JP7004980B2 - パルスパターン生成装置 - Google Patents

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、スイッチング動作されることで、直流電力が交流電力に変換される。
特許文献１には、予め定めら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動作されるインバータが開示されている。非特許文献１には、簡易回路を用いて、高調波損失を低減させるパルスパターンを生成するパルスパターン生成方法が開示されている。簡易回路は、線間電圧を印加する電圧源と、線間電圧が加わる２つのコイルとを接続したものである。非特許文献１では、簡易回路に流れる電流から電流実効値を算出し、電流実効値が最小となるようにパルスパターンを生成している。電流実効値を小さくすると、高調波損失が低減されるため、電流実効値が最小となるようにパルスパターンを生成することで、高調波損失を低減させることができる。

特公平６－３６６７６号公報

「New Control of PWM Inverter Waveform for Minimum Loss Operation of an Induction Motor Drive」ISAO TAKAHASHI AND HIROSHI MOCHIKAWA

ところで、非特許文献１に開示のパルスパターン生成方法は、実際にモータのコイルに流れる電流を十分に模擬できているとはいえない。
本発明の目的は、モータのコイルに実際に流れる電流と、算出される電流との差を小さくすることが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、三相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、前記三相モータの駆動時に前記三相モータのコイルに流れると想定さ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、前記電流実効値算出部によって算出された前記電流実効値に基づき、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、前記電流算出部は、空間ベクトルから前記コイルに流れると想定される電流を算出する。

コイルに流れる電流は、空間ベクトルによって変化する。空間ベクトルからコイルに流れると想定される電流を算出することで、線間電圧により２つのコイルに流れると想定される電流を算出する場合に比べて、モータのコイルに実際に流れる電流と、算出される電流との差を小さくすることができる。したがって、空間ベクトルから算出された電流からパルスパターンを生成し、このパルスパターンでスイッチング素子が制御されることで、所望の電流波形が得られる。

上記パルスパターン生成装置について、前記パターン生成部は、前記電流実効値が最小となるように前記パルスパターンを生成してもよい。
電流実効値を小さくすることで、高調波損失は低減される。電流実効値が最小となるようにパルスパターンを生成し、この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させることで、高調波損失を低減できる。

本発明によれば、モータのコイルに実際に流れる電流と、算出される電流との差を小さくすることができる。

モータ、及び、モータを駆動する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。 パルスパターン生成装置のブロック図。 相電圧印加部による回路を示す図。 空間ベクトルとｕ相電流の対応関係を示す表。 空間ベクトルから得られた相電流の電流波形と、比較例の電流波形と、解析による電流波形を示す図。 変形例における空間ベクトルとｕ相電流の対応関係を示す表。

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をスター結線した三相交流モータである。本実施形態のモータ６０は、誘導モータである。

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５４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。

マップ５４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。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５４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。

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３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Ｕ，Ｖ，Ｗに仮想的に相電圧を加える相電圧印加部７２を備える。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。

相電圧印加部７２は、コイルＵ，Ｖ，Ｗに、モータ６０の駆動時にコイルＵ，Ｖ，Ｗに加わる電圧である相電圧を仮想的に印加する。相電圧はバッテリＢの電圧から定まる。相電圧印加部７２は、図４に示すように、三相分のコイルＵ，Ｖ，Ｗと、相電圧を加える電圧源と、を備える回路Ｃ１として表現することができる。

図３に示すように、パルスパターン生成装置７０は、相電流を算出する電流算出部７３と、相電流から電流実効値Ｉ_ｒｍｓ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、三相のうちの一相の相電流を算出する。本実施形態では、三相の相電流のうちｕ相電流を算出する。

図５に示すように、空間ベクトルによって相電流は異なる。図５には、一例として、空間ベクトルとｕ相電流の傾きとの対応関係を示している。なお、空間ベクトルは、三相のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチングパターンともいえる。図５に示すＶ０～Ｖ７の０，１は、それぞれ、各相のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオン／オフ、即ち、スイッチング状態を示す。０は上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５がオフであり、下アームスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６がオンの状態を示す。１は上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５がオンであり、下アームスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６がオフの状態を示す。Ｖ０～Ｖ７の３つの０，１は左から順にｕ相、ｖ相、ｗ相に対応している。図５に示すＬはコイルＵのインダクタンスであり、ＥはバッテリＢの電圧である。図５に示すように、電流算出部７３は、空間ベクトルに応じて、ｕ相電流を算出することができる。

図６には、本実施形態の電流算出部７３により算出された相電流による電流波形Ｌ２１と、比較例の電流波形Ｌ２２と、解析により得られた電流波形Ｌ２３とを示す。比較例の電流波形Ｌ２２は、線間電圧を当該線間電圧が加わる２つのコイルに加えた場合に流れる電流（＝線間電流）を算出した場合の電流波形である。電流波形Ｌ２１は、比較例の電流波形Ｌ２２に比べて、解析により得られた電流波形Ｌ２３と近似していることがわかる。即ち、空間ベクトルから算出されたｕ相電流は、モータ６０の駆動時に実際にコイルＵに流れる電流との差が少ないといえる。

電流実効値算出部７４は、電流算出部７３が算出した相電流により得られる電流波形Ｌ２１から電流実効値Ｉ_ｒｍｓを算出する。
図３に示すように、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Ｉ_ｒｍｓに基づきパルスパターンを生成する。パルスパターンは、電流実効値Ｉ_ｒｍｓを評価項目とした評価関数から生成されているといえる。パターン生成部７６は、電流実効値Ｉ_ｒｍｓ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、実施形態のインバータ１０に用いられるパルスパターン（マップ５４）が生成される。

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、空間ベクトルから算出された相電流により生成されたものである。空間ベクトルから算出された相電流は、モータ６０の駆動時にコイルＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流との差が小さく、所望の電流波形を得ることができる。また、パルスパターンは、電流実効値Ｉ_ｒｍｓ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Ｉ_ｒｍｓ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。

実施形態の効果について説明する。
（１）電流算出部７３は、空間ベクトルから相電流を算出している。コイルＵ，Ｖ，Ｗに流れる電流は、空間ベクトルによって変化する。空間ベクトルからコイルＵ，Ｖ，Ｗに流れると想定される電流を算出することで、線間電圧を２つのコイルに加えたときに流れると想定される電流を算出する場合に比べて、モータ６０のコイルＵ，Ｖ，Ｗに実際に流れる電流と、算出される電流との差を小さくすることができる。したがって、空間ベクトルから算出された電流からパルスパターンを生成し、このパルスパターンでスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を制御することで、所望の電流波形が得られる。

（２）パターン生成部７６は、電流実効値Ｉ_ｒｍｓが最小となるようにパルスパターンを生成する。高調波損失は、電流実効値Ｉ_ｒｍｓに比例するため、電流実効値Ｉ_ｒｍｓが最小となるような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、高調波損失を低減させることができる。

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。各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。
○パルスパターン生成装置７０は、コイルＵ，Ｖ，Ｗをデルタ結線したモータのパルスパターンを生成するものであってもよい。この場合、空間ベクトルに対応するｕ相電流の傾きとしては、図７の表に示すようになる。なお、図７に示すＶ０～Ｖ６の１は、上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５がオン、下アームスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６がオフの状態を示す。０は、上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５、及び、下アームスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６の両方がオフの状態を示す。－１は、上アームスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５がオフ、下アームスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６がオンの状態を示す。

○パルスパターンを生成するときのコイルＵ，Ｖ，Ｗのインダクタンスを可変としてもよい。コイルＵ，Ｖ，Ｗのインダクタンスは、各コイルＵ，Ｖ，Ｗを流れる電流の値や、モータ６０の回転位置によって変化する。相電流を算出するときに、モータ６０の回転位置などを加味したインダクタンスを用いることで、相電流と、モータ６０の駆動時にコイルＵ，Ｖ，Ｗに実際に流れる電流との差を更に低減させることができる。

○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の劣化具合を検出できる検出部や、コイルＵ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のインダクタンスを補正する。これにより、コイルＵ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、電流実効値Ｉ_ｒｍｓ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。
○モータ６０としては、ＩＰＭモータやＳＰＭモータなど、どのような種類のモータを用いてもよい。

○変調率は、一相分のみ算出されていてもよい。この場合、一相分の変調率を三相共通の変調率として制御が行われる。

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、７３…電流算出部、７４…電流実効値算出部、７６…パターン生成部。

Claims (2)

1. 三相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、
   前記三相モータの駆動時に前記三相モータのコイルに流れると想定さ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、
   前記電流実効値算出部によって算出された前記電流実効値に基づき、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、
   前記電流算出部は、空間ベクトルから前記コイルに流れると想定される電流を算出するパルスパターン生成装置。
2. 前記パターン生成部は、前記電流実効値が最小となるように前記パルスパターンを生成する請求項１に記載のパルスパターン生成装置。

Images