(57)【要約】【課題】  従来の交流電動機の制御方法および制御装置では、位置センサの検出値に基づいて、電圧位相が指令値に一致するように制御しているため、位置検出器の検出誤差によって電圧パターンのオン区間とオフ区間とで不平衡が発生するなどの問題があった。【解決手段】  前記矩形波電圧の電気角１周期の間における、各電圧パターンの開始から終了までの時間と、各電圧パターン開始から終了までの電気角速度平均値とから、各相電圧のオン区間とオフ区間の位相量を求め、その差分を算出する差分算出ステップと、前記算出した差分に基づき、電圧のオン／オフ区間不平衡量を検出し、この値に基づいて電圧パターンが切り替わるタイミングを補正する補正ステップとを含むことを特徴とする矩形波電圧を用いた交流電動機の制御方法およびこれに相当する装置を提供する。【選択図】図１
2006115605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形波電圧を用いた交流電動機の制御方法であって、
前記矩形波電圧の電気角１周期の間における、各電圧パターンの開始から終了までの時間と、各電圧パターン開始から終了までの電気角速度平均値とから、各相電圧のオン区間とオフ区間の位相量を求め、その差分を算出する差分算出ステップと、
前記算出した差分に基づき、電圧のオン／オフ区間不平衡量を検出し、この値に基づいて電圧パターンが切り替わるタイミングを補正する補正ステップと、
を含むことを特徴とする交流電動機の制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の交流電動機の制御方法において、
前記差分算出ステップで用いる、前記各電圧パターン開始から終了までの電気角速度平均値を、各電圧パターンの開始時点と終了時点とでサンプリングし、さらに、その間で少なくとも１回サンプリングした電気角速度の平均値として求めるステップ、
をも含むことを特徴とする交流電動機の制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の交流電動機の制御方法において、
前記差分算出ステップで用いる、前記各電圧パターン開始から終了までの電気角速度平均値を、各電圧パターンの開始時点と終了時点とでサンプリングした電気角速度の平均値として求めるステップ、
をも含むことを特徴とする交流電動機の制御方法。
【請求項４】
請求項１に記載の交流電動機の制御方法において、
前記差分算出ステップで用いる、前記各電圧パターン開始から終了までの電気角速度平均値を、各電圧パターンの開始時点でサンプリングした電気角速度の平均値として求めるステップ、
をも含むことを特徴とする交流電動機の制御方法。
【請求項５】
矩形波電圧を用いた交流電動機の制御装置であって、
前記矩形波電圧の電気角１周期の間における、各電圧パターンの開始から終了までの時間と、各電圧パターン開始から終了までの電気角速度平均値とから、各相電圧のオン区間とオフ区間の位相量を求め、その差分を算出する差分算出手段と、
前記算出した差分に基づき、電圧のオン／オフ区間不平衡量を検出し、この値に基づいて電圧パターンが切り替わるタイミングを補正する補正手段と、
を含むことを特徴とする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、交流電動機の制御方法に関し、特に矩形波電圧を用いた交流電動機の制御方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流電動機の制御方法で、PWM電圧駆動方式で出力電圧が直流電圧により制限を受ける動作領域等で用いられる矩形波電圧駆動方式において、従来技術では、トルク等の所望の出力状態を実現するための電圧位相指令値を決定し、電圧位相指令値と位置センサ（例えばレゾルバ）より得る電動機のロータ位置に基づき、電圧パターンが切り替わるタイミングを制御する方法が知られている（特許文献１を参照されたい。）。
【特許文献１】特開２０００−５０６８９号公報（図１、段落[0020]-[0023]）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような従来技術では、位置センサの検出値に基づいて、電圧位相が指令値に一致するように制御しているため、位置検出器の検出誤差によっては、電圧パターンのオン区間とオフ区間とで不平衡が発生するなどの問題がある。また、この不平衡即ち不均衡に起因するオフセット電流が流れ、このオフセット電流により損失増加やトルクリップルを引き起こす恐れがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上述した諸課題を解決すべく、第1の発明による交流電動機の制御方法は、
矩形波電圧を用いた交流電動機の制御方法であって、
前記矩形波電圧の電気角１周期の間における、各電圧パターンの開始から終了までの時間と、各電圧パターン開始から終了までの電気角速度平均値とから、各相電圧のオン区間とオフ区間の位相量（即ち、オンおよびオフ区間の開始から終了までの位相差であり、例えば、１区間あたりの位相量は、時間と電気角速度平均値の積により求める。）を求め、その差分を算出する差分算出ステップと、
前記算出した差分に基づき、電圧のオン／オフ区間不平衡量を検出し、この値に基づいて電圧パターンが切り替わるタイミングを補正する補正ステップと、
を含むことを特徴とする。
【０００５】
また、第２の発明による交流電動機の制御方法は、
前記差分算出ステップで用いる、前記各電圧パターン開始から終了までの電気角速度平均値を、各電圧パターンの開始時点と終了時点とでサンプリングし、さらに、その間で少なくとも１回（好適には複数回）サンプリングした電気角速度の平均値として求めるステップ、
をも含むことを特徴とする。
【０００６】
また、第３の発明による交流電動機の制御方法は、
前記差分算出ステップで用いる、前記各電圧パターン開始から終了までの電気角速度平均値を、各電圧パターンの開始時点と終了時点とでサンプリングした電気角速度の平均値として求めるステップ、
をも含むことを特徴とする。
【０００７】
また、第４の発明による交流電動機の制御方法は、
前記差分算出ステップで用いる、前記各電圧パターン開始から終了までの電気角速度平均値を、各電圧パターンの開始時点でサンプリングした電気角速度の平均値として求めるステップ、
をも含むことを特徴とする。
【０００８】
なお、上述したように本発明の解決手段を方法として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する装置、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現され得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
例えば、本発明を装置として実現させると、本発明による交流電動機の制御装置は、
矩形波電圧を用いた交流電動機の制御装置であって、
前記矩形波電圧の電気角１周期の間における、各電圧パターンの開始から終了までの時間と、各電圧パターン開始から終了までの電気角速度平均値とから、各相電圧のオン区間とオフ区間の位相量（即ち、オンおよびオフ区間の開始から終了までの位相差であり、例えば、１区間あたりの位相量は、時間と電気角速度平均値の積により求める。）を求め、その差分を算出する差分算出手段（回路）と、
前記算出した差分に基づき、電圧のオン／オフ区間不平衡量を検出し、この値に基づいて電圧パターンが切り替わるタイミングを補正する補正手段（回路）と、
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、位置センサの誤差による電圧パターン切替えタイミングのズレを抑制し、このズレに起因する電流のオフセットを低減できるようになる。従って、このオフセット電流により、発生する損失、さらにはトルクリップルを抑制・低減することが可能になる。
【００１０】
第２の発明によれば、電圧パターン１区間の間の回転加速度が多様に変化する動作環境において、電圧のオン／オフ区間不平衡量を適正かつ良好に検出することができ、より一層、適正に電流オフセットを低減できるようになる。
【００１１】
第３の発明によれば、電圧パターン１区間の間の回転加速度がほぼ一定値となる動作環境において、電圧のオン／オフ区間不平衡量を適正かつ良好に検出でき、第２の発明よりさらに制御構成を簡素にできる。
【００１２】
第４の発明によれば、電圧パターン１区間の間の回転速度変化が非常に小さいとみなせる動作環境において、電圧のオン／オフ区間不平衡量を良好に検出でき、第２、第３の発明よりさらに制御構成を簡素にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。
図１は、本発明による交流電動機の制御方法の使用に適した電動機制御システムの形態の一例を示す制御ブロック図である。図に示すように、電圧位相生成器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指令値α*を出力する。
矩形波生成器２には、電圧位相生成器１で出力された電圧位相目標値α*と、電動機５に設けた位置検出器６により検出された電気角θと、電気角θを入力とする速度演算器７の出力である電気角速度ωが入力され、パワー素子駆動信号を出力し、インバータ３を介して電動機5に振幅が±Ｖｄｃ／２（Ｖｄｃはインバータ３に入力される直流電圧）の矩形波電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗが入力される。
【００１４】
電流検出器４の検出電流ｉｕ、ｉｖは、電圧位相指令値α*をテーブル参照ではなくトルクフィードバックループを構成して算出する場合にトルク推定演算に用いる場合、ＰＷＭやPWM電圧駆動方法に切り替えて電流フイードパック制御を行う場合等に用いる。
矩形波生成器２は、電圧位相指令値α*と位置センサ6により検出する電気角θに基づき、矩形波電圧を発生するためのスイッチング信号をインバーパワー素子に供給し、矩形波電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと電圧位相指令値α*と電気角θは、図２の関係となるように制御する。
図２は、三相電動機において、ロータのＭ極とＵ相の向きが一致する位置をθ＝0［rad］とした場合の電圧パターンの一例を示す図である。また、電圧オン区間とオフ区間との間の不平衡量も矩形浪生成器２で算出し、矩形波電圧を発生させるためのスイッチング信号を補正している。
【００１５】
電圧不均衡の例
図３は、位置センサの誤差が発生する電圧パターンの波形図の一例を示した図である。この図の場合は、実際の電気角ａに対して、検出電気角ｂ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。位置検出器による電気角がこのような誤差を含む場合、目標電圧波形ｃのように実電気角が0［rad］とπ［rad］の時点でオン／オフが切り替わり、オンの区間とオフの区間の位相量がそれぞれπとなる矩形波を生成しようとしても、実際の電圧波形ｄは検出誤差θerr1、θerr2だけ電圧パターンの切替えタイミングがずれるため、電圧のオン区間とオフ区間の長さに不平衡が生じる。即ち、この図３の例では電圧のオフの区間が長いので、負の方向にオフセット電流が流れる。オフセット電流は平均的なトルクには寄与しないので銅損が増加し、効率低下の原因となる。また、瞬時的にはトルクの脈動を引き起こす場合もあり、トルクリップルが発生する恐れがある。
【００１６】
そこで、本発明による電動機の制御方法では、電圧オン／オフ区間の不平衡を検出しその補正を行う。
図４は、三相電動機の場合、矩形波電圧駆動における電圧パターンの波形図の一例を示す図である。図に示すように電気角1周期で6通りとなる。また、それぞれの電圧パターンの開始から終わりまでの時間をT1〜Ｔ6、それぞれの電圧パターンの開始から終わりまでの平均的な電気角速度をω1〜ω6とすると、それぞれの区間の開始から終わりまでの位相差Δθ〜Δθ6は、
△θｎ＝ωｎ×Tｎ            ただし、ｎは１〜６          （1）
として求めることができる。T1〜T6は、電圧パターン切替え間隔の制御設定値を用いても良いし、電圧パターンが切り替わる毎にリセットスタートを繰り返すタイマカウンタを用いた計測値などでも良い。ω1〜ω6の算出方法については後述する。
【００１７】
電気角1周期とは、即ち電気角で360［°］＝2π［rad］であるから、理想的には
【数１】
2006115605.tif 000003
となる。そして、1相あたりの電圧のオンとオフの切替えは電気角で180［°］＝π［rad］毎に行われるのが好ましいので、図４に示す∪相電圧の1周期間を例にすると、理想的には
オン区間：    PON＝Δθ1＋Δθ2＋Δθ3＝π      （3）
オフ区間：    POFF＝Δθ4＋Δθ5＋Δθ6＝π      （4）
となる。
【００１８】
しかしながら、位置センサが図３を用いて説明したような誤差を有していた場合、θer1、θerr2は、オン区間を長くする方向を正、短くする方向を負とすると、式（3）（4）は以下のように式（5）（6）に置き換わる。
オン区間：    PON＝ Δθ1＋Δθ2＋Δθ3＝π＋θerr1＋θerr2      （5）
オフ区間：    POFF＝Δθ4＋Δθ5＋Δθ6＝π−θerr1−θerr1      （6）
従って、電圧オン／オフ区間の不平衡量ΔPを次式で求めることができる．
△P＝PON−POFF
＝2（θerr1+θerr2）                            （7）
不平衡量ΔPが、正ならばオン区間がオフ区間に対して長くなっており、負ならばオフ区間がオン区間に対して長くなっていることを示している。従って、ΔPが正ならオン区間をΔP／2だけ広げるように、電圧パターン切替えタイミングを補正すればよいし、ΔPが負なら、オン区間をΔP／2だけ短くするように電圧パターン切替えタイミングを補正するように制御すればよい。
【００１９】
図５は、不平衡量ΔPに応じて電圧パターン切替えタイミングを補正した場合の電圧パターンの一例を示す波形図である。電圧オン／オフ区間の間の不平衡量補正は、電圧がオフになるタイミングで行っても良いし、オンになるタイミングで行っても良い。この場合、日標電圧波形Wtに対して、補正なしの実電圧波形Wactは不平衡量がかなり発生するが、オフ時のみで補正した実電圧波形Wact-corr1は位相がオフセットするが、不平衡量を低減できる、即ち、図に示すようにほぼ解消することができる。同様に、オン時のみで補正した実電圧波形Wact-corr2も位相がオフセットするが、不平衡量を低減できる、即ち、図に示すようにほぼ解消することができる。
また、実電圧波形Wact-corr3のように、オンになるタイミングとオフになるタイミングとで、検出した不平衡量の半分ずつ補正しても良いし、誤差の特性があらかじめ判っている場合は、オン時の補正量とオフ時の補正量の比率を誤差の特性に応じて決めればよい。この場合、オン時のみ、オフ時のみで補正する場合に対して、位相のオフセットは少なくて済む。このように、補正の結果位相のオフセットが発生しても、図１の電圧位相生成器1における電圧位相指令値テーブルを位相のオフセットを考慮して作成しておけば問題は無い。さらには、トルクフィードバック系を構成する場合でも問題はない。V相、W相についても、同様にして電圧オン／オフ区間の不平衡量を求め、その値に応じて矩形波の電圧パターン切替えタイミングを補正するように制御する。なお、図４における電気角1周期間の定義は一例であり、基本的に演算対象とする電気角1周期とは最近の過去1周期とすればよい。
【００２０】
電気角速度平均値の算出方法
電圧パターン1区間の間に、回転速度が複雑に変化する場合、電気角度を複数回サンプリングし、その平均値を求めればよい。図６、図７、および図８に、電気角速度のサンプリングの例をそれぞれ示す。
例えば、図６の例では、ω5は次式で算出する。
【数２】
2006115605.tif 000004
あるいは、電気角速度のサンプリング間隔が十分に小さいときは、下記の式（9）のように算出してもよい。
【数３】
2006115605.tif 000005
【００２１】
また、電圧パターン1区間の間で回転数の変化が単調である場合、電気角速度の平均値は、電圧パターン開始時と終了時にサンプリングした電気角速度の平均値で近似することができる。
例えば、図７の例では、ω5は次式で算出する。
【数４】
2006115605.tif 000006
また、電圧パターン1区間の間で回転数がほぼ一定である場合、電気角速度の平均値は、電圧パターン開始時にサンプリングした電気角速度で近似することができる。
例えば、図８の例では、ω5は次式で算出する。
ω5＝ω’0                                （11）
【００２２】
以上の説明をフローチャートにすると図９のようになる。図９は、図1の矩形波生成器2における処理の概要の一例を示すフローチャートである。図に示すように、ステップS1〜S7の各ステップを行うことによって、本発明の電動機の制御方法が実行される。図に示すような各ステップの実行によって、位置センサの誤差による矩形波電圧のオン区間とオフ区間の不平衡を抑制することができるので、矩形波電圧のオン区間とオフ区間の不平衡により発生するオフセット電流を低減できる。オフセット電流が低減できるので、オフセット電流により発生する損失やトルクリップルを低減することができ、より高性能かつ高効率なモータ駆動が可能となる。
【００２３】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることを留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による交流電動機の制御方法の使用に適した電動機制御システムの形態の一例を示す制御ブロック図である。
【図２】三相電動機における電圧パターンの一例を示す図である。
【図３】位置センサの誤差が発生する電圧パターンの波形図の一例を示した図である。
【図４】三相電動機の場合、矩形波電圧駆動における電圧パターンの波形図の一例を示す図である。
【図５】不平衡量ΔPに応じて電圧パターン切替えタイミングを補正した場合の電圧パターンの一例を示す波形図である。
【図６】電気角速度のサンプリングの一例を示す図である。
【図７】電気角速度のサンプリングの一例を示す図である。
【図８】電気角速度のサンプリングの一例を示す図である。
【図９】図1の矩形波生成器2における処理の概要の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２５】
１  電圧位相生成器
２  矩形波生成器
３  インバータ
４  電流検出器
５  電動機
６  位置検出器
７  速度演算器
【図１】
2006115605.tif 000007
【図２】
2006115605.tif 000008
【図３】
2006115605.tif 000009
【図４】
2006115605.tif 000010
【図５】
2006115605.tif 000011
【図６】
2006115605.tif 000012
【図７】
2006115605.tif 000013
【図８】
2006115605.tif 000014
【図９】
2006115605.tif 000015