JP2009213321A - Ｐｗｍインバータ装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 相電圧の最大相が（キャリアの最大値×２／√３）より大きい場合、または（キャリアの最小値×√３／２）より小さい場合に、電圧指令に対する実際にモータに印加される電圧ベクトルの位相誤差を最小にして電流制御の性能を維持し、電流リプルを減少したＰＷＭインバータ装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】 相電圧指令を三角波キャリアと大小比較してＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部を備えたＰＷＭインバータ装置において、各相電圧指令のうち絶対値が最大になる相と２番目に大きい相と最小になる相を判断する電圧指令処理部（５）を備え、キャリアの信号の最大値，最小値，最大値×２／√３，最小値×√３／２と、各相電圧指令の最大値の関係を見ながら補正を加える電圧指令補正部（１）を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの可変速駆動を行うインバータ・サーボドライブや系統連携するＰＷＭインバータ装置に関する。

ＩＧＢＴ等のオンオフ動作により任意の正弦波電圧を出力するＰＷＭインバータのＰＷＭパルス信号の信号発生方法には、図３のように出力電圧指令と三角波キャリアとを比較してＰＷＭパルス信号を作り出す方式（三角波比較型ＰＷＭ方式）や空間ベクトル概念によるベクトルの合成で所望のＰＷＭパルス信号を作り出す方式（空間ベクトル型ＰＷＭ方式）がある。正弦波の出力電圧指令を使った三角波比較型方式で出力できる最大線間電圧は（振幅値）は、通常ＰＷＭインバータ装置の直流母線電圧の√３／２で制限されてしまう。しかし、用途によっては、線間出力電圧が正弦波にこだわらないと言う前提で、もっと大きな出力電圧を必要とする場合がある。

第１の従来例として、正弦波電圧を出力できる最大値を超えた場合には、図４に示す６角形の頂点に位置する６ステップの電圧（図４中のａ（１）〜ａ（３），ｂ（１）〜ｂ（３））を出力する方法がある。

第２の従来例として、図５に示す特許文献１のようなものがある。図５において、１０１は電圧指令シフト器、１０２はＰＷＭ信号発生器、１０３はキャリア信号発生器である。
図５において、電圧指令シフト器は、各相電圧指令のうち絶対値が最大となる最大相を選択し、前記最大相の相電圧指令が前記キャリアの最大値よりも大きい場合には、前記最大相の相電圧指令から前記キャリアの最大値を引いた値を第１の差分とし、前記第１の差分を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とし、前記最大相の相電圧指令が前記キャリア波の最小値よりも小さい場合には、前記最大相の相電圧指令から前記キャリアの最小値を引いた値を第２の差分とし、前記第２の差分を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とし、その他の場合には、相電圧指令をそのまま相出力電圧指令とし、前記相電圧指令を入力とし、前記ＰＷＭパルス出力手段に出力する電圧指令処理手段を持つ。このため、ＰＷＭインバータ装置の直線母線電圧を超える線間電圧出力を可能にし、合わせて正弦波出力から６ステップ電圧の出力（矩形波出力）までの中間的な状態を作り、滑らかな移行を可能としている。
特開２００３−２８４３５０号公報

しかしながら、第１の従来例においては正弦波出力から６ステップ電圧出力へ移行する時の中間電圧が得られないため、滑らかなモード変換が困難であり、また電流制御性能が要求される電流制御系では切り替え時の過渡期において制御特性が不安定になる等の問題がある。
また、第２の従来例においては、６ステップ電圧出力へのスムーズな移行切り替えは行われているが、各相電圧の絶対値の最大相が（キャリアの最大値×２／√３）より大きくなるか、または、（キャリアの最小値×√３／２）より小さくなる場合には、補正後の各相電圧指令の値がキャリアの最大値より大きく、または、最小値より小さくなってしまう相があるので、その相は補正後にキャリアの最大値または最小値にリミットされる。そのため、各相のバランスが崩れ、切り替え時の電圧指令に対する実際にモータに印加される電圧ベクトルの位相誤差が生じる。例えば、変調率１５０％のときに生じる位相誤差を図６に示す。また６ステップ電圧出力移行後（変調率４／√３以上）の位相誤差も大きくなるので、電流制御性能が劣化してしまうという問題がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、各相電圧の最大相が（キャリアの最大値×２／√３）より大きい場合、または（キャリアの最小値×√３／２）より小さい場合に、電圧指令に対する実際にモータに印加される電圧ベクトルの位相誤差を最小にして電流制御の性能を維持し、電流リプルを減少したＰＷＭインバータ装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、相電圧指令と三角波または鋸波状のキャリアとを大小比較してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭパルス出力部を備えたＰＷＭインバータ装置において、前記各相電圧指令のうち絶対値が最大となる最大相と、絶対値が２番目に大きくなる第２の相を選択し、前記最大相の相電圧指令が前記キャリアの最大値よりも大きく、（キャリアの最大値×２／√３）の値より小さい場合には、前記最大相の相電圧指令から前記キャリアの最大値を引いた値を第１のシフト量とし、前記第１のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とし、前記最大相の相電圧指令が前記キャリアの最小値よりも小さく、（キャリアの最小値×√３／２）の値より大きい場合には、前記最大相の相電圧指令から前記キャリアの最小値を引いた値を第２のシフト量とし、前記第２のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とし、前記各相電圧の最大相が（キャリアの最大値×２／√３）の値より大きい場合には、前記各相電圧の最大相と第２の相を加算した値の１／２を第３のシフト量とし、前記第３のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とし、前記各相電圧の最大相が（キャリアの最小値×√３／２）の値より小さい場合には、前記各相電圧の最大相と第２の相を加算した値の１／２を第４のシフト量とし、前記第４のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とし、その他の場合には、相電圧指令をそのまま相出力電圧指令とし、前記相電圧出力電圧指令を前記ＰＷＭ信号発生部に出力する電圧指令処理部を備えたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のＰＷＭインバータ装置において、前記各相電圧の最大相が（キャリアの最大値×√３／２）より大きい場合、または（キャリアの最小値×２／√３）より小さい場合に、前記各相電圧の絶対値の最小相も補正することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または2記載のＰＷＭインバータ装置において、前記各相電圧の絶対値の最小相の補正式を、補正後の電圧指令＝補正前の電圧指令×キャリアの最大値／各相電圧指令の絶対値の最大値とすることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、相電圧指令と三角波または鋸波状のキャリアとを大小比較してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号発生部を備えたＰＷＭインバータ装置の制御方法において、前記各相電圧指令のうち絶対値が最大となる最大相と、絶対値が２番目に大きくなる第２の相を選択するステップと、前記最大相の相電圧指令が前記キャリアの最大値よりも大きく、（キャリアの最大値×２／√３）の値より小さい場合には、前記最大相の相電圧指令から前記キャリアの最大値を引いた値を第１のシフト量とするステップと、前記第１のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とするステップと、前記最大相の相電圧指令が前記キャリアの最小値よりも小さく、（キャリアの最小値×√３／２）の値より大きい場合には、前記最大相の相電圧指令から前記キャリアの最小値を引いた値を第２のシフト量とするステップと、前記第２のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とするステップと、前記各相電圧の最大相が（キャリアの最大値×２／√３）の値より大きい場合には、前記各相電圧の最大相と第２の相を加算した値の１／２を第３のシフト量とするステップと、前記第３のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とするステップと、前記各相電圧の最大相が（キャリアの最小値×√３／２）の値より小さい場合には、前記各相電圧の最大相と第２の相を加算した値の１／２を第４のシフト量とするステップと、前記第４のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とするステップと、その他の場合には、相電圧指令をそのまま相出力電圧指令とするステップと、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とするステップと、前記相電圧出力電圧指令を前記ＰＷＭ信号発生部に出力するステップと、を備えることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項４記載のＰＷＭインバータ装置の制御方法において、前記各相電圧の最大相が（キャリアの最大値×√３／２）より大きい場合、または（キャリアの最小値×２／√３）より小さい場合に、前記各相電圧の絶対値の最小相も補正するステップを備えることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項４または５記載のＰＷＭインバータ装置の制御方法において、前記各相電圧の絶対値の最小相の補正式が、補正後の電圧指令＝補正前の電圧指令×キャリアの最大値／各相電圧指令の絶対値の最大値であることを特徴とするものである。

本発明によると、線間出力電圧が正弦波形状でない各相電圧の絶対値の最大相が（キャリアの最大値×２／√３）より大きい場合、または（キャリアの最小値×√３／２）より小さい場合にも、電圧指令に対する実際にモータに印加される電圧ベクトルの位相誤差を最小にし、電流制御性能を維持し、電流リプルが減少したＰＷＭインバータ装置とその制御方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例のブロック図である。図において、１は電圧指令補正部，２は電圧指令制限部，３はＰＷＭ信号発生部，４はキャリア信号発生部となっている。

その動作を、図２に示すフローチャートに沿って説明する。ＳＴＥＰ１にて上位のコントローラからＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３相電圧指令が与えられると、ＳＴＥＰ２にて電圧指令シフト器１は各相電圧指令の値（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）の絶対値（｜Ｖｕ｜，｜Ｖｖ｜，｜Ｖｗ｜）を比較し、その絶対値の中で最も大きな値を持つ相の電圧指令Ｖｍａｘ１、２番目に大きな値を持つ相の電圧指令Ｖｍａｘ２、最も小さな値を持つ相の電圧指令Ｖｍｉｎを判別する。次にＳＴＥＰ３にてキャリア信号発生部４から得たキャリア信号の最大値（Ｃｍａｘ），最小値（Ｃｍｉｎ）と、Ｖｍａｘ１の値を比較し、Ｖｍａｘ１がＣｍａｘよりも小さく、かつＶｍａｘ１がＣｍｉｎよりも大きい場合、ＳＴＥＰ４１にて前記電圧指令補正部１は、各相電圧指令をそのまま電圧制限器２に送る。電圧制限器２は、各相電圧指令をＣｍｉｎからＣｍａｘの間に制限する。この場合、すべての相がＣｍｉｎからＣｍａｘまでに入っているはずなので、前記電圧制限器２は各相電圧指令をそのままＰＷＭ信号発生器３への信号として出力する。

次にＶｍａｘ１がＣｍａｘよりも大きく、かつ（Ｃｍａｘ１×２／√３）よりも小さい場合、ＳＴＥＰ４２にて（Ｖｍａｘ１−Ｃｍａｘ）を計算し、前記電圧シフト器１は、
Ｖｕ’＝Ｖｕ−（Ｖｍａｘ１−Ｃｍａｘ） （１）
Ｖｖ’＝Ｖｖ−（Ｖｍａｘ１−Ｃｍａｘ） （２）
Ｖｗ’＝Ｖｗ−（Ｖｍａｘ１−Ｃｍａｘ） （３）
として電圧制限器２に出力する。電圧制限器２は、ＳＴＥＰ５にて各相電圧指令をＣｍｉｎからＣｍａｘの間に制限し、ＰＷＭ信号発生器３へ出力する。

次にＶｍａｘ１がＣｍｉｎよりも小さく、かつ（Ｃｍｉｎ×√３／２）よりも大きい場合、ＳＴＥＰ４３にてＶｍａｘ１−Ｃｍｉｎを計算し、前記電圧シフト器１は、
Ｖｕ’＝Ｖｕ−（Ｖｍａｘ１−Ｃｍｉｎ） （４）
Ｖｖ’＝Ｖｖ−（Ｖｍａｘ１−Ｃｍｉｎ） （５）
Ｖｗ’＝Ｖｗ−（Ｖｍａｘ１−Ｃｍｉｎ） （６）
として電圧制限器２に出力する。前記電圧制限器２は、ＳＴＥＰ５にて各相電圧指令をＣｍｉｎからＣｍａｘの間に制限し、ＰＷＭ信号発生器３へ出力する。

次に（Ｃｍａｘ×２／√３）よりも大きい場合、ＳＴＥＰ４４にて(Ｖｍａｘ１＋Ｖｍａｘ２)／２を計算し、前記電圧シフト器１は、
Ｖｕ’＝Ｖｕ−（Ｖｍａｘ１＋Ｖｍａｘ２）／２ （７）
Ｖｖ’＝Ｖｖ−（Ｖｍａｘ１＋Ｖｍａｘ２）／２ （８）
Ｖｗ’＝Ｖｗ−（Ｖｍａｘ１＋Ｖｍａｘ２）／２ （９）
として電圧制限器２に出力する。

次に電圧制限器２は、ＳＴＥＰ５にて各相電圧指令をＣｍｉｎからＣｍａｘの間に制限し、ＰＷＭ信号発生器３へ出力する。また、ＳＴＥＰ４４で電圧シフトされた各相電圧指令のうち、絶対値が最大の相をＶｍａｘ１’とし、ＳＴＥＰ６１にて各相電圧指令の中でその絶対値がもっとも小さな値を持つ相の電圧指令を、
Ｖｍｉｎ’’＝Ｖｍｉｎ’×Ｃｍａｘ／Ｖｍａｘ１’ （１０）
で補正する。

次に（Ｃｍｉｎ×√３／２）よりも小さい場合、ＳＴＥＰ４５にて(Ｖｍａｘ１＋Ｖｍａｘ２）／２を計算し、前記電圧シフト器１は、
Ｖｕ’＝Ｖｕ−（Ｖｍａｘ１＋Ｖｍａｘ２）／２ （１１）
Ｖｖ’＝Ｖｖ−（Ｖｍａｘ１＋Ｖｍａｘ２）／２ （１２）
Ｖｗ’＝Ｖｗ−（Ｖｍａｘ１＋Ｖｍａｘ２）／２ （１３）
として電圧制限器２に出力する。

次に電圧制限器２は、ＳＴＥＰ５にて各相電圧指令をＣｍｉｎからＣｍａｘの間に制限し、ＰＷＭ信号発生器３へ出力する。また、ＳＴＥＰ４５で電圧シフトされた各相電圧指令のうち、絶対値が最大の相をＶｍａｘ１’とし、ＳＴＥＰ６２にて各相電圧指令の中でその絶対値がもっとも小さな値を持つ相の電圧指令を
Ｖｍｉｎ’’＝Ｖｍｉｎ’×Ｃｍａｘ／Ｖｍａｘ１’ （１４）
で補正する。
ＳＴＥＰ７では、ＰＷＭ信号発生器３はキャリア信号発生部４からのキャリアとＶｕ’’，Ｖｖ’’，Ｖｗ’’を比較して各相のＰＷＭ信号を出力する。このようにすると、電圧指令と実際にモータに印加される電圧ベクトルの位相誤差を減らすことができるので、電流制御の性能を劣化させることなくモータを動かすことができる。
図６は変調率１５０％のときの本発明を適用したときの電圧ベクトル位相誤差を従来例と比較した図である。従来例は位相誤差が電気角により周期的に変化するのに対し本発明の位相誤差を零である。
図７は本発明のシミュレーション結果である。６ステップ動作へスムースに移行していることがわかる。

このように、本発明によれば、各相電圧指令の絶対値の最大値の値に応じて各相電圧指令の補正を行い、更に各相電圧指令の絶対値が最小の相も補正を行うので、電圧指令に対する実際にモータに印加される電圧ベクトルの位相誤差を最小にすることができ、電流制御性能を劣化させることなく、リップルが少なく滑らかにモータを駆動することができる。

本発明の第１実施例を示すＰＷＭインバータ装置のブロック図 第２実施例を示すフローチャート ＰＷＭ信号を作り出す従来の一般方式を示したもの 空間ベクトルの概念による６ステップ電圧出力を示した第１の従来例を表したもの 第２の従来例の構成を示すブロック図 第２の従来例と本発明の電圧ベクトルの位相誤差 本発明のシミュレーション結果

符号の説明

１ 電圧指令補正部
２ 電圧指令制限部
３ ＰＷＭ信号発生部
４ キャリア信号発生部
５ 電圧指令処理部
１０１ 電圧指令シフト器
１０２ ＰＷＭ信号発生器
１０３ キャリア信号発生器

Claims (6)

1. 相電圧指令と三角波または鋸波状のキャリアとを大小比較してＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部を備えたＰＷＭインバータ装置において、
   前記各相電圧指令のうち絶対値が最大となる最大相と、絶対値が２番目に大きくなる第２の相を選択し、
   前記最大相の相電圧指令が前記キャリアの最大値よりも大きく、（キャリアの最大値×２／√３）の値より小さい場合には、前記最大相の相電圧指令から前記キャリアの最大値を引いた値を第１のシフト量とし、前記第１のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とし、
   前記最大相の相電圧指令が前記キャリアの最小値よりも小さく、（キャリアの最小値×√３／２）の値より大きい場合には、前記最大相の相電圧指令から前記キャリアの最小値を引いた値を第２のシフト量とし、前記第２のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とし、
   前記各相電圧の最大相が（キャリアの最大値×２／√３）の値より大きい場合には、前記各相電圧の最大相と第２の相を加算した値の１／２を第３のシフト量とし、前記第３のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とし、
   前記各相電圧の最大相が（キャリアの最小値×√３／２）の値より小さい場合には、前記各相電圧の最大相と第２の相を加算した値の１／２を第４のシフト量とし、前記第４のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とし、
   その他の場合には、相電圧指令をそのまま相出力電圧指令とし、
   前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とし、
   前記相電圧出力電圧指令を前記ＰＷＭ信号発生部に出力する電圧指令処理部を備えたことを特徴とするＰＷＭインバータ装置。
2. 前記各相電圧の最大相が（キャリアの最大値×√３／２）より大きい場合、または（キャリアの最小値×２／√３）より小さい場合に、前記各相電圧の絶対値の最小相も補正することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭインバータ装置。
3. 前記各相電圧の絶対値の最小相の補正式が、補正後の電圧指令＝補正前の電圧指令×キャリアの最大値／各相電圧指令の絶対値の最大値であることを特徴とする請求項１または２記載のＰＷＭインバータ装置。
4. 相電圧指令と三角波または鋸波状のキャリアとを大小比較してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号発生部部を備えたＰＷＭインバータ装置の制御方法において、
   前記各相電圧指令のうち絶対値が最大となる最大相と、絶対値が２番目に大きくなる第２の相を選択するステップと、
   前記最大相の相電圧指令が前記キャリアの最大値よりも大きく、（キャリアの最大値×２／√３）の値より小さい場合には、前記最大相の相電圧指令から前記キャリアの最大値を引いた値を第１のシフト量とするステップと、
   前記第１のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とするステップと、
   前記最大相の相電圧指令が前記キャリアの最小値よりも小さく、（キャリアの最小値×√３／２）の値より大きい場合には、前記最大相の相電圧指令から前記キャリアの最小値を引いた値を第２のシフト量とするステップと、
   前記第２のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とするステップと、
   前記各相電圧の最大相が（キャリアの最大値×２／√３）の値より大きい場合には、前記各相電圧の最大相と第２の相を加算した値の１／２を第３のシフト量とするステップと、
   前記第３のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とするステップと、
   前記各相電圧の最大相が（キャリアの最小値×√３／２）の値より小さい場合には、前記各相電圧の最大相と第２の相を加算した値の１／２を第４のシフト量とするステップと、
   前記第４のシフト量を前記各相の相電圧指令から減算し、前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とするステップと、
   その他の場合には、相電圧指令をそのまま相出力電圧指令とするステップと、
   前記各減算した値を前記各相の相出力電圧指令とするステップと、
   前記相電圧出力電圧指令を前記ＰＷＭ信号発生部に出力するステップと、
   を備えることを特徴とするＰＷＭインバータ装置の制御方法。
5. 前記各相電圧の最大相が（キャリアの最大値×√３／２）より大きい場合、または（キャリアの最小値×２／√３）より小さい場合に、前記各相電圧の絶対値の最小相も補正するステップを備えることを特徴とする請求項４記載のＰＷＭインバータ装置の制御方法。
6. 前記各相電圧の絶対値の最小相の補正式が、補正後の電圧指令＝補正前の電圧指令×キャリアの最大値／各相電圧指令の絶対値の最大値であることを特徴とする請求項４または５記載のＰＷＭインバータ装置の制御方法。
   

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