JP7328352B2 - Ｐｗｍインバータ制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流電圧を３相交流電圧に変換して３相交流負荷を駆動するＰＷＭインバータの制御装置および制御方法に関する。
特に、複数のＰＷＭモードを備え、出力電圧や出力周波数に応じてＰＷＭモードを切り替える際の移行技術に関する。

可変速運転する交流電動機（モータ）を駆動するためには、直流電源の供給する直流電力を所望の周波数および電圧の交流電力に変換する必要がある。
一般に、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置（インバータ装置）は、半導体スイッチング素子を用いた主回路と、半導体スイッチング素子を制御する制御装置から構成される。主回路を構成する半導体スイッチング素子を、所定のスイッチング周波数でパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）することによって所望の周波数と電圧を生成している。

鉄道車両の分野においても、半導体スイッチング素子を用いた電力変換装置（インバータ装置）を用いて交流電動機（モータ）を駆動しているが、高耐圧の半導体スイッチング素子を使用していることから、主に素子損失の制約によってスイッチング周波数を抑制せざるを得ない。

このため、鉄道車両の分野では、低速域において駆動周波数（インバータ周波数）とスイッチング周波数が非同期である非同期ＰＷＭモードで駆動し、高速域になると駆動周波数（インバータ周波数）とスイッチング周波数を同期させる同期ＰＷＭモードに切り替える方式を、一般的に採用している。また、複数の同期ＰＷＭモードを備え、速度等に応じて切り替えて使用している例も多い。

しかし、非同期ＰＷＭモードから同期ＰＷＭモードへの切替え、あるいは同期ＰＷＭモード間での切替えには注意が必要であり、何の対策も講じることなしにそのままＰＷＭモードを切り替えると、切替え時にモータ電流が跳ね上がる現象が発生する。

図８は、ＰＷＭモードの切替え時にモータ電流波形が跳ね上がる例を示す図である。このようなモータ電流の跳ね上がりが生じると、トルクショックが発生して車両の乗り心地が悪化する。また、半導体スイッチング素子の最大許容電流を超過すると、半導体スイッチング素子を破壊することも起こり得る。

このようなＰＷＭモードの切替え時にモータ電流が跳ね上がる現象に対して、これまで様々な対応策が講じられてきた。例えば、特許文献１には、インバータのＰＷＭモードの切り替え時に、インバータの出力電流の過渡的変動を防止し負荷への影響を抑制するために、非同期モ－ドと同期モ－ドとを相互に切り替える際に、インバータ出力の過渡変動が最も小さく切り替えられる位相角の範囲に入った相から各相独自にパルス幅変調モ－ドの切り替えを行ない、非同期パルス幅変調電圧発生手段の出力と同期パルス幅変調電圧発生手段の出力のいずれか一方に基づいて、インバータのスイッチング素子を制御する技術が開示されている。

特開平９-２４７９５３号公報

特許文献１を含めた従来技術は、ＰＷＭモードの切替え時にモータ電流が跳ね上がる問題の原因に対する根本的な究明がなく、抜本的な対策ではなかったことから、汎用的に適用できる技術とはいえなかった。すなわち、特定の条件、例えば、あくまで特定のＰＷＭモード間の切替え時のみに成立する技術であったり、特定の、周波数、変調率、モータ定数または電流制御応答などの特定条件下のみで成立する技術であったり、局所的な成功例に過ぎないものであった。

本発明の目的は、ＰＷＭモードの切替え時にモータ電流が跳ね上がる問題に対して、この問題の根本原因を究明し、汎用的に適用できる対策（技術）を提供することにある。

次に、ＰＷＭモードの切替え時にモータ電流が跳ね上がる原因について説明する。
図６は、本発明の制御対象となる主回路構成の一例を示す図である。
図６に示す本発明の制御対象となる主回路は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置（インバータ装置）であって、直流電圧源（図６には図示せず）が供給する直流電圧を安定化させる平滑化コンデンサ８１と、Ｕ相上アームの半導体スイッチング素子８２とＵ相下アームの半導体スイッチング素子８３とから成るＵ相ブリッジ、Ｖ相上アームの半導体スイッチング素子８４とＶ相下アームの半導体スイッチング素子８５とから成るＶ相ブリッジおよびＷ相上アームの半導体スイッチング素子８６とＷ相下アームの半導体スイッチング素子８７とから成るＷ相ブリッジにより構成する３相ブリッジとを備える。そして、この３相ブリッジの入力が平滑化コンデンサ８１に並列接続され、この３相ブリッジの出力が交流電動機８８に接続される。

３相ブリッジの上アームに入力されるゲートパルス信号ＧＰＵ、ＧＰＶおよびＧＰＷは、３相ブリッジの上アームの半導体スイッチング素子８２、８４および８６を駆動し、３相ブリッジの下アームに入力されるゲートパルス信号ＧＮＵ、ＧＮＶおよびＧＮＷは、３相ブリッジの下アームの半導体スイッチング素子８３、８５および８７を駆動する。

図７は、本発明の制御対象に係る負荷の一例であるモータ８８（交流電動機８８）の等価回路を示す図である。
図７において、Ｕ相電圧ｖｕは、抵抗９０、インダクタンス９３および速度起電力ｅｕを模擬した等価電源９６を介して、中性点電位ｖｇに接続される。同様に、Ｖ相電圧ｖｖは、抵抗９１、インダクタンス９４および速度起電力ｅｖを模擬した等価電源９７を介して、また、Ｗ相電圧ｖｗは、抵抗９２、インダクタンス９５および速度起電力ｅｗを模擬した等価電源９８を介して、それぞれ中性点電位ｖｇに接続される。

以下では、数式を用いて、ＰＷＭモードの切替え時にモータ電流が跳ね上がる原因を説明する。
［式１］に示すとおり、３相インバータの出力電圧の平均値は、モータ８８の中性点電位ｖｇに等しくなる。
［式１］ ｖｇ＝(ｖｕ＋ｖｖ＋ｖｗ)／３

次に、モータ８８の磁束φｕ、φｖおよびφｗを［式２］で表す。ここで、ｓはラプラス演算子で、１／ｓは積分を意味する。モータ８８に関して、速度起電力ｅｕ、ｅｖおよびｅｗ、モータ電流ｉｕ、ｉｖおよびｉｗ、抵抗Ｒとする。
［式２］ φｕ＝(ｖｕ－ｖｇ－ｅｕ－Ｒ×ｉｕ)／ｓ
φｖ＝(ｖｖ－ｖｇ－ｅｖ－Ｒ×ｉｖ)／ｓ
φｗ＝(ｖｗ－ｖｇ－ｅｗ－Ｒ×ｉｗ)／ｓ

そこで、モータ８８のインダクタンスをＬとおくと、モータ電流ｉｕ、ｉｖおよびｉｗは、［式３］で表される。
［式３］ ｉｕ＝φｕ／Ｌ
ｉｖ＝φｖ／Ｌ
ｉｗ＝φｗ／Ｌ

してみると、モータ電流ｉｕ、ｉｖおよびｉｗが跳ね上がるということは、すなわち、磁束φｕ、φｖおよびφｗが跳ね上がることに等しい。この磁束φｕ、φｖおよびφｗが跳ね上がる外部要因としては、３相インバータの出力電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗおよびｖｇしかないので、これらの項のみを抽出して考えればよいことになる。［式２］より、３相インバータの出力電圧の項ｖｕ、ｖｖ、ｖｗおよびｖｇのみを抽出し、３相インバータの出力電圧積分値Φｕ、ΦｖおよびΦｗの定義式を、［式４］として示す。
［式４］ Φｕ＝(ｖｕ－ｖｇ)／ｓ
Φｖ＝(ｖｖ－ｖｇ)／ｓ
Φｗ＝(ｖｗ－ｖｇ)／ｓ

図９は、２つの同期ＰＷＭモードとして、同期ＰＷＭIと同期ＰＷＭIIについて、定義式に基づいて求めた電圧積分値Φｕ、ΦｖおよびΦｗを示す図である。
同期ＰＷＭIと同期ＰＷＭIIは、出力周波数、出力電圧振幅および出力電圧位相が等しく、同期パルス数のみ異なる。２つの電圧積分値の基本波成分の大きさは等しいが、高調波成分が異なるため、２つの電圧積分値のカーブは完全には一致しない。ただし、交流量であることから、ゼロクロスするタイミングで２つの電圧積分値のカーブは必ず交差する。

図１０は、同期ＰＷＭモードの切替え時の出力電圧積分値を示す図である。
図１０に示す実線のカーブは、位相６０度で同期ＰＷＭIから同期ＰＷＭIIにＰＷＭモードを切り替えたときの電圧積分値を示す。比較のため、点線のカーブで、同期ＰＷＭIIの電圧積分値を示す。Ｗ相は、位相６０度において電圧積分値が一致しているため、切替え後の電圧積分値も完全に一致している（すなわち、カーブが完全に重なっているために、同期ＰＷＭIIのカーブ（点線）が判別できない）。

一方で、Ｕ相およびＶ相は、電圧積分値が一致していない点で切り替えたため、同期ＰＷＭIIの電圧積分値のカーブに対して直流的な偏りが生じる。Ｕ相は負方向に、Ｖ相は正方向に偏っていることが見て取れる。これは、電圧積分値が一致していないＰＷＭモード間および位相でＰＷＭモードを切り替えると、切替え後の電圧波形が全く同じであっても、電圧積分値は、切替え時の誤差を残したままで解消することはできない。この結果、電圧積分値ΦｕおよびΦｖが偏ると、磁束φｕおよびφｖが偏ることになり、モータ電流ｉｕおよびｉｖも偏ることになる。

以上が、ＰＷＭモードの切替え時にモータ電流が跳ね上がる詳細な原因である。
なお、ＰＷＭモードの切替え時に、電圧積分値Φｕ、ΦｖおよびΦｗが偏り、モータ電流ｉｕ、ｉｖおよびｉｗが偏ることになっても、実際には、モータの磁束φｕ、φｖおよびφｗには、モータ電流ｉｕ、ｉｖおよびｉｗの項があり、自然にアンバランスが解消されるように動作する。

ただし、跳ね上がりの収束に要する時定数はモータの抵抗Ｒに反比例すること、また、近年のモータは高効率化・低損失化が進み、モータの抵抗Ｒが小さくなっているため、時定数は長くなっている。すなわち、ＰＷＭモードの切替え時のモータ電流の跳ね上がりが長時間継続するようになり、問題を大きくしている。

上記課題を解決するために、本発明に係るＰＷＭインバータ制御装置は、その代表的なものとして、ＰＷＭインバータの出力電圧位相指令および出力電圧振幅指令に基づいて第１のＰＷＭモードに対応した第１の変調波および第２のＰＷＭモードに対応した第２の変調波を生成する変調波生成回路と、第１の変調波と第１のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第１のＰＷＭパルスを生成する第１のパルス生成回路と、第２の変調波と第２のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第２のＰＷＭパルスを生成する第２のパルス生成回路と、ＰＷＭインバータの出力周波数指令および出力電圧振幅指令に基づいて第１または第２のＰＷＭモードのいずれかを選択するＰＷＭモード選択信号を生成するＰＷＭモード選択回路と、ＰＷＭモード選択信号に応じて第１のＰＷＭパルスと第２のＰＷＭパルスとを切り替えてＰＷＭインバータの駆動パルスとするパルス切替回路とを備え、ＰＷＭモード選択回路は、ＰＷＭモード選択信号を、第１のＰＷＭパルスが駆動パルスである場合のＰＷＭインバータの出力電圧積分値と、第２のＰＷＭパルスが駆動パルスである場合のＰＷＭインバータの出力電圧積分値とが一致するタイミングで生成することを特徴とする。

本発明によれば、インバータをＰＷＭ制御する際に、あらゆるＰＷＭモード間の切替えに対応して、ＰＷＭモードの切替え時にモータ電流が跳ね上がる現象を抑制することができる。

本発明の実施例１に係る３相ＰＷＭインバータの制御装置の一例を示す図である。 実施例１に係るＰＷＭモード選択回路の構成の一例を示す図である。 本発明の実施例２に係る３相ＰＷＭインバータの制御装置の一例を示す図である 実施例２に係るＰＷＭモード選択回路の構成の一例を示す図である。 実施例２に係るＰＷＭモード選択回路の構成の別の一例を示す図である。 本発明の制御対象となる主回路構成の一例を示す図である。 本発明の制御対象に係る負荷の一例である交流電動機の等価回路を示す図である。 従来技術によるＰＷＭモードの切替え時のモータ電流波形の跳ね上がりを示す図である。 ２つの同期ＰＷＭモードの出力電圧積分値を示す図である。 同期ＰＷＭモードの切替え時の出力電圧積分値を示す図である。 実施例２による動作例（出力電圧積分値）の一例を示す図である。 位相ごとの変調率補正量を示す表である。 本発明を適用した場合のモータ電流波形を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態として、実施例１および２について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る３相ＰＷＭインバータの制御装置の一例を示す図である。
図１に示すＰＷＭインバータ制御装置は、以下の構成要素を備える。
・第１のＰＷＭモードに対応し、出力電圧位相指令θと出力電圧振幅指令Ｙｍｒに基づいて±１２０度離れた３相変調波を生成する変調波生成回路１、２および３
・第２のＰＷＭモードに対応し、出力電圧位相指令θと出力電圧振幅指令Ｙｍｒに基づいて±１２０度離れた３相変調波を生成する変調波生成回路４、５および６
・変調波生成回路１、２および３の出力をそれぞれ入力し、第１のＰＷＭモードに対応した搬送波と比較してゲートパルス信号ＧＰＵ１とＧＮＵ１、ＧＰＶ１とＧＮＶ１およびＧＰＷ１とＧＮＷ１をそれぞれ出力するパルス生成回路８、９および１０
・変調波生成回路４、５および６の出力をそれぞれ入力し、第２のＰＷＭモードに対応した搬送波と比較してゲートパルス信号ＧＰＵ２とＧＮＵ２、ＧＰＶ２とＧＮＶ２およびＧＰＷ２とＧＮＷ２をそれぞれ出力するパルス生成回路１１、１２および１３
・出力電圧振幅指令Ｙｍｒと出力周波数指令Ｆｉｎｖに基づいて、ＰＷＭモード選択信号ＳＷを出力するＰＷＭモード選択回路１４
・ＰＷＭモード選択信号ＳＷに基づき、パルス生成回路８、９および１０とパルス生成回路１１、１２および１３の出力を切り替えて、ＰＷＭインバータのゲートパルス信号ＧＰＵ～ＧＮＷを出力するパルス切替回路７

次に、第１のＰＷＭモードに対応した変調波生成回路１、２および３の動作例を示す。
変調波生成回路１、２および３それぞれは、［式５］に示すように、出力電圧振幅指令Ｙｍｒより関数Ａ１を用いて変調波振幅ａ１を求め、この変調波振幅ａ１と出力電圧位相指令θに対して±１２０度離れた位相におけるｓｉｎ関数との積により、３相変調波ｙｍｕ１、ｙｍｖ１およびｙｍｗ１を生成する。
［式５］ ａ１＝Ａ１(Ｙｍｒ)
ｙｍｕ１＝ａ１×ｓｉｎ(θ)
ｙｍｖ１＝ａ１×ｓｉｎ(θ－２π／３)
ｙｍｗ１＝ａ１×ｓｉｎ(θ＋２π／３)

ここで、関数Ａ１は、第１のＰＷＭモードのパルス数が十分多く、かつ出力電圧振幅指令Ｙｍｒが正弦波変調となる領域（過変調ではない領域、すなわち非飽和領域）では、変調波振幅ａ１は出力電圧振幅指令Ｙｍｒに比例するとみなして、ａ１＝Ａ１(Ｙｍｒ)≒４／π×Ｙｍｒと近似できる。

しかし、変調波が飽和する過変調領域においては、線形近似が成立せず、変調波振幅ａ１と出力電圧振幅指令Ｙｍｒとの関係は非線形特性になるので、この非線形特性を関数Ａ１として実装する。

また、本発明が対象とする電力変換装置（インバータ装置）においては、パルス数が十分でなく、正弦波変調領域であっても近似が成立しない場合がある。この場合には、変調波振幅ａ１と、実際の第１のＰＷＭモードにおけるＰＷＭ波形をフーリエ積分して求めた実際の出力電圧振幅との関係を求め、この逆関数を関数Ａ１として実装する。

同様に、第２のＰＷＭモードに対応した変調波生成回路４、５および６それぞれも、［式６］に示すように、出力電圧振幅指令Ｙｍｒより関数Ａ２を用いて変調波振幅ａ２を求め、この変調波振幅ａ２と出力電圧位相指令θに対して±１２０度離れた位相におけるｓｉｎ関数との積により、３相変調波ｙｍｕ２、ｙｍｖ２およびｙｍｗ２を生成する。
［式６］ ａ２＝Ａ２(Ｙｍｒ)
ｙｍｕ２＝ａ２×ｓｉｎ(θ)
ｙｍｖ２＝ａ２×ｓｉｎ(θ－２π／３)
ｙｍｗ２＝ａ２×ｓｉｎ(θ＋２π／３)
ここで、関数Ａ２は、関数Ａ１と同様にして求める。

第１のＰＷＭモードに対応したパルス生成回路８、９および１０は、第１のＰＷＭモードの３相変調波ｙｍｕ１、ｙｍｖ１およびｙｍｗ１を入力し、第１のＰＷＭモードに対応した搬送波と比較して、ＰＷＭのゲートパルス信号ＧＰＵ１とＧＮＵ１、ＧＰＶ１とＧＮＶ１およびＧＰＷ１とＧＮＷ１を出力する。一般的に、パルス生成回路８、９および１０の搬送波位相は同位相である。

また、３相各相のＰＷＭのゲートパルス信号として、Ｕ相のＧＰＵ１とＧＮＵ１、Ｖ相のＧＰＶ１とＧＮＶ１およびＷ相のＧＰＷ１とＧＮＷ１は、それぞれアーム短絡を防止するためのデッドタイム（両方ともオフしている期間）を除き、いずれかの信号がオンしている相補信号である。

第２のＰＷＭモードに対応したパルス生成回路１１、１２および１３は、第２のＰＷＭモードの３相変調波ｙｍｕ２、ｙｍｖ２およびｙｍｗ２を入力し、第２のＰＷＭモードに対応した搬送波と比較してＰＷＭのゲートパルス信号ＧＰＵ２とＧＮＵ２、ＧＰＶ２とＧＮＶ２およびＧＰＷ２とＧＮＷ２を出力する。

先の第１のＰＷＭモードに対応したパルス生成回路８、９および１０と同様に、パルス生成回路１１、１２および１３の搬送波位相も一般的に同位相で、３相各相のＰＷＭのゲートパルス信号として、Ｕ相のＧＰＵ２とＧＮＵ２、Ｖ相のＧＰＶ２とＧＮＶ２およびＷ相のＧＰＷ２とＧＮＷ２は、それぞれアーム短絡を防止するためのデッドタイム（両方ともオフしている期間）を除き、いずれかの信号がオンしている相補信号である。

図２は、実施例１に係るＰＷＭモード選択回路１４の構成の一例を示す図である。
図２に示すＰＷＭモード選択回路１４は、以下の構成要素を備える。
・第１のＰＷＭモードの３相変調波ｙｍｕ１、ｙｍｖ１およびｙｍｗ１を入力し、それぞれ第１のＰＷＭ波形を出力するＰＷＭ波形演算器２１、２２および２３
・第２のＰＷＭモードの３相変調波ｙｍｕ２、ｙｍｖ２およびｙｍｗ２を入力し、それぞれ第２のＰＷＭ波形を出力するＰＷＭ波形演算器２４、２５および２６
・ＰＷＭ波形演算器２１、２２および２３の出力を入力し、第１のＰＷＭ波形の平均値を求める平均値演算器２７
・ＰＷＭ波形演算器２４、２５および２６の出力を入力し、第２のＰＷＭ波形の平均値を求める平均値演算器２８
・ＰＷＭ波形演算器２１、２２および２３の出力から、平均値演算器２７の出力を差し引く減算器２９、３０および３１
・ＰＷＭ波形演算器２４、２５および２６の出力から、平均値演算器２８の出力を差し引く減算器３２、３３および３４
・減算器２９、３０および３１の出力をそれぞれ積分する積分器３５、３６および３７
・減算器３２、３３および３４の出力をそれぞれ積分する積分器３８、３９および４０
・積分器３５、３６および３７の出力と積分器３８、３９および４０の出力をそれぞれ比較し、第１のＰＷＭモード側の積分器（３５、３６および３７）と第２のＰＷＭモード側の積分器（３８、３９および４０）のそれぞれ対応する２つ積分器の出力値が一致もしくはその偏差が許容範囲内に収まる場合は真、そうでない場合は偽を出力する比較器４１、４２および４３
・比較器４１、４２および４３の出力の論理積を求める論理積（ＡＮＤ）ゲート４４
・出力電圧振幅指令Ｙｍｒ、出力周波数指令Ｆｉｎｖおよび論理積ゲート４４の出力により、ＰＷＭモード選択信号ＳＷを出力するＰＷＭモード選択信号生成器４５

ここで、ＰＷＭモード選択信号生成器４５は、出力電圧振幅指令Ｙｍｒおよび出力周波数指令Ｆｉｎｖに基づいて、第１のＰＷＭモードまたは第２のＰＷＭモードを選択するＰＷＭモード選択信号ＳＷを、論理積ゲート４４の出力が真である場合に切り替えて出力する。また、２つのＰＷＭモード間を短期間で往来しないように、２つのＰＷＭモード間の遷移領域にはヒステリシス幅を設ける。

以上のように、ＰＷＭモード選択信号ＳＷの切替えに当たって、論理積ゲート４４の出力が真である場合とは、比較器４１、４２および４３の出力が全て真となるタイミングであって、すなわち、第１のＰＷＭモードに対応する第１のＰＷＭ波形の積分値（すなわち電圧積分値）と第２のＰＷＭモードに対応する第２のＰＷＭ波形の積分値（すなわち電圧積分値）とが３相全ての相で一致するか許容範囲内の差であるから、ＰＷＭモードの切替えにおいて、モータ電流の跳ね上がりを抑制することが可能となる。

次に、本発明の実施例２について説明する。
図３は、本発明の実施例２に係る３相ＰＷＭインバータの制御装置の一例を示す図である。
図３に示すＰＷＭインバータ制御装置は、以下の構成要素を備える。ただし、図１に示す実施例１に係る３相ＰＷＭインバータの制御装置と同じ構成要素の説明は省略し、異なる構成要素についてのみ説明する。
・出力電圧振幅指令Ｙｍｒと出力周波数指令Ｆｉｎｖに基づいてＰＷＭモード選択信号ＳＷと変調率補正量Δｙｍｕ、ΔｙｍｖおよびΔｙｍｗを出力するＰＷＭモード選択回路１５
・変調波生成回路１、２および３の出力ｙｍｕ１、ｙｍｖ１およびｙｍｗ１それぞれに対して、ＰＷＭモード選択回路１５が出力する変調率補正量Δｙｍｕ、ΔｙｍｖおよびΔｙｍｗを加算する加算器１６、１７および１８

また、パルス生成回路８、９および１０それぞれは、変調波生成回路１、２および３の出力ｙｍｕ１、ｙｍｖ１およびｙｍｗ１ではなく加算器１６、１７および１８のそれぞれの出力を入力し、第１のＰＷＭモードに対応した搬送波と比較してゲートパルス信号ＧＰＵ１とＧＮＵ１、ＧＰＶ１とＧＮＶ１およびＧＰＷ１とＧＮＷ１を出力する。

図４は、実施例２に係るＰＷＭモード選択回路１５の構成の一例を示す図である。
図４に示すＰＷＭモード選択回路１５が備える構成要素について、以下では、図２に示す実施例１に係るＰＷＭモード選択回路１４と異なる部分についてのみ説明し、同じ部分についての説明は省略する。
・積分器３５、３６および３７の出力と積分器３８、３９および４０の出力との差分をそれぞれ求める減算器５０、５１および５２
・出力電圧振幅指令Ｙｍｒと出力周波数指令Ｆｉｎｖにより、ＰＷＭモード選択信号ＳＷおよびＰＷＭモード切替信号ＣＨＧを出力するＰＷＭモード選択信号生成器５４
・ＰＷＭモード切替信号ＣＨＧが有効のときは、減算器５０、５１および５２の出力を変調率補正量Δｙｍｕ、ΔｙｍｖおよびΔｙｍｗとして出力し、ＰＷＭモード切替信号ＣＨＧが無効のときはゼロを出力するスイッチ５３

また、ＰＷＭモード選択信号生成器５４は、出力電圧振幅指令Ｙｍｒと出力周波数指令Ｆｉｎｖに応じて、第１のＰＷＭモードもしくは第２のＰＷＭモードを選択するＰＷＭモード選択信号ＳＷを出力するが、２つのＰＷＭモード間を短期間で往来しないように、２つのＰＷＭモード間の遷移領域にはヒステリシス幅を設ける。さらに、ＰＷＭモード切替信号ＣＨＧは、通常は無効であり、第１のＰＷＭモードから第２のＰＷＭモードに切り替わる直前のみ有効となる。

図１１は、本発明の実施例２による動作例（出力電圧積分値）の一例を示す図である。
図１１では、ＰＷＭモード選択信号ＳＷは、位相６０度以前はＬｏｗレベルであって、第１のＰＷＭモードである同期ＰＷＭIである、また、位相６０度以後はＨｉｇｈレベルとなって、第２のＰＷＭモードである同期ＰＷＭIIであることを示す。
また、ＰＷＭモード切替信号ＣＨＧは、通常はＬｏｗレベルであり無効であることを示し、位相６０度の直前のみＨｉｇｈレベルとなって有効であることを示す。

図１１において、位相６０度の時点で、同期ＰＷＭIから同期ＰＷＭIIにＰＷＭモードの切替えを行った際の電圧積分値を実線で示す。比較のために、本発明の実施例２を適用しなかった場合の電圧積分値を点線で示す。
本発明の実施例２を適用しなかった場合、図１０に示したように、Ｕ相電圧積分値は負方向に偏り、Ｖ相電圧積分値は正方向に偏っていた。一方、図１１に示すように、実施例２に係る構成により、位相６０度の時点で、ＰＷＭモードの切替え直前に、Ｕ相では電圧積分値を正方向に補正することによって、Ｕ相電圧積分値のアンバランスを解消している。同様に、Ｖ相については、電圧積分値を負方向に補正することによって、Ｖ相電圧積分値のアンバランスを解消している。なお、Ｗ相は、位相６０度では電圧積分値が一致しているので、補正なしとなる。

なお、実施例２では、同期ＰＷＭIから同期ＰＷＭIIへの切替え直前に補正量を加えている。これは、実施例２では、同期ＰＷＭIの方が同期ＰＷＭIIよりも同期パルス数が多いので、パルス数が多い側で補正量を加えた方が、より正確に電圧積分値をコントロールできるためである。

図１３は、本発明を適用した場合のモータ電流波形を示す図である。図８に示すモータ電流波形と異なり、同期ＰＷＭIから同期ＰＷＭIIへの切替えはスムーズに行われ、モータ電流の跳ね上がりは起きていない。
なお、同期ＰＷＭIの区間に比べて、同期ＰＷＭIIの区間の方が電流振幅が大きくなっているのは、同期ＰＷＭIに比べて同期ＰＷＭIIの方は同期パルス数が減っていることから、スイッチングリップルが大きくなっているためである。

図５は、図３に示す実施例２に係るＰＷＭモード選択回路１５の構成の別の一例を示す図である。
図５に示すＰＷＭモード選択回路１５は、ＰＷＭモード選択信号生成器５５が、ＰＷＭモード選択信号ＳＷおよびＰＷＭモード切替信号ＣＨＧを、出力電圧振幅指令Ｙｍｒと出力周波数指令Ｆｉｎｖと減算器５０、５１および５２の出力との３つの信号に基づいて出力する点において、図４に示すＰＷＭモード選択回路１５のＰＷＭモード選択信号生成器５４と異なる。

ＰＷＭモード選択信号生成器５５は、出力電圧振幅指令Ｙｍｒと出力周波数指令Ｆｉｎｖとに応じて、第１のＰＷＭモードもしくは第２のＰＷＭモードを選択する信号を出力する。ただしその際に、２つのＰＷＭモード間を短期間で往来しないように、２つのＰＷＭモード間の遷移領域にはヒステリシス幅を設ける。さらに、減算器５０、５１および５２の出力の中でいずれか一相がゼロまたはゼロとみなせる許容範囲内に収まる場合にのみ、ＰＷＭモード選択信号ＳＷを切り替えるものである。また、ＰＷＭモード切替信号ＣＨＧは、通常は無効であり、第１のＰＷＭモードから第２のＰＷＭモードに切り替わる直前にのみ有効となる。

図１２は、位相ごとの変調率補正量を示す表である。
図９に示すように、３相の電圧積分値の内、６０度の整数倍の位相でいずれかの相は必ずゼロクロスする。３相の電圧積分値の総和は必ずゼロになるので、残りの２相の和も必ずゼロになる。ＰＷＭモードの切替え前後のいずれのＰＷＭモードでも同様であるから、電圧積分値の差である変調率補正量もいずれか一相はゼロになり、残りの２相の和も必ずゼロとなる。ここで、変調率補正量については、＋ΔＶと－ΔＶとする。

図１２に示すように、例えば、位相６０度のとき、Ｗ相の変調率補正量はゼロとなり、Ｕ相の変調率補正量は＋ΔＶ、Ｖ相の変調率補正量は－ΔＶとなる。このように、６０度の整数倍の位相では、変調率補正量はゼロまたは±ΔＶのいずれかの値となる。

図９と照らし合わせると、Ｕ相の電圧積分値は、位相０度ではゼロであり、位相６０度における２つのＰＷＭモードの電圧積分値の差が変調率補正量ΔＶとなる。これは、電圧積分値の演算においては、無限時間に渡って積分動作を行う必要はなく、６０度ごとにゼロの状態から積分を行えばよいことを示している。積分器が長時間動作すると、わずかな演算誤差が蓄積してアンバランスの要因になりかねないが、本発明の構成においては、積分器を６０度ごとにリセットすることでその問題を解消することができる。

１、２、３ 第１のＰＷＭモードの変調波生成回路
４、５、６ 第２のＰＷＭモードの変調波生成回路
７ パルス切替回路（セレクタ）
８、９、１０ 第１のＰＷＭモードのパルス生成回路
１１、１２、１３ 第２のＰＷＭモードのパルス生成回路
１４、１５ ＰＷＭモード選択回路
１６、１７、１８ 加算器
２１、２２、２３ 第１のＰＷＭモードのＰＷＭ波形演算器
２４、２５、２６ 第２のＰＷＭモードのＰＷＭ波形演算器
２７、２８ 平均値演算器
２９、３０、３１、３２、３３、３４ 減算器
３５、３６、３７、３８、３９、４０ 積分器
４１、４２、４３ 比較器
４４ 論理積（ＡＮＤ）ゲート
４５ ＰＷＭモード選択信号生成器
５０、５１、５２ 加算器
５３ スイッチ
５４、５５ ＰＷＭモード選択信号生成器
８１ 平滑化コンデンサ
８２、８４、８６ ３相ブリッジの上アームの半導体スイッチング素子
８３、８５、８７ ３相ブリッジの下アームの半導体スイッチング素子
８８ モータ（交流電動機）
９０、９１、９２ 抵抗Ｒ
９３、９４、９５ インダクタンスＬ
９６、９７、９８ 速度起電力の等価電源

Claims (10)

1. ＰＷＭインバータの出力電圧位相指令および出力電圧振幅指令に基づいて第１のＰＷＭモードに対応した第１の変調波および第２のＰＷＭモードに対応した第２の変調波を生成する変調波生成回路と、
   前記第１の変調波と前記第１のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第１のＰＷＭパルスを生成する第１のパルス生成回路と、
   前記第２の変調波と前記第２のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第２のＰＷＭパルスを生成する第２のパルス生成回路と、
   前記ＰＷＭインバータの出力周波数指令および前記出力電圧振幅指令に基づいて前記第１または前記第２のＰＷＭモードのいずれかを選択するＰＷＭモード選択信号を生成するＰＷＭモード選択回路と、
   前記ＰＷＭモード選択信号に応じて前記第１のＰＷＭパルスと前記第２のＰＷＭパルスとを切り替えてＰＷＭインバータの駆動パルスとするパルス切替回路と
   を備え、
   前記ＰＷＭモード選択回路は、
   前記ＰＷＭモード選択信号を、前記第１のＰＷＭパルスを前記駆動パルスとした場合の前記ＰＷＭインバータの出力電圧積分値と、前記第２のＰＷＭパルスを前記駆動パルスとした場合の前記ＰＷＭインバータの出力電圧積分値とが一致するタイミングで生成する
   ことを特徴とするＰＷＭインバータ制御装置。
2. ＰＷＭインバータの出力電圧位相指令および出力電圧振幅指令に基づいて第１のＰＷＭモードに対応した第１の変調波および第２のＰＷＭモードに対応した第２の変調波を生成する変調波生成回路と、
   前記第１の変調波と前記第１のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第１のＰＷＭパルスを生成する第１のパルス生成回路と、
   前記第２の変調波と前記第２のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第２のＰＷＭパルスを生成する第２のパルス生成回路と、
   前記ＰＷＭインバータの出力周波数指令および前記出力電圧振幅指令に基づいて前記第１または前記第２のＰＷＭモードのいずれかを選択するＰＷＭモード選択信号を生成するＰＷＭモード選択回路と、
   前記ＰＷＭモード選択信号に応じて前記第１のＰＷＭパルスと前記第２のＰＷＭパルスとを切り替えて前記ＰＷＭインバータの駆動パルスとするパルス切替回路と
   を備え、
   前記ＰＷＭモード選択回路は、
   前記第１の変調波から第１のＰＷＭ波形を演算し当該第１のＰＷＭ波形を積分する第１の演算器と、前記第２の変調波から第２のＰＷＭ波形を演算し当該第２のＰＷＭ波形を積分する第２の演算器とを有し、
   前記ＰＷＭモード選択信号を、前記第１の演算器の出力と前記第２の演算器の出力とが一致するタイミングで生成する
   ことを特徴とするＰＷＭインバータ制御装置。
3. 請求項２に記載のＰＷＭインバータ制御装置であって、
   前記ＰＷＭインバータは、３相ＰＷＭインバータであり、
   前記第１および前記第２の変調波は、それぞれ３相分の変調波であり、
   前記第１の演算器は、前記第１の変調波から３相各相のＰＷＭ波形を求め、当該３相各相のＰＷＭ波形それぞれから当該３相各相のＰＷＭ波形の平均値を減算することで、前記第１のＰＷＭ波形を演算し、
   前記第２の演算器は、前記第２の変調波から３相各相のＰＷＭ波形を求め、当該３相各相のＰＷＭ波形それぞれから当該３相各相のＰＷＭ波形の平均値を減算することで、前記第２のＰＷＭ波形を演算し、
   前記ＰＷＭモード選択信号は、前記第１の演算器の３相分の出力と前記第２の演算器の３相分の出力とが３相各相で全て一致するまたは許容範囲内の偏差であるタイミングで生成される
   ことを特徴とするＰＷＭインバータ制御装置。
4. ＰＷＭインバータの出力電圧位相指令および出力電圧振幅指令に基づいて第１のＰＷＭモードに対応した第１の変調波および第２のＰＷＭモードに対応した第２の変調波を生成する変調波生成回路と、
   変調率補正量を所定のタイミングで加算した前記第１の変調波と前記第１のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第１のＰＷＭパルスを生成する第１のパルス生成回路と、
   前記第２の変調波と前記第２のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第２のＰＷＭパルスを生成する第２のパルス生成回路と、
   前記ＰＷＭインバータの出力周波数指令および前記出力電圧振幅指令に基づいて前記第１または前記第２のＰＷＭモードのいずれかを選択するＰＷＭモード選択信号および前記変調率補正量を生成するＰＷＭモード選択回路と、
   前記ＰＷＭモード選択信号に応じて前記第１のＰＷＭパルスと前記第２のＰＷＭパルスとを切り替えてＰＷＭインバータの駆動パルスとするパルス切替回路と
   を備え、
   前記ＰＷＭモード選択回路は、
   前記第１の変調波から第１のＰＷＭ波形を演算し当該第１のＰＷＭ波形を積分する第１の演算器と、前記第２の変調波から第２のＰＷＭ波形を演算し当該第２のＰＷＭ波形を積分する第２の演算器と、前記第１の演算器の出力と前記第２の演算器の出力との差に応じた前記変調率補正量を出力する第３の演算器とを有し、
   前記所定のタイミングは、前記ＰＷＭモード選択信号に応じて前記第１のＰＷＭモードと前記第２のＰＷＭモードとを切り替える直前のタイミングである
   ことを特徴とするＰＷＭインバータ制御装置。
5. 請求項４に記載のＰＷＭインバータ制御装置であって、
   前記ＰＷＭインバータは、３相ＰＷＭインバータであり、
   前記第１および前記第２の変調波は、それぞれ３相分の変調波であり、
   前記第１の演算器は、前記第１の変調波から３相各相のＰＷＭ波形を求め、当該３相各相のＰＷＭ波形それぞれから当該３相各相のＰＷＭ波形の平均値を減算することで、前記第１のＰＷＭ波形を演算し、
   前記第２の演算器は、前記第２の変調波から３相各相のＰＷＭ波形を求め、当該３相各相のＰＷＭ波形それぞれから当該３相各相のＰＷＭ波形の平均値を減算することで、前記第２のＰＷＭ波形を演算し、
   前記第３の演算器は、３相の前記第１の演算器の前記出力それぞれから３相の前記第２の演算器の前記出力を減算して３相の前記変調率補正量を出力する
   ことを特徴とするＰＷＭインバータ制御装置。
6. 請求項５に記載のＰＷＭインバータ制御装置であって、
   前記ＰＷＭモード選択回路は、前記３相のいずれか１相の前記変調率補正量がゼロまたはゼロとみなせる許容範囲内に収まる場合に、前記ＰＷＭモード選択信号を生成する
   ことを特徴とするＰＷＭインバータ制御装置。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載のＰＷＭインバータ制御装置であって、
   前記第１のＰＷＭモードと前記第２のＰＷＭモードとの遷移領域にはヒステリシス幅を設ける
   ことを特徴とするＰＷＭインバータ制御装置。
8. ＰＷＭインバータの出力電圧位相指令および出力電圧振幅指令に基づいて第１のＰＷＭモードに対応した第１の変調波および第２のＰＷＭモードに対応した第２の変調波を生成する変調波生成ステップと、
   前記第１の変調波と前記第１のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第１のＰＷＭパルスを生成し、前記第２の変調波と前記第２のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第２のＰＷＭパルスを生成するパルス生成ステップと、
   前記ＰＷＭインバータの出力周波数指令および前記出力電圧振幅指令に基づいて前記第１もしくは前記第２のＰＷＭモードのいずれかを選択するＰＷＭモード選択信号を、前記第１のＰＷＭパルスを前記ＰＷＭインバータの駆動パルスとした場合の前記ＰＷＭインバータの出力電圧積分値と、前記第２のＰＷＭパルスを前記ＰＷＭインバータの駆動パルスとした場合の前記ＰＷＭインバータの出力電圧積分値とが一致するタイミングで生成するＰＷＭモード選択ステップと、
   前記ＰＷＭモード選択信号に応じて前記第１のＰＷＭパルスと前記第２のＰＷＭパルスとを切り替えて前記ＰＷＭインバータを駆動する駆動ステップと
   を有するＰＷＭインバータ制御方法。
9. ＰＷＭインバータの出力電圧位相指令および出力電圧振幅指令に基づいて第１のＰＷＭモードに対応した第１の変調波および第２のＰＷＭモードに対応した第２の変調波を生成する変調波生成ステップと、
   前記第１の変調波と前記第１のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第１のＰＷＭパルスを生成し、前記第２の変調波と前記第２のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第２のＰＷＭパルスを生成するパルス生成ステップと、
   前記ＰＷＭインバータの出力周波数指令および前記出力電圧振幅指令に基づいて前記第１または前記第２のＰＷＭモードのいずれかを選択するＰＷＭモード選択信号を生成するＰＷＭモード選択ステップと、
   前記ＰＷＭモード選択信号に応じて前記第１のＰＷＭパルスと前記第２のＰＷＭパルスとを切り替えて前記ＰＷＭインバータを駆動する駆動ステップと
   を有し、
   前記ＰＷＭモード選択ステップは、
   前記第１の変調波から算出した第１のＰＷＭ波形を積分して第１の積分値を演算し、前記第２の変調波から算出した第２のＰＷＭ波形を積分して第２の積分値を演算する演算ステップと、
   前記第１の積分値と前記第２の積分値とが一致するタイミングで前記ＰＷＭモード選択信号を生成するステップとから成る
   ことを特徴とするＰＷＭインバータ制御方法。
10. ＰＷＭインバータの出力電圧位相指令および出力電圧振幅指令に基づいて第１のＰＷＭモードに対応した第１の変調波および第２のＰＷＭモードに対応した第２の変調波を生成する変調波生成ステップと、
    前記第１の変調波と前記第１のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第１のＰＷＭパルスを生成し、前記第２の変調波と前記第２のＰＷＭモードに対応した搬送波とを比較して第２のＰＷＭパルスを生成するパルス生成ステップと、
    前記ＰＷＭインバータの出力周波数指令および前記出力電圧振幅指令に基づいて前記第１または前記第２のＰＷＭモードのいずれかを選択するＰＷＭモード選択信号を生成するＰＷＭモード選択ステップと、
    前記第１の変調波から算出した第１のＰＷＭ波形を積分して第１の積分値を演算し、前記第２の変調波から算出した第２のＰＷＭ波形を積分して第２の積分値を演算し、前記第１の積分値と前記第２の積分値との差を変調率補正量として演算し、当該変調率補正量を、前記第１の変調波に対して、前記ＰＷＭモード選択信号に応じて前記第１のＰＷＭモードと前記第２のＰＷＭモードとを切り替える直前のタイミングで加算する演算ステップと、
    前記ＰＷＭモード選択信号に応じて前記第１のＰＷＭパルスと前記第２のＰＷＭパルスとを切り替えて前記ＰＷＭインバータを駆動する駆動ステップと
    を有するＰＷＭインバータ制御方法。

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