JP2010088149A - インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの制御性の悪化を抑えることが可能なインバータ制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】モータインバータ４１からモータ３９に出力される２相間の電圧Ｖｕ−ｖ、Ｖｗ−ｖのそれぞれのレベルが切り替わるタイミングの所定時間ｔ１前から所定時間ｔ１の２倍の所定時間ｔ２後まで、交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを保持し、保持した交流電流、又は、保持しなかった交流電流と、外部から入力される指令値とに基づいて、モータインバータ４１からモータ３９に出力される各相のそれぞれの電圧が矩形波になるようにモータインバータ４１の各スイッチング素子４２〜４７のそれぞれのオン、オフを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータインバータの動作を制御するインバータ制御装置に関する。

モータの制御方法としてＰＷＭ制御方法がある。このＰＷＭ制御方法として、例えば、モータに流れる交流電流の振幅値に基づいて指令電圧を求め、その求めた指令電圧と基準三角波との比較結果によりモータインバータの各スイッチング素子のそれぞれのオン、オフを制御する制御信号のデューティを求めるものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、他のモータの制御方法として、モータに流れる交流電流をｄ軸方向に流れる電流ｉｄ１とｑ軸方向に流れる電流ｉｑ１とに変換し、その電流ｉｄ１、ｉｑ１と指令値とにより指令電圧を求め、その求めた指令電圧に基づいて制御信号のデューティを求めるものがある。

図３は、電流ｉｄ１、ｉｑ１と指令値とにより求められる指令電圧に基づいて制御信号のデューティを求める場合のインバータ制御装置を示す図である。
図３に示すインバータ制御装置３０は、位置速度算出部３１と、電流算出部３２と、電流変換部３３と、電流テーブル３４と、指令電圧出力部３５と、電圧変換部３６と、制御信号生成部３７とを備えて構成されている。

位置速度算出部３１は、レゾルバ３８（モータ位置センサ）から出力される、モータ３９のロータの回転数に比例した周波数の交流電圧（位置情報）に基づいて、ロータの現在の位置θ及び回転速度ωを算出する。

電流算出部３２は、電流センサ４０の出力電圧Ｖｕｖ１、Ｖｖｗ１に基づいて、モータ３９のＵ相に流れる交流電流Ｉｕ、Ｖ相に流れる交流電流Ｉｖ、及びＷ相に流れる交流電流Ｉｗを算出する。

電流変換部３３は、交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、モータ３９のｄ軸方向に流れる電流ｉｄ及びモータ３９のｑ軸方向に流れる電流ｉｑに変換する。
電流テーブル３４は、外部（例えば、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）など）から入力される指令値（例えば、モータ３９の回転数やトルクなど）と、回転速度ωと、モータ３９のｄ軸方向に流すべき指令電流ｉｄ１（ｄ軸指令電流）及びモータ３９のｑ軸方向に流すべき指令電流ｉｑ１（ｑ軸指令電流）とが対応付けられて格納されており、指令値と回転速度ωとが入力されると、それらに対応する指令電流ｉｄ１、ｉｑ１を出力する。

指令電圧出力部３５は、指令電流ｉｄ１、ｉｑ１に基づいて、指令電圧Ｖｄ、Ｖｑを出力する。
電圧変換部３６は、ロータの現在の位置θに基づいて、指令電圧Ｖｄ、Ｖｑを、指令電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。

制御信号生成部３７は、指令電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づいて、モータインバータ４１からモータ３９に出力される各相の電圧がそれぞれ矩形波になるようにモータインバータ４１のスイッチング素子４２〜４７のそれぞれのオン、オフを制御するための制御信号Ｓ１〜Ｓ６を生成し出力する（以下、矩形波制御という）。

これにより、モータ３９のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に互いに位相差が１２０度異なる交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが流れ、モータ３９のステータに回転磁界が生成され、モータ３９のロータが回転する。

また、上述のインバータ制御装置３０では、矩形波制御を行っているため、上記出力電圧の１周期の間にスイッチング素子４２〜４７が何回もオン、オフするＰＷＭ制御に比べてスイッチング素子４２〜４７のそれぞれのオン時間を長くすることができ、モータインバータ４１の入力電圧Ｖｉｎを最大限利用してモータインバータ４１からモータ３９に交流電圧を出力させることができる。
特開２００５−５１９９３号公報

しかしながら、上述したように、矩形波制御を行う場合は、図４（ａ）に示すように、モータインバータ４１からモータ３９に出力されるＵ相−Ｖ相間の電圧Ｖｕ−ｖ（破線）やＷ相−Ｖ相間の電圧Ｖｗ−ｖ（点線）のレベル変動が大きく、交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに高調波成分が重畳されてしまう。図４（ａ）には、理想的な正弦波のＵ相の交流電流Ｉｕ（細線）と、高調波成分が重畳された交流電流Ｉｕ（太線）とが示されている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す交流電流Ｉｕをフーリエ変換した結果を示す図である。
図４（ｂ）に示すように、交流電流Ｉｕに重畳される各次の高調波成分のうち５次、７次の高調波成分の振幅が大きいことがわかる。

そして、高調波成分が重畳された交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、電流ｉｄ、ｉｑに変換すると、その電流ｉｄ、ｉｑは、図４（ｃ）に示すように、直流成分にならない。そのため、指令電圧出力部３５より出力される指令電圧Ｖｄ、Ｖｑの時間変動が大きくなり、結果的にモータ３９の制御性が悪化してしまうという問題がある。

そこで、本発明では、矩形波制御によりモータインバータの各スイッチング素子を制御する場合において、モータの制御性の悪化を抑えることが可能なインバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成を採用した。
すなわち、本発明のインバータ制御装置は、モータインバータに備えられる複数のスイッチング素子がそれぞれオン、オフすることによりモータインバータからモータに流れる各相の交流電流に基づいて、前記モータインバータから前記モータに出力される各相のそれぞれの電圧が矩形波になるように前記各スイッチング素子のそれぞれのオン、オフを制御するインバータ制御装置であって、前記各相の電圧に基づいて前記各相の交流電流を算出する電流算出手段と、前記各相の電圧のうち２相間の電圧レベルが切り替わるタイミングの第１の所定時間前から前記第１の所定時間より長い第２の所定時間後まで、前記各相の交流電流を保持するサンプルホールド手段と、前記サンプルホールド手段により保持された前記各相の交流電流、又は、前記サンプルホールド手段により保持されなかった前記各相の交流電流と、外部から入力される指令値とに基づいて、前記各スイッチング素子のそれぞれのオン、オフを制御する制御手段とを備える。

これにより、２相間の電圧レベルの切り替わりタイミングで生じる交流電流の高調波成分を無視して制御手段により各スイッチング素子が制御されるため、各スイッチング素子が正確に制御されモータを正常に駆動させることができる。

また、前記モータを３相モータとし、前記サンプルホールド手段が、前記２相間の電圧レベルの６つの切替タイミングにおいて、それぞれ、前記第１の所定時間前から前記第２の所定時間後まで、前記各相の交流電流を保持するように構成してもよい。

また、前記第２の所定時間を前記第１の所定時間の２倍としてもよい。
また、前記制御手段は、モータ位置センサにより検出される前記モータのロータの位置情報に基づいて前記ロータの現在の位置及び回転速度を算出する位置速度算出手段と、前記指令値と、前記位置速度算出手段により算出される回転速度と、前記モータのｄ軸方向に流すべきｄ軸指令電流及び前記モータのｑ軸方向に流すべきｑ軸指令電流とが対応付けられて格納される電流テーブルと、前記サンプルホールド手段により保持された前記各相の交流電流、又は、前記サンプルホールド手段により保持されなかった前記各相の交流電流を前記ロータの現在の位置に基づいて前記モータのｄ軸方向に流れるｄ軸電流及び前記モータのｑ軸方向に流れるｑ軸電流に変換する電流変換手段と、前記指令値及び前記回転速度により前記電流テーブルから取り出されたｄ軸指令電流及びｑ軸指令電流、並びに、前記電流変換手段により変換されたｄ軸電流及びｑ軸電流に基づいてｄ軸指令電圧及びｑ軸指令電圧を出力する指令電圧出力手段と、前記指令電圧出力手段から出力されたｄ軸指令電圧及びｑ軸指令電圧を前記ロータの現在の位置に基づいて前記各相にそれぞれ対応する指令電圧に変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段により変換される各指令電圧に基づいて前記各スイッチング素子のオン、オフを制御するための制御信号を生成する制御信号生成手段とを備えるように構成してもよい。

本発明によれば、矩形波制御によりモータインバータの各スイッチング素子を制御する場合において、モータの制御性の悪化を抑えることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態のインバータ制御装置を示す図である。なお、図３に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。

図１に示すインバータ制御装置１は、例えば、マイクロコンピュータなどにより構成され、サンプルホールド部２（サンプルホールド手段）と、位置速度算出部３１（位置速度算出手段）と、電流算出部３２（電流算出手段）と、電流変換部３３（電流変換手段）と、電流テーブル３４と、指令電圧出力部３５（指令電圧出力手段）と、電圧変換部３６（電圧変換手段）と、制御信号生成部３７（制御信号生成手段）とを備えて構成されている。

サンプルホールド部２は、モータインバータ４１からモータ３９に出力される２相間の電圧Ｖｕ−ｖ及び電圧Ｖｗ−ｖのそれぞれのレベルが切り替わるタイミングの所定時間ｔ１（第１の所定時間）前から所定時間ｔ１より長い所定時間ｔ２（第２の所定時間）後まで、電流算出部３２から出力される交流電流Ｉｕ、交流電流Ｉｖ、及び交流電流Ｉｗを保持する。なお、電流算出部３２から出力される、所定時間ｔ２以外の交流電流Ｉｕ、交流電流Ｉｖ、及び交流電流Ｉｗは、サンプルホールド部２で保持されずそのまま電流変換部３３に出力される。

電流変換部３３は、サンプルホールド部２で保持された交流電流Ｉｕ、交流電流Ｉｖ、及び交流電流Ｉｗ、又は、サンプルホールド部２で保持されなかった交流電流Ｉｕ、交流電流Ｉｖ、及び交流電流Ｉｗを電流ｉｄ、ｉｑに変換する。

制御信号生成部３７は、上述したように、指令電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づいて、モータインバータ４１からモータ３９に出力される各相の電圧がそれぞれ矩形波になるようにモータインバータ４１のスイッチング素子４２〜４７のそれぞれのオン、オフを制御するための制御信号Ｓ１〜Ｓ６を生成し出力するが、その他の動作として、指令電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの周波数に基づいて電圧Ｖｕ−ｖ及び電圧Ｖｗ−ｖのそれぞれのレベルの切替タイミングをモータ３９のロータの１周期（以下、モータ周期という）において６回求め、その求めた各切替タイミングをサンプルホールド部２に出力する。

例えば、図２（ａ）に示す電圧Ｖｕ−ｖ（破線）及び電圧Ｖｗ−ｖ（点線）のそれぞれのレベルの切替タイミングがサンプルホールド部２に出力される場合、サンプルホールド部２は、図２（ｂ）に示す点線、破線、及び一点鎖線のように、各切替タイミングの所定時間ｔ１前から所定時間ｔ１の２倍の所定時間ｔ２後まで（図２（ｂ）の例では点線で示している）、電流算出部３２から出力される交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを保持する。

なお、上記所定時間ｔ１、ｔ２は、指令電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの周波数に応じて変更してもよい。
また、上記実施形態において所定時間ｔ２は、所定時間ｔ１の２倍に設定しているが、所定時間ｔ１、ｔ２はそれぞれ任意な値に設定可能である。

図２（ｃ）は、所定時間ｔ２のみを変化させた場合において、図２（ａ）及び図（ｂ）に示す交流電流Ｉｕをフーリエ変換した結果を示す図である。
図２（ｃ）に示すように、所定時間ｔ２を一番長くした場合（一点鎖線）、交流電流Ｉｕに重畳する５次、７次の高調波成分の振幅が最も低減することがわかる。

位置速度算出部３１、電流算出部３２、電流テーブル３４、指令電圧出力部３５、及び電圧変換部３６のそれぞれの動作は、上述した動作と同じであるため説明を省略する。
このように、本実施形態のインバータ制御装置１では、モータインバータ４１からモータ３９に出力される２相間の電圧Ｖｕ−ｖ及び電圧Ｖｗ−ｖのそれぞれのレベルの切り替わりタイミングで生じる交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの高調波成分を無視して制御信号生成部３７によりスイッチング素子４２〜４７のオン、オフを制御することができるため、スイッチング素子４２〜４７を正確に制御することができモータ３９を制御性良く駆動させることができる。

本発明の実施形態のインバータ制御装置を示す図である。 （ａ）は電圧Ｖｕ−ｖ、Ｖｗ−ｖ及び交流電流Ｉｕを示し、（ｂ）は所定時間ｔ１、ｔ２を示し、（ｃ）は交流電流Ｉｕに対するフーリエ変換の結果を示している。 従来のインバータ制御装置を示す図である。 （ａ）は電圧Ｖｕ−ｖ、Ｖｗ−ｖ及び交流電流Ｉｕを示し、（ｂ）は交流電流Ｉｕに対するフーリエ変換の結果を示し、（ｃ）は矩形波制御における交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ及び指令電流ｉｄ１、ｉｑ１を示す図である。

符号の説明

１ インバータ制御装置
２ サンプルホールド部
３０ インバータ制御装置
３１ 位置速度算出部
３２ 電流算出部
３３ 電流変換部
３４ 電流テーブル
３５ 指令電圧出力部
３６ 電圧変換部
３７ 制御信号生成部
３８ レゾルバ
３９ モータ
４０ 電流センサ
４１ モータインバータ
４２〜４７ スイッチング素子

Claims (4)

1. モータインバータに備えられる複数のスイッチング素子がそれぞれオン、オフすることによりモータインバータからモータに流れる各相の交流電流に基づいて、前記モータインバータから前記モータに出力される各相のそれぞれの電圧が矩形波になるように前記各スイッチング素子のそれぞれのオン、オフを制御するインバータ制御装置であって、
   前記各相の電圧に基づいて前記各相の交流電流を算出する電流算出手段と、
   前記各相の電圧のうち２相間の電圧レベルが切り替わるタイミングの第１の所定時間前から前記第１の所定時間より長い第２の所定時間後まで、前記各相の交流電流を保持するサンプルホールド手段と、
   前記サンプルホールド手段により保持された前記各相の交流電流、又は、前記サンプルホールド手段により保持されなかった前記各相の交流電流と、外部から入力される指令値とに基づいて、前記各スイッチング素子のそれぞれのオン、オフを制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするインバータ制御装置。
2. 請求項１に記載のインバータ制御装置であって、
   前記モータは、３相モータであり、
   前記サンプルホールド手段は、前記２相間の電圧レベルの６つの切替タイミングにおいて、それぞれ、前記第１の所定時間前から前記第２の所定時間後まで、前記各相の交流電流を保持する、
   ことを特徴とするインバータ制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のインバータ制御装置であって、
   前記第２の所定時間は、前記第１の所定時間の２倍である、
   ことを特徴とするインバータ制御装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のインバータ制御装置であって、
   前記制御手段は、
   モータ位置センサにより検出される前記モータのロータの位置情報に基づいて前記ロータの現在の位置及び回転速度を算出する位置速度算出手段と、
   前記指令値と、前記位置速度算出手段により算出される回転速度と、前記モータのｄ軸方向に流すべきｄ軸指令電流及び前記モータのｑ軸方向に流すべきｑ軸指令電流とが対応付けられて格納される電流テーブルと、
   前記サンプルホールド手段により保持された前記各相の交流電流、又は、前記サンプルホールド手段により保持されなかった前記各相の交流電流を前記ロータの現在の位置に基づいて前記モータのｄ軸方向に流れるｄ軸電流及び前記モータのｑ軸方向に流れるｑ軸電流に変換する電流変換手段と、
   前記指令値及び前記回転速度により前記電流テーブルから取り出されたｄ軸指令電流及びｑ軸指令電流、並びに、前記電流変換手段により変換されたｄ軸電流及びｑ軸電流に基づいてｄ軸指令電圧及びｑ軸指令電圧を出力する指令電圧出力手段と、
   前記指令電圧出力手段から出力されたｄ軸指令電圧及びｑ軸指令電圧を前記ロータの現在の位置に基づいて前記各相にそれぞれ対応する指令電圧に変換する電圧変換手段と、
   前記電圧変換手段により変換される各指令電圧に基づいて前記各スイッチング素子のオン、オフを制御するための制御信号を生成する制御信号生成手段と、
   を備えることを特徴とするインバータ制御装置。