JP2020171118A - 交流回転電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流回転電機の駆動時、保護対象の過熱による破損をより防止することが可能な、交流回転電機の制御装置を提供する。【解決手段】交流回転電機の制御装置は、スイッチング素子（２１ａ〜２１ｃ、２２ａ〜２２ｃ）を備えた電力変換回路（２０）から交流回転電機（３０）に電流を供給する場合の保護対象に設けられた保護部（７０）の温度を検出し、温度、及び温度から推定される保護対象の温度のうちの一方を検出温度として出力する温度検出部（５０）と、温度検出部が出力する検出温度を用いて、検出温度以上である補償後温度を算出する温度補償部（５１）と、温度補償部が算出した補償後温度を用いて、入力されたトルク指令値を制限するトルク制限部（８０）と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、交流回転電機の制御装置に関する。

一般に、電気自動車、ハイブリッド自動車等の電動車両には、電動車両の駆動源として、交流回転電機が搭載されている。この交流回転電機に接続される電力変換装置は、直流電源からの直流電力を交流電力に変換する電力変換機能を有している。直流電力を交流電力に変換するために、電力変換装置には、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)等のスイッチング素子を複数、備えた構成の電力変換回路が設けられている。

ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子は、予め定められたジャンクション温度Ｔｊを超える温度に達すると、ジャンクション破壊を起こして破損する恐れがある。また、交流回転電機も、一定の温度を超えることにより破損する恐れがある。従って、このようなスイッチング素子を有する電力変換回路により交流回転電機を駆動させる場合、スイッチング素子、及び交流回転電機のそれぞれに定められた温度を超えないように、温度上昇を抑制する必要がある。このことから、従来、スイッチング素子の温度を検出し、検出した温度と設定温度との間の偏差をなくすように、トルク指令値を補正することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特許第６１０７９３６号公報

電力変換回路により駆動される交流回転電機としては、永久磁石同期電動機が広く用いられている。永久磁石同期電動機の制御方法としては、最大トルク制御と弱め磁束制御との２つの制御法が知られている。最大トルク制御では、加速初期に最大のトルクが得られるようにトルクを制御することができる。弱め磁束制御では、界磁磁束を減少させることによって、誘起電圧の上昇を抑制することができる。

永久磁石同期電動機の角速度が上昇するのに従い、永久磁石同期電動機が発生する誘起電圧も上昇する。誘起電圧は、永久磁石同期電動機が接続された直流電源の両端に印加される。このことから、誘起電圧が直流電源の両端電圧の制限値に達すると、制御方法を最大トルク制御から弱め磁束制御に移行させることが行われている。永久磁石同期電動機の界磁を直接弱めることはできないため、弱め磁束制御では、ｄ軸電機子に負の電流を流すことにより、ｄ軸電機子反作用によって減磁作用を発生させる。

トルク指令値の補正により、ｄ軸電機子に流れる電流量、つまりスイッチング素子に流れる電流量が変化する。しかし、スイッチング素子の検出温度から算出した偏差をトルク指令値の補正に用いる場合、スイッチング素子の温度を設定温度以下に維持させられない過度な電流をスイッチング素子に流す恐れが高い。例えばスイッチング素子の温度が設定温度に達した後にも電流を流すような恐れがある。そのため、スイッチング素子の温度が設定温度より大きく上昇し、スイッチング素子が破損する恐れも高くなる。なお、過熱による破損から保護すべき保護対象は、スイッチング素子に限定されない。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、交流回転電機の駆動時、保護対象の過熱による破損をより防止することが可能な、交流回転電機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る交流回転電機の制御装置は、スイッチング素子を備えた電力変換回路から交流回転電機に電流を供給する場合の保護対象に設けられた保護部の温度を検出し、温度、及び温度から推定される保護対象の温度のうちの一方を検出温度として出力する温度検出部と、温度検出部が出力する検出温度を用いて、検出温度以上である補償後温度を算出する温度補償部と、温度補償部が算出した補償後温度を用いて、入力されたトルク指令値を制限するトルク制限部と、を備えている。

本発明によれば、交流回転電機の駆動時、保護対象の過熱による破損をより防止することができる。

本発明の実施の形態１に係る交流回転電機の制御装置を示す構成図である。 温度補償部の構成例を示す図である。 補償量算出部に採用された伝達関数Ｇ（ｓ）の周波数特性の例を説明する図である。 温度補償部の変形例を示す図である。 最大電流調整部の構成例を示す図である。 最大電流調整部の第１の変形例を示す図である。 最大電流調整部の第２の変形例を示す図である。 最大電流調整部の第３の変形例を示す図である。 最大電流調整部の第４の変形例を示す図である。 最大電流調整部の第５の変形例を示す図である。 許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒを求めるためのテーブルの内容例を説明する図である。 許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒを求めるためのテーブルの内容例を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る交流回転電機の制御装置に交流回転電機を制御させた場合の保護対象の温度の時間変化例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る交流回転電機の制御装置に交流回転電機を制御させた場合に保護対象に流れる最大電流量の時間変化例を示す図である。 従来の交流回転電機の制御装置に交流回転電機を制御させた場合の保護対象の温度の時間変化例を示す図である。 従来の交流回転電機の制御装置に交流回転電機を制御させた場合に保護対象に流れる最大電流量の時間変化例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る交流回転電機の制御装置の一連の動作の流れの例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る交流回転電機の制御装置の各実施の形態を、図を参照して説明する。各図では、同一の要素、同一と見なせる要素、または対応する要素には、同一符号を付している。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る交流回転電機の制御装置を示す構成図である。当該制御装置は、直流電源１０から印加される直流電圧を電力変換回路であるインバータ２０により交流電圧に変換し、変換後の交流電圧を交流回転電機３０に印加させて、交流回転電機３０を駆動制御する。交流回転電機３０は、例えば電動車両の駆動源である。

当該制御装置は、図１に示すように、電圧検出部１１、磁極位置検出部３１、電気角速度検出部３２、電流センサ３３ａ〜３３ｃ、インバータ制御部４０、温度検出部５０、温度補償部５１、最大電流調整部５２、許容トルク算出部５３、トルク指令調整部５４、及び減算器５５を備えている。最大電流調整部５２、許容トルク算出部５３、トルク指令調整部５４、及び減算器５５は、入力されたトルク指令値の制限を行うトルク制限部８０の構成要素である。減算部５５は、本実施の形態における演算部に相当する。

直流電源１０は、例えば充放電可能な二次電池である。直流電源１０は、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）／ＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ）変換のためのインバータ２０を介して、交流回転電機３０に交流電力を供給する。直流電源１０は、高電圧側ノードＰと低電圧側ノードＮとの間に接続されている。直流電源１０とインバータ２０とは、高電圧側ノードＰと低電圧側ノードＮとを介して接続されている。なお、直流電源１０とインバータ２０との間に、昇圧コンバータを設けて、直流電源１０から供給される直流電圧を、ＤＣ／ＤＣ変換により昇圧してもよい。このことから、直流電源１０は、ＤＣ／ＤＣ変換を行う電力変換回路であってもよい。また、直流電圧を平滑化する平滑コンデンサを、高電圧側ノードＰと低電圧側ノードＮとの間に接続してもよい。

電圧検出部１１は、直流電源１０の直流電圧Ｖｄｃを検出する。具体的には、電圧検出部１１は、高電圧側ノードＰと低電圧側ノードＮとの間の端子間電圧を計測し、計測した端子間電圧を示す信号を出力する。ここでは、その信号が示す端子間電圧を直流電圧値Ｖｄｃと表記する。

インバータ２０は、図１に示すように、６個のスイッチング素子２１ａ〜２１ｃ、２２ａ〜２２ｃを備えた電力変換回路である。３個のスイッチング素子２１ａ〜２１ｃは、上アームとして、３個のスイッチング素子２２ａ〜２２ｃは、下アームとして、それぞれ接続されている。それにより、インバータ２０は、１個の上アーム、１個の下アームを直列に接続したハーフブリッジ回路を３つ備えている。インバータ２０は、上アーム側のスイッチング素子２１ａ〜２１ｃ、および、下アーム側のスイッチング素子２２ａ〜２２ｃのオン／オフ駆動により、直流電源１０からの直流電圧を交流電圧に変換する。得られた交流電圧は、交流回転電機３０に印加される。

本実施の形態では、スイッチング素子２１ａ〜２１ｃ、２２ａ〜２２ｃとして、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を採用している。しかし、採用の対象となるスイッチング素子は、ＩＧＢＴに限定されない。スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴ等を採用しても良い。以降、便宜的に、上アームのスイッチング素子２１ａ〜２１ｃのうちの任意の１個以上のスイッチング素子を指す場合、符号として「２１」を付すこととする。同様に、下アームのスイッチング素子２２ａ〜２２ｃのうちの任意の１個以上のスイッチング素子を指す場合、符号として「２２」を付すこととする。任意のスイッチング素子、或いは全てのスイッチング素子を指すような場合、符号は付さないこととする。

ＩＧＢＴであるスイッチング素子には、コレクタ電極とエミッタ電極との間に半導体整流素子が接続されている。その半導体整流素子は、例えばダイオードである。半導体整流素子のアノード電極は、エミッタ電極に接続され、半導体整流素子のカソード電極は、コレクタ電極に接続されている。それにより、半導体整流素子は、スイッチング素子とは逆向きに電流が流れる逆並列に、そのスイッチング素子と接続されている。ここでは、特に断らない限り、スイッチング素子は、逆並列に接続された半導体整流素子を含む意味で用いる。

交流回転電機３０は、インバータ２０が変換した交流電圧が印加されることにより、電動車両の駆動力および制動力のうちの一方を発生させる。交流回転電機３０は、例えば永久磁石同期電動機である。本実施の形態では、交流回転電機３０として、３相の電機子巻線を備えた交流回転電機が採用されている。そのため、インバータ２０は、３つのハーフブリッジ回路を備えている。しかしながら、交流回転電機３０の相数は、３相に限定されない。すなわち、交流回転電機の制御装置が制御対象とする交流回転電機３０は、多相電機子巻線を備えた交流回転電機であればよい。

磁極位置検出部３１は、交流回転電機３０の磁極位置を検出する。磁極位置検出部３１は、ホール素子またはエンコーダを備えている。磁極位置検出部３１は、交流回転電機３０の回転子の基準回転位置に対する磁極の回転角度を検出し、検出した回転角度の検出値を示す信号を出力する。この検出された回転角度は、以降「磁極位置θ」と表記する。この磁極位置θは、ｑ軸の回転角度を示す値である。また、回転子の基準回転位置は、任意の位置に予め適宜設定されている。

電気角速度検出部３２は、交流回転電機３０の電気角速度ωを検出し、検出した電気角速度ωを示す信号を出力する。電気角速度検出部３２は、磁極位置検出部３１と同様に、ホール素子またはエンコーダを備えているものであってもよいが、磁極位置検出部３１が検出した磁極位置θを用いて、演算により、電気角速度ωを求める構成であってもよい。

電流センサ３３ａ〜３３ｃは、交流回転電機３０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を流れる電流量ｉＵ、ｉＶ、ｉＷをそれぞれ検出し、検出した電流量ｉＵ、ｉＶ、ｉＷをそれぞれ示す信号を電流座標変換器４７へ出力する。図１では、３つの電流センサ３３ａ〜３３ｃを設けて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの電流量ｉＵ、ｉＶ、ｉＷを検出しているが、必ずしもそうしなくともよい。つまり、電流センサは２つにして、電流量の検出は２相のみ行い、残りの１相の電流量は、検出した２相の電流量から演算により求めるようにしてもよい。

インバータ制御部４０は、インバータ２０に含まれる上アーム側のスイッチング素子２１ａ〜２１ｃおよび下アーム側のスイッチング素子２２ａ〜２２ｃの各ゲートに接続されている。それにより、インバータ制御部４０は、各スイッチング素子のゲートに供給する信号を通して、各スイッチング素子のオン／オフ駆動を制御して、インバータ２０と交流回転電機３０との接続ノードＵａｃ、Ｖａｃ、Ｗａｃの各電位を調整する。インバータ制御部４０は、接続ノードＵａｃ、Ｖａｃ、Ｗａｃの各電位を調整することにより、交流回転電機３０の各相に流れる電流量を制御する。以下、インバータ制御部４０の構成について、より詳細に説明する。

インバータ制御部４０は、図１に示すように、電流指令演算部４１、ｄ軸電流調整器４２、ｑ軸電流調整器４３、電圧座標変換器４４、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路４５、ゲートドライバ４６、および、電流座標変換器４７を備えている。インバータ制御部４０は、ｄｑベクトル制御によってインバータ２０を駆動することにより、交流回転電機３０の回転制御を行う。以下、インバータ制御部４０を構成する各部について説明する。

電流指令演算部４１には、交流回転電機３０に発生させるトルクを指令する調整後のトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊが、トルク指令調整部５４から入力される。また、電流指令演算部４１には、電圧検出部１１から、直流電圧値Ｖｄｃを示す信号が入力される。電流指令演算部４１は、トルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊ、及び直流電圧値Ｖｄｃを用いて、ｄ軸電流指令値Ｃｉｄ及びｑ軸電流指令値Ｃｉｑを演算し、演算により得られたｄ軸電流指令値Ｃｉｄ及びｑ軸電流指令値Ｃｉｑを示す２つの信号を減算器４８、９にそれぞれ出力する。以降、説明上、便宜的に、電流指令演算部４１は、ｄ軸電流指令値Ｃｉｄ及びｑ軸電流指令値Ｃｉｑを直接、出力すると想定する。これは、他の構成要素でも同様である。

電流座標変換器４７は、電流センサ３３ａ〜３３ｃからの信号が示す３相の電流量ｉＵ、ｉＶ、ｉＷを、２相の電流量、すなわち、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑに変換する。電流座標変換器４７は、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑをそれぞれ減算器４８、４９に出力する。

減算器４８は、入力したｄ軸電流指令値Ｃｉｄから、入力したｄ軸電流値ｉｄを減算し、その減算によって得られるｄ軸電流指令値Ｃｉｄとｄ軸電流値ｉｄとの間の偏差をｄ軸電流調整器４２に出力する。同様に、減算器４９は、入力したｑ軸電流指令値Ｃｉｑから、入力したｑ軸電流値ｉｑを減算し、その減算によって得られるｑ軸電流指令値Ｃｉｑとｑ軸電流値ｉｑとの間の偏差をｑ軸電流調整器４３に出力する。

ｄ軸電流調整器４２は、減算器４８から入力する偏差が０となるように、直流のｄ軸電圧指令値Ｃｖｄを演算し、ｄ軸電圧指令値Ｃｖｄを電圧座標変換器４４に出力する。ｑ軸電流調整器４３は、減算器４９から入力する偏差が０となるように、直流のｑ軸電圧指令値Ｃｖｑを演算し、ｑ軸電圧指令値Ｃｖｑ電圧座標変換器４４に出力する。

電圧座標変換器４４は、磁極位置検出部３１からの磁極位置θに基づいて、２相直流のｄ軸電圧指令値Ｃｖｄおよびｑ軸電圧指令値Ｃｖｑを、３相交流電圧指令値Ｃｖｕ、Ｃｖｖ、Ｃｖｗに変換し、３相交流電圧指令値Ｃｖｕ、Ｃｖｖ、ＣｖｗをＰＷＭ回路４５に出力する。

ＰＷＭ回路４５は、３相交流電圧指令値Ｃｖｕ、Ｃｖｖ、Ｃｖｗ、直流電圧値Ｖｄｃを用いて、インバータ２０に含まれる各スイッチング素子をそれぞれオン／オフ駆動するための制御信号を生成し、生成した制御信号をゲートドライバ４６に出力する。

ゲートドライバ４６は、上アーム側のスイッチング素子２１ａ〜２１ｃおよび下アーム側のスイッチング素子２２ａ〜２２ｃの各ゲートと接続されている。ゲートドライバ４６は、ＰＷＭ回路４５からの各制御信号を用いて、各スイッチング素子のゲートに出力する信号を生成し、生成した信号を各スイッチング素子のゲートに出力することにより、各スイッチング素子のスイッチング動作を制御する。その結果、インバータ２０は、ゲートドライバ４６によって駆動され、直流電源１０から印加された直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換を行う。

上記のように、インバータ制御部４０は、トルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊを入力し、インバータ２０を駆動する。次に、インバータ制御部４０に入力されるトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊ、及びその生成について詳細に説明する。

温度検出部５０は、保護部７０の温度を検出する。保護部７０は、過熱による破損を防止すべき対象である保護対象の温度を直接的に、或いは間接的に検出するための温度検出用部材であり、保護対象の温度に応じて、温度が変化するように設けられている。

保護対象は、例えばインバータ２０を構成するスイッチング素子、或いは交流回転電機３０である。交流回転電機３０の検出すべき温度は、例えば電機子巻線、或いは永久磁石の温度である。

保護部７０は、スイッチング素子の温度の検出を想定する場合、例えば、スイッチング素子が搭載された同一基板上に設けられる。同一基板上に設けられた保護部７０は、スイッチング素子と同じ環境下にあるため、それらのスイッチング素子の温度上昇に比例して、温度が上昇すると見做すことができる。従って、保護部７０の検出温度が、予め設定された設定温度７１を超えないように制御すれば、スイッチング素子の過熱による破損を防止することができる。同様に、交流回転電機３０の温度の検出を想定する場合、保護部７０は、電機子巻線、或いは永久磁石と熱的に接続された箇所に設けることが考えられる。

このように、保護部７０は、基本的に、保護対象と同じ環境下、言い換えれば保護対象と同じように温度変化する場所に設置するのが望ましい。しかし、保護部７０の設置場所は、保護対象の温度を直接的に計測できる場所に限定されない。つまり、保護部７０の設置場所は、保護対象の温度を高精度に間接的に推定できる場所であってもよい。それにより、スイッチング素子では、保護部７０の温度から、ジャンクション温度を推定するようにしてもよい。ジャンクション温度を推定する推定アルゴリズムについては、公知のものを採用することができる。推定アルゴリズムは、保護部７０の設置場所、保護対象の種類等に応じて、選択すればよい。

温度検出部５０は、温度センサ等を備え、保護部７０の温度を直接検出する。保護部７０の温度が保護対象の検出すべき温度を直接的に示していない場合、温度検出部５０には、検出した保護部７０の温度から保護対象の検出すべき温度を推定する推定部が更に含まれる。検出された温度、或いは推定された温度は、保護対象の検出温度として、温度検出部５０から温度補償部５１に出力される。ここでは、混乱を避けるために、保護部７０の温度は、保護対象の検出すべき温度と想定する。検出された温度は、他の温度と区別するために、以降「保護部温度」と表記する。この保護部温度は、本実施の形態における検出温度に相当する。

図２は、温度補償部の構成例を示す図である。この温度補償部５１は、温度検出部５０からの検出温度である保護部温度を用いて、補償後温度を算出する。そのために、温度補償部５１は、図２に示すように、補償量算出部５１１、及び加算器５１２を備えている。

温度検出部５０からの保護部温度は、補償量算出部５１１、及び加算器５１２にそれぞれ入力される。補償量算出部５１１は、検出温度に加算すべき温度分を補償量として算出し、算出した補償量を加算器５１２に出力する。それにより、加算器５１２は、検出温度に補償量を加算し、その加算結果を補償後温度として出力する。補償後温度と保護部温度との間の大小関係は、保護部温度≦補償後温度、である。加算器５１２は、本実施の形態における加算部に相当する。

補償量算出部５１１は、増幅器、低域通過フィルタ、及び高域通過フィルタとしての機能を備える。補償量算出部５１１が補償量を算出するための伝達関数Ｇ（ｓ）は、下式（１）により示される。

ここで、Ｋは増幅率、Ｇ_ＬＰＦ（ｓ）は低域通過フィルタとしての伝達関数、Ｇ_ＨＰＦ（ｓ）は高域通過フィルタの伝達関数である。

また、下式（２）は、一次低域通過フィルタとしての伝達関数、下式（３）は、一次高域通過フィルタとしての伝達関数を示している。下式（２）および下式（３）は、伝達関数の一例として示しており、それに限定されない。

式（２）および式（３）において、ｓはラプラス演算子、ω_ＬＰＦは低域通過フィルタとしてのカットオフ周波数、ω_ＨＰＦは高域通過フィルタとしてのカットオフ周波数である。

図３は、補償量算出部に採用された伝達関数Ｇ（ｓ）の周波数特性の例を説明する図である。図３では、低域通過フィルタのカットオフ周波数ω_ＬＰＦを、高域通過フィルタのカットオフ周波数ω_ＨＰＦより小さい値に設定し、増幅率を正の値に設定した場合の例を示している。それにより、伝達関数Ｇ（ｓ）は、バンドパスフィルタとしての特性を備えている。つまり、伝達関数Ｇ（ｓ）の通過帯域は、図３に示すように、カットオフ周波数ω_ＬＰＦより大きく、且つカットオフ周波数ω_ＨＰＦより小さい範囲である。その通過帯域には、保護部７０の熱応答の帯域を含める必要がある。

補償量算出部５１１が算出する補償量は、保護部７０の検出温度である保護部温度の変化量が大きくなるほど、大きくなる。そのため、補償後温度は、保護部温度以上の値となる。この結果、スイッチング素子、及び交流回転電機３０の過熱による破損がより確実に回避できるように、スイッチング素子、及び交流回転電機３０に供給される電流量はより抑えられる。詳細は後述する。

なお、温度補償部５１の構成は、図２に示すようなものに限定されない。例えば図４に示すように、補償量算出部５１１の後段にリミッタ５１５を配置し、補償量算出部５１１が出力する補償量の範囲をリミッタ５１５により制限するようにしてもよい。そのリミッタ５１５としては、０より小さい補償量を０にさせるものが考えられる。そのようなリミッタ５１５を配置した場合、補償後温度が検出温度未満となるのを確実に回避させることができる。このリミッタは、本実施の形態における補償量制限部に相当する。

最大電流調整部５２は、温度補償部５１により算出された補償後温度が、予め設定された設定温度７１を超えないように、最大電流量Ｉｍａｘの値を調整する。最大電流調整部５２は、調整後の最大電流量Ｉｍａｘを最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊとして許容トルク算出部５３に出力する。設定温度７１は、例えばレジスタ等の記憶装置に格納されたデータである。

許容トルク算出部５３は、最大電流調整部５２から出力される最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊ、電気角速度検出部３２からの電気角速度ωおよび電圧検出部１１から出力される直流電圧Ｖｄｃを用いて、許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗを算出する。算出された許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗは、トルク指令調整部５４に出力される。

トルク指令調整部５４は、許容トルク算出部５３から出力される許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの範囲内になるように、入力した交流回転電機３０のトルク指令値Ｃｔｒｑを調整する。範囲を示すために、許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗには、上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒおよび下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒが存在する。それにより、ここでは、許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗは、上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒおよび下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒを含むパラメータの総称として用いている。調整後のトルク指令値Ｃｔｒｑがトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊとして、トルク指令調整部５４から電流指令演算部４１に出力される。

ここで、最大電流調整部５２が出力する最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊについて、より詳細に説明する。この最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊは、下式（４）で示される相電流絶対値に対して現時点で許容される最大値である。

例えば、最大電流調整部５２から出力される調整後の最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊが５００Ａの時、許容トルク算出部５３は、相電流絶対値が５００Ａ以下となる条件で、交流回転電機３０に発生させることが可能な最大のトルクを算出する。従って、許容トルク内のトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊが入力された場合は、電流指令演算部４１から出力されるｄ軸電流指令値Ｃｉｄ及びｑ軸電流指令値Ｃｉｑは、基本的に、下式（５）の条件を満たす。

ｄ軸電流値ｉｄおよびｑ軸電流値ｉｑは、それぞれ、ｄ軸電流指令値Ｃｉｄおよびｑ軸電流値Ｃｉｑに対してフィードバック制御される。そのため、ｄ軸電流指令値Ｃｉｄおよびｑ軸電流値Ｃｉｑの各絶対値を最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊ以下にすることで、相電流絶対値も最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊ以下にすることができる。

図５は、最大電流調整部の構成例を示す図である。ここで図５を参照し、最大電流調整部５２についてより具体的に説明する。

図５に示すように、最大電流調整部５２は、比例調整器６０、乗算器６６、積分器６１、上下限制限部６２、および加算器６３を備えている。減算器５５が出力する偏差、つまり設定温度７１から温度補償部５１が出力する補償後温度を減算した値は比例調整器６０に入力される。この偏差は、設定温度７１＜補償後温度、の大小関係が満たされる場合、負の値となる。従って、その大小関係が満たされる場合、補償後温度が高くなるほど、偏差はより小さい値となる。

比例調整器６０は、入力された偏差に、比例ゲインＫｐを乗算し、その乗算結果を乗算器６６および加算器６３にそれぞれ出力する。比例ゲインＫｐは、正の定数である。

乗算器６６は、比例調整器６０が出力する乗算結果に対し、設定された係数を乗算する。この乗算結果は、乗算器６６から積分器６１に出力される。なお、図５中に表記の「Ｔｉ」は積分時間を示している。

積分器６１は、乗算器６６から入力した乗算結果を積分する。積分器６１は、乗算器６６から乗算結果を入力した場合に、現在の積分値にその乗算結果を加算する。積分器６１には、初期値として、例えば最大電流量Ｉｍａｘの上限値が設定される。この上限値は、非制限時の値、言い換えれば上記式（４）に示す「相電流絶対値」の設計上の上限値である。設計上の上限値は、主にスイッチング素子で発生する損失、及び冷却性能により定められる値であり、基本的に定数である。そのため、通常、いかなる条件下であっても、設計上の上限値よりも大きい電流をスイッチング素子に流すことはない。一方、最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊは、調整後の値であり、その値は変化する。最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊは、０から相電流絶対値の設計上の上限値までの間の値となる。

図５に示す構成例では、フィードバック制御で最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊを調整するために、起動後、交流回転電機３０に適切な値の電流が供給されるようになるまでにはある程度の時間が必要である。従って、例えば積分器６１の初期値を０にした場合、温度検出部５０からの検出温度が低く保護が不要であったとしても、起動直後の最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊは小さい値であるため、交流回転電機３０に十分なトルクを発生させることができない。これは、例えば交流回転電機３０を用いてエンジンを始動させる場合に問題となる。一方、積分器６１の初期値を最大電流量Ｉｍａｘの上限値に設定した場合、インバータ２０の起動後に、交流回転電機３０に必要なトルクを確実に発生させることができる。インバータ２０の起動時、例え温度検出部５０からの検出温度が設定温度７１を上回っている状態でインバータ２０を起動させたとしても、スイッチング素子および交流回転電機を確実に保護することもできる。積分器６１の初期値を最大電流量Ｉｍａｘの上限値に設定するのは、このような利点が得られるからである。

図５に示す構成例では、温度補償部５１からの補償後温度が設定温度７１よりも高い場合、減算器５５が出力する偏差が負の値となって、比例調整器６０が出力する乗算結果も負の値となる。そのため、積分器６１が出力する積分結果は小さくなる。一方、温度補償部５１からの補償後温度が設定温度７１未満の場合、減算器５５が出力する偏差が正の値となって、比例調整器６０が出力する乗算結果も正の値となる。そのため、積分器６１が出力する積分結果は大きくなる。その積分結果は、加算器６３に出力される。それにより、加算器６３は、積分結果と、比例調整器６０が出力する乗算結果とを加算し、その加算結果を上下限制限部６２に出力する。

上記のように、比例調整器６０が出力する乗算結果、および積分器６１が出力する積分結果は、減算器５５から入力する偏差に応じて変化する。加算器６３が出力する加算結果は、最大電流量Ｉｍａｘの上限値より大きくなることがあり得る。また、その加算結果は、０より小さくなることもあり得る。このことから、上下限制限部６２は、加算器６３が出力する加算結果の範囲を制限する。そのために、上下限制限部６２には、上限値として、例えば最大電流量Ｉｍａｘの上限値が設定され、下限値として、例えば０が設定されている。それにより、上下限制限部６２は、例えば上限値より大きい加算結果は上限値とし、下限値より小さい加算結果は下限値とする。それ以外の加算結果は、そのままとされる。そのようにして制限された加算結果が、最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊとして、上下限制限部６２から許容トルク算出部５３に出力される。このように、最大電流調整部５２は、比例調整器６０、乗算器６６および積分器６１により、減算器５５から出力される偏差に対する比例・積分補償を行い、その結果として、最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊを出力する。

最大電流調整部５２は、図５に示す構成に限定されない。ここで、図６〜図１０を参照し、最大電流調整部５２の構成の変形例について具体的に説明する。図６〜図１０では、図５に示す構成要素と同じ、或いは基本的に同じ構成要素には同一の符号を付している。それにより、変形例は、異なる部分に着目して説明する。

図６は、最大電流調整部の第１の変形例を示す図である。図６に示すように、第１の変形例の最大電流調整部５２は、更に乗算器６４を備える。この乗算器６４は、最大電流量Ｉｍａｘの上限値に、上下限制限部６２が出力する値を乗算する。この乗算結果が最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊとして、最大電流調整部５２から出力される。

第１の変形例では、上下限制限部６２は、図５に示す構成例とは異なり、加算器６３から入力する加算結果を、例えば０〜１の範囲内に制限する。これは、出力する値が最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊと乗算器６４によって乗算されるからである。出力値の０〜１の範囲内の制限は、例えば入力した加算結果を最大電流量Ｉｍａｘの上限値で除算し、その除算結果が１より大きければ１とし、その除算結果が０より小さければ０とすることで行えばよい。このような上下限制限部６２、及び乗算器６４を備えることから、積分器６１に設定する初期値は１とすればよい。

このような構成であっても、図５に示す構成例と同様な最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊを最大電流調節部５２に出力させることができる。最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊは、最大電流量Ｉｍａｘの上限値を超えることはなく、負の値にもならない。

図７は、最大電流調整部の第２の変形例を示す図である。図７に示すように、第２の変形例の最大電流調整部５２は、更に加算器６５を備える。この加算器６５は、最大電流量Ｉｍａｘの上限値に、上下限制限部６２が出力する値を加算する。この加算結果が最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊとして、最大電流調整部５２から出力される。

第２の変形例では、上下限制限部６２は、上記第１の変形例とは異なり、加算器６３から入力する加算結果を、例えば０を上限値とする範囲内に制限する。これは、出力する値が最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊと加算器６５によって加算されるからである。出力値の０を上限とする制限は、例えば入力した加算結果に−１を乗算し、その乗算結果が０より大きければ０とし、その乗算結果が０より小さければ乗算結果をそのままとすることで行えばよい。このような上下限制限部６２、及び加算器６５を備えることから、積分器６１に設定する初期値は０とすればよい。

このような構成であっても、図５に示す構成例、及び図６に示す第１の変形例と同様な最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊを最大電流調節部５２に出力させることができる。最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊは、最大電流量Ｉｍａｘの上限値を超えることはなく、負の値にもならない。

図８は、最大電流調整部の第３の変形例を示す図である。図１に示す構成例では、保護部７０は一つのみ示している。しかし、保護部７０は、複数、設けてもよい。第３の構成例は、保護部７０を複数、設けることを想定した例である。図８に示すように、第３の変形例では、保護部７０毎に、比例調整器６０、乗算器６６、積分器６１、および加算器６３を備えている。そのために、温度補償部５１および加算器５５も保護部７０毎に設けられている。

乗算器６６は、比例調整器６０が出力する乗算結果に対し、設定された係数を乗算する。積分器６１は、乗算器６６が出力する乗算結果を積分する。加算器６３は、比例調整器６０が出力する乗算結果に、積分器６１が出力する積分結果を加算する。この加算結果は、加算器６３から選択部６７に出力される。

選択部６７は、各加算器６３から加算結果を入力し、入力した加算結果のうちの最小の加算結果を選択して上下限制限部６２に出力する。選択部６７に最小の加算結果を選択させるのは、最小の加算結果が得られた保護対象が最も危険な状態、つまり温度が最も高くなっているためである。

上下限制限部６２は、図５と同じ機能であり、設定された上限値と下限値との間の範囲内に、入力した加算結果を制限する。上下限制限部６２によって制限された加算結果が最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊとなる。

保護部７０を一つのみとする場合、保護対象のうちで最も高温となる保護対象に保護部７０を設ければよい。そのような保護対象に保護部７０を設けることにより、保護対象の全てを保護することができる。しかし、何らかの理由により、保護部７０を設けていない保護対象が最も高温となる恐れがある。例えそのような可能性が考えられたとしても、保護対象毎に、或いは最も高温となる可能性がある複数の保護対象に保護部７０を設けることにより、第３の変形例では、最悪な状態の保護対象にとって望ましい最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊを出力させることができる。このことから、第３の変形例では、図５〜図７に示す各構成例と比較し、保護対象の全てをより確実に保護することができ、より高い安全性を実現できる。

図９は、最大電流調整部の第４の変形例を示す図である。第４の変形例も、第３の変形例と同じく、保護部７０を複数、設けることを想定した例である。図９に示すように、第４の変形例では、保護部７０毎に、比例調整器６０、及び乗算器６６を備えている。各比例調整器６０が出力する乗算結果、及び各乗算器６６が出力する乗算結果は、共に選択部６７に出力される。

選択部６７は、入力する２つの乗算結果ともに、そのうちの最小値を選択して出力する。これは、第３の変形例と同じく、保護対象を保護するうえで最小値が最悪の値だからである。各比例調整器６０から入力された乗算結果のうちから選択された乗算結果は、加算器６３に出力され、各乗算器６６から入力された乗算結果のうちから選択された乗算結果は、積分器６１に出力される。

積分器６１は、選択部６７から入力した乗算結果を積分し、積分結果を加算器６３に出力する。加算器６３は、選択部６７から入力した乗算結果に、積分器６１から入力した積分結果を加算し、加算結果を上下限制限部６２に出力する。上下限制限部６２は、第３の変形例と同じく、設定された上限値と下限値との間の範囲内に、入力した加算結果を制限する。上下限制限部６２によって制限された加算結果が最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊとなる。

このように、第４の変形例では、加算器６３が出力する加算結果、つまり制限するまえの最大電流量Ｉｍａｘは、各比例調整器６０が出力する乗算結果のうちの最悪値、及び各乗算器６６が出力する乗算結果のうちの最悪値を用いて求められる。そのため、第４の変形例では、第３の変形例と比較して、保護対象の全てを更に確実に保護することができ、更に高い安全性が実現される。

図１０は、最大電流調整部の第５の変形例を示す図である。第５の変形例も、第３および第４の変形例と同じく、保護部７０を複数、設けることを想定した例である。図１０に示すように、第５の変形例では、各減算器５５が偏差として出力する減算結果が選択部６７に入力される。それにより、選択部６７は、入力した偏差のうちの最小値を選択して出力する。選択部６７が出力する偏差は、比例調整器６０および乗算器６６にそれぞれ入力される。

比例調整器６０は、入力された偏差に、比例ゲインＫｐを乗算し、その乗算結果を加算器６３に出力する。乗算器６６は、選択部６７から入力した偏差に対し、設定された係数を乗算する。積分器６１は、乗算器６６が出力する乗算結果を積分し、積分結果を加算器６３に出力する。加算器６３は、比例調整器６０からの乗算結果に、積分器６１からの積分結果を加算し、加算結果を上下限制限部６２に出力する。この上下限制限部６２は、第４の変形例と同じ機能である。

この第５の変形例では、上記第３の変形例と同様の効果が得られる。しかし、必要な比例調整器６０、乗算器６６、及び積分器６１の各数は、第３の変形例よりも少なくてすむ。そのため、第５の変形例をハードウェアにより実現させる場合、回路規模が抑えられ、製造コストもより抑えられる。第５の変形例をソフトウェアにより実現させる場合、制御内容をより簡単化させることができ、開発コストもより抑えることができる。

図１の説明に戻る。許容トルク算出部５３は、上記のように、最大電流調整部５２から出力される最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊ、および電圧検出部１１から出力される直流電圧Ｖｄｃを用いて、許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗを算出する。許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの算出は、例えば以下のようにして行われる。

許容トルク算出部５３は、まず、電圧検出部１１から出力された直流電圧Ｖｄｃと、予め設定された最大変調率ＭＦｍａｘとを用いて、最大電圧値Ｖｍａｘを演算する。この最大電圧値Ｖｍａｘは、直流電源１０から印加されると推測される最大電圧であり、例えば下式（６）により算出される。
Ｖｍａｘ＝ｓｑｒｔ（３／２）×Ｖｄｃ×（１／２）×ＭＦｍａｘ ・・・ （６）

次に、許容トルク算出部５３は、最大電圧値Ｖｍａｘと、電気角速度検出部３２からの電気角速度ωとを用いて、最大鎖交磁束ＦＬｍａｘを演算する。この最大鎖交磁束ＦＬｍａｘは、交流回転電機３０が発生させる最大鎖交磁束であり、例えば下式（７）により算出される。
ＦＬｍａｘ＝Ｖｍａｘ÷ω ・・・ （７）

その後、許容トルク算出部５３は、最大鎖交磁束ＦＬｍａｘと、最大電流調整部５２からの最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊとに基づいて、許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒとその下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒとを求める。上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒおよび下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒは、許容トルク算出部５３からトルク指令調整部５４に出力される。

本実施の形態では、許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒおよび下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒは、それぞれテーブルを用いて求めている。これら上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒおよび下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒは、上記のように、トルク指令調整部５４が出力するトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊの範囲を制限するパラメータである。

上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒおよび下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒを求めるための各テーブルは、何れも、例えば交流回転電機３０に供給する電流を変化させて、鎖交磁束、および保護対象の温度を確認する実験、或いはシミュレーションにより作成したものである。ここで、図１１および図１２を参照し、それらテーブルの内容例について具体的に説明する。図１１は、許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒを求めるためのテーブルの内容例を説明する図である。図１２は、許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒを求めるためのテーブルの内容例を説明する図である。

図１１および図１２において、縦軸に電流量、横軸にＦｌｕｘと表記の鎖交磁束をそれぞれ取っている。そのグラフ内に示す複数の曲線は、それぞれ、許容可能とする許容トルク別に、電流量の鎖交磁束による変化を示している。このことから、各テーブルは、電流量と鎖交磁束とにより許容トルクを示す２次元テーブルとなっている。それにより、許容トルク算出部５３は、最大鎖交磁束ＦＬｍａｘと、最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊとを用いて各テーブルを参照することにより、上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒおよび下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒを求める。図１１中に表記の「４０」「８０」「１２０」等は、何れも許容トルク値を示している。同様に、図１２中に表記の「−４０」「−８０」「−１２０」等は、何れも許容トルク値を示している。

図１１および図１２は、トルクは、電流量、および鎖交磁束によって変化することを示している。上記のように、最大鎖交磁束ＦＬｍａｘは、最大電圧値Ｖｍａｘ、および電気角速度ωによって変化する。このことから、最大電流調整部５２から最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊを入力すると共に、最大電圧値Ｖｍａｘを算出し、その最大電圧値Ｖｍａｘから更に最大鎖交磁束ＦＬｍａｘを算出することにより、上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒおよび下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒを求めることができる。

トルク指令調整部５４は、入力したトルク指令値Ｃｔｒｑを、許容トルク算出部５３から入力した上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒおよび下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒとそれぞれ比較し、その比較結果に応じて、トルク指令値Ｃｔｒｑを操作する。それにより、トルク指令調整部５４は、トルク指令値Ｃｔｒｑが上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒより大きい場合、つまりトルク指令値Ｃｔｒｑ＞上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒ、の大小関係が満たされている場合、上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒをトルク指令値Ｃｔｒｑとする操作、つまり、トルク指令値Ｃｔｒｑ＝上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒ、とする操作を行う。この操作後のトルク指令値Ｃｔｒｑがトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊとして、トルク指令調整部５４から出力される。

トルク指令値Ｃｔｒｑが下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒより小さい場合、つまりトルク指令値Ｃｔｒｑ＜下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒ、の大小関係が満たされている場合、トルク指令調整部５４は、下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒをトルク指令値Ｃｔｒｑとする操作、つまり、トルク指令値Ｃｔｒｑ＝下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒ、とする操作を行う。この操作後のトルク指令値Ｃｔｒｑがトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊとして、トルク指令調整部５４から出力される。トルク指令値Ｃｔｒｑが下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒ以上、上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒ以下の範囲内であった場合、つまり下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒ≦トルク指令値Ｃｔｒｑ≦上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒ、の大小関係が満たされている場合、トルク指令調整部５４は、トルク指令値Ｃｔｒｑをそのままトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊとして出力する。

このようなことから、トルク指令調整部５４が出力するトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊは、以下のようになる。
（１）トルク指令値Ｃｔｒｑ＞上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒの場合：
トルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊ＝上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒ
（２）下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒ≦トルク指令値Ｃｔｒｑ≦上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒの場合：
トルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊ＝トルク指令値Ｃｔｒｑ
（３）トルク指令値Ｃｔｒｑ＜下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒの場合：
トルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊ＝下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒ

このように、本実施の形態では、下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒ≦トルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊ≦下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒ、の範囲内にトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊを制限し、交流回転電機３０を駆動させる。次に、このようなトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊの制限により可能となる保護対象の過熱からの保護について、図１３〜図１６を参照して具体的に説明する。

図１３は、本発明の実施の形態１に係る交流回転電機の制御装置に交流回転電機を制御させた場合の保護対象の温度の時間変化例を示す図である。図１４は、本発明の実施の形態１に係る交流回転電機の制御装置に交流回転電機を制御させた場合に保護対象に流れる最大電流量の時間変化例を示す図である。図１５は、従来の交流回転電機の制御装置に交流回転電機を制御させた場合の保護対象の温度の時間変化例を示す図である。図１６は、従来の交流回転電機の制御装置に交流回転電機を制御させた場合に保護対象に流れる最大電流量の時間変化例を示す図である。それにより、図１３および図１５では、縦軸に温度、横軸に時間をそれぞれ取っている。図１４および図１６では、縦軸に電流、横軸に時間をそれぞれ取っている。

図１３〜図１６にそれぞれ示す例は何れも、交流回転電機の制御装置に関係しない部分の条件は同じとしたシミュレーションにより得られた結果である。ここでは、従来例と比較し、本実施の形態によって実現される効果について具体的に説明する。その従来例は、保護部７０の検出した温度、或いは保護部７０の推定した温度と設定温度７１との間の偏差をトルク指令値の操作に用いるものである（例えば、特許文献１参照）。図１３および図１５の「保護部温度」は、上記のように、保護部７０の検出した温度、及び保護部７０の推定した温度の総称である。

まず、図１５および図１６を参照し、従来例でのシミュレーション結果について具体的に説明する。

シミュレーションでは、最大トルク制御を想定している。そのため、シミュレーション開始直後に、交流回転電機３０のトルクは最大となる。また、図１５に示すように、上限値の最大電流がスイッチング素子、及び交流回転電機３０に流れる。この結果、図１５に示すように、保護部温度は急激に上昇する。

その後、保護部温度は設定温度７１に達して、それらの間の偏差がなくなり、トルク指令値＝０となる。この結果、図１６に示すように、最大電流量も急激に減少して、０となる。しかしながら、最大電流量が上限値から０となるまでには遷移時間が必要である。図１５に示すように、その遷移時間に流れる電流により、保護部温度は更に上昇し、設定温度７１を大きく超えることになる。このことから、従来例では、保護部温度が設定温度７１を越えた分の温度であるオーバーシュート分が比較的に大きくなって、保護対象が過熱により破損し易い。

図１５に示す例では、保護部温度は、最大電流量が０となった後、緩やかに下がっている。保護部温度が設定温度７１より低くなると、最大電流量は増加を開始し、保護部温度は、その開始に遅れて、上昇を開始する。その後、再び、保護部温度が設定温度７１に達すると、最大電流量が減少して、保護部温度が設定温度７１より低くなる。保護部温度と設定温度７１との間の大小関係により、このような動作が繰り返される。この結果、保護部温度は、設定温度７１に収束する。

これに対して、本実施の形態では、図１３に示すように、保護部温度以上である補償後温度を制御に用いている。そのため、補償後温度は、従来例と比較し、より早いタイミングで設定温度７１に達する。図１４に示すように、最大電流量も従来例と比較し、より早いタイミングで減少する。この結果、図１３に示すように、保護部温度を設定温度７１以下に抑えることができる。例え保護部温度を設定温度７１以下に抑えられなくとも、従来例と比較し、オーバーシュート分、及びオーバーシュートしている時間を大幅に抑えることができる。従って、本実施の形態では、保護対象の過熱による破損を確実に回避することができる。例え保護対象の過熱による破損が発生するとしても、その発生確率は非常に小さいレベルに抑えることができる。

図１７は、本発明の実施の形態１に係る交流回転電機の制御装置の一連の動作の流れの例を示すフローチャートである。この制御装置は、上記のように、温度検出部５０による保護部温度の検出により、データの流れ上、後段に位置する各部５１〜５４がそれぞれの処理を行うことになる。このことから、図１７では、温度検出部５０による保護部温度の検出を起点と想定し、一連の動作の流れの例を示している。最後に図１７を参照し、この制御装置の動作について更に説明する。

温度検出部５０は、例えば予め定められた時間が経過する度に、保護部７０の温度検出を行い、保護部温度を温度補償部５１に出力する（Ｓ１０１）。一方、トルク指令調整部５４は、トルク指令値Ｃｔｒｑが入力される毎に、入力されたトルク指令値Ｃｔｒｑを取得する（Ｓ１０２）。それにより、トルク指令調整部５４には、調整対象となるトルク指令値Ｃｔｒｑが常に存在する。

温度補償部５１は、温度検出部５０からの保護部温度の入力により、上記のようにして、補償後温度を算出し、算出した補償後温度を減算器５５に出力する（Ｓ１０３）。それにより、減算器５５は、データとして設定された設定温度７１から補償後温度を引く減算を行い、その減算結果である差分を偏差として最大電流調整部５２に出力する（Ｓ１０４）。

最大電流調整部５２は、入力した偏差を用いて、最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊを算出し、算出した最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊを許容トルク算出部５３に出力する（Ｓ１０５）。許容トルク算出部５３は、最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊの入力により、入力した最大電流量Ｉｍａｘ＿ａｄｊを用いて、許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒとその下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒとを求め、トルク指令調整部５４に出力する（Ｓ１０６）。

トルク指令調整部５４は、取得済みのトルク指令値Ｃｔｒｑが許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒより大きいか否か判定する（Ｓ１０７）。トルク指令値Ｃｔｒｑが許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒより大きい場合、Ｓ１０７の判定はＹｅｓとなる。そのため、トルク指令調整部５４は、トルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊを上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒとし、電流指令演算部４１に出力する（Ｓ１０８）。その出力により、温度検出部５０による保護部温度の検出を起点と想定する一連の動作が終了する。

一方、トルク指令値Ｃｔｒｑが許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの上限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｕｐｐｅｒ以下の場合、判定はＮｏとなる。そのため、トルク指令調整部５４は、トルク指令値Ｃｔｒｑが許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒより小さいか否か判定する（Ｓ１０９）。トルク指令値Ｃｔｒｑが許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒより小さい場合、Ｓ１０８の判定はＹｅｓとなる。そのため、トルク指令調整部５４は、トルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊを下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒとし、電流指令演算部４１に出力する（Ｓ１０８）。その出力により、温度検出部５０による保護部温度の検出を起点と想定する一連の動作が終了する。

トルク指令値Ｃｔｒｑが許容トルクＣｔｒｑ＿ａｌｗの下限値Ｃｔｒｑ＿ａｌｗ＿ｌｏｗｅｒ以上の場合、Ｓ１０９の判定はＮｏとなる。そのため、トルク指令調整部５４は、トルク指令値Ｃｔｒｑをトルク指令値Ｃｔｒｑ＿ａｄｊとし、電流指令演算部４１に出力する（Ｓ１１０）。その出力により、温度検出部５０による保護部温度の検出を起点と想定する一連の動作が終了する。

上記の説明では、交流回転電機の制御装置を構成する温度検出部５０、温度補償部５１、減算器５５、最大電流調整部５２、許容トルク算出部５３、および、トルク指令調整部５４は、それぞれ異なるハードウェアを用いた構成要素と想定している。しかし、温度検出部５０の一部、温度補償部５１、減算器５５、最大電流調整部５２、許容トルク算出部５３、および、トルク指令調整部５４は、情報処理装置上に実現させることができる。情報処理装置は、必要な情報の入出力が行えるハードウェア構成であればよく、その構成は特に限定されない。それにより、情報処理装置は、情報処理装置として機能する処理回路であってもよい。その処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサを含んでいてもよく、専用のハードウェアであってもよい。

処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものであってもよい。処理回路は一つではなく、複数であってもよい。

一方、処理回路がプロセッサを含む場合、温度検出部５０の一部、温度補償部５１、減算器５５、最大電流調整部５２、許容トルク算出部５３、および、トルク指令調整部５４は、プロセッサに実行させるプログラムにより実現させることができる。プロセッサにプログラムを実行させるために、処理回路には、プログラムを格納するためのメモリが含まれる。それら、或いは一部の実現には、更にファームウェアが必要であってもよい。

プロセッサに実行させる一つ以上のプログラムは、上述した各部の実現のための手順を処理回路に実行させるものであるともいえる。そのプログラムを格納させるメモリとは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の、不揮発性メモリを挙げることができる。また、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等も、メモリとして用いることができる。

なお、上述した各部の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部を処理回路上に実現させるようにしてもよい。このことから、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述した各部を実現させるものであってもよい。

１０ 直流電源、１１ 電圧検出部、２０ インバータ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 上アーム側スイッチング素子、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 下アーム側スイッチング素子、３０ 交流回転電機、３１ 磁極位置検出部、３２ 電気角速度検出部、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ 電流センサ、４０ インバータ制御部、４１ 電流指令演算部、４２ ｄ軸電流調整器、４３ ｑ軸電流調整器、４４ 電圧座標変換器、４５ ＰＷＭ回路、４６ ゲートドライバ、４７ 電流座標変換器、５０ 温度検出部、５１ 温度補償部、５２ 最大電流調整部、５３ 許容トルク算出部、５４ トルク指令調整部、５５ 減算器（演算部）、６０ 比例調整器、６１ 積分器、６２ 上下限制限部、６３ 加算器、６４ 乗算器、６５ 加算器、６６ 乗算器、６７ 選択部、７０ 保護部、５１１ 補償量算出部、５１２ 加算器（加算部）、５１５ リミッタ（補償量制限部）。

本発明に係る交流回転電機の制御装置は、スイッチング素子を備えた電力変換回路から交流回転電機に電流を供給する場合の保護対象の温度を直接的に、或いは間接的に検出するための保護部の温度を検出し、温度、及び温度から推定される保護対象の温度のうちの一方を検出温度として出力する温度検出部と、温度検出部が出力する検出温度を用いて、検出温度以上であり、且つ検出温度の変化量が大きくなるほど大きくなる補償後温度を算出する温度補償部と、温度補償部が算出した補償後温度を用いて、入力されたトルク指令値を制限するトルク制限部と、を備えている。

本発明に係る交流回転電機の制御装置は、スイッチング素子を備えた電力変換回路から交流回転電機に電流を供給する場合の保護対象の温度を直接的に、或いは間接的に検出するための保護部の温度を検出し、保護部の温度が保護対象の検出すべき温度を直接的に示している場合には検出した温度、保護部の温度が保護対象の検出すべき温度を直接的に示していない場合には検出した温度から推定される保護対象の温度を検出温度として出力する温度検出部と、温度検出部が出力する検出温度を用いて、検出温度以上であり、且つ検出温度の上昇時には検出温度の変化量が大きくなるほど大きくなる補償後温度を算出する温度補償部と、温度補償部が算出した補償後温度を用いて、入力されたトルク指令値を制限するトルク制限部と、を備えている。

Claims (8)

1. スイッチング素子を備えた電力変換回路から交流回転電機に電流を供給する場合の保護対象に設けられた保護部の温度を検出し、前記温度、及び前記温度から推定される前記保護対象の温度のうちの一方を検出温度として出力する温度検出部と、
   前記温度検出部が出力する前記検出温度を用いて、前記検出温度以上である補償後温度を算出する温度補償部と、
   前記温度補償部が算出した前記補償後温度を用いて、入力されたトルク指令値を制限するトルク制限部と、
   を有する交流回転電機の制御装置。
2. 前記トルク制限部は、
   前記温度補償部が算出した前記補償後温度と、予め設定された設定温度との間の差分を算出する演算部と、
   前記差分を用いて、前記補償後温度が前記設定温度を超えないように、前記電力変換回路から前記交流回転電機に供給される最大電流量を調整する最大電流調整部と、
   前記最大電流調整部による調整後の最大電流量に基づいて、前記トルク指令値の上限値、および下限値を算出する許容トルク算出部と、
   前記上限値、および前記下限値に基づいて、前記トルク指令値を調整するトルク指令調整部と、を備える、
   請求項１に記載の交流回転電機の制御装置。
3. 前記温度補償部は、
   前記検出温度を用いて、補償量を算出する補償量算出部と、
   前記検出温度に前記補償量を加算することにより、前記補償後温度を算出する加算部と、を備える、
   請求項１または２に記載の交流回転電機の制御装置。
4. 前記温度補償部は、
   前記補償量の範囲を制限する補償量制限部、を更に備え、
   前記加算部は、前記検出温度に、前記補償量制限部により制限される補償量を加算することにより、前記補償後温度を算出する、
   請求項３に記載の交流回転電機の制御装置。
5. 前記補償量算出部は、増幅器、低域通過フィルタ、及び高域通過フィルタの機能を備え、前記温度検出部が検出した前記温度に対し、増幅率、前記低域通過フィルタの伝達関数、及び前記高域通過フィルタの伝達関数を用いた操作を行うことにより、前記補償量を算出する、
   請求項３または４に記載の交流回転電機の制御装置。
6. 直流電源の直流電圧値を検出する電圧検出部と、
   前記交流回転電機の電気角速度を検出する電気角速度検出部と
   を更に備え、
   前記許容トルク算出部は、
   前記電圧検出部が検出した前記直流電圧値、及び予め設定された最大変調率に基づいて、前記交流回転電機に印加される最大電圧値を算出し、
   前記最大電圧値、及び前記電気角速度に基づいて、前記交流回転電機の最大鎖交磁束を算出し、
   前記最大鎖交磁束、及び前記調整後の最大電流量に基づいて、前記上限値、および前記下限値を算出する、
   請求項２に記載の交流回転電機の制御装置。
7. 前記トルク指令調整部は、
   前記トルク指令値が前記上限値より大きい場合は、前記トルク指令値を前記上限値に操作し、
   前記トルク指令値が前記下限値より小さい場合は、前記トルク指令値を前記下限値に操作し、
   前記トルク指令値が、前記上限値以下、前記下限値以上の範囲内の場合は、前記トルク指令値を操作せず、同じ値を維持させる、
   ことにより前記トルク指令値を調整する、
   請求項２に記載の交流回転電機の制御装置。
8. 前記保護部は、異なる複数の保護対象に設けられている場合に、前記温度補償部は、前記保護部毎に複数、設けられ、
   前記トルク制限部は、前記温度補償部毎に、前記演算部を備え、
   前記トルク制限部に含まれる前記最大電流調整部は、前記演算部がそれぞれ算出する差分のうちの最小の差分を用いて、前記電力変換回路から前記交流回転電機に供給される最大電流量を調整する、
   請求項２に記載の交流回転電機の制御装置。

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