JP2007288998A - Ｄｃバス電流測定によるモータ電流の再構成 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣバス電流の測定に基づいて位相電流を再構成するための技術。
【解決手段】位相電流を再構成するためのＤＣバス電流サンプルの観察可能でない領域は、２相空間ベクトル変調を用いることにより大きさにおいて減少される。観察可能でない領域は、出力電流が与えられた閾値よりも高いときスイッチ付勢のためのデッドタイム挿入を削除することによりさらに減少され得る。観察可能でない領域における電圧指令ベクトルは、観察可能なＤＣバス電流を反映した位相電流を得るために、異なった位相及び大きさの２つの付加的なベクトルによって形成され得る。付加的なベクトルは、電圧指令ベクトルと同じ結合された時間平均値を有する。
【選択図】図１Ｂ

Description

この出願は、２００２年３月２８日に提出された「ＤＣバス電流測定によるモータ電流再構成」という名称の米国仮出願第６０／３６８，８６０号に基礎を置いており、その出願日遡及の特典を主張するものであり、そのため、その優先権主張を行っている。

本発明は、概して、モータ電流のフィードバック測定に関し、一層詳細には、ＤＣバス電流の測定を介して得られるモータ電流の計算による再構成に関する。

３つの位相モータ・ドライブのためのインバータは産業界において良く知られている。代表的には、ＤＣバスは、ＡＣモータの異なった位相に切換電力を供給する。インバータにシーケンス及び切換指令を供給するために用いられる設計方法は、空間ベクトル変調の使用を含む。例えば、切換ベクトル平面が図１に示されており、それにおいて、特定の切換状態が六角形の頂点で示されている。

この型のモータ制御の場合、高性能制御を提供するためにモータ位相電流を正確に測定することが望ましい。しかしながら、広い電流及び温度範囲に渡ってモータ位相電流を正確に測定することはしばしば困難である。例えば、ホール効果センサを用いることができるが、これは本来的に大きくかつ高価格である。パルス幅変調された（ＰＷＭ）インバータ・ドライブ・システムにおいては、モータ位相電流は、非ゼロ基本ベクトルが用いられる場合のＤＣバス電流の測定から決定され得る。各基本ベクトルは、指令電圧ベクトルを発生するよう、ＰＷＭサイクルにおける特定の時間が割り当てられる。しかしながら、基本ベクトルが非常に短い時間間隔の間だけ用いられる場合には、モータ位相電流を、ＤＣバス電流から直接決定することができない。このモータ位相電流の観察可能性の欠如は、ＰＷＭインバータ・ドライブ・システムの履行における実際的な考察に基づくものである。例えば、Ａ／Ｄコンバータのサンプル及びホールド時間によって引き起こされる時間遅延、ターンオン中の電圧のスルーイング（slewing）、及び他の遅延要素は、非常に短時間の間に用いられる基本ベクトルの効果が観察されるのを阻止する。

図１Ａに示される空間ベクトル平面において、空間ベクトル平面の部分の境界に沿って観察可能でない領域が位置付けられるように示されている。これらの制御期間中にモータ位相電流を観察することができなくては、確固たる高性能のモータ・ドライブを達成することは困難である。

本発明は、ＤＣバス電流の測定からモータ電流を再構成するためのアルゴリズムを提供する。モータ位相電流の観察可能でない動作は、再構成アルゴリズムの使用で一層小さい領域に制限される。２相空間ベクトル変調は、基本ベクトルの観察可能な効果のための最小時間を減少するのを許容する。実際の応用において、観察可能でないことに関連した時間制約は半分にカットされる。この最小の時間を減少することにより、この技術による位相電流の測定のための利用可能時間は二倍とされる。電圧ベクトルの角度が３０°よりも大きいとき、ゼロ・ベクトル１１１が、０００の代わりに用いられる。異なったゼロ・ベクトルを用いることにより、切換えられた位相パルス時間は最大にされる。

２相空間ベクトル変調が用いられ、そしてモータ電流が或る閾値レベルを超えるとき、デッド・タイムが挿入される必要はなく、時間制約はさらに減少され得る。

指令電圧が観察可能でない領域の内側に落ちるとき、指令電圧ベクトルは２つのＰＷＭ期間において発生された２つのベクトルから形成される。発生された一つのベクトルは、３０°に等しい位相、及び観察可能でない部分の幅の２倍に等しい大きさを有する電圧ベクトルである。このベクトルを用いれば、３つのうちの２つのモータ位相電流の観察可能性が確実にされる。第２のベクトルは、観察可能でない領域の内側に落ちる結果の指令電圧ベクトルを形成するように加えられる。２つの結合されたベクトルの時間平均は、指令電圧ベクトルの時間平均に等しい。２つのベクトルの結合を用いれば、コントローラの実行サイクルが半分だけ減少されることが許容される。
以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。

本発明は、ＤＣバス電流供給の測定から３相モータ電流情報を再構成するためのアルゴリズムを提供する。図１Ｂに示される電圧空間ベクトル平面１０は、セクタ境界近辺に観察可能でない領域を含む。本発明によれば、観察可能でない領域が減少された電圧空間ベクトル平面１１が生成される。

図２の（ａ）を参照すると、従来の３相インバータは、３相電圧空間ベクトルＰＷＭ変調を提供する。図２の（ｂ）において、同じ指令電圧は、整流図２１に示されるように、２相電圧空間ベクトルＰＷＭを用いて形成され得る。２相ベクトル変調によれば、観察可能でないことに対する最小の時間制約は半分にカットされる。

２つのレベルのＰＷＭインバータ・ドライブ・システムにおいて、８つの可能な基本電圧ベクトルが生成され得、任意の所望の指令電圧ベクトルが、８つの基本電圧ベクトルによって形成され得る。所望の指令電圧ベクトルは、ＤＣバス電圧レベルによって決定される、インバータの最大出力電圧によって制限される。ＰＷＭインバータ・ドライブ・システムにおいて、モータ位相電流情報は、ゼロでない基本ベクトルが用いられる場合にＤＣバス電流から決定され得る。各基本ベクトルは、指令電圧ベクトルを発生するために、ＰＷＭサイクルにおける特定の時間が割り当てられる。もし、非常に短い期間に対してだけ指令電圧ベクトルが用いられるならば、モータ電流は、ＤＣバス電流から観察されることができない。この時間制約の短さは、デバイスのターンオンから帰結する電圧スルーイングに加えて、サンプル及びホールド時間を含む、Ａ／Ｄ変換と関連した時間遅延から帰結する。図１に示された電圧空間ベクトル平面に観察できない領域を形成するのは、この時間制約である。

再度、図２の（ａ）を参照すると、指令電圧ベクトルは、セクタ１の観察可能でない領域に示される。この例では、モータの３つのすべての相は、ＰＷＭサイクルＴｐｗｍにおいてＰＷＭ駆動される。合計時間Ｔ２は、ＰＷＭサイクルＴｐｗｍ内の２つの異なった点において生じる。

さて、図２の（ｂ）を参照すると、観察可能でない領域は、２相電圧空間ベクトル変調の使用により減少される。同じ指令電圧が、図２の（ａ）のシステムで形成されるように、図２の（ｂ）における２相ＰＷＭによって形成され得る。しかしながら、２相電圧空間ベクトル変調において、観察可能でない時間制約期間は半分にカットされる。合計のＴ２時間は、一つの点に局所化される。従って、電流の測定のための利用可能時間は二倍にされる。電圧角度が３０°よりも大きいとき、Ｔ１時間を最大にするために、ゼロ・ベクトル０００の代わりにゼロ・ベクトル１１１が用いられる。

２相電圧空間ベクトル変調を用いれば、時間制約におけるさらなる減少が達成され得る。モータ電流が与えられた閾値よりも高いとき、デッド・タイムを挿入するための必要性が除去される。代表的には、時間制約は、最小時間Ｔｍｉｎとして以下のように書かれ得る。
Ｔｍｉｎ＝Ｔｄ＋Ｔ（ｄｖ／ｄｔ）＋Ｔ（Ａ／Ｄ）
ここに、Ｔｄ＝Ｔｄｅａｄｔｉｍｅ ａｂｓ（ｉ）＞閾値
＝０ ａｂｓ（ｉ）＜閾値
Ｔ（Ａ／Ｄ） Ａ／Ｄ変換器のサンプル／ホールド時間
Ｔ（ｄｖ／ｄｔ） 電力スイッチング・デバイスのスルー時間

従って、Ｔｄがゼロに等しいとき、Ｔｍｉｎはそれに応じて減少される。

さて、図３を参照すると、ＤＣバス電流は、ＰＷＭサイクルごとに３回サンプリングされる。図３において、サンプルｉｄｃ１及びｉｄｃ３は同じモータ位相から取られるが、異なった時間的瞬間において取られる。電流サンプルｉｄｃ１及びｉｄｃ３は、サンプルｉｄｃ２とのタイミング同期を提供するよう、図３に示される式に基づいて計算される。

さて、図４を参照すると、既知の電圧ベクトルの挿入が図解４０に示されている。電圧ベクトルの挿入は、指令電圧ベクトルＶｒｅｆを形成するように用いられる。指令電圧が観察可能でないセクタ帯域の内側にあるとき、指令電圧ベクトルは、２つのＰＷＭ期間において発生される２つのベクトルによって形成される。電圧ベクトルＶ１は、３０°に等しい位相、及び観察可能でないセクタ幅Ａの２倍に等しい大きさを有する。これらの制約に従ってベクトルＶ１を形成することにより、２つのモータ位相電流の観察が確実にされる。ベクトルＶ２は、結果の指令電圧ベクトルＶｒｅｆを形成するようベクトルＶ１に加えられる。Ｖ１プラスＶ２の時間平均は、図４に示されるように、Ｖｒｅｆの時間平均に等しい。ベクトルＶ１及びＶ２で指令電圧ベクトルを形成することにより、コントローラの実行サイクルは、指令電圧が観察可能でないセクタに入るとき、半分だけ減少される。

本発明を特定の実施形態に関連させて説明してきたが、当業者には、他の多くの変形及び変更並びに他の使用法が明らかであろう。従って、本発明は、ここに為された特定の開示によって制限されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ制限されるのが好ましい。

従来の観察可能でない領域を有する電圧空間ベクトル平面を示す図である。 本発明による変更された電圧空間ベクトル平面を示す図である。 ２相整流により減少された観察可能でない領域を示す図である。 本発明による電流サンプリング技術を示す図である。 基準指令電圧ベクトルを得るために既知の電圧ベクトルの挿入を示す図である。

Claims (11)

1. ＰＷＭサイクルを有するインバータ・モータ・ドライブ・システムにおけるＤＣバス電流測定に基づくモータ相電流を再構成するための方法であって、
   ＰＷＭサイクルにおいて少なくとも２回ＤＣバス電流をサンプリングする段階と、
   ２つのサンプルの平均を決定する段階と、
   該平均を用いてモータ相電流を計算する段階と、
   を含む方法。
2. インバータ・モータ・ドライブ・システムは、３相ＰＷＭ変調を履行する請求項１に記載の方法。
3. インバータ・モータ・ドライブ・システムは、２相ＰＷＭ変調を履行する請求項１に記載の方法。
4. 各ＰＷＭサイクルにおいて少なくとも３回ＤＣバス電流をサンプリングする段階をさらに含む請求項１に記載の方法。
5. ２つのサンプルが１つの相電流測定を決定するために平均化され、第３のサンプルがもう１つの相電流測定を決定する請求項４に記載の方法。
6. 請求項１に記載の方法に従って動作される空間ベクトルＰＷＭモータ・ドライブ・システム。
7. ＰＷＭインバータ・モータ・ドライブ・システムにおけるＤＣバス上のＤＣバス電流からモータの相電流を再構成するための方法であって、
   モータを制御するための空間ベクトル変調配列に従って指令電圧ベクトルを形成する段階と、
   モータ電流の指示を得るためにインバータに電力を供給するＤＣバス上のＤＣバス電流を測定する段階と、
   ＤＣバス電流の測定がモータの相電流を正確に指示するのを阻止するインバータ切換え状態に指令電圧ベクトルが帰結するときを決定する段階と、
   ２つの追加のベクトルから、指令電圧ベクトルと実質的に同じ電圧ベクトル合計を形成する段階であって、追加のベクトルの少なくとも一方は、ＤＣバス電流の測定がモータの相電流を指示するのを許容する切換え状態を表す、前記電圧ベクトル合計を形成する段階と、
   ＰＷＭインバータ・ドライブ・システムの切換えサイクルにおいて、空間ベクトル変調に少なくとも一方の追加のベクトルを印加する段階と、
   追加のベクトルの時間平均が指令電圧ベクトルと等価であるように、ＰＷＭインバータ・ドライブ・システムの後の切換えサイクルにおいて、空間ベクトル変調に他方の追加のベクトルを印加する段階と、
   を含む方法。
8. 状態ベクトル・モータ・ドライブ・システムにおけるインバータに供給されるＤＣバス電流を測定することによってモータにおける相電流を決定するための方法であって、
   ＤＣバス電流を測定することによる相電流の正確な測定を得ることができないような、インバータの切換え状態を限定する電圧空間ベクトル平面の観察可能でないセクタに、指令電圧があるときを決定する段階と、
   第１の電圧が観察可能でないセクタの外側にあるような角度と大きさでもって、状態ベクトル・モータ・ドライブ・システムに第１の電圧ベクトルを印加する段階と、
   指令電圧ベクトルが第１及び第２の電圧ベクトルの時間平均合計から帰結するような位相及び大きさを有する第２の電圧ベクトルを状態ベクトル・モータ・システムに印加する段階と、
   モータの相電流の指示を提供するよう状態ベクトル・モータ・ドライブ・システムに第１または第２の電圧ベクトルの少なくとも一方が印加される時間中にＤＣバス電流を測定する段階と、
   を含む方法。
9. 第１の電圧ベクトルは、３０°＋／−Ｎ×６０°の位相を有し、ここに、Ｎ＝０，１，．．．，５である請求項８に記載の方法。
10. インバータに供給するＤＣバス電流の測定から、電力インバータからの相出力電流の測定を得るための方法であって、
    インバータへの指令電圧ベクトルの形成がＤＣバス電流測定によって電力インバータからの相電流を観察可能でないようにするときを決定する段階と、
    相電流がＤＣバス電流測定によって観察可能であるのを許容するよう電力インバータに第１の電圧ベクトルを印加する段階と、
    結果が指令電圧ベクトルの時間平均とほぼ同じであるように、時間平均合計における第１の電圧ベクトルと結合するために、インバータに第２の電圧ベクトルを印加する段階と、
    を含む方法。
11. 請求項７、８及び１０のいずれか１項に記載の方法に従って動作される空間ベクトルＰＷＭモータ・ドライブ・システム。

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