JP2022090317A - インバータの制御装置、インバータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電流センサを用いずに、交流電流値から直流電流値を推定演算するインバータの制御装置において、デッドタイム補正精度を向上可能な信頼性の高いインバータの制御装置とその制御方法を提供する。【解決手段】モータ制御システム０において、インバータ３の制御器７は、電流指令値に基づいてインバータを構成するスイッチング素子のオン／オフを切り替えるＰＷＭ信号を出力する駆動回路と、交流電流の値を検出する交流電流センサと、交流電流センサの検出値とＰＷＭ信号とに基づいて直流電流の値を推定する直流電流推定部と、を備える。直流電流推定部は、ＰＷＭ信号のＰＷＭ１周期中に交流電流の極性が反転する場合に、ＰＷＭ１周期中の交流電流の変化量とＰＷＭ１周期に対するスイッチング素子のオン時間とに基づき、スイッチング素子のオン時間前後に設けられたデッドタイム中に流れる直流電流を推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ制御装置の構成とその制御方法に係り、特に、高信頼性が要求される車載用インバータに適用して有効な技術に関する。

電力変換装置（インバータ）は、インバータ回路内のパワー半導体をスイッチングさせることで、バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換し、モータを駆動させている。

モータ駆動のために、バッテリから供給される直流電流を検出する必要があり、コスト低減のために直流電流センサを搭載せずに、交流電流から直流電流を推定演算する技術があり、その演算の精度を向上させることが課題である。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、デューティ値と交流電流センサが出力する交流電流センサ値に基づいて推定直流電流値を計算し、交流電流センサのオフセット誤差補正を行う技術が開示されている。

特許第６７０４２９３号公報

ところで、電力変換装置（インバータ）では、上下アームのスイッチングの際に、短絡防止のために両アームをオフにする区間であるデッドタイムを設けている。

このため、上記特許文献１の技術を用いた場合、交流電流とデューティ値から直流電流を求める際に、デューティ値がデッドタイムを考慮していないため、直流電流推定値に誤差が生じるという問題がある。

また、文献にはないが、デッドタイム補正を行っているものでは、直流電流推定値は、ＨＶバッテリの正側に接続されたパワーモジュール（IGBT＋ダイオード）に流れるPWM1周期の交流電流値を以下の式（１）で演算することで求められる。

直流電流推定値＝交流電流値×［正側のIGBTオンのデューティ値＋デッドタイムのデューティ値］・・・（１）
この“デッドタイム”は、PWM1周期内で正側と負側の両IGBTがオフになる時間であり、この間は正側ダイオードに負の交流電流が流れるため、交流電流が負の場合を判定し、この分を加算している。

上記の式（１）について、図９に示す従来技術の直流電流推定値生成部の構成例を用いて説明する。

デッドタイム補正部１０１は、符号判定部１０３とデッドタイムデューティ値算出部１０２を有しており、三相電流を入力として、電流が負の場合にデッドタイム２回分のデューティ値をデッドタイム補正デューティ値として出力する。

直流電流推定部１０４では、デッドタイム補正後の正側IGBTオンデューティ値と交流電流を入力として、直流電流推定値Idcを出力する。各相の交流電流×デッドタイム補正後の正側IGBTオンデューティ値の合計から直流電流センサオフセット誤差補正値を引いて算出する。

しかし、交流電流の極性がPWM1周期内で反転する場合、図５のように、負側IGBTがオフしてから正側IGBTがオンするまでのデッドタイム中は交流電流が正、正側IGBTがオフしてから負側IGBTがオンするまでのデッドタイム中は交流電流が負となり、デッドタイム中に交流電流が負の時間がデッドタイム１回分のみの場合があるため、PWM1周期後の交流電流の符号によってデッドタイム２回分の加算要否を判定すると、正しく補正がされない。

そこで、本発明の目的は、直流電流センサを用いずに、交流電流値から直流電流値を推定演算するインバータの制御装置において、デッドタイム補正精度を向上可能な信頼性の高いインバータの制御装置とその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、直流電流を交流電流に変換するインバータの制御装置であって、電流指令値に基づいて前記インバータを構成するスイッチング素子のオン／オフを切り替えるＰＷＭ信号を出力する駆動回路と、前記交流電流の値を検出する交流電流センサと、前記交流電流センサの検出値と前記ＰＷＭ信号とに基づいて前記直流電流の値を推定する直流電流推定部と、を備え、前記直流電流推定部は、前記ＰＷＭ信号のＰＷＭ１周期中に前記交流電流の極性が反転する場合に、前記ＰＷＭ１周期中の前記交流電流の変化量と前記ＰＷＭ１周期に対するスイッチング素子のオン時間とに基づき、前記スイッチング素子のオン時間前後に設けられたデッドタイム中に流れる直流電流を推定することを特徴とする。

また、本発明は、直流電流を交流電流に変換するインバータの制御方法であって、前記インバータのスイッチング素子のオン／オフを切り替えるＰＷＭ信号のＰＷＭ１周期中に前記交流電流の極性が反転する場合に、前記ＰＷＭ１周期中の前記交流電流の変化量と前記ＰＷＭ１周期に対するスイッチング素子のオン時間とに基づき、前記スイッチング素子のオン時間前後に設けられたデッドタイム中に流れる直流電流を推定することを特徴とする。

本発明によれば、直流電流センサを用いずに、交流電流値から直流電流値を推定演算するインバータの制御装置において、デッドタイム補正精度を向上可能な信頼性の高いインバータの制御装置とその制御方法を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係るインバータの制御装置の概略構成を示す図である。 図１の制御器７の直流電流推定値生成部の構成例を示す図である。 交流電流が正の時のデッドタイム中の交流電流を示す図である。 交流電流が負の時のデッドタイム中の交流電流を示す図である。 交流電流の極性が反転する時のデッドタイム中の交流電流を示す図である。 交流電流の極性が反転し、デッドタイム０回補正を行う時の交流電流を示す図である。 交流電流の極性が反転し、デッドタイム２回補正を行う時の交流電流を示す図である。 交流電流の極性が反転し、デッドタイム１回補正を行う時の交流電流を示す図である。 従来技術の直流電流推定値生成部の構成例を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図８を参照して、本発明の実施例１に係るインバータの制御装置とその制御方法について説明する。

先ず、図１を用いて、本実施例のインバータの制御装置の構成を説明する。図１は、本実施例に係るインバータの制御装置の概略構成を示す図であり、本発明の適用例としてモータ５を駆動するモータ制御システム０を示している。

本実施例のモータ制御システム０は、高圧電源１と、平滑コンデンサ２と、インバータ３と、交流電流センサ４と、モータ５と、ロータ６と、制御器７とを有する。モータ５は、車両に搭載される車載モータである。

高圧電源１は、システム駆動用の電源回路である。

平滑コンデンサ２は、高圧電源１とインバータ３の間に接続されており、電圧の変動を小さくする。

インバータ３は、直流側が平滑コンデンサ２に接続され、三相交流側はモータ５に接続される。

交流電流センサ４は、インバータ３の三相交流側とモータ５の間に接続され、三相電流値iu，iv，iwを取得する。

モータ５は、インバータ３の三相交流側に接続される。

ロータ６は、モータ５の内部に配置（接続）され、三相電流が流れて磁束が変化することによって回転する。

制御器７は、交流電流センサ４と接続され、交流電流センサ４から取得した三相電流値iu，iv，iwと、インバータ３から取得した正側IGBTオン時間に基づき、後述する図２の直流電流推定値生成部を用いて算出した直流電流値を車両通信９に出力する。また、制御器７は、電流指令値に基づいてインバータ３を構成するIGBT（スイッチング素子）のオン／オフを切り替えるＰＷＭ信号を出力するインバータ駆動回路を備えている。

直流電流８は、平滑コンデンサ２とインバータ３の間に流れる電流であり、推定する値である。

図２を用いて、制御器７の機能について説明する。図２は、制御器７における直流電流推定値生成部の構成例を示す図である。本実施例の直流電流推定値生成部は、デッドタイム補正部２０１及び直流電流推定部２０６で構成される。

デッドタイム補正部２０１は、符号判定・極性反転判定部２０２と、デッドタイム２回デューティ値算出部２０３と、デッドタイム１回デューティ値算出部２０４とを有しており、交流電流センサ４で計測した三相電流iu，iv，iwを入力とする。

交流電流が負でPWM１周期の前回の電流値と現在の電流値の極性が反転していない場合はデッドタイム２回分のデューティ値から、また、PWM１周期の前回の電流値と現在の電流値の極性が反転している場合は前後の電流値とデューティ値から、それぞれ正側ダイオードに負の交流電流が流れるデッドタイムを判定し、デッドタイム０，１，２回分を選択したデッドタイム補正デューティ値、または、電流が正でPWM１周期の前回の電流値と現在の電流値の極性が反転していない場合には０をデッドタイム補正デューティ値として出力する。

図３から図８を用いて、デッドタイム補正デューティ値について詳しく説明する。

正側IGBTの１つについて、流れる電流は交流電流が正の時、図３のように正側IGBTがONの時のみ流れるため、PWM1周期あたりに流れる電流量は式（２）になる。

PWM1周期あたりに流れる電流量＝交流電流×正側IGBTオンデューティ値・・・（２）
正側IGBTに流れる電流は交流電流が負の時、図４のように正側IGBTがONの時とデッドタイム中に流れるため、 PWM1周期あたりに流れる電流量は式（３）になる。

PWM1周期あたりに流れる電流量＝交流電流×（正側IGBTオンデューティ値＋デッドタイム２回分のデューティ値）・・・（３）
正側IGBTに流れる電流は、交流電流がPWM１周期の前回の電流値と現在の電流値の極性が反転する時、デッドタイム中の交流電流の符号が負の時に補正を行う必要があるため、負側IGBTがオフしてから正側IGBTがオンするまでのデッドタイム中と、正側IGBTがオフしてから負側IGBTがオンするまでのデッドタイム中の各デッドタイム中の交流電流値の符号を判定し、負の時のデッドタイムの回数分補正を行う。

デッドタイム中の交流電流の符号判定として、負側IGBTがオフしてから正側IGBTがオンするまでのデッドタイムは正側IGBTがオンする時点の交流電流、正側IGBTがオフしてから負側IGBTがオンするまでのデッドタイムは正側IGBTがオフする時点の交流電流で判定を行う。

交流電流の前回値と今回値から、交流電流を直線で近似し、デューティ値から正側IGBTがオンになるときの交流電流の符号と正側IGBTがオフになるときの交流電流の符号を判定する。直線で近似する以外でも交流電流の特性に基づいて近似して良い。

Δ電流＝交流電流の現在値－交流電流の前回値とすると、正側IGBTがオンになる時点の交流電流値は式（４）になる。

正側IGBTがオンになる時点の交流電流値＝交流電流の現在値－（Δ電流/2）－（Δ電流×デューティ比/2）・・・（４）
また、正側IGBTがオフになる時点の交流電流値は式（５）になる。

正側IGBTがオフになる時点の交流電流値＝交流電流の現在値－（Δ電流/2）＋（Δ電流×デューティ比/2）・・・（５）
図６は、交流電流の極性が反転し、デッドタイム０回補正を行う時の交流電流を示す図である。式（４），（５）の値が両方正のとき、図６のように正側IGBTがONの時のみ流れるため、PWM1周期あたりに流れる電流量は式（２）になる。

図７は、交流電流の極性が反転し、デッドタイム２回補正を行う時の交流電流を示す図である。式（４），（５）の値が両方負のとき、図７のように正側IGBTがONの時とデッドタイム中に流れるため、 PWM1周期あたりに流れる電流量は式（３）になる。

図８は、交流電流の極性が反転し、デッドタイム１回補正を行う時の交流電流を示す図である。式（４），（５）の値のどちらか片方が負のとき、図８のように正側IGBTがONの時と交流電流が負の時のデッドタイム中に流れるため、PWM1周期あたりに流れる電流量は式（６）になる。

PWM1周期あたりに流れる電流量＝交流電流×（正側IGBTオンデューティ値＋デッドタイム１回分のデューティ値）・・・（６）
符号判定・極性反転判定部２０２は、三相電流を入力として、三相電流の各相の電流の符号を判断する符号判定と、PWM１周期の前回の電流値と現在の電流値の極性が反転しているかを判定する。

デッドタイム２回デューティ値算出部２０３は、デッドタイム２回分のデューティ値を算出する。

デッドタイム１回デューティ値算出部２０４は、デッドタイム１回分のデューティ値を算出する。

デッドタイム補正後の正側IGBTオンデューティ値を算出する正側IGBTオンデューティ値算出部２０５は、正側IGBTオンデューティ値とデッドタイム補正デューティ値を入力として、正側IGBTオンデューティ値にデッドタイム補正デューティ値を加算してデッドタイム補正後正側IGBTオンデューティ値を出力する。

直流電流推定部２０６は、デッドタイム補正後正側IGBTオンデューティ値と交流電流を入力として、直流電流推定値Idcを出力する。

直流電流推定部２０６では、各相の交流電流×デッドタイム補正後正側IGBTオンデューティ値の合計から直流電流センサオフセット誤差補正値を引いて直流電流推定値Idcを算出する。

以上説明したように、本実施例のインバータの制御装置は、電流指令値に基づいてインバータ３を構成するIGBT（スイッチング素子）のオン／オフを切り替えるＰＷＭ信号を出力するインバータ駆動回路と、交流電流の値を検出する交流電流センサ４と、交流電流センサ４の検出値とＰＷＭ信号とに基づいて直流電流の値を推定する直流電流推定部２０６を備えており、直流電流推定部２０６は、ＰＷＭ信号のＰＷＭ１周期中に交流電流の極性が反転する場合に、ＰＷＭ１周期中の交流電流の変化量とＰＷＭ１周期に対するIGBT（スイッチング素子）のオン時間（すなわち、デューティ比）に基づき、IGBT（スイッチング素子）のオン時間前後に設けられたデッドタイム中に流れる直流電流を推定する。

また、交流電流センサ４の検出値に基づいてデッドタイム補正量を演算するデッドタイム補正部２０１を備えており、デッドタイム補正部２０１は、交流電流の各相の電流の符号判定および極性反転判定を行う符号判定・極性反転判定部２０２と、符号判定・極性反転判定部２０２の判定に応じて補正デューティ値を算出するデューティ値算出部（デッドタイム２回デューティ値算出部２０３，デッドタイム１回デューティ値算出部２０４）を有し、直流電流推定部２０６は、デッドタイム補正部２０１の出力に応じて補正したＰＷＭ１周期に対するIGBT（スイッチング素子）のオン時間（すなわち、デューティ比）に基づいて直流電流を推定する。

以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

デッドタイム補正部２０１は、符号判定・極性反転判定部２０２とデッドタイム２回デューティ値算出部２０３、デッドタイム１回デューティ値算出部２０４を有しており、三相電流を入力として、電流が負でPWM１周期の前回の電流値と現在の電流値の極性が反転していない場合はデッドタイム２回分のデューティ値から、また、PWM１周期の前回の電流値と現在の電流値の極性が反転している場合は前後の電流値とデューティ値から、正側ダイオードに負の交流電流が流れるデッドタイムを判定し、デッドタイム０，１，２回分を選択したデッドタイム補正デューティ値、または、電流が正でPWM１周期の前回の電流値と現在の電流値の極性が反転していない場合には０をデッドタイム補正デューティ値として出力する。

このように、交流電流の極性反転を判定し、前後の電流の大きさ、及びデューティ値から、デッドタイム０，１，２回分と調整する機能を追加したので、デッドタイム補正の精度を向上できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の実施例は本発明に対する理解を助けるために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

０…モータ制御システム
１…高圧電源
２…平滑コンデンサ
３…インバータ
４…交流電流センサ
５…モータ
６…ロータ
７…制御器
８…直流電流
９…車両通信
１０１…デッドタイム補正部
１０２…デッドタイムデューティ値算出部
１０３…符号判定部
１０４…直流電流推定部
２０１…デッドタイム補正部
２０２…符号判定・極性反転判定部
２０３…デッドタイム２回デューティ値算出部
２０４…デッドタイム１回デューティ値算出部
２０５…正側IGBTオンデューティ値算出部
２０６…直流電流推定部

Claims (13)

1. 直流電流を交流電流に変換するインバータの制御装置であって、
   電流指令値に基づいて前記インバータを構成するスイッチング素子のオン／オフを切り替えるＰＷＭ信号を出力する駆動回路と、
   前記交流電流の値を検出する交流電流センサと、
   前記交流電流センサの検出値と前記ＰＷＭ信号とに基づいて前記直流電流の値を推定する直流電流推定部と、を備え、
   前記直流電流推定部は、前記ＰＷＭ信号のＰＷＭ１周期中に前記交流電流の極性が反転する場合に、前記ＰＷＭ１周期中の前記交流電流の変化量と前記ＰＷＭ１周期に対するスイッチング素子のオン時間とに基づき、前記スイッチング素子のオン時間前後に設けられたデッドタイム中に流れる直流電流を推定するインバータの制御装置。
2. 請求項１に記載のインバータの制御装置であって、
   前記直流電流推定部は、前記ＰＷＭ１周期中に前記交流電流の極性が反転する場合に、前記ＰＷＭ１周期中の前記交流電流の変化量と前記ＰＷＭ１周期に対するスイッチング素子のオン時間とに基づいて前記デッドタイム中の交流電流の正負を推定するインバータの制御装置。
3. 請求項１に記載のインバータの制御装置であって、
   前記直流電流推定部は、前記スイッチング素子のオン時間前後に設けられたデッドタイムのいずれにおいても前記交流電流の値が正の場合には、前記ＰＷＭ１周期に対する前記スイッチング素子のオン時間に基づいて前記直流電流の値を推定するインバータの制御装置。
4. 請求項１に記載のインバータの制御装置であって、
   前記直流電流推定部は、前記スイッチング素子のオン時間前後に設けられたデッドタイムのいずれにおいても前記交流電流の値が負の場合には、前記ＰＷＭ１周期に対する前記スイッチング素子のオン時間と前記デッドタイム２回分の時間に基づいて前記直流電流の値を推定するインバータの制御装置。
5. 請求項１に記載のインバータの制御装置であって、
   前記直流電流推定部は、前記スイッチング素子のオン時間前後に設けられたデッドタイムのうち一方における交流電流の値が正であり、他方における交流電流の値が負の場合には、前記ＰＷＭ１周期に対する前記スイッチング素子のオン時間と前記デッドタイム１回分の時間に基づいて前記直流電流の値を推定するインバータの制御装置。
6. 請求項１に記載のインバータの制御装置であって、
   前記交流電流センサの検出値に基づいてデッドタイム補正量を演算するデッドタイム補正部を備え、
   前記デッドタイム補正部は、前記交流電流の各相の電流の符号判定および極性反転判定を行う符号判定・極性反転判定部と、
   前記符号判定・極性反転判定部の判定に応じて補正デューティ値を算出するデューティ値算出部を有し、
   前記直流電流推定部は、前記デッドタイム補正部の出力に応じて補正した前記ＰＷＭ１周期に対するスイッチング素子のオン時間に基づいて前記直流電流を推定するインバータの制御装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のインバータの制御装置であって、
   前記インバータは車載モータを駆動するインバータの制御装置。
8. 直流電流を交流電流に変換するインバータの制御方法であって、
   前記インバータのスイッチング素子のオン／オフを切り替えるＰＷＭ信号のＰＷＭ１周期中に前記交流電流の極性が反転する場合に、前記ＰＷＭ１周期中の前記交流電流の変化量と前記ＰＷＭ１周期に対するスイッチング素子のオン時間とに基づき、前記スイッチング素子のオン時間前後に設けられたデッドタイム中に流れる直流電流を推定するインバータの制御方法。
9. 請求項８に記載のインバータの制御方法であって、
   前記ＰＷＭ１周期中に前記交流電流の極性が反転する場合に、前記ＰＷＭ１周期中の前記交流電流の変化量と前記ＰＷＭ１周期に対するスイッチング素子のオン時間とに基づいて前記デッドタイム中の交流電流の正負を推定するインバータの制御方法。
10. 請求項８に記載のインバータの制御方法であって、
    前記スイッチング素子のオン時間前後に設けられたデッドタイムのいずれにおいても前記交流電流の値が正の場合には、前記ＰＷＭ１周期に対する前記スイッチング素子のオン時間に基づいて前記直流電流の値を推定するインバータの制御方法。
11. 請求項８に記載のインバータの制御方法であって、
    前記スイッチング素子のオン時間前後に設けられたデッドタイムのいずれにおいても前記交流電流の値が負の場合には、前記ＰＷＭ１周期に対する前記スイッチング素子のオン時間と前記デッドタイム２回分の時間に基づいて前記直流電流の値を推定するインバータの制御方法。
12. 請求項８に記載のインバータの制御方法であって、
    前記スイッチング素子のオン時間前後に設けられたデッドタイムのうち一方における交流電流の値が正であり、他方における交流電流の値が負の場合には、前記ＰＷＭ１周期に対する前記スイッチング素子のオン時間と前記デッドタイム１回分の時間に基づいて前記直流電流の値を推定するインバータの制御方法。
13. 請求項８から１２のいずれか１項に記載のインバータの制御方法であって、
    前記インバータは車載モータを駆動するインバータの制御方法。

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