JP6939693B2 - パルスパターン生成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パルスパターン生成装置に関する。
モータを駆動するためのインバータは、複数のスイッチング素子を備える。このスイッチング素子が、予め定められたパルスパターンでスイッチング制御されることで、直流電力が交流電力に変換される。パルスパターンは、評価関数に基づき定められている。評価関数は、モータの駆動時に生じる損失などを数値化したものである。
特許文献1に開示のインバータは、高調波電圧を評価関数としたパルスパターンによって制御されている。パルスパターンは、高調波電圧が最小となるように定められている。
特開2016−5378号公報
高調波電圧を小さくすると、モータの鉄損が小さくなる。したがって、特許文献1のパルスパターンでインバータを制御することで、モータの鉄損を小さくすることができる。しかしながら、特許文献1に開示のパルスパターンでは、銅損を小さくすることができない。
本発明の目的は、銅損を低減させるパルスパターンを生成できるパルスパターン生成装置を提供することにある。
上記課題を解決するパルスパターン生成装置は、モータを駆動するインバータが備える複数のスイッチング素子を制御するためのパルスパターンを生成するパルスパターン生成装置であって、前記モータの駆動時に加えられる電圧を、仮想的に前記モータのコイルに印加したときに前記コイルに流れる電流を算出する電流算出部と、前記電流算出部によって算出された前記電流から電流実効値を算出する電流実効値算出部と、前記モータのコアに起因する損失である鉄損を推定する鉄損推定部と、前記鉄損推定部によって推定された前記鉄損、及び、前記電流実効値算出部によって算出された前記電流実効値を評価項目とする評価関数から前記パルスパターンを生成するパターン生成部と、を備える。
電流実効値は、コイルに起因する損失である銅損に影響を及ぼし、電流実効値を小さくすることで銅損が小さくなる。電流実効値を含む評価関数からパルスパターンを生成することで、銅損を考慮したパルスパターンが生成されることになる。このパルスパターンでインバータのスイッチング素子がスイッチング制御されることで、銅損を低減させることができる。
上記パルスパターン生成装置について、前記評価関数は、以下の(1)式であってもよい。
Figure 0006939693
ただし、a,b:重み調整用係数、Irms:電流実効値、Wi:鉄損である。
これによれば、電流実効値と鉄損の両方を低減させつつ、重み調整用係数により、いずれの評価項目を重視するかを選択できる。
本発明によれば、銅損を低減させるパルスパターンを生成できる。
モータ、及び、モータ駆動用のインバータを示すブロック図。 d,q/u,v,w変換回路の構成を示すブロック図。 マップの一例を示す図。 パルスパターン生成装置のブロック図。 電流実効値を含まない評価関数によって生成されたパルスパターンでスイッチング素子をスイッチング制御したときのトルク波形を示す図。 実施形態の評価関数によって生成されたパルスパターンでスイッチング素子をスイッチング制御したときのトルク波形を示す図。 モータのトルクと、モータの回転数とに対応付けて、銅損が支配的な第1領域と鉄損が支配的な第2領域を示す模式図。
以下、パルスパターン生成装置の一実施形態について説明する。
図1に示すように、インバータ10は、インバータ回路20と、インバータ制御装置30と、を備える。インバータ制御装置30は、ドライブ回路31と、制御部32と、を備える。本実施形態のインバータ10は、モータ60を駆動するためのものである。
インバータ回路20は、6つのスイッチング素子Q1〜Q6と、6つのダイオードD1〜D6と、を備える。スイッチング素子Q1〜Q6としては、IGBTを用いている。正極母線Lpと負極母線Lnとの間に、u相上アームを構成するスイッチング素子Q1と、u相下アームを構成するスイッチング素子Q2が直列接続されている。正極母線Lpと負極母線Lnとの間に、v相上アームを構成するスイッチング素子Q3と、v相下アームを構成するスイッチング素子Q4が直列接続されている。正極母線Lpと負極母線Lnとの間に、w相上アームを構成するスイッチング素子Q5と、w相下アームを構成するスイッチング素子Q6が直列接続されている。スイッチング素子Q1〜Q6にはダイオードD1〜D6が逆並列接続されている。正極母線Lp、負極母線Lnには平滑コンデンサCを介して直流電源としてのバッテリBが接続されている。
スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2の間は、モータ60のu相端子に接続されている。スイッチング素子Q3とスイッチング素子Q4の間は、モータ60のv相端子に接続されている。スイッチング素子Q5とスイッチング素子Q6の間は、モータ60のw相端子に接続されている。上下のアームを構成するスイッチング素子Q1〜Q6を有するインバータ回路20は、スイッチング素子Q1〜Q6のスイッチング動作に伴いバッテリBの電圧である直流電圧を交流電圧に変換してモータ60に供給することができるようになっている。モータ60は、3つのコイルU,V,Wをスター結線したものである。モータ60としては、誘導モータ、IPMモータ、SPMモータなど、どのような種類のモータを用いてもよい。
各スイッチング素子Q1〜Q6のゲート端子にはドライブ回路31が接続されている。ドライブ回路31は、制御信号に基づいてインバータ回路20のスイッチング素子Q1〜Q6をスイッチング動作させる。
インバータ10は、モータ60の電気角θを検出する位置検出部61と、モータ60のu相電流Iuを検出する電流センサ62と、モータ60のv相電流Ivを検出する電流センサ63と、電源電圧Vdcを検出する電圧センサ64と、を備える。
制御部32はマイクロコンピュータにより構成されている。制御部32は、減算部33と、トルク制御部34と、トルク/電流指令値変換部35と、減算部36,37と、電流制御部38と、d,q/u,v,w変換回路39と、座標変換部40と、速度演算部41と、を備える。
速度演算部41は、位置検出部61により検出される電気角θから速度ωを演算する。減算部33は、指令速度ω*と速度演算部41により演算された速度ωとの差分Δωを算出する。トルク制御部34は、速度ωの差分Δωからトルク指令値T*を演算する。
トルク/電流指令値変換部35は、トルク指令値T*を、d軸電流指令値Id*およびq軸電流指令値Iq*に変換する。例えば、トルク/電流指令値変換部35は、記憶部(図示略)に予め記憶される目標トルクとd軸電流指令値Id*およびq軸電流指令値Iq*とが対応付けられたテーブルを用いてトルク/電流指令値変換を行う。
座標変換部40は、電流センサ62,63によるu相電流Iuおよびv相電流Ivからモータ60のw相電流Iwを求め、位置検出部61により検出される電気角θに基づいて、u相電流Iu、v相電流Ivおよびw相電流Iwをd軸電流Idおよびq軸電流Iqに変換する。なお、d軸電流Idはモータ60に流れる電流において、界磁を発生させるための電流ベクトル成分であり、q軸電流Iqはモータ60に流れる電流において、トルクを発生させるための電流ベクトル成分である。
減算部36は、d軸電流指令値Id*とd軸電流Idとの差分ΔIdを算出する。減算部37は、q軸電流指令値Iq*とq軸電流Iqとの差分ΔIqを算出する。電流制御部38は、差分ΔIdおよび差分ΔIqに基づいてd軸電圧指令値Vd*およびq軸電圧指令値Vq*を算出する。
d,q/u,v,w変換回路39は、電気角θと、d軸電圧指令値Vd*と、q軸電圧指令値Vq*と、電源電圧Vdcを入力して各スイッチング素子Q1〜Q6の制御信号をドライブ回路31に出力する。
図2に示すように、d,q/u,v,w変換回路39は、d,q/u,v,w変換部50と、変調率算出部51と、パルスパターン決定部52と、信号生成部53と、を備える。
d,q/u,v,w変換部50は、角度情報(ロータの位置)である電気角θに基づいてd軸電圧指令値Vd*、及び、q軸電圧指令値Vq*を、u,v,w相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に座標変換する。
変調率算出部51は、電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*と、電源電圧Vdcに基づき、変調率Keu,Kev,Kewを算出する。変調率算出部51は、電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を電源電圧Vdcで除算した値であり、電圧指令値(電圧振幅)Vu*,Vv*,Vw*と電源電圧Vdcの比率である。
パルスパターン決定部52は、電気角θと変調率Keu,Kev,Kewに基づいて、スイッチング素子Q1〜Q6のスイッチングパターンであるパルスパターンを決定する。パルスパターンは、マップMとしてメモリなどの記憶部に記憶されている。パルスパターンは、電気角θと変調率Keu,Kev,Kewに対応付けて設定されている。
図3に示すように、マップMは、オン指示信号とオフ指示信号とのそれぞれが、電気角θ及び変調率Keu,Kev,Kewに対応付けられた情報である。図3には、u相の変調率Keuと電気角θに対応付けられたマップMの一例を示す。オン指示信号は、上アームスイッチング素子Q1,Q3,Q5をオンし、下アームスイッチング素子Q2,Q4,Q6をオフすることを指示する信号である。オフ指示信号は、上アームスイッチング素子Q1,Q3,Q5をオフし、下アームスイッチング素子Q2,Q4,Q6をオンすることを指示する信号である。
マップMは、オン指示信号からオフ指示信号への切り替え、及び、オフ指示信号からオン指示信号への切り替えを指示する電気角θであるパルス角を示すものである。図3には、オン指示信号とオフ指示信号との切り替えを行うパルス角として、θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6を図示する。
なお、図3では、u相のマップMのうち電気角θが0°〜90°までのマップMを図示している。マップMを電気角θが0°の位置で線対称にすると0°〜−90°までのマップとなり、電気角θが−90°〜90°までのマップを点対称に反転させると90°〜270°のマップとなる。v相、w相のマップMは、u相のマップMに対して、電気角θが120°,240°ずれたものである。
信号生成部53は、パルスパターン決定部52で決定されたパルスパターンに基づき、制御信号を生成する。信号生成部53は、パルスパターンに基づき、上アームスイッチング素子Q1,Q3,Q5と下アームスイッチング素子Q2,Q4,Q6のオン/オフを切り替える際のデッドタイムを設定するとともに、制御信号を生成する。これにより、インバータ10のスイッチング素子Q1〜Q6は、予め定められたパルスパターンでスイッチング制御されることになる。
次に、上記したパルスパターンを生成するパルスパターン生成装置について説明する。
図4に示すように、パルスパターン生成装置70は、モータ60のコイルに線間電圧を加える線間電圧印加部71と、モータ60のコイルに誘起電圧を加える誘起電圧印加部72と、を備える。コイルは、線間電圧が加えられる2つのコイルであり、本実施形態では、u相のコイルUとv相のコイルVの2つのコイルとする。パルスパターン生成装置70は、モータ60の駆動状況を模擬することで、パルスパターンを生成する装置である。
線間電圧印加部71は、コイルU,Vに、モータ60駆動時にコイルU,Vに加わる電圧である線間電圧を仮想的に印加する。誘起電圧印加部72は、モータ60駆動時に生じる誘起電圧をコイルU,Vに仮想的に印加する。線間電圧は、バッテリBの電圧から定まる。誘起電圧は、解析や、実測などにより導出されている。例えば、磁界解析を用いて、モータ60を回転させたときに発生する電圧を算出したり、モータ60の端子をオシロスコープなどの測定器で測定することで誘起電圧を導出することができる。線間電圧をコイルU,Vに加えたときに流れる電流と、誘起電圧をコイルU,Vに加えたときに流れる電流とは、逆向きの電流となる。
パルスパターン生成装置70は、線間電圧と、誘起電圧をU,Vに加えたときに流れる電流iを算出する電流算出部73と、電流iから電流実効値を算出する電流実効値算出部74と、を備える。電流算出部73は、以下の(2)式から電流iを算出する。
Figure 0006939693
ただし、LはコイルUとコイルVとの合成インダクタンス、iは、時刻t=0のときにコイルU,Vに流れる電流である。
(2)式から把握できるように、電流iは、線間電圧に加えて、誘起電圧を考慮したものとなっている。電流iによる電流波形は、線間電圧と誘起電圧との大小関係により傾きが変化することになる。
電流実効値算出部74は、電流算出部73が算出した電流iにより得られる電流波形から電流実効値Irmsを算出する。電流iは、誘起電圧を考慮したものとなっているため、誘起電圧を考慮していない電流波形に比べて、実際のモータ60の駆動状況に近い電流波形を得ることができる。具体的にいえば、誘起電圧を考慮した場合、線間電圧が0[V]となるときは線間電圧<誘起電圧となり、電流の傾きが負となる。これに対し、誘起電圧を考慮しない場合、誘起電圧に起因する電流が考慮されず、線間電圧が0[V]となるときに電流の値が維持される。即ち、傾きが0になる。このように、誘起電圧を考慮する場合と、考慮しない場合で、電流波形が異なるものになる。
パルスパターン生成装置70は、鉄損を推定する鉄損推定部75を備える。鉄損推定部75は、モータ60のコア、即ち、ロータコア及びステータコアに起因する損失である鉄損Wiを推定する。鉄損Wiは、以下の(3)式から推定することができる。
Figure 0006939693
ただし、Vは高調波電圧、nは高調波次数である。
パルスパターン生成装置70は、パターン生成部76を備える。パターン生成部76は、電流実効値Irmsと鉄損Wiを評価項目とした評価関数からパルスパターンを生成する。評価関数は、評価項目を数値化したものであり、本実施形態の評価関数は、以下の(1)式である。
Figure 0006939693
ただし、a,bは重み調整用係数、Irmsは電流実効値、Wiは鉄損である。
重み調整用係数a,bは、任意の係数である。重み調整用係数a,bの値を設定することで、電流実効値Irmsと、鉄損Wiのうち、いずれを重視して評価を行うかを任意に設定することができる。電流実効値Irmsは、コイルU,V,Wに起因する損失である銅損に影響を及ぼし、電流実効値Irmsを小さくすることで銅損が小さくなる。銅損に比べて鉄損Wiが大きいモータ60であれば、鉄損Wiを小さくするために重み調整用係数bを大きくして、鉄損Wiを低減させる。鉄損Wiに比べて銅損が大きいモータ60であれば、銅損を小さくするために重み調整用係数aを大きくして、銅損を低減させる。このように、重み調整用係数a,bは、モータ60の種類や、モータ60特性に応じて設定される。
本実施形態の評価項目は、いずれも、モータ60の損失に関するものである。したがって、評価関数が小さくなるパルスパターンほど、損失が低減されるパルスパターンであるといえる。パターン生成部76は、評価関数の値が最小となるようにパルスパターンを生成する。これにより、パルスパターンのマップMを得ることができる。
本実施形態の作用について説明する。
インバータ10の各スイッチング素子Q1〜Q6は、パルスパターン生成装置70で生成されたパルスパターンでスイッチング制御される。このパルスパターンは、電流実効値Irmsと鉄損Wiに基づく評価関数が最小になるように定められたパルスパターンである。このパルスパターンでスイッチング素子Q1〜Q6をスイッチング制御することで、電流実効値Irms及び鉄損Wiの両方が小さくなるようにスイッチング動作が行われることになる。即ち、重み調整用係数a,bに基づき、銅損と鉄損Wiとの均衡を図りながら、両者を低減させることができる。
図5に示すように、電流実効値Irmsを含まない評価関数から生成されたパルスパターンによってスイッチング素子Q1〜Q6のスイッチング制御を行うと、電流高調波が大きく、トルクリプルも大きくなる。
図6に示すように、本実施形態の評価関数から生成されたパルスパターンによってスイッチング素子Q1〜Q6のスイッチング制御を行うと、電流実効値Irmsが小さくなることで、電流高調波が小さくなる。図6に示すトルク波形では、図5に示すトルク波形に比べてトルクリプルが小さくなっていることがわかる。
本実施形態の効果について説明する。
(1)パターン生成部76は、電流実効値Irmsと、鉄損Wiを評価項目とする評価関数を用いてパルスパターンを生成している。鉄損Wiに加えて、電流実効値Irmsを含む評価関数からパルスパターンを生成することで、鉄損Wiだけでなく、銅損も考慮したパルスパターンが生成されることになる。このパルスパターンでインバータ10のスイッチング素子Q1〜Q6がスイッチング制御されることで、銅損を低減させることができる。
(2)評価関数は、電流実効値Irmsと鉄損Wiの両方を評価項目としつつ、重み調整用係数a,bによりいずれを重視するかを選択できるものである。したがって、モータ60に応じて、適したパルスパターンを生成することができる。
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○重み調整用係数a,bは、モータ60のトルクTとモータ60の回転数Nによって変更してもよい。図7に示すように、トルクTと回転数Nにより規定されるNT領域は、銅損が支配的になる第1領域A1と、鉄損Wiが支配的になる第2領域A2とに分けることができる。したがって、銅損が支配的になる第1領域A1では、a・Irms >b・Wi となるように重み調整用係数a,bを設定する。一方で、鉄損Wiが支配的になる第2領域A2では、a・Irms <b・Wi となるように重み調整用係数a,bを設定する。これにより、パターン生成部76は、トルクTと回転数Nに応じたパルスパターンを生成することができる。
○重み調整用係数a,bは、相電流に応じて変更してもよい。例えば、相電流に閾値を設定して、相電流が閾値以下の場合にはa・Irms <b・Wi となるように重み調整用係数a,bを設定する。また、相電流が閾値より大きい場合にはa・Irms >b・Wi となるように重み調整用係数a,bを設定する。閾値としては、銅損と鉄損Wiとの大小関係が判定する値などを用いる。これにより、パターン生成部76は、相電流に応じたパルスパターンを生成することができる。
○以下の(4)式のように、評価関数の評価項目は追加してもよい。
Figure 0006939693
cは重み調整用係数であり、xは任意の評価項目である。xとしては、例えば、モータ60(コイルU,V,W)の中性点電位や、伝導ノイズが挙げられる。このように、評価関数としては、少なくとも、電流実効値Irmsと鉄損Wiとを含んでいればよい。
○評価関数としては、(1)式に限られず、鉄損Wiと電流実効値Irmsを評価項目として含んでいれば、どのような式でもよい。
○電流実効値Irmsは、誘起電圧を考慮せず、線間電圧をコイルU,Vに加えたときに流れる電流から求められたものでもよい。この場合、モータ60としては、誘導モータを用いることが好ましい。
○パルスパターン生成装置70は、インバータ10に搭載されていてもよい。この場合、コイルU,Vの劣化具合を検出できる検出部や、コイルU,Vの劣化具合を推定できる推定部を設けることで、パルスパターンの生成に用いられるコイルU,Vのインダクタンスを補正する。これにより、コイルU,Vの劣化具合を考慮したパルスパターンを生成することができる。パルスパターンをコイルU,Vの劣化具合に応じて更新していくことで、インバータ10に適したパルスパターンによりスイッチング素子Q1〜Q6のスイッチング制御を行うことができる。
○パターン生成部76は、評価関数が最小となるパルスパターンに限られず、任意の電流波形を出力できるパルスパターンなどを生成するようにしてもよい。
○鉄損推定部75は、(3)式とは異なる式から鉄損Wiを推定してもよい。
○変調率は、1相分のみ算出されていてもよい。この場合、1相分の変調率を3相共通の変調率として制御が行われる。
○パルスパターン生成装置70は、3つのコイルU,V,Wをデルタ結線した三相交流モータを駆動する際のパルスパターンを生成してもよい。この場合、電流算出部73は、1相分のコイルに相電圧及び誘起電圧を加えたときに流れる電流(相電流)を算出する。そして、この電流から得られた電流実効値からパターン生成部76はパルスパターンを生成する。
Q1〜Q6…スイッチング素子、U,V,W…コイル、10…インバータ、60…モータ、70…パルスパターン生成装置、71…線間電圧印加部、73…電流算出部、74…電流実効値算出部、75…鉄損推定部、76…パターン生成部。

Claims (2)

  1. モータを駆動するインバータが備える複数のスイッチング素子を制御するためのパルスパターンを生成するパルスパターン生成装置であって、
    前記モータの駆動時に加えられる電圧を、仮想的に前記モータのコイルに印加したときに前記コイルに流れる電流を算出する電流算出部と、
    前記電流算出部によって算出された前記電流から電流実効値を算出する電流実効値算出部と、
    前記モータのコアに起因する損失である鉄損を推定する鉄損推定部と、
    前記鉄損推定部によって推定された前記鉄損、及び、前記電流実効値算出部によって算出された前記電流実効値を評価項目とする評価関数から前記パルスパターンを生成するパターン生成部と、を備えるパルスパターン生成装置。
  2. 前記評価関数は、以下の(1)式である請求項1に記載のパルスパターン生成装置。
    Figure 0006939693
    ただし、a,b:重み調整用係数、Irms:電流実効値、Wi:鉄損である。
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