JP2025028509A - AC motor drives and transmission systems - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、交流電動機の可変速駆動に係るものであり、特に高周波数で駆動される交流電動機の高精度・高効率駆動に関するものである。 The present invention relates to variable speed drive of AC motors, and in particular to high-precision, high-efficiency drive of AC motors driven at high frequencies.
交流電動機の可変速駆動システムは、小型でクリーンな動力として産業分野から電気自動車、ドローンなどへと応用製品が拡大する傾向にある。電動機の出力密度を向上させるには、回転数の高速化が望ましく、電動機の回転速度は増加傾向にある。また、電動機の多極化も小型化に有効であり、毎分3,000回転の仕様で40極程度の電動機も製品化されている。このように、モータの駆動周波数は高周波数化する傾向にあり、その結果として、損失に占める鉄損の割合が増加する傾向にある。また、近年では、この高周波数化に合わせるように、高速スイッチングが可能なワイドバンドギャップ(WBG)半導体を用いたパワー素子が普及し始めており、従来のモータドライブシステムに比べて、損失やノイズ特性が大きく異なるドライブシステムになりつつある。 Variable speed drive systems for AC motors are becoming more widely used in industrial applications such as electric vehicles and drones as a small, clean power source. To improve the power density of a motor, it is desirable to increase the rotation speed, and the rotation speed of motors is on the rise. In addition, the multi-polarization of motors is also effective in miniaturization, and motors with about 40 poles and specifications of 3,000 revolutions per minute have been commercialized. In this way, the drive frequency of motors tends to become higher, and as a result, the proportion of iron loss in losses tends to increase. In recent years, power elements using wide band gap (WBG) semiconductors capable of high-speed switching have begun to spread in order to match this increase in frequency, and drive systems with significantly different loss and noise characteristics compared to conventional motor drive systems are becoming more common.
電動機の高周波数駆動化によって、固定子巻線のターン数が減少することにより銅損が減少し、低インダクタンスとなる一方、高周波数駆動による鉄損が大きくなる傾向にある。鉄損の増大化は、電動機のインピーダンス特性を変化させ、結果的に、従来の電流検出法では検出誤差が伴うものになる。精度の低い電流検出値に基づいて電動機駆動を行っていることになり、動作点にずれが生じてしまい、電動機本来の性能を引き出せないことになる。 When motors are driven at high frequencies, the number of turns in the stator winding is reduced, which reduces copper loss and results in low inductance. However, high frequency drive tends to increase iron loss. The increase in iron loss changes the impedance characteristics of the motor, and as a result, conventional current detection methods are accompanied by detection errors. The motor is driven based on low-precision current detection values, which causes a shift in the operating point and prevents the motor from achieving its full potential.
また、WBG半導体のパワー素子の適用によって、急峻なパルスのオン/オフ動作が可能となり、スイッチングに伴う振動現象(リンギング現象)が激しくなるため、ノイズによる誤動作、電流検出誤差などの懸念もある。 In addition, the use of WBG semiconductor power elements enables steep pulse on/off operation, which intensifies the oscillation phenomenon (ringing phenomenon) that accompanies switching, raising concerns about malfunctions due to noise and current detection errors.
インバータ駆動の交流電動機における電流検出方法としては、長い間、特許文献1記載の手法に基づいて実施されてきた。インバータをパルス幅変調(PWM)制御によって駆動する際、PWMに用いる三角波キャリアに同期して、キャリア波のピークで電動機の電流をサンプリングし、AD変換によって制御器内に取り込むことで、高精度な電流検出が実現できる。この原理は、三角波キャリアのピーク近傍は、電流に含まれる脈動成分が零となるタイミングであるため、電動機制御に必要となる基本波成分の値のみを、電流リプルの影響を受けずに読み込むことができる、というものである。
For a long time, the method of detecting current in inverter-driven AC motors has been based on the technique described in
また、特許文献2では、インバータのスイッチング動作に伴うリンギング現象の影響を避けるため、インバータのパルス生成法自体に補正を加えて、リンギング現象期間を回避している。
In addition, in
特許文献1の手法では、PWMに用いるキャリア周期において1度しか電流検出ができないため、この時点でリンギングなどのノイズが含まれると、電流検出誤差となってしまう。また、このサンプリング手法は、スイッチング周波数に対して、交流電動機のインピーダンスは誘導性のみ(インダクタンス成分のみ)とみなせることが前提となっているため、鉄損などの抵抗成分が割合として増えた場合には、電流検出誤差が増大化する。この従来の電流検出方法は、交流電動機の動向でもある、高速化・多極化傾向の電動機には適していないことを意味する。
In the method of
また、特許文献2では、パルス生成時の補正量には限界があり、特に高スイッチング周波数で駆動する場合には、リンギング現象を避けることが不可能になる可能性が高い。特に、WBG半導体のパワー素子では、スイッチング周波数は高くなり、また、リンギング現象も激しくなることから、それらのデバイスに対応することは困難である。
In addition, in
本発明はかかる課題に鑑みてなされ、高速化・多極化に伴い鉄損の割合が増加する交流電動機、あるいはスイッチング周波数が高く、スイッチングに伴う多大なリンギング現象が生じているドライブシステムに対して、高精度な電流検出が可能となり、電動機本来の効率特性や応答特性を引き出すことが可能なモータドライブシステムを提供するものである。 The present invention was made in consideration of these problems, and provides a motor drive system that enables highly accurate current detection for AC motors in which the proportion of iron loss increases as the motor speed increases and the number of poles increases, or for drive systems in which the switching frequency is high and a large amount of ringing occurs due to switching, making it possible to bring out the inherent efficiency and response characteristics of the motor.
本発明は、直流電源と、該直流電源を交流に変換するインバータと、該インバータに接続された交流電動機と、前記インバータの構成要素であるスイッチング素子に接続された電流検出手段と、該電流検出手段によって検出された電流に基づき、前記交流電動機を制御する制御器から構成される交流電動機の駆動装置において、前記電流検出手段によって検出された電流情報に対して、ローパス特性を備えた検出フィルタ処理を行い、該フィルタ後の信号をサンプリング処理して前記制御器に読み込み、該制御器内部にて、前記交流電動機の制御信号に基づいて補正を行い、前記交流電動機の電流情報を得ることを特徴とした交流電動機の駆動装置に係るものである。 The present invention relates to an AC motor drive device that includes a DC power source, an inverter that converts the DC power source into AC, an AC motor connected to the inverter, current detection means connected to a switching element that is a component of the inverter, and a controller that controls the AC motor based on the current detected by the current detection means, and is characterized in that the current information detected by the current detection means is subjected to detection filtering with low-pass characteristics, the filtered signal is sampled and read into the controller, and correction is performed within the controller based on the control signal for the AC motor to obtain current information for the AC motor.
また、本発明は、上記の交流電動機の駆動装置を動力とした、物、あるいは人の輸送システムに係るものである。 The present invention also relates to a transportation system for goods or people that uses the above-mentioned AC motor drive device as its power source.
本発明によれば、高速化・多極化に伴い鉄損の割合が増加する交流電動機、あるいはスイッチング周波数が高く、スイッチングに伴う多大なリンギング現象が生じているドライブシステムに対して、高精度な電流検出が可能となり、電動機本来の効率特性や応答特性を引き出すことが可能なモータドライブシステムを提供できる。 The present invention provides a motor drive system that enables highly accurate current detection for AC motors in which the proportion of iron loss increases as the motor speed increases and the number of poles increases, or for drive systems in which the switching frequency is high and a large amount of ringing occurs due to switching, making it possible to bring out the inherent efficiency and response characteristics of the motor.
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明は、交流電動機を駆動するインバータ主回路の各アームに取り付けられたシャント抵抗を介して電流を検出するものとし、その際にリンギング現象の影響を受けないように、ローパス特性を伴うフィルタを備え、さらにこのフィルタの出力を、インバータのスイッチング周波数よりも高い周波数で複数回サンプリングして制御器内に読み込み、平均値を求めるとともに、インバータのスイッチング時の通流率を用いて補正を行うことで、電動機の相電流値を求める。この結果、リンギング現象による影響は排除され、また複数回サンプリングより正確な電流値が検出できるため、高精度・高効率な交流電動機駆動システムを実現できる。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the attached drawings. The present invention detects current via shunt resistors attached to each arm of the main circuit of an inverter that drives an AC motor, and includes a filter with low-pass characteristics to avoid the influence of ringing. The output of this filter is sampled multiple times at a frequency higher than the switching frequency of the inverter and loaded into a controller to calculate an average value, and the phase current value of the motor is calculated by performing correction using the conduction rate during inverter switching. As a result, the influence of ringing is eliminated, and a more accurate current value can be detected by multiple sampling, thereby realizing a highly accurate and efficient AC motor drive system.
図1は、本実施例における交流電動機の駆動装置の構成図である。図1において、交流電動機の駆動装置は、三相交流電動機1(以下電動機1と略)の駆動を目的とするものであり、大別すると、直流電源2、インバータ3、フィルタ4、制御器5を含んで構成される。なお、図1において、各構成名は略して記載している部分もあり、以下で説明する各構成の対応する符号の構成名が正式名である。
Figure 1 is a configuration diagram of an AC motor drive device in this embodiment. In Figure 1, the AC motor drive device is intended to drive a three-phase AC motor 1 (hereinafter abbreviated as motor 1), and is broadly composed of a
図1において、インバータ3は、直流電源2を電源として、制御器5から出力されるPWM(パルス幅変調)信号に基づいてスイッチング動作を行い、電動機1にパルス幅変調された電圧を印加する。インバータ3では電動機1を流れる電流を検出し、フィルタ4を介してから制御器5に入力され、電動機1の回転数制御、あるいはトルク制御を行う。
In FIG. 1,
また、インバータ3は、パワー半導体から構成されたインバータ主回路31と、平滑コンデンサ32、シャント抵抗から構成された電流検出器33、制御器5から送られてきたPWM信号に基づいて、各パワー半導体をオン/オフ制御するゲートドライバ34によって構成されている。電流検出器33は、各相のパワー半導体素子の下側の素子に直列に接続されており、下側の素子がオンしたときにその電流が流れ、シャント抵抗の電圧降下の値として、相電流が検出される。この方式では、各相のシャント抵抗に流れる電流は断続された電流となるが、それに対して本発明では、フィルタ4を介することで、電流波形を滑らかな信号にしている。
The
このようなシャント抵抗を用いた電流検出器は、主に小容量のインバータに広く用いられている。ホール素子を用いた電流センサに比べ、低価格で小型実装ができる特徴があり、近年では電動バイクやドローンなどの用途でも用いられている。 Current detectors using shunt resistors like this are widely used, mainly in small-capacity inverters. Compared to current sensors using Hall elements, they have the advantage of being low-cost and compact, and in recent years have also been used in applications such as electric motorcycles and drones.
制御器5は、電動機1をベクトル制御することを目的とした制御器であり、構成要素として、フィルタ4の出力に対して補償処理を行う電流補償器6a~c、補償された相電流値iuc、ivc、iwcを回転座標上の電流に変換するdq座標変換器7、dq座標変換された電流値IdFB、IqFBに基づいて、電動機1を制御するための印加電圧Vd*、Vq*を演算するベクトル制御器8、印加電圧Vd*、Vq*を三相交流電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に変換するdq逆変換器9、三相交流電圧指令を、パルス幅変調するための通流率に変換する通流率演算器10、通流率指令に基づき、パルス幅変調を行うPWM信号発生器11からなる。尚、ベクトル制御器8は、dq座標軸上で電流制御を行う一般的なものであり、励磁電流指令Idr、トルク電流指令Iqrを出力する電流指令発生器81、回転座標軸θdを演算する位相発生器82、2つの入力信号の加算あるいは減算を行う加減算器83a~b、電流検出値IdFB、IqFBを、電流指令Idr、Iqrに一致させる電流制御器(ACR)84a~bによって構成されている。
The
本実施例の特徴部である電流補償器6a~cの説明の前に、図2~4の波形を用いて、シャント抵抗を電流検出器に用いたシステムの全体動作を説明する。
Before explaining the
図2(a)は、PWM信号発生器11における三角波キャリア信号Triと、U相の通流率指令Ku*の波形であり、TriとKu*の大きさを比較して、パルス波形Pupを生成している(同図(b))。パルス波形Pupは、インバータ主回路31のUPの駆動信号であり、この信号が「1」のときにUPをオン、「0」のときにUPをオフにする。PWM信号発生器11では、インバータ主回路31における6つの素子すべてのパルス波形を生成している。尚、各相の上下素子は相補動作をおこなっている(UPがオンのときにはUNはオフ、その逆のUPがオフのときはUNがオンとなる)。
Figure 2 (a) shows the waveforms of the triangular carrier signal Tri and the U-phase duty ratio command Ku* in the
図2(c)は電動機1のU相電流iuの波形であり、脈動を含む正弦波状の電流が流れている。この脈動成分は、インバータ3のスイッチング動作によって発生している。電流検出器33を構成する各シャント抵抗には、下側のパワー素子がオンしたタイミングで電流が流れるため、電流検出波形は同図(d)のようになる。このように、検出可能な電流波形は、元の相電流iuを切り刻んだ波形になるが、電流検出タイミングを考慮することで、図2(e)のように相電流の検出が可能になる。
Figure 2 (c) shows the waveform of the U-phase current iu of the
図3は、従来型の電流検出方法を示した波形図である。PWM信号発生器11における三角波キャリアの上側のピークのタイミングを利用して(同図(a))、シャント抵抗を流れる電流をサンプル・ホールドする(同図(c))。三角波キャリアの上側ピークでは、必ず下側のパワー素子がオンしているため、確実にシャント抵抗を流れる電流を捉えることができる。逆に言えば、このタイミング以外でサンプリングすると、何も検出できない(「零」が検出される)可能性もあるため、従来方式では、検出タイミングの設定は極めて重要である。 Figure 3 is a waveform diagram showing a conventional current detection method. The timing of the upper peak of the triangular wave carrier in the PWM signal generator 11 (Figure 3(a)) is used to sample and hold the current flowing through the shunt resistor (Figure 3(c)). At the upper peak of the triangular wave carrier, the lower power element is always on, so the current flowing through the shunt resistor can be reliably captured. Conversely, if sampling is performed at any other timing, there is a possibility that nothing will be detected (a "zero" will be detected), so setting the detection timing is extremely important in the conventional method.
図4に、実際のシャント電流検出における問題点を示す。パワー半導体素子をオン/オフ制御する際、回路上のわずかな寄生容量によって、リンギング現象が発生する(図4(a))。このリンギングは、主回路の持つ寄生容量や、電動機1の設置状況、配線ケーブルの長さなど、様々な要因で変化する。リンギングが発生している期間に電流をサンプル・ホールドしてしまうと、本来必要な電流値と異なる値になり、検出誤差となる。図4(b)に示すように、通流時間が短くなると、リンギングが収まらない状態で電流を検出してしまうことになり、大きな誤差を含むことになり問題である。また、近年のWBG半導体を用いたパワー素子は、スイッチングのオン/オフ時間が短いため、リンギング現象が誘発されやすい傾向にある。
Figure 4 shows the problems with actual shunt current detection. When controlling the on/off of a power semiconductor element, a slight parasitic capacitance on the circuit causes ringing (Figure 4(a)). This ringing varies depending on various factors, such as the parasitic capacitance of the main circuit, the installation status of the
また、電動機1が高速化・多極化した場合、電動機1のインダクタンスは減少傾向にあり、同時に駆動周波数が高周波数化する傾向にある。この結果、電流リプルが増大化し、また損失に占める鉄損の割合が増加する。その結果、電流リプルの波形が図4(c)の点線のように変化する。電流リプルの波形が丸みを帯び、三角波キャリアの上側ピークのタイミングで電流をサンプリングしても、基本波部分を捉えることができず、オフセットを伴う波形を検出してしまう。これは鉄損の影響で、電流リプルの進み成分が多く含まれるようになったためであり、従来の電動機では起こり難い現象と言える。いずれにしても、三角波キャリアの上側ピークを電流検出のタイミングとして用いることには限界があると言える。
In addition, when the
次に、本発明の特徴部分について、図1,図5~8を用いて説明する。 Next, the characteristics of the present invention will be explained using Figures 1 and 5 to 8.
本発明では、リンギング現象の影響を排除するため、図1に示すフィルタ4を電流検出後に挿入する。このフィルタ4の出力iunf、ivnf、isnfは、図5(b)に示すような連続した滑らかな波形になる。フィルタ4のカットオフ周波数は、リンギング波形の周波数に対して十分低い値に設定しておけばよい。しかし、低く設定し過ぎると、基本波電流の位相遅れの原因になるので、図5(b)のように検出波形が連続化する程度のカットオフ周波数を選択する。
In the present invention, in order to eliminate the effects of the ringing phenomenon,
制御器5の電流補償器6a~cでは、サンプルホールド回路61a~cにおいて、フィルタ出力iunf、ivnf、isnfをサンプル・ホールドする。その際、三角波キャリアの周期Tcに対して、それよりも短い周期でサンプル・ホールドを実行する。その様子を図6に示す。図6では、フィルタ4の出力iunfの波形を、三角波キャリアの周期Tc期間内に8回サンプル・ホールドを実施している。この動作には、高速のADコンバータと、高速な演算処理能力を制御器5に必要とするが、近年の制御用マイコンの能力であれば実現可能である。
In the
これらのサンプル・ホールドした値iunfs、ivnfs、iwnfsをAD変換器62a~cにてデジタル量に変換し、さらに移動平均処理器63a~cにおいて平均値を演算する。移動平均は、三角波キャリア周期Tcの半分であるTsの周期毎に実施する(図6では、Ts期間に4個の検出値があり、その平均値を計算する)。Tcではなく、Ts期間で実施する理由は、制御器5の処理自体が、Tsを処理周期として実行するのが一般的であるためである。もちろん、Tc周期処理での実行も可能であるが、三相電圧波形の分解能をできるだけ細かくする意味では、Ts周期で実行した方が、電圧分解能の点で有利である。
These sampled and held values iunfs, ivnfs, iwnfs are converted to digital values by
移動平均を行った結果、電流波形iunfsmは、図5(c)のような波形になる。この波形は、電動機1のU相電流波形iuに基づいているが、図のように正負非対称のひずんだ波形になってしまう。これは、パワー半導体素子の通流率の影響を受けているからであり、このままでは電流検出値としては利用できない。この後、図1における通流率補正器64a~cによって補正を行い、図5(d)のようなひずみの少ない波形に修正する。
As a result of performing the moving average, the current waveform iunfsm becomes a waveform as shown in Figure 5 (c). This waveform is based on the U-phase current waveform iu of the
図7を用いて、通流率補正の動作を説明する。 The operation of the conductance correction is explained using Figure 7.
図7は、通流率演算器10と、電流補正器6aにおける通流率補正器64aの詳細を示したものである。図において、通流率演算器10は、信号の除算を行う割り算器101a~c、信号の加減算を行う加減算器83c~e、直流電圧設定器102、ゲイン要素103によって構成されている。ここでは、三相交流電圧指令Vu*、Vv*,Vw*をPWM制御に必要な通流率指令Ku*、Kv*、Kw*に変換している。直流電圧設定器102において、直流電源2(図1)の値を予め設定しておき、それに1/2のゲインをゲイン要素103を用いて乗じ、EDC/2の値を全ての相電圧指令にオフセットとして加算している。その後、EDCの値で割り算をすることで、EDCに対する交流電圧指令の比率(すなわち通流率)を計算している。尚、計算に用いるEDCは、実際の電源電圧2を検出して、用いても問題ない。
Figure 7 shows the details of the
図8(a)に、これらの処理の動作波形を示す。交流電圧指令Vu*は、零を中心に正負に振れる交流波形であるが、ここにEDC/2を加算してオフセットを与えている。PWM信号発生器11では、三角波キャリアと通流率(元は電圧指令である)との大小関係を比べてパルスを生成している。パルス波形は、図8(b)、(c)のようになる。ここで、上側素子の通流率はTp/Tsであり、下側素子の通流率は、Tn/Tsである。また、シャント抵抗を流れる電流は、下側素子の通流期間において発生するので、図8(d)のような波形になる。つまり、検出した波形の平均値は、下側素子を流れた電流の平均値であり、実際の相電流の平均値ではない。よって、通流率を用いて補正を行えば、元の相電流が演算で求められることになる。この処理を、図1、ならびに図7における通流率補正器64a~cで実施している。
Figure 8 (a) shows the operating waveforms of these processes. The AC voltage command Vu* is an AC waveform that swings between positive and negative around zero, and EDC/2 is added to it to provide an offset. The
図7において、通流率補正器64aは、信号を加減算する加減算器83f~g、信号を除算する割り算器101d、定数「1」を設定する定数設定器104、ゲイン要素105、信号を1サンプル周期遅延させる信号遅延器106a~cからなる。通流率演算器10で計算された通流率は、パワー素子の上側素子の通流率指令であるため、これを下側の通流率に変換するため、定数設定器の値である「1」から、通流率指令Ku*を減算し、下側素子の通流率Kun*を計算している。この通流率に基づくインバータ3のスイッチ動作は、演算処理の都合上、1サンプル遅れて実行されるため、1サンプル周期の遅延を信号遅延器106aで与えている。さらに、移動平均処理に1サンプルの遅延が伴うため、もう1サンプル周期の遅延を信号遅延器106bにて与えている。この2つの遅延によって、移動平均値として得られた電流の通流率が得られる。この通流率で移動平均値を除算することで、電流検出値の補正が行える。さらに、この処理は三角波キャリア周期の半周期Ts毎の実行されるため、ひとつ前の補正値との平均を計算することで、三角波キャリア周期Tcの平均値が得られる。この処理は、信号遅延器106c、下限z何期83g、ゲイン要素105によって実現されている。
In FIG. 7, the
これらの結果、相電流波形は正確に演算され、図5(d)の波形が得られる。このようにして得られた相電流の検出値iuc、ivc、iwcは、インバータのスイッチングに伴うリンギングの影響や、鉄損による電流リプルの影響等を受けることなく、高精度な電流値を検出することができる。 As a result, the phase current waveforms are accurately calculated, and the waveform shown in Figure 5(d) is obtained. The phase current detection values iuc, ivc, and iwc obtained in this way can detect current values with high accuracy without being affected by ringing due to inverter switching or current ripple due to iron loss.
尚、本発明におけるフィルタ4のカットオフ周波数は、電流検出手段33の電流波形に対して、フィルタ後の波形が断続することなく、断続から連続に切り替わる程度の値に設定する。断続状態では、サンプリング後の値に「零」が含まれることになり、移動平均値の線形性が劣化する可能性がある。また、カットオフ周波数を下げ過ぎてしまうと、波形を滑らかになる反面、基本波成分自体の位相遅れが懸念されるため、必要最小限の値として、連続波形にすることが好ましい。
The cutoff frequency of the
また、フィルタ4後の電流波形をサンプル・ホールドする場合、キャリア周波数に対して、最低でも2倍の周波数でないと、本発明を適用する意味はない。移動平均の精度を上げるためには、さらに高周波数でサンプリングを行うのが望ましい。ただし、キャリア周波数との同期は必要であるため、実施例に示したように、キャリア周波数の整数倍の周波数でサンプリングするのが望ましい。これが同期していないと、ビート現象や検出誤差の原因になる。
In addition, when sampling and holding the current waveform after
以上、本発明の第1の実施例によれば、リンギング現象が激しい環境において、あるいは、高速、多極電動機に対しても、電動機の電流を高精度に検出することが可能であり、高精度、高効率な交流電動機駆動システムを実現できる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, it is possible to detect the motor current with high accuracy even in an environment where the ringing phenomenon is severe or for a high-speed, multi-pole motor, and a highly accurate and efficient AC motor drive system can be realized.
図9は、本発明における第2の実施例における制御器5Bの構成図である。この制御器5Bを、図1における制御器5の代わりに用いることで、第2の交流電動機の駆動装置の実施例を実現できる。
Figure 9 is a configuration diagram of a
図9に示す部品番号で、図1における同じ番号のものは、同一のものである。図9で新たに追加した構成要素は、相電流の演算結果であるiuc、ivc、iwcに対して、優先して利用する電流値を選択する電流選択器12である。電流選択器12では、通流率Ku*、Kv*、Kw*の大小関係から、三相電流のうち、どの2相を用いるかを状態選択器121で判断し、各相毎に配置されたスイッチ121a~cの接点を切り替える。
The parts in Figure 9 that have the same part numbers as in Figure 1 are the same. The newly added component in Figure 9 is a
三相交流電動機の場合、相電流値として、すべての電流を利用する必要はなく、最低2相の情報が得られれば、残りの一つの相は計算によって求めることができる。これは、三相の電流の総和(iu+iv+iw)が、常に零になるためである。よって、電流検出精度の高い2相を優先して選択し、残りの一相は、選択した2相から演算して求めることができる。 In the case of a three-phase AC motor, it is not necessary to use all currents as the phase current values; if information on at least two phases is obtained, the remaining phase can be found by calculation. This is because the sum of the three-phase currents (iu + iv + iw) is always zero. Therefore, two phases with high current detection accuracy are selected with priority, and the remaining phase can be found by calculation from the selected two phases.
本発明では、インバータ主回路33の下側のパワー素子を流れる電流を検出して、通流率に対する補正を加えているが、下側のパワー素子の通流率が低い場合は、演算誤差が増加する可能性がある。例えば、通流幅が低いほど、パルスのオン時間やオフ時間の影響、デッドタイム、ならびにそのデッドタイム補償量の影響を受けやすくなるため、誤差が大きくなる可能性が高い。逆に、下側のパワー素子の通流時間が長ければ長いほど、通流率補正量も少なく、高い精度で電流値が得られることになる。よって、各相の通流率に基づき、優先して利用する2つの相を決定し、残りの1相は計算で求めるようにする。
In the present invention, the current flowing through the lower power element of the inverter
図10は、状態選択器121におけるスイッチ121a~cの接点a、b、cのいずれかを選択するかの条件を示したものである。スイッチ121a~cの接点は、Ku*、Kv*、Kw*の中で、最大となる相に応じて決定する。例えば、Ku*が最大であれば、接点「c」を選択して、ivcとiwcが優先されて利用される。Ku*が最大ということは、Kun*(下側パワー素子の通流率)が最小であることから、iucの値には大きな誤差が含まれる可能性が高いため、これを使用せず、他の2つの相から、「-ivc-iwc」として演算によって求めている。図9における電流選択器12では、加減算器83h~jを用いて、選択されない条件の電流値を、選択された2つの電流値から計算して求めている。これらに構成によって、図10の表に従った電流の選別が実行されている。
Figure 10 shows the conditions for selecting one of the contacts a, b, and c of the
以上、本発明の第2の実施例によれば、電流検出精度の高い2つの相を優先しての電流検出が可能となり、より精度の高い電流値が得られることになり、高精度、高効率化に貢献できるモータドライブシステムを提供できる。 As described above, according to the second embodiment of the present invention, it is possible to detect current by prioritizing the two phases with high current detection accuracy, and a more accurate current value can be obtained, thereby providing a motor drive system that can contribute to high accuracy and high efficiency.
図11は、本発明における第3の実施例であり、実施例1、2における交流電動機駆動システムをドローンの浮上用電動機に適用した例である。
Figure 11 shows a third embodiment of the present invention, in which the AC motor drive system in
図11は、ドローン本体200と、ドローン本体に取り付けられた浮上用推進装置201a~fを示しており、部品番号1~5は図1に示した実施例1のものと同じものである。直流電源2はバッテリーとしてドローン本体200に内蔵されている。電動機1は、プロペラ202を駆動し、インバータ3、フィルタ4、制御器5は、一体化されて浮上用推進装置201a~fに内蔵されている。本発明による交流電動機駆動システムでは、電流検出器にシャント抵抗を用いていることから小型・軽量の実装が実現でき、また高い電流検出精度が実現できることから、バッテリーを長持ちさせることに貢献できる。
Figure 11 shows the
本実施例に近いものとしては、例えば、電動キックボード、電動バイク、あるいは電気自動車などが挙げられる。また、車輪で駆動される自走ロボットなどの動力にも利用可能である。それらの動力に本発明を適用しても、同様の効果が期待できる。 Examples similar to this embodiment include electric kick scooters, electric bikes, and electric cars. It can also be used to power self-propelled robots that are driven by wheels. The same effects can be expected when the present invention is applied to these power sources.
以上、本発明による実施例3によれば、小型実装が可能で、電流検出精度の優れた移動システムを実現できる。 As described above, according to the third embodiment of the present invention, it is possible to realize a mobile system that can be implemented in a compact size and has excellent current detection accuracy.
以上説明したように、本発明では、交流電動機を駆動するインバータ主回路の各アームにシャント抵抗を取り付け、このシャント電流の検出値にローパス特性を伴うフィルタを介して電流値を制御器内に読み込む。その際、電流値はインバータのスイッチング周波数よりも高い周波数で複数回サンプリングするものとし、その平均値を求めるとともに、インバータのスイッチング時の通流率を用いて補正を行うことで、電動機の相電流値を求める。その相電流値を使って交流電動機を制御することで、高精度・高効率な交流電動機駆動システムが実現できる。 As described above, in the present invention, a shunt resistor is attached to each arm of the inverter main circuit that drives the AC motor, and the detected value of this shunt current is read into the controller via a filter with low-pass characteristics. In this case, the current value is sampled multiple times at a frequency higher than the switching frequency of the inverter, and the average value is calculated and corrected using the conduction rate during inverter switching to calculate the phase current value of the motor. By controlling the AC motor using this phase current value, a highly accurate and efficient AC motor drive system can be realized.
本発明によれば、高速化・多極化に伴い鉄損の割合が増加する交流電動機、あるいはスイッチング周波数が高く、スイッチングに伴う多大なリンギング現象が生じているドライブシステムに対して、高精度な電流検出が可能となり、電動機本来の効率特性や応答特性を引き出すことが可能な交流電動機の駆動装置、およびこれを動力とする輸送システム(モータドライブシステム)を提供できる。 The present invention makes it possible to provide a drive unit for an AC motor that can detect current with high accuracy and bring out the inherent efficiency and response characteristics of the motor, and a transportation system (motor drive system) that uses this as its power source, for AC motors in which the proportion of iron loss increases as the motor speed increases and the number of poles increases, or for drive systems in which the switching frequency is high and significant ringing occurs due to switching.
尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
1 電動機
2 直流電源
3 インバータ
4 フィルタ
5 制御器
6a~c 電流補償器
7 dq座標変換器
8 ベクトル制御器
9 dq逆変換器
10 通流率演算器
11 PWM信号発生器
31 インバータ主回路
32 平滑コンデンサ
33 電流検出器
34 ゲートドライバ
61a~c サンプルホールド回路
62a~c AD変換器
63a~c 移動平均処理器
64a~c 通流率補正器
81 電流指令発生器
82 位相発生器
83a~b 加減算器
84a~b 電流制御器(ACR)
REFERENCE SIGNS
Claims (8)
前記電流検出手段によって検出された電流情報に対して、ローパス特性を備えた検出フィルタ処理を行い、該フィルタ後の信号をサンプリング処理して前記制御器に読み込み、該制御器内部にて、前記交流電動機の制御信号に基づいて補正を行い、前記交流電動機の電流情報を得ることを特徴とした交流電動機の駆動装置。 A drive device for an AC motor including a DC power source, an inverter for converting the DC power source into AC, an AC motor connected to the inverter, current detection means connected to a switching element that is a component of the inverter, and a controller for controlling the AC motor based on a current detected by the current detection means,
a detection filter having low-pass characteristics is applied to current information detected by the current detection means, the filtered signal is sampled and read into the controller, and correction is performed within the controller based on a control signal for the AC motor, thereby obtaining current information for the AC motor.
前記電流情報に対する前記検出フィルタ処理では、前記電流検出手段によって得られる断続した電流波形に対して、その波形を連続波形になるよう、カットオフ周波数を設定することを特徴とした交流電動機の駆動装置。 2. The AC motor drive device according to claim 1,
In the detection filter processing of the current information, a cutoff frequency is set so that the intermittent current waveform obtained by the current detection means becomes a continuous waveform.
前記検出フィルタ処理後のサンプリング処理では、前記インバータのスイッチング動作に対して、平均のスイッチング周波数に対して、少なくとも2倍以上のスイッチング周波数でサンプリングすることを特徴とした交流電動機の駆動装置。 2. The AC motor drive device according to claim 1,
A driving device for an AC motor, characterized in that in the sampling process after the detection filter process, sampling is performed at a switching frequency that is at least twice as high as an average switching frequency for the switching operation of the inverter.
前記検出フィルタ処理後のサンプリング処理では、前記インバータのスイッチング動作に対して、平均のスイッチング周波数に対して、少なくとも2倍以上のスイッチング周波数で、かつ、整数倍のスイッチング周波数でサンプリングすることを特徴とした交流電動機の駆動装置。 2. The AC motor drive device according to claim 1,
A driving device for an AC motor, characterized in that in the sampling process after the detection filter process, sampling is performed at a switching frequency that is at least twice as high as an average switching frequency of the inverter and is also an integer multiple of the average switching frequency.
前記検出フィルタ処理後のサンプリング処理では、前記インバータのスイッチング動作に対して、平均のスイッチング周波数に対して、少なくとも2倍以上のスイッチング周波数でサンプリングし、かつ、サンプリング値に対して移動平均処理を行うことを特徴とした交流電動機の駆動装置。 2. The AC motor drive device according to claim 1,
a switching frequency of at least twice as high as an average switching frequency of the inverter in the sampling process after the detection filter process, and a moving average process is performed on the sampled values.
前記サンプリング処理後の前記制御器内部での補正処理は、前記交流電動機への印加電圧と、前記直流電源の電圧値から算出される通流率に基づいて補正を実施することを特徴とした交流電動機の駆動装置。 2. The AC motor drive device according to claim 1,
a correction process performed within the controller after the sampling process is based on a voltage applied to the AC motor and a duty ratio calculated from a voltage value of the DC power supply.
前記サンプリング処理後の前記制御器内部での補正処理は、前記交流電動機への印加電圧と、前記直流電源の電圧値から算出される通流率に基づいて補正を行い、さらに、各相における前記電流検出手段での通流率に基づき、通流率の高い相の電流値を優先して、電流検出値として利用することを特徴とした交流電動機の駆動装置。 2. The AC motor drive device according to claim 1,
a current detection means for detecting a current flow of the AC motor from the AC power source and detecting a current flow of the DC power source based on the current flow rate of the AC motor and a current detection signal for detecting a current flow of the DC power source;
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