JP2014072910A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源高調波電流を減らし、効率を高めることが可能な制御装置を提供する。
【解決手段】このモータ駆動装置のコントローラ７は、モータ９の回転数に対応する正弦波を生成し、モータ９の出力が所定値Ｐｃよりも低い場合は正弦波の二相変調高調波を生成し、モータ９の出力が所定値Ｐｃよりも高い場合は正弦波の三次高調波を生成し、生成した二相変調高調波または三次高調波を正弦波に重畳させてモータ電圧波形を生成し、モータ電流と正弦波の位相差が目標位相差になるようにモータ電圧振幅指令値を生成し、モータ電圧波形とモータ電圧振幅指令値とに基づいてインバータ５をＰＷＭ制御する。したがって、電源高調波電流Ｉｈを減らし、効率を高めることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は制御装置に関し、特に、小容量のコンデンサを用いたモータ駆動装置においてインバータを制御する制御装置に関する。

複数相のコイルを備えた同期モータを駆動する場合には、モータに対して適切なタイミングでモータ電流を流し、コイル端子に電圧を印加すること、すなわち通電タイミングの最適化が重要である。この通電タイミングの基準を検出する方式としては、逆起電圧を検出する方式や、ゼロクロス電流位相を検出する方式等、種々の方式がある。

たとえば、モータロータ位置センサを用いずにモータを駆動するいわゆるセンサレス駆動方式においては、モータコイルへの通電を行なう際に、モータの回転によってモータコイルに発生する逆起電圧をモータコイル端子から検出する。

また、特許文献１には、交流電源からリアクタコイルを介して供給される交流電圧を全波整流する整流回路と、整流回路の出力端子間に接続された大容量の平滑コンデンサと、整流回路からの直流電力を交流電力に変換して同期モータに供給するインバータとを備えたモータ駆動装置が開示されている。リアクタコイルは、交流電源からモード駆動装置に供給される交流電力の力率を改善するために設けられている。また、平滑コンデンサとしては、直流電圧波形のリップルを改善できる程度に十分大きな容量値を有するものが使用されている。

しかし、特許文献１のモータ駆動装置では、装置寸法が大きく、入力電流波形の改善が不十分であり、高力率化が困難であった。そこで、特許文献２においては、リアクタコイルを除去し、小容量のコンデンサを用いた簡易な構成で、入力電流波形の改善と、高力率化を実現し、電源高調波成分を低減化している。

また、特許文献３，４には、一周期を３つの期間に分割し、各期間において三相のスイッチング素子のうちの二相のスイッチング素子のみを使用して電力を供給することにより、スイッチング素子の損失を低減して高効率化を図る二相変調方式が開示されている。

特開２００１−１１２２８７号公報 特開２００６−２０３９６３号公報 特開平１１−２６２２６９号公報 特開２００６−２０３９６３号公報

しかし、特許文献２においては、入力電流波形の目標値の作成、入力電流との誤差成分の演算、誤差成分を解消するための電圧作成手段が必要となり、制御装置の構成が複雑になるという問題があった。また、特許文献３，４においては、電源高調波電流が大きいという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、入力電流波形の改善、高力率化、電源高調波電流の低減化、構成の簡単化を図ることが可能な制御装置を提供することである。

この発明に係る制御装置は、交流電圧を全波整流する整流回路と、整流回路の出力端子間に接続された小容量のコンデンサと、整流回路からの直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータとを備えたモータ駆動装置においてインバータを制御する制御装置であって、モータの回転数に対応する正弦波を生成する第１の波形生成部と、モータの出力が予め定められた値よりも低い場合は正弦波の二相変調高調波を生成し、モータの出力が予め定められた値よりも高い場合は正弦波の（１２ｎ＋３）次高調波（ただし、ｎは０以上の整数である）を生成し、生成した二相変調高調波または（１２ｎ＋３）次高調波を正弦波に重畳させてモータ電圧波形を生成する第２の波形生成部と、インバータからモータに流れる交流電流と正弦波の位相差が目標位相差になるようにモータ電圧振幅指令値を生成する指令値生成部と、第２の波形生成部で生成されたモータ電圧波形とモータ電圧振幅指令値とに基づいてインバータをＰＷＭ制御する制御部とを備えたものである。

この発明に係る制御装置によれば、入力電流波形の改善、高力率化、電源高調波電流の低減化、構成の簡単化を図ることができる。

この発明の一実施の形態によるモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。 三次高調波の重畳量が０である場合におけるモータ電圧と相間電圧の波形を示す図である。 三次高調波の重畳量が０．１６である場合におけるモータ電圧と相間電圧と三次高調波と合成波の波形を示す図である。 三次高調波の重畳量と相間電圧の最大値との関係を示す図である。 三次高調波の重畳量が０．１６である場合における直流電流などの波形を示すタイムチャートである。 三次高調波の重畳量が０．４０である場合における直流電流などの波形を示すタイムチャートである。 三次高調波の重畳量と電源高調波電流との関係を示す図である。 三次高調波の重畳量と電源高調波電流との関係を示す他の図である。 モータの出力と三次高調波の重畳量との関係を示す図である。 モータ電圧と相間電圧と二相変調高調波と合成波の波形を示す図である。 三次高調波を使用した場合の電源高調波電流と二相変調高調波を使用した場合の電源高調波電流とを示す図である。 実施の形態の変更例を示す図である。 実施の形態の他の変更例を示す図である。

[全体構成]
この発明の一実施の形態によるモータ駆動装置は、図１に示すように、整流回路１、コンデンサ２、直流電圧センサ３、直流電流センサ４、インバータ５、交流電流センサ６、およびコントローラ７を備える。このモータ駆動装置は、交流電源８からの単相交流電力を三相交流電力に変換して同期モータ９に供給し、同期モータ９を回転駆動させるものである。

整流回路１は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４を含み、交流電源８からの単相交流電圧を全波整流する。コンデンサ２は、整流回路１の正側出力端子１ａと負側出力端子１ｂの間に接続される。コンデンサ２としては、通常の平滑コンデンサの１／１００程度の容量値（たとえば、１０〜２０μＦ）のものが使用される。コンデンサ２は、同期モータ９の回生エネルギーによってインバータ５が破壊されることを防止するために設けられている。リアクタコイルは設けられていない。

直流電圧センサ３は、コンデンサ２の端子間に現れる直流電圧Ｖｄｃの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号をコントローラ７に出力する。直流電流センサ４は、整流回路１からインバータ５に流れる直流電流Ｉｄｃの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号をコントローラ７に出力する。

インバータ５は、コントローラ７によってＰＷＭ（pulse width modulation：パルス幅変調）制御され、整流回路１からの直流電力を三相交流電力に変換して同期モータ９に供給する。インバータ５は、６個のスイッチング素子ｓ１〜ｓ６と６個のダイオードｄ１〜ｄ６を含む。スイッチング素子ｓ１〜ｓ３は、整流回路１の正側出力端子１ａと同期モータ９の三相入力端子９ｗ，９ｖ，９ｕとの間にそれぞれ接続される。スイッチング素子ｓ４〜ｓ６は、同期モータ９の三相入力端子９ｗ，９ｖ，９ｕと整流回路１の負側出力端子１ｂとの間にそれぞれ接続される。ダイオードｄ１〜ｄ６は、それぞれスイッチング素子ｓ１〜ｓ６に逆並列に接続される。スイッチング素子ｓ１〜ｓ６の各々は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）で構成される。

交流電流センサ６は、同期モータ９の三相入力端子９ｗ，９ｖ，９ｕのうちの所定の入力端子（図１では、９ｕ）に流れる交流電流Ｉｕの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号をコントローラ７に出力する。同期モータ９は、三相コイルを含むステータと、永久磁石を含むローラとを備える。三相入力端子９ｗ，９ｖ，９ｕを介して三相コイルに三相交流電力を供給すると、三相交流電力の周波数に応じた回転数でロータが回転駆動される。

コントローラ７は、マイクロコンピュータで構成され、センサ３，４，６の出力信号に基づいてインバータ５のスイッチング素子ｓ１〜ｓ６の各々をＰＷＭ制御する。コントローラ７は、回転数設定部１０、正弦波生成部１１、モータ出力検出部１２、重畳量設定部１３、三次高調波生成部１４、加算器１５、モータ出力判定部２１、および二相変調高調波生成部２２を備える。

回転数設定部１０は、同期モータ９の目標回転数ωを設定する。なお、同期モータ９の回転数（ｒｐｍ）は、回転数設定部１０で設定される目標回転数ωに等しい。正弦波生成部１１は、所定数のデータを含む正弦波データテーブルを含む。正弦波生成部１１は、回転数設定部１０で設定された目標回転数ωと時間経過に従って、正弦波データテーブルから同期モータ９のＵ相、Ｖ相、およびＷ相に対応した正弦波データを読出すとともに、Ｕ相の正弦波データに基づいてＵ相のモータ電圧位相情報を出力する。

モータ出力検出部１２は、直流電圧センサ３および直流電流センサ４の出力信号に基づいて同期モータ９の出力Ｐを検出し、その検出値を示す信号を出力する。モータ出力判定部２１は、モータ出力検出部１２の出力信号に基づいて同期モータ９の出力が所定値Ｐｃよりも高いか低いかを判定し、判定結果に基づいて二相変調高調波生成部２２および重畳量設定部１３のうちのいずれか一方を活性化させる。

すなわちモータ出力判定部２１は、同期モータ９の出力が所定値Ｐｃよりも低い場合は、二相変調高調波生成部２２を活性化させるとともに重畳量設定部１３を非活性化させる。また、モータ出力判定部２１は、同期モータ９の出力が所定値Ｐｃよりも高い場合は、二相変調高調波生成部２２を非活性化させ、重畳量設定部１３を活性化させるとともにモータ出力検出部１２の出力信号を重畳量設定部１３に与える。所定値Ｐｃは、たとえば、同期モータ９の定格出力値の３０％の値である。

二相変調高調波生成部２２は、所定数のデータを含む二相変調高調波データテーブルを含む。活性化された二相変調高調波生成部２２は、回転数設定部１０で設定された目標回転数ωと時間経過に従って、二相変調高調波データテーブルから二相変調高調波データを読み出す。二相変調方式については、後で詳細に説明する。

また、重畳量設定部１３は、活性化された場合は、モータ出力検出部１２の出力信号、すなわち同期モータ９の出力Ｐに基づいて、正弦波に対する三次高調波の重畳量ｋを設定する。この重畳量ｋは、正弦波の振幅に対する三次高調波の振幅の比である。

重畳量設定部１３は、モータ９の出力Ｐが増大したことに応じて重畳量ｋを維持または増大させる。重畳量設定部１３は、重畳量ｋを０．１６以上で０．４０以下の範囲内で変化させる。正弦波に三次高調波を重畳することにより、インバータ５の出力電圧を上げたり、電源電流の高調波成分を低減することが可能になる。この点については、後で詳細に説明する。重畳量設定部１３が非活性化された場合は、重畳量ｋは０となる。

三次高調波生成部１４は、正弦波生成部１１と同様に、所定数のデータを含む正弦波データテーブルを含む。三次高調波生成部１４は、回転数設定部１０で設定された目標回転数の３倍の回転数と時間経過に従って、正弦波データテーブルから正弦波データを読出す。また、三次高調波生成部１４は、読み出した正弦波データに、重畳量設定部１３で設定された重畳量ｋを乗算して三次高調波データを生成する。

加算器１５は、正弦波生成部１１からのＵ相、Ｖ相、およびＷ相に対応した正弦波データと、二相変調高調波生成部２２からの二相変調高調波データとをそれぞれ加算して、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相に対応したモータ電圧波形データを生成する。また、加算器１５は、正弦波生成部１１からのＵ相、Ｖ相、およびＷ相に対応した正弦波データと、三次高調波生成部１４からの三次高調波データとをそれぞれ加算して、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相に対応したモータ電圧波形データを生成する。

また、コントローラ７は、位相差検出部１６、目標位相差格納部１７、ＰＩ（Proportional Integral：比例積分）演算部１８、電圧制限部１９、およびＰＷＭ信号生成部２０を含む。

位相差検出部１６は、正弦波生成部１１からのＵ相のモータ電圧位相情報と、交流電流センサ６からのＵ相電流Ｉｕを示す信号とに基づいて、Ｕ相のモータ電圧Ｖｕと電流Ｉｕとの位相差を検出し、検出値を示す信号を出力する。

たとえば、位相差検出部は、２個所のモータ電圧位相期間ごとにサンプリングした各電流サンプリングデータを積算してモータ電流信号面積とし、両モータ電流信号面積の面積比から位相差を算出する（特開２００１−１１２２８７号公報参照）。

目標位相差格納部１７は、目標とする位相差情報を格納している。ＰＩ演算部１８は、位相差検出部１６で検出された位相差と、目標位相差格納部１７に格納された目標位相差情報との誤差データを算出し、その誤差データに対して比例制御および積分制御を実行してモータ出力電圧振幅値を出力する。

電圧制限部１９は、ＰＩ演算部１８で生成されたモータ電圧振幅指令値を重畳量設定部１３で設定された重畳量ｋに応じた上限値ＰＷＭmax以下に制限する。ｋ＝０である場合のＰＷＭmaxを１とすると、ｋ≧０．１６の範囲においてＰＷＭmax=３[１２ｋ／（３ｋ＋１）]^０．５／（６ｋ＋２）である。この数式の導出方法については後述する。

ＰＷＭ信号生成部２０は、加算器１５からのＵ相、Ｖ相、およびＷ相に対応したモータ電圧波形データと、ＰＩ演算部１８で生成されたモータ電圧振幅指令値とに基づいて６個のＰＷＭ信号を生成し、それらのＰＷＭ信号をインバータ５に与える。インバータ５のスイッチング素子ｓ１〜ｓ６は、それぞれ６個のＰＷＭ信号に従ってオンおよびオフする。これにより、同期モータ９に三相交流電力が供給され、同期モータ９のローラが回転駆動される。

[三次高調波とモータ相間電圧の振幅との関係]
次に、三次高調波の重畳量ｋとモータ相間電圧の振幅との関係について説明する。ここでは、Ｕ相モータ電圧ＶｕとＶ相モータ電圧Ｖｖに三次高調波Ｖｈを重畳した場合における重畳量ｋとＵ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖの振幅との関係について説明するが、Ｖ相とＷ相、あるいはＷ相とＵ相についても同様である。また、三次高調波について説明するときは、二相変調高調波生成部２２は非活性化されているものとする。

正弦波生成部１１で生成された正弦波データに三次高調波データを重畳させない場合、つまりｋ＝０である場合、図２に示すように、Ｕ相モータ電圧ＶｕおよびＶ相モータ電圧Ｖｖの振幅が１．０（１００％）であるとき、Ｕ相とＶ相の間の電圧であるＵ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖは振幅が１．７３の正弦波となる。ここでは説明の簡単化のため、正弦波データは最大値が１で振幅が１の正弦波であるものとし、ＰＷＭ信号生成部２０の出力データの最大値を１とする。

また、正弦波データに三次高調波データを重畳させることにより、Ｕ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖの振幅を最大化させることが可能である。すなわち図３に示すように、Ｕ相およびＶ相のモータ出力電圧振幅が１．０（１００％）であり、重畳量ｋが０．１６（１６％、１／６）である場合、Ｕ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖは振幅が１．７３の正弦波となる。すなわち、Ｕ相モータ電圧ＶｕおよびＶ相モータ電圧Ｖｖに三次高調波Ｖｈを重畳させても、重畳させなくても、Ｕ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖは同じである。また、Ｕ相とＶ相で位相が１２０度ずれているので、三次高調波ＶｈはＵ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖの波形に影響を与えることがなく、Ｕ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖの波形は正弦波となる。

特徴的であるのは、Ｕ相モータ電圧Ｖｕに三次高調波Ｖｈを重畳した後の合成Ｕ相波Ｖｕｈの最大値が０．８６となり、Ｖ相モータ電圧Ｖｖに三次高調波Ｖｈを重畳した後の合成Ｖ相波Ｖｖｈの最大値が０．８６となることである。つまり、三次高調波Ｖｈを正弦波に重畳させると合成Ｕ相波Ｖｕｈおよび合成Ｖ相波Ｖｖｈの最大値が１よりも小さくなる。このため、合成Ｕ相波Ｖｕｈおよび合成Ｖ相波Ｖｖｈの振幅を１にすることにより、Ｕ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖの振幅を１．７３よりも大きくすることができる。

具体的には、合成Ｕ相波Ｖｕｈおよび合成Ｖ相波Ｖｖｈのモータ出力電圧振幅を１．１６（＝１／０．８６，１１６％）にしたとき、Ｕ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖは振幅が２．０の正弦波となる。このように、三次高調波ＶｈをＵ相モータ電圧ＶｕおよびＶ相モータ電圧Ｖｖに１６％重畳させることにより、Ｕ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖの振幅を、三次高調波Ｖｈを重畳させない場合より１６％上昇させ、直流電圧Ｖｄｃを最大限利用することができる。ただし、合成Ｕ相波Ｖｕｈおよび合成Ｖ相波Ｖｖｈのモータ出力電圧振幅を１．１６よりも大きくすると、合成Ｕ相波Ｖｕｈおよび合成Ｖ相波Ｖｖｈの波形が歪むので、それらのモータ出力電圧振幅は１．１６以下に制限する必要がある。

図４は、三次高調波Ｖｈの重畳量ｋとＵ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖの最大値Ａｕｖとの関係を示す図である。図４では、ｋ＝０のときのＵ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖの最大値Ａｕｖを１としている。図４から分かるように、ｋを０から増加させていくＶｕｖの最大値Ａｕｖが徐々に増大し、ｋ＝０．１６であるときにＶｕｖの最大値Ａｕｖがピークとなる。ｋを０．１６から増大させていくとＶｕｖの最大値Ａｕｖが徐々に減少し、ｋ＝０．４ではＶｕｖの最大値Ａｕｖはｋ＝０のときの値（すなわち１）とほぼ等しくなる。

[三次高調波の重畳量とモータ出力電圧振幅の上限値との関係]
上述のように、合成Ｕ相波Ｖｕｈおよび合成Ｖ相波Ｖｖｈのモータ出力電圧振幅を１．１６（＝１／０．８６，１１６％）にしたとき、Ｕ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖは振幅が２．０の正弦波となる。ただし、合成Ｕ相波Ｖｕｈおよび合成Ｖ相波Ｖｖｈのモータ出力電圧振幅を１．１６よりも大きくすると、合成Ｕ相波Ｖｕｈおよび合成Ｖ相波Ｖｖｈの振幅が１を超えてしまい、１を超えた部分が１に制限されるので、それらの波形が歪む。したがって、この場合は、モータ出力電圧振幅を１．１６以下に制限する必要がある。ここで、三次高調波の重畳量ｋとモータ出力電圧振幅の上限値との関係について説明する。

正弦波をsinθとし、三次高調波をsin3θとし、正弦波と三次高調波の合成波をｙとすると、ｙは次式（１）で表わされる。
ｙ＝ｓｉｎθ＋ｋｓｉｎ３θ …（１）
上式（１）を微分すると、ｙ′＝ｃｏｓθ＋３ｋｃｏｓ３θ＝ｃｏｓθ（１＋１２ｋｃｏｓ^２θ−９ｋ）となる。ここで、ｙが極値を持つとして、ｙ′＝０とすると、ｃｏｓθ＝０よりθ＝π／２，３π／２となり、１＋１２ｋｃｏｓ^２θ−９ｋ＝０よりｃｏｓ^２θ＝（９ｋ−１）／１２ｋとなる。θ＝π／２，３π／２のときｙは極小値となり、ｃｏｓ^２θ＝（９ｋ−１）／１２ｋのときｙは極大値となる。

１≧ｃｏｓ^２θ≧０であるので、１≧（９ｋ−１）／１２ｋ≧０である。９ｋ−１≧０であるからｋ≧１／９である。また、９ｋ−１≦１２ｋであるからｋ≧−１／３である。したがって、ｋ≧１／９である。ｋ≧１／９は、ｙの半周期においてｙのピークが２つに分散する条件である。なお、ｋ＜１／９である場合は、ｙのピークはθ＝θ＝π／２，３π／２のみであり、ｙの半周期においてピークは２つに分散しない。

また、上式（１）を変形すると、ｙ＝ｓｉｎθ＋ｋ（４ｃｏｓ^２θ−１）ｓｉｎθとなる。ここで、ｃｏｓ^２θ＝（９ｋ−１）／１２ｋのときｙは極大値となり、ｓｉｎ^２θ＝１−ｃｏｓ^２θ＝（３ｋ＋１）／１２ｋである。ｙの極大値ｙmaxは、次式（２）で表わされる。
ｙmax＝［（３ｋ＋１）／１２ｋ］^０．５（６ｋ＋２）／３ …（２）
ｙmaxの逆数をＰＷＭmaxとすると、ＰＷＭmaxは次式（３）で表わされる。モータ出力電圧振幅は、ＰＷＭmax以下に制限する必要がある。
ＰＷＭmax＝３［１２ｋ／（３ｋ＋１）］^０．５／（６ｋ＋２） …（３）
たとえばｋ＝０．１６であるとき、ｙmax＝０．８６であり、モータ出力電圧振幅を１／０．８６＝１．１６にすると相間電圧が最大になる。ただし、モータ出力電圧振幅が１．１６を超えると合成波の波形が歪むのでモータ出力電圧振幅を１．１６以下に制限する必要がある。

モータ出力電圧振幅が上限値ＰＷＭmaxを超えると、相間電圧が正弦波とはならず電圧歪みが発生し、モータ電流に多くの高調波成分が重畳され電源高調波が増加する。そこで、本実施の形態では、電圧制限部１９においてモータ出力電圧振幅を上限値ＰＷＭmax以下に制限する。

[三次高調波と直流電流の関係]
次に、三次高調波とインバータ５に流れる直流電流Ｉｄｃとの関係について説明する。図５（ａ）（ｂ）は、三次高調波の重畳量ｋが０．１６である場合における直流電流Ｉｄｃなどの波形を示すタイムチャートである。特に、図５（ａ）は、合成Ｕ相波Ｖｕｈ、合成Ｖ相波Ｖｖｈ、合成Ｗ相波Ｖｗｈ、および三角波Ｖｔの波形を示し、図５（ｂ）は、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ、直流電流Ｉｄｃ、および交流電圧Ｖａｃの波形を示している。

本実施の形態では、コンデンサ２の容量値が小さいので、直流電圧Ｖｄｃは交流電圧Ｖａｃと略同じ波形であり、交流電圧Ｖａｃの２倍の周波数で変動する。また、直流電流Ｉｄｃの最大値は、合成波Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈと同様に変化する。

各相の端子電圧は、各相の電圧に応じてキャリア周波数で変調されたＰＷＭ信号により制御される。ＰＷＭ変調されたインバータ出力電圧に応じて、直流電流ＩｄｃにはＵ、Ｖ、Ｗ相のうちの最大電圧相のモータ電流と最小電圧相のモータ電流の逆符号成分とが観測される。たとえば、Ｕ相モータ電圧Ｖｕが最大電圧となり、Ｗ相モータ電圧Ｖｗが最小電圧となる区間では、直流電流ＩｄｃにはＵ相電流ＩｕとＷ相電流Ｉｗの逆符号成分とが観測される。

図６（ａ）（ｂ）は、三次高調波の重畳量ｋが０．４である場合における直流電流Ｉｄｃなどの波形を示すタイムチャートであって、図５（ａ）（ｂ）と対比される図である。図６（ａ）（ｂ）から分かるように、重畳量を増大させることにより、各相の電圧波形のピークが２つに分散する点が明瞭になっている。また、各相のピークが２つに分散したことにより、キャリア変調された各相のＰＷＭ波形も同様に変化し、ｋ＝０．１６の場合と比較して直流電流Ｉｄｃにも分散効果が明瞭になっている。

電圧波形のピークが２つに分散したため、各相の端子電圧の変動が緩和され、ＰＷＭ変調された直流電流波形にもキャリア周波数単位でのオン／オフ幅の変動が緩和され、直流電流Ｉｄｃの密度が分散している。このように、三次高調波を各相の基本波の正弦波に大きく重畳させることで、直流電流Ｉｄｃの疎密の分布を意図的に発生させ、密度を分散させることができる。

本実施の形態のモータ駆動装置では、リアクタコイルを除去し、小容量のコンデンサ２を使用しているので、インバータ５の出力電流であるモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと、インバータ５の入力電流である直流電流Ｉｄｃは、整流回路１の入力電流である交流電流に高調波電流Ｉｈを生じさせる。

各相のモータ電圧波形の最大となる相のモータ電流と、最少となる相のモータ電流の逆符号成分とが直流電流Ｉｄｃに現れる。したがって、位相が１２０度ずつずれた３相の電流波形で最大、最少の２つの電流が出現すると、モータ電圧波形１周期で直流電流Ｉｄｃは３相×２の６回変動する。すなわちモータ電気角周波数の６倍の周波数で直流電流Ｉｄｃが変動する。機械角ではモータ極数の１／２の周期で１回転することから、４極モータの場合、電気角２周期で１回転となる。

以上より、機械角１回転中に直流電流Ｉｄｃの変動は（モータの相数×２）×（極数／２）回発生し、電流波形の脈動を周波数（Ｈｚ）に換算すると（モータの相数）×（極数）×（回転数）／６０で表され、交流電流に電源高調波電流Ｉｈとなって現れる。

[三次高調波と電源高調波電流の関係]
次に、三次高調波と電源高調波電流Ｉｈの関係について説明する。電源高調波電流Ｉｈとは、交流電源８の正弦波波形の整数倍の周波数成分を持つ電流のことをいうが、エレクトロニクス機器においては、その高調波電流Ｉｈに対して規制値が設けられている。

本実施の形態のモータ駆動装置では、リアクタコイルを除去し、小容量のコンデンサ２を使用しているので、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗおよび直流電流Ｉｄｃの影響によって交流電流に高調波電流Ｉｈが発生する。このため、交流電流の脈動が、交流電源８の正弦波波形の整数倍の周波数となれば規制値Ｉｈmaxを満足できない可能性がでてくる。そこで、本実施の形態では、モータの出力Ｐに応じて三次高調波の重畳量ｋを調整することにより、インバータ５で発生する電流脈動に起因する電源高調波電流Ｉｈを抑制し規制値Ｉｈmaxをクリアする。

具体的には、三次高調波を各相の基本波の正弦波に大きく重畳させて直流電流Ｉｄｃの疎密の分布を意図的に発生させ、密度を分散させることで、（モータの相数）×（極数）×（回転数）／６０で表される周波数（Ｈｚ)の高調波成分を抑制する。

なお、三次高調波の重畳量ｋが大きいほど直流電流Ｉｄｃの疎密の分布は大きくなり、電源高調波電流Ｉｈを低減させる効果は高くなるが、図４で示したように、ｋ＝０．１６を境に相間電圧振幅は低下する。したがって、極端に大きな重畳量ｋで三次高調波を重畳させると、相間電圧振幅が低下し、電圧不足でモータ相電流が増加し、その結果、電源高調波電流Ｉｈが逆に増加する可能性がある。よって、直流電流Ｉｄｃの粗密の分布の増加とモータ相電流の増加とのトレードオフを考慮し、実験により確認して重畳量ｋを決定する。

図７（ａ）（ｂ）は、重畳量ｋを０，０．１６，０．３０の三段階で変えた場合における２〜４０次数の電源高調波電流Ｉｈの変化を示す図である。特に図７（ａ）は０〜４０次数の高調波電流Ｉｈを示し、図７（ｂ）は１０〜２２次数の高調波電流Ｉｈを示している。電源周波数は５０Ｈｚである。実験では、４極モータを使用し、回転数を４５００ｒｐｍとし、モータ出力電圧振幅を最大値の１．０（１００％）に設定した。この場合、回転数に起因する電源高調波電流Ｉｈの次数は１８次（３相×４極×４５００ｒｐｍ／６０／５０Ｈｚ）となる。図７（ａ）（ｂ）から分かるように、回転数に起因する周波数近辺の高調波成分はモータ印加電圧に重畳させる三次高調波の重畳量ｋを大きくするほど小さくなった。たとえば、三次高調波の重畳量ｋを０から０．３０へ増加させると１７次の高調波電流の成分は０．１７Ａから０．０７Ａに減少した。図８は、重畳量ｋと１５次高調波電流Ｉｈ（１５）および１７次高調波電流Ｉｈ（１７）との関係を示す図である。図８から分かるように、重畳量ｋの増大に伴って高調波電流Ｉｈは単調に減少した。

[モータ出力と重畳量の関係]
重畳量ｋを一定に保ってモータ９の出力Ｐを増大させると、直流電流Ｉｄｃが増大し、電源高調波電流Ｉｈも増大する。そこで、本実施の形態では、モータ９の出力Ｐの増大に応じて重畳量ｋを増大させ、電源高調波電流Ｉｈの増大を抑制する。

図９は、モータ９の出力Ｐと重畳量ｋとの関係を示す図である。図９に示すように、重畳量設定部１３は、モータ９の出力Ｐに応じて重畳量ｋを変化させる。モータ９の出力Ｐは、モータ出力検出部１２により、直流電圧センサ３および直流電流センサ４からの信号に基づいて検出される。モータ９の出力Ｐが０〜８００[Ｗ]である場合はｋ＝０．１６一定とする。これにより、相間電圧が正弦波となる最大電圧を高くすることができ、モータ９を高速駆動することができる。

また、モータ９の出力Ｐが８００〜１６００[Ｗ]である場合は、モータ９の出力Ｐに比例してｋを０．１６から０．４０まで単調に増大させる。これにより、モータ９の出力Ｐに伴う電源高調波電流Ｉｈの増大を抑制することができる。モータ９の出力Ｐが１６００〜２０００[Ｗ]である場合は、ｋ＝０．４０一定とする。これにより、過大な三次高調波の重畳を抑え、必要以上に高調波電流Ｉｈを抑制することを防止することで正弦波状の相間電圧を大きくとり、モータ９をより高速駆動させることができる。なお、モータ９の出力Ｐが定格出力値の３０％の値Ｐｃ以下である場合は、重畳量設定部１３は非活性化されて重畳量ｋは０にされる。

[二相変調方式]
次に、二相変調方式について説明する。上記のようにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各々において正弦波に三次高調波Ｖｈを重畳させると、インバータ５の６つのスイッチング素子ｓ１〜ｓ６の各々が常時オン／オフされ、スイッチング素子ｓ１〜ｓ６の損失が大きくなるという問題がある。この問題を解決する方法として、二相変調方式が知られている。この二相変調方式では、一周期を３つの期間に分割し、各期間において三相のスイッチング素子ｓ１〜ｓ６のうちの二相のスイッチング素子のみを使用して電力を供給する。これにより、正弦波の相間電圧を得ながら、スイッチング素子の損失を低減して高効率化を図ることができる（たとえば、特許文献３，４参照）。

図１０は、二相変調方式を示すタイムチャートである。図１０において、二相変調方式では、一周期は３つの区間Ａ，Ｂ，Ｃに分割される。区間Ａは、Ｕ相モータ電圧Ｖｕの負側ピーク点を中心とする１２０度区間（２１０〜３３０度）である。区間Ｂは、Ｖ相モータ電圧Ｖｖの負側ピーク点を中心とする１２０度区間（３３０〜３６０，０〜９０度）である。区間Ｃは、Ｗ相モータ電圧Ｖｗの負側ピーク点を中心とする１２０度区間（９０〜２１０度）である。

区間Ａでは、合成Ｕ相波Ｖｕｈ２が最低値（−１．０）に固定される。合成Ｖ相波Ｖｖｈ２は、最低値に固定された合成Ｕ相波Ｖｕｈ２にＶ−Ｕ相間電圧Ｖｖｕを加算した電圧となる。合成Ｗ相波Ｖｗｈ２は、最低値に固定された合成Ｕ相波Ｖｕｈ２にＷ−Ｕ相間電圧Ｖｗｕを加算した電圧となる。二相変調高調波Ｖｈ２は、区間Ａの両端で−０．５となり、中央で０となる。この区間Ａでは、Ｕ相に対応するスイッチング素子ｓ２，ｓ５がそれぞれオフ状態およびオン状態に固定され、残りの４つのスイッチング素子ｓ１，ｓ４，ｓ３，ｓ６の各々がオン／オフされる。

区間Ｂでは合成Ｖ相波Ｖｖｈ２が最低値（−１．０）に固定される。合成Ｗ相波Ｖｗｈ２は、最低値に固定された合成Ｖ相波Ｖｖｈ２にＷ−Ｖ相間電圧Ｖｗｖを加算した電圧となる。合成Ｕ相波Ｖｕｈ２は、最低値に固定された合成Ｖ相波Ｖｖｈ２にＵ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖを加算した電圧となる。二相変調高調波Ｖｈ２は、区間Ｂの両端で−０．５となり、中央で０となる。この区間Ｂでは、Ｖ相に対応するスイッチング素子ｓ３，ｓ６がそれぞれオフ状態およびオン状態に固定され、残りの４つのスイッチング素子ｓ１，ｓ４，ｓ２，ｓ５の各々がオン／オフされる。

区間Ｃでは合成Ｗ相波Ｖｗｈ２が最低値（−１．０）に固定される。合成Ｕ相波Ｖｕｈ２は、最低値に固定された合成Ｗ相波Ｖｗｈ２にＵ−Ｗ相間電圧Ｖｕｗを加算した電圧となる。合成Ｖ相波Ｖｖｈ２は、最低値に固定された合成Ｗ相波Ｖｗｈ２にＶ−Ｗ相間電圧Ｖｖｗを加算した電圧となる。二相変調高調波Ｖｈ２は、区間Ｃの両端で−０．５となり、中央で０となる。この区間Ｃでは、Ｗ相に対応するスイッチング素子ｓ１，ｓ４がそれぞれオフ状態およびオン状態に固定され、残りの４つのスイッチング素子ｓ２，ｓ５，ｓ３，ｓ６の各々がオン／オフされる。

この二相変調方式では、スイッチング損失を低減できるが、区間Ａ〜Ｃの各々において１つの相に対する電圧印加を停止するので、電源高調波電流が増加する。図１１は、モータ電圧に三次高調波Ｖｈを重畳させた場合と、モータ電圧に二相変調高調波Ｖｈ２を重畳させた場合における０〜４０次数の電源高調波電流Ｉｈを示す図である。実験では、４極モータを使用し、回転数を４４００ｒｐｍとした。この場合、回転数に起因する電源高調波電流成分は１７．６次（３相×４極×４４００ｒｐｍ／６０／５０Ｈｚ）となる。図１１から分かるように、回転数に起因する周波数近辺の高調波成分は、モータ電圧に２相変調高調波Ｖｈ２を重畳させた場合に大きくなる。

すなわち二相変調方式では、回路損失を低減させて効率を向上させることができるが、電源高調波電流Ｉｈを増加させてしまう。そこで、本実施の形態では、モータ９の出力出力に応じて、三次高調波と二相変調高調波を切り換えて使用する。具体的には、モータ９の出力Ｐが定格出力の３０％の値Ｐｃ以下である場合は二相変調高調波Ｖｈ２を使用し、モータ９の出力Ｐが定格出力の３０％の値Ｐｃよりも大きい場合は三次高調波Ｖｈを使用する。つまり、低出力時では、電源高調波電流Ｉｈが低いので、効率向上を優先して二相変調高調波Ｖｈ２を正弦波に重畳させる。一方、高出力時では、電源高調波電流Ｉｈの低減を優先して三次高調波Ｖｈを正弦波に重畳させる。

以上のように、本実施の形態では、低出力時では二相変調高調波Ｖｈ２を使用し、高出力時では三次高調波Ｖｈを使用するので、効率の向上と電源高調波電流Ｉｈの低減化を図ることができる。また、モータ９の出力Ｐの増大に応じて三次高調波の重畳量ｋを増大させるので、電源高調波電流Ｉｈの増大を抑制することができる。また、モータ電圧振幅を重畳量ｋに応じた上限値ＰＭＷmax以下に制限するので、モータ電圧の波形が歪んで電源高調波電流Ｉｈが増大するのを防止することができる。したがって、リアクタコイルを使用せず、小容量のコンデンサ２を使用しながら、電源高調波電流Ｉｈを低減して規制値Ｉｈmax以下に抑制し、効率を高めることができる。

また、リアクタコイルを使用せず、小容量のコンデンサ２を使用するので、入力電流波形の改善および高力率化を図ることができる。また、入力電流波形の目標値の作成、入力電流との誤差成分の演算、誤差成分を解消するための電圧作成手段が不要であるので、特許文献２に記載されている装置に比べ、装置構成の簡単化を図ることができる。

なお、この実施の形態では、モータ９の出力Ｐに応じて重畳量ｋを変化させたが、重畳量ｋを一定値に固定してもよい。本願発明者による実験では、ｋ＝０．３５に設定した場合が最適であり、電源高調波電流Ｉｈを低減することができ、かつ高いモータ電圧を得ることができた。この場合は、予め三次高調波を重畳した正弦波データを正弦波生成部１１に格納しておけば、三次高調波の重畳に必要な計算処理を省略することができ、計算処理の負荷を軽減することができる。また、モータ出力検出部１２、三次高調波生成部１４、および加算器１５を除去することができ、構成の簡単化を図ることができる。

また、この実施の形態では、三次高調波Ｖｈを使用したが、これに限るものではなく、（１２ｎ＋３）次高調波（ただし、ｎは０以上の整数である）を使用することが可能である。図１２は、１５次高調波Ｖｈ３を使用した場合の合成Ｕ相波Ｖｕｈ３、合成Ｖ相波Ｖｖｈ３、Ｕ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖを示す図である。また、図１３は、２７次高調波Ｖｈ４を使用した場合の合成Ｕ相波Ｖｕｈ４、合成Ｖ相波Ｖｖｈ４、Ｕ−Ｖ相間電圧Ｖｕｖを示す図である。いずれの場合においても、モータ相電圧のピークが１つから複数に分散されることで電源高調波電流Ｉｈを小さくすることができる。

ただし、ｎが過大になると却ってピーク分散効果が小さくなるので、電源高調波電流Ｉｈの抑制効果を測定し、その測定結果に基づいてｎを決定するとよい。

また、図１２および図１３に示すように、モータ電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの振幅が１．０（１００％）であってもｎが大きくなると合成波Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈの最大値が１．０を超えてしまう。合成波Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈの最大値が１．０を超えると、合成波Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈの波形が歪み、電源高調波が増大する。したがって、ｎを１以上にする場合は、合成波Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈの最大値が１．０を超えないように、モータ電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの振幅を１．０（１００％）以下に制限する必要がある。

なお、本実施の形態は、たとえば、インバータ回路を搭載した空気調和機、冷蔵庫、電気洗濯機、電気乾燥機、電気掃除機、送風機、ヒートポンプ給湯器等に適用可能である。いずれの製品についても、モータ駆動用インバータ装置を小型化、軽量化することで、製品設計の自由度が向上し、部品点数の削減により製品品質・寿命を向上させることができ、さらに安価な製品を提供することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 整流回路、２ コンデンサ、３ 直流電圧センサ、４ 直流電流センサ、５ インバータ、６ 交流電流センサ、７ コントローラ、８ 交流電源、９ 同期モータ、Ｄ１〜Ｄ４，ｄ１〜ｄ６ ダイオード、ｓ１〜ｓ６ スイッチング素子、１０ 回転数設定部、１１ 正弦波生成部、１２ モータ出力検出部、１３ 重畳量設定部、１４ 三次高調波生成部、１５ 加算器、１６ 位相差検出部、１７ 目標位相差格納部、１８ ＰＩ演算部１８、１９ 電圧制限部、２０ ＰＷＭ信号生成部、２１ モータ出力判定部、２２ 二相変調高調波生成部。

Claims (4)

1. 交流電圧を全波整流する整流回路と、前記整流回路の出力端子間に接続された小容量のコンデンサと、前記整流回路からの直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータとを備えたモータ駆動装置において前記インバータを制御する制御装置であって、
   前記モータの回転数に対応する正弦波を生成する第１の波形生成部と、
   前記モータの出力が予め定められた値よりも低い場合は前記正弦波の二相変調高調波を生成し、前記モータの出力が前記予め定められた値よりも高い場合は前記正弦波の（１２ｎ＋３）次高調波（ただし、ｎは０以上の整数である）を生成し、生成した前記二相変調高調波または前記（１２ｎ＋３）次高調波を前記正弦波に重畳させてモータ電圧波形を生成する第２の波形生成部と、
   前記インバータから前記モータに流れる交流電流と前記正弦波の位相差が目標位相差になるようにモータ電圧振幅指令値を生成する指令値生成部と、
   前記第２の波形生成部で生成されたモータ電圧波形と前記モータ電圧振幅指令値とに基づいて前記インバータをＰＷＭ制御する制御部とを備える、制御装置。
2. 前記モータの出力を検出するモータ出力検出部と、
   前記モータ出力検出部によって検出された前記モータの出力が前記予め定められた値よりも高いか低いかを判定するモータ出力判定部とを備え、
   前記第２の波形生成部は、前記モータ出力判定部の判定結果に基づいて、前記二相変調高調波または前記（１２ｎ＋３）次高調波を生成する、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記整流回路から出力される直流電圧を検出する直流電圧検出器と、
   前記整流回路から出力される直流電流を検出する直流電流検出器とを備え、
   前記モータ出力検出部は、前記直流電圧検出器および前記直流電流検出器の検出結果に基づいて前記モータの出力を検出する、請求項２に記載の制御装置。
4. 前記ｎは０である、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の制御装置。

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