JP2007295692A - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電流指令の電流応答特性のばらつきを抑制する。
【解決手段】 電流指令発生部２から入力される電流指令値に変化が生じたときに、周波数可変部７が、搬送波発生部９からＰＷＭ発生部４へ入力する搬送波周波数の周波数値を特定の周波数値となるように変更する。これにより、搬送波発生部９からＰＷＭ発生部４へ入力される搬送波周波数の変化は、特定の周波数以降と同じようにすることができる。したがって、電流指令値が入力された際の電流応答特性のばらつきが抑制されるので、電力変換装置の制御性を向上させることができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、直流電源の出力を変調することにより、交流電圧を出力する電力変換装置及び電力変換方法に関し、搬送波周波数の変化に起因する不具合の発生を抑制する技術に関する。

従来、電流制御ステッピングモータなどの電流制御機器は、当該機器に流す電流波形のデューティ比を変える、すなわちPWM（Pulse Width Modulation）変調を行うことで機器の動作を制御する構成となっている。

このようなＰＷＭ制御機器の場合、ＰＷＭ変調の駆動電流パルス列で負荷の駆動電流をスイッチングするため、制御基本周波数およびその高調波周波数のスイッチングノイズが発生することが知られている。

これらのスイッチングノイズは、例えば車載用を考えた場合、同じ車両に搭載されている車載ラジオから耳障りとなる雑音を発生させる原因となり、また、他のディジタル機器の動作に影響を及ぼすことも懸念される。

ここで、スイッチングノイズを低減する方法として、ＰＷＭの駆動電流パルス列（以下、制御クロックと記す）に対して、制御クロック周波数より低い周波数を有する正弦波で周波数変調を行うことにより、所望の周波数帯域において上記のノイズのスペクトル成分を拡散させることにより、車載機器への影響を低減しようとするステッピングモータ制御装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

このステッピングモータ制御装置は、ＰＷＭパターンの演算をＣＰＵ等で実行することや、ＰＷＭパターンをディジタルタイマやディジタルコンパレータ回路を用いて複雑なＰＷＭパターンも発生することができる。
特開平７−９９７９５号公報

しかしながら、上記従来のステッピングモータ制御装置は、図１１に示すように電流のサンプルや制御演算などをＰＷＭ発生周期に同期して実行する構成であり、上述のステッピングノイズを減衰させるためにＰＷＭの搬送波周波数を周期的に変化させた電力変換装置を用いて電流制御を行う場合、搬送波周波数の変化に応じて電流演算周期が変化してしまう問題がある。

上記従来例の電流指令の制御応答特性については、例えば図１３(a)は電流指令の変化を示し、図１３(b)は電流指令が入力された際に搬送波周波数が最大の場合の電流応答を示し、図１３(c)は電流指令が入力された際に搬送波周波数が最小の場合の制御応答特性を示しているが、電流指令が入力される際の搬送波周波数の値が異なると、出力電流の電流応答特性にばらつきがみられる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流指令の電流応答特性のばらつきを抑制する電力変換装置および電力制御方法を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る電力制御装置および電力制御方法は、電流指令値が入力される際に、所定の規則にしたがって周波数が変化する搬送波周波数の値を特定の値に変更する。

本発明に係る電力制御装置及び電力制御方法は、電流指令値が入力される際の搬送波周波数の値を特定の値に変更するように搬送波周波数を制御しているので、電流指令の電流応答特性のばらつきを抑制することができる。

以下に本発明の実施形態について、図面とともに詳述する。

[電力変換制御装置の全体構成]始めに、図１を参照して、本発明の第１の実施形態となる電力変換制御装置について説明する。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態となる電力変換制御装置１は、主として、電流指令発生部２と、電流制御部３と、PWM発生部４と、電力変換部５と、搬送波発生部６と、周波数可変部７と、電流検出部８と、速度検出部９と、三相交流モータ１０と、これら各部を含む電力変換制御装置１を統括制御する制御部１１とを備える。

[各構成部の詳細]電流指令発生部２は、外部から入力される三相交流モータ６への回転速度の指示値（目標値）である速度指令値と三相交流モータ６から検出される回転速度（検出値）の差に基づいて、PID制御によって電流指令値を算出し、電流制御部に入力する。

電流制御部３は、図２に示されるように、電流指令発生部２から出力される電流指令値と電流検出部８から検出された電流値の偏差を演算する演算部３１と比例制御（P制御）することで電圧指令値を出力する比例制御部３２を構成要素として備えている。なお、本実施例では、図２では電流制御部の例として、比例制御の比例項で説明を行っているが、積分制御（I制御）、微分制御（D制御）の比例項を用いて制御しても良い。

PWM発生部４は、図３に示されるように、電流制御部３から出力された電圧指令、電圧指令を座標変換する座標変換部４１、座標変換された値と搬送波との大小関係を比較する比較器４２を備えている。座標変換部４１は、電流制御部３から供給される電圧指令値をｄ軸座標、ｑ軸座標の値からU相、V相、W相の値に変換する二相／三相の座標変換を行っている。座標変換された電圧指令値と搬送波発生部６からの搬送波とを比較器４２で大小関係に応じて電力変換部５へＯＮ、ＯＦＦ信号を出力する。

電力変換部５は、図４に示されるように、直流電源５１、コンデンサ５２、６個のスイッチング素子５３を構成要素として備えている。これらのスイッチング素子はIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子により構成されている。スイッチング素子５３は比較器４２の制御に従って、直流電源５１およびコンデンサ５２からなる直流電源の正極または負極を選択し、選択した電極を負荷モータ９のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電極へ電力を供給する。

搬送波発生部６は、搬送波をPWM発生部４へ出力する。

周波数可変部７は、搬送波発生部６から出力される搬送波の周波数を変化させるときの上限値、下限値及び変化幅を決定し、搬送波発生部６から出力される搬送波の周波数の変化を制御する。

電流センサ８は、ＰＷＭ発生部４から三相交流モータ１０に供給されるU相、V相、W相の電流値を検出する。

速度検出部９は、三相交流モータ９の回転速度を検出し、検出された回転速度を電流指令発生部２へ入力する。

三相交流モータ１０は、速度指令値から入力される所望の回転速度を電力変換部５が生成した三相交流電流により実現すべく回転力を発生させる。

[搬送波周波数制御処理]次に、図５に示すフローチャートを参照して、周波数可変部７で行われる搬送波周波数制御処理について説明する。なお、図６(a)、(b)に示されるように、搬送波発生部６から出力される搬送波周波数（以下、搬送波周波数とする。）を三角波状に変化させ、１周期をTとする。なお、搬送波周波数は周期的に変化するものであれば三角波状に限られず、例えば、正弦波状や単調増加に周期的に変化するもの（のこぎり波状）などでもよい。

ここで、搬送波周波数を変化させたことに起因する電流指令に対する電流応答特性のバラツキの要因について、図１４を参照して説明する。

図１４(b)は、三角波状に変化させている搬送波周波数が最小のときに電流指令値が入力された際の電流応答を示しており、図１４(c)は、三角波状に変化させている搬送波周波数が最大のときに電流指令値が入力された際の電流応答を示している。

図１４(b)および(c)に示されるように、電流指令値は各搬送波周波数の逆数の時間に沿って入力される。

そして、搬送波周波数の値によって入力時間は異なるので、電流指令値が入力されたときの搬送波周波数の値が異なれば、電流指令値に対する電流応答特性が毎回異なることになる。

そこで、本願発明に係る電力変換制御装置は、電流指令値が入力されたときの搬送波周波数の変化が一定となるように制御することにより、電流指令値に対する電流応答特性のばらつきを抑制することができる。

次に、搬送波周波数の周波数制御処理について、図５に示されるフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ０の処理では、周波数可変部７が、搬送波周波数の可変上限値fmaxと可変下限値fminを定め、可変上限値fmaxと可変下限値fmin間の周波数の変動幅を何分割するかを決定する。そして、周波数可変部７に搬送波発生部６から、搬送波周波数に関する情報が入力されることで周波数制御処理をステップＳ１の処理に進める。

ステップＳ１の処理では、周波数可変部７が、搬送波発生部９から入力される搬送波周波数に関する情報に基づいて、三角状に変化している搬送波周波数が、最大値（山）もしくは最小値（谷）であるか否かを判定する。搬送波周波数が最大値若しくは最小値の場合は次のステップS３に進み、最大値もしくは最小値で無い場合はステップS０に周波数制御処理を戻し、搬送波周波数が最大値又は最小値となるまでステップS１を繰り返す。

ステップS２の処理では、周波数可変部７が、電流指令発生部２から入力される電流指令値Irefが所定値A以上の変化が生じているか否かを判定し、電流指令値Irefに所定値A以上の変化が生じた場合は、周波数制御処理をステップS９の処理に進め、電流指令値Irefに所定値A以上の変化が生じていない場合は、周波数制御処理をステップＳ３に進める。

ステップS３の処理では、周波数可変部７が、搬送波周波数の変化量Δが正、負のどちらであるかを判定する。そして、搬送波周波数の変化量Δが負である場合は、周波数制御処理をステップＳ６の処理に進め、搬送波周波数の変化量Δが正である場合は、周波数制御処理をステップＳ４の処理に進める。

ステップＳ４の処理では、周波数可変部７が、搬送波周波数の値が可変上限値fmax否かを判定する。そして、搬送波周波数が可変上限値fmaxに達していない場合は周波数制御処理をステップＳ８の処理に進め、搬送波周波数が可変上限値fmaxに達している場合は、周波数制御処理をステップＳ５の処理に進める。

ステップＳ５の処理では、周波数可変部７が、搬送波周波数を可変上限値ｆｍａｘから減少させるように、搬送波周波数の変化量Δを変転させる。搬送波周波数の変化量Δを変転させると周波数制御処理をステップＳ８の処理に進める。

ステップＳ６の処理では、周波数可変部７が、搬送波周波数の値が可変下限値fminか否かを判定する。そして、搬送波周波数が可変下限値fminに達していない場合は変化量Δを変化させずに周波数制御処理をステップＳ８の処理に進め、搬送波周波数が可変下限値ｆｍｉｎの場合は、周波数可変部７は、周波数制御処理をステップＳ７の処理に進める。

ステップＳ７の処理では、周波数可変部７が、搬送波周波数を可変下限値ｆｍｉｎから増加させるように、搬送波周波数の変化量Δを変転させる。搬送波周波数の変化量Δを変転させると周波数制御処理をステップＳ８の処理に進める。

ステップＳ８の処理では、周波数可変部７が、上記処理により決定された変化量Δを現在の搬送波周波数に加算した値を次周期の搬送波周波数として三角状搬送波生成部７に入力すると、周波数可変部７が、周波数制御処理をステップＳ１の処理に進める。

ステップＳ９の処理では、周波数可変部７が、搬送波周波数を特定の周波数（ここではｆｍａｘ）に合わせる。搬送波周波数を特定の周波数に合わせると、周波数制御処理をステップＳ１０の処理に進める。

ステップＳ１０の処理では、周波数可変部７が、搬送波周波数の変化量Δが正、負のどちらであるかを判別する。そして、変化量Δが負である場合、周波数可変部７は、周波数制御処理をステップＳ１１の処理に進め、変化量Δが正である場合には、周波数可変部７が、周波数制御処理をステップＳ１の処理に進める。

ステップＳ１１の処理では、周波数可変部７が、搬送波周波数を上限値ｆｍａｘから減少させるように、搬送波周波数の変化量Δを変転させる。搬送波周波数の変化量Δを変転させると、周波数可変部７が、周波数制御処理をステップＳ１の処理に進める。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる電力変換制御装置によれば、図７及び図８に示されるように、電流指令発生部２から入力される電流指令値Irefが変化したときに、搬送波発生部９からPWM発生部４へ入力する搬送波周波数を特定の周波数に変更するので、特定の周波数以降の搬送波周波数の変化を均一にでき、搬送波周波数を変化させたことに起因する電流指令の電流応答特性のばらつきを抑制することができる。

[制御装置の全体構成]次に、図９を参照して、本発明の第２の実施形態となる電力変換制御装置の構成について説明する。

図９に示すように、本発明の第２の実施形態となる電力変換制御装置１は、本発明の第１の実施形態となる電力変換制御装置１に電流指令変化率検出部１２が追加された構成となっている。

[各構成部の詳細]本発明の第１の実施形態となる電力変換制御装置１と重複する部分についての説明は割愛し、ここでは、追加された電流指令変化率検出部１２について説明する。

電流指令変化率検出部１２は、電流指令値の変化率を検出し、電流指令の変化率の大きさに応じて、電流指令値が入力された以降の搬送波周波数の変化を一定にするか否かを決定することができ、電流指令値の相対的な変化に応じて、搬送波周波数に起因する不具合の発生を効果的に防ぐことができる。ここで、例えば電流指令値の変化率の演算式として以下の式が与えられる。

Irefは電流指令発生部２から出力される電流指令値、n-1は図５のフローチャートにおける一つ前の電流指令値を示している。図１０は、電流指令値の変化率による搬送波周波数の変化を示している。図１０(a)は電流指令値変化率の時間変化を示し、図１０(b)は搬送波周波数の時間変化を表している。

電流指令値の変化率が所定値より大きい場合は、搬送波周波数を最大に合わせ、所定値より小さい場合は搬送波周波数を最大値に補正を行わない。図１０では、電流指令変化率の変化に応じて、最大の周波数に合わせているがその他の周波数で一定に合わせることも可能である。

このように、指令値の所定の変化を検出し、その変化量に応じて搬送波周波数を変更するか否かを決定しているので、搬送波周波数を特定の値に変更する頻度を少なくすることができる。

[電力変換制御装置の全体構成]次に、図１１を参照して、本発明の第３の実施形態となる電力変換制御装置の構成について説明する。

図１１に示すように、本発明の第３の実施形態となる電力変換制御装置１は、本発明の第１の実施形態となる電力変換制御装置１の周波数可変部７が、周期状周波数可変部１３に置換された構成となっている。

[各構成部の詳細]本発明の第３の実施形態となる電力変換制御装置１と重複する部分についての説明は割愛し、ここでは、周期状周波数可変部１３について説明する。

周期状周波数可変部１３は、搬送波周波数を周期状、例えば三角波状又は正弦波状に変化させることで、搬送波周波数を容易に可変、予測することができるため、電流指令の変化率に応じて、搬送波周波数を変化させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施例１に係る電力変換制御装置のブロック図である。 本発明の実施例１に係る電力変換制御装置のブロック図である。 本発明の実施例１に係る電力変換制御装置のブロック図である。 本発明の実施例１に係る電力変換制御装置のブロック図である。 本発明の実施例１に係る電力変換制御装置が行う搬送波周波数の周波数制御処理のフローチャート図である。 搬送波周波数を三角波状又は正弦波状に変化させたときの図である。 電流指令値と正弦波状に変化させた搬送波周波数との関係を示す図である。 電流指令値と三角波状に変化させた搬送波周波数との関係を示す図である。 本発明の実施例２に係る電力変換制御装置のブロック図である。 電流指令値の変化率と三角波状に変化させた搬送波周波数との関係を示す図である。 本発明の実施例３に係る電力変換制御装置のブロック図である。 従来技術に係る電流制御ステッピングモータのブロック図である。 電流指令値が入力された際の搬送波周波数の相違に起因する過渡応答のバラツキを示す図である。 搬送波周波数の変化による過渡応答の相違を示す一例である。

符号の説明

１：電力変換制御装置
２：電流指令発生部
３：電流制御部
３１：演算部
３２：比例制御部
４：PWM発生部
４１：座標変換部
４２：比較器
５：電力変換部
５１：直流電源
５２：コンデンサ
５３：スイッチング素子
６：搬送波発生部
７：周波数可変制御部
８：電流センサ
９：速度検出部
１０：三相交流モータ
１１：制御部
１２：電流指令変化率検出部
１３：周期状周波数可変部

Claims (5)

1. 所望の出力電圧となるように指令値を出力する指令値出力手段と、
   所定の規則にしたがって周波数が変化する搬送波を生成する搬送波生成手段と、
   前記指令値が変化した際に、前記搬送波の周波数を特定の周波数に変更する搬送波周波数制御手段と、
   前記指令値と前記搬送波を比較し、該比較結果に基づいて制御信号を生成する制御信号生成手段と、
   前記制御信号に基づいて動作する電力出力手段と、
   を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記指令値の所定の変化を検出する指令値変化検出手段を新たに有し、
   前記搬送波周波数変更手段は、前記指令値変化検出手段が検出した指令値の変化が該所定の変化より大きい場合に、搬送波周波数を特定の周波数に合わせることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記所定の規則は、前記搬送波周波数を単調に減少又は単調に増加するように変化させることであることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記所定の規則は、前記搬送波周波数を三角波状又は正弦波状に変化させることであることを特徴とする電力変換装置。
5. 所望の出力電圧となるように指令値を出力するステップと、
   所定の規則にしたがって周波数の変化する搬送波を生成するステップと、
   前記指令値が変化した際に、前記搬送波の周波数を特定の周波数に変更するステップと、
   前記指令値と前記搬送波を比較し、該比較結果に基づいて制御信号を生成するステップと、
   前記制御信号に基づいて電力を出力するステップと、
   を有することを特徴とする電力変換方法。

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