JP2012105393A - Pwm inverter device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、パルス幅変調により直流電圧を交流電圧に変換するPWMインバータ装置に関し、より特定的には、交流電圧指令信号の振幅が搬送波信号の振幅よりも大きい過変調領域におけるパルス幅変調を行うPWMインバータ装置に関するものである。 The present invention relates to a PWM inverter device that converts a DC voltage to an AC voltage by pulse width modulation, and more specifically, performs pulse width modulation in an overmodulation region in which the amplitude of an AC voltage command signal is larger than the amplitude of a carrier signal. The present invention relates to a PWM inverter device.
スイッチング素子をオンオフさせることで直流電圧を交流電圧に変換するPWMインバータ装置では、スイッチング素子の短絡を防止するために、スイッチング素子のターンオフ時間を考慮してデッドタイムが挿入される。このデッドタイムによりインバータの電圧指令と出力電圧との間の誤差電圧(以下、デッドタイム誤差電圧という。)が発生するため、これを補償するデッドタイム補償を行うのが一般的である。 In a PWM inverter device that converts a DC voltage into an AC voltage by turning on and off the switching element, a dead time is inserted in consideration of a turn-off time of the switching element in order to prevent a short circuit of the switching element. Due to this dead time, an error voltage (hereinafter referred to as a dead time error voltage) between the voltage command of the inverter and the output voltage is generated. Therefore, dead time compensation is generally performed to compensate for this.
ところで、交流電圧指令信号の振幅が搬送波信号の振幅以下である正弦波変調領域でパルス幅変調を行う場合、デッドタイム誤差電圧は搬送波周期に比例する振幅を持つ方形波状の電圧であるため、搬送波周期に比例してデッドタイム補償を行うPWMインバータ装置が特許文献1に開示されている。 By the way, when performing pulse width modulation in a sinusoidal modulation region where the amplitude of the AC voltage command signal is equal to or less than the amplitude of the carrier signal, the dead time error voltage is a square wave voltage having an amplitude proportional to the carrier cycle. Patent Document 1 discloses a PWM inverter device that performs dead time compensation in proportion to a cycle.
しかし、PWMインバータ装置の出力電圧の基本波成分の大きさを高める場合、例えば電動機を高速回転させる必要がある場合などには、交流電圧指令信号の振幅が搬送波信号の振幅よりも大きい過変調領域でパルス幅変調を行うことがある。過変調領域では、交流電圧指令信号の振幅が大きくなるにつれて平均的なスイッチング回数が減少していくため、デッドタイム誤差電圧の振幅の変動が生じる。このため、上記特許文献1のように単純に搬送波周期に比例したデッドタイム補償では適切な補償を行うことができない。 However, when increasing the magnitude of the fundamental component of the output voltage of the PWM inverter device, for example, when it is necessary to rotate the motor at a high speed, the overmodulation region in which the amplitude of the AC voltage command signal is larger than the amplitude of the carrier wave signal In some cases, pulse width modulation may be performed. In the overmodulation region, the average number of times of switching decreases as the amplitude of the AC voltage command signal increases, and therefore the amplitude of the dead time error voltage varies. For this reason, appropriate compensation cannot be performed by dead time compensation that is simply proportional to the carrier wave period as in Patent Document 1 described above.
特許文献2には、過変調領域でパルス幅変調を行う場合におけるインバータ出力電圧へのデッドタイム誤差電圧の影響の変化を抑制する技術が開示されている。
上記特許文献2に開示された技術は、正弦波変調領域と過変調領域の切り替え、及び過変調領域におけるスイッチング回数減少によるデッドタイムの影響の変化を抑制するように交流電圧指令信号の振幅を補正し、インバータ出力電圧の変動を抑制している。
The technique disclosed in
しかし、上記特許文献2に開示された技術では、デッドタイム誤差電圧自体は補償されていないため、インバータ出力電圧はデッドタイム誤差電圧を含んだものとなり、適切なインバータ出力電圧が得られない。
However, in the technique disclosed in
この発明の目的は、過変調領域でのパルス幅変調におけるデッドタイム誤差電圧の変動も加味してデッドタイム補償を行い、指令値通りの出力電圧を得るPWMインバータ装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a PWM inverter device that performs dead time compensation in consideration of fluctuations in dead time error voltage in pulse width modulation in an overmodulation region and obtains an output voltage according to a command value.
この発明に係るPWMインバータ装置は、制御指令に基づいてスイッチング素子をオンオフさせることにより、直流電圧を交流電圧に変換するPWMインバータ装置であって、上記直流電圧で出力可能な上記交流電圧の基本波成分の大きさに対する第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさの割合を示す第1の変調率指令を生成する第1の変調率指令生成手段と、上記第1の交流電圧指令信号の生成に用いる第1の位相を生成する第1の位相生成手段と、上記第1の位相と上記スイッチング素子の短絡防止用のデッドタイムによって発生するデッドタイム誤差電圧に基づいて第2の交流電圧指令信号を生成するデッドタイム補償手段と、上記第2の交流電圧指令信号と搬送波信号の比較に基づくパルス幅変調制御によって上記制御指令を生成するPWM制御手段と、を備え、
上記デッドタイム補償手段は少なくとも、上記第2の交流電圧指令信号の振幅が上記搬送波信号の振幅よりも大きい過変調領域において、上記第2の交流電圧指令信号または上記第2の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさの割合を示す第2の変調率指令のうちの少なくとも1つと、上記第2の交流電圧指令信号の位相である第2の交流電圧位相と上記PWMインバータ装置の出力電流の検出値または演算値の位相との間の差に応じて発生する上記デッドタイム誤差電圧に基づき上記第2の交流電圧指令信号を生成することを特徴とする。
The PWM inverter device according to the present invention is a PWM inverter device that converts a DC voltage into an AC voltage by turning on and off a switching element based on a control command, and is a fundamental wave of the AC voltage that can be output by the DC voltage. First modulation rate command generation means for generating a first modulation rate command indicating a ratio of the magnitude of the fundamental wave component of the first AC voltage command signal to the size of the component; and the first AC voltage command signal A first phase generating means for generating a first phase used for generating the second AC voltage based on the first phase and a dead time error voltage generated by a dead time for preventing a short circuit of the switching element. The dead time compensation means for generating the command signal, and the control command by the pulse width modulation control based on the comparison between the second AC voltage command signal and the carrier signal. With a PWM control means for forming, a,
The dead time compensation means includes at least the second AC voltage command signal or the second AC voltage command signal in an overmodulation region where the amplitude of the second AC voltage command signal is larger than the amplitude of the carrier signal. At least one of the second modulation rate commands indicating the ratio of the magnitude of the fundamental wave component, the second AC voltage phase that is the phase of the second AC voltage command signal, and the output current of the PWM inverter device The second AC voltage command signal is generated based on the dead time error voltage generated according to the difference between the detected value or the phase of the calculated value.
この発明に係るPWMインバータ装置は、過変調領域を使用する場合において生じるデッドタイム誤差電圧変化も加味して所望のPWMインバータ出力電圧が得られる交流電圧指令信号を生成する。これにより、過変調領域においても適切にデッドタイム補償を行うことができる。 The PWM inverter device according to the present invention generates an AC voltage command signal that obtains a desired PWM inverter output voltage in consideration of a dead time error voltage change that occurs when an overmodulation region is used. Thereby, dead time compensation can be appropriately performed even in the overmodulation region.
以下、添付の図面を参照して、この発明に係るPWMインバータ装置について好適な実施の形態を説明する。なお、各図において同一または相当する部分については、同一符号を付して説明し、指令を表す文字には*を付すこととする。また、以下の各実施の形態では、このPWMインバータ装置を同期電動機の磁極位置センサレス制御装置として使用した場合について説明する。 Preferred embodiments of a PWM inverter device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are described with the same reference numerals, and the characters representing the commands are marked with *. Further, in each of the following embodiments, a case will be described in which this PWM inverter device is used as a magnetic pole position sensorless control device for a synchronous motor.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係るPWMインバータ装置を同期電動機とともに示すブロック構成図である。
図1において、PWMインバータ装置10は、同期電動機11の駆動を制御する。同期電動機11は、固定子12および回転子13を有している。また、PWMインバータ装置10は、減算器14、周波数補償手段15、第1のdq電圧指令生成手段16、第1の位相生成手段である積分器17、3相−dq座標変換手段18、第2のdq電圧指令生成手段19、第1の交流電圧指令信号生成手段20、位相補償手段21、過変調領域検出手段22、第2の交流電圧指令信号生成手段23、PWM制御手段24、交流電圧生成手段25、第1の変調率指令生成手段26、第2の変調率指令生成手段27を備えている。なお、デッドタイム補償手段は、第2のdq電圧指令生成手段19、第1の交流電圧指令信号生成手段20、位相補償手段21、第2の交流電圧指令信号生成手段23、第2の変調率指令生成手段27から構成される。
Embodiment 1 FIG.
1 is a block diagram showing a PWM inverter device according to Embodiment 1 of the present invention together with a synchronous motor.
In FIG. 1, the
PWMインバータ装置10は、上述したように、磁極位置センサレス制御装置であり、d−q軸を知ることができない。そこで、制御側で設定した仮想d−q軸を用いて同期電動機11に通電し、回転子磁束と電機子反作用磁束との合計磁束を一定値に維持するとともに、この合計磁束を仮想d軸と合わせる磁束ベクトル制御を用いる。これにより、磁極位置を見失うことなく、電圧を制御することができる。
As described above, the
減算器14は、周波数補償手段15から出力される周波数補償量fcを回転速度指令ω*から減算し、周波数補償後の回転速度指令ω1*を出力する。
周波数補償手段15は、3相−dq座標変換手段18からのq軸電流Iqに基づいて、回転速度指令ω*の周波数を補償する周波数補償量fcを算出して出力する。周波数補償量fcは、次式(1)で表される。
The
fc=(khpf×ωhpf)×s/(s+ωhpf)×Iq・・・(1) fc = (khpf × ωhpf) × s / (s + ωhpf) × Iq (1)
なお、式(1)でkhpfは周波数補償ゲイン、ωhpfはハイパスフィルタ通過周波数、sはラプラス演算子を示している。 In Equation (1), khpf is a frequency compensation gain, ωhpf is a high-pass filter passing frequency, and s is a Laplace operator.
第1のdq電圧指令生成手段16は、入力される界磁磁束と、減算器14からの周波数補償後の回転速度指令ω1*と、3相−dq座標変換手段18からのd軸電流Idおよびq軸電流Iqとに基づいて、第1のd軸電圧指令Vd1*および第1のq軸電圧指令Vq1*を生成して出力する。なお、この実施の形態では、磁極位置センサレス制御アルゴリズムの1つである磁束ベクトル制御のアルゴリズムに基づいて第1のdq電圧指令値(第1のd軸電圧指令Vd1*および第1のq軸電圧指令Vq1*)を生成するが、他のアルゴリズムに基づいて第1のdq電圧指令を算出してもよい。
The first dq voltage command generation means 16 includes the input field magnetic flux, the rotational speed command ω1 * after frequency compensation from the
積分器17は、減算器14からの周波数補償後の回転速度指令ω1*に基づいて、回転子13の位相(第1の位相)θを算出し、この回転子13の位相θを出力する。具体的には、積分器17は、前回の回転子13の位相に、演算周期分の位相進みを加算して回転子13の位相θを算出する。なお、この位相進みは、演算周期に周波数補償後の回転速度指令ω1*を乗算することによって得られる。
The
3相−dq座標変換手段18は、積分器17からの回転子13の位相θに基づいて、同期電動機11の固定子12に流れる3相電流からdq電流値(d軸電流Idおよびq軸電流Iq)を算出して出力する。なお、この実施の形態では、3相電流のうち、U相電流IuおよびV相電流Ivを検出し、これらの検出電流に基づいてdq電流値を算出しているが、これに限定されず、検出する相電流は、3相のうちどの2相であってもよい。3相−dq座標変換手段18で算出されたd軸電流Idおよびq軸電流Iqは、第1のdq電圧指令生成手段16に用いられる。
Based on the phase θ of the
第1の変調率指令生成手段26は、第1のdq電圧指令生成手段16から出力される第1のdq電圧指令値から第1の変調率指令k1*を生成する。第1の変調率指令k1*は、Vd1*、Vq1*の二乗和の平方根をPWMインバータ装置10の出力可能な交流電圧の基本波成分の大きさ、例えばPWMインバータの入力直流電圧で除算して算出する。
The first modulation rate
第2の変調率指令生成手段27は、デッドタイム誤差電圧の振幅Vtda、力率(PWMインバータ装置10及びPWMインバータ装置10に接続される同期電動機11の間で授受される交流電力の力率)pf、第1の変調率指令k1*に基づいてデッドタイム誤差電圧を算出するデッドタイム誤差電圧算出手段を有する。
The second modulation rate command generation means 27 is configured to detect the amplitude Vtda of the dead time error voltage and the power factor (power factor of AC power exchanged between the
力率pfは、上記第2の交流電圧指令信号の位相である第2の交流電圧位相とPWMインバータ装置10の出力電流の位相との間の差を表わすものの例であり、上記第2の交流電圧指令信号の位相である第2の交流電圧位相とPWMインバータ装置10の出力電流の位相との間の差の余弦で定義される。第2の変調率指令生成手段27は、デッドタイム誤差電圧算出手段により算出されるデッドタイム誤差電圧に基づき、第1のdq電圧指令に等しいPWMインバータ装置10の出力電圧が得られる第2の変調率指令k2*を生成する。なお、第2の変調率指令生成手段27の詳細な機能については後述する。
The power factor pf is an example of a difference between the second AC voltage phase, which is the phase of the second AC voltage command signal, and the phase of the output current of the
第2のdq電圧指令生成手段19は、第2の変調率指令生成手段27から出力される第2の変調率指令k2*を第1の変調率指令k1*で除算した値を、Vd1*、Vq1*にそれぞれ乗算し、その値をVd2*、Vq2*とする。すなわち、Vd2*、Vq2*は、第1の変調率指令の値をk1*、第2の変調率指令の値をk2*として、それぞれ次式(2)、(3)で表せる。 The second dq voltage command generation means 19 obtains a value obtained by dividing the second modulation ratio command k2 * output from the second modulation ratio command generation means 27 by the first modulation ratio command k1 * , Vd1 * , Multiply each by Vq1 * and set the values as Vd2 * and Vq2 * . That is, Vd2 * and Vq2 * can be expressed by the following equations (2) and (3), respectively, where the value of the first modulation factor command is k1 * and the value of the second modulation factor command is k2 * .
Vd2*=(k2*/k1*)・Vd1*・・・(2) Vd2 * = (k2 * / k1 * ). Vd1 * (2)
Vq2*=(k2*/k1*)・Vq1*・・・(3) Vq2 * = (k2 * / k1 * ) · Vq1 * (3)
第1の交流電圧指令信号生成手段20は、第1のdq電圧指令生成手段16からの第1のd軸電圧指令Vd*および第1のq軸電圧指令Vq*と、積分器17から出力される回転子位相θとに基づいて、第1のU相電圧指令Vu1*、第1のV相電圧指令Vv1*および第1のW相電圧指令Vw1*を生成して出力する。第1のU相電圧指令Vu1*、第1のV相電圧指令Vv1*および第1のW相電圧指令Vw1*は、それぞれ次式(4)〜(6)で表される。
The first AC voltage command
Vu1*=(√2/√3)Vd1*・cosθ−(√2/√3)Vq1*・sinθ
・・・(4)
Vu1 * = (√2 / √3) Vd1 * · cos θ− (√2 / √3) Vq1 * · sin θ
... (4)
Vv1*=(√2/√3)Vd1*・cos(θ+240°)
−(√2/√3)Vq1*・sin(θ+240°)・・・(5)
Vv1 * = (√2 / √3) Vd1 * · cos (θ + 240 °)
-(√2 / √3) Vq1 * · sin (θ + 240 °) (5)
Vw1*=−(Vu1*+Vv1*) ・・・(6) Vw1 * = − (Vu1 * + Vv1 * ) (6)
位相補償手段21は、力率pf、デッドタイム誤差電圧の振幅Vtda、第2の変調率指令生成手段27から出力される第2の変調率指令k2*、積分器17から出力される第1の位相θに基づき、デッドタイム誤差電圧の発生により生じる位相ずれを補償した第2の位相θcを出力する。なお、位相補償手段21の詳細な機能については後述する。
The
過変調領域検出手段22は、第1の交流電圧指令信号の振幅Vampと、正弦波変調領域で用いるデッドタイム補償量Vtdcの和が、PWM制御手段24における搬送波信号の振幅以下の場合を正弦波変調領域、搬送波信号の振幅よりも大きい場合を過変調領域として検出し、過変調領域検出信号Ovを生成して出力する。第1の交流電圧指令信号の振幅Vampは、第1の変調率指令k1*にPWMインバータ装置10の出力可能な交流電圧の基本波成分の大きさ、例えばPWMインバータ装置10の入力直流電圧を乗算することで算出する。
The overmodulation area detection means 22 is a sine wave when the sum of the amplitude Vamp of the first AC voltage command signal and the dead time compensation amount Vtdc used in the sine wave modulation area is equal to or less than the amplitude of the carrier signal in the PWM control means 24. A case where the modulation area is larger than the amplitude of the carrier signal is detected as an overmodulation area, and an overmodulation area detection signal Ov is generated and output. The amplitude Vamp of the first AC voltage command signal is multiplied by the first modulation factor command k1 * by the magnitude of the fundamental wave component of the AC voltage that can be output from the
第2の交流電圧指令信号生成手段23は、過変調領域検出手段22からの過変調領域検出信号Ovによって、正弦波変調領域であると判定されたときは、デッドタイム誤差電圧Vtdに基づくデッドタイム補償量VtdcをPWMインバータ装置10の出力電流(固定子12に流れる相電流)の極性に応じて、第1の交流電圧指令信号に加算または減算したものを第2の交流電圧指令信号(第2のU相電圧指令Vu2*、第2のV相電圧指令Vv2*および第2のW相電圧指令Vw2*)として出力する。なお、本実施の形態では固定子12に流れる相電流のうちW相電流Iwは、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iwの総和が0になる関係を利用して、U相電流Iu、V相電流Ivから算出する。
When the second AC voltage command signal generation means 23 is determined to be a sine wave modulation area by the overmodulation area detection signal Ov from the overmodulation area detection means 22, the dead time based on the dead time error voltage Vtd is determined. A value obtained by adding or subtracting the compensation amount Vtdc to or from the first AC voltage command signal according to the polarity of the output current of the PWM inverter device 10 (phase current flowing through the stator 12) is the second AC voltage command signal (second Output as a U-phase voltage command Vu2 * , a second V-phase voltage command Vv2 *, and a second W-phase voltage command Vw2 * ). In the present embodiment, among the phase currents flowing through the
正弦波変調領域におけるデッドタイム誤差電圧は、PWMインバータ装置10の出力電流をIp、デッドタイム誤差電圧の振幅をVtdaとすると、次の式(7)〜(9)のように表せる。この式(7)〜(9)からわかるように、デッドタイム誤差電圧Vtdは、PWMインバータ装置10の出力電流Ipの極性に依存する方形波電圧である。出力電流Ipの位相θipは、例えば交流電圧信号の位相θpと力率pfにより次の式(10)のように定められる。
The dead time error voltage in the sine wave modulation region can be expressed by the following equations (7) to (9), where Ip is the output current of the
Vtd=Vtda(Ip<0) ・・・(7) Vtd = Vtda (Ip <0) (7)
Vtd=0(Ip=0) ・・・(8) Vtd = 0 (Ip = 0) (8)
Vtd=−Vtda(Ip>0) ・・・(9) Vtd = −Vtda (Ip> 0) (9)
θip=θp−arccos(pf) ・・・(10) θip = θp-arccos (pf) (10)
なお、デッドタイム誤差電圧の振幅Vtdaは、次の式(11)の通り、PWMインバータ装置10の入力直流電圧EとPWM制御装置24で生成される搬送波周期f、デッドタイムtdを用いて表せる。
The amplitude Vtda of the dead time error voltage can be expressed by using the input DC voltage E of the
Vtda=E・f・td ・・・(11) Vtda = E · f · td (11)
デッドタイム補償量Vtdcは式(7)〜(11)で表されるデッドタイム誤差電圧Vtdを打ち消すように第1の交流電圧指令信号に加算、または減算する。具体的には、Vtdc=Vtdaとして、Ip<0のとき、第1の交流電圧指令信号にVtdcを減算、Ip>0のとき、第1の交流電圧指令信号にVtdcを加算する。Ip=0のときは第1の交流電圧指令信号に加算も減算も行わない。このようにデッドタイム補償量Vtdcを第1の交流電圧指令信号に加算、または減算したものを第2の交流電圧指令信号として出力する。 The dead time compensation amount Vtdc is added to or subtracted from the first AC voltage command signal so as to cancel the dead time error voltage Vtd expressed by the equations (7) to (11). Specifically, assuming that Vtdc = Vtda, Vtdc is subtracted from the first AC voltage command signal when Ip <0, and Vtdc is added to the first AC voltage command signal when Ip> 0. When Ip = 0, neither addition nor subtraction is performed on the first AC voltage command signal. In this way, a value obtained by adding or subtracting the dead time compensation amount Vtdc to or from the first AC voltage command signal is output as the second AC voltage command signal.
第2の交流電圧指令信号生成手段23は、過変調領域検出手段22からの過変調領域検出信号Ovによって、過変調領域であると判定されたときは、第2のdq電圧指令から第2の交流電圧指令信号を生成して出力する。具体的には、上述の式(2)〜(4)のVd1*、Vq1*をそれぞれVd2*、Vq2*に、θをθcに置き換えた式で第2の交流電圧指令信号を生成して出力する。
When the second AC voltage command
交流電圧生成手段25は、直流電圧とPWM制御手段24から出力される制御指令に基づいてスイッチング素子をオンオフさせることで3相交流電圧を出力し、同期電動機11の固定子12に通電する。
The
図2は、交流電圧生成手段25の内部を示す図である。交流電圧生成手段25は、U相上下アーム(U相上側アーム、U相下側アーム)、V相上下アーム(V相上側アーム、V相下側アーム)、W相上下アーム(W相上側アーム、W相下側アーム)を有している。 FIG. 2 is a diagram showing the inside of the AC voltage generation means 25. The AC voltage generation means 25 includes a U-phase upper and lower arm (U-phase upper arm and U-phase lower arm), a V-phase upper and lower arm (V-phase upper arm and V-phase lower arm), and a W-phase upper and lower arm (W-phase upper arm). , W-phase lower arm).
U相上側アームはスイッチング素子Q1、ダイオードD1から成り、U相下側アームはスイッチング素子Q2、ダイオードD2から成っている。また、V相上側アームはスイッチング素子Q3、ダイオードD3から成り、V相下側アームはスイッチング素子Q4、ダイオードD4から成っている。更に、W相上側アームはスイッチング素子Q5、ダイオードD5から成り、W相下側アームはスイッチング素子Q6、ダイオードD6から成っている。PWM制御手段24から生成される制御指令はスイッチング素子Q1〜Q6に入力され、スイッチング素子がオンオフされる。 The U-phase upper arm consists of a switching element Q1 and a diode D1, and the U-phase lower arm consists of a switching element Q2 and a diode D2. The V-phase upper arm is composed of a switching element Q3 and a diode D3, and the V-phase lower arm is composed of a switching element Q4 and a diode D4. Further, the W-phase upper arm consists of a switching element Q5 and a diode D5, and the W-phase lower arm consists of a switching element Q6 and a diode D6. The control command generated from the PWM control means 24 is input to the switching elements Q1 to Q6, and the switching elements are turned on / off.
PWM制御手段24は、第2の交流電圧指令信号生成手段23から出力される第2の交流電圧指令信号と、PWM制御手段24の内部で生成される三角波状の搬送波との比較に基づくパルス幅変調制御により、制御指令を生成する。
The
図3は、PWM制御手段24による一相分の制御指令の生成を示す図である。第2の交流電圧指令信号と搬送波信号を比較し、第2の交流電圧指令信号≧搬送波信号となる場合は、上側アームのスイッチング素子、例えばU相の場合はQ1をON、下側アームのスイッチング素子、例えばU相の場合はQ2をOFFする。また、第2の交流電圧指令信号<搬送波信号の場合は、上側アームのスイッチング素子、例えばU相の場合はQ1をOFF、下側アームのスイッチング素子、例えばU相の場合はQ2をONする。
FIG. 3 is a diagram illustrating generation of a control command for one phase by the
なお、上下アーム(上側アーム、下側アーム)のスイッチング素子は直列接続されているため、スイッチングによる短絡を防止する必要がある。このため、上側アーム、下側アームともスイッチング素子がONとなるタイミングを所定の時間tdだけ遅らせる。この時間tdがデッドタイムである。 Since the switching elements of the upper and lower arms (upper arm and lower arm) are connected in series, it is necessary to prevent a short circuit due to switching. For this reason, the timing at which the switching elements are turned on for both the upper arm and the lower arm is delayed by a predetermined time td. This time td is a dead time.
続いて、第2の変調率指令生成手段27の詳細な機能を処理の流れに沿って説明する。
第2の変調率指令生成手段27は、第1の変調率指令k1*に対してデッドタイム誤差電圧Vtdを補償しない場合のPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさとの関係を示す電圧応答特性から、PWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさが、第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさと等しくなる第2の変調率指令k2*を生成する。
Next, the detailed function of the second modulation factor
The second modulation factor command generation means 27 shows the relationship with the magnitude of the fundamental component of the output voltage of the
第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさは、第1の変調率指令k1*に、PWMインバータ装置10の出力可能な交流電圧の基本波成分の大きさ、例えばPWMインバータ装置10の入力直流電圧を乗算することで算出できる。
The magnitude of the fundamental wave component of the first AC voltage command signal is the magnitude of the fundamental wave component of the AC voltage that can be output from the
次に、第1の変調率指令k1*から第2の変調率指令k2*を生成するために用いる電圧応答特性について説明する。図4は、電圧応答特性の図示例であり、あわせて第1の変調率指令k1*と第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさの関係も図示している。 Next, voltage response characteristics used to generate the second modulation factor command k2 * from the first modulation factor command k1 * will be described. FIG. 4 is an illustrative example of voltage response characteristics, and also illustrates the relationship between the magnitude of the fundamental component of the first modulation rate command k1 * and the first AC voltage command signal.
第1の変調率指令k1*と第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさは線形関係にあるが、PWM制御手段24によってパルス幅変調を行うと、ある第1の変調率指令k1*の値以上から過変調領域に入る。過変調領域では、第1の変調率指令k1*と第1の交流電圧指令信号をPWM制御手段24に入力したときのPWMインバータ装置10の基本波成分の大きさの関係が非線形となる。これに加え、過変調領域においては第1の変調率指令k1*が大きくなるにつれてPWMのスイッチング回数が減少するため、デッドタイム誤差電圧の影響が小さくなる。そのため電圧応答特性も非線形となる。
The magnitude of the fundamental wave component of the first modulation rate command k1 * and the first AC voltage command signal is in a linear relationship, but when the pulse width modulation is performed by the
図4のVmaxは、デッドタイム誤差電圧がない場合のPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の最大値を示している。Vcom1は、第1の変調率指令k1*がある値kcom1のときの第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさを示す。電圧応答特性からPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさがVcom1となる第2の変調率指令k2*を図4のように求めることができる。
Vmax in FIG. 4 indicates the maximum value of the fundamental component of the output voltage of the
以上、図4を用いて電圧応答特性から第2の変調率指令k2*が求められることを説明したが、第2の変調率指令k2*を求める方法について数式等を用いて説明する。 As described above, it has been described that the second modulation factor command k2 * is obtained from the voltage response characteristics with reference to FIG. 4, but a method for obtaining the second modulation factor command k2 * will be described using mathematical formulas and the like.
第2の変調率指令k2*を求めるために設定する未知数Vpaを用いて、次の式(12)のように第2の交流電圧指令信号を仮定した交流電圧信号Vpの式を立てる。θpは、交流電圧信号Vpの位相を示す。 Using the unknown number Vpa set to obtain the second modulation factor command k2 * , an equation of the AC voltage signal Vp assuming the second AC voltage command signal is established as in the following equation (12). θp indicates the phase of the AC voltage signal Vp.
Vp=−(√2/√3)Vpa・sinθp・・・(12) Vp = − (√2 / √3) Vpa · sin θp (12)
なお、交流電圧信号Vpが搬送波の取りうる値の範囲を逸脱する場合は、次のように交流電圧指令信号Vpの値を定める。 When the AC voltage signal Vp deviates from the range of values that the carrier wave can take, the value of the AC voltage command signal Vp is determined as follows.
搬送波振幅の値をVcとすると、交流電圧信号Vpの値がVcよりも大きい場合は、交流電圧信号Vpの値をVcとする。交流電圧信号Vpの値が−Vcよりも小さい場合は、交流電圧信号Vpの値を−Vcとする。 Assuming that the value of the carrier wave amplitude is Vc, when the value of the AC voltage signal Vp is larger than Vc, the value of the AC voltage signal Vp is set to Vc. When the value of the AC voltage signal Vp is smaller than −Vc, the value of the AC voltage signal Vp is set to −Vc.
以上のように設定される交流電圧信号Vpに対して、デッドタイム誤差電圧Vtdを重畳したデッドタイム誤差電圧重畳後交流電圧を算出する。交流電圧信号Vpの値がVc以下、かつ−Vc以上の場合、デッドタイム誤差電圧Vtdは、その振幅をVtdaとすると正弦波変調領域のときと同様に、式(7)〜(11)のようにPWMインバータ装置10の各相の出力電流Ipの極性に応じて場合分けして表せる。
The AC voltage after the dead time error voltage superposition is calculated by superimposing the dead time error voltage Vtd on the AC voltage signal Vp set as described above. When the value of the AC voltage signal Vp is equal to or lower than Vc and equal to or higher than −Vc, the dead time error voltage Vtd is expressed by equations (7) to (11) as in the case of the sine wave modulation region when the amplitude is Vtda. Can be expressed in different cases according to the polarity of the output current Ip of each phase of the
なお、過変調領域でパルス幅変調を行う場合に生じる、交流電圧信号VpがVcまたは−Vcに保持される区間については、パルス幅変調によるスイッチングが発生しないため、デッドタイムも生成されない。このため、この区間についてはデッドタイム誤差電圧Vtdが発生せず、式(7)〜(11)に依らずVtd=0である。 Note that no switching occurs due to pulse width modulation in a section where the AC voltage signal Vp is held at Vc or -Vc, which occurs when pulse width modulation is performed in the overmodulation region, so that no dead time is generated. For this reason, the dead time error voltage Vtd does not occur in this section, and Vtd = 0 regardless of the equations (7) to (11).
交流電圧信号VpがVcまたは−Vcに保持される区間は、式(12)中の未知数Vpaの値に依存するため、Vtdも未知数である。 Since the interval in which the AC voltage signal Vp is held at Vc or −Vc depends on the value of the unknown Vpa in Equation (12), Vtd is also an unknown.
デッドタイム誤差電圧重畳後交流電圧は、交流電圧信号VpにVtdを加算することで得られる。このデッドタイム誤差電圧重畳後交流電圧の基本波成分の大きさを抽出したものが、PWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさに相当する。基本波成分の大きさは、例えばフーリエ級数展開によって基本波成分の大きさに相当するフーリエ係数を求めることで抽出できる。
The AC voltage after the dead time error voltage superposition is obtained by adding Vtd to the AC voltage signal Vp. What extracted the magnitude | size of the fundamental wave component of AC voltage after this dead time error voltage superimposition corresponds to the magnitude | size of the fundamental wave component of the output voltage of the
以上のステップから、式(12)中の未知数VpaとPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさとの関係が求まる。この関係から、デッドタイム誤差電圧重畳後交流電圧の基本波成分の大きさが、図4のVcom1に等しくなるVpaが求まる。
From the above steps, the relationship between the unknown Vpa in equation (12) and the magnitude of the fundamental component of the output voltage of the
このVpaから第2の変調率指令k2*を求めるには、VpaをPWMインバータ装置10の出力可能な交流電圧の基本波成分の大きさ、例えばPWMインバータ装置10の入力直流電圧で除算すればよい。以上のステップで第1の変調率指令k1*から第2の変調率指令k2*を演算によって求めることができる。
In order to obtain the second modulation factor command k2 * from this Vpa, Vpa may be divided by the magnitude of the fundamental component of the AC voltage that can be output from the
演算負荷低減の観点からは、使用する範囲の第1の変調率指令k1*と力率pfを引数として第2の変調率指令k2*を求めることができるマップを演算装置内に用意することが考えられる。 From the viewpoint of reducing the calculation load, a map capable of obtaining the second modulation factor command k2 * with the first modulation factor command k1 * and the power factor pf in the range to be used as arguments is prepared in the calculation device. Conceivable.
なお、第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさとPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさが等しくなる第2の変調率指令k2*が存在しない場合には、例えば第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさに最も近くなる第2の変調率指令k2*を選択することとする。
If there is no second modulation factor command k2 * in which the magnitude of the fundamental wave component of the first AC voltage command signal is equal to the magnitude of the fundamental wave component of the output voltage of the
続いて位相補償手段21の詳細な機能について説明する。この実施の形態において、正弦波変調領域におけるデッドタイム補償量を用いたデッドタイム補償は、デッドタイム誤差電圧による影響を位相も含めて補償できるため、正弦波変調領域においては、位相補償手段21は第1の位相θをそのまま第2の位相θcとして出力する。過変調領域におけるデッドタイム補償は、第1の変調率指令k1*から第2の変調率指令k2*を求めることで、PWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさのみを補償するため、デッドタイム誤差電圧による位相のずれが生じる。デッドタイム誤差電圧による位相のずれを補償するためには、位相補償手段21が必要となる。
Next, the detailed function of the phase compensation means 21 will be described. In this embodiment, since the dead time compensation using the dead time compensation amount in the sine wave modulation region can compensate the influence of the dead time error voltage including the phase, the phase compensation means 21 in the sine wave modulation region The first phase θ is output as it is as the second phase θc. The dead time compensation in the overmodulation region is to obtain only the magnitude of the fundamental component of the output voltage of the
位相補償手段21は、過変調領域検出手段22で過変調領域と検出された場合は、第2の変調率指令生成手段27から出力される第2の変調率指令k2*に基づいて生成される第2のdq電圧指令と、デッドタイム誤差電圧の振幅Vtda、同期電動機11の力率pfを用いて、第2の変調率指令k2*に基づいて第2の交流電圧指令信号が出力されたときのPWMインバータ装置10の出力電圧の位相と、第1の交流電圧指令信号の位相とのずれを補償する。
The
PWMインバータ装置10のデッドタイム誤差電圧を含まないU相出力電圧Vuは、VuがVc以下かつ−Vc以上の場合、次の式(13)のように表せる。
The U-phase output voltage Vu that does not include the dead time error voltage of the
Vu=(√2/√3)Vd2*・cosθ−(√2/√3)Vq2*・sinθ
・・・(13)
Vu = (√2 / √3) Vd2 * · cos θ− (√2 / √3) Vq2 * · sin θ
... (13)
VuがVcより大きい場合はVu=Vc、Vuが−Vcより小さい場合はVu=−Vcとする。 When Vu is larger than Vc, Vu = Vc, and when Vu is smaller than −Vc, Vu = −Vc.
以上のように表されるU相出力電圧Vuに対して、フーリエ級数展開などの手法により、その基本波成分の大きさを抽出したものをVu_1とする。 Vu_1 is obtained by extracting the magnitude of the fundamental wave component of the U-phase output voltage Vu expressed as described above by a technique such as Fourier series expansion.
次に、デッドタイム誤差電圧Vtdを、式(7)〜(11)に基づき算出する。ただし、上述したように交流電圧信号VpがVcまたは−Vcに保持される区間については、パルス幅変調によるスイッチングが発生しないため、デッドタイムも生成されない。このため、この区間についてはデッドタイム誤差電圧Vtdが発生せず、式(7)〜(11)に依らずVtd=0である。 Next, the dead time error voltage Vtd is calculated based on the equations (7) to (11). However, as described above, in the section where the AC voltage signal Vp is held at Vc or −Vc, switching due to pulse width modulation does not occur, and therefore no dead time is generated. For this reason, the dead time error voltage Vtd does not occur in this section, and Vtd = 0 regardless of the equations (7) to (11).
以上のように算出されるVtdに対して、フーリエ級数展開などの手法により、その基本波成分の大きさを抽出したものをVtd_1とする。 Vtd_1 obtained by extracting the magnitude of the fundamental component of the Vtd calculated as described above by a technique such as Fourier series expansion is defined as Vtd_1.
図5は、第1の交流電圧指令信号、デッドタイム誤差電圧を含まないPWMインバータ装置10の出力電圧、デッドタイム誤差電圧、デッドタイム誤差電圧を含むPWMインバータ装置10の出力電圧、PWMインバータ装置10の出力電流のそれぞれの基本波成分のベクトルの一例を示す図であり、それぞれの基本波成分のベクトルに対して符号51、52、53、54、55を付与している。図5中の円は、ベクトル51の大きさを半径とする。
FIG. 5 shows the first AC voltage command signal, the output voltage of the
第2の変調率指令生成手段27により、第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさ(図5ではベクトル51の大きさに相当)と等しい大きさをもつベクトル54が得られているが、ベクトル54の向きは、図5のようにベクトル51に対してαだけずれていることがわかる。位相補償手段21では、このベクトルのずれを補償し、54のベクトルの向きを51のベクトルの向きに一致させる位相補償を行う。
The second modulation factor command generation means 27 obtains a
図5から、52、53、54の3つのベクトルは三角形を構成することがわかる。52、53、54のベクトルの大きさは既知であるため、αを余弦定理により求めることができる。ベクトル52、53、54の大きさをそれぞれa、b、cとすると、αは次の式(14)のように算出できる。
From FIG. 5, it can be seen that the three
α=arccos{(a2+c2−b2)/(2・a・c)}・・・(14) α = arccos {(a 2 + c 2 −b 2 ) / (2 · a · c)} (14)
この位相補償量αを第1の位相θから減算することで、図5中でベクトル54の向きをベクトル51の向きに合わせることができる。位相補償手段21は、入力される第1の位相θに対して位相補償量αを減算して第2の位相θcを出力する。
By subtracting the phase compensation amount α from the first phase θ, the direction of the
以上、代表的にPWMインバータ装置10のU相出力電圧Vuを用いて位相補償手段21の機能の詳細について説明したが、各相(U相、V相、W相)の違いはPWMインバータ装置10の出力電圧の位相が異なるのみであり、各相でデッドタイム誤差電圧、PWMインバータ装置10の出力電圧の大きさの違いはないため、各相で三角形の形が変わることはない。そのため、どの相についても図5を用いて説明できる。従って、位相補償量αは各相の違いを考慮する必要はない。
The details of the function of the phase compensation means 21 have been described above using the U-phase output voltage Vu of the
なお、演算負荷低減の観点からは、PWMインバータ装置10のデッドタイム誤差電圧を含まない出力電圧の基本波成分の大きさの抽出は、式(13)が第2の変調率k2*によって定められること、各相の違いは考慮する必要がないことから、第2の変調率指令k2*を引数とするマップを演算装置内に用意して行うことが考えられる。
From the viewpoint of reducing the calculation load, the extraction of the magnitude of the fundamental wave component of the output voltage not including the dead time error voltage of the
同じく演算負荷低減の観点からは、デッドタイム誤差電圧Vtdの基本波成分の大きさの抽出は、デッドタイム誤差電圧Vtdがデッドタイム誤差電圧の振幅Vtdaと第2の変調率指令k2*によって定められることから、デッドタイム誤差電圧の振幅Vtdaと第2の変調率指令k2*を引数とするマップを演算装置内に用意して行うことが考えられる。 Similarly, from the viewpoint of reducing the calculation load, the extraction of the magnitude of the fundamental wave component of the dead time error voltage Vtd is determined by the dead time error voltage Vtda and the second modulation factor command k2 * . Therefore, it is conceivable that a map having the arguments of the amplitude Vtda of the dead time error voltage and the second modulation factor command k2 * is prepared in the arithmetic unit.
同じく演算負荷低減の観点からは、位相補償量αは、ベクトル52、53、54の大きさを引数とするマップ、あるいは式(14)右辺のarccos内の値を引数とするマップを演算装置内に用意して求めることが考えられる。
Similarly, from the viewpoint of reducing the calculation load, the phase compensation amount α is calculated by using a map that uses the magnitude of the
以上説明したように、この実施の形態1に係るPWMインバータ装置10では、過変調領域でパルス幅変調を行う際にもPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分を第1の交流電圧指令信号の基本波成分と等しくすることができる。
As described above, in the
なお、この実施の形態では第1の変調率指令k1*から、第2の変調率指令生成手段27によりPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさに着目してデッドタイム補償を行えることを説明した。
In this embodiment, from the first modulation factor command k1 * , the second modulation
ところで、デッドタイム誤差電圧Vtdは上述したように正弦波変調領域では振幅Vtdaの方形波であるため、デッドタイム誤差電圧Vtdには高調波成分も含まれている。この実施の形態では、上述したように正弦波変調領域ではPWMインバータ装置10の出力電流の極性に応じて、デッドタイム補償量Vtdcを加算または減算することでデッドタイム補償を行う。PWMインバータ装置10の出力電流の極性に応じて、デッドタイム補償量Vtdcを加算または減算することでデッドタイム補償を行うことを、以下方形波型デッドタイム補償という。正弦波変調領域で方形波型デッドタイム補償を行う場合、方形波状のデッドタイム誤差電圧Vtdを打ち消すようにデッドタイム補償量Vtdcを加算または減算するため、デッドタイム誤差電圧VtdによるPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分への影響のみならず、デッドタイム誤差電圧Vtdの高調波成分の影響も除去することができる。
By the way, since the dead time error voltage Vtd is a square wave having the amplitude Vtda in the sine wave modulation region as described above, the dead time error voltage Vtd includes a harmonic component. In this embodiment, as described above, dead time compensation is performed in the sine wave modulation region by adding or subtracting the dead time compensation amount Vtdc in accordance with the polarity of the output current of the
この実施の形態においては、過変調領域ではデッドタイム補償量Vtdcを用いたデッドタイム補償は行わず、デッドタイム誤差電圧VtdによるPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさに着目してデッドタイム補償を行っているが、過変調領域においても方形波型デッドタイム補償を行うことにより、デッドタイム誤差電圧Vtdの高調波成分の影響も低減することができる。
In this embodiment, the dead time compensation using the dead time compensation amount Vtdc is not performed in the overmodulation region, and attention is paid to the magnitude of the fundamental component of the output voltage of the
過変調領域では、第2の交流電圧指令信号がVcより大きい、または−Vcより小さくなる区間においては、パルス幅変調によるスイッチングが発生しないため、デッドタイムも発生しない。従って、この区間においてデッドタイム誤差電圧Vtdは0となる。 In the overmodulation region, in the interval where the second AC voltage command signal is larger than Vc or smaller than −Vc, switching due to pulse width modulation does not occur, and therefore no dead time occurs. Accordingly, the dead time error voltage Vtd becomes 0 in this interval.
また、過変調領域において第1の交流電圧指令信号に対してデッドタイム補償量Vtdcを加算または減算した結果、第2の交流電圧指令信号がVcより大きい、または−Vcより小さくなることがある。この場合に発生する第2の交流電圧指令信号がVcより大きい、または−Vcより小さくなる区間においても、デッドタイム誤差電圧Vtdは0となる。 In addition, as a result of adding or subtracting the dead time compensation amount Vtdc to the first AC voltage command signal in the overmodulation region, the second AC voltage command signal may be larger than Vc or smaller than −Vc. The dead time error voltage Vtd becomes 0 even in a section in which the second AC voltage command signal generated in this case is larger than Vc or smaller than −Vc.
正弦波変調領域においては、デッドタイム誤差電圧が一定であるため、一定のデッドタイム補償量を用いて方形波型デッドタイム補償を行えるが、過変調領域ではデッドタイム誤差電圧が変化するため、一定のデッドタイム補償量を用いた方形波型デッドタイム補償が行えない。 Since the dead time error voltage is constant in the sine wave modulation region, square wave type dead time compensation can be performed using a constant dead time compensation amount. However, in the over modulation region, the dead time error voltage changes, so the constant time error voltage is constant. Square wave type dead time compensation using the amount of dead time compensation cannot be performed.
過変調領域で方形波型デッドタイム補償を行うために、この実施の形態を図1から図6のように変更する。図6では図1における第2の変調率指令生成手段27と第2のdq電圧指令生成手段19の代わりに、デッドタイム補償量生成手段60を備えている。デッドタイム補償量算出手段60は、デッドタイム誤差電圧の振幅Vtdaと力率pfから、PWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさが第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさに等しくなるデッドタイム補償量を算出する。
In order to perform square wave type dead time compensation in the overmodulation region, this embodiment is changed as shown in FIGS. In FIG. 6, a dead time compensation
次に、デッドタイム補償量生成手段60の詳細な機能について説明する。第2の交流電圧指令信号を仮定した交流電圧信号Vpは、次の式(15)〜(17)のように表せる。式(15)〜(17)では代表的にU相の場合について表している。Vtdcは求めるべきデッドタイム補償量であり、未知数である。 Next, a detailed function of the dead time compensation amount generating means 60 will be described. The AC voltage signal Vp assuming the second AC voltage command signal can be expressed by the following equations (15) to (17). Expressions (15) to (17) typically represent the case of the U phase. Vtdc is a dead time compensation amount to be obtained and is an unknown number.
Vp=(√2/√3)Vd1*・cosθ−(√2/√3)Vq1*・sinθ
−Vtdc (Ip<0)・・・(15)
Vp = (√2 / √3) Vd1 * · cos θ− (√2 / √3) Vq1 * · sin θ
-Vtdc (Ip <0) (15)
Vp=(√2/√3)Vd1*・cosθ−(√2/√3)Vq1*・sinθ
+Vtdc (Ip>0)・・・(16)
Vp = (√2 / √3) Vd1 * · cos θ− (√2 / √3) Vq1 * · sin θ
+ Vtdc (Ip> 0) (16)
Vp=(√2/√3)Vd1*・cosθ−(√2/√3)Vq1*・sinθ
(Ip=0) ・・・(17)
Vp = (√2 / √3) Vd1 * · cos θ− (√2 / √3) Vq1 * · sin θ
(Ip = 0) (17)
なお、VpがVcよりも大きい、または−Vcよりも小さい場合はそれぞれVp=Vc、Vp=−Vcとする。 When Vp is larger than Vc or smaller than −Vc, Vp = Vc and Vp = −Vc, respectively.
上記のように設定される交流電圧信号Vpに対して、デッドタイム誤差電圧Vtdを加算することにより、デッドタイム誤差電圧重畳後交流電圧を算出する。デッドタイム誤差電圧Vtdは式(7)〜(11)に基づき算出されるが、上記のように設定される交流電圧VpがVcよりも大きい、または−Vcよりも小さい区間では0とする。 By adding the dead time error voltage Vtd to the AC voltage signal Vp set as described above, the AC voltage after the dead time error voltage is superimposed is calculated. Although the dead time error voltage Vtd is calculated based on the equations (7) to (11), it is set to 0 when the AC voltage Vp set as described above is larger than Vc or smaller than −Vc.
上記のように設定されるデッドタイム誤差電圧重畳後交流電圧に対して、その基本波成分を抽出する。基本波成分は、例えばフーリエ級数展開によって基本波成分に相当するフーリエ係数を求めることで抽出できる。これにより、デッドタイム誤差電圧重畳後交流電圧の基本波成分を抽出後、デッドタイム誤差電圧重畳後の基本波成分の大きさが、第1の交流電圧指令信号の基本波成分と等しくなるようなデッドタイム補償量Vtdcを求めることができる。このデッドタイム補償量とPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさとの関係が補償量応答特性である。
The fundamental wave component is extracted from the AC voltage after the dead time error voltage superposition set as described above. The fundamental wave component can be extracted by obtaining a Fourier coefficient corresponding to the fundamental wave component by, for example, Fourier series expansion. Thereby, after extracting the fundamental wave component of the AC voltage after dead time error voltage superposition, the magnitude of the fundamental wave component after the dead time error voltage superposition becomes equal to the fundamental wave component of the first AC voltage command signal. The dead time compensation amount Vtdc can be obtained. The relationship between the dead time compensation amount and the magnitude of the fundamental component of the output voltage of the
なお、演算負荷低減の観点からは、デッドタイム補償量Vtdcの生成を、第1の変調率指令k1*と力率pfを引数とするマップを演算装置内に用意することにより行うことが考えられる。 From the viewpoint of reducing the calculation load, it is conceivable that the dead time compensation amount Vtdc is generated by preparing a map having the first modulation factor command k1 * and the power factor pf as arguments in the calculation device. .
以上、デッドタイム補償量生成手段60の詳細な機能について、U相の場合を考えて説明したが、各相の違いは位相の違いのみであり、他の相で考える場合も同様の方法でデッドタイム補償量が生成できる。 The detailed function of the dead time compensation amount generating means 60 has been described in consideration of the case of the U phase. However, the difference in each phase is only the difference in phase. A time compensation amount can be generated.
第2の交流電圧指令信号生成手段23は、過変調領域検出手段22によって過変調領域であると検出された場合は、デッドタイム補償量生成手段60によって生成されたデッドタイム補償量を、正弦波変調領域であると検出された場合は、式(10)により定められるデッドタイム補償量を、PWMインバータ装置10の出力電流の極性に応じて、第1の交流電圧指令信号に加算または減算することにより第2の交流電圧指令信号を生成する。
The second AC voltage command signal generating means 23, when the overmodulation area detecting means 22 detects that it is an overmodulation area, converts the dead time compensation amount generated by the dead time compensation amount generating means 60 into a sine wave. When the modulation area is detected, the dead time compensation amount determined by the equation (10) is added to or subtracted from the first AC voltage command signal according to the polarity of the output current of the
次に、過変調領域で方形波型デッドタイム補償を行う際の、位相補償手段21の詳細な機能について説明する。デッドタイム誤差電圧を含まないPWMインバータ装置10の出力電圧は、式(15)〜(17)にデッドタイム補償量生成手段60から出力されるデッドタイム補償量Vtdcを代入することで算出できる。ただし、VpがVcよりも大きい場合はVp=Vc、−Vcよりも小さい場合はVp=−VcとしてVpを算出する。このようにして得られたデッドタイム誤差電圧を含まないPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分を抽出する。基本波成分の抽出には、例えばフーリエ級数展開を用いる。
Next, a detailed function of the phase compensation means 21 when performing square wave type dead time compensation in the overmodulation region will be described. The output voltage of the
次に、デッドタイム誤差電圧Vtdを算出する。デッドタイム誤差電圧Vtdは、式(7)〜(11)に基づき算出されるが、上記のように設定される交流電圧VpがVcよりも大きい、または−Vcよりも小さい区間では0とする。このようにして得られたデッドタイム誤差電圧Vtdの基本波成分を抽出する。基本波成分の抽出には、例えばフーリエ級数展開を用いる。 Next, the dead time error voltage Vtd is calculated. The dead time error voltage Vtd is calculated based on the equations (7) to (11), and is 0 when the AC voltage Vp set as described above is larger than Vc or smaller than −Vc. The fundamental wave component of the dead time error voltage Vtd thus obtained is extracted. For example, Fourier series expansion is used to extract the fundamental wave component.
以上のステップで得られたデッドタイム誤差電圧を含まないPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさと、デッドタイム誤差電圧の基本波成分の大きさを利用して、位相補償量αを求める。位相補償量αは式(14)に基づいて算出し、第1の位相θから位相補償量αを減算したものを第2の位相θcとして出力する。
By using the magnitude of the fundamental wave component of the output voltage of the
なお、演算負荷低減の観点からは、式(15)〜(17)が第1の変調率指令k1*とデッドタイム補償量Vtdc、力率pfによって定められること、各相の違いは考慮する必要がないことから、PWMインバータ装置10のデッドタイム誤差電圧を含まない出力電圧の基本波成分の大きさの抽出は、第1の変調率指令k1*、デッドタイム補償量Vtdc、力率pfを引数とするマップを演算装置内に用意して行うことが考えられる。
From the viewpoint of reducing the calculation load, it is necessary to take into account that the equations (15) to (17) are determined by the first modulation factor command k1 * , the dead time compensation amount Vtdc, and the power factor pf, and the differences between the phases. Therefore, the extraction of the magnitude of the fundamental wave component of the output voltage that does not include the dead time error voltage of the
同じく演算負荷低減の観点からは、デッドタイム誤差電圧Vtdがデッドタイム誤差電圧の振幅Vtda、第1の変調率指令k1*、力率pfによって定められることから、デッドタイム誤差電圧Vtdの基本波成分の大きさの抽出は、デッドタイム誤差電圧の振幅Vtda、第1の変調率指令k1*、力率pfを引数とするマップを演算装置内に用意して行うことが考えられる。 Similarly, from the viewpoint of reducing the calculation load, since the dead time error voltage Vtd is determined by the amplitude Vtda of the dead time error voltage, the first modulation factor command k1 * , and the power factor pf, the fundamental wave component of the dead time error voltage Vtd It is conceivable that extraction of the magnitude of is performed by preparing a map in the arithmetic unit using the amplitude Vtda of the dead time error voltage, the first modulation factor command k1 * , and the power factor pf as arguments.
同じく演算負荷低減の観点からは、位相補償量αは、ベクトル52、53、54の大きさを引数とするマップ、あるいは式(14)右辺のarccos内の値を引数とするマップを演算装置内に用意して求めることが考えられる。
Similarly, from the viewpoint of reducing the calculation load, the phase compensation amount α is calculated by using a map that uses the magnitude of the
なお、PWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさが、第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさに等しくなるデッドタイム補償量Vtdcが存在しない場合は、例えばPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさが、第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさに最も近くなるデッドタイム補償量Vtdcを選択して出力することとする。
When there is no dead time compensation amount Vtdc in which the magnitude of the fundamental component of the output voltage of the
以上のように、実施の形態1に係るPWMインバータ装置10によれば、デッドタイム補償手段は、過変調領域でパルス幅変調を行う際に、第2の交流電圧指令信号とデッドタイム誤差電圧を仮定し、第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさとPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさが等しくなる第2の交流電圧指令信号を生成する。あるいは、第2の交流電圧指令信号とデッドタイム誤差電圧、デッドタイム補償量を仮定し、PWMインバータ装置10の出力電圧の大きさが第1の交流電圧指令信号の基本波成分と等しくなるデッドタイム補償量を生成し、このデッドタイム補償量に基づいて第2の交流電圧指令信号を生成する。そのため、過変調領域において第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさとPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさの関係が非線形になること、及びスイッチング素子の短絡を防止するためのデッドタイムによる誤差電圧の大きさが変化することにより、第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさとPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさのずれが第2の交流電圧指令信号によって変化する場合であっても、第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさに等しいPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさを得ることができる。
As described above, according to the
さらに、実施の形態1に係るPWMインバータ装置10によれば、位相補償手段21は、PWMインバータ装置10のデッドタイム誤差電圧を含まない出力電圧と、デッドタイム誤差電圧のそれぞれの基本波成分の大きさを用いて、位相補償量を算出し、これを第1の位相から減算することで第2の位相を生成する。そのため、デッドタイム誤差電圧によって生じるPWMインバータ装置10の出力電圧の位相と第1の交流電圧指令信号の位相とのずれを補償することができる。
Furthermore, according to the
なお、上記実施の形態では、PWMインバータ装置10が、磁極位置センサレス制御装置である場合について説明したが、磁極位置検出センサを用いる制御装置であってもよい。磁極位置を検出する磁極位置検出センサを用いることにより、図1に示した積分器17が不要となり、微分器を用いることにより、同期電動機11の実回転速度を算出することができる。また、この実回転速度をフィードバックさせることにより、電動機回転速度の閉ループ制御を実行することができる。
In the above embodiment, the case where the
また、上記実施の形態では、d−q座標系によるベクトル制御を実行する構成を示したが、d−q座標系を用いずに、交流電圧そのものを制御する構成であってもよい。この場合には、第1のdq電圧指令生成手段16、第2のdq電圧指令生成手段19が不要となる。
In the above-described embodiment, the configuration in which the vector control by the dq coordinate system is executed is shown, but the configuration in which the AC voltage itself is controlled without using the dq coordinate system may be used. In this case, the first dq voltage
また、上記実施の形態では、交流の相数を3としたが、交流の相数はこれに限定されない。 Moreover, in the said embodiment, although the number of alternating current phases was set to 3, the number of alternating current phases is not limited to this.
また、上記実施の形態では、第2の交流電圧指令信号の位相と、PWMインバータ装置10の出力電流の位相との差を表すものとして力率を用いたが、力率は演算により算出して用いてもよいし、あらかじめ測定しておいた値を用いても良い。また、より直接的には第2の交流電圧指令信号の位相とPWMインバータ出力電流の位相との差を算出してもよい。
In the above embodiment, the power factor is used to represent the difference between the phase of the second AC voltage command signal and the phase of the output current of the
また、上記実施の形態では、各相の交流電圧指令を正弦波で表していたが、正弦波に3次高調波を重畳した波形など、正弦波でない交流電圧指令を用いてもよい。 In the above embodiment, the AC voltage command for each phase is represented by a sine wave. However, an AC voltage command that is not a sine wave, such as a waveform in which the third harmonic is superimposed on the sine wave, may be used.
また、上記実施の形態では、電圧応答特性を演算により得ていたが、あらかじめ第1の変調率指令とデッドタイム誤差電圧を補償しない場合のPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさとの関係を測定などにより求めておくことによっても電圧応答特性を得ることができる。
In the above embodiment, the voltage response characteristic is obtained by calculation. However, the magnitude of the fundamental wave component of the output voltage of the
また、上記実施の形態では、デッドタイム補償量応答特性を演算により得ていたが、あらかじめ、デッドタイム補償量と、デッドタイム補償量をPWMインバータ装置10の上記出力電流の検出値または上記出力電流の演算値の何れかの極性に応じて上記第1の交流電圧指令信号に加算または減算したときの上記PWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分の大きさとの関係を、測定などにより求めておくことによってもデッドタイム補償量応答特性を得ることができる。
Further, in the above embodiment, the dead time compensation amount response characteristic is obtained by calculation. However, the dead time compensation amount and the dead time compensation amount are previously determined based on the detected value of the output current of the
また、上記実施の形態では過変調領域検出手段22により、正弦波変調領域と過変調領域とでデッドタイム補償の方法を切り替えていたが、過変調領域検出手段22を用いずに、正弦波変調領域でも上記実施の形態で示した、過変調領域におけるデッドタイム補償の方法を実施可能である。なお、上記実施の形態で示した過変調領域における方形波型デッドタイム補償を、正弦波領域でも実施する場合、生成されるデッドタイム補償量は上記実施の形態で示した正弦波変調領域におけるデッドタイム補償に用いるデッドタイム補償量と等しくなるため、等価なデッドタイム補償が行われる。 In the above embodiment, the dead time compensation method is switched between the sine wave modulation area and the over modulation area by the over modulation area detection means 22, but the sine wave modulation is not performed without using the over modulation area detection means 22. Also in the region, the dead time compensation method in the overmodulation region shown in the above embodiment can be implemented. When the square wave type dead time compensation in the overmodulation region shown in the above embodiment is also executed in the sine wave region, the generated dead time compensation amount is the dead time in the sine wave modulation region shown in the above embodiment. Since it is equal to the dead time compensation amount used for time compensation, equivalent dead time compensation is performed.
この発明の範囲は、上記で説明した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The scope of the present invention is not limited to the embodiments described above, but is defined by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims. .
10 PWMインバータ装置
11 同期電動機
12 同期電動機固定子
13 同期電動機回転子
14 減算器
15 周波数補償手段
16 第1のdq電圧指令生成手段
17 積分器
18 3相−dq座標変換手段
19 第2のdq電圧指令生成手段
20 第1の交流電圧指令信号生成手段
21 位相補償手段
22 過変調領域検出手段
23 第2の交流電圧指令信号生成手段
24 PWM制御手段
25 交流電圧生成手段
26 第1の変調率指令生成手段
27 第2の変調率指令生成手段
51 第1の交流電圧指令信号の基本波成分を表すベクトル
52 デッドタイム誤差電圧を含まないPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分を表すベクトル
53 デッドタイム誤差電圧の基本波成分を表すベクトル
54 デッドタイム誤差電圧を含むPWMインバータ装置10の出力電圧の基本波成分を表すベクトル
55 PWMインバータ装置10の出力電流の基本波成分を表すベクトル
60 デッドタイム補償量生成手段
DESCRIPTION OF
Claims (7)
上記直流電圧で出力可能な上記交流電圧の基本波成分の大きさに対する第1の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさの割合を示す第1の変調率指令を生成する第1の変調率指令生成手段と、
上記第1の交流電圧指令信号の生成に用いる第1の位相を生成する第1の位相生成手段と、
上記第1の位相と上記スイッチング素子の短絡防止用のデッドタイムによって発生するデッドタイム誤差電圧に基づいて第2の交流電圧指令信号を生成するデッドタイム補償手段と、
上記第2の交流電圧指令信号と搬送波信号の比較に基づくパルス幅変調制御によって上記制御指令を生成するPWM制御手段と、を備え、
上記デッドタイム補償手段は少なくとも、上記第2の交流電圧指令信号の振幅が上記搬送波信号の振幅よりも大きい過変調領域において、上記第2の交流電圧指令信号または上記第2の交流電圧指令信号の基本波成分の大きさの割合を示す第2の変調率指令のうちの少なくとも1つと、上記第2の交流電圧指令信号の位相である第2の交流電圧位相と上記PWMインバータ装置の出力電流の検出値または演算値の位相との間の差に応じて発生する上記デッドタイム誤差電圧に基づき上記第2の交流電圧指令信号を生成することを特徴とするPWMインバータ装置。 A PWM inverter device that converts a DC voltage into an AC voltage by turning on and off a switching element based on a control command,
A first modulation factor that generates a first modulation factor command indicating a ratio of the magnitude of the fundamental wave component of the first AC voltage command signal to the magnitude of the fundamental wave component of the AC voltage that can be output by the DC voltage Command generation means;
First phase generating means for generating a first phase used for generating the first AC voltage command signal;
Dead time compensation means for generating a second AC voltage command signal based on a dead time error voltage generated by the first phase and a dead time for preventing a short circuit of the switching element;
PWM control means for generating the control command by pulse width modulation control based on the comparison between the second AC voltage command signal and the carrier wave signal,
The dead time compensation means includes at least the second AC voltage command signal or the second AC voltage command signal in an overmodulation region where the amplitude of the second AC voltage command signal is larger than the amplitude of the carrier signal. At least one of the second modulation rate commands indicating the ratio of the magnitude of the fundamental wave component, the second AC voltage phase that is the phase of the second AC voltage command signal, and the output current of the PWM inverter device A PWM inverter device, wherein the second AC voltage command signal is generated based on the dead time error voltage generated in accordance with a difference between a detected value or a calculated value and a phase.
上記第2の変調率指令に基づき、上記第2の交流電圧指令信号を生成することを特徴とする請求項1に記載のPWMインバータ装置。 The dead time compensation means is configured to calculate a fundamental wave component magnitude of the output voltage of the PWM inverter device and the first modulation rate command when the dead time error voltage is not compensated for the first modulation rate command. From the voltage response characteristic indicating the relationship based on the dead time error voltage, the magnitude of the fundamental wave component of the output voltage of the PWM inverter device becomes equal to the magnitude of the fundamental wave component of the first AC voltage command signal. A second modulation factor command generating means for outputting a second modulation factor command;
2. The PWM inverter device according to claim 1, wherein the second AC voltage command signal is generated based on the second modulation factor command.
上記第2の交流電圧指令信号生成手段は、上記PWMインバータ装置の上記出力電流の検出値または上記出力電流の演算値の極性に応じて、上記デッドタイム補償量を上記第1の交流電圧指令信号に加算または減算したものに基づき上記第2の交流電圧指令信号を生成することを特徴とする請求項1に記載のPWMインバータ装置。 The dead time compensation means is configured to determine the dead time compensation amount and the dead time compensation amount according to the polarity of either the detected value of the output current or the calculated value of the output current of the PWM inverter device. From the compensation amount response characteristic indicating the relationship between the magnitude of the fundamental wave component of the output voltage of the PWM inverter device when added or subtracted to the command signal based on the dead time error voltage, the output voltage of the PWM inverter device is A dead time compensation amount generating means for outputting the dead time compensation amount in which the magnitude of the fundamental wave component is equal to the magnitude of the fundamental wave component of the first AC voltage command signal;
The second AC voltage command signal generation means sets the dead time compensation amount to the first AC voltage command signal according to the polarity of the detected value of the output current or the calculated value of the output current of the PWM inverter device. 2. The PWM inverter device according to claim 1, wherein the second AC voltage command signal is generated based on a value obtained by adding or subtracting to the second AC voltage command signal.
上記第2の位相に基づき、上記第2の交流電圧指令信号を生成することを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載のPWMインバータ装置。 The dead time compensation means compensates for the phase shift of the output voltage of the PWM inverter device with respect to the phase of the first AC voltage command signal caused by the dead time error voltage with respect to the first phase. Phase compensation means for outputting as a second phase;
The PWM inverter device according to any one of claims 1 to 5, wherein the second AC voltage command signal is generated based on the second phase.
上記過変調領域検出手段において、上記正弦波変調領域と判定された場合は、上記デッドタイム補償量を上記搬送波信号の周期と上記デッドタイムの比により算出し、上記第1の交流電圧指令信号に、上記PWMインバータ装置の出力電流の検出値または上記出力電流の演算値の何れかの極性に応じて上記デッドタイム補償量を加算または減算したものを上記第2の交流電圧指令信号とすることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載のPWMインバータ装置。 The dead time compensation means includes a sinusoidal modulation region in which the amplitude of the second AC voltage command signal is equal to or less than the amplitude of the carrier signal, and the amplitude of the second AC voltage command signal is greater than the amplitude of the carrier signal. An overmodulation region detecting means for determining a large overmodulation region;
When the overmodulation region detecting means determines that the sine wave modulation region is present, the dead time compensation amount is calculated based on a ratio of the period of the carrier signal and the dead time, and the first AC voltage command signal is calculated. The second AC voltage command signal is obtained by adding or subtracting the dead time compensation amount according to the polarity of either the detected value of the output current of the PWM inverter device or the calculated value of the output current. The PWM inverter device according to any one of claims 1 to 6, wherein the PWM inverter device is any one of the above.
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