特開 2024-25091 インバータの制御装置

(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】P2024025091

(43)【公開日】2024-02-26

(54)【発明の名称】インバータの制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 23/04 20060101AFI20240216BHJP

   H02P 27/08 20060101ALI20240216BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20240216BHJP

【ＦＩ】

H02P23/04

H02P27/08

H02M7/48 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022128248

(22)【出願日】2022-08-10

(71)【出願人】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡本 亮太郎

(72)【発明者】

【氏名】大沼 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】浜田 栄太

(72)【発明者】

【氏名】竹本 晴輝

(72)【発明者】

【氏名】柳生 泰秀

【テーマコード（参考）】

5H505

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H505AA16

5H505BB04

5H505CC04

5H505DD03

5H505EE41

5H505EE48

5H505EE49

5H505HA10

5H505HB01

5H505JJ17

5H505JJ18

5H505JJ25

5H505JJ29

5H505LL22

5H505LL24

5H505LL41

5H770BA02

5H770CA04

5H770CA06

5H770DA03

5H770DA10

5H770DA41

5H770EA01

5H770EA25

5H770HA02Y

5H770HA03W

5H770HA07Z

5H770LB02

(57)【要約】

【課題】モータに三相交流を与えるインバータの制御装置に関し、モータの６次トルク変動を抑える。
【解決手段】
制御装置はＳＷ素子制御と補償制御を実行する。ＳＷ素子制御では、インバータの２個のＳＷ素子の直列接続体の中点の目標電圧を決定し、直列接続体の２個のＳＷ素子が同時にオフするデッドタイムを設定しつつ目標電圧から各ＳＷ素子を駆動するＰＷＭ信号を生成し、ＳＷ素子を駆動する。補償制御では、デッドタイムによって生じる出力電圧の誤差電圧を補償する補償電圧を算出し、ＰＷＭ信号を生成する前に目標電圧に補償電圧を加算する。補償電圧の時間変化は、直列接続体の中点を流れる電流と同じ周波数の正弦波または当該正弦波を複数の電圧離散値で近似した近似波であり、電流の波形に対して所定の位相差を有する。位相差は、電流の周波数の６次に相当するモータのトルク変動が位相差ゼロの場合よりも小さくなるように定められている。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

三相交流モータを駆動するインバータであって、２個のスイッチング素子の直列接続体が３組並列に接続されている回路を有しており、それぞれの前記直列接続体の中点から交流が出力されるインバータの制御装置であって、
前記制御装置は、それぞれの前記直列接続体に対して、
（１）前記中点の目標電圧を決定し、
（２）前記直列接続体の２個の前記スイッチング素子が同時にオフするデッドタイムを設定しつつ前記目標電圧から２個の前記スイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号を生成し、
（３）前記ＰＷＭ信号を使って２個の前記スイッチング素子を駆動する、
スイッチング素子駆動制御を実行するとともに、
（４）前記デッドタイムに起因して生じる前記目標電圧と出力電圧との誤差電圧を補償する補償電圧を算出し、
（５）前記ＰＷＭ信号を生成する前に前記目標電圧に前記補償電圧を加算する、
デッドタイム補償制御を実行し、
前記補償電圧の時間変化は、前記直列接続体の前記中点を流れる電流の周波数と同じ周波数の正弦波または当該正弦波を複数の電圧離散値で近似した近似波であり、前記電流の波形に対して所定の位相差を有しており、
前記位相差は、前記周波数の６次に相当する前記三相交流モータのトルク変動が、前記位相差がゼロの場合よりも小さくなるように定められている、
制御装置。

【請求項2】

前記制御装置は、
前記三相交流モータに対して進角制御を行い、
前記三相交流モータの回転数と前記電流の振幅と進角を変数として前記位相差を決定するマップを備えている、請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記近似波は、絶対値が同じで極性の異なる二値を交互に繰り返す矩形波であって前記電流の波形に対して所定の前記位相差を有している矩形波である、請求項１または２に記載の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、三相交流モータを駆動するインバータの制御装置に関する。特に、２個のスイッチング素子の直列接続体が３組並列に接続されている回路を有しているインバータの制御装置に関する。制御装置が各スイッチング素子を適宜にオンオフすることによってそれぞれの直列接続体の中点から交流が出力される。以下では、説明を簡単にするため、三相交流モータを単にモータと表記する場合がある。

【背景技術】

【0002】

インバータの制御装置は、直列接続体の正極と負極の短絡を防止するためにデッドタイムを設定することが多い。デッドタイムとは、直列接続体の一方のスイッチング素子をオンからオフに切り換えてから他方のスイッチング素子をオフからオンに切り換えるまでの時間であって２個のスイッチング素子が共にオフに保持される時間を意味する。一方、デッドタイムを設定すると、インバータの各相の目標電圧と出力電圧の間に誤差が生じることが知られている。デッドタイムに起因して生じる誤差電圧（目標電圧と出力電圧の差）を補償する制御はデッドタイム補償と呼ばれる。デッドタイム補償を正確に行うことできれば、インバータが出力する交流（別言すれば、モータに流れる交流）の周波数の６次成分に相当するトルク変動が小さくなることが知られている（例えば特許文献１）。以下では、説明の便宜上、インバータの出力交流（別言すればモータに流れる交流電流）の周波数の６次に相当する周波数のトルク変動を単に６次トルク変動と称する。

【0003】

デッドタイム補償の一例が特許文献２に開示されている。特許文献２に開示された制御装置は、インバータの各相の目標電圧に対して補償電圧を加算する。補償電圧ｄＶは、数式：ｄＶ＝Ｖｄｃ×ＤＴ×ｆｃ×ｓｉｇｎ（Ｉ）で与えられる。ここで、Ｖｄｃはインバータの直流端に印加される電圧であり、ＤＴはデッドタイムであり、ｆｃはＰＷＭ信号を生成するのに用いられるキャリア信号の周波数であり、ｓｉｇｎ（Ｉ）は、インバータの該当相の出力電流の正負の符号である。なお、直列接続体の中点からモータへ向かって電流が流れる場合が「正値の電流」として定義され、モータから中点へ電流が戻ってくる場合が「負値の電流」として定義される。

【0004】

上記の数式から理解されるように、補償電圧ｄＶは、絶対値が同じで極性の異なる二値を交互に繰り返す矩形波であって直列接続体の中点から出力される電流の周波数と同じ周波数で同一位相の矩形波となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２２－９０４９５号

【特許文献2】特開２０２２－５３６４０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１では、デッドタイム補償を正確に実施することで、６次トルク変動を抑えることができるとされている。しかし、６次トルク変動は、デッドタイムに起因するのみならず、三相交流モータの電気的特性（巻線のインダクタンスや逆起電力の大きさなど）に起因しても生じ得る。本明細書は、デッドタイム補償を巧みに利用して三相交流モータの６次トルク変動を抑える技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本明細書が開示する制御装置は、インバータの三相（３個の直列接続体）のそれぞれに対して、スイッチング素子駆動制御とデッドタイム補償制御を実行する。スイッチング素子駆動制御は、（１）直列接続体の中点の目標電圧を決定する。（２）直列接続体の２個のスイッチング素子が同時にオフするデッドタイムを設定しつつ目標電圧から２個のスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号を生成する。（３）ＰＷＭ信号を使って２個のスイッチング素子を駆動する。デッドタイム制御は、（４）デッドタイムに起因して生じる出力電圧の誤差電圧（中点の目標電圧と出力電圧の差）を補償する補償電圧を算出する。（５）ＰＷＭ信号を生成する前に目標電圧に補償電圧を加算する。

【0008】

上記デッドタイム補償制御において、補償電圧の時間変化は、直列接続体の中点を流れる電流の周波数と同じ周波数の正弦波（あるいはその正弦波を複数の電圧離散値で近似した近似波）であり、電流の波形に対して所定の位相差を有している。この位相差は、中点を流れる電流の周波数の６次に相当する三相交流モータのトルク変動が位相差ゼロの場合よりも小さくなるように定められている。別言すれば、デッドタイム補償制御に起因する６次トルク変動が三相交流モータの電気的特性に起因する６次トルク変動を相殺するように位相差が定められている。

【0009】

近似波の典型は、絶対値が同じで極性が異なる二値を交互に繰り返す矩形波である。その矩形波は、直列接続体の中点を流れる電流の波形に対して上記した位相差を有する。

【0010】

多くの場合、三相交流モータに対して進角制御が実施される。６次トルク変動を抑えるための位相差は、モータの電気的特性（モータのインダクタンスや逆起電力）に依存するが、モータの電気的特性は、三相交流モータの回転数と電流（対象の相を流れる電流）の振幅と進角（進角制御で決定される進角）に依存して変化する。それゆえ、制御装置は、三相交流モータの回転数と電流の振幅と進角を変数として位相差（電流波形に対する矩形波の位相差）を決定するマップを備えているとよい。マップは、三相交流モータを用いた評価試験やシミュレーションなどを用いて予め決定される。

【0011】

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施例の制御装置が組み込まれたモータシステムのブロック図である。

【図2】実施例の制御装置の制御ブロック図である。

【図3】デッドタイム付きＰＷＭ信号の生成プロセスの一例を説明する図である。

【図4】補償電圧を算出する式である。

【図5】補償電圧の矩形波の位相差により６次トルク変動が抑制できることを説明する図である（インバータの出力交流と誤差電圧と補償電圧のグラフ）。

【図6】補償電圧の矩形波の位相差により６次トルク変動が抑制できることを説明する図である（電流変動のグラフ）。

【図7】位相差を決定するマップの一例である。

【図8】デッドタイム補償部が実行する処理のフローチャートである。

【図9】デッドタイム補償部が実行する処理のフローチャートである（図８の続き）。

【図10】位相差と６次トルク変動の関係の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図面を参照しつつ実施例の制御装置を説明する。図１に実施例の制御装置２０が組み込まれたモータシステム２のブロック図を示す。モータシステム２は、例えば電気自動車に搭載されており、モータ６は、車輪を駆動する走行用の三相交流モータである。

【0014】

モータシステム２は、直流電源３、インバータ１０、モータ６、制御装置２０を備えている。

【0015】

インバータ１０は、２個のスイッチング素子の直列接続体を３組備えている（直列接続体１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ）。以下では説明を簡単にするために、「スイッチング素子」を「ＳＷ素子」と表記する。ＳＷ素子１２ｕＨ、１２ｕＬが直列に接続されており、ＳＷ素子１２ｖＨ、１２ｖＬ（ＳＷ素子１２ｗＨ、１２ｗＬ）も直列に接続されている。直列接続体の高電位側のＳＷ素子１２ｕＨ、１２ｖＨ、１２ｗＨは、上アームＳＷ素子と呼ばれることがあり、低電位側のＳＷ素子１２ｕＬ、１２ｖＬ、１２ｗＬは、下アームスイッチング素子と呼ばれることがある。

【0016】

各ＳＷ素子にはダイオード１７が逆並列に接続されている。ダイオード１７は、ＳＷ素子が構造的に内包するものであってもよい。

【0017】

３組の直列接続体１２ｕ、１２ｖ、１２ｗは、インバータ１０の直流端正極１０ｐと直流端負極１０ｎの間に並列に接続されている。直流端正極１０ｐと直流端負極１０ｎに直流電源３が接続される。直流電源３は例えばリチウムイオンバッテリや燃料電池でよい。

【0018】

直流端正極１０ｐと直流端負極１０ｎの間には、電圧センサ１５と平滑コンデンサ１６が接続されている。電圧センサ１５は、インバータ１０の直流端（直流端正極１０ｐと直流端負極１０ｎ）に印加される電圧を計測する。平滑コンデンサ１６は、直流端に流れる電流の脈動を抑えるために備えられている。電圧センサ１５の計測値は制御装置２０へ送られる。

【0019】

制御装置２０には、モータ６の目標出力を伝える上位制御装置８が接続されている。上位制御装置８は、電気自動車の速度とアクセル開度からモータ６の目標出力を決定し、制御装置２０に送信する。制御装置２０は、目標出力に対応したＰＷＭ信号を生成し、そのＰＷＭ信号で各ＳＷ素子を駆動する。ＰＷＭ信号は、直列接続体の２個のＳＷ素子を適宜にオンオフさせるパルス信号である。直列接続体１２ｕの２個のＳＷ素子１２ｕＨ、１２ｕＬが適宜にオンオフすることで、直列接続体１２ｕの中点１３ｕから交流が出力される。同様に、直列接続体の２個のＳＷ素子１２ｖＨ、１２ｖＬ（１２ｗＨ、１２ｗＬ）を適宜にオンオフすることで、直列接続体１２ｖ（１２ｗ）の中点１３ｖ（１３ｗ）から交流が出力される。なお、モータ６は、３相Ｙ結線タイプであるため、３個の中点１３ｕ、１３ｖ、１３ｗのうち、１個乃至２個の中点から交流が出力され、モータ６を流れた交流は残りの中点に戻ってくる。

【0020】

よく知られているように、直列接続体１２ｕの上側（高電位側）のＳＷ素子１２ｕＨと下側（低電位側）のＳＷ素子１２ｕＬを互いに逆位相でオンオフすると、中点１３ｕから交流が出力される。直列接続体１２ｕ、１２ｖ、１２ｗが出力する３種類の交流が三相交流に相当する。制御装置２０は、三相の交流が互いに１２０度の位相差を有するように、６個のＳＷ素子を適宜にオンオフする。

【0021】

インバータ１０は三相各相の電流を計測する電流センサ１４ｕ、１４ｖ、１４ｗを備えている。電流センサ１４ｕ、１４ｖ、１４ｗの計測値も制御装置２０へ送られる。また、モータ６にはロータの角度（電気角）を計測するための角度センサ７が備えられており、角度センサ７の計測値も制御装置２０へ送られる。

【0022】

図２に、制御装置２０の制御ブロック図を示す。制御装置２０は、目標値変換部２１、差分器２２、ｄｑ軸目標電圧演算部２３、ｄｑ／三相変換部２４、加算器２５ｕ、２５ｖ、２５ｗ、ＰＷＭ信号生成部２６、補償電圧生成部２７、ｄｑ軸電流計算部２８を備える。これらのモジュールは全てプログラムで実現されている。あるいは、これらのモジュールの一部がプログラムで実現され、残りはハードウエアで実現される。

【0023】

「ｄ軸」、「ｑ軸」は、モータ制御ではよく知られた技術用語であり、ここでは説明は割愛する。ｄ軸とｑ軸を使ったモータ制御もよく知られているので、以下ではその概要のみを説明する。

【0024】

ｄｑ軸電流計算部２８は、三相各相の電流を計測する電流センサ１４ｕ、１４ｖ、１４ｗと、モータ６の電気角を計測する角度センサ７の計測値を受け、それらの計測値から、ｄ軸電流とｑ軸電流を算出する。角度センサ７の計測値は目標値変換部２１にも送られる。

【0025】

目標値変換部２１は、上位制御装置８からモータ６の目標出力を受ける。目標値変換部２１は、角度センサ７の計測値を用いて、モータ６の目標出力をｄ軸電流目標値とｑ軸電流目標値に変換する。

【0026】

差分器２２は、ｄ軸電流目標値と現在のｄ軸電流の差分を計算してｄｑ軸目標電圧演算部２３へ送る。差分器２２は、また、ｑ軸電流目標値と現在のｑ軸電流の差分を計算してｄｑ軸目標電圧演算部２３へ送る。先に述べたように、現在のｄ軸電流とｑ軸電流は、ｄｑ軸電流計算部２８により算出される。

【0027】

ｄｑ軸目標電圧演算部２３は、差分器２２の出力と電圧センサ１５の計測値から、ｄｑ軸目標電圧を算出する。ｄｑ軸目標電圧は、ｄｑ／三相変換部２４に送られ、そこで三相各相の目標電圧に変換される。

【0028】

なお、三相各相の目標電圧とは、インバータ１０の３個の直列接続体１２ｕ、１２ｖ、１２ｗのそれぞれの中点１３ｕ、１３ｖ、１３ｗにおける目標電圧を意味する。

【0029】

補償電圧生成部２７は、電流センサ１４ｕ、１４ｖ、１４ｗと角度センサ７と電圧センサ１５の計測値に基づいて、三相各相の目標電圧の補正値（補償電圧）を生成する。補償電圧については後述する。加算器２５ｕ、２５ｖ、２５ｗにより、三相各相の目標電圧に補償電圧が加算される。補償電圧が加算された目標電圧はＰＷＭ信号生成部２６に送られる。ＰＷＭ信号生成部２６は、三相各相に対応したＰＷＭ信号を生成し、インバータ１０へ送る。

【0030】

三相各相のＰＷＭ信号は、２個のＳＷ素子の直列接続体の上アームＳＷ素子に対するＰＷＭ信号と下アームＳＷ素子に対するＰＷＭで構成される。ｕ相に対応する直列接続体１２ｕの上アームＳＷ素子（ＳＷ素子１２ｕＨ）と下アームＳＷ素子（ＳＷ素子１２ｕＬ）を駆動する一対のＰＷＭ信号を図２では記号「ＰＷＭ＿ｕ」で表している。同様に、ｖ相の２個のＳＷ素子１２ｖＨ、１２ｖＬを駆動する一対のＰＷＭ信号を記号「ＰＷＭ＿ｖ」で表し、ｗ相の２個のＳＷ素子１２ｗＨ、１２ｗＬを駆動する一対のＰＷＭ信号を記号「ＰＷＭ＿ｗ」で表している。

【0031】

インバータ１０の直列接続体の２個のＳＷ素子は、理想的には相補的なＰＷＭ信号で駆動される。ＰＷＭ信号はＬＯ電位とＨＩＧＨ電位の二値からなるパルス波であり、上アームＳＷ素子に対するＰＷＭ信号のＬＯとＨＩＧＨを反転させた信号が下アームＳＷ素子用のＰＷＭ信号となる。ただし、一対のＰＷＭ信号の一方がＨＩＧＨからＬＯに切り替わるときに他方の信号がＬＯからＨＩＧＨに切り替わると、直列接続体の２個のＳＷ素子が一瞬だけともにオンし、直列接続体が短絡するおそれがある。そこで、ＰＷＭ信号生成部２６では、３個の直列接続体のそれぞれに対して、２個のＳＷ素子がともにオフするデッドタイムを設定しつつ、２個のＳＷ素子を駆動するＰＷＭ信号を生成する。

【0032】

デッドタイムが設定されたＰＷＭ信号はよく知られているが、図３を用いてその概要を説明する。

【0033】

図３は、三相のうちの一つの相のＰＷＭ信号の生成プロセスを模式的に示している。残りの二相のＰＷＭ信号生成プロセスも同様である。

【0034】

ＰＷＭ信号は、目標電圧とキャリア波から生成される。なお、先に述べたように、目標電圧には補償電圧が加算されている。キャリア波は、特定の周波数を有する三角波である。

【0035】

ＰＷＭ信号生成部２６は、目標電圧とキャリア波を比較し、目標電圧の電位がキャリア波の電位よりも高い期間がＨＩＧＨ電位でそれ以外の期間（目標電圧の電位がキャリア波の電位よりも低い期間）がＬＯ電位の基本ＰＷＭ信号を生成する。この基本ＰＷＭ信号が上アームＳＷ素子用の基本ＰＷＭ信号となる（図３（Ａ））。

【0036】

ＰＷＭ信号生成部２６は、上アームＳＷ素子用の基本ＰＷＭ信号の立ち上がりタイミング（ＬＯ電位からＨＩＧＨ電位に切り替わるタイミング）をデッドタイムＤＴだけ遅らせる。図３の例の場合、時刻Ｔ２、Ｔ４で上アームＳＷ素子用の基本ＰＷＭ信号がＬＯ電位からＨＩＧＨ電位に切り替わる。図３の（Ｂ）では、時刻Ｔ２＋ＤＴ、時刻Ｔ４＋ＤＴに、ＬＯ電位からＨＩＧＨ電位に切り替わるＰＷＭ信号が生成される。この信号が、デッドタイムＤＴで補正された上アームＳＷ用のＰＷＭ信号となる（図３（Ｂ））。

【0037】

ＰＷＭ信号生成部２６は、上アームＳＷ素子用の基本ＰＷＭ信号を反転させた信号を生成する。この信号が下アームＳＷ素子用の基本ＰＷＭ信号となる（図３（Ｃ））。さらに、ＰＷＭ信号生成部２６は、下アームＳＷ素子用の基本ＰＷＭ信号の立ち上がりタイミング（ＬＯ電位からＨＩＧＨ電位に切り替わるタイミング）をデッドタイムＤＴだけ遅らせる。図３の例の場合、時刻Ｔ１、Ｔ３で下アームＳＷ素子用の基本ＰＷＭ信号がＬＯ電位からＨＩＧＨ電位に切り替わる。図３の（Ｄ）では、時刻Ｔ１＋ＤＴ、時刻Ｔ３＋ＤＴに、ＬＯ電位からＨＩＧＨ電位に切り替わるＰＷＭ信号が生成される。この信号が、デッドタイムＤＴで補正された下アームＳＷ用のＰＷＭ信号となる（図３（Ｄ））。

【0038】

図３の（Ｂ）と（Ｄ）のＰＷＭ信号により、時刻Ｔ１からＴ１＋ＤＴの間、時刻Ｔ２から時刻Ｔ２＋ＤＴの間、２個のＳＷ素子がともにオフとなる。同様に、時刻Ｔ３からＴ３＋ＤＴの間、時刻Ｔ４から時刻Ｔ４＋ＤＴの間、２個のＳＷ素子がともにオフとなる。このように、２個のＳＷ素子の直列接続体において一方のＳＷ素子がオンからオフに切り替わってから他方のＳＷ素子がオフからオンに切り替わるまでの間にデッドタイムＤＴを設ける。デッドタイムＤＴを設けることで、直列接続体の正極と負極が短絡することを防ぐことができる。

【0039】

制御装置２０は、デッドタイムＤＴが設定された一対のＰＷＭ信号をインバータの直列接続体の２個のＳＷ素子に送る。一対のＰＷＭ信号により、２個のＳＷ素子は交互にオンオフし（ただし、一瞬は両者ともオフとなる）、直列接続体の中点から交流が出力される。

【0040】

以上の制御がＳＷ素子の駆動制御である。ＳＷ素子の駆動制御をまとめると次の通りである。制御装置２０（ＰＷＭ信号生成部２６）は、（１）直列接続体の中点の目標電圧を決定し、（２）直列接続体の２個のスイッチング素子が同時にオフするデッドタイムを設定しつつ目標電圧から２個のスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号を生成し、（３）ＰＷＭ信号を使って２個のスイッチング素子を駆動する。制御装置２０は、三相の各相に対して、すなわち、３個の直列接続体１２ｕ、１２ｖ、１２ｗのそれぞれに対して上記のＳＷ素子駆動制御を実施する。

【0041】

なお、図３に示したデッドタイムＤＴの付し方は一例であり、別のアルゴリズムで基本ＰＷＭ信号にデッドタイムＤＴを付してもよい。例えば、基本ＰＷＭ信号の立ち上がりのタイミングをＤＴ／２（デッドタイムＤＴの半分）だけ遅らせ、立ち下がりのタイミングをＤＴ／２だけ早めるようにしてもよい。

【0042】

先に述べたように、モータ６は３相Ｙ結線タイプであるため、３個の中点１３ｕ、１３ｖ、１３ｗのうち、１個乃至２個の中点から交流電流が出力され、モータ６を流れた交流電流は残りの中点に戻ってくる。

【0043】

目標電圧とキャリア波から生成された基本ＰＷＭ信号（図３（Ａ）、（Ｃ））で２個のＳＷ素子を駆動すれば、中点の電圧は目標電圧に追従する。デッドタイムＤＴを設定したＰＷＭ信号を用いると、中点の電圧は目標電圧からずれてしまう。なお、通常、制御装置２０はモータ６に対して進角制御を実施する。進角制御はよく知られた技術であるので、説明は省略する。進角制御を導入すると、モータへの印加電圧と誘起電圧に時間差が生じるが、ここでは、進角制御の影響は無視して説明する。

【0044】

デッドタイムＤＴの間、別言すれば、２個のＳＷ素子がともにオフの間、直列接続体の中点を電流が流れ続ける。直列接続体の中点からモータへ向けて電流が流れている場合、デッドタイムの間は下アームＳＷ素子に付随するダイオードを通じて中点からモータへ電流が流れ続ける。その結果、中点の電圧が下がる。逆に、モータから直列接続体の中点へ向けて電流が流れている場合、デッドタイムＤＴの間は上アームＳＷ素子に付随するダイオードを通じてモータから中点へ電流が流れ続ける。その結果、中点の電圧が上がる。このように、ＰＷＭ信号は中点の目標電圧に基づいて生成されるが、デッドタイムＤＴを設定したことで中点の電圧が目標電圧と異なってしまう。そこで、制御装置２０は、デッドタイムＤＴを設定したことに起因して生じる誤差電圧（中点の目標電圧と実際の電圧の差）を解消する処理（デッドタイム補償制御）を行う。

【0045】

制御装置２０は、誤差電圧を補償するためのオフセットを目標電圧に加える。このオフセットが前述した補償電圧である。補償電圧ｄＶは、図４に示した式で与えられる。図４に示すように、補償電圧ｄＶは、インバータ１０の直流端（直流端正極１０ｐと直流端負極１０ｎ）の電圧Ｖｄｃと、デッドタイムＤＴと、キャリア波の周波数ｆｃと、直列接続の中点を流れる電流Ｉａｃの向きで定まる。別言すれば、図４に示した補償電圧ｄＶの符号を反転させた値が、デッドタイムＤＴに起因して中点で生じる誤差電圧に相当する。

【0046】

制御装置２０は、それぞれの直列接続体に対して、補償電圧ｄＶを加えた目標電圧を使ってＰＷＭ指令値を生成する。そうすることで、デッドタイムＤＴを設定したことに起因する電圧誤差（中点の目標電圧と実際の電圧の差）を解消することができる。さらに、制御装置２０は、この補償電圧ｄＶを巧みに用いてモータ６の６次トルク変動を抑制する。先に述べたように、６次トルク変動とは、三相交流の周波数の６次に相当するモータのトルク変動を意味する。

【0047】

図４の式から理解されるように、補償電圧ｄＶの時間変化は、絶対値が同じで極性（正負）が異なる二値を交互に繰り返す矩形波となる。なお、厳密には、補償電圧ｄＶは、インバータ１０の直流端の電圧やキャリア波の周波数に依存して変化し得る。しかし、中点を流れる電流の波形の数周期分の時間幅（あるいは制御装置２０の数制御周期分の時間幅）では事実上、補償電圧ｄＶは一定とみなすことができる。

【0048】

矩形波の周波数は、直列接続体の中点を流れる電流の周波数（すなわち、三相交流の周波数）と同じとなる。制御装置２０は、中点を流れる電流の波形に対して補償電圧ｄＶの矩形波の位相をずらすことで、６次トルク変動を抑制する。なお、後述するように、より精密に６次トルク変動を抑えるには、補償電圧ｄＶは矩形波よりも正弦波（あるいは、正弦波を複数の電圧離散値で近似した近似波）であるとよい。上記した矩形波は、正弦波を２個の電圧離散値（絶対値が同じで極性（正負）が異なる二値）で近似した近似波に相当する。

【0049】

図５と図６を参照して、中点の電流波形と補償電圧の矩形波に位相差を設けるによって６次トルク変動が抑えられることを説明する。図５は、ＰＷＭ信号にデッドタイムを導入したときの中点電流と誤差電圧と補償電圧の時間変化を示している。図６は、ＰＷＭ信号にデッドタイムを導入したときに生じるモータの６次トルク変動を示している。図５と図６の（Ａ）列は、デッドタイムは導入したがデッドタイム補償を行わない場合の６次トルク変動を示している。なお、モータのトルク変動は、モータを流れる電流の脈動に起因する。図５のグラフＧ１４、Ｇ１５、Ｇ１６（Ｇ２４、Ｇ２５、Ｇ２６、Ｇ３４、Ｇ３５、Ｇ３６）の縦軸は電流であるが、これらのグラフの変動がモータのトルク変動に対応する。

【0050】

図５と図６の（Ｂ）の列は、デッドタイムを導入し、かつ、中点を流れる電流に対して同位相の矩形波（補償電圧の矩形波）を目標電圧に加算した場合の６次トルク変動を示している。図５と図６の（Ｃ）の列は、デッドタイムを導入し、かつ、中点を流れる電流に対して所定の位相差の矩形波（補償電圧の矩形波）を目標電圧に加算した場合の６次トルク変動を示している。

【0051】

インバータ１０は三相の交流を出力するが、図５のグラフＧ１１、Ｇ１２、Ｇ１３、Ｇ２１、Ｇ２２、Ｇ２３、Ｇ３１、Ｇ３２、Ｇ３３は三相交流のうちの一つの相の電流／電圧変化を示している。他の相の電流／電圧変化も同じである。また、図６のグラフＧ１４、Ｇ１５、Ｇ１６、Ｇ２４、Ｇ２５、Ｇ２６、Ｇ３４、Ｇ３５、Ｇ３６は、ｄ軸とｑ軸のうち一方の軸の電流変化を示している。他方の軸の電流変化も同様である。

【0052】

グラフＧ１１は、２個のＳＷ素子の直列接続体の中点を流れる電流の波形である。時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４がゼロクロスのタイミングである。別言すれば、時刻Ｔ１からＴ３までが電流波形の１周期に相当する。先に述べたように、デッドタイムＤＴを付したことによって、図４の式のｄＶの符号を反転させたものが誤差電圧（中点の目標電圧と実際の電圧との差）となる。図５のグラフＧ１２が誤差電圧を示している。図５（Ａ）の列はデッドタイム補償を行わない場合であるから、補償電圧は常にゼロである（グラフＧ１３）。このとき、ＰＷＭ信号にデッドタイムＤＴを導入したことに起因して生じる６次の電流変動はグラフＧ１４となる。なお、６次とは、中点を流れる電流の周波数の６次成分を意味する。図５と図６は時間軸のスケールが異なっており、誤差電圧に起因する６次電流変動の周波数は中点電流の周波数の６倍であるが、図上では、６倍に見えないことに留意されたい。

【0053】

モータの６次トルク変動は、デッドタイムに起因するのみならず、三相交流モータの電気的特性（巻線のインダクタンスや逆起電力の大きさなど）に起因しても生じ得る。図６のグラフＧ１４に示すＰＷＭ信号にデッドタイムＤＴを導入したことに起因して生じる６次の電流変動は、中点電流に対する位相差が一意に決定する。一方、図５のグラフＧ１５が、モータの電気的特性に起因して生じる６次電流変動を示している。左記、モータの電気的特性は、コアの非線形磁気特性により変化する。即ち、中点電流の振幅および進角に応じて、磁気経路および磁気経路上の透磁率分布が変化する。従って、モータの電気的特性に起因して生じる６次電流変動は、中点電流に対する位相差が中点電流の振幅および進角に応じて変化する。ｄ軸電流とｑ軸電流のトータルの６次電流変動（グラフＧ１６）は、グラフＧ１４とグラフＧ１５を足し合わせた波形となるため、グラフＧ１４とグラフＧ１５が同位相となるモータ駆動条件（中点電流の振幅、進角）において、トータルの６次電流変動（グラフＧ１６）の振幅は最大となり、モータの６次変動トルクが最大となる。

【0054】

中点の電流波形と同位相の矩形波（補償電圧の矩形波）を目標電圧に加えた場合を説明する（図５と図６の（Ｂ）の列）。中点の電流波形とデッドタイムに起因する誤差電圧の波形は（Ａ）の場合と同じである（グラフＧ２１、Ｇ２２）。

【0055】

図５と図６の（Ｂ）の場合、補償電圧の矩形波は、中点の電流波形と同位相である（グラフＧ２３がグラフＧ２１と同位相である）。時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４が電流波形のゼロクロスのタイミングであり、同じタイミングで矩形波の正負が反転する。補償電圧を目標電圧に加えるため、デッドタイムの誤差電圧に起因する６次電流変動は完全に抑えられる（グラフＧ２４）。しかし、モータの電気的特性に起因する６次電流変動は図５と図６の（Ａ）の場合と同じである（グラフＧ２５はグラフＧ１５と同じである）。

【0056】

モータの電気的特性に起因する６次電流変動（グラフＧ２５）が、中点で生じるトータルの６次電流変動として残る（グラフＧ２６）。グラフＧ２６に相当する６次トルク変動がモータに生じる。

【0057】

図５と図６の（Ｃ）の列が、電流波形に対して所定の位相差ｄＰを有する補償電圧矩形波を目標電圧に加えた場合を示している。先に述べたように、中点の電流波形（グラフＧ３１）、デッドタイムに起因する誤差電圧（グラフＧ３２）は図５と図６の（Ａ）の場合と同じである。

【0058】

時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４が、電流波形のゼロクロスタイミングである。補償電圧の矩形波は、位相差ｄＰに相当する時間だけ遅延してゼロクロスタイミングを迎える（グラフＧ３３）。電流波形と矩形波の位相が位相差ｄＰだけずれていることで、誤差電圧に起因する６次電流変動が完全には抑えきれずに少し残る（グラフＧ３４）。位相差ｄＰを適切に選定することで、誤差電圧に起因する６次電流変動（グラフＧ３４）を、モータの電気的特性に起因する６次電流変動（グラフＧ３５）と逆位相にすることができる。トータルの６次電流変動はグラフＧ３４とグラフＧ３５の合算であるため、両者は相殺し、結果としてトータルの６次電流変動が抑えられる（グラフＧ３６）。図５と図６の（Ｃ）の列の場合、ｄ軸電流とｑ軸電流の６次成分が抑えられるので、結果としてモータの６次トルク変動が抑えられる。

【0059】

モータの電気的特性に起因して生じる６次電流変動は、モータの電気的特性に依存する。それゆえ、モータの電気的特性による６次電流変動を抑えるための位相差ｄＰは、モータの電気的特性（モータのインダクタンスや逆起電力）に依存する。モータの電気的特性は、モータの回転数と電流（対象の相を流れる電流）の振幅と、進角制御における進角（電流進角）に依存して変化する。それゆえ、制御装置２０は、モータ６の回転数と電流の振幅と、進角制御の進角を変数として位相差を決定するマップを備えている。マップは、モータ６を用いた評価試験やシミュレーションなどを用いて予め決定される。図７にマップの一例を示す。図７のマップは、横軸が進角制御における電流進角を示しており、縦軸が位相差（中点電流の正弦波に対する補償電圧の矩形波の位相差）を示している。また、図７のマップでは、相電流（モータを流れる電流）の幾つかの振幅のそれぞれに対して位相差を決めるグラフが描かれている。

【0060】

モータの６次トルク変動を抑えるためのデッドタイム補償制御のフローチャートを図８、９に示す。図８、９を参照しつつデッドタイム補償制御を説明する。図８、９の処理は、制御装置２０の補償電圧生成部２７が主に行う。図８、９の処理は一定の周期で繰り返し実行される。図８、９の処理の周期は、ＳＷ素子駆動制御の周期と異なっていてもよい。図８、９の処理は、三相のそれぞれに対して行われる。別言すれば、図８、９の処理は、３個の直列接続体１２ｕ、１２ｖ、１２ｗのそれぞれに対して実行される。

【0061】

制御装置２０は、電圧センサ１５、電流センサ１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ、角度センサ７の計測値（すなわち、インバータ１０の直流端の電圧Ｖｄｃ、中点の電流Ｉａｃ、モータ６のロータの電気角）を取得する（ステップＳ２）。電流Ｉａｃは、三相のうち、現在制御対象としている直列接続体の中点を流れる電流である。制御装置２０は、図４の式に基づいて、補償電圧ｄＶの絶対値ｄＶｍ（＝｜ｄＶ｜）を算出する（ステップＳ３）。

【0062】

続いて制御装置２０は、前回の制御周期のときの電流Ｉａｃと今回の制御周期における電流Ｉａｃの符号（電流Ｉａｃの向き）が異なるか否かをチェックする（ステップＳ４）。ステップＳ４の処理は、中点における電流波形のゼロクロスを検知する処理である。ステップＳ４の判断がＹＥＳの場合、すなわち、電流波形のゼロクロスが検知された場合、制御装置２０は、補償電圧の矩形波の位相差を実現する準備を行う（ステップＳ５、Ｓ６、Ｓ７）。

【0063】

制御装置２０は、前述したマップに基づいて電流波形に対する矩形波の位相差ｄＰを決定する（ステップＳ５）。続いて制御装置２０は、位相差ｄＰを遅延時間に変換する（ステップＳ６）。遅延時間は、位相差ｄＰを時間空間で表した値である。例えば、中点を流れる電流Ｉａｃの波形の周期が３０［ｍｓｅｃ］であり、位相差ｄＰが３６［度］の場合、位相差ｄＰは１周期の１／１０であるから、遅延時間は３［ｍｓｅｃ］となる。

【0064】

続いて制御装置２０は、タイマをスタートさせる（ステップＳ７）。タイマは、ステップＳ４にてゼロクロスが検知されてからの経過時間を示す。ゼロクロスが検知されない場合、ステップＳ５－Ｓ７はスキップされる。

【0065】

ステップＳ７にてスタートしたタイマは、図９のステップＳ１６でストップ／リセットされる。制御装置２０は、タイマが動作中の場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、ゼロクロス検知のタイミングからの経過時間を遅延時間と比較する（ステップＳ１５）。ゼロクロス検知のタイミングからの経過時間が遅延時間を経過していない場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、制御装置２０は、ステップＳ１７の式に基づいて補償電圧ｄＶを算出する。一方、タイマが動作中でない場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、制御装置２０は、ステップＳ１３の式に基づいて補償電圧ｄＶを算出する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３では、補償電圧ｄＶの絶対値ｄＶｍに電流Ｉａｃの符号（ｓｉｇｎ（Ｉａｃ））を乗じて補償電圧ｄＶを算出する。ステップＳ１３の算出結果は、図４の式の結果と同じとなる。一方、ステップＳ１７の式は、図４の式の結果を正負反転させたものに相当する。すなわち、ゼロクロス検知のタイミングからの経過時間が遅延時間を経過するまでは、補償電圧ｄＶはゼロクロス検知前の補償電圧と同じ符号を有することになる。タイマの経過時間が遅延時間を過ぎたら、制御装置２０はタイマをストップ／リセットし、ステップＳ１３の式に基づいて補償電圧ｄＶを決定する。これらの処理により、中点における電流波形に対して位相差ｄＰに相当する遅延時間を伴った矩形波（補償電圧の矩形波）が生成される。

【0066】

最後に制御装置２０（補償電圧生成部２７）は、ステップＳ１３またはステップＳ１７で決定した補償電圧ｄＶを出力する（ステップＳ１４）。補償電圧ｄＶを出力するとは、図２で示したように、該当する相の目標電圧に補償電圧ｄＶを加算することを意味する。一端出力された補償電圧ｄＶは、次の周期のステップＳ１４が実行されるまで保持される。すなわち、次の周期のステップＳ１４が実行されるまで、前回の周期で決定された補償電圧ｄＶが加算器２５ｕ（２５ｖ、２５ｗ）にて目標電圧に加算される。

【0067】

デッドタイム補償制御の処理をまとめると次の通りである。制御装置２０は、（４）デッドタイムＤＴに起因して生じる出力電圧の誤差電圧を補償する補償電圧ｄＶを算出する（ステップＳ３）。制御装置２０は、（５）ＰＷＭ信号を生成する前に中点の目標電圧に補償電圧を加算する（ステップＳ１４）。補償電圧ｄＶの時間変化は、図４から理解されるように、絶対値が同じで極性の異なる二値を交互に繰り返す矩形波であって直列接続体の中点を流れる電流の周波数と同じ周波数の矩形波となる。しかし、矩形波は、中点の電流の波形に対して所定の位相差ｄＰを有している。別言すれば、矩形波は、中点の電流の波形と同じ周期を有しているが位相が位相差ｄＰだけずれている。

【0068】

位相差と６次トルク変動の関係をシミュレーションにより求めた一例を図１０に示す。このシミュレーションは所定のモータ回転数、電流振幅、進角において、位相差ｄＰをパラメータとした計算結果である。この例の場合は、－５［度］の位相差を選択したときに６次トルク変動は最小となる。

【0069】

位相差ｄＰは、モータ６の６次トルク変動が位相差ゼロの場合よりも小さくなるように定められる。位相差ｄＰは、シミュレーションや実験により予め決定される。位相差ｄＰは、モータ６の回転数と電流の振幅と、進角制御の電流進角を変数として位相差ｄＰを決定するマップ形式で用意されているとよい。

【0070】

（その他の実施例）上記した実施例では、誤差電圧（中点の目標電圧と出力電圧の差）は、中点電流の波形と逆位相の矩形波であると説明した（図５参照）。より正確には、誤差電圧は、中点における電流波形（正弦波）と逆位相の正弦波となる。より精密に誤差電圧を相殺しようとするなら、補償電圧も正弦波（あるいは、正弦波を複数の電圧離散値で近似した近似波）とする方がよい。すなわち、補償電圧の時間変化は、直列接続体の中点を流れる電流の周波数と同じ周波数の正弦波または当該正弦波を複数の電圧離散値で近似した近似波であるとよい。そして、補償電圧の時間変化（近似波）は、中点の電流波形に対して所定の位相差を有するように決定される。位相差は、中点を流れる電流波形の周波数の６次に相当する三相交流モータのトルク変動が位相差がゼロの場合よりも小さくなるように定められる。

【0071】

実施例では、補償電圧は矩形波であった。この矩形波は、正弦波を、絶対値が同じで極性の異なる二値で近似したケースに相当する。

【0072】

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。デッドタイムＤＴは予め制御装置２０が記憶している。デッドタイムＤＴは、モータの回転数（あるいはモータに流れる電流の周波数）などに応じて定められるものであってもよい。補償電圧の絶対値（ｄＶｍ）は、インバータ１０の直流端に印加される電圧Ｖｄｃ、デッドタイムＤＴ、キャリア波の周波数に依存して定められる。インバータ１０が出力する交流電流の周波数は、モータ６の回転数に比例する。具体的には、交流電流の周波数は、モータ６の回転周波数にモータの極数を乗じた値に等しくなる。

【0073】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0074】

２：モータシステム ３：直流電源 ６：モータ ７：角度センサ ８：上位制御装置 １０：インバータ １２ｕ、１２ｖ、１２ｗ：直列接続体 １２ｕＵ、１２ｕＬ：ＳＷ素子 １３ｕ、１３ｖ、１３ｗ：中点 １４ｕ、１４ｖ、１４ｗ：電流センサ １６：平滑コンデンサ １７：ダイオード ２０：制御装置 ２１：目標値変換部 ２２：差分器 ２３：ｄｑ軸目標電圧演算部 ２４：三相変換部 ２５ｕ、２５ｖ、２５ｗ：加算器 ２６：ＰＷＭ信号生成部 ２７：補償電圧生成部 ２８：ｄｑ軸電流計算部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】