KR20210144883A

KR20210144883A - 모터 제어 장치

Info

Publication number: KR20210144883A
Application number: KR1020217035784A
Authority: KR
Inventors: 히사시 야마모토; 유키히코 야토
Original assignee: 아이상 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2021-11-30
Also published as: JPWO2021059741A1; CN114430882B; US20220329194A1; WO2021059741A1; CN114430882A; US11916503B2; DE112020003851T5; JP7247357B2

Abstract

모터 제어 장치는, 온 선택된 상아암 소자와 하아암 소자의 일방의 제 1 소자를 듀티비에 기초하여 스위칭하는 PWM 제어를 실시한다. 또, 모터 제어 장치는, 제 1 소자에 직렬로 접속되어 있는 제 2 소자를, 제 1 소자가 오프하고 있는 동안의 소정 시간 온하는 상보 PWM 제어를 실시하도록 듀티 지령값을 결정한다. 모터 제어 장치는, 듀티 지령값이 임계값 이하인 경우에는 상보 PWM 제어를 실시하고, 듀티 지령값이 임계값보다 큰 경우에는, 제 1 소자에 대해, 계속 온하는 제 1 기간과, 길게 오프하는 수정 듀티비를 실행하는 제 2 기간을 형성함과 함께, 제 1 기간과 제 2 기간의 합계 기간에 있어서의 평균 듀티비가 설정된 듀티비와 동일한 평균 PWM 제어를 실시한다. 모터 제어 장치는, 제 2 기간에 있어서 제 1 소자가 오프하고 있는 동안에 제 2 소자를 온시킨다.

Description

모터 제어 장치

본 출원은, 2019년 9월 24일에 출원된 일본 특허 출원 제2019-173390호에 근거하는 우선권을 주장한다. 그 출원의 모든 내용은, 본 명세서 중에 참조에 의해 원용되고 있다. 본 명세서는, 모터 제어 장치에 관한 기술을 개시한다.

일본 공개특허공보 2018-58143호 (이하, 특허문헌 1 로 칭한다) 에, 3 상 인버터를 구비한 모터를 구동하는 모터 구동 장치가 개시되어 있다. 3 상 인버터는, U 상 트랜지스터쌍 (트랜지스터 UH, UL) 과, V 상 트랜지스터쌍 (트랜지스터 VH, VL) 과, W 상 트랜지스터쌍 (트랜지스터 WH, WL) 을 구비하고 있다. 각 트랜지스터쌍은, 전원에 접속되어 있고, 트랜지스터쌍끼리는 병렬로 접속되어 있다. 트랜지스터 UH, VH, WH 가 고전압 측에 접속되고, 트랜지스터 UL, VL, WL 이 저전압 측에 접속되어 있다.

특허문헌 1 에서는, 예를 들어 트랜지스터 UH 와 트랜지스터 VL 이 온하고 있을 때에, 트랜지스터 UH 와 트랜지스터 VL 의 일방 (구체적으로는 트랜지스터 UH) 을, 듀티비에 기초하여 스위칭한다 (이하, PWM 제어라고 한다). 또, 특허문헌 1 에서는, 트랜지스터 UH 가 오프하고 있는 동안에, 트랜지스터 UH 에 직렬 접속되어 있는 트랜지스터 UL 을 온시킨다 (이하, 상보 PWM 제어라고 한다). 특허문헌 1 에서는, 듀티비가 임계값을 초과하고 있는 경우 (즉, 트랜지스터 UH 의 오프 시간이 짧은 경우), 트랜지스터 UL 을 온시키지 않고, 트랜지스터 UL 을 오프 상태로 유지한다. 즉, 듀티비가 임계값을 초과하면, 상보 PWM 제어를 실시하지 않고, PWM 제어만을 실시한다.

특허문헌 1 에서는, 듀티비가 임계값을 초과했을 때에 상보 PWM 제어를 정지함으로써, U 상 트랜지스터쌍 (트랜지스터 UH, UL) 의 쌍방이 동시에 온하는 것을 방지하고 있다. 그러나, 상보 PWM 제어를 정지하면, 각 트랜지스터의 발열량이 증대하여, 발열에 대책하기 위한 구조, 장치 등을 형성하는 것이 필요로 된다. 각 트랜지스터의 발열을 억제할 수 있다면, 발열에 대책하기 위한 구조, 장치 등을 생략 (혹은, 간소화) 할 수 있어, 큰 이점이 얻어진다. 본 명세서는, 인버터를 구성하고 있는 트랜지스터의 발열을 억제할 수 있는 모터 구동 장치를 실현하는 기술을 제공한다.

본 명세서에서 개시하는 제 1 기술은, 인버터에 접속되는 모터를 구동하는 모터 제어 장치이다. 인버터는, 전원의 고압 측에 접속되는 상아암 소자와 전원의 저압 측에 접속되는 하아암 소자가 직렬로 접속된 스위칭 소자쌍을 복수개 가지고 있어도 된다. 이 모터 제어 장치에서는, 모터에 통전하기 위해서 온 선택된 상아암 소자와 하아암 소자의 일방의 제 1 소자를 듀티비에 기초하여 스위칭하는 PWM 제어를 실시해도 된다. 또, 모터 제어 장치는, 제 1 소자에 직렬로 접속되어 있는 제 2 소자가 제 1 소자의 오프 기간에 소정 시간 온하는 상보 PWM 제어를 실시하도록, 제 2 소자를 스위칭시키는 듀티 지령값을 결정하고, 결정한 듀티 지령값이 임계값 이하인 경우에는 상보 PWM 제어를 실시해도 된다. 또한, 결정한 듀티 지령값이 임계값보다 큰 경우에는, 제 1 소자에 대해, 복수의 캐리어 주기에 걸쳐 계속 온하는 제 1 기간과, 제 1 기간에 오프하지 않는 만큼 길게 오프하는 수정 듀티비를 실행하는 제 2 기간을 형성함과 함께, 제 1 기간과 제 2 기간의 합계 기간에 있어서의 평균 듀티비가 설정된 듀티비와 동일한 평균 PWM 제어를 실시하여, 제 2 기간에 있어서 제 1 소자가 오프하고 있는 동안에 제 2 소자를 온시켜도 된다.

본 명세서에서 개시하는 제 2 기술은, 상기 제 1 기술의 모터 제어 장치이며, 수정 듀티비가 임계값보다 작을 때는, 모터를 구동하고 있는 기간 전체에 걸쳐서 평균 PWM 제어를 실시하고, 수정 듀티비가 임계값 이상일 때는, 온 선택된 상아암 소자와 하아암 소자 중 제 1 소자와는 상이한 제 3 소자가 오프할 때까지의 기간은 평균 PWM 제어를 실시하고, 제 3 소자가 오프하고 나서 제 1 소자가 오프할 때까지의 기간은 듀티비 100 % 로 제어를 실시해도 된다.

본 명세서에서 개시하는 제 3 기술은, 상기 제 1 또는 2 기술의 모터 제어 장치이며, 수정 듀티비를 설정할 때에, 제 1 기간이 n 캐리어 주기에 걸쳐 있을 때의 제 2 기간의 제 n 수정 듀티비와 임계값을 비교하고, 제 n 수정 듀티비가 임계값보다 클 때는, 제 1 기간이 n ＋ 1 캐리어 주기에 걸쳐 있을 때의 제 2 기간의 제 n ＋ 1 수정 듀티비를 산출하는 것을 반복해도 된다 (n ≥ 2, n 은 정수).

제 1 기술에 의하면, 제 1 소자의 듀티비가 종래는 상보 PWM 제어를 실시할 수 없는 정도로 큰 경우여도, 상보 PWM 제어를 실시할 수 있다. 구체적으로는, 상보 PWM 제어를 실시하는 경우, 제 1 소자와 제 2 소자 (예를 들어 트랜지스터 UH, UL) 가 동시에 온하는 것을 방지하기 위해, 제 1 소자가 오프하고 있는 기간 중, 오프 직후와, 다음의 온의 직전에는 제 2 소자를 온시키지 않는다. 즉, 제 1 소자와 제 2 소자의 양자가 오프하는 기간 (데드 타임) 을 형성하는 것이 필요로 된다. 종래에는, 제 1 소자의 듀티비가 커지면 (임계값을 초과하면), 데드 타임을 확보할 수 없게 되므로, 상보 PWM 제어를 실시하지 않고, PWM 제어만을 실시하고 있었다.

제 1 기술에 의하면, 제 1 소자의 온 시간과 오프 시간의 비율 (듀티비) 은 변경하지 않고, 1 번에 온하는 시간을 길게 하고 (제 1 기간에 본래의 수캐리어 주기분 계속 온하고), 제 2 기간에 있어서 오프하는 시간을 길게 한다. 즉, 제 1 소자를 평균 PWM 제어로 스위칭한다. 그 결과, 제 1 소자의 듀티비가 본래는 상보 PWM 제어를 실시할 수 없는 큰 값이어도, 제 1 소자의 오프 시간이 길게 확보되고, 제 2 소자는 상보 PWM 제어로 스위칭할 수 있다. 즉, 평균 PWM 제어 기간 중 제 2 기간에 상보 PWM 제어를 실시함으로써, 종래보다 제 1 소자의 듀티비가 큰 범위까지 상보 PWM 제어를 실시할 수 있다. 그 결과, 종래와 비교해, 트랜지스터의 발열을 억제할 수 있다. 또한, 듀티 지령값이란, 제 1 소자가 온한 타이밍부터 제 2 소자가 온하는 타이밍까지의 시간이다. 제 1 소자의 듀티비가 커지면, 제 1 소자가 온하고 나서 오프할 때까지의 시간이 길어지고, 듀티 지령값도 커진다. 이하, 평균 PWM 제어 기간 중 제 2 기간에 상보 PWM 제어를 실시하는 제어를, 상보 평균 PWM 제어라고 한다.

제 2 기술에 의하면, 트랜지스터의 스위칭 빈도를 적게 할 수 있다. 트랜지스터의 스위칭 손실이 저감하여 발열을 억제할 수 있음과 함께, 모터를 흐르는 전류가 헌팅하는 것을 억제할 수도 있다.

제 3 기술에 의하면, 제 1 기간 (제 1 소자가 계속 온하는 기간) 을 과대하게 하지 않고, 상보 평균 PWM 제어를 실시할 수 있다. 환언하면, 상보 평균 PWM 제어를 실시할 수 있는 최단의 제 1 기간을 설정할 수 있다.

도 1 은 인버터의 회로도를 나타낸다.
도 2 는 모터를 구동할 때의 인버터의 타이밍 테이블을 나타낸다.
도 3 은 상보 PWM 제어를 설명하는 도면을 나타낸다.
도 4 는 듀티비와 듀티 지령값의 관계를 설명하는 도면을 나타낸다.
도 5 는 상아암 소자의 스위칭 타이밍을 변경한 타이밍 테이블을 나타낸다.
도 6 은 상아암 소자의 스위칭 타이밍을 변경한 타이밍 테이블을 나타낸다.
도 7 은 상보 평균 PWM 제어가 실시되는 타이밍을 나타낸다.
도 8 은 상보 평균 PWM 제어가 실시되는 타이밍을 나타낸다.
도 9 는 모터 제어 장치가 실행하는 제어의 플로우 차트를 나타낸다.
도 10 은 모터 제어 장치가 실행하는 제어의 플로우 차트를 나타낸다.
도 11 은 모터 제어 장치가 실행하는 제어의 플로우 차트를 나타낸다.

(인버터)

도 1 을 참조하여, 인버터 (100) 에 대해 설명한다. 인버터 (100) 는, 모터 (M) 에 접속되어, 모터 (M) 에 대해 구동 전류를 공급한다. 인버터 (100) 는, 전원 (12) 과, 전원 (12) 의 주파수를 변화시키는 인버터 회로 (5) 와, 인버터 회로 (5) 를 구성하는 트랜지스터 (UH, UL, VH, VL, WH, WL) 의 온오프를 전환하는 (스위칭하는) 게이트 제어 회로 (8) 와, 게이트 제어 회로 (8) 를 제어하는 모터 제어 장치 (10) 를 구비하고 있다. 게이트 제어 회로 (8) 및 모터 제어 장치 (10) 는, 전원 (12) 에 접속되어 있다. 또한, 도시는 생략하지만, 모터 제어 장치 (10) 는, CPU 및 메모리를 구비하고 있다. 또, 모터 제어 장치 (10) 에는, 모터 (M) 의 로터 위치를 검출하는 회로, 모터 (M) 에 흐르고 있는 전류를 검출하는 회로 등으로부터의 신호가 입력된다.

인버터 (100) 는 3 상 인버터이며, 인버터 회로 (5) 는 3 개의 스위칭 소자쌍 (U 상 스위칭 소자쌍 (6), V 상 스위칭 소자쌍 (4), W 상 스위칭 소자쌍 (2)) 을 포함하고 있다. 또한, 인버터 회로 (5) 는, 브리지 회로로 불리는 경우도 있다. 각 스위칭 소자쌍 (2, 4, 6) 은 전원 (12) 에 접속되어 있고, 스위칭 소자쌍 (2, 4, 6) 끼리는 병렬로 접속되어 있다. 각 스위칭 소자쌍 (2, 4, 6) 은, 전원 (12) 의 고압 측에 접속되어 있는 상아암 소자 (트랜지스터 UH, VH, WH) 와, 상아암 소자와 직렬로 접속되어 있고, 전원 (12) 의 저압 측에 접속되어 있는 하아암 소자 (트랜지스터 UL, VL, WL) 를 구비하고 있다.

트랜지스터 UH 와 트랜지스터 UL 이 직렬로 접속되어 있고, 트랜지스터 VH 와 트랜지스터 VL 이 직렬로 접속되어 있고, 트랜지스터 WH 와 트랜지스터 WL 이 직렬로 접속되어 있다. 상아암 소자와 하아암 소자 사이에, 3 개의 배선 (14, 16, 18) 이 접속되어 있다. 배선 (14, 16, 18) 은, 모터 (M) 의 단자에 접속되어 있다. 구체적으로는, 배선 (14) 이 트랜지스터 UH 와 트랜지스터 UL 의 중간 부분에 접속되어 있고, 배선 (16) 이 트랜지스터 VH 와 트랜지스터 VL 의 중간 부분에 접속되어 있고, 배선 (18) 이 트랜지스터 WH 와 트랜지스터 WL 의 중간 부분에 접속되어 있다. 모터 제어 장치 (10) 는, 트랜지스터 UH, VH, WH, UL, VL, WL 을 스위칭하여, 배선 (14, 16, 18) 에 흐르는 전류를 변화시키는 것에 의해 모터 (M) 를 구동한다. 또한, 각 트랜지스터 UH, VH, WH, UL, VL, WL 의 게이트는, 게이트 배선 (도시 생략) 을 개재하여 게이트 제어 회로 (8) 에 접속되어 있다.

(인버터 회로의 스위칭 상태)

도 2 를 참조하여, 모터 (M) 를 구동할 때의, 각 트랜지스터의 스위칭 상태에 대해 설명한다. 타이밍 테이블 (20) 은, 모터 (M) 의 회전각 (로터의 위상) 과 각 트랜지스터의 스위칭 상태 (온오프 상태) 를 나타내고 있다. 모터 (M) 를 구동할 때, 모터 제어 장치 (10) 는, 게이트 제어 회로 (8) 를 제어하여, 상아암 소자 (트랜지스터 UH, VH, WH) 중 1 개를 온 선택하고, 온 선택된 상아암 소자와 직렬로 접속되어 있지 않은 하아암 소자 (트랜지스터 UL, VL, WL) 중 1 개를 온 선택하고, 모터 (M) 에 전류를 공급한다. 예를 들어, 회전각 0 ~ 60 도 사이는 트랜지스터 UH 와 트랜지스터 VL 을 온 선택하고, 회전각 60 ~ 120 도 사이는 트랜지스터 UH 와 트랜지스터 WL 을 온 선택하고, 회전각 120 ~ 180 도 사이는 트랜지스터 VH 와 트랜지스터 WL 을 온 선택한다. 각 트랜지스터는, 모터 (M) (로터) 가 120 도 회전하는 동안 계속 온하고, 모터 (M) 가 60 도 회전할 때마다 상아암 소자와 하아암 소자의 조합이 변경된다.

모터 제어 장치 (10) 는, 예를 들어, 회전각 0 ~ 60 도 사이, 트랜지스터 UH 를 듀티비에 기초하여 스위칭하여, 모터 (M) 의 회전수를 조정한다. 단, 트랜지스터 VL 은, 회전각 0 ~ 60 도 사이, 온 상태를 유지시킨다. 회전각 0 ~ 60 도 사이, 트랜지스터 UH 는 제 1 소자의 일례이다. 회전각 60 ~ 360 도 사이도, 모터 제어 장치 (10) 는, 온 선택된 2 개의 트랜지스터 중 일방의 트랜지스터를, 듀티비에 기초하여 스위칭시킨다. 즉, 모터 제어 장치 (10) 는, PWM 제어를 실시하여, 모터 (M) 의 회전수를 조정한다. 도 2 에는, 듀티비에 기초하여 스위칭하는 트랜지스터 (PWM 제어로 구동하는 트랜지스터) 에 대해, PWM 제어로 구동하는 기간이 「D1」로 나타내어져 있다. 「D1」이 붙어 있는 트랜지스터는 어느 것도, 「D1」이 붙어 있는 기간 (회전각) 에 있어서의 제 1 소자의 일례이다.

모터 제어 장치 (10) 는, 또한, 듀티비에 기초하여 스위칭하는 트랜지스터 (제 1 소자) 에 직렬로 접속되어 있는 트랜지스터 (회전각 0 ~ 60 도의 경우, 트랜지스터 UL) 를, 제 1 소자가 오프하고 있는 동안, 소정 시간 온시킨다. 회전각 0 ~ 60 도에 있어서, 트랜지스터 UL 이 제 2 소자의 일례이다. 모터 제어 장치 (10) 는, 모터 (M) 의 구동 중, 상보 PWM 제어를 실시하도록 각 트랜지스터를 제어한다. 도 2 에는, 각 회전각에 있어서의 제 2 소자 및 제 2 소자가 상보 PWM 제어를 실시하는 기간이 「D2」로 나타내어져 있다. 또한, 모터 제어 장치 (10) 는, 항상 상보 PWM 제어를 실시하는 것은 아니다. 제 1 소자의 듀티비에 따라, 상보 PWM 제어, 및/또는, PWM 제어를 실시하지 않는 경우도 있다. 모터 제어 장치 (10) 가 상보 PWM 제어, PWM 제어를 실시하는 조건에 대해서는 후술한다.

(상보 PWM 제어의 설명)

도 3 은, 회전각 0 ~ 60 도에 있어서의 트랜지스터 UH (제 1 소자) 와 트랜지스터 UL (제 2 소자) 의 스위칭 상태 (타이밍 테이블의 일부) 를 나타내고 있다. 도 3 의 (a) ~ (c) 는, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 상이하다. 또한, 도 3 에서는, 회전각 0 ~ 60 도에 있어서의 트랜지스터 UH, UL 의 스위칭 상태의 일부를 나타내고 있다. 실제는, 회전각 0 ~ 60 도 사이에, 도 3 에 나타내는 파형이 반복하여 다수 출현한다. (a) 에 나타내는 타이밍 테이블 (30) 에서는, 트랜지스터 UH 는 시간 T1 온한 후에 시간 T2 오프하는 동작을 반복한다. 즉, 트랜지스터 UH 의 듀티비는 「시간 T1/(시간 T1 ＋ 시간 T2) × 100 %」 이다. 트랜지스터 UL 은, 트랜지스터 UH 가 오프하고 나서 시간 b0 후에 온하고, 시간 a0 온한 후 (트랜지스터 UH 가 온하는 시간 b0 전) 에 오프한다. 즉, 트랜지스터 UH 와 트랜지스터 UL 이 동시에 온하는 상태를 피하기 위해, 양자가 오프하고 있는 기간 (시간 b0) 을 형성한다. 시간 b0 은 데드 타임으로 불린다.

(b) 에 나타내는 타이밍 테이블 (40) 에서는, 타이밍 테이블 (30) 과 비교해, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 「시간 T11/(시간 T11 ＋ 시간 T12) × 100 %」 로 증대하여 있다. 또한, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 증대해도, 데드 타임 (시간 b0) 은 변하지 않는다. 그 때문에, 타이밍 테이블 (30) 에 있어서의 트랜지스터 UL 의 온 시간 (시간 a0) 과 비교해, 온 시간 (시간 a1) 이 짧아진다. 또한, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 증대하면, 트랜지스터 UH 가 온하고 나서 트랜지스터 UL 이 온할 때까지의 시간도 길어진다. 모터 제어 장치 (10) 는, 트랜지스터 UH 의 듀티비와, 데드 타임의 길이에 기초하여, 트랜지스터 UL 을 온시키는 타이밍 (듀티 지령값) 을 결정한다. 트랜지스터 UH 의 듀티비가 증대하면, 트랜지스터 UL 에 대한 듀티 지령값도 증대한다. 타이밍 테이블 (30, 40) 에서는, 트랜지스터 UH 는 PWM 제어로 구동되고, 트랜지스터 UL 은 상보 PWM 제어로 구동된다.

(c) 타이밍 테이블 (50) 에서는, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 더욱 증대하여, 트랜지스터 UH 의 오프 시간 (시간 T22) 이 데드 타임 이하가 되어 있다 (시간 T22 ≤ 2 × b0). 그 때문에, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 「시간 T21/(시간 T21 ＋ 시간 T22) × 100 %」까지 증대하면, 이대로는, 트랜지스터 UH 가 오프하고 있는 기간 (시간 T22) 에 트랜지스터 UL 을 온시킬 수 없다. 즉, 종래의 모터 제어 장치에서는, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 지나치게 커지면, 상보 PWM 제어를 실시할 수 없게 된다. 그러나, 모터 제어 장치 (10) 는, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 「(시간 T21/(시간 T21 ＋ 시간 T22) × 100 %」까지 증대해도, 타이밍 테이블 (50) 을 변경하여, 상보 PWM 제어를 실시한다. 이하, 타이밍 테이블 (50) 과 같이, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 지나치게 커졌을 때에 모터 제어 장치 (10) 가 실시하는 제어에 대해 설명한다.

(모터 제어 장치 (10) 가 실시하는 제어)

도 4 내지 도 6 을 참조하여, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 타이밍 테이블 (50) 과 같이 증대했을 때에 모터 제어 장치 (10) 가 실시하는 제어에 대해 설명한다. 도 4 는, 타이밍 테이블 (50) 의 일부이며, 도 3(c) 보다 많은 사이클 주기를 나타내고 있다. 또한, 도 4 내지 도 6 에서는, 모터 제어 장치 (10) 가 실시하는 제어를 명료하게 설명하기 위해, 트랜지스터 UH 의 오프 시간 (시간 T22) 을 실제보다 넓게 나타내고 있다. 도 4 에 나타내는 바와 같이, 모터 제어 장치 (10) 는, 트랜지스터 UH 의 듀티비 및 데드 타임에 기초하여, 트랜지스터 UL 을 온시키기 위한 듀티 지령값 A1 을 결정한다. 그러나, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 크고, 듀티 지령값 A1 이 미리 설정한 임계값보다 커지므로, 트랜지스터 UL 을 온시킬 수 없다. 또한, 「임계값」은, 트랜지스터 UL 을 온시킬 수 없게 되는 듀티 지령값 A1 보다 약간 작은 값이 설정되어 있다.

모터 제어 장치 (10) 는, 듀티 지령값 A1 이 미리 설정한 임계값보다 큰 경우, 트랜지스터 UH 의 스위칭 타이밍을 변경하는 처리를 실시한다. 도 5 및 도 6 에, 트랜지스터 UH 의 스위칭 타이밍을 변경한 타이밍 테이블 (50a), 타이밍 테이블 (50b) 이 나타내어져 있다. 또한, 모터 제어 장치 (10) 는, 타이밍 테이블 (30) 과 같이 트랜지스터 UH 의 듀티비가 작고, 듀티 지령값 A1 이 설정된 임계값 미만인 경우에는, 트랜지스터 UH 의 스위칭 타이밍을 변경하지 않고, 상보 PWM 제어를 실시한다 (도 2 의 타이밍 테이블 (20) 도 참조).

도 5 에 나타내는 타이밍 테이블 (50a) 은, 트랜지스터 UH 를 시간 T21 의 2 배 온한 후, 시간 T22 의 2 배 오프하는 제어를 나타내고 있다. 즉, 타이밍 테이블 (50a) 에서는, 트랜지스터 UH 를, 타이밍 테이블 (50) 에 나타내는 2 캐리어 주기분 연속해서 온한 후, 2 캐리어 주기분 연속해서 오프한다 (도 4 도 참조). 환언하면, 타이밍 테이블 (50a) 은, 트랜지스터 UH 가 제 1 기간 C1 계속 온하고 (트랜지스터 UH 를 듀티비 100 % 로 구동하고), 제 2 기간 C2 에서는 제 1 기간 C1 에서 오프하지 않았던 분만큼 타이밍 테이블 (50) 보다 길게 오프하는 수정 듀티비로 트랜지스터 UH 를 구동한다.

타이밍 테이블 (50a) 에서는, 제 1 기간 C1 의 길이 (제 1 기간 C1 의 캐리어 주기) 는, 듀티 지령값 A1 의 값과 동일하다. 또, 제 2 기간 C2 의 듀티비 (수정 듀티비) 는, (2 × A1 - 100) % 이다. 또한, 상기 서술한 바와 같이, 타이밍 테이블 (50a) 에 의한 제어에서는, 트랜지스터 UH 를 2 캐리어 주기분 연속하여 온한 후, 트랜지스터 UH 를 2 캐리어 주기분 연속하여 오프하고 있을 뿐이므로, 제 1 기간 C1 과 제 2 기간 C2 의 합계 기간에 있어서의 트랜지스터 UH 의 평균 듀티비는, 타이밍 테이블 (50) 에 있어서의 트랜지스터 UH 의 듀티비와 동일하다. 이하, 평균 듀티비를 설정된 (본래의) 듀티비와 동일하게 유지한 채로, 트랜지스터 UL 을 제 1 기간 C1 과 제 2 기간 C2 에서 상이한 듀티비로 구동하는 제어를, 상보 평균 PWM 제어라고 부른다.

도 6 에 나타내는 타이밍 테이블 (50b) 은, 트랜지스터 UH 를 시간 T21 의 3 배 온한 후, 시간 T22 의 3 배 오프하는 제어를 나타내고 있다. 타이밍 테이블 (50b) 에서는, 제 1 기간 C1 의 길이가 「2 × A1」이며, 제 2 기간 C2 의 듀티비가 (3 × A1 - 2 × 100) % 이다. 또한, 모터 제어 장치 (10) 는, 듀티 지령값 A1 의 값에 따라, 트랜지스터 UH 를 시간 T21 의 n 배 (n ＞ 3, n 은 정수) 온한 후, 시간 T22 의 n 배 오프하는 제어를 실시할 수도 있다.

도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 타이밍 테이블 (50a, 50b) 에서는, 제 2 기간 C2 에 있어서의 트랜지스터 UH 의 오프 시간이, 타이밍 테이블 (50) 보다 길게 되어 있다. 그 때문에, 트랜지스터 UL 은, 데드 타임을 확보하면서, 트랜지스터 UH 가 오프하고 있는 기간에 온할 수 있다. 모터 제어 장치 (10) 는, 듀티 지령값 A1 이 미리 설정한 임계값보다 큰 경우, 트랜지스터 UH 를 평균 PWM 제어로 구동하고, 충분한 오프 기간을 확보하여 트랜지스터 UL 을 온시킨다 (트랜지스터 UL 을 상보 PWM 제어로 구동한다). 이하, 상아암 소자 (트랜지스터 UH) 를 평균 PWM 제어로 구동함으로써 하아암 소자 (트랜지스터 UL) 를 상보 PWM 제어로 구동하는 제어를, 상보 평균 PWM 제어라고 부른다. 모터 제어 장치 (10) 는, 종래는 상보 PWM 제어를 실시할 수 없을 정도로 트랜지스터 UH 의 듀티비가 큰 경우여도, 트랜지스터 UH 를 평균 PWM 제어로 구동함으로써, 트랜지스터 UL 을 상보 PWM 제어 (상보 평균 PWM 제어) 로 구동하는 것을 실현하고 있다.

도 7 및 도 8 은, 상보 평균 PWM 제어가 실시될 때의 모터 (M) 의 회전각 (로터의 위상) 과 각 트랜지스터의 스위칭 상태 (온오프 상태) 를 나타내고 있다 (타이밍 테이블 (60, 70)). 타이밍 테이블 (60, 70) 에는, 평균 PWM 제어로 구동하는 트랜지스터에 대해, 평균 PWM 제어로 구동하는 기간이 「D51」로 나타내어져 있다. 또, 상보 PWM 제어 (상보 평균 PWM 제어) 로 구동하는 트랜지스터에 대해, 상보 PWM 제어 (상보 평균 PWM 제어) 로 구동하는 기간이 「D52」로 나타내어져 있다. 도 7 에 나타내는 타이밍 테이블 (60) 과 같이, 모터 제어 장치 (10) 에서는, 평균 PWM 제어와 상보 평균 PWM 제어를 사용함으로써, PWM 제어하는 트랜지스터의 듀티비가 작고, 듀티 지령값 A1 이 설정된 임계값 미만인 경우와 동일한 트랜지스터 및 기간, 트랜지스터를 스위칭할 수 있다 (도 2 를 비교 참조).

또한, 도 8 에 나타내는 타이밍 테이블 (70) 과 같이, 모터 제어 장치 (10) 는, 트랜지스터를 평균 PWM 제어로 구동하는 (즉, 상보 평균 PWM 제어를 실시하는) 기간과, PWM 제어 (평균 PWM 제어) 가 실시되는 대상의 트랜지스터를 듀티비 100 % 로 구동하는 (즉, PWM 제어를 실시하지 않는) 기간을 교대로 형성하는 경우도 있다. 예를 들어, 회전각 0 ~ 120 도에 있어서, 온 선택된 트랜지스터 UH 와 트랜지스터 VL 중, 평균 PWM 제어로 구동하지 않는 쪽의 트랜지스터 VL 이 오프할 때까지의 기간 (회전각 0 ~ 60 도) 은, 트랜지스터 UH 를 평균 PWM 제어로 구동한다. 트랜지스터 VL 이 오프하고 나서 트랜지스터 UH 가 오프할 때까지의 기간 (회전각 60 ~ 120 도) 은, 트랜지스터 UH 를 듀티비 100 % 로 제어한다. 또한, 회전각 0 ~ 120 도에서는, 트랜지스터 VL 이 제 3 소자의 일례이다. 또, 회전각 120 ~ 240 도에서는 트랜지스터 WL 이 제 3 소자의 일례이며, 회전각 240 ~ 360 도에서는 트랜지스터 UL 이 제 3 소자의 일례이다.

타이밍 테이블 (70) 은, 60 도마다 평균 PWM 제어를 실시하는 제어와, PWM 제어 및 평균 PWM 제어를 실시하지 않는다는 제어를 반복하고 있다. 또한, 상세한 것은 후술하지만, 타이밍 테이블 (70) 과 같은 제어는, 온 선택된 트랜지스터 (듀티비에 기초하여 스위칭하는 트랜지스터) 의 듀티비가 매우 클 (즉, 듀티 지령값 A1 이 매우 클) 때에 실시된다.

(모터 제어 장치가 실시하는 연산 처리)

이하, 도 9 및 도 10 을 참조하여, 모터 제어 장치 (10) 에서 실시되는 연산 처리에 대해 플로우 차트를 참조하여 설명한다. 또한, 플로우 차트의 설명에서는, 설명을 용이하게 하기 위해, 온 선택된 트랜지스터가 트랜지스터 UH 와 트랜지스터 VL 인 기간 (회전각 0 ~ 0 도) 에 대해 설명한다. 또, 필요에 따라, 적절히 도 4 내지 도 8 도 참조한다.

먼저, 트랜지스터 UH 의 듀티비와 상보 PWM 제어가 실시되는 경우의 데드 타임에 기초하여, 듀티 지령값 A1 을 결정한다 (스텝 S2, 도 4). 다음으로, 듀티 지령값 A1 이 임계값 TA1 보다 큰지 여부를 판단한다 (스텝 S4). 또한, 임계값 TA1 은, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 상보 PWM 제어를 실시할 수 없게 되는 듀티비 (도 3(c) 와 같은 상태) 보다 작은 값에 기초하여 설정된다. 듀티 지령값 A1 이 임계값 TA1 이하인 경우 (스텝 S4 : 아니오), 듀티 지령값 A1 과, 임계값 TA1 로부터 트랜지스터 UH 의 전환 히스테리시스 α1 을 뺀 값 (TA1 - α1) 을 비교하고, 듀티 지령값 A1 이 (TA1 - α1) 보다 작은지 여부를 판단한다 (스텝 S12). 즉, 확실하게 데드 타임을 확보할 수 있는지 여부를 판단한다.

듀티 지령값 A1 이 (TA1 - α1) 이상인 경우 (스텝 S12 : 아니오), 스텝 S2 로 돌아가 듀티 지령값 A1 을 결정하고, 듀티 지령값 A1 과 임계값 TA1 의 비교를 실시한다 (스텝 S4). 한편, 듀티 지령값 A1 이 (TA1 - α1) 미만인 경우 (스텝 S12 : 예), 통상적인 상보 PWM 제어를 실시한다 (스텝 S14, 도 2).

듀티 지령값 A1 이 임계값 TA1 보다 큰 경우, 트랜지스터 UH 를 통상적인 PWM 제어로 스위칭하면, 트랜지스터 UL 을 온할 수 없다 (상보 PWM 제어를 실시할 수 없다). 그 때문에, 스텝 S4 에 있어서 듀티 지령값 A1 이 임계값 TA1 보다 큰 경우 (스텝 S4 : 예), 스텝 S6 으로 진행되고, 트랜지스터 UH 를 평균 PWM 제어로 구동하기 위한 조건을 산출한다. 구체적으로는, 제 2 기간 C2 의 듀티비 (수정 듀티비) C3 을 산출한다 (스텝 S6).

듀티비 C3 은, 도 10 에 나타내는 순서로 산출한다. 먼저, 스텝 S20 에 나타내는 식 「C3 = {n × A1 - (n - 1)} × 100」을 사용하여, 제 2 기간 C2 의 듀티비 C3 을 산출한다. 최초의 연산에서는, 「n = 2」, 즉, 2 캐리어 주기를 사용하여 제 1 기간 C1 과 제 2 기간 C2 를 형성하는 경우의 제 2 기간 C2 의 듀티비 C3 을 산출한다 (도 5 도 참조). 다음으로, 스텝 S22 로 진행하여, 듀티비 C3 과 임계값 TA1 을 비교한다. 듀티비 C3 이 임계값 TA1 이하인 경우 (스텝 S22 : 예), 듀티비 C3 을 결정한다 (스텝 S26).

스텝 S22 에 있어서 듀티비 C3 이 임계값 TA1 보다 큰 경우 (스텝 S22 : 아니오), 스텝 S24 로 진행하고, 「n」의 값이 상한에 이르러 있는지 여부를 판단한다. 즉, 제 1 기간 C1 과 제 2 기간 C2 를 형성하기 위해서 사용하는 캐리어 주기의 수가, 미리 설정한 상한수에 이르러 있는지 여부를 판단한다. 「n」의 값이 상한에 이르러 있지 않은 경우 (스텝 S24 : 아니오), 스텝 S28 에 있어서 「n」의 값을 카운트업하고 (즉, n 에 「1」을 더하고), 스텝 S20 의 처리로 돌아가 듀티비 C3 을 계산하고, 듀티비 C3 과 임계값 TA1 을 비교하는 처리 (스텝 S22) 를 「n」의 값이 상한에 이를 때까지 반복한다.

한편, 「n」의 값이 상한에 이르러 있는 경우 (스텝 S24 : 예), 얻어져 있는 듀티비 C3 이 임계값 TA1 보다 큰 경우 (스텝 S22 : 아니오) 여도, 스텝 S26 으로 진행하여, 듀티비 C3 을 결정한다. 예를 들어, 트랜지스터 UH 의 듀티비가 매우 큰 경우, 듀티비 C3 의 계산을 반복해도, 듀티비 C3 이 임계값 TA1 이하가 되지 않는 경우가 있다. 혹은, 듀티비 C3 이 임계값 TA1 이하가 될 때까지, 많은 연산을 반복하는 것이 필요로 되는 경우가 있다. 「n」의 상한을 형성함으로써, 모터 제어 장치 (10) 의 부하를 저감할 수 있다.

듀티비 C3 을 결정한 후, 스텝 S8 로 진행하고, 결정한 듀티비 C3 과 임계값 TA1 을 비교한다. 듀티비 C3 이 임계값 TA1 이하인 경우 (스텝 S8 : 예), 스텝 S10 으로 진행하고, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 모터 (M) 가 구동하고 있는 기간 전체에 걸쳐 평균 PWM 제어를 실시한다 (상보 평균 PWM 제어를 실시한다). 한편, 듀티비 C3 이 임계값 TA1 보다 큰 경우 (스텝 S8 : 아니오), 스텝 S16 으로 진행하고, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 평균 PWM 제어를 실시하는 (상보 평균 PWM 제어를 실시하는) 기간과, 트랜지스터 UH 를 듀티비 100 % 로 제어하는 (PWM 제어를 실시하지 않는) 기간을 교대로 형성한다. 즉, 듀티 지령값 A1 보다 작은 값이 되는 듀티비 C3 이 여전히 임계값 TA1 보다 큰 경우에는, 트랜지스터의 스위칭 횟수를 줄이기 위해, 트랜지스터 UH 를 평균 PWM 제어로 스위칭하는 기간과, 트랜지스터 UH 를 듀티비 100 % 로 제어하는 (PWM 제어를 실시하지 않는) 기간을 60 도마다 교대로 형성한다.

(다른 실시형태)

도 9 및 도 10 에서 설명한 플로에서는, 결정한 듀티비 C3 과 임계값 TA1 을 비교하고, 「C3 ＞ TA1」인 경우 (스텝 S8 : 아니오), 트랜지스터 UH 를 평균 PWM 제어로 스위칭하는 기간과 트랜지스터 UH 를 듀티비 100 % 로 제어하는 기간을 60 도마다 교대로 형성하는 예에 대해 설명했다. 그러나, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 「C3 ＞ TA1」인 경우 (스텝 S8 : 아니오), 통상적인 PWM 제어 (상보 PWM 제어 없음) 를 실시해도 된다.

또, 듀티비 C3 을 결정하는 연산을 실시하는 경우, 제 1 기간 C1 과 제 2 기간 C2 를 형성하기 위해서 사용하는 캐리어 주기의 수를 한정하지 않고 (스텝 S24 를 실시하지 않고), 「C3 ≤ TA1」을 만족할 때까지 듀티비 C3 의 계산을 반복해도 된다.

상기 실시예에서는, 제 1 기간 (제 1 소자를 듀티비 100 % 로 구동하는 기간) 후에 제 2 기간 (제 2 소자를 상보 평균 PWM 제어로 구동하는 기간) 을 형성하는 예에 대해 설명했다. 그러나, 제 2 기간 후에 제 1 기간을 형성해도 된다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 상세하게 설명했지만, 이들은 예시에 지나지 않고, 청구범위를 한정하는 것은 아니다. 청구범위에 기재된 기술에는, 이상에 예시한 구체예를 여러 가지로 변형, 변경한 것이 포함된다. 또, 본 명세서 또는 도면에 설명한 기술 요소는, 단독으로 혹은 각종 조합에 의해 기술적 유용성을 발휘하는 것이며, 출원시 청구항에 기재된 조합으로 한정되는 것은 아니다. 또, 본 명세서 또는 도면에 예시한 기술은 복수 목적을 동시에 달성하는 것이며, 그 중 하나의 목적을 달성하는 것 자체로 기술적 유용성을 가지는 것이다.

Claims

인버터에 접속되는 모터를 구동하는 모터 제어 장치로서,
인버터는, 전원의 고압 측에 접속되는 상아암 소자와 전원의 저압 측에 접속되는 하아암 소자가 직렬로 접속된 스위칭 소자쌍을 복수개 가지고 있고,
모터 제어 장치는,
모터에 통전하기 위해서 온 선택된 상아암 소자와 하아암 소자의 일방의 제 1 소자를 듀티비에 기초하여 스위칭하는 PWM 제어를 실시하고,
제 1 소자에 직렬로 접속되어 있는 제 2 소자가 제 1 소자의 오프 기간에 소정 시간 온하는 상보 PWM 제어를 실시하도록, 제 2 소자를 스위칭시키는 듀티 지령값을 결정하고, 결정한 듀티 지령값이 임계값 이하인 경우에는 상보 PWM 제어를 실시하고,
결정한 듀티 지령값이 임계값보다 큰 경우에는, 제 1 소자에 대해, 복수의 캐리어 주기에 걸쳐 계속 온하는 제 1 기간과, 제 1 기간에 오프하지 않는 만큼 길게 오프하는 수정 듀티비를 실행하는 제 2 기간을 형성함과 함께, 제 1 기간과 제 2 기간의 합계 기간에 있어서의 평균 듀티비가 설정된 듀티비와 동일한 평균 PWM 제어를 실시하고,
제 2 기간에 있어서 제 1 소자가 오프하고 있는 동안에 제 2 소자를 온시키는 모터 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
수정 듀티비가 임계값보다 작을 때는, 모터를 구동하고 있는 기간 전체에 걸쳐 평균 PWM 제어를 실시하고,
수정 듀티비가 임계값 이상일 때는, 온 선택된 상아암 소자와 하아암 소자 중 제 1 소자와는 상이한 제 3 소자가 오프할 때까지의 기간은 평균 PWM 제어를 실시하고, 제 3 소자가 오프하고 나서 제 1 소자가 오프할 때까지의 기간은 듀티비 100 % 로 제어를 실시하는 모터 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
수정 듀티비를 설정할 때에, 제 1 기간이 n 캐리어 주기에 걸쳐 있을 때의 제 2 기간의 제 n 수정 듀티비와 임계값을 비교하고, 제 n 수정 듀티비가 임계값보다 클 때는, 제 1 기간이 n ＋ 1 캐리어 주기에 걸쳐 있을 때의 제 2 기간의 제 n ＋ 1 수정 듀티비를 산출하는 것을 반복하는 모터 제어 장치 (n ≥ 2, n 은 정수).