JPWO2017141539A1 - インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

インバータ制御装置（１０）は、インバータ（３）の直流母線（５）の電流値を検出する電流検出部（１１）と、電流値検出タイミングにて、電流値を取得する検出電流格納部（１２）と、交流電流値を復元する相電流演算部（１３）と、交流電流値と回転速度指令値に基づいて指令電圧ベクトルを生成する指令電圧ベクトル生成部（１４）と、補正された指令電圧ベクトルを生成する補正指令電圧ベクトル生成部（１５）と、スイッチングタイムを設定し検出電流格納部（１２）とインバータ制御部（１７）に出力するスイッチングタイム設定部（１６）と、で構成され、スイッチング周期の１／２を単位周期として、ｎ周期（ｎは、２以上の自然数）において、そのベクトルの合計が零ベクトルとなる複数の電圧ベクトルを印加して、補正された指令電圧ベクトルを生成する。これにより、電流リプルの発生を抑えることで、うなり音の発生の低減が可能となる。

Description

本発明は、回転機、特に、電動機に用いられる直流電力を交流電力に変換するインバータを制御するインバータ制御装置に関するものである。

従来、直流電力を交流電力に変換して相電流を用いたフィードバック制御により電動機を駆動する電力変換装置では、相電流の検出手段が必要であるが、コスト低減のために電力変換器と電動機の間に電流センサを設けるのではなく、電力変換器（インバータ）の直流母線から検出した電流値により、電動機電流（相電流）を復元する方法が提案されている。

例えば、特許文献１のインバータ制御装置においては、インバータの三相電圧が追従すべき電圧のベクトルであって、三相の各相電圧の合成電圧のベクトルからなる電圧指令ベクトルを作成する電圧指令ベクトル作成手段と、作成された前記電圧指令ベクトルを補正する電圧指令ベクトル補正手段とを備え、補正後の前記電圧指令ベクトルに従って前記インバータを制御すると共に、前記電圧指令ベクトル補正手段は、当該電圧指令ベクトル補正手段によって補正された後の前記電圧指令ベクトルが、前記電流検出区間において前記三相電流が検出不可能な領域外のベクトルとなるように補正し、キャリア周期内の電流非検出区間においては、前記電流検出区間における補正を打ち消す逆補正を行うことが開示されている。これにより、キャリア周期内において電流検出を行う必要のない電流非検出区間において、電流検出区間で電流検出のために行った電圧指令ベクトルの補正を打ち消す逆補正を行い、補正に伴う相電流の歪みを軽減することが可能となる。

また、特許文献２の３相電圧型ＰＷＭインバータ装置においては、指令電圧ベクトルを作成可能な６０度位相が異なる２つの基本電圧ベクトル成分Ｖ４，Ｖ５を、１ＰＷＭ周期をなす第１の期間内に出力すると共に、前記基本電圧ベクトル成分に対しそれぞれ１８０度位相が異なる２つの基本電圧ベクトル成分Ｖ１，Ｖ２を、第１の期間に連続する１ＰＷＭ周期をなす第２の期間内に出力する。よって、変調度が小さい場合や出力電圧ベクトルの位相が単一の基本電圧ベクトルに近い位相となる状態においても十分な長さのパルス幅となり、高精度に電流検出を行うことができる。これにより、変調度が小さい場合や単一の基本電圧ベクトルの位相に近い場合等においても高精度に電流検出が可能となる。

特開２０１２−１７８９２７号公報 特開２００５−１２９３４号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２のインバータ制御方法では、電流検出が可能な変調率領域が増える一方で、低速駆動時など指令電圧の変調率が小さい領域では、常に指令電圧ベクトル成分が小さくなり、電流検出を行う区間が確保できなくなるため、電流検出を行うための電圧ベクトルを印加する必要がある。
また、各スイッチング周期の印加電圧を指令電圧と同じにするために補償電圧ベクトルを必要とする。そのため、電流リプルが増大し、騒音発生の要因となる。更に、これら二つの特許文献では、印加する電圧が指令電圧に依存して決定されるため、各制御周期で検出される相は、電圧指令によって決定され、選択することは出来ず、指令電圧の大小関係が切り替わる箇所においては、検出精度が低下するという課題があった。また、三相の指令電圧の電圧最大相と電圧最小相の電流リプルが大きく、電圧中間相の電流リプルが小さくなる。すなわち、三相電圧指令に依存して周期的な電流リプルの変化が発生し、電動機を駆動する周波数の６倍周期のうなり音が騒音として発生するという課題があった。

さらに、特許文献２のインバータ装置では、スイッチング周期の２周期に一度しか三相交流電流を復元することが出来ず、キャリア周波数が小さくスイッチング周期が長いときに電流検出精度の低下を招くという課題もあった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、三相電圧指令に依存することなく直流母線から検出された二相分の電流値に基づいて三相交流電流値の復元を可能にすることで、各制御周期で検出を行う相を設定することが可能となり、常に同じ相を検出する等の処理を行うことで、検出精度の向上を図ることが可能となり、また、騒音となるうなり音を低減することが可能なインバータ制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のインバータ制御装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータのスイッチング素子を所定のスイッチングタイムにより制御するインバータ制御部と、前記インバータに直流電力を供給する直流電源の電流値を検出する電流検出部と、前記スイッチングタイムに基づいて、電流値検出タイムを設定すると共に、前記電流検出部から前記電流値を取得、格納保持する検出電流格納部と、前記検出電流格納部から復元に必要な相数分の前記電流値から前記インバータで生成された交流電流値を演算し復元する相電流演算部と、復元された前記交流電流値と回転速度指令値に基づいて指令電圧ベクトルを生成する指令電圧ベクトル生成部と、前記指令電圧ベクトルに基づいて補正された指令電圧ベクトルを生成する補正指令電圧ベクトル生成部と、前記補正された指令電圧ベクトルに基づいて、前記スイッチングタイムを設定し、前記インバータ制御部及び前記検出電流格納部に出力するスイッチングタイム設定部と、を備え、前記補正指令電圧ベクトル生成部は、前記インバータのスイッチング周期の１／２を単位周期として、前記単位周期のｎ周期（ｎは、２以上の自然数）において、ｎが３以上の時は、そのベクトルの合計が零ベクトルとなる複数の電圧ベクトルを印加し、ｎが２の時は、前記単位周期の４周期において、そのベクトルの合計が零ベクトルとなる複数の電圧ベクトルを印加して、前記補正された指令電圧ベクトルを生成することを特徴とするものである。

本発明のインバータ制御装置によれば、スイッチング周期の１／２を単位周期とし、ｎを３以上の自然数としたｎ周期において、少なくとも２周期で検出用の電圧ベクトルの合計が零ベクトルとなるように印加し、それ以外の周期においては、指令電圧ベクトルに基づいた電圧ベクトルを印加する電流値検出区間の設定を行っているため、指令電圧ベクトルに依存することなく、各制御周期で検出を行う相を設定することが可能となり、これにより、ｋをｎ以下の自然数とし、ｎ周期中のｋ番目に印加する電圧ベクトルを常に同じとすることにより、電流脈動の大きさが周期的に変化することに由来する騒音となるうなり音を低減することができるという効果がある。

実施の形態１に係るインバータ制御装置を含むモータ制御システムの概略構成図である。 実施の形態１における電流検出部により直流母線から電流値を取得する電流検出タイムを設定する手順を説明するための図である。 実施の形態１における補正指令電圧ベクトル生成部において印加する電圧ベクトルの例を説明する図である。 実施の形態１における各周期で印加する電圧ベクトルの例を説明する図である。 実施の形態１における印加する電圧ベクトルの切替えの一例を示す図である。 実施の形態１における指令電圧ベクトル及び印加する電圧ベクトルとスイッチングタイムとの関係を説明する図である。 実施の形態１におけるインバータの出力電流波形を示す図である。 従来技術のインバータの出力電流波形を示す図である。 実施の形態１に係るインバータ制御装置のハードウエア構成を示す図である。 実施の形態２に係るインバータ制御装置を含むモータ制御システムの概略構成図である。 実施の形態２における指令電圧ベクトル及び印加する電圧ベクトルとスイッチングタイムとの関係を説明する図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るインバータ制御装置を含むモータ制御システムの概略構成図である。図２は、電流検出部により直流母線から電流値を取得する電流値検出タイムを設定する手順を説明するための図である。図３は、補正指令電圧ベクトル生成部において印加する電圧ベクトルの例を説明する図である。図４は、各周期で印加する電圧ベクトルの例を説明する図である。図５は、印加する電圧ベクトルの切替えの一例を示す図である。図６は、指令電圧ベクトル及び印加する電圧ベクトルとスイッチングタイムとの関係を説明する図である。図７は、インバータの出力電流波形を示す図である。

図１に示すように、実施の形態１におけるモータ制御システム１は、回転機である電動機２と、電動機２に三相の交流電流値を供給するインバータ３と、インバータ３に直流電力を供給する直流電源４と、直流電源４とインバータ３とを通電接続する直流母線５と、インバータ３を制御するインバータ制御装置１０と、で構成されている。

ここで、インバータ３は、上アーム３１（正極側）のスイッチング素子３１ｓと下アーム３２（負極側）のスイッチング素子３２ｓを対とする３組（三相分）と、これら各相のスイッチング素子３１ｓ，３２ｓのそれぞれに逆並列に接続されたダイオード３１ｄ，３２ｄと、から構成されており、インバータ制御装置１０により、各相のスイッチング素子３１ｓ，３２ｓを導通／遮断（オン／オフ）制御することで、直流電源４から供給された直流電力が三相交流電力へ変換される。この三相交流電力により負荷である電動機２を駆動する。なお、スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチング素子が一般的に使用される。

また、図１に示すように、インバータ制御装置１０は、直流母線５に流れる電流値を検出する電流検出部１１と、設定された電流値検出タイムで電流検出部１１から電流値Ｉｄｃを取得、格納保持する検出電流格納部１２と、検出電流格納部１２に格納された二相分の電流値ＩｄｃＡ，ＩｄｃＢから電動機２に流れている三相の交流電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを演算し復元する相電流演算部１３と、復元された三相の交流電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと外部から指示される回転速度指令値Ｗｒｅｆに基づいて目標とする三相の指令電圧ベクトルＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する指令電圧ベクトル生成部１４と、指令電圧ベクトル生成部１４で生成された三相の指令電圧ベクトルＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗを現在の三相の指令電圧ベクトルＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗと比較して補正された三相の指令電圧ベクトルＶｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’を生成する補正指令電圧ベクトル生成部１５と、補正指令電圧ベクトル生成部１５で補正された三相の指令電圧ベクトルＶｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’に基づいてスイッチング素子３１ｓ，３２ｓを駆動するスイッチングタイムを設定するスイッチングタイム設定部１６と、スイッチングタイム設定部１６で設定されたスイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎ，Ｓｖｎ，Ｓｕｎにより三相のスイッチング素子３１ｓ，３２ｓのゲートにオン／オフの制御信号Ｇｕｕ，Ｇｖｕ，Ｇｗｕを、三相のスイッチング素子３２ｓのゲートにオン／オフの制御信号Ｇｕｌ，Ｇｖｌ，Ｇｗｌをそれぞれ出力するインバータ制御部１７と、で構成されている。

次に、図１に示すインバータ制御装置１０を構成する各部のそれぞれの機能について説明する。
電流検出部１１は、直流母線５の経路に設置された電流値を検出するための電流検出素子を備えたものである。電流検出素子としては、例えば、ホールセンサ、抵抗またはカレントトランス等で、電流検出素子の両端電圧あるいは出力電圧を必要に応じて増幅器及びバッファ等を介して検出する。なお、図１では、直流電源４の低電圧（負極）側に電流検出素子が設けられている例を示したが、高電圧（正極）側に電流検出素子が設けられている場合でもよく、本実施の形態の動作に影響を与えるものでは無い。

検出電流格納部１２は、後で説明するスイッチングタイム設定部１６で設定される電流値検出タイムＴａ，Ｔｂで、電流検出部１１から電流値Ｉｄｃを取得して格納保持するものであり、後で説明する検出された二相分の電流値ＩｄｃＡ，ＩｄｃＢを保持している。

相電流演算部１３は、検出電流格納部１２に格納されている直流母線５から検出された二相分の電流値ＩｄｃＡ，ＩｄｃＢを使用して、電動機２に流れている三相の交流電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを演算し、復元する。なお、ここでは、後で説明する補正指令電圧ベクトル生成部１５から出力される補正された三相の指令電圧ベクトルＶｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’を用いて、三相の交流電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの演算を行う。

指令電圧ベクトル生成部１４は、外部からの指示による回転速度指令値Ｗｒｅｆと相電流演算部１３で復元された三相の交流電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとに基づいて、設定されたスイッチング周期毎にインバータ３の駆動目標となる新たな三相の指令電圧ベクトルＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成し、更新する。

補正指令電圧ベクトル生成部１５は、指令電圧ベクトル生成部１４で生成された三相の指令電圧ベクトルＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗに対して、電流値検出が可能となる大きさを有する二相分の電流値検出用の電圧ベクトルＶａ及びこの電圧ベクトルＶａを打ち消すための電圧ベクトルＶｂを印加して、補正された三相の指令電圧ベクトルＶｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’を生成し、スイッチングタイム設定部１６に出力する。また、この新たに補正された三相の指令電圧ベクトルＶｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’は、相電流演算部１３にも出力、使用される。

スイッチングタイム設定部１６は、補正指令電圧ベクトル生成部１５で生成された補正された三相の指令電圧ベクトルＶｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’に基づいて、インバータ３を構成するスイッチング素子３１ｓ，３２ｓを駆動するスイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎ，Ｓｖｎ，Ｓｕｎを設定し、この設定されたスイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎ，Ｓｖｎ，Ｓｕｎで、スイッチング素子３１ｓ，３２ｓのゲートにオン／オフの制御信号を出力することで、インバータ３を駆動する。

検出電流格納部１２は、スイッチングタイム設定部１６で設定されたスイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎ，Ｓｖｎ，Ｓｕｎを用いて電流値検出タイムＴａ，Ｔｂを設定し、この設定された電流値検出タイムＴａ，Ｔｂにおいて、電流検出部１１で検出された直流母線５の電流値ＩｄｃＡ，ＩｄｃＢを取得し、格納保持する。

また、インバータ制御部１７は、スイッチングタイム設定部１６で設定されたスイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎ，Ｓｖｎ，Ｓｕｎで、上側のアームのスイッチング素子３１ｓのゲートには、オン／オフの制御信号Ｇｕｕ，Ｇｖｕ，Ｇｗｕを出力する。同時に、下側のアームのスイッチング素子３２ｓのゲートには、上側のアームのスイッチング素子３１ｓとは逆のオン／オフの制御信号Ｇｕｌ，Ｇｖｌ，Ｇｗｌを出力する。

次に、インバータ制御装置１０の動作について、図１から図６を参照して説明する。
図２は、上側のアームを構成するスイッチング素子３１ｓのスイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐから電流値検出タイムＴａ，Ｔｂを設定する手順を説明するための図である。ここで、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）は、各相の上側のアームを構成するスイッチング素子３１ｓのスイッチ状態を示し、それぞれ、電圧最大相（Ｕ相）のスイッチ状態、電圧中間相（Ｖ相）のスイッチ状態、電圧最小相（Ｗ相）のスイッチ状態を示す。また、図２（ｄ）は、直流母線５の電流値を、図２（ｅ）は、電流値検出タイムＴａ，Ｔｂを、図２（ｆ）は、スイッチング素子３１ｓ，３２ｓのスイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎ，Ｓｖｎ，Ｓｕｎを示す。

スイッチングタイム設定部１６は、スイッチング素子３１ｓのスイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐを用いて、電流値検出タイムＴａ，Ｔｂを設定する。直流母線５から二相分の電流値ＩｄｃＡ，ＩｄｃＢを検出するためには、三相の上アームのスイッチング素子３１ｓのスイッチ状態が全てオン、もしくは全てオフではない区間、すなわち、非零ベクトルのスイッチ状態の区間である電流値検出区間から二種類選択し、その区間で検出を行う必要がある。従って、電流値ＩｄｃＡ，ＩｄｃＢを検出する電流値検出タイムＴａ，Ｔｂは、電圧中間相（Ｖ相）のスイッチング素子３１ｓのスイッチングタイムに依存して設定される。補正指令電圧ベクトル生成部１５で生成される補正された三相の指令電圧ベクトルＶｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’の内、大きいものから順に電圧最大相、電圧中間相、電圧最小相と定義する。例えば、図２では、Ｖｕ’が電圧最大相（Ｕ相）、Ｖｖ’が電圧中間相（Ｖ相）、Ｖｗ’が電圧最小相（Ｗ相）である場合を示す。

なお、図２（ａ），図２（ｂ）、図２（ｃ）では、各相の上側のアームを構成するスイッチング素子３１ｓのスイッチ状態を示したが、下側のアームを構成するスイッチング素子３２ｓのスイッチ状態は、上側のスイッチ状態とは逆の状態となる。すなわち、電圧最大相（Ｕ相）の上アームのスイッチング素子３１ｓがオン（導通）のときは、電圧最大相（Ｕ相）の下アームのスイッチング素子３２ｓは、オフ（遮断）の状態となる。

二相分の検出された電流値ＩｄｃＡ，ＩｄｃＢの内、最初に現れる非零電圧ベクトル期間中に検出される直流母線５の電流値をＩｄｃＡ、二番目に現れる非零電圧ベクトル期間中に検出される直流母線５の電流値をＩｄｃＢとする。電流値ＩｄｃＡの電流値検出タイムである図２中のＴａは、電圧中間相（Ｖ相）のスイッチング素子３１ｓのスイッチングタイムＳｖｐから所定時間Ｔ１前に設定される。ここで、Ｔ１は、電流値検出に必要な時間よりも長い時間に設定される。続いて、電流値ＩｄｃＢの電流値検出タイムである図２中のＴｂは、Ｔａから所定時間Ｔ２後に設定される。ここで、Ｔ２は、インバータ３において直列接続されたスイッチング素子３１ｓ，３２ｓ対が、同時に導通されることを避けるために設けられるデッドタイム区間を考慮し、また、直流母線５の電流値Ｉｄｃは、スイッチング素子３１ｓ，３２ｓのオン、オフ動作に伴う電圧急変により電流が振動する場合があり、その電流の振動も考慮して設定する必要がある。

図２は、この一例を示したものであり、スイッチング素子３１ｓのスイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐの非零電圧ベクトル区間におけるスイッチング素子３１ｓのオン、オフ動作に伴う電圧急変により電流が振動して電流値検出が不可能となる区間（以下、電流値検出不可区間Ｔｉと称す。）と電流値検出可能区間Ｔｐが記載されている。従って、Ｔ２は、Ｔｂが電流値検出不可区間Ｔｉにかからないように設定される。このとき、ＩｄｃＡは、電圧最大相（Ｕ相）の電流値、ＩｄｃＢは、電圧最小相（Ｗ相）の電流値を示す。この二相分の電流値から相電流演算部１３で電圧中間相（Ｖ相）の電流値を算出するが、ＩｄｃＡとＩｄｃＢの電流値検出タイムの差を可能な限り短く設定する。これは、非零電圧ベクトルにより、電動機２に電流が流れ、直流母線５の電流値も変化するため、ＴａとＴｂが離れていると、電圧中間相（Ｖ相）の電流値検出精度が低下するためである。

また、図２では、スイッチング周期Ｔ内に四つある非零電圧ベクトル期間の内の前半の二つの非零電圧ベクトル期間で電流値検出を行う例を示したが、後半の二つ非零電圧ベクトル期間で電流値検出を行う場合であってもよく、同様の処理を行う。この場合におけるＩｄｃＡは、三番目の非零電圧ベクトル期間中に検出される直流母線５の電流値を示し、ＩｄｃＢは、四番目の非零電圧ベクトル期間中に検出される直流母線５の電流値を示すことになる。このとき、ＩｄｃＡは電圧最小相（Ｗ相）の電流値、ＩｄｃＢは電圧最大相（Ｕ相）の電流値を示すこととなる。

相電流演算部１３は、検出電流格納部１２に格納されている二相分の検出された電流値ＩｄｃＡとＩｄｃＢから三相の交流電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを復元する役割を持つ。指令電圧ベクトル生成部１４で生成された三相の指令電圧ベクトルＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて、二相の電流値の符号を判定する。残りの一相の電流値は、三相の電流値の総和がゼロであることを利用すれば、既に符号が判定された二相の電流値ＩｄｃＡ，ＩｄｃＢから容易に求めることが出来る。以上の演算により、求められている電動機２に流れる三相の交流電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを復元することが可能となる。この演算された三相の交流電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、例えば、指令電圧ベクトル生成部１４における三相の指令電圧ベクトルの更新（生成）処理に利用したり、電動機２の出力監視に用いたりするなど、各部の制御処理などに利用される。

指令電圧ベクトル生成部１４は、インバータ３が出力する目標となる三相の指令電圧ベクトルＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する役割を持つ。電動機２の制御方法により様々な指令電圧ベクトル生成法が知られているが、本発明の本質ではないので、ここでは、説明を省略する。

補正指令電圧ベクトル生成部１５は、指令電圧ベクトル生成部１４で生成された指令電圧ベクトルＶ（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）に電圧ベクトルを印加する役割を持つ。ここで、印加される電圧ベクトルは、二相分の電流値検出区間の確保を可能とする電圧ベクトルであり、この電圧ベクトルは、例えば、それぞれ異なる電圧ベクトルＶａ，Ｖｂであるが、スイッチング周期の１／２を単位周期とし、単位周期ｎ周期で印加する電圧ベクトルＶａとＶｂの合計が、零ベクトルとなる条件を満たす必要がある。更に、スイッチング周期の各周期で印加する電圧ベクトルＶａ，Ｖｂは、スイッチングにおけるロスを減らすため、連続する基本電圧ベクトルＶ１（１００）からＶ６（１０１）の合成ベクトルであることが望ましい。

なお、ここで、基本電圧ベクトルの括弧内の３つの数字は、上アームのスイッチング素子３１ｓの場合では、左からＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各スイッチング素子３１ｓのスイッチ状態を表わし、“１”はオンを、“０”はオフをそれぞれ表す。例えば、Ｖ１（１００）は、Ｕ相のスイッチング素子３１ｓがオンで、他の相のスイッチング素子３１ｓがオフであることを表わしている。下アームのスイッチング素子３２ｓの場合でも同様である。

ここで、図３を参照して印加する電圧ベクトルの一例について説明する。図３では、説明を簡単にする為に単位周期ｎを３として考える。図３（ａ）に示す単位周期の１周期目では、指令電圧ベクトルＶに基づいて非零電圧ベクトルであるＶ１（１００），Ｖ２（１１０）を出力し、図３（ｂ）に示す単位周期の２周期目では、電流値検出区間を確保するための電圧ベクトルＶａとして、Ｖ２（１１０），Ｖ３（０１０）を出力する。また、図３（ｃ）に示す単位周期の３周期目では、電流値検出区間を確保するための電圧ベクトルＶｂとして、単位周期の２周期目の電圧ベクトルＶａを打ち消すように、Ｖ５（００１），Ｖ６（１０１）を出力する。従って、この単位周期の３周期で指令電圧ベクトルＶ以外に印加する電圧ベクトルＶａとＶｂとの合計は、零ベクトルであるため、電流検出区間を確保するための電圧ベクトルＶａ，Ｖｂを印加した後の指令電圧ベクトルＶは、単位周期の３周期合計で見ると電圧ベクトルＶａ，Ｖｂを印加する前の指令電圧ベクトルＶと一致することになる。

図４に、各単位周期での指令電圧ベクトルＶと出力電圧ベクトルＶｏの関係について一例を示す。図４（ａ）は、単位周期をｎとした場合の１周期目からｎ周期目までの指令電圧ベクトルＶと出力電圧ベクトルＶｏの関係を、図４（ｂ）は、ｎ＋１周期目からｎ＋ｎ周期目までの指令電圧ベクトルＶと出力電圧ベクトルＶｏの関係を示す。１周期目からｎ周期目までの単位周期において、ｋ周期目にＶ６とＶ１を合成した電圧ベクトルを印加し、ｍ周期目にＶ４とＶ５を合成した電圧ベクトルを印加し、ｎ周期目にＶ２とＶ３を合成した電圧ベクトルを印加する。上記で述べた通り、１周期目からｎ周期目までの単位周期の間に印加する電圧ベクトルの合計は、零ベクトルとなるので、１周期目の出力電圧ベクトルＶｏは、指令電圧ベクトルＶと同じとなる。また、同様に、ｎ＋１周期目からｎ＋ｎ周期目までの単位周期において、ｋ周期目にＶ６とＶ１を合成した電圧ベクトルを印加し、ｍ周期目にＶ４とＶ５を合成した電圧ベクトルを印加し、ｎ周期目にＶ２とＶ３を合成した電圧ベクトルを印加する。ｎ＋１周期目からｎ周期目までの単位周期の間に印加する電圧ベクトルの合計は、零ベクトルとなるので、ｎ＋１周期目の出力電圧ベクトルＶｏは、指令電圧ベクトルＶと同じとなる。但し、１周期目の出力電圧ベクトルＶｏとｎ＋１周期目の出力電圧ベクトルＶｏの値は異なる。すなわち、単位周期の間に印加する電圧ベクトルの合計は、零ベクトルであり、また、ｎ周期毎にｋ番目の周期とｎ＋ｋ番目の周期では、常に同じ電圧ベクトルを印加する。すなわち、指令電圧ベクトルＶに依存しない電圧ベクトルを印加することとなる。

図５に、印加する電圧ベクトルの切替えの一例を示す。図４で示したようにｎ周期中のｋ周期目に印加する電圧ベクトル（Ｖ６とＶ１を合成した電圧ベクトル）は、常に同じ電圧ベクトルを印加するが、駆動周期よりも大きい周期、例えば、インバータ３が動作を停止し、次に再開するようなタイミングで動作停止前とは、異なる電圧ベクトル（Ｖ４とＶ５を合成した電圧ベクトル）を印加する。切替えられた電圧ベクトルは、また、図４で示したようにｎ周期毎に常に同じ電圧ベクトルを印加する。

このように、補正指令電圧ベクトル生成部１５は、指令電圧ベクトル生成部１４で生成された三相の指令電圧ベクトルＶに対して、電流値検出が可能となる大きさを有する二相分の電流値検出用の電圧ベクトルＶａ及びこの電圧ベクトルＶａを打ち消すための電圧ベクトルＶｂを印加して、補正された三相の指令電圧ベクトルＶｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’を生成する。

スイッチングタイム設定部１６は、補正指令電圧ベクトル生成部１５で生成された補正された三相の指令電圧ベクトルＶｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’に基づいて、スイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ，Ｓｕｎ，Ｓｖｎ，Ｓｗｎを設定する役割を持つ。図６は、指令電圧ベクトル及び印加する電圧ベクトルとスイッチングタイムとの関係を説明する図である。図６では、図３で生成された１周期目の指令電圧ベクトルＶに基づいて、スイッチングタイムＳｕｐ〜Ｓｗｎを設定する場合の一例を示す。図６において、図６（ａ）は、出力電圧ベクトルＶｏを、図６（ｂ）は、印加する電圧ベクトルＶａを、図６（ｃ）は、指令電圧ベクトルＶを、図６（ｄ）は、出力電圧ベクトルＶｏを示す。また、図２と同様に、図６（ｅ）、図６（ｆ）、図６（ｇ）は、各相の上側のアームのスイッチング素子３１ｓのゲートのスイッチの状態を示し、それぞれ、電圧最大相（Ｕ相）のスイッチ状態、電圧中間相（Ｖ相）のスイッチ状態、電圧最小相（Ｗ相）のスイッチ状態を示す。下側のアームのスイッチング素子３２ｓのゲートのスイッチの状態は、上側のアームのスイッチング素子３１ｓのゲートのスイッチ状態とは逆の状態となる。図６（ｈ）は、スイッチング素子３１ｓ，３２ｓのスイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎ，Ｓｖｎ，Ｓｕｎを示す。

ここで、図６（ｄ）に示すように、単位周期のｎ周期内において、指令電圧ベクトルＶ（図６（ｃ））と印加する電圧ベクトルＶａ（図６（ｂ））は、別々に出力される。図６（ｄ）において、出力電圧ベクトルＶｏ欄の括弧内の数字は、基本電圧ベクトルを示す。なお、“０”はＶ０（０００）を表わし、三相のスイッチング素子３１ｓが全てオフの状態を、“７”はＶ７（１１１）を表わし、三相のスイッチング素子３１ｓが全てオンの状態であることをそれぞれ示している。図６の例では、まず、三相のスイッチング素子３１ｓが全てオフの状態から、印加する電圧ベクトルＶａに基づいてＶ相のスイッチング素子３１ｓがオンの状態に、Ｕ相のスイッチング素子３１ｓがオンの状態に、続いて、三相のスイッチング素子３１ｓが全てオンの状態に、さらに、指令電圧ベクトルＶに基づいて、Ｗ相のスイッチング素子３１ｓがオフの状態に、Ｖ相及びＷ相のスイッチング素子３１ｓがオフの状態に、最後に、三相のスイッチング素子３１ｓが全てオフの状態になる。

したがって、図６（ｄ）に示すように、三相に印加する電圧ベクトルＶａに基づいて、出力されたスイッチング用のパルス状電圧の区間が、直流母線５の電流値検出区間となる。また、スイッチング周期内で指令電圧ベクトルＶと印加する電圧ベクトルＶａは、別々に出力されるため、各スイッチング周期における印加する電圧ベクトルＶａの出力区間で、電流値検出が可能となり、各スイッチング周期で三相の交流電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの復元が可能となる。

インバータ制御部１７は、スイッチングタイム設定部１６で設定されたスイッチングタイムＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ，Ｓｕｎ，Ｓｖｎ，Ｓｗｎにより、上側のアームの三相のスイッチング素子３１ｓのゲートには、オン／オフの制御信号Ｇｕｕ，Ｇｖｕ，Ｇｗｕを、また、下側のアームの三相のスイッチング素子３２ｓのゲートには、上側のアームの三相のスイッチング素子３１ｓとは、反転されたオン／オフの制御信号Ｇｕｌ，Ｇｖｌ，Ｇｗｌをそれぞれ出力し、インバータ３により出力される相電流を制御する。

本実施の形態のインバータ制御装置による相電流の出力波形の例を図７に示す。また、特許文献１に示された従来のインバータ制御方法による相電流の出力波形を図８に示す。ここでは、特許文献１に示された技術と本実施の形態による技術の効果を比較するため、スイッチング周波数２ｋＨｚ、周波数指令０．５Ｈｚで駆動した場合における相電流の波形を示している。図７から明らかなように、従来技術で発生していた周期的な電流リプルの変化（図８の丸で囲まれた部分）が、本実施の形態では低減されていることが分かる。

したがって、直流母線の電流値検出区間を確保するのに必要な最低限の電圧ベクトルのみを印加することで、指令電圧ベクトルの大小関係に依存した補償電圧を必要とせず、また、上記印加する電圧ベクトルも指令電圧ベクトルに依存せずに設定されるため、各制御周期で検出を行う相を設定することが可能となる。これにより、例えば、常に同じ相の電流値を検出し、検出精度の向上を図ることが可能となる。また、ｎ周期毎のｋ番目に印加する電圧ベクトルを一定とすることで、指令電圧ベクトルの大小関係に関わらず、電流リプルの形状が一定となり、周期的な変化が発生しない。周期的な電流リプルの変化を無くすことで、電動機２を駆動する周波数の６倍の周波数のうなり音を無くすことが可能となる。また、駆動周期よりも大きい周期でｋ番目に印加する電圧ベクトルを切り替えることで、同じスイッチングを繰り返し行うことによる各スイッチング素子の消耗を防ぐことも可能となる。

このように、実施の形態１に係るインバータ制御装置では、スイッチング周期の１／２を単位周期とし、ｎを３以上の自然数としたｎ周期において、少なくとも２周期で電流値検出用に印加する電圧ベクトルの合計が零ベクトルとなるように設定し、それ以外の周期においては、指令電圧ベクトルに基づいた電圧ベクトルを印加することにより電流値検出区間の設定を行っているため、指令電圧ベクトルに依存することなく、各制御周期で検出を行う相を設定することが可能となり、これにより、ｋをｎ以下の自然数とし、ｎ周期中のｋ番目に印加する電圧ベクトルを常に同じとすることにより、電流脈動の大きさが周期的に変化することに由来する騒音となるうなり音を低減することができるという効果がある。

なお、図９は、実施の形態１に係るインバータ制御装置のハードウエア構成を示すもので、インバータ制御装置１０は、プロセッサ５０、記憶装置５１及び電流センサ５２で構成され、上述した各部の機能はこれらにより実現される。例えば、記憶装置５１には、制御用のプログラムの他、演算により得られたデータ、検出電流値、三相の指令電圧ベクトル等の各種データが保存格納されている。プロセッサ５０は、記憶装置５１に格納されている本実施の形態の動作を実行する上で必要なそれぞれのプログラム及びデータを用いて演算を行う。電流検出素子である電流センサ５２は、直流母線５から電流値を取得する。記憶装置５１は、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備している。また、不揮発性の補助記憶装置として、フラッシュメモリの代わりにハードディスク等の補助記憶装置を具備していてもよい。

実施の形態２．
図１０は、実施の形態２に係るインバータ制御装置を含むモータ制御システムの概略構成図である。図１１は、指令電圧ベクトル及び印加する電圧ベクトルとスイッチングタイミムとの関係を説明する図である。実施の形態２に係るインバータ制御装置と実施の形態１に係るインバータ制御装置との相違点は、図１０に示すように実施の形態２のモータ制御システム９におけるインバータ制御装置２０では、検出電流格納部１２が検出電流格納部２２に、相電流演算部１３が相電流演算部２３にそれぞれ変更されている点である。他の構成要素は、実施の形態１の図１と同様であるので説明を省略する。

上記実施の形態１では、図６に示すようにｎを３以上とし、スイッチング周期の１／２である単位周期ｎ周期で印加する電圧ベクトルの出力区間で電流値検出を行う場合について説明したが、実施の形態２では、ｎが２の時の電流値検出を行う場合について説明する。ｎを２とした場合、印加する電圧ベクトルの出力区間が一つしかないため、図１１に示すようにスイッチング周期を前半と後半の二つに分割して、スイッチング周期毎に前半と後半交互に電流値検出用の電圧ベクトルを印加するものである。

次に、本実施の形態２に係るインバータ制御装置２０の動作について、図１０及び図１１を参照して説明する。
実施の形態１では、図６で示したように、スイッチング周期の１／２の単位周期の１周期毎に指令電圧ベクトルＶと電流値検出区間を確保するために印加する電圧ベクトルＶａを別々に出力しているが、単位周期ｎ周期で出力電圧ベクトルＶｏを指令電圧ベクトルＶと同じにする必要がある。そのため、印加する電圧ベクトルＶａ，Ｖｂを印加するために単位周期が少なくとも２周期必要となり、指令電圧ベクトルＶを出力するための最低１単位周期と合わせると単位周期が３周期必要となる。実施の形態２では、図１１で示すように、スイッチングタイム設定部１６で単位周期２周期のうち、一方を指令電圧ベクトルＶ、他方を電流値検出区間を確保するために印加する電圧ベクトルＶａを出力する。また、上記指令電圧ベクトルＶと印加する電圧ベクトルＶａ，Ｖｂの別々の出力を、スイッチング周期の１周期毎に出力する順番を入れ替える。それに伴い、電流値検出の位置も１周期毎に入れ替わる。このようにすることで、１周期目に印加した電流値検出用に印加する電圧ベクトルＶａを２周期目で印加した電流値検出用に印加する電圧ベクトルＶｂで打ち消すことが可能となり、実施の形態１のように打ち消し用に印加する電圧ベクトルＶｂがｎ周期内で不要となり、単位周期２周期での指令電圧ベクトルＶと電流値検出区間を確保するために印加する電圧ベクトルＶａ，Ｖｂの出力が可能となる。

検出電流格納部２２では、直近のスイッチング周期の２周期分の検出された電流値ＩｄｃＡ，ＩｄｃＢ，ＩｄｃＣ，ＩｄｃＤを取得、格納する機能を持ち、相電流演算部２３では、上記四つの検出された電流値からスイッチング周期の２周期分の三相の交流電流値Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１，Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２を算出し、平均化された三相の交流電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを出力する機能を持つ。このように、直近のスイッチング周期の２周期の電流値検出位置を変え、その平均値を出力することで電流リプルの影響の小さい高精度な電流検出が可能となる。

このように、実施の形態２に係るインバータ制御装置では、単位周期２周期のうち、一方を指令電圧ベクトル、他方を電流値検出区間を確保するために印加する電圧ベクトルを出力することにより、電流値検出区間の設定を行っているため、指令電圧ベクトルに依存することなく、各制御周期で検出を行う相を設定することが可能となり、これにより、２周期中の１番目に印加する電圧ベクトルを常に同じとすることにより、電流脈動の大きさが周期的に変化することに由来する騒音となるうなり音をさらに低減することができるという効果がある。

なお、本発明に係るインバータ制御装置として、様々な電動機などの回転機を駆動するシステムに広く対応するモータ制御システムに有用であり、特に、低い三角搬送波周波数かつ指令電圧変調率が低い領域で駆動を行うモータ制御システムに適している。

また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

また、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１，９ モータ制御システム、２ 電動機、３ インバータ、４ 直流電源、５ 直流母線、１０ インバータ制御装置、１１ 電流検出部、３１ｓ，３２ｓ スイッチング素子、３１ｄ，３２ｄ ダイオード、１２，２２ 検出電流格納部、１３，２３ 相電流演算部、１４ 指令電圧ベクトル生成部、１５ 補正指令電圧ベクトル生成部、１６ スイッチングタイム設定部、１７ インバータ制御部、５０ プロセッサ、５１ 記憶装置、５２ 電流センサ

Claims (8)

1. 直流電力を交流電力に変換するインバータのスイッチング素子を所定のスイッチングタイムにより制御するインバータ制御部と、
   前記インバータに直流電力を供給する直流電源の電流値を検出する電流検出部と、
   前記スイッチングタイムに基づいて、電流値検出タイムを設定すると共に、前記電流検出部から前記電流値を取得、格納保持する検出電流格納部と、
   前記検出電流格納部から復元に必要な相数分の前記電流値から前記インバータで生成された交流電流値を演算し復元する相電流演算部と、
   復元された前記交流電流値と回転速度指令値に基づいて指令電圧ベクトルを生成する指令電圧ベクトル生成部と、
   前記指令電圧ベクトルに基づいて補正された指令電圧ベクトルを生成する補正指令電圧ベクトル生成部と、
   前記補正された指令電圧ベクトルに基づいて、前記スイッチングタイムを設定し、前記インバータ制御部及び前記検出電流格納部に出力するスイッチングタイム設定部と、を備え、
   前記補正指令電圧ベクトル生成部は、前記インバータのスイッチング周期の１／２を単位周期として、前記単位周期のｎ周期（ｎは、２以上の自然数）において、ｎが３以上の時は、そのベクトルの合計が零ベクトルとなる複数の電圧ベクトルを印加し、ｎが２の時は、前記単位周期の４周期において、そのベクトルの合計が零ベクトルとなる複数の電圧ベクトルを印加して、前記補正された指令電圧ベクトルを生成することを特徴とするインバータ制御装置。
2. 前記ｎ周期が３周期以上であり、少なくともその２周期において、それぞれ前記復元に必要な相数分の前記電流値の検出区間の確保が可能となる大きさを有する前記複数の電圧ベクトルを印加することを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. ｋをｎ以下の自然数として、前記ｎ周期のｋ番目の周期に印加される前記電圧ベクトルが、ｎ周期単位で同じ電圧ベクトルであることを特徴とする請求項２に記載のインバータ制御装置。
4. 前記ｋ番目の周期に印加される前記電圧ベクトルは、前記ｎ周期よりも大きい場合に、異なる電圧ベクトルに切替えることを特徴とする請求項３に記載のインバータ制御装置。
5. 前記ｎ周期が２周期であり、前半周期及び後半周期の一方において、前記復元に必要な相数分の前記電流値の検出区間の確保が可能となる大きさを有する前記複数の電圧ベクトルを印加すると共に、異なる前記ｎ周期毎において、前記前半周期と前記後半周期とで交互に前記複数の電圧ベクトルを印加することを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
6. 前記前半周期に印加される前記電圧ベクトルが、２ｎ周期単位で同じ電圧ベクトルであり、前記後半周期に印加される前記電圧ベクトルが、２ｎ周期単位で同じ電圧ベクトルであることを特徴とする請求項５に記載のインバータ制御装置。
7. 前記前半周期及び前記後半周期の一方において、印加する前記複数の電圧ベクトルは、前記ｎ周期よりも大きい場合に異なる値を持つ電圧ベクトルに切替えることを特徴とする請求項６に記載のインバータ制御装置。
8. 異なる前記ｎ周期で検出された前記復元に必要な相数分の前記電流値のそれぞれの平均値を前記電流値とすることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。

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