JP5790390B2 - 交流モータの制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、交流モータの制御装置および制御方法に関し、より詳細には、ステータの電機子巻線に通電される電流のオフセット量を考慮した制御装置および制御方法に関する。

近年、交流モータの駆動装置にインバータを適用する技術が普及し、旧態と比較して格段に制御性能が向上している。インバータを適用した駆動装置の制御では、ステータの電機子巻線に流れる各相の電流およびロータの回転位相を検出するとともに、外部からのトルク指令値に基づき、矩形波電圧の位相を制御したり、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式により電圧実効値を制御したりして出力トルクを調整する場合が多い。さらに、電流に重畳している直流成分などのオフセット量を検出し、これを低減するように制御することもある。このような電流オフセットを検出する技術の例が特許文献１に開示されている。

特許文献１のモータの制御装置は、駆動電流を出力するインバータ部と、駆動電流値を検出する電流値検出手段と、オフセット値判別手段と、信号処理部とを備えている。オフセット値判別手段は、モータに駆動電流が通電されていない状態で、電流値検出信号から直流レベルのオフセット値を検出するようになっている。また、信号処理部は、電流値検出信号からオフセット値を除外した制御信号を作成して、制御を行うようにしている。これにより、オフセット値を調整するための特段の調整回路が不必要となって制御装置を小型化、簡略化でき、さらに、モータの回転制御を高精度に行える、とされている。

特開平８−１４９８８２号公報

ところで、特許文献１の制御装置では、モータに駆動電流が通電されていない非駆動状態で電流オフセットを検出するので、電流値検出手段のゼロ点誤差を検出して補正することができる。しかしながら、電流オフセットは検出誤差に起因する仮想的な量に限定されず、駆動時に直流成分などが重畳して実際に発生し得る量である。また、モータの動作状況に依存して電流オフセットが変化する場合も生じ得る。例えば、電源ケーブルの特性が三相間でばらついていると、電流が流れているときにだけ電流オフセットが発生する。また、ロータの回転位相の検出誤差があると、検出誤差の大小や正負に応じて電流オフセットが変化し得る。特許文献１の制御装置は、モータの動作状態で発生する実際の電流オフセットを検出できず、電流オフセットの変化も検出できない。

また、トルク指令値に基づいて矩形波電圧の位相を制御する制御装置では、電気角の１８０°ごとに矩形波の正負をスイッチングするが、正負の電圧振幅を可変に制御する機能をもたない。したがって、仮に電流オフセットが発生していると、これを除去することができない。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、電圧の位相制御を行う交流モータの動作状態における電流オフセットを検出し、電圧波形を制御することで電流オフセットを抑制、除去する交流モータの制御装置および制御方法を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係る交流モータの制御装置の発明は、ステータの電機子巻線に電圧を印加したときに流れる各相の電流を検出する電流検出手段、およびロータの回転位相を検出する位相検出手段を備える交流モータを制御対象として、前記各相の電流のオフセット量を考慮して前記電圧波形を制御する交流モータの制御装置であって、外部からのトルク指令値に基づいて、前記ロータの回転位相上で前記電圧を印加する電圧位相を設定する電圧位相設定手段と、前記電流検出手段が検出した前記各相の電流からそれぞれ前記オフセット量を検出するオフセット検出手段と、前記位相検出手段が検出した前記ロータの回転位相から得られる電気角の半周期ごとに、前記電圧波形をパルス幅変調波形または矩形波形に切り替え制御するタイミングを得るスイッチング制御手段と、検出した前記オフセット量が正値であると前記電圧波形を正の前記パルス幅変調波形と負の前記矩形波形に切り替え、前記オフセット量が負値であると前記電圧波形を負の前記パルス幅変調波形と正の前記矩形波形に切り替え、前記オフセット量がゼロであると前記電圧波形を正および負の前記矩形波形に切り替える波形切替え手段と、を有する。

請求項２に係る発明は、請求項１において、周波数および電圧振幅が可変の正弦波波形の前記電圧振幅を設定する電圧振幅設定手段と、所定周波数で所定電圧振幅の三角波状のキャリア波形と前記正弦波波形との大小比較結果に基づくオンオフ制御により前記パルス幅変調波形を生成するパルス幅変調手段とをさらに有する。

請求項３に係る発明は、請求項２において、前記電圧振幅設定手段は、前記オフセット量が大きいほど前記正弦波波形の電圧振幅を小さく設定し、前記オフセット量が小さいほど前記正弦波波形の電圧振幅を大きく設定し、前記パルス幅変調手段は、前記正弦波波形が前記キャリア波形を越えている時間帯をパルス幅変調のオン時間とする。

請求項４に係る発明は、請求項２または３において、前記電圧振幅設定手段は、前記オフセット量と前記正弦波波形の電圧振幅との関係をあらかじめ保持している。

請求項５に係る発明は、請求項２または３において、前記電圧振幅設定手段は、前記オフセット量の大きさに応じて前記正弦波波形の電圧振幅をフィードバック制御する。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、出力トルクを検出するトルク検出手段をさらに有し、前記電圧位相設定手段は前記トルク指令値および検出された前記出力トルクに応じてフィードバック制御により前記電圧位相を設定する。

請求項７に係る交流モータの制御方法の発明は、ステータの電機子巻線に電圧を印加したときに流れる各相の電流を検出する電流検出手段、およびロータの回転位相を検出する位相検出手段を備える交流モータを制御対象とし、前記各相の電流のオフセット量を考慮して前記電圧波形を制御する交流モータの制御方法であって、外部からのトルク指令値に基づいて、前記ロータの回転位相上で前記電圧を印加する電圧位相を設定する電圧位相設定ステップと、前記電流検出手段が検出した前記各相の電流からそれぞれ前記オフセット量を検出するオフセット検出ステップと、前記位相検出ステップで検出した前記ロータの回転位相から得られる電気角の半周期ごとに、前記電圧波形をパルス幅変調波形または矩形波形に切り替え制御するタイミングを得るスイッチング制御ステップと、検出した前記オフセット量が正値であると前記電圧波形を正の前記パルス幅変調波形と負の前記矩形波形に切り替え、前記オフセット量が負値であると前記電圧波形を負の前記パルス幅変調波形と正の前記矩形波形に切り替え、前記オフセット量がゼロであると前記電圧波形を正および負の前記矩形波形に切り替える波形切替えステップと、を有する。

請求項１に係る交流モータの制御方法の発明では、外部からのトルク指令値に基づいて電圧位相を設定し、各相の電流からそれぞれオフセット量を検出し、電気角の半周期ごとに電圧波形をパルス幅変調波形または矩形波形に切り替え制御し、オフセット量の正値、負値、およびゼロに対応して電圧波形を選択制御する。つまり、電流オフセットが発生しているときに、電流オフセットと同じ極性のパルス幅変調波形および異なる極性の矩形波形を交互に切り替える。これにより、電圧波形を正負で意図的に不均等にして、電流オフセットを抑制、除去することができる。

請求項２に係る発明では、所定周波数で所定電圧振幅のキャリア波形と、周波数および電圧振幅が可変の正弦波波形との大小比較結果に基づくオンオフ制御によりパルス幅変調波形を生成する。これにより、パルス幅変調のオン時間を制御して、パルス幅変調波形の実効値を自在に制御できる。したがって、電流オフセットの正負および絶対値の大小に応じて、電圧波形の正負の不均等の度合いを可変に設定することができ、電流オフセットを良好に除去することができる。

請求項３に係る発明では、オフセット量が大きいほど正弦波波形の電圧振幅を小さく設定し、オフセット量が小さいほど正弦波波形の電圧振幅を大きく設定し、正弦波波形がキャリア波形を越えている時間帯をパルス幅変調のオン時間とする。つまり、オフセット量が大きいほど正弦波波形の電圧振幅が小さくなってオン時間が減少するので、電流オフセットと同じ極性のパルス幅変調波形の実効値が小さくなる。一方、電流オフセットと異なる極性の矩形波形の実効値は一定である。したがって、電圧波形の正負の不均等の度合いが大きくなり、大きなオフセット量を過不足なく除去することができる。また、オフセット量が小さいほど正弦波波形の電圧振幅が大きくなってオン時間が増加するので、電流オフセットと同じ極性のパルス幅変調波形の実効値が異なる極性の矩形波形の実効値に接近する。したがって、電圧波形の正負の不均等の度合いが小さくなり、小さなオフセット量を過不足なく除去することができる。

請求項４に係る発明では、オフセット量と正弦波波形の電圧振幅との関係をあらかじめ保持している。したがって、検出されたオフセット量に基づいて直ちに正弦波波形の電圧振幅を求めることができ、制御が簡易化される。

請求項５に係る発明では、オフセット量の大きさに応じて正弦波波形の電圧振幅をフィードバック制御する。したがって、フィードバック制御により電圧振幅が適正化されて電流オフセットが確実に抑制され、概ね一定の動作状態ではオフセット量はゼロに収束する。

請求項６に係る発明では、出力トルクを検出するトルク検出手段をさらに有し、トルク指令値および検出された出力トルクに応じてフィードバック制御により電圧位相を設定する。電流オフセットの除去に加えて出力トルクのフィードバック制御を行うことで制御を一層高精度化でき、交流モータの良好な動作を実現できる。

請求項７に係る交流モータの制御方法の発明は、請求項１の各手段を行う各ステップを有している。本発明は、制御方法としても実施でき、その効果は請求項１と同様である。

実施形態の交流モータの制御装置および制御対象となる交流モータを含む全体構成を説明する図である。 実施形態の制御装置の機能手段を説明するブロック図である。 オフセット検出手段が電流のオフセット量を検出する方法を模式的に説明する図である。 実施形態の制御装置による電圧制御の処理フローを示すフローチャートの図である。 実施形態の交流モータの制御装置でオフセット量が大きいときの動作を模式的に説明する図であり、（１）はＰＷＭ手段内の正弦波波形およびキャリア波形、（２）は波形切替え手段から指令される制御信号の波形が示されている。 図５と同様に、オフセット量が中程度の大きさのときの動作を模式的に説明する図である。 図５と同様に、オフセット量が小さいときの動作を模式的に説明する図である。 別の実施形態の制御装置の機能手段を説明するブロック図である。

本発明の実施形態の交流モータの制御装置について、図１〜図７を参考にして説明する。図１は、実施形態の交流モータの制御装置１および制御対象となる交流モータ９を含む全体構成を説明する図である。交流モータ９の駆動源としては、インバータ回路２、直流電源３、およびドライバ回路４を組み合わせて用いる。制御装置１は、ドライバ回路４に制御信号ＣＵ、ＣＶ、ＣＷを送出してインバータ回路２を駆動することで最終的に交流モータ９を制御する。まず、図１を参考にして全体構成を詳述する。

交流モータ９は、Ｙ結線された三相の電機子巻線９２、９３、９４を有するステータ９１、および図略の磁極対を有するロータを主に構成されている。本実施形態では、電機子巻線９２、９３、９４の極数、およびロータの磁極対の数量に特別な制約はない。ロータの回転位相を検出する位相検出手段として、位相センサ９５が設けられている。位相センサ９５の検出方式に制約はなく、例えばレゾルバを用いることができる。位相センサ９５の位相検出信号θ１は位相処理装置９６に送出され、位相処理装置９６によって制御装置１が取得できる形態の位相検出信号θ２に信号変換される。

インバータ回路２は、直流電源３の直流電圧Ｅｄｃの波形をパルス幅変調波形（ＰＷＭ波形、以降ではパルス幅変調をＰＷＭと略記する）または矩形波形に変換して位相制御しつつ出力する回路であり、図示されるように三相ブリッジ回路で構成されている。すなわち、直流電源３の正側端子３Ｕと負側端子３Ｌの間に、Ｕ相正側スイッチング素子２２ＵＵとＵ相負側スイッチング素子２２ＵＬとが直列接続されている（符号の第１添字のＵ、Ｖ、Ｗは相を示し、第２添字のＵは正側、Ｌは負側を示す）。両スイッチング素子２２ＵＵ、２２ＵＬの間にＵ相出力端子２４Ｕが設けられている。同様に、Ｖ相正側スイッチング素子２２ＶＵとＶ相負側スイッチング素子２２ＶＬとの間にＶ相出力端子２４Ｖが設けられ、Ｗ相正側スイッチング素子２２ＷＵとＷ相負側スイッチング素子２２ＷＬとの間にＷ相出力端子２４Ｗが設けられている。６個のスイッチング素子２２ＵＵ〜２２ＷＬには、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が用いられ、通電制御信号ＤＵＵ〜ＤＷＬによりそれぞれを独立して導通状態および遮断状態に切り替え制御できるように構成されている。

インバータ回路２の三相の出力端子２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗはそれぞれ、電源ケーブル２５Ｕ、２５Ｖ、２５Ｗによりステータ９１の三相の電機子巻線９２、９３、９４の印加端に接続されている。電源ケーブル２５Ｕ、２５Ｖ、２５Ｗの途中には、電流検出手段として各相に電流センサ９７Ｕ、９７Ｖ、９７Ｗが設けられている。電流センサ９７Ｕ、９７Ｖ、９７Ｗが検出する線電流は、電機子巻線９２、９３、９４の相電流に一致している。電流センサ９７Ｕ、９７Ｖ、９７Ｗの検出方式に制約はなく、例えば、シャント抵抗を用いたセンサやホール効果を応用したセンサなどを用いることができる。電流センサ９７Ｕ、９７Ｖ、９７Ｗの電流検出信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、制御装置１に送出される。

制御装置１は、マイコン１Ｍを有してソフトウェアで動作し、制御ロジックを実行する。制御装置１は、所定のサンプリング間隔Ｔ１で位相処理装置９６から位相検出信号θ２を取得し、内部で電気角θｅに変換する。さらに、制御装置１は、電気角θｅの前回値からの変化分をサンプリング間隔Ｔ１で除算して回転速度を求め、回転数Ｎを演算する。また、制御装置１は、サンプリング間隔Ｔ１で電流センサ９７Ｕ、９７Ｖ、９７Ｗから三相の電流検出信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを取得する。さらに、制御装置１は、外部から動作指令値としてトルク指令値Ｔｒｅｑを受け取る。

制御装置１は、トルク指令値Ｔｒｅｑに基づくとともに、電気角θｅおよび後述する電流のオフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０を考慮して、３相の制御信号ＣＵ、ＣＶ、ＣＷを生成しドライバ回路５に送出する。制御信号ＣＵ、ＣＶ、ＣＷは、オンとオフの切り替えタイミングを制御する信号である。また、制御装置１は、リセット信号ＲＳＴによりドライバ回路４をリセットする機能を有している。

ドライバ回路４は、制御装置１から受け取った制御信号ＣＵ、ＣＶ、ＣＷを変換して通電制御信号ＤＵＵ〜ＤＷＬを生成し、６個のスイッチング素子２２ＵＵ〜２２ＷＬに送出する。これにより、各スイッチング素子２２ＵＵ〜２２ＷＬが開閉制御され、直流電源３の直流電圧Ｅｄｃを電機子巻線９２、９３、９４に印加する時間帯が制御される。印加される電圧はＰＷＭ波形または矩形波形であり、ＰＷＭ波形の実効値は矩形波形のそれよりも小さくなる。また、各相の電機子巻線９２、９３、９４はインダクタンス分を含むので、流れる電流の波形は概ね正弦波状になる。

次に、制御装置１が有する機能手段について説明する。図２は、実施形態の制御装置１の機能手段を説明するブロック図である。図示されるように、制御装置１は、オフセット検出手段１１、電圧位相設定手段１２、スイッチング制御手段１３、電圧振幅設定手段１４、ＰＷＭ手段１５、および波形切替え手段１６を有している。

オフセット検出手段１１は、電流センサ９７Ｕ、９７Ｖ、９７Ｗから取得した三相の電流検出信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗから、各相の電流のオフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０を検出する。図３は、オフセット検出手段１１が電流のオフセット量ＩＵ０を検出する方法を模式的に説明する図である。オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０の検出方法は三相で同一であるので、ここではＵ相を例にして説明する。図３の横軸は位相（電気角θｅ）、縦軸はＵ相の電流検出信号ｉｕを示し、実線のグラフは実際に電機子巻線９２に流れているＵ相電流波形であり、白丸はサンプリング間隔Ｔ１で取得した離散的な瞬時値を示している。

オフセット検出手段１１は、電気角θｅの１周期にわたって、白丸の瞬時値を加算した和を求める。次に、和をサンプリング個数で除算する平均値演算によってＵ相オフセット量ＩＵ０を求める。前述したように電流波形は概ね正弦波形であり、オフセット量がないときには１周期中の瞬時値は正負で半数ずつとなって和が概ねゼロになる。一方、オフセット量があるときには、各瞬時値がオフセット量だけ偏移するので、和は概ねオフセット量にサンプリング個数を乗算した値になる。したがって、前述した平均値演算によってＵ相オフセット量ＩＵ０を求めることができる。図３には、正のオフセット量ＩＵ０が生じている場合が例示されている。オフセット検出手段１１は、検出した三相のオフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０を電圧振幅設定手段１４および波形切替え手段１６に送出する。

電圧位相設定手段１２は、外部からのトルク指令値Ｔｒｅｑに基づいて、電気角θｅで表されたロータの回転位相上で電圧を印加する電圧位相θｖを設定する。電圧位相θｖは、トルク指令値Ｔｒｅｑだけでなく、回転数Ｎも参照して定めるようにしてもよい。実用的には、電圧位相θｖは周知のｄ−ｑ座標変換法を用いて演算することができる。また、トルク指令値Ｔｒｅｑおよび回転数Ｎをパラメータとする一覧表形式のマップから求めるようにしてもよい。電圧位相設定手段１２は、求めた電圧位相θｖをスイッチング制御手段１３に送出する。

スイッチング制御手段１３は、位相センサ９５が検出したロータの回転位相θ１から得られる電気角θｅの半周期ごとに、電圧波形をＰＷＭ波形または矩形波形に切り替え制御するタイミングを得る。つまり、スイッチング制御手段１３は、検出されている現在の電気角θｅを電圧位相設定手段１２から取得した電圧位相θｖと比較することで、三相の電圧を順番に１２０°ずつ遅らせながら正負を切り替える制御タイミングｔｍｇを設定する。制御タイミングｔｍｇは、電気角の１周期中に三相で各２回発生する。スイッチング制御手段１３は、制御タイミングｔｍｇを波形切替え手段１６に送出する。

電圧振幅設定手段１４は、周波数および電圧振幅が可変の正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓを設定する。詳述すると、電圧振幅設定手段１４は、オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０（厳密にはオフセット量の絶対値）が大きいほど、当該相の制御に用いる正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓを小さく設定し、オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０が小さいほど正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓを大きく設定する。また、オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０がゼロであると、正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓを無限に大きく設定し、実際上は装置の性能上の上限レベルで飽和する。正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓは、各相で異なる値（ＵＥｓ、ＶＥｓ、ＷＥｓ）とすることができる。電圧振幅設定手段１４は、設定した電圧振幅ＥｓをＰＷＭ手段１５に送出する。

本実施形態で、電圧振幅設定手段１４は、オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０の大きさに応じて正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓをフィードバック制御する。しかしながら、これに限定されず、電圧振幅設定手段１４は、オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０と正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓとの関係をあらかじめ保持し、この関係にしたがって電圧振幅Ｅｓを設定するようにしてもよい。

なお、電圧振幅設定手段１４で実施するとは限らないが、制御装置１は正弦波波形ｓｉｎの周波数ｆｓを設定する機能を有する。制御装置１は、回転数指令値を受け取って回転数を制御する場合に、回転数指令値に対応して周波数ｆｓを設定する。また、制御装置１は、回転数制御機能を有さない場合に、例えば、現在検出されている回転数Ｎを維持するように周波数ｆｓを設定する。

ＰＷＭ手段１５は、所定周波数で所定電圧振幅の三角波状のキャリア波形Ｃｒと正弦波波形ｓｉｎとの大小比較結果に基づくオンオフ制御によりＰＷＭ波形ｐｗｍを生成する。詳述すると、ＰＷＭ手段１５は、正弦波発生回路により電圧振幅Ｅｓ、周波数ｆｓの正弦波波形ｓｉｎを発生する。また、ＰＷＭ手段１５は、キャリア波発生回路により一定周波数で一定電圧振幅の二等辺三角形状のキャリア波形Ｃｒを発生する。キャリア波形Ｃｒの形状は二等辺三角形状に限定されず、立ち上がりと立ち下がりの傾きが異なっていてもよい。

そして、ＰＷＭ手段１５は、比較回路によりキャリア波形Ｃｒと正弦波波形ｓｉｎとの大小比較を行い、正弦波波形ｓｉｎがキャリア波形Ｃｒを越えている時間帯をオン時間Ｔｏｎとする。また、正弦波波形ｓｉｎがキャリア波形Ｃｒを越えていない時間帯をオフ時間Ｔｏｆｆとする。これにより、ＰＷＭ手段１５は、オン時間Ｔｏｎおよびオフ時間Ｔｏｆｆが交互に発生する２値信号波形、すなわちＰＷＭ波形ｐｗｍを生成する。ＰＷＭ手段１５は、ＰＷＭ波形ｐｗｍを波形切替え手段１６に送出する。

波形切替え手段１６は、オフセット検出手段１１から各相のオフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０を受け取り、スイッチング制御手段１３から制御タイミングｔｍｇを受け取り、ＰＷＭ手段１５からＰＷＭ波形ｐｗｍを受け取る。そして、波形切替え手段１６は、各相のオフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０の正値、負値、およびゼロに応じ、所定の制御タイミングｔｍｇで、電気角θｅの正負の半周期ごとに当該相の電圧波形をＰＷＭ波形ｐｗｍまたは矩形波形ｓｑｒに切り替える。すなわち、波形切替え手段１６は、オフセット量が正値であると正のＰＷＭ波形ｐｗｍと負の矩形波形ｓｑｒに切り替え、オフセット量が負値であると負のＰＷＭ波形ｐｗｍと正の矩形波形ｓｑｒに切り替え、オフセット量がゼロであると正および負の矩形波形ｓｑｒに切り替える。

上述のように電気角θｅの正負の半周期ごとに各相の電圧波形を切り替えることで、各相の制御信号ＣＵ、ＣＶ、ＣＷを生成できる。波形切替え手段１６は、制御信号ＣＵ、ＣＶ、ＣＷをドライバ回路４に指令する。

次に、制御処理フローについて説明する。図４は、実施形態の制御装置１による電圧制御の処理フローを示すフローチャートの図である。図４に示されるフローチャートは、交流モータ９の動作中に継続的に繰り返して実行される。図中のステップＳ１で、電圧位相設定手段１２は電圧位相θｖを設定する。次のステップＳ２で、オフセット検出手段１１は、電流センサ９７Ｕ、９７Ｖ、９７Ｗから電流検出信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを取得する。ステップＳ３で、オフセット検出手段１１は、各相電流のオフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０を演算する。

ステップＳ４で、電圧振幅設定手段１４は、各相について正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓを設定する。次のステップＳ５で、ＰＷＭ手段１５は、正弦波発生回路により電圧振幅Ｅｓの正弦波波形ｓｉｎを発生する。さらにステップＳ６で、ＰＷＭ手段１５は、比較回路によりキャリア波形Ｃｒと正弦波波形ｓｉｎとを大小比較して、ＰＷＭ波形ｐｗｍを生成する。

さらにステップＳ７で、スイッチング制御手段１３は、検出されている現在の電気角θｅを設定された電圧位相θｖと比較することで、正負の切替えの制御タイミングｔｍｇを設定する。ステップＳ８で、波形切替え手段１６は、オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０の正値、負値、およびゼロに応じて、各相の制御信号ＣＵ、ＣＶ、ＣＷを生成し、ドライバ回路４に指令する。ドライバ回路４は、通電制御信号ＤＵＵ〜ＤＷＬをインバータ回路２に送出し、インバータ回路２から交流モータ９に印加される電圧波形が制御される。これにより、電圧制御の処理フローの１サイクルが終了し、以下繰り返される。

次に、実施形態の交流モータの制御装置１の動作、作用について説明する。図５は実施形態の交流モータの制御装置１でオフセット量が大きいときの動作を模式的に説明する図であり、（１）はＰＷＭ手段１５内の正弦波波形ｓｉｎおよびキャリア波形Ｃｒ、（２）は波形切替え手段１６から指令される制御信号ＣＵ、ＣＶ、ＣＷの波形が示されている。同様に、図６はオフセット量が中程度の大きさのときの動作を模式的に説明する図であり、図７はオフセット量が小さいときの動作を模式的に説明する図であり、ともに（１）（２）は同じ波形が示されている。

図５の（１）で、横軸は位相（電気角θｅ）、縦軸は電圧でキャリア波形Ｃｒの電圧振幅を１００％としている。図中で、ＰＷＭ手段１５の正弦波波形ｓｉｎ（Ｕｓｉｎ、Ｖｓｉｎ、Ｗｓｉｎ）は、Ｕ相では実線、Ｖ相では一点鎖線、Ｗ相では破線でそれぞれ示されている。また、キャリア波形Ｃｒは細い実線で示されている。図５の（２）で、横軸は位相（電気角θｅ）、縦軸はＵ相、Ｖ相、およびＷ相制御信号ＣＵ、ＣＶ、ＣＷの波形のオンおよびオフが示されている。なお、上述した横軸および縦軸の表示は、図６および図７でも共通になっている。

図５はオフセット量が大きいときを示し、具体的には、Ｕ相およびＶ相オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０が同程度に大きな正値で、Ｗ相オフセット量ＩＷ０は絶対値がＵ相およびＶ相と同程度に大きな負値のときが例示されている。本実施形態では、オフセット量が大きいほど正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓを小さく設定し、図の例では、各相正弦波波形Ｕｓｉｎ、Ｖｓｉｎ、Ｗｓｉｎの各電圧振幅ＵＥｓ、ＶＥｓ、ＷＥｓは、キャリア波形Ｃｒの振幅の略５０％に設定されている。

ここで、Ｕ相制御信号ＣＵを例にして、その生成方法を詳細に説明する。図５の（１）で、Ｕ相正弦波波形Ｕｓｉｎの正の半波がキャリア波形Ｃｒを越えている離散的な７つの時間帯がオン時間Ｔｏｎ１〜Ｔｏｎ７（図中の太線）に定められる。また、Ｕ相正弦波波形Ｕｓｉｎがキャリア波形Ｃｒを越えていない時間帯がオフ時間Ｔｏｆｆに定められる。これらのオン時間Ｔｏｎ１〜Ｔｏｎ７およびオフ時間Ｔｏｆｆの切替えを示すＵ相ＰＷＭ波形Ｕｐｗｍは、Ｕ相制御信号ＣＵに反映される。

すなわち、Ｕ相オフセット量ＩＵ０が正値であるので、制御装置１は電圧波形を正のＵ相ＰＷＭ波形Ｕｐｗｍと負のＵ相矩形波形Ｕｓｑｒに切り替えて、図５の（２）に示されるＵ相制御信号ＣＵが生成される。図示されるように、Ｕ相制御信号ＣＵは、位相０から１８０°までの正の半周期ではＵ相ＰＷＭ波形Ｕｐｗｍとされるので、オン時間Ｔｏｎ１〜Ｔｏｎ７およびオフ時間Ｔｏｆｆの切替え制御タイミングが反映される。また、Ｕ相制御信号ＣＵは、位相１８０°から３６０°までの負の半周期では負のＵ相矩形波形Ｕｓｑｒに切り替えられ、常にオン状態とされる。

これにより、Ｕ相電圧波形は正負で意図的に大きく不均等なものとなり、電圧実効値が負側で大きく、正側で小さく制御される。したがって、Ｕ相オフセット量ＩＵ０の大きな正値が除去される。

また、Ｖ相制御信号ＣＶは、Ｖ相オフセット量ＩＶ０がＵ相と同じ正値で大きさも同程度であるので、概ねＵ相制御信号ＣＵの波形を１２０°遅らせた波形になる。すなわち、Ｖ相制御信号ＣＶは、位相１２０°から３００°までの正の半周期でＶ相ＰＷＭ波形Ｖｐｗｍとされてオンおよびオフの切替え制御タイミングが反映され、位相３００°から１２０°までの負の半周期では負のＶ相矩形波形Ｖｓｑｒに切り替えられ、常にオン状態とされる。これにより、Ｖ相電圧波形は正負で意図的に大きく不均等なものとなり、Ｖ相電圧実効値が負側で大きく、正側で小さく制御され、Ｖ相オフセット量ＩＶ０の大きな正値が除去される。

また、Ｗ相制御信号ＣＷは、Ｕ相およびＶ相と異なりＷ相オフセット量ＩＷ０が負値であるので、概ねＵ相制御信号ＣＵの波形の正負を反転し、さらに２４０°遅れた波形になる。すなわち、Ｗ相制御信号ＣＷは、位相２４０°から６０°までの正の半周期で正のＷ相矩形波形Ｗｓｑｒとされて常にオン状態とされ、位相６０°から２４０°までの負の半周期では負のＷ相ＰＷＭ波形Ｗｐｗｍとされてオンおよびオフの切替え制御タイミングが反映される。これにより、Ｗ相電圧波形は正負で意図的に大きく不均等なものとなり、Ｗ相電圧波形の電圧実効値が正側で大きく、負側で小さく制御され、Ｗ相オフセット量ＩＷ０の大きな負値が除去される。

次に、図６は、オフセット量が中間の大きさのときを示し、具体的には、Ｕ相およびＶ相オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０が中程度の大きさの正値で、Ｗ相オフセット量ＩＷ０が同程度に大きな負値のときが例示されている。本実施形態では、オフセット量が小さくなるにつれて正弦波波形の電圧振幅を大きく設定し、図の例では、各相正弦波波形Ｕｓｉｎ、Ｖｓｉｎ、Ｗｓｉｎの各電圧振幅はキャリア波形Ｃｒの振幅を越えて大きく設定され、図略の部分は飽和している。

図６の（１）で、Ｕ相正弦波波形Ｕｓｉｎの正の半波がキャリア波形Ｃｒを越えている離散的な３つの時間帯がオン時間Ｔｏｎ８〜Ｔｏｎ１０（図中の太線）に定められる。また、Ｕ相正弦波波形Ｕｓｉｎがキャリア波形Ｃｒを越えていない時間帯がオフ時間Ｔｏｆｆに定められる。図５の（１）と比較して、正弦波波形Ｕｓｉｎの電圧振幅が大きいことに起因して、オン時間Ｔｏｎ８〜Ｔｏｎ１０の総和は、オン時間Ｔｏｎ１〜Ｔｏｎ７の総和よりも大きくなっている。オン時間Ｔｏｎ８〜Ｔｏｎ１０およびオフ時間Ｔｏｆｆの切替えを示すＵ相ＰＷＭ波形Ｕｐｗｍは、Ｕ相制御信号ＣＵに反映される。

すなわち、Ｕ相オフセット量ＩＵ０が正値であるので、電圧波形を正のＵ相ＰＷＭ波形Ｕｐｗｍと負のＵ相矩形波形Ｕｓｑｒに切り替えて、図６の（２）に示されるＵ相制御信号ＣＵが生成される。図５の（２）と同様に、Ｕ相制御信号ＣＵは、位相０から１８０°までの正の半周期ではＵ相ＰＷＭ波形Ｕｐｗｍとされ、オン時間Ｔｏｎ８〜Ｔｏｎ１０およびオフ時間Ｔｏｆｆの切替え制御タイミングが反映される。また、Ｕ相制御信号ＣＵは、位相１８０°から３６０°までの負の半周期では負のＵ相矩形波形Ｕｓｑｒに切り替えられ、常にオン状態とされる。

また、Ｖ相制御信号ＣＶは、概ねＵ相制御信号ＣＵの波形を１２０°遅らせた波形になる。さらに、Ｗ相制御信号ＣＷは、概ねＵ相制御信号ＣＵの波形の正負を反転し、さらに２４０°遅れた波形になる。これにより、各相の電圧波形は正負で意図的に中程度に不均等なものとなり、各相オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０の中程度の正値および負値がちょうど除去される。

次に、図７は、オフセット量が小さいときを示し、具体的には、Ｕ相およびＶ相オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０が小さい正値で、Ｗ相オフセット量ＩＷ０がゼロに近い負値のときが例示されている。本実施形態では、オフセット量が小さいほど正弦波波形の電圧振幅を大きく設定し、図７の（１）では、各相正弦波波形Ｕｓｉｎ、Ｖｓｉｎ、Ｗｓｉｎの各電圧振幅は、図６の（１）よりもさらに大きく設定され、飽和の時間帯が増加している。

図７の（１）で、Ｕ相正弦波波形Ｕｓｉｎの正の半波がキャリア波形Ｃｒを越えている離散的な３つの時間帯がオン時間Ｔｏｎ１１〜Ｔｏｎ１３（図中の太線）に定められる。また、Ｕ相正弦波波形Ｕｓｉｎがキャリア波形Ｃｒを越えていない時間帯がオフ時間Ｔｏｆｆに定められる。図６の（１）と比較して、オン時間Ｔｏｎ１１〜Ｔｏｎ１３はそれぞれ、オン時間Ｔｏｎ８〜Ｔｏｎ１０よりわずかに大きくなっている。オン時間Ｔｏｎ１１〜Ｔｏｎ１３およびオフ時間Ｔｏｆｆの切替えを示すＵ相ＰＷＭ波形Ｕｐｗｍは、Ｕ相制御信号ＣＵに反映される。

すなわち、Ｕ相オフセット量ＩＵ０が正値であるので、電圧波形を正のＵ相ＰＷＭ波形Ｕｐｗｍと負のＵ相矩形波形Ｕｓｑｒに切り替えて、図７の（２）に示されるＵ相制御信号ＣＵが生成される。図５の（２）と同様に、Ｕ相制御信号ＣＵは、位相０から１８０°までの正の半周期ではＵ相ＰＷＭ波形Ｕｐｗｍとされ、オン時間Ｔｏｎ１１〜Ｔｏｎ１３およびオフ時間Ｔｏｆｆの切替え制御タイミングが反映される。また、Ｕ相制御信号ＣＵは、位相１８０°から３６０°までの負の半周期では負のＵ相矩形波形Ｕｓｑｒに切り替えられ、常にオン状態とされる。

また、Ｖ相制御信号ＣＶは、概ねＵ相制御信号ＣＵの波形を１２０°遅らせた波形になる。

さらに、図７の（１）で、Ｗ相正弦波波形Ｗｓｉｎの負の半波がキャリア波形Ｃｒよりも下方に越えている１つの時間帯がオン時間Ｔｏｎ１４（図中の太い破線）に定められる。また、Ｗ相正弦波波形Ｗｓｉｎがキャリア波形Ｃｒをよりも下方に越えていない時間帯がオフ時間Ｔｏｆｆに定められる。オン時間Ｔｏｎ１４は、半周期の両端が少し欠けただけの広い時間幅になっている。オン時間Ｔｏｎ１４およびオフ時間Ｔｏｆｆの切替えを示すＷ相ＰＷＭ波形Ｗｐｗｍは、Ｗ相制御信号ＣＷに反映される。

すなわち、Ｗ相オフセット量ＩＷ０がゼロに近い負値であるので、電圧波形を正のＷ相矩形波形Ｗｓｑｒと負のＷ相ＰＭＷ波形Ｕｐｗｍに切り替えて、図７の（２）に示されるＷ相制御信号ＣＷが生成される。Ｗ相制御信号ＣＷは、位相２４０から６０°までの正の半周期では正のＷ相矩形波形Ｗｓｑｒとされて常にオン状態とされ、位相６０°から２４０°までの負の半周期では負のＷ相ＰＷＭ波形Ｗｐｗｍとされてオン時間Ｔｏｎ１４の切替え制御タイミングが反映される。

これにより、各相の電圧波形は正負で意図的にわずかに不均等なものとなり、各相オフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０のわずかな正値および負値がちょうど除去される。

さらに、いずれかの相のオフセット量がゼロであると、当該相の電圧波形を正および負の矩形波形に切り替える。これは、従来から行われている交流モータの矩形波制御に相当する。

なお、図５〜図７は例であって、各相の正弦波波形の電圧振幅ＵＥｓ、ＶＥｓ、ＷＥｓは、各相のオフセット量ＩＵ０．ＩＶ０、ＩＷ０の大きさに応じ独立して設定される。また、各相のＰＷＭ波形ｐｗｍと矩形波形ｓｑｒの組み合わせも、各相のオフセット量ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０の正負に応じてそれぞれ設定される。また、キャリア波形Ｃｒの波形および周期も限定されない。例えば、キャリア波形Ｃｒの周期がさらに短いキャリア波発生回路を用いたときには、図の例よりもオン時間Ｔｏｎが多数個に分かれて定められる。

実施形態の交流モータの制御装置１によれば、図５〜図７で説明したように電流オフセットが発生しているときに、電流オフセットと同じ極性のＰＷＭ波形ｐｗｍおよび異なる極性の矩形波形ｓｑｒを交互に切り替える。さらに、オフセット量が大きいほど正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓを小さく設定し、オフセット量が小さいほど正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓを大きく設定し、正弦波波形ｓｉｎがキャリア波形Ｃｒを越えている時間帯をオン時間Ｔｏｎとする。これにより、電圧波形を正負で意図的に不均等にし、さらに、オフセット量の大小に合わせて不均等の比率を制御するので、オフセット量を過不足なく除去することができる。

また、オフセット量の大きさに応じて正弦波波形ｓｉｎの電圧振幅Ｅｓをフィードバック制御する。したがって、フィードバック制御により電圧振幅Ｅｓが適正化されて電流オフセットが確実に抑制され、略一定の動作状態ではオフセット量はゼロに収束する。

次に、トルク検出手段１７を有する別の実施形態の交流モータの制御装置１０について説明する。図８は、別の実施形態の制御装置１０の機能手段を説明するブロック図である。図２と比較すればわかるように、別の実施形態の制御装置１０は、トルク検出手段１７をさらに有している。図示されるように、トルク検出手段１７は、三相の電流検出信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、三相の制御信号ＣＵ、ＣＶ、ＣＷ、および直流電源３の直流電圧Ｅｄｃの情報を取得する。これにより、トルク検出手段１７は、交流モータ９に入力される有効電力を演算でき、さらに有効電力を交流モータ９から出力される出力トルクＴｏｕｔに換算することができる。トルク検出手段１７は、出力トルクＴｏｕｔの情報を電圧位相設定手段１２０に送出する。電圧位相設定手段１２０は、トルク指令値Ｔｒｅｑに出力トルクＴｏｕｔが一致するようにフィードバック制御を行って電圧位相θｖを設定する。

別の実施形態によれば、電流オフセットＩＵ０、ＩＶ０．ＩＷ０のフィードバック制御による除去に加えて、出力トルクＴｏｕｔのフィードバック制御を行うことで制御を一層高精度化でき、交流モータ９の良好な動作を実現できる。

なお、別の実施形態の制御装置１０内部のトルク検出手段１７に代えて、トルクセンサを交流モータの出力軸に設け、実測した出力トルクＴｏｕｔの情報を制御装置１０に取り込むようにしてもよい。

また、実施形態の制御装置１、１０の各機能手段１１〜１７、１２０は、マイコン１Ｍによる制御ロジックの実行によって機能する。したがって、本発明は、各機能手段１１〜１７、１２０をそれぞれ機能ステップとして実行する制御方法としても実施可能である。本発明は、交流モータ９の構造や巻線結線方式などを問わず実施でき、その他にも様々な応用や変形が可能である。

１、１０：交流モータの制御装置 １Ｍ：マイコン
１１：オフセット検出手段 １２、１２０：電圧位相設定手段
１３：スイッチング制御手段 １４：電圧振幅設定手段
１５：ＰＷＭ手段（パルス幅変調手段） １６：波形切替え手段
１７：トルク検出手段
２：インバータ回路
２２ＵＵ、２２ＵＬ：Ｕ相正側、Ｕ相負側スイッチング素子
２２ＶＵ、２２ＶＬ：Ｖ相正側、Ｖ相負側スイッチング素子
２２ＷＵ、２２ＷＬ：Ｗ相正側、Ｗ相負側スイッチング素子
２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相出力端子
２５Ｕ、２５Ｖ、２５Ｗ：電源ケーブル
３：直流電源 ３Ｕ：正側端子 ３ｌ：負側端子
４：ドライバ回路
９：交流モータ
９１：ステータ ９２〜９４：電機子巻線 ９５：位相センサ
９６：位相処理装置 ９７Ｕ、９７Ｖ、９７Ｗ：電流センサ
ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ：電流検出信号 ＩＵ０、ＩＶ０、ＩＷ０：オフセット量
θ１、θ２：位相検出信号 θｖ：電圧位相 ｔｍｇ：制御タイミング
Ｔｒｅｑ：トルク指令値 Ｔｏｕｔ：出力トルク
ｓｉｎ、Ｕｓｉｎ、Ｖｓｉｎ、Ｗｓｉｎ：正弦波波形
Ｅｓ、ＵＥｓ、ＶＥｓ、ＷＥｓ：電圧振幅
ｐｗｍ、Ｕｐｗｍ、Ｖｐｗｍ、Ｗｐｗｍ：ＰＷＭ波形（パルス幅変調波形）
ｓｑｒ、Ｕｓｑｒ、Ｖｓｑｒ、Ｗｓｑｒ：矩形波形
Ｃｒ：キャリア波形
Ｔｏｎ１〜Ｔｏｎ１４：オン時間
ＣＵ〜ＣＷ：制御信号 ＤＵＵ〜ＤＷＬ：通電制御信号

Claims (7)

1. ステータの電機子巻線に電圧を印加したときに流れる各相の電流を検出する電流検出手段、およびロータの回転位相を検出する位相検出手段を備える交流モータを制御対象として、前記各相の電流のオフセット量を考慮して前記電圧波形を制御する交流モータの制御装置であって、
   外部からのトルク指令値に基づいて、前記ロータの回転位相上で前記電圧を印加する電圧位相を設定する電圧位相設定手段と、
   前記電流検出手段が検出した前記各相の電流からそれぞれ前記オフセット量を検出するオフセット検出手段と、
   前記位相検出手段が検出した前記ロータの回転位相から得られる電気角の半周期ごとに、前記電圧波形をパルス幅変調波形または矩形波形に切り替え制御するタイミングを得るスイッチング制御手段と、
   検出した前記オフセット量が正値であると前記電圧波形を正の前記パルス幅変調波形と負の前記矩形波形に切り替え、前記オフセット量が負値であると前記電圧波形を負の前記パルス幅変調波形と正の前記矩形波形に切り替え、前記オフセット量がゼロであると前記電圧波形を正および負の前記矩形波形に切り替える波形切替え手段と、
   を有する交流モータの制御装置。
2. 請求項１において、周波数および電圧振幅が可変の正弦波波形の前記電圧振幅を設定する電圧振幅設定手段と、所定周波数で所定電圧振幅の三角波状のキャリア波形と前記正弦波波形との大小比較結果に基づくオンオフ制御により前記パルス幅変調波形を生成するパルス幅変調手段とをさらに有する交流モータの制御装置。
3. 請求項２において、
   前記電圧振幅設定手段は、前記オフセット量が大きいほど前記正弦波波形の電圧振幅を小さく設定し、前記オフセット量が小さいほど前記正弦波波形の電圧振幅を大きく設定し、
   前記パルス幅変調手段は、前記正弦波波形が前記キャリア波形を越えている時間帯をパルス幅変調のオン時間とする交流モータの制御装置。
4. 請求項２または３において、前記電圧振幅設定手段は、前記オフセット量と前記正弦波波形の電圧振幅との関係をあらかじめ保持している交流モータの制御装置。
5. 請求項２または３において、前記電圧振幅設定手段は、前記オフセット量の大きさに応じて前記正弦波波形の電圧振幅をフィードバック制御する交流モータの制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、出力トルクを検出するトルク検出手段をさらに有し、前記電圧位相設定手段は前記トルク指令値および検出された前記出力トルクに応じてフィードバック制御により前記電圧位相を設定する交流モータの制御装置。
7. ステータの電機子巻線に電圧を印加したときに流れる各相の電流を検出する電流検出手段、およびロータの回転位相を検出する位相検出手段を備える交流モータを制御対象とし、前記各相の電流のオフセット量を考慮して前記電圧波形を制御する交流モータの制御方法であって、
   外部からのトルク指令値に基づいて、前記ロータの回転位相上で前記電圧を印加する電圧位相を設定する電圧位相設定ステップと、
   前記電流検出手段が検出した前記各相の電流からそれぞれ前記オフセット量を検出するオフセット検出ステップと、
   前記位相検出ステップで検出した前記ロータの回転位相から得られる電気角の半周期ごとに、前記電圧波形をパルス幅変調波形または矩形波形に切り替え制御するタイミングを得るスイッチング制御ステップと、
   検出した前記オフセット量が正値であると前記電圧波形を正の前記パルス幅変調波形と負の前記矩形波形に切り替え、前記オフセット量が負値であると前記電圧波形を負の前記パルス幅変調波形と正の前記矩形波形に切り替え、前記オフセット量がゼロであると前記電圧波形を正および負の前記矩形波形に切り替える波形切替えステップと、
   を有する交流モータの制御方法。

Images