JP2010206973A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device.
従来より、複数の電源を利用して、効率的に負荷を駆動する技術が開示されている。例えば、特許文献1には、DC/DCコンバータを介さずに、複数の電源電力を利用・配分し、全体の体積・損失を低減可能な電力変換装置が開示されている。具体的には、この電力変換装置は、直列に接続された第1および第2の電源を利用して、第1の電源の正極と第2の電源の負極とを接続して形成される極と、第1の電源の負極と、第2の電源の正極とから、負荷へ接続する極を切り替えることにより、各電源の出力電圧から電圧パルスを生成する。
Conventionally, a technique for efficiently driving a load using a plurality of power supplies has been disclosed. For example,
なお、特許文献2には、複数の電源が互いに並列接続されており、制御手段に制御されることにより、電力変換手段が各電源の出力電圧から電圧パルスを生成する手法が開示されている。ここで、電圧パルスは、低電位側の電源に対応するPWMパルス信号がオンしている間に、高電位側の電源に対応するPWMパルスをオンしオフすることにより、生成される。
ところで、特許文献1に開示された手法によれば、単一電源電位や直列電源電位といったように各電位での出力を実現することができる。しかしながら、スイッチ手段の導通状態および遮断状態が長い時間継続してしまう場合があり、回路中の直流電力に脈動が生じる可能性がある。
By the way, according to the technique disclosed in
また、特許文献2に開示された手法によれば、低電位および高電位という概念のもと並列接続の電源を利用・配分するものであり、直列接続された複数の電源電力を利用・配分するものではない。また、低電位および高電位という概念を、単に、直列接続に対して適用したとしても、短絡などが生じる虞がある。
Further, according to the technique disclosed in
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、直列接続された複数の電源から負荷の駆動電圧を生成する場合に、短絡を抑制しつつ、電力配分の高速制御が可能な電力変換装置を提供することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to enable high-speed control of power distribution while suppressing a short circuit when generating a drive voltage of a load from a plurality of power supplies connected in series. It is to provide a power conversion device.
かかる課題を解決するために、本発明は、キャリアの1周期における各スイッチ手段に対する制御として、最下位の電源から最上位の電源にかけて、下位の電源に対応するスイッチ手段の導通期間中にその上位の電源に対応するスイッチ手段を導通させる。 In order to solve such a problem, the present invention provides a control for each switch means in one cycle of the carrier, from the lowest power supply to the highest power supply, during the conduction period of the switch means corresponding to the lower power supply. The switch means corresponding to the power source is made conductive.
本発明によれば、複数の直列電源において下位側の電源と上位側の電源との関係に着目することで、短絡の発生を抑制しつつ、電力の高速配分を実現することができる。これにより、複数の電源を同時に制御しながら負荷に電力を供給することができる。 According to the present invention, by paying attention to the relationship between the lower power supply and the upper power supply in a plurality of series power supplies, high-speed power distribution can be realized while suppressing the occurrence of short circuits. Thereby, electric power can be supplied to the load while simultaneously controlling a plurality of power supplies.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる電力変換装置を含む制御システムの全体構成を模式的に示す説明図である。本実施形態では、電気自動車の駆動用モータに適用された制御システムについて説明を行う。この制御システムは、電力変換器10、モータ30および制御ユニット40を主体に構成されており、電力変換器10および制御ユニット40が本実施形態にかかる電力変換装置を構成している。
(First embodiment)
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing an overall configuration of a control system including a power conversion device according to the first embodiment of the present invention. In the present embodiment, a control system applied to a drive motor for an electric vehicle will be described. This control system is mainly configured by a
図2は、電力変換器10を中心としたシステム構成を模式的に示す説明図である。電力変換器10は、互いに直列接続された複数の電源(本実施形態では、第1および第2の電源20,21)に接続されており、制御ユニット40に制御されることにより各電源20,21の出力電圧から出力電圧パルスを生成する(第1の電力変換手段)。そして、電力変換器10は、この出力電圧パルスにより、負荷である3相交流同期モータ30の駆動電圧を生成する。
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a system configuration centering on the
ここで、第1および第2の電源20,21は、それぞれが独立した直流電源であり、下位の電源である第1の電源20の正極と、その上位の電源である第2の電源21の負極とが接続されることにより直列接続されている。個々の電源20,21としては、例えば、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池といったバッテリを用いることができる。第1の電源20の負極は、負極母線13が接続され、第2の電源21の正極は、正極母線14が接続されている。また、第1の電源20の正極および第2の電源21の負極は、共通母線15に接続されている。この負極母線13と共通母線15との間には、平滑コンデンサ11が設けられており、正極母線14と共通母線15との間には、平滑コンデンサ12が設けられている。
Here, each of the first and
電力変換器10において、共通母線15と、3相に対応する各出力端子との間には、双方向の導通を制御可能なスイッチ手段がそれぞれ接続されている。個々のスイッチ手段は、それぞれが一方向への導通を制御可能な一対の半導体スイッチ(例えば、NPN型のトランジスタ等のスイッチング素子)1a,1b〜3a,3bを、互いの導通方向が逆向きの状態で直列接続することによって構成されている。また、正極母線14と、3相に対応する各出力端子との間には、一般的な3相インバータの上アームと同様なスイッチ手段がそれぞれ接続されている。個々のスイッチ手段は、半導体スイッチ(例えば、NPN型のトランジスタ等のスイッチング素子)4a〜6aを主体に構成されており、個々のスイッチ(トランジスタ)4a〜6aは、コレクタ・エミッタ間に還流用ダイオード4b〜6bが逆並列接続されている。さらに、負極母線13と、3相に対応する各出力端子との間には、一般的な3相インバータの下アームと同様なスイッチ手段がそれぞれ接続されている。個々のスイッチ手段は、半導体スイッチ(例えば、NPN型のトランジスタ等のスイッチング素子)7a〜9aを主体に構成されており、個々のスイッチ(トランジスタ)7a〜9aは、コレクタ・エミッタ間に還流用ダイオード7b〜9bが逆並列接続されている。
In the
これらの半導体スイッチ(以下単に「スイッチ」という)のオンオフ状態、すなわち、導通および遮断の切り替え(スイッチング動作)は、制御ユニット40から出力される駆動信号を通じてそれぞれ制御される。個々のスイッチは、制御ユニット40によってオンされることにより導通状態となり、オフされることにより非導通状態(遮断状態)となる。
The on / off state of these semiconductor switches (hereinafter simply referred to as “switches”), that is, switching between conduction and cutoff (switching operation) is controlled through a drive signal output from the
図3は、電力変換器10の各相の出力端子の電位の説明図である。電力変換器10の各相の出力端子の電位は、第1の電源20の電圧(以下「第1の電源電圧」という)Vdc1と、第2の電源21の電圧(以下「第2の電源電圧」という)Vdc2とに基づいて、次のように考えることができる。以下、U相のみを例示して説明を行うが、他の相(V相、W相)に対応する出力端子の電位についても同様に考えることができる。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the potential of the output terminal of each phase of the
まず、同図(a)に示すように、共通母線15とU相出力端子との間のスイッチ1a,1bをそれぞれオフする。この場合、U相出力端子の電位は、2つの電源20,21を直列に接続した直列電源(電源電圧「Vdc1+Vdc2」)をベースに、スイッチ4a,7aを上下アームとするインバータ回路と同様に、スイッチ4a,7aのオンオフ状態を制御することによって操作することができる。
First, as shown in FIG. 5A, the
同図(b)に示すように、正極母線14とU相出力端子との間のスイッチ4aをオフとするとともに、共通母線15とU相出力端子との間の一対のスイッチ1a,1bのうち一方のスイッチ1bをオンとする。この場合、U相出力端子の電位は、第1の電源20(電源電圧「Vdc1」)をベースに、スイッチ1a,7aを上下アームとするインバータと同様に、スイッチ1a,7aのオンオフ状態を制御することによって操作することができる。
As shown in FIG. 4B, the
同図(c)に示すように、負極母線13とU相出力端子との間のスイッチ7aをオフとするとともに、共通母線15とU相出力端子との間の一対のスイッチ1a,1bのうち他方のスイッチ1aをオンとする。この場合、U相出力端子の電位は、第2の電源21(電源電圧「Vdc2」)をベースに、スイッチ1b,4aを上下アームとするインバータと同様に、スイッチ1b,4aのオンオフ状態を制御することによって操作することができる。
As shown in FIG. 5C, the
このように電力変換器10は、2つの電源20,21を同時に利用して、または、片方の電源20,21のみを利用してモータ30を駆動することができる。
As described above, the
モータ30は、例えば、中性点を中心に星形結線された複数の相巻線(本実施形態では、U相巻線、V相巻線、W相巻線からなる3つの相巻線)を有する3相交流同期モータである。このモータ30は、電力変換器10内で変換された3相の交流電力が各相巻線に供給されることにより生じる磁界と、回転子の永久磁石が作る磁界との相互作用により駆動する。モータ30のロータは、自動変速機の入力軸に連結されている。
The
再び図1を参照するに、制御ユニット40は、電力変換器10を制御する制御手段であり、この電力変換器10を介して負荷であるモータ30の出力トルクを制御する(第1の制御手段)。制御ユニット40としては、CPU、ROM、RAM、I/Oインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。制御ユニット40は、ROMに記憶された制御プログラムに従い、電力変換器10を制御するための演算を行う。そして、制御ユニット40は、この演算によって算出された制御信号を電力変換器10に対して出力する。
Referring to FIG. 1 again, the
制御ユニット40は、これを機能的に捉えた場合、トルク制御部41と、電流制御部42と、dq/3相変換部43と、電圧配分指令生成部44と、電圧配分部45と、変調率指令生成部46と、導通信号生成部47と、搬送波生成部48と、3相/dq変換部49とを有する。
When the
トルク制御部41は、外部より与えられるトルク指令T*と、モータ回転数ωとに基づいて、モータ30のd軸およびq軸電流指令値id*,iq*をそれぞれ演算する。電流制御部42は、d軸およびq軸電流指令値id*,iq*と、d軸およびq軸電流値id,iqとに基づいて、指令値と実値とを一致させるためのd軸およびq軸電圧指令値vd*,vq*をそれぞれ演算する。ここで、d軸およびq軸電流値id,iqは、モータ30の各相の電流を電流センサによって検出した上で、3相の電流を3相/dq変換部49が変換することにより演算される。なお、モータ30の各相の電流の和はゼロとなるため、少なくとも2相の電流iu,ivを検出することにより、モータ30の各相の電流を特定することができる。dq/3相変換部43は、d軸およびq軸電圧指令値vd*,vq*を3相の出力電圧指令値vu*,vv*,vw*に変換する。
The torque control unit 41 calculates the d-axis and q-axis current command values id * and iq * of the
電圧配分指令生成部(電圧配分指令生成手段)44には、外部より目標配分割合rto*が入力される。この目標配分割合rto*は、第1の電源20の出力割合を示すパラメータである。第1の電源20のみで電力を出力する場合、「1」が目標配分割合rto*として入力され、第2の電源21のみで電力を出力する場合、「0」が目標配分割合rto*として入力される。また、第1の電源20と第2の電源21とで均等に電力を配分する場合、「0.5」が目標配分割合rto*として入力される。電圧配分指令生成部44は、目標配分割合rto*が入力されると、この値に基づいて電圧配分指令rto_cmdを電圧配分部45に出力する。電圧配分指令rto_cmdは、第1の電源20と第2の電源21とに対する出力電圧の配分を示すパラメータであり、本実施形態では、目標配分割合rto*に対応する値(rto_cmd=rto*)として電圧配分指令生成部44によって生成される。
The target distribution ratio rto * is input to the voltage distribution command generation unit (voltage distribution command generation means) 44 from the outside. This target distribution ratio rto * is a parameter indicating the output ratio of the
電圧配分部45は、電圧配分指令生成部44から出力された電圧配分指令rto_cmdに応じて各相の出力電圧指令値vu*,vv*,vw*をそれぞれ配分する(電圧配分手段)。これにより、第1の電源20に関する3相の出力電圧指令値である配分電圧指令値Vu1_cmd,Vv1_cmd,Vw1_cmdと、第2の電源21に関する3相の出力電圧指令値である配分電圧指令値Vu2_cmd,Vv2_cmd,Vw2_cmdが演算される。
The
ここで、電圧配分部45が演算する配分電圧指令値Vu1_cmd〜Vw2_cmdの演算概念について説明する。モータトルクをトルク指令値T*通りに制御しつつ、第1の電源20から供給される電力P1と、第2の電源21から供給される電力P2の割合を変更するには、数式1に示す電圧条件および数式2に示す電力条件の双方の条件を満たせばよい。
数式1,2および電圧配分指令rto_cmdを用いることにより、配分電圧指令値Vu1_cmd〜Vw2_cmdは下式の関係によって規定される。電圧配分部45は、下式に示すように、3相の出力電圧指令値vu*,vv*,vw*と、電圧配分指令rto_cmdとに基づいて、配分電圧指令値Vu1_cmd〜Vw2_cmdをそれぞれ演算する。
図4は、変調率指令生成部46の構成を示す説明図である。変調率指令生成部46は、第1および第2の電源電圧Vdc1,Vdc2を参照し、配分電圧指令値Vu1_cmd〜Vw2_cmdから、最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdを生成する。この最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdは、出力電圧パルスを生成するために、搬送波生成部48により生成されるキャリア(第1のキャリア)と比較される変調率の指令値である。変調率指令生成部46は、初期変調率指令生成部46aと、最終変調率指令生成部46bとを備えている。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the configuration of the modulation
初期変調率指令生成部46aは、配分電圧指令値Vu1_cmd〜Vw2_cmdを電源電圧Vdc1,Vdc2で規格化することにより、初期変調率指令mu1〜mw2を演算する(初期変調率指令生成手段)。具体的には、第1の電源20に関する配分電圧指令値Vu1_cmd〜Vw1_cmdのそれぞれが第1の電源電圧Vdc1で規格化される、すなわち、配分電圧指令値Vu1_cmd〜Vw1_cmdのそれぞれが第1の電源電圧Vdc1によって除算される。これにより、第1の電源20に関する各相の初期変調率指令mu1〜mw1がそれぞれ演算される。また、第2の電源21に関する配分電圧指令値Vu2_cmd〜Vw2_cmdのそれぞれが第2の電源電圧Vdc2で規格化される、すなわち、配分電圧指令値Vu2_cmd〜Vw2_cmdのそれぞれが第2の電源電圧Vdc2によって除算される。これにより、第2の電源21に関する各相の初期変調率指令mu2〜mw2がそれぞれ演算される。
The initial modulation
最終変調率指令生成部46bは、初期変調率指令mu1〜mw2に基づいて、最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdを生成する。この最終変調率指令生成部46bは、オフセット部46cと、制限部46dとを備えている。
The final modulation rate
図5は、オフセット部46cの構成を示す説明図である。オフセット部46cは、各電源20,21に関する初期変調率指令mu1〜mw2をそれぞれオフセットさせるオフセット処理を行う(オフセット手段)。具体的には、オフセット部46cは、第1の電源20に関する変調率指令が第2の電源21に関する変調率指令以上となるようにオフセット処理を行う。このオフセット処理により、第1の電源20の正極から負荷へと接続するスイッチ1a〜3aの導通期間中に、第2の電源21の正極から負荷へと接続するスイッチ4a〜6aが導通するように、最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdが規定される。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the configuration of the offset
このオフセット部46cは、変調率振幅演算部46eと、オフセット値生成部46fと、オフセット処理部46gとを有している。
The offset
変調率振幅演算部46eは、オフセット処理に必要なオフセット値を求める前提として、初期変調率指令mu1〜mw2の振幅を演算する。具体的には、変調率振幅演算部46eは、d軸およびq軸電圧指令値vd*,vq*に基づいて、出力電圧指令値vu*,vv*,vw*の振幅、例えば、U相出力電圧指令値vu*の振幅vu*_pkを演算する(数式4(1)参照)。つぎに、演算された振幅vu*_pkと、電圧配分指令rto_cmdとを用いて、第1の電源20に関する配分電圧指令値Vu1_cmd〜Vw1_cmdの振幅、例えば、U相配分電圧指令値Vu1_cmdの振幅vu1_cmd_pk、および、第2の電源21に関する配分電圧指令値Vu2_cmd〜Vw2_cmdの振幅、例えば、U相配分電圧指令値Vu2_cmdの振幅vu2_cmd_pkが演算される(数式4(2),(3)参照)。そして、演算された各振幅vu1_cmd_pk,vu2_cmd_pkは、対応する電源電圧Vdc1,Vdc2で規格化される(数式4(4),(5)参照)。これにより、第1の電源20に関する初期変調率指令mu1〜mw1の振幅(以下「第1の変調率振幅」という)mu1_pkと、第2の電源21に関する初期変調率指令mu2〜mw2の振幅(以下「第2の変調率振幅」という)mu2_pkとが演算される。
オフセット値生成部46fは、変調率指令がキャリアと比較できるように、また、第1の電源20に関する変調率指令が第2の電源21に関する変調率指令以上となるように、各電源20毎に、初期変調率指令mu1〜mw1,mu2〜mw2に対するオフセット値m1_off,m2_offを演算する。ここで、第1のオフセット値m1_offは、第1の初期変調率指令mu1〜mw1に対するオフセット値であり、第2のオフセット値m2_offは、第2の初期変調率指令mu2〜mw2に対するオフセット値である。
The offset
オフセット処理では、基本的に、第1の電源20に関する変調率指令は、キャリア上部(キャリア振幅の上限(最大値))よりも下側に位置するようにオフセットが行われ、第2の電源21に関する変調率指令は、キャリア下部(キャリア振幅の下限(最小値))よりも上側に位置するようにオフセットが行われる。具体的には、第1および第2のオフセット値m1_off,m2_offは、下式に基づいて演算される。第1および第2の変調率振幅mu1_pk,mu2_pkを参照することにより、変調率指令がすべての時間においてキャリアと比較できるようなオフセット値m1_off,m2_offが演算される。
オフセット処理部46gは、オフセット値m1_off,m2_offに基づいて、初期変調率指令mu2〜mw2にオフセット処理を施すことにより、オフセット変調率指令mu1_off〜mw2_offを演算する。具体的には、オフセット処理部46gは、第1の電源20に関する各初期変調率指令mu1〜mw1に第1のオフセット値m1_offをそれぞれ加算することにより、第1の電源20に関する各相のオフセット変調率指令mu1_off〜mw1_offをそれぞれ演算する。また、オフセット処理部46gは、第2の電源21に関する各初期変調率指令mu2〜mw2に第2のオフセット値m2_offをそれぞれ加算することにより、第2の電源21に関する各相のオフセット変調率指令mu2_off〜mw2_offをそれぞれ演算する。
The offset
図6は、制限部46dの構成を示す説明図である。制限部46dは、オフセット処理が行われた各電源20,21の変調率指令、すなわち、オフセット変調率指令mu2_off〜mw2_offに対して制限処理を行うことにより、各電源20,21の最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdを生成する(制限手段)。この制限部46dは、制限処理により、第1の電源20の正極から負荷へと接続するスイッチ1a〜3aの導通時間と、第2の電源21の正極から負荷へと接続するスイッチ4a〜6aの導通時間とが大小関係において逆転しないように制限をかける機能を担っている。具体的には、制限部46dは、変調率指令がキャリアの最大値(具体的には「1」)および最小値(具体的には「0」)の範囲から外れないように制限を行い、さらには、第1の電源20に関する変調率が第2の電源に関する変調率未満とならないように制限を行う。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the configuration of the limiting
制限部46dは、優先変調率選択部46hと、変調率制限部46iとを備えている。
The limiting
優先変調率選択部46hは、第1および第2の電源20,21のうち、どちらの電源20,21の変調率指令を優先させるかを選択する。この選択は、第1の電源20に関する変調率指令を第2の電源21に関する変調率指令以上とする制限を行う際、優先させる変調率指令を基準として、もう一方の変調率指令にかけるために行われる。具体的には、電圧配分指令rto_cmdが1よりも大きい場合には(rto_cmd>1)、第1の電源20に関する変調率指令が優先変調率として選択される。電圧配分指令rto_cmdが0よりも小さい場合には(rto_cmd<0)、第2の電源21に関する変調率指令が優先変調率として選択される。一方、電圧配分指令rto_cmdが0以上かつ1以下の場合には(0≦rto_cmd≦1)、第1および第2の電源20に関する変調率指令のいずれも優先変調率として選択されない。このような選択を行うことにより、配分電圧指令値Vu1_cmd〜Vw2_cmdが、電圧配分される前の出力電圧指令値vu*,vv*,vw*よりも大きい値となる電源20,21の変調率指令を選択することができる。
The priority modulation
変調率制限部46iは、優先変調率選択部46hの選択結果に基づいて、初期変調率指令mu1〜mw2に対する上限および下限を設定し、当該設定された制限によりオフセット変調率指令mu1_off〜mw2_offに対する制限を行う。以下、優先選択された変調率指令と、その制限(上限および下限)との関係を説明する。
The modulation
第1のケースとして、優先変調率に第1の電源20に関する変調率指令が選択されている場合を説明する。この場合、第1の電源20に関する各相の変調率指令の制限として、上限に「1(キャリアの最大値)」が設定され、下限に「0(キャリアの最小値)」が設定される。また、第2の電源21に関する各相の変調率指令の制限として、上限に「1」および「第1の電源20のオフセット変調率指令mu1_off〜mw1_off」のうち小さい方の値が設定され、下限には「0」が設定される。
As a first case, a case where a modulation rate command related to the
第2のケースとして、優先変調率に第2の電源20に関する変調率指令が選択されている場合を説明する。この場合、第1の電源20に関する各相の変調率指令の制限として、上限に「1」が設定され、下限に「0」および「第2の電源21のオフセット変調率指令mu2_off〜mw2_off」のうち大きい方の値が設定される。また、第2の電源21に関する各相の変調率指令の制限として、上限に「1」が設定され、下限に「0」が設定される。
As a second case, a case where a modulation rate command related to the
第3のケースとして、優先変調率として何も選択されてない場合を説明する。この場合、第1の電源20に関する各相の変調率指令の制限として、上限には「1」が設定され、下限に「0」および「第2の電源21のオフセット変調率指令mu2_off〜mw2_off」のうち大きい方の値が設定される。また、第2の電源21に関する各相の変調率指令の制限として、上限に「1」および「第1の電源20のオフセット変調率指令mu1_off〜mw1_off」のうち小さい方の値が設定され、下限値に「0」が設定される。
As a third case, a case where nothing is selected as the priority modulation rate will be described. In this case, “1” is set as the upper limit, “0” is set as the upper limit, and “offset modulation rate commands mu2_off to mw2_off of the
変調率制限部46iは、上記のように設定される上限および下限をリミッタとして、オフセット変調率指令mu1_off〜mw2_offを入力することにより、最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdを生成する。具体的には、第1の電源20に関する各相の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdと、第2の電源21に関する各相の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdとが生成される。
The modulation
再び図1を参照するに、導通信号生成部47は、最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdと、搬送波生成部48において生成されたキャリアとに基づいて、電力変換器10の各スイッチのオンオフ状態を設定する導通信号を生成する。そして、導通信号生成部47は、生成された導通信号を通じて電力変換器10の各スイッチのオンオフ状態を制御する(導通制御手段)。本実施形態において、搬送波生成部48は、下限を「0」、上限を「1」として周期的に変動するキャリアを生成する。なお、キャリアには、三角波を用いることができるが、三角波ではなく鋸波を用いてもよい。
Referring again to FIG. 1, the conduction signal generation unit 47 sets the on / off state of each switch of the
図7は、導通信号生成部47による電力変換器10の各スイッチのオンオフ状態の説明図である。導通信号生成部47は、最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdとキャリアとの比較の結果、導通信号を生成し、この導通信号を通じて各スイッチのオンオフ状態を制御する。以下、U相のみについて説明を行うが、他の相についても同様である。この図7において、各スイッチ1a,1b,4a,7aに関する導通信号がHighレベルのときに、各スイッチ1a,1b,4a,7aがオンとなる。また、Vunは、U相の出力電圧、すなわち、電力変換器10のU相の出力と、平滑コンデンサ11の負極との間の電圧を示す。
FIG. 7 is an explanatory diagram of an on / off state of each switch of the
まず、第1の電源20のみで構成するインバータ回路(図3(b)参照)を、キャリアと、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmdとの比較で回路を駆動する場合を考える。導通信号生成部47は、最終変調率指令mu1_cmdがキャリアよりも小さい場合(mu1_cmd<キャリア)、スイッチ1aをオフに制御し、スイッチ7aをオンに制御する。これに対して、最終変調率指令mu1_cmdがキャリアよりも大きい場合(mu1_cmd>キャリア)、スイッチ1aがオンに制御され、スイッチ7aがオフに制御される。
First, consider a case in which an inverter circuit (see FIG. 3B) configured only by the
次に、第2の電源21のみで構成するインバータ回路(図3(c)参照)を、キャリアと、第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmdとの比較で回路を駆動する場合を考える。導通信号生成部47は、最終変調率指令mu2_cmdがキャリアよりも小さい場合(mu2_cmd<キャリア)、スイッチ1bをオンに制御し、スイッチ4aをオフに制御する。これに対して、最終変調率指令mu2_cmdがキャリアよりも大きい場合(mu2_cmd>キャリア)、スイッチ1bがオフに制御され、スイッチ4aがオンに制御される。
Next, consider a case where an inverter circuit (see FIG. 3C) configured only by the
図7から分かるように、本実施形態では、U相用のスイッチ1a,1b,4a,7aの操作により、PWM1周期、すなわち、キャリア1周期において、以下に示す(1)から(4)の状態が順次設定される。
As can be seen from FIG. 7, in this embodiment, the following states (1) to (4) are obtained in the
(1)全電源20,21のオフ
スイッチ1a:オフ,スイッチ7a:オン,スイッチ1b:オン,スイッチ4a:オフ
(2)下位の第1の電源20のみオン
スイッチ1a:オン,スイッチ7a:オフ,スイッチ1b:オン,スイッチ4a:オフ
(3)第1の電源20のオン期間中にその上位の第2の電源21のオン
スイッチ1a:オン,スイッチ7a:オフ,スイッチ1b:オフ,スイッチ4a:オン
(4)下位の第1の電源20のみオン(上位の第2の電源21のオフ)
スイッチ1a:オン,スイッチ7a:オフ,スイッチ1b:オン,スイッチ4a:オフ
一連のスイッチ操作から分かるように、キャリアの1周期における各電源20,21からモータ30へと接続する各スイッチに対する制御は、つぎのように示すことができる。具体的には、第1の電源20から第2の電源21にかけて、第1の電源20からモータ30へ接続するスイッチ1aの導通期間中に、第2の電源21からモータ30へ接続するスイッチ4aが導通される。このスイッチ制御により、キャリアの1周期における出力電圧パルスは、最下位の第1の電源20の負極電圧(「0」)と、第1の電源20の正極電圧(「Vdc1」)と、第1の電源20の正極電圧出力期間中に第2の電源21が出力する正極電圧(「Vdc1+Vdc2」)とで構成され、凸状の波形となる。
(1) Off
このように本実施形態において、電力変換器10において、キャリアの1周期における各スイッチに対する制御として、最下位の電源(第1の電源20)から最上位の電源(第2の電源21)にかけて、下位の電源(第1の電源20)に対応するスイッチ(スイッチ1a)の導通期間中に、その上位の電源(第2の電源21)に対応するスイッチ(スイッチ4a)が導通される。この電力変換器10の制御により、キャリアの1周期における出力電圧パルスは、第1の電源20の負極電圧(「0」)と、最下位の電源(第1の電源20)から最上位の電源(第2の電源21)にかけて、自己よりも下位の電源の正極電圧出力期間中に各電源が出力する正極電圧(「Vdc1」および「Vdc1+Vdc2」)とで構成される。かかる構成によれば、直列電源を下位から上位に従って制御することで、短絡の発生を抑制しつつ、電力の高速配分が実現することができる。これにより、両方の電源20,21を同時に制御しながらモータ30に電力を供給することができる。
Thus, in the present embodiment, in the
図8は、導通信号生成部47による電力変換器10の各スイッチのオンオフ状態の説明図である。上述したように、上位の電源に対応するスイッチは、その下位の電源に対応するスイッチの導通期間中に導通するものである。図7に示す例では、最下位から最上位にかけて各電源に対応するスイッチの導通期間は、順次短くなっている。ところで、図8に示すように、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmdと、第2の電源21の最終変調率指令mu1_cmdとが一致しているケースでは、下位の電源に対応するスイッチ(スイッチ1a)の導通期間の始まりと同期して、その上位の電源に対応するスイッチ(スイッチ4a)が導通する。また、下位の電源に対応するスイッチ(スイッチ1a)の導通期間の終わりと同期して、その上位の電源に対応するスイッチ(スイッチ4a)が遮断する。この場合、キャリア1周期において、最下位から最上位にかけて各電源に対応するスイッチの導通期間は同じとなる。キャリアの1周期における出力電圧パルスは、最下位の電源(第1の電源20)の負極電圧(「0」)と、最上位の電源(第2の電源21)がそれよりも下位の電源(第1の電源21)の正極電圧出力期間中に出力する正極電圧(「Vdc1+Vdc2」)とで構成され、単純な矩形波となる。このように、本明細書では、「スイッチの導通期間中」、「下位の電源の正極電圧出力期間中」とは、期間の始点から終点までの全範囲を含むこととする。
FIG. 8 is an explanatory diagram of an on / off state of each switch of the
図9は、電圧配分指令rto_cmdと、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd、第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmdおよびキャリアとの関係を示す説明図である。同図(a),(c)は、電圧配分指令rto_cmdが「0」よりも大きく「1」よりも小さいケースを示している。このケースでは、2つの電源20,21で、モータ30の電力を分担している状態となる。同図(b)は、電圧配分指令rto_cmdが「0」よりも小さいケース、または、電圧配分指令rto_cmdが「1」よりも大きいケースを示している。前者のケースでは、第2の電源21がモータ30の電力以上に出力し、第1の電源20が充電している状態となる。また、後者のケースでは、第1の電源20がモータ30の電力以上に出力し、第2の電源21が充電している状態となる。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the voltage distribution command rto_cmd, the final modulation rate command mu1_cmd of the
同図(d)は、電圧配分指令rto_cmdが「1」となるケースを示しており、このケースは、第1の電源20のみでモータ30の電力を出力している状態となる。また、同図(e)は、電圧配分指令rto_cmdが「0」となるケースを示しており、このケースは、第2の電源21のみでモータ30の電力を出力している状態となる。
FIG. 4D shows a case where the voltage distribution command rto_cmd is “1”. In this case, the electric power of the
また、本実施形態において、最終変調率指令値mu1_cmd〜mw2_cmdは、初期変調率指令mu1〜mw2に対してオフセット処理を行い、その後に制限処理を行うことにより算出される。オフセット処理では、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdは、第2の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmd以上となるように両者が相対的にオフセットされる。これにより、第1の電源20に対応するスイッチ1aの導通時間が、第2の電源21に対応するスイッチ4aの導通時間以上に設定される。そのため、スイッチングパターンの異常を抑制し、安定して両方の電源20,21を同時に制御しながら、モータ30に電力を供給することができる。また、電圧配分指令rto_cmdにより出力電圧指令値vu*,vv*,vw*を配分し、その上で初期変調率指令mu1〜mw2を生成する。そのため、各電源20,21の出力電力を任意の値で制御可能となり、さらに電圧配分指令rto_cmdにより電源20,21の間での電力の移動も可能となる。
In the present embodiment, the final modulation rate command values mu1_cmd to mw2_cmd are calculated by performing offset processing on the initial modulation rate commands mu1 to mw2 and then performing restriction processing. In the offset process, the final modulation factor commands mu1_cmd to mw1_cmd of the
また、本実施形態において、制限処理として、各電源20,21の初期変調率指令mu1〜mw2に関する制限値(上限および下限)が設定され、この制限値の範囲にオフセット変調率指令mu1_off〜mw2_offが制限される。かかる構成によれば、制限値を設定することが可能であるため、運転状態に合わせた制限処理を行うことができる。これにより、モータ30の負荷が急変するような場合であっても、不必要な制限がかけられるといった事態を抑制することができる。その結果、モータ駆動の制御性の向上を図ることができる。
In the present embodiment, as the limiting process, limit values (upper limit and lower limit) regarding the initial modulation rate commands mu1 to mw2 of the power supplies 20 and 21 are set, and the offset modulation rate commands mu1_off to mw2_off are within the limit value range. Limited. According to such a configuration, it is possible to set a limit value, and therefore it is possible to perform a limit process in accordance with the driving state. Thereby, even if it is a case where the load of the
また、本実施形態において、変調率制限部46iは、オフセット変調率指令mu1_off〜mw2_offに関する制限値として、キャリアの最大値または最小値の他に、他方の電源に関するオフセット変調率指令mu1_off〜mw2_offが適用される。かかる構成によれば、第1または第2の電源20,21に関するオフセット変調率指令mu1_off〜mw2_offが、互いの値を制限値とするため、導通時間が逆転しない変調率指令値の範囲を最大とすることができる。そのため、モータ30への出力範囲を最大限広くする、もしくは電圧配分割合の設定範囲を最大限広くすることができる。
In the present embodiment, the modulation
また、本実施形態において、制限部46dは、各電源20,21に関する変調率指令について、どちらの変調率指令を優先とするか選択する優先変調率選択部46hを有している。優先とする変調率指令を選択することで、互いの変調率が交わっている際、優先とする変調率指令に応じて他方の変調率指令を制限することができる。これにより、変調率指令の出力されない空間ができるといった事態を抑制することができるので、モータ30への出力電力を大きく保つことができる。
Further, in the present embodiment, the limiting
また、優先変調率選択部46hは、配分電圧指令値Vu1_cmd〜Vw2_cmdが出力電圧指令値vu*,vv*,vw*よりも大きい電源に対応する変調率指令を選択する。そのため、モータ30を主に駆動している一方の電源20,21に対応する変調率指令が選択されることになる。これにより、モータ30への出力電力は安定して確保されるため、モータ30の出力変動を抑制することができる。
The priority modulation
また、本実施形態において、変調率制限部46iは、優先変調率選択部46hによって優先として選択された電源の変調率指令に関する制限値として、キャリアの最大値および最小値を設定する。かかる構成によれば、優先として選択された変調率指令は、最大振幅を取ることが可能となり、電源からの最大出力の電力をモータ30に与えることができる。
Further, in the present embodiment, the modulation
また、変調率制限部46iは、第1の電源20に対応する変調率指令が優先として選択された場合、第2の電源21の変調率指令に関する制限値として、上限にキャリアの最大値および第1の電源20のオフセット変調率指令mu1_off〜mw1_offのうち小さい方の値を設定し、制限値の下限としてキャリアの最小値を設定する。かかる構成によれば、優先として選択された変調率指令が使用していない部分を最大限利用することが可能となる。そのため、モータ30への出力範囲、もしくは電圧配分割合の設定範囲を最大とすることができる。
In addition, when the modulation rate command corresponding to the
また、変調率制限部46iは、第2の電源21に対応する変調率指令が優先として選択された場合、第1の電源20の変調率指令に関する制限値として、上限にキャリアの最大値を設定し、下限にキャリアの最小値および第2の電源21のオフセット変調率指令mu2_off〜mw2_offのうち大きい方の値を設定する。かかる構成によれば、優先として選択された変調率指令が使用していない部分を最大限利用することが可能となる。そのため、モータ30への出力範囲、もしくは電圧配分割合の設定範囲を最大とすることができる。
In addition, when the modulation rate command corresponding to the
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態にかかる制御システムについて説明する。第2の実施形態にかかる制御システムが、第1の実施形態のそれと相違する点は、制御ユニット40における電圧配分指令生成部44の構成である。第1の実施形態と共通する構成については重複する説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a control system according to the second embodiment of the present invention will be described. The control system according to the second embodiment is different from that of the first embodiment in the configuration of the voltage distribution
図10は、第2の実施形態にかかる電圧配分指令生成部44の構成を模式的に示す説明図である。電圧配分指令生成部44は、外部から入力される目標配分割合rto*に基づいて、電圧配分部45に電圧配分指令rto_cmdを出力する機能を担っており、本実施形態では、電圧振幅演算部44aと、配分範囲演算部44bと、電圧配分指令制限部44cとを備えている。
FIG. 10 is an explanatory diagram schematically illustrating the configuration of the voltage distribution
電圧振幅演算部44aは、d軸およびq軸電圧指令値Vd*,Vq*から、モータ30を駆動するための出力電圧指令値vu*,vv*,vw*の電圧振幅Vpkを演算する。電圧振幅Vpkは、下式に基づいて演算され、その演算結果は配分範囲演算部44bに出力される。
配分範囲演算部44bは、電圧振幅Vpkと、第1および第2の電源電圧Vdc1,Vdc2とに基づいて、電圧配分指令上限rto_uppおよび電圧配分指令下限rto_lowを演算する。具体的には、配分範囲演算部44bは、各電源20,21に関する変調率指令が「1」を超えないような上限下限範囲を演算する。また、配分範囲演算部44bは、第1および第2の電源20,21のうち一方の電源がモータ30の電力以上に電力を出力して他方の電源が余剰分の電力を充電する場合において、第1の電源20に関する変調率指令が第2の電源21に関する変調率指令未満とならない上限下限範囲を演算する。そして、これら演算された上限下限範囲に基づいて電圧配分指令上限rto_uppおよび電圧配分指令下限rto_lowが演算される。
The distribution
第1に、各電源20,21に関する変調率指令が「1」となってしまう範囲の演算方法を説明する。まず、第1の電源電圧Vdc1で変調率指令が「1」となってしまう場合の電圧配分指令の上限範囲rto_upp1は、下式により演算される。この上限範囲rto_upp1は、第1の電源20で電圧振幅Vpkの何倍まで出力できるかを演算することとなる。
つぎに、第2の電源21の電源電圧Vdc2で変調率が「1」となってしまう場合の電圧配分指令の下限範囲rto_low1は、下式により演算される。この下限範囲rto_low1は、第2の電源21のみの場合に変調率指令が1までの間で電圧振幅Vpkの何倍まで出力するかを演算し、この演算値を「1」から減算する。
第2に、一方の電源がモータ30の電力以上に電力を出力して他方の電源が余剰分の電力を充電する場合において、第1の電源20に関する変調率指令が第2の電源21に関する変調率指令未満とならない範囲の演算方法を説明する。ここで、各変調率指令の振幅の和が「0.5」を超えないように、その範囲を設定する。
Second, when one power source outputs more power than the
まず、第1の電源20がモータ30の電力以上に多く電力を出力する場合、電圧配分指令の上限範囲rto_upp2は、下式(1)に示す関係を満たす。この(1)式より、電圧配分指令の上限範囲rto_upp2は下式(2)で演算される。
つぎに、第1の電源20が余剰分の電力を充電する場合、電圧配分指令の下限範囲rto_low2は、下式(1)に示す関係を満たす。この(1)式より、電圧配分指令の下限範囲rto_low2は下式(2)で演算される。
配分範囲演算部44bは、電圧配分指令上限rto_uppとして、上述した演算より得られる電圧配分指令の上限範囲rto_upp1,rto_upp2のうちの最小値を設定する。また、配分範囲演算部44bは、電圧配分指令下限rto_lowとして、上述した演算より得られる電圧配分指令の上限範囲rto_low1,rto_low2のうちの最大値を設定する。
The distribution
電圧配分指令制限部44cは、外部から目標配分割合rto*と、配分範囲演算部44bから電圧配分指令下限rto_lowおよび電圧配分指令上限rto_uppが入力される。電圧配分指令制限部44cは、目標配分割合rto*と、電圧配分指令下限rto_lowおよび電圧配分指令上限rto_uppの範囲とを比較する。目標配分割合rto*がこの上下限範囲から外れる場合、電圧配分指令制限部44cは、当該上下限範囲を限度として目標配分割合rto*を制限し、制限した値を電圧配分指令rto_cmdとして出力する。なお、目標配分割合rto*が上下限範囲内である場合、電圧配分指令制限部44cは、目標配分割合rto*を電圧配分指令rto_cmdとして出力する。
The voltage
このように本実施形態において、電圧配分指令生成部44は、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdが第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmd以上となる関係を保つことが可能な配分範囲を演算し(配分範囲演算部44b)、目標配分割合rto*を演算された配分範囲に制限して電圧配分指令rto_cmdを出力する(電圧配分指令制限部44c)。かかる構成によれば、変調率制限部46iにおいて制限を受けにくくなり、変調率波形に高調波成分が重畳されにくくなる。その結果、トルク変動などが起きにくくなり、モータ30での損失を増加することなくモータ30を安定して駆動することができる。
As described above, in the present embodiment, the voltage distribution
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態にかかる制御システムについて説明する。第3の実施形態にかかる制御システムが、第1の実施形態のそれと相違する点は、電力変換器10の構成と、この構成の相違にともなう制御ユニット40の制御手法とである。第1の実施形態と共通する構成については重複する説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
(Third embodiment)
Hereinafter, a control system according to a third embodiment of the present invention will be described. The control system according to the third embodiment differs from that of the first embodiment in the configuration of the
図11は、第3の実施形態にかかる電力変換装置の電力変換器10を中心としたシステム構成を模式的に示す説明図である。電力変換器10は、互いに直列接続された第1から第3の電源20〜22に接続されており、制御ユニット40に制御されることにより各電源20〜22の出力電圧から出力電圧パルスを生成する。そして、電力変換器10は、この出力電圧パルスにより、負荷であるモータ30の駆動電圧を生成する。
FIG. 11 is an explanatory diagram schematically illustrating a system configuration centering on the
ここで、第1から第3の電源20〜22は、それぞれが独立した直流電源である。各電源20〜22は、下位の電源(例えば、第1の電源20)の正極と、その上位の電源(例えば、第2の電源21)の負極とが接続されることにより、最下位から最上位の電源20〜22が互いに直列接続されている。個々の電源20〜22としては、例えば、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池といったバッテリを用いることができる。最上位に位置する第3の電源22の正極は、正極母線76が接続され、最下位に位置する第1の電源20の負極は、負極母線77が接続される。また、第1の電源20の正極と、その上位に位置する第2の電源21の負極とは、第1の共通母線78が接続され、第3の電源20の負極と、その下位に位置する第2の電源21の正極とは、第2の共通母線79が接続される。この負極母線77と第1の共通母線78との間、第1の共通母線78と第2の共通母線79との間、第2の共通母線79と正極母線76との間には、平滑コンデンサ73〜75がそれぞれ設けられている。
Here, the first to
電力変換器10において、第1の共通母線78と、3相に対応する各出力端子との間には、双方向の導通を制御可能なスイッチ手段がそれぞれ接続されている。個々のスイッチ手段は、一対の半導体スイッチ(例えば、NPN型のトランジスタ等のスイッチング素子)61a,61b〜63a,63bを互いに逆並列接続することにより構成されている。第2の共通母線79と、3相に対応する各出力端子との間には、双方向の導通を制御可能なスイッチ手段がそれぞれ接続されている。個々のスイッチ手段は、一対の半導体スイッチ(例えば、NPN型のトランジスタ等のスイッチング素子)64a,64b〜66a,66bを互いに逆並列接続することにより構成されている。
In the
また、正極母線76と、3相に対応する各出力端子との間には、一般的に知られている3相インバータの上アームと同様に、スイッチ手段がそれぞれ接続されている。個々のスイッチ手段は、半導体スイッチ(例えば、NPN型のトランジスタ等のスイッチング素子)67a〜69aを主体に構成されており、個々のスイッチ(トランジスタ)67a〜69aは、コレクタ・エミッタ間に還流用ダイオード67b〜69bがそれぞれ逆並列接続されている。負極母線77と、3相に対応する各出力端子との間には、一般的に知られている3相インバータの下アームと同様に、各相に対応したスイッチ手段がそれぞれ接続されている。個々のスイッチ手段は、半導体スイッチ(例えば、NPN型のトランジスタ等のスイッチング素子)70a〜72aを主体に構成されており、個々のスイッチ(トランジスタ)70a〜72aは、コレクタ・エミッタ間に還流用ダイオード70b〜72bがそれぞれ逆並列接続されている。これらの半導体スイッチ(以下単に「スイッチ」という)のオンオフ状態は、制御ユニット40から出力される駆動信号を通じて制御される。
In addition, switch means is connected between the
図12は、第1から第3の電源20〜22に関する最終変調率指令を示す説明図である。制御ユニット40は、第1の実施形態と同様の制御概念にしたがい、3相の出力電圧指令値vu*,vv*,vw*と、第1から第3の電源20〜22の出力割合を示す目標配分割合rto*とに基づいて、第1から第3の電源20〜22に関する各相の最終変調率指令をそれぞれ演算する。以下、U相のみについて説明を行うが、他の相についても同様である。同図に示すように、第1から第3の電源20〜22が3個直列接続されている場合、最下位の第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd、その上位の第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd、および最上位の第3の電源22の最終変調率指令mu3_cmdは、この順番で、キャリアの上部から下部にかけて順次配置された格好となる。それぞれの最終変調率指令mu1_cmd〜mu3_cmdが交差しない範囲で、電力配分や電源20〜22間の電力の移動が可能となる。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing final modulation rate commands related to the first to
図13は、第3の実施形態にかかる電力変換器10の各スイッチのオンオフ状態の説明図である。制御ユニット40は、各電源20〜22に関する最終変調率指令とキャリアとを比較して導通信号を生成し、この導通信号を通じて電力変換器10の各スイッチのオンオフ状態を設定する導通信号を生成する。以下、U相のみについて説明を行うが、他の相についても同様である。
FIG. 13 is an explanatory diagram of an on / off state of each switch of the
まず、第1の電源20のみで構成するインバータ回路を、キャリアと、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmdとの比較で駆動する場合を考える。制御ユニット40は、最終変調率指令mu1_cmdがキャリアよりも小さい場合(mu1_cmd<キャリア)、スイッチ61aをオフに制御し、スイッチ70aをオンに制御する。これに対して、最終変調率指令mu1_cmdがキャリアよりも大きい場合(mu1_cmd>キャリア)、スイッチ61aがオンに制御され、スイッチ70aがオフに制御される。
First, consider a case in which an inverter circuit composed only of the
つぎに、第2の電源21のみで構成するインバータ回路を、キャリアと、第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmdとの比較で駆動する場合を考える。制御ユニット40は、最終変調率指令mu2_cmdがキャリアよりも小さい場合(mu2_cmd<キャリア)、スイッチ64aをオフに制御し、スイッチ61bをオンに制御する。これに対して、最終変調率指令mu2_cmdがキャリアよりも大きい場合(mu2_cmd>キャリア)、スイッチ64aがオンに制御され、スイッチ61bがオフに制御される。
Next, consider a case in which an inverter circuit composed of only the
第3の電源22のみで構成するインバータ回路を、キャリアと、第3の電源22の最終変調率指令mu3_cmdとの比較で駆動する場合を考える。制御ユニット40は、最終変調率指令mu3_cmdがキャリアよりも小さい場合(mu3_cmd<キャリア)、スイッチ67aをオフに制御し、スイッチ64bをオンに制御する。これに対して、最終変調率指令mu2_cmdがキャリアよりも大きい場合(mu2_cmd>キャリア)、スイッチ67aがオンに制御され、スイッチ64bがオフに制御される。
Consider a case in which an inverter circuit composed only of the
図13から分かるように、本実施形態では、U相用のスイッチ61a,70a,64a,61b,67a,64bの操作により、PWM1周期、すなわち、キャリアの1周期において、以下に示す(1)から(6)の状態が順次設定される。
As can be seen from FIG. 13, in the present embodiment, the operation of the
(1)全電源20〜22のオフ
スイッチ61a:オフ,スイッチ70a:オン,スイッチ64a:オフ,スイッチ61b:オン,スイッチ67a:オフ,スイッチ64bオン
(2)最下位の第1の電源20のみオン
スイッチ61a:オン,スイッチ70a:オフ,スイッチ64a:オフ,スイッチ61b:オン,スイッチ67a:オフ,スイッチ64b:オン
(3)第1の電源20のオン期間中にその上位の第2の電源21のオン
スイッチ61a:オン,スイッチ70a:オフ,スイッチ64a:オン,スイッチ61b:オフ,スイッチ67a:オフ,スイッチ64b:オン
(4)第1および第2の電源20,21のオン期間中に最上位の第3の電源22のオン
スイッチ61a:オン,スイッチ70a:オフ,スイッチ64a:オン,スイッチ61b:オフ,スイッチ67a:オン,スイッチ64b:オフ
(5)最上位の第3の電源22のみオフ(第1および第2の電源20,21のオン)
スイッチ61a:オン,スイッチ70a:オフ,スイッチ64a:オン,スイッチ61b:オフ,スイッチ67a:オフ,スイッチ64b:オン
(6)最上位およびその下位の第2および第3の電源21,22のみオフ(第1の電源20のオン)
スイッチ61a:オン,スイッチ70a:オフ,スイッチ64a:オフ,スイッチ61b:オン,スイッチ67a:オフ,スイッチ64b:オン
一連のスイッチ操作から分かるように、キャリアの1周期における各電源20〜22からモータ30へと接続する各スイッチに対する制御は、つぎのように示すことができる。具体的には、第1の電源20からモータ30へ接続するスイッチ61aの導通期間中に、第2の電源21からモータ30へ接続するスイッチ64aが導通される。また、第2の電源21からモータ30へ接続するスイッチ64aの導通期間中に、第3の電源22からモータ30へ接続するスイッチ67aが導通される。このスイッチ制御により、キャリアの1周期における出力電圧パルスは、最下位の第1の電源20の負極電圧(「0」)と、第1の電源20の正極電圧(「Vdc1」)と、第1の電源20の正極電圧出力期間中に第2の電源21が出力する正極電圧(「Vdc1+Vdc2」)と、第1および第2の電源20,21の正極電圧出力期間中に第3の電源22が出力する正極電圧(「Vdc1+Vdc2+Vdc3」)とで構成され、三段の凸状の波形となる。
(1) Off
このように本実施形態において、電力変換器10において、キャリアの1周期における各スイッチに対する制御として、最下位の電源(第1の電源20)から最上位の電源(第3の電源22)にかけて、下位の電源(第1の電源20(または第2の電源21))に対応するスイッチ(スイッチ61a(またはスイッチ64a))の導通期間中に、その上位の電源(第2の電源21(または第3の電源22))に対応するスイッチ(スイッチ64a(またはスイッチ67a))が導通される。この電力変換器10の制御により、キャリアの1周期における出力電圧パルスは、第1の電源20の負極電圧(「0」)と、最下位の電源(第1の電源20)から最上位の電源(第2の電源)にかけて、自己よりも下位の電源の正極電圧出力期間中に各電源20〜22が出力する正極電圧(「Vdc1」,「Vdc1+Vdc2」,「Vdc1+Vdc2+Vdc3」)とで構成される。かかる構成によれば、電力の高速配分が実現すると共に、両方の電源20,21を同時に制御しながらモータ30に電力を供給することができる。このようにすることで、2つ以上の電源20〜22を直列接続し使用する場合であっても、電力配分、電源間の電力移動が可能となる。
Thus, in the present embodiment, in the
なお、2つ以上の電源20〜22を直列接続し使用する場合であっても、第1の実施形態と同様、「スイッチの導通期間中」、下位の電源の正極電圧出力期間中」とは、期間の始点から終点までの全範囲を含むこととする。
Even when two or
(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態にかかる制御システムについて説明する。第4の実施形態にかかる制御システムが、第1の実施形態のそれと相違する点は、制御ユニット40における変調率指令生成部46、具体的には、最終変調率指令生成部46bの構成である。第1の実施形態と共通する構成については重複する説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a control system according to a fourth embodiment of the present invention will be described. The control system according to the fourth embodiment is different from that of the first embodiment in the configuration of the modulation rate
図14は、最終変調率指令生成部46bの構成を模式的に示す説明図である。最終変調率指令生成部46bは、第1および第2の電源20,21の各最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdがキャリアと比較可能であって、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdが第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmd以上となるように、初期変調率指令mu1〜mw2に対してオフセット処理を行い、これにより、各電源20,21の最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdを生成する。本実施形態の最終変調率指令生成部46bは、損失定義部46jと、導通時間設定部46kと、変調率振幅演算部46lと、電源電圧比較部46mと、オフセット値生成部46nと、オフセット処理部46oとを備えている。
FIG. 14 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the final modulation rate
損失定義部46jには、電力変換器10において大きな損失を発生するスイッチが定義されている。導通時間設定部46kには、損失定義部46jに定義されるスイッチの導通時間が設定されている。例えば、損失定義部46jは、各スイッチの温度を検知することにより、検出された温度によって電気的な損失が大きいスイッチを特定する。また、導通時間設定部46kは、予め設定されたマップや計算式に基づいて、温度から、電気的な損失が大きいスイッチのみが導通する時間を設定する。
The loss defining unit 46j defines a switch that generates a large loss in the
変調率振幅演算部46lは、第1の実施形態に示す変調率振幅演算部46eと同様に、第1の変調率振幅mu1_pkと、第2の変調率振幅mu2_pkとを演算する。電源電圧比較部46mは、第1の電源電圧Vdc1と第2の電源電圧Vdc2との大きさの比較を行う。
The modulation factor amplitude calculation unit 46l calculates the first modulation factor amplitude mu1_pk and the second modulation factor amplitude mu2_pk in the same manner as the modulation factor
オフセット値生成部46nは、導通時間設定部46kに設定される導通時間と、電圧配分指令rto_cmdと、変調率振幅演算部46lにおいて演算された第1および第2の変調率振幅mu1_pk,mu2_pkと、電源電圧比較部46mの比較結果とに基づいて、第1および第2の電源20,21に関するオフセット値m1_off,m2_offをそれぞれ演算する。なお、オフセットm1_off,m2_offの演算方法については後述する。
The offset
このようにして生成された個々のオフセット値m1_off,m2_offは、オフセット処理部46oへと出力される。オフセット処理部46oは、第1の電源20に関して、各相の初期変調率指令mu1〜mw1にオフセット値m1_offをそれぞれ加算することにより、各相の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdを演算する。また、オフセット処理部46oは、第2の電源21に関して、各相の初期変調率指令mu2〜mw2にオフセット値m2_offをそれぞれ加算することにより、各相の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdを演算する。
The individual offset values m1_off and m2_off generated in this way are output to the offset processing unit 46o. The offset processing unit 46o calculates the final modulation rate commands mu1_cmd to mw1_cmd of each phase by adding the offset value m1_off to the initial modulation rate commands mu1 to mw1 of each phase with respect to the
以下、種々のケースを例示してオフセットm1_off,m2_offの演算方法を説明する。なお、本実施形態では、損失定義部46jには、第1の電源20の正極よりモータ30へと接続するスイッチ手段(具体的には、スイッチ1a,1b)の損失が大きいと定義され、また、導通時間設定部46kには、当該スイッチ手段(スイッチ1a,1b)の導通時間を短くする所定時間が設定されているとする。
Hereinafter, a method for calculating the offsets m1_off and m2_off will be described by exemplifying various cases. In the present embodiment, the loss defining unit 46j defines that the loss of the switch means (specifically, the
(ケース1:電圧配分指令rto_cmdが「0」以上「1」以下(第1および第2の電源20,21がそれぞれ力行または回生、もしくは、一方の電源20,21が出力停止で他方の電源20,21が力行または回生))
オフセット値生成部46nは、第1の変調率振幅mu1_pkと、第2の変調率振幅mu2_pkとを比較する。オフセット値生成部46nは、この比較結果を参照した上で、キャリア上限(キャリア振幅の上限)Ucarr、キャリア下限(キャリア振幅の下限)Lcarr、第1および第2の変調率振幅mu1_pk,mu2_pkおよび初期変調率指令mu1〜mw2に基づいて、オフセット値m1_off,m2_offをそれぞれ生成する。
(Case 1: Voltage distribution command rto_cmd is “0” or more and “1” or less (the first and second power supplies 20 and 21 are powered or regenerated, respectively, or one of the power supplies 20 and 21 stops output and the
The offset
第1の変調率振幅mu1_pkが第2の変調率振幅mu2_pkよりも小さい場合(mu1_pk<mu2_pk)、個々のオフセット値m1_off,m2_offは下式に示すように生成される。
また、該当するスイッチ手段のスイッチング動作を行わない場合には、個々のオフセット値m1_off,m2_offは、下式に示すように生成される。
これに対して、第1の変調率振幅mu1_pkが第2の変調率振幅mu2_pkよりも大きい場合(mu1_pk>mu2_pk)、個々のオフセット値m1_off,m2_offは下式に示すように生成される。
また、該当するスイッチ手段のスイッチング動作を行わない場合には、個々のオフセット値m1_off,m2_offは、下式に示すように生成される。
(ケース2:電圧配分指令rto_cmdが「0」未満または「1」よりも大きい(一方の電源20,21が力行で他方の電源20,21が回生))
オフセット値生成部46nは、第1の電源電圧Vdc1と、第2の電源電圧Vdc2とを比較して、電圧の高い電源20,21を判断する。オフセット値生成部46nは、この判断結果に基づいて、スイッチング損失をより低減するオフセット値m1_off,m2_offを、キャリア上限Ucarr、キャリア下限Lcarr、初期変調率指令mu1〜mw2より生成する。
(Case 2: Voltage distribution command rto_cmd is less than “0” or larger than “1” (one
The offset
第1の電源電圧Vdc1が第2の電源電圧Vdc2よりも小さい場合(Vdc1<Vdc2)、該当するスイッチ手段のスイッチング動作を行わない場合には、個々のオフセット値m1_off,m2_offは、下式に示すように生成される。
また、該当するスイッチ手段の切り替えを常に行う場合には、個々のオフセット値m1_off,m2_offは、下式に示すように生成される。
これに対して、第1の電源電圧Vdc1が第2の電源電圧Vdc2以上の場合(Vdc1≧Vdc2)、該当するスイッチ手段のスイッチング動作を行わない場合には、個々のオフセット値m1_off,m2_offは、下式に示すように生成される。
また、該当するスイッチ手段の切り替えを常に行う場合には、個々のオフセット値m1_off,m2_offは、下式に示すように生成される。
なお、上記の演算では、オフセット値生成部46nは、初期変調率指令mu2〜mw1を未知数として含んだ演算結果をオフセット処理部46oに出力するものである。しかしながら、各電源20,21の初期変調率指令mu2〜mw1を演算パラメータとしてオフセット値生成部46nに入力しておいてもよい。
In the above calculation, the offset
このように本実施形態において、最終変調率指令生成部46bは、第1および第2の電源20,21の各最終変調率指令がキャリアと比較可能であって、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdが第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmd以上となるようにオフセット処理を行う。かかる構成によれば、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdは、第2の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmd以上となるように両者が相対的にオフセットされる。これにより、第1の電源20に対応するスイッチ1aの導通時間が、第2の電源21に対応するスイッチ4aの導通時間以上に設定される。そのため、スイッチングパターンの異常を抑制し、安定して両方の電源20,21を同時に制御しながら、モータ30に電力を供給することができる。また、電圧配分指令rto_cmdにより出力電圧指令値vu*,vv*,vw*を配分し、その上で初期変調率指令mu1〜mw2を生成する。そのため、各電源20,21の出力電力を任意の値で制御可能となり、さらに電圧配分指令rto_cmdにより電源20,21の間での電力の移動も可能となる。
As described above, in the present embodiment, the final modulation rate
また、本実施形態において、最終変調率指令生成部46bは、電気的な損失が大きいスイッチのみが導通する所定時間が設定されており、設定された所定時間に基づいて、第1の電源21の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdが第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmd以上となる範囲でオフセット処理を行う。これにより、損失の大きいスイッチに電流が流れる時間を設定するのと等価となる。これにより、損失が大きいスイッチで発生する導通損失を制御することが可能となり、全体として損失を低減することができる。
In the present embodiment, the final modulation rate
また、最終変調率指令生成部46bは、上記に示した演算に従うことで、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdと、第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdとが、各初期変調率指令mu1〜mu2に関する基本波周期の1/3周期以下の時間において一致するようにオフセット処理を行うこととなる。かかる構成によれば、各電源20,21の最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdを一致させることにより、2つの電源20,21の電力配分時に共通で使用するスイッチ手段のみがオンする時間がなくなる。共通のスイッチ手段は、双方向のスイッチ11a,11b〜13a,13bで構成されるため、通常損失が大きくなるスイッチ手段である。その共通のスイッチ手段のみが導通する時間がなくなることで、導通損失をさらに低減することができる。
Further, the final modulation rate
また、本実施形態において、最終変調率指令生成部46bは、第1および第2の電源20,21がそれぞれ力行または回生、もしくは、一方の電源が出力停止で他方の電源が力行または回生であって、第1の変調率振幅mu1_pkが第2の変調率振幅mu2_pkより小さい場合、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdの上部と第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdの上部とを一致させるようにオフセット処理を行う(図15(a)参照)。かかる構成によれば、第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdと、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdとの上下関係が逆転することなく、電力を出力可能となる。また、スイッチ手段における導通損失を低減することができる。なお、図15では、U相に着目した第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmdと、第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmdとを示している(図15において同じ)。
Further, in the present embodiment, the final modulation rate
また、本実施形態において、最終変調率指令生成部46bは、第1および第2の電源20,21がそれぞれ力行または回生、もしくは、一方の電源が出力停止で他方の電源が力行または回生であって、第1の変調率振幅mu1_pkが第2の変調率振幅mu2_pkより大きい場合、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdの下部と第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdの下部とを一致させるようにオフセット処理を行う(図15(b)参照)。かかる構成によれば、第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdと、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdとの上下関係が逆転することなく、電力を出力可能となる。また、スイッチ手段における導通損失を低減することができる。
In the present embodiment, the final modulation rate
この場合、最終変調率指令生成部46bは、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdと第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdとが一致している時間の一部において、スイッチ手段がスイッチング動作を行わないようにオフセット処理を行う(図15(a),(b)参照)。かかる構成によれば、一致時間中に導通・遮断の切り替えを行わないことにより、導通損失に加えスイッチング損失も低減することができる。
In this case, the final modulation rate
さらに、本実施形態において、最終変調率指令生成部46bは、一方の電源が力行で他方の電源が回生である場合、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdの上部と、第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdの下部とを一致させるようにオフセット処理を行う(図15(c),(d)参照)。かかる構成によれば、第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdと、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdとの上下関係が逆転することなく、電力を出力可能となる。また、スイッチ手段における導通損失を低減することができる。
Further, in the present embodiment, when one power source is powering and the other power source is regenerative, the final modulation rate
この場合、最終変調率指令生成部46bは、第1の電源電圧Vdc1が第2の電源電圧Vdc2がより小さい場合、第2の電源21の正極より負荷へと接続するスイッチ手段が、第1のキャリア1周期以上、かつ、各初期変調率指令mu1〜mw2に関する基本波周期の1/3周期以下の時間遮断するようにオフセット処理が行われる(図15(c)参照)。かかる構成によれば、電源電圧の高い電源の導通・遮断の切り替えを行わなくなるため、より効果的にスイッチング損失を低減することが可能となる。
In this case, when the first power supply voltage Vdc1 is smaller than the second power supply voltage Vdc2, the final modulation factor
また、最終変調率指令生成部46bは、第1の電源電圧Vdc1が第2の電源電圧Vdc2以上の場合、第1の電源20の正極より負荷へと接続するスイッチ手段が、第1のキャリア1周期以上、かつ、各初期変調率指令mu1〜mw2に関する基本波周期の1/3周期以下の時間導通するようにオフセット処理が行われる。かかる構成によれば、電源電圧の高い電源の導通・遮断の切り替えを行わなくなるため、より効果的にスイッチング損失を低減することが可能となる。
Further, the final modulation
(第5の実施形態)
以下、本発明の第5の実施形態にかかる制御システムについて説明する。第5の実施形態にかかる制御システムが、第1の実施形態のそれと相違する点は、制御ユニット40における変調率指令生成部46、具体的には、最終変調率指令生成部46bの構成である。第1の実施形態と共通する構成については重複する説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
(Fifth embodiment)
Hereinafter, a control system according to a fifth embodiment of the present invention will be described. The control system according to the fifth embodiment is different from that of the first embodiment in the configuration of the modulation rate
図16は、最終変調率指令生成部46bの構成を模式的に示す説明図である。最終変調率指令生成部46bは、初期変調率指令mu1〜mw2に基づいて、最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdを生成する。本実施形態の最終変調率指令生成部46bは、オフセット値生成部46pと、オフセット処理部46qとを備えている。
FIG. 16 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the final modulation rate
オフセット値生成部46pは、キャリア上限(キャリア振幅の上限)Ucarr、キャリア下限(キャリア振幅の下限)Lcarr、初期変調率指令mu1〜mw2、第1および第2の変調率振幅mu1_pk,mu2_pkよりオフセット値m1_off,m2_offを生成する。具体的には、オフセット値生成部46pは、下式に示すように第1の電源20に関するオフセット値m1_offおよび第2の電源21に関するオフセット値m2_offを演算する。ここで、第1および第2の変調率振幅mu1_pk,mu2_pkは、第1の実施形態に示す変調率振幅演算部46eの実行する処理と同様の手法により求めることができる。
このようにして生成された個々のオフセット値m1_off,m2_offは、オフセット処理部46qへと出力される。オフセット処理部46qは、第1の電源20に関して、各相の初期変調率指令mu1〜mw1にオフセット値m1_offをそれぞれ加算することにより、各相の最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdを演算する。また、オフセット処理部46oは、第2の電源21に関して、各相の初期変調率指令mu2〜mw2にオフセット値m2_offをそれぞれ加算することにより、各相の最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdを演算する。
The individual offset values m1_off and m2_off generated in this way are output to the offset processing unit 46q. The offset processing unit 46q calculates the final modulation rate commands mu1_cmd to mw1_cmd of each phase by adding the offset value m1_off to the initial modulation rate commands mu1 to mw1 of the respective phases with respect to the
ここで、図17は、キャリアと各電源20,21の最終変調率指令mu1_cmd,mu2_cmdとの関係を示す説明図である。なお、図17は、U相に関する第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmd(上側波形)と、第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd(下側波形)とを例示する。このように本実施形態によれば、最終変調率指令生成部46bにより、各電源20,21の正極より負荷へと接続するスイッチ手段が、キャリア1周期以上、各初期変調率指令mu1〜mw2に関する基本波周期の1/3周期以下の時間においてスイッチング動作を行わないようにオフセット処理が行われる。かかる構成によれば、導通・遮断のスイッチング動作を行わない時間があるため、切り替え時に発生するスイッチング損失を低減しつつ、モータ30へ電力を供給することが可能となる。
Here, FIG. 17 is an explanatory diagram showing the relationship between the carrier and the final modulation rate commands mu1_cmd and mu2_cmd of the power supplies 20 and 21. FIG. Note that FIG. 17 illustrates the final modulation rate command mu1_cmd (upper waveform) of the
(第6の実施形態)
以下、本発明の第6の実施形態にかかる制御システムについて説明する。第6の実施形態にかかる制御システムが、第1の実施形態のそれと相違する点は、制御ユニット40における導通信号生成部47の構成である。第1の実施形態と共通する構成については重複する説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
(Sixth embodiment)
Hereinafter, a control system according to a sixth embodiment of the present invention will be described. The control system according to the sixth embodiment is different from that of the first embodiment in the configuration of the conduction signal generator 47 in the
導通信号生成部47は、変調率指令生成部46からの最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdと、搬送波生成部48において生成されたキャリアとに基づいて、電力変換器10の各スイッチのオンオフ状態を設定する導通信号を生成する。本実施形態において、搬送波生成部48は、下限を「0」、上限を「1」とする三角波をキャリアとして生成する。なお、キャリアは、三角波ではなく鋸波を用いることもできる。
The conduction signal generation unit 47 sets the on / off state of each switch of the
図18は、第6の実施形態にかかる導通信号生成部47による電力変換器10の各スイッチのオンオフ状態の説明図である。導通信号生成部47は、最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdとキャリアとの比較の結果、導通信号を生成し、この導通信号を通じて各スイッチのオンオフ状態を制御する。以下、U相のみについて説明を行うが、他の相についても同様である。ここで、図18において、各スイッチ1a,1b,4a,7aに関する導通信号がHighレベルのときに、各スイッチ1a,1b,4a,7aがオンとなる。また、Vunは、U相の出力電圧を示す。
FIG. 18 is an explanatory diagram of an on / off state of each switch of the
まず、第1の電源20のみで構成するインバータ回路(図3(b)参照)を、キャリアと、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmdとの比較で駆動する場合を考える。導通信号生成部47は、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmdがキャリア以下であり、かつ、この第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmdが第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd以上である場合(mu2_cmd≦mu1_cmd≦キャリア)、スイッチ1aをオフに制御し、スイッチ7aをオンに制御する。また、導通信号生成部47は、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmdがキャリアよりも大きく、かつ、このキャリアが第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmdよりも大きい場合(mu2_cmd<キャリア<mu1_cmd)、スイッチ7aをオフに制御し、スイッチ1aをオンに制御する。また、導通信号生成部47は、第1の電源20の最終変調率指令mu1_cmdが第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmd以上であり、かつ、この第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmdがキャリアよりも大きい場合(キャリア<mu2_cmd≦mu1_cmd)、スイッチ1a,4aをそれぞれオフに制御する。
First, consider a case in which an inverter circuit (see FIG. 3B) configured only by the
次に、第2の電源21のみで構成するインバータ回路(図3(c)参照)を、キャリアと、第2の電源21の最終変調率指令mu2_cmdとの比較で回路を駆動する場合を考える。導通信号生成部47は、最終変調率指令mu2_cmdがキャリアよりも小さい場合(mu2_cmd<キャリア)、スイッチ1bをオンに制御し、スイッチ4aをオフに制御する。これに対して、最終変調率指令mu2_cmdがキャリアよりも大きい場合(mu2_cmd>キャリア)、スイッチ1bがオフに制御され、スイッチ4aがオンに制御される。
Next, consider a case where an inverter circuit (see FIG. 3C) configured only by the
このように本実施形態によれば、導通信号生成部47は、第1の電源20に対応するスイッチ手段を導通し、この導通期間中に第2の電源21に対応するスイッチ手段を導通した場合、第2の電源21に対応するスイッチ手段の導通期間中であることを条件に第1の電源20に対応するスイッチ手段を遮断する。かかる構成によれば、電流型のゲートを持つスイッチング素子を用いた場合、ゲート信号を遮断とすることで第1の電源20側のスイッチング素子に電流を流さないこととなる。これにより、ゲートでの損失を低減することができる。
As described above, according to the present embodiment, the conduction signal generation unit 47 conducts the switch unit corresponding to the
なお、上述した第1から第6の実施形態においても、上記の制御手法と、以下に示すような制御手法などと切り替えて用いてもよい。この制御手法としては、第1の電源20に対応したキャリアと、第2の電源21に対応したキャリアとを持つ。ここで、第1の電源20に対応したキャリアの下端は0、その上端は第1の電源20の電圧値となり、また、第2の電源21に対応したキャリアの下端は第1の電源20の電圧値、その上端は第1および第2の電源20,21の電圧を足した値とする。そして、モータ30に加える出力電圧指令値vu*,vv*,vw*にオフセット値を加え、第2の電源21に対応したキャリアと、第1の電源20に対応したキャリアとのどの部分で比較するかによってスイッチ手段をスイッチングし、電力の配分を行う。この場合、制御手法を切り替える場合は、たとえば、電圧配分指令rto_cmdが0〜1の場合に、後者の制御手法を用い、電圧配分指令rto_cmdが0未満や1を超える場合に、各実施形態に示す制御手法を用いる。なお、電圧配分指令rto_cmdが0〜1の場合であっても、電力の脈動を抑えた制御が必要な場合には各実施形態に示す制御手法を用いてもよい。
In the first to sixth embodiments described above, the above-described control method may be switched to the control method as described below. This control method includes a carrier corresponding to the
(第7の実施形態)
以下、本発明の第7の実施形態にかかる制御システムについて説明する。第7の実施形態にかかる制御システムが、第1の実施形態のそれと相違する点は、外部のトルクを受けて発電を行い、この発電電力を直流電源の一つとして用いることである。第1の実施形態と共通する構成については重複する説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
(Seventh embodiment)
Hereinafter, a control system according to a seventh embodiment of the present invention will be described. The control system according to the seventh embodiment is different from that of the first embodiment in that power is generated by receiving external torque and this generated power is used as one of DC power sources. The redundant description of the configuration common to the first embodiment will be omitted, and the following description will focus on the differences.
図19は、第7の実施形態にかかる電力変換装置が適用された制御システムの全体構成を模式的に示す説明図である。本実施形態では、電気自動車の駆動用モータに適用された電動機制御システムについて説明を行う。この電動機制御システムは、電力変換器10、モータ30および第1および第2の制御ユニット40,50を主体に肯定されている。
FIG. 19 is an explanatory diagram schematically illustrating the overall configuration of a control system to which the power conversion device according to the seventh embodiment is applied. In the present embodiment, an electric motor control system applied to a drive motor for an electric vehicle will be described. This electric motor control system is affirmed mainly by the
図20は、電力変換器10を中心としたシステム構成を模式的に示す説明図である。電力変換器10は、互いに直列接続された複数の電源に接続されており、第1の制御ユニット40に制御されることにより各電源の出力電圧から出力電圧パルスを生成する直列型変換装置である。そして、電力変換器10は、この出力電圧パルスにより、負荷であるモータ30の駆動電圧を生成する。
FIG. 20 is an explanatory diagram schematically showing a system configuration centering on the
本実施形態において、複数の電源は、発電機23による発電電力をインバータ(発電電力変換器)23が整流することで構成される電源(以下「発電電源」という)と、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池といったバッテリで構成される第2の電源21とで構成されている。ここで、発電電源(発電機23およびインバータ24)と、第2の電源21とは、それぞれが独立した直流電源として機能するものであり、互いに直列接続されている。なお、発電電源は、第1の実施形態における第1の電源に相当する電源である。
In the present embodiment, a plurality of power sources are a power source (hereinafter referred to as “power generation power source”) formed by rectifying the power generated by the
発電機23は、例えば、中性点を中心に星形結線された複数の相巻線(本実施形態では、U相巻線、V相巻線、W相巻線からなる3つの相巻線)を有する3相交流同期モータである。この発電機23は、ロータが外力により回転している場合、ステータ巻線の両端に起電力を生じさせることにより、発電機として機能する。インバータ24は、発電機23によって発電された3相交流電力を直流電力に変換するものであり、発電機23の各相に対応して設けられた上下アームを主体に構成されている。個々のアームは、NPN型のトランジスタ等のスイッチング素子と、これに逆並列に接続される還流用ダイオードとで構成されている。
The
再び図19を参照するに、第1の制御ユニット40は、第1の実施形態に示す制御ユニット40と同様に、電力変換器10を制御する制御手段であり、この電力変換器10を介して負荷であるモータ30の出力トルクを制御する。第1の制御ユニット40としては、CPU、ROM、RAM、I/Oインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。第1の制御ユニット40は、ROMに記憶された制御プログラムに従い、電力変換器10を制御するための演算を行う。そして、第1の制御ユニット40は、この演算によって算出された制御信号を電力変換器10に対して出力する。
Referring to FIG. 19 again, the
第2の制御ユニット50は、インバータ24を制御する制御手段である(第2の制御手段)。第2の制御ユニット50としては、CPU、ROM、RAM、I/Oインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。第2の制御ユニット50は、ROMに記憶された制御プログラムに従い、インバータ24を制御するための演算を行う。そして、第2の制御ユニット50は、この演算によって算出された制御信号をインバータ24に対して出力する。第2の制御ユニット50による演算処理は、インバータ24のキャリア周波数(スイッチング周波数)fcと同じ周波数のディジタル制御にて行う。
The
第2の制御ユニット50は、これを機能的に捉えた場合、発電電力制御部51、電流制御部52、dq/3相変換部53、変調率指令生成部56、PWM生成部57と、搬送波生成部58、3相/dq変換部59とを有している。
When the
発電電力制御部51は、外部システムから入力される発電電力指令Pと、発電機23のロータ回転数ωとに基づいて、発電機23の電流指令id_g*,iq_g*を生成する。電流制御部52は、発電機23に流れる実電流id_g,iq_gが、電流指令id_g*,iq_g*と一致するようにdq軸電圧指令vd_g*,vq_g*を生成する。実電流id_g,iq_gは、発電機23に流れているU相電流iu_g、V相電流iv_gに基づいて、3相/dq変換部59によって生成される。dq/3相変換部53は、dq軸電圧指令vd_g*,vq_g*を、3相の出力電圧指令Vu_g*,Vv_g*,Vw_g*を変換する。
The generated power control unit 51 generates current commands id_g * and iq_g * for the
変調率指令生成部56は、3相の出力電圧指令Vu_g*,Vv_g*,Vw_g*と、第1の制御ユニット40のオフセット部46c(具体的には、オフセット値生成部46f)において演算される第1および第2のオフセット値m1_off,m2_offとに基づいて、各相の変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdを生成する。個々の変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdは、「−1」から「1」の範囲の値となる。なお、変調率指令生成部56が行う処理の詳細については後述する。
The modulation
図21は、インバータ24の上アームSWAおよび下アームSWBのオンオフ状態の説明図である。PWM生成部57は、各相の変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdと、搬送波生成部58にて生成されるキャリア周期Ts(Ts=1/fc)の三角波とを比較して、PWMパルスを生成する。また、変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdはキャリア周期でホールドされる。また、キャリアの振幅は本実施例では「−1」から「1」の範囲とする。インバータ24の各相の上下アームは、PWMパルスをゲート信号として駆動する。具体的には、PWM生成部57は、変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdがキャリアよりも小さい場合、上アームSWAをオフに制御し、下アームSWBをオンに制御する。これに対して、PWM生成部57は、変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdがキャリアよりも大きい場合、上アームSWAをオンに制御し、下アームSWBをオフに制御する。
FIG. 21 is an explanatory diagram of an on / off state of the upper arm SWA and the lower arm SWB of the
同図はU相のみについて示すが、他の相についても同様である。なお、同図に示すように、上下アームSWA,SWBが同時にオンとなることがないように、変調率指令mug_cmdを破線で示すようにオフセットさせてキャリアと比較される。これによりアームSWA,SWBの切り替え時にオフセット時間が設定される。 The figure shows only the U phase, but the same applies to the other phases. As shown in the figure, the modulation rate command mug_cmd is offset as shown by a broken line and compared with the carrier so that the upper and lower arms SWA and SWB are not turned on simultaneously. Thereby, an offset time is set when the arms SWA and SWB are switched.
図22は、変調率指令生成部56の構成を示すブロック図である。以下、本実施形態の特徴の一つである変調率指令生成部56について説明する。変調率指令生成部56は、初期変調率指令生成部56aと、オフセット部56bとを有している。
FIG. 22 is a block diagram illustrating a configuration of the modulation factor
初期変調率指令生成部(発電用変調率生成手段)56aは、3相の出力電圧指令Vu_g*,Vv_g*,Vw_g*を発電電源の電圧Vdc1で規格化する、すなわち、出力電圧指令Vu_g*,Vv_g*,Vw_g*を電圧Vdc1でそれぞれ除算する。これにより、各相の初期変調率指令mug〜mwgがそれぞれ生成される。発電電源の電圧Vdc1は、負極母線13と共通母線15との間の平滑コンデンサ11の電圧として検出することができる。
The initial modulation rate command generator (power generation modulation rate generation means) 56a normalizes the three-phase output voltage commands Vu_g *, Vv_g *, and Vw_g * with the voltage Vdc1 of the power generation power source, that is, the output voltage command Vu_g *, Divide Vv_g * and Vw_g * by the voltage Vdc1. As a result, initial modulation rate commands mug to mwg for each phase are generated. The voltage Vdc1 of the power generation power source can be detected as the voltage of the smoothing
オフセット部(発電用オフセット手段)56bは、第1および第2のオフセット値m1_off,m2_offと、初期変調率指令mug〜mwgとに基づいて、最終変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdを演算する。具体的には、オフセット部56bは、初期変調率指令mug〜mwnのそれぞれに第1のオフセット値m1_offを加算することにより、最終変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdをそれぞれ演算する。
The offset unit (power generation offset means) 56b calculates final modulation rate commands mug_cmd to mwg_cmd based on the first and second offset values m1_off and m2_off and the initial modulation rate commands mug to mwg. Specifically, the offset
図23は、各相の最終変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdと、第4の母線電流Ib4と、各相の上アームのスイッチング状態との関係を示す説明図である。同図において、各アームのスイッチは、その導通信号がHighレベルのときにオンとなる。ここで、図20に示すように、直流母線14において平滑コンデンサ12との接続点よりも負荷側における電流を第1の母線電流Ib1とし、直流母線15において平滑コンデンサ11,12との接続点よりも負荷側における電流を第2の母線電流Ib2とする。また、直流母線13において平滑コンデンサ11との接続点よりも負荷側における電流を第3の母線電流Ib3とし、インバータ24の上側アームが接続する直流母線19を流れる電流を第4の母線電流Ib4とする。ここで、第1から第4の母線電流Ib1〜Ib4は、図中の矢印方向(モータ30側へと向かう方向)へ流れる電流を正とする。また、発電機23のU相,V相、W相を流れる電流をそれぞれ電流iu,iv,iwとする。発電機23が発電している場合、第4の母線電流Ib4の極性は正となるが、発電機23が力行している場合、第4の母線電流Ib4のそれは負となる。
FIG. 23 is an explanatory diagram showing the relationship among final modulation factor commands mug_cmd to mwg_cmd of each phase, the fourth bus current Ib4, and the switching state of the upper arm of each phase. In the figure, the switch of each arm is turned on when the conduction signal is at a high level. Here, as shown in FIG. 20, the current on the load side of the
まず、インバータ24において、3相の上アームのスイッチがすべてオフとなる区間T1では、3相の下アームのスイッチがすべてオンとなっている。この場合、スイッチ、還流ダイオードおよび発電機23の間で電流が還流し、第4の母線電流Ib4は「0」となる。つぎに、区間T2では、U相がオンすることにより、直流母線19に電流iuが通電され、区間T3においてV相がオンすることで第4の母線電流Ib4は電流iu,ivの和となる。つぎに、区間T4において、3相がすべてオンとなると、3相の上アームのスイッチ、還流ダイオードおよび発電機23との間で電流が還流するために第4の母線電流Ib4は「0」となる。また、区間T5,T6,T7のそれぞれでは、W相、V相、U相のスイッチが順次オフとなるため、上述した区間T3,T2,T1のそれぞれと同様の状態となる。
First, in the
ここで、最終変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdの3つが上側にオフセットしている場合には、オフセットしていなケースと比較して、区間T4が長くなり、区間T1,T7が短くなる。その他の区間T2,T3,T5,T6は同じである。これに対して、最終変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdの3つが下側にオフセットしている場合には、オフセットしていないケースと比較して、区間T4が短くなり、区間T1,T7が長くなる。このようにして、変調率をオフセットさせることで、第4の直流母線の第4の母線電流Ib4の位相を可変的に設定することができる。 Here, when three of the final modulation factor commands mug_cmd to mwg_cmd are offset upward, the section T4 becomes longer and the sections T1 and T7 become shorter than in the case where they are not offset. The other sections T2, T3, T5, and T6 are the same. On the other hand, when three of the final modulation rate commands mug_cmd to mwg_cmd are offset downward, the section T4 is shortened and the sections T1 and T7 are lengthened as compared to the case where the offset is not offset. Thus, by offsetting the modulation factor, the phase of the fourth bus current Ib4 of the fourth DC bus can be variably set.
電力変換器10の制御において、キャリアと、第1の電源に相当する発電電源に関する最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdおよび第2の電源21に関する最終変調率指令mu2_cmd〜mw2_cmdとが比較される。図24は、最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdに対するオフセットと、第1から第3の母線電流Ib1〜Ib3との関係について説明する。同図において、Vun〜Vwnは、電力変換器10の各相の出力電圧、すなわち、電力変換器10の各相の出力端子と、平滑コンデンサ11の負極との間の電圧を表している。
In the control of the
まず、発電電源側の回路がスイッチングする場合、区間T1ではスイッチ7a,8a,9aがすべてオンとなる。モータ30の巻線と、スイッチ7a,8a,9aおよび逆並列の還流ダイオード7b、8b、9bにおいてモータ電流が還流するため、第1から第3の母線電流Ib1〜Ib3はゼロとなる。区間T2では、スイッチ1aがオンするために、第2の母線電流Ib2は電流「iu」となり、第3の母線電流Ib3は「−iu」となる。区間T3では、スイッチ2aがオンするため、第2の母線電流Ib2は「iu+iv」となり、第3の母線電流Ib3は「−iu−iv」となる。区間T4では、スイッチ3aがオンするため、スイッチ1a,2a,3a、モータ30の巻線および還流ダイオード7b,8b,9bにおいて電流が還流するため第1から第3の母線電流Ib1〜Ib3はすべてゼロとなる。なお、後述する区間T5〜T9に引き続く区間T10〜T13のそれぞれでは、上述した区間T4〜T1のそれぞれと同様の状態となる。
First, when the circuit on the power generation power source side switches, all the
また、発電電源側に引き続き第2の電源21側の回路がスイッチングする場合においても、スイッチングパターンに応じて、図24に示すように第1から第3の直流母線13〜15に電流が流れる。この場合、区間T5,T9では、第1の母線電流Ib1は電流「iu」となり、第2の母線電流Ib2は「−iu」となる。区間T6,T8では、第1の母線電流Ib1は「iu+iv」となり、第2の母線電流Ib2は「−iu−iv」となる。また、区間T9では、第1から第3の母線電流Ib1〜Ib3はゼロとなる。
Even when the circuit on the
ここで、第1の電源である発電電源に関する最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdおよび第2の電源21に関する最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdがオフセットしている場合には、区間T1,T4,T7,T10,T13の長さを可変的に設定される。これにより、第1から第3の母線電流Ib1〜Ib3の位相を可変的に設定することができる。図25は第1から第3の母線電流Ib1〜Ib3のシミュレーション結果であり、キャリアに対応して第1から第3の母線電流Ib1〜Ib4が流れていることがわかる。
Here, when the final modulation rate commands mu1_cmd to mw1_cmd related to the power generation power source that is the first power supply and the final modulation rate commands mu1_cmd to mw2_cmd related to the
図26は、第2の母線電流Ib2と第4の母線電流Ib4との同期を説明するための模式図である。コンデンサ11の電流は、第2の母線電流Ib2と第4の母線電流Ib4との差に対応する。そのため、第2の母線電流Ib2と第4の母線電流Ib4とのタイミングを同期させることによって、コンデンサ11に流れる電流を小さくすることができる。そこで、電力変換器10の制御に関する最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdに対するオフセット値m1_offに対応させて、インバータ24の制御に関する最終変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdのオフセットさせる。第2の母線電流Ib2と第4の母線電流Ib4とがタイミング的に同期するので、コンデンサ11に流入する電流が打ち消される。これにより、コンデンサ11の発熱が抑制され、コンデンサ11を小型化することができる。したがって、装置サイズの小型化を図ることができる。
FIG. 26 is a schematic diagram for explaining the synchronization between the second bus current Ib2 and the fourth bus current Ib4. The current of the
また、本実施形態では、直列型変換装置である電力変換器10のキャリア周波数と、発電電力変換器であるインバータ24のキャリア周波数が等しい。この場合、それぞれの最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmd,mug_cmd〜mwg_cmdに対するオフセット値を互いに等しくすることによって、電源部分に流れ込むパルス状電流の打ち消しタイミングを同期させることができる。これにより、コンデンサ11に流れる電流を打ち消すことができる。
Moreover, in this embodiment, the carrier frequency of the
(第8の実施形態)
以下、本発明の第8の実施形態にかかる制御システムについて説明する。第8の実施形態にかかる制御システムが、先の第7の実施形態のそれと相違する点は、直列型変換装置である電力変換器10の制御におけるキャリア周波数と、発電電力変換器であるインバータ24の制御におけるキャリア周波数とが相違する点である。本実施形態では、電力変換器10のキャリア周波数がインバータ24のキャリア周波数よりも小さいケースを想定し、具体的には、インバータ24のキャリア周波数が電力変換器10のキャリア周波数の2倍であることとする。以下、第7の実施形態と共通する構成については重複する説明は省略することとし、相違点を中心に説明を行う。
(Eighth embodiment)
Hereinafter, a control system according to an eighth embodiment of the present invention will be described. The control system according to the eighth embodiment differs from that of the previous seventh embodiment in that the carrier frequency in the control of the
本実施形態において、第2の制御ユニット50の変調率指令生成部56は、初期変調率指令生成部56aと、オフセット部56bとを有している。初期変調率指令生成部56aは、3相の出力電圧指令Vu_g*,Vv_g*,Vw_g*を発電電源の電圧Vdc1でそれぞれ規格化する。これにより、各相の初期変調率指令mug〜mwgが生成される。オフセット部56bは、第1の制御ユニット40において演算される第1および第2のオフセット値m1_off,m2_offと、初期変調率指令mug〜mwgとに基づいて、最終変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdを演算する。具体的には、オフセット部56bは、下式に基づいて、最終変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdをそれぞれ演算する。
図27および図28は、第2の母線電流Ib2と第4の母線電流Ib4との同期を説明するための説明図である。ここで、図27は、電力変換器10の制御における発電電源に関する最終変調率指令mu1_cmd〜mw1_cmdに対するオフセット値m1_cmdに基づいて、インバータ24の制御における最終変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdを等しくオフセットさせた場合の説明図である。この場合、第2の母線電流Ib2と、第4の母線電流Ib4とがタイミング的に異なるために、コンデンサ11における電流の打消しが発生しない。
27 and 28 are explanatory diagrams for explaining the synchronization between the second bus current Ib2 and the fourth bus current Ib4. Here, FIG. 27 shows the case where the final modulation rate commands mug_cmd to mwg_cmd in the control of the
そこで、本実施形態では、オフセット部56bは、オフセット値m1_offに係数1/2を乗算した値に基づいて、初期変調率指令mug〜mwgをオフセットさせている。これにより、図28に示すように、第2の母線電流Ib2と、第4の母線電流Ib4とをタイミング的に対応させることができるので、コンデンサ電流を打ち消すことができる。
Therefore, in the present embodiment, the offset
なお、電力変換器10のキャリア周波数と、インバータ24のキャリア周波数とをパラメータとして、実験やシミュレーションを通じて、適切な変調率オフセット値をテーブル化する。これにより、どのようなキャリア周波数の組み合わせに対してもコンデンサ電流を打ち消すオフセット値を設定することができる。
An appropriate modulation rate offset value is tabulated through experiments and simulations using the carrier frequency of the
(第9の実施形態)
以下、本発明の第9の実施形態にかかる制御システムについて説明する。第9の実施形態にかかる制御システムが、先の第7の実施形態のそれと相違する点は、直列型変換装置である電力変換器10の制御におけるキャリア周波数と、発電電力変換器であるインバータ24の制御におけるキャリア周波数とが相違する点である。本実施形態では、電力変換器10のキャリア周波数がインバータ24のキャリア周波数よりも大きいケースを想定し、具体的には、電力変換器10のキャリア周波数がインバータ24のキャリア周波数の2倍であることとする。以下、第7の実施形態と共通する構成については重複する説明は省略することとし、相違点を中心に説明を行う。
(Ninth embodiment)
Hereinafter, a control system according to a ninth embodiment of the present invention will be described. The control system according to the ninth embodiment differs from that of the previous seventh embodiment in that the carrier frequency in the control of the
本実施形態において、第2の制御ユニット50の変調率指令生成部56は、初期変調率指令生成部56aと、オフセット部56bとを有している。初期変調率指令生成部56aは、3相の出力電圧指令Vu_g*,Vv_g*,Vw_g*を発電電源の電圧Vdc1でそれぞれ規格化する。これにより、各相の初期変調率指令mug〜mwgが生成される。オフセット部56bは、第1の制御ユニット40において演算される第1および第2のオフセット値m1_off,m2_offと、初期変調率指令mug〜mwgとに基づいて、最終変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdを演算する。具体的には、オフセット部56bは、下式に基づいて、最終変調率指令mug_cmd〜mwg_cmdをそれぞれ演算する。
つぎに、第1の制御ユニット40の搬送波生成部48と、第2の制御ユニット50の搬送波生成部58とにおいて、図29に示すように、電力変換器10の制御におけるキャリアの最小値と、インバータ24の制御におけるキャリアの最小値とがタイミング的に同期するようにキャリア位相を設定する。
Next, in the
かかる構成によれば、第2の母線電流Ib2と、第4の母線電流Ib4とのタイミングを同期させ、コンデンサ電流を小さくすることができる。 According to such a configuration, the timing of the second bus current Ib2 and the fourth bus current Ib4 can be synchronized, and the capacitor current can be reduced.
なお、図30に示すように、電力変換器10の各電源の最終変調率指令mu1_cmd〜mw2_cmdを、キャリアの最大値もしくは最小値と等しくなるまでオフセットさせる、いわゆる二相変調の場合に、上述した手法により、コンデンサ電流を打ち消してもよい。
In addition, as shown in FIG. 30, in the case of so-called two-phase modulation in which the final modulation rate commands mu1_cmd to mw2_cmd of each power source of the
以上、本発明にかかる各実施形態を説明したが、本発明は、その発明の範囲内において種々の変更が可能である。また、各実施形態は、それぞれ独立して説明したが、各実施形態を相互に組み合わせて実施することも可能である。 As mentioned above, although each embodiment concerning the present invention was described, various changes are possible for the present invention within the scope of the present invention. Moreover, although each embodiment was demonstrated independently, it is also possible to implement each embodiment combining each other.
10…電力変換器
20…第1の電源
21…第2の電源
30…モータ
40…制御ユニット
41…トルク制御部
42…電流制御部
43…dq/3相変換部
44…電圧配分指令生成部
45…電圧配分部
46…変調率指令生成部
46a…初期変調率指令生成部
46b…最終変調率指令生成部
46c…オフセット部
46d…制限部
46e…変調率振幅演算部
46f…オフセット値生成部
46g…オフセット処理部
46h…優先変調率選択部
46i…変調率制限部
47…導通信号生成部
48…搬送波生成部
49…3相/dq変換部
DESCRIPTION OF
Claims (28)
電源の正極と負荷との間を接続するスイッチ手段を各電源に対応して備え、個々の電源の出力電圧から出力電圧パルスを生成する第1の電力変換手段と、
各電源の出力電圧指令値および各電源の電圧より求められる電源毎の変調率指令と、第1のキャリアとの比較に基づいて、前記スイッチ手段のそれぞれの導通状態を制御する第1の制御手段とを有し、
前記第1の制御手段は、前記第1のキャリアの1周期における各スイッチ手段に対する制御として、最下位の電源から最上位の電源にかけて、下位の電源に対応するスイッチ手段の導通期間中にその上位の電源に対応するスイッチ手段を導通させることを特徴とする電力変換装置。 A power converter for generating a drive voltage of a load by output voltage pulses connected to a plurality of power sources in which each of them is connected in series to each other and connected to the negative electrode of the upper power source and the positive electrode of the lower power source,
Switch means for connecting between the positive electrode of the power supply and the load corresponding to each power supply, and first power conversion means for generating an output voltage pulse from the output voltage of each power supply;
First control means for controlling the respective conduction states of the switch means based on a comparison between the output voltage command value of each power supply and the modulation factor command for each power supply obtained from the voltage of each power supply and the first carrier. And
The first control means controls each switch means in one cycle of the first carrier from the lowest power supply to the highest power supply during the conduction period of the switch means corresponding to the lower power supply. A power conversion device characterized in that the switch means corresponding to the power source of the switch is made conductive.
個々の電源の出力電圧から出力電圧パルスを生成する第1の電力変換手段と、
各電源の出力電圧指令値および各電源の電圧より求められる電源毎の変調率指令と、第1のキャリアとの比較に基づいて、前記第1の電力変換手段を制御する第1の制御手段とを有し、
前記第1の制御手段は、前記第1のキャリアの1周期における前記出力電圧パルスが、最下位の電源の負極電圧と、最下位の電源から最上位の電源にかけて、自己よりも下位側の電源の正極電圧出力期間中に各電源が出力する正極電圧とで構成されるように前記第1の電力変換手段を制御することを特徴とする電力変換装置。 A power converter for generating a drive voltage of a load by output voltage pulses connected to a plurality of power sources in which each of them is connected in series to each other and connected to the negative electrode of the upper power source and the positive electrode of the lower power source,
First power conversion means for generating output voltage pulses from output voltages of individual power supplies;
First control means for controlling the first power conversion means based on a comparison between the output voltage command value of each power supply and the modulation rate command for each power supply obtained from the voltage of each power supply and the first carrier; Have
In the first control means, the output voltage pulse in one cycle of the first carrier is applied to the negative voltage of the lowest power source and the power source lower than itself from the lowest power source to the highest power source. The first power conversion means is controlled so as to be configured with a positive voltage output from each power source during a positive voltage output period.
前記第1の制御手段は、
前記第1の電源に関する出力電圧指令値である第1の配分電圧指令値と前記第1の電源の電圧とに基づいて演算される第1の電源の初期変調率指令、および、前記第2の電源に関する出力電圧指令値である第2の配分電圧指令値と前記第2の電源の電圧とに基づいて演算される第2の電源の初期変調率指令をそれぞれオフセットさせるオフセット処理を行うことにより、前記第1の電源の最終変調率指令と前記第2の電源の最終変調率指令とを生成する最終変調率指令生成手段と、
前記第1の電源の最終変調率指令および前記第2の電源の最終変調率指令と、第1のキャリアとの比較に基づいて、前記スイッチ手段のそれぞれの導通状態を制御する導通制御手段とを有し、
前記最終変調率指令生成手段は、前記第1の電源および前記第2の電源の各最終変調率指令が前記第1のキャリアと比較可能であって、前記第1の電源の最終変調率指令が前記第2の電源の最終変調率指令以上となるように前記オフセット処理を行うことを特徴とする請求項1または2に記載された電力変換装置。 The plurality of power sources are composed of a first power source on the lower side and a second power source on the upper side,
The first control means includes
An initial modulation rate command for a first power source calculated based on a first distributed voltage command value, which is an output voltage command value for the first power source, and the voltage of the first power source, and the second By performing offset processing for offsetting the initial modulation rate command of the second power source calculated based on the second distribution voltage command value that is the output voltage command value relating to the power source and the voltage of the second power source, Final modulation rate command generation means for generating a final modulation rate command for the first power supply and a final modulation rate command for the second power supply;
A conduction control means for controlling each conduction state of the switch means based on a comparison between the final modulation rate command of the first power supply and the final modulation rate command of the second power supply and the first carrier; Have
The final modulation rate command generation means can compare each final modulation rate command of the first power source and the second power source with the first carrier, and the final modulation rate command of the first power source The power conversion apparatus according to claim 1 or 2, wherein the offset processing is performed so that the second modulation rate becomes equal to or greater than a final modulation factor command of the second power source.
前記第1の制御手段は、
前記第1の電源に関する出力電圧指令値である第1の配分電圧指令値と前記第1の電源の電圧とに基づいて演算される第1の電源の初期変調率指令、および、前記第2の電源に関する出力電圧指令値である第2の配分電圧指令値と前記第2の電源の電圧とに基づいて演算される第2の電源の初期変調率指令をそれぞれオフセットさせるオフセット処理を行うオフセット手段と、
前記オフセット手段による前記オフセット処理が行われた各電源の変調率指令に対して制限処理を行うことにより、前記第1の電源の最終変調率指令と前記第2の電源の最終変調率指令とを生成する最終変調率指令生成手段と、
前記第1の電源の最終変調率指令および前記第2の電源の最終変調率指令と、第1のキャリアとの比較に基づいて、前記スイッチ手段のそれぞれの導通状態を制御する導通制御手段とを有し、
前記オフセット手段は、前記第1の電源に対応するスイッチ手段の導通期間中に前記第2の電源に対応するスイッチ手段が導通するように前記オフセット処理を行い、
前記制限手段は、前記第1の電源に対応するスイッチ手段の導通時間と前記第2の電源に対応するスイッチ手段の導通時間とが逆転しないように前記制限処理を行うことを特徴とする請求項1または2に記載された電力変換装置。 The plurality of power sources are composed of a first power source on the lower side and a second power source on the upper side,
The first control means includes
An initial modulation rate command for a first power source calculated based on a first distributed voltage command value, which is an output voltage command value for the first power source, and the voltage of the first power source, and the second Offset means for performing an offset process for offsetting an initial modulation factor command of the second power source calculated based on a second distribution voltage command value that is an output voltage command value relating to the power source and the voltage of the second power source; ,
By performing a restriction process on the modulation rate command of each power source that has been subjected to the offset processing by the offset means, the final modulation rate command of the first power source and the final modulation rate command of the second power source are Final modulation factor command generation means for generating,
A conduction control means for controlling each conduction state of the switch means based on a comparison between the final modulation rate command of the first power supply and the final modulation rate command of the second power supply and the first carrier; Have
The offset means performs the offset process so that the switch means corresponding to the second power supply is conductive during the conduction period of the switch means corresponding to the first power supply;
The restriction means performs the restriction processing so that the conduction time of the switch means corresponding to the first power supply does not reverse the conduction time of the switch means corresponding to the second power supply. The power converter described in 1 or 2.
前記オフセット処理後の前記第1の電源の変調率指令に関する制限値として、上限に第1のキャリアの最大値を設定し、下限に第1のキャリアの最小値および前記オフセット処理後の前記第2の電源の変調率指令のうち大きい方の値を設定し、
前記オフセット処理後の前記第2の電源の変調率指令に関する制限値として、上限に第1のキャリアの最大値および前記オフセット処理後の前記第1の電源の変調率指令のうち小さい方の値を設定し、下限に第1のキャリアの最小値を設定することを特徴とする請求項14に記載された電力変換装置。 The modulation rate limiting means includes
As a limit value related to the modulation factor command of the first power supply after the offset process, the maximum value of the first carrier is set as the upper limit, the minimum value of the first carrier as the lower limit, and the second value after the offset process Set the larger value of the power supply modulation rate command
As a limit value related to the modulation factor command of the second power supply after the offset process, the lower value of the maximum value of the first carrier and the modulation factor command of the first power supply after the offset process is set as an upper limit. The power conversion device according to claim 14, wherein the power conversion device is set and a minimum value of the first carrier is set as a lower limit.
前記優先変調率選択手段は、前記第1の配分電圧指令値および前記第2の配分電圧指令値のうち前記出力電圧指令生成手段において生成される出力電圧指令値よりも大きい値に対応する電源の変調率指令を選択することを特徴とする請求項14に記載された電力変換装置。 The limiting means further includes priority modulation rate selection means for selecting which one of the first power supply and the second power supply has priority for each modulation ratio command subjected to the offset processing. Have
The priority modulation rate selection unit is configured to control a power supply corresponding to a value greater than an output voltage command value generated by the output voltage command generation unit among the first distribution voltage command value and the second distribution voltage command value. The power conversion device according to claim 14, wherein a modulation rate command is selected.
前記第1の電源と前記第2の電源とに対する出力電圧の配分を示す電圧配分指令を生成する電圧配分指令生成手段と、
負荷に対する出力電圧指令値と、前記電圧配分指令とに基づいて、前記第1の配分電圧指令値と、前記第2の配分電圧指令値とを生成する電圧配分手段とをさらに有し、
前記電圧配分指令生成手段は、
前記出力電圧指令値の振幅を演算する電圧振幅演算手段と、
前記出力電圧指令値の振幅と、各電源の電圧とに基づいて、前記第1の最終変調率指令が前記第2の最終変調率指令以上となる関係を保つことが可能な配分範囲を演算する配分範囲演算手段と、
前記第1の電源と前記第2の電源とに対する出力電圧の配分目標値として入力される目標配分割合を前記演算された配分範囲内に制限することにより、前記電圧配分指令を出力する電圧配分指令制限手段と
を有することを特徴とする請求項3または13に記載された電力変換装置。 The first control means includes
Voltage distribution command generating means for generating a voltage distribution command indicating distribution of an output voltage to the first power source and the second power source;
Voltage distribution means for generating the first distribution voltage command value and the second distribution voltage command value based on the output voltage command value for the load and the voltage distribution command;
The voltage distribution command generation means includes
Voltage amplitude calculating means for calculating the amplitude of the output voltage command value;
Based on the amplitude of the output voltage command value and the voltage of each power supply, a distribution range capable of maintaining a relationship in which the first final modulation rate command is greater than or equal to the second final modulation rate command is calculated. A distribution range calculation means;
A voltage distribution command for outputting the voltage distribution command by limiting a target distribution ratio input as an output voltage distribution target value to the first power source and the second power source within the calculated distribution range. The power converter according to claim 3, further comprising a limiting unit.
前記発電電源は、
交流電動機と、
前記交流電動機からの交流電力を変換して直流電力を出力する第2の電力変換手段と、
前記第2の電力変換手段を制御する第2の制御手段とを有し、
前記第2の制御手段は、前記第1の電力変換手段のスイッチングによって前記第1の電源および第2の電源の他方に流れるパルス状電流に応じて、前記第2の電力変換手段から出力されるパルス状電流により、前記第1の電源および第2の電源の他方に流れるパルス状電流を打ち消すことを特徴とする請求項3または13に記載された電力変換装置。 One of the first power source and the second power source is composed of a power generation power source,
The generated power source is
AC motor,
Second power conversion means for converting AC power from the AC motor and outputting DC power;
Second control means for controlling the second power conversion means,
The second control means is output from the second power conversion means according to a pulsed current flowing through the other of the first power supply and the second power supply by switching of the first power conversion means. 14. The power conversion device according to claim 3, wherein the pulsed current flowing through the other of the first power supply and the second power supply is canceled by the pulsed current.
前記第2の電力変換手段の初期変調率指令を生成する発電用変調率生成手段と、
前記第1の制御手段より前記第1の電源および前記第2の電源のうち前記発電電源に対応する電源の前記初期変調率指令に対するオフセット値を取得して、当該取得したオフセット値に応じて前記発電用変調率生成手段によって生成された初期変調率指令をオフセットさせる発電用オフセット手段と、
前記発電用オフセット手段によりオフセットさせられた初期変調率指令と、第2のキャリアとの比較に基づいて、前記第2の電力変換手段が備えるスイッチ手段の導通状態を制御するPWM制御手段と
を有することを特徴とする請求項23に記載された電力変換装置。 The second control means includes
A power generation modulation rate generating means for generating an initial modulation rate command for the second power conversion means;
The first control means acquires an offset value for the initial modulation rate command of the power supply corresponding to the power generation power out of the first power supply and the second power supply, and according to the acquired offset value, the Power generation offset means for offsetting the initial modulation rate command generated by the power generation modulation rate generation means;
PWM control means for controlling the conduction state of the switch means included in the second power conversion means based on a comparison between the initial modulation rate command offset by the power generation offset means and the second carrier The power conversion device according to claim 23, wherein:
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