DE10394312T5

DE10394312T5 - Umrichtervorrichtung

Info

Publication number: DE10394312T5
Application number: DE10394312T
Authority: DE
Inventors: Manabu Yoshimura; Toshiyuki Kaitani
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2007-03-08
Also published as: CN1839539A; TWI229971B; JPWO2005034327A1; GB0606398D0; TW200513015A; WO2005034327A1; US20060239047A1; US7436144B2; GB2423198B; CN100511955C; GB2423198A

Abstract

Umrichtervorrichtung, umfassend:
eine Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit, die einen Ausgangspannungsbefehl auf der Grundlage eines Frequenzbefehlswerts zum Betreiben eines Motors und einer Zustandsgröße des Motors in jeder Berechnungsperiode berechnet;
eine PWM-Mustererzeugungseinheit, die ein PWM-Signal gemäß einem Ausgangspannungsbefehlswert ausgibt, der von der Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit ausgegeben wird; und
eine Schalteinheit, die eine Gleichspannung gemäß dem PWM-Signal, das von der PWM-Mustererzeugungseinheit ausgegeben wird, schaltet und dem Induktionsmotor eine Wechselspannung mit einer vorbestimmten Frequenz zuführt, wobei die Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit einschließt:
eine Funktion zum Berechnen einer Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten, in welchen Amplituden einander gleich sind, aber nur die Phase in einem festen Zustand vorrückt, in jeder Berechnungsperiode.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Umrichtervorrichtung zum Treiben eines Motors bei einer beliebigen Frequenz.
STAND DER TECHNIK
Eine Umrichtervorrichtung zum Treiben eines Motors wie etwa eines Induktionsmotors und eines Synchronmotors schließt im Allgemeinen eine Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit, die einen Ausgangspannungsbefehl in jeder Berechnungsperiode auf der Grundlage eines Frequenzbefehlswerts, der eingegeben wird, um einen Motor zu treiben, und einer erfassten Zustandsgröße des Motors berechnet; eine PWM-Mustererzeugungseinheit, die ein PWM-(Pulsbreitenmodulations)-Signal auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen einem Ausgangspannungsbefehlswert, der von der Ausgangspannungsberechnungseinheit ausgegeben wird, und einem Dreieckwellensignal ausgibt; und eine Schalteinheit ein, die eine Gleichspannung gemäß dem PWM-Signal ausgibt, das von der PWM-Mustererzeugungseinheit ausgegeben wird und dem Motor eine Wechselspannung mit einer vorbestimmten Frequenz zuführt. Jedoch wird die Wellenform der Wechselspannung, die von der Schalteinheit ausgegeben wird, ein Treppenmuster, und somit sind zum Zweck eines Verringerns einer Stromwelligkeit oder dergleichen verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen, um es zuzulassen, dass sich die Wellenform einer Ausgangsspannung so nah wie möglich einer Sinuswelle annähert.
Beispielsweise offenbart das Patentdokument 1 eine Technologie zum Erhalten einer glatten Ausgangsspannung durch ein Teilen einer Differenz ΔV zwischen einem Ausgangsspannungsbefehlswert V1, der in einer Berechnungsperiode berechnet wird, und einem Ausgangsspannungsbefehlswert V2, der in der nächsten Berechnungsperiode berechnet wird, durch die Zahl N von Scheiteln eines Dreieckwellensignals, das in einer Berechnungsperiode enthalten ist, und durch ein lineares Komplementieren und Ändern eines Amplitudenwerts jedes der Ausgangsspannungsbefehlswerte, durch ΔV/N, an jedem Scheitel des Dreieckwellensignals, das in der Berechnungsperiode enthalten ist, um dadurch den Ausgangsspannungsbefehlswert von einem Treppenmuster in ein lineares Muster zu ändern.
Das obige Patentdokument ist wie folgt.

Patentdokument 1: Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. H6-22556.

In der obigen in dem Patentdokument 1 beschriebenen Technologie ist jedoch ein Code, der eine Richtung einer Spannungsänderung in einer Berechnungsperiode anzeigt, fest. Deswegen kann, wie in 1 gezeigt, wenn die Richtung einer Spannungsänderung in der Mitte der einen Berechnungsperiode umgekehrt wird, ein Ausgangspannungsbefehlswert, der eine derartige Änderung anzeigt, nicht erhalten werden. Dieser Fall ist spezifisch unter Bezugnahme auf 1 erläutert. 1 ist ein Diagramm des Vergleichs zwischen einer sich ändernden Wellenform eines Ausgangspannungsbefehls, die tatsächlich ausgegeben werden soll, und einer sich ändernden Wellenform eines Ausgangspannungsbefehls, der tatsächlich ausgegeben wird.
1(1) veranschaulicht eine Korrelation zwischen einer sich ändernden Wellenform 1 des Ausgangspannungsbefehls, die tatsächlich ausgegeben werden soll, und einem Dreieckwellensignal 2 in einer Berechnungsperiode. 1(2) veranschaulicht eine Korrelation zwischen einer sich ändernden Wellenform 3 des Ausgangspannungsbefehls, der tatsächlich ausgegeben werden soll, und dem Dreieckwellensignal 2 in einer Berechnungsperiode. Wie in 1 gezeigt, ändert sich eine Amplitude des Ausgangspannungsbefehls in einer Berechnungsperiode um jeweils ΔV/N an jedem Scheitel des Dreieckwellensignals 2.
Wenn Scheitel (z.B. ein Punkt eines maximalen Werts auf der positiven Seite) der Sinuswelle in einer Berechnungsperiode enthalten sind, wie in 1(1) gezeigt, wird die sich ändernde Wellenform 1 des Ausgangspannungsbefehls, die tatsächlich ausgegeben werden soll, eine Treppenwellenform, bei welcher auf eine Aufwärtstreppe ein Abwärtstreppenabschnitt 4 in der einen Berechnungsperiode folgt. Im Gegensatz dazu ist in der in dem Patentdokument 1 beschriebenen Technologie, weil die Richtung einer Spannungsänderung eine Richtung in der einen Berechnungsperiode ist, wie in 1(2) gezeigt, die sich ändernde Wellenform 2 des Ausgangspannungsbefehls, der tatsächlich ausgegeben wird, nur ein Aufwärtstreppenmuster. Deswegen wird die sich ändernde Wellenform 2 eine Wellenform einer Aufwärtstreppe in einem Gebiet 5, das dem Abwärtstreppenabschnitt 4 in der sich ändernden Wellenform 1 des Ausgangspannungsbefehls entspricht, die tatsächlich ausgegeben werden soll, wie in 1(1) gezeigt.
Um dieses Muster zu vermeiden, muss ein Gebiet, das durch eine gepunktete Linie abgeteilt ist, um einen Abschnitt verringert werden, so dass der Abwärtstreppenabschnitt 4 der 1(1) in der nächsten Berechnungsperiode enthalten ist, die Berechnungsperiode wird nämlich verkürzt. Alternativ muss die Berechnungsperiode mit der Phase der Sinuswelle durch ein Verschieben der Phase der Sinuswelle nach rechts als Ganzes übereinstimmen. Um dies zu implementieren, muss eine CPU in dem früheren Fall, die einen Ausgangspannungsbefehl berechnet, aktualisiert werden, was zu einer Erhöhung in den Kosten führt. In dem letzteren Fall nimmt die Verarbeitungslast zu.
2 ist ein Diagramm des Vergleichs zwischen einer Ausgangswellenform und einer Sinuswellenform. 2 veranschaulicht eine Wellenform einer Ausgangsspannung 8, wenn 1/4 Zyklus einer Sinuswelle 7 auf eine Berechnungsperiode gesetzt ist. Wie in 2 gezeigt, wird eine Spannung zwischen Berechnungsperioden durch ein lineares Komplement erhalten. Deswegen wird die Ausgangsspannung 8 als eine Spannung ausgegeben, die sich linear zwischen Berechnungsperioden ändert. Zu dieser Zeit wird, wenn eine Ausgangsfrequenz niedrig ist, die Berechnungsperiode bezüglich des Zyklus der Sinuswelle ausreichend kurz, was es zulässt, dass die Sinuswelle in feine Intervalle geteilt wird. Deswegen ist eine Abweichung von der Sinuswelle auch durch das lineare Komplement klein, aber wenn die Ausgangsfrequenz hoch ist, wird die Berechnungsperiode relativ lang. Deswegen wird es in der herkömmlichen Technologie schwierig, eine feine Kurve der Sinuswelle zu approximieren, was dazu führt, dass die Abweichung von der Sinuswelle signifikant wird.
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich der obigen Probleme ausgeführt worden, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Umrichtervorrichtung zu erhalten, die in der Lage ist, die Wellenform einer Ausgangsspannung näher an eine Sinuswelle ungeachtet dessen, ob die Ausgangsspannung hoch oder niedrig ist, verglichen mit der herkömmlichen Technologie anzunähern, und die Verarbeitungslast einer CPU, die einen Ausgangspannungsbefehl berechnet, zu verringern.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
In der vorliegenden Erfindung schließt eine Umrichtervorrichtung eine Ausgangspannungsberechnungseinheit, die einen Ausgangspannungsbefehl auf der Grundlage eines Frequenzsbefehlswerts zum Treiben eines Motors und einer Zustandsgröße des Motors in jeder Berechnungsperiode; eine PWM-Mustererzeugungseinheit, die ein PWM-Signal gemäß einem Ausgangspannungsbefehlswert ausgibt, der von der Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit ausgegeben wird; und eine Schalteinheit ein, die eine Gleichspannung gemäß dem PWM-Signal schaltet, das von der PWM-Mustererzeugungseinheit erzeugt wird, und dem Induktionsmotor eine Wechselspannung mit einer vorbestimmten Frequenz zuführt. Die Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit schließt eine Funktion zum Berechnen einer Mehrzahl von Ausgangsspannungsbefehlswerten, in welchen die Amplituden gleich sind, aber nur eine Phase in einem festen Zustand vorrückt, in jeder Berechnungsperiode ein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Ausgangspannungsbefehlswert, bei welchem nur die Phase vorrückt, mehrmals innerhalb einer Berechnungsperiode aktualisiert. Deswegen ist es, auch wenn eine kleine Anzahl von Berechnungsperioden in dem Zyklus einer Grundwelle einer Ausgangsspannung vorhanden ist, möglich, eine Ausgangsspannung mit einer Wellenform näher an der Sinuswelle zu erhalten. Deswegen wird die Stromwelligkeit mehr als mit der herkömmlichen Technologie verringert, womit eine Drehmomentwelligkeitsverringerung und eine Effizienzzunahme erreicht werden. Überdies muss eine CPU, die den Ausgangspannungsbefehl berechnet, nur eine Funktion zum Berechnen einer Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten hinzufügen, in der nur die Phase vorrückt. Deswegen kann die Verarbeitungslast der CPU verringert werden, womit kein Bedarf zur Verwendung einer teuren CPU besteht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Diagramm des Vergleichs zwischen einer sich ändernden Wellenform eines Ausgangspannungsbefehls, die tatsächlich ausgegeben werden soll, und einer sich ändernden Wellenform eines Ausgangspannungsbefehls, der tatsächlich ausgegeben wird;
2 ein Diagramm des Vergleichs zwischen einer Ausgangsspannungswellenform und einer Sinuswellenform;
3 ein Blockdiagramm der Konfiguration einer Umrichtervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs einer Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit, die in 3 gezeigt ist;
5 ein Zeitdiagramm zum Erläutern eines spezifischen Beispiels von Betriebsschritten zum Erzeugen einer Mehrzahl von Ausgangsspannungsbefehlen in einer Berechnungsperiode in der in 3 gezeigten Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit;
6 ein Zeitdiagramm zum Erläutern der Betriebsschritte eines WPM-Mustergenerators (ASIC), der in 3 gezeigt ist; und
7 ein Wellenformdiagramm des Vergleichs zwischen einer Ausgangsspannung, die durch die Umrichtervorrichtung erhalten wird, die in 3 gezeigt ist, und einer Ausgangsspannung auf der Grundlage der herkömmlichen Technologie.
BESTER WEG (BESTE WEGE) ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen einer Umrichtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Detail unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben werden.
3 ist ein Blockdiagramm der Konfiguration einer Umrichtervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Umrichtervorrichtung der 3 schließt eine Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit 10, einen PWM-Mustergenerator 11, der einen Ausgang der Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit 10 empfängt, und eine Umschaltschaltung 12, die einen Ausgang des PWM-Mustergenerators 11 empfängt, ein. Die Umschaltschaltung 12 ist mit einem Motor (einem Induktionsmotor oder einem Synchronmotor) 13 verbunden. Der Motor 13 ist hier als ein Dreiphasenmotor gezeigt.
Die Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit 10 schließt eine zentrale Verarbeitungseinheit (nachstehend "CPU") 14 ein, die verschiedene Typen von Daten erzeugt, und einen Datensender 15 ein, der eine Schnittstelle zum Senden der Daten ist, die von dem PWM-Mustergenerator 11 erzeugt werden.
In die CPU 14 werden ein Frequenzbefehl 16 zum Treiben des Motors 13 und eine Zustandsgröße 17 des Motors 13 von außen eingegeben. Die Zustandsgröße 17 schließt einen Stromwert als einen Hauptwert ein, wenn der Motor eine Induktionsmaschine ist, und schließt weiter einen Geschwindigkeitswert, der zu dem Hauptwert agiert ist ein, wenn der Motor 13 eine Synchronmaschine ist. Der Stromwert wird durch ein Anbringen eines Stromdetektors (ein Stromtransformator und ein Widerstand, etc.) an einen elektrischen Draht erfasst. Der Geschwindigkeitswert wird durch ein Anbringen eines Codierers an der Drehwelle des Motors 13 erfasst. In dieser Spezifikation ist der Motor 13 die Induktionsmaschine und die Zustandsgröße 17 ist der Stromwert.
Die CPU 14 lädt die Zustandsgröße 17 des Motors 13, die in jeder Berechnungsperiode erfasst wird, und berechnet einen Ausgangspannungsbefehl (Spannungsdaten) auf der Grundlage der Zustandsgröße 17. Ferner erzeugt die CPU 14 Dreieckwellenamplitudendaten zum Bereitstellen des Zyklus eines Dreieckwellensignals, das eine Trägerwelle zum Erhalten eines PWM-Signals ist, und Reflexionszeitgebungsdaten zum Bereitstellen der Anzahl von Scheiteln eines Dreieckwellensignals zum Definieren von Intervallen einer Reflexion.
Zu der Zeit, zu welcher ein Ausgangspannungsbefehl zu berechnen ist, berechnet die CPU 14 eine Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten, bei welchen die Amplituden die gleichen sind, aber nur die Phase in der Berechnungsperiode in einem festen Zustand vorrückt. In der Ausführungsform werden drei Ausgangspannungsbefehlswerte als die Ausgangspannungsbefehlswerte erhalten.
Daraus resultierend werden die Daten (Spannungsdaten, Dreieckwellenamplitudendaten, Reflexionszeitgebungsdaten etc., die erzeugt sind, von dem Datensender 15 zu dem PWM-Mustergenerator 11 übertragen. Ein Synchronisationssignal zur Synchronisation zwischen der Berechnungsperiode und der Reflexionszeitgebung wird dorthin auch übertragen.
Der PWM-Mustergenerator 11 ist durch eine ASIC implementiert, die eine vorgegebene integrierte Halbleiterschaltung ist. Eine ASIC 11 schließt einen Datenempfänger 21, der eine Schnittstelle ist, einen Puffer A22, einen Puffer B23, einen Puffer C24, ein Reflexionszeitgebungsregister 25, ein Dreieckwellenzähler 26 und einen Komparator 28 ein.
Der Datenempfänger 21 lädt die Daten (Spannungsdaten, Dreieckwellenamplitudendaten, Reflexionszeitgebungsdaten etc.), die in der CPU 14 erzeugt werden, gibt die Spannungsdaten zu dem Puffer A22, dem Puffer B23 und dem Puffer C24 jeweils aus, um vorübergehend gespeichert zu werden. Zu dieser Zeit werden, wenn die Spannungsdaten vorhanden sind, die Spannungsdaten zu den drei Puffern A22, B23 und C24 ausgegeben. Jedoch werden, wenn drei Spannungsdaten vorhanden sind, die drei Spannungsdaten zu den drei Puffern A22, B23 und C24 jeweils in einer Zeitreihenfolge ausgegeben.
Überdies gibt der Datenempfänger 21 die Reflexionszeitgebungsdaten, die in das Reflexionszeitgebungsregister 25 geladen sind, aus, und gibt die Dreieckwellenamplitudendaten zu dem Dreieckwellenzähler 26 aus. Ein Spannungsregister 27 verwendet die Reflexionszeitgebungsdaten, die in dem Reflexionszeitgebungsregister 25 gespeichert sind. Der Dreieckwellenzähler 26 setzt den Zähler gemäß der Dreieckwellenamplitudendaten hoch oder herab, um eine Dreieckwelle zu erzeugen, und führt die erzeugte Dreieckwelle dem Komparator 28 zu.
Das Spannungsregister 27 lädt die Daten, die in dem Puffer A22, dem Puffer B23 und dem Puffer C24 gespeichert sind, in der Zeitreihenfolge auf der Grundlage des Synchronisationssignals und der Reflexionszeitgebungsdaten, speichert sie für eine feste Periode (Periode einer vorbestimmten Anzahl von Scheiteln eines Dreieckwellensignals) jeweils und führt dem Komparator 28 die Daten zu.
Der Komparator 28 vergleicht einen Wert des Spannungsregisters 27 mit einem Wert des Dreieckwellenzählers 26 und gibt einen PWM-Befehl, der ein Pulssignal ist, dessen Pulsbreite geändert wird, zu der Umschaltschaltung 12 aus.
Die Umschaltschaltung 12 führt einen Ein-Aus-Betrieb gemäß dem PWM-Befehlsausgang durch den PWM-Mustergenerator (ASIC) 11 aus, so dass drei Schalteelemente des oberen Arms und drei Schaltelemente des unteren Arms einander wechselseitig nicht überlappen, erzeugt eine Dreiphasenwechselspannung mit einer vorbestimmten Frequenz aus einer Gleichspannung +V und führt die Spannung dem Motor 13 zu.
Der Betrieb der Umrichtervorrichtung gemäß der Ausführungsform wird unten stehend unter Bezugnahme auf 3 bis 7 erläutert. Ein Gesamtberechnungsbetrieb in der Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit wird zunächst unter Bezugnahme auf 4 erläutert. 4 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern des Betriebs der Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit, die in 3 gezeigt ist.
In 4 bestimmt die CPU 14 eine Frequenz eines Dreieckwellensignals, die eine Trägerwelle eines PWM-Signals ist auf der Grundlage des empfangenen Frequenzbefehls 16 und erzeugt Dreieckwellenamplitudendaten (Schritt ST1). Dann führt die CPU 14 Prozesse bei dem Schritt ST2 bis Schritt ST12 in jeder Berechnungsperiode einer vorbestimmten Zeitperiode ΔT aus, um einen Dreiphasen-Ausgangsspannungs-Befehlswert V (Vu, Vv, Vw) zu erhalten.
Mit anderen Worten erfasst die CPU 14 einen Stromwert, der die Zustandsgröße 17 des Motors ist (Schritt ST2), und konvertiert Stromkoordinaten in ein orthogonales Drehkoordinatensystem, in welchem d-Achse-q-Achse in zwei Achsen orthogonal zueinander gesetzt sind (Schritt ST3). Dann berechnet die CPU 14 eine Phase θ in der Sinuswelle in der Berechnungsperiode aus den Drehkoordinaten (Schritt ST4). Hierin wird in dieser Ausführungsform die Phase θ in einer Berechnungsperiode der Zeitpunkt ΔT in drei Teile geteilt, wie etwa eine Phase (nachstehend "Vorphase") θ1 in einer ersten Zeitperiode ΔT/3, eine Phase (nachstehend "Mittenphase" θ2 in einer zweiten Zeitperiode ΔT/3 und einer Phase (nachstehend "Nachphase") θ3 in einer dritten Zeitperiode ΔT/3, und jeder Ausgangspannungsbefehlswert in den jeweiligen Phasen wird erhalten (siehe 5). Deswegen erhält die CPU 14 bei dem Schritt ST4 die Mittenphase θ2.
Dann erhält die CPU 14 eine Spannung Vd und eine Spannung Vq als einen Gleichstrom (Schritt ST5) und bestimmt, ob irgendeine Phasenänderung vorhanden ist (Schritt ST6). Im Allgemeinen wird ein Amplitudenwert zu einer Zeit t der Sinuswelle, die mit einer Winkelfrequenz ω dreht, durch Asin ωt auf der Grundlage der Amplitude A, der Winkelfrequenz ω und der Zeit t ausgedrückt, und die Phase zu dieser Zeit ist ωt. Weil die Zeit t eine Integration von Zeitperioden ΔT ist, die Berechnungsperioden einschließen, wird die Phase θ = ωΣΔT. Ein Phasenänderungsbetrag Δθ zwischen Berechnungsperioden beträgt Δθ = ωΔT. Deswegen wird bei dem Schritt ST6 eine Winkelfrequenz ω einer Ausgangsspannung überwacht, um eine Bestimmung bezüglich des Phasenänderungsbetrags zu ermöglichen, und es ist auch möglich zu bestimmen, in welcher Phase der Sinuswelle die Berechnungsperiode enthalten ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Phase θ eine Integration von Phasenänderungsbeträgen Δθ ist, d.h. θ = ΣΔθ.
Beispielsweise wird, wenn der Phasenänderungsbetrag ein vorbestimmter Wert oder weniger ist, bestimmt, dass keine Phasenänderung vorhanden ist (Schritt ST6, Nein). In diesem Fall ist θ2 = θ1 = θ3, und somit wird eine Spannung V2 in der Mittenphase θ2 über eine Spannungskoordinatenkonversion (Schritt ST7) erhalten, und sowohl eine Spannung V1 in der Vorphase θ1 als auch eine Spannung V3 in der Nachphase θ3 werden auf einen Wert gleich der Spannung V2 ohne eine Berechnung eingestellt (Schritt ST8), und der Wert wird auf den Ausgangspannungsbefehlswert V (Vu, Vv, Vw) in der Berechnungsperiode eingestellt. Die Prozedur bei dem Schritt ST1 bis Schritt ST4, dem Schritt ST7 und dem Schritt ST8 ist eine auf herkömmliche Weise ausgeführte.
Jedoch wird bei der herkömmlichen Technologie, weil kein Gedanke dahingehend vorhanden ist, dass die Phase in einer Berechnungsperiode geteilt ist, die Phase in der Berechnungsperiode bei dem Schritt ST4 erhalten. Der Schritt ST8 ist eine Prozedur, die neu erzeugt wird, wenn die Phase in einer Berechnungsperiode in der Ausführungsform geteilt wird. Deswegen wird in der Ausführungsform der Prozess, der hinzugefügt wird, wenn ein Ausgangspannungsbefehl in einer Berechnungsperiode auf die gleiche Weise wie in der herkömmlichen Technologie berechnet wird, die Prozedur bei dem Schritt ST8 ausgeführt, und es besteht ein extrem kleiner Betrag einer Zunahme in dem Prozess.
Andererseits wird, wenn der Phasenänderungsbetrag den vorbestimmten Wert überschreitet, bestimmt, dass irgendeine Phasenänderung vorhanden ist (Schritt ST6: Ja), und die CPU 14 erhält die Vorphase θ1 bzw. die Nachphase θ3 (Schritt ST9) und erhält weiter einen Ausgangspannungsbefehlswert V1 (Vu1, Vv1, Vw1) in der Vorphase θ1, einen Ausgangspannungsbefehlswert V2 (Vu2, Vv2, Vw2) in der Mittenphase θ2 und einen Ausgangspannungsbefehlswert V3 (Vu3, Vv3, Vv3, Vw3) in der Nachphase θ3 jeweils über eine Spannungskoordinatenkonversion (Schritt ST10 bis Schritt ST12).
Die Betriebsschritte bei dem Schritt ST4 und dem Schritt ST9 bis Schritt ST12 werden unten stehend unter Bezugnahme auf 5 erläutert. 5 ist ein Zeitgebungsdiagramm zum Erläutern eines spezifischen Beispiels von Betriebsschritten zum Erzeugen einer Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlen in einer Berechnungsperiode in der in 3 gezeigten Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit. In 5 ist die vertikale Achse die Phase θ und die horizontale Achse ist die Zeit t.
In 5 sind zwei aufeinanderfolgende Berechnungsperioden 31 und 32 bezüglich einer analogen Phase θana, die linear von links unten nach rechts oben in einem bestimmten Winkel ansteigt, in einem ersten Halbzyklus in einem positiven Halbzyklus der Sinuswelle gezeigt. Jede Zeitperiode der Berechnungsperioden wird durch ΔT ausgedrückt.
In der Berechnungsperiode 31 ändert sich die Phase in der Reihenfolge einer Vorphase θ11 in einer ersten Zeitperiode ΔT/3, einer Mittenphase θ12 in einer zweiten Zeitperiode ΔT/3 und einer Nachphase θ13 in einer dritten Zeitperiode ΔT/3. In der Berechnungsperiode 32 ändert sich die Phase in der Reihenfolge einer Vorphase θ21 in einer ersten Zeitperiode ΔT/3, einer Mittenphase θ22 in einer zweiten Zeitperiode ΔT/3 und einer Nachphase θ23 in einer dritten Zeitperiode ΔT/3.
In jeder der Berechnungsperiode 31 und der Berechnungsperiode 32 sind jeweilige Änderungsbeträge der Vorphase θ1 und der Nachphase θ3 bezüglich der Mittenphase θ2 zueinander gleich, was ΔT/3 ist. Ein Phasenänderungsbetrag (Phasenvorrückabschnitt) Δθ zwischen der Berechnungsperiode 31 und der Berechnungsperiode 32 ist als eine Differenz zwischen der Mittenphase θ12 und der Mittenphase θ22 gegeben, die Δθ = ωΔT ist, wie oben stehend erläutert.
Die Berechnungsperiode 32 wird unten stehend als ein Beispiel erläutert. In der herkömmlichen Technologie ist die Phase θ, die bei dem Schritt ST4 der 4 erhalten wird, die Mittenphase θ22, und diese Phase ist die Phase als Ganzes einer Berechnungsperiode. In der Ausführungsform wird die Phase θ jedoch in drei Teile geteilt und berechnet. Spezifischer werden die Phasen der drei Teile durch zunächst Erhalten der Mittenphase θ22 in dem Schritt ST4 der 4 unter Verwendung der herkömmlichen Technik erhalten, und dann wird die Vorphase θ21, wenn –ΔT/3 und die Nachphase θ23, wenn +ΔT/3 auf der Grundlage der Mittenphase θ22 als ein Zentrum bei einem Schritt ST9 der 4 erhalten.
Der Phasenvorrückabschnitt Δθ wird durch ein Produkt ωΔT der Winkelfrequenz und der Zeitperiode der Berechnungsperiode erhalten, wie oben stehend erläutert. Deswegen können, wenn sich die Ausgangsfrequenz innerhalb der Berechnungsperiode nicht ändert, die Vorphase θ21 und die Nachphase θ23 jeweils in dem Schritt ST9 der 9 wie folgt berechnet werden:
θ21 = θ22 – ωΔT/3 = θ22 – Δθ/3
θ23 = θ22 + ωΔT/3 = θ22 + Δθ/3
Bei einem Schritt ST10 bis ST12 der 4 werden drei Ausgangspannungsbefehlswerte, die einer Berechnungsperiode einer Zeitperiode ΔT entsprechen, jeweils unter Verwendung der drei Phasen berechnet, die in obigen Weise erhalten werden. Dies lässt es zu, dass nur die Phase jeder Ausgangsspannung des Umrichters in einer Berechnungsperiode der Zeitperiode ΔT durch eine Zeitperiode von jeweils ΔT/3 geändert wird.
6 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern der Betriebsschritte eines PWM-Mustergenerators (ASIC), der in 3 gezeigt ist. In 6 sind die Betriebsschritte der Komponenten in der ASIC 11 gezeigt, wenn die CPU 14 die folgenden Daten zu der ASIC 11 wie etwa ein Synchronisationssignal 41, drei Spannungsdaten V11, V12 und V13, eine Reflexionszeitgebung 42, 43 und 44 jeder Zeitperiode ΔT, die dementsprechend ist, und Daten für ein Dreieckwellensignal 45 in der in 5 gezeigten Berechnungsperiode 31 sendet.
Wenn der Berechnungsprozess der Spannungsdaten V11, V12 und V13 in der Berechnungsperiode 31 der Zeitperiode ΔT beendet ist, führt die CPU 14 unmittelbar einen Übertragungsprozess durch und überträgt die Spannungsdaten V11, V12 und V13 zusammen mit den anderen Daten zu der ASIC 11 und lässt es zu, das die ASIC 11 diese in den Puffern speichert. Danach wird das Synchronisationssignal 41 übertragen.
Deswegen werden, wie in 6 gezeigt, in der ASIC 11 in der Berechnungsperiode 31 der Zeitperiode ΔT die Spannungsdaten V11 zunächst in dem Puffer A22 gespeichert, die Spannungsdaten V12 werden in dem Puffer B23 gespeichert, und dann werden die Spannungsdaten V13 in dem Puffer C24 gespeichert.
Das Spannungsregister 27 holt die Spannungsdaten V11 aus dem Puffer A22 im Ansprechen auf das Synchronisationssignal 41, speichert die Daten für eine Zeitperiode ΔT der Reflexionszeitgebung 42 und gibt die Daten dann aus. Wenn die Zeitperiode ΔT der Reflexionszeitgebung 42 verstrichen ist, holt das Spannungsregister 27 die Spannungsdaten V12 aus dem Puffer B23, speichert die Daten für eine Zeitperiode ΔT der Reflexionszeitgebung 43 und gibt die Daten dann aus. In gleicher Weise holt das Spannungsregister 27, wenn die Zeitperiode Δt der Reflexionszeitgebung 43 verstrichen ist, die Spannungsdaten V13 aus dem Puffer C24, speichert die Daten für eine Zeitperiode Δt der Reflexionszeitgebung 44 und gibt die Daten dann aus.
Der Komparator 28 reflektiert die Spannungsdaten V11, V12 und V13 jeweils in das Dreieckwellensignal 45, das ein Ausgang des Dreieckwellenzählers 26 ist, in den jeweiligen Zeitperioden Δt der Reflexionszeitgebung 42, 43 und 44, und gibt ein PWM-Signal 46 zu der Umschaltschaltung 13 aus. Hierin zeigt jede Zeitperiode Δt der Reflexionszeitgebung 42, 43 und 44 eine Periode an, während welcher eine vorbestimmte Zahl (3) in dem Beispiel der 6) der Scheitel des Dreieckwellensignals 45 vorbeigelaufen sind, und der Startpunkt und der Endpunkt davon synchronisieren auf die Scheitel des Dreieckwellensignals 45.
Auf diese Weise werden die drei Ausgangspannungsbefehlswerte, die von der CPU 14 innerhalb der Zeitperiode ΔT einer Berechnungsperiode berechnet werden, automatisch zu einer Zeitgebung reflektiert, die von der CPU 14 in der ASIC 11 spezifiziert ist, und ein PWM-Signal wird erzeugt. Die CPU 14 spezifiziert nur die Reflexionszeitgebung und führt einen Reflexionsprozess nicht durch, und somit wird die Verarbeitungslast verringert.
7 ist ein Wellenformdiagramm des Vergleichs zwischen einer Ausgangsspannung, die in der in 3 gezeigten Umrichtervorrichtung erhalten wird, und eine Ausgangsspannung auf der Grundlage der herkömmlichen Technologie. 7(1) zeigt eine Wellenform der Ausgangsspannung an, die durch die herkömmliche Technologie erhalten wird. 7(2) zeigt eine Wellenform der Ausgangsspannung an, die durch die Ausführungsform erhalten wird.
Wie aus der Erläuterung der Betriebsschritte unter Bezugnahme auf 4 offensichtlich ist, wird in der herkömmlichen Technologie ein Ausgangspannungsbefehlswert in jeder Berechnungsperiode (Zeitperiode ΔT) erhalten. Deswegen wird, wenn die Ausgangsfrequenz hoch wird und die Berechnungsperiode relativ lang wird, die Wellenform der Ausgangsspannung eine treppenförmige Wellenform, bei welcher die Stufen signifikant sind, wie in 7(1) gezeigt.
Andererseits wird in der Ausführungsform in der Berechnungsperiode (Zeitperiode ΔT), in welcher beispielsweise die Phasenänderung einen vorbestimmten Wert überschreitet, wie in 7(2) gezeigt, die Phase nur in drei Teile geteilt, und drei Ausgangspannungsbefehlswerte werden nacheinander in jeder Zeitperiode ΔT/3 erhalten, wie etwa V1 (θ1), V2 (θ3) und V3 (θ3), und ein PWM-Signal wird für jeden Wert erzeugt. Deswegen können, auch wenn die Ausgangsfrequenz hoch wird und die Berechnungsperiode relativ lang wird, die Stufen in der treppenförmigen Wellenform kleiner gemacht werden, was es zulässt, dass sich die Wellenform einer Sinuswelle glatter annähert.
Der Fall, wo die Phase in drei Teile geteilt ist, um drei Ausgangspannungsbefehle zu erhalten, wird wegen der Zweckmäßigkeit für die Erläuterung erläutert. Jedoch kann die Anzahl von Ausgangspannungsbefehlen, die pro einer Berechnungsperiode reflektiert werden können, wie notwendig gemäß dem Durchsatz der CPU 14 und der Speichergröße der ASIC 11 ausgewählt werden, und kann auch beliebig gemäß einem Bedarf geändert werden.
Wie oben stehend erläutert, wird der Ausgangspannungsbefehlswert, in welchem nur die Phase vorrückt, mehrmals innerhalb einer Berechnungsperiode aktualisiert. Deswegen ist es, auch wenn eine kleine Anzahl von Berechnungsperioden in dem Zyklus einer Grundwelle einer Ausgangsspannung vorhanden ist, möglich, eine Ausgangsspannung mit einer Wellenform näher an der Sinuswelle zu erhalten. Deswegen wird die Stromwelligkeit mehr, verglichen mit der herkömmlichen Technologie verringert, wodurch eine Drehmomentwelligkeit-Verringerung und eine Effizienzzunahme erreicht werden.
Die CPU, die einen Ausgangspannungsbefehl berechnet, muss nur die Funktion zum Berechnen einer Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten hinzufügen, bei welchen nur die Phase vorrückt. Somit ist die Zunahme in dem Berechnungsumfang vergleichsweise klein. Zusätzlich wird der Betrieb zum mehrfachen Aktualisieren des Ausgangspannungsbefehlswerts in der ASIC 11 durchgeführt, die eine integrierte Halbleiterschaltung ist, ohne eine Ausführung von Prozessen in der CPU. Dies lässt eine Verringerung in der Prozesslast der CPU zu, und die Berechnungsperiode wird zusätzlich nicht verringert, und somit besteht kein Bedarf, eine teure CPU zu verwenden.
Die soweit ausgeführte Erläuterung zeigt den Fall an, wo die Phase in eine Mehrzahl von Teilen in einer Berechnungsperiode geteilt wird, in welcher ein Phasenänderungsbetrag einen vorbestimmten Wert überschreitet, aber wenn der Zyklus einer Ausgangsspannung bezüglich der Berechnungsperiode ausreichend groß ist, das heißt, wenn die Ausgangsfrequenz niedrig ist, werden eine große Anzahl von Berechnungsperioden in einem Zyklus der Grundwelle der Ausgangsspannung eingeschlossen, und eine Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten werden berechnet. Somit kann eine Wellenform zufriedenstellend nahe an der Sinuswelle erhalten werden, ohne eine Spannung auszugeben, in welcher eine Mehrzahl von Phasen in einer Periode der Berechnungsperiode vorrücken.
Bei dem Schritt ST6 der 4 wird deswegen nicht bestimmt, ob die Phase geändert wird, sondern es wird bestimmt, ob ein Frequenzbefehlswert, der in den Treibermotor eingegeben wird, kleiner oder größer als ein vorbestimmter Wert ist. Wenn der Frequenzbefehlswert größer als der vorbestimmte Wert ist, werden eine größere Anzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten als in dem Fall, wo er kleiner als der vorbestimmte Wert ist, berechnet. Alternativ können, wenn der Frequenzbefehlswert größer als der vorbestimmte Wert ist, eine Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten berechnet werden, und wenn er kleiner als der vorbestimmte Wert ist, kann ein Ausgangspannungsbefehlswert auf die gleiche Weise wie in der herkömmlichen Technologie berechnet werden.
Wie bei dem letzteren Beispiel wird, wenn es beispielsweise ausreichend ist, dass die Berechnungsperiode 500 Mikrosekunden beträgt und 18 Spannungsänderungen in einer Berechnungsperiode der Ausgangsspannung erhalten werden, bei dem Schritt ST6 der Prozess einer Verneinung (Nein) durchgeführt, um so die Phase nicht in eine Mehrzahl von Teilen in einem Bereich einer Ausgangsfrequenz von 17(500 μ × 18) = 111,11 Hz oder weniger zu teilen. Und wenn der Bereich der Ausgangsfrequenz darüber liegt, werden eine kleine Anzahl von Berechnungsperioden in einem Zyklus der Grundwelle der Ausgangsspannung eingeschlossen. Deswegen wird, um es zuzulassen, dass eine Aktualisierung der Spannung schneller durchgeführt wird, der Prozess für Bejahung (Ja) durchgeführt, um so die Phase in eine Mehrzahl von Teilen zu teilen und die Teile zu berechnen, um dadurch die Anzahl von Ausgängen der Ausgangspannungsbefehle in der Berechnungsperiode zu erhöhen.
Demgemäss kann die Berechnungslast in einem Niedriggeschwindigkeitsbereich verringert werden. Überdies kann eine Zeit zur Berechnung, nur wenn die Ausgangsfrequenz niedrig ist, sichergestellt werden. Die Berechnung schließt beispielsweise eine Fehlererfassung einer Ausgangsspannung aufgrund einer Zeit zur Verhinderung eines Kurzschlusses eines oberen und unteren Arms der Umschaltschaltung ein.
In der Ausführungsform ist die Konfiguration gezeigt, in welcher die Reflexionszeitgebungsdaten, die die Anzahl von Scheiteln des Dreieckwellensignals anzeigen, in Daten enthalten ist, die zwischen der CPU und der ASIC ausgetauscht werden, und eine Aktualisierungszeitgebung des Ausgangsspannungsbefehls kann in einem derartigen Fall eingestellt werden, um so ein Handhaben auch in einem Fall zu ermöglichen, wo automatische Aktualisierungserfordernisse durchzuführen sind und die Berechnungsperiode umzuschalten ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht durch den Fall beschränkt, sondern verschiedene Modifikationen sind möglich.
Beispielsweise (1): Wenn eine Zeitgebung einer automatischen Reflexion fest ist, weil die Berechnungsperiode fest ist, kann ein Wert unter Verwendung von Hardware durch Einstellanschlüsse der ASIC eingestellt werden. (2) Die ASIC empfängt den Zyklus eines Dreieckwellensignals von der CPU, um es einem Benutzer zu ermöglichen, den Zyklus des Dreieckwellensignals zu ändern, aber wenn der Zyklus des Dreieckwellensignals fest ist, besteht kein Bedarf, den Zyklus des Dreieckwellensignals von der CPU zu empfangen. Dementsprechend muss die CPU den Zyklus des Dreieckwellensignals auch nicht erhalten. (3) Es ist der Fall gezeigt, wo die Reflexionszeitgebung des Ausgangspannungsbefehls in dem Dreieckwellensignal durch die Anzahl von Scheiteln des Dreieckwellensignals gesteuert wird, aber die Reflexionszeitgebung kann in einer Zeitbasis eingestellt werden. (4) Überdies wird das Synchronisationssignal als ein Zeitgebungssignal verwendet, um die Scheitel des Dreieckwellensignals und die Berechnungszeitgebung der CPU zu synchronisieren, aber es kann ein Verfahren einer Implementierung vorhanden sein, bei welchem die Synchronisation nicht benötigt wird.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung ist als eine Umrichtervorrichtung geeignet, die eine Wechselspannung mit einer beliebigen Frequenz zum Treiben eines Motors in einer Wellenform näher an einer Sinuswelle erhält, das heißt, eine Umrichtervorrichtung, die eine Wechselspannung mit geringerer Stromwelligkeit erhält und in der Lage ist, eine Drehmomentwelligkeit zu verringern.
ZUSAMMENFASSUNG
In der vorliegenden Erfindung berechnet, wenn ein Ausgangspannungsbefehlswert auf der Grundlage eines Frequenzbefehlswerts zum Treiben eines Motors und einer Zustandsgröße des Motors in jeder Berechnungsperiode einer vorbestimmten Zeitperiode berechnet wird, eine CPU eine Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten, bei welchen die Amplituden zueinander gleich sind, aber nur die Phase vorrückt, in der Berechnungsperiode in einem festen Zustand, ohne eine Berechnungsperiode zu verringern. Eine ASIC reflektiert die Ausgangspannungsbefehlswerte, die von der CPU empfangen werden, in ein Dreieckwellensignal in einer Zeitreihenfolge, vergleicht sie miteinander und gibt ein PWM-Signal zu einer Umschaltschaltung aus. Folglich ist es möglich, eine Umrichtervorrichtung zu erhalten, die in der Lage ist, eine Wellenform einer Ausgangsspannung näher an einer Sinuswelle als jene einer herkömmlichen auszuführen, ungeachtet dessen, ob die Ausgangsfrequenz hoch oder niedrig ist, und die in der Lage ist, die Verarbeitungslast der CPU zu verringern.

Claims

Umrichtervorrichtung, umfassend: eine Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit, die einen Ausgangspannungsbefehl auf der Grundlage eines Frequenzbefehlswerts zum Betreiben eines Motors und einer Zustandsgröße des Motors in jeder Berechnungsperiode berechnet; eine PWM-Mustererzeugungseinheit, die ein PWM-Signal gemäß einem Ausgangspannungsbefehlswert ausgibt, der von der Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit ausgegeben wird; und eine Schalteinheit, die eine Gleichspannung gemäß dem PWM-Signal, das von der PWM-Mustererzeugungseinheit ausgegeben wird, schaltet und dem Induktionsmotor eine Wechselspannung mit einer vorbestimmten Frequenz zuführt, wobei die Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit einschließt: eine Funktion zum Berechnen einer Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten, in welchen Amplituden einander gleich sind, aber nur die Phase in einem festen Zustand vorrückt, in jeder Berechnungsperiode.
Umrichtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die PWM-Mustererzeugungseinheit eine integrierte Halbleiterschaltung ist, die einschließt: eine Einheit, die vorübergehend jeden der Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten speichert, die von der Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit ausgegeben werden; eine Einheit, die die Mehrzahl von gespeicherten Ausgangspannungsbefehlswerten in ein Dreieckwellensignal in einer Zeitreihenfolge reflektiert; und eine Einheit, die das PWM-Signal auf der Grundlage des Ergebnisses der Reflexion ausgibt.
Umrichtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit die Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten berechnet, wenn ein Phasenänderungsbetrag einen vorbestimmten Wert überschreitet, und einen Ausgangspannungsbefehlswert berechnet, wenn ein Phasenänderungsbetrag den vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
Umrichtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei dann, wenn die Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten zu berechnen sind und wenn der Frequenzbefehlswert größer als ein vorbestimmter Wert ist, die Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit eine größere Anzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten als in einem Fall berechnet, wenn er kleiner als der vorbestimmte Wert ist.
Umrichtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsspannungs-Berechnungseinheit die Mehrzahl von Ausgangspannungsbefehlswerten berechnet, wenn der Frequenzbefehlswert größer als ein vorbestimmter Wert ist, und einen Ausgangspannungsbefehlswert berechnet, wenn er kleiner als der vorbestimmte Wert ist.