JP2009038891A - 電力変換装置及び電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電源からの電力を出力する際に、安定した矩形波状態を維持して出力電圧の変動を抑制することができる電力変換装置及び電力変換装置の駆動方法を提供する。
【解決手段】複数の電源１２ａ，１２ｂに接続され、複数の電源１２ａ，１２ｂのそれぞれの出力電圧からモータＭを駆動するための駆動電圧を生成する電力変換装置であって、複数の電源１２ａ，１２ｂのそれぞれから、モータＭの電気角一周期を、電気角度に応じてモータ相数の２Ｎ（Ｎは自然数）倍の区画数に分割し、この分割区間において複数の矩形波電圧パルスを出力し、複数の電源１２ａ，１２ｂの電力を分配する矩形パルス生成部４０を備えた。
【選択図】図３

Description

この発明は、電力変換装置及び電力変換装置の駆動方法に関し、特に、複数電源から出力された電力に基づき電動機を駆動する駆動電力を供給する電力変換装置及び電力変換装置の制御方法に関する。

従来、複数電源から出力された電力に基づき電動機を駆動する駆動電力を供給する電力変換装置が知られている。
図１は、従来の電力変換装置を備えたモータ駆動システムの概略構成を示すブロック図である。図２は、従来の電力変換装置における電流及びトルクの脈動の発生をグラフで示す説明図である。
図１に示すように、従来のモータ駆動システム１は、２個の電源２ａ，２ｂ、電力変換器（電力変換装置）３、及び電力制御部４を有しており、電力制御部４は、トルク制御部４ａ、電流制御部４ｂ、電力制御・変調立演算部４ｃ、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）パルス生成部４ｄ、及び３相／ｄｑ変換部４ｅを有している。

電力制御部４のトルク制御部４ａに、トルク指令値Ｔｅ^＊が入力することにより、ＰＷＭパルス生成部４ｄで生成されたＰＷＭパルスが電力変換器３へ出力され、ＰＷＭパルスが入力することにより、電力変換器３は、２個の電源２ａ，２ｂのそれぞれから入力する電力Ｐａ，Ｐｂに基づきモータＭに印加する電圧を生成し、モータＭを駆動するのために必要な電力Ｐｍを供給する。

このような従来の電力変換装置として、例えば、複数電源の各電源から供給する電力を任意の値に制御可能とする「モータ駆動システムの制御装置」（特許文献１参照）がある。この「モータ駆動システムの制御装置」における、複数の電源から電力を出力する電力変換装置の制御方法では、複数の電源からの電力を制御するために、モータに印加する電圧を時間分割し、分割したパルスをＰＷＭ制御によってパルス幅を変えることで、複数の電源の電力を制御している。
特開２００６−１２９６４４号公報

しかしながら、従来の「モータ駆動システムの制御装置」においては、モータの電気角一周期に一回の矩形波電圧を出力する矩形波制御モードの場合、パルスを分割しパルス幅を変えても、ＵＶＷ各相の電圧ベクトルが揃わないため、図２に示すように、出力電圧が変動してしまうことが避けられなかった。
この発明の目的は、複数の電源からの電力を出力する際に、安定した矩形波状態を維持して出力電圧の変動を抑制することができる電力変換装置及び電力変換装置の駆動方法を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る電力変換装置は、複数の電源に接続され、前記複数の電源のそれぞれの出力電圧から交流モータを駆動するための駆動電圧を生成する電力変換装置であって、前記複数の電源のそれぞれから、前記交流モータの電気角一周期を、電気角度に応じてモータ相数の２Ｎ（Ｎは自然数）倍の区画数に分割し、この分割区間において複数の矩形波電圧パルスを出力し、前記複数の電源の電力を分配するパルス生成部を備えたことを特徴としている。
また、この発明において、前記分割区間の数は、前記モータ相数の２倍であることが好ましい。
また、この発明において、前記分割区間の大きさは、それぞれ等しいことが好ましい。

また、この発明において、前記分割区間で出力する複数電源パルスのそれぞれの幅を可変することが好ましい。
また、この発明において、前記分割区間で出力する複数電源パルスのそれぞれの分割区間に対する位相を可変することが好ましい。
また、この発明において、前記パルス生成部は、前記交流モータに印加する電圧指令値に応じたベースパルスを生成するベースパルス生成器と、前記複数の電源から出力する電力に応じた配分パルスを生成する配分パルス生成器とを備え、前記ベースパルスと前記配分パルスの論理合成によってパルスを生成することが好ましい。

また、この発明において、前記電圧指令値を生成する矩形波電力制御部を有することが好ましい。
また、この発明において、前記配分パルス生成器は、前記分割区間に同期した区間同期キャリアを生成する同期キャリア生成器と、複数の電源から出力する電力を指令値通りに制御するための電力比較値を生成する電力比較値生成器とを備え、前記区間同期キャリアと前記電力比較値の比較によって前記配分パルスを生成することが好ましい。
また、この発明において、前記電力比較値生成器は、
前記モータ出力電圧指令値、前記電力指令値、及びモータ回転数からなるマップに基づいて、前記電力比較値を生成することが好ましい。

また、この発明において、前記区間同期キャリアは三角波であることが好ましい。
また、この発明において、三角波である前記区間同期キャリアは左右非対称であることが好ましい。
また、この発明において、前記区間同期キャリアはノコギリ波であることが好ましい。
また、この発明において、前記区間同期キャリアの頂点を、前記電力指令値に基づき、電気角に対して可変することが好ましい。
また、この発明において、前記矩形波電力制御部は、前記交流モータの電流値を検出する検出手段を備え、前記検出手段により検出された前記交流モータの電流値と、前記交流モータに所望のトルクを出力させるためのモータ電流指令値とから、電圧指令値を求めることが好ましい。

また、この発明において、前記矩形波電力制御部は、前記交流モータのトルクを検出する検出手段を備え、前記検出手段により検出された前記交流モータのトルクと、前記交流モータに所望のトルクを出力させるためのモータトルク指令値とから、電圧指令値を求めることが好ましい。
また、この発明において、前記矩形波電力制御部は、前記交流モータの回転位置を検出する検出手段と、前記交流モータの電流値、及び前記検出手段により検出した前記交流モータの回転位置からモータトルクを演算する演算手段とを備え、モータトルク指令値とモータトルク演算値から電圧指令値を求めることが好ましい。

また、この発明において、前記交流モータに所望のトルクを出力するためのモータ電流値を求める手段と、前記交流モータの回転速度とトルク指令値に応じて制御モードの切替信号を生成する手段とを備え、切替信号に応じて前記電力変換器が出力する電圧パルス幅を可変するＰＷＭ制御モードと、前記電力変換器が出力する電圧位相を可変する矩形波制御モードと、一部が矩形波出力、一部がＰＷＭ出力となる過変調モードとを切り替えることが好ましい。

この発明に係る電力変換装置の制御方法は、複数の電源に接続され、前記複数の電源のそれぞれの出力電圧から交流モータを駆動するための駆動電圧を生成する電力変換装置の制御方法であって、前記複数の電源のそれぞれから、前記交流モータの電気角一周期を、電気角度に応じてモータ相数の２Ｎ（Ｎは自然数）倍の区画数に分割する処理と、前記分割した区間において複数の矩形波電圧パルスを出力し、前記複数の電源の電力を分配する処理と、を有することを特徴としている。

この発明によれば、複数の電源に接続され、複数の電源のそれぞれの出力電圧から交流モータを駆動するための駆動電圧を生成する電力変換装置に備えられたパルス生成部により、複数の電源のそれぞれから、交流モータの電気角一周期を、電気角度に応じてモータ相数の２Ｎ（Ｎは自然数）倍の区画数に分割された、この分割区間において複数の矩形波電圧パルスが出力され、複数の電源の電力が分配されるので、複数の電源からの電力を出力する際に、安定した矩形波状態を維持して出力電圧の変動を抑制することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図３は、この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図４は、図３の電力変換器の回路図である。
図３に示すように、電力変換装置１０は、電力変換器１１、複数（この例では２個）の電源（直流電源）１２ａ，１２ｂ、及び制御部１３を有しており、電力変換器１１から、モータ（多相交流モータ）Ｍに必要な電圧を供給する。ここで、モータＭは、三相交流モータである。

図４に示すように、電力変換器１１は、モータＭの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）毎に、複数組のスイッチ手段（半導体スイッチ）を有している。電源１２ａ（電源ａ）と電源１２ｂ（電源ｂ）は、何れも負極側が、共通負極母線１４に接続されており、共通負極母線１４とモータＭの各相端子間は、一般的なインバータの下アームと同様に、半導体スイッチ１５ａ，１６ａ，１７ａとダイオード１５ｂ，１６ｂ，１７ｂのそれぞれの組を介して接続されている。電源１２ａの正極母線１８とモータＭの各相端子間は、双方向の導通を制御することができる２個の半導体スイッチ１９ａ／１９ｂ，２０ａ／２０ｂ，２１ａ／２１ｂの組を介して接続されている。電源１２ｂの正極母線２２とモータＭの各相端子間も同様に、双方向の導通を制御することができる２個の半導体スイッチ２３ａ／２３ｂ、２４ａ／２４ｂ、２５ａ／２５ｂの組を介して接続されている。

電源１２ａの正極母線１８と共通負極母線１４の間には平滑コンデンサ２６が、電源１２ｂの正極母線２２と共通負極母線１４の間には平滑コンデンサ２７が、それぞれ接続されている。
この電力変換器１１は、共通負極母線１４、電源１２ａの正極母線１８、及び電源１２ｂの正極母線２２の３つの電位をもとに、モータＭに印加する電圧を生成する直流（ＤＣ）・交流（ＡＣ）電力変換器である。モータＭの各相に設けられた半導体スイッチが、モータＭの各相に出力する電圧を生成するスイッチ手段であり、これらの電位の中から択一的に接続し、その接続する時間の割合を変化させることで、モータＭに必要な電圧を供給する。

次に、制御部１３の構成を説明する。
図３に示すように、制御部１３は、トルク制御部２８、ＰＷＭ制御部２９、矩形波制御部３０、及び３相／ｄｑ変換部３１を有している。
トルク制御部２８は、外部より与えられるトルク指令値Ｔｅ^＊とモータ回転速度ωから、モータＭのｄ軸電流の指令値ｉｄ^＊とｑ軸電流の指令値ｉｑ^＊を演算する。また、トルク制御部２８は、モータ回転速度ω、トルク指令値Ｔｅ^＊の状態によって、図５に示す、ＰＷＭ駆動、過変調駆動、及び矩形波駆動の三種の駆動モードを切り替える切替手段でもある。図５は、ＰＷＭ駆動、過変調駆動、及び矩形波駆動の各駆動モード領域をグラフで示す説明図である。

ＰＷＭ駆動は、電力変換器１１から出力される電圧パルスの幅を変化させることで、出力電圧を制御する制御方法である。過変調駆動は、ＰＷＭパルスの一部が常時オン（ＯＮ）状態となるモードである。矩形波駆動は、パルスの幅は可変せず、モータの電気角に対して電力変換器１１が出力する電圧位相を可変することで、モータを制御する制御モードである。

図６は、図３に示すトルク制御部の構成を示すブロック図である。図６に示すように、トルク制御部２８は、制御モード判定部３２、矩形波電流指令生成部３３、及びＰＷＭ電流指令生成部３４を有している。トルク制御部２８では、モータ回転速度ωとトルク指令値Ｔｅ^＊に応じて、制御モード判定部３２が、制御モード信号を矩形波電流指令生成部３３とＰＷＭ電流指令生成部３４に出力する。制御モード判定部３２は、図５に示す、モータ回転速度ωとトルク指令値Ｔｅ^＊を軸としたマップを参照して、駆動モード信号を生成する。

図７は、ＰＷＭ駆動制御モード及び過変調駆動制御モードにおける電流指令を生成するためのマップの説明図である。図７に示すように、ＰＷＭ駆動制御モードが選択された場合、予め作成されたモータ回転速度ωとトルク指令値Ｔｅ^＊を軸としたマップを参照することにより、ｑ軸電流指令値ｉｑ^＊とｄ軸電流指令値ｉｄ^＊を生成する。なお、過変調駆動制御モードにおいても、ＰＷＭ駆動制御モードと同様の形式によるマップを参照し、電流指令値を求める。

図８は、ｑ軸電流に対するトルクをグラフで示したトルクマップの説明図である。矩形波駆動制御モードが選択された場合、図８に示す、予め作成されたモータ回転速度ω毎のトルクマップにより、ｑ軸電流指令値ｉｑ^＊を生成する。ｑ軸電流ｉｑとトルクの関係は、あるトルクに対してｑ軸電流ｉｑが一意に定まるため、ｑ軸電流ｉｑを制御することによってトルクを制御することができる。
つまり、電力変換装置１０は、モータＭに所望のトルクを出力するためのモータ電流値を求める手段と、モータＭの回転速度とトルク指令値に応じて制御モードの切替信号を生成する手段とを備え、切替信号に応じて電力変換器１１が出力する電圧パルス幅を可変するＰＷＭ制御モードと、電力変換器１１が出力する電圧位相を可変する矩形波制御モードと、一部が矩形波出力、一部がＰＷＭ出力となる過変調モードとを切り替える。

このように構成することによって、モータの回転速度とトルクに応じてトルクリップルの小さいＰＷＭ駆動制御モード、高出力の矩形波駆動制御モード、両者の中間的特性を持つ過変調駆動制御モードの何れかに切り替え、運転状態に応じた最適な制御モードを選択できるため、高出力、低トルクリップルを両立することができる。
ＰＷＭ制御部２９は、ＰＷＭ電流制御部３５、電力制御・ＰＷＭ変調率演算部３６、及びＰＷＭパルス生成部３７を有している。ＰＷＭ電流制御部３５は、トルク制御部２８からｄ軸電流指令値ｉｄ^＊、ｑ軸電流指令値ｉｑ^＊、３相／ｄｑ変換部３１からｄ軸電流値ｉｄ、ｑ軸電流値ｉｑ、がそれぞれ入力することにより、これらを一致させるための電流制御を行う。この制御によって、３相交流の各相の電圧指令値ｖｕ^＊，ｖｖ^＊，ｖｗ^＊を出力する。

電力制御・ＰＷＭ変調率演算部３６は、ＰＷＭ電流制御部３５から３相交流の各相の電圧指令値ｖｕ^＊，ｖｖ^＊，ｖｗ^＊、電源１２ａの電圧Ｖｄｃ＿ａと電源１２ｂの電圧Ｖｄｃ＿ｂ、電源１２ａが出力する電力指令値Ｐａ^＊、がそれぞれ入力することにより、電力制御及びＰＷＭ変調率演算を行う。この制御及び演算により、最終的な変調率指令値ｍｕ＿ａ＿ｃ^＊，ｍｕ＿ｂ＿ｃ^＊，ｍｖ＿ａ＿ｃ^＊，ｍｖ＿ｂ＿ｃ^＊，ｍｗ＿ａ＿ｃ^＊，ｍｗ＿ｂ＿ｃ^＊を出力する。
ＰＷＭパルス生成部３７は、電力制御・ＰＷＭ変調率演算部３６から最終的な変調率指令値ｍｕ＿ａ＿ｃ^＊，ｍｕ＿ｂ＿ｃ^＊，ｍｖ＿ａ＿ｃ^＊，ｍｖ＿ｂ＿ｃ^＊，ｍｗ＿ａ＿ｃ^＊，ｍｗ＿ｂ＿ｃ^＊が入力することにより、ＰＷＭパルスを生成し、生成したＰＷＭパルスを電力変換器１１へ出力する。

矩形波制御部３０は、矩形波電流制御部３８、矩形波電力制御部３９、及び矩形パルス生成部４０を有している。
矩形波電流制御部３８は、ｑ軸電流指令値ｉｑ^＊とｑ軸電流値ｉｑから、これらを一致させるための電流制御を行って、モータＭに印加する電圧位相指令値δ^＊を求める。この矩形波電流制御部３８では、ｑ軸電流指令値ｉｑ^＊にｑ軸電流値ｉｑが追従するように、Ｐ（比例）Ｉ（積分）制御によるフィードバック制御を行って、矩形波の電圧位相指令値δ^＊を出力する。所望のｑ軸電流値ｉｑを得るための電圧位相指令値δ^＊は、図９に示す、電圧位相δ［ｄｅｇ］に対するｑ軸電流値ｉｑの関係性から、電圧位相δを定めることができる。図９は、電圧位相δに対するｑ軸電流ｉｑをグラフで示す説明図である。

また、モータトルクを検出するトルク検出器を使用する場合は、モータトルクとトルク指令値からフィードバック制御を行って電圧位相指令値δ^＊を求めても良い。この場合、図１０に示すように、電圧位相δ［ｄｅｇ］に対するモータトルク［Ｎｍ］の関係から適切な電圧位相δを求める。図１０は、電圧位相に対するモータトルクをグラフで示す説明図である。
また、モータＭの電流値からモータトルクを演算し、演算したトルク値とトルク指令値から電圧位相δ^＊を求めても良い。

つまり、矩形波電力制御部３８は、モータＭの電流値を検出する検出手段を備え、検出手段により検出されたモータＭの電流値と、モータＭに所望のトルクを出力させるためのモータ電流指令値とから、電圧指令値を求める。また、矩形波電力制御部３８は、モータＭのトルクを検出する検出手段を備え、検出手段により検出されたモータＭのトルクと、モータＭに所望のトルクを出力させるためのモータトルク指令値とから、電圧指令値を求める。また、矩形波電力制御部３８は、モータＭの回転位置を検出する検出手段と、モータＭの電流値、及び検出手段により検出したモータＭの回転位置からモータトルクを演算する演算手段とを備え、モータトルク指令値とモータトルク演算値から電圧指令値を求める。

このように構成することで、モータ電流を検出して電圧指令値を生成するため、所望のトルクを正確に出力することができる。
また、トルク検出値とモータトルク指令値に基づいて電圧指令値を求める場合は、モータ電流を検出する手段や、モータ電流をｄ,ｑ軸に変換する等の手段を必要としないため、制御系を簡易、且つ、安価に構成することができる。
また、検出した電流値からモータトルクを演算する場合は、トルク検出器を必要とせず、電流制御器も必要としないため、制御器を簡易、且つ、安価に構成することができる。

次に、矩形波電力制御部３９について説明する。矩形波電力制御部３９は、電源１２ａが出力する電力指令値Ｐａ^＊と、モータ電圧位相指令値δ^＊と、電源１２ａ、電源１２ｂの電圧を入力し、電源１２ａの出力電力が電力指令値Ｐａ^＊に一致するような電力比較値ｒｔｏ＿ａ^＊を生成すると共に、Ｕ相アームがスイッチングするタイミングを示すＵ相電圧位相指令値δｕ^＊を生成する。なお、モータ電圧位相指令値δ^＊とＵ相電圧位相指令値δｕ^＊は等価の関係であるが、説明の便宜上、Ｕ相のスイッチングタイミングを決めているものをδｕ^＊、モータＭに印加する電圧全体の位相をδ^＊と定義する。
次に、矩形波電力制御方法を詳細に説明する。

図１１は、パルス生成ロジックをグラフで示す説明図である。ここで、横軸は時間を示し、モータＭは一定速度で回転している。図１１に示すように、モータ電気角θ［ｄｅｇ］は、モータＭの回転に応じて０〜３６０度の範囲で周期的に時間変化する。このモータ電気角θに対し、Ｕ相電圧位相指令値δｕ^＊のタイミングでモータＭのＵ相に電源１２ａまたは電源１２ｂの電圧を印加する。

Ｖ相、Ｗ相については、
Ｖ相：Ｕ相から−１２０度のタイミング
Ｗ相：Ｕ相から＋１２０度のタイミング
でそれぞれ電圧を印加する。このタイミングを示したものが、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ベースパルスである。このように構成し、Ｕ相電圧位相指令値δｕ^＊を可変することによって、モータ電圧位相指令値δ^＊が変化し、図１０に示すように、トルクを制御することができる。
次に、各電源の電力制御について説明する。

図１１に示すように、電気角に対して６倍の周期で変化する位相同期キャリアを生成し、位相同期キャリアと電力比較値ｒｔｏ＿ａ^＊の比較から配分パルスを生成する。この配分パルスとＵ相ベースパルスの論理積によって、Ｕ相電源ａパルスを生成する。また、配分パルスの否定とＵ相ベースパルスの論理積によってＵ相電源ｂパルスを生成する。Ｖ相、Ｗ相についてもそれぞれ同様に構成する。
このロジックは、図１２に示すような回路によって生成することができる。

図１２は、パルスを生成するパルス生成部を示し、（ａ）はパルス生成器とロジック回路の構成説明図、（ｂ）は（ａ）の配分パルス生成器の構成ブロック図である。図１２に示すように、ベースパルス生成器４１は、モータ電気角θと電圧位相指令値δ^＊を入力し、両者の比較によってベースパルスを生成する。一方、配分パルス生成器４２は、モータ電気角θと電圧位相指令値δ^＊と電力比較値ｒｔｏ＿ａ^＊を入力して、モータ電気角θと電圧位相指令値δ^＊に応じたキャリアを生成し、キャリアと電力比較値ｒｔｏ＿ａ^＊の比較によって配分パルスを生成する（（ａ）参照）。

両パルス生成器４１，４２からの出力が、ＡＮＤ（論理積）回路４３に入力し論理合成されてＵ相電源ａパルスを出力する。また、ベースパルス生成器４１からの出力と、配分パルス生成器４２からの出力が入力したＮＯＴ（否定論理）回路４４からの出力が、ＡＮＤ回路４５に入力し論理合成されてＵ相電源ｂパルスを出力する。つまり、両パルス生成器４１，４２からの出力が論理合成され、最終的な各電源１２ａ，１２ｂからのパルスを生成する。なお、Ｖ相、Ｗ相についても同様に構成する。
次に、上記構成を有する電力変換器による作用について空間電圧ベクトルを用いて説明する。

図１３は、第１実施の形態の電力変換器が出力する電圧ベクトル、電流ベクトルの説明図である。図１３に示すように、通常の三相インバータの矩形波駆動モードにおける出力電圧は６パターンであるが、本構成の電力変換器１１においては二つの電源を有しているため、出力電圧は１２パターンである。
図中の記号、例えば、「Ｖａ１（１，０，０）」において、Ｖａ１は、電源ａに、（１，０，０）は左側から順番にＵ相、Ｖ相、Ｗ相に、それぞれ対応している。即ち、「Ｖａ１（１，０，０）」の場合、電源ａがベクトル１を出力し、電源ａのＵ相上アームがオン（ＯＮ）、Ｖ相、Ｗ相はオフ（ＯＦＦ）であることを示す。なお、ベクトル１とは、Ｕ相方向ベクトルであり、時計回りの方向に順に２，３と番号を振っている。また、図中、太線がモータに流れる電流ベクトルであり、同期モータの場合、モータの回転角度に同期して図中矢印のようにベクトルの方向が変化する。

ここで、図１１のようなパルス生成を行うと、図１１中、下部に示すように、電流ベクトルの変化に同期して規則正しく、電源１２ａ、電源１２ｂから電圧ベクトルが出力される。
上述したように、複数の電源１２ａ，１２ｂに接続された電力変換装置１０は、モータＭの電気角一周期を、電気角度（例えば、０度〜６０度、６０度〜１２０度等）に応じてモータ相数の２Ｎ（Ｎは自然数）倍の区画数に分割し、この分割区間において複数の矩形波電圧パルスを出力し、複数の電源１２ａ，１２ｂの電力を分配するパルス生成部（矩形パルス生成部４０）を備えている。つまり、分割区間で電力分配を行って、複数の電源１２ａ，１２ｂのそれぞれの出力電圧からモータＭを駆動するための駆動電圧を生成する。

この分割区間の数は、モータ相数の２倍であり、分割区間の大きさは、それぞれ均等である。また、分割区間で出力する複数電源パルスのそれぞれの幅を可変する。
また、パルス生成部は、モータＭに印加する電圧指令値に応じたベースパルスを生成するベースパルス生成器４１と、複数の電源１２ａ，１２ｂから出力する電力に応じた配分パルスを生成する配分パルス生成器４２とを備え、ベースパルスと配分パルスの論理合成によって最終的にスイッチ手段を駆動するパルスを生成する。電圧指令値は、矩形波電力制御部３９により生成される。

配分パルス生成器４２は、分割区間に同期した区間同期キャリアを生成する同期キャリア生成器４２ａと、複数の電源１２ａ，１２ｂから出力する電力を指令値通りに制御するための電力比較値を生成する電力比較値生成器４２ｂとを備え（図１２（ｂ）参照）、区間同期キャリアと電力比較値の比較によって配分パルスを生成する。この区間同期キャリアはノコギリ波である。
矩形波電力制御部３９は、モータＭの電流値を検出する検出手段を備え、この検出手段により検出されたモータＭの電流値と、モータＭに所望のトルクを出力させるためのモータ電流指令値とから、電圧指令値を求める。また、矩形波電力制御部３９は、モータＭのトルクを検出する検出手段を備え、この検出手段により検出されたモータＭのトルクと、モータＭに所望のトルクを出力させるためのモータトルク指令値とから、電圧指令値を求める。

また、矩形波電力制御部３９は、モータＭの回転位置を検出する検出手段と、モータＭの電流値、及び検出手段により検出したモータＭの回転位置からモータトルクを演算する演算手段とを備え、モータトルク指令値とモータトルク演算値から電圧指令値を求める。
このように構成することで、相電流一周期を分割し、その分割区間の中で複数パルスを出力することにより、矩形波状態での電力変換器の出力電圧ベクトルに対応して複数のパルスを出力することができる。このため、電力の脈動とトルクの脈動を少なく抑えることができ、モータ振動抑制、効率向上等に効果がある。

つまり、一般的に、矩形波制御というものが、ＳＷ損失が少ないということで公知であるが、公知の矩形波制御は、あくまでも、一つの電源で一つのモータを駆動する場合の制御方法であって、複数電源から出力された電力に基づき電動機を駆動する駆動電力を供給する電力変換装置（Ｄ−ＥＰＣ）における、複数の電源で一つのモータを駆動する場合の制御方法については検討の余地がある。
Ｄ−ＥＰＣにおいては、複数の電源からの電力を制御するために、モータに印加する電圧を時間分割し、分割したパルスをＰＷＭ変調によってパルス幅を変えることで、不磨数の電源の電力を制御している。このようなＤ−ＥＰＣに、単純に矩形波制御を適用しようとしても、モータの電気角一周期に一回の矩形波電圧を出力する矩形波制御においては、パルスを分割しパルス幅を変えても、ＵＶＷ各相の電圧ベクトルが揃わないため、出力電圧が変動することが避けられなかった。

次に、第１実施の形態の電力変換器により得られる効果について説明する。
図１４は、第１実施の形態の電力変換装置における電流及びトルクの脈動の発生をグラフで示す説明図である。図１４には、モータＭのｑ軸電流ｉｑ、ｄ軸電流ｉｄ、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖと、Ｕ相ベースパルス及びそれに対応する電源１２ａ、電源１２ｂのパルスと、電源１２ａ、電源１２ｂの直流母線電流出力とを示した。直流母線電流を平滑化したものが電源１２ａ、電源１２ｂから出力される電力となる。ここでは、時間５０ｍ［ｓｅｃ］で電力配分動作を行っている。

図１４から読み取れるように、モータＭの電流に大きな変動なく、電源１２ａ、電源１２ｂの各電力を配分することができる。従って、電力の脈動とトルクの脈動を少なく抑えることができ、モータ振動抑制、効率向上等に効果を得ることができる。
また、簡単な構成で配分パルスを出力することができるため、制御装置を安価に構成することができる。
また、分割区間のなかで出力される複数の電圧パルスの幅を可変することができる。複数の電源電圧が異なる場合、電圧パルスの幅を可変することによって、分割区間の中で出力する平均電圧を可変することができるため、自由度を一つ増やすことができる。従って、モータＭに出力する電圧をより細かく制御することができるため、制御性が良く、効率が良い。

また、電力比較値は、電源１２ａ側の電力指令値Ｐａ^＊、電圧位相指令値δ^＊、モータ回転数のマップから求める。即ち、電力比較値生成器４２ｂは、モータ出力電圧指令値、電力指令値、及びモータ回転数からなるマップに基づいて、電力比較値を生成する。
図１５は、電力比較値を生成するためのマップである。図１５に示す、モータ回転数（例えば、３００ｒｐｍ）に対応する電源ａ側の電力指令値Ｐａ^＊と電圧位相指令値δ^＊の関係を示すマップにより、モータ出力電圧指令値が変化する場合や、モータ回転数が変化した場合に、モータＭが出力する電力が変化しても、電力指令値に対応した適切な配分パルスを生成することができるため、複数電源の電力制御を安定して行うことができる。
次に、矩形パルス生成部４０について説明する。

図１６は、図４のＵ相についての回路図である。図１６に示す、主電力変換器のスイッチ構成において、Ｕ相の各スイッチ手段を駆動する信号Ａ〜Ｅを、次のようにする。
Ａ：電源１２aから出力端子の方向へ導通するスイッチ手段を駆動する信号
Ｂ：出力端子から負極の方向へ導通するスイッチ手段を駆動する信号
Ｃ：出力端子から電源１２aの方向へ導通するスイッチ手段を駆動する信号
Ｄ：電源１２ｂから出力端子の方向へ導通するスイッチ手段を駆動する信号
Ｅ：出力端子から電源１２ｂの方向へ導通するスイッチ手段を駆動する信号

先ず、電源１２ａから電圧パルスを出力する際のパルス生成方法について述べる。電源１２ａからＰＷＭパルスを出力する際に、駆動信号Ａをオン（ＯＮ）状態にする必要がある。電源１２ａの正極と電源１２ｂの正極の間に電位差があり、電源１２ａの電源電圧Ｖｄｃ＿ａが電源１２ｂの電源電圧Ｖｄｃ＿ｂより大きい（Ｖｄｃ＿ａ＞Ｖｄｃ＿ｂ）とき、駆動信号Ａと駆動信号Ｅが共にオン状態になると、両正極間を短絡する電流が流れることになる。
例えば、同時に駆動信号Ａをオン状態からオフ（ＯＦＦ）状態へ、駆動信号Ｅをオフ状態からオン状態へ切り換えた場合、駆動信号Ａが完全にオフ状態になる迄に時間を要するため、駆動信号Ｅのオン状態時と重なり、共にオン状態になる時間が生じて、短絡電流が流れ、この経路に設置された半導体スイッチの発熱量が増加する。

このような発熱の増加を予防するために、駆動信号Ａと駆動信号Ｅが共にオフ状態になる時間を経過した後に、駆動信号Ａと駆動信号Ｅをオフ状態からオン状態へ切り換えるようにする。このように駆動信号に短絡防止時間（デッドタイム）を付加したパルス生成を行う。
この駆動信号Ａと駆動信号Ｅにデッドタイムを付加するのと同様に、駆動信号Ｅと駆動信号Ｃにデッドタイムを付加し、更に、正極と負極の短絡防止のためには、駆動信号Ａと駆動信号Ｂ、駆動信号Ｅと駆動信号Ｂにデッドタイムを付加する。
次に、図１１のパルス生成ロジックとスイッチ手段の対応について説明する。
Ｕ相電源ａパルス：駆動信号Ａ
Ｕ相電源ｂパルス：駆動信号Ｄ

パルスの対応は上記のようになっており、残りの駆動信号Ｂ、駆動信号Ｃ、駆動信号Ｅについては、上述したデッドタイムを考慮しつつ、以下のロジックにより生成する。
Ｅ＝Ａ
Ｃ＝Ｄ
Ｂ＝Ｅ・Ｃ
このようにして生成されたスイッチ信号を基に、電力変換器１１の各スイッチをオン・オフ駆動し、出力電圧パルスを生成する。
（第２実施の形態）

図１７は、この発明の第２実施の形態に係る矩形波電力制御方法におけるパルス生成ロジックをグラフで示す説明図である。
第２実施の形態に係る矩形波電力制御方法は、配分パルスを生成する方法が第１実施の形態と異なっており、位相同期キャリアとして、変形三角キャリア（図１７参照）を用いることにより配分パルスを生成すると共に、変形三角キャリアの頂点の位置を、電源電力指令値に基づいて左右に変化させている。その他の構成及び作用は、第１実施の形態と同様である。
つまり、分割区間で出力する複数電源パルスは、それぞれの分割区間に対する位相を可変する。区間同期キャリアは、三角波、特に、左右非対称の三角波であり、この区間同期キャリアの頂点を、電力指令値に基づき、電気角に対して可変する。

このように構成することによって、分割区間のなかで出力する複数の電圧パルスの位相を可変することができる。矩形波制御モードにおいては、モータＭに出力している電圧は、三相モータであれば６通りであり、６通りの内の一つの電圧パターンを出力しているときは一定の電圧が出力される。これに対して、モータＭの電流は連続して変化するため、電力変換器の電力は分割区間の中で変化する。これに対して、複数電圧パルスの内の一つの電圧パルスの幅を変えずに位相を可変することによって、分割区間の中での平均電圧は維持しつつ、複数の電源からの電力を配分することができる。

従って、複数の電源の出力制御を要求される燃料電池、バッテリによる燃料電池車や、コンデンサ、バッテリによる複数電源を持つ車両等でＤＣ−ＤＣコンバータを用いずに両者の電力を制御できるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ分のコストや効率の面で効果がある。また、アップダウン、ダウンカウンタによる簡単な構成で三角キャリアを生成できるため、制御装置を安価に構成することができる。

従来の電力変換装置を備えたモータ駆動システムの概略構成を示すブロック図である。 従来の電力変換装置における電流及びトルクの脈動の発生をグラフで示す説明図である。 この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。 図３の電力変換器の回路図である。 ＰＷＭ駆動、過変調駆動、及び矩形波駆動の各駆動モード領域をグラフで示す説明図である。 図３に示すトルク制御部の構成を示すブロック図である。 ＰＷＭ駆動制御モード及び過変調駆動制御モードにおける電流指令を生成するためのマップの説明図である。 ｑ軸電流に対するトルクをグラフで示したトルクマップの説明図である。 電圧位相δに対するｑ軸電流ｉｑをグラフで示す説明図である。 電圧位相に対するモータトルクをグラフで示す説明図である。 パルス生成ロジックをグラフで示す説明図である。 パルスを生成するパルス生成部を示し、（ａ）はパルス生成器とロジック回路の構成説明図、（ｂ）は（ａ）の配分パルス生成器の構成ブロック図である。 第１実施の形態の電力変換器が出力する電圧ベクトル、電流ベクトルの説明図である。 第１実施の形態の電力変換装置における電流及びトルクの脈動の発生をグラフで示す説明図である。 電力比較値を生成するためのマップである。 図４のＵ相についての回路図である。 この発明の第２実施の形態に係る矩形波電力制御方法におけるパルス生成ロジックをグラフで示す説明図である。

符号の説明

１０ 電力変換装置
１１ 電力変換器
１２ａ，１２ｂ 電源
１３ 制御部
１４ 共通負極母線
１５ａ，１６ａ，１７ａ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ 半導体スイッチ
１５ｂ，１６ｂ，１７ｂ ダイオード
１８，２２ 正極母線
２６，２７ 平滑コンデンサ
２８ トルク制御部
２９ ＰＷＭ制御部
３０ 矩形波制御部
３１ ３相／ｄｑ変換部
３２ 制御モード判定部
３３ 矩形波電流指令生成部
３４ ＰＷＭ電流指令生成部
３５ ＰＷＭ電流制御部
３６ 電力制御・ＰＷＭ変調率演算部
３７ ＰＷＭパルス生成部
３８ 矩形波電流制御部
３９ 矩形波電力制御部
４０ 矩形パルス生成部
４１ ベースパルス生成器
４２ 配分パルス生成器
４２ａ 同期キャリア生成器
４２ｂ 電力比較値生成器
４３，４５ ＡＮＤ回路
４４ ＮＯＴ回路
Ｍ モータ

Claims (18)

1. 複数の電源に接続され、前記複数の電源のそれぞれの出力電圧から交流モータを駆動するための駆動電圧を生成する電力変換装置であって、
   前記複数の電源のそれぞれから、前記交流モータの電気角一周期を、電気角度に応じてモータ相数の２Ｎ（Ｎは自然数）倍の区画数に分割し、この分割区間において複数の矩形波電圧パルスを出力し、前記複数の電源の電力を分配するパルス生成部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記分割区間の数は、前記モータ相数の２倍であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記分割区間の大きさは、それぞれ等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記分割区間で出力する複数電源パルスのそれぞれの幅を可変することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記分割区間で出力する複数電源パルスのそれぞれの分割区間に対する位相を可変することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記パルス生成部は、
   前記交流モータに印加する電圧指令値に応じたベースパルスを生成するベースパルス生成器と、
   前記複数の電源から出力する電力に応じた配分パルスを生成する配分パルス生成器とを備え、
   前記ベースパルスと前記配分パルスの論理合成によってパルスを生成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記電圧指令値を生成する矩形波電力制御部を有することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記配分パルス生成器は、
   前記分割区間に同期した区間同期キャリアを生成する同期キャリア生成器と、
   複数の電源から出力する電力を指令値通りに制御するための電力比較値を生成する電力比較値生成器とを備え、
   前記区間同期キャリアと前記電力比較値の比較によって前記配分パルスを生成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記電力比較値生成器は、
   前記モータ出力電圧指令値、前記電力指令値、及びモータ回転数からなるマップに基づいて、前記電力比較値を生成することを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記区間同期キャリアは三角波であることを特徴とする請求項８又は９に記載の電力変換装置。
11. 三角波である前記区間同期キャリアは左右非対称であることを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記区間同期キャリアはノコギリ波であることを特徴とする請求項８又は９に記載の電力変換装置。
13. 前記区間同期キャリアの頂点を、前記電力指令値に基づき、電気角に対して可変することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の電力変換装置。
14. 前記矩形波電力制御部は、
    前記交流モータの電流値を検出する検出手段を備え、
    前記検出手段により検出された前記交流モータの電流値と、前記交流モータに所望のトルクを出力させるためのモータ電流指令値とから、電圧指令値を求めることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
15. 前記矩形波電力制御部は、
    前記交流モータのトルクを検出する検出手段を備え、
    前記検出手段により検出された前記交流モータのトルクと、前記交流モータに所望のトルクを出力させるためのモータトルク指令値とから、電圧指令値を求めることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
16. 前記矩形波電力制御部は、
    前記交流モータの回転位置を検出する検出手段と、
    前記交流モータの電流値、及び前記検出手段により検出した前記交流モータの回転位置からモータトルクを演算する演算手段とを備え、
    モータトルク指令値とモータトルク演算値から電圧指令値を求めることを特徴とする請求項１４に記載の電力変換装置。
17. 前記交流モータに所望のトルクを出力するためのモータ電流値を求める手段と、
    前記交流モータの回転速度とトルク指令値に応じて制御モードの切替信号を生成する手段とを備え、
    切替信号に応じて前記電力変換器が出力する電圧パルス幅を可変するＰＷＭ制御モードと、前記電力変換器が出力する電圧位相を可変する矩形波制御モードと、一部が矩形波出力、一部がＰＷＭ出力となる過変調モードとを切り替えることを特徴とする請求項１４に記載の電力変換装置。
18. 複数の電源に接続され、前記複数の電源のそれぞれの出力電圧から交流モータを駆動するための駆動電圧を生成する電力変換装置の制御方法であって、
    前記複数の電源のそれぞれから、前記交流モータの電気角一周期を、電気角度に応じてモータ相数の２Ｎ（Ｎは自然数）倍の区画数に分割する処理と、
    前記分割した区間において複数の矩形波電圧パルスを出力し、前記複数の電源の電力を分配する処理と、を有することを特徴とする電力変換装置の制御方法。

Images