JP2007252191A

JP2007252191A - 低周波数においてａｃモータ・トルク出力を増大させる方法及び装置

Info

Publication number: JP2007252191A
Application number: JP2007064577A
Authority: JP
Inventors: Brian Welchko; ブライアン・ウェルチコ; Steven E Schulz; スティーヴン・イー・シュルツ; Silva Hiti; シルヴァ・ヒティ
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2007-09-27
Also published as: CN101047360A; CN101047360B; DE102007011696A1; US7218071B1

Abstract

【課題】ＡＣモータ／トルク出力を制御するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】電圧源インバータ・システム１０は、コントローラ３２と、コントローラ３２に結合されたインバータ回路３０と、インバータ回路３０に結合された交流（ＡＣ）モータ１２とを備える。コントローラ３２は、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を受け取るように構成された第１入力と、ＡＣモータ１２の基本出力周波数をＡＣモータとの直接のフィードバック・ループを介して又はインバータ回路３０を介して間接的に受け取るように構成された第２入力とを備える。この方法は、ＡＣモータの基本出力周波数と所定の周波数との第１の比較、及び、指令された電流の振幅と所定のＤＣ電流との第２の比較に基づいて電流を生成するステップと、該電流をＡＣモータに供給するステップとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に交流（ＡＣ）モータの制御に関し、詳細には、正弦波巻きＡＣモータのトルク出力を制御する装置及び方法に関する。

ＡＣモータは、トラクション制御のような車両の用途を含む多彩な用途において使用される。典型的には、車両の用途で使用されるＡＣモータはモータ位相電流が正弦波状であるように（例えば電圧源インバータによって）制御される。一般に、こうしたＡＣモータは、正弦波状に整形された電界波形を有するように設計された永久磁石モータである。典型的には、正弦波状に整形された入力電流をＡＣモータに供給すると、ＡＣモータにおけるパルス状トルクの発生源であり得る低周波数の高調波なしに、最高の平均トルクが生成される。

ＡＣモータの基本出力サイクルにわたって高周波数でＡＣモータを動作させると、電圧源インバータにおける熱応力は、通常、スイッチ回路網に（例えば、トランジスタとダイオードの組み合わせに基づく６個のスイッチに）均等に分配される。それよりも低い周波数（失速を含む）では、これらのスイッチの一時的な熱インピーダンスが、基本出力サイクルの期間よりも短い期間にわたって発生する。その結果、電圧源インバータにおける熱応力は短期間だけ不均等に分配され、幾つかのスイッチは、それらスイッチの許容電流を制限する高温では、不均一な分配に応答する。基本出力周波数の動作範囲に依存して、直流（ＤＣ）を含む低周波数での電圧源インバータの出力電流容量は、それより高い周波数で動作している電圧源インバータの出力電流容量と比較して実質的に低減され得る。

したがって、低動作周波数でのＡＣモータ・トルク出力を制御する方法を提供することが望ましい。更に、低動作周波数でトルク出力を増大するようにＡＣモータを制御する電圧源インバータを提供することが望ましい。また、本発明の他の望ましい態様及び特徴は、添付の図面及び上述の技術分野及び背景技術と関連させた以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかになろう。

発明の概要
ＡＣモータのトルク出力を制御するための方法と装置が提供される。例示の実施形態においては、ＡＣモータを制御する方法が提供される。この方法は、ＡＣモータの基本出力周波数と所定の周波数とを比較することによって第１比較を実施するステップと、指令された電流の大きさと所定の直流（ＤＣ）電流とを比較することによって第２比較を実施するステップと、第１比較及び第２比較に基づいてモータ電流を生成するステップと、モータ電流をＡＣモータに提供するステップとを備える。

他の例示の実施形態においては、正弦波ＡＣモータを制御する方法が提供され、この方法は、
正弦波ＡＣモータの基本出力周波数と指令された電流の大きさとを検出するステップと、基本出力周波数が所定の周波数より高いとき、正弦波状の波形を有する第１電流を生成するステップと、基本出力周波数が所定の周波数より低く、指令された電流の大きさが所定のＤＣ電流よりも小さいとき、第１電流を生成するステップと、基本出力周波数が所定の周波数より低く、指令された電流の大きさが所定のＤＣ電流よりも大きいとき、台形の波形を有する第２電流を生成するステップと、第１電流と第２電流とのうちの一方を正弦波ＡＣモータに供給するステップとを備える。

ＡＣモータのトルク出力を制御するための電圧源インバータは、コントローラとスイッチ回路網とを備え、スイッチ回路網はコントローラに結合された入力とＡＣモータに結合されるよう構成された出力とを有する。コントローラは、ＡＣモータ１２の基本出力周波数を所定の周波数と比較し、電圧源インバータの指令された電流の大きさを所定のＤＣ電流と比較し、基本出力周波数及び指令された電流の大きさに基づいて信号を送出するよう構成される。スイッチ回路網は、信号に基づいて電流を生成するよう構成される。１つの実施形態においては、電流は、信号に基づいて正弦波状の波形又は台形の波形を有する。

以下、本発明を図面と関連させて説明する。同じ数字は同様の要素を指示する。
例示の実施形態の記述
以下の詳細な記述は本質的に単なる例示であり、本発明又は本発明の応用及び使用を制限するものではない。また、先の技術分野、背景技術、発明の概要及び以下の詳細な説明において提起される明示の又は暗黙の原理によって、本発明は拘束されない。

図１を参照すると、本発明の例示の実施形態に係る電圧源インバータ・システム１０が図示されている。電圧源インバータ・システム１０は、コントローラ３２と、コントローラ３２に結合されたインバータ回路３０と、インバータ回路３０に結合された交流（ＡＣ）モータ１２とを備える。一般に、コントローラ３２は、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を受け取るように構成された第１入力と、ＡＣモータ１２の基本出力周波数をＡＣモータとの直接のフィードバック・ループを介して又はインバータ回路３０を介して間接的に受け取るように構成された第２入力とを備える。コントローラ３２はインバータ回路３０が受け取る出力信号を生成し、この出力信号をインバータ回路３０はＡＣモータ１２を動作させるための変調電圧波形に変換する。ＡＣモータ１２は、車両（トラクション駆動制御システム等）において通常使用されるような正弦波巻きＡＣモータ（例えば永久磁石型又は誘導型）である。

図２は、図１のインバータ回路３０の詳細である。インバータ回路３０はＡＣモータ１２に結合された３相回路である。より具体的には、インバータ回路３０は電圧源１４、１６とスイッチ回路網とを備え、スイッチ回路網は電圧源１４、１６に結合された第１入力とＡＣモータ１２に結合された出力とを有する。電圧源１４、１６は２つの直列の電圧源を持つ分散型ＤＣリンクとして図示されているが、単一の電圧源を用いてもよい。

スイッチ回路網は、各相に対応する（各スイッチに逆並列の）逆並列ダイオードを持つ３対の直列スイッチを備える。各対の直列スイッチは、電圧源１４、１６の正電極に結合された第１端子を有する第１スイッチ１８、２２、２６、及び、電圧源１４、１６の負電極に結合された第２端子と第１スイッチ１８、２２、２６の第２端子にそれぞれ結合された第１端子とを有する第２スイッチ２０、２４、２８を備える。

図３は、ＡＣモータの動作を説明するのに有用な位相電流波形である。典型的には、ＡＣモータを制御する慣用の電圧源インバータは、それぞれ振幅Ｉ_ｄｃを有する３相の正弦波電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを生成する。ＡＣモータを低い基本周波数で動作させるために、典型的には、小さい振幅の電流が電圧源インバータによって生成され、ＡＣモータのトルク生成を低減する。

図４は、図１の電圧源インバータ１０の動作を説明するのに有用な、本発明の例示の実施形態に係る位相電流の波形と位相電流の基本成分波形である。この例示の実施形態において、図１に示す電圧源インバータ１０は、それぞれ振幅Ｉ_ｄｃを有する台形の３相電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを生成する。それぞれの台形の位相電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃはそれぞれ基本成分４０、４２、４４と関連する。図３に示す正弦波位相電流の振幅と実質的に等しい、台形の位相電流の所与の振幅Ｉ_ｄｃに対して、基本成分４０、４２、４４は図３に示す正弦波位相電流の振幅よりも大きい。この大きな基本成分４０、４２、４４は、ＤＣ電流制限に関して、ＡＣモータから出力されるトルクを全体的に増大させる。

図１及び図４を参照すると、コントローラ３２はＡＣモータ３０の基本出力周波数が所定の閾値周波数よりも小さい時を決定する。この所定の閾値周波数は種々のシステム目的（例えば、基本成分が入力正弦波電流の振幅を越えるとき）に基づいて決定され、好ましくは３Ｈｚであるが、モジュール設計等の種々のファクタに依存して変動し得る。所定の閾値周波数はＡＣモータ１２の動作期間での実時間検索のためにコントローラ３２に記憶される。ＡＣモータ３０の基本出力周波数が所定の閾値周波数よりも高い場合、コントローラ３２は、３相正弦波電流を出力するようインバータ回路３０に指令する第１信号を送出する。ＡＣモータ３０の基本出力周波数が所定の閾値周波数よりも低い場合には、コントローラ３２はインバータ回路３０からの指令された位相電流の振幅がインバータ回路３０のＤＣ許容電流（例えばＩ_ｄｃ）よりも大きいときを決定する。インバータ回路３０からの指令された位相電流の振幅がインバータ回路３０のＤＣ許容電流よりも小さい場合には、コントローラ３２は第１信号を送出し続け、インバータ回路３０を３相正弦波電流を出力するよう制御する。インバータ回路３０からの指令された位相電流の振幅がインバータ回路３０のＤＣ許容電流よりも大きい場合には、コントローラ３２は、台形の３相電流を出力するようインバータ回路３０に指令する第２信号を送出する。更に、コントローラ３２は種々のシステム目的を達成するために台形の３相電流の形状を設定することができる。

図５は、波形の特性を説明するのに有用な台形の波形である。台形の波形は３つのパラメータ、即ち、振幅Ｉ_ｄｃ（例えば、台形電流の振幅）、台形の波形の底辺の幅α１及び台形の波形の上辺の幅α２によって特徴付けられる。中性のリターンのない３相永久磁石ＡＣモータの場合、３つの位相電流の和はキルヒホッフの法則によりゼロである。こうして、幅α１、α２の値は
２π／３≦α１≦π
α１＋α２＝４π／３
として与えられる。

図６は、α１＝２π／３のときの（例えば方形波の）下限位相電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを示す、例示の実施形態による位相電流波形である。同様に、図７に示す位相電流波形はα１＝５π／６のときの位相電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを示しており、図８に示す位相電流波形はα１＝πのときの上限位相電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃである。

図９は、本発明の例示の実施形態による電圧源インバータ制御方法の流れ図である。図１及び図９を参照すると、方法はステップ１００で始まる。コントローラ３２はステップ１０５においてＡＣモータ１２の基本出力周波数を検出する。次いで、コントローラ３２はステップ１１０において、ＡＣモータ１２の基本出力周波数が所定の周波数よりも高いかどうかを決定する。ＡＣモータ１２の基本出力周波数が所定の周波数よりも高い場合には、コントローラ３２はステップ１１５において、３相正弦波電流（指令された電流）を出力するようインバータ回路３０に指令する第１信号を送出する。ＡＣモータ３０の基本出力周波数が所定の周波数よりも低い場合には、コントローラ３２はステップ１２０において、インバータ回路３０からの指令された位相電流の振幅がインバータ回路３０のＤＣ許容電流よりも大きいかどうかを決定する。インバータ回路３０からの指令された位相電流の振幅がインバータ回路３０のＤＣ許容電流よりも小さい場合には、コントローラ３２はステップ１１５において、３相正弦波電流を出力するようインバータ回路３０を制御する第１信号を送出し続ける。インバータ回路３０からの指令された位相電流の振幅がインバータ回路３０のＤＣ許容電流よりも大きい場合には、コントローラ３２はステップ１２５において、３相の台形電流を出力するようインバータ回路３０を制御する第２信号を送出する。ステップ１３０において、３相の台形電流と３相の正弦波電流はインバータ回路３０によってＡＣモータ１２に供給される。更に、コントローラ３２は
２π／３≦α１≦π且つα１＋α２＝４π／３
であるように台形の波形の底辺の幅α１と上辺の幅α２とを選択する。

以上の詳細な説明において少なくとも１つの例示の実施形態を提示したが、理解されるように、極めて多数の変形が存在する。また、理解されるように、例示の実施形態は単なる例であり、本発明の範囲、応用可能性又は構成を制限するものではない。むしろ、上記の詳細な説明は当業者に例示の実施形態を実現するためのロードマップを提供する。特許請求の範囲及びその均等物において示される発明の範囲から逸脱することなく、要素の機能及び配置に種々の変更が可能であることを理解すべきである。

本発明の例示の実施形態による電圧源インバータ・システムの概略図である。図１に示すインバータ回路の概略図である。ＡＣモータ／システムの動作を説明するのに有用な位相電流波形である。図１に示す電圧源インバータ１０の動作を説明するのに有用な、本発明の例示の実施形態による位相電流波形と位相電流の基本成分波形である。波形の特性を説明するのに有用な台形の波形である。例示の実施形態による位相電流波形である。他の例示の実施形態による位相電流波形である。他の例示の実施形態による位相電流波形である。本発明の例示の実施形態にしたがって電圧源インバータを制御するための方法である。

Claims

交流（ＡＣ）モータを制御する方法であって、
前記ＡＣモータの基本出力周波数と所定の周波数とを比較することによって第１比較を実施するステップと、
指令された電流の大きさと所定の直流（ＤＣ）電流とを比較することによって第２比較を実施するステップと、
前記第１比較及び前記第２比較に基づいてモータ電流を生成するステップと、
前記モータ電流を前記ＡＣモータに提供するステップと、
を備える方法。
生成する前記ステップが、電圧源インバータを制御して電流を生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記所定のＤＣ電流が前記電圧源インバータのＤＣ許容電流を含む、請求項２に記載の方法。
前記ＡＣモータの基本出力周波数を検出するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
生成する前記ステップが、前記基本出力周波数が前記所定の周波数よりも高いとき、正弦波状の波形を有するモータ電流を生成するステップを備える、請求項１に記載の方法。
第２比較を実施する前記ステップが、前記基本出力周波数が前記所定の周波数より低いとき、前記指令された電流と前記所定のＤＣ電流とを比較するステップを備える、請求項１に記載の方法。
生成する前記ステップが、前記基本出力周波数が前記所定の周波数よりも低く、且つ、前記指令された電流が前記所定のＤＣ電流よりも小さいとき、正弦波状の波形を有するモータ電流を生成するステップを備える、請求項１に記載の方法。
生成する前記ステップが、前記基本出力周波数が前記所定の周波数よりも低く、且つ、前記指令された電流が前記所定のＤＣ電流よりも大きいとき、台形の波形を有するモータ電流を生成するステップを備える、請求項１に記載の方法。
生成する前記ステップが、前記基本出力周波数が前記所定の周波数よりも低く、且つ、前記指令された電流が前記所定のＤＣ電流よりも大きいとき、台形の波形を有するモータ電流を生成するステップを備え、前記台形の波形が第１波形特性α１と第２波形特性α２とを有し、２π／３≦α１≦π且つα１＋α２＝４π／３である、請求項１に記載の方法。
第１比較を実施する前記ステップが、前記基本出力周波数と３Ｈｚ前後の所定の周波数とを比較するステップを備える、請求項１に記載の方法。
正弦波ＡＣモータを制御する方法であって、
前記正弦波ＡＣモータの基本出力周波数と指令された電流の大きさとを検出するステップと、
前記基本出力周波数が前記所定の周波数より高いとき、正弦波状の波形を有する第１電流を生成するステップと、
前記基本出力周波数が前記所定の周波数より低く、前記指令された電流の大きさが所定のＤＣ電流よりも小さいとき、前記第１電流を生成するステップと、
前記基本出力周波数が前記所定の周波数より低く、前記指令された電流の大きさが所定のＤＣ電流よりも大きいとき、台形の波形を有する第２電流を生成するステップと、
前記第１電流と前記第２電流とのうちの一方を前記正弦波ＡＣモータに供給するステップと、
を備える方法。
前記台形の波形が第１波形特性α１と第２波形特性α２とを有し、
第２電流を生成する前記ステップが、前記第１波形特性α１と前記第２波形特性α２とを選択するステップを備え、
２π／３≦α１≦π且つα１＋α２＝４π／３である、
請求項１に記載の方法。
正弦波状の波形を有する第１電流を生成する前記ステップが、電圧源インバータに前記第１電流を生成させるステップを備え、
前記第１電流を生成する前記ステップが、電圧源インバータに前記第１電流を生成させるステップを備え、
第２電流を生成する前記ステップが、電圧源インバータを制御して前記第２電流を生成させるステップを備える、
請求項１１に記載の方法。
前記所定のＤＣ電流が前記電圧源インバータのＤＣ許容電流を含む、請求項１３に記載の方法。
前記指令された電流の大きさが、前記電圧源インバータから前記ＡＣモータへの位相電流の大きさを含む、請求項１３に記載の方法。
ＡＣモータのトルク出力を制御するための電圧源インバータであって、
前記ＡＣモータ１２の基本出力周波数を所定の周波数と比較し、前記電圧源インバータの指令された電流の大きさを所定のＤＣ電流と比較し、前記基本出力周波数及び前記指令された電流の大きさに基づいて信号を送出するよう構成されたコントローラと、
前記コントローラに結合された入力と、前記ＡＣモータに結合されるよう構成された出力とを備えたスイッチ回路網であって、前記信号に基づいて正弦波状の波形と台形の波形とのうちの一方から選択された波形を有する電流を生成するよう構成されたスイッチ回路網と、
を具備する電圧源インバータ。
前記コントローラが、更に、
前記基本出力周波数が前記所定の周波数よりも高いときに第１信号を送出し、
前記基本出力周波数が前記所定の周波数よりも低く、前記指令された電流の大きさが前記所定のＤＣ電流よりも小さいとき、前記第１信号を送出し、
前記基本出力周波数が前記所定の周波数よりも高く、前記指令された電流の大きさが前記所定のＤＣ電流よりも大きいとき、第２信号を送出する
よう構成される、請求項１６に記載の電圧源インバータ。
前記スイッチ回路網が、前記第１信号に応答して、正弦波状の波形を有する第１電流を生成し、前記第２信号に応答して、台形の波形を有する第２電流を生成するよう更に構成される、請求項１７に記載の電圧源インバータ。
前記コントローラが、前記台形の波形の第１波形特性α１と第２波形特性α２とを選択し、前記第１波形特性α１と前記第２波形特性α２とに基づいて前記第２電流を生成するよう構成され、２π／３≦α１≦π且つα１＋α２＝４π／３である、請求項１６に記載の電圧源インバータ。
前記所定のＤＣ電流が前記電圧源インバータのＤＣ許容電流を含み、前記指令された電流の大きさが前記電圧源インバータの指令された位相電流の大きさを含む、請求項１６に記載の電圧源インバータ。