(57)【要約】【課題】直流電動機の基準となる一方の端子側の電位変動を低減する直流電動機の制御装置を提供する。【解決手段】直流電動機４へ直流電圧を出力する電力変換器２が備える２組のスイッチのそれぞれを制御する直流電動機の制御装置１０であって、直流電圧に応じた電圧差を有するように設定される２つのキャリア比較値と、互いに所定の電圧差を有する２つの三角波キャリアと、に基づいて、２組のスイッチのそれぞれのオンまたはオフを制御する制御信号を生成する電圧指令器３と、電力変換器２の１組のスイッチの一方がオフで他方がオンである状態を継続させるために、電圧指令器３に、２つのキャリア比較値の一方を２つの三角波キャリアが取り得る最大値または最小値と等しい値に設定させる第１の制御を行う、電圧指令判断器５と、を備える。【選択図】図１
2018164349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電動機へ直流電圧を出力する電力変換器が備える２組のスイッチのそれぞれを制御する直流電動機の制御装置であって、
前記直流電圧に応じた電圧差を有するように設定される２つのキャリア比較値と、互いに所定の電圧差を有する２つの三角波キャリアと、に基づいて、前記２組のスイッチのそれぞれのオンまたはオフを制御する制御信号を生成する電圧指令器と、
前記電力変換器の１組のスイッチの一方がオフで他方がオンである状態を継続させるために、前記電圧指令器に、前記２つのキャリア比較値の一方を前記２つの三角波キャリアが取り得る最大値または最小値と等しい値に設定させる第１の制御を行う、電圧指令判断器と、を備える、直流電動機の制御装置。
【請求項２】
前記電圧指令判断器は、
前記２つのキャリア比較値の電圧差が前記所定の電圧差以上の場合に、前記第１の制御を行い、
前記２つのキャリア比較値の電圧差が前記所定の電圧差未満の場合に、前記電圧指令器に、前記２つのキャリア比較値の両方を前記最小値から前記最大値の間の値に設定させる第２の制御を行う、請求項１に記載の直流電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は直流電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から直流電動機を駆動するシステムが知られている。例えば特許文献１の図１には、直流電源と、三相電圧形インバータと、を備える直流電動機を駆動するシステムが例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２５６４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
駆動対象の直流電動機が単相である場合にも、上記に類似する構成のシステムが使用できる。例えば、図８は、比較例の制御装置１０Ａを用いる直流電動機４の駆動システムを示す図である。比較例の制御装置１０Ａは電圧指令器３を備える。図８に示される電力変換器２は２組（４つ）のスイッチで構成される（図２（Ａ）参照）。図８のシステムにおいて、制御装置１０Ａは電圧指令器３が出力する電圧指令通りに電力変換器２のスイッチを制御する。
【０００５】
電圧指令器３は、電力変換器２の各組の２つのスイッチが同時にオンとならないように、デッドタイムに対応する電圧差を設けた２つの三角波キャリアを用いる。詳細については後述するが、比較例の制御装置１０Ａによる電力変換器２のスイッチの制御では、直流電動機４の例えば−側（基準となる一方の端子側）が所定の電位に固定されず、電位が大きく変動する。直流電動機４の−側が交互に＋の電位および−の電位に変化することで、直流電動機４の軸に電圧が生じる。この電圧により軸受でスパークが発生して、軸受を損傷させるおそれがあった。
【０００６】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、直流電動機の基準となる一方の端子側の電位変動を低減する直流電動機の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る直流電動機の制御装置は、直流電動機へ直流電圧を出力する電力変換器が備える２組のスイッチのそれぞれを制御する直流電動機の制御装置であって、前記直流電圧に応じた電圧差を有するように設定される２つのキャリア比較値と、互いに所定の電圧差を有する２つの三角波キャリアと、に基づいて、前記２組のスイッチのそれぞれのオンまたはオフを制御する制御信号を生成する電圧指令器と、前記電力変換器の１組のスイッチの一方がオフで他方がオンである状態を継続させるために、前記電圧指令器に、前記２つのキャリア比較値の一方を前記２つの三角波キャリアが取り得る最大値または最小値と等しい値に設定させる第１の制御を行う、電圧指令判断器と、を備える。
【０００８】
また、本発明の実施形態に係る直流電動機の制御装置は、前記電圧指令判断器が、前記２つのキャリア比較値の電圧差が前記所定の電圧差以上の場合に、前記第１の制御を行い、前記２つのキャリア比較値の電圧差が前記所定の電圧差未満の場合に、前記電圧指令器に、前記２つのキャリア比較値の両方を前記最小値から前記最大値の間の値に設定させる第２の制御を行ってもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施形態によれば、直流電動機の基準となる一方の端子側の電位変動を低減する直流電動機の制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る直流電動機の制御装置を用いるシステムの構成を例示する図である。
【図２】図２（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る直流電動機の制御装置が制御する電力変換器の構成を例示する図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の電力変換器のスイッチングパターンを示す図である。
【図３】図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、＋の電圧を出力する場合の制御装置の動作を説明するための図である。
【図４】図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、−の電圧を出力する場合の制御装置の動作を説明するための図である。
【図５】図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、＋の電圧を出力する場合の比較例の制御装置の動作を説明するための図である。
【図６】図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、−の電圧を出力する場合の比較例の制御装置の動作を説明するための図である。
【図７】図７は、制御装置が行うキャリア比較値の電圧差と所定の電圧差（ｄＶ）との比較を説明するための図である。
【図８】比較例の制御装置を用いるシステムの構成を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【００１２】
（直流電動機の制御装置を用いるシステム）
図１は本実施形態に係る制御装置１０を用いるシステムの構成を例示する図である。図１のシステムは、本実施形態に係る制御装置１０の他に、電源装置１、電力変換器２および直流電動機４を備える。制御装置１０は、直流電動機４へ直流電圧を出力する電力変換器２が備える２組のスイッチ（図２（Ａ）参照）のそれぞれを制御することによって、直流電動機４を制御する。
【００１３】
電力変換器２は電源装置１から直流電圧を受け取る。電力変換器２と電源装置１とを接続する２つのノードのうち高電位側をＰとし、低電位側をＮとする。また、電力変換器２は電源装置１からの直流電圧を、三角波キャリアを用いてＰＷＭ出力する。電力変換器２は、任意の大きさの電圧を出力する場合に、ＰＷＭ波形の１周期における時間平均値が所望の電圧となるように通流率を変化させてＰＷＭ出力する。図１に示すように、電力変換器２は、直流電動機４の＋側端子および−側端子と接続される。ＰＷＭ波形の１周期における時間平均値で直流電動機４の＋側端子が−側端子よりも高電位である場合、電力変換器２が直流電動機４に対して＋の電圧を出力するという。また、ＰＷＭ波形の１周期における時間平均値で直流電動機４の＋側端子が−側端子よりも低電位である場合、電力変換器２が直流電動機４に対して−の電圧を出力するという。
【００１４】
制御装置１０は、電圧指令器３と、電圧指令判断器５と、を備える。
【００１５】
電圧指令器３は、２つのキャリア比較値と、２つの三角波キャリアと、に基づいて、電力変換器２の２組のスイッチのそれぞれのオンまたはオフを制御する制御信号を生成する。２つのキャリア比較値は、直流電動機４に供給される直流電圧に応じた電圧差を有するように設定される。２つの三角波キャリアは互いに所定の電圧差（電圧差ｄＶ、図３（Ａ）参照）を有する。
【００１６】
電圧指令判断器５は、電圧指令器３に適切な２つのキャリア比較値を設定させる。本実施形態において、電圧指令判断器５は、電圧指令器３に、２つのキャリア比較値の一方を２つの三角波キャリアが取り得る最大値または最小値と等しい値に設定させる第１の制御を行う。第１の制御の詳細については後述する。
【００１７】
（電力変換器のスイッチ）
図２（Ａ）は、本実施形態に係る直流電動機４の制御装置１０が制御する電力変換器２の構成を示す図である。電力変換器２は２組（４つ）のスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３およびＳＷ４を備える。ノードＰに一端が接続されたスイッチＳＷ１と、ノードＮに一端が接続されたスイッチＳＷ３と、が１組のスイッチである。また、ノードＰに一端が接続されたスイッチＳＷ２と、ノードＮに一端が接続されたスイッチＳＷ４と、が他の１組のスイッチである。スイッチＳＷ１の他端と、スイッチＳＷ３の他端と、が接続された接続点は、直流電動機４の＋側端子と接続される。スイッチＳＷ２の他端と、スイッチＳＷ４の他端と、が接続された接続点は、直流電動機４の−側端子と接続される。スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３およびＳＷ４のそれぞれは、制御装置１０からの制御信号に従ってオンまたはオフの状態となる。スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３およびＳＷ４は例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるが、特に限定されるものではない。
【００１８】
図２（Ｂ）は、電力変換器２が備えるスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３およびＳＷ４のスイッチングパターンを示す図である。スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３およびＳＷ４は、制御装置１０からの制御信号に従って、少なくとも図２（Ｂ）のスイッチングパターン（ａ）〜（ｄ）の状態をとる。しかし、各組のスイッチが同時にオンとなることはない。
【００１９】
（第１の制御）
図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、＋の電圧を出力する場合の制御装置１０の動作を説明するための図である。図３（Ａ）は、電圧指令器３で用いられる、キャリア比較値＋ＣＡＲと、キャリア比較値−ＣＡＲと、第１の三角波キャリアと、第２の三角波キャリアと、の関係の一例を示す図である。ここで、キャリア比較値＋ＣＡＲおよびキャリア比較値−ＣＡＲは、電圧指令判断器５からの指示によって電圧指令器３で設定される信号である。図３（Ａ）の縦軸は電圧である。また、図３（Ａ）の横軸は時間である。
【００２０】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に対応して、電圧指令器３が生成する制御信号を示す図である。図３（Ｂ）の太い実線で示される制御信号は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３およびＳＷ４のそれぞれをオンまたはオフにする。また、スイッチングパターンはスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３およびＳＷ４の状態の組合せを示すものであり、図２（Ｂ）に対応する。
【００２１】
図３（Ａ）に示すように、電圧指令器３は２つの三角波キャリアを用いる。第１の三角波キャリアはノードＰ側のスイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２の制御の判定に用いられる。また、第２の三角波キャリアはノードＮ側のスイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４の制御の判定に用いられる。第１の三角波キャリアと第２の三角波キャリアとは、互いに所定の電圧差ｄＶを有する。所定の電圧差ｄＶが設けられていることによって、各組のスイッチが同時にオンとなることを防止することができる。つまり、電圧差ｄＶが存在することによって、各組の一方のスイッチの切り替えと他方のスイッチの切り替えとの間に、２つのスイッチが共にオフとなるデッドタイムが生じる。所定の電圧差ｄＶの大きさは、要求されるデッドタイムの長さに応じて調整される。
【００２２】
また、図３（Ａ）に示すように、電圧指令器３は２つのキャリア比較値を用いる。キャリア比較値＋ＣＡＲは、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ３の制御の判定に用いられる。また、キャリア比較値−ＣＡＲは、スイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ４の制御の判定に用いられる。本実施形態において電力変換器２が直流電動機４に対して＋の電圧を出力する場合に、電圧指令判断器５は、電圧指令器３にキャリア比較値−ＣＡＲを最小値Ｖｍｉｎと等しい値に設定させる。ここで、最小値Ｖｍｉｎは、第２の三角波キャリアが取り得る最小の電圧値である。なお、最小値Ｖｍｉｎは一例として０であってもよい。
【００２３】
また、電圧指令判断器５は、他方のキャリア比較値＋ＣＡＲが、キャリア比較値−ＣＡＲとの間で直流電動機４に出力する直流電圧に応じた電圧差をとるように、電圧指令器３にキャリア比較値＋ＣＡＲを設定させる。図３（Ａ）の例では、直流電動機４に出力する直流電圧は、第１の三角波キャリアが取り得る最大値Ｖｍａｘと第２の三角波キャリアが取り得る最小値Ｖｍｉｎとの差の約３分の２の電圧値となる。そして、電圧指令判断器５は、電圧指令器３が２つのキャリア比較値と２つの三角波キャリアと、に基づいて生成した制御信号を、電力変換器２に出力する。このとき、図３（Ｂ）に示すように、電圧指令器３が生成した制御信号は、スイッチＳＷ２がオフでスイッチＳＷ４がオンである状態を継続させる。なお、電圧指令器３が生成した制御信号は、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ３についてはオンとオフとが切り替わるように制御する。
【００２４】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、−の電圧を出力する場合の制御装置１０の動作を説明するための図である。図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、それぞれ図３（Ａ）および図３（Ｂ）に対応しており、同じ要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２５】
図４（Ａ）に示すように、本実施形態において電力変換器２が直流電動機４に対して−の電圧を出力する場合に、電圧指令判断器５は、電圧指令器３にキャリア比較値−ＣＡＲを最大値Ｖｍａｘと等しい値に設定させる。
【００２６】
また、図４（Ｂ）に示すように、電圧指令器３が生成した制御信号は、スイッチＳＷ２がオンでスイッチＳＷ４がオフである状態を継続させる。なお、電圧指令器３が生成した制御信号は、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ３についてはオンとオフとが切り替わるように制御する。
【００２７】
上記のように、電圧指令判断器５が、２つのキャリア比較値の一方（例えばキャリア比較値−ＣＡＲ）を２つの三角波キャリアが取り得る最大値Ｖｍａｘまたは最小値Ｖｍｉｎと等しい値に設定させる制御を、第１の制御とする。第１の制御によって、電力変換器２の１組のスイッチの一方がオフで他方がオンである状態を継続させることが可能である。
【００２８】
（比較例）
ここで、図８を参照して、比較例の直流電動機の制御装置１０Ａを示しながら、本実施形態の直流電動機の制御装置１０の効果について説明する。
【００２９】
図８は、比較例の直流電動機の制御装置１０Ａの図である。制御装置１０Ａは電圧指令器３を備える。つまり、制御装置１０Ａは第１の制御を実行する電圧指令判断器５を備えていない。なお、その他については図１と同様であり、詳細な説明を省略する。
【００３０】
図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、＋の電圧を出力する場合の比較例の制御装置１０Ａの動作を説明するための図である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、それぞれ図３（Ａ）および図３（Ｂ）に対応しており、同じ要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３１】
比較例において、電力変換器２が直流電動機４に対して＋の電圧を出力する場合に、電圧指令器３は、キャリア比較値＋ＣＡＲおよびキャリア比較値−ＣＡＲを、２つの三角波キャリアが取り得る最小値Ｖｍｉｎから最大値Ｖｍａｘの間の値に設定する。電圧指令器３は、
キャリア比較値＋ＣＡＲが、キャリア比較値−ＣＡＲとの間で直流電動機４に出力する直流電圧に応じた電圧差をとるように設定する。図５（Ａ）の例では、直流電動機４に出力する直流電圧は、第１の三角波キャリアが取り得る最大値Ｖｍａｘと第２の三角波キャリアが取り得る最小値Ｖｍｉｎとの差の約３分の１の電圧値となる。
【００３２】
比較例では、図５（Ｂ）に示すように、電圧指令器３が生成した制御信号は、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４の全てについて、オンとオフとが切り替わるように制御する。
【００３３】
図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、−の電圧を出力する場合の比較例の制御装置１０Ａの動作を説明するための図である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、それぞれ図５（Ａ）および図５（Ｂ）に対応しており、同じ要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３４】
図６（Ａ）に示すように、電力変換器２が直流電動機４に対して−の電圧を出力する場合にも、電圧指令器３は、キャリア比較値＋ＣＡＲおよびキャリア比較値−ＣＡＲを、２つの三角波キャリアが取り得る最小値Ｖｍｉｎから最大値Ｖｍａｘの間の値に設定する。図６（Ａ）は、図５（Ａ）のキャリア比較値＋ＣＡＲとキャリア比較値−ＣＡＲとを入れ替えた状態に対応する。
【００３５】
また、図６（Ｂ）に示すように、電圧指令器３が生成した制御信号は、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４の全てについて、オンとオフとが切り替わるように制御する。
【００３６】
図５（Ｂ）および図６（Ｂ）に例示したように、比較例の直流電動機の制御装置１０Ａは、接続点が直流電動機４の−側端子と接続されているスイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ４の状態（オンまたはオフ）を変動させる。そのため、直流電動機４の基準となる端子（例えば−側端子）が所定の電位に固定されず、電位が大きく変動する。
【００３７】
一方、本実施形態に係る直流電動機の制御装置１０は、上記の第１の制御を行うことによって、１組のスイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ４について、一方のスイッチがオンで他方のスイッチがオフである状態を継続させる。そのため、直流電動機４の基準となる端子を継続して所定の電位（例えばノードＮまたはノードＰの電位）であるようにできる。
【００３８】
（変形例）
本発明を諸図面および実施形態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および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、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【００３９】
例えば、電圧指令判断器５は、図５（Ａ）〜図６（Ｂ）に示されるような比較例の制御装置１０Ａと同じ制御を行うことが可能である。ここで、電圧指令判断器５が、電圧指令器３に、２つのキャリア比較値の両方（キャリア比較値＋ＣＡＲおよびキャリア比較値−ＣＡＲ）を最小値Ｖｍｉｎから最大値Ｖｍａｘの間の値に設定させる制御を、第２の制御とする。電圧指令判断器５は、第１の制御だけでなく、第２の制御を実行可能である。電圧指令判断器５は、状況に応じて、第１の制御と第２の制御とを切り替えて実行してもよい。
【００４０】
図７は、変形例の制御装置１０が行う第１の制御と第２の制御とを切り替えについて説明するための図である。変形例において、電圧指令判断器５は、キャリア比較値の電圧差と所定の電圧差（ｄＶ）との大小関係に応じて、第１の制御と第２の制御とを切り替える。図７の例では、キャリア比較値＋ＣＡＲとキャリア比較値−ＣＡＲとは、直流電動機４に出力する直流電圧に応じて、時間の経過とともに変化している。図７の時間領域Ａ０および時間領域Ａ４では、第１の三角波キャリアが取り得る最大値Ｖｍａｘと第２の三角波キャリアが取り得る最小値Ｖｍｉｎとの差に対応する電圧が出力される。また、図７の時間領域Ａ１および時間領域Ａ３では、直流電動機４に出力する直流電圧の大きさは時間領域Ａ０および時間領域Ａ４よりも小さくなっているが、所定の電圧差（ｄＶ）以上である。そして、図７の時間領域Ａ２では、直流電動機４に出力する直流電圧の大きさは所定の電圧差（ｄＶ）未満である。
【００４１】
図７のような時間変化を示す場合に、変形例の制御装置１０は、２つのキャリア比較値の電圧差が所定の電圧差以上である時間領域Ａ０，Ａ１，Ａ３およびＡ４において第１の制御を行う。変形例の制御装置１０は、２つのキャリア比較値の電圧差が所定の電圧差未満である時間領域Ａ２において、第２の制御を行う。
【００４２】
ここで、上記の実施形態の制御装置１０では第１の制御だけが実行される。そのため、２つのキャリア比較値の電圧差が所定の電圧差未満である場合に、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４の全てについて、継続してオンまたはオフの状態であるように制御される。つまり、上記の実施形態の制御装置１０では、所定の電圧差未満の直流電圧を直流電動機４に出力することはできなかった。
【００４３】
変形例の制御装置１０を用いれば、２つのキャリア比較値の電圧差が所定の電圧差未満である図７の時間領域Ａ２において、第２の制御が行われる。そのため、時間領域Ａ２においても、２つのキャリア比較値の電圧差に応じた直流電圧を直流電動機４に出力することが可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１  電源装置
２  電力変換器
３  電圧指令器
４  直流電動機
５  電圧指令判断器
１０，１０Ａ  制御装置
【図１】
2018164349.tif 000003
【図２】
2018164349.tif 000004
【図３】
2018164349.tif 000005
【図４】
2018164349.tif 000006
【図５】
2018164349.tif 000007
【図６】
2018164349.tif 000008
【図７】
2018164349.tif 000009
【図８】
2018164349.tif 000010