JP4119996B2 - 交流電動機の駆動方法および駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直列接続された半導体スイッチング素子をパルス幅変調方式によりオン・オフ制御することで任意電圧を出力する交流電動機の駆動方法、および駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３に、従来方式であるトルク制御機能を有する交流電動機の駆動装置の概略構成図を示す。
図１３において、１は交流電源１１５の交流電圧を整流して直流電圧Ｅを出力する整流器、２は前記整流された直流電圧Ｅを平滑する平滑コンデンサ、７６〜８１は前記平滑コンデンサ２の両端子間に直列に接続されたＩＧＢＴトランジスタ、８２〜８７は前記ＩＧＢＴトランジスタに逆並列に接続されたフライホイールダイオード、３４はエンコーダ、４１はモータのロータの位相５５を出力する位相演算器、３５はトルク指令４２とモータのロータの位相５５に応じて電流指令４３，４４，４５を発生する電流指令発生器、３７は出力電流４６、４７、４８と前記電流指令４３、４４、４５により電圧指令４９、５０、５１を発生する電圧指令発生器、３９はＰＷＭ信号５２、５３、５４を発生するＰＷＭ発生器、３８は前記ＰＷＭ信号５２，５３，５４によりＩＧＢＴトランジスタへのゲート信号を発生するゲート信号発生器である。
図１４は、ゲート信号について、直流母線に直列接続されたＩＧＢＴトランジスタが同時にオンして短絡しないように、上下両ＩＧＢＴトランジスタがともにオフする期間であるオンディレイ時間tdが設けられていることを示したものである。ＩＧＢＴトランジスタを前記ゲート信号により駆動して、モータ３３に電力を供給し、モータを駆動させている。
【０００３】
前記従来の方式において、電流指令は３相平衡していなければならず、各相の電流指令の方向は正負どちらもとりうる。直流電圧をＥ、オンディレイ時間をtd、オンディレイ時間を付加する前のＰＷＭ信号のオン時間（上段側ＩＧＢＴトランジスタのオン時間）をton、スイッチング周期をTとすると、電流がモータ側に流れ出すときと、モータ側から流れ込むときの、それぞれの駆動装置出力平均電圧Vopav、Vonavは以下のようになる。
Vopav = (ton-td)/T×E ．．．(1)
Vonav = (ton+td)/T×E ．．．(2)
ton、T、Eが同じであっても、出力電流の方向に応じて駆動装置出力平均電圧は(2×td)/T×Eだけ変動する。
そこでこのような出力電圧のずれを補正する為、一般的には、電流の流れる方向を電流検出器４０により検出し、電流がモータ側に流れ出す方向の場合にはオンディレイ時間td分だけ前記ＰＷＭ信号のオン時間を増加させ、モータ側から流れ込む場合には逆にオンディレイ時間td分だけＰＷＭ信号のオン時間を減少させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが前記従来方法では出力電流の零クロス近辺においては、電流検出器のオフセットずれ量やスイッチングノイズの影響で電流極性誤検出が発生し出力電圧がずれてしまう、あるいはオンディレイ区間という短期間中における電流極性を検出してこれを補正するということ自体が困難である等の事情があり、従って出力電圧のずれを補正できないという問題がある。
また電流極性誤検出による出力電圧ずれはオンディレイ区間だけに起因するのではなく、オンディレイ区間以外においても影響する。
例えば電流がモータ側に流れ出す方向の場合、上段側のＩＧＢＴトランジスタ７６がオン中では出力電圧は（Ｅ−ＩＧＢＴトランジスタ７６の飽和電圧）となるが、電流がモータ側から流れ込む方向の場合には出力電圧が（Ｅ＋ダイオード８２の順電圧）となり、電流の極性が異なることで（ＩＧＢＴトランジスタ７６の飽和電圧＋ダイオード８２の順電圧）分の出力電圧ずれ（以下、オン電圧のずれという）が発生することになる。このような出力電圧ずれも電流極性検出により補正しているが、上記誤検出の影響で出力電圧歪みが発生してしまう。
【０００５】
以上の結果、出力電流の零クロス近辺では、図１５に示すように出力電流は歪んだ波形になる。電流波形が歪むと図１６に示すように、駆動装置出力電流の３相合成空間ベクトルと電流指令の３相合成空間ベクトルとの間に誤差が発生し、トルクリプルが発生してしまう。特にモータが一定速運転中などトルク指令が小さい場合には、電流指令も小さくなり、電流が出力されない、電流指令値に対する歪みの割合が大きくトルクリップルが大きくなるという問題があった。
そこで本発明は、パルス幅変調方式により任意の電圧を出力する交流電動機の駆動装置において、直列接続された上下両ＩＧＢＴトランジスタの同時オン動作を防止する為に設けられたオンディレイ時間tdやオン電圧のずれに起因する出力電圧波形歪みをなくし、出力電流の大小に影響されることなく指令電圧と実際の出力電圧とを一致させることができ、指令電流に実際の出力電流を一致させることができる、これによってモータに発生するトルクリプルを抑制することのできる交流電動機の駆動装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１記載の本発明は、独立した各相巻線を有する交流電動機を電流指令に基づいて駆動装置により駆動する方法において、電流ベクトルの合成和が零となり、かつ前記電流指令の振幅値よりも大きなオフセット電流指令を設定し、前記交流電動機に出力する各相電流を前記電流指令と前記オフセット電流指令との重畳値に一致させることを特徴としている。
前記各相のオフセット電流による電流ベクトルの合成和が零の為、オフセット電流によるモータトルクの発生はない。この為、モータトルクは前記重畳した電流指令のうち交流電流指令によってのみ発生することとなる。従って、モータトルクは交流電流指令のみを通電した場合と何ら異なるところがない。
また重畳電流の方向、いいかえれば相電流の方向が各々について一方向に固定される為、出力電流の極性切り替えが発生しないこととなる。
この結果、オンディレイ区間中の出力電圧やオン電圧のずれ量が既知となるので、ずれ量の補正を容易に行え、電流極性誤検出による補正ミスの生じる恐れは皆無となる。
従ってオンディレイと出力電流の極性反転による電圧歪は発生せず、出力電流の歪も発生しないこととなり、出力電流の３相合成空間ベクトルの誤差の変動が生じないこととなる。
またここで意味する半導体スイッチング素子とは、請求項８や請求項９に示すようにダイオードをも含む意味であり、トランジスタに限られるものではない。
【０００７】
また請求項２記載の本発明では、請求項１記載の交流電動機の駆動方法において、前記オフセット電流指令の大きさを前記電流指令の振幅値の大きさに応じて増減させることを特徴としている。
トルク制御の場合、交流電流指令の振幅はトルク指令の大きさに応じて大きくなる。トルク指令の小さいときにもトルク指令の大きいときにも出力電流の極性が反転しないような一定オフセット電流指令を加算した場合、トルク指令が小さいときは必要以上のオフセット電流指令を加算することになる。そして電力損失は電流が大きくなるにつれ大きくなる。
そこで前記交流電流指令が小さい時には前記オフセット電流指令を小さく、交流電流指令が大きい時には大きくすれば、前記オフセット電流指令による電力損失を抑えることが可能になる。
【０００８】
また請求項３記載の本発明では、独立した各相巻線を有する交流電動機を電流指令に基づいて駆動装置により駆動する方法において、電流ベクトルの合成和が零となり、かつ前記電流指令の振幅値よりも大きなオフセット電流指令を設定し、前記電流指令及び前記オフセット電流指令に基づいて、前記交流電動機の各相電流の極性を固定させること特徴としている。
また請求項４記載の本発明では、前記固定された各相電流の極性に基づいて、オンディレイ区間中の出力電圧またはオン電圧による出力電圧のずれ量を補正することを特徴としている。
【０００９】
また請求項５記載の本発明では、独立した各相巻線を有する交流電動機の駆動装置において、電流指令の発生器と、電流ベクトルの合成和が零となり、かつ前記電流指令の振幅値よりも大きなオフセット電流指令の発生器と、前記交流電動機の各相電流を前記電流指令と前記オフセット電流指令との重畳値に一致させる手段を備えたことを特徴としている。
また請求項６記載の本発明では、独立した各相巻線を有する交流電動機の駆動装置において、電流指令の発生器と、電流ベクトルの合成和が零となり、かつ前記電流指令の振幅値よりも大きなオフセット電流指令の発生器と、前記電流指令及び前記オフセット電流指令に基づいて、前記交流電動機の各相電流の極性を固定させる手段を備えたことを特徴としている。
また請求項７記載の本発明では、前記オフセット電流指令の大きさを前記電流指令の振幅値の大きさに応じて増減させる手段を備えたことを特徴としている。
【００１０】
また請求項８記載の本発明は、独立した各相巻線を有する交流電動機の駆動装置において、電流指令の発生器と、電流ベクトルの合成和が零となり、かつ前記電流指令の振幅値よりも大きなオフセット電流指令の発生器と、上段側にあるトランジスタ及び逆向きダイオードの直列接続体並びに逆向きダイオード及び下段側にあるトランジスタの直列接続体とを並列接続したＨブリッジ回路を前記交流電動機の相数分備え、前記電流指令及び前記オフセット電流指令に基づいて、前記交流電動機の各相電流の極性を前記Ｈブリッジ回路のトランジスタを流れる方向に固定させる手段を備えたことを特徴としている。
各相を流れる重畳電流の方向が一方向に固定された場合、直列接続された上下両トランジスタに電流が流れるのではなく、一方のトランジスタとこれに直列接続された逆向きダイオードに電流が流れることを利用して、電流の流れる方向を固定し、その上で、電流の流れることのないトランジスタとダイオードとを削除して交流電動機の駆動装置の小型化、低価格化を実現するものである。
【００１１】
また請求項９記載の本発明は、請求項８記載の交流電動機の駆動装置において、前記Ｈブリッジ回路を構成するトランジスタに逆並列接続されるダイオードを備えたことを特徴としている。
ノイズやサージ電圧が侵入、発生した場合に、トランジスタが過電圧破損するのを防止する為、トランジスタに過電圧保護用として還流ダイオードを逆並列接続したものである。この場合でも、トランジスタはＨブリッジ回路につき２個のみで済む為、交流電動機の駆動装置の小型化、低コスト化の効果は具備している。
【００１２】
【発明の実施形態】
以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施例による動作処理をフローチャートで示したものであり、図２は本発明の第１の実施例を示す回路図である。
図２において、ＩＧＢＴトランジスタ３〜６、１１〜１４、１９〜２２と前記ＩＧＢＴトランジスタに逆並列されたフライホイールダイオード７〜１０、１５〜１８、２３〜２６を平滑コンデンサ２の両端に直列に接続することによりアームを構成し、このアームの出力点に、各相独立に巻かれたモータ巻線３０、３１、３２の端子を接続する。駆動装置のパワー部出力は、各相毎にＨブリッジ２７、２８、２９で構成される。電流指令発生器３５は、トルク指令４２とモータのロータ位相５５とに応じた３相平衡の交流電流指令４３，４４，４５を発生する。前記３相平衡の交流電流指令４３，４４，４５にオフセット電流指令発生器３６よりオフセット電流指令５６を付加し、新たな電流指令１０６，１０７，１０８を発生する。前記新たな電流指令１０６，１０７，１０８と、電流検出信号４６，４７，４８との偏差に応じ、前記電圧指令発生器３７から３相の電圧指令４９，５０，５１を発生する。前記３相の電圧指令４９，５０，５１はＰＷＭ発生器３９に入力される。前記ＰＷＭ発生器３９はＰＷＭ信号５２，５３，５４を発生し、ゲート信号発生器３８によりゲート信号を発生する。ゲート信号は各ＩＧＢＴトランジスタのゲートに入力され、このゲート信号に従い各ＩＧＢＴトランジスタがオンオフ動作を行う。
【００１３】
前記オフセット電流指令５６を前記電流指令器３５より出力される電流指令の振幅値よりも大きく設定すれば、前記新たな電流指令１０６，１０７，１０８は、全領域で出力電流の極性が既知の方向で固定されることになる。
このため、オンディレイ区間中の出力電圧や、オン区間中のオン電圧による出力電圧のずれ量が既知となり、この既知のずれ量をそのまま補正してやれば、指令電圧との間で電流極性反転のための電圧歪みの発生しない、オン電圧による電圧歪みも発生しない、従って指令電圧に一致した出力電圧とすることができ、実電流も歪みのない波形にすることが可能となる。
また図３に示すように、オフセット電流の３相合成空間ベクトルはゼロになるので、交流電流指令４３，４４，４５による３相合成空間ベクトル６３とオフセット電流を重畳したのちの電流指令１０６，１０７，１０８による３相合成空間ベクトル６７とは一致する。これを示したのが、図４および図５である。
前記のとおり３相合成空間ベクトルが一致するので、モータ出力トルクも一致することとなる。
図１のステップ４において各相のオフセット電流指令を固定したものが請求項１記載の発明であり、刻々変化するトルク指令の大小に応じてオフセット電流指令を増減させたものが請求項２記載の発明となる。なお、図１には記載していないがトルク指令４２を出力するマイクロコンピュータがオフセット電流指令発生器３６を管理下におき、オフセット電流指令値を決定する構成をとれば請求項２記載の発明を実現することが可能となる。
【００１４】
次に本発明の第２の実施例を図６に示す。図６の動作原理は図２の場合と同様であるが、電流指令発生器３５からの交流電流指令とオフセット電流指令発生器３６からのオフセット電流指令を加算し、前記加算値を電圧指令発生器３７に出力する電流指令加算器１２０を設けたことを特徴としている。
【００１５】
次に本発明の第３の実施例を図７に基づいて説明する。図７は、トルク指令と電流指令振幅６８及びオフセット電流指令６９の関係を示したものである。
駆動装置の出力電流に歪を発生させないためには、出力電流の極性が反転しなければよいのである。すなわち、加算するオフセット電流指令６９が電流指令振幅６８より大きければよいのである。トルク制御の場合、電流指令の振幅６８は、トルク指令に比例して大きくなる。加算するオフセット電流指令をトルク指令の大きさにかかわりなく一定とし、トルク指令の大きいときに電流が歪まないようにした場合、トルク指令の小さいときは、電流指令振幅とオフセット電流指令の差が大きいため、必要以上のオフセット電流を加算することになる。電力損失は電流が大きくなるにつれ大きくなるので、加算するオフセット電流は小さいほうが望ましい。
そこで図７に示すように、前記オフセット電流指令が前記電流指令よりも大きくなるような範囲で、前記電流指令が小さい時は前記オフセット電流を小さくし、電流指令振幅が大きい時は前記オフセット電流を大きくしても電流は極性反転しないため、電流歪みが発生しない。このように電流指令の小さい時、および大きい時において、各々オフセット電流指令重畳後の電流指令を示したものが図８および図９である。
そしてトルク指令が小さい場合は前記オフセット電流が小さいため、オフセット電流を加算したことに伴う電力損失を抑えることができるという効果がある。
【００１６】
次に本発明の第４の実施例を示したものが、図１０である。図１０は、ＨブリッジをＩＧＢＴトランジスタ２個、およびダイオード２個により構成したものである。
ＩＧＢＴトランジスタ３、１１，１９が上段側、ＩＧＢＴトランジスタ６，１４，２２が下段側に配置され、各々のトランジスタにはダイオード８，１６，２４，９，１７，２５が逆方向に直列接続されている。
モータへの出力電流は前記第１の実施例同様に、オフセット電流指令との重畳によって一方向に固定されているが、その出力電流の方向は図１０に示す方向に固定されている。どちらの方向に固定されるかを問わない前記第１の実施例とは、この点で異なっている。
ＩＧＢＴトランジスタが上下直列接続されていない為、オンディレイを設ける必要はないが、例えばＩＧＢＴトランジスタ３のオフ指令区間中は図１１に示す方向に電流が流れるため出力電圧はほぼ零となるので、ＩＧＢＴトランジスタ３のオン時間を制御するのみで、所定の出力電圧を得ることが可能となる。
また出力電圧が直流電圧ＥとなるのはＩＧＢＴトランジスタ３へのオン指令区間中に限られる為、また、その区間のみＩＧＢＴトランジスタ３を出力電流が流れることも自明の為、出力がＥとなる区間およびオン電圧のずれ量は既知となり、指令電圧と出力電圧との電圧差を前記に従って補正するだけで、容易に指令電圧に一致する出力電圧を得ることが可能となる。
【００１７】
次に本発明の第５の実施例を示したものが図１２である。第５の実施例は、前記第４の実施例に対し、ＩＧＢＴトランジスタ３と６に各々並列にダイオード７と１０を逆並列接続したものである。
ダイオード７〜１０により、出力端子に過電圧が侵入してきた場合でも、図１２に示すルートで過電圧を逃がし、ＩＧＢＴトランジスタ３や６を過電圧による破損から保護することが可能となる。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、パルス幅変調方式により任意の電圧を出力する交流電動機の駆動装置において、直列接続された上下両ＩＧＢＴトランジスタの同時オン動作を防止する為に設けられたオンディレイ時間tdやオン電圧のずれに起因する出力電圧波形歪みをなくし、出力電流の大小に影響されることなく指令電圧と実際の出力電圧とを一致させることができ、指令電流に実際の出力電流を一致させることができる、これによってモータに発生するトルクリプルを抑制することができるという効果がある。
さらにトルクリプル改善の為のオフセット電流による電力損失の増大を抑えることができる効果もあり、またトランジスタの使用個数を低減して、駆動装置の小型化、低価格を図れるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による動作処理をフローチャートで示したものである。
【図２】本発明の第１の実施例を示す回路図である。
【図３】オフセット電流指令の空間ベクトル図である。
【図４】オフセット電流指令を加える前の電流指令空間ベクトル図である。
【図５】オフセット電流指令を加えた後の電流指令空間ベクトル図である。
【図６】本発明の第２の実施例の構成を示したものである。
【図７】トルク指令と電流指令振幅及びオフセット電流指令の関係図である。
【図８】トルク指令が小さい時の重畳電流指令と電力変換装置出力電流である。
【図９】トルク指令が大きい時の重畳電流指令と電力変換装置電流である。
【図１０】本発明の第４の実施例の構成を示したものである。
【図１１】本発明の第４の実施例において、ＩＧＢＴトランジスタオフ中の電流の流れを示したものである。
【図１２】本発明の第５の実施例の構成を示したものである。
【図１３】従来方式を示す図である。
【図１４】ゲート信号と電力変換装置出力電圧波形である。
【図１５】従来方式の電流指令と電力変換装置出力電流である。
【図１６】従来方式の電流指令と電力変換装置出力電流の空間ベクトルである。
【符号の説明】
１ 整流器
２ 平滑コンデンサ
３〜６、１１〜１４、１９〜２２、７６〜８１ スイッチング素子
７〜１０、１５〜１８、２３〜２６、８２〜８７ フライホイールダイオード
２７、２８、２９ Ｈブリッジ回路
３０、３１、３２ モータ巻き線
３３ モータ
３４ エンコーダ
３５ 電流指令発生器
３６ オフセット電流指令発生器
３７ 電圧指令発生器
３８ ゲート信号発生器
３９ ＰＷＭ発生器
４０ 電流検出器
４１ 位相演算器
４２ トルク指令
４３、４４、４５ 電流指令
４６、４７，４８ 電力変換装置出力電流
４９，５０，５１ 電圧指令
５２，５３，５４ ＰＷＭ信号
５５ モータのロータ位相
５６ オフセット電流指令
５７，５８，５９ オフセット電流指令ベクトル
６０，６１，６２ 電流指令ベクトル
６３，６７ ３相合成空間ベクトル
６４，６５，６６ オフセット電流指令を付加した新たな電流指令ベクトル
６８ 電流指令振幅
６９ オフセット電流指令
７０，７３ Ｕ相電流指令及びＵ相出力電流
７１，７４ Ｖ相電流指令及びＶ相出力電流
７２，７５ Ｗ相電流指令及びＷ相出力電流
８８ スイッチング素子７７のゲート信号波形
８９ スイッチング素子７６のゲート信号波形
９０ モータへ電流が流入するときの出力電圧
９１ モータへ電流が流入するときの電力変換装置出力電圧Vopav
９２ モータから電流が流出するときの電力変換装置出力電圧
９３ モータから電流が流出するときの電力変換装置出力電圧Vonav
９４ オンディレイ時間td
９５ オンディレイを付加する前のオン時間ton
９６ オンディレイを付加する前のオン時間ton
９７ スイッチング周期Ｔ
９８，９９，１００ 電流指令空間ベクトル
１０１ 電流指令の３相合成空間ベクトル
１０２，１０３，１０４ 電力変換装置出力電流の空間ベクトル
１０５ 電力変換装置出力電流の３相合成空間ベクトル
１０６，１０７，１０８ オフセット電流指令を付加した新たな電流指令
１０９ Ｕ相出力電流
１１０ Ｖ相出力電流
１１１ Ｗ相出力電流
１１５ 三相交流電源
１２０ オフセット電流指令加算器
１２１、１２２ ＩＧＢＴトランジスタ
１２３〜１２６ ダイオード

Claims (9)

1. 独立した各相巻線を有する交流電動機を電流指令に基づいて駆動装置により駆動する方法において、
   オフセット電流の合成空間ベクトルは零となり、かつ前記電流指令の振幅値よりも大きなオフセット電流指令を設定し、
   前記交流電動機に出力する各相電流を前記電流指令と前記オフセット電流指令との重畳値に一致させることを特徴とする交流電動機の駆動方法。
2. 前記オフセット電流指令の大きさを前記電流指令の振幅値の大きさに応じて増減させることを特徴とする請求項１記載の交流電動機の駆動方法。
3. 独立した各相巻線を有する交流電動機を電流指令に基づいて駆動装置により駆動する方法において、
   オフセット電流の合成空間ベクトルは零となり、かつ前記電流指令の振幅値よりも大きなオフセット電流指令を設定し、
   前記電流指令及び前記オフセット電流指令に基づいて、前記交流電動機の各相電流の極性を固定させること特徴とする交流電動機の駆動方法。
4. 固定された各相電流の極性に基づいて、オンディレイ区間中の出力電圧またはオン電圧による出力電圧のずれ量を補正することを特徴とする請求項３記載の交流電動機の駆動方法。
5. 独立した各相巻線を有する交流電動機の駆動装置において、
   電流指令の発生器と、
   オフセット電流の合成空間ベクトルは零となり、かつ前記電流指令の振幅値よりも大きなオフセット電流指令の発生器と、
   前記交流電動機の各相電流を前記電流指令と前記オフセット電流指令との重畳値に一致させる手段を備えたことを特徴とする交流電動機の駆動装置。
6. 独立した各相巻線を有する交流電動機の駆動装置において、
   電流指令の発生器と、
   オフセット電流の合成空間ベクトルは零となり、かつ前記電流指令の振幅値よりも大きなオフセット電流指令の発生器と、
   前記電流指令及び前記オフセット電流指令に基づいて、前記交流電動機の各相電流の極性を固定させる手段を備えたことを特徴とする交流電動機の駆動装置。
7. 前記オフセット電流指令の大きさを前記電流指令の振幅値の大きさに応じて増減させる手段を備えたことを特徴とする請求項５または請求項６記載の交流電動機の駆動装置。
8. 独立した各相巻線を有する交流電動機の駆動装置において、
   電流指令の発生器と、
   オフセット電流の合成空間ベクトルは零となり、かつ前記電流指令の振幅値よりも大きなオフセット電流指令の発生器と、
   上段側にあるトランジスタ及び逆向きダイオードの直列接続体並びに逆向きダイオード及び下段側にあるトランジスタの直列接続体とを並列接続したＨブリッジ回路を前記交流電動機の相数分備え、
   前記電流指令及び前記オフセット電流指令に基づいて、前記交流電動機の各相電流の極性を前記Ｈブリッジ回路のトランジスタを流れる方向に固定させる手段を備えたことを特徴とする交流電動機の駆動装置。
9. 前記Ｈブリッジ回路を構成するトランジスタに逆並列接続されるダイオードを備えたことを特徴とする請求項８記載の交流電動機の駆動装置。

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