(57)【要約】【課題】ＰＡＭ制御及びＰＷＭ制御を併用して電動機を制御する場合に、ＰＷＭ制御のスイッチング損失増加を招くことなくＰＡＭ制御時にサージ電圧を抑制できる電動機の制御装置を提供する。【解決手段】制御装置１１は、電動機Ｍの高トルク駆動時にはＰＡＭ制御を行い、低トルク駆動時にはＰＷＭ制御を行う。制御装置１１は、昇圧チョッパ回路１２から出力される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部１３と、電動機Ｍの高トルク駆動時にはインバータ部１３のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング速度を低トルク駆動時より遅くする切替手段とを備えている。各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のゲートには２個の抵抗Ｒ１，Ｒ２が直列に接続されるとともに、１個の抵抗Ｒ１にスイッチＳが並列に接続されており、スイッチＳのオン、オフによりスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング速度が変更される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の高トルク駆動時はＰＡＭ制御を行い、低トルク駆動時はＰＷＭ制御を行う電動機の制御装置において、
電圧を変更して直流電圧を出力可能なコンバータ部と、前記直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記電動機の高トルク駆動時には前記インバータ部のスイッチング素子のスイッチング速度を低トルク駆動時より遅くする切替手段とを備えた電動機の制御装置。
【請求項２】
前記電動機の高トルク駆動時には、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を低トルク駆動時より低下させる請求項１に記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
前記スイッチング素子の制御端子には複数の抵抗が直列に接続されるとともに、その複数の抵抗のうち一部の抵抗にスイッチが並列に接続されており、前記スイッチのオン、オフにより前記スイッチング素子のスイッチング速度が変更される請求項１又は請求項２に記載の電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の制御装置に係り、詳しくは高トルク駆動時はＰＡＭ制御を行い、低トルク駆動時はＰＷＭ制御を行う電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動機を変速駆動するインバータ装置では、一般に１２０度通電の矩形波により電動機を駆動し、その制御はＰＷＭ方式（パルス幅変調方式）により電圧を調整することにより実施するか、またはインバータ装置に直流電源を供給するコンバータ装置の出力電圧を調整することにより実施されている。
【０００３】
また、高速（高トルク）領域では、ＰＡＭ制御（パルス振幅変調制御）により電動機を制御し、低速（低トルク）領域では、ＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）により電動機を制御するように２つの制御モードを切り替える電動機の制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６３−２２４６９８号公報（２、３貢、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インバータ装置のスイッチング素子のオフ時、素子電流経路にサージ電圧が発生する。電動機の低トルク時は入力電圧は低いため問題ないが、高トルク時はサージ電圧が昇圧された入力電圧に重畳されるため、スイッチング素子の最大定格を大きく取る必要がある。またサージ電圧を抑制するためには、スイッチング速度を抑える必要があるが、スイッチング速度を抑えるとスイッチング損失が大きくなる。
【０００６】
本発明は前記問題点を解決するためになされたものであって、その目的はＰＡＭ制御及びＰＷＭ制御を併用して電動機を制御する場合に、ＰＷＭ制御のスイッチング損失増加を招くことなくＰＡＭ制御時にサージ電圧を抑制できる電動機の制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電動機の高トルク駆動時はＰＡＭ制御を行い、低トルク駆動時はＰＷＭ制御を行う電動機の制御装置である。そして、電圧を変更して直流電圧を出力可能なコンバータ部と、前記直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記電動機の高トルク駆動時には前記インバータ部のスイッチング素子のスイッチング速度を低トルク駆動時より遅くする切替手段とを備える。
【０００８】
この発明では、低トルク駆動時はＰＷＭ制御により電動機が駆動され、高トルク駆動時には、ＰＡＭ制御により電動機が駆動される。高電圧が印加されるＰＡＭ制御には、インバータ部のスイッチング素子のスイッチング速度が、低トルク駆動時より遅くなるため、スイッチング速度がＰＷＭ制御時と同じ場合に比較して、サージ電圧を抑制できる。そのため、スイッチング素子の定格を小さくできる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記電動機の高トルク駆動時には、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を低トルク駆動時より低下させる。従って、この発明では、単位時間あたりのスイッチング回数が減少するため、単位時間あたりのスイッチング素子の発熱量が小さくなる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記スイッチング素子の制御端子には複数の抵抗が直列に接続されるとともに、その複数の抵抗のうち一部の抵抗にスイッチが並列に接続されている。そして、前記スイッチのオン、オフにより前記スイッチング素子のスイッチング速度が変更される。即ち、スイッチがオンの場合にスイッチング速度が速くなり、スイッチがオフの場合にスイッチング速度が遅くなる。従って、この発明では、簡単な構造により、インバータ部のスイッチング素子のスイッチング速度を遅らせてサージ電圧の発生を抑制できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第一の実施の形態）
以下、本発明を電気自動車の電動機の駆動制御に具体化した第一の実施の形態を図１に基づいて説明する。図１は電動機の制御装置１１の回路図である。
【００１２】
図１に示すように、電動機の制御装置１１は、コンバータ部としての昇圧チョッパ回路１２、インバータ部１３、制御回路１４、ドライブ回路１５および後記する切替手段を備えている。昇圧チョッパ回路１２は電源（この実施の形態では直流電源）１６に接続されている。
【００１３】
昇圧チョッパ回路１２は、リアクトル１２ａ、ＭＯＳトランジスタ１２ｂ、ダイオード１２ｃおよびコンデンサ１２ｄを備えている。ＭＯＳトランジスタ１２ｂのゲートはドライブ回路１５に接続されている。ドライブ回路１５によりＭＯＳトランジスタ１２ｂのオン、オフが制御され、昇圧チョッパ回路１２は電源１６から入力された直流電圧を昇圧する働きをする。
【００１４】
インバータ部１３は、ＭＯＳＦＥＴからなる６個のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６と、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６とを備えている。２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が直列に接続され、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２にはダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ並列に接続されている。両スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の間の接合点は、電動機ＭのＵ相端子に接続されている。また、２つのスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４が直列に接続され、各スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４にはダイオードＤ３，Ｄ４がそれぞれ並列に接続されている。両スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の間の接合点は、電動機ＭのＶ相端子に接続されている。さらに、２つのスイッチング素子ＳＷ５，ＳＷ６が直列に接続され、各スイッチング素子ＳＷ５，ＳＷ６にはダイオードＤ５，Ｄ６がそれぞれ並列に接続されている。両スイッチング素子ＳＷ５，ＳＷ６の間の接合点は、電動機ＭのＷ相端子に接続されている。各ダイオードＤ１〜Ｄ６はカソードがスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のドレインに接続され、アノードがスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のソースに接続されている。
【００１５】
各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の制御端子としてのゲートは、ドライブ回路１５に接続されている。ドライブ回路１５は制御回路１４に接続され、制御回路１４からの制御信号に基づいてドライブ回路１５が各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をオン、オフ制御することにより、インバータ部１３は直流電圧を適宜の周波数の三相交流に変換して電動機Ｍに出力する。
【００１６】
制御回路１４はＣＰＵ及びメモリ（いずれも図示せず）を備え、メモリには電動機Ｍを駆動するのに必要な各種制御プログラムが記憶されている。また、制御プログラムは、低速（低トルク）領域で電動機を制御する低トルク駆動モードと、高速（高トルク）領域で電動機を制御する高トルク駆動モードとの２つの制御モードを備えている。そして、電動機Ｍの負荷状態に応じて２つの制御モードが切り換えられる。低トルク駆動モードはＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）により電動機Ｍを制御する。高トルク駆動モードはＰＡＭ制御（パルス振幅変調制御）により電動機を制御する。ＰＡＭ制御時には昇圧チョッパ回路１２によりインバータ部１３への入力電圧がＰＷＭ制御時より昇圧される。ＰＷＭ制御時には電源１６の直流電圧が昇圧されずにインバータ部１３に供給される。
【００１７】
各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６には、ゲートに複数（この実施形態では２つ）の抵抗Ｒ１、Ｒ２がそれぞれ直列に接続され、一部（この実施形態では１つ）の抵抗Ｒ１にスイッチＳ（リレーの接点）がそれぞれ並列に接続されている。
【００１８】
制御回路１４には、図示しない車両の主制御装置からの回転数指令値１７の値と、メモリに記憶されている制御切替閾値とを比較するとともに、回転数指令値１７が制御切替閾値以下の時にスイッチＳをオンさせるＨ（ハイ）の信号が出力される比較器１８がプログラムとして備えられている。即ち、等価回路的に比較器１８の出力端子に各スイッチＳが接続されている。制御切替閾値は、電動機Ｍが駆動時に必要とする電圧特性によって異なり、例えば、予め試験を行って決められる。抵抗Ｒ１，Ｒ２、スイッチＳ及び比較器１８により、電動機Ｍの高トルク駆動時にはインバータ部１３のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング速度を低トルク駆動時より遅くする切替手段が構成されている。
【００１９】
次に、上記のように構成された制御装置１１の作用について説明する。
制御回路１４は、図示しない主制御装置から出力された回転速度指令信号を入力し、その指令信号に基づいて電動機Ｍを所定の回転速度で駆動制御するための指令信号をドライブ回路１５に出力する。
【００２０】
そして、電動機Ｍを駆動するのに必要なトルクが所定のトルク以上のとき、この実施の形態では、回転数指令値１７が制御切替閾値以上の場合は、電動機Ｍは高トルク駆動モード、即ちＰＡＭ制御で制御される。また、所定のトルク未満のとき、この実施の形態では、回転数指令値１７が制御切替閾値未満の場合は、電動機Ｍは低トルク駆動モード、即ちＰＷＭ制御で制御される。そして、電動機Ｍに回転速度に対応する交流電圧が供給される。
【００２１】
ＰＷＭ制御では、昇圧チョッパ回路１２で昇圧が行われず、電源１６の電圧のまま直流電圧がインバータ部１３に供給される。そして、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６がＰＷＭ制御され、インバータ部１３から制御すべき回転数に対応した周波数の交流が出力される。電動機Ｍを低速で精度良く回転駆動させるためには、キャリア周波数（スイッチング周波数）を高くする必要があるが、あまり高くすると、単位時間当たりのスイッチング損失が大きくなるため、スイッチング損失が許容される範囲内で、高周波となるように設定されている。
【００２２】
ＰＡＭ制御では、昇圧チョッパ回路１２で昇圧が行われ、電源１６の電圧が電動機Ｍの負荷に対応した所定の電圧に昇圧された後、インバータ部１３に供給される。そして、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６が所定の周波数でスイッチングされる。この時、スイッチング損失を抑えるためにスイッチング周波数が低トルク駆動時より低くなるように変更される。
【００２３】
一方、比較器１８では回転数指令値１７と制御切替閾値との比較が行われ、回転数指令値１７が制御切替閾値未満の場合は、比較器１８からは各スイッチＳをオン状態にする信号が出力される。各スイッチＳがオンになると、ゲート抵抗がスイッチＳがオフ状態のときよりも小さくなり、スイッチング速度が速くなるため、スイッチング損失が抑制される。
【００２４】
また、比較器１８で回転数指令値１７と制御切替閾値との比較が行われ、回転数指令値１７が制御切替閾値以上の場合は、比較器１８からは各スイッチＳをオフ状態にする信号が出力される。各スイッチＳがオフになると、ゲート抵抗がスイッチＳがオン状態のときよりも大きくなり、スイッチング速度が遅くなる。従って、電圧の立上がり、立下りが遅延し、サージ電圧が抑制される。
【００２５】
本実施の形態によれば以下に示す効果がある。
（１）  高トルク駆動時は、ＰＡＭ制御により電動機Ｍが駆動されるとともに、インバータ部１３のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング速度が低トルク駆動時より遅くなるため、サージ電圧を抑制できる。従って、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の定格を小さくできる。
【００２６】
（２）  高トルク駆動時には、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング周波数を低トルク駆動時より低下させるため、単位時間あたりのスイッチング回数が減少し、単位時間当たりのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の発熱量を小さくできる。
【００２７】
（３）  各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のゲートには２個の抵抗Ｒ１，Ｒ２が直列に接続されるとともに、１個の抵抗Ｒ１にスイッチＳが並列に接続されており、スイッチＳのオン、オフによりスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング速度が変更される。即ち、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のゲート抵抗を、スイッチＳのオン、オフにより切り替えることができるため、簡単な構造により、インバータ部１３のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング速度を遅らせてサージ電圧の発生を抑制できる。
【００２８】
（４）  切替手段を構成するスイッチＳにオン、オフ信号を出力する比較器１８が、ＣＰＵの制御プログラムでソフト的に構成されているため、制御切替閾値を駆動条件によって変更するのが容易である。
【００２９】
（５）  低トルク駆動時は、インバータ部１３のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング速度が遅くならないため、スイッチング損失を抑制できる。（第二の実施の形態）
次に、第二の実施の形態を図２に従って説明する。この実施の形態では切替手段を構成する比較器１８を制御回路１４にソフト的に組み込む代わりに、制御回路１４とは別の回路（専用回路）として比較器２０を備えている点が第一の実施の形態と大きく異なっている。第一の実施の形態との同一部分には同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００３０】
図２に示すように、昇圧チョッパ回路１２の出力側に、インバータ部１３と並列に２つの抵抗Ｒ３、Ｒ４が直列に接続されている。抵抗Ｒ３、Ｒ４の接続点が比較器２０の反転入力端子に接続されている。比較器２０の非反転入力端子には制御切替閾値としてインバータ部１３への入力電圧閾値が入力されるようになっている。即ち、比較器２０は２つの抵抗Ｒ３、Ｒ４により検出されたインバータ部１３への入力電圧に相当する電圧と、入力電圧閾値とを比較して、スイッチＳのオン、オフ信号を出力する。
【００３１】
インバータ部１３の入力電圧に相当する電圧が、入力電圧閾値未満の場合は、比較器２０からは、各スイッチＳをオン状態にする信号が出力される。インバータ部１３の入力電圧に相当する電圧が、入力電圧閾値以上の場合は、比較器２０からは、各スイッチＳをオフ状態にする信号が出力される。そして、各スイッチＳのオン状態及びオフ状態に対応してゲート抵抗が変化し、前記第一の実施の形態と同様な作用、効果が発揮される。
【００３２】
従って、この第二の実施形態によれば、第一の実施の形態の（１）〜（３）及び（５）と同様な効果を有する他に次の効果を有する。
（６）  比較器２０が、制御回路１４とは別回路として設けられている。そのため、制御回路１４のＣＰＵに負荷をかけることなく、インバータ部１３のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング速度の切替を行うことができる。
【００３３】
尚、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように適宜に変更して実施することもできる。
○  駆動モードは２種類でなくてもよい。例えば、制御切替閾値を２つ以上設定し、ゲートに接続する抵抗及び、抵抗に並列接続するスイッチの数を増やして、スイッチング速度の動作モードを、高トルク駆動モード、中トルク駆動モード、および低トルク駆動モードの３つに増やしてもよい。
【００３４】
○  スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６はＭＯＳＦＥＴに限らず、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタを使用してもよい。バイポーラトランジスタの場合、ベースが制御端子となる。
【００３５】
○  電動機Ｍは電気自動車用に限らず、インバータで駆動される電動機であればよく、例えば、工作機械用の電動機、圧縮機の電動機でもよい。
○  第二の実施の形態において、比較器２０で比較する信号は、インバータ部１３の入力電圧に相当する電圧に限らず、例えば、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の温度に相当する信号でもよい。この場合、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の温度を検出するセンサを設け、その検出信号を比較器２０の反転入力端子に入力し、非反転入力端子には所定の制御閾値電圧を入力する。所定の制御閾値電圧は例えば、予め試験により、高トルク駆動時のＳＷ１〜ＳＷ６の温度に相当する値を求め、その値に基づいて設定される。
【００３６】
○  第二の実施の形態において、制御切替閾値は、固定された所定の電圧でも、変更可能でもよい。例えば、電動機Ｍの運転環境の温度変化が大きな場合、環境の温度によって制御切替閾値を変更してもよい。
【００３７】
○  スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をオフするときのみ、スイッチング速度を遅くするようにしてもよい。例えば、スイッチングのオフ時のタイミングと同期してスイッチＳのオン、オフ制御を行うようにする。
【００３８】
○  昇圧チョッパ回路１２はＰＷＭ制御時に電源１６より高い所定の電圧を出力する構成としてもよい。
○  比較器１８に回転数指令値１７を入力する代わりに、電動機Ｍの回転速度を検出し、その値を入力する構成としてもよい。
【００３９】
○  コンバータ部は直流電源の電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路１２に限らず、交流電源の交流を直流に変換する作用と昇圧作用との両方の作用を有する変換装置であってもよい。
【００４０】
○  前記各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング速度を切り替える切替手段として、制御端子に電圧の異なる２系統の電源を供給可能とし、その供給源を切り替えることによりスイッチング速度を変更可能に構成してもよい。
【００４１】
以下の技術的思想（発明）は前記実施の形態から把握できる。
（１）  請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記高トルク駆動時において、前記スイッチング素子のスイッチング速度は、少なくともスイッチング素子をオフにするときに遅くなるように切り替えられる。
【００４２】
（２）  請求項１〜請求項３及び前記技術的思想（１）のいずれか一項に記載の発明において、前記各スイッチング素子の制御端子には、電圧の異なる２系統の電源供給が可能でその供給源を切り替えることによりスイッチング速度が変更可能に構成されている。
【００４３】
（３）  請求項１〜請求項３及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の発明において、前記スイッチング速度を切り替える条件として前記電動機の環境温度が加えられている。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１〜請求項３に記載の発明によれば、ＰＡＭ制御及びＰＷＭ制御を併用して電動機を制御する場合に、ＰＷＭ制御のスイッチング損失増加を招くことなくサージ電圧を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態の制御装置の回路図
【図２】第二の実施の形態の制御装置の回路図
【符号の説明】
１１…制御装置、１２…コンバータ部としての昇圧チョッパ回路、１３…インバータ部、１６…電源、１８…切替手段を構成する比較器、２０…同じく比較器、Ｍ…電動機、ＳＷ１〜ＳＷ６…スイッチング素子、Ｒ１，Ｒ２…切替手段を構成する抵抗、Ｓ…同じくスイッチ。
【図１】
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【図２】
2005020919.tif 000004