JP2004135437A

JP2004135437A - モータ制御装置

Info

Publication number: JP2004135437A
Application number: JP2002297961A
Authority: JP
Inventors: Eijirou Tajima; 田嶋　栄二朗
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: JP4348929B2

Abstract

【課題】三相平衡の電流指令に対し、三相の巻線に流す電流を独立に制御し、電流の利用率を向上させると共に、スイッチング素子の温度上昇、モータ動作の信頼性を高めることのできるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】三相巻線が独立している交流モータ６の各相巻線に、独立して電流を流す構成を持つインバータ１と、平衡電流指令１１〜１３と電流検出器９からの実電流信号１４〜１６との偏差に応じた電圧指令１７〜１９を出力する電流制御器３と、電圧指令１７〜１９によりＰＷＭ信号２１〜３２を発生するＰＷＭ信号発生器４と、ＰＷＭ信号２１〜３２に応じてスイッチング素子のゲートをオンオフするゲート駆動器５とを備え、かつ、電流指令１１〜１３に各相同じ大きさのオフセット電流指令３４を重畳するオフセット電流指令発生器３３を備えたモータ制御装置。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、モータを半導体スイッチング素子で駆動するモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４に、従来のモータ制御装置の構成を示す（例えば、特許文献１参照）。このモータ制御装置において、直流電源８はインバータ１１０に電力を供給し、インバータ１１０は、交流モータ１１６に電力を供給している。インバータ１１０は、スイッチング素子９２〜９７と各スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード９８〜１０３からなっている。スイッチング素子９２と９３、９４と９５、９６と９７は直流電源８の両端に直列に接続されている。直列に接続されたスイッチング素子９２〜９７の接続点から、負荷であるモータ１１６に電力が供給される。
【０００３】
制御器７６は、トルク指令１０とモータロータ一検出器７により検出されたモータロータ位置信号２０に基づいて三相平衡電流指令１１，１２，１３を出力する電流指令発生器２と、これらの三相平衡電流指令１１，１２，１３と電流検出器９により検出された実電流１４，１５，１６との偏差に応じた電圧指令１７，１８，１９を発生する電流制御器３と、電圧指令１７，１８，１９に応じたＰＷＭ信号１０４〜１０９を発生するＰＷＭ発生器４からなっており、ゲート駆動回路５は、ＰＷＭ信号発生器４から出力されるＰＷＭ信号１０４〜１０９に応じてインバータ１１０のスイッチング素子９２〜９７のゲートに電圧を供給し、スイッチング素子をオンオフする。
以上の構成のモータ制御装置においては、電流指令に応じた電流を交流モータの三相巻線に流して、交流モータのトルクを制御する。
【特許文献１】
特開平５−１７６５４８号公報（４頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のモータ制御装置においては、図１５に示すように、電流指令１１，１２，１３が三相平衡であるため、たとえばＵ相電流ｉｕ１１を定格電流の１００％とした場合、Ｖ，Ｗ相電流ｉｖ１２，ｉｗ１３はそれぞれ−５０％となり、スイッチング素子９２〜９７の電流の利用率が悪い。また、交流モータ１１６が低速の場合、１相にのみ大きな電流が長時間流れるため、スイッチング素子９２〜９７の温度が上昇しスイッチング素子が破壊するという問題がある。あるいは、温度保護回路を設けているモータ制御装置では、スイッチング素子の温度上昇により温度保護回路が動作し、モータが停止して、モータの動作の信頼性が低くなるという問題がある。
そこで、この発明の目的は、三相平衡の電流指令に対し、三相の巻線に流す電流を独立に制御し、電流の利用率を向上させると共に、スイッチング素子の温度上昇、モータ動作の信頼性を高めることのできるモータ制御装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の構成は、三相巻線が独立している交流モータの各相巻線に、独立して電流を流す構成を持つインバータと、平衡電流指令値と電流検出器により検出された前記交流モータの実電流値との偏差に応じた電圧指令値を出力する電流制御器と、前記電圧指令値によりＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生器と、前記ＰＷＭ信号に応じてスイッチング素子のゲートをオンオフするゲート駆動器とを備え、かつ、前記平衡電流指令値に各相同じ大きさのオフセット電流指令値を重畳するオフセット電流指令発生器を備えたことを特徴とするモータ制御装置である。
この第１の構成においては、平衡電流指令値に各相同じ大きさのオフセット電流指令値を重畳することにより、三相合成空間ベクトルがゼロになるような三相平衡ではない電流をモータの三相巻線に流すことが可能となる。このように、モータトルクを変化させることなく三相平衡でないモータ電流を流すことができるようになり、電流制御の自由度が向上する。
【０００６】
本発明の第２の構成は、前記平衡電流指令値に重畳する各相同じ大きさのオフセット電流指令値を、前記平衡電流指令値の三倍調波としたことを特徴とする第１の構成のモータ制御装置である。
この第２の構成においては、正弦波状の平衡電流指令値に対して三倍調波を重畳することにより、平衡電流指令値の正弦波のピーク値が小さくなり、出力トルクは同じでも、スイッチング素子の発熱は小さくなる。
【０００７】
本発明の第３の構成は、スイッチング素子の温度を検出する温度検出器と、温度が高い相の電流が小さくなるように、平衡電流指令値に各相同じ大きさのオフセット電流指令値を重畳するオフセット電流指令発生器とを備えたことを特徴とする第１の構成のモータ制御装置である。
この第３の構成においては、温度の高い相の電流が小さくなるオフセット電流指令値を重畳すると、その相の実電流は小さくなり、その相のスイッチング素子の温度上昇が抑えられる。
【０００８】
本発明の第４の構成は、前記オフセット電流指令の振幅が、前記オフセット電流指令値を重畳する前の平衡電流指令値の振幅の［１−（√３）／２］倍であることを特徴とする第１または第２の構成のモータ制御装置である。
この第４の構成においては、オフセット電流指令値の振幅を平衡電流指令値の振幅の［１−（√３）／２］とすることにより、オフセット電流指令値を重畳する前の平衡電流指令値の振幅が大きいときも小さいときも、オフセット電流指令値を重畳した後の電流指令値の最大値が小さくなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図１３を用いて説明する。
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態のモータ制御装置を、図１および図２に基づいて説明する。
図１は直流電源２の電力をインバータで三相交流に変換してモータを駆動するモータ制御装置である。インバータ１は制御装置７６から出力されるＰＷＭ信号２１〜３２により制御され、三相交流電圧を発生し、交流モータ６を駆動している。制御装置７６には、位置検出器７からのモータロータ位置信号２０を、電流検出器９から各相の実電流１４，１５，１６がそれぞれ入力されるとともに、トルク指令１０が入力されている。この制御装置７６は電流指令発生器２、オフセット電流指令発生器３３、電流制御器３、ＰＷＭ信号発生器４から構成されている。電流指令発生器２では交流モータ６の発生するトルクが、トルク指令１０と一致するような電流指令１１，１２，１３を演算により求めている。電流制御器３は、電流指令１１，１２，１３にオフセット電流指令３３を重畳し、実電流１４，１５，１６との偏差に応じた電圧指令１７，１８，１９を出力する。オフセット電流指令発生器３３はモータロータ位置信号２０を入力し、ロータ位置に応じたオフセット電流指令３４を出力する。３５，３６，３７は、オフセット電流指令が重畳された電流指令を示す。ＰＷＭ信号発生器４は、電圧指令１７，１８，１９に応じたＰＷＭ信号２１〜３２を発生する。ゲート駆動器５はＰＷＭ信号２１〜３２に応じた、ゲート駆動信号６４〜７５を出力する。
【００１０】
図２にインバータ主回路の詳細を示す。スイッチング素子４０と４１、４２と４３、４４と４５、４６と４７、４８と４９、５０と５１は直流電源８に直列接続され、それぞれのスイッチング素子に逆並列にダイオード５２〜６３が接続されている。直列接続されたスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードで、上下のアームを形成し、上下のアーム２組でＨブリッジ１１１〜１１３を構成している。Ｈブリッジ１１１〜１１３の出力端子を、三相独立に巻かれたモータ巻線に接続する。ゲート駆動器５より出力されたゲート駆動信号によりスイッチング素子４０〜５１をオンオフする。
図３、図４に電流が小さい場合と、電流が大きい場合の三相同じオフセット電流の空間ベクトル７７，７８，７９を示す。三相合成空間ベクトルはいずれの場合もゼロになり、オフセット電流の大きさに関係ない。すなわち、モータの磁気飽和の影響がないとすると、いかなる大きさのオフセット電流を重畳しても、モータトルクへの影響はないといえる。
この実施の形態によれば、三相の大きさが同じオフセット電流指令３４を電流指令発生器２より発生される三相平衡電流指令１１〜１３に重畳することで、モータトルクを変化させることなく、３相平衡でないモータ電流を流すことができ、電流制御の自由度が向上する。
【００１１】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態のモータ制御装置を、図５を用いて説明する。
図５は、オフセット電流指令３３を電流指令発生器２より発生される電流指令１１，１２，１３の三倍調波とし、オフセット電流指令が重畳された電流指令３５，３６，３７の振幅を１とした時の、各部の波形である。１１，１２，１３は電流指令発生器２より発生される電流指令、３４はオフセット電流指令である。オフセット電流指令３４を重畳することにより、モータ電流のピーク値は、電流指令発生器２より発生される電流指令のピーク値より小さくなる。しかし、発生するトルクは電流指令発生器２より発生される電流指令と同じ電流がモータに流れた時と同じ大きさになる。
【００１２】
この実施の形態によれば、三相大きさが同じオフセット電流指令３４を、電流指令発生器２より発生される電流指令１１，１２，１３に重畳することで、オフセット電流指令３４が重畳された電流指令３５，３６，３７を、電流指令発生器２より発生される電流指令１１，１２，１３より小さくすることができ、逆に定格電流の同じスイッチング素子を使用しても、従来技術より出力トルクを大きくできる。
【００１３】
＜第３の実施の形態＞
この発明の第３の実施の形態のモータ制御装置を、図６に基づいて説明する。この実施の形態では、図２に示したスイッチング素子４０〜５１の各相の温度検出器８０を備え、各相のスイッチング素子４０〜５１の温度検出信号８１，８２，８３が、オフセット電流指令発生器３３へ入力されていることを除けば、構成は図１と同じである。
モータ運転条件が低速で、ある相だけ大きな電流が流れ続ける場合や、冷却条件に各相ばらつきがある場合、各相のスイッチング素子４０〜５１の温度にばらつきが発生する。スイッチング素子４０〜５１には許容温度があるため、温度による保護を行わなければならない。
そこで、温度検出信号８１，８２，８３とモータ位置（角度）信号２０により、スイッチング素子の温度が高い相の電流が小さくなるような方向のオフセット電流指令３４を、電流指令発生器２からの電流指令１１，１２，１３に重畳する。例としてモータがロック状態で、Ｖ相の温度が高い場合で、オフセット電流が０の時、およびＶ相電流が小さくなるオフセット電流１１５を重畳した時の各部の波形を図７に示す。
温度の高いＶ相の電流が小さくなるオフセット電流１１５を重畳すると、Ｖ相の実電流８８は小さくなり、Ｖ相の温度上昇を抑えることができる。
この実施の形態によれば、モータ運転条件や冷却条件により各相のスイッチング素子の温度にばらつきがある場合、温度の高い相の電流を小さくすることにより、温度の高い相の温度上昇を抑えることができる。このため、従来に比べ温度保護が掛かりにくくなり、信頼性が向上する。
【００１４】
＜第４の実施の形態＞
本発明の第４の実施の形態のモータ制御装置を、図８から図１３に基づいて説明する。
この実施の形態では、オフセット電流指令の振幅を、オフセット電流指令を重畳する前の電流指令振幅の［１−（√３）／２］倍としたものである。このとき、オフセット電流指令を重畳した電流指令の振幅が最小となる。
図８と図９は、オフセット電流指令３４が、オフセット電流指令を重畳する前の電流指令１１の振幅に関係なく一定で、オフセット電流指令３４を重畳する前の電流指令１１の振幅が大きいときに、オフセット電流指令を重畳した電流指令３５が小さくなるようなオフセット電流指令３４の振幅の場合である。図８のようにオフセット電流指令を重畳する前の電流指令１１の振幅が大きいときは、オフセット電流指令３４を重畳した電流指令３５の最大値は小さくなる。しかし、図９のようにオフセット電流指令を重畳する前の電流指令１１の振幅が小さいときは、オフセット電流指令３４を重畳した電流指令３５の最大値は大きくなってしまう。
【００１５】
図１０と図１１は、オフセット電流指令３４が、オフセット電流指令３４を重畳する前の電流指令１１の振幅に関係なく一定で、オフセット電流指令３４を重畳する前の電流指令１１の振幅が小さいときに、オフセット電流指令３４を重畳した電流指令３５が小さくなるようなオフセット電流指令３４の振幅の場合である。図１１のようにオフセット電流指令３４を重畳する前の電流指令１１の振幅が小さいときは、オフセット電流指令３４を重畳した電流指令３５の最大値は小さくなる。しかし、図１０のようにオフセット電流指令３４を重畳する前の電流指令１１の振幅が大きいときは、オフセット電流指令３４を重畳した電流指令３５の最大値はわずかしか減少しない。
図１２と図１３は、オフセット電流指令３４の振幅を、オフセット電流指令３４を重畳する前の電流指令１１の振幅の［１−（√３）／２］倍にした場合を示している。これらの図に示されているように、オフセット電流指令３４を重畳する前の電流指令１１の振幅が大きいときも小さいときも、オフセット電流指令３４を重畳した電流指令３５の最大値が小さくなっていることが判る。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、次の効果を奏する。
（１）第１の構成によれば、三相の大きさが同じオフセット電流指令値を電流指令発生器より発生される平衡電流指令値に重畳することで、モータトルクを変化させることなく、３相平衡でないモータ電流を流すことができ、電流制御の自由度が向上する。
（２）第２の構成によれば、平衡電流指令値の三倍調波の三相大きさが同じオフセット電流指令を電流指令発生器より発生される平衡電流指令値に重畳することで、モータ電流を、電流指令発生器より発生される平衡電流指令より小さくすることができ、定格電流の同じスイッチング素子を使用しても、従来に比べ、出力トルクを大きくできる。
（３）第３の構成によれば、モータ運転条件や冷却条件により各相の温度にばらつきがある場合、温度の高い相の電流を小さくすることにより、温度の高い相の温度上昇を抑えることができる。このため、従来に比べ温度保護回路が動作しにくくなり、信頼性が向上する。
（４）第４の構成によれば、オフセット電流指令値の振幅を、オフセット電流指令値を重畳する前の平衡電流指令値の振幅の［１−（√３）／２］倍にすることにより、オフセット電流指令値を重畳する前の平衡電流指令の振幅が大きいときも小さいときも、オフセット電流指令を重畳した電流指令の最大値を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態のモータ制御装置のインバータ構成を示すブロック図である。
【図３】電流の大きさが小さい場合のオフセット電流指令空間ベクトル図である。
【図４】電流の大きさが大きい場合のオフセット電流指令空間ベクトル図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態による各部の電流波形図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態の各部の電流波形図である。
【図８】オフセット電流指令が大きく、オフセット電流指令を重畳する前の電流指令が大きいときの各部の波形図である。
【図９】オフセット電流指令が大きく、オフセット電流指令を重畳する前の電流指令が小さいときの各部の波形図である。
【図１０】オフセット電流指令が小さく、オフセット電流指令を重畳する前の電流指令が大きいときの各部の波形図である。
【図１１】オフセット電流指令が小さく、オフセット電流指令を重畳する前の電流指令が大きいときの各部の波形図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態のオフセット電流指令を重畳する前の電流指令が大きいときの各部の波形図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態のオフセット電流指令を重畳する前の電流指令が小さいときの各部の波形図である。
【図１４】従来例のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】従来例の各部の電流波形図である。
【符号の説明】
１　インバータ
２　電流指令発生器
３　電流制御器
４　ＰＷＭ発生器
５　ゲート駆動器
６　交流モータ
７　モータロータ位置検出器
８　直流電源
９　電流検出器
１０　トルク指令
１１〜１３　三相平衡電流指令
１４，１５，１６　実電流
１７，１８，１９　電圧指令
２０　モータロータ位置信号
２１〜３２　ＰＷＭ信号
３３　オフセット電流指令発生器
３４　オフセット電流指令
３５，３６，３７　オフセット電流指令が重畳された電流指令
４０〜５１　スイッチング素子
５２〜６３　ダイオード
６４〜７５　ゲート信号
７６　制御器
１１１，１１２，１１３　Ｈブリッジ
７７　Ｕ相オフセット電流指令
７８　Ｖ相オフセット電流指令
７９　Ｗ相オフセット電流指令
８０　スイッチング素子の温度検出器
８１，８２，８３　温度検出信号
８４　従来のＵ相電流
８５　従来のＶ相電流
８６　従来のＷ相電流
８７　本発明の第３の実施の形態のＵ相電流
８８　本発明の第３の実施の形態のＶ相電流
８９　本発明の第３の実施の形態のＷ相電流
９０　従来のＶ相の温度
９１　本発明の第３の実施の形態のＶ相温度
９２〜９７　スイッチング素子
９８〜１０５　ダイオード
１０４〜１０９　ＰＷＭ信号
１１０　インバータ
１１１〜１１３　Ｈブリッジ
１１４　スイッチング素子保護温度
１１５　Ｖ相電流が小さくなるオフセット電流
１１６　交流モータ

Claims

三相巻線が独立している交流モータの各相巻線に、独立して電流を流す構成を持つインバータと、
平衡電流指令値と電流検出器により検出された前記交流モータの実電流値との偏差に応じた電圧指令値を出力する電流制御器と、
前記電圧指令値によりＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生器と、
前記ＰＷＭ信号に応じてスイッチング素子のゲートをオンオフするゲート駆動器とを備え、
かつ、前記平衡電流指令値に各相同じ大きさのオフセット電流指令値を重畳するオフセット電流指令発生器を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
前記平衡電流指令値に重畳する各相同じ大きさのオフセット電流指令値を、前記平衡電流指令値の三倍調波としたことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
スイッチング素子の温度を検出する温度検出器と、温度が高い相の電流が小さくなるように、前記平衡電流指令値に各相同じ大きさのオフセット電流指令値を重畳するオフセット電流指令発生器とを備えたことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
前記オフセット電流指令の振幅が、前記オフセット電流指令値を重畳する前の平衡電流指令値の振幅の［１−（√３）／２］倍であることを特徴とする請求項１または２記載のモータ制御装置。