JP2006320160A - Controller of power converter - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、スイッチング素子で構成された上下アームのオン・オフによって所望の電力を出力する電力変換器の制御装置に関するもので、特にパルス幅変調を用いてスイッチング素子を駆動する電力変換器(以下、PWMインバータと記述する)の制御装置に関するものである。 The present invention relates to a control device for a power converter that outputs desired power by turning on and off an upper and lower arm composed of switching elements, and in particular, a power converter that drives a switching element using pulse width modulation (hereinafter referred to as a power converter). , Described as a PWM inverter).
PWMインバータを用いて負荷に所望の電力を供給する際の制御装置の一般的な動作について図1を用いて説明する。動作の説明のため、電力変換器として三相PWMインバータを設定し、負荷として三相交流電動機を設定する。
図1において、1は電力変換器の制御装置、2は電流検出器、3は検出された電流信号、4は電流検出器2のオフセット補償器、5は座標変換器、6は位相、7は検出された電流信号、8は電流指令、9は電流制御器、10は電圧指令、11は座標変換器、12は電圧指令、13はデッドタイム補償信号演算器、14はデッドタイム補償信号、15はPWMパターン演算器、16はPWMパターン信号、17はPWMインバータ、18は三相交流電動機、19はオフセット記録器、23は電流検出器2のオフセット補償信号である。
電流検出器2は三相交流電動機18に流れる電流を検出する。検出された電流信号3は制御装置1に取り込まれる。オフセット補償器4において、電流検出器2によって重畳されたオフセット成分を除去される。その後、座標変換器5によって位相6に基づいて座標変換されdq軸回転座標上の電流信号7となる。なお、位相6と同位相成分をd軸成分とする。位相6に対して90度の進み位相成分をq軸成分とする。位相6は三相交流電動機18の種類によって取得方法が異なる。誘導電動機ならばすべり周波数演算器より得られる磁束位相である。同期電動機ならば回転子の磁極位置であり、エンコーダなどの検出器によって得られる。なお、図1中では省略する。電流制御器9は検出電流信号7と電流指令8に従って電流制御を実施し電圧指令10を出力する。電圧指令10は座標変換器11によって三相静止座標上の電圧指令信号12に変換され、デッドタイム補償を施された後、PWMパターン演算器15によってPWMパターン信号16に変換される。
デッドタイム補償信号14は検出電流信号3よりデッドタイム補償信号演算器13によって演算される。また、電流指令8に対して座標変換を実施し、その信号に基づいてデッドタイム補償信号を求める場合もあるが、図1では省略する。
PWMパターン演算器15ではPWMインバータ17の上下スイッチング素子の短絡防止のためデッドタイムを挿入してパターンを演算する。PWMインバータ17は前述のPWMパターン信号16に従い、各相の上下スイッチング素子を駆動して所定の電圧を三相交流電動機18に印加する。
PWMインバータの制御装置1はこのような処理を繰り返し実行して、所望の電力を負荷に供給する制御動作を行っている。
さて、電流検出器2による検出電流信号3にはオフセットが含まれることが多い。図1に示した電力変換器の制御装置においては、オフセットによってPWMインバータ17の出力電流に振動が発生する。この結果、三相交流電動機18の出力トルクにも振動が発生する。振動の周波数は、PWMインバータ出力電圧または出力電流の基本波周波数成分の周波数(以下、一次周波数と記述)と同一となる。このような問題があるため、電流検出器2によって重畳されるオフセットを除去する処理がなされてきた。その多くは、電力変換器の電源投入前に電流検出器の検出電流信号をオフセットとして記録しておき、電力変換器の運転中にオフセット補償に用いる方法である。図1に示した例ではオフセット記録器19がそのオフセット記録に用いられる。
A general operation of the control apparatus when supplying desired power to a load using a PWM inverter will be described with reference to FIG. For the explanation of the operation, a three-phase PWM inverter is set as a power converter, and a three-phase AC motor is set as a load.
In FIG. 1, 1 is a control device of a power converter, 2 is a current detector, 3 is a detected current signal, 4 is an offset compensator of the
The
The dead
The
The
Now, the detected
しかし、長時間の運転の後には電流検出器の周囲温度や検出器内部の素子温度が変化し、電流検出器の検出電流信号に含まれるオフセットが変動する。このため電源投入前に取得したオフセットを用いても最適な補償が行われず、負荷電流に振動が発生する問題があった。検出電流信号に含まれるオフセットを再取得するには電力変換器を一旦停止する必要があり、連続した運転が要求される場合には再取得ができないという問題があった。
この問題を解決する技術として、例えば特許文献1、2に示される技術がある。これは電流検出器によって検出した電流信号に対してローパスフィルタ処理を実施し、オフセットを検出して補償する技術である(特許文献1参照)。また、電流検出器によって検出した電流信号に対して積分処理を所定の期間中実施してオフセットを検出する技術である(特許文献2参照)。
However, after a long time operation, the ambient temperature of the current detector and the element temperature inside the detector change, and the offset included in the detection current signal of the current detector varies. For this reason, even if the offset acquired before power-on is used, optimal compensation is not performed, and there is a problem that vibration occurs in the load current. In order to re-acquire the offset included in the detected current signal, the power converter needs to be temporarily stopped, and there is a problem that re-acquisition cannot be performed when continuous operation is required.
As a technique for solving this problem, there are techniques disclosed in
しかし、特許文献1に示される技術では定常運転時のみにしかオフセットの検出ができないという問題がある。また精度良くオフセットを検出するためにはローパスフィルタの遮断周波数を適切に設定する必要があった。また、特許文献2に示される技術では、電流検出器によって検出した電流信号に対して積分処理を所定の期間中実施してオフセットを検出できるが、特許文献1の技術と同様に定常運転時のみでしか検出ができない。
However, the technique disclosed in
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電力変換器を停止させることなく、また電力変換器が過渡運転状態においても確実に電流検出器のオフセットを推定して補償し、高精度な電流制御を実現することができる電力変換器の制御装置を提供するものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and reliably estimates and compensates for the offset of the current detector without stopping the power converter and even when the power converter is in a transient operation state. The present invention provides a power converter control device capable of realizing highly accurate current control.
この発明に係る電力変換器の制御装置においては、複数の半導体スイッチング素子によって構成された電力変換器の制御装置において、電力変換器の出力電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器が有するオフセットを推定するオフセット推定器と補償演算器で構成されたオフセット補償器を備え、前記オフセット推定器は電力変換器の制御装置における電圧指令に基づいたフィードバックループを用いてオフセット推定を行うものである。 In the power converter control device according to the present invention, in the power converter control device configured by a plurality of semiconductor switching elements, the current detector includes a current detector that detects an output current of the power converter, and the current detector includes The offset estimator includes an offset estimator that estimates an offset and a compensation arithmetic unit, and the offset estimator performs offset estimation using a feedback loop based on a voltage command in a control device of the power converter. .
この発明によれば、電力変換器を停止させることなく、また電力変換器が過渡運転状態においても、確実に電流検出器のオフセットを検出して補償できる。この結果、高精度な電流制御が実現できる。 According to the present invention, it is possible to reliably detect and compensate for the offset of the current detector without stopping the power converter and even when the power converter is in a transient operation state. As a result, highly accurate current control can be realized.
実施の形態1.
図2はこの発明の実施の形態1における電力変換器の制御装置を説明するための説明図である。動作の説明のため、電力変換器として三相PWMインバータを設定し、負荷として三相交流電動機を設定した。
図2において、1は電力変換器の制御装置、2は電流検出器、3は検出された電流信号、4は電流検出器2のオフセット補償器、5は座標変換器、6は位相、7は検出された電流信号、8は電流指令、9は電流制御器、10は電圧指令、11は座標変換器、12は電圧指令、13はデッドタイム補償信号演算器、14はデッドタイム補償信号、15はPWMパターン演算器、16はPWMパターン信号、17はPWMインバータ、18は三相交流電動機、20は電流指令位相演算器、21はオフセット推定器、22は電流指令位相、23は電流検出器2のオフセット補償信号である。なお、図2において、デッドタイム補償信号14を検出電流信号3より求める構成としているが、背景技術にて説明したように電流指令8より求める構成としてもよい。
電流指令位相演算器20は位相6と電流指令8より電流指令位相22を演算する。オフセット補償器4はオフセット推定器21と補償演算器で構成される。オフセット推定器21は電流指令位相22および電圧指令10および位相6から電流検出器2が有するオフセットを推定するものである。このとき、オフセット推定器21は電圧指令10の歪みを検知して動作する。
次にオフセット推定器21の動作について図3を用いて説明する。図3(A)は電流検出器2によって得られた三相交流電動機18の一相分の相電流波形である。図3(B)はdq軸(2軸直交)回転座標上の電流指令ベクトルに直交する電圧指令(以下、Vdisと記述する)である。図3(B)ではPWMインバータ17のデッドタイムによる電圧外乱の影響により、相電流の極性反転(ゼロクロス)の近傍において電圧指令に歪みが生じる。ここで電流検出器2に正のオフセットが生じた場合、図3(B)の歪みが図3(C)のように変化し、相電流波形の上り・下りで歪みの大きさが異なった波形となる。電流検出器2に負のオフセットが生じた場合も、図3(E)に示すように歪みの大きさが変化するが、正のオフセットが生じた場合とは歪みの大小が逆転する。
ここで電流指令位相22に基づき位相区間を分割する。ここで分割された区間内にVdisの電流ゼロクロスに伴う歪みが入るように設定する。設定した区間内において積分演算を実行し平均値を求めて記録する。Vdisの歪みによって平均値には図3(D)、図3(F)に示す差が発生する。Av1は区間1におけるVdisの平均値であり、Av7は区間7におけるVdisの平均値である。電流検出器2のオフセットが補償されている場合、図3(B)に示すように電圧指令の歪みは均等となる。すなわち平均値も一致する。このため、この平均値の差を用いることで、オフセットの推定が実現できる。例えば平均値の差を積分処理してオフセットの推定値とする。電流検出器2のオフセットが補償されれば、上記の平均値の差も0となり、積分演算が停止する。この図3では説明のため一相分としたが、実際の運転に実施される二相検出時または三相検出時においては、ぞれぞれの相に対応した歪み成分を用いればよい。このため、三相独立してオフセット補償が可能となる。
なお、図3(B)では電圧指令Vdisの歪みは上向きのトゲ状である。負荷の種類、デッドタイム補償器の構成、1次周波数や電流といった運転条件、などによっては下向きのトゲ状となることもある。これを図4に示す。ただし、電流検出器2に発生するオフセットの正負と平均値Av1、Av7の大小関係は同じである。(下記となる)
○ 電流検出器に正のオフセットが発生する場合…………Av1<Av7
○ 電流検出器に負のオフセットが発生する場合…………Av1>Av7
以上のような動作を実現するために、例えばオフセット推定器21の構成は図5のような構成とするとよい。図5では、電流指令位相22と位相6から、座標変換器21dによって電流指令ベクトル直交する方向の電圧指令を求め、この信号をVdis21bに割り当てている。21eはフィルタであり、Vdis21bからオフセット量推定に不要な成分を除去する働きを持つ。
図5に示した位相分割・オフセット推定値更新器21cでは、図3または図4にて示した、区間毎の平均値演算およびオフセット推定・更新動作を実行する。動作を実現する構成として、例えば図6に示す構成がある。21c−1はリセット信号発生器、21c−2はVdis積分器、21c−3は平均値演算用ゲイン、21c−4はサンプルホールド器、21c−5はサンプルホールドタイミング発生器、21c−6はVdis平均値記録器、21c−7はオフセット更新器で、積分器21c−7a及びゲイン21c−7bからなる。21c−8は動作タイミング発生器である。図6ではVdis21bを積分器21c−2によって積分する。ゲイン21c−3は積分値を平均値に変換するためのゲインであり、1次周波数によって可変である。図3および図4に示すように所定の区間毎のVdis21bの平均値を得るため電流指令位相の所定のタイミングでサンプルホールドして、記録器21c−6に格納する。サンプルホールドのタイミングと動作はサンプルホールドタイミング発生器21c−5、サンプルホールド器21c−4による。サンプルホールド直後に積分器21c−2の値を0にリセットする。そのタイミングはリセット信号発生器21c−1が電流指令位相22に基づいて発生する。オフセット更新器21c−7は動作タイミング発生器21c−8によって設定されるタイミングで記録器21c−6に格納されていたVdis21bの区間毎の平均値を読み出し、差分を取って積分演算を実行する。図3および図4ならばオフセット更新器21c−7の動作タイミングは区間2の直後または区間8の直後に設定できる。
このように、図2に示した電力変換器の制御装置において、図3、図4に示すようにオフセット推定器21を動作させることで電流検出器2が有するオフセットを推定し、オフセット補償器4にてオフセット補償を実現できる。またローパスフィルタ処理を用いていないため過渡運転時においても高精度なオフセット補償が実現できる。この結果、高精度な電流制御が実現できる。
すなわち、この発明に係る電力変換器の制御装置は、電力変換器の出力電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器が有するオフセットを推定するオフセット推定器と補償演算器で構成されたオフセット補償器を備え、前記オフセット推定器は電力変換器の制御装置における電圧指令に基づいたフィードバックループを用いてオフセット推定を行うことにより課題を解決するものである。
また、上記の電力変換器の制御装置は、オフセット推定器に用いられる電圧指令を2軸直交回転座標上にて表現された電圧指令とすることにより課題を解決するものである。
また、上記の電力変換器の制御装置は、2軸直交回転座標上にて表現された電圧指令のどちらか一方を切り替えて用い、切り替えの基準として、電力変換器の出力電流または電力変換器の出力電圧周波数または電力変換器の制御装置における電流指令または電力変換器に接続されている負荷の種類とすることにより解決するものである。
また、上記の電力変換器の制御装置は、オフセット推定器に用いられる電圧指令を2軸直交回転座標上にて表現された電圧指令とし、2軸直交回転座標上にて表現された電力変換器の出力電流ベクトルまたは電力変換器の制御装置における電流指令ベクトルに対して直交する成分とすることにより課題を解決するものである。
また、上記の電力変換器の制御装置は、オフセット推定器が電力変換器の制御装置における電流指令位相の一周期を複数の区間に分割して処理を行い、その区間内に静止座標上にて表現された電力変換器の出力電流または電力変換器の制御装置上における電流指令の極性反転(ゼロクロス)を含むことにより課題を解決するものである。
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the control device for the power converter according to the first embodiment of the present invention. For the explanation of the operation, a three-phase PWM inverter was set as a power converter, and a three-phase AC motor was set as a load.
In FIG. 2, 1 is a control device of the power converter, 2 is a current detector, 3 is a detected current signal, 4 is an offset compensator of the
The current command phase calculator 20 calculates a
Next, the operation of the
Here, the phase section is divided based on the
In FIG. 3B, the distortion of the voltage command Vdis has an upward thorn shape. Depending on the type of load, the configuration of the dead time compensator, the operating conditions such as the primary frequency and the current, etc., the shape may be downward. This is shown in FIG. However, the magnitude relationship between the positive / negative of the offset generated in the
○ When a positive offset occurs in the current detector ………… Av1 <Av7
○ When a negative offset occurs in the current detector ………… Av1> Av7
In order to realize the operation as described above, for example, the configuration of the offset
The phase division / offset estimated
As described above, in the control apparatus for the power converter shown in FIG. 2, the offset of the
That is, the control device for a power converter according to the present invention includes a current detector that detects an output current of the power converter, an offset estimator that estimates an offset of the current detector, and an offset calculator. A compensator is provided, and the offset estimator solves the problem by performing offset estimation using a feedback loop based on a voltage command in a control device of the power converter.
Moreover, the control device for the power converter described above solves the problem by using a voltage command used in the offset estimator as a voltage command expressed on two-axis orthogonal rotation coordinates.
In addition, the control device for the power converter uses one of the voltage commands expressed on the two-axis orthogonal rotation coordinates, and uses the output current of the power converter or the power converter as a reference for switching. The problem is solved by setting the output voltage frequency or the current command in the control device of the power converter or the type of load connected to the power converter.
Further, the control device for the power converter described above uses the voltage command used for the offset estimator as a voltage command expressed on the biaxial orthogonal rotational coordinates, and the power converter expressed on the two axial orthogonal rotational coordinates. The problem is solved by making the component orthogonal to the output current vector or the current command vector in the control device of the power converter.
In the power converter control device described above, the offset estimator performs processing by dividing one cycle of the current command phase in the power converter control device into a plurality of sections, and on the stationary coordinates in the section. The problem is solved by including the output current of the expressed power converter or the polarity reversal (zero crossing) of the current command on the control device of the power converter.
実施の形態2.
実施の形態1では、オフセット推定器21を図5に示す構成としたが、この実施の形態2においては、図7に示す構成としたものである。この場合、図7の電圧指令切り替え器21aは電流制御器9から出力される電圧指令10を入力とし、d軸電圧指令またはq軸電圧指令をオフセット推定の元となる信号Vdis21bに割り当てる。図5のように厳密に電流ベクトルまたは電流指令ベクトルに対して直交する方向でなくとも、図3および図4に示すような歪みの検知が可能なためである。このため、切り替えの基準として、Vdis21bの歪みが最も大きく検知できる電圧指令を割り当てる設定とする。例えば、三相交流電動機18の検出電流信号3または電流指令8や1次周波数によって切り替えてもよい。また接続されている三相交流電動機の種類によって切り替えてもよい。これらの切り替え基準を平行して使用してもよい。図7の構成は座標変換器21dを使用しないため簡潔な構成とすることができる。
In the first embodiment, the offset
1 電力変換器の制御装置
2 電流検出器
3 検出された電流信号
4 電流検出器のオフセット補償器
5 座標変換器(三相静止座標上の量から回転座標上の量への変換に使用)
6 位相
7 検出された電流信号(回転座標上にて表現)
8 電流指令
9 電流制御器
10 電圧指令(回転座標上にて表現)
11 座標変換器(回転座標上の量から三相静止座標上の量への変換に使用)
12 電圧指令(三相静止座標上にて表現)
13 デッドタイム補償信号演算器
14 デッドタイム補償信号
15 PWMパターン演算器
16 PWMパターン信号
17 PWMインバータ
18 三相交流電動機
19 電流検出器のオフセット記録器
20 電流指令位相演算器
21 オフセット推定器
21a 電圧指令切り替え器
21b Vdis
21c 位相分割・オフセット推定値更新器
21c−1 リセット信号発生器
21c−2 Vdis積分器
21c−3 平均値演算用ゲイン
21c−4 サンプルホールド器
21c−5 サンプルホールドタイミング発生器
21c−6 Vdis平均値記録器
21c−7 オフセット更新器
21c−7a 積分器
21c−7b ゲイン
21c−8 オフセット補償量更新器の動作タイミング発生器
21d 座標変換器(電流指令ベクトルまたは検出電流ベクトル直交方向への変換)
21e フィルタ
22 電流指令位相
23 電流検出器のオフセット補償信号
DESCRIPTION OF
6
8
11 Coordinate converter (used to convert the quantity on rotating coordinates to the quantity on three-phase stationary coordinates)
12 Voltage command (expressed on three-phase stationary coordinates)
13 Dead Time
21c Phase division / offset estimated
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