JP2009268171A - 同期電動機の駆動装置および駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同期電動機のロータの回転ムラの発生を抑える。
【解決手段】制御回路５０は、正極側母線２２とステータコイル１の中性点１ｘとの間の電位差（ＶＨ−ＶＢ）と負極側母線２１とステータコイル１の中性点１ｘとの間の電位差（ＶＢ）とのアンバランスを補うように、正極側母線２２側スイッチング素子のオン時間ＴＨｏｎと負極側母線２１側スイッチング素子のオン時間ＴＬｏｎとを設定する。電位差（ＶＨ−ＶＢ）｝が大きくなるほど、正極側母線２２側のスイッチング素子のオン時間ＴＨｏｎが短くなり、電位差（ＶＨ−ＶＢ）｝が小さくなるほど、正極側母線２２側のスイッチング素子のオン時間ＴＨｏｎが長くなる。それにより，Ｕ相コイル１ａ、Ｖ相コイル１ｂ、およびＷ相コイル１ｃのそれぞれに生じる磁束の大きさに変動が生じることが抑制される。したがって、ステータコイル１から発生する回転磁界のムラが抑制される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ステータコイルがスター結線されている同期電動機を制御する同期電動機の駆動装置、および駆動方法に関するものである。

従来、電動機の駆動装置では、例えば、特許文献１に示すように、６個のトランジスタと６個のダイオードから構成されるインバータ回路と、このインバータ回路を制御する制御回路とを備るものがある。

具体的には、ステータコイルの中性点とインバータ回路の負極側母線との間には、直流電源が接続されている。インバータ回路の負極側母線と正極側母線との間には、コンデンサが接続されている。

制御回路は、６個のトランジスタをスイッチング動作させることにより、コンデンサの出力電圧と電源装置の出力電圧とに基づいてステータコイルに三相交流電流を出力する。これに伴い、ステータコイルには、回転磁界が発生する。このため、ロータが回転磁界に同期して回転する。

ここで、６個のトランジスタのうち正極側母線側トランジスタがオンすると、コンデンサから正極側母線側トランジスタを通してステータコイルに放電電流が流れる。

また、６個のトランジスタのうち負極側母線のトランジスタがオンしたときには、電源装置からステータコイルに電流が流れるため、ステータコイルには、電流に基づいてエネルギーが蓄えられる。その後、負極側母線側トランジスタがオフすると、前記エネルギーに基づいた電流が、ステータコイルから正極側母線側のダイオードおよび正極側母線を通してコンデンサに電流が流れ、コンデンサが充電されることになる。

以上により、電動機を駆動するために６個のトランジスタをスイッチング動作させることにより、コンデンサに対する充電と放電とが繰り返されることになる。
特許３２２３８４２号明細書

上述の電動機の駆動装置では、６個のトランジスタをスイッチング動作させることにより、コンデンサに対する充電と放電とが繰り返されることになる。このため、コンデンサの出力電圧は変動する。

ここで、ステータコイルの中性点には、上述の如く、電源装置の電源電圧が与えられる。このため、コンデンサの出力電圧が変動すると、正極側母線と中性点との間の電位差と負極側母線と中性点との間の電位差とが一致しなく、変動する場合がある。

このため、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルのそれぞれに流れる電流が変動する。したがって、ステータコイルに発生する回転磁界に変動が生じる。このため、回転磁界に基づいてロータに発生する回転トルクに変動が生じ、ロータの回転にムラが生じる場合がある。

本発明は上記点に鑑みて、ロータの回転ムラの発生を抑えるようにした同期電動機の駆動装置、および駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、スター結線されているステータコイル（１）から発生する回転磁界によりロータを回転させる同期電動機の駆動装置であって、
直列接続された一対のスイッチング素子を多数組有し、正極側母線（２２）と負極側母線（２１）との間に前記一対のスイッチング素子が多数組、並列接続されているインバータ回路（２０）と、
コンデンサ（３０）と、
前記インバータ回路（２０）を構成する複数個の前記スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記正極側母線と前記負極側母線とのうち一方と前記ステータコイルの中性点との間に配置されている電源装置（３）の出力電圧と前記コンデンサ（３０）の出力電圧とに基づいて、前記ステータコイル（１）に交流電流を出力して前記ステータコイル（１）から前記回転磁界を発生させる駆動手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）と、を備え、
前記駆動手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）は、前記複数個のスイッチング素子をスイッチング動作させるときに、前記正極側母線と前記中性点との間の電位差と前記負極側母線と前記中性点との間の電圧差とのアンバランスを補うように、前記複数個のスイッチング素子のうち前記正極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間と前記負極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間とを設定することを特徴とする。

したがって、ステータコイルから発生する回転磁界に変動が生じることが抑制されるので、ロータに回転ムラが生じることが抑制される。

なお、スイッチング素子のスイッチング時間とは、スイッチング素子のオン時間，またはオフ時間，またはオン時間とオフ時間とを合わせたいずれかの時間である。

請求項２に係る発明では、前記電源装置（３）の出力電圧を検出する電圧検出手段（４５）と、
前記インバータ回路（２０）と前記ステータコイル（１）との間に流れる電流を検出する電流検出手段（４０）と、
前記電圧検出手段の検出電圧と、前記電流検出手段の検出電流と、前記同期電動機の角速度のうち少なくとも１つ以上の情報により、前記正極側母線と前記負極側母線との間の電位差とが決定できるように構成されているマップデータを記憶する記憶手段（５２）と、を備え、
前記駆動手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）は、前記電圧検出手段の検出電圧、前記電流検出手段の検出電流、および前記同期電動機の角速度の少なくとも１つ以上の情報に基づいて、前記記憶手段に記憶されたマップデータから前記正極側母線と前記負極側母線との間の電位差を求めるとともに、この求められた電位差と前記電圧検出手段の検出電圧とに基づいて前記正極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間と前記負極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間とを設定することを特徴とする。

これにより、正極母線の電位を検出する電圧センサを用いていないので、構成を簡素化できる。さらに、マップデータを用いることにより、スイッチング時間の設定に要する時間を短くできる。

請求項３に係る発明では、前記電源装置（３）の出力電圧を検出する電圧検出手段（４５）と、
前記インバータ回路（２０）と前記コンデンサとの間に流れる電流を検出する電流検出手段（４５）と、を備え、
前記駆動手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）は、前記電流検出手段の検出電流に基づいて前記コンデンサの出力電圧を求めるとともに、この求められた出力電圧と前記電圧検出手段の検出電圧に基づいて前記正極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間と前記負極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間とを設定することを特徴とする。

これにより、正極母線の電位を検出する電圧センサを用いていないので、構成を簡素化できる。

請求項４に係る発明では、前記ロータの回転数を推定して、前記推定されたロータの回転数を目標回転数に近づけるように前記ステータコイルに与える電圧指令値を相毎に求める指令電圧算出手段（Ｓ１００）を備え、
前記駆動手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）は、前記求められた相毎の電圧指令値に基づいて前記インバータ回路（２０）を構成する前記複数個のスイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記インバータ回路（２０）から前記ステータコイル（１）に交流電流を出力して前記推定されたロータの回転数を前記目標回転数に近づけるようになっていることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、前記相毎の電圧指令値をＶＳとし、前記正極側母線と前記負極側母線との間の電位差をＶＨとし、前記電源装置（３）の出力電圧をＶＢとし、サンプリング期間をＴｓとし、前記正極側母線および前記負極側母線のうち前記電源装置（３）が接続されている母線側のスイッチング素子のスイッチング時間をＴＬとし、前記正極側母線および前記負極側母線のうち前記電源装置（３）が接続されていない母線側のスイッチング素子のスイッチング時間をＴＨとし、ＶＨ＝２×ＶＢのときには、ＴＨ及びＴＬを（ＶＳ／ＶＨ）×Ｔｓにより算出する場合に、
ＶＨ≠２×ＶＢのときには、ＴＨ＝｛ＶＳ／（２×（ＶＨ−ＶＢ））｝×Ｔｓ、ＴＬ＝｛ＶＳ／（２×ＶＢ）｝×Ｔｓとすることを特徴とする。

請求項６に係る発明では、ＶＨ≠２×ＶＢのときに、ＶＨとＶＢとの差が所定値以上であるか否かを判定する判定手段（Ｓ２３０）を備え、
ＶＨとＶＢとの差が所定値以上であると前記判定手段が判定したときには、ＴＨとＴＬとの差が一定値になるようにＴＨとＴＬとをそれぞれ設定し、
ＶＨとＶＢとの差が所定値未満であると前記判定手段と判定したときには、ＴＨ＝｛ＶＳ／（２×（ＶＨ−ＶＢ））｝×Ｔｓ、ＴＬ＝｛ＶＳ／（２×ＶＢ）｝×Ｔｓとすることを特徴とする。

これにより、ＶＨとＶＢとの差が大きくなり過ぎることを抑制できるので、電圧変動による不安定な動作を抑制することができる。

請求項７に係る発明では、直列接続された一対のスイッチング素子を多数組有し、正極側母線（２２）と負極側母線（２１）との間に前記一対のスイッチング素子が多数組、並列接続されているインバータ回路（２０）と、コンデンサ（３０）と、を用いて同期電動機を駆動する同期電動機の駆動方法であって、
前記相毎の電圧指令値をＶＳとし、前記正極側母線と前記負極側母線との間の電位差をＶＨとし、前記電源装置（３）の出力電圧をＶＢとし、サンプリング期間をＴｓとし、前記正極側母線および前記負極側母線のうち前記電源装置（３）が接続されている母線側のスイッチング素子のスイッチング時間をＴＬとし、前記正極側母線および前記負極側母線のうち前記電源装置（３）が接続されていない母線側のスイッチング素子のスイッチング時間をＴＨとし、
前記インバータ回路（２０）を構成する複数個の前記スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記正極側母線と前記負極側母線とのうち一方と前記同期電動機のステータコイルの中性点との間に配置されている電源装置（３）の出力電圧と前記コンデンサ（３０）の出力電圧とに基づいて、前記ステータコイル（１）に交流電流を出力して前記ステータコイル（１）から前記回転磁界を発生させるときに、
前記正極側母線と前記中性点との間の電位差と前記負極側母線と前記中性点との間の電圧差とが均衡している場合には、ＴＨ及びＴＬを（ＶＳ／ＶＨ）×Ｔｓにより算出し、前記正極側母線と前記中性点との間の電位差と前記負極側母線と前記中性点との間の電圧差とが不均衡である場合には、ＴＨ＝｛ＶＳ／（２×（ＶＨ−ＶＢ））｝×Ｔｓ、ＴＬ＝｛ＶＳ／（２×ＶＢ）｝×Ｔｓとすることを特徴とする同期電動機の駆動方法である。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
図１に本発明に係る三相交流同期電動機の駆動装置の第１実施形態を示す。図１は駆動装置の回路構成と三相交流同期電動機の一部の構成とを示す。

駆動装置１０は、直流電圧に基づいて三相交流電流を三相交流同期電動機に出力して三相交流同期電動機を駆動する。三相交流同期電動機の回転軸には、例えば、圧縮機構等の負荷が接続されている。

三相交流同期電動機は、例えば永久磁石が埋め込まれたロータ（図示省略）と、ロータに回転磁界を与えるステータコイル１を備える。ステータコイル１は、Ｕ相コイル１ａ、Ｖ相コイル１ｂ、およびＷ相コイル１ｃがスター結線されて中性点１ｘを有するものである。ステータコイル１の中性点１ｘとグランドとの間には、電源装置３が配置されている。

本実施形態では、三相交流同期電動機は、ロータの位置情報を検出するセンサが取り付けられていない構成になっている。

駆動装置１０は、インバータ回路２０、コンデンサ３０、電流センサ４０、電圧センサ４５、および制御回路５０を備える。インバータ回路２０は、電源装置３の出力電圧とコンデンサ３０の出力電圧とに基づいて三相交流電流をステータコイル１に出力する。

インバータ回路２０は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６およびダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６から構成されている。

スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ４は負極側母線２１と正極側母線２２との間に直列接続され、スイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ５は負極側母線２１と正極側母線２２との間で直列接続され、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ６は負極側母線２１と正極側母線２２との間で直列接続されている。負極側母線２１は、グランドに接続されている。

スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ４の共通接続点Ｔ１は、Ｗ相コイル１ｃに接続され、スイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ５の共通接続点Ｔ２は、Ｖ相コイル１ｂに接続され、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ６の共通接続点Ｔ３は、Ｕ相コイル１ａに接続されている。

なお、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２…ＳＷ６としては、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタや電界効果型トランジスタ等の半導体スイッチング素子が用いられている。

ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のうち対応するスイッチング素子に逆並列になるように配置されている。

コンデンサ３０は、電源装置３とともに出力電圧をインバータ回路２０に与える。コンデンサ３０のプラス電極は、インバータ回路２０の正極側母線２２に接続されている。コンデンサ３０のマイナス電極は、ステータコイル１の中性点１ｘに接続されている。

電流センサ４０は、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ、およびＷ相電流ｉｗをそれぞれ検出する電流検出手段である。Ｕ相電流ｉｕは、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ６の共通接続点Ｔ３からＵ相コイル１ａに流れる電流である。Ｖ相電流ｉｖは、スイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ５の共通接続点Ｔ２からＶ相コイル１ｂに流れる電流である。Ｗ相電流ｉｗは、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ４の共通接続点Ｔ１からＷ相コイル１ｃに流れる電流である。

なお、図中電流ｉｕ、１ｖ、ｉｗの電流の流れる方向は、それぞれ各矢印の方向を正とする。

電圧センサ４５は、電源装置３の出力電圧を検出するセンサである電圧検出手段である。

制御回路５０は、メモリ５１およびマイクロコンピュータ５２などから構成されている。メモリ５２は、マップデータを記憶している記憶手段である。マップデータは、電源電圧３の出力電圧の検出電圧と，電流センサ４０の検出電流と、同期電動機の角速度ωの少なくとも１つ以上の情報と、正極側母線２２と負極側母線２１との間の電位差ＶＨとが１対１で特定されるように構成されている。

マイクロコンピュータ５２は、後述するように、電圧センサ４５の検出電圧値、マップデータ、および電子制御装置７から与えられる目標回転数に基づいて三相交流同期電動機の回転数を制御する。

次に、本実施形態の作動について説明する。

制御回路５０は、スイッチング信号をスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６に出力する。これにより、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６がスイッチング動作する。これに伴い、共通接続点Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３から三相交流電流がステータコイル１に出力される。このため、ステータコイル１から回転磁界が発生する。これに伴い、ロータが回転磁界に同期して回転する。

ここで、負極側母線２１側のスイッチング素子、例えばスイッチング素子ＳＷ４がオンすると、中性点１ｘ側からＷ相コイル１ｃおよびスイッチング素子ＳＷ４を通してグランドに電流が流れる。このとき、Ｗ相コイル１ｃにエネルギーが蓄積される。

その後、スイッチング素子ＳＷ４がオフすると、Ｗ相コイル１ｃのエネルギーに基づいた電流がダイオードＤ１を通して正極側母線２２側に流れる。すなわち、スイッチング素子ＳＷ４がオフすると、Ｗ相コイル１ｃから電流がスイッチング素子ＳＷ１をバイパスしてコンデンサ３０に流れ、コンデンサ３０に充電されることになる。

また、正極側母線２２側のスイッチング素子、例えばスイッチング素子ＳＷ１がオンすると、コンデンサ３０からスイッチング素子ＳＷ１を通してステータコイル１のＷ相コイル１ｃに電流が流れる。すなわち、コンデンサ３０から放電されることになる。

以上により、コンデンサ３０に対する充電と放電とが繰り返されることになる。このため、コンデンサ３０の出力電圧は変動する。これに伴い、負極側母線２１と正極側母線２２との間の電位差ＶＨ（図２参照）が変動する。図２は、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５がそれぞれオンした例を示す。

ここで、電源装置３の出力電圧をＶＢとすると、電位差ＶＨの変動に伴って、
正極側母線２２とステータコイル１の中性点１ｘとの間の電位差（ＶＨ−ＶＢ）と、負極側母線２１とステータコイル１の中性点１ｘとの間の電位差（ＶＢ）とが不一致になる場合がある。この場合、Ｕ相コイル１ａ、Ｖ相コイル１ｂ、およびＷ相コイル１ｃのそれぞれに与えられる電圧が変動する。したがって、ステータコイル１から発生する回転磁界の回転にムラが生じる。これにより、ロータの回転にムラが生じる。

これに対し、本実施形態では、制御回路５０は、正極側母線２２とステータコイル１の中性点１ｘとの間の電位差（ＶＨ−ＶＢ）と負極側母線２１とステータコイル１の中性点１ｘとの間の電位差（ＶＢ）とのアンバランスを補うように、正極側母線２２側スイッチング素子のオン時間ＴＨｏｎと負極側母線２１側スイッチング素子のオン時間ＴＬｏｎとをそれぞれ設定する。

以下、制御回路５０の制御処理について具体的に説明する。

図３は、制御回路５０の制御処理を示すフローチャートである。

まず、電子制御装置７は、制御回路５０に対して制御開始を指令する。すると、制御回路５０は、電子制御装置７から制御開始の指令に基づいて、図３のフローチャートにしたがって、コンピュータプログラムの実行を開始する。

まず、ステップＳ１００において、ステータコイル１に対する電圧指令値ＶＳを相毎に求める。

具体的には、電流センサ４０の検出電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに基づいて検出電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの角速度ωと、ロータの位置を推定する。そして、この推定されたロータの位置に基づいてロータの回転数を推定する。なお、以下、この推定された回転数を推定回転数という。

ここで、電子制御装置７から与えられる目標回転数に推定回転数を近づけるように、周知の三角波比較ＰＷＭ方式で用いる相毎の指令値、すなわちＵ相指令値ＶＳｕ、Ｖ相指令値ＶＳｖ、およびＷ相指令値ＶＳｗを求める。

Ｕ相指令値ＶＳｕは、Ｕ相コイル１ａに対する電圧指令値であり、Ｖ相指令値ＶＳｖは、Ｖ相コイル１ｂに対する電圧指令値であり、Ｗ相指令値ＶＳｗは、Ｗ相コイル１ｃに対する電圧指令値である。相毎の指令値ＶＳｕ、ＶＳｖ、ＶＳｗは、図３に示すように、三相指令波を構成している。なお、ステップＳ１００は、指令電圧算出手段を構成している。

次に、ステップＳ１１０において、電圧センサ４５の検出値（以下、電源電圧ＶＢという）を取得する。

次に、ステップＳ１２０において、メモリ５２に記憶されているマップデータ、電源電圧ＶＢ、角速度ω、および電流センサ４０の検出電流に基づいて、正極側母線２２と負極側母線２１との間の電位差ＶＨを求める。

次に、ステップＳ１３０において、三角波比較ＰＷＭ方式を用いて、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６を制御するためのスイッチング信号を求める。

Ｕ相指令値ＶＳｕが搬送波７０（図４参照）より大きいときには、正極側母線２２側のスイッチング素子ＳＷ３をオンして負極側母線２１側スイッチング素子ＳＷ６をオフする。搬送波７０は一定の周期Ｔｓで変化する三角波である。

Ｕ相指令値ＶＳｕが搬送波７０より小さいときには、スイッチング素子ＳＷ３をオフしてスイッチング素子ＳＷ６をオンする。

Ｖ相指令値ＶＳｖが搬送波７０より大きいときには、正極側母線２２側のスイッチング素子ＳＷ２をオンして負極側母線２１側スイッチング素子ＳＷ５をオフする。Ｖ相指令値ＶＳｖが搬送波７０より小さいときには、スイッチング素子ＳＷ２をオフしてスイッチング素子ＳＷ５をオンする。

Ｗ相指令値ＶＳｗが搬送波７０より大きいときには、正極側母線２２側のスイッチング素子ＳＷ１をオンして負極側母線２１側スイッチング素子ＳＷ４をオフする。Ｗ相指令値ＶＳｗが搬送波７０より小さいときには、スイッチング素子ＳＷ１をオフしてスイッチング素子ＳＷ４をオンする。

このように指令値ＶＳｕ、ＶＳｖ、ＶＳｗと搬送波７０との比較により、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６のうちいずれをオンするかを決定する。

次に、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６のそれぞれオン時間を電源装置３の出力電圧ＶＢに基づいて次のように設定する。

正極側母線２２と中性点１ｘとの間の電位差と負極側母線２１と中性点１ｘとの間の電圧差とが均衡して、ＶＨ＝２×ＶＢのときには、スイッチ素子ＳＷ１のオン時間ＴＨｏｎ及びスイッチ素子ＳＷ４のオン時間ＴＬｏｎを（ＶＳｗ／ＶＨ）×Ｔｓ、スイッチ素子ＳＷ２のオン時間ＴＨｏｎ及びスイッチ素子ＳＷ５のオン時間ＴＨｏｎを（ＶＳｖ／ＶＨ）×Ｔｓ、スイッチ素子ＳＷ３のオン時間ＴＨｏｎ及びスイッチ素子ＳＷ６のオン時間ＴＨｏｎを（ＶＳｕ／ＶＨ）×Ｔｓにより算出する。

ここで、Ｔｓはサンプリング期間あって、上述の搬送波７０の周期と一致する値である。

正極側母線２２と中性点１ｘとの間の電位差と負極側母線２１と中性点１ｘとの間の電圧差とが不均衡であって、ＶＨ≠２×ＶＢのときには、スイッチ素子ＳＷ１のオン時間ＴＨｏｎ＝｛ＶＳｗ／（２×（ＶＨ−ＶＢ））｝×Ｔｓ、スイッチ素子ＳＷ４のオン時間ＴＬｏｎ＝（ＶＳｗ／２×ＶＢ）×Ｔｓ、スイッチ素子ＳＷ２のオン時間ＴＨｏｎ＝｛ＶＳｖ／（２×（ＶＨ−ＶＢ））｝×Ｔｓ、スイッチ素子ＳＷ５のオン時間ＴＬｏｎ＝（ＶＳｖ／２×ＶＢ）×Ｔｓ、スイッチ素子ＳＷ３のオン時間ＴＨｏｎ＝｛ＶＳｕ／（２×（ＶＨ−ＶＢ））｝×Ｔｓ、スイッチ素子ＳＷ６のオン時間ＴＬｏｎ＝（ＶＳｕ／２×ＶＢ）×Ｔｓとする。

なお、負極母線２１側のスイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６は、「正極側母線２２および負極側母線２１のうち電源装置３が接続されている母線側のスイッチング素子」に相当する。正極側母線２２側のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は、「正極側母線２２および負極側母線２１のうち電源装置３が接続されていない母線側のスイッチング素子」に相当する。

このように決定されたスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６のオン時間と、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６のうちいずれをスイッチングするかを示す制御情報とを含むスイッチング信号を求める。次のステップＳ１４０において、スイッチング信号をスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６に出力する。なお、ステップＳ１３０、Ｓ１４０は駆動手段を構成している。

その後、ステップＳ１００、Ｓ１１０、…Ｓ１４０の処理を繰り返す。これに伴い、共通接続点Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３から三相交流電流がステータコイル１に出力される。このため、電圧指令値ＶＳに追従する回転磁界がステータコイル１から発生する。これにより、ロータが回転磁界に同期して回転する。このため、ロータの回転数が目標回転数に近づくようになる。

以上説明した本実施形態では、正極側母線２２とステータコイル１の中性点１ｘとの間の電位差ΔＶ（＝ＶＨ−ＶＢ）が大きくなるほど、正極側母線２２側のスイッチング素子のオン時間ＴＨｏｎが短くなり、電位差ΔＶが小さくなるほど、正極側母線２２側のスイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のオン時間ＴＨｏｎが長くなる。したがって、Ｕ相コイル１ａ、Ｖ相コイル１ｂ、およびＷ相コイル１ｃのそれぞれに生じる磁束の大きさに変動が生じることが抑制される。したがって、ステータコイル１から発生する回転磁界の回転ムラが抑制される。これにより、ロータの回転ムラが生じることが抑制される。

本実施形態では、正極側母線２２の電位を検出する電圧センサを用いないで、マップデータを用いることにより、正極側母線２２と負極側母線２１との間の電位差ＶＨを求めている。このため、構成を簡素化できる。さらに、マップデータを用いることにより、オン時間の算出に要する時間を短くできる。

（第２実施形態）
上述の第１実施形態では、正極側母線２２とステータコイル１の中性点１ｘとの間の電位差ΔＶ（＝ＶＨ−ＶＢ）に関わりなく、電位差ΔＶと電源電圧ＶＢとのアンバランスを補うように、オン時間ＴＨｏｎ、ＴＬｏｎを設定した例について説明したが、これに代えて、本実施形態では、次のように、スイッチング素子のオン時間ＴＨｏｎ、ＴＬｏｎを設定する。

まず、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のオン時間ＴＨｏｎがスイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のオン時間ＴＬｏｎに比べて極めて大きくなると（ＴＨｏｎ≫ＴＬｏｎ）、コンデンサ３０から放電される電荷量が、コンデンサ３０に充電される電荷量に比べて大きくなり、電位差ＶＨが小さくなる。

一方、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のオン時間ＴＨｏｎがスイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のオン時間ＴＬｏｎに比べて極めて小さくなると（ＴＨｏｎ≪ＴＬｏｎ）、コンデンサ３０から放電される電荷量が、コンデンサ３０に充電される電荷量に比べて小さくなり、電位差ＶＨが大きくなる。

したがって、上述の第１実施形態の如く、単に、電位差ΔＶと電源電圧ＶＢとのアンバランスを補うように、オン時間ＴＨｏｎ、ＴＬｏｎを設定すると、ＴＨｏｎとＴＬｏｎとの差が大きくなりすぎて電位差ＶＨが変動する可能性がある。

そこで、本実施形態では、次のように、オン時間ＴＨｏｎ、ＴＬｏｎを設定する。

図５は、本実施形態におけるオン時間ＴＨｏｎ、ＴＬｏｎの設定処理を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ２００において、上述の第１実施形態と同様に、電源電圧ＶＢを示すデータを取得する。次のステップＳ２１０において、上述のステップＳ１２０と同様に電位差ＶＨを求める。

次に、ステップＳ２２０において、正極側母線２２とステータコイル１の中性点１ｘとの間の電位差ΔＶ（＝ＶＨ−ＶＢ）を求めるとともに、電位差ΔＶの絶対値｜ΔＶ｜を求める。

次に、ステップＳ２３０において、｜ΔＶ｜が一定値以上である否かを判定する。

｜ΔＶ｜が一定値以上であるときには、ＹＥＳと判定して、ステップＳ２３５に移行する。

ここで、正極側母線２２側のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のオン時間ＴＨｏｎを一定時間Ｔｘに設定し、負極側母線２１側のスイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のオン時間ＴＬｏｎを一定時間Ｔｙに設定する。

これにより、正極側母線２２側のスイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のオン時間ＴＨｏｎと、負極側母線２１側のスイッチ素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のオン時間ＴＬｏｎとの差が一定値（＝Ｔｘ−Ｔｙ）になる。

また、上述のステップ２３０において、｜ΔＶ｜が一定値未満であるときには、ＮＯと判定して、ステップＳ２４０に移行して、上述の第１実施形態と同様、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６のオン時間ＴＨｏｎ、ＴＬｏｎを設定する。 なお、ステップ２３０は判定手段を構成している。

以上説明した本実施形態では、｜ΔＶ｜が一定値以上であるときには、正極側母線２２側のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のオン時間ＴＨｏｎを一定時間Ｔｘに設定し、負極側母線２１側のスイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のオン時間ＴＬｏｎを一定時間Ｔｙに設定する。これにより、オン時間ＴＨｏｎ、ＴＬｏｎの差が一定値（＝Ｔｘ−Ｔｙ）になる。これに伴い、電位差ＶＨが変動することを抑制できる。

（第３実施形態）
上述の第１実施形態では、メモリに記憶されているマップデータ、電源電圧ＶＢ、角速度ω、および電流センサ４０の検出電流に基づいて、正極側母線２２と負極側母線２１との間の電位差ＶＨを求めた例について説明したが、これに代えて、本第３実施形態では、インバータ回路２０の正極側母線２２とコンデンサ３０との間に流れる電流に基づいて、コンデンサ３０の出力電圧を求める。

本実施形態の駆動装置１０の回路構成を図６に示す。

駆動装置１０には、インバータ回路２０の正極側母線２２とコンデンサ３０との間に流れる電流ｉｃを検出する電流センサ４８が設けられている。

制御回路５０は、電流センサ４８の検出電流値ｉｃを時間で積分してコンデンサ３０に蓄積される電荷量Ｑ（＝∫ｉｃ×ｄｔ）を求めるとともに、この電荷量Ｑとコンデンサ３０の容量（Ｃ）とに基づいて、コンデンサ３０におけるプラス電極とマイナス電極との間の電位差Ｖｃ（＝Ｑ／Ｃ）を求める。これに加えて、電位差Ｖｃと電源電圧ＶＢに基づいて電位差ＶＨ（＝Ｖｃ＋ＶＢ）を求める。

以上説明した本実施形態によれば、インバータ回路２０の正極側母線２２とコンデンサ３０との間に流れる電流ｉｃを検出する電流センサ４５を用いることにより、コンデンサ３０に蓄積される電荷量Ｑ（＝∫ｉｃ×ｄｔ）を求めるとともに、この電荷量Ｑに基づいて、電位差ＶＨを求めることができる。

上述の第３実施形態では、インバータ回路２０の正極側母線２２とコンデンサ３０との間に流れる電流ｉｃを検出する電流センサ４５を用いることにより、マップデータを用いることなく、電位差ＶＨを求めた例を示したが、これに代えて、
コンデンサ３０の出力電圧を検出するセンサを用いるようにしてもよい。

上述の第３実施形態では、ＶＨ＝２×ＶＢである場合のスイッチング素子のオン時間とＶＨ≠２×ＶＢである場合のスイッチング素子のオン時間とのうち一方を求める例を示したが、これに限らず、ＶＨ＝２×ＶＢである場合のスイッチング素子のオン時間とＶＨ≠２×ＶＢである場合のスイッチング素子のオン時間とを両方求めて、必要に応じて、実際に用いるスイッチング素子のオン時間を選択するようにしてもよい。

これにより、コンデンサ３０を廃止して正極側母線２２と負極側母線２１との間に電源装置３を接続した従来の駆動装置の構成に変更したときでも、三相交流同期電動機の制御に容易に対応することができる。

上述の各実施形態では、コンデンサ３０をステータコイル１の中性点１ｘと正極側母線２２との間に配置した例を示したが、これに限らず、ステータコイル１の中性点１ｘと負極母線２１との間にコンデンサ３０を配置し、かつステータコイル１の中性点１ｘと正極側母線２２との間に電源装置３を配置してもよい。また，負極側母線２１と正極側母線２２との間にコンデンサ３０を配置し，ステータコイル１の中性点１ｘと，負極側母線２１または正極側母線２２のいずれか１つの母線との間に電源装置３を配置してもよい。

上述の各実施形態では、正極側母線２２と中性点１ｘとの間の電位差と負極側母線２１と中性点１ｘとの間の電圧差とのアンバランスを補うように、正極側母線２２側スイッチング素子のオン時間と負極側母線２１側スイッチング素子のオン時間とを個別に設定した例を示したが、これに代えて、正極側母線２２と中性点１ｘとの間の電位差と負極側母線２１と中性点１ｘとの間の電圧差とのアンバランスを補うように、正極側母線２２側スイッチング素子のオフ時間と負極側母線２１側スイッチング素子のオフ時間とを個別に設定してもよい。

上述の各実施形態では、同期電動機として三相交流同期電動機を用いた例を示したが、これに限らず、同期電動機として、４相以上の多相交流同期電動機を用いてもよい。

本発明の第１実施形態における三相交流同期電動機の駆動装置の構成を示す図である。 図１のステータコイルに印加する電源電圧ＶＢ、正極及び負極側母線間の電位差ＶＨを示す図である。 図１の制御回路の制御処理を示すフローチャートである。 図１の制御回路の制御処理に用いる電圧指令値を示す図である。 本発明の第２実施形態における制御回路の処理を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態における三相交流同期電動機の駆動装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ ステータコイル
１ａ Ｕ相コイル
１ｂ Ｖ相コイル
１ｃ Ｗ相コイル
１ｘ 中性点
３ 電源装置
１０ 駆動装置
２０ インバータ回路
２１ 負極側母線
２２ 正極側母線
３０ コンデンサ
４０ 電流センサ
５０ 制御回路
ＳＷ１ スイッチング素子
Ｄ１ ダイオード

Claims (7)

1. スター結線されているステータコイル（１）から発生する回転磁界によりロータを回転させる同期電動機の駆動装置であって、
   直列接続された一対のスイッチング素子を多数組有し、正極側母線（２２）と負極側母線（２１）との間に前記一対のスイッチング素子が多数組、並列接続されているインバータ回路（２０）と、
   コンデンサ（３０）と、
   前記インバータ回路（２０）を構成する複数個の前記スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記正極側母線と前記負極側母線とのうち一方と前記ステータコイルの中性点との間に配置されている電源装置（３）の出力電圧と前記コンデンサ（３０）の出力電圧とに基づいて、前記ステータコイル（１）に交流電流を出力して前記ステータコイル（１）から前記回転磁界を発生させる駆動手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）と、を備え、
   前記駆動手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）は、前記複数個のスイッチング素子をスイッチング動作させるときに、前記正極側母線と前記中性点との間の電位差と前記負極側母線と前記中性点との間の電圧差とのアンバランスを補うように、前記複数個のスイッチング素子のうち前記正極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間と前記負極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間とを個別に設定することを特徴とする同期電動機の駆動装置。
2. 前記電源装置（３）の出力電圧を検出する電圧検出手段（４５）と、
   前記インバータ回路（２０）と前記ステータコイル（１）との間に流れる電流を検出する電流検出手段（４０）と、
   前記電圧検出手段の検出電圧と、前記電流検出手段の検出電流と、前記同期電動機の角速度のうち少なくとも１つ以上の情報により、前記正極側母線と前記負極側母線との間の電位差とが決定できるように構成されているマップデータを記憶する記憶手段（５２）と、を備え
   前記駆動手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）は、前記電圧検出手段の検出電圧、前記電流検出手段の検出電流、および前記同期電動機の角速度のうち少なくとも１つ以上の情報に基づいて、前記記憶手段に記憶されたマップデータから前記正極側母線と前記負極側母線との間の電位差を求めるとともに、この求められた電位差と前記電圧検出手段の検出電圧とに基づいて前記正極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間と前記負極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間とを個別に設定することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の駆動装置。
3. 前記電源装置（３）の出力電圧を検出する電圧検出手段（４５）と、
   前記インバータ回路（２０）と前記コンデンサとの間に流れる電流を検出する電流検出手段（４５）と、を備え、
   前記駆動手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）は、前記電流検出手段の検出電流に基づいて前記コンデンサの出力電圧を求めるとともに、この求められた出力電圧と前記電圧検出手段の検出電圧に基づいて前記正極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間と前記負極側母線側スイッチング素子のスイッチング時間とを設定することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の駆動装置。
4. 前記ロータの回転数を推定して、前記推定されたロータの回転数を目標回転数に近づけるように前記ステータコイルに与える電圧指令値を相毎に求める指令電圧算出手段（Ｓ１００）を備え、
   前記駆動手段（Ｓ１３０、Ｓ１４０）は、前記求められた相毎の電圧指令値に基づいて前記インバータ回路（２０）を構成する前記複数個のスイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記インバータ回路（２０）から前記ステータコイル（１）に交流電流を出力して前記推定されたロータの回転数を前記目標回転数に近づけるようになっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の同期電動機の駆動装置。
5. 前記相毎の電圧指令値をＶＳとし、前記正極側母線と前記負極側母線との間の電位差をＶＨとし、前記電源装置（３）の出力電圧をＶＢとし、サンプリング期間をＴｓとし、前記正極側母線および前記負極側母線のうち前記電源装置（３）が接続されている母線側のスイッチング素子のスイッチング時間をＴＬとし、前記正極側母線および前記負極側母線のうち前記電源装置（３）が接続されていない母線側のスイッチング素子のスイッチング時間をＴＨとし、ＶＨ＝２×ＶＢのときには、ＴＨ及びＴＬを（ＶＳ／ＶＨ）×Ｔｓにより算出する場合に、
   ＶＨ≠２×ＶＢのときには、ＴＨ＝｛ＶＳ／（２×（ＶＨ−ＶＢ））｝×Ｔｓ、ＴＬ＝｛ＶＳ／（２×ＶＢ）｝×Ｔｓにより算出することを特徴とする請求項４に記載の同期電動機の駆動装置。
6. ＶＨ≠２×ＶＢのときに、ＶＨとＶＢとの差が所定値以上であるか否かを判定する判定手段（Ｓ２３０）を備え、
   ＶＨとＶＢとの差が所定値以上であると前記判定手段が判定したときには、ＴＨとＴＬとの差が一定値になるようにＴＨとＴＬとをそれぞれ設定し、
   ＶＨとＶＢとの差が所定値未満であると前記判定手段と判定したときには、ＴＨ＝｛ＶＳ／（２×（ＶＨ−ＶＢ））｝×Ｔｓ、ＴＬ＝｛ＶＳ／（２×ＶＢ）｝×Ｔｓにより算出することを特徴とする請求項５に記載の同期電動機の駆動装置。
7. 直列接続された一対のスイッチング素子を多数組有し、正極側母線（２２）と負極側母線（２１）との間に前記一対のスイッチング素子が多数組、並列接続されているインバータ回路（２０）と、コンデンサ（３０）と、を用いて同期電動機を駆動する同期電動機の駆動方法であって、
   前記相毎の電圧指令値をＶＳとし、前記正極側母線と前記負極側母線との間の電位差をＶＨとし、前記電源装置（３）の出力電圧をＶＢとし、サンプリング期間をＴｓとし、前記正極側母線および前記負極側母線のうち前記電源装置（３）が接続されている母線側のスイッチング素子のスイッチング時間をＴＬとし、前記正極側母線および前記負極側母線のうち前記電源装置（３）が接続されていない母線側のスイッチング素子のスイッチング時間をＴＨとし、
   前記インバータ回路（２０）を構成する複数個の前記スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記正極側母線と前記負極側母線とのうち一方と前記同期電動機のステータコイルの中性点との間に配置されている電源装置（３）の出力電圧と前記コンデンサ（３０）の出力電圧とに基づいて、前記ステータコイル（１）に交流電流を出力して前記ステータコイル（１）から前記回転磁界を発生させるときに、
   前記正極側母線と前記中性点との間の電位差と前記負極側母線と前記中性点との間の電圧差とが均衡している場合には、ＴＨ及びＴＬを（ＶＳ／ＶＨ）×Ｔｓにより算出し、前記正極側母線と前記中性点との間の電位差と前記負極側母線と前記中性点との間の電圧差とが不均衡である場合には、ＴＨ＝｛ＶＳ／（２×（ＶＨ−ＶＢ））｝×Ｔｓ、ＴＬ＝｛ＶＳ／（２×ＶＢ）｝×Ｔｓにより算出することを特徴とする同期電動機の駆動方法。

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