JP2007252194A - 電圧源インバータのpwm制御のための方法及び装置 - Google Patents

電圧源インバータのpwm制御のための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】インバータの非線形限界を考慮した、ACモータの損失最小化制御のための方法及び装置が提供される。
【解決手段】この方法は、切り換えサイクルに基づいてACモータに電圧を提供すること、切り換えサイクルにおける第1位相レグのデューティサイクルが最小デューティサイクルよりも小さいとき、切り換えサイクルの各位相レグにゼロ・ベクトルのデューティサイクルを加算すること、及び、第2位相レグの第2デューティサイクルが最大デューティサイクルよりも大きいとき、切り換えサイクルの各位相レグからゼロ・ベクトルのデューティサイクルを差し引くことを含む。最小デューティサイクル及び最大デューティサイクルは歪み領域を示す。
【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、特に、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。
背景技術
ACモータはトラクション制御のような車両の応用を含む種々の応用に使用される。車両用の応用に使用されるACモータは、典型的には、電圧源インバータによって制御される。不連続的パルス幅変調(DPWM)方法は、3相電圧源インバータの基本出力電圧成分を制御するためにインバータ・コントローラにおいて一般に採用される。これらの3相電圧源インバータは3相ACモータの位相電流を制御するために使用される。DPWM制御方法は、正弦波変調や空間ベクトル変調のような連続的パルス幅変調(PWM)と比較してインバータ損失を低減する。
一般に、DPWM制御方法は、3相電圧源インバータの所与の切り換えサイクルにおいて単一のゼロ・ベクトルを用いる点で、連続的PWM方法と相違する。更に、DPWM制御方法においては、3相電圧源インバータにおける各スイッチは、典型的には、電気サイクルの60度(60°)区域に対して切り換えられない、即ちクランプされる。3相電圧源インバータのそれぞれの出力電圧に関する、60度(60°)のクランプされる区域の場所及び負荷力率は、一般に、DPWM制御方法の型式とその結果のPWM特性とを決定する。例えば、30度(30°)進み力率の負荷に対して損失が最適化されるように、クランプされる区域が位置するとき、DPWM制御方法はDPWM0と称される。DPWM1は、力率1の負荷に対して切り換え損失を最適化するよう、クランプされる区域が位置する場合を指し、DPWM2は、30度(30°)遅れ力率の負荷に対して切り換え損失を最適化するよう、クランプされる区域が位置する場合を指す。
電圧源インバータと共に使用される多くのDPWM制御方法は、インバータのロックアウト時間即ちデッド時間や最小パルス幅の制約のような、電圧源インバータの実際的な限界に起因する電圧歪みを受ける。典型的には、こうした実際的な限界は、有限で制御可能な最小及び最大のパルス幅として現れる非線形効果である。電圧源インバータの位相レグ(phase leg)に対するいずれか一方のインバータ・スイッチは、無制限に「オン」に保持されて、デューティサイクルがゼロ及び1に対する離散値のパルス幅を作ることができる。或る動作条件の期間には、特定の位相レグに対する指令されたデューティサイクルは、最小及び最大の達成可能なパルス幅とそれに対応するゼロ又は1の離散値の間のパルス幅を有する。非線形効果によって、電圧源インバータの各位相毎に生じる達成不可能な領域が(例えば、最小及び最大の達成可能なパルス幅とそれに対応するゼロ又は1の離散値の間に)生成される。
したがって、3相ACモータを動作させるとき、インバータ切り換え損失を最小にする方法を提供することが望ましい。更に、ACモータを制御するために切り換え損失が最小にされた電圧源インバータを提供することが望ましい。本発明の他の望ましい態様及び特徴は、添付の図面と上記の技術分野と背景とを併せて読むとき、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
インバータ非線形限界からの損失を最小にしながら、ACモータを制御するための方法及び装置が提供される。この方法は、切り換えサイクル及び出力電圧ベクトルに基づいてACモータに電圧を提供する工程と、出力電圧ベクトルが歪み領域にあるとき、ゼロ・ベクトルのデューティサイクルによって複数の位相レグのうちの各位相レグのデューティサイクルを修正する工程とを備える。
他の例示の実施形態においては、ACモータを制御するための電圧源インバータが提供される。この電圧源インバータは、入力と出力とを有するコントローラと、コントローラの出力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スイッチ回路網と、インバータ回路の出力に結合された入力と、コントローラの入力に結合された出力とを有する変調器とを具備する。コントローラは第1信号を生成する。スイッチ回路網は、第1信号に基づいて出力電圧ベクトルとゼロ・ベクトルとを生成し、出力電圧ベクトルに対応する電圧をACモータに提供するよう構成される。変調器は、スイッチ回路網に基づく歪み領域に出力電圧ベクトルがあるとき、ゼロ・ベクトルを修正するよう構成される。
別の例示の実施形態においては、電圧源インバータを制御するための方法が提供され、この方法は、電圧源インバータの出力電圧ベクトルを監視する工程と、出力電圧ベクトルが歪み領域にあるとき、複数の位相レグのうちの各位相レグのデューティサイクルをゼロ・ベクトルのデューティサイクルによって修正することによって、修正された切り換えサイクルを生成する工程と、DPWM信号を前記電圧源インバータに提供する工程とを備える。DPWM信号は修正された切り換えサイクルを有する。
以下、本発明を図面と関連させて説明することにする。同じ数字は同じ要素を指す。
例示の実施形態の説明
以下の詳細な説明は本質的に単なる例示であり、発明又はその応用及び使用を限定することを意図していない。また、先の技術分野、背景、概要又は以下の詳細な説明において提示した明示の又は暗黙の理論によって制限する意図もない。
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、コントローラ32の出力に結合されたインバータ回路30、インバータ回路30の第1出力に結合された交流(AC)モータ12、及び、インバータ回路30の第2出力に結合された入力とコントローラ32の入力に結合された出力とを有する変調器31を備える。一般に、コントローラ32はインバータ回路30の切り換え動作を制御するためにパルス幅変調(PWM)信号を生成する。好ましい実施形態においては、コントローラ32は、インバータ回路30の各切り換えサイクルと関連する単一のゼロ・ベクトルを有する不連続的PWM(DPWM)信号を生成することが好ましい。次いで、インバータ回路30はPWM信号を、ACモータ12を動作させるための変調された電圧波形へ変換する。ACモータ12は車両(例えば、トラクション制御システム等)に共通に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。
ACモータ12の動作を適正化するために、変調器31はインバータ回路30によって生成された変調された電圧波形を監視し、インバータ回路30に関連する非線形限界(例えば、最小パルス幅及びデッド時間)に基づく歪み領域でインバータ回路30の切り換えが動作しているときを決定する。インバータ回路30が歪み領域で動作している場合、変調器31は、(切り換えサイクルの各位相レグに対するデューティサイクルを変えることにより)歪み領域を補償する修正PWM信号を送出するようコントローラ32に指示する。
図2は、図1のインバータ回路30を一層詳細に示す。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。詳細には、インバータ回路30は電圧源14、16、及び、電圧源14、16に結合された第1入力とACモータ12に結合されるよう構成された出力とを有するスイッチ回路網を備える。電圧源14、16は2つの直列の電源を有する分散型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、それぞれの位相に対応する(即ち、各スイッチに対して逆並列の)逆並列ダイオードを有する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1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。インバータ回路30の切り換えサイクルと出力電圧ベクトルとを監視するために、変調器31はインバータ回路30の出力に結合される。
図3〜図5は、図1に示す電圧源インバータ・システムの理解に有用な、歪み領域(灰色で示す)を有するインバータ出力電圧のグラフである。インバータ出力電圧は切り換えサイクルの各位相(例えば、3つの相のそれぞれ)に対する切り換えに対応するベクトル(例えば、V、V、V、V、V、V)によって表される。それぞれの位相は(例えば、離散ゼロ及び離散1に対応する)2つの状態を持つ。例えば、図2〜図5を参照すると、Vは、第1対のスイッチ18、20の離散1状態と、第2対のスイッチ22、24及び第3対のスイッチ26、28のそれぞれの離散ゼロ状態とに対応する電圧ベクトルであり、Vは、第1対のスイッチ18、20及び第2対のスイッチ22、24のそれぞれの離散1状態と、第3対のスイッチ26、28の離散ゼロ状態とに対応する電圧ベクトルであり、Vは、第1対のスイッチ18、20及び第3対のスイッチ26、28のそれぞれの離散ゼロ状態と、第2対のスイッチ22、24の離散1状態とに対応する電圧ベクトルであり、Vは、第1対のスイッチ18、20の離散ゼロ状態と、第2対のスイッチ22、24及び第3対のスイッチ26、28のそれぞれの離散1状態とに対応する電圧ベクトルであり、Vは、第1対のスイッチ18、20及び第2対のスイッチ26、28のそれぞれの離散ゼロ状態と、第3対のスイッチの離散1状態とに対応する電圧ベクトルであり、Vは、第1対のスイッチ18、20及び第3対のスイッチ26、28の離散1状態と、第2対のスイッチ22、24の離散ゼロ状態とに対応する電圧ベクトルである。(例えば、グラフの中心における)ゼロ・ベクトルは各対のスイッチ18、20、22、24、26、28のそれぞれに対する離散1状態又は各対のスイッチ18、20、22、24、26、28のそれぞれに対する離散ゼロ状態に対応する。
図3に、DPWM0の30度(30°)進み力率負荷に関連する歪み領域40が図示されており、図4に、DPWM1の力率1の負荷に関連する歪み領域42が図示されており、図5に、DPWM2の30度(30°)遅れ力率負荷に関連する歪み領域が図示されている。全動作条件の下で、スイッチ回路網は、歪み領域によって表される非線形限界である最小パルス幅限界及びデッド時間限界を免れられない。最小パルス幅とデッド時間とのインバータ限界は固定時間値であるから、図3及び図5に良く示されるように、歪み領域の角度幅(θ)又はスパンは出力電圧の変調深さ及びスイッチ回路網の切り換え周波数によって変動する。
スイッチ18、20、22、24、26、28は、クランプされた区域が力率その他の条件に依存して調節されるように、修正された一般DPWM(GDPWM)方法に基づいて活性化される。一般に、GDPWM方法はハイブリッド車両の応用に適している。これは、連続的PWM方法よりもインバータ損失を減らすことができるからである。ゼロ・ベクトルを変調するのが容易であるため、GDPWMは任意の動作条件に対して設定され得る。しかし、GDPWMの場合、歪み領域は区域遷移からの角度オフセットによって回転され、そのため、GDPWMの歪み領域は連続的に変化する。変調器31によって修正された、コントローラ32からのDPWM信号の出力パルスを適正に制御することにより、(歪み領域によって表される)こうした非線形性の影響が補償される。GDPWMの場合、変調器31は、負荷力率とともに変動する角度を有する最大パルス電流に基づいて、適切なゼロ・ベクトルを選択する。
図6は、図1に示す電圧源インバータ・システムを理解するのに有用な複数の歪みスパンのグラフである。歪みスパンは切り換え周波数(2kHz、4kHz、6kHz、8kHz、10kHz、12kHz)及び変調指数に基づいて変動する。歪みスパンは切り換え周波数とともに変動するので、指令された電圧ベクトルの(例えば、図3〜図5に示す空間ベクトル図における)空間位置にのみ依存してゼロ・ベクトルを切り換えることは実際的でない。これは、GDPWMを用いるとき、歪み領域は連続的に変化するからである。修正されたGDPWM方法は、位相デューティサイクル指令上で直接に動作することによって出力電圧ベクトルが歪み領域にあるとき、ゼロ・ベクトルを選択する。
図7〜図10は、図1に示す電圧源インバータ・システムを理解するのに有用な位相デューティサイクルである。図7は、切り換えサイクルに対する位相デューティサイクルd、d、dを示している。位相デューティサイクルdは最小デューティサイクルdminと離散ゼロとの間の歪み領域にあり、位相デューティサイクルdは離散ゼロにあり、位相デューティサイクルdはdminと最大デューティサイクルdmaxとの間にある。図8は、ゼロ・ベクトルのデューティサイクルが図7に示す切り換えサイクルの各位相レグのデューティサイクルに加算された後の位相デューティサイクルd、d、dを示している。図8において、位相デューティサイクルd、dはdminとdmaxとの間にあり、dは離散1にある。出力電圧ベクトルがdminと離散ゼロとの間の歪み領域にあるときの切り換えサイクルにおける各位相レグのデューティサイクルにゼロ・ベクトルのデューティサイクルを加算することにより、歪み領域は電圧源インバータ・システム10によって補償される。
図9は、別の切り換えサイクルに対する位相デューティサイクルd、d、dを示している。位相デューティサイクルdはdmaxと離散1との間の歪み領域にあり、位相デューティサイクルdは離散1にあり、位相デューティサイクルdはdminと最大デューティサイクルdmaxとの間にある。図10は、図9に示す切り換えサイクルにおける各位相レグのデューティサイクルからゼロ・ベクトルのデューティサイクルが差し引かれた後のデューティサイクルd、d、dを示している。図10において、位相デューティサイクルd、dはdminとdmaxとの間にあり、dは離散ゼロにある。出力電圧ベクトルがdminと離散ゼロとの間の歪み領域にあるときの切り換えサイクルにおける各位相レグのデューティサイクルからゼロ・ベクトルのデューティサイクルを差し引くことにより、歪み領域は電圧源インバータ・システム10によって補償される。
図1に戻って、例示の実施形態において、変調器31は、出力電圧ベクトルが歪み領域にあるとき、コントローラ32へ制御信号又は変調信号を送出する。この制御信号又は変調信号は、切り換えサイクルにおける各位相レグのデューティサイクルをゼロ・ベクトルのデューティサイクルによって変更することにより、DPWM信号を変化させる。例えば、切り換えサイクルにおける各位相レグがdminよりも小さい(が離散ゼロではない)とき、変調器31はゼロ・ベクトルのデューティサイクルを切り換えサイクルにおける各位相レグに加算し、切り換えサイクルにおける各位相レグがdmaxより大きい(が離散1ではない)ときには、変調器31は切り換えサイクルにおける各位相からゼロ・ベクトルのデューティサイクルを差し引く。コントローラ32は修正されたDPWM信号をインバータ回路30へ送出する。
図11は、本発明の例示の実施形態に従ってACモータを制御するための方法の流れ図である。この方法はステップ100で始まる。ステップ105において、切り換えサイクル及び出力電圧ベクトルに基づいてACモータに電圧が提供される。切り換えサイクルは複数の位相レグと1つのゼロ・ベクトルとを有する。ステップ110において、それぞれの位相レグのデューティサイクルは、出力電圧ベクトルが歪み領域にあるとき、ゼロ・ベクトルのデューティサイクルによって修正される。切り換えサイクルの第1位相レグのデューティサイクルが最小デューティサイクルよりも小さいとき、ゼロ・ベクトルのデューティサイクルが複数の位相レグのそれぞれに加算される。最小デューティサイクルは歪み領域を示す。第2位相レグのデューティサイクルが最大デューティサイクルよりも大きいとき、ゼロ・ベクトルのデューティサイクルは複数の位相レグのそれぞれから差し引かれる。最大デューティサイクルは歪み領域を示す。
これまで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が提示されたが、理解されるように、極めて多くの変形例が存在し得る。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、いかなる方法によっても発明の範囲、応用可能性又は構成を限定するものではない。むしろ、これまでの詳細な説明は、例示の実施形態を実現するための簡便なロード・マップを当業者に提供する。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関して種々の変更をすることができることが理解されよう。
本発明の例示の実施形態に係る電圧源インバータ・システムのブロック図である。 図1に示すインバータ回路の概略図である。 図1に示す電圧源インバータ・システムを理解するのに有用な、歪み領域を有するインバータ出力電圧のグラフである。 図1に示す電圧源インバータ・システムを理解するのに有用な、歪み領域を有するインバータ出力電圧のグラフである。 図1に示す電圧源インバータ・システムを理解するのに有用な、歪み領域を有するインバータ出力電圧のグラフである。 図1に示す電圧源インバータ・システムを理解するのに有用な、複数の歪みスパンのグラフである。 図1に示す電圧源インバータ・システムを理解するのに有用な位相デューティサイクルである。 図1に示す電圧源インバータ・システムを理解するのに有用な位相デューティサイクルである。 図1に示す電圧源インバータ・システムを理解するのに有用な位相デューティサイクルである。 図1に示す電圧源インバータ・システムを理解するのに有用な位相デューティサイクルである。 本発明の例示の実施形態に従ってACモータを制御するための方法の流れ図である。

Claims (20)

  1. 交流(AC)モータを制御するための方法であって、
    複数の位相レグとゼロ・ベクトルとを有する切り換えサイクル及び出力電圧ベクトルに基づいて前記ACモータに電圧を提供する工程と、
    前記出力電圧ベクトルが歪み領域にあるとき、前記ゼロ・ベクトルのデューティサイクルによってそれぞれの前記位相レグのデューティサイクルを修正する工程と、
    を備える方法。
  2. 修正する前記工程が、前記切り換えサイクルの第1位相レグのデューティサイクルが、前記歪み領域を示す最小デューティサイクルよりも小さいとき、前記複数の位相レグのそれぞれに前記ゼロ・ベクトルのデューティサイクルを加算する工程を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 修正する前記工程が、第2位相レグのデューティサイクルが、前記歪み領域を示す最大デューティサイクルよりも大きいとき、それぞれの前記位相レグから前記ゼロ・ベクトルのデューティサイクルを差し引く工程を含む、請求項1に記載の方法。
  4. 提供する前記工程が、前記ACモータをインバータで駆動する工程を含む、請求項1に記載の方法。
  5. 提供する前記工程が、前記インバータを不連続的パルス幅変調(DPWM)信号で駆動する工程を含む、請求項4に記載の方法。
  6. 前記最小デューティサイクル及び前記最大デューティサイクルが、前記インバータの最小パルス幅と前記インバータのデッド時間とに基づく、請求項4に記載の方法。
  7. 提供する前記工程が、前記インバータの負荷力率と共に変動する位相角を有する最大位相電流に基づいて前記ゼロ・ベクトルを選択する工程を含む、請求項4に記載の方法。
  8. ACモータを制御するための電圧源インバータであって、
    入力と出力とを有し、第1信号を生成するよう構成されたコントローラと、
    前記コントローラの前記出力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有するスイッチ回路網であって、前記第1信号に基づいて出力電圧ベクトルとゼロ・ベクトルとを生成し、前記出力電圧ベクトルに対応する電圧を前記ACモータに提供するよう構成されたスイッチ回路網と、
    前記インバータ回路の前記出力に結合された入力と、前記コントローラの前記入力に結合された出力とを有する変調器であって、前記スイッチ回路網に基づく歪み領域に前記出力電圧ベクトルがあるとき、前記ゼロ・ベクトルを修正するよう構成された変調器と、
    を具備する電圧源インバータ。
  9. 前記第1信号がDPWM信号である、請求項8に記載の電圧源インバータ。
  10. 前記変調器が、前記出力電圧ベクトルが前記歪み領域にあるとき、前記出力電圧ベクトルと前記ゼロ・ベクトルとに基づく第2信号を前記コントローラに提供するよう更に構成される、請求項8に記載の電圧源インバータ。
  11. 前記第1信号が切り換えサイクルを有し、該切り換えサイクルが複数の位相レグを有し、該複数の位相レグのそれぞれがデューティサイクルを有し、
    前記出力電圧ベクトルが前記歪み領域にあるとき、それぞれの前記位相レグのデューティサイクルを修正するよう、前記コントローラが更に構成される、
    請求項8に記載の電圧源インバータ。
  12. 前記複数の位相レグのうちの1つの位相レグのデューティサイクルが、前記歪み領域を示す最小デューティサイクルよりも小さいとき、前記複数の位相レグのそれぞれに前記ゼロ・ベクトルのデューティサイクルを加算するよう、前記コントローラが更に構成される、請求項11に記載の電圧源インバータ。
  13. 前記最小デューティサイクルが、前記スイッチ回路網の最小パルス幅と前記スイッチ回路網のデッド時間とのうちの少なくとも1つに基づく、請求項12に記載の電圧源インバータ。
  14. 前記第2信号に応答して、前記複数の位相レグのうちの1つの位相レグのデューティサイクルが、前記歪み領域を示す最大デューティサイクルよりも大きいとき、それぞれの前記位相レグから前記ゼロ・ベクトルのデューティサイクルを差し引くよう、前記コントローラが更に構成される、請求項11に記載の電圧源インバータ。
  15. 前記最大デューティサイクルが、前記スイッチ回路網の最小パルス幅と前記スイッチ回路網のデッド時間とのうちの少なくとも1つに基づく、請求項14に記載の電圧源インバータ。
  16. 前記歪み領域が、前記スイッチ回路網の最小パルス幅と前記スイッチ回路網のデッド時間とのうちの少なくとも1つに基づく、請求項8に記載の電圧源インバータ。
  17. 電圧源インバータを制御するための方法であって、
    前記電圧源インバータの出力電圧ベクトルを監視する工程であって、前記出力電圧ベクトルが複数の位相レグとゼロ・ベクトルとを有する切り換えサイクルに基づく工程と、
    前記出力電圧ベクトルが歪み領域にあるとき、それぞれの前記位相レグのデューティサイクルを前記ゼロ・ベクトルのデューティサイクルによって修正することによって、修正された切り換えサイクルを生成する工程と、
    前記修正された切り換えサイクルを有するDPWM信号を前記電圧源インバータに提供する工程と、
    を有する方法。
  18. 生成する前記工程が、前記切り換えサイクルの第1位相レグのデューティサイクルが、前記歪み領域を示す最小デューティサイクルよりも小さいとき、前記切り換えサイクルのそれぞれの位相レグに前記ゼロ・ベクトルのデューティサイクルを加算する工程を含む、請求項17に記載の方法。
  19. 生成する前記工程が、第2位相レグの第2デューティサイクルが、前記歪み領域を示す最大デューティサイクルよりも大きいとき、前記切り換えサイクルのそれぞれの位相レグから前記ゼロ・ベクトルのデューティサイクルを差し引く工程を含む、請求項17に記載の方法。
  20. 前記歪み領域が、前記電圧源インバータの最小パルス幅と前記電圧源インバータのデッド時間とのうちの少なくとも1つに基づく、請求項17に記載の方法。
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