JP4448351B2 - 電力変換器の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換器の制御装置、特にＰＷＭインバータ等の出力電圧を指令する電圧指令の誤差を精度良く補正できる電力変換器の制御装置に関するものである。

ＰＷＭインバータ（以下、インバータという）においては、インバータの正側と負側素子とを交互にオンオフ制御し、電圧指令のパルス幅を変化させることにより、出力電圧を電圧指令に従い制御する。このとき、両素子が同時にオンして直流短絡を生じないように、素子のターンオフタイムを考慮し、オンオフ変化時に両素子ともオフとする期間を設けている。このために、出力電圧歪が発生する。インバータにより駆動される電動機は、この出力電圧歪のために、トルクリプルが発生し、トルクおよび速度の制御精度が劣化する。出力電圧歪を抑制するために、出力電流の基本波成分ベクトルに直交する電圧指令成分及び出力電流成分（基本波以外の変動成分）により、インバータの電圧指令誤差を推定し、補正するものがある（例えば、特許文献１参照）。

ところが、インバータにより駆動される負荷には、例えば永久磁石モータのように誘起電圧に高調波を含むものがある。このような負荷で運転力率が１でない状態、すなわち出力電圧（電圧指令）と出力電流に位相差がある場合には、出力電流の基本波成分ベクトルに直交する電圧指令成分が存在するので当該直交する電圧指令成分及び出力電流成分にも、上記誘起電圧高調波による成分が含まれる。
また、従来のインバータの制御装置における電圧指令誤差の補正では、補正値は全ての相で共通であるが、実際のインバータにおいては素子ごとの特性ばらつきがあり、このため導通している素子により電圧指令誤差が異なる場合がある。

特開平０８−１２６３３５号公報（段落番号０００７〜０００９、（数２），（数３）、図１及び図２参照）

従来の電力変換器の制御装置における電圧指令誤差の補正では、出力電流の基本波成分ベクトルに直交する電圧指令成分及び検出された出力電流成分を用いるので、これらの信号に上記のように負荷が発生する誘起電圧高調波に伴う誤差成分が含まれる場合には、精度良く電圧指令誤差の補正を行うことができなかった。また、従来の電力変換器の制御装置における電圧指令誤差の補正では、補正値は全ての相で共通で同じ値であるため、素子ごとの特性ばらつきにより相ごとの電圧指令誤差が異なる場合には、精度のよい電圧指令誤差の補正を行うことができなかった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、第１の目的は、誘起電圧に高調波を含む負荷を駆動する場合にも、精度良く出力電圧指令誤差の補正を行うことができる電力変換器の制御装置を得ることを目的とする。また、第２の目的は、例えば素子ごとの特性ばらつきにより相ごとの出力電圧指令誤差が異なる場合にも、適切に出力電圧指令誤差の補正を行うことができる電力変換器の制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電力変換器の制御装置は、電力変換器に出力電圧指令値を与える出力電圧指令手段と、電力変換器の出力電流値を検出する電流検出手段と、出力電圧指令値と出力電流値との少なくとも一方に基づいて負荷の誘起電圧に直交する方向を求めるとともに出力電圧指令値及び出力電流値から推定した電力変換器の出力電圧誤差の誘起電圧に直交する方向の値を求めこの直交する方向の値と出力電流値とに基づいて出力電圧指令値を補正する出力電圧指令値補正手段とを備えたものである。

この発明に係る電力変換器の制御装置においては、電力変換器に出力電圧指令値を与える出力電圧指令手段と、電力変換器の出力電流値を検出する電流検出手段と、出力電圧指令値と出力電流値との少なくとも一方に基づいて負荷の誘起電圧に直交する方向を求めるとともに出力電圧指令値及び出力電流値から推定した電力変換器の出力電圧誤差の誘起電圧に直交する方向の値を求めこの直交する方向の値と出力電流値とに基づいて出力電圧指令値を補正する出力電圧指令値補正手段とを備えたので、誘起電圧に高調波を含む負荷を駆動する場合にも、精度良く出力電圧指令誤差の補正を行うことができる。

実施の形態１．
図１〜図４は、この発明の実施の形態１による電力変換器の制御装置を示すものであり、図１は制御装置の構成図、図２は電圧指令誤差特徴信号発生器の詳細構成を示す構成図である。図３は、動作を説明するための信号の波形図、図４はベクトル図である。この実施の形態においては、従来の永久磁石モータの電流制御系に、電圧指令誤差の補正系を加えて改良したものである。まず、永久磁石モータの電流制御系の構成について説明する。図１において、永久磁石モータ１の回転軸に角度検出器２が取り付けられ、この角度検出器２が出力する永久磁石モータ１の回転子の永久磁石磁束の位相角θに基づいて電流制御が行われる。

永久磁石モータ１の図示しない三相巻線に流れる電流は電流検出器３により出力電流として検出されて電流検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが得られる。この電流検出値は座標変換器４により、位相角θ方向の成分であるｄ軸電流検出値ｉｄｄと、その直交成分であるｑ軸電流検出値ｉｑｄに変換される。加算器５，６によりｄｑ軸電流検出値ｉｄｄ，ｉｑｄと電流指令値ｉｄｒ，ｉｑｒとの偏差がそれぞれ計算され、ｄ軸電流制御器７及びｑ軸電流制御器８によりｄｑ軸電圧指令ｖｄ，ｖｑが算出される。ｄｑ軸電圧指令ｖｄ，ｖｑは座標変換器９により三相電圧指令に変換される。

次に電圧指令誤差の補正系の構成について説明する。位相計算器１０はｄｑ軸電流検出値ｉｄｄ，ｉｑｄよりｄ軸に対する電流の位相差Δθを求める。加算器１１は電流位相差Δθと回転子位相角θを加算して電流位相θｉを求め、信号発生器１２はこの電流位相θｉに同期した、電圧指令誤差検出信号ｖｅｒｒｄｔを発生する。一方、電圧指令誤差特徴信号発生器１３はｄｑ軸電流検出値ｉｄｄ，ｉｑｄ及びｄｑ軸電圧指令ｖｄ，ｖｑから、電流に同期して発生する電圧指令誤差がもたらす特徴的な電圧指令誤差特徴信号ｖｅｒｒｆｔを算出する。この電圧指令誤差特徴信号ｖｅｒｒｆｔは乗算器１４により電圧指令誤差検出信号ｖｅｒｒｄｔと乗算され、電圧指令誤差に比例した誤差信号ｖｅｒｒが抽出される。

この誤差信号ｖｅｒｒは演算器１５により比例積分され、電圧指令誤差補正信号ｖｃｏｍｐが得られる。符号検出器１６は電流検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗのそれぞれの符号を検出して各電流符号を出力し、この各電流符号と電圧指令誤差補正信号ｖｃｏｍｐが乗算器１７により乗ぜられ、各相電圧に対応した電圧指令補正値ｖｕｃｏｍｐ，ｖｖｃｏｍｐ，ｖｗｃｏｍｐが算出される。この電圧指令補正値は加算器１８により座標変換器９が出力する三相電圧指令に加算され、最終的な電圧指令ｖｕ，ｖｖ，ｖｗが得られる。この電圧指令によりＰＷＭインバータ１９がスイッチング制御されて永久磁石モータ１を駆動する。なお、電圧指令誤差特徴信号発生器１３、乗算器１４、演算器１５、符号検出器１６、乗算器１７及び加算器１８が、この発明における電圧指令値補正手段である。

次に、電圧指令誤差特徴信号発生器１３の詳細について説明する。図２は電圧指令誤差特徴信号発生器１３の詳細構成を示す図であるが、図２において、磁束位相演算器２０は、ｄｑ軸電流検出値ｉｄｄ，ｉｑｄを元に電機子鎖交磁束のｄ軸に対する位相差αを算出する。具体的には、例えば次の（１）式による演算を行う。但し（１）式において、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Φｆは永久磁石磁束である。
α＝ａｒｃｔａｎ（Ｌｑ・ｉｑｄ／（Ｌｄ・ｉｄｄ＋Φｆ） ・・・（１）
一方、電圧演算器２１、２２はｄｑ軸電流検出値ｉｄｄ，ｉｑｄによって発生する電圧Δｖｄ，Δｖｑをそれぞれ計算する。具体的には、例えば（２）式による演算を行う。但し（２）式において、Ｒは電機子抵抗である。
Δｖｄ＝Ｒ・ｉｄｄ＋Ｌｄ（ｄ（ｉｄｄ）／ｄｔ）及び
Δｖｑ＝Ｒ・ｉｑｄ＋Ｌｄ（ｄ（ｉｑｄ）／ｄｔ） ・・・（２）

加算器２３、２４は、ｄｑ軸電圧指令ｖｄ，ｖｑから電流分電圧Δｖｄ，Δｖｑを減じて、修正後電圧ｖｄｅ，ｖｑｅを算出する。座標変換器２５はこの修正後電圧ｖｄｅ，ｖｑｅから電機子鎖交磁束位相差αを用いて電機子鎖交磁束方向の成分を算出する。また加算器２６は、位相差Δθから電機子鎖交磁束位相差αとπ／２を減じて電機子鎖交磁束ベクトルΦと電流ベクトルＩの位相差β（後述の図４参照）を求める。演算器２７は位相差βの余弦値の逆数（１／ｃｏｓβ）を算出し、乗算器２８は位相差βの余弦値の逆数と前記修正後電圧ｖｄｅ，ｖｑｅの電機子鎖交磁束方向成分を乗算して、電圧指令誤差特徴信号発生器１３の出力である電圧指令誤差特徴信号ｖｅｒｒｆｔを発生する。

ここで、電圧指令誤差の検出における信号の様子を図３及び図４を用いて説明する。例えば電流指令値として図４に示すような電流ベクトルＩが与えられて理想的に電流制御が行われている場合のＵ相電流の波形は、図３（ａ）のように表され、このときにＰＷＭインバータの短絡防止時間により発生するＵ相の電圧指令誤差は図３（ｂ）のようになる。このＵ相の電圧指令誤差を電流ベクトルＩの方向成分とその直交方向成分に座標変換したものが図３（ｃ）、（ｄ）の波形である。Ｖ相及びＷ相の電圧指令誤差は、図３（ｂ）の位相がそれぞれ１２０°、２４０°ずれたものであり、各相の電圧指令誤差を同様に座標変換して合計すれば、図３（ｅ）、（ｆ）のような波形の信号になる。

すなわち、電流ベクトル方向の電圧指令誤差成分は概ね直流成分であり、電流ベクトル直交方向の電圧指令誤差成分は電気角６倍周期のノコギリ波信号であって、その信号が正から負へ急変する位相が、各相電流が０になる位相と一致していることがわかる。図４に電流ベクトル方向の電圧指令誤差成分をベクトルｖｅｒｒ０、電流ベクトル直交方向の電圧指令誤差成分をベクトルｖｅｒｒ１で示す。理想的に電流制御が行われている場合は、電圧指令に上記の電圧指令誤差を補償する逆信号が含まれる。

一方永久磁石モータにおいては、永久磁石が発生する磁束が基本波以外の高調波成分を含んでいる。また、モータ電流によって発生する電機子反作用磁束にも、固定子の構造に起因する高調波成分が含まれる場合がある。このためこれらの磁束による誘起電圧にも高調波成分が含まれ、その中には電気角６倍周期の成分が含まれる場合が多い。この誘起電圧は、上記の永久磁石磁束Φｍと電機子反作用磁束Φａを合成した電機子鎖交磁束ベクトルΦに直交する方向に発生するが、この誘起電圧に含まれる高調波成分を図４に電圧ベクトルｖｂｅｍｆで示す。

なお、このときｄ軸と電機子鎖交磁束ベクトルΦは、先に示した（１）式で表される位相差αを有する。理想的に電流制御が行われている場合は、電圧指令にこの誘起電圧高調波成分を補償する逆信号も含まれ、最終的に電圧指令には、先に述べた電圧指令誤差と、上記の誘起電圧高調波成分の二つを補償する逆信号が含まれることになる。但し、図４より明らかなように、磁束による誘起電圧（電圧ベクトルｖｂｅｍｆ）と直交する方向、すなわち電機子鎖交磁束ベクトルΦと同じ方向の電圧指令には、誘起電圧高調波による成分は含まれず、電圧指令誤差による成分のみが含まれる。またこの場合、電流ベクトル直交方向の電圧指令誤差成分ベクトルｖｅｒｒ１を電機子鎖交磁束ベクトル方向において観測した成分は、電圧指令誤差成分ベクトルｖｅｒｒ１と電機子鎖交磁束ベクトルΦとの間に（Δθ−α−π／２）の位相差があることから、振幅はｃｏｓ（Δθ−α−π／２）を乗じた値となり、その分だけ減少することが分かる。

本実施の形態による電圧指令誤差の補正系においては、図２に示したように、電圧演算器２１、２２及び加算器２３、２４により、ｄｑ軸電圧指令ｖｄ，ｖｑから電流分電圧Δｖｄ，Δｖｑをそれぞれ減じて修正後電圧ｖｄｅ，ｖｑｅを算出する。この修正後電圧ｖｄｅ，ｖｑｅは、電圧指令誤差成分と誘起電圧分の和である。一方、磁束位相演算器２０は電機子鎖交磁束ベクトル（図４のΦ）とｄ軸との位相差αを算出し、座標変換器２５にて修正後電圧ｖｄｅ，ｖｑｅの電機子鎖交磁束ベクトルΦと同じ方向の成分を求める。

上述のように、同成分には誘起電圧高調波による成分は含まれないが、電流ベクトルＩと直交する方向の電圧指令誤差成分ベクトルｖｅｒｒ１に比べてｃｏｓ（Δθ−α−π／２）を乗じた分だけ振幅が減少する。このため、（Δθ−α−π／２）を加算器２６で求めた後に、演算器２７及び乗算器２８によりｃｏｓ（Δθ−α−π／２）の逆数を座標変換器２５の出力に乗じて、電流ベクトルＩと直交する方向の電圧指令誤差成分ベクトルｖｅｒｒ１と同じ振幅の電気角６倍周期のノコギリ波信号が得られるようにしている。以上のような処理を行った結果、図４（ｇ）に示すような電圧指令誤差特徴信号ｖｅｒｒｆｔが得られる。このとき、電圧指令誤差特徴信号ｖｅｒｒｆｔには、誘起電圧及び電流ベクトル方向の電圧指令誤差成分の直流成分が加わる。

図３より分かるように、図３（ｇ）の電圧指令誤差特徴信号ｖｅｒｒｆｔに含まれるノコギリ波の振幅と図３（ｂ）の電圧指令誤差の大きさに相関があるので、電圧指令誤差を低減するには、上記ノコギリ波成分の振幅を観測しながら補正すべき矩形波電圧の大きさを調整すればよい。図３（ｇ）の電圧指令誤差特徴信号ｖｅｒｒｆｔのノコギリ波の振幅を誤差信号ｖｅｒｒとして取り出すには様々な方法が考えられるが、例えば図１に示すように乗算器１４により出力電流（図３（ａ）Ｕ相電流参照）と同期した交流信号である電圧指令誤差検出信号ｖｅｒｒｄｔ（図３（ｈ）参照）を乗じれば、平均すれば上記ノコギリ波の振幅に相当する誤差信号ｖｅｒｒが得られる。この誤差信号ｖｅｒｒは、電圧指令誤差の負荷誘起電圧に直交する方向すなわち電機子鎖交磁束方向の値に比例する値である。

このため、位相計算器１０及び加算器１１により電流位相θｉを求め、この位相に同期した電圧指令誤差検出信号ｖｅｒｒｄｔを信号発生器１２より発生させるのである。この場合の電圧指令誤差検出信号ｖｅｒｒｄｔとしては、電圧指令誤差特徴信号ｖｅｒｒｆｔに同期して符号が変化する信号であればよいが、例えば図３（ｈ）に示すように図３（ｇ）と同様の波形で振幅一定のノコギリ波で直流成分を持たない波形を用いれば、電圧指令誤差特徴信号ｖｅｒｒｆｔの特徴成分をより正確に検出できるので有効である。また図３（ｉ）に示すように、１相分の誤差信号である図３（ｄ）の逆符号の信号波形を用いれば、特に対象となる相の誤差成分と相関をもつ誤差信号が抽出できるが、電圧指令誤差は各相で概ね同じであることが多いので、図３（ｉ）の電圧指令誤差検出信号ｖｅｒｒｄｔを乗じて得られる誤差信号ｖｅｒｒを用いてもよい。

実施の形態２．
図５、図６は、この発明の実施の形態２を示すものであり、図５は電力変換器の制御装置の構成図、図６は動作を説明するための波形図である。先の実施の形態１においては、各相の電圧指令誤差は同一の補正系による同じ補正値で補正されていたが、この実施の形態２においては、個別の補正系により、それぞれ独立した補正値で補正される。図５において、位相計算器１０及び加算器１１により電流位相θｉを算出する。信号発生器１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、算出された電流位相θｉに対して、それぞれ前記電流位相θｉから算出される各相電流に同期した電圧指令誤差検出信号ｖｅｒｒｄｔｕ、ｖｅｒｒｄｔｖ、ｖｅｒｒｄｔｗを発生する。各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗと各相電圧指令誤差検出信号ｖｅｒｒｄｔｕ、ｖｅｒｒｄｔｖ、ｖｅｒｒｄｔｗの関係を図６（ａ）〜（ｆ）に示す。電圧指令誤差検出信号ｖｅｒｒｄｔｕ、ｖｅｒｒｄｔｖ、ｖｅｒｒｄｔｗとしては、図３（ｄ）に示すような各相分の誤差信号に同期して符号が変化する信号であればよいが、図６に示すような各相分の誤差信号の逆符号波形を用いれば、特に対象となる相の誤差成分と相関をもつ誤差信号が良好に抽出できるので好都合である。

一方、電圧指令誤差特徴信号発生器１３は、実施の形態１と同様に電圧指令誤差特徴信号ｖｅｒｒｆｔを算出するが、この電圧指令誤差特徴信号ｖｅｒｒｆｔは、乗算器１４ａ、１４ｂ、１４ｃにより各電圧指令誤差検出信号ｖｅｒｒｄｔｕ、ｖｅｒｒｄｔｖ、ｖｅｒｒｄｔｗとそれぞれ乗算され、各相の電圧指令誤差に比例した誤差信号ｖｅｒｒｕ、ｖｅｒｒｖ、ｖｅｒｒｗが出力される。この誤差信号ｖｅｒｒｕ、ｖｅｒｒｖ、ｖｅｒｒｗは、演算器１５ａ、１５ｂ、１５ｃによりそれぞれ比例積分され、電圧指令誤差補正信号ｖｃｏｍｐｕ、ｖｃｏｍｐｖ、ｖｃｏｍｐｗが得られる。

符号検出器１６ａ、１６ｂ、１６ｃは電流検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗのそれぞれの符号を検出して各電流符号を出力し、この各電流符号と各電圧指令誤差補正信号ｖｃｏｍｐｕ、ｖｃｏｍｐｖ、ｖｃｏｍｐｗが乗算器１７ａ、１７ｂ、１７ｃにより乗ぜられ、各相電圧指令に対応した電圧指令補正値ｖｕｃｏｍｐ，ｖｖｃｏｍｐ，ｖｗｃｏｍｐが算出される。この電圧指令補正値は加算器１８により座標変換器９が出力する三相電圧指令に加算され、最終的な電圧指令ｖｕ，ｖｖ，ｖｗが得られる。本実施の形態による電力変換器の制御装置では、各相の電圧指令誤差は個別に補正されるので、各相における電圧指令誤差にばらつきがある場合でも正確に誤差を補正することができる。なお本実施の形態は、実施の形態１に述べた電圧指令誤差特徴信号発生器１３の構成に依存するものではなく、従来の電力変換器における電圧指令誤差補正方式においても適用可能なものである。

さらに本方式を拡張して、各相の電圧指令補正値を電流の符号により異なる値に調整することも可能である。例えば、各相電流値の符号に対応した６つの信号発生器を用意し、これに対応する乗算器、演算器を各６つ用いれば、各相の正負にそれぞれ対応する電圧指令誤差補正信号が算出でき、これより符号検出器と乗算器により各相の電圧指令補正値を算出すれば、各相の電圧指令誤差を電流の符号により異なる値に調整することが可能になる。

この発明に係る電力変換器の制御装置においては、電力変換器に出力電圧指令値を与える出力電圧指令手段と、電力変換器の出力電流値を検出する電流検出手段と、出力電圧指令値と出力電流値との少なくとも一方に基づいて負荷の誘起電圧に直交する方向を求めるとともに出力電圧指令値及び出力電流値から推定した電力変換器の出力電圧誤差の誘起電圧に直交する方向の値を求めこの直交する方向の値と出力電流値とに基づいて出力電圧指令値を補正する出力電圧指令値補正手段とを備えたので、誘起電圧に高調波を含む負荷を駆動する場合にも、精度良く電圧指令誤差の補正を行うことができる。

そして、この発明に係る電力変換器の制御装置においては、電力変換器に各相ごとに出力電圧指令値を与える各相出力電圧指令手段と、電力変換器の出力電流値を検出する電流検出手段と、出力電圧指令値と出力電流値とに基づいて出力電圧指令値を各相ごとに補正する各相出力電圧指令値補正手段とを備えたので、例えば素子ごとの特性ばらつきにより相ごとの出力電圧指令誤差が異なる場合にも、適切に出力電圧指令誤差の補正を行うことができる。

さらに、出力電圧指令値補正手段は、各相ごとに出力電圧指令値を補正するものであることを特徴とするので、相ごとの出力電圧指令誤差が異なる場合にも、適切に出力電圧指令誤差の補正を行うことができる。

この発明の実施の形態１である電力変換器の制御装置の構成を示す構成図である。 図１の電圧指令誤差特徴信号発生器の詳細構成を示す構成図である。 図１の電力変換器の制御装置の動作を説明するための信号の波形図である。 図１の電力変換器の制御装置の動作を説明するためのベクトル図である。 この発明の実施の形態２である電力変換器の制御装置の構成を示す構成図である。 図５の電力変換器の制御装置の動作を説明するためのベクトル図である。

１ 永久磁石モータ、３ 電流検出器、７，８ ｄ軸及びｑ軸電流制御器、
１３ 電圧指令誤差特徴信号発生器、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 乗算器、
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 演算器、１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 符号検出器、
１７ 乗算器、１８ 加算器、１９ ＰＷＭインバータ。

Claims (2)

1. 電力変換器に出力電圧指令値を与える出力電圧指令手段と、上記電力変換器の出力電流値を検出する電流検出手段と、上記出力電圧指令値と上記出力電流値との少なくとも一方に基づいて負荷の誘起電圧に直交する方向を求めるとともに上記出力電圧指令値及び上記出力電流値から推定した上記電力変換器の出力電圧誤差の上記誘起電圧に直交する方向の値を求めこの直交する方向の値と上記出力電流値とに基づいて上記出力電圧指令値を補正する出力電圧指令値補正手段とを備えた電力変換器の制御装置。
2. 上記出力電圧指令値補正手段は、各相ごとに上記出力電圧指令値を補正するものであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器の制御装置。

Images