(57)【要約】【課題】キャリア周期の大きさに拘らず無駄時間を小さくして電流制御性を向上できる電動機制御装置を提供する。【解決手段】相電流値および回転角の読み込みから電圧指令値を演算するまでの電流制御演算１回に要する時間を電流制御演算時間とした場合に、次回の電圧指令値出力タイミングから電流制御演算時間だけ前の時点を電流制御演算の開始タイミングとして設定する構成。つまり、電圧指令値出力時点になるべく近い時点（電圧指令値出力時点よりも電流制御演算時間だけ前の時点）で読み込みを行うように構成した。ＰＷＭキャリア周期に拘らず電圧指令値出力タイミングから電流制御演算時間だけ前の時点を電流制御演算の開始タイミングとするので、ＰＷＭキャリア周期が電流制御演算時間に対して長くなっても無駄時間を短縮でき、電流制御性を向上できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭキャリア信号の所定位相のタイミングで電動機の相電流値および回転角を読み込み、前記相電流値と電流指令値との差および前記回転角に基づいて電動機を制御する電圧指令値を演算し、前記ＰＷＭキャリア信号の次回のキャリア周期における前記所定位相の時点で、前記演算しておいた電圧指令値を出力する電動機制御装置において、
前記相電流値および回転角の読み込みから前記電圧指令値を演算するまでの電流制御演算１回に要する時間を電流制御演算時間とした場合に、次回の電圧指令値出力タイミングから前記電流制御演算時間だけ前の時点を電流制御演算の開始タイミングとして設定することを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
前記電流制御演算時間は、前記相電流値および回転角の読み込みから前記電圧指令値を演算するまでに要する時間の最長時間であり、次回の電圧指令値出力タイミングよりも前記最長時間より前で、キャリア周期の一周期前よりは後のタイミングを電流制御演算の開始タイミングとすることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項３】
ＰＷＭキャリア周期と同周期でリセットされるタイマを、ＰＷＭキャリア周期よりも前記電流制御演算時間だけ前にずらしてカウントさせ、前記タイマがリセットされた時点を前記演算開始タイミングとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置。
【請求項４】
リセット値可変のタイマを設け、次回の電流制御演算時間を今回の電流制御演算中に演算し、演算で求めた電流制御演算時間に応じて前記タイマのリセット値を設定し、ＰＷＭキャリア信号の前記所定位相からカウントを開始した前記タイマがリセットされた時点を前記演算開始タイミングとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置。
【請求項５】
電圧指令値出力タイミングとは拘りなく電流制御演算を繰り返し行って最終の演算結果を順次記憶しておき、次回の電圧指令値出力タイミングの時点における記憶値を電圧指令値として出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置。
【請求項６】
前記ＰＷＭキャリア信号の値を読み取り、電流制御演算時間に応じて設定された閾値に前記ＰＷＭキャリア信号が至った時点を前記演算開始タイミングとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機制御装置。
【請求項７】
前記電流制御演算時間は、電動機制御を行っているＣＰＵに基づいて決定される電流制御演算負荷に応じて設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の制御装置に関し、特に制御演算における演算開始タイミングの設定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に記載のように、ＰＷＭキャリア信号の所定位相（例えば山もしくは谷：三角波の頂点）のタイミングで電動機の相電流値および回転角を取り込み、相電流値と電流指令値との差および回転角に基づいて電圧指令値を演算すると共に、次回のキャリア周期における前記所定位相の時点で、前記演算しておいた電圧指令値を出力する制御装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−５７９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のように従来は、キャリア周期に応じて相電流、回転角の読み込みと電圧指令値の出力タイミングを決定していた。このキャリア周期を電動機の回転速度に応じて変化させれば、低速回転時にはキャリア周期を延ばすことによってインバータのスイッチング損失を減少してスイッチング素子の温度上昇を抑制できる、という利点がある。しかし、この構成では、相電流、回転角の読み込みから実際に電圧指令値が出力されるまでの無駄時間はキャリア周期に応じて決定されるので、低速回転時にキャリア周期が大きくなると、無駄時間が大きくなって制御が遅れ、電流制御性が悪化する、という問題があった。  
本発明は上記の問題を解決するものであり、キャリア周期の大きさに拘らず無駄時間を小さくして電流制御性を向上させることの出来る電動機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】
【０００４】
上記の目的を達成するため、本発明においては、相電流値および回転角の読み込みから電圧指令値を演算するまでの電流制御演算１回に要する時間を電流制御演算時間とした場合に、次回の電圧指令値出力タイミングから前記電流制御演算時間だけ前の時点を電流制御演算の開始タイミングとして設定するように構成している。つまり、本発明においては、電圧指令値出力時点になるべく近い時点（電圧指令値出力時点よりも電流制御演算時間だけ前の時点）で読み込みを行うように構成している。
【発明の効果】
【０００５】
本発明においては、ＰＷＭキャリア周期に拘らず電圧指令値出力タイミングから前記電流制御演算時間だけ前の時点を電流制御演算の開始タイミングとするので、ＰＷＭキャリア周期が電流制御演算時間に対して長くなっても無駄時間を短縮することが出来る。そのため電流制御性を向上させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明を適用する電動機制御装置の一例を示す回路ブロック図である。なお、この例では、三相電動機の場合を例示したが、これに限られるものではない。  
図１において、１は直流電源、２はインバータ、３は電動機、４は制御部（詳細後述）、５は直流電源１の電圧Ｖdcを検出する電圧センサ、６は電動機の各相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する電流センサ、７は電動機の回転子回転角（回転位相）θ（電気角）を検出する角度センサ（レゾルバやエンコーダ等）である。また、インバータ２内のＱ１〜Ｑ６はスイッチング素子（ＩＧＢＴ等）、Ｄ１〜Ｄ６はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をそれぞれ駆動する駆動信号である。Ｔ＊は外部から与えられるトルク指令値であり、例えばアクセル信号や車速信号に応じて設定される信号である。
【０００７】
制御部４は、例えばＣＰＵや電子回路からなり、直流電源電圧Ｖdc、電動機の各相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、電動機の回転角θおよびはトルク指令値Ｔ＊を入力し、ベクトル制御による電流制御演算およびＰＷＭ演算を行って駆動信号Ｄ１〜Ｄ６を出力し、それによってインバータ２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を開閉制御して電動機３に電流を供給し、電動機３をトルク指令値Ｔ＊に応じて駆動する。
【０００８】
図２は、図１における制御部４の内部構成を示すブロック図である。  
図２において、インバータ２、電動機３は図１と同じであり、破線で囲んだ部分が図１の制御部４に相当する。  
制御部４において、電流マップ１１は、外部から与えられたトルク指令値Ｔ＊［Ｎ・ｍ］と電動機の回転子角速度ω［ｒａｄ／ｓ］から、ｄ軸およびｑ軸の電流指令値（ｉｄ＊［Ａ］、ｉｑ＊［Ａ］）をマップ引きにより求める。なお、回転子角速度ωは回転子回転角θを微分部１５で微分することによって求める。
【０００９】
上記の電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と実際のｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑとの偏差をそれぞれ求め、その結果をｄｑ軸電圧指令値演算部１２へ送る。なお、実際のｄ軸およびｑ軸電流ｉｄ＊、ｉｑは、読み込んだ電動機の各相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと電動機の回転角θとを用いて、ｄｑ軸変換部１６で三相二相変換を行うことによって求める。  
ｄｑ軸電圧指令値演算部１２においては、電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と実際のｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑとの偏差（ｉｄ＊−ｉｄおよびｉｑ＊−ｉｑ）から下記（数１）式を用いて比例積分制御を行い、ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値ｖｑ＊を演算する。
【００１０】
【数１】
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但し、（数１）式において、
ｖｄ＊…ｄ軸電圧指令値［Ｖ］    ｖｑ＊…ｑ軸電圧指令値［Ｖ］
ｉｄ＊…ｄ軸電流指令値［Ａ］    ｉｑ＊…ｑ軸電流指令値［Ａ］
ｉｄ…ｄ軸電流［Ａ］          
ｉｑ…ｑ軸電流［Ａ］
Ｋｐｄ…ｄ軸比例ゲイン          Ｋｐｑ…ｑ軸比例ゲイン
Ｋｉｄ…ｄ軸積分ゲイン          Ｋｉｑ…ｑ軸積分ゲイン
ｓ…ラプラス演算子
なお、ここで非干渉制御を用いても良い。
【００１１】
次に、二相三相変換部１３では、下記（数２）式を用いて上記のｄ軸電圧指令値ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値ｖｑ＊を三相電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換する。
【００１２】
【数２】
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但し、（数２）式において、
ｖｕ＊…ｕ相電圧指令値［Ｖ］    ｖｖ＊…ｖ相電圧指令値［Ｖ］
ｖｗ＊…ｗ相電圧指令値［Ｖ］    ｖｄ＊…ｄ軸電圧指令値［Ｖ］
ｖｑ＊…ｑ軸電圧指令値［Ｖ］    θ…回転子回転角（電気角）［ｒａｄ］
なお、回転角θは遅れ補償をした値を用いても良い。
【００１３】
次に、ＰＷＭ変換部１４では、上記の三相電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊と電源電圧ＶdcとＰＷＭキャリア信号周期Ｔ０とに基づいて三相電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊をＰＷＭ信号に変換する。つまり、下記（数３）式を用いてＰＷＭ信号の各相パルス幅ｔｕ、ｔｖ、ｔｗを算出する。なお、ＰＷＭキャリア信号は例えば三角波または鋸歯状波などを用いる。
【００１４】
【数３】
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但し、（数３）式において、
ｔｕ…ｕ相パルス幅［ｓ］  ｔｖ…ｖ相パルス幅［ｓ］  ｔｗ…ｗ相パルス幅［ｓ］
Ｔ０…ＰＷＭキャリア信号周期［ｓ］    Ｖdc…電源電圧［Ｖ］
次に、デッドタイム補償部１７では、三相電流値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）によって決まる補償値をマップ引きにより求め、それぞれ上記各相のパルス幅に加える。  
なお、この場合の三相電流値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）は、ｄｑ軸電流指令値を三相変換した三相電流指令値でも良いし、ｄｑ軸電流指令値に電流応答相当のフィルタをかけたｄｑ軸電流推定値を三相変換した三相電流推定値でも良い。  
また、前記ｄｑ軸変換部１６における三相電流値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）からｄｑ軸電流への変換は、下記（数４）式で行う。
【００１５】
【数４】
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但し、（数４）式において、
ｉｕ：ｕ相電流値［Ａ］    ｉｖ：ｖ相電流値［Ａ］    ｉｗ：ｗ相電流値［Ａ］
θ…回転子回転角［ｒａｄ］
この後、デッドタイム補償部１７から出力されたＰＷＭ信号（パルス幅）に従ってインバータ２の各スイッチング素子を開閉駆動することにより、電動機３に電圧を印加して駆動する。
【００１６】
上記の構成は、従来のベクトル制御による電流フィードバック制御と同じである。本発明は、図２の各相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと回転子回転角θの読み込みから二相三相変換部１３での三相電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊の演算までの電流制御演算の開始タイミングに関するものである。
【００１７】
以下、従来例の電流制御演算の開始タイミングと本発明とを比較して説明する。  
図７は、従来例におけるＰＷＭキャリア信号と電流制御演算タイミングとの関係を示す図である。図７において、三角波はキャリア信号を示し、（ａ）＜（ｂ）＜（ｃ）の順にキャリア周期が大きい場合を示す。なお、図３〜図７において、黒太一点鎖線は三相電圧指令値の出力時点を示し、黒く塗りつぶした四角形は電流制御演算時間を示す。
【００１８】
電流演算開始タイミングは、ＰＷＭキャリア信号の谷の時点、つまり図３（ｃ）のＡ点によって決定され、この時点で各相電流と回転角の読み込みが行われ、続いて電圧指令値が演算され、その演算結果がＰＷＭキャリア信号の次回の谷の時点で出力される。したがって各相電流と回転角の読み込みが行われてから演算結果の電圧指令値が出力されるまでには、ＰＷＭキャリア信号で１周期分の無駄時間が発生する。電動機の回転速度が大きく、ＰＷＭキャリア信号の周期が短い図７（ａ）の場合には、無駄時間も短いが、図３（ｃ）のようにＰＷＭキャリア信号の周期が長くなると無駄時間が大きくなり、制御が遅れるので、電流制御特性が低下する。
【００１９】
（第１実施例）
次に図３は、本発明の第１実施例におけるＰＷＭキャリア信号と演算開始タイミングを示す図である。図３においては、ＰＷＭキャリア信号以外の他のタイマを使用して演算開始タイミングを決定する場合を示している。この場合にも三相電圧指令値の出力タイミングはＰＷＭキャリア信号の谷（所定位相）の時点であるが、電流制御演算開始タイミングは電流制御演算開始タイミング設定用タイマによって設定する。
【００２０】
図３に示すように、電流制御演算開始タイミング設定用タイマは、ＰＷＭキャリア信号の周期と同じ周期でリセットされ、ＰＷＭキャリア周期よりも電流制御演算時間だけ前にずらしてカウントさせている。  
ここで、電流制御演算時間とは三相電流値および回転角の読み込みから三相電圧指令値を演算するまでの電流制御演算１回に要する時間を意味する。  
したがって前記タイマがリセットされた時点を演算開始タイミングとすれば、次回の電圧指令値出力タイミングから電流制御演算時間だけ前の時点を電流制御演算の開始タイミングとして設定することが出来る。このように構成すれば、各相電流と回転角の読み込みが行われてから演算結果の電圧指令値が出力されるまでの無駄時間は、ＰＷＭキャリア周期に拘りなく、常に電流制御演算時間とほぼ同等になり、可及的に短くすることが出来る。
【００２１】
なお、実際の電流制御演算時間は、実用上の演算処理過程で多少の長短が生じるので、その最長時間を電流制御演算時間とする。つまり、電流制御演算時間は、各相電流値および回転角の読み込みから三相電圧指令値を演算するまでに要する時間の最長時間であり、次回の電圧指令値出力タイミングよりも前記最長時間より前で、キャリア周期の一周期前よりは後のタイミングを電流制御演算の開始タイミングとする。
【００２２】
また、実用的には正確に電流制御演算時間に一致させる必要はなく、電流制御演算時間に近い切りの良い時間に設定すれば良い。以下の実施例においても同様である。  
また、電流制御演算時間は、電動機制御を行っているＣＰＵに基づいて決定される電流制御演算負荷に応じて設定されるものであり、高速のＣＰＵを用いれば短縮することが出来るがコスト高になる。
【００２３】
（第２実施例）
図４は、第２実施例におけるＰＷＭキャリア信号と電流演算開始タイミングを示す図である。  
この実施例は、電流制御演算開始タイミング設定タイマとしてリセット値可変のタイマを用い、次回の電流制御演算時間を今回の電流制御演算中に演算し、演算で求めた電流制御演算時間に応じて前記タイマのリセット値を設定し、ＰＷＭキャリア信号の所定位相（山または谷）の時点からカウントを開始した前記タイマがリセットされた時点を電流制御演算開始タイミングとしている。
【００２４】
ＰＷＭキャリア信号で電流制御を行っている際に電流制御演算時間が変化する場合には、上記のように次回の電流制御演算時間を今回の電流制御演算中に演算し、電流制御演算開始タイミング設定タイマのリセット値を可変することにより、無駄時間を常に最小とすることが出来る。  
リセットされたタイマはＰＷＭキャリア信号の谷が来るまではカウントせず、次回の電流制御演算後のＰＷＭキャリア信号の谷の時点からカウントを開始する。  
なお、電流制御演算時間が途中で変わるような場合には、演算内容の変化に応じてフラグを立て、そのフラグに応じて電流制御演算時間の設定値、つまり電流制御演算開始タイミング設定タイマのリセット値を変えるように設定する。
【００２５】
（第３実施例）
図５は、第３実施例におけるＰＷＭキャリア信号と電流演算開始タイミングを示す図である。  
図５においては、電流制御演算開始タイミング設定タイマの周期を電流制御演算時間の最長時間とほぼ同じ値に設定し、電圧指令値出力タイミングとは拘りなく電流制御演算を繰り返し行って最終の演算結果を順次記憶しておき、次回の電圧指令値出力タイミング（キャリア信号の谷）の時点における記憶値を電圧指令値として出力するように構成している。  
このように構成すれば、図５に示すように、キャリア周期や電流制御演算時間が毎回変化するような場合でも、ＰＷＭキャリア信号や電流制御時間を測定することなく無駄時間を短縮することができる。
【００２６】
（第４実施例）
図６は、第４実施例におけるＰＷＭキャリア信号と電流演算開始タイミングを示す図である。  
この実施例は、他のタイマを用いず、ＰＷＭキャリア信号を用いて電流演算開始タイミングを設定する例である。図６に示すようにＰＷＭキャリア信号が測定可能な場合には、ＰＷＭキャリア信号に対して電流制御演算時間分の閾値を設け、この閾値以下になった際に、電流制御演算を開始させることにより、電圧指令値を出力するタイミングから電流制御演算時間分だけ減算したタイミングで電流制御演算を開始することができる。つまり、ＰＷＭキャリア信号の値を読み取り、電流制御演算時間に応じて設定された閾値に前記ＰＷＭキャリア信号が至った時点を前記演算開始タイミングとする。この実施例においては、他のタイマを必要としないので、コストを低減することが出来る。
【００２７】
なお、上記の各実施例を組み合わせても良い。また、これまでの説明では、ＰＷＭキャリア信号の谷の時点で三相電圧指令値が出力される構成を例として説明してきたが、図７（ｃ）のＢ点で示したＰＷＭキャリア信号の山で出力される構成においても同様であり、さらに谷や山に限らずＰＷＭキャリア信号の他の所定位相でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明を適用する電動機制御装置の一例を示す回路ブロック図。
【図２】図１における制御部４の内部構成を示すブロック図。
【図３】本発明の第１実施例におけるＰＷＭキャリア信号と演算開始タイミングを示す図。
【図４】本発明の第２実施例におけるＰＷＭキャリア信号と演算開始タイミングを示す図。
【図５】本発明の第３実施例におけるＰＷＭキャリア信号と演算開始タイミングを示す図。
【図６】本発明の第４実施例におけるＰＷＭキャリア信号と演算開始タイミングを示す図。
【図７】従来例におけるＰＷＭキャリア信号と電流制御演算タイミングとの関係を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１…直流電源                        ２…インバータ
３…電動機                          ４…制御部
５…電圧センサ                      ６…電流センサ
７…角度センサ                    １１…電流マップ
１２…ｄｑ軸電圧指令値演算部        １３…二相三相変換部
１４…ＰＷＭ変換部                  １５…微分部
１６…ｄｑ軸変換部                  １７…デッドタイム補償部
【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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【図６】
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【図７】
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