特開 2023-162536 オープン巻線モータ駆動システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023162536

(43)【公開日】2023-11-09

(54)【発明の名称】オープン巻線モータ駆動システム

(51)【国際特許分類】

   H02P 27/08 20060101AFI20231101BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20231101BHJP

【ＦＩ】

H02P27/08

H02M7/48 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022072907

(22)【出願日】2022-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100210240

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 友幸

(72)【発明者】

【氏名】滝口 昌司

【テーマコード（参考）】

5H505

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H505AA16

5H505BB04

5H505CC01

5H505DD03

5H505DD08

5H505EE43

5H505EE52

5H505GG04

5H505HA10

5H505HB01

5H505HB05

5H505JJ24

5H505JJ29

5H505LL22

5H770AA05

5H770AA07

5H770BA02

5H770CA06

5H770DA03

5H770DA22

5H770DA26

5H770DA30

5H770DA41

5H770EA01

5H770EA19

(57)【要約】

【課題】零相電圧を出力せず、かつ、演算量の低減、実装の簡略化を図ったオープン巻線モータ駆動システムを提供する。
【解決手段】第１，第２αβ変換部１，２はαβ電圧指令Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*に基づいて零相電圧を出力しない電圧ベクトルとなるように第１インバータαβ電圧指令Ｖ_α1 ^*，Ｖ_β1 ^*、第２インバータαβ電圧指令Ｖ_α2 ^*，Ｖ_β2 ^*を出力する。第１，第２二相三相変換部３，４は第１インバータαβ電圧指令Ｖ_α1 ^*，Ｖ_β1 ^*、第２インバータαβ電圧指令Ｖ_α2 ^*，Ｖ_β2 ^*に基づいて第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*、第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*を出力する。第１，第２ＰＷＭ制御部６，７は第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*、第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*と三角波キャリア信号との比較により第１，第２インバータのゲート指令を生成する。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

各相のモータ巻線の一端に交流側が接続された第１インバータと、各相のモータ巻線の他端に交流側が接続された第２インバータと、前記第１インバータと前記第２インバータの直流側に接続された第１直流電源または前記第１インバータの直流側に接続された第１直流電源と前記第２インバータの直流側に接続された第２直流電源と、を備えたオープン巻線モータ駆動システムであって、
αβ電圧指令に基づいて零相電圧を出力しない電圧ベクトルとなるように第１インバータαβ電圧指令および第２インバータαβ電圧指令を出力する第１αβ変換部および第２αβ変換部と、
前記第１インバータαβ電圧指令に基づいて第１インバータ三相電圧指令を出力する第１二相三相変換部と、
前記第２インバータαβ電圧指令に基づいて第２インバータ三相電圧指令を出力する第２二相三相変換部と、
前記第１インバータ三相電圧指令と三角波キャリア信号との比較により前記第１インバータのゲート指令を生成する第１ＰＷＭ制御部と、
前記第２インバータ三相電圧指令と前記三角波キャリア信号との比較により前記第２インバータのゲート指令を生成する第２ＰＷＭ制御部と、
を備えたことを特徴とするオープン巻線モータ駆動システム。

【請求項2】

各相のモータ巻線の一端に交流側が接続された第１インバータと、各相のモータ巻線の他端に交流側が接続された第２インバータと、前記第１インバータと前記第２インバータの直流側に接続された第１直流電源または前記第１インバータの直流側に接続された第１直流電源と前記第２インバータの直流側に接続された第２直流電源と、を備えたオープン巻線モータ駆動システムであって、
αβ電圧指令に基づいて三相電圧指令を出力する二相三相変換部と、
前記三相電圧指令に基づいて零相電圧を出力しない電圧ベクトルとなるように第１インバータ三相電圧指令および第２インバータ三相電圧指令を出力する第１ｕｖｗ変換部および第２ｕｖｗ変換部と、
前記第１インバータ三相電圧指令と三角波キャリア信号との比較により前記第１インバータのゲート指令を生成する第１ＰＷＭ制御部と、
前記第２インバータ三相電圧指令と前記三角波キャリア信号との比較により前記第２インバータのゲート指令を生成する第２ＰＷＭ制御部と、
を備えたことを特徴とするオープン巻線モータ駆動システム。

【請求項3】

前記第１インバータ三相電圧指令および前記第２インバータ三相電圧指令に零相変調を適用し、
前記第１ＰＷＭ制御部は零相変調適用後の第１インバータ三相電圧指令を用い、
前記第２ＰＷＭ制御部は零相変調適用後の第２インバータ三相電圧指令を用いることを特徴とする請求項１または２記載のオープン巻線モータ駆動システム。

【請求項4】

零相電圧指令を前記第１インバータ三相電圧指令および前記第２インバータ三相電圧指令に均等に加算し、
前記第１ＰＷＭ制御部は前記零相電圧指令加算後の第１インバータ三相電圧指令を用い、
前記第２ＰＷＭ制御部は前記零相電圧指令加算後の第２インバータ三相電圧指令を用いることを特徴とする請求項１または２記載のオープン巻線モータ駆動システム。

【請求項5】

零相電圧指令を零相変調適用後の前記第１インバータ三相電圧指令および零相変調適用後の前記第２インバータ三相電圧指令に均等に加算し、
前記第１ＰＷＭ制御部は前記零相電圧指令加算後の第１インバータ三相電圧指令を用い、
前記第２ＰＷＭ制御部は前記零相電圧指令加算後の第２インバータ三相電圧指令を用いることを特徴とする請求項３記載のオープン巻線モータ駆動システム。

【請求項6】

前記第１αβ変換部は（４）式により前記第１インバータαβ電圧指令を算出し、前記第２αβ変換部は（５）式により前記第２インバータαβ電圧指令を算出し、前記第１二相三相変換部は（６）式により前記第１インバータ三相電圧指令を算出し、前記第２二相三相変換部は（７）式により前記第２インバータ三相電圧指令を算出することを特徴とする請求項１記載のオープン巻線モータ駆動システム。

【数4】

【数5】

【数6】

【数7】

Ｖ_α1 ^*，Ｖ_β1 ^*：第１インバータαβ電圧指令
Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*：αβ電圧指令
Ｖ_α2 ^*，Ｖ_β2 ^*：第２インバータαβ電圧指令
Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*：第１インバータ三相電圧指令
Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*：第２インバータ三相電圧指令

【請求項7】

前記二相三相変換部は（８）式より前記三相電圧指令を算出し、前記第１ｕｖｗ変換部は（９）式により前記第１インバータ三相電圧指令を算出し、前記第２ｕｖｗ変換部は（１０）式により前記第２インバータ三相電圧指令を算出することを特徴とする請求項２記載のオープン巻線モータ駆動システム。

【数8】

【数9】

【数10】

Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*：三相電圧指令
Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*：αβ電圧指令
Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*：第１インバータ三相電圧指令
Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*：第２インバータ三相電圧指令

【請求項8】

（１１）により前記第１インバータ三相電圧指令および前記第２インバータ三相電圧指令に前記零相電圧指令を加算することを特徴とする請求項４記載のオープン巻線モータ駆動システム。

【数11】

Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*：第１インバータ三相電圧指令
Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*：第２インバータ三相電圧指令
Ｖ’_u1 ^*，Ｖ’_v1 ^*，Ｖ’_w1 ^*：零相電圧指令加算後の第１インバータ三相電圧指令
Ｖ’_u2 ^*，Ｖ’_v2 ^*，Ｖ’_w2 ^*：零相電圧指令加算後の第２インバータ三相電圧指令
Ｖ_z ^*：零相電圧指令

【請求項9】

（１１）式より零相変調適用後の前記第１インバータ三相電圧指令および零相変調適用後の前記第２インバータ三相電圧指令に前記零相電圧指令を加算することを特徴とする請求項５記載のオープン巻線モータ駆動システム。

【数11】

Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*：第１インバータ三相電圧指令
Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*：第２インバータ三相電圧指令
Ｖ’_u1 ^*，Ｖ’_v1 ^*，Ｖ’_w1 ^*：零相電圧指令加算後の第１インバータ三相電圧指令
Ｖ’_u2 ^*，Ｖ’_v2 ^*，Ｖ’_w2 ^*：零相電圧指令加算後の第２インバータ三相電圧指令
Ｖ_z ^*：零相電圧指令

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、オープン巻線モータを駆動するインバータのＰＷＭ方式に関する。

【背景技術】

【0002】

ＰＭモータは電気自動車（以下、ＥＶと称する）など様々な分野で用いられている。ＥＶ用のモータは、低速から高速、低トルクから高トルクの広範囲で高効率で駆動することが求められる。

【0003】

ＰＭモータは回転子に磁石があるため、モータの回転により誘起電圧が発生する。誘起電圧はモータの速度に比例するため高速になるほど高電圧となり、モータに印加する電圧も大きくする必要がある。しかし、ＰＭモータを駆動するインバータの出力電圧はインバータの直流電圧により制限されるため、印加できる電圧には限界がある。

【0004】

ＰＭモータを広範囲で駆動するための方法の１つに、弱め磁束制御による方法がある。この方法は永久磁石の磁束を打ち消すような磁束を固定子巻線により発生させモータの端子電圧を下げることができる。しかし、この方法は弱め磁束電流を流す必要があるためモータの銅損やインバータの損失増加につながる。

【0005】

他の方法として、モータの固定子巻線の中性点を開放して、２台目のインバータを接続した図１や図２のようなオープン巻線モータ駆動システムがある。

【0006】

図１の構成は第１インバータＩＮＶ１、第２インバータＩＮＶ２それぞれに絶縁された第１直流電源ＤＣ１，第２直流電源ＤＣ２を接続するものである。図１の構成は、第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の直流電圧を２倍にでき、第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の直流部を介して流れる零相電流が流れないというメリットがある。

【0007】

図２の構成は第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２に共通の第１直流電源ＤＣ１を接続したものである。図２の構成は図１の構成に比べ電源が一つで良く簡易な構成となるが、第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の直流部を介して零相電流が流れる。

【0008】

零相電流はインバータやモータの損失増加やトルクリプルの要因となり、好ましくない。また、インバータのスイッチングにより生じる零相電圧は寄生容量を介してモータベアリング電流の要因になったり、ノイズ源として作用する漏れ電流の要因となる。

【0009】

図２の構成を適用した際の零相電流やインバータのスイッチングによる零相電圧の抑制方法として特許文献１が公開されている。この特許文献１では零相電圧，零相電流を抑制するため、以下の方式を採用している。

【0010】

（１）２台のインバータのスイッチングは、零相電圧を出力しない電圧ベクトルのみを用いることを基本とする。

【0011】

（２）モータの磁石磁束の３次成分など、モータの構造要因で発生する零相電流はフィードバック制御により抑制する。

【0012】

（３）（１）、（２）に基づいて空間ベクトル変調により最終的な２台のインバータのスイッチングを決定している。

【0013】

この方式では、２台のインバータのスイッチングで出力可能な電圧ベクトルは６４通りあり、その中から零相電圧を出力しない任意の電圧ベクトルを出力するために、空間ベクトル変調を採用している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】特開２０２０－３１４５８号公報

【特許文献2】特開平０３－１０７３７３号公報

【非特許文献】

【0015】

【非特許文献1】中間貴生、北条善久、「試験機ダイナモへのオープン巻線モータ技術の適用」、東洋電機技報、第１３２号、２０１５－１０、ｐ１０－１３．ＵＲＬ：https://www.toyodenki.co.jp/technical-report/pdf/giho132/s132-03.pdf

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

空間ベクトル変調は任意の電圧ベクトルを選択して出力することが可能であり、自由度の高いスイッチングを設定できる。しかし、出力したい電圧の位相や振幅などに応じて、どの電圧ベクトルをどのぐらいの時間出力するか、つまりどの相の半導体素子を何秒オンさせるかということを演算により求める必要がある。そのため、演算量の増加，実装の複雑化が問題である。

【0017】

特に、特許文献１のように零相電流のフィードバック制御により出力する零相電圧を追加する場合には、三相電圧を出力するスイッチングパターンに零相電圧を出力するスイッチングパターンを追加する必要があり、さらに複雑化している。

【0018】

以上示したようなことから、演算量の低減、実装の簡略化を図ったオープン巻線モータ駆動システムを提供することが課題となる。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、各相のモータ巻線の一端に交流側が接続された第１インバータと、各相のモータ巻線の他端に交流側が接続された第２インバータと、前記第１インバータと前記第２インバータの直流側に接続された第１直流電源または前記第１インバータの直流側に接続された第１直流電源と前記第２インバータの直流側に接続された第２直流電源と、を備えたオープン巻線モータ駆動システムであって、αβ電圧指令に基づいて零相電圧を出力しない電圧ベクトルとなるように第１インバータαβ電圧指令および第２インバータαβ電圧指令を出力する第１αβ変換部および第２αβ変換部と、前記第１インバータαβ電圧指令に基づいて第１インバータ三相電圧指令を出力する第１二相三相変換部と、前記第２インバータαβ電圧指令に基づいて第２インバータ三相電圧指令を出力する第２二相三相変換部と、前記第１インバータ三相電圧指令と三角波キャリア信号との比較により前記第１インバータのゲート指令を生成する第１ＰＷＭ制御部と、前記第２インバータ三相電圧指令と前記三角波キャリア信号との比較により前記第２インバータのゲート指令を生成する第２ＰＷＭ制御部と、を備えたことを特徴とする。

【0020】

また、他の態様として、各相のモータ巻線の一端に交流側が接続された第１インバータと、各相のモータ巻線の他端に交流側が接続された第２インバータと、前記第１インバータと前記第２インバータの直流側に接続された第１直流電源または前記第１インバータの直流側に接続された第１直流電源と前記第２インバータの直流側に接続された第２直流電源と、を備えたオープン巻線モータ駆動システムであって、αβ電圧指令に基づいて三相電圧指令を出力する二相三相変換部と、前記三相電圧指令に基づいて零相電圧を出力しない電圧ベクトルとなるように第１インバータ三相電圧指令および第２インバータ三相電圧指令を出力する第１ｕｖｗ変換部および第２ｕｖｗ変換部と、前記第１インバータ三相電圧指令と三角波キャリア信号との比較により前記第１インバータのゲート指令を生成する第１ＰＷＭ制御部と、前記第２インバータ三相電圧指令と前記三角波キャリア信号との比較により前記第２インバータのゲート指令を生成する第２ＰＷＭ制御部と、を備えたことを特徴とする。

【0021】

また、その一態様として、前記第１インバータ三相電圧指令および前記第２インバータ三相電圧指令に零相変調を適用し、前記第１ＰＷＭ制御部は零相変調適用後の第１インバータ三相電圧指令を用い、前記第２ＰＷＭ制御部は零相変調適用後の第２インバータ三相電圧指令を用いることを特徴とする。

【0022】

また、一態様として、零相電圧指令を前記第１インバータ三相電圧指令および前記第２インバータ三相電圧指令に均等に加算し、前記第１ＰＷＭ制御部は前記零相電圧指令加算後の第１インバータ三相電圧指令を用い、前記第２ＰＷＭ制御部は前記零相電圧指令加算後の第２インバータ三相電圧指令を用いることを特徴とする。

【0023】

また、一態様として、零相電圧指令を零相変調適用後の前記第１インバータ三相電圧指令および零相変調適用後の前記第２インバータ三相電圧指令に均等に加算し、前記第１ＰＷＭ制御部は前記零相電圧指令加算後の第１インバータ三相電圧指令を用い、前記第２ＰＷＭ制御部は前記零相電圧指令加算後の第２インバータ三相電圧指令を用いることを特徴とする。

【0024】

また、一態様として、前記第１αβ変換部は（４）式により前記第１インバータαβ電圧指令を算出し、前記第２αβ変換部は（５）式により前記第２インバータαβ電圧指令を算出し、前記第１二相三相変換部は（６）式により前記第１インバータ三相電圧指令を算出し、前記第２二相三相変換部は（７）式により前記第２インバータ三相電圧指令を算出することを特徴とする。

【0025】

【数4】

【0026】

【数5】

【0027】

【数6】

【0028】

【数7】

【0029】

Ｖ_α1 ^*，Ｖ_β1 ^*：第１インバータαβ電圧指令
Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*：αβ電圧指令
Ｖ_α2 ^*，Ｖ_β2 ^*：第２インバータαβ電圧指令
Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*：第１インバータ三相電圧指令
Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*：第２インバータ三相電圧指令。

【0030】

また、一態様として、前記二相三相変換部は（８）式より前記三相電圧指令を算出し、前記第１ｕｖｗ変換部は（９）式により前記第１インバータ三相電圧指令を算出し、前記第２ｕｖｗ変換部は（１０）式により前記第２インバータ三相電圧指令を算出することを特徴とする。

【0031】

【数8】

【0032】

【数9】

【0033】

【数10】

【0034】

Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*：三相電圧指令
Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*：αβ電圧指令
Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*：第１インバータ三相電圧指令
Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*：第２インバータ三相電圧指令。

【0035】

また、一態様として、（１１）により前記第１インバータ三相電圧指令および前記第２インバータ三相電圧指令に前記零相電圧指令を加算することを特徴とする。

【0036】

【数11】

【0037】

Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*：第１インバータ三相電圧指令
Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*：第２インバータ三相電圧指令
Ｖ’_u1 ^*，Ｖ’_v1 ^*，Ｖ’_w1 ^*：零相電圧指令加算後の第１インバータ三相電圧指令
Ｖ’_u2 ^*，Ｖ’_v2 ^*，Ｖ’_w2 ^*：零相電圧指令加算後の第２インバータ三相電圧指令
Ｖ_z ^*：零相電圧指令。

【0038】

また、一態様として、（１１）式より零相変調適用後の前記第１インバータ三相電圧指令および零相変調適用後の前記第２インバータ三相電圧指令に前記零相電圧指令を加算することを特徴とする。

【0039】

【数11】

【0040】

Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*：第１インバータ三相電圧指令
Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*：第２インバータ三相電圧指令
Ｖ’_u1 ^*，Ｖ’_v1 ^*，Ｖ’_w1 ^*：零相電圧指令加算後の第１インバータ三相電圧指令
Ｖ’_u2 ^*，Ｖ’_v2 ^*，Ｖ’_w2 ^*：零相電圧指令加算後の第２インバータ三相電圧指令
Ｖ_z ^*：零相電圧指令。

【発明の効果】

【0041】

本発明によれば、演算量の低減、実装の簡略化を図ったオープン巻線モータ駆動システムを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0042】

【図1】電源絶縁型オープン巻線モータ駆動システムの構成図。

【図2】電源共通型オープン巻線モータ駆動システムの構成図。

【図3】第１インバータ、第２インバータの空間電圧ベクトルを示す図。

【図4】２台のインバータの空間電圧ベクトルを示す図。

【図5】零相電圧を出力しない電圧ベクトルを示す図。

【図6】第１インバータ、第２インバータの空間電圧ベクトルを示す図。

【図7】実施形態１のＰＷＭ制御部の構成を示す図。

【図8】実施形態２のＰＷＭ制御部の構成を示す図。

【図9】実施形態３のＰＷＭ制御部の構成を示す図。

【図10】実施形態１、２のシミュレーション結果の波形を示す図。

【図11】非特許文献１のシミュレーション結果の波形を示す図。

【図12】実施形態３のシミュレーション結果の波形を示す図。

【図13】非特許文献１の方式に零相変調を適用した場合のシミュレーション結果の波形を示す図。

【図14】実施形態４のシミュレーション結果の波形を示す図。

【図15】第１インバータのＵ相にだけ零相電圧指令を加算した場合のシミュレーション結果の波形を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0043】

本明細書では、ＰＷＭ制御の手法として最も一般的で実装も容易な三角波比較によるＰＷＭ制御を用いて、空間ベクトル変調により実現していた（１）～（３）を実現する方法を説明する。

【0044】

以下、本願発明におけるオープン巻線モータ駆動システムの実施形態１～４を図１～図１５に基づいて詳述する。

【0045】

［実施形態１］
本実施形態１は、図１、図２のオープン巻線モータ駆動システムに適用される。図１の構成では零相電流は流れないが、本実施形態１または後述する実施形態２の方式を適用することで、モータベアリング電流やノイズの低減効果が期待できる。

【0046】

まず、図１のオープン巻線モータ駆動システムについて説明する。

【0047】

第１直流電源ＤＣ１の正極と負極との間には半導体素子Ｓｕ１，Ｓｘ１が直列接続される。また、第１直流電源ＤＣ１の正極と負極との間には半導体素子Ｓｖ１，Ｓｙ１が直列接続される。また、第１直流電源ＤＣ１の正極と負極との間に半導体素子Ｓｗ１，Ｓｚ１が直列接続される。

【0048】

半導体素子Ｓｕ１，Ｓｘ１の接続点はモータＭのＵ相巻線の一端に接続される。半導体素子Ｓｖ１，Ｓｙ１の接続点はモータＭのＶ相巻線の一端に接続される。半導体素子Ｓｗ１，Ｓｚ１の接続点はモータＭのＷ相巻線の一端に接続される。ここで、半導体素子Ｓｕ１，Ｓｖ１，Ｓｗ１，Ｓｘ１，Ｓｙ１，Ｓｚ１を第１インバータＩＮＶ１とする。

【0049】

第２直流電源ＤＣ２の正極と負極との間には半導体素子Ｓｕ２，Ｓｘ２が直列接続される。また、第２直流電源ＤＣ２の正極と負極との間には半導体素子Ｓｖ２，Ｓｙ２が直列接続される。また、第２直流電源ＤＣ２の正極と負極との間に半導体素子Ｓｗ２，Ｓｚ２が直列接続される。

【0050】

半導体素子Ｓｕ２，Ｓｘ２の接続点はモータＭのＵ相巻線の他端に接続される。半導体素子Ｓｖ２，Ｓｙ２の接続点はモータＭのＶ相巻線の他端に接続される。半導体素子Ｓｗ２，Ｓｚ２の接続点はモータＭのＷ相巻線の他端に接続される。ここで、半導体素子Ｓｕ２，Ｓｖ２，Ｓｗ２，Ｓｘ２，Ｓｙ２，Ｓｚ２を第２インバータＩＮＶ２とする。

【0051】

すなわち、図１のオープン巻線モータ駆動システムは、各相のモータ巻線の一端に交流側が接続された第１インバータＩＮＶ１と、各相のモータ巻線の他端に交流側が接続された第２インバータＩＮＶ２と、第１インバータＩＮＶ１の直流側に接続された第１直流電源ＤＣ１と第２インバータＩＮＶ２の直流側に接続された第２直流電源ＤＣ２と、を備える。

【0052】

次に、図２のオープン巻線モータ駆動システムについて説明する。

【0053】

第１直流電源ＤＣ１の正極と負極との間には半導体素子Ｓｕ１，Ｓｘ１が直列接続される。また、第１直流電源ＤＣ１の正極と負極との間には半導体素子Ｓｖ１，Ｓｙ１が直列接続される。また、第１直流電源ＤＣ１の正極と負極との間に半導体素子Ｓｗ１，Ｓｚ１が直列接続される。

【0054】

半導体素子Ｓｕ１，Ｓｘ１の接続点はモータＭのＵ相巻線の一端に接続される。半導体素子Ｓｖ１，Ｓｙ１の接続点はモータＭのＶ相巻線の一端に接続される。半導体素子Ｓｗ１，Ｓｚ１の接続点はモータＭのＷ相巻線の一端に接続される。ここで、半導体素子Ｓｕ１，Ｓｖ１，Ｓｗ１，Ｓｘ１，Ｓｙ１，Ｓｚ１を第１インバータＩＮＶ１とする。

【0055】

第１直流電源ＤＣ１の正極と負極との間には半導体素子Ｓｕ２，Ｓｘ２が直列接続される。また、第１直流電源ＤＣ１の正極と負極との間には半導体素子Ｓｖ２，Ｓｙ２が直列接続される。また、第１直流電源ＤＣ１の正極と負極との間に半導体素子Ｓｗ２，Ｓｚ２が直列接続される。

【0056】

半導体素子Ｓｕ２，Ｓｘ２の接続点はモータＭのＵ相巻線の他端に接続される。半導体素子Ｓｖ２，Ｓｙ２の接続点はモータＭのＶ相巻線の他端に接続される。半導体素子Ｓｗ２，Ｓｚ２の接続点はモータＭのＷ相巻線の他端に接続される。ここで、半導体素子Ｓｕ２，Ｓｖ２，Ｓｗ２，Ｓｘ２，Ｓｙ２，Ｓｚ２を第２インバータＩＮＶ２とする。

【0057】

すなわち、図２のオープン巻線モータ駆動システムは、各相のモータ巻線の一端に交流側が接続された第１インバータＩＮＶ１と、各相のモータ巻線の他端に交流側が接続された第２インバータＩＮＶ２と、第１インバータＩＮＶ１と第２インバータＩＮＶ２の直流側に接続された第１直流電源ＤＣ１と、を備える。

【0058】

図２の構成において、第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２によりモータＭに印加される相電圧は第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の出力する電圧の差分として次の（１）式のように表される。

【0059】

【数1】

【0060】

ここで、ｖ_u，ｖ_v，ｖ_wはモータＭのｕ，ｖ，ｗ相の相電圧、ｖ_u1，ｖ_v1，ｖ_w1は第１インバータＩＮＶ１の出力するｕ，ｖ，ｗ相の相電圧，ｖ_u2，ｖ_v2，ｖ_w2は第２インバータＩＮＶ２の出力するｕ，ｖ，ｗ相の相電圧を示す。

【0061】

モータＭのｕ，ｖ，ｖ相の相電圧ｖ_u，ｖ_v，ｖ_wを（２）式を用いてｄｑ０変換する。

【0062】

【数2】

【0063】

ここで、ｖ_d，ｖ_qはｄｑ軸電圧、ｖ_zはｚ軸（零相）電圧、θはｕ相からのモータの磁極位置を示す。

【0064】

（２）式のｚ軸（零相）電圧ｖ_zの式に関して（１）式を代入すると（３）式が得られる。

【0065】

【数3】

【0066】

（３）式より、第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の３相の出力電圧の総和が等しければ、つまり第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の上アームがオンしている数が等しければ、零相電圧がゼロとなることが分かる。

【0067】

また、この（３）式より通常の３相インバータの構成では３相ともＯＮ，ＯＦＦの零相電圧を出力している時をのぞいて、相数が奇数のため零相電圧を出力してしまうことが分かる。

【0068】

第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２で出力可能な電圧ベクトルを図３のように定義する。第１インバータＩＮＶ１の電圧ベクトルをＶ０～Ｖ７，第２インバータＩＮＶ２の電圧ベクトルをＶ０’～Ｖ７’としている。

【0069】

ここで、電圧ベクトルと一緒に記載している１，０の数字は第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２のスイッチング状態を表している。左からＵ相，Ｖ相，Ｗ相の順で、１であれば上アームの半導体素子がＯＮ、下アームの半導体素子がＯＦＦ、０であればその逆の状態を示している。

【0070】

また、第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２で出力可能な合成電圧ベクトルを図４に示す。記載の番号は第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の電圧ベクトルの番号を表しており、第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２のスイッチングの組み合わせは６４通り存在している。

【0071】

ここで、図４に示した空間ベクトルのなかで、（３）式で示した零相電圧がゼロとなる電圧ベクトルは図５に示すような実線の六角形の頂点の電圧ベクトルと零電圧ベクトルである。この電圧ベクトルのみを出力するように第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２にスイッチングをさせれば、零相電圧を出力させずにモータＭに電圧を印加することが可能となる。

【0072】

次にスイッチングの組み合わせが６４通り存在する中で、零相電圧を出力しない電圧ベクトルのみを出力させるＰＷＭ方法を考える。零相電圧を出力しない電圧ベクトルで形成される六角形の頂点のベクトルは、スイッチングパターンが２パターンずつ存在する。

【0073】

この２パターンの電圧ベクトルのうち、１５’，２６’，３１’，４２’，５３’，６４’で形成される空間ベクトルに注目する。この電圧ベクトルの番号は左の数字が第１インバータＩＮＶ１の電圧ベクトル番号，右側の数字が第２インバータＩＮＶ２の電圧ベクトル番号であるため、第１インバータＩＮＶ１の電圧ベクトル，第２インバータＩＮＶ２の電圧ベクトルに分けて考える。

【0074】

この時の第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の電圧ベクトルを図６に示す。図６を図３と見比べると，ベクトルの位相は異なるがＶ１またはＶ１’から反時計回りにＶ１～Ｖ６，Ｖ１’～Ｖ６’が存在しており、第１インバータＩＮＶ１は図３（ａ）を３０°反時計回りに回転させたもの、第２インバータＩＮＶ２は図３（ｂ）を１５０°反時計回りに回転させたものと一致することが分かる。

【0075】

そこで、モータＭに印加するαβ座標でのαβ電圧指令Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*を零相電圧を出力しない電圧ベクトルとなるように（４）式、（５）式により第１インバータαβ電圧指令Ｖ_α1 ^*、Ｖ_β1 ^*および第２インバータαβ電圧指令Ｖ_α2 ^*、Ｖ_β2 ^*に変換する。

【0076】

さらに、第１インバータαβ電圧指令Ｖ_α1 ^*、Ｖ_β1 ^*から（６）式により第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*、Ｖ_v1 ^*、Ｖ_w1 ^*を得ることができる。同様に、第２インバータαβ電圧指令Ｖ_α2 ^*、Ｖ_β2 ^*から（７）式により第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*、Ｖ_v2 ^*、Ｖ_w2 ^*を得ることができる。αβ電圧指令Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*はモータの電流制御が出力する電圧指令、または、Ｖ／ｆ制御による電圧指令である。

【0077】

【数4】

【0078】

【数5】

【0079】

【数6】

【0080】

【数7】

【0081】

ここで、Ｖ_α1 ^*，Ｖ_β1 ^*は第１インバータαβ電圧指令、Ｖ_α2 ^*、Ｖ_β2 ^*は第２インバータαβ電圧指令、Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*は第１インバータ三相電圧指令、Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*は第２インバータ三相電圧指令を示す。

【0082】

通常の三相２レベルインバータと同様に、求めた第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*、第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*と三角波キャリア信号の大小比較により第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２のゲート指令を生成することが可能となる。このＰＷＭ制御部の構成を図７に示す。

【0083】

図７に示すように、第１αβ変換部１、第２αβ変換部２はαβ電圧指令Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*を零相電圧を出力しない電圧ベクトルとなるように（４）式、（５）式により第１インバータαβ電圧指令Ｖ_α1 ^*，Ｖ_β1 ^*および第２インバータαβ電圧指令Ｖ_α2 ^*，Ｖ_β2 ^*に変換する。

【0084】

第１二相三相変換部３は第１インバータαβ電圧指令Ｖ_α1 ^*，Ｖ_β1 ^*を（６）式により第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*に変換する。第２二相三相変換部４は第２インバータαβ電圧指令Ｖ_α2 ^*，Ｖ_β2 ^*を（７）式により第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*に変換する。

【0085】

キャリア信号生成部５は、三角波キャリア信号を出力する。第１ＰＷＭ制御部６は、第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*と三角波キャリア信号とを比較し、第１インバータＩＮＶ１のゲート指令を生成する。第２ＰＷＭ制御部７は、第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*と三角波キャリア信号とを比較し、第２インバータＩＮＶ２のゲート指令を生成する。

【0086】

以上の方法により、空間ベクトル変調を用いることなく、三角波比較によるＰＷＭ変調により零相電圧を出力しない電圧ベクトルのみを用いて、第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２のＰＷＭ制御が可能となる。これにより、演算量の低減、実装の簡略化を図ったオープン巻線モータ駆動システムを提供することが可能となる。

【0087】

また、本実施形態１では電圧ベクトル１５’、２６’、３１’、４２’、５３’、６４’のパターンを用いる場合の計算式について説明したが、今回説明に使用しなかった零相電圧を出力しない電圧ベクトル１３’，２４’，３５’，４６’，５１’，６２’のパターンを使用する場合にも同様の考え方で、三角波比較によるＰＷＭ制御を実装することが可能である。

【0088】

［実施形態２］
実施形態１では、αβ電圧指令Ｖ_α ^*、Ｖ_β ^*から第１インバータαβ電圧指令Ｖ_α1 ^*，Ｖ_β1 ^*，第２インバータαβ電圧指令Ｖ_α2 ^*，Ｖ_β2 ^*に変換する際に（４），（５）式を用いていたが計算量が多い。そこで、別の変換方法を考える。

【0089】

まず、αβ電圧指令Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*を以下の（８）式のように三相電圧指令Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*に変換する。

【0090】

【数8】

【0091】

この三相電圧指令Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*から零相電圧を出力しない電圧ベクトルとなるように、次の（９）式、（１０）式を用いて第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*、第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*に変換する。

【0092】

【数9】

【0093】

【数10】

【0094】

実施形態１と比べ、簡易な計算で各インバータの三相電圧指令が求まるので、この電圧指令を用いて三角波比較のＰＷＭ変調を実装することが可能となる。このＰＷＭ構成を図８に示す。

【0095】

図８に示すように、二相三相変換部８はαβ電圧指令Ｖ_α ^*，Ｖ_β ^*を（８）式により三相電圧指令Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*に変換する。第１ｕｖｗ変換部９、第２ｕｖｗ変換部１０は三相電圧指令Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*を零相電圧を出力しない電圧ベクトルとなるように（９）式、（１０）式により第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*および第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*に変換する。

【0096】

キャリア信号生成部５は、三角波キャリア信号を出力する。第１ＰＷＭ制御部６は、第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*と三角波キャリア信号とを比較し、第１インバータＩＮＶ１のゲート指令を生成する。第２ＰＷＭ制御部７は、第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*と三角波キャリア信号とを比較し、第２インバータＩＮＶ２のゲート指令を生成する。

【0097】

以上の方法により、空間ベクトル変調を用いることなく、実施形態１より簡単な演算で三角波比較によるＰＷＭ変調により零相電圧を出力しない電圧ベクトルのみを用いてインバータのＰＷＭ制御が可能となる。これにより、演算量の低減、実装の簡略化を図ったオープン巻線モータ駆動システムを提供することが可能となる。

【0098】

なお、実施形態１と同じく、本実施形態２では電圧ベクトル１５’、２６’、３１’、４２’、５３’、６４’のパターンを用いる場合の計算式について説明したが、今回説明に使用しなかった零相電圧を出力しない電圧ベクトル１３’，２４’，３５’，４６’，５１’，６２’のパターンを使用する場合にも同様の考え方で、三角波比較によるＰＷＭ制御を実装することが可能である。

【0099】

［実施形態３］
実施形態１，２に示したように三角波比較ＰＷＭを適用することが可能となったので、例えば、特許文献２のように各インバータの電圧指令に三次高調波を重畳し、電圧利用率を向上させることが可能となる。

【0100】

図９の第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*と、第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*は実施形態１の第１，第２二相三相変換部３，４、または、実施形態２の第１，第２ｕｖｗ変換部９，１０の出力とする。

【0101】

図９に示すように、第１零相変調部１１は、第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*に零相変調を適用し（三次高調波を重畳し）、零相変調適用後の第１インバータ三相電圧指令として出力する。第２零相変調部１２は、第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2 ^*に零相変調を適用し（三次高調波を重畳し）、零相変調適用後の第２インバータ三相電圧指令として出力する。

【0102】

キャリア信号生成部５は、三角波キャリア信号を出力する。第１ＰＷＭ制御部６は、零相変調適用後の第１インバータ三相電圧指令と三角波キャリア信号とを比較し、第１インバータＩＮＶ１のゲート指令を生成する。第２ＰＷＭ制御部７は、零相変調適用後の第２インバータ三相電圧指令と三角波キャリア信号とを比較し、第２インバータＩＮＶ２のゲート指令を生成する。

【0103】

これは零相変調と呼ばれる方式である。この三次高調波の重畳は零相電圧に加算されるため、零相電圧を出力しないＰＷＭ制御を行わない場合（例えば非特許文献１のように２台のインバータの出力電圧を反転して出力するような方式）には零相電流が大きく流れてしまうため利用できない。

【0104】

しかし、実施形態１，２により零相電圧を出力しないＰＷＭ制御が可能となるため、この零相変調が適用できる。零相電圧を出力しない電圧ベクトルを使用すると、２台のインバータで出力可能な最大電圧振幅を出力することはできないが、零相変調を適用すれば電圧利用率は最大電圧振幅を出力する場合と同等になる。

【0105】

［実施形態４］
零相電流を抑制するために零相電流のフィードバック制御等により零相電圧を出力したい場合について考える。第１，第２インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の出力する零相電圧は（３）式で表される。

【0106】

【数3】

【0107】

（３）式より出力したい零相電圧指令Ｖ_z ^*を第１インバータ三相電圧指令と第２インバータＩＮＶ２の三相電圧指令の合計値に√３×Ｖ_z ^*の差分を持たせればよい。例えば，ｖ_u1にのみ√３Ｖ_z ^*を加算しても所望の零相電圧は印加できる。

【0108】

しかし、２台のインバータのうち１台にだけ零相電圧指令Ｖ_z ^*を加算すると、加算されたインバータの電圧指令の振幅は大きくなる。インバータの出力電圧が大きい場合には、インバータが出力可能な電圧振幅を越え、電圧飽和しやすくなる。

【0109】

また、１相にだけ零相電圧を加算しても同様に、加算された相だけ電圧振幅が大きくなるため電圧飽和しやすくなる。さらに、三相の出力電圧もアンバランスとなり、電流高調波の増加やトルク脈動などを生じさせる恐れがある。そこで、次の（１１）式のように第１インバータ三相電圧指令Ｖ_u1 ^*，Ｖ_v1 ^*，Ｖ_w1 ^*、第２インバータ三相電圧指令Ｖ_u2 ^*，Ｖ_v2 ^*，Ｖ_w2*に均等に零相電圧指令Ｖ_z ^*を加算する。

【0110】

【数11】

【0111】

ここで、ｖ’_u1 ^*，ｖ’_v1 ^*，ｖ’_w1 ^*は零相電圧指令加算後の第１インバータ三相電圧指令，ｖ’_u2 ^*，ｖ’_v2 ^*，ｖ’_w2 ^*は零相電圧指令加算後の第２インバータ三相電圧指令を示す。

【0112】

このように各インバータの三相電圧指令に均等に零相電圧指令Ｖ_z ^*を加算することで、電圧振幅の増加も偏りがなく、最小限にすることができる。また、三相電圧指令に等しく加算するので、電圧ベクトルで考えた場合三相の合成電圧ベクトルは零となる。

【0113】

つまり、零相電圧成分は印加するがそれ以外の三相電圧成分は零とすることができ、零相電圧の印加が三相電圧成分に干渉しない（ｄｑ軸座標で考えた場合にはｄｑ軸に干渉しない。）。

【0114】

このように零相電圧を出力する場合には電圧指令に零相電圧指令を加算するという簡単な演算により実現することが可能となる。また、この方法は、実施形態３に適用する場合は零相変調後に零相電圧指令Ｖ_z ^*を加算する。

【0115】

以上のように、三角波比較ＰＷＭを適用することにより、零相電圧を印加する場合においても三相電圧指令に零相電圧指令を加算するという簡易な方法で実現することが可能となる。

【0116】

［効果］
発明の効果を確認するためにシミュレーションによる動作確認を行った結果を示す。

【0117】

図１０は実施形態１または実施形態２を適用した場合のモータＭに流れるモータ三相電流および零相電流を示している。比較のため図１１に非特許文献１の方式を適用し場合の波形も同様に示している。零相電流のフィードバック制御は行っていない。

【0118】

図１０と図１１を見比べると図１１のモータ三相電流，零相電流ともにインバータのスイッチングにより零相電圧が印加され、高周波のリプルが生じているが、実施形態１または実施形態２を適用した図１０には、高周波のリプルが生じていない。

【0119】

次に、零相変調を加えた場合の波形を同様に示す。図１２は実施形態３を適用した際の波形、図１３は非特許文献１の構成に零相変調を加えた場合の波形である。

【0120】

実施形態３を適用した場合には、図１０と図１２でほぼ同じ波形となっており、零相変調を行っても零相電流が増加するなどといった悪影響は生じていない。一方、図１３では零相変調を加えることにより零相電流が大きく増加している。

【0121】

以上の結果から、零相電圧を出力しない三角波比較によるＰＷＭが行われていることが確認できた。

【0122】

また、零相電流のフィードバック制御をかけ、零相電圧を出力する場合に関して、実施形態４に記載の方法で零相電圧を印加した場合（図１４）と第１インバータＩＮＶ１のＵ相にだけ零相電圧指令を加算して零相電圧を印加した場合（図１５）のｄｑ軸電流と零相電流の波形結果を示す。

【0123】

零相電流のフィードバック制御は零相電流指令を０として、零相電流検出値との偏差のＰＩ制御により構築している。零相電流のフィードバック制御を適用しているため、図１４，図１５ともに図１０と比較して、零相電流が低減していることが確認できる。

【0124】

しかし，図１５ではｄｑ軸電流波形に零相電流の周波数に同期した振動が生じているが、図１４ではｄｑ軸電流波形にそのような振動は生じていない。この結果から実施形態４を適用することで、ｄｑ軸成分に干渉させずに零相電圧を印加できていることが確認できた。

【0125】

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

【符号の説明】

【0126】

ＤＣ１…第１直流電源
ＤＣ２…第２直流電源
ＩＮＶ１…第１インバータ
ＩＮＶ２…第２インバータ
Ｍ…モータ
Ｓｕ１～Ｓｚ１、Ｓｕ２～Ｓｚ２…半導体素子
１…第１αβ変換部
２…第２αβ変換部
３…第１二相三相変換部
４…第２二相三相変換部
５…キャリア信号生成部
６…第１ＰＷＭ制御部
７…第２ＰＷＭ制御部
８…二相三相変換部
９…第１ｕｖｗ変換部
１０…第２ｕｖｗ変換部
１１…第１零相変調部
１２…第２零相変調部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】