JP4144367B2 - インバータ制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、PWM制御を行うインバータ制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
たとえば下記の特許文献1、2に開示されるように、三相交流モータをPWM制御するインバータ制御装置において、インバータの同一相の上アーム側のスイッチング素子及び下アーム側スイッチング素子の断続状態の切り替えに際して、これら同相の両スイッチング素子の一方のターンオン過渡期間と他方のターンオフ過渡期間との重なりにより両スイッチング素子を通じてクロス電流が流れるのを防止するために、両スイッチング素子をともに遮断するデッドタイムを設けるのが通常である。
【0003】
【特許文献1】
特開平6-105562号公報
【特許文献2】
特開平5-276792号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来のインバータPWM制御装置では、インバータやそれが制御するモータの状態に応じて搬送信号の周波数(搬送周波数又はPWMキャリア周波数ともいう)を切り替えることが公知となっている。たとえば、モータが低速運転している場合にはそれほど高い搬送周波数は必要ではないため、モータ低速運転時に搬送周波数を低く設定してスイッチング素子の過渡スイッチング損失を低減し、モータの高速回転時には搬送周波数を増大して必要な波形制御性を確保するなどの用途がある。
【0005】
なお、デッドタイムの長さは、上記した同相の上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との通じて流れるクロス電流を防止可能な範囲でできるだけインバータ出力波形の歪みを低減するため、なるべく短い一定時間に設定されるのが通常である。
【0006】
しかしながら、このように一定時間に設定されたデッドタイム条件下にて搬送周波数の切り替え(すなわち搬送周期の切り替え)を行うと、搬送周期の切り替え時点前後おける搬送周期に対するデッドタイムの占有率(以下、デッドタイム占有率ともいう)が急変するため、図5〜図7に一例を示すように、インバータの線間電圧が変化してインバータが出力する実電流が急変し、インバータの出力電流波形が大きく歪むという問題が生じた。たとえば、図6のように搬送周期を延長する切り替えを行うと搬送周期に対するデッドタイムの実質的な占有率が大きくなるため電流が低下し、逆に、図7のように搬送周期を短縮する切り替えを行うと搬送周期に対するデッドタイムの実質的な占有率が小さくなるため電流が増大してしまう。
【0007】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、搬送周波数(搬送周期)の切り替えにもかかわらず、この切り替え時の電流歪みを低減可能なインバータ制御装置を提供することをその目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載した本発明のインバータ制御装置は、インバータと、入力指令に基づいて前記インバータの各上アーム側スイッチング素子および各下アーム側スイッチング素子の制御電極に所定の搬送周期のPWM制御信号を入力して前記スイッチング素子をPWM制御するPWM制御部と、同一相の前記上アーム側のスイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との断続状態変更時に前記両スイッチング素子をともに所定のデッドタイムだけ遮断するデッドタイム制御部とを有し、前記PWM制御部は、前記インバータの運転状態に応じて前記搬送周期を段階的に切り替えるインバータ制御装置において、
前記デッドタイム制御部が、前記搬送周期切り替え前後における前記搬送周期に対する前記デッドタイムの占有率を、所定値以下、かつ、その変化割合を略一定(5%未満)とすることを特徴としている。
【0009】
すなわち、この発明によれば、搬送周期の切り替えとともに、デッドタイムも切り替えてもデッドタイム占有率が略一定化されているので、搬送周期を切り替えても搬送周期に占めるデッドタイムの割合はほとんど変化することがなく、その結果としてデッドタイムの占有率の急変に伴うインバータの出力電流の急変やその波形の歪みを大幅に低減することができる。
更に、本発明では、前記搬送周期の切り替えから所定期間経過後に前記デッドタイムを前記搬送周期に適した値に収束させる。このようにすれば、上記したように、搬送周期切り替え時にそれと連動してデッドタイムを切り替えることによりデッドタイムの占有率を一定化してインバータの電流波形歪みを低減できるとともに、搬送周期切り替えが終了した後では、現在の搬送周期に最適なデッドタイムを選択することができ、インバータのスイッチング素子の過渡スイッチング損失の低減などの効果を奏することができる。
【0010】
好適態様において、前記デッドタイム制御部は、前記搬送周期切り替え前後における前記搬送周期に対する前記デッドタイムの占有率の変化割合を3%未満とする。実験によれば、占有率の変化が3%未満であれば、デッドタイム占有率変動による搬送周期切り替え時の電流波形の歪みはほとんど無視できる。
【0011】
好適態様において、前記デッドタイム制御部は、前記搬送周期切り替え前後における前記搬送周期に対する前記デッドタイムの占有率を等しく設定することを特徴とする。このようにすれば、占有率の変化が3%未満であれば、デッドタイム占有率変動による搬送周期切り替え時の電流波形の歪みを無視することができる。
【0012】
好適態様において、前記デッドタイム制御部は、前記搬送周期に対する前記デッドタイムの占有率を常に一定とするので、デッドタイム制御が簡単となる。
【0013】
好適態様において、前記デッドタイム制御部は、前記前記搬送周期が最も短い状態における前記デッドタイムを少なくとも同一相の上アーム側スイッチング素子及び下アーム側スイッチング素子の両方を通じて流れる電流が無視できる程度に確保しつつ、前記搬送周期切り替え前後における前記搬送周期に対する前記デッドタイムの占有率を略一定とする。これにより、搬送周期切り替え前後で占有率を一定とするべくデッドタイムの長さを切り替えることができるとともに、高搬送周波数でインバータを運転する場合においてもデッドタイムが不足してクロス電流が流れることを防止することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の好適態様としてのインバータ制御装置を用いたモータ制御装置を以下の実施例を用いて具体的に説明する。
【0016】
このモータ制御装置は、バッテリ1から給電される直流電力を三相交流電力に変換して三相同期モータ2に給電するインバータ(三相インバータ回路)3と、このインバータ3を駆動制御するコントローラ4と、モータの相電流を検出する電流検出センサ5と、三相同期モータ2の回転角を検出するモータ内蔵の回転角センサ6とからなる。7は平滑コンデンサであり、インバータコントローラ4はデッドタイム制御部45を内蔵している。
【0017】
インバータ3は、たとえばMOSトランジスタからなる上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子のペアを相数分有し、同相の上アーム側スイッチング素子の主電極対の一つと下アーム側スイッチング素子と出電極対の一つとは接続されて交流出力端をなし、これら両スイッチング素子の残る主電極はバッテリ1の両端に個別に接続されている。この種の三相インバータ回路はもはや周知であるので、これ以上の説明は省略する。
【0018】
インバータコントローラ4は、入力されるトルク指令と検出電流と検出モータ回転角に基づいて三相PWM制御信号を形成し、この三相PWM制御信号をインバータ3の各スイッチング素子の制御電極に個別に出力して、必要な三相同期モータ2の回転に同期した三相交流電流を三相同期モータ2のステータコイルに通電する。したがって、三相PWM制御信号は、合計6個のスイッチング素子の制御電極に個別に出力される6つのPWM制御信号からなる。
【0019】
コントローラ4の一例を図2に示す。ただし、図2は一相分のみ示す。
【0020】
図2において、40は電圧指令演算部、41は比較器、42は搬送周波数制御部、43は三角波発生器、44は駆動信号分配器、45はデッドタイム制御部である。
【0021】
電圧指令演算部40は、入力信号に基づいてU相のアナログ指令電圧Vuを形成し、このU相のアナログ指令電圧Vuは比較器において三角波発生器43からの三角波電圧との比較によりU相のPWM指令電圧Vupwmに変換される。電圧指令演算部40自体はもはや周知であり、この発明の要旨でもないのでこれ以上の説明は省略する。電圧指令演算部40の一例を図3に示す。
【0022】
搬送周波数制御部42は、外部指令又は回転数などのモータ状態に基づいて搬送周波数を切り替える周波数切り替え指令信号Sを、三角波発生器43及びデッドタイム制御部45に出力する。
【0023】
三角波発生器43は、入力された周波数切り替え指令信号Sに応じた周期の三角波電圧を比較器41に出力する。すなわち、周波数切り替え指令信号Sは三角波発生器43が発生する三角波電圧の周期を切り替える。
【0024】
デッドタイム制御部45は、周波数切り替え指令信号Sに応じた長さのデッドタイムを駆動信号分配器44に出力する。すなわち、周波数切り替え指令信号Sは、デッドタイム制御部45が駆動信号分配器44へ出力するデッドタイム信号Sdeadを切り替える。
【0025】
駆動信号分配器44は、比較器41から入力されたU相のPWM指令電圧Vupwmを反転して反転U相のPWM指令電圧Vupwmを形成するとともに、これらU相のPWM指令電圧Vupwm及びその反転電圧に、デッドタイム信号Sdeadに基づいて決定されたデッドタイムを与えてインバータ3のU相の上アーム及び下アームのスイッチング素子の制御電極に個別に出力する。
【0026】
比較器41から出力されるU相のPWM指令電圧(駆動信号)Vupwmと、駆動信号分配器44がインバータ3のU相の上アーム及び下アームのスイッチング素子に出力するゲート制御信号電圧Vupwm(上)、Vupwm(下)の波形を図4に示す。
【0027】
図4からわかるように、駆動信号Vupwmの一搬送周期にはその立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとにそれぞれデッドタイムが設定される。なお、この発明で定義したデッドタイム占有率とは、1デッドタイム/搬送周期である。
【0028】
この実施例において、重要な点は、デッドタイム制御部45が、入力される周波数切り替え指令信号Sが示す搬送周期に比例してデッドタイムの長さを決定することにある。この実施例では、デッドタイム占有率は、デッドタイムが、搬送周期が最も短い場合においても同相の上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とのオン期間の立ち上がりとオフ期間の立ち下がりが重なって流れるクロス電流が無視可能な長さとなるように設定される。
【0029】
(実施例効果)
上記したこの実施例によれば、次の効果を奏することができる。
【0030】
まず、搬送周期の切り替えに合わせてデッドタイムの長さも切り替えることにより、デッドタイム占有率を一定としているので、デッドタイムの占有率の急変に伴うインバータの出力電流の急変やその波形の歪みを大幅に低減することができる。
【0031】
なお、搬送周期切り替え前後における搬送周期に対するデッドタイム占有率は一定でなくてもよいが、搬送周期切り替え前後におけるデッドタイム占有率の変化割合は5%未満、更にこのましくは3%未満とされることが、搬送周期切り替え前後における波形歪みの低減のために好適である。
【0032】
(変形態様)
上記実施例では、搬送周期切り替え前後におけるデッドタイム占有率の変動を抑止するが、このようにすると、たとえば、搬送周期が非常に短い場合にはデッドタイムが相対的に長くなり、搬送周期が非常に長い場合にはデッドタイムが相対的に短くなる。そこで、搬送周期切り替えが完了した後、デッドタイムを現在の搬送周期に好適な値に徐々あるいは段階的に収束させるようにしてもよい。
【0033】
この制御は、具体的にはデッドタイム制御部45において、アナログタイマー又はデジタルタイマー又はソフトウエア制御を用いて行えばよい。これにおり、搬送周期切り替え時にそれと連動してデッドタイムを切り替えることによりデッドタイムの占有率を一定化してインバータの電流波形歪みを低減できるとともに、搬送周期切り替えが終了した後では、現在の搬送周期に最適なデッドタイムを選択することができ、インバータのスイッチング素子の過渡スイッチング損失の低減などの効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例のモータ制御回路を示すブロック図である。
【図2】図1のコントローラのブロック図である。
【図3】図1の電圧指令演算部のブロック図である。
【図4】実施例1のデッドタイム波形を示すタイミングチャートである。
【図5】搬送周波数切り替えによる電圧波形歪みを示す波形図である。
【図6】搬送周波数切り替えによる電圧波形歪みを示す波形図である。
【図7】搬送周波数切り替えによる電圧波形歪みを示す波形図である。
【符号の説明】
1…バッテリ
2…モータ
3…インバータ
4…コントローラ
5…電流センサ
6…回転角センサ
45…デッドタイム制御部
Claims (5)
- インバータと、入力指令に基づいて前記インバータの各上アーム側スイッチング素子および各下アーム側スイッチング素子の制御電極に所定の搬送周期のPWM制御信号を入力して前記スイッチング素子をPWM制御するPWM制御部と、同一相の前記上アーム側のスイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との断続状態変更時に前記両スイッチング素子をともに所定のデッドタイムだけ遮断するデッドタイム制御部とを有し、前記PWM制御部は、前記インバータの運転状態に応じて前記搬送周期を段階的に切り替えるインバータ制御装置において、
前記デッドタイム制御部は、
前記搬送周期切り替え前後における前記搬送周期に対する前記デッドタイムの占有率の変化割合を5%未満とするとともに、前記搬送周期の切り替えから所定期間経過後に前記デッドタイムを前記搬送周期に適した値に収束させることを特徴とするインバータ制御装置。 - 請求項1記載のインバータ制御装置において、
前記デッドタイム制御部は、
前記搬送周期切り替え前後における前記搬送周期に対する前記デッドタイムの占有率の変化割合を3%未満とすることを特徴とするインバータ制御装置。 - 請求項2記載のインバータ制御装置において、
前記デッドタイム制御部は、
前記搬送周期切り替え前後における前記搬送周期に対する前記デッドタイムの占有率を等しく設定することを特徴とするインバータ制御装置。 - 請求項1記載のインバータ制御装置において、
前記デッドタイム制御部は、
前記搬送周期に対する前記デッドタイムの占有率を常に一定とするインバータ制御装置。 - 請求項1記載のインバータ制御装置において、
前記デッドタイム制御部は、
前記前記搬送周期が最も短い状態における前記デッドタイムを少なくとも同一相の上アーム側スイッチング素子及び下アーム側スイッチング素子の両方を通じて流れる電流が無視できる程度に確保しつつ、前記搬送周期切り替え前後における前記搬送周期に対する前記デッドタイムの占有率を略一定とするインバータ制御装置。
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