JP2019047688A - モータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】より簡易な制御で平滑コンデンサの電圧のリプルを抑制する。
【解決手段】モータと、蓄電装置と、モータに接続されると共に電力ラインを介して蓄電装置に接続され、複数のスイッチング素子のスイッチングによってモータを駆動するインバータと、電力ラインの正極母線と負極母線との間に接続された平滑コンデンサと、モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令の変調波の電圧と搬送波の電圧との比較により生成されるPWM信号を用いて複数のスイッチング素子をスイッチング制御するPWM制御を実行する制御装置と、を備えるモータ駆動装置であって、制御装置は、モータの各相の電流のうちの何れかがゼロクロスする所定タイミング範囲内では、所定タイミング範囲外に比して搬送波の周波数を高くする。これにより、より簡易な制御で平滑コンデンサの電圧のリプルを抑制できる。
【選択図】図4
【解決手段】モータと、蓄電装置と、モータに接続されると共に電力ラインを介して蓄電装置に接続され、複数のスイッチング素子のスイッチングによってモータを駆動するインバータと、電力ラインの正極母線と負極母線との間に接続された平滑コンデンサと、モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令の変調波の電圧と搬送波の電圧との比較により生成されるPWM信号を用いて複数のスイッチング素子をスイッチング制御するPWM制御を実行する制御装置と、を備えるモータ駆動装置であって、制御装置は、モータの各相の電流のうちの何れかがゼロクロスする所定タイミング範囲内では、所定タイミング範囲外に比して搬送波の周波数を高くする。これにより、より簡易な制御で平滑コンデンサの電圧のリプルを抑制できる。
【選択図】図4
Description
本発明は、モータ駆動装置に関し、詳しくは、モータと、蓄電装置と、インバータと、平滑コンデンサと、を備えるモータ駆動装置に関する。
従来、この種のモータ駆動装置としては、モータ(モータジェネレータ)と、蓄電装置と、インバータと、平滑コンデンサと、を備えるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。インバータは、モータに接続されると共に電力ラインを介して蓄電装置に接続され、複数のスイッチング素子のスイッチングによってモータを駆動する。平滑コンデンサは、電力ラインの正極母線(正極線)と負極母線(負極線)との間に接続されている。このモータ駆動装置では、インバータの制御としてPWM制御を実行する。そして、PWM制御を実行する際には、モータのトルク指令に基づくモータの相電圧指令信号に対して三次高調波信号を加算して変調信号を生成し、この変調信号の電圧と搬送波の電圧との比較により生成されるPWM信号を用いてインバータの複数のスイッチング素子をスイッチング制御する。こうしたインバータのスイッチング制御では、各相の相電流のうちの1つが値0であるときには、残余の2つの相の相電流が極性が逆で絶対値が同一となる。このとき、相電流が値0とならない残余の2つの相を介してインバータ−モータ−インバータの経路で電流が環流する環流モードとなる場合がある。環流モードでは、蓄電装置からインバータへ供給される電流が値0付近であることから、蓄電装置からの電力で平滑コンデンサが充電されて平滑コンデンサの電圧が上昇する。こうした平滑コンデンサの電圧の上昇により、平滑コンデンサの電圧にリプルが生じてしまう。上述のモータ駆動装置では、三次高調波信号に、モータの各相の相電流のうちの何れかが値0となるタイミングで、相電圧指令信号の電圧の絶対値よりも変調信号の電圧の絶対値を大きくする所定成分の信号を含ませることにより、三次高調波信号に所定成分の信号を含ませないものに比して、変調信号の電圧が搬送波の電圧を下回る期間を短くし、PWM信号のデューティ比を変更して、インバータが環流モードで動作する期間を短くしている。これにより、平滑コンデンサの電圧のリプルを抑制している。
上述のモータ駆動装置では、モータが回生駆動しているときに、インバータが環流モードとなるようなスイッチング状態となると、平滑コンデンサから蓄電装置へ電力が供給されて平滑コンデンサの電圧が低下することから、モータの状態に応じて相電圧指令に加える三次高調波信号を切り換える必要がある。こうした切り換えを行なうと、切り換え時に変調信号の電圧に段差が生じて各相の相電流に乱れが生じ平滑コンデンサの電圧のリプルが大きくなるから、切り換え時の平滑コンデンサの電圧リプルを抑制する手法が更に必要となり、制御が複雑となってしまう。
本発明のモータ駆動装置は、より簡易な制御で平滑コンデンサの電圧のリプルを抑制することを主目的とする。
本発明のモータ駆動装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明のモータ駆動装置は、
モータと、
蓄電装置と、
前記モータに接続されると共に電力ラインを介して前記蓄電装置に接続され、複数のスイッチング素子のスイッチングによって前記モータを駆動するインバータと、
前記電力ラインの正極母線と負極母線との間に接続された平滑コンデンサと、
前記モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令の変調波の電圧と搬送波の電圧との比較により生成されるPWM信号を用いて前記複数のスイッチング素子をスイッチング制御するPWM制御を実行する制御装置と、
を備えるモータ駆動装置であって、
前記制御装置は、前記モータの各相の電流のうちの何れかがゼロクロスする所定タイミング範囲内では、前記所定タイミング範囲外に比して前記搬送波の周波数を高くする、
ことを要旨とする。
モータと、
蓄電装置と、
前記モータに接続されると共に電力ラインを介して前記蓄電装置に接続され、複数のスイッチング素子のスイッチングによって前記モータを駆動するインバータと、
前記電力ラインの正極母線と負極母線との間に接続された平滑コンデンサと、
前記モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令の変調波の電圧と搬送波の電圧との比較により生成されるPWM信号を用いて前記複数のスイッチング素子をスイッチング制御するPWM制御を実行する制御装置と、
を備えるモータ駆動装置であって、
前記制御装置は、前記モータの各相の電流のうちの何れかがゼロクロスする所定タイミング範囲内では、前記所定タイミング範囲外に比して前記搬送波の周波数を高くする、
ことを要旨とする。
この本発明のモータ駆動装置では、前記モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令の変調波の電圧と搬送波の電圧との比較により生成されるPWM信号を用いて複数のスイッチング素子をスイッチング制御するPWM制御を実行する。そして、モータの各相の電流のうちの何れかがゼロクロスする所定タイミング範囲内では、所定タイミング範囲外に比して搬送波の周波数を高くする。これにより、所定タイミング範囲内において、インバータの各スイッチング素子のスイッチングの状態が所定タイミング範囲外より迅速に切り替わるから、平滑コンデンサの電圧が上昇する状態が継続する時間を短くする。これにより、平滑コンデンサの電圧のリプルを抑制することができる。搬送波の周波数の変更は、電圧指令の変更に比して容易に行なうことができるから、より簡易な制御で平滑コンデンサの電圧のリプルを抑制することができる。
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施例としてのモータ駆動装置20の構成の概略を示す構成図である。実施例のモータ駆動装置20は、図示するように、モータ32と、インバータ34と、蓄電装置としてのバッテリ36と、昇圧コンバータ40と、電子制御ユニット50と、を備える。
モータ32は、三相の同期発電電動機として構成されており、永久磁石が埋め込まれた回転子と、三相コイルが巻回された固定子と、を備える。
インバータ34は、モータ32の駆動に用いられる。このインバータ34は、高電圧側電力ライン42を介して昇圧コンバータ40に接続されており、6つのトランジスタT11〜T16と、6つのトランジスタT11〜T16のそれぞれに並列に接続された6つのダイオードD11〜D16と、を有する。トランジスタT11〜T16は、それぞれ、高電圧側電力ライン42の正極側ラインと負極側ラインとに対してソース側とシンク側になるように2個ずつペアで配置されている。また、トランジスタT11〜T16の対となるトランジスタ同士の接続点の各々には、モータ32の三相コイル(U相,V相,W相のコイル)の各々が接続されている。したがって、インバータ34に電圧が作用しているときに、電子制御ユニット50によって、対となるトランジスタT11〜T16のオン時間の割合が調節されることにより、三相コイルに回転磁界が形成され、モータ32が回転駆動される。高電圧側電力ライン42の正極側ラインと負極側ラインとには、平滑用の平滑コンデンサ46が取り付けられている。
バッテリ36は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、低電圧側電力ライン44を介して昇圧コンバータ40に接続されている。低電圧側電力ライン44の正極側ラインと負極側ラインとには、平滑用のコンデンサ48が取り付けられている。
昇圧コンバータ40は、高電圧側電力ライン42と低電圧側電力ライン44とに接続されており、2つのトランジスタT31,T32と、2つのトランジスタT31,T32のそれぞれに並列に接続された2つのダイオードD31,D32と、リアクトルLと、を有する。トランジスタT31は、高電圧側電力ライン42の正極側ラインに接続されている。トランジスタT32は、トランジスタT31と、高電圧側電力ライン42および低電圧側電力ライン44の負極側ラインと、に接続されている。リアクトルLは、トランジスタT31,T32同士の接続点と、低電圧側電力ライン44の正極側ラインと、に接続されている。昇圧コンバータ40は、電子制御ユニット50によって、トランジスタT31,T32のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧側電力ライン44の電力を昇圧して高電圧側電力ライン42に供給したり、高電圧側電力ライン42の電力を降圧して低電圧側電力ライン44に供給したりする。
電子制御ユニット50は、CPU52を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPU52の他に、処理プログラムを記憶するROM54やデータを一時的に記憶するRAM56,入出力ポートを備える。
電子制御ユニット50には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット50に入力される信号としては、例えば、モータ32の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ(例えばレゾルバ)32aからの回転位置θmや、モータ32の各相の相電流を検出する電流センサ32u,32vからの相電流Iu,Ivを挙げることができる。また、バッテリ36の端子間に取り付けられた電圧センサ36aからの電圧Vbや、バッテリ36の出力端子に取り付けられた電流センサ36bからの電流Ibも挙げることができる。さらに、平滑コンデンサ46の端子間に取り付けられた電圧センサ46aからの平滑コンデンサ46(高電圧側電力ライン42)の電圧VHや、コンデンサ48の端子間に取り付けられた電圧センサ48aからのコンデンサ48(低電圧側電力ライン44)の電圧VLも挙げることができる。
電子制御ユニット50からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット50から出力される信号としては、例えば、インバータ34のトランジスタT11〜T16へのスイッチング制御信号や、昇圧コンバータ40のトランジスタT31,T32へのスイッチング制御信号を挙げることができる。電子制御ユニット50は、回転位置検出センサ32aからのモータ32の回転子の回転位置θmに基づいてモータ32の電気角θeや角速度ωm,回転数Nmを演算している。また、電子制御ユニット50は、電流センサ36bからのバッテリ36の電流Ibの積算値に基づいてバッテリ36の蓄電割合SOCを演算している。ここで、蓄電割合SOCは、バッテリ36の全容量に対するバッテリ36から放電可能な電力の容量の割合である。
こうして構成された実施例のモータ駆動装置20では、電子制御ユニット50は、モータ32がトルク指令Tm*で駆動されるようにインバータ34のトランジスタT11〜T16のスイッチング制御を行なう。また、電子制御ユニット50は、モータ32をトルク指令Tm*で駆動できるように高電圧側電力ライン42の目標電圧VH*を設定し、高電圧側電力ライン42の電圧VHが目標電圧VH*となるように昇圧コンバータ40のトランジスタT31,T32のスイッチング制御を行なう。
次に、インバータ34の制御について説明する。図2は、電子制御ユニット50のCPU52により実行されるインバータ34のトランジスタT11〜T16へのスイッチング制御信号としてのPWM信号の設定処理の一例を示すブロック図である。実施例では、インバータ34を同期パルス幅変調制御(同期PWM制御)により制御している。
電流センサ32u,32vにより検出された相電流Iu,Ivとトルク指令Tm*とが入力されると、電流指令演算部60は、まず、モータ32の各相(U相,V相,W相)の相電流Iu,Iv,Iwの総和が値0であるとして、モータ32の電気角θeを用いてU相,V相の相電流Iu,Ivをd軸,q軸の電流Id,Iqに座標変換(3相−2相変換)する。続いて、モータ32のトルク指令Tm*に基づいてd軸,q軸の電流指令Id*,Iq*を演算する。
電圧指令演算部62は、d軸,q軸の電流Id,Iqとd軸,q軸の電流指令Id*,Iq*が入力されると、d軸,q軸の電流Id,Iqとd軸,q軸の電流指令Id*,Iq*とを用いてd軸,q軸の電圧指令Vd*,Vq*を演算する。
PWM信号生成部64は、電圧指令演算部62からの電圧指令Vd*,Vq*とキャリア周波数設定部66からのキャリア周波数fcとが入力されると、モータ32の電気角θeを用いてd軸,q軸の電圧指令Vd*,Vq*を各相の電圧指令の変調波Vu*,Vv*,Vw*に座標変換(2相−3相変換)し、各相の電圧指令の変調波Vu*,Vv*,Vw*の電圧とキャリア周波数fcの搬送波(三角波)の電圧との比較によりトランジスタT11〜T16のPWM信号(相電圧パルス)を生成する。より詳細には、U相については、電圧指令の変調波Vu*の電圧が搬送波の電圧未満であるときには、U相に対応する上アームのトランジスタ(トランジスタT11)がオンし下アームトランジスタ(トランジスタT14)がオフするようにU相のPWM信号(相電圧パルス)を生成し、電圧指令の変調波Vu*の電圧が搬送波の電圧以上であるときにはU相に対応する上アームのトランジスタ(トランジスタT11)がオフし下アームのトランジスタ(トランジスタT14)がオンするようにU相のPWM信号を生成する。V相,W相についても、U相と同様に、V相,W相のPWM信号を生成する。こうしてトランジスタT11〜T16のPWM信号を生成すると、そのPWM信号を用いてトランジスタT11〜T16のスイッチングを行なう。
キャリア周波数設定部66は、モータ32の回転角θと電流指令Id*,Iq*とが入力されると、モータ32の回転角θに基づき電流指令Id*,Iq*を三相の相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*に変換する。そして、相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*の何れかが値0を跨いで変化する(ゼロクロスする)所定タイミング範囲内であるか否かを判定する。この判定では、相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*の何れかが値0を含む判定範囲(例えば、−5mA〜5mA,−10mA〜10mA,−15mA〜15mA)外にあるときには所定タイミング範囲外であると判定し、相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*の何れかが判定範囲内にあるときには所定タイミング範囲内であると判定する。所定タイミング範囲外であるときには、搬送波の周波数fcを値f1(例えば、1300Hz,1500Hz,1700Hzなど)とする。所定タイミング範囲内であるときには、搬送波の周波数fcを値f1より高い値f2(例えば、2800Hz,3000Hz,3200Hzなど)に設定する。ここで、値f1,f2は、搬送波の周波数fcを相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*に拘わらず一定とする場合の周波数として予め定めた基本周波数fb(例えば、2300Hz,2500Hz,2700Hz)と同期数Nsが同一となるように定めた値である。「同期数Ns」は、各相の電圧指令の変調波Vu*,Vv*,Vw*の1周期(電気角での360度)当たりの搬送波の周期数であり、モータ32の回転数Nmに基づいて設定される。このように周波数fcを設定することにより、相電流Iu,Iv,Iwの何れかが値0を跨いで変化する所定タイミング範囲内のときには、所定タイミング範囲外であるときに比して搬送波の周波数fcを高くすることができる。
図3は、搬送波の周波数fcを相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*に拘わらず基本周波数fbで一定にする比較例のモータ駆動装置における各相のPWM信号(相電圧パルス)と搬送波と各相の電圧指令の変調波Vu*,Vv*,Vw*と相電流Iu,Iv,Iwの時間変化の様子を説明するための説明図である。図4は、実施例のモータ駆動装置20における各相のPWM信号(相電圧パルス)と搬送波と各相の電圧指令の変調波Vu*,Vv*,Vw*と相電流Iu,Iv,Iwの時間変化の様子を説明するための説明図である。図3,図4において、破線は、相電圧指令Vv*,相電流Ivを示している。一点鎖線は、相電圧指令Vw*,相電流Iwを示している。
比較例のモータ駆動装置では、図3に示すように、時刻t11〜t14で、相電流Iu,Iv,Iwの何れかが値0で残余の2つの相の相電流が極性が逆で絶対値が同一になっている。このとき、各相のPWM信号(相電圧パルス)は、全ての相がローまたはハイで、インバータ34の上アーム(トランジスタT11〜T13),下アーム(トランジスタT14〜T16)の何れかがオンとなり他方のアームがオフとなっている。こうしたスイッチング状態では、オンとなっているアームを介してインバータ34−モータ32−インバータ34の経路で電流が環流する環流モードとなっている。環流モードでは、バッテリ36からインバータ34へ供給される電流が値0付近となり、バッテリ36から供給される電力で平滑コンデンサ46が充電されて平滑コンデンサ46の電圧が上昇する。こうした平滑コンデンサ46の電圧の一時的な上昇により、平滑コンデンサ46の電圧にリプルが生じてしまう。
実施例のモータ駆動装置20では、図4に示すように、時刻t21〜t24で、相電流Iu,Iv,Iwの何れかが値0で残余の2つの相の相電流が極性が逆で絶対値が同一になっており、インバータ34は、オンとなっているアームを介してインバータ34−モータ32−インバータ34の経路で電流が環流する環流モードとなっている。相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*の何れかが値0を跨いで変化している所定タイミング範囲内のときには、所定タイミング範囲外のときに比して搬送波の周波数fcを高くしているから、相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*に拘わらず搬送波の周波数fcを基本周波数fbとするときや所定タイミング範囲外であるときの周波数fc(値f1)とするときに比して、トランジスタT11〜T16のスイッチングの状態が迅速に切り替わる。これにより、平滑コンデンサ46の電圧が上昇する状態が継続する時間を短くすることができ、平滑コンデンサ46の電圧のリプルを抑制することができる。搬送波の周波数fcの変更は、電圧指令の変更に比して容易に行なうことができるから、より簡易な制御で平滑コンデンサ46の電圧のリプルを抑制することができる。また、搬送波の周波数fcを相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*に拘わらず一定とする場合の周波数として予め定めた基本周波数fbと同期数Nsが同一となるように定めた値f1,f2としているから、モータ32の制御性の低下を抑制することができる。
以上説明した実施例のモータ駆動装置20では、相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*の何れかが値0を跨ぐタイミングを含む所定タイミング範囲内であるときには、所定タイミング範囲外であるときに比して搬送波の周波数fcを高くするから、より簡易な制御で平滑コンデンサ46の電圧のリプルを抑制することができる。
実施例のモータ駆動装置20では、相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*の何れかが値0を跨ぐタイミングを含む所定タイミング範囲内であるときには、所定タイミング範囲外であるときに比して搬送波の周波数fcを高くする。しかしながら、相電流指令値Iu*,Iv*,Iw*に代えて、電流センサ32u,32vからの相電流Iu,Ivとモータ32の各相(U相,V相,W相)の相電流Iu,Iv,Iwの総和が値0であるとしたときの相電流Iwの何れかが値0を跨ぐ所定タイミング範囲内であるときには、所定タイミング範囲外であるときに比して搬送波の周波数fcを高くしてもよい。
実施例のモータ駆動装置20では、蓄電装置として、バッテリ36を用いるものとしたが、バッテリ36に代えて、キャパシタを用いるものとしてもよい。
実施例のモータ駆動装置20では、昇圧コンバータ40を備えているが、昇圧コンバータ40を備えていないものとしてもよい。
実施例のモータ駆動装置20では、単一のECU50により図2に例示したスイッチング制御信号の設定処理を実行しているが、複数のECUにより図2に例示したスイッチング制御信号の設定処理を実行してもよい。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータ32が「モータ」に相当し、バッテリ36が「蓄電装置」に相当し、インバータ34が「インバータ」に相当し、平滑コンデンサ46が「平滑コンデンサ」に相当し、ECU50が「制御装置」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、モータ駆動装置の製造産業などに利用可能である。
20 モータ駆動装置、32 モータ、32a 回転位置検出センサ、32u,32v,36b 電流センサ、34 インバータ、36 バッテリ、36a,46a,48a 電圧センサ、40 昇圧コンバータ、42 高電圧側電力ライン、44 低電圧側電力ライン、46,48 コンデンサ、50 電子制御ユニット、52 CPU、54 ROM、56 RAM、60 電流指令演算部、62 電圧指令演算部、64 PWM信号生成部、66 キャリア周波数設定部、D11〜D16,D31,D32 ダイオード、L リアクトル、T11〜T16,T31,T32 トランジスタ。
Claims (1)
- モータと、
蓄電装置と、
前記モータに接続されると共に電力ラインを介して前記蓄電装置に接続され、複数のスイッチング素子のスイッチングによって前記モータを駆動するインバータと、
前記電力ラインの正極母線と負極母線との間に接続された平滑コンデンサと、
前記モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令の変調波の電圧と搬送波の電圧との比較により生成されるPWM信号を用いて前記複数のスイッチング素子をスイッチング制御するPWM制御を実行する制御装置と、
を備えるモータ駆動装置であって、
前記制御装置は、前記モータの各相の電流のうちの何れかがゼロクロスする所定タイミング範囲内では、前記所定タイミング範囲外に比して前記搬送波の周波数を高くする、
モータ駆動装置。
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