(57)【要約】【課題】  電圧形インバータにおいて固定子電流がゼロクランプすることを防いで固定子電流の零交差点近傍における電流歪みを低減するためのデッドタイム補償法およびデッドタイム補償装置を提供する。特に、新しく見出された現象に基づいて簡易な論理を使った簡便なデッドタイム補償法およびデッドタイム補償装置を提供する。【解決手段】  極性反転指令器１２を備えて、この極性反転指令器によりｄ軸デッドタイム補償電圧ｖdcomに基づいて固定子電流が零交差点近傍でクランプしている相を検出して検出された固定子電流がクランプした相に係るデッドタイム補償電圧ｖdcomの極性を切り換えることを特徴とする。【選択図】  図１
2006074898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デッドタイム補償電圧（ＤＴＣＶ）を算出するＤＴＣＶ演算器から与えられるデッドタイム補償電圧を加算した電圧指令により制御され同期電動機を駆動する電圧形インバータ装置において、極性反転指令器を備えて、該極性反転指令器によりｄ軸デッドタイム補償電圧に基づいて固定子電流が零交差点近傍でクランプしている相を検出して該固定子電流がクランプした相に係る前記デッドタイム補償電圧の極性を切り換えることを特徴とする電圧形インバータのデッドタイム補償装置。
【請求項２】
前記極性反転指令器は、各相のデッドタイム補償電圧を回転ｄ−ｑ座標上へ変換してｄ軸デッドタイム補償電圧を得て、該ｄ軸デッドタイム補償電圧を理論的振幅値と比較してこれを越えたときにいずれかの相電流が零交差点近傍でクランプしていると判定し、各相電流の絶対値が最も小さい相を検出して、該相に係るデッドタイム補償電圧の極性を反転することを特徴とする請求項１記載の電圧形インバータのデッドタイム補償装置。
【請求項３】
さらに、ルックアップテーブルを備え、該ルックアップテーブルに相電流に対応して異なる立ち上がり時間と立ち下がり時間に係るデッドタイム補償時間の補正値を記録しておいて、インバータが出力する相電流を入力して該相電流に対応する前記補正値を検索して前記ＤＴＣＶ演算器に供給することを特徴とする請求項１または２記載の電圧形インバータのデッドタイム補償装置。
【請求項４】
デッドタイム補償電圧（ＤＴＣＶ）を算出するＤＴＣＶ演算器から与えられるデッドタイム補償電圧を加算した電圧指令により制御され同期電動機を駆動する電圧形インバータ装置において、ｄ軸デッドタイム補償電圧に基づいて固定子電流が零交差点近傍でクランプしている相を検出し、該固定子電流がクランプした相に係る前記デッドタイム補償電圧の極性を反転させることを特徴とする電圧形インバータのデッドタイム補償方法。
【請求項５】
各相のデッドタイム補償電圧を回転ｄ−ｑ座標上へ変換してｄ軸デッドタイム補償電圧を得て、該ｄ軸デッドタイム補償電圧を理論的振幅値と比較してこれを越えたときに相電流の絶対値が最も小さい相を検出して、該相が前記固定子電流がクランプした相とすることを特徴とする請求項４記載の電圧形インバータのデッドタイム補償方法。
【請求項６】
さらに、相電流に対応して立ち上がり時間と立ち下がり時間が異なることに係るデッドタイム補償時間の補正値を算出して前記デッドタイム補償電圧を算定することを特徴とする請求項４または５記載の電圧形インバータのデッドタイム補償方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧形インバータにおいて固定子電流の零交差点近傍における電流歪みを低減するためのデッドタイム補償法およびデッドタイム補償器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧形インバータで駆動する永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）可変速ドライブシステムが産業界で広く用いられている。図１０は、一般的な三相電圧形インバータの基本的構成を示す回路図である。ａ，ｂ，ｃ三相の各相毎にトランジスタスイッチとダイオードを並列接続した上下１組のアームを有するレグを備え、３個のアームを並列接続した両端に直流電源からの直流リンク電圧Ｖdcを供給し、制御装置から供給されるパルスでトランジスタスイッチをオンオフすることにより上下アームの中間にインバータ出力電圧ｖa,ｖb,ｖcを発生させ、これを電動機の固定子巻線に供給して回転駆動する。
【０００３】
三相電圧形インバータは、固定子電圧の基本波成分に対応する正弦波の指令電圧信号を用いてこれと整合したパルス列を生成し、これに従ったインバータ出力電圧を発生させて、各レグを互いに６０度ずつずらしながら上下のアームを交互に１８０度導通させて切り替わる。
しかしながら、（１）インバータでは同一レッグの上下アームが同時にオンすることによる短絡を防ぐため数μｓのデッドタイムを設ける必要があること、（２）スイッチング素子のターンオン／オフ時間やスイッチング素子およびダイオードのオン電圧が存在することによって、インバータ出力電圧の基本波成分は指令電圧波形とずれを生じる。
【０００４】
図１１は永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）を電圧形インバータ（ＶＳＩ）で駆動する系において、インバータにＰＷＭ信号を供給する制御回路を備えたものを例示する回路図である。制御回路は、デッドタイム補償電圧（ＤＴＣＶ）演算器を含むインバータ制御器とインターフェースボードで構成される。
少なくとも２個の相電流ｉa,ｉcがＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）を介して制御器に取り込まれる。また、ロータリーエンコーダ（ＲＥ）より得られる回転子位置情報はカウンターを介して制御器に取り込まれる。デッドタイム補償電圧（ＤＴＣＶ）演算器は、デジタル化された少なくとも２相の相電流ｉa,ｉcを取り込んで演算し、指令電圧ｖabc＊ の補償電圧ｖabcｃｏｍ を算出して制御器に供給する。制御器は補償電圧ｖabcｃｏｍ を受け取るとこれを指令電圧ｖabc＊ に加算してゲートドライブに与える。
【０００５】
ｄｑ変換器は、相電流ｉa,ｉcを入力して回転ｄｑ軸電流ｉd,ｉqに変換し、またｄ軸電圧設定値ｖd＊とｑ軸電圧設定値ｖq＊を入力して相電圧指令値ｖabc＊に変換する。
同期電動機の回転数ωｍは速度制御器（ＳＣ）により設定値ωｍ＊ と同じ値になるように制御される。またｄ軸電流ｉdは電流制御器（ＣＣ）により常時０Ａになるように制御される。電流制御器は、速度制御とｄ軸電流制御を行うため適合するｄ軸電圧設定値ｖd＊とｑ軸電圧設定値ｖq＊を出力する。制御器内で決定された指令電圧ｖabc＊ はゲートドライバに供給され、ゲートドライバが指令電圧に基づいてＰＷＭパルスを生成し電圧形インバータに供給する。
【０００６】
図１２は電圧形インバータのａ相レグを取り出した回路で、出力電流ｉaが正方向に流れるときの電流経路を説明する図面、図１３はその時のインバータ出力電圧の理想値と実際値との関係を示す図面である。インバータ出力電圧の実際値が、デッドタイムやスイッチング素子のターンオン時間やターンオフ時間、またスイッチング素子やダイオードのオン電圧の影響を受けて、タイミングや振幅誤差を持つようになることが示されている。
【０００７】
上下アームのスイッチＳａ＋,Ｓａ−に供給されるゲート信号Ｇａ＋,Ｇａ−は、デッドタイムＴdを考慮して決定される。ゲート信号Ｇａ＋,Ｇａ−に対して想定するインバータ出力電圧の理想値ＶANｉｄｅａｌは表される高さＶdcのパルスになる。
ａ相電流ｉaはスイッチのオン期間Ｔonに上アームのスイッチング素子Ｓａ＋を流れて出力電圧は直流リンク電圧Ｖdcに等しくなり、オフ期間Ｔoffとデッドタイム期間Ｔdに下アームのダイオードＤａ−を流れて陰極電圧（この回路ではアース電位）に等しくなる。したがって、これらを考慮したインバータ出力電圧は図１３にＶANｄｔとして示されたようになる。
【０００８】
また、スイッチング素子Ｓａ＋のターンオン時間tonとターンオフ時間toffを考慮すると、インバータ出力電圧は図１３にＶANｄｔ＋ｔｎとして示されたようになる。
さらに、電流がスイッチを流れるときにはスイッチオン電圧ｖsの電圧降下、ダイオードＤａ−を流れるときにはダイオードオン電圧ｖDの電圧降下を生じる。そこで、これらのオン電圧ｖs,ｖDを考慮すると、インバータ出力電圧は図１３にＶANｄｔ＋ｔｎ＋ｏｎとして示されるように、出力電圧にオン電圧ｖs,ｖDが加重されたものとなる。
【０００９】
デッドタイムを補償するためには、ａ相インバータ出力電圧の理想値と実際値の誤差のスイッチング周期Ｔs毎の平均値をデッドタイム補償電圧（ＤＴＣＶ）として指令電圧に加えればよい。
そこで、オン電圧ｖs,ｖDに係る誤差分を時間に換算し、これら諸量を１つのパラメータＴcに集約して、
Ｔc＝Ｔd＋ton−toff＋Ｔs・Ｖon／Ｖdc
と表す。ここで、Ｖonは、周期Ｔs内におけるオン電圧ｖs,ｖDの平均値である。このパラメータＴcをデッドタイム補償時間（ＤＴＣＴ）と呼ぶ。
デッドタイム補償時間Ｔcを用いて形成した等価的なインバータ出力電圧は図１３にＶANｄｔｃとして示されたようになる。
【００１０】
この等価的なインバータ出力電圧ＶANｄｔｃと理想値ＶANｉｄｅａｌとの誤差ΔＶANは、図１３にΔＶANとして示されたように、スイッチング周期Ｔs毎に高さＶdc、時間幅Ｔcの１個のパルスを持つようになる。
こうして、相電流ｉaが正方向のときのａ相のデッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍは、デッドタイム補償時間Ｔcを用いて、
ｖaｃｏｍ＝Ｖdc・Ｔc／Ｔs
と表すことができる。
【００１１】
さらに、出力電流ｉaが負方向に流れるときについて説明する。図１４と図１５は、ａ相レグにおいて出力電流ｉaが負方向に流れるときの電流経路とインバータ出力電圧の様子を説明する図面である。図１２および図１３と比べると電流の方向が異なり、電流が通過する素子が異なるだけで同じ回路要素で構成されるので、図１２および図１３と同じ記号を用いて異なる部分だけを説明する。
【００１２】
負方向に流れるａ相電流ｉaは、スイッチのオン期間ＴonにダイオードＤａ＋を流れて出力電圧は直流リンク電圧Ｖdcに等しくなり、オフ期間Ｔoffとデッドタイム期間ＴdにトランジスタスイッチＳａ−を流れてアース電位に等しくなる。また、相電流ｉaがスイッチＳａ−を流れるときにはスイッチオン電圧ｖsの電圧降下、ダイオードＤａ＋を流れるときにはダイオードオン電圧ｖDの電圧降下を生じる。
【００１３】
したがって、これらを考慮したインバータ出力電圧は図１５にＶANｄｔ＋ｔｎ＋ｏｎとして示されたようになり、さらにデッドタイム補償時間Ｔcを考慮に入れた等価的なインバータ出力電圧ＶANｄｔｃと理想値ＶANｉｄｅａｌの誤差ΔＶANは図に示されるように、スイッチング周期Ｔs毎に深さＶdc、時間幅Ｔcのマイナスのパルスを１個持つようになる。
【００１４】
こうして、相電流ｉaの流れ方向を考慮したときの、ａ相デッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍは、
ｖaｃｏｍ＝Ｖdc・Ｔc／Ｔs・sgn（ｉa）
と表すことができる。
こうして得られるａ相デッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍをａ相指令電圧に加えてインバータを運転することにより、始めの指令電圧と位相が一致するａ相インバータ出力電圧ＶANを得ることができる。
ｂ相、ｃ相についても同様である。
【００１５】
図１６は、デッドタイム補償電圧演算器が付かない制御回路を使ってデッドタイムを補償しない場合の電流波形を表した図面である。各相電流ｉa,ｉb,ｉcとｄｑ変換関係を有するｄ軸電流ｉdに顕著な脈動が存在し、ａ相電流ｉaにもｄ軸電流ｉdの脈動に対応した歪みが表れている。このような電流歪みはトルク脈動の原因ともなる。なお、ｄ軸電流ｉdの脈動は相電流ｉaの６倍の周期であることが分かる。
【００１６】
図１７は、デッドタイム補償電圧演算器を使ってデッドタイム補償をした場合の電流電圧波形の例を表す図面である。図面の電流電圧波形は試験機を用いデッドタイム補償時間Ｔcを３．２μｓとして行った試験により得たもので、図の上段にａ相電流ｉa、２段目にｄ軸電流ｉd、３段目にａ相デッドタイム補償電圧（ＤＴＣＶ）ｖaｃｏｍ、下段にｄ軸デッドタイム補償電圧（ＤＴＣＶ）Ｖdｃｏｍの変化を表示してある。
ｄ軸電流ｉdの脈動は全体的に小さくなったが、相電流ｉaの６倍の周期でやや大きい脈動が生じていることが観察される。これは、固定子電流がゼロ交差点近傍でクランプしたことにより指令電圧に加算すべきデッドタイム補償電圧の極性反転が適切に行われていないためである。
【００１７】
図１８は、電流クランプがない理想的な状態におけるＰＭモータドライブのデッドタイム補償電圧を数値解析で得た結果を示している。ここで、ｄ軸電流ｉdは零であり、デッドタイム補償時間Ｔcを３μｓ、スイッチング周期Ｔsを２００μｓ、直流リンク電圧Ｖdcを２００Ｖとして解析している。図の上段にａ相電流ｉa、２段目にａ相デッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍ、３段目にｄ軸デッドタイム補償電圧ｖdｃｏｍ、下段にｑ軸デッドタイム補償電圧ｖqｃｏｍの変化を表示してある。
【００１８】
たとえばａ相電流ｉaが零交差をすると、これを検出してａ相デッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍの極性反転を行う。
ｄ軸電流ｉdが零の条件で、各相のデッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍ,ｖbｃｏｍ,ｖcｃｏｍを回転ｄ−ｑ座標上へ変換すると、ｄ軸デッドタイム補償電圧ｖdｃｏｍは３段目に表示したような駆動周波数の６倍の周波数を持つのこぎり波となる。ｄ軸デッドタイム補償電圧ｖdｃｏｍの理論的振幅Ｖｄampは、
Vｄamp＝√(２／３)・Ｔc／Ｔs・Ｖdc
となる。
なお、ｑ軸デッドタイム補償電圧ｖqｃｏｍは、直流量であり変動分は小さい。
【００１９】
図１９は、図１８と同じ条件下で固定子電流が零交差点近傍でクランプするときのデッドタイム補償電圧の数値解析結果を示すものである。相電流の１つが零にクランプした部分では、各相電流が同時に脈動を起こしている。相電流が零交差点近傍でクランプしたため零交差を検出し損ねて、当該相のデッドタイム補償電圧の極性反転が適切に行われないためである。なお、相電流がクランプした部分では、ｄ軸デッドタイム補償電圧ｖdｃｏｍが理論的振幅Vｄampを越えることが分かる。
【００２０】
特許文献１には、インバータ出力電流の瞬時値の絶対値が反転レベルより小さい期間に出力される矩形パルスを積分して補償電圧として指令電圧に加算するデッドタイム補償装置において、デッドタイム期間中の補償電圧信号をＰＷＭ化または量子化して積極的に加振することにより、相電流がゼロクロスするときに発生するゼロクランプを抑制する技術が開示されている。
【００２１】
また、特許文献２には、各相インバータ出力電圧のオンオフタイミングを検出し指令電圧のオンオフタイミングとの誤差分を補償するデッドタイム補償装置が開示されている。この開示方法は、各相出力電圧のオンオフタイミングを検出する閾値を変化させると出力電圧の立ち上がりと立ち下がりで電流波形の歪み状態が変化することに基づいて、立ち上がり時には閾値を直流電圧の半値より大きな値すなわちゼロクロス点を越えた位置の値とし、立ち下がり時には閾値を直流電圧の半値より小さな値すなわちゼロクロス点を越えた位置の値としたものである。こうすることによって、電流の立ち上がりと立ち下がり共に波形歪みを少なくして正弦波に近い波形を得て、ゼロクランプ現象を避けることができる。
【００２２】
さらに、特許文献３には、電流のフィードバック制御ループを持ったモータの駆動回路であって、スイッチ制御信号にデッドタイムを設けたインバータ回路の出力電流のゼロクロス点付近で電圧指令値を補償することによって、インバータ回路の出力電流のゼロクロス点付近での不感帯を除去しモータのコイルに流れる電流の制御特性を改善したモータの駆動回路が開示されている。開示方法は、インバータ回路の出力電圧をフィードバックして電圧誤差補償信号を生成し、これを電圧指令信号を補償することにより、電流方向切替時における出力電圧の不感帯による誤差を低減することを特徴とする。
【００２３】
これら特許文献に開示された技術は、いずれも複雑な回路を用いて達成されるものである。
【特許文献１】特開２００３−１８００８３号公報
【特許文献１】特開平７−９５７７３号公報
【特許文献１】特開２００１−１６１０９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明が解決しようとする課題は、電圧形インバータにおいて固定子電流がゼロクランプすることを防いで固定子電流の零交差点近傍における電流歪みを低減するためのデッドタイム補償法およびデッドタイム補償装置を提供することであり、特に、新しく見出された現象に基づいて簡易な論理を使った簡便なデッドタイム補償法およびデッドタイム補償装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
デッドタイム補償電圧（ＤＴＣＶ）を算出するＤＴＣＶ演算器から与えられるデッドタイム補償電圧を加算した電圧指令により制御され同期電動機を駆動する電圧形インバータ装置において、上記課題を解決するため、本発明の電圧形インバータのデッドタイム補償装置は、極性反転指令器を備えて、この極性反転指令器によりｄ軸デッドタイム補償電圧に基づいて固定子電流が零交差点近傍でクランプしている相を検出して検出された固定子電流がクランプした相に係るデッドタイム補償電圧の極性を切り換えることを特徴とする。
【００２６】
デッドタイム補償装置から出力される各相デッドタイム補償電圧を回転ｄｑ変換して得られるｄ軸デッドタイム補償電圧は、図１９に見られるとおり、相電流の１つが零にクランプした部分ではデッドタイム補償電圧の極性反転が行われないため、そのまま増加する。したがって、ｄ軸デッドタイム補償電圧を監視することによって相電流のゼロクランプの発生を検出することができる。
【００２７】
ｄ軸デッドタイム補償電圧をたとえば通常時の振幅として予め求められる理論的振幅と比較することによりゼロクランプの発生を検出した後に、ゼロクランプした相電流を判定するには、３つの相電流のうち電流の瞬時値がゼロ付近にある相を見出せばよい。３つの相電流の和がゼロになるという三相交流の性質からこの判定は容易で、たとえば絶対値の最も小さい相電流を選択するなど簡単な方法および装置を使用して実行することができる。
こうして、ゼロクランプを発生した相電流を迅速に見出して、その相に係るデッドタイム補償電圧の極性を反転すれば、ゼロクランプ状態が直ちに解消されて、インバータ出力はほぼ理想的な波形を呈し、トルク脈動も抑制される。
【００２８】
なお、インバータのスイッチング素子に寄生容量が存在することに起因して、デッドタイム期間中のインバータ出力電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間は相電流の向きと大きさに関わって変化し、実質的にターンオフ時間が変化することになる。なお、スイッチング素子の寄生容量や駆動系のインピーダンスなどはインバータと電動機を組み合わせた系毎に異なる。
ターンオフ時間は、相電流が正方向であるときには立ち下がり時に電流が小さくなるほど長くなり立ち上がり時は電流値にかかわらず一定である。一方、相電流が負方向であるときには立ち上がり時に電流が小さくなるほど長くなり、立ち下がり時は電流値に依らない。ターンオフ時間に差異があれば適正なデッドタイム補償時間が変化する。したがって、相電流の向きと大きさに対するターンオフ時間の変化をデッドタイム補償電圧の演算に反映させることが好ましい。
【００２９】
本願発明では、対象とする電動機駆動系について相電流とターンオフ時間の関係を予め調べて、この関数関係をたとえばルックアップテーブルなどの形で演算器に取り込んで、デッドタイム補償電圧の演算に反映させるように構成することができる。
相電流の瞬時値とターンオフ時間の関係を用いて調整したデッドタイム補償電圧を使用すると、相電流はほぼ滑らかな正弦波となり、ｄ軸電流の脈動はほぼ抑制される。このとき、ａ相デッドタイム補償電圧は反転時に丸みを有する矩形波状となって、ｄ軸デッドタイム補償電圧も底部と頂点部が丸みを帯びた三角波となり、振幅は理論的振幅より小さくなる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の電圧形インバータのデッドタイム補償方法により、従来のデッドタイム補償方法と比較して相電流の電流脈動を低減することができる。
また、本発明のデッドタイム補償装置は、従来のデッドタイム補償装置にデッドタイム補償電圧に基づいてクランプを見出す回路あるいは相電流とターンオフ時間の関数回路もしくはこれらのアルゴリズムを付加するだけであるので、極めて容易に低コストで構成することができる。特にデッドタイム補償装置をデジタル演算器（ＤＳＰ）で構成したものでは、プログラムの追加のみで本発明の構成を行うことができるので、経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は、本実施例に係る電圧形インバータのデッドタイム補償装置を表すブロック図、図２は零クランプした相を見出すアルゴリズムを示すフロー図である。
本実施例のデッドタイム補償装置は、図１１で説明した従来例の電圧形インバータ制御器に付属させたデッドタイム補償電圧演算器１１に、極性反転指令器１２とルックアップテーブル１３を加えてデッドタイム補償器１０としたもので、デッドタイム補償器１０以外の部分は図１１に関して説明したものと変わらない。
【００３２】
電圧形インバータ（ＶＳＩ）２１の出力は永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）２２に供給され、電動機を回転駆動する。出力線の少なくとも２線に電流検出器が設けられ、同期電動機２２にロータリーエンコーダ（ＲＥ）２３が設けられている。
インバータ制御器３０は、インターフェースボード４０を介して、同期モータインバータ系の計測値情報を入力して適切な指令電圧を生成し電圧形インバータ２１に供給する。
【００３３】
インターフェースボード４０には、ゲートドライバ４１、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）４２、カウンタ４３が備えられる。ロータリーエンコーダ２３で測定する同期電動機２２の回転子位置情報はカウンタ４３で回転角θｍに変換してインバータ制御器３０に与えられる。また、インバータ２１の出力電流はＡＤＣ４２でデジタル信号に変換し相電流ｉa,ｉcとしてインバータ制御器３０に与えられる。
また、インバータ制御器３０で算出した各相の指令電圧ｖabc＊はゲートドライバ４１でＰＷＭ信号に変成されて電圧形インバータ２１に供給され上下アームのトランジスタスイッチを開閉して、同期電動機２２に適切な３相の駆動電圧を供給する。
【００３４】
インバータ制御器３０は、速度制御器３１、電流制御器３２、ａｂｃ／ｄｑ変換器３３を備え、さらにデッドタイム補償器１０を付属する。インバータ制御器３０は、デッドタイム補償器１０を含めて、市販のデジタル信号処置装置で構成することも可能である。
同期電動機２２は速度制御器３１により設定値ωｍ＊と一致するように制御される。速度制御器３１は、微分器３４で回転角θｍを微分して回転速度ωｍとして出力された信号を取り込んで、設定値ωｍ＊との偏差に対して制御演算を施すことにより、操作関数としてｑ軸電流設定値ｉｑ＊を算出して、電流制御器３２に供給する。
【００３５】
電流制御器３２は、ａｂｃ／ｄｑ変換器３３によって３相電流ｉa,ｉb,ｉcの瞬時値、もしくはこのうちの２つ、たとえばａ相電流ｉaとｃ相電流ｉcの瞬時値をａｂｃ／ｄｑ変換して求めたｄ軸電流ｉdとｑ軸電流ｉｑを入力して、ｄ軸電流ｉdはゼロに、ｑ軸電流ｉｑは速度制御器３１から与えられるｑ軸電流設定値ｉｑ＊と同じ値になるように制御する。速度制御器３１は、回転速度ωｍを用いて演算し、操作関数としてｄ軸指令電圧ｖd＊とｑ軸指令電圧ｖq＊を出力する。
ｄ軸指令電圧ｖd＊とｑ軸指令電圧ｖq＊は、ａｂｃ／ｄｑ変換器３３によってｄｑ／ａｂｃ変換して、ａｂｃ３相の相電圧に対する指令電圧ｖabc＊ に変成し、ゲートドライバ４１に供給される。指令電圧ｖabc＊ は各相毎に１２０度ずつ位相がずれた正弦波である。
【００３６】
デッドタイム補償器１０は、デッドタイム補償電圧演算器１１と極性反転指令器１２とルックアップテーブル１３で構成され、３相電流ｉa,ｉb,ｉcもしくはそのうちの２つたとえばａ相電流ｉaとｃ相電流ｉcの瞬時値を入力して、３相のデッドタイム補償電圧ｖabcｃｏｍを算出して出力する。３相デッドタイム補償電圧ｖabcｃｏｍは加算器３５で３相の指令電圧ｖabc＊ に加算されて、新しい３相指令電圧としてゲートドライバ４１に供給される。
【００３７】
デッドタイム補償電圧演算器１１は、従来技術に基づいたもので、背景技術の欄で説明した通り、ａ相電流ｉaとｃ相電流ｉcの瞬時値を入力し、
Ｔc＝Ｔd＋ton−toff＋Ｔs・Ｖon／Ｖdc
の式に基づいて、各相毎に適正なデッドタイム補償時間（ＤＴＣＴ）Ｔcを求め、さらにデッドタイム補償時間Ｔcを用いて各相毎のデッドタイム補償電圧ｖabcｃｏｍを算出する。たとえば、ａ相デッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍであれば、
ｖaｃｏｍ＝Ｖdc・Ｔc／Ｔs・sgn（ｉa）
と表すことができる。
【００３８】
極性反転指令器１２は、デッドタイム補償器１０内に存在するａ相電流ｉaとｃ相電流ｉcの瞬時値と各相毎のデッドタイム補償電圧ｖabcｃｏｍを用いて相電流のゼロクランプ発生を検知し、クランプの影響が大きくならないうちにクランプを発生した相のデッドタイム補償電圧について極性反転を行い、制御器本体の加算器３５に供給して３相の指令電圧ｖabc＊ を補償させる。
図２は、極性反転指令器１２において実行されるアルゴリズムを説明するフロー図である。
【００３９】
図２のアルゴリズムは、電圧形インバータ２１の相電流瞬時測定値を入力するたびに実行される。
デッドタイム補償電圧演算器１１から各相毎のデッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍ,ｖｂｃｏｍ,ｖｃｃｏｍを受け入れると（Ｓ０１）、これらをｄｑ変換してｄ軸デッドタイム補償電圧ｖdｃｏｍとｑ軸デッドタイム補償電圧ｖdｃｏｍを求める（Ｓ０２）。このうち、ｄ軸デッドタイム補償電圧ｖdｃｏｍを、
Vｄamp＝√(２／３)・Ｔc／Ｔs・Ｖdc
で表される理論的振幅Vｄampと比較する（Ｓ０３）。
【００４０】
ｄ軸デッドタイム補償電圧ｖdｃｏｍが理論的振幅Vｄampより小さいときは
、ゼロクランプが生じていないので、各相毎のデッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍ,ｖｂｃｏｍ,ｖｃｃｏｍはそのまま出力する。
一方、ｄ軸デッドタイム補償電圧ｖdｃｏｍが理論的振幅Vｄamp以上あるときは、いずれかの相にゼロクランプが生じていることになる。ゼロクランプが生じた相では相電流が零交差点近傍にある。そこで、ゼロクランプが生じた相を特定するため、まず、各相の相電流の絶対値｜ｉa｜,｜ｉb｜,｜ｉc｜をとって、これらのうち最小の値Ｉminを見出す（Ｓ０４）。
ここで、相電流の総計は０Aになるから、ｂ相電流ｉbを直接測定しない場合でも、
ｉb＝−ｉa−ｉc
により求めることができる。
【００４１】
次に、各相の相電流の絶対値を、順次、相電流の最小絶対値Ｉminと比較し、一致したものが相電流がゼロクロス点近傍にあるものと判定して、その相の補償電圧の極性を反転させる。
図２においては、ａ相電流絶対値｜ｉa｜が相電流の絶対値の最小値Ｉminと一致するか判定して（Ｓ０５）、一致する場合にａ相デッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍの極性を反転させた値を新しいａ相デッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍとして（Ｓ０６）、終了する。２つの値が一致しないときは、ｂ相電流絶対値｜ｉb｜について相電流の絶対値の最小値Ｉminと一致するか判定して（Ｓ０７）、一致すればｂ相デッドタイム補償電圧ｖbｃｏｍの極性を反転させて（Ｓ０８）終了し、２つの値が一致しないときは残ったｃ相の相電流がゼロクロス点近傍にあることになるので、ｃ相デッドタイム補償電圧ｖcｃｏｍの極性を反転させて（Ｓ０９）終了する。
なお、インバータ制御器をデジタル信号処理装置で構成した場合には、極性反転指令器１２も同じデジタル信号処置装置内にソフトウェアにより実装することができるので、経済的である。
【００４２】
図３は、上記のように極性反転指令器１２を追加して構成したデッドタイム補償器１０を組み込んだ制御器を使用した電圧形インバータによって、１６０Wの永久磁石同期電動機を５００ｒｐｍで運転して、ａ相に係るデッドタイム補償効果を確認した結果を示す波形図である。
図の最上段にａ相電流ｉa、２段目にｄ軸電流ｉd、３段目にａ相デッドタイム補償電圧（ＤＴＣＶ）ｖaｃｏｍ、最下段にｄ軸デッドタイム補償電圧（ＤＴＣＶ）Ｖdｃｏｍの変化を表示してある。
【００４３】
ｄ軸デッドタイム補償電圧Ｖdｃｏｍが理論的振幅Vｄampに達すると直ちにａ相デッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍの極性を反転しているので、ｄ軸デッドタイム補償電圧Ｖdｃｏｍは範囲内に収まっている。相電流ｉaは、零交差点近傍の歪みが低減されて滑らかに正弦波形を描き、ｄ軸電流ｉdの脈動は、極性反転指令器を付けなかったときと比較して大幅に低減され、極性反転指令器の効果は大きい。
【００４４】
しかし、相電流の零交差点近傍におけるｄ軸電流の脈流は完全には除去できていない。これは、インバータのトランジスタスイッチに寄生する容量の影響によって補償すべき電圧が低下したため過剰に補償することになったことが原因と考えられる。
【００４５】
図４は、インバータ出力電圧ＶANの立ち下がり状態をａ相電流ｉaを変えて観察した波形図である。最上段のグラフはａ相電流ｉaが１．４Ａのとき、２段目のグラフはａ相電流ｉaが０．１Ａのとき、３段目のグラフはａ相電流ｉaが−０．１Ａのとき、最下段のグラフはａ相電流ｉaが−１．４Ａのときの立ち下がり状態を表す。
これらグラフが示すとおり、ａ相電流ｉaが正のときは、立ち下がり時間が電流が小さいほうが大きい。一方、ａ相電流ｉaが負のときは、立ち下がり時間は相電流の大きさにかかわらずほぼ一定である。
【００４６】
図５はインバータ出力電圧立ち下がり時間のメカニズムを説明する図面で、スイッチオン期間からスイッチオフ期間へ移行する途中のデッドタイム期間におけるａ相インバータ出力電圧の挙動を説明するものである。図中のＣpはスイッチング素子Ｓaの寄生容量を表す。
図５（ａ）はａ相電流ｉaが正のときの状態を示す。スイッチオン期間中に下側の寄生容量Ｃp−が充電されていて、スイッチが切れてデッドタイム期間になると寄生容量Ｃp−の放電が始まる。したがって、インバータ出力電圧ＶANは寄生容量の端子電圧Ｖcpになり、端子電圧Ｖcpは相電流ｉaにしたがって寄生容量中の電荷が放出されることから、相電流ｉaが小さいほど放電期間が大きくなり、立ち下がり時間は相電流の大きさに依存する。
【００４７】
一方、図５（ｂ）はａ相電流ｉaが負のときであり、下側寄生容量Ｃp−はスイッチオン期間に充電される。しかし、ａ相電流ｉaは、デッドタイム期間中もスイッチオン期間と同様に上側ダイオードＤａ＋を流れるので、下側寄生容量Ｃp−は放電せず、端子電圧Ｖcpは直流リンク電圧Ｖdcを維持する。また、ターンオフ期間への移行は下側スイッチＳａ−のターンオン時間に依存することから、立ち下がり時間は寄生容量にかかわらずほぼ一定となる。
インバータ出力電圧の立ち上がり時間についても同じ機構が適用でき、立ち上がり時間と逆に、負の相電流の大きさに依存する。
【００４８】
図６は、相電流の瞬時値ｉaに対する立ち上がり時間と立ち下がり時間の関係を同じグラフに重ねて描いた図面である。横軸は相電流ｉaを表し、縦軸は遷移時間ｔtrを表す。白丸が立ち上がり時間、黒丸が立ち下がり時間である。
立ち上がり時間は相電流が負のときに電流絶対値が小さくなるほど長くなり、立ち下がり時間は相電流が正のときに電流値が小さくなるほど長くなる。
相電流ｉに依存して遷移時間ｔtrが長くなればターンオフ時間ｔoffが長くなり、
Ｔc＝Ｔd＋ton−toff＋Ｔs・Ｖon／Ｖdc
で表されるデッドタイム補償時間Ｔcを減少させる必要があり、換言すればデッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍを小さくする必要がある。
【００４９】
図７は、デッドタイム補償時間を調整する方法の１例を説明する図面である。
図７（ａ）は、相電流ｉaの絶対値が十分大きい場合のインバータ出力電圧ＶANの立ち下がり波形であり、立ち下がり時間をｔtr0とする。図６で見るように、相電流ｉaが正のときは相電流の瞬時値ｉaが小さいほど立ち下がり時間が増加するから、瞬時値が小さいときには図７（ｂ）に示すように、立ち下がり時間が延びてｔtrとなる。
相電流はほぼ正弦波形を持ち刻々変化するので、補償する量は、相電流の瞬時値に応じて図７（ｃ）に示す斜線部の面積だけ変化する。この斜線部はほぼ三角形であり、（ｄ）はこの三角形と等価な面積を持つ長方形に変換したものを表している。当該三角形と長方形は高さが等しいので、面積が等価となるためには、長方形の底辺（時間幅）が三角形の底辺の半分になる必要がある。この値を等価遷移時間ｔetrと呼ぶこととすると、相電流瞬時値の減少に伴い延びた立ち下がり時間が（ｔtr−ｔtr0 ）であるから、
ｔetr＝（ｔtr−ｔtr0 )／2
で表すことができる。図７中、Ｔcnはデッドタイム補償時間のノミナル値である。図７（ｅ）はこれらを整理して新しいデッドタイム補償時間Ｔcを表した波形図である。結局、デッドタイム補償時間Ｔcは、ノミナル値Ｔcnから等価遷移時間ｔetrを差し引いた値となり、デッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍは、この新しいデッドタイム補償時間Ｔcを用いて算出される。
【００５０】
図８は、相電流瞬時値の絶対値｜ｉa｜に対する等価遷移時間ｔetrの関係を示すグラフである。
デッドタイム補償器１０は、この等価遷移時間ｔetrを利用して３相のデッドタイム補償電圧ｖabcｃｏｍを算出することが好ましい。このため、デッドタイム補償器１０には、図８のグラフをテーブル化したルックアップテーブル１３を備えて、相電流を入力して等価遷移時間ｔetrを検索し、デッドタイム補償電圧演算器１１に供給して、デッドタイム補償時間のノミナル値Ｔcnを補正することができるように構成されている。
【００５１】
図９は、図３と同じ試験条件下で、極性反転指令器１２を組み込んだ上にさらに上記説明したルックアップテーブル１３を追加したデッドタイム補償器１０を使用して試験した結果を示す波形図である。図面の配置は図３と同じである。
ａ相電流ｉaは、零交差点近傍の歪みが殆ど見られず滑らかな正弦波形を描き、ｄ軸電流ｉdの脈動は、極性反転指令器だけを付属したときと比較して大幅に低減され、ルックアップテーブル１３を利用する効果は大きい。
なお、ａ相デッドタイム補償電圧ｖaｃｏｍは、相電流ｉaがゼロクロスするところで極性反転するが、その近傍では相電流の絶対値が小さくなるので、電圧値が減少して緩やかに変化している。また、ｄ軸デッドタイム補償電圧Ｖdｃｏｍは、理論的振幅Vｄampの範囲内に余裕を持って収まっている。
【００５２】
以上、詳しく説明したとおり、本発明の電圧形インバータのデッドタイム補償装置によれば、ごく簡単な機構を付属しただけで、相電流の零クランプを解消して電流歪みを無くすることができる。
なお、上記実施例は本願発明を実施するための最良の形態を示したものに過ぎず、本明細書に説明した技術的思想に基づいていわゆる当業者が想到する他の装置および方法に対しても本願発明の技術範囲に属することはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の１実施例に係る電圧形インバータのデッドタイム補償装置を表すブロック図である。
【図２】本実施例において、零クランプした相を見出すアルゴリズムを示すフロー図である。
【図３】本実施例において極性反転指令器を使用した試験によりデッドタイム補償効果を確認した結果を示す波形図である。
【図４】本実施例におけるインバータ出力電圧の立ち下がり状態を相電流を変えて観察した波形図である。
【図５】本実施例におけるインバータ出力電圧立ち下がり時間のメカニズムを説明する図面である。
【図６】本実施例における相電流瞬時値に対する立ち上がり時間と立ち下がり時間の関係を示すグラフである。
【図７】本実施例におけるデッドタイム補償時間調整方法の１例を説明する図面である。
【図８】本実施例における相電流瞬時値の絶対値に対する等価遷移時間の関係を示すグラフである。
【図９】本実施例において極性反転指令器とルックアップテーブルを備えたデッドタイム補償器を使用した試験結果を示す波形図である。
【図１０】一般的な三相電圧形インバータの基本的構成を示す回路図である。
【図１１】永久磁石同期電動機を駆動する電圧形インバータにＰＷＭ信号を供給する制御回路を備えた系を例示する回路図である。
【図１２】電圧形インバータのａ相レグについて、出力電流が正方向に流れるときの電流経路を説明する図面である。
【図１３】図１２におけるインバータ出力電圧の理想値と実際値との関係を示す図面である。
【図１４】電圧形インバータのａ相レグについて、出力電流が負方向に流れるときの電流経路を説明する図面である。
【図１５】図１４におけるインバータ出力電圧の理想値と実際値との関係を示す図面である。
【図１６】デッドタイムを補償しない場合の電流波形を表した図面である。
【図１７】デッドタイム補償電圧演算器を使ってデッドタイム補償をした場合の電流電圧波形の例を表す図面である。
【図１８】電流クランプがない理想的な状態におけるＰＭモータドライブのデッドタイム補償電圧を数値解析で得た結果を示すグラフである。
【図１９】固定子電流が零交差点近傍でクランプするときのデッドタイム補償電圧の数値解析結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１０  デッドタイム補償器
１１  デッドタイム補償電圧演算器
１２  極性反転指令器
１３  ルックアップテーブル
２１  電圧形インバータ（ＶＳＩ）
２２  永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）
２３  ロータリーエンコーダ（ＲＥ）２３
３０  インバータ制御器
３１  速度制御器
３２  電流制御器
３３  ａｂｃ／ｄｑ変換器
３４  微分器
３５  加算器
４０  インターフェースボード
４１  ゲートドライバ
４２  アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）
４３  カウンタ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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