JP6639756B1 - 回転機の制御装置 - Google Patents

Abstract

多群多相で構成される回転機（２）を制御する回転機の制御装置（１）において、回転機（２）の奇数群の巻線と偶数群の巻線との間に、電気的に１５０°〜２１０°（１８０°を除く）の位相差θｃｏｉｌを設け、電圧指令の実効値が電圧閾値より小さい場合は、群間の電圧指令の位相差を１８０°とし、トルク指令がトルク閾値より大きい場合は群間の電圧指令の位相差をθｃｏｉｌとする。

Description

本願は、多群多相巻線で構成される回転機を制御する回転機の制御装置に関するものである。

スイッチング素子のオン、オフによって出力電圧を制御する変換器では、スイッチング動作により電磁ノイズが発生する。製品分類ごとに電磁ノイズの規格が定められているため、電力変換器で発生する電磁ノイズが規制値を超過する場合は対策が必要となる。ノイズフィルタによる対策では、占有スペースおよびコストの問題がある。

この問題を解決するため、多群多相巻線構造の回転機において、電気的に１８０°巻線配置が異なる相間でスイッチング素子のオン、オフを決定するキャリアを反転することで、電磁ノイズを低減する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
また、群間の電圧位相に巻線位相分の位相差を設けて印加することで、トルクリプルを低減する技術が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２０１６−２０８６６４号公報（段落［００５３］−［００５５］および図８、９） 特開２０１３−０３４２８０号公報（段落［００２５］−［００２７］および図５）

しかし、文献１開示構成では、モータの極数とスロット数を出力トルクが大きくなるような組合せにする場合（例えば１０極１２スロット構造）は、群間の巻線の電気的位相差は１８０°にはならないため適用することはできない。また、文献２開示構成では、電圧指令の位相差を１８０°とすることはないため、電磁ノイズを低減する効果は得られないという問題がある。

本願は、上記の問題を解決するためになされたものであり、回転機の駆動システムで生じる電磁ノイズの低減と、回転機の最大トルクの維持の両立が可能な回転機の制御装置を提供することを目的とする。

本願に開示される回転機の制御装置は、多群多相で構成される回転機を制御する回転機の制御装置において、回転機の制御装置は、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子が直列接続されて一相レグを構成し、一相レグが複数個並列接続されて構成された電力変換器と、上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子を開閉し、回転機を制御するスイッチング信号を生成する制御部とを備え、回転機の奇数群の巻線と偶数群の巻線との間に、電気的に１５０°≦θｃｏｉｌ＜１８０°または１８０°＜θｃｏｉｌ≦２１０°となる位相差θｃｏｉｌを設け、回転機の奇数群と偶数群の電圧指令の位相差を、奇数群または偶数群のうちのいずれか一方の群の電圧指令の実効値が電圧閾値以下の場合は、１８０°とし、電圧指令の実効値が電圧閾値よりも大きい場合は、θｃｏｉｌとするものである。

本願に開示される回転機の制御装置によれば、回転機の奇数群の巻線と偶数群の巻線との間に、電気的に１５０°≦θｃｏｉｌ＜１８０°または１８０°＜θｃｏｉｌ≦２１０°となる位相差θｃｏｉｌを設け、回転機の奇数群と偶数群の電圧指令の位相差を、奇数群または偶数群のうちのいずれか一方の群の電圧指令の実効値が電圧閾値以下の場合は、１８０°とし、電圧指令の実効値が電圧閾値よりも大きい場合は、θｃｏｉｌとするものであるから、電磁ノイズが大きくなるような駆動条件では、電磁ノイズを抑制する制御を適用でき、最大トルクが必要な条件においては、最大トルクを出力することができる回転機の制御装置を提供することができる。

実施の形態１による回転機の制御装置に係る回転機の駆動システムの構成図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る１０極構造の回転子の構造図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る１２スロット構造の固定子の構造図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る１０極１２スロット構造の巻線と鎖交磁束の位相の説明図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る各巻線の電気的位相差の説明図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る８極１２スロット構造の巻線と鎖交磁束の位相の説明図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る制御部の機能ブロック図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る制御部の詳細ブロック図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る郡間の電圧指令の位相差の変化の説明図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る電圧指令の位相差の変化（ヒステリシス有り）の説明図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る比較例（郡間の電圧指令の位相差が０°）の説明図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る比較例（郡間の電圧指令の位相差が３０°）の説明図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る郡間の電圧指令の位相差が１８０°である場合の説明図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る郡間の電圧指令の位相差が１５０°である場合の説明図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る２０極２４スロット構造の巻線と鎖交磁束の位相の説明図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係るキャリア周波数の変更の説明図である。 実施の形態１によるＡ群とＢ群の端子電圧の立ち上がりと立ち下がり時間の遅れを示す図である。 実施の形態１によるＡ群とＢ群の端子電圧の立ち上がりと立ち下がり時間の遅れを修正する機能ブロック図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る郡間の電圧指令の位相差が１８０°である場合の電圧指令、端子電圧および中性点電位の説明図である。 実施の形態１による回転機の制御装置に係る郡間の電圧指令の位相差が０°である場合の電圧指令、端子電圧および中性点電位の説明図である。

実施の形態１．
実施の形態１は、二群三相で構成される回転機を制御する回転機の制御装置において、群間の巻線に電気的に１５０°〜２１０°（１８０°を除く）の位相差θｃｏｉｌを設け、電圧指令の実効値が電圧閾値より小さい場合は、群間の電圧指令の位相差を１８０°とし、トルク指令がトルク閾値より大きい場合は群間の電圧指令の位相差をθｃｏｉｌとするものである。

以下、実施の形態１に係る回転機の制御装置の構成および動作について、回転機の駆動システムの構成図である図１、１０極構造の回転子の構造図である図２、１２スロット構造の固定子の構造図である図３、１０極１２スロット構造の巻線と鎖交磁束の位相の説明図である図４、各巻線の電気的位相差の説明図である図５、８極１２スロット構造の巻線と鎖交磁束の位相の説明図である図６、制御部の機能ブロック図である図７、制御部の詳細ブロック図である図８、郡間の電圧指令の位相差の変化の説明図である図９、電圧指令の位相差の変化（ヒステリシス有り）の説明図である図１０、比較例の説明図である図１１、図１２、郡間の電圧指令の位相差が１８０°である場合の説明図である図１３、郡間の電圧指令の位相差が１５０°である場合の説明図である図１４、２０極２４スロット構造の巻線と鎖交磁束の位相の説明図である図１５、キャリア周波数の変更の説明図である図１６、Ａ群とＢ群の端子電圧の立ち上がりと立ち下がり時間の遅れを示す図である図１７、Ａ群とＢ群の端子電圧の立ち上がりと立ち下がり時間の遅れを修正する機能ブロック図である図１８、郡間の電圧指令の位相差が１８０°である場合の電圧指令、端子電圧および中性点電位の説明図である図１９、および郡間の電圧指令の位相差が０°である場合の電圧指令、端子電圧および中性点電位の説明図である図２０に基づいて説明する。

まず、実施の形態１の回転機の制御装置を含む回転機の駆動システムの全体構成を図１に基づいて説明する。実施の形態１では、回転機の制御装置をＡ郡、Ｂ郡の二組の三相巻線を有する二重三相巻線構造の回転機を駆動するシステムに適用した例で説明する。
なお、回転機は回転機の制御装置の構成要素ではないが、回転機の制御装置の動作上密接に関連しているため、特に区別せずに説明する。

図１において、回転機の駆動システム１００は、回転機の制御装置１および回転機２とから構成される。
回転機の制御装置１は、直流電力を三相交流電力に変換し、回転機２を駆動する二台の電力変換器１０Ａ、１０Ｂと、電力変換器１０Ａ、１０Ｂを制御する制御部３０を備える。
電力変換器１０Ａ、１０Ｂの直流母線は、共通の直流電源１１に接続されている。直流母線には、直流電源１１に並列に共通の平滑コンデンサ１２を備える。

次に、電力変換器１０Ａ、１０Ｂの構成について説明する。
電力変換器１０Ａは、Ｕ相上アームスイッチング素子１３ａ、Ｕ相下アームスイッチング素子１３ｂ、Ｖ相上アームスイッチング素子１３ｃ、Ｖ相下アームスイッチング素子１３ｄ、Ｗ相上アームスイッチング素子１３ｅ、およびＷ相下アームスイッチング素子１３ｆを備える。各相の上下アームスイッチング素子（例えば、Ｕ相上アームスイッチング素子１３ａとＵ相下アームスイッチング素子１３ｂ）は直列に接続され、直列に接続された各相上下アームスイッチング素子は直流母線に並列に接続されている。

同様に、電力変換器１０Ｂは、Ｕ相上アームスイッチング素子１４ａ、Ｕ相下アームスイッチング素子１４ｂ、Ｖ相上アームスイッチング素子１４ｃ、Ｖ相下アームスイッチング素子１４ｄ、Ｗ相上アームスイッチング素子１４ｅ、およびＷ相下アームスイッチング素子１４ｆを備える。各相の上下アームスイッチング素子は直列に接続され、直列に接続された各相上下アームスイッチング素子は直流母線に並列接続されている。

各スイッチング素子にはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）およびＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体スイッチング素子が適用される。また、各スイッチング素子には逆並列ダイオードが接続されている。

次に、回転機２の回転子２１および固定子２２の構造を説明する。
本実施の形態１における回転子２１の構造を図２で説明する。
回転機２の回転子２１は、周方向にＮ極、Ｓ極を１極対として、５極対の磁石が交互に配置される１０極構造とする。

本実施の形態１における固定子２２の構造を図３で説明する。
回転機２の固定子２２は、巻線を巻回す突極が１２個備えた、１２スロット構造とする。固定子２２の各スロットに巻回される巻線は、巻き始めおよび巻き終わりの端子がそれぞれ１端子のみである。

次に、１０極１２スロット構造の回転機２の巻線鎖交磁束の位相およびＡ群、Ｂ群の電気的位相差について、図４、図５に基づいて説明する。
図３の固定子２２に対して、巻線を巻回すスロットを＃１〜＃１２とする場合、１０極１２スロット構造の巻線鎖交磁束の位相を図４に示す。
本実施の形態１の固定子巻線は、各スロットに同方向に巻回す。１０極１２スロット構造の回転機２の場合、隣り合うスロット（例えば＃１と＃２）に同方向に巻回される巻線の鎖交磁束の電気的位相差は１５０°（３６０×５（極対数）／１２（スロット数））となる。

各群、各相で鎖交磁束が最大となるスロットに巻線を巻回す場合に、出力トルクが最大となることを考慮し、Ａ群のＵ相巻線をスロット＃１、＃７に巻回し、Ｖ相巻線をスロット＃５、＃１１に巻回し、Ｗ相巻線をスロット＃９、＃３に巻回す。
また、Ｂ群のＵ相巻線をスロット＃２、＃８に巻回し、Ｖ相巻線をスロット＃６、＃１２に巻回し、Ｗ相巻線をスロット＃１０、＃４に巻回す。
図４において、Ｓは位相が反転している（位相差１８０°）ことを表す。すなわち、ＳＵ１はＵ１に対して位相が反転している。ＳＶ１、ＳＷ１はＶ１、Ｗ１に対して、また、ＳＵ２、ＳＶ２、ＳＷ２は、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２に対して位相が反転している。

Ａ群巻線の電気的位相差に関して、スロット＃１のＵ相巻線に対してスロット＃５のＶ相巻線は−１２０°、スロット＃９のＷ相巻線は−２４０°となるように同方向に巻回された各巻線の巻き終わりを結線し、Ａ群巻線の中性点とする。

Ａ群Ｕ相に関して、スロット＃１と＃７の巻線は、鎖交磁束の位相差が０°となるように各巻線の巻き始めと巻き終わりを結線し、２並列１直列巻線を構成する。すなわち、スロット＃１の巻線の巻き始めとスロット＃７の巻線の巻き終わりが結線された点をＡ群Ｕ相の巻線端子とする。
Ａ群Ｖ相に関して、スロット＃５と＃１１の巻線は鎖交磁束の位相差が０°となるように各巻線の巻き始めと巻き終わりを結線し、２並列１直列巻線を構成する。すなわち、スロット＃５の巻線の巻き始めとスロット＃１１の巻線の巻き終わりが結線された点をＡ群Ｖ相の巻線端子とする。
Ａ群Ｗ相に関して、スロット＃９と＃３の巻線は鎖交磁束の位相差が０°となるように各巻線の巻き始めと巻き終わりを結線し、２並列１直列巻線を構成する。すなわち、スロット＃９の巻線の巻き始めとスロット＃３の巻線の巻き終わりが結線された点をＡ群Ｗ相の巻線端子とする。

Ｂ群巻線の電気的位相差に関して、スロット＃２のＵ相巻線に対してスロット＃６のＶ相巻線は−１２０°、スロット＃１０のＷ相巻線は−２４０°となるように同方向に巻回された各巻線の巻き終わりを結線し、Ｂ群巻線の中性点とする。

Ｂ群Ｕ相に関して、スロット＃２と＃８の巻線は、鎖交磁束の位相差が０°となるよう、各巻線の巻き始めと巻き終わりを結線し、２並列１直列巻線を構成する。スロット＃２の巻線の巻き始めとスロット＃８の巻線の巻き終わりが結線された点をＢ群Ｕ相の巻線端子とする。
Ｂ群Ｖ相に関して、スロット＃６と＃１２の巻線は鎖交磁束の位相差が０°となるよう、各巻線の巻き始めと巻き終わりを結線し、２並列１直列巻線を構成する。スロット＃６の巻線の巻き始めとスロット＃１２の巻線の巻き終わりが結線された点をＢ群Ｖ相の巻線端子とする。
Ｂ群Ｗ相に関して、スロット＃１０と＃４の巻線は鎖交磁束の位相差が０°となるよう、各巻線の巻き始めと巻き終わりを結線し、２並列１直列巻線を構成する。スロット＃１０の巻線の巻き始めとスロット＃４の巻線の巻き終わりが結線された点をＢ群Ｗ相の巻線端子とする。

本実施の形態１では、１０極１２スロットの回転機２の場合、以上説明した巻線の構造とすることで、図５のＦ５ａ、Ｆ５ｂで示すようにＡ群、Ｂ群の巻線の電気的位相差θｃｏｉｌが１５０°となる。

なお、例えば８極１２スロット構造であれば、同様に巻線を巻回しても、図６で示すようにＡ群、Ｂ群の巻線の電気的位相差θｃｏｉｌは、１８０°となる。
この場合、Ａ群、Ｂ群の巻線の電気的位相差θｃｏｉｌは１８０°となるため、本実施の形態１の回転機の制御装置１は適用できない。

次に、Ａ群、Ｂ群の巻線の各相端子と電力変換器１０Ａ、１０Ｂとの結線について図１を参照して説明する。
Ａ群Ｕ相の巻線端子は電力変換器１０ＡのＵ相上下アームの接続点に接続されている。Ｖ相の巻線端子は電力変換器１０ＡのＶ相上下アームの接続点に接続されている。Ｗ相の巻線端子は電力変換器１０ＡのＷ相上下アームの接続点に接続される。

同様に、Ｂ群Ｕ相の巻線端子は電力変換器１０ＢのＵ相上下アームの接続点に接続されている。Ｖ相の巻線端子は電力変換器１０ＢのＶ相上下アームの接続点に接続されている。Ｗ相の巻線端子は電力変換器１０ＢのＷ相上下アームの接続点に接続されている。

図１に示すように、回転機２のＡ群、Ｂ群の各相の電流は、電流検出器２５により検出される。
また、回転機２の回転子２１の回転子角度は、回転機２に備えられた角度検出器２６により検出される。

次に、回転機の制御装置１の制御部３０の構成、機能について、図７、図８に基づいて説明する。
本実施の形態１の回転機の制御装置１の制御部３０の機能ブロック図を図７に示す。また、制御部３０の詳細ブロック図を図８に示す。
まず、図７に基づいて、制御部３０の機能の概略を説明し、その後、図８に基づいて、
制御部３０の特に電圧指令生成部４０の構成、機能の詳細を説明する。

制御部３０は、電圧指令生成部４０およびスイッチング信号生成部５０で構成される。
電圧指令生成部４０は、外部入力されるトルク指令、電力変換器１０Ａ、１０Ｂの直流母線の母線電圧Ｖｄｃ、電流検出器２５により検出される二群三相電流値ｉｕＡ、ｉｖＡ、ｉｗＡ、ｉｕＢ、ｉｖＢ、ｉｗＢ、さらに角度検出器２６より検出される回転子２１の電気角θｅｌｅに基づいて、各相電圧指令ｖｕＡ＊、ｖｖＡ＊、ｖｗＡ＊、ｖｕＢ＊、ｖｖＢ＊、ｖｗＢ＊（Ｖｄｃ／２で正規化）を生成する。
なお、図７では、ｖｕＡ＊〜ｖｗＢ＊をｖｐｈ＊と簡略化している。また、図１では、直流母線の母線電圧Ｖｄｃの検出器を省略している。

スイッチング信号生成部５０は、各相電圧指令（ｖｕＡ＊、ｖｖＡ＊、ｖｗＡ＊、ｖｕＢ＊、ｖｖＢ＊、ｖｗＢ＊）に基づいて各相上下アームのスイッチング素子に与えるスイッチング信号ＳＷＵＰＡ、ＳＷＵＮＡ、ＳＷＶＰＡ、ＳＷＶＮＡ、ＳＷＷＰＡ、ＳＷＷＮＡ、およびＳＷＵＰＢ、ＳＷＵＮＢ、ＳＷＶＰＢ、ＳＷＶＮＢ、ＳＷＷＰＢ、ＳＷＷＮＢを生成する。なお、図７では、ＳＷＵＰＡ〜ＳＷＷＮＢをＳＷと簡略化している。

次に、電圧指令生成部４０の構成、機能の詳細を説明する。
電圧指令生成部４０は、変換用のテーブル４１、群間電圧位相差決定部４２、ｕｖｗ−ｄｑ座標変換器４３Ａ、４３Ｂ、ＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御器４４Ａ、４４Ｂ、ｄｑ−ｕｖｗ座標変換器４５Ａ、４５Ｂ、および電圧指令選択部４６を備える。
なお、Ａ群用の構成要素に「Ａ」を、Ｂ群用の構成要素に「Ｂ」を付加している。
また、図８では、群間電圧位相差決定部を「位相差決定部」と、ｕｖｗ−ｄｑ座標変換器およびｄｑ−ｕｖｗ座標変換器を「座標変換器」と省略して記載している。

外部入力されるトルク指令、およびＡ群、Ｂ群の基準位相差θＡ−θＢに基づいて、ｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊をテーブル４１より計算する。
なお、テーブル４１は、入力データ（トルク指令および基準位相差θＡ−θＢ）に対して、１対１に対応する出力データを出力する。
また、図８では、群間電圧位相差決定部４２からテーブル４１に基準位相差θＡ−θＢを出力するラインは図面を分かり易くするために省略している。

次に、Ａ群の各相の電圧指令の生成手順を説明する。
ｕｖｗ−ｄｑ座標変換器４３Ａは、Ａ群の検出電流ｉｕＡ、ｉｖＡ、ｉｗＡおよび基準位相θＡに基づいて、座標変換してＡ群のｄｑ軸電流ｉｄＡ、ｉｑＡを生成する。

ＰＩ制御器４４Ａは、テーブル４１の出力である電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊と座標変換器４３Ａの出力であるｄｑ軸電流ｉｄＡ、ｉｑＡとの差であるｉｄｅｒＡ、ｉｑｅｒＡに対してＰＩ制御を行い、ｄｑ軸電圧指令ｖｄＡ＊、ｖｑＡ＊を算出する。

ｄｑ−ｕｖｗ座標変換器４５Ａは、ＰＩ制御器４４Ａで算出されたｄｑ軸電圧指令ｖｄＡ＊、ｖｑＡ＊と、基準位相θＡを１周期分進角させた角度（θＡ＋ｗｅ×１８０／π×Ｔｓ）に基づいて、座標変換してＡ群の各相電圧指令ｖｕＡｔｍｐ＊、ｖｖＡｔｍｐ＊、ｖｗＡｔｍｐ＊を算出する。
なお、ここでｗｅは電気角周波数、Ｔｓは制御周期である。

次に、同様にＢ群の各相の電圧指令の生成手順を説明する。
ｕｖｗ−ｄｑ座標変換器４３Ｂは、Ｂ群の検出電流ｉｕＢ、ｉｖＢ、ｉｗＢおよび基準位相θＢに基づいて、座標変換してＢ群のｄｑ軸電流ｉｄＢ、ｉｑＢを生成する。

ＰＩ制御器４４Ｂは、テーブル４１の出力である電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊と座標変換器４３Ｂの出力であるｄｑ軸電流ｉｄＢ、ｉｑＢとの差であるｉｄｅｒＢ、ｉｑｅｒＢに対してＰＩ制御を行い、ｄｑ軸電圧指令ｖｄＢ＊、ｖｑＢ＊を算出する。

ｄｑ−ｕｖｗ座標変換器４５Ｂは、ＰＩ制御器４４Ｂで算出されたｄｑ軸電圧指令ｖｄＢ＊、ｖｑＢ＊と、基準位相θＢを１周期分進角させた角度（θＢ＋ｗｅ×Ｔｓ）に基づいて、座標変換してＢ群の各相電圧指令ｖｕＢｔｍｐ＊、ｖｖＢｔｍｐ＊、ｖｗＢｔｍｐ＊を算出する。

次に、基準位相θＡ、θＢに関する群間電圧位相差決定部４２の機能、動作を説明する。
群間電圧位相差決定部４２では、Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊と電圧閾値ｖｔｈ、および回転子の電気角θｅｌｅに基づいて、Ａ群、Ｂ群間の電圧位相差およびＡ群、Ｂ群の基準位相θＡ、θＢを決定する。
ここで、ｖｄｑ＊＝√（（ｖｄＡ＊）^２＋（ｖｑＡ＊）^２）である。

（Ａ）ｖｄｑ＊≦ｖｔｈのとき
θＡ＝θｅｌｅ
θＢ＝θｅｌｅ−１８０

（Ｂ）ｖｄｑ＊＞ｖｔｈのとき
θＡ＝θｅｌｅ＋（（１８０−θｃｏｉｌ）／２）
θＢ＝θｅｌｅ−１８０−（（１８０−θｃｏｉｌ）／２）

電圧閾値ｖｔｈは、トルク閾値Ｔｒｑｔｈを考慮して決定され、（Ｂ）の条件は、回転機２の出力トルクが、出力トルクの改善を必要とするトルク閾値Ｔｒｑｔｈよりも大きい条件を包含するものとする。
また、電圧閾値ｖｔｈはたとえば電磁ノイズが小さくなり始める変調率２０％〜３０％程度に設定しても良い。
なお、Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊を用いて説明したが、Ｂ群のｄｑ軸電圧指令の実効値（√（（ｖｄＢ＊）^２＋（ｖｑＢ＊）^２）を用いても良い。

状態（Ａ）から状態（Ｂ）、また状態（Ｂ）から状態（Ａ）に遷移する場合、基準位相θＡ、θＢはステップ変化すると電流脈動が発生する。この問題を解決するため、図９に示すように任意の時間ｔｓｗｐで徐々にランプ状に変化させることで、この電流脈動を抑制できる。

以上の説明では、Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊と電圧閾値ｖｔｈを比較することで、Ａ群、Ｂ群間の電圧位相差およびＡ群、Ｂ群の基準位相θＡ、θＢを決定した。
しかし、Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊が電圧閾値ｖｔｈに比較して小さいときは、状態（Ａ）とし、トルク指令がトルク閾値Ｔｒｑｔｈより大きい場合は、状態（Ｂ）とすることができる。
なお、通常運転時には、Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊とトルク指令が相反する状態を要求する（例えば、Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊が電圧閾値ｖｔｈより小さい状態で、トルク指令がトルク閾値Ｔｒｑｔｈより大きくなる）場合はない。しかし、Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊とトルク指令のいずれを優先するかを回転機２の仕様、または回転機の制御装置１の仕様に基づいて予め決めておくことで、確実に回避できる。

次に、電圧指令選択部４６の機能、動作を説明する。なお、電圧指令選択部４６には、電圧指令をＶｄｃ／２で正規化するために、母線電圧が入力されている。
（Ｃ）θＡ−θＢ＝１８０°の場合
式（１）〜式（６）でＡ群、Ｂ群の各相のスイッチング信号を生成するための電圧指令を算出する。
ｖｕＡ＊＝ｖｕＡｔｍｐ＊ ・・・（１）
ｖｖＡ＊＝ｖｖＡｔｍｐ＊ ・・・（２）
ｖｗＡ＊＝ｖｗＡｔｍｐ＊ ・・・（３）
ｖｕＢ＊＝−ｖｕＡｔｍｐ＊ ・・・（４）
ｖｖＢ＊＝−ｖｖＡｔｍｐ＊ ・・・（５）
ｖｗＢ＊＝−ｖｗＡｔｍｐ＊ ・・・（６）

（Ｄ）θＡ−θＢ＝１８０°以外の場合
式（７）〜式（１２）でＡ群、Ｂ群の各相の電圧指令を算出する。
ｖｕＡ＊＝ｖｕＡｔｍｐ＊ ・・・（７）
ｖｖＡ＊＝ｖｖＡｔｍｐ＊ ・・・（８）
ｖｗＡ＊＝ｖｗＡｔｍｐ＊ ・・・（９）
ｖｕＢ＊＝ｖｕＢｔｍｐ＊ ・・・（１０）
ｖｖＢ＊＝ｖｖＢｔｍｐ＊ ・・・（１１）
ｖｗＢ＊＝ｖｗＢｔｍｐ＊ ・・・（１２）

状態（Ｃ）から状態（Ｄ）、あるいは状態（Ｄ）から状態（Ｃ）に遷移する場合は、図１０に示すようにヒステリシスを設けても良い。
図１０では、Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊が第１の電圧閾値ｖｔｈ１より小さくなったとき、θＡ−θＢは１５０°から１８０°に変化し、Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊が第２の電圧閾値ｖｔｈ２より大きくなったとき、θＡ−θＢは１８０°から１５０°に変化している。
この変化時に、図９で説明した任意の時間で徐々にランプ状に変化させることで、電流脈動を抑制できる。

ここで、本実施の形態１の回転機の制御装置１の動作を明確にするために比較例を説明する。
図１１は、Ａ群、Ｂ群の電圧指令の位相差が０°である場合の電圧指令を示す図である。また、図１２は、Ａ群、Ｂ群の電圧指令の位相差が３０°である場合の電圧指令を示す図である。

本実施の形態１の回転機の制御装置１によるＡ群、Ｂ群各相の電圧指令を図１３、図１４に示す。
Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊が電圧閾値ｖｔｈより小さい場合は、Ｂ群の電圧指令はＡ群の電圧指令を反転して与えられる（図１３）。
Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊が電圧閾値ｖｔｈより大きい場合は、Ｂ群の電圧指令は、Ａ群の電圧指令と１５０°の位相差を設けて与えられる（図１４）。
本実施の形態１では、Ａ群巻線とＢ群巻線の電気的位相差が１５０°の例を示したが、２１０°（＝３６０°−１５０°）の場合も同様であり、１８０°±３０°の範囲（ただし、１８０°は除く）であれば成立する。

本実施の形態１では１０極１２スロット構造の回転機を例に挙げて説明したが、例えば２０極２４スロット構造の回転機の場合は、各スロットに巻回される巻線の電気的配置は図１５のようになる。
この場合各群の巻線スロットの選択肢が増加する。例えば、Ａ群のＵ相にスロット♯１、１３、７、１９を選択し、Ｂ群のＵ相にスロット♯８、２０、２、１４を選択する場合、Ａ群、Ｂ群の巻線の電気的位相差は１５０°〜１８０°の間となる。
１４極１２スロット構造の回転機、およびその整数倍の極スロットの組合せの回転機も同様である。さらに１６極１８スロット構造の回転機、およびその整数倍の極スロットの組合せの回転機も同様である。Ａ群、Ｂ群の巻線の電気的位相差は、１５０°〜１８０°または１８０°〜２１０°の範囲内となる。

本実施の形態１では、各相の電圧指令とキャリア（三角波）との比較に基づいてスイッチング信号を生成する三角波比較ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）の例を示す。
電圧指令がキャリア（三角波）よりも大きい場合は、各相で上側アームスイッチング素子をオン、下側アームスイッチング素子をオフし、小さい場合は上側アームスイッチング素子をオフ、下側アームスイッチング素子をオンするスイッチング信号を生成する。

なお、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子が同時オンすることを防止するため、上アーム側、下アーム側スイッチング素子がそれぞれオンする場合、デッドタイムを設ける。

本実施の形態１の回転機の制御装置１では、電圧指令選択部４６において、式（１）〜式（６）の演算を行うことで、Ａ群とＢ群の電圧指令に位相差（θＡ−θＢ）を１８０°とする例を説明した。この場合、Ａ群の各相レグのスイッチング素子の上アームスイッチング素子は、Ｂ群の各相レグのスイッチング素子の下アームスイッチング素子と同じスイッチング信号で駆動される。また、Ａ群の各相レグのスイッチング素子の下アームスイッチング素子は、Ｂ群の各相レグのスイッチング素子の上アームスイッチング素子と同じスイッチング信号で駆動される。

Ａ群とＢ群の電圧指令に位相差（θＡ−θＢ）を１８０°とする方法として、式（１）〜式（６）により実現する以外に、Ｂ群の各相レグの上アームスイッチング素子を、Ａ群の各相レグの下アームスイッチング素子と同じスイッチング信号で駆動し、Ｂ群の各相レグの下アームスイッチング素子を、Ａ群の各相レグの上アームスイッチング素子と同じスイッチング信号で駆動する方法もある。

次に、各群各相の端子電圧の立ち上がり、立ち下がり時間の差異の発生、およびこの時間差を修正する方法について、図１７、図１８に基づいて説明する。

まず、図１７に基づいて、各群各相の端子電圧の立ち上がり、立ち下がり時間の差異の発生状況を説明し、その後、図１８に基づいて、この時間差を修正する具体的回路構成を説明する。

図１７において、Ｆ１７ａはＡ群Ｕ相スイッチング信号を表し、Ｆ１７ｂはＢ群Ｕ相スイッチング信号を表している。そして、Ｆ１７ｃはＡ群Ｕ相端子電圧を表し、Ｆ１７ｄはＢ群Ｕ相端子電圧を表している。なお、Ｆ１７ｄにおける「Ａ」は理想的なＢ群Ｕ相端子電圧を表し、「Ｂ」は実際のＢ群Ｕ相端子電圧を表している。

上アームスイッチング素子、下アームスイッチング素子に入力されるスイッチング信号に対し、実際に各群各相の端子電圧の立ち上がり、立ち下がる時間には、デッドタイム以外にも差が生じることがある。
例えば、図１７では、Ｂ群Ｕ相の端子電圧の立ち下がりが開始される時間がスイッチング信号に対して遅延し、Ａ群Ｕ相の端子電圧の立ち上がりが開始される時間に対して時間ｔＤ１遅れる事象を示している。

群間での電磁ノイズの相殺効果をより高めるためには、各群各相の端子電圧の立ち上がりまたは立ち下がりに時間的なずれが生じていない方が望ましい。
このような場合、スイッチング信号生成部５０の出力であるスイッチング信号に対して、遅延時間ｔＤ１を考慮して時間操作することが有効である。

図１８は、時間差を修正する具体的回路構成を説明するための図であり、追加する構成部と関連する構成部のみを記載している。
なお、図１、図７、図８と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。また、図１、図７の制御部３０と区別するために、制御部３０Ａとしている。
図１８において、制御部３０Ａには、変動検出部５１、遅延時間計算部５２、および信号操作部５３が追加されている。

変動検出部５１は、Ａ群、Ｂ群各相の端子電圧の立ち上がり、立ち下がりタイミングを検出する。
遅延時間計算部５２は、変動検出部５１が検出したＡ群、Ｂ群各相の端子電圧の立ち上がり、立ち下がりタイミングとスイッチング信号生成部５０の出力信号（各群各相上下アームのスイッチング素子に与えるスイッチング信号）とに基づいて、スイッチング信号生成部５０の出力信号に対するＡ群、Ｂ群各相の端子電圧の立ち上がり、立ち下がりの遅延時間ｔＤ１を算出する。この遅延時間算出には、例えば、制御用ＩＣに搭載されているカウンタ機能を用いて求めることができる。
信号操作部５３は、スイッチング信号を更新する際に、Ａ群、Ｂ群各相端子電圧の立ち上がり、立ち下がりが遅れる相のスイッチング信号のＯＮ、ＯＦＦ時間を、遅延時間計算部５２で算出した遅延時間ｔＤ１に基づいて操作する。
これにより、スイッチング信号に対する端子電圧変動の遅延時間を修正することが可能となる。

また、Ａ群のｄｑ軸電圧指令の実効値ｖｄｑ＊が電圧閾値ｖｔｈより大きい場合は損失および電流リプルを考慮して、Ｂ群のキャリアをＡ群のキャリアに対して位相を操作しても良い。
また、図１６に示すように、キャリア周波数（Ｆｃ）をキャリアの山、谷の一方または両方に同期させて変化させても良い。図１６では、キャリア周波数（Ｆｃ）をキャリアの谷において、Ｆｃ２→Ｆｃ１→Ｆｃ３→Ｆｃ２と変化させている。

次に、回転機２のＡ群、Ｂ群の電圧指令の位相差を１８０°とする効果について説明する。
Ａ群、Ｂ群の電圧指令の位相差が１８０°の場合における、電圧指令、端子電圧および中性点電位の変化を図１９のＦ１９ａ〜Ｆ１９ｃに示す。
図１９のＦ１９ａはＡ群Ｕ相電圧指令、Ｂ群Ｕ相電圧指令およびキャリアの変化を示している。図１９のＦ１９ｂは、Ａ群Ｕ相端子電圧およびＢ群Ｕ相端子電圧の変化を示している。図１９のＦ１９ｃは、中性点電位の変化を示している。

また、Ａ群、Ｂ群の電圧指令の位相差が０°の場合における、電圧指令、端子電圧および中性点電位の変化を図２０のＦ２０ａ〜Ｆ２０ｃに示す。
図２０のＦ２０ａはＡ群Ｕ相電圧指令、Ｂ群Ｕ相電圧指令およびキャリアの変化を示している。図２０のＦ２０ｂは、Ａ群Ｕ相端子電圧およびＢ群Ｕ相端子電圧の変化を示している。図２０のＦ２０ｃは、中性点電位の変化を示している。

図１９および図２０から分かるように、Ａ群、Ｂ群の電圧指令の位相差が１８０°であり、各郡のキャリアの位相差が１８０°である場合に三角波比較ＰＷＭを行う場合は、Ａ群とＢ群の中性点電位の立ち上がり、立下りが同期することによって、中性点電位変動に伴って生じる漏洩電流がＡ群、Ｂ群間でキャンセルされる。このため、電磁ノイズが低減される。

実施の形態１の回転機の制御装置１の構成によれば、二群三相巻線構造の回転機を駆動する回転機の駆動システムにおいて、電磁ノイズが大きくなる電圧指令の実効値が低い条件においては、群間の電圧指令の位相差を１８０°とし、大きな出力トルクが要求される条件においては、群間の電圧指令にθｃｏｉｌの位相差を設けることが可能となる。
群間の電圧指令の位相差を１８０°として郡間で漏洩電流をキャンセルする手法としては、群間の各相で上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子のスイッチング信号を反転して与える方法と、Ａ群のキャリアとＢ群のキャリアを反転させて三角波比較ＰＷＭを行う方法がある。

したがって、実施の形態１の回転機の制御装置１では、電圧指令の実効値と電圧閾値に基づいて電磁ノイズが大きくなる条件においては、群間でスイッチングに伴って生じる漏洩電流をキャンセルして電磁ノイズを低減できる。また、大きな出力トルクが要求される条件においては、出力トルクを改善することが可能となる。

このように、実施の形態１の回転機の制御装置１では、電磁ノイズを低減可能であることから、ノイズフィルタの小型化が可能となる。また、最大出力トルクが向上することにより、回転機の小型化も可能となる。

以上説明したように、実施の形態１の回転機の制御装置は、二群三相で構成される回転機を制御する回転機の制御装置において、群間の巻線に電気的に１５０°〜２１０°（１８０°を除く）の位相差θｃｏｉｌを設け、電圧指令の実効値が電圧閾値より小さい場合は、群間の電圧指令の位相差を１８０°とし、トルク指令がトルク閾値より大きい場合は群間の電圧指令の位相差をθｃｏｉｌとする、すなわち回転機の奇数群と偶数群の電圧指令の位相差を、１８０°またはθｃｏｉｌで切り替えるものである。このため、電磁ノイズが大きくなるような駆動条件では、電磁ノイズを抑制する制御を適用でき、最大トルクが必要な条件においては、最大トルクを出力することができる回転機の制御装置を提供することができる。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

本願は、回転機の駆動システムで生じる電磁ノイズの低減と、モータの最大トルクの維持の両立が可能であるため、回転機の制御装置に広く適用できる。

１ 回転機の制御装置、２ 回転機、１０Ａ，１０Ｂ 電力変換器、１１ 直流電源、１２ 平滑コンデンサ、１３ａ〜１３ｆ，１４ａ〜１４ｆ スイッチング素子、２５ 電流検出器、２６ 角度検出器、３０，３０Ａ 制御部、４０ 電圧指令生成部、４１ テーブル、４２ 群間電圧位相差決定部、４３Ａ，４３Ｂ ｕｖｗ−ｄｑ座標変換器、４４Ａ，４４Ｂ ＰＩ制御器、４５Ａ，４５Ｂ ｄｑ−ｕｖｗ座標変換器、４６ 電圧指令選択部、５０ スイッチング信号生成部、５１ 変動検出部、５２ 遅延時間計算部、５３ 信号操作部、１００ 回転機の駆動システム。

Claims (11)

1. 多群多相で構成される回転機を制御する回転機の制御装置において、
   前記回転機の制御装置は、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子が直列接続されて一相レグを構成し、前記一相レグが複数個並列接続されて構成された電力変換器と、前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子を開閉し、前記回転機を制御するスイッチング信号を生成する制御部とを備え、
   前記回転機の奇数群の巻線と偶数群の巻線との間に、電気的に１５０°≦θｃｏｉｌ＜１８０°または１８０°＜θｃｏｉｌ≦２１０°となる位相差θｃｏｉｌを設け、
   前記回転機の前記奇数群と前記偶数群の電圧指令の位相差を、前記奇数群または前記偶数群のうちのいずれか一方の群の前記電圧指令の実効値が電圧閾値以下の場合は、１８０°とし、前記電圧指令の実効値が前記電圧閾値よりも大きい場合は、前記θｃｏｉｌとする回転機の制御装置。
2. トルク指令がトルク閾値よりも大きい場合は、前記回転機の前記奇数群と前記偶数群の前記電圧指令の位相差を前記θｃｏｉｌとする請求項１に記載の回転機の制御装置。
3. 前記回転機は二群三相巻線構造であり、
   前記回転機の極数とスロット数の比が５対６であり、
   前記回転機の二群間の巻線に電気的に１５０°の位相差を設けて配置される請求項１または請求項２に記載の回転機の制御装置。
4. 前記回転機の前記奇数群と前記偶数群の電圧指令の位相差を１８０°とする場合は、
   前記奇数群の各相レグの前記上アームスイッチング素子は、前記偶数群の各相レグの前記下アームスイッチング素子と同じスイッチング信号で駆動され、
   前記奇数群の前記各相レグの前記下アームスイッチング素子は、前記偶数群の前記各相レグの前記上アームスイッチング素子と同じスイッチング信号で駆動される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転機の制御装置。
5. 前記回転機の前記奇数群と前記偶数群の電圧指令の位相差を１８０°とし、三角波比較ＰＷＭに基づいて前記スイッチング信号を生成する場合は、
   前記奇数群に対するキャリアと前記偶数群に対するキャリアとを反転する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転機の制御装置。
6. 前記制御部は、前記キャリアのキャリア周波数を可変にする請求項５に記載の回転機の制御装置。
7. 前記制御部は、前記キャリアの山あるいは谷のいずれか、または両方で前記キャリア周波数を切り替える請求項６に記載の回転機の制御装置。
8. 前記制御部は、前記回転機の前記奇数群と前記偶数群の電圧指令の位相差を１８０°から前記θｃｏｉｌに、あるいは前記θｃｏｉｌから１８０°に変化させるとき、ランプ状に変化させる請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転機の制御装置。
9. 前記制御部は、前記回転機の前記奇数群と前記偶数群の電圧指令の位相差を１８０°から前記θｃｏｉｌに、あるいは前記θｃｏｉｌから１８０°に変化させるとき、ヒステリシスを設けた請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転機の制御装置。
10. 前記制御部は、前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子へのスイッチング信号に対する前記回転機の各群各相の端子電圧の立ち上がり、立ち下がり開始時間との時間差に基づいて、各群各相の前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子へのスイッチング信号を時間操作する信号操作部を備える請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の回転機の制御装置。
11. 前記制御部は、各群各相の端子電圧の変動を検出する変動検出部と、
    前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子へのスイッチング信号に対する前記変動検出部が検出した各群各相の端子電圧の立ち上がり、立ち下がり時間との差に基づいて遅延時間を計算する遅延時間計算部とを備え、
    前記信号操作部は、前記遅延時間に基づいて、各群各相の前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子へのスイッチング信号のＯＮ、ＯＦＦ時間を時間操作する請求項１０に記載の回転機の制御装置。

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