JP6217554B2

JP6217554B2 - インバータ装置

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Authority: JP
Inventors: 芳樹永田; 川島　隆; 隆川島
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2017-10-25
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Description

本発明は、インバータ装置に関し、特に、３相交流モータを駆動するためのインバータ装置に関する。

従来、パワートランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）をスイッチング素子に用いたＰＷＭ（pulse width modulation）制御インバータ装置が電動機の駆動に使用されている。このようなインバータ装置を用いて電動機を駆動する場合、サージ電圧の発生により、電動機巻線が損傷したり、絶縁破壊が発生したりする可能性がある。

たとえば、特開平０６−３８５４３号公報（特許文献１）には、インバータ出力側にリアクトルを設け、このリアクトルに線路リアクトルが形成される長さのケーブルを介してインバータ出力電圧を電動機に与えて運転するサージ電圧抑制装置が開示されている。

また、インバータ装置には、複数個の半導体素子（スイッチング素子）の組み合わせより構成されるインバータ回路と電源（バッテリ）との間に平滑コンデンサが並列に接続されたものがある。ここで、コンデンサには「等価直列抵抗（ＥＳＲ）」と呼ばれる電極の抵抗や誘電体の特性等に起因する抵抗成分が存在し、このＥＳＲは常温〜高温では無視できるが、低温（たとえば０℃以下）になるに従って無視できないほど大きい値となることが知られている。

そして、上記のインバータ装置を用いて電動機を駆動する際に、コンデンサにモータ電流が出入りすることによってＥＳＲによるサージ電圧が発生し、そのサージ電圧が半導体素子等の耐圧を超える場合は、当該半導体素子が損傷を受けてしまう。このため、インバータ回路の入力側にコンデンサを備えるインバータ装置を、環境温度が低温のときに制御して電動機にモータ電流を供給する場合には、コンデンサのＥＳＲによる影響を考慮する必要がある。

そこで従来は、環境温度が低温の時にコンデンサのＥＳＲにより生じるサージ電圧によってインバータ装置の構成部品がダメージを受けないように、各温度において電動機に供給可能なモータ電流の最大値（制限モータ電流値）をマップとして作成し、そのマップに基づいてインバータ装置の制御を行なっていた。具体的には、モータ電流を制限しながら電動機を暖機運転してコンデンサの温度を上昇させた後、通常運転していた。

特開平０６−３８５４３号公報

しかしながら、電動機をより厳しい低温環境において利用する場合には、電動機に供給可能なモータ電流はさらに低下してしまい、電動機の暖機運転期間が長くなる。そのため、結果として電動機の起動に時間がかかってしまうという問題があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、電動機における暖機運転から起動までの時間をより低減することが可能なインバータ装置を提供することを目的とする。

ある実施の形態に従うと、３相交流モータを制御するためのインバータ装置が提供される、インバータ装置は、３相交流モータに電流を供給するインバータ回路と、インバータ回路の入力側に設けられたコンデンサと、３相のＰＷＭ信号をインバータ回路に出力して、インバータ回路を制御する制御部とを備える。制御部は、インバータ回路を制御する制御モードとして、第１の制御モードおよび第２の制御モードを有する。制御部は、第１の制御モードでは、インバータ回路から出力される３相の出力電圧の各々の極性がすべて同一である期間が第２の制御モード時における当該期間よりも短くなるように、第２の制御モード時にインバータ回路に出力する３相のＰＷＭ信号のうち少なくとも１相のＰＷＭ信号の位相をシフトする位相シフト処理を実行し、位相シフト処理後の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力して３相交流モータに直流電流をｄ軸電流として供給するようにインバータ回路を制御する。制御部は、コンデンサの温度に関する予め定められた条件を満たしたときに、制御モードを第１の制御モードから第２の制御モードに切り替える。制御部は、第２の制御モードでは、位相シフト処理前の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力して３相交流モータに交流電流を供給するようにインバータ回路を制御する。

好ましくは、インバータ装置は、コンデンサの温度を推定するための温度を検出する温度センサをさらに備える。制御部は、検出された温度からコンデンサの温度を推定し、推定された温度が予め定められた温度以上になったときに、予め定められた条件を満たすと判断して制御モードを第１の制御モードから第２の制御モードに切り替える。

好ましくは、制御部は、第１の制御モードによるインバータ回路の制御を開始してからの経過時間を計測し、計測された経過時間が予め定められた時間以上になったときに予め定められた条件を満たすと判断して、制御モードを第１の制御モードから第２の制御モードに切り替える。

好ましくは、制御部は、第２の制御モード時にインバータ回路に出力する３相のＰＷＭ信号の位相およびデューティー比に基づいて、第１の制御モード時における期間が最も短くなるように位相シフト処理を実行する。

他の実施の形態に従うと、３相交流モータを制御するためのインバータ装置が提供される。インバータ装置は、３相交流モータに電流を供給するインバータ回路と、インバータ回路の入力側に設けられたコンデンサと、３相のＰＷＭ信号をインバータ回路に出力して、インバータ回路を制御する制御部とを備える。制御部は、インバータ回路を制御する制御モードとして、第１の制御モードと、第２の制御モードと、第３の制御モードとを有する。制御部は、第１の制御モードでは、インバータ回路から出力される３相の出力電圧の各々の極性がすべて同一である期間が第３の制御モード時における当該期間よりも短くなるように、第３の制御モード時にインバータ回路に出力する３相のＰＷＭ信号のうち少なくとも１相のＰＷＭ信号の位相をシフトする位相シフト処理を実行し、位相シフト処理後の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力して３相交流モータに直流電流をｄ軸電流として供給するようにインバータ回路を制御する。制御部は、コンデンサの温度に関する予め定められた条件を満たしたときに、制御モードを第１の制御モードから第２の制御モードに切り替える。制御部は、第２の制御モードでは、位相シフト処理後の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力して３相交流モータに交流電流を供給するようにインバータ回路を制御する。制御部は、第３の制御モードでは、３相交流モータの３相に印加される電圧または電流に基づいて、３相交流モータの回転子の位置を推定し、推定された回転子の位置に基づいて回転子を回転させるセンサレス制御を実行するとともに、位相シフト処理後の位相を元に戻した位相シフト処理前の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力してインバータ回路を制御する。

本発明によると、電動機における暖機運転から起動までの時間をより低減することが可能となる。

本実施形態に従う電動機を制御するためのインバータ装置の構成を示す回路図である。制御部の機能ブロック図である。コンデンサの温度と最大許容モータ電流値との関係を示す図である。位相シフト前後のインバータ回路の出力電圧波形を示す概略図である。制御部が実行する暖機制御処理を示すフローチャートである。交流モータの電流波形の２相分（Ｕ相、Ｗ相）を示した波形図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜全体構成＞
図１は、本実施形態に従う電動機を制御するためのインバータ装置の構成を示す回路図である。電動機は、たとえば、電動コンプレッサ用の電動機である。なお、電動機は、インバータで制御され、低温状態で使用可能な電動機であればよい。たとえば、車両に使用される電動機や工作機用の電動機であってもよい。

図１を参照して、電動機としての交流モータ１０を制御するインバータ装置１２は、制御部１３と、インバータ回路１６と、コイル１７と、電流センサ１８ａ，１８ｂと、電圧センサ１９と、コンデンサ２０と、温度センサ２１とを含む。また、コンデンサ２０と直列に接続された抵抗Ｒｓは、コンデンサ２０の等価直列抵抗（ＥＳＲ）を示している。

インバータ装置１２は、直流電源である高圧バッテリ１４にヒューズ１５を介して接続されており、高圧バッテリ１４からの電力を入力して交流モータ１０を駆動制御する。交流モータ１０は、３相同期モータであり、たとえば、自動車のエアコン用モータ（エアコンコンプレッサ用モータ）として使用される。

高圧バッテリ１４の正極端子には、コンデンサ２０の一方の端子およびインバータ回路１６の正極電力線が接続される。また、高圧バッテリ１４の負極端子には、コンデンサ２０の他方の端子およびインバータ回路１６の負極電力線が接続される。高圧バッテリ１４からは、コンデンサ２０を介してインバータ回路１６に直流電力が供給される。なお、図示しないが、高圧バッテリ１４は、電気自動車やハイブリッド自動車の走行用モータを駆動する電力を供給する供給源であってもよい。

インバータ回路１６は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、ダイオードＤ１〜Ｄ６とを含む。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としては、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）、バイポーラトランジスタなどである。

正極電力線と負極電力線との間には、Ｕ相用のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が直列接続され、Ｖ相用のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４が直列接続され、Ｗ相用のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６が直列接続される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にはそれぞれダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続される。スイッチング素子Ｑ１とＱ２の接続ノード、スイッチング素子Ｑ３とＱ４の接続ノード、スイッチング素子Ｑ５とＱ６の接続ノードには、それぞれ交流モータ１０の各相のＵ相コイル６、Ｖ相コイル７、Ｗ相コイル８が接続される。Ｕ相コイル６、Ｖ相コイル７およびＷ相コイル８は、Ｙ結線されている。

電流センサ１８ａ，１８ｂは、インバータ装置１２と交流モータ１０との間に設けられる。電流センサ１８ａ，１８ｂは、交流モータ１０に供給される３相の電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちの２相（この実施形態ではＵ相及びＷ相）の電流値Ｉｕ，Ｉｗを検出し、検出した電流値Ｉｕ、Ｉｗを制御部１３に入力する。なお、３相の電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの瞬時値の和は零であるので、電流センサは２相分の電流値を検出するように配置すればよい。制御部１３は、電流値Ｉｕ、Ｉｗから残りの１相の電流値Ｉｖも算出可能である。

また、電流センサ１８ａ，１８ｂの代わりに、Ｕ相用のスイッチング素子、およびＷ相用のスイッチング素子のそれぞれに接続されるシャント抵抗の電圧により電流値Ｉｕ，Ｉｗを検出してもよい。

電圧センサ１９は、インバータ回路１６の入力側に設けられており、入力電圧値Ｖを検出し、入力電圧値Ｖを制御部１３に入力する。

コンデンサ２０は、インバータ回路１６の入力側に設けられており、高圧バッテリ１４と並列に接続されている。たとえば、コンデンサ２０は、電解コンデンサである。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５がコンデンサ２０の正極端子側に接続され、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６がコンデンサ２０の負極端子側に接続されている。

温度センサ２１は、コンデンサ２０の温度を推定するための温度を検出し、検出された温度を制御部１３に入力する。温度センサ２１が設けられる位置は、コンデンサ２０の温度を推定するための温度を検出可能な位置であればよく、コンデンサ２０の近傍でなくてもよい。本実施の形態では、温度センサ２１は、スイッチング素子が形成された基板上に配置されている。また、たとえば、温度センサ２１は、インバータ装置１２を収納する筐体の表面などに配置されていてもよい。

制御部１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２２と、メモリ２３とを含む。制御部１３は、３相のＰＷＭ信号をインバータ回路１６に出力して、インバータ回路１６を制御する。

ＣＰＵ２２は、メモリ２３に記憶されたプログラムを読み出して実行することで、インバータ回路１６を制御する。より詳細にはＣＰＵ２２は、当該プログラムを実行することによって、後述する制御部１３の処理（ステップ）の各々を実現する。

メモリ２３は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）などによって実現される。メモリ２３は、ＣＰＵ２２によって実行されるプログラム、またはＣＰＵ２２によって用いられるデータなどを記憶する。

ＣＰＵ２２は、図示しないドライブ回路を介して各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の制御端子としてのゲートに接続されている。ＣＰＵ２２は、図示しない入力インタフェースを介して電流センサ１８ａ，１８ｂ及び電圧センサ１９に接続されている。

ＣＰＵ２２は、電流センサ１８ａ，１８ｂ、電圧センサ１９、および温度センサ２１の検出信号に基づいて、交流モータ１０を目標出力となるように制御する駆動波形信号（ＰＷＭ信号）を、ドライブ回路を介して各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に出力する。このＰＷＭ信号により、インバータ回路１６の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がオン，オフ駆動制御される。当該制御により、高圧バッテリ１４からの直流電流が３相交流電流に変換され、当該変換された３相交流電流が交流モータ１０の各相のコイル６，７，８に供給される。この３相交流電流によって、交流モータ１０が駆動される。

＜機能構成＞
図２は、制御部１３の機能ブロック図である。図２を参照して、制御部１３は、その主たる機能構成として、温度推定部１０２と、許容電流演算部１０４と、回転子位置推定部１０６と、指令電流演算部１０８と、指令電圧演算部１１０と、ＰＷＭ信号生成部１１２と、位相シフト部１１４とを含む。これらの機能は、主に、制御部１３のＣＰＵ２２がメモリ２３に格納されたプログラムを実行することなどによって実現される。

本実施の形態では、制御部１３は、交流モータ１０に直流電流をｄ軸電流として供給するように制御する暖機制御モードと、交流モータ１０に交流電流を供給するように制御する通常制御モードとを有する。制御部１３は、コンデンサの温度に関する予め定められた条件を満たしたときに、暖機制御モードから通常制御モードに切り替える。本実施の形態では、予め定められた条件を満たした場合とは、温度センサ２１からの検出信号に基づき推定されたコンデンサ２０の温度が後述する所定温度Ａ以上になった場合である。

温度推定部１０２は、温度センサ２１からの検出信号（検出温度）に基づいて、コンデンサ２０の温度を推定する。具体的には、メモリ２３には、温度センサ２１が設けられる位置の温度とコンデンサ２０の温度との関係を示す情報（たとえば、関係式またはテーブル）が記憶されている。

本実施の形態では、温度センサ２１は、スイッチング素子が形成された基板に配置されているため、メモリ２３には、この基板温度とコンデンサ２０の温度との関係を示す関係式が記憶されている。この関係式は、予めシミュレーションまたは実際に交流モータ１０を運転して作成される。そのため、温度推定部１０２は、温度センサ２１により検出された温度と、当該関係式とに基づいてコンデンサ２０の温度を推定することができる。

許容電流演算部１０４は、温度推定部１０２で推定された温度における最大許容モータ電流値を、メモリ２３に記憶されたコンデンサの温度と最大許容モータ電流値との関係を示す情報（たとえば、後述する図３に示すマップ）に基づいて演算する。なお、最大許容モータ電流値は、コンデンサ２０の等価直列抵抗Ｒｓにより生じるサージ電圧によってインバータ装置１２の構成部品がダメージを受けないモータ電流の最大値である。

図３は、コンデンサの温度と最大許容モータ電流値との関係を示す図である。図３を参照して、マップにはコンデンサの温度および最大許容モータ電流値の関係と、交流モータ１０の起動に必要なトルクを発生させるのに必要な電流値が表されている。また、最大許容モータ電流値が、交流モータ１０の起動に必要なトルクを発生させるのに必要な電流値以上になるコンデンサの温度は所定温度Ａ以上の温度であることがわかる。

再び、図２を参照して、回転子位置推定部１０６は、電流センサ１８ａ，１８ｂおよび電圧センサ１９の出力信号に基づいて回転子の位置（位相θ）および速度を推定する。具体的には、回転子位置推定部１０６は、電圧センサ１９によって検出された電圧値から印加電圧パルスを演算し、交流モータ１０のＵ相、Ｖ相及びＷ相に印加するとともにＵ相、Ｖ相及びＷ相の配線に流れる電流値を電流センサ１８ａ，１８ｂで検出する。そして、回転子位置推定部１０６は、メモリ２３に記憶されたデータと、電流センサ１８ａ，１８ｂで検出された電流値と、電圧センサ１９で検出された電圧値と、に基づいて位置の推定を行なう。なお、メモリ２３に記憶されたデータとは、たとえば、電流センサ１８ａ，１８ｂで検出された電流値と、電圧センサ１９で検出された電圧値と、から回転子の位置を推定するプログラムである。

指令電流演算部１０８は、交流モータ１０のトルク指令値と許容電流演算部１０４で演算された最大許容モータ電流値に基づいて、指令ｄ軸電流値および指令ｑ軸電流値を設定する。

指令電圧演算部１１０は、電流センサ１８ａ，１８ｂにより検出されたＵ相、Ｖ相およびＷ相の配線に流れる電流値と、回転子位置推定部１０６で演算された位相θとに基づいて、交流モータ１０に流れる電流の検出値である検出ｄ軸電流値および検出ｑ軸電流値を演算する。そして、指令電圧演算部１１０は、指令ｄ軸電流値と検出ｄ軸電流値の差分に基づいて指令ｄ軸電圧値を演算し、指令ｑ軸電流値と検出ｑ軸電流値の差分に基づいて指令ｑ軸電圧値を演算する。

ＰＷＭ信号生成部１１２は、指令ｄ軸電圧値および指令ｑ軸電圧値に基づいて交流モータ１０の３相のコイル６，７，８に対する指令電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを算出し、その指令電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを得るのに必要なＰＷＭ信号を生成する。

位相シフト部１１４は、暖機制御モードでは、ＰＷＭ信号生成部１１２により生成された３相のＰＷＭ信号のうち少なくとも１相のＰＷＭ信号の位相をシフトし（位相シフト処理）、インバータ回路１６に出力する。位相シフト部１１４は、通常制御モードでは、ＰＷＭ信号生成部１１２により生成されたＰＷＭ信号の位相をシフトせずにそのままインバータ回路１６に出力する。このＰＷＭ信号により、インバータ回路１６の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がオン，オフ駆動される。

ここで、交流モータ１０を制御するために、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相について正相および逆相のＰＷＭ信号がインバータ回路１６に出力される。なお、正相のＰＷＭ信号と逆相のＰＷＭ信号とは互いに相補的であり、基本的には一方がスイッチング素子をＯＮさせるアクティブレベルの時、もう一方はスイッチング素子をＯＦＦさせる非アクティブレベルとなる。ただし、正相および逆相のＰＷＭ信号が非アクティブレベルになるデットタイムが設けられてもよい。

そのため、本実施の形態では、１相のＰＷＭ信号とは、正相のＰＷＭ信号と逆相のＰＷＭ信号とを含む概念である。具体的には、Ｕ相のＰＷＭ信号は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２にそれぞれ供給される正相および逆相のＰＷＭ信号を含む。同様に、Ｖ相のＰＷＭ信号は、スイッチング素子Ｑ３およびＱ４にそれぞれ供給される正相および逆相のＰＷＭ信号を含み、Ｗ相のＰＷＭ信号は、スイッチング素子Ｑ５およびＱ６にそれぞれ供給される正相および逆相のＰＷＭ信号を含む。

具体的には、位相シフト部１１４は、暖機制御モードでは、インバータ回路１６から出力される３相の出力電圧の各々の極性がすべて同一である期間が通常制御モード時における当該期間よりも短くなるように、通常制御モード時にインバータに出力する３相のＰＷＭ信号のうち少なくとも１相のＰＷＭ信号の位相をシフトする。以下、図４を参照して、位相シフト処理について詳細に説明する。

図４は、位相シフト前後のインバータ回路１６の出力電圧波形を示す概略図である。具体的には、図４（ａ）は、位相シフト後の出力電圧波形を示しており、図４（ｂ）は、位相シフト前の出力電圧波形を示している。なお、図４中の「Ｈ」は出力電圧が高電圧レベル（Ｈｉｇｈ極性）であることを示し、「Ｌ」は出力電圧が低電圧レベル（Ｌｏｗ極性）であることを示している。

ＰＷＭ信号は、パルス幅制御された矩形波の信号であり、インバータ回路１６から出力される出力電圧を制御するための信号である。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各々について対応するＰＷＭ信号がインバータ回路１６に出力される。３相のＰＷＭ信号は、それぞれ所定の位相および所定のデューティー比を有している。

図４に示すように、位相シフト前の出力電圧波形（図４（ｂ））と位相シフト後の出力電圧波形（図４（ａ）とを比較すると、ＰＷＭキャリア（搬送波）の１周期内において、位相シフト後の方が交流モータ１０への通電時間が長いことがわかる。具体的には、位相シフト後の方が位相シフト前よりもＵＷ相−Ｖ相間およびＵ相−ＶＷ相間に電圧が印加されている時間が長い。すなわち、位相シフト後においては、位相シフト前と比較して３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の出力電圧の極性がすべて同一（すべてＨｉｇｈ極性またはすべてＬｏｗ極性）である期間（同一極性期間：図４中の斜線部分で表される期間）が短い。

これにより、位相シフト後のＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチング動作させると、位相シフト前よりも多くの電流がコンデンサ２０に出入りする。そのため、コンデンサ２０の温度の上昇速度を速めることができ、結果として暖機運転を早く完了することができる。

また、ＰＷＭ信号生成部１１２は、通常制御モード時にインバータに出力する３相のＰＷＭ信号の位相およびデューティー比に基づいて、暖機制御モード時における当該同一極性期間が最も短くなるように位相シフト処理を実行する。たとえば、図４の例では、同一極性期間が最も短くなるように、位相シフト前の状態（図４（ｂ））からＶ相のＰＷＭ信号の位相をシフトさせることで、Ｖ相の出力電圧の位相をシフトさせる（図４（ａ））。なお、３相のうち少なくとも１相のＰＷＭ信号の位相をシフトさせればよく、図４（ｂ）の位相シフト前の状態から、２相または３相のＰＷＭ信号のすべての位相をシフトして図４（ａ）の位相シフト後の状態を実現する構成であってもよい。

なお、回転子位置推定部１０６を用いることにより、推定された回転子の位置および速度に基づいて交流モータ１０の回転子を回転制御するセンサレス制御が可能となる。センサレス制御とは、モータのロータ位置を検出するレゾルバなどの回転速度センサを用いないで、入力電圧、モータ電流などから回転子の位置および回転速度を推定してこの推定値に基づいてモータを回転させる制御である。

＜処理手順＞
図５は、制御部１３が実行する暖機制御処理を示すフローチャートである。図６は、交流モータ１０の電流波形の２相分（Ｕ相、Ｗ相）を示した波形図である。なお、図６では、制御部１３が、時刻Ｔ１〜Ｔ２までは暖機制御モード、時刻Ｔ２以降は通常制御モードでの制御を実行することを示している。通常制御モードは、強制同期制御モード（時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３）およびセンサレス制御モード（時刻Ｔ３以降）にさらに分けられる。

インバータ装置１２が起動されると、制御部１３のＣＰＵ２２は、温度センサ２１から入力された検出信号に基づいて、コンデンサ２０の温度を推定する（ステップＳ１０）。次に、ＣＰＵ２２は、推定したコンデンサ２０の温度（コンデンサ２０の推定温度）が所定温度Ａ以上か否かを判断する（ステップＳ１２）。所定温度Ａは、図３に示すように、交流モータ１０の起動に必要なトルクを発生させることができる電流値に対応する温度である。換言すると、ＣＰＵ２２は、コンデンサ２０の推定温度における最大許容モータ電流値が交流モータ１０の起動に必要なトルクを発生させることができる値未満か否かを判断する。

再び、図５を参照して、コンデンサ２０の推定温度が所定温度Ａ以上である場合には（ステップＳ１２においてＹＥＳ）、ＣＰＵ２２は、交流モータ１０に交流電流を供給して交流モータ１０を駆動する通常制御モードによる制御を行なう（ステップＳ２４）。

具体的には、ＣＰＵ２２は、ｄ軸電流及びｑ軸電流を最大許容モータ電流値以下の値で、交流モータ１０を目標速度および目標トルクとなるように、３相のＰＷＭ信号を出力してインバータ回路１６を制御し、交流モータ１０に供給する電流値を調整する。すなわち、交流モータ１０の回転子が回転し始める。ここで、通常制御モードにおける電流波形は、図６に示すＴ２以降の電流波形に相当しており、交流電流が交流モータ１０に供給されていることがわかる。

一方、コンデンサ２０の推定温度が所定温度Ａ未満である場合には（ステップＳ１２においてＮＯ）、ＣＰＵ２２は、ステップＳ１４からの処理を実行し、直流電流をｄ軸電流として供給する暖機制御モードによる制御を行なう。ここで、暖機制御モードにおける電流波形は、図６に示すＴ１〜Ｔ２までの電流波形に相当しており、直流電流が交流モータ１０に供給されていることがわかる。

次に、ＣＰＵ２２は、メモリ２３に記憶された図３に示すマップからコンデンサ２０の推定温度における最大許容モータ電流値を演算する（ステップＳ１４）。続いて、ＣＰＵ２２は、電流センサ１８ａ，１８ｂおよび電圧センサ１９の検出信号に基づいて、回転子の位置（位相θ）を推定する（ステップＳ１６）。

次に、ＣＰＵ２２は、電流センサ１８ａ，１８ｂの検出信号と位相θとに基づいて、指令ｄ軸電圧値および指令ｑ軸電圧値を決定し、ｄ軸モータ電流値およびｑ軸モータ電流値がそれぞれ指令ｄ軸電流値（最大許容モータ電流値）および指令ｑ軸電流値（０Ａ）となるように３相のＰＷＭ信号を生成する（ステップＳ２０）。ＣＰＵ２２は、暖機制御モード時には指令ｑ軸電流値が０Ａとなるように制御するため、指令ｄ軸電流値は最大許容モータ電流値となる。このため、交流モータ１０には最大許容モータ電流値の直流電流が流れ、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング動作によってこの直流電流がコンデンサ２０に出入りする。直流電流がコンデンサ２０に出入りすることでコンデンサ２０の温度が上昇する。

そして、ＣＰＵ２２は、生成された３相のＰＷＭ信号のうち少なくとも１相のＰＷＭ信号の位相をシフトして、インバータ回路１６に位相シフト処理後のＰＷＭ信号を出力する（ステップＳ２２）。具体的には、ＣＰＵ２２は、インバータ回路１６から出力される３相の出力電圧の各々の極性が同一である期間が通常制御モード時における当該期間よりも短くなるように、通常制御モード時にインバータ回路１６に出力する３相のＰＷＭ信号のうち少なくとも１相のＰＷＭ信号の位相をシフトして、インバータ回路１６に出力する。

そして、ＣＰＵ２２は、コンデンサ２０の推定温度が所定温度Ａ以上の温度になるまで、ステップＳ１０からステップＳ２２までの処理を繰り返す。そして、ＣＰＵ２２は、コンデンサ２０の推定温度が所定温度Ａ以上になると（ステップＳ１２においてＮＯの場合）、暖機制御モードを終了して通常制御モードに移行する（切り替える）。具体的には、ＣＰＵ２２は、上述した位相シフト処理を行なわずに３相のＰＷＭ信号を出力して３相交流モータに交流電流を供給するようにインバータ回路１６を制御する。すなわち、当該３相のＰＷＭ信号は、上述した位相シフト処理前の位相を有している。

＜実施の形態の効果＞
本実施の形態によると、暖機制御モード時には位相をシフトすることにより、位相シフトを行なわない場合よりも交流モータへの通電時間を長くする。これにより、入力電流やモータ電流のリップル量が大きくなり、コンデンサの入出力電流を増大することができる、そのため、コンデンサの温度をより早く上昇させることができ、結果として、暖機運転を早く完了することができる。一方、通常制御モード時には、入力電流やモータ電流のリップル量が暖機制御モード時と比較して小さくなる。これにより、モータ制御および効率の悪化を防ぐことができる。

また、本実施の形態によると、最大許容モータ電流値以下の電流が交流モータに流れるようにインバータ回路を制御する。そのため、低温時においてコンデンサのＥＳＲによって生じるサージ電圧により、インバータ装置の構成部品が損傷することを回避できる。

＜変形例＞
（制御モードの切り替え）
上述した実施の形態では、温度センサ２１による検出信号に基づいてコンデンサ２０の温度を推定し、当該推定温度が所定温度Ａになった場合に、暖機制御モードから通常制御モードに移行する構成について説明したが、実施の態様は当該構成に限られない。

たとえば、暖機制御モードを開始してからの経過時間に応じてコンデンサ２０への通電電流は多くなるため、コンデンサ２０の温度は上昇する。そのため、制御部１３は、図示しないタイマなどにより暖機制御モードを開始してからの経過時間を計測し、計測された時間が予め定められた時間以上になったときに、暖機制御モードから通常制御モードに移行する構成であってもよい。予め定められた時間とは、暖機制御モードを開始してからコンデンサ２０の温度が所定温度Ａに到達するまでの時間である。

この場合、メモリ２３には、暖機制御モードを開始してからの経過時間とコンデンサ２０の温度との関係を示す関係式（またはテーブル）が記憶されている。この関係式は、予めシミュレーションまたは実際に交流モータ１０を運転して作成される。制御部１３は、経過時間と当該関係式とに基づいてコンデンサ２０の温度を推定することができる。そして、制御部１３は、計測された経過時間が、コンデンサ２０の温度が所定温度Ａに到達する経過時間以上の場合には、暖機制御モードから通常制御モードに移行する。

（位相シフト）
また、上述した実施の形態では、暖機制御モードのときのみ、位相シフト処理が実行される構成について説明したが、実施の態様は当該構成に限られない。たとえば、制御部１３が暖機制御を開始してからセンサレス制御を開始するまで（図６中のＴ１〜Ｔ３まで）、位相シフト処理後の３相のＰＷＭ信号を出力する構成であってもよい。

具体的には、図６を参照して、暖機制御モード（図６中のＴ１〜Ｔ２）および強制同期制御モード（図６中のＴ２〜Ｔ３）では位相シフト処理を実行し、センサレス制御モード（図６中のＴ３以降）では位相シフト処理を実行しない。強制同期制御モードとは、回転子が回転し始めてから回転子の速度が位相の算出精度が良好な速度になるまでの間、回転子の速度を所定の加速度で強制的に上昇させる制御モードである。

この場合、制御部１３は、暖機制御モードでは、インバータ回路１６から出力される３相の出力電圧の各々の極性が同一である期間がセンサレス制御モード時における当該期間よりも短くなるように、センサレス制御モード時にインバータに出力する３相のＰＷＭ信号のうち少なくとも１相のＰＷＭ信号の位相をシフトする位相シフト処理を実行する。そして、制御部１３は、位相シフト処理後の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力して３相交流モータに直流電流をｄ軸電流として供給するようにインバータ回路１６を制御する。

また、制御部１３は、強制同期制御モードでは、回転子の速度を所定の加速度で強制的に上昇させつつ、位相シフト後の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力して、３相交流モータに交流電流を供給するようにインバータ回路１６を制御する。

そして、制御部１３は、センサレス制御モードでは、交流モータ１０の３相に印加される電圧または電流に基づいて、交流モータ１０の回転子の位置を推定し、推定された回転子の位置に基づいて当該回転子を回転させるセンサレス制御を実行しつつ、位相シフト処理前の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力してインバータ回路１６を制御する。なお、強制同期制御モードからセンサレス制御モードへの移行は、回転子の速度が所定速度以上になった場合に切り替えられる。

＜その他の実施の形態＞
上述した実施の形態では、センサレス制御を行なう構成について説明したが、当該構成に限られない。電流センサ１８ａ，１８ｂで検出された電流値と、電圧センサ１９で検出された電圧値に基づいて回転子の位置を推定せずに、インバータ装置１２にレゾルバなどの回転速度センサを設けてモータのロータ位置を検出してもよい。

上述の実施の形態として例示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。

また、上述した実施の形態において、変形例で説明した構成を適宜組み合わせて採用して実施する場合であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

６Ｕ相コイル、７Ｖ相コイル、８Ｗ相コイル、１７コイル、１０交流モータ、１２インバータ装置、１３制御部、１４高圧バッテリ、１５ヒューズ、１６インバータ回路、１８ａ，１８ｂ電流センサ、１９電圧センサ、２０コンデンサ、２１温度センサ、２３メモリ、１０２温度推定部、１０４許容電流演算部、１０６回転子位置推定部、１０８指令電流演算部、１１０指令電圧演算部、１１２ＰＷＭ信号生成部、１１４位相シフト部。

Claims

３相交流モータを制御するためのインバータ装置であって、
前記３相交流モータに電流を供給するインバータ回路と、
前記インバータ回路の入力側に設けられたコンデンサと、
３相のＰＷＭ信号を前記インバータ回路に出力して、前記インバータ回路を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記インバータ回路を制御する制御モードとして、第１の制御モードおよび第２の制御モードを有し、
前記第１の制御モードでは、前記インバータ回路から出力される３相の出力電圧の各々の極性がすべて同一である期間が前記第２の制御モード時における当該期間よりも短くなるように、前記第２の制御モード時に前記インバータ回路に出力する３相のＰＷＭ信号のうち少なくとも１相のＰＷＭ信号の位相をシフトする位相シフト処理を実行し、前記位相シフト処理後の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力して前記３相交流モータに直流電流をｄ軸電流として供給するように前記インバータ回路を制御し、
前記コンデンサの温度に関する予め定められた条件を満たしたときに、前記制御モードを前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに切り替え、
前記第２の制御モードでは、前記位相シフト処理前の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力して前記３相交流モータに交流電流を供給するように前記インバータ回路を制御する、インバータ装置。
前記コンデンサの温度を推定するための温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記制御部は、前記検出された温度から前記コンデンサの温度を推定し、前記推定された温度が予め定められた温度以上になったときに、前記予め定められた条件を満たすと判断して前記制御モードを前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに切り替える、請求項１に記載のインバータ装置。
前記制御部は、前記第１の制御モードによる前記インバータ回路の制御を開始してからの経過時間を計測し、前記計測された経過時間が予め定められた時間以上になったときに前記予め定められた条件を満たすと判断して、前記制御モードを前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに切り替える、請求項１に記載のインバータ装置。
前記制御部は、前記第２の制御モード時に前記インバータ回路に出力する３相のＰＷＭ信号の位相およびデューティー比に基づいて、前記第１の制御モード時における前記期間が最も短くなるように前記位相シフト処理を実行する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
３相交流モータを制御するためのインバータ装置であって、
前記３相交流モータに電流を供給するインバータ回路と、
前記インバータ回路の入力側に設けられたコンデンサと、
３相のＰＷＭ信号を前記インバータ回路に出力して、前記インバータ回路を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記インバータ回路を制御する制御モードとして、第１の制御モードと、第２の制御モードと、第３の制御モードとを有し、
前記第１の制御モードでは、前記インバータ回路から出力される３相の出力電圧の各々の極性がすべて同一である期間が前記第３の制御モード時における当該期間よりも短くなるように、前記第３の制御モード時に前記インバータ回路に出力する３相のＰＷＭ信号のうち少なくとも１相のＰＷＭ信号の位相をシフトする位相シフト処理を実行し、前記位相シフト処理後の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力して前記３相交流モータに直流電流をｄ軸電流として供給するように前記インバータ回路を制御し、
前記コンデンサの温度に関する予め定められた条件を満たしたときに、前記制御モードを前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに切り替え、
前記第２の制御モードでは、前記位相シフト処理後の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力して前記３相交流モータに交流電流を供給するように前記インバータ回路を制御し、
前記第３の制御モードでは、前記３相交流モータの３相に印加される電圧または電流に基づいて、前記３相交流モータの回転子の位置を推定し、前記推定された回転子の位置に基づいて前記回転子を回転させるセンサレス制御を実行するとともに、前記位相シフト処理後の位相を元に戻した前記位相シフト処理前の位相を有する３相のＰＷＭ信号を出力して前記インバータ回路を制御する、インバータ装置。