(57)【要約】【課題】電圧指令に対する電流の特性をデッドタイムによる不連続箇所のない特性に改善する。【解決手段】補正電圧発生器１０は、キャリア信号発生器４からの三角波信号Ｗｔの信号に同期して、キャリア信号周期の半分となる周期Ｔｓごとに、＋Ｖｃ，−Ｖｃ，０の順に３パターンで変化し繰り返す補正電圧Ｚｕ，Ｚｖ，Ｚｗを出力する。また、補正電圧Ｚｕ，Ｚｖ，Ｚｗは、同じタイミングの周期Ｔｓ内で異なる補正電圧値を出力する。補正電圧Ｚｕ，Ｚｖ，Ｚｗは、其々加算器１１，１２，１３で、電流制御部３が出力した指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと加算され、電圧指令Ｖｕｃ，Ｖｖｃ，Ｖｗｃに補正される。これにより、ＰＷＭ変換器５では、指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに対してＰＷＭ信号のオンオフ時間を補正電圧修分だけ修正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブリッジ接続された３組のスイッチング素子を、キャリア周波数のＰＷＭ信号によりオンオフさせ、三相電流を出力する三相インバータ装置において、
一定電圧をＶｃとして、キャリア周波数の半周期の整数倍の周期ＴｓごとにＰＷＭ信号の電圧を＋Ｖｃ，−Ｖｃ，０の３つの値の何れかの補正電圧で補正し、かつ各相の前記補正電圧の総和は、周期Ｔｓの３の整数倍の周期で０となり、かつ前記３組のスイッチング素子をオンオフさせるＰＷＭ信号の電圧の補正量は、同じタイミングの周期Ｔｓ内で少なくとも２組は、＋Ｖｃと−Ｖｃであることを特徴とする三相インバータ装置。
【請求項２】
三相電流の各相の指令電流又は検出電流の極性によって、その相に対応するＰＷＭ信号の電圧を−Ｖｄ又は＋Ｖｄだけ補償するデッドタイム補償器を有し、補償電圧Ｖｄは最適なデッドタイム補償量以下に設定し、前記｜Ｖｃ｜＋｜Ｖｄ｜は、最適なデッドタイム補償量以上の値であることを特徴とする請求項１記載の三相インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の三相の電流制御を行う三相インバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来の電動機用の三相インバータ装置の一部を示すブロック図である。同図で、インバータ部２は、スイッチング素子Ｑ１とＱ２，Ｑ３とＱ４，Ｑ５とＱ６が其々ブリッジ接続された３つの組のスイッチング素子から構成されている。各組のスイッチング素子は、其々Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相電流を電動機１へ出力する。電流検出器１４，１５は、それぞれＵ相とＶ相の電流Ｉｕ，Ｉｖを検出し、検出した電流Ｉｕ，Ｉｖは電流制御部３に入力される。電流制御部３の内部では、前段からの直交座標系の電流指令値Ｉｄ，Ｉｑから３相の指令電流Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃに変換する。また、電流制御部３の内部では、ＩｕとＩｖを加算して符号を変えた値をＷ相の検出電流Ｉｗとし、指令電流Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃから其々検出電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを減算することで、電流偏差Ｉｕｄ，Ｉｖｄ，Ｉｗｄを演算している。また、電流制御部３の内部では、電流偏差Ｉｕｄ，Ｉｖｄ，Ｉｗｄを各相のＰＩＤ制御器を介して指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換して出力する。指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、ＰＷＭ変換器５へ入力され、キャリア周波数ｆの三角波を発生するキャリア信号発生器４からの三角波信号Ｗｔと指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの値を比較して、スイッチング素子のオンオフ幅を変えるためのＰＷＭ信号である指令電圧Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎを生成する。ＰＷＭ信号である指令電圧Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎはインバータ部２に入力され、其々スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６をオンオフ制御する。これにより、図７の三相インバータ装置は、指令電流Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃに従ったＵ相，Ｖ相，Ｗ相の三相電流を電動機１へ出力する。なお、ＰＷＭ変換器５では、指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを三角波信号Ｗｔと比較し、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが三角波信号Ｗｔよりも大きいとき、其々Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｐをオンとし、Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎをオフとしている。また、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが三角波信号Ｗｔよりも小さいときは、其々Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｐをオフとし，Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎをオンとしている。ただし、このままだとブリッジ接続された上下のスイッチング素子がオン又はオフするまでの応答時間に遅れがあるため、各組の上下のスイッチング素子が同時にオンするタイミングが発生し、スイッチング素子が上下短絡して破壊する問題がある。そのため、ＰＷＭ変換器５では、ブリッジ接続された上下のスイッチング素子が同時オンしないようにスイッチング素子の一方がオフに変化した直後は一定時間他方がオンしないようにするデッドタイムＴｄを設けて、ＰＷＭ信号であるＵｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎを出力する。デッドタイムの期間中は、ブリッジ接続された上下のスイッチング素子は両方ともオフ状態となる。しかし、誘導負荷である巻線を持つ電動機では、流れている電流がデッドタイム期間中でも流れようとする。そのため、プラス方向に電流が流れている場合は、デッドタイム期間中も下のスイッチング素子に並列接続されたダイオードを通して電流が流れ、下のスイッチング素子がオン状態と同じになる。また、マイナス方向に電流が流れている場合は、デッドタイム期間中も上のスイッチング素子に並列接続されたダイオードを通して電流が流れ、上のスイッチング素子がオン状態と同じになる。このことから、流れる電流の向きが変わることにより、上下のスイッチング素子のオンする時間幅が急激に変化することになる。
【０００３】
ここで、図５には、図５（ａ）に示す指令電圧によってスイッチング素子をオンオフした場合の波形図を示してある。破線が従来技術、実線が実施形態の波形を示す。
【０００４】
上述のように、スイッチング素子のオンする時間幅が急激に変化すると、図５（ｂ）の破線のように電流の流れる方向が切り替わるタイミングでＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧が不連続に変化し、電流波形も図５（ｃ）の破線のように歪んだ波形となってしまう。このままでは、指令値通りに電動機の電流を忠実に制御できないため、電動機の回転トルクや回転速度又は回転位置を高精度に制御できないという問題がある。
【０００５】
図８は、図７の三相インバータ装置にデッドタイム補償器を付加した三相インバータ装置の一例を示すブロック図である。デッドタイム補償器６は、電流制御部３からの指令電流Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃのそれぞれの極性を検出し、デッドタイム補償電圧Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを出力する。ここで、デッドタイムによりＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧が不連続に急激に変化する電圧変化の半分に相当する電圧をＶｄとすると、デッドタイム補償電圧Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗは、対応する指令電流の極性が正だと＋Ｖｄとし、指令電流の極性が負だと−Ｖｄとして対応する相の補償電圧を出力する。加算器７，８，９では、指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに対してそれぞれデッドタイム補償電圧Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを加算し、デッドタイム補償された指令電圧Ｖｕ‘，Ｖｖ’，Ｖｗ‘をＰＷＭ変換器５へ出力する。このようにデッドタイム補償することで、図８の三相インバータ装置では、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧と電流を図５（ｂ）と図５（ｃ）の実線で示すような正常な波形に補正することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０９−０８４３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した図７の三相インバータ装置で、抵抗負荷を想定してＵＶ相間に電流を流した場合、指令電圧Ｖｕ，Ｖｖに対するＵ相，Ｖ相電流平均電流は、図４のグラフの破線のような特性となる。このようにデッドタイムがあるため、３相が０電圧付近では、６個のスイッチング素子の上側と下側が同時にオンするタイミングがなくなり、全相の電流が全く流れない不感帯ができる。このような特性は、誘導性負荷でも微小電圧かつ微小電流の時は、デッドタイム期間の途中で、ダイオードを流れる電流が０となるため、類似した特性となっていた。また、電動機は回転速度が高いほど電流が多少歪んでいたとしても慣性力が作用し、デッドタイムによる電流歪が大きくてもそれによる運動性能への影響は少なかった。しかし、回転速度が低い場合は、慣性力が働かないうえに、電動機の巻線に印加する電圧も小さくなるため、デッドタイムの影響による運動性能の悪化は大きかった。
【０００８】
ただし、図８のデッドタイム補償器を付加した三相インバータ装置では、０電圧付近でもデッドタイム補償電圧により、上のスイッチング素子と下のスイッチング素子のタイミングが重なる付近まで瞬時に指令電圧が補正されるため、理論上はこのような問題はない。しかし、スイッチング素子は、オフからオン又はオンからオフへの変化は、急激に変化するものではなく、徐々に変化して切り替わるため、図８に示すようなデッドタイム補償器６では、デッドタイムによる影響を完全に除去できなかった。また、スイッチング素子のオン又はオフするまでの応答時間は、素子バラツキや温度等の影響も受けるため、デッドタイムの時間は常に一定ではなく、最適なデッドタイムの補償電圧の値は経時変化する。そのため、デッドタイム補償電圧が小さすぎれば、図５（ｃ）の破線のように０電流付近で、電流が殆ど変化しない不連続的な特性が現れる。また、デッドタイム補償電圧が大き過ぎれば、図５（ｄ）の破線のように、電流が急激に変化する不連続に近い箇所が発生する。単調増加性のある素直な電圧電流特性であれば、電流制御部のフィードバックにより、電流歪を除去できる。しかし、図５（ｃ）（ｄ）の破線部のように不連続な箇所ができるとフィードバックだけでは、電流の歪を小さくすることが難しかった。なお、デッドタイムが変化する問題に対しては、デッドタイムを直接測定してリアルタイムに補償する方法もあるが、回路素子が増加する上、ノイズ等の影響による誤検出の問題もあった。
【０００９】
本発明は，上述のような事情から成されたものであり，本発明の目的は電圧指令に対する電流の特性をデッドタイムによる不連続箇所のない特性に改善し、電流制御特性の良い三相インバータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ブリッジ接続された３組のスイッチング素子を、キャリア周波数のＰＷＭ信号によりオンオフさせ、三相電流を出力する三相インバータ装置において、一定電圧をＶｃとして、キャリア周波数の半周期の整数倍の周期ＴｓごとにＰＷＭ信号の電圧を＋Ｖｃ，−Ｖｃ，０の３つの値の何れかの補正電圧で補正し、かつ各相の前記補正電圧の総和は、周期Ｔｓの３の整数倍の周期で０となり、かつ前記３組のスイッチング素子をオンオフさせるＰＷＭ信号の電圧の補正量は、同じタイミングの周期Ｔｓ内で少なくとも２組は、＋Ｖｃと−Ｖｃである三相インバータ装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、一定電圧Ｖｃで、周期Ｔｓ内のＰＷＭによる出力電圧を＋Ｖｃ，−Ｖｃ，０の３つのパターンの何れかの電圧で補正するようにＰＷＭ信号によるオンオフ時間を修正し、同じタイミングの周期Ｔｓ内で少なくとも２組の補正電圧は＋Ｖｃと−Ｖｃとなる。このため、一定電圧｜Ｖｃ｜が図８で説明した最適なデッドタイム補償電圧Ｖｄよりも大きい場合は、三相の指令電圧が全て０の場合でも、上のスイッチング素子と下のスイッチング素子がオンして電動機側に電流が流れるタイミングが必ず存在し、デッドタイムによる電流の不感帯を無くすことができる。しかも各相の補正電圧の総和は、周期Ｔｓの３の整数倍の周期で０となるため、印加される平均電圧や電流は、３・Ｔｓの整数倍の周期で０となる。また、周期Ｔｓがキャリア周期の半分の場合で、＋Ｖｃ→−Ｖｃ→０の繰り返す条件では、補正電圧により印加される周波数成分は、キャリア周波数の２／３倍と非常に高い周波数となるため、補正電圧が電動機に与える悪影響を無視することができる。また、出力電圧を＋Ｖｃと−Ｖｃを繰り返すことによるディザー的な効果により、デッドタイムによる不連続な電流特性を改善できる。
【００１２】
また、本発明をデッドタイム補償器のある三相インバータ装置に適用した場合は、デッドタイム補償量を最適量よりも小さくしてもディザー的な効果により、デッドタイムによる不連続な電流特性を改善できる。このため、デッドタイム補償による電流特性の線形特性を改善した上で、補償量の過小分による不連続部を解消できる。これにより、スイッチング素子特性が温度や素子バラツキで変動しても電流特性への影響を小さく抑えることができる。このため、コストアップとなるデッドタイム測定回路等がなくても高精度な電流制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の三相インバータ装置の実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明の三相インバータ装置の別の実施例を示すブロック図である。
【図３】本発明の三相インバータ装置の動作説明用波形図である。
【図４】従来と本発明の三相インバータ装置の動作説明用波形図である。
【図５】従来と本発明の三相インバータ装置の動作説明用波形図である。
【図６】本発明の三相インバータ装置の補正電圧のパターン例を示す表である。
【図７】従来の三相インバータ装置を示すブロック図である。
【図８】デッドタイム補償器付加した従来の三相インバータ装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１で、図７と機能及び動作が同じものは同符号を付し、その説明を省略する。
【００１５】
このように、本実施形態では、図７の構成にはない、補正電圧発生器１０と加算器１１，１２，１３を有している。
【００１６】
補正電圧発生器１０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相についての補正電圧Ｚｕ，Ｚｖ，Ｚｗを出力し、これが加算器１１，１２，１３供給され、ここでＵ，Ｖ，Ｗ相の指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに加算される。
【００１７】
ここで、図３に基づいて、指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの補正について説明する。電流制御部３においては、キャリア周波数の三角波信号Ｗｔと指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの値を比較して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオンオフ幅を変えるためのＰＷＭ信号である指令電圧Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎを生成し、加算器１１，１２，１３に供給している。
【００１８】
補正電圧発生器１０は、キャリア信号発生器４からの三角波信号Ｗｔの信号に同期して、キャリア信号周期の半分となる周期Ｔｓごとに、＋Ｖｃ，−Ｖｃ，０の順に３パターンで変化し繰り返す補正電圧Ｚｕ，Ｚｖ，Ｚｗを出力する。すなわち、補正電圧Ｚｕは指令電圧Ｕｐ，Ｕｎが、補正電圧Ｚｖは指令電圧Ｖｐ，Ｖｎが、補正電圧Ｚｗは指令電圧Ｗｐ，Ｗｎが、オンからオフまたはオフからオンの切り替わるタイミングにおいて、＋Ｖｃ，−Ｖｃ，０の状態を順に繰り返す。このため、周期Ｔｓの３倍の周期内での各補正電圧の総和は０となる。また、図３に示すように補正電圧Ｚｕ，Ｚｖ，Ｚｗは、同じタイミングの周期Ｔｓ内で異なる補正電圧値を出力する。このため、同じタイミング周期Ｔｓ内では、必ず補正電圧が＋Ｖｃと−Ｖｃとなる２組の相が存在する。補正電圧Ｚｕ，Ｚｖ，Ｚｗは、其々加算器１１，１２，１３で、電流制御部３が出力した指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが加算され、電圧指令Ｖｕｃ，Ｖｖｃ，Ｖｗｃに補正される。これにより、ＰＷＭ変換器５では、指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに対してＰＷＭ信号のオンオフ時間を補正電圧修分だけ修正することになる。
【００１９】
このように、本実施形態では、スイッチ素子の３回の切り換えタイミングにおいて、＋Ｖｃまたは−Ｖｃが補正電圧として加えられる。従って、一定電圧｜Ｖｃ｜が図８で説明した最適なデッドタイム補償電圧Ｖｄよりも大きい場合は、三相の指令電圧が全て０の場合でも、上のスイッチング素子と下のスイッチング素子がオンして電動機側に電流が流れるタイミングが必ず存在する。これによって、デッドタイムによる電流の不感帯を無くすことができる。しかも各相の補正電圧の総和は、周期Ｔｓの３の整数倍の周期で０となるため、印加される平均電圧や電流についての悪影響はない。
【００２０】
図１の三相インバータ装置で、抵抗負荷を想定してＵＶ相間に電流を流した場合、指令電圧Ｖｕ，Ｖｖに対するＵ相，Ｖ相電流の平均電流の特性は、図４のグラフの実線のような特性となり、デッドタイムによる０Ｖ付近での不連続な特性を改善できる。また、電動機の巻線に印加される電圧は図５（ｅ）の破線のようになり、電流も図５（ｆ）の破線のように、共にデッドタイムによる不連続箇所が無くなる。ただし、破線部の特性は、電流制御部のフィードバックループゲインが低い場合の波形で、フィードバックループゲインが高い場合は、図５（ｅ）（ｆ）の実線のような波形となる。
【００２１】
また、図２のように、図１の本発明の三相インバータ装置に図８に示されるデッドタイム補償器６を付加しても良い。この場合は、デッドタイム補償器６による補償電圧Ｖｄは最適なデッドタイム補償量以下に設定し、｜Ｖｃ｜＋｜Ｖｄ｜が、最適なデッドタイム補償量以上の値とすれば、電流制御部のフィードバックループゲインを高くしなくとも図５（ｅ）（ｆ）の破線のような波形歪を改善できる上、デッドタイム補償量が多少ずれていたとしても電圧や電流が不連続とならないため、電流制御部のフィードバックによって指令に忠実な電流波形を実現できる。
【００２２】
なお、図１では、キャリア周波数の半周期を周期Ｔｓとし、補正電圧Ｚｕ，Ｚｖ，Ｚｗが３Ｔｓで繰り返すパターンを示した。他の補正電圧のパターンとしては、図６の表に示すようなものも考えられる。補正電圧のパターンとしては、補正電圧が＋Ｖｃ，−Ｖｃ，０の３つの値の何れかとし、かつ各相の補正電圧の総和が周期Ｔｓの３の整数倍の周期で０であり、さらには３組のスイッチング素子の補正電圧は、同じタイミングの周期Ｔｓ内で少なくとも２組は、＋Ｖｃと−Ｖｃであるパターンであれば、本発明を実現できる。
【符号の説明】
【００２３】
１  電動機、  ２  インバータ部、  ３  電流制御部、  ４  キャリア信号発生器、  ５  ＰＷＭ変換器，  ６  デッドタイム補償器、  ７，８，９，１１，１２，１３ 加算器、  １０  補正電圧発生器、  １４，１５  電流検出器。
【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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