JP2023009717A - モータ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、小型化・低コスト化を実現しつつ、３レベルインバータにおけるモータの相電流検出をインバータの直流部分の電流から復元できるモータ駆動制御装置を提供。【解決手段】直流電源装置１０１の中間電位端と三相モータ１０３の入力端子との間に設けられた中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕと、直流電源装置１０１の中間電位端と中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕとの間に設けられている第一の電流検出手段１０５とを備え、キャリア信号の一周期内において、直流電源装置１０１の中間電位端と三相モータ１０３の入力端子とをオン／オフする中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕがオン状態である相の組み合わせが異なる期間に、第一の電流検出手段１０５が検出した複数の電流値に基づいて、三相モータ１０３の相電流情報を復元するモータ駆動制御装置。【選択図】図１

Description

本開示は、モータ駆動制御装置に関する。

特許文献１は、正極、負極、および中性点を有し、直流電力を出力する直流電源装置と、複数の半導体スイッチング素子を有してなり、直流電源装置から供給される直流電力を交流電力に逆変換して、負荷に三相交流電力を供給する３レベルインバータ回路を開示する。

この３レベルインバータ回路を備えて構成される電力変換装置において、３レベルインバータ回路の正極と中性点との間に接続された第１の平滑コンデンサに並列に接続された第１の補助コンデンサと、３レベルインバータ回路のＵ、Ｖ、Ｗ各相の中性点と負極との間に接続された第２の平滑コンデンサに並列に接続された第２の補助コンデンサと、第１および第２の補助コンデンサを流れる電流を検知する電流検知手段と、電流検知手段により検知された検知信号を検知する検知手段とを備えている。

これにより、電力変換装置の正極と中性点との間、または、中性点と負極との間にて直流短絡故障が発生した場合に、補助コンデンサを流れる短絡電流を電流検知手段で検知し、その信号を検知手段で検知して、直流短絡故障の発生を検知できる。

特開２００３－７０２５８号公報

本開示は、小型化・低コスト化を実現しつつ、３レベルインバータにおけるモータの相電流検出をインバータの直流部分の電流から復元できるモータ駆動制御装置を提供する。

本開示におけるモータ駆動制御装置は、高電位端、低電位端、および中間電位端を有し、直流電力を出力する直流電源装置と、前記直流電源装置と三相モータの各入力端子との間にそれぞれ設けられている複数のアームと、前記複数のアームのそれぞれに設けられ、前記高電位端と前記三相モータの入力端子とをオン／オフする高電位端側半導体スイッチ、前記中間電位端と前記三相モータの入力端子とをオン／オフする中間電位端側半導体スイッチ、前記低電位端と前記三相モータの入力端子とをオン／オフする低電位端側半導体スイッチから構成される半導体スイッチ群と、前記中間電位端と前記半導体スイッチ群との間に設けられている第一の電流検出手段と、前記低電位端と前記半導体スイッチ群との間に設けられている第二の電流検出手段と、制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記直流電源の直流電圧の範囲内の所望の各交流電圧目標値と、前記交流電圧の周波数よりも十分高い周波数を有して、前記高電位端と前記中間電位端の間を変化する第一のキャリア信号と、同一時間周期で前記中間電位端と前記低電位端の間を変化する第二のキャリア信号とを用いて、前記高電位端側半導体スイッチと前記中間電位端側半導体スイッチと前記低電位端側半導体スイッチをオン／オフ制御して、そのオン／オフ比率により所望の各交流電圧を、前記三相モータの各入力端子から出力するように制御し、前記第一の電流検出手段または前記第二の電流検出手段が過剰な電流を検出した場合には、前記高電位端側半導体スイッチと前記中間電位端側半導体スイッチと前記低電位端側半導体スイッチのうちのいずれかに過剰な電流が流れていると判断して、前記高電位端側半導体スイッチと前記中間電位端側半導体スイッチと前記低電位端側半導体スイッチをオフにするとともに、キャリア信号の一周期内において、中間電位端側半導体スイッチがオン状態である相の組み合わせが異なる期間に、前記第一の電流検出手段が検出した複数の電流値に基づいて、前記三相モータの相電流情報を復元することを特徴とする。

本開示におけるモータ駆動制御装置は、小型化・低コスト化を実現しつつ、３レベルインバータにおけるモータの相電流検出をインバータの直流部分の電流から復元できる。

実施の形態１におけるモータ駆動制御装置の全体構成を示すブロック回路図 実施の形態１における制御回路の構成を示す回路ブロック図 実施の形態１における制御回路の処理手順を示すフローチャート 実施の形態１における制御回路の三相電流復元の処理手順を示すフローチャート 実施の形態１における半導体スイッチの第一のオン／オフパターンと中間電位端電流との関係を示す波形図 図５における電流検出方法とは異なる電流検出方法を示す波形図 図５および図６における電流検出方法とは異なる電流検出方法を示す波形図 実施の形態１における半導体スイッチの第二のオン／オフパターンと中間電位端電流との関係を示す波形図 図８における電流検出方法とは異なる電流検出方法を示す波形図 実施の形態２における制御回路の構成を示す回路ブロック図 実施の形態２における半導体スイッチのオン／オフパターンと各部の電流との関係を示す波形図 実施の形態２における半導体スイッチの他のオン／オフパターンと各部の電流との関係を示す波形図 実施の形態３における半導体スイッチの修正オン／オフパターンで修正する前の波形図 実施の形態３における半導体スイッチの修正オン／オフパターンと各部の電流との関係を示す波形図 実施の形態３における半導体スイッチの他の修正オン／オフパターンと各部の電流との関係を示す波形図 実施の形態３における半導体スイッチの他の修正オン／オフパターンと各部の電流との関係を示す波形図 実施の形態４における半導体スイッチの第一のオン／オフパターンと中間電位端電流との関係を示す波形図

（本開示の基礎となった知見等）
以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～図９を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
［１－１－１．モータ駆動制御装置の構成］
図１において、直流電源装置１０１の高電位端、中間電位端、低電位端と三相モータ１０３の各入力端子とは、それぞれｕ相アーム１０２ｕ、ｖ相アーム１０２ｖ、ｗ相アーム１０２ｗを介して接続されている。

なお、中間電位端からの出力側には、第一の電流検出手段である電流センサ１０５が設けられ、中間電位端からの入出力電流を検出することができる。

同様に、低電位端からの出力側には、第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６が挿入され、低電位端からの入出力電流を検出することができる。

ｕ相アーム１０２ｕには、高電位端と三相モータ１０３のｕ相入力端子との間をオン／オフする高電位端側半導体スイッチ１１１ｕ、中間電位端と三相モータ１０３のｕ相入力端子との間をオン／オフする中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕ、低電位端と三相モータ１０３のｕ相入力端子との間をオン／オフする低電位端側半導体スイッチ１１２ｕが設けられている。

なお、ｖ相アーム１０２ｖ、ｗ相アーム１０２ｗにも同様に、高電位端と三相モータ１０３の入力端子との間をオン／オフする高電位端側半導体スイッチ（図示せず）、中間電位端と三相モータ１０３の入力端子との間をオン／オフする中間電位端側半導体スイッチ（図示せず）、低電位端と三相モータ１０３の入力端子との間をオン／オフする低電位端側半導体スイッチ（図示せず）が設けられている。

これらの複数の半導体スイッチから構成される半導体スイッチ群のオン／オフの組合せで、三相モータ１０３の各入力端子（ｕ相、ｖ相、ｗ相）に、直流電源装置１０１の電圧幅の範囲内で任意の電圧の供給を実現する。

ここで、ｕ相アーム１０２ｕ、ｖ相アーム１０２ｖ、ｗ相アーム１０２ｗに設けられている複数の半導体スイッチのオン／オフについては、同一のアーム内においては、複数の半導体スイッチが同時にオンの状態になってはいけないという事項がある。

例えば、高電位端側半導体スイッチ１１１ｕと中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕが同時にオンの状態になると、直流電源装置１０１の出力端のうち、高電位端と中間電位端とが短絡して大電流が流れることになり、高電位端側半導体スイッチ１１１ｕや中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕの許容電流を超えてしまい、高電位端側半導体スイッチ１１１ｕや中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕの破壊を招く可能性がある。

同様なことは、中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕと低電位端側半導体スイッチ１１２ｕが同時にオンの状態になっても、あるいは、高電位端側半導体スイッチ１１１ｕと低電位端側半導体スイッチ１１２ｕが同時にオンの状態になっても生じる。

このような場合、第一の電流検出手段である電流センサ１０５や第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６を用いることにより、短絡による大電流を検知することができる。

例えば、高電位端側半導体スイッチ１１１ｕと中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕが同時にオンの状態の場合であれば、電流センサ１０５で大電流が流れていることが検出できる。

また、高電位端側半導体スイッチ１１１ｕと低電位端側半導体スイッチ１１２ｕが同時にオンの状態の場合や、中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕと低電位端側半導体スイッチ１１２ｕの同時にオンの状態であれば、シャント抵抗１０６で大電流が流れていることが検出できる。

以上、ｕ相アームについて説明したが、ｖ相アームやｗ相アームであっても、短絡して大電流が流れるループに第一の電流検出手段である電流センサ（図示せず）や第二の電流検出手段であるシャント抵抗（図示せず）が設けられており、それらを用いることで、同一のアーム内における複数の半導体スイッチの同時オンによる短絡を検出することができる。

短絡が検出された場合、全ての半導体スイッチをオフするなどの処置を行い、半導体スイッチの保護を行う。以上により、電流センサ１０５とシャント抵抗１０６を用いることで、半導体スイッチの同時オンによる半導体スイッチの破壊を防止することができる。

次に、三相モータ１０３と電流との関係を説明する。例えば、三相モータのｕ相において、中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕがオンの状態になっていれば、電流センサ１０５には、三相モータ１０３のｕ相に流れる電流が検出される。

ただし、三相モータ１０３の他の相であるｖ相やｗ相の中間電位端側半導体スイッチ（図示せず）もオンになっていれば、電流センサ１０５には、三相モータ１０３の各入力端子（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のうち、中間電位端側半導体スイッチがオンになっている相を流れる電流の合計値が検出される。

例えば、ｕ相アーム１０２ｕ、ｖ相アーム１０２ｖ、ｗ相アーム１０２ｗにおいて、中間電位端との中間電位端側半導体スイッチのうち、ｕ相アーム１０２ｕの中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕのみがオン状態である区間の電流センサ１０５の出力結果によって三相モータ１０３のｕ相に流れる電流が検出できる。

なお、ｕ相アーム１０２ｕの中間電位端側半導体スイッチ１１３ｕとｖ相アーム１０２ｖの中間電位端側半導体スイッチ（図示せず）とが同時にオンの状態であれば、電流センサ１０５の出力結果は、三相モータ１０３のｕ相に流れる電流と三相モータ１０３のｖ相に流れる電流との合計値になる。

ただし、これらの電流検出の区間が短い場合には、その区間における三相モータ１０３の各入力端子（ｕ相、ｖ相、ｗ相）を流れる電流の値は一定とみなされるので、三相モータ１０３では、三相モータ１０３の各入力端子（ｕ相、ｖ相、ｗ相）を流れる電流の合計値はゼロであることを利用して、三相モータ１０３のｕ相に流れる電流と三相モータ１０３のｖ相に流れる電流との合計値は、三相モータ１０３のｗ相に流れる電流の符号反転値となる。

そして、三相モータ１０３のｕ相の電流値と三相モータ１０３のｗ相の電流値とから、三相モータ１０３のｖ相の電流値を算出することができる。このようにして三相モータ１０３の三相電流を復元することができる。

［１－１－２．制御回路の構成］
図２は、図１における制御回路１０４の回路ブロック図を示したものである。

制御回路１０４は、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）３０１、電流センサ用ＡＤ変換器３０２、３レベル三相ＰＷＭ作成器３０３、第一ＡＤ変換用開始タイマ３０４、第二ＡＤ変換用開始タイマ３０５、インバータキャリア発生器３０６で構成される。

マイクロコンピュータ３０１では、電流センサ用ＡＤ変換器３０２における変換値を用いて、三相モータ１０３の電流情報を復元し、三相モータ１０３の電圧指令をもとに、３レベル三相ＰＷＭ作成器３０３とインバータキャリア発生器３０６により、３レベル三相用ＰＷＭ信号を作成し、その信号によりｕ相アーム１０２ｕ、ｖ相アーム１０２ｖ、ｗ相アーム１０２ｗにおける半導体スイッチ群をオン／オフ制御する。

一方、電流センサ用ＡＤ変換器３０２は、第一ＡＤ変換用開始タイマ３０４、第二ＡＤ変換用開始タイマ３０５から、それぞれＡＤ変換を開始するタイミングを指令され、それはマイクロコンピュータ３０１により制御される。

タイミングは、インバータキャリア発生器３０６のキャリア信号を基準とし、この基準により、マイクロコンピュータ３０１における電流復元処理から、三相モータ１０３の電圧指令出力までの処理も実行される。

［１－１－３．制御手順］
図３は図１の制御回路１０４における制御手順の概要を示した処理手順図である。図３の処理は、制御性能とその安定性とを確保するよう一定時間毎に実行される。

一定時間としては、図２で示したインバータキャリアの周期が用いられる。インバータキャリア周期毎の処理は、処理４０１において、前の周期内で行われたＡＤ変換による電流値を読み出し、処理４０２において前周期におけるＰＷＭパターンに応じて、三相モータ１０３の電流を復元する。復元の詳細手順は図４で記載しており、後述する。

次に、処理４０３において、回転速度を所望値に保つための電流フィードバック制御を行う。電流フィードバック制御は、検出した電流値が電流指令に近づくように、三相モータ１０３へ印加する電圧を演算するものである。

次に、処理４０４において、インバータのパルス幅に変換し、処理４０５において、パルス幅のパターン（ＰＷＭパターン）から、第一の電流検出手段である電流センサ１０５が電流値を検出するための、ＡＤ変換開始タイマのパターンやタイマ値を、マイクロコンピュータ３０１が設定する。

このように設定しておくことにより、ＰＷＭパターンが出力した結果、第一の電流検出手段である電流センサ１０５が検出した電流値の情報が、マイクロコンピュータ３０１に格納されることになる。

図４は、処理４０２の詳細を示した処理手順図である。処理５０１において、前回のＰＷＭパターンを参照し、マイクロコンピュータ３０１に格納されている第一ＡＤ変換値、第二ＡＤ変換値の２つのＡＤ変換結果が、どの相の電流情報であるかを調べる。

次に、処理５０２において、マイクロコンピュータ３０１に格納されている第一ＡＤ変換値、第二ＡＤ変換値の２つのＡＤ変換結果を読み出し、処理５０３において、当該相の検出電流として格納する。

そして，処理５０４において、残りの相の電流が算出されて、当該相の検出出電流として格納される。

これにより三相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）の検出電流情報はすべて格納される。すなわち、三相モータ１０３の相電流情報の復元が実現する。

［１－２．制御］
以上のように構成されたモータ駆動制御装置について、その動作を以下説明する。

図５は、タイミング波形図であり、三相モータ１０３への３つの印加電圧指令が、高電圧相は直流中点よりも高い電位であり、中電圧相は直流中点よりやや低い電位、低電圧相も直流中点よりも低い電位であって中電圧相よりも低い電位である場合の図である。

高電圧相、中電圧相、低電圧相のいずれに関するものかを区別するため、高電圧相に関するものは実線、中電圧相に関するものは、一点鎖線、低電圧相に関するものは、破線で示している。

モータ駆動制御装置の高電圧相の出力は、高電圧相の高電位端側半導体スイッチおよび中間電位端側半導体スイッチをオン／オフにより所望の出力電圧を発生させる。

具体的には、同図の「電圧指令（高電圧相）」と「高－中ＰＷＭキャリア」とを比較し、「電圧指令（高電圧相）」が「高－中ＰＷＭキャリア」よりも高ければ、高電位端側半導体スイッチをオンにし、「電圧指令（高電圧相）」が「高－中ＰＷＭキャリア」よりも低ければ、中間電位端側半導体スイッチをオンにする。

このとき、低電位端側半導体スイッチは常にオフである。同様に、直流電源装置１０１の中電圧相および低電圧相の出力は、当該相の中間電位端側半導体スイッチおよび低電位端側半導体スイッチのオン／オフにより所望の出力電圧を発生させる。

具体的には、同図の「電圧指令（中電圧相）」または「電圧指令（低電圧相）」と「中－低ＰＷＭキャリア」とを比較し、「電圧指令（中電圧相）」または「電圧指令（低電圧相）」が「中－低ＰＷＭキャリア」よりも高ければ当該相の中間電位端側半導体スイッチをオンにし、「電圧指令（中電圧相）」または「電圧指令（低電圧相）」が「中－低ＰＷＭキャリア」よりも低ければ、当該相の低電位端側半導体スイッチをオンにする。このとき、当該相の高電位端側半導体スイッチは常にオフである。

このように半導体スイッチ群を制御した場合の、中間電位端からの出力側に設けられた電流センサ１０５で出力される電圧情報について説明する。

三相モータ１０３の各入力端子（ｕ相、ｖ相、ｗ相）へと流れる電流は、三相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のオンしている半導体スイッチを流れているので、三相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）の中間電位端側半導体スイッチがオンしている期間は、直流電源装置１０１の中間電位端と三相モータ１０３の各入力端子（ｕ相、ｖ相、ｗ相）との間で、電流が流れていることになる。

複数の相の半導体スイッチがオンしていれば、中間電位端に複数の相の電流の合算値が流れていることになる。このことに基づき、同図の一番下の波形は、電流センサ１０５によって検出される中間電位端に流入または流出する電流を示している。

波形図の最初のタイミング（ａ）からタイミング（ｂ）までは、高電圧相の中間電位端側半導体スイッチがオンになっているので、中間電位端からは、高電圧相の電流が入出力している。

一方、タイミング（ｂ）からは中電圧相の中間電位端側半導体スイッチがオンになっているので、中間電位端からは、中電圧相の電流も入出力している。同様に、タイミング（ｃ）からは、低電圧相の中間電位端側半導体スイッチがオンになっており、中間電位端からは低電圧相の電流も入出力している。

すなわち、タイミング（ａ）からタイミング（ｂ）までは高電圧相の電流が検出され、タイミング（ｂ）からタイミング（ｃ）までは、高電圧相と中電圧相の電流の合算値（つまり、低電圧相の電流値の符号反転値）が検出され、タイミング（ｃ）からタイミング（ｄ）までは、中電圧相の電流が検出され、タイミング（ｄ）から波形図の中心のタイミング（ｅ）までは、中電圧相と低電圧相の電流の合算値（つまり、高電圧相の電流の符号反転値）が検出される。

そこで、タイミング（ｃ）と（ｄ）との間と、タイミング（ｅ）において、電流センサ１０５の値を、それぞれ制御回路１０４の電流センサ用ＡＤ変換器３０２で読み込めば、中電圧相のモータ電流と低電圧相のモータ電流を知ることができる。

さらに、２つの相電流値から、残りの１つの相の電流値も求めることができる。すなわち、中間電位端の入出力電流情報だけを用いて、三相モータ１０３の相電流を復元できる。

なお、電流センサ１０５の値を読み込むタイミングは、図５で示した場合だけでなく、図６や図７に示したタイミングで電流情報を読み込むことでも、三相モータ１０３の相電流を復元することができ、制御プログラムの設計者が適宜選択することが可能である。

図８は、図５と同様のタイミング波形図であり、本図は、三相モータ１０３への３つの印加電圧指令が、高電圧相と中電圧相は中点よりも高い電位であり、低電圧相は中点より低い電位である場合の図である。

波形図の最初のタイミング（ａ）からタイミング（ｂ）までは、高電圧相の中間電位端側半導体スイッチがオンになっているので、中間電位端からは、高電圧相の電流が入出力している。

一方、タイミング（ｂ）からタイミング（ｃ）はすべての中間電位端側半導体スイッチがオフになっているので、電流センサ１０５からの検出もない。

同様に、タイミング（ｃ）からタイミング（ｄ）までは低電圧相の中間電位端側半導体スイッチだけがオンになっており、電流センサ１０５で低電圧相の相電流を検出することができる。

さらに、タイミング（ｄ）からタイミング（ｅ）の期間は、中電圧相と低電圧相の中間電位端側半導体スイッチがオンになっており、電流センサ１０５で中電圧相と低電圧相の和の電流すなわち、高電圧相の電流の符号反転値を検出することができる。

結局、例えば、タイミング（ｃ）からタイミング（ｄ）の期間とタイミング（ｄ）からタイミング（ｅ）の期間とで、電流センサ１０５の出力を制御回路１０４の電流センサ用ＡＤ変換器３０２で読み込めば、中電圧相のモータ電流と低電圧相のモータ電流とを検出することができる。

そして、残りの相のモータ電流は、検出できた電流から算出できる。つまり、中間電位端の入出力電流情報だけを用いて、三相モータ１０３の相電流情報を復元することができる。

なお、図５の場合と同様に、電流センサ１０５の値を読み込むタイミングは、図８で示した場合だけでなく、図９に示したタイミングで電流情報を読み込むことでも、三相モータ１０３の相電流を復元することができ、制御プログラムの設計者が適宜選択することが可能である。

ここまでいくつかのパルスパターンで説明してきたように、少なくとも２つの出力電圧が、部分的に中間電位端の電圧とそれ以外の電圧との組合せで実現され、かつ、それら２つの出力電圧を実現するための中間電位端以外の電位端との組合せ比率が一致していない場合には、中間電位端の入出力電流情報から、２つの相の電流を分離することができ、結果として、３つの相の電流をすべて検出することができる。

また、２つの電圧の一方が中間電位端の電圧からのみで実現されている場合でも、２つの相の電流を分離することができ、結果として、３つの相の電流をすべて検出することができる。

なお、出力される交流電圧の振幅が想定以上に大きい場合には、中電位端の入出力電流がゼロになってしまうが、あらかじめ、想定以上の振幅の電圧を出力しないようにすることで容易に回避できる。

また、想定以上の振幅の電圧を出力する場合でも可能な手法については、実施の形態２で説明する。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態１において、直流電源装置１０１の中間電位端からの出力側に設けた第一の電流検出手段である電流センサ１０５により、直流電源装置１０１の中間電位端に接続される中間電位端側半導体スイッチと、直流電源装置１０１の高電位端に接続される高電位端側半導体スイッチ、または、低電位端に接続される低電位端側半導体スイッチが誤動作で同時オンし、直流電源装置１０１側の電源が短絡した場合を検出できるとともに、三相モータ１０３の瞬時電流を復元することができるため、モータ電流を直接検出するための検出手段を設ける必要がなくなり、装置の小型化・低コスト化が図れる。

（実施の形態２）
［２－１．制御回路構成］
図１０は、実施の形態２における制御回路１０４の構成を示したものである。

図１０は、実施の形態１における図２に対して、第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６の電流情報もＡＤ変換するために、シャント抵抗用ＡＤ変換器１３０２、第三変換用開始タイマ１３０４、第四変換用開始タイマ１３０５を追加したものである。

［２－２．動作原理］
以下、図１１、図１２を用いて、実施の形態２の動作原理を説明する。

実施の形態１で説明したように、交流出力電圧が大きくなると、最も高い電圧の相は、高電位端と同電位、最も低い電圧の相は低電位端と同電位になり、中電位の相は、中間電位端と同電位か、または、高電位端と中間電位端との間の電位、または、低電位端と中間電位端との間の電位となる。

図１１は、中電圧相が、高電位端と中間電位端との間の電位の場合を示した波形図である。

中間電位端の出力側に設けられた第一の電流検出手段である電流センサ１０５では、中電圧相の電流しか検出できず、三相電流を復元することはできない。

同様に、図１２では、中電圧相が、低電位端と中間電位端との間の電位の場合を示した波形図である。

この場合にも、中間電位端の出力側に設けられた第一の電流検出手段である電流センサ１０５では、中電圧相の電流しか検出できず、三相電流を復元することはできない。

ところが、低間電位端の出力側に設けられた第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６で検出する低電位端の電流では、図１１の場合には、低電圧相の電流が検出でき、図１２の場合では、低電圧相の電流および低電圧相と中電圧相の合計電流（すなわち、高電圧相の電流）が検出できる。

すなわち、中間電位端の出力側に設けられた第一の電流検出手段である電流センサ１０５が検出した電流値と、低間電位端の出力側に設けられた第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６が検出した電流値とを合わせれば、異なる２つの相の電流を検出することができ、三相電流を復元することができる。

なお、実施の形態１と同様に、図１１や図１２で説明した電流読込タイミング以外のタイミングでも、電流検出が可能な場合もあり、制御プログラムの設計者が適宜選択することが可能である。

［２－３．効果等］
以上のように、本実施の形態２において、直流電源装置１０１の中間電位端の出力側に設けられた第一の電流検出手段である電流センサ１０５が検出した電流値と、直流電源装置１０１の低間電位端の出力側に設けられた第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６により、中間電位端に接続される中間電位端側半導体スイッチと、高電位端に接続される高電位端側半導体スイッチ、または、低電位端に接続される低電位端側半導体スイッチが誤動作で同時オンし、直流電源装置１０１側の電源が短絡した場合を検出できるとともに、実施の形態１よりも広い電圧範囲において、三相モータ１０３の瞬時電流を復元することができる。

（実施の形態３）
［３－１．動作原理］
実施の形態１および２では、中電位端および低電位端の電流検出において、検出可能時間に比較的余裕があるものとして取り扱ってきた。

ところが、出力する交流電圧振幅が小さい場合、三相の各電圧の差が小さくなるので、中電位端や低電位端から流入・流出する電流の時間幅も小さくなる。

このため、制御回路１０４のＡＤ変換回路が高精度に変換できない可能性が生じる。

図１３は、高電圧相と中電圧相の電圧がともに中間電位端と低電位端との間の電位であって、非常に近い場合のタイミング波形図面である。

この場合、少なくとも、タイミング（ｂ）と（ｃ）の短い間に電流（高電圧相の電流）をＡＤ変換しないと三相電流を復元することができない。

なぜならば、タイミング（ａ）と（ｂ）の間では、電流センサ１０５およびシャント抵抗１０６での電流検出ができず、タイミング（ｃ）と（ｅ）の間では、もう一つの電流情報（低電圧相の電流）を検出する必要があるためである（ただし、タイミング（ｃ）と（ｅ）の間は時間幅があり、検出は容易である）。

また、同様のことは、出力電圧幅が小さくなくても、２つの相の出力電圧が近接している場合でも発生する。

２つの相の出力電圧が近い値であれば、半導体スイッチのオン／オフが短い時間内で発生し、電流センサ１０５を流れる電流も短時間で切り替わることになる。図１３に波形例を示す。

図１３においてタイミング（ａ）から（ｂ）の区間では、電流センサ１０５にて高電圧相と中電圧相の合計電流、すなわち、低電流相の電流を検出することができる。

タイミング（ｂ）から（ｃ）の区間では、中電圧相の電流を検出することができる。すなわち、２つの相の電流を検出することができ、三相電流を復元できるが、タイミング（ｂ）から（ｃ）の区間が短く、中電圧相の電流を正確に検出することが難しいという課題が発生している。

図１４は、図１３のようになった場合の修正波形を示すタイミング波形図である。

中電圧相の中電位端側半導体スイッチがオフするタイミングを（ｃ）から（ｃ’）に修正し、かつ、中電位端側半導体スイッチがオンするタイミングも（ｆ）から（ｆ’）に変更する。

同様に、中電圧相の高電位端側半導体スイッチがオンするタイミングを（ｃ）から（ｃ’）に修正し、かつ、高電位端側半導体スイッチがオフするタイミングも（ｆ）から（ｆ’）に変更する。

これによりタイミング（ｂ）と（ｃ）の短い区間でＡＤ変換を行うことなく、タイミング（ｂ）と（ｃ’）の比較的長い区間でＡＤ変換をおこなうことができ、電流検出精度を高めることができる。

なお、図１４に示した１キャリア区間において、中間電位端と低電位端との接続比率が変わっていないので、このキャリア区間における出力電圧は一定に保たれている。

したがって印加電圧歪を増加することなく、モータ電流検出を適切に行うことができる。

図１５は別の電圧パターンでの同様の状況を示すタイミング波形図である。この場合も、図１６に示すように、タイミング（ｂ）と（ｃ）の間が短いので、図１４と同様の手法でタイミング（ｃ）を（ｃ’）に変更することにより、比較的長い区間でＡＤ変換をおこなうことができ、電流検出精度を高めることができる。

また、タイミング（ｆ）を（ｆ’）に変更することにより、印加電圧歪を増加することもない。

［３－２．効果等］
以上のように、本実施の形態３によって、１キャリア区間期内において、半導体スイッチのオン／オフの比率を変えずに、電流検出の精度向上が図れるため、モータの高精度駆動制御を実現することができる。

（実施の形態４）
［４－１．動作原理］
実施の形態２においては、直流電源装置１０１の中間電位端の出力側に設けられた第一の電流検出手段である電流センサ１０５が検出した電流値と、直流電源装置１０１の低間電位端の出力側に設けられた第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６を用いることで、直流電源装置１０１の出力電圧が非常に大きい場合でも、インバータ回路の電流から、三相モータ１０３の電流情報を復元できることを示した。

しかしながら、第一の電流検出手段である電流センサ１０５と第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６の検出感度が揃っていることが必要である。

本実施の形態４では、第一の電流検出手段である電流センサ１０５と第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６の検出感度を相対補正する方法を提供する。

図１７は図５と同じ出力波形であるが、図５を用いて実施の形態１を説明するときに特に必要でなかった、シャント抵抗１０６の電流値を追記したものである。

三相モータ１０３の電流値を検出するには、タイミング（ａ）と（ｂ）の間、および、タイミング（ｂ）と（ｃ）の間で、電流センサ１０５の出力を電流センサ用ＡＤ変換器３０２の第一変換と第二変換で読み込めば、それぞれ、高電圧の相の電流値、高電圧相と中電圧相の電流値の和（低電圧相の電流の符号反転したものと同じ）が検出でき、結果として三相電流を復元できる。

一方、タイミング（ａ）と（ｂ）の間において、シャント抵抗１０６の電流値をシャント抵抗用ＡＤ変換器１３０２の第三変換で読み込めば、中電圧相と低電圧相の電流和（高電圧相の電流の符号反転したものと同じ）が検出でき、タイミング（ｂ）と（ｃ）の間において、シャント抵抗１０６の電流値をシャント抵抗用ＡＤ変換器１３０２の第四変換で読み込めば、低電圧相の電流値が検出できる。

つまり、第一の電流検出手段である電流センサ１０５と第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６で、同一のタイミングにおける同一電流を検出することができる。

第一の電流検出手段である電流センサ１０５と第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６の検出感度が完全に一致しているとは限らないため、一方を基準として、他方の検出感度を修正することにより検出感度を等しくすることが動作中にできる。

［４－２．効果等］
これにより、実施の形態２で提示した、第一の電流検出手段である電流センサ１０５と第二の電流検出手段であるシャント抵抗１０６を用いる場合での電流検出精度が向上し、検出電流を用いる制御の精度も向上することができる。

なお、電流検出手段の精度としては、電流ゼロのときの出力も一致していることが必要であるが、よく知られたモータ起動前の電流値を読み取る方法も可能であるが、図１７では、タイミング（ｄ）から（ｅ）の間でシャント抵抗１０６の電流値を読み込めば、電流ゼロの検出値が読み込め、図６では、タイミング（ｂ）から（ｃ）の間で、電流センサ１０５の情報を読み込めば、電流センサ１０５における電流ゼロの検出値が読み込める。

このようにして、動作中に、電流検出精度を相対補正することができ、三相モータ１０３の高精度な電流制御を実現することができる。

本開示は、小型化・低コスト化を実現しつつ、３レベルインバータにおけるモータの相電流検出をインバータの直流部分の電流から復元できるため、三相モータを用いて冷媒圧縮機を可変速駆動する家庭用や業務用冷凍空調機器、例えば家庭用エアコン、業務用エアコンなどに適用可能である。

１０１ 直流電源装置
１０３ 三相モータ
１０４ 制御回路
１０５ 電流センサ（第一の電流検出手段）
１０６ シャント抵抗（第二の電流検出手段）
１０２ｕ ｕ相アーム
１０２ｖ ｖ相アーム
１０２ｗ ｗ相アーム
１１１ｕ 高電位端側半導体スイッチ
１１２ｕ 低電位端側半導体スイッチ
１１３ｕ 中間電位端側半導体スイッチ
３０１ マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）
３０２ 電流センサ用ＡＤ変換器
３０３ ３レベル三相ＰＷＭ作成器
３０６ インバータキャリア発生器

Claims (5)

1. 高電位端、低電位端、および中間電位端を有し、直流電力を出力する直流電源装置と、
   前記直流電源装置と三相モータの各入力端子との間にそれぞれ設けられている複数のアームと、
   前記複数のアームのそれぞれに設けられ、前記高電位端と前記三相モータの入力端子とをオン／オフする高電位端側半導体スイッチ、前記中間電位端と前記三相モータの入力端子とをオン／オフする中間電位端側半導体スイッチ、前記低電位端と前記三相モータの入力端子とをオン／オフする低電位端側半導体スイッチから構成される半導体スイッチ群と、前記中間電位端と前記半導体スイッチ群との間に設けられている第一の電流検出手段と、前記低電位端と前記半導体スイッチ群との間に設けられている第二の電流検出手段と、
   制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記直流電源の直流電圧の範囲内の所望の各交流電圧目標値と、前記交流電圧の周波数よりも十分高い周波数を有して、前記高電位端と前記中間電位端の間を変化する第一のキャリア信号と、同一時間周期で前記中間電位端と前記低電位端の間を変化する第二のキャリア信号とを用いて、前記高電位端側半導体スイッチと前記中間電位端側半導体スイッチと前記低電位端側半導体スイッチをオン／オフ制御して、そのオン／オフ比率により所望の各交流電圧を、前記三相モータの各入力端子から出力するように制御し、前記第一の電流検出手段または前記第二の電流検出手段が過剰な電流を検出した場合には、前記高電位端側半導体スイッチと前記中間電位端側半導体スイッチと前記低電位端側半導体スイッチのうちのいずれかに過剰な電流が流れていると判断して、前記高電位端側半導体スイッチと前記中間電位端側半導体スイッチと前記低電位端側半導体スイッチをオフにするとともに、
   キャリア信号の一周期内において、中間電位端側半導体スイッチがオン状態である相の組み合わせが異なる期間に、前記第一の電流検出手段が検出した複数の電流値に基づいて、前記三相モータの相電流情報を復元することを特徴とするモータ駆動制御装置。
2. 前記キャリア信号の一周期内において、前記中間電位端側半導体スイッチがオン状態になるのが所定の一相のみである場合には、前記所定の一相で前記中間電位端側半導体スイッチがオン状態である期間に、前記第一の電流検出手段が検出した電流値と、前記三相のうち少なくともいずれかの相の低電位端側半導体スイッチがオン状態である期間に、前記第二の電流検出手段が検出した電流値とに基づいて、前記三相モータの相電流情報を復元することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
3. 所定の一相の前記中間電位端側半導体スイッチが単独でオン状態である期間に、前記第一の電流検出手段が電流値を検出する場合、前記所定の一相の前記中間電位端側半導体スイッチが単独でオン状態である期間が長くなるように、他の相の前記中間電位端側半導体スイッチがオン状態またはオフ状態となる時期を変更することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
4. キャリア信号の一周期内において、前記第一の電流検出手段と前記第二の電流検出手段で、同一の相の電流値が検出される期間が存在するとき、一方の電流検出手段を基準として、他方の電流検出手段の検出感度を修正することを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動制御装置。
5. 所望の前記直流電源装置の出力電圧に対して、前記半導体スイッチ群をＰＷＭ駆動するためのタイマ情報から、前記第一の電流検出手段が電流値を検出する開始時期が決定されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のモータ駆動制御装置。

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