JP5640865B2

JP5640865B2 - セル多重インバータ

Info

Publication number: JP5640865B2
Application number: JP2011078141A
Authority: JP
Inventors: 小倉　和也; 和也小倉
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: JP2012213293A

Description

本発明は、磁極位置推定によってＰＭモータ（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｅｒ）を可変速制御するセル多重インバータに係り、特にＰＭモータにパルス電圧や高周波電圧を印加してその回転子磁極位置を推定し、この磁極位置推定値を使ったＰＭモータの位置センサレス制御に関する。

（１）セル多重インバータ
セル多重インバータは、従来の２レベルインバータや３レベルインバータなど、直流リンク部が１つのインバータではなく、入力トランスで絶縁された複数の直流リンク部を持ち、セルユニットと呼ぶ１組の単相ブリッジ回路で構成される単相インバータを多段に直列接続することで、各セルユニットの出力を重畳させた多段の電圧を出力することができる従来技術として、特許文献１や２がある。また、回生可能なセル多重インバータとして特許文献３がある。

図３はセル多重インバータの全体構成を示し、図４にはセルユニットの主回路構成を示す。図３において、交流モータＭｏｔｏｒのＵ、Ｖ、Ｗ相に電圧を印加する各相アームは、前記セルユニットＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の出力端をそれぞれ直列多重（セル多重）接続し、セルユニットＵ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３の交流電源は共通の入力トランスＴＲの各二次巻線から取り込み、交流モータＭｏｔｏｒに可変速駆動の交流電流を供給可能とする。

なお、各セルユニットの各アームをＰＷＭ制御するセル多重インバータとする場合、同じアームのセルユニットではキャリア信号の位相を同じとすることで、高電圧出力を得ることができる。さらに、キャリア信号の位相制御で、各ユニット間、相間、相内で均等なスイッチングを得ることができる（例えば、特許文献１参照）。さらに、キャリア信号を互いに異なる位相とすることで、等価的に高いキャリア周波数のＰＷＭインバータを実現できる。

（２）磁極位置推定
現在、ＰＭモータの回転子磁極の位置を、位置センサを用いずに検出し、モータの駆動制御を実現するＰＭモータのセンサレス制御技術が確立されている。このセンサレス制御は、インバータ起動時に回転子の磁極位置が不明のままで制御を行うとＰＭモータが脱調してしまう虞があるため、インバータ起動時にＰＭモータの巻線に磁極位置推定用のパルス電圧を印加したときのＰＭモータの電流、電圧の変化から初期磁極位置を推定する方式がある（例えば、特許文献４参照）
図５は２レベルインバータで駆動されるＰＭモータのパルス電流経路図であり、図６はＰＭモータに印加するパルス電圧と巻線電流波形の例を示す。ＰＭモータは回転子磁極位置により電機子巻線のインピーダンスが変化することを利用し、インバータから発生するパルス電圧の電気角位相を変化させながらＰＭモータの電機子巻線に印加し、このパルス電圧によってＰＭモータの巻線に流れる電流変化からインダクタンスを測定し、インダクタンスが最も小さくなる電気角位相を磁極位置として推定する。

（３）高調波による低速域でのＰＭモータのセンサレス制御
上記のパルス電圧印加による磁極位置推定方式は、ＰＭモータが停止状態にある場合は磁極位置を推定することができる。しかし、磁極位置推定時にＰＭモータが回転している場合、磁極位置の推定処理中にＰＭモータが回転して巻線インダクタンスが変化するため、上記の磁極位置推定方式では正確な推定ができない場合がある。しかも、印加するパルス電圧が小さいため出力電圧誤差が大きく、磁束オブザーバなどの静的な推定機構はモデルのパラメータ誤差が大きくなってしまう問題がある。

この方式に対し、ＰＭモータが低速回転中にも、ＰＭモータ巻線に積極的に高調波電流を流してその挙動から磁極位置を推定する方法がある（例えば、特許文献５参照）。この方法は、ベクトル制御インバータのｄ軸電流指令（界磁成分）に正弦波状の高周波電圧を注入し、このときのモータの検出電流から回転座標変換したｑ軸電流に含まれる高調波電流を抽出し、この高調波電流の位相から磁極位置を推定する。または、モータ検出電流を回転座標変換したｄ，ｑ軸電流ｉｄｃ，ｉｑｃから、それらに含まれる高調波電流成分を抽出し、この高調波電流成分と正相軸および逆相軸に対する写像を求め、これら２つの写像成分の非対称性を特徴量として求め、この特徴量から磁極位置を推定する。

特開２００５−２７８２６６号公報特開２００６−１０９６８８号公報特開２００６−２３００２７号公報特開２００１−７８４８６号公報特開２００３−１５３５８２号公報

従来の特許文献１乃至３の技術は、セル多重インバータの発明であり、ＰＭモータの磁極位置推定に関する言及はない。

特許文献４に記載される磁極位置推定方式は、ＰＭモータにパルス状の電圧を印加し、電流特性からインピーダンスを計測する。このとき、永久磁石の界磁方向によるインダクタンスの変化を利用して、電圧パルスを固定座標上のいろいろな角度に出力し、これによりインピーダンスの変化を計測する。しかし、パルス状の電圧を印加した場合、トルクを発生する方向にも電流が流れるため、モータが回転してしまう虞があり、磁極位置を推定している最中にモータが回転した場合には、正確に磁極の位置を推定することができなくなる。

これを防止するために、パルス電圧の幅を狭くすればトルクを発生する電流を抑制することができるが、ＰＭモータヘの通流時間が短くなることで電圧検出時間も短くなり、パルス電圧の幅を狭くすることは電圧精度の問題が生じる。

一方、特許文献５に記載される方法では、ＰＭモータが低速回転している状態で高周波成分をｄ軸電流（界磁成分）指令に注入するため、この高周波成分注入によるトルク成分の発生は抑制できるが、パルス電圧印加による磁極位置推定方式と同様に、ＰＭモータ巻線に流すインバータ出力は高周波成分を含むパルス電圧の振幅が直流電圧しか出力できないため、巻線に流れるパルス電流が電磁騒音の発生や過剰な高周波により発熱する問題がある。

本発明の目的は、パルス電圧印加によりモータに回転トルクが発生することを抑制して磁極位置を推定でき、さらにモータからの騒音やモータの発熱を抑制して磁極位置を推定できるセル多重インバータを提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、セル多重インバータのセルユニットのうちの一部のセルユニットにのみ磁極位置推定用のパルス電圧または高周波電圧を出力し、このときのＰＭモータ電流、電圧の変化から磁極位置を推定するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）ＰＭモータのＵ、Ｖ、Ｗ相に電圧を印加する各相アームは、１組の単相ブリッジ回路で構成される単相インバータで構成されるセルユニットの出力端をそれぞれ直列多重接続して各セルユニットの出力を重畳させた多段の電圧を出力するセル多重インバータにおいて、
インバータ起動時に、前記セルユニットのうちの一部のセルユニットのみから磁極位置推定用のパルス電圧を出力し、このパルス電圧の電気角位相を変化させながらＰＭモータの電機子巻線に印加し、このパルス電圧によってＰＭモータの巻線に流れる電流変化で求められるインダクタンスから磁極位置を推定する磁極位置推定手段を備えたことを特徴とする。

（２）ＰＭモータのＵ、Ｖ、Ｗ相に電圧を印加する各相アームは、１組の単相ブリッジ回路で構成される単相インバータで構成されるセルユニットの出力端をそれぞれ直列多重接続して各セルユニットの出力を重畳させた多段の電圧を出力するセル多重インバータにおいて、
ＰＭモータの回転中に、前記セルユニットのうちの一部のセルユニットの電圧指令に磁極位置推定用の高周波電圧を注入し、このときのＰＭモータの検出電流に含まれる高周波電流成分から磁極位置を推定する磁極位置推定手段を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、セル多重インバータのセルユニットのうちの一部のセルユニットにのみ磁極位置推定用のパルス電圧を出力またはｄ軸電流指令として高周波電圧を注入し、このときのＰＭモータ電流、電圧の変化から磁極位置を推定するようにしたため、以下の効果がある。

（１）パルス電圧の振幅を低減することで、モータに過剰なトルクが加わり難くなり、回転子の回転力を抑制した磁極位置推定が可能となる。

（２〕モータ回転中での高周波電流を利用した磁極位置推定により、モータからの騒音やモータの発熱を抑制可能となる。

実施形態１におけるセル多重インバータの主回路構成図。実施形態１におけるＰＭモータに印加するパルス電圧と巻線電流波形の例。セル多重インバータの全体構成図。セルユニットの主回路構成図。ＰＭモータのパルス電流経路図。従来のＰＭモータに印加するパルス電圧と巻線電流波形の例。

（実施形態１）
図１は、本実施形態のセル多重インバータの主回路構成図である。同図は、セル多重インバータでＰＭモータの磁極位置を推定するための構成として、Ｕ相―Ｖ相間に磁極位置推定用のパルス電圧を印加する構成を示す。

なお、図１は、Ｕ相およびＶ相にセルユニット（交流電圧を整流する整流器で直流電圧を得て、この直流電圧を１組の単相ブリッジ回路による単相インバータで構成される）Ｕ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３を３段に直列接続したセル多重インバータの場合を示すが、セルの直列接続数は３段に限定されることなく、駆動するＰＭモータの定格電圧とインバータに使用されるスイッチング素子の定格電圧に合わせて適宜決定されるものである。また、図示しない入力変圧器によってセルユニットの交流電圧を得ている。

セル多重インバータは多段のセルユニット毎に電圧出力が可能なため、本実施形態では、ＰＭモータの起動前にＵ−Ｖ間のセルユニットのうちの１つのセルユニットＵ３のみ、固定座標上の様々な角度に対してパルス電圧を出力し、磁極の位置推定を行う。

図１の構成において、各相のセルユニット３段のシステムで、３段全て＋Ｖｄｃのパルス電圧を出力すると、１相あたり３×Ｖｄｃのパルス電圧が出力されるが、これをセルユニット１段だけ出力するようにスイッチング素子をＯＮさせ、１×Ｖｄｃのパルス電圧を出力させる。

Ｕ−Ｖ間の線間で考えると、６つのセルユニットがあり、このうちの１つのセルユニットＵ３のみにパルス電圧を出力するようにスイッチング素子をＯＮするようにすれば（図１のスイッチング素子のＯＮ状態を参照）、図２のＰＭモータに印加する磁極位置推定用のパルス電圧と巻線電流波形の例を示すように、パルス電圧の振幅はすべてのセルユニットが出力するときのパルス電圧に比べて「１／（段数×２）」の電圧となり、パルス電圧の振幅を低減できるので、巻線に流れる電流も低減することができる。

これにより、インバータ起動時の磁極位置推定において、パルス電圧振幅を抑制することができ、パルス電圧によってＰＭモータに掛かるトルクを低減できるため、ブレーキ機構などを用いてＰＭモータの回転子を固定することなく、正確な磁極位置が推定できる。

なお、パルス電圧を出力するセルユニットは１ユニットに限定することなく、セル多重インバータのセルユニットのうちの一部のセルユニットにのみパルス電圧を出力することもできる。

（実施形態２）
本実施形態は、セル多重インバータの主回路構成を図１と同様の構成とし、セルユニットが３段構成である以外の磁極位置推定の制御回路構成は、特許文献５と同じに、磁極位置推定用の正弦波状の単振動高周波電圧をベクトル制御インバータのｄ軸電流指令に注入し、このときのＰＭモータの高周波検出電流から磁極位置を推定する。

本実施形態による磁極位置推定を説明する。セル多重インバータは、直列多重接続したセルユニット毎に異なる電圧指令による電圧出力が可能であり、ＰＭモータの回転時にセル多重インバータでＰＭモータを駆動制御する。なお、セル多重インバータでＰＭモータを駆動制御する方式は、例えば、特許文献１乃至３に示すＰＷＭ制御方式など、公知の技術により行う。

さらに、本実施形態では、セル多重インバータの一部のユニットのみにモータ駆動制御の基本波成分の電圧出力に高周波電圧を重畳させて、モータの検出電流から高周波電流のみを抽出（高周波成分のみをＨＰＦなどのフィルタを用いて基本波成分との分離を行うなど、公知の技術で高周波成分を分離すれば良い）し、前記高周波電圧と抽出した高周波電圧からインピーダンスを求めて、このインピーダンスの変化に基づきＰＭモータ回転時の磁極位置を推定することができる。

例えば、１相当たりセルユニット３段のシステムで、モータ駆動制御のための基本成分の電圧出力を行っている任意のセルユニットが１段ずつ交替で高周波電圧を出力するようにスイッチング素子を制御すると、３段すべてのセルユニットが同期して高周波電圧を出力する場合に比べて、高周波電圧の振幅が１／３となる。Ｕ−Ｖ間の線間で考えると６つのセルユニットがあり、このうちの１つのセルユニットのみ基本波に重畳させるようにセルユニットが交替で高周波電圧を出力するようにスイッチング素子を制御すれば、高周波電圧の振幅はすべてのセルユニットが同期して高周波電圧を出力するときの電圧振幅に比べて「１／（段数×２）」の電圧となり、高周波電圧の振幅を低減することができる。このため、高周波電圧の振幅を低減できるので、高周波電圧幅を拡大でき、デッドタイムによる電圧誤差を低減できると共に、無駄な高周波を抑制し、モータからの騒音や発熱を抑制することができる。

なお、高周波電圧を出力するユニットは１ユニットとすることなく、セル多重インバータのセルユニットのうちの一部のセルユニットにのみ高周波電圧を出力することもできる。

Ｕ１〜Ｕ３，Ｖ１〜Ｖ３，Ｗ１〜Ｗ３セルユニット
Ｍｏｔｏｒ交流モータ
ＴＲ３入力トランス

Claims

ＰＭモータのＵ、Ｖ、Ｗ相に電圧を印加する各相アームは、１組の単相ブリッジ回路で構成される単相インバータで構成されるセルユニットの出力端をそれぞれ直列多重接続して各セルユニットの出力を重畳させた多段の電圧を出力するセル多重インバータにおいて、
インバータ起動時に、前記セルユニットのうちの一部のセルユニットのみから磁極位置推定用のパルス電圧を出力し、このパルス電圧の電気角位相を変化させながらＰＭモータの電機子巻線に印加し、このパルス電圧によってＰＭモータの巻線に流れる電流変化で求められるインダクタンスから磁極位置を推定する磁極位置推定手段を備えたことを特徴とするセル多重インバータ。
ＰＭモータのＵ、Ｖ、Ｗ相に電圧を印加する各相アームは、１組の単相ブリッジ回路で構成される単相インバータで構成されるセルユニットの出力端をそれぞれ直列多重接続して各セルユニットの出力を重畳させた多段の電圧を出力するセル多重インバータにおいて、
ＰＭモータの回転中に、前記セルユニットのうちの一部のセルユニットの電圧指令に磁極位置推定用の高周波電圧を注入し、このときのＰＭモータの検出電流に含まれる高周波電流成分から磁極位置を推定する磁極位置推定手段を備えたことを特徴とするセル多重インバータ。