JP2012157212A

JP2012157212A - インバータ装置

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Publication number: JP2012157212A
Application number: JP2011016177A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kawashima; 隆川島; Kazunori Najima; 一記名嶋; Yoshiki Nagata; 芳樹永田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: KR20120087839A; CN102624327A; KR101344613B1; US8604732B2; DE102012201184A1; CN102624327B; US20120194111A1; JP5636990B2

Abstract

【課題】２相変調方式のインバータ装置において、制御性の悪化を防止する。
【解決手段】直流電源２の出力を互いに位相が異なる３つの交流に変換して３相モータ３を駆動するスイッチング素子４〜９と、シャント抵抗１０と、シャント抵抗１０にかかる電圧に基づいて指令値を求め、その指令値とキャリア信号とを用いたＰＷＭ制御により３相のうちの２相に接続されるスイッチング素子をオン、オフさせるとともに残りの１相に接続されるスイッチング素子を常時オン又はオフさせる制御信号を求めてスイッチング素子４〜９に出力する制御回路１１とを備えるインバータ装置１において、シャント抵抗１０にかかる電圧の次の読込周期において、キャリア信号の周期毎に求めた制御信号の各パルスをそれらパルスのうちの１以上のパルスに集約し、その集約したパルスの出力タイミングにおいてシャント抵抗１０にかかる電圧を読み込む。
【選択図】図５

Description

本発明は、３相モータを駆動するインバータ装置に関する。

３相モータを駆動するインバータ装置として、例えば、シャント抵抗にかかる電圧により求められる３相モータのＵ相、Ｖ相、及びＷ相の３相にそれぞれ流れる電流に基づいて３相モータの位置（３相モータのロータの電気角）を推定し、その推定した位置に基づいて３相のうちの２相にそれぞれ交流を出力する各スイッチング素子をオン、オフさせるとともに、残りの１相に交流を出力するスイッチング素子を常時オン又はオフさせて３相モータを駆動する、いわゆる、２相変調方式のインバータ装置がある（例えば、特許文献１参照）。

この２相変調方式のインバータ装置は、３相のうちの２相の各スイッチング素子がオン、オフしている間、残りの１相のスイッチング素子が常時オン又はオフするため、３相の各スイッチング素子をオン、オフさせる３相変調方式のインバータ装置に比べて、スイッチング損失を低減することができる。

しかしながら、２相変調方式のインバータ装置は、３相モータの運転に必要な電圧が低い場合、例えば、３相モータを低回転で駆動させる場合、３相のうちの２相の各スイッチング素子のオン時間が短くなるため、その際にシャント抵抗に電流が流れる時間も短くなる。そのため、ＣＰＵなどの制御回路によるシャント抵抗の電圧の読込周期において、スイッチング素子をオンさせる制御信号のパルスの幅が、シャント抵抗の電圧の読み込みに必要な時間に相当するパルスの幅よりも短いと、制御回路におけるシャント抵抗の電圧の読み込みができなくなり、３相モータの制御性が悪化するおそれがある。

そこで、シャント抵抗の電圧の読込周期において、スイッチング素子をオンさせる制御信号のパルスの幅が、シャント抵抗の電圧の読み込みに必要な時間に相当するパルス幅よりも短い場合、シャント抵抗の電圧の次の読込周期において、スイッチング素子をオンさせる制御信号のパルス幅を広げる必要がある。例えば、図８に示すように、シャント抵抗にかかる電圧の読込周期がＰＷＭ制御で使用されるキャリア信号の３周期分に相当し、かつ、キャリア信号の３周期目に求められるＵ相の制御信号のパルスの出力タイミングにおいてシャント抵抗にかかる電圧が読み込まれる場合、キャリア信号の３周期目に求められるパルスの幅を他の２つのパルスの幅よりも広げる必要がある。

特開２００５−１９２３５８号公報

しかしながら、上述のように、シャント抵抗の電圧の次の読込周期において、スイッチング素子をオンさせる制御信号のパルスの幅を広げる場合では、必要以上の時間スイッチング素子をオンさせてしまうため、３相モータの制御性が悪化するおそれがある。

そこで、本発明では、３相のうちの２相のスイッチング素子をオン、オフさせるとともに、残りの１相のスイッチング素子を常時オン又はオフさせて３相モータを駆動する場合において、制御性の悪化を防ぐことが可能なインバータ装置を提供することを目的とする。

本発明のインバータ装置は、複数のスイッチング素子と、シャント抵抗と、制御手段とを備える。
前記複数のスイッチング素子は、入力される制御信号によりそれぞれオン、オフして直流電源の出力を互いに位相が異なる３つの交流に変換して３相モータを駆動する。

前記シャント抵抗は、前記直流電源と前記複数のスイッチング素子との間に設けられる。
前記制御手段は、前記スイッチング素子がオンすることにより前記シャント抵抗にかかる電圧に基づいて前記３相モータの３相にそれぞれ流れる電流を求め、それら電流に基づく指令値とキャリア信号とを用いたＰＷＭ制御により前記３相のうちの２相にそれぞれ接続される前記スイッチング素子をオン、オフさせるとともに前記３相のうちの残りの１相に接続される前記スイッチング素子を常時オン又はオフさせる前記制御信号を求めて前記複数のスイッチング素子に出力する。

また、前記制御手段は、前記シャント抵抗にかかる電圧の次の読込周期において前記キャリア信号の周期毎に求めた前記制御信号の複数のパルスをそれらパルスのうちの１以上のパルスに集約し、その集約したパルスの出力タイミングにおいて前記シャント抵抗にかかる電圧を読み込む。

これにより、３相モータの運転に必要な電圧が低い低回転時等にシャント抵抗にかかる電圧が読み込めなくなることを低減することができる。また、シャント抵抗の電圧の読込周期においてスイッチング素子が必要以上の時間オンすることがない。そのため、３相モータの制御性の悪化を防ぐことができる。

本発明によれば、３相のうちの２相のスイッチング素子をオン、オフさせるとともに、残りの１相のスイッチング素子を常時オン又はオフさせて３相モータを駆動するインバータ装置において、３相モータの制御性の悪化を防ぐことができる。

本発明の実施形態のインバータ装置を示す図である。ＰＷＭ制御で使用されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電圧指令値を示す図である。Ｕ相−ＧＮＤ間の電圧を示す図である。制御回路の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。本実施形態のインバータ装置におけるＵ相のスイッチング素子に出力される制御信号を示す図である。制御回路の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。本実施形態のインバータ装置におけるＵ相のスイッチング素子に出力される制御信号を示す図である。従来のインバータ装置におけるＵ相のスイッチング素子に出力される制御信号を示す図である。

図１は、本発明の実施形態のインバータ装置を示す図である。
図１に示すインバータ装置１は、直流電源２の出力を互いに位相が１２０度ずつ異なる３つの交流に変換して３相モータ３を駆動するものであって、スイッチング素子４〜９（例えば、ＭＯＳＦＥＴやダイオードが並列接続されるＩＧＢＴなど）と、シャント抵抗１０と、制御回路１１（制御手段）とを備えて構成される。

スイッチング素子４、５は互いに直列接続されるとともに直流電源２に並列接続され、スイッチング素子４、５の接続点が３相モータ３のＵ相に接続されている。また、スイッチング素子６、７は互いに直列接続されるとともに直流電源２に並列接続され、スイッチング素子６、７の接続点が３相モータ３のＶ相に接続されている。また、スイッチング素子８、９は互いに直列接続されるとともに直流電源２に並列接続され、スイッチング素子８、９の接続点が３相モータ３のＷ相に接続されている。

シャント抵抗１０は、直流電源２のマイナス端子とスイッチング素子５、７、９の接続点との間に設けられている。
制御回路１１は、読込周期Ｔｒ毎に、シャント抵抗１０にかかる電圧Ｖｓを読み込み、その電圧Ｖｓに基づいて３相モータ３の各相にそれぞれ流れる電流を求め、それら電流に基づいて３相モータ３の位置（３相モータ３のロータの電気角）を求め、その３相モータ３の位置とユーザが所望する３相モータ３の回転数とに基づいて３相モータ３の各相にそれぞれ対応するＵ相電圧指令値、Ｖ相電圧指令値、及びＷ相電圧指令値を演算する。

また、制御回路１１は、各電圧指令値とキャリア信号とを用いてＰＷＭ制御によりＵ相のスイッチング素子４、５をオン、オフさせる制御信号Ｓｕ、Ｖ相のスイッチング素子６、７をオン、オフさせる制御信号Ｓｖ、及びＷ相のスイッチング素子８、９をオン、オフさせる制御信号Ｓｗを生成する。例えば、制御回路１１は、制御信号Ｓｕがハイレベルであってスイッチング素子４がオン、スイッチング素子５がオフするときの電圧Ｖｓ、及び、制御信号Ｓｖがハイレベルであってスイッチング素子６がオン、スイッチング素子７がオフするときの電圧Ｖｓに基づいて、Ｕ相及びＶ相にそれぞれ流れる電流を求め、それらの電流に基づいて残りのＷ相に流れる電流を求める。

また、例えば、図２に示すようなＵ相電圧指令値、Ｖ相電圧指令値、及びＷ相電圧指令値を用いてＰＷＭ制御を行う場合、３相モータ３の位置が１２０[°]〜２４０[°]のとき、スイッチング素子６〜９がそれぞれオン、オフしている間、スイッチング素子４、５が常時オン又はオフする。このように、３相モータ３の位置が１２０[°]〜２４０[°]のとき、スイッチング素子４、５のスイッチング動作は停止しているため、Ｕ相−ＧＮＤ間の電圧は、図３に示すように、ＧＮＤになる。

図４は、制御回路１１の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。
まず、制御回路１１は、読込周期Ｔｒにおいて、シャント抵抗１０にかかる電圧Ｖｓを読み込み、その電圧Ｖｓに基づいて、上述したように、３相モータ３の各相にそれぞれ対応する電圧指令値を演算する（Ｓ１）。

次に、制御回路１１は、Ｓ１で演算した各相の電圧指令値とキャリア信号とを用いてＰＷＭ制御により、次の読込周期Ｔｒにおいて、３相のうちの２相のスイッチング素子をオン、オフさせるとともに、３相のうちの残りの１相のスイッチング素子を常時オン又はオフさせる制御信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを求める（Ｓ２）。

次に、制御回路１１は、Ｓ２で求めた制御信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗのうち、２相のスイッチング素子をオン、オフさせる制御信号のパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも長いか否かを判断する（Ｓ３）。

２相のスイッチング素子をオン、オフさせる制御信号のパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも長いと判断した場合（Ｓ３がＹｅｓ）、制御回路１１は、次の読込周期Ｔｒにおいて、Ｓ２で求めた制御信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗをそのままスイッチング素子４〜９へ出力する（Ｓ４）。

一方、２相のスイッチング素子をオン、オフさせる制御信号のパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも短いと判断した場合（Ｓ３がＮｏ）、制御回路１１は、２相のスイッチング素子をオン、オフさせる制御信号の各パルスを、それらパルスのうちの電圧Ｖｓの読込タイミングに対応するパルスに集約する（Ｓ５）。

次に、制御回路１１は、Ｓ５で集約したパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも長いか否かを判断する（Ｓ６）。
Ｓ５で集約したパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも短いと判断した場合（Ｓ６がＮｏ）、制御回路１１は、Ｓ５で集約したパルスの幅が電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅以上になるように、Ｓ５で集約したパルスの幅を広げた後（Ｓ７）、次の読込周期Ｔｒにおいて、その幅を広げた集約後のパルスのみを、対応するスイッチング素子に出力し（Ｓ８）、その幅を広げた集約後のパルスの出力タイミングにおいて電圧Ｖｓを読み込む。

なお、Ｓ５で集約したパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも短いと判断した場合（Ｓ６がＮｏ）、制御回路１１は、Ｓ５で集約したパルスの幅が電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅と等しくなるように、Ｓ５で集約したパルスの幅を広げるように構成してもよい。

一方、Ｓ５で集約したパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも長いと判断した場合（Ｓ６がＹｅｓ）、制御回路１１は、次の読込周期Ｔｒにおいて、Ｓ５で集約したパルスのみを、対応するスイッチング素子に出力し（Ｓ８）、そのＳ５で集約したパルスの出力タイミングにおいてシャント抵抗１０にかかる電圧を読み込む。

例えば、図５に示すように、読込周期Ｔｒがキャリア信号の３周期分に相当し、かつ、キャリア信号の３周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスの出力タイミングにおいてシャント抵抗１０にかかる電圧を読み込む場合を想定する。

このような場合において、キャリア信号の３周期目に求められた制御信号Ｓｕのパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも短いとき、次の読込周期Ｔｒにおいて、キャリア信号の１周期目に求められた制御信号Ｓｕのパルスとキャリア信号の２周期目に求められた制御信号Ｓｕのパルスを、キャリア信号の３周期目に求められた制御信号Ｓｕのパルスに集約される。そして、次の読込周期Ｔｒにおいて、キャリア信号の１、２周期目に求められた制御信号Ｓｕのそれぞれのパルスの出力が停止されるとともに、集約されたパルスが出力される。

なお、集約されたパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも短いとき、次の読込周期Ｔｒにおいて、集約後のパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅以上に広げられた後、キャリア信号の１、２周期目に求められた制御信号Ｓｕのそれぞれのパルスの出力が停止されるとともに、さらに幅が広げられた集約後のパルスが出力される。

また、集約されるパルスは、キャリア信号の１周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスでもよいし、キャリア信号の２周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスでもよい。
また、読込周期Ｔｒの長さは、キャリア信号の２周期分以上であれば、特に限定されない。

また、次の読込周期Ｔｒにおいて、キャリア信号の１周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスを２つに分割してキャリア信号の２周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスとキャリア信号の３周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスにそれぞれ集約し、キャリア信号の１周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスの出力を停止するように構成してもよいし、キャリア信号の２周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスを２つに分割してキャリア信号の１周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスとキャリア信号の３周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスにそれぞれ集約し、キャリア信号の２周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスの出力を停止するように構成してもよい。

このように、本実施形態のインバータ装置１では、制御信号のパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも短いとき、次の読込周期Ｔｒにおいて、２相のスイッチング素子をオン、オフさせる制御信号の各パルスを１以上のパルスに集約し、その集約したパルスの出力タイミングにおいて電圧Ｖｓを読み込む。

これにより、３相モータ３の運転に必要な電圧が低くなり制御信号のパルス幅が小さくなっても、シャント抵抗１０にかかる電圧が読み込めなくなることを低減することができる。また、読込周期Ｔｒにおいて各相のスイッチング素子が必要以上の時間オンすることを低減することができる。そのため、３相モータ３の制御性の悪化を防ぐことができる。

なお、本実施形態のインバータ装置１を、ヒートポンプ内のコンプレッサに備えられる３相モータを駆動するインバータ装置として採用する場合、２相変調方式によりスイッチング損失すなわち発熱を抑えて３相モータを駆動することができるため、３相モータが低回転で駆動して冷媒の流量が少なくなってもインバータ装置１の温度上昇を低減することができる。そのため、温度上昇によるヒートポンプの動作停止を低減することができるため、ヒートポンプの運転領域を３相モータの制御性を維持したまま広げることができる。

また、図４において、２相のスイッチング素子をオン、オフさせる制御信号のパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも長いと判断した場合（Ｓ３がＹｅｓ）、制御回路１１は、インバータ装置１内に設けられる温度センサにより検出される温度が閾値Ｔｔｈ１以上になるとき、図５に示す各パルスのうち、キャリア信号の１周期目に求められる制御信号のパルスを２つに分割して、キャリア信号の２、３周期目に求められるパルスにそれぞれ集約し、キャリア信号の１周期目に求められるパルスの出力を停止するように構成してもよい。このように構成することによりスイッチング損失を低減することができる。また、さらに、インバータ装置１内に設けられる温度センサにより検出される温度が閾値Ｔｔｈ２（＞閾値Ｔｔｈ１）以上になるとき、図５に示す各パルスのうち、キャリア信号の１、２周期目に求められる制御信号の各パルスを、キャリア信号の３周期目に求められるパルスに集約し、キャリア信号の１、２周期目に求められる各パルスの出力を停止するように構成してもよい。このように構成することによりスイッチング損失をさらに低減することができる。

図６は、制御回路１１の動作の変形例を説明するときのフローチャートを示す図である。なお、Ｓ１〜Ｓ６の動作及びＳ６がＮｏであるとき以降の動作は図４に示す動作と同様であるため説明を省略する。

Ｓ５で集約したパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも長いと判断した場合（Ｓ６がＹｅｓ）、制御回路１１は、Ｓ５で集約したパルスの幅が電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅と等しくなるように、Ｓ５で集約したパルスの幅を狭めるとともに、Ｓ５で集約したパルスの幅と電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅との差分に相当するパルスを、次の読込周期Ｔｒにおけるキャリア信号の各周期のうち、幅を狭めた集約後のパルスが出力される周期以外の周期で出力されるパルスとし（Ｓ９）、次の読込周期Ｔｒにおいて、差分に相当するパルス及び幅を狭めた集約後のパルスを、対応するスイッチング素子に出力し（Ｓ８）、幅を狭めた集約後のパルスの出力タイミングにおいて電圧Ｖｓを読み込む。

例えば、図７に示すように、読込周期Ｔｒがキャリア信号の３周期分に相当し、かつ、キャリア信号の３周期目に求められる制御信号Ｓｕのパルスの出力タイミングにおいてシャント抵抗１０にかかる電圧を読み込む場合を想定する。

このような場合において、Ｓ５で集約したパルスの幅が、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅よりも長いとき、次の読込周期Ｔｒにおいて、Ｓ５で集約したパルスの幅と、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスの幅との差分に相当するパルスを２つに分割して、その一方のパルスをキャリア信号の１周期目に求められるパルスとし、他方のパルスをキャリア信号の２周期目に求められるパルスとし、Ｓ５で集約したパルスを、電圧Ｖｓを読み込むために必要な時間に相当する制御信号のパルスと幅を等しくしてキャリア信号の３周期目に求められるパルスとする。

このように制御回路１１を動作させても、図４に示す動作が制御回路１１により行われる場合と同様に、３相モータ３の制御性の悪化を防ぐことができる。
なお、上記実施形態では、１つのシャント抵抗１０にかかる電圧に基づいて、各相に流れる電流を求める構成であるが、直流電源２とスイッチング素子４〜９との間に設けられるシャント抵抗の数は２以上であってもよい。

１インバータ装置
２直流電源
３３相モータ
４〜９スイッチング素子
１０シャント抵抗
１１制御回路

Claims

入力される制御信号によりそれぞれオン、オフして直流電源の出力を互いに位相が異なる３つの交流に変換して３相モータを駆動する複数のスイッチング素子と、
前記直流電源と前記複数のスイッチング素子との間に設けられるシャント抵抗と、
前記スイッチング素子がオンすることにより前記シャント抵抗にかかる電圧に基づいて前記３相モータの３相にそれぞれ流れる電流を求め、それら電流に基づく指令値とキャリア信号とを用いたＰＷＭ制御により前記３相のうちの２相にそれぞれ接続される前記スイッチング素子をオン、オフさせるとともに前記３相のうちの残りの１相に接続される前記スイッチング素子を常時オン又はオフさせる前記制御信号を求めて前記複数のスイッチング素子に出力する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記シャント抵抗にかかる電圧の次の読込周期において前記キャリア信号の周期毎に求めた前記制御信号の複数のパルスをそれらパルスのうちの１以上のパルスに集約し、その集約したパルスの出力タイミングにおいて前記シャント抵抗にかかる電圧を読み込む
ことを特徴とするインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置であって、
前記制御手段は、前記スイッチング素子をオンさせる前記制御信号のパルスの幅が前記シャント抵抗にかかる電圧を読み込むために必要な時間に相当する前記制御信号のパルスの幅よりも短い場合、前記次の読込周期において前記キャリア信号の周期毎に求めた前記制御信号の複数のパルスをそれらパルスのうちの１以上のパルスに集約し、その集約したパルスの出力タイミングにおいて前記シャント抵抗にかかる電圧を読み込む
ことを特徴とするインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置であって、
前記制御手段は、前記集約したパルスの幅が前記シャント抵抗にかかる電圧を読み込むために必要な時間に相当する前記制御信号のパルスの幅よりも短い場合、前記集約したパルスの幅が前記シャント抵抗にかかる電圧を読み込むために必要な時間に相当する前記制御信号のパルスの幅以上になるように、前記集約したパルスの幅を広げる
ことを特徴とするインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置であって、
前記制御手段は、前記集約したパルスの幅が前記シャント抵抗にかかる電圧を読み込むために必要な時間に相当する前記制御信号のパルスの幅よりも長い場合、前記シャント抵抗にかかる電圧を読み込むために必要な時間に相当する前記制御信号のパルスの幅と等しくなるように、前記集約したパルスの幅を狭めるとともに、前記集約したパルスの幅と前記シャント抵抗にかかる電圧を読み込むために必要な時間に相当する前記制御信号のパルスの幅との差分に相当するパルスを、前記次の読込周期における前記キャリア信号の各周期のうちの前記幅を狭めた集約後のパルスが出力される周期以外の周期において出力する
ことを特徴とするインバータ装置。