JP6368187B2 - インバータ装置 - Google Patents
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Description
特許文献1によると、図3(a)に示すように、一定間隔を有する搬送波(キャリア)と、U相、V相、W相の各相の電圧基準信号とのレベル比較により、3相PWMインバータ制御信号を生成する。これにより、3相PWM信号の各々の立ち上がりが近接してしまい、検出すべき電流のパルス幅が狭くなるのを回避して、電流検出を可能とする。この電流検出を行う処理は移動処理と称される。
U相,V相,W相の電流はインバータ装置を構成するスイッチ回路のスイッチングにより制御しているため、キャリア周期に応じたリプル(ripple)電流が発生する。リプル電流を無視し、基本波に基づいて電流値を検出する処理を行うのが一般的である。しかし、上述のように検出できるタイミングに制約のある1電流センサ方式では、例えば特許文献1に開示される移動処理を採用しても、図4に示すように、検出される電流は基本波に対しリプル電流の1/2分のズレが発生する可能性がある。
特許文献2は、電源電圧の変動、インバータ周波数とキャリア周波数との比、現在出力中の指令電圧及び基準指令電圧をパラメータとして、検出する電流のリプル電流を補正する手法を提案している。しかしながら、特許文献2の提案では、多数のパラメータを使用し、U相,V相,W相のモータ電流を常に補正するので、補正するのに要する処理時間がかかりすぎる。したがって、インバータ装置の高キャリア化、交流電動機の高速運転化に対応することが難しい。
そこで本発明は、安価な1電流センサ方式を用いても、少ない処理時間でモータ電流値を正確に検出できるインバータ装置を提供することを目的とする。
本発明の電流検出部は、U相、V相及びW相の3相の中から、リプル電流に基づいて生じる電流のズレが小さい2相を採用して電流値を検出し、2相は3相の中の1相がピークまたはボトムの電流を出力する際の他の2相であることを特徴とする。
本発明のインバータ装置は、電流検出部が、U相、V相及びW相の3相の中から、リプル電流に基づいて生じる電流のズレが小さい2相を採用するので、正確に電流値を検出することができる。
制御回路30は、電流センサ14の検出結果から交流電動機10のU相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Ivの電流値を求める電流検出部15と、電流検出部15が求めた結果に基づき、3相電圧指令を算出する電圧指令演算部16と、電圧指令演算部16からの3相電圧指令により主回路12に与える3相PWM波形を生成する波形生成部17と、電流検出部15に対してU相、V相及びW相の中から検出のために採用する相を選択して電流検出部15に指令する検出電流選択部18と、を有する。電流検出部15、電圧指令演算部16、波形生成部17及び検出電流選択部18からインバータ装置11の制御手段が構成される。なお、制御回路30は、例えば、予め記述されたプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)と、CPUがアクセスするメモリ手段とにより実現される。
電流センサ14は、例えばシャント抵抗を備え、主回路12と直流電圧を供給するコンバータ25の間に設けられる単一の電流センサである。電流検出部15は、シャント抵抗の両端電圧と抵抗値に基づいて各相の電流値を検出することができる。
電流検出部15は、後述するスイッチ素子のON/OFFの状態と検出できる電流の相との関係(図5)をテーブルデータとして保持しており、シャント抵抗の両端電圧値を、3相PWM波形生成部17の出力に対応する相のモータ電流として取り込む。このとき、電流検出部15は、キャリア周期ごとにU相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iwのうちの2つを選択して検出する。この選択は、検出電流選択部18により選択された相に対応する。
インバータ装置11の主回路12において、例えば、上アームスイッチ素子PUがオン(ON)状態であり、かつ上アームスイッチ素子PV、PWがオフ(OFF)状態であるものとする(ケース1)。このとき、下アームスイッチ素子NUがOFF状態であり、かつ下アームスイッチ素子NV、NWがON状態となる。この場合、電源13から供給される電流は、上アームスイッチ素子PU→交流電動機10のU相コイル→交流電動機10のV相コイル及びWコイル→下アームスイッチ素子NV及びNW→電流センサ14→電源13の経路で流れる。したがって、電流センサ14にて検出される電流は、交流電動機10のU相電流Iuに該当する。
図5において、正の値は、当該電流が主回路12から交流電動機10に向かうことを意味し、負の値は、当該電流が交流電動機10から主回路12に向かうことを意味する。例えば、上述したケース1は「+Iu」が検出され、またケース2は「−Iw」が検出されることになる。
つまり、搬送波が1つだけだと、図3(b)に示すように、3相電圧基準Vu、Vv、Vwにおける中間相Vvが最大相Vu(あるいは最小相Vw)に近い場合や、出力電圧レベルが低い場合には、3相PWM信号Tu,Tv,Twの立ち上がり位置が近接してパルス幅が狭くなり、電流検出が困難になることがある。
そのため本実施形態においては、図3(a)に示したように、基準信号生成部21が算出した3相電圧基準Vu、Vv、Vwのそれぞれに対応した、一定間隔を有する3つの搬送波CU、CV、CWを生成し、これら3つの搬送波と3相電圧基準信号Vu、Vv、Vwとを比較する。3つの搬送波は一定間隔を有しているから、3相PWM信号の各々の立ち上がり位置が近接してパルス幅が狭くなるということがなくなり、容易に電流検出を行える。
この移動処理は、波形生成部17の指示により行われるので、移動処理が行われること及びそのタイミングは、制御回路30が予め知っている。
検出電流選択部18が、モータ電流を検出すべき相として「U相」および「V相」を選択したものとする。この場合、電流検出部15は、U相電流またはV相電流を検出するタイミングを指示する信号を3相PWM波形生成部17から受け取ったときは、電流センサ14の両端電圧値を「U相電流」または「V相電流」として取り込む。しかし、W電流を検出するタイミングを指示する信号を3相PWM波形生成部17から受け取ったときは、シャント抵抗Rの両端電圧値を取り込まないようにする。このようにして、電流検出部15は、検出電流選択部18により選択された相以外の電流は検出しない。
電流検出部15は、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iwと、波形生成部17から主回路12に送られる、3相PWM信号(Tu、Tv、Tw)とから、W相電流iw、U相電流iu、V相電流iv(iu−iw)の3相電流を生成して電圧指令演算部16に送る。
搬送波生成部20は、低速域NL、中速域NM及び高速域NHに対応する回転数の範囲(閾値)を例えば以下のように予め保持しており、動作している交流電動機10の回転速度Nを取得してこれらの閾値と比較する。搬送波生成部20は、比較の結果に基づいて、3キャリアモードと1キャリアモードの切換えを行う。
低速域NL:0 < N ≦ NL
中速域NM:NL< N ≦ NH
高速域NH:NL< N
図4にはU相、V相及びW相の各々の電流波形が示されており、その中でリプル電流の発生が顕著な区間を「ズレの大きい区間」と表記している。図4から判るように、U相における「ズレの大きな区間」と、V相における「ズレの大きい区間」と、W相における「ズレの大きい区間」とは、相互に重なることがない。つまり、U相、V相及びW相のいずれか1つの相においてリプル電流の発生が顕著になって「ズレの大きい区間」に該当したとしても、他の二つの相はズレが小さい区間に該当する。
図6は、U相、V相及びW相のそれぞれの相における「ズレの大きい区間」と「ズレの小さい区間」の変遷を○と×で示している。図6に示されるように、本実施形態においては、U相が「ズレの大きい区間」に該当する期間は、V相及びW相は「ズレの小さい区間」に該当する(第1要素)。次いで、W相が「ズレの大きい区間」に該当する期間は、V相及びU相が「ズレの小さい区間」に該当する(第2要素)。次いで、V相が「ズレの大きい区間」に該当する期間は、U相及びW相が「ズレの小さい区間」に該当する(第3要素)。本実施形態は、第1要素、第2要素及び第3要素からなる一つの周期(キャリア周期)が繰り返される。第1要素、第2要素及び第3要素は、位相がそれぞれ60°だけ異なっている。
これを図5に示すスイッチ素子のON/OFFの状態と検出される電流の相との関係に照らし合わせると以下の通りである。つまり、W相電流及びV相電流を採用する第1要素は、上アームスイッチ素子PW,PVをONにするモード6に対応する。また、V相電流及びU相電流を採用する第2要素は、上アームスイッチ素子PV,PUをONにするモード3に対応する。さらに、U相電流及びW相電流を採用する第3要素は、上アームスイッチ素子PU,PWをONにするモード5に対応する。同様に、W相電流及びV相電流を採用する第1要素では、下アームスイッチ素子NW,NWをONにするモード1に対応する。また、V相電流及びU相電流を採用する第2要素は、下アームスイッチ素子NV,NUをONにするモード4に対応する。さらに、U相電流及びW相電流を採用する第3要素は、下アームスイッチ素子NU,NWをONにするモード2に対応する。
検出電流選択部18は、以上の対応関係に基づいて、モータ電流を検出すべき相を選択する。電流検出部15は、以上の対応関係に該当する電流を検出するタイミングを指示する信号を、3相PWM波形生成部17から受け取ったときは、該当する電流センサ14の両端電圧値を取り込む、つまり採用して、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iwの3相のいずれかのモータ電流を特定する。
はじめに、インバータ装置11は、一つの電流センサ14を用いる1電流センサ方式により電流を検出できるので、インバータ装置11の低コスト化に寄与する。
次に、インバータ装置11は、移動処理を行うことができるので、3相PWM信号の立ち上がりが近接してパルス幅が狭くなることがないので、電流検出を確実に行うことができる。
具体的な処理時間の短縮効果を、CPUの処理速度を40MHz(25ns/STEP)として求めた結果を以下に示す。なお、比較例1は、リプル電流の補正処理を連続して行う例であり、比較例2は、「ズレの大きい区間」だけにリプル電流の補正処理を行う例である。
以下に示す通りであり、本実施形態によると、比較例1の約3.5%の処理時間で済ませることができる。
STEP数(プログラムソースの行数)=144
要処理時間=144STEP×25ns/STEP=3.6μs
<比較例2:部分的に補正処理)>
STEP数=24
要処理時間=24STEP×25ns/STEP=0.6μs
<本実施形態>
STEP数=5
要処理時間=5STEP×25ns/STEP=0.125μs
<比較例1:全域に補正処理>
全処理時間=6μs+3.6μs=9.6μs △t=60%
<比較例2:部分的に補正処理)>
全処理時間=6μs+0.6μs=6.6μs △t=10%
<本実施形態>
全処理時間=6μs+0.125μs=6.125μs △t=2%
以上説明した「ズレの小さい区間」に該当する2相を採用してモータ電流値を検出する手法は、移動処理を行うか否かを問わずに適用することができる。
また、本実施形態では、第1要素、第2要素及び第32要素がこの順番で繰り返される周期を例にしているが、この順は任意であり、第1要素、第32要素及び第2要素の順番、第32要素、第2要素及び第1要素の順番等、他の順番で周期を構成することもできる。
11 インバータ制御装置
12 主回路
12U U相用ブリッジ回路
12V V相用ブリッジ回路
12W W相用ブリッジ回路
13 電源
14 電流センサ
15 電流検出部
16 電圧指令演算部
17 波形生成部
18 検出電流選択部18
20 搬送波生成部
21 基準信号生成部
22 レベル比較部
25 コンバータ
PU,PV,PW 上アームスイッチ素子
NU,NV,NW 下アームスイッチ素子
Claims (3)
- 入力される直流電圧をU相、V相及びW相の3相交流電圧に変換して交流電動機に供給する、複数のスイッチ素子を有する主回路と、
前記主回路と前記直流電圧の供給側の間に設けられる単一の電流センサと、
前記電流センサの検出結果に基づいて、U相、V相及びW相の3相の電流値の各々を検出する電流検出部と、を備え、
前記電流検出部は、
U相、V相及びW相の3相の中から、リプル電流に基づいて生じる電流のズレが小さい2相を採用して前記電流値を検出し、前記2相は前記3相の中の1相がピークまたはボトムの電流を出力する際の他の2相である、
ことを特徴とするインバータ装置。 - 前記電流のズレが小さいW相及びV相を採用して前記電流値を検出する第1要素と、
前記電流のズレが小さいU相及びV相を採用して前記電流値を検出する第2要素と、
前記電流のズレが小さいU相及びW相を採用して前記電流値を検出する第3要素と、がこの順に又は異なる順に連続する周期が繰り返される、
請求項1に記載のインバータ装置。 - 前記電流検出部は、
移動処理を行っている間に、
U相、V相及びW相の3相の中から、電流のズレが小さい2相を採用して前記電流値を検出する、
請求項1又は請求項2に記載のインバータ装置。
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