JP4561865B2 - 同期電動機の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステータコイルがスター結線されている同期電動機を制御する同期電動機の駆動装置に関するものである。

従来、この種の駆動装置では、例えば、特許文献１に示すように、６個のトランジスタと６個のダイオードから構成されるインバータ回路と、このインバータ回路を制御する制御回路とを備るものがある。

具体的には、ステータコイルの中性点とインバータ回路の負極側母線との間には、直流電源が接続されている。インバータ回路の負極側母線と正極側母線との間には、コンデンサが接続されている。

制御回路は、６個のトランジスタをスイッチング動作させることにより、正極側母線と負極側母線との間の電圧差に基づいて三相交流電動機に三相交流電流を出力する。

ここで、６個のトランジスタのうち負極側母線のトランジスタがオンしたときには、ステータコイルに電流が流れるため、ステータコイルには、電流に基づいて磁気エネルギーが蓄えられる。

負極側母線側トランジスタがオフしたときには、前記磁気エネルギーに基づいた電流が、ステータコイルから正極側母線側のダイオードおよび正極側母線を通してコンデンサに電流が流れる。したがって、６個のトランジスタをスイッチング動作させることにより、ステータコイルに三相交流電流を流しつつ、コンデンサに電荷を蓄えることになる。これにより、三相交流電動機の制御をしつつ、コンデンサに電荷を蓄えることができる。
特許３２２３８４２号明細書

上述の三相交流同期電動機の駆動装置では、環境変化や負荷変動等により電源装置の出力電圧が低下すると、正極側母線と負極側母線との間の電圧差が小さくなるため、三相交流同期電動機の作動が不安定になることや，出力電圧不足により駆動できなくなる。

これに対し、三相交流同期電動機の制御を停止した状態で、ステータコイルに蓄えられた磁気エネルギーに基づいてコンデンサに電荷を蓄えるように負極側母線側トランジスタをスイッチング動作して、正極側母線と負極側母線との間の電圧差を確保することも考えられるものの、三相交流同期電動機を制御する際にトランジスタのスイッチング動作に用いられる時間が縮小される。

本発明は上記点に鑑みて、同期電動機の制御の際のスイッチング素子のスイッチング動作に用いられる時間の縮小を抑えつつ、コンデンサの充電量を電源装置の出力電圧に基づいて調整するようにした同期電動機の駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、スター結線されているステータコイル（１）から発生する回転磁界によりロータを回転させる同期電動機の駆動装置であって、
直列接続された一対のスイッチング素子を多数組有し、正極側母線（２２）と負極側母線（２１）との間に前記一対のスイッチング素子が多数組、並列接続されているインバータ回路（２０）と、
コンデンサ（３０）と、
前記コンデンサに対する充電量がそれぞれ異なるように設定されている複数種の変調方式を用いて、前記インバータ回路（２０）を構成する複数個の前記スイッチング素子をスイッチング動作させる制御信号を求めて、前記複数個のスイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記コンデンサ（３０）の出力状態と電源装置（３）の出力電圧とに基づいて前記回転磁界を前記ステータコイル（１）から発生させる制御手段（Ｓ１４０、Ｓ１５０）と、を備え、
前記制御手段が前記複数個のスイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記ステータコイルから前記複数個のスイッチング素子をバイパスして流れる電流に基づいて前記コンデンサ（３０）を充電するようになっており、
前記電源装置の出力電圧を検出する電源状態検出手段（４５）と、
前記制御手段で用いるべき変調方式を前記電源状態検出手段の検出値に基づいて決定する決定手段（Ｓ１１５、Ｓ１２５、Ｓ１３０、１３０Ａ）と、を備え、
前記制御手段が前記決定された変調方式により求められた制御信号に基づいて前記複数個のスイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記コンデンサに対する充電量を前記電源装置の出力電圧に基づいて調整するようになっていることを特徴とする。

これにより、制御手段が同期電動機のロータを制御しつつ、コンデンサに対する充電量を調整することができる。したがって、同期電動機を制御するためにスイッチング素子をスイッチング動作させる時間の縮小を抑制しつつ、コンデンサに対する充電量を電源装置の出力状態に基づいて調整することができる。

請求項２に係る発明では、前記複数種の変調方式は、前記負極側母線側のスイッチング素子のオン時間とオフ時間との比率を示す昇圧比が大きくなるほど、前記コンデンサに対する充電量が大きくなるように設定されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、前記電源状態検出手段の検出値である検出電圧値が第１の所定値以上であるか否かを判定する第１の判定手段（Ｓ１２０）を備え、
前記検出電圧値が第１の所定値以上であると前記第１の判定手段（Ｓ１２０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１３０、Ｓ１３０Ａ）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として第１の変調方式を決定し、
前記検出電圧値が第１の所定値未満であると前記第１の判定手段（Ｓ１２０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１２５）は、前記第１の変調方式より前記昇圧比が大きい第２の変調方式を、前記制御手段で用いるべき変調方式として決定することを特徴とする。

請求項４に係る発明では、前記制御手段は、三相の指令波と搬送波との比較に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、三相同期電動機の前記ステータコイルから回転磁界を発生させるようになっていることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、前記第１の変調方式は、前記三相の指令波がそれぞれ正弦波になっている三相変調方式であることを特徴とする。

請求項６に係る発明では、前記第２の変調方式は、前記昇圧比が上がるように前記三相の指令波のうち１相の指令波の１／３周期を休止時間として設定した二相変調方式であることを特徴とする。

請求項７に係る発明では、前記第１の変調方式は、前記三相の指令波のそれぞれにおいて前記昇圧比が上がるように設定した休止時間と前記昇圧比が下げるように設定した休止時間とが交互に設けられている二相変調方式であることを特徴とする。

請求項８に係る発明では、前記電源状態検出手段の検出値である検出電圧値が第２の所定値未満である否かを判定する第２の判定手段（Ｓ１１０）を備え、
前記検出電圧値が前記第２の所定値以下であると前記第２の判定手段（Ｓ１１０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１３０、Ｓ１３０Ａ）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として第３の変調方式を決定し、
前記検出電圧値が前記第２の所定値より大きいと前記第２の判定手段（Ｓ１１０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１１５）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として前記第３の変調方式より前記昇圧比が小さい第４の変調方式を、前記制御手段で用いるべき変調方式として決定することを特徴とする。

請求項９に係る発明では、前記制御手段は、三相の指令波と搬送波との比較に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、三相同期電動機の前記ステータコイルから回転磁界を発生させるようになっていることを特徴とする。

請求項１０に係る発明では、前記第３の変調方式は、前記三相の指令波がそれぞれ正弦波になっている三相変調方式であることを特徴とする。

請求項１１に係る発明では、前記第４の変調方式は、前記昇圧比が下がるように前記三相の指令波のうち１相の指令波の１／３周期を休止期間として設定した二相変調方式であることを特徴とする。

請求項１２に係る発明では、前記第３の変調方式は、前記三相の指令波のそれぞれにおいて前記昇圧比が上がるように設定した休止時間と前記昇圧比が下げるように設定した休止時間とが交互に設けられている二相変調方式であることを特徴とする。

請求項１３に係る発明では、前記電源状態検出手段の検出値である検出電圧値が第３の所定値以上であるか否かを判定する第３の判定手段（Ｓ１１０）と、
前記検出電圧値が前記第３の所定値未満であり第４の所定値以上であるか否かを判定する第４の判定手段（Ｓ１２０）と、を備え、
前記検出電圧値が第３の所定値以上であると前記第３の判定手段（Ｓ１１０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１１５）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として第５の変調方式を決定し、
前記検出電圧値が第３の所定値未満であると前記第３の判定手段が判定し、かつ前記検出電圧値が前記第４の所定値以上であると前記第４の判定手段（Ｓ１２０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１３０、１３０Ａ）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として前記第５の変調方式より前記昇圧比が大きい第６の変調方式を、前記制御手段で用いるべき変調方式として決定し、
前記検出電圧値が前記第４の所定値未満であると前記第４の判定手段（Ｓ１２０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１２５）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として前記第６の変調方式より前記昇圧比が大きい第７の変調方式を、前記制御手段で用いるべき変調方式として決定することを特徴とする。

請求項１４に係る発明では、前記制御手段は、三相の指令波と搬送波との比較に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、三相同期電動機の前記ステータコイルから回転磁界を発生させるようになっていることを特徴とする。

請求項１５に係る発明では、前記第５の変調方式は、前記昇圧比が下がるように前記三相の指令波のうち１相の指令波の１／３周期を休止時間として設定した二相変調方式であることを特徴とする。

請求項１６に係る発明では、前記第６の変調方式は、前記三相の指令波がそれぞれ正弦波になっている三相変調方式であることを特徴とする。

請求項１７に係る発明では、前記第６の変調方式は、前記三相の指令波のそれぞれにおいて前記昇圧比が上がるように設定した休止時間と前記昇圧比が下げるように設定した休止時間とが交互に設けられている二相変調方式であることを特徴とする。
請求項１８に係る発明では、前記第７の変調方式は、前記昇圧比が上がるように前記三相の指令波のうち１相の指令波の１／３周期を休止時間として設定した二相変調方式であることを特徴とする。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
図１に本発明に係る三相交流同期電動機の駆動装置の第１実施形態を示す。図１は駆動装置の回路構成と三相交流同期電動機の一部の構成とを示す。

駆動装置１０は、直流電圧に基づいて三相交流電流を三相交流同期電動機に出力して三相交流同期電動機を駆動する。三相交流同期電動機の回転軸には、例えば、圧縮機構等の負荷が接続されている。

三相交流同期電動機は、例えば永久磁石が埋め込まれたロータ（図示省略）と、ロータに回転磁界を与えるステータコイル１を備える。ステータコイル１は、Ｕ相コイル１ａ、Ｖ相コイル１ｂ、およびＷ相コイル１ｃがスター結線されて中性点１ｘを有するものである。ステータコイル１の中性点１ｘとグランドとの間には、バッテリ３が配置されている。

本実施形態では、三相交流同期電動機は、ロータの位置情報を検出するセンサが取り付けられていない構成になっている。

駆動装置１０は、インバータ回路２０、コンデンサ３０、電流センサ４０、電圧センサ４５、および制御回路５０を備える。インバータ回路２０は、バッテリ３の出力電圧とコンデンサ３０のプラス電極とマイナス電極との間の電圧差とに基づいて三相交流電流をステータコイル１に出力する。

インバータ回路２０は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６およびダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６から構成されている。

スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ４は負極側母線２１と正極側母線２２との間に直列接続され、スイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ５は負極側母線２１と正極側母線２２との間で直列接続され、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ６は負極側母線２１と正極側母線２２との間で直列接続されている。負極側母線２１は、グランドに接続されている。

スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ４の共通接続点Ｔ１は、Ｗ相コイル１ｃに接続され、スイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ５の共通接続点Ｔ２は、Ｖ相コイル１ｂに接続され、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ６の共通接続点Ｔ３は、Ｕ相コイル１ａに接続されている。

なお、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２…ＳＷ６としては、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタや電界効果型トランジスタ等の半導体スイッチング素子が用いられている。

ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のうち対応するスイッチング素子に逆並列になるように配置されている。

コンデンサ３０は、バッテリ３とともに出力電圧をインバータ回路２０に与える。コンデンサ３０のプラス電極は、インバータ回路２０の正極側母線２２に接続されている。コンデンサ３０のマイナス電極は、ステータコイル１の中性点１ｘに接続されている。

電流センサ４０は、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ、およびＷ相電流ｉｗをそれぞれ検出する。Ｕ相電流ｉｕは、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ６の共通接続点Ｔ３からＵ相コイル１ａに流れる電流である。Ｖ相電流ｉｖは、スイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ５の共通接続点Ｔ２からＶ相コイル１ｂに流れる電流である。Ｗ相電流ｉｗは、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ４の共通接続点Ｔ１からＷ相コイル１ｃに流れる電流である。

なお、図中電流ｉｕ、１ｖ、ｉｗの電流の流れる方向は、それぞれ各矢印の方向を正とする。

電圧センサ４５は、バッテリ３の出力電圧ＶＢを検出するセンサである。

制御回路５０は、マイクロコンピュータ、メモリ、およびアナログ／デジタル変換器などから構成され、後述するようにセンサ４０、４５のそれぞれの検出値と電子制御装置７から与えられる目標回転数とに基づいてスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６を制御する処理を実行する。

次に、本実施形態の作動について説明する。

制御回路５０は、制御信号としてのスイッチング信号をスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６に出力する。これにより、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６がスイッチング動作する。これに伴い、共通接続点Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３から三相交流電流がステータコイル１に出力される。

このため、ステータコイル１から回転磁界が発生する。これに伴い、ロータが回転磁界に同期して回転する。

また、負極側母線２１側のスイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のスイッチング動作に伴って、コンデンサ３０に電荷が蓄積される。

例えば、スイッチング素子ＳＷ４がオンしているときには、中性点１ｘ側からＷ相コイル１ｃおよびスイッチング素子ＳＷ４を通してグランドに電流が流れる。このとき、Ｗ相コイル１ｃに磁気エネルギーが蓄積される。その後、スイッチング素子ＳＷ４がオフすると、Ｗ相コイル１ｃの磁気エネルギーに基づいた電流がダイオードＤ１を通して正極側母線２２側に流れる。

すなわち、スイッチング素子ＳＷ４がオフすると、Ｗ相コイル１ｃから電流がスイッチング素子ＳＷ１をバイパスして正極側母線２２側に流れる。この電流は、充電電流としてコンデンサ３０に流れ、コンデンサ３０に電荷を蓄積することになる。

ここで、制御回路５０は、上述のスイッチング信号を求める際に、周知の三角波比較ＰＷＭ方式を用いる。以下、三角波比較ＰＷＭ方式の概略について説明する。

電流センサ４０の検出電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが、それぞれ零になるタイミングを求め、このタイミングに基づいてロータの位置を推定する。そして、この推定されたロータの位置に基づいてロータの回転数を推定する。なお、以下、この推定された回転数を推定回転数という。

次に、三角波比較ＰＷＭ方式で用いるＵ相指令波、Ｖ相指令波、およびＷ相指令波を求める。

図２に、Ｕ相指令波、Ｖ相指令波、およびＷ相指令波の一例を示す。

Ｕ相指令波６０、Ｖ相指令波６１、およびＷ相指令波６２は、三相指令波を構成するもので、Ｕ相指令波６０、Ｖ相指令波６１、およびＷ相指令波６２は、目標回転数と推定回転数との差を小さくするように求められる。

三相指令波６０、６１、６２は、正極側母線２２側スイッチング素子と負極側母線２１側スイッチング素子とのうち、いずれをオンさせるかを相毎に決めるために用いられる。

Ｕ相指令波６０は、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ６に対応している。Ｕ相指令波６０が搬送波としての三角波７０より大きいときには、正極側母線２２側のスイッチング素子ＳＷ３をオンして負極側母線２１側スイッチング素子ＳＷ６をオフする。Ｕ相指令波６０が三角波７０より小さいときには、スイッチング素子ＳＷ３をオフしてスイッチング素子ＳＷ６をオンする。

Ｖ相指令波６１は、スイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ５に対応している。Ｖ相指令波６１が三角波７０より大きいときには、正極側母線２２側のスイッチング素子ＳＷ２をオンして負極側母線２１側スイッチング素子ＳＷ５をオフする。Ｖ相指令波６１が三角波７０より小さいときには、スイッチング素子ＳＷ２をオフしてスイッチング素子ＳＷ５をオンする。

Ｗ相指令波６２は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ４に対応している。Ｗ相指令波６２が三角波７０より大きいときには、正極側母線２２側のスイッチング素子ＳＷ１をオンして負極側母線２１側スイッチング素子ＳＷ４をオフする。Ｖ相指令波６１が三角波７０より小さいときには、スイッチング素子ＳＷ１をオフしてスイッチング素子ＳＷ４をオンする。

このようにスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６のうちいずれをオンさせるかを決定し、この決定された情報を含むスイッチング信号を求める。

ここで、スイッチング信号を求めるためには３種類の変調方式のうち１つの変調方式が用いられる。３種類の変調方式は、変調方式毎に、三相指令波６０〜６２が異なるように設定されている。

３種類の変調方式のうち、変調方式Ａは上述の充電電流を小さくなるように設定された第１の二相変調方式である。変調方式Ｂは上述の充電電流を中間値にするように設定された三相変調方式である。変調方式Ｃは上述の充電電流を大きくなるように設定された第２の二相変調方式である。

以下に、変調方式Ａ、変調方式Ｂ、および変調方式Ｃについて別々に説明する。
（変調方式Ａ）
図３に変調方式Ａにおける三相指令波６０、６１、６２を示す。

指令波６０のうち１／３周期には、スイッチング停止期間６０ｕが設定されている。指令波６１のうち１／３周期には、スイッチング停止期間６１ｕが設定されている。指令波６２のうち１／３周期には、スイッチング停止期間６２ｕが設定されている。

したがって、三相指令波６０、６１、６２が三角波７０より大きくなっている。このため、本変調方式は、三相変調方式に比べて、三相指令波６０、６１、６２が三角波７０より大きくなる期間が長い。

ここで、三相指令波６０、６１、６２のうち三角波７０より大きくなる期間では、上述の如く、正極側母線２２側のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をオンして負極側母線２１側のスイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６をオフする。

したがって、負極側母線２１側のスイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のオフ時間Ｔｏｆｆが三相変調方式に比べて短い。このため、昇圧比｛＝（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）／Ｔｏｆｆ｝が三相変調方式に比べて小さくなる。
（変調方式Ｂ）
変調方式Ｂでは、三相指令波６０、６１、６２が、図２に示すように、それぞれ正弦波になっている。
（変調方式Ｃ）
図４に変調方式Ｃにおける三相指令波６０、６１、６２を示す。

指令波６０のうち１／３周期には、スイッチング停止期間６０ｓが設定されている。指令波６１のうち１／３周期には、スイッチング停止期間６１ｓが設定されている。指令波６２のうち１／３周期には、スイッチング停止期間６２ｓが設定されている。

したがって、三相指令波６０、６１、６２が三角波７０より小さくなっている。このため、本変調方式は、変調方式Ｂ（三相変調方式）に比べて、三相指令波６０、６１、６２が三角波７０より大きくなる期間が短い。

ここで、三相指令波６０、６１、６２のうち三角波７０より小さくなる期間では、上述の如く、正極側母線２２側のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をオフして負極側母線２１側のスイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６をオンする。

したがって、負極側母線２１側のスイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のオン時間Ｔｏｎが変調方式Ｂに比べて長い。

このため、負極側母線２１側のスイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６のオフ時間をＴｏｆｆとしたときに、オン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆとの比率を示す昇圧比｛＝（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）／Ｔｏｆｆ｝が三相変調方式の昇圧比（＝約２）に比べて大きくなる。

以上のように、３種類の変調方式はその昇圧比がそれぞれ異なるように設定されている。ここで、昇圧比は、その大きさが大きくなるほどコンデンサ３０に流れる充電電流が大きくなる。したがって、昇圧比の大きさが大きくなるほどコンデンサ３０に蓄えられる電荷量が増える。

制御回路５０は、電源装置３の出力電圧（以下、電源電圧という）に基づいて３種類の変調方式のうち用いるべき１つの変調方式を決定するとともにこの決定された変調方式を用いて三相交流同期電動機の回転数を制御する。

次に、三相交流同期電動機の回転数の具体的な制御処理について説明する。

図５は、制御回路５０のモータ制御処理を示すフローチャートである。

まず、電子制御装置７は、制御回路５０に対して制御開始を指令する。すると、制御回路５０は、電子制御装置７から制御開始の指令に基づいて、図５のフローチャートにしたがって、コンピュータプログラムの実行を開始する。

まず、ステップＳ１００において、電圧センサ４５から電源電圧を取得する。

次に、ステップＳ１１０において、第１の判定手段として、電源電圧が第１の所定値以上であるか否かを判定する。電源電圧が第１の所定値以上であるときにはＹＥＳと判定する。この場合、ステップＳ１１５において、三相交流同期電動機の回転数制御に用いるべき変調方式として、変調方式Ａを決定する。変調方式Ａは、特許請求の範囲に記載の第４、第５の変調方式に相当する。

また、ステップＳ１１０において、電源電圧が第１の所定値未満であるときにはＮＯと判定する。この場合、次のステップＳ１２０において、第２の判定手段として、電源電圧が第２の所定値以下であるか否かを判定する。第２の所定値は、第１の所定値より低い電圧値である。

電源電圧が第２の所定値未満である場合には、ステップＳ１２０において、ＹＥＳと判定する。これに伴い、ステップＳ１２５において、三相交流同期電動機の回転数制御に用いるべき変調方式として変調方式Ｃを決定する。変調方式Ｃは、
特許請求の範囲に記載の第２、第７の変調方式に相当する。

さらに、電源電圧が第１の所定値未満で、かつ第２の所定値以上のときには、ステップＳ１２０において、ＮＯと判定する。これに伴い、ステップＳ１３０において、三相交流同期電動機の回転数制御に用いるべき変調方式として変調方式Ｂを決定する。なお、変調方式Ｂは、特許請求の範囲に記載の第１、第３、第６の変調方式に相当する。

このように電源電圧に基づいて三相交流同期電動機の回転数制御に用いるべき変調方式を決定する。その後、ステップＳ１４０において、前記決定された変調方式を用いてスイッチング信号を求める。次のステップＳ１５０において、スイッチング信号をスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６に出力する。

その後、ステップＳ１００に戻り、このステップＳ１００で電圧センサ４５から電源電圧を取得すると、その後、ステップＳ１１０、Ｓ１２０のいずれかのステップで電源電圧Ｖの大きさを判定する。その後、ステップＳ１１５、Ｓ１２５、Ｓ１３０のいずれか１つのステップで、電源電圧Ｖの判定に応じて三相交流同期電動機の回転数制御に用いるべき変調方式を決定する。

その後、ステップＳ１４０において、前記決定された変調方式を用いてスイッチング信号を求める。次のステップＳ１５０において、スイッチング信号をスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６に出力する。

その後、ステップＳ１００、Ｓ１１０、…Ｓ１４０、Ｓ１５０の処理を繰り返す。これに伴い、共通接続点Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３から三相交流電流がステータコイル１に出力される。このため、三相指令波６０、６１、６２に追従する回転磁界がステータコイル１から発生する。これにより、ロータが回転磁界に同期して回転する。

また、三相交流同期電動機の回転数制御に用いるべき変調方式を、上述の如く、電源電圧に基づいて決定する。

すなわち、電源電圧が第１の所定値未満で、かつ第２の所定値以上であるときには、変調方式Ｂを決定し、電源電圧が第１の所定値以上であるときには、変調方式Ｂより昇圧比が小さくなるように設定されている変調方式Ａを決定し、電源電圧が第２の所定値未満であるときには、変調方式Ｂより昇圧比が大きくなるように設定されている変調方式Ｃを決定する。

これに伴い、コンデンサ３０に充電される電荷量が調整される。したがって、ステップＳ１００、Ｓ１１０、…Ｓ１５０の処理を繰り返すことにより、電源電圧Ｖが第１の所定値と第２の所定値の間に収束される。

以上説明した本実施形態では、制御回路５０が三角波比較ＰＷＭ方式で用いて三相指令波６０、６１、６２に追従する回転磁界をステータコイル１から発生させる。このため、三相指令波６０、６１、６２に追従してロータが回転することになる。

これに加えて、制御回路５０は、三相交流同期電動機の回転数制御に用いるべき変調方式を、上述の如く、電源電圧に基づいて決定するので、コンデンサ３０に充電される電荷量が調整される。

以上により、制御回路５０は、三相指令波６０、６１、６２に追従するように三相交流同期電動機のロータの回転を制御しつつ、コンデンサ３０に対する充電量を調整することができる。したがって、三相交流同期電動機を制御するためにスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をスイッチング動作させる時間の縮小を抑制しつつ、コンデンサ３０に対する充電量を電源装置３の出力電圧に基づいて調整することができる。

（第２実施形態）
上述の第１実施形態では、電源電圧が第１の所定値と第２の所定値の間の値であるときには、三相変調方式を用いて交流同期電動機の回転数を制御した例を示したが、これに代えて、本実施形態では、次のように交流同期電動機の回転数を制御する。

本実施形態の制御回路は、図６のフローチャートにしたがって、コンピュータプログラムの実行を開始する。図６において、図５と同一の符号と同一ステップを示し、その説明を省略する。

制御回路は、電源電圧が第１の所定値未満で、かつ第２の所定値以上のときには、ステップＳ１３０Ａにおいて、三相交流同期電動機の回転数制御に用いるべき変調方式として、図７に示す二相変調方式を用いることを決定し、この二相変調方式により制御信号としてのスイッチング信号を求め、このスイッチング信号をスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ６に出力する。

図７に示す二相変調方式は、図３の変調方式と図４の変調方式とを組み合わせたものである。具体的には、図７の二相変調方式では、指令波６０には、休止時間６０ｓと休止時間６０ｕとが交互に設けられている。

指令波６１には、休止時間６１ｓと休止時間６１ｕとが交互に設けられている。指令波６２には、休止時間６２ｓと休止時間６２ｕとが交互に設けられている。

このように三相指令波６０、６１、６２に休止時間が設定される。このため、図７に示す二相変調方式の昇圧比は、三相変調方式の昇圧比と同一の値（＝２）になる。

なお、図７に示す二相変調方式は、請求項７に記載の第１の変調方式、請求項１２に記載の第３の変調方式、および請求項１８に記載の第６の変調方式のいずれかに相当する。

上述の各実施形態では、コンデンサ３０をステータコイル１の中性点１ｘと正極側母線２２との間に配置した例を示したが、これに限らず、ステータコイル１の中性点１ｘと負極側母線２１との間にコンデンサ３０を配置してもよい。この場合、ステータコイル１の中性点１ｘと正極側母線２２との間に電源装置３を配置してもよい。
また，正極側母線２２と負極側母線２１との間にコンデンサ３０を配置しても良い。

上述の第１の実施形態では、電源電圧が第１の所定値未満で、かつ第２の所定値以上であるときには、三相変調方式を用いて三相交流同期電動機を制御したが、これに限らず、三相変調方式以外の変調方式を用いて三相交流同期電動機を制御してもよい。

上述の各実施形態では、同期電動機として三相交流同期電動機を用いた例を示したが、これに限らず、同期電動機として、４相以上の多相交流同期電動機を用いてもよい。

以下、上記実施形態と特許請求項の範囲の構成との対応関係について説明すると、ステップＳ１１５、Ｓ１２５、Ｓ１３０、１３０Ａは、決定手段を構成している。

本発明の第１実施形態における三相交流同期電動機の駆動装置の構成を示す図である。 第１実施形態で用いる三相変調方式を示す図である。 第１実施形態で用いる二相変調方式を示す図である。 第１実施形態で用いる二相変調方式を示す図である。 図１の制御回路の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態における制御回路の制御処理を示すフローチャートである。 第２実施形態で用いる二相変調方式を示す図である。

符号の説明

１ ステータコイル
１ａ Ｕ相コイル
１ｂ Ｖ相コイル
１ｃ Ｗ相コイル
１ｘ 中性点
３ 電源装置
１０ 駆動装置
２０ インバータ回路
２１ 負極側母線
２２ 正極側母線
３０ コンデンサ
４０ 電流センサ
５０ 制御回路
ＳＷ１ スイッチング素子
Ｄ１ ダイオード

Claims (18)

1. スター結線されているステータコイル（１）から発生する回転磁界によりロータを回転させる同期電動機の駆動装置であって、
   直列接続された一対のスイッチング素子を多数組有し、正極側母線（２２）と負極側母線（２１）との間に前記一対のスイッチング素子が多数組、並列接続されているインバータ回路（２０）と、
   コンデンサ（３０）と、
   前記コンデンサに対する充電量がそれぞれ異なるように設定されている複数種の変調方式を用いて、前記インバータ回路（２０）を構成する複数個の前記スイッチング素子をスイッチング動作させる制御信号を求めて、前記複数個のスイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記コンデンサ（３０）の出力状態と電源装置（３）の出力電圧とに基づいて前記回転磁界を前記ステータコイル（１）から発生させる制御手段（Ｓ１４０、Ｓ１５０）と、を備え、
   前記制御手段が前記複数個のスイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記ステータコイルから前記複数個のスイッチング素子をバイパスして流れる電流に基づいて前記コンデンサ（３０）を充電するようになっており、
   前記電源装置の出力電圧を検出する電源状態検出手段（４５）と、
   前記制御手段で用いるべき変調方式を前記電源状態検出手段の検出値に基づいて決定する決定手段（Ｓ１１５、Ｓ１２５、Ｓ１３０、１３０Ａ）と、を備え、
   前記制御手段が前記決定された変調方式により求められた制御信号に基づいて前記複数個のスイッチング素子をスイッチング動作させることにより、前記コンデンサに対する充電量を前記電源装置の出力電圧に基づいて調整するようになっていることを特徴とする同期電動機の駆動装置。
2. 前記複数種の変調方式は、前記負極側母線側のスイッチング素子のオン時間とオフ時間との比率を示す昇圧比が大きくなるほど、前記コンデンサに対する充電量が大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の駆動装置。
3. 前記電源状態検出手段の検出値である検出電圧値が第１の所定値以上であるか否かを判定する第１の判定手段（Ｓ１２０）を備え、
   前記検出電圧値が第１の所定値以上であると前記第１の判定手段（Ｓ１２０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１３０、Ｓ１３０Ａ）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として第１の変調方式を決定し、
   前記検出電圧値が第１の所定値未満であると前記第１の判定手段（Ｓ１２０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１２５）は、前記第１の変調方式より前記昇圧比が大きい第２の変調方式を、前記制御手段で用いるべき変調方式として決定することを特徴とする請求項２に記載の同期電動機の駆動装置。
4. 前記制御手段は、三相の指令波と搬送波との比較に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、三相同期電動機の前記ステータコイルから回転磁界を発生させるようになっていることを特徴とする請求項３に記載の同期電動機の駆動装置。
5. 前記第１の変調方式は、前記三相の指令波がそれぞれ正弦波になっている三相変調方式であることを特徴とする請求項４に記載の同期電動機の駆動装置。
6. 前記第２の変調方式は、前記昇圧比が上がるように前記三相の指令波のうち１相の指令波の１／３周期を休止時間として設定した二相変調方式であることを特徴とする請求項４または５に記載の同期電動機の駆動装置。
7. 前記第１の変調方式は、前記三相の指令波のそれぞれにおいて前記昇圧比が上がるように設定した休止時間と前記昇圧比が下げるように設定した休止時間とが交互に設けられている二相変調方式であることを特徴とする請求項４または６に記載の同期電動機の駆動装置。
8. 前記電源状態検出手段の検出値である検出電圧値が第２の所定値未満であるか否かを判定する第２の判定手段（Ｓ１１０）を備え、
   前記検出電圧値が前記第２の所定値以下であると前記第２の判定手段（Ｓ１１０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１３０、Ｓ１３０Ａ）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として第３の変調方式を決定し、
   前記検出電圧値が前記第２の所定値より大きいと前記第２の判定手段（Ｓ１１０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１１５）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として前記第３の変調方式より前記昇圧比が小さい第４の変調方式を、前記制御手段で用いるべき変調方式として決定することを特徴とする請求項２に記載の同期電動機の駆動装置。
9. 前記制御手段は、三相の指令波と搬送波との比較に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、三相同期電動機の前記ステータコイルから回転磁界を発生させるようになっていることを特徴とする請求項８に記載の同期電動機の駆動装置。
10. 前記第３の変調方式は、前記三相の指令波がそれぞれ正弦波になっている三相変調方式であることを特徴とする請求項９に記載の同期電動機の駆動装置。
11. 前記第４の変調方式は、前記昇圧比が下がるように前記三相の指令波のうち１相の指令波の１／３周期を休止期間として設定した二相変調方式であることを特徴とする請求項９または１０に記載の同期電動機の駆動装置。
12. 前記第３の変調方式は、前記三相の指令波のそれぞれにおいて前記昇圧比が上がるように設定した休止時間と前記昇圧比が下げるように設定した休止時間とが交互に設けられている二相変調方式であることを特徴とする請求項９または１１に記載の同期電動機の駆動装置。
13. 前記電源状態検出手段の検出値である検出電圧値が第３の所定値以上であるか否かを判定する第３の判定手段（Ｓ１１０）と、
    前記検出電圧値が前記第３の所定値未満であり第４の所定値以上であるか否かを判定する第４の判定手段（Ｓ１２０）と、を備え、
    前記検出電圧値が第３の所定値以上であると前記第３の判定手段（Ｓ１１０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１１５）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として第５の変調方式を決定し、
    前記検出電圧値が第３の所定値未満であると前記第３の判定手段が判定し、かつ前記検出電圧値が前記第４の所定値以上であると前記第４の判定手段（Ｓ１２０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１３０、１３０Ａ）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として前記第５の変調方式より前記昇圧比が大きい第６の変調方式を、前記制御手段で用いるべき変調方式として決定し、
    前記検出電圧値が前記第４の所定値未満であると前記第４の判定手段（Ｓ１２０）が判定したときには、前記決定手段（Ｓ１２５）は、前記制御手段で用いるべき変調方式として前記第６の変調方式より前記昇圧比が大きい第７の変調方式を、前記制御手段で用いるべき変調方式として決定することを特徴とする請求項２に記載の同期電動機の駆動装置。
14. 前記制御手段は、三相の指令波と搬送波との比較に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、三相同期電動機の前記ステータコイルから回転磁界を発生させるようになっていることを特徴とする請求項１３に記載の同期電動機の駆動装置。
15. 前記第５の変調方式は、前記昇圧比が下がるように前記三相の指令波のうち１相の指令波の１／３周期を休止時間として設定した二相変調方式であることを特徴とする請求項１４に記載の同期電動機の駆動装置。
16. 前記第６の変調方式は、前記三相の指令波がそれぞれ正弦波になっている三相変調方式であることを特徴とする請求項１４または１５に記載の同期電動機の駆動装置。
17. 前記第６の変調方式は、前記三相の指令波のそれぞれにおいて前記昇圧比が上がるように設定した休止時間と前記昇圧比が下げるように設定した休止時間とが交互に設けられている二相変調方式であることを特徴とする請求項１４または１５に記載の同期電動機の駆動装置。
18. 前記第７の変調方式は、前記昇圧比が上がるように前記三相の指令波のうち１相の指令波の１／３周期を休止時間として設定した二相変調方式であることを特徴とする請求項１４ないし１７のうちいずれか１つに記載の同期電動機の駆動装置。

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