(57)【要約】【課題】電圧パターンを切り替えるタイミングの理想からのズレによって生じる電流のアンバランスを補正するモータインバータ制御装置を提供する。【解決手段】パターン決定部１３は、電気角判断部１１が判断した電気角に応じて、三角波出力部１２が出力する三角波信号により決定されるタイミングで電圧パターンの切り替えを行う。モードカウント部１４は、その電圧パターンを切り替える時間間隔、つまり各モードとして扱っていた時間を計時する。その計時した時間をパターン決定部１３による電圧パターンの切り替えに反映させることにより、電圧パターンの切り替えを理想通りに行えないことで生じる電流のアンバランスを補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相別にスイッチング素子を備えたインバータを介してモータを駆動制御するモータインバータ制御装置において、
前記モータの回転子が１回転する間を複数のモードに分割し、前記インバータの前記スイッチング素子を矩形波の駆動信号で駆動制御するための電圧パターンを前記モード別に用いて前記駆動信号を前記相別に出力する矩形波制御手段と、
前記矩形波制御手段が前記電圧パターンを切り替える時間間隔を計時することにより、前記モード毎に実際に駆動信号が出力された時間を特定する計時手段と、
前記計時手段により特定された前記モード毎の時間と、理想のモード時間との時間差を基に、前記矩形波制御手段による前記電圧パターンの切り替えを制御する切替制御手段と、
を具備することを特徴とするモータインバータ制御装置。
【請求項２】
前記切替制御手段は、前記時間差に応じて、前記モータの回転子を次に１回転させる間に同一のモードの時間を増減させる形で前記矩形波制御手段による前記電圧パターンの切り替えを制御する、
ことを特徴とする請求項１記載のモータインバータ制御装置。
【請求項３】
前記切替制御手段は、前記モード毎に、前記計時手段により特定された時間と理想の時間との間の時間差を算出し、該算出した時間差に応じて、前記モータの回転子を次に１回転させる間に前記時間差が算出されたモードにより決定される他のモードの時間を増減させる形で前記矩形波制御手段による前記電圧パターンの切り替えを制御する、
ことを特徴とする請求項１記載のモータインバータ制御装置。
【請求項４】
相別にスイッチング素子を備えたインバータを介してモータを駆動制御するための方法において、
前記モータの回転子が１回転する間を複数のモードに分割し、前記回転子の回転位置により前記インバータの前記スイッチング素子を矩形波の駆動信号で駆動制御するための電圧パターンを切り替える時間間隔を計時して、前記モード毎に実際に駆動信号が出力された時間を特定し、
前記モード毎に特定した時間と理想のモード時間との時間差を前記電圧パターンの切り替えに反映させて、前記モータの各相に流れる電流のアンバランスを補正する、
ことを特徴とするモータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相別にスイッチング素子を備えたインバータを介してモータを駆動制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
３相モータの駆動には普通インバータが用いられる。そのインバータは通常、相別に２個のスイッチング素子（合計６個）を備えた構成である。それにより、６個のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ駆動して、３相の駆動電圧を制御し、モータに回転磁界を生成するようになっている。モータインバータ制御装置は、そのようなインバータを介してモータを駆動制御するものである。
【０００３】
モータに印加する電圧を最大限に利用する方法として、スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ駆動するための駆動電圧（駆動信号）を図５に示すような矩形波で印加する方法がある。その図５は、Ｕ、Ｖ及びＷ相の電気角１周期（３６０度）分の電圧パターンの時間変化を示すタイミングチャートである。横軸は電気角、縦軸は電圧をそれぞれ表している。スイッチング素子への駆動電圧は、この電圧パターンから生成されるものであり、駆動電圧を矩形波で印加する場合、その電圧レベルの変化は電圧パターンと同じか、或いはその反対となる。その駆動電圧を変化させることはモータへの指令電圧の切り替えに相当する。
【０００４】
その電圧パターンは、例えば、電気角１周期を６分割して得られる単位（電気角６０度分に相当）であるモードで管理される。そのように管理する場合、電気角１周期分は６つ、つまりモード０〜５の電圧パターンの組み合わせとなる。そのため、電圧パターンは、モータの回転子の回転位置が１モード分変化する度に切り替えられる。それにより図５に示す各相の電圧パターンでは、Ｗ相を例にとれば、その電圧パターンはモード０からＨ→Ｌ→Ｌ→Ｌ→Ｈ→Ｈの順に変化することを示している。図３では、このモードで管理することを想定して、横軸に０〜５の数字で示すモード番号を表記している。
【０００５】
電圧パターンを切り替える方法としては、キャリア同期方法がある。そのキャリア同期方法は、例えば図６に示すような三角波信号（キャリア信号）の予め定めた点でのみ、電圧パターンの切り替えを行うものである。その点とは、例えば三角波信号の信号レベルが極小値となる点である谷、及び／或いは、その信号レベルが極大値となる点である山である。そのような点は、三角波信号の周波数が可変であっても、予め決定された時間間隔で到来する。図６において、横軸は時間、縦軸は電圧をそれぞれ表している。
【０００６】
キャリア同期方法を採用した場合、電圧パターン（指令電圧）は三角波信号（キャリア信号）によって決定される時間間隔（分解能）でしか切り替えることはできない。そのように切り替え可能なタイミングが制限されるため、例えば図７に示すように、電圧パターンを切り替えるべき理想のタイミングと実際に切り替えるタイミングとの間にズレが各相で発生する可能性がある。その図７では、横軸に電気角、縦軸に電圧をそれぞれ取っている。
【０００７】
上記タイミングのズレは、モータの各相に流れる電流量のバランスを崩す。例えば図８（ａ）に示すように、Ｕ、Ｖ及びＷの各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗが変化するようになり、図８（ｂ）に示すように、Ｕ、Ｖ及びＷの各相の中性点の電圧（図８（ｂ）中それぞれ「Ｖｕ＿中性点」「Ｖｖ＿中性点」「Ｖｗ＿中性点」と表記）が変化するようになる。
【０００８】
図８に示すように各相に流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗがアンバランスになると、トルク脈動が発生する。そのアンバランスを発生させる、電圧パターンを切り替えるタイミングの理想からのズレは、電圧パターンを切替可能なタイミングが制限されているために、モータの回転子が１回転するのに要する時間が、三角波信号により決定される時間間隔（周期）の整数倍の時間に一致していなければ生じる。このため、電圧パターンを切り替えるタイミングが理想のタイミングからズレることにより生じるアンバランスを補正することが重要と考えられる。
【特許文献１】特開２００６−１１５６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、電圧パターンを切り替えるタイミングの理想からのズレによって生じる電流のアンバランスを補正するモータインバータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のモータインバータ制御装置は、相別にスイッチング素子を備えたインバータを介してモータを駆動制御することを前提とし、モータの回転子が１回転する間を複数のモードに分割し、インバータのスイッチング素子を矩形波の駆動信号で駆動制御するための電圧パターンをモード別に用いて駆動信号を相別に出力する矩形波制御手段と、矩形波制御手段が電圧パターンを切り替える時間間隔を計時することにより、モード毎に実際に駆動信号が出力された時間を特定する計時手段と、計時手段により特定されたモード毎の時間と、理想のモード時間との時間差を基に、矩形波制御手段による電圧パターンの切り替えを制御する切替制御手段と、を具備する。
【００１１】
なお、上記切替制御手段は、計時手段により特定されたモード毎の時間と、理想のモード時間との時間差に応じて、モータの回転子を次に１回転させる間に同一のモードの時間を増減させる形で矩形波制御手段による電圧パターンの切り替えを制御する、ことが望ましい。或いは、切替制御手段は、モード毎に、計時手段により特定された時間と理想の時間との間の時間差を算出し、該算出した時間差に応じて、モータの回転子を次に１回転させる間に時間差が算出されたモードにより決定される他のモードの時間を増減させる形で矩形波制御手段による電圧パターンの切り替えを制御する、ことが望ましい。
【００１２】
本発明では、電圧パターンを切り替える時間間隔を計時することにより、モード毎に実際に駆動信号が出力された時間を特定し、その特定した時間を、電圧パターンの切り替えに反映させる。その反映により、電圧パターンの切り替えを理想のタイミングで行えなかったことによるモータを流れる各相の電流のアンバランスを相殺させるように、電圧パターンの切り替えを行わせる。このため、電流のアンバランスを補正することができる。
【００１３】
本発明のモータ制御方法は、相別にスイッチング素子を備えたインバータを介してモータを駆動制御するための方法であって、モータの回転子が１回転する間を複数のモードに分割し、回転子の回転位置によりインバータのスイッチング素子を矩形波の駆動信号で駆動制御するための電圧パターンを切り替える時間間隔を計時して、モード毎に実際に駆動信号が出力された時間を特定し、モード毎に特定した時間と理想のモード時間との時間差を電圧パターンの切り替えに反映させて、モータの各相に流れる電流のアンバランスを補正する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電圧パターンを切り替えるタイミングの理想からのズレによって生じる電流のアンバランスを補正することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態によるモータインバータ制御装置の構成を示す図である。そのモータインバータ制御装置（以降「制御装置」と略記）１は、インバータ３を介してモータ２を駆動するものである。その制御装置１は、例えばプログラムを格納したＲＯＭを内蔵、或いはそのプログラムを格納した記憶装置と接続したＣＰＵであり、そのプログラムをＣＰＵが実行することで制御装置１として機能（動作）する。その制御装置１は、複数の装置により実現させても良い。
【００１６】
上記インバータ３は、相毎に２個のスイッチング素子３１を備えている。相毎の２個のスイッチング素子３１は直列に接続され、直流電源５から電圧が印加される構成となっている。そのスイッチング素子３１としては、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを採用している。
【００１７】
制御装置１は、電気角判断部１１と、三角波出力部１２と、パターン決定部１３と、モードカウント部１４と、駆動信号生成部１５と、を備えている。各部１１〜１５は何れも、プログラムを実行することで実現される。電気角判断部１１や三角波出力部１２は、ハードウェアのみで実現させることもできる。
【００１８】
電気角判断部１１は、例えばモータ２に搭載された不図示のレゾルバ、或いはエンコーダ等の回転子の位置を電気角で特定可能な位置センサの出力信号を処理し、その回転子の回転位置として電気角を判断する。三角波出力部１２は、例えば周期が固定の三角波信号（キャリア信号）を生成しパターン決定部１３に出力する。パターン決定部１３は、その三角波信号の予め定めた点、例えば三角波信号の信号レベルが極小値となる点である谷、及び／或いは、その信号レベルが極大値となる点である山の到来を契機として、電気角判断部１１が判断した電気角からＵ、Ｖ及びＷの各相の電圧パターンの切り替えを行うべきか否か判定し、その判定結果に応じて切り替えを行う。
【００１９】
パターン決定部１３は、電圧パターンの切り替えを行った場合、その旨をモードカウント部１４に通知する。それによりモードカウント部１４は、電圧パターンが切り替えられる時間間隔を計時することにより、モード別に、その電圧パターンにより生成された駆動信号が実際に出力されていた時間を特定する。特定した時間を示す時間情報はパターン決定部１３に出力され、電圧パターンの切り替えに反映される。時間の計時は、予め定めた単位時間を基準にして行われる。
【００２０】
駆動信号生成部１５は、パターン決定部１３から駆動信号の生成に用いる電圧パターンを入力して、その駆動信号を生成しインバータ３に出力する。そのインバータ３が相毎に２個備えるスイッチング素子３１は同じ種類となっている。このため駆動信号は、相毎に２つ、対応する電圧パターンから生成する。一方は電圧パターンと同じ位相のものであり、他方はその電圧パターンとは位相が逆、つまり反転されたものである。それにより、駆動信号生成部１５は計６つの駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を生成して出力する。
【００２１】
三角波（キャリア）信号により決定されるタイミングで電圧パターンの切り替えを行う場合、その切り替えを行うべき理想のタイミングで電圧パターンを切り替えられるとは限らない。電圧パターンを実際に切り替えたタイミングが理想からズレることにより、各相における電流のアンバランスが生じる。このため、パターン決定部１３は、電圧パターンを切り替えるタイミング、つまり電圧パターンが割り当てられたモードの時間を変化させることにより、そのアンバランスを補正（抑制）する。電圧パターンの切り替えによる補正方法について、図２を参照して具体的に説明する。その図２は、電圧パターンを実際に切り替えたタイミングの理想からのズレによるアンバランスの補正方法を説明する図である。
【００２２】
図２（ａ）は、モード０〜５で理想とするモード時間（ここで請求項の“モード時間”を使用しておきたいと思います）を３周期分、示している。一番上の行に表記の「０」〜「５」はモードの種類を表している。１周期は、モータ２の回転子の１回転に相当する。表記された「２０」は、基準とする単位時間で表現した時間を示している。それにより、理想では各モードは２０単位時間であることを図２（ａ）は示している。その時間は周期によって変化していないのは、理解を容易とするために、モータ２が定速回転している状態を前提としているためである。
【００２３】
図２（ｂ）は、１モードのみ、その時間が理想のモード時間とは異なったアンバランスが発生した場合の各モードの時間を示している。そのアンバランスが発生したのは１周期目のモード０であり、その時間は２５単位時間となっている。
【００２４】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示すアンバランスが発生した場合に行われる第１の補正方法を示している。この第１の補正方法では、1周期目にモード０の時間が理想のモード時間から５単位時間長かったことから、次の２周期目に、モード０をその５単位時間分、理想のモード時間から短くさせている。それにより、２周期で見た場合に、モード０の平均された時間が理想のモード時間となるように電圧パターンの切り替えタイミングを制御し、モード０の時間が長くなって各相の電流が増減（ここでは増大）した分、次の周期でその増減分を相殺（ここでは減少）させて、全体のバランスをより良好にさせている。モード１〜５では、２周期目におけるモード０の理想のモード時間からの差を吸収するために、その差を各モード１〜５に均等に割り振る形で時間を増減させている。そのような増減により、各周期の全体の時間が理想の時間となるようにさせている。
【００２５】
図２（ｄ）は、図２（ｂ）に示すアンバランスが発生した場合に行われる第２の補正方法を示している。この第２の補正方法では、１周期目にモード０の時間が理想のモード時間から５単位時間長かったことから、次の２周期目に、モード３をその５単位時間分、理想のモード時間から長くさせている。時間を調整するモードがモード３なのは、モード３はモード０から電気角で１８０度、異なっているからである。それにより、モード０の時間が長くなって各相の電流が増減（ここでは増大）した分、モード３でその増減分を相殺（ここでは増大）させて、全体のバランスをより良好にさせている。第１の補正方法と同様に、モード３以外のモードでは、２周期目におけるモード３の理想のモード時間からの差を吸収するために、その差をモード３以外の各モードに均等に割り振る形で時間を増減させている。
【００２６】
図３は、理想、１モードアンバランス、第１の補正方法適用時、第２の補正方法適用時の２周期の各相の電流バランスを示すグラフである。Ｕ、Ｖ及びＷの各相の電流はＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗと表記している。
【００２７】
その電流バランスは、２周期分の電流を積分して得られた値のことである。このため、理想では各相共にその値は０となる。１モードにアンバランスが発生すると、電流バランスは０とはならない。しかし、第１及び第２の補正方法を適用すると、その電流バランスは理想に近づくことが判る。このことから、モードの時間を調整することは、各相の電流バランスをより良好にするうえで極めて有効である。
【００２８】
図４は、時間計時処理のフローチャートである。その計時処理は、制御装置１が上記プログラムを実行することで実現される処理であり、基準となる単位時間毎に実行される。モードカウント部１４は、その計時処理を実行することにより実現される。
【００２９】
図４に表記の「バッファ０」〜「バッファ５」は、モードの時間を計時するための変数、或いはその変数の保存用に確保した領域である。ここでは変数との想定で説明を行う。
先ず、ステップＳ１では、電気角判断部１１により判断された電気角からモード判定を行う。その判定によりモータ２の回転子が存在するモードを特定し、その特定結果に応じてステップＳ２、Ｓ４〜Ｓ８の何れかの処理に移行する。
【００３０】
モード０と判定した場合、ステップＳ２に移行する。そのステップＳ２では、例えばバッファ０〜５の各値から理想とする時間を示す値を減算して、モード毎にアンバランス分に相当する時間差を示す値を算出し、算出した値から次の周期で適切とする時間を示す値（以降「補正値」と呼ぶ）を算出してメモリに保存した後、バッファ０〜５をクリアする。その後はステップＳ３でバッファ０の値をインクリメントしてからステップＳ９に移行する。
【００３１】
上記ステップＳ２は、ステップＳ１で初めにモード０と判定した場合、つまり判定がモード５からモード０に変化した場合にのみ移行する。それにより、その後にステップＳ１でモード０と判定した場合には、ステップＳ３に移行するようになっている。
【００３２】
ステップＳ１で判定されたモードがモード１〜５の何れかであった場合、そのモードに応じてステップＳ４〜Ｓ８の何れかに移行して、そのモードに対応するバッファの値のインクリメントを行い、その後にステップＳ９に移行する。それにより、各モードの時間の計時が行われる。
【００３３】
本実施形態では、上述したように、或る周期（１周期目）で発生したアンバランスは次の周期（２周期目）で補正するようにしている。それにより、２周期を単位として補正を行うようにしている。ステップＳ９以降は、２周期目の場合にのみ実行される。
【００３４】
ステップＳ９では、現モード、つまりステップＳ１で判定したモードで設定済みの補正値と、そのモードに対応するバッファの値（カウント値）との関係を判定する。その関係として、カウント値≧補正値が満たされていた場合、その旨が判定されてステップＳ１０に移行し、モード切り替えを行うための設定を行った後、この時間計時処理を終了する。一方、その関係が満たされていない場合には、つまりカウント値＜補正値の関係が満たされていた場合には、その旨が判定されてステップＳ１１に移行し、今のモードを維持させるための設定を行った後、この時間計時処理を終了する。
【００３５】
上記ステップＳ１０及びＳ１１での設定は、パターン決定部１３に渡され、電圧パターンの決定、つまり電圧パターンの切り替えに反映される。それにより、２周期目では、電気角ではなく、各モードで計時した時間と設定された補正値とに着目して電圧パターンの切り替えを行う。この結果、図２に示すような第１或いは第２の補正方法が適用されることとなる。
【００３６】
なお、モードの理想の時間は、モータ２の回転速度が変化している場合、変化する。その変化には、例えば理想の時間とアンバランス分の時間との割合を考慮して補正値を設定することで適切に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態によるモータインバータ制御装置の構成を示す図である。
【図２】電圧パターンを実際に切り替えたタイミングの理想からのズレによるアンバランスの補正方法を説明する図である。
【図３】理想、１モードアンバランス、第１の補正方法適用時、第２の補正方法適用時の２周期の各相の電流バランスを示すグラフである。
【図４】時間計時処理のフローチャートである。
【図５】Ｕ、Ｖ及びＷ相の電気角１周期（３６０度）分の電圧パターンの時間変化を示すタイミングチャートである。
【図６】電圧パターンの切り替え可能なタイミングを制限する三角波（キャリア）信号を説明する図である。
【図７】電圧パターンの切り替え可能なタイミングが制限されることで各相で生じる、電圧パターンを切り替えるべき理想のタイミングと実際に切り替えたタイミングのズレを説明する図である。
【図８】電圧パターンを切り替えるべきタイミングと実際に切り替えたタイミングのズレによって生じる不具合を説明する図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    制御回路
２    モータ
３    インバータ
５    直流電源
１１    電気角判断部
１２    三角波出力部
１３    パターン決定部
１４    モードカウント部
１５    駆動信号生成部
３１    スイッチング素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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