JP4734984B2 - モータ駆動用インバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ回路を備えた誘導モータ、直流モータのベクトル制御インバータ装置におけるモータ電流の検出方法に関するものである。

交流モータなどの可変速駆動を行うモータ駆動用インバータ制御装置において、その出力波形をパルス幅変調して高調波を低減したものが一般的に使用されている。図１１は従来のパルス幅変調方式を用いたモータ駆動用インバータ制御装置であり、直流電源１、ブラシレスモータ３に供給する駆動電圧を生成、出力するインバータ２及びインバータ２を制御する制御部６を有している。

また、直流電流検出器１１は、インバータ母線に流れる直流電流を検出し、相電流変換部７では検出した直流電流とＰＷＭ信号生成部９が出力するＰＷＭ信号の各相デューティから、モータ３に流れるＵ相モータ電流Ｉｕ、Ｖ相モータ電流Ｉｖ、およびＷ相モータ電流Ｉｗを検出する。

検出したモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、およびＩｗと外部から与えられる速度指令ω＊に基づき、ＰＷＭ信号生成部９でインバータ２を制御する信号を作成する。

図１２はＰＷＭ信号生成部９が出力するＰＷＭ信号（インバータ２上アーム分のみ）と、それによって発生するモータ印加電圧、さらにモータに流れる各相の電流を示したものである。

図１３は、図１２における期間Ｔの詳細を示している。上から上アームＵ相スイッチング素子制御信号、上アームＶ相スイッチング素子制御信号、上アームＷ相スイッチング素子制御信号、下アームＵ相スイッチング素子制御信号、下アームＶ相スイッチング素子制御信号、下アームＷ相スイッチング素子制御信号、およびインバータ母線に流れる直流電流である。直流電流にはモータの相電流が現れ、ＰＷＭ信号生成部９が出力するＰＷＭ信号のデューティ情報を用いて、相電流変換部７においてモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、およびＩｗに変換する。

このインバータ母線電流からモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに変換する方法については、以下の特許文献１に記載されている。
特許第２７１２４７０号公報

しかしながら、各相のモータ印加電圧の振幅が小さい場合、ＰＷＭ信号生成部９が出力するＰＷＭ信号のデューティが小さくなり、インバータ母線電流にモータ相電流が現れるが短くなってしまう。図１３では理想的な波形を示しているため、インバータ母線電流は瞬時に立ち上がっているが、実際には電流の立ち上がり遅れ時間が存在し、また、場合によってインバータ母線電流にオーバーシュートが発生する場合がある。このため、ＰＷＭ信号生成部９が出力するＰＷＭ信号のデューティが小さい場合には、正確なモータ相電流をサンプリングすることは困難となる。

また、各相の上下アームスイッチングのオンオフ切り替え時には、スイッチング素子の動作遅れによるインバータ上下アーム短絡を防止するためのデッドタイムが設けられるが
、この期間中にインバータ母線に流れる電流は不定となり、相電流変換部７でのモータ相電流変換が不可能になる。

このように、実際の電流の立ち上がり遅れ時間、インバータ母線電流のオーバーシュート、デッドタイム期間の存在などにより、電流をサンプリングできる期間は短くなる場合は、電流のサンプリングが困難になる。

このため、十分なサンプリング期間を確保するためには、キャリア周波数を下げる必要があるが、キャリア周波数を下げると、モータや負荷からの磁気音が増加する問題がある。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、磁気音の増加等を招くことなくモータの各相の電流検出を正確に行い、良質な駆動が可能なモータ駆動用インバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、直流の入力を交流に変換してモータを駆動するインバータと、前記インバータに流れる直流電流を検出する直流電流検出器と、前記モータの各相の端子電圧を検出する端子電圧検出器とを備え、前記直流電流検出器から得られる直流電流と、前記インバータの上下アームが短絡するのを防止するために設けられたデッドタイム期間中に前記端子電圧検出器から得られる各相の端子電圧がＧＮＤレベルであるか直流電源電圧レベルであるかの判断とに基づいて、前記モータの各相の電流を再現する相電流演算手段を設けるとともに、前記モータの各相の電流を前記モータの位相推定に用
いるとしたモータ駆動用インバータ制御装置で、磁気音の増加等を招くことなくモータの各相の電流検出を正確に行い、良質なモータ駆動を実現できる。

本発明によれば、磁気音の増加等を招くことなくモータの各相の電流検出を正確に行い、良質な駆動が可能なモータ駆動用インバータ制御装置を提供できる。

第１の発明は、直流の入力を交流に変換してモータを駆動するインバータと、前記インバータに流れる直流電流を検出する直流電流検出器と、前記モータの各相の端子電圧を検出する端子電圧検出器とを備え、前記直流電流検出器から得られる直流電流と、前記インバータの上下アームが短絡するのを防止するために設けられたデッドタイム期間中に前記端子電圧検出器から得られる各相の端子電圧がＧＮＤレベルであるか直流電源電圧レベルであるかの判断とに基づいて、前記モータの各相の電流を再現する相電流演算手段を設けるとともに、前記モータの各相の電流を前記モータの位相推定に用いるとしたモータ駆動用インバータ制御装置で、モータの相電流を検出することができ、小型・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のモータ駆動用インバータ制御装置において、相電流演算手段は、インバータを制御するＰＷＭ信号に同期して直流電流検出器から得られる直流電流と端子電圧検出器から得られる各相の端子電圧とをサンプリングするデータ取得部を有するもので、電流や電圧の検出タイミングのズレをなくし、より高精度なモータの相電流検出を可能とする。

第３の発明は、特に、第２の発明のモータ駆動用インバータ制御装置において、データ取得部は、インバータの上下アームが短絡するのを防止するために設けられたデッドタイム期間中にサンプリングを行うことを特徴とするものであり、モータの相電流が検出不能となる期間をなくすことで、小型・低コストでありながら制御安定性の高いモータ駆動用インバータ制御装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明に係るモータ駆動用インバータ制御装置の構成を示すブロック図である。モータ駆動用インバータ制御装置は、直流電源１、ブラシレスモータ３に供給する駆動電圧を生成、出力するインバータ２及びインバータ２を制御する制御部６を有する。

ブラシレスモータ３は、中性点を中心にＹ結線された３相巻線４ｕ、４ｖ、４ｗが取付けられた固定子４と、磁石が装着された回転子５とからなる。Ｕ相巻線４ｕの非結線端にＵ相端子８ｕが、Ｖ相巻線４ｖの非結線端にＶ相端子８ｖが、Ｗ相巻線４ｗの非結線端にＷ相端子８ｗが接続されている。

インバータ２は一対のスイッチング素子からなるハーフブリッジ回路をＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用として３相分有する。ハーフブリッジ回路の一対のスイッチング素子は、直流電源１の高圧側端と低圧側端の間に直列接続され、ハーフブリッジ回路に直流電源１から出力される直流電圧が印加される。Ｕ相用のハーフブリッジ回路は、高圧側（上アーム）のスイッチング素子１２ｕ及び低圧側（下アーム）のスイッチング素子１２ｘより成る。Ｖ相用のハーフブリッジ回路は、高圧側スイッチング素子１２ｖ及び低圧側スイッチング素子１２ｙより成る。Ｗ相用のハーフブリッジ回路は、高圧側スイッチング素子１２ｗ及び低圧側スイッチング素子１２ｚよりなる。また、各スイッチング素子と並列にフリーホイールダイオード１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ、１４ｘ、１４ｙ、１４ｚが接続されている。

インバータ２におけるスイッチング素子１２ｕとスイッチング素子１２ｘの相互接続点、スイッチング素子１２ｖとスイッチング素子１２ｙの相互接続点、スイッチング素子１２ｗとスイッチング素子１２ｚの相互接続点にブラシレスモータ３の端子８ｕ、８ｖ、８ｗがそれぞれ接続される。インバータ２に印加されている直流電圧は、上述したインバータ２内のスイッチング素子のスイッチング動作によって三相の交流電圧に変換され、それによりブラシレスモータ３が駆動される。また、インバータ２の母線には直流電流検出器１１が配されている。

制御部６は、ＰＷＭ信号生成部９と、ベースドライバ１０と、相電流変換部７と、位相推定部１７と、回転子速度検出部１８とからなる。ＰＷＭ信号生成部９は、外部より与えられる目標速度を実現すべく、現在の速度と目標速度の誤差から演算により求められた出力電圧を出力するために、インバータ２の各スイッチング素子１２u、１２v、…を駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。その生成されたＰＷＭ信号はベースドライバ１０により、スイッチング素子を電気的に駆動するためのドライブ信号に変換される。そのドライブ信号にしたがい各スイッチング素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１２ｘ、１２ｙ、１２ｚが動作する。

相電流変換部７は、直流電流検出器１１に流れる電流（以下「インバータ母線電流」という。）や各相端子電圧を観察し、そのインバータ母線電流をブラシレスモータ３の相電流に変換する。相電流変換部７は実際にはインバータ母線電流が変化したときから所定期間の間だけ電流を検出する。

位相推定部１７は、相電流変換部７により変換されたブラシレスモータ３の相電流と、ＰＷＭ信号生成部９で演算される出力電圧と、インバータ入力電圧検出部１６により検出されるインバータ２への印加電圧の情報により、ブラシレスモータ３の位相を推定する。さらに、回転子速度推定部１８は、推定された位相からブラシレスモータ３の速度を推定する。推定された回転子磁極位置の情報に基づいて、ＰＷＭ信号生成部９がブラシレスモータ３を駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。その際、ＰＷＭ信号生成部９は推定された回転子５の速度と外部から与えられる目標速度との偏差情報に基いて回転子速度が目標速度となるようにＰＷＭ信号を制御する。

ＰＷＭ信号生成部９は、目標速度ω*を実現するために、目標速度ω*と推定速度ωｍとの差Δωにより出力するべき電圧Ｖ*をＰＩ演算などを用いて計算する。その電圧値Ｖ*から各相に出力するべき電圧Ｖ*ｓ（ｓ：相 ｕ／ｖ／ｗ）を求める。さらに、求められた電圧Ｖ*ｓ（ｓ：相 ｕ／ｖ／ｗ）を出力するための各スイッチング素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１２ｘ、１２ｙ、１２ｚのＰＷＭ信号はベースドライバ１０に出力される。各スイッチング素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１２ｘ、１２ｙ、１２ｚはＰＷＭ信号に従い駆動され、正弦波状の交流を生成する。このように本実施の形態では、正弦波状の相電流を流すことによりブラシレスモータ３の正弦波駆動を実現している。

ここで、図２〜図６を用いてインバータ母線に流れる電流においてブラシレスモータ３の相電流が現れる様子を説明する。

図２は、ブラシレスモータ３の各相巻線に流れる相電流の状態と、６０°毎の電気角の各区間における各相巻線に流れる電流の方向とを示した図である。図２を参照すると、電気角０〜６０°の区間においては、Ｕ相巻線４ｕとＷ相巻線４ｗには非結線端から中性点に向けて、Ｖ相巻線４ｖには中性点から非結線端に向けて電流が流れている（図２（ｂ）参照）。また、電気角６０〜１２０°の区間においては、Ｕ相巻線４ｕには非結線端から中性点に向けて、Ｖ相巻線４ｖとＷ相巻線４ｗには中性点から非結線端に向けて電流が流れている（図２（ｃ）参照）。以降、図２（ｄ）〜（ｇ）において、電気角６０°毎に各相の巻線に流れる相電流の状態が変化していく様子が示されている。

例えば、図２において電気角３０°の時にＰＷＭ信号生成部９で生成された半キャリア周期分のＰＷＭ信号が図３のように変化する場合を考える。ここで、図３において、信号「Ｕ」は上アームスイッチング素子１２ｕを、信号「Ｖ」は上アームスイッチング素子１２ｖを、信号「Ｗ」は上アームスイッチング素子１２ｗを、信号「Ｘ」は下アームスイッチング素子１２ｘを、信号「Ｙ」は下アームスイッチング素子１２ｙを、信号「Ｚ」は下アームスイッチング素子１２ｚを動作させる信号を示す。これらの信号はアクティブ・ハイで動作する。この場合、インバータ母線には、タイミング１では、図４（ａ）に示すように電流が現れず、タイミング２では図４（ｂ）に示すようにＷ相巻線４ｗに流れる電流（Ｗ相電流）が現れ、タイミング３では図４（ｃ）に示すようにＶ相巻線４ｖに流れる電流（Ｖ相電流）が現れる。

別の例として、図２において電気角３０°の時にＰＷＭ信号生成部９で生成された半キャリア周期のＰＷＭ信号が図５のように変化する場合を考える。この場合は、図６（ａ）に示すようにインバータ母線にはタイミング１では電流が現れず、図６（ｂ）に示すようにタイミング２ではＵ相巻線４ｕに流れる電流（Ｕ相電流）が現れ、図６（ｃ）に示すようにタイミング３ではＶ相巻線４ｖに流れる電流が現れる。

以上のように、インバータ母線上にインバータ２のスイッチング素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１２ｘ、１２ｙ、１２ｚの状態に応じたブラシレスモータ３の相電流が現れることが分かる。上述のように一キャリア周期内の近接したタイミングで二相分の電流を判断
することができれば、次式の関係から三相それぞれの電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが求められることは明らかである。

なお、タイミング４とタイミング５は、スイッチング素子の動作遅れによりインバータ上下アームが短絡するのを防止するためのデッドタイム期間であり、この期間におけるインバータ母線に流れる電流は、各相電流の流れる向きによって不定である。例えば、タイミング５において、図７のような各相巻線に流れる電流の方向であればインバータ母線にはＵ相巻線４ｕに流れる電流（Ｕ相電流）が現れ、図８のような各相巻線に流れる電流の方向であればインバータ母線にはＶ相巻線４ｖに流れる電流（Ｖ相電流）が現れることになる。

そこで、図２において電気角３０°付近の時にＰＷＭ信号生成部９で生成される半キャリア周期分のＰＷＭ信号が図９のように変化する場合、図３で示したタイミング２が存在せず、タイミング３ではＶ相電流のみが現れる。つまり、この場合はキャリア周期において一相分の電流しか確定できない。したがって、このように変化するＰＷＭ信号が繰り返されると三相それぞれの電流を求めることができず、位相推定部１７で位相の推定が不能になり、ブラシレスモータ３の駆動ができなくなる。

上記のような不具合を回避すべく、相電流変換部７内に設けられているデータ取得部（図示せず）では、図９のようなＰＷＭ信号となる場合、タイミング５におけるブラシレスモータ３のＷ相の端子８ｗの電圧情報からどの相の電流がインバータ母線に現れているのかを確定するようにした。具体的にはタイミング５において、Ｗ相の端子８ｗの電圧がＧＮＤレベルであれば、インバータ母線にはＵ相巻線４ｕに流れる電流（Ｕ相電流）が現れていると判断可能であり、Ｗ相の端子８ｗの電圧が直流電源電圧レベルであれば、Ｖ相巻線４ｖに流れる電流（Ｖ相電流）が現れていると判断可能である。

図１０は、各相のデッドタイム期間におけるインバータスイッチング素子の状態と、電圧検出すべき端子、検出端子の電圧レベルに対するインバータ母線に現れる相電流の一覧である。図１０からも分かるように、各相のデッドタイム期間においてもデッドタイムとなっている相の端子電圧レベルを判断することによってインバータ母線に現れる相電流を特定することが可能となり、相電流変換部７による各相の検出電流値はその後の位相推定部１７での位相の推定演算に活用される。

本実施の形態によれば、制御部６内の制御ループを成立させるために、ブラシレスモータ３の各相の巻線に流れる相電流を検出する必要が生じた際に、相電流検出が不能となるような期間をなくすことができ、電流検出手段をインバータとモータの間の線間に２つ以上設ける必要がない安価なシステム構成で精度よく正弦波駆動を実現することができる。また、キャリア周波数を下げるといったことなく相電流検出が可能となるため、モータや負荷からの磁気音の増加を招くことがないという効果も有する。

なお、実施の形態１で説明した本発明は、インバータ回路を使用してモータを駆動するモータ駆動用インバータ制御装置に適用できる。例えば、インバータ回路を搭載した空気調和機、冷蔵庫、電気洗濯機、電気乾燥機、電気掃除機、送風機、ヒートポンプ給湯器等
である。いずれの製品についても、モータ駆動用インバータ装置を小型化、軽量化することで、製品の設計の自由度が向上し、安価な製品を提供することができる。

以上のように、本発明にかかるモータ駆動用インバータ制御装置は、インバータ回路に流れる直流電流を検出する直流電流検出器と、モータの各相の端子電圧を検出する端子電圧検出器とを併用することにより、いかなるＰＷＭ信号が出力されようともモータの各相の電流を再現することができ、システムの信頼性向上が図れるため、空気調和機における圧縮機駆動モータなどのようにパルスジェネレータ等の速度センサを使用することができない場合に限らず、サーボドライブなどのように速度センサを具備することができる場合においても本発明は適用できる。

本発明の第1の実施の形態を示すモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図 （ａ）〜（ｆ）同モータの相電流状態の時間的変化の一例及び電気角の各区間におけるモータの各相巻線での電流の状態を表す図 同半キャリア周期におけるＰＷＭ信号の一例を表す図 （ａ）〜（ｃ）図３におけるＰＷＭ信号による駆動時にモータ及びインバータに流れる電流状態を表す図 同半キャリア周期におけるＰＷＭ信号の他例を表す図 （ａ）〜（ｃ）図５におけるＰＷＭ信号による駆動時にモータ及びインバータに流れる電流状態を表す図 同デッドタイム期間におけるＰＷＭ信号による駆動時にモータ及びインバータに流れる電流状態を表す図 同デッドタイム期間におけるＰＷＭ信号による駆動時にモータ及びインバータに流れる他の電流状態を表す図 同半キャリア周期におけるＰＷＭ信号の一例を表す図 同デッドタイム期間におけるインバータ母線に現れる相電流の説明図 従来のモータ駆動用インバータ制御装置の構成を表すブロック図 同モータ駆動用インバータ制御装置の動作を示す波形図 図１２におけるＴ部の動作波形図

符号の説明

１ 直流電源
２ インバータ
３ ブラシレスモータ
５ 回転子
６ 制御部
７ 相電流変換部
９ ＰＷＭ信号生成部
１１ 直流電流検出器
１６ インバータ入力電圧検出部（端子電圧検出器）
１７ 位相推定部
１８ 回転子速度検出部

Claims (3)

1. 直流の入力を交流に変換してモータを駆動するインバータと、前記インバータに流れる直流電流を検出する直流電流検出器と、前記モータの各相の端子電圧を検出する端子電圧検出器とを備え、前記直流電流検出器から得られる直流電流と、前記インバータの上下アームが短絡するのを防止するために設けられたデッドタイム期間中に前記端子電圧検出器から得られる各相の端子電圧がＧＮＤレベルであるか直流電源電圧レベルであるかの判断とに基づいて、前記モータの各相の電流を再現する相電流演算手段を設けるとともに、前記モータの各相の電流を前記モータの位相推定に用いることを特徴とするモータ駆動用インバータ制御装置。
2. 相電流演算手段は、インバータを制御するＰＷＭ信号に同期して直流電流検出器から得られる直流電流と端子電圧検出器から得られる各相の端子電圧とをサンプリングするデータ取得部を有する請求項１記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
3. 前記データ取得部は、インバータの上下アームが短絡するのを防止するために設けられたデッドタイム期間中に前記サンプリングを行うことを特徴とする請求項２記載のモータ駆動用インバータ制御装置。

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