JP2006271108A - Semiconductor device for inverter control, and inverter controller for motor drive - Google Patents

Semiconductor device for inverter control, and inverter controller for motor drive Download PDF

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JP2006271108A JP2005085493A JP2005085493A JP2006271108A JP 2006271108 A JP2006271108 A JP 2006271108A JP 2005085493 A JP2005085493 A JP 2005085493A JP 2005085493 A JP2005085493 A JP 2005085493A JP 2006271108 A JP2006271108 A JP 2006271108A
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Hideo Matsushiro
英夫 松城
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inverter controller for motor drive which is capable of high quality drive from a low-speed range to a high-speed range by accurately detecting a phase current, in inexpensive constitution. <P>SOLUTION: This inverter controller can materialize high quality motor drive by accurately detecting the current of each phase of a motor, without incurring the increase, etc. of a magnetic sound, with a semiconductor device for inverter control which is equipped with a PWM signal generator having a plurality of counters (23u-23w) for PWM signal generation and registers 27u for duty setting being provided for each of the above plurality of counters (23u-23w) and converts an inputted analog signal into a digital signal in case that the count values of the above plurality of counters (23u-23w) are the same as predetermined set values. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、本発明は、AD変換器を搭載したインバータ制御用半導体装置に関するものである。   The present invention relates to an inverter control semiconductor device equipped with an AD converter.

従来、インバータ制御用のマイクロコンピュータにはAD変換器やPWM信号生成部などが備えられる。PWM信号生成部9は、一般的には6個のPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成する。これらの信号は、デューティの異なるU相、V相、W相の3個のPWM信号と、それらの反転信号であるX相、Y相、Z相の3個の信号からなる。   Conventionally, an inverter control microcomputer is provided with an AD converter, a PWM signal generation unit, and the like. The PWM signal generation unit 9 generally generates six PWM (Pulse Width Modulation) signals. These signals are composed of three PWM signals of U phase, V phase, and W phase having different duties, and three signals of X phase, Y phase, and Z phase that are inverted signals thereof.

PWM信号生成部は、種々の構成のものが知られているが、一般的には、カウンタと比較器(コンパレータ)等から構成される。この一例を図10に示す。同図の例では、カウンタ23と、このカウンタ23の最大カウント値(キャリア設定値)を格納するキャリア設定レジスタ24と、カウンタ23の現在のカウント値をキャリア設定値と比較する比較器25とが備えられ、カウンタ23の現在のカウント値がキャリア設定値又は零値と一致した時点では、比較器25はカウンタ23をアップカウントからダウンカウントに又はその逆に反転させる。   Although various types of PWM signal generation units are known, they are generally composed of a counter and a comparator (comparator). An example of this is shown in FIG. In the example of the figure, a counter 23, a carrier setting register 24 for storing the maximum count value (carrier set value) of the counter 23, and a comparator 25 for comparing the current count value of the counter 23 with the carrier set value are provided. When the current count value of the counter 23 matches the carrier set value or the zero value, the comparator 25 inverts the counter 23 from the up count to the down count or vice versa.

更に、図10のPWM信号生成部9には、相回路26u、26v、26wが備えられ、内部にはU相の場合、デューティ設定値を格納するデューティ設定レジスタ27uと、カウンタ23のカウント値をデューティ設定レジスタ27uのデューティ設定値と比較する比較器28uと、カウンタ23のカウント値がデューティ設定値と一致した時点で比較器28uから信号を受けてU相及びX相のPWM信号を反転するフリップフロップ回路29uとを備えている。   Furthermore, the PWM signal generation unit 9 of FIG. 10 includes phase circuits 26u, 26v, and 26w. In the case of the U phase, the duty setting register 27u that stores the duty setting value and the count value of the counter 23 are stored therein. A comparator 28u that compares the duty setting value of the duty setting register 27u and a flip-flop that receives a signal from the comparator 28u and inverts the U-phase and X-phase PWM signals when the count value of the counter 23 matches the duty setting value. Circuit 29u.

このようなPWM信号生成部9を備えたインバータ制御用マイクロコンピュータ1は、例えば図11に示すように、交流モータを駆動するインバータ装置の制御に使用される。交流モータの可変速駆動を行うモータ駆動用インバータ制御装置において、図11を用いて説明する。   The inverter control microcomputer 1 provided with such a PWM signal generation unit 9 is used for controlling an inverter device for driving an AC motor, as shown in FIG. 11, for example. A motor drive inverter control apparatus that performs variable speed drive of an AC motor will be described with reference to FIG.

図11は従来のパルス幅変調方式を用いたモータ駆動用インバータ制御装置であり、直流電源1、ブラシレスモータ3に供給する駆動電圧を生成、出力するインバータ2及びインバータ2を制御する制御部6を有している。   FIG. 11 shows an inverter control device for driving a motor using a conventional pulse width modulation method. The inverter 2 generates and outputs a drive voltage to be supplied to the DC power source 1 and the brushless motor 3, and the control unit 6 that controls the inverter 2 is provided. Have.

また、直流電流検出器11は、インバータ母線に流れる直流電流を検出し、相電流変換部7では検出した直流電流とPWM信号生成部9が出力するPWM信号の各相デューティから、モータ3に流れるU相モータ電流Iu、V相モータ電流Iv、およびW相モータ電流Iwを検出する。検出したモータ電流Iu、Iv、およびIwと外部から与えられる速度指令ω*に基づき、PWM信号生成部9でインバータ2を制御する信号を作成する。   The DC current detector 11 detects a DC current flowing through the inverter bus, and the phase current conversion unit 7 flows to the motor 3 from the detected DC current and each phase duty of the PWM signal output from the PWM signal generation unit 9. U-phase motor current Iu, V-phase motor current Iv, and W-phase motor current Iw are detected. Based on the detected motor currents Iu, Iv, and Iw and a speed command ω * given from the outside, a signal for controlling the inverter 2 is created by the PWM signal generation unit 9.

図12は、PWM信号生成部9が出力するPWM信号(インバータ2上アーム分のみ)と、それによって発生するモータ印加電圧、さらにモータに流れる各相の電流を示したものである。   FIG. 12 shows the PWM signal (only for the upper arm of the inverter 2) output from the PWM signal generator 9, the motor applied voltage generated thereby, and the current of each phase flowing through the motor.

図13は、図12における期間Tの詳細を示している。上から上アームU相スイッチング素子制御信号、上アームV相スイッチング素子制御信号、上アームW相スイッチング素
子制御信号、下アームU相スイッチング素子制御信号、下アームV相スイッチング素子制御信号、下アームW相スイッチング素子制御信号、およびインバータ母線に流れる直流電流である。直流電流にはモータの相電流が2相分現れ、PWM信号生成部9が出力するPWM信号のデューティ情報を用いて、相電流変換部7においてモータ電流Iu、Iv、およびIwに変換する。
FIG. 13 shows details of the period T in FIG. Upper arm U phase switching element control signal, upper arm V phase switching element control signal, upper arm W phase switching element control signal, lower arm U phase switching element control signal, lower arm V phase switching element control signal, lower arm W The phase switching element control signal and the direct current flowing through the inverter bus. Two phase phases of the motor appear in the direct current, and the phase current conversion unit 7 converts the motor currents Iu, Iv, and Iw using the duty information of the PWM signal output from the PWM signal generation unit 9.

このインバータ母線電流からモータ電流Iu、Iv、Iwに変換する方法については、下記特許文献1において詳細に記載されている。
特許第2712470号公報
A method for converting the inverter bus current into motor currents Iu, Iv, and Iw is described in detail in Patent Document 1 below.
Japanese Patent No. 2712470

しかしながら、各相のモータ印加電圧が等しいあるいは非常に近い値の場合、PWM信号生成部9が出力するPWM信号のデューティがほぼ等しくなり、インバータ母線電流に1相分のモータ相電流しか現れない状態になってしまう。図13では理想的な波形を示しているため、インバータ母線電流は瞬時に立ち上がっているが、実際には電流の立ち上がり遅れ時間が存在し、また、場合によってインバータ母線電流にオーバーシュートが発生する場合がある。このため、PWM信号生成部9が出力するPWM信号のデューティの差が小さい場合には、正確なモータ相電流をサンプリングすることは困難となる。   However, when the motor applied voltage of each phase is equal or very close, the duty of the PWM signal output from the PWM signal generator 9 is almost equal, and only the motor phase current for one phase appears in the inverter bus current. Become. FIG. 13 shows an ideal waveform, so that the inverter bus current rises instantaneously, but actually there is a rise delay time of the current, and in some cases an overshoot occurs in the inverter bus current. There is. For this reason, when the duty difference of the PWM signal output from the PWM signal generation unit 9 is small, it is difficult to sample an accurate motor phase current.

また、各相の上下アームスイッチングのオンオフ切り替え時には、スイッチング素子の動作遅れによるインバータ上下アーム短絡を防止するためのデッドタイムが設けられるが、この期間中にインバータ母線に流れる電流は不定となり、相電流変換部7でのモータ相電流変換が不可能になる。   Also, when switching the upper and lower arm switching of each phase on / off, a dead time is provided to prevent short circuit of the inverter upper and lower arms due to the delay in operation of the switching element. During this period, the current flowing through the inverter bus becomes indefinite and the phase current The conversion of the motor phase current in the conversion unit 7 becomes impossible.

このように、実際の電流の立ち上がり遅れ時間、インバータ母線電流のオーバーシュート、デッドタイム期間の存在などにより、電流をサンプリングできる期間は短くなる場合は、電流のサンプリングが困難になる。   As described above, when the current sampling period becomes short due to the actual current rise delay time, inverter bus current overshoot, dead time period, and the like, current sampling becomes difficult.

このため、十分なサンプリング期間を確保するためには、キャリア周波数を下げる必要があるが、キャリア周波数を下げると、モータや負荷からの磁気音が増加する問題がある。   For this reason, in order to ensure a sufficient sampling period, it is necessary to lower the carrier frequency. However, if the carrier frequency is lowered, there is a problem that magnetic sounds from the motor and the load increase.

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、磁気音の増加等を招くことなくモータの各相の電流検出を正確に行い、良質な駆動が可能なモータ駆動用インバータ制御装置を提供することを目的とする。   The present invention solves such a conventional problem, and provides an inverter control device for driving a motor capable of accurately detecting the current of each phase of the motor without causing an increase in magnetic sound, etc., and capable of high-quality driving. The purpose is to provide.

上記課題を解決するために本発明は、PWM信号生成用の複数のカウンタ、前記複数のカウンタの各々に設けられたデューティ設定のレジスタを有するPWM信号生成部を備え、前記複数のカウンタのカウント値がそれぞれ予め設定された設定値と同一の場合、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する構成としたインバータ制御用半導体装置で、磁気音の増加等を招くことなくモータの各相の電流検出を正確に行い、良質なモータ駆動を実現できる。   In order to solve the above problems, the present invention includes a PWM signal generation unit having a plurality of counters for generating a PWM signal and a duty setting register provided in each of the plurality of counters, and the count values of the plurality of counters Is the same as the preset value, the inverter control semiconductor device is configured to convert the input analog signal into a digital signal, and it detects the current of each phase of the motor without increasing the magnetic noise. Can be performed accurately and high-quality motor drive can be realized.

本発明によれば、磁気音の増加等を招くことなくモータの各相の電流検出を正確に行い、良質な駆動が可能なモータ駆動用インバータ制御装置を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide an inverter control device for driving a motor capable of accurately detecting the current of each phase of the motor without causing an increase in magnetic sound, etc., and capable of high-quality driving.

第1の発明は、PWM信号生成用の複数のカウンタ、前記複数のカウンタの各々に設けられたデューティ設定のレジスタを有するPWM信号生成部を備え、前記複数のカウンタのカウント値がそれぞれ予め設定された設定値と同一の場合、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する構成としたインバータ制御用半導体装置で、モータの相電流を高精度に検出することができる。   A first invention includes a PWM signal generation unit having a plurality of counters for generating a PWM signal and a duty setting register provided in each of the plurality of counters, and the count values of the plurality of counters are respectively set in advance. In the case where the set value is the same, the inverter control semiconductor device configured to convert the input analog signal into a digital signal can detect the phase current of the motor with high accuracy.

第2の発明は、特に、第1の発明のインバータ制御用半導体装置において、それぞれのレジスタに設定された設定値が略同一の場合、カウンタは所定時間の間隔を保ち、カウントを開始することを特徴とするもので、モータの相電流が検出不能となるような期間を解消することが可能となる。   In the second invention, particularly in the inverter control semiconductor device according to the first invention, when the set values set in the respective registers are substantially the same, the counter maintains a predetermined time interval and starts counting. It is a feature, and it is possible to eliminate a period in which the phase current of the motor cannot be detected.

第3の発明は、特に、第1または第2の発明のインバータ制御用半導体装置を用いたモータ駆動用インバータ制御装置であって、一定周期でモータ駆動アルゴリズムを実行することにより制御安定性の高い制御装置を実現することができる。   The third invention is an inverter control device for driving a motor that uses the semiconductor device for inverter control of the first or second invention, and has high control stability by executing a motor drive algorithm at a constant cycle. A control device can be realized.

第4の発明は、特に、第3の発明のモータ駆動用インバータ制御装置において、インバータ回路に流れる直流電流を検出する直流電流検出器と、前記直流電流検出器の直流電流検出値に基づいて、モータの各相の電流を再現する相電流演算手段とを備えたもので、小型・低コストでありながら制御安定性の高いモータ駆動用インバータ制御装置を実現することができる。   According to a fourth aspect of the invention, in particular, in the motor drive inverter control apparatus of the third aspect of the invention, based on a direct current detector that detects a direct current flowing through the inverter circuit, and a direct current detection value of the direct current detector, It is provided with a phase current calculation means that reproduces the current of each phase of the motor, and it is possible to realize a motor drive inverter control device having high control stability while being small and low cost.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
図1は本発明に係るモータ駆動用インバータ制御装置の構成を示すブロック図である。モータ駆動用インバータ制御装置は、直流電源1、ブラシレスモータ3に供給する駆動電圧を生成、出力するインバータ2及びインバータ2を制御する制御部6を有する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an inverter control apparatus for driving a motor according to the present invention. The motor drive inverter control device includes a DC power source 1, an inverter 2 that generates and outputs a drive voltage to be supplied to the brushless motor 3, and a control unit 6 that controls the inverter 2.

ブラシレスモータ3は、中性点を中心にY結線された3相巻線4u、4v、4wが取付けられた固定子4と、磁石が装着された回転子5とからなる。U相巻線4uの非結線端にU相端子8uが、V相巻線4vの非結線端にV相端子8vが、W相巻線4wの非結線端にW相端子8wが接続されている。   The brushless motor 3 includes a stator 4 to which three-phase windings 4u, 4v, 4w Y-connected around a neutral point are attached, and a rotor 5 to which a magnet is attached. The U-phase terminal 8u is connected to the non-connected end of the U-phase winding 4u, the V-phase terminal 8v is connected to the non-connected end of the V-phase winding 4v, and the W-phase terminal 8w is connected to the non-connected end of the W-phase winding 4w. Yes.

インバータ2は一対のスイッチング素子からなるハーフブリッジ回路をU相用、V相用、W相用として3相分有する。ハーフブリッジ回路の一対のスイッチング素子は、直流電源1の高圧側端と低圧側端の間に直列接続され、ハーフブリッジ回路に直流電源1から出力される直流電圧が印加される。U相用のハーフブリッジ回路は、高圧側(上アーム)のスイッチング素子12u及び低圧側(下アーム)のスイッチング素子12xより成る。V相用のハーフブリッジ回路は、高圧側スイッチング素子12v及び低圧側スイッチング素子12yより成る。W相用のハーフブリッジ回路は、高圧側スイッチング素子12w及び低圧側スイッチング素子12zよりなる。また、各スイッチング素子と並列にフリーホイールダイオード14u、14v、14w、14x、14y、14zが接続されている。   The inverter 2 has a half-bridge circuit composed of a pair of switching elements for three phases for U phase, V phase, and W phase. The pair of switching elements of the half-bridge circuit are connected in series between the high-voltage side end and the low-voltage side end of the DC power supply 1, and a DC voltage output from the DC power supply 1 is applied to the half-bridge circuit. The U-phase half-bridge circuit includes a switching element 12u on the high voltage side (upper arm) and a switching element 12x on the low voltage side (lower arm). The V-phase half-bridge circuit includes a high-voltage side switching element 12v and a low-voltage side switching element 12y. The W-phase half-bridge circuit includes a high-voltage side switching element 12w and a low-voltage side switching element 12z. In addition, free wheel diodes 14u, 14v, 14w, 14x, 14y, and 14z are connected in parallel with the switching elements.

インバータ2におけるスイッチング素子12uとスイッチング素子12xの相互接続点、スイッチング素子12vとスイッチング素子12yの相互接続点、スイッチング素子12wとスイッチング素子12zの相互接続点にブラシレスモータ3の端子8u、8v、8wがそれぞれ接続される。   The terminals 8u, 8v, and 8w of the brushless motor 3 are connected to the interconnection point between the switching element 12u and the switching element 12x in the inverter 2, the interconnection point between the switching element 12v and the switching element 12y, and the interconnection point between the switching element 12w and the switching element 12z. Each is connected.

インバータ2に印加されている直流電圧は、上述したインバータ2内のスイッチング素
子のスイッチング動作によって三相の交流電圧に変換され、それによりブラシレスモータ3が駆動される。また、インバータ2の母線には直流電流検出器11が配されている。制御部6は、PWM信号生成部9と、ベースドライバ10と、相電流変換部7と、位相推定部17と、回転子速度検出部18とからなる。
The DC voltage applied to the inverter 2 is converted into a three-phase AC voltage by the switching operation of the switching element in the inverter 2 described above, whereby the brushless motor 3 is driven. A DC current detector 11 is arranged on the bus of the inverter 2. The control unit 6 includes a PWM signal generation unit 9, a base driver 10, a phase current conversion unit 7, a phase estimation unit 17, and a rotor speed detection unit 18.

PWM信号生成部9は、外部より与えられる目標速度を実現すべく、現在の速度と目標速度の誤差から演算により求められた出力電圧を出力するために、インバータ2の各スイッチング素子12u、12v、…を駆動するためのPWM信号を生成する。その生成されたPWM信号はベースドライバ10により、スイッチング素子を電気的に駆動するためのドライブ信号に変換される。そのドライブ信号にしたがい各スイッチング素子12u、12v、12w、12x、12y、12zが動作する。   The PWM signal generator 9 outputs the output voltage obtained by calculation from the error between the current speed and the target speed in order to realize the target speed given from the outside, so that each switching element 12u, 12v, PWM signals for driving are generated. The generated PWM signal is converted by the base driver 10 into a drive signal for electrically driving the switching element. Each switching element 12u, 12v, 12w, 12x, 12y, 12z operates according to the drive signal.

制御部6を実現したのは、インバータ制御用半導体装置(マイクロコンピュータ)であり、PWM信号生成部9は、カウンタと比較器(コンパレータ)等から構成される。相電流変換部7は直流電流検出器11に流れる電流(以下「インバータ母線電流」という。)を観察し、そのインバータ母線電流をブラシレスモータ3の相電流に変換する。相電流変換部7は実際にはインバータ母線電流が変化したときから所定期間の間だけ電流を検出する。   The control unit 6 is realized by an inverter control semiconductor device (microcomputer), and the PWM signal generation unit 9 includes a counter, a comparator (comparator), and the like. The phase current converter 7 observes a current (hereinafter referred to as “inverter bus current”) flowing through the DC current detector 11 and converts the inverter bus current into a phase current of the brushless motor 3. The phase current converter 7 actually detects the current only for a predetermined period from when the inverter bus current changes.

位相推定部17は、相電流変換部7により変換されたブラシレスモータ3の相電流と、PWM信号生成部9で演算される出力電圧と、インバータ入力電圧検出部16により検出されるインバータ2への印加電圧の情報により、ブラシレスモータ3の位相を推定する。さらに、回転子速度推定部18は、推定された位相からブラシレスモータ3の速度を推定する。推定された回転子磁極位置の情報に基づいて、PWM信号生成部9がブラシレスモータ3を駆動するためのPWM信号を生成する。その際、PWM信号生成部9は推定された回転子5の速度と外部から与えられる目標速度との偏差情報に基いて回転子速度が目標速度となるようにPWM信号を制御する。   The phase estimation unit 17 outputs the phase current of the brushless motor 3 converted by the phase current conversion unit 7, the output voltage calculated by the PWM signal generation unit 9, and the inverter 2 detected by the inverter input voltage detection unit 16. The phase of the brushless motor 3 is estimated based on the information on the applied voltage. Further, the rotor speed estimation unit 18 estimates the speed of the brushless motor 3 from the estimated phase. Based on the information on the estimated rotor magnetic pole position, the PWM signal generator 9 generates a PWM signal for driving the brushless motor 3. At that time, the PWM signal generation unit 9 controls the PWM signal so that the rotor speed becomes the target speed based on the deviation information between the estimated speed of the rotor 5 and the target speed given from the outside.

PWM信号生成部9は、目標速度ω*を実現するために、目標速度ω*と推定速度ωmとの差Δωにより出力するべき電圧V*をPI演算などを用いて計算する。その電圧値V*から各相に出力するべき電圧V*s(s:相 u/v/w)を求める。   In order to realize the target speed ω *, the PWM signal generation unit 9 calculates a voltage V * to be output based on a difference Δω between the target speed ω * and the estimated speed ωm using a PI calculation or the like. A voltage V * s (s: phase u / v / w) to be output to each phase is obtained from the voltage value V *.

さらに、求められた電圧V*s(s:相 u/v/w)を出力するための各スイッチング素子12u、12v、12w、12x、12y、12zのPWM信号はベースドライバ10に出力される。各スイッチング素子12u、12v、12w、12x、12y、12zはPWM信号に従い駆動され、正弦波状の交流を生成する。   Furthermore, the PWM signals of the switching elements 12u, 12v, 12w, 12x, 12y, and 12z for outputting the obtained voltage V * s (s: phase u / v / w) are output to the base driver 10. Each of the switching elements 12u, 12v, 12w, 12x, 12y, and 12z is driven in accordance with the PWM signal, and generates a sine wave AC.

このように本実施の形態では、正弦波状の相電流を流すことによりブラシレスモータ3の正弦波駆動を実現している。   Thus, in the present embodiment, the sine wave drive of the brushless motor 3 is realized by flowing a sine wave phase current.

ここで、図2〜図6を用いてインバータ母線に流れる電流においてブラシレスモータ3の相電流が現れる様子を説明する。   Here, how the phase current of the brushless motor 3 appears in the current flowing through the inverter bus will be described with reference to FIGS.

図2は、ブラシレスモータ3の各相巻線に流れる相電流の状態と、60°毎の電気角の各区間における各相巻線に流れる電流の方向とを示した図である。図2を参照すると、電気角0〜60°の区間においては、U相巻線4uとW相巻線4wには非結線端から中性点に向けて、V相巻線4vには中性点から非結線端に向けて電流が流れている(図2(b)参照)。また、電気角60〜120°の区間においては、U相巻線4uには非結線端から中性点に向けて、V相巻線4vとW相巻線4wには中性点から非結線端に向けて電流が流れている(図2(c)参照)。以降、図2(d)〜(g)において、電気角60°毎に各
相の巻線に流れる相電流の状態が変化していく様子が示されている。
FIG. 2 is a diagram showing the state of the phase current flowing in each phase winding of the brushless motor 3 and the direction of the current flowing in each phase winding in each section of the electrical angle every 60 °. Referring to FIG. 2, in the section where the electrical angle is 0 to 60 °, the U-phase winding 4u and the W-phase winding 4w are neutral from the unconnected end to the neutral point, and the V-phase winding 4v is neutral. Current flows from the point toward the non-connected end (see FIG. 2B). Further, in the section of electrical angle of 60 to 120 °, the U-phase winding 4u is directed from the non-connection end toward the neutral point, and the V-phase winding 4v and the W-phase winding 4w are not connected from the neutral point. A current flows toward the end (see FIG. 2C). 2 (d) to 2 (g) show how the state of the phase current flowing through the windings of each phase changes every electrical angle of 60 °.

例えば、図2において電気角30°の時にPWM信号生成部9で生成された半キャリア周期分のPWM信号が図3のように変化する場合を考える。ここで、図3において、信号「U」は上アームスイッチング素子12uを、信号「V」は上アームスイッチング素子12vを、信号「W」は上アームスイッチング素子12wを、信号「X」は下アームスイッチング素子12xを、信号「Y」は下アームスイッチング素子12yを、信号「Z」は下アームスイッチング素子12zを動作させる信号を示す。これらの信号はアクティブ・ハイで動作する。この場合、インバータ母線には、タイミング1では、図4(a)に示すように電流が現れず、タイミング2では図4(b)に示すようにW相巻線4wに流れる電流(W相電流)が現れ、タイミング3では図4(c)に示すようにV相巻線4vに流れる電流(V相電流)が現れる。   For example, consider a case in which the PWM signal corresponding to the half carrier period generated by the PWM signal generation unit 9 changes as shown in FIG. 3 when the electrical angle is 30 ° in FIG. In FIG. 3, the signal “U” indicates the upper arm switching element 12u, the signal “V” indicates the upper arm switching element 12v, the signal “W” indicates the upper arm switching element 12w, and the signal “X” indicates the lower arm. The switching element 12x, the signal “Y” indicates the lower arm switching element 12y, and the signal “Z” indicates the signal for operating the lower arm switching element 12z. These signals operate active high. In this case, the current does not appear on the inverter bus at timing 1 as shown in FIG. 4A, and at timing 2 the current flowing in the W-phase winding 4w as shown in FIG. 4B (W-phase current). ) Appears, and at timing 3, a current (V-phase current) flowing through the V-phase winding 4v appears as shown in FIG. 4C.

別の例として、図2において電気角30°の時にPWM信号生成部9で生成された半キャリア周期のPWM信号が図5のように変化する場合を考える。この場合は、図6(a)に示すようにインバータ母線にはタイミング1では電流が現れず、図6(b)に示すようにタイミング2ではU相巻線4uに流れる電流(U相電流)が現れ、図6(c)に示すようにタイミング3ではV相巻線4vに流れる電流が現れる。   As another example, let us consider a case where the PWM signal having a half carrier period generated by the PWM signal generation unit 9 when the electrical angle is 30 ° in FIG. 2 changes as shown in FIG. In this case, as shown in FIG. 6 (a), no current appears on the inverter bus at timing 1, and as shown in FIG. 6 (b), current flowing in the U-phase winding 4u (U-phase current) at timing 2. As shown in FIG. 6C, a current flowing in the V-phase winding 4v appears at timing 3.

以上のように、インバータ母線上にインバータ2のスイッチング素子12u、12v、12w、12x、12y、12zの状態に応じたブラシレスモータ3の相電流が現れることが分かる。上述のように一キャリア周期内の近接したタイミングで二相分の電流を判断することができれば、次式の関係から三相それぞれの電流iu、iv、iwが求められることは明らかである。   As described above, it can be seen that the phase current of the brushless motor 3 corresponding to the state of the switching elements 12u, 12v, 12w, 12x, 12y, and 12z of the inverter 2 appears on the inverter bus. If the current for two phases can be determined at close timing within one carrier period as described above, it is clear that the currents iu, iv, and iw for the three phases can be obtained from the relationship of the following equations.

Figure 2006271108
Figure 2006271108

すなわち、タイミング2のように上アームスイッチング素子のうちいずれか一つがオンしている場合と、タイミング3のように上アームスイッチング素子のうちいずれか二つがオンしている場合が一キャリア周期内に存在すれば、インバータ母線に流れる電流からキャリア周期毎にモータ相電流を検出することができ、次のキャリア周期におけるPWM信号生成に用いることできめ細かいモータ駆動制御が可能となるのである。   That is, the case where any one of the upper arm switching elements is turned on as in timing 2 and the case where any two of the upper arm switching elements are turned on as in timing 3 are within one carrier cycle. If present, the motor phase current can be detected for each carrier cycle from the current flowing in the inverter bus, and fine motor drive control can be used for generating a PWM signal in the next carrier cycle.

図7はPWM信号生成部9が出力するPWM信号(インバータ2上アーム分のみ)と、それによって発生するモータ印加電圧、さらにモータに流れる各相の電流を示したものである。ここで、図7における期間Tについて考えると、この期間はU相とW相のモータ印加電圧が非常に近い値となっており、PWM信号生成部9が出力するPWM信号のU相のデューティとW相のデューティも非常に近い値となる。   FIG. 7 shows a PWM signal (only for the upper arm of the inverter 2) output from the PWM signal generator 9, the motor applied voltage generated thereby, and the current of each phase flowing through the motor. Here, considering the period T in FIG. 7, the U-phase and W-phase motor applied voltages are very close during this period, and the U-phase duty of the PWM signal output by the PWM signal generation unit 9 The W-phase duty is also very close.

従来であれば、図7における期間Tにおいては上アームスイッチング素子のうちいずれか一つがオンしているタイミング2が存在しない、あるいは非常に短い時間でしか存在しない場合となり、インバータ母線に流れる電流からキャリア周期毎にモータ相電流を検出することができなくなり、きめ細かいモータ駆動制御が不能となっていた。   Conventionally, in the period T in FIG. 7, there is no timing 2 in which any one of the upper arm switching elements is turned on, or it exists only in a very short time. From the current flowing through the inverter bus The motor phase current cannot be detected every carrier cycle, and fine motor drive control is impossible.

しかし、本発明では、PWM信号生成部9にカウンタをカウンタU、カウンタV、カウ
ンタWと三つ設け、さらにカウンタWのカウント開始タイミングを他のカウンタのカウント開始タイミングからTdだけずらしたものとした。
However, in the present invention, the PWM signal generator 9 is provided with three counters, counter U, counter V, and counter W, and the count start timing of the counter W is shifted by Td from the count start timing of other counters. .

図8にその様子を示すが、PWM信号生成部9でカウンタWのカウント開始タイミングを他のカウンタのカウント開始タイミングからTdだけずらすことによって、U相デューティ決定値とW相デューティ決定値が例え同一値となった場合でも、U相上アームスイッチング素子のみがオンしている、または、W相上アームスイッチング素子のみがオンしているタイミング2の期間をTd分存在させることができ、Tdをインバータ母線に流れる電流を検出するのに必要な時間(具体的には、マイクロコンピュータなどのAD変換時間)を確保することによって、インバータ母線に流れる電流からキャリア周期毎にモータ相電流を検出することができ、次のキャリア周期におけるPWM信号生成に用いることできめ細かいモータ駆動制御を実現した。   As shown in FIG. 8, the U-phase duty decision value and the W-phase duty decision value are the same by shifting the count start timing of the counter W by Td from the count start timing of other counters by the PWM signal generation unit 9. Even when the value is reached, only the U-phase upper arm switching element is turned on, or the period of timing 2 in which only the W-phase upper arm switching element is turned on can exist for Td. By securing the time required to detect the current flowing through the bus (specifically, the AD conversion time for a microcomputer or the like), the motor phase current can be detected for each carrier cycle from the current flowing through the inverter bus. Can be used for PWM signal generation in the next carrier cycle, and achieves fine motor drive control It was.

図8に示した動作を実現するPWM信号生成部9を備えたインバータ制御用マイクロコンピュータ1は図9に示すように、3個のカウンタ23u、23v、23wと、それぞれのカウンタの最大カウント値(キャリア設定値)を格納するキャリア設定レジスタ24と、カウンタの現在のカウント値をキャリア設定値と比較する比較器25とが備えられ、図8に示すように、各カウンタ23u、23v、23wの現在のカウント値がキャリア設定値又は零値と一致した時点で、比較器25は各カウンタ23u、23v、23wをアップカウントからダウンカウントに又はその逆に反転させる。   As shown in FIG. 9, the microcomputer 1 for inverter control provided with the PWM signal generation unit 9 for realizing the operation shown in FIG. 8 includes three counters 23u, 23v, 23w, and the maximum count value ( Carrier setting register 24 for storing the carrier setting value) and a comparator 25 for comparing the current count value of the counter with the carrier setting value, and as shown in FIG. 8, the current values of the counters 23u, 23v, 23w When the count value coincides with the carrier set value or zero value, the comparator 25 inverts each counter 23u, 23v, 23w from up-count to down-count or vice versa.

更に、図9のPWM信号生成部9には、相回路26u、26v、26wが備えられ、内部にはU相の場合、デューティ設定値を格納するデューティ設定レジスタ27uと、カウンタ23uのカウント値をデューティ設定レジスタ27uのデューティ設定値と比較する比較器28uと、カウンタ23uのカウント値がデューティ設定値と一致した時点で比較器28uから信号を受けてU相及びX相のPWM信号を反転するフリップフロップ回路29uとを備えている。   Furthermore, the PWM signal generation unit 9 of FIG. 9 is provided with phase circuits 26u, 26v, and 26w, and in the case of the U phase, the duty setting register 27u that stores the duty setting value and the count value of the counter 23u are stored therein. A comparator 28u that compares the duty setting value of the duty setting register 27u, and a flip-flop that receives a signal from the comparator 28u and inverts the U-phase and X-phase PWM signals when the count value of the counter 23u matches the duty setting value. Circuit 29u.

本実施の形態によれば、制御部6内の制御ループを成立させるために、ブラシレスモータ3の各相の巻線に流れる相電流を検出する必要が生じた際に、相電流検出が不能となるような期間をなくすことができ、電流検出手段をインバータとモータの間の線間に2つ以上設ける必要がない安価なシステム構成で精度よく正弦波駆動を実現することができる。また、キャリア周波数を下げるといったことなく相電流検出が可能となるため、モータや負荷からの磁気音の増加を招くことがないという効果も有する。   According to the present embodiment, when it is necessary to detect the phase current flowing in the winding of each phase of the brushless motor 3 in order to establish the control loop in the control unit 6, it is impossible to detect the phase current. The sine wave drive can be realized with high accuracy by an inexpensive system configuration in which it is not necessary to provide two or more current detection means between the lines between the inverter and the motor. In addition, since phase current can be detected without lowering the carrier frequency, there is an effect that magnetic noise from the motor and load is not increased.

なお、実施の形態1で説明した本発明は、インバータ回路を使用してモータを駆動するモータ駆動用インバータ制御装置に適用できる。例えば、インバータ回路を搭載した空気調和機、冷蔵庫、電気洗濯機、電気乾燥機、電気掃除機、送風機、ヒートポンプ給湯器等である。いずれの製品についても、モータ駆動用インバータ装置を小型化、軽量化することで、製品の設計の自由度が向上し、安価な製品を提供することができる。   The present invention described in the first embodiment can be applied to a motor drive inverter control device that drives a motor using an inverter circuit. For example, an air conditioner equipped with an inverter circuit, a refrigerator, an electric washing machine, an electric dryer, an electric vacuum cleaner, a blower, a heat pump water heater and the like. For any product, by reducing the size and weight of the motor drive inverter device, the degree of freedom in product design is improved, and an inexpensive product can be provided.

以上のように、本発明にかかるモータ駆動用インバータ制御装置は、PWM信号生成用の複数のカウンタ及びカウンタそれぞれにデューティ設定のレジスタを有するPWM信号生成部と、カウンタのカウント値が所定値の時、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器とを備え、特に、レジスタにそれぞれ設定された値において予め定めた差がない場合、カウンタは任意の時間をずらしてカウント開始するインバータ制御用半導体装置を用いたものであり、いかなるPWM信号が出力されようともモータの各相の電流を再現することができ、システムの信頼性向上が図れるため、空気調和機における圧縮機駆動モータなどのようにパルスジェネレータ等の速度センサを使用することができな
い場合に限らず、サーボドライブなどのように速度センサを具備することができる場合においても本発明は適用できる。
As described above, the inverter control device for motor driving according to the present invention includes a plurality of counters for generating a PWM signal, a PWM signal generating unit having a duty setting register for each counter, and a counter count value of a predetermined value. And an AD converter that converts an input analog signal into a digital signal, and particularly when there is no predetermined difference between the values set in the registers, the counter controls the inverter to start counting at an arbitrary time. Since the current of each phase of the motor can be reproduced regardless of what PWM signal is output and the reliability of the system can be improved, the compressor drive motor in the air conditioner etc. As in the case where a speed sensor such as a pulse generator cannot be used, Also the present invention in the case, which may comprise a speed sensor, such as can be applied.

本発明の第1の実施の形態を示すモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図The system block diagram of the inverter control apparatus for motor drive which shows the 1st Embodiment of this invention (a)〜(f)同モータの相電流状態の時間的変化の一例及び電気角の各区間におけるモータの各相巻線での電流の状態を表す図(A)-(f) The figure showing the example of the time change of the phase current state of the motor, and the state of the electric current in each phase winding of the motor in each section of an electrical angle 同キャリア周期におけるPWM信号の一例を表す図The figure showing an example of the PWM signal in the same carrier cycle (a)〜(c)図3におけるPWM信号による駆動時にモータ及びインバータに流れる電流状態を表す図(A)-(c) The figure showing the electric current state which flows into a motor and an inverter at the time of the drive by the PWM signal in FIG. 同キャリア周期におけるPWM信号の他例を表す図The figure showing the other example of the PWM signal in the same carrier cycle (a)〜(c)図5におけるPWM信号による駆動時にモータ及びインバータに流れる電流状態を表す図(A)-(c) The figure showing the electric current state which flows into a motor and an inverter at the time of the drive by the PWM signal in FIG. 同モータ駆動用インバータ制御装置の動作を表す波形図Waveform diagram showing the operation of the motor drive inverter controller 同PWM信号生成部の動作を表す図The figure showing operation of the PWM signal generation part 同PWM信号生成部の一例を示す図The figure which shows an example of the PWM signal generation part 従来のPWM信号生成部の一例を示す図The figure which shows an example of the conventional PWM signal generation part 同モータ駆動用インバータ制御装置の構成を表すブロック図Block diagram showing the configuration of the motor drive inverter control device 同モータ駆動用インバータ制御装置の動作を示す波形図Waveform diagram showing the operation of the motor drive inverter controller 図12におけるT部の動作波形図Operation waveform diagram of T section in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 直流電源
2 インバータ
3 ブラシレスモータ
7 相電流変換部
9 PWM信号生成部
11 直流電流検出器
16 インバータ入力電圧検出部
17 位相推定部
18 回転子速度推定部
23u〜23w カウンタ
24 キャリア設定レジスタ
25 比較器
26u〜26w 相回路
27u デューティ設定レジスタ
28u 比較器
29u フリップフロップ回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC power supply 2 Inverter 3 Brushless motor 7 Phase current conversion part 9 PWM signal generation part 11 DC current detector 16 Inverter input voltage detection part 17 Phase estimation part 18 Rotor speed estimation part 23u-23w Counter 24 Carrier setting register 25 Comparator 26u to 26w phase circuit 27u duty setting register 28u comparator 29u flip-flop circuit

Claims (4)

PWM信号生成用の複数のカウンタ、前記複数のカウンタの各々に設けられたデューティ設定のレジスタを有するPWM信号生成部を備え、前記複数のカウンタのカウント値がそれぞれ予め設定された設定値と同一の場合、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する構成としたインバータ制御用半導体装置。 A plurality of counters for generating a PWM signal, and a PWM signal generating unit having a duty setting register provided in each of the plurality of counters, wherein the count values of the plurality of counters are the same as the preset set values, respectively. In this case, the inverter control semiconductor device is configured to convert an input analog signal into a digital signal. それぞれのレジスタに設定された設定値が略同一の場合、カウンタは所定時間の間隔を保ち、カウントを開始することを特徴とする請求項1に記載のインバータ制御用半導体装置。 2. The inverter control semiconductor device according to claim 1, wherein when the set values set in the respective registers are substantially the same, the counter maintains a predetermined time interval and starts counting. 請求項1または2記載のインバータ制御用半導体装置を用いたモータ駆動用インバータ制御装置。 A motor drive inverter control device using the inverter control semiconductor device according to claim 1. インバータ回路に流れる直流電流を検出する直流電流検出器と、前記直流電流検出器の直流電流検出値に基づいて、モータの各相の電流を再現する相電流演算手段とを備えた請求項3記載のモータ駆動用インバータ制御装置。 4. A DC current detector for detecting a DC current flowing in the inverter circuit, and phase current calculation means for reproducing the current of each phase of the motor based on a DC current detection value of the DC current detector. Motor drive inverter control device.
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