JP4671687B2 - 空間ベクトル技法を使用する単一電流センサによるモータ駆動制御 - Google Patents
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Description
本発明はさらにまた、複数の相を備えた多相ブラシレスモータのための駆動システムであって、前記システムは、1つの駆動回路であって、前記駆動回路を複数の状態の間で切り替えることによって各相に印加される電位を変更するための切替え手段と、巻線を通って流れる瞬時総電流を検出できるように接続された電流センサと、一連のパルス幅変調周期の各々において前記駆動回路がこれらの状態間で切り替わる時間を制御するために切替え手段を制御するパルス幅変調した駆動信号を提供するように設計された制御手段と、を含む駆動回路を備えており、前記制御手段は各相における電流を電流センサによって決定できるだけの十分な時間が十分な数のアクティブ状態において費やされるような切替え手段の制御を行うように設計されており、かつ前記制御手段は各周期内の状態の各々において回路により費やされる時間を決定するために空間ベクトル変調を使用するように構成されている駆動システムを提供する。
図1を参照すると、3相ブラシレスモータ1は、星形ネットワークで接続されている、全体として相A、BおよびCと表した3つのモータ巻線2、4、6を備えている。各コイルの一方の端部2a、4a、6aはそれぞれの端子2c、4c、6cに接続されている。このコイルのもう一方の端部2b、4b、6bは、互いに接続されて、星形の中心7を形成している。駆動回路は3相ブリッジ8を備えている。ブリッジの各アーム10、12、14は、給電レール20と接地線22の間に直列に接続させた頂部トランジスタ16および底部トランジスタ18の形態をした一対のスイッチを備えている。モータ巻線2、4、6はそれぞれ、トランジスタ16、18のそれぞれの相補対からタップ出しされている。トランジスタ16、18は、端子2c、4c、6cの各々に加えられる電位に対するパルス幅変調が提供されるようにコントローラ21による制御式でオン/オフが切り替えられており、これによって巻線2、4、6の各々の両端に印加される電位差を、したがってさらに巻線を通って流れる電流を制御している。これは次いで、これらの巻線が発生させる磁界の強さと向きを制御する。
図2には、得られる相電圧サイクル(すなわち、その端子2c、4c、6cと星形中心点7との間にある巻線のうちの1つの両端電圧の変動)も表している。ここでも、1という正規化振幅を有する円滑な正弦波線電圧によって生成される相電圧が1であるとして正規化を行っている。過変調がある場合であっても、モータに発振やノイズを生じさせる可能性がある何らかの歪みは存在しているが、その相電圧はかなり円滑な曲線に従っていることが確認できよう。
図3を参照すると、3相システムの各巻線2、4、6は給電レール20または接地線22のいずれかにだけ接続することができ、したがって制御回路の可能な8つの状態が存在する。相のうちの1つが正の電圧にあることを表すのに1を使用し、また接地に接続されている相を表すのに0を使用すると、状態1は、相Aが1であり、相Bが0でありかつ相Cが0であることを示している[100]で表すことができ、状態2は[110]と、状態3は[010]と、状態4は[011]と、状態5は[001]と、状態6は[101]と、状態0は[000]と、また状態7は[111]と表すことができる。状態1から6の各々は、巻線2、4、6のすべてに関する電流の通過が、巻線のうちの1つの通過がある1つの方向でありかつ残りの2つの巻線の通過方向がもう一方の方向であるようになった導通状態である。状態0は巻線のすべてが接地に接続されているゼロボルト状態であり、また状態7は巻線のすべてが給電レールに接続されているゼロボルト状態である。
上で言及したように、大部分のシステムは各相内に1つの電流センサを有している。しかし単一電流センサシステムでは、これ以外の制約が存在する。単一電流センサを有するシステムでは、各周期内において最小時間Tminにわたって少なくとも2つ(3相システムの場合)の非ゼロ状態(すなわち、状態0や状態7以外の状態)が印加されるという要件が存在する。この要件のことを、本明細書では最小状態時間基準と呼ぶことにする。この基準は、電流センサ内の電流を計測してその相のすべてにおける電流を決定できるだけの十分な時間を許容することである。図6の空間ベクトル図において、このことは、図上の所望の点に到達するためには少なくとも2つの異なるベクトルを最小長さTminで使用しなければならないことを意味している。したがって、6つの1次ベクトルのうちの1つから距離Tminの範囲内にあるベクトル空間の領域では、所望の電圧ベクトルを単に2つの1次ベクトル成分から実現することが不可能である。その代わりにこうした領域では、そのうちの2つが少なくともTminの長さであるような3つ以上の1次ベクトル成分が使用される。これに関する一例を、第1の成分s1、長さがTminの第2の成分s2、並びに長さがTminより短い第3の成分s6を用いてベクトル空間内の点xに到達している図6に表している。このことは、1つのデューティサイクル内において、駆動回路は状態S1、S2およびS6の各々において時間を消費することになるが、S1およびS2の各々における時間は単一電流センサによる電流計測を可能にするだけの十分な長さとなることを意味している。ベクトル空間のうち単一電流センサ要件に起因して除外される部分はTXの各領域だけとなる。これらは、Tp−Tminを超える1つの状態時間に対応する領域と、Tmin未満の別の状態時間に対応する領域とである。
単一電流センサSVMにおける所与の電圧デマンドベクトルに関する個々の状態ベクトルを計算するために使用することが可能な多くのさまざまな技法が存在している。
これを実施するための2つの実際的な方法について以下に説明する。
電圧デマンドの大きさおよび方向が先ず、α−β(ステータ−フレーム)座標で計算される。この結果から次いで、SVMベクトルが計算される。
第1の技法はベクトルを明示的に計算することである。図7は、SVMセクター1(すなわち、単一状態ベクトルS1とS2の間にあるセクター)を、2つの隣接するベクトル(領域A)と、3つの隣接するベクトル(領域B)と、3つ以上の隣接しないベクトル(領域C)とが要求される領域に細分した状態で表している。これらのベクトルを明示的に計算するためには、このセクターのうち電圧デマンドベクトルが位置する領域が先ず決定される。次いで各領域ごとに、2つ、3つまたは4つの状態(その領域に応じて決まる)の長さを、電圧デマンドおよびTminなどのシステムパラメータから一意に計算することができる。次いで状態およびその長さがPWM生成アルゴリズムにわたり、このPWM生成アルゴリズムによって各相ごとにPWMエッジ位置および電流センササンプル点が計算される。このセクターは、状態ベクトルの長さの計算に使用される的確なアルゴリズムに応じて、図7に表したものとは異なる領域の組になるように細分してもよい。
別の暗黙方法では、そのシステムが従来の多相電流センサを有しているかのようにして、標準的なSVMアルゴリズムを使用して各相に関するデューティサイクルが先ず計算される。デューティサイクルを決定する方式(たとえば、標準の中心揃え式PWM、エッジ揃え式PWM、バスクランピング、など)に関しては何らかの選択肢が存在しており、また実際の選択肢は別の要因に応じて決まることになる。しかし、この電圧デマンドベクトルは明示的方法の場合と同じ限界を有さねばならず、このため、電圧デマンドベクトルの有効範囲は多相電流センサを備えたシステムの場合と同じになり得ないことに留意すべきである。
達成可能な最大変調指数において重要な要因の1つにデッドタイム効果がある。現実の駆動システムでは、ある相脚の上側のトランジスタに対するオフ切り替えと、同じ相脚の下側のトランジスタに対するオン切り替えとの間に、本明細書においてデッドタイムと定義する時間遅延を挿入することが必要であり、またある相脚の下側のトランジスタに対するオフ切り替えと、同じ相脚の上側のトランジスタに対するオン切り替えとの間にも追加の遅延を挿入することが必要である。このデッドタイムの目的は両方のトランジスタが同時にオンになることを防ぐことにあり、同時にオンになるとDCバスの両端に損傷を起こさせる可能性がある短絡回路が生じることになる。図8aは、デッドタイムが挿入されているある相脚の上側と下側のトランジスタに関するコマンド信号の一例を表している。しかし、この駆動機構によって提供される実際の端子電圧は、それに対して接続された相を流れる電流の極性に依存する、というのはこれがデッドタイム中に上側と下側のいずれのダイオードが導通状態にあるかを決定するからである。図8bおよび図8cは、正の電流極性と負の電流極性のそれぞれに関する1つのPWMサイクルにわたる実現される実際のデューティサイクル、またしたがって平均電圧を表している。
多重電流センサを備えた従来の駆動システムでは、そのトランジスタパターンは典型的には、たとえば図4に示すような中心揃え式であるか、エッジ揃え式であるかのいずれかである。エッジ揃え式パターンでは、PWM周期の開始時点で相のすべてに関して高い側のトランジスタが同時にオンにされており、一方中心揃え式パターンはPWM周期の中心線の周りで高い側のPWM波形を等距離に配置している。いずれのケースについても、各PWMサイクルにおいて各相の上側トランジスタは、それ以外の相の上側のトランジスタのうちのいずれかのトランジスタがオフになる前にオンになることになる。同様に、各PWMサイクルにおいて各相の下側トランジスタは、それ以外の相の下側トランジスタのうちのいずれかのトランジスタがオンになる前にオフになることになる。(これに関する唯一の例外は、任意の相に関するデューティサイクルが0%か100%かのいずれかである場合であり、これらのケースではPWMサイクル内の当該相に関して切り替え遷移が存在しないことになる)。このため、立ち上がりエッジ遷移のすべてを立ち下がりエッジ遷移のすべてから分離する想像線、中心線が存在する。
この限界を克服するために、本発明は、1つのPWMサイクル中にトランジスタの各々のエッジ切り替え点を割当てているアルゴリズムに対して2つの追加的な要件を適用している。先ず、ある相における上側および下側のトランジスタの立ち上がりエッジか、上側および下側のトランジスタの後続するエッジのいずれかが、これ以外の相におけるトランジスタの遷移の位置の状態によらず、そのPWMサイクル内の任意の点で生じることが許容されねばならないことが要求される、ただしこれが第2の要件に抵触する場合を除く。
実際的なシステムでは、各トランジスタをその間でオンに切り替えるための最小時間を有することが必要である。トランジスタがこの最小時間未満でオンに切り替わると、予測不能な結果を生じさせることや、またさらにはトランジスタを損傷する可能性も生じる。この最小トランジスタ・オン時間TFETの結果として、装置の各相に加えることができるデューティサイクルのレンジが制限されることになる。これを図10aに図示しており、この図では、底部トランジスタが最小トランジスタ・オン時間の間でオンに切り替わることを可能にするために頂部トランジスタをPWM周期の終了前にオフに切り替えねばならないということのために、相Aに加えることが可能な最大デューティサイクルが制限されている。最小デューティサイクルに関しても、TFETの間で頂部トランジスタをオンにしなければならないことに起因した同様の制限が存在する。この制約の結果として、最悪のケースの状態では、PWM周期の終了点の位置にTFET+2Tdのゼロ電圧状態が発生することになる。
単一電流センサシステムでは、非常に低い変調指数デマンドにおいて、特にシステムがその要求値がシステムおよび計測ノイズと比較して低くなった閉ループ電流制御や速度制御状態にある場合に、音響ノイズの問題が生じる可能性がある。非常に低い変調指数デマンドにおいて、要求電圧ベクトルのノイズが、空間ベクトル図の異なるセクター間で高速の発振を受けるような十分な大きさとなることがある。これらの発振のバンド幅は電流または速度計測システムのバンド幅と等しくなることがあり、また従ってこうした低い変調指数で通常見られるセクター間の遷移レートと比べて周波数がかなり高くなることがある。単一電流センサシステムでは、電流のサンプリングを可能にさせるために、各相に関するPWM波形がそれ以外の相からオフセットされている。通常の動作では、相に関するPWMの順序は、その内部に電圧デマンドが来ている空間ベクトルセクターによって最も大きなデューティサイクルデマンドを有する相をPWM周期の開始点の最も近くに加えることが可能であるため、前記空間ベクトルセクターによって決定される。したがって、セクター間の高速の発振はさらに音響ノイズを生じさせるようなPWM波形の高速の順序変更を生じさせる。変調指数がより高いと、電圧デマンドのノイズ成分は電圧デマンドの平均成分と比べてかなり小さくなり、また高周波数発振は、もはや生じることがない。
図16を参照しながら、ここでPWMエッジ位置を割当てるための計算要件を軽減させるアルゴリズムについて説明する。すべての位置で電流センサをサンプリングするだけの十分な時間を可能にするためにPWMシフトを利用している上述の単一電流センサアルゴリズムでは、各相のPWMパターンに関する立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの位置を端子電圧デマンドが更新されるごとに計算するという複雑な計算が必要である。
ステップ1:各相に関するPWM波形がPWM周期内に現れることになる順序を決定する。
ステップ2:ステップ1で行った決定に基づいて、各PWM波形の一方のエッジを3つの所定の固定位置のうちの1つに割当てる。
ステップ3:固定エッジの位置およびデューティサイクルデマンドに基づいて各PWM波形のもう一方のエッジを割当てる。
ここで再び図6を参照すると、本発明の別の実施形態では、高い変調指数において電流検知の要件を排除することによってその最大の変調指数がさらに増大される。具体的には、その電圧ベクトルは図6の外側の6角形の内部の任意の位置をとることが可能であるが、状態時間のうちの1つはTp−Tminを超えている必要があるため少なくともTminの2つの状態時間に関する要件を満足できない領域TXのうちの1つの内部にこれが来るごとに、3つの相電流を計測することができなくなり、さらに完全な電流制御がもはや可能でなくなる。しかしこの状況は、電圧デマンドベクトルの大きさ、したがって装置の回転速度が非常に大きい場合にしか発生しない。さらに3相系では、計測能力の喪失は、電気的な1回転の間で6回しか発生せず、またこれらの時点の間では依然として完全な電流計測が可能である。このため、3つの相電流計測は非常に高い速度においてのみ喪失されることになり、また1つの電気的サイクル内で喪失されることになるのは計測の一部だけである。サンプル速度の違反を回避するため、その電流サンプル速度を十分に高くし、装置の最大動作速度においても電流計測の喪失が確実に50%を超えないようにすることが好ましい。さらに、喪失した電流計測には実際の電流計測を割り込ませ、これにより失われた電流計測が発生する頻度はそのシステムの機械的な時定数と比べて高くなる。
デューティサイクルを適用する厳密な方式は、PWMアルゴリズムを適用するために使用される方法に依存する。1つの方式はPWMサイクルの開始位置においてデューティサイクルを更新することである。このためには、各相の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの時間を個別に指定することが要求され、これは図A1からA3までを参照しながら以下で説明するようにして実現することができる。
単一センサSVMシステムでは、図18に示すように次のようなタイミングが可能である。
頂部エッジ1(ON):Td
頂部エッジ2(OFF):Td+da
底部エッジ1(OFF):0
底部エッジ2(ON):2*Td+da
相B(中間の衝撃係数を有する):
頂部エッジ1(ON):2*Td+Tmin
頂部2(OFF):2*Td+Tmin+db
底部エッジ1(OFF):Td+Tmin
底部エッジ2(ON):3*Td+Tmin+db
相C(最も小さい衝撃係数を有する):
頂部エッジ1(ON):3*Td+2*Tmin
頂部2(OFF):3*Td+2*Tmin+dc
底部エッジ1(OFF):2*Td+2*Tmin
底部エッジ2(ON):4*Td+2*Tmin+dc
次いでdcリンク電流サンプルを採取しモータ相電流が計算される。
サンプルS1:ts1=Td+Tmin−Tspl
サンプルS2:ts2=2*Td+2*Tmin−Tspl
正のバスクランピングシステムでは、図19に示すように次のようなタイミングが可能である。
頂部MOSFET:ON
底部MOSFET:OFF
相B(中間の衝撃係数を有する):
頂部エッジ1(ON):Td+Tmin
頂部エッジ2(OFF):Td+Tmin+db
底部エッジ1(OFF):Tmin
底部エッジ2(ON):2*Td+Tmin+db
相C(最も小さい衝撃係数を有する):
頂部エッジ1(ON):3*Td+Tmin+db
頂部エッジ2(OFF):3*Td+Tmin+db+dc
底部エッジ1(OFF):2*Td+Tmin+db
底部エッジ2(ON):4*Td+Tmin+db+dc
次いでdcリンク電流サンプルを採取しモータ位相電流が計算される。
サンプルS1:ts1=Tmin−Tspl
サンプルS2:ts2=Td+2*Tmin−Tspl
負のバスクランピングシステムでは、図20に示すように次のようなタイミングが可能である。
頂部エッジ1(ON):Td
頂部エッジ2(OFF):Td+da
底部エッジ1(OFF):0
底部エッジ2(ON):2*Td+da
相B(中間の衝撃係数を有する):
頂部エッジ1(ON):2*Td+Tmin
頂部エッジ2(OFF):2*Td+Tmin+db
底部エッジ1(OFF):Td+Tmin
底部エッジ2(ON):3*Td+Tmin+db
相C(最も小さい衝撃係数を有する):
頂部MOSFET:OFF
底部MOSFET:ON
次いでdcリンク電流サンプルを採取しモータ相電流が計算される。
サンプルS1:ts1=Td+Tmin−Tspl
サンプルS2:ts2=2*Td+2*Tmin−Tspl
制御信号は図3に示している。
Td=デッドタイム(連動遅延)
Tmin=最小重複時間
Tspl=ハードウェアサンプル時間
da、db、dc=相A、B、Cの衝撃係数
Claims (13)
- 駆動回路を複数の状態の間で切り替えることによって各相に印加される電位を変更するための切替え手段と、
巻線を通って流れる瞬時総電流を検出できるように接続された電流センサと、
一連のパルス幅変調周期の各々において前記駆動回路が前記状態間で切り替わる時間を制御するために切替え手段を制御するパルス幅変調した駆動信号を提供するように設計された制御手段と、を含む駆動回路を備え、
前記制御手段は、前記各相における電流を前記電流センサによって決定できるだけの十分な時間が十分な数のアクティブ状態において費やされるような切替え手段の制御を行うように設計されており、かつ前記制御手段は各周期内の状態の各々において前記回路により費やされる時間を決定するために空間ベクトル変調を使用し、非円形の軌跡に対応する最大の変調指数を与えるように構成されている、
複数の相を備えた多相ブラシレスモータのための駆動システム。 - 前記制御手段は、可能なすべての電圧デマンドベクトルに対応する位置を含んでいる単一状態ベクトルによって分割された多数のセクターを有する空間ベクトル領域を規定するステップと、前記セクターのうちの少なくとも1つの範囲内で、要求電圧ベクトルが前記電流センサを用いて前記各相における電流の計測が可能となるだけの十分な長さの2つの状態ベクトルから作成可能であるような領域、およびこうした電流計測を可能とさせるためには要求電圧ベクトルを3つ以上の状態ベクトルから作成する必要がある領域を規定するステップと、を行うように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記制御手段はさらに、前記セクターのうちの少なくとも1つの範囲内で、こうした電流計測を可能とさせるために、前記電圧デマンドベクトルを3つの状態ベクトルから作成する必要がある領域と、前記電圧デマンドベクトルを4つの状態ベクトルから作成する必要がある領域と、を規定するように構成されている、請求項2に記載のシステム。
- 前記制御手段は、前記領域を前記領域の各セクターに規定するように構成されている、請求項2または請求項3に記載のシステム。
- 前記制御手段は、各電圧デマンドベクトルごとにどのセクターおよびどの領域にそのデマンドベクトルが該当するかを決定するステップと、各セクターの各領域ごとにどのアクティブ状態が要求電圧を生成させるために必要であるかを規定するステップと、前記領域内における前記電圧デマンドベクトルの位置から適当なアクティブ状態の各々に対する状態時間を計算するステップと、を行うように構成されている、請求項5に記載のシステム。
- 前記制御手段は、前記領域を前記セクターの1つだけに関して規定するステップと、各電圧デマンドベクトルから前記1つのセクター内の対応する電圧デマンドベクトルと前記デマンドベクトルを前記1つのセクターにもってくるための回転の度合いとを決定するステップと、前記対応する電圧デマンドベクトルに関して状態時間を計算するステップと、前記回転の度合いに基づいて実際の電圧デマンドベクトルに関する状態時間にこれらを変換するステップと、を行うように構成されている、請求項2または請求項3に記載のシステム。
- 前記制御手段は、前記電流センサを用いて前記各相に関する電流計測を可能とすることを要することなく状態ベクトルを計算し、次いで得られた状態ベクトルがこうした電流計測を可能にするか否かを決定するステップと、これが否である場合に、こうした電流計測を可能にする状態ベクトルを生成させるようにシフトアルゴリズムを適用するステップと、を行うように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 駆動回路を複数の状態の間で切り替えることによって各相に印加される電位を変更するための切替え手段と、
巻線を通って流れる瞬時総電流を検出できるように接続された電流センサと、
一連のパルス幅変調周期の各々において前記駆動回路が前記状態間で切り替わる時間を制御するために前記切替え手段を制御するパルス幅変調した駆動信号を提供するように設計された制御手段と、を含む駆動回路を備え、
前記制御手段は前記各相における電流を前記電流センサによって決定できるだけの十分な時間が十分な数のアクティブ状態において費やされるような前記切替え手段の切り替え時間の制御を行うように設計されており、かつ前記制御手段は、2つの隣接する周期間において、前記要求電圧が低いときには前記周期内で前記切替え手段を切り替える順序の変更を禁止するが、前記要求電圧が高いときにはこうした順序変更を許容するように構成されている、
複数の位相を備えた多相ブラシレスモータのための駆動システム。 - 前記制御手段は、それ未満では前記順序変更が禁止される前記システムのパラメータの閾値を規定するように構成されている、請求項8に記載のシステム。
- 前記パラメータは変調指数である、請求項9に記載のシステム。
- 前記制御手段は、前記順序変更が防止されるように前記順序変更を禁止するように構成されている、請求項8から10のいずれかに記載のシステム。
- 前記制御手段は、前記順序の変更にヒステリシスを設けることによって前記順序変更を禁止するように構成されている、請求項8から10のいずれかに記載のシステム。
- 前記制御手段は、前記順序変更が許容される第1の状態と前記順序変更が防止される第2の状態との間の切り替えに関してヒステリシスを設けるように構成されている、請求項12に記載のシステム。
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