JP2018174631A - モータ駆動用インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの小型化を図ることができるモータ駆動用インバータ装置を提供する。
【解決手段】ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する電流制御部６４と、モータに流れるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊から、モータの回転角θを算出する回転角推定部７０と、回転角推定部７０により算出したモータの角速度ωと、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑとから、磁束φを推定する推定磁束演算部８３と、を備える。インバータの電源電圧検出値Ｖｄｃを補正する電圧値補正部７２を有し、電圧値補正部７２は、モータの回転中に、推定磁束演算部８３にて推定された磁束φを基に、補正量を決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータ駆動用インバータ装置に関するものである。

モータ制御の中でも回転位置を推定しながら運転するという位置センサレス制御が行われており、特許文献１においては各相コイルに正方向及び負方向に所定のパルス幅の電圧を印加して流れる電流に基づいてロータの位置を導出している。

特開２０１６−１８５０４０号公報

ところで、位置センサレスで回転角を推定するときにモータ電流とインバータ出力電圧（モータ印加電圧）から回転角を推定する際に、ハードウェア、即ち、インバータから検出されてくる電圧の精度、電流の精度に起因して推定位置がずれてしまう。具体的には、例えば図５（ａ）に示すように、ロータ回転における制御位相が最大トルク位相に対しずれると、出力トルクが低下するため、その分を補うためのトルクマージンが必要になる。そのためモータの大型化を招いている。

本発明の目的は、モータの小型化を図ることができるモータ駆動用インバータ装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を算出する電流制御部と、モータに流れるｄ軸電流及びｑ軸電流と、前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値から、前記モータの回転角を算出する回転角推定部と、前記回転角推定部により算出した前記モータの角速度と、前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値と、前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流とから、磁束を推定する推定磁束演算部と、を備えたモータ駆動用インバータ装置であって、インバータの電源電圧検出値を補正する電圧値補正部を有し、前記電圧値補正部は、前記モータの回転中に、前記推定磁束演算部にて推定された磁束を基に、補正量を決定することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、電流制御部により、ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値が算出される。回転角推定部により、モータに流れるｄ軸電流及びｑ軸電流と、ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値から、モータの回転角が算出される。推定磁束演算部により、回転角推定部により算出したモータの角速度と、ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値と、ｄ軸電流及びｑ軸電流とから、磁束が推定される。インバータの電源電圧検出値を補正する電圧値補正部により、モータの回転中に、推定磁束演算部にて推定された磁束を基に、補正量が決定される。

このようにして、ロータ回転における制御位相が最大トルク位相にずれにくくして出力トルクの低下を抑制してトルクマージンの設定を小さくできモータの小型化を図ることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の発明において、前記電圧値補正部にて決定される補正量は、前記推定磁束演算部にて推定された磁束が最大値となるように決定されるとよい。

本発明によれば、モータの小型化を図ることができる。

実施形態における車載用電動圧縮機を模式的に示す一部破断図。 モータ駆動用インバータ装置の構成図。 電圧値補正部の構成図。 補正係数及び推定磁束を示す図。 （ａ）は課題を説明するためのモータ特性及び必要出力トルクを示す図、（ｂ）は実施形態を説明するためのモータ特性及び必要出力トルクを示す図。

以下、本発明を車載用電動圧縮機に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態の車載用電動圧縮機は例えば車両空調装置に用いられる。つまり、本実施形態において車載用電動圧縮機の圧縮対象の流体は冷媒である。

図１に示すように、車両空調装置１０は、車載用電動圧縮機２０と、車載用電動圧縮機２０に対して冷媒を供給する外部冷媒回路１００とを備えている。外部冷媒回路１００は、例えば熱交換器及び膨張弁などを有している。車両空調装置１０は、車載用電動圧縮機２０によって冷媒が圧縮され、且つ、外部冷媒回路１００によって冷媒の熱交換及び膨張が行われることによって、車両の室内の冷暖房を行う。

なお、車両空調装置１０は、当該車両空調装置１０の全体を制御する空調ＥＣＵ１０１を備えている。空調ＥＣＵ１０１は、車内温度や設定温度等を把握可能に構成されており、これらのパラメータに基づいて、車載用電動圧縮機２０に対してオン／オフ指令等といった各種指令を送信する。

車載用電動圧縮機２０は、外部冷媒回路１００から冷媒が吸入される吸入口２１ａが形成されたハウジング２１と、ハウジング２１に収容された圧縮部２２及び三相モータ２３とを備えている。

ハウジング２１は、全体として略円筒形状である。ハウジング２１には、冷媒が吐出される吐出口２１ｂが形成されている。
圧縮部２２は、吸入口２１ａからハウジング２１内に吸入された冷媒を圧縮し、その圧縮された冷媒を吐出口２１ｂから吐出させるものである。なお、圧縮部２２の具体的な構成は、スクロールタイプ、ピストンタイプ、ベーンタイプ等任意である。

三相モータ２３は、圧縮部２２を駆動させるものである。三相モータ２３は、例えばハウジング２１に対して回転可能に支持された円柱状の回転軸２６と、当該回転軸２６に対して固定された円筒形状のロータ２４と、ハウジング２１に固定されたステータ２５とを有する。ロータ２４は、磁石２４ａが埋設された円筒形状のロータコア２４ｂを有している。磁石２４ａは永久磁石である。回転軸２６の軸線方向と、円筒形状のハウジング２１の軸線方向とは一致している。ステータ２５は、円筒形状のステータコア２５ａと、当該ステータコア２５ａに形成されたティースに捲回されたコイル２５ｂとを有している。ロータ２４及びステータ２５は、回転軸２６の径方向に対向している。

車載用電動圧縮機２０は、三相モータ２３を駆動させるモータ駆動用インバータ装置３１と、当該モータ駆動用インバータ装置３１が収容されたケース３２とを有するインバータユニット３０を備えている。三相モータ２３のコイル２５ｂとモータ駆動用インバータ装置３１とは電気的に接続されている。ケース３２は、固定具としてのボルト３３によってハウジング２１に固定されている。すなわち、本実施形態の車載用電動圧縮機２０には、モータ駆動用インバータ装置３１が一体化されている。

モータ駆動用インバータ装置３１は、回路基板３４と、当該回路基板３４と電気的に接続されたパワーモジュール３５とを備えている。回路基板３４には、各種電子部品が実装されている。ケース３２の外面にはコネクタ３６が設けられており、回路基板３４とコネクタ３６とが電気的に接続されている。コネクタ３６を介してモータ駆動用インバータ装置３１に電力供給が行われるとともに、空調ＥＣＵ１０１とモータ駆動用インバータ装置３１とが電気的に接続されている。

このようにして、車載用電動圧縮機２０は、ハウジング２１内に、圧縮部２２と、圧縮部２２を駆動する三相モータ２３が配置されるとともにモータ２３に電力を供給するモータ駆動用インバータ装置３１が一体化されている。

図２に示すように、モータ駆動用インバータ装置３１は、インバータ回路４０とインバータ制御装置５０を備えている。インバータ制御装置５０は、ドライブ回路５５と、ＰＷＭ制御部６０を備えている。

インバータ回路４０は、６つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と６つのダイオードＤ１〜Ｄ６を有する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としてＩＧＢＴを用いている。正極母線と負極母線との間に、Ｕ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１と、Ｕ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ２が直列接続されている。正極母線と負極母線との間に、Ｖ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ３と、Ｖ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ４が直列接続されている。正極母線と負極母線との間に、Ｗ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ５と、Ｗ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ６が直列接続されている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にはダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。正極母線、負極母線には平滑コンデンサＣを介して直流電源としてのバッテリＢが接続されている。

スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２の間が三相モータ（以下、モータという）２３のＵ相端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４の間がモータ２３のＶ相端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ５とスイッチング素子Ｑ６の間がモータ２３のＷ相端子に接続されている。上下のアームを構成するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有するインバータ回路４０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング動作に伴いバッテリＢの電圧である直流電圧を交流電圧に変換してモータ２３に供給することができるようになっている。

各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲート端子にはドライブ回路５５が接続されている。ドライブ回路５５は、制御信号に基づいてインバータ回路４０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチング動作させる。

スイッチング素子Ｑ２のエミッタと負極母線との間に電流センサ４１が設けられている。スイッチング素子Ｑ４のエミッタと負極母線との間に電流センサ４２が設けられている。スイッチング素子Ｑ６のエミッタと負極母線との間に電流センサ４３が設けられている。電圧センサＳ１によりバッテリＢの両端電圧（バッテリ電圧）、即ち、電源電圧が直流電圧として検出される。

本実施形態では回転位置センサを用いておらず位置センサレス化が図られている。モータの回転角（回転位置）θは後記する回転角推定部７０においてモータに流れるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊から算出される。

ＰＷＭ制御部６０は、速度制御部６１と、減算部６２，６３，６８と、電流制御部６４と、座標変換部６５，６６と、ＰＷＭ発生部６７と、回転角推定部７０と、電圧値補正部７２と、推定磁束演算部８３と、電圧値補正部７２を備えている。

座標変換部６５は、電流センサ４１，４２，４３による電流検出値からモータに流れるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗを検知する。また、座標変換部６５は、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ、及び、回転角推定部７０により算出されるモータの推定回転角（回転位置）θに基づいて、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗをｄ軸電流（励磁成分電流）Ｉｄ及びｑ軸電流（トルク成分電流）Ｉｑに変換する。なお、ｄ軸電流（励磁成分電流）Ｉｄはモータ２３に流れる電流において、界磁を発生させるための電流ベクトル成分であり、ｑ軸電流（トルク成分電流）Ｉｑはモータ２３に流れる電流において、トルクを発生させるための電流ベクトル成分である。

減算部６８は、外部から入力される回転数指令値と推定回転数との差を算出する。なお、推定回転数は、回転角推定部７０において演算される推定角速度ωに基づいて得られる。

速度制御部６１は、外部から入力される回転数指令値と推定回転数との差を、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に変換する。例えば、速度制御部６１は、記憶部（図示略）に予め記憶される回転数指令値と推定回転数との差とｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とが対応付けられたテーブルを用いて回転数／電流指令値変換を行う。

減算部６２は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｄ軸電流Ｉｄとの差ΔＩｄを算出する。減算部６３は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とｑ軸電流Ｉｑとの差ΔＩｑを算出する。電流制御部６４は、差ΔＩｄ及び差ΔＩｑに基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。座標変換部６６は、回転角推定部７０により算出されるモータの推定回転角（回転位置）θに基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊をモータへの印加電圧である電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。

ＰＷＭ発生部６７は、電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをインバータの電源電圧値で規格化し、三角波との比較結果に基づいてインバータ回路４０の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオン、オフさせるためのＰＷＭ制御信号を出力する。

つまり、ＰＷＭ制御部６０は、モータ２３に流れるＵ、Ｖ、Ｗの各相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づいてモータ２３におけるｄ軸電流（励磁成分電流）とｑ軸電流（トルク成分電流）が目標値となるようにモータ２３の電流経路に設けられたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御する。ＰＷＭ発生部６７からの信号はドライブ回路５５に送られる。

回転角推定部７０は、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊に基づき、モータの推定回転角θおよび推定角速度ωを演算（推定）する。
推定磁束演算部８３は、推定角速度ω、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑとから、推定磁束φを演算（推定）する。

電圧値補正部７２は、電圧センサＳ１による直流電圧検出値を入力値Ｖｉｎとして入力したのちインバータの電源電圧検出値Ｖｄｃを補正して出力値Ｖｏｕｔとして出力する。この補正後の直流電圧（Ｖｏｕｔ）はＰＷＭ発生部６７に送られて、電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを規格化し、三角波との比較結果に基づいてＰＷＭ制御信号が算出される。

図３には電圧値補正部７２の構成を示す。
電圧値補正部７２は、乗算部８０と補正係数決定部８１と補正係数生成部８２を有する。乗算部８０は、直流電圧（入力値Ｖｉｎ）を入力して補正係数Ｋａを乗算して、即ち、Ｋａ×Ｖｉｎを補正後の直流電圧（出力値Ｖｏｕｔ）として出力する。補正係数決定部８１は、乗算部８０において使用される補正係数Ｋａを決定する機能を有する。

補正係数生成部８２は図４に示す補正係数Ｋを生成する。図４に示すように、補正係数Ｋは、時間の経過とともに値が階段状に大きくなる。
図４に示すように、推定磁束φは、時間の経過とともに値が略サイン波状に変化する。補正係数決定部８１は、推定磁束φが最大となる時の補正係数Ｋを、乗算部８０における補正係数Ｋａとして決定する。このように決定された補正係数Ｋａを用いて乗算部８０においてＫａ×Ｖｉｎが補正後の直流電圧（出力値Ｖｏｕｔ）として算出される。

次に、作用について説明する。
モータ２３の回転中において、補正係数生成部８２において、予め定めた一定時間の間（掃引期間）、補正係数Ｋを予め定めた初期値から最終値まで、時間経過とともに階段状に変化させる。補正係数Ｋに応じて、モータへの印加電圧である電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗが補正され、モータの推定回転角θと実角度との偏差に変化が生じる。これにより各々の補正係数Ｋに応じた推定磁束φが算出される。そして、上記掃引期間で算出された推定磁束φが最大となる時の補正係数Ｋが、最適値、即ち、最大トルク位相補正係数Ｋａとして決定される。以後、このように決定された補正係数Ｋａを用いてモータ制御が行われる。

この電圧値補正部７２での処理、即ち、補正係数Ｋを変化させて推定磁束φが極大となるときの補正係数Ｋを、乗算部８０で使用するゲイン（補正係数Ｋａ）として決定する処理は、例えば、初回起動直後とする。詳しくは、車両のキースイッチ・オンにより初めて電力が供給された後における車両ＥＣＵから指令を受けて初回の電動圧縮機（モータ）が起動された時に、補正を開始してから終了するまでの期間（例えば１００ｍｓｅｃ）に実行される。

よって、制御位相のずれによる出力トルク低下を解消できる。そのため、モータのトルクマージンを削減して小型化・低コスト化が可能となる。
図５（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

本実施形態のような調整を行わないと、図５（ａ）に示すように、モータ特性と電流位相との関係において推定角度が正しいとモータ特性のピークに持っていくことができるが推定がずれるとモータ特性のピーク、即ち、最大トルク位相（トルクピークとなる電流位相）を狙えずに左右にずれてしまう。これはインバータのハードウェアだったりモータの磁石の公差によってずれ方が変わる。

これに対し、図５（ｂ）に示すように初期のハードウェアの状態では推定値にずれが生じており、初期にどのようなばらつきを持っているのか分からないが、本実施形態のような調整を行うことにより最適ポイントが分かるのでその位置までパラメータをずらしてピーク位置にシフトすることができる。即ち、初期の電流位相からオートチューニングにより最大トルク位相（トルクピークとなる電流位相）に対する推定ずれを補正することができる。

また、電圧値補正部７２を用いることなく、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ及び直流電圧に基づいて回転角θを演算すると図５（ａ）に示すようにモータ特性と必要出力トルクとの関係において次のようになる。図５（ａ）においてモータ特性はピーク値を有しており、必要出力トルクは一定値である。ここで、制御位相がモータ特性のピーク値（最大トルク位相）とずれると、必要出力トルクを確保するためには、より出力の大きなモータを使用する必要がある。

これに対し、図５（ｂ）に示す本実施形態では、電圧値補正部７２を用いて初期の電流位相とモータ特性のピーク値とのずれを補正して、制御位相とモータ特性のピーク値とを一致させることができる。そのため、必要出力トルクを確保できるモータとして、より出力の小さなモータを使用することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）モータ駆動用インバータ装置３１の構成として、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する電流制御部６４を備える。モータに流れるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊から、モータの回転角θを算出する回転角推定部７０を備える。回転角推定部７０により算出したモータの角速度ωと、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑとから、磁束φを推定する推定磁束演算部８３を備える。インバータの電源電圧検出値Ｖｄｃを補正する電圧値補正部７２を有し、電圧値補正部７２は、モータの回転中に、推定磁束演算部８３にて推定された磁束φを基に、補正量（Ｋ）を決定する。

よって、ロータ回転における制御位相が最大トルク位相にずれにくくして出力トルクの低下を抑制してトルクマージンを小さく設定できモータの小型化を図ることができる。
（２）電圧値補正部７２にて決定される補正量は、推定磁束演算部８３にて推定された磁束φが最大値となるように決定されるので、簡易に制御位相と最大トルク位相を合わせることができ実用的である。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 車載用電動圧縮機に具体化したが、これに限るものではない。

２３…モータ、３１…モータ駆動用インバータ装置、６４…電流制御部、７０…回転角推定部、７２…電圧値補正部、８３…推定磁束演算部、Ｖｄ＊…ｄ軸電圧指令値、Ｖｑ＊…ｑ軸電圧指令値、Ｉｄ…ｄ軸電流、Ｉｑ…ｑ軸電流、θ…モータの回転角、ω…モータの角速度、φ…磁束、Ｖｄｃ…インバータの電源電圧検出値。

Claims (2)

1. ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を算出する電流制御部と、
   モータに流れるｄ軸電流及びｑ軸電流と、前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値から、前記モータの回転角を算出する回転角推定部と、
   前記回転角推定部により算出した前記モータの角速度と、前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値と、前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流とから、磁束を推定する推定磁束演算部と、
   を備えたモータ駆動用インバータ装置であって、
   インバータの電源電圧検出値を補正する電圧値補正部を有し、
   前記電圧値補正部は、前記モータの回転中に、前記推定磁束演算部にて推定された磁束を基に、補正量を決定することを特徴とするモータ駆動用インバータ装置。
2. 前記電圧値補正部にて決定される補正量は、前記推定磁束演算部にて推定された磁束が最大値となるように決定されることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動用インバータ装置。