WO2019220484A1

WO2019220484A1 - 交流回転電機の制御装置

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Publication number: WO2019220484A1
Application number: PCT/JP2018/018487
Authority: WO
Inventors: 信吾原田; 圭一榎木; 望上岡; 良雅西島; 良輔重松; 大塚　和彦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2019-11-21
Anticipated expiration: 2020-11-14

Abstract

複数の巻線を短絡させる巻線短絡制御を開始した後、ｄ軸電流が負方向に増加して、永久磁石の不可逆減磁が発生することを抑制できる交流回転電機の制御装置を提供する。巻線短絡モードであると判定している場合であって、平滑コンデンサ（１２）の端子間電圧（ＶＤＣ）が、第１判定電圧（Ｖｔｈ１）を下回り、且つ、巻線電流に基づく電流の絶対値が判定電流を上回った場合に、全てのスイッチング素子をオフにする全相開放制御を開始し、端子間電圧（ＶＤＣ）が、第２判定電圧（Ｖｔｈ２）を上回った場合に、正極側及び負極側の一方側の全てのスイッチング素子をオンし、正極側及び負極側の他方側の全てのスイッチング素子をオフにする巻線短絡制御を開始する交流回転電機の制御装置（１）。

Description

交流回転電機の制御装置

　本開示は、ｎ相（ｎは２以上の自然数）の巻線を設けたステータと永久磁石を設けたロータとを有する交流回転電機を制御する交流回転電機の制御装置に関するものである。

　周知のように、電気自動車、ハイブリッド自動車等の電動車両は、車輪の駆動源としての交流回転電機を搭載している。そしてこの交流回転電機に接続されるインバータは、直流電源からの直流電力を、交流回転電機に供給する交流電力に変換する第１の電力変換機能と、交流回転電機が発生する交流電力を、直流電源を充電するための直流電力に変換する第２の電力変換機能と、を有している。インバータがこうした電力変換機能を実現するために、インバータには、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等のスイッチング素子により構成された電力変換回路が設けられている。通常、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子は、予め定められた耐電圧を超える電圧が印加されると、耐電圧破壊を起こして破損する可能性がある。そのため、スイッチング素子に印加される電圧を、スイッチング素子の耐電圧を超えないように抑制する必要がある。

　例えば、ロータに永久磁石からなる界磁磁極を備えた永久磁石式同期回転電機は、回転速度が上昇するに伴って、３相巻線に誘起される誘起電圧が上昇する。従って、永久磁石式同期回転電機を車両の駆動源として搭載した電動車両の場合、インバータに設けられているスイッチング素子に印加される電圧を、スイッチング素子の耐圧を超えないように抑制する電圧抑制装置が設けられている。

　特許文献１に開示された従来の装置では、電動機の誘起電圧に基づいて、スイッチング素子に印加される電圧が所定値以上になると判定した場合に、直流電源の正極側に接続される各相の正極側のスイッチング素子の全てをオン状態とし、又は、直流電源の負極側に接続される各相の負極側のスイッチング素子の全てをオン状態とすることで３相の巻線を短絡状態とし、３相の巻線とインバータとの間で電流を還流させて、スイッチング素子に印加される電圧を低下させるように構成されている。

特開平９－４７０５５号公報

　しかしながら、巻線短絡制御を開始した後、定常状態になるまで、過渡的に巻線電流が変動する。この時、ｄ軸電流が、一時的に負方向に大幅に増加する場合がある。ｄ軸電流が負方向に増加すると、永久磁石の磁束を弱める方向に作用する３相巻線の回転磁界の成分が大きくなる。ｄ軸電流が所定値よりも負方向に増加し、弱め磁界成分が所定値より大きくなると、永久磁石に不可逆的な減磁が生じ、交流回転電機の駆動能力が低下する可能性がある。よって、永久磁石の不可逆減磁の発生を抑制するために、巻線短絡制御を開始した後、ｄ軸電流が、所定値よりも負方向に増加することを抑制する必要がある。

　そこで、複数の巻線を短絡させる巻線短絡制御を開始した後、ｄ軸電流が負方向に増加して、永久磁石の不可逆減磁が発生することを抑制できる交流回転電機の制御装置が望まれる。

　本開示に係る交流回転電機の制御装置は、ｎ相（ｎは２以上の自然数）の巻線を設けたステータと永久磁石を設けたロータとを有する交流回転電機を制御する交流回転電機の制御装置であって、
　直流電源の正極側に接続される正極側のスイッチング素子と前記直流電源の負極側に接続される負極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巻線に接続される直列回路を、前記ｎ相の各相に対応してｎセット設けたインバータと、
　前記インバータの正極側と負極側との間に接続される平滑コンデンサと、
　前記平滑コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出部と、
　前記ｎ相の巻線に流れる巻線電流を検出する電流検出部と、
　前記スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、を備え、
　前記スイッチング制御部は、
　前記ｎ相の巻線を相互に短絡させる巻線短絡モードであるか否かを判定し、
　前記巻線短絡モードであると判定している場合であって、
　前記端子間電圧が、予め設定された第１判定電圧を下回り、且つ、前記巻線電流に基づく電流の絶対値が予め設定された判定電流を上回った場合に、正極側及び負極側の全ての前記スイッチング素子をオフにする全相開放制御を開始し、
　前記端子間電圧が、前記第１判定電圧以上の値に予め設定された第２判定電圧を上回った場合に、正極側及び負極側の一方側の全ての前記スイッチング素子をオンし、正極側及び負極側の他方側の全ての前記スイッチング素子をオフにする巻線短絡制御を開始するものである。

　本開示に係る交流回転電機の制御装置によれば、巻線短絡モードであると判定している場合であって、端子間電圧が第１判定電圧を下回り、且つ、電流の絶対値が判定電流を上回った場合に、巻線短絡制御から全相開放制御に切り替えられて、全てのスイッチング素子がオフになると、相間の巻線電流の還流が停止し、巻線電流の絶対値が減少する。よって、ｄ軸電流の負方向の増加が抑制され、永久磁石の不可逆減磁の発生を抑制できる。

　一方、全相開放制御により全てのスイッチング素子がオフになった時、ｎ相の巻線の誘起電圧が高い場合は、端子間電圧が上昇する。電流の絶対値が判定電流を上回っていても、端子間電圧が第１判定電圧を下回っていない場合は、全相開放制御に切り替えられないので、端子間電圧が高い状態で全相開放制御に切り替えられて、端子間電圧がスイッチング素子の耐電圧まで上昇することを抑制できる。また、第１判定電圧は、第２判定電圧以下の値に設定されているので、端子間電圧が第２判定電圧を上回っている状態で、巻線短絡制御から全相開放制御に切り替えられることを防止し、端子間電圧の上昇を確実に防止できる。

　また、全相開放制御の実行中に、端子間電圧が上昇し、第２判定電圧を上回ると、全相開放制御から巻線短絡制御に切り替えられるため、端子間電圧を低下させることができ、端子間電圧がスイッチング素子の耐電圧まで上昇することを防止できる。一方、巻線短絡制御に切り替えられると、上述したように、再び、相間の巻線電流の還流が開始し、ｄ軸電流が負方向に増加する可能性がある。そのため、巻線短絡制御の実行中に、端子間電圧が第１判定電圧を下回り、且つ、電流の絶対値が判定電流を上回った場合に、再び、全相開放制御に切り替えられ、巻線電流を減少させることができる。

　従って、巻線短絡モードの開始後に、上記の判定条件に従って、巻線短絡制御と全相開放制御とを切り替えることにより、全相開放制御への切り替えによりｄ軸電流の負方向への増加を抑制して、永久磁石の不可逆減磁が発生することを抑制できると共に、巻線短絡制御への切り替えにより端子間電圧がスイッチング素子の耐電圧まで上昇することを抑制できる。

実施の形態１に係る交流回転電機及び交流回転電機の制御装置の概略構成図である。実施の形態１に係る制御器の概略ブロック図である。実施の形態１に係る制御器のハードウェア構成図である。比較例に係る制御挙動を説明するタイムチャートである。比較例に係るｄｑ軸電流の挙動を説明する図である。実施の形態１に係るスイッチング制御部の処理を説明するフローチャートである。実施の形態１に係る制御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ｄｑ軸電流の挙動を説明する図である。実施の形態２に係るスイッチング制御部の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に係る交流回転電機の制御装置１（以下、単に制御装置１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電機２及び制御装置１の概略構成図である。

１－１．交流回転電機
　交流回転電機２は、ｎ相（ｎは２以上の自然数）の巻線を設けたステータと、永久磁石を設けたロータと、を有する永久磁石同期交流回転電機とされている。本実施の形態では、ｎ＝３とされており、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相とされている。ステータに、３相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗが設けられている。３相巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗは、スター結線とされている。なお、３相巻線は、デルタ結線とされてもよい。

　交流回転電機２は、ロータの回転角度に応じた電気信号を出力する回転センサ１６を備えている。回転センサ１６は、ホール素子、エンコーダ、又はレゾルバ等とされる。回転センサ１６の出力信号は、制御器３０に入力される。

１－２．制御装置
　制御装置１は、インバータ２０、電源スイッチ１１、平滑コンデンサ１２、電圧センサ１３、電流センサ１７、及び制御器３０を備えている。

１－２－１．インバータ等
　インバータ２０は、複数のスイッチング素子を有し、直流電源１０と３相巻線との間で直流交流変換を行う。インバータ２０は、直流電源１０の正極側に接続される正極側のスイッチング素子２３Ｈ（上アーム）と直流電源１０の負極側に接続される負極側のスイッチング素子２３Ｌ（下アーム）とが直列接続された直列回路（レッグ）を、３相各相の巻線に対応して３セット設けている。インバータ２０は、３つの正極側のスイッチング素子２３Ｈと、３つの負極側のスイッチング素子２３Ｌとの、合計６つのスイッチング素子を備えている。そして、正極側のスイッチング素子２３Ｈと負極側のスイッチング素子２３Ｌとが直列接続されている接続点が、対応する相の巻線に接続されている。

　具体的には、各相の直列回路において、正極側のスイッチング素子２３Ｈのコレクタ端子は、正極側電線１４に接続され、正極側のスイッチング素子２３Ｈのエミッタ端子は、負極側のスイッチング素子２３Ｌのコレクタ端子に接続され、負極側のスイッチング素子２３Ｌのエミッタ端子は、負極側電線１５に接続されている。正極側のスイッチング素子２３Ｈと負極側のスイッチング素子２３Ｌとの接続点は、対応する相の巻線に接続されている。スイッチング素子には、ダイオード２２が逆並列接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、又は逆並列接続されたダイオードの機能を有する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、制御器３０に接続されている。各スイッチング素子は、制御器３０から出力される制御信号によりオン又はオフされる。

　電源スイッチ１１は、直流電源とインバータ２０との接続をオンオフする。電源スイッチ１１は、直流電源１０の正極側とインバータ２０の正極側とを接続する電線上に設けられている。電源スイッチ１１は、リレー回路、又はスイッチング素子とされ、制御器３０によりオンオフ制御される。本実施の形態では、電源スイッチ１１は、基本的にオンされている。

　平滑コンデンサ１２は、インバータ２０の正極側と負極側との間に接続される。平滑コンデンサ１２は、電源スイッチ１１よりもインバータ２０側に設けられている。

　電圧センサ１３は、平滑コンデンサ１２の端子間電圧に応じた電気信号を出力する。電圧センサ１３は、平滑コンデンサ１２の正極側の端子及び負極側の端子に接続される。電圧センサ１３の出力信号は、制御器３０に入力される。

　電流センサ１７は、各相の巻線に流れる電流に応じた電気信号を出力する。電流センサ１７は、スイッチング素子の直列回路と巻線とをつなぐ各相の電線上に備えられている。電流センサ１７の出力信号は、制御器３０に入力される。

　直流電源１０には、充放電可能な蓄電装置（例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ）が用いられる。なお、直流電源１０には、直流電圧を昇圧したり降圧したりする直流電力変換器であるＤＣ－ＤＣコンバータが設けられてもよい。

１－２－２．制御器
　制御器３０は、インバータ２０を制御することにより、交流回転電機２を制御する。図２に示すように、制御器３０は、後述するスイッチング制御部３１、電圧検出部３２、電流検出部３３、及び回転情報検出部３４を備えている。制御器３０の各機能は、制御器３０が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御器３０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、及び演算処理装置９０から外部に信号を出力する出力回路９３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）、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、電圧センサ１３、電流センサ１７、回転センサ１６等の各種のセンサ、スイッチが接続され、これらセンサ、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、スイッチング素子をオンオフ駆動するゲート駆動回路、及び電源スイッチ１１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。

　そして、制御器３０が備える図２の各制御部３１～３４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等の制御器３０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３１～３４等が用いる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、制御器３０の各機能について詳細に説明する。

１－２－２－１．各検出部
　電圧検出部３２は、平滑コンデンサ１２の端子間電圧ＶＤＣを検出する。本実施の形態では、電圧検出部３２は、電圧センサ１３の出力信号に基づいて、端子間電圧ＶＤＣを検出する。端子間電圧ＶＤＣは、インバータ２０の正極側電線１４と負極側電線１５との間の直流電圧となる。

　電流検出部３３は、３相の巻線に流れる巻線電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。本実施の形態では、電流検出部３３は、電流センサ１７の出力信号に基づいて、インバータ２０から各相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗに流れる巻線電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。

　回転情報検出部３４は、ロータの回転角度θ（磁極位置）及び回転角速度を検出する。本実施の形態では、回転情報検出部３４は、回転センサ１６の出力信号に基づいて、ロータの回転角度θ（磁極位置）及び回転角速度を検出する。

１－２－２－２．スイッチング制御部
　スイッチング制御部３１は、インバータ２０が備えた各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、スイッチング制御部３１は、制御モード判定部３１１、通常モード制御部３１２、及び巻線短絡モード制御部３１３を備えている。

１－２－２－２－１．制御モード判定部
　制御モード判定部３１１は、３相の巻線を相互に短絡させる巻線短絡モードであるか否かを判定する。本実施の形態では、制御モード判定部３１１は、インバータ２０のスイッチング素子等のインバータ２０の各部の異常が判定された場合に、巻線短絡モードであると判定する。各スイッチング素子の異常には、短絡故障、開放故障等がある。本実施の形態では、制御モード判定部３１１は、巻線短絡モードであると判定されていない場合に、通常モードであると判定する。

　制御モード判定部３１１は、スイッチング素子の異常パターンが予め設定された判定パターンになった場合に、巻線短絡モードであると判定する。例えば、判定パターンは、各スイッチング素子をオンオフ制御する通常オンオフ制御を実行できないが、３相の巻線を相互に短絡させる巻線短絡制御を実行できるような、スイッチング素子の異常パターンに設定される。具体的には、制御モード判定部３１１は、正極側及び負極側の一方側のスイッチング素子のみに短絡故障又は開放故障が判定された場合に、巻線短絡モードであると判定する。また、制御モード判定部３１１は、正極側及び負極側の一方側のスイッチング素子に短絡故障が判定され、正極側及び負極側の他方側のスイッチング素子に開放故障が判定された場合に、巻線短絡モードであると判定する。

　例えば、各スイッチング素子に異常検出回路が備えられ、制御モード判定部３１１は、異常検出回路の出力信号に基づいて、各スイッチング素子の異常の有無を判定する。或いは、制御モード判定部３１１は、各スイッチング素子のオンオフ制御情報と巻線電流とを比較して、各スイッチング素子の異常の有無を判定する。

　なお、本実施の形態では、スイッチング制御部３１は、通常モードと判定している場合、及び巻線短絡モードと判定している場合に、電源スイッチ１１をオンにする。

１－２－２－２－２．通常モード制御部
　通常モード制御部３１２は、制御モード判定部３１１が通常モードと判定している場合は、３相巻線に印加する３相の交流電圧指令を算出し、３相の交流電圧指令に基づいて各相の正極側及び負極側のスイッチング素子をオンオフ制御する通常オンオフ制御を行う。

　例えば、通常モード制御部３１２は、公知のベクトル制御を用いて、３相の交流電圧指令を算出する。そして、通常モード制御部３１２は、３相の交流電圧指令に基づいて、ＰＷＭ制御(Pulse Width Modulation)により各相の正極側及び負極側のスイッチング素子をオンオフ制御する。通常モード制御部３１２は、ｄｑ軸の回転座標系上で、巻線に流れる電流を制御する電流フィードバック制御により、３相の交流電圧指令を算出する。ｄｑ軸の回転座標系は、ロータに設けられた永久磁石のＮ極の向き（磁極位置）に定めたｄ軸、及びｄ軸より電気角で９０°（π／２）進んだ方向に定めたｑ軸からなる、ロータの電気角での回転に同期して回転する２軸の回転座標系である。

１－２－２－２－３．巻線短絡モード制御部
　巻線短絡モード制御部３１３は、制御モード判定部３１１が巻線短絡モードと判定した場合は、初期制御状態として、正極側及び負極側の一方側の全てのスイッチング素子をオンにし、正極側及び負極側の他方側の全てのスイッチング素子をオフにする巻線短絡制御を開始する。

　例えば、正極側のスイッチング素子２３Ｈの断線故障が判定されている場合は、巻線短絡モード制御部３１３は、正極側の全てのスイッチング素子２３Ｈをオフにし、負極側の全てのスイッチング素子２３Ｌをオンにする。正極側のスイッチング素子２３Ｈの短絡故障が判定されている場合は、巻線短絡モード制御部３１３は、正極側の全てのスイッチング素子２３Ｈをオンにし、負極側の全てのスイッチング素子２３Ｌをオフにする。

　巻線短絡制御が行われると、インバータ２０内で、３相の巻線の接続端子が互いに短絡される。そのため、ロータの回転により各相の巻線に生じる誘起電圧により各相の巻線を流れる電流は、インバータ２０内を流れて、他の相の巻線に還流する。

＜巻線短絡制御の課題＞
　しかし、巻線短絡制御を開始した後、定常状態になるまで、過渡的に巻線電流が変動する。巻線短絡制御を開始した後、後述する本実施の形態の構成とは異なり、巻線短絡制御を継続する比較例に係る制御挙動を図４に示す。時刻Ｔ０１で、制御モード判定部３１１が、異常の検知等により、通常モードから巻線短絡モードに、判定結果を切り替えている。時刻Ｔ０１までは、通常モード制御部３１２が、通常オンオフ制御を実行することにより、各スイッチング素子をオンオフ制御している。一方、時刻Ｔ０１以降は、巻線短絡モード制御部３１３が、巻線短絡制御を継続して実行することにより、各スイッチング素子をオンオフ制御している。なお、時刻Ｔ０１まで、通常モード制御部３１２は、交流回転電機２に負トルクを出力させて、発電させており、直流電源１０とインバータ２０との間を流れる直流電流ＩＤＣが、負方向に増加している。一方、巻線短絡制御の開始後、巻線短絡により、電流が３相巻線を還流するため、直流電流ＩＤＣが０付近まで減少する。

　一方、巻線短絡制御の開始直後に、３相の巻線電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが変動し、定常状態になるまで時間遅れが生じている。この時の、３相の巻線電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄｑ軸の回転座標系に変換したｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを図５に示す。通常オンオフ制御の実行中は、ｄｑ軸電流は、図５のＳ点に位置しているが、巻線短絡制御の開始後に、定常状態のｄ軸付近のＥ点を中心に渦を巻きながらＥ点に向かっていく。この時、ｄ軸電流Ｉｄが、一時的に負方向に大幅に増加する。ｄ軸電流Ｉｄが負方向に増加すると、永久磁石の磁束を弱める方向に作用する３相巻線の回転磁界の成分が大きくなる。

　ｄ軸電流Ｉｄが所定値よりも負方向に増加し、弱め磁界成分が所定値より大きくなると、永久磁石に不可逆的な減磁が生じ、交流回転電機２の駆動能力が低下する可能性がある。よって、不可逆減磁の発生を抑制するために、巻線短絡制御の開始後、ｄ軸電流Ｉｄが、所定値よりも負方向に増加することを抑制する必要がある。

＜全相開放制御への切り替え＞
　そこで、巻線短絡モード制御部３１３は、制御モード判定部３１１が巻線短絡モードと判定している場合であって、端子間電圧ＶＤＣが、予め設定された第１判定電圧Ｖｔｈ１を下回り、且つ、巻線電流に基づく電流の絶対値が予め設定された判定電流を上回った場合に、正極側及び負極側の全てのスイッチング素子をオフにする全相開放制御を開始する。巻線短絡モード制御部３１３は、制御モード判定部３１１が巻線短絡モードと判定している場合であって、端子間電圧ＶＤＣが、予め設定された第２判定電圧Ｖｔｈ２を上回った場合に、巻線短絡制御を開始する。第２判定電圧Ｖｔｈ２は、第１判定電圧Ｖｔｈ１以上の値に予め設定されている。

　この構成によれば、端子間電圧ＶＤＣが第１判定電圧Ｖｔｈ１を下回り、且つ、電流の絶対値が判定電流を上回った場合に、巻線短絡制御から全相開放制御に切り替えられて、全てのスイッチング素子がオフになると、相間の巻線電流の還流が停止し、巻線電流の絶対値が減少する。よって、ｄ軸電流Ｉｄの負方向の増加が抑制され、永久磁石の不可逆減磁の発生を抑制できる。

　一方、全てのスイッチング素子がオフになると、インバータ２０が、３相全波ダイオード整流回路になり、交流回転電機２は、発電機として機能する。この時、ロータの回転速度が高く、３相巻線の誘起電圧が直流電源１０の電源電圧よりも高い場合は、直流電源１０とインバータ２０との接続経路の寄生容量等の影響により、平滑コンデンサ１２の端子間電圧ＶＤＣが上昇する。端子間電圧ＶＤＣが、スイッチング素子の耐電圧まで上昇すると、スイッチング素子が故障する可能性がある。電流の絶対値が判定電流を上回っていても、端子間電圧ＶＤＣが第１判定電圧Ｖｔｈ１を下回っていない場合は、全相開放制御に切り替えられないので、端子間電圧ＶＤＣが高い状態で、全相開放制御に切り替えられて、端子間電圧ＶＤＣがスイッチング素子の耐電圧まで上昇することを抑制できる。また、第１判定電圧Ｖｔｈ１は、第２判定電圧Ｖｔｈ２以下の値に設定されているので、端子間電圧ＶＤＣが第２判定電圧Ｖｔｈ２を上回っている状態で、巻線短絡制御から全相開放制御に切り替えられることを防止し、端子間電圧ＶＤＣの上昇を確実に防止できる。

　また、全相開放制御の実行中に、端子間電圧ＶＤＣが上昇し、第２判定電圧Ｖｔｈ２を上回ると、全相開放制御から巻線短絡制御に切り替えられるため、端子間電圧ＶＤＣを低下させることができ、端子間電圧ＶＤＣがスイッチング素子の耐電圧まで上昇することを防止できる。一方、巻線短絡制御に切り替えられると、上述したように、再び、相間の巻線電流の還流が開始し、ｄ軸電流Ｉｄが負方向に増加する可能性がある。そのため、巻線短絡制御の実行中に、端子間電圧ＶＤＣが第１判定電圧Ｖｔｈ１を下回り、且つ、電流の絶対値が判定電流を上回った場合に、再び、全相開放制御に切り替えられ、巻線電流を減少させることができる。

　第２判定電圧Ｖｔｈ２は、スイッチング素子の耐電圧よりも小さい値であって、直流電源１０の電圧（例えば、４８Ｖ）よりも大きい値に予め設定されている。第１判定電圧Ｖｔｈ１は、第２判定電圧Ｖｔｈ２以下の値であって、直流電源１０の電圧よりも大きい値に設定されている。

　本実施の形態では、巻線短絡モード制御部３１３は、３相の巻線電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの絶対値の内、いずれかの絶対値が判定電流を上回った場合に、巻線電流に基づく電流の絶対値が判定電流を上回ったと判定する。

１－２－２－２－４．フローチャート
　以上で説明した本実施の形態に係るスイッチング制御部３１の処理を、図６に示すフローチャートのように構成することができる。図６のフローチャートの処理は、演算処理装置９０が記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行することにより、例えば所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

　ステップＳ０１で、制御モード判定部３１１は、３相の巻線を相互に短絡させる巻線短絡モードであるか否かを判定する。本実施の形態では、制御モード判定部３１１は、巻線短絡モードであると判定されていない場合に、通常モードであると判定する。

　通常モード制御部３１２は、制御モード判定部３１１が通常モードと判定した場合（ステップＳ０１：Ｎｏ）は、ステップＳ０２で、３相巻線に印加する３相の交流電圧指令を算出し、３相の交流電圧指令に基づいて各相の正極側及び負極側のスイッチング素子をオンオフ制御する通常オンオフ制御を行う。

　一方、巻線短絡モード制御部３１３は、制御モード判定部３１１が巻線短絡モードと判定した場合（ステップＳ０１：Ｙｅｓ）は、ステップＳ０３で、前回、巻線短絡モードと判定しておらず、今回、巻線短絡モードと判定したか否か、すなわち巻線短絡モードの初回の判定であるか否かを判定する。

　巻線短絡モード制御部３１３は、巻線短絡モードの初回の判定である場合（ステップＳ０３：Ｙｅｓ）は、ステップＳ０４で、初期制御状態して、正極側及び負極側の一方側の全てのスイッチング素子をオンにし、正極側及び負極側の他方側の全てのスイッチング素子をオフにする巻線短絡制御を開始する。

　一方、巻線短絡モード制御部３１３は、巻線短絡モードの初回の判定でない場合（ステップＳ０３：Ｎｏ）は、ステップＳ０５で、端子間電圧ＶＤＣが第１判定電圧Ｖｔｈ１を下回っているか否かを判定する。巻線短絡モード制御部３１３は、端子間電圧ＶＤＣが第１判定電圧Ｖｔｈ１を下回っていると判定した場合（ステップＳ０５：Ｙｅｓ）は、ステップＳ０６で、Ｕ相の巻線電流Ｉｕの絶対値が、Ｕ相の判定電流Ｉｔｈｕを上回っているか否かを判定する。巻線短絡モード制御部３１３は、Ｕ相の巻線電流Ｉｕの絶対値が、Ｕ相の判定電流Ｉｔｈｕを上回っていると判定した場合（ステップＳ０６：Ｙｅｓ）は、ステップＳ０９で、正極側及び負極側の全てのスイッチング素子をオフにする全相開放制御を開始する。

　巻線短絡モード制御部３１３は、Ｕ相の巻線電流Ｉｕの絶対値が、Ｕ相の判定電流Ｉｔｈｕを上回っていないと判定した場合（ステップＳ０６：Ｎｏ）は、ステップＳ０７で、Ｖ相の巻線電流Ｉｖの絶対値が、Ｖ相の判定電流Ｉｔｈｖを上回っているか否かを判定する。巻線短絡モード制御部３１３は、Ｖ相の巻線電流Ｉｖの絶対値が、Ｖ相の判定電流Ｉｔｈｖを上回っていると判定した場合（ステップＳ０７：Ｙｅｓ）は、ステップＳ０９で、全相開放制御を開始する。

　巻線短絡モード制御部３１３は、Ｖ相の巻線電流Ｉｖの絶対値が、Ｖ相の判定電流Ｉｔｈｖを上回っていないと判定した場合（ステップＳ０７：Ｎｏ）は、ステップＳ０８で、Ｗ相の巻線電流Ｉｗの絶対値が、Ｗ相の判定電流Ｉｔｈｗを上回っているか否かを判定する。巻線短絡モード制御部３１３は、Ｗ相の巻線電流Ｉｗの絶対値が、Ｗ相の判定電流Ｉｔｈｗを上回っていると判定した場合（ステップＳ０８：Ｙｅｓ）は、ステップＳ０９で、全相開放制御を開始する。

　ここで、Ｕ相の判定電流Ｉｔｈｕ、Ｖ相の判定電流Ｉｔｈｖ、Ｗ相の判定電流Ｉｔｈｗは、互いに異なる正の値に設定されてもよく、同じ正の値に設定されてもよい。

　巻線短絡モード制御部３１３は、Ｗ相の巻線電流Ｉｗの絶対値が、Ｗ相の判定電流Ｉｔｈｗを上回っていないと判定した場合（ステップＳ０８：Ｎｏ）は、ステップＳ１０で、現在実行している巻線短絡制御又は全相開放制御の実行を継続する。

　巻線短絡モード制御部３１３は、端子間電圧ＶＤＣが第１判定電圧Ｖｔｈ１を下回っていないと判定した場合（ステップＳ０５：Ｎｏ）は、ステップＳ１１で、端子間電圧ＶＤＣが第２判定電圧Ｖｔｈ２を上回っているか否かを判定する。巻線短絡モード制御部３１３は、端子間電圧ＶＤＣが第２判定電圧Ｖｔｈ２を上回っていると判定した場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）は、ステップＳ０４で、巻線短絡制御を開始する。一方、巻線短絡モード制御部３１３は、端子間電圧ＶＤＣが第２判定電圧Ｖｔｈ２を上回っていないと判定した場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）は、ステップＳ１０で、現在実行している巻線短絡制御又は全相開放制御の実行を継続する。

１－２－２－２－５．制御挙動
　本実施の形態に係る制御挙動の例を図７に示す。時刻Ｔ１１で、制御モード判定部３１１が、異常の検知等により、通常モードから巻線短絡モードに、判定結果を切り替えている。時刻Ｔ１１までは、通常モード制御部３１２が、通常オンオフ制御を実行することにより、各スイッチング素子をオンオフ制御している。時刻Ｔ１１で、巻線短絡モード制御部３１３が、巻線短絡制御を開始しており、端子間電圧ＶＤＣが低下していく。

　時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１２までは、Ｗ相の巻線電流Ｉｗの絶対値が、Ｗ相の判定電流Ｉｔｈｗを上回った状態となっているため、全相開放制御を行って、巻線電流の絶対値を減少させたい。しかし、全相開放制御を継続すると発電電圧により端子間電圧ＶＤＣが上昇していくため、端子間電圧ＶＤＣが第２判定電圧Ｖｔｈ２を上回ると巻線短絡制御に切り替えて、端子間電圧ＶＤＣを低下させ、端子間電圧ＶＤＣが第１判定電圧Ｖｔｈ１を下回ると全相開放制御に切り替えて、端子間電圧ＶＤＣを上昇させる動作を繰り返し行っている。

　Ｗ相の巻線電流Ｉｗの絶対値が、Ｗ相の判定電流Ｉｔｈｗを上回っていても、端子間電圧ＶＤＣが第１判定電圧Ｖｔｈ１を下回っていない場合は、全相開放制御に切り替えられないので、端子間電圧ＶＤＣが高い状態で、全相開放制御に切り替えられて、端子間電圧ＶＤＣがスイッチング素子の耐電圧まで上昇することを抑制できている。また、第１判定電圧Ｖｔｈ１は、第２判定電圧Ｖｔｈ２以下の値に設定されているので、端子間電圧ＶＤＣが第２判定電圧Ｖｔｈ２を上回っている状態で、巻線短絡制御から全相開放制御に切り替えられることを防止し、端子間電圧ＶＤＣの上昇を確実に防止できている。

　図７の３相の巻線電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄｑ軸の回転座標系に変換したｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを図８に示す。通常オンオフ制御の実行中は、ｄｑ軸電流は、図８のＳ点に位置しているが、全相開放制御に切り替えると、ｄｑ軸電流が０点に向かって変化し、ｄｑ軸電流ベクトルの絶対値が減少し、巻線短絡制御に切り替えると、ｄｑ軸電流がＥ点を中心にした時計回りの渦方向に変化する。時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１２の間で、全相開放制御と巻線短絡制御とを繰り返し行うことで、ｄｑ軸電流がＥ点に向かって変化している。全相開放制御に切り替える度に、Ｅ点を中心としたｄｑ軸電流の半径が次第に減少していくため、巻線短絡制御の実行中のｄ軸電流Ｉｄの負方向への増加量が次第に減少している。

　時刻Ｔ１２付近で、Ｗ相の巻線電流Ｉｗの絶対値が、Ｗ相の判定電流Ｉｔｈｗを下回っている。よって、端子間電圧ＶＤＣが第１判定電圧Ｖｔｈ１を下回っても、図７及び図８のＡで示すように、巻線短絡制御が継続している。巻線短絡制御が継続されると、端子間電圧ＶＤＣが低下していくものの、Ｗ相の巻線電流Ｉｗの絶対値が増加していき、時刻Ｔ１３で、Ｗ相の巻線電流Ｉｗの絶対値が、Ｗ相の判定電流Ｉｔｈｗを上回り、全相開放制御に切り替えられる。全相開放制御が実行されると、図７及び図８のＢで示すように、巻線電流の絶対値が減少するものの、端子間電圧ＶＤＣが上昇する。時刻Ｔ１４で、端子間電圧ＶＤＣが第２判定電圧Ｖｔｈ２を上回り、巻線短絡制御に切り替えられる。時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１５まではこの切り替えが継続する。

　時刻Ｔ１５から時刻Ｔ１６までは、巻線短絡制御を継続しても、Ｗ相の巻線電流Ｉｗの絶対値が、Ｗ相の判定電流Ｉｔｈｗを上回らなくなっている。しかし、時刻Ｔ１６で、Ｖ相の巻線電流Ｉｖの絶対値が、Ｖ相の判定電流Ｉｔｈｖを上回ったため、全相開放制御に切り替えられている。時刻Ｔ１７で、端子間電圧ＶＤＣが第２判定電圧Ｖｔｈ２を上回り、巻線短絡制御に切り替えられている。時刻Ｔ１７以降は、ｄｑ軸電流はＥ点に十分近づいているため、巻線短絡制御を継続しても、いずれの相の巻線電流の絶対値も、判定電流を上回らなくなり、そのまま定常状態に静定している。

　以上のように、巻線短絡制御の開始後に、巻線短絡制御と全相開放制御とを繰り返し切り替えることにより、全相開放制御への切り替えによりｄ軸電流Ｉｄの負方向への増加を抑制し、永久磁石の不可逆減磁が発生することを抑制できると共に、巻線短絡制御への切り替えにより端子間電圧ＶＤＣがスイッチング素子の耐電圧まで上昇することを抑制できる。

２．実施の形態２
　次に、実施の形態２に係る制御装置１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電機２及び制御装置１の基本的な構成及び処理は実施の形態１と同様である。

　しかし、本実施の形態では、巻線短絡モード制御部３１３は、３相の巻線電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、ｄｑ軸の回転座標系上のｄ軸電流Ｉｄに変換し、ｄ軸電流Ｉｄの絶対値が、予め設定されたｄ軸電流の判定電流Ｉｔｈｄを上回ったときに、巻線電流に基づく電流の絶対値が判定電流を上回ったと判定する。上述したように、ｄｑ軸の回転座標系は、ロータに設けられた永久磁石のＮ極の向き（磁極位置）に定めたｄ軸、及びｄ軸より電気角で９０°（π／２）進んだ方向に定めたｑ軸からなる、ロータの電気角での回転に同期して回転する２軸の回転座標系である。ｄ軸電流の判定電流Ｉｔｈｄは、永久磁石の不可逆減磁が発生し始めるｄ軸電流の絶対値よりも小さい値に、予め設定されている。

　巻線短絡モード制御部３１３は、次式を用い、３相の巻線電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ及び磁極位置θに基づいて、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを算出する。

　この構成によれば、永久磁石の不可逆減磁に直接的に影響するｄ軸電流に基づいて、全相開放制御への切り替えを判定するので、精度良く永久磁石の不可逆減磁を抑制することができる。

　次に、本実施の形態に係るスイッチング制御部３１の処理を、図９に示すフローチャートに示す。ステップＳ２６の電流の絶対値の判定処理以外の処理は、図６のステップＳ０６からステップＳ０８の電流の絶対値の判定処理以外の処理と同様であるので、説明を一部省略する。

　巻線短絡モード制御部３１３は、端子間電圧ＶＤＣが第１判定電圧Ｖｔｈ１を下回っていると判定した場合（ステップＳ０５：Ｙｅｓ）は、ステップＳ２６で、巻線短絡モード制御部３１３は、３相の巻線電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、ｄｑ軸の回転座標系上のｄ軸電流Ｉｄに変換し、ｄ軸電流Ｉｄの絶対値がｄ軸電流の判定電流Ｉｔｈｄを上回っているか否かを判定する。巻線短絡モード制御部３１３は、ｄ軸電流Ｉｄの絶対値がｄ軸電流の判定電流Ｉｔｈｄを上回っていると判定した場合（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）は、ステップＳ０９で、正極側及び負極側の全てのスイッチング素子をオフにする全相開放制御を開始する。

　巻線短絡モード制御部３１３は、ｄ軸電流Ｉｄの絶対値がｄ軸電流の判定電流Ｉｔｈｄを上回っていないと判定した場合（ステップＳ２６：Ｎｏ）は、ステップＳ１０で、現在実行している巻線短絡制御又は全相開放制御の実行を継続する。

〔その他の実施の形態〕
　最後に、本開示のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記の各実施の形態では、第１判定電圧Ｖｔｈ１は、第２判定電圧Ｖｔｈ２よりも小さい値に設定されている場合を例として説明した。しかし、本開示の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、第１判定電圧Ｖｔｈ１が、第２判定電圧Ｖｔｈ２と同じ値に設定されてもよい。この場合は、巻線短絡制御と全相開放制御の切換えが高速になるが、端子間電圧ＶＤＣが第２判定電圧Ｖｔｈ２を上回ることを抑制できる。

（２）上記の各実施の形態では、スイッチング制御部３１は、通常モードと判定している場合、及び巻線短絡モードと判定している場合に、電源スイッチ１１をオンにする場合を例として説明した。しかし、本開示の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、スイッチング制御部３１は、通常モードと判定している場合に、電源スイッチ１１をオンにし、巻線短絡モードと判定している場合に、電源スイッチ１１をオフにしてもよい。

（３）上記の各実施の形態では、スイッチング制御部３１は、インバータ２０のスイッチング素子等のインバータ２０の各部の異常が判定された場合に、巻線短絡モードであると判定する場合を例として説明した。しかし、本開示の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、スイッチング制御部３１は、交流回転電機２の動作を停止する場合等、他の場合に、巻線短絡モードであると判定してもよい。

（４）上記の各実施の形態では、ｎ＝３の３相である場合を例として説明した。しかし、ｎ＝２、４等、ｎは、２以上の任意の自然数に設定されてもよい。

（５）上記の各実施の形態では、スイッチング制御部３１は、巻線短絡モード、又は通常モードであると判定するように構成されている場合を例として説明した。しかし、スイッチング制御部３１は、巻線短絡モード及び通常モード以外の他のモードであると判定し、その他のモードに対応するスイッチング素子のオンオフ制御を行ってもよい。

（６）上記の各実施の形態では、スイッチング制御部３１は、巻線短絡モードの開始後に、初期制御状態として、巻線短絡制御を開始するように構成されている場合を例として説明した。しかし、スイッチング制御部３１は、巻線短絡モードの開始後に、端子間電圧が第２判定電圧よりも低く、巻線電流の絶対値が判定電流を上回っている場合等に、初期制御状態として、全相開放制御を開始してもよい。

　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　交流回転電機の制御装置、１０　直流電源、１２　平滑コンデンサ、２０　インバータ、２３Ｈ　正極側のスイッチング素子、２３Ｌ　負極側のスイッチング素子、２　交流回転電機、３０　制御器、３１　スイッチング制御部、３２　電圧検出部、３３　電流検出部、３４　回転情報検出部、Ｉｄ　ｄ軸電流、ＶＤＣ　端子間電圧、Ｖｔｈ１　第１判定電圧、Ｖｔｈ２　第２判定電圧

Claims

　ｎ相（ｎは２以上の自然数）の巻線を設けたステータと永久磁石を設けたロータとを有する交流回転電機を制御する交流回転電機の制御装置であって、
　直流電源の正極側に接続される正極側のスイッチング素子と前記直流電源の負極側に接続される負極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巻線に接続される直列回路を、前記ｎ相の各相に対応してｎセット設けたインバータと、
　前記インバータの正極側と負極側との間に接続される平滑コンデンサと、
　前記平滑コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出部と、
　前記ｎ相の巻線に流れる巻線電流を検出する電流検出部と、
　前記スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、を備え、
　前記スイッチング制御部は、
　前記ｎ相の巻線を相互に短絡させる巻線短絡モードであるか否かを判定し、
　前記巻線短絡モードであると判定している場合であって、
　前記端子間電圧が、予め設定された第１判定電圧を下回り、且つ、前記巻線電流に基づく電流の絶対値が予め設定された判定電流を上回った場合に、正極側及び負極側の全ての前記スイッチング素子をオフにする全相開放制御を開始し、
　前記端子間電圧が、前記第１判定電圧以上の値に予め設定された第２判定電圧を上回った場合に、正極側及び負極側の一方側の全ての前記スイッチング素子をオンにし、正極側及び負極側の他方側の全ての前記スイッチング素子をオフにする巻線短絡制御を開始する交流回転電機の制御装置。
　前記スイッチング制御部は、前記ｎ相の前記巻線電流の絶対値の内、いずれかの絶対値が前記判定電流を上回ったときに、前記巻線電流に基づく電流の絶対値が前記判定電流を上回ったと判定する請求項１に記載の交流回転電機の制御装置。
　前記スイッチング制御部は、前記ｎ相の前記巻線電流を、前記永久磁石のＮ極の向きに定めたｄ軸及び前記ｄ軸より電気角で９０°進んだ方向に定めたｑ軸からなるｄｑ軸の回転座標系上のｄ軸電流に変換し、前記ｄ軸電流の絶対値が前記判定電流を上回ったときに、前記巻線電流に基づく電流の絶対値が前記判定電流を上回ったと判定する請求項１に記載の交流回転電機の制御装置。
　前記第２判定電圧は、前記スイッチング素子の耐電圧よりも小さい値であって、前記直流電源の電圧よりも大きい値に予め設定され、
　前記第１判定電圧は、前記第２判定電圧以下の値であって、前記直流電源の電圧よりも大きい値に設定されている請求項１から３のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
　前記スイッチング制御部は、前記巻線短絡モードであると判定した場合に、初期制御状態として、前記巻線短絡制御又は前記全相開放制御を開始する請求項１から４のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。