JP6025906B1 - インバータ装置およびインバータ装置を備えた電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不要なスイッチングを発生させずにデッドタイム補償を行うことで、応答性などの制御特性の劣化を低減しながら高効率で運転可能なインバータ装置を得る。【解決手段】通電器（１８）と、電圧指令生成器（１４）と、通電素子の短絡防止用デッドタイムに起因するデッドタイム誤差電圧を補償するデッドタイム補償器（１５）と、電圧指令とインバータの直流電圧の値から通電信号の第１のＤｕｔｙ指令を生成するＤｕｔｙ指令生成器（１６）と、通電信号生成器（１７）とを備え、デッドタイム補償器は、第１のＤｕｔｙ指令に基づいてデッドタイム補償後電圧指令を生成し、Ｄｕｔｙ指令生成器は、デッドタイム補償後電圧指令とインバータの直流電圧の値から第２のＤｕｔｙ指令を生成し、通電信号生成器は、第２のＤｕｔｙ指令に基づいて通電信号を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、デッドタイムを有するスイッチング型のインバータ装置およびインバータ装置を備えた電動機制御装置に関する。

ＭＯＳＦＥＴなどに代表される通電素子をオンオフさせることで直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式などを用いたスイッチング型インバータは、電動機制御に広く用いられている。そして、このようなスイッチング型インバータは、通電素子の短絡を防止するために、通電素子のターンオフ時間を考慮してデッドタイムが挿入されている。

このデッドタイムによって、インバータの電圧指令と出力電圧との間の誤差電圧が発生し、制御応答特性の劣化、電流波形の歪みなどが生じてしまう。なお、以下の説明においては、この誤差電圧のことを、デッドタイム誤差電圧と称す。電動機を制御するにあたっては、制御応答特性の劣化、電流波形の歪みなどによって、トルク応答性の低下や、トルクリップルの発生などといった問題が生じ得る。

このデッドタイム誤差電圧を補償するデッドタイム補償の技術として、以下のようなものがある。デッドタイム誤差電圧（歪み電圧）は、電流の向きに応じてその向きが決まり、電流が正方向であれば負となり、電流が負方向であれば正となる。

また、デッドタイム誤差電圧の大きさは、デッドタイムとスイッチング周波数（ＰＷＭの場合には、キャリア周波数に相当）が決まれば求まる。従って、求まった電圧の大きさに従って、電流が正方向であれば正、電流が負方向であれば負の補償電圧を電圧指令に加えることで、デッドタイム誤差電圧を補償することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２５４６８２号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
デッドタイムは、スイッチング時のみ挿入される。このため、元の電圧指令がＤｕｔｙ指令１００％相当であるときには、スイッチングが発生しないため、デッドタイムは、存在しない。

しかしながら、特許文献１のように、単純に電流の値の符号に応じて補償電圧を加算する場合には、元の電圧指令がＤｕｔｙ指令１００％相当、すなわち、電圧指令が正の最大値相当、であった場合でも、電流の値が負であれば負の補償電圧を元の電圧指令に加算する。この結果、最終的に出力されるＤｕｔｙ指令は、１００％を下回ることになる。

また、元の電圧指令がＤｕｔｙ指令０％相当、すなわち、電圧指令が負の最大値相当、であった場合でも、電流の値が正であれば正の補償電圧を元の電圧指令に加算する。この結果、最終的に出力されるＤｕｔｙ指令は、０％を上回ることになる。そして、このような制御を行った場合には、本来不要なスイッチングが発生する。

電圧指令と電流とに位相差がある場合には、電圧指令と電流の値が互いに異符号となるこのような区間が存在し得る。このとき、本来は不要なスイッチングが発生することによって、デッドタイム誤差電圧が発生する。ただし、デッドタイム補償電圧が適切であれば、デッドタイム誤差電圧とデッドタイム補償電圧は、相殺され、電圧指令と実際に出力される電圧とは一致する。

しかしながら、通電素子のスイッチングが発生するために、スイッチング損失は、増加し、また、デッドタイム区間中は、ダイオードに電流が流れることになる。そして、一般的には、ＭＯＳＦＥＴなどの通電素子に比べて、ダイオードの導通損失は大きいため、導通損失も増加し、インバータの効率が低下することとなる。

特に、電圧指令と電流の位相差が１８０度となっている状態、つまり、電圧指令と電流の値が常に互いに異符号となっている状態、での発電動作時には、Ｄｕｔｙ指令が０％のときに電流が正方向に最大となり、Ｄｕｔｙ指令が１００％のときに電流が負方向に最大となる。このため、電圧指令と電流の位相差が１８０度となっている状態では、スイッチング損失および導通損失の増加が、特に顕著となる。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、不要なスイッチングを発生させずにデッドタイム補償を行うことで、応答性などの制御特性の劣化を低減しながら高効率で運転可能なインバータ装置およびインバータ装置を備えた電動機制御装置を得ることを目的とする。

本発明に係るインバータ装置は、通電信号に基づいて、インバータに接続される負荷に通電するための通電素子を、ブリッジの上下アームのそれぞれに有する通電器と、負荷に印加する電圧を定める電圧指令を生成する電圧指令生成器と、通電素子の短絡防止用デッドタイムに起因するデッドタイム誤差電圧を補償するデッドタイム補償器と、電圧指令をインバータの直流電圧で除した値に基づき、通電信号の第１のＤｕｔｙ指令を生成するＤｕｔｙ指令生成器と、通電信号を生成する通電信号生成器とを備え、デッドタイム補償器は、第１のＤｕｔｙ指令に基づいてデッドタイム補償電圧を生成し、電圧指令とデッドタイム補償電圧に基づいてデッドタイム補償後電圧指令を生成し、Ｄｕｔｙ指令生成器は、デッドタイム補償後電圧指令をインバータの直流電圧で除した値に基づき、通電信号の第２のＤｕｔｙ指令を生成し、通電信号生成器は、第２のＤｕｔｙ指令に基づいて、通電素子をオンオフするように定める通電信号を生成し、デッドタイム補償器は、第１のＤｕｔｙ指令が、通電素子で生成可能な最小パルス幅に基づいて設定されるデッドタイム補償実行Ｄｕｔｙ指令範囲を逸脱する場合には、デッドタイム補償電圧を０とするものである。

また、本発明に係るインバータ装置を備えた電動機制御装置は、負荷が電動機の電機子巻線または界磁巻線の少なくともいずれか一方であり、本発明に係るインバータ装置により電動機の電機子巻線または界磁巻線の少なくともいずれか一方に通電信号を与えて通電を行い、電動機を制御するものである。

本発明のインバータ装置によれば、電圧指令とインバータの直流電圧とから生成された第１のＤｕｔｙ指令の大きさに応じてデッドタイム補償後の電圧指令を生成し、デッドタイム補償後の電圧指令を用いて生成された第２のＤｕｔｙ指令に基づいて通電信号を生成する構成を備えている。この結果、不要なスイッチングを発生させずにデッドタイム補償を行うことで、応答性などの制御特性の劣化を低減しながら高効率で運転可能なインバータ装置およびインバータ装置を備えた電動機制御装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るインバータ装置を含む電動機制御装置の概略構成を、負荷である電機子巻線が含まれる電動機とともに示す図である。 本発明の実施の形態１に係るインバータ装置の中の通電器の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るＰＷＭ動作を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るインバータ装置の中の通電器の概略構成のうち、一相分を抜き出して描いた図である。 本発明の実施の形態１に係る、第１のＤｕｔｙ指令が０％かつ電流が正方向のときのＰＷＭ動作を示す図である。

以下、本発明のインバータ装置を含む電動機制御装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の概略構成を、電動機とともに示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。

図１において、電動機制御装置１は、電動機２を制御する。電動機２は、３相の同期電動機であり、固定子（電機子巻線）２１、および回転子２２（界磁）を有して構成されている。

なお、本実施の形態１における電機子巻線２１の結線は、３相Ｙ結線であるとして説明する。また、回転子２２の界磁の方式としては、永久磁石を用いた永久磁石界磁方式、巻線界磁方式、さらに永久磁石と巻線の併用方式が、主として挙げられるが、本実施の形態１では、永久磁石界磁方式を使用することとして説明する。

図１に示した本実施の形態１における電動機制御装置１は、電流算出器１１、電流指令生成器１２、回転子位置算出器１３、電圧指令生成器１４、デッドタイム補償器１５、Ｄｕｔｙ指令生成器１６、通電信号生成器１７、および通電器１８を有して構成されている。

電流算出器１１は、電機子巻線２１の各相に流れる電流をフィードバック値として算出し、電流の値として出力する。電流算出器１１による電流の算出方法としては、例えば、ＣＴなどの電流センサを用いて電流を検出する方法が挙げられる。

電流指令生成器１２は、電動機２の電機子巻線２１に流れる電流を基準値として定める電流指令を生成する。なお、電流指令は、どのように定めてもよく、例えば、所望のトルクから定める、あるいは所望の発電量から定める、などが挙げられる。

本実施の形態１における電流指令生成器１２は、所望のトルクに応じて電流指令を生成して出力することとする。より具体的には、電流指令生成器１２により生成される電流指令は、回転子２２の磁極位置の方向にｄ軸を定義し、これに直交する向きにｑ軸を定義した場合の、ｄｑ軸上の値であるとする。

回転子位置算出器１３は、回転子２２の回転子位置、すなわち磁極位置、を算出して出力する。回転子位置算出器１３による回転子位置の算出方法としては、例えば、レゾルバなどを用いて回転子位置を検出する方法が挙げられる。

電圧指令生成器１４は、電流算出器１１から出力されるフィードバック値である電流、電流指令生成器１２から出力される基準値である電流指令、および回転子位置算出器１３で検出された回転子２２の回転子位置に基づいて、３相交流の電圧指令を生成する。この手順について、次に説明する。

まず、電圧指令生成器１４は、ｄｑ軸上の電流指令の値、ｄｑ軸上の電流の値から、ｄｑ電圧指令を生成する。ここで、電圧指令生成器１４は、電流算出器１１から出力される３相交流の電流からｄｑ軸上の電流を得る際には、一般的な３相−ｄｑ変換を用いる。なお、電圧指令生成器１４においてｄｑ電圧指令を生成する方法としては、例えば、電流指令と電流の偏差に基づくＰＩ制御を用いる方法が挙げられる。

続いて、電圧指令生成器１４は、回転子位置とｄｑ電圧指令から３相交流の電圧指令を生成して出力する。ここで、電圧指令生成器１４は、回転子位置とｄｑ電圧指令から３相交流の電圧指令を生成する際には、一般的なｄｑ−３相変換を用いる。

デッドタイム補償器１５は、第１のＤｕｔｙ指令、電流、電圧指令に基づいて、デッドタイム補償後電圧指令を生成して出力する。デッドタイム補償器１５の詳細な機能については、後述する。

Ｄｕｔｙ指令生成器１６は、電圧指令、直流電圧の値から第１のＤｕｔｙ指令を生成するとともに、デッドタイム補償後電圧指令、直流電圧の値から第２のＤｕｔｙ指令を生成して出力する。

ここで、Ｄｕｔｙ指令生成器１６が生成する第１のＤｕｔｙ指令は、電圧指令を直流電圧の値Ｖｄｃで除したものに０．５を加算して、値の範囲を０〜１に規格化したものである。また、Ｄｕｔｙ指令生成器１６が生成する第２のＤｕｔｙ指令は、デッドタイム補償後電圧指令を直流電圧の値で除したものに０．５を加算して、値の範囲を０〜１に規格化したものである。なお、以下の説明においては、Ｄｕｔｙ指令（第１のＤｕｔｙ指令および第２のＤｕｔｙ指令）の値を百分率で表す場合もある。

通電器１８は、通電信号に基づいて交流電圧を出力し、電機子巻線２１に通電する。図２は、本発明の実施の形態１における通電器１８の構成を、電機子巻線２１とともに示す図である。通電器１８は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相ごとに、直列に接続された上アームと下アームを有している。

ここで、上アームとは、それぞれＵ相上アーム１８２、Ｖ相上アーム１８４、Ｗ相上アーム１８６のことである。一方、下アームとは、それぞれＵ相下アーム１８３、Ｖ相下アーム１８５、Ｗ相下アーム１８７のことである。

また、各アームは、通電素子と還流ダイオードが逆並列に接続された構成となっている。なお、以降の説明では、あるアームの通電素子がオンになることを、単に「アームがオンになる」、オフになることを、単に「アームがオフになる」というように表現することもある。

また、図２においては、直流電源１８１の両端の、仮想中性点基準の電位を＋Ｖｄｃ／２、−Ｖｄｃ／２というように記載している。従って、直流電源１８１の両端の電圧、すなわち直流電圧、の値は、Ｖｄｃである。

通電信号生成器１７は、通電信号に相当するＰＷＭ信号を生成して出力する。具体的には、通電信号生成器１７は、第２のＤｕｔｙ指令と、値の範囲が０〜１の三角波である搬送波との比較により、ＰＷＭ信号を生成して出力する。

図３は、本発明の実施の形態１における通電信号生成器１７によるＰＷＭ動作を示す説明図である。図３においては、代表的にＵ相の場合についてのみ示しているが、他の相の場合についても、同様である。図３において、Ｃａｒｒは、搬送波、ＤｕｔｙＵ２は、Ｕ相の第２のＤｕｔｙ指令、ＵＨ、ＵＬは、それぞれＵ相上アーム、Ｕ相下アームの通電信号である。

また、Ｖｕは、Ｕ相の端子電圧（出力電圧）、すなわち、電機子巻線２１に接続されているＵの線の、仮想中性点基準の電位、Ｉｕは、Ｕ相の電流であり、Ｉｕが正の場合、負の場合それぞれについて、Ｖｕの波形を模式的に示している。ここで、電流の向きは、通電器１８から負荷である電動機２の電機子巻線２１に向かう場合を正とする。

なお、通電信号のスイッチングのタイミングにおいて、上下アーム短絡防止用に、上下アームをともにオフにする時間であるデッドタイムＴｄを挿入する必要がある。デッドタイムＴｄの挿入方法はいくつかあるが、ここでは、各アームの通電信号とも、オンのタイミングをデッドタイムＴｄ分遅らせる方法で、デッドタイムを挿入するものとする。

デッドタイムＴｄ中の電圧は、Ｉｕ＞０の場合には、−Ｖｄｃ／２となり、Ｉｕ＜０の場合には、Ｖｄｃ／２となる。このデッドタイムＴｄ中の電圧によって、電圧指令と実際に出力される電圧との差が生じる。電圧指令通りの電圧が出力されないため、例えば、本実施の形態１のように、電流指令と電流の偏差に基づくＰＩ制御で電圧指令を生成している場合には、設定したＰＩ制御のゲイン通りの制御応答が得られないという問題が生じ得る。

また、ＰＩ制御時だけでなく、ＰＩ制御をせずに、直接、電圧指令を生成して制御する場合であっても、電流波形が歪むという問題が生じ得る。電動機２を制御する上では、これらの問題は、例えば、所望のトルク応答、発電電流応答が得られない、あるいはトルクリップルが生じる、などといった、さらなる問題を生じさせることとなる。

これらの問題を解決するには、このデッドタイムＴｄ中の電圧による影響を補償するデッドタイム補償が必要となる。

また、通電信号生成器１７は、入力される電流の値が許容電流値を超えた場合には、電機子巻線２１への通電を停止するように、上アーム、下アームをともにオフするように、通電信号を生成する。

次に、デッドタイムＴｄ中の電圧が、電流の向きによって決まることを説明する。図４は、本発明の実施の形態１におけるインバータ装置内の通電器１８の概略構成のうち、Ｕ相の１相だけを抜き出した回路図である。

図４（ａ）は、Ｕ相の電流Ｉｕが正方向であるときを示しており、ダイオード１８３ｂが導通するため、Ｕ相の端子電圧、すなわち、電機子巻線２１に接続されているＵの線の、仮想中性点基準の電位、は、負値−Ｖｄｃ／２となる。一方、図４（ｂ）は、Ｕ相の電流Ｉｕが負方向であるときを示しており、ダイオード１８２ｂが導通するため、Ｕ相の端子電圧は、正値Ｖｄｃ／２となる。

他の相の場合についても同様である。Ｖ相の場合、電流Ｉｖが正方向であるときには、ダイオード１８５ｂが導通するため、Ｖ相の端子電圧（電機子巻線２１に接続されているＶの線の、仮想中性点基準の電位）は、負値−Ｖｄｃ／２となる。一方、電流Ｉｖが負方向であるときには、ダイオード１８４ｂが導通するため、Ｖ相の端子電圧は、正値Ｖｄｃ／２となる。

同様に、Ｗ相の場合、電流Ｉｗが正方向であるときには、ダイオード１８７ｂが導通するため、Ｗ相の端子電圧（電機子巻線２１に接続されているＷの線の、仮想中性点基準の電位）は、負値−Ｖｄｃ／２となる。一方、電流Ｉｗが負方向であるときには、ダイオード１８６ｂが導通するため、Ｗ相の端子電圧は、正値Ｖｄｃ／２となる。

このデッドタイムＴｄ中の電圧は、通電素子のスイッチングのタイミングで発生する。スイッチングのタイミングは、搬送波半周期に１回である。このため、設定デッドタイムをＴｄ、搬送波周期をＴｃとすると、平均的なデッドタイム誤差電圧の大きさは、Ｖｄｃ・Ｔｄ／Ｔｃとなる。従って、デッドタイム補償電圧としては、このデッドタイム誤差電圧と同じ大きさの電圧を、向きのみ反転させて加算させればよい。

次に、本実施の形態１における技術的特徴であるデッドタイム補償器１５の詳細な機能について説明する。まず、デッドタイム補償器１５は、第１のＤｕｔｙ指令がデッドタイム補償実行Ｄｕｔｙ指令範囲に収まっているか否かを判定する。なお、デッドタイム補償実行Ｄｕｔｙ指令範囲は、通電器１８の通電素子の実質的なＤｕｔｙが、０％および１００％となるＤｕｔｙ指令を、それぞれ上下限値として定められる。

ここで、このデッドタイム補償実行Ｄｕｔｙ指令範囲を単純に０％から１００％としない理由は、通電器１８の通電素子が生成できるパルス幅には制約があるためである。この制約が生じる理由としては、通電素子の立ち上がり時間、立ち下がり時間に相当するスイッチング時間が、理想的には無限小であるが、実際には有限時間であることが挙げられる。

このスイッチング時間の存在により、オン時間やオフ時間が短くなるようなＤｕｔｙ指令を与えても、通電素子が反応できず、実質的にＤｕｔｙが０％や１００％となる。なお、通電素子のスイッチング時間が、要求精度、通電素子の特性などの観点から無視できる場合であれば、デッドタイム補償実行Ｄｕｔｙ指令範囲を単純に０％から１００％としてもよい。

搬送波の半周期中に、通電器１８の通電素子の実質的なＤｕｔｙが０％および１００％となっている場合は、その期間でのスイッチングは生じないため、デッドタイムも発生しない。

まず、第１のＤｕｔｙ指令が実質的に０％となっている場合について考える。このとき、電流が負方向に流れていれば、前述の通り、デッドタイム誤差電圧は、正方向となる。従って、電圧指令に加算するデッドタイム補償電圧の符号は、デッドタイム誤差電圧の符号を反転させたものであるから、デッドタイム補償電圧は、負の値となる。この場合、第２のＤｕｔｙ指令は、０％未満の負値となるが、ＰＷＭの原理から実質的に０％であり、実動作に支障はない。

しかしながら、電流が正方向に流れている場合には、電圧指令に加算するデッドタイム補償電圧は、正の値となる。この場合、デッドタイム補償後電圧指令に基づく第２のＤｕｔｙ指令は、０％を超える正値となるため、通電素子のスイッチングが発生する。

図５は、本発明の実施の形態１において、第１のＤｕｔｙ指令が０％であり、かつ電流が正方向に流れている場合の、第１のＤｕｔｙ指令、第２のＤｕｔｙ指令、出力電圧の関係を示す図である。ＤｕｔｙＵ１は、Ｕ相の第１のＤｕｔｙ指令である。出力電圧自体は、Ｄｕｔｙ０％に相当する電圧となっているが、第２のＤｕｔｙ指令が、０％を超えていることによって、Ｕ相下アームにおいて、スイッチングが発生している（図５におけるＵＬのＯＮ／ＯＦＦ波形参照）。

なお、図５中のＵＨは、常時「ＯＦＦ」となっている。これは、デッドタイム挿入方法が、各々のオンするタイミングをデッドタイム分遅らせるというものであり、上アームの場合、デッドタイム終了時点とオフするタイミングが同じであるために、ＵＨが「ＯＮ」となる区間が存在しなくなっているということを意味している。

本来は、不要なスイッチングが発生することにより、通電素子のスイッチング損失が発生する。また、デッドタイムの間は、ダイオードに電流が流れることになり、一般的に、ＭＯＳＦＥＴなどの通電素子に比べてダイオードの導通損失は大きいため、導通損失も増加する。

第１のＤｕｔｙ指令が実質的に１００％となっている場合についても同様に、このとき電流が負方向に流れていれば、負のデッドタイム補償電圧を加算することにより、不要なスイッチングが発生し、全体として損失が増大する。

従って、第１のＤｕｔｙ指令が、通電素子のＤｕｔｙを実質的に０％、および１００％とするような値となっている場合には、デッドタイム補償電圧を０にすることで不要なスイッチングが発生しないようにする。

ところで、デッドタイム補償電圧の向きを決めるために参照している電流の向きは、電流算出器１１から出力される電流の値の符号で判定している。そして、電流算出器１１から出力される電流の値が０となる付近では、ノイズなどの影響により、電流の値が、０近傍で頻繁に正負に変動する場合がある。

このように変動する場合、デッドタイム補償電圧の向きも、これに応じて変動する。このため、制御精度が悪化する場合がある。そこで、電流の値の大きさがある所定の値未満になった場合は、デッドタイム補償電圧を０にすることで、この変動の影響を軽減することができる。

なお、これまでの説明では、電流算出部１１の出力である電流の向きに応じてデッドタイム補償電圧の向きを定めるとしていた。しかしながら、電流指令生成器１２の出力である電流指令を用いて、デッドタイム補償電圧の向きを定めることもできる。ただし、電流指令は、ｄｑ軸上の値であり、これを３相の値に換算する必要がある。この換算には、一般的なｄｑ−３相変換を用いる。

デッドタイム補償電圧の向きを定めるために電流指令を用いる場合には、上述したようなノイズの影響は基本的にない。このため、電流の大きさがある所定の値未満になった場合にも、デッドタイム補償電圧を０にしなくとも、安定してデッドタイム補償を行えることが期待できる。

ただし、電流指令の算出方法によっては、３相の電流指令が０となる付近で変動する場合も考えられる。例えば、本実施の形態１の場合、３相の電流指令は、ｄｑ軸上の電流指令をｄｑ−３相変換して得ているが、その際に用いられる回転子位置の値が、ノイズの影響を受けている場合には、３相の電流指令も、やはり変動する。

そのような場合には、電流の向きに応じてデッドタイム補償電圧の向きを定める場合と同様に、電流指令の大きさがある所定の値未満になった場合は、デッドタイム補償電圧を０にすることで、この変動の影響を軽減することができる。

なお、ここまでの説明においては、デッドタイム誤差電圧、デッドタイム補償電圧を一定として説明してきた。設定デッドタイム通りに実際のデッドタイムが確保されているとみなせる場合には、このように一定として、特に問題ない。しかしながら、実際には、通電素子の応答遅れがり、立ち上がり、立ち下がりに有限の時間がかかるため、設定したデッドタイム通りのデッドタイムが確保されない場合もある。

そのような場合には、デッドタイム誤差電圧も変化するため、デッドタイム補償電圧もこれに応じて変化させる必要がある。通電素子の応答は、一般的に、通電素子を流れる電流によって決まる。このため、デッドタイム補償電圧も、通電素子を流れる電流に応じて可変とする。

具体的には、３相の電流または３相の電流指令を引数として、デッドタイム補償電圧係数を出力するテーブルを用意しておく。そして、デッドタイム補償電圧係数をＫｔｄとして、デッドタイム補償電圧の大きさを、Ｋｔｄ・Ｖｄｃ・Ｔｄ／Ｔｃとし、向きは前述の通り、電流または電流指令の符号に応じて定めることで、デッドタイム補償を行う。

以上のように、実施の形態１に係る電動機制御装置によれば、不要なスイッチングを発生させることなく、デッドタイム補償を行うことができる。この結果、インバータの効率低下を抑制しながら、トルク応答性、発電電流応答性の改善、およびトルクリップルの低減を図ることができる。

特に、通電素子の実質的なＤｕｔｙが０％や１００％となる区間が存在するような動作領域で、電圧と電流の位相差が１８０度となる条件で発電動作を行う場合には、顕著な効果が得られる。この場合、同一入力の場合における発電出力の向上、同一出力の場合における発電効率向上が可能となる。

また、インバータの損失に起因する熱的制約で、最大出力や運転時間に制約が生じている場合には、効率向上によって、これらの制約が緩和されることも期待できる。

なお、本実施の形態１では、回転子２２の界磁の方式を永久磁石界磁方式としていたが、界磁巻線を使用する巻線界磁方式、あるいは界磁巻線を併用する方式であってもよい。その場合、通電信号生成器１７は、界磁巻線に通電するための通電信号を生成して出力し、通電器１８は、その通電信号に基づいて、界磁巻線に通電する構成とする。

また、電流算出器１１で算出される電流の値が許容電流値を超える場合には、界磁巻線に対する通電を停止するように、通電信号を生成する構成としてもよい。なお、界磁巻線への通電に関しても、デッドタイムの挿入が必要な回路構成の場合には、これまで説明してきたものと同様のデッドタイム補償を適用することができる。

デッドタイム補償電圧の大きさに関しても、電機子巻線への通電の場合と同様、デッドタイム中の電圧を平均的に算出することで求められる。

界磁巻線の場合、電圧指令と電流の向きは、基本的には同一である。しかしながら、界磁電流を迅速に下げる必要がある場合などに、界磁巻線に負電圧を印加する場合（逆励磁時）などには、電圧指令と電流の向きが逆になる。その際に、Ｄｕｔｙ指令が負の最大電圧相当である場合には、本発明特有の効果を得ることができる。

また、本実施の形態１では、電動機２の電機子巻線２１の結線を３相Ｙ結線として説明したが、相数、結線方式は、これに限定されない。電動機の種類に関しても、同期電動機に限定されず、誘導電動機等、他の電動機であってもよい。

また、本実施の形態１では、電動機２の回転子位置を参照していたが、回転子位置を参照せず、交流位相を内部で生成して通電する方式であってもよい。

また、本実施の形態１では、電圧指令に基づいて第１のＤｕｔｙ指令を生成し、デッドタイム補償後電圧指令に基づいて第２のＤｕｔｙ指令を生成していたが、電流算出器１１の電流の値に基づいて第１のＤｕｔｙ指令、第２のＤｕｔｙ指令を直接生成する構成であってもよい。

また、本実施の形態１では、デッドタイム補償電圧を電流算出器１１から出力される電流の値を参照して生成していたが、電圧指令と電流の関係が既知であれば、電流を参照せずに、デッドタイム補償電圧を生成することができる。

また、本実施の形態１では、電圧指令をＰＩ制御に基づいて生成していたが、電圧指令の生成方法は、これに限定されない。Ｐ制御、Ｉ制御に基づいて生成してもよい。また、電流をフィードバックせずに、電流指令からルックアップテーブル等によって電圧指令を生成してもよい。

また、本実施の形態１では、３相−ｄｑ変換、ｄｑ−３相変換を用いて制御していたが、交流を直接制御してもよい。

１ 電動機制御装置（インバータ装置）、２ 電動機、１１ 電流算出器、１２ 電流指令生成器、１３ 回転子位置算出器、１４ 電圧指令生成器、１５ デッドタイム補償器、１６ Ｄｕｔｙ指令生成器、１７ 通電信号生成器、１８ 通電器、２１ 固定子（電機子巻線）、２２ 回転子（界磁）、１８１ 直流電源、１８２ Ｕ相上アーム、１８２ａ Ｕ相上アーム通電素子、１８２ｂ Ｕ相上アーム還流ダイオード、１８３ Ｕ相下アーム、１８３ａ Ｕ相下アーム通電素子、１８３ｂ Ｕ相下アーム還流ダイオード、１８４ Ｖ相上アーム、１８４ａ Ｖ相上アーム通電素子、１８４ｂ Ｖ相上アーム還流ダイオード、１８５ Ｖ相下アーム、１８５ａ Ｖ相下アーム通電素子、１８５ｂ Ｖ相下アーム還流ダイオード、１８６ Ｗ相上アーム、１８６ａ Ｗ相上アーム通電素子、１８６ｂ Ｗ相上アーム還流ダイオード、１８７ Ｗ相下アーム、１８７ａ Ｗ相下アーム通電素子、１８７ｂ Ｗ相下アーム還流ダイオード。

Claims (8)

1. 通電信号に基づいて、インバータに接続される負荷に通電するための通電素子を、ブリッジの上下アームのそれぞれに有する通電器と、
   前記負荷に印加する電圧を定める電圧指令を生成する電圧指令生成器と、
   前記通電素子の短絡防止用デッドタイムに起因するデッドタイム誤差電圧を補償するデッドタイム補償器と、
   前記電圧指令を前記インバータの直流電圧で除した値に基づき、前記通電信号の第１のＤｕｔｙ指令を生成するＤｕｔｙ指令生成器と、
   前記通電信号を生成する通電信号生成器と
   を備え、
   前記デッドタイム補償器は、前記第１のＤｕｔｙ指令に基づいてデッドタイム補償電圧を生成し、前記電圧指令と前記デッドタイム補償電圧に基づいてデッドタイム補償後電圧指令を生成し、
   前記Ｄｕｔｙ指令生成器は、前記デッドタイム補償後電圧指令を前記インバータの前記直流電圧で除した値に基づき、前記通電信号の第２のＤｕｔｙ指令を生成し、
   前記通電信号生成器は、前記第２のＤｕｔｙ指令に基づいて、前記通電素子をオンオフするように定める前記通電信号を生成し、
   前記デッドタイム補償器は、前記第１のＤｕｔｙ指令が、前記通電素子で生成可能な最小パルス幅に基づいて設定されるデッドタイム補償実行Ｄｕｔｙ指令範囲を逸脱する場合には、前記デッドタイム補償電圧を０とする
   インバータ装置。
2. 前記負荷に流れる電流を検出または推定する電流算出器をさらに備え、
   前記デッドタイム補償器は、前記電流の値に基づいて前記デッドタイム補償電圧を生成する
   請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記負荷に流れる電流を定める電流指令を生成する電流指令生成器をさらに備え、
   前記電圧指令生成器は、前記電流指令に基づいて前記電圧指令を生成し、
   前記デッドタイム補償器は、前記電流指令に基づいて前記デッドタイム補償電圧を生成する
   請求項１に記載のインバータ装置。
4. 前記デッドタイム補償器は、前記電流の値の符号が正であれば正の前記デッドタイム補償電圧を生成し、前記電流の値の符号が負であれば負の前記デッドタイム補償電圧を生成する
   請求項２または３に記載のインバータ装置。
5. 前記デッドタイム補償器は、前記電流の値の大きさがあらかじめ設定した補償不要範囲内である場合には、前記デッドタイム補償電圧を０とする
   請求項４記載のインバータ装置。
6. 前記デッドタイム補償器は、前記電流指令の値の符号が正であれば正の前記デッドタイム補償電圧を生成し、前記電流指令の値の符号が負であれば負の前記デッドタイム補償電圧を生成する
   請求項３に記載のインバータ装置。
7. 前記デッドタイム補償器は、前記電流指令の値の大きさがあらかじめ設定した補償不要範囲内である場合には、前記デッドタイム補償電圧を０とする
   請求項６記載のインバータ装置。
8. 前記負荷が電動機の電機子巻線または界磁巻線の少なくともいずれか一方であり、請求項１から７のいずれか１項に記載のインバータ装置により前記電動機の前記電機子巻線または前記界磁巻線の少なくともいずれか一方に前記通電信号を与えて通電を行い、前記電動機を制御する
   インバータ装置を備えた電動機制御装置。

Images