CN105743414B - 电力转换装置、控制装置及载波频率的改变方法 - Google Patents

电力转换装置、控制装置及载波频率的改变方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供能够提高控制响应性的电力转换装置、控制装置及载波频率的改变方法。一实施方式所涉及的电力转换装置包括电力转换部、PWM控制部、及频率改变部。电力转换部具有多个开关元件。PWM控制部对多个开关元件进行PWM控制。频率改变部改变PWM控制的载波频率。频率改变部包括输出部、积分部、及频率确定部。输出部输出与针对控制对象的控制偏差相应的控制值。积分部对从输出部输出的控制值进行积分。频率确定部根据积分部的积分值来确定载波频率。

Description

电力转换装置、控制装置及载波频率的改变方法
技术领域
本发明涉及电力转换装置、控制装置及载波频率的改变方法。
背景技术
现在，PWM控制方式的电力转换装置(例如，逆变器装置、变换器装置、矩阵变换器等)广为人之。
在这种电力转换装置中，提出了根据控制偏差改变PWM控制的载波周期从而提高控制响应性的技术。例如提出有如下的逆变器装置，即，生成与电流指令和电流检测值之间的电流偏差即电流控制偏差的绝对值成反比的周期调制系数，并根据周期调制系数来改变载波频率与电流控制的增益的逆变器装置(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-37248号公报
发明内容
但是，在上述现有的电力转换装置中，在检测控制偏差时由于噪声等产生的检测误差，有时不能精度良好地进行载波频率的调整。
鉴于上述问题，本发明的一实施方式的目的在于提供能够提高控制响应性的电力转换装置、控制装置及载波频率的改变方法。
本发明的一实施方式所涉及的电力转换装置包括：电力转换部、PWM控制部、及频率改变部。所述电力转换部具有多个开关元件。所述PWM控制部对所述多个开关元件进行PWM控制。所述频率改变部改变所述PWM控制的载波频率。所述频率改变部包括输出部、积分部、及频率确定部。所述输出部输出与针对控制对象的控制偏差相应的控制值。所述积分部对从所述输出部输出的所述控制值进行积分。所述频率确定部根据所述积分部的积分值来确定所述载波频率。
根据本发明的一实施方式，能够提供能够提高控制响应性的电力转换装置、控制装置及载波频率的改变方法。
附图说明
图1A是表示具有实施方式所涉及的电力转换装置的电力转换系统的图。
图1B是表示控制偏差、积分值及载波频率的关系的图。
图2是表示图1A所示的电力转换装置的一个结构例的图。
图3A是表示电力转换部的结构例的图。
图3B是表示电力转换部的结构例的图。
图4是表示图2所示的频率改变部及增益设定部的结构的一例的图。
图5是表示载波周期计数器、运算周期计数器、指令运算周期、电流偏差及积分值的关系的图。
图6是表示图1A所示的电力转换装置的另一结构例的图。
图7是表示图6所示的频率改变部及增益设定部的结构一例的图。
图8是表示控制部的控制处理流程的一例的流程图。
附图标记说明
1 电力转换装置
2 电源
3 旋转电机
4 旋转位置检测部
10 电力转换部
11 电流检测部
20 控制部
21 指令生成部
22 PWM控制部
23 频率改变部
24 增益设定部
25 推定部
26 限制部
51 输出部
52 积分部
53 频率确定部
54 限幅器
63、64、67、68、74、75 比较部
71、72 乘法部
73 加法部
80 PWM信号生成部
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明涉及的电力转换装置、控制装置及载波频率的改变方法的实施方式详细进行说明。此外，以下所示的实施方式并非用于限定本发明。
图1A是表示具有实施方式所涉及的电力转换装置的电力转换系统的图。如图1A所示，实施方式所涉及的电力转换系统100包括：电力转换装置1、电源2和旋转电机3。电力转换装置1配置在电源2与旋转电机3之间，进行电源2与旋转电机3之间的电力转换。上述电力转换装置1例如起到通过控制旋转电机3的电流来控制旋转电机3的作为电动机控制装置的作用。
电源2例如为将太阳光或风力等自然能源转换为电能的发电装置或燃料电池等直流电源或交流电源，旋转电机3例如为具有定子和转子的电动机。此外，电源2例如只要是电力系统即可，此外，旋转电机3例如只要是具有定子和转子的发电机即可。
电力转换装置1包括：电力转换部10、电流检测部11、及控制部20(控制装置的一例)。电力转换部10例如具有多个开关元件，且这些开关元件利用控制部20来控制接通、断开。电流检测部11检测电力转换部10与旋转电机3之间流过的电流(以下，表述为输出电流)。此外，以下，将从电力转换部10向旋转电机3输出的电压表述为输出电压。
控制部20控制电力转换部10的开关元件，并进行电源2与旋转电机3之间的电力转换。上述控制部20包括：指令生成部21、PWM控制部22、及频率改变部23。
指令生成部21生成针对控制对象的控制指令。控制对象例如为旋转电机3的旋转位置、旋转电机3的旋转速度、输出电流、输出电压等。例如，指令生成部21根据由电流检测部11检测到的输出电流等，生成输出电压指令等控制指令。
PWM控制部22根据由指令生成部21生成的控制指令，生成对电力转换部10的开关元件进行PWM(Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制)控制的驱动信号(以下，表述为PWM信号)。例如，PWM控制部22通过对输出电压指令与载波信号进行比较而生成PWM信号。
频率改变部23根据针对控制对象的控制偏差Δcont来改变由PWM控制部22进行的PWM控制的载波频率fc。载波频率fc例如为载波信号的频率。频率改变部23例如对指令生成部21生成的输出电流指令与电流检测部11检测到的输出电流之间的偏差(以下表述为电流偏差)进行运算，并根据上述电流偏差来改变载波频率fc。
频率改变部23包括：输出部51、积分部52、频率确定部53。输出部51输出与控制偏差Δcont相应的控制值。例如，输出部51以比载波周期Tc(＝1/fc)短的周期Ts将控制偏差Δcont与阈值TH1(第一阈值的一例)及阈值TH2(第二阈值的一例)进行比较。
例如在控制偏差Δcont为阈值TH1以上的情况下，输出部51输出用于提高载波频率fc的载波升高值Δup(第一控制值的一例)。此外，在控制偏差Δcont为阈值TH2以下的情况下，输出部51输出用于降低载波频率fc的载波降低值Δdown(第二控制值的一例)。
积分部52对输出部51的输出进行积分，并输出积分值Tcnt。频率确定部53根据积分部52的积分值Tcnt来确定载波频率fc。PWM控制部22根据由频率确定部53确定出的载波频率fc进行PWM控制。
图1B是表示控制偏差Δcont、积分值Tcnt及载波频率fc的关系的图，在时刻t0，设Tcnt＝Tmax，fc＝1/Tc1。此外，从时刻t0起，控制偏差Δcont逐渐变大，载波升高值Δup变为负值，载波降低值Δdown变为正值。此外，积分值Tcnt限制在上限值Tmax与下限值Tmin的范围内。
输出部51以比载波周期Tc更短的周期Ts将控制偏差Δcont与阈值TH1及阈值TH2进行比较。在图1B所示的例子中，从时刻t0起控制偏差Δcont逐渐变大，在载波周期Tc1内的时刻t3～t5，变为阈值TH1以上。因此，在时刻t3～t5，载波升高值Δup从输出部51反复输出，积分部52的积分值Tcnt逐渐变小。
频率确定部53例如以周期Ts来确定载波频率fc。在时刻t5，载波升高值Δup连续输出3次，因此，例如将载波频率fc确定为高3阶的频率fc4(＝1/Tc4)。PWM控制部22在载波信号的波谷的时点(时刻t6)，将载波信号Sc切换为频率fc4的载波信号，并进行PWM控制。
在时刻t6将载波信号Sc切换为频率fc4的载波信号之后，控制偏差Δcont逐渐变小，但在时刻t7～t9，控制偏差Δcont为阈值TH2以上，因此积分值Tcnt变为下限值Tmin。因而，频率确定部53将更高1阶的频率fc5(＝1/Tc5)确定为载波频率fc。PWM控制部22在载波信号的波谷的时点(时刻t9)，将载波信号Sc切换为频率fc5的载波信号，并进行PWM控制。
在时刻t9将载波信号Sc切换为频率fc5的载波信号之后，控制偏差Δcont继续变小，在时刻t10控制偏差Δcont变为阈值TH2以下。因此，从输出部51输出载波降低值Δdown，积分值Tcnt变大，频率确定部53将低1阶的频率fc4(1/Tc4)确定为载波频率fc。PWM控制部22在载波信号的波谷的时点(时刻t11)，将载波信号Sc切换为频率fc4的载波信号，并进行PWM控制。
以下，同样，频率确定部53根据积分值Tcnt来确定载波频率fc，从而以使控制偏差Δcont变小的方式来设定载波频率fc。由此，控制偏差越大，越能够缩短PWM控制的载波周期Tc，从而能够提高控制响应性。并且，使用积分值Tcnt来确定载波频率fc，因此即使在由于噪声等而产生检测误差的情况下，也能够精度良好地进行载波频率fc的调整。
以下，对本实施方式所涉及的电力转换装置1做进一步详细说明。图2是表示图1A所示的电力转换装置1的一个结构例的图。此外，图2是表示将控制偏差Δcont设为输出电流的控制偏差的情况的一例。
如图2所示，电力转换装置1包括：电力转换部10、电流检测部11和控制部20。电力转换部10包括多个开关元件，该多个开关元件能够进行电源2与旋转电机3之间的电力转换。此外，电源2例如为直流电源或交流电源。此外，作为电力转换部10的连接对象，代替旋转电机3也可为其它的设备或电源系统。
图3A及图3B是表示电力转换部10的结构例的图。图3A所示的电力转换部10为具有三相桥接电路的逆变器电路。此外，图3B是具有将电源2的各相(R相、S相、T相)与旋转电机3的各相(U相、V相、W相)分别连接的双向开关的矩阵变换器电路。此外，电力转换部10只要是能够进行电源2与旋转电机3之间的电力转换的结构即可，并不限定于图3A及图3B所示的结构。例如，电力转换部10也可是变换器电路。
返回到图2接着说明电力转换装置1。如图2所示，电流检测部11检测电力转换部10与旋转电机3的U相、V相及W相之间分别流动的电流的瞬时值iu、iv、iw(以下，表述为输出电流iu、iv、iw)。电流检测部11例如利用磁电转换元件即霍尔元件来检测电流。
控制部20包括：指令生成部21、PWM控制部22、频率改变部23、增益设定部24、推定部25和限制部26。指令生成部21以规定的运算周期Ts(以下，表述为指令运算周期Ts)来生成输出电压指令vu*、vv*、vw*。PWM控制部22利用载波比较法或空间向量法按载波周期Tc(＝1/fc)来生成PWM信号，并利用该PWM信号控制电力转换部10的开关元件。例如，PWM控制部22通过对输出电压指令vu*、vv*、vw*和载波信号Sc进行比较来生成PWM信号。
指令生成部21包括：微分部30、减法部31、35、36、速度控制部32、电流指令生成部33、坐标转换部34、45、d轴电流控制部37、q轴电流控制部38、非干涉控制部39、加法部40、41、44、振幅指令生成部42、相位指令生成部43。
微分部30对旋转电机3的旋转位置θ(电角)进行微分，并求出旋转电机3的旋转速度ω(电角速度)。此外，旋转电机3的旋转位置θ例如通过旋转电机3上安装的旋转位置检测部4(例如，编码器)进行检测。减法部31从速度指令ω*中减去旋转速度ω。速度指令ω*例如由未图示的速度指令生成部生成。速度控制部32例如以使速度指令ω*与旋转速度ω之间的偏差(速度偏差)变为零的方式生成转矩指令T*。
电流指令生成部33根据转矩指令T*来生成d轴电流指令id*及q轴电流指令iq*。d轴电流指令id*为d-q轴坐标系中的d轴成分，q轴电流指令iq*为d-q轴坐标系中的q轴成分。d-q轴坐标系是与电力转换部10所输出的交流电压的输出频率同步旋转的正交坐标系。d轴成分是在dq坐标系中与旋转电机3的磁通平行的轴的成分，q轴成分是在dq坐标系中与d轴正交的q轴的成分。
坐标转换部34将输出电流iu、iv、iw转换为固定坐标上正交的2轴的αβ成分，并求出αβ轴坐标系的固定坐标电流向量iαβ，进而，使用旋转位置θ，将固定坐标电流向量iαβ转换为d-q轴坐标系的dq成分。由此，坐标转换部34求出d轴方向的电流成分即d轴电流id和q轴方向的电流成分即q轴电流iq。
减法部35从d轴电流指令id*减去d轴电流id，减法部36从q轴电流指令iq*减去q轴电流iq。d轴电流控制部37例如以使d轴电流指令id*与d轴电流id之间的d轴电流偏差Δid为零的方式生成d轴电压指令vd1*。q轴电流控制部38以使q轴电流指令iq*与q轴电流iq之间的q轴电流偏差Δiq为零的方式生成q轴电压指令vq1*。
非干涉控制部39用于补偿d轴与q轴之间的干涉及感应电压，并根据d轴电流id、q轴电流iq、旋转速度ω及感应电压常数生成并输出d轴电压补偿值vdff及q轴电压补偿值vqff。非干涉控制部39例如运算并求出q轴电压补偿值vqff，运算-iq×ωLq并求出d轴电压补偿值vdff。此外，Ld是旋转电机3的d轴电感值、Lq是旋转电机3的q轴电感值。此外，代替旋转电机3而将电力系统等连接于电力转换部10的情况下，也可不设置非干涉控制部39。
加法部40对d轴电压指令vd1*加上d轴电压补偿值vdff，生成d轴电压指令vd*，加法部41对q轴电压指令vq1*加上q轴电压补偿值vqff，并生成q轴电压指令vq*。
振幅指令生成部42根据d轴电压指令vd*和q轴电压指令vq*，求出振幅指令M。例如，振幅指令生成部42通过下述式(1)的运算来求出振幅指令M。此外，相位指令生成部43根据d轴电压指令vd*和q轴电压指令vq*，求出输出相位指令θa。例如，相位指令生成部43通过下述式(2)的运算来求出输出相位指令θa。加法部44对从相位指令生成部43输出的输出相位指令θa加上旋转位置θ，运算相位θv，并向坐标转换部45输出。
M＝√(vd*2+vq*2) …(1)
θa＝tan-1(vq*/vd*) …(2)
坐标转换部45根据振幅指令M及相位θv，生成输出电压指令vu*、vv*、vw*。例如，坐标转换部45能够使用vu*＝M×sin(θv)、vv*＝M×sin(θv-2/3π)、vw*＝M×sin(θv-4/3π)等运算式，生成输出电压指令vu*、vv*、vw*。
PWM控制部22包括PWM信号生成部80。上述PWM信号生成部80根据输出电压指令vu*、vv*、vw*，通过三角波比较法或空间向量法来生成PWM信号并向电力转换部10输出。由此，对构成电力转换部10的半导体开关元件进行接通、断开控制，与输出电压指令vu*、vv*、vw*相应的三相交流电从电力转换部10向旋转电机3输出。
频率改变部23以指令运算周期Ts(＝1/fs)反复确定PWM控制的载波频率fc。频率改变部23例如在载波信号Sc的波谷的时点改变PWM控制部22的载波频率fc。
增益设定部24按照载波频率fc对用于进行控制对象的反馈控制的增益进行调整。指令生成部21利用由增益设定部24调整后的增益来进行控制对象的反馈控制。
在此，对频率改变部23及增益设定部24的结构例进行说明。图4是表示频率改变部23及增益设定部24的结构例的图。如图4所示，输出部51包括：减法部61、65(差分运算部的一例)、绝对值运算部62、66、比较部63、67(第一比较部的一例)、比较部64、68(第二比较部的一例)、逻辑和运算部69、逻辑积运算部70、乘法部71、72、加法部73。
减法部61从d轴电流指令id*减去d轴电流id，并求出d轴电流偏差Δid。绝对值运算部62运算d轴电流偏差Δid的绝对值。在d轴电流偏差Δid的绝对值为第一d轴阈值ΔUpd(第一阈值的一例)以上的情况下，比较部63输出d轴载波升高值Sud。在d轴电流偏差Δid的绝对值为第二d轴阈值ΔDownd(第二阈值的一例)以下的情况下，比较部64输出d轴载波降低值Sdd。
减法部65从q轴电流指令iq*减去q轴电流iq，并求出q轴电流偏差Δiq。绝对值运算部66运算q轴电流偏差Δiq的绝对值。在q轴电流偏差Δiq的绝对值为第一q轴阈值ΔUpq(第一阈值的一例)以上的情况下，比较部67输出q轴载波升高值Suq。在q轴电流偏差Δiq的绝对值为第二q轴阈值ΔDownq(第二阈值的一例)以下的情况下，比较部68输出q轴载波降低值Sdq。
逻辑和运算部69运算比较部63的比较结果与比较部67的比较结果之间的逻辑和，在输入有d轴载波升高值Sud及q轴载波升高值Suq的至少一方的情况下，输出载波升高值Su。
乘法部71(第一乘法部的一例)将载波升高值Su乘以载波升高增益Kup(第一系数的一例)，并将上述乘法结果作为载波升高值Δup输出。载波升高值Δup是用于提高载波频率fc的控制值(第一控制值的一例)，例如，在Su＝1、Kup＝-2的情况下，Δup＝-2。
逻辑积运算部70运算比较部64的比较结果与比较部68的比较结果之间的逻辑积，在d轴载波降低值Sdd和q轴载波降低值Sdq都被输入的情况下，输出载波降低值Sd。
乘法部72(第二乘法部的一例)对载波降低值Sd乘以载波降低增益Kdown(第二系数的一例)，并将上述乘法结果作为载波降低值Δdown输出。载波降低值Δdown是用于降低载波频率fc的控制值(第二控制值的一例)，例如，在Sd＝1、Kup＝1的情况下，Δdown＝1的值。
加法部73将乘法部71的乘法结果与乘法部72的乘法结果相加，并将上述加法结果作为载波改变值向积分部52输出。因而，例如，在d轴电流偏差Δid的绝对值为第一d轴阈值ΔUpd以上，或q轴电流偏差Δiq的绝对值为第一q轴阈值ΔUpq以上的情况下，输出部51将载波升高值Δup作为载波改变值输出。
此外，例如在d轴电流偏差Δid的绝对值为第二d轴阈值ΔDownd以下，且q轴电流偏差Δiq的绝对值为第二q轴阈值ΔDownq以下的情况下，输出部51将载波降低值Δdown作为载波改变值输出。另一方面，例如，在d轴电流偏差Δid的绝对值及q轴电流偏差Δiq的绝对值并非为上述状态的情况下，输出部51不输出载波改变值，例如，输出“0”值。
积分部52以指令运算周期Ts反复对输出部51的输出进行积分。积分部52的积分结果即积分值Tcnt经由限幅器54输入到频率确定部53。限幅器54将积分值Tcnt控制在上限值Tmax与下限值Tmin之间的范围内。
例如，在积分值Tcnt超过上限值Tmax的情况下，限幅器54将上限值Tmax作为积分值Tcnt输出，并将积分部52的积分值Tcnt置换为上限值Tmax。此外，在积分值Tcnt低于下限值Tmin的情况下，限幅器54将下限值Tmin作为积分值Tcnt输出，并将积分部52的积分值Tcnt置换为下限值Tmin。
频率确定部53根据积分值Tcnt来确定载波频率fc。频率确定部53例如通过下述式(3)的运算，将指令运算频率fs除以积分值Tcnt，从而确定载波频率fc。因而，指令运算频率fs是载波频率fc的Tcnt倍的频率。此外，也可是fs＝fc×n(n为2以上的整数)。
fc＝fs/Tcnt …(3)
在此，将指令运算频率fs设为30kHz，将上限值Tmax设为“10”，将下限值Tmin设为“2”，频率确定部53通过上述式(3)的运算来确定载波频率fc。在该情况下，载波频率fc通过频率确定部53而设定在3kHz至15kHz之间。例如，在积分值Tcnt为“6”的情况下，频率确定部53将5kHz确定为载波频率fc，在积分值Tcnt为“2”的情况下，频率确定部53将15kHz确定为载波频率fc。
频率改变部23包括：载波分割数寄存器55、载波频率寄存器56和寄存器设定部57。载波分割数寄存器55将从限幅器54输出的积分值Tcnt存储为载波计数器分割值Div，载波频率寄存器56将载波频率fc存储为载波频率设定值Cfc。
寄存器设定部57根据载波频率寄存器56中存储的载波频率设定值Cfc，求出载波计数器设定值Ctc(＝1/Cfc)，并在载波计数器寄存器78中设定载波计数器设定值Ctc。PWM控制部22例如在载波信号Sc的波谷的时点，根据载波计数器寄存器78中存储的载波计数器设定值Ctc，生成载波频率fc的载波信号Sc。
此外，寄存器设定部57通过将载波频率寄存器56中存储的载波频率设定值Cfc除以载波分割数寄存器55中存储的载波计数器分割值Div，从而求出运算周期设定值Ctu(＝Cfc/Div)。寄存器设定部57将求出的运算周期设定值Ctu存储于运算周期计数器寄存器79。
图5是表示载波周期计数器、运算周期计数器、指令运算周期Ts(＝1/fs)、电流偏差Δi及积分值Tcnt的关系的图。在图5所示的例子中，设为Sudq＝1、Sddq＝1、Kup＝-2、Kdown＝1、fs＝30kHz、Tmax＝10、Tmin＝2。在时刻t0，Tcnt＝Tmax，此时，fc＝30k/10＝3kHz。以下，为了容易说明，将电流偏差Δid、Δiq设为电流偏差Δi。此外，在|Δid|≥|ΔUpd|且|Δiq|≥|ΔUpq|的情况下，设为Δi≥THi1，在|Δid|≤ΔDownd且|Δiq|≤ΔDownq的情况下，设为Δi≤THi2。
PWM控制部22包括载波计数器，且生成与载波计数器寄存器78中存储的载波计数器设定值Ctc相应的载波频率fc(＝3kHz)的载波信号Sc。指令生成部21包括运算周期计数器，且以与运算周期设定值Ctu相应的指令运算周期Ts，从输出电流iu、iv、iw中检测d轴电流id及q轴电流iq，并运算输出电压指令vu*、vv*、vw*等指令。指令生成部21例如在运算周期计数器值Ss变为零的时点开始d轴电流id及q轴电流iq的检测。
如图5所示，从时刻t0起，电流偏差Δi逐渐变大，在载波周期Tc1内的时刻t6～t9，变为阈值THi1以上。因此，在各时刻t6～t9中，输出部51反复输出载波升高值Δup(＝-2)。由此，如图5所示，积分部52的积分值Tcnt以10→8→6→4→2这样逐渐变小。
频率确定部53根据积分值Tcnt以指令运算周期Ts反复确定载波频率fc。当积分值Tcnt以10→8→6→4→2变小时，频率确定部53以3kHz→3.75kHz→5kHz→7.5Kz→15kHz变高的方式来确定载波频率fc。频率确定部53将与确定后的载波频率fc相应的载波计数器设定值Ctc设定在载波频率寄存器56。PWM控制部22在载波信号Sc的波谷的时点即时刻t10，根据载波计数器设定值Ctc，将载波信号Sc切换为15kHz的载波信号，并进行PWM控制。
在时刻t10将载波信号Sc切换为15kHz的载波信号之后，电流偏差Δi逐渐变小，但在时刻t11～t12，电流偏差Δi为阈值THi2以上，因此积分值Tcnt原样保持在下限值Tmin。因而，频率确定部53在载波信号Sc的波谷的时点即时刻t13，将载波频率fc维持在15kHz。
在时刻t14～t15，电流偏差Δi变为第二阈值THi2以下，在各时刻t14～t15，输出部51反复输出载波降低值Δdown(＝1)。因此，如图5所示，积分部52的积分值Tcnt以2→3→4这样逐渐变大。
当积分值Tcnt以2→3→4变大时，频率确定部53以15kHz→7.5kHz→5kHz这样变低的方式确定载波频率fc。频率确定部53将与确定后的载波频率fc相应的载波计数器设定值Ctc设定在载波频率寄存器56。PWM控制部22在载波信号Sc的波谷的时点即时刻t16，根据载波计数器设定值Ctc，将载波信号Sc切换为5kHz的载波信号，并进行PWM控制。
以下，同样，频率确定部53根据积分值Tcnt来确定载波频率fc，从而以电流偏差Δi变小的方式设定载波频率fc。由此，电流偏差Δi越大，越能够缩短PWM控制的载波周期Tc，从而能够提高控制响应性。并且，使用积分值Tcnt来确定载波频率fc，从而即使在由于噪声等产生检测误差或推定误差的情况下，也能够精度良好地进行载波频率fc的调整。此外，相对于载波周期Tc越缩短运算周期Ts，越能够抑制噪声等的影响。
此外，载波升高增益Kup及载波降低增益Kdown为能够通过未图示的输入部设定的参数，通过调整上述参数，根据电力转换装置1的设置环境，能够精度良好地提高控制响应性。在上述例中，使载波升高增益Kup的大小大于载波降低增益Kdown的大小，由此，能够更迅速地提高载波频率fc。
返回图4对增益设定部24进行说明。增益设定部24包括：延迟部82、变化检测部83、控制增益设定部84。延迟部82使载波计数器寄存器78中设定的载波计数器设定值Ctc延迟输出。变化检测部83在载波计数器寄存器78中设定的载波计数器设定值Ctc与从延迟部82输出的载波计数器设定值Ctc不同的情况下，判定为载波计数器设定值Ctc发生了变化。
在变化检测部83判定为载波计数器设定值Ctc发生了变化的情况下，控制增益设定部84选择与频率确定部53所确定的载波频率fc相应的电流控制增益及速度控制增益。控制增益设定部84将所选择的电流控制增益设定于d轴电流控制部37及q轴电流控制部38，将所选择的速度控制增益设定于速度控制部32。由此，例如设定为载波频率fc变得越高，电流控制增益或速度控制增益变得越高。
控制增益设定部84例如具有将载波频率fc与电流控制增益及速度控制增益建立关联的控制增益设定表。控制增益设定部84可以根据上述控制增益设定表，选择与载波频率fc相应的电流控制增益及速度控制增益。
如此，控制部20包括增益设定部24，该增益设定部24在通过频率改变部23改变PWM控制部22的载波频率fc的情况下，将与载波频率fc相应的控制增益设定于指令生成部21。因此，能够根据载波频率fc适当地提高控制响应性。
返回图2对推定部25及限制部26进行说明。推定部25例如在每单位时间推定施加于电力转换部10的负载。推定部25例如根据电力转换部10的输出电流与载波频率fc来推定施加于电力转换部10的负载。施加于电力转换部10的负载例如为构成电力转换部10的开关元件所消耗的电力。此外，推定部25能够根据电流检测部11的检测结果来判定电力转换部10的输出电流，或者根据转矩指令T*或q轴电流指令iq*来判定电力转换部10的输出电流。
限制部26根据施加于电力转换部10的负载的大小，对由频率改变部23进行的载波频率fc的改变加以限制。如上述，施加于电力转换部10的负载由推定部25判定，限制部26根据推定部25的判定结果，对由频率改变部23进行的载波频率fc的改变加以限制。
例如在规定期间内施加于电力转换部10的负载总计为第一限制值(规定值的一例)以上的情况下，限制部26停止频率改变部23的动作，从而能够限制由频率改变部23进行的载波频率fc的改变。此外，上述限制值例如设定为不使电力转换部10发生故障的值等。
此外，限制部26例如根据施加于电力转换部10的负载的大小，也能够限制由频率改变部23进行的载波频率fc的改变范围。例如在规定期间内施加于电力转换部10的负载为小于第一限制值的第二限制值以上的情况下，限制部26能够将载波频率fc降低至规定值(例如，载波频率fc的上限值的1/2)以下。由此，能够抑制施加于电力转换部10的负载。
图6是表示图1A所示的电力转换装置1的另一结构例的图。此外，图6表示将控制偏差Δcont设为输出电流的控制偏差及旋转位置的控制偏差时的一例。图6所示的电力转换装置1为无编码器的电力转换装置。此外，图6所示的旋转电机3例如为具有磁凸极性的旋转电机，埋入构造永久磁铁同步电动机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor：内置式永久磁铁同步电动机)、或同步磁阻电动机等。
图6所示的电力转换装置1的控制部20能够利用磁通轴(d轴)和与磁通轴正交的轴(q轴)的电感值之差(磁凸极性)，推定旋转电机3的转子的磁极位置(电角)。上述控制部20包括：高频发生部90、加法部91、带通滤波器(BPF)92、45度坐标转换部93、速度-磁极位置推定部94、陷波滤波器95。此外，对于具有与图2所示的控制部20同样的功能的结构要件，标注相同的附图标记并省略说明。
高频发生部90生成并输出比输出电压的频率ω更高频的频率ωinj的高频电压信号vinj。加法部91将高频发生部90输出的高频电压信号vinj加上d轴电压指令vd*并输出。d轴电压指令vd*为控制上的磁通轴即γ轴(虚拟d轴)的电压指令，上述d轴电压指令vd*上重叠高频电压信号vinj，由此，旋转电机3中流过高频电流成分。
带通滤波器92从d轴电流id及q轴电流iq提取频率ωinj的频带的成分，从而提取流过旋转电机3的高频电流成分，并作为d轴电流idbpf及q轴电流iqbpf输出。45度坐标转换部93将d轴电流idbpf及q轴电流iqbpf向使d-q轴坐标系旋转45度后的dm-qm轴坐标系转换，并作为d轴电流idm及q轴电流iqm输出。
速度-磁极位置推定部94以指令运算周期Ts反复求出旋转位置(电角)的推定偏差(以下，表述为推定位置偏差Δθ^)、旋转速度ω的推定值(以下，表述为推定速度ω^)、旋转位置(磁极位置)的推定值(以下，表述为推定位置θ^)。
速度-磁极位置推定部94以使d轴电流idm的振幅与q轴电流iqm的振幅一致的方式来调整推定速度ω^及推定位置θ^，从而求出推定速度ω^及推定位置θ^。例如，速度-磁极位置推定部94求出d轴电流idm的振幅与q轴电流iqm的振幅，并将d轴电流idm的振幅与q轴电流iqm的振幅之间的偏差利用PI控制器进行PI(比例积分)控制，以使PI控制器的输出为零的方式来求出推定速度ω^。此外，速度-磁极位置推定部94对推定速度ω^进行积分，并求出推定位置θ^。
此外，速度-磁极位置推定部94由d轴电流idm的振幅I1与q轴电流iqm的振幅I2之间的差ΔI(＝(I1-I2)/2)，例如能够通过下述式(4)的运算而求出推定位置偏差Δθ^。此外，在下述式(4)中，Ld为旋转电机3的d轴电感值，Lq为旋转电机3的q轴电感值，Vinj为高频电压信号vinj的振幅。
Δθ^＝√2×(ωinj/Vinj)×Ld×Lq/(Lq-Ld)×ΔI …(4)
此外，速度-磁极位置推定部94例如还能够通过感应电压观察器等来求出推定位置偏差Δθ^、推定速度ω^及推定位置θ^。在该情况下，也可不设置高频发生部90、加法部91、带通滤波器92及45度坐标转换部93。此外，也能够设置将速度指令ω*与推定速度ω^之间的偏差作为推定位置偏差Δθ^求出的速度偏差运算部。
陷波滤波器95从由坐标转换部34转换后的d轴电流id及q轴电流iq中去除频率ωinj的频带的成分，并向减法部35、36或输出部51输出。频率改变部23根据d轴电流指令id*、q轴电流指令iq*、d轴电流id、q轴电流iq及推定位置偏差Δθ^来确定载波频率fc。图7是表示图6所示的频率改变部23及增益设定部24的结构例的图。
图7所示的频率改变部23在控制偏差除了电流偏差以外还考虑推定位置偏差Δθ^来改变载波频率fc这方面与图4所示的频率改变部23不同。对于具有与图4所示的频率改变部23同样的功能的结构要件，标注相同附图标记并省略说明。
图7所示的频率改变部23包括：比较部74(第一比较部的一例)、比较部75(第二比较部的一例)。比较部74在推定位置偏差Δθ^为第一位置阈值ΔUpθ以上的情况下输出载波升高值Suθ。比较部75在推定位置偏差Δθ^为第二位置阈值ΔDownθ以下的情况下输出载波降低值Sdθ。
逻辑和运算部69运算比较部63的比较结果、比较部67的比较结果与比较部74的比较结果的逻辑和。逻辑和运算部69在输入有d轴载波升高值Sud、q轴载波升高值Suq及载波升高值Suθ中的至少一方的情况下，输出载波升高值Su。乘法部71对载波升高值Su乘以载波升高增益Kup，并将上述乘法结果作为载波升高值Δup输出。
逻辑积运算部70运算比较部64的比较结果、比较部68的比较结果与比较部75的比较结果的逻辑积。逻辑积运算部70在输入全部d轴载波降低值Sdd、q轴载波降低值Sdq及载波升高值Suθ的情况下，输出载波降低值Sd。乘法部72对载波降低值Sd乘以载波降低增益Kdown，并将上述乘法结果作为载波降低值Δdown输出。
如此，根据电流偏差Δi及推定位置偏差Δθ^，能够改变载波频率fc。除了电流偏差Δi以外，推定位置偏差Δθ^越大，越能够缩短载波周期Tc，因此能够进一步提高控制响应性。并且使用积分值Tcnt来确定载波频率fc，因此即使在由于噪声等产生检测误差的情况下，也能够精度良好地进行载波频率fc的调整。
此外，在图2～图7所示的例子中，作为控制偏差，以电流偏差Δi及推定位置偏差Δθ^为例进行了说明，但控制偏差也可是输出电压的控制偏差，此外，还可是旋转速度的控制偏差。在旋转速度的控制偏差的情况下，例如，频率改变部23能够根据图2所示的旋转速度ω与速度指令ω*之间的偏差(速度偏差)来确定载波频率fc。如此，频率改变部23能够通过电流偏差、电压偏差、位置偏差(相位偏差)、及速度偏差中一个以上的控制偏差来确定载波频率fc。
上述的控制部20例如包括微型运算机和各种电路，微型运算机包括CPU(CentralProcessing Unit：中央处理器)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)、RAM(RandomAccess Memory：随机存取存储器)、输入输出端口等。微型运算机的CPU通过读取并执行ROM中存储的程序，作为指令生成部21、PWM控制部22、频率改变部23、增益设定部24、推定部25及限制部26发挥作用。
此外，也可以将指令生成部21、PWM控制部22、频率改变部23、增益设定部24、推定部25及限制部26中的至少任一个或全部通过ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)或FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等硬件来构成。
图8是表示控制部20的控制处理流程的一例的流程图。控制部20反复执行图8所示的控制处理。步骤S10～S13例如为频率改变部23的处理，步骤S14、S15例如为PWM控制部22的处理，步骤S16例如为增益设定部24的处理。
如图8所示，频率改变部23的输出部51检测控制偏差Δcont(步骤S10)，生成与上述控制偏差Δcont相应的控制值(步骤S11)。控制偏差Δcont例如为电流偏差、位置偏差(相位偏差)、速度偏差等。此外，控制偏差即可是基于检测值得到的值，也可是推定值。
频率改变部23的积分部52例如通过对从输出部51输出的控制值进行积分，对输出部51的输出进行积分(步骤S12)。频率改变部23的频率确定部53例如确定与积分部52的积分值Tcnt相应的载波频率fc(步骤S13)。
PWM控制部22判定是否为载波频率fc的改变时点(步骤S14)。例如，在变为载波信号Sc的波谷的时点的情况下，PWM控制部22判定为载波频率fc的改变时点。
在为载波频率fc的改变时点的情况下(步骤S14：是)，PWM控制部22将在步骤S13中频率确定部53所确定的最新的载波频率fc更新为载波信号Sc的载波频率fc(步骤S15)。此外，PWM控制部22作为频率改变部发挥作用，从而进行步骤S14、S15的处理，但频率改变部23也能够执行步骤S14、S15的处理。
在更新了载波频率fc的情况下，增益设定部24更新控制增益(步骤S16)。在上述处理中，增益设定部24确定电流控制增益及速度控制增益，作为与步骤S15中更新后的载波频率fc相应的控制增益。增益设定部24将确定后的电流控制增益设定在d轴电流控制部37及q轴电流控制部38，并将确定后的速度控制增益设定在速度控制部32。
另一方面，在不是载波频率fc的改变时点的情况下(步骤S14：否)，频率改变部23进行步骤S10～S13的处理。此外，步骤S10～S13的处理为以指令运算周期Ts反复执行的处理。
在上述的实施方式中，以一个指令运算周期Ts生成载波升高值Δup或载波降低值Δdown，但载波升高值Δup及载波降低值Δdown并不限于一个，也可为多阶。例如，在控制偏差Δcont为阈值TH1以上的情况下，控制偏差Δcont越大，输出部51越能够将载波升高值Δup向正侧(或负侧)增大。此外，在控制偏差Δcont为阈值TH2以下的情况下，控制偏差Δcont越小，输出部51越能够将载波升高值Δup向负侧(或正侧)增大。
此外，在上述实施方式中，以指令运算频率fs是载波频率fc的Tcnt倍的频率为例进行了说明。但是，指令运算频率fs只要比载波频率fc更高的频率即可，由此，即使在由噪声等产生检测误差的情况下，也能够精度良好地进行载波频率fc的调整。
此外，在上述实施方式中，以输出电压是三相交流电压为例进行了说明，但输出电压并不限定于三相交流电压。例如，输出电压也可为单相交流电压。
此外，在上述实施方式中，以在载波信号Sc的波峰改变PWM控制部22的载波频率fc为例进行了说明，但PWM控制部22或频率改变部23也可在载波信号Sc的波谷改变PWM控制部22的载波频率fc。此外，PWM控制部22或频率改变部23也能够在载波信号Sc的波峰和波谷改变PWM控制部22的载波频率fc。此外，PWM控制部22或频率改变部23也可以将载波信号Sc的波峰和波谷作为计数时点，每计数m次(m为3以上的整数)改变PWM控制部22的载波频率fc。
此外，在上述实施方式中，以将d轴电流偏差Δid和q轴电流偏差Δiq分别与第一及第二阈值比较为例进行了说明，但比较对象并不限定于上述例。例如，输出部51也可算出d轴电流偏差Δid与q轴电流偏差Δiq的二次平均平方根，并比较上述算出结果与第一及第二阈值。此外，也可将q轴电流偏差Δiq与第一及第二阈值比较。
此外，在上述实施方式中，将载波升高值Δup设为负值，将载波降低值ΔDown设为正值，但也可将载波升高值Δup设为正值，将载波降低值ΔDown设为负值。在该情况下，频率确定部53例如可以通过fc＝fs/-Tcnt的运算式来确定载波频率fc。在该情况下，上限值Tmax及下限值Tmin为负值，Tmax＜Tmin。
对于本领域技术人员来说能够容易地导出进一步的效果和变形例。因此，本发明的范围并不限定于以上表示和记载的特定的具体且代表性的实施方式。因而，只要不脱离由权利要求书及其等同物所定义的总的发明构思或范围，可以进行各种变形。

Claims (15)

1.一种电力转换装置，其特征在于，包括：
电力转换部，其具有多个开关元件；
PWM控制部，其对所述多个开关元件进行PWM控制；以及
频率改变部，其改变所述PWM控制的载波频率，
所述频率改变部包括：
输出部，其输出与针对控制对象的控制偏差相应的控制值；
积分部，其对从所述输出部输出的所述控制值进行积分；以及
频率确定部，其根据所述积分部的积分值来确定所述载波频率，
在针对所述控制对象的控制偏差为第一阈值以上的情况下，所述输出部输出用于提高所述载波频率的第一控制值，在所述控制偏差为第二阈值以下的情况下，所述输出部输出用于降低所述载波频率的第二控制值。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换装置还包括指令生成部，该指令生成部根据所述控制偏差来运算控制指令，
所述PWM控制部包括PWM信号生成部，该PWM信号生成部根据所述控制指令来生成PWM信号。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述指令生成部的运算频率高于所述载波频率，
所述输出部按所述指令生成部的每个运算周期来输出与所述控制偏差相应的控制值。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于，
所述运算频率为所述载波频率的n倍且n为2以上的整数，
所述频率确定部将所述运算频率除以所述积分部的积分结果而求得的频率确定为所述载波频率。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换装置还包括增益设定部，在改变了所述PWM控制的所述载波频率的情况下，所述增益设定部将与所述载波频率相应的控制增益设定于所述指令生成部。
6.根据权利要求2～4中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换装置还包括电流检测部，该电流检测部检测所述电力转换部的输出电流，
所述控制偏差包含输出电流指令与所述电流检测部的检测结果之间的偏差。
7.根据权利要求2～4中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
所述控制对象包括由所述电力转换部的输出电力所控制的旋转电机的旋转位置，
所述控制偏差包括所述旋转位置的控制偏差。
8.根据权利要求2～4中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
所述控制对象包括由所述电力转换部的输出电力所控制的旋转电机的旋转速度，
所述控制偏差包括所述旋转速度的控制偏差。
9.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述输出部包括：
差分运算部，其运算所述控制偏差；
第一比较部，其对所述控制偏差与所述第一阈值进行比较；
第二比较部，其对所述控制偏差与所述第二阈值进行比较；
第一乘法部，其将所述第一比较部的输出乘以第一系数；
第二乘法部，其将所述第二比较部的输出乘以第二系数；以及
加法部，其将所述第一乘法部的输出与所述第二乘法部的输出相加。
10.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换装置还包括限幅器，在所述积分部的积分值高于上限值的情况下所述限幅器输出上限值，在所述积分部的积分值低于下限值的情况下所述限幅器输出下限值，
所述频率改变部根据所述限幅器的输出来改变所述载波频率。
11.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换装置还包括限制部，该限制部根据施加于所述电力转换部的负载来限制由所述频率改变部进行的所述载波频率的改变。
12.根据权利要求11所述的电力转换装置，其特征在于，
在规定期间内的施加于所述电力转换部的负载的总计超过规定值的情况下，所述限制部限制由所述频率改变部进行的所述载波频率的改变。
13.根据权利要求11或12所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换装置还包括推定部，该推定部根据所述电力转换部的输出电流与所述载波频率来推定施加于所述电力转换部的所述负载，
所述限制部根据由所述推定部推定出的所述负载来限制由所述频率改变部进行的所述载波频率的改变。
14.一种控制装置，其改变PWM控制的载波频率，其特征在于，包括：
输出部，其输出与针对控制对象的控制偏差相应的控制值；
积分部，其对从所述输出部输出的所述控制值进行积分；以及
频率确定部，其根据所述积分部的积分值来确定所述载波频率，
在针对所述控制对象的控制偏差为第一阈值以上的情况下，所述输出部输出用于提高所述载波频率的第一控制值，在所述控制偏差为第二阈值以下的情况下，所述输出部输出用于降低所述载波频率的第二控制值。
15.一种载波频率的改变方法，其改变PWM控制的载波频率，其特征在于，包括：
生成与针对控制对象的控制偏差相应的控制值；
对所述生成的所述控制值进行积分；以及
根据所述积分的结果来确定所述载波频率，
在针对所述控制对象的控制偏差为第一阈值以上的情况下，输出部输出用于提高所述载波频率的第一控制值，在所述控制偏差为第二阈值以下的情况下，所述输出部输出用于降低所述载波频率的第二控制值。
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