DE112016002281T5

DE112016002281T5 - Energie-umwandlungseinrichtung und fahrzeug-antriebssystem, an welchem die energie-umwandlungseinrichtung verwendet wird

Info

Publication number: DE112016002281T5
Application number: DE112016002281.6T
Authority: DE
Inventors: Sho KATO; Yoshinori Yamashita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2018-02-15
Also published as: CN107148739B; US10910984B2; WO2016185924A1; JP6045765B1; JPWO2016185924A1; US20180287544A1; CN107148739A

Abstract

Eine Steuerungseinheit (4) ist dazu konfiguriert, dazu imstande zu sein, ein erstes Schaltsignal auf der Basis eines Spannungs-Befehlswerts und eines ersten Trägers (Frequenz Fc1) und ein zweites Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und eines zweiten Trägers (Frequenz Fc2 ≠ Fc1) zu erzeugen, und eine Charakteristik-Berechnungseinheit (10) ist enthalten, die einen oder beide von einem Widerstandswert (Rs) eines Elektromotors (7) und einem Totzeitfehler (∆Td), der die Differenz zwischen einem Effektivwert einer Totzeit und einem Vorgabewert der Totzeit ist, schätzt und berechnet, und zwar auf der Basis einer ersten Betriebscharakteristik einer Energie-Umwandlungseinheit (1), die erhalten wird, wenn Schaltelemente mit dem ersten Schaltsignal betrieben werden, und einer zweiten Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit (1), die erhalten werden, wenn die Schaltelemente mit dem zweiten Schaltsignal betrieben werden. Demzufolge können der Widerstandswert des Elektromotors und der Totzeitfehler in einer kurzen Zeit berechnet und geschätzt werden, und zwar mittels derselben gemeinsamen Einrichtung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energie-Umwandlungseinrichtung, die eine Pulsweitenmodulations-Steuerung (nachfolgend als PWM-Steuerung bezeichnet) durchführt, und die einen tatsächlichen Widerstandswert eines Elektromotors und einen tatsächlichen Totzeitfehler berechnet.
Stand der Technik
Eine Steuerungseinrichtung für einen Motor mit variabler Drehzahl, die aus einer Energie-Umwandlungseinrichtung gebildet ist, wird auf verschiedenen Gebieten verwendet, inklusive Schienenfahrzeuge, Fahrstühle, elektrische Automobile und Allzweck-Wechselrichter. In diesen verschiedenartigen Gebieten werden eine höhere Performanz und eine weitere Verbesserung der Zuverlässigkeit erwartet, wie z. B. eine Verbesserung der Genauigkeit des Ausgangsmoments oder der Drehzahlsteuerung eines Elektromotors, eine hohe Effizienz, geringe Störungen und dergleichen des Elektromotors. Zur Verbesserung des Steuerungsvermögens, wie oben beschrieben, ist es notwendig, die Schaltungskonstante des Elektromotors schnell zu erhalten und einen Steuerungsparameter geeignet zu konzipieren.
Unterdessen ist es bekannt, dass die Schaltungskonstante eines Elektromotors in Abhängigkeit von der Temperatur oder dem Betriebszustand des Elektromotors variiert. Wege zum Durchführen der Identifikation, d. h. der Schätzung, mit hoher Genauigkeit und offline (in einem Zustand, wo die Beschleunigungs-/Verlangsamungssteuerung oder die Drehmomentsteuerung am Elektromotor nicht durchgeführt wird, indem ein spezieller Modus zur Identifikation usw. zur Verfügung gestellt wird) für eine solche Variation der Schaltungskonstante ist beispielsweise in dem Patentdokument 1 offenbart, das nachstehend beschrieben ist. In Patentdokument 1 gilt Folgendes: Indem sinusförmige Spannungen mit zwei verschiedenen voreingestellten Frequenzen in einem Rotations-Anhaltezustand eines Elektromotors angelegt werden, so dass ein alternierender Fluss auftritt, ist es möglich, einen Wicklungs-Widerstandswert mit hoher Genauigkeit zu identifizieren, obwohl es einige Zeit dauert.
Ferner wird bei der PWM-Steuerung eine Kurzschluss-Verhinderungszeit, d. h. eine sogenannte Totzeit, zur Verfügung gestellt, um einen Kurzschluss einer DC-Energiequelle für zwei Schaltelemente zu verhindern. Infolge der Totzeit tritt ein Ausgangsspannungsfehler auf, so dass es notwendig ist, Maßnahmen zum Kompensieren des Ausgangsspannungsfehlers zu ergreifen. Dazu werden in dem Nichtpatentdokument 1, das nachstehend beschrieben ist, verschiedenartige Verfahren zum Beseitigen der Einflüsse der Totzeit vorgeschlagen.
Literaturverzeichnis
Patentdokument

Patentdokument 1: Interne Wiederveröffentlichung der internationalen PCT-Veröffentlichung WO 2009/078216 A .

Nichtpatentdokument

Nichtpatentdokument 1: „AC Sabo Sisutemu No Riron To Sekkei No Jissai (Theorie und Wirklichkeit des Designs eines AC-Servosystems)“ von Hidehiko Sugimoto, Sogo Denshi Shuppan, Mai 1990, drittes Kapitel, S. 54 bis 59.

Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Hinsichtlich der oben beschriebenen Totzeit wird deren tatsächlicher Effektivwert von deren Vorgabewert verschieden gemacht, der bei einer Steuerungskonfiguration eingestellt und hinzugefügt wird, und zwar infolge verschiedener Faktoren, wie z. B. den Charakteristiken der Halbleiterelemente, die eine Umwandlungseinrichtung bilden, und einen Faktor, der von der Schaltungskonfiguration verursacht wird, so dass es notwendig ist, den Totzeitfehler genau zu erkennen, der die Differenz zwischen diesen Werten ist. Daher ist die Erkennung des tatsächlichen Widerstandswerts eines Elektromotors und des tatsächligen Totzeitfehlers ein wichtiger Faktor zum Verbessern des Steuerungsvermögens.
Das Patentdokument 1 beschreibt jedoch detailliert ein Verfahren zum Berechnen eines Widerstandswerts, aber es beschreibt nicht einen Totzeitfehler, und es benötigt zusätzliche Einrichtungen, um den Totzeitfehler zu erhalten. Außerdem ist es bei dem Verfahren aus dem Patentdokument 1 notwendig, die Frequenz einer AC-Energiever-sorgung einer Hauptschaltung zu verändern und eine Spannung, einen Strom und dergleichen bei jeder Frequenz zu messen. Daher benötigt das Verfahren einen langen Zeitraum, bis ein Zustand erreicht ist, bei welchem die Messung möglich ist.
Das Nichtpatentdokument 1 schlägt ein Verfahren zum Kompensieren des Ausgangsspannungsfehlers infolge einer eingestellten Totzeit vor, aber es offenbart keinesfalls ein Verfahren zum Erhalten eines tatsächlichen Totzeitfehlers.
Daher kann von beiden Dokumenten nicht behauptet werden, dass es damit möglich ist, zur Verbesserung des Steuerungsvermögens ausreichend beizutragen.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die oben beschriebenen herkömmlichen Probleme zu lösen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Folgendes zu erhalten: eine Energie-Umwandlungseinrichtung, die dazu imstande ist, einen Widerstandswert eines Elektromotors und einen Totzeitfehler in einer kurzen Zeit zu berechnen und zu schätzen, und zwar mittels derselben gemeinsamen Einrichtung; und ein Fahrzeug-Antriebssystem, bei welchem die Energie-Umwandlungseinrichtung verwendet wird.
Lösung der Probleme
Eine Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Energie-Umwandlungseinrichtung, die Folgendes aufweist: eine Energie-Umwandlungseinheit, die eine Brücke aufweist, die so ausgebildet ist, dass Schaltelemente miteinander in Reihe zwischen beide Elektroden einer DC-Energieversorgung geschaltet sind, wobei die Energie-Umwandlungseinheit eine Spannung der DC-Energieversorgung umwandelt und die umgewandelte Spannung einem Elektromotor zuführt; eine Strom-Detektionseinheit, die einen Strom detektiert, der in den Elektromotor hineinfließt; und eine Steuerungseinheit, die eine Totzeit zum Verhindern eines DC-Kurzschlusses einstellt und hinzufügt, der von den Schaltelementen verursacht wird, die die Brücke bilden, und die ein Schaltsignal zum Durchführen einer Einschalt-Ausschaltsteuerung der Schaltelemente erzeugt, und zwar durch PWM-Steuerung auf der Basis eines Spannungs-Befehlswerts und eines Trägers, wobei
die Steuerungseinheit derart konfiguriert ist, dass sie imstande ist, ein erstes Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und eines ersten Trägers sowie ein zweites Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und eines zweiten Trägers mit einer von der Frequenz des ersten Trägers verschiedenen Frequenz zu erzeugen, und
die Energie-Umwandlungseinrichtung eine Charakteristik-Berechnungseinheit aufweist, die einen oder beide von einem Widerstandswert des Elektromotors und einem Totzeitfehler, der die Differenz zwischen einem Effektivwert der Totzeit und einem Vorgabewert der Totzeit ist, schätzt und berechnet, und zwar auf der Basis einer ersten Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit, die erhalten wird, wenn die Schaltelemente mit dem ersten Schaltsignal betrieben werden, und einer zweiten Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit, die erhalten wird, wenn die Schaltelemente mit dem zweiten Schaltsignal betrieben werden.
Wirkung der Erfindung
Die Steuerungseinheit der Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dertart konfiguriert, dass sie imstande ist, Folgendes zu erzeugen: das erste Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und des ersten Trägers; und das zweite Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und des zweiten Trägers, der eine Frequenz hat, die von der Frequenz des ersten Trägers verschieden ist. Außerdem ist die Charakteristik-Berechnungseinheit enthalten, die einen oder beide von einem Widerstandswert des Elektromotors und dem Totzeitfehler schätzt und berechnet, und zwar auf der Basis von Folgendem: der ersten Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit, die erhalten wird, wenn die Schaltelemente mit dem ersten Schaltsignal betrieben werden; und der zweiten Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit, die erhalten wird, wenn die Schaltelemente mit dem zweiten Schaltsignal betrieben werden.
Mittels derselben Charakteristik-Berechnungseinheit kann daher nicht nur einer von dem Widerstandswert des Elektromotors oder dem Totzeitfehler geschätzt und berechnet werden, sondern es können beide gleichzeitig geschätzt und berechnet werden. Außerdem werden die Bedingungen für eine Hauptschaltung nicht verändert, wie in dem Patentdokument 1; es ist ausreichend, die Einstellungen für die Steuerung zu verändern, und es werden eine Schätzung und Berechnung in einer kurzen Zeit verwirklicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Diagramm, das die internen Konfigurationen einer Energie-Umwandlungseinheit 1 und einer PWM-Steuerungseinrichtung 44 in 1 zeigt.
3 ist ein Diagramm, das den Betrieb der PWM-Steuerungseinrichtung 44 gemäß 2 zeigt.
4 ist ein Timing-Diagramm, das den Betrieb beim Durchführen einer Berechnung und Schätzung durch eine Widerstandswert-Berechnungseinheit 5 und eine Totzeitfehler-Berechnungseinheit 6 gemäß 1 zeigt.
5 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Diagramm, das eine äquivalente Schaltung zeigt, wenn der Betrieb einer Energie-Umwandlungseinheit 1 und eines Elektromotors 7 einen stabilen Zustand erreichen, und zwar in der Konfiguration gemäß 5.
7 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Fahrzeug-Antriebssystems zeigt, gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung, wobei eine Energie-Umwandlungseinrichtung auf ein Schienenfahrzeug angewendet wird.
Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsform 1
1 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. In 1 gilt für die Energie-Umwandlungseinheit 1 Folgendes: Sie wandelt die Spannung einer DC-Energieversorgung 3 um und führt die umgewandelte Spannung einem Elektromotor 7 zu. Sie hat eine Brücke, die durch Verbinden von Schaltelementen, wie z. B. IGBTs oder MOSFETs, in Reihe zueinander zwischen beiden Elektroden der DC-Energieversorgung 3 ausgebildet ist und deren interne Konfiguration nicht dargestellt ist, da die interne Konfiguration allgemein bekannt ist.
Sie hat die Funktion, die von der DC-Energieversorgung 3 zugeführte DC-Enerige in AC-Energie mit variabler Spannung und variabler Frequenz umzuwandeln und die AC-Energie 7 dem Elektromotor zuzuführen. Die Frequenz der AC-Energie mit variabler Spannung und variabler Frequenz beinhaltet auch eine DC-Energie mit 0 Hz.
Strom-Detektionseinheiten 2 detektieren einzeln die jeweiligen Phasenströme, die dem Elektromotor 7 von der Energie-Umwandlungseinheit 1 zugeführt werden, und sie schicken die detektierten Phasenströme an eine später noch beschriebene Steuerungseinheit 4. Jede Strom-Detektionseinheit 2 ist nicht auf einen CT (Current Transformer, Stromtransformator) zum Detektieren des Stroms beschränkt, der durch einen Verbindungsdraht zwischen der Energie-Umwandlungseinheit 1 und dem Elektromotor 7 fließt, wie in 1 gezeigt, und sie kann dazu konfiguriert sein, den durch einen Shunt-Widerstand oder dergleichen fließenden Strom zu detektieren.
Außerdem erfüllen die Phasenströme von drei Phasen die folgende Relation: Iu + Iv + Iw = 0. Daher kann beispielsweise eine der Strom-Detektionseinheiten 2 weggelassen werden, und der Phasenstrom Iw kann aus den Phasenströmen Iu und Iv berechnet werden, die jeweils von den verbleibenden zwei Strom-Detektionseinheiten 2 detektiert werden.
Die Steuerungseinheit 4 wird durch ein Steuerungssystem konfiguriert, das ein allgemein bekanntes rotierendes dq-Achsen-Koordinatensystem mit zwei orthogonalen Achsen verwendet. Genauer gesagt, es weist die Steuerungseinheit 4 Folgendes auf: einen Koordinatenumsetzer 41, eine Stromsteuerung 42, einen Koordinatenumsetzer 43, eine PWM-Steuerungseinrichtung 44 und eine Auswahleinrichtung 45. Nachfolgend werden diese Komponenten beschrieben.
Der Koordinatenumsetzer 41 empfängt die jeweiligen Phasenströme von den Strom-Detektionseinheiten 2 und gibt d-Achsenströme und q-Achsenströme Id und Iq aus.
Hierbei ist bei der vorliegenden Erfindung die d-Achse eine Achse, die die Richtung des Flusses des Rotors des Elektromotors 7 angibt, und die q-Achse ist als eine Achse definiert, die so ausgerichtet ist, dass sie zu der d-Achse orthogonal ist, und auf welcher das Ausgangsmoment des Elektromotors 7 gesteuert wird.
Die Stromsteuerung 42 erzeugt einen Spannungs-Befehlswert, so dass die Abweichung zwischen einem Strom-Befehlswert und einem Strom-Detektionswert, der von jeder Strom-Detektionseinheit 2 detektiert wird, Null wird. Genauer gesagt, es gilt für die Stromsteuerung 42 Folgendes: Sie empfängt die Differenzen zwischen den d-Achsenströmen und den q-Achsenströmen Id und Iq und den gewünschten Strom-Befehlswerten Id* und Iq*; und sie gibt die Spannungs-Befehlswerte Vd* und Vq* auf der Basis des folgenden Berechnungsausdrucks (1) aus. [Mathematischer Ausdruck 1]
Wenn beispielsweise der Elektromotor 7 in Ausführungsform 1 ein induktiver Elektromotor ist, werden die Proportionalverstärkung kcp und die Zeitkonstante ωcpi im obigen Ausdruck (1) durch den folgenden Ausdruck (2) dargestellt.
ωcc im folgenden Mathematischen Ausdruck (2) ist ein vorbestimmter Stromantwort-Sollwert zum Entwerfen der Antwortgeschwindigkeiten der d-Achsenströme und q-Achsenströme Id und Iq, die von der Steuerungseinheit 4 gesteuert werden sollen, und er wird unter Berücksichtigung einer Trägerfrequenz der später beschriebenen PWM-Steuerungseinrichtung 44 und einer Voraussetzungs-Spezifikation zum Steuern von Strömen bestimmt, die dem Elektromotor 7 zugeführt werden sollen.
Außerdem ist Ls im folgenden Mathematischen Ausdruck (2) die primärseitige Induktivität des induktiven Elektromotors, und sie ist die Summe der Gegeninduktivität und der primären Streuinduktivität des induktiven Elektromotors. [Mathematischer Ausdruck 2]
Der Koordinatenumsetzer 43 empfängt die Spannungs-Befehlswerte Vd* und Vq* und gibt Phasen-Spannungs-Befehlswerte Vu*, Vv* und Vw* aus. Obwohl später noch detailliert unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, empfängt die PWM-Steuerungseinrichtung 44 die Phasen-Spannungs-Befehlswerte Vu*, Vv* und Vw*, sie führt eine PWM-Steuerung auf der Basis eines gewünschten Trägers durch, und sie gibt ein Schaltsignal an die Energie-Umwandlungseinheit 1 aus. Die Auswahleinrichtung 45 empfängt ein Träger-Schaltsignal und gibt den gewünschten Träger an die PWM-Steuerungseinrichtung 44 aus.
2 zeigt ein internes Konfigurationsbeispiel der Energie-Umwandlungseinheit 1 und der PWM-Steuerungseinrichtung 44 in 1. Die Konfiguration in 2 zeigt nur eine Phase (die U-Phase) der dreiphasigen Energie-Umwandlungseinrichtung. Die anderen Phasen haben die gleiche Konfiguration, und daher ist deren erneute Beschreibung hier weggelassen. Die in 2 gezeigte Konfiguration ist eine allgemein bekannte Technik, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Konfiguration beschränkt.
In 2 sind bei der Energie-Umwandlungseinheit 1 eine obere Schalteinheit 11 und eine unterere Schalteinheit 12, die die Schaltelemente sind, zueinander in Reihe hinsichtlich der DC-Energieversorgung 3 geschaltet, um die Brücke auszubilden, und ein Zwischenanschluss 13 dazwischen ist mit dem Elektromotor 7 verbunden.
In der Energie-Umwandlungseinrichtung, die dem Elektromotor 7 auf der Basis eines Schaltbetriebs Ströme zuführt, der von der PWM-Steuerung ausgeführt wird, gilt Folgendes: Wenn beide von den zwei Schalteinheiten, die in jeder Phase in Reihe geschaltet sind, gleichzeitig eingeschaltet sind (in einen leitenden Zustand gebracht werden), dann wird – auch wenn es nur für eine sehr kurze Zeit ist – ein Kurzschluss der DC-Energieversorgung verursacht, was zu einer Beschädigung der Schalteinheiten führt. Daher ist es notwendig, einen Zeitraum bereitzustellen, in welchem beide der in Reihe geschalteten zwei Schalteinheiten ausgeschaltet sind (in einen nichtleitenden Zustand gebracht sind), wenn das Schaltsignal von der PWM-Steuerung geschaltet wird. Dieser Zeitraum wird als Kurzschluss-Verhinderungszeitraum bezeichnet (und nachfolgend als Totzeit bezeichnet). Wenn eine solche Totzeit vorhanden ist, tritt außerdem ein Fehler bei der Ausgangsspannung auf, wie später beschrieben.
3.24 des Nichtpatentdokuments 1, das oben aufgeführt ist, zeigt, dass der Ausgangsspannungsfehler ∆Vtd = Td × Fc × EFC infolge der Totzeit auftritt. Hierbei ist Td die Totzeit, Fc ist die Frequenz eines Trägers und EFC ist der Spannungswert der DC-Energieversorgung 3.
Die PWM-Steuerungseinrichtung 44, die in 2 gezeigt ist, ist unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen konfiguriert, und die Konfiguration und der Betrieb der PWM-Steuerungseinrichtung 44 werden nachstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Eine Modulationswellen-Erzeugungsschaltung 441 empfängt den U-Phasen-Spannungsbefehl Vu* und normiert den U-Phasen-Spannungsbefehl Vu* mit dem Spannungswert EFC der DC-Energieversorgung 3, um eine U-Phasen-Modulationswelle Au zu erzeugen. Hier ist die Konfiguration in 2 gezeigt, bei welcher der Spannungswert EFC der DC-Energieversorgung 3 als ein vorab bekannter Wert angenommen wird. Für den Fall, dass der Spannungswert EFC der DC-Energieversorgung 3 variiert, ist jedoch wünschenswerterweise ein Sensor zum Detektieren des Spannungswerts der DC-Energieversorgung 3 vorgesehen, und die Normalisierung wird mit dem detektierten Spannungswert durchgeführt, um die U-Phasen-Modulationswelle Au zu erzeugen.
Eine Schaltsignal-Erzeugungsschaltung 442 erzeugt ein Schaltsignal Su1 der vorherigen Stufe, und zwar auf der Basis des Größenverhältnisses zwischen der U-Phasen-Modulationswelle Au und dem Träger durch die PWM-Steuerung.
Eine Totzeit-Korrekturschaltung 443 korrigiert das Schaltsignal Su1 der vorherigen Stufe, um einen Ausgangsspannungsfehler zu kompensieren, der infolge der Totzeit auftritt, so dass ein Schaltsignal Su2 der nachfolgenden Stufe erzeugt wird.
Genauer gesagt: Die Einstellung wird wie folgt durchgeführt. Wenn das Vorzeichen des U-Phasenstroms Iu positive ist (der Fall, in welchem ein Strom von der Energie-Umwandlungseinheit 1 in Richtung des Elektromotors 7 fließt), wird die Einschaltzeit um eine Zeit verlängert, die gleich der Totzeit ist, und die die Zeit ist, die von einer später noch beschriebenen Totzeit-Erzeugungsschaltung 445 hinzugefügt wird, und die Ausschaltzeit wird um die Zeit verkürzt, die gleich der Totzeit ist. Wenn das Strom-Vorzeichen negativ ist (der Fall, in welchem der Strom vom Elektromotor 7 in Richtung der Energie-Umwandlungseinheit 1 fließt), dann wird die Einschaltzeit um die Zeit verkürzt, die gleich der Totzeit ist, und die Ausschaltzeit wird um die Zeit verlängert, die gleich der Totzeit ist.
Hier ist die Zeit, die gleich der Totzeit ist und mit welcher die Anpassung bzw. Einstellung durch die Totzeit-Korrekturschaltung 443 durchgeführt wird, der Wert, der von der Totzeit-Erzeugungsschaltung 445 eingestellt und hinzugefügt wird, aber sie ist nicht auf diesen Wert, wie nachstehend beschrieben, hinsichtlich der Schätzung und der Berechnung des Totzeitfehlers beschränkt.
Um ein Schaltsignal Sx zu erzeugen, das in Bezug auf ein Schaltsignal Su zum Betreiben der oberen Schalteinheit 11 invertiert ist, erzeugt eine Signal-Inversionsschaltung 444 ein Signal Sx2, das durch Invertieren des Signals Su2 erhalten wird. Die Totzeit-Erzeugungsschaltung 445 stellt die Totzeit ein und fügt sie den Schaltsignalen Su2 und Sx2 der nachfolgenden Stufe hinzu, um das Schaltsignal Su zum Durchführen des Einschalt-Ausschalt-Betreibens der oberen Schalteinheit 11 und das Schaltsignal Sx zum Durchführen des Einschalt-Ausschalt-Betreibens der unteren Schalteinheit 12 zu erzeugen.
Mit einer solchen Konfiguration kann der Einfluss des Ausgangsspannungsfehlers infolge der Totzeit theoretisch verhindert werden.
Tatsächlich stimmt jedoch – aus dem nachstehend beschriebenen Grund – der Vorgabewert der Totzeit, der von der Totzeit-Erzeugungsschaltung 445 eingestellt wird und hinzugefügt wird, nicht mit dem Effektivwert der Totzeit überein, der tatsächlich in der Energie-Umwandlungseinheit 1 auftritt. In der vorliegenden Beschreibung wird dieser Fehler als Totzeitfehler ∆Td bezeichnet.
Der Faktor für den Totzeitfehler ist sehr kompliziert, und es gilt Folgendes: Infolge der nichtliniearen Temperaturcharakteristik oder Stromcharakteristik einer Halbleitereinrichtung; einer parasitären Kapazität infolge der Drahtlänge, die in 1 nicht gezeigt ist; einer Ansprechverzögerung einer Treiberschaltung zum Treiben der Halbleitereinrichtung; oder dergleichen tritt eine Verzögerung auf, bis die obere Schalteinheit 11 und die unterere Schalteinheit 12 tatsächlich in Antwort auf die Einschalt-Ausschalt-Signale arbeiten, die die Schaltsignale Su und Sx sind.
Außerdem wird die Spannungs-Wellenform theoretisch mit einer Rechteckwelle approximiert, aber faktisch wird die Spannungs-Wellenform infolge eines Schaltbetriebs nicht mit einer Rechteckwelle approximiert, und sie verändert sich kontinuierlich mit einem bestimmten Gradienten. Dieser Gradient verändert sich tatsächlich auf eine komplizierte Weise, und zwar infolge der nichtlinearen Temperaturcharakteristik oder Stromcharakteristik der Halbleitereinrichtung und der Schaltungskonstante der Treiberschaltung.
3 zeigt gleichzeitig die Situation eines Totzeitfehlers, der auftritt, wenn angenommen wird, dass eine Zeitverzögerung während der oben beschriebenen Totzeitkorrektur und des Schaltvorgangs auftritt. Die linke Hälfte der Zeichnung zeigt den Fall, in welchem die Stromrichtung positiv ist, und die rechte Hälfte der Zeichnung zeigt den Fall, in welchem die Stromrichtung negativ ist.
In 3 zeigt der obere Teil den Betrieb der Totzeit-Korrekturschaltung 443, d. h. den Betrieb von Folgendem: Korrigieren des Schaltsignals Su1 der vorherigen Stufe aus der Schaltsignal-Erzeugungsschaltung 442 mit Td (Korrekturwert); und Ausgeben des Schaltsignals Su2 der nachfolgenden Stufe.
Der dazwischenliegende Teil zeigt den Betrieb der Totzeit-Erzeugungsschaltung 445, d. h. den Betrieb von Folgendem: Einstellen und Hinzufügen von Td (eingestellter Wert) zu den Schaltsignalen Su2 und Sx2 der nachfolgenden Stufe aus der Totzeit-Korrekturschaltung 443; und Ausgeben der Schaltsignale Su und Sx, die an die obere Schalteinheit 11 und die unterere Schalteinheit 12 gesendet werden sollen.
Der untere Teil zeigt die U-Phasenspannung Vu während des Betriebs mit den Schaltsignalen Su und Sx im dazwischenliegenden Teil. In der Zeichnung zeigen Ton und Toff für den Fall, dass die Stromrichtung positiv ist (der linke Teil der Zeichnung) jeweils die Zeitverzögerung, die zu der Zeit des Ansteigens auftritt, und die Zeitverzögerung, die zu der Zeit des Abfallens auftritt, und zwar in der oberen Schalteinheit 11. Außerdem zeigen Toff und Ton für den Fall, dass die Stromrichtung negativ ist (der rechte Teil der Zeichnung) jeweils die Zeitverzögerung zu der Zeit des Abfallens und die Zeitverzögerung zu der Zeit des Ansteigens, und zwar in der unteren Schalteinheit 12.
Im Ergebnis gemäß 3 ist die Totzeit Td (tatsächlicher Wert), die tatsächlich in dem Fall auftritt, wenn die Totzeit von Td (eingestellter Wert) eingestellt ist und von der Totzeit-Erzeugungsschaltung 445 hinzugefügt wird (siehe 2) durch den Ausdruck (3) ausgedrückt, wenn der Fall gezeigt ist, in welchem die Stromrichtung positiv ist. Td (tatsächlicher Wert) = Td (eingestellter Wert) + Ton – Toff (3)
Um den Spannungsfehler infolge von Td (eingestellter Wert) zu kompensieren, wird die Korrektur mit Td (Korrekturwert) von der Totzeit-Korrekturschaltung 443 durchgeführt (siehe 2), und folglich wird Td (Fehlerwert), der in diesem Zustand auftritt, mittels eines Ausdrucks (4) erhalten, und dieser Td (Fehlerwert) wird ein Totzeitfehler. Td (Fehlerwert) = Td (tatsächlicher Wert) – Td (Korrekturwert) (4)
Für den Fall, dass die Schaltelemente von der PWM-Steuerungseinrichtung 44 angesteuert werden, die in 2 in Ausführungsform 1 gezeigt ist, wird Td (Fehlerwert) = Totzeitfehler, was im Ausdruck (4) gezeigt ist, eine Totzeit, die ein Faktor ist, um tatsächlich einen Fehler in der Ausgangsspannung der Energie-Umwandlungseinheit 1 zu verursachen, d. h. ein Totzeit-Effektivwert.
Wenn der Totzeit-Effektivwert = Totzeitfehler mit ∆Td bezeichnet ist, wird der Ausgangsspannungsfehler ∆Vtd, der infolge von diesem ∆Td auftritt, mittels des Ausdrucks (5) erhalten. ∆Vtd = ∆Td × Fc × EFC (5)
Für den Fall, dass die Totzeit-Korrekturschaltung 443 bei der PWM-Steuerungseinrichtung 44 nicht verwendet wird (die Erfindung der vorliegenden Anmeldung berücksichtigt einen solchen Fall im angenommenen Bereich), wird Td (tatsächlicher Wert), der im Ausdruck (3) gezeigt ist, ein Totzeit-Effektivwert, und der Totzeitfehler ∆Td wird mittels des Ausdrucks (6) erhalten. ∆Td = Td (tatsächlicher Wert) – Td (Vorgabewert) (6)
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 gilt Folgendes: Die Konfigurationen und Berechnungsverfahren einer Widerstandswert-Berechnungseinheit 5 und einer Totzeitfehler-Berechnungseinheit 6, die eine Charakteristik-Berechnungseinheit 10 bilden, die ein Hauptbestandteil der Erfindung der vorliegenden Anmeldung ist, werden nachstehend beschrieben.
Die Widerstandswert-Berechnungseinheit 5 berechnet den Widerstandswert des Elektromotors 7 aus dem Spannungs-Befehlswert Vd*, dem d-Achsenstrom Id und dem Träger-Schaltsignal. Die Totzeitfehler-Berechnungseinheit 6 berechnet einen Totzeitfehler aus dem Spannungs-Befehlswert Vd* und dem Träger-Schaltsignal.
Die Konfiguration in 1 ist eine Konfiguration, bei welcher das Träger-Schaltsignal in die Widerstandswert-Berechnungseinheit 5 und die Totzeitfehler-Berechnungseinheit 6 eingegeben wird, aber die vorliegende Erfindung ist nicht eigens darauf beschränkt, und es kann irgendeine Konfiguration verwendet werden, solange die Frequenz des Trägers erkannt wird, die verwendet wird, wenn die PWM-Steuerung von der PWM-Steuerungseinrichtung 44 durchgeführt wird.
Eine Verarbeitungseinheit 8 führt die oben beschriebenen Prozesse der Steuerungseinheit 4, der Widerstandswert-Berechnungseinheit 5 und der Totzeitfehler-Berechnungseinheit 6 durch, indem sie ein Programm ausführt, das in einer später noch beschriebenen Speichereinheit 9 gespeichert ist.
Hierbei ist die Speichereinheit 9 aus einem Speicher gebildet, in welchem die elektrische Schaltungskonstante des Elektromotors 7, zur Steuerung benötigte Parameter und das die obigen Prozesse beschreibende Programm usw. gespeichert sind. Die Verarbeitungseinheit 8 ist aus einem Mikrocomputer, einem DSP (digitalen Signalprozessor) oder einem Prozessor gebildet, der logisch in einer Hardware-Schaltung konfiguriert ist, wie z. B. einem FPGA. Außerdem arbeiten eine Mehrzahl von Verarbeitungseinheiten 8 und eine Mehrzahl von Speichereinheiten 9 zusammen, um die obige Funktion auszuführen.
Obwohl in 1 nicht dargestellt, kann ein Programm, das einen Prozess einer später beschriebenen normalen Steuerung beschreibt (hier: eine Steuerung, bei welcher der Elektromotor 7, der in Anwendungen, wie z. B. einem Schienenfahrzeug oder einem Fahrstuhl verwendet wird, so gesteuert wird, dass er einen gewünschten Betrieb erzielt) auch in der Speichereinheit 9 gespeichert sein, und die Verarbeitungseinheit 8 kann so konfiguriert sein, dass sie den Prozess der normalen Steuerung nach der Ausführung eines Prozesses der Charakteristik-Berechnungseinheit 10 ausführt, was später noch detailliert beschrieben wird.
Außerdem können der Widerstandswert und der Totzeitfehler, die von der Widerstandswert-Berechnungseinheit 5 und der Totzeitfehler-Berechnungseinheit 6 berechnet werden, einmalig in der Speichereinheit 9 gespeichert werden und als Steuerungsparameter im Prozess der normalen Steuerung verwendet werden.
Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung wurde konzipiert, indem dem Phänomen besondere Beachtung geschenkt wurde, dass eine tatsächliche Totzeit nicht mit der Frequenz des Trägers zur PWM-Steuerung zusammenhängt, und dass ein Ausgangsspannungsfehler, der infolge des Vorhandenseins der Totzeit auftritt, zur Totzeit proportional ist.
Das Grundprinzip der Erfindung ist wie folgt. Die Steuerungseinheit 4 ist mit der Auswahleinrichtung 45 versehen, um eine Auswahl aus einem ersten Träger und einem zweiten Träger zu treffen, der eine Frequenz hat, die von der Frequenz des ersten Trägers verschieden ist, und um den ausgewählten Träger als den Träger zur PWM-Steuerung auszugeben, und die PWM-Steuerungseinrichtung 44 ist so konfiguriert, dass sie dazu imstande ist, ein erstes Schaltsignal auf der Basis des eingegebenen Spannungs-Befehlswerts und des ersten Trägers sowie ein zweites Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und des zweiten Trägers zu erzeugen.
In einem Zustand, in welchem die Rotation des Elektromotors 7 angehalten ist, gilt dann für die Charakteristik-Berechnungseinheit 10 Folgendes: Sie bezieht eine erste Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit 1, wenn die Schaltelemente mit dem ersten Schaltsignal betrieben werden; sie bezieht eine zweite Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit 1, wenn die Schaltelemente mit dem zweiten Schaltsignal betrieben werden; und sie berechnet den Widerstandswert des Elektromotors 7 und den Totzeitfehler als Sollwerte aus beiden Betriebscharakteristiken.
Als solche Betriebscharakteristiken können verschiedene Charakteristiken als Zielvorgaben betrachtet werden. bei der Ausführungsform 1 wird als ein Beispiel der Fall beschrieben, in welchem die Energie-Umwandlungseinrichtung verwendet wird, die die Stromsteuerung 42 aufweist, wie in 1 gezeigt.
Das heißt, hierbei werden Charakteristiken, die unter der Bedingung der Steuerung, bei welcher veranlasst wird, dass der Strom-Detektionswert, der von jeder Strom-Detektionseinheit 2 detektiert wird, dem Strom-Befehlswert folgt, als die beiden Betriebscharakteristiken verwendet.
Insbesondere wird der d-Achsen-Strom-Befehlswert Id* auf einen gewünschten positiven Wert eingestellt (Id* > 0), und der q-Achsen-Strom-Befehlswert Iq* wird auf Null eingestellt (Iq* = 0).
In diesem Fall wird ein konstanter Wert, der eine solche Phase θ0 ist, dass jeder Phasenstrom nicht Null wird, als eine Phase θ eingestellt, die in die Koordinatenumsetzer 41 und 43 eingegeben wird. Der Grund dafür, dass die Einstellung wie oben erfolgt, ist, dass im Allgemeinen eine Bestimmung hinsichtlich der Nichtlinearität und des Vorzeichens eines Fehlers für eine Fehlerspannung während eines Totzeitraums schwierig ist, wenn der Stromwert ungefähr Null ist, so dass die Totzeitkorrektur in manchen Fällen nicht geeignet durchgeführt werden kann, und dass der Einfluss des Totzeitfehlers ∆Td sehr stark erscheint.
Daher führen der Koordinatenumsetzer 41 und der Koordinatenumsetzer 43 eine Koordinatenumsetzung mit θ = θ0 auf der Basis der Berechnungsausdrücke durch, die jeweils im folgenden Ausdruck (7) und Ausdruck (8) gezeigt sind. [Mathematischer Ausdruck 3]
Dann werden die oben beschriebenen Strom-Befehlswerte zur Verfügung gestellt, und die Schaltelemente werden anfänglich mit dem ersten Schaltsignal betrieben, das mit dem ersten Träger (Frequenz Fc1) erzeugt wird. Wenn die Spannung und der Strom in einen stabilen Zustand kommen, wird die erste Betriebscharakteristik angenommen.
In diesem Fall ist die Konfiguration in 1 eine Konfiguration, bei welcher das Steuerungssystem das allgemein bekannte rotierende dq-Koordinatensystem verwendet, das zwei orthogonale Achsen hat, wie oben beschrieben, so dass es möglich ist, die Antworten der obigen Id und Iq zu steuern, die Stromwerte auf den zwei von der Steuerungseinheit 4 zu steuernden orthogonalen Achsen sind, und zwar mit dem vorbestimmten Stromantwort-Sollwert. Demzufolge können die Stromwerte auf einen konstanten Wert innerhalb eines gewünschten Zeitraums eingestellt werden, und damit ist es möglich, den Widerstandswert des Elektromotors und den Totzeitfehler augenblicklich zu schätzen, so dass der normale Betrieb nicht erschwert wird.
In dieser Hinsicht können in dem Fall, in welchem beide Betriebscharakteristiken unter einer Steuerungsbedingung erhalten werden, in welcher der Spannungs-Befehlswert konstant gemacht wird, was bei der nachstehenden Ausführungsform 2 beschrieben wird, einige Sekunden vergehen, und zwar infolge einer Begrenzung durch eine Zeitkonstante L/R, welche von der Induktivität L und dem Widerstandswert R des Elektromotors 7 bestimmt wird, bis der Spannungs-Befehlswert ein stationärer Zustandswert wird. Außerdem variiert diese Zeit in Abhängigkeit des Typs des anzutreibenden Elektromotors 7.
Andererseits ist in dem Fall der 1 die Zeitkonstante hinsichtlich der Stromantwort der Stromsteuerung 42 so eingestellt, dass sie ausreichend niedriger als die Zeitkonstante L/R ist, wodurch eine Berechnung und Schätzung mit einer hohen Geschwindigkeit in einer kurzen Zeit erreicht wird, und die Zeit der Berechnung und Schätzung hängt nicht vom Typ des Elektromotors 7 ab.
Wenn beispielsweise der Stromantwort-Sollwert ωcc im Ausdruck (2) so entworfen ist, dass er ungefähr 500 rad/s beträgt, kann jede von der ersten Betriebscharakteristik und der zweiten Betriebscharakteristik in ungefähr 10 bis 100 ms erhalten werden. Daher kann veranlasst werden, dass der Strom ungeachtet der Zeitkonstante L/R antwortet, und es ist möglich, die Zeit zu verkürzen, die zum Schätzen und Berechnen des Widerstandswerts und des Totzeitfehlers benötigt wird.
Anschließend werden ein d-Achsenstrom Id1 und ein d-Achsen-Spannungs-Befehlswert Vd1* aus der ersten Betriebscharakteristik erhalten, die auf die oben beschriebene Weise bezogen wurde, und ein erster Widerstandswert R1 wird mittels des Ausdrucks (9) berechnet. R1 = Vd1*/Id1 (9)
Auf ähnliche Weise werden die Schaltelemente mit dem zweiten Schaltsignal betrieben, das mit dem zweiten Träger (Frequenz Fc2) erzeugt wird, und die zweite Betriebscharakteristik wird bezogen, wenn die Spannung und der Strom in einen stabilen Zustand gelangen.
Dann werden ein d-Achsenstrom Id2 und ein d-Achsen-Spannungs-Befehlswert Vd2* aus der zweiten Betriebscharakteristik erhalten, und ein zweiter Widerstandswert R2 wird mittels des Ausdrucks (10) berechnet. R2 = Vd2*/Id2 (10)
Hierbei werden Id1 und Id2 von der Stromsteuerung 42 gesteuert, um Id1 = Id2 = Id* zu erfüllen. Wenn der wahre Wert des Widerstandswerts mit Rs bezeichnet wird, ergeben sich damit die folgenden simultanen Gleichungen. Rs = (Vd1* – ∆Vtd1)/Id* = R1 – (√2/3 × ∆Td × Fc1 × EFC)/Id* (11) Rs = (Vd2* – ∆Vtd2)/Id* = R2 – (√2/3 × ∆Td × Fc2 × EFC)/Id* (12)
Wenn die simultanen Gleichungen (11) und (12) mit Rs und ∆Td als unbekannten Größen gelöst werden, dann werden der Widerstandswert Rs und der Totzeitfehler ∆Td durch die Ausdrücke (13) bzw. (14) erhalten. Rs = (Fc1 × R2 – Fc2 × R1)/(Fc1 – Fc2)[Ω] (13) ∆Td = (Vd1* – Vd2*)/{√2/3 × (Fc1 – Fc2) × EFC} [s] (14)
Aus den obigen Ausdrücken ist Folgendes ersichtlich: Die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik werden erhalten, wobei die Strom-Befehlswerte Id* so eingestellt sind, dass sie zueinander gleich sind; der erste Widerstandswert R1 wird aus dem Strom-Befehlswert Id* und dem Spannungs-Befehlswert VD1* in der ersten Betriebscharakteristik berechnet; der zweite Widerstandswert R2 wird aus dem Strom-Befehlswert Id* und dem Spannungs-Befehlswert Vd2* in der zweiten Betriebscharakteristik berechnet; und der Widerstandswert Rs des Elektromotors 7 kann aus dem ersten Widerstandswert R1 und dem zweiten Widerstandswert R2 berechnet werden.
Außerdem werden die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik erhalten, wobei die Strom-Befehlswerte Id* so eingestellt sind, dass sie zueinander gleich sind, und der Totzeitfehler ∆Td kann aus der Differenz zwischen dem Spannungs-Befehlswert Vd1* in der ersten Betriebscharakteristik und dem Spannungs-Befehlswert Vd2* in der zweiten Betriebscharakteristik berechnet werden.
Hinsichtlich der Totzeit-Korrekturschaltung 443 in 2 ist Td (Korrekturwert) = Td(Vorgabewert) bei der obigen Beschreibung Indem der Totzeitfehler ∆Td, der mittels des obigen Ausdrucks (14) erhalten wird, zum vorhergehenden Td (Korrekturwert) durch Rückführung hinzugefügt wird, ist es möglich, den finalen Totzeitfehler weiter zu verringern, d. h. den Ausgangsspannungsfehler sicherer zu kompensieren.
Für den Fall, dass die Totzeit-Korrekturschaltung nicht zur Verfügung gestellt ist, wird außerdem Td (tatsächlicher Wert) im Ausdruck (3), der dem Totzeit-Effektivwert entspricht, ∆Td in den obigen Ausdrücken (11) und (12) zugewiesen. Folglich ist der Totzeitfehler in diesem Fall ein Wert, der erhalten wird, indem Td (eingestellter Wert) von ∆Td abgezogen wird, das aus dem obigen Ausdruck (14) erhalten wird.
Um den Ausgangsspannungsfehler in diesem Fall zu kompensieren, ist eine Maßnahme denkbar, wie z. B. ein Korrigieren des Spannungs-Befehlswerts durch Verwendung des Totzeit-Effektivwerts, daher basiert der Wert von Ausgangsspannungsfehler = Td tatsächlicher Wert) × Fc × EFC auf Td (tatsächlicher Wert).
Als nächstes wird ein Beispiel eines Berechnungsschrittes, in welchem der Widerstandswert Rs und der Totzeitfehler ∆Td durch die Widerstandswert-Berechnungseinheit 5 und die Totzeitfehler-Berechnungseinheit 6 geschätzt wird, die oben beschrieben sind, unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Bis zum Zeitpunkt T0 wird der Schaltbetrieb in der Energie-Umwandlungseinheit 1 beendet, und beispielsweise in einem Schienenfahrzeug ist dies der Zustand, in welchem das Fahrzeug angehalten ist. Zum Zeitpunkt T2, wie später noch beschrieben, wird eine normale Steuerung, beispielsweise ein Betrieb gestartet. In dem Beispiel aus 4 wird daher eine Schätzung und eine Berechnung in einem Rotations-Anhaltezustand des Elektromotors 7 unmittelbar vor dem Start der normalen Steuerung durchgeführt. Selbstverständlich kann die Schätzung und die Berechnung in einem Rotations-Anhaltezustand des Elektromotors 7 auch unmittelbar nach dem Ende der normalen Steuerung durchgeführt werden, was sich von dem Beispiel gemäß 4 unterscheidet.
Zunächst wird zum Zeitpunkt T0 die Energie-Umwandlungseinheit 1 dazu veranlasst, einen Schaltbetrieb durchzuführen, um die Widerstandswert-Schätzung zu starten. In einem Zeitraum vom Zeitpunkt T0 zum Zeitpunkt T1 (nachfolgend als ein erster Zeitraum bezeichnet) wird eine PWM-Steuerung mit dem ersten Träger (Frequenz Fc1) durchgeführt, und es wird eine Stromsteuerung durchgeführt, so dass der d-Achsenstrom Id1 den gewünschten konstanten Wert Id* annimmt.
Hierbei ist der Zeitraum vom Zeitpunkt T0 zum Zeitpunkt T0a ein transienter Antwortzeitraum, bis der d-Achsenstrom Id1 den gewünschten konstanten Wert annimmt. Es zeigt sich, dass im transienten Antwortzeitraum der Widerstandswert ebenfalls kein konstanter Wert ist, und dass es schwierig ist, den Widerstandswert korrekt zu schätzen.
Der transiente Antwortzeitraum kann verkürzt werden, indem der Stromantwort-Sollwert ωcc wie oben eingestellt wird, und er wird so eingestellt, dass er ausreichend kürzer ist als die Zeitkonstante L/R des Elektromotors 7.
Dann wird der erste Widerstandswert R1 aus der ersten Betriebscharakteristik berechnet, die in einem Zeitraum vom Zeitpunkt T0a zum Zeitpunkt T1 genommen wird, in welchem der d-Achsenstrom Id1 der konstante Wert Id* ist, und sie wird in der Speichereinheit 9 zusammen mit dem Spannungs-Befehlswert Vd1* zu dieser Zeit gespeichert. Wie in 4 gezeigt, gilt Folgendes: Wenn es einen Totzeitfehler gibt, ist R1 nicht der wahre Wert Rs, sondern er ist ein Wert mit einem Fehler.
Außerdem ist im Zeitraum vom Zeitpunkt T0 zum Zeitpunkt T1 die Berechnung des Totzeitfehlers ∆Td unmöglich, und daher wird der Totzeitfehler ∆Td auf Null gesetzt.
Danach wird in einem Zeitraum vom Zeitpunkt T1 zum Zeitpunkt T2 (nachfolgend als ein zweiter Zeitraum bezeichnet) der Träger vom ersten Träger zum zweiten Träger umgeschaltet (Frequenz Fc2). Hier wird der d-Achsenstrom kontinuierlich auf den konstanten Wert Id* gesteuert, ohne die Steuerung zu unterbrechen. Dadurch kann der transiente Antwortzeitraum weggelassen werden, wenn mit der Trägerfrequenz Fc2 gearbeitet wird, was zur Verkürzung der Zeit beitragen kann, die zur Berechnung zur Widerstandswert-Schätzung benötigt wird.
Dann wird der zweite Widerstandswert R2 aus der zweiten Betriebscharakteristik berechnet, die im zweiten Zeitraum vom Zeitpunkt T1 zum Zeitpunkt T2 genommen wird, in welchem der d-Achsenstrom Id2 der konstante Wert Id* ist, und sie wird in der Speichereinheit 9 zusammen mit dem Spannungs-Befehlswert Vd2* zu dieser Zeit gespeichert.
In diesem Fall werden die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik unter den Bedingungen der Stromwerte erhalten, die zueinander gleich sind, und folglich kann die Genauigkeit der Schätzung des Widerstandswerts und des Totzeitfehlers im Vergleich zu dem Fall verbessert werden, wo die Stromwerte für die erste und zweite Betriebscharakteristik voneinander verschieden sind, und zwar bei der später beschriebenen Ausführungsform 2.
Die ersten und zweiten Widerstandswerte R1 und R2 werden, wie oben beschrieben, erhalten, und folglich kann der wahre Wert Rs des Widerstandswerts mittels des obigen Ausdrucks (13) aus beiden Frequenzen Fc1 und Fc2 geschätzt werden.
Außerdem kann der Totzeitfehler ∆Td mittels des obigen Ausdrucks (14) aus den Spannungs-Befehlswerten Vd1* und Vd2* in beiden Betriebscharakteristiken berechnet werden, ferner aus beiden Frequenzen Fc1 und Fc2 und aus der Spannung EFC der DC-Energieversorgung 3.
Durch den Zeitraum für die Schätzung des Widerstandswerts/Totzeitfehlers vom Zeitpunkt T0 zum Zeitpunkt T2, wie oben beschrieben (der erste Zeitraum und der zweite Zeitraum, der auf den ersten Zeitraum folgt), werden in einem normalen Steuerungszeitraum vom Zeitpunkt T2 an der geschätzte Widerstandswert Rs und der Totzeitfehler ∆Td als Steuerungsparameter zur normalen Motorsteuerung widergespiegelt, und es erfolgt eine Verschiebung der normalen Motorsteuerung.
Zu dieser Zeit gilt Folgendes: Obwohl in 4 nicht gezeigt, wird die Trägerfrequenz ebenfalls auf eine Trägerfrequenz Fc3 für die normale Steuerung umgeschaltet. Der Grund für eine solche Konfiguration ist, dass dadurch, dass die Trägerfrequenz Fc3 zur normalen Steuerung zur Verfügung gestellt wird, eine Einstellung einer Trägerfrequenz ermöglicht wird, die einem Stromantwort-Sollwert entspricht, der zur normalen Steuerung benötigt wird, der Freiheitsgrad beim Entwerfen des Steuerungs-systems verbessert wird und das Entwerfen unabhängig von dem Stromantwort-Sollwert im Zeitraum zur Schätzung des Widerstandswerts/Totzeitfehlers durchgeführt werden kann.
Außerdem ist es durch die Konfiguration zum kontinuierlichen Verschieben vom Zeitraum zur Schätzung des Widerstandswerts/Totzeitfehlers zur normalen Steuerung, wie in 4 gezeigt, möglich, die normale Steuerung, in welcher die Energie-Umwandlungseinheit 1 dazu veranlasst wird, einen Schaltbetrieb durchzuführen, um den Elektromotor 7 zu steuern, in einer kurzen Zeit aus einem Zustand zu verschieben, wo das Schalten der Energie-Umwandlungseinheit 1 unterbrochen wurde.
Bei dem oben Beschriebenen wird die Trägerfrequenz Fc3 für die normale Steuerung auf einen Wert eingestellt, der sowohl von der Trägerfrequenz Fc1, als auch von der Trägerfrequenz Fc2 verschieden ist, aber sie ist darauf nicht beschränkt, und es kann auch nur eine der Trägerfrequenz Fc1 und der Trägerfrequenz Fc2 als die Trägerfrequenz Fc3 verwendet werden.
Außerdem beträgt der Wert, der als jede Trägerfrequenz in einer tatsächlichen Einrichtung angenommen wird, ungefähr 500 Hz bis einige zehn kHz.
Ferner erfolgt bei der Beschreibung in 4 das Schalten vom ersten Zeitraum zum zweiten Zeitraum in einem Zustand, in welchem der Stromwert kontinuierlich auf den konstanten Wert gesteuert wird, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt, und es kann ein Gate-Ausschalt-Zeitraum (in welchem der Schaltbetrieb der Energie-Umwandlungseinheit 1 unterbrochen ist, um zu verhindern, dass Strom fließt) zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum zur Verfügung gestellt werden.
Hinsichtlich der obigen Schätzung und Berechnung wird außerdem die Berechnung von Vd und Id auf der rotierenden dq-Achsen-Koordinate mit zwei orthogonalen Achsen durchgeführt, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt, und es kann eine Berechnung aus der Phasenspannung und dem Phasenstrom jeder Phase durchgeführt werden.
Außerdem ist für den Fall, dass der Elektromotor 7 ein induktiver Elektromotor ist, die elektrische Schaltungskonfiguration des Elektromotors 7 die Konfiguration einer sogenannten äquivalenten Schaltung vom T-Typ, die zusätzlich zu einem primärseitigen Widerstand und einer primärseitigen Induktivität eine Gegeninduktivität, eine sekundärseitige Induktivität und einen sekundärseitige Widerstand aufweist. Selbst wenn der Versuch unternommen wird, einen primärseitigen Strom auf einen konstanten DC-Wert zu steuern, wird die Spannung (beispielsweise entsprechend Vd1* und Vd2*), die an den Elektromotor angelegt wird, kein konstanter DC-Wert in einer kurzen Zeit, und sie verändert sich in Abhängigkeit von der Zeitkonstante der elektrischen Schaltung, die von der Gegeninduktivität und dem sekundärseitigen Widerstand bestimmt wird. Demzufolge ist es notwendig, eine Korrektur unter Berücksichtigung dieser Schaltungsantwort vorzunehmen, beispielsweise wie im folgenden Ausdruck (15). Vd** = Vd* × sekundärseitige Schaltungsantwort (15)
Wenn der Spannungsbefehl-Korrekturwert für den Fall, dass die PWM-Steuerung mit dem ersten Träger durchgeführt wird, der die Frequenz Fc1 hat, mit Vd1** bezeichnet ist und der Spannungsbefehl-Korrekturwert für den Fall, dass die PWM-Steuerung mit dem zweiten Träger durchgeführt wird, der die Frequenz Fc2 hat, mit Vd2** bezeichnet ist, kann der Totzeitfehler ∆Td für den Fall, dass der Elektromotor 7 ein induktiver Elektromotor ist, mittels des Ausdrucks (16) berechnet werden. ∆Td = (Vd1** – Vd2**)/{√2/3 × (Fc1 – Fc2) × EFC} [s] (16)
Wie oben beschrieben, ist die Steuerungseinheit 4 der Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 derart konfiguriert, dass sie imstande ist, Folgendes zu erzeugen: das erste Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und des ersten Trägers mit der Frequenz Fc1; und das zweite Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und des zweiten Trägers mit der Frequenz Fc2, die von der Frequenz des ersten Trägers verschieden ist.
Außerdem ist die Charakteristik-Berechnungseinheit 10 enthalten, welche einen oder beide von dem Widerstandswert Rs des Elektromotors 7 und dem Totzeitfehler ∆Td schätzt und berechnet, und zwar auf der Basis von Folgendem: Der ersten Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit 1, die erhalten wird, wenn die Schaltelemente mit dem ersten Schaltsignal betrieben werden; und der zweiten Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit 1, die erhalten wird, wenn die Schaltelemente mit dem zweiten Schaltsignal betrieben werden, und zwar in einem Zustand, in welchem die Rotation des Elektromotors 7 unterbrochen ist.
Mittels derselben Charakteristik-Berechnungseinheit 10 kann daher nicht nur einer von dem Widerstandswert des Elektromotors 7 oder dem Totzeitfehler ∆Td geschätzt und berechnet werden, sondern es können beide gleichzeitig geschätzt und berechnet werden. Außerdem werden die Bedingungen der Hauptschaltung nicht verändert, wie in dem Patentdokument 1, es ist ausreichend, die Einstellungen für die Steuerung zu verändern, und es werden eine Schätzung und Berechnung in einer kurzen Zeit verwirklicht.
Außerdem ist die Stromsteuerung 42 enthalten, die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik werden unter der Steuerungsbedingung erhalten, wobei der erste Strom-Detektionseinheit, der von jeder Strom-Detektionseinheit 2 detektiert wird, dazu veranlasst wird, dem Strom-Befehlswert zu folgen und die Zeitkonstante hinsichtlich der Stromantwort der Stromsteuerung 42 so eingestellt ist, dass sie niedriger ist als die Zeitkonstante, die von dem Induktivitätswert und dem Widerstandswert des Elektromotors 7 bestimmt wird. Folglich ist es möglich, den Widerstandswert und den Totzeitfehler zu identifizieren, und zwar mit hoher Genauigkeit in einer so kurzen Zeit, dass die normale Steuerung der Energie-Umwandlungseinrichtung nicht erschwert wird.
Indem diese geschätzten Werte als Parameter für die normale Steuerung widergespiegelt werden, kann demzufolge eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Steuerungseinrichtung verhindert werden, und zwar sogar unter der Bedingung, dass der Widerstandswert des Elektromotors 7 stark in Abhängigkeit von dessen Temperatur variiert. Da außerdem der Totzeitfehler auch mit hoher Genauigkeit in kurzer Zeit identifiziert werden kann, kann auch eine Verschlechterung der Performanz der Steuerungseinrichtung infolge des Totzeitfehlers verhindert werden.
Außerdem wird Folgendes erzielt: eine Verbesserung der Sicherheit durch eine Verbesserung der Genauigkeit des Ausgangsmoments oder der Geschwindigkeitssteuerung des Elektromotors, einer Energieersparnis durch dessen hohe Effizienz, eine Verringerung der Umweltbelastung durch dessen geringen Lärm usw.
Ausführungsform 2
5 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Ausführungsform 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 darin, dass, während bei der oben beschriebenen Ausführungsform 1 die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik unter der Steuerungsbedingung erhalten werden, bei welcher der Strom-Detektionswert, der von jeder Strom-Detektionseinheit 2 detektiert wird, dazu veranlasst wird, dem Strom-Befehlswert zu folgen, die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik bei der Ausführungsform 2 unter einer Steuerungsbedingung erhalten werden, bei welcher der Spannungs-Befehlswert konstant gemacht wird. Nachfolgend werden die spezifische Konfiguration und der Betrieb zum Schätzen und Berechnen beschrieben.
Eine Steuerungseinheit 4A in 5 ist so konfiguriert, dass festgelegte Werte Vu* = V, Vv* = 0 und Vw* = –V als Spannungs-Befehlswerte zur Verfügung gestellt werden, die in deren PWM-Steuerungseinrichtung 44A eingegeben werden sollen, wodurch eine DC-Spannung von 2V zwischen der U-Phase und der V-Phase des Elektromotors 7 anliegt und ein DC-Strom durch den Elektromotor 7 fließt.
6 ist ein Diagramm, das eine äquivalente Schaltung zeigt, wenn der Betrieb der Energie-Umwandlungseinheit 1 und des Elektromotors 7 einen stabilen Zustand bei der Konfiguration aus 5 erreichen. Hierbei ist R in 6 der Widerstandswert jeder Wicklung des Elektromotors 7.
Im Fall von 6(a), wobei es keinen Ausgangsspannungsfehler infolge einer Totzeit gibt, kann der Widerstandswert Rs als Rs = V/Iu berechnet werden. Im Fall von 6(b) jedoch, in welchem es einen Ausgangsspannungsfehler ∆Vtd gibt, der ein unbekannter Wert ist, kann der wahre Wert nicht erhalten werden, es sei denn, der Widerstandswert Rs wird als Rs = (V – ∆Vtd)/Iu berechnet. Falls V = 5 [V] und R = 0,05 [Ohm], gilt Iu = 100[A] und Rs = V/Iu = 0,05 [Ω] im Fall von 6(a), so dass der wahre Wert geschätzt werden kann.
Im Fall von 6(b) wird unterdessen, wie oben unter Bezugnahme auf 2 aus Ausführungsform 1 beschrieben, eine Totzeitkorrektur durchgeführt, und, angenommen, dass der Effektivwert der Totzeit dem Totzeitfehler ∆Td entspricht, gilt Folgendes: Falls ∆Td einen Wert von 1 [µs] hat, ferner Fc = 1000 [Hz] und EFC = 1500 [V] sind, dann entspricht der Ausgangsspannungsfehler ∆Vtd einem Wert von 1,5 [V]. In diesem Fall fließt nur der Strom von Iu = 70 [A], und der Widerstandswert Rs ist Rs = V/Iu ≈ 0.071 [Ω], so dass der wahre Wert nicht geschätzt werden kann. Im Fall des obigen Beispiels wird ein Ergebnis erhalten, das einen Schätzfehler von ungefähr 30 % aufweist.
Ähnlich wie oben bei der Ausführungsform 1 beschrieben, werden daher die erste Betriebscharakteristik, wenn die Schaltelemente mit einer PWM-Steuerung unter Verwendung des ersten Trägers mit der Frequenz Fc1 betrieben werden, und die zweite Betriebscharakteristik erhalten, wenn die Schaltelemente mit einer PWM-Steuerung unter Verwendung des zweiten Trägers mit der Frequenz Fc2 betrieben werden, die von der Frequenz Fc1 verschieden ist.
Genauer gesagt: Wenn der Strom, der aus der ersten Betriebscharakteristik erhalten wird, mit Iu1 bezeichnet wird, und der Strom, der aus der zweiten Betriebscharakteristik erhalten wird, mit Iu2 bezeichnet wird, werden die folgenden simultanen Gleichungen erhalten, und zwar mit dem wahren Wert des Widerstandswerts als Rs, dem DC-Spannungs-Befehlswert als V* und dem Spannungswert der DC-Energieversorgung 3 als EFC. Rs = (V* – ∆Vtd1)/Iu1 = (V* – ∆Td × Fc1 × EFC)/Iu1 (17) Rs = (V* – ∆Vtd2)/Iu2 = (V* – ∆Td × Fc2 × EFC)/Iu2 (18)
Wenn die simultanen Gleichungen (17) und (18) mit Rs und ∆Td als unbekannten Größen gelöst werden, werden der Widerstandswert Rs und der Totzeitfehler ∆Td durch die Ausdrücke (19) bzw. (20) erhalten. Rs = V* × (Fc1 – Fc2) /(Fc1 × Iu2 - Fc2 × Iu1) [Ω] (19) ∆Td = V* × (Iu1 – Iu2) /{EFC × (Fc2 × Iu1 – Fc1 × Iu2)} [s] (20)
Wie aus den obigen Ausdrücken ersichtlich, werden die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik erhalten, wobei die Spannungs-Befehlswerte V* so eingestellt sind, dass sie zueinander gleich sind, und wobei der Widerstandswert Rs des Elektromotors 7 aus dem ersten Strom-Detektionswert Iu1, der von der Strom-Detektionseinheit 2 detektiert wird, in der ersten Betriebscharakteristik und dem zweiten Strom-Detektionswert Iu2, der von der Strom-Detektionseinheit 2 detektiert wird, in der zweiten Betriebscharakteristik berechnet werden kann.
Außerdem werden die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik erhalten, wobei die Spannungs-Befehlswerte V* so eingestellt sind, dass sie zueinander gleich sind, und der Totzeitfehler ∆Td kann aus der Differenz zwischen dem ersten Strom-Detektionswert Iu1, der von der Strom-Detektionseinheit 2 detektiert wird, in der ersten Betriebscharakteristik und dem zweiten Strom-Detektionswert Iu2, der von der Strom-Detektionseinheit 2 detektiert wird, in der zweiten Betriebscharakteristik berechnet werden.
Wie oben beschrieben, ist ähnlich wie in dem Fall der oben beschriebenen Ausführungsform 1 die Steuerungseinheit 4A der Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 dazu konfiguriert, dazu imstande zu sein, Folgendes zu erzeugen: Das erste Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und des ersten Trägers mit der Frequenz Fc1; und das zweite Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und des zweiten Trägers mit der Frequenz Fc2, die von der Frequenz des ersten Trägers verschieden ist.
Außerdem eine die Charakteristik-Berechnungseinheit 10A enthalten, welche einen oder beide von dem Widerstandswert Rs des Elektromotors 7 und dem Totzeitfehler ∆Td schätzt und berechnet, und zwar auf der Basis von Folgendem: Der ersten Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit 1, die erhalten wird, wenn die Schaltelemente mit dem ersten Schaltsignal betrieben werden; und der zweiten Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit 1, die erhalten wird, wenn die Schaltelemente mit dem zweiten Schaltsignal betrieben werden, und zwar in einem Zustand, in welchem die Rotation des Elektromotors 7 unterbrochen ist.
Mittels derselben Charakteristik-Berechnungseinheit 10A kann daher nicht nur einer von dem Widerstandswert des Elektromotors 7 oder dem Totzeitfehler ∆Td geschätzt und berechnet werden, sondern es können beide gleichzeitig geschätzt und berechnet werden. Außerdem werden die Bedingungen der Hauptschaltung nicht verändert, wie in dem Patentdokument 1, es ist ausreichend, die Einstellungen für die Steuerung zu verändern, und es werden eine Schätzung und Berechnung in einer kurzen Zeit verwirklicht.
Da die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik unter der Steuerungsbedingung erhalten werden, bei welcher der Spannungs-Befehlswert konstant gemacht wird, wird ein Strom-Steuerungsmechanismus nicht benötigt, um zu veranlassen, dass der Strom-Detektionswert dem Strom-Befehlswert folgt. Wie aus 5 ersichtlich, ergibt sich daher der Vorteil, dass die Anwendung auf eine Energie-Umwandlungseinrichtung möglich ist, die einen Elektromotor mit einer einfachen Steuerungskonfiguration betreibt.
Ausführungsform 3
Bei der Ausführungsform 3 wird der Fall beschrieben, bei welchem die Schaltelemente jeweils aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand, wie z. B. Siliciumcarbid (SiC) als ein Material gebildet sind, als die Schaltelemente verwendet werden, die in der Energie-Umwandlungseinheit 1 in den obigen Ausführungsformen enthalten sind.
Die Konfiguration in der Zeichnung ist die gleiche wie in den Fällen der obigen Ausführungsformen, und daher wird deren erneute Beschreibung hier weggelassen.
Die Schaltelemente, die bei der Energie-Umwandlungseinheit 1 verwendet werden, sind im Allgemeinen Halbleitertransistor-Elemente (IGBTs, MOSFETs usw.), die Silicium (Si) als ein Material enthalten, und Halbleiterdioden-Elemente, die in ähnlicher Weise Silicium als ein Material enthalten, wobei diese Halbleitertransistor-Elemente umgekehrt parallel geschaltet sind. Die in den obigen Ausführungsformen beschriebene Technik kann in einem Energieumsetzer verwendetwerden, der die allgemeinen Schaltelemente enthält.
Unterdessen ist die in den obigen Ausführungsformen beschriebene Technik nicht auf Schaltelemente beschränkt, die mit Silicium als Material ausgebildet sind. Selbstverständlich können Schaltelemente auch in einem Energieumsetzer verwendet werden, die jeweils aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand gebildet sind, wie z. B. Siliciumcarbid (SiC) anstelle von Silicium, die in jüngster Zeit die Aufmerksamkeit als Halbleiterelemente mit niedrigen Verlusten und hohem Spannungs-Widerstandsvermögen erregt haben.
Hierbei hat Siliciumcarbid, das ein möglicher Halbleiter mit breitem Bandabstand ist, eine dahingehende Charakteristik, dass das Siliciumcarbid dazu imstande ist, die Verluste, die in einem Halbleiterelement auftreten, signifikant zu verringern, und dass es ermöglicht, dass das Halbleiterelement bei einer hohen Temperatur verwendet wird, und zwar im Vergleich zu Silicium. Wenn also Schaltelemente, die Siliciumcarbid als ein Material enthalten, als die Schaltelemente verwendet werden, die in der Energie-Umwandlungseinheit enthalten sind, kann die mögliche Temperatur eines Schaltelement-Moduls zur Seite der hohen Temperatur hin erhöht werden, so dass es möglich ist, die Trägerfrequenz zu erhöhen, um die Betriebseffizienz des Elektromotors zu verbessern.
Indem eine solche Charakteristik von Halbleitern mit breitem Bandabstand ausgenutzt wird, ist es möglich, dass die Charakteristik-Berechnungseinheit 10, die bei der obigen Ausführungsform beschrieben ist, den Widerstandswert des Elektromotors und den Totzeitfehler in einer kürzeren Zeit zu identifizieren.
Wie oben bei der Ausführungsform 1 beschrieben, ist es wichtig, um die Identifikation und die Berechnung in einer kurzen Zeit durchzuführen, den dem Elektromotor 7 zuzuführenden Strom so schnell wie möglich einzustellen. Dies wird erreicht, indem – soweit wie möglich – der vorbestimmte Stromantwort-Sollwert ωcc zum Entwerfen der Antworten der obigen Id und Iq erhöht werden, die von der Steuerungseinheit 4 gesteuert werden sollen. Das Einstellen des Stromantwort-Sollwerts ωcc wird jedoch durch die Trägerfrequenz begrenzt.
Im Allgemeinen ist der Stromantwort-Sollwert ωcc so eingestellt, dass er ungefähr 1/10 der Trägerfrequenz Fc beträgt, und die Steuerung wird instabil, wenn der Stromantwort-Sollwert ωcc auf einen Wert eingestellt wird, der höher als der obige ist. Wenn die Schaltelemente, die jeweils aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand, wie z. B. Siliciumcarbid (SiC) als ein Material ausgebildet sind, als die Schaltelemente verwendet werden, die in der Energie-Umwandlungseinheit 1 enthalten sind, ist es möglich, den Widerstandswert und den Totzeitfehler in einer kurzen Zeit zu identifizieren, da die Trägerfrequenz so eingestellt werden kann, dass sie höher ist als in dem Fall, in welchem die Schaltelemente verwendet werden, die jeweils aus einem Halbleiter mit nicht-breitem Bandabstand gebildet sind, der Silicium oder dergleichen als ein Material enthält.
Für den Fall, dass die Berechnung und Schätzung mit einem Typ von Träger durchgeführt wird – anders als bei der vorliegenden Erfindung – gilt Folgendes: Selbst wenn die Trägerfrequenz bloß erhöht wird, besteht die Möglichkeit, dass die Variation eines Berechnungs-Schätzwerts sehr groß wird, und zwar infolge des Verhältnisses zwischen der Genauigkeit des Totzeitfehlers und der Genauigkeit des Widerstandswerts, wie oben beschrieben.
Andererseits gilt mit der Technik gemäß der vorliegenden Erfindung, die oben bei der Ausführungsform 1 beschrieben ist Folgendes: In der Energie-Umwandlungseinrichtung, die die PWM-Steuerung durchführt, wird es selbst dann möglich, wenn die Schaltelemente, die Siliciumcarbid als ein Material enthalten, verwendet werden und die Trägerfrequenz erhöht wird, um die Identifikationszeit wie oben beschrieben zu verkürzen, den Widerstandswert des Elektromotors und den Totzeitfehler mit hoher Genauigkeit zu identifizieren, indem Folgendes zur Verfügung gestellt wird: Der erste Zeitraum, in welchem die PWM-Steuerung mit dem ersten Träger durchgeführt wird und die erste Betriebscharakteristik erhalten wird; und den zweiten Zeitraum, in welchem die PWM-Steuerung mit dem zweiten Träger durchführt wird und die zweite Betriebscharakteristik erhalten wird.
Siliciumcarbid (SiC) ist ein Beispiel für Halbleiter, die als Halbleiter mit breitem Bandabstand bezeichnet werden, indem sie eine dahingehende Charakteristik haben, dass deren Bandabstand größer ist als derjenige von Silicium (Si). Abgesehen von Siliciumcarbid gehören beispielsweise auch Halbleiter, die ausgebildet werden, indem ein galliumnitridbasiertes Material oder Diamant verwendet werden, ebenfalls zu den Halbleitern mit breitem Bandabstand, und deren Charakteristiken haben viele Gemeinsamkeiten zu denjenigen von Siliciumcarbid. Daher ist eine Konfiguration, bei welcher ein anderer Halbleiter mit breitem Bandabstand abgesehen von Siliciumcarbid verwendet wird, ebenfalls in der vorliegenden Erfindung enthalten.
Wie oben beschrieben, gilt bei der Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 Folgendes: Die Schaltelemente, die jeweils aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand, wie z. B. Siliciumcarbid (SiC) als ein Material gebildet sind, werden als die Schaltelemente verwendet, die in der Energie-Umwandlungseinrichtung 1 der obigen Ausführungsform enthalten sind. Folglich wird mit der Energie-Umwandlungseinrichtung eine noch nie dagewesene dahingehende Wirkung erzielt, dass nämlich die Genauigkeit der Identifikation des Widerstandswerts des Elektromotors und des Totzeitfehlers verbessert wird und ferner die Identifikation in kurzer Zeit vervollständigt wird.
Für den Fall, dass die Schaltelemente, die jeweils aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand, wie z. B. Siliciumcarbid (SiC) als ein Material als die Schaltelemente verwendet werden, die in der Energie-Umwandlungseinheit 1 enthalten sind, kann die Träger-frequenz sogar während der normalen Steuerung erhöht werden, um die Steuerungs-antwort zu verbessern. In diesem Fall beeinflusst jedoch der Ausgangsspannungsfehler ∆Vtd infolge des Totzeitfehlers die Steuerung zu solche einem Grad, dass der Einfluss nicht vernachlässigbar ist. Daher besteht die Möglichkeit, dass es schwierig ist, die Steuerungsantwort auf eine gewünschte Antwort zu verbessern.
Auch in einem solchen Fall versteht es sich, dass ein Speichern des Widerstandswerts und des Totzeitfehlers, die von der vorliegenden Erfindung identifiziert werden, in der Speichereinheit 9 und ein Widerspiegeln des Widerstandswerts und des Totzeitfehlers als Steuerungsparameter für die normale Steuerung zu einer Verbesserung der Steuerungsantwort der normalen Steuerung beitragen können.
Jede der oben bei den Ausführungsformen 1 bis 3 beschriebenen Konfigurationen zeigt ein Beispiel für die Inhalte der vorliegenden Erfindung, kann mit anderen öffentlich bekannten Techniken kombiniert werden, und kann teilweise weggelassen oder verändert werden, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Jede der oben in den Ausführungsformen 1 bis 3 beschriebenen Konfigurationen zeigt, dass der Widerstandswert des Elektromotors 7 und der Totzeitfehler mit hoher Genauigkeit in einem Zustand identifiziert werden, in welchem die Rotation des Elektromotors 7 unterbrochen ist, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt, und die gleichen vorteilhaften Wirkungen können sogar in einem Zustand erzielt werden, in welchem der Elektromotor 7 ein wenig rotiert.
Genauer gesagt: Es genügt, dass die Rotations-Periode des Elektromotors 7 größer ist als die Identifikationsperiode der vorliegenden Erfindung, und es versteht sich, dass sich der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung erweitert, wenn sich die Identifikationsperiode der vorliegenden Erfindung verringert.
Ausführungsform 4
7 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Fahrzeug-Antriebssystems zeigt, bei welchem die Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß den Ausführungsformen 1 bis 3 der vorliegenden Erfindung auf ein Schienenfahrzeug angewendet wird. Das Fahrzeug-Antriebssystem gemäß Ausführungsform 4 weist einen AC-Elektromotor 101, eine Energie-Umwandlungseinheit 102, eine Steuerungseinheit 108 und eine Eingangsschaltung 103 auf.
Der AC-Elektromotor 101 entspricht dem Elektromotor 7, der in 1 gezeigt ist, und er ist an einem Schienenfahrzeug montiert. Die Energie-Umwandlungseinheit 102 ist die gleiche wie die Energie-Umwandlungseinheit 1, die in 1 gezeigt ist, und sie weist die Schaltelemente 104a, 105a, 106a, 104b, 105b und 106b auf.
Die Steuerungseinheit 108 weist sämtliche Einheiten auf, nämlich die Steuerungseinheit 4, die Verarbeitungseinheit 8 und die Speichereinheit 9, die in 1 gezeigt sind, und sie erzeugt Schaltsignale SWU, SWV und SWW zum Durchführen einer Einschalt-Ausschaltsteuerung der Schaltelemente 104a bis 106b der Energie-Umwandlungseinheit 102.
Obwohl nicht dargestellt, ist die Eingangsschaltung 103 so konfiguriert, dass sie einen Schalter, einen Filterkondensator, eine Filterspule usw. aufweist. Die Eingangsseite der Eingangsschaltung 103 ist über einen Stromkollektor 111 und ein Rad 113 mit einem Draht 110 verbunden, wodurch eine Speiseschaltung 100 gebildet wird, sowie mit einer Schiene 114, und die Ausgangsseite der Eingangsschaltung 103 ist mit der Energie-Umwandlungseinheit 102 verbunden. Beispielsweise wird die Eingangsschaltung 103 mit DC-Energie oder mit AC-Energie aus der Leitung 110 versorgt und erzeugt DC-Energie, die der Energie-Umwandlungseinheit 102 zugeführt werden soll.
Die Energie-Umwandlungseinheit 102 wandelt die DC-Spannung, die von der Eingangsschaltung 103 zugeführt wird, in eine AC-Spannung um, die eine beliebige Spannung mit einer beliebigen Frequenz ist, und sie treibt den AC-Elektromotor 101 an.
Wenn die Energie-Umwandlungseinrichtung, die bei den Ausführungsformen 1 bis 3 beschrieben ist, bei dem oben beschriebenen Fahrzeug-Antriebssystem verwendet wird, kann eine Verschlechterung des Steuerungsvermögens sogar unter der Bedingung verhindert werden, bei welcher der Widerstandswert des AC-Elektromotors 101 stark in Abhängigkeit von dessen Temperatur variiert, wie in diesen Ausführungsformen beschrieben. Außerdem kann auch eine Verschlechterung des Steuerungsvermögens infolge des Totzeitfehlers verhindert werden.
Da auch die Verschlechterung des Steuerungsvermögens verhindert wird, wie oben beschrieben, kann eine Fahrzeugsteuerung erzielt werden, bei welcher eine Verbesserung der Sicherheit und eine Verbesserung des Fahrkomforts durch eine Verbesserung der Genauigkeit des Ausgangsmoments oder der Geschwindigkeitssteuerung des Elektromotors, eine Energieersparnis durch dessen hohe Effizienz, eine Verringerung der Umweltbelastung durch dessen geringen Lärm usw. erreicht werden kann.
Es sei angemerkt, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung die obigen Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden können, oder dass jede der obigen Ausführungsformen modifiziert oder vereinfacht werden kann, wenn es zweckmäßig ist.

Claims

Energie-Umwandlungseinrichtung, die Folgendes aufweist: eine Energie-Umwandlungseinheit, die eine Brücke aufweist, die ausgebildet ist, indem Schaltelemente miteinander in Reihe zwischen beide Elektroden einer DC-Energieversorgung geschaltet sind, wobei die Energie-Umwandlungseinheit eine Spannung der DC-Energieversorgung umwandelt und die umgewandelte Spannung einem Elektromotor zuführt; eine Strom-Detektionseinheit, die einen Strom detektiert, der in den Elektromotor hineinfließt; und eine Steuerungseinheit, die eine Totzeit zum Verhindern eines DC-Kurzschlusses einstellt und hinzufügt, der von den Schaltelementen verursacht wird, die die Brücke bilden, und die ein Schaltsignal zum Durchführen einer Einschalt-Ausschaltsteuerung der Schaltelemente erzeugt, und zwar durch PWM-Steuerung auf der Basis eines Spannungs-Befehlswerts und eines Trägers, wobei die Steuerungseinheit dazu konfiguriert ist, dazu imstande zu sein, ein erstes Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und eines ersten Trägers sowie ein zweites Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und eines zweiten Trägers mit einer von der Frequenz des ersten Trägers verschiedenen Frequenz zu erzeugen, und die Energie-Umwandlungseinrichtung eine Charakteristik-Berechnungseinheit aufweist, die einen oder beide von einem Widerstandswert des Elektromotors und einem Totzeitfehler, der die Differenz zwischen einem Effektivwert der Totzeit und einem Vorgabewert der Totzeit ist, schätzt und berechnet, und zwar auf der Basis einer ersten Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit, die erhalten wird, wenn die Schaltelemente mit dem ersten Schaltsignal betrieben werden, und einer zweiten Betriebscharakteristik der Energie-Umwandlungseinheit, die erhalten wird, wenn die Schaltelemente mit dem zweiten Schaltsignal betrieben werden.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Charakteristik-Berechnungseinheit den Widerstandswert des Elektromotors schätzt und berechnet.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Charakteristik-Berechnungseinheit ferner den Totzeitfehler schätzt und berechnet.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik unter einer Steuerungsbedingung erhalten werden, bei welcher ein Strom-Detektionswert, der von der Strom-Detektionseinheit detektiert wird, dazu veranlasst wird, einem Strom-Befehlswert zu folgen.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuerungseinheit Folgendes aufweist: eine Stromsteuerung, die den Spannungs-Befehlswert erzeugt, so dass die Abweichung zwischen dem Strom-Detektionswert, der von der Strom-Detektionseinheit detektiert wird, und dem Strom-Befehlswert Null wird; eine Auswahleinrichtung, die eine Auswahl aus dem ersten Träger und dem zweiten Träger trifft und den ausgewählten Träger ausgibT; und eine PWM-Steuerungseinrichtung, die das Schaltsignal auf der Basis des Spannungs-Befehlswerts und des Trägers erzeugt, der von der Auswahleinrichtung ausgegeben wird, und wobei die Charakteristik-Berechnungseinheit einen DC-Wert als den Strom-Befehlswert einstellt und einen oder beide von dem Widerstandswert des Elektromotors und dem Totzeitfehler auf der Basis der ersten Betriebscharakteristik, die mit dem ersten Schaltsignal von der PWM-Steuerungseinrichtung erhalten wird, und der zweiten Betriebscharakteristik, die mit dem zweiten Schaltsignal von der PWM-Steuerungseinrichtung erhalten wird, schätzt und berechnet.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die PWM-Steuerungseinrichtung Folgendes aufweist: eine Modulationswellen-Erzeugungsschaltung, die den Spannungs-Befehlswert mit einem Spannungswert der DC-Energieversorgung normalisiert und eine Modulationswelle ausgibt; eine Schaltsignal-Erzeugungsschaltung, die ein Schaltsignal der vorherigen Stufe durch die PWM-Steuerung auf der Basis der Modulationswelle und dem Träger erzeugt; eine Totzeit-Korrekturschaltung, die das Schaltsignal der vorherigen Stufe korrigiert, um einen Ausgangsspannungsfehler zu kompensieren, der infolge der Totzeit auftritt, und die ein Schaltsignal der nachfolgenden Stufe erzeugt; und eine Totzeit-Erzeugungsschaltung, die einen Totzeitfehler-Vorgabewert einstellt und dem Schaltsignal der nachfolgenden Stufe hinzufügt, und die das Schaltsignal zum Durchführen des Einschalt-Ausschalt-Betreibens der Schaltelemente erzeugt.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Zeitkonstante hinsichtlich einer Stromantwort der Stromsteuerung so eingestellt ist, dass sie niedriger ist als eine Zeitkonstante, die von einem Induktivitätswert und einem Widerstandswert des Elektromotors bestimmt wird.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Charakteristik-Berechnungseinheit den Widerstandswert des Elektromotors berechnet, und wobei die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik erhalten werden, wobei die Strom-Befehlswerte so eingestellt sind, dass sie zueinander gleich sind, ein erster Widerstandswert aus dem Strom-Befehlswert und dem Spannungs-Befehlswert in der ersten Betriebscharakteristik berechnet wird, ein zweiter Widerstandswert aus dem Strom-Befehlswert und dem Spannungs-Befehlswert in der zweiten Betriebscharakteristik berechnet wird, und der Widerstandswert des Elektromotors aus dem ersten Widerstandswert und dem zweiten Widerstandswert berechnet wird.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Charakteristik-Berechnungseinheit den Totzeitfehler berechnet, und wobei die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik erhalten werden, wobei die Strom-Befehlswerte so eingestellt sind, dass sie zueinander gleich sind, und der Totzeitfehler aus einer Differenz zwischen dem Spannungs-Befehlswert in der ersten Betriebscharakteristik und dem Spannungs-Befehlswert in der zweiten Betriebscharakteristik berechnet wird.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik unter einer Steuerungsbedingung erhalten werden, bei welcher der Spannungs-Befehlswert konstant gemacht wird.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Charakteristik-Berechnungseinheit den Widerstandswert des Elektromotors berechnet, und wobei die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik erhalten werden, wobei die Spannungs-Befehlswerte so eingestellt sind, dass sie zueinander gleich sind, und wobei der Widerstandswert des Elektromotors aus dem ersten Strom-Detektionswert, der von der Strom-Detektionseinheit detektiert wird, in der ersten Betriebscharakteristik und dem zweiten Strom-Detektionswert, der von der Strom-Detektionseinheit detektiert wird, in der zweiten Betriebscharakteristik berechnet wird.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Charakteristik-Berechnungseinheit den Totzeitfehler berechnet, und die erste Betriebscharakteristik und die zweite Betriebscharakteristik erhalten werden, wobei die Spannungs-Befehlswerte so eingestellt sind, dass sie zueinander gleich sind, und wobei der Totzeitfehler aus einer Differenz zwischen einem ersten Strom-Detektionswert, der von der Strom-Detektionseinheit detektiert wird, in der ersten Betriebscharakteristik und einem zweiten Strom-Detektionswert, der von der Strom-Detektionseinheit detektiert wird, in der zweiten Betriebscharakteristik berechnet wird.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Charakteristik-Berechnungseinheit die erste Betriebscharakteristik in einem ersten Zeitraum und die zweite Betriebscharakteristik in einem zweiten Zeitraum erhält, der auf den ersten Zeitraum folgt.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 13, wobei der erste Zeitraum und der zweite Zeitraum unmittelbar vor dem Start der normalen Steuerung des Elektromotors eingestellt sind.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 13, wobei der erste Zeitraum und der zweite Zeitraum unmittelbar nach dem Ende der normalen Steuerung des Elektromotors eingestellt sind.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Schaltelemente jeweils mit einem Halbleiter mit breitem Bandabstand gebildet sind.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 16, wobei der Halbleiter mit breitem Bandabstand ein Halbleiter ist, für welchen Siliciumcarbid, ein galliumnitridbasiertes Material oder Diamant verwendet wird.
Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Frequenzen des ersten Trägers und des zweiten Trägers so eingestellt sind, dass sie höher sind als diejenigen, wenn die Schaltelemente jeweils aus einem Halbleiter mit nicht-breitem Bandabstand gebildet sind.
Fahrzeug-Antriebssystem, das Folgendes aufweist: – eine Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18; – eine Eingangsschaltung, die zwischen eine Speiseschaltung der Energie-Umwandlungseinrichtung geschaltet ist und Energie für die Energie-Umwandlungseinrichtung erzeugt; und – einen Elektromotor, der mit der Energie-Umwandlungseinrichtung betrieben wird.