JP2010011728A - パルス符号幅変調モータ駆動システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】このモータ駆動システムは、3相永久磁石式AC(PMAC)モータのロータ位置を検出せずに、モータを正弦波信号によってオープンループ制御することを特徴とする。本システムは音響雑音を軽減するため、超音波搬送周波数(例えば約20kHz)を用いている。また、ハードウェア構成を最小限に抑えながらも、一つのASICだけで各種用途のモータ動作要求事項を満たすことができる、きわめてコストパフォーマンスの高いモータ駆動システムである。本システムは、AC/DC変換器、専用集積回路(ASIC)、ゲートドライブ/パワートランジスタ回路、およびDC/DCステップダウン・チョッパによって構成され、3相ACモータを駆動する。
【選択図】図1
Description
Controlof Output Frequency and Voltage of PWM Inverter” にも、モータ駆動のための出力PWM信号を生成する符号化方法が記載されている。778号特許の主な目的は、インバータ出力電流をフィードバック信号として用いたインバータ出力電圧の能動制御を行うことである。しかし、778号特許には、PWM信号エンコーダおよびPWM信号デコーダの構成法について開示されていない。さらに、778号特許には、出力信号波形の生成に必要な正弦関数表および基準V/F関数表の記憶装置、またはそれらの記憶データを使って所望の変調信号の出力を計算する方法の記述も全くない。
(1)3相PMACモータのロータ位置を検出せずに、正弦波を用いてオープンループ駆動できるシステムであること。
(2)モータ駆動正弦波信号の歪率を極力小さくしてアナログ信号に近づけること。
(3)搬送周波数(Carrier Frequency)を超音波領域に設定し、デジタル制御特有の煩わしい音響雑音を軽減すること。
(4)制御回路を簡略化・小型化するために、従来技術のマイコン方式やDSP方式に代わって、論理部に専用LSI(Application Specific IC, ASIC)回路を採用し、アナログ回路やメモリを含まない、フルデジタル構成とすること。
Claims (19)
- パルス符号幅変調(PCWM)方式を用いたモータ駆動システムであって、3相ACモータを正弦波信号によりセンサレス・オープンループで駆動でき、
該PCWM方式を用いたモータ駆動システムは、
(1)DCバス電圧をゲートドライブ/パワートランジスタ回路に供給するAC/DC変換器と、
(2)PCWM信号エンコーダから単位正弦関数表番地 n を受信したときに、前記PCWM信号エンコーダに単位正弦関数値 nuを提供する最大振幅正弦関数から成る単位正弦関数表と、
(3)前記PCWM信号エンコーダからマシン周波数 fmを受信したときに、前記PCWM信号エンコーダにマシン電圧 vmを出力する周波数/電圧(V/F)関数表と、
(4)加減速定数 kadとコマンド周波数 fc に基づき、前記マシン周波数 fm と前記マシン電圧 vm を更新し、また、周波数増倍係数 kfmf を使用して求めた前記単位正弦関数表番地 nを前記単位正弦関数表に入力して得られる前記単位正弦関数値 nuと前記マシン電圧 vm に基づき、PCWM値 d を算出し、これをPCWM信号デコーダに提供する有限状態機械から成る前記PCWM信号エンコーダと、
(5)直列に接続されたDフリップフロップ、7ビット・アップカウンタおよびトグル・フリップフロップから成り、前記PCWM信号エンコーダから入力された前記PCWM値 d に基づいて、中央変調パルス幅変調(PWM)信号 g を前記ゲートドライブ/パワートランジスタ回路に出力する前記PCWM信号デコーダと、
(6)前記PCWM信号デコーダから出力される前記中央変調PWM信号 g に対応して、前記DCバス電圧をオンオフ変調する前記ゲートドライブ/パワートランジスタ回路とから成り、
前記オンオフ変調された前記DCバス電圧を前記3相ACモータに印加して駆動することを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項1に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、さらにDC/DCステップダウン・チョッパを含み、
該DC/DCステップダウン・チョッパは、
前記DCバス電圧を入力して、前記ゲートドライブ/パワートランジスタ回路の制御用DC電源と専用大規模集積回路(ASIC)のDC電源を供給することを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項2に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記DCバス電圧は、約 150vdcから約 300vdc の間の範囲にあり、
前記DC/DCステップダウン・チョッパは、前記DCバス電圧を約 15vdc および約 5vdc の前記制御用DC電源に変換して、前記ゲートドライブ/パワートランジスタ回路に供給し、
前記DC/DCステップダウン・チョッパは、前記DCバス電圧を約 3.3vdc の前記DC電源に変換して、前記ASICに供給することを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項2に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記ASICは、
クロック発生器と、
前記単位正弦関数表と、
前記V/F関数表と、
前記PCWM信号エンコーダと、
前記PCWM信号デコーダとから成り、
すべてデジタル回路により小型化したことを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項4に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記クロック発生器は、
クロック信号CK1、CK3およびCK5を前記PCWM信号エンコーダに供給し、クロック信号CK1、CK3およびCK4を前記PCWM信号デコーダに供給することを特徴、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項5に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記PCWM信号エンコーダはさらに、
電源投入時に前記クロックCK5の周期ごとに、前記加減速定数 kad を外部から入力し、
前記電源投入時に前記クロックCK5の周期ごとに、前記周波数増倍係数 kfmf を外部から入力し、
モータ起動後には前記クロックCK5の周期ごとに、前記コマンド周波数 fcを外部から入力し、
前記マシン周波数 fmおよび前記マシン電圧 vm を前記クロックCK5の周期ごとに、更新し、
複数の前記PCWM値 d を前記クロックCK3の周期ごとに更新して、前記PCWM信号デコーダに提供することを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項6に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記PCWM信号エンコーダは、前記PCWM信号デコーダに前記PCWM値 d を供給し、
前記PCWM信号デコーダは、前記ゲートドライブ/パワートランジスタ回路に複数の前記中央変調PWM信号 g を出力し、
前記ゲートドライブ/パワートランジスタ回路は、U相上アームおよびU相下アームと、V相上アームおよびV相下アームと、W相上アームおよびW相下アームとから成り、各相のアームは上下に直列接続されて、前記各相を前記複数の前記中央変調PWM信号 g によって前記DCバス電圧を前記オンオフ変調することにより、3個の正弦波モータ駆動信号U、VおよびWをつくって、前記3相ACモータに印加することを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項5に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記PCWM信号エンコーダは、前記電源投入時に前記クロックCK5の割込み周期ごとに、前記加減速定数 kad と前記周波数増倍係数 kfmf を外部から入力して、それぞれ、周波数増分レジスタ対DEと周波数増倍レジスタFとに保持し、また、前記モータ起動後には前記クロックCK5の割込み周期ごとに、前記コマンド周波数 fc を外部から入力して、前記マシン周波数 fm および前記マシン電圧 vm を更新するように動作し、
前記PCWM信号エンコーダはさらに、
(1)前記コマンド周波数 fc が前記マシン周波数 fm と等しいかどうかを判別し、fc= fm である場合には前記マシン周波数fm の更新を終了し、その他の場合には前記マシン周波数 fm の前記更新を継続し続ける比較器と、
(2)前記マシン周波数 fm を記憶するマシン周波数レジスタ対BCと、
(3)前記マシン周波数レジスタ対BCの内容を前記周波数増分レジスタ対DEの内容によって増分または減分して前記マシン周波数レジスタ対BCの内容を更新し、さらに前記マシン周波数レジスタBの内容を前記マシン周波数 fm とする加減算要素と、
(4)単位正弦関数表走査速度を更新するため、前記マシン周波数レジスタ対BCの前記内容に前記周波数増倍レジスタFの内容を乗算し、乗算結果を2で割って単位正弦関数表番地増分値を求め、正弦関数表番地増分レジスタ対PQに格納する乗算要素と、
(5)前記マシン周波数 fm の一次関数である前記マシン電圧 vm を出力する前記V/F関数表と、
(6)前記PCWM信号デコーダへの入力としての前記複数の前記PCWM値 d を生成するために、前記マシン電圧 vm を記憶するマシン電圧レジスタGによって構成したことを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項8に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、各種モータの加減速度仕様を満たすために、前記加減速定数 kadを外部から選択的に入力できるようにしたことを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。
- 請求項8に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記マシン周波数レジスタ対BC、前記周波数増分レジスタ対DE、および前記正弦関数表番地増分レジスタ対PQは、よりきめ細かな周波数制御を行うために、つぎのCK5の割込み周期まで小数値を保持するように、2倍精度レジスタによって構成したことを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項5に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記PCWM信号エンコーダは、前記クロックCK3の割込み周期ごとに、前記単位正弦関数表番地 n を更新して前記PCWM値 d を前記PCWM信号デコーダに出力し、単位正弦関数表走査速度を変えることによって、前記モータ駆動システムの出力周波数を制御し、
該PCWM信号エンコーダはさらに、
(1)前記単位正弦関数表からの前記単位正弦関数値 nuを保持する単位正弦関数レジスタHと、
(2)前記V/F関数表からの前記マシン電圧 vmを保持するマシン電圧レジスタGと、
(3)前記単位正弦関数表番地 n を保持する単位正弦関数表番地レジスタ群MNLと、
(4)前回の前記クロックCK5の割込み周期における正弦関数表番地増分値を保持する前記正弦関数表番地増分レジスタ対PQと、
(5)前記単位正弦関数表番地レジスタ群MNLの内容を前記正弦関数表番地増分レジスタ対PQの内容および桁上げで増分して、前記単位正弦関数表番地 n を更新し、前記単位正弦関数表番地レジスタ対MNの前記内容を前記単位正弦関数表番地 n とする第1加算要素と、
(6)前記単位正弦関数表番地 n を入力して、前記単位正弦関数値 nuを求め、前記単位正弦関数レジスタHに格納する前記単位正弦関数表と、
(7)前記単位正弦関数表走査速度の更新サブプログラムと、
(8)前記単位正弦関数表番地レジスタ対MNに記憶された前記単位正弦関数表番地 n を、240°の位相角と等価な 480増分して、3相の前記単位正弦関数値 nuを得る動作を3回繰り返して、前記単位正弦関数表番地 n の更新をする第2加算要素と、
(9)前記単位正弦関数表番地レジスタMNの前記内容を単位正弦関数表の長さ 720と比較する第1の比較器と、
(10)前記単位正弦関数表番地 n が前記単位正弦関数表の長さ 720を超えるときは、前記正弦関数表番地レジスタ対MNの内容から前記単位正弦関数表の長さ 720 を減算して、前記単位正弦関数表番地 n をリセットする減算要素と、
(11)前記3相の前記単位正弦関数表番地 n の更新が完了したかどうかを判別する第2の比較器とから構成したことを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項11に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、各種モータの最大出力周波数仕様を満たすために、前記周波数増倍係数 kfmf を外部からプログラムして入力できるようにしたことを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。
- 請求項11に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記マシン周波数レジスタ対BC、前記単位正弦関数表番地レジスタ群MNL、および前記正弦関数表番地増分レジスタ対PQは、よりきめ細かな周波数制御を行うために、つぎのCK3の割込み周期まで小数値を保持するように、2倍精度レジスタによって構成したことを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項5に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記PCWM信号エンコーダは、前記クロックCK3の割込み周期ごとに、前記単位正弦関数値 nu に前記マシン電圧 vm を乗算して得られる部分正弦関数値 nf の瞬時振幅値を、一定周期幅をもつ単位PWMパルス間隔内の前記PCWM値 d に変換することによって、前記モータ駆動システムの出力電圧を制御し、
該PCWM信号エンコーダはさらに、
(1)前記単位正弦関数表からの前記単位正弦関数値 nuを保持する単位正弦関数レジスタHと、
(2)前記V/F関数表からの前記マシン電圧 vmを保持するマシン電圧レジスタGと、
(3)前記単位正弦関数値 nu が正であるかどうかを判別する比較器と、
(4)前記単位正弦関数値 nu が正である場合は、前記単位正弦関数レジスタHの内容に前記マシン電圧レジスタGの内容を乗算し、それ以外の場合には前記単位正弦関数レジスタHの前記内容の1の補数をとった後で乗算を行う乗算要素と、
(5)前記乗算要素の乗算結果の上位8ビットは前記部分正弦関数値 nf の絶対値であり、これを保持する部分正弦関数レジスタAと、
(6)h80 を前記部分正弦関数レジスタAの内容に加算し、前記単位正弦関数値 nuが正である場合は、前記加算要素の結果の1の補数をとり、それ以外の場合には前記加算要素の前記結果に何もしない加算要素と、
(7)前記加算要素の前記結果から得られるPWM片側変調オフ期間値 2d を保持するレジスタと、
(8)前記PWM片側変調オフ期間値 2d を2で割って、前記PCWM信号デコーダへの入力となるPWM中央変調前半オフ期間値を表す前記PCWM値 d を得る除算要素とによって構成されることを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項14に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記乗算要素および前記加算要素が、-127 から 127の前記瞬時振幅値をもつ前記部分正弦関数値 nf を、前記一定周期幅をもつ前記単位PWMパルス間隔内の、 0 から 255の大きさのパルス幅値 pwに変換するように構成したことを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項5に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記PCWM信号デコーダは、前記3相ACモータ駆動のために3個のチャネルから成り、前記PCWM信号エンコーダから3個の前記PCWM値 d を入力して、前記ゲートドライブ/パワートランジスタ回路への6個の前記中央変調PWM信号 g を生成するように構成し、
該PCWM信号デコーダはさらに、
(1)前記PCWM信号エンコーダからの前記3個の前記PCWM値 d は、符号化された3相の正弦波モータ駆動信号U、VおよびWを表し、
(2)前記クロック発生器は、マシンクロック信号を生成するため、前記クロック信号CK1を前記7ビット・アップカウンタおよび前記トグル・フリップフロップに供給し、前縁ロード信号を生成するため、前記クロック信号CK3を前記Dフリップフロップ、前記7ビット・アップカウンタおよび前記トグル・フリップフロップに供給し、
中間点ロード信号を生成するため、前記クロック信号CK4を前記Dフリップフロップ、前記7ビット・アップカウンタおよび前記トグル・フリップフロップに供給し、
(3)前記Dフリップ・フロップは、前記PCWM信号エンコーダから入力される前記3個の前記PCWM値 d を保持し、
前記クロック信号CK3を受信したときには、前記単位PWMパルス間隔内の中間点より前の前半極性反転信号生成のため、前記保持したデータ d の1の補数データ d を、
前記クロック信号CK4を受信したときには、前記単位PWMパルス間隔内の中間点より後ろの後半極性反転信号生成のため、前記保持したデータ d を、それぞれ前記7ビット・アップカウンタに供給し、
(4)前記7ビット・アップカウンタは、前記クロック信号CK1によってカウントアップを行い、カウンタの内容がフルになったときに、前記単位PWMパルス間隔内の前記中間点より前と後の2回の桁上げ信号 cryを前記トグル・フリップフロップに、それぞれ、前記前半極性反転信号と前記後半極性反転信号として出力し、
(5)前記トグル・フリップフロップは、前記2回の桁上げ信号 cry を受信することによって出力信号の極性を反転し、該出力信号は前記6個の前記中央変調PWM信号 g のうちの1個であり、
これら時間軸上で復号された前記6個の前記中央変調PWM信号 g が前記ゲートドライブ/パワートランジスタ回路の3相の上チャネルおよび下チャネルの入力信号として供給されることを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - 請求項16に記載のPCWM方式を用いたモータ駆動システムであって、
前記単位PWMパルス間隔内の6個のパワートランジスタのオンオフ動作によって、片側変調PWM信号では前記パワートランジスタの異なる相の上アームと下アームの相互導通が1回起こるのに対して、前記中央変調PWM信号 g では前記相互導通が2回生じるので、よりきめ細かな電流波形となり、モータ駆動がさらに滑らかになることを特徴とする、PCWM方式を用いたモータ駆動システム。 - パルス符号幅変調(PCWM)方式を用いて3相ACモータを正弦波信号によって駆動する方法であって、
単位正弦関数表番地 n に基づいて、最大振幅正弦関数から成る単位正弦関数表から単位正弦関数値 nu をとり出すことと、
マシン周波数 fm に基づいて、電圧/周波数(V/F)関数表からマシン電圧 vm をとり出すことと、
加減速定数 kad およびコマンド周波数 fc に基づいて、前記マシン周波数 fm と前記マシン電圧 vm を周期的に更新することと、
周波数増倍係数 kfmf と前記マシン電圧 vm および前記単位正弦関数値 nu に基づいて、部分正弦関数値 nf を演算して、複数のPCWM値 d を生成することと、
前記複数のPCWM値 d に基づいて、複数の中央変調パルス幅変調信号 g を生成することと、
3相ACモータを駆動するため、前記複数の中央変調PWM信号 g によってDCバス電圧を変調することとより成ることを特徴とする方法。 - モータ駆動システムであって、
単位正弦関数表番地 n に基づいて、最大振幅正弦関数から成る単位正弦関数表から単位正弦関数値 nu をとり出す手段と、
マシン周波数 fm に基づいて、電圧/周波数(V/F)関数表からマシン電圧 vm をとり出す手段と、
周波数増倍係数 kfmf と前記マシン電圧 vm および前記単位正弦関数値 nu に基づいて、部分正弦関数値 nf を演算して、複数のPCWM値 d を生成する手段と、
前記複数のPCWM値 d に基づいて、複数の中央変調パルス幅変調(PWM)信号g を生成する手段と、
3相ACモータを駆動するため、前記複数の中央変調PWM信号 g によってDCバス電圧を変調する手段とより成ることを特徴とする、モータ駆動システム。
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