(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭ制御される三相インバータの各相の下アーム側にて下アーム素子と直列接続される電流検出抵抗素子の電圧降下に基づいて各相の電流値を検出する三相インバータの電流検出装置において、
所定相の前記電流値として、前記所定相の前記電流検出抵抗素子の電圧降下の値からなる第一電流値と、残る二相の前記電流検出抵抗素子の電圧降下の和の符号を反転した値である第二電流値とを所定の条件で切り替えて用いる電流値決定部を有し、
前記電流値決定部は、
前記下アーム素子のデューティ比が３０％未満の小値以上である相の前記前記電流値として前記第一電流値を採用し、前記下アーム素子のデューティ比が３０％未満の小値未満である相の前記電流値として前記第二電流値を採用することを特徴とする三相インバータの電流検出装置。
【請求項２】
前記電流値決定部は、
各ＰＷＭ周期のうち、すべての前記下アーム素子がターンオンする位相期間Ｔ１が所定時間以上の長さをもつ場合に各相の前記電流値として前記第一電流値を採用し、
すべての前記下アーム素子がターンオンする位相期間Ｔ１が前記所定時間未満の長さをもつ場合に前記下アーム素子のターンオン時間がもっとも短い相の電流値として前記第二電流値を採用することを特徴とする請求項１記載の三相インバータの電流検出装置。
【請求項３】
前記電流値決定部は、
各ＰＷＭ周期のうち、
すべての前記下アーム素子がターンオンする位相期間Ｔ１が所定時間以上の長さをもつ場合に各相の電流値として前記位相期間Ｔ１にサンプルホールドした前記第一電流値を採用し、
すべての前記下アーム素子がターンオンする位相期間Ｔ１が前記所定時間未満の長さをもつ場合に前記位相期間T1がもっとも短い相の電流値として前記位相期間Ｔ１にサンプルホールドした前記第二電流値を採用することを特徴とする請求項２記載の三相インバータの電流検出装置。
【請求項４】
前記電流値決定部は、
各ＰＷＭ周期のうち、
所定の一相の前記上アーム素子と残る二相の前記下アーム素子がターンオンする位相期間Ｔ２に前記所定の一相の前記電流値として前記第二電流値を採用することを特徴とする請求項１記載の三相インバータの電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三相インバータの電流検出方式に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
たとえば三相ブラシレスモータを駆動制御する三相インバータの電流検出装置として、ＰＷＭ制御される三相インバータの各相の下アーム素子と低位直流電源線との間にそれぞれ介設される電流検出抵抗素子の電圧降下に基づいて各相の電流値を検出する抵抗素子電圧降下検出方式が構成が簡単で低コストの方式として知られている。
【０００３】
しかし、この抵抗素子電圧降下検出方式は、この抵抗素子と直列接続される下アーム素子のデューティ比が３０％未満といった小値、すなわち上アーム素子のデューティ比が７０％以上といった大値となると、下アーム素子に印加されるゲート電圧波形の鈍りなどにより下アーム素子が十分にターンオンできなくなる場合があり、この相の正確な電流検出が困難となってしまうという欠点があり、通常は高価なホール素子が使用されていた。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、電流検出精度を従来より格段に改善可能な抵抗素子電圧降下型の三相インバータの電流検出方式を提供することをその目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の三相インバータの電流検出装置は、ＰＷＭ制御される三相インバータの各相の下アーム側にて下アーム素子と直列接続される電流検出抵抗素子の電圧降下に基づいて各相の電流値を検出する三相インバータの電流検出装置において、
所定相の前記電流値として、前記所定相の前記電流検出抵抗素子の電圧降下の値からなる第一電流値と、残る二相の前記電流検出抵抗素子の電圧降下の和の符号を反転した値である第二電流値とを所定の条件で切り替えて用いる電流値決定部を有し、前記電流値決定部は、前記下アーム素子のデューティ比が３０％未満の小値以上である相の前記前記電流値として前記第一電流値を採用し、前記下アーム素子のデューティ比が３０％未満の小値であることを特徴としている。すなわち、本発明によれば、所定条件たとえば電流検出抵抗素子を流れる電流値の減少による電流検出精度低下の弊害を上記第二電流値を用いて解決するので、全体として高精度の電流検出精度を得ることができる。
【０００７】
また、この発明によれば、下アーム素子のデューティ比が所定値未満であり、下アーム側の電流値を正確に検出できない場合でも第二電流値を用いるので電流検出精度を大幅に向上することができる。
【０００８】
好適な態様において、前記電流値決定部は、各ＰＷＭ周期のうち、すべての前記下アーム素子がターンオンする位相期間Ｔ１が所定時間以上の長さをもつ場合に各相の前記電流値として前記第一電流値を採用し、すべての前記下アーム素子がターンオンする位相期間Ｔ１が前記所定時間未満の長さをもつ場合に前記下アーム素子のターンオン時間がもっとも短い相の電流値として前記第二電流値を採用することを特徴としている。
【０００９】
この構成によれば、位相期間Ｔ１が所定時間未満の長さをもつため下アーム側の電流値を正確に検出できない場合でも第二電流値を用いるので電流検出精度を大幅に向上することができる。
【００１０】
好適な態様において、前記電流値決定部は、各ＰＷＭ周期のうち、すべての前記下アーム素子がターンオンする位相期間Ｔ１が所定時間以上の長さをもつ場合に各相の電流値として前記位相期間Ｔ１にサンプルホールドした前記第一電流値を採用し、すべての前記下アーム素子がターンオンする位相期間Ｔ１が前記所定時間未満の長さをもつ場合に前記位相期間T1がもっとも短い相の電流値として前記位相期間Ｔ１にサンプルホールドした前記第二電流値を採用することを特徴としてる。
【００１１】
この構成によれば、位相期間Ｔ１が所定時間未満の長さをもつため下アーム側の電流値を正確に検出できない場合でも第二電流値を用いるので電流検出精度を大幅に向上することができる。
【００１２】
好適な態様において、前記電流値決定部は、各ＰＷＭ周期のうち、所定の一相の前記上アーム素子と残る二相の前記下アーム素子がターンオンする位相期間Ｔ２に前記所定の一相の前記電流値として前記第二電流値を採用することを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、位相期間Ｔ２に下アーム素子がターンオフしている相の電流値を正確に検出することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
三相ブラシレスモータの駆動制御に用いる本発明の三相インバータの電流検出装置の好適な態様を以下の実施例により詳細に説明する。
【００１５】
【実施例１】
この実施例の三相モータ装置を図１に示す。
【００１６】
１は三相ブラシレスモータ、２は三相インバータ、３はコントローラ（モータ制御部、電流検出部）である。三相ブラシレスモータ１は、U相巻線１１、V相巻線１２、W相巻線１３を有している。三相インバータ２は、MOSパワートランジスタで構成されたU相上アーム素子２１、U相下アーム素子２２、V相上アーム素子２３、V相下アーム素子２４、W相上アーム素子２５、W相下アーム素子２６と、各素子２１〜２６と個別に逆並列されたフライホイルダイオードDと、電流検出抵抗素子２７〜２９とにより構成されている。電流検出抵抗素子２７はU相下アーム素子２２と低位直流電源線LLとの間に介設され、電流検出抵抗素子２８はV相下アーム素子２４と低位直流電源線LLとの間に介設され、電流検出抵抗素子２９はW相下アーム素子２６と低位直流電源線LLとの間に介設されている。低位直流電源線LLと高位直流電源線LHとの間には図示しない平滑回路を通じてバッテリ電圧が印加され、三相インバータ２から出力される三相交流出力電圧は三相ブラシレスモータ１の各相巻線の各一端に個別に印加されている。コントローラ３は、三相ブラシレスモータ１に装備された回転角センサから入力される回転角信号と、電流検出抵抗素子２７〜２９から入力される三つの相電流と、外部から入力されるトルク指令信号とに基づいて三相インバータ２の各素子２１〜２６をスイッチング制御する。この実施例では説明を簡単にするために、コントローラ３が、デジタル信号に変換された電流検出抵抗素子２７〜２９の電圧降下を処理するマイクロコンピュータ（図示説明は省略する）を内蔵すものとするが、デジタル回路構成などにより構成してもよいことはもちろんである。上記説明した三相モータ装置の各構成およびその種々の制御方式自体はもはや周知であるので、さらなる詳細説明は省略する。
【００１７】
次に、この実施例の特徴をなす相電流検出方式を以下に説明する。
【００１８】
PWM制御される各素子２１〜２６の１つのPWM周期ΔTにおけるゲート電圧Ｖ１〜Ｖ６の波形（１周期波形）の一例を図2に示す。コントローラ３はたとえば２０ｋHｚのキャリヤ周波数でＰＷＭ制御を行っており、上アーム素子２１、２３、２５の１００％のデューティ比（下アーム素子２２、２４、２６の０％のデューティ比）は、そのゲート電圧の正の最大値を、上アーム素子および下アーム素子の５０％デューティ比はそのゲート電圧の０Vを、上アーム素子２１、２３、２５の０％のデューティ比（下アーム素子２２、２４、２６の１００％）のデューティ比に相当している。図２に示すように、各デューティ比は、各ＰＷＭ周期ΔＴの中央点から時間軸方向前後に均等に広がる形で制御されるものとする。なお、この実施例では、２０ｋHｚのキャリヤ周波数でＰＷＭ制御を行っているので、各ＰＷＭ周期ΔＴは、５０マイクロ秒に設定されている。
【００１９】
ゲート電圧Ｖ１はU相上アーム素子２１のゲート電圧波形を、ゲート電圧Ｖ２はU相下アーム素子２２のゲート電圧波形を、ゲート電圧V３はV相上アーム素子２３のゲート電圧波形を、ゲート電圧Ｖ４はV相下アーム素子２４のゲート電圧波形を、ゲート電圧Ｖ５はW相上アーム素子２５のゲート電圧波形を、ゲート電圧Ｖ６はW相下アーム素子２６のゲート電圧波形を示す。
【００２０】
一つのＰＷＭ周期ΔＴは、図２に示すように、７つの周期に区分されている。T１、T７は、すべての上アーム素子がオフ、すべての下アーム素子がオンしている位相期間を示す。T２、T６は、U相上アーム素子２１、V相下アーム素子２４、W相下アーム素子２６がオンし、U相下アーム素子２２、V相上アーム素子２３、W相上アーム素子２５がオフしている位相期間を示す。T３、T５は、U相上アーム素子２１、V相上アーム素子２３、W相下アーム素子２６がオンし、U相下アーム素子２２、V相下アーム素子２４、W相上アーム素子２５がオフしている位相期間を示す。T４は、すべての上アーム素子がオンし、すべての下アーム素子がオフする位相期間を示す。
【００２１】
なお、位相期間T２、T６においてオンする二つの下アーム素子の組み合わせは電気角度の変化につれて順次変化し、位相期間T３、T５においてオンする二つの上アーム素子の組み合わせも電気角度の変化につれて順次変化することは、もちろんである。
【００２２】
コントローラ３は、各位相期間よりも短いサンプリング周期で所定タイミングで電流検出抵抗素子２７、２８、２９の電圧降下をサンプルホールドし、A／D変換して各相のデジタル相電流データとする。T１、T７における電流の流れを図３に、T２、T６における電流の流れを図４に示す。サンプルホールドした各デジタル相電流データの処理を図５のフローチャートを参照して以下に説明する。
【００２３】
まず、電流検出抵抗素子２７、２８、２９の電圧降下を上記デジタル相電流データとして上記所定タイミングで読み込む（S１００）。次に、読み込んだデジタル相電流データのうち下アーム素子がオンしている相の上記デジタル相電流データをこの相のデジタル相電流データ（第一電流値）として仮決定する（Ｓ１０２）。
【００２４】
次に、下アーム素子の一つがオフしているかどうか（Ｓ１０４）、さらにオンしている下アーム素子のデューティ比が所定値以下かどうかを調べ（Ｓ１０６）、下アーム素子の一つがオフしているか、又は、さらにオンしている下アーム素子のデューティ比が所定値以下である場合に、該当相のデジタル相電流データとして残る２つの相のデジタル相電流データの和の逆符号値（第二電流値）をこの該当相のデジタル相電流データを算出して第二電流値とし、この第二電流値をこの該当相のデジタル相電流データとして書き換えて（Ｓ１０８）、ステップS１００に戻る。なお。ここで言う該当相とは、下アーム素子がオフしている相、又は、下アーム素子のデューティ比が所定値以下である相を指定するものとする。よく知られているように、三つの相電流の合計は０であるので、上記第二電流値を精度よく検出することができる。
【００２５】
このようにすれば、下アーム側に配置されるため検出できない下アーム素子が一つだけオフしている位相期間、および、下アーム素子がオンしているにもかかわらず下アーム素子のオン期間が短いために高精度の検出が困難な位相期間において、すべての相電流を高精度に検出することが可能となる。
【００２６】
【実施例２】
他の実施例を図６を参照して以下に説明する。
【００２７】
この実施例では、実施例で説明したデジタル相電流データのサンプルホールドは、各ＰＷＭ周期ΔＴごとに１回ずつ各電流検出抵抗素子２７、２８、２９の電圧降下をサンプルホールドするものとする。各ＰＷＭ周期ΔＴの最初のサンプルホールドは位相期間T１又はT２（図２参照）にて行われれるものとする。
【００２８】
サンプルホールドを位相期間T１又はT７に行うか、位相期間T２又はT６に行うかの選択は、コントローラ３が決定した各下アーム素子２２、２４、２６のデューティ比によって行う。すなわち、下アーム素子のデューティ比が所定値未満である場合には位相期間T２において各相電流のサンプルホールドを行うことにより二つのデジタル相電流データと、これらふたつのデジタル相電流データの和の逆符号値からなる残るひとつのデジタル相電流データとを求める。また、下アーム素子のデューティ比が所定値以上である場合には位相期間T１において各相電流のサンプルホールドを行うことにより三つのデジタル相電流データを求め、上記逆符号値は使用しない。
【００２９】
なお、位相期間T２又はT６におけるサンプルホールドはどれかの下アーム素子が一つだけオンしたと判定した場合にサンプルホールドを開始すればよく、位相期間T１又はT７におけるサンプルホールドはすべての下アーム素子がオンしたと判定した場合にサンプルホールドを開始すればよい。このサンプルホールド制御の一例を図５のフローチャートに示し、このときの各相電圧の変化をデューティ比変化として図７に示す。
【００３０】
図７は、大デューティ比運転している場合を示しており、上記逆符号値を用いたデジタル相電流データの採取を電気角度で１２０度ごとに相を変えて行う実施例を示している。すなわち、位相期間TｘではU相デジタル相電流データはV、W相デジタル相電流データの和の逆符号値を用いて形成され、位相期間TｙではV相デジタル相電流データはU、W相デジタル相電流データの和の逆符号値を用いて形成され、位相期間TｚではW相デジタル相電流データはU、V相デジタル相電流データの和の逆符号値を用いて形成される。
【００３１】
このようにすれば、下アーム側に配置されるため検出できない下アーム素子が一つだけオフしている位相期間、および、下アーム素子がオンしているなもかかわらず下アーム素子のオン期間が短いために高精度の検出が困難な位相期間において、すべての相電流を高精度に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の三相インバータの電流検出装置の一実施例を示す回路図である。
【図２】１ＰＷＭ周期における三相ゲート電圧波形図である。
【図３】位相期間T１、T7における電流の流れを示す回路図である。
【図４】位相期間T２、T６における電流の流れを示す回路図である。
【図５】相電流決定処理を示すフローチャートである。
【図６】サンプルホールド制御を示すフローチャートである。
【図７】モータの１回転期間における各相の上アーム素子のデューティ変化を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１  三相ブラシレスモータ
２  三相インバータ
３  コントローラ（電流値決定部）
２１、２３、２５  上アーム素子
２２，２４、２６  下アーム素子
２７，２８、２９  電流検出抵抗素子
【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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