JP2007202365A - 電力変換装置及びそれを用いたモータ駆動装置 - Google Patents

電力変換装置及びそれを用いたモータ駆動装置 Download PDF

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Abstract

【課題】デッドタイム補償の精度を向上させた電力変換装置及びそれを用いたモータ駆動装置を提供することにある。
【解決手段】パワーモジュール100Bは、複数の直列接続されたスイッチング素子を有し、直流電力を交流電力に変換する。制御回路100Aは、外部からの制御指令に応じて電圧指令値を生成し、この電圧指令値に対してデットタイム補償をした最終電圧指令値に応じてパワーモジュールを構成するスイッチング素子を駆動するゲート信号を生成する。デットタイム補償ロジック回路160は、電圧指令値V*の変化率と、電力変換装置に供給される直流電圧値VdcとデットタイムTdとスイッチング周波数fcより演算したゲインΔVと、電流の極性Aとに基づいて、デットタイム補償電圧ΔV’を算出する。
【選択図】図4

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置及びそれを用いたモータ駆動装置に係り、特に、半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号におけるデッドタイムを補償するに好適な電力変換装置及びそれを用いたモータ駆動装置に関する。
インバータのような電力変換装置は、上下に直列接続されたスイッチング素子をパルス幅変調(PWM)等によりスイッチングすることで、直流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機を駆動する際に用いられている。ここで、上下スイッチング素子を同時にオンすると、上下のスイッチング素子の短絡し、過大電流が流れ、スイッチング素子が破損することとなる。そこで、一般には、スイッチング素子を駆動するゲート信号に、短絡防止時間(デットタイム)を設けている。
しかし、デットタイムを設けることで、最終出力電圧はデットタイム分だけ電圧が無効になる。この無効電圧は電流と反対の極性でインバータの出力電圧の降下を生じ、主力電圧の降下により、低速域で電動機の電流に脈動を生じ、電流の脈動によりトルク変動が発生する。
そこで、従来は、例えば、特開平5−64457号公報に記載のように、電圧指令(V*)の極性に応じて一定の無効電圧値を補償電圧値(ΔV)とし、前記補償電圧(ΔV)を電圧指令(V*)に加算し最終電圧指令値とすることで、電圧を先行的に補償することにより遅れがなく、必要な平均電圧を補償するものが知られている。
また、例えば、特開2002−218794号公報に記載のように、電圧指令(V*)を移動平均した値と電流指令(i*)よりモータの抵抗値(R)を推測し、推定抵抗値(R)と電流指令(i*)を乗算し補償電圧(ΔV)とし、補償電圧(ΔV)を電圧指令(V*)に加算し最終電圧指令値とするものが知られている。
特開平5−66457号公報 特開2002−218794号公報
しかしながら、特開平5−66457号公報記載のものでは、デットタイムの影響は出力電圧の振幅に依存し、電圧のピーク時には影響が少なく、電圧の立ち上がり時,立下り時には影響が大きいにも拘わらず、一定の電圧しか加算していいないため、補償誤差が大きいという問題があった。また、交流電動機の高回転域、すなわち力率が1以外の領域では出力電圧と電流に位相差が生じ、デットタイムの極性は電流の極性と反対であるにも拘わらず、この点の補償がされておらず、補償誤差が大きいという問題があった。
また、特開2002−218794号公報記載のものでは、電圧指令より抵抗を推定し、モータ電流に乗算する処理を、短い制御周期(100μs等)で行うとすると、CPUの負荷率が増大するという問題があった。また、モータのインピーダンスは回転数に応じインピーダンスの成分が変化し、例えば力率が1に近い低回転領域においては抵抗(R)成分が大きく、力率が1ではない高回転領域においてはリラクタンス成分等の影響が大きくなり、モータのインピーダンスを抵抗値(R)とすると高回転での抵抗推定処理が困難となる。したがって、補償誤差が大きくなるという問題があった。
本発明の目的は、デッドタイム補償の精度を向上させた電力変換装置及びそれを用いたモータ駆動装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、複数の直列接続されたスイッチング素子を有し、直流電力を交流電力に変換するパワーモジュールと、外部からの制御指令に応じて電圧指令値を生成し、この電圧指令値に対してデットタイム補償をした最終電圧指令値に応じて前記パワーモジュールを構成する前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成する制御手段とを有する電力変換装置であって、前記制御手段は、前記電圧指令値の位相π/2の前後において最大値を有し、その位相3π/2の前後において最小値を有する前記最終電圧指令値を生成するデットタイム補償手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、デッドタイム補償の精度を向上させ得るものとなる。
本発明によれば、デッドタイム補償の精度を向上させることができる。
以下、図1〜図6を用いて、本発明の一実施形態による電力変換装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図1を用いて、本実施形態による電力変換装置であるインバータを用いたモータ駆動システムの構成について説明する。本実施形態のモータ駆動システムは、例えば、電気自動車又はハイブリッド自動車に搭載される同期モータ(交流電動機)を駆動制御に用いられる。
図1は、本発明の一実施形態による電力変換装置であるインバータを用いたモータ駆動システムの構成を示すブロック図である。
インバータ100は、直流電源10が出力する直流電力を交流電力に変換して、同期モータ(交流電動機)20に供給し、同期モータ20を駆動する。インバータ100は、制御回路100Aと、パワーモジュール100Bとを備えている。制御回路100Aには、電圧センサSVによって検出された直流電源10の出力電圧Vdcと、電流センサSIによって検出された同期モータ20の電機子巻線に供給されるモータ電流iと、同期モータ20の磁極位置を検出する回転角センサSRによって検出された回転角信号ωが入力する。回転角センサSRとしては、例えば、レゾルバが用いられる。また、制御回路100Aには、外部コントローラ等から出力される制御指令が入力する。制御指令としては、例えば、トルク指令T*,回転数指令N*,電圧指令V*などがある。制御回路100Aは、制御指令に応じて、同期モータ20に供給されるモータ電流が所定の値となるように、パワーモジュール100Bを駆動するためのPWM派する信号を出力する。
パワーモジュール100Bは、直流電力を3相交流電力に変換する場合には、6個の半導体スイッチング素子を備えている。半導体スイッチング素子は、例えば、IGBTやMOSーFETからなり、大電流をスイッチングできる素子が用いられる。2個の半導体スイッチング素子が直列接続されてU相アームを構成する。また、別の2個の半導体スイッチング素子が直列接続されてV相アームを構成する。さらに、最後の2個の半導体スイッチング素子が直列接続されてW相アームを構成する。U相アーム、V相アーム、W相アームは、並列接続される。制御回路100Aは、6個の半導体スイッチング素子のそれぞれのゲート端子に入力するPWMパルス信号を出力する。例えば、U相アームを構成する2個の半導体スイッチング素子のそれぞれのゲート端子に入力するPWMパルス信号は、同時にオンとならないように、デッドタイムが設けられる。
ここで、図2を用いて、本実施形態による電力変換装置であるインバータにおけるPWMパルス信号について説明する。すなわち、PWM生成方法と短絡防止時間(デッドタイム)による出力電圧低下の影響について説明する。
図2は、本発明の一実施形態による電力変換装置であるインバータにおけるPWM信号を説明する波形図である。
図2において、図2(A)は、PWMキャリア信号と、U相電圧指令Vu*と、同期モータ20のU相に流れるモータ電流iuとを示している。図2(B)は、デットタイムを含めない理想的なPWM信号の電圧波形を示している。図2(C)は、デットタイムによる電圧降下を示している。図2(D)は、デットタイムを含めた実際のPWM信号の電圧波形を示している。
制御回路100Aは、図2(A)に示す電圧指令Vu*と、PWM搬送波Vcsを比較し、図2(D)に示すようなPWM信号を生成する。ここで、図2(A)に示す電圧指令Vu*と、PWM搬送波Vcsを単純に比較した場合には、図2(B)に示すような電圧波形が現れるが、図2(C)に示すデッドタイムTdを含ませることで、図2(D)に示すようにデットタイムを含んだPWM波形が生成される。ここで、図2(D)に示す最終出力電圧は、デットタイムTd分だけ電圧が無効になる。デットタイムによる無効電圧の平均値ΔVは、ΔV=Vdc×Td×fcとして示される。ここで、Vdcは直流電源10の直流電圧であり、Tdは短絡防止時間(デットタイム)であり、fcはPWMスイッチング周波数である。
この無効電圧ΔVは、電流と反対の極性でインバータの出力電圧の降下を生じ、主力電圧の降下により、低速域で電動機の電流に脈動を生じ、電流の脈動によりトルク変動が発生する。
次に、図3を用いて、本実施形態による電力変換装置の中の制御回路100Aの具体的構成について説明する。
図3は、本発明の一実施形態による電力変換装置の中の制御回路の構成を示すブロック図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。
制御回路100Aは、電流指令演算ロジック回路110と、減算器120と、3/2変換器130と、電流制御ロジック回路140と、2/3変換器150と、デットタイム補償ロジック回路160と、PWM信号生成回路170とを備えている。
電流指令演算ロジック回路110は、目標トルク指令T*や、回転数指令N*や目標電圧指令(V*などの制御指令を、電源電圧Vdcと、回転角センサSRによって検出された回転角ωとにより、電流指令id*,iq*に変換する。
3/2変換器130は、電流センサSIによって検出された3相のモータ電流iを、ベクトル変換した2相の電流値id,iqに変換する。減算器120では、電流指令id*,iq*と、検出された電流値id,iqの差分を演算する。
電流制御ロジック回路140は、減算器120によって求められた差分をPI制御に代表される制御方式を用いて、二相電圧指令Vd*,Vq*を演算する。電流制御ロジック回路140としては、差分に対するPI制御やモータのモデルをベースにしたモデル型PI制御等、多種多様な制御方式を採用することが可能である。
2/3変換器150は、二相電圧指令Vd*,Vq*を、三相電圧指令V*に変換する。デットタイム補償を実行しないインバータにおいては、この電圧指令V*を最終電圧指令とするが、本実施形態では、デットタイム補償ロジック回路160は、電圧指令V*と他制御値を用いてデットタイム補償を演算し、最終電圧指令とした後、PWM信号生成回路170に送る。ここで、デットタイム補償ロジック回路160は、電圧指令V*、電流値i、スイッチング周波数fc、デットタイムTd、直流電源電圧値Vdcより、デットタイム補償演算を実行する。デットタイム補償ロジック回路160の詳細については、図4を用いて後述する。
PWM信号生成回路170は、デットタイム補償演算のなされた最終電圧指令に基づいて、PWMパルス信号を生成する。
次に、図4を用いて、本実施形態による電力変換装置の中のデットタイム補償ロジック回路160の具体的構成について説明する。
図4は、本発明の一実施形態による電力変換装置の中のデットタイム補償ロジック回路の構成を示すブロック図である。なお、図1や図3と同一符号は、同一部分を示している。
デットタイム補償ロジック回路160は、微分器161と、ゲイン演算器163と、極性判定器165と、乗算器167と、加算器169とを備えている。
微分器161は、入力した電圧指令V*を微分して、その変化率dV*を算出する。ゲイン演算器163は、スイッチング周波数fcと、デットタイムTdと、直流電源電圧値Vdcとに基づいて、デットタイム補償電圧ΔVを算出する。デットタイム補償電圧ΔVは、電圧指令V*の一周期において、ΔV=Vdc×Td×fcとなるよう設定される。ここでデットタイムTdは、例えば、2〜4μsと予め設定されている。また、スイッチング周波数fcは、回転数により求められ、低回転では2〜5kHz、また高回転では8〜15kHzと可変することで、スイッチング周波数fcに対応した補償電圧を求ることができ、モータ全動作領域において的確なデットタイム補償のゲインを演算することができる。また、直流電源電圧Vdcは、PI制御等に用いるため予め移動平均を代表とするフィルタされた値を用いる。さらに直流電圧値Vdcをゲイン演算に用いることによりモータの誘起電圧等により電圧値が上昇した時、または高出力や直流電源劣化により電圧が低下した時でも、デットタイムによって引き起こされた電圧の補償が正確にできる。
極性判定器165は、電流iが0より大きい場合には、極性Aを−1とし、電流iが0より小さい場合には、極性Aを+1とする。
乗算器167は、微分器161の出力の電圧指令V*の変化率dV*と、ゲイン演算器163の出力のデットタイム補償電圧ΔVと、極性判定器165の出力の極性Aを掛け合わせて、A・dV*・ΔVとして算出し、最終的なデットタイム補償電圧ΔV’を算出する。
加算器169では、電圧指令V*に、最終的なデットタイム補償電圧ΔVを加算することで、最終的な電圧指令値VFL*を算出する。
ここで、図5及び図6を用いて、本実施形態による電力変換装置によって生成される最終電圧指令値について説明する。
図5は、本発明の一実施形態による電力変換装置によって生成される、力率が1の時の最終電圧指令値の波形図である。図6は、本発明の一実施形態による電力変換装置によって生成される、力率が1以外の時の最終電圧指令値の波形図である。図5及び図6は、それぞれ、位相が0〜2πまでの範囲を示している。電圧指令V*は、位相0,π,2πにおいて、「0」となっている。
図5に示すように、力率が1の時、電圧指令V*は、破線で示すように、位相0,π,2πにおいて、「0」となっており、途中、正弦波状に変化する。モータ電流iも、破線で示すように、位相0,π,2πにおいて、「0」となっており、途中、正弦波状に変化する。
実線で示すデットタイム補償電圧ΔV’は、図4にて説明したように、電圧指令V*の微分値により演算するため、電圧指令V*のピーク時には、必ず「0」となる。すなわち、位相π/2,3π/2のとき、デットタイム補償電圧ΔV’は、「0」となる。そして、デットタイム補償電圧ΔV’は、位相π/2,3π/2の前後において、電圧指令値V*が正のとき、0より大きな値となり、電圧指令値V*が負のとき、0より小さな値となる。最終電圧指令値VFL*は、電圧指令値V*とデットタイム補償電圧ΔV’を加算して求められるため、最終電圧指令値VFL*は、位相π/2の前後において最大値をとり、3π/2の前後において、最小値をとるようになる。
図6に示すように、力率が1以外の時、電圧指令V*は、破線で示すように、位相0,π,2πにおいて、「0」となっており、途中、正弦波状に変化する。モータ電流iは、電圧指令V*に対して位相ズレして正弦波状に変化する。
実線で示すデットタイム補償電圧ΔV’は、図4にて説明したように、電圧指令V*の微分値により演算するため、電圧指令V*のピーク時には、必ず「0」となる。すなわち、位相π/2,3π/2のとき、デットタイム補償電圧ΔV’は、「0」となる。そして、デットタイム補償電圧ΔV’は、位相π/2,3π/2の前後において、電圧指令値V*が正のとき、0より大きな値となり、電圧指令値V*が負のとき、0より小さな値となる。最終電圧指令値VFL*は、電圧指令値V*とデットタイム補償電圧ΔV’を加算して求められるため、最終電圧指令値VFL*は、位相π/2の前後において最大値をとり、3π/2の前後において、最小値をとるようになる。
すなわち、力率の値に拘わらず、最終電圧指令値VFL*は、位相π/2の前後において最大値をとり、3π/2の前後において、最小値をとるようになる。
前述した特開平5−64457号公報に記載の方式では、一定の無効電圧値を補償電圧値としていたので、補償誤差が大きくなっていたのに対して、本実施形態では、電圧指令値V*の微分値であるdV*を用いてデッドタイムの補償電圧を求めるようにしているため、補償誤差を小さくすることができる
また、特開平5−66457号公報記載のものでは、交流電動機の高回転域、すなわち力率が1以外の領域では出力電圧と電流に位相差が生じ、デットタイムの極性は電流の極性と反対であるにも拘わらず、この点の補償がされていないものであっったが、本実施形態では、電流iの極性に応じて、デットタイム補償電圧の極性Aを変えるようにしているため、電流の極性に応じた補償を行い、補償誤差を小さくすることができる。
また、特開2002−218794号公報記載のものでは、抵抗を推定するため、CPUの負荷率が増大するものであったが、本実施形態では、図4にて説明したように、電圧指令V*,スイッチング周波数fc,デットタイムTd,直流電源電圧値Vdc,電流iに基づいてデットタイム補償電圧ΔV’を算出しており、抵抗の推定などは行わないため、CPUの負担率を小さくすることができる。
また、特開2002−218794号公報記載のものでは、モータのインピーダンスは回転数に応じて変化するという問題があったが、本実施形態では、モータのインピーダンスは用いないため、補償誤差を小さくすることができる。
なお、上述の説明では、スイッチング周波数fc,デットタイムTd,直流電源電圧値Vdcに基づいてゲイン演算値ΔVを算出しているが、直流電源電圧値Vdcやスイッチング周波数fcがモータ全動作領域において一定であるならば、デットタイムTdは一定値とすることで、ゲイン演算値自体を一定に設定することができ、制御装置の中の演算装置の負荷を低減することができる。
なお、本発明は、電気自動車又はハイブリッド自動車のみならず、電力変換装置と交流電動機の組合せであれば全ての装置へ流用することができるものである。
以上説明したように、本実施形態によれば、電気車に搭載された直流変換装置のデットタイムに起因する電流脈動とトルク変動を低減することができる。
本発明の一実施形態による電力変換装置であるインバータを用いたモータ駆動システムの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置であるインバータにおけるPWM信号を説明する波形図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置の中の制御回路の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置の中のデットタイム補償ロジック回路の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置によって生成される、力率が1の時の最終電圧指令値の波形図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置によって生成される、力率が1以外の時の最終電圧指令値の波形図である。
符号の説明
10…直流電源
20…交流電動機
100…インバータ
100A…制御回路
100B…パワーモジュール
110…電流指令演算ロジック回路
120…減算器
130…3/2変換器
140…電流制御ロジック回路
150…2/3変換器
160…デットタイム補償ロジック回路
161…微分器
163…ゲイン演算器
165…極性判定器
167…乗算器
169…加算器
170…PWM信号生成回路
SV…電圧センサ
SI…電流センサ
SR…回転角センサ

Claims (9)

  1. 複数の直列接続されたスイッチング素子を有し、直流電力を交流電力に変換するパワーモジュールと、
    外部からの制御指令に応じて電圧指令値を生成し、この電圧指令値に対してデットタイム補償をした最終電圧指令値に応じて前記パワーモジュールを構成する前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成する制御手段とを有する電力変換装置であって、
    前記制御手段は、前記電圧指令値の位相π/2の前後において最大値を有し、その位相3π/2の前後において最小値を有する前記最終電圧指令値を生成するデットタイム補償手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1記載の電力変換装置において、
    前記デットタイム補償手段は、前記電圧指令値の位相π/2及び位相3π/2において、デットタイム補償電圧が0となることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項2記載の電力変換装置において、
    前記デットタイム補償手段は、前記デットタイム補償電圧を、前記電圧指令値の変化率と電流の極性に基づいて算出し、算出されたデットタイム補償電圧を前記電圧指令値に加算して前記最終電圧指令値を算出することを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項3記載の電力変換装置において、
    前記デットタイム補償手段は、前記電力変換装置に供給される直流電圧値とデットタイムとスイッチング周波数より演算したゲインと、前記電圧指令値の微分値とを乗算した値の絶対値を、前記短絡補償電圧の絶対値とすることを特徴とする電力変換装置。
  5. 複数の直列接続されたスイッチング素子を有し、直流電力を交流電力に変換するパワーモジュールと、
    外部からの制御指令に応じて電圧指令値を生成し、この電圧指令値に対してデットタイム補償をした最終電圧指令値に応じて前記パワーモジュールを構成する前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成する制御手段とを有する電力変換装置であって、
    前記制御手段は、前記電圧指令値に対して、前記デットタイムを補償して最終電圧指令値を算出するデットタイム補償手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
  6. 複数の直列接続されたスイッチング素子を有し、直流電力を交流電力に変換するパワーモジュールと、
    外部からの制御指令に応じて電圧指令値を生成し、この電圧指令値に対してデットタイム補償をした最終電圧指令値に応じて前記パワーモジュールを構成する前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成する制御手段とを有する電力変換装置であって、
    前記制御手段は、 前記電圧指令値の変化率と、前記電力変換装置に供給される直流電圧値とデットタイムとスイッチング周波数より演算したゲインと、電流の極性とに基づいて、前記デットタイム補償電圧を算出するデットタイム補償手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
  7. 直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、この電力変換装置によって変換された交流電力が供給されて駆動される交流モータとを有するモータ駆動装置であって、
    前記電力変換装置は、
    複数の直列接続されたスイッチング素子を有し、直流電力を交流電力に変換するパワーモジュールと、
    外部からの制御指令に応じて電圧指令値を生成し、この電圧指令値に対してデットタイム補償をした最終電圧指令値に応じて前記パワーモジュールを構成する前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成する制御手段とを有し、
    前記制御手段は、前記電圧指令値の位相π/2の前後において最大値を有し、その位相3π/2の前後において最小値を有する前記最終電圧指令値を生成するデットタイム補償手段を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
  8. 直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、この電力変換装置によって変換された交流電力が供給されて駆動される交流モータとを有するモータ駆動装置であって、
    前記電力変換装置は、
    複数の直列接続されたスイッチング素子を有し、直流電力を交流電力に変換するパワーモジュールと、
    外部からの制御指令に応じて電圧指令値を生成し、この電圧指令値に対してデットタイム補償をした最終電圧指令値に応じて前記パワーモジュールを構成する前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成する制御手段とを有し、
    前記制御手段は、 前記電圧指令値の変化率と、前記電力変換装置に供給される直流電圧値とデットタイムとスイッチング周波数より演算したゲインと、電流の極性とに基づいて、前記デットタイム補償電圧を算出するデットタイム補償手段を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
  9. 直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、この電力変換装置によって変換された交流電力が供給されて駆動される交流モータとを有するモータ駆動装置であって、
    前記電力変換装置は、
    複数の直列接続されたスイッチング素子を有し、直流電力を交流電力に変換するパワーモジュールと、
    外部からの制御指令に応じて電圧指令値を生成し、この電圧指令値に対してデットタイム補償をした最終電圧指令値に応じて前記パワーモジュールを構成する前記スイッチング素子を駆動するゲート信号を生成する制御手段とを有し、
    前記制御手段は、 前記電圧指令値の変化率と、前記電力変換装置に供給される直流電圧値とデットタイムとスイッチング周波数より演算したゲインと、電流の極性とに基づいて、前記デットタイム補償電圧を算出するデットタイム補償手段を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
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