三相モータの制御装置と制御方法
【課題】ＰＭＳＭ（永久磁石同期モータ）の制御装置において、インバータのシャント抵抗を流れる直流母線電流を用いて三相の巻線電流を再現する際、高速・高性能のＡＤ変換器やＭＰＵを用いることなく、簡易な回路のみでその巻線電流を再現すること。
【解決手段】検出可能範囲巻線電流再現部３４は、ＭＰＵ１のＰＷＭ信号生成部１２のＰＷＭ Ｄａｔａから生成した正又負検出可能期間信号ＵP〜ＷNを用いて、インバータ２のシャント抵抗Ｒsを流れる直流母線電流Ｉsをサンプル＆ホールドし、そのサンプリングして保持した電流値を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを生成し、推定巻線生成部３５は、その検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて検出不可能範囲の巻線電流を推定して推定巻線電流＾ｉｕ〜＾ｉｗを生成する。
【解決手段】検出可能範囲巻線電流再現部３４は、ＭＰＵ１のＰＷＭ信号生成部１２のＰＷＭ Ｄａｔａから生成した正又負検出可能期間信号ＵP〜ＷNを用いて、インバータ２のシャント抵抗Ｒsを流れる直流母線電流Ｉsをサンプル＆ホールドし、そのサンプリングして保持した電流値を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを生成し、推定巻線生成部３５は、その検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて検出不可能範囲の巻線電流を推定して推定巻線電流＾ｉｕ〜＾ｉｗを生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、１シャント抵抗電流検出方式を用いて三相の巻線電流を再現し、その再現した巻線電流によって、永久磁石同期モータ、三相誘導モータ、三相ステッピングモータ、シンクロナスモータ、リラクタンスモータ、三相リニアモータ等の三相モータ（三相巻線を有するモータ）を制御する三相モータの制御装置と制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来提案されている１シャント抵抗電流検出方式を用いた永久磁石同期モータ（以下ＰＭＳＭと呼ぶ）の制御装置のブロック図を示す（例えば非特許文献１参照）。
ＰＭＳＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線電流ｉu，ｉv，ｉwは、インバータ６６から供給する。インバータ６６の上アーム３個と下アーム３個の計６個のＭＯＳＦＥＴは、ＰＷＭ Ｄａｔａのスイッチング信号Ｕup，Ｖup，Ｗupとスイッチング信号Ｕdown，Ｖdown，Ｗdownに制御されてＯＮ，ＯＦＦする。ＰＷＭ Ｄａｔａは、ＭＰＵ６１のＰＷＭ信号生成部６２において、三角波キャリア比較方式で生成する。
ＭＰＵ６１のサンプリング部６３は、ＰＷＭ信号に基づくタイミング信号ＴＳに制御されてインバータ６６のシャント抵抗Ｒsを流れる直流母線電流ｉsをサンプリングする。ＭＰＵ６１のＡＣ電流演算部６４は、サンプリング部６３のサンプルをＡＤ変換し、そのサンプルのデジタル信号を用いて、ＰＷＭ信号生成部６２のＰＷＭ信号に従って巻線電流ｉu〜ｉwを演算し、生成する。ＭＰＵ６１の制御部６５は、ＡＣ電流演算部６４の巻線電流ｉu〜ｉwを用いて電圧指令ｖu，ｖv，ｖwを生成し、その電圧指令ｖu，ｖv，ｖwをＰＷＭ信号生成部６２へ供給する。
【０００３】
【非特許文献１】福本哲哉、渡邊幸恵、濱根洋人、林洋一：「三相ＰＷＭインバータの直流電流検出による交流電流演算の一手法」、電気学会論文誌Ｄ、１２７巻２号、２００７：ｐｐ．１８１−１８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の１シャント抵抗電流検出方式は、巻線電流ｉu〜ｉwを生成するとき、キャリア一周期に数回、直流母線電流ｉsを取出し、その直流母線電流をＡＤ変換し、ＭＰＵ内で巻線電流ｉu〜ｉwを演算しなければならない。そのため高速、高分解能のＡＤコンバータが必要になり、かつ高速演算が可能なＭＰＵが必要になるから、ＡＤコンバータやＭＰＵのコストが高くなる。
本願発明は、従来の１シャント抵抗電流検出方式の前記問題点に鑑み、従来のように直流母線電流を直接ＡＤ変換してＭＰＵ内で三相の巻線電流を再現することなく、直流母線電流をアナログ量のまま簡易な回路を用いて三相の巻線電流を再現することにより、三相の巻線電流の再現時に高速、高分解能のＡＤコンバータや高速演算の可能なＭＰＵが必要でない三相モータの制御装置と制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載の三相モータの制御装置は、ＰＷＭ信号によりスイッチング素子を制御して三相の巻線に電流を供給するインバータを備え、そのインバータの母線に接続されているシャント抵抗に流れる直流母線電流からＰＷＭ信号に基づいて検出可能期間の各相の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて各相の巻線電流を連続して再現し、その再現した巻線電流を制御に用いる三相モータの制御装置において、巻線電流の検出可能期間と検出不可能期間からなる検出可能範囲において検出可能期間に検出した各相の巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の各相の巻線電流を再現する検出可能範囲巻線電流再現部、検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の巻線電流を時系列的に合成して検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を連続して再現する推定巻線電流生成部を備えていることを特徴とする。
請求項２に記載の三相モータの制御装置は、請求項１に記載の三相モータの制御装置において、前記三相モータは、永久磁石同期モータであることを特徴とする。
請求項３に記載の三相モータの制御装置は、請求項１又は請求項２に記載の三相モータの制御装置において、前記検出可能範囲巻線電流再現部は、ＰＷＭ信号から生成した正検出可能期間信号と負検出可能期間信号に制御されて直流母線電流から検出可能期間の巻線電流値を検出して保持する複数のサンプル＆ホールド回路からなり、前記推定巻線電流生成部は、前記正検出可能期間信号と負検出可能期間信号からなる正負検出可能期間信号が検出されたとき生成する検出可能範囲信号が検出されているとき検出可能範囲の各相の巻線電流を選択し、検出可能範囲信号が検出されていないとき、その相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の巻線電流を選択するスイッチ回路からなることを特徴とする。
請求項４に記載の三相モータの制御装置は、請求項３に記載の三相モータの制御装置において、前記正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号を生成する検出可能範囲信号生成部を備え、その検出可能範囲信号生成部によって前記スイッチ回路を制御することを特徴とする。
【０００６】
請求項５に記載の三相モータの制御方法は、ＰＷＭ信号によりスイッチング素子を制御して三相の巻線電流を供給するインバータの母線に接続されているシャント抵抗に流れる直流母線電流からＰＷＭ信号に基づいて検出可能期間の各相の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて各相の巻線電流をして再現し、その再現した巻線電流を制御に使用する三相モータの制御方法において、検出可能期間と検出不可能期間からなる検出可能範囲において検出可能範囲の検出可能期間に検出した各相の巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の各相の巻線電流を再現し、検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流を時系列的に合成して検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を連続して再現し、その再現した巻線電流を制御に使用することを特徴とする。
請求項６に記載の三相モータの制御方法は、請求項５に記載の三相モータの制御方法において、前記三相モータは、永久磁石同期モータであることを特徴とする。
請求項７に記載の三相モータの制御方法は、請求項５又は請求項６に記載の三相モータの制御方法において、前記補間は、ＰＷＭ信号から生成した正検出可能期間信号と負検出可能期間信号によりサンプル＆ホールド回路を制御して直流母線電流から検出可能期間の巻線電流値を検出し保持して検出可能範囲の各相の巻線電流の再現を行い、前記検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流の時系列的合成は、前記正検出可能期間信号と負検出可能期間信号からなる正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号を生成し、その検出可能範囲信号が検出されているとき検出可能範囲の各相の巻線電流を選択し、検出可能範囲信号が検出されていないときはその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流を選択して行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明は、直流母線電流から検出可能範囲の巻線電流を再現し、その検出可能範囲の巻線電流を用いて巻線電流を連続して再現することにより、巻線電流の検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を再現している。そしてその再現の過程において、直流母線電流から検出した巻線電流は、ＡＤ変換することなくアナログ量のまま用いて、簡易な回路で連続して全範囲の巻線電流を再現できる。即ち本願発明は、直流母線電流から全範囲の巻線電流を再現するとき、直流母線電流をデジタル量に変換してＭＰＵに取り込むことなく簡易な回路で処理して巻線電流を再現できる。そして各相の巻線電流を再現する簡易な回路は、汎用の演算増幅器やロジック回路等によって構成することができる。したがって本願発明は、直流母線電流から三相の巻線電流を再現するために高速、高分解能のＡＤ変換器を用いる必要がなく、かつ高速処理が可能なＭＰＵを用いる必要もないから、三相モータの制御装置は、安価に作製することができ、三相モータの制御方法は、簡単になる。
【０００８】
本願発明は、直流母線電流から検出可能範囲の巻線電流を再現する過程、及び検出可能範囲の巻線電流から全範囲の巻線電流を再現する過程に用いる制御信号は、スイッチング信号（ＰＷＭ信号）に基づいて生成するから、簡単に生成することができる。
本願発明は、巻線電流の検出可能期間に検出したサンプル電流値を用いて、検出不可能期間の巻線電流を補間して再現することができ、その補間には、直流母線電流をサンプリングしてサンプル電流値を保持するサンプル＆ホールド回路を用いるだけでよいから、補間回路は簡単になる。
本願発明は、検出不可能範囲の各相の巻線電流は、その相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流を用いて推定し再現することができ、検出可能範囲の電流か検出不可能範囲の電流かを選択する回路を設けるだけでよいから、推定巻線電流の生成回路は簡単になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１〜図６により本願発明の実施例を説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を使用している。
【実施例】
【００１０】
まず図１のブロック図を用いて三相モータの一つである永久磁石同期モータ（以下ＰＭＳＭと呼ぶ）の制御装置の全体の構成を説明し、次に図２〜図６を用いて各部の詳細を説明する。
図１において、１は、ＭＰＵ、２は、インバータ、ＰＭＳＭは、永久磁石同期モータ、３は、三相の巻線電流再現部である。ＭＰＵ１は、ＰＷＭ信号生成部１２、三相の電圧指令生成部１３、三角波（キャリア信号）生成部１４を備えている。インバータ２は、上アーム２１１、下アーム２１２、直流電源２２、シャント抵抗Ｒs等を備え、上アーム３個と下アーム３個の計６個のＭＯＳＦＥＴ（パワーデバイス）からなる。ＰＭＳＭは、図１（ｂ）のようにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の巻線と永久磁石のロータ（図示せず）からなる。巻線電流再現部３は、スイッチング信号生成部３０、正又負検出可能期間信号生成部３１、正負検出可能期間信号生成部３２、検出可能範囲信号生成部３３、検出可能範囲巻線電流再現部３４、推定巻線電流生成部３５等からなる。
【００１１】
ＰＷＭ信号生成部１２は、電圧指令生成部１３の三相の電圧指令（正弦波）と三角波生成部１４の三角波に基づき、三角波比較方式によってＰＷＭ Ｄａｔａを生成し、インバータ２とスイッチング信号生成部３０へ供給する。ＰＷＭ Ｄａｔａは、インバータ２の上アーム２１１のスイッチングを制御するスイッチング信号Ｕup，Ｖup，Ｗupと、下アーム２１２のスイッチングを制御するスイッチング信号Ｕdown，Ｖdown，Ｗdownからなる。
インバータ２は、スイッチング信号Ｕup〜Ｗup，Ｕdown〜Ｗdownに制御されて、ＰＭＳＭの巻線に三相の巻線電流ｉu，ｉv，ｉwを供給する。
【００１２】
スイッチング信号生成部３０は、ＰＷＭ Ｄａｔａから、上アーム２１１のスイッチング信号（上アームのＰＷＭ信号）Ｕup〜Ｗupを抽出し、正又負検出可能期間信号生成部３１は、スイッチング信号Ｕup〜Ｗupを用いて、各相の巻線電流が検出可能範囲（後述する）において検出可能な期間を表す正検出可能期間信号ＵP，ＶP，ＷP，負検出可能期間信号ＵN，ＶN，ＷNを生成し、正負検出可能期間信号生成部３２は、正検出可能期間信号ＵP〜ＵN、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNに基づいて、各相の正負検出可能期間を表す正負検出可能期間信号ＵPN，ＶPN，ＷPNを生成し、検出可能範囲信号生成部３３は、正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号ＵON，ＶON，ＷONを生成する。
【００１３】
検出可能範囲巻線電流再現部３４は、シャント抵抗Ｒsを流れる直流母線電流ｉsから検出可能範囲の巻線電流を再現するため、正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNを用いて、直流母線電流ｉsから検出可能期間の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の巻線電流ｉus，ｉvs，ｉwsを生成する。
【００１４】
推定巻線電流生成部３５は、検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて検出不可能範囲（後述する）の巻線電流を生成（再現）するとともに、その検出不可能範囲の巻線電流と検出可能範囲の巻線電流を、相毎に、時系列的に合成して推定巻線電流＾ｉu，＾ｉv，＾ｉw（ハットｉu，ハットｉv，ハットｉw）を生成する。その推定巻線電流＾ｉu〜＾ｉwの生成には、検出可能範囲信号ＵON〜ＷONにより制御されるスイッチ回路を用いる。また検出不可能範囲の巻線電流の生成には、巻線電流の総和は０（キルヒホッフの法則）の関係を利用する。
例えばＵ相の場合、検出可能範囲信号ＵONが生成しているとき、＾ｉu＝ｉusとなり、検出可能範囲信号ＵONが生成していないとき、＾ｉu＝−（ｉvs＋ｉws）となり、ｉusと−（ｉvs＋ｉws）が時系列的に合成されて推定巻線電流＾ｉuを生成する。したがって巻線電流の検出可能範囲及び検出不可能範囲、即ち全範囲の巻線電流＾ｉuは、＾ｉu＝ＵON×ｉus−バーＵON×（ｉvs＋ｉws）となる。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００１５】
以上のように検出可能範囲巻線電流再現部３４は、巻線電流の検出可能範囲について、正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNを用いて直流母線電流ｉsから検出可能期間の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを再現する。一方推定巻線電流生成部３５は、巻線電流の検出不可能範囲について、検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて検出不可能範囲の巻線電流を再現するとともに、その巻線電流と検出可能範囲の巻線電流を時系列的に合成して推定巻線電流＾ｉu〜＾ｉwを生成する。
再現した推定巻線電流＾ｉu〜＾ｉwは、ＡＤ変換してＭＰＵ１へ取り込みＰＭＳＭの制御に使用する。
なお図１は、巻線電流の再現にインバータ２の上アーム２１１のスイッチング信号Ｕup〜Ｗupを用いたが、下アーム２１２のスイッチング信号Ｕdown〜Ｗdownを用いてもよい。またインバータ２の上下アームのＭＯＳＦＥＴは、他のスイッチング素子でもよい。
【００１６】
ここで巻線電流の検出可能範囲、検出不可能範囲、検出可能期間、検出不可能期間、正検出可能期間信号、負検出可能期間信号、正負検出可能期間信号について簡単に説明する。詳細については、後述する。
三相の巻線に流れる巻線電流ｉu，ｉv，ｉwは、インバータからモータ（巻線）方向（正方向と呼ぶ）への流れと、モータ（巻線）からインバータ方向（負方向と呼ぶ）への流れとを繰り返す。またスイッチング信号（ＰＷＭ信号）Ｕup〜Ｗupに基づいて、直流母線電流ｉsから各相の巻線電流を検出する場合、正方向の巻線電流及び負方向の巻線電流には、検出できる範囲と検出できない範囲がある。前者の範囲を検出可能範囲と呼び、後者の範囲を検出不可能範囲と呼ぶ。また検出可能範囲であっても、巻線電流が検出できる期間と検出できない期間がある。前者の期間を検出可能期間と呼び、後者の期間を検出不可能期間と呼ぶ。また正検出可能期間信号と負検出可能期間信号及び正負検出可能期間信号は、ともに検出可能期間を表す信号であるが、正検出可能期間信号と負検出可能期間信号は、正方向又は負方向の巻線電流の検出可能期間を表し、正負検出可能期間信号は、正方向及び負方向（正負両方向）の巻線電流の検出可能期間を表す。
【００１７】
次に図２〜図６を用いて各部の詳細を説明する。
図２は、スイッチング信号（ＰＷＭ信号）Ｕup〜Ｗupと巻線電流ｉu〜ｉw、直流母線電流ｉsの関係を示す。
図２において、イ、ニは、三相の巻線に流れる電流の方向を示し（巻線は省略してある）、ロ、ホは、スイッチング関数（論理関数）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）の状態、即ちインバータ２の上アーム２１１のＭＯＳＦＥＴのスイッチングの状態を示し、ハ、ヘは、巻線電流ｉu〜ｉwと直流母線電流ｉsの関係を示す。また正検出可能期間信号ＵP，ＶP，ＷPは、直流母線電流ｉs（巻線電流ｉu，ｉv，ｉw）が正であるとき、インバータからモータ方向（正方向）へ電流が流れている期間（或いは状態）、また直流母線電流ｉsが負であるとき、モータからインバータ方向（負方向）へ電流が流れている期間（或いは状態）を示し、負検出可能期間信号ＵN，ＶN，ＷNは、直流母線電流ｉsが正であるとき、モータからインバータ方向（負方向）へ電流が流れている期間（或いは状態）、また直流母線電流ｉsが負であるとき、インバータからモータ方向（正方向）へ電流が流れている期間（或いは状態）を示す。
【００１８】
図２の（１）〜（６）は、スイッチング関数ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）の状態変数が次の場合を示す。なお状態変数１はＯＮの状態を、状態変数０はＯＦＦの状態を表す。
（１）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，０，０）の期間
ｉu＝ｉsのときＵP＝１、それ以外のときＵP＝０
（２）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，１，１）の期間
ｉu＝−ｉsのときＵN＝１、それ以外のときＵN＝０
（３）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，１，０）の期間
ｉv＝ｉsのときＶP＝１、それ以外のときＶP＝０
（４）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，０，１）の期間
ｉv＝−ｉsのときＶN＝１、それ以外のときＶN＝０
（５）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，０，１）の期間
ｉw＝ｉsのときＷP＝１、それ以外のときＷP＝０
（６）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，１，０）の期間
ｉw＝−ｉsのときＷN＝１、それ以外のときＷN＝０
【００１９】
次に図３により、図１の電圧指令生成部１３の三相の電圧指令（正弦波）と三角波生成部１４の三角波を用いて、図１のＰＷＭ信号生成部１２において生成するスイッチング信号（上アームのＰＷＭ信号）Ｕup〜Ｗupについて説明する。
スイッチング信号Ｕup〜Ｗupには、図３（ａ）の三相の電圧指令ｖu，ｖv，ｖwと三角波を用いて三角波比較方式によって生成する。図３（ａ）の時刻ＴＡにおけるスイッチング信号Ｕup〜Ｗupは、図３（ｂ１）のようになり、時刻ＴＢにおけるスイッチング信号Ｕup〜Ｗupは、図３（ｂ２）のようになる。
図３（ｂ１），（ｂ２）において、（イ）は、電圧指令ｖu〜ｖwの瞬時値と三角波の関係を示し、（ロ）は、スイッチング信号の出力電圧（ＰＷＭ出力電圧）を示し、（ハ）は、スイッチング信号パターン（ＰＷＭパターン）、直流母線電流ｉsと検出できる巻線電流を示す。またスイッチング信号パターンは、スイッチング信号Ｕup〜Ｗupにより制御されるインバータの上アームのＯＮ（１）、ＯＦＦ（０）状態を表しており、直流母線電流ｉsは、それらのＯＮ、ＯＦＦ状態において検出できる巻線電流を表す。
【００２０】
図３（ｂ１）の場合、電圧指令ｖu〜ｖwの瞬時値は三相とも相違し、（ｂ２）の場合、電圧指令ｖv，ｖwの瞬時値は同じで、電圧指令ｖuの瞬時値は他の二相と相違している。そして図３（ｂ１）の場合、（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，０，０）の期間はｉs＝ｉu、（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，１，０）の期間はｉs＝−ｉwとなり、それらの期間は、直流母線電流ｉsから巻線電流ｉu，ｉwの検出が可能である。一方（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，０，０），（１，１，１）の期間は、巻線電流の検出が不可能である。
【００２１】
図３（ｂ２）の場合、（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，１，１）の期間はｉs＝−ｉu、（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，０，０）の期間はｉs＝ｉuとなり、それらの期間は、直流母線電流ｉsから巻線電流ｉuの検出が可能である。一方（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，０，０）の期間は、巻線電流の検出が不可能である。したがって直流母線電流ｉsからスイッチング信号Ｕup〜Ｗupに基づいて巻線電流ｉu〜ｉwを検出する場合、三角波の一周期の間には、巻線電流の検出が可能な相と不可能な相、及び検出が可能な期間と検出が不可能な期間がある。
以上のように三角波の一周期の間に検出できる巻線電流は、図３（ｂ１）の場合ｉuとｉw、図３（ｂ２）の場合ｉuのみである。即ち図３（ｂ１）のように、電圧指令ｖu，ｖv，ｖwの瞬時値が三相とも異なる場合は、二相の巻線電流を検出でき、図３（ｂ２）のように、電圧指令ｖu，ｖv，ｖwの二相（ｖv，ｖw)の瞬時値が同じ場合は、一相の巻線電流を検出できる。
【００２２】
次に巻線電流の検出可能範囲と検出不可能範囲について説明する。
三角波の一周期の間に巻線電流ｉuの検出可能期間が一度でもある場合、巻線電流ｉuが検出可能範囲と定義する。巻線電流ｉv，ｉwについても同様に定義する。例えば、図３（ｂ１）のように電圧指令ｖu，ｖv，ｖwの瞬時値が三相とも相違するときは、そのときの瞬時値が最大のＵ相と最小のＷ相の二相の巻線電流ｉu，ｉwが検出可能範囲と定義する。また図３（ｂ２）のように電圧指令ｖu，ｖv，ｖwの内、二相の電圧指令ｖv，ｖwの瞬時値のみが同じであるときは、残りの一相の巻線電流ｉuが検出可能範囲と定義する。ここで図３（ｂ２）のように一相の巻線電流のみが検出可能な条件は、二相の電圧指令ｖv，ｖwが同じになる瞬間だけであるから、一相の巻線電流のみの検出可能範囲は考慮しなくてもよい。
【００２３】
以上の定義により巻線電流の検出可能範囲を表すと図４のようになる。
図４（ａ）は、電圧指令ｖu，ｖv，ｖwの瞬時値の中で最大と最小の範囲を示し、図４（ｂ）は、巻線電流ｉu，ｉv，ｉwの検出可能範囲を示す。
図４（ａ）において、例えば、Ｕ相最大は、電圧指令ｖu〜ｖwの内Ｕ相の瞬時値が他の二相より大きい範囲を示し、Ｕ相最小は、Ｕ相の瞬時値が他の二相の振幅よりも小さい範囲を示す。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
図４（ａ）のＵ相最大とＵ相最小の範囲は、直流母線電流ｉsから巻線電流ｉuの検出が可能な範囲で、その検出可能範囲は、図４（ｂ）のようになる。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。図４（ａ）のＵ相最大とＵ相最小の範囲の間、及び図４（ｂ）の巻線電流ｉuが検出可能範囲でない間（巻線電流ｉuと巻線電流ｉuの間）は、巻線電流ｉuの検出不可能範囲である。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。そして巻線電流の検出不可能範囲は、各相の電圧指令の瞬時値が、その相の他の二相の電圧指令の瞬時値の間に位置する範囲である。例えば、Ｕ相の場合、電圧指令ｖuの瞬時値が、電圧指令ｖvの瞬時値より大きく電圧指令ｖwの瞬時値よりも小さい範囲、及び電圧指令ｖuの瞬時値が、電圧指令ｖvの瞬時値より小さく電圧指令ｖwの瞬時値よりも大きい範囲である。
【００２４】
検出可能範囲では、図４（ｂ）のときに巻線電流ｉu〜ｉwを検出できるが、その検出可能範囲であっても、前述したように巻線電流の検出可能期間（図３（ｂ１）の（１，０，０）等）と検出不可能期間（図３（ｂ１）の（０，０，０）等）が存在する。そこで検出不可能期間の巻線電流は、検出可能期間に検出した巻線電流を用いて補間することにより、検出可能範囲の巻線電流を連続的に再現する。ここで補間して再現した巻線電流を検出可能範囲の巻線電流と呼ぶ。
検出可能範囲の巻線電流は、図１の検出可能範囲巻線電流再現部３４において、サンプル＆ホールド回路（以下Ｓ＆Ｈと呼ぶ）を用いて生成する。検出可能範囲巻線電流再現部３４は、正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNを用いてＳ＆Ｈを制御し、直流母線電流ｉsをサンプリングしてその値を保持し、その保持した電流値（サンプル電流値）を用いて検出可能範囲の巻線電流を生成する。なお検出可能範囲巻線電流部３４の構成は、後述する。
【００２５】
ここで図１の正又負検出可能期間信号生成部３１において生成する正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNについて説明する。
まずＵ相を例に、正検出可能期間信号ＵPと負検出可能期間信号ＵNについて説明する。
図２（１）の場合、スイッチング関数ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，０，０）となり、この期間の直流母線電流ｉsと巻線電流ｉuは、ｉs＝ｉuとなるから、直流母線電流ｉsから巻線電流ｉuを検出することができる。そしてこの期間は、直流母線電流ｉsが正の時に巻線電流ｉuが正方向に流れる期間であり、直流母線電流ｉsが負の時に巻線電流ｉuが負方向に流れる期間であるから、この期間を表す正検出可能期間信号ＵPは、式（１）で表すことができる。
同様に図２（２）の場合は、スイッチング関数ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，１，１）となり、この期間は、直流母線電流ｉsが正の時に巻線電流ｉuが負方向に流れる（ｉs＝−ｉuとなる）期間であり、直流母線電流ｉsが負の時にｉuが正方向に流れる期間であるから、この期間を表す負検出可能期間信号ＵNは、式（２）で表すことができる。
以下同様にＶ相、Ｗ相の巻線電流ｉvが正又負方向に流れる期間を表す正検出可能期間信号ＶP，ＷP、及び負検出可能期間信号ＶN，ＷNは、式（３）〜（６）で表すことができる。
【００２６】
【数１】
【００２７】
次に式（１）〜（６）の論理に基づいて、検出可能範囲の巻線電流を再現する方法について説明する。
式（１）〜（６）で表される正又負検出可能期間信号ＵP〜ＷNと直流母線電流ｉs及び巻線電流ｉuとの関係は、図２において説明したように、ＵP＝１の場合ｉs＝ｉu、ＵN＝１の場合ｉs＝−ｉuとなる。同様にＶP＝１の場合ｉs＝ｉv、ＶN＝１の場合ｉs＝−ｉv、ＷP＝１の場合ｉs＝ｉw、ＷN＝１の場合ｉs＝−ｉwとなる。
したがってＵ相の場合、正検出可能期間信号ＵPによって直流母線電流ｉsをサンプリングし、その電流値を保持し、その保持した電流値（サンプル電流値）ｉupを用いて検出不可能期間の巻線電流を補間し、負検出可能期間信号ＵNによって直流母線電流ｉsをサンプリングし、その電流値を保持し、その保持した電流値ｉunを用いて検出不可能期間の巻線電流を補間することにより、保持した電流値を合成して検出可能範囲のＵ相の巻線電流値ｉusを再現することができる。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００２８】
そこで正又負検出可能期間信号ＵP〜ＷNにより直流母線電流ｉsをサンプリングし、保持されている電流値をｉup，ｉvp，ｉwp，ｉun，ｉvn，ｉwnとし、検出可能範囲の巻線電流をｉus，ｉvs，ｉwsとすると、検出可能範囲の巻線電流ｉus，ｉvs，ｉwsは、式（７）〜（９）によって求めることができる。
ｉus＝ｉup−ｉun （７）
ｉvs＝ｉvp−ｉvn （８）
ｉws＝ｉwp−ｉwn （９）
【００２９】
図５は、式（７）〜（９）で表される検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを生成する検出可能範囲巻線電流再現部３４の構成と検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsの波形を示す。
図５（ａ）において、直流母線電流ｉsは、ローパスフィルタ３４１を介してＳ＆Ｈ３４２１〜３４２６へ供給される。Ｓ＆Ｈ３４２１〜３４２６は、正又負検出可能期間信号ＵP〜ＷNにより制御され、直流母線電流ｉsをサンプリングして保持した電流値をｉup〜ｉwnとする。保持した電流値ｉup〜ｉwnは、相毎に合成して検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを生成する。
例えばＵ相の場合、Ｓ＆Ｈ３４２１は、正検出可能期間信号ＵPに制御されてサンプリングした電流値を保持して電流値ｉupを生成し、Ｓ＆Ｈ３４２２は、負検出可能期間信号ＵNに制御されてサンプリングした電流値を保持して電流値ｉunを生成する。保持した電流値ｉup，ｉunは、合成されて検出可能範囲の巻線電流ｉusを生成する。Ｖ相，Ｗ相も同様に検出可能範囲の巻線電流ｉvs，ｉwsを生成する。
検出可能範囲巻線電流再現回路３４によって再現した検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsの波形は、インダクタンス成分による電流の遅れがない場合図５（ｂ）のようになる。即ち検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsは、二相分が連続して再現される。
したがって検出可能範囲の巻線電流は、巻線電流ｉus〜ｉwsにより再現できる。
【００３０】
次に巻線電流の検出不可能範囲の巻線電流を再現する方法について説明する。
検出不可能範囲の巻線電流は、正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信ＵN〜ＷNを用い、ｉu＋ｉv＋ｉw＝０（巻線電流の総和は０：キルヒホッフの法則）の関係を利用し、検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて推定、再現する。即ち検出不可能範囲の巻線電流は、検出可能範囲で再現した巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて再現する。
【００３１】
検出不可能範囲の巻線電流の再現には、まず三相の正負検出可能期間信号ＵPN〜ＷPNを生成する。正負検出可能期間信号ＵPN〜ＷPNは、巻線電流ｉu，ｉv，ｉwの正方向及び負方向の期間（正負両方向の期間）を表し、検出可能期間を表す信号である。正負検出可能期間信号ＵPN〜ＷPNは、正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNを用いて、次の論理式で表すことができる。
ＵPN＝ＵP＋ＵN （１０）
ＶPN＝ＶP＋ＶN （１１）
ＷPN＝ＷP＋ＷN （１２）
【００３２】
次に正負検出可能期間信号ＵPN〜ＷPNが検出されているとき、その正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号ＵON〜ＷONを生成する（生成方法は後述する）。
検出不可能範囲の巻線電流は、検出可能範囲信号ＵON〜ＷONと検出可能範囲の各相の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いてさらにｉu＋ｉv＋ｉw＝０（ｉu＝−（ｉv＋ｉw））の関係を利用して推定する。推定巻線電流＾ｉu，＾ｉv，＾ｉwは、次の式で表すことができる。
【００３３】
【数２】
ここで式（１３）の場合、ｉusは、巻線電流の検出可能範囲のＵ相の巻線電流であり、−（ｉvs＋ｉws）は、巻線電流の検出不可能範囲のＵ相の巻線電流である。Ｖ相の式（１４）、Ｗ相の式（１５）についても同様である。したがって式（１３）〜（１５）の推定巻線電流＾ｉu，＾ｉv，＾ｉwは、巻線電流の検出可能範囲及び検出不可能範囲（即ち全範囲）の再現された巻線電流を表している。
【００３４】
図６は、検出可能範囲信号生成部３３、推定巻線電流生成部３５の構成を示す。
図６（ａ１）において、検出可能範囲信号生成部３３は、三相の正負検出可能期間信号の検出信号生成器３３１〜３３３からなる。図６（ａ２）は、Ｕ相の検出可能範囲信号生成器３３１の具体例を示す。Ｖ相、Ｗ相も同様に構成する。
Ｕ相の場合、検出信号生成器３３１は、正負検出可能期間信号ＵPNが検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号ＰＰを発生させて検出可能範囲信号ＵONを生成し、検出可能範囲信号ＵONが検出されない（生成されない）ときは、検出不可能範囲信号バーＵONを生成する。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００３５】
図６（ｂ）において、推定巻線電流生成部３５は、検出可能範囲の巻線電流ｉus，ｉvs，ｉwsを用い、式（１３）〜（１５）に基づいて推定巻線電流＾ｉu，＾ｉv，＾ｉwを生成する。
例えばＵ相の場合、図６（ａ１），（ａ２）の正負検出可能期間信号の検出信号生成器３３１において、検出可能範囲信号のＵ相の検出可能範囲信号ＵONが生成されているとき、スイッチＳＷｕは、ＵON側に切り換わり、検出可能範囲信号ＵONが生成されていないとき（バーＵONが生成されているとき）、バーＵON側に切り換わる。即ちスイッチＳＷｕは、検出可能範囲信号ＵONが検出されているときは、ＵON側に切り換わり、検出可能範囲信号ＵONが検出されていないときは、バーＵON側に切り換わる。そしてＵON側には、検出可能範囲の巻線電流ｉusが現れ、バーＵON側には、検出可能範囲の巻線電流ｉvsとｉwsから求めた検出不可能範囲の巻線電流が現れている。したがってスイッチＳＷｕがＵON側に切り換わっているとき、＾ｉu＝ｉusとなり、バーＵON側に切り換わっているとき、＾ｉu＝−（ｉvs＋ｉws）となり、ｉusと−（ｉvs＋ｉws）が時系列的に合成されて推定巻線電流＾ｉuとなる。即ち推定巻線電流＾ｉuは、検出可能範囲信号ＵONが検出されているときのＵ相の検出可能範囲の巻線電流ｉusと、検出可能範囲信号ＵONが検出されていないときのＶ，Ｗ相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の巻線電流である−（ｉvs＋ｉws）とからなる。そしてｉusは、巻線電流の検出可能範囲の再現された巻線電流であり、−（ｉvs＋ｉws）は、巻線電流の検出不可能範囲の再現された巻線電流である。Ｖ相の推定巻線電流＾ｉv、Ｗ相の推定巻線電流＾ｉwについても同様である。
【００３６】
以上のように図６（ｂ）の推定巻線電流生成部３５は、巻線電流の検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を再現して生成する。
なお検出可能範囲信号生成部３３、検出可能範囲信号生成器３３１は、図６（ａ１），（ａ２）の構成に限らず、検出可能範囲の信号ＵONが検出されているとき、Ｕ相の場合、スイッチＳＷｕをＵON側へ切り換え、検出可能範囲の信号ＵONが検出されていないとき、スイッチＳＷｕをバーＵON側へ切り換える構成のものであればよい。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００３７】
本実施例は、式（７）〜（９）により直流母線電流ｉsから検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを再現し、最終的に式（１３）〜（１５）により検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて検出可能範囲及び検出不可能範囲（全範囲）の巻線電流＾ｉu〜＾ｉwを再現する。そしてそれらの再現の過程において、直流母線電流ｉsをＡＤ変換することなくアナログ量のまま用いて、アナログ量の推定巻線電流＾ｉu〜＾ｉwを再現している。即ち本実施例は、直流母線電流ｉsから推定巻線電流＾ｉu〜＾ｉwを再現する際、直流母線電流ｉsをＭＰＵに取り込む必要がないのでデジタル量に変換することなくアナログ量のまま簡易な回路で処理できる。そして巻線電流推定回路は、汎用の演算増幅器やロジック回路等によって構成することができる。したがって本実施例は、高速、高分解能のＡＤ変換器を用いる必要がなく、かつ高速処理が可能なＭＰＵを用いる必要もないから、ＰＭＳＭの制御装置を安価に作製することができる。
【００３８】
本実施例によって得られた推定巻線電流を検証するため、図７の実験装置を用いて、推定巻線電流＾ｉu，＾ｉvと電流センサを用いて検出した巻線電流ｉu，ｉvとを比較した。
図７において、５１は、ＰＷＭ Ｄａｔａを生成するＰＷＭ信号生成部を有するＭＰＵ、５２は、インバータ、５３は、本実施例の巻線電流再現部、５４は、供試モータ（ＰＭＳＭ）、５５は、エンコーダ、５６は、負荷とイナーシャ、５７は、カップリング、５８は、ＣＰＬＤである。
なお実験装置の仕様は、次の通りである。
試供モータは、ポール数：４、スロット数：６、トルク定数：０．４４Ｎ・ｍ／Ａ、巻線抵抗：０．９４Ω、ｄ軸インダクタンス：４．７ｍＨ、ｑ軸インダクタンス：４．７ｍＨである。インバータは、ＰＷＭ周波数：１０ｋＨｚ、デッドタイム：１μｓｅｃ、シャント抵抗Ｒs：１Ω、供給電圧：６０Ｖ、パワーデバイス：ＭＯＳＦＥＴである。
【００３９】
図８は、図７の実験装置によって得られた検出巻線電流ｉu，ｉv（太い線）と推定巻線電流＾ｉu，＾ｉv（細い線）の波形を示す。図８（ａ）は、ＰＭＳＭの回転速度が１０００ｍｉｎ-1のとき、図８（ｂ）は、ＰＭＳＭの回転速度が５００ｍｉｎ-1のときのＵ相，Ｖ相の検出巻線電流波形と推定巻線電流波形を示す。検出巻線電流と推定巻線電流の波形は、図８（ａ）、図８（ｂ）いずれ場合も略一致している。
【００４０】
前記実施例は、ＰＭＳＭ（永久磁石同期モータ）について説明したが、ＰＭＳＭの外、三相誘導モータ、三相ステッピングモータ、シンクロナスモータ、リラクタンスモータ、三相リニアモータ等の三相モータであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本願発明の実施例のＰＭＳＭの制御装置の構成を示す。
【図２】本願発明の実施例に係るスイッチング信号（ＰＷＭ信号）と巻線電流、直流母線電流の関係を示す。
【図３】本願発明の実施例に係る各相の電圧指令と三角波（キャリア信号）によって生成するスイッチング信号（ＰＷＭ信号）と巻線電流の関係を示す。
【図４】本願発明の実施例に係る巻線電流の検出可能範囲を示す。
【図５】本願発明の実施例に係る検出可能範囲巻線電流生成部の構成と検出可能範囲の電流巻線電流の波形を示す。
【図６】本願発明の実施例に係る検出可能範囲信号生成部と、推定巻線電流生成部の構成を示す。
【図７】本願発明の実施例に係る推定巻線電流を検証するための実験装置の構成を示す。
【図８】図７の実験装置によって検出した巻線電流と推定巻線電流の波形を示す。
【図９】従来のＰＭＳＭの制御装置の構成を示す。
【符号の説明】
【００４２】
１ ＭＰＵ
１２ ＰＷＭ信号生成部（ＰＷＭ Ｄａｔａ生成部）
１３ 電圧指令生成部
１４ 三角波生成部
２ インバータ
２１１ 上アーム
２１２ 下アーム
２２ 直流電源
３ 巻線電流再現部
３０ スイッチング信号（ＰＷＭ信号）生成部
３１ 正又負検出可能期間信号生成部
３２ 正負検出可能期間信号生成部
３３ 検出可能範囲信号生成部
３４ 検出可能範囲巻線電流再現部
３５ 推定巻線電流生成部
ＰＭＳＭ 永久磁石同期モータ
Ｒs シャント抵抗
ＰＷＭ Ｄａｔａ Ｕup〜ＷupとＵdown〜Ｗdown
Ｕup〜Ｗup，Ｕdown〜Ｗdown 上下アームのスイッチング信号
ＵP〜ＷN 正又負検出可能期間信号
ＵPN〜ＷPN 正負検出可能期間信号
ＵON〜ＷON 検出可能範囲信号
ｉs 直流母線電流
ｉu，ｉv，ｉw Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の巻線電流
ｉup〜ｉwn サンプリングして保持した電流値
ｉus，ｉvs，ｉws 検出可能範囲の巻線電流
＾ｉu，＾ｉv，＾ｉw 推定巻線電流
ｖu，ｖv，ｖw 電圧指令
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、１シャント抵抗電流検出方式を用いて三相の巻線電流を再現し、その再現した巻線電流によって、永久磁石同期モータ、三相誘導モータ、三相ステッピングモータ、シンクロナスモータ、リラクタンスモータ、三相リニアモータ等の三相モータ（三相巻線を有するモータ）を制御する三相モータの制御装置と制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来提案されている１シャント抵抗電流検出方式を用いた永久磁石同期モータ（以下ＰＭＳＭと呼ぶ）の制御装置のブロック図を示す（例えば非特許文献１参照）。
ＰＭＳＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線電流ｉu，ｉv，ｉwは、インバータ６６から供給する。インバータ６６の上アーム３個と下アーム３個の計６個のＭＯＳＦＥＴは、ＰＷＭ Ｄａｔａのスイッチング信号Ｕup，Ｖup，Ｗupとスイッチング信号Ｕdown，Ｖdown，Ｗdownに制御されてＯＮ，ＯＦＦする。ＰＷＭ Ｄａｔａは、ＭＰＵ６１のＰＷＭ信号生成部６２において、三角波キャリア比較方式で生成する。
ＭＰＵ６１のサンプリング部６３は、ＰＷＭ信号に基づくタイミング信号ＴＳに制御されてインバータ６６のシャント抵抗Ｒsを流れる直流母線電流ｉsをサンプリングする。ＭＰＵ６１のＡＣ電流演算部６４は、サンプリング部６３のサンプルをＡＤ変換し、そのサンプルのデジタル信号を用いて、ＰＷＭ信号生成部６２のＰＷＭ信号に従って巻線電流ｉu〜ｉwを演算し、生成する。ＭＰＵ６１の制御部６５は、ＡＣ電流演算部６４の巻線電流ｉu〜ｉwを用いて電圧指令ｖu，ｖv，ｖwを生成し、その電圧指令ｖu，ｖv，ｖwをＰＷＭ信号生成部６２へ供給する。
【０００３】
【非特許文献１】福本哲哉、渡邊幸恵、濱根洋人、林洋一：「三相ＰＷＭインバータの直流電流検出による交流電流演算の一手法」、電気学会論文誌Ｄ、１２７巻２号、２００７：ｐｐ．１８１−１８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の１シャント抵抗電流検出方式は、巻線電流ｉu〜ｉwを生成するとき、キャリア一周期に数回、直流母線電流ｉsを取出し、その直流母線電流をＡＤ変換し、ＭＰＵ内で巻線電流ｉu〜ｉwを演算しなければならない。そのため高速、高分解能のＡＤコンバータが必要になり、かつ高速演算が可能なＭＰＵが必要になるから、ＡＤコンバータやＭＰＵのコストが高くなる。
本願発明は、従来の１シャント抵抗電流検出方式の前記問題点に鑑み、従来のように直流母線電流を直接ＡＤ変換してＭＰＵ内で三相の巻線電流を再現することなく、直流母線電流をアナログ量のまま簡易な回路を用いて三相の巻線電流を再現することにより、三相の巻線電流の再現時に高速、高分解能のＡＤコンバータや高速演算の可能なＭＰＵが必要でない三相モータの制御装置と制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載の三相モータの制御装置は、ＰＷＭ信号によりスイッチング素子を制御して三相の巻線に電流を供給するインバータを備え、そのインバータの母線に接続されているシャント抵抗に流れる直流母線電流からＰＷＭ信号に基づいて検出可能期間の各相の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて各相の巻線電流を連続して再現し、その再現した巻線電流を制御に用いる三相モータの制御装置において、巻線電流の検出可能期間と検出不可能期間からなる検出可能範囲において検出可能期間に検出した各相の巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の各相の巻線電流を再現する検出可能範囲巻線電流再現部、検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の巻線電流を時系列的に合成して検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を連続して再現する推定巻線電流生成部を備えていることを特徴とする。
請求項２に記載の三相モータの制御装置は、請求項１に記載の三相モータの制御装置において、前記三相モータは、永久磁石同期モータであることを特徴とする。
請求項３に記載の三相モータの制御装置は、請求項１又は請求項２に記載の三相モータの制御装置において、前記検出可能範囲巻線電流再現部は、ＰＷＭ信号から生成した正検出可能期間信号と負検出可能期間信号に制御されて直流母線電流から検出可能期間の巻線電流値を検出して保持する複数のサンプル＆ホールド回路からなり、前記推定巻線電流生成部は、前記正検出可能期間信号と負検出可能期間信号からなる正負検出可能期間信号が検出されたとき生成する検出可能範囲信号が検出されているとき検出可能範囲の各相の巻線電流を選択し、検出可能範囲信号が検出されていないとき、その相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の巻線電流を選択するスイッチ回路からなることを特徴とする。
請求項４に記載の三相モータの制御装置は、請求項３に記載の三相モータの制御装置において、前記正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号を生成する検出可能範囲信号生成部を備え、その検出可能範囲信号生成部によって前記スイッチ回路を制御することを特徴とする。
【０００６】
請求項５に記載の三相モータの制御方法は、ＰＷＭ信号によりスイッチング素子を制御して三相の巻線電流を供給するインバータの母線に接続されているシャント抵抗に流れる直流母線電流からＰＷＭ信号に基づいて検出可能期間の各相の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて各相の巻線電流をして再現し、その再現した巻線電流を制御に使用する三相モータの制御方法において、検出可能期間と検出不可能期間からなる検出可能範囲において検出可能範囲の検出可能期間に検出した各相の巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の各相の巻線電流を再現し、検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流を時系列的に合成して検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を連続して再現し、その再現した巻線電流を制御に使用することを特徴とする。
請求項６に記載の三相モータの制御方法は、請求項５に記載の三相モータの制御方法において、前記三相モータは、永久磁石同期モータであることを特徴とする。
請求項７に記載の三相モータの制御方法は、請求項５又は請求項６に記載の三相モータの制御方法において、前記補間は、ＰＷＭ信号から生成した正検出可能期間信号と負検出可能期間信号によりサンプル＆ホールド回路を制御して直流母線電流から検出可能期間の巻線電流値を検出し保持して検出可能範囲の各相の巻線電流の再現を行い、前記検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流の時系列的合成は、前記正検出可能期間信号と負検出可能期間信号からなる正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号を生成し、その検出可能範囲信号が検出されているとき検出可能範囲の各相の巻線電流を選択し、検出可能範囲信号が検出されていないときはその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流を選択して行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明は、直流母線電流から検出可能範囲の巻線電流を再現し、その検出可能範囲の巻線電流を用いて巻線電流を連続して再現することにより、巻線電流の検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を再現している。そしてその再現の過程において、直流母線電流から検出した巻線電流は、ＡＤ変換することなくアナログ量のまま用いて、簡易な回路で連続して全範囲の巻線電流を再現できる。即ち本願発明は、直流母線電流から全範囲の巻線電流を再現するとき、直流母線電流をデジタル量に変換してＭＰＵに取り込むことなく簡易な回路で処理して巻線電流を再現できる。そして各相の巻線電流を再現する簡易な回路は、汎用の演算増幅器やロジック回路等によって構成することができる。したがって本願発明は、直流母線電流から三相の巻線電流を再現するために高速、高分解能のＡＤ変換器を用いる必要がなく、かつ高速処理が可能なＭＰＵを用いる必要もないから、三相モータの制御装置は、安価に作製することができ、三相モータの制御方法は、簡単になる。
【０００８】
本願発明は、直流母線電流から検出可能範囲の巻線電流を再現する過程、及び検出可能範囲の巻線電流から全範囲の巻線電流を再現する過程に用いる制御信号は、スイッチング信号（ＰＷＭ信号）に基づいて生成するから、簡単に生成することができる。
本願発明は、巻線電流の検出可能期間に検出したサンプル電流値を用いて、検出不可能期間の巻線電流を補間して再現することができ、その補間には、直流母線電流をサンプリングしてサンプル電流値を保持するサンプル＆ホールド回路を用いるだけでよいから、補間回路は簡単になる。
本願発明は、検出不可能範囲の各相の巻線電流は、その相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流を用いて推定し再現することができ、検出可能範囲の電流か検出不可能範囲の電流かを選択する回路を設けるだけでよいから、推定巻線電流の生成回路は簡単になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１〜図６により本願発明の実施例を説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を使用している。
【実施例】
【００１０】
まず図１のブロック図を用いて三相モータの一つである永久磁石同期モータ（以下ＰＭＳＭと呼ぶ）の制御装置の全体の構成を説明し、次に図２〜図６を用いて各部の詳細を説明する。
図１において、１は、ＭＰＵ、２は、インバータ、ＰＭＳＭは、永久磁石同期モータ、３は、三相の巻線電流再現部である。ＭＰＵ１は、ＰＷＭ信号生成部１２、三相の電圧指令生成部１３、三角波（キャリア信号）生成部１４を備えている。インバータ２は、上アーム２１１、下アーム２１２、直流電源２２、シャント抵抗Ｒs等を備え、上アーム３個と下アーム３個の計６個のＭＯＳＦＥＴ（パワーデバイス）からなる。ＰＭＳＭは、図１（ｂ）のようにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の巻線と永久磁石のロータ（図示せず）からなる。巻線電流再現部３は、スイッチング信号生成部３０、正又負検出可能期間信号生成部３１、正負検出可能期間信号生成部３２、検出可能範囲信号生成部３３、検出可能範囲巻線電流再現部３４、推定巻線電流生成部３５等からなる。
【００１１】
ＰＷＭ信号生成部１２は、電圧指令生成部１３の三相の電圧指令（正弦波）と三角波生成部１４の三角波に基づき、三角波比較方式によってＰＷＭ Ｄａｔａを生成し、インバータ２とスイッチング信号生成部３０へ供給する。ＰＷＭ Ｄａｔａは、インバータ２の上アーム２１１のスイッチングを制御するスイッチング信号Ｕup，Ｖup，Ｗupと、下アーム２１２のスイッチングを制御するスイッチング信号Ｕdown，Ｖdown，Ｗdownからなる。
インバータ２は、スイッチング信号Ｕup〜Ｗup，Ｕdown〜Ｗdownに制御されて、ＰＭＳＭの巻線に三相の巻線電流ｉu，ｉv，ｉwを供給する。
【００１２】
スイッチング信号生成部３０は、ＰＷＭ Ｄａｔａから、上アーム２１１のスイッチング信号（上アームのＰＷＭ信号）Ｕup〜Ｗupを抽出し、正又負検出可能期間信号生成部３１は、スイッチング信号Ｕup〜Ｗupを用いて、各相の巻線電流が検出可能範囲（後述する）において検出可能な期間を表す正検出可能期間信号ＵP，ＶP，ＷP，負検出可能期間信号ＵN，ＶN，ＷNを生成し、正負検出可能期間信号生成部３２は、正検出可能期間信号ＵP〜ＵN、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNに基づいて、各相の正負検出可能期間を表す正負検出可能期間信号ＵPN，ＶPN，ＷPNを生成し、検出可能範囲信号生成部３３は、正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号ＵON，ＶON，ＷONを生成する。
【００１３】
検出可能範囲巻線電流再現部３４は、シャント抵抗Ｒsを流れる直流母線電流ｉsから検出可能範囲の巻線電流を再現するため、正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNを用いて、直流母線電流ｉsから検出可能期間の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の巻線電流ｉus，ｉvs，ｉwsを生成する。
【００１４】
推定巻線電流生成部３５は、検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて検出不可能範囲（後述する）の巻線電流を生成（再現）するとともに、その検出不可能範囲の巻線電流と検出可能範囲の巻線電流を、相毎に、時系列的に合成して推定巻線電流＾ｉu，＾ｉv，＾ｉw（ハットｉu，ハットｉv，ハットｉw）を生成する。その推定巻線電流＾ｉu〜＾ｉwの生成には、検出可能範囲信号ＵON〜ＷONにより制御されるスイッチ回路を用いる。また検出不可能範囲の巻線電流の生成には、巻線電流の総和は０（キルヒホッフの法則）の関係を利用する。
例えばＵ相の場合、検出可能範囲信号ＵONが生成しているとき、＾ｉu＝ｉusとなり、検出可能範囲信号ＵONが生成していないとき、＾ｉu＝−（ｉvs＋ｉws）となり、ｉusと−（ｉvs＋ｉws）が時系列的に合成されて推定巻線電流＾ｉuを生成する。したがって巻線電流の検出可能範囲及び検出不可能範囲、即ち全範囲の巻線電流＾ｉuは、＾ｉu＝ＵON×ｉus−バーＵON×（ｉvs＋ｉws）となる。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００１５】
以上のように検出可能範囲巻線電流再現部３４は、巻線電流の検出可能範囲について、正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNを用いて直流母線電流ｉsから検出可能期間の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを再現する。一方推定巻線電流生成部３５は、巻線電流の検出不可能範囲について、検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて検出不可能範囲の巻線電流を再現するとともに、その巻線電流と検出可能範囲の巻線電流を時系列的に合成して推定巻線電流＾ｉu〜＾ｉwを生成する。
再現した推定巻線電流＾ｉu〜＾ｉwは、ＡＤ変換してＭＰＵ１へ取り込みＰＭＳＭの制御に使用する。
なお図１は、巻線電流の再現にインバータ２の上アーム２１１のスイッチング信号Ｕup〜Ｗupを用いたが、下アーム２１２のスイッチング信号Ｕdown〜Ｗdownを用いてもよい。またインバータ２の上下アームのＭＯＳＦＥＴは、他のスイッチング素子でもよい。
【００１６】
ここで巻線電流の検出可能範囲、検出不可能範囲、検出可能期間、検出不可能期間、正検出可能期間信号、負検出可能期間信号、正負検出可能期間信号について簡単に説明する。詳細については、後述する。
三相の巻線に流れる巻線電流ｉu，ｉv，ｉwは、インバータからモータ（巻線）方向（正方向と呼ぶ）への流れと、モータ（巻線）からインバータ方向（負方向と呼ぶ）への流れとを繰り返す。またスイッチング信号（ＰＷＭ信号）Ｕup〜Ｗupに基づいて、直流母線電流ｉsから各相の巻線電流を検出する場合、正方向の巻線電流及び負方向の巻線電流には、検出できる範囲と検出できない範囲がある。前者の範囲を検出可能範囲と呼び、後者の範囲を検出不可能範囲と呼ぶ。また検出可能範囲であっても、巻線電流が検出できる期間と検出できない期間がある。前者の期間を検出可能期間と呼び、後者の期間を検出不可能期間と呼ぶ。また正検出可能期間信号と負検出可能期間信号及び正負検出可能期間信号は、ともに検出可能期間を表す信号であるが、正検出可能期間信号と負検出可能期間信号は、正方向又は負方向の巻線電流の検出可能期間を表し、正負検出可能期間信号は、正方向及び負方向（正負両方向）の巻線電流の検出可能期間を表す。
【００１７】
次に図２〜図６を用いて各部の詳細を説明する。
図２は、スイッチング信号（ＰＷＭ信号）Ｕup〜Ｗupと巻線電流ｉu〜ｉw、直流母線電流ｉsの関係を示す。
図２において、イ、ニは、三相の巻線に流れる電流の方向を示し（巻線は省略してある）、ロ、ホは、スイッチング関数（論理関数）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）の状態、即ちインバータ２の上アーム２１１のＭＯＳＦＥＴのスイッチングの状態を示し、ハ、ヘは、巻線電流ｉu〜ｉwと直流母線電流ｉsの関係を示す。また正検出可能期間信号ＵP，ＶP，ＷPは、直流母線電流ｉs（巻線電流ｉu，ｉv，ｉw）が正であるとき、インバータからモータ方向（正方向）へ電流が流れている期間（或いは状態）、また直流母線電流ｉsが負であるとき、モータからインバータ方向（負方向）へ電流が流れている期間（或いは状態）を示し、負検出可能期間信号ＵN，ＶN，ＷNは、直流母線電流ｉsが正であるとき、モータからインバータ方向（負方向）へ電流が流れている期間（或いは状態）、また直流母線電流ｉsが負であるとき、インバータからモータ方向（正方向）へ電流が流れている期間（或いは状態）を示す。
【００１８】
図２の（１）〜（６）は、スイッチング関数ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）の状態変数が次の場合を示す。なお状態変数１はＯＮの状態を、状態変数０はＯＦＦの状態を表す。
（１）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，０，０）の期間
ｉu＝ｉsのときＵP＝１、それ以外のときＵP＝０
（２）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，１，１）の期間
ｉu＝−ｉsのときＵN＝１、それ以外のときＵN＝０
（３）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，１，０）の期間
ｉv＝ｉsのときＶP＝１、それ以外のときＶP＝０
（４）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，０，１）の期間
ｉv＝−ｉsのときＶN＝１、それ以外のときＶN＝０
（５）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，０，１）の期間
ｉw＝ｉsのときＷP＝１、それ以外のときＷP＝０
（６）ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，１，０）の期間
ｉw＝−ｉsのときＷN＝１、それ以外のときＷN＝０
【００１９】
次に図３により、図１の電圧指令生成部１３の三相の電圧指令（正弦波）と三角波生成部１４の三角波を用いて、図１のＰＷＭ信号生成部１２において生成するスイッチング信号（上アームのＰＷＭ信号）Ｕup〜Ｗupについて説明する。
スイッチング信号Ｕup〜Ｗupには、図３（ａ）の三相の電圧指令ｖu，ｖv，ｖwと三角波を用いて三角波比較方式によって生成する。図３（ａ）の時刻ＴＡにおけるスイッチング信号Ｕup〜Ｗupは、図３（ｂ１）のようになり、時刻ＴＢにおけるスイッチング信号Ｕup〜Ｗupは、図３（ｂ２）のようになる。
図３（ｂ１），（ｂ２）において、（イ）は、電圧指令ｖu〜ｖwの瞬時値と三角波の関係を示し、（ロ）は、スイッチング信号の出力電圧（ＰＷＭ出力電圧）を示し、（ハ）は、スイッチング信号パターン（ＰＷＭパターン）、直流母線電流ｉsと検出できる巻線電流を示す。またスイッチング信号パターンは、スイッチング信号Ｕup〜Ｗupにより制御されるインバータの上アームのＯＮ（１）、ＯＦＦ（０）状態を表しており、直流母線電流ｉsは、それらのＯＮ、ＯＦＦ状態において検出できる巻線電流を表す。
【００２０】
図３（ｂ１）の場合、電圧指令ｖu〜ｖwの瞬時値は三相とも相違し、（ｂ２）の場合、電圧指令ｖv，ｖwの瞬時値は同じで、電圧指令ｖuの瞬時値は他の二相と相違している。そして図３（ｂ１）の場合、（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，０，０）の期間はｉs＝ｉu、（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，１，０）の期間はｉs＝−ｉwとなり、それらの期間は、直流母線電流ｉsから巻線電流ｉu，ｉwの検出が可能である。一方（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，０，０），（１，１，１）の期間は、巻線電流の検出が不可能である。
【００２１】
図３（ｂ２）の場合、（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，１，１）の期間はｉs＝−ｉu、（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，０，０）の期間はｉs＝ｉuとなり、それらの期間は、直流母線電流ｉsから巻線電流ｉuの検出が可能である。一方（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，０，０）の期間は、巻線電流の検出が不可能である。したがって直流母線電流ｉsからスイッチング信号Ｕup〜Ｗupに基づいて巻線電流ｉu〜ｉwを検出する場合、三角波の一周期の間には、巻線電流の検出が可能な相と不可能な相、及び検出が可能な期間と検出が不可能な期間がある。
以上のように三角波の一周期の間に検出できる巻線電流は、図３（ｂ１）の場合ｉuとｉw、図３（ｂ２）の場合ｉuのみである。即ち図３（ｂ１）のように、電圧指令ｖu，ｖv，ｖwの瞬時値が三相とも異なる場合は、二相の巻線電流を検出でき、図３（ｂ２）のように、電圧指令ｖu，ｖv，ｖwの二相（ｖv，ｖw)の瞬時値が同じ場合は、一相の巻線電流を検出できる。
【００２２】
次に巻線電流の検出可能範囲と検出不可能範囲について説明する。
三角波の一周期の間に巻線電流ｉuの検出可能期間が一度でもある場合、巻線電流ｉuが検出可能範囲と定義する。巻線電流ｉv，ｉwについても同様に定義する。例えば、図３（ｂ１）のように電圧指令ｖu，ｖv，ｖwの瞬時値が三相とも相違するときは、そのときの瞬時値が最大のＵ相と最小のＷ相の二相の巻線電流ｉu，ｉwが検出可能範囲と定義する。また図３（ｂ２）のように電圧指令ｖu，ｖv，ｖwの内、二相の電圧指令ｖv，ｖwの瞬時値のみが同じであるときは、残りの一相の巻線電流ｉuが検出可能範囲と定義する。ここで図３（ｂ２）のように一相の巻線電流のみが検出可能な条件は、二相の電圧指令ｖv，ｖwが同じになる瞬間だけであるから、一相の巻線電流のみの検出可能範囲は考慮しなくてもよい。
【００２３】
以上の定義により巻線電流の検出可能範囲を表すと図４のようになる。
図４（ａ）は、電圧指令ｖu，ｖv，ｖwの瞬時値の中で最大と最小の範囲を示し、図４（ｂ）は、巻線電流ｉu，ｉv，ｉwの検出可能範囲を示す。
図４（ａ）において、例えば、Ｕ相最大は、電圧指令ｖu〜ｖwの内Ｕ相の瞬時値が他の二相より大きい範囲を示し、Ｕ相最小は、Ｕ相の瞬時値が他の二相の振幅よりも小さい範囲を示す。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
図４（ａ）のＵ相最大とＵ相最小の範囲は、直流母線電流ｉsから巻線電流ｉuの検出が可能な範囲で、その検出可能範囲は、図４（ｂ）のようになる。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。図４（ａ）のＵ相最大とＵ相最小の範囲の間、及び図４（ｂ）の巻線電流ｉuが検出可能範囲でない間（巻線電流ｉuと巻線電流ｉuの間）は、巻線電流ｉuの検出不可能範囲である。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。そして巻線電流の検出不可能範囲は、各相の電圧指令の瞬時値が、その相の他の二相の電圧指令の瞬時値の間に位置する範囲である。例えば、Ｕ相の場合、電圧指令ｖuの瞬時値が、電圧指令ｖvの瞬時値より大きく電圧指令ｖwの瞬時値よりも小さい範囲、及び電圧指令ｖuの瞬時値が、電圧指令ｖvの瞬時値より小さく電圧指令ｖwの瞬時値よりも大きい範囲である。
【００２４】
検出可能範囲では、図４（ｂ）のときに巻線電流ｉu〜ｉwを検出できるが、その検出可能範囲であっても、前述したように巻線電流の検出可能期間（図３（ｂ１）の（１，０，０）等）と検出不可能期間（図３（ｂ１）の（０，０，０）等）が存在する。そこで検出不可能期間の巻線電流は、検出可能期間に検出した巻線電流を用いて補間することにより、検出可能範囲の巻線電流を連続的に再現する。ここで補間して再現した巻線電流を検出可能範囲の巻線電流と呼ぶ。
検出可能範囲の巻線電流は、図１の検出可能範囲巻線電流再現部３４において、サンプル＆ホールド回路（以下Ｓ＆Ｈと呼ぶ）を用いて生成する。検出可能範囲巻線電流再現部３４は、正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNを用いてＳ＆Ｈを制御し、直流母線電流ｉsをサンプリングしてその値を保持し、その保持した電流値（サンプル電流値）を用いて検出可能範囲の巻線電流を生成する。なお検出可能範囲巻線電流部３４の構成は、後述する。
【００２５】
ここで図１の正又負検出可能期間信号生成部３１において生成する正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNについて説明する。
まずＵ相を例に、正検出可能期間信号ＵPと負検出可能期間信号ＵNについて説明する。
図２（１）の場合、スイッチング関数ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（１，０，０）となり、この期間の直流母線電流ｉsと巻線電流ｉuは、ｉs＝ｉuとなるから、直流母線電流ｉsから巻線電流ｉuを検出することができる。そしてこの期間は、直流母線電流ｉsが正の時に巻線電流ｉuが正方向に流れる期間であり、直流母線電流ｉsが負の時に巻線電流ｉuが負方向に流れる期間であるから、この期間を表す正検出可能期間信号ＵPは、式（１）で表すことができる。
同様に図２（２）の場合は、スイッチング関数ｆ（Ｕup，Ｖup，Ｗup）＝（０，１，１）となり、この期間は、直流母線電流ｉsが正の時に巻線電流ｉuが負方向に流れる（ｉs＝−ｉuとなる）期間であり、直流母線電流ｉsが負の時にｉuが正方向に流れる期間であるから、この期間を表す負検出可能期間信号ＵNは、式（２）で表すことができる。
以下同様にＶ相、Ｗ相の巻線電流ｉvが正又負方向に流れる期間を表す正検出可能期間信号ＶP，ＷP、及び負検出可能期間信号ＶN，ＷNは、式（３）〜（６）で表すことができる。
【００２６】
【数１】
【００２７】
次に式（１）〜（６）の論理に基づいて、検出可能範囲の巻線電流を再現する方法について説明する。
式（１）〜（６）で表される正又負検出可能期間信号ＵP〜ＷNと直流母線電流ｉs及び巻線電流ｉuとの関係は、図２において説明したように、ＵP＝１の場合ｉs＝ｉu、ＵN＝１の場合ｉs＝−ｉuとなる。同様にＶP＝１の場合ｉs＝ｉv、ＶN＝１の場合ｉs＝−ｉv、ＷP＝１の場合ｉs＝ｉw、ＷN＝１の場合ｉs＝−ｉwとなる。
したがってＵ相の場合、正検出可能期間信号ＵPによって直流母線電流ｉsをサンプリングし、その電流値を保持し、その保持した電流値（サンプル電流値）ｉupを用いて検出不可能期間の巻線電流を補間し、負検出可能期間信号ＵNによって直流母線電流ｉsをサンプリングし、その電流値を保持し、その保持した電流値ｉunを用いて検出不可能期間の巻線電流を補間することにより、保持した電流値を合成して検出可能範囲のＵ相の巻線電流値ｉusを再現することができる。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００２８】
そこで正又負検出可能期間信号ＵP〜ＷNにより直流母線電流ｉsをサンプリングし、保持されている電流値をｉup，ｉvp，ｉwp，ｉun，ｉvn，ｉwnとし、検出可能範囲の巻線電流をｉus，ｉvs，ｉwsとすると、検出可能範囲の巻線電流ｉus，ｉvs，ｉwsは、式（７）〜（９）によって求めることができる。
ｉus＝ｉup−ｉun （７）
ｉvs＝ｉvp−ｉvn （８）
ｉws＝ｉwp−ｉwn （９）
【００２９】
図５は、式（７）〜（９）で表される検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを生成する検出可能範囲巻線電流再現部３４の構成と検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsの波形を示す。
図５（ａ）において、直流母線電流ｉsは、ローパスフィルタ３４１を介してＳ＆Ｈ３４２１〜３４２６へ供給される。Ｓ＆Ｈ３４２１〜３４２６は、正又負検出可能期間信号ＵP〜ＷNにより制御され、直流母線電流ｉsをサンプリングして保持した電流値をｉup〜ｉwnとする。保持した電流値ｉup〜ｉwnは、相毎に合成して検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを生成する。
例えばＵ相の場合、Ｓ＆Ｈ３４２１は、正検出可能期間信号ＵPに制御されてサンプリングした電流値を保持して電流値ｉupを生成し、Ｓ＆Ｈ３４２２は、負検出可能期間信号ＵNに制御されてサンプリングした電流値を保持して電流値ｉunを生成する。保持した電流値ｉup，ｉunは、合成されて検出可能範囲の巻線電流ｉusを生成する。Ｖ相，Ｗ相も同様に検出可能範囲の巻線電流ｉvs，ｉwsを生成する。
検出可能範囲巻線電流再現回路３４によって再現した検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsの波形は、インダクタンス成分による電流の遅れがない場合図５（ｂ）のようになる。即ち検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsは、二相分が連続して再現される。
したがって検出可能範囲の巻線電流は、巻線電流ｉus〜ｉwsにより再現できる。
【００３０】
次に巻線電流の検出不可能範囲の巻線電流を再現する方法について説明する。
検出不可能範囲の巻線電流は、正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信ＵN〜ＷNを用い、ｉu＋ｉv＋ｉw＝０（巻線電流の総和は０：キルヒホッフの法則）の関係を利用し、検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて推定、再現する。即ち検出不可能範囲の巻線電流は、検出可能範囲で再現した巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて再現する。
【００３１】
検出不可能範囲の巻線電流の再現には、まず三相の正負検出可能期間信号ＵPN〜ＷPNを生成する。正負検出可能期間信号ＵPN〜ＷPNは、巻線電流ｉu，ｉv，ｉwの正方向及び負方向の期間（正負両方向の期間）を表し、検出可能期間を表す信号である。正負検出可能期間信号ＵPN〜ＷPNは、正検出可能期間信号ＵP〜ＷP、負検出可能期間信号ＵN〜ＷNを用いて、次の論理式で表すことができる。
ＵPN＝ＵP＋ＵN （１０）
ＶPN＝ＶP＋ＶN （１１）
ＷPN＝ＷP＋ＷN （１２）
【００３２】
次に正負検出可能期間信号ＵPN〜ＷPNが検出されているとき、その正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号ＵON〜ＷONを生成する（生成方法は後述する）。
検出不可能範囲の巻線電流は、検出可能範囲信号ＵON〜ＷONと検出可能範囲の各相の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いてさらにｉu＋ｉv＋ｉw＝０（ｉu＝−（ｉv＋ｉw））の関係を利用して推定する。推定巻線電流＾ｉu，＾ｉv，＾ｉwは、次の式で表すことができる。
【００３３】
【数２】
ここで式（１３）の場合、ｉusは、巻線電流の検出可能範囲のＵ相の巻線電流であり、−（ｉvs＋ｉws）は、巻線電流の検出不可能範囲のＵ相の巻線電流である。Ｖ相の式（１４）、Ｗ相の式（１５）についても同様である。したがって式（１３）〜（１５）の推定巻線電流＾ｉu，＾ｉv，＾ｉwは、巻線電流の検出可能範囲及び検出不可能範囲（即ち全範囲）の再現された巻線電流を表している。
【００３４】
図６は、検出可能範囲信号生成部３３、推定巻線電流生成部３５の構成を示す。
図６（ａ１）において、検出可能範囲信号生成部３３は、三相の正負検出可能期間信号の検出信号生成器３３１〜３３３からなる。図６（ａ２）は、Ｕ相の検出可能範囲信号生成器３３１の具体例を示す。Ｖ相、Ｗ相も同様に構成する。
Ｕ相の場合、検出信号生成器３３１は、正負検出可能期間信号ＵPNが検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号ＰＰを発生させて検出可能範囲信号ＵONを生成し、検出可能範囲信号ＵONが検出されない（生成されない）ときは、検出不可能範囲信号バーＵONを生成する。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００３５】
図６（ｂ）において、推定巻線電流生成部３５は、検出可能範囲の巻線電流ｉus，ｉvs，ｉwsを用い、式（１３）〜（１５）に基づいて推定巻線電流＾ｉu，＾ｉv，＾ｉwを生成する。
例えばＵ相の場合、図６（ａ１），（ａ２）の正負検出可能期間信号の検出信号生成器３３１において、検出可能範囲信号のＵ相の検出可能範囲信号ＵONが生成されているとき、スイッチＳＷｕは、ＵON側に切り換わり、検出可能範囲信号ＵONが生成されていないとき（バーＵONが生成されているとき）、バーＵON側に切り換わる。即ちスイッチＳＷｕは、検出可能範囲信号ＵONが検出されているときは、ＵON側に切り換わり、検出可能範囲信号ＵONが検出されていないときは、バーＵON側に切り換わる。そしてＵON側には、検出可能範囲の巻線電流ｉusが現れ、バーＵON側には、検出可能範囲の巻線電流ｉvsとｉwsから求めた検出不可能範囲の巻線電流が現れている。したがってスイッチＳＷｕがＵON側に切り換わっているとき、＾ｉu＝ｉusとなり、バーＵON側に切り換わっているとき、＾ｉu＝−（ｉvs＋ｉws）となり、ｉusと−（ｉvs＋ｉws）が時系列的に合成されて推定巻線電流＾ｉuとなる。即ち推定巻線電流＾ｉuは、検出可能範囲信号ＵONが検出されているときのＵ相の検出可能範囲の巻線電流ｉusと、検出可能範囲信号ＵONが検出されていないときのＶ，Ｗ相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の巻線電流である−（ｉvs＋ｉws）とからなる。そしてｉusは、巻線電流の検出可能範囲の再現された巻線電流であり、−（ｉvs＋ｉws）は、巻線電流の検出不可能範囲の再現された巻線電流である。Ｖ相の推定巻線電流＾ｉv、Ｗ相の推定巻線電流＾ｉwについても同様である。
【００３６】
以上のように図６（ｂ）の推定巻線電流生成部３５は、巻線電流の検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を再現して生成する。
なお検出可能範囲信号生成部３３、検出可能範囲信号生成器３３１は、図６（ａ１），（ａ２）の構成に限らず、検出可能範囲の信号ＵONが検出されているとき、Ｕ相の場合、スイッチＳＷｕをＵON側へ切り換え、検出可能範囲の信号ＵONが検出されていないとき、スイッチＳＷｕをバーＵON側へ切り換える構成のものであればよい。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
【００３７】
本実施例は、式（７）〜（９）により直流母線電流ｉsから検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを再現し、最終的に式（１３）〜（１５）により検出可能範囲の巻線電流ｉus〜ｉwsを用いて検出可能範囲及び検出不可能範囲（全範囲）の巻線電流＾ｉu〜＾ｉwを再現する。そしてそれらの再現の過程において、直流母線電流ｉsをＡＤ変換することなくアナログ量のまま用いて、アナログ量の推定巻線電流＾ｉu〜＾ｉwを再現している。即ち本実施例は、直流母線電流ｉsから推定巻線電流＾ｉu〜＾ｉwを再現する際、直流母線電流ｉsをＭＰＵに取り込む必要がないのでデジタル量に変換することなくアナログ量のまま簡易な回路で処理できる。そして巻線電流推定回路は、汎用の演算増幅器やロジック回路等によって構成することができる。したがって本実施例は、高速、高分解能のＡＤ変換器を用いる必要がなく、かつ高速処理が可能なＭＰＵを用いる必要もないから、ＰＭＳＭの制御装置を安価に作製することができる。
【００３８】
本実施例によって得られた推定巻線電流を検証するため、図７の実験装置を用いて、推定巻線電流＾ｉu，＾ｉvと電流センサを用いて検出した巻線電流ｉu，ｉvとを比較した。
図７において、５１は、ＰＷＭ Ｄａｔａを生成するＰＷＭ信号生成部を有するＭＰＵ、５２は、インバータ、５３は、本実施例の巻線電流再現部、５４は、供試モータ（ＰＭＳＭ）、５５は、エンコーダ、５６は、負荷とイナーシャ、５７は、カップリング、５８は、ＣＰＬＤである。
なお実験装置の仕様は、次の通りである。
試供モータは、ポール数：４、スロット数：６、トルク定数：０．４４Ｎ・ｍ／Ａ、巻線抵抗：０．９４Ω、ｄ軸インダクタンス：４．７ｍＨ、ｑ軸インダクタンス：４．７ｍＨである。インバータは、ＰＷＭ周波数：１０ｋＨｚ、デッドタイム：１μｓｅｃ、シャント抵抗Ｒs：１Ω、供給電圧：６０Ｖ、パワーデバイス：ＭＯＳＦＥＴである。
【００３９】
図８は、図７の実験装置によって得られた検出巻線電流ｉu，ｉv（太い線）と推定巻線電流＾ｉu，＾ｉv（細い線）の波形を示す。図８（ａ）は、ＰＭＳＭの回転速度が１０００ｍｉｎ-1のとき、図８（ｂ）は、ＰＭＳＭの回転速度が５００ｍｉｎ-1のときのＵ相，Ｖ相の検出巻線電流波形と推定巻線電流波形を示す。検出巻線電流と推定巻線電流の波形は、図８（ａ）、図８（ｂ）いずれ場合も略一致している。
【００４０】
前記実施例は、ＰＭＳＭ（永久磁石同期モータ）について説明したが、ＰＭＳＭの外、三相誘導モータ、三相ステッピングモータ、シンクロナスモータ、リラクタンスモータ、三相リニアモータ等の三相モータであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本願発明の実施例のＰＭＳＭの制御装置の構成を示す。
【図２】本願発明の実施例に係るスイッチング信号（ＰＷＭ信号）と巻線電流、直流母線電流の関係を示す。
【図３】本願発明の実施例に係る各相の電圧指令と三角波（キャリア信号）によって生成するスイッチング信号（ＰＷＭ信号）と巻線電流の関係を示す。
【図４】本願発明の実施例に係る巻線電流の検出可能範囲を示す。
【図５】本願発明の実施例に係る検出可能範囲巻線電流生成部の構成と検出可能範囲の電流巻線電流の波形を示す。
【図６】本願発明の実施例に係る検出可能範囲信号生成部と、推定巻線電流生成部の構成を示す。
【図７】本願発明の実施例に係る推定巻線電流を検証するための実験装置の構成を示す。
【図８】図７の実験装置によって検出した巻線電流と推定巻線電流の波形を示す。
【図９】従来のＰＭＳＭの制御装置の構成を示す。
【符号の説明】
【００４２】
１ ＭＰＵ
１２ ＰＷＭ信号生成部（ＰＷＭ Ｄａｔａ生成部）
１３ 電圧指令生成部
１４ 三角波生成部
２ インバータ
２１１ 上アーム
２１２ 下アーム
２２ 直流電源
３ 巻線電流再現部
３０ スイッチング信号（ＰＷＭ信号）生成部
３１ 正又負検出可能期間信号生成部
３２ 正負検出可能期間信号生成部
３３ 検出可能範囲信号生成部
３４ 検出可能範囲巻線電流再現部
３５ 推定巻線電流生成部
ＰＭＳＭ 永久磁石同期モータ
Ｒs シャント抵抗
ＰＷＭ Ｄａｔａ Ｕup〜ＷupとＵdown〜Ｗdown
Ｕup〜Ｗup，Ｕdown〜Ｗdown 上下アームのスイッチング信号
ＵP〜ＷN 正又負検出可能期間信号
ＵPN〜ＷPN 正負検出可能期間信号
ＵON〜ＷON 検出可能範囲信号
ｉs 直流母線電流
ｉu，ｉv，ｉw Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の巻線電流
ｉup〜ｉwn サンプリングして保持した電流値
ｉus，ｉvs，ｉws 検出可能範囲の巻線電流
＾ｉu，＾ｉv，＾ｉw 推定巻線電流
ｖu，ｖv，ｖw 電圧指令
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭ信号によりスイッチング素子を制御して三相の巻線に電流を供給するインバータを備え、そのインバータの母線に接続されているシャント抵抗に流れる直流母線電流からＰＷＭ信号に基づいて検出可能期間の各相の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて各相の巻線電流を連続して再現し、その再現した巻線電流を制御に用いる三相モータの制御装置において、巻線電流の検出可能期間と検出不可能期間からなる検出可能範囲において検出可能期間に検出した各相の巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の各相の巻線電流を再現する検出可能範囲巻線電流再現部、検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の巻線電流を時系列的に合成して検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を連続して再現する推定巻線電流生成部を備えていることを特徴とする三相モータの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三相モータの制御装置において、前記三相モータは、永久磁石同期モータであることを特徴とする三相モータの制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の三相モータの制御装置において、前記検出可能範囲巻線電流再現部は、ＰＷＭ信号から生成した正検出可能期間信号と負検出可能期間信号に制御されて直流母線電流から検出可能期間の巻線電流値を検出して保持する複数のサンプル＆ホールド回路からなり、前記推定巻線電流生成部は、前記正検出可能期間信号と負検出可能期間信号からなる正負検出可能期間信号が検出されたとき生成する検出可能範囲信号が検出されているとき検出可能範囲の各相の巻線電流を選択し、検出可能範囲信号が検出されていないとき、その相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の巻線電流を選択するスイッチ回路からなることを特徴とする三相モータの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の三相モータの制御装置において、前記正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号を生成する検出可能範囲信号生成部を備え、その検出可能範囲信号生成部によって前記スイッチ回路を制御することを特徴とする三相モータの制御装置。
【請求項５】
ＰＷＭ信号によりスイッチング素子を制御して三相の巻線電流を供給するインバータの母線に接続されているシャント抵抗に流れる直流母線電流からＰＷＭ信号に基づいて検出可能期間の各相の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて各相の巻線電流を連続して再現し、その再現した巻線電流を制御に使用する三相モータの制御方法において、検出可能期間と検出不可能期間からなる検出可能範囲において検出可能範囲の検出可能期間に検出した各相の巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の各相の巻線電流を再現し、検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流を時系列的に合成して検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を連続して再現し、その再現した巻線電流を制御に使用することを特徴とする三相モータの制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の三相モータの制御方法において、前記三相モータは、永久磁石同期モータであることを特徴とする三相モータの制御方法。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の三相モータの制御方法において、前記補間は、ＰＷＭ信号から生成した正検出可能期間信号と負検出可能期間信号によりサンプル＆ホールド回路を制御して直流母線電流から検出可能期間の巻線電流値を検出し保持して検出可能範囲の各相の巻線電流の再現を行い、前記検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流の時系列的合成は、前記正検出可能期間信号と負検出可能期間信号からなる正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号を生成し、その検出可能範囲信号が検出されているとき検出可能範囲の各相の巻線電流を選択し、検出可能範囲信号が検出されていないときはその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流を選択して行うことを特徴とする三相モータの制御方法。
【請求項１】
ＰＷＭ信号によりスイッチング素子を制御して三相の巻線に電流を供給するインバータを備え、そのインバータの母線に接続されているシャント抵抗に流れる直流母線電流からＰＷＭ信号に基づいて検出可能期間の各相の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて各相の巻線電流を連続して再現し、その再現した巻線電流を制御に用いる三相モータの制御装置において、巻線電流の検出可能期間と検出不可能期間からなる検出可能範囲において検出可能期間に検出した各相の巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の各相の巻線電流を再現する検出可能範囲巻線電流再現部、検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の巻線電流を時系列的に合成して検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を連続して再現する推定巻線電流生成部を備えていることを特徴とする三相モータの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三相モータの制御装置において、前記三相モータは、永久磁石同期モータであることを特徴とする三相モータの制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の三相モータの制御装置において、前記検出可能範囲巻線電流再現部は、ＰＷＭ信号から生成した正検出可能期間信号と負検出可能期間信号に制御されて直流母線電流から検出可能期間の巻線電流値を検出して保持する複数のサンプル＆ホールド回路からなり、前記推定巻線電流生成部は、前記正検出可能期間信号と負検出可能期間信号からなる正負検出可能期間信号が検出されたとき生成する検出可能範囲信号が検出されているとき検出可能範囲の各相の巻線電流を選択し、検出可能範囲信号が検出されていないとき、その相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の巻線電流を選択するスイッチ回路からなることを特徴とする三相モータの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の三相モータの制御装置において、前記正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号を生成する検出可能範囲信号生成部を備え、その検出可能範囲信号生成部によって前記スイッチ回路を制御することを特徴とする三相モータの制御装置。
【請求項５】
ＰＷＭ信号によりスイッチング素子を制御して三相の巻線電流を供給するインバータの母線に接続されているシャント抵抗に流れる直流母線電流からＰＷＭ信号に基づいて検出可能期間の各相の巻線電流を検出し、その検出した巻線電流を用いて各相の巻線電流を連続して再現し、その再現した巻線電流を制御に使用する三相モータの制御方法において、検出可能期間と検出不可能期間からなる検出可能範囲において検出可能範囲の検出可能期間に検出した各相の巻線電流を用いて検出不可能期間の巻線電流を補間して検出可能範囲の各相の巻線電流を再現し、検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流を時系列的に合成して検出可能範囲及び検出不可能範囲の全範囲の巻線電流を連続して再現し、その再現した巻線電流を制御に使用することを特徴とする三相モータの制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の三相モータの制御方法において、前記三相モータは、永久磁石同期モータであることを特徴とする三相モータの制御方法。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の三相モータの制御方法において、前記補間は、ＰＷＭ信号から生成した正検出可能期間信号と負検出可能期間信号によりサンプル＆ホールド回路を制御して直流母線電流から検出可能期間の巻線電流値を検出し保持して検出可能範囲の各相の巻線電流の再現を行い、前記検出可能範囲の各相の巻線電流とその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流の時系列的合成は、前記正検出可能期間信号と負検出可能期間信号からなる正負検出可能期間信号が検出されるとＰＷＭ周期相当のパルス信号を発生させて検出可能範囲信号を生成し、その検出可能範囲信号が検出されているとき検出可能範囲の各相の巻線電流を選択し、検出可能範囲信号が検出されていないときはその相の他の二相の検出可能範囲の巻線電流から求めた検出不可能範囲の各相の巻線電流を選択して行うことを特徴とする三相モータの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１１８５６８（Ｐ２００９−１１８５６８Ａ）
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８６２３９（Ｐ２００７−２８６２３９）
【出願日】平成１９年１１月２日（２００７．１１．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００７年８月３日 社団法人電気学会発行の「電気学会研究会資料 回転機研究会ＲＭ−０７−４９〜６９」に発表
【出願人】（５９５１０６９４７）
【出願人】（５９２０２６４７３）株式会社昭和電業社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２日（２００７．１１．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００７年８月３日 社団法人電気学会発行の「電気学会研究会資料 回転機研究会ＲＭ−０７−４９〜６９」に発表
【出願人】（５９５１０６９４７）
【出願人】（５９２０２６４７３）株式会社昭和電業社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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