JP2017175787A - インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの制御応答性を確保しつつ、過変調領域でのモータの制御安定性を向上させるインバータ制御装置を提供する。
【解決手段】モータの出力トルクが所要のトルクとなるようにモータを駆動する電流値を制御するインバータ制御装置は、モータに与える電流指令値と電流検出手段からの電流検出値に基づいて電圧指令値を比例積分制御を用いて生成する電流制御手段を備え、電圧指令値とインバータの直流母線電圧に基づいて算出される変調率がその目標値と一致するようにモータの電流位相を調整し、電圧指令値が直流母線電圧を超える過変調時に略台形波状の電圧をモータに印加するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータを任意の回転数で駆動するインバータ制御装置に関するものである。

従来、過変調領域でブラシレスＤＣモータを駆動するインバータ制御装置として、モータを位置センサレス駆動するための出力電圧指令値を積分制御を用いず比例制御を用いて生成する出力電圧演算手段と、出力電圧演算手段からの出力電圧指令値とインバータに入力される直流母線電圧との比較を行いスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段と、スイッチング信号生成手段からのスイッチング信号に基づいて複数のスイッチング素子を動作させることにより電圧を印加してモータを駆動するインバータ主回路とを備え、出力電圧指令値が直流母線電圧を超える過変調時に過変調でない場合の出力電圧よりも大きな電圧をモータに印加するものがある（例えば特許文献１を参照）。

特許文献１の方法によれば、モータに印加される出力電圧を増加させることができ、モータの駆動範囲を拡大することができる。

特許第３６４４３９１号公報

しかしながら、前記従来の構成の制御装置では、モータを駆動するための電圧指令値を積分制御を用いず比例制御を用いて生成しているため、モータの制御応答性が要求される用途には不向きであるという課題を有していた。

また、過変調領域でモータを駆動する場合には指令通りの電圧をモータに印加することが困難であり、モータの制御応答性を確保するために比例積分制御を用いた一般的なベクトル制御の構成では、その入力偏差が増加あるいは減少し易くなるため、過変調領域において比例積分制御の計算値が過大に増加あるいは減少することでモータの制御安定性が低下するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、モータの制御応答性を確保しつつ、過変調領域でのモータの制御安定性を向上させることができるインバータ制御装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ制御装置は、複数相のモータと、直流電力を交流電力に変換し前記モータへ電力を供給するインバータと、前記モータを駆動する電流値を検出する電流検出手段とを含み、前記モータの出力トルクが所要のトルクとなるように前記モータを駆動する電流値を制御するインバータ制御装置において、前記モータに与える電流指令値と前記電流検出手段からの電流検出値とに基づいて電圧指令値を比例積分制御を用いて生成する電流制御手段を備え、前記電圧指令値と前記インバータの直流母線電圧とに基づいて算出される変調率がその目標値と一致するように前記モータの電流位相を調整し、前記電圧指令値が前記直流母線電圧を超える過変調時に略台形波状の電圧を前記モータに印加するものである。

これによって、モータの制御応答性を確保しつつ、弱め界磁制御の効果を過剰に高めることなく必要最小限の電流位相により過変調領域でのモータの安定駆動を実現できるため、モータ駆動システムの効率向上とモータの駆動範囲を拡大することができる。

本発明のインバータ制御装置は、モータの制御緒応答性を確保しつつ、過変調領域でのモータの制御安定性を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態におけるインバータ制御装置のシステム構成図 本発明の第２の実施の形態におけるインバータ制御装置のシステム構成図 本発明のインバータ制御装置の第１の動作特性図 本発明のインバータ制御装置の第２の動作特性図

第１の発明は、複数相のモータと、直流電力を交流電力に変換し前記モータへ電力を供給するインバータと、前記モータを駆動する電流値を検出する電流検出手段とを含み、前記モータの出力トルクが所要のトルクとなるように前記モータを駆動する電流値を制御するインバータ制御装置において、前記モータに与える電流指令値と前記電流検出手段からの電流検出値とに基づいて電圧指令値を比例積分制御を用いて生成する電流制御手段を備え、前記電圧指令値と前記インバータの直流母線電圧とに基づいて算出される変調率がその目標値と一致するように前記モータの電流位相を調整し、前記電圧指令値が前記直流母線電圧を超える過変調時に略台形波状の電圧を前記モータに印加するものであり、モータの制御応答性を確保しつつ、弱め界磁制御の効果を過剰に高めることなく必要最小限の電流位相により過変調領域でのモータの安定駆動を実現できるため、モータ駆動システムの効率向上とモータの駆動範囲を拡大することができる。

第２の発明は、特に第１の発明のインバータ制御装置において、過変調時に前記電流制御手段の積分項絶対値が所定値以下となるように前記変調率の目標値、あるいは前記モータの回転数の少なくともいずれか一つを調整するものであり、過変調領域において比例積分制御の計算値が過大に増加あるいは減少することを確実に回避してモータの制御安定性の低下を防止することができる。

第３の発明は、特に第２の発明のインバータ制御装置において、変調率の目標値とモータの回転数の両方を調整する場合、モータの回転数を調整するよりも先に変調率の目標値を調整するものであり、可能な限りモータの回転数を維持することで動作信頼性の高いインバータ制御装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるインバータ制御装置のシステム構成図である。このインバータ制御装置は、商用電源等の交流電源１より電力を供給され、供給された電力を整流する整流手段２と、整流手段２からの出力電圧を平滑する平滑手段３と、平滑手段３からの平滑電圧を所望の周波数、電圧値の交流電圧に変換する直交変換手段４と、モータ５を駆動するための情報を直交変換手段４に伝達するインバータ制御手段６を備える。

インバータ制御手段６は、マイクロコンピュータやシステムＬＳＩ等により構成可能な
もので、ベースドライバ１０、ＰＷＭ信号生成部１１、電流制御部１２、電流指令生成部１３、回転子位置速度推定部１４、電流位相調整部１５、相電流変換部１６、変調率算出部１７の各機能ブロックを備えている。

相電流変換部１６では、電流検出手段７に流れる直交変換手段４の直流側の母線電流を観察し、その母線電流をモータ５の相電流に変換する（相電流変換部１６の具体的な方法については例えば特開２００３−１８９６７０号公報等の文献を参照されたい）。

なお、電流センサ等を用いてモータ５の相電流を直接検出しても良いことは言うまでもない。

回転子位置速度推定部１４では、相電流変換部１６により変換されたモータ５の相電流と、電流制御部１２で演算されるモータ５の電圧指令値の情報により、モータ５の回転子磁極位置と回転速度を推定する（回転子位置速度推定部１４の具体的な方法については例えば特開２００１−３７２８１号公報等の文献を参照されたい）。

変調率算出部１７では、電圧検出手段８から検出された直流母線電圧Ｖｄｃと電流制御部１２で演算されるモータ５の電圧指令値の情報により、変調率σを算出する。

σ＝相電圧指令値振幅／（Ｖｄｃ／２） ・・・（１）
図３は、電流制御部１２から出力される相電圧指令値（Ｖｕｓ、Ｖｖｓ、Ｖｗｓ）の１相分の波形例を示しており、相電圧指令値Ｖｓ１の振幅Ａ１は（Ｖｄｃ／２）未満のため通常変調（変調率σ≦１）であり、相電圧指令値Ｖｓ２の振幅Ａ２は（Ｖｄｃ／２）を超えるため過変調（変調率σ＞１）となる。また、直交変換手段４により出力可能な電圧範囲は（−Ｖｄｃ／２〜＋Ｖｄｃ／２）であるため、過変調時は相電圧指令値そのもの（正弦波）をモータ５に印加することはできず、実際にモータ５に印加される電圧は±Ｖｄｃ／２で制限された略台形波（相電圧指令値Ｖｓ２の場合は図３の太線で示した波形）となる。なお、過変調時（相電圧指令値Ｖｓ２の場合）は通常変調時（相電圧指令値Ｖｓ１の場合）に対してモータ５に印加できる電圧（図３の斜線部分に相当）を増加することができるため、モータ５の駆動範囲を拡大することができる。

電流位相調整部１５では、変調率算出部１７で算出された変調率σが予め設定された目標変調率σｔｇと一致するように電流位相βｍを調整する。

具体的には、目標変調率σｔｇに対して変調率σが小さい場合は電流位相βｍが過剰な状態であるため、所定の時間変化率Δβｄｎで電流位相βｍを減少させることで、弱め界磁制御の効果を低めて変調率σが大きくなるように作用させ、目標変調率σｔｇに対して変調率σが大きい場合は電流位相βｍが不足する状態であるため、所定の時間変化率Δβｕｐで電流位相βｍを増加させることで、弱め界磁制御の効果を高めて変調率σが小さくなるように作用させる。

本発明のインバータ制御装置では、目標変調率σｔｇを１より大きくすることで過変調領域でのモータ５の駆動を実現するものである。

電流指令生成部１３では、回転子位置速度推定部１４で推定されたモータ５の速度推定値と外部から与えられる目標速度との偏差情報に基づいてモータ５の回転速度が目標速度に一致するように比例積分演算等を用いて電流指令振幅Ｉｓを導出する。その電流指令振幅Ｉｓと電流位相調整部１５から出力される電流位相βｍにより、回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）を導出する。

電流制御部１２では、モータ５の制御応答性が要求される用途にも適用すべく比例積分制御を用いる構成とし、前述のように求められた回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）と、モータ５の電流検出値（Ｉｄ、Ｉｑ）（相電流変換部１６より変換されたモータ５の相電流を３相／２相変換することで算出）とが一致するように比例積分演算を用いて回転座標系の電圧指令値（Ｖｄｓ、Ｖｑｓ）を導出する。その回転座標系の電圧指令値（Ｖｄｓ、Ｖｑｓ）を２相／３相変換することで相電圧指令値（Ｖｕｓ、Ｖｖｓ、Ｖｗｓ）を導出する。

具体的には、電流制御部１２における回転座標系の電圧指令値（Ｖｄｓ、Ｖｑｓ）は、次式により導出される。

Ｖｄｓ＝ＫＰＤ×（Ｉｄｓ−Ｉｄ）＋ＫＩＤ×∫（Ｉｄｓ−Ｉｄ）ｄｔ ・・・（２）
Ｖｑｓ＝ＫＰＱ×（Ｉｑｓ−Ｉｑ）＋ＫＩＱ×∫（Ｉｑｓ−Ｉｑ）ｄｔ ・・・（３）
ここで、ＫＰＤはｄ軸比例ゲイン、ＫＩＤはｄ軸積分ゲイン、ＫＰＱはｑ軸比例ゲイン、ＫＩＱはｑ軸積分ゲインである。

なお、過変調領域でモータ５を駆動する場合には指令通りの電圧をモータ５に印加することが困難であり、比例積分演算の入力偏差（ｄ軸、ｑ軸の電流偏差）が増加あるいは減少し易くなるため、過変調領域において比例積分演算の計算値が過大に増加あるいは減少しないように比例積分演算の積分項（式（２）および式（３）の第二項）に上下限リミットを設ける構成としている。

ＰＷＭ信号生成部１１では、前述のように求められた相電圧指令値（Ｖｕｓ、Ｖｖｓ、Ｖｗｓ）よりモータ５を駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。

前述のように求められたＰＷＭ信号は最終的にベースドライバ１０に出力され、直交変換手段４を構成するスイッチング素子を駆動する。

このように、モータ５の電圧指令値と直流母線電圧Ｖｄｃに基づいて算出される変調率σが目標変調率σｔｇと一致するようにモータ５の電流位相βｍを調整し、目標変調率σｔｇを１より大きくすることで、モータ５の電圧指令値が直流母線電圧Ｖｄｃを超える過変調時に略台形波状の電圧をモータ５に印加するものであり、モータ５の電圧指令値を比例積分制御を用いて生成することでモータ５の制御応答性を確保しつつ、弱め界磁制御の効果を過剰に高めることなく必要最小限の電流位相βｍにより過変調領域でのモータ５の安定駆動を実現できるため、モータ駆動システムの効率向上とモータ５の駆動範囲を拡大することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態におけるインバータ制御装置のシステム構成図を示すものである。図１に示す第１の実施の形態にけるインバータ制御装置と同じ構成要素は同一符号で示してあり、その説明は重複するため省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

本発明の第２の実施の形態におけるインバータ制御装置では、第１の実施の形態のインバータ制御装置に対して、速度・変調率設定部１８の機能ブロックの追加と、電流制御部１２、電流指令生成部１３、電流位相調整部１５の３つの機能ブロックの動作が異なるため、以下その内容について説明する。

電流制御部１２では、回転座標系の電圧指令値（Ｖｄｓ、Ｖｑｓ）の導出過程で計算される積分項計算値（式（２）および式（３）の第二項に上下限リミット処理を実施した値であり、±Ｖｌｉｍ１で制限）の絶対値を取得した積分項絶対値を出力する。

図４は、ｄ軸またはｑ軸いずれか一方の積分項絶対値の波形例を示したものであり、目標変調率σｔｇまたはモータ５の回転速度に対して積分項絶対値は単調増加傾向となり、過変調領域や高速領域で積分項絶対値が大きくなる。この積分項絶対値が過大となりリミット値Ｖｌｉｍ１で制限が掛かってしまうと、電流制御部１２の比例積分制御における積分制御によるモータ５の電圧指令値の調整が困難となり、モータ５の制御安定性の低下を招いてしまう。

そのため、速度・変調率設定部１８では、電流制御部１２から出力される積分項絶対値が予め設定された所定値Ｖｌｉｍ２（積分項のリミット値Ｖｌｉｍ１より小さい値）以下となるように、目標変調率σｔｇあるいは目標速度の少なくともいずれか一つを調整する。

ここで、積分項絶対値に応じて目標変調率σｔｇを調整する場合について説明する。ｄ軸またはｑ軸の少なくともいずれか一方の積分項絶対値が所定値Ｖｌｉｍ２を超える場合、目標変調率σｔｇを所定の時間変化率Δσｄｎで減少させることで、図４のように積分項絶対値が減少するように作用させる（目標変調率σｔｇを減少させると、電流位相調整部１５で調整される電流位相βｍが増加し、弱め界磁制御の効果が高まることで電流制御部１２の電圧指令値が減少するため、積分項絶対値も減少する）。ｄ軸およびｑ軸の積分項絶対値がともに所定値Ｖｌｉｍ２以下の場合、外部から与えられる変調率指令よりも目標変調率σｔｇが小さい場合に変調率指令と一致するまで目標変調率σｔｇを所定の時間変化率Δσｕｐで増加させる。

また、積分項絶対値に応じて目標速度を調整する場合について説明する。ｄ軸またはｑ軸の少なくともいずれか一方の積分項絶対値が所定値Ｖｌｉｍ２を超える場合、目標速度を所定の時間変化率Δωｄｎで減少させることで、図４のように積分項絶対値が減少するように作用させる（目標速度を減少させると電流指令生成部１３で導出される電流指令値が減少し、その電流指令値に基づいて電流制御部１２で導出される電圧指令値が減少するため、積分項絶対値も減少する）。ｄ軸およびｑ軸の積分項絶対値がともに所定値Ｖｌｉｍ２以下の場合、外部から与えられる速度指令よりも目標速度が小さい場合に速度指令と一致するまで目標速度を所定の時間変化率Δωｕｐで増加させる。

なお、積分項絶対値に応じて目標変調率σｔｇと目標速度の両方を調整する場合には、目標速度の調整よりも先に目標変調率σｔｇの調整をすることで、可能な限りモータ５の回転数を維持することで動作信頼性の高いインバータ制御装置を提供することができる。

電流位相調整部１５では、変調率算出部１７で算出された変調率σが速度・変調率設定部１８から出力される目標変調率σｔｇに一致するように電流位相βｍを調整する。

電流指令生成部１３では、回転子位置速度推定部１４で推定されたモータ５の速度推定値と速度・変調率設定部１８から出力される目標速度との偏差情報に基づいてモータ５の回転速度が目標速度に一致するように比例積分演算等を用いて電流指令振幅Ｉｓを導出する。その電流指令振幅Ｉｓと電流位相調整部１５から出力される電流位相βｍにより、回転座標系の電流指令値（Ｉｄｓ、Ｉｑｓ）を導出する。

このように、モータ５の電圧指令値と直流母線電圧Ｖｄｃに基づいて算出される変調率
σが目標変調率σｔｇと一致するようにモータ５の電流位相βｍを調整し、目標変調率σｔｇを１より大きくすることで、モータ５の電圧指令値が直流母線電圧Ｖｄｃを超える過変調時に略台形波状の電圧をモータ５に印加するものであり、モータ５の電圧指令値を比例積分制御を用いて生成することでモータ５の制御応答性を確保しつつ、弱め界磁制御の効果を過剰に高めることなく必要最小限の電流位相βｍにより過変調領域でのモータ５の安定駆動を実現できるため、モータ駆動システムの効率向上とモータ５の駆動範囲を拡大することができる。

さらに、電流制御部１２の積分項絶対値が所定値Ｖｌｉｍ２以下となるように目標変調率σｔｇあるいは目標速度の少なくともいずれか一つを調整することで、過変調領域において比例積分制御の計算値が過大に増加あるいは減少することを確実に回避してモータの制御安定性の低下を防止することができる。

以上のように、本発明にかかるインバータ制御装置は、モータの制御応答性を確保しつつ、過変調領域でのモータの制御安定性を向上させることができるため、空気調和機、冷蔵庫、冷凍機、ヒートポンプ給湯機等の圧縮機モータを駆動する用途に適用できる。

１ 交流電源
２ 整流手段
３ 平滑手段
３ａ リアクタ
３ｂ コンデンサ
４ 直交変換手段
５ モータ
６ インバータ制御手段
７ 電流検出手段
８ 電圧検出手段
１０ ベースドライバ
１１ ＰＷＭ信号生成部
１２ 電流制御部
１３ 電流指令生成部
１４ 回転子位置速度推定部
１５ 電流位相調整部
１６ 相電流変換部
１７ 変調率算出部
１８ 速度・変調率設定部

Claims (3)

1. 複数相のモータと、直流電力を交流電力に変換し前記モータへ電力を供給するインバータと、前記モータを駆動する電流値を検出する電流検出手段とを含み、前記モータの出力トルクが所要のトルクとなるように前記モータを駆動する電流値を制御するインバータ制御装置において、
   前記モータに与える電流指令値と前記電流検出手段からの電流検出値とに基づいて電圧指令値を比例積分制御を用いて生成する電流制御手段を備え、前記電圧指令値と前記インバータの直流母線電圧とに基づいて算出される変調率がその目標値と一致するように前記モータの電流位相を調整し、前記電圧指令値が前記直流母線電圧を超える過変調時に略台形波状の電圧を前記モータに印加することを特徴とするインバータ制御装置。
2. 過変調時に前記電流制御手段の積分項絶対値が所定値以下となるように前記変調率の目標値、あるいは前記モータの回転数の少なくともいずれか一つを調整することを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記変調率の目標値と前記モータの回転数の両方を調整する場合、前記モータの回転数を調整するよりも先に前記変調率の目標値を調整することを特徴とする請求項２に記載のインバータ制御装置。

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