JP7109519B2 - 交流回転機の制御装置 - Google Patents

Description

本願は、交流回転機の制御装置に関するものである。

ステータの電機子巻線に生じた誘起電圧により、交流回転機及びインバータに整流発電を行わせる際に、電流が流れるダイオードが逆並列接続されたスイッチング素子をオンさせることで、発電効率を向上させ、素子の発熱を低減させるオルタ発電制御を行う技術が知られている。

特許文献１の技術では、制御回路により、各相の巻線電流が０Ａにクロスしたゼロクロス時点を検出し、ゼロクロス時点を基準に、スイッチング素子をオン又はオフしている。

特許文献２の技術では、交流電力の周期毎にダイオードの導通時間から同期整流可能な時間を得て、高電位側及び低電位側のスイッチング素子のオン及びオフするタイミングを決定している。

特開２０１１－１３５６９５号公報 特開２００９－２８４５６４号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、制御回路により、電流が０Ａにクロスしたゼロクロス時点を連続的に検出し、ゼロクロス時点を基準に、スイッチング素子をオン又はオフしているので、制御周期ごとにオルタ発電を行う制御装置において生じる制御周期による遅れの影響が考慮されていない。また、特許文献１の技術では、制御周期による遅れの影響が考量されていないため、ゼロクロス時点を判定する閾値を、０Ａから変化させることは考慮されていない。さらに、制御回路を実装する必要があるため、電機子巻線の相数が増えるほど実装面積が大きくなるため、車両用発電機を小型化するのは難しい。

特許文献２の技術では、一定の回転速度であれば、交流電力の周期毎に決定したスイッチング素子のオンおよびオフするタイミングで所望の動作を行うことが可能である。しかし、回転速度が変動する場合には、ダイオード整流を行うべき区間において、スイッチング素子がオンして電流が乱れたり、同期整流を行える区間において、スイッチング素子がオフして発熱量が増加したりする。また、ロータに界磁巻線を備える発電電動機では、界磁電流の変化により界磁磁束が変化する。界磁磁束が変化すると誘起電圧が変化し、巻線電流の振幅などが変化するため、交流電流の周期毎の判定では巻線電流の挙動の変化に対応するのが難しい。

そこで、本願は、制御周期ごとにオルタ発電を実行する場合において、回転速度の変動、又は巻線電流の挙動の変化に対して、同期整流を行うタイミングの設定精度を向上させることができる交流回転機の制御装置を提供することを目的とする。

本願に係る交流回転機の制御装置は、ロータと、複数相の電機子巻線を有するステータとを設けた交流回転機を、インバータを介して制御する交流回転機の制御装置であって、
前記インバータは、各相について、直流電源の高電位側に接続される高電位側のスイッチング素子と前記直流電源の低電位側に接続される低電位側のスイッチング素子とが直列接続され、直列接続の接続点が対応する相の前記電機子巻線に接続される直列回路を設け、前記スイッチング素子は、逆並列接続されたダイオードの機能を有し、
前記交流回転機の制御装置は、
複数相の前記電機子巻線に生じた誘起電圧により前記交流回転機に発電を行わせる際に、各相について、高電位側及び低電位側の前記スイッチング素子をオフするゼロオンモードと、高電位側の前記スイッチング素子をオンすると共に低電位側の前記スイッチング素子をオフするハイオンモードと、高電位側の前記スイッチング素子をオフすると共に低電位側の前記スイッチング素子をオンするローオンモードと、を前記電機子巻線に流れる電流の検出値と判定値とを比較することで切り替えるオルタ発電制御を実行し、
前記交流回転機の制御装置は、前記判定値を、前記交流回転機の回転角速度、前記電機子巻線を流れる電流の振幅、及び余裕時間に基づいて設定し、
前記余裕時間は、切り替えに生じる遅れ時間に予め設定されている、又は前記交流回転機の制御装置は、過去の切り替えに生じた遅れ時間に基づいて、前記余裕時間を設定するものである。

本願に係る交流回転機の制御装置によれば、巻線電流の検出値と判定値とを比較して、モードの切り替えを判定し、判定結果に基づいてスイッチング素子をオンオフし、モードを切り替えるまでの間に遅れ時間が生じる。この切り替えに生じる遅れ時間により、巻線電流を検出した時点と、判定結果に基づいてモードを切り替えた時点との巻線電流の状態が変化する。そのため、遅れ時間の間の巻線電流の変化を考慮して、判定値を設定することが求められる。巻線電流の挙動は、回転角速度、巻線電流の振幅に応じて変化する。本願に係る交流回転機の制御装置によれば、判定値が、回転角速度、巻線電流の振幅、及び切り替えに生じる遅れ時間に対応して設定された余裕時間に基づいて設定されるので、遅れ時間の間の巻線電流の変化を考慮して、判定値を設定することができ、モードを適切に切り替えることができる。よって、回転速度の変動、又は巻線電流の挙動の変化に対して、各モードを行うタイミングの設定精度を向上させることができる。

実施の形態１に係る交流回転機及び交流回転機の制御装置の概略構成図である。 実施の形態１に係る制御装置の概略ブロック図である。 実施の形態１に係る制御装置のハードウェア構成図である。 実施の形態１に係るインバータ制御の実行時の制御タイミングを説明するタイムチャートである。 実施の形態１に係るオルタ発電制御の実行時の巻線電流の挙動を説明するタイムチャートである。 実施の形態１に係る図５の時刻ｔ２ａにおけるインバータの電流挙動を説明する図である。 実施の形態１に係るオルタ発電制御の実行時の制御タイミングを説明するタイムチャートである。 実施の形態１に係るモード切り替え判定処理を説明するフローチャートである。 実施の形態１に係るオルタ発電制御の実行時の巻線電流の挙動を説明するタイムチャートである。 実施の形態１に係るオルタ発電制御の実行時の制御タイミングを説明するタイムチャートである。 実施の形態１に係る車両用の発電電動機とされた交流回転機の模式図である。 実施の形態１に係るコンバータのスイッチング素子のオンオフ制御挙動を説明するタイムチャートである。 実施の形態２に係るモード切り替え判定処理を説明するフローチャートである。

１．実施の形態１
実施の形態１に係る交流回転機の制御装置１１（以下、単に、制御装置１１と称す）について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る交流回転機１、インバータ５、及び制御装置１１の概略構成図である。

１－１．交流回転機１
交流回転機１は、ステータ１８と、ステータ１８の径方向内側に配置されたロータ１４と、を備えている。交流回転機１は、界磁巻線型の同期回転機とされている。ステータ１８の鉄心に、複数相の電機子巻線１２が巻装されている。ロータ１４の鉄心に界磁巻線４が巻装され、電磁石が設けられている。

本実施の形態では、複数相の電機子巻線１２は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相の電機子巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗとされている。３相の電機子巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗは、スター結線とされてもよいし、デルタ結線とされてもよい。

ロータ１４には、ロータ１４の回転角度（回転角度）を検出する回転センサ１５が設けられている。回転センサ１５の出力信号は、制御装置１１に入力される。回転センサ１５には、ホール素子、レゾルバ、又はエンコーダ等の各種のセンサが用いられる。回転センサ１５が設けられず、後述する電流指令値に高調波成分を重畳することによって得られる電流情報等に基づいて、回転角度（磁極位置）を推定するように構成されてもよい（いわゆる、センサレス方式）。

１－２．直流電源２
直流電源２は、インバータ５及びコンバータ９に直流電圧Ｖｄｃを出力する。直流電源２として、バッテリー、ＤＣ－ＤＣコンバータ、ダイオード整流器、ＰＷＭ整流器等、直流電圧を出力する任意の機器が用いられる。直流電源２には、平滑コンデンサ３が並列接続されている。

１－３．インバータ５
インバータ５は、複数のスイッチング素子を有し、直流電源２と電機子巻線１２との間で電力変換を行う。インバータ５は、各相について、直流電源２の高電位側に接続される高電位側のスイッチング素子ＳＰと、直流電源２の低電位側に接続される低電位側のスイッチング素子ＳＮと、が直列接続された直列回路を設けている。各直列回路における２つのスイッチング素子の接続点が、対応する相の電機子巻線に接続される。３相各相の電機子巻線に対応して、３セットの直列回路が設けられている。

具体的には、Ｕ相の直列回路では、Ｕ相の高電位側のスイッチング素子ＳＰｕとＵ相の低電位側のスイッチング素子ＳＮｕとが直列接続され、２つのスイッチング素子ＳＰｕ、ＳＮｕの接続点がＵ相の電機子巻線Ｃｕに接続されている。Ｖ相の直列回路では、Ｖ相の高電位側のスイッチング素子ＳＰｖとＶ相の低電位側のスイッチング素子ＳＮｖとが直列接続され、２つのスイッチング素子ＳＰｖ、ＳＮｖの接続点がＶ相の電機子巻線Ｃｖに接続されている。Ｗ相の直列回路では、Ｗの高電位側のスイッチング素子ＳＰｗとＷ相の低電位側のスイッチング素子ＳＮｗとが直列接続され、２つのスイッチング素子ＳＰｗ、ＳＮｗの接続点がＷ相の電機子巻線Ｃｗに接続されている。

インバータ５の各スイッチング素子は、逆並列接続されたダイオードの機能を有している。例えば、各スイッチング素子には、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ダイオードが逆並列接続されたバイポーラトランジスタ、逆並列接続された寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等が用いられる。各スイッチング素子のゲート端子は、ゲート駆動回路等を介して、制御装置１１に接続されている。よって、各スイッチング素子は、制御装置１１から出力されるスイッチング信号によりオン又はオフされる。

電機子電流センサ８は、各相の電機子巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗに流れる電流を検出する電流検出回路である。本実施の形態では、電機子電流センサ８は、各相のスイッチング素子の直列回路と電機子巻線とをつなぐ電線上に備えられている。各相の電機子電流センサ８の出力信号は、制御装置１１に入力される。電機子電流センサ８は、ホール素子、シャント抵抗等の電流センサとされている。なお、電機子電流センサ８は、各相のスイッチング素子の直列回路に直列接続されてもよい。

１－４．コンバータ９
コンバータ９は、スイッチング素子を有し、直流電源２と界磁巻線４との間で電力変換を行う。本実施の形態では、コンバータ９は、直流電源２の高電位側に接続される高電位側のスイッチング素子ＳＰと直流電源２の低電位側に接続される低電位側のスイッチング素子ＳＮとが直列接続された直列回路を２組設けたＨブリッジ回路とされている。第１組の直列回路２８における高電位側のスイッチング素子ＳＰ１と低電位側のスイッチング素子ＳＮ１との接続点が、界磁巻線４の一端に接続され、第２組の直列回路２９における高電位側のスイッチング素子ＳＰ２と低電位側のスイッチング素子ＳＮ２との接続点が、界磁巻線４の他端に接続される。

コンバータ９のスイッチング素子には、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ、ダイオードが逆並列接続されたバイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。各スイッチング素子のゲート端子は、ゲート駆動回路等を介して、制御装置１１に接続されている。よって、各スイッチング素子は、制御装置１１から出力されるスイッチング信号によりオン又はオフされる。

なお、第１組の直列回路２８の低電位側のスイッチング素子ＳＮ１をダイオードに置き換えたり、第２組の直列回路２９の高電位側のスイッチング素子ＳＰ２をダイオードに置き換えたりする等、コンバータ９を他の構成としてもよい。

界磁電流センサ６は、界磁巻線４を流れる電流である界磁電流ｉｆを検出する電流検出回路である。本実施の形態では、界磁電流センサ６は、界磁巻線４とコンバータ９とをつなぐ電線上に設けられている。界磁電流センサ６は、界磁電流ｉｆを検出可能な他の個所に設けられてもよい。界磁電流センサ６の出力信号は、制御装置１１に入力される。界磁電流センサ６は、ホール素子、シャント抵抗等の電流センサとされている。

１－５．制御装置１１
制御装置１１は、インバータ５及びコンバータ９を介して、交流回転機１を制御する。制御装置１１は、図２に示すように、回転検出部３１、電機子電流検出部３２、電機子巻線制御部３３、界磁電流検出部３４、及び界磁巻線制御部３５等の機能部を備えている。制御装置１１の各機能は、制御装置１１が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置１１は、図３に示すように、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０（コンピュータ）、演算処理装置９０とデータのやり取りする記憶装置９１、演算処理装置９０に外部の信号を入力する入力回路９２、演算処理装置９０から外部に信号を出力する出力回路９３、及び外部装置とデータ通信を行う通信回路９４等を備えている。

演算処理装置９０として、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置９０として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置９１として、演算処理装置９０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、及び演算処理装置９０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。入力回路９２は、回転センサ１５、電機子電流センサ８、界磁電流センサ６等の各種のセンサ及びスイッチが接続され、これらセンサ及びスイッチの出力信号を演算処理装置９０に入力するＡ／Ｄ変換器等を備えている。出力回路９３は、インバータ５及びコンバータ９のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート駆動回路等の電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置９０から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。通信回路９４は、外部装置と通信を行う。

そして、制御装置１１が備える各制御部３１～３５等の各機能は、演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、入力回路９２、及び出力回路９３等の制御装置１１の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部３１～３５等が用いる制御周期、余裕時間、判定値等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されている。以下、制御装置１１の各機能について詳細に説明する。

回転検出部３１は、電気角でのロータの磁極位置θ（ロータの回転角度θ）及び回転角速度ωを検出する。本実施の形態では、回転検出部３１は、回転センサ１５の出力信号に基づいて、ロータの磁極位置θ（回転角度θ）及び回転角速度ωを検出する。磁極位置は、ロータに設けられた電磁石のＮ極の向きに設定される。なお、回転検出部３１は、電流指令値に高調波成分を重畳することによって得られる電流情報等に基づいて、回転センサを用いずに、回転角度（磁極位置）を推定するように構成されてもよい（いわゆる、センサレス方式）。

電機子電流検出部３２は、電機子電流センサ８の出力信号に基づいて、３相の電機子巻線に流れる巻線電流ｉｕｓ、ｉｖｓ、ｉｗｓを検出する。ここで、ｉｕｓが、Ｕ相の巻線電流ｉｕの検出値であり、ｉｖｓが、Ｖ相の巻線電流ｉｖの検出値であり、ｉｗｓが、Ｗ相の巻線電流ｉｗの検出値である。なお、電機子電流センサ８が２相の巻線電流を検出するように構成され、残りの１相の巻線電流が、２相の巻線電流の検出値に基づいて算出されてもよい。例えば、電機子電流センサ８が、Ｖ相及びＷ相の巻線電流ｉｖｓ、ｉｗｓを検出し、Ｕ相の巻線電流ｉｕｓが、ｉｕｓ＝－ｉｖｓ－ｉｗｓにより算出されてもよい。

１－５－１．電機子巻線制御部３３
電機子巻線制御部３３は、後述するインバータ制御を行うインバータ制御部３３１と、後述するオルタ発電制御を行うオルタ発電制御部３３２と、インバータ制御とオルタ発電制御との切り替えを行う制御切換部３３３と、を備えている。

１－５－１－１．制御切換部３３３
制御切換部３３３は、インバータ制御とオルタ発電制御といずれを実行するか判定し、インバータ制御とオルタ発電制御との切り替えを行う。例えば、制御切換部３３３は、外部の制御装置から、誘起電圧による発電制御の指令が伝達されている場合に、オルタ発電制御を実行すると判定し、オルタ発電制御部３３２にオルタ発電制御の実行を指令し、オルタ発電制御部３３２が生成した各スイッチング信号を、ゲート駆動回路を介して、インバータ５の各スイッチング素子のゲート端子に入力させ、各スイッチング素子をオン又はオフさせる。

制御切換部３３３は、外部の制御装置から、インバータ制御の指令が伝達されている場合に、インバータ制御を実行すると判定し、インバータ制御部３３１にインバータ制御の実行を指令し、インバータ制御部３３１が生成した各スイッチング信号を、ゲート駆動回路を介して、インバータ５の各スイッチング素子のゲート端子に入力させ、各スイッチング素子をオン又はオフさせる。

１－５－１－２．インバータ制御部３３１
インバータ制御部３３１は、電圧指令値に基づいて、複数のスイッチング素子を第１制御周期Ｔｃ１でＰＷＭ制御（Pulse Width Modulation）によりオンオフするインバータ制御を実行する。

本実施の形態では、図２に示すように、インバータ制御部３３１は、電流座標変換部３３１ａ、電流指令値算出部３３１ｂ、電圧指令値算出部３３１ｃ、電圧座標変換部３３１ｄ、及びＰＷＭ制御部３３１ｅを備えている。

電流座標変換部３３１ａは、３相の巻線電流の検出値ｉｕｓ、ｉｖｓ、ｉｗｓを、ｄ軸及びｑ軸の回転座標系上のｄ軸電流の検出値ｉｄｓ及びｑ軸電流の検出値ｉｑｓに変換する。ｄ軸及びｑ軸の回転座標系は、検出した磁極位置θの方向に定めたｄ軸及びｄ軸より電気角で９０°進んだ方向に定めたｑ軸からなる２軸の回転座標であり、ロータの磁極位置θの回転に同期して回転する。具体的には、電機子電流検出部３２は、３相の巻線電流の検出値ｉｕｓ、ｉｖｓ、ｉｗｓを、磁極位置θに基づいて３相２相変換及び回転座標変換を行って、ｄ軸電流の検出値ｉｄｓ及びｑ軸電流の検出値ｉｑｓに変換する。

電流指令値算出部３３１ｂは、電流指令値を算出する。本実施の形態では、電流指令値算出部３３１ｂは、ｄ軸の電流指令値ｉｄｏ及びｑ軸の電流指令値ｉｑｏを算出する。例えば、電流指令値算出部３３１ｂは、トルク指令値Ｔｏ、回転角速度ω、及び直流電圧Ｖｄｃに基づいて、ｄ軸及びｑ軸の電流指令値ｉｄｏ、ｉｑｏを算出する。

電圧指令値算出部３３１ｃは、巻線電流の検出値及び電流指令値に基づいて、電圧指令値を算出する。例えば、電圧指令値算出部３３１ｃは、巻線電流の検出値が電流指令値に近づくように、電圧指令値を変化させる。例えば、電圧指令値算出部３３１ｃは、ｄ軸電流の検出値ｉｄｓがｄ軸の電流指令値ｉｄｏに近づき、ｑ軸電流の検出値ｉｑｓがｑ軸の電流指令値ｉｑｏに近づくように、比例積分制御等を行って、ｄ軸の電圧指令値Ｖｄｏ及びｑ軸の電圧指令値Ｖｑｏを算出するフィードバック制御を実行する。また、ｄ軸電流とｑ軸電流の非干渉化のための公知のフィードフォワード制御が行われてもよい。

或いは、電圧指令値算出部３３１ｃは、巻線電流の検出値を用いず、ｄ軸及びｑ軸の電流指令値に基づいて、交流回転機の電気的定数を用い、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値を変化させるフィードフォワード制御を実行してもよい。なお、フィードバック制御及びフィードフォワード制御の一方又は双方が行われてもよい。

電圧座標変換部３３１ｄは、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値Ｖｄｏ、Ｖｑｏを、磁極位置θに基づいて、固定座標変換及び２相３相変換を行って、３相の電圧指令値Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏに変換する。なお、電圧座標変換部３３１ｄは、３相の電圧指令値に対して、２相変調、空間ベクトル変調等の線間電圧が変化しないような変調を加えてもよい。

ＰＷＭ制御部３３１ｅは、電圧指令値に基づいて、第１制御周期Ｔｃ１でＰＷＭ制御によりインバータ５の複数のスイッチング素子をオンオフ制御する。本実施の形態では、図４に示すように、ＰＷＭ制御部３３１ｅは、３相の電圧指令値Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏのそれぞれと第１制御周期Ｔｃ１で振動するキャリア信号Ｃ１とを比較することにより、複数のスイッチング素子をオンオフ制御する。キャリア信号Ｃ１は、第１制御周期Ｔｃ１で０を中心に電源電圧の半分値Ｖｄｃ／２の振幅で振動する三角波とされている。直流電圧Ｖｄｃは、電圧センサにより検出されてもよい。

ＰＷＭ制御部３３１ｅは、各相について、キャリア信号Ｃ１が電圧指令値を下回った場合は、高電位側のスイッチング素子のスイッチング信号ＱＰをオン（本例では、１）して、高電位側のスイッチング素子をオンし、キャリア信号Ｃ１が電圧指令値を上回った場合は、高電位側のスイッチング素子のスイッチング信号ＱＰをオフ（本例では、０）して、高電位側のスイッチング素子をオフする。一方、ＰＷＭ制御部３３１ｅは、各相について、キャリア信号Ｃ１が電圧指令値を下回った場合は、低電位側のスイッチング素子のスイッチング信号ＱＮをオフ（本例では、０）して、低電位側のスイッチング素子をオフして、低電位側のスイッチング素子をオフし、キャリア信号Ｃ１が電圧指令値を上回った場合は、低電位側のスイッチング素子のスイッチング信号ＱＮをオン（本例では、１）して、低電位側のスイッチング素子をオンする。なお、各相について、高電位側のスイッチング素子のオン期間と低電位側のスイッチング素子のオン期間との間には、高電位側及び低電位側のスイッチング素子の双方をオフにする短絡防止期間（デッドタイム）が設けられてもよい。

図４に示すように、インバータ制御の実行時は、第１制御周期Ｔｃ１で振動するキャリア信号Ｃ１の山の頂点で、３相の巻線電流ｉｕｓ、ｉｖｓ、ｉｗｓが検出される。巻線電流の検出後、インバータ制御部３３１の各部において、巻線電流の検出値に基づいた３相の電圧指令値Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏの算出処理が行われ、次のキャリア信号Ｃ１の谷の頂点で、３相の電圧指令値Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏが更新され、ＰＷＭ制御に反映される。なお、次のキャリア信号Ｃ１の谷の頂点までに、電圧指令値の算出処理が終了しない場合は、次の次のキャリア信号Ｃ１の谷の頂点で、電圧指令値が更新されればよい。

第１制御周期Ｔｃ１は、インバータ制御が実行される最大回転速度において、電流リプルに含まれる第１制御周期の成分を許容できる制御周期の最大値以下に設定されればよい。例えば、第１制御周期Ｔｃ１は、１０ｋＨｚの逆数に設定される。

１－５－１－３．オルタ発電制御部３３２
１－５－１－３－１．オルタ発電の課題
＜誘起電圧による発電＞
インバータ５の全てのスイッチング素子をオフした状態で、各相について、ロータの回転により生じた電機子巻線の誘起電圧が、直流電源の高電位側の電圧を上回ると、電機子巻線から直流電源の高電位側に、高電位側のスイッチング素子の逆並列ダイオードを通って電流が流れる。一方、電機子巻線の誘起電圧が、直流電源の低電位側の電圧を下回ると、直流電源の低電位側から電機子巻線に、低電位側のスイッチング素子の逆並列ダイオードを通って電流が流れる。このように、回転により生じた電機子巻線の誘起電圧が、直流電源の高電位側の電圧を上回り、直流電源の低電位側の電圧を下回る状態になると、インバータ５は整流器として機能し、交流回転機が発生した交流電力を直流電力に整流して、直流電源に供給する。すなわち、３相の電機子巻線に生じた誘起電圧により、交流回転機が発電を行う。このような、ダイオードによる整流を、ダイオード整流という。

＜同期整流＞
ダイオードを電流が流れると、電力損失が大きいため、発熱量が大きくなる。そこで、誘起電圧によりダイオードを電流が流れるときに、ダイオードのスイッチング素子をオンすれば、ダイオードに代えてスイッチング素子を電流が流れるので、電力損失を低減し、発熱量を低減することができる。このようなスイッチング素子をオンする整流を、同期整流という。

例えば、図５に、誘起電圧による発電時の３相の電機子巻線を流れる３相の巻線電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを示している。図５には、説明を簡単にするため、電気角１次成分のみの波形を示しているが、５次等の高調波成分を含んでいても同様のことがいえる。

＜巻線電流に応じた同期整流＞
図５の時刻ｔ２ａにおいて、インバータ５内を電流は図６のように流れる。時刻ｔ２ａでは、Ｕ相の巻線電流は正であり、同期整流を行わない場合はＵ相の低電位側のダイオードを電流が流れるため、Ｕ相の低電位側のスイッチング素子ＳＮｕをオンすることで、発熱量を低減できる。同様に、時刻ｔ２ａでは、Ｖ相の電流は負であり、Ｖ相の高電位側のダイオードを電流が流れるため、Ｖ相の高電位側のスイッチング素子ＳＰｖをオンすることで、発熱量を低減する。時刻ｔ２ａでは、Ｗ相の電流は正であり、Ｗ相の低電位側のダイオードを電流が流れるため、Ｗ相の低電位側のスイッチング素子ＳＮｗをオンすることで、発熱量を低減する。よって、同期整流では、各相について、誘起電圧によって発生する巻線電流が負の場合に、高電位側のスイッチング素子ＳＰをオンし、低電位側のスイッチング素子ＳＮをオフし、巻線電流が正の場合に、高電位側のスイッチング素子ＳＰをオフし、低電位側のスイッチング素子ＳＮをオンする。

＜０Ａ付近でのダイオード整流の実施＞
一方、図５の時刻ｔ６ａでは、Ｗ相の巻線電流ｉｗは負値ではあるが、０Ａ付近である。Ｗ相の巻線電流の検出値ｉｗｓには検出誤差が含まれるため、巻線電流ｉｗが負値であっても、巻線電流の検出値ｉｗｓが正値になることがある。誤って、ダイオードが通電していない逆側のスイッチング素子がオンされると、誤ってオンされた逆側のスイッチング素子を電流が流れ、電流が乱れて発電効率が低下する。また、０Ａ付近では、ダイオードを電流が流れても発熱量は大きくならない。そのため、電流の検出誤差を考慮して、０Ａ付近では、高電位側及び低電位側のスイッチング素子の双方をオフして、ダイオード整流を行い、誤って逆側のスイッチング素子がオンされないようにすることが考えられる。

また、特許文献１では、電流が０Ａにクロスしたゼロクロス時点を連続的に検出し、ゼロクロス時点を基準に、スイッチング素子をオン又はオフしているので、制御周期による遅れの影響が考慮されていない。しかし、本実施の形態では、後述するように、第２制御周期Ｔｃ２ごとに電流が検出され、スイッチング素子がオン又はオフされるので、制御周期による遅れによりゼロクロス時点の検出が遅れ、誤って、逆側のスイッチング素子がオンされる可能性がある。そのため、制御周期による遅れを考慮して、０Ａ付近では、高電位側及び低電位側のスイッチング素子の双方をオフして、ダイオード整流を行い、誤って逆側のスイッチング素子がオンされないようにすることが考えられる。

１－５－１－３－２．オルタ発電制御
そこで、オルタ発電制御部３３２は、３相の電機子巻線に生じた誘起電圧により交流回転機に発電を行わせる際に、各相について、ゼロオンモードとハイオンモードとローオンモードとの切り替えを第２制御周期Ｔｃ２ごとに判定し、切り替えるオルタ発電制御を実行する。ゼロオンモードは、高電位側のスイッチング素子及び低電位側のスイッチング素子をオフするモードである。ハイオンモードは、高電位側のスイッチング素子をオンすると共に低電位側のスイッチング素子をオフするモードである。ローオンモードは、高電位側のスイッチング素子をオフすると共に低電位側のスイッチング素子をオンするモードである。

この構成によれば、高電位側及び低電位側のスイッチング素子の双方がオフされるゼロオンモードに切り替えられるので、電流の検出誤差、及び制御周期による遅れが生じても、０Ａ付近で、誤って、ダイオードが通電していない逆側のスイッチング素子がオンされることを抑制し、発電効率が低下することを抑制できる。

＜制御タイミング＞
図７に示すように、オルタ発電制御の実行時は、第２制御周期Ｔｃ２で振動する三角波のキャリア信号Ｃ２の山の頂点で、３相の巻線電流ｉｕｓ、ｉｖｓ、ｉｗｓが検出される。巻線電流の検出後、各相の巻線電流の検出値に基づいたゼロオンモード、ハイオンモード、及びローオンモードの切り替え判定処理が行われ、次のキャリア信号Ｃ２の谷の頂点で、切り替えの判定結果に基づいて、各スイッチング素子のスイッチング信号のオン又はオフの設定が更新され、更新されたオン又はオフの設定は、次の次のキャリア信号Ｃ２の谷の頂点まで保持される。すなわち、キャリア信号Ｃ２の山の頂点の巻線電流の検出値に基づいて設定されたスイッチング信号は、次のキャリア信号Ｃ２の谷の頂点から、次の次のキャリア信号Ｃ２の谷の頂点まで保持される。

＜巻線電流の検出値と判定値との比較による切り替え判定＞
オルタ発電制御部３３２は、各相について、電機子巻線の巻線電流の検出値と判定値とを比較することで、ゼロオンモード、ハイオンモード、及びローオンモードの切り替えを判定する。オルタ発電制御部３３２は、各相について、判定値を、回転角速度ω、電機子巻線を流れる電流の振幅Ｉ、及び切り替えに生じる遅れ時間に対応して設定された余裕時間Ｔｍｇに基づいて設定する。

巻線電流の検出値と判定値とを比較して、モードの切り替えを判定し、判定結果に基づいてスイッチング素子をオンオフし、モードを切り替えるまでの間に遅れ時間が生じる。この切り替えに生じる遅れ時間により、巻線電流を検出した時点と、判定結果に基づいてモードを切り替えた時点との巻線電流の状態が変化する。そのため、遅れ時間の間の巻線電流の変化を考慮して、判定値を設定することが求められる。巻線電流の挙動は、回転角速度ω、電流の振幅Ｉに応じて変化する。上記の構成によれば、判定値を、回転角速度ω、電流の振幅Ｉ、及び切り替えに生じる遅れ時間に対応して設定された余裕時間Ｔｍｇに基づいて設定するので、遅れ時間の間の巻線電流の変化を考慮して、判定値を設定することができ、モードを適切に切り替えることができる。

本実施の形態では、オルタ発電制御部３３２は、回転角速度ω、電機子巻線を流れる電流の振幅Ｉ、及び余裕時間Ｔｍｇに基づいて、ハイオン判定値ＩｔｈＨ及びローオン判定値ＩｔｈＬを設定する。そして、オルタ発電制御部３３２は、各相について、電機子巻線の巻線電流の検出値が、ローオン判定値ＩｔｈＬ以上である場合は、ローオンモードに切り替えると判定し、電機子巻線の巻線電流の検出値が、ハイオン判定値ＩｔｈＨ以下である場合に、ハイオンモードに切り替えると判定し、電機子巻線の巻線電流の検出値が、ローオン判定値ＩｔｈＬより小さく、且つハイオン判定値ＩｔｈＨより大きい場合に、ゼロオンモードに切り替えると判定する。

この構成によれば、各相について、電機子巻線の巻線電流の検出値が、ハイオン判定値ＩｔｈＨからローオン判定値ＩｔｈＬまでの範囲内である場合に、ゼロオンモードに設定され、ダイオード整流が行われるので、電流の検出誤差、及び制御周期による遅れが生じても、０Ａ付近で、誤って、ダイオードが通電していない逆側のスイッチング素子がオンされることを抑制し、発電効率が低下することを抑制できる。

この切り替え判定処理を、図８に示すフローチャートのように構成できる。図８の判定処理は、３相の巻線電流の検出が行われた後、各相について実行される。ステップＳ１３０で、オルタ発電制御部３３２は、巻線電流の検出値がローオン判定値ＩｔｈＬ以上であるか否かを判定し、ローオン判定値ＩｔｈＬ以上である場合は、ステップＳ１３２に進み、ローオンモードに切り替えると判定し、ローオン判定値ＩｔｈＬ以上でない場合は、ステップＳ１３１に進む。ステップＳ１３１で、オルタ発電制御部３３２は、巻線電流の検出値がハイオン判定値ＩｔｈＨ以下であるか否かを判定し、ハイオン判定値ＩｔｈＨ以下である場合は、ステップＳ１３３に進み、ハイオンモードに切り替えると判定し、ハイオン判定値ＩｔｈＨ以下でない場合は、ステップＳ１３４に進み、ゼロオンモードに切り替えると判定する。各相の判定結果は、次のキャリア信号Ｃ２の谷の頂点でスイッチング信号の設定に反映される。

＜ゼロオンモードによるデッドタイムの代替＞
ここで、各相において、ローオンモードからハイオンモードに切り替える場合、及びハイオンモードからローオンモードに切り替える場合は、高電位側のスイッチング素子と低電位側のスイッチング素子とが同時にオンにならないように、高電位側のスイッチング素子と低電位側のスイッチング素子の双方をオフにするデッドタイムを設けることを考慮する必要がある。このデッドタイムは、ゼロオンモードと同じ状態である。上記の巻線電流の検出値に基づいた切り替え判定処理によれば、ハイオンモードとローオンモードとの切り替え間に、ゼロオンモードに切り替えられるので、デッドタイムの代わりになる。

オルタ発電制御部３３２は、ゼロオンモードからハイオンモード又はローオンモードへの切り替え、及びハイオンモード又はローオンモードからゼロオンモードへの切り替えは行うが、ハイオンモードからローオンモードへの切り替え及びローオンモードからハイオンモードへの切り替えは行わないように構成される。

＜制御周期による遅れの影響＞
図９は、図５の時刻ｔ１ａ～時刻ｔ６ａ付近を拡大したものである。時刻ｔ４ａで検出した巻線電流の検出値に基づいて決定したスイッチング信号は、時刻ｔ５ａ～時刻ｔ７ａの間に出力される。そのため、時刻ｔ４ａの巻線電流の検出値により判定したモードに対応する電流の状態と、時刻ｔ５ａ～時刻ｔ７ａの間の実際の電流の状態とが一致している必要がある。すなわち、時刻ｔ５ａ～時刻ｔ７ａの間の電流の状態を見こして、時刻ｔ４ａの巻線電流の検出値に基づいて、モードを判定する必要がある。

例えば、時刻ｔ４ａでＷ相の巻線電流の検出値ｉｗｓは正値であるが、時刻ｔ５ａから時刻ｔ７ａの間に、Ｗ相の電流ｉｗは正値から負値に変化するので、ハイオンモード及びローオンモードでは、逆側のスイッチング素子がオンされる期間が生じることになり、ゼロオンモードに設定する必要がある。そのため、時刻ｔ４ａでＷ相の巻線電流の検出値ｉｗｓは正値であるが、ローオンモードではなく、ゼロオンモードに判定されるように、ローオン判定値ＩｔｈＬを、電流の変化分、０よりも高めに設定する必要がある。

＜ＩｔｈＬ、ＩｔｈＨの設定＞
よって、制御周期による遅れの影響を考慮して、ローオン判定値ＩｔｈＬ及びハイオン判定値ＩｔｈＨを設定する必要があり、以下で設定について説明する。上述したように、今回の巻線電流の検出値に基づく切り替え判定結果によるスイッチング素子のオンオフ期間は、今回の巻線電流の検出値によるオンオフ時点から、次回の巻線電流の検出値によるオンオフ時点までの期間になる。よって、制御周期による最長の遅れ時間は、図７に示すように、今回の電流の検出時点から、次回の電流の検出時点で検出した巻線電流の検出値に基づいて判定した切り替え判定結果によりスイッチング素子をオンオフする時点までの期間になり、この期間を、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔとする。よって、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔ先の巻線電流の状態と、判定したモードに対応する電流の状態とが、一致するようにローオン判定値ＩｔｈＬ及びハイオン判定値ＩｔｈＨを設定すればよい。そのためには、巻線電流が０になる時点よりも、余裕時間Ｔｍｇとしての次回オンオフ時間Ｔｎｘｔだけ前の時点の巻線電流に基づいて、ローオン判定値ＩｔｈＬ及びハイオン判定値ＩｔｈＨを設定すればよい。以下で、その設定値を説明する。

なお、今回の電流の検出時点から、今回の電流の検出時点で検出した巻線電流の検出値に基づいて判定した切り替え判定結果によりスイッチング素子をオンオフする時点までの期間を、オンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙとする。次回オンオフ時間Ｔｎｘｔは、オンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙ＋第２制御周期Ｔｃ２になる（Ｔｎｘｔ＝Ｔｄｌｙ＋Ｔｃ２）。オンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙは、第２制御周期の半周期Ｔｃ２／２になる。

３相の巻線電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、電流振幅をＩとし、回転角速度をωとすると、式（１）で近似的に与えられる。

巻線電流が０になる時点よりも、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔだけ前の時点の巻線電流（以下、次回オンオフ時間前の巻線電流値と称す）は、次式で与えられる。ここで、次式において、主に、ローオン判定値ＩｔｈＬの設定のために、巻線電流が０になる時点で、電流が減少している場合を考慮するため、位相をπ進めた場合と、主に、ハイオン判定値ＩｔｈＨの設定のために、巻線電流が０になる時点で、電流が増加している場合を考慮するため、位相をπ進めた場合と、を設定している。

よって、ローオン判定値ＩｔｈＬ及びハイオン判定値ＩｔｈＨは、次式を満たすように設定されれば、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔ先の巻線電流の状態と、判定したモードに対応する電流の状態とが一致する。

次式に示すように、ローオン判定値ＩｔｈＬは、電流減少時の次回オンオフ時間前の巻線電流値（正値）に、電流検出誤差を考慮して予め設定された正のオフセット値αＬを加算した値に設定されればよく、ハイオン判定値ＩｔｈＨは、電流増加時の次回オンオフ時間前の巻線電流値（負値）から、電流検出誤差を考慮して予め設定された正のオフセット値αＨを減算した値に設定されればよい。

よって、オルタ発電制御部３３２は、ローオン判定値ＩｔｈＬ及びハイオン判定値ＩｔｈＨを、回転角速度ω、巻線電流の振幅Ｉ、余裕時間Ｔｍｇとしての次回オンオフ時間Ｔｎｘｔに基づいて設定する。巻線電流の振幅Ｉは、過去の巻線電流の検出値の最大値及び最小値から算出されればよい。オルタ発電制御部３３２は、ローオン判定値ＩｔｈＬ及びハイオン判定値ＩｔｈＨを、巻線電流が０になる時点よりも、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔだけ前の時点の巻線電流に基づいて設定する。例えば、オルタ発電制御部３３２は、式（４）を用いて、ローオン判定値ＩｔｈＬ及びハイオン判定値ＩｔｈＨを設定する。

このように、ローオン判定値ＩｔｈＬ及びハイオン判定値ＩｔｈＨが、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔだけ前の時点の巻線電流に基づいて設定されるので、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔ先になる、次回の巻線電流の検出値によるオンオフ時点までの期間において、巻線電流が０Ａを跨ぐか否かを判定し、０Ａを跨ぐ場合に、ゼロオンモードに切り替えることができ、０Ａ付近で、誤って、ダイオードが通電していない逆側のスイッチング素子がオンされることを抑制し、発電効率が低下することを抑制できる。

式（４）を用いて設定してもよいが、次式に示すように、正弦関数を近似した次式を用いてもよい。

或いは、回転角速度ω及び巻線電流の振幅Ｉと、ローオン判定値ＩｔｈＬとの関係が予め設定された判定値設定マップを参照して、ローオン判定値ＩｔｈＬが設定されてもよく、回転角速度ω及び巻線電流の振幅Ｉと、ハイオン判定値ＩｔｈＨとの関係が予め設定された判定値設定マップを参照して、ハイオン判定値ＩｔｈＨが設定されてもよい。判定値設定マップは、実験データ又は解析データに基づいて、予め設定されてもよい。

また、回転角速度ωとして、オルタ発電制御の運転領域における、予め設定された最大の回転角速度ωｍａｘが用いられてもよい。また、巻線電流の振幅Ｉとして、オルタ発電制御の運転領域における、予め設定された最大の巻線電流の振幅Ｉｍａｘが用いられてもよい。

以上では、キャリア信号Ｃ２の谷の頂点で、切り替えの判定結果に基づいて、各スイッチング素子をオンオフしていたが、図１０に示すように、キャリア信号Ｃ２の谷の頂点を待たずに、切り替え判定が終了した時点で、切り替えの判定結果に基づいて、各スイッチング素子をオンオフしてもよい。判定値の算出に用いられる次回オンオフ時間Ｔｎｘｔは、過去の次回オンオフ時間Ｔｎｘｔに基づいて設定されてもよく、予め設定されてもよい。オルタ発電制御の処理は、インバータ制御の処理に比べて、処理負荷が大幅に小さいため、早期に切り替え判定が終了する。なお、各相について、各相の切り替え判定が終了しだい、切り替え判定結果に基づいて、各相のスイッチングをオンオフしてもよい。このように構成すれば、オンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙ及び次回オンオフ時間Ｔｎｘｔを短縮することができ、ローオン判定値ＩｔｈＬ及びハイオン判定値ＩｔｈＨを０に近づけることができる。よって、ローオンモード及びハイオンモードの期間を長くし、ゼロオンモードの期間を短くすることができ、更に、発電効率を向上でき、及び発熱量を低減できる。

誘起発電を実行するには、回転速度の増加に応じて増加する誘起電圧が、直流電源の電圧を超える必要がある。したがって、インバータ制御とオルタ発電制御のいずれを実行するかは、交流回転機の回転速度及び直流電圧Ｖｄｃに基づいて、判定されればよい。

＜第２制御周期Ｔｃ２の設定＞
第２制御周期Ｔｃ２は、第１制御周期Ｔｃ１よりも短い周期に設定されている。この構成によれば、回転速度の変動、界磁磁束の変化などの状態の変化により、巻線電流の挙動に変化があった場合においても、巻線電流の検出時点と、スイッチング素子のオンオフの時点との時間差を低減し、状態変化の影響を相対的に小さくするこができ、同期整流のタイミング設定の精度を向上させることができる。

インバータ制御では、電圧指令値の算出のための演算処理負荷が大きいが、オルタ発電制御では、電流指令値に基づいて切り替え判定を行う程度であるため、演算処理負荷が比較的小さい。よって、第１制御周期Ｔｃ１でインバータ制御を実行可能な処理速度を有する演算処理装置において、第２制御周期Ｔｃ２を、第１制御周期Ｔｃ１よりも短くすることができる。

＜車両の発電電動機として用いられる場合＞
本実施の形態の交流回転機の制御装置を、車両用の発電電動機に使用する場合、図１１のような構成となる。交流回転機１のロータの回転軸は、プーリ及びベルト機構１０１を介して、内燃機関１００のクランク軸に連結されている。交流回転機１の回転軸は、内燃機関１００及び変速装置１０２を介して車輪１０３に連結される。交流回転機１は、電動機として機能し、内燃機関１００の補機として、車輪１０３の駆動力源となると共に、発電機として機能し、内燃機関１００の回転を利用して発電を行う。交流回転機１は内燃機関１００と接続されていることから、内燃機関１００のイナーシャにより回転変動は緩やかなものとなるため、第２制御周期Ｔｃ２でオルタ発電制御を実施する際には回転変動の影響を小さくすることができる。また、車両用の発電機であっても同様の効果を得ることが可能である。

１－５－２．界磁巻線制御部３５
界磁電流検出部３４は、界磁電流センサ６の出力信号に基づいて、界磁巻線４に流れる電流である界磁電流ｉｆｓを検出する。ここで、ｉｆｓは、界磁電流ｉｆの検出値である。

界磁巻線制御部３５は、界磁電流の検出値ｉｆｓが界磁電流指令値ｉｆｏに近づくように、界磁電流指令値ｉｆｏと界磁電流の検出値ｉｆｓとの偏差Δｉｆに対して比例積分制御を行って、界磁電圧指令値Ｖｆを算出し、界磁電圧指令値Ｖｆに基づいて、界磁巻線４に電圧を印加する。

本実施の形態では、図２に示すように、界磁巻線制御部３５は、電流指令値算出部３５１、電圧指令値算出部３５２、及びＰＷＭ制御部３５３を備えている。

電流指令値算出部３５１は、界磁電流指令値ｉｆｏを設定する。例えば、インバータ制御の実行時には、電流指令値算出部３５１は、トルク指令値Ｔｏ等に基づいて、界磁電流指令値ｉｆｏを設定する。オルタ発電制御の実行時は、電流指令値算出部３５１は、直流電圧Ｖｄｃが目標電圧に近づくように、界磁電流指令値ｉｆｏを変化させる。

そして、電圧指令値算出部３５２は、界磁電流指令値ｉｆｏと界磁電流の検出値ｉｆｓとの偏差に対して比例積分制御を行って、界磁電圧指令値Ｖｆを算出する。

ＰＷＭ制御部３５３は、界磁電圧指令値Ｖｆに基づいて、ＰＷＭ制御によりコンバータ９の複数のスイッチング素子をオンオフ制御する。

例えば、図１２に示すように、ＰＷＭ制御部３５３は、界磁電圧指令値Ｖｆと、界磁制御周期Ｔｓｆで振動する界磁キャリア信号Ｃｆとを比較することにより、複数のスイッチング素子をオンオフ制御する。界磁キャリア信号Ｃｆは、界磁制御周期Ｔｓｆで－１×直流電圧Ｖｄｃから直流電圧Ｖｄｃの間を振動する三角波とされている。直流電圧Ｖｄｃは、電圧センサにより検出されてもよい。

ＰＷＭ制御部３５３は、界磁キャリア信号Ｃｆが界磁電圧指令値Ｖｆを下回った場合は、第１組の高電位側のスイッチング素子ＳＰ１のスイッチング信号ＱＰ１をオン（本例では、１）し、第１組の低電位側のスイッチング素子ＳＮ１のスイッチング信号ＱＮ１をオフ（本例では、０）し、第２組の高電位側のスイッチング素子ＳＰ２のスイッチング信号ＱＰ２をオフ（０）し、第２組の低電位側のスイッチング素子ＳＮ２のスイッチング信号ＱＮ２をオン（１）する。

一方、ＰＷＭ制御部３５３は、界磁キャリア信号Ｃｆが界磁電圧指令値Ｖｆを上回った場合は、第１組の高電位側のスイッチング信号ＱＰ１をオフ（０）し、第１組の低電位側のスイッチング信号ＱＮ１をオン（１）し、第２組の高電位側のスイッチング信号ＱＰ２をオン（１）し、第２組の低電位側のスイッチング信号ＱＮ２をオフ（０）する。なお、各組について、高電位側のスイッチング素子のオン期間と低電位側のスイッチング素子のオン期間との間には、正極側及び低電位側のスイッチング素子の双方をオフにする短絡防止期間（デッドタイム）が設けられてもよい。

また、界磁巻線の電流方向を変化させる必要がない場合は、第２組の高電位側のスイッチング信号ＱＰ２を常時オフしてもよく、第１組の低電位側のスイッチング信号ＱＮ１を常時オフしてもよい。界磁巻線のインダクタンスは、多くの場合において電機子巻線のインダクタンスより大きいため、オルタ発電制御時の第２制御周期Ｔｃ２の間の界磁電流の変動は小さい上、界磁磁束を直接変化させることが可能なため、オルタ発電制御に好適である。

２．実施の形態２
次に、実施の形態２に係る交流回転機１及び制御装置１１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機１及び制御装置１１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、判定値を用いたモード切り替え判定方法が実施の形態１と異なる。

本実施の形態では、オルタ発電制御部３３２は、回転角速度ω、電機子巻線を流れる電流の振幅Ｉ、及び余裕時間Ｔｍｇに基づいて、判定値としてのローゼロ判定値ＩｔｈＬ０及びハイゼロ判定値ＩｔｈＨ０を設定する。余裕時間Ｔｍｇは、今回の電流の検出時点から、次回の電流の検出時点で検出した巻線電流の検出値に基づいて判定した切り替え判定結果によりスイッチング素子をオンオフする時点までの期間である次回オンオフ時間Ｔｎｘｔに設定される。

オルタ発電制御部３３２は、ローゼロ判定値ＩｔｈＬ０及びハイゼロ判定値ＩｔｈＨ０を、巻線電流が０になる時点よりも、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔだけ前の時点の巻線電流に基づいて設定する。ローゼロ判定値ＩｔｈＬ０は、実施の形態１のローオン判定値ＩｔｈＬと同様に設定される。また、ハイゼロ判定値ＩｔｈＨ０は、実施の形態１のハイオン判定値ＩｔｈＨと同様に設定される。

そして、オルタ発電制御部３３２は、各相について、現在、ローオンモードであり、電機子巻線の巻線電流の検出値が、ローゼロ判定値ＩｔｈＬ０より小さくなった場合に、ゼロオンモードに切り替える。また、オルタ発電制御部３３２は、各相について、現在、ハイオンモードであり、電機子巻線の巻線電流の検出値が、ハイゼロ判定値ＩｔｈＨ０より大きくなった場合に、ゼロオンモードに切り替える。このように、現在、ハイオンモード又はローオンモードである場合は、余裕時間Ｔｍｇが、今回の電流の検出時点から、次回の電流の検出時点で検出した巻線電流の検出値に基づいて判定した切り替え判定結果によりスイッチング素子をオンオフする時点までの期間である次回オンオフ時間Ｔｎｘｔに設定されている。

ローオンモード又はハイオンモードからゼロオンモードへの切り替えの場合は、ローゼロ判定値ＩｔｈＬ０及びハイゼロ判定値ＩｔｈＨ０が、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔだけ前の時点の巻線電流に基づいて設定されるので、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔ先になる、次回の巻線電流の検出値によるオンオフ時点までの期間において、巻線電流が０Ａを跨ぐか否かを判定し、０Ａを跨ぐ場合に、ゼロオンモードに切り替えることができ、０Ａ付近で、誤って、ダイオードが通電していない逆側のスイッチング素子がオンされることを抑制し、発電効率が低下することを抑制できる。

オルタ発電制御部３３２は、回転角速度ω、電機子巻線を流れる電流の振幅Ｉ、及び余裕時間Ｔｍｇに基づいて、判定値としてのゼロロー判定値Ｉｔｈ０Ｌ及びゼロハイ判定値Ｉｔｈ０Ｈを設定する。余裕時間Ｔｍｇは、今回の電流の検出時点から、今回の電流の検出時点で検出した巻線電流の検出値に基づいて判定した切り替え判定結果によりスイッチング素子をオンオフする時点までの期間であるオンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙに設定される。

オルタ発電制御部３３２は、ゼロロー判定値Ｉｔｈ０Ｌ及びゼロハイ判定値Ｉｔｈ０Ｈを、巻線電流が０になる時点よりも、オンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙだけ前の時点の巻線電流に基づいて設定する。ゼロロー判定値Ｉｔｈ０Ｌは、実施の形態１のローオン判定値ＩｔｈＬの算出において、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔをオンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙに置換した算出方法により設定される。また、ゼロハイ判定値Ｉｔｈ０Ｈは、実施の形態１のハイオン判定値ＩｔｈＨの算出において、次回オンオフ時間Ｔｎｘｔをオンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙに置換した算出方法により設定される。

そして、オルタ発電制御部３３２は、各相について、現在、ゼロオンモードであり、電機子巻線の巻線電流の検出値が、ゼロロー判定値Ｉｔｈ０Ｌ以上になった場合に、ローオンモードに切り替える。また、オルタ発電制御部３３２は、各相について、現在、ゼロオンモードであり、電機子巻線の巻線電流の検出値が、ゼロハイ判定値Ｉｔｈ０Ｈ以下になった場合に、ハイオンモードに切り替える。

ゼロオンモードからローオンモード又はハイオンモードへの切り替えの場合は、今回の巻線電流の検出値によるオンオフ時点から次回の巻線電流の検出値によるオンオフ時点までの期間において、０Ａを跨ぐ可能性がない場合は、ローオンモード又はハイオンモードを設定し、発電効率を向上させたい。上記の構成によれば、ゼロロー判定値Ｉｔｈ０Ｌ及びゼロハイ判定値Ｉｔｈ０Ｈが、オンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙだけ前の時点の巻線電流に基づいて設定されるので、オンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙ先になる今回の巻線電流の検出値によるオンオフ時点において、既に０Ａを跨ぎ終わっているか否かを判定し、０Ａを跨ぎ終わっている場合に、今回の巻線電流の検出値によるオンオフ時点から次回の巻線電流の検出値によるオンオフ時点までの期間において、早期にローオンモード又はハイオンモードに切り替えることができ、同期整流の期間を増加させ、発電効率を向上させることができる。

＜フローチャート＞
この切り替え判定処理を、図１３に示すフローチャートのように構成できる。図１３の判定処理は、３相の巻線電流の検出が行われた後、各相について実行される。ステップＳ１５０で、オルタ発電制御部３３２は、現在、ローオンモードであるか否かを判定し、ローオンモードである場合は、ステップＳ１５１に進み、ローオンモードでない場合は、ステップＳ１５４に進む。ステップＳ１５１で、オルタ発電制御部３３２は、回転角速度ω、巻線電流の振幅Ｉ、及び次回オンオフ時間Ｔｎｘｔに基づいて、ローゼロ判定値ＩｔｈＬ０を設定し、巻線電流の検出値が、ローゼロ判定値ＩｔｈＬ０より小さいか否かを判定し、ローゼロ判定値ＩｔｈＬ０より小さい場合は、ステップＳ１５２に進み、ゼロオンモードに切り替えると判定し、ローゼロ判定値ＩｔｈＬ０より小さくない場合は、ステップＳ１５３に進み、ローオンモードに維持すると判定する。

一方、ステップＳ１５４で、オルタ発電制御部３３２は、現在、ハイオンモードであるか否かを判定し、ハイオンモードである場合は、ステップＳ１５５に進み、ハイオンモードでない場合は、ステップＳ１５８に進む。ステップＳ１５５で、オルタ発電制御部３３２は、回転角速度ω、巻線電流の振幅Ｉ、及び次回オンオフ時間Ｔｎｘｔに基づいて、ハイゼロ判定値ＩｔｈＨ０を設定し、巻線電流の検出値が、ハイゼロ判定値ＩｔｈＨ０より大きいか否かを判定し、ハイゼロ判定値ＩｔｈＨ０より大きい場合は、ステップＳ１５６に進み、ゼロオンモードに切り替えると判定し、ハイゼロ判定値ＩｔｈＨ０より大きくない場合は、ステップＳ１５７に進み、ハイオンモードに維持すると判定する。

一方、ステップＳ１５８で、現在、ゼロオンモードであるので、オルタ発電制御部３３２は、回転角速度ω、巻線電流の振幅Ｉ、及びオンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙに基づいて、ゼロロー判定値Ｉｔｈ０Ｌを設定し、巻線電流の検出値が、ゼロロー判定値Ｉｔｈ０Ｌ以上であるか否かを判定し、ゼロロー判定値Ｉｔｈ０Ｌ以上である場合は、ステップＳ１５９に進み、ローオンモードに切り替えると判定し、ゼロロー判定値Ｉｔｈ０Ｌ以上でない場合は、ステップＳ１６０に進む。ステップＳ１６０で、オルタ発電制御部３３２は、回転角速度ω、巻線電流の振幅Ｉ、及びオンオフ遅れ時間Ｔｄｌｙに基づいて、ゼロハイ判定値Ｉｔｈ０Ｈを設定し、巻線電流の検出値が、ゼロハイ判定値Ｉｔｈ０Ｈ以下であるか否かを判定し、ゼロハイ判定値Ｉｔｈ０Ｈ以下である場合は、ステップＳ１６１に進み、ハイオンモードに切り替えると判定し、ゼロハイ判定値Ｉｔｈ０Ｈ以下でない場合は、ステップＳ１６２に進み、ゼロオンモードに維持すると判定する。

＜転用例＞
（１）上記の各実施の形態では、交流回転機は、車両用の発電電動機である場合を例に説明した。しかし、交流回転機は、車両以外の各種の装置の駆動力源に用いられてもよい。

（２）上記の各実施の形態では、界磁巻線式の交流回転機を例として説明した。しかし、交流回転機は、永久磁石式の交流回転機とされてもよい。

（３）上記の各実施の形態では、電機子巻線制御部３３は、インバータ制御とオルタ発電制御とを切り替えて実行する場合を例として説明した。しかし、電機子巻線制御部３３は、インバータ制御を実行せずに、オルタ発電制御を実行してもよい。

（４）上記の各実施の形態では、３相の巻線が設けられる場合を例として説明した。しかし、巻線の相数は、複数相であれば、２相、４相等の任意の数に設定されてもよい。

（５）上記の各実施の形態では、１組の３相の巻線及びインバータが設けられる場合を例として説明した。しかし、２組以上の複数相巻線及びインバータが設けられ、各組の複数相巻線及びインバータに対して、各実施の形態と同様の制御が行われてもよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の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、本願明細書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、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 交流回転機、２ 直流電源、４ 界磁巻線、５ インバータ、１１ 交流回転機の制御装置、１２ 電機子巻線、１４ ロータ、１８ ステータ、Ｉｔｈ０Ｈ ゼロハイ判定値、Ｉｔｈ０Ｌ ゼロロー判定値、ＩｔｈＨ ハイオン判定値、ＩｔｈＨ０ ハイゼロ判定値、ＩｔｈＬ ローオン判定値、ＩｔｈＬ０ ローゼロ判定値、Ｔｃ１ 第１制御周期、Ｔｃ２ 第２制御周期、Ｔｎｘｔ 次回オンオフ時間、Ｔｄｌｙ オンオフ遅れ時間

Claims (15)

1. ロータと、複数相の電機子巻線を有するステータとを設けた交流回転機を、インバータを介して制御する交流回転機の制御装置であって、
   前記インバータは、各相について、直流電源の高電位側に接続される高電位側のスイッチング素子と前記直流電源の低電位側に接続される低電位側のスイッチング素子とが直列接続され、直列接続の接続点が対応する相の前記電機子巻線に接続される直列回路を設け、前記スイッチング素子は、逆並列接続されたダイオードの機能を有し、
   前記交流回転機の制御装置は、
   複数相の前記電機子巻線に生じた誘起電圧により前記交流回転機に発電を行わせる際に、各相について、高電位側及び低電位側の前記スイッチング素子をオフするゼロオンモードと、高電位側の前記スイッチング素子をオンすると共に低電位側の前記スイッチング素子をオフするハイオンモードと、高電位側の前記スイッチング素子をオフすると共に低電位側の前記スイッチング素子をオンするローオンモードと、を前記電機子巻線に流れる電流の検出値と判定値とを比較することで切り替えるオルタ発電制御を実行し、
   前記交流回転機の制御装置は、前記判定値を、前記交流回転機の回転角速度、前記電機子巻線を流れる電流の振幅、及び余裕時間に基づいて設定し、
   前記余裕時間は、切り替えに生じる遅れ時間に予め設定されている、又は前記交流回転機の制御装置は、過去の切り替えに生じた遅れ時間に基づいて、前記余裕時間を設定する交流回転機の制御装置。
2. 前記ロータは、界磁巻線を有する請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
3. 前記交流回転機の制御装置は、前記判定値を、前記電機子巻線を流れる電流が０になる時点よりも、前記余裕時間だけ前の時点の前記電機子巻線を流れる電流に基づいて設定する請求項１又は２に記載の交流回転機の制御装置。
4. 前記交流回転機の制御装置は、前記オルタ発電制御において、前記ゼロオンモードから前記ハイオンモード又は前記ローオンモードへの切り替え、及び前記ハイオンモード又は前記ローオンモードから前記ゼロオンモードへの切り替えは行うが、前記ハイオンモードから前記ローオンモードへの切り替え及び前記ローオンモードから前記ハイオンモードへの切り替えは行わない請求項１から３のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
5. 前記交流回転機の制御装置は、前記回転角速度、前記電流の振幅、及び前記余裕時間に基づいて、前記判定値としてのハイオン判定値及びローオン判定値を設定し、
   各相について、前記電機子巻線の電流の検出値が、前記ローオン判定値以上である場合は、前記ローオンモードに切り替え、前記電機子巻線の電流の検出値が、前記ハイオン判定値以下である場合に、前記ハイオンモードに切り替え、前記電機子巻線の電流の検出値が、前記ローオン判定値より小さく、且つ前記ハイオン判定値より大きい場合に、前記ゼロオンモードに切り替える請求項１から４のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
6. 前記ハイオン判定値及び前記ローオン判定値の算出に用いる前記余裕時間は、今回の電流の検出時点から、次回の電流の検出時点で検出した電流検出値に基づいて判定した切り替え判定結果によりスイッチング素子をオンオフする時点までの期間である次回オンオフ時間に予め設定されている、又は前記交流回転機の制御装置は、過去の前記次回オンオフ時間に基づいて、前記ハイオン判定値及び前記ローオン判定値の算出に用いる前記余裕時間を設定する請求項５に記載の交流回転機の制御装置。
7. 前記交流回転機の制御装置は、前記回転角速度、前記電流の振幅、及び前記余裕時間に基づいて、前記判定値としてのローゼロ判定値及びハイゼロ判定値を設定し、
   各相について、現在、前記ローオンモードであり、前記電流の検出値が、前記ローゼロ判定値より小さくなった場合に、前記ゼロオンモードに切り替え、
   各相について、現在、前記ハイオンモードであり、前記電流の検出値が、前記ハイゼロ判定値より大きくなった場合に、前記ゼロオンモードに切り替える請求項１から４のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
8. 前記ローゼロ判定値及び前記ハイゼロ判定値の算出に用いる前記余裕時間は、今回の電流の検出時点から、次回の電流の検出時点で検出した電流検出値に基づいて判定した切り替え判定結果によりスイッチング素子をオンオフする時点までの期間である次回オンオフ時間に予め設定されている、又は前記交流回転機の制御装置は、過去の前記次回オンオフ時間に基づいて、前記ローゼロ判定値及び前記ハイゼロ判定値の算出に用いる前記余裕時間を設定する請求項７に記載の交流回転機の制御装置。
9. 前記交流回転機の制御装置は、前記回転角速度、前記電流の振幅、及び前記余裕時間に基づいて、前記判定値としてのゼロロー判定値及びゼロハイ判定値を設定し、
   各相について、現在、前記ゼロオンモードであり、前記電流の検出値が、前記ゼロロー判定値以上になった場合に、前記ローオンモードに切り替え、
   現在、前記ゼロオンモードであり、前記電流の検出値が、前記ゼロハイ判定値以下になった場合に、前記ハイオンモードに切り替える請求項７又は８に記載の交流回転機の制御装置。
10. 前記ゼロロー判定値及び前記ゼロハイ判定値の算出に用いる前記余裕時間は、今回の電流の検出時点から、今回の電流の検出時点で検出した電流検出値に基づいて判定した切り替え判定結果によりスイッチング素子をオンオフする時点までの期間であるオンオフ遅れ時間に予め設定されている、又は前記交流回転機の制御装置は、過去の前記オンオフ遅れ時間に基づいて、前記ゼロロー判定値及び前記ゼロハイ判定値の算出に用いる前記余裕時間を設定する請求項９に記載の交流回転機の制御装置。
11. 前記交流回転機の制御装置は、電気角での前記回転角速度をωｍとし、前記電流の振幅をＩとし、前記余裕時間を、Ｔｍｇとし、
    Ｉ×ｓｉｎ（ωｍ×Ｔｍｇ）
    の式による算出値に基づいて、前記判定値を設定する請求項１から１０のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
12. 前記交流回転機の制御装置は、電気角での前記回転角速度をωｍとし、前記電流の振幅をＩとし、前記余裕時間を、Ｔｍｇとし、
    Ｉ×ωｍ×Ｔｍｇ
    の式による算出値に基づいて、前記判定値を設定する請求項１から１０のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
13. 前記交流回転機の制御装置は、前記回転角速度として、最大の回転角速度を用いる請求項１から１２のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
14. 前記交流回転機の制御装置は、前記電流の振幅として、最大の電流の振幅を用いる請求項１から１２のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
15. 前記交流回転機は、車両用の発電機または発電電動機である請求項１から１４のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。

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