JP2008206293A - モータインバータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング損失を抑えつつ、インバータからモータへ出力される電圧を指令値に近づけることが可能なモータインバータ制御装置及びモータ制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】三角波と指令値との比較結果に基づいて、モータ２の動作を制御するインバータ３のある相のスイッチング素子４の駆動を制御するモータインバータ制御装置１において、指令値の変化量に応じて三角波の周波数を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの動作を制御するインバータに備えられるスイッチング素子の駆動を制御するモータインバータ制御装置及びモータ制御方法に関する。

一般に、３相のモータの動作を制御するインバータは、各相にそれぞれ上下２個のスイッチング素子、合計で６個のスイッチング素子を備えている。この６個のスイッチング素子のそれぞれのオン、オフを制御することによりモータへ互いに１２０度ずつ位相の異なる３つの交流電圧を出力し、モータに回転磁界を生成させてモータ内のロータを回転させる。

ところで、上記スイッチング素子のスイッチング損失を抑えてモータの動作を制御するモータ制御方法としては様々なものがある。例えば、３相のうちのある１相の上下の各スイッチング素子を停止させているとき、残りの２相のそれぞれの上下の各スイッチング素子を駆動させてモータの動作を制御する２相変調方式というモータ制御方法がある。また、ロータの回転数が高くなるほど、三角波の周波数を低くするというモータ制御方法もある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−６９７６０号

上述のモータ制御方法は、何れも、スイッチング素子のスイッチング回数を減らすことでスイッチング損失を抑えている。そのため、上述のモータ制御方法では、スイッチング損失をさらに抑えるためにスイッチング回数をより減らしてしまうと、インバータからモータへ出力される電圧が指令値に近づかなくなるという問題が発生してしまう。

そこで、本発明は、スイッチング損失を抑えつつ、インバータからモータへ出力される電圧を指令値に近づけることが可能なモータインバータ制御装置及びモータ制御方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成及び方法を採用した。
すなわち、本発明のモータインバータ制御装置は、基準波と指令値との比較結果に基づいて、モータの動作を制御するインバータの各相のスイッチング素子の駆動を制御するモータインバータ制御装置であって、各相の前記指令値の変化量に応じて前記基準波の周波数を変更する制御手段を備える。

このように構成することにより、指令値の変化量が小さいとき三角波の周波数を低くしてスイッチング素子のスイッチング回数を減らすことができると共に、指令値の変化量が大きいとき三角波の周波数を高くしてスイッチング素子のスイッチング回数を増やすことができるので、スイッチング損失を抑えつつ、インバータからモータへ出力される電圧を指令値に近づけることができる。

また、前記制御手段は、上述したように、前記指令値の変化量が大きいほど前記基準波の周波数を高くするように構成してもよい。
また、前記インバータは３相モータの動作を制御するインバータであって、前記制御手段は２相変調制御を行い、変調する２相についてそれぞれのスイッチング素子を駆動させて前記モータの動作を制御するための前記指令値を出力する指令値出力手段を備えるように構成してもよい。

また、本発明のモータ制御方法は、基準波と指令値との比較結果に基づいて、モータの動作を制御するインバータの各相のスイッチング素子の駆動を制御するモータ制御方法であって、前記指令値の変化量に応じて前記基準波の周波数を変更する。

また、前記モータ制御方法は、前記指令値の変化量が大きいほど前記基準波の周波数を高くしてもよい。
また、前記モータ制御方法において、前記インバータは３相モータの動作を制御するインバータであって、２相変調制御を行い、変調する２相についてそれぞれのスイッチング素子を駆動させて前記モータの動作を制御してもよい。

本発明によれば、モータの動作を制御するインバータに備えられるスイッチング素子の駆動を制御する際、スイッチング損失を抑えつつ、インバータからモータへ出力される電圧を指令値に近づけることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明のモータインバータ制御装置を示す図である。
図１に示すモータインバータ制御装置１は、ある基準波としての三角波と、互いに１２０度ずつ位相の異なる３つの指令値との比較結果に基づいて、３相のモータ２の動作を制御するインバータ３の各相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のそれぞれの上下の各スイッチング素子４、合計６個のスイッチング素子４を駆動するための６つの駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を生成する。

上記インバータ３は、６個のスイッチング素子４がそれぞれモータインバータ制御装置１から出力される駆動信号Ｓ１〜Ｓ６によりオン、オフすることで直流電源５から出力される直流電圧を互いに１２０度ずつ位相の異なる３つの交流電圧に変換してモータ２へ出力し、モータ２に回転磁界を生成させてモータ２内のロータを回転させる。

上記モータインバータ制御装置１は、電気角判断部６と、三角波出力部７（制御手段）と、指令値出力部８（指令値出力手段）と、駆動信号出力部９とを備える。
上記電気角判断部６は、ロータの現在の位置として電気角０〜３６０度のうちの現在の電気角を判断する。例えば、電気角判断部６は、モータ２に設けられるレゾルバなどから得られるロータの現在の位置を示す電気信号に基づいてロータの現在の電気角を判断する。

上記三角波出力部７は、電気角判断部６で判断された電気角によって決定されるｕ相、ｖ相、ｗ相の指令値の変化量に応じて各相の三角波の周波数を変更しその三角波を出力する。すなわち、三角波出力部７は、モータ２内のロータの現在の電気角と三角波とが対応付けられて記録される電気角−三角波変換テーブル１０を備え、電気角判断部６で判断された電気角に対応する三角波を各相毎に指令値の変化量に応じて電気角−三角波変換テーブル１０から取り出し駆動信号出力部９へ出力する。

上記指令値出力部８は、モータ２内のロータの回転数やトルクなどを所望な値にするための指令値を電気各判断部６で判断された電気角に応じて出力する。
上記駆動信号出力部９は、三角波出力部７から出力された各相毎の三角波と、指令値出力部８から出力された各相毎の指令値との比較結果に基づいて駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を生成する。例えば、駆動信号出力部９は、指令値が三角波よりも小さいとき上アーム向けの駆動信号Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５についてハイレベルの駆動信号を生成し、指令値が三角波よりも大きいときローレベルの駆動信号を生成する。

図２に示す実線は、指令値の一例を示している。なお、この指令値は、ｕ相、ｖ相、ｗ相のうちの１相の上下２つのスイッチング素子をそれぞれオン、オフするための指令値を示すものとする。なお、各相の指令値は互いに１２０度ずつ位相がずれている。

駆動信号出力部９は、インバータ３の３相のうちのある１相の上下２個の各スイッチング素子４をオンまたはオフに固定し、残りの２相のそれぞれの上下２個の各スイッチング素子４を駆動させてモータ２を動作させる２相変調方式の駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を出力する。以下、図２がｕ相であるものとして説明する。

図２に示す破線は、図２に示す指令値を電気角０〜３６０度において１５度ずつ２４個の領域に分けた場合の各領域のそれぞれの指令値を示している。
図３は、各領域のそれぞれの指令値の変化量及び変化量比を示す表である。

図２の指令値の振幅を０．０６６とした場合、図３に示す表のように、０〜１５度の領域、１６５〜１８０度の領域、１８０〜１９５度の領域、または３４５〜３６０度の領域（以下、これらの領域を領域Ａという）では、指令値が０．０２６変化している。

また、１５〜３０度の領域、１５０〜１６５度の領域、１９５〜２１０度の領域、または３３０〜３４５度の領域（以下、これらの領域を領域Ｂという）では、指令値が０．０２２変化している。

また、３０〜４５度の領域、１３５〜１５０度の領域、２１０〜２２５度の領域、または３１５〜３３０度の領域（以下、これらの領域を領域Ｃという）では、指令値が０．０１２変化している。

また、４５〜６０度の領域、１２０〜１３５度の領域、２２５〜２４０度の領域、または３００〜３１５度の領域（以下、これらの領域を領域Ｄという）では、指令値が０．００６変化している。

また、６０〜７５度の領域、１０５〜１２０度の領域、２４０〜２５５度の領域、または２８５〜３００度の領域（以下、これらの領域を領域Ｅという）では、指令値が変化していない。

また、７５〜９０度の領域、９０〜１０５度の領域、２５５〜２７０度の領域、または２７０〜２８５度の領域（以下、これらの領域を領域Ｆという）も、指令値が変化していない。

従って、図３に示す表のように、領域Ｄの指令値の変化量０．００６を１としたときの各領域の指令値の変化量比は、それぞれ、領域Ａが４．３３、領域Ｂが３．６６、領域Ｃが２、領域Ｅがゼロ、領域Ｆがゼロになる。

指令値の変動量比が小さいときは、三角波の周波数をある程度低くしてもインバータ３からモータ２へ出力される電圧を指令値に近づけたままにすることができる。また、指令値の変動量が大きいときは、三角波の周波数を高くすることによりインバータ３からモータ２へ出力される電圧をより指令値に近づける必要がある。また、上述したように、三角波の周波数を低くすると、スイッチング素子４のスイッチング回数が減るためスイッチング損失を抑えることができる。また、三角波の周波数を高くすると、スイッチング素子４のスイッチング回数が増えるため指令値により近い電圧をインバータ３からモータ２へ出力することができる。そのため、スイッチング損失を抑えつつ、インバータ３からモータ２へ出力される電圧を指令値に近づけようとする場合は、指令値の変化量比が大きくなっていく領域Ｄ、領域Ｃ、領域Ｂ、領域Ａの順に、三角波の周波数を高くしていくことが考えられる。たとえば、変化量比に比例した周波数比としてもよい。

図４は、電気角−三角波変換テーブル１０の一例を示す図である。
図４に示す電気角−三角波変換テーブル１０は、領域Ａが三角波Ａと対応付けられ、領域Ｂが三角波Ｂと対応付けられ、領域Ｃが三角波Ｃと対応付けられ、領域Ｄが三角波Ｄと対応付けられ、領域Ｅ及び領域Ｆがそれぞれ三角波Ｅと対応付けられている。なお、三角波Ａの周波数＞三角波Ｂの周波数＞三角波Ｃの周波数＞三角波Ｄの周波数とする。また、三角波Ｅの周波数は、三角波Ｅの振幅が指令値を超えなければ特に限定されない。

図５は、三角波Ａ〜Ｃの一例を示す図である。
図５に示す実線は三角波Ａを、破線は三角波Ｂを、一点鎖線は三角波Ｃをそれぞれ示している。なお、各三角波の周波数は指令値の周波数（モータの回転数）に比べて十分高い。

例えば、電気角判断部６がモータ２内のロータの現在の電気角を４０度と判断した場合、三角波出力部７は、電気角判断部６が判断した電気角がｕ相において電気角−三角波変換テーブル１０の領域Ｃに含まれることを判断し、その領域Ｃに対応する三角波Ｃを駆動信号出力部９へ出力する。そして、駆動信号出力部９は、三角波出力部７から出力された三角波Ｃと、指令値出力部８から出力された指令値との比較結果に基づいて、駆動信号Ｓ１，Ｓ２を生成し各スイッチング素子４へ出力する。ｖ相、ｗ相においても同様に、電気角（即ち、指定値の変化量）に応じてそれぞれ三角波を選択し、指令値出力部８からの出力値との比較結果に基いて、駆動信号Ｓ３〜Ｓ６を生成し、各スイッチング素子４へ出力する。

上記実施形態によれば、指令値の変化量が小さいとき三角波の周波数を低くしてスイッチング素子４のスイッチング回数を減らし、指令値の変化量が大きいとき三角波の周波数を高くしてスイッチング素子４のスイッチング回数を増やしているので、スイッチング損失を抑えつつ、インバータ３からモータ２へ出力される電圧を指令値に近づけることができる。

なお、上記実施形態では、２相変調方式でモータ２の動作を制御する構成であるが、常に、３相の各スイッチング素子４をそれぞれオン、オフさせる３相変調方式でモータ２の動作を制御するように構成してもよい。上述したように、２相変調方式を採用する場合は、常に、ある１相のスイッチング素子４を停止させることができるので、３相変調方式を採用する場合に比べて、スイッチング損失をさらに低減することができる。

また、上記実施形態では、指令値を電気角０〜３６０度において２４個の領域に分けているが、領域の個数は２４個に限定されない。さらに細かい領域に分けて、三角波（周波数）を変更しても良いし、連続的に変更してもよい。

また、上記実施形態では周波数に応じて三角波の振幅も変化したが、振幅一定で、周波数のみを変更してもよい。

本発明のモータインバータ制御装置を示す図である。 指令値の一例を示す図である。 電気角−三角波変換テーブルの一例を示す図である。 領域と指令値変化量と変化量比との関係を示す図である。 三角波の一例を示す図である。

符号の説明

１ モータインバータ制御装置
２ モータ
３ インバータ
４ スイッチング素子
５ 直流電源
６ 電気角判断部
７ 三角波出力部
８ 指令値出力部
９ 駆動信号出力部
１０ 電気角−三角波変換テーブル

Claims (6)

1. 基準波と指令値との比較結果に基づいて、モータの動作を制御するインバータの各相のスイッチング素子の駆動を制御するモータインバータ制御装置であって、
   各相の前記指令値の変化量に応じて前記基準波の周波数を変更する制御手段を備える、
   ことを特徴とするモータインバータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータインバータ装置であって、
   前記制御手段は、前記指令値の変化量が大きいほど前記基準波の周波数を高くする、
   ことを特徴とするモータインバータ制御装置。
3. 請求項１に記載のモータインバータ制御装置であって、
   前記インバータは３相モータの動作を制御するインバータであって、前記制御手段は２相変調制御を行い、変調する２相についてそれぞれのスイッチング素子を駆動させて前記モータの動作を制御するための前記指令値を出力する指令値出力手段を備える、
   ことを特徴とするモータインバータ制御装置。
4. 基準波と指令値との比較結果に基づいて、モータの動作を制御するインバータの各相のスイッチング素子の駆動を制御するモータ制御方法であって、
   前記指令値の変化量に応じて前記基準波の周波数を変更する、
   ことを特徴とするモータ制御方法。
5. 請求項４に記載のモータ制御方法であって、
   前記指令値の変化量が大きいほど前記基準波の周波数を高くする、
   ことを特徴とするモータ制御方法。
6. 請求項４に記載のモータ制御方法であって、
   前記インバータは３相モータの動作を制御するインバータであって、２相変調制御を行い、変調する２相についてそれぞれのスイッチング素子を駆動させて前記モータの動作を制御する、
   ことを特徴とするモータ制御方法。