JP6848664B2 - 回転電機の制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチング操作される電力変換回路と、電力変換回路から出力された交流電力が供給される回転電機と、電力変換回路の入力側に設けられたコンデンサと、を備える制御システムに適用される回転電機の制御装置に関する。
この種の制御装置としては、電力変換回路の指令電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルに基づいて、電力変換回路をスイッチング操作するものが知られている。この操作方法では、電力変換回路の１スイッチング周期における有効電圧ベクトルの出現時間が短くなって、かつ、無効電圧ベクトル（ゼロ電圧ベクトル）の出現時間が長くなる。その結果、コンデンサに流れるリップル電流が増加してしまう。
この問題を解決するための技術として、特許文献１には、指令電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルに基づいて、電力変換回路を操作するものが開示されている。この技術によれば、１スイッチング周期における有効電圧ベクトルの出現時間を長くでき、コンデンサに流れるリップル電流を低減することができる。
ただし、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルに基づく操作方法では、互いに６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルに基づく操作方法と比較して、電力変換回路から出力可能な電圧ベクトルの大きさの最大値が小さくなる。すなわち、電力変換回路の出力電圧の最大変調率が小さくなる。このため、変調率が所定値よりも大きい高変調率領域においては、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルに基づく操作方法を用いることができず、コンデンサに流れるリップル電流を低減することができなくなり得る。
本発明は、高変調率領域においてコンデンサに流れるリップル電流を低減できる回転電機の制御装置を提供することを主たる目的とする。
本発明は、スイッチング操作により直流電源の直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換回路と、前記電力変換回路から出力された交流電力が供給される回転電機と、前記直流電源に並列接続され、前記電力変換回路の入力側に設けられたコンデンサと、を備える制御システムに適用される。本発明は、前記電力変換回路から前記回転電機に印加される指令電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルを選択する第１選択部と、前記回転電機の駆動状態に基づいて、前記指令電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、前記第１選択部により選択された有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルを選択する第２選択部と、前記第１選択部及び前記第２選択部それぞれにより選択された３種類の有効電圧ベクトルに基づいて、前記回転電機を制御すべく前記電力変換回路をスイッチング操作する操作部と、を備える。
電力変換回路の１スイッチング周期において、６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルの出現時間が長くなると、出力可能な電圧ベクトルの大きさの最大値が増大する。一方、１スイッチング周期において、１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルの出現時間が長くなると、コンデンサに流れるリップル電流の低減効果が大きくなる。このため１スイッチング周期において、６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルと、１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルとのそれぞれを出現させることにより、出力可能な電圧ベクトルの大きさの最大値を増加させつつ、コンデンサに流れるリップル電流の低減効果を得ることができる。
この点に鑑み本発明では、第１選択部により、６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルが選択される。また第２選択部により、回転電機の駆動状態に基づいて、１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、第１選択部により選択された有効電圧ベクトルとは異なる１種類の有効電圧ベクトルが選択される。ここで駆動状態に基づいて選択するのは、リップル電流の低減効果を得るための適正な有効電圧ベクトルが駆動状態に応じて変化するためである。
そして第１選択部及び第２選択部それぞれにより選択された３種類の有効電圧ベクトルに基づいて、回転電機を制御すべく電力変換回路がスイッチング操作される。このため、高変調率領域においても１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルを用いることができ、コンデンサに流れるリップル電流を低減することができる。
＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る制御装置を具体化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態において制御装置は、３相回転電機に接続された３相インバータに適用される。
以下、本発明に係る制御装置を具体化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態において制御装置は、３相回転電機に接続された３相インバータに適用される。
図１に示すように、制御システムは、回転電機１０、インバータ２０及び制御装置３０を備えている。本実施形態では、回転電機１０として、ブラシレスの同期機が用いられている。同期機としては、例えば永久磁石同期機を用いることができる。
本実施形態において、回転電機１０は、ファン又はポンプを備える駆動装置１２を構成し、ファン又はポンプを駆動する。ファンは、例えば、ラジエータファン又は車室内空調用のファンである。ポンプは、例えば、オイルポンプ又はウォータポンプである。
回転電機１０は、インバータ２０を介して直流電源としてのバッテリ４０に接続されている。インバータ２０は、電力変換回路２２を備えている。電力変換回路２２は、上アームスイッチＳＵＨ，ＳＶＨ，ＳＷＨと下アームスイッチＳＵＬ，ＳＶＬ，ＳＷＬとの直列接続体を備えている。Ｕ相上，下アームスイッチＳＵＨ，ＳＵＬの接続点には、回転電機１０のＵ相巻線１１Ｕの第１端が接続されている。Ｖ相上，下アームスイッチＳＶＨ，ＳＶＬの接続点には、回転電機１０のＶ相巻線１１Ｖの第１端が接続されている。Ｗ相上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの接続点には、回転電機１０のＷ相巻線１１Ｗの第１端が接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの第２端は、中性点で接続されている。本実施形態において、誘導性負荷であるＵ，Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗは、電気角で互いに１２０°ずれている。
インバータ２０は、その入力側に、インバータ２０の入力電圧を平滑化するコンデンサ２１を備えている。詳しくは、コンデンサ２１の高電位側端子は、バッテリ４０の正極端子と、上アームスイッチＳＵＨ〜ＳＷＨのドレインとを接続する電気経路に接続されている。コンデンサ２１の低電位側端子は、バッテリ４０の負極端子と、下アームスイッチＳＵＬ〜ＳＷＬのソースとを接続する電気経路に接続されている。
本実施形態では、各スイッチＳＵＨ，ＳＵＬ，ＳＶＨ，ＳＶＬ，ＳＷＨ，ＳＷＬとして、電圧制御形の半導体スイッチング素子が用いられており、より具体的にはＮチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。各スイッチＳＵＨ，ＳＵＬ，ＳＶＨ，ＳＶＬ，ＳＷＨ，ＳＷＬは寄生ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬを有している。
制御システムは、電流検出部５０及び電圧検出部５１を備えている。電流検出部５０は、回転電機１０に流れる各相電流のうち、少なくとも２相分の電流を検出する。電圧検出部５１は、コンデンサ２１の端子電圧を電源電圧ＶＤＣとして検出する。電流検出部５０及び電圧検出部５１の検出値は、制御装置３０に入力される。
制御装置３０は、マイコンを主体として構成され、回転電機１０の制御量をその指令値にフィードバック制御すべく、インバータ２０をスイッチング操作する。本実施形態において、制御量は回転速度であり、その指令値は指令回転速度Ｎｔｇｔである。制御装置３０は、回転速度を指令回転速度Ｎｔｇｔに制御するための指令電圧ベクトルＶｔｒを算出する。回転電機１０に印加される電圧ベクトルが指令電圧ベクトルＶｔｒとなるようにインバータ２０がスイッチング操作されることで、互いに１２０度ずれた正弦波状の相電流が回転電機１０に流れる。
制御装置３０は、回転電機１０の電気角θｅを取得できるように構成されている。例えば、制御装置３０は、位置センサレス制御を行い、この制御の際に電気角θｅを推定する。なお位置センサレス制御は、ホール素子やレゾルバ等の回転角検出部により検出される回転電機１０の回転角情報を用いることのない回転電機１０の制御である。
ちなみに制御装置３０は、自身が備える記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、各種制御機能を実現する。なお各種機能は、ハードウェアである電子回路によって実現されてもよいし、ハードウェア及びソフトウェアの双方によって実現されてもよい。
続いて図２及び図３を用いて、コンデンサ２１に流れるリップル電流について説明する。図２（ａ）はインバータ電流Ｉｄｃの推移を示し、図２（ｂ）はコンデンサ２１に流れる電流であるコンデンサ電流Ｉｃｆの推移を示す。インバータ電流Ｉｄｃは、バッテリ４０の正極端子と各上アームスイッチＳＵＨ〜ＳＷＨのドレインとを接続する電気経路のうちコンデンサ２１の高電位側端子との接続点から、各上アームスイッチＳＵＨ〜ＳＷＨのドレイン側へと流れる電流である。インバータ電流Ｉｄｃは、上記接続点から各上アームスイッチＳＵＨ〜ＳＷＨのドレイン側へと流れる方向が正として定義されている。コンデンサ電流Ｉｃｆは、上記接続点からコンデンサ２１の高電位側端子側へと流れる方向が正として定義されている。
図２では、簡略化のため、回転電機１０に印加される電圧ベクトルが有効電圧ベクトルとされる期間ε（０＜ε＜１）と無効電圧ベクトル（ゼロ電圧ベクトル）とされる期間「１−ε」とが交互に出現することとしている。εは、電力変換回路２２を構成する各スイッチのスイッチングパターン等で決まる。図２において、Ｔｓｗは電力変換回路２２を構成するスイッチの１スイッチング周期を示し、Ｉａは有効電圧ベクトルとされる期間に流れるインバータ電流Ｉｄｃの大きさを示す。
有効電圧ベクトルとされる期間においては、コンデンサ２１から放電されるため、コンデンサ電流Ｉｃｆが負の値となる。コンデンサ２１の放電電流の大きさはＩｂ（＝ε×Ｉａ）となる。一方、無効電圧ベクトルとされる期間においては、バッテリ４０から供給される電流によりコンデンサ２１が充電されるため、コンデンサ電流Ｉｃｆが正の値となる。有効電圧ベクトルとされる期間のコンデンサ電流Ｉｃｆと無効電圧ベクトルとされる期間のコンデンサ電流Ｉｃｆとの差がコンデンサ２１に流れるリップル電流の大きさＩａを示す。リップル電流の実効値Ｉｃｆｒｍｓは下式（ｅｑ１）で表される。
ただし、１２０度電圧ベクトルが用いられる場合、互いに６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルが用いられる場合と比較して、電圧ベクトルの大きさの最大値が小さくなる。以下、６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルを６０度電圧ベクトルと称すこととする。図４には、６０度電圧ベクトルで実現可能な空間ベクトルの６角形の輪郭を実線にて示し、１２０度電圧ベクトルで実現可能な空間ベクトルの６角形の輪郭を破線にて示す。図４には一例として、６０度電圧ベクトルとして第３，第４電圧ベクトルＶ３，Ｖ４が用いられる場合に生成される電圧ベクトルＶｔｒ１と、１２０度電圧ベクトルとして第２，第６電圧ベクトルＶ２，Ｖ６が用いられる場合に生成される電圧ベクトルＶｔｒ２とを示す。
なお図４には、回転電機１０の２相固定座標系を規定するα，β軸と、回転電機１０の３相固定座標系のＵ，Ｖ，Ｗ相とを合わせて示す。図４では、Ｕ相とα軸とが一致している。また、図４に示す各有効電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６と、各無効電圧ベクトルＶ０，Ｖ７とは、図５に示すスイッチングパターンで生成される。図５において、Ｕ，Ｖ，Ｗの欄の１は、上アームスイッチがオンされてかつ下アームスイッチがオフされていることを示し、０は、下アームスイッチがオンされてかつ上アームスイッチがオフされていることを示す。また図５に、各電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７に対応するＵ，Ｖ，Ｗ相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを示す。Ｅｄ／２はバッテリ４０の正極側の電圧である電源電圧ＶＤＣに対応し、−Ｅｄ／２はバッテリ４０の負極側の電圧である０に対応する。
図４に示すように、１２０度電圧ベクトルで生成可能な電圧ベクトルの大きさの最大値は、６０度電圧ベクトルで生成可能な電圧ベクトルの大きさの最大値の１／√３となる。このため、変調率が高い場合、１２０度電圧ベクトルを用いたリップル電流の低減方法を用いることができない。
そこで本実施形態では、図６に示すように、高変調率領域において６０度電圧ベクトルと１２０度電圧ベクトルとの双方によって指令電圧ベクトルＶｔｒが生成される。６０度電圧ベクトルが用いられることにより、電圧ベクトルの大きさの最大値を増加できる。また１２０度電圧ベクトルが用いられることにより、リップル電流の低減効果を得ることができる。したがって本実施形態によれば、高変調率領域においてコンデンサ２１に流れるリップル電流を低減できる。
本実施形態では、下式（ｅｑ２）に示すように、比率係数ｋ（０≦ｋ≦１）に基づいて、１スイッチング周期Ｔｓｗにおいて有効電圧ベクトルが選択される期間のうち、６０度電圧ベクトルＶαβ１が用いられる期間と、１２０度電圧ベクトルＶαβ２が用いられる期間との比率が定められる。
図８に、３０度の位相差で配置された１２個のセクションを示す。指令電圧ベクトルＶｔｒが属するセクションが決まることにより、回転電機１０の制御に用いられる電圧ベクトルが決まる。図９には、各セクションに応じて、１スイッチング周期Ｔｓｗにおいて各電圧ベクトルが出現する時間比率が、比率係数ｋ、相電圧及びＥｄを用いて表されている。例えば、指令電圧ベクトルＶｔｒがセクション１−Ａに属する場合、制御に用いられる電圧ベクトルとして、第１，第２，第６電圧ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ６と第７電圧ベクトルＶ７とが選択される。なお図９には、インバータ２０のスイッチング回数が最小となるように、無効電圧ベクトルとして第０電圧ベクトルＶ０又は第７電圧ベクトルＶ７のいずれかが用いられる構成を例示した。この構成に限らず、２種類の無効電圧ベクトルＶ０，Ｖ７が用いられる構成であってもよい。この構成が先の図７（ｃ）に対応している。
続いて、図９のように時間比率が定まることについて説明する。
先の図５には、各電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７に対応する瞬時空間ベクトルを示した。これに基づいて、空間ベクトルＶαβを下式（ｅｑ３）のように定義する。下式（ｅｑ３）において、ｊは虚数である。
なお図１１において、２種類の無効電圧ベクトルＶ０，Ｖ７の時間比率が均等にされていなくてもよい。例えば、スイッチング回数を減らす観点から、２種類の無効電圧ベクトルＶ０，Ｖ７のいずれかのみが用いられてもよい。
続いて、１２０度電圧ベクトルを空間ベクトルで表す。図１２に示すように、６０度ずつずらされて配置された６つの基準線によって６個のセクションＡ〜Ｆが区画されている。セクションＡを区画する一対の基準線は、第１電圧ベクトルＶ１を挟んで、かつ、第１電圧ベクトルＶ１と３０度の位相差を有している。空間ベクトルＶαβ２がセクションＡに属する場合を例にして説明する。この場合、上式（ｅｑ３）に基づいて、各相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを用いて空間ベクトルは下式（ｅｑ７）のように表される。
なお図１３において、２種類の無効電圧ベクトルＶ０，Ｖ７が用いられていてもよい。この場合、例えば、２種類の無効電圧ベクトルＶ０，Ｖ７の時間比率が均等にされていればよい。
図１０に示した各セクション１〜６と図１２に示した各セクションＡ〜６とを重ねることにより、図８に示した１２個のセクションが区画される。そして、図１１，図１３に示す有効電圧ベクトルの時間比率と比率係数ｋとを用いることにより、図９に示すように、１２個のセクションそれぞれに対応する時間比率が定まる。図１４に、指令電圧ベクトルＶｔｒが属する各セクションの推移と、各相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの推移とを示す。
図１５に、制御装置３０により実行される回転電機１０の制御処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。
この一連の処理では、ステップＳ１０において、回転電機１０の指令回転速度Ｎｔｇｔと、電圧検出部５１により検出された電源電圧ＶＤＣとを取得する。
続くステップＳ１１では、指令回転速度Ｎｔｇｔに基づいて、回転電機１０の回転速度を指令回転速度Ｎｔｇｔに制御するための指令電圧ベクトルＶｔｒを算出する。ステップＳ１１が電圧ベクトル算出部に相当する。
ステップＳ１２では、図８に示す１２個のセクションの中から、ステップＳ１１で算出した指令電圧ベクトルＶｔｒが属するセクションを選択する。
ステップＳ１３では、ステップＳ１２で選択したセクションに対応する電圧ベクトルを図９に示す情報に基づいて選択する。選択対象となる電圧ベクトルには、有効電圧ベクトルと、無効電圧ベクトルとが含まれる。
有効電圧ベクトルの選択方法について説明すると、指令電圧ベクトルＶｔｒを挟んで、かつ、互いに６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルを選択する。また、指令電圧ベクトルＶｔｒを挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、先に選択した２種類の有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルであって、かつ、指令電圧ベクトルＶｔｒに最も近い有効電圧ベクトルを選択する。
例えば、選択したセクションがセクション１−Ｂの場合、指令電圧ベクトルＶｔｒを挟んで、かつ、互いに６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルとして、第１，第２電圧ベクトルＶ１，Ｖ２を選択する。また、指令電圧ベクトルＶｔｒに最も近い有効電圧ベクトルとして、第３電圧ベクトルＶ３を選択する。なお、無効電圧ベクトルとして、第０電圧ベクトルＶ０を選択する。本実施形態において、ステップＳ１３が第１，第２選択部に相当する。
ステップＳ１４では、指令電圧ベクトルＶｔｒの大きさと電源電圧ＶＤＣとに基づいて、変調率Ｍｒを算出する。本実施形態では、下式（ｅｑ１０）に基づいて変調率Ｍｒを算出する。下式（ｅｑ１０）において、Ｖｍは各相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの振幅を示す。振幅Ｖｍは、例えば、指令電圧ベクトルＶｔｒに基づいて算出されればよい。
本実施形態では、第１変調率Ｍａが２／３に設定されている。これは、１２０度電圧ベクトルが用いられる空間ベクトル変調方式で対応可能な相電圧の振幅最大値が、三角波比較変調方式で出力可能な相電圧の振幅最大値の２／３となるためである。また、第２変調率Ｍｂが２／√３に設定されている。これは、６０度電圧ベクトルが用いられる空間ベクトル変調方式で対応可能な相電圧の振幅最大値が、三角波比較変調方式で出力可能な相電圧の振幅最大値の２／√３となるためである。
つまり本実施形態では、変調率Ｍｒが第１変調率Ｍａ以下の場合、６０，１２０度電圧ベクトルのうち、１２０度電圧ベクトルのみを用いる空間ベクトル変調を実施する。具体的には例えば、選択したセクションがセクション１−Ａの場合、図１３に示すセクションＡの有効電圧ベクトルを用いる空間ベクトル変調を実施する。
一方、変調率Ｍｒが第１変調率Ｍａよりも大きくてかつ第２変調率Ｍｂ未満の場合、６０，１２０度電圧ベクトルの双方を用いる空間ベクトル変調を実施する。この場合、変調率Ｍｒが大きくなるほど、１スイッチング周期Ｔｓｗにおける６０電圧ベクトルの出現時間の比率が大きくなる。これにより、高変調率領域においても、出力可能な電圧ベクトルの大きさの最大値を増加できる。なお本実施形態では、変調率Ｍｒが第１変調率Ｍａよりも大きくてかつ第２変調率Ｍｂ未満の場合、１スイッチング周期Ｔｓｗにおいて、ステップＳ１３で選択された３種類の有効電圧ベクトルの合計出現時間が、６０度電圧ベクトルが用いられる場合よりも長くなる。
他方、変調率Ｍｒが第２変調率Ｍｂの場合、６０，１２０度電圧ベクトルのうち、６０度電圧ベクトルのみを用いる空間ベクトル変調を実施する。具体的には例えば、選択したセクションがセクション１−Ａの場合、図１１に示すセクション１の有効電圧ベクトルを用いる空間ベクトル変調を実施する。
ステップＳ１６では、ステップＳ１５で算出した比率係数ｋ、相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ及び電源電圧ＶＤＣに基づいて、１スイッチング周期ＴｓｗにおけるステップＳ１３で選択した各電圧ベクトルの時間比率を算出する。例えば、選択したセクションが１−Ａである場合、図９のセクション１−Ａに示す第１，第２，第６，第７電圧ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ６，Ｖ７の時間比率を算出する。なお、ステップＳ１６で用いられる相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、例えば、指令電圧ベクトルＶｔｒ及び電気角θｅに基づいて算出されればよい。
ステップＳ１７では、ステップＳ１３で選択した各電圧ベクトルがステップＳ１６で算出した時間比率となるように、インバータ２０を操作する。これにより、回転電機１０に印加される電圧ベクトルが指令電圧ベクトルＶｔｒに制御され、回転電機１０の回転速度が指令回転速度Ｎｔｇｔに制御される。なお本実施形態において、ステップＳ１７が操作部に相当する。
図１７に、本実施形態の効果を示す。図１７において、横軸は回転電機１０の回転速度を示し、縦軸はコンデンサ２１に流れるリップル電流の実効値を示す。図１７には、比較例として、６０，１２０電圧ベクトルのうち６０度電圧ベクトルのみが用いられる空間ベクトル変調方式の結果も合わせて示す。図１７に示すように、本実施形態によれば、回転電機１０の使用回転速度領域において、コンデンサ２１に流れるリップル電流の実効値を比較例よりも低減することができる。
また本実施形態では、回転電機１０がファン又はポンプを駆動する電動機として用いられている。ファン又はポンプは回転速度に比例してトルクが増加するため、コンデンサ２１に流れるリップル電流は、回転電機１０の高回転速度領域において大きくなる。したがって、このような回転電機１０に対して本実施形態を適用するメリットは大きい。
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、無効電圧ベクトルが用いられないように比率係数ｋを算出する。本実施形態では、１スイッチング周期Ｔｓｗにおいて、回転電機１０に印加される電圧ベクトルとして無効電圧ベクトルが出現しないようにインバータ２０を操作する。
以下、第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、無効電圧ベクトルが用いられないように比率係数ｋを算出する。本実施形態では、１スイッチング周期Ｔｓｗにおいて、回転電機１０に印加される電圧ベクトルとして無効電圧ベクトルが出現しないようにインバータ２０を操作する。
図１８に、制御装置３０により実行される回転電機１０の制御処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。なお図１８において、先の図１５に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。
ステップＳ１２の完了後、ステップＳ１８に進み、１スイッチング周期Ｔｓｗにおいて無効電圧ベクトルを出現させないような比率係数ｋを算出する。詳しくは、相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ及び電源電圧ＶＤＣに基づいて、ステップＳ１２で選択したセクションに対応する無効電圧ベクトルの時間比率を０にする比率係数ｋを算出する。例えば、選択したセクションがセクション１−Ａの場合、図９に示す第７電圧ベクトルＶ７の時間比率を０とするために、下式（ｅｑ１１）のように比率係数ｋを算出する。
ちなみに、各セクションにおいて、無効電圧ベクトルの時間比率を０にする比率係数ｋは、相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ及び電源電圧ＶＤＣに依存することがわかっている。このため、相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ及び電源電圧ＶＤＣと比率係数ｋとが関係付けられたマップ情報に基づいて、比率係数ｋを算出してもよい。
ステップＳ１９では、ステップＳ１８で算出した比率係数ｋに基づいて、ステップＳ１２で選択したセクションに対応する有効電圧ベクトルの時間比率を算出する。例えば、選択したセクションが１−Ａである場合、図９のセクション１−Ａに示す第１，第２，第６電圧ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ６の時間比率を算出する。ステップＳ１７では、ステップＳ１２で選択したセクションに対応する各有効電圧ベクトルが、ステップＳ１９で算出した時間比率となるように、インバータ２０を操作する。
以上説明した本実施形態によれば、回転電機１０に印加される合成電圧ベクトルの無効電圧ベクトルを０にできる。このため、電気角１周期において常に有効電圧ベクトルを用いて回転電機１０を制御することができる。
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。上記第１実施形態では、１２０度電圧ベクトルのうち６０度電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルとして、指令電圧ベクトルＶｔｒに最も近い有効電圧ベクトルを選択した。これに対し本実施形態では、１２０度電圧ベクトルのうち６０度電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルとして、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のうち相電流の絶対値が最大となる相に対応する有効電圧ベクトルを選択する。
以下、第３実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。上記第１実施形態では、１２０度電圧ベクトルのうち６０度電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルとして、指令電圧ベクトルＶｔｒに最も近い有効電圧ベクトルを選択した。これに対し本実施形態では、１２０度電圧ベクトルのうち６０度電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルとして、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のうち相電流の絶対値が最大となる相に対応する有効電圧ベクトルを選択する。
図２０に、制御装置３０により実行される回転電機１０の制御処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。なお図２０において、先の図１５に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。
ステップＳ２０では、指令回転速度Ｎｔｇｔ及び電源電圧ＶＤＣに加えて、電流検出部５０により検出された相電流を取得する。その後ステップＳ１１を経由してステップＳ２１に進む。
ステップＳ２１では、ステップＳ１１で算出した指令電圧ベクトルＶｔｒを挟んで、かつ、互いに６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルを選択する。例えば、指令電圧ベクトルＶｔｒの属するセクションが図１０に示すセクション１の場合、第１，第２電圧ベクトルＶ１，Ｖ２を選択する。本実施形態において、ステップＳ２１が第１選択部に相当する。
ステップＳ２２では、ステップＳ２０で取得した相電流及び電気角θｅに基づいて、回転電機１０に流れる電流ベクトルＩｔｒを算出する。
ステップＳ２３では、相電流の絶対値が最大となる相に対応する有効電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、ステップＳ２１で選択した有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルを選択する。具体的には例えば、ステップＳ２２で算出した電流ベクトルＩｔｒが、図２１に示すようにセクションＡに属する場合、Ｖ，Ｗ相電流の絶対値よりもＵ相電流の絶対値が大きくなる。このため、Ｕ相に対応する第１電圧ベクトルＶ１を挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する第２，第６電圧ベクトルＶ２，Ｖ６のうち、ステップＳ２１で選択した第２電圧ベクトルＶ２とは異なる第６電圧ベクトルＶ６を選択する。これにより、１２０度電圧ベクトルとして第２，第６電圧ベクトルＶ２，Ｖ６が用いられ、インバータ電流Ｉｄｃとして、第２電圧ベクトルＶ２に対応するＷ相電流と、第６電圧ベクトルＶ６に対応するＶ相電流とが流れる。
なお上記第１実施形態では、電流ベクトルＩｔｒがセクションＡに属する場合であっても、指令電圧ベクトルＶｔｒがセクション１−Ｂに属する場合、１２０度電圧ベクトルの１つとして、第６電圧ベクトルＶ６ではなく、指令電圧ベクトルＶｔｒに近い第３電圧ベクトルＶ３が選択される。
ちなみに、電流ベクトルＩｔｒがセクションＢに属する場合、Ｕ，Ｖ相電流の絶対値よりもＷ相電流の絶対値が大きくなる。このとき、Ｗ相に対応する第２電圧ベクトルＶ２を挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、ステップＳ２１で選択した有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルを選択する。
また、電流ベクトルＩｔｒがセクションＣに属する場合、Ｕ，Ｗ相電流の絶対値よりもＶ相電流の絶対値が大きくなる。このとき、Ｖ相に対応する第３電圧ベクトルＶ３を挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、ステップＳ２１で選択した有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルを選択する。
また、電流ベクトルＩｔｒがセクションＤに属する場合、Ｖ，Ｗ相電流の絶対値よりもＵ相電流の絶対値が大きくなる。このとき、Ｕ相に対応する第４電圧ベクトルＶ４を挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、ステップＳ２１で選択した有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルを選択する。
また、電流ベクトルＩｔｒがセクションＥに属する場合、Ｕ，Ｖ相電流の絶対値よりもＷ相電流の絶対値が大きくなる。このとき、Ｗ相に対応する第５電圧ベクトルＶ５を挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、ステップＳ２１で選択した有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルを選択する。
また、電流ベクトルＩｔｒがセクションＦに属する場合、Ｕ，Ｗ相電流の絶対値よりもＶ相電流の絶対値が大きくなる。このとき、Ｖ相に対応する第６電圧ベクトルＶ６を挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、ステップＳ２１で選択した有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルを選択する。
なお本実施形態において、ステップＳ２３が第２選択部に相当する。
ステップＳ２３の完了後、ステップＳ１４，Ｓ１５を経由してステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、ステップＳ１５で算出した比率係数ｋ、相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ及び電源電圧ＶＤＣに基づいて、ステップＳ２１，Ｓ２３で選択した各電圧ベクトル、及び無効電圧ベクトルの時間比率を算出する。例えば、ステップＳ２１，Ｓ２３で選択した電圧ベクトルが第１，第２，第６電圧ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ６の場合、無効電圧ベクトルとして図９のセクション１−Ａに対応する第７電圧ベクトルＶ７を選択し、図９のセクション１−Ａに対応する各電圧ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ６，Ｖ７の時間比率を算出する。
続いて図２２を用いて、本実施形態の効果について説明する。図２２において、Ｉ１は１２０度電圧ベクトルとして第１電圧ベクトルＶ１が選択される場合にコンデンサ電流Ｉｃｆに含まれる電流成分の推移を示す。Ｉ２〜Ｉ６は、同様に、１２０度電圧ベクトルとして第２〜第６電圧ベクトルＶ２〜Ｖ６が選択される場合にコンデンサ電流Ｉｃｆに含まれる電流成分の推移を示す。図２２（ａ）は本実施形態の電流の推移を示し、図２２（ｂ）は比較例としての第１実施形態の電流の推移を示す。図２２の横軸は電気角を示す。なお図２２（ａ）の縦軸の１メモリと、図２２（ｂ）の縦軸の１メモリとは同じである。
本実施形態によれば、指令電圧ベクトルＶｔｒと電流ベクトルＩｔｒとの間に例えば図２１に示す位相差Δθがある場合であっても、比較例と比べてコンデンサ２１に流れるリップル電流を低減することができる。これに対し比較例では、絶対値が最大となる相電流がインバータ電流Ｉｄｃに出現するため、インバータ電流Ｉｄｃのピーク値が本実施形態よりも大きくなり、ひいてはコンデンサ２１に流れるリップル電流が本実施形態よりも大きくなる。
ちなみに本実施形態において、上記第２実施形態で説明したように、無効電圧ベクトルを出現させない構成が用いられてもよい。
＜第４実施形態＞
以下、第４実施形態について、上記第３実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。指令電圧ベクトルＶｔｒと電流ベクトルＩｔｒとの位相差Δθは、回転電機１０の駆動状態に応じて変化し得る。このため本実施形態では、位相差Δθの絶対値が位相閾値θｔｈ以下の場合、上記第１実施形態の図１５に示した処理で回転電機１０を制御する。一方、位相差Δθの絶対値が位相閾値θｔｈよりも大きい場合、上記第３実施形態の図２０に示した処理で回転電機１０を制御する。
以下、第４実施形態について、上記第３実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。指令電圧ベクトルＶｔｒと電流ベクトルＩｔｒとの位相差Δθは、回転電機１０の駆動状態に応じて変化し得る。このため本実施形態では、位相差Δθの絶対値が位相閾値θｔｈ以下の場合、上記第１実施形態の図１５に示した処理で回転電機１０を制御する。一方、位相差Δθの絶対値が位相閾値θｔｈよりも大きい場合、上記第３実施形態の図２０に示した処理で回転電機１０を制御する。
図２３に、制御装置３０により実行される回転電機１０の制御処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。なお図２３において、先の図１５，図２０に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。
ステップＳ２０の完了後、ステップＳ１１，Ｓ２２を経由してステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、ステップＳ１１で算出した指令電圧ベクトルＶｔｒと、ステップＳ２２で算出した電流ベクトルＩｔｒとの位相差Δθを算出する。
ステップＳ３１では、ステップＳ３０で算出した位相差Δθの絶対値が位相閾値θｔｈよりも大きいか否かを判定する。ステップＳ３１において否定判定した場合には、ステップＳ１２，Ｓ１３を経由してステップＳ１４に進む。一方、ステップＳ３１において肯定判定した場合には、ステップＳ２１，Ｓ２３を経由してステップＳ１４に進む。なお本実施形態において、ステップＳ３１が判定部に相当する。
以上説明した本実施形態によれば、コンデンサ２１に流れるリップル電流が大きくなり得る状況下において、リップル電流を低減することができる。
＜その他の実施形態＞
上記各実施形態は、以下のように変更されて実施されてもよい。
上記各実施形態は、以下のように変更されて実施されてもよい。
・上記第４実施形態の図２３のステップＳ３１の処理を、電流ベクトルＩｔｒの大きさが所定値よりも大きいか否かを判定する処理に置き換えてもよい。制御装置３０は、電流ベクトルＩｔｒの大きさが所定値よりも大きいと判定した場合、ステップＳ２１に移行する。これは、回転電機１０に流れる電流が大きくなる状況下において、電圧ベクトルと電流ベクトルとの位相差が大きくなることに基づくものである。
また、ステップＳ３１の処理を、指令回転速度Ｎｔｇｔが所定回転速度よりも高いか否かを判定する処理に置き換えてもよい。制御装置３０は、指令回転速度Ｎｔｇｔが所定回転速度よりも高いと判定した場合、ステップＳ２１に移行する。これは、回転電機１０の回転速度が高いほど、回転電機１０の出力トルクが大きくなり、回転電機１０に流れる電流が大きくなることに基づくものである。
・図１６に示す第１変調率Ｍａが、０よりも大きくてかつ２／３未満の値に設定されていてもよい。
・コンデンサとしては、インバータ２０に内蔵されているものに限らず、インバータ２０の外部に設けられているものであってもよい。
・電力変換回路を構成するスイッチとしては、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限らず、例えばＩＧＢＴであってもよい。この場合、ＩＧＢＴにフリーホイールダイオードが逆並列に接続されていればよい。
・回転電機の制御量としては、回転速度に限らず、例えばトルクであってもよい。
・回転電機としては、３相以外のものであってもよい。また回転電機としては、同期機に限らず、例えば誘導機であってもよい。
・回転電機の駆動対象としては、ファン又はポンプに限らない。
１０…回転電機、２１…コンデンサ、２２…電力変換回路、３０…制御装置。
Claims (7)
- スイッチング操作により直流電源（４０）の直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換回路（２２）と、
前記電力変換回路から出力された交流電力が供給される回転電機（１０）と、
前記直流電源に並列接続され、前記電力変換回路の入力側に設けられたコンデンサ（２１）と、を備える制御システムに適用され、
前記電力変換回路から前記回転電機に印加される指令電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルを選択する第１選択部と、
前記回転電機の駆動状態に基づいて、前記指令電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、前記第１選択部により選択された有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルを選択する第２選択部と、
前記第１選択部及び前記第２選択部それぞれにより選択された３種類の有効電圧ベクトルに基づいて、前記回転電機を制御すべく前記電力変換回路をスイッチング操作する操作部と、を備え、
前記第２選択部は、前記回転電機に流れる各相電流に基づいて、相電流の絶対値が最大となる相に対応する有効電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、前記第１選択部により選択された有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルを選択する回転電機の制御装置（３０）。 - 前記回転電機に流れる電流ベクトルと前記指令電圧ベクトルとの位相差が閾値を超えているか否かを判定する判定部を備え、
前記第２選択部は、前記判定部により位相差が前記閾値以下であると判定された場合、前記指令電圧ベクトルに基づいて、前記指令電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、前記第１選択部により選択された有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルであって、かつ、前記指令電圧ベクトルに最も近い有効電圧ベクトルを選択し、前記判定部により位相差が前記閾値を超えていると判定された場合、前記回転電機に流れる各相電流に基づいて、相電流の絶対値が最大となる相に対応する有効電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、前記第１選択部により選択された有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルを選択する請求項１に記載の回転電機の制御装置。 - 前記操作部は、前記電力変換回路の出力電圧の変調率が所定変調率（Ｍａ）を超える場合、前記電力変換回路の１スイッチング周期における前記第１選択部により選択された有効電圧ベクトルの出現時間の比率が、前記変調率が大きくなるほど大きくなるように、前記電力変換回路をスイッチング操作する請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
- スイッチング操作により直流電源（４０）の直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換回路（２２）と、
前記電力変換回路から出力された交流電力が供給される回転電機（１０）と、
前記直流電源に並列接続され、前記電力変換回路の入力側に設けられたコンデンサ（２１）と、を備える制御システムに適用され、
前記電力変換回路から前記回転電機に印加される指令電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに６０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルを選択する第１選択部と、
前記回転電機の駆動状態に基づいて、前記指令電圧ベクトルを挟んで、かつ、互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、前記第１選択部により選択された有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルを選択する第２選択部と、
前記第１選択部及び前記第２選択部それぞれにより選択された３種類の有効電圧ベクトルに基づいて、前記回転電機を制御すべく前記電力変換回路をスイッチング操作する操作部と、を備え、
前記第２選択部は、前記指令電圧ベクトルに基づいて、前記互いに１２０度の位相差を有する２種類の有効電圧ベクトルのうち、前記第１選択部により選択された有効電圧ベクトルとは異なる有効電圧ベクトルであって、かつ、前記指令電圧ベクトルに最も近い有効電圧ベクトルを選択し、
前記操作部は、前記電力変換回路の出力電圧の変調率が所定変調率（Ｍａ）を超える場合、前記電力変換回路の１スイッチング周期における前記第１選択部により選択された有効電圧ベクトルの出現時間の比率が、前記変調率が大きくなるほど大きくなるように、前記電力変換回路をスイッチング操作する回転電機の制御装置（３０）。 - 前記所定変調率は２／３である請求項３又は４に記載の回転電機の制御装置。
- 前記操作部は、前記回転電機に印加される電圧ベクトルとして無効電圧ベクトルが出現しないように前記電力変換回路をスイッチング操作する請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
- 前記回転電機は、ファン又はポンプを駆動する電動機である請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。
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