(57)【要約】【課題】３相モーター駆動用インバーターの制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】本発明は、３相モーター駆動用インバーターの制御方法において、ベクトル座標上に各相電圧の最大値に対応する３個の最大相電圧ベクトルを等角度間隔で配置し、前記各最大相電圧ベクトルに対する所定の角度領域を最大相電圧ベクトル領域に設定し、前記最大相電圧ベクトル領域の間に前記最大相電圧ベクトルに対応する最小相電圧ベクトルを設定し、前記最大相電圧ベクトル領域では該当最大相電圧を有する位相端子に連結された第１スイッチをオンさせ、第２スイッチをオフ状態にして残り２個の相電圧に対応するスイッチに対する制御信号のデューティー比を変化させて目標電圧を得ることを特徴とする。【選択図】図６
2004350491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相モーターの各位相端子と直流電源の正の端子との間に連結される３個の第１スイッチと、前記３相モーターの各位相端子と直流電源の負の端子との間に連結される第２スイッチとを有する３相モーター駆動用インバーターの制御方法において、
ベクトル座標上に各相電圧の最大値に対応する３個の最大相電圧ベクトルを等角度間隔で配置し、前記各最大相電圧ベクトルに対する所定の角度領域を最大相電圧ベクトル領域に設定し、前記最大相電圧ベクトル領域の間に前記最大相電圧ベクトルに対応する最小相電圧ベクトルを設定し、
前記最大相電圧ベクトル領域では該当最大相電圧を有する位相端子に連結された第１スイッチをオンさせ、第２スイッチをオフ状態にして残り２個の相電圧に対応するスイッチに対する制御信号のデューティー比を変化させて目標電圧を得ることを特徴とする３相モーター駆動用インバーターの制御方法。
【請求項２】
前記各最小相電圧ベクトルの領域では、前記各最小相電圧ベクトル領域と１８０度の位相差を有する前記最大相電圧ベクトル領域の最大相電圧を有する位相端子に連結された第１スイッチをオフさせ、第２スイッチをオン状態にし、残り相電圧に対応するスイッチの制御信号のデューティー比を変化させて目標電圧を得ることを特徴とする請求項１に記載の３相モーター駆動用インバーターの制御方法。
【請求項３】
前記各相電圧ベクトル領域は、同じ角度で形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３相モーター駆動用インバーターの制御方法。
【請求項４】
前記デューティー比は、前記残り２個の相電圧と前記最大相電圧ベクトルの最大相電圧を、位相端子の相電圧間のライン電圧と前記直流電源の電圧の比に基づいて算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３相モーター駆動用インバーターの制御方法。
【請求項５】
３相モーターの各位相端子と直流電源の正の端子との間に連結される３個の第１スイッチと、前記３相モーターの各位相端子と直流電源の負の端子との間に連結される第２スイッチとを有する３相モーター駆動用インバーターの制御装置において、
前記３相モーターの各位相端子の相電圧を受け、前記相電圧が正の値を有する場合は１を、前記相電圧が負の値を有する場合は０を返すサイン関数を使用して次のような論理演算でベクトル領域変数を出力するベクトル領域決定部と、
【数１】
2004350491.tif 000019
(ここで、region1、region2、region3、region4、region5及びregion6はそれぞれ相電圧ベクトル領域を示すベクトル領域変数であり、Vuo、Vvo及びVwoはそれぞれu、v及びw相の相電圧である。)
前記相電圧を受け、前記各相電圧間のライン電圧が前記直流電源に対する比として得られるデューティー比に応じてライン電圧比較信号を算出するライン電圧比較信号生成部と、
次のような論理演算で前記インバーターの前記第１スイッチの制御信号を算出し、前記第１スイッチの制御信号と１８０度の位相差を有する第２スイッチの制御信号を算出するインバーター制御部と
を含むことを特徴とする３相モーター駆動用インバーターの制御装置。
【数２】
2004350491.tif 000020
(ここで、Su、Sv及びSwはu、v及びw相の第１スイッチ素子の制御信号であり、Suv、Svw及びSwuは各ライン電圧Vuv、Vvw及びVwuに対応するライン電圧比較信号である。)
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３相モーター駆動用インバーターの制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、エネルギーの効率を高めるために家電製品(エアコン、洗濯機及び冷蔵庫など)にインバーターにより制御される３相モーターを使用する場合が多くなっている。このようなインバーターは、パルス幅変調(ＰＷＭ:Pulse Width Modulation)方法により主に制御されるが、インバーターにリンクされた直流電圧を最大限使用できるという側面で空間電圧ベクトルパルス幅変調法(ＳＶＰＷＭ又はＳＶＭ:Space Voltage Vector Pulse Width Modulation、以下、“ＳＶＭ”という)が他のＰＷＭ方法よりも優れているといわれる。さらに、この方式は一般的に広く使用される三角波比較ＰＷＭ方法に比べて正常状態における電流高調波成分を著しく抑制する。(Analysis and Realization of a Pulse Width Modulation on Voltage Space Vector, written by H.W Van der Broeck and H.C Skydelny, IEEE Trans. On Appl., 1998, vol IA-24, no.1, p.142-150; and Analysis of the Harmonics in Voltage fed Inverter Devices Caused by PWM Schemes with Discontinuous Switching Operation., written by H.W Van der Broeck, 1991, EPE Conf Rec-3, p.261-266)
【０００３】
しかし、既存のＳＶＭは演算に長時間が必要であり、具現が複雑であるという短所がある。既存のＳＶＭで実際のスイッチング時間は、インバーターが出力しうる８個のスイッチング状態に基づいて決定される。このような接近方式によれば、実際のスイッチングパターンを生成するためにベクトル空間上で基準電圧ベクトルに最も近い２個の有効スイッチングベクトルを選定し、各々のベクトルが印加される時間を１周期の平均概念から算出する。このように算出された時間は、再び実際のスイッチング時間を生成するために再合成される。すなわち、基準電圧ベクトルが位置したセクターを判別し、印加するベクトルを選定して印加する時間を計算した後、再び合成する過程を行う。
【０００４】
以下、図１乃至図３を参照して従来のＳＶＭに基づくインバーターの制御方法を具体的に説明する。
図１は、従来のd-q(回転座標系)電流制御器を用いたインバーター制御装置を示している。
図１に示したように、従来のインバーター制御装置は、インバーター１０１、d-q変換器１０２、電流制御器１０３、ＳＶＭアルゴリズムモジュール１０４及びゲートドライバー１０５で構成されている。
【０００５】
インバーター１０１は、３相モーターの各位相端子(u、v及びw相)と直流電源(Vdc)の正の端子との間に連結される３個の第１スイッチ(Sup、Svp及びSwp)と、前記３相モーターの各位相端子(u、v及びw相)と直流電源の負の端子との間に連結される第２スイッチ(Sun、Svn及びSwn)とを備えている。
インバーター１０１の各相の第１スイッチ(Sup、Svp及びSwp)がオン状態、第２スイッチ(Sun、Svn及びSwn)がオフ状態にある場合は１、各相の第１スイッチがオフ状態、第２スイッチがオン状態にある場合は０に定義すると、８個の電圧ベクトルを定義することができる。図２はかかる従来の電圧ベクトルの空間座標上の配置を示したものである。
【０００６】
ベクトルv(t)は、モーターに流れるライン電流を回転座標系上のd-q軸に基づいてそれぞれvd、vqの成分として表示するとともに、サイズ(V)と隣接電圧ベクトルとの位相(θ)として表示する。各ベクトル領域は各電圧ベクトルから隣接した電圧ベクトルまでの位相変化空間である。
【０００７】
図３は、このようなベクトル領域と相電圧との関係を示したものであり、領域Iは、相電圧Vuoが最大値を有する地点から始まり、領域IIIは相電圧Vvoが最大値を有する地点から始まるということがわかる。
d-q変換器１０２は、３相モーターの各位相端子からモーターへ流れるライン電流を受けて回転座標系を用いて座標を変換した値を電流制御器１０３に出力する。電流制御器１０３は、回転座標系上の出力電圧成分を計算する。ＳＶＭアルゴリズムモジュール１０４は、出力電圧ベクトルを計算し、付近の電圧ベクトル及び領域を決定して付近電圧ベクトルのベクトル維持時間を決めてゲートドライバー１０５に出力する。ゲートドライバー１０５は、ベクトル維持時間を受信してインバーター１０１内の各相の６個のスイッチのゲート信号を出力する。
【０００８】
以下、図２を参照してベクトルv(t)を出力するためのスイッチ導通時間を算出する過程を説明する。
ベクトルv(t)を出力するためには、スイッチの導通時間がベクトルのサイズ(V)と位相角(θ)に応じて変調されるべきである。
【数１】
2004350491.tif 000003
【数２】
2004350491.tif 000004
【０００９】
変調のための出力ベクトルに隣接するベクトルを求めるための区間は、次のように決定される。
【数３】
2004350491.tif 000005
電流制御のために電圧ベクトルv(t)は次のように変調されうる。
【数４】
2004350491.tif 000006
【００１０】
次のように三角公式を用いて付近電圧ベクトルVα,Vβの導通時間Tα,Tβと零電圧ベクトルVoの導通時間Toは、次のように得られる。
【数５】
2004350491.tif 000007
【数６】
2004350491.tif 000008
【数７】
2004350491.tif 000009
【００１１】
しかし、このような従来の技術は領域を決定し、付近電圧ベクトルのスイッチ導通時間を決定し、区間に応じるスイッチングパターンを決めてスイッチの導通時間を決定するなど、アルゴリズムが複雑である。さらに、インバーター１０１内の各相の６個のスイッチがゲートドライバー１０５により連続してスイッチングされるという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の目的は、空間電圧ベクトルパルス幅変調アルゴリズムを簡単にしてソフトウェアの負担を低減するのみならず、簡単なハードウェアで３相モーター駆動用インバーターを制御しうる制御装置及び制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的は、本発明により３相モーターの各位相端子と直流電源の正の端子との間に連結される３個の第１スイッチと、前記３相モーターの各位相端子と直流電源の負の端子との間に連結される第２スイッチとを有する３相モーター駆動用インバーターの制御方法において、ベクトル座標上に各相電圧の最大値に対応する３個の最大相電圧ベクトルを等角度間隔で配置し、前記各最大相電圧ベクトルに対する所定の角度領域を最大相電圧ベクトル領域に設定し、前記最大相電圧ベクトル領域の間に前記最大相電圧ベクトルに対応する最小相電圧ベクトルを設定し、前記最大相電圧ベクトル領域では該当最大相電圧を有する位相端子に連結された第１スイッチをオンさせ、第２スイッチをオフ状態にして、残り２個の相電圧に対応するスイッチに対する制御信号のデューティー比を変化させて目標電圧を得ることを特徴とする３相モーター駆動用インバーターの制御方法によって達成される。
【００１４】
前記各最小相電圧ベクトルの領域では、前記各最小相電圧ベクトル領域と１８０度の位相差を有する前記最大相電圧ベクトル領域の最大相電圧を有する位相端子に連結された第１スイッチをオフさせ、第２スイッチをオン状態にし、残り相電圧に対応するスイッチの制御信号のデューティー比を変化させて目標電圧を得るようにすることが好ましい。
ここで、前記各相電圧ベクトル領域は、同じ角度で形成されることができ、前記デューティー比は、前記残り二つの相電圧と前記最大相電圧ベクトルの最大相電圧を位相端子の相電圧間のライン電圧と前記直流電源の電圧の比に基づいて算出することができる。
【００１５】
さらに、前記目的は、３相モーターの各位相端子と直流電源の正の端子との間に連結される３個の第１スイッチと、前記３相モーターの各位相端子と直流電源の負の端子との間に連結される第２スイッチとを有する３相モーター駆動用インバーターの制御装置において、前記３相モーターの各位相端子の相電圧を受け、前記相電圧が正の値を有する場合は１を、前記相電圧が負の値を有する場合は０を返すサイン関数を使用して次のような論理演算でベクトル領域変数を出力するベクトル領域決定部と、
【数８】
2004350491.tif 000010
(ここで、region1、region2、region3、region4、region5及びregion6はそれぞれ相電圧ベクトル領域を示すベクトル領域変数であり、Vuo、Vvo及びVwoはそれぞれu、v及びw相の相電圧である。)
【００１６】
前記相電圧を受け、前記各相電圧間のライン電圧が前記直流電源に対する比として得られるデューティー比に応じてライン電圧比較信号を算出するライン電圧比較信号生成部と、次のような論理演算を通じて前記インバーターの前記第１スイッチの制御信号を算出し、前記第１スイッチの制御信号と１８０度の位相差を有する第２スイッチの制御信号を算出するインバーター制御部とを含むことを特徴とする３相モーター駆動用インバーターの制御装置によっても達成される。
【００１７】
【数９】
2004350491.tif 000011
(ここで、Su、Sv及びSwはu、v及びw相の第１スイッチ素子の制御信号であり、Suv、Svw及びSwuは各ライン電圧Vuv、Vvw及びVwuに対応するライン電圧比較信号である。)
【発明の効果】
【００１８】
上述したように、本発明によれば、インバーターを複雑なソフトウェアを使用せず簡単な論理演算で制御することができ、各相電圧ベクトル領域ごとに一対のスイッチのオン／オフ状態が変わらないので、スイッチングの損失を減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に参照して詳細に説明する。
図４は本発明の実施形態による３相モーター駆動用インバーターの制御装置のブロック図である。図４に示したように、インバーター制御装置はインバーター１、３相モーター２、ベクトル領域決定部３、ライン電圧比較信号生成部４及びインバーター制御部５を備えている。
【００２０】
図５を参照すれば、インバーター１は３相モーター２の各位相端子(u、v及びw相)と直流電源(Vdc)の正の端子との間に連結される３個の第１スイッチ(Sup、Svp及びSwp)と、前記３相モーター２の各位相端子(u、v及びw相)と直流電源(Vdc)の負の端子との間に連結される第２スイッチ(Sun、Svn及びSwn)とを備えている。インバーター１の出力端子は平衡３相モーター２の各位相端子に連結され、平衡３相モーター２の中性点(o)に対する各位相端子の電圧Vuo、Vvo及びVwoが相電圧となる。
【００２１】
ベクトル領域決定部３は、各３相モーター２の各位相端子の相電圧を受け、インバーター制御部５にベクトル領域変数を出力する。以下、図６及び図７を参照して本発明の実施形態による空間座標上の相電圧ベクトルと相電圧ベクトル領域を説明する。
インバーター１の各相の第１スイッチ及び第２スイッチのゲート端子には、スイッチのオン／オフを制御する制御信号(Su、Sv、Sw)が入力される。各相に対応する第１スイッチをオンさせ、第２スイッチをオフさせると１を備え、第１スイッチをオフさせ、第２スイッチをオンさせると０を有する相電圧ベクトルの成分に応じて、インバーター１は、６個のスイッチにより８個の相電圧ベクトル(V0〜V7)を有する。
【００２２】
図６は、このような相電圧ベクトル及びこれによる相電圧ベクトル領域を示している。相電圧ベクトルでV0(0，0，0)とV7(1，1，1)を基準電圧ベクトルとし、ベクトル空間で基準電圧ベクトルを除いた相電圧ベクトルがV1(1，0，0)、V2(1，1，0)、V3(0，1，0)、V4(0，1，1)、V5(0，0，1)及びV6(1，0，1)の順序で６０度の間隔を有する放射状に配置されている。相電圧ベクトルと最大距離を有する基準電圧ベクトルを、前記電圧ベクトルの零ベクトルと選択して各領域に対する零ベクトルに設定する。
【００２３】
V1ベクトルは、Vuoが最大値を有する場合のベクトルであり、その反対位相を有するV4はVuoが最小値を有する場合のベクトルである。このようにV3とV5は、それぞれVvoとVwoの最大値を示すベクトルであり、V6とV2は、それぞれVvoとVwoの最小値を示すベクトルである。したがって、ベクトルV1、V3及びV5は、最大相電圧ベクトルと定義し、V2、V4及びV6は最小相電圧ベクトルと定義する。
【００２４】
図６に示したように、各相電圧ベクトル領域は、相電圧ベクトルに対して所定の角度を有するが、その角度を６０度にすることが好ましい。このような相電圧ベクトル領域と相電圧ベクトルの関係を図７Ａに示した。相電圧ベクトル領域１を見ると、領域の中央で相電圧Vuoの波形が、相電圧ベクトル領域３では、相電圧Vvoの波形が領域の中央で最大値を有することがわかる。この際、各領域は図７Ｃに示したように、各相電圧の符号と関連されている。
【００２５】
これにより、相電圧が正の値を有すると１を、前記相電圧が負の値を有すると０を返すサイン関数の次のような論理演算でベクトル領域変数を算出しうる。
【数１０】
2004350491.tif 000012
(ここで、region1、region2、region3、region4、region5及びregion6はそれぞれ相電圧ベクトル領域を示すベクトル領域変数であり、Vuo、Vvo及びVwoはそれぞれモーター２のu、v及びw相の相電圧である。)
【００２６】
ベクトル領域変数が１を有すると、相電圧ベクトルは、ベクトル領域変数が指示する該当領域に位置するということを意味する。
ライン電圧比較信号生成部４は、相電圧を受け、各相電圧間のライン電圧がインバーター１にリンクされている直流電源に対する比として得られるデューティー比に応じて、ライン電圧比較信号をインバーター制御部５に出力する。以下、各スイッチの導通時間とライン電圧比較信号を求める過程を説明する。
【００２７】
図５を参照すれば、各相の導通時間Tu、Tv及びTwと直流電源の負の端子(n)に基づく平均出力電圧Vun、Vvn、Vwnとの関係式は次のように得られる。
【数１１】
2004350491.tif 000013
さらに、平衡３相回路の中性点(o)の直流電源の負の端子側に基づく電圧Vonは重畳の原理により求められる。
【数１２】
2004350491.tif 000014
【００２８】
出力相電圧とスイッチの導通時間との関係は、次の通りである。
【数１３】
2004350491.tif 000015
相電圧ベクトル領域１に位置し、零電圧ベクトルがV7(1，1，1)であれば、Tu=Tsとなり、数１３を用いて導通時間を計算すると次の通りである。
【数１４】
2004350491.tif 000016
【００２９】
相電圧ベクトル領域１に位置し、零電圧ベクトルがV0(0，0，0)であれば、Tw=0であり、これを用いて導通時間を計算すると次の通りである。
【数１５】
2004350491.tif 000017
(ここで、Tu、Tv及びTwは各相の第１スイッチが導通されるデューティーサイクルのパルス時間を示し、Vuo、Vvo及びVwoはu、v及びw相に対応する相電圧を示し、Tsは第１スイッチに印加される制御信号のデューティーサイクルにおけるパルス周期である。)
【００３０】
数１４，１５から、各相のスイッチの導通時間は、区間に応じて定められる零電圧ベクトルとライン間電圧のサイズに応じて決定されることがわかる。このように得られる導通時間に対して、前記第１スイッチをオンさせる制御信号をライン電圧比較信号と定義する。
図８は、零ベクトルがV7(1，1，1)である場合の出力ライン電圧に対するライン電圧比較信号を三角波形法により示したものである。仮に、零ベクトルがV0(0，0，0)であれば、ライン電圧比較信号の位相は１８０度逆転されるべきである。
【００３１】
インバーター制御部５は、ベクトル領域決定部３とライン電圧比較信号生成部４からそれぞれベクトル領域変数とライン電圧比較信号を受信して、インバーター１にインバーター制御信号を出力する。
図７Ｄを参照すれば、インバーター１の各スイッチに対する制御信号は、各相電圧ベクトル領域で４個のスイッチに対してライン電圧の時間による変化によって変わり、零ベクトルに該当する位相端子に連結されたスイッチは、所定のオン/オフ状態を維持する。したがって、各相の第１スイッチの制御信号は、次のような論理演算によって求められる。
【００３２】
【数１６】
2004350491.tif 000018
(ここで、Su、Sv及びSwは第１スイッチの制御信号であり、Suv、Svw及びSwuは各ライン電圧に対応するライン電圧比較信号であり、region1、region2、region3、region4、region5及びregion6はベクトル領域変数である。)
【００３３】
図９は相電圧ベクトル領域によるライン電圧比較信号(図９ＢのSwu、図９ＤのSvw及び図９ＦのSuv)及び各相の第１スイッチの制御信号(図９ＧのSu、図９ＨのSv及び図９ＩのSw)を示したものである。各相の第２スイッチには、前記第１スイッチの制御信号とは１８０度の位相差がある制御信号を印加する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来のd-q(回転座標系)電流制御器を用いたインバーターの制御ブロック図である。
【図２】従来の電圧ベクトルの空間座標上の配置図である。
【図３】従来のベクトル領域と相電圧との関係図である。
【図４】本発明の実施形態による３相モーター駆動用インバーターの制御装置のブロック図である。
【図５】本発明の実施形態によるインバーター及び平衡３相モーターの回路図である。
【図６】本発明の実施形態による相電圧ベクトル及び相電圧ベクトル領域の配置図である。
【図７】本発明の実施形態による相電圧ベクトル領域と相電圧ベクトルとの関係図である。
【図８】本発明の実施形態による零ベクトルが(1，1，1)である場合の三角波形法による出力ライン電圧に対するライン電圧比較信号図である。
【図９】本発明の実施形態による相電圧ベクトル領域によるライン電圧比較信号及び各相の第１スイッチの制御信号図である。
【図１】
2004350491.tif 000021
【図２】
2004350491.tif 000022
【図３】
2004350491.tif 000023
【図４】
2004350491.tif 000024
【図５】
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【図６】
2004350491.tif 000026
【図７】
2004350491.tif 000027
【図８】
2004350491.tif 000028
【図９】
2004350491.tif 000029