JP4793068B2 - モータインバータ - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子をオン、オフさせることによりモータに交流電流を流してそのモータを駆動させるモータインバータに関する。

図３は、既存のモータインバータを示す図である。
図３に示すモータインバータ３０は、互いに直列接続される２つのスイッチング素子３１が３組それぞれ直流電源３２に並列接続されて構成されるスイッチング部３３と、各スイッチング素子３１がそれぞれ所定タイミングでオン、オフすることによりスイッチング素子３１の各接続点（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）から交流電流が出力されて駆動されるモータ３４の回転子の現在の電気角位置に対応する信号を出力するレゾルバ３５と、レゾルバ３５から出力される信号に基づいて各スイッチング素子３１のオン、オフを制御する制御回路３６とを備えて構成されている。

上記制御回路３６は、レゾルバ３５から出力される信号に基づいてモータ３４の回転子の現在の電気角位置を計算しその電気角位置を示す位置情報を出力する電気角位置計算部３７と、電気角位置計算部３７から出力される位置情報などに基づいて各スイッチング素子３１を所定ｄｕｔｙでＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御するための正弦波状の基本波（指令値）を３相分互いに１２０度ずつ位相をずらして生成する基本波生成部３８と、基本波生成部３８により生成される３相分の基本波と基準波（三角波）との比較結果に基づいて各スイッチング素子３１のオン、オフを制御するための６つの制御信号を生成するＰＷＭ生成器３９とを備えて構成されている。

このように構成されるモータインバータ３０には、基本波の１周期のうち全体で１２０度の期間、常に３相のうちのある１相の各スイッチング素子３１をオン、オフさせないようにしてモータ３４を駆動する、いわゆる、２相変調方式によりモータ３４を駆動するものがある。このように構成されるモータインバータ３０は、３相のうちの２相の各スイッチング素子３１がＰＷＭ制御によりオン、オフしているとき残りの１相の各スイッチング素子３１が停止しているため、各スイッチング素子３１のスイッチング損失を低減することができ電力変換効率を上げることができる。

また、このように構成されるモータインバータ３０には、３相の各スイッチング素子３１のＰＷＭ制御期間をそれぞれゼロ度にすることにより３相にそれぞれ印加される電圧を１８０度期間１８０度ずつ繰り返される矩形波の電圧にしてモータ３４を駆動する、いわゆる、１８０度通電矩形波電圧制御方式によりモータ３４を駆動するものもある。このように構成されるモータインバータ３０は、各相に矩形波の電圧が印加される期間がそれぞれ１８０度と最大になるため、モータ３４への出力を向上させることができる。

しかしながら、この１８０度通電矩形波電圧制御方式は、上述したように、各相に電圧が印加される期間が最大となりモータ３４のコイルに蓄積されるエネルギーが大きくなるため、モータ３４のコイルのリアクタンス値によってはモータ３４の各相に流れる交流電流がモータ３４のコイルによる誘起電圧の影響を受けてしまう。そして、モータ３４の各相に流れる交流電流が誘起電圧の影響を受けてしまうと、例えば、図４（ａ）に示すように、モータ３４の各相に流れる交流電流にノイズやトルクリップルなどが多く含まれ、それらの交流電流が正弦波にならず、モータ３４の駆動時の音の悪化が懸念されるという問題がある。また、このモータ３４の各相に流れる交流電流をフーリエ変換すると、図４（ｂ）に示すような結果が得られる。そして、この結果からモータ３４の各相に流れる交流電流には５次の高調波成分（以下、５次高調波という）が多く含まれていることがわかる。

そこで、この５次高調波をモータ３４の各相に流れる交流電流から取り除くことによりモータ３４の各相に流れる交流電流を正弦波に近づけてモータ３４の駆動時の音の悪化を抑えることが考えられる。

そして、モータ３４の各相に流れる交流電流から５次高調波を取り除く構成としては、例えば、予め基本波に５次高調波の反転波形を重畳させておき、その基本波と基準波とを比較して制御信号を生成するものがある（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。

このような構成で制御信号を生成することにより、モータ３４の各相に印加される電圧波形を５次高調波を打ち消す波形にすることができるので、モータ３４の各相に流れる交流電流から５次高調波を取り除くことができる。これにより、モータ３４の各相に流れる交流電流が正弦波に近づきモータ３４の駆動時の音の悪化を抑えることができる。
特開２００１−２８６１８１号公報 特開２００１−２７５３９０号公報

しかしながら、上述のように、予め基本波に５次高調波の反転波形を重畳させておき、その基本波と基準波とを比較して制御信号を生成する構成は、１８０通電矩形波電圧制御用の基本波全体（３６０度）にわたって、対応する５次高調波の反転波形を重畳するため、常にＰＷＭ制御により各スイッチング素子３１をオン、オフさせてモータ３４を駆動することと同じになり、基本波に５次高調波の反転波形を重畳させずに１８０度通電矩形波電圧制御方式によりモータ３４を駆動する場合に比べて、モータ３４の各相に印加される電圧が低下しモータ３４への出力が低下してしまうという問題がある。

そこで、本発明では、モータへの出力を向上させつつ、モータの各相に流れる交流電流を正弦波に近づけることが可能なモータインバータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成を採用した。
すなわち、本発明のモータインバータは、スイッチング素子を備えそのスイッチング素子がオン、オフすることによりモータに交流電流を流してそのモータを駆動させるスイッチング部と、モータの回転子の電気角位置を検出する検出手段と、その検出手段により検出される電気角位置に基づいてスイッチング素子のオン、オフを制御する制御回路とを備える。また、上記制御回路は、モータの回転子の１回転分の電気角位置を分割した各範囲のうちの所定範囲に対して、回転子の電気角位置が所定範囲に対応するとき、一定デューティのＰＷＭ制御、または１８０度通電矩形波電圧制御用基本波に対して交流電流に含まれる高調波成分に対応する波形を重畳した波形に基づいてスイッチング素子のオン、オフを制御し、回転子の電気角位置が所定範囲に対応しないとき、１８０度通電矩形波電圧制御する。

これにより、モータの回転子の電気角位置が所定範囲に対応するときは、モータに印加される電圧の波形を、５次高調波を打ち消す波形またはＰＷＭ制御パルス波形にすることができるため、その分モータに流れる交流電流に含まれるノイズやトルクリップルなどを抑えることができ交流電流を正弦波に近づけることができる。

また、モータの回転子の電気角位置が所定範囲に対応するとき以外は、モータに印加される電圧の波形を、１８０度通電矩形波電圧制御方式によりモータが駆動されるときにそのモータに印加される電圧波形と同じ波形にすることができるので、その分モータへの出力を向上させることができる。

また、上記制御回路は、１８０度通電矩形波電圧制御用基本波を生成する基本波生成手段と、回転子の電気角位置が各範囲のうちのどの範囲に対応するかを判定する範囲判定手段と、所定範囲を記憶し、範囲判定手段により判定される範囲が、所定範囲に対応するか否かを判定する所定範囲判定手段と、所定範囲に対応する高調波成分またはＰＷＭ制御用基本波を記憶し、範囲判定手段により判定される範囲が所定範囲であると所定範囲判定手段が判定すると、高調波成分またはＰＷＭ制御用基本波を出力する所定範囲対応波形出力手段と、所定範囲対応波形出力手段から高調波成分またはＰＷＭ制御用基本波が出力されるとき、１８０度通電矩形波電圧制御用基本波から高調波成分またはＰＷＭ制御用基本波を差し引いて出力し、所定範囲対応波形出力手段から高調波成分またはＰＷＭ制御用基本波が出力されないとき、１８０度通電矩形波電圧制御用基本波をそのまま出力する重畳手段と、重畳手段から出力される波形に基づいてスイッチング素子のオン、オフを制御するための制御信号を生成する制御信号生成手段とを備えるように構成してもよい。

また、上記所定範囲対応波形出力手段は、所定範囲に対応する高調波成分として交流電流に含まれる５次の高調波成分を予め記憶しておくように構成してもよい。
また、上記所定範囲は、交流電流がピークになるときの回転子の電気角位置に対応する範囲としてもよい。

本発明によれば、モータへの出力を向上させつつ、モータの各相に流れる交流電流を正弦波に近づけることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態のモータインバータを示す図である。なお、図３に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。

図１に示すモータインバータ１は、スイッチング部３３と、レゾルバ３５と、モータ３４に流れる交流電流がピークになるとき、１８０度通電矩形波電圧制御用基本波（以下、１８０度通電用基本波という）に対して５次高調波の反転波形を重畳し、その重畳後の波形と基準波との比較結果に基づいて各スイッチング素子３１のオン、オフを制御し、モータ３４に流れる交流電流がピークではないとき、１８０度通電用基本波と基準波との比較結果に基づいて各スイッチング素子３１のオン、オフを制御する制御回路２とを備えて構成されている。

なお、上記１８０度通電用基本波とは、１８０度通電矩形波電圧制御方式によりモータ３４を駆動する際に用いられる基本波のことである。
また、モータ３４は、例えば、ＰＭ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータなどが考えられる。

また、上記モータ３４の回転子の現在の電気角位置に対応する信号を出力する構成としては、ロータリーエンコーダなどでもよく、レゾルバ３５に限定されない。
上記制御回路２は、電気角位置計算部３７と、基本波生成部３８（基本波生成手段）と、範囲判定部３（範囲判定手段）と、ピーク判定部４（所定範囲判定手段）と、ピーク対応波形出力部５（所定範囲対応波形出力手段）と、重畳部６（重畳手段）と、ＰＷＭ生成器７（制御信号生成手段）とを備えている。

基本波生成部３８は、１８０度通電用基本波を生成する。範囲判定部３は、電気角位置計算部３７から出力される位置情報に基づいてモータ３４の回転子の現在の電気角位置が回転子の１回転分の電気角位置を２４に分割した各範囲のうちのどの範囲に対応するかを判定する。ピーク判定部４は、予め上記各範囲のうちモータ３４に流れる交流電流がピークになるときの回転子の電気角位置に対応する範囲（以下、ピーク範囲という）を記憶しておき、範囲判定部３により判定される範囲がピーク範囲であるか否かを判定する。ピーク対応波形出力部５は、予めピーク範囲に対応する５次高調波を記憶しておき、範囲判定部３により判定される範囲がピーク範囲であるとピーク判定部４が判定すると、５次高調波を出力する。重畳部６は、ピーク対応波形出力部５から５次高調波が出力されるとき、基本波生成部３８により生成される１８０度通電用基本波からピーク対応波形出力部５により出力される５次高調波を差し引いて出力し、ピーク対応波形出力部５から５次高調波が出力されないとき、基本波生成部３８により生成される１８０度通電用基本波をそのまま出力する。ＰＷＭ生成器７は、重畳部６から出力される波形と三角波などの基準波との比較結果に基づいて制御信号を生成して各スイッチング素子３１へ出力する。

なお、特許請求の範囲に記載される検出手段は、例えば、レゾルバ３５や電気角位置計算部３７などにより構成されるものとする。
また、電気角位置計算部３７は、レゾルバ３５から出力される信号以外に、モータ３４の３相のうちの２相に流れる各交流電流を検出する電流検出器から出力される各交流電流を示す信号に基づいてモータ３４の回転子の電気角位置を計算するように構成してもよい。

また、範囲判定部３は、例えば、電気角位置計算部３７から出力される位置情報に基づいて回転子１回転分の電気角位置を求め、その求めた電気角位置を２４に分割し、その２４の各範囲を記憶しておくように構成してもよい。

また、モータ３４の回転子の１回転分の電気角位置の分割数は、２４に限定されない。
また、ピーク判定部４が予め記憶しておく範囲は、ピーク範囲以外でもよい。
また、ピーク対応波形出力部５が予め記憶しておく高調波成分は、モータ３４に流れる交流電流に含まれる７次の高調波成分など５次高調波に限定されない。

このように構成されるモータインバータ１では、重畳部６からＰＷＭ生成器７へ出力される波形のうちピーク範囲に対応する部分が１８０度通電用基本波と５次高調波の反転波形とが重畳されたものになり、重畳部６からＰＷＭ生成器７へ出力される波形のうちピーク範囲以外に対応する部分が１８０度通電用基本波と同じものになる。

従って、モータ３４の回転子の電気角位置がピーク範囲に対応するときは、モータ３４に印加される電圧の波形を、５次高調波を打ち消す波形にすることができるため、その分モータ３４に流れる交流電流に含まれるノイズやトルクリップルなどを抑えることができ交流電流を正弦波に近づけることができる。これにより、モータ３４の駆動時の音の悪化を抑えることができる。

また、モータ３４の回転子の電気角位置がピーク範囲に対応するとき以外は、モータ３４に印加される電圧の波形を、１８０度通電矩形波電圧制御方式によりモータ３４が駆動されるときにそのモータ３４に印加される電圧波形と同じ波形にすることができるので、その分モータ３４への出力を向上させることができる。

また、モータ３４に流れる交流電流が正弦波に近づき交流電流が安定化するため、交流電流をフィードバックして制御信号を生成する際の制御回路２におけるロバスト性を向上させることができる。

図２は、Ｕ相に流れる交流電流のピークにおいてＵ相に対応する１８０度通電用基本波に５次高調波を重畳したときにＵ相に流れる交流電流、Ｖ相に流れる交流電流、Ｕ相に印加される電圧、及びＶ相に印加される電圧を示す図である。

図２に示すように、Ｕ相に流れる交流電流がピークになるタイミングすなわちＵ相に印加される電圧が立ち下がるタイミングにおいてＵ相に対応する１８０度通電用基本波に５次高調波を重畳すると、Ｕ相に流れる交流電流に含まれるノイズやトルクリップルなどが抑えられ、Ｕ相に流れる交流電流が図４（ａ）に示すＵ相に流れる交流電流に比べて正弦波に近づく。

また、上述したように、１８０度通電用基本波に５次高調波の反転波形を重畳し、その重畳後の波形に基づいてモータ３４を駆動させる構成は、ＰＷＭ制御により各スイッチング素子３１のオン、オフを制御してモータ３４を駆動させてもよい。そのため、上記ピーク対応波形出力部５は、予めピーク範囲に対応するＰＷＭ制御用基本波を記憶しておき、範囲判定部３により判定される範囲がピーク範囲であるとピーク判定部４が判定すると、ＰＷＭ制御用基本波を出力するように構成してもよい。

これにより、モータ３４の回転子の電気角位置がピーク範囲に対応するときは、モータ３４に印加される電圧の波形を、ＰＷＭ制御パルス波形にすることができるため、その分モータ３４に流れる交流電流に含まれるノイズやトルクリップルなどを抑えることができ交流電流を正弦波に近づけることができる。

また、上記実施形態と同様に、モータ３４の回転子の電気角位置がピーク範囲に対応するとき以外は、モータ３４に印加される電圧の波形を、１８０度通電矩形波電圧制御方式によりモータ３４が駆動されるときにそのモータ３４に印加される電圧波形と同じ波形にすることができるので、その分モータ３４への出力を向上させることができる。

なお、上記ＰＷＭ制御用基本波とは、各スイッチング素子３１を所定ｄｕｔｙ（この所定ｄｕｔｙは、例えば、モータ３４に流れる交流電流により決定されるｄｕｔｙで一定デューティである。）でＰＷＭ制御する際に用いられる基本波のことである。また、このように構成される場合の重畳部６は、ピーク対応波形出力部５からＰＷＭ制御用基本波が出力されるとき、基本波生成部３８により生成される１８０度通電用基本波からピーク対応波形出力部５により出力されるＰＷＭ制御用基本波を差し引いて出力し、ピーク対応波形出力部５からＰＷＭ制御用基本波が出力されないとき、基本波生成部３８により生成される１８０度通電用基本波をそのまま出力する。

上記実施の形態において、モータ電流が小さく交流電流に含まれるノイズやトルクリップルなどが小さい時には、高調波成分に対応する波形を重畳したり、ＰＷＭ制御したりしなくても良い。また、常に１８０度通電矩形波電圧制御でなくとも、場合によって正弦波、過変調、１２０度通電矩形波などに切り替え可能にしてもよい。

上記実施の形態において、所定範囲であるピーク範囲はピーク判定部４に予め記憶されていたが、この構成に限らない。例えば、モータ電流が小さい時、即ち交流電流に含まれるノイズやトルクリップルなどが小さい時の電流値から、所定範囲を推測して記憶させても良いし、一周期前の電流値から推測して記憶させても良い。

上記実施の形態において、高調波成分であるピーク範囲に対応する５次高調波またはＰＷＭ制御用基本波はピーク対応波形出力部５に予め記憶されていたが、この構成に限らない。都度演算した上で記憶させても良い。

上記実施の形態において、ピーク範囲においてＰＷＭ制御する際に、１８０度通電用基本波にＰＷＭ制御用基本波を差し引いた波形に基づいてＰＷＭ制御したが、ピーク対応波形出力部５または基本波生成部３８から１８０度通電用基本波に優先してＰＷＭ制御用の波形を出力し、ＰＷＭ制御用波形に基づいてＰＷＭ生成器７でＰＷＭ信号を出力しても良い。

本発明の実施形態のモータインバータを示す図である。 Ｕ相交流電流のピークにおいてＵ相の１８０度通電用基本波に５次高調波を重畳したときのＵ相交流電流、Ｖ相交流電流、Ｕ相電圧、及びＶ相電圧を示す図である。 既存のモータインバータを示す図である。 １８０度通電矩形波電圧制御方式によりモータを駆動させたときのＵ相交流電流、Ｖ相交流電流、Ｕ相電圧、及びＶ相電流を示す図である。

符号の説明

１ モータインバータ
２ 制御回路
３ 範囲判定部
４ ピーク判定部
５ ピーク対応波形出力部
６ 重畳部
７ ＰＷＭ生成器
３０ モータインバータ
３１ スイッチング素子
３２ 直流電源
３３ スイッチング部
３４ モータ
３５ レゾルバ
３６ 制御回路
３７ 電気角位置計算部
３８ 基本波生成部
３９ ＰＷＭ生成器

Claims (5)

1. スイッチング素子を備えそのスイッチング素子がオン、オフすることによりモータに交流電流を流して前記モータを駆動させるスイッチング部と、
   前記モータの回転子の電気角位置を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出される電気角位置に基づいて前記スイッチング素子のオン、オフを制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記モータの回転子の１回転分の電気角位置を分割した各範囲のうちの所定範囲に対して、
   前記回転子の電気角位置が前記所定範囲に対応するとき、ＰＷＭ制御用基本波、または１８０度通電矩形波電圧制御用基本波に対して前記交流電流に含まれる高調波成分の反転波形を重畳した波形に基づいて前記スイッチング素子のオン、オフを制御し、
   前記回転子の電気角位置が前記所定範囲に対応しないとき、１８０度通電矩形波電圧制御する、
   ことを特徴とするモータインバータ。
2. 請求項１に記載のモータインバータであって、
   前記制御回路は、
   前記１８０度通電矩形波電圧制御用基本波を生成する基本波生成手段と、
   前記回転子の電気角位置が前記各範囲のうちのどの範囲に対応するかを判定する範囲判定手段と、
   前記所定範囲を記憶し、前記範囲判定手段により判定される範囲が、前記所定範囲に対応するか否かを判定する所定範囲判定手段と、
   前記所定範囲に対応する前記高調波成分または前記ＰＷＭ制御用基本波を記憶し、前記範囲判定手段により判定される範囲が前記所定範囲であると前記所定範囲判定手段が判定すると、前記高調波成分または前記ＰＷＭ制御用基本波を出力する所定範囲対応波形出力手段と、
   前記所定範囲対応波形出力手段から前記高調波成分または前記ＰＷＭ制御用基本波が出力されるとき、前記１８０度通電矩形波電圧制御用基本波から前記高調波成分または前記ＰＷＭ制御用基本波を差し引いて出力し、前記所定範囲対応波形出力手段から前記高調波成分または前記ＰＷＭ制御用基本波が出力されないとき、前記１８０度通電矩形波電圧制御用基本波をそのまま出力する重畳手段と、
   前記重畳手段から出力される波形に基づいて前記スイッチング素子のオン、オフを制御するための制御信号を生成する制御信号生成手段と、
   を備えることを特徴とするモータインバータ。
3. 請求項２に記載のモータインバータであって、
   前記所定範囲対応波形出力手段は、前記所定範囲に対応する前記高調波成分として前記交流電流に含まれる５次の高調波成分を予め記憶しておく、
   ことを特徴とするモータインバータ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のモータインバータであって、
   前記所定範囲は、前記交流電流がピークになるときの前記回転子の電気角位置に対応する範囲である、
   ことを特徴とするモータインバータ。
5. スイッチング素子を備えそのスイッチング素子がオン、オフすることによりモータに交流電流を流して前記モータを駆動させるスイッチング部と、
   前記モータの回転子の電気角位置を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出される電気角位置に基づいて前記スイッチング素子のオン、オフを制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記モータの回転子の１回転分の電気角位置を分割した各範囲のうちの所定範囲に対して、
   前記回転子の電気角位置が前記所定範囲に対応するとき、ＰＷＭ制御用基本波、または１８０度通電矩形波電圧制御用基本波に対して前記交流電流に含まれる高調波成分の反転波形を前記モータの相別に重畳した波形に基づいて前記スイッチング素子のオン、オフを制御し、
   前記回転子の電気角位置が前記所定範囲に対応しないとき、１８０度通電矩形波電圧制御する、
   ことを特徴とするモータインバータ。