JP2022134405A - インバータの制御装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022134405000001
【課題】サージ電圧を低減できるインバータの制御装置を提供すること。
【解決手段】制御装置５０は、多相の回転電機１０と、回転電機を構成する電機子巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗに電気的に接続されたインバータ２０と、を備える回転電機システム１００に適用される。制御装置は、回転電機の駆動制御を行うために、インバータを構成する各相のスイッチＳＵＨ～ＳＷＬのスイッチング制御を行う制御部６０と、スイッチング制御において、２相のスイッチにおけるスイッチング動作の時間間隔を、２相の電機子巻線間の共振周期の半分以上となるように設定する設定処理を行う設定部と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多相の回転電機と、回転電機を構成する電機子巻線に電気的に接続されたインバータと、を備える回転電機システムに適用されるインバータの制御装置に関する。
この種の制御装置は、電機子巻線に電流を流して回転電機の駆動制御を行うために、インバータを構成する各相のスイッチのスイッチング制御を行う。ここで、スイッチのスイッチング動作に伴ってサージ電圧が発生する。
サージ電圧を低減するための制御装置として、特許文献１には、各相におけるスイッチング動作の時間間隔が、サージ電圧の変動期間に基づく所定の範囲外となるように、パルス幅変調における変調率等のパラメータを変更するものが開示されている。これにより、同相内で発生するサージ電圧の重畳の抑制を図っている。
特開２０１１－１０８３６５号公報
ところで、多相の回転電機では、同相内で発生するサージ電圧だけでなく、異なる相で発生するサージ電圧が重畳することがある。異なる相で発生するサージ電圧が重畳した場合でも、サージ電圧を低減する技術が望まれている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、サージ電圧を低減できるインバータの制御装置を提供することを主たる目的とする。
上記課題を解決するための手段は、多相の回転電機と、前記回転電機を構成する電機子巻線に電気的に接続されたインバータと、を備える回転電機システムに適用されるインバータの制御装置であって、前記回転電機の駆動制御を行うために、前記インバータを構成する各相のスイッチのスイッチング制御を行う制御部と、前記スイッチング制御において、２相の前記スイッチにおけるスイッチング動作の時間間隔を、前記スイッチのスイッチング動作に伴って前記電機子巻線に発生する電圧の共振周期の半分以上となるように設定する設定処理を行う設定部と、を備える。
回転電機とインバータとを備える回転電機システムでは、回転電機の駆動制御を行うために、インバータを構成する各相のスイッチのスイッチング制御が行われる。スイッチング制御では、各相のスイッチのスイッチング動作が行われ、このスイッチング動作に伴ってサージ電圧が発生する。そのため、２相のスイッチにおけるスイッチング動作の時間間隔が短くなると、異なる相で発生するサージ電圧が重畳してしまう。重畳したサージ電圧が過大となると、回転電機の劣化を招くおそれがある。
そこで、上記構成では、２相のスイッチにおけるスイッチング動作の時間間隔を、スイッチのスイッチング動作に伴って電機子巻線に発生する電圧の共振周期の半分以上となるように設定するようにした。各相で発生するサージ電圧は、上記電圧の共振周波数で減衰振動し、サージ電圧の減衰振動では、サージ電圧が最大値となってから共振周期の半分が経過するまでの特定期間において、サージ電圧の振幅が急激に減少する。そして、特定期間が経過した後では、サージ電圧が重畳しても、サージ電圧が過度に増大することがない。そのため、２相のスイッチにおけるスイッチング動作の時間間隔を、共振周期の半分以上となるように設定することで、振幅が減少する前の２相分のサージ電圧の重畳を抑制することができ、重畳したサージ電圧を低減することができる。
回転電機システムの全体構成図。 回転電機の横断面図。 信号生成回路を示す図。 変更前の電圧指令値とキャリア信号とを示す図。 サージ電圧の重畳を示す図。 設定処理の手順を示すフローチャート。 変更後の電圧指令値とキャリア信号とを示す図。 設定処理によるサージ電圧の低減効果を示す図。 その他の実施形態におけるサージ電圧の重畳禁止期間を示す図。 その他の実施形態における回転電機を示す図。
以下、本発明に係る回転電機システムを具体化した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、回転電機システム１００は、回転電機１０及びインバータ２０を備えている。本実施形態において、回転電機１０は、ブラシレスの同期機であり、例えば永久磁石同期機である。回転電機１０は、３相の電機子巻線であるＵ，Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗを備えている。
回転電機１０は、インバータ２０を介して直流電源としてのバッテリ３０に接続されている。インバータ２０は、上アームスイッチＳＵＨ，ＳＶＨ，ＳＷＨと下アームスイッチＳＵＬ，ＳＶＬ，ＳＷＬとの直列接続体を備えている。Ｕ相上，下アームスイッチＳＵＨ，ＳＵＬの接続点ＰＵには、Ｕ相導電部材２２Ｕを介してＵ相巻線１１Ｕの第１端が電気的に接続（以下、単に接続）されている。Ｖ相上，下アームスイッチＳＶＨ，ＳＶＬの接続点ＰＶには、Ｖ相導電部材２２Ｖを介してＶ相巻線１１Ｖの第１端が接続されている。Ｗ相上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの接続点ＰＷには、Ｗ相導電部材２２Ｗを介してＷ相巻線１１Ｗの第１端が接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの第２端は中性点ＰＴで接続されている。なお、各相の導電部材２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗは、例えば、ケーブル又はバスバーである。
本実施形態では、各スイッチＳＵＨ～ＳＷＬとして、電圧制御形の半導体スイッチング素子が用いられており、より具体的にはＮチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。各スイッチＳＵＨ～ＳＷＬには、ボディダイオードが内蔵されている。
インバータ２０のバッテリ３０側には、インバータ２０に入力される電圧を平滑化するコンデンサ２３が設けられている。コンデンサ２３の高電位側端子には、バッテリ３０の正極端子が接続され、コンデンサ２３の低電位側端子には、バッテリ３０の負極端子が接続されている。コンデンサ２３の高電位側端子には、上アームスイッチＳＵＨ～ＳＷＨの高電位側端子であるドレインが接続されている。コンデンサ２３の低電位側端子には、下アームスイッチＳＵＬ～ＳＷＬの低電位側端子であるソースが接続されている。なお、コンデンサ２３は、インバータ２０内部に設けられていてもよい。
次に、回転電機１０の構成を詳細に説明する。本実施形態の回転電機１０は、例えばアウタロータ式の表面磁石型回転電機である。
図２は、回転電機１０の横断面図である。回転電機１０は、回転子ＲＴと、固定子ＳＴとを備えている。回転子ＲＴ及び固定子ＳＴは、いずれも回転子ＲＴに一体回転可能に設けられた回転軸１３に対して同軸に配置され、所定順序で軸方向に組み付けられることで回転電機１０が構成されている。本実施形態の回転電機１０は、「界磁子」としての回転子ＲＴと、「電機子」としての固定子ＳＴとを有する構成となっており、回転界磁形の回転電機として具体化されるものとなっている。
回転電機１０において、回転子ＲＴ及び固定子ＳＴはそれぞれ円筒状をなしており、所定のエアギャップＡＧを挟んで互いに対向配置されている。回転子ＲＴが回転軸１３と共に一体回転することにより、固定子ＳＴの径方向外側にて回転子ＲＴが回転する。
回転子ＲＴは、略円筒状の回転子キャリア１４と、その回転子キャリア１４に固定された環状の磁石ユニット１５と、を備えている。回転子キャリア１４は、回転軸１３に固定されている。
回転子キャリア１４は、円筒部１４Ａを有している。円筒部１４Ａの径方向内側には磁石ユニット１５が固定されている。磁石ユニット１５は、回転子ＲＴの周方向に沿って極性が交互に変わるように配置された複数の永久磁石により構成されている。これにより、磁石ユニット１５は、周方向に極性が交互となる複数の磁極を有する。なお、本実施形態において、磁石ユニット１５が「磁石部」に相当する。
固定子ＳＴは、前述のＵ，Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗと、固定子コア１２と、を備えている。
固定子コア１２は円筒状をなしており、回転子ＲＴ側となる径方向外側に各巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが組み付けられている。各巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが組み付けられた状態では、固定子コア１２の外周面に、各相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗは、回転軸１３の周方向に並んで配置されている。本実施形態では、２相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ間に絶縁紙を有さず、絶縁紙が無い分、２相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが近接して配置されている。なお、本実施形態において、絶縁紙が「電気的絶縁性を有する絶縁層」に相当する。
図１に戻り、回転電機システム１００は、電圧センサ４０、電流センサ４１、回転角センサ４２、温度センサ４３及び気圧センサ４４を備えている。電圧センサ４０は、コンデンサ２３の端子電圧である電源電圧を検出する。電流センサ４１は、回転電機１０に流れる各相電流のうち、少なくとも２相分の電流を検出する。回転角センサ４２は、例えばレゾルバ又はホール素子で構成され、回転電機１０を構成する回転子ＲＴの電気角を検出する。
温度センサ４３は、回転電機１０の温度を検出する。回転電機１０の温度は、例えば、巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの温度である。気圧センサ４４は、回転電機１０及びインバータ２０の設置環境における大気圧を検出する。各センサ４０～４４の検出値は、制御システムに備えられる制御装置５０に入力される。
制御装置５０には、電流センサ４１により検出された電流値（以下、電流検出値Ｉ）、回転角センサ４２により検出された電気角θｅ、温度センサ４３により検出された温度（以下、温度検出値ＴＤｒ）、気圧センサ４４により検出された大気圧（以下、気圧検出値Ｐｒ）、及び指令値閾値としてのトルク指令値Ｔｒｑ＊が入力される。制御装置５０は、電気角θｅに基づいて、回転電機１０の回転速度としての電気角周波数ωｅを算出する。
制御装置５０は、回転電機１０の駆動制御を行うために、回転電機１０の制御量を指令値に制御すべく、入力された各値を用いてインバータ２０を構成する各スイッチＳＵＨ～ＳＷＬのスイッチング制御を行う。本実施形態において、制御量はトルクであり、指令値はトルク指令値Ｔｒｑ＊である。制御装置５０は、デッドタイムＤＴを挟みつつ上，下アームスイッチを交互にオン状態とすべく、上，下アームスイッチに対応する駆動信号ＳＡを、上，下アームスイッチに対して個別に設けられた駆動回路Ｄｒに出力する。駆動信号ＳＡは、オン指令又はオフ指令のいずれかをとる。
続いて、図３，４を用いて、駆動信号ＳＡの生成方法について説明する。図３に、駆動信号ＳＡを生成する信号生成回路６０の回路構成を示す。信号生成回路６０は、制御装置５０に設けられている。
駆動信号ＳＡは、変調信号としての電圧指令値Ｖ＊とキャリア信号ＳＤとに基づいて生成される。図４（Ａ）に、電圧指令値Ｖ＊とキャリア信号ＳＤとを示す。信号生成回路６０では、３相の電圧指令値Ｖ＊（ＶＵ＊，ＶＶ＊，ＶＷ＊）が用いられている。各相における電圧指令値Ｖ＊の位相は電気角で１２０°ずつずれており、各相において共通のキャリア信号ＳＤが用いられている。
なお、本実施形態のキャリア信号ＳＤは、振幅がＶＡであり、その中央値がゼロ電圧である三角波信号である。三角波信号では、極大値と極小値とが交互に繰り返されており、本実施形態の三角波信号では、電圧が極小値から極大値まで上昇する速度の絶対値と、電圧が極大値から極小値まで下降する速度の絶対値とが等しく設定されている。キャリア信号ＳＤの周波数は、電圧指令値Ｖ＊の周波数よりも高い。また、本実施形態の電圧指令値Ｖ＊は、振幅がＶＢであり、その中央値がゼロ電圧である正弦波信号である。なお、電圧指令値Ｖ＊としては、正弦波信号の他に、正弦波信号に３次高調波信号が重畳されたものであってもよい。
信号生成回路６０は、電圧指令値Ｖ＊とキャリア信号ＳＤとの大小比較に基づくパルス幅変調により、駆動信号ＳＡを生成する。図３に示すように、コンパレータ６２の非反転入力端子６２Ａには、電圧指令値Ｖ＊が入力されている。コンパレータ６２の反転入力端子６２Ｂには、キャリア信号ＳＤが入力されている。コンパレータ６２は、電圧指令値Ｖ＊がキャリア信号ＳＤよりも大きい場合にオン指令となり、電圧指令値Ｖ＊がキャリア信号ＳＤよりも小さい場合にオフ指令となる駆動信号ＳＡを、出力端子６２Ｃから出力する。なお、本実施形態において、信号生成回路６０が「制御部」に相当する。
各相において、駆動信号ＳＡは、上，下アームスイッチに対して個別に設けられた駆動回路Ｄｒに入力される。上，下アームスイッチに対して設けられた駆動回路Ｄｒのそれぞれは、駆動信号ＳＡに基づいて、デッドタイムＤＴを設定しつつ、上，下アームスイッチが交互にオン状態とされるようなスイッチング制御を行う。そして、このスイッチング制御により、各スイッチＳＵＨ～ＳＷＬの駆動状態が切り替えられる。
スイッチング制御では、電圧指令値Ｖ＊とキャリア信号ＳＤとの交点において各スイッチＳＵＨ～ＳＷＬの駆動状態の切り替え、つまりスイッチング動作が行われ、このスイッチング動作に伴ってサージ電圧が発生する。サージ電圧が増大し、回転電機１０の各相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗに過電圧が印加された場合、近接する巻線間で部分放電が発生し、回転電機１０の劣化を招くおそれがある。
サージ電圧が増大する原因として、サージ電圧の重畳がある。図４（Ａ）に示すように、Ｖ相電圧指令値ＶＶ＊とＷ相電圧指令値ＶＷ＊とは指令値交点ＰＡで交差する。図４（Ｂ）に、指令値交点ＰＡ近傍におけるＶ相電圧指令値ＶＶ＊、Ｗ相電圧指令値ＶＷ＊及びキャリア信号ＳＤを拡大して示す。図４（Ｂ）に示す例では、指令値交点ＰＡの近傍をキャリア信号ＳＤが通過している。そのため、交点ＰＢでＶ相電圧指令値ＶＶ＊とキャリア信号ＳＤとが交差する時刻ｔ１と、交点ＰＣでＷ相電圧指令値ＶＷ＊とキャリア信号ＳＤとが交差する時刻ｔ２との間の時間間隔が狭くなる。これにより、Ｕ相上，下アームスイッチＳＵＨ，ＳＵＬのスイッチング動作と、Ｖ相上，下アームスイッチＳＶＨ，ＳＶＬのスイッチング動作との時間間隔が短くなり、Ｖ相及びＷ相で発生するサージ電圧が重畳し、サージ電圧の重畳値が増大してしまう。
そこで、本実施形態では、２相のスイッチＳＵＨ～ＳＷＬにおけるスイッチング動作の時間間隔を、２相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ間の共振周期ＴＫを用いて設定するようにした。
図５を用いて、共振周期ＴＫについて説明する。回転電機１０では、各相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのインダクタンスやキャパシタンスに起因して、各相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗに共振が発生する。
図５（Ａ）に、ターンオン動作における入力電圧Ｖｉｎの推移を示す。入力電圧Ｖｉｎは、インバータ２０から回転電機１０の各相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗにそれぞれ入力される電圧であり、各スイッチＳＵＨ～ＳＷＬのスイッチング動作によりオン電圧Ｖｏｎとオフ電圧Ｖｏｆｆとで切り替えられる。オン電圧Ｖｏｎは、バッテリ３０の正極側電圧に対応した値である。オン電圧Ｖｏｎは、例えば、バッテリ３０の正極側電圧から、インバータ２０の上アームスイッチＳＵＨ～ＳＷＨ等の電圧降下量を差し引いた値である。オフ電圧Ｖｏｆｆはバッテリ３０の負極側電圧に対応した値であり、例えばグランド電圧（０Ｖ）である。
図５（Ａ）に実線で示すように、ターンオン動作により入力電圧Ｖｉｎにサージ電圧が発生し、サージ電圧は共振周波数で減衰振動する。具体的には、時刻ｔ１１に、入力電圧Ｖｉｎがオン電圧Ｖｏｎへの上昇を開始すると、入力電圧Ｖｉｎがオン電圧Ｖｏｎを超えてオーバーシュートし、時刻ｔ１２において入力電圧Ｖｉｎが１スイッチング周期における最大値となる。その後、入力電圧Ｖｉｎは、減衰振動しつつオン電圧Ｖｏｎに収束する。減衰振動において時刻ｔ１２の次に入力電圧Ｖｉｎが極大値となる時刻をｔ１４とした場合、時刻ｔ１２から時刻ｔ１４までの期間が共振周期ＴＫとなる。
図５（Ａ）では、２相のスイッチＳＵＨ～ＳＷＬにおけるスイッチング動作が近接したタイミングで行われた場合に、一方の相の巻線に入力される入力電圧Ｖｉｎが実線で示されている。入力電圧Ｖｉｎには、２相分のサージ電圧が重畳する。具体的には、図５（Ａ）に破線で示すように、自相で発生した自相サージ電圧ＶＳＡが重畳するとともに、図５（Ａ）に一点鎖線で示すように、他方で発生した他相サージ電圧ＶＳＢが重畳する。自相サージ電圧ＶＳＡと他相サージ電圧ＶＳＢとの重畳により、入力電圧Ｖｉｎが回転電機１０の上限電圧Ｖｍａｘを超えると、これら２相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ間で部分放電が発生し、回転電機１０の劣化を招くおそれがある。
図５（Ｂ）に、サージ電圧の一例として、他相サージ電圧ＶＳＢを拡大して示す。図５（Ｂ）に示すように、減衰振動において時刻ｔ１２の次に他相サージ電圧ＶＳＢが極小値となる時刻をｔ１３とした場合、他相サージ電圧ＶＳＢは、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの期間、つまり他相サージ電圧ＶＳＢが最大値となってから共振周期ＴＫの半分が経過するまでの特定期間において、サージ電圧の振幅が急激に減少する。本発明者らは、この点に着目し、重畳したサージ電圧を低減する方法を見出した。
具体的には、２相のスイッチＳＵＨ～ＳＷＬにおけるスイッチング動作の時間間隔を、共振周期ＴＫの半分以上となるように設定するようにした。これにより、特定期間、つまり振幅が減少する前の他相サージ電圧ＶＳＢと自相サージ電圧ＶＳＡとの重畳が抑制される。
続いて、図６を用いて、制御装置５０が実行する設定処理の手順を説明する。この処理は、所定の制御周期で繰り返し実行される。
ステップＳ１０では、第１，第２絶縁条件が全て成立しているか否かを判定する。第１，第２絶縁条件は、回転電機１０を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ間の絶縁耐力が低くなる状況であるか否かを判定するための条件である。第１絶縁条件は、気圧検出値Ｐｒが気圧閾値Ｐｔｈよりも低いとの条件である。なお、気圧閾値Ｐｔｈは、例えば、１気圧未満の値（例えば、０．６～０．７気圧）に設定されればよい。第２絶縁条件は、温度検出値ＴＤｒが温度閾値ＴＤｔｈよりも高いとの条件である。
ステップＳ１０において第１，第２絶縁条件の少なくとも１つが成立していないと判定した場合には、設定処理の実行条件が成立していないと判定し、設定処理を終了する。
一方、ステップＳ１０において第１，第２絶縁条件の全てが成立していると判定した場合には、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、２相の電圧指令値Ｖ＊とキャリア信号ＳＤとが交差するタイミングが近接しているか否かを判定する。具体的には、２相の交点が近接し、２相のスイッチＳＵＨ～ＳＷＬにおけるスイッチング動作の時間間隔が共振周期ＴＫの半分よりも短くなるか否かを判定する。本実施形態では、３相のうちいずれか２相の電圧指令値Ｖ＊の電圧差が電圧閾値Ｖｔｈ以下となる期間（以下、近接期間ＴＮ）にわたって、時間間隔が共振周期ＴＫの半分よりも短くなると判定する。電圧閾値Ｖｔｈについては後に詳述する。
ステップＳ１１において否定判定した場合には、設定処理を実行する必要がないと判定し、設定処理を終了する。一方、ステップＳ１１において肯定判定した場合には、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、第１駆動条件が成立しているか否かを判定する。第１駆動条件は、ターンオン動作に伴い発生するサージ電圧が大きくなる状況であるか否かを判定するための条件である。第１駆動条件は、ターンオン動作前に検出された電流検出値Ｉであるオフ電流値Ｉｏｆｆが低電流側閾値ＩＬｔｈよりも低いとの条件である。
ステップＳ１２において第１駆動条件が成立していないと判定した場合には、ステップＳ１３に進む。一方、ステップＳ１２において第１駆動条件が成立していると判定した場合には、設定処理の実行条件が成立していると判定し、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１３では、第２～第４駆動条件が成立しているか否かを判定する。第２～第４駆動条件は、ターンオフ動作に伴い発生するサージ電圧が大きくなる状況であるか否かを判定するための条件である。第２駆動条件は、ターンオフ動作前に検出された電流検出値Ｉであるオン電流値Ｉｏｎが高電流側閾値ＩＨｔｈよりも高いとの条件である。第３駆動条件は、トルク指令値Ｔｒｑ＊がトルク閾値Ｔｒｑｔｈよりも大きいとの条件である。
第４駆動条件は、電気角周波数ωｅが速度閾値としての低周波数閾値ωｔｈよりも低いとの条件である。本実施形態において、低周波数閾値ωｔｈは、回転電機１０を構成する回転子ＲＴの回転が停止していることを判別可能な値に設定されている。回転電機１０のトルク制御が行われているにもかかわらず、モータロック等に起因して回転子ＲＴの回転が停止されている又は停止寸前の状況は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗに大電流が流れる状況である。
ステップＳ１３において第２～第４駆動条件の少なくとも１つが成立していないと判定した場合には、設定処理の実行条件が成立していないと判定し、設定処理を終了する。一方、ステップＳ１２において第２～第４駆動条件の全てが成立していると判定した場合には、設定処理の実行条件が成立していると判定し、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、２相のスイッチＳＵＨ～ＳＷＬにおけるスイッチング動作の時間間隔を、共振周期ＴＫの半分以上となるように電圧指令値Ｖ＊を変更し、設定処理を終了する。なお、本実施形態において、ステップＳ１４の処理が「設定部」に相当する。
図７を用いて、ステップＳ１４の処理について説明する。図７（Ａ）に、変更後の電圧指令値Ｖ＊を示す。なお、図７（Ａ）では、区別のために、変更後のＵ相電圧指令値ＶＵ＊及びキャリア信号ＳＤが実線で示されており、変更後のＶ相電圧指令値ＶＶ＊が一点鎖線で示されており、変更後のＷ相電圧指令値ＶＷ＊が二点鎖線で示されており、変更前の電圧指令値Ｖ＊が破線で示されている。図７（Ａ）に示すように、本実施形態では、２相の電圧指令値Ｖ＊の電圧差が、電圧閾値Ｖｔｈ以下となる近接期間ＴＮにおいて、２相の電圧指令値Ｖ＊の電圧差が電圧閾値Ｖｔｈとなるように２相の電圧指令値Ｖ＊を変更する。
図７（Ｂ）に、指令値交点ＰＡ近傍の近接期間ＴＮにおけるＶ相電圧指令値ＶＶ＊、Ｗ相電圧指令値ＶＷ＊及びキャリア信号ＳＤを拡大して示す。図７（Ｂ）に示す例では、時刻ｔ２１から時刻ｔ２４までの期間において、変更前のＶ相電圧指令値ＶＶ＊及び変更前のＷ相電圧指令値ＶＷ＊の電圧差が電圧閾値Ｖｔｈ以下となっており、時刻ｔ２１から時刻ｔ２４までの期間が近接期間ＴＮとなる。
本実施形態では、この近接期間ＴＮにおいて、Ｖ相電圧指令値ＶＶ＊及びＷ相電圧指令値ＶＷ＊が変更される。具体的には、近接期間ＴＮにおいて、Ｖ相電圧指令値ＶＶ＊及びＷ相電圧指令値ＶＷ＊が時刻ｔ２１の電圧値に維持されるように変更される。この結果、近接期間ＴＮにおいて、Ｖ相電圧指令値ＶＶ＊及びＷ相電圧指令値ＶＷ＊の電圧差が電圧閾値Ｖｔｈに維持される。
Ｖ相電圧指令値ＶＶ＊の変更により、Ｖ相電圧指令値ＶＶ＊とキャリア信号ＳＤとの交点が、交点ＰＢから交点ＰＤに変更され、交点が表れる時刻が、時刻ｔ１から時刻ｔ２よりも遅い時刻ｔ２３に変更される。また、Ｗ相電圧指令値ＶＷ＊の変更により、Ｗ相電圧指令値ＶＷ＊とキャリア信号ＳＤとの交点が、交点ＰＣから交点ＰＥに変更され、交点が表れる時刻が、時刻ｔ２から時刻ｔ１よりも速い時刻ｔ２２に変更される。この結果、Ｖ相電圧指令値ＶＶ＊とキャリア信号ＳＤとの交点と、Ｗ相電圧指令値ＶＷ＊とキャリア信号ＳＤとの交点との間の時間間隔は、補正前よりも広くなる。
本実施形態では、変更後の交点ＰＤと交点ＰＥとの間の時間間隔が、共振周期ＴＫの半分となるように電圧閾値Ｖｔｈが設定されている。具体的には、電圧閾値Ｖｔｈは、キャリア信号ＳＤの変化速度（ｄＶ／ｄｔ）と共振周期ＴＫとに基づいて算出され、詳細には、共振周期ＴＫにキャリア信号ＳＤの変化速度を積算した値の半分の値として算出される。キャリア信号ＳＤの変化速度は、例えば近接期間ＴＮにおけるキャリア信号ＳＤの変化速度の平均値であればよい。
設定処理により、２相分が重畳されたサージ電圧を低減させることができる。図８には、２相におけるスイッチＳＵＨ～ＳＷＬのドレイン及びソース間電圧を端子間電圧ＶＩＡ，ＶＩＢにて示し、端子間電圧ＶＩＡ，ＶＩＢに起因して回転電機１０内で発生して一方の相の入力電圧Ｖｉｎに重畳したサージ電圧を示す。入力電圧Ｖｉｎには、自相サージ電圧ＶＳＡとともに他相サージ電圧ＶＳＢが重畳している。
図８（ａ）は、電圧指令値Ｖ＊を変更する前の比較例の電圧の推移を示し、図８（ｂ）は、電圧指令値Ｖ＊を変更した後の本実施形態の電圧の推移を示す。図８（ｂ）に示す例では、端子間電圧ＶＩＡ，ＶＩＢに対応するスイッチＳＵＨ～ＳＷＬにおけるスイッチング動作の時間間隔が、共振周期ＴＫの半分となるように拡大されている。これにより、振幅が減少する前の他相サージ電圧ＶＳＢと自相サージ電圧ＶＳＡとの重畳が抑制され、入力電圧Ｖｉｎが回転電機１０の上限電圧Ｖｍａｘを超えることが抑制される。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
回転電機１０では、インバータ２０を構成するスイッチＳＵＨ～ＳＷＬのスイッチング動作によりサージ電圧が発生する。本実施形態では、２相のスイッチＳＵＨ～ＳＷＬにおけるスイッチング動作の時間間隔が、スイッチＳＵＨ～ＳＷＬのスイッチング動作に伴って巻線に発生する電圧の共振周期ＴＫの半分以上となるように設定する設定処理が行われる。サージ電圧は、上記電圧の共振周波数で減衰振動するとともに、サージ電圧が最大値となってから共振周期ＴＫの半分が経過するまでの特定期間において、サージ電圧の振幅が急激に減少する。設定処理が行われることで、振幅が減少する前の２相分のサージ電圧の重畳を抑制することができ、重畳したサージ電圧を低減させることができる。
設定処理では、２相の電圧指令値Ｖ＊とキャリア信号ＳＤとが交差するタイミングが近接している場合に、２相の電圧指令値Ｖ＊が変更される。そのため、一般に使用されている電圧指令値Ｖ＊の一部を変更することにより重畳されたサージ電圧を低減させることができ、新たに電圧指令値Ｖ＊を生成する場合に比べて、制御装置５０の処理負担の軽減を図ることができる。この場合、電圧指令値Ｖ＊の変更範囲は、変更前の電圧指令値Ｖ＊により予め決定されるため、電圧指令値Ｖ＊の変更範囲を決定するためにフィードバック制御を行う必要がない。これにより、制御装置５０における制御性の悪化やコストの増加を抑制することができる。
具体的には、２相の電圧指令値Ｖ＊の電圧差が電圧閾値Ｖｔｈ以下となる近接期間ＴＮにおいて、２相の電圧指令値Ｖ＊の電圧差が電圧閾値Ｖｔｈとなるように２相の電圧指令値Ｖ＊が変更される。電圧閾値Ｖｔｈは、キャリア信号ＳＤの変化速度と共振周期ＴＫとに基づいて算出され、具体的には、共振周期ＴＫにキャリア信号ＳＤの変化速度を積算した値の半分の値として算出される。そのため、キャリア信号ＳＤに対応させて電圧閾値Ｖｔｈを算出することができ、回転電機１０の駆動条件によりキャリア信号ＳＤが変化した場合でも、キャリア信号ＳＤに対応させて電圧閾値Ｖｔｈが変化することにより、２相のスイッチング動作の時間間隔を共振周期ＴＫの半分以上とすることができる。
キャリア信号ＳＤの周波数が電圧指令値Ｖ＊の周波数よりも高い場合、キャリア信号ＳＤが極大値から極小値まで下降する下降期間に、スイッチング動作としてターンオン動作が行われる。本実施形態では、スイッチング動作としてターンオン動作を行う場合には、オフ電流値Ｉｏｆｆが低電流側閾値ＩＬｔｈよりも低いと判定された場合に設定処理が行われる。ターンオン動作では、オフ電流値Ｉｏｆｆが低電流側閾値ＩＬｔｈよりも低い状況で、サージ電圧が大きくなりやすい。サージ電圧が大きくなりやすい状況においてのみ設定処理が行われることで、サージ電圧を抑制しつつ、設定処理による制御装置５０の処理負担の軽減を図ることができる。
一方、キャリア信号ＳＤの周波数が電圧指令値Ｖ＊の周波数よりも高い場合、キャリア信号ＳＤが極小値から極大値まで上昇する上昇期間に、スイッチング動作としてターンオフ動作が行われる。本実施形態では、スイッチング動作としてターンオフ動作を行う場合には、トルク指令値Ｔｒｑ＊がトルク閾値Ｔｒｑｔｈよりも大きいと判定された場合に速度低下処理が行われる。ターンオフ動作を行う場合には、トルク指令値Ｔｒｑ＊がトルク閾値Ｔｒｑｔｈよりも大きい状況で、サージ電圧が大きくなりやすい。サージ電圧が大きくなりやすい状況においてのみ設定処理が行われることで、サージ電圧を抑制しつつ、設定処理による制御装置５０の処理負担の軽減を図ることができる。
また、スイッチング動作としてターンオフ動作を行う場合には、オン電流値Ｉｏｎが高電流側閾値ＩＨｔｈよりも高いと判定された場合に設定処理が行われる。ターンオフ動作を行う場合には、オン電流値Ｉｏｎが高電流側閾値ＩＨｔｈよりも高い状況で、サージ電圧が大きくなりやすい。サージ電圧が大きくなりやすい状況においてのみ設定処理が行われることで、サージ電圧を抑制しつつ、設定処理による制御装置５０の処理負担の軽減を図ることができる。
さらに、スイッチング動作としてターンオフ動作を行う場合には、電気角周波数ωｅが低周波数閾値ωｔｈよりも低いと判定された場合に設定処理が行われる。ターンオフ動作を行う場合には、電気角周波数ωｅが低周波数閾値ωｔｈよりも低い状況で、サージ電圧が大きくなりやすい。サージ電圧が大きくなりやすい状況においてのみ設定処理が行われることで、サージ電圧を抑制しつつ、設定処理による制御装置５０の処理負担の軽減を図ることができる。
温度検出値ＴＤｒが温度閾値ＴＤｔｈよりも高いと判定された場合に設定処理が行われる。温度検出値ＴＤｒが温度閾値ＴＤｔｈよりも高い状況は、回転電機１０の絶縁耐力が低くなる状況である。このような状況においてのみ設定処理が行われるため、サージ電圧を抑制しつつ、設定処理による制御装置５０の処理負担の軽減を図ることができる。
気圧検出値Ｐｒが気圧閾値Ｐｔｈよりも低いと判定された場合に設定処理が行われる。気圧検出値Ｐｒが気圧閾値Ｐｔｈよりも低い状況は、回転電機１０の絶縁耐力が低くなる状況である。このような状況においてのみ速度低下処理が行われるため、サージ電圧を抑制しつつ、設定処理による制御装置５０の処理負担の軽減を図ることができる。
回転電機１０では、２相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ間に絶縁紙が設けられていない。絶縁紙が設けられていないことで、２相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗを近接して配置することができ、回転電機１０を小型化することができる。その反面、２相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの絶縁性が低くなり、２相で発生したサージ電圧が重畳しやすくなる。本実施形態では、２相のスイッチング動作の時間間隔が共振周期ＴＫの半分以上となるように設定されるため、２相で発生したサージ電圧が重畳した場合でも、重畳したサージ電圧を低減させることができる。
＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・上記実施形態では、補正前の電圧指令値Ｖ＊を変更することにより補正後の電圧指令値Ｖ＊を生成する例を示したが、これに限らず、初めから補正後の電圧指令値Ｖ＊を生成するようにしてもよい。つまり、スイッチング制御に用いる電圧指令値Ｖ＊として、２相の電圧指令値Ｖ＊の電圧差が電圧閾値Ｖｔｈとなるように設定されたものを生成するようにしてもよい。この場合、キャリア信号ＳＤの周波数に応じて電圧閾値Ｖｔｈが変更されることが好ましい。
・上記実施形態では、２相のスイッチＳＵＨ～ＳＷＬにおけるスイッチング動作の時間間隔を、共振周期ＴＫの半分以上となるように設定するために、電圧指令値Ｖ＊を変更する例を示したが、変更の対象は電圧指令値Ｖ＊に限られない。例えば、インバータ２０のデッドタイムＤＴを変更することにより、２相のスイッチＳＵＨ～ＳＷＬにおけるスイッチング動作の時間間隔を、共振周期ＴＫの半分以上となるように設定してもよい。
・上記実施形態では、電圧閾値Ｖｔｈが、共振周期ＴＫにキャリア信号ＳＤの変化速度の絶対値を積算した値の半分の値に設定される例を示したが、該半分の値以上の値に設定されてもよい。また、該半分の値よりも小さい値に設定されてもよい。例えば、図９に示すように、他相サージ電圧ＶＳＢにおいて、時刻ｔ１２の次に他相サージ電圧ＶＳＢが極大値となる時刻ｔ１４の電圧を特定電圧ＶＸとする。そして、時刻ｔ１２の次に他相サージ電圧ＶＳＢが特定電圧ＶＸとなる時刻をｔ３１とする。この場合、電圧閾値Ｖｔｈが、時刻ｔ１２から時刻ｔ３１までの期間の長さに基づいて設定されてもよい。具体的には、電圧閾値Ｖｔｈは、時刻ｔ１２から時刻ｔ３１までの期間の長さにキャリア信号ＳＤの変化速度の絶対値を積算した値の半分の値に設定されてもよい。
・上記実施形態では、入力電圧Ｖｉｎが、インバータ２０から回転電機１０の各相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗにそれぞれ入力される電圧である例を示したが、例えば、３相のうち特定の相における巻線の両端の電位差等、回転電機１０内の他の電圧であってもよい。
・電機子巻線としては、各相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが一つの単位巻線１６で構成されている例を示したが、これに限られない。例えば、図１０に示すように、各相の電機子巻線が、並列接続された複数の単位巻線１６により構成されていてもよい。これにより、各相の巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが一つの単位巻線１６で構成されている場合に比べて、電機子巻線による共振揺れを小さくすることができる。
・キャリア信号としては、三角波信号に限らず、例えばのこぎり波信号であってもよい。
・インバータを構成するスイッチとしては、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限らず、例えばＩＧＢＴであってもよい。この場合、スイッチの高電位側端子がコレクタとなり、低電位側端子がエミッタとなる。また、この場合、スイッチにフリーホイールダイオードが逆並列に接続されていればよい。
・インバータ及び回転電機は、３相のものに限らず、２相のものであっても４相以上のものであってもよい。つまり、インバータ及び回転電機は、多相のものであればよい。
・絶縁層は絶縁紙に限られず、合成樹脂等の電気的絶縁性を有する絶縁材料から構成されたものであればよい。
・回転電機の制御量はトルクに限らず、例えば回転速度であってもよい。
・本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。
１０…回転電機、１１Ｕ…Ｕ相巻線、１１Ｖ…Ｖ相巻線、１１Ｗ…Ｗ相巻線、２０…インバータ、５０…制御装置、６０…信号生成回路、１００…回転電機システム、ＳＵＨ～ＳＷＬ…スイッチ、ＴＫ…共振周期。

Claims (11)

  1. 多相の回転電機（１０）と、
    前記回転電機を構成する電機子巻線（１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ）に電気的に接続されたインバータ（２０）と、を備える回転電機システム（１００）に適用されるインバータの制御装置（５０）であって、
    前記回転電機の駆動制御を行うために、前記インバータを構成する各相のスイッチ（ＳＵＨ～ＳＷＬ）のスイッチング制御を行う制御部（６０）と、
    前記スイッチング制御において、２相の前記スイッチにおけるスイッチング動作の時間間隔を、前記スイッチのスイッチング動作に伴って前記電機子巻線に発生する電圧の共振周期（ＴＫ）の半分以上となるように設定する設定処理を行う設定部と、を備えるインバータの制御装置。
  2. 前記制御部は、各相の変調信号とキャリア信号との比較に基づくパルス幅変調により前記スイッチング制御を行い、
    前記設定部は、２相の前記変調信号の電圧差が電圧閾値（Ｖｔｈ）以下となる近接期間（ＴＮ）において、２相の前記変調信号の電圧差が前記電圧閾値以上となるように２相の前記変調信号を変更することにより、前記時間間隔を前記共振周期の半分以上となるように設定する請求項１に記載のインバータの制御装置。
  3. 前記制御部は、各相の変調信号とキャリア信号との比較に基づくパルス幅変調により前記スイッチング制御を行い、
    前記設定部は、２相の前記変調信号の電圧差が電圧閾値（Ｖｔｈ）以上となるように設定された前記変調信号を生成することにより、前記時間間隔を前記共振周期の半分以上となるように設定する請求項１に記載のインバータの制御装置。
  4. 前記電圧閾値は、前記キャリア信号の変化速度と前記共振周期とに基づいて算出される請求項２または３に記載のインバータの制御装置。
  5. 前記設定部は、前記制御部が前記スイッチング動作としてターンオン動作を行う場合に、前記ターンオン動作前に前記電機子巻線に流れる電流値が低電流側閾値よりも小さいことを条件として、前記設定処理を行う請求項１～４のいずれか１項に記載のインバータの制御装置。
  6. 前記制御部は、前記回転電機の制御量を指令値に制御するために前記スイッチング制御を行い、
    前記設定部は、前記制御部が前記スイッチング動作としてターンオフ動作を行う場合に、前記指令値が指令値閾値よりも大きいことを条件として、前記設定処理を行う請求項１～５のいずれか１項に記載のインバータの制御装置。
  7. 前記設定部は、前記制御部が前記スイッチング動作としてターンオフ動作を行う場合に、前記ターンオフ動作前に前記電機子巻線に流れる電流値が高電流側閾値よりも大きいことを条件として、前記設定処理を行う請求項１～６のいずれか１項に記載のインバータの制御装置。
  8. 前記設定部は、前記制御部が前記スイッチング動作としてターンオフ動作を行う場合に、前記回転電機の回転速度が速度閾値よりも低いことを条件として、前記設定処理を行う請求項１～７のいずれか１項に記載のインバータの制御装置。
  9. 前記回転電機システムは、前記回転電機の温度を検出する温度センサ（４３）を備え、
    前記設定部は、前記温度センサにより検出された温度が温度閾値よりも高いことを条件として、前記設定処理を行う請求項１～８のいずれか１項に記載のインバータの制御装置。
  10. 前記システムは、気圧を検出する気圧センサ（４４）を備え、
    前記設定部は、前記気圧センサにより検出された気圧が気圧閾値よりも低いことを条件として、前記設定処理を行う請求項１～９のいずれか１項に記載のインバータの制御装置。
  11. 前記回転電機は、
    周方向に極性が交互となる複数の磁極を含む磁石部（１５）を有する界磁子（ＲＴ）と、
    前記電機子巻線を有する電機子（ＳＴ）と、を備え、
    前記界磁子及び前記電機子のうちいずれかを回転子（ＳＴ）とし、
    各相の前記電機子巻線は、前記電機子において前記回転子の周方向に並んで配置されており、２相の前記電機子巻線間に電気的絶縁性を有する絶縁層が設けられていない請求項１～１０のいずれか１項に記載のインバータの制御装置。
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