(57)【要約】【課題】モータ制御システムの構成を簡略化しつつ、モータへの供給電流に応じた最適なデッドタイム補償を可能としたインバータ制御装置を提供する。【解決手段】デッドタイム補償回路３０は、ハイレベルカウンタ３２、マルチプレクサ３４、ＲＯＭ３６で構成される。ハイレベルカウンタ３２は、比較器２８から電流指令値とキャリア信号の大小比較の結果を取り込み、カウントすることで、ＰＷＭ信号のデューティー比を求める。マルチプレクサ３４及びＲＯＭ３６は、デューティー比に対応するデッドタイム補償値Ｋｄを読み出して、デッドタイム設定値Ｔｄに加算する。この結果が、減算器２６にて電流指令値Ｉから減算され、デッドタイムが設定される。これによれば、電流検出器が必要なく、モータ制御システムの構成が簡略化される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータを構成する複数のスイッチング素子に対し、指令値に応じたオンオフ信号を与えるインバータ制御装置であって、
直列接続された２つのスイッチング素子に与えるオンオフ信号に、短絡防止用のデッドタイムを設定するデッドタイム設定手段を備え、
該デッドタイム設定手段は、前記指令値に基づいて前記デッドタイムを調節するデッドタイム補償手段を有することを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のインバータ制御装置であって、
前記デッドタイム補償手段は、前記指令値に基づいてオンオフ信号のデューティー比を求め、該デューティー比に応じて前記デッドタイムを調節することを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載のインバータ制御装置であって、
前記デッドタイム補償手段は、前記指令値とキャリア信号の大小比較をした結果をカウントすることにより、デューティー比を求めることを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載のインバータ制御装置であって、
前記デッドタイム補償手段は、キャリア信号生成用のクロック周期が変更される場合に、前記クロック周期で前記指令値とキャリア信号の大小比較をした結果をカウントすることを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項５】
複数のスイッチング素子で構成されるインバータを制御する制御装置に、
前記各スイッチング素子へのオンオフ信号を生成するための指令値を取得する工程と、
前記指令値に応じて調節されたデッドタイムを、直列接続された２つのスイッチング素子に与えるオンオフ信号に設定する工程と、
を実行させるためのインバータの制御プログラム。
【請求項６】
複数のスイッチング素子で構成されるインバータを制御する制御方法であって、
前記各スイッチング素子へのオンオフ信号を生成するための指令値を取得するステップと、
前記指令値に応じて調節されたデッドタイムを、直列接続された２つのスイッチング素子に与えるオンオフ信号に設定するステップと、
を含むことを特徴とするインバータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータを構成する複数のスイッチング素子をオンオフ制御するインバータの制御技術、特に、直列接続された２つのスイッチング素子のオンオフに際して短絡防止用のデッドタイムを設定するインバータの制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流ブラシレスモータや交流同期モータなどでは、固定子に巻装されたコイルに通電することで磁界を発生させ、回転子を駆動制御している。コイルの通電制御は、インバータを構成する複数のスイッチング素子に対して、インバータ制御装置がＰＷＭ制御用のオンオフ信号を与えることで行われている。
【０００３】
スイッチング素子をオンオフ制御する際に、直列接続された２つのスイッチング素子に対して同時にオン信号が与えられて通電されると、電源の高電圧側と低電圧側が短絡されてしまうので、これを防止するために、当該２つのスイッチング素子へのオンオフ信号にはデッドタイムを設定するのが一般的である。
【０００４】
特開２００２−２７２１８２号公報には、従来技術に係るデッドタイム設定方法の一例が記載されている。この従来技術では、低速運転時、低負荷運転時にデッドタイムに起因して発生してしまう電流歪みやトルクリップルを緩和するため、インバータからモータへの供給電流の極性に応じたデッドタイムの補償を行っている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７２１８２号公報
【特許文献２】特許第３０６２９００号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記文献のデッドタイム補償では、供給電流の極性を判定するために、電流検出器を設けている。この構成によれば、電流検出器及び電流検出器の出力ノイズを除去のためのフィルタ等複雑な回路が必要となり、モータ制御システムの構成が複雑、且つ製造コストが上がってしまうという問題点がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、モータ制御システムの構成を簡略化しつつ、モータへの供給電流に応じた最適なデッドタイム補償を可能とした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】
【０００８】
上述した目的を達成するために、本発明は、インバータを構成する複数のスイッチング素子に対し、指令値に応じたオンオフ信号を与えるインバータ制御装置であって、直列接続された２つのスイッチング素子に与えるオンオフ信号に、短絡防止用のデッドタイムを設定するデッドタイム設定手段を備え、該デッドタイム設定手段は、前記指令値に基づいて前記デッドタイムを調節するデッドタイム補償手段を有することを特徴とする。
【０００９】
また、前記デッドタイム補償手段は、前記指令値に基づいてオンオフ信号のデューティー比を求め、該デューティー比に応じて前記デッドタイムを調節することが好ましい。
【００１０】
また、前記デッドタイム補償手段は、前記指令値とキャリア信号の大小比較をした結果をカウントすることにより、デューティー比を求めることが好ましい。
【００１１】
また、前記デッドタイム補償手段は、キャリア信号生成用のクロック周期が変更される場合に、前記クロック周期で前記指令値とキャリア信号の大小比較をした結果をカウントすることが好ましい。
【００１２】
また、上述した目的を達成するために、本発明は、複数のスイッチング素子で構成されるインバータを制御する制御装置に、前記各スイッチング素子へのオンオフ信号を生成するための指令値を取得する工程と、前記指令値に応じて調節されたデッドタイムを、直列接続された２つのスイッチング素子に与えるオンオフ信号に設定する工程と、を実行させるためのインバータの制御プログラムである。
【００１３】
また、上述した目的を達成するために、本発明は、複数のスイッチング素子で構成されるインバータを制御する制御方法であって、前記各スイッチング素子へのオンオフ信号を生成するための指令値を取得するステップと、前記指令値に応じて調節されたデッドタイムを、直列接続された２つのスイッチング素子に与えるオンオフ信号に設定するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
図１は、第一の実施形態に係るモータ制御システムの概略を示す構成図である。このモータ制御システムは、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載され、車両の駆動源として用いられる。モータ制御システムは、直流電源１０と、インバータ１２と、同期モータ１４と、インバータ制御装置２０と、を備え、インバータ制御装置２０がインバータ１２を制御することで三相交流電流を生成し、同期モータ１４を回転制御している。
【００１６】
直流電源１０の高電位と低電位の間に、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）ごとに２つのスイッチング素子（トランジスタ）ＵＰ及びＵＮ，ＶＰ及びＶＮ，ＷＰ及びＷＮが直列接続され、さらに、これら２つのスイッチング素子の中間に各相コイルに通ずる導電線が接続されることで、インバータ１２は構成される。以下、直列接続された２つのスイッチング素子のうち、高電位側のスイッチング素子ＵＰ，ＶＰ，ＷＰを上側素子と呼び、低電位側のスイッチング素子ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを下側素子と呼ぶ。
【００１７】
インバータ制御装置２０は、各相ごとに設けられた３つの電流制御部を備えており、これらに三相交流電流を生成するための電流指令値を入力して、各スイッチング素子ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する。これにより、直流電源から所望の三相交流電流に生成され、同期モータ１４の出力トルク値、回転速度等が制御される。同期モータ１４は、内部にロータ及びステータを備えて構成され、ステータに巻装される各相コイルにインバータ１２からの三相交流電流を供給することでロータが回転駆動される。この駆動力が車輪に伝達され、車両が駆動される。
【００１８】
次に、インバータ制御装置２０の電流制御部の動作について、より詳細に説明する。図２は、Ｕ相制御部の構成を示すブロック図であり、図３は、Ｕ相制御部の内部信号の経時変化を示すタイミングチャートである。なお、Ｕ相制御部を一例として説明するが、Ｖ相制御部，Ｗ相制御部についても構成及び動作は同じである。
【００１９】
アップダウンカウンタ２４は、カウント値の増減を繰り返して、キャリア信号である三角波を発生する。すなわち、クロック生成部２２から一定周期のパルス信号が入力されるごとにカウント値をインクリメント（＋１）し、カウント値が上限値（本実施形態では１２７）に到達すると、カウント値のデクリメント（−１）を開始する。その後、パルス信号が入力されるごとにカウント値をデクリメント（−１）し、カウント値が下限値（本実施形態では０）に到達すると、再びカウント値のインクリメント（＋１）を開始する。アップダウンカウンタ２４は、上記の処理を繰り返すことにより三角波を生成し、これを出力する。
【００２０】
Ｕ相制御部には、同期モータ１４を所望の出力トルク値、回転速度などに制御するように演算された電流指令値Ｉが入力される。電流指令値は、同期モータ１４の回転に応じた交流電流を指示する値であり、時間経過に伴って正弦波状に変化する。Ｕ相制御部に入力された電流指令値は、Ｕ相制御部内で分岐して２つの信号Ｉｐ，Ｉｎとして伝送される。２つの電流指令値のうち一方が上側素子制御用の信号Ｉｐであり、他方が下側素子制御用の信号Ｉｎである。なお、本実施形態では、各電流制御部に電流指令値が入力されることとしているが、電圧指令値が入力される場合もある。
【００２１】
上側素子制御用の電流指令値Ｉｐは減算器２６に入力され、ここでデッドタイム設定値Ｔｄ’が減算される。これにより、上側素子制御用の電流指令値Ｉｐ’（破線）は、元の電流指令値Ｉ（実線）より若干小さな値となる。その後、減算器２６から出力された電流指令値Ｉｐ’は、上側素子制御用の比較器２８に取り込まれ、アップダウンカウンタ２４により生成された三角波と大小が比較される。ここで、電流指令値Ｉｐ’が三角波よりも大きい場合には、比較器２８から上側素子ＵＰにオン信号が出力され、上側素子ＵＰは導通状態に制御される。また、電流指令値Ｉｐ’が三角波よりも小さい場合にはオフ信号が出力され、上側素子ＵＰは遮断状態に制御される。
【００２２】
一方、下側素子制御用の電流指令値Ｉｎは、そのまま（デッドタイム設定値Ｔｄ’が減算されることなく）下側素子制御用の比較器２９に取り込まれ、アップダウンカウンタ２４により生成された三角波と大小が比較される。ここで、電流指令値Ｉｎが三角波よりも小さい場合には、比較器２９から下側素子ＵＮにオン信号が出力され、下側素子ＵＮは導通状態に制御される。また、電流指令値Ｉｎが三角波よりも大きい場合にはオフ信号が出力され、下側素子ＵＮは遮断状態に制御される。
【００２３】
上記のオンオフ信号の生成処理により、上側素子ＵＰへオン信号が出力される期間には下側素子ＵＮへオフ信号が出力され、上側素子ＵＰへオフ信号が出力される期間には下側素子ＵＮへオン信号が出力されることとなる。但し、上側素子制御用の電流指令値Ｉｐからデッドタイム設定値Ｔｄ’が減算されることにより、上側素子ＵＰへオン信号が出力される期間と下側素子ＵＮへオン信号が出力される期間との間には、両素子とも遮断状態となるデッドタイムが設定されている。
【００２４】
このデッドタイムにより、直列接続された各相のスイッチング素子ＵＰ及びＵＮの同時導通状態が回避され、高電位と低電位の短絡が防止されている。同時導通を確実に回避するために必要となるデッドタイムの具体的数値は、スイッチング素子の種類、ゲート駆動回路の遅延ばらつきなどの要因により異なるが、フォトカプラ方式では約２μｓ〜５μｓであり、高耐圧ＩＣ方式では約５００ｎｓ〜７００ｎｓである。
【００２５】
上述した構成のＵ相制御部において、スイッチング素子ＵＰ，ＵＮを導通状態から遮断状態に切り換えた直後には、スイッチング素子ＵＰ，ＵＮにはテール電流が流れる。テール電流が流れる時間はＵ相コイルに流れる電流量により変化するが、電流量に応じてデッドタイムを最適化するために、デッドタイム補償回路３０が設けられている。デッドタイム補償回路３０は、ハイレベルカウンタ３２、マルチプレクサ（ＭＰＸ）３４と、デッドタイム補償値テーブルが格納されたＲＯＭ３６と、で構成される。
【００２６】
ハイレベルカウンタ３２は、比較器２８から上側素子ＵＰへの出力信号を取り込んで、これに基づきＰＷＭ制御のデューティー比を求める。つまり、キャリア信号の一周期が開始してから終了するまでの間、所定時間ごとに、比較器２８の出力信号がオン信号であるか又はオフ信号であるかを判定し、オン信号である場合にのみカウント値をインクリメント（＋１）する。これにより、キャリア信号の一周期においてオン信号が出力される時間割合（デューティー比）が求められる。
【００２７】
なお、キャリア信号の一周期の開始及び終了は、アップダウンカウンタ２４が出力するキャリア信号を取り込み、その値が所定値（例えば“０”）になったことにより認識すればよい。また、処理を簡略化するためにはカウンタのビット数は小さくすることが好ましく、本実施形態では８ビットカウンタとしている。
【００２８】
マルチプレクサ３４は、論理回路として構成された８ビットデコーダであり、ハイレベルカウンタ３２からカウント値を取り込むと、このカウント値が属する値域を判定する。つまり、カウント値の値域は“０〜９４”，“９５〜１２３”，“１２４〜１３１”，“１３２〜１６０”，“１６１〜２５５”の５つの値域に分割されており、これらの値域の中からカウント値が属するいずれか一つの値域を判定し、その判定結果をＲＯＭ３６に出力する。
【００２９】
ＲＯＭ３６には、各値域のそれぞれにデッドタイム補償値が対応付けられたテーブルが格納されている。デッドタイム補償値のテーブルを、図４に示す。このテーブルでは、カウンタ値が“１２４〜１３１”にある場合には、電流指令値Ｉはゼロ近傍であり、コイルに流れる電流値もほぼ電流指令値Ｉ通りとなるため、デッドタイム補償値を“０．０μｓｅｃ”相当の値としてデッドタイムを調節しない。一方、カウンタ値が“１６０”を超えた場合、又は“９５”を下回った場合には、電流指令値は大きな値であり、コイルに流れる電流も大きいため、ターンオフ時の際にスイッチング素子に流れるテール電流の時間が長くなるのでデッドタイム補償値を例えば“１．０μｓｅｃ”相当の値として、デッドタイムを拡大している。
【００３０】
ＲＯＭ３６は、マルチプレクサ３４の判定結果を取り込むと、その判定結果の値域に対応するデッドタイム補償値Ｋｄをテーブルから読み出して、加算器４２に出力する。加算器４２にて、デッドタイム補償値Ｋｄはデッドタイム設定値Ｔｄに加算される。これにより、デッドタイム設定値Ｔｄは電流指令値に応じて調節され、調節後のデッドタイム設定値Ｔｄ’が生成される。このデッドタイム設定値Ｔｄ’が、上側素子制御用の電流指令値Ｉｐから減算されることで、オンオフ信号にデッドタイムが設定される。このようにして各相コイルに通電される電流量に応じてデッドタイムが調節され、モータ制御が最適化される。
【００３１】
なお、本実施形態では、デッドタイム補償回路３０を、８ビットカウンタ３２，８ビットデコーダ３４，ＲＯＭ３６で構成したが、上記処理を行うものであれば特にこれに限らない。例えば、ハイレベルカウンタ３２及びマルチプレクサ３４を演算処理装置（ＣＰＵ）として構成して、プログラムを実行して上記と同等な処理を行うことも可能である。また、ＲＯＭ３６に代えて、レジスタを用いてもよい。
【００３２】
また、本実施形態では、デッドタイム補償回路３０は、電流指令値とキャリア信号を大小比較してデューティー比を求めてからデッドタイム設定値Ｋｄを選択しているが、他の実施形態では、デッドタイム補償回路３０は、電流指令値とキャリア信号の大小比較を行わずに、電流指令値の大きさに応じたデッドタイム設定値Ｋｄを選択するよう構成してもよい。
【００３３】
上述した実施形態において特徴的なことは、電流指令値の大きさに応じたデッドタイム補償値Ｋｄを求め、これに基づきデッドタイムを調節していることである。このような構成とすることにより、電流検出器を設けて実際の電流値（実電流値）を検出する必要がないため、モータ制御システムの構成を簡略化することができる。よって、車両の製造が容易となり、コストを低く抑えることができる。また、電流検出器で実電流値を検出して、デッドタイムの補正を行う場合、補正処理のスループットが大きくなってしまうが、電流指令値によってデッドタイムを補正するとスループットが小さくなり、モータ制御システムの応答性を高いものとすることができる。
【００３４】
また、本実施形態では、デッドタイム補償値Ｋｄを求めるに際して、ＰＷＭ制御のデューティー比を求めている。デューティー比は、スイッチング素子が通電状態となる時間割合を表しているため、通電状態から遮断状態への切り換え時にスイッチング素子に流れる電流を最も直接的に反映する数値である。よって、ＰＷＭ制御のデューティー比を求め、これに応じてデッドタイム補償値Ｋｄを決定することが、デッドタイムの最適化には特に好ましい。
【００３５】
また、本実施形態では、電流指令値に応じてデッドタイム補償値Ｋｄを求めるため、ＲＯＭ３６の容量を小さく抑えることが可能となっている。つまり、従来技術のように電流検出器を用いて実電流値を検出した場合には、電流指令値の振幅、電流指令値の周波数、その他のデッドタイム補償に関する要因に応じて、多数のデッドタイム補償値テーブルが必要となってしまうが、これに対し、本実施形態のように電流指令値に応じてデッドタイム補償値Ｋｄを求める場合には、上記要因によらず同一のテーブルを利用できるため、ＲＯＭ３６の容量は少なくて済む。
【００３６】
次に、第二の実施形態に係るモータ制御システムについて説明する。第二の実施形態に係るモータ制御システムの構成は、第一の実施形態と概ね同じであり、各相制御部の内部構成の一部のみが第一の実施形態と異なっている。図５は、第二の実施形態に係るＵ相制御部の構成を示すブロック図である。
【００３７】
第二の実施形態では、最適なモータ制御を行うためにキャリア周期を変更している。つまり、各相制御部にはクロックの周期を変化させる分周回路４４が設けられており、これに最適なキャリア周期を指定するキャリア周期切り換え信号を入力することで、クロック生成部２２が出力したクロックを、キャリア周期切り換え信号に応じた周期のクロックに変更してからアップダウンカウンタ２４に入力する。この結果、アップダウンカウンタ２４が生成するキャリア周期は、複数の異なる周期（本実施形態では、０．５ｋＨｚ，１．０ｋＨｚ，１．５ｋＨｚ）のいずれかに切り換えられる。
【００３８】
しかし、このようにキャリア周期の変更制御を行った場合に、ハイレベルカウンタ３２が一定時間ごとに比較器２８の出力信号を判定しカウントを行うと、次の不具合がある。つまり、図６（ａ）に示すキャリア周期が小さい場合と、図６（ｂ）に示すキャリア周期が大きい場合を比較すれば理解できるとおり、キャリア周期が変化するとオン信号の時間幅が変化し、同じデューティー比でもカウントされる数値が相互に異なる。この結果、ＲＯＭ３６に格納されるデッドタイム補償値テーブルも、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように各キャリア周期に応じて複数のものが必要となる。また、これに伴って、複数のテーブルからキャリア周期に対応したものを選択する処理も必要となってしまう。
【００３９】
このように各相制御部の処理が複雑になってしまう事態を回避するために、第二の実施形態では、ハイレベルカウンタ３２は、分周回路４４から出力されるクロックを取り込み、クロックのタイミングごとに比較器２８の出力信号を判定してカウントを行う。この構成によれば、キャリア周期が変更された場合でも、ハイレベルカウンタのカウント値の範囲は変化しないため、デッドタイム補償回路の処理は複雑化しない。また、デッドタイム補償値テーブルを一つ（例えば図７（ｃ）のみ）で済ませることができ、ＲＯＭ３６の容量を小さく抑えることができる。
【００４０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、等価な範囲で様々な変形が可能である。
【００４１】
例えば、上記の実施形態では、モータ制御システムが車載される場合について説明したが、モータ制御システムは他の用途に用いられてもよい。また、モータ制御システムの制御対象は同期モータに限らず、直流ブラシレスモータなど他の種類のモータであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態に係るモータ制御システムの構成図である。
【図２】実施形態に係るインバータ制御装置のＵ相制御部のブロック図である。
【図３】Ｕ相制御部内の各信号の経時変化を示すタイミングチャートである。
【図４】デッドタイム補償テーブルを示す説明図である。
【図５】第二の実施形態に係るインバータ制御装置のＵ相制御部のブロック図である。
【図６】キャリア周期が変更された場合のオンオフ信号を示すタイミングチャートである。
【図７】デッドタイム補償テーブルを示す説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  直流電源、１２  インバータ、１４  同期モータ、２０  インバータ制御装置、２２  クロック生成部、２４  アップダウンカウンタ、２６  減算器、２８，２９  比較器、３０  デッドタイム補償回路、３２  ハイレベルカウンタ、３４  マルチプレクサ、３６  ＲＯＭ、４２  加算器、４４  分周回路、Ｔｄ，Ｔｄ’  デッドタイム設定値、ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ  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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