JP4706344B2 - 同期モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、同期モータの制御装置に関する。

〔従来の技術〕
同期モータは、所定の電源から給電を受ける複数相の電機子コイルを有するステータと、磁石が装着されたロータとを備え、電機子コイルと磁石との相互作用によりロータを回転駆動して出力トルクを得るものである。また、同期モータの制御装置（以下、制御装置と略す）は、電機子コイルへの給電を制御するための制御信号を合成し、この制御信号をインバータのスイッチング素子に出力する。

ここで、インバータは、電機子コイルの１相につき、２つのスイッチング素子（アーム）を対応させて構成される。そして、制御装置は、電機子コイルに給電するために、アームの上段のスイッチング素子（上段スイッチング素子）、アームの下段のスイッチング素子（下段スイッチング素子）を作動させるための制御信号の変調度を、電源の電圧（電源電圧）に応じて算出する（例えば、特許文献１参照）。

〔従来技術の不具合〕
この同期モータは、回転数の可変範囲が広く高効率であるため、近年のインバータ制御の発達に伴い適用分野が広がっている。そして、適用分野の広がりにより、さらに回転数の可変範囲の拡大が要請されており、特に高回転数側での拡大が強く要請されている。しかし、回転数の高速化に伴い、以下のような様々な問題が生じている。

例えば、高回転数の運転を可能にするため、制御装置は、変調度を最大値に保持した状態で、磁石により形成される磁界を弱める方向に電機子コイルへの給電を制御する弱め界磁制御を実行する。そして、図１３に示すように、弱め界磁制御を実行しているときに、電源電圧が急激に上昇すると、制御装置は、弱め界磁制御を停止するとともに、変調度を電源電圧に応じて算出する最大効率制御等に切り替える。

しかし、電機子コイルに給電するために印加される相電圧は、制御モードが弱め界磁制御から最大効率制御等に切り替わる前に、電源電圧に応じて上昇してしまう｛図１３（ｃ）参照｝。このため、電機子コイルへの給電により生じる相電流に対する制御が遅れ、相電流の位相が振動する｛図１３（ｄ）参照｝。そして、この振動は、回転数が高いほど激しくなり、制御が不安定になる。

また、インバータにおいて上段、下段スイッチング素子が同時に作動して、短絡が発生するのを防止するため、制御装置は、上段、下段スイッチング素子が両方とも非作動になる時間（デッドタイム）を設定している。このデッドタイムの影響により、相電圧の振幅は、図１４（ａ）の相電圧の振幅（補償前）の経時変化に示すように、電気角の半周期ごとに中心値Ｃを挟んで上下に変動する。そして、制御装置は、相電圧の振幅を中心値Ｃに略一致させるため、相電圧の振幅の変動方向とは逆の方向に補償電圧を電機子コイルに印加するように変調度を調整する。この結果、デッドタイムによる影響が補償され、相電圧の振幅は、相電圧の振幅（補償後）の経時変化に示すように、中心値Ｃに略一致するようになる。

しかし、回転数が高いほど電気角周期が短くなるため、図１４（ｂ）、（ｃ）に示すように、電気角周期に対する制御割り込み周期の割合が大きくなる。これにより、相電流がゼロになる時期（電流ゼロクロス時：この時に、相電圧は中心値Ｃを挟んで上下に変動する）と、制御指令に基づき補償電圧の印加方向が逆転する時期との時間的なズレが大きくなる。このため、相電圧の振幅（補償後）には、周期的なパルスが発生する。この結果、相電圧および相電流は、図１５（ｂ）の相電圧（補償後）および図１５（ｃ）の相電流（補償後）の経時変化に示すように、蛇行して経時変化するようになる。このため、モータ効率が低下するとともに、制御が不安定になる。

さらに、インバータにおいてアームの下段にシャント抵抗を組み込んで相電流の検出を行う場合、シャント抵抗に流れるシャント電流では、図１６（ａ）に示すように、配線抵抗や浮遊インダクタンスの影響を受けてリンギングが発生する。このため、相電流の検出は、リンギングの影響が小さくなった時に、つまり、下段スイッチング素子が作動を開始してから所定の時間が経過した後に行われる。

しかし、リンギングの影響が大きい期間の長さ（リンギング期間）は、回転数によらずほぼ一定である。このため、高回転時には、下段スイッチング素子の作動期間に対するリンギング期間の割合が大きくなり、さらに、下段スイッチング素子の作動期間よりもリンギング期間の方が長くなるような高い回転数では、相電流の検出が困難になる。

このため、回転数が高くなると、図１６（ｂ）に示すように、電流ゼロクロス時を挟む所定期間Ｔにおいて相電流の検出が困難になり、相電流の極性を正確に判定できなくなる。この結果、補償電圧の印加方向を誤り、相電圧の振幅に周期的なパルスが発生する。そして、このパルスの発生により、電気角周期に対する制御割り込み周期の割合が大きくなった場合と同様に、相電圧および相電流が蛇行して経時変化するようになり、モータ効率が低下するとともに制御が不安定になる。
特開平１０−２５７７９７号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、同期モータの制御装置において、同期モータの高回転数化に伴い制御が不安定になるのを防止することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の同期モータの制御装置は、ステータに設けられ所定の電源から給電を受ける複数相の電機子コイルと、ロータに装着された磁石との相互作用により、ロータを回転駆動するとともに、電機子コイルへの給電を制御するための制御信号の変調度を、電源電圧に応じて算出するものである。この制御装置は、磁石により形成される磁界を弱める方向に電機子コイルへの給電を制御する弱め界磁制御を実行している時に、電源電圧が上昇を開始したら、変調度の低減を開始する変調度低減手段を備える。そして、変調度低減手段は、変調度の低減幅を漸増させた後に漸減させ、電源電圧が弱め界磁制御を停止できる大きさに到達する前に変調度の低減を開始する。

この手段は、制御装置が弱め界磁制御を実行しているときに電源電圧が急激に上昇することにより、相電流の位相が振動するのを防止するためのものである。
この手段によれば、制御装置は、弱め界磁制御の実行中に電源電圧が上昇すれば、従来のタイミング（つまり、電源電圧が、弱め界磁制御を停止できる大きさに到達するタイミング）よりも早く変調度を低減する。このため、制御装置は、電源電圧の上昇に伴う相電圧の上昇開始、および相電流の位相の振動に対し、従来よりも早期に対応することができる。

また、この手段によれば、変調度低減手段は、変調度の低減幅を漸増させた後に漸減させる。このため、制御装置は、電源電圧が急激に上昇しても、相電圧の上昇を緩和することができるとともに、電源電圧が上昇し再度安定した後に、変調度の低減を停止することができる。
以上より、制御装置が弱め界磁制御を実行しているときに電源電圧が急激に上昇しても、相電流は安定して推移することができる。この結果、弱め界磁制御実行中の電源電圧の急上昇により相電流の位相が振動するのを、防止することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の制御装置は変調度低減手段により、変調度を低減することで相電圧の上昇速度を低下させる。
この手段は、請求項１の手段の一形態を示すものである。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の制御装置によれば、変調度低減手段は、電源電圧の全成分の内で、所定の第１遮断値よりも小さい成分を第１通過成分として通過させる第１低減フィルタを有し、電源電圧の全成分に対する第１通過成分の比率を低減係数として算出し、変調度に低減係数を乗じることで変調度を低減する。
この手段は、請求項１の手段の一形態を示すものである。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の制御装置によれば、変調度低減手段は、第１低減フィルタを一次遅れ要素の形式を含んで構成している。
この手段は、請求項３の手段の一形態を示すものである。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の制御装置によれば、変調度低減手段は、電源電圧を検出する電源電圧検出手段から入力される検出成分の内で、所定の第２遮断値よりも小さい成分を前記電源の電圧の全成分として通過させる第２低減フィルタを有し、第２低減フィルタを一次遅れ要素の形式を含んで構成し、第１低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数を、第２低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数よりも長い値に設定している。
この手段は、請求項４の手段において、第１低減フィルタの一形態を示すものである。

〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の制御装置によれば、第１低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数は、相電流の経時変化を構成する一次遅れ要素の時定数よりも長い。
この手段は、請求項４または請求項５の手段において、第１低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数を限定するものである。これにより、弱め界磁制御実行中の電源電圧の急上昇により相電流の位相が振動するのを、確実に防止することができる。

〔請求項７の手段〕
請求項７に記載の制御装置によれば、第１低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数は、１ミリ秒よりも長い。
この手段は、請求項４ないし請求項６のいずれか１つの手段において、第１低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数を、数値的に限定するものである。

〔請求項８の手段〕
請求項８に記載の制御装置によれば、変調度低減手段が低減幅を漸減させる期間は、相電流の経時変化を構成する一次遅れ要素の時定数よりも長い。
この手段は、請求項１の手段の一形態を示すものである。

〔請求項９の手段〕
請求項９に記載の制御装置によれば、変調度低減手段が低減幅を漸減させる期間は、１ミリ秒よりも長い。
この手段は、請求項１ないし請求項８のいずれか１つの手段の一形態を示すものである。

最良の形態の制御装置は、ステータに設けられ所定の電源から給電を受ける複数相の電機子コイルと、ロータに装着された磁石との相互作用により、ロータを回転駆動するとともに、電機子コイルへの給電を制御するための制御信号の変調度を、電源電圧に応じて算出する同期モータの制御装置である。

制御装置は、磁石により形成される磁界を弱める方向に電機子コイルへの給電を制御する弱め界磁制御を実行している時に、電源電圧が上昇を開始したら、変調度の低減を開始する変調度低減手段を備える。そして、変調度低減手段は、変調度の低減幅を漸増させた後に漸減させ、電源電圧が弱め界磁制御を停止できる大きさに到達する前に変調度の低減を開始する。
また、制御装置は、変調度低減手段により変調度を低減することで、電機子コイルに給電するために印加される相電圧の上昇速度を低下させる。

変調度低減手段は、電源電圧の全成分の内で、所定の第１遮断値よりも小さい成分を第１通過成分として通過させる第１低減フィルタを有し、電源電圧の全成分に対する第１通過成分の比率を低減係数として算出し、変調度に低減係数を乗じることで変調度を低減する。
また、変調度低減手段は、第１低減フィルタを一次遅れ要素の形式を含んで構成している。

変調度低減手段は、電源電圧を検出する電源電圧検出手段から入力される検出成分の内で、所定の第２遮断値よりも小さい成分を電源電圧の全成分として通過させる第２低減フィルタを有し、第２低減フィルタを一次遅れ要素の形式を含んで構成し、第１低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数を、第２低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数よりも長い値に設定している。

第１低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数は、電機子コイルへの給電により生じる相電流の経時変化を構成する一次遅れ要素の時定数よりも長く、１ミリ秒よりも長い。
また、変調度低減手段が低減幅を漸減させる期間は、電機子コイルへの給電により生じる相電流の経時変化を構成する一次遅れ要素の時定数よりも長く、１ミリ秒よりも長い。

制御装置は、インバータの作動を制御することで、電機子コイルへの給電を制御してロータを回転駆動するとともに、インバータのアームの上段のスイッチング素子と、インバータのアームの下段のスイッチング素子とが同時に作動することを防止するためのデッドタイムを設定する。

制御装置は、デッドタイムによる影響を補償するデッドタイム補償手段を備え、このデッドタイム補償手段は、ロータの回転数に対し閾値を設定し、回転数が閾値以上になったら、デッドタイムによる影響を補償する補償量を低減したり、補償量をゼロにしたりする。また、デッドタイム補償手段は、補償量の低減を停止した時に補償量がゼロに略一致するように、補償量を低減する。
また、制御装置は、アームの下段に組み込まれたシャント抵抗により、相電流を検出する。

制御装置は、閾値を、電気角周期に対する制御割り込み周期の割合に応じて設定する。そして、制御装置は、この割合を０．３％とする。
また、デッドタイム補償手段は、回転数に応じて補償量を低減するとともに、回転数に対し補償量の低減を停止する限界値を設定する。
限界値は、閾値よりも１００ｒｐｍ以上大きい。
なお、同期モータは、車両に搭載される。

〔実施例１の構成〕
実施例１の制御装置１を、図１ないし図５に基づいて説明する。まず、制御装置１により制御される同期モータ２について説明する。

同期モータ２は、ステータ（図示せず）に設けられ所定の電源から給電を受ける複数相（例えば、ｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）の電機子コイル（図示せず）と、ロータ（図示せず）に装着された磁石（図示せず）との相互作用により、ロータを回転駆動することで出力トルクを得るものである。つまり、同期モータ２は、インバータ３から電機子コイルに交流電圧の印加を受けることで、電機子コイルと磁石との間に相互作用を発生させ、ロータを回転駆動して出力トルクを得る（以下、電機子コイルに給電するために印加される交流電圧を、相電圧と呼ぶ）。なお、この同期モータ２は、車両に搭載されてコンプレッサ、ポンプおよび膨張機等に適用される。

また、ロータの回転位置は、エンコーダ等の位置検出手段４により検出され、検出信号として制御装置１に出力される。そして、この検出信号は、回転位置の検出値θに変換された後、ロータの回転数（以下、単に回転数と呼ぶ）の算出等に用いられる。

インバータ３は、図２に示すように、電源７とインバータ回路８とを含んで構成されている。インバータ回路８は、電機子コイルの１相につき２つのスイッチング素子９、１０（この１組のスイッチング素子９、１０をアームと呼ぶ）を対応させて構成されている。そして、制御装置１から出力される制御信号によりスイッチング素子９、１０が作動することで、各相電機子コイルに給電が行われる。

また、インバータ回路８では、アームの下段にシャント抵抗１１が組み込まれ（以下、シャント抵抗１１を下段シャント抵抗１１と呼ぶ）、電機子コイルへの給電により生じる交流電流が検出されている（以下、電機子コイルへの給電により生じる交流電流を、相電流と呼ぶ）。つまり、下段シャント抵抗１１における電圧降下が、コンパレータ１２により電気信号に変換され、相電流の検出信号として制御装置１に出力される。なお、相電流は、３相の内でｕ相、ｖ相の相電流が検出されるものとし、ｕ相、ｖ相の相電流の検出信号をＩｕ、Ｉｖとして表す。

また、電源７における電圧降下も、コンパレータ１３により電気信号に変換され、電源電圧の検出信号Ｖｄｃとして制御装置１に出力される。つまり、コンパレータ１３は、電源電圧を検出する電源電圧検出手段である。

制御装置１は、周知構造のコンピュータであり、検出信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｖｄｃ等の入力を受けるとともに、これらの検出信号や各種の指令値等を用いて、各相電機子コイルへの給電を制御するための制御信号を合成してインバータ３に出力する。つまり、制御装置１は、電源電圧や相電流の検出値に応じて制御信号の変調度を算出し、この変調度に応じた制御信号を合成してインバータ３に出力する。

また、制御装置１は、インバータ３において、アームの上段のスイッチング素子９と、アームの下段のスイッチング素子１０とが同時に作動して短絡が発生するのを防止するためのデッドタイムを設定する。そして、制御装置１は、デッドタイムによる影響（図１４の相電圧の振幅（補償前）を参照）を補償するための補償量（デッドタイム補償量：例えば、補償電圧）を算出したり、設定したりする。

すなわち、制御装置１は、インバータ３における短絡防止のためデッドタイムを設定するとともに、デッドタイムによる悪影響（相電圧の振幅の周期的変動）を防止するためデッドタイム補償量を算出したり設定したりする。そして、制御装置１は、デッドタイム補償量に応じて変調度を補正する。

以下、制御装置１の各種の機能について、図１、図３および図５のブロックフロー図を用いて説明する。これらのブロックフロー図は、制御装置１が弱め界磁制御を実行しているときの制御ロジックを示すものである。なお、弱め界磁制御とは、磁石により形成される磁界を弱める方向に電機子コイルへの給電を制御する制御モードであり、高回転数において変調度を最大値に保持した状態で実行される。

まず、制御装置１は、図１に示すように、検出信号Ｉｕ、Ｉｖを用いて相電流の検出値ｉを算出して出力する電流検出部１７、検出信号Ｖｄｃを用いて電源電圧の検出値Ｖｄｃ１およびＶｄｃ２を算出して出力する電源電圧検出部１８、検出値θを時間微分して回転数を算出し、回転数の算出値ωを出力する回転数算出部１９、上位の制御ロジックにより回転数の指令値ω＊を算出して出力する回転数指令部２０、算出値ωと指令値ω＊とを用いて相電流の指令値ｉ＊を算出する電流指令部２１、検出値ｉ、θ、および指令値ｉ＊を用いて相電圧の振幅の指令値Ｖａ＊および相電圧の位相の指令値Ｖθ＊を算出する電圧指令部２２、指令値Ｖａ＊、Ｖθ＊を用いて変調度を算出するとともに制御信号を合成して出力するＰＷＭ指令部２３、デッドタイム補償量を算出するデッドタイム補償量算出部２４等の機能を備える。

電源電圧検出部１８は、図３に示すように、２つの低減フィルタ２８、２９（第１、第２低減フィルタ２８、２９とする）の機能を有し、２つの検出値を出力する。第２低減フィルタ２９は、コンパレータ１３から入力される電源電圧の検出成分の内で、所定の第２遮断値よりも小さい成分を電源電圧の全成分として通過させるものであり、第１低減フィルタ２８は、第２低減フィルタ２９から出力される電源電圧の全成分の内で、所定の第１遮断値よりも小さい成分を第１通過成分として通過させるものである。

すなわち、電源電圧検出部１８は、検出信号Ｖｄｃを電源電圧の生の検出値に変換するとともに、この生の検出値を電源電圧の検出成分として第２低減フィルタ２９に入力し、電源電圧の全成分として検出値Ｖｄｃ２を出力する。さらに、電源電圧検出部１８は、検出値Ｖｄｃ２を第１低減フィルタ２８に入力し、第１通過成分として検出値Ｖｄｃ１を出力する。

第２低減フィルタ２９は、一次遅れ要素の形式、例えばラプラス演算子をｓ、およびこの一次遅れ要素の時定数をτ２として１／（τ２×ｓ＋１）で表される形式を含んで構成されている。そして、第２低減フィルタ２９は、一次遅れ要素を含むことにより、電源電圧の検出成分（生の検出値）の内で、所定の第２遮断値よりも小さい成分を電源電圧の全成分（検出値Ｖｄｃ２）として通過させる。
これにより、生の検出値が、第２低減フィルタ２９により、図４（ａ）に示す検出値Ｖｄｃ２のように変換される。

第１低減フィルタ２８は、一次遅れ要素の形式、例えばラプラス演算子をｓ、およびこの一次遅れ要素の時定数をτ１として１／（τ１×ｓ＋１）で表される形式を含んで構成されている。そして、第１低減フィルタ２８は、一次遅れ要素を含むことにより、電源電圧の全成分（検出値Ｖｄｃ２）の内で、所定の第１遮断値よりも小さい成分を第１通過成分（検出値Ｖｄｃ１）として通過させる。

これにより、検出値Ｖｄｃ２が、図４（ａ）に示す検出値Ｖｄｃ１のように変換される。つまり、第１低減フィルタ２８は、電源電圧の全成分をなまらせて第１通過成分とする。
なお、時定数τ１は、時定数τ２よりも長い値に設定され、かつ１ミリ秒よりも長い値に設定されている。

ＰＷＭ指令部２３は、図５に示すように、検出値Ｖｄｃ２と指令値Ｖａ＊とを用いて変調度の基本値Ｍａを算出する基本算出部３１、基本値Ｍａを検出値Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２に応じて低減補正し、補正後の基本値Ｍａ’を出力する低減補正部３２、基本値Ｍａ’、指令値Ｖθ＊および検出値θを用いて３相のアームごとに変調度の指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊を算出する変調度指令部３３、指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊をデッドタイム補償量に応じて補正し、補正後の指令値Ｍｕ’＊、Ｍｖ’＊、Ｍｗ’＊を出力するデッドタイム補償部３４、指令値Ｍｕ’＊、Ｍｖ’＊、Ｍｗ’＊に基づき、６個のスイッチング素子９、１０ごとに制御信号を合成しインバータ３へ出力するＰＷＭ合成部３５等の機能を有する。

基本算出部３１は、電源電圧に対する相電圧の振幅の比率を変調度の基本値Ｍａとして算出するものである。この基本値Ｍａの算出では、電源電圧の値として電源電圧の全成分（検出値Ｖｄｃ２）が用いられ、相電圧の振幅の値として指令値Ｖａ＊が用いられる。そして、基本算出部３１は、下記の数式１により基本値Ｍａを算出する。
〔数式１〕
Ｍａ＝Ｖａ＊／Ｖｄｃ２

低減補正部３２は、電源電圧の全成分（検出値Ｖｄｃ２）に対する第１通過成分（検出値Ｖｄｃ１）の比率（Ｖｄｃ１／Ｖｄｃ２）を低減係数として算出し、基本値Ｍａに低減係数を乗じることで基本値Ｍａを低減補正する。つまり、低減補正部３２は、下記の数式２により補正後の基本値Ｍａ’を算出する。
〔数式２〕
Ｍａ’＝Ｖｄｃ１／Ｖｄｃ２×Ｍａ

ここで、基本値Ｍａに低減係数を乗じることは、変調度に低減係数を乗じることに相当する。よって、低減補正部３２は、基本値Ｍａに低減係数を乗じることで、変調度に低減係数を乗じることと同様の機能を実行している。

これにより、低減補正部３２は、電源電圧検出部１８の第１、第２低減フィルタ２８、２９とともに変調度低減手段３８として機能する。変調度低減手段３８は、電源電圧が、弱め界磁制御を停止できる大きさに到達する時間（弱め界磁停止可能時間）よりも前に、変調度の低減を開始する機能である。つまり、図４（ｂ）に示すように、従来、変調度の低減は、弱め界磁停止可能時間の到来とともに（すなわち、弱め界磁制御から最大効率制御等への制御モード切替とともに）開始されていたが、変調度低減手段３８により、弱め界磁停止可能時間よりも早く開始される。

ここで、低減係数は、第１、第２低減フィルタ２８、２９により、図４（ｃ）に示すように、検出値Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２の上昇開始とともに減少し、その後、検出値Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２の上昇開始時と同じ大きさまで増加する。これにより、従来に対する変調度の低減幅は、図４（ｂ）に示すように、電源電圧の上昇開始とともに漸増し、その後漸減する。このため、図４（ｄ）に示すように、相電圧の振幅の上昇速度は、従来よりも低減する。

なお、変調度低減手段３８が変調度の低減幅を漸減させる期間は、相電流の経時変化を構成する一次遅れ要素の時定数よりも長い値に設定され、かつ１ミリ秒よりも長い値に設定されている。

変調度指令部３３は、基本値Ｍａ’、指令値Ｖθ＊および検出値θを、下記の数式３ないし数式５に当てはめて指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊を算出する。
〔数式３〕
Ｍｕ＊＝Ｍａ’ｓｉｎ（θ＋Ｖθ＊）
〔数式４〕
Ｍｖ＊＝Ｍａ’ｓｉｎ（θ−２／３・π＋Ｖθ＊）
〔数式５〕
Ｍｗ＊＝Ｍａ’ｓｉｎ（θ−４／３・π＋Ｖθ＊）

デッドタイム補償部３４は、指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊をデッドタイム補償量に応じて補正し、補正後の指令値Ｍｕ’＊、Ｍｖ’＊、Ｍｗ’＊を出力する。なお、デッドタイム補償部３４による補正は、次に述べるデッドタイム補償量算出部２４の機能とともに説明する。

デッドタイム補償量算出部２４は、デッドタイム補償部３４とともに、デッドタイムによる影響を補償するデッドタイム補償手段４０として機能する。つまり、デッドタイム補償量算出部２４で算出されたデッドタイム補償量に応じて、変調度が補正される。ここで、デッドタイム補償量とは、例えば、デッドタイムの影響による相電圧の振幅の変動に対し、この変動を打ち消すため変動方向とは逆の方向に印加すべき補償電圧（図１４参照）や、この補償電圧に相当する変調度補正量である。

デッドタイム補償量算出部２４は、デッドタイム補償量の基本補償値ｍａを設定する基本補償値設定部４２、基本補償値ｍａに対し変調度の補正に用いる割合（補償割合）を算出する補償割合算出部４３、相電流の正負に応じて補償方向を決める補償方向指令部４４の機能を有する。なお、基本補償値ｍａは、正の値として設定される。

補償割合算出部４３は、基本補償値ｍａに乗じる割合を０以上１以下の補償割合として算出するとともに、基本補償値ｍａに補償割合を乗じることで基本補償値ｍａを補正し、補正後の補償値ｍａ’を出力する。

ここで、補償割合算出部４３は、算出値ωに対し閾値ωｃ１を設定し、算出値ωが閾値ωｃ１未満であれば、補償割合を１にする。また、補償割合算出部４３は、算出値ωが閾値ωｃ１以上になったら、補償割合を１から直線的に低減する。これにより、デッドタイム補償手段４０は、算出値ωが閾値ωｃ１以上になったら、デッドタイム補償量を低減することができる。閾値ωｃ１は、電気角周期に対する制御割り込み周期の割合に応じて設定され、例えば、電気角周期に対する制御割り込み周期の割合を０．３％として設定されている。

さらに、補償割合算出部４３は、算出値ωに対し補償割合の低減を停止する限界値ωｃ２を設定する。限界値ωｃ２は、閾値ωｃ１よりも１００ｒｐｍ以上大きい値に設定されている。また、限界値ωｃ２における補償割合は０に設定されている。つまり、補償割合算出部４３は、閾値ωｃ１よりも大きい限界値ωｃ２を設定し、算出値ωが限界値ωｃ２以上になったら、補償割合を０にする。これにより、デッドタイム補償手段４０は、算出値ωに応じてデッドタイム補償量を低減することができるとともに、デッドタイム補償量の低減を停止した時にデッドタイム補償量がゼロに略一致するように、デッドタイム補償量を低減することができる。

補償方向指令部４４は、相電流の正負に応じてデッドタイム補償量による補償方向を決める。つまり、補償方向指令部４４は、デッドタイム補償部３４において、指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊を補正する方向、すなわち、指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊に対し補償値ｍａ’を減算するか加算するかを決める。

具体的には、補償値ｍａ’に対し、以下の数式６ないし数式８により、デッドタイム補償量の指令値ｍｕ＊、ｍｖ＊、ｍｗ＊を算出する。
〔数式６〕
ｍｕ＊＝ｍａ’×Ｓｉｇｎ（ｉｕ）
〔数式７〕
ｍｖ＊＝ｍａ’×Ｓｉｇｎ（ｉｖ）
〔数式８〕
ｍｗ＊＝ｍａ’×Ｓｉｇｎ（ｉｗ）

数式６ないし数式８において、ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは各相電流の値であり、Ｓｉｇｎ（Ｘ）は、Ｘ＞０のときに１となり、Ｘ＝０のときに０となり、Ｘ＜０のときに−１となる関数である。これにより、相電流が正の値であるときは、指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊に対し補償値ｍａ’が加算され、相電流が０であるときは、指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊に対する加減は行われず、相電流が負の値であるときは、指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊に対し補償値ｍａ’が減算される。

〔実施例１の効果〕
実施例１の制御装置１は、弱め界磁制御を実行している時に電源電圧が上昇を開始したら、弱め界磁停止可能時間よりも前に変調度の低減を開始する変調度低減手段３８の機能を備える。そして、変調度低減手段３８は、変調度の低減幅を漸増させた後に漸減させる（図４（ｂ）参照）。

これにより、制御装置１は、弱め界磁制御の実行中に電源電圧が上昇すれば、弱め界磁停止可能時間よりも早く変調度を低減する。このため、制御装置１は、電源電圧の上昇に伴う相電圧の上昇開始、および相電流の位相の振動に対し、従来よりも早期に対応することができる。また、制御装置１は、変調度の低減幅を漸増させた後に漸減させる。このため、制御装置１は、電源電圧が急激に上昇しても、相電圧の上昇を緩和することができるとともに、電源電圧が上昇し再度安定した後に、変調度の低減を停止することができる。

この結果、制御装置１が弱め界磁制御を実行しているときに電源電圧が急激に上昇しても、相電圧の振幅の上昇速度を従来よりも低減させ（図４（ｄ）参照）、相電流の位相が振動するのを防止することができる（図４（ｅ）参照）。

また、第１低減フィルタ２８に含まれる一次遅れ要素の時定数τ１は、相電流の経時変化を構成する一次遅れ要素の時定数よりも長い。
これにより、弱め界磁制御実行中の電源電圧の急上昇により相電流の位相が振動するのを、確実に防止することができる。

また、制御装置１のデッドタイム補償手段４０は、回転数の算出値ωに対し閾値ωｃ１を設定し、算出値ωが閾値ωｃ１以上になったら、デッドタイム補償量を低減する。
これにより、回転数が高く電気角周期に対する制御割り込み周期の割合が大きいときに、デッドタイムによる影響を補償することで発生する相電圧および相電流の蛇行経時変化を防止することができる。

すなわちデッドタイム補償量を低減することで、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、補償電圧の変動幅は、補償前の相電圧の振幅の変動幅よりも小さくなる。このため、補償後の相電圧の振幅の経時変化において、電流ゼロクロス時に発生する周期的なパルスの高さが、従来（図１４参照）よりも低減される。この結果、デッドタイムによる影響を補償することで発生する相電圧および相電流の蛇行経時変化を抑制することができる。
なお、回転数が高い場合、相電圧の振幅は大きいので、相電圧の振幅変動の影響（つまり、デッドタイムによる影響）は極めて小さくなる。よって、デッドタイム補償量を低減しても、同期モータ２の運転に対する悪影響は発生しない。

また、デッドタイム補償手段４０は、算出値ωが限界値ωｃ２以上になったら、デッドタイム補償量をゼロにする。
これにより、図６（ｃ）に示すように、補償電圧がゼロになるため、相電圧の振幅は補償前後で差異がなくなる。このため、電流ゼロクロス時のパルスが発生しなくなるので、相電圧および相電流の蛇行経時変化を、確実に防止することができる。

また、制御装置１は、下段シャント抵抗１１により相電流を検出する。
これにより、下段シャント抵抗１１で相電流を検出する場合に、高回転数のときに顕著になる相電圧の振幅の経時変化におけるパルス発生（図１６（ｂ）参照）を防止することができる。このパルスは、相電流の極性が正確に判定できないときに、誤った方向に補償電圧を印加することで発生する。そこで、上記のように算出値ωが閾値ωｃ１以上になったら補償電圧のようなデッドタイム補償量を低減したり、ゼロにしたりする。これにより、補償電圧の誤印加量が低減したり、ゼロになったりするので、相電圧の振幅の経時変化におけるパルス発生を抑制することができる。

また、デッドタイム補償手段４０は、閾値ωｃ１を、電気角周期に対する制御割り込み周期の割合に応じて設定する。
電気角周期に対する制御割り込み周期の割合が大きくなるほど、相電圧の振幅のパルス幅が大きくなり、相電圧および相電流の経時変化の蛇行が顕著になる（図１４（ｂ）および図１５（ｂ）、（ｃ）参照）。そこで、電気角周期に対する制御割り込み周期の割合に応じて閾値ωｃ１を設定すれば、効果的に、相電圧および相電流の経時変化の蛇行を抑制することができる。

実施例２の制御装置１を、図７および図８に基づいて説明する。なお、実施例１と同様の機能を有する部分は同一の符号を用いる。
実施例２の電圧指令部２２は、図７に示すように、相電流の検出値ｉ、回転位置の検出値θ、および相電流の指令値ｉ＊を用いてｄ軸電圧の指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧の指令値Ｖｑ＊を算出する。

ＰＷＭ指令部２３は、図８に示すように、指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を用いて相電圧の指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を算出するｄｑ／３相変換部４６の機能を有する。また、基本算出部３１は、基本値Ｍａの替わりに、下記の数式９、１０、１１により、各相ごとに変調度の基本指令値Ｍｕａ＊、Ｍｖａ＊、Ｍｗａ＊を算出する。
〔数式９〕
Ｍｕａ＊＝Ｖｕ＊／Ｖｄｃ２
〔数式１０〕
Ｍｖａ＊＝Ｖｖ＊／Ｖｄｃ２
〔数式１１〕
Ｍｗａ＊＝Ｖｗ＊／Ｖｄｃ２

また、低減補正部３２は、基本値Ｍａを低減補正する替わりに、基本指令値Ｍｕａ＊、Ｍｖａ＊、Ｍｗａ＊を低減補正することで、変調度の指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊を算出する。つまり、実施例１のように変調度指令部３３が指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊を算出するのではなく、低減補正部３２が指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊を算出する。なお、低減補正は、実施例１と同様に、低減係数を基本指令値Ｍｕａ＊、Ｍｖａ＊、Ｍｗａ＊に乗じることで実行される。

〔実施例３の構成〕
実施例３の制御装置１を、図９および図１０に基づいて説明する。なお、実施例１と同様の機能を有する部分は同一の符号を用いる。

実施例３のデッドタイム補償量算出部２４は、図９および図１０に示すように、ＰＷＭ指令部２３の基本算出部３１で算出された基本値Ｍａの入力を受ける。また、補償割合算出部４３は、基本値Ｍａに対し閾値Ｍａｃ１を設定し、基本値Ｍａが閾値Ｍａｃ１未満であれば、補償割合を１にする。また、補償割合算出部４３は、基本値Ｍａが閾値Ｍａｃ１以上になったら、補償割合を１から直線的に低減する。これにより、デッドタイム補償手段４０は、基本値Ｍａが閾値Ｍａｃ１以上になったら、デッドタイム補償量を低減することができる。閾値Ｍａｃ１は、例えば、９０％以上の値に設定されている。

さらに、補償割合算出部４３は、基本値Ｍａに対し補償割合の低減を停止する限界値Ｍａｃ２を設定する。限界値Ｍａｃ２は、例えば、１００％に設定されている。また、限界値Ｍａｃ２における補償割合は０に設定されている。つまり、補償割合算出部４３は、閾値Ｍａｃ１よりも大きい限界値Ｍａｃ２を設定し、基本値Ｍａが限界値Ｍａｃ２以上になったら、補償割合を０にする。これにより、デッドタイム補償手段４０は、基本値Ｍａに応じてデッドタイム補償量を低減することができるとともに、デッドタイム補償量の低減を停止した時にデッドタイム補償量がゼロに略一致するように、デッドタイム補償量を低減することができる。

そして、補償割合算出部４３は、基本値Ｍａに基づいて算出した補償割合を基本補償値ｍａに乗じることで基本補償値ｍａを補正し、補正後の補償値ｍａ’を出力する。

〔実施例３の効果〕
実施例３のデッドタイム補償手段４０は、変調度の基本値Ｍａに対し閾値Ｍａｃ１を設定し、基本値Ｍａが閾値Ｍａｃ１以上になったらデッドタイム補償量を低減したり、ゼロにしたりするものであり、閾値Ｍａｃ１を、９０％以上の値に設定する。
変調度が９０％以上であれば、デッドタイム補償量を低減したり、ゼロにしたりしても、同期モータ２の運転に対する悪影響は発生しない。そこで、閾値Ｍａｃ１を９０％以上の値に設定することで、同期モータ２の運転に対する悪影響を発生させることなく、相電圧および相電流の経時変化の蛇行を抑制することができる。

実施例４の制御装置１を、図１１および図１２に基づいて説明する。なお、実施例１、２，３と同様の機能を有する部分は同一の符号を用いる。
実施例４の電圧指令部２２は、実施例２と同様にｄ軸電圧の指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧の指令値Ｖｑ＊を算出する。ＰＷＭ指令部２３は、実施例２と同様に、指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を用いて相電圧の指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を算出するｄｑ／３相変換部４６の機能を有する。また、基本算出部３１も、実施例２と同様に、各相ごとに変調度の基本指令値Ｍｕａ＊、Ｍｖａ＊、Ｍｗａ＊を算出する。

そして、ＰＷＭ指令部２３は、基本算出部３１とは別の基本値算出部４８により基本値Ｍａを算出する。この基本値算出部４８は、基本指令値Ｍｕａ＊、Ｍｖａ＊、Ｍｗａ＊を用いて基本値Ｍａを算出するものである。また、低減補正部３２は、実施例２と同様に、基本指令値Ｍｕａ＊、Ｍｖａ＊、Ｍｗａ＊を低減補正することで、変調度の指令値Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊を算出する。

また、デッドタイム補償量算出部２４の補償割合算出部４３は、基本値算出部４８で算出された基本値Ｍａの入力を受ける。そして、補償割合算出部４３は、実施例３と同様に、基本値Ｍａに基づいて算出した補償割合を基本補償値ｍａに乗じることで基本補償値ｍａを補正し、補正後の補償値ｍａ’を出力する。

〔変形例〕
本実施例の第１、第２低減フィルタ２８、２９は、一次遅れ要素の形式を含んで構成されていたが、一次遅れ要素の形式の替わりに、例えば、移動平均を算出する形式などのように、ボード線図でゲインを低減する他の形式を含んで構成されていてもよく、一次遅れ要素の形式とともに、他の形式を含んで構成されていてもよい。

本実施例では、エンコーダ等の位置検出手段４によりロータの回転位置が検出されたが、位置検出手段４によらず、電機子コイルへの給電状態に応じて回転位置を推定するようにしてもよい。つまり、制御装置１をセンサレス化し、センサレス化された制御装置１に本発明を適用してもよい。

本実施例では、デッドタイム補償量の低減を開始する閾値ωｃ１、Ｍａｃ１と、デッドタイム補償量をゼロに固定する限界値ωｃ２、Ｍａｃ２とを設定したが、デッドタイム補償量をゼロに固定する限界値ωｃ２、Ｍａｃ２を閾値ωｃ２、Ｍａｃ２とし、閾値ωｃ２、Ｍａｃ２のみを設定してもよい。この場合、デッドタイム補償量は、閾値ωｃ２、Ｍａｃ２を境にステップ状にゼロになる。

実施例１および実施例３のデッドタイム補償手段４０は、算出値ωが閾値ωｃ１以上になったら、デッドタイム補償量を低減するとともに、デッドタイム補償量の低減を停止した時にデッドタイム補償量がゼロに略一致するように、デッドタイム補償量を低減するが、デッドタイム補償量がゼロよりも大きい値でデッドタイム補償量の低減を停止するようにしてもよい。

また、実施例１および実施例２のデッドタイム補償手段４０は、算出値ωが閾値ωｃ１以上になってからの経過時間に応じてデッドタイム補償量を低減するようにしてもよい。この場合、デッドタイム補償手段４０は、上記の経過時間に対しデッドタイム補償量の低減を停止する限界時間を設定することができる。そして、デッドタイム補償手段４０は、この限界時間を、相電流の経時変化を構成する一次遅れ要素の時定数よりも長い値に設定することができ、例えば、１ミリ秒よりも長い値に設定することができる。

実施例３および実施例４のデッドタイム補償手段４０は、基本値Ｍａが閾値Ｍａｃ１以上になったら、デッドタイム補償量を低減するとともに、デッドタイム補償量の低減を停止した時にデッドタイム補償量がゼロに略一致するように、デッドタイム補償量を低減するが、デッドタイム補償量がゼロよりも大きい値でデッドタイム補償量の低減を停止するようにしてもよい。

また、実施例３および実施例４のデッドタイム補償手段４０は、基本値Ｍａが閾値Ｍａｃ１以上になってからの経過時間に応じてデッドタイム補償量を低減するようにしてもよい。この場合、デッドタイム補償手段４０は、上記の経過時間に対しデッドタイム補償量の低減を停止する限界時間を設定することができる。そして、デッドタイム補償手段４０は、この限界時間を、相電流の経時変化を構成する一次遅れ要素の時定数よりも長い値に設定することができ、例えば、１ミリ秒よりも長い値に設定することができる。

制御装置の構成図である（実施例１）。 インバータの構成図である（実施例１）。 電源電圧検出部の構成図である（実施例１）。 （ａ）は電源電圧の検出値の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は変調度の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｃ）は低減係数の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｄ）は相電圧の振幅の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｅ）は相電流の位相の経時変化を示すタイムチャートである（実施例１）。 ＰＷＭ指令部およびデッドタイム補償量算出部の構成図である（実施例１）。 （ａ）、（ｂ）は補償電圧を低減した時の相電圧の振幅の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｃ）は補償電圧をゼロにした時の相電圧の振幅の経時変化を示すタイムチャートである（実施例１）。 制御装置の構成図である（実施例２）。 ＰＷＭ指令部およびデッドタイム補償量算出部の構成図である（実施例２）。 制御装置の構成図である（実施例３）。 ＰＷＭ指令部およびデッドタイム補償量算出部の構成図である（実施例３）。 制御装置の構成図である（実施例４）。 ＰＷＭ指令部およびデッドタイム補償量算出部の構成図である（実施例４）。 （ａ）は電源電圧の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は変調度の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｃ）は相電圧の振幅の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｄ）は相電流の位相の経時変化を示すタイムチャートである（従来例）。 （ａ）は電気角周期に対する制御割り込み周期の割合が小さいときの相電圧の振幅の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）、（ｃ）は電気角周期に対する制御割り込み周期の割合が大きいときの相電圧の振幅の経時変化を示すタイムチャートである（従来例）。 （ａ）は相電圧（補償前）の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は相電圧（補償後）の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｃ）は相電流（補償後）の経時変化を示すタイムチャートである（従来例）。 （ａ）はリンギングの発生状況を示す説明図であり、（ｂ）はリンギングの発生に伴うパルス発生状況を示すタイムチャートである（従来例）。

符号の説明

１ 制御装置
２ 同期モータ
３ インバータ
７ 電源
９、１０ スイッチング素子
１１ 下段シャント抵抗（シャント抵抗）
１３ コンパレータ（電源電圧検出手段）
２８ 第１低減フィルタ
２９ 第２低減フィルタ
３８ 変調度低減手段
４０ デッドタイム補償手段
Ｖｄｃ１ 検出値（電源電圧、第１通過成分）
Ｖｄｃ２ 検出値（電源電圧、電源電圧の全成分）
Ｍｕ＊、Ｍｖ＊、Ｍｗ＊、Ｍｕ’＊、Ｍｖ’＊、Ｍｗ’＊ 指令値（変調度）
τ１、τ２ 時定数
ｉ 検出値（相電流）
ω 算出値（回転数）
ｍｕ＊、ｍｖ＊、ｍｗ＊ 指令値（補償量）
ωｃ１、Ｍａｃ１ 閾値
ωｃ２、Ｍａｃ２ 限界値

Claims (9)

1. ステータに設けられ所定の電源から給電を受ける複数相の電機子コイルと、ロータに装着された磁石との相互作用により、前記ロータを回転駆動するとともに、前記電機子コイルへの給電を制御するための制御信号の変調度を、電源電圧に応じて算出する同期モータの制御装置において、
   前記磁石により形成される磁界を弱める方向に前記電機子コイルへの給電を制御する弱め界磁制御を実行している時に、前記電源電圧が上昇を開始したら、前記変調度の低減を開始する変調度低減手段を備え、
   前記変調度低減手段は、前記変調度の低減幅を漸増させた後に漸減させ、前記電源電圧が前記弱め界磁制御を停止できる大きさに到達する前に前記変調度の低減を開始することを特徴とする同期モータの制御装置。
2. 請求項１に記載の同期モータの制御装置において、
   前記変調度低減手段により前記変調度を低減することで、前記電機子コイルに給電するために印加される相電圧の上昇速度を低下させることを特徴とする同期モータの制御装置。
3. 請求項１に記載の同期モータの制御装置において、
   前記変調度低減手段は、
   前記電源電圧の全成分の内で、所定の第１遮断値よりも小さい成分を第１通過成分として通過させる第１低減フィルタを有し、
   前記電源電圧の全成分に対する前記第１通過成分の比率を低減係数として算出し、
   前記変調度に前記低減係数を乗じることで前記変調度を低減することを特徴とする同期モータの制御装置。
4. 請求項３に記載の同期モータの制御装置において、
   前記変調度低減手段は、
   前記第１低減フィルタを一次遅れ要素の形式を含んで構成していることを特徴とする同期モータの制御装置。
5. 請求項４に記載の同期モータの制御装置において、
   前記変調度低減手段は、
   前記電源電圧を検出する電源電圧検出手段から入力される検出成分の内で、所定の第２遮断値よりも小さい成分を前記電源電圧の全成分として通過させる第２低減フィルタを有し、
   前記第２低減フィルタを一次遅れ要素の形式を含んで構成し、
   前記第１低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数を、前記第２低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数よりも長い値に設定していることを特徴とする同期モータの制御装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の同期モータの制御装置において、
   前記第１低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数は、前記電機子コイルへの給電により生じる相電流の経時変化を構成する一次遅れ要素の時定数よりも長いことを特徴とする同期モータの制御装置。
7. 請求項４ないし請求項６のいずれか１つに記載の同期モータの制御装置において、
   前記第１低減フィルタに含まれる一次遅れ要素の時定数は、１ミリ秒よりも長いことを特徴とする同期モータの制御装置。
8. 請求項１に記載の同期モータの制御装置において、
   前記変調度低減手段が前記低減幅を漸減させる期間は、前記電機子コイルへの給電により生じる相電流の経時変化を構成する一次遅れ要素の時定数よりも長いことを特徴とする同期モータの制御装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載の同期モータの制御装置において、
   前記変調度低減手段が前記低減幅を漸減させる期間は、１ミリ秒よりも長いことを特徴とする同期モータの制御装置。

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