JP2013017308A - インバータ装置および電動機ドライブシステム - Google Patents

Abstract

【課題】巻線切替による影響を低減すること。
【解決手段】インバータ装置が備える定出力制御器８は、交流電動機への電圧指令の値が、直流電圧に基づいて決定される出力可能な最大電圧に達する場合に、電圧指令の値および最大電圧に基づいてｄ軸電流指令補正値を算出して出力する。また、定出力制御器８は、巻線切替信号に基づいて決定される出力切替タイミング時に、トルク指令と直流電圧とによって決定される定出力モデルを用いてｄ軸電流指令補正値を生成して所定時間出力する。
【選択図】図４

Description

本発明は、インバータ装置および電動機ドライブシステムに関する。

従来、交流電動機の電機子巻線を切り替えることによって、低速領域から高速領域までの広範囲な運転を可能とする巻線切替方式が知られている。

従来の巻線切替方式では、巻線切替によるショックを低減するために、たとえば、交流電動機の回転数が急激に変化している状況での巻線切替を禁止するといった対策が採られていた。しかし、このような対策を採ると、たとえば低速から高速まで連続的に加速するような場合に効率が悪く、また、十分なトルクを得ることもできないといった問題があった。

そこで、本願出願人は、加減速中であっても巻線切替によるショックを低減することができるインバータ装置を特許文献１において提案した。具体的には、特許文献１に記載のインバータ装置は、電圧指令が、交流電動機へ出力可能な最大電圧値を超えると、ｄ軸電流指令の補正値であるｄ軸電流指令補正値を演算し、演算したｄ軸電流指令補正値を用いてｄ軸電流指令を補正する処理を行う。

このとき、特許文献１に記載のインバータ装置では、巻線切替前にｄ軸電流指令補正値をあらかじめ算出しておき、巻線切替時には、あらかじめ算出しておいたｄ軸電流指令補正値を用いてｄ軸電流指令を補正することとしている。これにより、巻線切替によるショックの発生原因の一つであるｄ軸電流指令補正値の演算遅れを無くすことができ、加減速中においてもスムーズな巻線切替が可能となる。

なお、特許文献１に記載のインバータ装置は、トルク指令、電源電圧値および交流電動機の回転速度をパラメータとしてｄ軸電流指令補正値を事前に算出することとしている。

特開２０１０−２２１６５号公報

しかしながら、特許文献１に記載のインバータ装置には、巻線切替による影響をさらに低減するという点で改善の余地があった。

たとえば、特許文献１に記載のインバータ装置では、ｄ軸電流指令補正値を決定するパラメータとして交流電動機の回転速度を用いている。しかし、交流電動機の回転速度は、巻線切替による過渡現象の影響を受ける。すなわち、交流電動機の回転速度の検出値には、巻線切替による過渡現象に起因するノイズ成分が含まれる可能性がある。このような過渡現象の影響を受けた検出値を用いてｄ軸電流指令補正値を算出した場合、過渡現象の収束時間が長引くおそれがある。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、巻線切替による影響を低減することができるインバータ装置および電動機ドライブシステムを提供することを目的とする。

本願の開示するインバータ装置は、交流電動機が備える各相の電機子巻線の一端に接続され、前記交流電動機を駆動するインバータ装置であって、前記電機子巻線の他端および中途部にそれぞれ接続され、前記電機子巻線の結線を切り替える巻線切替器に対して巻線切替信号を出力する巻線切替信号発生器と、前記交流電動機への電圧指令の値が所定の閾値を超える場合に、前記電圧指令の値および前記所定の閾値に基づき、ｄ軸電流指令補正値を算出して出力する定出力制御器と、を備え、前記定出力制御器は、前記巻線切替信号に基づいて決定される出力切替タイミング時に、トルク指令または速度指令と供給される直流電圧とによって決定される定出力モデルを用いて前記ｄ軸電流指令補正値を生成して所定時間出力する。

また、本願の開示する電動機ドライブシステムは、直流電圧源と、交流電動機と、該交流電動機が備える各相の電機子巻線の一端に接続されたインバータ装置と、を備える電動機ドライブシステムであって、前記インバータ装置は、前記電機子巻線の他端および中途部にそれぞれ接続され、前記電機子巻線の結線を切り替える巻線切替器に対して巻線切替信号を出力する巻線切替信号発生器と、前記交流電動機への電圧指令の値が所定の閾値を超える場合に、前記電圧指令の値および前記所定の閾値に基づき、ｄ軸電流指令補正値を算出して出力する定出力制御器と、を備え、前記定出力制御器は、前記巻線切替信号に基づいて決定される出力切替タイミング時に、トルク指令または速度指令と供給される直流電圧とによって決定される定出力モデルを用いて前記ｄ軸電流指令補正値を生成して所定時間出力する。

本願の開示するインバータ装置および電動機ドライブシステムの一つの態様によれば、巻線切替による影響を低減することができる。

図１は、第１実施形態に係るドライブシステムの構成を示すブロック図である。 図２は、第１実施形態に係るインバータ装置の構成を示すブロック図である。 図３は、巻線切替器の構成を示す回路図である。 図４は、定出力制御器の構成を示すブロック図である。 図５Ａは、高速モード用の定出力モデルの一例を示す図である。 図５Ｂは、低速モード用の定出力モデルの一例を示す図である。 図６は、電流制御器の構成を示すブロック図である。 図７は、電流指令演算器の構成を示すブロック図である。 図８Ａは、高速モード用の電流モデルの一例を示す図である。 図８Ｂは、低速モード用の電流モデルの一例を示す図である。

以下に添付図面を参照して、本願の開示するインバータ装置および電動機ドライブシステム（以下、単に「ドライブシステム」と記載する）のいくつかの実施形態を詳細に説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。ただし、これらの実施形態における例示で本発明が限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係るドライブシステムの構成について図１を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るドライブシステム１００は、インバータ装置２０と、交流電動機４０と、位置検出器４１と、巻線切替器６０と、直流電圧源８０を備える。

インバータ装置２０は、直流電圧源８０から供給される直流電力を三相交流電力へ変換する電力変換装置である。このインバータ装置２０は、交流電動機４０が備える各相の電機子巻線の一端に設けられた接続端子Ａ１〜Ａ３と接続される。なお、インバータ装置２０の構成については、図２を用いて後述する。

交流電動機４０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相の電機子巻線を含む三相交流電動機である。この交流電動機４０は、インバータ装置２０から出力される電圧により駆動される。交流電動機４０には、各相における電機子巻線の終端に設けられた接続端子Ａ４〜Ａ６および中途部（ここでは、中間点）に設けられた接続端子Ｂ１〜Ｂ３に対して巻線切替器６０が接続される。

位置検出器４１は、交流電動機４０に接続され、交流電動機４０の回転子位相θを検出する検出器である。位置検出器４１としては、たとえばエンコーダやレゾルバなどを用いることができる。

直流電圧源８０は、交流電源と整流回路とを備え、インバータ装置２０に直流電力を供給する。直流電圧源８０としては、たとえばバッテリなどのように整流回路を伴わない直流電源を用いることもできる。

巻線切替器６０は、各相における電機子巻線の結線を切り替える切替器である。ここで、巻線切替器６０の具体的な構成について図３を参照しつつ説明する。

［巻線切替器６０の構成例］
図３は、巻線切替器６０の構成を示す回路図である。巻線切替器６０は、交流電動機４０の接続端子Ｂ１〜Ｂ３に接続される第１切替器６１と、接続端子Ａ４〜Ａ６に接続される第２切替器６２とを備える。巻線切替器６０は、これら第１切替器６１および第２切替器６２を用いて交流電動機４０の電機子巻線の終端あるいは中間点を短絡することによって交流電動機４０の巻線特性を切り替える。

巻線切替器６０は、基本的には特許第３９４８００９号公報の図１に示された巻線切替器の構成と同一である。巻線切替器６０は、第１切替器６１および第２切替器６２に対してそれぞれコンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）および抵抗（Ｒ１，Ｒ２）を個別に設け、巻線切替時に余るエネルギーを効果的に吸収している。

図３において、後述する巻線切替信号により、第１切替器６１のＳＷ１がＯＦＦ、第２切替器６２のＳＷ２がＯＮになると、電機子巻線の終端側（接続端子Ａ４〜Ａ６側）が短絡され、巻線インピーダンスが最大の状態となる。この状態を低速モードと呼ぶ。低速モードでは、大トルクを得やすいが、回転数が高速になるに従いトルクの発生が困難となる。一方、同様にＳＷ１がＯＮ、ＳＷ２がＯＦＦになると、電機子巻線の中間点（接続端子Ｂ１〜Ｂ３）が短絡され、巻線インピーダンスが減少する。この状態を高速モードと呼ぶ。高速モードでは、巻線インピーダンスを減少させることで逆起電圧が減少するため、トルクを得やすくすることができる。

このように、低速時はＳＷ１をＯＦＦ、ＳＷ２をＯＮ（低速モード）、高速時はＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦ（高速モード）となるように巻線を切替えて低速運転時の高トルクと、高速運転時のトルク発生の両立を可能としている。

［インバータ装置２０の構成］
次に、本実施形態に係るインバータ装置２０の構成について図２を用いて説明する。図２に示すように、インバータ装置２０は、トルク指令発生器１と、電流指令演算器２と、電流制御器３と、ＰＷＭ制御器４と、電流検出器５と、Ａ／Ｄ変換器６とを備える。さらに、インバータ装置２０は、電圧検出器７と、定出力制御器８と、速度演算器９と、巻線切替信号発生器１０と、定数切替器１１と、電圧ＦＦ（Feed Forward）演算器１２と、信号変換器１３と、入力端子１４ａ，１４ｂとを備える。

トルク指令発生器１は、トルク指令T_refを生成して電流指令演算器２、定出力制御器８および巻線切替信号発生器１０へ出力する処理部である。なお、トルク指令T_refは、図示していないインバータ装置２０の外部制御器から入力されてもよい。

電流指令演算器２は、トルク指令発生器１からのトルク指令T_refおよび定数切替器１１からの電動機定数や制御パラメータ、信号変換器１３からの出力切替信号に基づいて、ｄ軸電流指令Id_refおよびｑ軸電流指令Iq_refを生成する処理部である。電流指令演算器２は、生成したｄ軸電流指令Id_refおよびｑ軸電流指令Iq_refを電流制御器３および電圧ＦＦ演算器１２へ出力する。なお、電流指令演算器２の構成については、図７を用いて後述する。

電流制御器３は、電流指令演算器２からのｄ軸電流指令Id_refおよびｑ軸電流指令Iq_refに応じた電流が交流電動機４０に流れるように制御して電圧指令Vd_ref，Vq_refを生成する処理部である。また、電流制御器３は、生成した電圧指令Vd_ref，Vq_refを各相の電圧指令Vu_ref，Vv_ref，Vw_refへ変換する処理も併せて行う。そして、電流制御器３は、電圧指令Vd_ref，Vq_refを定出力制御器８へ、電圧指令Vu_ref，Vv_ref，Vw_refをＰＷＭ制御器４へ出力する。なお、電流制御器３の構成については、図６を用いて後述する。

ＰＷＭ制御器４は、図示しない搬送波信号と、電流制御器３からの各相の電圧指令Vu_ref，Vv_ref，Vw_refとに従ってＰＷＭ制御を行い、交流電動機４０に対して可変周波数の可変電圧を供給する処理部である。なお、ＰＷＭ制御器４は、図示しないスイッチング素子部を備える。このスイッチング素子部は、直流電圧源８０から供給される直流電力を電力変換して交流電動機４０へ供給する。

電流検出器５は、交流電動機４０の巻線に流れる電流を検出する検出器である。電流検出器５によって検出された電流は、Ａ／Ｄ変換器６へ出力される。

Ａ／Ｄ変換器６は、電流検出器５で検出された電流をデジタル信号へ変換する変換器である。Ａ／Ｄ変換器６によってデジタル信号へ変換された電流の検出値は、電流制御器３へ出力される。

電圧検出器７は、直流電圧源８０の電位、具体的には直流電圧源８０が接続されたインバータ装置２０の入力端子１４ａ，１４ｂ間の電位を検出する検出器であり、検出した値を直流電圧として定出力制御器８へ出力する。

定出力制御器８は、電流制御器３からの電圧指令（Vd_ref，Vq_ref）が、電圧検出器７からの直流電圧に基づく出力可能な最大電圧に達する場合に、これら電圧指令および最大電圧に基づいてｄ軸電流指令補正値Id_refcを算出する処理部である。算出されるｄ軸電流指令補正値Id_refcは、界磁弱め制御に用いられる。なお、定出力制御器８の構成については、図４を用いて後述する。

速度演算器９は、位置検出器４１からの回転子位相θに基づいて交流電動機４０の回転速度ωを演算する演算器である。演算された回転速度ωは、巻線切替信号発生器１０および電圧ＦＦ演算器１２へ出力される。

巻線切替信号発生器１０は、巻線切替器６０に対して巻線切替信号を出力することによって巻線切替を実行させる処理部である。具体的には、巻線切替信号発生器１０は、速度演算器９からの回転速度ωやトルク指令発生器１からのトルク指令T_ref等に応じて巻線切替タイミングを決定し、決定した巻線切替タイミングで巻線切替信号を巻線切替器６０、定数切替器１１および信号変換器１３へ出力する。

たとえば、回転速度ωを基準として巻線切替を行う場合、巻線切替信号発生器１０は、速度演算器９からの回転速度ωと、設定された基準回転速度（以下、「巻線切替速度」と記載する）とを比較する。そして、回転速度ωが巻線切替速度を上回ると高速モードへの巻線切替タイミング、下回ると低速モードへの巻線切替タイミングとして決定する。

なお、巻線切替信号は、上述の例で言えば、回転速度ωが巻線切替速度を下回っていれば、第１切替器６１のＳＷ１をＯＦＦ、第２切替器６２のＳＷ２をＯＮ（低速モード）、上回っていれば、第１切替器６１のＳＷ１をＯＮ、第２切替器６２のＳＷ２をＯＦＦ（高速モード）とする信号となっている。

定数切替器１１は、低速モード（巻線１）用と、高速モード（巻線２）用の電動機定数や制御パラメータ用データを保持しており、巻線切替信号発生器１０からの巻線切替信号に従って選択したデータを電流指令演算器２、電流制御器３および電圧ＦＦ演算器１２へ出力し、交流電動機４０の巻線状態と一致する電動機定数や制御パラメータに切り替える。なお、定数切替器１１が保持する電動機定数や制御パラメータとしては、たとえば、トルク−電流換算係数（Ｋ)、電流位相（β）、電機子巻線インダクタンス値（Ld，Lq）、電機子鎖交磁束（Φ）、電機子巻線抵抗値（Ｒ）などがある。

電圧ＦＦ演算器１２は、電流指令演算器２からのｄ軸電流指令Id_ref、ｑ軸電流指令Iq_ref、速度演算器９からの回転速度ωおよび定数切替器１１からの電動機定数や制御パラメータを用いて、ｄ軸電圧フィードフォワード値Vd_ffおよびｑ軸電圧フィードフォワード値Vq_ffを算出する処理部である。

具体的には、電圧ＦＦ演算器１２は、

式（１−１）を用いてｄ軸電圧フィードフォワード値Vd_ffを算出し、式（１−２）を用いてｑ軸電圧フィードフォワード値Vq_ffを算出する。

なお、電圧ＦＦ演算器１２によって算出されたｄ軸電圧フィードフォワード値Vd_ffおよびｑ軸電圧フィードフォワード値Vq_ffは、電流制御器３によって演算される電圧指令に加算される。この処理により、電流指令応答を上げることができる。

信号変換器１３は、巻線切替信号発生器１０からの巻線切替信号を、電流指令演算器２、電流制御器３および定出力制御器８に設けられたスイッチを切り替える出力切替信号へ変換する処理部である。

具体的には、信号変換器１３は、巻線切替信号発生器１０からの巻線切替信号に基づき、低速モードから高速モードへの切替タイミングで「１」、高速モードから低速モードへの切替タイミングで「２」となる出力切替信号を、電流指令演算器２、電流制御器３および定出力制御器８に対して所定時間保持して出力する。なお、上述のタイミング以外では出力切替信号は「０」である。

このようにインバータ装置２０は構成され、トルク指令T_refに基づいて交流電動機４０を駆動している。

電流フィードバック値（Id_fb，Iq_fb）は、交流電動機４０の電機子巻線の切替の影響を受けるので、電流フィードバック値（Id_fb，Iq_fb）を用いてフィードバック制御される電圧指令（Vd_ref，Vq_ref）に振動成分が重畳される。さらに、振動成分を含む電圧指令（Vd_ref，Vq_ref）を用いて算出されるｄ軸電流指令補正値Id_refcにも振動成分が重畳される。したがって、このような電流フィードバック値（Id_fb，Iq_fb）、電圧指令（Vd_ref，Vq_ref）、およびこれらの信号を用いて演算されるｄ軸電流指令補正値Id_refcを用いて交流電動機４０の制御が行われると、巻線切替の過渡現象の収束時間がさらに長引くことになる。

そこで、本実施形態に係る定出力制御器８は、巻線切替の際に振動成分を含むおそれのあるｄ軸電流指令補正値Id_refcに代えて、以下説明する定出力モデルを用いて生成したｄ軸電流指令補正値Id_refcを所定時間出力するようにしている。

さらに、本実施形態に係る電流制御器３は、巻線切替タイミングでは、電流指令（Id_ref，Iq_ref）および電流フィードバック値（Id_fb，Iq_fb）を用いない、つまり電流フィードバック制御を行わないようにしている。

さらに、本実施形態では、電流フィードバック制御を行わないようにした影響を最小限に抑えるために、電流指令演算器２の構成にも工夫を施している。

以下、定出力制御器８、電流制御器３および電流指令演算器２の具体的な構成について図４、図６、図７を用いて説明する。

［定出力制御器８の構成］
定出力制御器８の構成について図４を用いて説明する。図４は、定出力制御器８の構成を示すブロック図である。図４に示すように、定出力制御器８は、振幅演算器８１と、減算器８２と、ＰＩ制御器８３と、Ｉｄ指令リミッタ８４と、フィルタ８５と、ｄ軸電流指令補正値生成部８６と、スイッチ８７とを備える。

まず、出力切替信号が「０」のときの定出力制御器８の出力について説明する。

振幅演算器８１は、電流制御器３からのｄ軸電圧指令Vd_refおよびｑ軸電圧指令Vq_refから交流電動機４０への電圧指令の振幅値（電圧振幅値）を演算する。具体的には、振幅演算器８１は、

式（２）を用いて電圧振幅値を算出し、算出した振幅値を電圧フィードバック値Vfbとして減算器８２へ出力する。

減算器８２は、制限電圧指令から電圧フィードバック値Vfbを減算し、減算結果をＰＩ制御器８３へ出力する。ここで、制限電圧指令とは、上述しているように、供給される直流電圧に基づく出力可能な最大電圧である。制限電圧指令は、電圧検出器７からの直流電圧の値、あるいは、直流電圧の値に図示していない係数を乗算するなどして決定される。

ＰＩ制御器８３は、減算器８２による減算結果をＰ制御あるいはＩ制御を含む制御を行い、電圧フィードバック値Vfbが制限電圧指令を超えないように動作する。この目的を達するため、Ｉｄ指令リミッタ８４は、ＰＩ制御器８３の出力が正の値は０に制限し、負の値である場合には所定の値で制限し、フィルタ８５へ出力する。Ｉｄ指令リミッタ８４の出力値は、フィルタ８５を介してｄ軸電流指令補正値Id_refcとしてスイッチ８７へ出力される。

次に、出力切替信号が「１」または「２」のときの定出力制御器８の出力について説明する。

ｄ軸電流指令補正値生成部８６は、トルク指令発生器１からのトルク指令T_refと、電圧検出器７からの直流電圧とによって決定される定出力モデルを用いてｄ軸電流指令補正値Id_refcを生成する。なお、ｄ軸電流指令補正値生成部８６は、低速モードから高速モードへの切替タイミング、および高速モードから低速モードへの切替タイミングで使用する定出力モデルを個別に複数記憶しており、これらの定出力モデルの中から、切替タイミングの運転条件に近い定出力モデルを選択する。そして、選択した定出力モデルを用いてｄ軸電流指令補正値Id_refcを生成し、生成されたｄ軸電流指令補正値Id_refcはスイッチ８７へ出力される。

なお、図示していないが、出力切替信号の値が、ｄ軸電流指令補正値生成部８６に入力されるように構成されていれば、ｄ軸電流指令補正値生成部８６は、低速モード、あるいは高速モードの一方に該当するｄ軸電流指令補正値Id_refcを生成すればよい。

このようにして、生成されたｄ軸電流指令補正値Id_refcがスイッチ８７へ出力される。スイッチ８７は、信号変換器１３からの出力切替信号に従って、ｄ軸電流指令補正値Id_refcを選択する。具体的には、スイッチ８７は、出力切替信号が「０」であればフィルタ８５の出力を、「１」であれば高速モード用定出力モデルの出力を、「２」であれば低速モデル用定出力モデルの出力をｄ軸電流指令補正値Id_refcとして選択する。そして、選択されたｄ軸電流指令補正値Id_refcは電流指令演算器２へ出力される。

次に、ｄ軸電流指令補正値生成部８６に内蔵された定出力モデルを図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。図５Ａは、高速モード用定出力モデルの一例であって、横軸をトルク指令T_ref、縦軸をｄ軸電流指令補正値Id_refcとして示したものである。図５Ｂは、低速モード用定出力モデルの一例であって、図５Ａと同じく横軸をトルク指令T_ref、縦軸をｄ軸電流指令補正値Id_refcとして示したものである。

交流電動機４０の低速モードと高速モードでは電動機定数やそれに伴う制御定数が異なるため、同じ負荷条件であっても、電圧指令（Vd_ref，Vq_ref）の大きさは異なり、さらに、この差異はトルク指令T_refの大きさにも影響を与える。また、上述した界磁弱め制御の観点においては、補正すべきｄ軸電流指令補正値Id_refcは直流電圧の大きさに依存するものとなっている。

このため、図５Ａ、図５Ｂに示しているように直流電圧の大きさにより、同じトルク指令T_refの値であっても、ｄ軸電流指令補正値Id_refcは異なる。このため、ｄ軸電流指令補正値生成部８６は、高速モデル用、あるいは低速モデル用であってもそれぞれ複数のモデルを有するように構成されている。

また、図５Ａ，図５Ｂでは、定出力モデルは、回転速度ωの関数としていない。これは、巻線切替が交流電動機４０の回転速度ωに基づき行われ、切替タイミングでは速度変化は微小としたためである。また、巻線切替速度が可変できるように構成されていたり、巻線切替がトルク指令T_refに基づいて行われる構成であれば、定出力モデルは速度をパラメータとした関数も準備し、それをｄ軸電流指令補正値生成部８６が内蔵するように構成すればよい。さらに、切替タイミングでの速度変化が微小でない場合においても同様である。

また、図５Ａ、図５Ｂでは、定出力モデルは、トルク指令T_refと直流電圧とをパラメータとする関数で示しているが、これらの定出力モデルは数値テーブルやその他の形態であってもよいし、内蔵するモデルを簡素化し、補間近似するなどしてｄ軸電流指令補正値Id_refcを生成するようにしてもよい。

このようにして、巻線切替のタイミングであっても、定出力制御器８は、巻線切替に伴う振動成分を含まないｄ軸電流指令補正値Id_refcを電流指令演算器２へ出力することができる。したがって、巻線切替による過渡現象の収束時間が増大することを防止することができる。

［電流制御器３の構成］
次に、電流制御器３の構成について図６を用いて説明する。図６は、電流制御器３の構成を示すブロック図である。図６に示すように、電流制御器３は、座標変換部３０と、減算器３１，３２と、ｑ軸電流制御器３３と、ｄ軸電流制御器３４と、スイッチ３５，３６と、加算器３７，３８と、座標変換器３９とを備える。

座標変換部３０は、Ａ／Ｄ変換器６からの電流検出器５の検出値Iu_fb，Iv_fbを回転子の位相θを用いて座標変換して電流フィードバック値（Id_fb，Iq_fb）を生成する。

減算器３１は、電流指令演算器２からのｑ軸電流指令Iq_refからｑ軸電流フィードバック値Iq_fbを減算し、減算結果をｑ軸電流制御器３３へ出力する処理部である。また、減算器３２は、電流指令演算器２から入のｄ軸電流指令Id_refからｄ軸電流フィードバック値Id_fbを減算し、減算結果をｄ軸電流制御器３４へ出力する処理部である。

ｑ軸電流制御器３３、ｄ軸電流制御器３４は、それぞれ減算器３１、減算器３２による減算結果が０になるように制御する制御器である。

スイッチ３５，３６は、それぞれ信号変換器１３からの出力切替信号に従って、ｑ軸電流制御器３３、ｄ軸電流制御器３４の出力を使用するか否かを切り替える処理部である。具体的には、スイッチ３５，３６は、出力切替信号が「０」であれば、それぞれｑ軸電流制御器３３、ｄ軸電流制御器３４の出力を加算器３７，３８へ出力し、出力切替信号が「１」あるいは「２」の何れかであれば、ｑ軸電流制御器３３、ｄ軸電流制御器３４の出力に代わって０を加算器３７，３８へ出力する。

加算器３７，３８は、スイッチ３５，３６の出力と、電圧ＦＦ演算器１２からのｑ軸電圧フィードフォワード値Vq_ff、ｄ軸電圧フィードフォワード値Vd_ffとをそれぞれ加算する。かかる加算結果を電圧指令（Vd_ref，Vq_ref）として座標変換器３９および定出力制御器８へ出力する。

座標変換器３９は、回転子の位相θに基づき電圧指令（Vd_ref，Vq_ref）をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令Vu_ref，Vv_ref，Vw_refへ変換する処理部であり、変換した電圧指令Vu_ref，Vv_ref，Vw_refをＰＷＭ制御器４へ出力する。

このように、電流制御器３は、巻線切替が行われた場合には、電流フィードバック値（Id_fb，Iq_fb）を用いて行われるｄ軸電流制御器３４、ｑ軸電流制御器３３の出力は用いず、電圧ＦＦ演算器１２からの電圧フィードフォワード値（Vd_ff，Vq_ff）を電圧指令（Vd_ref，Vq_ref）としている。

すなわち、巻線切替に伴う振動成分が重畳される可能性のあるフィードバック制御の出力を用いることなく電圧指令（Vd_ref，Vq_ref）を生成することとしたため、巻線切替による過渡現象の収束時間の増大をより確実に防止することができる。

また、電流制御器３は、出力切替信号が「１」または「２」の何れかの場合、ｑ軸電流制御器３３、ｄ軸電流制御器３４が含む積分要素を初期化する処理も併せて行う。これにより、出力切替信号が再び「０」へ切り替わった場合に、ｑ軸電流制御器３３およびｄ軸電流制御器３４に残存する積分要素によって、不適切な電圧指令（Vd_ref，Vq_ref）の生成を防止することができる。

［電流指令演算器２の構成］
次に、電流指令演算器２の構成について図７を用いて説明する。図７は、電流指令演算器２の構成を示すブロック図である。図７に示すように、電流指令演算器２は、ｑ軸電流指令演算器２１と、最大効率制御器２２と、加算器２３と、ｑ軸電流指令生成部２４と、ｄ軸電流指令生成部２５と、スイッチ２６，２７とを備える。

ｑ軸電流指令演算器２１は、

式（３）を用いてｑ軸電流指令Iq_refを算出する処理部である。ここで、Φは電機子鎖交磁束、Ldはｄ軸の電機子巻線インダクタンス値、Lqはｑ軸の電機子巻線インダクタンス値である。また、式（３）でのId_refは、加算器２３の出力が用いられる。ｑ軸電流指令演算器２１によって算出されたｑ軸電流指令Iq_refは、ｑ軸電流指令生成部２４およびスイッチ２６へ出力される。

最大効率制御器２２は、

式（４）を用いてｄ軸電流指令Id_refを算出する処理部である。ここで、Ｋはトルク−電流換算係数、βは主磁束（ｄ軸）方向と直交する方向ベクトルであるｑ軸方向を基準とした電流位相である。最大効率制御器２２によって算出されたｄ軸電流指令Id_refは、加算器２３へ出力される。なお、式（３）および（４）中の係数Ｋ，β，Φ，LdおよびLqは、電動機定数または制御パラメータであり、定数切替器１１から入力される。

加算器２３は、最大効率制御器２２からのｄ軸電流指令Id_refとｄ軸電流指令補正値Id_refcとを加算する処理部である。なお、ｄ軸電流指令補正値Id_refcは、電圧指令（Vd_ref，Vq_ref）の大きさが直流電圧を超えないように定出力制御器８により演算され、ｄ軸電流指令Id_refに補正される値である。加算器２３によって算出されたｄ軸電流指令Id_refは、ｑ軸電流指令演算器２１、ｄ軸電流指令生成部２５およびスイッチ２７へ出力される。

ｑ軸電流指令生成部２４、ｄ軸電流指令生成部２５は、それぞれｑ軸電流モデル、ｄ軸電流モデルを内蔵して構成されている。ｑ軸電流指令生成部２４は、高速モード用ｑ軸電流モデルを用いて高速モード用のｑ軸電流指令Iq_refを生成し、低速モード用ｑ軸電流モデルを用いて低速モード用のｑ軸電流指令Iq_refを生成する。生成された２つのｑ軸電流指令Iq_refはスイッチ２６へ出力される。

同様に、ｄ軸電流指令生成部２５は、高速モード用ｄ軸電流モデルを用いて高速モード用のｄ軸電流指令Id_refを生成し、低速モード用ｄ軸電流モデルを用いて低速モード用のｄ軸電流指令Id_refを生成する。生成された２つのｄ軸電流指令Id_refはスイッチ２７へ出力される。

このようにして、生成された複数のｑ軸電流指令Iq_refがスイッチ２６へ、同じく複数のｄ軸電流指令Id_refがスイッチ２７へ出力される。スイッチ２６、２７は、信号変換器１３からの出力切替信号に従って、ｑ軸電流指令Iq_ref、ｄ軸電流指令Id_refを選択する。具体的には、スイッチ２６、２７は、出力切替信号が「０」であればｑ軸電流指令演算器２１の出力、加算器２３の出力、「１」であれば高速モード用ｑ軸電流モデルおよびｄ軸電流モデルを用いて生成された指令、「２」であれば、低速モード用ｑ軸電流モデルおよびｄ軸電流モデルを用いて生成された指令を選択し、選択された指令は、改めてｑ軸電流指令Iq_ref、ｄ軸電流指令Id_refとして電流制御器３および電圧ＦＦ演算器１２に出力される。

なお、図示していないが、出力切替信号の値が、ｑ軸電流指令生成部２４、ｄ軸電流指令生成部２５に入力されるように構成されていれば、ｑ軸電流指令生成部２４、ｄ軸電流指令生成部２５は、低速モード、あるいは高速モードの一方に該当するｑ軸電流指令Iq_ref、ｄ軸電流指令Id_refを生成すればよい。

次に、ｑ軸電流指令生成部２４、ｄ軸電流指令生成部２５に内蔵された電流モデルを図８Ａ、図８Ｂを用いて説明する。図８Ａは高速モード用、図８Ｂは低速モード用の電流モデル（ｑ軸電流モデルおよびｄ軸電流モデル）の一例であって、横軸を時間ｔ、縦軸を電流指令の変化量（ΔIqおよびΔId）として示している。

ここで、ｑ軸電流モデルおよびｄ軸電流モデルは、トルク指令T_refは一定であるとし、低速モードと高速モードでの電動機定数やそれに伴う制御定数が異なることに起因して生じるｑ軸電流およびｄ軸電流の変化をモデル化したものである。

つまり、ｑ軸電流モデルおよびｄ軸電流モデルは、負荷条件が一定であっても、巻線切替によって生じる電流指令（Iq_ref，Id_ref）の値の変化を、電流制御器３による応答まで含めてモデル化している。すなわち、ｑ軸電流モデルおよびｄ軸電流モデルは、巻線切替後のｑ軸電流フィードバック値Iq_fbおよびｄ軸電流フィードバック値Id_fbをモデル化している。さらに詳細に説明すると、これら電流モデルは、巻線切替前の電流指令と巻線切替切替後の電流指令との差分（すなわち、電流指令の変化量）を内蔵し、ｑ軸電流指令生成部２４、ｄ軸電流指令生成部２５が、電流指令の変化量を巻線切替前の電流指令にそれぞれ加算して出力するように構成されている。

図８Ａおよび図８Ｂに示すように、ｑ軸電流モデルおよびｄ軸電流モデルは、ｑ軸電流制御器３３、ｄ軸電流制御器３４におけるゲイン設定値をパラメータとした関数とした複数のモデルから構成されている。これら電流モデルは、定出力モデルと同様に図示された特性を関数として記憶していても、数値テーブルやその他の形態として記憶してもよい。

また、ｑ軸電流指令生成部２４、ｄ軸電流指令生成部２５での電流モデルを簡素化して構成した場合には、複数の電流モデルを用いた補間近似によってｑ軸電流指令、ｄ軸電流指令を生成してもよい。

なお、ここでは、電流指令の変化量（ΔIqおよびΔId）に対応する電流モデルを選択することとしたが、これに限らない。たとえば、電流モデルは、巻線切替前の電流指令と巻線切替後の電流指令の大きさについてもパラメータとした電流モデルを記憶するように構成すればよい。

このようにして、実際の巻線切替タイミングから所定時間が経過するまでは、ｑ軸電流フィードバック値Iq_fbと一致するように生成されたｑ軸電流指令Iq_refおよびｄ軸電流フィードバック値Id_fbと一致するように生成されたｄ軸電流指令Id_refが出力される。

この結果、電流制御器３の減算器３１，３２へ出力される電流指令（Iq_ref，Id_ref）と電流フィードバック値（Iq_fb，Id_fb）とがほぼ一致するようになる。これにより、減算器３１，３２からの出力値は非常に小さくなるため、巻線切替タイミングにｑ軸電流制御器３３およびｄ軸電流制御器３４からの出力を使用しなくとも、その影響を最小限に抑えることができる。言い換えれば、巻線切替タイミングにｑ軸電流制御器３３およびｄ軸電流制御器３４からの出力を使用しなくても、電流制御器３が動作しているかのように交流電動機４０をドライブできることになる。

このように、電圧ＦＦ演算器１２は、巻線切替時の振動成分を含まない電流指令（Iq_ref，Id_ref）を用いて電圧フィードフォワード値（Vd_ff，Vq_ff）を演算することとなるため、巻線切替に伴う影響を低減することができる。

［各スイッチの動作タイミング等について］
次に、上述の説明に用いた各スイッチの動作タイミングについて説明する。
図４に示した定出力制御器８のスイッチ８７、図６に示した電流制御器３のスイッチ３５，３６および図７に示した電流指令演算器２のスイッチ２６，２７は、同期して動作する。すなわち、出力切替信号は同一のタイミングで、スイッチ２６，２７，３５，３６，８７へ入力され、スイッチ２６，２７，３５，３６，８７はかかる出力切替信号に従って同一のタイミングで動作する。

信号変換器１３が出力切替信号を「１」あるいは「２」に保持する所定時間を、定出力制御器８、電流制御器３、電流指令演算器２毎に異なる時間として生成するようにしてもよい。

たとえば、電流指令演算器２への出力切替信号を保持する所定時間を電流制御器３への出力切替信号よりも長い時間に設定してもよい。これは、電流制御器３がｑ軸電流制御器３３およびｄ軸電流制御器３４の出力を使用していない時間だけ、電流フィードバック値（Iq_fb，Id_fb）と一致する電流指令（Iq_ref，Id_ref）が出力されれば十分であるためである。

また、定出力制御器８への出力切替信号を保持する所定時間は、巻線切替によるｄ軸電流の変化が収束するまでの時間を目安としてもよい。この場合、電流指令演算器２や電流制御器３への出力切替信号を保持する所定時間よりも長くなる傾向にある。

以上のように、本実施形態に係るインバータ装置２０およびドライブシステム１００は構成されているので、下記の効果を有する。

本実施形態では、定出力制御器８は、信号変換器１３からの出力切替信号に基づいて決定される出力切替タイミング時に、トルク指令と直流電圧とによって決定される定出力モデルを用いてｄ軸電流指令補正値を生成して所定時間出力することとしたので、巻線切替による影響を低減することができる。

また、本実施形態では、電流制御器３が、信号変換器１３からの出力切替信号に基づいて決定される出力切替タイミング時に、ｄ軸電圧フィードフォワード値をｄ軸電圧指令とするとともに、ｑ軸電圧フィードフォワード値をｑ軸電圧指令としたので、巻線切替による過渡現象の収束時間の増大をより確実に防止することができる。

また、本実施形態では、電流指令演算器２が、信号変換器１３からの出力切替信号に基づいて決定される出力切替タイミング時に、巻線切替に伴うｑ軸電流の変化をモデル化した電流モデルと、ｄ軸電流の変化をモデル化した電流モデルを用いてｑ軸電流指令、ｄ軸電流指令を生成して所定時間出力することとしたので、巻線切替時に電流フィードバック制御を行わないようにした影響を最小限に抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態では、トルク指令に基づいて交流電動機４０を制御する場合について説明したが、これに限ったものではなく、インバータ装置２０は、交流電動機４０の回転速度を指令する速度指令に基づいて交流電動機４０を制御することも可能である。

かかる場合、インバータ装置２０では、速度指令に基づいて電流指令（Id_ref，Iq_ref）や電圧指令（Vu_ref，Vv_ref，Vw_ref）などが生成されることとなる。なお、速度指令は、外部からの入力であってもよいし、速度指令を発生する速度指令発生器をインバータ装置２０が備えることとしてもよい。

また、上述した実施形態では、定出力制御器８、電流制御器３および電流指令演算器２の構成に工夫を施すことによって、巻線切替に伴う影響をより確実に低減することとした。しかし、インバータ装置は、少なくとも定出力制御器８の構成のみに工夫を施したものであればよい。すなわち、インバータ装置は、たとえば、スイッチ３５，３６を備えない電流制御器や、ｄ軸電流指令補正値生成部８６およびスイッチ８７を備えない電流指令演算器を備える構成であってもよい。

なお、本実施形態では、巻線切替器６０が図３に示した構成を有するものとしているが、巻線切替器６０の構成は、図３に示した構成に限ったものではない。たとえば、巻線切替器６０の構成として、特許第３９４８００９号公報の図２〜５に示された構成を用いてもよいし、その他、特許第２７４２８００号公報や特許第３０３７４７１号公報等において開示された構成を用いてもよいし、その他の構成であってもよい。

また、本実施形態では、ドライブシステム１００が、巻線切替器６０とインバータ装置２０とを別体で備える場合の例について説明しているが、ドライブシステム１００は、巻線切替器６０を内蔵したインバータ装置を備えることとしてもよい。さらには、交流電動機４０が巻線切替器６０を内蔵するように構成してもよい。かかる構成とすれば、設置面積や配線工数を削減することができる。

１ トルク指令発生器
２ 電流指令演算器
３ 電流制御器
４ ＰＷＭ制御器
５ 電流検出器
６ Ａ／Ｄ変換器
７ 電圧検出器
８ 定出力制御器
９ 速度演算器
１０ 巻線切替信号発生器
１１ 定数切替器
１２ 電圧ＦＦ演算器
１３ 信号変換器
２０ インバータ装置
２１ ｑ軸電流指令演算器
２２ 最大効率制御器
２３ 加算器
２４ ｑ軸電流指令生成部
２５ ｄ軸電流指令生成部
２６，２７ スイッチ
３０ 座標変換器
３１，３２ 減算器
３３ ｑ軸電流制御器
３４ ｄ軸電流制御器
３５，３６ スイッチ
３７，３８ 加算器
３９ 座標変換器
４０ 交流電動機
４１ 位置検出器
６０ 巻線切替器
６１ 第１切替器
６２ 第２切替器
８０ 直流電圧源
８１ 振幅演算器
８２ 減算器
８３ ＰＩ制御器
８４ Ｉｄ指令リミッタ
８５ フィルタ
８６ ｄ軸電流指令補正値生成部
８７ スイッチ
１００ ドライブシステム

Claims (6)

1. 交流電動機が備える各相の電機子巻線の一端に接続され、前記交流電動機を駆動するインバータ装置であって、
   前記電機子巻線の他端および中途部にそれぞれ接続され、前記電機子巻線の結線を切り替える巻線切替器に対して巻線切替信号を出力する巻線切替信号発生器と、
   前記交流電動機への電圧指令の値が所定の閾値を超える場合に、前記電圧指令の値および前記所定の閾値に基づき、ｄ軸電流指令補正値を算出して出力する定出力制御器と、を備え、
   前記定出力制御器は、
   前記巻線切替信号に基づいて決定される出力切替タイミング時に、トルク指令または速度指令と供給される直流電圧とによって決定される定出力モデルを用いて前記ｄ軸電流指令補正値を生成して所定時間出力することを特徴とするインバータ装置。
2. 前記定出力制御器は、
   前記トルク指令または前記速度指令と前記直流電圧との組合せに対応する複数の定出力モデルから、前記出力切替タイミングでの運転条件に近い定出力モデルを選択し、選択した定出力モデルを用いて前記ｄ軸電流指令補正値を生成することを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記ｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令および前記交流電動機の回転速度に基づいてｄ軸電圧フィードフォワード値およびｑ軸電圧フィードフォワード値をそれぞれ算出する電圧フィードフォワード演算器と、
   前記ｄ軸電流指令およびｄ軸電流フィードバック値を用いたフィードバック制御の結果と前記ｄ軸電圧フィードフォワード値とに基づいてｄ軸電圧指令を生成するとともに、前記ｑ軸電流指令およびｑ軸電流フィードバック値を用いたフィードバック制御の結果と前記ｑ軸電圧フィードフォワード値とに基づいてｑ軸電圧指令を生成する電流制御器と、をさらに備え、
   前記電流制御器は、
   前記巻線切替信号に基づいて決定される出力切替タイミング時に、前記ｄ軸電圧フィードフォワード値を前記ｄ軸電圧指令として出力するとともに、前記ｑ軸電圧フィードフォワード値を前記ｑ軸電圧指令として出力することを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ装置。
4. 前記電流制御器は、
   前記巻線切替信号に基づいて決定される出力切替タイミング時に、前記フィードバック制御に含まれる積分要素を初期化することを特徴とする請求項３に記載のインバータ装置。
5. トルク指令または速度指令と前記ｄ軸電流指令補正値とに基づいてｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を生成する電流指令演算器をさらに備え、
   前記電流指令演算器は、
   前記巻線切替信号に基づいて決定される出力切替タイミング時に、巻線切替に起因するｑ軸電流の変化をモデル化したｑ軸電流モデルを用いて前記ｑ軸電流指令を生成して所定時間出力するとともに、巻線切替に起因するｄ軸電流の変化をモデル化したｄ軸電流モデルを用いて前記ｄ軸電流指令を生成して所定時間出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のインバータ装置。
6. 直流電圧源と、
   交流電動機と、
   該交流電動機が備える各相の電機子巻線の一端に接続されたインバータ装置と、を備える電動機ドライブシステムであって、
   前記インバータ装置は、
   前記電機子巻線の他端および中途部にそれぞれ接続され、前記電機子巻線の結線を切り替える巻線切替器に対して巻線切替信号を出力する巻線切替信号発生器と、
   前記交流電動機への電圧指令の値が所定の閾値を超える場合に、前記電圧指令の値および前記所定の閾値に基づき、ｄ軸電流指令補正値を算出して出力する定出力制御器と、を備え、
   前記定出力制御器は、前記巻線切替信号に基づいて決定される出力切替タイミング時に、トルク指令または速度指令と供給される直流電圧とによって決定される定出力モデルを用いて前記ｄ軸電流指令補正値を生成して所定時間出力することを特徴とする電動機ドライブシステム。

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