標値までの時間差を補正するように今回の電圧スイッチングパターンの切り替え直前におけるキャリア周期を演算し、
   かつ、前記各割り込み演算では、次の演算開始から次回に電圧スイッチングパターンを切り替える電気角目標値までの時間差を監視し、その時間差が前記キャリア周期の基準値の２倍を下回ったら、前記時間差を次のキャリア周期とし、次の次の制御演算開始時に電圧スイッチングパターンを切り替えるように構成し、
   キャリア周期を変更して前記電圧スイッチングパターンが切り替わるタイミングを調整することにより、電圧位相を電圧位相目標値に追従させるように制御することを特徴とする交流電動機の制御装置。
7. 請求項３乃至請求項６の何れかに記載の交流電動機の制御装置において、
   矩形波電圧駆動を行なわない運転状態ではＰＷＭ電圧駆動を行うＰＷＭ電圧駆動制御手段を有し、
   前記キャリア周期の基準値は、ＰＷＭ電圧駆動を行う場合におけるキャリア周期と同じ値にしたことを特徴とする交流電動機の制御装置。

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