JP4779442B2

JP4779442B2 - 電力変換器の制御装置

Info

Publication number: JP4779442B2
Application number: JP2005152445A
Authority: JP
Inventors: 真一古谷; 彰佐竹
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: JP2006333607A

Description

この発明は、スイッチング素子で構成された上下アームのオン・オフによって所望の電力を出力する電力変換器の制御装置に関するもので、特にパルス幅変調を用いてスイッチング素子を駆動する電力変換器（以下、ＰＷＭインバータと記述する）の制御装置に関するものである。

始めにＰＷＭインバータの動作を決定するＰＷＭパターンの演算方法について説明する。このＰＷＭパターンは、電圧指令に従ってＰＷＭインバータが電圧を出力できるように演算されるものである。
まず電圧指令が搬送波信号と大小比較される。電圧指令が大きい場合には、上アームのスイッチング素子をオンとし、下アームのスイッチング素子をオフとする。逆に搬送波信号より電圧指令が小さい場合には、上アームのスイッチング素子をオフとし、下アームのスイッチング素子をオンとする。すなわちスイッチング素子の上下アームは相補的にオンまたはオフを繰り返して電圧指令に従った電圧を出力する。このとき上下アームのスイッチング素子が直流短絡を起こさないように両スイッチング素子共にオフする、デッドタイムと呼ばれる期間を設けている。このデッドタイム期間においてＰＷＭインバータの端子電圧はその端子を流れる負荷電流の極性によって決まる。
このデッドタイムは、ＰＷＭインバータのスイッチング素子を保護するために設けられたものであるが、電圧外乱となり、ＰＷＭインバータ出力電圧精度の低下をもたらす。そのため、デッドタイムによって発生する電圧外乱を補償する処理が実施されている。具体的には、文献「ＡＣサーボモータの理論と設計の実際、杉本英彦編著、総合電子出版」に示すように、負荷電流の極性と同じ極性を持った信号（以下、デッドタイム又は出力電圧歪み補償信号と記述する）を電圧指令に足して補償するものである。ただしＰＷＭインバータから負荷へ向かう電流極性を正とする。デッドタイム補償信号の形状は矩形波であり、その振幅は搬送波周波数（以下、ｆｃと記述）とＰＷＭインバータの直流リンク電圧（以下、Ｖｄｃと記述）とデッドタイムの長さ（以下、Ｔｄと記述）で決定され、「Ｔｄ×ｆｃ×Ｖｄｃ」となる。前述の文献においては検出電流の極性に基づいてデッドタイム補償信号が生成されているが、電流指令の極性や電流指令の位相に基づく場合もある。また波形の形状も台形波が設定される場合もある。
次にＰＷＭインバータを用いて負荷に所望の電力を供給する際の制御装置の一般的な動作について図１を用いて説明する。動作の説明のため、電力変換器として三相ＰＷＭインバータを設定し、負荷として三相交流電動機を設定する。
図１において、１は電力変換器の制御装置、２は電流検出器、３は検出された電流信号、４は座標変換器、５は位相、６は検出された電流信号、７は電流指令、８は電流制御器、９は電圧指令、１０は座標変換器、１１は電圧指令、１２はデッドタイム補償信号演算器、１３はデッドタイム補償信号、１４はＰＷＭパターン演算器、１５はＰＷＭパターン信号、１６はＰＷＭインバータ、１７は三相交流電動機である。
電流検出器２は三相交流電動機１７に流れる電流を検出する。検出された電流信号３は制御装置１に取り込まれる。さらに座標変換器４によって、位相５に基づいて座標変換されｄｑ軸回転座標上の電流信号６となる。なお、位相５と同位相成分をｄ軸成分とする。位相５に対して９０度の進み位相成分をｑ軸成分とする。位相５は三相交流電動機１７の種類によって取得方法が異なる。誘導電動機ならばすべり周波数演算器より得られる磁束位相である。また同期電動機ならば回転子の磁極位置であり、エンコーダなどの検出器によって得られる。なお、図１では省略してある。電流制御器８は検出電流信号６と電流指令７に従って電流制御を実施し電圧指令９を出力する。電圧指令９は座標変換器１０によって三相静止座標上の電圧指令信号１１に変換され、デッドタイム補償を施された後、ＰＷＭパターン演算器１４によってＰＷＭパターン信号１５に変換される。デッドタイム補償信号１３は検出電流信号３よりデッドタイム補償信号演算器１２によって演算される。図１に示していないが、前述したように電流指令７を座標変換してデッドタイム補償信号を求めたり、電流指令７の位相に基づいてデッドタイム補償信号を求める場合もある。ＰＷＭパターン演算器１４ではＰＷＭインバータ１６の上下スイッチング素子の短絡防止のためデッドタイムを挿入してパターン信号１５を演算する。ＰＷＭインバータ１６は前述のＰＷＭパターン信号１５に従い、各相の上下スイッチング素子を駆動して所定の電圧を三相交流電動機１７に印加する。
ＰＷＭインバータの制御装置１はこのような処理を繰り返し実行して、所望の電力を負荷に供給する制御動作を行っている。

ところが、前述のようにデッドタイム補償信号を求めて補償を実施しても、実際にＰＷＭインバータに発生するデッドタイムによる電圧外乱との位相ずれが生じ補償精度が低下する問題があった。これは結果として電流制御精度の低下をもたらすこととなる。
例えば、検出電流信号に基づくデッドタイム補償を行う際には、電流検出器のオフセットやノイズの影響でデッドタイム補償信号の極性切り替えのタイミング（位相）がずれる。電流指令に基づく場合には、電流制御器の応答設定によって実際との電流偏差が生じて位相がずれる場合がある。さらに、このようなデッドタイム補償信号の位相ずれによる電圧外乱によって電流波形の歪みが生じ、位相ずれが拡大する悪循環が生じる場合もある。
この問題を解決する従来技術として、例えば特許文献１に示されている技術がある。これを図２を用いて説明する。なお、図２において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので、一部を除いて説明を省略する。１８は電流指令位相演算器、１９は電流位相指令、２０は１次周波数、２１は位相補償量テーブル、２２はデッドタイム補償信号の位相補償量である。簡潔に述べると、図２に示す従来技術は、デッドタイム補償信号の位相を補償する仕組みを持ち、その位相補償量をｑ軸電流と１次周波数とのテーブル値とするものである。図２において、電流指令位相演算器１８によって演算された電流指令位相１９はデッドタイム補償信号演算器１２に入力される。最適な位相補償量を記録した位相補償量テーブル２１は電流指令７（ｑ軸電流指令）と１次周波数２０を参照して位相補償量２２を出力する。ここで１次周波数２０はＰＷＭインバータ１６の出力電圧の基本波周波数である。この構成により、位相補償量２２をデッドタイム補償信号１３に反映させ、前述した電流検出器２に伴う問題を回避する。

特開平６−６２５８０号公報

図２に示す従来技術を用いることで、デッドタイム（出力電圧歪み）補償信号の位相ずれを最小とすることによってデッドタイム補償精度を向上でき、高精度な電流制御を実現できる。しかし、位相補償量テーブルを作成するには、幾多の実験やシミュレーションなどを予め実行して最適値を把握しておく必要があり、労力やコストが必要となっていた。また電力変換器または負荷の組み合わせが変わると位相補償テーブルの再設定を行う必要があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、デッドタイム（出力電圧歪み）補償信号の位相補償量を自動調整する位相補償量調整器を設けてデッドタイム補償精度向上を簡易化した電力変換器の制御装置を提供するものである。

この発明に係る電力変換器の制御装置においては、複数の半導体スイッチング素子によって構成され、負荷に電力を供給するものにおいて、制御装置は、負荷への電流指令と検出電流信号に基づいて電流制御処理を行い電力変換器への電圧指令を出力する電流制御器と、電力変換器にて発生する出力電圧歪みを抑制するため電圧指令に加算される出力電圧歪み補償信号を演算する出力電圧歪み補償信号演算器と、出力電圧歪み補償信号演算に用いる電流指令の位相に対する位相補償量を調整する位相補償量調整器を備え、出力電圧歪み補償信号演算器は電流指令の位相と位相補償量と電流指令より、位相補償量を反映した出力電圧歪み補償信号を計算し、位相補償量調整器は出力電圧歪み補償信号の位相ずれを原因とする電圧指令の歪みを検知し、電圧指令の歪みが最小となるように位相補償量をフィードバック調整するものである。

この発明によれば、出力電圧歪み補償信号の位相補償量が位相補正量調整器によって最適な値となる。この結果、出力電圧歪み補償精度が向上し、高精度な電流制御が実現できる。

実施の形態１．
図３はこの発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置を説明するための説明図である。動作の説明のため、電力変換器として三相ＰＷＭインバータを設定し、負荷として三相交流電動機を設定した。
図３において、１は電力変換器の制御装置、２は電流検出器、３は検出された電流信号、４は座標変換器、５は位相、６は検出された電流信号、７は電流指令、８は電流制御器、９は電圧指令、１０は座標変換器、１１は電圧指令、１２はデッドタイム補償信号演算器（出力電圧歪み補償信号演算器）、１３はデッドタイム（出力電圧歪み）補償信号、１４はＰＷＭパターン演算器、１５はＰＷＭパターン信号、１６はＰＷＭインバータ、１７は三相交流電動機、１８は電流指令位相演算器、１９は電流指令位相、２２はデッドタイム（出力電圧歪み）補償信号に用いる位相補償量、２３は位相補正量を調整する位相補償量調整器である。
電流検出器２は三相交流電動機１７に流れる電流を検出する。検出された電流信号３は制御装置１に取り込まれる。さらに座標変換器４によって、位相５に基づいて座標変換されｄｑ軸（２軸直交）回転座標上の電流信号６となる。なお、位相５と同位相成分をｄ軸成分とする。位相５に対して９０度の進み位相成分をｑ軸成分とする。位相５は三相交流電動機１７の種類によって取得方法が異なる。誘導電動機ならばすべり周波数演算器より得られる磁束位相である。また同期電動機ならば回転子の磁極位置であり、エンコーダなどの検出器によって得られる。なお、図３では省略してある。電流制御器８は検出電流信号６と電流指令７に従って電流制御を実施し電圧指令９を出力する。電圧指令９は座標変換器１０によって三相静止座標上の電圧指令信号１１に変換される。電流指令位相演算器１８は位相５と電流指令７より電流指令位相１９を演算する。位相補償量調整器２３は、電流指令位相１９、電圧指令９および位相５からデッドタイム補償信号１３の位相補償量２２を調整して出力する。このとき、位相補償量調整器２３は電圧指令９の歪みを検知し、歪みが最小となるように位相補償量２２をフィードバック調整する。
電圧指令９の歪みはデッドタイム補償信号１３の位相ずれに伴う電圧外乱を抑制するべく電流制御器８が動作して発生する。このため電圧指令９の歪みが最小となればデッドタイム補償信号１３の位相も最適な調整がなされている状態となり、フィードバック調整も完了する。
デッドタイム補償信号演算器１２は、位相５と電流指令位相１９と位相補償量２２と電流指令７より、位相補償量２２を反映したデッドタイム補償信号１３を計算する。なお、これの信号全てを常に用いるわけではない。
例えばデッドタイム補償信号演算器１２は、図４（Ａ）のように位相情報より演算する構成としてもよい。１２ａはデッドタイム補償信号極性切り替え時の勾配設定ゲイン、１２ｂはリミッタ、１２ｃはデッドタイム補償信号の振幅設定ゲイン、１２ｄはコサイン演算器である。
電流指令位相１９と位相補償量２２をコサイン演算器１２ｄに入力し基準となる三相正弦波信号を求める。さらにゲイン１２ａによるゲイン処理、リミッタ１２ｂによるリミッタ処理、ゲイン１２ｃによるゲイン処理を施す。ゲイン１２ａによるゲイン処理はデッドタイム補償信号１３の極性切り替え時の勾配設定に用いる。ゲイン１２ｃによるゲイン処理はデッドタイム補償信号１３の振幅設定に用いる。
また、デッドタイム補償信号演算器１２の別の構成として、図４（Ｂ）のように回転座標上の電流指令７を座標変換して求める構成としてもよい。１２ｅは座標変換器である。
このように、図３に示した構成とすることで、デッドタイム補償信号の位相ずれを補償できる。これにより位相ずれに伴う電圧外乱を抑制でき高精度に電流を制御することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、図３に示した位相補償量調整器２３は、デッドタイム補償信号１３の位相ずれを原因とする電圧指令９の歪みが最小化するように、デッドタイム補償信号の位相補償量２２を調整しているが、この実施の形態２においては、例えば電流指令位相１９を基準としたフーリエ変換によって歪み成分を抽出して位相補償量２２を調整してもよい。また位相補償量調整器２３を図５（Ａ）に示すような構成としてもよい。２３ａは電圧指令切り替え器、２３ｂは電圧指令切り替え器２３ａから出力される位相補償量調整動作の元となる信号Ｖｄｉｓ、２３ｃは位相分割・位相補償量更新器、２３ｅはフィルタである。
図５（Ａ）の電圧指令切り替え器２３ａは電流制御器８から出力される電圧指令９を入力とし、ｄ軸電圧指令またはｑ軸電圧指令を位相補償量調整動作の元となる信号Ｖｄｉｓ２３ｂに割り当てる。電圧切り替えの基準として、デッドタイム補償信号１３の位相ずれによる電圧指令の歪みが最も大きく検知できる電圧指令を割り当てる設定とする。例えば、三相交流電動機１７の電流信号３または電流信号６や１次周波数２０によって切り替えてもよい。また接続されている三相交流電動機１７の種類によって切り替えてもよい。これらの切り替え基準を平行して使用してもよい。フィルタ２３ｅは、信号Ｖｄｉｓ２３ｂから位相補償量調整の妨げとなる成分を除去する働きを持つ。
また、位相補償量調整器２３の別の構成として、図５（Ｂ）の構成としてもよい。２３ｄは座標変換器である。図５（Ｂ）では電流指令ベクトル直交の電圧指令を求め、この信号をＶｄｉｓ２３ｂに割り当てている。この構成では座標変換器２３ｄの追加により、制御装置のコストアップを招く可能性があるが、デッドタイム補償信号の位相ずれによる電圧指令９の歪みを最も大きく検知できるため、位相補償量調整時間の短縮が見込まれる。
図５（Ａ）中または図５（Ｂ）中の位相分割・位相補償量更新器２３ｃの動作を図６を用いて説明する。デッドタイム補償信号１３に位相ずれが存在する場合、Ｖｄｉｓ２３ｂは一定値とはならず、図６（Ａ）に示した三相交流電動機１７の相電流のゼロクロスに伴った歪みが発生する。このＶｄｉｓ２３ｂの歪みは位相ずれが進みの場合は図６（Ｄ）に示すように下に凸となる。逆に位相ずれが遅れの場合は図６（Ｂ）に示すように上に凸となる。なお、位相ずれの進み・遅れとは最適なデッドタイム補償信号位相を基準としている。ここで電流指令位相１９に基づき位相区間を分割する。ここで分割された区間内にＶｄｉｓ２３ｂの相電流ゼロクロスに伴う歪みが入るように設定する。設定した区間内において積分演算を実行し平均値を求めて記憶する。Ｖｄｉｓ２３ｂの歪みによって平均値には図６（Ｃ）および図６（Ｅ）に示す差が発生する。Ａｖ１は区間１におけるＶｄｉｓ２３ｂの平均値であり、Ａｖ２は区間２におけるＶｄｉｓ２３ｂの平均値である。図６（Ｃ）および図６（Ｅ）に示すようにデッドタイム補償信号の位相遅れ・進みによってこの平均値Ａｖ１、Ａｖ２の大小が反転する。このためＡｖ１、Ａｖ２の差をとり、積分することでデッドタイム補償信号の位相補償量が調整できる。なお、図６では一相のみの説明としたが、三相でも同様に計算可能である。
図６に示した位相分割・位相補償量更新器２３ｃの動作を実現する構成として、例えば図７に示す構成がある。図７において、２３ｃ−１は積分器用リセット信号発生器、２３ｃ−２はＶｄｉｓ用積分器、２３ｃ−３はＶｄｉｓ区間平均値演算用ゲイン、２３ｃ−４はサンプルホールド器、２３ｃ−５はサンプルホールドタイミング発生器、２３ｃ−６はＶｄｉｓ区間平均値の記録器、２３ｃ−７は位相補償量更新器、２３ｃ−８は動作タイミング発生器である。また、位相補償量更新器２３ｃ−７は積分器２３ｃ−７ａ、及び位相補償量調整ゲイン２３ｃ−７ｂを備えている。図７では、信号Ｖｄｉｓ２３ｂを積分器２３ｃ−２によって積分する。ゲイン２３ｃ−３は積分値を平均値に変換するためのゲインであり、１次周波数２０によって可変である。図６に示すように所定の区間毎のＶｄｉｓ２３ｂの平均値を得るため電流指令位相の所定のタイミングでサンプルホールドして、記録器２３ｃ−６に格納する。サンプルホールドのタイミングと動作はサンプルホールドタイミング発生器２３ｃ−５、サンプルホールド器２３ｃ−４により行われる。サンプルホールド直後に積分器２３ｃ−２の値を０にリセットする。そのリセットタイミングはリセット信号発生器２３ｃ−１が電流指令位相１９に基づいて発生する。位相補償量更新器２３ｃ−７は動作タイミング発生器２３ｃ−８によって設定されるタイミングで記録器２３ｃ−６に格納されていたＶｄｉｓ２３ｂの区間毎の平均値を読み出し、差分を取って積分演算を実行する。図６ならば動作タイミングは区間２の直後または区間８の直後に設定できる。
このように、図３に示した電力変換器の制御装置において、位相補償量調整器２３を図５（Ａ）または図５（Ｂ）の構成とすることで、デッドタイム補償信号の位相を補償できる。これにより位相ずれに伴う電圧外乱を抑制でき高精度に電流を制御することが可能となる。

一般的な電力変換器の制御装置を説明するための説明図である。従来の電力変換器の制御装置を説明するための説明図である。この発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置を説明するための説明図である。この発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置のデッドタイム補償信号演算器を示す構成図である。この発明の実施の形態２における電力変換器の制御装置の位相補償量調整器を示す構成図である。この発明の実施の形態２における電力変換器の制御装置の位相補償量調整器の調整原理を説明するための説明図である。この発明の実施の形態２における電力変換器の制御装置の位相補償量調整器の位相分割・位相補償量更新器を示す構成図である。

符号の説明

１電力変換器の制御装置
２電流検出器
３検出された電流信号
４座標変換器（三相静止座標上の量から回転座標上の量への変換に使用）
５位相（座標変換等に使用）
６検出された電流信号（回転座標上にて表現）
７電流指令
８電流制御器
９電圧指令（回転座標上にて表現）
１０座標変換器（回転座標上の量から三相静止座標上の量への変換に使用）
１１電圧指令（三相静止座標上にて表現）
１２デッドタイム補償信号演算器
１２ａデッドタイム補償信号極性切り替え時の勾配設定ゲイン
１２ｂリミッタ
１２ｃデッドタイム補償信号の振幅設定ゲイン
１２ｄコサイン演算器
１２ｅ座標変換器（回転座標上の量から三相静止座標上の量への変換に使用）
１３デッドタイム補償信号
１４ＰＷＭパターン演算器
１５ＰＷＭパターン信号
１６ＰＷＭインバータ
１７三相交流電動機
１８電流指令位相演算器
１９電流指令位相
２０１次周波数
２１位相補償量テーブル
２２デッドタイム補償信号の位相補償量
２３位相補償量調整器
２３ａ電圧指令切り替え器
２３ｂＶｄｉｓ
２３ｃ位相分割・位相補償量更新器
２３ｃ−１積分器用リセット信号発生器
２３ｃ−２Ｖｄｉｓ用積分器
２３ｃ−３Ｖｄｉｓ区間平均値演算用ゲイン
２３ｃ−４サンプルホールド器
２３ｃ−５サンプルホールドタイミング発生器
２３ｃ−６Ｖｄｉｓ区間平均値の記録器
２３ｃ−７位相補償量更新器
２３ｃ−７ａ積分器
２３ｃ−７ｂ位相補償量調整ゲイン
２３ｃ−８位相補償量調整器の動作タイミング発生器
２３ｄ座標変換器
２３ｅフィルタ

Claims

複数の半導体スイッチング素子によって構成され、負荷に電力を供給する電力変換器の制御装置において、前記制御装置は、前記負荷への電流指令と検出電流信号に基づいて電流制御処理を行い前記電力変換器への電圧指令を出力する電流制御器と、前記電力変換器にて発生する出力電圧歪みを抑制するため前記電圧指令に加算される出力電圧歪み補償信号を演算する出力電圧歪み補償信号演算器と、出力電圧歪み補償信号演算に用いる電流指令の位相に対する位相補償量を調整する位相補償量調整器を備え、前記出力電圧歪み補償信号演算器は前記電流指令の位相と前記位相補償量と電流指令より、位相補償量を反映した出力電圧歪み補償信号を計算し、前記位相補償量調整器は前記出力電圧歪み補償信号の位相ずれを原因とする電圧指令の歪みを検知し、前記電圧指令の歪みが最小となるように位相補償量をフィードバック調整することを特徴とする電力変換器の制御装置。
位相補償量調整器に用いられる電圧指令は、２軸直交回転座標上にて表現された電圧指令であることを特徴とする請求項１記載の電力変換器の制御装置。
位相補償量調整器は、２軸直交回転座標上にて表現された電圧指令のどちらか一方を切り替えて用い、切り替え基準として、電力変換器の出力電流または電力変換器の出力電圧周波数または負荷への電流指令または電力変換器に接続されている負荷の種類とすることを特徴とする請求項２記載の電力変換器の制御装置。
位相補償量調整器に用いられる電圧指令は、２軸直交回転座標上にて表現された電力変換器の出力電流ベクトルまたは電力変換器の制御装置における電流指令ベクトルに対して直交する軸上に換算された電圧指令成分とすることを特徴とする請求項１記載の電力変換器の制御装置。
位相補償量調整器は、電力変換器の制御装置における電流指令位相の一周期を複数の区間に分割して処理を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電力変換器の制御装置。
位相補償量調整器は、電力変換器の制御装置における電流指令位相の一周期を複数の区間に分割して処理を行い、その処理を実行する区間内に静止座標上で表現された電力変換器の出力電流、または静止座標上で表現された負荷への電流指令の、極性反転（ゼロクロス）を含むことを特徴とする請求項５記載の電力変換器の制御装置。