JP2012253963A - モータ駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】多相モータを停止させた状態で零相電圧を制御することによりモータの中性点電圧を制御して二次電池を充電する場合に、中性点から第２の負荷に流れるリプル電流を減少させてフィルタ装置の小容量化、小型化を図り、スイッチング損失の低減を可能にする。
【解決手段】モータ駆動システムの制御装置２０が、零相制御部２１及びＰＷＭ生成部２２を備え、モータ駆動に寄与する正相分電圧指令値を零としてモータＭを停止させた状態で、インバータＩＮＶの少なくとも一相のスイッチング素子に対するＰＷＭパルスの位相が他相のスイッチング素子に対するＰＷＭパルスと異なるように、望ましくは、各相で互いに同一の位相差を持つようにＰＷＭパルスを生成して第２の負荷としての二次電池ＢＡＴ_２の充電を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多相インバータによって多相モータを駆動するモータ駆動システムに関し、特に、多相モータの中性点と多相インバータの直流母線の片側との間に接続された二次電池等の負荷に電力を供給する機能を備えたモータ駆動システムに関するものである。

図５は、三相インバータＩＮＶによって駆動される三相モータＭの中性点（固定子巻線の中性点）Ｍ_０と三相インバータＩＮＶの直流母線負側（または正側）との間に二次電池等の第２の負荷５０を接続し、この負荷５０に供給する電圧を調整可能としたモータ駆動システムであり、モータＭには、モータＭが発生する機械的動力によって駆動される第１の負荷（図示せず）が接続されている。なお、この回路とほぼ同様の回路は、例えば特許文献１に記載されている。
図５において、Ｔ_１〜Ｔ_６はインバータＩＮＶを構成する自己消弧形の半導体スイッチング素子、ＢＡＴは直流電源（その電圧をＶ_ｄｃとする）、Ｕ，Ｖ，ＷはインバータＩＮＶの各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の交流出力端子である。

この従来技術では、モータＭを駆動するための各相の正相分電圧指令値に全相同一の電圧指令値（零相電圧指令値）を重畳して各相の電圧指令値を生成する。この電圧指令値に従ってインバータＩＮＶをＰＷＭ制御し、直流母線とモータＭとの間でインバータＩＮＶを介して電力を授受することにより、モータＭを駆動して第１の負荷に機械的動力を供給すると共に、中性点Ｍ_０の電位を制御して第２の負荷５０への供給電圧を制御している。

図６は、図５のインバータＩＮＶをＰＷＭ制御するための制御装置の構成図であり、３ｚ，３ｕ，３ｖ，３ｗは加減算器、４は電流調節器（ＡＣＲ）、５ｕ，５ｖ，５ｗはコンパレータである。
ＰＷＭパルスの生成方法としては、まず、零相電流指令値Ｉ_ｃ ^＊と零相電流検出値ｉ_ｚｄｅｔとの偏差を加減算器３ｚにより求め、この偏差をゼロにするような零相電圧指令値ｖ_ｚ ^＊を電流調節器４により求める。零相電圧指令値ｖ_ｚ ^＊は、加減算器３ｕ，３ｖ，３ｗにより、モータ駆動に寄与する正相分電圧指令値ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊とそれぞれ加算され、電圧指令値（信号波）ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊が演算される。
電圧指令値ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊はコンパレータ５ｕ，５ｖ，５ｗにより共通の搬送波（三角波）とそれぞれ比較され、その結果に基づいてインバータＩＮＶの各相のスイッチング素子Ｔ_１〜Ｔ_６に与えるＰＷＭパルスが生成される。

特許第３２２３８４２号公報（段落[００２９]，[００３０]，[００３４]、図１０，図１３，図１７等）

特許文献１に開示された技術を用いて、インバータＩＮＶから正相分電圧を発生させずにモータＭを停止させる条件（ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊＝０）で図５のシステムを動作させると、図７に示すようにモータＭの全ての相電圧が同位相となり、搬送波の周期で発生する各相のリプル電流ｉ_ｕｒｉｐ，ｉ_ｖｒｉｐ，ｉ_ｗｒｉｐも同位相となる。ここで、図７は、ＰＷＭ制御における搬送波ｃａｒｉと信号波、インバータＩＮＶから出力される相電圧（直流母線の負側電圧を基準とする）、モータＭの中性点電圧（同上）、相電圧（前記中性点電圧Ｖ_ｎを基準とする）、及び、各相のリプル電流の波形を示している。
ここでは零相電圧指令値ｖ_ｚ ^＊をごく小さい値に仮定しているので、信号波ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊はｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊とそれぞれ等しく、図７ではｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊＝０としている。

負荷５０に流れるリプル電流ｉ_ｚｒｉｐは各相のリプル電流ｉ_ｕｒｉｐ，ｉ_ｖｒｉｐ，ｉ_ｗｒｉｐが同位相で加算されるため、図７に示すように、リプル電流ｉ_ｚｒｉｐのピーク値は各相リプル電流のピーク値Ｉ_ｒｉｐの相数倍つまり３倍の±３Ｉ_ｒｉｐとなって現れる。このリプル電流は負荷５０に悪影響を与えるので、容量の大きいフィルタ装置によって除去する必要がある。
上記リプル電流は搬送波の周波数を高くしてスイッチング周波数を高く設定すれば低減可能であるが、結果としてインバータＩＮＶの発生損失が増加するため、スイッチング周波数設定値を高くするにも限界がある。

そこで本発明の解決課題は、多相モータを停止させた状態で零相電圧を制御することによりモータの中性点の電圧を制御する場合において、中性点から負荷に流れるリプル電流を減少させてフィルタ装置の小容量化、小型化を図り、かつ、多相インバータにおけるスイッチング損失を低減させたモータ駆動システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、直流電源と、前記直流電源に直流母線を介して接続された多相インバータと、前記多相インバータから交流電力が供給されて第１の負荷を駆動する多相モータと、前記多相モータの中性点と前記直流母線の片側との間に接続された第２の負荷と、前記インバータの半導体スイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭパルスを生成する制御装置と、を有し、
前記制御装置が、前記インバータの各相の正相分電圧指令値に零相電圧指令値をそれぞれ重畳して前記インバータをＰＷＭ制御し、前記インバータを介して前記直流母線と前記モータとの間で電力を授受させることにより、前記モータの駆動及び前記中性点の電圧制御を行うモータ駆動システムにおいて、
前記制御装置は、前記正相分電圧指令値を零として前記モータを停止させた状態で、前記インバータの少なくとも一相のスイッチング素子に対するＰＷＭパルスの位相が他相のスイッチング素子に対するＰＷＭパルスと異なるようにＰＷＭパルスを生成するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載したモータ駆動システムにおいて、
前記制御装置は、前記インバータの各相のスイッチング素子に対するＰＷＭパルスが互いに同一の位相差（例えば、三相インバータであれば相毎に１２０°の位相差）を持つＰＷＭパルスを生成するものである。

なお、請求項３に記載するように、前記第２の負荷を二次電池とすれば、モータを停止させた状態で二次電池を充電することが可能である。

次に、本発明の作用を説明する。
すなわち、本発明においては、多相インバータの各相出力電圧の位相が同一にならないように、インバータを構成する各相の半導体スイッチング素子に与えるＰＷＭパルスに位相差を持たせる。
これにより、多相インバータの各相のリプル電流のピーク値発生タイミングが分散するので、各相リプル電流の総和として第２の負荷に流れるリプル電流を減少させることができる。

特に本発明では、数式１に従って各相のＰＷＭパルスの位相差を均等にすることにより、リプル電流の総和を最も減少させることができる。

上記の点を、図８の波形図を参照しつつ説明する。
各相の位相差が均等なＰＷＭパルスを生成するためには、搬送波を相毎に独立させ、これらの搬送波相互の位相差をそれぞれ同一にすればよい。ここでは、三相インバータを対象としているので、電気角で互いに１２０°の位相差を持つ三角波を各相の搬送波ｃａｒｉ_ｕ，ｃａｒｉ_ｖ，ｃａｒｉ_ｗとし、零相電圧を制御するために各相の信号波ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊は全相共通で零とする。そして、ＰＷＭパルスを、各相の搬送波ｃａｒｉ_ｕ，ｃａｒｉ_ｖ，ｃａｒｉ_ｗと信号波との大小をそれぞれ比較した結果に基づいて生成する。
図８においても、零相電圧指令値ｖ_ｚ ^＊をごく小さい値に仮定しているので、信号波ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊はｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊とそれぞれ等しく、図８ではｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊＝０としている。

この結果、直流母線の片側、例えば負側の電圧を基準とした各相電圧ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗは、図８に示すように、電気角で互いに１２０°の位相差を持った矩形波となる。ここで、第２の負荷５０の電圧は（１／２）Ｖ_ｄｃであるから、中性点電圧ｖ_ｎを基準としてモータＭの各相固定子巻線に印加される相電圧はｖ_ｕ−ｖ_ｎ，ｖ_ｖ−ｖ_ｎ，ｖ_ｗ−ｖ_ｎとなる。これらの電圧がモータＭの各相のインダクタンスに印加されるので、各相のリプル電流ｉ_ｕｒｉｐ，ｉ_ｖｒｉｐ，ｉ_ｗｒｉｐはそれぞれ数式２、数式３、数式４となる。
なお、波形の対称性から、θ＝１２０°〜３６０°の範囲については数式を省略する。

数式５に示すように、第２の負荷５０に流れるリプル電流は、各相のリプル電流ｉ_ｕｒｉｐ，ｉ_ｖｒｉｐ，ｉ_ｗｒｉｐの総和となる。

すなわち、図８に示すように、相毎に１２０°の位相差を持つ三角波を搬送波ｃａｒｉ_ｕ，ｃａｒｉ_ｖ，ｃａｒｉ_ｗとしてＰＷＭパルスを生成し、このＰＷＭパルスにより三相インバータのスイッチング素子をオンオフした場合の第２の負荷５０に流れるリプル電流ｉ_ｚｒｉｐのピーク値は、各相のリプル電流ｉ_ｕｒｉｐ，ｉ_ｖｒｉｐ，ｉ_ｗｒｉｐのピーク値Ｉ_ｒｉｐの１／３となり、前述した図７の従来技術と比較すると１／９になる。

本発明によれば、多相モータを停止させた状態で直流母線とモータとの間で電力を授受する場合に、第２の負荷に流れるリプル電流を従来よりも大幅に減少させることができる。このため、リプル電流を除去するためのフィルタ装置の小容量化、小型化が可能であり、装置全体の省スペース化、低コスト化を図ることができる。
また、多相インバータを低いスイッチング周波数で運転可能なため、発生損失の少ない多相インバータ、ひいてはモータ駆動システムを実現することができる。

本発明の実施形態を示す構成図である。 図１における零相制御部の構成図である。 図１におけるＰＷＭ生成部の構成図である。 ＰＷＭ生成部における各相のカウント値の説明図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。 図５のインバータをＰＷＭ制御するための制御装置の構成図である。 図５の動作を説明する波形図である。 本発明の実施形態の動作を説明する波形図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、三相インバータＩＮＶの直流母線に接続されたバッテリーＢＡＴ_１を電源として、インバータＩＮＶの交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続された三相モータＭを駆動するシステムであって、モータＭの中性点Ｍ_０と直流母線の負側との間に接続された二次電池ＢＡＴ_２を充電する機能を備えたモータ駆動システムを示している。なお、１は平滑コンデンサ、２ｕ，２ｖ，２ｗはインバータＩＮＶの各相出力電流（モータＭの各相電流）を検出する電流検出器、Ｔ_１〜Ｔ_６はインバータＩＮＶを構成する自己消弧形の半導体スイッチング素子である。
以下では、便宜的に二次電池ＢＡＴ_２を第２の負荷といい、モータＭによって機械的動力が供給される負荷（図示せず）を第１の負荷というものとする。

この実施形態の動作は、基本的に図５に示したものと同様であり、モータＭを駆動するための各相の正相分電圧指令値に全相共通の零相電圧指令値を重畳して各相の電圧指令値を生成し、この電圧指令値に従ってインバータＩＮＶをＰＷＭ制御する。そして、直流母線とモータＭとの間でインバータＩＮＶを介して電力を授受することにより、モータＭを駆動して第１の負荷に機械的動力を供給すると共に、モータＭの中性点Ｍ_０の電圧を制御して第２の負荷である二次電池ＢＡＴ_２への供給電圧を制御し、二次電池ＢＡＴ_２を充電する。

図１における２０は、インバータＩＮＶのスイッチング素子Ｔ_１〜Ｔ_６をオンオフ制御するための制御装置であり、零相制御部２１及びＰＷＭ生成部２２を備えている。
零相制御部２１は、外部から入力される零相電流指令値（充電電流指令値）Ｉ_ｃ ^＊及び充電シーケンス信号に従って零相電圧を制御し、二次電池ＢＡＴ_２の充電動作を制御する。

図２は零相制御部２１の構成を示しており、この零相制御部２１は、メモリ機能、外部通信機能及び外部バスインタフェース機能を搭載したマイコンにより構成されている。
図２において、加減算器３ｘにより零相電流検出値ｉ_ｚｄｅｔを求め、更に、加減算器３ｚにより求めた零相電流指令値Ｉ_ｃ ^＊と零相電流検出値ｉ_ｚｄｅｔとの偏差を電流調節器４に入力して零相電圧指令値ｖ_ｚ ^＊を演算する。零相電圧指令値ｖ_ｚ ^＊は、加減算器３ｕ，３ｖ，３ｗにより、モータ駆動に寄与する正相分電圧指令値ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊とそれぞれ加算され、電圧指令値ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊が演算される。モータＭを停止させた状態で二次電池ＢＡＴ_２の充電動作を制御する場合には、従来技術と同様に正相分電圧指令値ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊を零とする。
なお、前述したように、零相電圧指令値ｖ_ｚ ^＊をごく小さい値とすると、ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊はｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊とそれぞれ等しく、図８に示したようにｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊＝０となる。

電圧指令値ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊は、規格化演算器６において、搬送波である三角波の振幅に応じて規格化された後、図１のＰＷＭ生成部２２へ各相の電圧指令値ｖ_ｕ３ ^＊，ｖ_ｖ３ ^＊，ｖ_ｗ３ ^＊として伝送され、これらの電圧指令値ｖ_ｕ３ ^＊，ｖ_ｖ３ ^＊，ｖ_ｗ３ ^＊が搬送波とそれぞれ比較されることになる。

次いで、図３はＰＷＭ生成部２２の構成を示している。このＰＷＭ生成部２２は、上記電圧指令値ｖ_ｕ３ ^＊，ｖ_ｖ３ ^＊，ｖ_ｗ３ ^＊と搬送波とをそれぞれ比較してインバータＩＮＶのスイッチング素子Ｔ_１〜Ｔ_６に対するＰＷＭパルスを生成するためのもので、バス制御部７と三相分のパルス生成部１１ｕ，１１ｖ，１１ｗとから構成されている。

図３において、まず、バス制御部７は、各相のカウンタ初期値をパルス生成部１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ内のアップダウンカウンタ８にロードすると共に、カウント方向（Ｕ／Ｄ）初期値をパルス生成部１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ内の保持回路１０にロードする。
保持回路１０は、カウンタ８から出力されるカウント値に応じてカウントアップ／ダウン指令Ｕ／Ｄをカウンタ８に送出するものであり、カウントアップ／ダウン指令Ｕ／Ｄの初期値（カウント方向の初期値）はバス制御部７から入力されたＵ／Ｄ初期値に従い、カウンタ８のカウント値が予め設定された上限値に達したらカウントダウン指令を、下限値に達したらカウントアップ指令をカウンタ８に与えるようになっている。

また、バス制御部７は、図２の規格化演算器６により規格化された電圧指令値ｖ_ｕ３ ^＊，ｖ_ｖ３ ^＊，ｖ_ｗ３ ^＊をパルス生成部１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ内のコンパレータ９の反転入力端子にロードする。コンパレータ９の非反転入力端子には、カウンタ８から出力されるカウント値が搬送波として入力されており、このコンパレータ９の出力に基づいて各相のスイッチング素子に対するＰＷＭパルスが生成される。
ここで、パルス生成部１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの構成はすべて同一である。
各相のカウンタ８にはクロック信号が入力されており、バス制御部７が前記ロード動作を行ってから各相のカウンタ８がカウントを開始することで、各相の間で任意の位相差を持ち、しかも同期した三相分の搬送波をカウント値として生成することができる。

上述した構成の制御装置２０により、各相で位相が異なる独立した搬送波を用いて、所定の位相差を持つＰＷＭパルスを生成することができる。この場合、インバータＩＮＶの少なくとも一相のスイッチング素子に対するＰＷＭパルスの位相が他相のスイッチング素子に対するＰＷＭパルスと異なるようにすれば、二次電池ＢＡＴ_２に流れるリプル電流ｉ_ｚｒｉｐの振幅を低減することが可能である。
特に、各相で互いに同一の位相差（例えば、三相インバータであれば相毎に１２０°の位相差）を持つＰＷＭパルスを生成するには、図４に示すような搬送波ｃａｒｉ_ｕ，ｃａｒｉ_ｖ，ｃａｒｉ_ｗを生成すればよく、そのためには、表１に示す値をカウンタ初期値、カウント方向初期値として各相に設定し、アップダウンカウンタ８を動作させればよい。

これにより、図８に示したように、第２の負荷としての二次電池ＢＡＴ_２に流れるリプル電流ｉ_ｚｒｉｐのピーク値を図７の従来技術に比べて大幅に減少させることができ、フィルタ装置の小容量化、小型化によって装置全体の省スペース化、低コスト化が可能になる。
また、インバータのスイッチング周波数を高くする必要がないので、スイッチング損失の低減も可能である。

１：コンデンサ
２ｕ，２ｖ，２ｗ：電流検出器
３ｕ，３ｖ，３ｗ，３ｘ，３ｚ：加減算器
４：電流調節器
６：規格化演算器
７：バス制御部
８：アップダウンカウンタ
９：コンパレータ
１０：保持回路
１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ：パルス生成部
２０：制御装置
２１：零相制御部
２２：ＰＷＭ生成部
Ｍ：多相モータ
Ｍ_０：中性点
Ｕ，Ｖ，Ｗ：交流出力端子
ＢＡＴ_１：バッテリー（直流電源）
ＢＡＴ_２：二次電池（第２の負荷）
ＩＮＶ：多相インバータ
Ｔ_１〜Ｔ_６：半導体スイッチング素子

Claims (3)

1. 直流電源と、前記直流電源に直流母線を介して接続された多相インバータと、前記多相インバータから交流電力が供給されて第１の負荷を駆動する多相モータと、前記多相モータの中性点と前記直流母線の片側との間に接続された第２の負荷と、前記インバータの半導体スイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭパルスを生成する制御装置と、を有し、
   前記制御装置が、前記インバータの各相の正相分電圧指令値に零相電圧指令値をそれぞれ重畳して前記インバータをＰＷＭ制御し、前記インバータを介して前記直流母線と前記モータとの間で電力を授受させることにより、前記モータの駆動及び前記中性点の電圧制御を行うモータ駆動システムにおいて、
   前記制御装置は、前記正相分電圧指令値を零として前記モータを停止させた状態で、前記インバータの少なくとも一相のスイッチング素子に対するＰＷＭパルスの位相が他相のスイッチング素子に対するＰＷＭパルスと異なるようにＰＷＭパルスを生成することを特徴とするモータ駆動システム。
2. 請求項１に記載したモータ駆動システムにおいて、
   前記制御装置は、前記インバータの各相のスイッチング素子に対するＰＷＭパルスが互いに同一の位相差を持つＰＷＭパルスを生成することを特徴とするモータ駆動システム。
3. 請求項１または２に記載したモータ駆動システムにおいて、
   前記第２の負荷が、二次電池であることを特徴とするモータ駆動システム。

Images