JP2004023920A

JP2004023920A - 交流モータ制御装置

Info

Publication number: JP2004023920A
Application number: JP2002177160A
Authority: JP
Inventors: Ryozo Masaki; 正木　良三; Satoru Kaneko; 金子　悟; Takefumi Sawada; 澤田　建文
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】本発明の目的は、１８０°通電の矩形波電圧による駆動を行う際にトルク脈動を速やかに抑制することができる交流モータ制御装置を提供することにある。
【解決手段】インバータ３で駆動される同期モータ１の相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを電流検出部１０で検出してオフセット電流部１１に与える。オフセット電流部１１は各相の１８０°通電の矩形波電圧を印加される３相交流モータのオフセット電流値を求める。スイッチ選択部９はオフセット電流値に基づき矩形波電圧の正電圧と負電圧の通電区間を変化させるようにインバータ３を制御しオフセット電流を打消しさせる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力変換器から１８０°通電の矩形波電圧を３相交流モータに印加して駆動する交流モータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期モータや誘導モータ等の交流モータを駆動するには、電力変換器が印加する電圧波形により、次の３つの方法が代表的である。第１の方法はＰＷＭ信号により基本波が正弦波状になる３相電圧を印加する方法、第２の方法は電気角６０°毎に矩形波状の正電圧と負電圧を所定の２相に印加する１２０°通電方式、そして、第３の方法は各相ともに電気角１８０°毎に矩形波状の正電圧あるいは負電圧を出力する１８０°通電方式である。
【０００３】
例えば、特開２００１−５４２９５号公報には、特に、その図３、図４にそれぞれ第１、第２の方法が記載されている。第１の方法は、モータのトルク脈動が少なく、一般的に良く用いられている。また、第２の方法は通電を休止する相が存在するため、逆起電力を計測することが可能であり、位置センサなしで同期モータを制御できる特徴を持っている。
【０００４】
第３の方法は、例えば、特開平１１−２８５２８８号公報の図１（ｂ）に示されているような波形になり、交流モータに印加できる基本波電圧成分を他の方法よりも大きくすることができる特徴がある。そのため、電力変換器の入力電圧が制限されているときにも、モータの最大出力を増加できる利点がある。第３の方法は、上述の後者の公知例に記載されているように、通常のモータ駆動領域ではＰＷＭ信号による第１の方法を用い、高トルク・高回転領域では１８０°通電による矩形波を用いた第３の方法を選択的に採用することが知られている。
【０００５】
しかし、第１の方法から第３の方法に切替える際に、モータに印加する波形の違いによるオフセット電流によってトルク脈動が発生する。特開平１１−２８５２８８号公報には、第１の方法から第３の方法に切替えるときに電圧の連続性を保持するために中間制御を行いトルク脈動を低減することが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術は第１の方法から第３の方法に切替えるときに電圧の連続性を保持するために中間制御を行いトルク脈動を低減させている。しかし、切替時のオフセット電流が零に収束するのに長い時間を必要としトルク脈動を速やかに抑制できないという問題点を有している。
【０００７】
本発明の目的は、１８０°通電の矩形波電圧による駆動を行う際にトルク脈動を速やかに抑制することができる交流モータ制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴とするところは、１８０°通電の矩形波電圧を印加される３相交流モータのオフセット電流値を求め、このオフセット電流値に基づき矩形波電圧の正電圧と負電圧の通電区間を変化させてオフセット電流を打消すようにしたことにある。
【０００９】
換言すると、本発明は、矩形波電圧の正電圧と負電圧の通電区間の比を変化させたり、あるいは、オフセット電流と逆極性の正電圧あるいは負電圧の通電区間（通電角度）を大きくしてオフセット電流を打消す補償電圧を３相交流モータに印加するようにしている。
【００１０】
本発明はオフセット電流値に基づき矩形波電圧の正電圧と負電圧の通電区間を変化させてオフセット電流を打消すようにしているにで、トルク脈動を急速に抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一実施例を示す。図１は電気自動車の同期モータを駆動する例を示している。
【００１２】
図１において、バッテリー２の直流電圧はインバータ（電力変換器）３により３相の交流電圧に変換され３相同期モータ１に印加される。同期モータ１の印加電圧はコントローラ４によって次のようにして制御される。
【００１３】
コントローラ４は、電圧位相演算部８においてトルク指令値τｒと同期モータ１のモータ速度ωｍから印加する電圧位相γを算出する。電圧位相γは次のようにして求められる。トルク指令値τｒを発生するための電流ベクトルｉはｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑの組合せにより複数存在するが、１８０°通電の矩形波電圧制御の場合には、バッテリー２の電圧により一義的に決定することができる。
【００１４】
予め電流ｉｄ、ｉｑをテーブル化して、トルク指令値τｒとモータ速度ωｍから決定する。同期モータ１の磁極位置θの方向であるｄ軸に対して、電気的に直交するｑ軸方向に逆起電力ωｍφが発生するので、これを補償する電圧と、ｄ軸電流による電圧成分ωｍＬｄ　ｉｄとの和がｑ軸方向に印加する電圧となる。また、ｄ軸方向については、ｑ軸電流ｉｑによる電圧成分ωｍＬｑ　ｉｑが印加電圧になる。従って、そのベクトル和が電圧指令ベクトルＶｒであり、ｄ軸から見たＶｒの位相がγである。そのベクトル図を図２に示す。
【００１５】
このベクトル演算を電圧位相演算部８が実行する。なお、同期モータ１に取り付けられた位置検出器６により磁極位置θを検出して、速度演算部７においてモータ速度ωｍを算出している。
【００１６】
次に、スイッチ選択部９では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のスイッチング信号（ゲート信号）Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗを決定する処理が行われる。これらのスイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗはインバータ３に入力されると、スイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗに応じた矩形波電圧が同期モータ１に印加される。同期モータ１に流れる相電流は電流センサ５ｕ，５ｖ，５ｗで検出され電流検出部１０に入力される。
【００１７】
電流検出部１０で検出した相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗはオフセット電流部１１に入力される。オフセット電流部１１は、相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを用いて各相のオフセット電流Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗを算出してスイッチング選択部９に与える。スイッチング選択部９はオフセット電流Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗに基づきオフセット電流を補償する演算を行う。
【００１８】
本発明の特徴とするスイッチング選択部９について詳細を説明する。本発明の理解を容易にするために、まず、従来のスイッチング選択部の動作について図３〜図６を用いて説明し、図７〜図１２を用いて本発明の特徴を説明する。
【００１９】
図２において、電圧指令ベクトルＶｒの位相はα軸を基準とする静止座標系から見ると、磁極位置θと位相γの和であるθｖである。１８０°通電の矩形波制御を行うためには、図３に示すように、電気角６０°毎に異なるスイッチングパターンを有する６つの区間、つまり、区間Ｉ〜区間ＶＩに分ける。
【００２０】
図５に各区間（モード）毎のスイッチングパターンを示す。例えば、電圧位相θｖが−３０°〜３０°の範囲であれば、区間Ｉとなり、Ｕ相が正電圧に、Ｖ相、Ｗ相が負電圧になるように、各スイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗを与える。図２に示す電圧指令ベクトルＶｒの場合には、図３の区間分けでわかるように、区間ＩＩＩの範囲に入っている。従って、図５に示す区間ＩＩＩのモードから、Ｖ相が正電圧に、Ｕ相、Ｗ相が負電圧になるように、スイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗを出力する。
【００２１】
スイッチング選択部９は図４に示すフローチャートの処理を行うことにより上述の処理を実行する。
【００２２】
ステップ１０１では、電圧指令ベクトルＶｒの位相θｖを磁極位置θと電圧位相γの和から求める。ステップ１０２では、位相θｖから、６つの区間のうち、いずれの区間にあるかというモード演算を行う。ステップ１０２からステップ１０３に移行して選択されたモードに対応するスイッチングパターンを求め、スイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗをインバータ３に出力する。このような処理は図５に示すテーブルを用意しておくことにより簡単に求められる。
【００２３】
従来はこのような方法によって１８０°通電の矩形波制御を行っている。このような１８０°通電の制御を行うと、図６に示すように、ＰＷＭ制御から１８０°通電の矩形波制御に時刻ｔ０で切替えた際、各相の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗはそれぞれオフセット電流Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗを持つようになる。これは、時刻ｔ０の前後で、ＰＷＭ制御の波形から矩形波制御の波形に変化したためである。
【００２４】
オフセット電流Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗは図６に示すように零になかなか収束しないで、長い時間オフセットを持った状態となる。オフセット電流Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗが存在すると、同期モータ１は電流の不平衡のよりトルク脈動が発生する。トルク脈動が長い時間続くと振動や騒音を発生する。
【００２５】
これを解決する本発明について図７〜図１２を参照して説明する。
図７に図１のオフセット電流部１１の演算内容を示すフローチャートを示す。オフセット電流部１１で各相のオフセット電流を検出する基本的な考え方は、３相電流が平衡状態にあると、２つの相電流が一致すると残りの他の相の電流は最大値あるいは最小値となることを利用して、オフセット電流を求めようにしている。
【００２６】
オフセット電流部１１はステップ１１１において各相の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを入力し、ステップ１１２に移りＵ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖとを比較する。この両者が一致、あるいは、ある設定した範囲でほぼ一致していると判断したときには、ステップ１１３においてＷ相電流ｉｗの符号を判断する。
【００２７】
ｉｗ＞０の場合には、Ｗ相電流ｉｗはほぼ最大値ｉｗｍａｘであり、ステップ１１４においてＷ相電流ｉｗの今回値ｉｗ（最大値ｉｗｍａｘ）を更新する。図７の括弧内のｉｗは今回の最大値を示し、ｉｗｍａｘは前回の平均値（前回と前々回の最大値の平均値）を示している。ステップ１１４では今回値と前回値の平均を求めノイズ除去のためのフィルタ処理を行いながら、Ｗ相電流ｉｗ（ｉｗｍａｘ）を求めている。
【００２８】
一方、ステップ１１３でｉｗ＜０と判断された場合には、ステップ１１５においてＷ相電流ｉｗの今回値（最小値ｉｗｍｉｎ）を更新する。ステップ１１５においてもステップ１１４と同様に今回値と前回の平均値との平均を求めている。
【００２９】
ステップ１１６では、Ｗ相電流ｉｗの最大値ｉｗｍａｘと最小値ｉｗｍｉｎの平均値であるＷ相オフセット電流Δｉｗを求める。
【００３０】
ステップ１１２において、Ｕ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｖが一致していないと判断したときには、ステップ１２２で、Ｖ相電流ｉｖとＷ相電流ｉｗの一致状態を判断する。電流ｉｖとｉｗがほぼ一致していると判断した場合には、ステップ１２３からステップ１２６までの処理を行う。この内容は、ステップ１１３からステップ１１６までの処理内容と同じであり、これにより、Ｕ相オフセット電流Δｉｕが演算される。
【００３１】
また、ステップ１２２において、ｉｖとｉｗが一致していないと判断したときは、ステップ１３２においてＷ相電流ｉｗとＵ相電流ｉｕの比較を行う。電流ｉｗとｉｕがほぼ一致しているときには、ステップ１３３からステップ１３６までの処理によりＶ相オフセット電流Δｉｖを求める。なお、ステップ１３２において、電流ｉｗとｉｕが一致していないと判断されたときには、オフセット電流の演算を行うことなく終了する。
【００３２】
以上のような処理を行うことにより、ローパスフィルタ等を用いることなく、各相のオフセット電流を電流の周期、２，３サイクルで高速に、かつ、正確に検出することができる。
【００３３】
なお、各相にオフセット電流がある場合には、２つの相電流が一致したとしても、厳密な意味で他の相電流が最大値あるいは最小値になるとは限らない。しかしながら、工学的には、ほぼ最小値あるいは最大値と見なせるので、実用上、問題になることはない。ただし、より精度が求められるときには、誤差を考慮して補正することもできる。
【００３４】
このようにオフセット電流部１１において演算により算出されたオフセット電流Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗはスイッチ選択部９に入力される。このスイッチ選択部９は次のようにしてにスイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗを求める。
【００３５】
スイッチ選択部９の動作を図９のフローチャートと図８のベクトル図を参照して説明する。
【００３６】
図８において、オフセット電流ベクトルｉｏｆｆは位相θｉｏの方向に向いている。この場合、オフセット電流ｉｏｆｆを０にするために、位相θｉｏ方向の電圧を平均的に小さくし、反対方向の電圧を平均的に大きくする。これにより、オフセット電流を零に近づけることができる。矩形波電圧制御において、オフセット電流の方向（極性）のモード期間を短くし、反対方向（逆極性）のモードを長くしている。
【００３７】
図８では、オフセット電流の位相方向である区間Ｉを短くし、区間ＩＶを長くするように演算すれば、Ｕ相については、正電圧が発生する時間（通電区間）より負電圧が発生する時間（通電区間）のほうが長くなるので、Ｕ相の平均電圧は負の値になる。これにより、オフセット電流は低減し零に収束する。このことは、正電圧と不電圧の通電区間を変化、つまり正電圧と不電圧の通電区間の比を変化させてオフセット電流の補償電圧を同期モータ１に印加していることになる。
【００３８】
この動作のためにスイッチ選択部９で行われる演算内容を図９に示す。
まず、ステップ１４１において、各区間の時間を変更するための位相であるオフセット電流補償位相θ１〜θ６を算出する。具体的な演算内容については、図１０に示す。各相のオフセット電流Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗにより、オフセット電流補償位相を算出する。ステップ１４２に移り電圧位相θｖを求める。これは図４のステップ１０２と同じ処理である。
【００３９】
ステップ１４３におけるモード判定は図１１のように、電圧位相θｖに対して決定される。たとえば、正回転の時には、区間Ｉは電圧位相θＶが−３０°＋θ６のときに開始され、３０°＋θ１まで継続する。つまり、区間Ｉはオフセット電流Δｉｕによりθ６−θ１だけ通常よりも変化する。なお、位相は反時計方向を正方向として説明する。
【００４０】
電気角度（θ６−θ１）は式１のようになる。
θ６−θ１＝−ｋ（Δｉｗ＋Δｉｖ）＝ｋΔｉｕ　　　…（式１）
【００４１】
区間ＩはＵ相オフセット電流Δｉｕの大きさだけで補正されることになる。つまり、オフセット電流Δｉｕが正であれば、区間Ｉは図８に示すように短くなる。また、オフセット電流Δｉｕが負であれば、区間Ｉは長くなる。また、区間ＩＶについては、Ｕ相オフセット電流−Δｉｕの値により補正される。
【００４２】
同様に、区間ＩＩＩ、区間ＶＩはＶ相オフセット電流Δｉｖにより、区間Ｖ、区間ＩＩはＷ相オフセット電流Δｉｗにより、それぞれ補正される。ステップ１４４では、モード演算結果に基づいて、図１１に示すようにして各相のスイッチングパターン（スイッチング信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗ）を決定している。
【００４３】
このようにオフセット電流を補償した矩形波制御を行いＰＷＭ制御から矩形波制御に切替えたときの特性は図１２に示すように、オフセット電流Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗを迅速に低減することができる。したがって、同期モータ１が発生するトルク脈動を低減できるので、騒音や振動を少なくできる。
【００４４】
また、オフセット電流が零になれば、各相に流れる最大電流を抑えることができるので、インバータ３の許容電流を低減できコスト低減を図れる。
【００４５】
以上のようにして本オフセット電流の補償を行うのであるが、本発明はオフセット電流値に基づき矩形波電圧の正電圧と負電圧の通電区間を変化させてオフセット電流を打消すようにしているにで、トルク脈動を急速に抑制することができる。
【００４６】
また、オフセット電流を速やかに零にすることができるので交流モータの各相に流れる最大電流を抑えることができるので、電力変換器の許容電流を低減できコスト低減を図れる。
【００４７】
なお、上述の実施例は同期モータを例に挙げて説明したが、誘導モータ、リラクタンスモータなどの交流モータでも同様な効果が得られることは勿論のことである。
【００４８】
また、交流モータの電流検出は３相でなくても２相だけでも良いことは明らかなことである。
【００４９】
【発明の効果】
本発明はオフセット電流値に基づき矩形波電圧の正電圧と負電圧の通電区間を変化させてオフセット電流を打消すようにしているので、トルク脈動を急速に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明を説明するためのベクトル図である。
【図３】従来の矩形波制御を説明するためのベクトル図である。
【図４】従来の矩形波制御を説明するためのフローチャートである。
【図５】従来の矩形波制御を説明するためのスイッチングパターンの説明図である。
【図６】従来の矩形波制御による応答特性図である。
【図７】本発明によるオフセット電流検出のフローチャートである。
【図８】本発明を説明するためのベクトル図である。
【図９】本発明によるスイッチングパターン演算のフローチャートである。
【図１０】本発明によるオフセット電流補償位相演算のフローチャートである。
【図１１】本発明を説明するためのスイッチングパターンの説明図である。
【図１２】本発明の矩形波制御による応答特性図である。
【符号の説明】
１…同期モータ、２…バッテリー、３…インバータ（電力変換器）、４…コントローラ、５ｕ，５ｖ，５ｗ…電流センサ、６…位置検出器、７…速度演算部、８…電圧位相演算部、９…スイッチ選択部、１０…電流検出部、１１…オフセット電流部。

Claims

３相交流モータと、前記３相交流モータに１８０°通電の矩形波電圧を印加する電力変換器と、前記電力変換器をスイッチング制御して前記矩形波電圧を出力させるスイッチ選択手段と、前記３相交流モータのモータ電流を入力してオフセット電流値を求め前記スイッチ選択手段に与えるオフセット電流手段とを備え、前記スイッチ選択手段は前記オフセット電流値に基づき前記矩形波電圧の正電圧と負電圧の通電区間を変化させ、前記オフセット電流を打消すことを特徴とする交流モータ制御装置。
３相交流モータと、前記３相交流モータに１８０°通電の矩形波電圧を印加する電力変換器と、前記電力変換器をスイッチング制御して前記矩形波電圧を出力させるスイッチ選択手段と、前記３相交流モータのモータ電流を入力してオフセット電流値を求め前記スイッチ選択手段に与えるオフセット電流手段とを備え、前記スイッチ選択手段は前記オフセット電流値に基づき前記矩形波電圧の正電圧と負電圧の通電区間の比を変化させて前記オフセット電流を打消す補償電圧を前記３相交流モータに印加することを特徴とする交流モータ制御装置。
３相交流モータと、直流を交流に変換して前記３相交流モータに１８０°通電の矩形波電圧を印加する電力変換器と、前記電力変換器をスイッチング制御して前記矩形波電圧を出力させるスイッチ選択手段と、前記３相交流モータの各相電流を検出する電流検出手段と、前記３相交流モータの各相電流を入力して各相のオフセット電流値を求め前記スイッチ選択手段に与えるオフセット電流手段とを備え、前記スイッチ選択手段は前記各相のオフセット電流値に基づき各相の前記矩形波電圧の正電圧と負電圧の通電区間を変化させて前記オフセット電流を打消す補償電圧を前記３相交流モータに印加することを特徴とする交流モータ制御装置。
３相交流モータと、バッテリーから給電される直流を交流に変換して前記３相交流モータに１８０°通電の矩形波電圧を印加する電力変換器と、前記電力変換器をスイッチング制御して前記矩形波電圧を出力させるスイッチ選択手段と、前記３相交流モータの各相電流を検出する電流検出手段と、前記３相交流モータの各相電流を入力して各相のオフセット電流値を求め前記スイッチ選択手段に与えるオフセット電流手段とを備え、前記スイッチ選択手段は前記各相のオフセット電流値に基づき前記オフセット電流と逆極性の各相の前記矩形波電圧の正電圧あるいは負電圧の通電区間を大きくして前記オフセット電流を打消す補償電圧を前記３相交流モータに印加することを特徴とする交流モータ制御装置。
電気自動車を駆動する３相同期モータと、バッテリーから給電される直流を交流に変換して前記３相同期モータに１８０°通電の一定振幅の矩形波電圧を印加する電力変換器と、前記電力変換器をスイッチング制御して前記矩形波電圧を出力させるスイッチ選択手段と、前記３相同期モータの各相電流を検出する電流検出手段と、前記３相同期モータの各相電流を入力して各相のオフセット電流値を求め前記スイッチ選択手段に与えるオフセット電流手段とを備え、前記スイッチ選択手段は前記各相のオフセット電流値に基づき前記オフセット電流と逆極性の各相の前記矩形波電圧の正電圧あるいは負電圧の通電角度を大きくして前記オフセット電流を打消すようにしたことを特徴とする交流モータ制御装置。