JP7236855B2 - 三相交流制御装置および三相交流制御システム - Google Patents

三相交流制御装置および三相交流制御システム Download PDF

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Description

本発明は、三相交流制御装置および三相交流制御システムに関する。
インバータ回路は、直流電流を好適な周波数の交流電流に変換してモータに供給する。多くのインバータ回路は、PWM(Pulse Width Modulation)を用いて出力電流を制御する。PWMは、一定電流の入力からオン-オフのパルス信号を生成し、オンであるときの時間幅(以下、「デューティ値」という)を変化させることにより、出力電流を制御する。
特開2008-228554号公報
PWMにおけるデューティ値を定めるパルス信号は、その立ち上がりのタイミング(以下、「立ち上がりエッジ」という)および立ち下がりのタイミング(以下、「立ち下がりエッジ」という。また、立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを総称して、単に「エッジ」という)で、スイッチングに起因するノイズを発生させる。このノイズは、生成される三相交流のデューティ値が異なる場合は大きな問題とはならない。しかしながら2つの相のデューティ値が一致する場合は、2つのノイズが同じタイミングで発生する。これによりノイズが重畳し、その大きさは時として2つのノイズの和より大きなものとなる。例えば航空機などの輸送機器の場合、こうしたノイズは機器の誤動作の原因となる。
特許文献1に記載の技術は、PWM搬送波の周波数の変化に応じて、電流指令値を電圧指令値に変換する際の電流制御ゲインを変化させることにより、電力変換装置の出力電流波形にPWMの搬送波の周波数変化に起因する周期的な変動が現れるのを抑制している。しかしながらこの技術は、PWMの搬送波の周波数変化によって周期的な変動が現れることは抑制できるが、スイッチングに起因するノイズ自体を低減することはできない。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、PWMを用いて生成される交流電流において、2つの相のデューティ値が一致するところで発生するノイズを低減することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の三相交流制御装置は、三相交流のU相、V相およびW相のいずれか2つの相が同じデューティ値を持つか否かを検知する同デューティ検知回路と、三相交流のU相、V相およびW相のいずれか2つの相が同じデューティ値を持つことが同デューティ検知回路で検知されたとき、同じデューティ値を持つ2つの相のいずれか一方のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらす制御信号を出力するPWM信号制御回路とを備える。
本発明の別の態様は、システムである。このシステムは、三相交流のU相とV相が同じデューティ値を持つか否かを検知する第1の同デューティ検知回路とU相とV相が同じデューティ値を持つことが検知されたときはU相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらす第1の制御信号をPWM信号生成装置に出力する第1のPWM信号制御回路とを備える第1の三相交流制御装置と、三相交流のV相とW相が同じデューティ値を持つか否かを検知する第2の同デューティ検知回路とV相とW相が同じデューティ値を持つことが検知されたときはV相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらす第2の制御信号をPWM信号生成装置に出力する第2のPWM信号制御回路とを備える第2の三相交流制御装置と、三相交流のW相とU相が同じデューティ値を持つか否かを検知する第3の同デューティ検知回路とW相とU相が同じデューティ値を持つことが検知されたときはW相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらす第3の制御信号をPWM信号生成装置に出力する第3のPWM信号制御回路とを備える第3の三相交流制御装置と、第1の制御信号と第2の制御信号と第3の制御信号とに基づいてPWM信号を生成するPWM信号生成装置とを備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、プログラム、プログラムを記録した一時的なまたは一時的でない記憶媒体、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、PWMを用いて生成される交流電流において、2つの相のデューティ値が一致するところで発生するノイズを低減することができる。
供給電流のU相、V相およびW相と、U相およびV相を制御するパルス信号のエッジに発生するノイズと、を示す図である。 第1実施形態に係る三相交流制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 スタートタイミングおよびストップタイミングをずらす前のPWM制御信号の波形を示すグラフである。 スタートタイミングおよびストップタイミングをずらした後のPWM制御信号の波形を示すグラフである。 第3実施形態に係る三相交流制御システムの構成を示す機能ブロック図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。
具体的な実施形態を説明する前に、図1を参照して基礎となる知見を説明する。
図1の最上段は、インバータ回路からモータに供給される三相交流電流のU相、V相およびW相の波形を示す。図1の上から2段目は、時間領域AおよびBにおけるV相制御用パルス信号を示す。図1の上から3段目は、時間領域AおよびBにおけるU相制御用パルス信号を示す。図1の最下段は、時間領域AおよびBにおいて観測されるノイズを示す。
図1の上から2段目および3段目に示されるように、U相、V相ともに、パルス信号の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジで、スイッチングに伴うノイズが発生している。
図1の最上段に示されるように、時間領域Aでは、U相の方がV相より電流値が大きい。従って、U相のデューティ値はV相のデューティ値より大きい。図1の最下段に示されるように、時間領域AではU相とV相のデューティ値が異なるため、4つのタイミング(順に、U相の立ち上がりエッジ、V相の立ち上がりエッジ、V相の立ち下がりエッジ、U相の立ち下がりエッジ)でノイズが発生する。これら4つのノイズは、異なるタイミングで発生するため、重畳することはない。
一方時間領域Bでは、U相とV相の電流値は等しい。従って、U相のデューティ値とV相のデューティ値も等しい。図1の最下段に示されるように、時間領域BではU相とV相のデューティ値が等しいため、2つのタイミング(順に、U相およびV相の立ち上がりエッジ、U相およびV相の立ち下がりエッジ)でノイズが発生する。これら2つのノイズは、U相およびV相で発生したノイズが重畳したものである。
重畳したノイズは、非線形効果等に起因して、2つのノイズの和より大きくなることがある。特に航空機などの輸送機器の分野では、こうしたノイズは機器の誤動作の原因となるため、できる限り低減する必要がある。本発明者らは、三相交流の2つの相のデューティ値が一致した場合は、これら2つの相のいずれか一方のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらすことにより、ノイズの発生タイミングをずらすことができ、これによりノイズの重畳を回避できることに気が付いた。
[第1実施形態]
図2は、第1実施形態に係る三相交流制御装置1の構成を示す機能ブロック図である。三相交流制御装置1は、同デューティ検知回路10と、PWM信号制御回路11と、を備える。
三相交流制御装置1は、三相交流のU相、V相およびW相のいずれか2つの相のデューティ値を比較し、その比較結果に応じてこれら2つの相のいずれかのスタートタイミングおよびストップタイミングを制御するものである。以下、U相とV相のデューティ値を比較し、その比較結果に応じてU相のスタートタイミングおよびストップタイミングを制御する例について説明する。しかしながらこれに限られず、比較の対象となる相は、U相、V相およびW相から選んだ任意の2つの組み合わせであってよい。また、例えばU相とV相のデューティ値を比較した場合、その比較結果に応じてスタートタイミングおよびストップタイミングを制御する対象はU相でなくV相であってもよい。
PWMのある周期でデューティ値が定まると、同デューティ検知回路10は、自相のデューティ値として、U相のデューティ値を記憶する。これと同じタイミングで、同デューティ検知回路10には、別相デューティ値20として、V相のデューティ値が入力される。そして同デューティ検知回路10は、U相とV相のデューティ値を比較する。
U相とV相のデューティ値が等しかった場合、同デューティ検知回路10は、PWM信号制御回路11に向けて、エッジ重複回避機能ON信号21を出力する。
PWM信号制御回路11は、エッジ重複回避機能ON信号21が入力されると、U相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらすための制御信号22を出力する。
以下、図3および図4を用いて、三相交流制御装置1によるPWM信号の制御の仕方を説明する。以下、図3および図4の各種の信号波形は、三相交流のU相に係るものである。
図3は、スタートタイミングおよびストップタイミングをずらす前のPWM制御信号の波形を示すグラフである。図4は、スタートタイミングおよびストップタイミングをずらした後のPWM制御信号の波形を示すグラフである。
図3および図4の最上段は、PWMのキャリア信号を示す。キャリア信号の周期TがPWMの周期となる。ここでは、PWMのある周期の開始時刻をt1、終了時刻をt1+Tとする。
周知の通り、この鋸歯状波形のキャリア信号と正弦波形の信号波とが比較される。その結果、信号波がキャリア信号より大きいとき、正論理として、ハイサイドおよびローサイドのトランジスタがそれぞれオンされる。
図3の上から2段目は、スタートタイミングおよびストップタイミングをずらす前のパルス信号を示す。ここで波形の上側がオン、下側がオフを表す(以下同様)。
以下、図3のPWM周期におけるデューティ値をDとする。パルス信号は、PWM周期の中央の時刻t1+T/2から時間D/2ずつ前後対称に広がるように形成される。パルス信号の立ち上がりエッジの時刻(start時)をt2とすると、t2=t1+T/2-D/2となる。またパルス信号の立ち下がりエッジの時刻(stop時)をt4とすると、t4=t1+T/2+D/2となる。すなわちパルス信号は、時刻t1から時刻t2ではオフ、時刻t2から時刻t4ではオン、時刻t4から時刻t1+Tではオフとなる。
図3の上から3段目および4段目はそれぞれ、スタートタイミングおよびストップタイミングをずらす前の、ハイサイドのトランジスタのオン-オフ波形SWP_OUT、およびローサイドのトランジスタのオン-オフ波形SWN_OUTを示す。
図3に示されるように、SWP_OUTは、時刻t1から時刻t3ではオフ、時刻t3から時刻t4はオン、時刻t4から時刻t1+Tではオフである。またSWN_OUTは、時刻t1から時刻t2ではオン、時刻t2から時刻t5ではオフ、時刻t5から時刻t1+Tではオンである。
スイッチング時にハイサイドからローサイドに貫通電流が流れることを防ぐことを目的で、時刻t2から時刻t3の期間および時刻t4から時刻t5の期間で、SWP_OUTおよびSWN_OUTの両方がオフとなるように構成されている。これらの期間は「デッドタイム」と呼ばれ、本明細書ではDTで表す。
従って、SWP_OUTは、パルス信号の立ち上がりから時間DT経過後に立ち上がり、パルス信号の立ち下がりと同時に立ち下がる。また、SWN_OUTは、パルス信号の立ち上がりと同時に立ち下がり、パルス信号の立ち下がりから時間DT経過後に立ち上がる。
図4の上から2段目は、三相交流制御装置1によりスタートタイミングおよびストップタイミングをずらした後のパルス信号を示す。
図4に示されるように、パルス信号のスタートタイミングおよびストップタイミングは、図3と比べて、時間τだけ遅延するようにずらされている。すなわちパルス信号は、時刻t1+T/2+τから時間D/2ずつ前後対称に広がるように形成される。パルス信号の立ち上がりエッジの時刻(start時)は、t2+τ=t1+T/2-D/2+τとなる。またパルス信号の立ち下がりエッジの時刻(stop時)は、t4+τ=t1+T/2+D/2+τとなる。すなわちパルス信号は、時刻t1から時刻t2+τではオフ、時刻t2+τから時刻t4+τではオン、時刻t4+τから時刻t1+Tではオフとなる。
図4の上から3段目および4段目はそれぞれ、三相交流制御装置1によりスタートタイミングおよびストップタイミングをずらした後の、ハイサイドのトランジスタのオン-オフ波形SWP_OUT、およびローサイドのトランジスタのオン-オフ波形SWN_OUTを示す。
図4に示されるように、SWP_OUTおよびSWN_OUTともに、それぞれの立ち上がりと立ち下がりのタイミングが、図3と比べて、時間τだけ遅延するようにずらされている。すなわち、SWP_OUTは、時刻t1から時刻t3+τではオフ、時刻t3+τから時刻t4+τではオン、時刻t4+τから時刻t1+Tではオフである。またSWN_OUTは、時刻t1から時刻t2+τではオン、時刻t2から時刻t5+τではオフ、時刻t5+τから時刻t1+Tではオンである。
ここで、時刻t2+τから時刻t3+τの期間および時刻t4+τから時刻t5+τの期間がデッドタイムとなる。
後半のデッドタイムが確保されるために、時間τは、τ<T/2-D/2-DTを満たす必要がある。
上記の関係が満たされている限り、τは任意の値であってよい。特にτは、クロック数の整数倍であってよい。
以上説明したように、U相とV相のデューティ値が等しかった場合、U相のスタートタイミングおよびストップタイミングは、V相に対して時間τだけ遅延するようにずらされる。すなわちU相のパルス信号全体が、V相に対して時間τだけ後方にシフトされる。その結果、U相とV相のノイズの発生タイミングがずれ、ノイズの重畳が回避される。
本実施形態によれば、PWMを用いて生成される交流電流において、2つの相のデューティ値が一致するところで発生するノイズを低減することができる。
[第2実施形態]
第2実施形態に係る三相交流制御装置1は、第1の実施形態と同様に、同デューティ検知回路10と、PWM信号制御回路11と、を備える。
同デューティ検知回路10は、三相交流のU相とV相、V相とW相およびW相とU相のデューティ値を比較する。
U相とV相のデューティ値が等しかった場合、同デューティ検知回路10は、PWM信号制御回路11に向けて、U相エッジ重複回避機能ON信号を出力する。V相とW相のデューティ値が等しかった場合、同デューティ検知回路10は、PWM信号制御回路11に向けて、V相エッジ重複回避機能ON信号を出力する。W相とU相のデューティ値が等しかった場合、同デューティ検知回路10は、PWM信号制御回路11に向けて、W相エッジ重複回避機能ON信号を出力する。
PWM信号制御回路11は、U相エッジ重複回避機能ON信号が入力されると、U相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらすための制御信号を出力する。PWM信号制御回路11は、V相エッジ重複回避機能ON信号が入力されると、V相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらすための制御信号を出力する。PWM信号制御回路11は、W相エッジ重複回避機能ON信号が入力されると、W相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらすための制御信号を出力する。
第2実施形態に係る三相交流制御装置1のその他の動作は、第1実施形態に係る三相交流制御装置1と共通である。
本実施形態によれば、PWMを用いて生成される交流電流において、U相、V相およびW相を均等に制御しつつ、2つの相のデューティ値が一致するところで発生するノイズを低減することができる。
[第3実施形態]
図5は、第3実施形態に係る三相交流制御システム3の構成を示す機能ブロック図である。三相交流制御システム3は、第1の三相交流制御装置1Uと、第2の三相交流制御装置1Vと、第3の三相交流制御装置1Wと、PWM信号生成装置2と、を備える。
第1の三相交流制御装置1Uは、第1の同デューティ検知回路10Uと、第1のPWM信号制御回路11Uと、を備える。第2の三相交流制御装置1Vは、第2の同デューティ検知回路10Vと、第2のPWM信号制御回路11Vと、を備える。第3の三相交流制御装置1Wは、第3の同デューティ検知回路10Wと、第3のPWM信号制御回路11Wと、を備える。
PWMのある周期でデューティ値が定まると、第1の同デューティ検知回路10Uは、自相のデューティ値として、U相のデューティ値を記憶する。これと同じタイミングで、第1の同デューティ検知回路10Uには、第1の別相デューティ値20Vとして、V相のデューティ値が入力される。そして第1の同デューティ検知回路10Uは、U相とV相のデューティ値を比較する。
U相とV相のデューティ値が等しかった場合、第1の同デューティ検知回路10Uは、第1のPWM信号制御回路11Uに向けて、第1のエッジ重複回避機能ON信号21Uを出力する。
第1のPWM信号制御回路11Uは、第1のエッジ重複回避機能ON信号21Uが入力されると、U相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらすための第1の制御信号22Uを、PWM信号生成装置2に出力する。
PWMのある周期でデューティ値が定まると、第2の同デューティ検知回路10Vは、自相のデューティ値として、V相のデューティ値を記憶する。これと同じタイミングで、第2の同デューティ検知回路10Vには、第2の別相デューティ値20Wとして、W相のデューティ値が入力される。そして第2の同デューティ検知回路10Vは、V相とW相のデューティ値を比較する。
V相とW相のデューティ値が等しかった場合、第2の同デューティ検知回路10Vは、第2のPWM信号制御回路11Vに向けて、第2のエッジ重複回避機能ON信号21Vを出力する。
第2のPWM信号制御回路11Vは、第2のエッジ重複回避機能ON信号21Vが入力されると、V相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらすための第2の制御信号22Vを、PWM信号生成装置2に出力する。
PWMのある周期でデューティ値が定まると、第3の同デューティ検知回路10Wは、自相のデューティ値として、W相のデューティ値を記憶する。これと同じタイミングで、第3の同デューティ検知回路10Wには、第3の別相デューティ値20Uとして、U相のデューティ値が入力される。そして第3の同デューティ検知回路10Wは、W相とU相のデューティ値を比較する。
W相とU相のデューティ値が等しかった場合、第3の同デューティ検知回路10Wは、第3のPWM信号制御回路11Wに向けて、第3のエッジ重複回避機能ON信号21Wを出力する。
第3のPWM信号制御回路11Wは、第3のエッジ重複回避機能ON信号21Wが入力されると、W相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらすための第3の制御信号22Wを、PWM信号生成装置2に出力する。
PWM信号生成装置2は、第1の制御信号22U、第2の制御信号22Vおよび第3の制御信号22Wに基づいて、エッジでノイズが重畳しないように制御されたPWM信号を生成する。
本実施形態によれば、PWMを用いて生成される交流電流において、2つの相のデューティ値が一致するところで発生するノイズを低減するようなPWM信号を生成することができる。
以上、本発明の実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求の範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
[変形例]
以下、変形例について説明する。変形例の説明では、実施の形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。実施の形態と重複する説明を適宜省略し、実施の形態と相違する構成について重点的に説明する。
(変形例)
前述の実施形態では、三相交流のU相、V相およびW相のいずれか2つの相のデューティ値が等しかった場合、同じデューティ値を持つ2つの相のいずれか一方のスタートタイミングおよびストップタイミングを時間τだけ遅延させるような制御がされた。変形例では、スタートタイミングを時間τだけ遅延させる一方、ストップタイミングを時間τだけ早める制御がされてもよい。すなわち、片方のパルス信号全体が他方のパルス信号に対して時間τだけ後方にシフトされるのではなく、片方のパルス信号全体が時間的に圧縮される。この場合、後半のデッドタイムを確保するための、τの制限(τ<T/2-D/2-DT)は不要となる。
本変形例によれば、PWMを用いて生成される交流電流において、2つの相のデューティ値が一致するところで発生するノイズを低減することができる。
なお本変形例では、ある周期における片方のパルス信号全体が時間的に圧縮されるため、当該周期の電流値が低下する。これを補償するために、次に周期において、低下した分の電流値を加算する制御がされてもよい。
上述した各実施形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施形態は、組み合わされる各実施形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。
1・・三相交流制御装置、
1U・・第1の三相交流制御装置、
1V・・第2の三相交流制御装置、
1W・・第3の三相交流制御装置、
2・・PWM信号生成装置、
3・・三相交流制御システム、
10・・同デューティ検知回路、
10U・・第1の同デューティ検知回路、
10V・・第2の同デューティ検知回路、
10W・・第3の同デューティ検知回路、
11・・PWM信号制御回路、
11U・・第1のPWM信号制御回路、
11V・・第2のPWM信号制御回路、
11W・・第3のPWM信号制御回路、
20・・別相デューティ値、
20V・・第1の別相デューティ値、
20W・・第2の別相デューティ値、
20U・・第3の別相デューティ値、
21・・エッジ重複回避機能ON信号、
21U・・第1のエッジ重複回避機能ON信号、
21V・・第2のエッジ重複回避機能ON信号、
21W・・第3のエッジ重複回避機能ON信号、
22・・制御信号、
22U・・第1の制御信号、
22V・・第2の制御信号、
22W・・第3の制御信号。

Claims (4)

  1. 三相交流のU相、V相およびW相のいずれか2つの相が同じデューティ値を持つか否かを検知する同デューティ検知回路と、
    三相交流のU相、V相およびW相のいずれか2つの相が同じデューティ値を持つことが前記同デューティ検知回路で検知されたとき、同じデューティ値を持つ2つの相のいずれか一方のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらす制御信号を出力するPWM信号制御回路と
    を備え
    前記制御信号は、同じデューティ値を持つ2つの相のいずれか一方のスタートタイミングを遅延させ、ストップタイミングを早めるものであることを特徴とする三相交流制御装置。
  2. 前記PWM信号制御回路は、同じデューティ値を持つ2つの相のいずれか一方のスタートタイミングおよびストップタイミングをクロック数の整数倍単位でずらす制御信号を出力する請求項1に記載の三相交流制御装置。
  3. 前記PWM信号制御回路は、U相とV相が同じデューティ値を持つことが検知されたときはU相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらす制御信号を出力し、
    V相とW相が同じデューティ値を持つことが検知されたときはV相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらす制御信号を出力し、W相とU相が同じデューティ値を持つことが検知されたときはW相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらす制御信号を出力し、
    前記制御信号は、同じデューティ値を持つ2つの相のいずれか一方のスタートタイミングを遅延させ、ストップタイミングを早めるものであることを特徴とする請求項1または2に記載の三相交流制御装置。
  4. 三相交流のU相とV相が同じデューティ値を持つか否かを検知する第1の同デューティ検知回路とU相とV相が同じデューティ値を持つことが検知されたときはU相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらす第1の制御信号をPWM信号生成装置に出力する第1のPWM信号制御回路とを備える第1の三相交流制御装置と、
    三相交流のV相とW相が同じデューティ値を持つか否かを検知する第2の同デューティ検知回路とV相とW相が同じデューティ値を持つことが検知されたときはV相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらす第2の制御信号を前記PWM信号生成装置に出力する第2のPWM信号制御回路とを備える第2の三相交流制御装置と、
    三相交流のW相とU相が同じデューティ値を持つか否かを検知する第3の同デューティ検知回路とW相とU相が同じデューティ値を持つことが検知されたときはW相のスタートタイミングおよびストップタイミングをずらす第3の制御信号を前記PWM信号生成装置に出力する第3のPWM信号制御回路とを備える第3の三相交流制御装置と、
    前記第1の制御信号と前記第2の制御信号と前記第3の制御信号とに基づいてPWM信号を生成する前記PWM信号生成装置と
    を備え
    前記第1の制御信号、前記第2の制御信号および前記第3の制御信号は、同じデューティ値を持つ2つの相のいずれか一方のスタートタイミングを遅延させ、ストップタイミングを早めるものであることを特徴とする三相交流制御システム。
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