JP2005057974A - Inverter device for driving ac motor - Google Patents
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Description
本発明は、交流電動機を制御するインバータ装置に関する。 The present invention relates to an inverter device that controls an AC motor.
インバータ装置は制御回路により制御され、直流電源の直流を交流に変換し、家庭電化製品(家電)や電気自動車で交流電動機を駆動するために使用されている。ここで、家電と電気自動車とでは異なる事情がある。まず、直流電源の電圧の安定性の問題がある。家電では、直流電源電圧はほぼ一定である。これに対して、電気自動車等では例えば加速時と減速時とで直流電源の電圧が変動する。 The inverter device is controlled by a control circuit, converts the direct current of a direct current power source into alternating current, and is used to drive an alternating current motor in home appliances (home appliances) and electric vehicles. Here, there are different circumstances between home appliances and electric vehicles. First, there is a problem with the stability of the voltage of the DC power supply. In home appliances, the DC power supply voltage is almost constant. On the other hand, in an electric vehicle or the like, for example, the voltage of the DC power supply varies between acceleration and deceleration.
別の問題は、インバータの使用環境温度の変動である。室内に設置される家電では昼夜や季節による温度差は小さく、インバータ装置の使用環境温度の変動は小さい。これに対して、屋外を走行したり、屋外に昼夜を通じて放置されることがある電気自動車等では、インバータ装置の使用環境温度が大きく変動する。 Another problem is fluctuations in the operating environment temperature of the inverter. In home appliances installed indoors, the temperature difference between day and night and season is small, and the fluctuation of the operating temperature of the inverter device is small. On the other hand, in an electric vehicle or the like that travels outdoors or is left outdoors throughout the day and night, the operating environment temperature of the inverter device varies greatly.
これらを考慮して、例えば、従来の自動車用電動コンプレッサの制御駆動装置(特許文献1参照)は、図4に示すように、車走行用モータ100の電源である直流電源(バッテリ)又は発電機102と、直流交流変換手段(インバータ)104と、直流電圧を検出する直流電圧検出手段106と、パルス幅変更手段108と、電動コンプレッサ110とを有する。
In consideration of these, for example, a conventional control drive device for an electric compressor for automobiles (see Patent Document 1) includes a DC power source (battery) or a generator that is a power source of the
直流電圧検出手段106が直流電源102の電圧を検出し、その結果をパルス幅変更手段108に出力する。パルス幅変更手段108は、ROMから読み出した基本パルス幅を直流電圧検出手段106からの情報で変更した後、スイッチング素子制御信号発生部112に出力する。直流交流変更手段106は制御信号発生部112からの信号に基づき、スイッチング素子105をオンオフする直流電源102からの直流電圧を矩形パルス列状の三相疑似交流電圧に変換して、電動コンプレッサ110に印加する。
上記従来例で、パルス幅変更手段108は、直流電源102と直流交流変換手段104との間に配置された直流電圧検出手段106からの信号に基づき、パルス幅を変更している。しかし、パルス幅変更手段108からの指令信号と、直流交流交換手段106のスイッチング素子105の作動との間には遅延時間がある。また、スイッチング素子105はパルス幅変更手段108からオン指令を受けていても、その両端に電圧降下が発生する。
In the above conventional example, the pulse
その結果、パルス幅変更手段108が認識している印加電圧と、実際に直流交流交換手段104から電動コンプレッサ110に印加される印加電圧との間には誤差が生じる。(しかも、一般にこの誤差は、インバータの使用環境温度に影響されやすい。)これでは正確なパルス幅制御が行えるとは言い難い。
As a result, an error occurs between the applied voltage recognized by the pulse
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、パルス幅変更手段の指令とスイッチング素子の作動との間の遅延時間及び/又はスイッチング素子の電圧降下等があっても好適なPWM制御ができ、交流電動機を所望状態で駆動制御できるインバータ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and suitable PWM control can be performed even if there is a delay time between the command of the pulse width changing means and the operation of the switching element and / or a voltage drop of the switching element, An object of the present invention is to provide an inverter device that can drive and control an AC motor in a desired state.
本願の発明者は、インバータ装置と交流電動機との間の三相交流の相電圧を検出し、制御回路からインバータ回路への出力を、相電圧検出手段から制御回路のマイコンへの入力により補正することを着想して、本発明を完成した。 The inventor of the present application detects the phase voltage of the three-phase AC between the inverter device and the AC motor, and corrects the output from the control circuit to the inverter circuit by the input from the phase voltage detection means to the microcomputer of the control circuit. With this in mind, the present invention has been completed.
本発明による交流電動機のインバータ装置は、請求項1に記載したように、直流電源と、直流電源の正極側に接続された第1、第2及び第3正極側半導体スイッチング素子と、負極側に接続され第1、第2及び第3正極側半導体スイッチング素子にそれぞれ直列に接続された第1、第2及び第3負極側半導体スイッチング素子と、第1、第2及び第3正極側半導体スイッチング素子と第1、第2及び第3負極側半導体スイッチング素子との第1、第2及び第3の接続点からそれぞれ交流電動機に延びた第1、第2及び第3の出力配線とを含み、直流電圧を第1、第2及び第3半導体スイッチング素子対をパルス幅変調することにより生成した三相交流電圧により交流電動機を駆動する。 The inverter device for an AC motor according to the present invention includes a DC power source, first, second and third positive-side semiconductor switching elements connected to the positive electrode side of the DC power source, and a negative electrode side. First, second, and third negative-side semiconductor switching elements connected in series to the first, second, and third positive-side semiconductor switching elements, respectively, and first, second, and third positive-side semiconductor switching elements And first, second, and third output wirings extending from the first, second, and third connection points of the first, second, and third negative-side semiconductor switching elements to the AC motor, respectively, The AC motor is driven by a three-phase AC voltage generated by pulse-width modulating the voltage of the first, second and third semiconductor switching element pairs.
このインバータ装置において、相電圧検出手段は、少なくとも第1、第2及び第3出力配線の1つに接続され、交流電動機の少なくとも一相の相電圧を検出する。また、制御回路は、相電圧検出手段からの入力に基づき、第1、第2及び第3半導体スイッチング素子対のパルス幅変調を制御する。 In this inverter device, the phase voltage detection means is connected to at least one of the first, second and third output wirings and detects at least one phase voltage of the AC motor. The control circuit controls the pulse width modulation of the first, second and third semiconductor switching element pairs based on the input from the phase voltage detecting means.
請求項2のインバータ装置は、請求項1において、制御回路は、相電圧の変化タイミングから算出したスイッチング素子の動作遅れ時間に基づき、このスイッチング素子に印加するパルス幅変調電圧の変調幅比率を補正する第1補正手段を有する。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the control circuit corrects the modulation width ratio of the pulse width modulation voltage applied to the switching element based on the operation delay time of the switching element calculated from the change timing of the phase voltage. First correction means.
請求項3のインバータ装置は、請求項1又は2において、制御回路は、電源電圧からスイッチング素子の電圧降下を減じた相電圧の振幅を検出し、その値に基づきこのスイッチング素子のパルス幅変調電圧の変調幅比率を補正する第2補正手段を有する。請求項4のインバータ装置は、請求項1から3の何れか一つにおいて、直流電源は車載バッテリで、交流電動機は車載モータである。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the inverter device according to the first or second aspect, wherein the control circuit detects the amplitude of the phase voltage obtained by subtracting the voltage drop of the switching element from the power supply voltage, and the pulse width modulation voltage of the switching element is based on the detected value. Second modulation means for correcting the modulation width ratio. According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the DC power source is an in-vehicle battery and the AC motor is an in-vehicle motor.
本発明の交流電動機駆動用インバータ装置によれば、インバータ回路のスイッチング素子への指令と、相電圧検出手段から入力される相電圧の振幅及びタイミングとに基づき、制御回路がスイッチング素子での電圧降下及び遅延時間を算出してPWMを制御する。よって、直流電源の電圧の変動に影響されず、スイッチング素子での電圧降下及び遅延時間による誤差に対処できる。 According to the inverter apparatus for driving an AC motor of the present invention, the control circuit detects a voltage drop at the switching element based on the command to the switching element of the inverter circuit and the amplitude and timing of the phase voltage input from the phase voltage detecting means. The delay time is calculated to control the PWM. Therefore, it is possible to cope with an error caused by a voltage drop and a delay time in the switching element without being affected by a change in voltage of the DC power supply.
請求項2のインバータ装置によれば、制御回路の第1補正手段でPWMのデューティ比を補正することにより、インバータ回路への指令とスイッチング素子の作動との間の遅延時間による誤差に対処できる。請求項3のインバータ装置によれば、制御回路の第2補正手段でPWMのデューティ比を補正することにより、スイッチング素子での電圧降下による誤差に対処できる。請求項4のインバータ装置によれば、直流電源の電圧が変動しやすく、インバータ装置の使用環境温度が変動しやすい電気自動車等において、PWMのデューティ比を補正できる。 According to the inverter device of the second aspect, the error due to the delay time between the command to the inverter circuit and the operation of the switching element can be dealt with by correcting the PWM duty ratio by the first correcting means of the control circuit. According to the inverter device of the third aspect, the error due to the voltage drop in the switching element can be dealt with by correcting the duty ratio of PWM by the second correcting means of the control circuit. According to the inverter device of the fourth aspect, the PWM duty ratio can be corrected in an electric vehicle or the like in which the voltage of the DC power source is likely to fluctuate and the use environment temperature of the inverter device is likely to fluctuate.
<交流電動機>
交流電動機は、ロータに永久磁石が挿入された同期モータ、及びロータにコイルが装填された誘導モータとを含む。何れの場合も、ステータはコイルが装填されている。交流電動機の用途は制約されず、各種電気自動車や各種家電製品に適用できる。但し、直流電源電圧の変動が大きく、インバータ装置の使用温度が変動し易い電気自動車で使用されたとき、特に顕著な効果が得られる。
<インバータ装置>
(1)インバータ装置は、電圧制御形インバータ回路を構成する3対のスイッチング素子、スイッチング素子対を駆動制御する制御回路、出力配線の三相交流の相電圧を検出する相電圧検出回路等を含む。各対のスイッチグ素子は正極側スイッチング素子と、これに直列に接続された負極側スイッチング素子とを含み、接続点から交流モータに出力配線が延びている。
(2)相電圧検出手段は、インバータ回路と交流電動機との間で、出力配線を流れる三相交流の少なくとも一つの相電圧を検出する。U相、V相及びW相の相電圧の変化は通常類似した傾向を示すので、少なくとも一つの相電圧を検出すれば良い。但し、異なる傾向を示す場合は、各相の相電圧を検出することが望ましい。
(3)制御回路はドライバと、マイコンとを含むことができる。ドライバは各スイッチング素子を駆動するもので、スイッチング素子に対応する端子を含む。
<AC motor>
The AC motor includes a synchronous motor in which a permanent magnet is inserted into a rotor, and an induction motor in which a coil is loaded in the rotor. In either case, the stator is loaded with a coil. The application of the AC motor is not limited and can be applied to various electric vehicles and various home appliances. However, when used in an electric vehicle in which the fluctuation of the DC power supply voltage is large and the operating temperature of the inverter device tends to fluctuate, a particularly remarkable effect is obtained.
<Inverter device>
(1) The inverter device includes three pairs of switching elements constituting a voltage-controlled inverter circuit, a control circuit that drives and controls the switching element pair, a phase voltage detection circuit that detects a three-phase AC phase voltage of the output wiring, and the like. . Each pair of switching elements includes a positive side switching element and a negative side switching element connected in series thereto, and an output wiring extends from the connection point to the AC motor.
(2) The phase voltage detection means detects at least one phase voltage of three-phase AC flowing through the output wiring between the inverter circuit and the AC motor. Changes in the phase voltages of the U phase, the V phase, and the W phase usually show similar tendencies, so it is sufficient to detect at least one phase voltage. However, when showing a different tendency, it is desirable to detect the phase voltage of each phase.
(3) The control circuit can include a driver and a microcomputer. The driver drives each switching element and includes a terminal corresponding to the switching element.
マイコンはドライバを介してインバータ回路を制御するとともに、相電圧検出手段からの入力に基づきPWMのデューティ比を補正するものである。具体的には、相電圧検出手段での検出結果(変化タイミング)からスイッチング素子の作動遅れ時間を検出し、検出結果に基づきスイッチング素子へのパルス幅変調電圧の変調幅比率(デューティ比)を補正する。例えば、作動遅れ時間が長いときはデューティ比を小さくする。 The microcomputer controls the inverter circuit through a driver and corrects the PWM duty ratio based on the input from the phase voltage detecting means. Specifically, the operation delay time of the switching element is detected from the detection result (change timing) in the phase voltage detection means, and the modulation width ratio (duty ratio) of the pulse width modulation voltage to the switching element is corrected based on the detection result. To do. For example, when the operation delay time is long, the duty ratio is reduced.
マイコンはまた、相電圧検出手段での検出結果より電源電圧からスイッチング素子の電圧降下を減じた値である相電圧の振幅を検出し、検出結果に基づきその変調幅比率を補正する。例えば、振幅が大きいときはデューティ比を小さくする。1つの補正手段によりスイッチング素子の作動遅れ時間又は相電圧の振幅のみを算出することもできるが、1つ又は2つの補正手段により作動遅れ時間及び振幅の両方を算出することが望ましい。 The microcomputer also detects the amplitude of the phase voltage, which is a value obtained by subtracting the voltage drop of the switching element from the power supply voltage from the detection result of the phase voltage detection means, and corrects the modulation width ratio based on the detection result. For example, when the amplitude is large, the duty ratio is decreased. Although it is possible to calculate only the operation delay time of the switching element or the amplitude of the phase voltage by one correction means, it is desirable to calculate both the operation delay time and the amplitude by one or two correction means.
なお、「デューティ比」とは矩形パルスのオン時間とオフ時間との合計に対する、オン時間の比のことである。 The “duty ratio” is the ratio of the on time to the sum of the on time and off time of the rectangular pulse.
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。
(構成)
図1に実施例によるインバータ装置の回路図を示す。電圧Vbの直流電源(バッテリ)10と三相交流モータ(交流モータ)15との間にインバータ装置20が配置されている。交流モータ15は永久磁石同期モータであり、ステータに複数のコイルが装填され、ロータには複数の永久磁石が挿入されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
(Constitution)
FIG. 1 shows a circuit diagram of an inverter device according to the embodiment. An
インバータ装置20は平滑コンデンサ22、三組のスイッチング素子41等を含むインバータ回路50、マイコン57、ドライバ55、及び相電圧検出手段60から成る。
The
インバータ回路50のU相のスイッチング素子24は上方素子25と下方素子29とを含む。スイッチング用のトランジスタ26と、これに逆接続されたダイオード27とが、上方素子25を構成している。並列に配置されたトランジスタ31とダイオード32とが下方素子29を構成している。上方素子25と下方素子29とは上位ライン34と下位ライン35との間に直列に配置されている。
The
同様に、V相のスイッチング素子41は上方素子42と下方素子43とを含み、W相のスイッチング素子45は上方素子46と下方素子47とを含む。三組のスイッチング素子24,41及び45がインバータ回路50を構成する。
Similarly, the V-
各素子25,29等はドライバ55により駆動される。ドライバ55は6つの端子56aから56fを含み、各端子に指令信号HIN1、LIN1、HIN2、LIN2、HIN3及びLIN3が入力される。指令信号HIN1がU相の上方素子25に出力され、指令信号HIN2が下方素子29に出力されている。指令信号LIN1及びLIN2がそれぞれV相の上方素子42及び下方素子43に出力されている。指令信号HIN3及びLIN3がそれぞれW相の上方素子46及び下方素子47に出力されている。
Each
マイコン57はドライバ55を介してインバータ回路50、特に各スイッチング素子25,29等の駆動タイミングを制御している。ドライバ55とマイコン57が制御回路を構成する。
The
U相の上方素子25と下方素子29とを結ぶ連結配線64a上の接続点64bから、交流モータ15にU相線65が延びている。同様に、V相の上方素子42と下方素子43とを結ぶ連結配線66a上の接続点66bから、交流モータ15にV相線67が延びている。W相の上方素子46と下方素子47とを結ぶ連結配線68a上の接続点68bから、交流モータ15にW相線69が延びている。
A
U相線65と下位線35との間に相電圧検出手段60が配置され、U相線65における印加電圧の上昇及び降下のタイミングと振幅とを計測するようになっている。
(作用)
この実施例における作用(U相ライン65を流れる電流Iuが正の場合)を図2を参照しつつ説明する。図2(a)(b)及び(c)に示すように、マイコン57からの指令によりU相の上方素子25が所定時間のオン後オフし、それに伴い印加電圧Vuが降下し、その後下方素子29がオンする。下方素子29は所定時間オン後オフし、その後上方素子25がオンする。それに伴い印加電圧Vuが上昇する。
A phase voltage detection means 60 is disposed between the
(Function)
The operation in this embodiment (when the current Iu flowing through the
マイコン57は前回ドライバ55の端子56a及び56bからインバータ回路50に出力した指令信号HIN1、LIN1の変化時のタイミングと、相電圧検出手段60で検出したU相ライン65の印加電圧Vuの振幅及びタイミングとに基づき、上方素子25及び下方素子29での電圧降下及び遅延時間を算出し、次回のPWM出力を制御する。
The
詳しくは、図2(a)に示すように、マイコン57から端子56aへの指令信号HIN1は時刻t1でオフし、所定時間td経過後、図2(b)に示すように指令信号LIN1は時刻t3でオンする。時刻t1と3との間の時間tdは指令信号HIN1もLIN1も共にオフしているデッドタイムである。図2(c)に示すように、デットタイムtdの間に、時刻t2で印加電圧Vuが降下する。
Specifically, as shown in FIG. 2 (a), the command signal HIN1 from the
マイコン57は、相電圧検出手段60が検出した印加電圧(相電圧)Vuの振幅に基づき、上方素子25の電圧降下及び下方素子29の電圧降下を差し引いた印加電圧の振幅を計算する。例えば、上方素子25がオンしているタイミングで、バッテリ10の電圧がVbであり上方素子25の電圧降下がVhsならば、相電圧検出手段60で検出する印加電圧は(Vb−Vhs)となる。また、下方素子29がオンしているタイミングで下方素子29の電圧降下がVlsならば、相電圧検出手段60で検出する印加電圧はVlsとなる。
The
この検出結果から、マイコン57はインバータ回路50が出力する印加電圧の振幅を検出し、検出結果に基づき変調幅比率(デューティ比)を補正する。印加電圧の振幅が所定値よりも大きいときはデューティ比を小さくし、反対に印加電圧の振幅が小さいときはデューティ比を大きくする。
From this detection result, the
マイコン57はまた、印加電圧(相電圧)Vuの変化のタイミングに基づき、上方素子25及び下方素子29の遅延時間(作動遅れ時間)を算出する。ドライバ55の端子56aへの指令HIN1がオンしたタイミングt1に対し、上方素子25がオフした即ち印加電圧Vuがオフしたタイミングをt2とすると、遅延時間tdoffhは(t2−t1)であることが解る。
The
この検出結果から、マイコン57は上方素子25のオフ遅延時間を検出し、検出結果に基づき、ドライバ55を介してインバータ回路50に出力するパルス幅変調電圧の変調幅比率(デューティ比)を補正する。例えば、遅延時間が所定値よりも長いときはデューティ比を小さくし、反対に遅延時間が短いときはデューティ比を大きくする。
From this detection result, the
なお、その後指令信号LIN1が時刻t4でオフし、デッドタイムtdの経過後、時刻t6で指令信号HIN1がオンし、その後印加電圧Vuがオンした場合も、同様に上方素子25のオン遅延時間tdonhを検出し、PWM出力を補正する。
When the command signal LIN1 is turned off at time t4, the command signal HIN1 is turned on at time t6 after the dead time td has elapsed, and the applied voltage Vu is turned on thereafter, the on-delay time tdonh of the
U相の相電流Iuの電流値が負の場合の作用を図3(a)(b)及び(c)に示す。ドライバ55の端子56a及び56bへの指令信号HIN1のオフとLIN1のオンとの間にはデッドタイムtdが設けられ、指令信号LIN1のオンと相電圧Vuのオフとの間に遅延時間tdonlが存在する。また、指令信号LIN1のオフと相電圧Vuのオンとの間に遅延時間tdofflが存在する。
FIGS. 3A, 3B and 3C show the operation when the current value of the U-phase phase current Iu is negative. There is a dead time td between the turn-off of the command signal HIN1 to the
この場合も、相電圧検出手段60で測定された相電圧の変化のタイミングに基づき、マイコン57からドライバ55を介してインバータ回路50に出力するPWM出力を補正する。
(効果)
この実施例によれば、第1に、自動車の走行状態により電源電圧が変動しても相電圧は変動しない。マイコン57の第2補正手段が、マイコン57からドライバ55への振幅に関する出力と、相電圧検出手段60からマイコン57への振幅に関する入力とに応じて、スイッチング素子24,41及び45へのPWM出力のデューティ比を補正しているからである。
Also in this case, the PWM output output from the
(effect)
According to this embodiment, first, the phase voltage does not fluctuate even if the power supply voltage fluctuates depending on the driving state of the automobile. The second correction means of the
第2に、ドライバ55への指令と、インバータ回路50のスイッチング素子24,41及び45の作動との間の遅延時間による誤差に対処できる。ドライバ55と相電圧検出手段60との間に設けたマイコン57の第1補正手段が、マイコン57からドライバ55へのタイミングに関する出力と相電圧検出手段60からマイコン57へのタイミングに関する入力とに応じて、スイッチング素子24,41及び45へのPWM出力のデューティ比を補正しているからである。
Second, it is possible to cope with an error due to a delay time between the command to the
第3に、インバータ回路50のスイッチング素子24,41及び45の電圧降下による誤差に対処できる。マイコン57の第2補正手段が、マイコン57からドライバ55への振幅に関する出力と、相電圧検出手段60からマイコン57への振幅に関する入力とに応じて、スイッチング素子24,41及び45へのPWM出力のデューティ比を補正しているからである。
Third, it is possible to cope with an error caused by a voltage drop of the switching
以下の効果も得られる。まず、インバータ装置20の使用環境温度の変動により変動する相電圧の降下のタイミング及び振幅に基づき、PWM出力を補正しているので、温度の変動があっても、遅延時間及び電圧降下の誤差に対処できる。更に、U相の相電圧のみで判定しているので、相電圧検出手段60、マイコン57が簡素化される。
The following effects can also be obtained. First, the PWM output is corrected based on the phase voltage drop timing and amplitude that fluctuate due to fluctuations in the operating environment temperature of the
10:直流電源 15:交流モータ
20:インバータ装置
24,41,45:スイッチング素子
50:インバータ回路 55:ドライバ
57:マイコン 55,57:制御回路
60:相電圧検出回路
10: DC power supply 15: AC motor 20:
Claims (4)
少なくとも前記第1、第2及び第3出力配線の1つに接続され、前記交流電動機の少なくとも一相の相電圧を検出する相電圧を検出する相電圧検出手段と、
前記相電圧検出手段からの入力に基づき、前記第1、第2及び第3半導体スイッチング素子対のパルス幅変調を制御する制御回路と、
から成ることを特徴とする交流電動機のインバータ装置。 First, second and third positive-side semiconductor switching elements disposed between a direct-current power supply and an alternating-current motor and connected to the positive-electrode side of the direct-current power source, and the first, second and second connected to the negative-electrode side First, second and third negative electrode-side semiconductor elements connected in series to three positive electrode-side semiconductor switching elements, respectively, the first, second and third positive electrode-side semiconductor switching elements and the first, second The first, second and third output wirings extend from the first, second and third connection points between the first negative electrode side semiconductor switching element and the third negative electrode side semiconductor switching element to the AC motor, respectively. An inverter device that drives the AC motor by a three-phase AC voltage generated by pulse width modulation with a pair of second and third semiconductor switching elements,
Phase voltage detection means for detecting a phase voltage connected to at least one of the first, second and third output wirings and detecting at least one phase voltage of the AC motor;
A control circuit for controlling pulse width modulation of the first, second and third semiconductor switching element pairs based on an input from the phase voltage detection means;
An inverter device for an AC motor, comprising:
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