JP2011101508A - Motor controller - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバーター回路によりモーターを2相変調にて制御するモーター制御装置に関するものである。 The present invention relates to a motor control device that controls a motor by two-phase modulation using an inverter circuit.
従来のモーター制御装置では、モーターの相電圧を維持したまま2相変調にON期間やOFF期間を追加することで、低騒音・低振動を実現している(例えば、特許文献1参照。)。
また、別のモーター制御装置では、3相変調における所定周期内の複数のOFF期間(ゼロベクトル)の合計時間を変えることなくスイッチングのタイミングをランダムに変更することで、モーターで発生する耳障りな磁気音を分散して低騒音化を実現している(例えば、特許文献2参照。)。
In the conventional motor control device, low noise and low vibration are realized by adding an ON period and an OFF period to the two-phase modulation while maintaining the phase voltage of the motor (see, for example, Patent Document 1).
In another motor control device, the harsh magnetism generated by the motor is changed by randomly changing the switching timing without changing the total time of a plurality of OFF periods (zero vectors) within a predetermined period in the three-phase modulation. Noise is reduced by dispersing sound (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、特許文献1に記載の制御装置は、低騒音化するために2相変調にON期間やOFF期間を追加しており、スイッチングパターンが増えてスイッチング損失が増大する、即ち消費電力が増大するという課題がある。
また、特許文献2に記載の技術では、3相変調よりも損失が小さい2相変調で実現できないため、2相変調よりも損失が増大する、即ち消費電力が増大するという課題がある。
However, the control device described in
Moreover, since the technique described in
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、3相変調よりもスイッチング損失が小さい2相変調において、モーターから発生する耳障りな磁気音を分散して低騒音化を可能にすることができるモーター制御装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In two-phase modulation in which switching loss is smaller than that in three-phase modulation, it is possible to reduce noise by dispersing harsh magnetic sounds generated from a motor. An object of the present invention is to obtain a motor control device that can be used.
本発明に係るモーター制御装置は、直流を交流に変換する三相ブリッジ接続のスイッチング素子を有するインバーター回路と、インバーター回路の各スイッチング素子をスイッチングし、インバーター回路に接続されたモーターを2相変調にて制御する制御部とを備え、制御部は、所定周期毎に、モーターへの通電を遮断するためのスイッチング素子のスイッチングパターンの合計時間を変更することなくそのスイッチングパターンの各時間を可変するようにしたものである。 The motor control device according to the present invention switches an inverter circuit having a switching element of a three-phase bridge connection that converts direct current into alternating current, and switches each switching element of the inverter circuit, and the motor connected to the inverter circuit is subjected to two-phase modulation. A control unit that controls the switching pattern so as to vary each time of the switching pattern without changing the total time of the switching pattern of the switching element for cutting off the energization to the motor every predetermined period. It is a thing.
本発明においては、所定周期毎に、モーターへの通電を遮断するためのスイッチング素子のスイッチングパターンの合計時間を変更することなくそのスイッチングパターンの各時間を可変するようにしたので、モーターから発生する耳障りな磁気音を分散することができ、高効率で低騒音なモーター制御が実現できる。 In the present invention, since each time of the switching pattern is changed without changing the total time of the switching pattern of the switching element for cutting off the energization to the motor at every predetermined period, it is generated from the motor. It can disperse harsh magnetic sounds and achieve high efficiency and low noise motor control.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1におけるモーター制御装置の概略を示す回路図である。
図1において、直流電源1に接続されたインバーター回路5は、三相ブリッジ接続のスイッチング素子3a〜3f(例えば、バイポーラトランジスタ、IGBT、FET等)と、各スイッチング素子3a〜3fにそれぞれ逆並列に接続され、モーター電流を環流させるダイオード4a〜4fとから構成されている。なお、スイッチング素子3a〜3cとダイオード4a〜4cをハイサイド側、スイッチング素子3d〜3fとダイオード4d〜4fをローサイド側という。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an outline of a motor control device according to
In FIG. 1, an
制御部2は、例えばマイコンあるいはDSPよりなり、所定のスイッチングパターン(駆動信号)でインバーター回路5の各スイッチング素子3a〜3fをスイッチング(ON・OFF)し、直流電源1の直流電圧を任意の電圧・周波数の3相交流に変換し、インバーター回路5の出力端に接続されたモーター6の駆動を2相変調にて制御する。
The
図2は実施の形態1のモーター制御装置を用いての空間ベクトル法における3相変調時の各スイッチング素子のスイッチングパターンを示す図である。
図2に示す(100)などの数字は左からU相(3a、3d)、V相(3b、3e)、W相(3c、3f)の各スイッチング素子3a〜3fの動作状態を示している。(100)においては、1はU相のハイサイド側のスイッチング素子3aがON、ローサイド側のスイッチング素子3dがOFFし、中央の0はV相のローサイド側のスイッチング素子3eがON、ハイサイド側のスイッチング素子3bがOFFする。さらに、右端の0はW相のローサイド側のスイッチング素子3fがON、ハイサイド側のスイッチング素子3cがOFFする。
FIG. 2 is a diagram showing a switching pattern of each switching element at the time of three-phase modulation in the space vector method using the motor control device of the first embodiment.
Numbers such as (100) shown in FIG. 2 indicate the operating states of the
また、図2に示すp,nはそれぞれハイサイド側、ローサイド側を示しており、例えば、UpはU相のハイサイド側のスイッチング素子3a、UnはU相のローサイド側のスイッチング素子3dを示している。t1〜t4は各スイッチング素子3a〜3fのスイッチングパターンの期間(時間)で、その合計時間(t1〜t4)をキャリア周期としている。なお、図2は説明を簡単にするために、各スイッチング素子3a〜3fのハイサイド側とローサイド側の短絡を防止するデッドタイム(Td)は省略している。
Further, p and n shown in FIG. 2 indicate the high side and the low side, respectively. For example, Up indicates the
図中に示すVinのベクトルが時計回りに回る方向を正とした場合、一般的にモーター6をある方向、例えばCW(時計回り)の方向に回転させるにはA→B→…→F→Aの区間を移動するように角度θを増加させてVinベクトルを回転させればよい。例えば、AではVinベクトルは(100)のベクトルと(110)のベクトルの合成で生成され、角度θ(θ=0〜60°)とt1,t2,t3,t4の関係は、次式の計算により求めることができる。
K=Vin/Vdc …(1)
t1=1/2×t4=1/4×(1−Ksin(θ+60°)−Ksinθ)・T …(2)
t2=1/2×KTsin(60°−θ) …(3)
t3=1/2×KTsinθ …(4)
ここで、Vinはモーター6への印加電圧、Vdcは母線電圧、Tはキャリア周期、Kは変調率である。
Assuming that the direction in which the vector of Vin shown in the drawing turns clockwise is positive, generally, the
K = Vin / Vdc (1)
t1 = 1/2 × t4 = 1/4 × (1−Ksin (θ + 60 °) −Ksinθ) · T (2)
t2 = 1/2 × KTsin (60 ° −θ) (3)
t3 = 1/2 × KTsinθ (4)
Here, Vin is a voltage applied to the
前述したt1のベクトルは(000)、t4のベクトルは(111)で、モーター6に通電されない期間である(以下、「ゼロベクトル」という)。また、ゼロベクトル以外のt2、t3はモーター6に通電する期間である(以下、「実ベクトル」という)。Vin>Vdcの時、K>1となり、前記の式(1)〜(4)を計算するとt1やt4が負となってしまうが、この場合は、(t1+t2+t3)×2+t4=T、かつt1〜t4がそれぞれ0以上となるように適宜t1〜t4の各期間に制限を設けて、K>1でもモーター6を制御できるようにする。
The vector of t1 described above is (000) and the vector of t4 is (111), which is a period in which the
図3は図2のAにおける各スイッチング素子のスイッチングパターンを示すタイミング図、図4、図5は従来の2相変調における各スイッチング素子のスイッチングパターンを示すタイミング図である。
図4は図3に示すゼロベクトル(111)のt4期間を(111)と同様にモーター6に通電されないゼロベクトル(000)のt1期間に振り分けてt1+t4/2期間とし、WpをLoに貼り付け、WnをHiに貼り付けた場合の2相変調の各スイッチング素子3a〜3fのスイッチングパターンを示したものである。図5は図3に示すゼロベクトル(000)のt1期間をゼロベクトル(111)のt4期間に挿入してt4+t1×2期間とし、UpをHiに貼り付け、UnをLoに貼り付けた場合の2相変調の各スイッチング素子3a〜3fのスイッチングパターンを示したものである。3相変調から2相変調にすることでモーターへの印加電圧を変えることなく、各スイッチング素子3a〜3fのスイッチング回数が2/3になりスイッチング損失を低減できる。これにより、高効率なモーター制御が可能になるということは周知の技術である。図4と図5といった貼り付け方法の選択は、モーター制御の安定性や騒音などの観点から適宜決められる。
FIG. 3 is a timing chart showing the switching pattern of each switching element in FIG. 2A, and FIGS. 4 and 5 are timing charts showing the switching pattern of each switching element in the conventional two-phase modulation.
In FIG. 4, the t4 period of the zero vector (111) shown in FIG. The switching patterns of the
ここで、モーター6の回転数や負荷が安定している場合、Vinがほぼ一定の値となるため、前述した式(1)〜(4)の結果からt1およびt4がほぼ一定の期間となる。そのため、図4におけるゼロベクトル(000)の期間(t1+t4/2)が一定となり、U相の各スイッチング素子3a、3dの切り替わりが一定のキャリア周期で発生することになる。また同様に、図5におけるゼロベクトル(111)の期間(t4+t1×2)が一定となるため、W相の各スイッチング素子3c、3fの切り替わりが一定のキャリア周期で発生する。一定のキャリア周期での各スイッチング素子3a〜3fの切り替わりはモーター6からの耳障りな磁気音を発生させることになる。この磁気音の対策としてはキャリア周波数を人の可聴域から外れる高い周波数域(例えば20kHz以上)とすればよいが、スイッチング周波数が高くなり、スイッチング損失が大幅に増大するという問題がある。
Here, when the rotation speed and load of the
次に、実施の形態1における2相変調について図6を用いて説明する。
図6は図4に対する実施の形態1のモーター制御装置における2相変調時の各スイッチング素子のスイッチングパターンを示すタイミング図である。
Next, two-phase modulation in the first embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a timing chart showing switching patterns of the respective switching elements at the time of two-phase modulation in the motor control device of the first embodiment with respect to FIG.
図4に対しては図6に示すように、1キャリア周期(所定周期)内の実ベクトル(100)(110)のt2,t3×2期間を変えず、そのキャリア周期の前半と後半に存在するゼロベクトル(000)のスイッチングパターンのt5,t6期間の合計時間を変更することなく、そのスイッチングパターンの前半のt5期間、後半のt6期間の各時間をランダムもしくは適当な規則で可変する(t1×2+t4=t5+t6)。ランダムで可変する場合のt5,t6期間は、例えば、次式の計算で求めることができる。
t5=(t1×2+t4)×α …(5)
t6=(t1×2+t4)−t5 …(6)
ここで、αは0〜1までのランダム数を示す。この制御は、図2のA以外のB〜Fの各区間でも同様に行うことができる。
なお、制御部2での演算負荷を抑えるためにt5を(t1×2+t4)とランダム数との論理積をとることで、演算を簡素化することも可能である。
For FIG. 4, as shown in FIG. 6, the t2, t3 × 2 period of the real vector (100) (110) within one carrier period (predetermined period) is not changed, and exists in the first half and the second half of the carrier period. Without changing the total time of the t5 and t6 periods of the switching pattern of the zero vector (000) to be performed, the times of the first t5 period and the latter t6 period of the switching pattern are varied randomly or according to an appropriate rule (t1). × 2 + t4 = t5 + t6). The period t5 and t6 in the case of changing at random can be obtained, for example, by calculation of the following equation.
t5 = (t1 × 2 + t4) × α (5)
t6 = (t1 × 2 + t4) −t5 (6)
Here, α represents a random number from 0 to 1. This control can be performed in the same manner in each section of B to F other than A in FIG.
Note that the calculation can be simplified by calculating the logical product of t5 (t1 × 2 + t4) and a random number in order to suppress the calculation load on the
以上のように実施の形態1においては、1キャリア周期毎に、モーター6への通電を遮断するための各スイッチング素子3a〜3fのスイッチングパターン(t5,t6)の合計時間を変更することなくそのスイッチングパターンの各時間を可変するようにしている。そのため、キャリア周波数成分を他の周波数成分に分散することができ、結果としてモーター6からのキャリア周波数成分の耳障りな磁気音を抑えることができ、高効率で低騒音なモーター制御が実現できる。
As described above, in the first embodiment, it is possible to change the total time of the switching patterns (t5, t6) of the
なお、実施の形態1では、1キャリア周期内において前半のt5期間、後半のt6期間の各時間をランダムもしくは適当な規則で可変するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば図7に示すように、1キャリア周期内の実ベクトル(110)のt3×2期間の長さ(時間)を変えず、その1キャリア周期内に2つ存在する実ベクトル(100)の合計時間(t7,t8)を変更することなく、そのt7,t8期間をランダムもしくは適当な規則で可変し、モーター6からの磁気音の特性を変えることで耳障りな磁気音を抑えることも可能である。
In the first embodiment, each time of the first t5 period and the second t6 period is varied randomly or by an appropriate rule within one carrier cycle. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 7, the total of two real vectors (100) existing in one carrier cycle without changing the length (time) of the t3 × 2 period of the real vector (110) in one carrier cycle. Without changing the time (t7, t8), it is possible to change the period of t7, t8 randomly or according to an appropriate rule, and to suppress the harsh magnetic sound by changing the characteristics of the magnetic sound from the
ランダムで可変する場合のt7,t8期間は、例えば、次式の計算で求めることができる。
t7=(t2×2)×α …(7)
t8=(t2×2)−t7 …(8)
この場合の制御も、図2のA以外のB〜Fの各区間でも同様に行うことができる。
また、制御部2での演算負荷を抑えるためにt7期間を(t2×2)とランダム数との論理積をとることで、演算を簡素化することも可能である。
The t7 and t8 periods in the case of varying at random can be obtained, for example, by calculation of the following equation.
t7 = (t2 × 2) × α (7)
t8 = (t2 × 2) −t7 (8)
The control in this case can also be performed in the same manner in each section of B to F other than A in FIG.
In addition, in order to reduce the calculation load on the
実施の形態2.
実施の形態2は、1キャリア周期(所定周期)毎に、モーター6に通電するための各スイッチング素子3a〜3fのスイッチングパターンの合計時間を変更することなくそのスイッチングパターンの各時間を可変するようにしたものである。なお、実施の形態2のモーター制御装置の回路構成は、図1に示す実施の形態1と同様である。
In the second embodiment, each time of the switching pattern is varied without changing the total time of the switching patterns of the
次に、実施の形態2における2相変調について図8を用いて説明する。
図8は図5に対する実施の形態2のモーター制御装置における2相変調時の各スイッチング素子のスイッチングパターンを示すタイミング図である。
図5に対しては図8に示すように、1キャリア周期内のゼロベクトル(111)のt4+t1×2期間と実ベクトル(110)のt3期間を変えず、その1キャリア周期の前半と後半に存在する実ベクトル(100)のt9,t10期間の合計時間を変更することなく、前半のt9期間、後半のt10期間の各時間をランダムもしくは適当な規則で可変する(t2×2=t9+t10)。ランダムで可変する場合のt9,t10期間は、例えば、次式の計算で求めることができる。
t9=(t2×2)×α …(9)
t10=(t2×2)−t9 …(10)
この制御は、図2のA以外のB〜Fの各区間でも同様に行うことができる。
なお、制御部2での演算負荷を抑えるためにt9を(t2×2)とランダム数との論理積をとることで、演算を簡素化することも可能である。
Next, two-phase modulation in the second embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a timing chart showing a switching pattern of each switching element at the time of two-phase modulation in the motor control device of the second embodiment with respect to FIG.
For FIG. 5, as shown in FIG. 8, the t4 + t1 × 2 period of the zero vector (111) in one carrier period and the t3 period of the real vector (110) are not changed, and in the first half and the second half of the one carrier period. Without changing the total time of t9 and t10 periods of the existing real vector (100), the times of the first t9 period and the latter t10 period are varied randomly or according to an appropriate rule (t2 × 2 = t9 + t10). The t9 and t10 periods in the case of random variation can be obtained, for example, by calculation of the following equation.
t9 = (t2 × 2) × α (9)
t10 = (t2 × 2) −t9 (10)
This control can be performed in the same manner in each section of B to F other than A in FIG.
Note that the calculation can be simplified by taking the logical product of t9 (t2 × 2) and a random number in order to suppress the calculation load on the
以上のように実施の形態2においては、1キャリア周期毎に、モーター6に通電するための各スイッチング素子3a〜3fのスイッチングパターン(t9,t10)の合計時間を変更することなくそのスイッチングパターンの各時間を可変するようにしている。そのため、キャリア周波数成分を他の周波数成分に分散することができ、結果としてモーター6からのキャリア周波数成分の耳障りな磁気音を抑えることができ、高効率で低騒音なモーター制御が実現できる。
As described above, in the second embodiment, the switching pattern of each switching
なお、実施の形態2では、1キャリア周期の前半と後半に存在する実ベクトル(100)のt9,t10期間の合計時間を変更することなく、そのt9,t10期間の各時間を可変するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば図9に示すように、1キャリア周期内のゼロベクトル(111)のt4+t1×2期間の長さ(時間)を変えず、その1キャリア周期内に2つ存在する実ゼロベクトル(110)の合計時間を変更することなく、そのt11,t12期間をランダムもしくは適当な規則で可変し、モーター6からの磁気音の周波数特性を変えることで耳障りな磁気音を抑えることも可能である。
In the second embodiment, the respective times of the t9 and t10 periods are changed without changing the total time of the t9 and t10 periods of the real vector (100) existing in the first half and the second half of one carrier cycle. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 9, the length (time) of the t4 + t1 × 2 period of the zero vector (111) in one carrier cycle is not changed, and two real zero vectors (110) existing in the one carrier cycle are not changed. It is also possible to suppress unpleasant magnetic sounds by changing the frequency characteristics of the magnetic sound from the
ランダムで可変する場合のt11,t12期間は、例えば、次式の計算で求めることができる。
t11=(t3×2)×α …(11)
t12=(t3×2)−t11 …(12)
この場合の制御も、図2のA以外のB〜Fの各区間でも同様に行うことができる。
また、制御部2での演算負荷を抑えるためにt9期間を(t2×2)とランダム数との論理積をとることで、演算を簡素化することも可能である。
The t11 and t12 periods when randomly varying can be obtained by, for example, calculation of the following equation.
t11 = (t3 × 2) × α (11)
t12 = (t3 × 2) −t11 (12)
The control in this case can also be performed in the same manner in each section of B to F other than A in FIG.
In addition, in order to reduce the calculation load on the
1 直流電源、2 制御部、3a〜3f スイッチング素子、4a〜4f ダイオード、5 インバーター回路、6 モーター。 1 DC power supply, 2 control unit, 3a to 3f switching element, 4a to 4f diode, 5 inverter circuit, 6 motor.
Claims (2)
前記インバーター回路の各スイッチング素子をスイッチングし、前記インバーター回路に接続されたモーターを2相変調にて制御する制御部とを備え、
前記制御部は、所定周期毎に、モーターへの通電を遮断するためのスイッチング素子のスイッチングパターンの合計時間を変更することなくそのスイッチングパターンの各時間を可変することを特徴とするモーター制御装置。 An inverter circuit having a switching element of a three-phase bridge connection that converts direct current into alternating current;
A controller that switches each switching element of the inverter circuit and controls the motor connected to the inverter circuit by two-phase modulation;
The said control part changes each time of the switching pattern, without changing the total time of the switching pattern of the switching element for interrupting | blocking the electricity supply to a motor for every predetermined period.
前記インバーター回路の各スイッチング素子をスイッチングし、前記インバーター回路に接続されたモーターを2相変調にて制御する制御部とを備え、
前記制御部は、所定周期毎に、モーターに通電するためのスイッチング素子のスイッチングパターンの合計時間を変更することなくそのスイッチングパターンの各時間を可変することを特徴とするモーター制御装置。 An inverter circuit having a switching element of a three-phase bridge connection that converts direct current into alternating current;
A controller that switches each switching element of the inverter circuit and controls the motor connected to the inverter circuit by two-phase modulation;
The said control part changes each time of the switching pattern, without changing the total time of the switching pattern of the switching element for supplying with electricity to a motor for every predetermined period.
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