JP2021106473A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の制御装置において、電動機の一定の制御性を確保しつつ、インバータ回路の効率低下を抑制する。
【解決手段】パルス幅変調信号Ｓによりスイッチング素子ＳＷがスイッチングすることで電源Ｐから供給される直流電力を交流電力に変換して電動機Ｍを駆動するインバータ回路２と、電動機Ｍの回転数ω及び電動機Ｍに流れる電流を用いて算出される電圧指令値Ｖ＊と搬送波との比較結果に応じてパルス幅変調信号Ｓを出力する制御回路３とを備えて制御装置１を構成し、制御回路３は、電動機Ｍの回転数ωが回転数閾値よりも大きな高回転である場合で、かつ、変調率ｍが過変調領域以上である場合、搬送波の周波数ｆを上げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の制御装置に関する。

電動機の制御装置として、電動機の一定の制御性を確保するために、電動機の回転数が高回転である場合、搬送波の周波数を上げるものがある。関連する技術として、特許文献１がある。

ところで、搬送波の周波数が上がると、電動機を駆動するインバータ回路に備えられるスイッチング素子のスイッチング回数が増加するため、スイッチング損失が増加し、インバータ回路の効率が低下してしまう。

そのため、上記制御装置では、電動機の回転数が高回転である場合、搬送波の周波数が上がるため、インバータ回路の効率低下が懸念される。

特開２０１９−１４６３８０号公報

本発明の一側面に係る目的は、電動機の制御装置において、電動機の一定の制御性を確保しつつ、インバータ回路の効率低下を抑制することである。

本発明に係る一つの形態である電動機の制御装置は、パルス幅変調信号によりスイッチング素子がスイッチングすることで電源から供給される直流電力を交流電力に変換して電動機を駆動するインバータ回路と、電動機の回転数及び電動機に流れる電流を用いて算出される電圧指令値と搬送波との比較結果に応じてパルス幅変調信号を出力する制御回路とを備える。

制御回路は、電動機の回転数が回転数閾値よりも大きな高回転である場合で、かつ、電源の電圧に対する電圧指令値の割合を示す変調率が過変調領域以上である場合、搬送波の周波数を上げる。

このように、電動機の回転数が高回転である場合で、かつ、変調率が過変調領域以上である場合、搬送波の周波数を上げることにより、パルス幅変調信号と搬送波との単位時間あたりの比較回数が少なくなり難くなるため、実際のパルス幅変調信号と理想的なパルス幅変調信号との乖離が大きくなり難くすることができ、電動機の制御性が低下することを抑制することができる。また、電動機の回転数が高回転である場合で、かつ、変調率が過変調領域より小さい場合、搬送波の周波数が上がらない構成であるが、電動機の回転数が高回転であっても、変調率が過変調領域より小さい場合、パルス幅変調信号と搬送波との単位時間あたりの比較回数が少なくなり難くなるため、実際のパルス幅変調信号と理想的なパルス幅変調信号との乖離が大きくなり難くなり、電動機の制御性が低下することが抑制される。また、電動機の回転数が高回転である場合で、かつ、変調率が過変調領域より小さい場合、搬送波の周波数が上がらない構成であるため、スイッチング素子のスイッチング回数の増加を抑制しスイッチング素子のスイッチング損失の増加を抑制することができ、インバータ回路の効率低下を抑制することができる。すなわち、電動機の一定の制御性を確保しつつ、インバータ回路の効率低下を抑制することができる。

制御回路は、電動機の回転数が回転数閾値よりも大きな高回転である場合で、かつ、変調率が１よりも大きな変調率閾値よりも大きな場合、搬送波の周波数を上げるように構成してもよい。

このように、電動機の回転数が高回転である場合で、かつ、変調率が１よりも大きな変調率閾値よりも大きな場合、搬送波の周波数を上げる構成であるため、電動機の回転数が高回転である場合で、かつ、変調率が過変調領域以上である場合、搬送波の周波数を上げる構成に比べて、搬送波の周波数が上がる機会を少なくすることができる。そのため、スイッチング素子のスイッチング回数の増加をさらに抑制しスイッチング素子のスイッチング損失の増加をさらに抑制することができ、インバータ回路の効率低下をさらに抑制することができる。

制御回路は、電動機の回転数または電動機に流れる電流の変動率が大きくなるほど、回転数閾値を小さくするように構成してもよい。

これにより、電動機の回転数または電動機に流れる電流の変動率が比較的大きくなることで、電動機の回転数または電動機に流れる電流の誤差が比較的大きくなり、電圧指令値の算出精度が低下しても、実際のパルス幅変調信号と理想的なパルス幅変調信号との乖離が大きくなることを抑制することができるため、電動機の制御性が低下することを抑制することができる。

本発明によれば、電動機の制御装置において、電動機の一定の制御性を確保しつつ、インバータ回路の効率低下を抑制することができる。

実施形態の電動機の制御装置の一例を示す図である。 座標変換部の動作の一例を示すフローチャートである。 Ｕ相電圧指令値、搬送波、及びパルス幅変調信号の一例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態の電動機の制御装置の一例を示す図である。

図１に示す制御装置１は、例えば、電動フォークリフトやプラグインハイブリッド車などの車両に搭載される電動機Ｍを駆動するための制御装置であって、インバータ回路２と、制御回路３とを備える。なお、電動機Ｍは、回転子の位相θ（電気角）を検出し、その検出した位相θを制御回路３に出力する電気角検出部Ｓｐ（レゾルバなど）を備えているものとする。

インバータ回路２は、電源Ｐから供給される直流電力を交流電力に変換して電動機Ｍを駆動するものであって、電圧センサＳｖと、コンデンサＣと、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６（ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）など）と、電流センサＳｉ１、Ｓｉ２とを備える。すなわち、コンデンサＣの一方端が電源Ｐの正極端子及びスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ５の各コレクタ端子に接続され、コンデンサＣの他方端が電源Ｐの負極端子及びスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ４、ＳＷ６の各エミッタ端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ１のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ２のコレクタ端子との接続点は電流センサＳｉ１を介して電動機ＭのＵ相の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ３のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ４のコレクタ端子との接続点は電流センサＳｉ２を介して電動機ＭのＶ相の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ５のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ６のコレクタ端子との接続点は電動機ＭのＷ相の入力端子に接続されている。なお、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６を特に区別しない場合、単に、スイッチング素子ＳＷとする。

電圧センサＳｖは、電源Ｐの電圧Ｖｉｎを検出し、その検出した電圧Ｖｉｎを制御回路３に送る。

コンデンサＣは、電圧Ｖｉｎを平滑する。
スイッチング素子ＳＷ１は、制御回路３から出力されるパルス幅変調信号Ｓ１がハイレベルであるときオンし、パルス幅変調信号Ｓ１がローレベルであるときオフする。スイッチング素子ＳＷ２は、制御回路３から出力されるパルス幅変調信号Ｓ２がハイレベルであるときオンし、パルス幅変調信号Ｓ２がローレベルであるときオフする。スイッチング素子ＳＷ３は、制御回路３から出力されるパルス幅変調信号Ｓ３がハイレベルであるときオンし、パルス幅変調信号Ｓ３がローレベルであるときオフする。スイッチング素子ＳＷ４は、制御回路３から出力されるパルス幅変調信号Ｓ４がハイレベルであるときオンし、パルス幅変調信号Ｓ４がローレベルであるときオフする。スイッチング素子ＳＷ５は、制御回路３から出力されるパルス幅変調信号Ｓ５がハイレベルであるときオンし、パルス幅変調信号Ｓ５がローレベルであるときオフする。スイッチング素子ＳＷ６は、制御回路３から出力されるパルス幅変調信号Ｓ６がハイレベルであるときオンし、パルス幅変調信号Ｓ６がローレベルであるときオフする。なお、搬送波は、三角波、ノコギリ波（鋸歯状波）、逆ノコギリ波などとする。また、パルス幅変調信号Ｓ１〜Ｓ６を特に区別しない場合、単に、パルス幅変調信号Ｓとする。

スイッチング素子Ｓｗ１〜ＳＷ６がそれぞれオン、オフすることで、電源Ｐから出力される直流の電圧Ｖｉｎが、互いに位相が１２０度ずつ異なる交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換される。そして、交流電圧Ｖｕが電動機ＭのＵ相の入力端子に印加され、交流電圧Ｖｖが電動機ＭのＶ相の入力端子に印加され、交流電圧Ｖｗが電動機ＭのＷ相の入力端子に印加されることで、電動機Ｍに互いに位相が１２０度ずつ異なる交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが流れ、電動機Ｍの回転子が回転する。

電流センサＳｉ１は、ホール素子やシャント抵抗などにより構成され、電動機ＭのＵ相に流れる交流電流Ｉｕを検出して制御回路３に出力する。また、電流センサＳｉ２は、ホール素子やシャント抵抗などにより構成され、電動機ＭのＶ相に流れる交流電流Ｉｖを検出して制御回路３に出力する。

制御回路３は、ドライブ回路４と、演算部５と、記憶部６とを備える。なお、記憶部６は、ＲＡＭ（Random Access Memory）またはＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成され、後述する、電動機Ｍの回転数ωと電動機Ｍのトルクとが互いに対応付けられている情報Ｄ１、電動機Ｍのトルクとｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とが互いに対応付けられている情報Ｄ２、目標位相θｖとＵ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊とが互いに対応付けられている情報Ｄ３、回転数ωと変調率ｍと搬送波の周波数ｆとが互いに対応付けられている情報Ｄ４などを記憶しているものとする。

ドライブ回路４は、ＩＣ（Integrated Circuit）などにより構成され、演算部５から出力されるＵ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊と搬送波とを比較し、その比較結果に応じたパルス幅変調信号Ｓ１〜Ｓ６をスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のそれぞれのゲート端子に出力する。なお、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊を特に区別しない場合、単に、電圧指令値Ｖ＊とする。

例えば、ドライブ回路４は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波以上である場合、ハイレベルのパルス幅変調信号Ｓ１を出力するとともにローレベルのパルス幅変調信号Ｓ２を出力し、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波より小さい場合、ローレベルのパルス幅変調信号Ｓ１を出力するとともにハイレベルのパルス幅変調信号Ｓ２を出力する。また、ドライブ回路４は、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波以上である場合、ハイレベルのパルス幅変調信号Ｓ３を出力するとともにローレベルのパルス幅変調信号Ｓ４を出力し、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波より小さい場合、ローレベルのパルス幅変調信号Ｓ３を出力するとともにハイレベルのパルス幅変調信号Ｓ４を出力する。また、ドライブ回路４は、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波以上である場合、ハイレベルのパルス幅変調信号Ｓ５を出力するとともにローレベルのパルス幅変調信号Ｓ６を出力し、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波より小さい場合、ローレベルのパルス幅変調信号Ｓ５を出力するとともにハイレベルのパルス幅変調信号Ｓ６を出力する。

なお、ドライブ回路４は、変調率ｍがパルス幅変調領域である場合（例えば、０＜変調率ｍ≦１）、回転子の１周期において、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波の最小値に近づくほど、デューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ１を出力するとともにデューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ２を出力し、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波の最大値に近づくほど、デューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ１を出力するとともにデューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ２を出力する。

また、ドライブ回路４は、変調率ｍがパルス幅変調領域である場合、回転子の１周期において、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波の最小値に近づくほど、デューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ３を出力するとともにデューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ４を出力し、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波の最大値に近づくほど、デューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ３を出力するとともにデューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ４を出力する。

また、ドライブ回路４は、変調率ｍがパルス幅変調領域である場合、回転子の１周期において、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波の最小値に近づくほど、デューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ５を出力するとともにデューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ６を出力し、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波の最大値に近づくほど、デューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ５を出力するとともにデューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ６を出力する。

また、ドライブ回路４は、変調率ｍがパルス幅変調領域より高い過変調領域である場合（例えば、１＜変調率ｍ＜１．２７）、回転子の１周期のうちの一部の位相（例えば、６０度）において、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波の最小値と同じになる場合、デューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ１を出力するとともにデューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ２を出力し、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波の最大値と同じになる場合、デューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ１を出力するとともにデューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ２を出力する。また、ドライブ回路４は、回転子の１周期のうちの残りの位相において、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波の最小値に近づくほど、デューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ１を出力するとともにデューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ２を出力し、Ｕ相変調波Ｖｕ＊が搬送波の最大値に近づくほど、デューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ１を出力するとともにデューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ２を出力する。

また、ドライブ回路４は、変調率ｍが過変調領域である場合、回転子の１周期のうちの一部の位相（例えば、６０度）において、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波の最小値と同じになる場合、デューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ３を出力するとともにデューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ４を出力し、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波の最大値と同じになる場合、デューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ３を出力するとともにデューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ４を出力する。また、ドライブ回路４は、回転子の１周期のうちの残りの位相において、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波の最小値に近づくほど、デューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ３を出力するとともにデューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ４を出力し、Ｖ相変調波Ｖｖ＊が搬送波の最大値に近づくほど、デューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ３を出力するとともにデューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ４を出力する。

また、ドライブ回路４は、変調率ｍが過変調領域である場合、回転子の１周期のうちの一部の位相（例えば、６０度）において、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波の最小値と同じになる場合、デューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ５を出力するとともにデューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ６を出力し、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波の最大値と同じになる場合、デューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ５を出力するとともにデューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ６を出力する。また、ドライブ回路４は、回転子の１周期のうちの残りの位相において、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波の最小値に近づくほど、デューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ５を出力するとともにデューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ６を出力し、Ｗ相変調波Ｖｗ＊が搬送波の最大値に近づくほど、デューティ比が大きくなるパルス幅変調信号Ｓ５を出力するとともにデューティ比が小さくなるパルス幅変調信号Ｓ６を出力する。

また、ドライブ回路４は、変調率ｍが過変調領域より高い矩形波領域である場合（例えば、１．２７≦変調率ｍ）、回転子の１周期において、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波の最小値と同じになる場合、デューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ１を出力するとともにデューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ２を出力し、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波の最大値と同じになる場合、デューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ１を出力するとともにデューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ２を出力する。

また、ドライブ回路４は、変調率ｍが矩形波領域である場合、回転子の１周期において、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波の最小値と同じになる場合、デューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ３を出力するとともにデューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ４を出力し、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波の最大値と同じになる場合、デューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ３を出力するとともにデューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ４を出力する。

また、ドライブ回路４は、変調率ｍが矩形波領域である場合、回転子の１周期において、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波の最小値と同じになる場合、デューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ５を出力するとともにデューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ６を出力し、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波の最大値と同じになる場合、デューティ比が１００［％］であるパルス幅変調信号Ｓ５を出力するとともにデューティ比が０［％］であるパルス幅変調信号Ｓ６を出力する。

演算部５は、マイクロコンピュータなどにより構成され、回転数演算部７と、減算部８と、トルク制御部９と、トルク／電流指令値変換部１０と、座標変換部１１と、減算部１２と、減算部１３と、電流制御部１４と、座標変換部１５とを備える。例えば、マイクロコンピュータが記憶部６に記憶されているプログラムを実行することにより、回転数演算部７、減算部８、トルク制御部９、トルク／電流指令値変換部１０、座標変換部１１、減算部１２、減算部１３、電流制御部１４、及び座標変換部１５が実現される。

回転数演算部７は、電気角検出部Ｓｐにより検出される位相θを用いて、電動機Ｍの回転数ωを演算する。例えば、回転数演算部７は、位相θを所定時間（演算部５の動作クロックなど）で除算することにより回転数ωを求める。

減算部８は、外部から入力される回転数指令値ω＊と回転数演算部７から出力される回転数ωとの差Δωを算出する。

トルク制御部９は、減算部８から出力される差Δωを用いて、トルク指令値Ｔ＊を求める。例えば、トルク制御部９は、記憶部６に記憶されている、電動機Ｍの回転数ωと電動機Ｍのトルクとが互いに対応付けられている情報Ｄ１を参照して、差Δωに相当する回転数ωに対応するトルクを、トルク指令値Ｔ＊として求める。

トルク／電流指令値変換部１０は、トルク制御部９から出力されるトルク指令値Ｔ＊を、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に変換する。例えば、トルク／電流指令値変換部１０は、記憶部６に記憶されている、電動機Ｍのトルクとｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とが互いに対応付けられている情報Ｄ２を参照して、トルク指令値Ｔ＊に相当するトルクに対応するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を求める。

座標変換部１１は、電流センサＳｉ１により検出される交流電流Ｉｕ及び電流センサＳｉ２により検出される交流電流Ｉｖを用いて、電動機ＭのＷ相に流れる交流電流Ｉｗを求める。なお、電流センサＳｉ１、Ｓｉ２により検出される電流は、交流電流Ｉｕ、Ｉｖの組み合わせに限定されず、交流電流Ｉｖ、Ｉｗの組み合わせ、または、交流電流Ｉｕ、Ｉｗの組み合わせでもよい。電流センサＳｉ１、Ｓｉ２により交流電流Ｉｖ、Ｉｗが検出される場合、座標変換部１１は、交流電流Ｉｖ、Ｉｗを用いて、交流電流Ｉｕを求める。また、電流センサＳｉ１、Ｓｉ２により交流電流Ｉｕ、Ｉｗが検出される場合、座標変換部１１は、交流電流Ｉｕ、Ｉｗを用いて、交流電流Ｉｖを求める。

また、座標変換部１１は、電気角検出部Ｓｐにより検出される位相θを用いて、交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄ軸電流Ｉｄ（弱め界磁を発生させるための電流成分）及びｑ軸電流Ｉｑ（トルクを発生させるための電流成分）に変換する。例えば、座標変換部１１は、下記式１に示す変換行列Ｃ１を用いて、交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する。

なお、インバータ回路２において、電流センサＳｉ１、Ｓｉ２の他に、電動機ＭのＷ相に流れる交流電流Ｉｗを検出する電流センサＳｉ３をさらに備える場合、座標変換部１１は、電気角検出部Ｓｐにより検出される位相θを用いて、電流センサＳｉ１〜Ｓｉ３により検出される交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換するように構成してもよい。

減算部１２は、トルク／電流指令値変換部１０から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊と、座標変換部１１から出力されるｄ軸電流Ｉｄとの差ΔＩｄを算出する。

減算部１３は、トルク／電流指令値変換部１０から出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と、座標変換部１１から出力されるｑ軸電流Ｉｑとの差ΔＩｑを算出する。

電流制御部１４は、減算部１２から出力される差ΔＩｄ及び減算部１３から出力される差ΔＩｑを用いたＰＩ（Proportional Integral）制御により、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。例えば、電流制御部１４は、下記式２を用いてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を算出するとともに、下記式３を用いてｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。なお、ＫｐはＰＩ制御の比例項の定数とし、ＫｉはＰＩ制御の積分項の定数とし、Ｌｑは電動機Ｍを構成するコイルのｑ軸インダクタンスとし、Ｌｄは電動機Ｍを構成するコイルのｄ軸インダクタンスとし、ωは電動機Ｍの回転子の回転数とし、Ｋｅは誘起電圧定数とする。

ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊＝Ｋｐ×差ΔＩｄ＋Ｋｉ×∫（差ΔＩｄ）−ωＬｑＩｑ
・・・式２
ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊＝Ｋｐ×差ΔＩｑ＋Ｋｉ×∫（差ΔＩｑ）＋ωＬｄＩｄ＋ωＫｅ ・・・式３

座標変換部１５は、電圧センサＳｖにより検出される電圧Ｖｉｎ及び電気角検出部Ｓｐにより検出される位相θを用いて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に変換する。例えば、座標変換部１５は、下記式４に示す変換行列Ｃ２を用いて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に変換する。

または、座標変換部１５は、下記式５の計算結果を、位相差δとする。

δ＝ｔａｎ^−１（−Ｖｑ＊／Ｖｄ＊） ・・・式５

次に、座標変換部１５は、位相差δと、位相θとの加算結果を、目標位相θｖとする。

そして、座標変換部１５は、記憶部６に記憶されている、目標位相θｖとＵ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊とが互いに対応付けられている情報Ｄ３を参照して、目標位相θｖに対応するＵ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊を求める。

また、座標変換部１５は、電源Ｐの電圧Ｖｉｎに対する電圧指令値の割合を示す変調率ｍを算出する。例えば、座標変換部１５は、下記式６の計算結果を、変調率ｍとする。

また、座標変換部１５は、電動機Ｍの回転数ω及び変調率ｍを用いて、搬送波の周波数ｆを設定し、その周波数ｆをドライブ回路４に出力する。ドライブ回路４は、座標変換部１５から出力されるＵ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊と座標変換部１５から出力される周波数ｆの搬送波との比較結果に応じたパルス幅変調信号Ｓ１〜Ｓ６を出力する。

図２は、座標変換部１５の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、座標変換部１５は、電動機Ｍの回転数ωが回転数閾値よりも大きな高回転であるか否かを判断する（ステップＳ１１）。

なお、回転数閾値は、交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの波形や電動機Ｍの駆動時に発生する音などに基づいて設定されるものとする。

また、座標変換部１５は、回転数ωの変動率（回転数ωに対する回転数ωの変動幅の割合）が大きくなるほど、回転数閾値を小さくしてもよい。また、座標変換部１５は、電動機Ｍに流れる電流の変動率（ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに含まれる高調波の振幅値、または、交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに含まれる高調波の振幅値）が大きくなるほど、回転数閾値を小さくしてもよい。これにより、電動機Ｍの回転数ωまたは電動機Ｍに流れる電流の変動率が比較的大きくなることで、回転数ωまたは電動機Ｍに流れる電流の誤差が比較的大きくなり、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊の算出精度が低下しても、実際のパルス幅変調信号Ｓと理想的なパルス幅変調信号Ｓとの乖離が大きくなることを抑制することができるため、電動機Ｍの制御性が低下することを抑制することができる。

また、座標変換部１５は、回転数ωが回転数閾値以下である場合、すなわち、回転数ωが高回転でない場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、搬送波の周波数ｆとして周波数ｆ１を設定する（ステップＳ１２）。

また、座標変換部１５は、回転数ωが高回転である場合で（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、かつ、変調率ｍが過変調領域より小さい場合、すなわち、変調率ｍがパルス幅変調領域である場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、搬送波の周波数ｆとして周波数ｆ１を設定する（ステップＳ１２）。

また、座標変換部１５は、回転数ωが高回転である場合で（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、かつ、変調率ｍが過変調領域以上である場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、搬送波の周波数ｆとして周波数ｆ２を設定する（ステップＳ１４）。例えば、周波数ｆ２は、周波数ｆ１の２倍または３倍の周波数とする。

このように、回転数ωが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが過変調領域以上である場合、搬送波の周波数ｆを上げることにより、パルス幅変調信号Ｓと搬送波との単位時間あたりの比較回数が少なくなり難くなるため、実際のパルス幅変調信号Ｓと理想的なパルス幅変調信号Ｓとの乖離が大きくなり難くすることができ、電動機Ｍの制御性が低下することを抑制することができる。また、回転数ωが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが過変調領域より小さい場合、搬送波の周波数ｆが上がらない構成であるが、回転数ωが高回転であっても、変調率ｍが過変調領域より小さい場合、パルス幅変調信号Ｓと搬送波との単位時間あたりの比較回数が少なくなり難くなるため、実際のパルス幅変調信号Ｓと理想的なパルス幅変調信号Ｓとの乖離が大きくなり難くなり、電動機Ｍの制御性が低下することが抑制される。また、回転数ωが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが過変調領域より小さい場合、搬送波の周波数ｆが上がらない構成であるため、スイッチング素子ＳＷのスイッチング回数の増加を抑制しスイッチング素子ＳＷのスイッチング損失の増加を抑制することができ、インバータ回路２の効率低下を抑制することができる。すなわち、電動機Ｍの一定の制御性を確保しつつ、インバータ回路２の効率低下を抑制することができる。

なお、座標変換部１５は、回転数ωが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが１よりも大きな変調率閾値（例えば、１．２２）以下である場合、搬送波の周波数ｆとして周波数ｆ１を設定し、回転数ωが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが変調率閾値よりも大きな場合、搬送波の周波数ｆとして周波数ｆ２を設定するように構成してもよい。変調率閾値は得られる効果と制御負荷とのバランスに応じて適宜定める。

これにより、回転数ωが高回転である場合において、変調率ｍが過変調領域以上になっても、すぐには周波数ｆが上がらないようにすることができる。すなわち、回数数ωが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが変調率閾値よりも大きな場合、搬送波の周波数ｆを上げる構成は、回転数ωが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが過変調領域以上である場合、搬送波の周波数ｆを上げる構成に比べて、搬送波の周波数ｆが上がる機会を少なくすることができる。そのため、スイッチング素子ＳＷのスイッチング回数の増加をさらに抑制しスイッチング素子ＳＷのスイッチング損失の増加をさらに抑制することができ、インバータ回路２の効率低下をさらに抑制することができる。

また、座標変換部１５は、記憶部６に記憶されている、回転数ωと変調率ｍと周波数ｆとが互いに対応付けられている情報Ｄ４を参照して、回転数ω及び変調率ｍに対応する周波数ｆを設定するように構成してもよい。なお、情報Ｄ４では、回転数ω及び変調率ｍが高くなるほど、回転数ω及び変調率ｍに対応する周波数ｆが高くなるものとする。例えば、回転数ω１及び変調率ｍ１に対応する周波数ｆを周波数ｆ１とし、回転数ω２及び変調率ｍ１に対応する周波数ｆを周波数ｆ１とし、回転数ω１及び変調率ｍ２に対応する周波数ｆを周波数ｆ１とし、回転数ω２及び変調率ｍ２に対応する周波数ｆを周波数ｆ２とする。回転数ω１≦回転数閾値＜回転数ω２、変調率ｍ１≦１または変調率閾値＜変調率ｍ２、周波数ｆ１＜周波数ｆ２。例えば、回転数ωが回転数ω１であり、変調率ｍが変調率ｍ１である場合、または、回転数ωが回転数ω１であり、変調率ｍが変調率ｍ２である場合、すなわち、回転数ωが高回転でない場合、周波数ｆとして周波数ｆ１が設定される。また、回転数ωが回転数ω２であり、変調率ｍが変調率ｍ１である場合、すなわち、回転数ωが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが過変調領域より小さい場合または変調率ｍが変調率閾値以下である場合、周波数ｆとして周波数ｆ１が設定される。また、回転数ωが回転数ω２である場合で、かつ、変調率ｍが変調率ｍ２である場合、すなわち、回転数ωが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが過変調領域以上である場合または変調率ｍが変調率閾値よりも大きい場合、周波数ｆとして周波数ｆ２が設定される。

図３は、Ｕ相電圧指令値、搬送波、及びパルス幅変調信号の一例を示す図である。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）にそれぞれ示す２次元座標において、横軸は、目標位相θｖを示し、縦軸は、電圧を示している。

図３（ａ）の上側の２次元座標において、実線は回転数ωが高回転である場合の実際のＵ相電圧指令値Ｖｕ＊（搬送波が最小値になるタイミング毎に座標変換部１５により算出されるＵ相電圧指令値Ｖｕ＊）を示し、破線は回転数ωが高回転である場合の理想的なＵ相電圧指令値Ｖｕ＊を示し、一点鎖線は周波数ｆ１の搬送波を示している。また、図３（ａ）の下側の２次元座標において、実線は図３（ａ）の上側の２次元座標に示す実際のＵ相電圧指令値Ｖｕ＊と搬送波との比較結果である実際のパルス幅変調信号Ｓ１を示し、破線は図３（ａ）の上側の２次元座標に示す理想的なＵ相電圧指令値Ｖｕ＊と搬送波との比較結果である理想的なパルス幅変調信号Ｓ１を示している。

すなわち、図３（ａ）の下側の２次元座標は、回転数ωが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが過変調領域より小さい場合または変調率ｍが変調率閾値以下である場合における、実際のパルス幅変調信号Ｓ１と理想的なパルス幅変調信号Ｓ１を示している。

図３（ａ）に示すように、回転数ωが高回転であっても、変調率ｍが過変調領域より小さい場合または変調率ｍが変調率閾値以下である場合では、パルス幅変調信号Ｓ１と搬送波との単位時間あたりの比較回数が少なくなり難いため、電動機Ｍの制御性が低下することが抑制される。また、電動機Ｍが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが過変調領域より小さい場合または変調率ｍが変調率閾値以下である場合、搬送波の周波数ｆとして周波数ｆ１が設定されるため、スイッチング素子ＳＷのスイッチング回数の増加を抑制しスイッチング素子ＳＷのスイッチング損失の増加を抑制することができ、インバータ回路２の効率低下を抑制することができる。

図３（ｂ）の上側の２次元座標において、実線は回転数ωが高回転である場合の実際のＵ相電圧指令値Ｖｕ＊を示し、破線は回転数ωが高回転である場合の理想的なＵ相電圧指令値Ｖｕ＊を示し、一点鎖線は周波数ｆ２の搬送波を示している。また、図３（ｂ）の下側の２次元座標において、実線は図３（ｂ）の上側の２次元座標に示す実際のＵ相電圧指令値Ｖｕ＊と搬送波との比較結果である実際のパルス幅変調信号Ｓ１を示し、破線は図３（ｂ）の上側の２次元座標に示す理想的なＶ相電圧指令値Ｖｖ＊と搬送波との比較結果である理想的なパルス幅変調信号Ｓ１を示している。

すなわち、図３（ｂ）の下側の２次元座標は、電動機Ｍが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが過変調領域以上である場合または変調率ｍが変調率閾値より大きい場合における、実際のパルス幅変調信号Ｓ１と理想的なパルス幅変調信号Ｓ１を示している。

図３（ｂ）に示すように、電動機Ｍが高回転である場合で、かつ、変調率ｍが過変調領域以上である場合または変調率ｍが変調率閾値より大きい場合、搬送波の周波数ｆとして周波数ｆ２が設定されるため、パルス幅変調信号Ｓと搬送波との単位時間あたりの比較回数が少なくなり難くなるので、実際のパルス幅変調信号Ｓと理想的なパルス幅変調信号Ｓとの乖離が大きくなり難くなり、電動機Ｍの制御性が低下することを抑制することができる。

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１ 制御装置
２ インバータ回路
３ 制御回路
４ ドライブ回路
５ 演算部
６ 記憶部
７ 回転数演算部
８ 減算部
９ トルク制御部
１０ トルク／電流指令値変換部
１１ 座標変換部
１２ 減算部
１３ 減算部
１４ 電流制御部
１５ 座標変換部

Claims (3)

1. パルス幅変調信号によりスイッチング素子がスイッチングすることで電源から供給される直流電力を交流電力に変換して電動機を駆動するインバータ回路と、
   前記電動機の回転数及び前記電動機に流れる電流を用いて算出される電圧指令値と搬送波との比較結果に応じて前記パルス幅変調信号を出力する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記電動機の回転数が回転数閾値よりも大きな高回転である場合で、かつ、前記電源の電圧に対する電圧指令値の割合を示す変調率が過変調領域以上である場合、前記搬送波の周波数を上げる
   ことを特徴とする電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載の電動機の制御装置であって、
   前記制御回路は、前記電動機の回転数が回転数閾値よりも大きな高回転である場合で、かつ、前記変調率が１よりも大きな変調率閾値よりも大きな場合、前記搬送波の周波数を上げる
   ことを特徴とする電動機の制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電動機の制御装置であって、
   前記制御回路は、前記電動機の回転数または前記電動機に流れる電流の変動率が大きくなるほど、前記回転数閾値を小さくする
   ことを特徴とする電動機の制御装置。
   

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