JP2016226095A - 回転電機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリア周波数に依存する交流回転電機の電力損失を、定常的に調節することができる回転電機制御装置を提供する。【解決手段】回転電機制御装置において、ＰＷＭ制御に用いられるキャリア波のキャリア周波数を設定するキャリア周波数設定手段を備え、キャリア周波数設定手段は、スイッチング素子の素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐ以下である場合に、素子温度Ｔｃが目標素子温度に近づくように、ＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を変更する周波数変更制御を実行する。【選択図】図９

Description

本発明は、複数のスイッチング素子を備えて直流電源と交流回転電機との間で電力変換を行うインバータを制御する回転電機制御装置に関するものである。

上記のような回転電機制御装置について、下記の特許文献１に記載された回転電機制御装置が知られている。特許文献１の技術では、磁石温度が閾値を超えたときに、交流回転電機を流れる電流に重畳するリプル電流を低減させるようにスイッチング素子のキャリア周波数を変更し、交流回転電機の電力損失を低減して、磁石温度の上昇を抑制するように構成されている。

特開２０１０−９３９８２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、磁石温度がある程度上昇して初めて交流回転電機の電力損失を低減するように動作するため、過熱による交流回転電機の減磁を抑制することは可能であると考えられるが、磁石温度が通常の範囲内にあるときには、キャリア周波数を変更するように構成されていない。そのため、特許文献１の技術では、磁石温度が通常の範囲内にあるときに、交流回転電機の電力損失を低減して、交流回転電機の冷却負荷を低減することができない。そのため、交流回転電機の冷却機構の小型化や簡素化を十分に図ることができず、低コスト化を十分に図ることができない課題があった。

加えて、交流回転電機は、熱容量が大きく熱的な時定数も大きくなるため、一度温度が上がると下がりにくいという特徴がある。そのため、冷却機構の小型化や簡素化を図るには、交流回転電機の温度が上昇する前に、交流回転電機の電力損失を定常的に低減して、交流回転電機の温度が上昇しないようにすることが重要である。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、キャリア周波数に依存する交流回転電機の電力損失を、定常的に調節することができる回転電機制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る回転電機制御装置は、複数のスイッチング素子を備えて直流電源と交流回転電機との間で電力変換を行うインバータを制御する回転電機制御装置であって、前記複数のスイッチング素子をＰＷＭ制御によりオンオフ制御するＰＷＭ制御手段と、前記スイッチング素子の素子温度を検出する素子温度検出手段と、前記素子温度の目標素子温度を設定する目標素子温度設定手段と、前記ＰＷＭ制御に用いられるキャリア波のキャリア周波数を設定するキャリア周波数設定手段と、を備え、前記キャリア周波数設定手段は、前記素子温度に基づいて設定した制御用素子温度が予め設定した変更許可温度以下である場合に、前記制御用素子温度が前記目標素子温度に近づくように前記キャリア周波数を変更する周波数変更制御を実行するものである。

キャリア周波数を増加させることより、キャリア周波数に依存する交流回転電機の電力損失を減少させ、交流回転電機の発熱量を減少させることができる。一方で、キャリア周波数を増加させると、キャリア周波数に依存するスイッチング素子の電力損失が増加し、スイッチング素子の発熱量が増加する。本発明に係る回転電機制御装置によれば、制御用素子温度が変更許可温度以下である場合に、周波数変更制御により、制御用素子温度が目標素子温度に近づくようにキャリア周波数を変更して、交流回転電機の発熱量を適切に変化させることができる。よって、素子温度が変更許可温度を超えない範囲内で、キャリア周波数に依存する交流回転電機の電力損失を、定常的に調節することでき、交流回転電機の冷却機構の冷却負荷を適切に調節することができるため、冷却機構の小型化や簡素化を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係るインバータの回路構成図及び回転電機制御装置のブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電機制御装置のハードウェア構成図である。 本発明の実施の形態１に係るＰＷＭ制御を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施の形態１に係るＰＷＭ制御手段のブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置における目標素子温度の設定を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係るキャリア周波数と回転電機損失の関係特性を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るキャリア周波数と回転電機損失及びインバータ損失との関係特性を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るインバータ損失とインバータ許容損失との損失差に基づくキャリア周波数の設定を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電機制御装置の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る周波数変更制御の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る周波数変更制御の挙動を説明するタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係るインバータの回路構成図及び回転電機制御装置のブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る回転電機損失と回転電機許容損失との損失差に基づくキャリア周波数の設定を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る回転電機制御装置の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る周波数変更制御の処理を示すフローチャートである。

実施の形態１．
実施の形態１に係る回転電機制御装置１について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係るインバータ４０の回路構成図及び回転電機制御装置１のブロック図であり、図２は、回転電機制御装置１に係るハードウェア構成図である。

交流回転電機２００は、非回転部材に固定されたステータと、当該ステータの径方向内側に配置され、非回転部材に対して回転可能に支持されたロータと、を備えている。交流回転電機２００は、直流交流変換を行うインバータ４０を介して、蓄電装置などからなる直流電源３００に電気的に接続される。そして、交流回転電機２００は、電力の供給を受けて動力を発生するモータ（電動機）としての機能と、動力の供給を受けて電力を発生するジェネレータ（発電機）としての機能と、を果たすことが可能とされている。すなわち、交流回転電機２００は、インバータ４０を介して直流電源３００からの電力供給を受けて力行し、或いは外部から伝達される回転駆動力により発電し、発電された電力は、インバータ４０を介して直流電源３００（蓄電装置）に蓄電される。
本実施の形態では、交流回転電機２００は、永久磁石式同期回転電機とされており、ステータに各相の巻線が巻装され、ロータに永久磁石が設けられている。

インバータ４０は、直流電源３００と交流回転電機２００との間で電力変換を行う直流交流変換装置である。蓄電装置などの直流電源３００から供給された直流電力を三相の交流電力に変換して交流回転電機２００の三相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗに供給すると共に、交流回転電機２００が発電した交流電力を直流電力に変換して直流電源３００に供給するように構成されている。

直流電源３００には、充放電可能な蓄電装置（例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ）が用いられる。なお、直流電源３００には、直流電圧を昇圧したり降圧したりする直流電力変換器であるＤＣ−ＤＣコンバータが備えられてもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子や巻線などから構成される。この場合は、回転電機制御装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子もスイッチング制御するように構成されてもよい。

インバータ４０は、複数のスイッチング素子４１を備えている。スイッチング素子４１には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの電力用半導体素子が用いられる。インバータ４０は、正極側電線４２と負極側電線４３との間に２つのスイッチング素子４１が直列接続された直列回路が、三相各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗに対応して３セット設けられたブリッジ回路に構成されている。すなわち、合計６つのスイッチング素子４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆが備えられている。具体的には、各相の直列回路において、正極側のスイッチング素子４１のコレクタ端子は、正極側電線４２に接続され、正極側のスイッチング素子４１のエミッタ端子は、負極側のスイッチング素子４１のコレクタ端子に接続され、負極側のスイッチング素子４１のエミッタ端子は、負極側電線４３に接続されている。正極側のスイッチング素子４１と負極側のスイッチング素子４１との接続点は、対応する相の巻線に接続される。なお、正極側電線４２が、直流電源３００の正極に接続され、負極側電線４３が直流電源３００の負極に接続される。

インバータ４０は、各スイッチング素子４１に逆並列接続されたフリーホイールダイオード４４を備えており、本例では、６つのスイッチング素子４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆのそれぞれに対応して、合計６つのフリーホイールダイオード４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆが備えられている。

インバータ４０は、平滑コンデンサ４５を備えている。平滑コンデンサ４５は、正極側電線４２と負極側電線４３との間に接続されており、正極側電線４２と負極側電線４３との間の直流電圧（システム電圧）を平滑化する。

インバータ４０は、複数のスイッチング素子４１を駆動するゲート駆動回路４６を備えている。ゲート駆動回路４６は、複数のスイッチング素子４１のそれぞれに対応して複数（本例では６つ）備えられている。各スイッチング素子４１の制御端子であるゲート端子は、対応するゲート駆動回路４６に接続されている。各ゲート駆動回路４６は、回転電機制御装置１からフォトカプラ等を介して伝達された、各スイッチング素子４１のオン指令又はオフ指令（後述するインバータ制御信号Ｕｕ、Ｕｖ、Ｕｗ）に応じて、対応するスイッチング素子４１に対してオン電圧信号又はオフ電圧信号を出力して、スイッチング素子４１をオン状態又はオフ状態にさせる。

インバータ４０は、スイッチング素子４１（及びフリーホイールダイオード４４）の素子温度Ｔを検出するための素子温度センサ４７を備えている。素子温度センサ４７は、検出対象のスイッチング素子４１及びフリーホイールダイオード４４に近接して配置されている。素子温度センサ４７の出力信号は、回転電機制御装置１に入力される。本実施の形態では、複数の素子温度センサ４７が備えられており、各素子温度センサ４７は、近接配置されたスイッチング素子４１の素子温度Ｔを検出する。本例では、２つの素子温度センサ４７ａ、４７ｂが備えられている。第一素子温度センサ４７ａは、正極側電線４２に接続された３つの正極側のスイッチング素子４１ａ、４１ｃ、４１ｅのいずれか１つ（本例ではＵ相の４１ａ）の素子温度Ｔ１（以下、第一素子温度Ｔ１と称す）を検出可能にされ、第二素子温度センサ４７ｂは、負極側電線４３に接続された３つの負極側のスイッチング素子４１ｂ、４１ｄ、４１ｆのいずれか一つ（本例ではＵ相の４１ｂ）の素子温度Ｔ２（以下、第二素子温度Ｔ２と称す）を検出可能にされている。

インバータ４０から交流回転電機２００の巻線に流れる電流Ｉを検出するための電流センサ５０が備えられている。電流センサ５０は、インバータ４０と各相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗとをつなぐ電線上に複数（例えば、３つ又は２つ）備えられている。電流センサ５０の出力信号は、回転電機制御装置１に入力される。

インバータ４０は、正極側電線４２及び負極側電線４３との間の電圧（システム電圧）を検出するための電圧センサ４８を備えている。電圧センサ４８の出力信号は、回転電機制御装置１に入力される。

ロータの回転速度及び回転角度（磁極位置）を検出するための回転速度センサ５１が備えられている。回転速度センサ５１は、ロータの回転軸に取り付けられている。回転速度センサ５１として、レゾルバ、又はロータリエンコーダなどが用いられる。回転速度センサ５１の出力信号は、回転電機制御装置１に入力される。

回転電機制御装置１は、インバータ４０を制御することにより、交流回転電機２００の制御を行う制御装置である。回転電機制御装置１は、ＰＷＭ制御手段３０、素子温度検出手段３１、目標素子温度設定手段３２、及びキャリア周波数設定手段３３を備えている。ＰＷＭ制御手段３０は、複数のスイッチング素子４１をＰＷＭ制御によりスイッチング制御する。素子温度検出手段３１は、スイッチング素子４１の素子温度Ｔを検出する。目標素子温度設定手段３２は、素子温度Ｔの目標素子温度Ｔｔを設定する。キャリア周波数設定手段３３は、ＰＷＭ制御に用いられるキャリア波のキャリア周波数Ｆｃを設定する。このような構成において、キャリア周波数設定手段３３は、素子温度Ｔに基づいて設定した制御用素子温度Ｔｃが予め設定した変更許可温度Ｔｐ以下である場合に、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔに近づくようにキャリア周波数Ｆｃを変更する周波数変更制御を実行するように構成されている。

回転電機制御装置１が備えるＰＷＭ制御手段３０、素子温度検出手段３１、目標素子温度設定手段３２、及びキャリア周波数設定手段３３等の各機能は、回転電機制御装置１が備えた処理回路により実現される。具体的には、回転電機制御装置１は、図２に示すように、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の演算処理装置１５（コンピュータ）、演算処理装置１５とデータのやり取りする記憶装置１４、演算処理装置１５に外部の信号を入力する入力インターフェイス回路１６（以下、単に入力回路１６と称す）、及び演算処理装置１５から外部に信号を出力する出力インターフェイス回路１７（以下、単に出力回路１７と称す）等を備えている。

記憶装置１４として、演算処理装置１５からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）や、演算処理装置１５からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。入力回路１６は、各種のセンサやスイッチが接続され、これらセンサやスイッチの出力信号を演算処理装置１５に入力するＡ／Ｄ変換器等を備えている。出力回路１７は、ゲート駆動回路４６等の電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置１５から制御信号を出力する駆動回路やフォトカプラ等を備えている。本実施の形態では、入力回路１６には、素子温度センサ４７、電圧センサ４８、電流センサ５０、及び回転速度センサ５１等が接続されている。出力回路１７には、インバータ４０（ゲート駆動回路４６）等が接続されている。

そして、回転電機制御装置１が備えるＰＷＭ制御手段３０、素子温度検出手段３１、目標素子温度設定手段３２、及びキャリア周波数設定手段３３等の各機能は、演算処理装置１５が、ＲＯＭ等の記憶装置１４に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置１４、入力回路１６、及び出力回路１７等の回転電機制御装置１の他のハードウェアと協働することにより実現される。
以下、回転電機制御装置１の各機能について詳細に説明する。

回転電機制御装置１は、電流検出手段３７を備えている。電流検出手段３７は、インバータ４０から交流回転電機２００の巻線に流れる電流Ｉを検出する。電流検出手段３７は、回転電機制御装置１に入力される電流センサ５０の出力信号に基づいて、各相の巻線に流れる電流Ｉを検出するように構成されている。

回転電機制御装置１は、回転速度検出手段３８を備えている。回転速度検出手段３８は、交流回転電機２００の回転速度を検出する。回転速度検出手段３８は、回転速度センサ５１の出力信号に基づいて、ロータの回転速度及び回転角度（磁極位置）を検出する。

回転電機制御装置１は、電圧検出手段３９を備えている。電圧検出手段３９は、直流電源３００からインバータ４０に供給される入力電圧（システム電圧）を検出する。電圧検出手段３９は、回転電機制御装置１に入力される電圧センサ４８の出力信号に基づいて、入力電圧（システム電圧）を検出するように構成されている。

ＰＷＭ制御手段３０は、複数のスイッチング素子４１をＰＷＭ制御によりスイッチング制御する。ここで、ＰＷＭ制御は、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御である。ＰＷＭ制御手段３０は、図３のタイムチャートに示すように、ＰＷＭ制御において、キャリア周波数Ｆｃのキャリア波と、各相の交流電圧指令信号との比較により、各相のスイッチング素子４１をオン又はオフさせる矩形パルス波のデューティ比を変化させる。

ＰＷＭ制御手段３０は、交流回転電機２００の巻線を流れる電流Ｉが電流指令値に近づくようにＰＷＭ制御を行う電流フィードバック制御を行うように構成されている。本実施の形態では、ＰＷＭ制御手段３０は、ベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御を行うように構成されている。

ベクトル制御では、ロータに備えられた磁石のＮ極の向き（磁極位置）にｄ軸を定め、これより電気角でπ／２進んだ方向にｑ軸をとり、ロータの電気角での回転に同期して回転するｄ軸及びｑ軸からなるｄｑ軸回転座標系が設定される。図４に示すように、ＰＷＭ制御手段３０は、目標電流をｄｑ軸回転座標系で設定する。ＰＷＭ制御手段３０は、変換手段６１により電流センサ５０により検出した各相の巻線に流れる三相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、磁極位置に基づいて三相二相変換及び回転座標変換を行って、ｄｑ軸回転座標系で表した二相電流Ｉｄ、Ｉｑに変換する。そして、ＰＷＭ制御手段３０は、電流フィードバック手段６２により、二相電流Ｉｄ、Ｉｑが二相電流指令値Ｉｄｏ、Ｉｑｏに近づくように、交流回転電機２００に印加する電圧の指令信号をｄｑ軸回転座標系で表した二相電圧指令信号Ｖｄ、Ｖｑを、ＰＩ制御等により変化させる電流フィードバック制御を行う。その後、ＰＷＭ制御手段３０は、変換機６３により、二相電圧指令信号Ｖｄ、Ｖｑを、磁極位置に基づいて、固定座標変換及び二相三相変換を行って、三相それぞれの巻線への交流電圧指令信号である三相交流電圧指令信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。ＰＷＭ制御手段３０は、ＰＷＭ信号生成手段６４により、図３に示すように、三相交流電圧指令信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗのそれぞれと、システム電圧の振動幅を有し、キャリア周波数Ｆｃで振動するキャリア波（三角波）とを比較し、交流電圧指令信号がキャリア波を上回った場合は、矩形パルス波をオンさせ、交流電圧指令信号がキャリア波を下回った場合は、矩形パルス波をオフさせる。ＰＷＭ制御手段３０は、三相各相の矩形パルス波を、三相各相のインバータ制御信号Ｕｕ、Ｕｖ、Ｕｗとしてインバータ４０に出力する。

素子温度検出手段３１は、スイッチング素子４１の素子温度Ｔを検出する。本実施の形態では、素子温度検出手段３１は、回転電機制御装置１に入力される素子温度センサ４７の出力信号に基づいて、素子温度Ｔを検出するように構成されている。本実施の形態では、複数の素子温度センサ４７の出力信号が回転電機制御装置１に入力されるように構成されており、素子温度検出手段３１は、複数の素子温度センサ４７の出力信号のそれぞれに基づいて複数の素子温度Ｔを検出するように構成されている。本例では、素子温度検出手段３１は、第一素子温度センサ４７ａの出力信号に基づいて、第一素子温度Ｔ１を検出し、第二素子温度センサ４７ｂの出力信号に基づいて、第二素子温度Ｔ２を検出する。

目標素子温度設定手段３２は、素子温度Ｔの目標素子温度Ｔｔを設定する。目標素子温度設定手段３２は、温度センサによりインバータ４０の周囲温度Ｔａを検出できるように構成されていれば、図５に示すように、周囲温度Ｔａが高いほど、目標素子温度Ｔｔを低く設定するように構成されてもよい。これは、周囲温度Ｔａが高いほど、インバータ４０の冷却効率が悪くなり、素子温度Ｔが高くなりやすいためである。但し、インバータ４０の冷却機構によっては周囲温度Ｔａの影響を受け難くい場合があるので、その場合は、目標素子温度Ｔｔを固定値としても良い。

キャリア周波数設定手段３３は、ＰＷＭ制御に用いられるキャリア波のキャリア周波数Ｆｃを設定する。キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが、予め設定した変更許可温度Ｔｐ以下である場合に、素子温度Ｔが目標素子温度Ｔｔに近づくようにキャリア周波数Ｆｃを変更する周波数変更制御を実行するように構成されている。

キャリア周波数Ｆｃを増加させることより、キャリア周波数Ｆｃに依存する交流回転電機２００の電力損失を減少させ、交流回転電機２００の発熱量を減少させることができる。一方で、キャリア周波数Ｆｃを増加させると、キャリア周波数Ｆｃに依存するスイッチング素子４１等のインバータ４０の電力損失が増加し、スイッチング素子４１の発熱量が増加する。上記の構成によれば、制御用素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐ以下である場合に、周波数変更制御により、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔに近づくようにキャリア周波数Ｆｃを変更して、交流回転電機２００の発熱量を適切に変化させることができる。よって、素子温度Ｔが変更許可温度Ｔｐを超えない範囲内で、交流回転電機２００の冷却機構の冷却負荷を適切に調節することができるため、冷却機構の構成を適切化することができる。

キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐより大きい場合に、キャリア周波数Ｆｃを予め設定した周波数に設定する周波数固定制御を実行するように構成されている。この構成によれば、制御用素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐより大きい場合に、キャリア周波数Ｆｃが増加されることを防止でき、素子温度が高温になってスイッチング素子４１の耐久性が悪化することを抑制できる。キャリア周波数設定手段３３は、図７に示すように、キャリア周波数Ｆｃを、回転電機損失Ｌｍとインバータ損失Ｌｉの合計損失が最小となるキャリア周波数Ｆｃ＿ａに設定してもよい。

本実施の形態では、キャリア周波数設定手段３３は、周波数変更制御において、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔよりも低い場合に、キャリア周波数Ｆｃを増加させるように構成されている。制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔよりも低い場合に、キャリア周波数Ｆｃを増加させることにより、交流回転電機２００の電力損失を減少させ、交流回転電機２００の発熱量を減少させることができる。よって、交流回転電機２００の冷却機構の冷却負荷を減少させることができ、冷却機構の小型化や簡略化を行うことができる。一方、キャリア周波数Ｆｃを増加させると、スイッチング素子４１の電力損失が増加し、素子温度Ｔが上昇するが、制御用素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐ以下である場合に、キャリア周波数Ｆｃが増加されるので、素子温度Ｔが変更許可温度Ｔｐを超えないようにでき、スイッチング素子４１の耐久性が悪化することを抑制できる。

目標素子温度設定手段３２は、目標素子温度Ｔｔを、スイッチング素子４１の定格温度Ｔｊ＿ｍａｘ以下に設定するように構成されている。この構成によれば、制御用素子温度Ｔｃが定格温度Ｔｊ＿ｍａｘ以下の目標素子温度Ｔｔに近づくように、キャリア周波数Ｆｃを変更させることができ、温度上昇によりスイッチング素子４１の耐久性が悪化することをより確実に抑制できる。また、変更許可温度Ｔｐは、スイッチング素子４１の定格温度Ｔｊ＿ｍａｘ以下に設定されている。目標素子温度設定手段３２は、目標素子温度Ｔｔを変更許可温度Ｔｐ以下に設定するように構成されている。

キャリア周波数設定手段３３は、周波数変更制御において、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔよりも高い場合に、キャリア周波数Ｆｃを減少させるように構成されている。この構成によれば、素子温度Ｔが目標素子温度Ｔｔよりも高い場合は、キャリア周波数Ｆｃを減少させて、スイッチング素子４１の発熱量を減少させ、素子温度Ｔを目標素子温度Ｔｔに向けて低下させることができる。よって、素子温度Ｔの上昇によりスイッチング素子４１の耐久性が悪化することをより確実に抑制できる。

キャリア周波数設定手段３３は、複数の素子温度センサ４７により検出された複数の素子温度Ｔに基づいて制御用素子温度Ｔｃを設定するように構成されている。本実施の形態では、キャリア周波数設定手段３３は、複数の素子温度Ｔの内、最も高温の素子温度Ｔを制御用素子温度Ｔｃに設定するように構成されている。この構成によれば、周波数変更制御により、複数のスイッチング素子４１の一部が高温になり、耐久性が悪化することを抑制できる。本例では、正極側の第一素子温度センサ４７ａにより検出された第一素子温度Ｔ１、及び負極側の第二素子温度センサ４７ｂにより検出された第二素子温度Ｔ２のいずれか高い方が、制御用素子温度Ｔｃに設定される。交流回転電機２００の動作状況等に応じて、正極側のスイッチング素子４１の発熱量と負極側のスイッチング素子４１の発熱量との間にばらつきが生じたとしても、素子温度が高くなった側のスイッチング素子４１の耐久性が悪化することを抑制できる。

キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐ以下である場合であって、更に、複数の素子温度Ｔにおける最高温度と最低温度との温度差が予め設定された判定温度差Ｔｔｈ以下である場合に、周波数変更制御を実行するように構成されている。この構成によれば、最高温度と最低温度との温度差が判定温度差Ｔｔｈよりも大きくなるような異常な状態で、周波数変更制御が実行されることを防止して、キャリア周波数Ｆｃが異常に変動することを抑制することができる。本例では、キャリア周波数設定手段３３は、第一素子温度Ｔ１と第二素子温度Ｔ２と温度差が、判定温度差Ｔｔｈ以下であるか否かを判定するように構成されている。

また、キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐ以下である場合であって、更に、電流Ｉが予め設定した判定電流Ｉｔｈより大きい場合に、周波数変更制御を実行するように構成されている。交流回転電機２００に流れる電流Ｉが大きい場合は、交流回転電機２００の発熱量が大きくなり、交流回転電機２００の冷却機構の冷却負荷が大きくなる。電流Ｉが判定電流Ｉｔｈより大きい場合に、周波数変更制御を実行して、交流回転電機２００の電力損失を低減し、冷却機構の冷却負荷を軽減させることができる。

本実施の形態では、回転電機制御装置１は、インバータ４０の現在の電力損失であるインバータ損失Ｌｉを演算するインバータ損失演算手段３４と、インバータ４０に許容される電力損失であるインバータ許容損失Ｌｉｐを演算するインバータ許容損失演算手段３５と、を備えている。インバータ損失Ｌｉにはスイッチング素子４１の電力損失及びフリーホイールダイオード４４の電力損失が含まれる。

そして、キャリア周波数設定手段３３は、周波数変更制御において、インバータ損失Ｌｉ及びインバータ許容損失Ｌｉｐに基づき、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔに近づくようにキャリア周波数Ｆｃを変更するように構成されている。ここで、キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔよりも低く、インバータ損失Ｌｉがインバータ許容損失Ｌｉｐを下回っている場合に、図８に示すように、インバータ損失Ｌｉとインバータ許容損失Ｌｉｐとの差ΔＬｉ（以下、損失差ΔＬｉと称す）が大きいほど、キャリア周波数Ｆｃを大きくするように構成されている。

インバータ損失Ｌｉは、キャリア周波数Ｆｃの増加に従って増加することから、損失差ΔＬｉが大きいほど、キャリア周波数Ｆｃを大きくさせても、インバータ損失Ｌｉをインバータ許容損失Ｌｉｐ以下に収めることができる。

本実施の形態では、インバータ損失演算手段３４は、電流Ｉに基づいて、インバータ損失Ｌｉを演算するように構成されている。インバータ損失演算手段３４は、電流Ｉとインバータ損失Ｌｉとの関係特性が予め記憶された特性マップを用い、電流Ｉに基づいてインバータ損失Ｌｉを演算する。インバータ損失演算手段３４は、電流Ｉが増加するほど、インバータ損失Ｌｉを増加させる。インバータ損失演算手段３４は、周波数変更制御によりキャリア周波数Ｆｃを変更する場合は、電流Ｉ及びキャリア周波数Ｆｃとインバータ損失Ｌｉとの関係特性が予め記憶された特性マップを用い、電流Ｉ及びキャリア周波数Ｆｃに基づいて、インバータ損失Ｌｉを演算するように構成されてもよい。図７に示すように、インバータ損失演算手段３４は、キャリア周波数Ｆｃが増加するほど、インバータ損失Ｌｉを増加させる。或いは、インバータ損失演算手段３４は、温度センサによりインバータ４０の冷却媒体温度Ｔｗを検出できるように構成されていれば、Ｌｉ＝（Ｔ−Ｔｗ）／Ｒｔｈの式を用い、冷却媒体温度Ｔｗ、電力用半導体素子と冷媒との間の予め設定した熱抵抗Ｒｔｈ、及び素子温度Ｔに基づいて、インバータ損失Ｌｉを演算するように構成されてもよい。

インバータ許容損失演算手段３５は、実測値等に基づいて予め設定した固定値をインバータ許容損失Ｌｉｐに設定するように構成されている。或いは、インバータ許容損失演算手段３５は、温度センサによりインバータ４０の冷却媒体温度Ｔｗを検出できるように構成されていれば、Ｌｉｐ＝（Ｔｊ＿ｍａｘ−Ｔｗ）／Ｒｔｈの式を用い、冷却媒体温度Ｔｗ、電力用半導体素子と冷媒との間の予め設定した熱抵抗Ｒｔｈ、及び定格温度Ｔｊ＿ｍａｘに基づいて、インバータ許容損失Ｌｉｐを演算するように構成されてもよい。

キャリア周波数設定手段３３は、図８に示すような、損失差ΔＬｉとキャリア周波数Ｆｃとの関係が予め記憶されたマップを用い、損失差ΔＬｉに基づいて、キャリア周波数Ｆｃを変更するように構成されている。

キャリア周波数設定手段３３は、周波数変更制御において、キャリア周波数Ｆｃを、予め設定した上限周波数以下に上限制限するように構成されている。上限周波数は、演算処理装置１５の処理能力等に基づいて決定される。また、キャリア周波数設定手段３３は、周波数変更制御において、キャリア周波数Ｆｃを、予め設定した下限周波数以上に下限制限するように構成されている。下限周波数は、交流回転電機２００の制御性、応答性に基づいて決定される。

以上で説明した、実施の形態１に係る回転電機制御装置１が備えるＰＷＭ制御手段３０、素子温度検出手段３１、目標素子温度設定手段３２、及びキャリア周波数設定手段３３等の処理を、図９及び図１０に示すフローチャートのように構成することができる。図９及び図１０のフローチャートの処理は、演算処理装置１５が記憶装置１４に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行することにより、例えば一定時間毎に実行される。

図９のフローチャートについて説明する。まず、ステップＳ２０１で、目標素子温度設定手段３２は、温度センサの出力信号に基づき、インバータ４０の周囲温度Ｔａを検出する。ステップＳ２０２で、目標素子温度設定手段３２は、目標素子温度Ｔｔを設定する。本実施形態では、目標素子温度設定手段３２は、インバータ４０の周囲温度Ｔａに基づき、周囲温度Ｔａが高いほど、目標素子温度Ｔｔを低く設定する。ステップＳ２０３で、素子温度検出手段３１は、第一スイッチング素子４１ａの第一素子温度Ｔ１を検出する。ステップＳ２０４で、素子温度検出手段３１は、第二スイッチング素子４１ｂの第二素子温度Ｔ２を検出する。ステップＳ２０５で、電流検出手段３７は、インバータ４０から交流回転電機２００の巻線に流れる電流Ｉを検出する。

ステップＳ２０６で、キャリア周波数設定手段３３は、第一素子温度Ｔ１と第二素子温度Ｔ２の大きさを比較して、Ｔ１＞Ｔ２の場合はステップＳ２０７へ進み、制御用素子温度Ｔｃに第一素子温度Ｔ１を代入し、それ以外の場合はステップＳ２０８へ進み、制御用素子温度Ｔｃに第二素子温度Ｔ２を代入する。

ステップＳ２０９では、キャリア周波数設定手段３３は、第一素子温度Ｔ１と第二素子温度Ｔ２と温度差｜Ｔ１−Ｔ２｜が判定温度差Ｔｔｈ以下であるか否かを判定し、判定温度差Ｔｔｈ以下である場合はステップＳ２１０へ進み、それ以外の場合はステップＳ２１３へ進む。ステップＳ２１０では、キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐ以下であるか否かを判定し、変更許可温度Ｔｐ以下である場合はステップＳ２１１へ進み、それ以外の場合はステップＳ２１３へ進む。本例では、変更許可温度Ｔｐは、定格温度Ｔｊ＿ｍａｘの値に設定されている。ステップＳ２１１では、キャリア周波数設定手段３３は、電流Ｉが予め設定した判定電流Ｉｔｈより大きいか否かを判定し、判定電流Ｉｔｈより大きい場合はステップＳ２１２へ進み、それ以外の場合はステップＳ２１３へ進む。ステップＳ２１２では、キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔに近づくようにキャリア周波数Ｆｃを変更する周波数変更制御を実行する。周波数変更制御については、図１０のフローチャートを用いて後述する。ステップＳ２１３では、キャリア周波数設定手段３３は、キャリア周波数Ｆｃを予め設定した周波数に設定する周波数固定制御を実行する。

ステップＳ２１４では、キャリア周波数設定手段３３は、上記のように、キャリア周波数Ｆｃの上下限制限を行う。そして、ステップＳ２１５では、キャリア周波数設定手段３３は、設定したキャリア周波数ＦｃをＰＷＭ制御手段３０に出力する。そして、ＰＷＭ制御手段３０は、上記のように、キャリア周波数設定手段３３から伝達されたキャリア周波数Ｆｃのキャリア波を用いたＰＷＭ制御により、複数のスイッチング素子４１をスイッチング制御する。

次にステップＳ２１２における周波数変更制御の処理について、図１０のフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップＳ４０１では、電流検出手段３７は、インバータ４０から交流回転電機２００の巻線に流れる電流Ｉを検出する。なお、ステップＳ２０５で取得した電流Ｉを用いてもよい。ステップＳ４０２では、インバータ損失演算手段３４は、上記のように、インバータ４０の現在の電力損失であるインバータ損失Ｌｉを演算する。ステップＳ４０３では、インバータ許容損失演算手段３５は、上記のように、インバータ４０に許容される電力損失であるインバータ許容損失Ｌｉｐを演算する。ステップＳ４０４では、キャリア周波数設定手段３３は、インバータ損失Ｌｉとインバータ許容損失Ｌｉｐとの損失差ΔＬｉを算出する。ステップＳ４０５では、キャリア周波数設定手段３３は、図８に示すように、損失差ΔＬｉが大きいほど、キャリア周波数Ｆｃを大きくする。

次に、本実施の形態に係るキャリア周波数可変処理について、図１１のタイミングチャートを用いて説明する。キャリア周波数設定手段３３は、時間ｔ１までは、電流Ｉが判定電流Ｉｔｈより小さいため、キャリア周波数固定制御を行っている（図１１ａ）。電流Ｉが一定のため、インバータ損失Ｌｉも一定で推移し（図１１ｂ）、インバータ許容損失Ｌｉｐも一定で推移し（図１１ｃ）、インバータ損失Ｌｉとインバータ許容損失Ｌｉｐとの損失差ΔＬｉも一定で推移する（図１１ｄ）。

但し、時間ｔ１まではキャリア周波数固定制御が行われているため、キャリア周波数Ｆｃは予め設定された固定値（例えば１０ｋＨｚ）となっている（図１１ｅ）。また、時間ｔ１までは、素子温度Ｔも一定となり（図１１ｆ）、冷却媒体温度Ｔｗも一定となり（図１１ｇ）、回転電機温度Ｔｍも一定（図１１ｈ）で推移している。

時間ｔ１で、電流Ｉが増加して、判定電流Ｉｔｈを超えたため、時間ｔ１以降はキャリア周波数変更制御を行う（図１１ａ）。電流Ｉが増加した分インバータ損失Ｌｉが増加し（図１１ｂ）、時間ｔ１の時点では冷却媒体温度Ｔｗは増加しないので（図１１ｇ）、インバータ許容損失Ｌｉｐは変化しない（図１１ｃ）。そのため、時間ｔ１で、損失差ΔＬｉはΔＬ１まで低下する（図１１ｄ）。図８に示す、損失差ΔＬｉに応じたキャリア周波数Ｆｃの設定マップに従って、時間ｔ１でキャリア周波数ＦｃがＦｃ１まで増加される（図１１ｅ）。キャリア周波数Ｆｃ１は、時間ｔ１における条件で駆動し続ければ、素子温度Ｔが目標素子温度Ｔｔに収束するキャリア周波数に予め設定されている。そのため、素子温度Ｔが収束している時間ｔ２において素子温度Ｔは目標素子温度Ｔｔになっている（図１１ｆ）。なお、本例では、目標素子温度Ｔｔ及び変更許可温度Ｔｐは、定格温度Ｔｊ＿ｍａｘの値に設定されている。

時間ｔ１から時間ｔ２の期間において、インバータ損失Ｌｉは次第に減少していく（図１１ｂ）。これは、時間ｔ１でインバータ損失Ｌｉが増加したことにより、インバータ４０の発熱量が増加し、冷却媒体温度Ｔｗが次第に増加していくことで（図１１ｇ）、インバータ許容損失Ｌｉｐが次第に減少していき（図１１ｃ）、その結果、損失差ΔＬｉも次第に減少して（図１１ｄ）、損失差ΔＬｉに基づいて設定されるキャリア周波数Ｆｃが次第に減少するからである（図１１ｅ）。時間ｔ２の時点では、キャリア周波数ＦｃはＦｃ２にまで低下している（図１１ｅ）。

時間ｔ１から時刻ｔ２の期間でも、本実施の形態とは異なり、キャリア周波数固定制御を継続した場合のインバータ損失Ｌｉ、キャリア周波数Ｆｃ、素子温度Ｔ、及び、回転電機温度Ｔｍの挙動を破線で示している。素子温度Ｔについては、キャリア周波数変更制御を実行する方が、キャリア周波数固定制御を実行するよりも高くなっているが、回転電機温度Ｔｍはキャリア周波数変更制御を実行する方が、キャリア周波数固定制御を実行するよりも低くなっている。これは、図６及び図７に示すように、キャリア周波数Ｆｃが増加することにより、キャリア周波数に依存する交流回転電機２００の電力損失が減少するためである。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る回転電機制御装置１について図面を参照して説明する。図１２は、本実施の形態に係るインバータ４０の回路構成図及び回転電機制御装置１のブロック図である。
なお、上記の実施の形態１と同様の部分は、説明を省略する。

本実施の形態では、交流回転電機２００は、永久磁石式同期回転電機又は磁界巻線式同期回転電機とされており、ステータに各相の巻線が巻装され、ロータに永久磁石又は電磁磁石が設けられる。交流回転電機２００には、交流回転電機２００の巻線温度（又は磁石温度）を検出するための温度センサ５２が備えられている。回転電機制御装置１は、温度センサ５２の出力信号に基づいて、交流回転電機２００の巻線温度（又は磁石温度）（以下、回転電機温度Ｔｍと称す）を検出する回転電機温度検出手段７１を備えている。交流回転電機２００が永久磁石式同期回転電機である場合は、温度センサ５２は、少なくとも交流回転電機２００のステータ巻線に取り付けられ、回転電機温度検出手段７１は、当該温度センサ５２の出力信号に基づいて、巻線温度（回転電機温度Ｔｍ）を検出する。交流回転電機２００が磁界巻線式同期回転電機である場合は、温度センサ５２は、少なくとも交流回転電機２００の界磁巻線に取り付けられ、回転電機温度検出手段７１は、当該温度センサ５２の出力信号に基づいて、巻線温度（回転電機温度Ｔｍ）を検出する。

ＰＷＭ制御手段３０は、交流回転電機２００に出力させるトルクである要求トルクＴｘに基づいて電流指令値（本例では、二相電流指令値Ｉｄｏ、Ｉｑｏ）を演算し、交流回転電機２００の巻線を流れる電流Ｉが電流指令値に近づくように、ＰＷＭ制御を行うように構成されている。要求トルクＴｘは、回転電機制御装置１外部の制御装置から指令されるように構成されている。なお、実施の形態１も、ＰＷＭ制御手段３０は、要求トルクＴｘに基づいて電流指令値を演算するように構成されてもよい。

ＰＷＭ制御手段３０は、制御用素子温度Ｔｃが、目標素子温度Ｔｔに対して予め設定した判定範囲内にあり、且つ、回転電機温度Ｔｍが、予め設定した判定温度Ｔｍ＿ｔｈよりも高い場合に、電流指令値を上限制限するように構成されている。制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔに対して判定範囲内にあり、目標素子温度Ｔｔに近い場合は、素子温度Ｔに余裕がないため、キャリア周波数Ｆｃを増加させることで、回転電機損失Ｌｍを十分に低減させることができない。このような場合でも、電流指令値を上限制限することで、電流Ｉを低下させ、回転電機損失Ｌｍを低減させることができると共に、発熱による交流回転電機２００の減磁を抑制することができる。

本実施の形態では、ＰＷＭ制御手段３０は、制御用素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐより大きく、且つ、回転電機温度Ｔｍが判定温度Ｔｍ＿ｔｈよりも高い場合に、電流指令値を上限制限するように構成されている。この場合は、キャリア周波数Ｆｃを増加させることができないので、回転電機損失Ｌｍを低減させるためには、電流指令値を上限制限する必要がある。判定温度Ｔｍ＿ｔｈは、固定値とされてもよいし、交流回転電機２００の動作点（回転速度、出力トルク）に応じて変化されてもよい。また、回転電機温度Ｔｍが磁石温度とされる場合であって、磁石温度を直接センシングできない場合は、巻線温度や交流回転電機２００の冷却媒体温度から磁石温度を推定してもよい。冷却媒体は、水又は油とされる。温度センサ５２を全ての相の巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に取り付けて、それらの温度センサ５２の出力信号に基づいて巻線温度を検出するように構成されてもよい。なお、交流回転電機２００の巻線としては、ステータ巻線、ロータ巻線、界磁巻線等がある。

本実施の形態では、１つの素子温度センサ４７が備えられている。素子温度センサ４７は、いずれか１つのスイッチング素子４１（本例では負極側のＵ相の４１ｂ）の素子温度Ｔを検出可能にされている。素子温度検出手段３１は、１つの素子温度Ｔを検出するように構成されている。

本実施の形態では、回転電機制御装置１は、上記の実施の形態１のインバータ損失演算手段３４及びインバータ許容損失演算手段３５に代えて、回転電機損失演算手段３６及び回転電機許容損失演算手段７０を備えている。回転電機損失演算手段３６は、交流回転電機２００の現在の電力損失である回転電機損失Ｌｍを演算する。回転電機許容損失演算手段７０は、交流回転電機２００に許容される電力損失である回転電機許容損失Ｌｍｐを演算する。

そして、キャリア周波数設定手段３３は、周波数変更制御において、回転電機損失Ｌｍ及び回転電機許容損失Ｌｍｐに基づき、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔに近づくようにキャリア周波数Ｆｃを変更するように構成されている。ここで、キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔよりも低く、回転電機損失Ｌｍが回転電機許容損失Ｌｍｐを上回っている場合に、図１３に示すように、回転電機損失Ｌｍと回転電機許容損失Ｌｍｐとの損失差ΔＬｍ（絶対値）が小さいほど、キャリア周波数Ｆｃを大きくするように構成されている。

回転電機損失Ｌｍは、図６及び図７に示すように、キャリア周波数Ｆｃの増加に従って減少することから、回転電機損失Ｌｍが回転電機許容損失Ｌｍｐに近く、損失差ΔＬｉが小さいほど、キャリア周波数Ｆｃを大きくさせて、回転電機損失Ｌｍを減少させることができる。よって、交流回転電機２００の発熱量を減少させることができ、交流回転電機２００の冷却機構の小型化や簡略化を行うことができる。

本実施の形態では、回転電機損失演算手段３６は、電流Ｉに基づいて、回転電機損失Ｌｍを演算するように構成されている。回転電機損失演算手段３６は、電流Ｉと回転電機損失Ｌｍとの関係特性が予め記憶された特性マップを用い、電流Ｉに基づいて回転電機損失Ｌｍを演算する。回転電機損失演算手段３６は、電流Ｉが増加するほど、回転電機損失Ｌｍを増加させる。回転電機損失演算手段３６は、周波数変更制御によりキャリア周波数Ｆｃを変更する場合は、電流Ｉ及びキャリア周波数Ｆｃと回転電機損失Ｌｍとの関係特性が予め記憶された特性マップを用い、電流Ｉ及びキャリア周波数Ｆｃに基づいて、回転電機損失Ｌｍを演算するように構成されてもよい。図６及び図７に示すように、回転電機損失演算手段３６は、キャリア周波数Ｆｃが増加するほど、回転電機損失Ｌｍを減少させる。或いは、回転電機損失演算手段３６は、温度センサにより交流回転電機２００の冷却媒体温度Ｔｗｍを検出できるように構成されていれば、Ｌｍ＝（Ｔｍ−Ｔｗｍ）／Ｒｔｈの式を用い、冷却媒体温度Ｔｗｍ、交流回転電機２００と冷媒との間の予め設定した熱抵抗Ｒｔｈ、及び回転電機温度Ｔｍに基づいて、回転電機損失Ｌｍを演算するように構成されてもよい。

回転電機許容損失演算手段７０は、実測値等に基づいて予め設定した固定値を回転電機許容損失Ｌｍｐに設定するように構成されている。或いは、回転電機許容損失演算手段７０は、温度センサにより交流回転電機２００の冷却媒体温度Ｔｗｍを検出できるように構成されていれば、Ｌｍｐ＝（Ｔｍ＿ｍａｘ−Ｔｗｍ）／Ｒｔｈの式を用い、冷却媒体温度Ｔｗｍ、電力用半導体素子と冷媒との間の予め設定した熱抵抗Ｒｔｈ、及び交流回転電機２００の定格温度Ｔｍ＿ｍａｘに基づいて、回転電機許容損失Ｌｍｐを演算するように構成されてもよい。

キャリア周波数設定手段３３は、図１３に示すような、損失差ΔＬｍとキャリア周波数Ｆｃとの関係が予め記憶されたマップを用い、損失差ΔＬｍに基づいて、キャリア周波数Ｆｃを変更するように構成されている。

以上で説明した、実施の形態２に係る回転電機制御装置１が備えるＰＷＭ制御手段３０、素子温度検出手段３１、目標素子温度設定手段３２、及びキャリア周波数設定手段３３等の処理を、図１４及び図１５に示すフローチャートのように構成することができる。図１４及び図１５のフローチャートの処理は、演算処理装置１５が記憶装置１４に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行することにより、例えば一定時間毎に実行される。

図１４のフローチャートについて説明する。まず、ステップＳ１００１で、実施の形態１と同様に、目標素子温度設定手段３２は、温度センサの出力信号に基づき、インバータ４０の周囲温度Ｔａを検出する。そして、ステップＳ１００２で、目標素子温度設定手段３２は、目標素子温度Ｔｔを設定する。本実施形態では、目標素子温度設定手段３２は、インバータ４０の周囲温度Ｔａに基づき、周囲温度Ｔａが高いほど、目標素子温度Ｔｔを低く設定する。ステップＳ１００３で、素子温度検出手段３１は、１つのスイッチング素子４１の素子温度Ｔを検出する。ステップＳ１００４で、電流検出手段３７は、インバータ４０から交流回転電機２００の巻線に流れる電流Ｉを検出する。ステップＳ１００５で、回転電機温度検出手段７１は、上記のように、回転電機温度Ｔｍを検出する。

ステップＳ１００６で、キャリア周波数設定手段３３は、素子温度Ｔが設定された制御用素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐ以下であるか否かを判定し、変更許可温度Ｔｐ以下である場合はステップＳ１０００７へ進み、それ以外の場合はステップＳ１００８へ進む。本例では、変更許可温度Ｔｐは、定格温度Ｔｊ＿ｍａｘに設定されている。ステップＳ１００７では、キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔに近づくようにキャリア周波数Ｆｃを変更する周波数変更制御を実行する。周波数変更制御については、図１５のフローチャートを用いて後述する。

ステップＳ１００８では、キャリア周波数設定手段３３は、キャリア周波数Ｆｃを予め設定した周波数に設定する周波数固定制御を実行する。ステップＳ１００９で、ＰＷＭ制御手段３０は、回転電機温度Ｔｍが判定温度Ｔｍ＿ｔｈよりも高いか否かを判定し、高い場合はステップＳ１０１０へ進み、それ以外の場合はステップＳ１０１１に進む。ステップＳ１０１０では、ＰＷＭ制御手段３０は、電流指令値を上限制限する。

ステップＳ１０１１では、キャリア周波数設定手段３３は、上記のように、キャリア周波数Ｆｃの上下限制限を行う。そして、ステップＳ１０１２では、キャリア周波数設定手段３３は、設定したキャリア周波数ＦｃをＰＷＭ制御手段３０に出力する。そして、ＰＷＭ制御手段３０は、上記のように、キャリア周波数設定手段３３から伝達されたキャリア周波数Ｆｃのキャリア波を用いたＰＷＭ制御により、複数のスイッチング素子４１をスイッチング制御する。

次にステップＳ１００７における周波数変更制御の処理について、図１５のフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップＳ１１０１では、電流検出手段３７は、インバータ４０から交流回転電機２００の巻線に流れる電流Ｉを検出する。なお、ステップＳ１００４で取得した電流Ｉを用いてもよい。ステップＳ１１０２では、回転電機損失演算手段３６は、上記のように、交流回転電機２００の現在の電力損失である回転電機損失Ｌｍを演算する。ステップＳ１１０３では、回転電機許容損失演算手段７０は、上記のように、交流回転電機２００に許容される電力損失である回転電機許容損失Ｌｍｐを演算する。ステップＳ１１０４では、キャリア周波数設定手段３３は、回転電機損失Ｌｍと回転電機許容損失Ｌｍｐとの損失差ΔＬｍを算出する。ステップＳ１１０５では、キャリア周波数設定手段３３は、図１３に示すように、損失差ΔＬｍが小さいほど、キャリア周波数Ｆｃを大きくする。

〔その他の実施の形態〕
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記の各実施の形態においては、ゲート駆動回路４６がインバータ４０に備えられている場合を例に説明した。しかし、ゲート駆動回路４６は、回転電機制御装置１に備えられてもよい。また、ＰＷＭ制御手段３０が、インバータ４０に備えられてもよい。

（２）上記の各実施の形態においては、キャリア周波数設定手段３３は、周波数変更制御において、インバータ損失Ｌｉとインバータ許容損失Ｌｉｐとの損失差ΔＬｉが大きいほど、キャリア周波数Ｆｃを大きくする、或いは回転電機損失Ｌｍと回転電機許容損失Ｌｍｐとの損失差ΔＬｍが小さいほど、キャリア周波数Ｆｃを大きくすることにより、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔに近づくようにキャリア周波数Ｆｃを変更するように構成されている場合を例に説明した。しかし、キャリア周波数設定手段３３は、周波数変更制御において、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔに近づくようにキャリア周波数Ｆｃを変更すれば、どのような演算方法により行われてもよい。例えば、キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔに近づくように、フィードバック制御によりキャリア周波数Ｆｃを変更してもよい。この場合は、キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔを下回っていれば、キャリア周波数Ｆｃを次第に増加させ、制御用素子温度Ｔｃが目標素子温度Ｔｔを上回っていれば、キャリア周波数Ｆｃを次第に減少させればよい。

或いは、キャリア周波数設定手段３３は、キャリア周波数設定手段３３は、周波数変更制御において、交流回転電機２００に出力させるトルクである要求トルク及び交流回転電機２００の回転速度に応じてキャリア周波数Ｆｃを設定するマップを用いて、キャリア周波数Ｆｃを設定するように構成されてもよい。

（３）上記の各実施の形態においては、キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐ以下である場合であって、更に、電流Ｉが判定電流Ｉｔｈより大きい場合に、周波数変更制御を実行するように構成されている場合を例に説明した。しかし、回転電機制御装置１は、交流回転電機２００の出力トルクを検出するトルク検出手段を備え、キャリア周波数設定手段３３は、制御用素子温度Ｔｃが変更許可温度Ｔｐ以下である場合であって、更に、交流回転電機２００の回転速度が予め設定した判定回転速度より大きい、又は交流回転電機２００の出力トルクが予め設定した判定トルクよりも大きい場合に、周波数変更制御を実行するように構成されてもよい。

（４）上記の各実施の形態においては、Ｓｉ半導体材料を用いたスイッチング素子４１が備えられている場合を例に説明した。しかし、スイッチング素子４１は、シリコンよりもバンドギャップが広い非Ｓｉ半導体材料を用いてもよく、非Ｓｉ半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、及びダイヤモンドのいずれかでもよい。非Ｓｉ半導体材料を用いることで、キャリア周波数Ｆｃを高めることができ、キャリア周波数Ｆｃの変更範囲を拡大することが可能となる。キャリア周波数Ｆｃを高めることは回転電機損失の低減につながるため、更なる交流回転電機２００の冷却機構の小型化や簡素化を図ることができ、交流回転電機２００を低コスト化することが可能となる。

（５）上記の実施の形態１においては、素子温度センサが２つ設けられ、上記の実施の形態２においては、素子温度センサが１つ設けられている場合を例に説明した。しかし、素子温度センサは、例えば、全てのスイッチング素子４１に対応して設けられるなど、任意の数だけ、素子温度を検出可能な個所に設けられてもよい。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

この発明は、複数のスイッチング素子を備えて直流電源と交流回転電機との間で電力変換を行うインバータを制御する回転電機制御装置に好適に利用することができる。

１：回転電機制御装置、３０：ＰＷＭ制御手段、３１：素子温度検出手段、３２：目標素子温度設定手段、３３：キャリア周波数設定手段、３４：インバータ損失演算手段、３５：インバータ許容損失演算手段、３６：回転電機損失演算手段、３７：電流検出手段、３８：回転速度検出手段、３９：電圧検出手段、４０：インバータ、４１：スイッチング素子、４４：フリーホイールダイオード、４５：平滑コンデンサ、４６：ゲート駆動回路、４７：素子温度センサ、４８：電圧センサ、５０：電流センサ、５１：回転速度センサ、５２：温度センサ、７０：回転電機許容損失演算手段、７１：回転電機温度検出手段、２００：交流回転電機、３００：直流電源、Ｆｃ：キャリア周波数、Ｉ：電流、Ｉｔｈ：判定電流、Ｌｉｐ：インバータ許容損失、Ｌｉ：インバータ損失、Ｌｍ：回転電機損失、Ｌｍｐ：回転電機許容損失、Ｔ：素子温度、Ｔ１：第一素子温度、Ｔ２：第二素子温度、Ｔｃ：制御用素子温度、Ｔｊ＿ｍａｘ：定格温度、Ｔｍ：回転電機温度、Ｔｐ：変更許可温度、Ｔｔ：目標素子温度、Ｔｔｈ：判定温度差、Ｔｘ：要求トルク

Claims (20)

1. 複数のスイッチング素子を備えて直流電源と交流回転電機との間で電力変換を行うインバータを制御する回転電機制御装置であって、
   前記複数のスイッチング素子をＰＷＭ制御によりオンオフ制御するＰＷＭ制御手段と、
   前記スイッチング素子の素子温度を検出する素子温度検出手段と、
   前記素子温度の目標素子温度を設定する目標素子温度設定手段と、
   前記ＰＷＭ制御に用いられるキャリア波のキャリア周波数を設定するキャリア周波数設定手段と、を備え、
   前記キャリア周波数設定手段は、前記素子温度に基づいて設定した制御用素子温度が予め設定した変更許可温度以下である場合に、前記制御用素子温度が前記目標素子温度に近づくように前記キャリア周波数を変更する周波数変更制御を実行する回転電機制御装置。
2. 前記キャリア周波数設定手段は、前記周波数変更制御において、前記制御用素子温度が前記目標素子温度よりも低い場合に、前記キャリア周波数を増加させる請求項１に記載の回転電機制御装置。
3. 前記キャリア周波数設定手段は、前記周波数変更制御において、前記交流回転電機に出力させるトルクである要求トルク及び前記交流回転電機の回転速度に応じて前記キャリア周波数を設定する予め設定されたマップを用いて、前記キャリア周波数を設定する請求項１又は２に記載の回転電機制御装置。
4. 前記インバータの現在の電力損失であるインバータ損失を演算するインバータ損失演算手段と、
   前記インバータに許容される電力損失であるインバータ許容損失を演算するインバータ許容損失演算手段と、を備え、
   前記キャリア周波数設定手段は、前記周波数変更制御において、前記インバータ損失及び前記インバータ許容損失に基づき、前記制御用素子温度が前記目標素子温度に近づくように前記キャリア周波数を変更し、
   前記制御用素子温度が前記目標素子温度よりも低く、前記インバータ損失が前記インバータ許容損失を下回っている場合に、前記インバータ損失と前記インバータ許容損失との差が大きいほど、前記キャリア周波数を大きくする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
5. 前記交流回転電機の現在の電力損失である回転電機損失を演算する回転電機損失演算手段と、
   前記交流回転電機に許容される電力損失である回転電機許容損失を演算する回転電機許容損失演算手段と、を備え、
   前記キャリア周波数設定手段は、前記周波数変更制御において、前記回転電機損失及び前記回転電機許容損失に基づき、前記制御用素子温度が前記目標素子温度に近づくように前記キャリア周波数を変更し、
   前記制御用素子温度が前記目標素子温度よりも低く、前記回転電機損失が前記回転電機許容損失を上回っている場合に、前記回転電機損失と前記回転電機許容損失との差が小さいほど、前記キャリア周波数を大きくする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
6. 前記キャリア周波数設定手段は、前記周波数変更制御において、前記キャリア周波数を、予め設定した上限周波数以下に上限制限する請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
7. 前記キャリア周波数設定手段は、前記周波数変更制御において、前記キャリア周波数を、予め設定した下限周波数以上に下限制限する請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
8. 前記目標素子温度設定手段は、前記目標素子温度を、前記スイッチング素子の定格温度以下に設定する請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
9. 前記交流回転電機の磁石温度を検出する回転電機温度検出手段を備え、
   前記ＰＷＭ制御手段は、前記交流回転電機に出力させるトルクである要求トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記交流回転電機の巻線を流れる電流が前記電流指令値に近づくように、前記ＰＷＭ制御を行い、
   前記制御用素子温度が、前記目標素子温度に対して予め設定した判定範囲内にあり、且つ、前記磁石温度が、予め設定した判定温度よりも高い場合に、前記電流指令値を上限制限する請求項１から８のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
10. 前記交流回転電機の巻線温度を検出する回転電機温度検出手段を備え、
    前記ＰＷＭ制御手段は、前記交流回転電機に出力させるトルクである要求トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記交流回転電機の巻線を流れる電流が前記電流指令値に近づくように、前記ＰＷＭ制御を行い、
    前記制御用素子温度が、前記目標素子温度に対して予め設定した判定範囲内にあり、且つ、前記巻線温度が、予め設定した判定温度よりも高い場合に、前記電流指令値を上限制限する請求項１から８のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
11. 前記回転電機温度検出手段は、少なくとも前記交流回転電機のステータ巻線に取り付けられた温度センサの出力信号に基づいて、前記巻線温度を検出する請求項１０に記載の回転電機制御装置。
12. 前記交流回転電機は、界磁巻線式同期回転電機であり、
    前記回転電機温度検出手段は、少なくとも前記交流回転電機の界磁巻線に取り付けられた温度センサの出力信号に基づいて、前記巻線温度を検出する請求項１０に記載の回転電機制御装置。
13. 前記素子温度検出手段は、複数の素子温度センサの出力信号のそれぞれに基づいて複数の前記素子温度を検出し、
    前記キャリア周波数設定手段は、複数の前記素子温度に基づいて前記制御用素子温度を設定する請求項１から１２のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
14. 前記素子温度検出手段は、複数の素子温度センサの出力信号のそれぞれに基づいて複数の前記素子温度を検出し、
    前記キャリア周波数設定手段は、複数の前記素子温度の内、最も高温の前記素子温度を前記制御用素子温度に設定する請求項１から１２のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
15. 前記素子温度検出手段は、複数の素子温度センサの出力信号のそれぞれに基づいて複数の前記素子温度を検出し、
    前記キャリア周波数設定手段は、複数の前記素子温度に基づいて前記制御用素子温度を設定し、前記制御用素子温度が前記変更許可温度以下である場合であって、更に、複数の前記素子温度における最高温度と最低温度との温度差が予め設定された判定温度差以下である場合に、前記周波数変更制御を実行する請求項１から１２のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
16. 前記インバータから前記交流回転電機の巻線に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
    前記キャリア周波数設定手段は、前記制御用素子温度が前記変更許可温度以下である場合であって、更に、前記電流が予め設定した判定電流より大きい場合に、前記周波数変更制御を実行する請求項１から１５のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
17. 前記交流回転電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
    前記交流回転電機の出力トルクを検出するトルク検出手段と、を備え、
    前記キャリア周波数設定手段は、前記制御用素子温度が前記変更許可温度以下である場合であって、更に、前記交流回転電機の回転速度が予め設定した判定回転速度より大きい、又は前記交流回転電機の出力トルクが予め設定した判定トルクよりも大きい場合に、前記周波数変更制御を実行する請求項１から１６のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
18. 前記直流電源から前記インバータに供給される入力電圧を検出する電圧検出手段を備え、
    前記目標素子温度設定手段は、前記入力電圧が高いほど、前記目標素子温度を高くし、
    前記キャリア周波数設定手段は、前記周波数変更制御において、前記制御用素子温度が前記目標素子温度よりも低い場合には、前記キャリア周波数を増加させる請求項１から１７のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
19. 前記スイッチング素子は、シリコンよりもバンドギャップが広い非Ｓｉ半導体材料を用いている請求項１から１８のいずれか一項に記載の回転電機制御装置。
20. 前記非Ｓｉ半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、及びダイヤモンドのいずれかである請求項１９に記載の回転電機制御装置。

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