JP3554274B2 - パルス制御される誘導性負荷の電流の瞬時値を定める方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（背景技術）
本発明は、独立請求項１及び５の前文による、負荷のインピーダンスが既知の時、パルス制御される誘導性負荷の電流の瞬時値を定める方法に関し、この方法は、
パルス電圧源の出力電圧を測定するステップと、
パルス電圧源の出力電流を測定するステップとを包含する。
誘導性負荷の電流又は磁束は、通常負荷に影響を及ぼす電圧を変化させることにより制御され、この電圧は典型的には、半導体スイッチにより発生する単一又は多重レベル電圧パルスから成る。最も簡単な解決は、スイッチが固定されたスイッチング周波数で動作し、これにより電圧パルスのパルス幅が負荷における平均電圧レベルを決定することである。この様なパルス電圧源の一例は、パルス幅変調（ＰＷＭ）電圧源である。負荷の電流は、もしスイッチング周波数が十分に高ければ、ここでは全く良く動的に制御される。
【０００２】
半導体スイッチのスイッチング損失の理由で、スイッチング周波数は出来るだけ低く保たれ、特にかご形誘導電動機を制御する周波数変換機の様な高電力装置に関してその通りである。負荷の電流の正確な動的制御は、スイッチのスイッチングを負荷の電流の瞬時値に直接基づきさえすれば達成出来る。負荷の電流の瞬時値の使用に基づくパルス電圧源は、例えば、直接トルク制御（ＤＴＣ）及び電流の許容帯域制御に基づく電圧源である。この方法は、負荷が電圧パルスを発生する電圧源に接近している時、及び負荷とパルス電圧源との間に容量性構成部分がない時に良く動作し、これにより負荷の電流は妨害されない状態で測定できる。
【０００３】
実際において、しかし、負荷はしばしば、それに供給する電圧源から比較的長い距離に存在する。パルス電圧源の瞬時電流は、そのため供給ケーブルにおける漂遊キャパシタンスを通過する電流の理由で、負荷の瞬時電流とは異なる。この理由は、ケーブルの伝達インピーダンスは誘導性負荷のインピーダンスより遥かに低いことである。これらインピーダンスは等しくないので、供給される各電圧パルスは、負荷に接近している供給ケーブルの端において電圧発振を、また電圧源に接近している供給ケーブルのその端において電流発振を発生する。
【０００４】
使用される変調の基（ベーシス）は、通常電圧源の端において測定される電流であり、ケーブルのある長さより上位では電流発振に起因して非常に不正確になるので、負荷電流の瞬時値は最早制御出来ない。長いケーブルが使用される時は、制御のダイナミックスが妥協されなければならないか、又は負荷の電流が負荷において別個に測定されなければならないかのいずれかであり、これにより測定信号の転送を可能にするため高価な別個なケーブル布線を設置しなければならない。長いケーブルを別としても、負荷と電圧源の間の容量性構成部分もまた、電圧源の端において測定される電流に基づく上述の種類の変調を禁止する。この様な容量性構成部分は、例えば、ＬＣ低域フィルタで在り得る。
【０００５】
本発明の目的は、上に述べた欠点が回避されかつパルス制御される誘導性負荷の電流の瞬時値をより信頼性をもって定めることが出来る方法を提供することである。
【０００６】
この目的は、本発明の方法により達成され、これは次の、
基本波電流を生成するためパルス電圧源の測定された出力電流を低域ろ波するステップと、
パルス電圧源の測定された出力電圧と負荷のインピーダンスに基づく計算により負荷電流推定値を定めるステップと、
負荷電流推定値を高域ろ波するステップと、
高域ろ波された負荷電流推定値を基本波電流に加算することにより負荷の電流の瞬時値を定めるステップとを包含することを特徴とする。
【０００７】
本発明の好ましい実施例は従属請求項に記載される。
【０００８】
本発明の方法は、電圧源の測定された電圧と負荷の推定されたインピーダンスに基づく、負荷電流の推定に基づいている。この推定された負荷電流は、測定された電流の基本波成分と、半導体スイッチが切替えられる時変化する推定された電流における成分とを組合わせることより得られる。
【０００９】
請求項に記載した方法の利点は、高度に信頼性のある負荷電流の推定値が簡単な方法で得られることである。ケーブルは長いが、負荷電流はこの方法により正確に推定出来、これによりパルス電圧源の動的制御はあらゆる状態の下で高いレベルに維持できる。ＤＴＣ又はいかなる電流変調でも、それで長いケーブルと関連して動作させることが出来る。
【００１０】
もし測定が負荷に接近した供給ケーブルの端において遂行されるとすれば、その結果として生じるであろう高いケーブル布線費用は、本発明の方法により避けられる。さらに、この方法は、電流の信頼性ある推定を可能にするので、ＬＣ低域フィルタ等の様な容量性構成部分も必要な場合には供給ケーブルに接続出来る。
【００１１】
この方法は、パルス電圧源の出力の電流を、先行技術におけるよりも一層費用に対し効果的な電流検出器を使用して測定することを可能にする。最高の周波数成分は、この方法で測定された電流からろ波され、これにより電流測定の帯域幅の要求は先行技術より著しく低い。同じ理由により、電流データを修正するのに使用されるＡＤ変換器は、先行技術における解決策よりも遥かに費用に対し効果的であり、先行技術では電流の全部の周波数は出来るだけ正確に測定された。
【００１２】
長いケーブルにより生じる問題は、例えば、ＤＴＣのスイッチング周波数の制限を必要とした。本発明の方法によって、パルス電圧源の最少パルスの長さは制限される必要はなくて、正確な電流データに起因してスイッチング周波数はもし希望すれば任意に高めることが出来る。スイッチング周波数を高めると、制御の動的精度を更に改善することが可能である。
【００１３】
本発明は更に方法に関し、この方法は次の、
推定電圧を生成するため補正項をパルス電圧源の出力電圧に加算するステップと、
推定電圧と負荷のインピーダンスに基づく計算により負荷電流推定値を定め、これにより負荷電流推定値は負荷電流の瞬時値を与えるステップと、
負荷電流推定値を低域ろ波するステップと、
基本波電流を生成するためパルス電圧源の測定された出力電流を低域ろ波するステップと、
電流の差に比例する誤差パラメタを生成するため基本波電流を低域ろ波された負荷電流推定値と比較するステップと、
補正項を生成するため誤差パラメタに係数を掛け算するステップとを包含することを特徴とする。
【００１４】
本発明の方法は、負荷電流推定値の低域ろ波された成分とパルス電圧源の出力電流とを相互に比較することに基づいており、またこの比較に基づいて、両電流の差に比例する補正項を負荷電流推定値を計算するために使用される電圧に加算する。この方法において、負荷電流推定値は負荷電流の瞬時値を与える。
【００１５】
（発明の詳細な記載）
誘導性負荷が、図１に示す様なパルス電圧源を使用して供給ケーブルを経由して供給される時、パルス電圧源の出力電圧ｕ１は、ケーブルに沿って流れる電圧波を生成する。この波は、負荷に近いケーブルの端において電圧ｕ２として見える。電圧ｕ１及びｕ２の一般的な曲線は図２に示される。図２はまた、電圧源の電流ｉ１及び負荷電流ｉ２の一般的な曲線を示す。
【００１６】
図２に示す様に、電圧源及び負荷の電流は、ある与えられた瞬間においてかなり異なるかも知れない。スイッチングの間、電流の一部はケーブルを経由し又は他の部分的に容量性の構成部分を経由して流れ、これは電圧源において測定される電流における図２に示される形式の発振として現れる。電流のこの発振の故に、電圧源の出力電流に基づいて形成された、負荷電流の瞬時値についてのいかなる推定値も誤っているかも知れず、そこで負荷電流を動的情況においてある値にセットすることは困難である。
【００１７】
本発明の方法においては、出力電流ｉ１及び電圧源の出力電圧ｕ１についての測定データ及び負荷のインピーダンスについての及び負荷（例えば、磁束の大きさ、又は電気機械の回転の速度）の状態についてのデータを使用して負荷電流ｉ２を正確に定めることが出来る。負荷のインピーダンスは、１回、例えば、負荷への電流の供給が開始された時、定めることが出来るか、又はこの代わりに使用中に更新されるかのいずれかである。
【００１８】
本発明の方法は、正確なデータが電流の実際の値について得られ、かつパルス電圧源におけるスイッチのスイッチングのタイミングがこのデータに基づいて最適化出来るので、負荷電流の正確な制御を可能にする。図３に示す本発明の方法によれば、パルス電圧源の出力電流ｉ１は、低域フィルタＳ１で低域ろ波され、これにより基本波電流ｉ１ｌｐが得られる。低域フィルタＳ１の機能は、電流信号からケーブル発振により生じるいかなる高周波成分も除去することである。また、スイッチング構成部分の状態の変化により生じる、最も速い変化は、選択されたろ波時定数τに依存して、電流のスイッチング周波数成分からろ波することが可能である。測定された電流の残存する低域ろ波された成分は、即ち、基本波電流ｉ１ｌｐは、従って、ほとんど負荷電流の基本波成分のみを含み、その周波数は所望の基本周波数に対応する。
【００１９】
迅速に変化している高周波電流成分の正確な値は重要ではないが、それは測定された電流は低域ろ波されるからである。それにまた、電流測定の帯域幅は高い必要はなく、これにより測定は費用に対し効果的な部品を用いて遂行出来る。
【００２０】
この方法において、負荷電流は、推定ブロック１において、測定された出力電圧及び負荷の前もって知られたインピーダンスを利用して計算により推定される。負荷に依存して、計算ブロックはまたより複雑であることが出来、例えば、誘導機における固定子及び回転子の微分方程式の解法アルゴリズムに基づくことが出来る。この推定において、負荷への電圧の伝達には歪みがないことが仮定され、これにより負荷の電圧ｕ２は、大きさにおいて電圧源の出力電圧ｕ１に対応する。
【００２１】
負荷が純粋に誘導性である時、時間の瞬間ｔにおける負荷電流推定値ｉ２ｅｓｔは、例えば、次の方程式から得られ、
【００２２】
【数１】

【００２３】
そこにＬは負荷のインダクタンスを、ｕ１は負荷の電圧を表し、負荷の電流は時間の瞬間ｔ０において知られている。この式により出力電圧ｕ１は積分され、これにより図２によるいかなる電圧発振も、積分時間の増加とともにひとりでに補償され、そのため負荷の電圧ｕ２が電圧源の電圧ｕ１で置換される時、負荷電流推定値ｉ２ｅｓｔは誤っていないであろう。
【００２４】
積分項の故に、既知のインダクタンスと源電圧に基づいて計算された負荷電流推定値ｉ２ｅｓｔは、時間が経過するとき最早正確ではではなく、それで負荷電流推定値の絶対値は実際の負荷電流とはかなり異なるかも知れない。負荷電流推定値におけるいかなる迅速な変化も、しかし、負荷電流における変化の正確な反映であり、これにより負荷電流推定値は、負荷電流のスイッチング周波数成分を表す電流成分を生じる目的で高域ろ波されることが出来る。負荷電流推定値の絶対値は、従って重要ではなく、それは高域ろ波された推定値ｉ２ｈｐのみがこの実施例において使用されるからである。
【００２５】
一つの実施例によれば、負荷電流推定値ｉ２ｅｓｔの高域ろ波は、負荷電流推定値の高域ろ波された成分ｉ２ｈｐを得るために、負荷電流推定値ｉ２ｅｓｔの低域ろ波された成分ｉ２ｌｐを加算手段２において負荷電流推定値ｉ２ｅｓｔから引き算することにより実行される。使用される低域フィルタＳ２の時定数τは、本質的に低域フィルタＳ１におけるものと同じである。図３に示す様に、電圧ｕ１が入力される推定ブロック１の出力は低域フィルタＳ２及び加算手段２へ接続される。加算手段２の他の入力へは、低域フィルタＳ２の出力が接続される。加算手段２は、両信号の差を生成し、これは負荷電流推定値の高域ろ波された成分ｉ２ｈｐである。
【００２６】
加算手段２及び低域フィルタＳ１の両出力は、加算手段４の入力へ接続され、これは負荷電流推定値の高域ろ波された成分ｉ２ｈｐと測定された出力電流の低域ろ波された成分、即ち、基本波電流ｉ１ｌｐを加算することにより負荷電流の大きさｉ２ｅを生じる。この加算処理において、測定された電流の基本周波数成分は推定された電流のスイッチング周波数成分と組合わされる。
【００２７】
電流の基本波が、測定された電流の低域ろ波と関連して正弦状に変化する時は、位相及び振幅誤差が基本波電流ｉ１ｌｐに発生する。この誤差は、しかし、基本波電流ｉ１ｌｐ及び負荷電流の高域ろ波された成分ｉ２ｈｐが加算される時、フィルタＳ１及びＳ２のろ波時定数が等しい故に、負荷電流ｉ２ｅにより補償される。
【００２８】
高域ろ波された成分のみが利用されるので、負荷電流推定値ｉ２ｅｓｔのＤＣ値は重要ではないが、もし負荷電流推定値のオフセット誤差が累積しかつ推定値の絶対値が従って極めて高ければ、実際上問題が発生するかも知れず、これによりオ−バ−フロを生じる。本発明の一つの実施例においては、負荷電流推定値は補正され、そのためオフセット誤差は、たとえあるとしても、あまり大きくはないであろう。図４に示す様に、補正項ｕｃｏｒｒは電圧ｕ１に加算され、これは負荷電流推定の基であり、その補正項は低域ろ波された両電流の差に比例している。この低域ろ波された両電流は、これら電流の引き算とは異なる何か他の方法において、例えば比較器回路を用いて比較することもできる。
【００２９】
補正項は、この実施例では両電流の差に重み付け係数Ｗを掛け算することにより得られる。低域フィルタＳ１及びＳ２の出力は、加算手段３の入力に接続され、これにより加算手段３の出力は、両フィルタ出力の差に比例する誤差パラメタｅを与える。加算手段３の出力は係数ブロック５に接続され、その出力は補正項ｕｃｏｒｒである。の実施例では、補正項ｕｃｏｒｒは電圧ｕ１に加算され、そのため係数ブロック５の出力は加算ブロック６の入力に接続される。加算ブロック６の２つの入力の一方へは測定された電圧ｕ１が接続される。
補正項の使用により与えられる帰還により、例えば、負荷電流推定値が測定された電流より小さい時は、補正項は正であり、これは次に計算による電流を強制的に大きくし、これにより測定された値に近付く。また負荷電流推定値の絶対値でさえも実際の負荷電流に接近するであろう。
【００３０】
上述の種類の帰還が本発明に使用される時は、使用される負荷電流は負荷電流推定値ｉ２ｅｓｔであることが出来る。図５に示す様に、負荷電流ｉ２ｅは、この実施例において２つの異なる成分の加算により形成する必要はなく、帰還に起因して負荷電流推定値のＤＣレベルは正しいであろうし、これにより負荷電流推定値は負荷電流として使用出来る。図５に示す本発明のブロック図は、上述の図４のブロック図とは異なり、加算手段２及び４は除去され、そしてｉ２ｅの代わりに、計算により推定された電流ｉ２ｅｓｔがシステムの出力信号として使用される。
【００３１】
当業者には、本発明の基本思想は多くの異なる方法で実施出来ることは自明であろう。本発明及びその実施例は、従って上の例には限定されずに、請求項の範囲内で変化出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】誘導性負荷へのケーブルを経由しての電圧パルスの供給を示す一般的な図。
【図２】長い供給ケーブル及びパルス電圧源と関連しての電圧及び電流曲線の一般的形状を示す図。
【図３】本発明の方法を示すブロック図。
【図４】本発明の方法の実施例を示すブロック図。
【図５】本発明の方法を示すブロック図。

Claims (6)

1. 負荷のインピーダンスが既知の時、パルス制御される誘導性負荷の電流（ｉ２ｅ）の瞬時値を定める方法であって、
   パルス電圧源の出力電圧（ｕ１）を測定するステップと、
   パルス電圧源の出力電流（ｉ１）を測定するステップとを含み、
   前記方法は、更に
   基本波電流（ｉ１ｌｐ）を生成するためパルス電圧源の測定された出力電流（ｉ１）を低域ろ波するステップと、
   パルス電圧源の測定された出力電圧（ｕ１）及び負荷のインピーダンスに基づく計算により負荷電流推定値（ｉ２ｅｓｔ）を定めるステップと、
   負荷電流推定値（ｉ２ｅｓｔ）を高域ろ波するステップと、
   高域ろ波された負荷電流推定値（ｉ２ｅｓｔ）を基本波電流（ｉ１ｌｐ）に加算することにより負荷の電流（ｉ２ｅ）の瞬時値を定めるステップとを含むことを特徴とするパルス制御される誘導性負荷の電流の瞬時値を定める方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、負荷電流推定値（ｉ２ｅｓｔ）の前記高域ろ波が、
   負荷電流推定値（ｉ２ｅｓｔ）を低域ろ波するステップと、
   負荷電流推定値（ｉ２ｅｓｔ）から、負荷電流推定値の低域ろ波された成分（ｉ２ｌｐ）を引き算するステップとを含むことを特徴とするパルス制御される誘導性負荷の電流の瞬時値を定める方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記方法はさらに、
   電流の差に比例する誤差パラメタ（ｅ）を生成するため基本波電流（ｉ１ｌｐ）を低域ろ波された負荷電流推定値（ｉ２ｌｐ）と比較するステップと、
   補正項（ｕｃｏｒｒ）を生成するため誤差パラメタ（ｅ）に係数（Ｗ）を掛け算するステップと、
   補正項（ｕｃｏｒｒ）を負荷電流推定値（ｉ２ｌｐ）の基として使用した電圧の値に加算するステップとを含むことを特徴とするパルス制御される誘導性負荷の電流の瞬時値を定める方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、基本波電流（ｉ１ｌｐ）と低域ろ波された負荷電流推定値（ｉ２ｌｐ）との前記比較は、前記両電流は相互に引き算されるステップを含むことを特徴とするパルス制御される誘導性負荷の電流の瞬時値を定める方法。
5. 負荷のインピーダンスが既知の時、パルス制御される誘導性負荷の電流（ｉ２ｅ）の瞬時値を定める方法であって、
   パルス電圧源の出力電圧（ｕ１）を測定するステップと、
   パルス電圧源の出力電流（ｉ１）を測定するステップとを含み、
   前記方法は、更に
   推定電圧（ｕｅｓｔ）を生成するため補正項（ｕｃｏｒｒ）をパルス電圧源の出力電圧（ｕ１）に加算するステップと、
   推定電圧（ｕｅｓｔ）と負荷のインピーダンスに基づく計算により負荷電流推定値（ｉ２ｅｓｔ）を定め、これにより負荷電流推定値（ｉ２ｅｓｔ）は負荷電流（ｉ２ｅ）の瞬時値を与えるステップと、
   負荷電流推定値（ｉ２ｅｓｔ）を低域ろ波するステップと、
   基本波電流（ｉ１ｌｐ）を生成するためパルス電圧源の測定された出力電流（１）を低域ろ波するステップと、
   電流の差に比例する誤差パラメタを生成するため基本波電流（ｉ１ｌｐ）を低域ろ波された負荷電流推定値（ｉ２ｅｓｔ）と比較するステップと、
   補正項（ｕｃｏｒｒ）を生成するため誤差パラメタ（ｅ）に係数（Ｗ）を掛け算するステップとを包含することを特徴とするパルス制御される誘導性負荷の電流（ｉ２ｅ）の瞬時値を定める方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、基本波電流（ｉ１ｌｐ）と低域ろ波された負荷電流推定値（ｉ２ｅｓｔ）との前記比較は、前記両電流は相互に差し引かれるステップを含むことを特徴とするパルス制御される誘導性負荷の電流（ｉ２ｅ）の瞬時値を定める方法。

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