JP2016012999A - 回転機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスパターンを用いてインバータのスイッチング状態を操作する三相回転機の制御装置において、異なる相同士の同時スイッチングを回避するようにパルスパターンを設定するための演算回数を低減する。【解決手段】パルスパターン設定部は、（１）電気１周期の一相のパルスパターンは、電気角０〜９０ｄｅｇの区間を一単位として線対称又は点対称に反転する、（２）他の二相のパルスパターンは、一相のパルスパターンを電気角?１２０ｄｅｇずらす、という前提の下、電気角０〜９０ｄｅｇの区間から抽出した２つのスイッチング位相θ１、θ２について、５つの数式により、異なる相同士の「同時スイッチング」を回避するようにパルスパターンを設定する。＜θ１＝３０、又は、θ２＝３０・・・（Ａ）、θ１＝６０、又は、θ２＝６０・・・（Ｂ）、θ１＋θ２＝６０・・・（Ｃ）、θ１＋θ２＝１２０・・・（Ｄ）、｜θ１−θ２｜＝６０・・・（Ｅ）＞【選択図】図１１

Description

本発明は、パルス波形の出力電圧を用いて回転機の駆動を制御する回転機の制御装置に関する。

従来、三相交流モータ等の回転機の制御において、ＰＷＭ制御等に対して特に高回転時におけるスイッチング損失を低減するため、モータの電気角に同期した最適なパルス波形の出力電圧パターン（以下、「パルスパターン」という。）を作成し、当該パルスパターンを用いてインバータのスイッチング状態を操作する技術が知られている。

また、三相インバータにおいて、異なる相同士のスイッチング素子が同時にスイッチングすることによって発生する「サージ電圧の重畳」を回避し、過大な電圧によるスイッチング素子の破損を防止する技術が知られている。
特許文献１に開示された回転機の制御装置は、操作信号生成部において変調率及びスイッチング回数に応じて位相パラメータを仮設定したパルスパターンについて、デッドタイムを考慮しつつ、複数相のレッグ同士で「同時スイッチング」が起きないかを評価する。そして、同時スイッチングが起きる場合、スイッチング回数や位相パラメータを変更したパルスパターンについて同様の評価を繰り返し、同時スイッチングを回避するパルスパターンを探索する。

特開２０１３−３４３３４号公報

特許文献１に開示された従来技術では、各相の電気１周期のパルスパターンは、電気角０〜９０ｄｅｇの区間を一単位として線対称又は点対称に反転させることで設定されている。しかし、スイッチング素子がオン又はオフするスイッチング位相について、制限条件等は何ら規定されていない。そのため、仮設定したパルスパターンに対し、異なる相同士の同時スイッチングが発生するかどうかを評価するとき、三相全てのスイッチング位相から２つを選び出す組合せの数について評価する必要があり、演算回数が膨大となる。したがって、制御装置の演算時間や処理負荷が増大するという問題がある。

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、パルスパターンを用いてインバータのスイッチング状態を操作する三相回転機の制御装置において、異なる相同士の同時スイッチングを回避するようにパルスパターンを設定するための演算回数を低減する回転機の制御装置を提供することにある。

本発明は、三相の回転機の電気角に同期した出力電圧のパルスパターンを設定するパルスパターン設定部を備え、パルスパターン設定部が設定したパルスパターンに基づいてインバータの三相の上下アームのスイッチング素子のオンオフを操作し、バッテリの直流電力を交流電力に変換して回転機に出力することにより回転機の駆動を制御する回転機の制御装置である。

パルスパターン設定部は、前提として以下のようにパルスパターンを設定する。
（１）三相のうち一相のパルスパターンについて、電気角０〜９０ｄｅｇの区間を一単位として設定し、電気角９０ｄｅｇを中心として電気角０〜９０ｄｅｇのパルスパターンを線対称に反転することで電気角９０〜１８０ｄｅｇのパルスパターンを設定し、電気角１８０ｄｅｇを中心として電気角０〜１８０ｄｅｇのパルスパターンを点対称に反転することで電気角１８０〜３６０ｄｅｇのパルスパターンを設定する。
（２）他の二相のパルスパターンについて、一相のパルスパターンを電気角±１２０ｄｅｇずらすように設定する。これにより、三相の電圧波形の平衡が確保される。

さらに、一相のパルスパターンにおける電気角０〜９０ｄｅｇの区間で、スイッチング素子がオン又はオフする複数のスイッチング位相から抽出した２つのスイッチング位相の全ての組に対して、第１スイッチング位相をθ１、第２スイッチング位相をθ２（０≦θ１、θ２≦９０ｄｅｇ）とすると、下記の５つの式（Ａ）〜（Ｅ）のいずれか１つ以上に該当する第１スイッチング位相θ１及び第２スイッチング位相θ２の領域を「禁止領域」と定義する。

θ１＝３０［ｄｅｇ］、又は、θ２＝３０［ｄｅｇ］ ・・・（Ａ）
θ１＝６０［ｄｅｇ］、又は、θ２＝６０［ｄｅｇ］ ・・・（Ｂ）
θ１＋θ２＝６０［ｄｅｇ］ ・・・（Ｃ）
θ１＋θ２＝１２０［ｄｅｇ］ ・・・（Ｄ）
｜θ１−θ２｜＝６０［ｄｅｇ］ ・・・（Ｅ）
式（Ａ）〜（Ｅ）は、異なる相同士の「同時スイッチング」が発生する条件を示す。すなわち、同時スイッチングが発生するスイッチング位相の領域が「禁止領域」である。
そして、パルスパターン設定部は、一相のパルスパターンを構成する全てのスイッチング位相が禁止領域から外れるように一相のパルスパターンを設定する。

ところで、上記の式（Ａ）〜（Ｅ）は、スイッチング位相の幅が無限小であることを前提として導出されたものである。これに対し、現実的なスイッチング素子を想定した禁止領域は、式（Ａ）〜（Ｅ）に対し所定の電気角又は時間に対応する禁止幅を含むように設定されることが好ましい。
この禁止幅は、例えば、スイッチング素子のスイッチング動作に伴って発生するサージ電圧が所定値以下に低減する時間、スイッチング素子に流れる相電流のリンギングが所定の収束範囲内に収束する時間、又は、スイッチング素子のデッドタイムに応じて設定されることが考えられる。

本発明では、２つのスイッチング位相の間の制限条件を数式によって規定することで、仮設定したパルスパターンが同時スイッチング条件に該当するかどうかを評価する場合、上記の式（Ａ）〜（Ｅ）に該当するか否かのみを判定すればよい。これにより、演算回数を低減し、制御装置の演算時間や処理負荷を低減することができる。

また、本発明の回転機の制御装置は、「回転機のトルク又は電流のフィードバック制御により、変調率及び電圧位相を演算する変調率／電圧位相演算部」と、「回転機の回転数に応じて所定の電気角区間におけるパルス数を設定するパルス数設定部」とを備える構成とすることができる。

この場合、パルスパターン設定部は、「変調率及びパルス数に応じて、全てのスイッチング位相が禁止領域から外れるように設定されたパルスパターンを関係づけたマップ」を予め記憶しており、回転機の駆動中に随時変調率／電圧位相演算部によって演算された変調率、電圧位相、並びに、パルス数設定部によって設定されたパルス数に基づき、マップを参照してパルスパターンを設定するようにしてもよい。

本発明の一実施形態によるモータ制御装置の電流フィードバック制御方式での概略構成図。 本発明の一実施形態によるモータ制御装置のトルクフィードバック制御方式での概略構成図。 線間電圧パルスパターンのパルス数を説明する図。 パルスパターンによる同時スイッチングの例を説明する図。 （ａ）各相パルスパターンのパルスパラメータを説明する図。（ｂ）電気１周期のパルスパターンの作成を説明する図。 本発明の一実施形態によるパルスパターン設定のメインフローチャート。 図６のＳ２０のサブフローチャート。 同時スイッチング条件の導出を説明する説明図（１）。 同時スイッチング条件の導出を説明する説明図（２）。 同時スイッチング条件の導出を説明する説明図（３）。 理論的な禁止領域を示す図。 スイッチング素子のターンＯＮ、ターンＯＦＦ時間を説明する図。 禁止幅を含む禁止領域を示す図。 本発明の効果を従来技術と比較して説明する図。

以下、本発明の回転機の制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態の同期モータの制御装置の概略構成について、図１〜図３を参照して説明する。図１、図２に示すように、「回転機の制御装置」としてのモータ制御装置６０は、インバータ４０のスイッチング状態を操作することでバッテリ１１の直流電力を三相交流電力に変換し、「回転機」としてのモータジェネレータ５０に出力する。

モータジェネレータ５０は、ＩＰＭＳＭ（埋込永久磁石式同期モータ）等の同期型三相交流電動機であり、例えばハイブリッド自動車や電気自動車の動力源として用いられる。モータジェネレータ５０は、力行動作により電力を消費してトルクを発生する電動機としての機能、及び、トルクを受けて回生電力を発生する発電機としての機能を兼ね備える。
以下の説明では、モータジェネレータ５０が電動機として機能する場合を主に想定し、単に「モータ５０」という。モータ５０のロータ近傍には、ロータ位置（電気角）θを検出する、例えばレゾルバ等の位置センサ５５が設けられる。

バッテリ１１は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の充放電可能な直流電源である。なお、電気二重層キャパシタ等も本発明の「バッテリ」に含むものとする。
インバータ４０は、ブリッジ接続された三相の上下アームのスイッチング素子４１〜４６により構成される。上アームのスイッチング素子４１、４２、４３、及び、下アームのスイッチング素子４４、４５、４６は、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する。スイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ等が用いられる。

インバータ４０の入力側には、入力電圧を平滑化する平滑コンデンサ３１が設けられている。また、平滑コンデンサ３１と並列に、インバータ入力電圧ＶＨを検出する電圧センサ３５が設けられている。
なお、バッテリ１１とインバータ４０との間に周知の昇圧コンバータを設け、昇圧コンバータで昇圧された直流電圧をインバータ入力電圧ＶＨとみなしてもよい。

モータ制御装置６０は、例えば変調率に応じて、図１に示す電流フィードバック制御方式、及び、図２に示すトルクフィードバック制御方式を切り替えて実行する。
まず図１を参照し、電流フィードバック制御方式の構成について説明する。モータ制御装置６０は、電流フィードバック制御の構成として、電流指令演算部６１、電流減算器６２、制御器６３、変調率／電圧位相演算部６４を有している。また、共通の構成として、ｄｑ変換部６５、微分器６６、パルス数設定部６７、及びパルスパターン設定部７０を有している。

電流指令演算部６１は、上位の制御装置から取得したトルク指令値ｔｒｑ^*に基づき、マップや数式等を用いてｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*を演算する。
電流減算器６２は、ｄｑ変換部６５からフィードバックされるｄｑ軸電流検出値Ｉｄ、Ｉｑをｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*から減算してｄｑ軸電流偏差を算出する。
制御器６３は、ｄｑ軸電流偏差をゼロに収束させるようにＰＩ制御演算等によってｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*を算出する。

変調率／電圧位相演算部６４は、インバータ入力電圧ＶＨ、及び、ｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*に基づき、式（１）を用いて変調率ｍを演算する。

また、（Ｖｑ^*／Ｖｄ^*）のアークタンジェントにより、電圧位相φを演算する。

ｄｑ変換部６５は、インバータ４０からＭＧ５０へ接続される電力線に設けられた電流センサ５１、５２から相電流検出値が入力される。本実施形態では、Ｖ相、Ｗ相に設けられた電流センサ５１、５２からＶ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗの検出値が入力され、残るＵ相の電流Ｉｕをキルヒホッフの法則に基づいて推定している。他の実施形態では、どの二相の電流を検出してもよく、三相の電流を検出してもよい。或いは、一相の電流検出値に基づいて他の二相の電流を推定する技術を採用してもよい。
ｄｑ変換部６５は、位置センサ５５から取得した電気角θを用いて、三相電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄｑ軸電流検出値Ｉｄ、Ｉｑにｄｑ変換し、電流減算器６２にフィードバックする。
微分器６６、パルス数設定部６７、及びパルスパターン設定部７０については、トルクフィードバック制御方式の説明後にまとめて説明する。

次に図２を参照し、トルクフィードバック制御方式の構成について説明する。モータ制御装置６０は、トルクフィードバック制御の構成として、指令電圧設定部８１、乗算器８２、変調率演算部８３、トルク推定部８４、フィルタ８５、トルク減算器８６、制御器８７を有している。また、共通の構成として、ｄｑ変換部６５、微分器６６、パルス数設定部６７、及びパルスパターン設定部７０を有している。

指令電圧設定部８１は、インバータ入力電圧ＶＨ、及び、トルク指令値ｔｒｑ^*又はトルク推定値ｔｒｑ＿ｅｓｔ（破線図示）に基づき、最小電流で最大トルクを得るための最も効率の良い制御を実現できるように、電圧振幅Ｖａと速度ωｂとの比（Ｖａ／ωｂ）をマップにより決定する。ここでωｂは、マップを計測したときの速度である。
乗算器８２は、指令電圧設定部８１が決定した比（Ｖａ／ωｂ）に、微分器６６が算出した電気角速度ωを乗算する。
変調率演算部８３は、インバータ入力電圧ＶＨ、及び、電圧振幅（Ｖａ×ω／ωｂ）＝Ｖａ’に基づき、変調率ｍを演算する。

トルク推定部８４は、ｄｑ変換部６５で変換されたｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑに基づいて、マップや周知のトルク式等を用いてトルク推定値ｔｒｑ＿ｅｓｔを推定する。
フィルタ８５は、過変調領域で生じる電気周期に同期したリプル成分を減衰させるためのフィルタであり、例えば、電気周波数ω₁に応じた「１／｛（１／ｋω₁）ｓ＋１｝」のような１次ローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。

トルク減算器８６は、トルク推定値ｔｒｑ＿ｅｓｔをトルク指令値ｔｒｑ^*から減算してトルク偏差を算出する。
制御器８７は、トルク偏差をゼロに収束させるようにＰＩ制御演算等によって電圧位相φを算出する。
トルクフィードバック制御方式では、変調率演算部８３と制御器８７とを合わせた部分が特許請求の範囲に記載の「変調率／電圧位相演算部」を構成する。

続いて、電流フィードバック制御方式（図１）及びトルクフィードバック制御方式（図２）に共通の構成について説明する。
パルス数設定部６７は、微分器６６が電気角θを時間微分して算出した電気角速度ωに応じて線間電圧パルスパターンのパルス数ｎ（後述）を設定する。
パルスパターン設定部７０は、変調率ｍ、電圧位相φ及びパルス数ｎに基づき、インバータ４０を駆動するためのパルスパターンを設定する。

パルスパターン設定部７０は、変調率ｍ及びパルス数ｎに応じて、好ましいパルスパターンを関係づけたマップを予め記憶している。この場合の「好ましい」の判断基準は、例えば、電力損失、電流歪、トルクリプルが小さいこと等、適宜決定してよい。
そして、モータ５０の駆動中に随時、変調率演算部６４によって演算された変調率ｍ、及びパルス数設定部６７によって設定されたパルス数ｎに基づき、マップを参照して好ましいパルスパターンを選択する。

特に本実施形態のパルスパターン設定部７０が記憶しているマップには、異なる相同士の「同時スイッチング」を回避するように設定されたパルスパターンが格納されていることを特徴とする。さらに本実施形態では、パルスパターンをマップに格納する段階において、仮設定したパルスパターンが「同時スイッチング条件」に該当するか否かを特定の数式を用いて判定した上で、同時スイッチング条件を回避可能なパルスパターンのみをマップに格納することを特徴とする。「同時スイッチング」の意味、及び、同時スイッチング条件を示す数式の導出についての詳細は後述する。

ここで、パルスパターンの例を図３に示す。本実施形態で用いる「パルスパターン」の用語は、「各相パルスパターン」及び「線間電圧パルスパターン」の両方を含む。図３には、Ｕ相上アームのスイッチング素子４１及びＶ相上アームのスイッチング素子４２の各相パルスパターン、及び、Ｕ−Ｖ相の線間電圧パルスパターンを示している。以下、各相パルスパターンは、原則として、上アームのスイッチング素子のパルスパターンを意味する。また、各相パルスパターンと線間電圧パルスパターンとは相互に対応する。

Ｖ相上アームのスイッチング素子４２のパルスパターンは、Ｕ相上アームのスイッチング素子４１のパルスパターンに対して電気角１２０ｄｅｇずれている。また、各相下アームのスイッチング素子のパルスパターンは、デッドタイムを無視すれば、同相の上アームのスイッチング素子のパルスパターンを相補する形、すなわち上下反転した形となる。

線間電圧パルスパターンは、図３の横軸の電気角６０ｄｅｇを０ｄｅｇとするように、負方向に６０ｄｅｇシフトさせると、電気角０〜１８０ｄｅｇ区間の電圧が正の領域と、電気角１８０〜３６０ｄｅｇ区間の電圧が負の領域とは符号を反転した関係、すなわち、「半波対称」の関係となる。また、電気角０〜９０ｄｅｇの区間と電気角９０〜１８０ｄｅｇの区間とは電気角９０ｄｅｇを中心として、電気角１８０〜２７０ｄｅｇの区間と電気角２７０〜３６０ｄｅｇの区間とは電気角２７０ｄｅｇを中心として、それぞれ線対称の関係となる。このように、パルスパターンの対称性について考えるときは、適宜、電気角の基準（０ｄｅｇ）をシフトさせる。

また、線間電圧パルスパターンの「パルス数ｎ」とは、電気（１／２）周期、すなわち電気角１８０ｄｅｇ間のパルスの数をいい、図３の例では「ｎ＝７」となる。
以下のパルスパターンの説明では、区別が必要な場合は、「各相パルスパターン」又は「線間電圧パルスパターン」と明示し、いずれを指しているかが自明な場合や、いずれで解釈しても文意が成立する場合は、単に「パルスパターン」と記す。

パルスパターンは、インバータ４０の各スイッチング素子４１〜４６に対するスイッチング信号ＵＵ、ＵＬ、ＶＵ、ＶＬ、ＷＵ、ＷＬとして出力される。インバータ４０の各スイッチング素子４１〜４６がスイッチング信号ＵＵ、ＵＬ、ＶＵ、ＶＬ、ＷＵ、ＷＬに従って動作することにより、トルク指令値ｔｒｑ^*に応じたトルクが出力されるようにＭＧ５０の駆動が制御される。
モータ制御において広く用いられているＰＷＭ信号に代えて、パルスパターンを用いてインバータ４０を操作することでスイッチング回数を低減することができるため、特に、高回転の過変調領域等ではスイッチング損失の低減に効果がある。

次に図４を参照して、「同時スイッチングの回避」について説明する。
図４に示すＵ相及びＶ相のパルスパターンにおいて、スイッチング状態がオフからオンに切り替わる立上がりエッジ、及び、オンからオフに切り替わる立下がりエッジの位相を「スイッチング位相」という。スイッチング位相では、スイッチング素子に流れる電流Ｉが急激に変化するため、回路のリアクタンスをＬとすると、「Ｖ＝−Ｌ×ｄＩ／ｄｔ」で表されるサージ電圧が発生する。スイッチング素子は、このサージ電圧に耐えられるだけの耐電圧特性を有している必要がある。

ところが、図４の電気角１８０ｄｅｇ付近に見られるように、スイッチング位相の設定によっては、Ｕ相及びＶ相パルスパターンのスイッチング位相が一致する、言い換えればＵ相及びＶ相のスイッチング素子が同時にスイッチングする可能性がある。このように、三相のうち二相又は三相のスイッチングが同時に行われると、複数相で発生するサージ電圧が重畳し、スイッチング素子の耐電圧特性を超える結果、スイッチング素子が破損するおそれがある。

特許文献１（特開２０１３−３４３３４号公報）に開示された従来技術は、このような点に着目し、仮設定したパルスパターンを二相間で比較してスイッチング位相が一致する場合にはパルスパターンを変更する。そして、同時スイッチングを回避可能なパルスパターンをマップに格納するというものである。
しかし、特許文献１の技術によると、仮設定したパルスパターンに対し、異なる相同士の同時スイッチングが発生するかどうかを評価するとき、三相の全てのスイッチング位相から２つを選び出す組合せの数について評価する必要があり、演算回数が膨大となる。したがって、制御装置の演算時間や処理負荷が増大するという問題がある。
そこで、本実施形態では、スイッチング位相について同時スイッチング条件が成立するための数式を定立することで、仮設定したパルスパターンが同時スイッチング条件に該当するかどうかを判定するための演算回数を低減することを目的とする。

次に、パルスパターン設定部７０による各相パルスパターン設定手順について、図５〜図７を参照して説明する。
図５（ａ）に示すように、本実施形態による各相パルスパターンは、電気角０〜９０ｄｅｇの区間を一単位とするモデルで設定される。図５（ａ）の例では、電気角０〜９０ｄｅｇの区間で３回のオフ期間と３回のオン期間が設定される。電気角９０ｄｅｇから電気角０ｄｅｇに戻る側に見て、１回目のオン期間までの角度幅を第１の角度幅δ１とする。また、２回目及び３回目のオフ期間において中心位置をθ１、θ２とし、オフ期間の幅の（１／２）を角度幅δ２、δ３とする。これらの中心位置θ１、θ２及び角度幅δ１、δ２、δ３を「パルスパラメータ」という。各パルスパラメータが決まれば、電気角０〜９０ｄｅｇの区間でのパルスパターンが決定する。
以下、明細書中ではθ１、θ２、δ１、δ２、δ３の「１」、「２」、「３」は、下付き文字でなく通常文字で記載する。

そして図５（ｂ）に示すように、電気角９０ｄｅｇを中心として電気角０〜９０ｄｅｇ（Ｑ部）のパルスパターンを線対称に反転することで電気角９０〜１８０ｄｅｇのパルスパターンを設定する。また、電気角１８０ｄｅｇを中心として電気角０〜１８０ｄｅｇ（Ｈ部）のパルスパターンを点対称に反転することで電気角１８０〜３６０ｄｅｇのパルスパターンを設定する。「点対称」とは、線対称に反転し、さらに、パルスのオン側とオフ側とを反転させることをいう。
以上により、一相（例えばＵ相）についての電気１周期の各相パルスパターンが確定する。他の二相（Ｖ相、Ｗ相）については、一相のパルスパターンを電気角±１２０ｄｅｇずらすことによって設定する。

ところで、パルス数をさらに多く設定した場合は、中心位置θ３以降、角度幅δ４以降のパラメータが追加される。ただし、以下の図５〜図７に関する説明では、図５（ａ）に示す「５つのパルスパラメータを有するパルスパターン」を前提として説明することとする。つまり、本実施形態において「最適なパルスパターンを設定する」とは、具体的には各パルスパラメータδ１、δ２、δ３、θ１、θ２の最適値を求めることを意味する。

続いて、図６を参照して、各相パルスパターン設定のメインフローについて説明する。なお、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。
Ｓ１１では、変調率／電圧位相演算部６４、又は変調率演算部８３によって演算された「設計したいパルスパターンの所望の変調率ｍ」をセットする。Ｓ１２では、候補となるパルスパターン（以下、「候補パルスパターン」という。）における中心位置θ１、θ２の初期値をセットし、Ｓ１３では、候補パルスパターンにおける角度幅δ２、δ３の初期値をセットする。なお、線間電圧パルスパターンのパルス数が５より大きく、中心位置θ３以降、角度幅δ４以降が存在する場合は、それらを含めてセットする。

Ｓ１４では、所望変調率ｍ、中心位置θ１、θ２、角度幅δ２、δ３に基づき、式（２）を用いて第１の角度幅δ１を計算する。

Ｓ１５では、後述する「同時スイッチング条件」の数式により、同時スイッチングの発生の有無を判定する。同時スイッチングが発生しない場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、Ｓ２０に進み、同時スイッチングが発生する場合（Ｓ１５：ＮＯ）、Ｓ２０をスキップしてＳ３１に進む。
Ｓ２０では、パルスパターン評価により最適解となる候補パルスパターンを保管する。

詳しくは図７のサブフローチャートに示すように、Ｓ２１では、候補パルスパターンに対する電圧、電流を推定する。
Ｓ２２では、推定した電圧、電流等を評価関数Ｈｙｏに入力する。評価関数Ｈｙｏは、電力損失、電流歪、トルクリプルが小さいこと等の観点から、候補パルスパターンの好ましさを評価する指標である。本実施形態では、評価関数Ｈｙｏの値が小さいほど好ましいと判断する。
Ｓ２３では、今回導出した候補パルスパターンの評価関数Ｈｙｏが、それまでに導出した候補パルスパターンの評価関数の最小値Ｈｙｏ＿ｍｉｎよりも小さいか否か判断する。

Ｓ２３でＹＥＳの場合、Ｓ２４にて、今回導出した候補パルスパターンの評価関数Ｈｙｏを「評価関数の最小値Ｈｙｏ＿ｍｉｎ」とし、最適解候補のパルスパターンとして保管する。すなわち、今回の各パラメータδ１、δ２、δ３、θ１、θ２を、それぞれ最適値δ１＿ｏｐｔ、δ２＿ｏｐｔ・・・として、Ｓ２０のサブフローを終了する。一方、Ｓ２８でＮＯの場合、そのままＳ２０のサブフローを終了し、図６のメインフローに戻る。

Ｓ２０の終了後、角度幅δ３、δ２、中心位置θ２、θ１の各パラメータについて探索範囲を終了したか順に判断する（Ｓ３１、Ｓ３３、Ｓ３５、Ｓ３７）。いずれかのパラメータの探索範囲が終了していなければ、そのパラメータを微小値ｄδ、ｄθだけ変化させて（Ｓ３２、Ｓ３４、Ｓ３６、Ｓ３８）Ｓ１４に戻り、第１の角度幅δ１を再計算する。
角度幅δ３、δ２及び中心位置θ２、θ１の全ての探索範囲が終了したら（Ｓ３７：ＹＥＳ）、保管した最適解の候補パルスパターンを最適解として出力する。
パルスパターン設定部７０は、モータ５０の駆動中、最適解を都度オンラインで演算してもよく、或いは、予め演算した最適解を変調率ｍ及びパルス数ｎを引数とするマップに記憶してもよい。

次に、同時スイッチング条件を示す数式の導出について、図８〜図１１を参照して順に説明する。
図８に示すように、三相のうち基準となる一相（例としてＵ相を基準とする）のパルスパターンは、電気角０〜９０ｄｅｇの区間を一単位とするモデルで設定され、電気角９０ｄｅｇを中心として電気角０〜９０ｄｅｇのパルスパターンを線対称に反転することで電気角９０〜１８０ｄｅｇのパルスパターンを設定する。また、電気角１８０ｄｅｇを中心として電気角０〜１８０ｄｅｇのパルスパターンを点対称に反転することで電気角１８０〜３６０ｄｅｇのパルスパターンを設定する。

したがって、パルスパターンのスイッチング状態（オンオフ）が変化する「スイッチング位相θ」は、図８にブロック矢印で示すように、電気角９０ｄｅｇ及び２７０ｄｅｇを基準として対称に現れる。電気１周期の範囲で対称性によって生成される４つのスイッチング位相θを合わせて、「スイッチング位相群」という。

繰り返し述べると、パルスパターンの対称性について考えるときは、適宜、電気角の基準（０ｄｅｇ）をシフトさせる。例えば図４のＵ相パルスパターンは、図の３３０ｄｅｇの位置を０ｄｅｇとするように、図４のＶ相パルスパターンは、図の２１０ｄｅｇの位置を０ｄｅｇとするように基準をシフトさせることで上記のとおり解釈することができる。
以下、図８の形式の模式図を参照し、スイッチング位相を示すブロック矢印が二つの相において重なる条件を見出すことにより、「同時スイッチング条件」を導出する。以下の全ての式において角度単位は［ｄｅｇ］とし、各式での記載を省略する。

まず、単独のスイッチング位相θによる同時スイッチング条件について、図９を参照して説明する。以下の式（３．１）〜（３．３）で、ｎ_u、ｎ_v、ｎ_wは、それぞれ０又は１である。図９に示すように、Ｕ相パルスパターンは、電気角９０ｄｅｇ、２７０ｄｅｇを中心としてスイッチング位相θ（０≦θ≦９０）が対称に設定される。電気１周期での第１スイッチング位相群Ｐ_uは、式（３．１）で表される。
Ｐ_u＝９０＋１８０×ｎ_u±θ ・・・（３．１）

Ｖ相パルスパターンは、Ｕ相パルスパターンを電気角−１２０ｄｅｇずらして設定され、電気１周期での第１スイッチング位相群Ｐ_vは、式（３．２）で表される。
Ｐ_v＝９０＋１８０×ｎ_v±θ−１２０ ・・・（３．２）
Ｗ相パルスパターンは、Ｕ相パルスパターンを電気角＋１２０ｄｅｇずらして設定され、電気１周期での第１スイッチング位相群Ｐ_wは、式（３．３）で表される。
Ｐ_w＝９０＋１８０×ｎ_w±θ＋１２０ ・・・（３．３）

２相のパルスパターンのスイッチング位相θ同士が一致する条件は、式（４．１）〜（４．３）のとおりである。
Ｐ_u＝Ｐ_v
→９０＋１８０×ｎ_u±θ＝９０＋１８０×ｎ_v±θ−１２０
→１８０×（ｎ_u−ｎ_v）±θ＝±θ−１２０
→±θ＝−６０−９０×（ｎ_u−ｎ_v） ・・・（４．１）

Ｐ_v＝Ｐ_w
→９０＋１８０×ｎ_v±θ−１２０＝９０＋１８０×ｎ_w±θ＋１２０
→１８０×（ｎ_v−ｎ_w）±θ−１２０＝±θ＋１２０
→±θ＝１２０−９０×（ｎ_v−ｎ_w） ・・・（４．２）

Ｐ_u＝Ｐ_w
→９０＋１８０×ｎ_u±θ＝９０＋１８０×ｎ_w±θ＋１２０
→１８０×（ｎ_u−ｎ_w）±θ＝±θ＋１２０
→±θ＝ ６０−９０×（ｎ_u−ｎ_w） ・・・（４．３）

式（４．１）〜（４．３）において、（ｎ_u−ｎ_v）、（ｎ_v−ｎ_w）、（ｎ_u−ｎ_w）に「０又は±１」を代入すると、式（４．４）が得られる。
±θ＝−１５０、−６０、−３０、３０、６０、１２０、１５０、２１０
・・・（４．４）

また、式（４．５）が制約条件となる。
０≦θ≦９０ ・・・（４．５）
よって、単独のスイッチング位相θによる同時スイッチング条件の式（Ａ）、（Ｂ）が導かれる。
θ＝３０ ・・・（Ａ）
θ＝６０ ・・・（Ｂ）

次に、２つのスイッチング位相θ１、θ２による同時スイッチング条件について、図１０を参照して説明する。以下の式（５．１）〜（５．６）で、ｎ_u、ｎ_v、ｎ_wは、それぞれ０又は１である。
図１０に示すように、Ｕ相パルスパターンは、電気角９０ｄｅｇ、２７０ｄｅｇを中心として第１スイッチング位相θ１及び第２スイッチング位相θ２（０≦θ１、θ２≦９０）が対称に設定される。電気１周期での第１スイッチング位相群Ｐ１_u及び第２スイッチング位相群Ｐ２_uは、式（５．１）、（５．２）で表される。
Ｐ１_u＝９０＋１８０×ｎ_u±θ１ ・・・（５．１）
Ｐ２_u＝９０＋１８０×ｎ_u±θ２ ・・・（５．２）

Ｖ相パルスパターンは、Ｕ相パルスパターンを電気角−１２０ｄｅｇずらして設定され、電気１周期での第１スイッチング位相群Ｐ１_v及び第２スイッチング位相群Ｐ２_vは、式（５．３）、（５．４）で表される。
Ｐ１_v＝９０＋１８０×ｎ_v±θ１−１２０ ・・・（５．３）
Ｐ２_v＝９０＋１８０×ｎ_v±θ２−１２０ ・・・（５．４）

Ｗ相パルスパターンは、Ｕ相パルスパターンを電気角＋１２０ｄｅｇずらして設定され、電気１周期での第１スイッチング位相群Ｐ１_w及び第２スイッチング位相群Ｐ２_wは、式（５．５）、（５．６）で表される。
Ｐ１_w＝９０＋１８０×ｎ_w±θ１＋１２０ ・・・（５．５）
Ｐ２_w＝９０＋１８０×ｎ_w±θ２＋１２０ ・・・（５．６）

２相のパルスパターンの一方の第１スイッチング位相θ１と他方の第２スイッチング位相θ２とが一致する条件は、式（６．１）〜（６．３）のとおりである。
Ｐ１_u＝Ｐ２_v
→９０＋１８０×ｎ_u±θ１＝９０＋１８０×ｎ_v±θ２−１２０
→１８０×（ｎ_u−ｎ_v）±θ１＝±θ２−１２０
→±θ１±θ２＝−１２０−１８０×（ｎ_u−ｎ_v） ・・・（６．１）

Ｐ１_v＝Ｐ２_w
→９０＋１８０×ｎ_v±θ１−１２０＝９０＋１８０×ｎ_w±θ２＋１２０
→１８０×（ｎ_v−ｎ_w）±θ１−１２０＝±θ２＋１２０
→±θ１±θ２＝ ２４０−１８０×（ｎ_v−ｎ_w） ・・・（６．２）

Ｐ１_u＝Ｐ２_w
→９０＋１８０×ｎ_u±θ１＝９０＋１８０×ｎ_w±θ２＋１２０
→１８０×（ｎ_u−ｎ_w）±θ１＝±θ２＋１２０
→±θ１±θ２＝ １２０−１８０×（ｎ_u−ｎ_w） ・・・（６．３）

式（６．１）〜（６．３）において、（ｎ_u−ｎ_v）、（ｎ_v−ｎ_w）、（ｎ_u−ｎ_w）に「０又は±１」を代入すると、式（６．４）が得られる。
±θ１±θ２＝−３００、−１２０、−６０、
６０、１２０、２４０、３００、４２０ ・・・（６．４）

また、式（６．５）、（６．６）が制約条件となる。
０≦（θ１＋θ２）≦１８０ ・・・（６．５）
０≦｜θ１−θ２｜≦９０ ・・・（６．６）
よって、２つのスイッチング位相θ１、θ２による同時スイッチング条件の式（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）が導かれる。
θ１＋θ２＝６０ ・・・（Ｃ）
θ１＋θ２＝１２０ ・・・（Ｄ）
｜θ１−θ２｜＝６０ ・・・（Ｅ）

電気角０〜９０ｄｅｇの区間に第１スイッチング位相θ１、第２スイッチング位相θ２を含む２つ以上のスイッチング位相が存在する場合、同時スイッチング条件の式（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に該当する第１スイッチング位相θ１及び第２スイッチング位相θ２は、図１１にて実線で表示される。ここで、式（Ａ）、（Ｂ）は、第１スイッチング位相θ１及び第２スイッチング位相θ２について、下記のように、それぞれ適用される。
θ１＝３０、又は、θ２＝３０ ・・・（Ａ）
θ１＝６０、又は、θ２＝６０ ・・・（Ｂ）
図１１に示される実線領域を、パルスパターンの設定を禁止する領域という意味で「禁止領域」という。本実施形態のパルスパターン設定部７０は、基準となる一相のパルスパターンを構成する全てのスイッチング位相が「禁止領域から外れるように」一相のパルスパターンを設定する。

ところで、上記の同時スイッチング条件式の導出では、スイッチング位相θは幅が無限小の値であることを前提とした。この前提は、スイッチング素子のオンオフが一瞬で切り替わり、且つ、切替の瞬間にサージ電圧が理想的なインパルス波として発生することを意味する。しかし現実には、スイッチング動作やサージ電圧の発生は、ある時間幅にわたって継続して行われることを考慮する必要がある。

具体的には、図１２（ａ）に、スイッチング素子（トランジスタ）のスイッチング動作時におけるコレクタエミッタ間電圧Ｖ_CE、コレクタ電流Ｉ_Cの経時変化を示す。コレクタエミッタ間電圧Ｖ_CEについてはスイッチングオフ時の電圧を１とし、コレクタ電流Ｉ_Cについてはスイッチングオン時の電流を１とする。

スイッチング素子にオン信号を指令したときから、コレクタエミッタ間電圧Ｖ_CEが０．９に減少するまでの時間をＴｄ（ｏｎ）、その後コレクタエミッタ間電圧Ｖ_CEが０．１に減少するまでの時間をＴｒ、Ｔｄ（ｏｎ）とＴｒとの合計をオン時間Ｔｏｎとする。
スイッチング素子にオフ信号を指令したときから、コレクタ電流Ｉｃが０．９に減少するまでの時間をＴｄ（ｏｆｆ）、その後コレクタ電流Ｉｃが０．１に減少するまでの時間をＴｆ、Ｔｄ（ｏｆｆ）とＴｆとの合計をオフ時間Ｔｏｆｆとする。
このように、スイッチング素子のスイッチング動作時にはオン時間Ｔｏｎ、オフ時間Ｔｏｆｆのような遷移時間が必要である。

スイッチング素子のオンオフ伴って発生するサージ電圧は、「Ｖ＝−Ｌ×ｄＩ／ｄｔ」からわかるように、電流が変化しているオンオフ時間Ｔｏｎ、Ｔｏｆｆの間、継続して発生する。そのため、２つの相で発生するサージ電圧の合計がスイッチング素子の耐電圧特性を超えないように、一相でのスイッチングにより発生したサージ電圧が所定値以下に低減するまで、他相でのスイッチングを禁止する必要がある。

図１２（ｂ）に、スイッチング動作時にスイッチング素子に流れるモータ相電流検出値のリンギングを示す。リンギングに関しては、例えば、収束値の上下に収束範囲を設定し、スイッチング後、検出値が設定値到達前に最後に収束範囲に入るまでの時間をリンギング収束時間とする。そして、一相でのスイッチング後、リンギング収束時間まで他相でのスイッチングを禁止する。
また、特許文献１に記載された従来技術のように、上下アームの一方のスイッチング素子のオフタイミングから他方のスイッチング素子のオンタイミングまでのデッドタイムを考慮することも必要である。

以上のように、同時スイッチング回避のための禁止領域は、サージ電圧が所定値以下に低減する時間、リンギングが所定の収束範囲内に収束する時間、スイッチング素子のデッドタイム等に応じて設定される「禁止幅」を含むようにするとよい。
図１３に、禁止幅（２α）を含むように設定された禁止領域を破線で示す。この禁止幅は、回転数毎に時間幅を位相幅に換算してマップに記憶するようにしてもよく、或いは、回転数に拘わらず一律の位相幅を採用してもよい。また、オン時間Ｔｏｎに対応する禁止幅と、オフ時間Ｔｏｆｆに対応する禁止幅とをそれぞれ設定してもよい。

次に、本発明の実施形態による演算回数の低減効果について、特許文献１の従来技術と対比しつつ説明する。ここでは、仮設定したパルスパターンが同時スイッチング条件に該当するか否かを探索する探索数を比較する。
従来技術と本発明の実施形態に共通する前提として、（１）電気１周期のパルスパターンは、（１／４）周期に相当する電気角０〜９０ｄｅｇの区間のパルスパターンを対称に反転させたものであり、電気角０〜９０ｄｅｇの区間で探索すれば足りる。また、（２）三相のパルスパターンは、互いに電気角±１２０ｄｅｇずらすように設定されている。

まず、説明に用いる用語を定義する。パルスパターンにおけるオフからオンへの立上がり、又は、オンからオフへの立下がりを「エッジ」という。１回のパルスには２回のエッジが含まれる。スイッチング位相θは、エッジの位相と言い換えることもできる。
ある微小位相範囲（以下、「判別単位」という。）にエッジが存在するか否かを判別可能な分解能を、電気１周期中の判別単位の数により「分解能Ｍ」と表す。例えば、電気角１ｄｅｇ毎にエッジの有無を判別可能な場合の分解能Ｍは３６０である。また、一相あたりの電気角９０ｄｅｇ区間のエッジ数を「（スイッチング状態の）変化回数Ｎ」とする。

仮設定したパルスパターンについて、判別単位毎にエッジが有るか無いかを探索する回数は「２^(M/4)」で表される。従来技術では、９０ｄｅｇ区間における三相の全てのエッジ（θ_u1、θ_u2・・・、θ_v1、θ_v2・・・、θ_w1、θ_w2・・・）（＝計（３Ｎ）個）から２つを抽出し、その２つのエッジが同じ判別単位に存在するか否か評価するため、探索数Ｘは、式（７．１）のようになる。
Ｘ＝２^(M/4)×（_3NＣ₂） ・・・（７．１）

一方、本実施形態では、９０ｄｅｇ区間における一相（例えばＵ相）のエッジ（θ_u1、θ_u2・・・）（＝計Ｎ個）について、同時スイッチング条件の式（Ａ）〜（Ｅ）が成立するか否かを判定する。
まず、式（Ａ）、（Ｂ）について、Ｎ個のエッジがそれぞれ３０ｄｅｇ又は６０ｄｅｇであるか否かの２回の判定をする回数は、（２Ｎ）回となる。次に、Ｎ個から抽出した２つのエッジに対して、３つの式（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）が成立するか否かを判定する回数は、（_NＣ₂×３）回となる。これらを合計すると、探索数Ｙは、式（７．２）のようになる。
Ｙ＝２^(M/4)×（２Ｎ＋_NＣ₂×３） ・・・（７．２）

例えばＭ＝３６０、Ｎ＝６（電気角９０ｄｅｇ区間にパルス３回）として計算すると、探索数Ｘ、Ｙは以下のようになり、本実施形態では従来技術に対し探索数を約３７％に低減することができる。
従来技術 ：Ｘ＝２^(360/4)×（_3×6Ｃ₂）＝２⁹⁰×１５３回
本実施形態：Ｙ＝２^(360/4)×（２×６＋₆Ｃ₂×３）＝２⁹⁰×５７回
また、Ｍ＝５１２としたときの変化回数Ｎと探索数Ｘ、Ｙとの関係は、図１４のように示される。変化回数Ｎの増加に伴い、探索数の低減効果が増大することがわかる。

（その他の実施形態）
（ア）上記実施形態のモータ制御装置６０では、パルスパターン設定部７０は、変調率ｍ及びパルス数ｎに応じて、全てのスイッチング位相が禁止領域から外れるように設定されたパルスパターンを関係づけたマップを予め記憶しており、モータ５０の駆動中に、随時要求される変調率ｍ及びパルス数ｎに基づき、マップを参照して好ましいパルスパターンを選択する。これに対し、他の実施形態のモータ制御装置は、モータの駆動中、随時要求される変調率ｍ及びパルス数ｎに応じて、オンラインでパルスパターンを演算して仮設定し、且つ、上記実施形態と同様の同時スイッチング条件式を用いて、仮設定したパルスパターンの採用可否を判断するようにしてもよい。

（イ）パルスパターンの「パルス数ｎ」の定義は、図３で例示したものに限らず、例えば線間電圧パルスパターンの電気１周期のパルス数等としてもよい。
（ウ）本発明のパルスパターンを規定するための対称性の定義は、基準位相の取り方によって適宜変更してよい。例えば、図５（ｂ）、図８等において、９０ｄｅｇの位置を０ｄｅｇとするように基準を変更すれば、「電気角９０ｄｅｇを中心として電気角０〜９０ｄｅｇのパルスパターンと電気角９０〜１８０ｄｅｇのパルスパターンとが点対称」、且つ、「電気角１８０ｄｅｇを中心として電気角０〜１８０ｄｅｇのパルスパターンと電気角１８０〜３６０ｄｅｇのパルスパターンとが線対称」の関係となる。

（エ）本発明の制御対象となる回転機は、ＩＰＭＳＭ、ＳＰＭＳＭ等の同期電動機に限らず、誘導電動機等を含めた三相以上の多相回転機全般に広く適用可能である。さらに、モータジェネレータ等の回転機は車両の動力源として用いられるものに限らず、車両の補機用や、車両以外の電車、昇降機、一般機械等の用途に用いられてもよい。
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。

１１・・・バッテリ、
４０・・・インバータ、 ４１〜４６・・・スイッチング素子、
５０・・・モータ（モータジェネレータ、回転機）
６０・・・モータ制御装置（回転機の制御装置）、
７０・・・パルスパターン設定部。

Claims (4)

1. 三相の回転機（５０）の電気角に同期した出力電圧のパルスパターンを設定するパルスパターン設定部（７０）を備え、前記パルスパターン設定部が設定したパルスパターンに基づいてインバータ（４０）の三相の上下アームのスイッチング素子（４１〜４６）のオンオフを操作し、バッテリ（１１）の直流電力を交流電力に変換して前記回転機に出力することにより前記回転機の駆動を制御する回転機の制御装置（６０）であって、
   前記パルスパターン設定部は、
   三相のうち一相のパルスパターンについて、電気角０〜９０ｄｅｇの区間を一単位として設定し、電気角９０ｄｅｇを中心として電気角０〜９０ｄｅｇのパルスパターンを線対称に反転することで電気角９０〜１８０ｄｅｇのパルスパターンを設定し、電気角１８０ｄｅｇを中心として電気角０〜１８０ｄｅｇのパルスパターンを点対称に反転することで電気角１８０〜３６０ｄｅｇのパルスパターンを設定し、他の二相のパルスパターンについて、前記一相のパルスパターンを電気角±１２０ｄｅｇずらすように設定する前提において、
   さらに、前記一相のパルスパターンにおける電気角０〜９０ｄｅｇの区間で、前記スイッチング素子がオン又はオフする複数のスイッチング位相から抽出した２つの前記スイッチング位相の全ての組に対して、第１スイッチング位相をθ１、第２スイッチング位相をθ２（０≦θ１、θ２≦９０ｄｅｇ）とすると、下記の５つの式（Ａ）〜（Ｅ）のいずれか１つ以上に該当する第１スイッチング位相θ１及び第２スイッチング位相θ２の領域を禁止領域と定義し、
   θ１＝３０［ｄｅｇ］、又は、θ２＝３０［ｄｅｇ］ ・・・（Ａ）
   θ１＝６０［ｄｅｇ］、又は、θ２＝６０［ｄｅｇ］ ・・・（Ｂ）
   θ１＋θ２＝６０［ｄｅｇ］ ・・・（Ｃ）
   θ１＋θ２＝１２０［ｄｅｇ］ ・・・（Ｄ）
   ｜θ１−θ２｜＝６０［ｄｅｇ］ ・・・（Ｅ）
   前記一相のパルスパターンを構成する全ての前記スイッチング位相が前記禁止領域から外れるように前記一相のパルスパターンを設定することを特徴とする回転機の制御装置。
2. 前記禁止領域は、前記式（Ａ）〜（Ｅ）に対し所定の電気角又は時間に対応する禁止幅を含むように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の回転機の制御装置。
3. 前記禁止幅は、前記スイッチング素子のスイッチング動作に伴って発生するサージ電圧が所定値以下に低減する時間、前記スイッチング素子に流れる相電流のリンギングが所定の収束範囲内に収束する時間、又は、前記スイッチング素子のデッドタイムに応じて設定されていることを特徴とする請求項２に記載の回転機の制御装置。
4. 前記回転機のトルク又は電流のフィードバック制御により、変調率及び電圧位相を演算する変調率／電圧位相演算部（６４、８３、８７）と、
   前記回転機の回転数に応じて所定の電気角区間におけるパルス数を設定するパルス数設定部（６７）と、を備え、
   前記パルスパターン設定部は、
   変調率及びパルス数に応じて、全ての前記スイッチング位相が前記禁止領域から外れるように設定されたパルスパターンを関係づけたマップを予め記憶しており、
   前記回転機の駆動中に随時前記変調率／電圧位相演算部によって演算された変調率、電圧位相、並びに、前記パルス数設定部によって設定されたパルス数に基づき、前記マップを参照してパルスパターンを設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転機の制御装置。

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