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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine durch Zufuhr eines Stroms für jede Phase.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Normalerweise wird bei einem Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine wie eines 3-Phasen-Motors eine Umrichtervorrichtung verwendet. Die Umrichtervorrichtung ist normalerweise mit zwei Schaltelementen für jede Phase (insgesamt 6 Elementen) versehen. Somit steuert die Umrichtervorrichtung die Antriebsspannungen der drei Phasen durch Ansteuerung zum Ein- und Ausschalten der sechs Schaltelemente, wodurch ein rotierendes magnetisches Feld für die rotierende elektrische Maschine erzeugt wird. Die Umrichtervorrichtung der rotierenden elektrischen Maschine dient zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine unter Verwendung der Schaltelemente.
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Als ein Verfahren zur Steuerung des Pegels der an die rotierende elektrische Maschine anzulegenden Spannung und der Frequenz steuert eine PWM-Steuerung das Schaltelement für jede Phase zum Ein- und Ausschalten, und legt eine Spannung einer beliebigen Impulsbreite an. Die PWM-Steuerung vergleicht normalerweise ein Trägersignal mit einem spezifizierten Befehlsspannungswert und stellt den Pegel der Antriebsspannung in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis auf einen H-Pegel (hohen Pegel) oder einem L-Pegel (niedrigen Pegel) ein (Trägersynchronisationsverfahren).
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In der PWM-Steuerung hängt die Schaltfrequenz, mit der die Schaltelemente zum Ein- und Ausschalten angesteuert werden, von der Trägerfrequenz ab. Wenn ein Schaltverlust berücksichtigt wird, ist es vorzuziehen, dass die Schaltfrequenz niedriger ist. Die Schaltfrequenz kann verringert werden, indem eine niedrigere Trägerfrequenz eingestellt wird. Daher ändern einige herkömmliche Umrichtervorrichtungen von rotierenden elektrischen Maschinen die Trägerfrequenz in Abhängigkeit von der Steigung des Referenzsinuswellensignals, das zur Bereitstellung eines Spannungsbefehlswerts verwendet wird (
japanische Offenlegungsschrift Nr.: 2010-35260 , die nachstehend als "Patentdokument 1" bezeichnet ist.
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In der in Patentdokument 1 beschriebenen herkömmlichen Umrichtervorrichtung wird die Trägerfrequenz in Abhängigkeit von der Steigung des Referenzsinuswellensignals geändert. Daher wird eine komplizierte Steuerung durchgeführt. Da zusätzlich die Frequenz einer Ausgangswellenform fest einzustellen ist, kann eine synchrone PWM-Steuerung nicht ausgeführt werden, wenn die Frequenz variabel ist. Daher ist es ebenfalls wichtig, einen Schaltverlust ohne Einengen der Breite von Optionen in dem Steuerungsverfahren zu verwirklichen, während die Komplexität der Steuerung verkleinert bzw. unterdrückt wird.
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Andere Referenzdokumente können die
japanische Offenlegungsschrift Nr.: 2007-228745 und die
japanische Offenlegungsschrift Nr.: 9-47026 sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung zielt auf die Bereitstellung einer Umrichtervorrichtung einer rotierenden elektrischen Maschine ab, die in der Lage ist, einen Schaltverlust zu verringern, während die Komplexität der Steuerung verkleinert bzw. unterdrückt wird.
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Diese Aufgabe wird eine Umrichtervorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und alternativ durch ein Antriebsverfahren gemäß Patentanspruch 4 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist unter der Annahme, dass eine mehrere Phase aufweisende elektrische rotierenden Maschine mit variabler Drehzahl unter Verwendung eines für jede Phase vorgesehenen Schaltelements angetrieben wird, auf: eine Frequenzeinstellungseinheit zur Bestimmung und Einstellung einer Trägerfrequenz eines Trägersignals zur Verwendung bei einer Ansteuerung des Schaltelements für jede Phase in Abhängigkeit von einem Zustand jeder Phase der rotierenden elektrischen Maschine für jeden spezifizierten elektrischen Winkel, der durch gleichmäßiges Unterteilen eines Zyklus elektrischer Winkel erhalten wird, und eine Signalerzeugungseinheit, die ein Ansteuerungssignal zum Ansteuern des Schaltelements jeder Phase unter Verwendung des Trägersignals der Trägerfrequenz erzeugt, die für jede Phase durch die Frequenzeinstellungseinheit eingestellt wird., Es wird angenommen, dass die Trägerfrequenz jeder Phase ein ganzzahliges Vielfaches einer Phasenspannungsfrequenz an dem spezifizierten elektrischen Winkel ist.
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Es ist vorzuziehen, dass die die Frequenzeinstellungseinheit die Trägerfrequenz für jede Phase in Abhängigkeit von der Phase des Stroms jeder Phase als den Zustand jeder Phase der rotierenden elektrischen Maschine bestimmt. Es ist weiter vorzuziehen, dass die rotierende elektrische Maschine eine 3-Phasen-Maschine ist und durch eine 2-Phasen-Modulation gesteuert wird.
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Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist, unter der Annahme, dass die rotierende elektrischen Maschine unter Verwendung eines für jede Phase vorgesehenen Schaltelements angetrieben wird, auf: Bestimmen einer Trägerfrequenz eines Trägersignals zur Verwendung bei einer Ansteuerung des Schaltelements für jede Phase, das in Abhängigkeit von einem Zustand jeder Phase einer rotierenden elektrischen Maschine für jeden spezifizierten elektrischen Winkel erzeugt wird, der durch gleichmäßiges Unterteilen eines Zyklus elektrischer Winkel erhalten wird, Erzeugen eines Ansteuerungssignals zum Ansteuern des Schaltelements jeder Phase unter Verwendung des Trägersignals der Trägerfrequenz erzeugt, die für jede Phase durch die Frequenzeinstellungseinheit eingestellt wird, und Einstellen der Trägerfrequenz jeder Phase als ein ganzzahliges Vielfaches einer Phasenspannungsfrequenz an einem spezifizierten elektrischen Winkel.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine erläuternde Darstellung des Aufbaus der Umrichtervorrichtung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 zeigt eine erläuternde Darstellung des Aufbaus der Funktion einer CPU, die für die Umrichtervorrichtung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bereitgestellt ist,
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3A zeigt eine erläuternde Darstellung (1) der Antriebssteuerung des Motors, die durch die Umrichtervorrichtung der rotierenden elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, und
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3B zeigt eine erläuternde Darstellung (2) der Antriebssteuerung des Motors, die durch die Umrichtervorrichtung der rotierenden elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine erläuternde Darstellung des Aufbaus der Umrichtervorrichtung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
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Eine Umrichtervorrichtung 1 der rotierenden elektrischen Maschine (die nachstehend als "Umrichtervorrichtung" bezeichnet ist) treibt einen Motor 3 als eine rotierende elektrische Maschine unter Verwendung der aus einer Gleichspannungsleistungsversorgung 2 angelegten Spannung an. Wie es in 1 veranschaulicht ist, weist die Umrichtervorrichtung 1 einen Kondensator 101, der parallel zu der Gleichspannungsleistungsversorgung 2 geschaltet ist, eine Spannungserfassungseinheit 102 zur Erfassung der Spannung zwischen beiden Enden des Kondensators 101, eine Umrichterschaltung 103, für die beispielsweise für die zwei Schaltelemente jeder Phase jeweils ein n-Kanal-IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate, insolated gate bipolar transistor) vorbereitet ist, eine Ansteuerungsschaltung 104 zur Erzeugung und Ausgabe eines Ansteuerungssignals für jeden IGBT der Umrichterschaltung 103, eine CPU 105 zur Steuerung der Erzeugung von Ansteuerungssignalen durch die Ansteuerungsschaltung 104 sowie zwei Stromsensoren 106 und 107 auf.
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Der Motor 3 ist eine rotierende elektrische Maschine, die durch Zufuhr eines 3-Phasen-Stroms angetrieben wird. Der Motor 3 ist mit einem Rotationssensor 31 versehen, für den die Position eines in den beigefügten Zeichnungen nicht dargestellten Rotors durch einen elektrischen Winkel festgelegt werden kann. Der durch den Rotationssensor 31 erfasste Wert (der nachstehend als "Rotationssensorwert " bezeichnet ist) wird der CPU 105 zugeführt. Die rotierende elektrische Maschine ist eine Maschine, die durch Zufuhr eines Stroms für eine Vielzahl von Phasen angetrieben werden kann.
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Mit der Umrichterschaltung 103 sind zwei serielle IGBTs parallel zu dem Kondensator 101 für jede Phase geschaltet. Somit ist beispielsweise für die U-Phase der Kollektor eines IGBT 111 mit einem Anschluss des Kondensators 101 verbunden, ist der Emitter des IGBT 111 mit dem Kollektor des IGBT 112 verbunden, und ist der Emitter des IGBT 112 mit dem anderen Anschluss des Kondensators 101 verbunden. IGBTs 121 und 122 für die V-Phase sowie die IGBTs 131 und 132 für die W-Phase sind gleichermaßen verschaltet.
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In der vorstehend beschriebenen Umrichterschaltung 103 wird die Spannung der Verdrahtung zur Verbindung der IGBTs 111 und 112 als eine U-Phase-Spannung an den Motor 3 anlegt. Gleichermaßen wird die Spannung der Verdrahtung zur Verbindung der IGBTs 121 und 122 als eine V-Phasen-Spannung an den Motor 3 angelegt. Die Spannung der Verdrahtung zur Verbindung der IGBTs 131 und 132 wird als eine W-Phasen-Spannung an den Motor 3 angelegt. Somit führen der Stromsensor 106 und der Stromsensor 107 jeweils Werte, die den U-Phasen-Strom und den W-Phasen-Strom angeben, der CPU 105 zu. Nachstehend ist das Ansteuerungssignal, dass dem Gate jedes der IGBTs 111, 112, 121, 122, 131 und 132 zugeführt wird, als "UP-Signal", "UN-Signal", "VP-Signal", "VN-Signal", "WP-Signal", und "WN-Signal" bezeichnet. Das "UP-Signal", "VP-Signal" und "WP-Signal" sind allgemein als "P-Signal" bezeichnet, und das "UN-Signal", das "VN-Signal" und das "WN-Signal" sind allgemein als "N-Signal" bezeichnet.
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Die CPU 105 steuert die gesamte Umrichtervorrichtung 1 durch Ausführung eines Programms, das in dem eingebauten Speicher oder in dem angeschlossenen Speicher gespeichert ist, die in den beigefügten Zeichnungen jeweils nicht dargestellt sind. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Trägerfrequenz jeder Phase für jeden spezifizierten elektrischen Winkel bestimmt und eingestellt, indem der aus dem Rotationssensor 31 beschaffte Rotationssensorwert überwacht wird. Somit agiert die CPU 105 als eine Frequenzeinstellungseinheit. Die Bestimmung wird auf der Grundlage des Zustands jeder Phase durchgeführt.
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Die CPU 105 erzeugt für jeden IGBT ein Ansteuerungssignal für jede Phase unter Verwendung der für jede Phase eingestellten Trägerfrequenz und führt das Signal der Ansteuerungsschaltung 104 zu. Die Ansteuerungsschaltung 104 verstärkt jedes aus der CPU 105 zugeführte Ansteuerungssignal und gibt das Signal zu dem Gate des entsprechenden IGBT aus. Somit agieren die CPU 105 und die Ansteuerungsschaltung 104 als eine Signalerzeugungseinheit zur Erzeugung eines Ansteuerungssignals, das zu jedem IGBT als ein Schaltelement ausgegeben wird.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Stromphase als ein Zustand jeder Phase betrachtet. Somit wird eine Trägerfrequenz niedriger für eine Phase eingestellt, bei der der absolute Wert des Stromswerts relativ groß ist, und wird für eine Phase höher eingestellt, bei der der absolute Wert des Stromwerts relativ gering ist. Durch Einstellen der Trägerfrequenz auf diese Weise wird die Schaltfrequenz in einem Bereich verringert, in dem der absolute Wert des Stromwerts groß ist, wodurch effizient der Schaltverlust verringert wird. Daher kann der Schaltverlust erfolgreicher verkleinert bzw. unterdrückt werden. Weiterhin ist die Stromänderung in einer Phase, in der der absolute Wert des Stromwerts relativ groß ist, klein und ist die Stromänderung in einer Phase, in der der absolute Wert des Stromwerts relativ klein ist, groß. Daher wird die Trägerfrequenz in einer Phase, in der eine Stromänderung groß ist, hoch, wodurch die Steuerbarkeit gewährleistet wird.
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2 zeigt eine erläuternde Darstellung des Aufbaus der Funktion der vorstehend beschriebenen CPU 105. 3A und 3B zeigen erläuternde Darstellungen der Antriebssteuerung des Motors 3. Bevor 2 beschrieben wird, ist die Antriebssteuerung des Motors 3 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel konkret unter Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben.
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3A veranschaulicht eine U-Phasen-Spannungswellenform 311, eine U-Phasen-Stromwellenform 312, eine V-Phasen-Spannungswellenform 321, eine V-Phasen-Stromwellenform 322, eine W-Phasen-Spannungswellenform 331 und eine W-Phasen-Stromwellenform 332. Diese Wellenformen sind auf der horizontalen Achse als elektrischer Winkel (Grad) und auf der vertikalen Achse als ein Stromwert und ein Spannungswert dargestellt.
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Ein Pfeil 301 gibt den Zeitpunkt (zeitlichen Ablauf) an, zu dem eine Trägerfrequenz berechnet wird. Eine Sägezahnwellenform 302 gibt den Zeitpunkt eines Auftretens eines Interrupt- bzw. Unterbrechungssignals (das in 3B als "Motorsteuerungsinterrupt" ausgedrückt ist) zur Steuerung des Motors 3 an. Die Bestimmung der Trägerfrequenz wird an jeder Spitze der Sägezahnwellenform 302 mit dem Auftreten des Unterbrechungssignals durchgeführt.
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In 3A sind insgesamt 13 Pfeile 301 dargestellt. Mit dem Pfeil 301 und der Sägezahnwellenform 302 wird angegeben, dass die Trägerfrequenz in jeden Bereich berechnet wird, der durch Unterteilen einer Rotation des Rotors des Motors 3 in 12 Sektionen erhalten wird, wobei die berechnete Trägerfrequenz (Motorsteuerungsinterrupt) zweimal in jedem Bereich eingestellt wird.
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Wenn die Zeitdauer T1 bis T12 durch Dividieren einer Rotation des Rotors gleichmäßig in 12 Sektionen wie gemäß dem vorliegendem Ausführungsbeispiel erhalten werden, entsprechen diese den Änderungen des elektrischen Winkels um 30° (Grad). Somit wird die Trägerfrequenz jedes Mal berechnet, wenn der elektrische Winkel sich um 30° ändert. Die Trägerfrequenz kann jedes Mal eingestellt werden, wenn der elektrische Winkel sich um 15° ändert. Daher zeigt 3B gestrichelte Linien, die den Spannungsphasenbereich unterhalb der Sägezahnwellenform 302 angeben, das heißt, einen Zyklus der Sägezahnwellenform 302.
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Ein Trägersignal 341 wird eingestellt und an die U-Phase angelegt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen zwei Arten von Trägersignalen 341 dieselbe Steigung und unterschiedliche Amplituden (Höhe) auf, da die Steigung des Trägersignals 341 fest eingestellt ist. Daher wird die Amplitude (Höhe) des Trägersignals 341 durch die Frequenz (Trägerfrequenz) bestimmt. Das heißt, in den zwei Arten des Trägersignals 341 beträgt das Frequenzverhältnis der zwei Sektionen, deren Amplituden 1:2 sind, 2:1. In 3B ist die Sektion mit einer größeren Amplitude 4KHz, und die Sektion mit einer kleineren Amplitude 8KHz. In 3A und 3B sind "stationäre Phasen" veranschaulicht, um eine Zeitentsprechung zwischen verschiedenen Wellenformdarstellungen in 3A und verschiedenen Wellenformdarstellungen in 3B herzustellen. Die "stationäre Phase" ist nachstehend beschrieben.
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Die Trägerfrequenz wird für jede Phase berechnet und eingestellt. Die Trägerfrequenz jeder Phase kann den Zyklus für ein ganzzahliges Vielfaches der Zeitperiode aufweisen, bis die Trägerfrequenz erneut berechnet wird. Dementsprechend erfüllt in jeder Phase, wenn beispielsweise der elektrische Winkel 0° ist, falls die Frequenz der Phasenspannung (beispielsweise der U-Phasen-Spannungswellenform 311) als die Motorspannungswellenform fm ist (Phasenspannungsfrequenz), und die Berechnungsfrequenz der Trägerfrequenz pro Zyklus von fm K ist (eine spezifizierte ganz Zahl von gleich oder größer als 1), die Zeitdauer T1 die folgende Gleichung: T1 = (1/fm)/K
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In dem in 3A veranschaulichten Fall ist K gleich 12 (falls K zu klein ist, ist es schwer, die Trägerfrequenz in einen geeigneten Wert zu ändern. Falls es beispielsweise 4 ist, ist der elektrische Winkel 90°, jedoch ist ein größerer Wert wünschenswert. 12 oder ein größerer Wert ist ebenfalls akzeptierbar).
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Falls die Trägerfrequenz der U-Phase in der Periode T1, das heißt, in der Periode des elektrischen Winkels von 0~30° fc1 ist, kann dann die Trägerfrequenz fc1 durch die nachfolgende Gleichung berechnet werden. fc1 = (1/T1) × n = fm × K × n
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Dabei gibt die Anzahl der Trägerfrequenzen an, die in die Zeitdauer T1 eingebracht werden können, und das Verfahren zur Bestimmung des Werts ist nachstehend beschrieben. Wie es durch die Gleichung angegeben ist, ist die Trägerfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Phasenspannungsfrequenz fm bei dem Berechnungszeitpunkt (spezifizierter elektrischer Winkel: Zeitpunkt des Pfeils 301) der Trägerfrequenz. Die Frequenz der Sägezahnwellenform 302 ändert sich in Abhängigkeit von der Frequenz fm der Motorspannungswellenform.
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Die vorstehend beschriebene Berechnung wird für jede Phase durchgeführt, und wird mit dem Berechnungszeitablauf der Trägerfrequenz wiederholt. Daher kann die Änderung der Drehzahl des Motors 3 (Frequenz der Sinuswellenform zur Verwendung bei der Einstellung des Befehlsspannungswerts: Änderung der Phasenspannungsfrequenz fm) ebenfalls unterstützt werden, wodurch eine höhere Anwendbarkeit gewährleistet wird.
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Nachstehend ist ein Verfahren zur Bestimmung von n beschrieben. Das Zeichen n ist eine Ganzzahl, die anhand des elektrischen Winkels (Phase) der Stromwellenform jeder Phase zu spezifizieren ist. Da die Wellenform (beispielsweise Sinuswelle) der Stromwellenform vorab bekannt ist, ist der absolute Wert der Stromwellenform (Größe des Stroms) von der Phase bekannt. Dann wird die Trägerfrequenz fc zur Verringerung der Schaltfrequenz an dem Punkt reduziert, zu dem beispielsweise die Größe des Stroms hoch ist, das heißt, der Wert von n wird auf einen kleinen Wert eingestellt. Das heißt, die Phase der Stromwellenform wird mit einem vorab eingestellten Phasenbereich verglichen, und der Wert n wird in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis ausgewählt. Obwohl die Trägerfrequenz durch Einstellen des Werts n als eine Ganzzahl von gleich oder größer als 1 geändert wird, kann die synchrone PWM-Steuerung konstant durchgeführt werden. Der Wert n kann ebenfalls anhand des absoluten Werts selbst eines Stromwertes anstelle anhand der Phase einer Stromwellenform bestimmt werden.
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In den in 3A und 3B veranschaulichten Beispiel ist n als 2 eingestellt (n = 2), wenn die Größe des Stroms klein ist (Phase von weniger als 0,5, wenn der absolute Wert der maximalen Amplitude 1 ist), und wird n als 1 (n = 1) eingestellt, wenn die Größe des Stroms groß ist (Phase von 0,5 oder mehr). Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Trägerfrequenz in 2 Stufen geändert, wenn n = 1 oder 2 ist, kann jedoch ebenfalls in 3 Stufen oder mehr geändert werden.
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Nachstehend ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Ein-/Aus-Signals anhand der berechneten Trägerfrequenz fc beschrieben. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine sogenannte 2-Phasen-Modulationssteuerung angewendet. In der U-Phase gemäß 3B bezieht sich die gerade Linie 342 mit dem Trägersignal 341 auf den Befehlsspannungswert der U-Phase. Die gerade Linie 342 ist ein repräsentativer Wert der U-Phasen-Spannungswellenform 311 in der entsprechenden Periode, und beispielsweise ein Wert eines Durchschnittswert oder ein Wert zu dem Berechnungszeitpunkt der Trägerfrequenz. In dem Beispiel gemäß 3A und 3B wird der Pegel des Befehlsspannungswerts 342 gegenüber dem Spannungsbefehlswert 311 invertiert. Das UP-Signal und das UN-Signal werden durch den Vergleich zwischen dem Spannungsbefehlswert (gerade Linie 342) und dem Trägersignal 341 erzeugt. In dem Beispiel gemäß 3A und 3B ist das UP-Signal EIN (aktiv: der H-Pegel gemäß diesem Beispiel) lediglich dann, wenn das Trägersignal 341 gleich oder größer als der Spannungsbefehlswert 342 ist, und ist das UN-Signal EIN, wenn das Trägersignal 341 kleiner als der Spannungsbefehlswert 342 ist.
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Da der absolute Wert des U-Phasen-Stroms in der Periode, in der der elektrische Winkel zwischen 90° und 150° liegt, groß ist, wird der Spannungsbefehlswert 342 derart justiert, dass das Trägersignal 341 konstant größer als der Befehlsspannungswert 342 sein kann. Gleichzeitig werden die Spannungsbefehlswerte 352 und 362 der V- und W-Phasen jeweils justiert, um die Zwischenphasenspannung mit der Befehlsspannung 342 beizubehalten. Somit ist in der Periode des elektrischen Winkels von 90° bis 150° das UP-Signal konstant EIN, das heißt, der IGBT 111 ist konstant EIN. Da demgegenüber der absolute Wert des U-Phasen-Stroms in der Periode, in der der elektrische Winkel zwischen 270° und 330° liegt, groß ist, wird die Befehlswertspannung 342 derart justiert, dass das Trägersignal 341 konstant gleich oder kleiner als der Befehlsspannungswert 342 sein kann. Gleichzeitig werden die Befehlsspannungswerte 352 und 362 der V- und W-Phasen jeweils justiert, um die Zwischenphasenspannung mit der Befehlsspannung 342 beizubehalten. Somit ist das UN-Signal konstant EIN, das heißt, der IGBT 112 ist konstant EIN.
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In diesem Beispiel gibt der Ausdruck "stationär" den Zustand an, in dem, in den zwei IGBTs in einer Phase der untere Zweig entsprechend dem UN-Signal eingeschaltet verbleibt, und der obere Zweig entsprechend den UP-Signal ausgeschaltet verbleibt, oder der obere Zweig eingeschaltet verbleibt und der untere Zweig ausgeschaltet verbleibt. Um einen Kurzschluss zu verhindern, werden die zwei IGBTs nicht gleichzeitig eingeschaltet. Das "UP-Stationär" und "UN-Stationär", die als die vorstehend beschriebene "stationäre Phase" in 3A und 3B ausgedrückt sind, geben jeweils den Zustand an, in dem der IGBT 111 der U-Phase stationär ist, indem das UP-Signal EIN ist, und den Zustand an, in dem der IGBT 112 der U-Phase stationär ist, indem das UN-Signal EIN ist. Gleichermaßen geben jeweils das "VP-Stationär" und "VN-Stationär" den Zustand an, in dem der IGBT 121 der V-Phase stationär ist, indem das VP-Signal EIN ist, und den Zustand an, in dem der IGBT 122 der V-Phase stationär ist, indem das VN-Signal EIN ist. Das "WP-Stationär" und "WN-Stationär" geben jeweils den Zustand an, in dem der IGBT 131 der W-Phase stationär ist, indem WP-Signal EIN ist, und den Zustand an, in dem der IGBT 132 der W-Phase stationär ist, indem das WN-Signal EIN ist.
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Bei UP-Stationär und UN-Stationär tritt das Schalten der IGBTs 111 und 112, das heißt, die Änderung von EIN zu AUS oder von AUS zu EIN nicht auf. Das UP-Stationär wird verwirklicht, wenn der Spannungsbefehlswert der U-Phasen-Stromwellenform 312 groß ist, und das UN-Stationär wird verwirklicht, wenn der Stromwert der U-Phasen-Stromwellenform 312 klein ist. In jedem Zustand ist der absolute Wert des Stromwerts groß. Da das Schalten in einem derartigen Zustand nicht auftritt, kann der Schaltverlust effizient verkleinert werden.
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Ein Trägersignal 351 wird für die V-Phase eingestellt und angewendet, und ein Trägersignal 361 wird für die W-Phase eingestellt und angewendet. Ein Spannungsbefehlswert 352 wird für die V-Phase verwendet, und ein Befehlsspannungswert 362 wird für die W-Phase verwendet. Ein stationärer Zustand tritt in den V- und W-Phasen ähnlich wie in der U-Phase auf. Daher kann das Auftreten eines Schaltverlusts effizient in den V- und W-Phasen gleichermaßen wie in der U-Phase verkleinert bzw. unterdrückt werden.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird, wie es vorstehend beschrieben worden ist, die Trägerfrequenz in jeder Phase für jeden der spezifizierten elektrischen Winkel (für jeden Berechnungszeitpunkt einer Trägerfrequenz) berechnet, und die berechnete Trägerfrequenz wird für jede Phase angewendet, bis der nächste spezifizierte elektrische Winkel beschafft wird, und der Motor 3 wird angetrieben. Somit wird das Schalten in der Periode, in der der Schaltverlust nahe an dem maximalen Wert ist, vermieden, wodurch effizient der Schaltverlust verringert wird.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine 2-Phasen-Modulation angewendet, und kann die Trägerfrequenz in jedem Bereich berechnet werden, der durch Unterteilen einer Rotation des Rotors des Motors 3 in 12 Sektionen erhalten wird (2 × 3 × M (Ganzzahl)). Jedoch ist die Modulation nicht auf die 2-Phasen-Modulation begrenzt. Beispielsweise kann eine 3-Phasen-Modulation angewendet werden, um das Auftreten eines Schaltverlusts zu unterdrücken.
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Nachstehend ist der Aufbau der Funktion der CPU 105 zur Verwirklichung der Antriebssteuerung des vorstehend beschriebenen Motors 3 ebenfalls ausführlich unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Der Aufbau der Funktion wird durch die CPU 105 verwirklicht, die ein Programm ausführt, das in dem Speicher gespeichert ist, der in den beigefügten Zeichnungen nicht gezeigt ist, jedoch in die CPU eingebaut ist oder mit der CPU verbunden ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
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Der von dem Rotationssensor 31 des Motors 3 erhaltene Rotationssensorwert wird in einem Register 201 gespeichert, und jeder Stromwert in den U- und W-Phasen, die von den Stromsensoren 106 und 107 erhalten werden, wird in einem Register 202 gespeichert.
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Eine Steuerungsfrequenzeinstellungseinheit 220 greift auf einen Rotationssensorwert des Registers 201 zu einer beliebigen Zeit zu, erkennt das Ankommen des Zeitpunkts, der durch den Pfeil 301 in 3A angegeben ist (spezifizierter elektrischer Winkel), und erhält das fm zu diesem Zeitpunkt, wodurch die Periode (beispielsweise T1, wenn der elektrische Winkel 0 ist) für die Steuerung festgelegt wird.
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Eine Ausgangsstromphasenfestlegungseinheit 230 erkennt das Ankommen des Zeitpunkts, der durch den Pfeil 301 in 3A eingegeben ist (spezifizierter elektrischer Winkel) anhand des Rotationssensorwerts, der in dem Register 201 gespeichert ist, greift auf den Stromwert in der U-Phase und/oder der W-Phase zu, der in dem Register 202 gespeichert ist, und legt die Stromphase jeder Phase fest. Die festgelegte Stromphase jeder Phase wird zu einer Phasenträgerfrequenzeinstellungseinheit 250 berichtet.
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Die Phasenträgerfrequenzeinstellungseinheit 250 jeder Phase stellt den Wert von n aus der Stromphase jeder Phase, die aus der Ausgangsstromphasenfestlegungseinheit 230 berichtet wird, ein und erhält den Wert von fm aus der Steuerungsfrequenzeinstellungseinheit 220, wodurch die Trägerfrequenz für jede Phase bestimmt wird. Die für jede Phase bestimmte Trägerfrequenz wird für eine U-Phasen-Trägerfrequenzausgabeeinheit 261, eine V-Phasen-Trägerfrequenzausgabeeinheit 262 und eine W-Phasen-Trägerfrequenzausgabeeinheit 263 eingestellt. Jeder der Trägerfrequenzausgabeeinheiten 261, 262 und 263 gibt ein Trägersignal der bestimmten Trägerfrequenz aus.
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Eine Befehlspannungseinstellungseinheit 240 führt einen Befehlsspannungswert für jede Phase einer Vergleichswertausgabeeinheit 211, einer Vergleichswertausgabeeinheit 212 und einer Vergleichswertausgabeeinheit 213 aus. Jede der Vergleichswertausgabeeinheiten 211 bis 213 empfängt eine Trägerfrequenz einer entsprechenden Phase aus der Phasenträgerfrequenzeinstellungseinheit 250. Somit führt jede der Vergleichswertausgabeeinheiten 211 bis 213 eine Multiplikation unter Verwendung eines aus der Befehlsspannungseinstellungseinheit 240 zugeführten Befehlsspannungswerts in Abhängigkeit von der für die entsprechende Phase eingestellten Trägerfrequenz durch, und gibt das Multiplikationsergebnis aus. Das Multiplikationsergebnis wird als ein Befehlsspannungswert verarbeitet, der mit einem Trägersignal zu vergleichen ist.
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Wie es in 3B gezeigt ist, unterscheiden sich die Trägersignale 341, 351 und 361 in der Amplitude in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz. Daher gibt beispielsweise, wenn die Befehlsspannungseinstellungseinheit 240 einen Befehlsspannungswert für eine angenommene niedrige Trägerfrequenz ausgibt, die Vergleichswertausgabeeinheit 211, 212 oder 213 der Phase, für die eine niedrigere Trägerfrequenz eingestellt ist, einen Wert entsprechend dem Trägersignal der niedrigeren Trägerfrequenz aus. Gleichermaßen gibt die Vergleichswertausgabeeinheit 211, 212 oder 213 der Phase, auf der eine höhere Trägerfrequenz eingestellt ist, einen Wert entsprechend einem Trägersignal der höheren Trägerfrequenz aus. Somit gibt die Vergleichswertausgabeeinheit 211, 212 und 213 einen Befehlsspannungswert entsprechend einer eingestellten Trägerfrequenz aus. Das heißt, ein Befehlsspannungswert wird in Abhängigkeit von der Amplitude des Trägersignals jeder Phase justiert. Weiterhin wird für die 2-Phasen-Modulation eine stationäre Phase auf der Grundlage der ausgegebenen Stromphase bestimmt, und wird der Befehlsspannungswert justiert, um die relative Spannung zwischen den Phasen beizubehalten.
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Eine U-Phasen-Schaltwellenformerzeugungseinheit 271 empfängt ein Trägersignal aus der U-Phasen-Trägerfrequenzausgabeeinheit 261 und einen Befehlsspannungswert aus der U-Phasen-Vergleichswertausgabeeinheit 211, vergleicht diese, erzeugt und gibt zwei Schaltwellenformen für das UP-Signal und das UN-Signal aus. Durch Eingabe der Schaltwellenformen zu der Ansteuerungsschaltung 204 gibt die Ansteuerungsschaltung 104 das UP-Signal und das UN-Signal aus.
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Gleichermaßen erhält die V-Phasen-Schaltwellenformerzeugungseinheit 272 ein Trägersignal aus der V-Phasen-Trägerfrequenzausgabeeinheit 262 und einen Befehlsspannungswert aus der V-Phasen-Vergleichswertausgabeeinheit 212, vergleicht diese, und erzeugt zwei Schaltwellenformen für das VP-Signal und das VN-Signal und gibt diese aus. Eine W-Phasen-Schaltwellenformerzeugungseinheit 273 erhält ein Trägersignal aus der W-Phasen-Trägerfrequenzausgabeeinheit 263 und einen Befehlsspannungswert aus der W-Phasen-Vergleichswertausgabeeinheit 213, vergleicht diese, und erzeugt zwei Schaltsignalverläufe für das WP-Signal und das WN-Signal und gibt diese aus. Durch Eingabe der zwei Arten von Schaltwellenformen, die durch die V-Phasen-Schaltwellenformerzeugungseinheit 272 und die W-Phasen-Schaltwellenformerzeugungseinheit 273 erzeugt werden, in die Ansteuerungsschaltung 104, gibt die Ansteuerungsschaltung 104 das VP-Signal, das VN-Signal, das WP-Signal und das WN-Signal aus.
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Die Befehlsspannungseinstellungseinheit 240 gibt die Befehlsspannungswerte entsprechend den jeweiligen Phasen zu den Vergleichswertausgabeeinheit 211 bis 213 aus, und die Vergleichswertausgabeeinheiten 211 bis 213 aktualisieren die Spannungsbefehlswerte, die durch die Eingabe des Befehlsspannungswert auszugeben sind.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Stromphase berücksichtigt, und wird die Trägerfrequenz jeder Phase bestimmt. Jedoch kann die Spannungsphase zur Bestimmung der Trägerfrequenz jeder Phase berücksichtigt werden. Es gibt eine Phasendifferenz, die durch einen Leistungsfaktor festgelegt ist, zwischen der Stromwellenform und der Spannungswellenform. Somit kann der Prozess der Spannungswellenform beispielsweise dadurch durchgeführt werden, dass ermöglicht wird, dass die Ausgangsstromphasenfestlegungseinheit 230 gemäß 2 eine Spannungswellenform unter Verwendung des Leistungsfaktors anhand der festgelegten Stromphase festlegt.
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Wie es vorstehend beschrieben ist, treibt eine Umrichtervorrichtung (1) einer rotierenden elektrischen Maschine eine rotierende elektrische Mehrphasen-Maschine (3) mit variabler Drehzahl unter Verwendung eines für jede Phase vorgesehenen Schaltelements (111, 112, 121, 122, 131, 132) an. Ein Beispiel für die Umrichtervorrichtung der rotierenden elektrischen Maschine weist auf: eine Frequenzeinstellungseinheit (105) zur Bestimmung und Einstellung einer Trägerfrequenz eines Trägersignals zur Verwendung bei der Ansteuerung des Schaltelements für jede Phase in Abhängigkeit von dem Zustand jeder Phase der rotierenden elektrischen Maschine für jeden spezifizierten elektrischen Winkel, der durch gleichmäßiges Aufteilen eines Zyklus elektrischer Winkel erhalten wird, und eine Signalerzeugungseinheit (104, 105) zur Erzeugung eines Ansteuerungssignals zum Ansteuern des Schaltelements jeder Phase unter Verwendung des Trägersignals der Trägerfrequenz, die für jede Phase durch die Frequenzeinstellungseinheit eingestellt ist. Die Trägerfrequenz jeder Phase ist ein ganzzahliges Vielfaches der Phasenspannungsfrequenz bei dem spezifizierten elektrischen Winkel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010-35260 [0004]
- JP 2007-228745 [0006]
- JP 9-47026 [0006]
