(57)【要約】  【課題】矩形波電圧駆動を行う交流電動機の制御装置において、位置検出器の検出誤差に起因する電圧ＳＷタイミングのズレを減少させ電流のオフセットを抑制する。  【解決手段】電流センサで検出した電流のオフセットに対応した位相補正量を算出し、位置検出器６で検出した電気角θを用いて電気角速度ωを算出し、一つの電圧ＳＷパターンの開始から終わりまでの基準位相差を電気角速度ωで除算することにより基準位相差時間ｔ’に換算し、次回の制御演算時の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw＊と次回の制御演算時における電気角予測値θnextとの位相誤差（θsw＊−θnext）に上記電流オフセットによる位相補正量を加えた値を電気角速度ωで除算することにより位相誤差時間△ｔに換算し、この位相誤差時間で前記基準位相差時間を補正し、補正後の値に応じてキャリア周期を設定する交流電動機の制御装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源電圧の最高値と最低値を所定の電圧スイッチングパターンで電動機巻線の各相に印加する矩形波電圧駆動を行う交流電動機の制御装置において、
外部から与えられたトルク指令値と現在の回転速度とに応じた電圧位相目標値を出力する電圧位相生成手段と、
電動機の電気角を検出する位置検出器と、
前記電圧位相目標値と、前記電動機の電気角と、前記電動機の電気角速度から前記電動機を駆動する矩形波の駆動信号を演算する矩形波制御手段と、
前記矩形波の駆動信号に応じた矩形波電圧を前記電動機巻線の各相に印加して前記電動機を駆動するインバータと、
前記電動機巻線の各相に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流のオフセットを検出する電流オフセット検出手段と、
前記電流オフセット検出手段で検出した電流オフセットに対応した位相補正量を算出する位相補正量算出手段と、を備え、
前記矩形波制御手段は、キャリア信号の谷の位置毎に制御演算を開始するための割り込みを繰り返し発生すると共に前記電圧スイッチングパターンの設定と前記キャリア信号のキャリア周期の設定とを行い、
かつ、前記位置検出器で検出した電気角から電気角速度を算出し、一つの電圧スイッチングパターンの開始から終わりまでの基準位相差を電気角速度で除算することにより基準位相差時間に換算し、次回の制御演算時の電圧スイッチングパターン切り替えの電気角目標値と次回の制御演算時における電気角予測値との位相誤差を前記位相補正量で補正した値を電気角速度で除算することにより位相誤差時間に換算し、この位相誤差時間で前記基準位相差時間を補正し、補正後の値に応じて次回のキャリア周期を設定するように構成したことを特徴とする交流電動機の制御装置。
【請求項２】
前記位相補正量算出手段は、Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流の各相毎に位相補正量を算出し、次回の制御演算時の電圧スイッチングパターン切り替えの電気角目標値に応じて定まる上記位相補正量のうちの何れかによって前記位相誤差を補正するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の交流電動機の制御装置。
【請求項３】
前記電流オフセット検出手段は、各相の電流をそれぞれ平滑するローパスフィルタからなり、各相電流の直流分を電流オフセットとして出力するものである、ことを特徴とする請求項１に記載の交流電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流電動機の制御装置に関し、特に矩形波電圧駆動でインバータを制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来における交流電動機の制御装置としては下記特許文献１に記載のものがある。  
このような交流電動機の制御方法で、電動機に電流を供給するインバータを制御する方式として、ＰＷＭ電圧駆動方式では出力電圧が制限を受ける動作領域等において用いられる矩形波電圧駆動方式がある。特許文献１に記載の矩形波電圧駆動方式においては、一定間隔のクロックで動作するタイマカウンタを使用し、カウント値が目標値に達する毎に電圧スイッチングパターン（以下、電圧ＳＷパターンと略記）を切り替えて出力している。電圧ＳＷパターンの開始から終わりまでの位相差目標値は、電圧ＳＷパターン一区間の開始から終わりまでの理想的な基準位相差を求め、目標トルクと推定トルクの偏差に基づく位相誤差により基準位相差を補正して求めている。そしてカウンタ目標値は、位相差目標値を時間換算した値に従って決めており、電気角θを求める位置検出器を不要としている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３５９９９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、従来例においては、位相差基準値をトルク偏差に基づく位相誤差で補正することによって位相差目標値を算出するという構成になっていたため、トルク推定を行わず、レゾルバ等の位置検出器の検出量に基づいて位相差目標値を決めるような制御を行う場合には、位置検出器の検出誤差によって電圧ＳＷタイミングにズレが生じ、電流にオフセットが発生する場合がある、という問題があった。  
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、矩形波電圧駆動制御において、位置検出器の検出誤差に起因する電圧ＳＷタイミングのズレを減少させ、電流のオフセットを抑制した交流電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本発明においては、電流検出手段で検出した電流のオフセットを検出し、その電流オフセットに対応した位相補正量を算出し、また、位置検出器で検出した電気角θを用いて電気角速度ωを算出し、一つの電圧ＳＷパターンの開始から終わりまでの基準位相差を電気角速度ωで除算することにより基準位相差時間ｔ’に換算し、次回の制御演算時の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw＊と次回の制御演算時における電気角予測値θnextとの位相誤差（θsw＊−θnext）を上記の位相補正量で補正した値を電気角速度ωで除算することにより位相誤差時間△ｔに換算し、この位相誤差時間で前記基準位相差時間を補正し、補正後の値に応じてキャリア周期を設定するように構成している。
【発明の効果】
【０００６】
電流オフセットに対応した位相補正量によって電気角目標値θsw＊と次回の制御演算時における電気角予測値θnextとの位相誤差を補正することにより、位置検出器の誤差による電圧ＳＷパターン切り替えタイミングのズレを減らし、電流のオフセットを抑制できる、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、この発明を適用する交流電動機の制御装置の構成を示す一実施例のブロック図である。  
図１において、電圧位相生成手段１では、外部から入力されるトルク指令値Ｔ＊および現在の回転速度ωを指標としてテーブル参照により求めた電圧位相目標値α＊を出力する。具体的には、例えば制御の対象となる電動機の評価試験等において、トルク指令値Ｔ＊と回転速度ωとに対する電圧位相目標値α＊の値をテーブルデータとして求めておくことにより、そのときのトルク指令値Ｔ＊と回転速度ωに対応した電圧位相目標値α＊の値をテーブル参照によって求めることができる。
【０００８】
制御手段２は、矩形波制御手段２−１とＰＷＭ制御手段２−２からなる。本発明は矩形波電圧駆動に関するものなので、以下、矩形波制御手段２−１について主として説明し、ＰＷＭ制御手段２−２については必要のある個所のみを説明する。
【０００９】
矩形波制御手段２−１は、電圧位相生成手段１から出力された電圧位相目標値α＊と、位置検出器６（例えばレゾルバ）で検出された電動機５の電気角θと、電気角θを入力とする速度演算手段７で求めた電気角速度ω（回転速度）とを入力し、オン／オフ信号の駆動信号Ｐを演算して出力する（詳細後述）。この駆動信号Ｐでインバータ３を制御し、インバータ３から振幅が電源電圧Ｖdcか０（または＋Ｖdc／２か−Ｖdc／２）の３相の矩形波電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwを出力し、それによって３相の電動機５を駆動する。
【００１０】
上記の電圧位相生成手段１および制御手段２はコンピュータ等で構成され、所定周期で繰り返し演算を行って駆動信号Ｐを演算する。  
上記の駆動信号Ｐはオン／オフ信号であり、インバータ３の出力は駆動信号Ｐに同期して出力される。つまり、駆動信号Ｐのオン／オフの切り替わるタイミングがそのまま矩形波電圧の切り替わるタイミングとなる（厳密にはオンとオフが逆になることもある）。そして矩形波電圧駆動では、印加する電圧振幅は電源電圧Ｖdcか０（＋Ｖdc／２か−Ｖdc／２）であって振幅を制御できないので、電圧位相を電圧位相目標値α＊に追従させるように制御することにより、与えられたトルク指令値Ｔ＊を実現するように電動機５のトルク制御を行う。つまりトルクと電圧位相には相関があるので、電圧位相を制御することによってトルクを制御することが出来る。この電圧位相を制御するには後述する電圧ＳＷパターンを切り替えることによって行う。
【００１１】
なお、制御手段２におけるＰＷＭ制御手段２−２は、ＰＷＭ電圧駆動を行う領域では、電流センサ４で検出した検出電流Ｉu、Ｉvを用いて一般的なトルク制御演算を行い、インバータ３をＰＷＭ信号で制御し、電動機５の各相に与える電圧値を変えてトルク制御を行う。上記のＰＷＭ制御における一般的なトルク制御演算とは、例えば、入力したトルク指令値と電動機５の回転角度とに基づいてｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を算出し、ｄ軸電流指令値と実際のｄ軸電流値との偏差に基づき比例積分演算を行ってｄ軸電圧指令値を演算し、同様にｑ軸電流指令値と実際のｑ軸電流値との偏差に基づいてｑ軸電圧指令値を演算する。なお、実際のｄ軸電流値とｑ軸電流値は、検出電流Ｉu、Ｉv（ＩwはＩuとＩvから算出可能）から３相２相変換を行って求める。そしてｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値を２相３相変換し、３相電圧指令値を演算する。この３相電圧指令値からＰＷＭ信号のデューティ指令値を演算し、このデューティ指令値と所定のキャリア信号（三角波や鋸歯状波など）とを比較することにより、駆動信号Ｐを求めるものである。
【００１２】
本発明で用いる矩形波電圧駆動を行う場合には、上記キャリア信号と比較するデューティ指令値のデューティ比を０［％］か１００［％］のどちらかにセットすることにより矩形波（Ｖdcか０の２値）の駆動信号Ｐを生成することが出来る。なお、一般に、矩形波電圧駆動は、高電圧が必要な弱め界磁領域で用いられ、その他の領域ではＰＷＭ制御が用いられる。
【００１３】
また、矩形波制御手段２−１において、電圧位相を電圧位相目標値α＊に追従させるように制御するには、電圧ＳＷパターン（詳細後述）を電圧位相目標値α＊に応じて決まるタイミングで切り替えることによって行う。  
電圧ＳＷパターンやキャリア周期の設定はキャリア信号の三角波や鋸歯状波の谷で有効になり、同時に制御演算を開始するための割り込みが発生する。そして電圧ＳＷパターン切り替えタイミングが適切になるように、キャリア周期を変更して矩形波のパターン（電圧ＳＷパターン）が切り替わるタイミングを調整している。つまり、矩形波を作るためのキャリア信号（例えば三角波）の周期を、電圧ＳＷパターンの切り替わり時点とキャリア信号の谷（割り込み演算開始時）とが一致するように制御することにより、電圧位相を電圧位相目標値α＊に追従させるように制御している。
【００１４】
また、電流センサ４の検出電流Ｉu、Ｉvは、電流オフセット検出器８に入力され、電流オフセット検出器８は、各相電流のオフセット分Ｉu0、Ｉv0、Ｉw0を出力する。なお、Ｉwは、Iw＝−Ｉu−Ｉvから算出する。  
また、ＰＩ制御器９〜１１は、上記のオフセット分Ｉu0、Ｉv0、Ｉw0を入力し、ＰＩ（比例、積分）ゲインで増幅し、位相補正量△θu0、△θv0、△θw0とし、これを矩形波生成器２に送る。  
矩形波生成器２において、矩形波制御手段２−１は、前記の電圧ＳＷパターン切替え電気角の演算において、上記位相補正量△θu0、△θv0、△θw0に基づいて電圧ＳＷパターン切替え電気角を補正する（詳細後述）。
【００１５】
（実施例）
以下、実施例におけるキャリア周期の設定方法について詳細に説明する。  
図２は、キャリア周期の設定方法を示す信号波形図である。  
図２においては、キャリア信号（三角波）の谷（時点ｔ０やｔ１）において制御演算の割り込みが行われると共に、電圧ＳＷパターンが切り替えられている。電圧ＳＷパターンは、Ｕ、Ｖ、Ｗの三相各相に与える電圧のパターン、つまり三相の何れを“１”つまりＶdcにし、何れを“０”にするかのパターンであり、例えば時点ｔ０〜ｔ１においては「Ｖｕ＝１（Ｖdc）、Ｖｖ＝０、Ｖｗ＝０」になっている。
【００１６】
時点ｔ０で行われる制御演算１では、次の電圧ＳＷパターン一区間のキャリア周期Ｔnextを、制御演算１開始時の電気角θと電気角速度ω、現在のキャリア周期Ｔnowを用いて、以下のように算出する。
【００１７】
まず、（数１）式に示すように、一つの電圧ＳＷパターンの、開始から終わりまでの基準位相差π／３［ｒａｄ］を電気角速度ωで除算することにより時間ｔ’（基準位相差時間）に換算する。  
ｔ’＝π／３ω    …（数１）
次に、（数２）式に示すように、次の電圧ＳＷパターン切り替え時の電気角予測値θnextを算出する。  
θnext＝θ＋ωＴnow    …（数２）
なお、現在のキャリア周期Ｔnowは、前回のキャリア周期設定で算出された次のキャリア周期Ｔnextに相当する。
【００１８】
次回の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw＊は、電気角θと、電圧位相目標値α＊と、電動機に入力すべき電圧のＳＷパターンとの関係を示す図３に基づき、θsw0＊〜θsw5＊の内からθnextと最も近い電気角を選択し、また、現在の回転方向から次の電圧ＳＷパターン切り替え以降に出力する電圧ＳＷパターンを判定する。例えば、図３において、θnextが（２π／３)−α＊に最も近い値であった場合は、次回の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw＊としてθsw2＊を選択し、次回の電圧ＳＷパターンは「Ｖu＝−Ｖdc／２、Ｖv＝−Ｖdc／２、Ｖw＝＋Ｖdc／２」のパターンとなる。
【００１９】
なお、図３においては、各電圧ＳＷパターンが０を中心とした＋Ｖdc／２と−Ｖdc／２の２値の矩形波なっている。これは電動機の３相巻線をＹ接続した場合には、電源電圧Ｖdc端子と接地端子との間に、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相のうちの何れか２相の巻線が直列に接続された回路が接続されることになるので、中性点を０とすれば、Ｖdc端子側に接続された相に＋Ｖdc／２、接地端子側に接続された相に−Ｖdc／２が印加されたものと表示することが出来ることによる。したがって前記図２に示したように、＋Ｖdc／２を“１”（Ｖdc）、−Ｖdc／２を“０”で表してもよい。
【００２０】
上記のように、次の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw＊を、θsw0＊〜θsw5＊から電気角予測値θnextが最も近いものを選択して求め、θnextとθsw＊の差分を位相誤差とし、その位相誤差（θsw＊−θnext）を前記の位相補正量△θu0、△θv0、△θw0で補正した値を電気角速度ωで除算することにより位相誤差時間△ｔに換算する。その際、下記（数３）式〜（数８）式に示すように、電気角目標値θsw＊がθsw0＊〜θsw5＊のうちのどれに近いかによって、位相補正量△θu0、△θv0、△θw0のうちの何れかで補正を行う。
【００２１】
θsw＊がθsw0＊の場合  △ｔ＝（θsw＊−θnext＋Δθiu）／ω    …（数３）
θsw＊がθsw1＊の場合  △ｔ＝（θsw＊−θnext−Δθiw）／ω    …（数４）
θsw＊がθsw2＊の場合  △ｔ＝（θsw＊−θnext＋Δθiv）／ω    …（数５）
θsw＊がθsw3＊の場合  △ｔ＝（θsw＊−θnext−Δθiu）／ω    …（数６）
θsw＊がθsw4＊の場合  △ｔ＝（θsw＊−θnext＋Δθiw）／ω    …（数７）
θsw＊がθsw5＊の場合  △ｔ＝（θsw＊−θnext−Δθiv）／ω    …（数８）
ただし、図３に示したように、
θsw0＊の場合とは、θsw＊の電気角θが０−α＊に近い場合
θsw1＊の場合とは、θsw＊の電気角θが(１／３)π−α＊に近い場合
θsw2＊の場合とは、θsw＊の電気角θが(２／３)π−α＊に近い場合
θsw3＊の場合とは、θsw＊の電気角θがπ−α＊に近い場合
θsw4＊の場合とは、θsw＊の電気角θが(４／３)π−α＊に近い場合
θsw5＊の場合とは、θsw＊の電気角θが(５／３)π−α＊に近い場合
にそれぞれ相当する。
【００２２】
次に、下記（数９）式、（数１０）式に示すように、前記の基準位相差π／３を時間に換算したｔ’（前記数１式）を、上記の△ｔで補正して時間ｔとし、これを次回のキャリア周期Ｔnextとする。  
ｔ＝ｔ’＋△ｔ    …（数９）
Ｔnext＝ｔ        …（数１０）
また、次回の電圧ＳＷパターンは、次の電圧ＳＷパターン切り替えの電気角目標値θsw＊と回転方向から、図３に基づいて選択する。
【００２３】
上記のように位相誤差（θsw＊−θnext）を電流オフセットに相当する位相補正量で補正した値を時間に換算し、その換算した値△ｔだけｔ’を補正してやれば、位置検出器の誤差に起因する電流オフセットを補正し、次回の電圧ＳＷパターン切り替えタイミングをキャリア信号の谷に一致させるように制御することが出来る。
【００２４】
次に、図１の電流オフセット検出手段８における電流オフセットの検出について説明する。  
図４は、電流オフセット検出手段８の構成を示すブロック図である。  
図４において、８−１、８−２、８−３は、時定数が充分に大きいローパスフィルタであり、これらのローパスフィルタを用いて、各相電流の直流成分を検出する。このようにして求めた各相電流の直流成分がオフセットに相当する。
【００２５】
これらのローパスフィルタは、例えば一般的な１次遅れのフィルタを用いる。また、ローパスフィルタではなく、電気角一周期分の時間平均値を求めるように構成しても良い。  
なお、図４においては、Ｗ相電流ＩwをＵ相電流ＩuとＶ相電流Ｉvから演算で求める場合を例示したが、各相ごとに電流センサを備え、各相ごとにそれぞれに電流値を計測してもよい。
【００２６】
次に、作用を説明する。  
図５は、位置検出器の誤差の一例を示した図である。  
図５に示したように、破線で示した実際の電気角１に対して、実線で示した位置検出器の検出電気角２は電気角周期とほぼ同じ周期の正弦波状の誤差を持っている。このような誤差を持っていると、例えばＵ相電圧を目標電圧波形３に示すように電気角が０［ｒａｄ］とπ［ｒａｄ］でスイッチングさせようとしても、電流オフセット補正を行わない場合は、実電圧波形４のようにオンの区間が短くなり、オフの区間が長くなるので、Ｕ相電流は負の方向にオフセットしてしまう。
【００２７】
しかし、前記△ｔ（位相誤差時間）の演算において、Ｕ相電流Ｉuについての（数３）式、（数６）式に示したように補正すると、Ｕ相電流が負の方向にオフセットしても実電圧波形５に示すように、電流オフセット量に応じて電圧のオン区間を長くし、オフ区間を短くするように作用するので、位置検出器の検出誤差による電圧オン区間とオフ区間の不平衡が抑制され、電流オフセットを減少させることができる。Ｖ相電流、Ｗ相電流についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明を適用する交流電動機の制御装置の構成を示す一実施例のブロック図。
【図２】実施例１におけるキャリア周期の設定方法を説明するための信号波形図。
【図３】電動機に入力すべき電圧のＳＷパターンを示す図。
【図４】電流オフセット検出手段８の構成を示すブロック図。
【図５】位置検出器の誤差とそれによる電圧ＳＷパターンのずれの一例を示した図。
【符号の説明】
【００２９】
１…電圧位相生成手段              ２…制御手段
２−１…矩形波制御手段            ２−２…ＰＷＭ制御手段
３…インバータ                    ４…電流センサ
５…電動機                        ６…位置検出器
７…速度演算手段                  ８…電流オフセット検出手段
８−１、８−２、８−３…ローパスフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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