(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数相の巻線を設けたステータとロータとを有する交流回転電機を、インバータを介して制御する交流回転電機の制御装置であって、
前記複数相の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
直流電源から前記インバータに供給される電源電圧を検出する電圧検出部と、
電流指令値を設定する電流指令値算出部と、
前記電流指令値及び電流の検出値に基づいて、電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
前記電圧指令値に基づいて、前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフして、前記複数相の巻線に電圧を印加するスイッチング制御部と、
前記電圧指令値及び前記電源電圧の検出値に基づいて、前記電源電圧の半分値に対する前記複数相の巻線の印加電圧の基本波成分の振幅の比率である変調率の実値を算出する実変調率算出部と、
前記変調率の実値に基づいて、前記変調率の実値の予測値を算出する予測変調率算出部と、を備え、
前記電流指令値算出部は、前記変調率の実値の予測値が、前記変調率の目標値に近づくように、前記電流指令値を変化させる交流回転電機の制御装置。
【請求項２】
前記予測変調率算出部は、前記変調率の実値に対して位相進み処理を行って、前記変調率の実値の予測値を算出する請求項１に記載の交流回転電機の制御装置。
【請求項３】
前記予測変調率算出部は、前記変調率の実値に対して、ハイパスフィルタ処理、及びゲインを乗算するゲイン乗算処理を行って予測加算値を算出し、前記変調率の実値に前記予測加算値を加算して、前記変調率の実値の予測値を算出する請求項１又は２に記載の交流回転電機の制御装置。
【請求項４】
前記予測変調率算出部は、前記変調率の実値の予測値を前記変調率の実値で下限制限する請求項１から３のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
【請求項５】
前記予測変調率算出部は、前記変調率の実値に対して、ハイパスフィルタ処理、及びゲインを乗算するゲイン乗算処理を行って予測加算値を算出し、前記予測加算値を０で下限制限し、
下限制限後の前記予測加算値を前記変調率の実値に加算して、前記変調率の実値の予測値を算出する請求項１から４のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
【請求項６】
前記予測変調率算出部は、前記変調率の実値に対して、前記ハイパスフィルタ処理及び前記ゲイン乗算処理に加えて、ローパスフィルタ処理を行って前記予測加算値を算出する請求項３又は５に記載の交流回転電機の制御装置。
【請求項７】
前記予測変調率算出部は、前記直流電源と前記インバータとを接続する電源接続経路において電流のリップル成分の共振が発生する共振運転領域では、他の運転領域よりも前記位相進み処理における位相進みの度合いを増加させる請求項２に記載の交流回転電機の制御装置。
【請求項８】
前記予測変調率算出部は、前記直流電源と前記インバータとを接続する電源接続経路において電流のリップル成分の共振が発生する共振運転領域では、他の運転領域よりも前記ゲイン乗算処理における前記ゲインを増加させる請求項３、５、及び６のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
【請求項９】
前記電圧指令値算出部は、前記複数相の巻線の電圧指令値の振幅が、前記電源電圧の半分値を超える過変調状態を含む前記複数相の巻線の電圧指令値を算出し、
前記スイッチング制御部は、前記複数相の巻線の電圧指令値に基づいて、前記複数のスイッチング素子をオンオフする請求項１から８のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
【請求項１０】
前記電流指令値算出部は、前記変調率の実値の予測値が、前記変調率の目標値を上回った場合は、トルク指令値のトルク出力を維持しつつ、弱め磁束を行う方向に前記電流指令値を変化させ、前記変調率の実値の予測値が、前記変調率の目標値を下回った場合は、前記トルク指令値のトルク出力を維持しつつ、弱め磁束を弱める方向に前記電流指令値を変化させる請求項１から９のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
【請求項１１】
前記電流指令値算出部は、前記変調率の実値の予測値が、前記変調率の目標値を上回った場合は、鎖交磁束指令値を減少させ、前記変調率の実値の予測値が、前記変調率の目標値を下回った場合は、前記鎖交磁束指令値を増加させ、前記鎖交磁束指令値及びトルク指令値に基づいて、電流指令値を算出する請求項１から１０のいずれか一項に記載の交流回転電機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、交流回転電機の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流回転電機の制御装置は、効率改善・出力向上のために、３相の巻線への印加電圧の振幅が電源電圧の半分値を超える過変調状態に制御する場合がある。一方で、過変調状態に制御されると、巻線への印加電圧に高調波成分が含まれるようになり、電源電流にも高調波成分が含まれるようになる。さらに、インバータと直流電源と接続する電源接続経路には、インバータの平滑コンデンサによりＬＣ共振回路が形成され、電源電流の高調波成分の周波数が、電源接続経路の共振周波数と一致すると、電源電流の高調波成分が増幅され、直流電源及び直流電源に接続された他の装置に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００３】
特許文献１の技術では、モータの回転速度が基底回転速度以上の領域では変調率を目標値に制御することが行われる。目標値を過変調領域に設定することで高効率な駆動が行われる。
【０００４】
特許文献２の技術では、回転速度と電流指令値とモータ定数とに基づいて、印加可能な最大電圧に対する要求出力電圧の割合である予想電圧利用率を推定し、予想電圧利用率が電圧飽和限界に相当する所定値を超えないように、弱め界磁制御等により、電流指令値を補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２０００７３号公報
【特許文献２】特許第５２９２９９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の技術では、モータの回転速度が、基底回転速度よりも小さい領域から増加し、基底回転速度よりも大きくなると、その切り替わりで一時的に弱め磁束制御の追従が遅れ、変調率のオーバーシュートが生じる可能性がある。変調率のオーバーシュートにより、過度に過変調状態となり、電源電流の高調波成分が増加し、直流電源及び直流電源に接続された他の装置に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００７】
また、特許文献２の技術では、モータ定数を用いて予想電圧利用率を推定するため、モータ定数に誤差があると、予想電圧利用率が、実際の電圧利用率よりも小さく又は大きくなる。予想電圧利用率が実際の電圧利用率よりも小さい場合は、予想電圧利用率が所定値を超えないように電流指令値を補正しても、実際の電圧利用率は所定値を超え、過度に過変調状態になる可能性がある。予想電圧利用率が実際の電圧利用率よりも大きい場合は、実際の電圧利用率は所定値を下回り、出力が低下する可能性がある。また、予想電圧利用率は、現在の実際の電圧利用率の推定値であるため、特許文献１のように、弱め界磁制御の追従遅れにより、予想電圧利用率が所定値をオーバーシュートし、過度に過変調状態になる可能性がある。
【０００８】
そこで、本願は、実際の変調率が、変調率の目標値をオーバーシュートしたり、変調率の目標値に対して定常偏差を生じたりすることを抑制できる交流回転電機の制御装置を提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願に係る交流回転電機の制御装置は、数相の巻線を設けたステータとロータとを有する交流回転電機を、インバータを介して制御する交流回転電機の制御装置であって、
前記複数相の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
直流電源から前記インバータに供給される電源電圧を検出する電圧検出部と、
電流指令値を設定する電流指令値算出部と、
前記電流指令値及び電流の検出値に基づいて、電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
前記電圧指令値に基づいて、前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフして、前記複数相の巻線に電圧を印加するスイッチング制御部と、
前記電圧指令値及び前記電源電圧の検出値に基づいて、前記電源電圧の半分値に対する前記複数相の巻線の印加電圧の基本波成分の振幅の比率である変調率の実値を算出する実変調率算出部と、
前記変調率の実値に基づいて、前記変調率の実値の予測値を算出する予測変調率算出部と、を備え、
前記電流指令値算出部は、前記変調率の実値の予測値が、前記変調率の目標値に近づくように、前記電流指令値を変化させるものである。
【発明の効果】
【００１０】
本願に係る交流回転電機の制御装置によれば、電圧指令値及び電源電圧の検出値に基づいて変調率の実値を算出し、変調率の実値に基づいて、変調率の実値の予測値を算出するので、変調率の実値の予測値に、変調率の実値に対する定常偏差が生じることを抑制できる。そして、変調率の実値の予測値が、変調率の目標値に近づくように、電流指令値を変化させるので、変調率の実値に、変調率の目標値に対する定常偏差が生じることを抑制でき、過度に過変調状態になることを抑制できる。また、変調率の実値の挙動を予測した変調率の実値の予測値を用いるので、変調率の実値が変調率の目標値をオーバーシュートすることを事前に予測でき、変調率の目標値に対する変調率の実値のオーバーシュート量を抑制でき、過度に過変調状態になることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る交流回転電機及び交流回転電機の制御装置の概略構成図である。
【図２】実施の形態１に係る交流回転電機の制御装置の概略ブロック図である。
【図３】実施の形態１に係る交流回転電機の制御装置のハードウェア構成図である。
【図４】実施の形態１に係る電源接続経路の共振回路を説明する図である。
【図５】実施の形態１に係る電源接続経路の周波数特性を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る電流指令値算出部のブロック図である。
【図７】実施の形態１に係る電流指令値算出部のフィードバック制御器のブロック図である。
【図８】実施の形態１に係る予測変調率算出部のブロック図である。
【図９】実施の形態１に係る共振運転領域及び位相進みゲインの設定を説明する図である。
【図１０】比較例に係る制御挙動を説明するタイムチャートである。
【図１１】実施の形態１に係る制御挙動を説明するタイムチャートである。
【図１２】実施の形態１に係る位相進みゲインの調整を説明するタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
１．実施の形態１
実施の形態１に係る交流回転電機の制御装置１（以下、単に制御装置１と称す）について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る交流回転電機２及び制御装置１の概略構成図である。
【００１３】
１−１．交流回転電機
交流回転電機２は、複数相の巻線を設けたステータとロータと、を有している。本実施の形態では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗが設けられている。３相巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗは、スター結線とされている。なお、３相巻線は、デルタ結線とされてもよい。交流回転電機２は、永久磁石式の同期回転電機とされており、ロータに永久磁石が設けられている。
【００１４】
交流回転電機２は、ロータの回転角度に応じた電気信号を出力する回転センサ１６を備えている。回転センサ１６は、ホール素子、エンコーダ、又はレゾルバ等とされる。回転センサ１６の出力信号は、制御装置１に入力される。
【００１５】
１−２．インバータ等
インバータ２０は、直流電源１０と３相巻線との間で電力変換を行う電力変換器であり、複数のスイッチング素子を有している。インバータ２０は、直流電源１０の正極側に接続される正極側のスイッチング素子２３Ｈ（上アーム）と直流電源１０の負極側に接続される負極側のスイッチング素子２３Ｌ（下アーム）とが直列接続された直列回路（レッグ）を、３相各相の巻線に対応して３セット設けている。インバータ２０は、３つの正極側のスイッチング素子２３Ｈと、３つの負極側のスイッチング素子２３Ｌとの、合計６つのスイッチング素子を備えている。そして、正極側のスイッチング素子２３Ｈと負極側のスイッチング素子２３Ｌとが直列接続されている接続点が、対応する相の巻線に接続されている。
【００１６】
具体的には、各相の直列回路において、正極側のスイッチング素子２３Ｈのコレクタ端子は、正極側電線１４に接続され、正極側のスイッチング素子２３Ｈのエミッタ端子は、負極側のスイッチング素子２３Ｌのコレクタ端子に接続され、負極側のスイッチング素子２３Ｌのエミッタ端子は、負極側電線１５に接続されている。正極側のスイッチング素子２３Ｈと負極側のスイッチング素子２３Ｌとの接続点は、対応する相の巻線に接続されている。スイッチング素子には、ダイオード２２が逆並列接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、又は逆並列接続されたダイオードの機能を有するＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等が用いられる。各スイッチング素子のゲート端子は、制御装置１に接続されている。各スイッチング素子は、制御装置１から出力される制御信号によりオン又はオフされる。
【００１７】
平滑コンデンサ１２が、正極側電線１４と負極側電線１５との間に接続される。直流電源１０からインバータ２０に供給される電源電圧を検出する電源電圧センサ１３が備えられている。電源電圧センサ１３は、正極側電線１４と負極側電線１５との間に接続されている。電源電圧センサ１３の出力信号は、制御装置１に入力される。
【００１８】
電流センサ１７は、各相の巻線に流れる電流に応じた電気信号を出力する。電流センサ１７は、スイッチング素子の直列回路と巻線とをつなぐ各相の電線上に備えられている。電流センサ１７の出力信号は、制御装置１に入力される。なお、電流センサ１７は、各相の直列回路に備えられてもよい。
【００１９】
直流電源１０には、充放電可能な蓄電装置（例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ）が用いられる。なお、直流電源１０には、直流電圧を昇圧したり降圧したりする直流電力変換器であるＤＣ−ＤＣコンバータが設けられてもよい。
【００２０】
１−３．制御装置
制御装置１は、インバータ２０を介して交流回転電機２を制御する。図２に示すように、制御装置１は、後述する回転検出部３２、電圧検出部３３、電流検出部３４、実変調率算出部３５、予測変調率算出部３６、電流指令値算出部３７、電圧指令値算出部３８、及びスイッチング制御部３９等を備えている。制御装置１の各機能は、制御装置１が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置１は、図３に示すように、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０（コンピュータ）、演算処理装置９０とデータのやり取りする記憶装置９１、演算処理装置９０に外部の信号を入力する入力回路９２、及び演算処理装置９０から外部に信号を出力する出力回路９３等を備えている。
【００２１】
演算処理装置９０として、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置９０として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置９１として、演算処理装置９０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、演算処理装置９０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。入力回路９２は、電源電圧センサ１３、電流センサ１７、回転センサ１６等の各種のセンサ、スイッチが接続され、これらセンサ、スイッチの出力信号を演算処理装置９０に入力するＡ／Ｄ変換器等を備えている。出力回路９３は、スイッチング素子をオンオフ駆動するゲート駆動回路等の電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置９０から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。
【００２２】
そして、制御装置１が備える図２の各制御部３２〜３９等の各機能は、演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、入力回路９２、及び出力回路９３等の制御装置１の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部３２〜３９等が用いる変調率の目標値等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されている。以下、制御装置１の各機能について詳細に説明する。
【００２３】
＜回転検出部３２＞
回転検出部３２は、電気角でのロータの磁極位置θ（ロータの回転角度θ）及び回転角速度ωを検出する。本実施の形態では、回転検出部３２は、回転センサ１６の出力信号に基づいて、ロータの磁極位置θ（回転角度θ）及び回転角速度ωを検出する。本実施の形態では、磁極位置は、ロータに設けられた永久磁石のＮ極の向きに設定される。なお、回転検出部３２は、電流指令値に高調波成分を重畳することによって得られる電流情報等に基づいて、回転センサを用いずに、回転角度（磁極位置）を推定するように構成されてもよい（いわゆる、センサレス方式）。
【００２４】
＜電圧検出部３３＞
電圧検出部３３は、直流電源１０からインバータ２０に供給される電源電圧ＶＤＣを検出する。本実施の形態では、電圧検出部３３は、電源電圧センサ１３の出力信号に基づいて、電源電圧ＶＤＣを検出する。
【００２５】
＜電流検出部３４＞
電流検出部３４は、３相の巻線に流れる電流Ｉｕｒ、Ｉｖｒ、Ｉｗｒを検出する。本実施の形態では、電流検出部３４は、電流センサ１７の出力信号に基づいて、インバータ２０から各相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗに流れる電流Ｉｕｒ、Ｉｖｒ、Ｉｗｒを検出する。ここで、Ｉｕｒが、Ｕ相の電流検出値であり、Ｉｖｒが、Ｖ相の電流検出値であり、Ｉｗｒが、Ｗ相の電流検出値である。なお、電流センサ１７が２相の巻線電流を検出するように構成され、残りの１相の巻線電流が、２相の巻線電流の検出値に基づいて算出されてもよい。例えば、電流センサ１７が、Ｖ相及びＷ相の巻線電流Ｉｖｒ、Ｉｗｒを検出し、Ｕ相の巻線電流Ｉｕｒが、Ｉｕｒ＝−Ｉｖｒ−Ｉｗｒにより算出されてもよい。
【００２６】
電流検出部３４は、３相の電流検出値Ｉｕｒ、Ｉｖｒ、Ｉｗｒを、ｄ軸及びｑ軸の回転座標系上のｄ軸の電流検出値Ｉｄｒ及びｑ軸の電流検出値Ｉｑｒに変換する。ｄ軸及びｑ軸の回転座標系は、検出した磁極位置θの方向に定めたｄ軸及びｄ軸より電気角で９０°進んだ方向に定めたｑ軸からなる２軸の回転座標であり、ロータの磁極位置の回転に同期して回転する。具体的には、電流検出部３４は、３相の電流検出値Ｉｕｒ、Ｉｖｒ、Ｉｗｒを、磁極位置θに基づいて３相２相変換及び回転座標変換を行って、ｄ軸の電流検出値Ｉｄｒ及びｑ軸の電流検出値Ｉｑｒに変換する。
【００２７】
＜電流指令値算出部３７＞
電流指令値算出部３７は、電流指令値を算出する。本実施の形態では、電流指令値算出部３７は、ｄ軸の電流指令値Ｉｄｏ及びｑ軸の電流指令値Ｉｑｏを算出する。電流指令値算出部３７の処理の詳細については、後述する。
【００２８】
＜電圧指令値算出部３８＞
電圧指令値算出部３８は、電流指令値及び電流の検出値に基づいて、電圧指令値を算出する。本実施の形態では、電圧指令値算出部３８は、電流指令値及び電流の検出値に基づいて、ｄ軸の電圧指令値Ｖｄｏ及びｑ軸の電圧指令値Ｖｑｏを算出し、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値Ｖｄｏ、Ｖｑｏに基づいて、３相の巻線に印加する３相の電圧指令値Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏを算出する。本実施の形態では、電圧指令値算出部３８は、ｄｑ軸電圧指令値算出部３８１、電圧座標変換部３８２、及び変調部３８３を備えている。
【００２９】
ｄｑ軸電圧指令値算出部３８１は、ｄ軸の電流検出値Ｉｄｒがｄ軸の電流指令値Ｉｄｏに近づき、ｑ軸の電流検出値Ｉｑｒがｑ軸の電流指令値Ｉｑｏに近づくように、ｄ軸の電圧指令値Ｖｄｏ及びｑ軸の電圧指令値Ｖｑｏを、ＰＩ制御等により変化させる電流フィードバック制御を行う。なお、ｄ軸電流とｑ軸電流の非干渉化のため等のフィードフォワード制御が行われてもよい。
【００３０】
電圧座標変換部３８２は、ｄｑ軸の電圧指令値Ｖｄｏ、Ｖｑｏを、磁極位置θに基づいて、固定座標変換及び２相３相変換を行って、座標変換後の３相の電圧指令値Ｖｕｏｃ、Ｖｖｏｃ、Ｖｗｏｃに変換する。この座標変換後の３相の電圧指令値Ｖｕｏｃ、Ｖｖｏｃ、Ｖｗｏｃは、正弦波になり、３相の電圧指令値又は３相の巻線の印加電圧の基本波成分に相当する。
【００３１】
座標変換後の３相の電圧指令値の変調率Ｍは、次式に示すように、電源電圧ＶＤＣの半分値に対する、基本波成分である座標変換後の３相の電圧指令値の振幅ＶＡの比率である。なお、変調率Ｍは、電源電圧ＶＤＣの半分値に対する、３相の巻線の印加電圧又は変調後の３相の電圧指令値の基本波成分の振幅ＶＡの比率でもある。
Ｍ＝ＶＡ×２／ＶＤＣ        ・・・（１）
【００３２】
変調部３８３は、正弦波の座標変換後の３相の電圧指令値Ｖｕｏｃ、Ｖｖｏｃ、Ｖｗｏｃに対して振幅低減変調を加えて、最終的な３相の電圧指令値Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏを算出する。変調部３８３は、少なくとも座標変換後の３相の電圧指令値の変調率Ｍが１より大きくなる場合に、座標変換後の３相の電圧指令値に対して、３相の電圧指令値の線間電圧を維持しつつ、３相の電圧指令値の振幅を低減する振幅低減変調を加える。なお、振幅低減変調が行われなくてもよい。
【００３３】
振幅低減変調の方式には、３次高調波重畳、ｍｉｎ−ｍａｘ法（疑似３次高調波重畳）、２相変調、及び台形波変調等の公知の各種方式が用いられる。３次高調波重畳は、座標変換後の３相の電圧指令値に３次高調波を重畳させる方式である。ｍｉｎ−ｍａｘ法は、座標変換後の３相の電圧指令値の中間電圧の１／２を、座標変換後の３相の電圧指令値に重畳させる方式である。２相変調は、何れか１相の電圧指令値を０又は電源電圧ＶＤＣに固定し、他の２相を座標変換後の３相の電圧指令値の線間電圧が変化しないように変化させる方式である。
【００３４】
＜過変調状態＞
本実施の形態では、電圧指令値算出部３８は、最終的な３相の電圧指令値Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏの振幅が、電源電圧ＶＤＣの半分値を超える過変調状態を含む最終的な３相の電圧指令値Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏを算出する。振幅低減変調が行われる場合は、変調率Ｍが２／√３（≒１．１５）よりも大きい場合に、過変調状態になる。振幅低減変調が行われない場合は、変調率Ｍが１よりも大きい場合に、過変調状態になる。なお、最終的な３相の電圧指令値Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏの振幅が、電源電圧ＶＤＣの半分値以下の状態を通常変調状態と称す。そして、通常変調状態と過変調状態との境界の変調率Ｍを、境界変調率（振幅低減変調が行われる場合は、１．１５）と称す。
【００３５】
＜スイッチング制御部３９＞
スイッチング制御部３９は、３相の電圧指令値Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏに基づいて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により複数のスイッチング素子をオンオフする。スイッチング制御部３９は、３相の電圧指令値のそれぞれとキャリア波とを比較することにより、各相のスイッチング素子をオンオフするスイッチング信号を生成する。キャリア波は、キャリア周波数で０を中心に電源電圧ＶＤＣ／２の振幅で振動する三角波とされている。スイッチング制御部３９は、電圧指令値がキャリア波を上回った場合は、スイッチング信号をオンし、電圧指令値がキャリア波を下回った場合は、スイッチング信号をオフする。正極側のスイッチング素子には、スイッチング信号がそのまま伝達され、負極側のスイッチング素子には、スイッチング信号を反転させたスイッチング信号が伝達される。各スイッチング信号は、ゲート駆動回路を介して、インバータ２０の各スイッチング素子のゲート端子に入力され、各スイッチング素子をオン又はオフさせる。
【００３６】
＜電流指令値算出部３７＞
電流指令値算出部３７は、変調率の目標値Ｍｏに基づいて、電流指令値を設定する。本実施の形態では、変調率の目標値Ｍｏは、一定値（例えば、１．２１）に設定されている。電流指令値算出部３７は、変調率の目標値Ｍｏに、電源電圧ＶＤＣを乗算し、回転角速度ωで除算して、鎖交磁束指令値の基本値Ψｏｂを算出する。
【００３７】
詳細には、図６及び次式に示すように、電流指令値算出部３７は、変調率の目標値Ｍｏに１／２×√（３／２）及び電源電圧ＶＤＣを乗算し、回転角速度ωで除算して、鎖交磁束指令値の基本値Ψｏｂを算出する。
Ψｏｂ＝Ｍｏ×１／２×√（３／２）×ＶＤＣ／ω      ・・・（２）
【００３８】
そして、図６及び次式に示すように、電流指令値算出部３７は、鎖交磁束指令値の基本値Ψｏｂに、後述する鎖交磁束補正値Ψｏｃを加算して、鎖交磁束指令値Ψｏを算出する。
Ψｏ＝Ψｏｂ＋Ψｏｃ                ・・・（３）
【００３９】
電流指令値算出部３７は、鎖交磁束指令値Ψｏ及びトルク指令値Ｔｏに基づいて、ｄ軸の電流指令値Ｉｄｏ及びｑ軸の電流指令値Ｉｑｏを算出する。電流指令値算出部３７は、鎖交磁束指令値Ψｏ及びトルク指令値Ｔｏとｄ軸の電流指令値Ｉｄｏとの関係が予め設定されたｄ軸電流設定データを参照し、算出された鎖交磁束指令値Ψｏ及びトルク指令値Ｔｏに対応するｄ軸の電流指令値Ｉｄｏを算出する。電流指令値算出部３７は、鎖交磁束指令値Ψｏ及びトルク指令値Ｔｏとｑ軸の電流指令値Ｉｑｏとの関係が予め設定されたｑ軸電流設定データを参照し、算出された鎖交磁束指令値Ψｏ及びトルク指令値Ｔｏに対応するｑ軸の電流指令値Ｉｑｏを算出する。
【００４０】
電流指令値算出部３７は、後述する変調率の実値の予測値Ｍｒｐが、変調率の目標値Ｍｏに近づくように、電流指令値を変化させるフィードバック制御を行う。本実施の形態では、電流指令値算出部３７は、変調率の実値の予測値Ｍｒｐが、変調率の目標値Ｍｏを上回った場合は、トルク指令値Ｔｏのトルク出力を維持しつつ、弱め磁束を行う方向に電流指令値を変化させ、変調率の実値の予測値Ｍｒｐが、変調率の目標値Ｍｏを下回った場合は、トルク指令値Ｔｏのトルク出力を維持しつつ、弱め磁束を弱める方向に電流指令値を変化させる。フィードバック制御により、弱め磁束の程度を調整し、トルク指令値Ｔｏのトルク出力を維持しつつ、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを変量率の目標値Ｍｏに近づけることができる。
【００４１】
図７及び次式に示すように、電流指令値算出部３７は、変調率の目標値Ｍｏに対する変調率の実値の予測値Ｍｒｐの偏差ΔＭを算出し、偏差ΔＭに、１／２×√（３／２）及び電源電圧ＶＤＣを乗算し、回転角速度ωで除算して、制御値Ｕを算出する。そして、電流指令値算出部３７は、制御値Ｕに、制御ゲインＫｍを乗算した値を、条件付き積分器で積分し、積分値を、鎖交磁束補正値Ψｏｃとして算出する。条件付き積分器は、いわゆるアンチワインドアップの機能を有している。すなわち、積分器は、鎖交磁束指令値Ψｏが、ｄ軸電流設定データに設定されている鎖交磁束指令値Ψｏの上限値（操作可能幅の上限値）に到達した場合は、積分値を増加させずに、保持し、鎖交磁束指令値Ψｏが、ｄ軸電流設定データに設定されている鎖交磁束指令値Ψｏの下限値（操作可能幅の下限値）に到達した場合は、積分値を減少させずに、保持する。
ΔＭ＝Ｍｏ−Ｍｒｐ
Ｕ＝ΔＭ×１／２×√（３／２）×ＶＤＣ／ω      ・・・（４）
Ψｏｃ＝∫（Ｋｍ×Ｕ）
【００４２】
なお、トルク指令値Ｔｏは、制御装置１内で演算されてもよいし、外部の装置から伝達されてもよい。
【００４３】
本実施の形態では、電流指令値算出部３７は、変調率の実値の予測値Ｍｒｐが、変調率の目標値Ｍｏを上回る場合は、弱め磁束制御により、ｄ軸の電流指令値Ｉｄｏ及びｑ軸の電流指令値Ｉｑｏを調整することで、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを変調率の目標値Ｍｏに追従させることができる。また、電流指令値算出部３７は、変調率の実値の予測値Ｍｒｐが、変調率の目標値Ｍｏを下回る場合は、弱め磁束を弱める制御を行うことで、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを変調率の目標値Ｍｏに追従させることができる。回転角速度ωが基底回転数よりも小さい場合は、変調率の実値の予測値Ｍｒｐが変調率の目標値Ｍｏよりも小さくなるため、電流指令値算出部３７は同様に、弱め磁束を弱める制御を行うことになるが、弱め磁束を弱める側への操作幅は制限されるため、変調率の実値の予測値Ｍｒｐが、変調率の目標値Ｍｏを下回ったままの状態になる。
【００４４】
＜実変調率算出部３５＞
実変調率算出部３５は、電圧指令値及び電源電圧ＶＤＣの検出値に基づいて、変調率の実値Ｍｒを算出する。本実施の形態では、実変調率算出部３５は、次式を用い、ｄ軸の電圧指令値Ｖｄｏ、ｑ軸の電圧指令値Ｖｑｏ、及び電源電圧ＶＤＣに基づいて、変調率の実値Ｍｒを算出する。
【数１】
0006869392.tif 000002
【００４５】
なお、実変調率算出部３５は、電圧指令値として、座標変換後の３相の電圧指令値Ｖｕｏｃ、Ｖｖｏｃ、Ｖｗｏｃを用いて変調率の実値Ｍｒを算出してもよく、最終的な３相の電圧指令値Ｖｕｏ、Ｖｖｏ、Ｖｗｏを用いて変調率の実値Ｍｒを算出してもよい。
【００４６】
＜電源接続経路の共振による、過変調状態におけるリップル成分の増幅＞
上述した３相の電圧指令値の振幅が、電源電圧ＶＤＣの半分値を超える過変調状態では、印加電圧の線間電圧に重畳する高調波成分は、基本波の周波数（電気角での回転周波数）の５次及び７次の成分が大きくなる。一方、インバータ電流の高調波成分は、印加電圧の５次及び７次の成分が６次の成分となって表れる。
【００４７】
過変調状態において、変調率Ｍが増加するに従って、印加電圧の線間電圧に重畳する高調波成分が増加し、トルクリップル成分、インバータ電流の高調波成分が増加する。
【００４８】
過変調状態において生じるインバータ電流の６次の高調波成分の周波数が、電源接続経路の共振周波数と一致すると、電源電流の高調波成分が増幅され、直流電源１０及び直流電源１０に接続された他の装置に悪影響を及ぼすおそれがある。
【００４９】
図４に示すように、電源接続経路の共振回路は、インバータ２０の平滑コンデンサ１２のキャパシタンスＣ、直流電源１０と平滑コンデンサ１２との間の接続経路のインダクタンスＬ及び抵抗Ｒによる、ＲＬＣ直列共振回路である。その周波数特性は、図５に示すようになり、共振周波数帯で、ゲインが増加している。
【００５０】
そのため、過変調状態において、回転角速度ωの６次（６ω）の周波数と、電源接続経路の共振周波数帯が重複すると、電源電流の６次の高調波成分が増幅される。また、過変調状態においても、変調率Ｍが増加するほど、増幅される前の６次の高調波成分の振幅が大きくなり、それに比例して、増幅後の６次の高調波成分の振幅も大きくなる。よって、共振運転状態では、変調率Ｍが、通常変調状態と過変調状態との境界変調率よりも大きくなり過ぎないようにする必要がある。
【００５１】
特に、過渡状態において、変調率の実値Ｍｒが、変調率の目標値Ｍｏをオーバーシュートして上回ると、変調率の実値Ｍｒが境界変調率よりも大きくなり、増幅後の６次の高調波成分の振幅が大きくなる場合がある。そのため、変調率の実値Ｍｒが、変調率の目標値Ｍｏをオーバーシュートし過ぎないようにすることが望まれる。
【００５２】
＜予測変調率算出部３６＞
そこで、予測変調率算出部３６は、変調率の実値Ｍｒに基づいて、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを算出する。変調率の実値Ｍｒに基づいて、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを算出するので、変調率の実値の予測値Ｍｒｐに、変調率の実値Ｍｒに対する定常偏差が生じることを抑制できる。そして、上述したように、変調率の実値の予測値Ｍｒｐに基づいて、電流指令値が変化される。よって、変調率の実値の予測値Ｍｒｐにより、変調率の実値Ｍｒが変調率の目標値Ｍｏをオーバーシュートすることを事前に予測できるため、変調率の目標値Ｍｏに対する変調率の実値Ｍｒのオーバーシュート量を抑制することができる。特に、電源接続経路において電流のリップル成分の共振が発生する共振運転領域において、オーバーシュート量を抑制することにより、変調率の実値Ｍｒが、通常変調状態と過変調状態との境界変調率よりも大きくなり過ぎないようにでき、電源電流の高調波成分の増加を抑制することができる。
【００５３】
本実施の形態では、予測変調率算出部３６は、次式に示すように、変調率の実値Ｍｒに対して位相進み処理を行って、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを算出する。ここで、Ｇａｄ（ｓ）は、位相進み処理の伝達関数であり、ωｈは、カットオフ周波数であり、Ｋａｄは、位相進みゲインであり、ｓは、ラプラス演算子である。
【数２】
0006869392.tif 000003
【００５４】
この位相進み処理により、概ね次式の範囲の角周波数ωの位相が進められる。よって、位相進みゲインＫａｄを大きくするほど、位相が進められる角周波数ωの範囲が低周波数側に広くなり、位相進みの効果が大きくなる。また、定常状態では、位相進み処理の伝達関数Ｇａｄ（ｓ）は、１になるので、変調率の実値の予測値Ｍｒｐは、変調率の実値Ｍｒに一致し、変調率の実値の予測値Ｍｒｐに、変調率の実値Ｍｒに対する定常偏差が生じない。
【数３】
0006869392.tif 000004
【００５５】
本実施の形態では、予測変調率算出部３６は、図８及び次式に示すように、変調率の実値Ｍｒに対して、ハイパスフィルタ処理、及び位相進みゲインＫａｄを乗算するゲイン乗算処理を行って予測加算値ΔＭｐを算出し、変調率の実値Ｍｒに予測加算値ΔＭｐを加算して、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを算出する。ここで、Ｇｈｐｓ（ｓ）は、ハイパスフィルタ処理の伝達関数である。
【数４】
0006869392.tif 000005
【００５６】
なお、式（８）を変形すると、式（６）に一致する。よって、ハイパスフィルタ処理及びゲイン乗算処理により、位相進み処理が行われる。
【００５７】
本実施の形態では、変調率の実値Ｍｒに含まれる高周波の微小な変動成分を低減するために、予測変調率算出部３６は、変調率の実値Ｍｒに対して、ハイパスフィルタ処理及びゲイン乗算処理に加えて、ローパスフィルタ処理を行って予測加算値ΔＭｐを算出するように構成されている。ここで、Ｇｌｐｓ（ｓ）は、ローパスフィルタ処理の伝達関数であり、ωｌはカットオフ周波数である。
【数５】
0006869392.tif 000006
【００５８】
ローパスフィルタ処理により、高周波の変動成分が低減された変調率の実値Ｍｒに基づいて予測が行われるため、高周波の変動成分に反応して予測精度が悪化することを抑制できる。
【００５９】
位相進みゲインＫａｄ、位相進み処理及びハイパスフィルタ処理のカットオフ角周波数ωｈ、及びローパスフィルタ処理のカットオフ角周波数ωｌは、適合により決定される。なお、変調率Ｍは、電源電圧ＶＤＣ、回転角速度ω、及びトルク指令値Ｔｏの変化により変化するため、位相が進められる周波数の帯域は、これら電源電圧ＶＤＣ、回転角速度ω、及びトルク指令値Ｔｏの変化速度の帯域を含むように設定されてもよい。
【００６０】
本実施の形態では、予測変調率算出部３６は、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを変調率の実値Ｍｒで下限制限する。すなわち、次式に示すように、予測変調率算出部３６は、変調率の実値の予測値Ｍｒｐが変調率の実値Ｍｒを下回った場合は、変調率の実値の予測値Ｍｒｐに変調率の実値Ｍｒを設定する。
【数６】
0006869392.tif 000007
【００６１】
ハイパスフィルタ処理及びゲイン乗算処理を用いる場合は、予測変調率算出部３６は、予測加算値ΔＭｐを０で下限制限し、下限制限後の予測加算値ΔＭｐを変調率の実値Ｍｒに加算して、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを算出する。すなわち、次式に示すように、予測変調率算出部３６は、予測加算値ΔＭｐが０を下回った場合は、予測加算値ΔＭｐに０を設定する。
【数７】
0006869392.tif 000008
【００６２】
この構成によれば、変調率の実値Ｍｒが増加する側に予測が行われ、変調率の実値Ｍｒが減少する側には予測が行われない。よって、変調率の実値Ｍｒが、変調率の目標値Ｍｏに対して増加側にオーバーシュートする増加側のオーバーシュート量を低減することができる。そのため、特に、高調波成分が増加し、問題となる過変調状態側へのオーバーシュート量を低減することができる。一方、通常変調状態側へのオーバーシュート量を低減できないが、高調波成分が減少する安全サイドであるため特に問題なく、また、予測によるフィードバック特性への影響を抑制できる。
【００６３】
また、回転角速度ωが減少する際には、実値Ｍｒも減少する。そのため、下限制限しない場合は、変調率の実値の予測値Ｍｒｐが、変調率の目標値Ｍｏよりも小さくなり、変調率の実値Ｍｒを必要以上に増加させる方向に作用し、弱め磁束制御が不十分になる恐れがある。下限制限処理により、変調率の実値の予測値Ｍｒｐが、変調率の目標値Ｍｏよりも小さくなることを防止でき、弱め磁束制御が不十分になることを抑制できる。
【００６４】
予測変調率算出部３６は、直流電源１０とインバータ２０とを接続する電源接続経路において電流のリップル成分の共振が発生する共振運転領域では、共振運転領域以外の運転領域よりも位相進み処理における位相進みの度合いを増加させる。この構成によれば、電源電流の高調波成分が共振により増幅される共振運転領域において、オーバーシュートの抑制効果を増加させることができる。
【００６５】
予測変調率算出部３６は、共振運転領域では、共振運転領域以外の運転領域よりもゲイン乗算処理における位相進みゲインＫａｄを増加させる。
【００６６】
予測変調率算出部３６は、共振運転領域では、位相進みゲインＫａｄを０より大きな値に設定し、共振運転領域以外の運転領域では、位相進みゲインＫａｄを０に設定して、位相進み度合いを０に設定する。
【００６７】
この構成によれば、特に、オーバーシュートの発生の抑制の必要な、共振運転領域で、位相進み処理を行い、必要性の低下する共振運転領域以外では、位相進み度合いを０にし、位相進みによるフィードバック特性への影響をなくすことができる。
【００６８】
本実施の形態では、共振運転領域は、図９に示すように、過変調状態になる回転角速度ω及びトルク指令値Ｔｏの領域であって、回転角速度ωの６次（６ω）の周波数が、電源接続経路の共振周波数帯に近く、増幅後の電源電流の６次の高調波成分が所定値以上大きくなる領域に対応して設定される。
【００６９】
＜制御挙動＞
図１０に、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを用いずに、変調率の実値Ｍｒが変調率の目標値Ｍｏに近づくように、電流指令値が変化されるように構成された比較例の制御挙動を示す。トルク指令値Ｔｏが一定の状態で、回転角速度ω（図には、電気角での回転角速度ω［ｒａｄ／ｓ］を、機械角での回転速度［ｒｐｍ］に変換して表示）が一定の傾きで上昇している。回転角速度ωの検出値には、ノイズ除去のためのフィルタ処理が行われており、回転角速度ωの実値よりも小さくなっている。よって、フィードバック系の遅れが大きくなっている。変調率の目標値Ｍｏは、過変調状態の１．２１に設定されている。
【００７０】
比較例では、予測値が用いられていないので、変調率の実値Ｍｒは、目標値Ｍｏに対して増加側にオーバーシュートしている。過変調状態であるので、変調率の実値Ｍｒの増加により、印加電圧の線間電圧に重畳する高調波成分が増加し、特に、共振運転領域では、増幅後の電源電流の高調波成分が大きくなり過ぎ、直流電源１０等に悪影響を及ぼすおそれがある。
【００７１】
次に、図１１に、図１０と同様の条件で、変調率の実値の予測値Ｍｒｐが変調率の目標値Ｍｏに近づくように、電流指令値が変化されるように構成された本実施の形態の制御挙動を示す。変調率の実値の予測値Ｍｒｐは、変調率の目標値Ｍｏをオーバーシュートしているが、その結果、変調率の実値Ｍｒのオーバーシュートは抑制されている。
【００７２】
図１２は、本実施の形態に係る、位相進みゲインＫａｄの変化による、オーバーシュートの抑制効果の変化を示している。位相進みゲインＫａｄを増加させると、位相進みの度合いが増加し、オーバーシュートの抑制効果が大きくなる。一方、位相進みゲインＫａｄを減少させると、位相進みの度合いが減少し、オーバーシュートの抑制効果が小さくなる。よって、所望の挙動になるように、位相進みゲインＫａｄが調整される。
【００７３】
＜転用例＞
上記の実施の形態では、３相の巻線が設けられる場合を例として説明した。しかし、巻線の相数は、複数相であれば、２相、４相等の任意の数に設定されてもよい。
【００７４】
上記の実施の形態では、１組の３相の巻線及びインバータが設けられる場合を例として説明した。しかし、２組以上の３相巻線及びインバータが設けられ、各組の３相巻線及びインバータに対して、各実施の形態と同様の制御が行われてもよい。
【００７５】
上記の実施の形態では、予測変調率算出部３６は、変調率の実値Ｍｒに対して位相進み処理を行って、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを算出する場合を例として説明した。しかし、予測変調率算出部３６は、変調率の実値Ｍｒに対して、各種の予測演算を行って、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを算出してもよい。例えば、予測変調率算出部３６は、変調率の実値Ｍｒの変化速度にゲインを乗算した値を、変調率の実値Ｍｒに加算して変調率の実値の予測値を算出してもよい。
【００７６】
上記の実施の形態では、変調率の目標値Ｍｏは、一定値に設定されている場合を例として説明した。しかし、電流指令値算出部３６は、運転状態に応じて変調率の目標値Ｍｏを変化させてもよい。例えば、電流指令値算出部３６は、回転角速度ω及びトルク指令値Ｔｏと、変調率の目標値Ｍｏとの関係が予め設定された目標値設定データを参照し、現在の回転角速度ω及びトルク指令値Ｔｏに対応する変調率の目標値Ｍｏを算出してもよい。
【００７７】
上記の実施の形態では、電流指令値算出部３７は、中間パラメータとして鎖交磁束指令値を用い、変調率の目標値Ｍｏ等に基づいて鎖交磁束指令値を変化させ、鎖交磁束指令値に基づいて電流指令値を設定している場合を例として説明した。しかし、電流指令値算出部３７は、鎖交磁束指令値を用いずに、電流指令値を設定してもよい。例えば、電流指令値算出部３７は、特開２０１２−２０００７３号公報に開示されているように、中間パラメータとして、電圧不足割合を用い、変調率の目標値Ｍｏ等に基づいて電圧不足割合を変化させ、電圧不足割合に基づいて電流指令値を設定してもよい。
【００７８】
本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００７９】
１  交流回転電機の制御装置、１０  直流電源、３２  回転検出部、３３  電圧検出部、３４  電流検出部、３５  実変調率算出部、３６  予測変調率算出部、３７  電流指令値算出部、３８  電圧指令値算出部、３９  スイッチング制御部、Ｋａｄ  位相進みゲイン、Ｍｏ  変調率の目標値、Ｍｒ  変調率の実値、Ｍｒｐ  変調率の実値の予測値、Ｔｏ  トルク指令値、ΔＭｐ  予測加算値、ＶＤＣ  電源電圧、ω  回転角速度
【要約】
【課題】実際の変調率が、変調率の目標値をオーバーシュートしたり、変調率の目標値に対して定常偏差を生じたりすることを抑制できる交流回転電機の制御装置を提供する。
【解決手段】電圧指令値及び電源電圧の検出値ＶＤＣに基づいて、変電源電圧ＶＤＣの半分値に対する複数相の巻線の印加電圧の基本波成分の振幅の比率である変調率の実値Ｍｒを算出し、変調率の実値Ｍｒに基づいて、変調率の実値の予測値Ｍｒｐを算出し、変調率の実値の予測値Ｍｒｐが、変調率の目標値に近づくように、電流指令値を変化させる交流回転電機の制御装置１。
【選択図】図２【図１】
0006869392.tif 000009
【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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【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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