JP2017127046A - 電力変換器制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機に接続した電力変換器を制御する電力変換器制御装置において、安価な構成で相電流を検出して、安定に電動機を制御する。【解決手段】ブリッジ接続された複数のスイッチング素子によって、３相以上の複数相の交流電流を出力する電力変換器を制御する電力変換器制御装置であって、前記３相以上の複数相のうち２つの相のスイッチング素子に流れる合計電流を検出する１つの電流検出部と、前記電流検出部により検出される電流を基に前記電力変換器を制御するＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ制御部とを含む電力変換器制御部を備えるよう構成した。【選択図】図1

Description

この発明は、複数の半導体スイッチング素子を用いて直流電力と交流電力との間で電力変換する電力変換器の制御装置に関し、特に電力変換器の相電流を検出してＰＷＭ制御を行う電力変換器制御装置に関するものである。

電力変換器においては、小型化が重要な課題であり、電力変換器の小型化に伴って制御装置の小型化が課題である。このため、電力変換器の相電流を検出するための電流検出部の構成を縮小することが考えられる。
複数の相を有する電力変換器の相電流を検出する従来の手法としては、各相に設けていた電流検出部を減らして、１個、あるいは２個の電流検出部で各相の電流を求める構成が提案されている。

直流電源と電力変換器との間に接続され、瞬時電流を検出する１つの電流検出部と、１つの電流検出部により検出される瞬時電流を基に複数のスイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦ制御するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号発生器を備え、ＰＷＭ制御の１キャリア周期中に少なくとも２回の瞬時電流を検出するようにした電力変換器がある（例えば、特許文献１参照）。

また、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子を３相備え、下アームスイッチング素子と直流電源のマイナス側との間に流れる電流を検出する電流検出部を３相のうち２相にそれぞれ設け、キャリア周期内における上アームスイッチング素子のＯＮ期間から３相全ての相において同一のＯＮ期間を削減することにより、電流検出部の設けられた相における２相分の相電流を検出する制御回路を備えた電力変換器がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−０９５２６３号公報 特許第３７５０６９１号公報

特許文献１に開示された装置では、一部の電圧ベクトルを時間的に大きくシフトするために、高調波が発生して、電動機の制御性能が低下するとともに、電流検出精度が悪化する。また、電流検出をキャリア周期の前半と後半で各々１回行うために、検出タイミングが時間的に離れているため検出誤差が増大するという問題がある。また、３相のスイッチングパルスのタイミングの時間差を利用して、電流を検出するため、３相電圧指令がゼロ近傍の低電圧時には、電流検出が困難になるという問題がある
また、特許文献２に開示の装置では、電力変換器の下アーム側に電流検出部を２個必要としており、装置のコストが増加するという問題点がある。

この発明は、前記のような問題点を解決するためになされたもので、電動機を駆動するために接続された電力変換器を制御する電力変換器制御装置において、安価な構成で電流を検出し、また電流を精度良く検出して安定に電動機を制御することが可能な電力変換器制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力変換器制御装置は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子によって、３相以上の複数相の交流電流を出力する電力変換器を制御する電力変換器制御装置であって、前記３相以上の複数相のうち２つの相のスイッチング素子に流れる合計電流を検出する１つの電流検出部と、前記電流検出部により検出される電流を基に前記電力変換器を制御するＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ制御部とを含む電力変換器制御部を備えるよう構成している。

この発明に係る電力変換器制御装置は、３相以上の複数相のうち２つの相のスイッチング素子に流れる合計電流を１つの電流検出部によって検出しているため、安価な構成で精度良く電流を検出することができ、特に、３相の電圧指令が低いときでも安定に電流を検出することができる。その結果、安定に電流制御を行い、電力変換器に接続された電動機の制御を可能とする。

この発明の実施の形態１の電力変換器制御装置のシステム構成図である。 この発明の実施の形態１の電力変換器制御装置の電圧ベクトルの図である。 この発明の実施の形態１の電力変換器制御装置のキャリア信号と電流検出のタイミングチャートの説明図である。 この発明の実施の形態１の電力変換器制御装置の３相電圧指令による電圧ベクトルと、検出可能な相電流の関係を示した説明図である。 この発明の実施の形態１の電力変換器制御装置のキャリア信号と第１の補正処理を行ったときの電流検出のタイミングチャート図である。 この発明の実施の形態１の電力変換器制御装置のキャリア信号と第２の補正処理を行ったときの電流検出のタイミングチャート図である。 この発明の実施の形態１の電力変換器制御装置のスイッチングパルス補正のフローチャートを示した図である。 この発明の実施の形態２の電力変換器制御装置のキャリア信号と電流検出のタイミングチャートの説明図である。 この発明の実施の形態３の電力変換器制御装置のシステム構成図である。 この発明の実施の形態４の電力変換器制御装置のシステム構成図である。 この発明の実施の形態をソフトウェアで実現するためのシステム構成図である。 この発明の実施の形態をソフトウェアで実現するためのシステム構成図である。

実施の形態１
実施の形態１は、電動機を駆動するために、スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦして所定の周波数および電圧を出力する電力変換器を、ＰＷＭ制御によって制御する電力変換器制御装置において、１個の電流検出部によって３相の電流を検出し、小型で安価な構成によって電流を検出することができ、また安定に電動機を駆動・制御することのできるよう構成した電力変換器制御装置に関するものである。

以下、この発明の実施の形態１について、電力変換器制御装置に係るシステム構成図である図１、３相電力変換器の電圧ベクトル図である図２、キャリア信号とスイッチングパルスと電流検出のタイミングの詳細を示す図３、３相電圧指令の条件と電流検出に用いる電圧ベクトルの関係を示す図４、キャリア信号とスイッチングパルスおよび第１の補正方法と電流検出のタイミングを示す図５、キャリア信号とスイッチングパルスおよび第２の
補正方法と電流検出のタイミングを示す図６、スイッチングパルスの補正のフローチャートを示す図７に基づいて説明を行う。

図１は、電動機を駆動する電力変換器制御装置のシステム構成を示している。電力変換器制御部１は、電力変換器２のスイッチング素子を制御することにより、電動機３を駆動・制御する。電動機３は、永久磁石や界磁巻線により回転子磁束を発生する電動機であり、一般的には３相交流電動機が用いられる。この実施例では、例として永久磁石を用いた回転子を有する電動機を示している。

電力変換器制御部１は、図示されていない外部からトルク指令と回転子の磁極位置を示す信号（電気角位置信号）θｅが入力され、この指令値と磁極位置信号θｅに基づいて電力変換器２を制御するスイッチングパルスを出力する。
電力変換器２は、電力変換器制御部１が出力するスイッチングパルスに基づいて直流電流源５の直流電力を交流電力に変換し、電動機３に交流電圧を印加して駆動する。電力変換器２には、Ｕ相とＶ相の下アームに流れる電流の合計値を検出する電流検出部４が備えられている。

電力変換器制御部１は、電流指令部６、電流制御部７、ＰＷＭ制御部８、相電流演算部９、電流検出部１０から構成される。
電流指令部６では、上位から与えられたトルク指令に基づき回転座標系であるｄ−ｑ座標で表された電流指令に変換する。ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊が、電流制御部７に指令値として送られる。
電流制御部７では、電流指令部６から与えられたｄ−ｑ座標系の電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊、磁極位置信号θｅ、および相電流演算部９で求められた３相電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに基づいて、３相電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊，ｖｗ＊を計算して、ＰＷＭ制御部８に出力する。

ＰＷＭ制御部８では、電流制御部７からの３相電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊，ｖｗ＊と内部で発生した三角搬送波とのキャリア比較処理を行い、電力変換器２の各スイッチング素子を駆動するスイッチングパルスを生成する。このとき、出力する電圧ベクトルの種類とそのタイミングに応じて、電流検出部１０の電流サンプリングタイミングを制御している。
なお、各スイッチングパルスのタイミング関係において、電流検出を行うための十分な時間がない場合には、一部のスイッチングパルスの出力タイミングを補正する。

相電流演算部９では、電流検出部１０で検出した２回の電流検出値を３相の電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに復元する。ＰＷＭ制御部８が出力している電圧ベクトルに従って、検出した２回の相電流の識別と残りのひとつの相電流を計算し、３相の電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを出力する。
電流検出部１０では、ＰＷＭ制御部８の出力するスイッチングパルスのタイミングに従って、電力変換器２の電流検出部４を流れる電流値を、ＰＷＭ制御の１キャリア周期内に２回検出し、３相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗのうちのいずれか２つの電流を出力する。

次に、この発明の実施の形態１に係る電力変換器制御装置の動作について、図１から図７に示した内容に基づいて説明する。
図１において、電力変換器制御部１では、上位から入力されるトルク指令と磁極位置信号θｅから３相電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊が計算される。電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊の計算方法としては、電力変換器と電動機の間に流れる相電流値を用いて電流制御ループを構成し、相電流を電流指令値どおりに流れるよう制御することが一般的である。

誘導電動機や同期電動機の制御を考える場合、３相交流座標系でなく回転座標系であるｄ−ｑ座標で行われるのが一般的である。３相交流座標系からｄ−ｑ座標系へ変換を行う行列式は（１）式のように表される。

（１）式において、ｉｄはｄ軸上で表された電流値であり、ｉｑはｑ軸上で表された電流値である。（１）式より、ｉｄ、ｉｑを、（２）式として求めることができる。

この（１）、（２）式において、磁極位置信号θは、回転子の界磁磁束の方向をｄ軸としたときの、ｄ軸の磁極位置の方向を示している。

また、ｉｗ＝−ｉｕ−ｉｖとすれば、２つの相電流からｄ−ｑ軸上の電流に変換可能である。
なお、座標変換の演算に用いるθは、電気角の磁極位置信号θｅが用いられる。
電流指令部６から、直交２相座標系で表された電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊が電流制御部７に入力されており、電流制御部７では、相電流演算部９で検出した相電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを直交２相座標系で表された電流検出値ｉｄ、ｉｑに変換した後、電流偏差をＰＩ制御器により指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を生成する。
さらに電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を磁極位置信号θｅに従って座標変換することにより、３相電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換してＰＷＭ制御部８に出力する。

一般に２相ｄ−ｑ座標系からｕ−ｖ−ｗの３相交流座標系への座標変換式は、次の（３）式として計算される。

電流制御部７は、このようにして三相電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を出力する。

このようにして求められた３相電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊は、ＰＷＭ制御により電力変換器のスイッチング素子を制御するスイッチングパルスに変換され、上下アームの短絡防止時間を付加した後、電力変換器のスイッチング素子を制御する。
電流検出部１０は、ＰＷＭ制御部８が出力する各スイッチングパルスのタイミングに合わせて電流検出部４に流れる電流をサンプリングして電流検出する。一般的に、電流検出部はシャント抵抗が用いられる。

図２は、３相の電力変換器における各相のＯＮ・ＯＦＦに対する電圧ベクトルを示した図である。Ｕ相の上アームであるＰ側のスイッチング素子、および∨相、Ｗ相の下アームであるＮ側のスイッチング素子のみＯＮする電圧ベクトル（１００）をＶ１と定義し、Ｕ相とＶ相のＰ側のスイッチング素子、およびＷ相のＮ側のスイッチング素子がＯＮする電圧ベクトル（１１０）をＶ２、Ｖ相のＰ側のスイッチング素子、およびＷ相、Ｕ相のＮ側のスイッチング素子のみＯＮする電圧ベクトル（０１０）をＶ３、Ｖ相とＷ相のＰ側のスイッチング素子、およびＵ相のＮ側のスイッチング素子がＯＮする電圧ベクトル（０１１）をＶ４、Ｗ相のＰ側のスイッチング素子、およびＵ相、Ｖ相のＮ側のスイッチング素子のみＯＮする電圧ベクトル（００１）をＶ５、Ｕ相とＷ相のＰ側のスイッチング素子、およびＶ相のＮ側のスイッチング素子がＯＮする電圧ベクトル（１０１）をＶ６とする。また、３相すべてのＰ側のスイッチング素子がＯＮする電圧ベクトル（１１１）をＶ７、３相すべてのＰ側のスイッチング素子がＯＦＦする電圧ベクトル（０００）をＶ０とする。
なお、Ｖ０、Ｖ７は、直流電源から電流が流れないため、電圧ゼロベクトルと定義する。また、前記の各電圧ベクトルにおいて、同じ相の上下アームのいずれか一方がＯＮされた場合、他方のアームはＯＦＦされる関係にある。

電力変換器２における電流検出部４には、Ｕ相とＶ相の下アームであるＮ側のスイッチング素子が共にＯＦＦとなる電圧ベクトルＶ２とＶ７以外は、必ず電流が流れる。
電流検出部４では、電圧ベクトルＶ３とＶ４では、Ｕ相のＮ側のスイッチング素子のみＯＮしているので、Ｕ相電流が検出できる。

電圧ベクトルＶ１とＶ６では、Ｖ相のＮ側のみＯＮしているので、Ｖ相電流が検出できる。電圧ベクトルＶ０とＶ５では、Ｕ相とＶ相の両方のＮ側のスイッチング素子がＯＮしているので、３相電流の和がゼロになる条件により、Ｗ相電流が検出できる。
従って、Ｖ２とＶ７以外の電圧ベクトルのときの電流を検出することにより、電流検出部４に流れるＵ相とＶ相の２つの下アームの合計電流から３相の電流を復元することが可能である。

図３に、３相の電圧指令の各スイッチングパルスと電流検出タイミングを表すタイミングチャートを示す。この例は、ｖｖ＊＞ｖｗ＊＞ｖｕ＊となる関係の一例であり、スイッチングパルスＵＮ、ＶＮ、ＷＮは、電力変換器のマイナス側に接続されたスイッチング素子群を制御する信号を表している。

ＰＷＭ制御では、キャリア信号である三角搬送波と３相電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊とが振幅比較されて、ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮの６個のスイッチングパルスに変換される。キャリア信号の谷から谷までをＰＷＭ制御の１キャリア周期と定義すると、キャリア信号の谷の時点においては、すべての相の電圧指令値がキャリア信号より大きく、電圧ベクトルＶ７の状態であり、すべての相のＮ側のスイッチング素子はＯＦＦ状態となる。このとき、いずれの相電流も検出することができない。

電圧指令の最も小さい相のＮ側のスイッチングパルスがＯＮ状態のとき、電圧ベクトルＶ２、Ｖ４，Ｖ６のいずれかの状態になる。図３の例では、電圧ベクトルＶ４を発生している。１つの相のＮ側のスイッチング素子がＯＮ状態である区間ｔ１においては、電圧ベクトルＶ２以外で、相電流を検出することができる。これらの電圧ベクトルのときの電流検出タイミングをｓ３とする。次に、二番目に大きい電圧指令の相のＮ側のスイッチング素子がＯＮ状態となると、電圧ベクトルＶ１、Ｖ３、Ｖ５のいずれかの状態になる。図３の例では、電圧ベクトルＶ３である。

２つの相のＮ側のスイッチング素子がＯＮ状態である区間ｔ２では、いずれの電圧ベクトルにおいても、相電流を検出することができる。これらの電圧ベクトルのときの電流検出タイミングをｓ４、またはｓ１とする。ｓ４は、区間ｔ２が始まってすぐに電流検出し、ｓ３と近いタイミングで検出することができる。ｓ１は、区間ｔ２で最後に電流検出する。その後、もっとも大きい電圧指令の相のＮ側のスイッチングパルスがＯＮとなると、すべての相のＮ側のスイッチング素子がＯＮ状態の電圧ベクトルＶ０の状態になる。この区間ｔ３では、Ｗ相の電流を検出することができ、このとき電流検出するタイミングをｓ２とする。電圧ベクトルＶ０において電流を検出することにより、３相の電圧指令がゼロ付近の低いレベルのときでも電流検出しやすいという利点がある。

３相電流を検出するには、ＰＷＭ制御の１キャリア周期において、電流を少なくとも２回検出する必要がある。検出した電流値の誤差を少なくするためには、検出する２回のタイミングは時間的に近い方が望ましく、この発明の電流検出のタイミングでは、ｓ３とｓ４、あるいはｓ１とｓ２の組み合わせで検出し、電圧指令に応じて切り替える。

電圧ベクトルＶ０は、３相電圧指令の最大値が一定値以下であれば、必ず発生する。従って、常に、電圧ベクトルＶ０を用いて電流を検出するよう制御し、電圧ベクトルＶ０での検出が出来ない条件のときのみ、ｓ３、ｓ４のタイミングで電流検出するよう構成する。

図４は、３相電圧指令の大小関係と電圧ベクトル、そのとき検出可能な相電流の関係を示したものである。電圧指令の一定条件では、電圧ベクトルＶ０とＶ５が発生し、この場合、電圧ベクトルＶ０で検出するときと同じＷ相電流の検出となるため、ｓ１、ｓ２のタイミングで異なる２つの電流を検出することができない。従って、この場合、ｓ３、ｓ４のタイミングで電流検出する。なお、電圧ベクトルＶ２が発生した場合、ｓ３、ｓ４のタイミングで電流を検出することができない。その結果、式（４）に示す組合せで電流検出を行うことにより、全ての条件で異なる２つの相電流を検出することができる。

このように、電圧指令の大小関係によって、検出するタイミングを切り替えれば、すべての３相電流を検出することができる。
なお、条件４、６以外にも、電圧ベクトルＶ０での電流検出ができない場合がある。電圧指令の最大値が一定値以上になることにより、電圧ベクトルＶ０の出力時間である区間ｔ３が短くなり、電圧ベクトルＶ０での電流検出ができない場合である。このようなケースでは、ｓ３、ｓ４のタイミングで２回電流検出を行う。

電圧ベクトルに応じて電流を検出するとき、安定に精度良く電流検出を行うためには、一定の時間以上、継続して電圧ベクトルを出力する必要がある。しかし、３相のうちの２つの電圧指令値がほぼ一致した場合など、一部の電圧ベクトルの出力時間が、ほとんどゼロになるケースが存在する。その場合、スイッチングパルスの出力を時間シフトすることによって、電流検出区間を確保するよう構成している。

図５に、スイッチングパルスの補正動作の詳細なタイミングチャートを示す。この図は、ｖｖ＊＞ｖｗ＊＞ｖｕ＊のときの一例である。この例では、ｓ１、ｓ２のタイミングで電流検出を行う例であるが、区間ｔ２の時間が十分でなく、最大電圧ｖｕ＊のスイッチングパルスＵＮを時間ｔａ遅らせることにより、電流検出のための区間ｔ２‘を確保している。その補正処理のとき、１キャリア周期中で出力するスイッチングパルスのＯＮ状態の時間が、変わらないように制御する。その結果、スイッチングパルスを時間シフトしても、電力変換器が電動機に印加する電圧は変わらない。なお、時間シフトはＰ側とＮ側の両方のパルスに対して行う。
検出区間ｔ１が十分な時間の長さがなく、スイッチングパルスの補正が必要となる場合がある。このとき、中間値の電圧指令のスイッチングパルスを補正する。

図６は、ｖｗ＊＞ｖｕ＊＞ｖｖ＊のときの電流検出のタイミングチャート図である。この場合、中間電圧ｖｕ＊のスイッチングパルスＵＮの出力を時間シフトすることによって、電流検出区間ｔ１‘が一定以上発生するよう制御する。図６の例では、スイッチングパルスＵＮを時間ｔｂ遅らせて、電流検出区間ｔ１’を確保している。

図７は、ＰＷＭ制御部８で行われるスイッチングパルスの補正のフローチャートを示したものである。
３相電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊が入力されると、スイッチングパルスに変換するためのキャリア比較処理を行い、並行して、電圧指令の大小関係が判定される。式（４）に示す条件１、２、３、５のときは、ｓ１、ｓ２のタイミングによる電流検出を行い、条件４、６のときは、ｓ３、ｓ４のタイミングによる電流検出を行う。条件１、２、３、５のときは、最大電圧Ｖｍａｘと中間電圧Ｖｍｅｄの差ｔ２が、一定以上の時間がなければ、最大電圧Ｖｍａｘのスイッチングパルスを補正する。

まず、最大電圧Ｖｍａｘと中間電圧Ｖｍｅｄの差ｔ２を求める。Ａｄｍｉｎは、電流検出に必要な最低時間であり、ＡＤ変換等に要する時間の合計時間である。ここで、最低電流検出時間Ａｄｍｉｎと区間ｔ２との差ｔａを計算する。区間ｔａが負となる場合、区間ｔ２が十分な長さでない状態であるので、最大電圧Ｖｍａｘのスイッチングパルスをｔａ時間以上遅れるようシフトする。その結果、区間ｔ２は、最低電流検出区間Ａｄｍｉｎ以上となるよう補正される。補正された検出区間をｔ２‘とする。

条件４，６のときは、中間電圧Ｖｍｅｄと最小電圧Ｖｍｉｎの差ｔ１が、一定以上の時間がなければ、中間電圧Ｖｍｅｄのスイッチングパルスを補正する。まず、中間電圧Ｖｍｅｄと最小電圧Ｖｍｉｎの差ｔ１を求める、最低電流検出時間Ａｄｍｉｎと区間ｔ１との差ｔｂを計算する。区間ｔｂが負となる場合、区間ｔ１が十分な長さのない状態であるので、中間電圧Ｖｍｅｄのスイッチングパルスをｔｂ時間以上遅れるようシフトする。その結果、区間ｔ１は、最低電流検出区間Ａｄｍｉｎ以上となるよう補正される。補正された検出区間はｔ１‘とする。

条件１、２、３、５、あるいは条件４、６のいずれかの補正のあと、スイッチングパルスに短絡防止時間Ｔｄが付加されて電力変換器２に出力される。
この発明の実施の形態１では、３相交流電動機を例として説明を行ったが、この発明の対象となる電動機は、界磁巻線式同期電動機、永久磁石型同期電動機、誘導電動機等いずれの電動機でもよい。

また、この発明における電流検出部４はシャント抵抗でなく、ホール素子を用いたものなど他の電流検出部でもよい。
また、この発明における電圧指令の計算には、位置センサによる磁極位置情報を用いて計算を行ったが、磁極位置情報を用いないＶ／ｆ制御などを適用してもよい。この場合、検出した相電流値を、過電流防止など他の用途に用いることが可能である。
また、この発明における電力変換器において検出する電流は、Ｕ相とＶ相の組み合わせ以外の２相（Ｕ相およびＷ相、またはＶ相およびＷ相）でも同様に電流検出可能である。

以上説明したように、実施の形態１に係る電力変換器制御装置は、直流電力を供給する直流電源と、ブリッジ接続されたスイッチング素子からなり前記直流電源に接続された電力変換器と、前記直流電源と前記電力変換器との間に接続され、複数の相に流れる電流のうちの２つの相の合計電流を検出する１つの電流検出部と、前記１つの電流検出部により検出される電流を基に電力変換器に与える電圧指令を演算し、前記電圧指令に基づき、前記複数のスイッチング素子をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号制御部とから構成されるため、安価な構成で精度良く電流を検出することができ、安定に電動機を制御することを可能とする効果がある。

なお、図１では、電流検出部４が、電力変換器２の下アームのスイッチング素子のマイナス側に流れる電流を検出したが、上アームのスイッチング素子のプラス側に流れる電流を検出してもよい。その際、電圧ベクトルについては、図４の、Ｖ１はＶ４、Ｖ２はＶ５、Ｖ３はＶ６、Ｖ４はＶ１、Ｖ５はＶ２、Ｖ６はＶ３、Ｖ０はＶ７、Ｖ７はＶ０に置き換えれば良い。

実施の形態２．
実施の形態２に係る電力変換器制御装置は、実施の形態１とは異なり、ＰＷＭ制御の１周期の間に４回の電流を検出するよう構成としたものである。
以下、この発明の実施の形態２について、キャリア信号とスイッチングパルス、および電流検出タイミングの詳細を示す図８に基づいて説明する。

図８においては、電動機を駆動する電力変換器制御装置における電流検出のタイミングを示している。ＰＷＭ制御の１周期に４回の電流検出を行うよう構成し、ＰＷＭ制御の１キャリア周期の前半に２回、後半に２回の電流検出を行う。ＰＷＭ制御の１キャリア周期の後半の区間では、前半と同じ電圧ベクトルが発生しているので、前半の検出と同様、時間的に近い部分で２回検出することにより、前半の区間と同様の電流検出を行うことができる。

電圧ベクトルＶ０での電流検出が可能な場合、ｓ１、ｓ２のタイミングで２回検出した後、ｓ５、ｓ６のタイミングで２回電流検出を行い、計４回の電流検出を行う。このとき、ｓ１で検出した電流とｓ６で検出した電流は同じ相の電流であり、２回の検出電流値の平均化処理を行うことにより、検出誤差を低減することができる。同様に、ｓ２で検出した電流とｓ５で検出した電流は同じ相の電流であるため、２回の検出電流値の平均化処理を行うことにより、検出誤差を低減することができる。

電圧ベクトルＶ０での検出ができない場合等、ｓ１、ｓ２のタイミングで電流検出できないときは、ｓ３、ｓ４のタイミングで２回電流検出を行い、同様に、ｓ７、ｓ８でさらに２回の検出を行うことにより、ｓ３、ｓ４と同じ相の電流を２回検出することができる。従って、ｓ３とｓ８、ｓ４とｓ７の平均化処理を行うことにより、電流の検出精度を向上することができる。

なお、実施例１と同様に、電圧ベクトルの出力時間が不足して電流検出が困難なときには、スイッチングパルスを補正する必要がある。例えば、最大の電圧指令のスイッチングパルスを補正する場合、Ｎ側のスイッチングパルスの立上がりを遅らせて、区間ｔ２を長くなるよう補正すると、逆に立下りタイミングは遅れ、区間ｔ５は短くなり、電圧ベクトルの出力時間が減少し、電流検出を行う十分な時間がなくなる可能性がある。従って、スイッチングパルスの補正を行う場合は、ＰＷＭ制御の１キャリア周期の後半での検出を省略するなどの対応を行う。

以上説明したように、実施の形態２に係る電力変換器制御装置は、ＰＷＭ制御の周期に４回の電流を検出する構成としているため、実施例１と比較して、より精度良く電流検出を行うことができ、安定に電動機を制御することを可能とする効果がある。

実施の形態３．
実施の形態３に係る電力変換器制御装置は、回転子に界磁巻線を有する電動機を制御する構成としたものである。以下、この発明の実施の形態３について、電力変換器制御装置に係るシステム構成図である図９に基づいて説明する。
図９において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。図９は、実施の形態１と異なり、回転子の界磁巻線の電流を制御する界磁電流制御部を備えた電力変換器制御装置のシステム構成を示している。

図９において、界磁電流制御部１２は、電動機１１の界磁巻線に流れる電流を制御するものであり、界磁電流を調整することにより、トルクや誘起電圧を調整することが出来るよう構成されている。また、界磁電流を調整することにより、固定子側で発生する端子電圧を調整することが可能である。
この実施例では、３相電圧指令の最大電圧値が大きく、電圧ベクトルＶ０の検出区間が不足するような運転条件では、界磁電流を低く抑制することによって３相電圧指令が低くなるよう制御し、電圧ベクトルＶ０の電流検出区間が、最低電流検出区間Ａｄｍｉｎ以上になるよう制御する。

界磁電流制御部１２は、内部にある界磁電流検出部において検出した界磁電流をフィードバック制御する方法や、あるいは固定電圧を印加しておおよその電流値になるよう制御する方式など、いくつかの制御方法がある。
以上説明したように、実施の形態３に係る電力変換器制御装置は、界磁巻線を有する電動機を制御する構成としているため、実施例１と同様に、安価な構成で電流検出を行うことができ、また、スイッチングパルスの補正を行うことなく、電圧ベクトルＶ０での検出を行うことができるように構成しており、その結果、安定に電動機を制御することを可能とする効果がある。

実施の形態４．
実施の形態４に係る電力変換器制御装置は、巻線群を複数有する電動機１４に接続される第１の電力変換器２と第２の電力変換器１５を制御する構成としたものである。
以下、この発明の実施の形態４について、電力変換器制御装置に係るシステム構成図である図１０に基づいて説明する。

図１０において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。図８は、実施の形態１と異なり、例として２つの巻線群を有する電動機１４に対応する二重化した電力変換器制御装置のシステム構成を示している。

図１０において、巻線群を二重化された電動機１４を駆動するため、第１の電力変換器２と第２の電力変換器１５が電動機１４に接続されている。第２の電力変換器１５には、２つの相の下アームの合計電流を検出するための第２の電流検出部１６が備えられている。

電力変換器制御部１３は、電流指令部１７、電流制御部１８、ＰＷＭ制御部１９、相電流演算部２０、電流検出部２１から構成される。それぞれ、２つの巻線群に対応した制御を行うことが可能なよう構成されている。第１電力変換器２と第２の電力変換器１５の制御方法は同じである。

電流検出のタイミング制御は、第１の実施例と同様であり、２系統の電流検出処理が並行して行われる。タイミングや補正の計算は第１の実施例と同様である。
以上説明したように、実施の形態４に係る電力変換器制御装置は、巻線群が多重化された電動機を制御する構成としているため、実施例１と同様に安価に電流検出を行う、二重化された電動機も安定に精度良く制御することを可能とする効果がある。

図１１は、以上のような実施例をマイコン等を使用してソフトウェアで制御するための構成である。
図１１において、２２は上位コントローラ、２３はＳＲＡＭなどの記憶装置、２４は電力変換器を制御するためのＰＷＭ制御を行うプロセッサ、２５は１個の電流検出部を備えた電力変換器、２６は電動機である。

上位コントローラ２２は、プロセッサ２４に指令値を与えて、プロセッサ２４は、記憶装置２３にデータを保持する等、データ処理して、電流制御やＰＷＭ制御を行い、スイッチングパルスを電力変換器２５に出力する。電力変換器２５では、２つの相に流れる下アームの電流の合計を検出して、プロセッサ２４に出力している。プロセッサ２４は、出力するスイッチングパルスのタイミング等に合わせて、相電流を計算する。
以上説明したように、電力変換器の制御をソフトウェアで処理することも可能であり、安価なコストで実現することも可能である。

ここで、実施の形態１から４の電力変換器制御部１の構成要素である電流指令部６、電流制御部７、ＰＷＭ制御部８、相電流演算部９、電流検出部１０の各機能は、処理回路により実現される。処理回路は、図１２に示す処理回路２７のような専用のハードウェアであっても、図１１に示すメモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサ２４（ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう）であってもよい。

処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが該当する。電流指令部６、電流制御部７、ＰＷＭ制御部８、相電流演算部９、電流検出部１０の各機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各機能をまとめて処理回路で実現してもよい。

また、図１１に示すように、処理回路がプロセッサ２４の場合、電流指令部６、電流制御部７、ＰＷＭ制御部８、相電流演算部９、電流検出部１０の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、記憶装置２３に格納される。処理回路は、記憶装置２３に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。

すなわち、電流指令部６、電流制御部７、ＰＷＭ制御部８、相電流演算部９、電流検出部１０の各ステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するための記憶装置２３を備える。また、これらのプログラムは、電流指令部６、電流制御部７、ＰＷＭ制御部８、相電流演算部９、電流検出部１０の手順や方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。また、記憶装置２３とは、例えば、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性または揮発性の半導体メモリや、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ＤＶＤ等が該当する。

また、電流指令部６、電流制御部７、ＰＷＭ制御部８、相電流演算部９、電流検出部１０の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。例えば、電流検出部１０については、専用のハードウェアとしての処理回路でその機能を実現し、電流指令部６、電流制御部７、ＰＷＭ制御部８、相電流演算部９については処理回路が記憶装置２３に格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。

このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、前述の各機能を実現することができる。

この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。

１、１３ 電力変換器制御部、２、１５、２５ 電力変換器、
３、１１、１４、２６ 電動機、
４、１６ 電流検出部、５ 直流電源、６、１７ 電流指令部、
７、１８ 電流制御部、８、１９ ＰＷＭ制御部、
９、２０ 相電流演算部、１０、２１ 電流検出部
２２ 上位コントローラ、２３ 記憶装置、２４ プロセッサ、
２７ 処理回路

Claims (7)

1. ブリッジ接続された複数のスイッチング素子によって、３相以上の複数相の交流電流を出力する電力変換器を制御する電力変換器制御装置であって、前記３相以上の複数相のうち２つの相のスイッチング素子に流れる合計電流を検出する１つの電流検出部と、前記電流検出部により検出される電流を基に前記電力変換器を制御するＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ制御部とを含む電力変換器制御部を備えたことを特徴とする電力変換器制御装置。
2. 前記電力変換器制御部が、前記電流検出部により検出される電流を基に前記電力変換器に与える電圧指令を計算する電流制御部を備え、前記電流制御部からの前記電圧指令に基づいて、前記ＰＷＭ制御部が前記ＰＷＭ信号を出力し、前記電流検出部が前記ＰＷＭ信号を生成するキャリア信号の１周期中に少なくとも２回の電流を検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器制御装置。
3. 前記電流検出部は、前記電力変換器において、複数の相のうち特定の相が通電している電圧ベクトルと、マイナス側、あるいはプラス側のすべての相のスイッチング素子が通電している電圧ゼロベクトルのタイミングで電流を検出することを特徴とする請求項２に記載の電力変換器制御装置。
4. 前記電流検出部は、前記ＰＷＭ信号を生成するキャリア信号の１周期中に、前記電圧ゼロベクトルと他の電圧ベクトルとのタイミングで少なくとも２回電流の検出を行い、あるいは前記電圧ゼロベクトルでない複数の電圧ベクトルのタイミングで少なくとも２回電流の検出を行い、前記電圧ベクトルの条件に応じていずれかの電流の検出を切り替えて行うよう制御することを特徴とする請求項３に記載の電力変換器制御装置。
5. 前記電流検出部は、前記ＰＷＭ信号を生成するキャリア信号の１周期中の前半に２回の電流検出を行い、さらに後半で２回の電流検出を行い、前記ＰＷＭ信号を生成するキャリア信号の１周期中に少なくとも４回電流を検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器制御装置。
6. 前記ＰＷＭ制御部は、回転子に界磁巻線を有する電動機に接続されている前記電力変換器を制御して、前記電動機の界磁電流を調整することにより、前記電流検出部が、マイナス側、あるいはプラス側のすべての相のスイッチング素子が通電している前記電圧ゼロベクトルの区間で電流検出できるように制御するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換器制御装置。
7. 前記電力変換器が、複数の相を有する固定子巻線を多重化された電動機に接続され、前記電動機の各々の巻線群に対応して第１の電力変換器と第２の電力変換器を備え、前記電力変換器制御部が、前記電流検出部により検出される電流を基に前記第１の電力変換器と前記第２の電力変換器に与える電圧指令を計算する電流制御部を備え、前記電流制御部からの前記電動機の各々の巻線群に対応した前記電圧指令に基づいて、前記ＰＷＭ制御部が前記電動機の各々の巻線群に対応した前記複数のスイッチング素子をオン・オフ制御するための前記ＰＷＭ信号を出力し、前記電流検出部が、前記ＰＷＭ制御部の出力する前記ＰＷＭ信号に基づいて電流を検出することを特徴とする請求項１に記載の電力変換器制御装置。
   

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