JP2005261093A - 交流モータの制御装置,2チップインバータ及びワンチップインバータ。 - Google Patents

交流モータの制御装置,2チップインバータ及びワンチップインバータ。 Download PDF

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Abstract

【課題】
本発明は、高耐圧に対応した比較的簡単な回路でトルク脈動を低減し、かつ回転速度や負荷が変わっても高効率にモータを駆動できる交流モータの制御装置および半導体装置を提供する。
【解決手段】
モータの誘起電圧と相対位相が固定された第1の位相信号と、モータの電流極性信号とを検出し、両者の位相差を認識し、その位相差を、モータを高効率駆動できるゼロに近付けるように第2の位相信号を作成し、その第2の位相信号に基づいて擬似正弦波状あるいは台形波状の変調波信号を作成し、その変調波信号と搬送波信号とを比較してインバータをPWM制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、交流モータを駆動するための制御装置,2チップインバータ及びワンチップインバータに関する。
近年、交流モータ、中でも永久磁石同期モータをインバータ駆動する方法が広まっている。そして家電などの分野では価格競争が激化し、安価なインバータ駆動装置の提供が望まれている。このため永久磁石同期モータの駆動装置において、回路構成が簡単で比較的モータ効率も高くできる、120度通電方式が用いられている。
120度通電方式によるモータ駆動装置においては、磁極位置検出器によってモータの回転子の磁極位置を検出し、回転子磁束と固定子の磁極が直交するようなタイミングで、インバータ装置の各スイッチング素子をオンオフ制御することで3相巻線のうち2つの巻線に電流を流しモータを駆動させる。
この120度通電方式では、通電する巻線の切り換え動作(転流)時に、トルク脈動が発生し、騒音をもたらすことが知られている。
また、モータ電流波形が高調波成分を多く含むと、一般的にモータトルクに脈動が発生しやすい。モータトルクは、モータ固有の誘起電圧とモータ電流との積からなるため、モータ電流波形への依存度が大きい。このトルク脈動によって、モータ自体が振動し、モータを取り付ける架台を振動させ、この振動が騒音となる。
低騒音化するための方法として、いわゆるPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)制御によりモータ駆動電流を正弦波状にする方法がある。具体的には、回転子の位置に応じた正弦波状の変調波信号を作成し、この変調波信号と搬送波とを比較してPWM信号を作成し、インバータよりPWM電圧を出力する。そして、この回転子の位置に応じた正弦波状の変調波信号を作成するためには、マイクロコンピュータを用いて、それに内蔵のPWMタイマを利用することが行われるが、120度通電方式と比較すると、複雑かつ高価な装置となる。
これに対して、比較的簡単な回路で低騒音のモータ駆動回路を実現する方法として、正弦波状の変調波信号の作成にあたって、アナログ回路を用いて、3レベルの変調波形をフィルタ回路を用いて滑らかにすることにより、電流波形を滑らかにしてモータの騒音を低減する方法がある(例えば、特許文献1参照)。
一方、モータを高効率に駆動させるためには、回転速度や負荷などに応じて、モータの電圧,電流,誘起電圧の位相関係を最適に制御することが望まれる。
これについては、モータの回転速度に比例した進角時間を設定し、アナログ回路を用いて回転速度に応じて電圧位相を進める方法がある(例えば、特許文献2参照)。
また、負荷に応じてモータ電圧の位相を制御し、各相コイルに発生する誘起電圧と各相電流との位相を一致させる方法がある(例えば、特許文献3参照)。
特開2001−251886号公報 特開2001−45787号公報 特開平9−215375号公報
前記特開2001−251886号公報に開示の方法では、変調波形がまだ歪み成分を多く含んでおり、低騒音化に対して十分でないと思われる。また、モータの電圧位相はモータの回転子位置検出信号と同期しており、負荷変化に対して高効率な制御ができないと思われる。
前記特開平2001−45787号公報に開示の方法では、ある負荷条件のもとで回転速度が変わった時にモータを高効率に駆動できるが、負荷条件が変わった時に、高効率な制御ができなくなると思われる。
前記特開平9−215375号公報に開示の方法では、正弦波状の電圧率データがあらかじめROMに記憶されており、かつデジタル回路にてモータの電圧位相を作成している。したがって制御部分とパワー素子との耐圧が合わず、両者を同一チップ上に実装する上で都合が悪いと思われる。
本発明は上記の点を考慮してなされたものであり、高耐圧に対応した比較的簡単な回路でトルク脈動を低減し、かつ回転速度や負荷が変わっても高効率にモータを駆動できる、交流モータの制御装置および半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一つの特徴は、交流モータの制御装置において、第1の位相信号作成器により作成された第1の位相信号と、電流極性検出器により作成されたインバータにより駆動される交流モータの電流極性信号との位相差と、前記交流モータの回転速度に応じた指令信号とに基づき前記位相差をゼロに近づけるように第2の位相信号を作成する第2の位相信号制御器と、前記交流モータの回転速度に応じた指令信号と前記第2の位相信号とに基づき、複数の変調波信号を作成する変調波作成器と、前記複数の変調波信号と搬送波信号とを比較して前記インバータをパルス幅変調制御するパルス幅変調器とを持つことである。
本発明によれば、比較的簡単な回路でモータの誘起電圧と電流の位相がほぼ同期することにより、高効率にモータを駆動することができる交流モータの制御装置,2チップインバータ及びワンチップインバータを提供できる。
本発明の第1の実施例を図1から図14を用いて説明する。
図1において、1は商用電源、2は整流回路、11はモノリシックICからなるワンチップインバータ、4は3相永久磁石同期モータ(以下、モータと略記する)、8は速度制御演算処理手段、9はF/V変換器(周波数−電圧変換器)である。ワンチップインバータ11は、インバータ3と、パルス幅変調器6,変調波作成器7,第2の位相信号制御器13、及び電流極性検出器14からなる制御回路10から構成される。
商用電源1には、整流回路2が接続されて、この整流回路2を介して、直流電圧がインバータ3に供給され、このインバータ3により可変電圧可変周波数の交流がモータ4に供給される。
前記のモータ4は、回転子に永久磁石を有する交流モータであって、永久磁石の発生する磁束を検出して回転子磁極位置を検出する第1の位相信号作成器5を備える。この第1の位相信号作成器5は、各相に対応する3個のホールICからなる磁極位置検出器であり、各相の電気角の位相差が120度になるように設置されていて、論理信号である第1の位相信号hu,hv,hwを出力する。
ワンチップインバータ11は、モータ4の筐体内に実装されて、モータ4と第1の位相信号作成器5と共に、駆動回路内蔵モータ12を構成する。
前記第1の位相信号hu,hv,hwはモータの回転速度の情報(例えばパルス信号の周期など)を持つので、例えば前記第1の位相信号hwをF/V変換器9に入力し、実速度に対応した速度電圧信号を出力する。ここで、第1の位相信号hwの代わりにhuまたはhvを用いてもよいし、第1の位相信号hu,hv,hwのうち複数の信号を用いてもよい。
速度制御演算処理手段8では、F/V変換器9の出力である速度電圧信号が入力されて、速度制御演算処理手段8内に設定されている速度指令を比較し、それらの偏差が略ゼロになるように、制御信号VSPが出力されて、前記の変調波作成器7および第2の位相信号制御器13に入力される。
電流極性検出器14は、インバータ3から得られる電流極性情報に基づいて、論理信号である電流極性信号Ipu,Ipv,Ipwを出力する。
図2に、各相第1の位相信号と電流極性信号の位相関係を示す。本実施例では、図2
(a)〜図2(c)に示すように、各相第1の位相信号の立ち上がりは各相誘起電圧が正から負へと横切るゼロクロス点と一致しており、立ち下がりは負から正へと横切るゼロクロス点と一致している。一方、図2(d)〜図2(f)に示すように、各相の電流極性信号の立ち上がりは、各相のモータ電流が正から負へと横切るゼロクロス点と一致しており、立ち下がりは負から正へと横切るゼロクロス点と一致している。
第2の位相信号制御器13には、前記第1の位相信号hu,hv,hwと、前記の電流極性信号Ipu,Ipv,Ipwと、前記の制御信号VSPが入力され、これらに基づいて、第2の位相信号hsu,hsv,hswを出力する。
また、変調波作成器7には、前記第2の位相信号hsu,hsv,hswと、前記の制御信号VSPが入力され、これらに基づいて、3相の変調波信号mu,mv,mwを出力する。
更に、パルス幅変調器6は、上記の変調波信号mu,mv,mwを入力として、内部で作られる搬送波信号と比較して、インバータ3を構成する前記6個のスイッチング素子に対するPWM信号を出力する。
ワンチップインバータ11を構成する前記インバータ3は、例えばパワーMOSFET,絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)などのスイッチング素子を6個組み合わせた回路であり、各スイッチング素子は、パルス幅変調器6からのPWM信号に従ってオンオフ制御される。
なお、本実施例で、第2の位相信号制御器13に制御信号VSPを入力したのは、モータの回転速度の情報を、第2の位相信号の制御、すなわち電圧位相の制御に反映させるためである。ここで、制御信号VSPとは、モータの回転速度をコントロールする速度制御用電圧指令であり、モータの回転速度情報を有する。したがって、回転速度一定で運転する時など、電圧位相制御に回転速度情報を必要としない場合は、制御信号VSPは、第2の位相信号制御器13に入力しなくてもよい。
次に、第1の実施例における第2の位相信号制御器13内について、図3を用いて説明する。図3は、第2の位相信号制御器13の構成を示している。第2の位相信号制御器
13は、位相差認識器21と第2の位相信号作成器22から構成される。位相差認識器
21には、前記の制御信号VSPと、前記第1の位相信号hu,hv,hwと、前記の電流極性信号Ipu,Ipv,Ipwとが入力され、第1の位相信号と電流極性信号との位相ずれの大きさと、進み/遅れの関係、およびモータの回転速度情報を認識し、位相差信号VC_lagを出力する。第2の位相信号作成器22には、前記第1の位相信号hu,hv,hwと、位相差信号VC_lagが入力され、位相差信号に基づいて、第1の位相信号と同位相あるいは進み位相とした第2の位相信号hsu,hsv,hswを出力する。
なお、本実施例では、制御信号VSPを位相差認識器21に入力しているが、回転速度一定で運転する時など、電圧位相制御に回転速度情報を必要としない場合は、制御信号
VSPは、位相差認識器21に入力しなくてもよい。
次に、第1の実施例における位相差認識器21内について、図4,図5を用いて説明する。
図4は、位相差認識器21の構成を示している。また、図5は、位相差認識器21の動作波形の例を示している。
位相差認識器21は、位相差検出器31u,31v,31wと、位相差認識信号作成器32u,32v,32wと、加算器33と、位相差信号作成器34と、コンデンサC1とから構成される。
第1の位相信号hu,hv,hwと、電流極性信号Ipu,Ipv,Ipwは、各相の位相差検出器31u,31v,31wにそれぞれ入力され、位相ずれ信号Au,Av,
Awと、進み/遅れ信号Bu,Bv,Bwを出力する。ここで位相ずれ信号は、各相の第1の位相信号と電流極性信号の位相ずれを生じている期間だけ正の値を持つ。例えば図5(a)〜図5(c)に示すように、第1の位相信号huと電流極性信号Ipuとの位相差が大きいほど、位相ずれ信号Auが正の値を持つ期間が長くなる。
一方、進み/遅れ信号は、第1の位相信号の立ち上がり時の電流極性信号を反転した値を、第1の位相信号の次の立ち上がり時まで保持する。例えば図5(d)に示すように、電流極性信号Ipuの位相が第1の位相信号huの位相より遅れている時は、進み/遅れ信号Buは正の値を持ち、逆に電流極性信号Ipuの位相が第1の位相信号huの位相より進んでいる場合は、進み/遅れ信号Buは負の値を持つ。
位相ずれ信号Au,Av,Awと、進み/遅れ信号Bu,Bv,Bw、及び制御信号
VSPは、位相差認識信号作成器32u,32v,32wに各相ごとに入力され、振幅が制御信号VSPに比例した位相差認識信号Du,Dv,Dwが出力される。
位相差認識信号Du,Dv,Dwは加算器33に入力され、位相差認識信号各相の総和Fが出力される。位相差認識信号各相の総和Fも、振幅が制御信号VSPに比例している。
位相差認識信号各相の総和Fは、位相差信号作成器34に入力され、位相差信号作成器34に接続したコンデンサC1を、位相差信号作成器34の内部の定電流源(図示せず)から位相差認識信号各相の総和Fに基づいて充放電することにより積分し、位相差信号
VC_lagを出力する。このように作成された位相差信号VC_lagは、第1の位相信号と電流極性信号との位相差情報と、モータの回転速度情報を持つ。
なお、本実施例では、制御信号VSPは位相差認識信号作成器32u,32v,32wに入力しているが、最終的にモータの回転速度情報を位相差信号VC_lagに反映させればよい。したがって、制御信号VSPの入力先は、位相差認識信号作成器32u,32v,32wとせず、各相の位相差検出器31u,31v,31w、あるいは加算器33、あるいは位相差信号作成器34としてもよい。
また、回転速度一定で運転する時など、電圧位相制御に回転速度情報を必要としない場合は、制御信号VSPは、図4に示した装置のいずれにも入力しなくてもよい。
また、本実施例では、各相の位相差認識信号Du,Dv,Dwを作成し、その総和をとって位相差信号を作成しているが、位相差認識信号Du,Dv,Dwのうちいずれかのみを使用して位相差信号としてもよいし、位相差認識信号Du,Dv,Dwのうちいずれか2つを使用して位相差信号を作成してもよい。その場合、使用しない相の第1の位相信号と電流極性信号は位相差認識器21に入力する必要はなく、また、使用しない相の位相差検出器や位相差認識信号作成器などは削除できる。
次に、第1の実施例における第2の位相信号作成器22内について、図6,図7を用いて説明する。
図6は、第2の位相信号作成器22の構成を例示している。また、図7は、第2の位相信号作成器22の動作波形の例を示している。
第2の位相信号作成器22は、分配器41と、充放電信号作成器42と、スロープ信号作成器43と、コンデンサC2と、各相のスロープ信号作成器44u,44v,44wと、比較器45u,45v,45wと、ゼロレベル設定器46とから構成される。
第1の位相信号hu,hv,hwは、ゼロレベル設定器46に入力され、図7(a)〜図7(c)に示すように、中間値を新たなゼロレベルとする新第1の位相信号hu1,
hv1,hw1を出力する。
新第1の位相信号hu1,hv1,hw1は、分配器41に入力され、分配器41内部の加算器(図示せず)により、
Nu=hu1+hv1
Nv=hv1+hw1
Nw=hw1+hu1
という関係式に基づいて、図7(d)〜図7(f)に示すマスク信号Nu,Nv,Nwを出力する。
マスク信号Nu,Nv,Nwと、位相差認識器21から入力される位相差信号VC_
lagは、充放電信号作成器42に入力される。そして充放電信号作成器42内部の加算器(図示せず)によりマスク信号Nu,Nv,Nwの総和をとって、電気角60度周期の方形波状の信号を作成し、その振幅をVC_lagに比例して与え、図7(g)に示す充放電信号Gを出力する。
充放電信号Gは、スロープ信号作成器43に入力され、スロープ信号作成器43に接続したコンデンサC2を、スロープ信号作成器43の内部の定電流源(図示せず)から充放電信号Gに基づいて充放電することにより積分し、図7(h)に示すスロープ信号SSのスロープ部分を作成して、その傾きを位相差信号VC_lagに比例させる。一方、充放電信号Gが正から負、あるいは負から正に切り換わる時点では、コンデンサC2の電荷を瞬時にゼロレベルに放電することで、次のスロープをゼロレベルから始めるようにする。
スロープ信号SSとマスク信号Nu,Nv,Nwは、各相のスロープ信号作成器44u,44v,44wに入力され、スロープ信号SSに対し、各相マスク信号Nu,Nv,
Nwのゼロレベルの間をマスクすることにより、各相のスロープ信号Su,Sv,Swを出力する。
各相のスロープ信号Su,Sv,Swと新第1の位相信号hu1,hv1,hw1は、各相の比較器45u,45v,45wにそれぞれ入力され、第2の位相信号hsu,hsv,hswを出力する。
ここでU相を例にとり、第1の位相信号よりも第2の位相信号の位相が進む場合(ケース1)と、進まない場合(ケース2)についての動作を説明する。
U相新第1の位相信号とU相スロープ信号がそれぞれ図7(a),図7(i)の場合、両波形を重ね合わせると図7(j)に点線で示すようになり、黒丸で示した交点を持つ。その交点で新第1の位相信号を反転させれば、図7(j)に実線で示すような第2の位相信号が作成され、t1〜t4に示すように新第1の位相信号よりも位相を進めることができる。すなわち、本実施例では、各相新第1の位相信号を、各相スロープ信号のしきい値として利用する。
一方、U相新第1の位相信号とU相スロープ信号がそれぞれ図7(a),図7(k)の場合、両波形を重ね合わせると図7(l)に点線で示すようになり、黒丸で示した交点を持つ。これらの交点は新第1の位相信号の反転する位相と一致しているため、図7(l)に実線で示すように、第2の位相信号は新第1の位相信号と一致し、位相は進まない。
以上より、本実施例によれば、第2の位相信号は、第1の位相信号からみて、電気角で略0度〜略60度の範囲で進ませることができる。
次に、本実施例で、制御信号VSPを第2の位相信号制御器13に入力したのは、各相のスロープ信号Su,Sv,Swに、制御信号VSPの情報を反映させるためであるが、その理由を述べる。
制御信号VSPとは、前述したように、モータの回転速度をコントロールする速度制御用電圧指令であり、モータの回転速度情報を有する。ここで、図8に、回転速度が変わった時の、第2の位相信号作成器22の動作波形の例を示す。破線はU相新第1の位相信号とU相スロープ信号を示し、実線はU相第2の位相信号を示す。
図8(a)に示すように、ある回転速度の時に、U相スロープ信号とU相新第1の位相信号によるしきい値とが交差し、位相を進めることができていたとする。ところが、例えば回転速度が急に2倍になった時、各相のスロープ信号Su,Sv,Swに制御信号VSPの情報を反映させていないと、図8(b)に示すように、スロープの傾きは図8(a)と同じままで、すみやかに位相を進められない。そのため、各相のスロープ信号Su,Sv,Swに制御信号VSPの情報を反映させ、図8(c)に示すように、回転速度に応じてスロープの傾きを瞬時に変えることで、位相をすみやかに進めることができる。本実施例では、回転速度情報として制御信号VSPを利用している。
なお、制御信号VSPの代わりに、前記第1の位相信号hu,hv,hwのパルス信号の周期などから回転速度情報を持つ信号を作成し、それを回転速度情報として用いてもよい。
変調波作成器7について、図9を用いて説明する。
図9は、変調波作成器7の構成を示している。変調波作成器7は、台形波変調器23と擬似正弦波変調器24とで構成される。
台形波変調器23には、前記の制御信号VSPと、前記第2の位相信号hsu,hsv,hswが入力され、これらに基づいて、2つの一定となるレベルを有した3相の台形波信号tru,trv,trwを作成する。本実施例では、この一定となる期間を電気角
30度としている。
また、擬似正弦波変調器24は、この台形波信号tru,trv,trwを入力として第2の変調波信号である3相の擬似正弦波信号mu,mv,mwを作成する。
次に変調波作成器7に関わる各部の波形について、図10を用いて説明する。
図10(a)〜図10(c)に示すように、第2の位相信号hsu,hsv,hswは、電気角120度の位相差を保った方形波信号であり、図10(d)〜図10(f)に示す台形波信号tru,trv,trwは、電気角30度の平坦部を有する台形波信号、また図10(g)〜図10(i)に示す擬似正弦波信号mu,mv,mwは、折れ線近似された擬似正弦波信号である。
台形波信号tru,trv,trwの位相は、第2の位相信号hsu,hsv,hswと相対位相が固定されている。例えば、台形波信号truの平坦部から傾斜を始める開始時点は、第2の位相信号hsvの立ち上がりもしくは立ち下がり時点である。また一方、台形波信号の振幅は、前記の制御信号VSPにより、決定される。
台形波変調器23内について、図11と図12を用いて説明する。
図11は、台形波変調器23の構成を示している。この台形波変調器23は、平坦部
30度台形波形成器51を中心に、2つのサンプルホールド回路52,53、3つのコンデンサCu,Cv,Cwから構成される。
速度制御演算処理手段8からの制御信号VSPおよび第2の位相信号hsu,hsv,hswは、平坦部30度台形波形成器51に入力される。
2つのサンプルホールド回路52,53は、台形波信号のある電圧レベルを保持するのに用いられ、3つのコンデンサは平坦部30度台形波形成器51内部の定電流源(図示せず)から充放電されて、平坦部30度台形波状の変調波形を作るのに用いられる。
図12は、上記の構成をもつ台形波変調器23の各部波形であり、この図を用いて動作の説明をする。
平坦部30度台形波形成器51では、図12に示すように、例えば第2の位相信号hsvの立ち上がりのタイミングPAでU相コンデンサCuを定電流源で充電開始することにより、U相台形波truの立ち上がりスロープ部分を形成する。そして第2の位相信号hswの立ち上がりのタイミングPCでU相コンデンサの電圧値をサンプルホールド回路A(52)に取り込み、その値をtruAとする。
ここに、理想的な平坦部30度台形波における、台形波の上側平坦部の大きさである
trumaxと下側平坦部の大きさであるtruminの中間の大きさをゼロレベルとする。その時、台形波の最大値である上限リミット値trumaxは、trumax=
truA×5/3の関係で求められるため、truAよりtrumaxを作成しておき、U相コンデンサの電圧がtrumaxとなった時点PDで充電をやめて上限リミット値
trumaxを保持し、台形波の上側平坦部を形成する。
そして第2の位相信号hsvの立ち下がりのタイミングPEでU相コンデンサCuを定電流源で放電開始することにより、U相台形波truの立ち下がりスロープ部分を形成する。
次に第2の位相信号hswの立ち下がりのタイミングPGでU相コンデンサの電圧値をサンプルホールド回路B(53)に取り込み、その値をtruBとする。理想的な平坦部
30度台形波の場合、台形波の最小値である下限リミット値truminは、trumin=
truB×5/3の関係で求められるためtruBよりtruminを作成しておき、U相コンデンサCuの電圧がtruminとなった時点PHで放電をやめる。そして第2の位相信号hsvの立ち上がりのタイミングPIまで下限リミット値truminを保持し、台形波の下側平坦部を形成する。
なお、コンデンサを充電あるいは放電する定電流源の電流の大きさは、制御信号VSPに比例して与える。それによって台形波のスロープの傾きが制御信号VSPに比例し、その結果、台形波の振幅も制御信号VSPに比例する。
V相とW相もU相と同様に平坦部30度台形波を形成し、120度ずつ位相のずれた3相の台形波信号を形成する。
擬似正弦波変調器24内について、図13と図14を用いて説明する。
図13は擬似正弦波変調器24の構成を示している。この擬似正弦波変調器24は、各相毎に、減算器61,増幅ゲインKgを持つ増幅器62で構成される。
すなわち、平坦部30度台形波信号tru,trv,trwから、減算器61と増幅器62を用いて、擬似正弦波信号mu,mv,mwが、
mu=Kg×(tru−trv)
mv=Kg×(trv−trw)
mw=Kg×(trw−tru)
の関係式にて作成される。ここで、Kgは擬似正弦波信号の振幅を決定するゲインである。
図14に擬似正弦波変調器24の主要部波形を例示する。tru,trv,trwは3相の平坦部30度台形波である。上述の式においてKg=1とするとmu,mv,mwは図14に示すような擬似正弦波となる。
本実施例の動作例について、図15と図16を用いて説明する。
図15には、第2の位相信号制御器13を用いず、変調波作成器7に第1の位相信号
hu,hv,hwと、制御信号VSPを入力し、これらに基づいて変調波信号mu,mv,mwを作成してモータを駆動した場合の動作例を示す。また、図16には、本実施例に従い、第2の位相信号制御器13を用いてモータを駆動した場合の動作例を示す。いずれも、指令回転速度を500r/minで一定とし、時間1secの時点で負荷トルクを急変させた時の動作のシミュレーション結果である。
第2の位相信号制御器13を用いない場合は、図15(b)に示すように、uvw座標系のモータ電流をdq座標系に変換した場合のd軸電流が負荷変化の前後で負の値から正の値に変化しているが、いずれもゼロから遠く、誘起電圧と電流の位相がずれていることがわかる。従って駆動効率は低下する。
一方、第2の位相信号制御器13を用いた場合は、図16(b)に示すように、uvw座標系のモータ電流をdq座標系に変換した場合のd軸電流が負荷変化の直後に多少ゼロから離れるものの、定常的にはほぼゼロになっており、誘起電圧と電流の位相がほぼ一致するよう制御されていることがわかる。従って高効率で駆動できている。
本明細書中の実施例では、図17上図に示すような1周期中に2つの一定となるレベルを有した3相の台形波を例に挙げた。この波形は折れ点が少ないため電圧波形が滑らかに変化し、折れ点に起因したトルク脈動を小さくできる。
また、台形波形状は1周期中に2つより多くの一定となるレベルを有した3相台形波でもよく、本発明は例えば図17下図に示すような1周期中に4つの一定となるレベルを有した台形波なども含まれる。
本発明の第2の実施例を図18から図20を用いて説明する。
第2の実施例は、第1の実施例における第2の位相信号制御器13を、図18に示す第2の位相信号制御器13Aに置き換えたもので、他は図1に示した構成と同様である。第2の実施例における第2の位相信号制御器13A内について、図18を用いて説明する。
第2の位相信号制御器13Aは、位相差認識器21Aと第2の位相信号作成器22Aから構成される。第2の位相信号制御器13との大きな相違点は、制御信号VSPを位相差認識器21Aに入力せず、第2の位相信号作成器22Aに入力した点である。
位相差認識器21Aには、前記第1の位相信号hu,hv,hwと、前記の電流極性信号Ipu,Ipv,Ipwとが入力され、第1の位相信号と電流極性信号との位相ずれの大きさと、進み/遅れの関係を認識し、位相差信号VC_lagを出力する。
第2の位相信号作成器22Aには、前記の制御信号VSPと、前記第1の位相信号hu,hv,hwと、位相差信号VC_lagが入力され、モータの回転速度および位相差信号に基づいて、第1の位相信号と同位相あるいは進み位相とした第2の位相信号hsu,hsv,hswを出力する。
次に、第2の実施例における位相差認識器21A内について、図19を用いて説明する。図19は、位相差認識器21Aの構成を示している。位相差認識器21との相違点は、制御信号VSPの入力がないことである。したがって位相差認識器21Aより出力される位相差信号VC_lagは、モータの回転速度情報を含まない。
さらに、第2の実施例における第2の位相信号作成器22A内について、図20を用いて説明する。図20は、第2の位相信号作成器22Aの構成を示している。第2の位相信号作成器22との相違点は、制御信号VSPの入力がある点と、位相差/速度情報信号作成器47がある点である。本実施例では、前述のように、位相差認識器21Aより出力される位相差信号VC_lagは、モータの回転速度情報を含まないため、位相差/速度情報信号作成器47で制御信号VSPと位相差信号VC_lagとに基づいて、加算あるいは乗算によって回転速度情報も有する新たな位相差信号VC_lag1を作成する。
なお、本実施例では、制御信号VSPを位相差/速度情報信号作成器47に入力しているが、分配器41、または充放電信号作成器42、またはスロープ信号作成器43、または各相のスロープ信号作成器44u,44v,44wなどに入力してもよい。つまり、最終的に各相のスロープ信号に制御信号VSP、すなわちモータの回転速度情報を反映させればよい。
また、回転速度一定で運転する時など、電圧位相制御に回転速度情報を必要としない場合は、制御信号VSPは、図20に示した装置のいずれにも入力しなくてもよい。
本発明の第3の実施例を図21と図22を用いて説明する。
第3の実施例は、第1の実施例における第2の位相信号作成器22を、図21に示す第2の位相信号作成器22Bに置き換えたもので、他は図1および図3に示した構成と同様である。
第3の実施例における第2の位相信号作成器22B内について、図21と図22を用いて説明する。
図21は、第2の位相信号作成器22Bの構成を示している。第2の位相信号作成器
22との相違点は、充放電信号作成器が2つ(42A,42B)、スロープ信号作成器が2つ(43A,43B)、そしてコンデンサが2つ(C3,C4)ある点と、しきい値設定器48がある点である。
また、図22は、第2の位相信号作成器22Bの動作波形の例を示している。
第1の位相信号hu,hv,hwは、ゼロレベル設定器46に入力され、図22(a)〜図22(c)に示すように、中間値を新たなゼロレベルとする新第1の位相信号hu1,hv1,hw1を出力する。
新第1の位相信号hu1,hv1,hw1は、分配器41Aに入力され、分配器41A内部の減算器(図示せず)により、
Nu=hv1−hw1
Nv=hw1−hu1
Nw=hu1−hv1
という関係式に基づいて、図22(d)〜図22(f)に示すマスク信号Nu,Nv,
Nwを出力する。
マスク信号Nu,Nv,Nwと、位相差認識器21から入力される位相差信号VC_
lagは、充放電信号作成器42A,42Bに入力される。充放電信号作成器42A内では、マスク信号Nu,Nv,Nwが正の値となる相を順次切り換えながら、図22(g)に示すように、120度毎に不連続部分を持つ充放電信号G1を出力する。充放電信号作成器42B内では、マスク信号Nu,Nv,Nwが負の値となる相を順次切り換えながら、図22(h)に示すように、120度毎に不連続部分を持つ充放電信号G2を出力する。充放電信号G1,G2とも、振幅はVC_lagに比例して与える。
充放電信号G1はスロープ信号作成器1(43A)に入力され、スロープ信号作成器1(43A)に接続したコンデンサC3を、スロープ信号作成器1(43A)の内部の定電流源(図示せず)から充放電信号G1に基づいて正に充電することにより積分し、図22(i)に示す正のスロープ信号SS1のスロープ部分を作成して、その傾きを位相差信号VC_lagに比例させる。一方、充放電信号G1の不連続部分では、コンデンサC3の電荷を瞬時にゼロレベルに放電することで、次のスロープをゼロレベルから始めるようにする。
充放電信号G2も同様に、スロープ信号作成器2(43B)に入力され、スロープ信号作成器2(43B)に接続したコンデンサC4を、スロープ信号作成器2(43B)の内部の定電流源(図示せず)から充放電信号G2に基づいて負に充電することにより積分し、図22(j)に示す負のスロープ信号SS2のスロープ部分を作成して、その傾きを位相差信号VC_lagに比例させる。また、充放電信号G2の不連続部分では、コンデンサC4の電荷を瞬時にゼロレベルに放電することで、次のスロープをゼロレベルから始めるようにする。
正および負のスロープ信号SS1,SS2、およびマスク信号Nu,Nv,Nwは、各相のスロープ信号作成器44u,44v,44wに入力され、正および負のスロープ信号SS1,SS2に対し、各相マスク信号Nu,Nv,Nwのゼロレベルの間をマスクすることにより、各相のスロープ信号Su,Sv,Swを出力する。
各相のスロープ信号Su,Sv,Swと、しきい値設定器48で作成されたしきい値信号THは、各相の比較器45u,45v,45wにそれぞれ入力され、第2の位相信号
hsu,hsv,hswを出力する。
ここでU相を例にとり、第1の位相信号よりも第2の位相信号の位相が進む場合(ケース1)と、遅れる場合(ケース2)についての動作を説明する。
U相スロープ信号が図22(i)の場合、しきい値と重ね合わせると図22(j)に黒丸で示した交点を持つ。その交点で信号を反転させれば、図22(j)に実線で示すような第2の位相信号が作成され、t1〜t4に示すように新第1の位相信号よりも位相を進めることができる。
一方、U相スロープ信号が図22(k)の場合、しきい値と重ね合わせると図22(j)に黒丸で示した交点を持つ。その交点で信号を反転させれば、図22(l)に実線で示すような第2の位相信号が作成され、t5〜t7に示すように新第1の位相信号よりも位相を遅らせることができる。なお、本実施例では、しきい値THは任意の一定値としている。
以上より、本実施例によれば、第2の位相信号は、第1の位相信号からみて、電気角で略0度〜略60度の範囲で進ませる、あるいは略0度〜−略60度の範囲で遅らせることができる。
これまでの実施例では、しきい値として、新第1の位相信号hu1,hv1,hw1や、しきい値設定器の出力THを用いているが、そのレベルは固定値としていた。そのため、スロープ信号の傾きを、第1の位相信号と電流極性信号との位相差情報およびモータの回転速度情報に基づいて作成した、位相差信号VC_lagに比例して変化させ、スロープ信号としきい値との交点の位相を前後に動かすことによって第2の位相信号hsu,
hsv,hswを作成してきた。しかし、スロープ信号としきい値との関係は相対的であり、どちらを変化させてもよい。すなわち、これまでの実施例とは逆に、スロープ信号の傾きを固定し、しきい値のレベルを変化させて第2の位相信号を作成してもよい。その場合、しきい値のレベルは、第1の位相信号と電流極性信号との位相差情報およびモータの回転速度情報を持たせるために、位相差信号VC_lagに比例して作成するとよい。
また、これまでの実施例では、制御回路10とインバータ3とをモノリシックIC上にワンチップ構成しているが、そうすることによって制御回路とインバータとの間の配線が不要となり、外部からのノイズの影響を低減できる。また、制御回路とインバータがチップ1枚で済むため、モータ駆動システム(モータ+インバータ+制御回路)の構築が容易となる。
また、これまでの実施例では、IC装置をモータに内蔵しているが、そうすることによってモータ駆動システム全体の小形化が可能となる。また、モータとインバータとの間の配線が短くなり、外部からのノイズの影響を低減できる。
また、これまでの実施例では、制御回路10とインバータ3とをモノリシックIC上にワンチップ構成しているが、制御回路10とインバータ3を個別にモノリシックIC化した2チップ構成としてもよい。2チップ構成とすることにより、制御回路の規模を大きくしたり、あるいは制御回路にデジタル回路やマイクロコンピュータなどを使用し、より高度な制御機能や付加機能を持たせることができる。
また、これまでの実施例ではコンデンサの充放電など、アナログ回路を使用した方法を記したが、デジタル回路やマイクロコンピュータなどを利用して、実施例と同様の動作をさせてもよい。
次に、これまでの実施例で用いた変調波作成器7の代わりに、図23に示す変調波作成器7Aを使用してもよい。変調波作成器7Aは、変調波作成器の回路規模を小さくするために、擬似正弦波変調器24を削除し、台形波変調器23のみで構成している。
このために、台形波変調器23の出力である台形波信号tru,trv,trwを直接、パルス幅変調器6に入力して、搬送波と比較してPWM信号を作成する。
一般にモータの巻線には線間電圧が印加されるため、各相に通電する波形が台形波であっても、実際には台形波を各相間で減算した擬似正弦波状の電圧が加わる。台形波3相をtru,trv,trwとすると、その線間電圧はtru−trv,trv−trw,
trw−truとなり、図14に示すmu,mv,mwの擬似正弦波がモータに印加されることになる。したがって各相の変調波が台形波のままであっても、各相に擬似正弦波を通電した時とほぼ同等のトルク脈動低減効果が得られる。
また、変調波作成器7において、擬似正弦波変調器24を図24に示す擬似正弦波変調器24Aに置き換えてもよい。擬似正弦波変調器24Aは、各相毎に、加算器63,増幅ゲインKgを持つ増幅器62で構成される。
これは、以下の関係式を用いて、平坦部30度台形波信号各相間の和信号を取って擬似正弦波信号を得るものである。
mu=Kg×(trv+trw)
mv=Kg×(trw+tru)
mw=Kg×(tru+trv)
その場合の波形を図25に示す。tru,trv,trwは3相の平坦部30度台形波である。上述の式においてKg=−1とするとmu,mv,mwは図25に示すように、各相台形波と同位相で、各相台形波よりも振幅が小さく平坦部の長い擬似正弦波Aとなる。
実際には、前述のようにモータの巻線には線間電圧が印加されるため、図25に示す
mu−mv,mv−mw,mw−muのような、平坦部の長い擬似正弦波Aを各相間で減算した擬似正弦波状の電圧がモータに印加される。これらは図14に示した擬似正弦波と一致する。このように平坦部30度台形波信号各相間の和信号をとれば、同じ擬似正弦波を得るのに、各相台形波tru,trv,trwよりも小さい振幅の擬似正弦波A(mu,mv,mw)を搬送波信号と比較してPWM信号を作ることができる。したがって、直流電圧の利用率を高くできる、すなわち同じモータ電圧を得るのに直流電圧の大きさを小さくできる、という利点がある。
さらに、これまでの実施例では、擬似正弦波変調器24および擬似正弦波変調器24Aから出力した擬似正弦波信号や、台形波変調器23から出力した台形波信号を、パルス幅変調器6の入力としたが、RCフィルタなどのフィルタ回路を通して波形を滑らかにしてからパルス幅変調器6の入力としてもよい。あるいは、擬似正弦波や台形波ではなく、正弦波を用いてもよい。これによって波形ひずみ率をさらに低減できる。
以上により本発明によれば、波形ひずみが極めて小さく、かつモータの回転速度や負荷が変わった時にも高効率にモータを駆動することができる。
また、小電流で大トルクが出力できるため、モータの回転速度や負荷が変わった時に、速やかにそれらに追従することができる。
また、インバータ素子と同一チップ上に実装できる程度の耐圧を持つアナログ回路を用いることにより、従来はマイクロコンピュータなどで行っていた位相制御を、インバータを形成するモノリシックICに一体形成した制御回路で行うことができる。これにより、モータ駆動システム各種の制御あるいは状態監視などを行うマイクロコンピュータなどの演算処理装置の負荷が軽減される。したがって、小型あるいは安価な演算処理装置を用いることができる。
本発明の第1の実施例構成図。 各相第1の位相信号と電流極性信号の位相関係。 第1の実施例における第2の位相信号制御器の構成図。 第1の実施例における位相差認識器の構成図。 第1の実施例における位相差認識器の動作波形の例。 第1の実施例における第2の位相信号作成器の構成図。 第1の実施例における第2の位相信号作成器の動作波形の例。 回転速度が変わった時の第2の位相信号作成器の動作波形の例。 変調波作成器の構成図。 変調波作成器の動作波形の例。 台形波変調器の構成図の例。 台形波変調器の主要部波形の例 擬似正弦波変調器の構成図の例。 擬似正弦波変調器の主要部波形の例。 第2の位相信号制御器を用いない場合の動作例。 第2の位相信号制御器を用いた場合の動作例。 台形波形状の説明図の例。 第2の実施例における第2の位相信号制御器の構成図。 第2の実施例における位相差認識器の構成図。 第2の実施例における第2の位相信号作成器の構成図。 第3の実施例における第2の位相信号作成器の構成図。 第3の実施例における第2の位相信号作成器の動作波形の例。 変調波作成器の他の例の構成図。 擬似正弦波変調器の他の例の構成図。 擬似正弦波変調器の他の例の主要部波形。
符号の説明
1…商用電源、2…整流回路、3…インバータ、4…永久磁石同期モータ、5…第1の位相信号作成器、6…パルス幅変調器、7,7A…変調波作成器、8…速度制御演算処理手段、9…F/V変換器、10…制御回路、11…ワンチップインバータ、12…駆動回路内蔵モータ、13,13A…第2の位相信号制御器、14…電流極性検出器、21,
21A…位相差認識器、22,22A,22B…第2の位相信号作成器、23…台形波変調器、24,24A…擬似正弦波変調器、31…位相差検出器、32…位相差認識信号作成器、33,63…加算器、34…位相差信号作成器、41,41A…分配器、42,
42A,42B…充放電信号作成器、43,43A,43B…スロープ信号作成器、44…各相スロープ信号作成器、45…比較器、46…ゼロレベル設定器、47…位相差/速度情報信号作成器、48…しきい値設定器、51…平坦部30度台形波形成器、52…サンプルホールド回路A、53…サンプルホールド回路B、61…減算器、62…増幅器。




Claims (11)

  1. 第1の位相信号作成器により作成された第1の位相信号と、電流極性検出器により作成されたインバータにより駆動される交流モータの電流極性信号との位相差と、
    前記交流モータの回転速度に応じた指令信号とに基づき前記位相差をゼロに近づけるように第2の位相信号を作成する第2の位相信号制御器と、
    前記交流モータの回転速度に応じた指令信号と前記第2の位相信号とに基づき、複数の変調波信号を作成する変調波作成器と、
    前記複数の変調波信号と搬送波信号とを比較して前記インバータをパルス幅変調制御するパルス幅変調器とを有する交流モータの制御装置。
  2. 請求項1において、
    前記第2の位相信号制御器は、前記位相差および前記指令信号とに基づいて位相差信号を作成する位相差認識器と、
    前記位相差信号と前記第1の位相信号とに基づいて前記位相差をゼロに近付けるように第2の位相信号を作成する第2の位相信号作成器とを有することを特徴とする交流モータの制御装置。
  3. 請求項2において、
    前記位相差認識器は、前記位相差および前記指令信号とに基づいて作成した位相差認識信号を積分し、
    積分した値に基づいて位相差信号を作成することを特徴とする交流モータの制御装置。
  4. 請求項2において、
    前記第2の位相信号作成器は、前記位相差信号を積分してスロープ信号を作成し、
    前記スロープ信号としきい値とに基づいて第2の位相信号を作成することを特徴とする交流モータの制御装置。
  5. 請求項1において、
    前記変調波作成器は、一周期の区間で少なくとも2つ以上の一定レベルを有する複数の台形波状波形信号を作成する台形波変調器を有する、交流モータの制御装置。
  6. 請求項1において、
    前記変調波作成器は、一周期の区間で少なくとも2つ以上の一定レベルを有する複数の台形波状波形信号を作成する台形波変調器と、
    前記複数の台形波状波形信号の差から複数の擬似正弦波信号を作成する擬似正弦波変調器とを有する交流モータの制御装置。
  7. 請求項1において、
    前記変調波作成器は、一周期の区間で少なくとも2つ以上の一定レベルを有する複数の台形波状波形信号を作成する台形波変調器と、
    前記複数の台形波状波形信号の和から複数の擬似正弦波信号を作成する擬似正弦波変調器とを有する交流モータの制御装置。
  8. 請求項1記載の交流モータの制御装置を有する第1の半導体チップと、
    直流を入力として交流を出力するインバータを有する第2の半導体チップとを有することを特徴とする2チップインバータ。
  9. 直流を入力として交流を出力するインバータと、
    前記交流により駆動される交流モータの電流極性信号を作成する電流極性検出器と、
    第1の位相信号作成器により作成された第1の位相信号と前記電流極性信号との位相差と、前記交流モータの回転速度に応じた指令信号とに基づき、
    前記位相差をゼロに近づけるように第2の位相信号を制御する第2の位相信号制御器と、
    前記指令信号と前記第2の位相信号とに基づき、複数の変調波信号を作成する変調波作成器と、
    前記複数の変調波信号と搬送波信号とを比較して前記インバータをパルス幅変調制御するパルス幅変調器とを有する交流モータの制御装置とを有するワンチップインバータ。
  10. 負荷が接続された交流モータを駆動するインバータと、前記インバータを制御する制御装置とを有するワンチップインバータにおいて、
    前記制御装置はアナログ回路からなり、前記交流モータの誘起電圧と電流を同期させるようにすることを特徴とするワンチップインバータ。
  11. 請求項10において、前記交流モータの誘起電圧と電流を同期させるようにするとは、モータのd軸電流値がゼロになるようにすることを特徴とするワンチップインバータ。
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