(57)【要約】  運転中の母線電流を検出するための制御を考慮して、母線電流の変動量を抑制し電力損失を低減させた電力変換装置を提供する。スイッチング信号による電力変換部の制御において、交流回転機が力行運転状態の場合には、母線電流を検出するタイミングで力行モードとなるような電圧ベクトルになるようにし、また、交流回転機が回生運転状態の場合には、母線電流を検出するタイミングで回生モードとなるような電圧ベクトルになるようにすることにより、母線電流の変動による電力損失を低減させる。
2016056082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相以上の多相巻線を有する交流回転機と、
直流電圧を出力する直流電源部と、
前記交流回転機のための外部からの制御指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令に対応した少なくとも２つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、
前記スイッチング信号に基づいて、前記直流電源部からの前記直流電圧を交流電圧に変換して前記交流回転機に供給する電力変換部と、
前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出する電流検出部と、
前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算する相電流演算部と、
を備え、
前記電流検出部は、前記スイッチング信号に従って前記２つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部は、前記交流回転機が力行運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記直流電源部から前記交流回転機へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、
電力変換装置。
【請求項２】
３相以上の多相巻線を有する交流回転機と、
直流電圧を出力する直流電源部と、
前記交流回転機のための外部からの制御指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令に対応した少なくとも２つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、
前記スイッチング信号に基づいて、前記交流回転機の起電力を直流電力に変換して前記直流電源部に供給する電力変換部と、
前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出する電流検出部と、
前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算する相電流演算部と、
を備え、
前記電流検出部は、前記スイッチング信号に従って前記２つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部は、前記交流回転機が回生運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記交流回転機から前記直流電源部へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、
電力変換装置。
【請求項３】
前記電力変換部が前記スイッチング信号に基づいて、力行運転状態の場合に前記直流電源部からの前記直流電圧を交流電圧に変換して前記交流回転機に供給し、回生運転状態の場合に前記交流回転機の起電力を直流電力に変換して前記直流電源部に供給し、
前記スイッチング信号生成部は、前記交流回転機が回生運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記交流回転機から前記直流電源部へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、前記交流回転機が力行運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記直流電源部から前記交流回転機へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記スイッチング信号生成部は、
前記制御指令が電流指令を含む場合の前記電流指令の２軸座標系における位相角と、
前記電圧指令の２軸座標系における位相角と、
前記相電流演算部で得られた相電流の２軸座標系における位相角と、
のうちの少なくとも１つに基づいて前記電圧ベクトルを選択する請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記スイッチング信号生成部は、
前記制御指令が電流指令を含む場合の前記電流指令の２軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
前記電圧指令の２軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
前記相電流演算部で得られた相電流の２軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
のうちの少なくとも１つに基づいて前記電圧ベクトルを選択する請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電流検出部は、前記電圧指令の振幅が閾値を超えた場合、前記電圧ベクトルが電圧指令ベクトルに隣接するタイミングにて前記母線電流を検出する請求項１から５までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
ステアリング系の操舵トルクを補助するトルクを前記交流回転機が発生するように請求項１から６までのいずれか１項に記載の電力変換装置が設けられた電動パワーステアリングの制御装置。
【請求項８】
３相以上の多相巻線を有する交流回転機のための外部からの制御指令に基づき電圧指令演算部で電圧指令を演算し、
スイッチング信号生成部により、前記電圧指令に対応した少なくとも２つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、
電力変換部により、前記スイッチング信号に基づいて、直流電源部からの直流電圧を交流電圧に変換して前記交流回転機に供給し、また前記交流回転機の起電力を直流電力に変換して前記直流電源部に供給し、
電流検出部により、前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出し、
相電流演算部により、前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算し、
前記電流検出部により、前記スイッチング信号に従って前記２つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部により、
前記交流回転機が力行運転状態の場合に、前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記直流電源部から前記交流回転機へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、
前記交流回転機が回生運転状態の場合に、前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記交流回転機から前記直流電源部へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、
の少なくとも一方のスイッチング信号の出力を行う電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置等に係り、特に動作中の母線電流の検出に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１の車両用操舵装置においては、各相ＰＷＭ(パルス幅変調)信号を生成するための鋸波の位相をずらして、各相ＰＷＭ信号のローレベルへの立ち下がりのタイミングをずらすことにより、Ｖ相ＰＷＭ信号がローレベルに立ち下がってから時間Ｔ１が経過するまでの期間における電流センサの出力信号に基づいて、電動モータを流れるＵ相電流の値を得ることができる。また、Ｗ相ＰＷＭ信号がローレベルに立ち下がってから時間Ｔ２が経過するまでの期間における電流センサの出力信号に基づいて、電動モータを流れるＵ相電流およびＶ相電流の合計電流値を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１１２４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の車両用操舵装置では、各相ＰＷＭ信号を生成するための鋸波の位相をずらして、母線電流を検出するタイミングにおいて、１相がＯＮとなる電圧ベクトルあるいは２相がＯＮとなる電圧ベクトルとなることを実現している。これにより母線電流による各相電流の検出が可能となっているが、搬送波をずらしてＰＷＭ信号を生成しているため、立上げ順は予め設定された順番に固定される。例えば、モータの角度によっては最小相、中間相、最大相の順に立ち上げる場合もあり、モータが力行運転状態にあるにもかかわらず母線電流による検出タイミングにおいてはモータから電源に向けて電流が流れる状態(以下、回生モードという)となり、電力損失が大きくなる。また、最大相、中間相、最小相の順に立ち上げる場合もあり、モータが回生運転状態にあるにもかかわらず母線電流による検出タイミングにおいては電源からモータに向けて電流が流れる状態(以下、力行モードという)となり、電力損失が大きくなる。【０００５】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、動作中の母線電流を検出するための制御を考慮して、母線電流の変動量を抑制し電力損失を低減させた電力変換装置等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】
【０００６】
この発明は、３相以上の多相巻線を有する交流回転機と、直流電圧を出力する直流電源部と、前記交流回転機のための外部からの制御指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、前記電圧指令に対応した少なくとも２つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、前記スイッチング信号に基づいて、前記直流電源部からの前記直流電圧を交流電圧に変換して前記交流回転機に供給する電力変換部と、前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出する電流検出部と、前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算する相電流演算部と、を備え、前記電流検出部は、前記スイッチング信号に従って前記２つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、前記スイッチング信号生成部は、前記交流回転機が力行運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記直流電源部から前記交流回転機へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、電力変換装置等にある。
【発明の効果】
【０００７】
この発明では、動作中の母線電流を検出するための制御を考慮して、母線電流の変動量を抑制し電力損失を低減させた電力変換装置等を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換装置の全体構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１による電力変換装置におけるスイッチング信号と電圧ベクトルと３相巻線を流れる電流の関係の一例を示す図である。
【図３】この発明に関する電圧ベクトルと交流回転機の３相巻線の相方向との関係を示す図である。
【図４】図１の交流回転機の回転子の基本構造の一例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１による電力変換装置における、スイッチング信号生成部でのスイッチング信号と電流検出部における母線電流の検出タイミングと電圧ベクトルの一例を示した動作説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１による電力変換装置における、スイッチング信号生成部でのスイッチング信号と電流検出部における母線電流の検出タイミングと電圧ベクトルの別の例を示した動作説明図である。
【図７】この発明の実施の形態１による電力変換装置における、スイッチング信号生成部でのスイッチング信号と電流検出部における母線電流の検出タイミングと電圧ベクトルの別の例を示した動作説明図である。
【図８】この発明の実施の形態１による電力変換装置における、スイッチング信号生成部でのスイッチング信号と電流検出部における母線電流の検出タイミングと電圧ベクトルの別の例を示した動作説明図である。
【図９】この発明の実施の形態１による電力変換装置における、スイッチング信号生成部でのスイッチング信号と電流検出部における母線電流の検出タイミングと電圧ベクトルの別の例を示した動作説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態１による電力変換装置における、スイッチング信号生成部でのスイッチング信号と電流検出部における母線電流の検出タイミングと電圧ベクトルの別の例を示した動作説明図である。
【図１１】この発明の実施の形態１による電力変換装置における変形例での、スイッチング信号生成部でのスイッチング信号と電流検出部における母線電流の検出タイミングと電圧ベクトルを示した動作説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態１による電力変換装置における、スイッチング信号生成部でのスイッチング信号と電流検出部における母線電流の検出タイミングと電圧ベクトルと母線電流の一例を示した動作説明図である。
【図１３】図１２に対する比較例を示す動作説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態１による電力変換装置におけるｄｑ軸電流を軸とした平面上の電流ベクトルを示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが０ｄｅｇの場合の３相電流を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが０ｄｅｇの場合の２つの電圧ベクトルの設定可能範囲を示す図である。
【図１７】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが０ｄｅｇの場合の、電気角１周期を通して力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最小の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定可能範囲と電圧ベクトルの一例を示す図である。
【図１８】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが０ｄｅｇの場合の、電気角１周期を通して力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最大の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定可能範囲と電圧ベクトルの一例を示す図である。
【図１９】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが４５ｄｅｇの場合の３相電流を示す図である。
【図２０】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが４５ｄｅｇの場合の２つの電圧ベクトルの設定可能範囲を示す図である。
【図２１】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが４５ｄｅｇの場合の、電気角１周期を通して力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最小の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定可能範囲と電圧ベクトルの一例を示す図である。
【図２２】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが４５ｄｅｇの場合の、電気角１周期を通して力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最大の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定可能範囲と電圧ベクトルの一例を示す図である。
【図２３】この発明の実施の形態１による電力変換装置おける、位相角θβが０〜４５ｄｅｇの間のすべての角度において力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最小の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの選択の一例を示す図である。
【図２４】この発明の実施の形態１による電力変換装置おける、位相角θβが０〜４５ｄｅｇの間のすべての角度において力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最大の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの選択の一例を示す図である。
【図２５】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが１８０ｄｅｇの場合の３相電流を示す図である。
【図２６】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが１３５ｄｅｇの場合の３相電流を示す図である。
【図２７】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが１８０ｄｅｇの場合の、電気角１周期を通して力行運転状で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最小の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定範囲と電圧ベクトルの一例を示す図である。
【図２８】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが１８０ｄｅｇの場合の、電気角１周期を通して力行運転状で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最大の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定範囲と電圧ベクトルの一例を示す図である。
【図２９】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが１３５ｄｅｇの場合の、電気角１周期を通して力行運転状で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最小の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定範囲と電圧ベクトルの一例を示す図である。
【図３０】この発明の実施の形態１による電力変換装置における位相角θβが１３５ｄｅｇの場合の、電気角１周期を通して力行運転状で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最大の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定範囲と電圧ベクトルの一例を示す図である。
【図３１】この発明の実施の形態１による電力変換装置における、位相角θβが１３５〜１８０ｄｅｇの間のすべての角度において力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最小の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定範囲と電圧ベクトルの一例を示す図である。
【図３２】この発明の実施の形態１による電力変換装置における、位相角θβが１３５〜１８０ｄｅｇの間のすべての角度において力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最大の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定範囲と電圧ベクトルの別の例を示す図である。
【図３３】この発明の実施の形態２による電力変換装置における、任意の位相角θβに対して力行運転状態で力行モードとなる２つの電圧ベクトルを出力するための電圧ベクトルの設定可能範囲を示す図である。
【図３４】この発明の実施の形態２による電力変換装置における、任意の位相角θβに対して力行運転状態で力行モードとなる２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最小の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定範囲と電圧ベクトルの例を示す図である。
【図３５】この発明の実施の形態２による電力変換装置における、任意の位相角θβに対して力行運転状態で力行モードとなる２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最大の電気角で実施した場合の、２つの電圧ベクトルの設定範囲と電圧ベクトルの例を示す図である。
【図３６】この発明の実施の形態３による電力変換装置の全体構成を示す図である。
【図３７】この発明の実施の形態３による電力変換装置における、スイッチング信号生成部でのスイッチング信号と電流検出部における母線電流の検出タイミングと電圧ベクトルと母線電流の一例を示した動作説明図である。
【図３８】図３７に対する比較例を示す動作説明図である。
【図３９】この発明による電力変換装置を設けた電動パワーステアリングの制御装置の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
この発明による電力変換装置等においては、動作中の母線電流を検出するための制御を考慮して、スイッチング信号による電力変換部の制御において、交流回転機が力行運転状態の場合には、母線電流を検出するタイミングで力行モードとなるような電圧ベクトルになるようにすることで、母線電流の変動による電力損失を低減できる。また、交流回転機が回生運転状態の場合には、母線電流を検出するタイミングで回生モードとなるような電圧ベクトルになるようにすることで、母線電流の変動による電力損失を低減できる。
【００１０】
以下、この発明による電力変換装置等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、また重複する説明は省略する。
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電力変換装置の全体構成を示す図である。交流回転機１は例えば、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相の３相巻線(一般的には多相巻線)Ｃを有する永久磁石同期回転機からなる。
直流電源２は、電力変換部３に直流電圧Ｖｄｃを出力する。この直流電源２は、バッテリ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ダイオード整流器、ＰＷＭ整流器等(共に図示省略)、直流電圧を出力する全ての機器を含み得る。
【００１２】
電力変換部３は、スイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎに従って、半導体スイッチＳｕｐ〜Ｓｗｎをオンオフすることによって、直流電源２から入力した直流電圧Ｖｄｃを電力変換して交流回転機１の３相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに交流電圧を印加する。半導体スイッチＳｕｐ〜Ｓｗｎとして、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳパワートランジスタ等の半導体スイッチ素子とダイオードを逆並列に接続したものを用いる。ここで、スイッチング信号Ｑｕｐ、Ｑｕｎ、Ｑｖｐ、Ｑｖｎ、Ｑｗｐ、Ｑｗｎは、電力変換部３において、それぞれ半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｐ、Ｓｗｎをオンオフするためのスイッチング信号である。
【００１３】
平滑コンデンサ４は、母線(ＢＵ)の電流の変動を抑制して安定した直流電流を実現する。ここでは細かく図示しないが、真のコンデンサ容量Ｃｃ以外に等価直列抵抗Ｒｃ、リードインダクタンスＬｃが存在する。十分に電荷がたまっている場合には、直流電源２からでは無く平滑コンデンサ４から交流回転機１に対して一般的には通電されるため、ここでは平滑コンデンサ４を構成に入れて説明する。しかしながら、直流電源２にも内部抵抗が存在するため、平滑コンデンサ４が無い場合でも同様のことがいえる。
なお、直流電源２または直流電源２と平滑コンデンサ４からなる部分は直流電源部を構成する。
【００１４】
スイッチング信号生成部５は、電圧指令演算部６から出力された電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに従ってパルス幅変調(ＰＷＭ変調)を施したスイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎを出力する。スイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎは電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに応じたパルス幅を有する。
ここで、この実施の形態１では電力変換部３はスイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎにより、力行運転時に直流電源１または平滑コンデンサからの直流電圧を交流電圧に変換して交流回転機１に供給する動作を行うものとする。また後述する実施の形態３では電力変換部３はスイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎにより、回生運転時に交流回転機１の起電力を直流電力に変換して直流電源１または平滑コンデンサに供給する動作を行うものとする。
またこの発明では後述するように、電力変換部３が上記力行運転時の動作と回生運転時の動作を両方行う場合も含む。
この発明ではスイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎは、電力変換部３と共に、電流検出のための電流検出部７および相電流演算部８にも出力され、電流検出部７および相電流演算部８はそれぞれスイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎに従って検出、演算を行う。なお、電流検出部７および相電流演算部８へはＱｕｐ〜Ｑｗｎの全てのスイッチング信号を出力する必要は無く、例えばＱｕｐ、Ｑｖｐ、Ｑｗｐのように上側のスイッチング信号を使用する、あるいはスイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎの状態を表現できる別の状態変数を使用するなどしても、同様の効果を得られる。
【００１５】
電圧指令演算部６は、交流回転機１を駆動するための電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを演算し、スイッチング信号生成部５へ出力する。電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの演算方法としては例えば、図１における制御指令として交流回転機１の速度(周波数)指令ｆを設定した上で、電圧指令の振幅を決定するＶ／Ｆ制御がある。また、制御指令として交流回転機１の電流指令を設定し、設定された制御指令(＝電流指令)と後述する相電流演算部８より出力された３相巻線を流れる電流(相電流)Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとの偏差に基づいて、その偏差を零とすべく比例積分制御によって電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを演算する電流フィードバック制御などを使用する。
ただし、Ｖ／Ｆ制御はフィードフォワード制御であって、３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを必要としない。従ってこの場合、電圧指令演算部６への３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの入力は必須ではない。
【００１６】
電流検出部７は、直流電源２と電力変換部３との間を流れる電流である母線電流Ｉｄｃを検出し、相電流演算部８へ出力する。電流検出部７は、シャント抵抗７ａと、シャント抵抗７ａを流れる電流をサンプルホールドすることで母線電流Ｉｄｃを検出するサンプルホールド器７ｂによって構成される。シャント抵抗７ａの代わりに計器用変流器(ＣＴ)を用いてもよく、この場合、計器用変流器の出力電圧をサンプルホールド器７ｂでサンプルホールドすることで母線電流Ｉｄｃを検出する。
【００１７】
次に、スイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎに基づく電圧ベクトル、及び母線電流Ｉｄｃと３相巻線を流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとの関係について述べる。図２に、スイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎと、電圧ベクトルと、３相巻線を流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの関係を示す。図２において、Ｑｕｐ〜Ｑｗｎは、その値が１のときＱｕｐ〜Ｑｗｎに対応する半導体スイッチＳｕｐ〜Ｓｗｎがオンし、その値が０のときＱｕｐ〜Ｑｗｎに対応する半導体スイッチＳｕｐ〜Ｓｗｎがオフすることを意味する。
【００１８】
次に、電圧ベクトルを図示すると、図３のようになり、Ｖ１〜Ｖ６は６０度ずつ位相差を持つベクトルであり、Ｖ１は３相巻線のＵ相方向、Ｖ３は３相巻線のＶ相方向、Ｖ５は３相巻線のＷ相方向に一致し、また、Ｖ０、Ｖ７は大きさが零の電圧ベクトルである。
【００１９】
相電流演算部８は、母線電流Ｉｄｃ及びスイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎに基づいて、図２に示した関係から、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを出力する。Ｖ０およびＶ７では母線電流により３相電流を検出することはできないため、例えば電圧ベクトルＶ１を出力してＩｕを、電圧ベクトルＶ２を出力して−Ｉｗを検出する。得られた２相の検出電流値から、３相３線式の回転機においては３相を流れる電流の和が零となることを利用して、残り１相を演算して出力する構成としてもよい。すなわち、適切な電圧ベクトルを選択して少なくとも２相以上の電流を検出する構成であればよい。
位置検出器１００は、交流回転機１の位相θをスイッチング信号生成部５へ出力する。
【００２０】
続いて、交流回転機１について詳細に述べる。図４は交流回転機１の回転子の基本構造であり、鉄心内部に永久磁石４１〜４４が埋め込まれた構造を示す。永久磁石４１〜４４の両端には磁束障壁(フラックスバリア)を設けている。図４において、永久磁石による界磁極の方向をｄ軸、ｄ軸より電気角で９０度進んだ方向をｑ軸とする。図４では４極機の場合を示しており、ｄ軸より機械角で４５度進んだ方向がｑ軸である。このような回転子構造をもつ回転機１は埋込磁石型同期回転機と呼ばれ、突極性を有し、そのｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑとにＬｄ＜Ｌｑの関係がある。
【００２１】
これまでの説明においてはＬｄ≠Ｌｑとなる埋込磁石型同期回転機について述べたが、この発明においてはＬｄ＝Ｌｑであってもよく、全ての交流回転機を対象とする。例えば、表面磁石型同期回転機、インセット型永久磁石同期回転機、シンクロナスリランクタンスモータ、スイッチトリラクンタスモータなど他の交流回転機にも適用可能である。また、図４では極数が４の回転子について述べたが、極数に関しては偶数の自然数(０を含まない)であれば任意の極数の交流回転機に適用可能である。
【００２２】
続いて、スイッチング信号生成部５について詳細に述べる。図５は、この実施の形態１のスイッチング信号生成部５における、スイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｎの発生方法、電流検出部７における母線電流Ｉｄｃの検出タイミングに関しての、スイッチング信号の周期Ｔｓ間における動作説明図である。なお、Ｑｕｎ、Ｑｖｎ、Ｑｗｎに関しては図２に示すように、それぞれＱｕｐ、Ｑｖｐ、Ｑｗｐと反転(１ならば０、０ならば１、ただしデッドタイム期間を除く)の関係にあるため図示を省略している。
【００２３】
時刻ｔ１(ｎ)においてＱｕｐを１、かつＱｖｐ、Ｑｗｐを０とし、これらのスイッチングパターンを時刻ｔ１(ｎ)よりΔｔ１経過後の時刻ｔ２(ｎ)まで継続する。図２より、時刻ｔ１(ｎ)〜ｔ２(ｎ)において、電圧ベクトルはＶ１である。時刻ｔ１(ｎ)〜ｔ２(ｎ)のタイミング(期間)における、時刻ｔｓ１−１(ｎ)にて第１の母線電流Ｉｄｃを検出する。Δｔ１は、電力変換部３のデッドタイム時間と、電流検出部７が母線電流Ｉｄｃを検出するのに要する時間(例えば、検出波形に含まれるリンギングが収束するのに要する時間やサンプルホールドに要する時間)と、の和よりも長い時間に設定される。図２より、時刻ｔ１(ｎ)〜ｔ２(ｎ)においては、電圧ベクトルはＶ１であり、時刻ｔｓ１−１(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＵ相を流れる電流Ｉｕに等しい。
【００２４】
次に、時刻ｔ２(ｎ)において、Ｑｖｐを１とし、そのスイッチングパターンを時刻ｔ３(ｎ)まで継続する。図２より、時刻ｔ２(ｎ)〜ｔ３(ｎ)において、電圧ベクトルはＶ２である。そのタイミングにおける、時刻ｔｓ１−２(ｎ)にて再度、母線電流Ｉｄｃを検出する。Δｔ２は、Δｔ１の場合と同様の方法で決定する。一般的には、Δｔ１＝Δｔ２に設定される。図２より、時刻ｔｓ１−２(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＷ相を流れる電流の符号反転値−Ｉｗに等しい。そして、時刻ｔ３(ｎ)にて、Ｑｗｐを１とする。Ｑｕｐ〜Ｑｗｐのパルス幅(１の値を継続する時間)は電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗによって決定されるため、該パルス幅に応じてＱｕｐ〜Ｑｗｐが０となるタイミングが定まる。
【００２５】
このように、図５の例においては、Ｑｕｐ、Ｑｖｐ、Ｑｗｐの順に１とすることによって、２つの電圧ベクトルＶ１、Ｖ２を発生させ、それら電圧ベクトル発生中に母線電流Ｉｄｃを検出する。ここで、スイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｐを１にする順番を入れ替えることで、図５の例以外の以下５ケースが考えられる。
【００２６】
１つ目のケースでは、図６のように、Ｑｖｐ、Ｑｕｐ、Ｑｗｐの順に１とすることによって、２つの電圧ベクトルＶ３、Ｖ２を発生させ、それらの電圧ベクトル発生中に母線電流Ｉｄｃを検出する。図２より、時刻ｔｓ１−１(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＶ相を流れる電流Ｉｖに等しく、時刻ｔｓ１−２(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＷ相を流れる電流の符号反転値−Ｉｗに等しい。
【００２７】
２つ目のケースでは、図７のように、Ｑｖｐ、Ｑｗｐ、Ｑｕｐの順に１とすることによって、２つの電圧ベクトルＶ３、Ｖ４を発生させ、それら電圧ベクトル発生中に母線電流Ｉｄｃを検出する。図２より、時刻ｔｓ１−１(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＶ相を流れる電流Ｉｖに等しく、時刻ｔｓ１−２(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＵ相を流れる電流の符号反転値−Ｉｕに等しい。
【００２８】
３つ目のケースでは、図８のように、Ｑｗｐ、Ｑｖｐ、Ｑｕｐの順に１とすることによって、２つの電圧ベクトルＶ５、Ｖ４を発生させ、それら電圧ベクトル発生中に母線電流Ｉｄｃを検出する。図２より、時刻ｔｓ１−１(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＷ相を流れる電流Ｉｗに等しく、時刻ｔｓ１−２(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＵ相を流れる電流の符号反転値−Ｉｕに等しい。
【００２９】
４つ目のケースでは、図９のように、Ｑｗｐ、Ｑｕｐ、Ｑｖｐの順に１とすることによって、２つの電圧ベクトルＶ５、Ｖ６を発生させ、それら電圧ベクトル発生中に母線電流Ｉｄｃを検出する。図２より、時刻ｔｓ１−１(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＷ相を流れる電流Ｉｗに等しく、時刻ｔｓ１−２(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＶ相を流れる電流の符号反転値−Ｉｖに等しい。
【００３０】
５つ目のケースでは、図１０のように、Ｑｕｐ、Ｑｗｐ、Ｑｖｐの順に１とすることによって、２つの電圧ベクトルＶ１、Ｖ６を発生させ、それら電圧ベクトル発生中に母線電流Ｉｄｃを検出する。図２より、時刻ｔｓ１−１(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＵ相を流れる電流Ｉｕに等しく、時刻ｔｓ１−２(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＶ相を流れる電流の符号反転値−Ｉｖに等しい。
【００３１】
実施の形態１では、図５〜図１０に示した６パターンの母線電流検出時の２つの電圧ベクトルの組み合わせ(「Ｖ１、Ｖ２」、「Ｖ３、Ｖ２」、「Ｖ３、Ｖ４」、「Ｖ５、Ｖ４」、「Ｖ５、Ｖ６」、「Ｖ１、Ｖ６」)を交流回転機１の回転位置θに応じて切り替えて出力する。
【００３２】
なお、この実施の形態１では、図５〜図１０に示した６パターンでＰＷＭパルスを立ち上げるタイミングをずらして所望の電圧ベクトルを発生させて母線電流Ｉｄｃを検出する方式で説明するが、図１１のようにＰＷＭパルスを立ち下げるタイミングをずらして所望の電圧ベクトルを発生させて母線電流Ｉｄｃを検出してもよい。図１１のように、Ｑｕｐ、Ｑｖｐ、Ｑｗｐの順に０とすることによって、２つの電圧ベクトルＶ４、Ｖ５を発生させ、それらの電圧ベクトル発生中に母線電流Ｉｄｃを検出する。図２より、時刻ｔｓ１−１(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＵ相を流れる電流の符号反転値−Ｉｕに等しく、時刻ｔｓ１−２(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＷ相を流れる電流Ｉｗに等しい。
【００３３】
図６〜図１０と同様に、スイッチング信号Ｑｕｐ〜Ｑｗｐを０にする順番を入れ替えることで、図１１の例以外の５ケースが考えられる。この場合にも計６パターンの母線電流検出時の２つの電圧ベクトルの組み合わせ(「Ｖ１、Ｖ２」、「Ｖ３、Ｖ２」、「Ｖ３、Ｖ４」、「Ｖ５、Ｖ４」、「Ｖ５、Ｖ６」、「Ｖ１、Ｖ６」)が存在し、図５〜図１０の場合と同じ効果が得られる。
【００３４】
次に、２つの電圧ベクトルの組み合わせによる母線電流の違いについて、交流回転機１が力行運転している状態でＩｕ＞Ｉｖ＞０かつＩｗ＜０の場合を用いて説明する。
【００３５】
図１２は、Ｑｕｐ、Ｑｖｐ、Ｑｗｐの順に１とすることによって、２つの電圧ベクトルＶ１、Ｖ２を発生させ、それらの電圧ベクトル発生中に母線電流Ｉｄｃを検出した場合の動作を示す。なお、３相電流の和は０であるから、３相電流のいずれかが異なる値である場合には、最低１相の電流は負値となる。
時刻ｔｓ１−１(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＵ相を流れる電流Ｉｕに等しく、母線電流Ｉｄｃは正値となり直流電源２または平滑コンデンサ４から交流回転機１へ流れる力行モードとなっている。
時刻ｔｓ１−２(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＷ相を流れる電流の符号反転値−Ｉｗに等しく、母線電流Ｉｄｃは正値となり直流電源２または平滑コンデンサ４から交流回転機１へ流れる力行モードとなっている。
【００３６】
図１３は、Ｑｗｐ、Ｑｖｐ、Ｑｕｐの順に１とすることによって、２つの電圧ベクトルＶ５、Ｖ４を発生させ、それら電圧ベクトル発生中に母線電流Ｉｄｃを検出したものを示す。
時刻ｔｓ１−１(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＷ相を流れる電流Ｉｗに等しく、母線電流Ｉｄｃは負値となり交流回転機１から直流電源２または平滑コンデンサ４へ流れる回生モードとなっている。
時刻ｔｓ１−２(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＵ相を流れる電流の符号反転値−Ｉｕに等しく、母線電流Ｉｄｃは負値となり交流回転機１から直流電源２あるいは平滑コンデンサ４へ流れる回生モードとなっている。
【００３７】
平滑コンデンサ４での電力損失は、母線電流Ｉｄｃの２乗と等価直列抵抗Ｒｃの積で得られる。図１２のように電圧ベクトルを選択した場合、電圧ベクトルがＶ０およびＶ７になっている領域以外の力行モードの部分で電力損失が生じている。図１３のように電圧ベクトルを選択した場合、回生モードの分だけ力行モードの時間が長くなっている上に回生モードでも電力損失は生じるため、力行運転状態で回生モードとなる電圧ベクトルを選択すると電力損失が大きくなる。
【００３８】
したがって、電力損失を低減するために、この実施の形態１では、スイッチング信号生成部５で力行運転状態において電流検出の際に力行モードとなる２つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する。
【００３９】
次に、力行運転状態で力行モードとなる２つの電圧ベクトルを選択する方法について説明する。
ｄｑ軸電流を軸とした平面において図１４のように電流ベクトルの位相角θβを定め、電流実効値をＩｒｍｓとすると、３相電流は下記式(１)のように表すことができる。
【００４０】
ｉｕ１＝√(２)・Ｉｒｍｓ・sin(θ＋θβ−π)
ｉｖ１＝√(２)・Ｉｒｍｓ・sin(θ＋θβ＋(π／３))
ｉｗ１＝√(２)・Ｉｒｍｓ・sin(θ＋θβ−(π／３))
(１)
【００４１】
また、交流回転機１で得られるトルクは下記式(２)で与えられる。リラクタンストルクが無い場合にはｄ軸電流ｉｄに関係無くｑ軸電流ｉｑの大きさに応じて出力トルクが決定するが、リラクタンストルクがある場合にはｉｄとｉｑの配分により出力トルクは変動するため、最小電流で最大トルクが得られる電流ベクトルの位相角θβは０〜４５ｄｅｇまたは１３５〜１８０ｄｅｇの範囲の値となる。
【００４２】
Ｔ＝Ｐｍ・{φ＋(Ｌｄ−Ｌｑ)ｉｄ}ｉｑ          (２)
ここで
Ｔ:トルク
Ｐｍ：極対数
φ：磁束
Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、
Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス
ｉｄ：ｄ軸電流
ｉｑ：ｑ軸電流
【００４３】
位相角θβが０ｄｅｇの場合の３相電流を図１５に示す。Ｕ相電流Ｉｕが０以上となるのは１８０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇ、Ｖ相電流Ｉｖが０以上となるのは０ｄｅｇ〜１２０ｄｅｇおよび３００ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇ、Ｗ相電流Ｉｗが０以上となるのは６０ｄｅｇ〜２４０ｄｅｇである。
すなわち、１つ目の電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるためには、
電圧ベクトルＶ１であれば１８０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇ、
電圧ベクトルＶ３であれば０ｄｅｇ〜１２０ｄｅｇまたは３００ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇ、
電圧ベクトルＶ５であれば６０ｄｅｇ〜２４０ｄｅｇ、
で選択する必要がある。
【００４４】
一方、Ｕ相電流Ｉｕが０以下となるのは０ｄｅｇ〜１８０ｄｅｇ、Ｖ相電流Ｉｖが０以下となるのは１２０ｄｅｇ〜３００ｄｅｇ、Ｗ相電流Ｉｗが０以下となるのは０〜６０ｄｅｇおよび２４０〜３６０ｄｅｇである。
すなわち、２つ目の電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるためには、
電圧ベクトルＶ４であれば０ｄｅｇ〜１８０ｄｅｇ、
電圧ベクトルＶ６であれば１２０ｄｅｇ〜３００ｄｅｇ、
電圧ベクトルＶ２であれば０〜６０ｄｅｇまたは２４０〜３６０ｄｅｇ
で選択する必要がある。
【００４５】
２つの電圧ベクトルの設定可能範囲を図１６に示す。例えば、電気角が９０ｄｅｇの場合であれば、Ｑｖｐ、Ｑｗｐ、Ｑｕｐ(Ｖ３、Ｖ４)またはＱｗｐ、Ｑｖｐ、Ｑｕｐ(Ｖ５、Ｖ４)のいずれかの順で１とすればよい。すなわち、６０〜１２０ｄｅｇ、１８０〜２４０ｄｅｇおよび３００〜３６０ｄｅｇでは、１つ目の電圧ベクトルの選択肢が２つ存在する。また、０〜６０ｄｅｇ、１２０〜１８０ｄｅｇおよび２４０〜３００ｄｅｇでは、２つ目の電圧ベクトルの選択肢が２つ存在する。
【００４６】
電気角１周期を通して力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための例を図１７および図１８に示す。
図１７は、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを、それぞれ１８０ｄｅｇ存在する設定可能範囲のうち最小の電気角で実施した場合である。
図１８は、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを、それぞれ１８０ｄｅｇ存在する設定可能範囲のうち最大の電気角で実施した場合である。
この２つの場合に限らず、図１６の設定可能範囲に含まれる２つの電圧ベクトルを選択すれば同様の効果を得ることができる。
【００４７】
位相角θβが４５ｄｅｇの場合の３相電流を図１９に示す。Ｕ相電流Ｉｕが０以上となるのは１３５ｄｅｇ〜３１５ｄｅｇ、Ｖ相電流Ｉｖが０以上となるのは０ｄｅｇ〜７５ｄｅｇおよび２５５ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇ、Ｗ相電流Ｉｗが０以上となるのは１５ｄｅｇ〜１９５ｄｅｇである。
すなわち、１つ目の電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるためには、
電圧ベクトルＶ１であれば１３５ｄｅｇ〜３１５ｄｅｇ、
電圧ベクトルＶ３であれば０ｄｅｇ〜７５ｄｅｇまたは２５５ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇ、
電圧ベクトルＶ５であれば１５ｄｅｇ〜１９５ｄｅｇ、
で選択する必要がある。
【００４８】
一方、Ｕ相電流Ｉｕが０以下となるのは０ｄｅｇ〜１３５ｄｅｇおよび３１５ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇ、Ｖ相電流Ｉｖが０以下となるのは７５ｄｅｇ〜２５５ｄｅｇ、Ｗ相電流Ｉｗが０以下となるのは０〜１５ｄｅｇおよび１９５〜３６０ｄｅｇである。
すなわち、２つ目の電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるためには、
電圧ベクトルＶ４であれば０ｄｅｇ〜１３５ｄｅｇまたは３１５ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇ、
電圧ベクトルＶ６であれば７５ｄｅｇ〜２５５ｄｅｇ、
電圧ベクトルＶ２であれば０〜１５ｄｅｇまたは１９５〜３６０ｄｅｇ、
で選択する必要がある。
【００４９】
２つの電圧ベクトルの設定可能範囲を図２０に示す。図１６と対比しやすいように電気角の軸のみずらして表している。例えば、電気角が４５ｄｅｇの場合であれば、Ｑｖｐ、Ｑｗｐ、ＱｕｐまたはＱｗｐ、Ｑｖｐ、Ｑｕｐのいずれかの順で１とすればよい。
【００５０】
位相角θβが０ｄｅｇの場合と同様に、電気角１周期を通して力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための例を図２１および図２２に示す。
図２１は、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを、それぞれ１８０ｄｅｇ存在する設定可能範囲のうち最小の電気角で実施した場合である。
図２２は、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを、それぞれ１８０ｄｅｇ存在する設定可能範囲のうち最大の電気角で実施した場合である。
この２つの場合に限らず、図２０の設定可能範囲に含まれる２つの電圧ベクトルを選択すれば同様の効果を得ることができる。
【００５１】
図１７、図１８、図２１および図２２から、位相角θβが０〜４５ｄｅｇの間のすべての角度において、力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるには、例えば図２３または図２４のように２つの電圧ベクトルを選択すればよい。
またこの２つの場合に限らず、図１６および図２０の設定可能範囲を満たすような２つの電圧ベクトルを選択すれば同様の効果を得ることができる。
【００５２】
位相角θβが１８０ｄｅｇの場合の３相電流を図２５に、位相角θβが１３５ｄｅｇの場合の３相電流を図２６に示す。
【００５３】
位相角θβが１８０ｄｅｇの場合に、電気角１周期を通して力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための例を、図２７および図２８に示す。図２７は２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最小の電気角で実施した場合、図２８は２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最大の電気角で実施した場合である。この２つの場合に限らず、ここでは図は省略するが設定可能範囲に含まれる２つの電圧ベクトルを選択すれば同様の効果を得ることができる。
【００５４】
位相角θβが１３５ｄｅｇの場合に、電気角１周期を通して力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるための例を図２９および図３０に示す。図２９は２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最小の電気角で実施した場合、図３０は２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最大の電気角で実施した場合である。この２つの場合に限らず、ここでは図は省略するが設定可能範囲に含まれる２つの電圧ベクトルを選択すれば同様の効果を得ることができる。
【００５５】
図２７〜図３０から、位相角θβが１３５〜１８０ｄｅｇの間のすべての角度において、力行運転状態で２つの電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるには、例えば図３１または図３２のように２つの電圧ベクトルを選択すればよい。
【００５６】
またこの２つの場合に限らず、各位相角θβにおいて設定可能範囲を満たすような２つの電圧ベクトルを選択すれば同様の効果を得ることができる。
例えば、電流ベクトルのｑ軸成分が正の場合には図２３、電流ベクトルのｑ軸成分が負の場合には図３１のように２つの電圧ベクトルを選択することにより、力行運転状態で力行モードとなる２つの電圧ベクトルを出力して電流検出をし、電力損失を低減することができる。
【００５７】
ここでの電流ベクトルは、検出電流や制御指令に電流指令がある場合には電流指令に基づいたものであるが、電圧指令に基づいた電圧ベクトルでも同様の効果を得ることができる。すなわち、スイッチング信号生成部５は、制御指令が電流指令を含む場合の電流指令の２軸座標系における一方の軸方向成分の向き、または前記電圧指令の２軸座標系における一方の軸方向成分の向き、または前記相電流演算部８で得られた検出電流(相電流)の２軸座標系における一方の軸方向成分の向きのうちの少なくとも一つに基づいて前記電圧ベクトルを選択することにより、電力損失を低減することができるという従来に無い効果を得られる。
電圧ベクトルが通常のままであれば力行と回生が切替わってしまうが、ｑ軸電流の正負で切り替えることで力行モードで検出することができる。
【００５８】
この実施の形態では考慮する位相角θβを０〜４５ｄｅｇまたは１３５〜１８０ｄｅｇの範囲としたが、考慮すべき位相角θβの範囲が異なっていたとしても同様の方法で２つの電圧ベクトルを選択すれば、力行運転状態で力行モードとなる２つの電圧ベクトルを出力して電流検出をし、電力損失を低減することができる。
【００５９】
また、電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの振幅Ｖｍａｐが予め設定された閾値を超えた場合には、電圧指令の大小順に応じて母線電流を検出する時の２本の電圧ベクトルを選択してもよい。なお、電圧指令の大小順に応じて２つの電圧ベクトルを選択することは電圧指令ベクトルに隣接する２つの電圧ベクトルを選択することと等価である。従って、電圧ベクトルが電圧指令ベクトルに隣接するタイミングにて母線電流を検出する。
これにより、電圧ベクトルを自由に選択できる低変調率領域では電力損失を最小とする電圧ベクトルを選択し、選択できる電圧ベクトルの組合せが限定される高変調率領域では必要な電圧ベクトルを選択することにより、高変調率での電力損失を抑制できる。
【００６０】
更に、交流回転機１がステアリング系の操舵トルクを補助するトルクを発生するように、この発明による電力変換装置を電動パワーステアリングに設けることができる。それによって、電力損失の小さい操舵系を構成することが可能となる効果を得る。また、振動に敏感な電動パワーステアリングにおいてトルクリプルを抑制することができる。
【００６１】
この場合の、この発明による電動パワーステアリングの制御装置の構成の一例を図３９に概略的に示す。交流回転機１はステアリングシャフトに補助トルクを与えるように取り付けられ、電力変換ユニットＰＴが図１の交流回転機１以外の部分等で構成される。
【００６２】
実施の形態２．
実施の形態１では位相角θβの想定範囲内の使用において、力行運転状態で力行モードとなる２つの電圧ベクトルを出力して、電力損失を低減するという従来に無い効果を得たが、この実施の形態では任意の位相角θβに対して同様の効果を得る方式について説明する。この実施の形態による電力変換装置の構成は基本的に図１に示すものと同じである。
【００６３】
位相角θβに対して、力行運転状態で力行モードとなる２つの電圧ベクトルを出力するための電圧ベクトルの設定可能範囲を図３３に示す。位相角θβが０ｄｅｇの場合に対して、２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換え角度を位相角の分だけずらすことで、同様の効果を得られる。
【００６４】
例えば、任意の位相角θβでは、図３４および図３５のように２つの電圧ベクトルを選択すればよい。図３４は２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最小の電気角で実施した場合、図３５は２つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを最大の電気角で実施した場合である。この２つの場合に限らず、設定可能範囲に含まれる２つの電圧ベクトルを選択すれば、力行運転状態で力行モードとなる２つの電圧ベクトルを出力して、電力損失を低減するという従来に無い効果を得られる。
【００６５】
この実施の形態では位相角θβは電流ベクトルの位相角として説明したが、相電流演算部８により得られた検出電流(相電流)の２軸座標系における位相角、制御指令に電流指令がある場合には電流指令の２軸座標系における位相角、電圧指令の２軸座標系における位相角としても同様の効果が得られる。
例えば、ｄ軸電流を多く流す(位相角が大きい)状態では、電圧ベクトルが通常のままであれば力行から回生に切り替わる領域が発生するが、電流指令の位相角を考慮して切り替えることで力行モードで検出することができる。
【００６６】
実施の形態３．
図３６はこの発明の実施の形態３における電力変換装置の全体構成を示す図である。この発明の実施の形態３における電力変換装置は、図１とほぼ同じ全体構成であるが、スイッチング信号生成部５ａで回生運転状態において電流検出の際に回生モードとなる２つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力することが異なる。
【００６７】
２つの電圧ベクトルの組み合わせによる母線電流の違いについて、交流回転機１が回生運転している状態でＩｕ＜Ｉｖ＜０かつＩｗ＞０の場合を用いて説明する。
【００６８】
この実施の形態では、図３７のように、Ｑｕｐ、Ｑｖｐ、Ｑｗｐの順に１とすることによって、２つの電圧ベクトルＶ１、Ｖ２を発生させ、それら電圧ベクトル発生中に母線電流Ｉｄｃを検出する。なお、３相電流の和は０であるから、３相電流のいずれかが異なる値である場合には、最低１相の電流は正値となる。
【００６９】
時刻ｔｓ１−１(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＵ相を流れる電流Ｉｕに等しく、母線電流Ｉｄｃは負値となり交流回転機１から直流電源２または平滑コンデンサ４へ流れる回生モードとなっている。
【００７０】
時刻ｔｓ１−２(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＷ相を流れる電流の符号反転値−Ｉｗに等しく、母線電流Ｉｄｃは負値となり交流回転機１から直流電源２または平滑コンデンサ４へ流れる回生モードとなっている。
【００７１】
図３８は、Ｑｗｐ、Ｑｖｐ、Ｑｕｐの順に１とすることによって、２つの電圧ベクトルＶ５、Ｖ４を発生させ、それら電圧ベクトル発生中に母線電流Ｉｄｃを検出した比較例である。
【００７２】
時刻ｔｓ１−１(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＷ相を流れる電流Ｉｗに等しく、母線電流Ｉｄｃは正値となり直流電源２または平滑コンデンサ４から交流回転機１へ流れる力行モードとなっている。
【００７３】
時刻ｔｓ１−２(ｎ)で検出された母線電流ＩｄｃはＵ相を流れる電流の符号反転値−Ｉｕに等しく、母線電流Ｉｄｃは正値となり直流電源２または平滑コンデンサ４から交流回転機１へ流れる力行モードとなっている。
【００７４】
平滑コンデンサ４での電力損失は、母線電流Ｉｄｃの２乗と等価直列抵抗Ｒｃの積で得られる。図３７のように電圧ベクトルを選択した場合、電圧ベクトルがＶ０およびＶ７になっている領域以外の回生モードの部分で電力損失が生じている。図３８のように電圧ベクトルを選択した場合、力行モードの分だけ回生モードの時間が長くなっている上に力行モードでも電力損失は生じるため、回生運転状態で力行モードとなる電圧ベクトルを選択すると電力損失が大きくなる。
【００７５】
したがって、この実施の形態３では、スイッチング信号生成部５ａで回生運転状態において電流検出の際に回生モードとなる２つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力することにより、電力損失を低減するという従来に無い効果を得られる。
【００７６】
なお、回生運転状態において電流検出の際に回生モードとなる２つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する方法としては、前記実施の形態１および実施の形態２と同様に実施すればよい。
【００７７】
すなわち、この発明は上記各実施の形態に限定されることなく、これらの可能な組み合わせを全て含む。例えば、上記実施の形態１の力行運転状態における制御と上記実施の形態３の回生運転状態における制御を、それぞれの運転状態で切替えて行うようにしてもよい。さらに、力行、回生のそれぞれの運転状態で実施の形態２の制御を適用してもよい。そして、上記のような各機能を備えた電力変換装置を備えた電動パワーステアリングの制御装置を構成してもよい。
また、上記各実施の形態では３相の交流回転機を設けた装置を例に挙げて説明したが、３相に限定されず、４相以上の多相巻線を有する交流回転機を設けた装置にも適用可能である。
【産業上の利用の可能性】
【００７８】
この発明による電力変換装置等は種々の分野の電力変換装置等に適用可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１  交流回転機、２  直流電源、３  電力変換部、４  平滑コンデンサ、５，５ａ  スイッチング信号生成部、６  電圧指令演算部、７  電流検出部、７ａ  シャント抵抗、７ｂ  サンプルホールド器、８  相電流演算部、４１−４４  永久磁石、１００  位置検出器、ＰＴ  電力変換ユニット。
【図１】
2016056082.tif 000003
【図２】
2016056082.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【国際調査報告】
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