JP2005509397A - 高調波電流の調節による電流リップルの低減 - Google Patents

Abstract

インバータ給電式のモータ駆動システムの高調波電流成分を調節するための方法および装置は、モータ（４０）の位相電流を計測するステップと、この位相電流の基本成分を実質的に除去するステップと、第１の電流信号を発生させるようにその基本成分を実質的に除去した位相電流を復調するステップと、モータの第１高調波電流を実質的にゼロにさせるように駆動しこれによって高調波電流制御を達成させることによって、インバータ出力電圧に影響を与えるように、インバータ給電式のモータ駆動システムのインバータ駆動装置のＰＷＭ制御入力に第１の電流信号を提供するステップとを含む。このシステムによってさらに、モータ電圧に関するより正確な推定値を提供することができる。

Description

本発明は、インバータ給電式のモータ駆動システムにおいて電流リップルを抑制する方法に関する。
本出願は、参照によりその開示を本明細書に組み込むものとする２００１年１１月６日に提出された、「CURRENT RIPPLE REDUCTION BY HARMONIC CURRENT REGULATION」と題する米国特許仮出願第６０／３３０，９８０号の特典および優先権を主張する。

高性能のインバータ給電式のＡＣモータ駆動装置ではスムーズなトルク制御が必要である。インバータ給電式のＡＣ駆動装置が発生させるモータトルクは、さまざまな高調波トルク成分を含んでいる。

これらの高調波トルク成分は、インバータ誘導による高調波とモータ誘導による高調波とによって生じている。インバータ誘導による高調波の例としては、インバータのデッドタイム、センサオフセット、ＰＷＭチョッピング、その他が含まれる。モータ誘導による高調波の例としては、巻き線のスロットおよび対称性、その他が含まれる。第ｎ次高調波トルク成分は主に、第（ｎ＋１）次および第（ｎ−１）次の高調波電流がそのモータの基本フラックスと相互作用することによって発生している。

低周波数トルクのリップルは、駆動装置負荷に送られ、これによって速度変動を生じさせると共に、いくつかの場合ではその駆動装置負荷を損傷させることがあるため、このリップルは最も重要であると考えられている。インバータのブランキング時間（デッドタイム）のために、第６次高調波トルクが特に関心が高い。

インバータデッドタイムの結果としてトルクリップルとなる。従来技術の大部分のスキームでは、インバータ電圧誤差を補償することによってこの問題に対処している。しかし、デッドタイム効果は複雑で非直線的な挙動であるため、デッドタイム効果を完全に補償することは達成することができない。さらに、従来技術のスキームは直接トルクリップルに焦点を当てたものではない。

インバータ不感時間に起因するトルク高調波の問題だけではなく、モータ空間高調波など高調波トルクの発生につながるようなさまざまなその他の不完全性に起因する問題にも対処しているような、高調波トルク除去に対する直接的アプローチを提供できると有益である。さらに、第（ｎ＋１）次および第（ｎ−１）次の高調波電流を除去することによって第ｎ次高調波トルクを抑制する方法を提供できると有益である。

さらに、具体的にはより低動作速度の無符号器低コスト駆動子を改善させるために制御器のコマンド電圧からより正確なモータ電圧推定値を導出できると有用となる。

インバータ給電式のモータ駆動システムにおいて電流リップルを抑制するための方法および装置を提供する。この方法および装置は、ＡＣモータ駆動システムにおいて高調波トルク電流を除去するために使用することができる。

本発明によれば、インバータ給電式のモータ駆動システムの高調波電流成分を調節するための方法であって、モータの位相電流を計測するステップと、この位相電流の基本成分を実質的に除去するステップと、第１の電流信号を発生させるようにその基本成分を実質的に除去した位相電流を復調するステップと、モータの第１高調波電流を実質的にゼロにさせるように駆動して高調波電流制御を達成させることによって、インバータ出力電圧に影響を及ぼすように、インバータ給電式のモータ駆動システムのインバータ駆動装置のＰＷＭ制御入力に第１の電流信号を提供するステップとを含む方法が提供される。

さらに、本発明によれば、インバータ給電式のモータ駆動システムの高調波電流成分を調節するための装置であって、モータの位相電流を計測しているセンサと、この位相電流の基本成分を実質的に除去している回路と、第１の電流信号を発生させるようにその基本成分を実質的に除去した位相電流を復調するための復調器と、モータの第１高調波電流を実質的にゼロにさせるように駆動しこれにより高調波電流制御を達成させることによって、前記インバータ出力電圧に影響を及ぼすようにインバータ給電式のモータ駆動システムのインバータ駆動装置のＰＷＭ制御入力に第１の電流信号を注入するための回路とを備える装置が提供される。

より詳細には、その高調波トルクは、望ましくないトルク高調波に寄与する高調波電流を除去する新規の制御方法によって抑制されている。本方法は、モータ位相電流を計測するステップと、電流コマンドによって基本電流成分を除去するステップとを含む。関心対象のトルクリップルに寄与する残留する高調波電流は、復調によって弁別し、電流調節を用いてゼロになるように制御している。たとえば、第６次高調波トルクを除去するには、第（ｎ＋１）次と第（Ｎ−１）次の高調波電流を本発明の電流調節技法によって低下させている。

リップル低減の結果として、高価な符号器を必要とせずに、モータ電圧のより正確な推定値を提供するための出力を、モータ駆動装置から得ることができる。

本発明に関するその他の特徴および利点は、添付の図面を参照している本発明の以下の説明から明らかとなろう。

図１を参照すると、本発明は、たとえば、ＤＳＰ（ディジタル信号処理装置）やＦＰＧＡタイプのデバイスを用いてファームウェア内に実装させることが好ましいモータ制御技法を提供している。
この方法は、全体を番号３０で示す任意の電流調節式ベクトル制御駆動装置内に組み込むことができ、これによって、ＰＷＭインバータブリッジ５０を介して回転磁場装置（たとえば、ＡＣモータ４０）を動作させている。
制御駆動装置３０は、本発明に従って修正している。本発明は、本明細書の記載に従った動作を受けるベクトル制御駆動装置に高調波電流調節器５を結合させる際に共存させている。このベクトル制御駆動装置３０は、入力ｉｑ^＊、ｉｄ^＊、ωｅ、Ｔｈｅｔａ、および位相電流ｉｕ、ｉｖを高調波電流調節器５に提供することによって修正している。高調波電流調節器５の出力２５０は、従来のベクトル回転子３７からの出力線に設けられたそれぞれの加算段３５に提供している。ベクトル制御駆動装置３０の制御素子３７、３９、４１、４３、４５、４７および４９は従来式のものである。

本明細書全体を通じて以下の定義を用いている。

用語 定義
Ｄｅｌ＿Ｃｏｍｐ − フィードバック遅延補償
用語 定義
ｉｄ^＊ − フラックス電流コマンド
ｉｑ^＊ − トルク電流コマンド
ｉｕ − 位相電流
ｉｕ＿Ｈ − 位相電流（基本部分を除去した電流）
ｉｖ − 位相電流（ｉｕから１２０度遅れ）
ｉｖ＿Ｈ − 高調波位相電流（基本部分を除去した電流）
Ｎ − 高調波次数
Ｔｈｅｔａ − ベクトル駆動装置のフィールド角（Ｗｅの積分）
Ｔｈｅｔａ＿Ｎ − ベクトル復調の高調波フィールド角
Ｕｕ＿Ｃ − 高調波電流調節器出力（ｕ位相）
Ｕｖ＿Ｃ − 高調波電流調節器出力（ｖ位相）
Ｕｗ＿Ｃ − 高調波電流調節器出力（ｗ位相）
ωｅ − インバータ基本波周波数
本発明は任意の高調波トルク、すなわち、第ｎ次高調波トルクの低減に適用可能であるが、本明細書では、第６次高調波トルクを低減させることに関連して詳細に記載することにする。

本発明の好ましい実施の一形態によれば、インバータデッドタイムに起因する高調波トルク（たとえば、第６次高調波）低減のための方法には、フィードバック電流から第ｎ−１次（第５次）および第ｎ＋１次（第７次）の高調波電流成分を抽出するステップ、並びにこれらの電流をゼロにさせるように調節するステップが必要である。
図２は、高調波電流調節の方法を示す。この図２は、図１の高調波電流調節器５をより詳細に表している。
この高調波電流調節器は、基本成分除去段１００を備えている。この段は、コマンドｉｄ^＊およびｉｑ^＊を受け取っているベクトル回転子１１０を備えている。ベクトル回転子１１０の出力はそれぞれの加算段１１２および１１３に供給しており、これらの加算段の各々はそれぞれの位相電流ｉｕおよびｉｖによって１つの差分信号を発生させ、これによってそれぞれ基本成分が除去されている電流信号ｉｕ＿Ｈおよびｉｖ＿Ｈを発生させている。図示では、信号ωｅおよびＴｈｅｔａも提供している。遅延補償信号Ｄｅｌ＿Ｃｏｍｐは遅延段１１８によって提供している。信号Ｄｅｌ＿Ｃｏｍｐは段１１６においてＴｈｅｔａから差し引かれてベクトル回転子１１０に加えられている。

番号１０で示す位相電流（ｉｕおよびｉｖ）は番号１１の位置にある適当な電流センサによって計測し、また基本成分は段１００によって番号２０に示したトルクコマンド信号および電流コマンド信号（ｉｑ^＊およびｉｄ^＊）から除去している。トルクコマンド信号および電流コマンド信号ｉｑ^＊およびｉｄ^＊はよく知られており、全体を図１の参照番号３０に示す従来の電流調節式ベクトル駆動装置内で番号２０で示すように容易に入手可能である。高調波電流は、基本成分を除去することなく抽出することが可能である。しかし、基本成分を除去すると高調波電流調節器の帯域幅を拡大させることができる。その基本成分を除去した位相電流ｉｕは、ｉｕ＿Ｈの位置に表している。その基本成分を除去したｉｕから１２０°遅れている位相電流ｉｖは、ｉｖ＿Ｈの位置に表している。

電流（ｉｕ＿Ｈ，ｉｖ＿Ｈ）は高調波だけを含んでいる。その基本成分は除去されている。第ｎ次高調波成分は、ベクトル復調器を用いることによって抽出することができる。詳細には、第ｎ次高調波トルクが主に第（ｎ＋１）次および第（ｎ−１）次の高調波電流の基本モータフラックスとの相互作用によって生成されているため、これら２つの高調波電流を除去すると第ｎ次高調波トルクが実質的に除去されることになる。検討のように、第６次高調波トルク成分は特に厄介なものである。これを低減させるには、第５次および第７次の高調波電流を図２に示すようにして調節している。
したがって、高調波電流調節器５は、第５次高調波電流調節器２００と第７次高調波電流調節器３００を含むことになる。各調節器２００、３００は、図２の上側部分に表したブロック図を有すると共に、ベクトル復調器２１０を含んでいる。このベクトル復調器２１０は、図２に示すような基本のフィールド角（Ｔｈｅｔａ）から生成させた復調のための高調波ベクトル角（Ｔｈｅｔａ＿Ｎ）を受け取っている。フィールド角Ｔｈｅｔａは、乗算器２１１において低減させようとする高調波の次数Ｎと乗算している。このケースでは、Ｎ＝ｎ−１である。ｎ＝６の場合、Ｎ＝５となる。信号Ｄｅｌ＿Ｃｏｍｐは乗算器２１３においてＮ倍にしている。乗算器２１１からの信号は、Ｍｏｄ２π（２１５）だけ遅延させてＴｈｅｔａ＿Ｎを生成させている。Ｔｈｅｔａ＿ＮとＤｅｌ＿Ｃｏｍｐを番号２１７において加算し、また出力は番号２１９においてＭｏｄ２πだけ遅延させている。復調のために第Ｎ次高調波ベクトル角Ｔｈｅｔａ＿Ｎを使用することによって、電流信号ｉｕ＿Ｈおよびｉｖ＿Ｈの第ｎ次高調波電流をベクトル復調器２１０の出力の位置でＤＣに変換させ、また一方その他すべての高調波はＡＣ信号の形で現れることになる。
したがって、積分器２２０Ａ、２２０Ｂによる積分作用は、調節によって、ＤＣ成分（変換済みの第Ｎ次高調波電流成分）を強制的にゼロにさせるために使用している。積分器２２０Ａおよび２２０Ｂの出力は、ベクトル回転子２３０に提供されている。第（ｎ−１）次高調波電流調節器２００と、第（ｎ＋１）次高調波電流調節器３００の２つの出力は番号２４０で加算させると共に、この出力２５０は加算段３５によってそれぞれのＰＷＭ制御信号と加算させるためにベクトル駆動装置に提供している。
出力２５０は、ＰＷＭ段４９に対する入力の位置で高調波電流を相殺させるために提供しており、この結果高調波電流、またしたがって影響を受けるトルク高調波を強制的にゼロにしている。

高調波電流調節器３００では、Ｎ＝ｎ＋１である。ｎ＝６の場合、Ｎ＝７となる。調節器３００の動作は調節器２００の場合と同じである。

異なる高調波電流調節器の出力は、重ね合わせによって合成させ、３つの出力（Ｕｕ＿Ｃ，Ｕｖ＿Ｃ，Ｕｗ＿Ｃ）を形成させている。これらの出力は、対応する位相変調入力（図１に示す）に注入され、高調波電流制御のためのインバータ出力電圧に影響を与えている。

第５次および第７次の高調波電流を調節しているこれら２つの電流調節器２００および３００の出力の重ね合わせによって、第６次高調波トルクを低減させるように段３５を介して制御駆動装置内に注入することができる信号を得ている。一般的なケースでは、第（ｎ−１）次および第（ｎ＋１）次の高調波電流の調節によって第ｎ次高調波トルクの低減が得られる。

同様に、図２に示すように並列接続した同一の構造を使用することによって、関心対象のその他の任意の高調波電流成分を抽出しかつゼロになるように調節することができる。たとえば、第２次および第４次の高調波電流を調節し、これによって第３次高調波トルクを低減させることができる。

図３は、本発明の別の態様を示す。大部分の無符号器式（シャフト符号器を有しない）駆動装置制御器では、逆起電力（ｂａｃｋ ＥＭＦ）制御スキームのために電圧フィードバックが必要となる。低速動作（＜１５％）を利用する場合には、正確な電圧情報が必要である。
しかし一般的に、広帯域幅のＰＷＭ電圧信号の収集、およびハードウェアコストの上昇のために、モータ電圧を検知することは実用的でない。大部分のケースでは、制御器コマンド電圧を用いてモータ電圧を推定している。コマンド電圧の使用に関する正確性は、不感時間、デバイス電圧降下その他などのインバータの非線形性による影響を受けている。インバータによって導入される非線形性の影響を補償することによってトルクリップルを除去するように本発明の高調波電流調節器を使用することでさらに、より正確な電圧推定を達成することが可能となる。添付の図３に表したように、高調波電流を調節する前にＵｖおよびＵｗを検知している。
したがって、これらの電圧によって、モータ電圧の近似が改善され（インバータ非線形性が補償され）、これらの電圧を用いてより良好な（より低動作速度の）無符号器駆動装置を提供することができる。図３は、モータ電圧の推定値をタップオフさせる場所を表していることを除けば図１と同じである。

本発明をその具体的な実施形態に関連して記載してきたが、その他の多くの変形形態および修正形態、並びにその他の利用については当業者には明らかとなろう。したがって、本発明は、本明細書の特定の開示によって限定させるべきではなく、添付の本特許請求の範囲によってのみ限定させるべきである。

インバータ給電式のモータ駆動システムの高調波電流調節器内に本発明の方法および装置を組み込んでいることを表した機能ブロック図である。 本発明による高調波電流調節のための方法および装置で、具体的に第６次高調波トルクへの適用を表した機能ブロック図である。 図１に示した機能ブロック図で、電圧推定を達成させる方法を表している機能ブロック図である。

Claims (24)

1. インバータ給電式のモータ駆動システムの高調波電流成分を調節するための方法であって、
   前記モータの位相電流を計測するステップと、
   前記位相電流の基本成分を実質的に除去するステップと、
   第１の電流信号を発生させるように前記基本成分を実質的に除去した前記位相電流を復調するステップと、
   前記モータの第１高調波電流を実質的にゼロにさせるように駆動して高調波電流制御を達成させることによって、インバータ出力電圧に影響を与えるように、前記インバータ給電式のモータ駆動システムのインバータ駆動装置のＰＷＭ制御入力に前記第１の電流信号を供給するステップと
   を具えたことを特徴とする方法。
2. 前記モータの位相電流を計測するステップは、前記モータに関する少なくとも２つの位相電流を計測するステップを含み、
   前記位相電流の基本成分を実質的に除去するステップは、前記モータに関する前記計測済み位相電流の各々において前記基本成分を実質的に除去するステップを含み、
   前記復調のステップは、電流信号からなる第１の組を発生させるように前記基本成分を実質的に除去した前記位相電流の各々を復調するステップを含み、
   前記供給のステップは、第１高調波電流を実質的にゼロにさせるように駆動するために、前記ＰＷＭ制御入力に前記第１組の電流信号の各々を提供するステップを含むこと
   を特徴とする請求項１記載の方法。
3. 電流信号からなる第２の組を発生させるように前記基本成分を実質的に除去した前記位相電流の各々を復調するステップと、
   第３の信号の組を形成させるように前記第１および第２の信号組のそれぞれの信号を加算するステップと、
   前記モータに関する前記第１の高調波電流と第２の高調波電流を実質的にゼロにさせるように駆動するために前記第３の組の信号を前記ＰＷＭ制御入力に供給するステップと
   をさらに具えたことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記供給のステップは、前記第３の組の信号うちのそれぞれの信号を、前記インバータ給電式のモータ駆動システムから提供されたＰＷＭ制御入力への制御入力と加算するステップをさらに具えたことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記第１および第２の高調波電流は、第（ｎ−１）次高調波電流および第（ｎ＋１）次高調波電流を含み、
   前記インバータ給電式のモータ駆動システムにおいて第ｎ次高調波トルクの実質的な除去を得ていることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 第１および第２の組の電流信号を発生させるように、前記基本成分を実質的に除去した前記位相電流の各々を復調するステップは、
   ベクトル復調した信号を提供するステップと、
   前記モータに関する前記第１および第２の所望の高調波電流を調節して実質的にゼロとするように前記ベクトル復調した信号を積分するステップと、
   前記第１および第２の組の信号を前記ＰＷＭ制御入力に供給する前に前記積分した信号をベクトル回転子に加えるステップと
   をさらに具えたことを特徴とする請求項３記載の方法。
7. 前記インバータ駆動装置からモータ電圧の推定値を提供することをさらに具えたことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記ＰＷＭ制御入力への前記制御入力から導出して複数のモータ電圧推定値を生成させるステップをさらに具えたことを特徴とする請求項４記載の方法。
9. インバータ給電式のモータ駆動システムの高調波電流成分を調節するための装置であって、
   前記モータの位相電流を計測しているセンサと、
   前記位相電流の基本成分を実質的に除去している除去段と、
   第１の電流信号を発生させるように前記基本成分を実質的に除去した前記位相電流を復調するための復調器と、
   前記モータの第１高調波電流を実質的にゼロにさせるように駆動して高調波電流制御を達成させることによって、前記インバータ出力電圧に影響を及ぼすように前記インバータ給電式のモータ駆動システムのインバータ駆動装置のＰＷＭ制御入力に前記第１の電流信号を注入するための回路と
   を具えたことを特徴とする装置。
10. 前記センサは、前記モータに関する少なくとも２つの位相電流を計測し、
    前記位相電流の基本成分を実質的に除去している前記除去段は、前記モータに関する前記計測済み位相電流の各々で前記基本成分を実質的に除去している除去段を有し、
    前記復調器は、第１の組の電流信号を発生させるように、前記基本成分を実質的に除去した前記位相電流の各々に対する１つの復調器を有し、
    前記注入のための回路は、第１高調波電流を実質的にゼロにさせるように駆動するために、前記ＰＷＭ制御入力に前記第１の組の電流信号の各々を供給するための回路を有することを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 第２の組の電流信号を発生させるために、前記基本成分を実質的に除去した前記位相電流を受け取っている第２の復調器と、
    第３の組の信号を形成させるように、前記第１および第２の信号組のそれぞれの信号を加算している加算段と、
    前記モータに関する前記第１の高調波電流と前記第２の高調波電流を実質的にゼロにさせるように駆動するために、前記第３の組の信号を前記ＰＷＭ制御入力に提供している注入のための回路と
    をさらに具えたことを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 前記注入のための回路は、さらに、前記第３の組の信号のうちのそれぞれの信号を前記インバータ給電式のモータ駆動システムから提供されたＰＷＭ制御入力への制御入力と加算することを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. 前記第１および第２の高調波電流は、第（ｎ−１）次高調波電流および第（ｎ＋１）次高調波電流を含み、これにより、
    前記インバータ給電式のモータ駆動システムにおいて第ｎ次高調波トルクの実質的な除去を得ていることを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. 第１および第２の組の電流信号のそれぞれを発生させている前記基本成分を実質的に除去した前記位相電流の各々に対する前記復調器のそれぞれは、
    ベクトル復調した信号を発生させているベクトル復調器と、
    前記モータに関する前記第１および第２の所望の高調波電流が調節されて実質的にゼロとなるように、前記ベクトル復調した信号を受け取って積分信号を発生させている積分器と、
    前記積分信号を受け取っているベクトル回転子と
    をさらに具えたことを特徴とする請求項１１記載の装置。
15. 前記装置をファームウェア内に実装していることを特徴とする請求項１０記載の装置。
16. 前記ファームウェアは、ＤＳＰまたはＦＰＧＡであることを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. 少なくとも１つのモータ電圧の推定値を提供している前記インバータ駆動装置からの出力をさらに具えたことを特徴とする請求項９記載の装置。
18. 少なくとも１つのモータ電圧の推定値を提供するために、前記ＰＷＭ制御入力の前記制御入力から導出した前記モータ駆動の出力をさらに具えたことを特徴とする請求項１２記載の装置。
19. インバータ給電式のモータ駆動システムの高調波電流成分を調節するための方法であって、
    前記モータに関する少なくとも２つの位相電流を計測するステップと、
    第１の組の電流信号を発生させるように、前記位相電流の各々を復調するステップと、
    第２の組の電流信号を発生させるように、前記位相電流の各々を復調するステップと、
    第３の信号の組を形成させるように前記第１および第２の組のそれぞれの信号を加算するステップと、
    前記モータに関する第１および第２の高調波電流を実質的にゼロにさせるように駆動して高調波電流制御を達成させることによって、前記インバータ出力電圧に影響を与えるように、前記インバータ給電式のモータ駆動システムのインバータ駆動装置のＰＷＭ制御入力に前記第３の組の信号を提供するステップと
    を具えたことを特徴とする方法。
20. 前記復調のステップの前に、前記モータに関する前記計測済み位相電流の各々において前記基本成分を実質的に除去するステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 前記インバータ駆動装置からのモータ電圧の推定値を提供するステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１９記載の方法。
22. インバータ給電式のモータ駆動システムの高調波電流成分を調節するための装置であって、
    前記モータに関する少なくとも２つの位相電流を計測しているセンサと、
    第１の組の電流信号を発生させるための前記位相電流の各々に対する第１の復調器と、
    第２の組の電流信号を発生させるために、前記位相電流の各々を受け取っている第２の復調器と、
    第３の組の信号を形成させるように、前記第１および第２の組のそれぞれの信号を加算する加算段と、
    前記モータに関する第１および第２の高調波電流を実質的にゼロにさせるように駆動し高調波電流制御を達成させることによって、前記インバータ出力電圧に影響を及ぼすように、前記インバータ給電式のモータ駆動システムのインバータ駆動装置のＰＷＭ制御入力に前記第３の組の信号を供給するための回路と
    を具えたことを特徴とする装置。
23. 前記位相電流を復調する前に、前記モータに関する前記計測済み位相電流の各々において前記基本成分を実質的に除去している除去段をさらに具えたことを特徴とする請求項２２記載の装置。
24. 少なくとも１つのモータ電圧の推定値を提供している前記インバータ駆動装置からの出力をさらに具えたことを特徴とする請求項２２記載の装置。

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