JP2014155336A - 交流電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電動機の回転数が所定回転数以下のとき、電流集中を判定可能な交流電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】３相のうち１相のセンサ相（Ｗ相）に流れる電流を検出する電動機制御装置において、制御部１５１の変換係数算出部４５は、３相電圧指令のうちセンサ相の電圧指令ｖｗ^*と電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓとの比から変換係数Ｋｃを算出する。他相電流推定部４６は、他の２相であるＵ相、Ｖ相の電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*に基づき、変換係数Ｋｃを用いて電流推定値ｉｕ＿ｅｓｔ、ｉｖ＿ｅｓｔを算出する。電流集中判定部４７は、交流電動機２の回転数Ｎが所定の回転数以下であるとき、センサ相の電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓ、及び、他の２相の電流推定値ｉｕ＿ｅｓｔ、ｉｖ＿ｅｓｔのうちいずれかの相電流値が所定の電流判定閾値を超えた期間が所定の判定期間継続したとき、電流集中が発生していると判定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、３相のうち１相の相電流を電流センサにより検出して交流電動機の通電を制御する交流電動機の制御装置に関する。

近年、低燃費、低排気エミッションの社会的要請から車両の動力源として交流電動機を搭載した電気自動車やハイブリッド自動車が注目されている。例えば、ハイブリッド自動車においては、二次電池等からなる直流電源と交流電動機とを、インバータ等で構成された電力変換装置を介して接続し、直流電源の直流電圧をインバータで交流電圧に変換して交流電動機を駆動するようにしたものがある。

このようなハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される交流電動機の制御装置において、相電流を検出する電流センサを１相のみに設け、１相の電流検出値に基づき推定した電流推定値をフィードバックすることで交流電動機の通電を制御する「１相制御」の技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。電流センサを１相のみに設けることで、電流センサの数を減らし、インバータの３相出力端子近傍の小型化や交流電動機の制御系統のコスト低減を図っている。

一方、交流電動機を駆動するインバータを過負荷状態から保護するための「電流集中判定」の技術が知られている。例えば特許文献２に開示された技術によると、インバータの出力電流を検出することによって過負荷電流が流れているか否かを判定し、過負荷電流が流れていると判定すると、その継続時間をカウントする。そして、その過負荷電流の継続時間が所定時間を超えると、インバータが過負荷状態であると判定する。

特開２００４−１５９３９１号公報 特開平５−２６０７６１号公報

交流電動機の回転数が、停止に近い所定の回転数以下であるとき、相電流の時間変化が小さくなり、相電流がほぼ一定の「直流化」された状態となる。すると、停止位置の電気角及び電流指令位相に応じて、相毎に電流値が固定されることとなる。その結果、特定の相の電流が所定の閾値を超えた状態が所定の期間継続した場合、「電流集中が発生している」という。電流集中した相では、インバータのスイッチング素子等が過負荷状態となるおそれがある。

２相又は３相に電流センサを設け各相の電流を直接検出する構成では、相毎に電流集中の有無を容易に判定することができる。それに対し、電流センサを１相のみに設ける構成では他の２相の電流値を直接検出することができないので、電流集中判定するためには、センサ相以外の他の２相の電流を適正に推定するか、電流を等価的に他の諸量に置き換えることが重要となる。

特に、交流電動機の停止位置の電気角及び電流指令位相に応じて、センサ相の電流検出値が「ゼロ」となる場合が問題となる。例えば、特許文献１の技術において、センサ相の電流基準角（θ’）のｓｉｎ値が非ゼロであり、センサ相の電流検出値がゼロとなる位置で交流電動機が停止した場合、他の２相の電流推定値は共にゼロと推定される。また、センサ相の電流基準角（θ’）のｓｉｎ値がゼロであり、且つセンサ相の電流検出値がゼロの場合は、計算不能となる。したがって、仮に他の２相のいずれかが電流集中している場合であっても、電流集中を判定することができない。また、そもそも従来技術では、１相のセンサ相の電流検出値に基づいて電流集中判定することを考慮していない。

本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、３相のうち１相のセンサ相に流れる電流を検出する交流電動機の制御装置において、交流電動機の回転数が所定回転数以下のとき、電流集中を判定可能な交流電動機の制御装置を提供することにある。

本発明は、３相の交流電動機を駆動するインバータと、交流電動機の３相のうち１相のセンサ相に流れる電流を検出する電流センサと、インバータを構成する複数のスイッチング素子のオン／オフを切り替えて交流電動機の通電を制御する制御手段とを備える交流電動機の制御装置に係る発明である。

制御手段は、交流電動機の回転数を算出する回転数算出手段と、電流指令及び電気角に基づき、交流電動機に印加する３相電圧に対する３相電圧指令を演算する３相電圧指令演算手段と、回転数算出手段によって得られた回転数が所定の回転数以下であるとき、３相電圧指令に基づいて電流集中の有無を判定する電流集中判定手段とを有している。
ここで、「電流集中」とは、インバータのいずれか１相以上に所定の閾値以上の電流が所定の期間継続して流れる状態をいう。

交流電動機の回転数がゼロ、又はゼロに近い所定の回転数以下であって相電流が直流化しているとき、従来の１相制御技術では、センサ相以外の他の２相の電流推定値を適正に推定することができず、交流電動機の駆動制御が不安定となるおそれがある。しかも、交流電動機の停止位置の電気角及び電流指令位相に応じてセンサ相の電流検出値がゼロとなるときには、仮に他の２相のいずれかが電流集中している場合であっても、電流集中を判定することができない。
それに対し本発明では、交流電動機の回転数が所定の回転数以下であるとき、３相電圧指令演算手段によって演算された３相電圧指令に基づき、電流集中判定手段により、各相について適正に電流集中の有無を判定することができる。

電流集中判定のための具体的な構成として、次の２とおりの構成を示す。
第１の構成によると、制御手段は、変換係数算出手段と、他相電流推定手段とをさらに有する。変換係数算出手段は、３相電圧指令のうちセンサ相の電圧指令とセンサ相の電流検出値との比から変換係数を算出する。他相電流推定手段は、３相電圧指令のうちセンサ相以外の他の２相の電圧指令に基づき、変換係数を用いて当該他の２相の電流推定値を算出する。電流集中判定手段は、センサ相の電流検出値、及び他の２相の電流推定値のうちいずれかの相電流値が所定の電流判定閾値を超えた期間が所定の判定期間継続したとき、電流集中が発生していると判定する。

第２の構成によると、制御手段の電流集中判定手段は、３相電圧指令のうちいずれかの相の電圧指令が所定の電圧判定閾値を超えた期間が所定の判定期間継続したとき、電流集中が発生していると判定する。
このようにして電流集中が発生していると判定されたとき、例えばトルク指令や電流指令の上限を制限する等の適当な集中解除処置を取ることで、インバータのスイッチング素子等が過負荷状態となることを防止することができる。

本発明の第１、第２実施形態による交流電動機の制御装置が適用される電動機駆動システムの構成を示す図である。 本発明の第１、第２実施形態による交流電動機の制御装置の全体構成図である。 交流電動機の低回転時における１相制御の問題点を説明する相電流波形の模式図である。 交流電動機の停止時における相電流の直流化を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態による交流電動機の制御装置の制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による電流集中判定処理のタイムチャートである。 本発明の第１実施形態による電流集中判定処理のフローチャートである。 本発明の第２実施形態による交流電動機の制御装置の制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による電流集中判定処理のタイムチャートである。 本発明の第２実施形態による電流集中判定処理のフローチャートである。

以下、本発明による交流電動機の制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
最初に、複数の実施形態に共通の構成について、図１、図２を参照して説明する。この実施形態による「交流電動機の制御装置」としての電動機制御装置１０は、ハイブリッド自動車を駆動する電動機駆動システムに適用される。

［交流電動機の制御装置の構成］
図１に示すように、電動機駆動システム１は、交流電動機２、直流電源８、及び電動機制御装置１０等を備える。
交流電動機２は、例えば電動車両の駆動輪６を駆動するためのトルクを発生する電動機である。本実施形態の交流電動機２は、永久磁石式同期型の三相交流電動機である。
電動車両には、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池車等、電気エネルギによって駆動輪６を駆動する車両が含まれるものとする。本実施形態の電動車両は、エンジン３を備えたハイブリッド車両であり、交流電動機２は、駆動輪６を駆動するためのトルクを発生する電動機としての機能、及び、エンジン３や駆動輪６から伝わる車両の運動エネルギにより駆動されて発電可能な発電機としての機能を有する、所謂モータジェネレータ（図中、「ＭＧ」と記す。）である。

交流電動機２は、例えば変速機等のギア４を介して車軸５に接続される。これにより、交流電動機２の駆動力は、ギア４を介して車軸５を回転させることにより、駆動輪６を駆動する。
直流電源８は、例えばニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池や電気二重層キャパシタ等、充放電可能な蓄電装置である。直流電源８は、電動機制御装置１０のインバータ１２（図２参照）と接続され、インバータ１２を介して交流電動機２と電力の授受可能に構成されている

車両制御回路９は、マイクロコンピュータ等により構成され、内部にはいずれも図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらを接続するバスライン等を備えている。車両制御回路９は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理により、電動車両全体を制御する。

車両制御回路９は、いずれも図示しないアクセルセンサからのアクセル信号、ブレーキスイッチからのブレーキ信号、及び、シフトスイッチからのシフト信号等の各種センサやスイッチ等から信号を取得可能に構成されている。車両制御回路９は、取得されたこれらの信号等に基づいて車両の運転状態を検出し、運転状態に応じたトルク指令値ｔｒｑ^*を電動機制御装置１０に出力する。また、車両制御回路９は、エンジン３の運転を制御する図示しないエンジン制御回路に対し、指令信号を出力する。

図２に示すように、電動機制御装置１０は、インバータ１２、電流センサ１３、及び「制御手段」としての制御部１５を備える。
インバータ１２には、図示しない昇圧コンバータによる直流電源の昇圧電圧がインバータ入力電圧ＶＨとして入力される。インバータ１２は、ブリッジ接続される図示しない６つのスイッチング素子を有する。スイッチング素子には、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、バイポーラトランジスタ等を用いることができる。制御部１５のＰＷＭ信号生成部２５から出力されるＰＷＭ信号ＵＵ、ＵＬ、ＶＵ、ＶＬ、ＷＵ、ＷＬに基づいてスイッチング素子のオン／オフが制御される。これにより、インバータ１２は、交流電動機２に印加される３相交流電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを制御する。交流電動機２は、インバータ１２により生成された３相交流電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗが印加されることにより駆動が制御される。

電流センサ１３は、交流電動機２のいずれか１相に設けられる。電流センサ１３が設けられる相を「センサ相」という。電流センサ１３は、センサ相の相電流を検出し、電流検出値を制御部１５に出力する。「センサ相の電流検出値」を、適宜「センサ値」という。
本実施形態では、電流センサ１３がＷ相に設けられている構成を前提として説明する。すなわち、「Ｗ相」は「センサ相」と同義である。なお、他の実施形態では、Ｕ相又はＶ相をセンサ相としてもよい。

回転角センサ１４は、交流電動機２の図示しないロータ近傍に設けられ、電気角θｅを検出し、制御部１５に出力する。また、回転角センサ１４により検出された電気角θｅに基づき、交流電動機２のロータの回転数Ｎが算出される。以下、「交流電動機２のロータの回転数Ｎ」を、単に「交流電動機２の回転数Ｎ」という。
本実施形態の回転角センサ１４は、レゾルバであるが、その他の実施形態では、ロータリエンコーダ等、他種のセンサを用いてもよい。

制御部１５は、マイクロコンピュータ等により構成され、内部にはいずれも図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御部１５は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理により、交流電動機２の動作を制御する。

電動機制御装置１０は、回転角センサ１４が検出した電気角θｅに基づく交流電動機２の回転数Ｎ、及び、車両制御回路９からのトルク指令値ｔｒｑ^*に応じて、交流電動機２を「電動機としての力行動作」により電力を消費し、又は「発電機としての回生動作」により電力を生成する。具体的には、回転数Ｎ及びトルク指令値ｔｒｑ^*の正負によって、以下の４つのパターンで動作を切り替える。
＜１．正転力行＞ 回転数Ｎが正でトルク指令値ｔｒｑ^*が正のとき、電力消費。
＜２．正転回生＞ 回転数Ｎが正でトルク指令値ｔｒｑ^*が負のとき、発電。
＜３．逆転力行＞ 回転数Ｎが負でトルク指令値ｔｒｑ^*が負のとき、電力消費。
＜４．逆転回生＞ 回転数Ｎが負でトルク指令値ｔｒｑ^*が正のとき、発電。

回転数Ｎ＞０（正転）で、トルク指令値ｔｒｑ^*＞０である場合、または、回転数Ｎ＜０（逆転）でトルク指令値ｔｒｑ^*＜０である場合、インバータ１２は、スイッチング素子のスイッチング動作により、直流電源８側から供給される直流電力を交流電力に変換してトルクを出力する（力行動作する）ように、交流電動機２を駆動する。
一方、回転数Ｎ＞０（正転）で、トルク指令値ｔｒｑ^*＜０である場合、または、回転数Ｎ＜０（逆転）でトルク指令値ｔｒｑ^*＞０である場合、インバータ１２は、スイッチング素子のスイッチング動作により、交流電動機２が発電した交流電力を直流電力に変換し、直流電源８側へ供給することにより、回生動作する。

本発明の実施形態では、電流センサ１３を１相のみに設けることで、２相又は３相に電流センサを設ける構成に比べ、電流センサの数を減らし、インバータ１２の３相出力端子近傍の小型化や交流電動機２の制御系統のコスト低減を図ることができる。
その反面、交流電動機２の通電を制御するにあたり、１相のセンサ値に基づく「１相制御」を行う必要がある。１相制御にはいくつかの方法があるが、いずれの制御方法でも、２相のセンサ値に基づく２相制御に比べて実機情報が乏しくなる傾向がある。

低回転時における１相制御の問題点について、図３、図４を参照して説明する。
図３は、Ｗ相電流波形について、回転数Ｎの違いによる、電流センサ１３のサンプリング間隔Ｔｓと、電気角移動量Δθｅ及び電流変化量Δｉｗとの関係を模式的に示した図である。（ａ）は高回転時、（ｂ）は中回転時、（ｃ）は低回転時の相電流波形を示す。ここでの「高回転、中回転、低回転」は、相対的な意味でのみ用い、具体的な回転数を意味しない。また、サンプリング間隔Ｔｓは、回転数Ｎによらず一定とする。

高回転時は、サンプリング間隔Ｔｓにおける電気角移動量Δθｅ及び電流変化量Δｉｗが比較的大きな値となっており、実機情報がよく反映されるため、比較的精度の高い１相制御が可能である。
中回転時は、サンプリング間隔Ｔｓにおける電気角移動量Δθｅ及び電流変化量Δｉｗが高回転時よりも減少するため、実機情報がやや不足し、１相制御での精度が低下する。
低回転時は、サンプリング間隔Ｔｓにおける電気角移動量Δθｅ及び電流変化量Δｉｗがさらに減少し、電流変化量Δｉｗがゼロに近くなる。そのため、実機情報が乏しくなり、１相制御では、交流電動機２の駆動制御が不安定になる。

さらに、交流電動機２が停止した状態を想定する。以下、「停止」とは、回転数Ｎが厳密に０［ｒｐｍ］の場合のみでなく、回転数Ｎが所定の回転数以下の低回転状態を含む。停止状態では、電気角θｅは略一定となり、電気角速度ωは略０［ｒａｄ／ｓ］となる。
このような停止状態で、電流指令位相φも一定と仮定すれば、図４（ａ）に示すように各相の電流は一定となり、直流化される。図４（ａ）において、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖは、実電流を示し、実際には検出されない。Ｗ相については電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓを示す。なお、３相の相電流にはキルヒホッフの法則により、式（１）が成立している。
ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０ ・・・（１）

交流電動機２の回転数Ｎが所定の回転数以上のとき、各相の電流は正弦波状に時間変化し、相間で平均化される。すなわち、インバータ１２の回路素子や交流電動機２の巻線に異常がない限り、特定の相に電流が集中して流れることはない。
ところが、交流電動機２が停止又は停止に近い状態にあると、相電流が直流化されることにより、停止位置の電気角θｅ及び電流指令位相φに応じて、相毎に電流値が固定されることとなる。図４（ａ）に示す例では、Ｗ相電流ｉｗ＿ｓｎｓの絶対値がＵ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖの絶対値に比べて大きくなっている。この例で、仮にＷ相電流ｉｗ＿ｓｎｓが所定の閾値を超えた状態が所定の期間継続した場合、「電流集中が発生している」という。電流集中した相では、インバータ１２のスイッチング素子等が過負荷状態となるおそれがある。

ここで、２相又は３相に電流センサを設け各相の電流を直接検出する構成では、相毎に電流集中の有無を容易に判定することができる。それに対し、電流センサ１３を１相のみに設ける構成では、電流集中判定のために、センサ相以外の他の２相の電流を適正に推定するか、電流を等価的に他の諸量に置き換えることが重要となる。
特に、図４（ｂ）に示すように、交流電動機２の停止位置の電気角θｅ及び電流指令位相φに応じて、センサ相の電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓが「ゼロ」となる場合が問題となる。ここで、電流が「ゼロ」とは、厳密な０［Ａ］に限らず、検出誤差や機器の分解能を考慮し、実質的に０［Ａ］と同等の範囲の値を含む。

例えば、特許文献１（特開２００４−１５９３９１号公報）による１相制御技術では、センサ相をＵ相とすると、Ｕ相の電流検出値（Ｉｕ）を「ｄｑ軸電流指令から得られる電流指令位相角と電気角から生成したＵ相電流基準角（θ’）」で除して電流振幅（Ｉａ）を算出し、この電流振幅を、Ｕ相電流基準角から±１２０［°］ずらした電気角におけるｓｉｎ値に乗じて他の２相の電流推定値Ｉｖ、Ｉｗを算出する（式２．１〜２．３）。
Ｉａ＝Ｉｕ／［√（１／３）×（｛−ｓｉｎ（θ’）｝］ ・・・（２．１）
Ｉｖ＝√（１／３）×Ｉａ×｛−ｓｉｎ（θ’＋１２０［°］）｝・・・（２．２）
Ｉｗ＝√（１／３）×Ｉａ×｛−ｓｉｎ（θ’＋２４０［°］）｝・・・（２．３）

この方法において、センサ相の電流検出値（Ｉｕ）がゼロとなる位置で交流電動機２が停止した場合、電流振幅（Ｉａ）はゼロとなり、他の２相の電流推定値は共にゼロと推定される。したがって、仮に他の２相のいずれかが電流集中している場合であっても、電流集中を判定することができない。

また、特開２００８−８６１３９号公報による１相制御技術では、ｄｑ軸電流指令を逆ｄｑ変換して得られる３相電流指令値のうちセンサ相以外の２相の電流指令値を推定値として扱い、電流フィードバック制御する。
この技術においてセンサ相の電流検出値がゼロとなると、１相のセンサ値であるゼロ値と、他の２相の電流推定値とからｄｑ変換して得られるｄｑ軸電流推定値は、ｄｑ軸電流指令に一致する。したがって、ｄｑ軸電流指令をそのままｄｑ軸電流指令に対してフィードバックすることとなり、フィードバック制御がされていないのと同然の状態となる。つまり、他の２相の電流値について電流指令で判断し、実電流の情報が反映されないため、交流電動機２の駆動制御が不安定になるばかりか、誤判定につながるおそれがある。

［制御部の構成と作用効果］
そこで、本発明の実施形態による電動機制御装置１０は、交流電動機２の回転数Ｎが所定の回転数以下であるとき、電流集中を判定可能とするための制御部１５の構成を特徴としている。以下、制御部１５の構成及び作用効果を第１、第２実施形態毎に説明する。第１、第２実施形態の制御部の符号を、それぞれ１５１（図５）、１５２（図８）とする。

（第１実施形態）
第１実施形態の制御部１５１の構成について、図５〜図７を参照して説明する。
図５に示すように、制御部１５１は、電流指令演算部２１、ｄｑ軸電圧指令演算部４１、角速度算出部４２、逆ｄｑ変換部２４、ＰＷＭ信号生成部２５、変換係数算出部４５、他相電流推定部４６、電流集中判定部４７、及び、回転数算出部４９を有する。
ｄｑ軸電圧指令演算部４１及び逆ｄｑ変換部２４は、特許請求の範囲に記載の「３相電圧指令演算手段」を構成する。また、変換係数算出部４５、他相電流推定部４６、及び、電流集中判定部４７は、それぞれ、特許請求の範囲に記載の「変換係数算出手段」、「他相電流推定手段」、及び、「電流集中判定手段」を構成する。

電流指令演算部２１は、車両制御回路９から取得したトルク指令値ｔｒｑ^*に基づき、交流電動機２の回転座標系（ｄｑ座標系）におけるｄ軸電流指令ｉｄ^*、及びｑ軸電流指令ｉｑ^*を演算する。以下、「ｄ軸電流及びｑ軸電流」を「ｄｑ軸電流」のように表す。
本実施形態では、予め記憶されているマップを参照してｄｑ軸電流指令ｉｄ^*、ｉｑ^*を演算するが、他の実施形態では、数式等から演算するようにしてもよい。

ｄｑ軸電圧指令演算部４１は、電圧方程式を用いて、ｄｑ軸電圧指令ｖｄ^*、ｖｑ^*を演算する。まず、電動機の電圧方程式は、一般に式（３．１）、（３．２）で表される。
ｖｄ＝Ｒａ×ｉｄ＋Ｌｄ×（ｄ／ｄｔ）ｉｄ−ω×Ｌｑ×ｉｑ ・・・（３．１）
ｖｑ＝Ｒａ×ｉｑ＋Ｌｑ×（ｄ／ｄｔ）ｉｑ＋ω×Ｌｄ×ｉｄ＋ω×ψ
・・・（３．２）

記号は、以下のとおりである。
Ｒａ：電機子抵抗
Ｌｄ、Ｌｑ：ｄ軸自己インダクタンス、ｑ軸自己インダクタンス
ω：電気角速度
ψ：永久磁石の電機子鎖交磁束

ここで、交流電動機２の機器定数である電機子抵抗Ｒａ、ｄ軸自己インダクタンスＬｄ、ｑ軸自己インダクタンスＬｑ、及び電機子鎖交磁束ψは、固定値としてもよいし、計算にて算出してもよい。また、実際の特性に近い値や実測値をマップ化しておき、トルク指令値ｔｒｑ^*、又はｄ軸電流指令値ｉｄ^*及びｑ軸電流指令値ｉｑ^*に基づいて演算してもよい。

また、過渡特性を表す時間微分（ｄ／ｄｔ）項を無視し、ｄｑ軸電圧としてｄｑ軸電圧指令ｖｄ^*、ｖｑ^*を用い、ｄｑ軸電流としてｄｑ軸電流指令ｉｄ^*、ｉｑ^*を用いると、式（３．１）、（３．２）は、式（４．１）、（４．２）のように書き換えられる。
ｖｄ^*＝Ｒａ×ｉｄ^*−ω×Ｌｑ×ｉｑ^* ・・・（４．１）
ｖｑ^*＝Ｒａ×ｉｑ^*＋ω×Ｌｄ×ｉｄ^*＋ω×ψ・・・（４．２）
ｄｑ軸電圧指令演算部４１は、式（４．１）、（４．２）を用いてｄｑ軸電圧指令ｖｄ^*、ｖｑ^*を演算する。この演算を、「フィードフォワード電圧指令演算」と呼ぶ。角速度算出部４２は、電気角θｅを電気角速度ωに変換して、ｄｑ軸電圧指令演算部４１に出力する。

さらに、電流集中判定が必要とされるのは、停止時に近いω≒０［ｒａｄ／ｓ］のときである。式（４．１）、（４．２）において、ω＝０とすると、式（４．３）、（４．４）のとおり電機子抵抗Ｒａ項のみが残る。そのため、ｄ軸電圧指令ｖｄ^*はｄ軸電流指令ｉｄ^*のみによって決まり、ｑ軸電圧指令ｖｑ^*はｑ軸電流指令ｉｑ^*のみによって決まる。
ｖｄ^*＝Ｒａ×ｉｄ^*・・・（４．３）
ｖｑ^*＝Ｒａ×ｉｑ^*・・・（４．４）
このようにしてｄｑ軸電圧指令演算部４１で演算されたｄｑ軸電圧指令ｖｄ^*、ｖｑ^*が逆ｄｑ変換部２４に出力される。

逆ｄｑ変換部２４では、回転角センサ１４から取得される電気角θｅに基づき、ｄｑ軸電圧指令ｖｄ^*、ｖｑ^*を、Ｕ相電圧指令ｖｕ^*、Ｖ相電圧指令ｖｖ^*、及びＷ相電圧指令ｖｗ^*に変換する。
ω≒０［ｒａｄ／ｓ］のとき、式（４．３）、（４．４）により、ｄｑ軸電圧指令ｖｄ^*、ｖｑ^*は、それぞれｄｑ軸電流指令ｉｄ^*、ｉｑ^*の定数（Ｒａ）倍であることから、逆ｄｑ変換後の３相電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*と相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗとの間には、式（５．１）〜（５．３）の関係が成立する。
ｖｕ^*＝Ｒａ×ｉｕ・・・（５．１）
ｖｖ^*＝Ｒａ×ｉｖ・・・（５．２）
ｖｗ^*＝Ｒａ×ｉｗ・・・（５．３）

ＰＷＭ信号生成部２５では、インバータ１２のスイッチング素子のオン／オフの切替えに係るＰＷＭ信号ＵＵ、ＵＬ、ＶＵ、ＶＬ、ＷＵ、ＷＬを、３相電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*、及び、インバータ１２に印加されるインバータ入力電圧ＶＨに基づいて算出する。
ここで、ＰＷＭ信号ＵＵ、ＵＬ、ＶＵ、ＶＬ、ＷＵ、ＷＬの算出に用いる３相電圧指令としてｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*は、理論式（５．１）〜（５．３）から得られた電圧指令をそのまま用いる場合、指令通りのトルクが得られる電圧指令に対して乖離した値となる可能性があり、交流電動機２の駆動が不安定になるおそれがある。そこで、理論式（５．１）〜（５．３）の算出値に適宜補正を加えた３相電圧指令を用いてもよい。その他、ｄｑ軸電圧指令の理論式（４．３）、（４．４）の算出値に適宜補正を加えたｄｑ軸電圧指令ｖｄ^*, ｖｑ^*を用いて、３相電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*を算出してもよく、その補正方法や補正対象は限定しない。
そして、ＰＷＭ信号ＵＵ、ＵＬ、ＶＵ、ＶＬ、ＷＵ、ＷＬに基づいてインバータ１２のスイッチング素子のオン／オフが制御されることより、３相交流電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗが生成され、この３相交流電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗが交流電動機２に印加されることにより、トルク指令値ｔｒｑ^*に応じたトルクが出力されるように、交流電動機２の駆動が制御される。

変換係数算出部４５は、センサ相であるＷ相の電圧指令ｖｗ^*、及び電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓを取得し、式（６）により、これらの比の値である変換係数Ｋｃを算出する。
Ｋｃ＝ｖｗ^*／ｉｗ＿ｓｎｓ ・・・（６）
式（５．３）に加え、交流電動機２や電動機制御装置等に関する物理的な要因等による電圧誤差や演算過程で必要となる係数等を総じてＫとおく。このＫ値は、生じ得る誤差等を考慮して適宜変化する。上述のように、理論式（５．１）〜（５．３）で算出した３相電圧指令をさらに補正する場合においても、Ｋ値は、計算上のバッファとしてさらに適宜変化するものとする。
「Ｋｃ＝Ｋ×Ｒａ」であるため、この変換係数Ｋｃを用いると、式（５．１）、（５．２）は、式（７．１）、（７．２）のように書き換えられる。
ｉｕ＿ｅｓｔ＝ｖｕ^* ／Ｋｃ・・・（７．１）
ｉｖ＿ｅｓｔ＝ｖｖ^* ／Ｋｃ・・・（７．２）

このように、変換係数Ｋｃは、ω≒０［ｒａｄ／ｓ］のとき、Ｕ相、Ｖ相の電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*から相電流ｉｕ＿ｅｓｔ、ｉｖ＿ｅｓｔを推定するための変換係数である。
他相電流推定部４６は、他の２相であるＵ相、Ｖ相の電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*を取得し、式（７．１）、（７．２）により、変換係数Ｋｃを用いて、Ｕ相、Ｖ相の電流推定値ｉｕ＿ｅｓｔ、ｉｖ＿ｅｓｔを算出し、電流集中判定部４７に出力する。

電流集中判定部４７は、回転数算出部４９によって電気角θｅを変換して得られた回転数Ｎが所定の回転数以下であるとき、センサ相の電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓ、及び、他の２相の電流推定値ｉｕ＿ｅｓｔ、ｉｖ＿ｅｓｔを取得し、これら３相の電流値について、電流集中判定を行う。この電流集中判定は、図６に示すように、３相の電流値を正負の電流判定閾値Ｉｊｔｈ⁺、Ｉｊｔｈ^-と比較することによって行われる。

図６にて、Ｗ相の電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓは、初期値０から次第に減少し、負の電流判定閾値Ｉｊｔｈ^-を超えている。このように、いずれかの相電流値が正の電流判定閾値Ｉｊｔｈ⁺を上回り、或いは、負の電流判定閾値Ｉｊｔｈ^-を下回った時点を時刻ｔ０とし、判定期間Ｔの計時を開始する。
時刻ｔ０の後、Ｗ相の電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓは、負の電流判定閾値Ｉｊｔｈ^-を超えた状態を継続している。この状態を継続したまま、時刻ｔ０から所定の判定期間Ｔが経過した時刻ｔｊにおいて、電流集中判定部４７は、Ｗ相が電流集中していると判定する。

ここで、電流判定閾値Ｉｊｔｈ⁺、Ｉｊｔｈ^-、及び判定期間Ｔは、インバータ１２のスイッチング素子の仕様や安全率を考慮して、スイッチング素子の故障を回避できる程度に適宜設定してよい。また、電流値と電流判定閾値との比較について、電流値の絶対値を電流判定閾値の絶対値と比較するようにしてもよい。

また、本実施形態の電流集中判定処理において推定する電流推定値ｉｕ＿ｅｓｔ、ｉｖ＿ｅｓｔは、電流集中の判定のみを目的とするものであって、制御用の推定値ではないため、高い精度は要求されない。したがって、推定値にばらつきがあることを前提として、電流判定閾値Ｉｊｔｈ⁺、Ｉｊｔｈ^-を設定することが好ましい。

次に、制御部１５１による電流集中判定処理について、図７のフローチャートを参照して説明する。以下のフローチャートの説明で、記号「Ｓ」はステップを意味する。
Ｓ０１では、回転角センサ１４から取得した電気角θｅに基づき回転数Ｎを取得する。そして、取得した回転数Ｎが、集中判定処理を必要とする所定の回転数以下であることを確認する。
Ｓ０２では、電流センサ１３からセンサ相の電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓを取得する。

Ｓ０３では、ｄｑ軸電圧指令演算部４１にて、ｄｑ軸電流指令ｉｄ^*、ｉｑ^*、及び、電気角θｅから変換した電気角速度ωに基づき、電圧方程式を用いてｄｑ軸電圧指令ｖｄ^*、ｖｑ^*を演算する。
Ｓ０４では、逆ｄｑ変換部２４にて、ｄｑ軸電圧指令ｖｄ^*、ｖｑ^*を３相電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*に変換する。

Ｓ１５では、変換係数算出部４５にて、センサ相であるＷ相の電圧指令ｖｗ^*と電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓとの比から変換係数Ｋｃを算出する。
Ｓ１６では、他相電流推定部４６にて、変換係数Ｋｃを用いて、他の２相の電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*から電流推定値ｉｕ＿ｅｓｔ、ｉｖ＿ｅｓｔを算出し、電流集中判定部４７に出力する。

Ｓ１７では、電流集中判定部４７にて、センサ相の電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓ、及び、他の２相の電流推定値ｉｕ＿ｅｓｔ、ｉｖ＿ｅｓｔのうち、いずれかの相電流値が電流判定閾値を超えたか否か判断する。
いずれかの相電流値が電流判定閾値を超えた場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、Ｓ０８では、その状態が所定の判定期間Ｔにわたって継続するか否か判断する。そして、いずれかの相電流値が電流判定閾値を超えた期間が所定の判定期間Ｔ継続した場合（Ｓ０８：ＹＥＳ）、その相に電流集中が発生していると判断する（Ｓ０９）。
一方、Ｓ１７でＮＯ、又はＳ０８でＮＯの場合、いずれの相にも電流集中が発生していないと判定する（Ｓ１０）。
以上で、制御部１５１による電流集中判定処理を終了する。

なお、電流集中が発生している場合、例えば以下のような処置により、電流集中状態を解除することが考えられる。
（ａ）トルクを付与し、交流電動機２をさらに回転させる。回転数Ｎが所定の回転数以上になれば、相電流は所定の周波数以上の周波数で時間変化するため、特定の相に所定期間以上電流が集中する状況を回避することができる。
（ｂ）車両に適用される電動機制御装置において、例えば登坂でトルクと重力とが釣り合っている状態からトルクを減じることで、車両をずり下がらせ、交流電動機２を回転させてもよい。また、トルク指令値ｔｒｑ^*を減じることでｄｑ軸電流指令ｉｄ^*、ｉｑ^*を下がる結果、相電流の絶対値が電流判定閾値以下となる場合もある。
（ｃ）電機子抵抗Ｒａ等の温度特性や過負荷状態により相電流が上昇した場合には、電動機制御装置１０をより冷却する。

本実施形態の電動機制御装置の作用効果について説明する。
（１）交流電動機２の回転数Ｎが停止に近い所定の回転数以下であって相電流が直流化しており、しかも、交流電動機２の停止位置の電気角θｅ及び電流指令位相φに応じてセンサ相の電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓがゼロとなるとき、従来の１相制御技術では、センサ相以外の他の２相の電流推定値を適正に推定することができない。そのため、仮に他の２相のいずれかが電流集中している場合であっても、電流集中を判定することができない。

それに対し本実施形態の制御部１５１は、交流電動機２の回転数Ｎが所定の回転数以下であるとき、ｄｑ軸電圧指令演算部４１及び逆ｄｑ変換部２４によって演算された３相電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*に基づき、電流集中判定部４７にて、各相について適正に電流集中の有無を判定することができる。
電流集中を判定したとき、適当な集中解除処置を取ることで、インバータ１２のスイッチング素子等が過負荷状態となることを防止することができる。

（２）本実施形態の制御部１５１は、変換係数算出部４５及び他相電流推定部４６を有し、センサ相の電圧指令ｖｗ^*と電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓとの比の値である変換係数Ｋｃを用いて、他の２相の電流推定値ｉｕ＿ｅｓｔ、ｉｖ＿ｅｓｔを算出する。そして、電流集中判定部４７は、他の２相について、電流推定値ｉｕ＿ｅｓｔ、ｉｖ＿ｅｓｔに基づいて電流集中判定を行う。

上記の理論式（５．１）〜（５．３）に基づく電圧指令については、デッドタイム等による電圧誤差や電機子抵抗Ｒａの温度特性等、交流電動機や交流電動機の制御装置等に関する物理的な要因等によって、指令通りのトルクを得るために印加すべき電圧に対する電圧指令とずれる場合がある。そこで、このように、変換係数Ｋｃを用いて他相電流を推定する構成を採用することで、他の２相についての電流集中判定の精度を向上することができる。

（３）ｄｑ軸電圧指令演算部４１は、電圧方程式を用いたフィードフォワード電圧指令演算によりｄｑ軸電流指令ｉｄ^*、ｉｑ^*からｄｑ軸電圧指令ｖｄ^*、ｖｑ^*を演算する。これにより、実機情報が乏しく、１相制御ではフィードバック制御が困難な停止状態又は低回転域においても、３相電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*を適切に演算することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の電動機制御装置について、図８〜図１０を参照して説明する。第２実施形態は、第１実施形態に対し、電流集中判定に係る構成が異なる。
以下のブロック図及びフローチャートの説明では、第１実施形態と実質的に同一の構成、同一のステップについては、同一の符号、ステップ番号を付して説明を省略し、第１実施形態と異なる点について詳細に説明する。

図８に示すように、第３実施形態の電動機制御装置の制御部１５２は、第１実施形態の変換係数算出部４５、他相電流推定部４６、電流集中判定部４７に代えて、「電流集中判定手段」としての電流集中判定部４８を有している。

電流集中判定部４８は、回転数算出部４９によって電気角θｅを変換して得られた回転数Ｎが所定の回転数以下であるとき、逆ｄｑ変換部２４が出力した３相電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*を取得し、これら３相の電圧指令について電流集中判定を行う。この電流集中判定は、図９に示すように、正負の電圧判定閾値Ｖｊｔｈ⁺、Ｖｊｔｈ^-と比較することによって行われる。
上記の式（５．１）〜（５．３）によると、３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、３相電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｄ^*によって決まる。したがって、３相電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*から直接に電流集中を判定してもよい。

図９にて、Ｗ相の電圧指令ｖｗ^*は、初期値０から次第に減少し、負の電圧判定閾値Ｖｊｔｈ^-を超えている。このように、いずれかの相の電圧指令が正の電圧判定閾値Ｖｊｔｈ⁺を上回り、或いは、負の電圧判定閾値Ｖｊｔｈ^-を下回った時点を時刻ｔ０とし、判定期間Ｔの計時を開始する。
時刻ｔ０の後、Ｗ相の電圧指令ｖｗ^*は、負の電圧判定閾値Ｖｊｔｈ^-を超えた状態を継続している。この状態を継続したまま、時刻ｔ０から所定の判定期間Ｔが経過した時刻ｔｊにおいて、電流集中判定部４８は、Ｗ相が電流集中していると判定する。

ここで、電圧判定閾値Ｖｊｔｈ⁺、Ｖｊｔｈ^-、及び判定期間Ｔは、インバータ１２のスイッチング素子の仕様や安全率を考慮して、スイッチング素子の故障を回避できる程度に適宜設定してよい。また、電圧指令と電圧判定閾値との比較について、電圧指令の絶対値を電圧判定閾値の絶対値と比較するようにしてもよい。

図１０に示す制御部１５２による電流集中判定処理のフローチャートは、第１実施形態のフローチャート（図７）に対し、Ｓ１５、Ｓ１６が無く、Ｓ１７に代えてＳ２７を有する点が異なっている。
Ｓ２７では、電流集中判定部４８にて、３相の電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*のうちいずれかの相の電圧指令が電圧判定閾値を超えたか否か判断する。
いずれかの相の電圧指令が電圧判定閾値を超えた場合（Ｓ２７：ＹＥＳ）、Ｓ０８では、その状態が所定の判定期間Ｔにわたって継続するか否か判断する。そして、いずれかの相の電圧指令が電圧判定閾値を超えた期間が所定の判定期間Ｔ継続した場合（Ｓ０８：ＹＥＳ）、その相に電流集中が発生していると判断する（Ｓ０９）。
その他のステップは、第１実施形態と同様である。

第２実施形態は、３相電圧指令ｖｕ^*、ｖｖ^*、ｖｗ^*から直接電流集中を判定するため、第１実施形態に対し、制御部１５２の構成を簡易にすることができる。
第２実施形態は、特に電気角速度ωが０［ｒａｄ／ｓ］であり、且つ、電圧指令と相電流との関係に係る理論式（５．１）〜（５．３）の適用において、デッドタイム等による電圧誤差や電機子抵抗Ｒａの温度特性を無視してもよい場合、有効に適用することができる。

（その他の実施形態）
（ア）電流センサにより相電流を検出するセンサ相は、上記実施形態のＷ相に限らず、Ｕ相又はＶ相としてもよい。また、３相座標での電気角θｅの基準をＵ相軸以外の相の軸としてもよい。
（イ）上記実施形態では、ｄｑ軸電流指令ｉｄ^*、ｉｑ^*とｄｑ軸電圧指令ｖｄ^*、ｖｑ^*との関係を電圧方程式によって決定している。その他の実施形態では、ｄｑ軸電流指令に対するｄｑ軸電圧指令のマップを作成し、このマップを参照するようにしてもよい。

（ウ）上記第１実施形態では、センサ相の電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓは、ｄｑ軸電流指令ｉｄ^*、ｉｑ^*自体がゼロの場合を除き、交流電動機２の停止位置の電気角θｅ及び電流指令位相φにかかわらず、常に非ゼロの値で検出されることが好ましい。そのため、制御部は、センサ相の電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓがゼロで検出されたとき、電気角θｅ又は電流指令位相φを操作することにより、センサ相の電流検出値ｉｗ＿ｓｎｓを非ゼロとするような構成を組み合わせてもよい。

（エ）回転角センサは、電気角θｅを検出し制御部へ出力する形態に限らず、ロータ回転角（機械角）θｍを検出して制御部へ出力し、制御部の内部にて電気角θｅに換算してもよい。また、回転数Ｎは、機械角θｍに基づいて算出してもよい。
（オ）上記実施形態では、制御に用いる電流を検出する「制御用電流センサ」を１相に設ける例について説明した。他の実施形態では、制御用電流センサの他に、制御用電流センサの異常を監視するための独立した「監視用電流センサ」をセンサ相、又はセンサ相以外の相に設けてもよい。例として、１相に制御用電流センサと監視用電流センサを設けた１相２チャンネルの構成や、１相に制御用電流センサを設け、それ以外の相のいずれか１相に監視用電流センサを設けた２相１チャンネルの構成等を採用してもよい。いずれの構成においても、どの相にいくつの電流センサを設けてもよい。

（カ）上記実施形態の交流電動機は、永久磁石式同期型の三相交流電動機であったが、他の実施形態では、誘導電動機やその他の同期電動機であってもよい。また、上記実施形態の交流電動機は、電動機としての機能及び発電機としての機能を併せ持つ所謂モータジェネレータであったが、他の実施形態では、発電機としての機能を持たなくてもよい。
交流電動機は、エンジンに対して電動機として動作し、エンジンの始動を行うように構成されていてもよい。また、エンジンを設けなくてもよい。さらに、交流電動機を複数設けてもよいし、複数の交流電動機における動力を分割する動力分割機構等をさらに設けてもよい。

（キ）本発明による交流電動機の制御装置は、上記実施形態のようにインバータと交流電動機を１組設けたシステムに限らず、インバータと交流電動機を２組以上設けたシステムに適用してもよい。また、１台のインバータに複数台の交流電動機を並列接続させた電車等のシステムに適用してもよい。

（ク）本発明による交流電動機の制御装置は、図１に示す構成のハイブリッド自動車の交流電動機に限定されず、どのような構成の電動車両の交流電動機に適用してもよい。また、電動車両以外の交流電動機に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

２・・・交流電動機、
１０・・・電動機制御装置（交流電動機の制御装置）、
１２・・・インバータ、
１３・・・電流センサ、
１５１、１５２・・・制御部（制御手段）、
２４・・・逆ｄｑ変換部（３相電圧指令演算手段）、
４１・・・ｄｑ軸電圧指令演算部（３相電圧指令演算手段）、
４５・・・変換係数算出部（変換係数算出手段）、
４６・・・他相電流推定部（他相電流推定手段）、
４７、４８・・・電流集中判定部（電流集中判定手段）、
４９・・・回転数算出部（回転数算出手段）。

Claims (3)

1. ３相の交流電動機（２）を駆動するインバータ（１２）と、
   前記交流電動機の３相のうち１相のセンサ相に流れる電流を検出する電流センサ（１３）と、
   前記インバータを構成する複数のスイッチング素子のオン／オフを切り替えて前記交流電動機の通電を制御する制御手段（１５１、１５２）と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記交流電動機の回転数を算出する回転数算出手段（４９）と、
   電流指令及び電気角に基づき、前記交流電動機に印加する３相電圧に対する３相電圧指令を演算する３相電圧指令演算手段（４１、２４）と、
   前記回転数算出手段によって得られた回転数が所定の回転数以下であるとき、前記３相電圧指令に基づいて、前記インバータのいずれか１相以上に所定の閾値以上の電流が所定の期間継続して流れる電流集中の有無を判定する電流集中判定手段（４７、４８）と、
   を有していることを特徴とする交流電動機の制御装置（１０）。
2. 前記制御手段（１５１）は、
   前記３相電圧指令のうち前記センサ相の電圧指令と前記センサ相の電流検出値との比から変換係数を算出する変換係数算出手段（４５）と、
   前記３相電圧指令のうち前記センサ相以外の他の２相の電圧指令に基づき、前記変換係数を用いて当該他の２相の電流推定値を算出する他相電流推定手段（４６）と、
   をさらに有し、
   前記電流集中判定手段（４７）は、
   前記センサ相の電流検出値、及び前記他の２相の電流推定値のうちいずれかの相電流値が所定の電流判定閾値を超えた期間が所定の判定期間継続したとき、電流集中が発生していると判定することを特徴とする請求項１に記載の交流電動機の制御装置。
3. 前記制御手段（１５２）の前記電流集中判定手段（４８）は、
   前記３相電圧指令のうちいずれかの相の電圧指令が所定の電圧判定閾値を超えた期間が所定の判定期間継続したとき、電流集中が発生していると判定することを特徴とする請求項１に記載の交流電動機の制御装置。

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