JP2018191410A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三相電動機に電力を供給するスイッチング素子の出力デューティ比特性のずれを補正する廉価で簡素な構成による電動機の制御装置を提供する。【解決手段】三相電動機の各相において、スイッチング素子のドライバの出力信号から現在の電圧デューティ比を検出し、この現在の電圧デューティ比と目標とする指令デューティ比との差分から指令デューティ比に対するデューティ比補正量を算出し、指令デューティ比とデューティ比補正量とを加算して上下側アームのスイッチング素子に対する駆動信号を与える。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の制御装置に関し、特に三相電動機のインバータとしての電動機の制御装置に関する。

近年、車両の環境負荷低減のため、車両の駆動に三相電動機を用いた車両の電動化が進められている。このような車両では、三相電動機の駆動に用いられる電力を高電圧化することにより、高効率化及び伝送損失の低減を図る傾向にある。

例えば、下記の特許文献１では、三相電動機に交流電流を供給する各相の電圧をフィードバック補正制御し、交流電流の振幅・位相のばらつきを抑制する制御装置が提案されている。

特開２０１３−２２５９５４号公報

昨今の電動化車両などでは、上記のとおり、三相電動機の駆動には高電圧が用いられており、駆動側の電源系と制御側の電源系とが分離されることがある。この場合、三相電動機に供給される電圧値を取得するには、絶縁ＩＣを経由して電圧値信号を両電源系間で授受したり、高電圧系にＡ／Ｄ変換用の素子を設ける必要があるなど、複雑な構成や高価になってしまう傾向がある。

一方で、一般に用いられるＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子は、スイッチング応答時間や、上下側アーム同時ＯＮ回避のためのデッドタイム挿入などによる影響で、制御系において意図したとおりのデューティ（Ｄｕｔｙ）比が出力されず、スイッチング応答時間は、製造個体のばらつきや温度などの環境要因によって影響を受ける。このため、要求した出力を正しく得るためには補正が必要になる。

例えば、スイッチング素子の駆動デューティ比と、検出した相電圧のデューティ比との関係を示した図８の様に、相電圧のデューティ比と、スイッチング素子の駆動デューティ比とは、破線に示された関係になることが望ましいが、実際にはスイッチング素子のデッドタイムなどによる影響でデューティ比にずれが生じる。

図８では、破線の上下にデューティ比のずれが発生している状態が示されているが、正方向、すなわち三相電動機（図示せず）に電流が流れ込む方向の場合は、相電圧のデューティ比が大きい側（図８の破線より上側）にデューティ比ずれが発生し、負方向、すなわち三相電動機から電流が流れ出す方向の場合は、相電圧のデューティ比が小さい側（図８の破線より下側）にデューティ比ずれが発生することを示している。

図９及び図１０は、上下のデューティ比ずれが発生する原因を説明するための図で、図９に示すスイッチング回路は、三相電動機の端子に供給する電圧を制御する上側アームのスイッチング素子１２と、及び下側アームのスイッチング素子１３とで構成されている。

ここで、図９に示すように、三相電動機から電流が流れ出る場合、上下側アームのスイッチング素子１２及び１３が共にオフのとき、電流は上側アーム１２の還流ダイオードを経由して流れ、このとき、三相電動機端子の電圧はＨｉｇｈとなる。

一方、図１０に示すように、三相電動機に電流が流れ込む場合、上下側アームのスイッチング素子１２及び１３が共にオフのとき、電流は下側アームのスイッチング素子１３の還流ダイオードを経由する経路で流れ、このとき、三相電動機端子の電圧はＬｏｗとなる。

このようにして、同じデューティ比でスイッチング素子を駆動した場合でも、三相電動機の端子を流れる電流が正方向の場合と負方向の場合で、発生する相電圧のデューティ比のずれる方向が異なり、正方向の電流では相電圧のデューティ比が大きくなる（パルス幅が長くなる）側に、負方向の電流では相電圧のデューティ比は小さくなる（パルス幅が短くなる）側にずれが生じる。このため、制御演算で意図した通りに三相電動機に電力を供給することができず、制御性の低下を招くという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、三相電動機に電力を供給するスイッチング素子の駆動デューティ比特性のずれを補正する廉価で簡素な構成による電動機の制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成する為、本発明による電動機の制御装置は、三相電動機に交流電力を供給するように複数相の各々の上下側アームに設けられたスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動するとともに前記三相電動機の各相電圧を監視するドライバと、駆動信号を、前記ドライバを介して前記スイッチング素子に与える演算器とを備え、前記演算器は、各相において、目標の制御量に基づき指令デューティ比を算出し、前記ドライバの出力信号から現在の電圧デューティ比を検出し、前記指令デューティ比と前記現在の電圧デューティ比との差分から前記指令デューティ比に対するデューティ比補正量を算出し、 前記指令デューティ比と前記デューティ比補正量とを加算して前記上下側アームのスイッチング素子に対する前記駆動信号を発生して前記ドライバに与えるものである。

本発明によれば、三相電動機の各相の現在の電圧デューティ比をフィードバックする機能を備え、現在の電圧デューティ比と指令デューティ比との偏差に基づいて指令デューティ比をフィードバック補正してスイッチング素子の駆動信号とするように構成したので、スイッチング素子の特性などによる影響で、現在の電圧デューティ比が指令デューティ比に対してずれが発生した場合でも、指令デューティ比を現在の電圧デューティ比で帰還制御することにより、相電圧の制御性を向上させることができる。また、高電圧系の相電圧値を直接監視することがないため、構成の複雑化・肥大化を避けることができる。

本発明の実施の形態１による電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による電動機の制御装置における指令デューティ比補正量演算部の演算内容を説明する図である。 本発明の実施の形態２による電動機の制御装置における指令デューティ比補正量演算部の演算内容を説明する図である。 本発明の実施の形態３による電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３による電動機の制御装置における指令デューティ比補正量演算部の演算内容を説明する図である。 本発明の実施の形態４による電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４による電動機の制御装置における指令デューティ比補正量演算部の演算内容を説明する図である。 本発明が解決しようとする課題である、スイッチング素子の指令デューティ比に対する相電圧デューティ比のずれを説明するグラフである。 本発明が解決しようとする課題である、スイッチング素子の指令デューティ比に対する相電圧デューティ比における、相電流負方向の場合のずれの要因を説明する図である。 本発明が解決しようとする課題である、スイッチング素子の駆動デューティ比に対する相電圧デューティ比における、相電流正方向の場合のずれの要因を説明する図である。

以下、本発明に係る電動機の制御装置の種々の実施の形態を、上記の添付図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１に示す、本発明の実施の形態１による電動機の制御装置を構成するインバータ１は、三相電動機２の三相巻線に印加する電圧を制御することにより、三相電動機２の電力を授受する。

インバータ１は、演算器１０、プリドライバ１１、上側アームのスイッチング素子１２−Ｕ，１２−Ｖ，１２−Ｗ（以下、符号１２で総称することがある。）と、下側アームのスイッチング素子１３−Ｕ，１３−Ｖ，１３−Ｗ（以下、符号１３で総称することがある。）とを備える。なお、Ｕ、Ｖ、Ｗは、それぞれ、三相電動機のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を示している。

プリドライバ１１は、制御系の電源と高電圧の駆動系の電源とを絶縁しつつ、演算器１０より入力された上側アームの駆動（ＯＮ／ＯＦＦ）信号及び下側アームの駆動（ＯＮ／ＯＦＦ）信号に応じて、それぞれ、上側アームのスイッチング素子１２、及び下側アームのスイッチング素子１３を駆動する。また、三相電動機２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電圧を監視し、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ（ＯＮ／ＯＦＦ）状態を演算器１０へと伝達する。

演算器１０内部において、目標電流算出部１０１は、要求トルクに応じ、目標ｄｑ軸電流を算出し、目標三相電圧算出部１０２へ出力する。目標三相電圧算出部１０２は、目標ｄｑ軸電流に応じて、Ｕ相目標電圧、Ｖ相目標電圧、Ｗ相目標電圧を算出し、それぞれ、Ｕ相指令デューティ比算出部１０３−Ｕ、Ｖ相指令デューティ比算出部１０３−Ｖ、Ｗ相指令デューティ比算出部１０３−Ｗへ出力する。

Ｕ相指令デューティ比算出部１０３−Ｕは、Ｕ相目標電圧を基にＵ相指令デューティ比を算出する。Ｕ相電圧のデューティ比検出部１０７−Ｕは、プリドライバ１１から入力したＵ相電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗ状態からＵ相電圧の現在のデューティ比を求める。Ｕ相指令デューティ比補正量演算部１０８−Ｕは、Ｕ相電圧デューティ比検出部１０７−Ｕから帰還した相電圧デューティ比と、Ｕ相指令デューティ比算出部１０３−ＵからのＵ相指令デューティ比とにより、Ｕ相指令デューティ比補正量を算出する。

Ｕ相上下側アーム駆動デューティ比算出部１０４−Ｕは、Ｕ相指令デューティ比算出部１０３−Ｕで算出したＵ相指令デューティ比に、Ｕ相指令デューティ比補正量演算部１０８−Ｕで算出したＵ相指令デューティ比補正量を加算した値から、Ｕ相上側アーム駆動デューティ比及びＵ相下側アーム駆動デューティ比を算出し、それぞれ、Ｕ相上側アーム駆動デューティ比信号送出部１０５−Ｕ及びＵ相下側アーム駆動デューティ比信号送出部１０６−Ｕに出力する。

Ｕ相上側アーム駆動信号送出部１０５−Ｕ及びＵ相下側アーム駆動信号送出部１０６−Ｕは、それぞれ、Ｕ相上側アーム駆動信号及びＵ相下側アーム駆動信号をプリドライバ１１に出力する。

なお、Ｖ相、Ｗ相に出力するＶ相指令デューティ比、Ｗ相指令デューティ比についても、上記と同様に演算する。
従って、算出部１０３−Ｕ，１０３−Ｖ，１０３−Ｗは、符号１０３で総称し、算出部１０４−Ｕ，１０４−Ｖ，１０４−Ｗは、符号１０４で総称し、送出部１０５−Ｕ，１０５−Ｖ，１０５−Ｗ〜１０６−Ｕ，１０６−Ｖ，１０６−Ｗは、符号１０５〜１０６で総称し、検出部１０７−Ｕ，１０７−Ｖ，１０７−Ｗは、符号１０７で総称し、そして、演算部１０８−Ｕ，１０８−Ｖ，１０８−Ｗは、符号１０８で総称することがある。

図２は、指令デューティ比補正量演算部１０８の演算処理内容を示す。指令デューティ比算出部１０３から入力した指令デューティ比（目標デューティ比）と、電圧デューティ比検出部１０７から入力した現在の電圧デューティ比との偏差から、フィードバック量算出部１０８１が指令デューティ比補正量を算出し、この補正量を指令デューティ比に加えて上下側アームの駆動デューティ比を算出し、上下側アーム駆動デューティ比算出部１０４へ出力する。

このような実施の形態１による電動機の制御装置では、プリドライバ１１によって検出されたＵ、Ｖ、Ｗの各相の電圧のデューティ比をフィードバックすることにより、各相の指令デューティ比を、図６の点線上に補正することが可能となり、制御系の意図した相電圧を三相電動機に供給することができる。
また、高電圧系の相電圧値を直接検出する必要がないため、回路構成の複雑化も抑えることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２による電動機の制御装置では、上記の実施の形態１に比べて、指令デューティ比補正量演算部１０８の演算処理内容が異なっている。

すなわち、図３に示す指令デューティ比補正量演算部１０８では、指令デューティ比算出部１０３から入力した指令デューティ比と、現在の電圧デューティ比検出部１０７から入力した相電圧デューティ比との偏差に対するフィードバック演算を行う上記のフィードバック量算出部１０８１に加えて、事前に定めたフィードフォワード量算出部１０８２により指令デューティ比補正量を算出する。フィードフォワード量算出部１０８２は、指令デューティ比算出部１０３から入力した指令デューティ比を基に、例えば、内蔵するテーブル（図示せず）を参照することによりフィードフォワード量を求める。

フィードフォワード量算出部１０８２によって発生されるフィードフォワード量は、事前に計測した指令デューティ比と相電圧デューティ比との関係により予め設定するが、例えば初期学習として指令デューティ比を０％から１００％まで走査させ、指令デューティ比及び相電圧デューティ比の特性を記憶させるようにランタイム中に設定してもよい。

このような実施の形態２による電動機の制御装置では、上記の実施の形態１による電動機の制御装置よりさらに、フィードフォワードによる駆動デューティ比に補正を加えることができ、デューティ比出力制御性の向上が図られる。

実施の形態３．
図４に示す、本実施の形態３による電動機の制御装置は、上記の実施の形態１及び２を示す図１の電動機の制御装置と比べて、三相電動機のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流が流れる方向を検出する電流方向検出器１４−Ｕ，１４−Ｖ，１４−Ｗ（以下、符号１４で総称することがある。）と、この検出器１４が出力した電流方向信号を受信処理するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流方向信号処理器１０９−Ｕ，１０９−Ｖ，１０９−Ｗ（以下、符号１０９で総称することがある。）とをさらに設け、この電流方向信号処理器１０９から電流方向信号が指令デューティ比補正量演算部１０８に与えられている点が異なっている。

図５は、本実施の形態３における指令デューティ比補正量演算部１０８の演算処理内容を示す。上記の実施の形態２に比べて、事前に定めた電流正方向時フィードフォワード量算出部１０８３と、電流負方向時フィードフォワード量算出部１０８４とをさらに備え、電流方向信号処理器１０９から入力した電流方向信号により、用いるフィードフォワード量を切り替える点が異なっている。

電流正方向時フィードフォワード量及び電流負方向時フィードフォワード量は、それぞれ、電流正方向時フィードフォワード量算出部１０８３及び電流負方向時フィードフォワード量算出部１０８４において、指令デューティ比算出部１０３から入力した指令デューティ比に基づいて、内蔵するテーブル（図示せず）を参照することにより求めることができる。

本実施の形態３による電動機の制御装置では、従来課題であった、三相電動機の相電流の方向により相電圧デューティ比の特性が異なる場合にも、適切に駆動デューティ比を補正することにより制御性を向上させることができる。

実施の形態４．
図６に示す、本実施の形態４による電動機の制御装置は、上記の実施の形態３を示す図４の電流方向検出器１４の代わりに、三相電動機のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に流れる各電流を検出する相電流検出器１５−Ｕ，１５−Ｖ，１５−Ｗ（以下、符号１５で総称することがある。）を設けるとともに、電流方向信号処理器１０９の代わりに、この検出器１５が出力した相電流値信号を受信処理するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電流値信号処理器１１０−Ｕ，１１０−Ｖ，１１０−Ｗ（以下、符号１１０で総称することがある。）をさらに設け、この相電流値信号処理器１１０からの相電流値信号が指令デューティ比補正量演算部１０８に与えられている点が異なっている。

図７は、本実施の形態４における指令デューティ比補正量演算部１０８の演算処理内容を示す。上記の実施の形態２に加えて、事前に定めた相電流フィードフォワード補正量算出部１０８５を備え、相電流値信号処理器１１０から入力した相電流値信号により相電流フィードフォワード補正量を演算する。そして、この相電流フィードフォワード補正量を、フィードフォワード量算出部１０８２にて算出したフィードフォワード量に加算し、これをさらにフィードバック補正量に加算することにより、指令デューティ比に対するデューティ比補正量を演算する点が異なっている。

電流正方向時フィードフォワード量及び電流負方向時フィードフォワード量は、それぞれ、電流正方向時フィードフォワード量算出部１０８３及び電流負方向時フィードフォワード量算出部１０８４において、指令デューティ比算出部１０３から入力した指令デューティ比に基づいて、内蔵するテーブル（図示せず）を参照することにより求めることができる。

本実施の形態４による電動機の制御装置では、従来課題であった、スイッチング素子が自身に流れる電流の大きさによって出力するデューティ比の特性が異なる場合にも、適切に駆動デューティ比を補正することにより制御性を向上させることができる。

１ インバータ、
２ 三相電動機、
１０ 演算器、
１１ プリドライバ、
１２，１２−Ｕ，１２−Ｖ，１２−Ｗ 上側アームのスイッチング素子、
１３，１３−Ｕ，１３−Ｖ，１３−Ｗ 下側アームのスイッチング素子、
１４，１４−Ｕ，１４−Ｖ，１４−Ｗ 電流方向検出器、
１５，１５−Ｕ，１５−Ｖ，１５−Ｗ 相電流検出器、
１０１ 目標電流算出部、
１０２ 目標三相電圧算出部、
１０３，１０３−Ｕ，１０３−Ｖ，１０３−Ｗ 相指令デューティ比算出部、
１０４，１０４−Ｕ，１０４−Ｖ，１０４−Ｗ 上下アーム駆動デューティ比算出部、
１０５，１０５−Ｕ，１０５−Ｖ，１０５−Ｗ 上アーム駆動信号送出部、
１０６，１０６−Ｕ，１０６−Ｖ，１０６−Ｗ 下アーム駆動信号送出部、
１０７，１０７−Ｕ，１０７−Ｖ，１０７−Ｗ 相電圧デューティ比検出部、
１０８，１０８−Ｕ，１０８−Ｖ，１０８−Ｗ 指令デューティ比補正量演算部、
１０９，１０９−Ｕ，１０９−Ｖ，１０９−Ｗ 電流方向信号処理器、
１１０，１１０−Ｕ，１１０−Ｖ，１１０−Ｗ 相電流値信号処理器、
１０８１ フィードバック量算出部、
１０８２ フィードフォワード量算出部、
１０８３ 電流正方向時フィードフォワード量算出部、
１０８４ 電流負方向時フィードフォワード量算出部、
１０８５ 相電流フィードフォワード補正量算出部。

上記の目的を達成する為、本発明による電動機の制御装置は、三相電動機に交流電力を供給するように複数相の各々の上下側アームに設けられたスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動するとともに前記三相電動機の各相電圧を監視し、各相電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗ状態を伝達するプリドライバと、駆動信号を、前記プリドライバを介して前記スイッチング素子に与える演算器とを備え、前記演算器は、各相において、目標の制御量に基づき指令デューティ比を算出し、前記プリドライバから入力される各相電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗ状態から現在の電圧デューティ比を求め、前記指令デューティ比と前記現在の電圧デューティ比との差分から前記指令デューティ比に対するデューティ比補正量を算出し、前記指令デューティ比と前記デューティ比補正量とを加算して前記上下側アームのスイッチング素子に対する前記駆動信号を発生して前記プリドライバに与えるものである。

Claims (6)

1. 三相電動機に交流電力を供給するように複数相の各々の上下側アームに設けられたスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子を駆動するとともに前記三相電動機の各相電圧を監視するドライバと、
   駆動信号を、前記ドライバを介して前記スイッチング素子に与える演算器とを備え、
   前記演算器は、各相において、
   目標の制御量に基づき指令デューティ比を算出し、
   前記ドライバの出力信号から現在の電圧デューティ比を検出し、
   前記指令デューティ比と前記現在の電圧デューティ比との差分から前記指令デューティ比に対するデューティ比補正量を算出し、
   前記指令デューティ比と前記デューティ比補正量とを加算して前記上下側アームのスイッチング素子に対する前記駆動信号を発生して前記ドライバに与える
   電動機の制御装置。
2. 前記デューティ比補正量は、前記差分に対してフィードバック演算によって求められる補正量である
   請求項１に記載の電動機の制御装置。
3. 前記デューティ比補正量は、前記フィードバック演算によって求めた補正量に、前記指令デューティ比に対するフィードフォワード量を加えることにより求められる
   請求項２に記載の電動機の制御装置。
4. 前記三相電動機の各相に流れる電流の向きを検出する電流方向検出器をさらに備え、
   前記演算器は、前記フィードバック演算によって求めた補正量に、前記電流方向検出器によって検出された電流方向に対応して、前記指令デューティ比に対するフィードフォワード量を加えることにより前記デューティ比補正量を演算する
   請求項２に記載の電動機の制御装置。
5. 前記三相電動機の相に流れる電流の大きさである相電流量を検出する相電流量検出器をさらに備え、
   前記演算器は、前記相電流量に応じて相電流フィードフォワード補正量を算出し、前記相電流フィードフォワード補正量を、前記指令デューティ比に対するフィードフォワード量に加えることにより前記デューティ比補正量を演算する
   請求項３又は４に記載の電動機の制御装置。
6. 前記フィードフォワード量は、前記指令デューティ比に基づいて、テーブルから求められる
   請求項３から５のいずれか一項に記載の電動機の制御装置。

Images