(57)【要約】【課題】リップルが低減されるインバータの制御装置を提供する。【解決手段】制御装置３００は、ｆ−Ｖ変換部３０２と、電圧制限器３０４と、電気角演算器３０６と、正弦波データテーブル３０８と、三相正弦波電圧算出部３１０と、ローパスフィルタ３１２と、ＰＷＭ作成部３１４と、メモリ３１８とを備える。メモリ３１８は、交流モータ３６０の駆動対象（たとえば圧縮機）の周波数のうち、インバータ３５０に対する直流電源が脈動しやすい周波数として予め設定された周波数を格納している。電圧制限器３０４は、当該駆動対象に対する指令として与えられる周波数が予め設定された周波数の近傍であって、かつ、インバータ３５０の変調率が出力限界の近傍である場合に、インバータ３５０の制御に使用する電圧指令値を、当該指令として与えられる周波数に基づいて算出される電圧指令値よりも小さな値に補正する。【選択図】図３
2010288370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期モータに接続されるインバータの制御装置であって、
前記同期モータの駆動対象の周波数のうち直流電源が脈動しやすい周波数として予め設定された周波数を格納する記憶装置と、
前記駆動対象に対する指令として与えられる周波数が前記予め設定された周波数の近傍であって、かつ、前記インバータの変調率が出力限界の近傍である場合に、前記インバータの制御に使用する電圧指令値を、前記指令として与えられる周波数に基づいて算出される電圧指令値よりも小さな値に補正するための補正手段とを備える、インバータの制御装置。
【請求項２】
前記補正手段は、前記直流電流の変動を吸収するために前記駆動対象に応じて予め定められた電圧指令値を算出するように構成されている、請求項１に記載のインバータの制御装置。
【請求項３】
前記インバータはコンバータに接続されており、前記コンバータは直流平滑回路を含み、前記直流平滑回路は、コンデンサを含み、
前記補正手段は、前記変調率の補正量を、前記コンデンサの容量に応じて変化させるように構成されている、請求項１または２に記載のインバータの制御装置。
【請求項４】
前記インバータはコンバータに接続されており、前記コンバータはリアクトルを含み、
前記補正手段は、前記変調率の補正量を、前記リアクトルの容量に応じて変化させるように構成されている、請求項１または２に記載のインバータの制御装置。
【請求項５】
前記駆動対象に対する指令として与えられる前記周波数が、前記予め設定された周波数に近づくにつれて、前記変調率が既定値に収束するように前記補正量を調整するスムージング手段をさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載のインバータの制御装置。
【請求項６】
同期モータに接続されるインバータを制御するための方法であって、
前記同期モータの駆動対象の周波数のうち直流電源が脈動しやすい周波数として予め設定された周波数をロードするステップと、
前記駆動対象に対する指令として与えられる周波数が前記予め設定された周波数の近傍であって、かつ、前記インバータの変調率が出力限界の近傍である場合に、前記インバータの制御に使用する電圧指令値を、前記指令として与えられる周波数に基づいて算出される電圧指令値よりも小さな値に補正するステップとを備える、インバータを制御するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータの制御に関し、特に、電圧型ＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）インバータの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機や冷蔵庫などの商品に搭載されている圧縮機などにおいて、ロータ及びステータコイルによって構成されるモータが使用される。モータは、モータ駆動装置によって制御された相電流をステータコイルに供給することによって駆動される。このとき、モータの駆動を制御するためのシステムは、相電流検出器、パルス変調（ＰＷＭ）発生装置、三角波発生器などを有する。そして、ロータの位置に対応させてＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる三相の正弦波状に変化するパルス幅変調信号を発生させ、ドライブ回路に対して出力する。
【０００３】
ドライブ回路は、そのパルス幅変調信号に対応させてトランジスタ駆動信号をインバータ回路へ出力し、インバータ内の６つのトランジスタをＯＮに又はＯＦＦにする。これにより、三相の相電流が発生し、ステータコイルに電流が供給される。
【０００４】
一般に、インバータにおいて、三相の相電流を発生させるために、上段および下段のトランジスタを直列に接続した対のトランジスタが３組配置されている。上段のトランジスタをＯＮに、下段のトランジスタをＯＦＦにすることにより、各ステータ端子に正の極性のＤＣ（Direct  Current）電圧を供給することができ、逆に、上段のトランジスタをＯＦＦに、下段のトランジスタをＯＮにすることにより、各ステータ端子に０Ｖ（ＧＮＤ電位）電圧を供給することができるようになっている。
【０００５】
上記の場合、変調率を決めるために、一般的には、たとえば、ｆ−Ｖ一定制御が用いられ、周波数によって印加される電圧が決定される。そして、変調パルスの周期毎に、その指令電圧値に対するＤＣ（Direct  Current）電源の大きさを除算したものが、パルスのＯＮ幅ＤＵＴＹ比として出力される。
【０００６】
ＤＣ電源のリップルに対し相電流が脈動するビート現象が発生することが知られている。ビート現象の影響により、電流が跳ね上がり、または、脱調などにより、モータの運転が不可能に陥る場合があった。
【０００７】
図１は、ＤＣ電源のリップルがある場合において、相電圧一定制御時のＰＷＭパルスのＯｎＤｕｔｙおよび実際の出力電圧の波形である。ＤＣ電圧の平均値２８０Ｖ、リップル振幅７０Ｖ、相電圧実効値指令５０Ｖの場合、平均変調率は約５０％である。このレベルであれば、ＤＣ電源のリップルによりＤＣ電圧が急激に高くなったらＤｕｔｙをその分小さくし、逆に、ＤＣ電圧が低くなったらその分Ｄｕｔｙを大きくすることにより、出力電圧を理想的な正弦波状にすることができ、ＤＣ電源のリップルの影響が吸収されていることがわかる。
【０００８】
図２は、ＤＣ電源リプルがある場合の相電圧一定制御時のＰＷＭパルスＯｎＤｕｔｙおよび実際の出力電圧波形（平均変調率約１００％の場合）を表わす図である。図２に示すように、ＤＣ電源の条件が同じ場合であっても、相電圧実効値指令１００Ｖの場合、平均変調率はほぼ１００％となり、ＤＣ電圧が低くなったらその分Ｄｕｔｙを大きくしようとしても、Ｄｕｔｙは、１００％を超えて出力することはできない。そのため、出力電圧について理想的な正弦波を保持することができず、ＤＣ電源のリップルの影響を吸収しきれないことがわかる。
【０００９】
これを低減するために、ＤＣ電源のリップルを低減することが必要であるが、これを実現するためには、直流平滑回路の平滑コンデンサの容量を大きくしたり、ＤＣラインに大きなリアクトルを挿入する必要がある。しかしながら、このようにすると、機器が大型化し、またコストが上昇するという問題がある。
【００１０】
そこで、制御によりこれを低減する方法として、たとえば、特開２００４−１０４８９８号公報（特許文献１）は、その脈動する相電流を検出し、その補償電圧成分を算出し印可する電圧指令値へ負帰還することにより、リップルを低減するための技術を開示している。また、特開２００６−１１５５７６号公報（特許文献２）は、脈動成分を直流電流の脈動から検出し、その脈動成分に基づいてモータの周波数を補正する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１０４８９８号公報
【特許文献２】特開２００６−１１５５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１または２に開示された技術のように、相電流の脈動成分を検出するためには、高価な電流センサが必要となり、あるいは、シャント抵抗などを利用するために高速なＡ／Ｄ（Analog  to  Digital）変換機能を持ったＣＰＵ（Central  Processing  Unit）その他のプロセッサが必要になるという問題がある。
【００１３】
また、変調率が既に出力限界である領域（たとえば、入力変調率と出力電圧との間の特性に比例的な関係（リニアリティ）が確保できない領域、飽和領域、等）においては、特許文献１に記載された方法のように補償電圧を加えることが出来ない場合も考えられる。
【００１４】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、コストを増加させることなくリップルが低減されるインバータの制御装置を提供することである。他の目的は、変調率の出力限界の制約を受けることなくリップルが低減される制御装置を提供することである。
【００１５】
他の目的は、コストを増加させることなくリップルが低減されるようにインバータを制御するための方法を提供することである。他の目的は、変調率の出力限界の制約を受けることなくリップルが低減されようにインバータを制御するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
ある実施の形態に従うと、同期モータに接続されるインバータの制御装置が提供される。この制御装置は、同期モータの駆動対象の周波数のうち直流電源が脈動しやすい周波数として予め設定された周波数を格納する記憶装置と、駆動対象に対する指令として与えられる周波数が予め設定された周波数の近傍であって、かつ、インバータの変調率が出力限界の近傍である場合に、インバータの制御に使用する電圧指令値を、指令として与えられる周波数に基づいて算出される電圧指令値よりも小さな値に補正するための補正手段とを備える。
【００１７】
好ましくは、補正手段は、直流電流の変動を吸収するために駆動対象に応じて予め定められた電圧指令値を算出するように構成されている。
【００１８】
好ましくは、インバータはコンバータに接続されている。コンバータは直流平滑回路を含む。直流平滑回路は、コンデンサを含む。補正手段は、変調率の補正量を、コンデンサの容量に応じて変化させるように構成されている。
【００１９】
好ましくは、インバータはコンバータに接続されている。コンバータはリアクトルを含む。補正手段は、変調率の補正量を、リアクトルの容量に応じて変化させるように構成されている。
【００２０】
好ましくは、インバータの制御装置は、駆動対象に対する指令として与えられる周波数が、予め設定された周波数に近づくにつれて、変調率が既定値に収束するように補正量を調整するスムージング手段をさらに備える。
【００２１】
他の実施の形態に従うと、同期モータに接続されるインバータを制御するための方法が提供される。この方法は、同期モータの駆動対象の周波数のうち直流電源が脈動しやすい周波数として予め設定された周波数をロードするステップと、駆動対象に対する指令として与えられる周波数が予め設定された周波数の近傍であって、かつ、インバータの変調率が出力限界の近傍である場合に、インバータの制御に使用する電圧指令値を、指令として与えられる周波数に基づいて算出される電圧指令値よりも小さな値に補正するステップとを備える。
【発明の効果】
【００２２】
ある実施の形態に従う制御装置によると、コストを増加させることなくリップルが低減される。また、他の実施の形態に従うと、変調率の出力限界の制約を受けることなくリップルが低減される。
【００２３】
この発明の上記および他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面と関連して理解されるこの発明に関する次の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ＤＣ電源リップルがある場合において相電圧一定制御時のＰＷＭパルスＯｎＤｕｔｙおよび実際の出力電圧波形（平均変調率約５０％の場合）を表わす図である。
【図２】ＤＣ電源リプルがある場合の相電圧一定制御時のＰＷＭパルスＯｎＤｕｔｙおよび実際の出力電圧波形（平均変調率約１００％の場合）を表わす図である。
【図３】一実施の形態に係る制御装置３００の構成を表わす図である。
【図４】一本実施の形態の変形例に係る制御装置４００を表わす図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００２６】
図３は、本実施の形態に係る制御装置３００の構成を表わす図である。制御装置３００は、たとえば、エアコン、冷蔵庫、冷凍庫その他の装置を駆動する三相の交流モータ３６０を制御する。本実施の形態では、交流モータ３６０の駆動対象は、たとえば圧縮機であるが、駆動対象は圧縮機に限られない。
【００２７】
制御装置３００は、たとえば、マイクロコンピュータとして実現される。この場合、制御装置３００が実行する演算処理、補正処理は、マイクロコンピュータが命令を実行することにより各処理ステップとして実現される。他の局面において、制御装置３００は、各処理を実現する回路素子の組み合わせのようなワイヤー結線された装置としても実現され得る。
【００２８】
制御装置３００は、インバータ３５０に電気的に接続されている。インバータ３５０には、コンバータ回路３３０と、ＤＣ電圧検出部３４０と、交流モータ３６０とが電気的に接続されている。コンバータ回路３３０は、交流電源３２０に接続されている。コンバータ回路３３０は、直流平滑回路３３２と、リアクトル３３４とを含む。
【００２９】
制御装置３００は、ｆ−Ｖ変換部３０２と、電圧制限器３０４と、電気角演算器３０６と、正弦波データテーブル３０８と、三相正弦波電圧算出部３１０と、ローパスフィルタ３１２と、ＰＷＭ作成部３１４と、メモリ３１８とを備える。制御装置３００は、たとえばマイクロコンピュータとして実現される。この場合、マイクロコンピュータは、制御装置３００を構成する各部の処理を実行するためのプログラムを実行することにより、制御装置３００として機能する。
【００３０】
ある局面において、メモリ３１８は、交流モータ３６０の駆動対象（たとえば圧縮機）の周波数のうち、インバータ３５０に対する直流電源が脈動しやすい周波数として予め設定された周波数を格納している。電圧制限器３０４は、当該駆動対象に対する指令として与えられる周波数が予め設定された周波数の近傍であって、かつ、インバータ３５０の変調率が出力限界の近傍である場合に、インバータ３５０の制御に使用する電圧指令値を、当該指令として与えられる周波数に基づいて算出される電圧指令値よりも小さな値に補正する。ここで、予め設定された周波数の近傍とは、たとえば、当該周波数の値を含む一定範囲の値であって、たとえば、当該周波数の前後数パーセントのように規定される。また、出力限界の近傍とは、たとえば、上限値そのものに限られず、上限値よりも数パーセント小さな値として規定される。
【００３１】
他の局面において、電圧制限器３０４は、当該直流電流の変動を吸収するために駆動対象に応じて予め定められた電圧指令値を算出するように構成されている。他の局面において、電圧制限器３０４は、直流平滑回路３３２が含むコンデンサ（図示しない）の容量に応じて、当該変調率の補正量を変化するように構成されてもよい。他の局面において、電圧制限器３０４は、リアクトル３３４の容量に応じて、当該変調率の補正量を調整するように構成されてもよい。
【００３２】
より詳しくは、交流電源３２０は、たとえば、家屋に敷設された電灯線に設けられたコンセントから供給される。コンバータ回路３３０は、交流電源３２０からの交流を直流に変換して、インバータ３５０に供給する。ＤＣ電圧検出部３４０は、コンバータ回路３３０から出力される電流の電圧値を検出する。たとえば、ＤＣ電圧検出部３４０は、ＰＷＭ制御の周期毎にマイクロコンピュータのＡ／Ｄ機能などに基づき、ＤＣ電圧値Ｖｄｃを検出する。インバータ３５０は、直流を交流に変換する。
【００３３】
正弦波データテーブル３０８は、予め準備された１つ以上の正弦波データを格納している。正弦波テーブル３０８は、たとえば、制御装置３００を実現するマイクロコンピュータが備える不揮発メモリとして実現される。なお、他の局面において、正弦波テーブル３０８に正弦波データを予め保持する態様に代えて、正弦波データが演算によって算出されてもよい。
【００３４】
周波数指令値ω＊が制御装置３００に入力されると、ｆ−V変換部３０２は、周波数に比例した電圧実効値の指令値Ｖ＊を算出する。電気角演算部３０６は、周波数指令値ω＊を積分して電気角θを算出する。
【００３５】
ローパスフィルタ３１２は、ＤＣ電圧検出部３４０によって検出された電圧値に基づいて、上記ビート現象の影響を受けないように、高周波数帯をカットしたＤＣ電圧値（Ｖdc_lowpass）を算出する。ローパスフィルタ３１２の出力は、電圧制限器３０４に入力される。
【００３６】
周波数指令値ω＊は、電圧制限器３０４にも入力される。電圧制限器３０４は、以下の計算式を用いて変調率Ｍrateを算出する。
【００３７】
【数１】
2010288370.tif 000003
【００３８】
変調率Ｍrateが、予め設定された閾値Ｍrate_th（本実施の形態の一例として、仮に、９０％、つまり変調率の補正量を１０％とする）以上で、かつ、ＤＣ電源が脈動しやすい周波数として予め設定されて記憶されている周波数ｆｂ（値ｆｂに限られず、ある程度の周波数の範囲があってもよい。）である場合、電圧制限器３０４は、ｆ−Ｖ変換部３０２によって導出された指令値Ｖ＊を、以下の式を用いて補正する。
【００３９】
【数２】
2010288370.tif 000004
【００４０】
電圧制限器３０４が補正した電圧実効値補正値Ｖ＊は、三相正弦波電圧算出部３１０に入力される。三相正弦波電圧算出部３１０は、ＰＷＭ周期毎に、電圧制限器３０４によって補正された電圧実効値指令値Ｖ＊と、正弦波テーブルデータ３０８に保持されている正弦波データと、電気角演算器３０６によって算出された電気角θとを用いて、以下の式により、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ＊を算出する。
【００４１】
【数３】
2010288370.tif 000005
【００４２】
三相正弦波電圧算出部３１０の算出結果は、ＰＷＭ作成部３１４に入力される。ＰＷＭ作成部３１４は、各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ、Ｖｗ、およびＤＣ電圧値Ｖｄｃに基づいて、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相のＯＮパルス幅OnDutyU，OnDutyV，OnDutyWを次式を用いて算出する。
【００４３】
【数４】
2010288370.tif 000006
【００４４】
算出された各値は、インバータ３５０に対してＰＷＭ信号として入力される。インバータ３５０は、各信号に基づいて、交流モータ３６０を駆動する。
【００４５】
図４は、本実施の形態の変形例に係る制御装置４００を表わす図である。本変形例に係る制御装置４００は、駆動対象に対する指令として与えられる周波数が、予め設定された周波数に近づくにつれて、変調率が既定値に収束するように当該補正量を調整するスムージング機能を有する点で異なる。
【００４６】
すなわち、本変形例に係る制御装置４００において、電圧制限器３０４は、スムージング回路４１０を含む。スムージング回路４１０は、駆動対象に対する指令として与えられる周波数ω＊が、当該予め設定された周波数に近づくにつれて、変調率が既定値に収束するように補正量を調整する。たとえば、収束の態様は、一定の変化率に従って変調率が変化するようにマップ情報としてメモリ３１８に予め格納されている。また、既定値も、メモリ３１８に予め格納されている。なお、他の局面において、マップ情報に代えて、電圧制限器３０４が、収束のために予め準備された関数を用いて演算してもよい。本変形例に係る構成によると、補正値の調整がスムーズに行なわれるため、相電流の脈動の防止をスムーズに実現することができる。
【００４７】
以上のようにして、本発明の実施の形態に係る制御装置３００、あるいは変形例に係る制御装置４００によると、ＤＣ電圧のリップルによる相電流脈動（ビート現象）に関し、経験的に起こりやすい周波数が予めメモリ３１８に格納されている。そして、電圧制限器３０４は、メモリ３１８に格納されている周波数を参照しつつ、ＤＣ電圧のリップルの影響を吸収しにくい過変調領域にかぎり、その周波数付近では、指令電圧値を故意に下げるように補正する。このようにすると、高価な電流センサを使うことなく相電流の脈動を防ぐことができる。その結果、コストの増加を抑制しつつ又制御を複雑にすることなく、さらには、低電圧の出力による効率の低下を最小限に抑制しつつ、交流モータ３６０の駆動を制御することができる。
【００４８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４９】
３００  制御装置、３０２  ｆ−Ｖ変換部、３０４  電圧制限器、３０６  電気角演算器、３０８  正弦波データテーブル、３１０  三相正弦波電圧算出部、３１２  ローパスフィルタ、３１４  ＰＷＭ作成部、３１８  メモリ、３２０  交流電源、３３０  コンバータ回路、３３２  直流平滑回路、３３４  リアクトル、３４０  ＤＣ電圧検出部、３５０  インバータ、３６０  交流モータ、４００  制御装置、４１０  スムージング回路。
【図１】
2010288370.tif 000007
【図２】
2010288370.tif 000008
【図３】
2010288370.tif 000009
【図４】
2010288370.tif 000010