JP2695083B2 - 電動機駆動及び動力処理装置 - Google Patents

電動機駆動及び動力処理装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、モータ駆動装
置に関し、特に詳細には、二次電池または他の双方向性
直流電源からの電力を双方向に機械力に変換制御し、さ
らに外部の交流電力を電池の再充電及び放電のための直
流電力に双方向に変換制御するように操作を行なうモー
タ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気動力駆動の車両に使用されるモータ
駆動装置及び動力処理装置には、コスト、重量、エネル
ギ変換効率についての要求事項があり、それぞれ緊要な
問題となっている。さらに、モータ動力処理装置（駆動
システムとも云う）は、電動及び発電の両運転に対し広
い範囲にわたって効率的に速度及びトルクを操作できる
必要がある。少ないトルク応答時間及び高度の操作信頼
性もまた重要事項である。駆動システムの機能に加え
て、再充電を行なうためには、電池を充電するために交
流供給電源を直流電力に変換することも必要である。コ
スト、重量、及びエネルギ効率に対する諸要求はまた、
再充電機能のためにも重要課題である。その上、供給電
圧と電源周波数について、高い力率、低いＥＭＩ、及び
広い対応性もまた重要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明による電動機駆
動及び動力処理装置は、特許請求の範囲の請求項１記載
の特徴項に明示した各種の特徴を有する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、トラクション
駆動と電池再充電との複合装置を提供するものであり、
これにより、その分のコスト、重量、及び統合集積せず
分離されているハードウエアの容積を除くことができ
る。インダクタ及びコンデンサのようなエネルギ蓄積構
成部品が最小としてあるため、システム重量は最小とな
っており、駆動装置及び電池再充電装置は、構成部品の
内の一組が両方の機能を果たすように最適に集積されて
あり、したがって、トランスミッション及び差動歯車を
使用する必要性はない。駆動モード及び再充電モードに
おいて、モータの漏洩インダクタンスは動力処理機能に
利用され、ＥＭＩの目的以外には外部インダクタは使用
されていない。モータは、最大トルクで確実に操作でき
るように制御されており、その重量はさらに軽減されて
いる。
【０００５】トランスミッションと差動部の双方がない
ことがシステムの効率上昇に寄与している。作動の各点
において、導電損失と電磁損失の間で最適のトレードオ
フが選択されるように最適のモータ励磁が行なわれるの
で、効率はさらに改善される。再充電機能とモータ作動
機能が集積してあるため、システムコストは最小となっ
ている。最後に、モータとインバータは、採用された制
御アルゴリズムによって最大に利用される。
【０００６】駆動モードで作動する場合に、装置は、ト
ルク及び速度の両方が正のとき、トルクが負で速度が正
のとき、トルク及び速度の両方が負のとき、及び、トル
クが正で速度が負のときの四つの場合にモータの電力を
供給する。その制御の詳細はトルク−速度−電池電圧の
各動作点においてシステムのエネルギ効率が最適とな
る。この制御の本来の特徴によって、モータの破損及び
半導体電流の制限によってのみ限定される最大値までト
ルクを延長することが可能である。
【０００７】本発明の他の特徴は、モータ或いはインバ
ータの一個だけの故障であれば原動力が確保されること
である。さらに他の特徴は、差動歯車の使用に関連する
コスト、重量、及び動力損失をこおむることなく差動操
作（平衡駆動軸トルク）が可能であり、滑り（スリッ
プ）を制限しアンチスキッド能力を提供することが可能
であり、それらは、制御アルゴリズムによる低コストへ
の改良変更によって達成されている。
【０００８】再充電モードで作動する場合は、ピーク電
圧が電池電圧を超えない単相電源から、制御された力率
１の電池充電が達成される。再充電モードに使用される
電力処理要素は本来双方向性であるので、パルス充電も
可能である（すなわち、エネルギが電池から引き出さ
れ、制御にもとづいて利用電源回線に返送される）。本
発明の他の能力は、正弦波の調整された交流電力が入力
／出力ポートに供給されることである。その電圧は、そ
のピークが電池電圧を超えない限り、如何なる値にも調
整可能である。したがって、本発明は、電気推進システ
ムとしても、あるいはまた待機動力システムまたは無遮
断電力システムとしても作動する。
【０００９】本発明の一実施態様による駆動／再充電装
置は、２個の多相交流モータ（最適実施態様においては
三相誘導型）を備えており、それぞれ、電池のような双
方向性直流電源に接続した電圧印加ブリッジ型パルス幅
変調（ＰＷＭ）インバータにより電力を供給されてい
る。適当なインバータ制御により、単相再充電電力は各
モータ巻線の中性点節に印加することができる。電力の
流れ及び力率は、ピーク電源電圧が電池電圧を超えない
限り、要求値に制御することが可能である。さらに、同
様な制御により、単相の調整された交流電力を一対の前
記中性点節から得ることができる。
【００１０】駆動モードで作動する場合、各インバータ
は、モータの速度とは独立に、２個のモータにより等し
いトルクが発生するように制御され、これにより、機械
的差動部は不要となる。電子的故障またはトラクション
損失が発生した場合のように異常な条件下では、有効な
車両の動作が確保されるように、等しくないトルクを指
令することができる。
【００１１】駆動モードのとき、各相極のＰＷＭ制御で
は、相電流は対称的に離隔した正弦波の位相基準に対し
比例状態を維持する。次に、各基準の振幅は指令入力に
比例する。一方、その周波数（または瞬時位相）は、検
知されたモータ速度（または回転角位置）及び他のパラ
メータの関数として制御される。さらに詳細には、誘導
電動機の場合、正弦波基準周波数は、モータの極対の数
を乗じたロータ周波数にスリップ周波数を加えた値に等
しく成されており、２つのパラメータ、すなわち、指令
電流及びモータ速度と電池電圧との比の関数として発生
される。上記の２つのパラメータの関数は、最適システ
ム効率が「トルク−速度」の各動作点に対して達成され
るように選択される。同期型電動機に対しては、同様な
方法が採用され、（スリップ周波数ではなく）基準信号
の位相が、指令電流並びにモータ速度と電池電圧との比
率からなる２個のパラメータの関数として制御される。
【００１２】再充電モードにおいては、一つ以上の相電
流を正弦波基準信号に対して比例するように維持する変
調制御が各インバータ内で行なわれる。この正弦波基準
信号は利用回線電圧と同相である。Ｎ相のシステムの場
合、１個〜Ｎ個までの任意の数の相が（２個のインバー
タの各々において）このように制御される。制御されな
い相は不動作状態になる（インバータの各極に対するス
イッチは開に維持される）。正弦波基準信号に対する比
例定数は、電池電流、電池電圧等の電池パラメータの関
数として求められ、これにより再充電制御が可能とな
る。なお、駆動／再充電装置は、インバータ対により付
勢される１つの多相交流モータを備えることができる。
【００１３】
【実施例】次に、以下に述べる最適実施態様に基づき実
例を示し本発明を説明する。本発明により構成されたモ
ータ駆動力処理装置１０は、図１に示すように、第１及
び第２の誘導電動機１２ａ及び１２ｂをそれぞれ備えて
いる。第１及び第２の誘導電動機１２ａ及び１２ｂは、
それらのロータ１４ａ及び１４ｂにおいて出力軸１６ａ
及び１６ｂにそれぞれ伝達される機械的動力に電力を変
換する。なお、図面符号は、添字ａをもって第１の誘導
電動機１２ａに関連する構成部品を示し、添字ｂをもっ
て第２の誘導電動機１２ｂに関連する構成部品を示すこ
ととする。符号ａまたはｂが付けられてない構成部品に
は、この記述は各誘導電動機に等しく適用可能であるこ
とを示す。
【００１４】蓄電池２６のような双方向性直流電力供給
源は、電気母線２７及びインバータ４０ａ及び４０ｂを
通じ誘導電動機１２に接続される。双方向性の直流電力
供給源は、直流電圧出力を生じかついづれかの極性の電
流を操作可能である２次電池等のエネルギ蓄積システム
とすることができる。
【００１５】図１に示したモータ駆動力処理装置１０
は、１個の一体化された装置で電動機運転機能と電池再
充電機能とを提供し、同じ構成部品のうちの多くを使用
して２個の機能を実行し、したがって、個別の電動機運
転及び再充電装置を持つ装置に関連するコスト、重量及
び体積を軽減する。
【００１６】駆動モードにおいて、この装置は、広い範
囲のトルク及び速度の組み合わせを提供し、各トルク、
速度及び電池電圧の各組み合わせに対して、システムエ
ネルギ効率は当業者によく知られた適切なアルゴリズム
制御（後に詳述する）の実施によって最適化される。再
充電モードにおいて、制御された力率１の電池充電は、
電池電圧を超えないピーク電圧を有する任意の（単相）
交流電力供給源３４に利用回線３２を経由して接続され
た入力／出力ポート３０を介して達成される。再充電モ
ードに使用される動力処理要素は本来の双方向性を有し
ている点で、パルス形充電もまた可能である。パルス形
充電においては、電気的エネルギを電池２６から引き出
し、制御に基づき入力／出力ポート３０において交流電
力供給源３４に返送することもできるし、正弦波の調整
された交流電力を入力／出力ポート３０において外部装
置に供給することもできる。供給される電圧は、そのピ
ーク値が電池電圧を超えない範囲で任意の値に調整可能
である。このように、この装置は電気的推進システムと
して、また動力供給システムとして作動する。
【００１７】図１において、インバータ４０は、電圧が
供給されるパルス幅変調（ＰＷＭ）されたユニットであ
る。３相型が好ましいが、他の多相もまた受け入れ可能
である。各インバータは入力コンデンサ４１と相極４
２、４４、及び４６、それに後述の制御回路より構成さ
れる。制御回路は３個の極のそれぞれに関連する一対の
固体（ソリッドステート）スイッチに指令を与え、それ
らを適切な時間に開閉させる。
【００１８】ソリッドステートスイッチは、第１の極４
２に対する第１の対のスイッチ４８及び４９、第２の極
４４に対する第２の対５０及び５１、及び第３の極４６
に対する第３の対５２及び５３より構成される。各イン
バータ４０は三相線６０、６２、及び６４によりそれぞ
れの誘導電動機１２の巻線に接続される。それぞれの誘
導電動機１２はＹ結線に配置され、一端で相線６０ー６
４に接続され、他端で共通中性点の節６６に接続された
３個のステータ巻線５４、５６及び５８を備えている。
【００１９】各インバータ４０は、図示のように、直列
に接続されたヒューズ７８（または他の保護装置）と共
に電池２６に接続される。各インバータ４０の相線６
０、６２及び６４は各誘導電動機１２のステータ巻線５
４、５６及び５８に接続される。２個の誘導電動機１２
のそれぞれからの中性線７６は、入力／出力ポート３０
に接続したＥＭＩフィルタ７２に接続される。適切な制
御アルゴリズム（図５参照）によって、接続線６８及び
７０に印加された単相電力は電池２６に印加される再充
電電流に変換される。さらに、適切な制御アルゴリズム
により、接続線６８及び７０上の電流は正弦波であり、
印加された入力電圧と同相であり、これにより力率１が
得られる。ここで、エネルギは入力／出力ポート３０に
戻されることに注目すべきである。特に、制御アルゴリ
ズムにより、必要な電圧と周波数の正弦波電圧が接続線
６８及び７０の間に確立される。この特徴はパルス充電
を達成するように利用され、エネルギパルスは電池２６
から引き出され、入力／出力ポート３０に接続された利
用回線３２に周期的に戻される。接地線６９は保安及び
濾波の目的のために設けられる。同じように、ＥＭＩフ
ィルタ７２から電気母線２７に至る接続部７４はフィル
タの作動に関連する高周波電流を戻す目的を持ってい
る。
【００２０】各出力軸１６は、直接に又は固定比の減速
歯車（または同様な機能の装置）を介して駆動輪に接続
される。これにより、機械的伝達部または差動部は必要
がなくなり、よって、重量とコストを低減できる。２個
のインバータ４０それぞれに対する適切な制御アルゴリ
ズムによって、次に述べるようなトルクー速度特性が駆
動モードにおいて達成される：１．モータ速度の差がス
レッショルド値より低い場合については、２個のモータ
のトルクは互いに等しく、指令入力により決定される。
正と負の両トルクは各回転方向に対して指令を与えるこ
とができる；２．２個の誘導電動機１２の速度の差がス
レッショルド値を超えると、トルクは低速側のモータに
対しては増加し、高速側のモータに対しては減少し、こ
のようにしてスリップの制限された差動歯車の機能が発
揮される；３．インバータ４０または誘導電動機１２が
故障の場合、２項記載の制御機能は、残された方のイン
バータ／誘導電動機が正常な作動ができるように手動ま
たは自動で無効化され、これにより冗長性動作が提供さ
れる。
【００２１】誘導電動機１２のロータ１４は、最適実施
例においてはリス籠型であり、永久磁石のような他のロ
ータの型式でも可能である。
【００２２】図１の２個のモータによる構想と同様な装
置を図２に示す。図において、単一の誘導電動機１３が
本発明に基づき構成され、モータの各片側を構成する２
組のステータ巻線８０ａ及び８０ｂを備える。図２に示
す構造は、上述の２個のモータの適用について論じたよ
うに、トラクション及び可変速度駆動システムに適用す
ることができる。誘導電動機１３はロータ８２及び出力
軸８４を備える。車両に応用する場合は、軸は、直接に
１つの車輪に結合するか、または減速差動歯車またはト
ランスミッション／差動結合歯車の組み合わせを経て２
個の車輪に結合される。図１の２個のモータによる構造
のように、制御されるトルクと速度の４個の象限値は可
能である。すなわち、正及び負のトルク並びに正及び負
の速度の全ての可能な組み合わせが達成される。さら
に、また２個のモータの配置のように、単相電力は入力
／出力ポート３０から引き出され、または入力／出力ポ
ート３０に送り出される。特に、制御された単一力率の
充電は、直流母線電圧ＶBを超えないピーク電圧をもつ
任意の単相交流利用回線に対しても可能である。
【００２３】図２のステータ巻線８０ａ及び８０ｂの各
組は、３個の巻線８６、８８及び９０を具備する。電気
的には、第１の組の巻線８６ａ、８８ａ及び９０ａは上
記記載の２個のモータが配置された第１のモータの巻線
と、また、第２の組の巻線８６ｂ、８８ｂ、及び９０ｂ
は第２のモータの巻線と類似している。従って、第１の
組の巻線は第１のインバータ４０ａに接続され、第２の
組の巻線は第２のインバータ４０ｂに接続される。既述
のように、インバータ４０は電気母線２７を経て双方向
性の直流電力供給源（電池２６）に接続される。他の点
においては全て、図２のインバータは図１と同じであ
る。
【００２４】図３は、図１の装置におけるモータ用の制
御回路１００の構成を示している。制御回路１００は、
相線６０ａ、６２ａ及び６４ａに関連するそれぞれ電流
検知器１３２ａ、１３４ａ及び１３６ａから、及び相線
６０ｂ、６２ｂ及び６４ｂに関連するそれぞれ電流検知
器１３２ｂ、１３４ｂ及び１３６ｂから電流信号を受け
る。制御回路１００はまた、入力線１２１で駆動電流指
令信号ＶC、入力線２０５で再充電電流指令信号、及び
駆動と再充電の間の制御ブロック作動モードを選択する
線１０１でモード指令入力信号をそれぞれ受信する。最
後に、２個の回転計１５８ａ及び１５８ｂが各誘導電動
機１２ａ及び１２ｂに対しモータ速度信号を供給する。
さらに、制御回路１００は制御線上に相極４２ー４６へ
の出力信号を供給する。即ち、「４２ａへ」、「４４ａ
へ」及び「４６ａへ」と表示された制御線は、それぞ
れ、対のスイッチを有する第１、第２及び第３の極４２
ａ、４４ａ、４６ａを制御する信号を送る。同じく、
「４２ｂａへ」、「４４ｂへ」及び「４６ｂへ」と表示
された制御線は、それぞれ、対のスイッチを有する第
１、第２及び第３の極４２ｂ、４４ｂ及び４６ｂを制御
する信号を送る。制御回路１００は、駆動モードにおい
て動作する図４に示す第１制御回路と、再充電モードに
おいて動作する図５に示す第２制御回路とを含む。
【００２５】直流電力供給源２６を充電する必要がない
場合には、オペレータはスイッチ等によって駆動モード
を選択する。これに応じて、図３の入力線１０１を介し
て駆動モード指令が制御回路１００に入力される。これ
によって制御回路１００は駆動モードとなり、第１制御
回路がアクティブとなる。図４は、駆動モードにおける
第１制御回路の主要ブロック図で、第１のインバータ４
０ａに使用される（半導体）スイッチ４８ａないし５３
ａに対して所望の開／閉信号を発生する制御ブロックを
示している。図１に示した２個のモータシステムの場合
は、第２の組の同様な制御ブロックが使用されており、
第２のインバータ４０ｂにある（半導体）スイッチ４８
ｂないし５３ｂを制御する。図２に示した単一モータシ
ステムの場合は、２個のインバータ４０に対する制御ブ
ロックは、ある程度まで統合することができる。図４は
明確に三相構想への応用を示すが、その手法は任意の相
数に適用できるよう一般化することが可能である。な
お、駆動モードにおいては図５の第２制御回路は動作停
止状態である。
【００２６】２個の三相誘導電動機を使用する図１の実
施例において、図４に示した第１制御回路は駆動モード
の期間に相線６０、６２及び６４の相電流を制御する。
これは １．第１に、基本電流成分は互いに時間的に１２０°離
間している； ２．第２に、相電流の周波数Ｆe は Ｆe ＝ ＮP×Ｆm ＋ ＦS で示される。ここで、ＮP は誘導電動機の極対の数、Ｆ
mは出力軸回転周波数、そしてＦSは、モータ速度で検知
され電池電圧で検知された指令電流の関数である値を持
つモータスリップ周波数である。値Ｆm、Ｆe及びＦSは
それぞれ、出力軸１６の回転方向及びトルクの方向に相
当する正または負の符号を有する； ３．第３の基準では、相電流の大きさは、電流指令の入
力信号ＶCに比例の状態に保たれている； ４．この基準の最後として、相線６０、６２、及び６４
上の高周波数スイッチ電流の高調波が入力コンデンサ４
１の損失が最小になるように対称的に時間的に離間され
る。この４つの項の基準は全て図４に示したシステムに
より満たされるものであるの４つの基準を満足する。
【００２７】入力線１０１を介して駆動モード指令が入
力されると、図４の第１制御回路は、入力線１２１上の
駆動電流指令信号と、入力線２９上の蓄電地電圧に比例
する信号と、２相回転計１５８からの入力線１５９上の
モータ速度信号と、電流検知器１３２ａ、１３４ａから
の電流検知信号に基づいてドライバ１０２ａ、１０４
ａ、１０６ａから極４２ａ、４４ａ、４６ａへ出力され
る信号の制御の下でインバータ４０ａを制御し、蓄電地
２６の電力をモータ１２ａに供給するように動作する。
以下、これについて詳述する。
【００２８】２相回転計１５８は基準発生器１１６に対
し線１５９上に入力パルスを供給する。これらのパルス
はスリップ速度発生器１６２からの線１６３上のＦSに
対応するスリップ周波数指令信号と結合される。基準発
生器１１６は
【数１】 Ｖ1a ＝ Ｖ0 ｓｉｎ ２π Ｆeｔ Ｖ1b ＝ Ｖ0 ｓｉｎ ２π（ Ｆe ＋ １／３ ）ｔ の関係を満足する出力信号を供給する。ここで、Ｖ1aは
線１１７上の電圧、Ｖ1bは線１１９の電圧、Ｖ0は定数
項、そしてｔは経過時間である。
【００２９】基準発生器１１６は各種の方法で実施され
る。最適実施態様において、基準発生器１１６はデジタ
ルで実施され、特にカウンタは、それぞれ線１５９及び
１６３を介し回転計１５８及びスリップ速度発生器１６
２からの入力パルスにそれぞれ対応する相信号を加算す
る。加算された信号は、（第１の出力）線１１７におい
てＶ1aとして現れる正弦関数、並びに（第２の出力）線
１１９においてＶ1bとして現れる１２０°移相された正
弦関数にその全てが相当するルックアップ表に印加され
る。
【００３０】電圧信号Ｖ1a及びＶ1bは乗算器１２２及び
１２４に印加され、そこで電圧信号に入力線１２１に現
われる電流指令信号ＶCをそれぞれ乗ずる。乗算器１２
２、１２４の出力は 、それぞれ
【数２】 Ｖ2a ＝ Ｋ1 Ｖ1a ＶC Ｖ2b ＝ Ｋ1 Ｖ1b ＶC により与えられる。ここで、Ｖ2aは第１の線１２３上に
現れるものであり、Ｖ2bは第２の線１２５上に現れるも
のであり、Ｋ1は定数項である。電圧信号Ｖ2a及びＶ2b
は三相のうちの二相に相電流を指令する基準信号として
作動する。
【００３１】電流検知器１３２ａ及び１３４ａ（検知増
幅器１３８ａ及び１４０ａの支援による）は、相線６０
ａ及び６２ａの相電流の複製である信号を線１３９ａ及
び１４１ａ上に供給する。増幅器１２６ａ及び１２８ａ
は電流検知信号を上記の基準信号と比較してそれぞれ線
１２７及び１２９に誤差信号を発生する。これらの誤差
信号は、必要な相電流が維持されるように相極４２ａ及
び４４ａに対してデューティファクタをそれぞれ指令す
る。相極４６ａに相当する第３の相に対しては、そのデ
ューティファクタが相１と相２の各デューティファクタ
の負の和に等しくなるように従動させる。以上のこと
は、相１と相２の各誤差信号の負の和である相３に対す
る誤差信号を生成することにより達成される。増幅器１
３０ａ及び抵抗器１４４、１４５及び１４６がこれを達
成する。
【００３２】線１２７、１２９及び１３１に現れる３個
の誤差信号はそれぞれ、比較器１４８ａ、１５０ａ及び
１５２ａ、並びに必要なスイッチング周波数で作動する
三角波発振器１５４をそれぞれ経てデューティファクタ
信号に変換される。蓄電池電圧ＶBに比例する入力線２
９上の信号は、三角波発振器１５４の出力振幅を制御し
てＶBに比例させる。これにより、ＶBとは独立に帰還ル
ープ利得が維持されるので、ＶBの広い範囲にわたって
最適の制御ダイナミックスを可能にする。
【００３３】ドライバ１０２ａ，１０４ａ及び１０６ａ
は線１４９ａ，１５１ａ及び１５３ａのデューティファ
クタ入力を受け、線１０８ａ、１１０ａ及び１１２ａの
出力に加えて線１０９ａ、１１１ａ及び１１３ａに相補
出力を供給する。次に、線１０８ａ、１１０ａ及び１１
２ａの出力はそれぞれ（半導体）スイッチ４８ａ、５０
ａ及び５２ａを駆動する一方、相補出力は半導体スイッ
チ４９ａ、５１ａ及び５３ａを駆動する。増幅、論理及
び検知の各要素は各ドライバ１０２，１０４及び１０６
内に備えられており、過電流、過電圧または異常温度上
昇の条件に応答して遮断を行なうような機能を遂行す
る。デッドタイム（すなわち、両半導体スイッチは高側
と低側の各導通状態の間の遷移後に閉状態を維持する時
間）も与えられる。
【００３４】線１６３に現れるスリップ周波数指令信号
はスリップ速度発生器１６２により生ずる。スリップ速
度発生器１６２はこの出力を２個の入力信号の結合関数
として発生する。入力線１２１に現れる一方の入力信号
は指令電流に対応し、線１６５に現れる他方の入力信号
はモータ速度と電圧ＶBとの比に対応する。スリップ速
度発生器出力とスリップ速度発生器１６２の２個の入力
信号との間の特定の関数は、最適のシステム効率が各
「トルク−速度−電圧」点に対して達成されるように選
択されるが、他の基準に従うこともできる。スリップ速
度発生器１６２の実施は、最適実施例の二次元デジタル
のルックアップ表を通じて達成される。モータ速度と電
圧ＶBとの比率に対応する線１６５の信号は、線１５９
の回転計信号と線２９のＶBに相当する信号とを受ける
発生器１６４によって発生される。
【００３５】図３の制御回路１００が線１０１を介して
再充電モード指令信号を受け取ったとき、図５の第２制
御回路がアクティブとなる。図５は、再充電モードにお
ける第２制御回路の主要ブロック図で、インバータ４０
ａ及び４０ｂに使用される（半導体）スイッチ４８ａー
５３ａ及び４８ｂー５３ｂに対する必要な開閉信号を発
生する制御ブロックを示す。なお、再充電モードにおい
ては、図４の第１制御回路は動作を停止している。
【００３６】再充電モードにおいては、入力／出力ポー
ト３０に接続された交流電流又は直流電流を、ドライバ
１０２ａ−１０６ａ、１０２ｂ−１０６ｂの制御の下で
インバータ４０ａ、４０ｂの極を切り換えることにより
直流電流へ変換して蓄電池２６に与えるように動作す
る。この動作は、電流検知器１３２ａ−１３６ａ、１３
２ｂ−１３６ｂと、利用回線３２上の充電信号と、線１
５６上の蓄電池電圧ＶBとに応答して行われる。以下、
これを詳述する。
【００３７】図５において、入力／出力ポート３０に交
流電圧が印加されたとき、基準発生器２０２は、再充電
接続線６８、７０間の電圧と同相の正弦波出力基準電圧
を線２０３上に供給する。基準発生器２０２は、単一の
スケーリング増幅器か、またはフェーズロックループ回
路を経て利用回線３２にロックされた正弦波発生器であ
る。
【００３８】線２０３の信号は乗算器２０６に印加さ
れ、入力線２０５上の再充電電流指令信号と乗算され
る。線２０７上の乗算器２０６の出力は、誤差増幅器２
１０により、全検知電流の平均値を表す線２１３上の信
号と比較される。線２１３上の信号は、インバータ４０
ａからの電流検知信号をインバータ２２６ａ、２２８ａ
及び２３０ａにより反転した電流とインバータ４０ｂか
らの電流検知信号とを加算する加算増幅器２１２の出力
である。誤差増幅器２１０からの線２１１上の誤差電流
は、インバータ４０ａにおいて正弦波電流を指令するよ
うに作用し、線２１５上の誤差電流（これは線２１１上
の誤差電流と相補の関係にある）はインバータ４０ｂに
おいて逆極性の電流を指令するように作用する。
【００３９】異なる相の間の電流バランスを確保するた
めに、電流検知器１３２−１３６によって検知された、
１つの相の電流とその隣接の相の電流との間の差を表す
誤差信号は、加算増幅器２１８ａ−２２２ａ、２１８ｂ
ー２２２ｂにより、線２１１上の誤差出力及び２１５上
の相補の誤差信号に加えられる。例えば、電流検知器１
３２ａによって検知された電流をインバータ２２６ａに
よって反転した電流と、電流検知器１３６ａによって検
知された電流と、線２１１上の誤差電流とは加算増幅器
２１８ａに入力されて加算される。最後に、加算増幅器
２１８ａ−２２２ａ、２１８ｂー２２２ｂのそれぞれの
出力は、三相発振器２３８により発生される三角波信号
と比較器２３２ａー２３６ａ及び２３２ｂー２３６ｂに
より比較され、デューティサイクルを生成する。単相発
振器ではなく多相発振器を使用することにより、電流高
調波を消去でき、ＥＭＩフィルタ７２に求められる要件
を最小にすることができる。図４の駆動モード制御のよ
うに、３相発振器２３８から出力される三角波信号の振
幅はＶBに比例するように維持されるので、制御ループ
利得はＶBから独立である。
【００４０】なお、図５に示したような三相全部を備え
る必要がない。所望の最大再充電電力レベル（及び必要
な電流高調波除去の程度）に従って、１相または２相で
も満足することができる。全ての場合、発振器の多相性
は、再充電の間に利用されるインバータの相数に対応し
ていなければならない。使用されないインバータの相
は、再充電の期間に高側と低側との半導体スイッチを閉
状態に維持することにより不動作状態にされなければな
らない。
【００４１】インバータの極の結果的なデューティサイ
クルは、中性線７６ａ、７６ｂ上の入力電圧と共に変動
することに留意すべきである。中性線７６ａ、７６ｂ上
に交流信号が発生されたときには、該交流信号は電気母
線２７とアースとの間に加わる直流信号へ変換されて電
池２６を充電する。一方、接続線６８、７０間に直流電
圧が現れたとき、基準発生器２０２は正弦波信号ではな
く定常状態信号を発生する。この信号は、誤差増幅器２
１０、加算増幅器２１８ａ−２２２ａ、２１８ｂ−２２
２ｂ、比較器２３２ａ−２３６ａ、２３２ｂ−２３６ｂ
を介してインバータ４０ａ、４０ｂに与えられ、インバ
ータ４０ａ、４０ｂのそれぞれの極のデューティサイク
ルを一定に維持させるので、電気母線２７とアースとの
間に電池２６の直流充電電流が生成される。
【００４２】本発明によれば、モータ駆動装置は、単一
の一体化された装置が駆動と電池再充電との機能を遂行
するように、両機能の統合された能力を備えている。こ
れにより、エネルギ蓄積用構成部品の必要性を最小に
し、個別の機械的なトランスミッション・差動部の必要
性を除去し、重量を減少させ、効率を向上させる。駆動
モードにおいて、本装置は、トルクと速度の広範囲にわ
たって駆動力を供給し、有利なことには、モータ作動の
各点に対し導電損失と磁気的損失との間の最適のトレー
ドオフを選択し、これによりシステムの効率を最大とす
る。再充電モードにおいては、制御された力率１の電池
再充電は、電池電圧を超えないピーク電圧をもつ任意の
単相電力供給源を使用して達成される。パルス形充電
は、エネルギが電池から引き出され、再充電ポートの交
流電源線に戻されるように達成される。さらに、本装置
は調整された交流電力を生成し、外部装置での利用のた
めに再充電ポートに供給できる。
【００４３】以上、本発明を最適実施態様について説明
したが、変更が生じ得ることは理解されよう。例えば三
相誘導電動機以外のモータも本発明の教示から逸脱する
ことなく使用され得る。従って、本発明は、ここに記載
の特定の装置に限定されるものではなく、駆動及び再充
電の能力を備えた装置について広範な応用範囲を有する
ものと理解すべきである。そのような代替の形状構成
は、上記の記述に照らし当業者によりなし得るものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるモータ駆動力処理装置のブロック
図であり、２個のモータの配置に対する一次動力操作部
品を示す。
【図２】本発明によるモータ駆動力処理装置の第２の実
施例のブロック図であり、二組の巻線を持つ単一モータ
配置に対する一次動力操作部品を示す。
【図３】図１に示した装置のモータ制御回路の入力と出
力のブロック図である。
【図４】駆動モードにおいて図１の装置の各インバータ
を制御する第１制御回路のブロック図である。
【図５】再充電モードにおいて図１の装置の各インバー
タを制御する第２制御回路のブロック図を示す。
【符号の説明】
１０:モータ駆動力処理装置， １２ａ：第１のモー
タ， １２ｂ：第２のモータ， １４：ロータ， ２
６：電池， ２７：電気母線、 ３０：入力／出力ポー
ト、 ３２：電力利用回線、 ３４：交流電力供給源、
４０：インバータ、 ４１：入力コンデンサ、 ４
２、４４、４６：相極、 ４８、４９、５０、５１、５
２、５３：スイッチ、 ５４、５６、５８：ステータ巻
線、 ６０、６２、６４：相線、 ７２：ＥＭＩフィル
タ、 ７６：中性線、 １６：出力軸、１３：単相誘導
電動機、 ８０：ステータ、 ８２：ロータ、 ８４：
軸出力、８６、８８、９０：相巻線、 １００：制御回
路、 １２１、２０５、１０１：入力線、 １３２、１
３４、１３６：電流検知器、 １３８、１４０：検知増
幅器、 １５８：回転計、 １１６：基準発生器、 １
６２：スリップ速度発生器、 １２２、１２４：乗算
器、 １２０、１０４、１０６：ドライバ、 １２６、
１２８、１３０：増幅器、 １４８、１５０、１５２：
比較器、 １５４：三角波発生器、 ２０２：基準発生
器、 ２１２：加算増幅器、 ２２６、２２８、１３
０：インバータ、 ２３８：三相発振器、 ２３２、２
３４、２３６：比較器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン・ジー・ココーニ アメリカ合衆国カリフォルニア州グレン ドーラ，サウス・スコットデール・アベ ニュー 725 (56)参考文献 特開 昭59−61402（ＪＰ，Ａ)

Claims (28)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１組の巻線（５４ａー５８ａ、８０
    ａ）と第２組の巻線（５４ｂー５８ｂ、８０ｂ）とから
    なるＹ型結線を有し、さらに出力軸（１６、８４）を持
    つロータ（１４、８２）と全ての上記第１組の巻線に共
    通の第１の中性点節（６６ａ）と全ての上記第２組の巻
    線に共通の第２の中性点節（６６ｂ）とを有する少なく
    とも１個の多相モータ（１２、１３）と、 上記モータに電力を供給し、かつ上記モータから電力を
    受けるための双方向性の直流電力供給源手段（２６）
    と、 上記第１組の巻線の相多様性と等しい相多様性を有し、
    上記双方向性の直流電力供給源手段と上記第１組の巻線
    との間に接続された双方向性で多相の、電圧を供給され
    パルス幅変調される第１のインバータ（４０ａ）と、 上記第２組の巻線の相多様性と等しい相多様性を有し、
    上記双方向性の直流電力供給源手段と上記第２組の巻線
    との間に接続される双方向性で多相の、電圧を供給され
    パルス幅変調される第２のインバータ（４０ｂ）と、 上記第１及び第２の中性点節に接続され、上記第１及び
    第２の中性点節への共通外部接続ポートを画定する入力
    ／出力端子（３０）と、 上記第１及び第２のインバータに結合され、駆動モード
    及び再充電モードにおける作動のため、上記双方向性の
    直流電力供給源手段から上記モータに供給される電力が
    上記モータの上記出力軸において生成される機械的動力
    に変換されるとともに、上記モータまたは各モータの上
    記出力軸の回転からの機械的動力が上記双方向性の直流
    電力供給源手段に供給される電力に変換されるように、
    上記駆動モードの間に上記第１及び第２のインバータを
    制御し、かつ、上記入力／出力端子において受信した単
    相交流電力が力率１の変換において上記双方向性の直流
    電力供給源手段に変換されるように、上記再充電モード
    の間に上記第１及び第２のインバータを制御する制御手
    段（１００）とを具備する電動機駆動及び動力処理装
    置。
  2. 【請求項２】 上記双方向性の直流電力供給源手段は電
    池（２６）である請求項１記載の電動機駆動及び動力処
    理装置。
  3. 【請求項３】 上記モータは誘導電動機（１２、１３）
    である請求項１または２記載の電動機駆動及び動力処理
    装置。
  4. 【請求項４】 さらに、上記モータ（１２、１３）と上
    記入力／出力端子（３０）との間に位置し、上記入力／
    出力端子にに現れる共通で差動モードの高周波数電流を
    減少するためのフィルタ手段（７２）を備える請求項１
    〜３のうちのいづれか一つに記載の電動機駆動及び動力
    処理装置。
  5. 【請求項５】 上記入力／出力端子（３０）は単相交流
    電力利用回線に接続されるよう成されている請求項１〜
    ４のうちのいづれか一つに記載の電動機駆動及び動力処
    理装置。
  6. 【請求項６】 上記制御手段（１００）は、上記入力／
    出力端子（３０）に印加される単相交流電力が力率１の
    変換における上記直流電源手段に印加される直流電力に
    変換されるように上記第１及び第２のインバータ（４０
    ａ、４０ｂ）を制御する請求項１〜５のうちのいづれか
    一つに記載の電動機駆動及び動力処理装置。
  7. 【請求項７】 上記入力／出力端子（３０）は直流及び
    交流電力の双方を受入れ、両型の電力は上記制御手段
    （１００）の制御のもとで変換されて上記双方向性の直
    流電力供給源手段に直流電力を供給する請求項１〜５の
    うちのいづれか一つに記載の電動機駆動及び動力処理装
    置。
  8. 【請求項８】 上記制御手段（１００）は、上記双方向
    性の直流電力供給源手段（２６）からの直流電力が上記
    入力／出力端子（３０）に供給される単相交流電力に変
    換されるように上記第１及び第２のインバータ（４０
    ａ、４０ｂ）を制御する請求項１〜５のうちのいづれか
    一つに記載の電動機駆動及び動力処理装置。
  9. 【請求項９】 上記制御手段（１００）は、上記入力／
    出力端子（３０）に印加される直流電力が上記双方向性
    の直流電力供給源手段（２６）に供給されるように上記
    第１及び第２のインバータ（４０ａ、４０ｂ）を制御す
    る請求項１〜５のうちのいづれか一つに記載の電動機駆
    動及び動力処理装置。
  10. 【請求項１０】 上記制御手段（１００）は、上記双方
    向性の直流電力供給源手段（２６）からの直流電力が上
    記入力／出力端子（３０）に供給される直流電力に変換
    されるように上記第１及び第２のインバータ（４０ａ、
    ４０ｂ）を制御する請求項１〜５のうちのいづれか一つ
    に記載の電動機駆動及び動力処理装置。
  11. 【請求項１１】 上記制御手段（１００）は、上記イン
    バータ（４０ａ、４０ｂ）に接続されかつ正弦波基準信
    号を発生し上記インバータを制御するための基準発生器
    手段（１１６）を具備する請求項１〜１０のうちのいづ
    れか一つに記載の電動機駆動及び動力処理装置。
  12. 【請求項１２】 上記インバータ（４０ａ、４０ｂ）は
    上記インバータ内で電気回路経路を開き及び閉じるため
    のスイッチング手段（４８ー５３）を具備する請求項１
    １に記載の電動機駆動及び動力処理装置。
  13. 【請求項１３】 上記スイッチング手段は開閉を行なう
    半導体スイッチング要素（４８ー５３）を備え、上記制
    御手段（１００）は上記スイッチング要素の開閉を制御
    するために上記スイッチング手段に供給される正弦波基
    準信号を発生するための基準発生器手段（１１６）を具
    備する請求項１２に記載の電動機駆動及び動力処理装
    置。
  14. 【請求項１４】 さらに、上記モータ（１２、１３）の
    上記出力軸（１６、８４）の速度を示すモータ速度信号
    を生ずるためのモータ速度手段（１５８ａ、１５８ｂ）
    と、上記基準発生器手段（１１６）に供給されるモータ
    スリップ周波数信号を発生するためのスリップ周波数発
    生手段（１６２）とを具備し、上記スリップ周波数信号
    は電流指令信号と上記モータ速度手段から入力した上記
    モータ速度信号とに基づく請求項１３に記載の電動機駆
    動及び動力処理装置。
  15. 【請求項１５】 上記制御手段（１００）は上記インバ
    ータ（４０ａ、４０ｂ）を制御する駆動信号を生ずるた
    めのドライバ手段（１０２ー１０６）を備える請求項１
    〜５のうちのいづれか一つに記載の電動機駆動及び動力
    処理装置。
  16. 【請求項１６】 上記制御手段はさらに、上記モータの
    速度に相当する信号を供給するための回転計手段（１５
    ８）を備える上記モータ（１２、１３）のための制御ブ
    ロック手段と、上記それぞれのモータ速度を上記直流電
    力供給源手段（２６）の電圧で割った商に相当する出力
    信号を発生する信号発生器（１６４）と、上記信号発生
    器からの上記出力信号を受けてスリップ周波数指令信号
    を発生するためのスリップ速度発生器手段（１６２）
    と、上記スリップ周波数指令信号を受けるための、かつ
    電流指令信号で割算されて上記ドライバ手段に供給され
    上記駆動信号を生ずる正弦波出力信号を発生するための
    基準発生器手段（１１６）とを備える請求項１５に記載
    の電動機駆動及び動力処理装置。
  17. 【請求項１７】 上記モータ（１２、１３）は三相モー
    タであり、上記ドライバ手段（１０２ー１０６）は上記
    モータの各相に関連するドライバを具備する請求項１６
    に記載の電動機駆動及び動力処理装置。
  18. 【請求項１８】 上記制御手段（１００）はさらに、上
    記モータの各相のうち第１の相及び第２の相に対し電流
    相信号を供給する上記モータ（１２、１３）に関連する
    電流検知器（１３２ー１３４）を具備し、上記基準発生
    器手段（１１６）は上記第１及び第２の相に相当する第
    １及び第２の正弦波出力信号を発生する請求項１７に記
    載の電動機駆動及び動力処理装置。
  19. 【請求項１９】 上記制御手段はさらに、上記モータ
    （１２、１３）の上記第１及び第２の電流検知信号を受
    信し、それらを上記第１及び第２の正弦波出力信号と比
    較し、それらの信号間の差を示す第１及び第２の誤差信
    号を発生するための、かつ、上記第１及び第２の誤差信
    号の負の和である第３の誤差信号を発生するための誤差
    信号手段と、上記直流電力供給源手段（２６）の電圧に
    比例する所定の振幅と周波数とを持つ三角波傾斜波信号
    を発生するための発振器手段（１５４）と、上記誤差信
    号と上記三角波発振信号とを受信するための、かつ上記
    ドライバ（１０２ー１０６）に供給されるデューティサ
    イクル信号を発生するための比較器手段（１４８、１５
    ０、１５２）とを具備する請求項１８に記載の電動機駆
    動及び動力処理装置。
  20. 【請求項２０】 上記入力／出力端子（３０）は単相交
    流電力利用回線（３２）に接続されるように構成され、
    電力線、中性線及び接地線を具備し、上記制御手段（１
    ００）はさらに、上記電力線と上記中性線との間に現れ
    る電圧と同相の正弦波基準電圧を発生するための基準手
    段（２０２）と、再充電指令信号を上記正弦波基準電圧
    と乗算して乗算された基準電圧を発生するための乗算器
    手段（２０６）と、上記モータに対し上記第３のモータ
    位相に関連する電流位相信号を供給する上記モータ（１
    ２、１３）に関連する他の電流検知器（１３６）と、上
    記第１のインバータ（４０ａ）に関連する電流検知器か
    らの反転された電流位相信号を持つ上記第２のインバー
    タ（４０ｂ）に関連する電流検知器からの電流位相信号
    を加算し、平均電流信号を発生するための加算手段（２
    １２）と、上記平均電流信号と上記乗算した基準電圧と
    を受信して再充電誤差信号を発生するための再充電誤差
    手段（２１０）と、各相の上記検知された電流位相信号
    と隣接の位相の上記検知された電流位相信号との間の差
    に上記再充電誤差信号を加算するための誤差信号を発生
    するための誤差加算手段（２１８ー２２２）と、上記双
    方向性直流電力供給源（２６）の電圧に比例する所定の
    周波数と振幅とを有する三角波信号を発生するための三
    相発振器手段（２３８）と、上記再充電誤差信号を上記
    三角形信号と比較することにより上記インバータ（４０
    ａ、４０ｂ）に供給されるデューティサイクル信号を発
    生するためのデューティサイクル手段（２３２ー２３
    ６）とを備える請求項１９に記載の電動機駆動及び動力
    処理装置。
  21. 【請求項２１】 ２個の多相モータ（１２ａ、１２ｂ）
    を具備し、各モータはＹ結線を有し、一方のモータの巻
    線は上記第１の組の巻線（５４ａー５８ａ）を形成し、
    他方のモータの巻線は上記第２の組の巻線（５４ａー５
    ８ｂ）を形成する請求項１〜２０のうちのいづれか一つ
    に記載の電動機駆動及び動力処理装置。
  22. 【請求項２２】 上記第１の組の巻線（８０ａ）と上記
    第２の組の巻線（８０ｂ）とを形成するＹ結線を有する
    １個の多相モータ（１３）を具備する請求項１〜２０の
    うちのいづれか一つに記載の電動機駆動及び動力処理装
    置。
  23. 【請求項２３】 第１の中性点節（６６ａ）をもつＹ結
    線（５４ａ−５８ａ）を有する第１の多相モータ（１２
    ａ）と、第２の中性点節（６６ｂ）を持つＹ結線（５４
    ｂ−５８ｂ）を有する第２の多相モータ（１２ｂ）と、
    上記第１及び第２のモータに直流電力を供給しかつ直流
    電力を受けるための双方向性直流電力供給源手段（２
    ６）と、上記直流電力供給源手段と上記第１のモータの
    巻線との間の電力の流れを制御するためのスイッチング
    要素（４８ａー５３ａ）を有する多相の、電圧を供給さ
    れパルス幅変調される第１のインバータ（４０ａ）と、
    上記直流電力供給源手段と上記第２のモータの巻線との
    間の電力の流れを制御するためのスイッチング要素（４
    ８ｂー５３ｂ）を有する多相の、電圧を供給されパルス
    幅変調される第１のインバータ（４０ｂ）と、上記第１
    及び第２の中性点節に接続する入力／出力端子（３０）
    とを具備し、上記第１及び第２のインバータのスイッチ
    ング要素は、上記入力／出力端子に印加される単相交流
    電力が力率１の変換において上記直流電力供給源手段に
    印加されるように切替えられ、上記直流電力供給源手段
    からの直流電力は上記入力／出力端子に送られた単相電
    力に変換され、上記入力／出力端子における直流電力は
    上記直流電力供給源手段に供給され、上記直流電力供給
    源手段からの直流電力は上記入力／出力端子に送られる
    直流電力に変換される電動機駆動及び動力処理装置。
  24. 【請求項２４】 各モータは誘導電動機（１２ａ、１２
    ｂ、）であり、さらに、各モータの上記巻線中の電流位
    相を検知し各巻線に対する電流検知された信号を発生す
    るための電流検知手段（１３２ー１３６）を備える請求
    項２３記載の電動機駆動及び動力処理装置。
  25. 【請求項２５】 さらに、上記電流検知された信号を受
    信し、スイッチング信号を発生して上記インバータ（４
    ０）の上記スイッチング要素（４８ー５３）の切替えを
    制御するためのドライバ手段（１０２ー１０６）を具備
    する請求項２４記載の電動機駆動及び動力処理装置。
  26. 【請求項２６】 さらに、上記スイッチング信号の位相
    を決定するために、上記ドライバ手段（１０２ー１０
    ６）に供給される基準信号を発生するための基準発生器
    （１１６）を具備する請求項２５記載の電動機駆動及び
    動力処理装置。
  27. 【請求項２７】 さらに、上記基準発生器（１１６）に
    上記モータ速度を与えるためのモータ速度信号手段（１
    ５８）と、上記モータ速度を上記直流電力供給源（２
    ６）の電圧の大きさで割り、その結果として得られた商
    を上記基準発生器に与えるための割算手段（１６４）
    と、必要なモータスリップ速度を上記基準発生器に与え
    るスリップ速度発生器（１６２）を具備する請求項２６
    記載の電動機駆動及び動力処理装置。
  28. 【請求項２８】 さらに、上記電流検知信号を平均化
    し、再充電指令信号を受信し、上記電流検知された信号
    との和であって上記ドライバに供給される再充電誤差信
    号を発生するための再充電手段を具備する請求項２７記
    載の電動機駆動及び動力処理装置。
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