JP5500189B2 - モータインバータの制御方法、及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、相別にモータに電流を供給するためのモータインバータを制御する技術に関する。

３相モータのような相別に電流を供給すべきモータの駆動には普通モータインバータが用いられる。そのモータインバータは通常、相別に２個のスイッチング素子（合計６個）を備えている。それにより、６個のスイッチング素子に対し、オン／オフさせるスイッチング動作を行わせ、各相にスイッチング素子を介して電流を供給することにより、モータに回転磁界を生成するようになっている。モータインバータの制御装置は、そのようにモータインバータのスイッチング素子のスイッチング動作を制御して、モータを駆動するものである。

相ごとに用意されたスイッチング素子のスイッチング動作は、多くの場合、モータの回転子が１回転する間（３６０度）を複数のエリアに分割することにより、エリア単位で行われる。それにより、各スイッチング素子にスイッチング動作のために供給される駆動信号は、エリア単位で決定される。

モータインバータを用いたモータの駆動には、スイッチング素子のスイッチング動作に伴うスイッチング損失が発生する。そのスイッチング損失を低減させる方法として、２相変調方法がある。その２相変調方法では、３相のうちの１相を、スイッチング素子のスイッチング動作を行わせない、つまり２つのスイッチング素子はオン、或いはオフに固定させる固定相とし、残りの２相でスイッチング素子にスイッチング動作を行わせる。固定相は、エリア単位で変更させる。そのようにして、各エリアで固定相を設定することにより、スイッチング損失を抑えることができる。

従来の２相変調方法としては、例えば特許文献１に記載されたものが挙げられる。その特許文献１に記載された従来の２相変調方法では、各相の電流指令値と、各相の電流指令値から得られる各相の電圧指令値との間の位相差から、固定相を選択・決定していた。

特開平８−３４０６９１号公報

本発明は、電圧指令値に応じて決定した固定相となりうる相のなかから電流指令値の絶対値が大きい相を固定相と決定することで、電圧位相と電流位相が大きくずれた場合でも、単に電流基準で固定相を決定する場合より適切な固定相を決定できる２相変調によるモータの駆動を行うための技術を提供することを目的とする。

本発明の１態様は、３相モータの相別にスイッチング素子を備え、該スイッチング素子のオン／オフにより該モータを駆動するためのモータインバータを制御する方法であって、モータの回転子が電気角で１回転する間を複数のエリアに分割して、モータのｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値から得られる各相の電流指令値に基づいて、スイッチング素子が用意された複数の相のなかでスイッチング動作を行わせない相を固定相としてエリア単位で決定し、エリア単位で決定した固定相以外の相のスイッチング素子をスイッチング動作させて２相変調制御をおこなう。

なお、モータのｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値から得られる各相の電流指令値の絶対値が最大となる相と、電圧指令値の絶対値が最小となる相と、が一致した場合、電流指令値の絶対値が次に大きい相と、電圧指令値の絶対値が最大となる相と、が一致した相を固定相とする。

本発明の他の１態様は、３相モータの相別にスイッチング素子を備え、該スイッチング素子のオン／オフにより該モータを駆動するためのモータインバータを制御する装置であって、モータの回転子が電気角で１回転する間を複数に分割したエリア単位に、モータのｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値から得られる各相の電流指令値に基づいて、スイッチング素子が用意された複数の相のなかでスイッチング動作を行わせない相を固定相としてエリア単位で決定する固定相決定手段と、固定相以外の相のスイッチング素子をスイッチング動作させて２相変調制御をおこなう駆動手段と、を具備する。

本発明では、電圧指令値に応じて決定した固定相となりうる相のなかから電流指令値の絶対値が大きい相を固定相と決定することで、電圧位相と電流位相が大きくずれた場合でも、単に電流基準で固定相を決定する場合より適切な固定相を決定できる。

本実施形態によるモータインバータの制御装置の構成を説明する図である。 本実施形態によるモータインバータの制御装置に搭載された２−３相変換部の構成を説明する図である。 各相の電流指令波形、各相の電圧指令波形、電流の位相エリア、電圧指令の位相エリアの変化例を表す図である（その１）。 各相の電流指令波形、各相の電圧指令波形、電流の位相エリア、電圧指令の位相エリアの変化例を表す図である（その２）。 各相の電流指令波形、各相の電圧指令波形、電流の位相エリア、電圧指令の位相エリアの変化例を表す図である（その３）。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態によるモータインバータの制御装置の構成を説明する図である。図２は、そのモータインバータの制御装置に搭載された２−３相変換部の構成を説明する図である。

このモータインバータの制御装置（以降「制御装置」と略記）１は、３相のモータ２を駆動するためのものであり、そのモータ２の駆動に用いるモータインバータは、図２に表すように、２−３相変換部１３０に備えられている。それにより、２−３相変換部１３０は、モータ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを供給する。

図１に表すように、この制御装置１は、２−３相変換部１３０以外に、３−２相変換部１４０、速度ＦＢ部１５０、トルク／電流指令値変換部１６０、電流ＰＩ（Proportional Integral）制御部１７０、電流Ｉｗ、Ｉｕの電流値検出用の２つの電流センサ１０１、１０２を備えている。

モータ２には、不図示の回転子の位置を電気角で特定可能な回転センサ２１が搭載されている。その回転センサ２１によって検出された値（回転子の電気角を表す値。以降「回転センサ値」）は２−３相変換部１３０、３−２相変換部１４０、及び速度ＦＢ部１５０に出力される。 速度ＦＢ部１５０は、外部からモータ２を駆動する駆動条件となる指令速度を入力するためのものである。

速度ＦＢ部１５０は、回転センサ２１から入力した回転センサ値からモータ２の回転速度を計算し、計算した回転速度と指令速度を比較して、モータ２の回転速度が指令速度となるようなトルクを計算する。そのように計算したトルクをトルク／電流指令値変換部１６０に出力する。

３−２相変換部１４０は、電流センサ１０２、１０１から得られた電流Ｉｕ、Ｉｗの各電流値を用いて、ｄｑ座標系の実際のｄ軸電流値Ｉｄ（以降「実Ｉｄ」）、及び実際のｑ軸電流値Ｉｑ（以降「実Ｉｑ」）を計算し出力する。ｄ軸電流値は、磁束の方向に平行な成分であり、ｄ軸と直交するｑ軸電流値はトルク方向の成分である。

トルク／電流指令値変換部１６０は、速度ＦＢ部１５０から入力したトルクに相当するｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆ、及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを出力するマップである。このＩｄ＿ｒｅｆ、及びＩｑ＿ｒｅｆはそれぞれ、電流ＰＩ制御部１７０、及び２−３相変換部１３０に出力される。

電流ＰＩ制御部１７０は、トルク／電流指令値変換部１６０からＩｄ＿ｒｅｆ及びＩｑ＿ｒｅｆを入力し、３−２相変換部１４０から実Ｉｄ及び実Ｉｑを入力し、それらの間の偏差に応じて、実ＩｄがＩｄ＿ｒｅｆに、実ＩｑがＩｑ＿ｒｅｆにそれぞれ一致するように、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＿ｃｍｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＿ｃｍｄを計算する。計算したＶｄ＿ｃｍｄ及びＶｑ＿ｃｍｄは２−３相変換部１３０に出力される。

２−３相変換部１３０は、電流ＰＩ制御部１７０からＶｄ＿ｃｍｄ、Ｖｑ＿ｃｍｄを入力し、トルク／電流指令値変換部１６０からＩｄ＿ｒｅｆ及びＩｑ＿ｒｅｆを入力し、２相のｄｑ座標系から３相への変換を行い、モータ３に電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗを供給する。ここで図２、更には図３〜図５を参照して、この２−３相変換部１３０について詳細に説明する。

図３〜図５は、各相の電流指令波形、各相の電圧指令波形、電流の位相エリアを表す図である。横軸に位相、縦軸に電流値、及び電圧値をそれぞれ取っている。図３において、３０１はＵ相の電流指令波形、３０２はＶ相の電流指令波形、３０３はＷ相の電流指令波形、３２１はＵ相の電圧指令波形Ｖｕ、３２２はＶ相の電圧指令波形Ｖｖ、３２３はＷ相の電圧指令波形Ｖｗ、をそれぞれ表している。図４、図５において、３３１はＵ相の電圧指令波形Ｖｕ’、３３２はＶ相の電圧指令波形Ｖｖ’、３３３はＷ相の電圧指令波形Ｖｗ’、をそれぞれ表している。

本実施形態では、電気角で１回転する間を２４分割して得られる位相（電気角）の範囲を１位相エリアとしている。固定相の切り換えは、２位相エリア（＝３０度）単位に行うようになっている。なお位相エリアはもっと細かく分割しても良い。図３〜図５に表す各相の電圧指令波形３２１〜３２３、３３１〜３３３は、固定相の設定に合わせて操作した後のものである。

図２に表すように、２−３相変換部１３０は、電圧基準２相変調部２１０、電流基準２相変調部２２０、電流位相計算部２３０、ＰＷＭ制御部２４０、及びモータインバータ２５０を備えている。

電圧基準２相変調部２１０は、Ｖｄ＿ｃｍｄ及びＶｑ＿ｃｍｄから、３相の電圧指令値を計算し、各相の電圧指令値の位相から電圧（の振幅値（絶対値））が最大となる相を固定相の候補相として決定し、決定した候補相を固定相として、各相の電圧指令値を操作する。図２中に表記の「Ｖｕ」「Ｖｖ」「Ｖｗ」はそれぞれ、操作後のＵ相の電圧指令値、Ｖ相の電圧指令値、Ｗ相の電圧指令値である。

電流位相計算部２３０は、Ｉｄ＿ｒｅｆ及びＩｑ＿ｒｅｆから、各相の電流指令値を計算し、計算した各相の電流指令値から、各相の位相を計算する。電流基準２相変調部２２０は、電流位相計算部２３０から各相の電流位相を、電圧基準２相変調部２１０から各相のＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗをそれぞれ入力し、各相の電圧−電流間の位相差、及び各相の電圧と電流の位相を考慮して固定相を決定する。それにより、決定した固定相が電圧基準２相変換部２１０の決定した候補相（候補相）と異なる場合、電流基準２相変調部２２０は、各相のＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗに対し、固定相を変更させる操作を行い、操作後のＶｕ、Ｖｖ、ＶｗをそれぞれＶｕ’、Ｖｖ’、Ｖｗ’として出力する。

モータインバータ２５０は、相ごとに、２つのスイッチング素子を備えている。Ｕ相用にはスイッチング素子２５１、２５２、Ｖ相用にはスイッチング素子２５３、２５４、Ｗ相用にはスイッチング素子２５５、２５６がそれぞれ割り当てられている。それにより、電流Ｉｕはスイッチング素子２５１、２５２間から、電流Ｉｖはスイッチング素子２５３、２５４間から、電流Ｉｗはスイッチング素子２５５、２５６間から、それぞれ供給される。

ＰＷＭ制御部２４０は、電流基準２相変調部２２０から入力したＶｕ’、Ｖｖ’、Ｖｗ’を用いて、各スイッチング素子２５１〜２５６をオン／オフさせるための駆動信号を個別に生成して供給する。その駆動信号の供給により、固定相とされた相では、その固定相が設定された期間、何れかのスイッチング素子が常にオンとされる。

ここで、図３〜図５を参照し、電圧基準２相変調部２１０、電流基準２相変調部２２０によって行われる各相の電圧指令値への操作、つまり固定相と位相エリアの対応関係の決定方法について具体的に説明する。

図３に表す各相の電圧指令値３２１〜３２３は、電圧基準２相変調部２１０が出力するＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗに相当し、図４に表す各相の電圧指令値３３１〜３３３はＶｕ’、Ｖｖ’、Ｖｗ’に相当する。

図３及び図４は、電圧と電流の位相差が３０度の場合を例にとったものである。図３のように、この例では、電圧基準２相変調部２１０が生成したＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、電圧の絶対値が最大の相を固定相としている。例えば図３において位相が２１０〜２７０度の範囲では、Ｗ相の電圧指令値３２３の絶対値が最大となっている。したがって、電圧基準２相変調では、Ｗ相を固定相としている。固定相の指令電圧値は最大または最小に調整され、他の相の指令電圧値は相間の電圧が維持されるように調整される。なお、ここで、電圧基準２相変調部２１０は実質的には、電圧の絶対値が大きい順番を判断している。

図４では、電圧基準２相変調部２１０が生成したＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗを受けて、電流基準２相変調部２２０がＶｕ’、Ｖｖ’、Ｖｗ’を生成する。この例では、電流基準２相変調部２２０が生成したＶｕ’、Ｖｖ’、Ｖｗ’は、電流の絶対値が最大の相を固定相としている。例えば図４において位相が２４０〜３００度の範囲では、Ｗ相の電流指令値３０３の絶対値が最大となっている。したがって、電流基準２相変調では、Ｗ相を固定相としている。ここでも、固定相の指令電圧値は最大または最小に調整され、他の相の指令電圧値は相間の電圧が維持されるように調整される。なお、ここで電流基準２相変調部２２０は、電流指令値の絶対値が最大の相が固定相にできるか否かを判断している。

図５は、電圧と電流の位相差が６０度の場合の例を説明するためのものである。図５中、破線５０１で囲った位相の範囲（３００〜３３０度）では、電圧指令値の絶対値はＶ相が最大で、Ｕ相が次となっている。このことから、電圧基準２相変調部２１０は、位相が３００〜３３０度の範囲では、Ｖ相を固定相とみなし、各相の電圧指令値の操作を行う。
次に電流基準２相変調部２２０では、３００〜３３０度の範囲においては、電流指令値の絶対値が最大のＷ相を固定相の候補としてあげるが、Ｗ相の指令電圧の絶対値は３相のなかで最小であるので、固定相にできない。したがって、電流指令値の絶対値が次に大きいＶ相を固定相の候補とする。Ｖ相の電圧指令値の絶対値は、電圧基準２相変調部２１０において最大と判断されており、固定相とすることが可能であるので、Ｖ相を固定相とする。

なお、位相エリア単位で固定相を決定するために、電圧基準２相変調部２１０、電流基準２相変調部２２０にはそれぞれ回転センサ値が出力される。ＰＷＭ制御部２４０に入力されるのは、そのように必要に応じて操作された後の電圧指令値Ｖｕ’、Ｖｖ’、Ｖｗ’である。

上記のように、本実施形態では、ｄ軸、ｑ軸の各電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆ及びＩｑ＿ｒｅｆから、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令値Ｖｄ＿ｃｍｄ、Ｖｑ＿ｃｍｄを計算し、計算した電圧指令値Ｖｄ＿ｃｍｄ、Ｖｑ＿ｃｍｄを固定相の決定に用いている。なお、固定相決定手段には、少なくとも、電流基準２相変調部２２０が対応する。駆動手段は、例えば２−３相変換部１３０のＰＷＭ制御部２４０が対応する。

本実施形態では、モータのｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値から得られる各相の電流指令値の絶対値が最大となる相と、電圧指令値の絶対値が最小となる相と、が一致した場合に、電流指令値の絶対値が次に大きい相と、電圧指令値の絶対値が最大となる相と、が一致した相を固定相としているので、図５のように電圧位相と電流位相が大きくずれた場合でも、単に電流基準で固定相を決定する場合より適切な固定相を決定できる。

なお、ｄ軸、ｑ軸の各電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆ、Ｉｑ＿ｒｅｆは、実Ｉｄ、実Ｉｑと異なる可能性がある。このことから、実Ｉｄ、実Ｉｑから計算される位相を確認するようにしても良い。その確認は、例えば２−３相変換部１３０の電流位相計算部２３０に行わせても良い。また、その確認結果を、ＰＷＭ制御部２４０に出力する電圧指令値Ｖｕ’、Ｖｖ’、Ｖｗ’の生成に反映させても良い。その反映は、例えば各電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆ、Ｉｑ＿ｒｅｆから計算される位相と、実Ｉｄ、実Ｉｑから計算される位相との間に許容範囲を超える差があった場合に、実Ｉｄ、実Ｉｑから計算される位相を採用するようなものであっても良い。

上記実施形態では、電圧基準２相変調部２１０が、固定相が決まったＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗを出力し、その後、電流基準２相変調部２２０が固定相を変更してＶｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’を決定しているが、この構成に限らない。例えば、ます、電圧基準２相変調部２１０が、電圧を基準に固定相にすることが可能な相の情報と、固定相を決めていない電圧指令値を出力する。そして、電流基準２相変調部２２０が、電流値を基準に固定相の候補を挙げ、固定相にすることが可能か否かを判定した上で、固定相を決定してＶｕ’，Ｖｖ’，Ｖｗ’を出力しても良い。

１ モータインバータの制御装置
２ モータ
１３０ ２−３相変換部
１４０ ３−２相変換部
１５０ 速度ＦＢ部
１６０ トルク／電流指令値変換部
１７０ 電流ＰＩ制御部
２１０ 電流基準２相変調部
２２０ 電流基準２相変調部
２３０ 電流位相計算部
２４０ ＰＷＭ制御部
２５０ モータインバータ
２５１〜２５６ スイッチング素子

Claims (3)

1. ３相モータの相別にスイッチング素子を備え、該スイッチング素子のオン／オフにより該モータを駆動するためのモータインバータを制御する方法であって、
   前記モータの回転子が電気角で１回転する間を複数のエリアに分割して、前記スイッチング素子が用意された複数の相のなかで前記スイッチング動作を行わせない相を固定相として前記エリア単位で決定し、
   前記エリア単位で決定した固定相以外の相のスイッチング素子をスイッチング動作させて２相変調制御をおこない、
   前記モータのｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とから得られる各相の電流指令値の絶対値が最大となる相を固定相にし、前記電流指令値の絶対値が最大となる相と、電圧指令値の絶対値が最小となる相と、が一致した場合、前記電流指令値の絶対値が次に大きい相と、前記電圧指令値の絶対値が最大となる相と、が一致した相を固定相とする、
   ことを特徴とするモータインバータの制御方法。
2. 前記モータに実際に供給される電流から得られるｄ軸実電流値とｑ軸実電流値から計算される位相と、前記ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値から計算される位相との間に、許容範囲を超える差があった場合に、ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値から得られる各相の電流指令値に代えて、ｄ軸実電流値とｑ軸実電流値から得られる電流指令値に基づいて前記固定相を決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータインバータの制御方法。
3. ３相モータの相別にスイッチング素子を備え、該スイッチング素子のオン／オフにより該モータを駆動するためのモータインバータを制御する装置であって、
   前記モータの回転子が電気角で１回転する間を複数に分割したエリア単位に、前記スイッチング素子が用意された複数の相のなかで前記スイッチング動作を行わせない相を固定相として前記エリア単位で決定する固定相決定手段と、
   前記固定相以外の相のスイッチング素子をスイッチング動作させて２相変調制御をおこなう駆動手段と、を具備し、
   前記固定相決定手段は、前記モータのｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とから得られる各相の電流指令値の絶対値が最大となる相を固定相にし、前記電流指令値の絶対値が最大となる相と、電圧指令値の絶対値が最小となる相と、が一致した場合、前記電流指令値の絶対値が次に大きい相と、前記電圧指令値の絶対値が最大となる相と、が一致した相を固定相とする、
   ことを特徴とするモータインバータの制御装置。