JP2019041562A - Power conversion apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータに電力を供給する電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power converter that supplies electric power to a motor.
平滑コンデンサを小型化した電力変換装置、所謂電解コンデンサレスインバータは、単相ダイオード整流器、小容量フィルムコンデンサ、三相電圧形インバータで構成される。係る電力変換装置では、単相電力脈動を直流リンク部で補償せず、トルク脈動としてモータに供給し、慣性モーメントに吸収させることで平滑コンデンサの小型化を実現している。 A so-called electrolytic capacitorless inverter, which is a power converter with a reduced smoothing capacitor, is composed of a single-phase diode rectifier, a small-capacity film capacitor, and a three-phase voltage source inverter. In such a power converter, the smoothing capacitor is miniaturized by supplying the motor with the single-phase power pulsation as the torque pulsation without absorbing the single-phase power pulsation at the moment of inertia.
このような電力変換装置の一例として、直流リンク部に小容量のフィルムコンデンサを設け、インバータ電力或いはモータ電力をフィードバック制御し、モータのd軸電流id及びq軸電流iqをPI制御することで、入出力波形の改善を行いながらインバータ回路の出力電力を求めるものがある(例えば、特許文献1参照)。 As an example of such a power converter, a small-capacity film capacitor is provided in the DC link section, and inverter power or motor power is feedback-controlled, and motor d-axis current id and q-axis current iq are PI-controlled. In some cases, the output power of the inverter circuit is obtained while improving the input / output waveform (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1のような電力変換装置では、電力フィードバックの対象は、モータ電流とモータ端子電圧の基本波周波数の電力であり、モータの電流を基本波に追従させることでの高調波抑制であるため、平均的な高調波抑制は可能ではあるが、瞬時的な電源高調波歪みの抑制までは実現させることは困難であった。
In a power conversion device such as
また、応答性はモータ電流制御系の帯域により制限されるため、空間高調波の周波数が制御帯域より高い場合、電源高調波が生じる問題がある。即ち、特許文献1のようなdq軸PI制御によれば、入力が直流量になるため、目標値応答性(特に、定常偏差)が良好になり、過渡特性も良くなるものの、座標変換後に制御を行うために外乱応答の設計ができなくなり、モータの空間高調波成分がモータ電流として現れる。電解コンデンサレスインバータではこのモータ電流が直流電流となって電源電流に戻るため、電圧制御系において、外乱であるモータの空間高調波が電源高調波として現れ、電流歪みが生じる。
Further, since the responsiveness is limited by the band of the motor current control system, there is a problem that power harmonics are generated when the frequency of the spatial harmonics is higher than the control band. That is, according to the dq axis PI control as in
そこで、特許文献1では電源高調波を低減するために、力率改善としては本来必要のない大容量のリアクトルを設ける必要があり、コストの高騰を招いていた。また、入力電流の瞬間的な変動が電源高調波規制から外れるようにLCフィルタを設ける方法もあるが、電源のインピーダンスは設置状況によって異なるため、LCフィルタで必ずしも電源高調波規制を満足できるとは限らないという問題もあった。
Therefore, in
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、所謂電解コンデンサレスインバータの構成において、大容量のリアクトルを設けること無く、電源高調波規制を満足することができる電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the conventional technical problem, and in the configuration of a so-called electrolytic capacitor-less inverter, it is possible to satisfy the power supply harmonic regulation without providing a large-capacity reactor. An object is to provide a power converter.
本発明の電力変換装置は、モータに電力を供給するものであって、入力交流を全波整流するコンバータ回路と、このコンバータ回路の出力に並列接続されたコンデンサを有し、直流電圧を出力する直流リンク部と、この直流リンク部の出力をスイッチングして交流に変換し、モータに供給するインバータ回路と、スイッチングを制御する制御部とを備え、この制御部は、モータの速度を制御する操作量を求める速度制御部と、インバータ回路の出力トルクτinvを制御する操作量を求めるトルク制御部と、モータのα軸電流iα及びβ軸電流iβを制御する操作量を求める電圧制御部とを備え、速度制御部は、モータの速度を制御する操作量を、入力交流の電源周波数ωsの2倍に同期して脈動させ、トルク制御部は、モータの速度を制御する操作量からインバータ回路の出力トルク指令値τinv *を生成し、当該出力トルク指令値τinv *に基づいて、インバータ回路の出力トルクτinvを制御する操作量を求め、電圧制御部は、インバータ回路の出力トルクτinvを制御する操作量に基づき、静止座標系上でモータのα軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*を生成し、これらα軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*とα軸電流iα及びβ軸電流iβとの偏差が小さくなるようにモータのα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を生成し、且つ、モータの速度を制御する操作量に基づいて、インバータ回路に流れる直流リンク電流指令値idc *を生成し、直流リンク電流idcが直流リンク電流指令値idc *と等しくなるようにα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を補正することを特徴とする。 The power conversion device of the present invention supplies power to a motor, has a converter circuit for full-wave rectification of input AC, and a capacitor connected in parallel to the output of the converter circuit, and outputs a DC voltage. A DC link unit, an inverter circuit that switches and converts the output of the DC link unit to AC and supplies the motor to the motor, and a control unit that controls switching, the control unit controls the speed of the motor A speed control unit for determining the amount, a torque control unit for determining an operation amount for controlling the output torque τ inv of the inverter circuit, and a voltage control unit for determining an operation amount for controlling the α-axis current iα and β-axis current iβ of the motor. provided, the speed control unit, an operation amount for controlling the speed of the motor, synchronously by pulsing twice the power source frequency omega s of the input AC, torque control section is operated to control the speed of the motor From generates an output torque command value tau inv * of the inverter circuit, based on the output torque command value tau inv *, it obtains the operation amount for controlling the output torque tau inv of the inverter circuit, the voltage control unit, the inverter circuit based on the operation amount for controlling the output torque tau inv, generates a motor α-axis current value i.alpha * and β-axis current value i.beta * on the stationary coordinate system, these α-axis current value i.alpha * and β-axis current The motor α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * are generated so that the deviation between the command value iβ * and the α-axis current iα and β-axis current iβ is small, and the motor speed is controlled. based on the operation amount to generate a DC link current command value i dc flowing through the inverter circuit *, DC link current i dc is the DC link current command value i dc * and equal way α axis voltage value v? * and to correct the β-axis voltage command value v? * And butterflies.
請求項2の発明の電力変換装置は、上記発明において速度制御部が求めるモータの速度を制御する操作量は、インバータ回路の入力電力指令値を機械角の回転角周波数ωrmで除算し、トルク次元に変換した入力トルク指令値τin *であり、電圧制御部は、入力トルク指令値τin *に基づいて直流リンク電流指令値idc *を生成することを特徴とする。
In the power converter of the invention of
請求項3の発明の電力変換装置は、上記各発明においてトルク制御部が求めるインバータ回路の出力トルクτinvを制御する操作量は、モータのq軸電流指令値iq *であり、電圧制御部は、q軸電流指令値iq *に基づいてα軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*を生成することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the operation amount for controlling the output torque τ inv of the inverter circuit required by the torque control unit in each of the above inventions is the q-axis current command value i q * of the motor, and the voltage control unit Is characterized in that an α-axis current command value iα * and a β-axis current command value iβ * are generated based on the q-axis current command value i q * .
請求項4の発明の電力変換装置は、上記各発明において電圧制御部は、PI制御により、α軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*とα軸電流iα及びβ軸電流iβとの偏差が小さくなるα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を生成し、更に、直流リンク電流idcが直流リンク電流指令値idc *と等しくなるようにα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を補正することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the power converter according to any one of the above-described aspects, wherein the voltage control unit is configured to perform the α-axis current command value iα * and β-axis current command value iβ * , the α-axis current iα, and the β-axis current iβ by PI control. Α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * are generated, and the α-axis voltage command value is set so that the DC link current i dc becomes equal to the DC link current command value i dc *. vα * and β-axis voltage command value vβ * are corrected.
請求項5の発明の電力変換装置は、上記発明において電圧制御部は、モータのモータ電流周波数ωreの正弦波成分を持つ制御ゲインを含むF/B制御部でフィードバック制御を行うことにより、α軸電流iα及びβ軸電流iβをモータ電流周波数ωreに追従させることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the power conversion device according to the above invention, wherein the voltage control unit performs feedback control with an F / B control unit including a control gain having a sine wave component of the motor current frequency ω re of the motor. The shaft current iα and the β-axis current iβ are made to follow the motor current frequency ω re .
請求項6の発明の電力変換装置は、上記各発明において電圧制御部は、直流リンク電流指令値idc *と直流リンク電流idcとの比率から算出される補正係数AIVCにより、当該直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *を一致させるようにα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を補正すると共に、補正後のα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*が出力可能電圧範囲を超える場合は、補正係数AIVCによらず、直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *が一致し、且つ、出力電圧が最大となるα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を算出し、置き換えることで補正することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the power converter according to any one of the above-mentioned inventions, wherein the voltage control unit uses the correction coefficient A IVC calculated from the ratio of the DC link current command value i dc * and the DC link current i dc. The α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * are corrected so that the current i dc and the DC link current command value i dc * coincide with each other, and the corrected α-axis voltage command value vα * and β-axis are corrected. When the voltage command value vβ * exceeds the output possible voltage range, the DC link current i dc matches the DC link current command value i dc * and the output voltage becomes maximum regardless of the correction coefficient A IVC. The shaft voltage command value vα * and the β-axis voltage command value vβ * are calculated and corrected by replacing them.
請求項7の発明の電力変換装置は、上記発明において電圧制御部は、補正後のα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*の変化量が規定値Rlimを超える場合、規定値Rlimを超えず、且つ、直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *が一致するα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を算出することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the power converter according to the above invention, wherein the voltage control unit is defined when the amount of change in the corrected α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * exceeds a specified value R lim. An α-axis voltage command value vα * and a β-axis voltage command value vβ * that do not exceed the value R lim and match the DC link current i dc and the DC link current command value i dc * are calculated.
請求項8の発明の電力変換装置は、請求項1乃至請求項5の発明において電圧制御部は、次サンプリング時の直流リンク電流idcの値を予測し、予測した値に基づいて求められる直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *が一致するα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を算出し、置き換えることで当該α軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を補正することを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the power conversion device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the voltage control unit predicts the value of the DC link current i dc at the time of the next sampling and is obtained based on the predicted value. The α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * in which the link current i dc and the DC link current command value i dc * match are calculated and replaced to calculate the α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage. The command value vβ * is corrected.
請求項9の発明の電力変換装置は、上記発明において電圧制御部は、次サンプリング時の直流リンク電流idcの値とその次のサンプリング時の直流リンク電流idcの値の平均値から直流リンク電流idcを求めることを特徴とする。 Power conversion apparatus of the invention of claim 9, the voltage control unit in the invention, the DC link from the average value of the values of the DC link current i dc at the value and the next DC link current i dc at the next sampling the sampling The current i dc is obtained.
請求項10の発明の電力変換装置は、請求項8又は請求項9の発明において電圧制御部は、次サンプリング時、又は、次サンプリング時とその次のサンプリング時のモータのα軸電流iα及びβ軸電流iβの値を予測し、予測した値に基づいて次サンプリング時の直流リンク電流idcの値、又は、次サンプリング時の直流リンク電流idcの値とその次のサンプリング時の直流リンク電流idcの値を算出することを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the power conversion device according to the eighth or ninth aspect, wherein the voltage control unit performs the α-axis currents iα and β of the motor at the next sampling, or at the next sampling and the next sampling. The value of the shaft current iβ is predicted, and based on the predicted value, the value of the DC link current i dc at the next sampling, or the value of the DC link current i dc at the next sampling and the DC link current at the next sampling The value of i dc is calculated.
請求項11の発明の電力変換装置は、上記各発明において電圧制御部は、α軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*とα軸電流iα及びβ軸電流iβとの偏差が小さくなるように算出されたα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*と、補正後のα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*が同位相となるように補正することを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, in each of the power converters according to the eleventh aspect, the voltage control unit has a small deviation between the α-axis current command value iα * and β-axis current command value iβ * and the α-axis current iα and β-axis current iβ. The α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * calculated as described above are corrected so that the corrected α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * have the same phase. It is characterized by that.
請求項12の発明の電力変換装置は、上記各発明においてトルク制御部は、α軸電流iαとβ軸電流iβとα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*と機械角の回転角周波数ωrmからインバータ回路の出力トルクτinvを算出し、当該出力トルクτinvと出力トルク指令値τinv *が一致するようにフィードバック制御を実施することを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, in each of the above-described power converters, the torque control unit is configured to rotate the α-axis current iα, β-axis current iβ, α-axis voltage command value vα * , β-axis voltage command value vβ *, and mechanical angle rotation. The output torque τ inv of the inverter circuit is calculated from the angular frequency ω rm, and feedback control is performed so that the output torque τ inv matches the output torque command value τ inv * .
本発明によれば、モータに電力を供給する電力変換装置において、入力交流を全波整流するコンバータ回路と、このコンバータ回路の出力に並列接続されたコンデンサを有し、直流電圧を出力する直流リンク部と、この直流リンク部の出力をスイッチングして交流に変換し、モータに供給するインバータ回路と、スイッチングを制御する制御部とを備え、この制御部は、モータの速度を制御する操作量を求める速度制御部と、インバータ回路の出力トルクτinvを制御する操作量を求めるトルク制御部と、モータのα軸電流iα及びβ軸電流iβを制御する操作量を求める電圧制御部とを備え、速度制御部は、モータの速度を制御する操作量を、入力交流の電源周波数ωsの2倍に同期して脈動させ、トルク制御部は、モータの速度を制御する操作量からインバータ回路の出力トルク指令値τinv *を生成し、当該出力トルク指令値τinv *に基づいて、インバータ回路の出力トルクτinvを制御する操作量を求めるようにしたので、制御部は変動成分を持つモータ電流周波数ωreを考慮する必要が無くなり、制御部の設計が簡易に行えるようになる。 According to the present invention, in a power converter for supplying electric power to a motor, a converter circuit that performs full-wave rectification of input AC, and a DC link that outputs a DC voltage, having a capacitor connected in parallel to the output of the converter circuit. And an inverter circuit that switches and converts the output of the DC link unit to AC and supplies the motor to the motor, and a control unit that controls the switching, and the control unit controls an operation amount that controls the speed of the motor. A speed control unit to be obtained, a torque control unit to obtain an operation amount for controlling the output torque τ inv of the inverter circuit, and a voltage control unit to obtain an operation amount for controlling the α-axis current iα and β-axis current iβ of the motor, speed control unit, an operation amount for controlling the speed of the motor, synchronously by pulsing twice the power source frequency omega s of the input AC, torque control unit controls the speed of the motor operating Generates an output torque command value tau inv * of the inverter circuit from, based on the output torque command value tau inv *, since to obtain the manipulated variable for controlling the output torque tau inv of the inverter circuit, the control unit varies There is no need to consider the motor current frequency ω re having a component, and the controller can be designed easily.
更に、電圧制御部は、インバータ回路の出力トルクτinvを制御する操作量に基づき、静止座標系上でモータのα軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*を生成し、これらα軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*とα軸電流iα及びβ軸電流iβとの偏差が小さくなるようにモータのα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を生成するようにしたので、外乱応答設計が行えるようになる。 Further, the voltage control unit generates the α-axis current command value iα * and β-axis current command value iβ * of the motor on the stationary coordinate system based on the operation amount for controlling the output torque τ inv of the inverter circuit, and the α The motor α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * are set so that the deviation between the shaft current command value iα * and β-axis current command value iβ * and the α-axis current iα and β-axis current iβ is small. Since it is generated, disturbance response design can be performed.
更に、モータの速度を制御する操作量に基づいて、インバータ回路に流れる直流リンク電流指令値idc *を生成し、直流リンク電流idcが直流リンク電流指令値idc *と等しくなるようにα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を補正するようにしたので、瞬時的な電源高調波歪みが抑制でき、加減速やトルク変化等の過渡時に収束性が悪化する不都合を補償することができる。 Further, a DC link current command value i dc * flowing in the inverter circuit is generated based on an operation amount for controlling the motor speed, and α is set so that the DC link current i dc becomes equal to the DC link current command value i dc *. Since the shaft voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * are corrected, instantaneous power supply harmonic distortion can be suppressed, and the inconvenience that the convergence is deteriorated during transients such as acceleration / deceleration and torque change is compensated. can do.
これらにより、本発明では速度とトルクを制御する制御部の設計及びモータ電流の外乱応答設計を容易とし、且つ、過渡応答からの収束性を改善して、直流電流として電源側に流出するモータの空間高調波成分を低減し、従来の如き大容量のリアクトルを設けること無く、電源高調波規制を満足することができるようになる。 As a result, the present invention facilitates the design of the control unit for controlling the speed and torque and the disturbance response design of the motor current, and improves the convergence from the transient response, so that the motor flowing out to the power source side as a DC current is improved. Spatial harmonic components are reduced, and power supply harmonic regulations can be satisfied without providing a large-capacity reactor as in the prior art.
この場合、速度制御部が求めるモータの速度を制御する操作量は、請求項2の発明の如くインバータ回路の入力電力指令値を機械角の回転角周波数ωrmで除算し、トルク次元に変換した入力トルク指令値τin *であり、電圧制御部は、入力トルク指令値τin *に基づいて直流リンク電流指令値idc *を生成するものである。
In this case, the operation amount for controlling the speed of the motor required by the speed control unit is converted into the torque dimension by dividing the input power command value of the inverter circuit by the rotational angular frequency ω rm of the mechanical angle as in the invention of
また、トルク制御部が求めるインバータ回路の出力トルクτinvを制御する操作量は、請求項3の発明の如くモータのq軸電流指令値iq *であり、電圧制御部はq軸電流指令値iq *に基づいてα軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*を生成するものである。 Further, the operation amount for controlling the output torque τ inv of the inverter circuit obtained by the torque control unit is the q-axis current command value i q * of the motor as in the third aspect of the invention, and the voltage control unit receives the q-axis current command value. The α-axis current command value iα * and the β-axis current command value iβ * are generated based on i q * .
そして、請求項4の発明の如く電圧制御部が、PI制御により、α軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*とα軸電流iα及びβ軸電流iβとの偏差が小さくなるα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を生成し、更に、直流リンク電流idcが直流リンク電流指令値idc *と等しくなるようにα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を補正するようにすれば、比較的少ない計算量で外乱応答の設計を行うことができるようになり、過渡応答からの収束が容易で安定的なモータにおいて有効である。
Then, the voltage control unit as in the invention of
更に、それに加えて、請求項5の発明の如く電圧制御部が、モータのモータ電流周波数ωreの正弦波成分を持つ制御ゲインを含むF/B制御部でフィードバック制御を行うことにより、α軸電流iα及びβ軸電流iβをモータ電流周波数ωreに追従させるようにすれば、更に外乱応答性と目標値応答性を改善することができるようになり、加減速レートが早い場合や制御が安定し難いモータにおいて有効である。
In addition to that, the voltage control unit performs feedback control with the F / B control unit including a control gain having a sine wave component of the motor current frequency ω re of the motor as in the invention of
また、請求項6の発明の如く電圧制御部が、直流リンク電流指令値idc *と直流リンク電流idcとの比率から算出される補正係数AIVCにより、当該直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *を一致させるようにα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を補正すると共に、補正後のα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*が出力可能電圧範囲を超える場合は、補正係数AIVCによらず、直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *が一致し、且つ、出力電圧が最大となるα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を算出し、置き換えることで補正するようにすれば、安定的な動作を実現することができるようになる。 Further, as in the sixth aspect of the invention, the voltage control unit uses the correction coefficient A IVC calculated from the ratio between the DC link current command value i dc * and the DC link current i dc and the DC link current i dc and the DC link. The α-axis voltage command value vα * and the β-axis voltage command value vβ * are corrected so that the current command value i dc * matches, and the corrected α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * are If more than the output voltage range, the correction coefficient a regardless of the IVC, the DC link current i dc and the DC link current command value i dc * match, and the output voltage is maximized α-axis voltage value v? * If the correction is performed by calculating and replacing the β-axis voltage command value vβ * , a stable operation can be realized.
更に、請求項7の発明の如く電圧制御部が、補正後のα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*の変化量が規定値Rlimを超える場合、規定値Rlimを超えず、且つ、直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *が一致するα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を算出するようにすれば、相電流が急峻に変化して入力電流に共振電流が発生する不都合を効果的に解消することができるようになる。 Furthermore, when the voltage control unit as in the invention of claim 7, alpha-axis voltage value v? * And the β-axis voltage value v? * The amount of change in the corrected exceeds a specified value R lim, exceeds a specified value R lim In addition, if the α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * in which the DC link current i dc and the DC link current command value i dc * coincide are calculated, the phase current changes sharply. As a result, it is possible to effectively eliminate the disadvantage that the resonance current is generated in the input current.
また、請求項8の発明の如く電圧制御部が、次サンプリング時の直流リンク電流idcの値を予測し、予測した値に基づいて求められる直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *が一致するα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を算出し、置き換えることで当該α軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を補正するようにすれば、サンプリング値とサンプリング間の平均値の差に起因して発生する直流リンク電流idcの制御誤差を大幅に低減することができるようになり、入力部に存在している寄生成分と直流リンク部のコンデンサによる共振回路の共振電流を低減することができるようになる。 The voltage control unit predicts the value of the DC link current i dc at the time of the next sampling, and the DC link current i dc and the DC link current command value i dc obtained based on the predicted value. If the α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * with the same * are calculated and replaced to correct the α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * , The control error of the DC link current i dc generated due to the difference between the sampling value and the average value between the samplings can be greatly reduced, and the parasitic component existing in the input unit and the DC link unit The resonance current of the resonance circuit by the capacitor can be reduced.
この場合、電圧制御部が請求項9の発明の如く、次サンプリング時の直流リンク電流idcの値とその次のサンプリング時の直流リンク電流idcの値の平均値から直流リンク電流idcを求めることで、制御誤差を効果的に低減することができる。 In this case, as the voltage control unit of the invention of claim 9, the DC link current i dc from the average value of the values of the DC link current i dc at the value and the next DC link current i dc at the next sampling the sampling By determining, the control error can be effectively reduced.
また、請求項10の発明の発明の如く、次サンプリング時、又は、次サンプリング時とその次のサンプリング時のモータのα軸電流iα及びβ軸電流iβの値を予測し、予測した値に基づいて電圧制御部が次サンプリング時の直流リンク電流idcの値、又は、次サンプリング時の直流リンク電流idcの値とその次のサンプリング時の直流リンク電流idcの値を算出することで、的確に各直流リンク電流idcの値を算出することができる。 Further, as in the invention of the tenth aspect, the values of the α-axis current iα and β-axis current iβ of the motor at the next sampling, or at the next sampling and at the next sampling are predicted, and based on the predicted values. voltage control unit Te value of the DC link current i dc at the next sampling, or by calculating the value of the DC link current i dc at the value and the next DC link current i dc at the next sampling the sampling, The value of each DC link current i dc can be accurately calculated.
更に、請求項11の発明の如く電圧制御部が、α軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*とα軸電流iα及びβ軸電流iβとの偏差が小さくなるように算出されたα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*と、補正後のα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*が同位相となるように補正することで、支障無く補正を行うことができるようになる。
Further, as in the invention of
また、請求項12の発明の如くトルク制御部が、α軸電流iαとβ軸電流iβとα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*と機械角の回転角周波数ωrmからインバータ回路の出力トルクτinvを算出し、当該出力トルクτinvと出力トルク指令値τinv *が一致するようにフィードバック制御を実施するようにすれば、インバータ出力電力をより入力電力の基本波成分に追従させることが可能となり、入力電流及びモータ電流の歪み成分を小さくすることができるようになる。 Further, as in the twelfth aspect of the invention, the torque control unit converts the α-axis current iα, the β-axis current iβ, the α-axis voltage command value vα * , the β-axis voltage command value vβ *, and the rotational angular frequency ω rm of the mechanical angle from the inverter. If the output torque τ inv of the circuit is calculated and feedback control is performed so that the output torque τ inv matches the output torque command value τ inv * , the inverter output power becomes a fundamental component of the input power. Accordingly, the distortion components of the input current and the motor current can be reduced.
以下、本発明の実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(1)電力変換装置1
図1は、本発明の一実施例の電力変換装置1の構成を示すブロック図である。この実施例の電力変換装置1は、コンバータ回路2と、直流リンク部3と、インバータ回路4と、制御部6を備え、単相の交流電源7から供給された交流の電力を所定の周波数の電力に変換してモータ8に供給する構成とされている。実施例のモータ8は、冷凍装置の冷媒回路を構成する圧縮機を駆動するIPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)であり、制御部6が生成する電圧指令によって駆動される。
(1)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a
(2)コンバータ回路2
コンバータ回路2は、交流電源7に接続され、交流電源7からの交流(入力交流)を直流に整流する。この実施例では、コンバータ回路2は複数(4個)のダイオードD1〜D4がブリッジ状に結線されたダイオードブリッジ回路から構成されている。これらのダイオードD1〜D4により、交流電源7の交流電圧を全波整流して直流電圧に変換する。
(2)
The
(3)直流リンク部3
直流リンク部3は、コンデンサ9を備えている。このコンデンサ9は、コンバータ回路2の出力に並列に接続され、このコンデンサ9の両端に生じた直流電圧(直流リンク電圧)Vdcがインバータ回路4の入力ノードに接続されている。このコンデンサ9は、インバータ回路4の後述するスイッチング素子がスイッチング動作する際に、スイッチング周波数に対応して生じるリプル電圧(電圧変動)のみを平滑化可能な静電容量を有している。
(3)
The
即ち、コンデンサ9は、コンバータ回路2によって整流された電圧(電源電圧に応じて変動する電圧)を平滑化するような静電容量を有さない小容量のコンデンサである。実施例では、一般的なコンバータ回路の出力の平滑化に必要な電解コンデンサの概ね1/100の容量を有しているものとする。従って、この直流リンク部3が出力する直流リンク電圧Vdcは脈動している。コンデンサ9には、一例としてフィルムコンデンサを採用可能である。
That is, the capacitor 9 is a small-capacitance capacitor that does not have a capacitance that smoothes the voltage rectified by the converter circuit 2 (voltage that varies according to the power supply voltage). In the embodiment, it is assumed that the capacity of the electrolytic capacitor necessary for smoothing the output of a general converter circuit is approximately 1/100. Therefore, the DC link voltage V dc output from the
(4)インバータ回路4
インバータ回路4は、入力ノードが直流リンク部3のコンデンサ9に並列に接続され、直流リンク部3の出力をスイッチングして三相交流に変換し、モータ(IPMSM)8に供給するように構成されている。実施例のインバータ回路4は、複数のスイッチング素子がブリッジ結線されることで構成されている。このインバータ回路4は、三相交流をモータ8に出力するため、6個のスイッチング素子S1〜S6を備えている。
(4)
The
詳しくは、インバータ回路4は、2つのスイッチング素子を互いに直列接続した三つのスイッチングレグを備え、各スイッチングレグにおける上アームのスイッチング素子S1〜S3と、下アームのスイッチング素子S4〜S6との中点が、それぞれモータ8の各相(u相、v相、w相)のコイルに接続されている。また、各スイッチング素子S1〜S6には、還流ダイオードD5〜D10がそれぞれ逆並列接続されている。そして、インバータ回路4は、これらのスイッチング素子S1〜S6のON−OFF動作によって、直流リンク部3から入力された直流リンク電圧Vdcをスイッチングし、三相交流電圧に変換してモータ8に供給する。
Specifically, the
(5)制御部6
次に、制御部6は、インバータ回路4の出力トルクτinvが、入力交流の周波数ωs(電源周波数)の2倍に同期して脈動するようにインバータ回路4におけるスイッチング(ON−OFF動作)を制御する。実施例の制御部6は、速度制御部11と、トルク制御部12と、電圧制御部13と、スイッチング制御部14を備えた構成とされている。
(5)
Next, the
(5−1)速度制御部11
速度制御部11は、モータ8の速度を制御する操作量を求める。具体的には、速度制御部11は、PI演算部16、減算器17、二乗波形生成部18と、乗算器19を備えている。この速度制御部11では、モータ8の速度を制御する操作量として、インバータ回路4の入力トルク指令値τin *を、PI演算部16の出力と二乗波形生成部18の出力に応じて生成する。この入力トルク指令値τin *は、入力交流の周波数ωsの2倍に同期して脈動する。
(5-1)
The
具体的に実施例では、速度制御部11の減算器17が、モータ8の機械角の回転角周波数ωrm(実施例では推定値。実測された真値でも良い。以下、同じ)と回転角周波数の指令値ωrm *との偏差を求める。また、PI演算部16は、減算器17が求めた偏差に対して、比例・積分演算(PI演算)を行い、その結果を出力する。更に、二乗波形生成部18は、入力電圧vinを、PLL回路21を介して入力し、入力交流を二乗した波形sinθin 2を生成して出力する。そして、乗算器19はPI演算部16の出力と二乗波形生成部18の出力とを乗じて、入力トルク指令値τin *として出力する。これにより、入力トルク指令値τin *は、入力交流の周波数ωsの2倍に同期して脈動することになる。
Specifically, in the embodiment, the
(5−2)トルク制御部12
次に、トルク制御部12は、減算器22、40と、q軸電流指令値生成部23を備えている。このトルク制御部12では、速度制御部11が出力する入力トルク指令値τin *から、インバータ回路4の出力トルクτinvを制御する操作量として、モータ8のq軸電流の指令値(q軸電流指令値)iq *を生成する。
(5-2)
Next, the
具体的に実施例では、トルク制御部12の減算器22が、速度制御部11が出力する入力トルク指令値τin *と、コンデンサ9での電力を機械角の回転角周波数ωrmで除算し、トルク次元に換算したコンデンサトルクτc(実施例では推定値。実測された真値でもよい。以下、同じ)との偏差を求める。そして、インバータ回路4の出力トルクτinvの指令値(出力トルク指令値)τinv *として出力する。
Specifically, in the embodiment, the
ここで、入力電力pinとコンデンサ9での電力pc、及び、インバータ回路4の出力電力pinvとの間には、下記式(I)の関係がある。
pin=pc+pinv ・・・(I)
これは、各値を機械角の回転角周波数ωrmで除算し、トルク次元に変換した場合でも成立するため、下記式(II)の関係がある。尚、τinは入力トルクである。
τin=τc+τinv ・・・(II)
そして、入力トルク指令値τin *は直流リンク部3のコンデンサ9に流れる電流を考慮せずに生成したもののため、出力トルク指令値τinv *には、入力トルク指令値τin *をコンデンサトルクτcで補償した値を用いる方が好ましい。そこで、この実施例では上述の如く減算器22が、コンデンサトルクτcを差し引いた値に出力トルク指令値τinv *を補償する。
Here, the input power p in and the power p c of a capacitor 9, and between the output power p inv of the
p in = p c + p inv (I)
This is true even when each value is divided by the rotational angular frequency ω rm of the mechanical angle and converted to the torque dimension, and therefore has the relationship of the following formula (II). Note that τ in is the input torque.
τ in = τ c + τ inv (II)
Then, the input torque command value tau in * because of those produced without considering the current flowing through the capacitor 9 of the
更に、減算器40が、この出力トルク指令値τinv *からτoffを減算して、モータ8の出力トルクの指令値(モータ出力トルク指令値)τmtr *として出力する。上記τoffは、インバータ回路4からモータ8に伝わるまでの電力ロス及び巻線に蓄えられる磁気エネルギーの時間変化分を機械角の回転角周波数ωrmで除算し、トルク次元に変換した値であり、モータ出力トルク指令値τmtr *は下記式(III)の関係から求める。
τinv *=τmtr *+τoff ・・・(III)
これにより、モータ出力トルクτmtrをより正確に制御することができるようになる。
Further, the
τ inv * = τ mtr * + τ off (III)
As a result, the motor output torque τ mtr can be controlled more accurately.
トルク制御部12のq軸電流指令値生成部23は、減算器40が出力するモータ出力トルク指令値)τmtr *に対してidの影響は無視できるものとみなし、モータ8の極対数P及び永久磁石による電機子鎖交磁束φαで除算し、q軸電流指令値iq *を生成する。また、モータによってidの影響が無視できない場合は、idを考慮した式を用いてq軸電流指令値iq *を導出してもよい。
Q-axis current command
(5−3)電圧制御部13
次に、この実施例の電圧制御部13は、αβ軸PI制御部13Aと、瞬時電圧制御部13B、及び、αβ−uvw変換部38を備えた構成とされている。
(5-3)
Next, the
(5−3−1)αβ軸PI制御部13A
実施例の電圧制御部13のαβ軸PI制御部13Aは、dq−αβ変換部24と、減算器26、27と、PI演算部31、32を備えている。このαβ軸PI制御部13Aのdq−αβ変換部24は、d軸電流指令値id *と、トルク制御部12が出力するq軸電流指令値iq *を、静止座標系上でα軸電流指令値iα*とβ軸電流指令値iβ*に変換して出力する。そして、減算器26はdq−αβ変換部24が出力するα軸電流指令値iα*とモータ8の相電流から求められるα軸電流iα(実施例では推定値。実測された真値でもよい。以下、同じ)との偏差を求める。また、PI演算部31は、減算器26が求めた偏差に対して、比例・積分演算(PI演算)を行うことにより、α軸電流指令値iα*とα軸電流iαとの偏差が小さくなるようにα軸電圧指令値vα*を生成し、出力する。
(5-3-1) αβ axis
The αβ-axis
一方、減算器27はdq−αβ変換部24が出力するβ軸電流指令値iβ*とモータ8の相電流から求められるβ軸電流iβ(実施例では推定値。実測された真値でもよい。以下、同じ)との偏差を求める。また、PI演算部32は、減算器27が求めた偏差に対して、比例・積分演算(PI演算)を行うことにより、β軸電流指令値iβ*とβ軸電流iβとの偏差が小さくなるようにβ軸電圧指令値vβ*を生成し、出力する。
On the other hand, the
dq座標系の制御では、外乱応答の設計ができず、モータ8の空間高調波成分がモータ電流として現れる。そのため、大容量の電解コンデンサやリアクトルを用いない場合、モータ電流が直流電流(直流リンク電流idc)になり、電源電流(入力電流iin)に戻るため、電圧制御系において、外乱であるモータの空間高調波が電源高調波として現れる場合がある。 In the control of the dq coordinate system, the disturbance response cannot be designed, and the spatial harmonic component of the motor 8 appears as the motor current. Therefore, when a large-capacity electrolytic capacitor or reactor is not used, the motor current becomes a direct current (DC link current i dc ) and returns to the power supply current (input current i in ). May appear as power harmonics.
他方、実施例の如くαβ軸PI制御部13Aで、α軸電流指令値iα*とα軸電流iαとの偏差に対して、比例・積分演算を行うことにより、α軸電流指令値iα*とα軸電流iαとの偏差が小さくなるようにα軸電圧指令値vα*を生成し、β軸電流指令値iβ*とβ軸電流iβとの偏差に対して、比例・積分演算を行うことにより、β軸電流指令値iβ*とβ軸電流iβとの偏差が小さくなるようにβ軸電圧指令値vβ*を生成し、それぞれ出力するようにすることで、外乱応答設計が行えるようになり、空間高調波による外乱電流を抑制し、定常時の直流リンク電流idcが整えられる。大容量の電解コンデンサやリアクトルを用いない場合、直流リンク電流idcは入力電流iinに流出するが、αβ軸PI制御部13Aによりこれを抑えることで、電源高調波規制を満足することができるようになる。
On the other hand, as in the embodiment, the αβ axis
ここで、上記の如くαβ軸PI制御部13Aで、α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*を生成する場合、加減速やトルク変化等の過渡時には目標値応答性が悪化し、過渡応答からの収束性が悪化する場合がある。図2にその様子を示している。図2中実線は直流リンク電流指令値idc *を示し、破線は直流リンク電流idcを示している。この図のように、過渡時には直流リンク電流idcが、直流リンク電流指令値idc *に一致しない場合が出てくる。その場合、大容量の電解コンデンサやリアクトルを用いないときは、入力電流iinが急激に流れてしまい、高い周波数の共振として現れるようになる。
Here, when the α-axis voltage command value vα * and the β-axis voltage command value vβ * are generated by the αβ-axis
(5−3−2)瞬時電圧制御部13B
そこで、本発明では電圧制御部13に以下に示す瞬時電圧制御部13Bを設け、キャリア周波数で直流リンク電流idcを常時監視し、直流リンク電流指令値idc *と、直流リンク電流idcとの間にズレがでれば、後述する乗算器33、34において瞬時に電圧を変化させることで補償するようにしている。具体的には、瞬時電圧制御部13Bは、乗算器33、34、36、37、39と、減算器28を備えている。瞬時電圧制御部13Bの乗算器39は、速度制御部11が出力する入力トルク指令値τin *に、機械角の回転角周波数ωrmを乗算することで入力電力指令値pin *に変換し、出力する。乗算器36は、乗算器39が出力する入力電力指令値pin *に、1/vinの絶対値を乗算すること、即ち、入力電力指令値pin *を入力電圧vinの絶対値で除算することで、入力電流指令値iin *の絶対値を出力する。
(5-3-2) Instantaneous
Therefore, in the present invention, the
尚、この場合の入力電圧vinは入力電圧指令値vin *でもよい。減算器28は、この入力電流指令値iin *の絶対値からコンデンサ9に流れる直流リンクコンデンサ電流ic(平均値。実施例では推定値。但し、実測された真値でもよい。以下、同じ)を減算することで、それらの偏差としての直流リンク電流指令値idc *(平均値)を求めて出力する。尚、減算器28での直流リンク電流指令値idc *(平均値)の算出は、下記式(IV)の関係に基づいている。
iin *の絶対値=idc *(平均値)+ic(平均値) ・・・(IV)
It should be noted that the input voltage v in this case may be the input voltage command value v in *. The
Absolute value of i in * = i dc * (average value) + i c (average value) (IV)
乗算器37は、減算器28が出力する直流リンク電流指令値idc *(平均値)に、1/idc(平均値。実施例では推定値。実測された真値でもよい。以下、同じ)を乗算すること、即ち、直流リンク電流指令値idc *(平均値)を直流リンク電流idc(平均値)で除算することで、補正係数AIVCを算出し、出力する。
The
この補正係数AIVCは、直流リンク電流指令値idc *(平均値)と直流リンク電流idc(平均値)との比率であり、直流リンク電流指令値idc *と直流リンク電流idcとのズレ(偏差)が無ければ補正係数AIVCは1となる。一方、直流リンク電流指令値idc *より直流リンク電流idcが大きくなれば補正係数AIVCは小さくなり、逆に直流リンク電流指令値idc *より直流リンク電流idcが小さくなれば補正係数AIVCは大きくなる。 The correction coefficient A IVC is a ratio between the DC link current command value i dc * (average value) and the DC link current i dc (average value), and the DC link current command value i dc * and the DC link current i dc If there is no deviation (deviation), the correction coefficient A IVC is 1. On the other hand, if the DC link current i dc becomes larger than the DC link current command value i dc *, the correction coefficient A IVC becomes smaller. Conversely, if the DC link current i dc becomes smaller than the DC link current command value i dc *, the correction coefficient. A IVC grows.
ここで、上述した直流リンク電流idc(平均値)は、下記式(V)から求められる。
idc(平均値)=duiu+dviv+dwiw ・・・(V)
iu、iv、iwは三相電流、du、dv、dwは三相電圧指令値により決定される各相デューティー比である。
この式から、空間高調波により生じるモータ電流及び電圧指令の高調波が、直流リンク電流(平均値)高調波を発生させることが分かる。そして、実施例の電力変換装置1では、コンデンサ9として小容量のフィルムコンデンサを使用しているために、直流リンク電流(平均値)高調波が電源側へ流出し、電源高調波が生じる。
Here, the DC link current i dc (average value) described above is obtained from the following equation (V).
i dc (average value) = d u i u + d v i v + d w i w (V)
i u , i v , and i w are three-phase currents, and d u , d v , and d w are phase duty ratios determined by the three-phase voltage command values.
From this equation, it can be seen that the harmonics of the motor current and voltage command generated by the spatial harmonics generate DC link current (average value) harmonics. And in the
(5−3−3)α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*の補正
瞬時電圧制御部13Bの乗算器33では、αβ軸PI制御部13AのPI演算部31が出力するα軸電圧指令値vα*に、瞬時電圧制御部13Bの乗算器37が出力する前述した補正係数AIVCが乗算され、乗算器34では、PI演算部32が出力するβ軸電圧指令値vβ*に、乗算器37が出力する補正係数AIVCが乗算されるように構成されている。
(5-3-3) Correction of α-axis Voltage Command Value vα * and β-axis Voltage Command Value vβ * In multiplier 33 of instantaneous
前述した如く、直流リンク電流指令値idc *より直流リンク電流idcが大きくなれば補正係数AIVCは小さくなり、逆に直流リンク電流指令値idc *より直流リンク電流idcが小さくなれば補正係数AIVCは大きくなるので、補正係数AIVCは、直流リンク電流指令値idc *と直流リンク電流idcとのズレを打ち消す方向にα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*を補正し、直流リンク電流idc(平均値)を制御して電源電流波形を改善するように作用する。 As described above, if the DC link current i dc becomes larger than the DC link current command value i dc *, the correction coefficient A IVC becomes smaller, and conversely if the DC link current i dc becomes smaller than the DC link current command value i dc *. since the correction coefficient a IVC increases, the correction coefficient a IVC includes a DC link current command value i dc * and the DC link current i dc direction α axis voltage value to cancel the deviation between the v? * and the β-axis voltage command value vβ * Is corrected and the DC link current i dc (average value) is controlled to improve the power supply current waveform.
即ち、乗算器33と乗算器34では、直流リンク電流指令値idc *と直流リンク電流のidcとの偏差が小さくなるようにα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*が補正されることになる。図3中破線は瞬時電圧制御部13Bにより補正係数AIVCを算出し、乗算器33、34でα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*を補正した場合の直流リンク電流idcを示し、実線は直流リンク電流指令値idc *を示している。
That is, in the
この図からも明らかな如く、前述した図2の場合よりも、瞬時電圧制御部13Bが算出する補正値AIVCにより、過渡時にも直流リンク電流idcが直流リンク電流指令値idc *に一致するように補正されていることが分かる。これを瞬時電圧制御と云う。そして、αβ−uvw変換部38は、この瞬時電圧制御部13Bの乗算器33、34で補正されたα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*を、u、v、wの各相の電圧指令値vuvw *に変換する。
As is clear from this figure, the DC link current i dc is equal to the DC link current command value i dc * even during a transition, based on the correction value A IVC calculated by the instantaneous
(5−4)スイッチング制御部14
そして、この電圧指令値vuvw *はスイッチング制御部14に入力され、このスイッチング制御部14は、電圧指令値vuvw *の値に基づいて各スイッチング素子S1〜S6のON−OFF動作を制御するゲート信号を生成する。具体的には、スイッチング制御部14は、インバータ回路4に対して、キャリア信号(三角波)に同期したPWM(Pulse Width Modulation)制御を実行する。
(5-4)
The voltage command value v uvw * is input to the switching
ここで、α軸電流指令値iα*とα軸電流iαとの偏差、及び、β軸電流指令値iβ*とβ軸電流iβとの偏差が小さくなるようにα軸電圧指令値vα*、及び、β軸電圧指令値vβ*を算出し、そのまま各相の電圧指令値vuvw *に変換してスイッチング制御した場合、過渡時に直流リンク電流指令値idc *と直流リンク電流idcとの間にズレが生じると、コンデンサ9の端子に現れる直流リンク電圧Vdcと入力電圧vinとの間にパルス状のズレ(偏差)が発生し、コンデンサ9に流れる直流リンクコンデンサ電流icが大きくなり、系統に寄生インダクタンスが存在する場合、この寄生インダクタンスと小容量のフィルムコンデンサから成るコンデンサ9間に共振が励起され、入力電流iinが振動することになる。 Here, the deviation of the alpha-axis current command value i.alpha * and alpha-axis current i.alpha, and, beta-axis current command value i.beta * and beta-axis current i.beta alpha-axis voltage command value so that the deviation becomes smaller with v? *, And When the β-axis voltage command value vβ * is calculated and converted into the voltage command value v uvw * of each phase as it is and the switching control is performed, between the DC link current command value i dc * and the DC link current i dc during the transition to the deviation occurs, pulsed shift (deviation) is generated between the DC link voltage V dc appearing on the terminals of the capacitor 9 and the input voltage v in, the DC link capacitor current i c flowing to the capacitor 9 increases When a parasitic inductance exists in the system, resonance is excited between the parasitic inductance and the capacitor 9 composed of a small-capacity film capacitor, and the input current i in vibrates.
実施例の如く、電圧制御部13において直流リンク電流idcが直流リンク電流指令値idc *と等しくなるようにα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*を補正することで、過渡時に生じる偏差を小さくすることができる。
As in the embodiment, the
(5−5)電力変換装置1の動作
この実施例では、制御部6の速度制御部11が、先ず、入力交流の電源周波数ωsの2倍に同期して脈動する入力トルク指令値τin *を生成する。次に、トルク制御部12が入力トルク指令値τin *から出力トルク指令値τinv *を生成し、出力トルク指令値τinv *からq軸電流指令値iq *を生成して出力する。
(5-5) In this embodiment the operation of the
次に、電圧制御部13は、d軸電流指令値id *とq軸電流指令値iq *から、静止座標系上でα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*を生成する。そして、α軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*とα軸電流iα及びβ軸電流iβとの偏差が小さくなるようにα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を生成する。更に、入力トルク指令値τin *からインバータ回路4に流れる直流リンク電流指令値idc *を生成し、この直流リンク電流指令値idc *と直流リンク電流idcとの比率である補正係数AIVCを算出し、算出した補正係数AIVCをα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*に乗算することで、直流リンク電流idcが直流リンク電流指令値idc *と等しくなるようにα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を補正する。
Next, the
そして、補正されたα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を用いて各スイッチング素子S1〜S6のゲート信号を生成する。これらのゲート信号により、インバータ回路4においてスイッチングが行われ、モータ8に電力が供給される。
Then, gate signals of the switching elements S1 to S6 are generated using the corrected α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * . By these gate signals, switching is performed in the
このような制御により、本発明では外乱応答設計を容易とし、且つ、過渡応答からの収束性を改善して、直流リンク電流として電源側に流出するモータの空間高調波成分を低減し、従来の如き大容量のリアクトルを設けること無く、電源高調波規制を満足することができるようになる。これにより、大幅なコストの低減を図ることができるようになる。 With such control, the present invention facilitates disturbance response design, improves convergence from transient response, reduces the spatial harmonic component of the motor flowing out to the power source side as a DC link current, The power supply harmonic regulation can be satisfied without providing such a large capacity reactor. As a result, a significant cost reduction can be achieved.
次に、図4は本発明を適用したもう一つの他の実施例の電力変換装置1の構成を示すブロック図である。尚、この図において、図1と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。
Next, FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a
この実施例の電力変換装置1では、図1のトルク制御部12を、他の実施例のトルク制御部12に置き換えている。この場合のトルク制御部12は、前述した減算器22と、更に、減算器42、及び、トルク制御器44を備えている。この実施例のトルク制御部12も、速度制御部11が出力する入力トルク指令値τin *からインバータ回路4の出力トルクτinvを制御する操作量として、モータ8のq軸電流の指令値(q軸電流指令値)iq *を生成するものである。
In the
具体的にはこの実施例のトルク制御部12においても、減算器22が、速度制御部11が出力する入力トルク指令値τin *と、コンデンサ9での電力pcを機械角の回転角周波数ωrmで除算し、トルク次元に変換した値のコンデンサトルクτcとの偏差を求める。そして、インバータ回路4の出力トルクτinvの指令値(出力トルク指令値)τinv *として減算器42に出力する。
Even in specific this example the
そして、減算器42が、この出力トルク指令値τinv *と出力トルクτinvとの偏差を算出する。ここで、インバータ回路4の出力トルクτinvは、α軸電流iα(推定値)とβ軸電流iβ(推定値)とα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*と機械角の回転角周波数ωrmから、下記式(VI)の関係に基づいて求める。
τinv=(vα*iα(推定値)+vβ*iβ(推定値))÷ωrm ・・・(VI)
Then, the
τ inv = (vα * iα (estimated value) + vβ * iβ (estimated value)) ÷ ω rm (VI)
そして、トルク制御器44は、減算器42が求めた偏差に対して、フィードバック制御を実施することにより、出力トルクτinvと出力トルク指令値τinv *が一致するように(偏差を無くすように)q軸電流指令値iq *を生成し、出力する。
Then, the
前述した如く入力トルク指令値τin *は直流リンク部3のコンデンサ9に流れる電流を考慮せずに生成したもののため、出力トルク指令値τinv *には、入力トルク指令値τin *をコンデンサトルクτcで補償した値を用いる方が好ましい。
Because of the foregoing as input torque command value tau in * those generated without considering the current flowing through the capacitor 9 of the
そして、トルク制御部12のトルク制御器44がα軸電流iαとβ軸電流iβとα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*と機械角の回転角周波数ωrmからインバータ回路4の出力トルクτinvを算出し、当該出力トルクτinvと出力トルク指令値τinv *が一致するようにフィードバック制御を実施してq軸電流指令値iq *を生成する。
Then, the
このように、トルク制御器44では、トルク次元のフィードバック制御を行い、q軸電流指令値iq *を出力している。そのため、電力のフィードバック制御と比較すると、トルク制御器44にてモータ電流周波数ωreを考慮する必要がなくなり、トルク制御器44の設計が容易となる。このフィードバック制御を実施することで、インバータ回路4の出力電力pinvを、より入力電力pinの基本波成分に追従させることが可能となり、入力電流iin及びモータ電流の歪み成分を小さくすることができるようになる。
Thus, the
次に、図5は本発明を適用した更にもう一つの他の実施例の電力変換装置1の構成を示すブロック図である。尚、この図において、図4と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この実施例の電力変換装置1では、図4のαβ軸PI制御部13Aを、正弦波追従制御部13Cに置き換えている。
Next, FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a
(6)正弦波追従制御部13C
図5には、この正弦波追従制御部13Cのブロック図が示されている。正弦波追従制御部13Cは、前述した減算器26、27と、F/B制御部46、47と、PI制御部48、49と、制御安定部51、52と、減算器53、54を備えている。
(6) Sinusoidal
FIG. 5 shows a block diagram of the sine wave follow-up
この正弦波追従制御部13Cも基本的には前述したαβ軸PI制御部13Aと同様に、PI制御部48でα軸電流指令値iα*とα軸電流iαとの偏差に対し、比例・積分演算を行うことにより、α軸電流指令値iα*とα軸電流iαとの偏差が小さくなるようにα軸電圧指令値vα*を生成し、PI制御部49でβ軸電流指令値iβ*とβ軸電流iβとの偏差に対し、比例・積分演算を行うことにより、β軸電流指令値iβ*とβ軸電流iβとの偏差が小さくなるようにβ軸電圧指令値vβ*を生成するものであるが、モータ電流周波数ωreの正弦波成分を持つ制御ゲインを含むF/B制御部46、47が、減算器26、27にフィードバック制御を行うことにより、α軸電流iαとβ軸電流iβをモータ電流周波数ωreに追従させる正弦波追従制御(αβ−sin制御)を実行する。
The sine wave follow-up
また、制御安定部51、52はα軸電流iαとβ軸電流iβにフィードバックゲインf3をかけ、減算器53、54でPI制御部48、49の出力から減算し、制御安定化を図る。これらにより、α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*を、より正弦波に近づけ、それにより、α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*を正弦波に近づける。
Further, the
尚、ブロック図中のPI制御部48、49、制御安定部51、52における各フィードバックゲインf1、f2、f3を下記式(VII)、(VIII)、(IX)で示す。
f1=Ld(ωre 2−3ωc 2) ・・・(VII)
f2=Ld(3ωcωre 2−ωc 3) ・・・(VIII)
f3=3Ldωc−Ra ・・・(IX)
尚、Ldはモータ8の電機子巻線のd軸インダクタンス、Raは電機子巻線抵抗、ωreは前述したモータ8のモータ電流周波数、ωcは電流制御系の極である。
The feedback gains f 1 , f 2 , and f 3 in the
f 1 = L d (ω re 2 −3ω c 2 ) (VII)
f 2 = L d (3ω c ω re 2 −ω c 3 ) (VIII)
f 3 = 3L d ω c −R a (IX)
L d is the d-axis inductance of the armature winding of the motor 8, R a is the armature winding resistance, ω re is the motor current frequency of the motor 8, and ω c is the pole of the current control system.
上記式(VII)及び(VIII)にはモータ8のモータ電流周波数ωreが含まれているため、正弦波追従制御ではモータ8の電気角速度によってゲインを可変にしなければならないが、この実施例の如き正弦波追従制御を行うことで、指令値への目標値応答性と外乱応答性の向上を図ることができる。 Since the motor current frequency ω re of the motor 8 is included in the above formulas (VII) and (VIII), in the sinusoidal follow-up control, the gain must be made variable according to the electrical angular velocity of the motor 8. By performing such sine wave follow-up control, it is possible to improve the target value response to the command value and the disturbance response.
次に、図6は本発明を適用した更にもう一つの他の実施例の電力変換装置1の構成を示すブロック図である。尚、この図において、図1と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この実施例の電力変換装置1では、図1の瞬時電圧制御部13Bを、この場合の瞬時電圧制御部13Dに置き換えている。その他の構成は図1の場合と同様である。
Next, FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a
例えば、図1の実施例の場合、αβ軸PI制御部13AのPI演算部31、32が出力するα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*に、瞬時電圧制御部13Bの乗算器33と34で補正係数AIVCを乗算することで補正するように構成されてる。即ち、補正係数AIVCはPI演算部31、32が出力するα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*に対して可変ゲインとして作用する。そのため、安定的に動作させるには補正後のα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*が、電力変換装置1が出力可能な電圧範囲(以下、出力可能電圧範囲と称する。)を超えないように制限しなければならない。
For example, in the embodiment shown in FIG. 1, the instantaneous
また、瞬時電圧制御部13Bにより行われるα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*の補正では、出力される電圧ベクトル(α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*)が一制御周期にて大きく変化する場合がある。その場合、相電流が急峻に変化して直流リンク電流idcに発生する電流の誤差がパルス状に変化する。所謂電解コンデンサレスインバータでは、系統に寄生するインダクタンス成分と共振し、入力電流が振動しやすい状態となっているため、前述したパルス状の制御誤差が発生すると、入力電流に共振電流が発生する。従って、一制御周期にて変化する電圧ベクトル(α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*)の変化量には制限を加えなければならない。
Further, in the correction of the α-axis voltage command value vα * and the β-axis voltage command value vβ * performed by the instantaneous
(7)瞬時電圧制御部13D
この実施例の瞬時電圧制御部13Dは上記問題を解決する構成とされている。具体的には、瞬時電圧制御部13Dは、前述(図1)したものと同様の機能を奏する乗算器36、39と減算器28に加えて、出力電圧補正部56を備えている。そして、この場合も乗算器39は、速度制御部11が出力する入力トルク指令値τin *に、機械角の回転角周波数ωrmを乗算することで入力電力指令値pin *に変換し、出力する。乗算器36は、乗算器39が出力する入力電力指令値pin *に、1/vinの絶対値を乗算すること、即ち、入力電力指令値pin *を入力電圧vinの絶対値で除算することで、入力電流指令値iin *の絶対値を出力する。
(7)
The instantaneous
(7−1)出力電圧補正部56
また、減算器28は、この入力電流指令値iin *の絶対値からコンデンサ9に流れる直流リンクコンデンサ電流ic(平均値。実施例では推定値。但し、実測された真値でもよい。以下、同じ)を減算することで、それらの偏差としての直流リンク電流指令値idc *(平均値)を求めて出力し、出力電圧補正部56に入力する。この出力電圧補正部56には、更にモータ8のα軸電流iαとβ軸電流iβが入力される。そして、この出力電圧補正部56にαβ軸PI制御部13AのPI演算部31、32が出力するα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*が入力され、出力電圧補正部56の出力がαβ−uvw変換部38に入力される構成とされている。
(7-1) Output
Further, the
(7−2)出力可能電圧範囲を超える場合の瞬時電圧制御
ここで、直流リンク電流idcは下記式(X)で表される。尚、vαn *は正規化後のα軸電圧指令値、vβn *は正規化後のβ軸電圧指令値である。ここで、上記の正規化とは電圧指令値を直流リンク電圧Vdcで除算し、2を掛ける処理とする。
即ち、vαn *=2vα*/Vdc、vβn *=2vβ*/Vdcである。
(7-2) Instantaneous voltage control when exceeding the output possible voltage range Here, the DC link current i dc is represented by the following formula (X). Note that vα n * is a normalized α-axis voltage command value, and vβ n * is a normalized β-axis voltage command value. Here, the normalization is a process of dividing the voltage command value by the DC link voltage V dc and multiplying by 2.
That is, vα n * = 2vα * / V dc and vβ n * = 2vβ * / V dc .
そして、所望する直流リンク電流idcである直流リンク電流指令値をidc *として式(X)に代入し、vβn *に関して整理すると、式(XI)となる。この式(XI)は正規化された電圧ベクトル空間にて線の方程式となっており、過変調にならない範囲で式(XI)にて表される線上のどの点に電圧ベクトルを配置しても、所望する直流リンク電流指令値idc *がもたらされる式となっている。以後、この式(XI)で表される直線を等電流線と称する。 Then, when a DC link current command value which is a desired DC link current i dc is substituted into the equation (X) as i dc * and arranged for vβ n * , the equation (XI) is obtained. This equation (XI) is an equation of a line in the normalized voltage vector space, and no matter which point on the line represented by the equation (XI) is arranged within a range where overmodulation does not occur, The desired DC link current command value i dc * is obtained. Hereinafter, the straight line represented by the formula (XI) is referred to as an isoelectric line.
瞬時電圧制御部13Dも、前述した瞬時電圧制御部13Bと同様に補正係数AIVCを算出し、αβ軸PI制御部13AのPI演算部31、32が出力するα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*に、基本的には上記算出した補正係数AIVCを掛けることで、上記の等電流線上に配置されるように補正を加える(瞬時電圧制御部13Bも同様)。これにより、補正後のα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*が、αβ軸PI制御部13AのPI演算部31、32が出力するα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*と同位相となるようにする。
The instantaneous
しかしながら、前述した如く補正後のα軸電圧指令値vα*と、β軸電圧指令値vβ*が、電力変換装置1の出力可能電圧範囲を超えないようにしなければならない。ここで、電力変換装置1の出力可能電圧範囲は、式(XII)の電圧制限円で表される。そして、この場合の出力電圧補正部56は、前述した補正係数AIVCにより補正したα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*が、式(XII)を満たさない場合、α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*に補正係数AIVCを乗算するのでは無く、式(XIII)と式(XIV)で導出した値をα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*とする。言い換えれば、PI演算部31、32が出力するα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*を、式(XIII)と式(XIV)で算出した値に置き換えることで補正し、これをα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*とし、αβ−uvw変換部38に出力する。
However, as described above, the corrected α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * must not exceed the output possible voltage range of the
即ち、この場合の瞬時電圧制御部13Dの出力電圧補正部56は、上記式(XII)で表される電圧制限円(出力可能電圧範囲)と上述した等電流線との交点に電圧ベクトルを配置する。この電圧制限円と等電流線との交点が、上記式(XIII)と式(XIV)となる。これらの式から明らかな如く、交点は二つ現れるが、もとの電圧ベクトル(PI演算部31、32が出力するα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*)に近い方の値を選択して、α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*とし、αβ−uvw変換部38に出力する。
That is, in this case, the output
このように、この実施例の瞬時電圧制御部13Dの出力電圧補正部56も、直流リンク電流指令値idc *と直流リンク電流idcとの比率から算出される補正係数AIVCにより、当該直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *を一致させるようにα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を補正するものであるが、補正後のα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*が出力可能電圧範囲(式(XII)の電圧制限円)を超える場合は、補正係数AIVCによらず、直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *が一致し(等電流線上に配置し)、且つ、出力電圧が最大となる(電圧制限円上となる)α軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を算出し、置き換えることで補正するようにしたので、安定的な動作を実現することができるようになる。
As described above, the output
(7−3)変化量の制限制御
また、前述した如く図1の実施例の瞬時電圧制御部13Bにより行われるα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*の補正では、出力される電圧ベクトル(α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*)が一制御周期にて大きく変化する場合がある。その場合、相電流が急峻に変化して直流リンク電流idcに発生する電流の誤差がパルス状に変化する。所謂電解コンデンサレスインバータでは、系統に寄生するインダクタンス成分と共振し、入力電流が振動しやすい状態となっているため、前述したパルス状の制御誤差が発生すると、入力電流に共振電流が発生する。従って、一制御周期にて変化する電圧ベクトル(α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*)の変化量には制限を加えなければならない。そのため、この場合の瞬時電圧制御部13Dの出力電圧補正部56は、以下に説明する如く、一制御周期にて変化する電圧ベクトル(α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*)の変化量に制限を加える。
(7-3) Change Limit Control Further, as described above, it is output in the correction of the α-axis voltage command value vα * and the β-axis voltage command value vβ * performed by the instantaneous
この実施例の出力電圧補正部56は一定の規定値Rlimを設け、電圧変化量の大きさ(ノルム)がこの規定値Rlimを超える場合、当該規定値Rlimを超えないように電圧ベクトルを修正する。また、修正する際に等電流線上に配置する必要があるので、規定値Rlimの円と等電流線との交点に電圧ベクトルを配置する。下記式(XV)と式(XVI)は規定値Rlimの円と等電流線との交点を示している。
The output
尚、式(XV)と式(XVI)中の[k]は今回の制御周期を意味し、[k−1]は一制御周期前を意味している。この場合も、規定値Rlimの円と等電流線との交点は2つ現れるため、修正前の電圧ベクトルに近い方の交点のvαnLim *[k]、vβnLim *[k]を選択し、α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*としてαβ−uvw変換部38に出力する。
In the equations (XV) and (XVI), [k] means the current control cycle, and [k-1] means one control cycle before. Again, the specified value intersection between the circle and the equal current lines R lim is to appear two, v? Nlim of intersection closer to the voltage vector before the correction * [k], select vβ nLim * [k] The α-axis voltage command value vα * and the β-axis voltage command value vβ * are output to the αβ-
このように、電圧制御部13の瞬時電圧制御部13Dの出力電圧補正部56は、補正後のα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*の変化量が規定値Rlimを超える場合、規定値Rlimを超えず、且つ、直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *が一致するα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を算出し、出力するようにしたので、相電流が急峻に変化して入力電流に共振電流が発生する不都合を効果的に解消することができるようになる。
As described above, the output
図7中破線はこの場合の瞬時電圧制御部13Dにより補正係数AIVCを算出し、α軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*を補正した後(瞬時電圧制御)、更に、出力電圧補正部56により、上述したα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*の変化量の制限制御を実施した場合の直流リンク電流idcを示し、実線は直流リンク電流指令値idc *を示している。
In FIG. 7, the broken line indicates the correction coefficient A IVC calculated by the instantaneous
この図からも明らかな如く、出力電圧補正部56による変化量の制限制御で、図3の場合よりも更に直流リンク電流idcが直流リンク電流指令値idc *に一致するように制御されていることが分かる。
As is clear from this figure, the change amount limiting control by the output
次に、図6に示された瞬時電圧制御部13Dによる制御の更にもう一つの実施例を説明する。尚、この場合の電力変換装置1の全体のブロック図は図6と同様であるので、上記実施例(実施例4)の場合と同様に図6を参照しながら説明する。
Next, still another embodiment of the control by the instantaneous
上記実施例(実施例4)では、瞬時電圧制御部13Dが連続的に変化する相電流のサンプリング値(前述した制御周期でサンプリングした値)に基づき、所望の直流リンク電流idcになるように電圧ベクトルをFF(フィードフォワード)的に操作している。しかしながら、相電流は電圧ベクトルを決定した後も連続的に変化しており、サンプリング間の平均値とサンプリング値には差が発生する。これにより、相電流のサンプリング値に基づいた瞬時電圧制御では、直流リンク電流idcの平均値にパルス状の制御誤差が発生する。
In the above embodiment (embodiment 4), the instantaneous
また、上記実施例(実施例4)の変化量の制限制御では、電圧ベクトルの時間変化量に制限を加えるため、相電流の制御が不安定になる等の問題がある。 Further, in the change amount limiting control of the above-described embodiment (embodiment 4), there is a problem that the phase current control becomes unstable because the time change amount of the voltage vector is limited.
そこで、この実施例では瞬時電圧制御部13Dの出力電圧補正部56が、モータ(IPMSM)8の離散方程式により、相電流の次サンプリング時の電流を予測し、現サンプリング値から次サンプリング値(予測値)までの平均値に基づいて直流リンク電流idcを制御する。
Therefore, in this embodiment, the output
(8)IPMSM離散方程式に基づく直流リンク電流の予測制御
上記実施例(実施例4)の瞬時電圧制御は式(X)に基づく制御であった。この式(X)をサンプリング時系列に関して厳密に記述すると下記式(XVII)のようになる。
(8) Predictive control of DC link current based on IPMSM discrete equation The instantaneous voltage control of the above-described embodiment (embodiment 4) was control based on the formula (X). Strictly describing this equation (X) with respect to the sampling time series, the following equation (XVII) is obtained.
式(XVII)では、idc[k]はk(制御周期における今回のサンプリング)時点での直流リンク電流の瞬時値、iα[k]及びiβ[k]はk時点でのαβ軸でのモータ電流の瞬時値、vαn *[k]及びvβn *[k]はk時点での正規化された電圧ベクトルである。前述した実施例(実施例4)の瞬時電圧制御は、この式に基づいた等電流線上に電圧ベクトルを配置しているため、直流リンク電流idcのk時点の瞬時値しか制御できない状態である。 In equation (XVII), i dc [k] is the instantaneous value of the DC link current at time k (current sampling in the control cycle), and iα [k] and iβ [k] are motors on the αβ axis at time k. The instantaneous values of current, vα n * [k] and vβ n * [k] are normalized voltage vectors at time k. The instantaneous voltage control of the above-described embodiment (embodiment 4) is in a state in which only the instantaneous value at the time k of the DC link current i dc can be controlled because the voltage vector is arranged on the equicurrent line based on this equation. .
ここで、この実施例の瞬時電圧制御部13Dの出力電圧補正部56は、式(XVIII)に示すように、2点のサンプリング点を用いて直流リンク電流idcの平均値に関して成立する式を用い、直流リンク電流idcの平均値に関しても成立する予測等電流曲線を導出する。
Here, the output
尚、idc[k+1]は式(XIX)、式(XX)で求められるiα[k+1]、iβ[K+1]と、vαn *[k+1]、vβn *[k+1]を式(XVII)に代入することにより算出され、idc[k+3]は式(XXI)、式(XXII)で求められるiα[k+2]、iβ[K+2]と、vαn *[k+2]、vβn *[k+2]を式(XVII)に代入することにより算出される。 Note that i dc [k + 1] is expressed by formulas (XIX) and (XX), iα [k + 1] and iβ [K + 1], and vα n * [k + 1] and vβ n * [k + 1] are expressed in formula (XVII). I dc [k + 3] is calculated by substituting iα [k + 2], iβ [K + 2], vα n * [k + 2], and vβ n * [k + 2] obtained by the equations (XXI) and (XXII). It is calculated by substituting into the formula (XVII).
式(XVIII)では、出力電圧が決定されてから実際に出力されるまでに1サンプリング遅れることを考慮し、[k+1](一制御周期後)時点の電圧を計算するために、全体で1サンプリング進ませた式にしている。ここで、iα[k+1]及びiβ[k+1]は未来値であり、iα[k]及びiβ[k]と、vαn[k]及びvβn[k]よりモータ(IPMSM)8の離散方程式にて求めることができる。即ち、iα[k+1]及びiβ[k+1]は上記式(XIX)、式(XX)で決定される。 In formula (XVIII), taking into account that there is a delay of 1 sampling from when the output voltage is determined until it is actually output, in order to calculate the voltage at [k + 1] (after one control period), a total of 1 sampling The formula is advanced. Here, iα [k + 1] and iβ [k + 1] is the future value, and i.alpha [k] and i.beta [k], the discrete equations of the motor (IPMSM) 8 than v? N [k] and v? N [k] Can be obtained. That is, iα [k + 1] and iβ [k + 1] are determined by the above formulas (XIX) and (XX).
また、iα[k+2]及びiβ[k+2]に関しては、iα[k+1]及びiβ[k+1]に基づいてモータ(IPMSM)8の離散方程式により計算されるvαn[k+1]及びvβn[k+1]の関数である。即ち、iα[k+2]及びiβ[k+2]は上記式(XXI)、式(XXII)で決定される。尚、式(XIX)〜式(XXII)中の係数A11〜A22及びb11〜b22に関しては後述する。ここで、直流リンク電圧の未来値Vdc[k+1]が必要となるが、PLL回路21にて取得した電源の位相を1サンプリング分シフトすれば得ることができる。
For iα [k + 2] and iβ [k + 2], vα n [k + 1] and vβ n [k + 1] calculated by the discrete equation of the motor (IPMSM) 8 based on iα [k + 1] and iβ [k + 1]. It is a function. That is, iα [k + 2] and iβ [k + 2] are determined by the above formulas (XXI) and (XXII). The coefficients A 11 to A 22 and b 11 to b 22 in the formulas (XIX) to (XXII) will be described later. Here, although the future value V dc [k + 1] of the DC link voltage is required, it can be obtained by shifting the phase of the power source acquired by the
式(XVIII)に式(XIX)〜式(XXII)のiα[k+1]及びiβ[k+1]、iα[k+2]及びiβ[k+2]を代入する。また、直流リンク電流idcの平均値idc(idc[k+1]+idc[k+2])/2に関しては、直流リンク電流指令値idc *[k]とする。現サンプリング時点([k]時点)では、idc *[k+1]は求められないため、idc[k]を式(XVIII)に代入すると、最終的には現サンプリング時の直流リンク電流idc[k](予測等電流曲線)の式は、式(XXIII)で表される。 Iα [k + 1] and iβ [k + 1], iα [k + 2] and iβ [k + 2] of Formula (XIX) to Formula (XXII) are substituted into Formula (XVIII). The average value idc of the DC link current i dc (i dc [k + 1] + i dc [k + 2]) with respect to the / 2, and the DC link current command value i dc * [k]. In current sampling time ([k] time), i for dc * [k + 1] is not required, i dc when [k] is substituted into equation (XVIII), and finally the DC link current at the current sampling i dc The equation of [k] (predicted equicurrent curve) is represented by equation (XXIII).
式(XXIII)から求められるvβn *[k+1]は、従来の等電流線の近傍に描かれる曲線の方程式となる。この曲線は、モータ(IPMSM)8の離散方程式による次サンプリング時の電流予測に基づくサンプリング間平均の等直流リンク電流を表す正規化した電圧空間上の曲線となる。また、求められるvβn *[k+1]には正負の符号が含まれることになることから、予測等電流曲線は2本の曲線となるが、それらが繋がった連続した1本の曲線となる。 Vβ n * [k + 1] obtained from the equation (XXIII) is an equation of a curve drawn in the vicinity of the conventional isoelectric line. This curve is a curve in a normalized voltage space representing an average DC link current between samplings based on a current prediction at the time of next sampling by a discrete equation of the motor (IPMSM) 8. Further, since the obtained vβ n * [k + 1] includes a positive and negative sign, the predicted isocurrent curve is two curves, but is a continuous single curve connecting them.
(8−1)電圧制限内における直流リンク電流の予測制御
出力電圧補正部56は、上記の如く予測により予測等電流曲線を導出し、次に、前記実施例(実施例4)と同様に、αβ軸PI制御部13Aからの出力電圧ベクトルと同位相となる予測等電流曲線上の点に電圧ベクトルを配置する。
(8-1) Predictive control of DC link current within voltage limit The output
αβ軸PI制御部13AのPI演算部31、32から出力されるα軸電圧指令値vα*、β軸電圧指令値vβ*を、ここではそれぞれα軸電圧指令値vα*1、β軸電圧指令値vβ*1とすると、αβ軸PI制御部13Aからの出力電圧の同位相線は以下の式(XXIX)になる。
The α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * output from the
このαβ軸PI制御部13Aからの出力電圧との同位相線と式(XXIII)の予測等電流曲線との交点を求めればよく、交点は式(XXX)のようになる。vβn *[k+1]は式(XXX)で求め、vαn *[k+1]は式(XXIX)の関係から求める。即ち、この実施例の出力電圧補正部56は、αβ軸PI制御部13Aが出力するα軸電圧指令値(この場合vα*1)とβ軸電圧指令値(この場合vβ*1)を用いて式(XXIX)と式(XXX)の演算を行い、これら式(XXIX)と式(XXX)で算出した値に置き換えることでα軸電圧指令値vα*1とβ軸電圧指令値vβ*1を補正し、これをα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*とし、αβ−uvw変換部38に出力する。
What is necessary is just to obtain | require the intersection of the same phase line with this output voltage from (alpha) (beta) axis | shaft
即ち、出力電圧補正部56は、αβ軸PI制御部13Aが出力するα軸電圧指令値vα*1とβ軸電圧指令値vβ*1を用い、当該α軸電圧指令値vα*1とβ軸電圧指令値vβ*1と同位相となるα軸電圧指令値vα*とβ軸電圧指令値vβ*を導出し、置き換えることで補正し、αβ−uvw変換部38に出力する。
That is, the output
ここで、式(XXX)に同位相線と予測等電流曲線との交点を示したが、交点が電圧制限を超えた場合や電圧修正量が過大になる場合に関しても前述した実施例と同様に予測等電流曲線と電圧制限図形(実施例4では電圧制限円)との交点を選択する必要がある。次に、電圧制限円が内接する電圧制限六角形と予測等電流曲線との交点について説明する。 Here, the intersection of the in-phase line and the predicted equal current curve is shown in the formula (XXX), but the case where the intersection exceeds the voltage limit or the voltage correction amount is excessive is the same as in the above-described embodiment. It is necessary to select the intersection of the predicted isocurrent curve and the voltage limit graphic (voltage limit circle in the fourth embodiment). Next, the intersection of the voltage limiting hexagon inscribed by the voltage limiting circle and the predicted isocurrent curve will be described.
(8−2)電圧飽和時における直流リンク電流の予測制御
前記実施例(実施例4)の瞬時電圧制御と同様に、予測等電流曲線を用いた直流リンク電流idcの予測制御においてもαβ軸PI制御部13Aの出力を修正して直流リンク電流idcを制御する。そのため、電流制御系の安定性を確保するためや修正により電圧飽和が起こった場合等を考慮して、瞬時電圧制御と同様に電圧制限図形と予測等電流曲線の交点に電圧ベクトルを配置する。
(8-2) Predictive control of DC link current when voltage is saturated Similar to the instantaneous voltage control of the above-described embodiment (embodiment 4), the αβ axis is also used in predictive control of the DC link current i dc using the predicted isocurrent curve. The output of the
前述した実施例(実施例4)の瞬時電圧制御では、等電流線と電圧制限円(電圧制限六角形の内接円)との交点に電圧ベクトルを配置することになっているが、予測等電流曲線と円とでは実用的な解析解が得られないため、電圧制限六角形との交点に電圧ベクトルを配置する。ここでは、電圧制限六角形のそれぞれの辺を、切片を持つ6本の直線の式で表記し、予測等電流曲線との交点を算出する。電圧制限六角形のそれぞれの辺を以下に示す直線の式(XXXI)で一般化する。 In the instantaneous voltage control of the above-described embodiment (embodiment 4), the voltage vector is arranged at the intersection of the isocurrent line and the voltage limit circle (inscribed circle of the voltage limit hexagon). Since a practical analytical solution cannot be obtained with the current curve and the circle, a voltage vector is arranged at the intersection with the voltage limiting hexagon. Here, each side of the voltage limiting hexagon is expressed by an equation of six straight lines having intercepts, and the intersection point with the predicted equivalent current curve is calculated. Each side of the voltage limiting hexagon is generalized by the following linear equation (XXXI).
式(XXXI)のnには1〜6が代入され、それぞれ6辺の直線となり、六角形の辺を構成する。式(XXXII)に示す一般化した直線の式と予測等電流曲線との交点は式(XXXIII)に示される。式(XXXIII)はそれぞれ6辺分計算され、六角形の角頂点の内側に解を持つものを交点とする。複数個算出された交点のうち、αβ軸PI制御部13Aからの出力に最も近い交点を選択する。
1 to 6 are substituted for n in the formula (XXXI), each becomes a straight line of 6 sides, and forms a hexagonal side. The intersection of the generalized straight line equation shown in equation (XXXII) and the predicted isocurrent curve is shown in equation (XXXIII). Each of the formulas (XXXIII) is calculated for six sides, and an intersection having a solution inside the corner apex of the hexagon. Among the plurality of calculated intersections, the intersection closest to the output from the αβ axis
(8−3)IPMSM離散方程式
予測等電流曲線を用いた直流リンク電流idcの制御は、モータ(IPMSM)8の離散方程式に基づいている。ここで用いているIPMSMの離散方程式は、IPMSMの状態方程式をサンプリング時間Tsの0次ホールドにて離散化した式である。式(XXXIV)にIPMSMの状態方程式を示す。式(XXXIV)をサンプリング時間Tsの0次ホールドにて離散化すると式(XXXV)になる。
(8-3) IPMSM Discrete Equation The control of the DC link current i dc using the predicted isocurrent curve is based on the discrete equation of the motor (IPMSM) 8. The IPMSM discrete equation used here is an equation obtained by discretizing the IPMSM state equation with the 0th-order hold of the sampling time T s . The equation of state of IPMSM is shown in Formula (XXXIV). When the equation (XXXIV) is discretized by the 0th-order hold of the sampling time T s , the equation (XXXV) is obtained.
ここで、係数行列Adは式(XXXVI)で、係数行列bdは式(XXXVII)で表され、この式(XXXVI)、式(XXXVII)を解くことで、係数行列の各要素を得ることができる。 Here, the coefficient matrix A d is expressed by Expression (XXXVI), and the coefficient matrix b d is expressed by Expression (XXXVII). By solving Expression (XXXVI) and Expression (XXXVII), each element of the coefficient matrix is obtained. Can do.
また、上記式中に用いた変数を以下に示す。 The variables used in the above formula are shown below.
図8に前述した実施例(実施例4)の瞬時電圧制御による入力電流iinと入力電流指令値iin *(上段)、直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *(下段)を示し、図9にこの実施例(実施例5)の瞬時電圧制御による入力電流iinと入力電流指令値iin *(上段)、直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *(下段)を示している。 The input current i in and the input current command value i in * (upper stage), the DC link current i dc and the DC link current command value i dc * (lower stage) by the instantaneous voltage control of the embodiment (embodiment 4) described above in FIG. FIG. 9 shows the input current i in and the input current command value i in * (upper stage), the DC link current i dc and the DC link current command value i dc * ( (Lower).
図8では電圧ベクトルの急峻な変動によって、P1に示す如く直流リンク電流idcにパルス状の誤差が発生している。これによって、P2に示すように寄生成分による共振回路の共振電流が入力部に流れ、電源波形に高い周波数の電流振動が発生している。また、P3に示す直流リンク電流idcの制御誤差により、P4に示すように入力部のコンバータ回路2を構成するブリッジダイオード(ダイオードD1〜D4)の導通幅が狭まっている。これらは全て、モータ電流のサンプリング値とサンプリング間の平均値との差に起因している。
In FIG. 8, a pulse-like error is generated in the DC link current i dc as indicated by P1 due to the steep fluctuation of the voltage vector. As a result, the resonance current of the resonance circuit due to the parasitic component flows to the input section as indicated by P2, and a high-frequency current oscillation occurs in the power supply waveform. Further, due to the control error of the DC link current i dc shown in P3, the conduction width of the bridge diodes (diodes D1 to D4) constituting the
一方、図9ではP5を見ても分かるように直流リンク電流idcにパルス状の制御誤差は発生していない。また、P6においても直流リンク電流idcの制御誤差が発生していないため、入力部のダイオードブリッジの導通幅が広くなっている。直流リンク電流idcの予測制御を用いることで、入力電流iinは略理想的な正弦波電流となっていることが分かる。 On the other hand, in FIG. 9, no pulse-like control error occurs in the DC link current i dc as can be seen from P5. In P6, since the control error of the DC link current i dc does not occur, the conduction width of the diode bridge of the input section is wide. It can be seen that the input current i in is a substantially ideal sine wave current by using the predictive control of the DC link current idc.
以上のようにこの実施例の予測制御によれば、1サンプリング先の電流を予測し、サンプリング間の平均値に関して成立する予測等電流曲線を用いるため、サンプリング値とサンプリング間の平均値の差に起因して発生する直流リンク電流idcの制御誤差を大幅に低減することができるようになる。これにより、入力部に存在している寄生成分と直流リンク部3のコンデンサ9による共振回路の共振電流を低減することができるようになる。
As described above, according to the predictive control of this embodiment, the current of one sampling destination is predicted, and a predicted isocurrent curve established for the average value between samplings is used. Therefore, the difference between the sampling value and the average value between samplings is calculated. The control error of the DC link current i dc generated due to this can be greatly reduced. As a result, it is possible to reduce the resonance current of the resonance circuit caused by the parasitic component present in the input unit and the capacitor 9 of the
尚、本発明の電力変換装置1の制御対象は、各実施例で示したIPMSMに限定されるものでは無く、モータ8の用途も圧縮機に限定されるものではない。
In addition, the control object of the
1 電力変換装置
2 コンバータ回路
3 直流リンク部
4 インバータ回路
6 制御部
7 交流電源
8 モータ
9 コンデンサ
11 速度制御部
12 トルク制御部
13 電圧制御部
13A αβ軸PI制御部
13B、13D 瞬時電圧制御部
13C 正弦波追従制御部
14 スイッチング制御部
18 二乗波形生成部
24 dq−αβ変換部
26、27 減算器
31、32 PI演算部
33、34 乗算器
46、47 F/B制御部
56 出力電圧補正部
DESCRIPTION OF
Claims (12)
入力交流を全波整流するコンバータ回路と、
該コンバータ回路の出力に並列接続されたコンデンサを有し、直流電圧を出力する直流リンク部と、
該直流リンク部の出力をスイッチングして交流に変換し、前記モータに供給するインバータ回路と、
前記スイッチングを制御する制御部とを備え、
該制御部は、前記モータの速度を制御する操作量を求める速度制御部と、
前記インバータ回路の出力トルクτinvを制御する操作量を求めるトルク制御部と、
前記モータのα軸電流iα及びβ軸電流iβを制御する操作量を求める電圧制御部とを備え、
前記速度制御部は、前記モータの速度を制御する操作量を、前記入力交流の電源周波数ωsの2倍に同期して脈動させ、
前記トルク制御部は、前記モータの速度を制御する操作量から前記インバータ回路の出力トルク指令値τinv *を生成し、当該出力トルク指令値τinv *に基づいて、前記インバータ回路の出力トルクτinvを制御する操作量を求め、
前記電圧制御部は、前記インバータ回路の出力トルクτinvを制御する操作量に基づき、静止座標系上で前記モータのα軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*を生成し、
これらα軸電流指令値iα*及びβ軸電流指令値iβ*とα軸電流iα及びβ軸電流iβとの偏差が小さくなるように前記モータのα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を生成し、
且つ、前記モータの速度を制御する操作量に基づいて、前記インバータ回路に流れる直流リンク電流指令値idc *を生成し、直流リンク電流idcが前記直流リンク電流指令値idc *と等しくなるように前記α軸電圧指令値vα*及び前記β軸電圧指令値vβ*を補正することを特徴とする電力変換装置。 A power converter for supplying power to a motor,
A converter circuit for full-wave rectification of the input AC;
A DC link unit having a capacitor connected in parallel to the output of the converter circuit and outputting a DC voltage;
An inverter circuit that switches the output of the DC link unit to convert it into AC and supplies the motor to the motor;
A control unit for controlling the switching,
The control unit is a speed control unit for obtaining an operation amount for controlling the speed of the motor;
A torque control unit for obtaining an operation amount for controlling the output torque τ inv of the inverter circuit;
A voltage control unit for obtaining an operation amount for controlling the α-axis current iα and β-axis current iβ of the motor;
The speed control unit pulsates an operation amount for controlling the speed of the motor in synchronization with twice the power frequency ω s of the input AC,
The torque control unit generates an output torque command value τ inv * of the inverter circuit from an operation amount that controls the speed of the motor, and based on the output torque command value τ inv * , the output torque τ of the inverter circuit Find the amount of operation to control inv ,
The voltage control unit generates an α-axis current command value iα * and a β-axis current command value iβ * of the motor on a stationary coordinate system based on an operation amount for controlling the output torque τ inv of the inverter circuit,
The α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value of the motor so that the deviation between the α-axis current command value iα * and β-axis current command value iβ * and the α-axis current iα and β-axis current iβ is small. Generate vβ *
In addition, a DC link current command value i dc * flowing in the inverter circuit is generated based on an operation amount for controlling the speed of the motor, and the DC link current i dc becomes equal to the DC link current command value i dc *. Thus, the α-axis voltage command value vα * and the β-axis voltage command value vβ * are corrected as described above.
補正後の前記α軸電圧指令値vα*及び前記β軸電圧指令値vβ*が出力可能電圧範囲を超える場合は、前記補正係数AIVCによらず、前記直流リンク電流idcと直流リンク電流指令値idc *が一致し、且つ、出力電圧が最大となるα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を算出し、置き換えることで補正することを特徴とする請求項1乃至請求項5のうちの何れかに記載の電力変換装置。 The voltage control unit, the correction coefficient A IVC calculated from the ratio of the DC link current command value i dc * and the DC link current i dc, the DC link current i dc and the DC link current command value i dc * The α-axis voltage command value vα * and the β-axis voltage command value vβ * so as to match,
When the corrected α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * exceed the outputable voltage range, the DC link current i dc and the DC link current command are not related to the correction coefficient A IVC. The α-axis voltage command value vα * and the β-axis voltage command value vβ * at which the value i dc * coincides and the output voltage is maximum are calculated and corrected by replacing them. Item 6. The power conversion device according to any one of Items 5 above.
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