JP7351004B2 - 交流回転機の制御装置 - Google Patents

Description

本願は、交流回転機の制御装置に関するものである。

交流回転機のインバータは、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）等のスイッチング素子を備えている。特許文献１及び特許文献２には、スイッチング素子の短絡、交流回転機の巻線の接続端子の天絡又は地絡が発生したときに、故障が発生していない正常相を用いて交流回転機を、動作させる技術が開示されている。

特許第４７７２１１６号 特許第５７２０９６３号

１相の短絡故障が発生したときでも、正常相の電流を検出することが望まれる。例えば、正常相の電流検出値を用いて、正常相の異常を検出したり、電流フィードバック制御を行って交流回転機に所望のトルクを出力させたりすることができる。

しかし、電流センサが、インバータの正極側のスイッチング素子又は負極側のスイッチング素子に直列接続されている場合は、電流を検出するために、電流センサが直列接続された正極側のスイッチング素子又は負極側のスイッチング素子を、所定期間以上オンにする必要がある。特に、短絡故障が発生した場合は、特有のスイッチング素子のオンオフ制御を行うため、電流を検出するための特別な制御を行わない限り、正常相の電流を検出できない場合がある。

しかし、特許文献１には、短絡故障の発生時に、電流を検出するための技術が開示されていない。特許文献２の技術では、電流センサが、インバータと巻線との接続経路に設けられており、正常相の電流を検出するために、スイッチング素子をオンする必要がなく、電流を検出するための技術が開示されていない。

そこで、本願は、電流センサが、インバータの正極側のスイッチング素子又は負極側のスイッチング素子に直列接続されている装置において、１相の短絡故障が生じた場合に、確実に正常相の電流を検出できる交流回転機の制御装置を提供することを目的とする。

本願に係る交流回転機の制御装置は、ｎ相（ｎは、３以上の自然数）の巻線を有する交流回転機を制御する交流回転機の制御装置であって、
直流電源の正極側に接続される正極側のスイッチング素子と前記直流電源の負極側に接続される負極側のスイッチング素子とが直列接続され、直列接続の接続点が対応する相の前記巻線に接続される直列回路を、ｎ相各相に対応してｎセット設けたインバータと、
ｎ相各相の前記正極側のスイッチング素子又は前記負極側のスイッチング素子である検出対象素子に直列接続され、電流を検出するｎ相の電流センサと、
各相の巻線に印加する各相の電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
各相の前記電圧指令値に基づいて、ＰＷＭ制御により各相の前記スイッチング素子をオンオフ制御するＰＷＭ制御部と、
各相の前記検出対象素子がオンになるタイミングで、各相の前記電流センサの出力信号に基づいて、各相の電流を検出する電流検出部と、
前記インバータの各相の直列回路における前記正極側のスイッチング素子の部分の短絡故障である正極側の短絡故障、及び前記負極側のスイッチング素子の部分の短絡故障である負極側の短絡故障を判定する故障判定部と、を備え、
前記電圧指令値算出部は、いずれか１相の直列回路の前記正極側の短絡故障又は前記負極側の短絡故障が発生したと判定されているときに、短絡故障が発生していない正常なｎ－１相の電圧指令値を算出し、
少なくとも電流検出タイミングで、正常なｎ－１相の各相の前記検出対象素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常なｎ－１相の電圧指令値を変化させ、
前記ＰＷＭ制御部は、短絡故障が発生したと判定されているときは、短絡故障が発生したと判定されていないときよりも、前記ＰＷＭ制御の制御周期を長くするものである。

本願に係る交流回転機の制御装置によれば、１相の短絡故障が発生したときに、正常なｎ－１相の電圧指令値が算出され、交流回転機を動作させることができる。この際、電流を検出できないような正常なｎ－１相の電圧指令値が算出されているときでも、正常なｎ－１相の検出対象素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常なｎ－１相の電圧指令値が変化されるので、正常な２相の電流を検出することができる。

実施の形態１に係る交流回転機及び交流回転機の制御装置の構成図である。 実施の形態１に係る制御器の概略ブロック図である。 実施の形態１に係る制御器のハードウェア構成図である。 実施の形態１に係るＰＷＭ制御及び電流検出タイミングを説明するためのタイムチャートである。 実施の形態１に係るＶ相の短絡故障の発生時の故障時算出部のブロック図である。 実施の形態１に係るＶ相の正極側の短絡故障の発生時の電圧指令値の算出を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態１に係るＶ相の負極側の短絡故障の発生時の電圧指令値の算出を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態１に係る電圧指令値の上限制限及び電流検出タイミングを説明するためのタイムチャートである。 実施の形態２に係るＶ相の短絡故障の発生時の故障時算出部のブロック図である。 実施の形態３に係る電圧指令値の上限制限及び電流検出タイミングを説明するためのタイムチャートである。 実施の形態５に係る交流回転機及び交流回転機の制御装置の構成図である。 実施の形態５に係るＰＷＭ制御及び電流検出タイミングを説明するためのタイムチャートである。 実施の形態５に係るＶ相の負極側の短絡故障の発生時の電圧指令値の算出を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態６に係る電動パワーステアリング装置、交流回転機、及び交流回転機の制御装置の概略構成図である。

１．実施の形態１
以下、実施の形態１に係る交流回転機の制御装置１０（以下、単に、制御装置１０と称す）について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る交流回転機１、制御装置１０の概略構成図である。

１－１．交流回転機１
交流回転機１は、ｎ相（ｎは、３以上の自然数）の巻線を有している。本実施の形態では、交流回転機１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗを有している。交流回転機１は、ステータと、ステータの径方向内側に配置されたロータと、を備えている。ステータには、３相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗが巻装されている。本実施の形態では、ロータには永久磁石が設けられており、永久磁石式の同期回転機とされている。なお、交流回転機１は、ロータに電磁石が設けられている界磁巻線型の同期回転機、又はロータに永久磁石が設けられていない誘導機であってもよい。３相の巻線は、スター結線されてもよいし、デルタ結線されてもよい。

ロータには、ロータの回転角度を検出するための回転センサ２が備えられている。回転センサ２には、レゾルバ、エンコーダ、ＭＲセンサ等が用いられる。回転センサ２の出力信号は、制御器３０に入力される。

１－２．インバータ４
インバータ４は、直流電源３の正極側に接続される正極側のスイッチング素子ＳＰと直流電源３の負極側に接続される負極側のスイッチング素子ＳＮとが直列接続された直列回路（レッグ）を、３相各相に対応して３セット設けている。そして、各相の直列回路における２つのスイッチング素子の接続点が、対応する相の巻線に接続されている。

具体的には、Ｕ相の直列回路では、Ｕ相の正極側のスイッチング素子ＳＰｕとＵ相の負極側のスイッチング素子ＳＮｕとが直列接続され、２つのスイッチング素子の接続点がＵ相の巻線Ｃｕに接続されている。Ｖ相の直列回路では、Ｖ相の正極側のスイッチング素子ＳＰｖとＶ相の負極側のスイッチング素子ＳＮｖとが直列接続され、２つのスイッチング素子の接続点がＶ相の巻線Ｃｖに接続されている。Ｗ相の直列回路では、Ｗの正極側のスイッチング素子ＳＰｗとＷ相の負極側のスイッチング素子ＳＮｗとが直列接続され、２つのスイッチング素子の接続点がＷ相の巻線Ｃｗに接続されている。

スイッチング素子には、ダイオードが逆並列接続されたＦＥＴ（Field Effect Transistor）、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ダイオードが逆並列接続されたバイポーラトランジスタ等が用いられる。各スイッチング素子のゲート端子は、ゲート駆動回路等を介して、制御器３０に接続されている。各スイッチング素子は、制御器３０から出力されたスイッチング信号ＧＰｕ～ＧＮｗによりオン又はオフされる。

直流電源３は、インバータ４に直流電圧Ｖｄｃを出力する。直流電源３として、バッテリー、ＤＣ－ＤＣコンバータ、ダイオード整流器、ＰＷＭ整流器等の直流電圧を出力する機器であれば、どのような機器であってもよい。直流電源３には、直流電源３の直流電圧Ｖｄｃを検出する電圧センサが設けられ、電圧センサの出力信号が制御器３０に入力されてもよい。制御器３０は、検出した直流電圧Ｖｄｃを用いて、制御を行ってもよい。

１－３．電流センサ５
３相各相の正極側のスイッチング素子ＳＰ又は負極側のスイッチング素子ＳＮである検出対象素子に直列接続され、電流を検出する３相の電流センサ５ｕ、５ｖ、５ｗが設けられている。本実施の形態では、検出対象素子は、負極側のスイッチング素子ＳＮであり、各相の電流センサ５は、各相の負極側のスイッチング素子ＳＮの負極側に直列接続されている。なお、各相の電流センサ５は、負極側のスイッチング素子ＳＮの正極側に直列接続されてもよい。よって、各相の電流センサ５は、各相の負極側のスイッチング素子ＳＮを流れる電流を検出することができる。

具体的には、Ｕ相の電流センサ５ｕは、Ｕ相の負極側のスイッチング素子ＳＮｕの負極側に直列接続されている。Ｖ相の電流センサ５ｖは、Ｖ相の負極側のスイッチング素子ＳＮｖの負極側に直列接続されている。Ｗ相の電流センサ５ｗは、Ｗ相の負極側のスイッチング素子ＳＮｗの負極側に直列接続されている。各相の電流センサ５には、シャント抵抗が用いられる。ホール素子、ＣＴ（Current Transformer）が用いられてもよい。各相の電流センサ５の信号は、制御器３０に入力される。

１－４．制御器３０
制御器３０は、インバータ４を介して交流回転機１を制御する。図２に示すように、制御器３０は、回転検出部３１、電流検出部３２、電圧指令値算出部３３、ＰＷＭ制御部３４、及び故障判定部３５等を備えている。制御器３０の各機能は、制御器３０が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御器３０は、図３に示すように、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０（コンピュータ）、演算処理装置９０とデータのやり取りする記憶装置９１、演算処理装置９０に外部の信号を入力する入力回路９２、及び演算処理装置９０から外部に信号を出力する出力回路９３等を備えている。

演算処理装置９０として、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置９０として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置９１として、演算処理装置９０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、演算処理装置９０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。入力回路９２は、回転センサ２、電流センサ５等の各種のセンサ、スイッチが接続され、これらセンサ、スイッチの出力信号を演算処理装置９０に入力するＡ／Ｄ変換器等を備えている。出力回路９３は、スイッチング素子をオンオフ駆動するゲート駆動回路等の電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置９０から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。

そして、制御器３０が備える図２の各制御部３１～３５等の各機能は、演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、入力回路９２、及び出力回路９３等の制御器３０の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部３１～３５等が用いる故障時の電圧指令値等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されている。以下、制御器３０の各機能について詳細に説明する。

１－４－１．回転検出部３１
回転検出部３１は、電気角でのロータの磁極位置θ（ロータの回転角度θ）及び回転角速度ωを検出する。本実施の形態では、回転検出部３１は、回転センサ２の出力信号に基づいて、ロータの磁極位置θ（回転角度θ）及び回転角速度ωを検出する。磁極位置は、ロータに設けられた永久磁石のＮ極の向きに設定される。なお、回転検出部３１は、電流指令値に高調波成分を重畳することによって得られる電流情報等に基づいて、回転センサを用いずに、回転角度（磁極位置）を推定するように構成されてもよい（いわゆる、センサレス方式）。

１－４－２．電流検出部３２
電流検出部３２は、電流センサ５の出力信号に基づいて、３相各相の巻線に流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。電流検出部３２は、Ｕ相の電流センサ５ｕの出力信号に基づいて、Ｕ相の巻線に流れる電流Ｉｕを検出し、Ｖ相の電流センサ５ｖの出力信号に基づいて、Ｖ相の巻線に流れる電流Ｉｖを検出し、Ｗ相の電流センサ５ｗの出力信号に基づいて、Ｗ相の巻線に流れる電流Ｉｗを検出する。

本実施の形態では、電流センサ５は、負極側のスイッチング素子ＳＮに直列接続されている。電流検出部３２は、負極側のスイッチング素子ＳＮがオンになるタイミングで、電流を検出する。本実施の形態では、電流検出部３２は、後述するキャリア波ＣＡが山の頂点になるＰＷＭ周期ごとのタイミングで、電流を検出する。電流検出部３２は、検出した各相の電流検出値を、次回の電流検出タイミングまで保持する。

１－４－３．故障判定部３５
故障判定部３５は、インバータ４の各相の直列回路における正極側のスイッチング素子の部分の短絡故障である正極側の短絡故障、及び負極側のスイッチング素子の部分の短絡故障である負極側の短絡故障を判定する。

故障判定部３５は、各相について、正極側のスイッチング素子が常時オンする短絡故障、又は直列回路と巻線との接続経路が直流電源の正極側に短絡する短絡故障が発生したと判定したときに、正極側の短絡故障が発生したと判定する。また、故障判定部３５は、各相について、負極側のスイッチング素子が常時オンする短絡故障、又は直列回路と巻線との接続経路が直流電源の負極側に短絡する短絡故障が発生したと判定したときに、負極側の短絡故障が発生したと判定する。

例えば、故障判定部３５は、各相の正極側及び負極側のスイッチング素子のオンオフパターン及び各相の電流検出値に基づいて、各相の正極側の短絡故障及び負極側の短絡故障の発生を判定する。例えば、故障判定部３５は、各相の電流検出値が、各スイッチング素子のオンオフパターンに基づいて決定した各相の電流検出値の正常範囲を逸脱した場合に、オンオフパターンに対応する正極側又は負極側の短絡故障が発生したと判定する。判定には、公知の各種の方法が用いられる。

各スイッチング素子のドライブ回路に各スイッチング素子の故障を検出する故障検出回路が設けられている場合は、故障判定部３５は、故障検出回路による故障検出結果に基づいて、各スイッチング素子の短絡故障を判定してもよい。

＜二次故障の判定＞
本実施の形態では、故障判定部３５は、いずれか１相の直列回路の正極側の短絡故障又は負極側の短絡故障が発生したと判定しているときに、正常な２相の電流検出値に基づいて、正常な２相の各相の直列回路の故障を判定する。例えば、故障判定部３５は、正常な２相の電流検出値が、各スイッチング素子のオンオフパターンに基づいて決定した各相の電流検出値の正常範囲を逸脱した場合に、オンオフパターンに対応する正極側又は負極側の短絡故障が発生したと判定する。

１－４－４．ＰＷＭ制御部３４
ＰＷＭ制御部３４は、後述する電圧指令値算出部３３により算出された各相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づいて、ＰＷＭ制御（Pulse Width Modulation）により各相のスイッチング素子をオンオフ制御する。

本実施の形態では、図４に示すように、ＰＷＭ制御部３４は、０と直流電圧Ｖｄｃとの間を、ＰＷＭ制御の制御周期Ｔｃ（以下、ＰＷＭ周期Ｔｃと称す）で振動するキャリア波ＣＡと、各相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとを比較し、比較結果に基づいて、各相のスイッチング素子をオンオフ制御する。

キャリア波ＣＡは、ＰＷＭ周期Ｔｃで、０と直流電圧Ｖｄｃとの間をＰＷＭ周期Ｔｃで振動する三角波とされている。ＰＷＭ制御部３４は、各相について、キャリア波ＣＡが電圧指令値を下回った場合は、正極側のスイッチング素子のスイッチング信号ＧＰをオン（本例では、１）して、正極側のスイッチング素子をオンし、キャリア波ＣＡが電圧指令値を上回った場合は、正極側のスイッチング素子のスイッチング信号ＧＰをオフ（本例では、０）して、正極側のスイッチング素子をオフする。一方、ＰＷＭ制御部３４は、各相について、キャリア波ＣＡが電圧指令値を下回った場合は、負極側のスイッチング素子のスイッチング信号ＧＮをオフ（本例では、０）して、負極側のスイッチング素子をオフして、負極側のスイッチング素子をオフし、キャリア波ＣＡが電圧指令値を上回った場合は、負極側のスイッチング素子のスイッチング信号ＧＮをオン（本例では、１）して、負極側のスイッチング素子をオンする。なお、各相について、正極側のスイッチング素子のオン期間と負極側のスイッチング素子のオン期間との間には、正極側及び負極側のスイッチング素子の双方をオフにする短絡防止期間（デッドタイム）が設けられてもよい。

＜電流検出のための、電圧指令値の上限値Ｖｕｐ＞
図４に示すように、キャリア波ＣＡの山の頂点を中心にした区間Ｄにおいて、３相全ての負極側のスイッチング信号ＧＮｕ、ＧＮｖ、ＧＮｗがオンになっており、この区間Ｄにおいて、電流センサ５により３相の巻線に流れる電流を検出できる。本実施の形態では、上述したように、電流検出部３２は、キャリア波ＣＡの山の頂点のタイミングで、電流を検出するように構成されている。

各相の電流を検出するためには、各相の負極側のスイッチング素子をオンする必要がある。しかし、電圧指令値が直流電圧Ｖｄｃに一致すると、負極側のスイッチング素子が常時オフになるため、電流センサ５により電流を検出できなくなる。

一方、電圧指令値を直流電圧Ｖｄｃよりも小さくすれば、負極側のスイッチング素子がオンになるため、電流センサにより電流を検出できる。しかし、負極側のスイッチング素子のオン期間が短すぎると電流を正確に検出できないため、負極側のスイッチング素子のオン期間を、電流の検出に必要な長さ以上に設定する必要がある。これは、負極側のスイッチング素子をオンした後、リンギング等の影響により、負極側のスイッチング素子を流れる電流が安定するまでには、安定遅れ時間Ｔｄｌｙがあるためである。そのため、負極側のスイッチング素子をオンした後、安定遅れ時間Ｔｄｌｙが経過するまでに、電流を検出すると、電流を正確に検出できない。

本実施の形態では、負極側のスイッチング素子のオン期間の中心が、電流検出タイミングになるため、負極側のスイッチング素子のオン期間を、安定遅れ時間Ｔｄｌｙの２倍値以上にする必要がある。安定遅れ時間Ｔｄｌｙの２倍値が、電流の検出に必要な長さに相当する。よって、負極側のスイッチング素子のオン期間Ｔｏｎが、安定遅れ時間Ｔｄｌｙの２倍値になる電圧指令値まで、電圧指令値を直流電圧Ｖｄｃから低下量ΔＶｄｗｎだけ低下させる必要がある。

本実施の形態では、低下量ΔＶｄｗｎ、及び電流の検出に必要な電圧指令値の上限値Ｖｕｐは、次式になる。低下量ΔＶｄｗｎは、ばらつきを考慮し、余裕をもって設定されてもよい。また、上述した短絡防止期間が設けられる場合は、短絡防止期間を考慮して、低下量ΔＶｄｗｎが設定される。
Ｔｏｎ＝Ｔｄｌｙ×２
ΔＶｄｗｎ＝Ｔｏｎ／Ｔｃ×Ｖｄｃ
Ｖｕｐ＝Ｖｄｃ－ΔＶｄｗｎ ・・・（１）

例えば、電流の検出に必要な負極側のスイッチング素子のオン期間Ｔｏｎが、５μｓであり、ＰＷＭ周期Ｔｃが、５０μｓである場合は、低下量ΔＶｄｗｎは、直流電圧Ｖｄｃの１０％になり、上限値Ｖｕｐは、直流電圧Ｖｄｃの９０％に設定される。

故障判定部３５により故障が判定されていない場合は、１相の電圧指令値が、上限値Ｖｕｐより大きくなり、その相の電流を検出できない場合でも、通常、残りの２相の電圧指令値が、上限値Ｖｕｐ以下になる。よって、３相の電流の合計値が０になるというキルヒホッフの法則を利用し、２相の電流検出値から、１相の電流を算出できる。或いは、電圧指令値が上限値Ｖｕｐよりも大きくならないように３相の電圧指令値に変調を加えることにより、３相の電流を検出できる。

故障判定部３５により故障が判定された場合は、後述するように、正常な２相の電圧指令値を上限値Ｖｕｐ以下にして、電流を検出する必要がある。

１－４－５．電圧指令値算出部３３
電圧指令値算出部３３は、各相の巻線に印加する各相の電圧指令値を算出する。電圧指令値算出部３３は、故障判定部３５により故障が判定されていない場合に電圧指令値を算出する正常時算出部３３１と、故障判定部３５により故障が判定されている場合に電圧指令値を算出する故障時算出部３３２と、を備えている。

１－４－５－１．正常時算出部３３１
正常時算出部３３１は、故障判定部３５により故障が判定されていないときに各相の電圧指令値を算出する。正常時算出部３３１は、公知のベクトル制御により、３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを算出する。正常時算出部３３１は、回転角度θに基づいて、３相の電流検出値を、ｄ軸及びｑ軸の電流検出値Ｉｄ、Ｉｑに変換し、ｄ軸及びｑ軸の電流検出値Ｉｄ、Ｉｑが、それぞれ、ｄ軸及びｑ軸の電流指令値Ｉｄｏ、Ｉｑｏに近づくように、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを変化させ、回転角度θに基づいて、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに、変調が加えられてもよい。本実施の形態では、３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、０から直流電圧Ｖｄｃの範囲内を振動するように算出される。正常時算出部３３１は、トルク指令値Ｔｏに基づいて、各種のベクトル制御の方法を用い、ｄ軸及びｑ軸の電流指令値Ｉｄｏ、Ｉｑｏを設定する。

１－４－５－２．故障時算出部３３２
故障時算出部３３２は、故障判定部３５により故障が判定されているときに各相の電圧指令値を算出する。故障時算出部３３２は、いずれか１相の直列回路の正極側の短絡故障又は負極側の短絡故障が発生したと判定されているときに、短絡故障が発生していない正常な２相の電圧指令値を算出する。

特許文献１のように、故障時に、３相の正極側のスイッチング素子又は３相の負極側のスイッチング素子をオンにして、３相の巻線を相互に短絡させて、ブレーキトルクを発生させると、交流回転機１のトルクが出力される動力装置に悪影響を与える。そこで、本実施の形態では、ブレーキトルクが生じないような、正常な２相の電圧指令値が算出されるように構成されている。

故障箇所が判明している場合、ブレーキトルクの元となる誘起電流は、回転角度θ、回転角速度ωから求めることができる。よって、少なくとも回転角度θに基づいて、ブレーキトルクの発生を抑制し、トルク指令値Ｔｏに近いトルクを発生させる電圧指令を算出することができる。

＜故障時の電圧指令値の算出＞
故障時算出部３３２は、正極側の短絡故障が発生したと判定されているときは、図６に示すように、短絡故障が生じた異常相の電圧指令値を、直流電圧Ｖｄｃに設定すると共に、回転角度θに応じて、直流電圧Ｖｄｃを基準に振動する、正常な２相の電圧指令値を算出する。一方、故障時算出部３３２は、負極側の短絡故障が発生したと判定されているときは、図７に示すように、短絡故障が生じた異常相の電圧指令値を、０に設定すると共に、回転角度θに応じて、０を基準に振動する、正常な２相の電圧指令値を算出する。

本実施の形態では、故障時算出部３３２は、直流電圧Ｖｄｃの半分値を基準に振動する、正常な２相の電圧指令値の基本値を算出し、正極側の短絡故障又は負極側の短絡故障に応じて、正常な２相の電圧指令値の基本値を、直流電圧Ｖｄｃの半分値だけ正側又は負側にオフセットさせるように構成されている。以下で、詳細に説明する。

＜電圧指令値の基本値の算出＞
図５に、Ｖ相の正極側又は負極側の短絡故障が発生している場合の処理を表す制御ブロック図を示す。故障時算出部３３２は、正常相基本値算出部３３２１、異常相指令値算出部３３２２、及び正常相指令値算出部３３２３を備えている。

正常相基本値算出部３３２１は、回転角度θに応じて、直流電圧Ｖｄｃの半分値を基準に振動する、正常な２相の電圧指令値の基本値を算出する。例えば、正常相基本値算出部３３２１は、回転角度θと正常な２相の電圧指令値との関係が予め設定された基本値設定データを参照し、現在の回転角度θに対応する２相の電圧指令値の基本値を算出する。基本値設定データは、複数の回転角速度ωごとに予め設定されており、現在の回転角速度ωに対応する基本値設定データが用いられる。基本値設定データの代わりに、演算式が用いられてもよい。

基本値設定データは、正常な２相の組み合わせごとに設定されている。例えば、Ｕ相が故障している場合は、回転角度θとＶ相及びＷ相の電圧指令値の基本値と関係が予め設定されたＶ相及びＷ相の基本値設定データが参照される。Ｖ相が故障している場合は、回転角度θとＵ相及びＷ相の電圧指令値の基本値と関係が予め設定されたＵ相及びＷ相の基本値設定データが参照される。Ｗ相が故障している場合は、回転角度θとＵ相及びＶ相の電圧指令値の基本値と関係が予め設定されたＵ相及びＶ相の基本値設定データが参照される。

正常相基本値算出部３３２１は、トルク指令値Ｔｏに応じて、正常な２相の電圧指令値の基本値の振幅を、直流電圧Ｖｄｃの半分値を中心に増減させる。トルク指令値Ｔｏは、制御器３０の内部で演算されてもよいし、制御器３０の外部から伝達されてもよい。トルク指令値Ｔｏとして、トルクに相当する電流指令値であるトルク電流指令値が用いられてもよい。

＜正極側の短絡故障時の設定＞
正極側の短絡故障が発生したと判定されているときは、異常相指令値算出部３３２２は、短絡故障が生じた異常相の電圧指令値を、直流電圧Ｖｄｃに設定する。そして、正常相指令値算出部３３２３は、正常な２相の電圧指令値の基本値を、直流電圧Ｖｄｃの半分値だけ正方向にオフセットさせて、正常な２相の電圧指令値を算出する。

図６に、Ｖ相の正極側の短絡故障が発生していると判定されているときの、Ｖ相の異常相の電圧指令値Ｖｖ、オフセット後の正常なＵ相及びＶ相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｗの算出例を示す。横軸は、回転角度θである。

このように、異常相の電圧指令値が、直流電圧Ｖｄｃに設定されるので、ＰＷＭ制御により異常相の負極側のスイッチング素子が常時オフにされ、異常相の直列回路が短絡し、大電流が流れることを防止できる。なお、故障時算出部３３２は、異常相の電圧指令値を設定せず、ＰＷＭ制御を行うことなく、異常相の負極側のスイッチング素子を常時オフしてもよい。また、異常相の正極側のスイッチング素子を、安全サイドに、常時オフしてもよい。この場合も、異常相の電圧指令値が、直流電圧Ｖｄｃに設定されることに相当する。

正常な２相の電圧指令値が、故障相の電圧指令値と異なっていると、相間の電圧差により電流が流れる。異常相の電圧指令値が直流電圧Ｖｄｃに設定されるので、直流電圧Ｖｄｃの半分値を基準に振動する正常な２相の電圧指令値の基本値との間に、常時、同じ方向の電圧差が生じ、同じ方向の電流が流れるので好ましくない。よって、上記の構成のように、正常な２相の電圧指令値の基本値を、直流電圧Ｖｄｃの半分値だけ正方向にオフセットさせることにより、正常な２相の電圧指令値を、直流電圧Ｖｄｃを基準に振動させることができる。巻線への印加電圧は、直流電圧Ｖｄｃにより上限制限されるため、正常な２相の電圧指令値も、直流電圧Ｖｄｃにより上限制限される。なお、正常な２相の電圧指令値を直流電圧Ｖｄｃにより上限制限しなくてもよいが、０と直流電圧Ｖｄｃとの間を振動するキャリア波ＣＡと比較されるため、ＰＷＭ制御の結果は同じになる。

よって、正常な２相の電圧指令値が、故障相の電圧指令値と同じ直流電圧Ｖｄｃに一致している期間では、相間の電圧差が生じず、相間の電圧差により電流が流れることを防止できる。一方、正常な２相の電圧指令値が、直流電圧Ｖｄｃより小さくなる期間では、トルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生させるための電流を流すことができる。トルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生させるために、一方の正常相の電流を０Ａより大きくし、他方の正常相の電流を０Ａより小さくしたい場合は、一方の正常相の電圧指令値を直流電圧Ｖｄｃに設定し、他方の正常相の電圧指令値を直流電圧Ｖｄｃから低下させればよい。なお、故障により、トルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生できない角度区間もある。よって、巻線電流の増加を抑制しつつ、可能な限りトルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生させることができる。

＜負極側の短絡故障時の設定＞
負極側の短絡故障が発生したと判定されているときは、異常相指令値算出部３３２２は、短絡故障が生じた異常相の電圧指令値を、０に設定する。そして、正常相指令値算出部３３２３は、正常な２相の電圧指令値の基本値を、直流電圧Ｖｄｃの半分値だけ負方向にオフセットさせて、正常な２相の電圧指令値を算出する。

図７に、Ｖ相の負極側の短絡故障が発生していると判定されているときの、Ｖ相の異常相の電圧指令値Ｖｖ、オフセット後の正常なＵ相及びＶ相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｗの算出例を示す。横軸は、回転角度θである。

このように、異常相の電圧指令値が、０に設定されるので、ＰＷＭ制御により異常相の正極側のスイッチング素子が常時オフにされ、異常相の直列回路が短絡し、大電流が流れることを防止できる。なお、故障時算出部３３２は、異常相の電圧指令値を設定せず、ＰＷＭ制御を行うことなく、異常相の正極側のスイッチング素子を常時オフしてもよい。また、異常相の負極側のスイッチング素子を、安全サイドに、常時オフしてもよい。これらの場合も、異常相の電圧指令値が、０に設定されることに相当する。

正常な２相の電圧指令値が、故障相の電圧指令値と異なっていると、相間の電圧差により電流が流れる。異常相の電圧指令値が０に設定されるので、直流電圧Ｖｄｃの半分値を基準に振動する正常な２相の電圧指令値の基本値との間に、常時、同じ方向の電圧差が生じ、同じ方向の電流が流れるので好ましくない。よって、上記の構成のように、正常な２相の電圧指令値の基本値を、直流電圧Ｖｄｃの半分値だけ負方向にオフセットさせることにより、正常な２相の電圧指令値を、０を基準に振動させることができる。巻線への印加電圧は、０により下限制限されるため、正常な２相の電圧指令値も、０により下限制限される。なお、正常な２相の電圧指令値を０により下限制限しなくてもよいが、０と直流電圧Ｖｄｃとの間を振動するキャリア波ＣＡと比較されるため、ＰＷＭ制御の結果は同じになる。

よって、正常な２相の電圧指令値が、故障の電圧指令値が設定された０に一致している期間では、相間の電圧差が生じず、相間の電圧差により電流が流れることを防止できる。一方、正常な２相の電圧指令値が、０より大きくなる期間では、トルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生させるための電流を流すことができる。トルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生させるために、一方の正常相の電流を０Ａより大きくし、他方の正常相の電流を０Ａより小さくしたい場合は、一方の正常相の電圧指令値を０から増加させ、他方の正常相の電圧指令値を０に設定すればよい。なお、故障により、トルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生できない角度区間もある。よって、巻線電流の増加を抑制しつつ、可能な限りトルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生させることができる。

＜正常な２相の電圧指令値の上限制限＞
正極側の短絡故障時は、図６に示したように、正常な２相の電圧指令値の一方又は双方が、直流電圧Ｖｄｃに一致する区間がある。よって、正常な２相の負極側のスイッチング素子のオン期間が短くなり、電流センサにより電流を検出できなくなる。

図６では、正常な１相又は２相の電流を検出できる角度区間が存在するが、トルク指令値Ｔｏが小さくなると、正常な２相の電圧指令値の振幅が小さくなり、全ての角度区間において、正常な１相又は２相の電流を検出できる角度区間が存在しなくなる。

そこで、故障時算出部３３２は、少なくとも電流検出タイミングで、正常な２相の各相の負極側のスイッチングのオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常な２相の電圧指令値を変化させる。

この構成によれば、１相の故障が判定されているときに、正常な２相の電流を検出することができる。よって、正常な２相の電流検出値を用いて、故障時の制御を行うことができる。本実施の形態では、上述したように、故障判定部３５が、正常な２相の電流検出値を用いて、正常な２相の直列回路の故障を判定することができる。よって、故障発生時の交流回転機の動作をより信頼性の高いものにできる。

本実施の形態では、検出対象素子は、負極側のスイッチング素子である。故障時算出部３３２は、短絡故障が発生したと判定されているときに、正常な２相の各相の負極側のスイッチング素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常な２相の電圧指令値を、直流電圧Ｖｄｃよりも小さい値に設定された上限値Ｖｕｐにより上限制限する。上限値Ｖｕｐは、式（１）を用いて説明したように設定される。

この構成によれば、正常な２相の負極側のスイッチング素子のオン期間を、電流の検出に必要な長さ以上にすることができ、正常な２相の電流を精度よく検出することができる。負極側のスイッチング素子のオン期間が、電流の検出に必要な最小限の長さになるように、上限値Ｖｕｐを設定すれば、正常相の電圧指令値に対する影響を最小限にすることができ、電流制御及びトルク制御に対する影響を抑制することができる。

上限値Ｖｕｐによる上限制限は、上限値Ｖｕｐを超える電圧指令値だけを、上限値Ｖｕｐに設定してもよいし、正常な２相の電圧指令値が上限値Ｖｕｐを超えないように、正常な２相の電圧指令値を、同じオフセット電圧だけ低下させてもよいし、正常な２相の電圧指令値に１より小さい係数を乗算してもよい。

本実施の形態では、図８に示すように、ＰＷＭ周期Ｔｃごとに電流が検出されるように構成されており、正常相の電圧指令値は、直流電圧Ｖｄｃの９０％に設定された上限値Ｖｕｐにより常時上限制限されている。そのため、各ＰＷＭ周期Ｔｃのキャリア波ＣＡの山の頂点付近で、負極側のスイッチング素子がオンになり、電流センサを電流が流れる。なお、図には、スイッチング素子をオンにした後、電流が安定するまでの挙動は省略している。各ＰＷＭ周期Ｔｃのキャリア波ＣＡの山の頂点で、電流を検出することできる。電流検出値は、次回の電流検出タイミングまで保持される。

なお、電流センサの故障の検知、電流センサの出力信号の補正などの目的のため、電流検出部３２は、電流センサに電流が流れていないタイミングで、電流センサの出力信号を検出するように構成されてもよい。この場合は、故障時算出部３３２は、短絡故障が発生したと判定されているときに、正常な２相の各相の負極側のスイッチング素子のオフ期間が生じるように、正常な２相の電圧指令値を、０よりも大きい値に設定された下限値により下限制限してもよい。特に、負極側の短絡故障が発生しているときは、正常な２相の電圧指令値は、０を基準に振動するため、０になる頻度が高くなり、下限値により下限制限する必要性が生じる。下限値により下限制限する場合は、電流検出部３２は、キャリア波のＣＡの谷の頂点において、電流センサの出力信号を検出してもよい。

２．実施の形態２
実施の形態２に係る制御装置１０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機１及び制御装置１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、短絡故障時に正常な２相の電流検出値を用いて、電圧指令値を算出する点が実施の形態１と異なる。

実施の形態では、電圧指令値算出部３３は、短絡故障が発生したと判定されているときに、正常な２相の電流検出値に基づいて、正常な２相の電圧指令値を算出する。

＜正常な２相の電流指令値の算出＞
図９に、Ｖ相の正極側又は負極側の短絡故障が発生している場合の処理を表す制御ブロック図を示す。特許文献２の図９と同様に構成される。故障時算出部３３２は、正常相電流指令値算出部３３２０、正常相基本値算出部３３２１、異常相指令値算出部３３２２、及び正常相指令値算出部３３２３を備えている。

正常相電流指令値算出部３３２０は、回転角度θに応じて、０を基準に振動する、正常な２相の電流指令値を算出する。例えば、正常相電流指令値算出部３３２０は、回転角度θと正常な２相の電流指令値との関係が予め設定された電流指令値設定データを参照し、現在の回転角度θに対応する２相の電流指令値を算出する。電流指令値設定データは、複数の回転角速度ωごとに予め設定されており、現在の回転角速度ωに対応する電流指令値設定データが用いられる。電流指令値設定データの代わりに、演算式が用いられてもよい。

電流指令値設定データは、正常な２相の組み合わせごとに設定さている。例えば、Ｕ相が故障している場合は、回転角度θとＶ相及びＷ相の電流指令値と関係が予め設定されたＶ相及びＷ相の電流指令値設定データが参照される。Ｖ相が故障している場合は、回転角度θとＵ相及びＷ相の電流指令値と関係が予め設定されたＵ相及びＷ相の電流指令値設定データが参照される。Ｗ相が故障している場合は、回転角度θとＵ相及びＶ相の電流指令値と関係が予め設定されたＵ相及びＶ相の電流指令値設定データが参照される。

正常相電流指令値算出部３３２０は、トルク指令値Ｔｏに応じて、正常な２相の電流指令値の振幅を、０を中心に増減させる。

正常相基本値算出部３３２１は、正常な２相の電流検出値が、正常な２相の電流指令値に近づくように、正常な２相の電圧指令値の基本値をそれぞれ変化させる電流フィードバック制御を行う。例えば、Ｖ相が故障している場合は、正常相基本値算出部３３２１は、Ｕ相の電流検出値Ｉｕが、Ｕ相の電流指令値Ｉｕｏに近づくように、Ｕ相の電圧指令値の基本値Ｖｕ０を変化させ、Ｗ相の電流検出値Ｉｗが、Ｗ相の電流指令値Ｉｗｏに近づくように、Ｗ相の電圧指令値の基本値Ｖｗ０を変化させる。電流偏差に基づいたＰＩ制御等が用いられる。

このように算出される正常な２相の電圧指令値の基本値は、実施の形態１と同様に、回転角度θに応じて、直流電圧Ｖｄｃの半分値を基準に振動する。

＜正極側の短絡故障時の設定＞
実施の形態１と同様に、正極側の短絡故障が発生したと判定されているときは、異常相指令値算出部３３２２は、短絡故障が生じた異常相の電圧指令値を、直流電圧Ｖｄｃに設定する。正常相指令値算出部３３２３は、正常な２相の電圧指令値の基本値を、直流電圧Ｖｄｃの半分値だけ正方向にオフセットさせて、正常な２相の電圧指令値を算出する。

本実施の形態の正常な２相の電圧指令値は、実施の形態１の図６と同様な挙動になる。正常な２相の電圧指令値の基本値を、直流電圧Ｖｄｃの半分値だけ正方向にオフセットさせることにより、正常な２相の電圧指令値を、直流電圧Ｖｄｃを基準に振動させることができる。よって、巻線電流の増加を抑制しつつ、可能な限りトルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生させることができる。

＜負極側の短絡故障時の設定＞
実施の形態１と同様に、負極側の短絡故障が発生したと判定されているときは、異常相指令値算出部３３２２は、短絡故障が生じた異常相の電圧指令値を、０に設定する。そして、正常相指令値算出部３３２３は、正常な２相の電圧指令値の基本値を、直流電圧Ｖｄｃの半分値だけ負方向にオフセットさせて、正常な２相の電圧指令値を算出する。

本実施の形態の正常な２相の電圧指令値は、実施の形態１の図７と同様な挙動になる。正常な２相の電圧指令値の基本値を、直流電圧Ｖｄｃの半分値だけ負方向にオフセットさせることにより、正常な２相の電圧指令値を、０を基準に振動させることができる。よって、巻線電流の増加を抑制しつつ、可能な限りトルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生させることができる。

＜正常な２相の電圧指令値の上限制限＞
実施の形態１の図６と同様に、正極側の短絡故障時は、正常な２相の電圧指令値の一方又は双方が、直流電圧Ｖｄｃに一致する区間がある。よって、正常な２相の負極側のスイッチング素子のオン期間が短くなり、電流センサにより電流を検出できなくなる。

実施の形態１と同様に、故障時算出部３３２は、少なくとも電流検出タイミングで、正常な２相の各相の負極側のスイッチングのオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常な２相の電圧指令値を変化させる。

この構成によれば、１相の故障が判定されているときに、正常な２相の電流を検出することができる。よって、正常な２相の電流検出値を用いて、故障時の電流フィードバック制御を行い、正常な２相の電圧指令値を算出することができる。

実施の形態１と同様に、故障時算出部３３２は、短絡故障が発生したと判定されているときに、正常な２相の各相の負極側のスイッチング素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常な２相の電圧指令値を、直流電圧Ｖｄｃよりも小さい値に設定された上限値Ｖｕｐにより上限制限する。

この構成によれば、正常な２相の負極側のスイッチング素子のオン期間を、電流の検出に必要な長さ以上にすることができ、正常な２相の電流を精度よく検出することができる。

なお、故障判定部３５は、実施の形態１と同様に、正常な２相の電流検出値を用いて、正常な２相の直列回路の故障を判定してもよいし、実施の形態１と異なり、正常な２相の直列回路の故障を判定しなくてもよい。

３．実施の形態３
実施の形態３に係る制御装置１０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機１及び制御装置１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、複数のＰＷＭ周期ごとに電流が検出され、電圧指令値が変化される点が実施の形態１と異なる。

電流検出部３２は、短絡故障が発生したと判定されているときに、複数のＰＷＭ周期ごとに電流を検出する。なお、電流検出部３２は、短絡故障が発生したと判定されていないときは、ＰＷＭ周期ごとに電流を検出する。

例えば、図１０のタイムチャートに示すように、電流検出部３２は、５つのＰＷＭ周期ごとのキャリア波ＣＡの山の頂点で電流を検出する。

故障時算出部３３２は、短絡故障が発生したと判定されているときに、複数のＰＷＭ周期ごと（本例では、５つのＰＷＭ周期ごと）の電流検出タイミングで、正常な２相の各相の負極側のスイッチング素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常な２相の電圧指令値を変化させる。

検出対象素子は、負極側のスイッチング素子である。故障時算出部３３２は、短絡故障が発生したと判定されているときに、複数のＰＷＭ周期ごとの電流検出タイミングで、正常な２相の各相の負極側のスイッチング素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常な２相の電圧指令値を、直流電圧Ｖｄｃよりも小さい値に設定された上限値Ｖｕｐにより上限制限する。

上限制限により、電圧指令値を上限値Ｖｕｐまで低下させると、トルクの低下、電流の増加が生じる。上記の構成によれば、電圧指令値が上限値Ｖｕｐにより上限制限される頻度を低下させることができる。よって、トルクの低下及び電流の増加の頻度を低下させることができ、平均的なトルクの低下量及び電流の増加量を、頻度に応じて低下させることができる。例えば、５つのＰＷＭ周期ごとに上限制限する場合は、ＰＷＭ周期ごとに上限制限する場合に比べ、平均的なトルクの低下量及び電流の増加量を５分の１にすることができる。なお、電圧指令値が上限値Ｖｕｐよりも低い場合は、上限制限されないため、電流検出の頻度の影響は生じない。

例えば、図１０のタイムチャートに示すように、故障時算出部３３２は、５つのＰＷＭ周期ごとの電流検出タイミングで、電圧指令値の制限の実行フラグをオンにする。故障時算出部３３２は、電流検出タイミングであるキャリア波ＣＡの山の頂点を中心したオン期間だけ、実行フラグをオンにする。実行フラグのオン期間は、上限値Ｖｕｐに対応する負極側のスイッチング素子のオン期間よりも長くされる。

そして、故障時算出部３３２は、実行フラグがオンになっているときに、正常な２相の電圧指令値を上限値Ｖｕｐにより上限制限する。図１０には、直流電圧Ｖｄｃに設定されている正常な１相の電圧指令値を示している。実行フラグのオン期間で、電圧指令値が上限値Ｖｕｐに上限制限され、電圧指令値が上限値Ｖｕｐに設定されている。よって、５つのＰＷＭ周期ごとの電流検出タイミングで、負極側のスイッチング素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になり、電流が精度よく検出される。電流検出部３２は、検出した各相の電流検出値を、５つのＰＷＭ周期後の次回の電流検出タイミングまで保持する。

正常な２相の電流検出値を用いて、実施の形態１で説明した正常相の故障判定が行われ、実施の形態２で説明した電流フィードバック制御が行われる。

なお、電流検出部３２は、正常な２相の電圧指令値が上限値Ｖｕｐ以下であるときは、ＰＷＭ周期ごとに電流を検出してもよい。

電流検出部３２は、電流を検出しないＰＷＭ周期において、過去の複数の電流検出値に基づいて、電流検出値を算出してもよい。例えば、電流検出部３２は、過去の複数の電流検出値に基づいて、一次予測、二次予測等の予測を行って、電流検出値を算出してもよく、過去の複数の電流検出値に対してローパスフィルタ処理を行って、電流検出値を算出してもよい。この構成によれば、電流を検出しないＰＷＭ周期において電流検出値を滑らかに変化させることができ、各処理に用いることができる。

＜電流のサンプリング周期の設定＞
電流のサンプリング周期が長くなるに従って、平均的なトルクの低下量及び電流の増加量を低減することができる。しかし、電流のサンプリング周波数が低下すると、ナイキスト周波数が低下する。そのため、電流のサンプリング周期を長くし過ぎると、電流フィードバック制御系の安定性が悪化する。

そこで、電流を検出する複数のＰＷＭ周期（電流のサンプリング周期）は、巻線を流れる電流を制御する制御系の応答時定数よりも短くなるように設定される。応答時定数は、電流指令値をステップ変化させてから、電流検出値が最終値の６３．２％に到達するまでの時間と定義される。また、応答時定数は、電流フィードバック制御系のカットオフ周波数の逆数に相当する。

この構成によれば、電流のサンプリング周期を、応答時定数よりも短くするので、電流フィードバック制御系が不安定化しない範囲しないようにできる。

４．実施の形態４
実施の形態４に係る制御装置１０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機１及び制御装置１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、短絡故障が発生したときに、ＰＷＭ周期が長くされる点が実施の形態１と異なる。

式（１）から、ＰＷＭ周期Ｔｃが長くなるに従って、直流電圧Ｖｄｃからの低下量ΔＶｄｗｎが減少し、上限値Ｖｕｐが増加して、直流電圧Ｖｄｃに近づくことがわかる。上限値Ｖｕｐが増加すると、電圧指令値の上限制限によるトルクの低下量及び電流の増加量が減少する。

そこで、ＰＷＭ制御部３４は、短絡故障が発生したと判定されているときは、短絡故障が発生したと判定されていないときよりも、ＰＷＭ周期Ｔｃを長くする。この構成によれば、ＰＷＭ周期Ｔｃを長くしない場合よりも、上限値Ｖｕｐを大きくすることができ、電圧指令値の上限制限によるトルクの低下量及び電流の増加量を減少させることができる。

例えば、正常時のＰＷＭ周期Ｔｃを、５０μｓに設定し、故障時のＰＷＭ周期Ｔｃを、２５０μｓに設定する。電流の検出に必要な負極側のスイッチング素子のオン期間Ｔｏｎが、５μｓである。故障時のＰＷＭ周期Ｔｃを、正常時から変化させずに５０μｓに設定すると、低下量ΔＶｄｗｎは、直流電圧Ｖｄｃの１０％であるが、故障時のＰＷＭ周期Ｔｃを、正常時から長くして２５０μｓに設定すると、低下量ΔＶｄｗｎは、直流電圧Ｖｄｃの２％になる。よって、故障時のＰＷＭ周期Ｔｃを正常時から変化させない場合よりも、トルクの低下量及び電流の増加量を１／５に減少させることができる。

ＰＷＭ周期Ｔｃが長くなるに従って、トルクの低下量及び電流の増加量を低減することができる。一方、ＰＷＭ周期Ｔｃに比例して、電流のサンプリング周期が変化する。電流のサンプリング周波数が低下すると、ナイキスト周波数が低下する。そのため、ＰＷＭ周期Ｔｃを長くし過ぎると、電流フィードバック制御系の安定性が悪化する。

そこで、ＰＷＭ周期Ｔｃ（電流のサンプリング周期）は、巻線を流れる電流を制御する制御系の応答時定数よりも短くなるように設定される。応答時定数は、電流指令値をステップ変化させてから、電流検出値が最終値の６３．２％に到達するまでの時間と定義される。また、応答時定数は、電流フィードバック制御系のカットオフ周波数の逆数に相当する。

この構成によれば、ＰＷＭ周期Ｔｃ（電流のサンプリング周期）を、応答時定数よりも短くするので、電流フィードバック制御系が不安定化しない範囲しないようにできる。

５．実施の形態５
実施の形態５に係る制御装置１０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機１及び制御装置１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、電流センサが正極側のスイッチング素子に直列接続され、検出対象素子が正極側のスイッチング素子である点が実施の形態１と異なる。図１１は、本実施の形態に係る交流回転機１、制御装置１０の概略構成図である。

各相の電流センサ５は、各相の正極側のスイッチング素子ＳＰの正極側に直列接続されている。なお、各相の電流センサ５は、正極側のスイッチング素子ＳＰの負極側に直列接続されてもよい。よって、各相の電流センサ５は、各相の正極側のスイッチング素子ＳＰを流れる電流を検出することができる。

＜電流検出のための、電圧指令値の下限値Ｖｄｗｎ＞
本実施の形態では、図１２に示すように、キャリア波ＣＡの谷の頂点を中心にした区間Ｃにおいて、３相全ての正極側のスイッチング信号ＧＰｕ、ＧＰｖ、ＧＰｗがオンになっており、この区間Ｃにおいて、電流センサ５により３相の巻線に流れる電流を検出できる。本実施の形態では、電流検出部３２は、キャリア波ＣＡの谷の頂点のタイミングで、電流を検出するように構成されている。

各相の電流を検出するためには、各相の正極側のスイッチング素子をオンする必要がある。しかし、電圧指令値が０に一致すると、正極側のスイッチング素子が常時オフになるため、電流センサ５により電流を検出できなくなる。

一方、電圧指令値を０よりも大きくすれば、正極側のスイッチング素子がオンになるため、電流センサにより電流を検出できる。しかし、正極側のスイッチング素子のオン期間が短すぎると電流を正確に検出できないため、正極側のスイッチング素子のオン期間を、電流の検出に必要な長さ以上に設定する必要がある。これは、正極側のスイッチング素子をオンした後、リンギング等の影響により、正極側のスイッチング素子を流れる電流が安定するまでには、安定遅れ時間Ｔｄｌｙがあるためである。そのため、正極側のスイッチング素子をオンした後、安定遅れ時間Ｔｄｌｙが経過するまでに、電流を検出すると、電流を正確に検出できない。

本実施の形態では、正極側のスイッチング素子のオン期間の中心が、電流検出タイミングになるため、正極側のスイッチング素子のオン期間を、安定遅れ時間Ｔｄｌｙの２倍値以上にする必要がある。安定遅れ時間Ｔｄｌｙの２倍値が、電流の検出に必要な長さに相当する。よって、正極側のスイッチング素子のオン期間Ｔｏｎが、安定遅れ時間Ｔｄｌｙの２倍値になる電圧指令値まで、電圧指令値を０から増加量ΔＶｕｐだけ増加させる必要がある。

本実施の形態では、増加量ΔＶｕｐ、及び電流の検出に必要な電圧指令値の下限値Ｖｄｗｎは、次式になる。増加量ΔＶｕｐは、ばらつきを考慮し、余裕をもって設定されてもよい。また、上述した短絡防止期間が設けられる場合は、短絡防止期間を考慮して、増加量ΔＶｕｐが設定される。
Ｔｏｎ＝Ｔｄｌｙ×２
ΔＶｕｐ＝Ｔｏｎ／Ｔｃ×Ｖｄｃ
Ｖｄｗｎ＝０＋ΔＶｕｐ ・・・（２）

例えば、電流の検出に必要な負極側のスイッチング素子のオン期間Ｔｏｎが、５μｓであり、ＰＷＭ周期Ｔｃが、５０μｓである場合は、増加量ΔＶｕｐは、直流電圧Ｖｄｃの１０％になり、下限値Ｖｄｗｎは、直流電圧Ｖｄｃの１０％に設定される。

＜正常な２相の電圧指令値の下限制限＞
図７と同様の図１３に示すように、負極側の短絡故障時は、正常な２相の電圧指令値の一方又は双方が、０に一致する区間がある。よって、正常な２相の負極側のスイッチング素子のオン期間が短くなり、電流センサにより電流を検出できなくなる。

図１３では、正常な１相又は２相の電流を検出できる角度区間が存在するが、トルク指令値Ｔｏが小さくなると、正常な２相の電圧指令値の振幅が小さくなり、全ての角度区間において、正常な１相又は２相の電流を検出できる角度区間が存在しなくなる。

そこで、故障時算出部３３２は、少なくとも電流検出タイミングで、正常な２相の各相の正極側のスイッチングのオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常な２相の電圧指令値を変化させる。

本実施の形態では、検出対象素子は、正極側のスイッチング素子である。故障時算出部３３２は、短絡故障が発生したと判定されているときに、正常な２相の各相の正極側のスイッチング素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常な２相の電圧指令値を、０よりも大きい値に設定された下限値Ｖｄｗｎにより下限制限する。下限値Ｖｄｗｎは、式（２）を用いて説明したように設定される。

この構成によれば、正常な２相の正極側のスイッチング素子のオン期間を、電流の検出に必要な長さ以上にすることができ、正常な２相の電流を精度よく検出することができる。正極側のスイッチング素子のオン期間が、電流の検出に必要な最小限の長さになるように、下限値Ｖｄｗｎを設定すれば、正常相の電圧指令値に対する影響を最小限にすることができ、電流制御及びトルク制御に対する影響を抑制することができる。

下限値Ｖｄｗｎによる下限制限は、下限値Ｖｄｗｎを下回る電圧指令値だけを、下限値Ｖｄｗｎに設定してもよいし、正常な２相の電圧指令値が下限値Ｖｄｗｎを下回らないように、正常な２相の電圧指令値を、同じオフセット電圧だけ増加させてもよい。

なお、電流センサの故障の検知、電流センサの出力信号の補正などの目的のため、電流検出部３２は、電流センサに電流が流れていないタイミングで、電流センサの出力信号を検出するように構成されてもよい。この場合は、故障時算出部３３２は、短絡故障が発生したと判定されているときに、正常な２相の各相の正極側のスイッチング素子のオフ期間が生じるように、正常な２相の電圧指令値を、直流電圧Ｖｄｃよりも小さい値に設定された上限値により上限制限してもよい。特に、正極側の短絡故障が発生しているときは、正常な２相の電圧指令値は、直流電圧Ｖｄｃを基準に振動するため、直流電圧Ｖｄｃになる頻度が高くなり、上限値により上限制限する必要性が生じる。上限値により上限制限する場合は、電流検出部３２は、キャリア波のＣＡの山の頂点において、電流センサの出力信号を検出してもよい。

本実施の形態でも、実施の形態２と同様に、電圧指令値算出部３３は、短絡故障が生じていると判定されているときに、正常な２相の電流検出値に基づいて、正常な２相の電圧指令値を算出してもよい。

本実施の形態でも、実施の形態３と同様に、電流検出部３２は、短絡故障が発生したと判定されているときに、複数のＰＷＭ周期ごとのキャリア波ＣＡの谷の頂点で電流を検出してもよい。故障時算出部３３２は、短絡故障が発生したと判定されているときに、複数のＰＷＭ周期ごとの電流検出タイミングで、正常な２相の各相の正極側のスイッチング素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常な２相の電圧指令値を変化させてもよい。

本実施の形態でも、実施の形態４と同様に、ＰＷＭ制御部３４は、短絡故障が発生したと判定されているときは、短絡故障が発生したと判定されていないときよりも、ＰＷＭ周期Ｔｃを長くしてもよい。

６．実施の形態６
実施の形態６に係る制御装置１０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機１及び制御装置１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、交流回転機１が、電動パワーステアリング装置の駆動力源である点が実施の形態１と異なる。図１４は、本実施の形態に係る電動パワーステアリング装置、交流回転機１、及び制御装置１０の概略構成図である。

電動パワーステアリング装置は、運転者が左右に回転するハンドル５３と、ハンドル５３に連結されて、ハンドル５３による操舵トルクを車輪５６の操舵機構５５に伝達するシャフト５４と、シャフト５４に取り付けられ、ハンドル５３による操舵トルクを検出するトルクセンサ５２と、交流回転機１の駆動力をシャフト５４に伝達するウォームギヤ機構等の駆動力伝達機構５７と、シャフト５４の駆動力は、車輪５６を操舵するラック・ピニオンギヤ等の操舵機構５５と、を備えている。トルクセンサ５２の出力信号は、制御器３０に入力される。

制御器３０（電圧指令値算出部３３）は、トルクセンサ５２の出力信号に基づいて、ハンドル５３の操舵トルクを検出し、操舵トルクに基づいて、トルク指令値Ｔｏ（又は、トルク電流指令値）を算出する。

このような電動パワーステアリング装置において、実施の形態１から５のように構成することにより、短絡故障が発生した場合に、正常な２相の電流を検出することができる。また、短絡故障が発生した場合でも、交流回転機１にトルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生させることができる。正常な２相の電流検出値に基づいて、正常な２相の短絡故障を判定したり、電流フィードバック制御により交流回転機１にトルク指令値Ｔｏに応じたトルクを発生させたりすることができる。

〔その他の実施の形態〕
本願のその他の実施の形態について説明する。以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記の各実施の形態においては、１組の３相の巻線が設けられ、１組のインバータが設けられ、制御器３０は、１組の３相の巻線及びインバータに対応して構成されている場合を例として説明した。しかし、３相の巻線及びインバータは、複数組（例えば、２組）設けられてもよい。この場合は、交流回転機１（ステータ）には、３×組数の相数の巻線が設けられる。制御器３０は、各組の３相の巻線及びインバータに対応する各制御部３１～３５を複数組備えてもよく、或いは、複数組の制御器３０が設けられてもよい。

（２）上記の各実施の形態においては、交流回転機１には、３相の巻線が設けられている場合を例として説明した。しかし、交流回転機１には、２相の巻線が設けられてもよく、４相以上の巻線が設けられてもよい。インバータ及び制御器は、相数に応じて適切に設計される。

（３）上記の実施の形態６においては、交流回転機１が、電動パワーステアリング装置の駆動力源である場合を例として説明した。しかし、交流回転機１が、車輪の駆動力源とされるなど、各種の装置の駆動力源とされてもよい。

（４）上記の各実施の形態においては、電圧指令値及びキャリア波が、直流電源Ｖｄｃの半分値を中心に、０から直流電圧Ｖｄｃの間を変化する場合を例として説明した。しかし、電圧指令値及びキャリア波が、０を中心に、直流電圧Ｖｄｃの半分値に－１を乗算した値（－Ｖｄｃ／２）から直流電圧Ｖｄｃの半分値（Ｖｄｃ／２）の間を変化するように構成されてもよい。この場合は、電圧指令値算出部の各処理において、電圧指令値が、直流電圧Ｖｄｃの半分値だけ負側にオフセットされる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 交流回転機、２ 回転センサ、３ 直流電源、４ インバータ、５ 電流センサ、１０ 交流回転機の制御装置、３０ 制御器、３１ 回転検出部、３２ 電流検出部、３３ 電圧指令値算出部、３４ ＰＷＭ制御部、３５ 故障判定部、ＣＡ キャリア波、ＳＰ 正極側のスイッチング素子、ＳＮ 負極側のスイッチング素子、Ｔｃ ＰＷＭ制御の制御周期（ＰＷＭ周期）、Ｔｏｎ スイッチング素子のオン期間、Ｖｄｃ 直流電圧、Ｖｄｗｎ 下限値、Ｖｕｐ 上限値

Claims (9)

1. ｎ相（ｎは、３以上の自然数）の巻線を有する交流回転機を制御する交流回転機の制御装置であって、
   直流電源の正極側に接続される正極側のスイッチング素子と前記直流電源の負極側に接続される負極側のスイッチング素子とが直列接続され、直列接続の接続点が対応する相の前記巻線に接続される直列回路を、ｎ相各相に対応してｎセット設けたインバータと、
   ｎ相各相の前記正極側のスイッチング素子又は前記負極側のスイッチング素子である検出対象素子に直列接続され、電流を検出するｎ相の電流センサと、
   各相の巻線に印加する各相の電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
   各相の前記電圧指令値に基づいて、ＰＷＭ制御により各相の前記スイッチング素子をオンオフ制御するＰＷＭ制御部と、
   各相の前記検出対象素子がオンになるタイミングで、各相の前記電流センサの出力信号に基づいて、各相の電流を検出する電流検出部と、
   前記インバータの各相の直列回路における前記正極側のスイッチング素子の部分の短絡故障である正極側の短絡故障、及び前記負極側のスイッチング素子の部分の短絡故障である負極側の短絡故障を判定する故障判定部と、を備え、
   前記電圧指令値算出部は、いずれか１相の直列回路の前記正極側の短絡故障又は前記負極側の短絡故障が発生したと判定されているときに、短絡故障が発生していない正常なｎ－１相の電圧指令値を算出し、
   少なくとも電流検出タイミングで、正常なｎ－１相の各相の前記検出対象素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常なｎ－１相の電圧指令値を変化させ、
   前記ＰＷＭ制御部は、短絡故障が発生したと判定されているときは、短絡故障が発生したと判定されていないときよりも、前記ＰＷＭ制御の制御周期を長くする交流回転機の制御装置。
2. 前記ＰＷＭ制御部は、前記検出対象素子が前記負極側のスイッチング素子である場合において、短絡故障が発生したと判定されているときに、正常なｎ－１相の各相の前記負極側のスイッチング素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常なｎ－１相の電圧指令値を、前記直流電源の直流電圧よりも小さい値に設定された上限値により上限制限し、
   前記検出対象素子が前記正極側のスイッチング素子である場合において、短絡故障が発生したと判定されているときに、正常なｎ－１相の各相の前記正極側のスイッチング素子のオン期間が、電流の検出に必要な長さ以上になるように、正常なｎ－１相の電圧指令値を、０よりも大きい値に設定された下限値により、下限制限する請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
3. 前記電圧指令値算出部は、前記正極側の短絡故障が発生したと判定されているときは、短絡故障が生じた異常相の電圧指令値を、前記直流電源の直流電圧に設定すると共に、前記交流回転機の回転角度に応じて、前記直流電源の直流電圧を基準に振動する、正常なｎ－１相の電圧指令値を算出し、
   前記負極側の短絡故障が発生したと判定されているときは、短絡故障が生じた異常相の電圧指令値を、０に設定すると共に、前記交流回転機の回転角度に応じて、０を基準に振動する、正常なｎ－１相の電圧指令値を算出する請求項１又は２に記載の交流回転機の制御装置。
4. 前記電圧指令値算出部は、短絡故障が発生したと判定されているときに、前記交流回転機の回転角度に応じて、前記直流電源の直流電圧の半分値を基準に振動する、正常なｎ－１相の電圧指令値の基本値を算出し、
   前記正極側の短絡故障が発生したと判定されているときは、短絡故障が生じた異常相の電圧指令値を、前記直流電源の直流電圧に設定すると共に、正常なｎ－１相の電圧指令値の基本値を、前記直流電源の直流電圧の半分値だけ正方向にオフセットさせ、
   前記負極側の短絡故障が発生したと判定されているときに、短絡故障が生じた異常相の電圧指令値を、０に設定すると共に、正常なｎ－１相の電圧指令値の基本値を、前記直流電源の直流電圧の半分値だけ負方向にオフセットさせる請求項１から３のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
5. 前記故障判定部は、正常なｎ－１相の電流検出値に基づいて、正常なｎ－１相の各相の直列回路の故障を判定する請求項１から４のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
6. 前記電圧指令値算出部は、短絡故障が発生したと判定されているときに、正常なｎ－１相の電流検出値に基づいて、正常なｎ－１相の電圧指令値を算出する請求項１から５のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
7. 前記故障判定部は、各相について、前記正極側のスイッチング素子が常時オンする短絡故障、又は前記直列回路と前記巻線との接続経路が前記直流電源の正極側に短絡する短絡故障が発生したと判定したときに、前記正極側の短絡故障が発生したと判定し、
   各相について、前記負極側のスイッチング素子が常時オンする短絡故障、又は前記直列回路と前記巻線との接続経路が前記直流電源の負極側に短絡する短絡故障が発生したと判定したときに、前記負極側の短絡故障が発生したと判定する請求項１から６のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
8. 前記ＰＷＭ制御部は、０と前記直流電源の直流電圧との間を、前記ＰＷＭ制御の制御周期で振動するキャリア波と、各相の前記電圧指令値とを比較し、比較結果に基づいて、各相の前記スイッチング素子をオンオフ制御する請求項１から７のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
9. 前記交流回転機は、電動パワーステアリング装置の駆動力源である請求項１から８のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。

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