JP6833638B2 - 電動機用インバータ回路の評価装置および評価方法 - Google Patents
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Description
ここで、パワーモジュールのスイッチングは非常に速く、その特性の測定は容易ではない。例えば、一般的なマイコンを用いたコントローラでは,処理速度の制約からサンプリング周波数が低い。
また,通常の駆動時には回転に伴う逆起電力や,負荷などの外乱による影響が大きく,モジュールの特性変化を正確に検出することは困難である。
しかし,パワーモジュールを取り出して検査するには手間もかかり,すべてのモジュールの定期的な検査は困難である。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るインバータ評価システムのブロック図である。
インバータ評価システムは、電動機10,インバータ回路20,インバータ評価装置30を有する。
誘導電動機,同期電動機はいずれも、三相交流によって形成された回転磁束によって、回転子(ロータ)を回転する。同期電動機では、回転子は磁石(永久磁石または電磁石)である。一方、誘導電動機では、回転子は単なる導体(またはコイル)である。
例えば、位置センサ(例えば、エンコーダ)を用いて、電動機10のロータの回転角θrを検出し,これを微分して、ロータ角速度ωrを算出できる。速度センサを用いて、ロータ角速度ωrを直接検出してもよい。
なお、位置センサや速度センサを用いずに、ロータ角速度ωrを推定してもよい。例えば、同期電動機において、誘起電圧(ロータ角速度ωrに比例する)からロータ角速度ωrを推定できる。
インバータ回路20は、PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)で生成された三相交流の相電圧v(v1u、v1v、v1w)を電動機10に印加し、駆動する。
インバータ回路20は、MOSFET21,帰還用ダイオード22、直流電源23を有する。
なお、アーム25ul〜25whの「u」、「v」、「w」はそれぞれu,v,w相に、「h」、「l」はそれぞれハイサイド、ローサイドに対応する。
帰還用ダイオード22は、逆電流からMOSFET21を保護する。
このように、MOSFET21をゲート信号gsに応じて駆動し、直流電源23からパルス幅が変動した電圧パルスを生成する(PWM制御)。このとき、生成される電圧パルスが三相交流に対応することで、電動機10が駆動される。
v1d: 一次側d軸電圧
v1q: 一次側q軸電圧
v2d: 二次側d軸電圧
v2q: 二次側q軸電圧
i1d: 一次側d軸電流
i1q: 一次側q軸電流
i2d: 二次側d軸電流
i2q: 二次側q軸電流
R1: 一次側抵抗
R2: 二次側抵抗
M: 相互インダクタンス
L1: 一次側自己インダクタンス(L1=l1+M)
L2: 二次側自己インダクタンス(L2=l2+M)
l1: 一次側漏れインダクタンス
l2: 二次側漏れインダクタンス
ω: 電気角速度
ωs: 誘導電動機のすべり角速度(同期電動機の場合0)
τ=(PnM/L2)(i1qφ2d−i1dφ2q) ……(2)
Pn: 極対数
φ2d: 二次側d軸鎖交磁束
φ2q: 二次側q軸鎖交磁束
φ2d=φ2 ……(3)
φ2q=0 ……(4)
φ2: 二次側鎖交磁束
φ2=[(R2M)/(L2s+R2)]i1d ……(5)
τ=(PnM/L2)i1qφ2 ……(6)
式(6)より,二次側鎖交磁束φ2があっても(i1d≠0),一次側q軸電流i1qが0であればトルクτは発生せず,電動機10は回転しない。
指令値生成器31は、通常動作モード、診断モードの切替が可能である。
通常動作モードでは、電動機10が回転するように制御する。
一方、診断モードでは,電動機10が回転しないように制御する。すなわち、ロータ角速度の指令値ωr *を0とし,一次側d軸電流の指令値i1d *を所定値とする。
指令値i1d *は、時間と共に適宜に変更することができる。なお、この詳細は後述する。
なお、電流制御系33において、d軸とq軸の干渉を抑制するための非干渉制御を適用してもよい。
指令値v1d *、v1q *から指令値v1u *,v1v *,v1w *への変換式を(7)に示す。
位相の推定手法は、電動機10の種別(誘導電動機、同期電動機)によって異なる。
電動機10が誘導電動機であれば、ロータ角速度ωr,一次側q軸電流i1q,および二次鎖交磁束φ2を用いて、電気角θを算出できる。
φ2=[M/(1+(L2/R2)s)]i1d ……(11)
ωs=(R2M/L2φ2)i1q ……(12)
ω=ωr+ωs ……(13)
θ=∫ωdt=∫(ωr+ωs)dt ……(14)
電動機10が同期電動機であれば,ロータの回転角θrに極対数Pnを乗じることで、電気角θを算出できる。
θ=Pnθr ……(15)
以上、電気角θを推定する手法の一例を説明したが,他の手法を用いてもよい。
誘導電動機の場合,電気角θを固定してもよい。電気角θを適宜の固定値とすることで、インバータ回路20のアーム25への電流の配分(電流の方向や各相(u,v,w)に流れる割合)を調節できる。なお、この詳細は後述する。
切換器44は、位相推定器41と位相記憶部42を切り換える。
3相電流i1u,i1v,i1wから2相電流i1d,i1qへの変換式を式(16)に示す。
i1u=−2i1v=−2i1w (θ=0[rad]のとき)
−2i1u= i1v=−2i1w (θ=2π/3[rad]のとき)
−2i1u=−2i1v= i1w (θ=−2π/3[rad]のとき)
式(17)の電流i1d、i1q、i1u,i1v,i1wをそれぞれ電圧v1d *、v1q *、v1u *,v1v *,v1w *に置き換えると電圧の関係式が成り立つ。すなわち、d軸電圧の指令値v1d *が一定でも、電気角θに応じて、電圧v1u *,v1v *,v1w *の比率を適宜に変更できる。
例えば、上記のように,θ=0[rad],2π/3[rad],−2π/3[rad]とすると,それぞれu相のハイサイドのアーム25uh,v相のハイサイドのアーム25vh,w相のハイサイドのアーム25whの寄与が大きくなる。
通常動作モード、診断モードが選択される。選択されたモードに応じて、指令値生成器31の動作が切り替わる。
通常動作モードの場合、指令値生成器31は通常の速度指令値(またはq軸電流の指令値i1q *)、およびd軸電流の指令値i1d *を出力する。インバータ評価装置30から出力されるゲート信号gsに応じて電動機10は回転動作する(ステップS21,S22)。
診断モードの場合、指令値生成器31は速度指令値(ロータ角速度ωrの指令値)ωr *を0とし,一次側d軸電流の指令値i1d *を所定の値とする。
速度指令値ωr *が0であることで、インバータ評価装置30は電動機10を無回転状態となるようにフィードバック制御し、制御状態が安定したときのd軸電圧の指令値v1d *が記録される。
測定が続行される場合、指令値i1d *を変更して、無回転制御・記録が繰り返される。例えば、指令値i1d *にステップ値が追加され(ステップ入力),d軸電圧の指令値v1d *が求められる。なお、ステップ入力に換えて、DC入力でもAC入力でもよい。電流i1dのパターン(ステップ、DC,AC)に応じて、指令値i1d *が変更される。
また、位相記憶部42の複数の固定値から異なる電気角θを選択してもよい。
測定が終了すると、記録されたd軸電圧の指令値v1d *に基づいて、インバータ回路20を診断し、故障の予兆を検出する。
例えば、記録されたd軸電圧の指令値v1d *を基準値と比較することで、MOSFET21の劣化の有無を判定する。
電流i1dを時間と共に変化させた場合には、ある時刻での指令値v1d *あるいはデータ処理後の値(例えば、指令値v1d *の平均値)を基準値とできる。
図4は、第2の実施形態に係るインバータ評価システムのブロック図である。
このインバータ評価システムは、速度制御系32を有しない。
この場合,指令値生成器31は、一次側q軸電流および一次側d軸電流の指令値i1q *、i1d *を電流制御系33に出力する。
通常動作モードでは、電動機10が回転するように制御する。
一方、診断モードでは,電動機10が回転しないように制御する。すなわち、一次側q軸電流の指令値i1q *を0とし,一次側d軸電流の指令値i1d *を所定値とする。この指令値i1d *は、時間と共に適宜に変更することができる。
以下、診断モードでのインバータ評価システムの動作結果を説明する。
(1)実施例1
ロータ角速度の指令値ωr *を0、電気角θを0とし,d軸の電流i1dの指令値i1d *はステップ入力をローパスフィルタに通した値とした。
q軸電流の指令値i1q *が0であることから,q軸電流i1qも0に制御されている。また、指令値i1d *に対応して、d軸の電流i1dは速やかに一定値となった(図5参照)。
電気角θが0であることに対応して,線電流i1u、i1v、i1wにおいて、i1u=−2i1v=−2i1wとなっている(図6参照)。
また、トルクが発生しないため,ロータ角速度ωrはきわめて小さく、電動機10が実質的に回転していないことがわかる(図7参照)。
アーム25uh(u相ハイサイド)のMOSFET21の入力容量Cissをノミナル値Ciss0、からCiss1、Ciss2と2段階に大きくし、d軸電圧の指令値v1d *を求めた。なお、指令値ωr *、i1d *、電気角θは、実施例1と同様とした。
図8は、このときのd軸電圧の指令値v1d *の時間変化を表す。
入力容量Cissが増加するにつれ,ターンオン時間が長くなり,MOSFET21のゲインが大きくなる。そのため指令値v1d *はノミナルな場合(入力容量Ciss0の場合)に比べて、下がる傾向が確認された。
u相のハイサイド(アーム26)のMOSFET21のオン抵抗Rdsonをノミナル値Rdson0、からRdson1、Rdson2と大きくして、d軸電圧の指令値v1d *を求めた。なお、指令値ωr *、i1d *、電気角θは、実施例1と同様とした。
図9は、このときのd軸電圧の指令値v1d *の時間変化を表す。
オン抵抗Rdsonが増加すると,電圧降下量が大きくなる。このため、インバータ回路20でのゲインが下がり,指令値v1d *はノミナルな場合(オン抵抗Rdson0の場合)に比べて、上がる傾向が確認された。
電気角θをθ1、θ2、θ3と3通り変化させた(θ1=0[rad],θ2=2π/3[rad],θ3=−2π/3[rad])。
電気角θをθ1、θ2、θ3とするとそれぞれ,u相ハイサイドのパワーデバイス(アーム25uh)、v相ハイサイドのパワーデバイス(アーム25vh)、w相ハイサイドのパワーデバイス(アーム25wh)の寄与が大きくなる。
図10は、このときのd軸電圧の指令値v1d *の時間変化を表す。電気角θがθ1の場合、θ2、θ3の場合より、d軸電圧の指令値v1d *は小さい。
これは、アーム25uhのMOSFET21が、アーム25vh、25whのMOSFET21よりも劣化している可能性を示唆する。
20 インバータ回路
22 帰還用ダイオード
23 直流電源
24 ゲート端子
25(25uh〜25wl) アーム
30 インバータ評価装置
31 指令値生成器
32 速度制御系
33 電流制御系
34 2相−3相変換器
35 ゲート信号生成器
36 診断部
41 位相推定器
42 位相記憶部
43 3相−2相変換器
44 切換器
Claims (9)
- インバータ回路に接続された電動機の一次側3相電流i1u,i1v,i 1w をd軸電流i1d,q軸電流i1qに変換する3相−2相変換器と、
フィードバック制御によって、前記q軸電流i1qをゼロ近傍の指令値i1q *とし、前記d軸電流i1dを所定の指令値i1d *とするd軸およびq軸電圧の指令値v1d *、v1q *を生成する電流制御系と、
前記指令値v1d *、v1q *に基づくゲート信号gsを生成して前記インバータ回路に印加するゲート信号生成器と、
前記指令値v1d *を記憶する記憶部と、
を具備する電動機用インバータ回路の評価装置。 - フィードバック制御によって、前記電動機の回転角速度ωrをゼロ近傍の指令値ωr *とする前記指令値i1q *を生成する速度制御系をさらに具備する
請求項1に記載の電動機用インバータ回路の評価装置。 - 前記指令値v1d *、v1q *を3相電圧の指令値v 1u * ,v 1v * ,v 1w * に変換する2相−3相変換器をさらに具備し、
前記ゲート信号生成器が、前記指令値v1u *,v1v *,v1w *に基づいて前記ゲート信号gsを生成する
請求項1に記載の電動機用インバータ回路の評価装置。 - 前記3相−2相変換器および前記2相−3相変換器が、前記電動機での電気角θに基づいて変換を行う
請求項3に記載の電動機用インバータ回路の評価装置。 - 前記電気角θをπ/6、π/2,7π/6,−π/6,−π/2,−7π/6のいずれかとする
請求項4に記載の電動機用インバータ回路の評価装置。 - 前記電動機のロータ角速度ωrに基づき、前記電気角θを推定する位相推定器をさらに具備する
請求項4に記載の電動機用インバータ回路の評価装置。 - 前記指令値v1d *を基準値と比較して、前記インバータ回路を診断する診断部をさらに具備する
請求項1に記載の電動機用インバータ回路の評価装置。 - インバータ回路に接続された電動機の一次側3相電流i1u,i1v,i 1w をd軸電流i1d,q軸電流i1qに変換するステップと、
フィードバック制御によって、前記q軸電流i1qをゼロ近傍の指令値i1q *とし、前記d軸電流i1dを所定の指令値i1d *とするd軸およびq軸電圧の指令値v1d *、v1q *を生成するステップと、
前記指令値v1d *、v1q *に基づくゲート信号gsを生成して前記インバータ回路に印加するステップと、
前記指令値v1d *を記憶するステップと、
を具備する電動機用インバータ回路の評価方法。 - インバータ回路に接続された電動機の電流を変換する変換器と、
前記変換器により変換された電流に基づいて前記電動機の回転角速度をゼロ近傍とする指令値を生成する制御系と、
前記指令値に基づくゲート信号を生成して前記インバータ回路に印加する生成器と、
前記指令値を記憶する記憶部と、
を具備する電動機用インバータ回路の評価装置。
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