JP4071769B2 - 永久磁石モータ駆動用の空間ベクトルパルス幅変調器 - Google Patents

Description

本発明は、モータの駆動に関し、特に、空間ベクトルPWM変調方式を用いた永久磁石表面実装（PMSM）モータの駆動方法及びシステムに関する。

インバータを用いた３相モータ駆動は産業的に良く知られている。典型的には、DCバスが、切り替えられた電力をACモータの異なる相に供給する。切替指令及びシーケンスをインバータに供給するのに、センサレスベクトル制御が広い注目を集めている。センサレス制御は、速度センサ、磁束センサ、トルクセンサを不要にし、それらの代わりに、測定された端子電圧及び電流に基いたDSPに基づく演算を行う。これによって、駆動コストは削減され、信頼性が高められる。背景技術としてのDSPに基づくモータ駆動は、本願発明者による2003年4月25日出願の米国特許出願第60/465,890号、及び2002年11月12日出願の米国特許出願第10/294,201号に説明されている。これらは参照開示として本願に含まれている。しかし、この演算アルゴリズムは、特に低周波数において複雑になる傾向がある。

空間ベクトルパルス幅変調（SVM）は、優れた調和性と動作の線形領域の広がりによって、電圧供給変換器駆動のパルス幅変調（PWM）の普及形式になった。背景技術としてのSVM装置は、2003年3月27日出願の米国特許出願第10/402,107号に説明されている。これは参照開示として本願に含まれている。

しかし、SVMの問題の一つは、複雑なオンライン計算を必要とし、それは通常、数キロヘルツ（例えば、約10kHz）以下の切換周波数の動作に限定される。切換周波数は、高速DSPやルックアップテーブル（LUT）を有する簡略化されたアルゴリズムを使用することによって広げることができる。パワー半導体の切換速度、特にIGBTにおいて、劇的に改善されている。しかし、LUTの使用は、非常に大きくなければ、パルス幅分解能を減ずる傾向がある。

本願は、参照開示として本願に含まれている2002年10月15日出願の米国仮出願第60/418,733号に基づき、その優先権を主張する。

本発明は、従来の空間ベクトルPWM変調方式における逆正接関数や平方根関数、ルックアップテーブルのような集約的な演算を必要としない。汎用の空間ベクトルPWM方式を実行するアルゴリズム構造を提起し、これにより、集約的な数学関数やルックアップテーブルなしの３相及び２相のSVPWMが可能となる。この構造はオーバー変調や対称PWM、非対称PWMモードを支持する。

本発明は、３相及び２相の変調アルゴリズムが通常のアルゴリズム構造内で使用される汎用２-レベル空間ベクトルPWM（SVPWM）器を完成する。この実行には主に決定論理が用いられ、逆正接関数や正弦関数、余弦関数及び／または平方根関数などの集約的な数学関数は必要とはされない。このアルゴリズムによりオーバー変調や、対称及び非対称モードが提供可能となる。

本発明は、空間ベクトルパルス幅変調器及び該変調器により実行される方法を提供する。

本発明によれば、空間ベクトルパルス幅変調器（SVPWM）は、Ua及びUb変調指標を受け取り、それに応答して変更されたUa及びUb情報を出力する前演算モジュールを備える。

本発明の他の態様によれば、SVPWMは、Ua或いは変更されたUaを受け取りUセクタを出力するUモジュールと、UセクタとUbまたは変更されたUb情報を受け取りZセクタを出力するZモジュールからなるセクタ検出部を備えており、上記Uセクタ及び上記Zセクタは、２相変調を実行する２相制御信号である。

本願の更に他の態様によると、３相変調のために、SVPWMは、Ua及びUb情報または変更されたUa及びUb情報及びUセクタを受け取り３相変調用アクティブベクトルを演算する、アクティブベクトル演算モジュール及びアサインベクトルモジュール；上記Zセクタを受け取り、３相変調用ゼロベクトルを演算するゼロベクトル選択部；及び上記アクティブベクトル及びゼロベクトルを受け取り、３相変調を実行する３相制御信号を出力するPWMカウンタ部、を３相変調のために備える。

上記PWMカウンタ部は、対称PWMモード、非対称PWMモード或いはその両方を備えているのが好ましい。

SVPWMは更に、ベクトルに対応する期間情報を受け取りそれに応答してオーバー変調の発生を検出する再スケール・オーバー変調モジュールを備えてもよい。オーバー変調は負のゼロベクトル時間に応じて検出されるのが好ましい。該モジュールはゼロベクトル時間をゼロにクランプし、かつアクティブベクトル時間をPWMサイクル内に適合するように再スケールすることによりオーバー変調に応答してもよい。

上記の再スケールは、電圧の位相を保持しながら電圧ベクトルを空間ベクトル面の六角形の境界内にとどめるべく制限してもよい。

更に他の態様によると、本発明は少なくとも上記に概説したステップを実行する方法を提供する。

本発明の他の特徴及び利点は、図面を参照して下記に述べられる本発明の実施態様の記載から明らかになるであろう。

下記にPWM方式（scheme）の例を記載する。

３相及び２相のPWM方式は図１に示される。二つのPWM方式（strategy）により発生する電圧sec（Volt-sec）は同一である。しかし、２相変調では、特に高切換周波数（10kHzより大きい）が用いられた場合、切換損失を大幅に削減できる。

図２は、汎用空間ベクトルPWM器のブロック構成図である。各ブロックについては下記により詳細に述べる。このSVPWMの特徴は：
・実行には、逆正接関数、正弦関数、余弦関数、平方根関数を必要としない。
・矩形入力Ua及びUbを受け取る（ほとんどのベクトル制御器と容易にインターフェースできる。）
・ゼロベクトルが所望により選択されることができる。
・ゼロベクトル時間クランプによる簡素なオーバー変調方式。
・PWM半サイクルのアップデート（half PWM cycle updating）による自動的な対称及び非対称モードの発生。

図３は、図２の前演算部及びセクタ検出部における演算の詳細を示す。SVPWMの入力はモジュレーション指標Ua及びUb（直交する）を受け取り、出力はU_セクタ及びZ_セクタ（２相変調のみに用いられる）である。セクタ領域は図３に示される。セクタ検出部は完全に決定論理に基づいており、これによりFPGAのようなディジタルハードウェアプラットフォームの実行が容易になる。

出力はU_セクタとZ_セクタであり、これらは下記のように定義される。

Uセクタ
０≦θ＜６０
６０≦θ＜１２０
１２０≦θ＜１８０
１８０≦θ＜２４０
２４０≦θ＜３００
３００≦θ＜３６０

Zセクタ
A −３０≦θ＜３０
B ３０≦θ＜９０
C ９０≦θ＜１５０
D １５０≦θ＜２１０
E ２１０≦θ＜２７０
F ２７０≦θ＜３３０

図４は、図２のアクティブベクトル演算部における演算の詳細を示す。この演算は主に割り当てによるもの（アサイン）である。集約的な演算は含まれない。

図５は、再スケールとオーバー変調部を示す。オーバー変調はゼロベクトル時間の演算における負の値により検出される（T０_Cnt_Scl）。ゼロベクトル時間をゼロにクランプし（もし負なら）、アクティブベクトル時間をPWMサイクル内に適合するよう再スケールすることにより、オーバー変調は容易に制御されることができる。この再スケールは、電圧ベクトルを空間ベクトル面の六角形内にとどまらせるよう制限する（図６）。要求される電圧の大きさは取りうる最大の電圧範囲（maximum possible voltage limit）までに制限される（図６の六角形）。しかし、電圧の位相は常に保持される。

図７はゼロベクトル選択部の詳細を示す。図１で、PWMサイクルの前半（PWM_CNT_MAX）では、３相変調で２つのゼロベクトル状態があり、２相PWMで１つのゼロベクトル状態がある。３相PWMでは、１番目のゼロベクトル状態は常にV7で、２番目はV8になる。しかし、２相PWMでは１つのゼロベクトル状態が、電圧ベクトルが位置する場所によってV7またはV8になり得る（Z_セクタ）。従って、ゼロベクトル選択部は、起こり得る様々なゼロベクトルを制御するよう実行される。

図２のPWMカウンタ部はPWMゲート指示を実行する（U相、V相、W相）。このカウンタ部は、異なる状態（図１に示すVEC１からVEC４）を通して進む状態シーケンサを有する。VEC１状態及びVEC４状態は何れもゼロベクトルを完成し、VEC２状態とVEC３状態はアクティブベクトルを完成する。PWMサイクルのどの半分においても、PWMカウンタ部への入力は一度サンプリングされており、これにより非対称PWMモード操作が再編成なしに本質的に実行される。

３相変調では、図８に示すように、状態シーケンサがVEC１−VEC２−VEC３−VEC４−VEC４−VEC３−VEC２−VEC１を実行する。VEC１状態のとき、最初のゼロベクトルがT0_Vec_１及びT0_Cntに基づいて実行される。３つのPWMカウンタがあり、そのうち２つはアクティブベクトル用であり、３つ目は２つのゼロベクトル用である。２相PWM変調方式では、状態シーケンサは状態VEC４に入らない（VEC１−VEC２−VEC３−VEC３−VEC２−VEC１）。

PWMサイクルの各半分に２つのアクティブベクトルが存在する。「アサインベクトル」ブロック（図２）は、状態VEC２とVEC３を実行するために２つのアクティブベクトルのうちどちらを用いるべきかを決定する。ゼロベクトル時間（T0_Cnt）は３相PWMが選択されたときの半分である。

用語の定義
Ua α軸変調
Ub β軸変調
Uセクタ 図３に示すセクタ番号１〜６（各セクタは６０度）
Zセクタ 図３に示すセクタ番号A〜F（各セクタは６０度）
Ta_Cnt_R アクティブベクトルAの正規化期間
Tb_Cnt_R アクティブベクトルBの正規化期間
Ta_Vec_R 指示変調ベクトル形成用アクティブベクトルA（V１〜V６）
Tb_Vec_R 指示変調ベクトル形成用アクティブベクトルB（V１〜V６）
T0_Vec_1 状態VEC１で用いられるゼロベクトル（V７またはV８）
T0_Vec_2 状態VEC４で用いられるゼロベクトル（V７またはV８）
Ta_Cnt_Scl Ta_Cnt_Rの再スケール版
Tb_Cnt_Scl Tb_Cnt_Rの再スケール版
T0_Cnt_Scl ゼロベクトル正規化時間の再スケール版
Ta_Cnt 状態VEC２のカウンタ期間
Tb_Cnt 状態VEC３のカウンタ期間
T0_Cnt 状態VEC１及びVEC４のカウンタ期間
Ta_Vec 状態VEC２で用いられるベクトル
Tb_Vec 状態VEC３で用いられるベクトル
Two_Phs_Pwm ３相または２相変調間での選択
Z_Mode ２相変調ゼロベクトル選択モード

本発明は特定の実施態様に関連して述べたが、他の多くの変形例、改善例、使用例が当業者に明らかになるであろう。ゆえに発明はこの特定の開示によって限定されるものではない。

３相及び２相変調方式を示す図である。 汎用空間ベクトルPWM器の構成図である。 図２の前演算部及びセクタ検出部をより詳細に示したものである。 図２のアクティブベクトル演算部をより詳細に示したものである。 図２の再スケール・オーバー変調部をより詳細に示したものである。 オーバー変調を示す図である。 図２のゼロベクトル選択部をより詳細に示したものである。 状態のシーケンスを示したものである。

Claims (17)

1. 空間ベクトルパルス幅変調器（SVPWM）であって、
   Ua及びUb変調指標を受け取り、それに応答して変更されたUa及びUb情報を出力する前演算モジュールと、
   前記変更されたUa情報を受け取りUセクタを出力するUモジュールと、前記Uセクタと前記変更されたUb情報を受け取りZセクタを出力するZモジュールとを有するセクタ検出部とを備え、
   前記Uセクタと前記Zセクタは２相変調を実行する２相制御信号であり、
   ３相変調のために、前記SVPWMは、更に、
   前記変更されたUaとUb情報、及び前記Uセクタを受け取り、３相変調用アクティブベクトルを演算するアクティブベクトル部と、
   前記Zセクタを受け取り、３相変調用ゼロベクトルを演算するゼロベクトル選択部と、
   前記アクティブベクトルとゼロベクトルとを受け取り３相変調を実行する３相制御信号を出力するPWMカウンタ部とを備えることを特徴とする。
2. 前記アクティブベクトル部は、アクティブベクトル演算モジュールとアサインベクトルモジュールとを備えることを特徴とする請求項１に記載の空間ベクトルパルス幅変調器。
3. 前記PWMカウンタ部は、対称PWMモードを有することを特徴とする請求項１に記載の空間ベクトルパルス幅変調器。
4. 前記PWMカウンタ部は、非対称PWMモードを有することを特徴とする請求項３に記載の空間ベクトルパルス幅変調器。
5. 前記PWMカウンタ部は、非対称PWMモードを有することを特徴とする請求項１に記載の空間ベクトルパルス幅変調器。
6. 前記ベクトルに対応する期間情報を受け取り、それに応答して、オーバー変調の発生を検出する再スケール・オーバー変調モジュールを備えることを特徴とする請求項１に記載の空間ベクトルパルス幅変調器。
7. オーバー変調が負のゼロベクトル時間に応じて検出されることを特徴とする請求項６に記載の空間ベクトルパルス幅変調器。
8. 前記再スケール・オーバー変調モジュールは、ゼロベクトル時間をゼロにクランプし、アクティブベクトル時間をPWMサイクル内に適合するように再スケールして、オーバー変調に応答することを特徴とする請求項７に記載の空間ベクトルパルス幅変調器。
9. 前記再スケールは、電圧の位相を保持しながら、電圧ベクトルを空間ベクトル面の六角形の境界内にとどまるように制限することを特徴とする請求項８に記載の空間ベクトルパルス幅変調器。
10. 空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）の行う方法であって、以下のステップを備えることを特徴とする、
    Ua及びUb変調指標を受け取り、それに応答して、変更されたUa及びUb情報を出力する前演算ステップと、
    前記変更されたUa情報を受け取り、Uセクタを出力するステップと、前記Uセクタと変更されたUb情報を受け取り、Zセクタを出力するステップとを有するセクタ検出ステップと、
    前記Uセクタ及び前記Zセクタは、２相変調を実行する２相制御信号であり、
    ３相変調のために、前記SVPWMは、更に、下記のステップを備える：前記変更されたUaとUb情報、及び前記Uセクタを受け取り、３相変調用アクティブベクトルを演算するアクティブベクトル演算ステップと、
    前記Zセクタを受け取り、３相変調用ゼロベクトルを演算するゼロベクトル選択ステップと、
    前記アクティブベクトルとゼロベクトルとを受け取り、３相変調を実行する３相制御信号を出力するPWMカウントステップ。
11. 前記PWMカウントステップは、対称PWMモードを実行することを特徴とする請求項１０に記載の空間ベクトルパルス幅変調方法。
12. 前記PWMカウントステップは、非対称PWMモードを実行することを特徴とする請求項１１に記載の空間ベクトルパルス幅変調方法。
13. 前記PWMカウントステップは、非対称PWMモードを実行することを特徴とする請求項１０に記載の空間ベクトルパルス幅変調方法。
14. 前記ベクトルに対応する期間情報を受け取り、それに応答して、オーバー変調の発生を検出するオーバー変調検出ステップを更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の空間ベクトルパルス幅変調方法。
15. オーバー変調は、負のゼロベクトル時間に応じて検出されることを特徴とする請求項１４に記載の空間ベクトルパルス幅変調方法。
16. ゼロベクトル時間をゼロにクランプするステップと、前記アクティブベクトル時間をPWMサイクル内に適合するように再スケールするステップで、前記方法はオーバー変調に応答することを特徴とする請求項１５に記載の空間ベクトルパルス幅変調方法。
17. 前記再スケールステップは、電圧の位相を保持しながら、電圧ベクトルを、空間ベクトル面の六角形の境界内にとどまるよう制限することを特徴とする請求項１６に記載の空間ベクトルパルス幅変調方法。

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