JP4798547B2

JP4798547B2 - Ｐｗｍインバータ装置とその電流制御方法

Info

Publication number: JP4798547B2
Application number: JP2006178123A
Authority: JP
Inventors: 肇高橋
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: JP2008011620A

Description

本発明は、ＰＷＭパルスにより電動機を制御するＰＷＭインバータ装置とその電流制御方法に関する。

従来のＰＷＭインバータ装置の電流制御の動作を図１０を用いて説明する。この装置は電動機１の電流を検出する電流検出部２と、ＰＷＭキャリアａを作成するＰＷＭキャリア発生部３と、ＰＷＭキャリア発生部３から電流検出部２の出力電流ｆのサンプリングのタイミングを決定する電流サンプルタイミング決定部４と、電流サンプルタイミング決定部４に従って電流検出部２の出力電流ｆを保持する電流サンプリング部５と、サンプルした電流検出値ｇと電流指令値ｈとを比較して電圧指令ｃを作成する電流制御部６と、ＰＷＭキャリア発生部３の出力のＰＷＭキャリアaと電圧指令ｃを比較してＰＷＭパルス信号ｄを発生するＰＷＭパルス発生部７と、ＰＷＭパルス信号ｄを用いて半導体素子をスイッチングし電動機１に電力を供給するインバータ部８とを備えている。
図１１はＰＷＭパルス信号ｄの発生方法を示したタイムチャートであり、電圧指令ｃは電流制御処理の完了時点で反映されるようになっている。

図１２、１３は電流サンプルタイミングｂを変えた場合の電流検出値ｇの波形を表しており、図１２はＰＷＭキャリアａの三角波の山谷で電流サンプルタイミングｂが発生し、図１３はＰＷＭキャリアａの１周期を６分割した多点で電流サンプルタイミングｂが発生している。電流検出部によって出力された電圧指令ｃとＰＷＭキャリアａとの比較によってＰＷＭパルス信号ｄが出力され、インバータ部によりＰＷＭ電圧として電動機１に電力が供給される。２つの電圧指令ｃのＰＷＭパルス信号の差分によって表される線間電圧eによって電動機１には電流ｆが流れ、これを電流サンプルタイミングｂによりサンプリングしたものが電流検出値ｇとなっている。

従来のＰＷＭインバータ装置における電流制御は、図１１のようにＰＷＭキャリアaの三角波の山谷かもしくはどちらか一方で電流サンプルタイミングｂを設定している。これは図１２のようにＰＷＭキャリアａの山もしくは谷において電流をサンプルすることによりＰＷＭキャリアａに依存する電流リップル成分の影響の少ない電流を検出することができるためである。しかし、電動機１のインピーダンスや電圧指令によってはＰＷＭキャリアaの三角波の山谷において電流サンプルによる電流検出値ｇが必ずしもＰＷＭキャリア半周期における平均電流であるとは限らないという問題がある。

一方で、電動機１の速度制御応答または位置制御応答を向上させようとした時に、その制御構成としてマイナーループにある電流制御応答の改善が求められる場合がある。この時は、ＰＷＭキャリアａの周波数を高くする方法があるが、スイッチングノイズが増大することや半導体スイッチング素子の熱対策によるコストアップが伴うため、安易に周波数を上げることは出来ない。その場合、電流制御の無駄時間をなくすため、図１３のようにＰＷＭキャリアａの周期よりも短い周期にて電流検出を行い、電流制御周期を早くする方法もとられる。

また、電流制御応答の改善として、図１４のようにＰＷＭキャリアａの三角波の山谷で電圧指令ｃが更新されるように、山谷の前に電流サンプルタイミングをもってくるようにし、電流検出へのＰＷＭキャリアａに依存する電流リップル成分の影響に対しては、これを補償する手法を提案している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３１２２７４号公報

このように、従来のＰＷＭインバータ装置の電流制御方法では、ＰＷＭキャリアaの三角波の山谷において電流サンプルを行っていたため、電流制御応答を改善しようとした時の電流制御周期を短く出来ないという問題があり、ＰＷＭキャリアａの三角波の山谷での電流サンプルによる電流検出値ｇが、必ずしもＰＷＭキャリア半周期における平均電流であるとは限らないという問題もあった。また、図１３のように電流制御応答を改善のために電流サンプルタイミングを短くした場合には、電流検出値ｇにＰＷＭキャリアaに依存する電流リップル成分の影響が表れ、電動機１にトルクリップル、速度リップルが発生するという問題もあった。特許文献１では電流リップル成分の問題を解決する電流補償方法が提案されているが電動機モデルを用いた複雑な制御が必要であり、直流電圧や電動機パラメータの変動に対してロバスト性がなく補償精度が十分でない場合もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電流リップルの少ない電流検出を簡易的に構成するとともに、電流制御応答を向上することができるＰＷＭインバータ装置とその電流制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、負荷である電動機の相電流検出を行う電流検出部と、所定タイミングで前記相電流検出をサンプリングするためのサンプルタイミングを指示する電流サンプルタイミング決定部と、前記サンプルタイミングで検出した前記相電流検出を電流検出値として出力する電流サンプリング部と、前記電流検出値に基づき最適な電流検出値を抽出する電流検出最適化部と、前記抽出された電流検出値と電流指令値とを比較して電圧指令を作成する電流制御部と、ＰＷＭキャリア信号と前記電圧指令を比較してＰＷＭパルスを発生するＰＷＭパルス発生部と、前記ＰＷＭパルスを用いて半導体素子をスイッチングし前記電動機に電力を供給するインバータ部と、を備えたＰＷＭインバータ装置であって、前記所定タイミングの決定に際して、前記電流サンプリング部は、前記ＰＷＭキャリア信号の半周期（平均区間）の１／Ｎ時間毎に前記平均区間あたりＮ個の電流検出値を出力し、前記電流検出最適化部は、前記Ｎ個の電流検出値の電流検出平均値と前記Ｎ個の電流検出値とをそれぞれ比較し、前記電流検出平均値に一番近い電流検出値を得るサンプルタイミングを決定し、前記電流サンプルタイミング決定部は、少なくとも前記決定されたサンプルタイミングを前記所定タイミングに含むように構成している。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＰＷＭインバータ装置において、前記予めの電流サンプルタイミングの決定は、前記電流制御部を一定の電流指令値で動作させて行うものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のＰＷＭインバータ装置において、前記電流検出最適部は、前記電流指令もしくは前記電動機の負荷状態が急変して電流が過渡状態になるタイミングでは、サンプルした前記電流検出値を全て抽出し、出力するものである。
また、請求項４に記載の発明は、負荷である電動機の相電流検出を行うステップと、前記相電流検出のうち、所定のサンプルタイミングで検出した前記相電流検出を電流検出値として出力するステップと、前記電流検出値に基づき最適な電流検出値を抽出するステップと、前記抽出された電流検出値と電流指令値とを比較して電圧指令を作成するステップと、ＰＷＭキャリア信号と前記電圧指令を比較してＰＷＭパルスを発生するステップと、前記ＰＷＭパルスを用いて半導体素子をスイッチングし前記電動機に電力を供給するステップと、を備えたＰＷＭインバータ装置の電流制御方法であって、前記ＰＷＭキャリア信号の半周期（平均区間）の１／Ｎ時間毎に前記平均区間あたりＮ個の電流検出値を出力し、前記Ｎ個の電流検出値の電流検出平均値と前記Ｎ個の電流検出値とをそれぞれ比較し、前記電流検出平均値に一番近い電流検出値を得るサンプルタイミングを決定し、前記所定のタイミングは、少なくとも前記決定されたサンプルタイミングを含むものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のＰＷＭインバータ装置の電流制御方法であって、前記電流指令もしくは前記電動機の負荷状態が急変して電流が過渡状態になるタイミングでは、サンプルした前記電流検出値を全て抽出するものである。

見直し要
本願の開示するＰＷＭインバータ装置の一つの態様によれば、電流リップルの影響の少ない正確な電流を検出することができるという効果を奏する。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明のＰＷＭインバータ装置の電流制御ブロック図である。図１において、従来方法の図１０と異なる点は電流検出最適化部９であり、図２にこれを示す。電流検出最適化部９は電流サンプリング部５によりサンプルされた電流検出値ｇと電流サンプリング決定部４の出力である電流サンプルタイミングｂの２つを入力としており、電流検出値ｇと電流サンプルタイミングｂにフィルタ１３を通したものを入力とするデータホールド部１０と、電流検出値ｇから平均値を求める平均値算出部１１と、求められた平均値と電流検出値ｇとの比較により最適な電流サンプルタイミングを記憶する記憶部１２と、その記憶部１２から出力される最適な電流サンプルタイミングｉにより電流サンプルタイミングｂはフィルタ１３によりフィルタリングされ、ラッチ信号ｂ´が出力される構成となっており、ラッチ信号ｂ´によってデータホールド部１０よりＰＷＭリップルの取り除かれた電流検出値ｇ´が出力される。フィルタ１３の処理は電流サンプルタイミングｂと最適な電流サンプルタイミングｉとの論理積であり、記憶部１２が初期状態もしくは最適な電流サンプルタイミングが記憶されていない場合には最適な電流サンプルタイミングｉはＨｉｇｈの状態なのでｂ＝ｂ´となる。図４は本発明よって得られる電流検出値ｇ´を示す図であり、電流検出値ｇと平均値との比較によりタイミングＩが選択され、これが最適な電流サンプルタイミングｉとなり電流サンプルタイミングｂはフィルタ部１３によってラッチ信号ｂ´となる。

図３は、図２の電流検出最適化部９の処理手順を示すフローチャートである。この図を用いて本発明の方法を順を追って説明する。ＳＴ１は電流検出値ｇのデータを取得し、ＳＴ２はＰＷＭキャリアaの半周期を最少区間とする平均区間分のデータ取得が完了している場合はＳＴ３と進み、未完了であればＳＴ１に戻る。ＳＴ３はデータ取得した際の電圧指令が一定であるかをチェックし、一定でなければＳＴ４の平均区間分の取得データを全クリアし、電圧指令が一定であればＳＴ５へ進む。ＳＴ５は取得データの平均値を算出し、ＳＴ６はその平均値と全取得データとの比較を行い、ＳＴ７は平均値から一番近い取得データの電流サンプルタイミングを記憶し、ＳＴ８は求められた最適な電流サンプルタイミングを常に更新するような場合にはＳＴ４を実行してＳＴ１に戻る。

図３のフローチャートにおいて、ＳＴ３は電圧指令が一定かどうかで判断しているが、電圧指令の変化がある一定の範囲内に収まっているかで判断してもよい。これは電圧指令がある周波数に応じて変化している場合に、その周期に応じて平均区間を変え平均値を算出することで周期内での最適な電流サンプルタイミングを求めることが出来る。

このように、電流検出値の平均値を算出してから最適な電流サンプルタイミングを決定するので、ＰＷＭリップルの取り除かれた電流検出値で電流制御を行うことができ、また最適な電流サンプルタイミングの更新を常に行えば精度の高い電流制御を行うことができる。さらに、制御処理としても既存のソフトに電流検出最適化部９を追加すればいいので簡単に本発明を実現することができる。

図５は、本発明の実施例２によるＰＷＭインバータ装置の電流制御ブロック図の電流検出最適化部９ａであり、実施例１の図２と異なる点は電流検出値ｇを入力に追加した記憶部１２ａである。初めに実施例１と同じように図３のフローチャートにて最適な電流サンプルタイミングｉを求めるがこれを電流指令一定の電流サンプルタイミング測定モードにて行い、図６のように電流指令値ｈを複数の領域に分けて各領域にて最適な電流サンプルタイミングｉを測定し、結果を記憶部１２ａのメモリに格納する。実際の運転では電流検出値ｇを引数として記憶部１２ａのデータテーブルから最適な電流サンプルタイミングｉを取り出す。

このように、予め最適な電流サンプルタイミングを記憶しているので、電流が急変した場合でも電流リップルの影響の少ない正確な電流を検出することができる。

図７は、本発明の実施例３によるＰＷＭインバータ装置の電流検出最適化方法で、ＰＷＭキャリア周期に対して電流検出周期が短くできない場合、つまり平均区間において２回以上の電流サンプルが行えない場合に、平均区間をＮ分割し、ＰＷＭキャリアａと電流サンプルタイミングとの関係を、前の電流サンプリングのタイミングから１／Ｎあたりの時間進めて電流サンプルを行い、最適な電流サンプルタイミングｉを求める。
図８は、電流検出最適化部の処理手順を示すフローチャートで、実施例２と同様に電流指令一定の電流サンプルタイミング測定モードにて行い、最適な電流サンプルタイミングを記憶部１２ａで記憶する。初めにＳＴ１はＰＷＭキャリアａをＮ分割し、ＳＴ２は平均区間の初めから終わりにかけてＮ個のデータを取得し、ＳＴ３はＮ個のデータ取得の確認を行い、ＳＴ４は取得データの平均値を算出する。ＳＴ５はＮ個の各取得データと平均値を比較し、ＳＴ６は一番近い取得データの電流サンプルタイミングを最適な電流サンプルタイミングｉとして記憶する。

ここでの記憶は、実施例２のように複数の電流指令値ｈに対して測定を行い、電流指令値に合わせた最適な電流サンプルタイミングを記憶させても良い。また、平均区間において２回以上の電流サンプルが行える場合でも本実施例による手法を適用しても良い。

このように、ＰＷＭキャリア周期に対して電流検出周期を十分短くできない場合でもＰＷＭキャリアと電流サンプルタイミングとの関係を調整しながら、平均区間分の電流検出を行い、最適な電流サンプルタイミングを求めるので、電流リップルの影響の少ない正確な電流を検出することができ、さらに分割数を大きくすれば電流検出精度も上げることができる。

図９は、本発明の実施例４によるＰＷＭインバータ装置の電流検出最適化方法のフローチャートで、実施例１のようなＰＷＭキャリア周期に対して電流検出周期が１／４倍以下と短くできる場合、つまりＰＷＭキャリア半周期の最少平均区間において２回以上の電流サンプルが行える場合には、記憶部１２で記憶している最適な電流サンプルタイミングによらず電流検出値ｇをそのまま用いて電流制御を行うこともできる。ＳＴ１は電流指令値ｈが急変した場合、例えば前回指令値から今回指令値がある範囲を外れた場合と、ＳＴ２は電流ｆが急変した場合、電流検出値ｇの平均値からある範囲を外れた場合にはＳＴ３へ進み最適な電流サンプルタイミングｉを記憶部１２から消去することで毎回の電流検出値ｇによって電流制御を行うことになる。これ以降は図３のＳＴ１に移行し、再度最適な電流サンプルタイミングｉを求めるようにする。

このように、電流指令もしくは負荷状態が急変して電流が過渡状態になる場合には、平均区間において大きく電流が変化するため、一度記憶された最適な電流サンプルタイミングによらず毎回の電流検出値を用いるので、高い電流制御応答を保つことができる。

ＰＷＭキャリアの半周期を最少区間とする平均区間において２回以上の電流サンプルタイミングを出力し、サンプルした電流検出値を前記平均区間で平均し、その電流検出平均値とサンプルした電流検出値とを比較して、一番近い電流検出値のＰＷＭキャリアに対する電流サンプルタイミングを記憶し、その時の電流検出値を出力するという手順をとり、電流リップルの少ない電流検出による電流制御ができるので、電動機の運転に限らず電流を制御するようなスイッチング電源などのＰＷＭ制御用途に適用できる。

本発明の方法を適用したインバータ装置の電流制御ブロック図本発明の実施例１の電流検出最適化方法を適用する電流検出最適化部ブロック図本発明の実施例１を適用した電流検出最適化部の処理手順を示すフローチャート図本発明の実施例１を適用した電流検出波形を含むＰＷＭ制御のタイムチャート図本発明の実施例２の電流検出最適化方法を適用する電流検出最適化部ブロック図本発明の実施例２の電流指令値による最適な電流検出タイミング決定表本発明の実施例３を適用した電流検出波形を含むＰＷＭ制御のタイムチャート図本発明の実施例３を適用した電流検出最適化部の処理手順を示すフローチャート図本発明の実施例４を適用した電流検出最適化部の処理手順を示すフローチャート図従来の方法を適用したインバータ装置の電流制御ブロック図従来の山谷電流検出方法を適用したＰＷＭ制御のタイムチャート図従来の山谷電流検出方法を適用した電流検出波形を含むＰＷＭ制御のタイムチャート図従来の多点電流検出方法を適用した電流検出波形を含むＰＷＭ制御のタイムチャート図参考文献１によるＰＷＭ制御のタイムチャート図

符号の説明

１電動機
２電流検出部
３ＰＷＭキャリア発生部
４電流サンプルタイミング決定部
５電流サンプリング部
６電流制御部
７ＰＷＭパルス発生部
８インバータ部
９、９ａ電流検出最適化部
１０データホールド部
１１平均値算出部
１２、１２ａ記憶部
１３フィルタ

Claims

負荷である電動機の相電流検出を行う電流検出部と、
所定タイミングで前記相電流検出をサンプリングするためのサンプルタイミングを指示する電流サンプルタイミング決定部と、
前記サンプルタイミングで検出した前記相電流検出を電流検出値として出力する電流サンプリング部と、
前記電流検出値に基づき最適な電流検出値を抽出する電流検出最適化部と、
前記抽出された電流検出値と電流指令値とを比較して電圧指令を作成する電流制御部と、
ＰＷＭキャリア信号と前記電圧指令を比較してＰＷＭパルスを発生するＰＷＭパルス発生部と、
前記ＰＷＭパルスを用いて半導体素子をスイッチングし前記電動機に電力を供給するインバータ部と、を備え、
前記所定タイミングの決定に際して、
前記電流サンプリング部は、前記ＰＷＭキャリア信号の半周期（平均区間）の１／Ｎ時間毎に前記平均区間あたりＮ個の電流検出値を出力し、
前記電流検出最適化部は、前記Ｎ個の電流検出値の電流検出平均値と前記Ｎ個の電流検出値とをそれぞれ比較し、前記電流検出平均値に一番近い電流検出値を得るサンプルタイミングを決定し、
前記電流サンプルタイミング決定部は、少なくとも前記決定されたサンプルタイミングを前記所定タイミングに含むように構成していることを特徴とするＰＷＭインバータ装置。
前記予めの電流サンプルタイミングの決定は、前記電流制御部を一定の電流指令値で動作させて行うことを特徴とする請求項１記載のＰＷＭインバータ装置。
前記電流検出最適部は、前記電流指令もしくは前記電動機の負荷状態が急変して電流が過渡状態になるタイミングでは、サンプルした前記電流検出値を全て抽出し、出力することを特徴とする請求項１または２に記載のＰＷＭインバータ装置。
負荷である電動機の相電流検出を行うステップと、
前記相電流検出のうち、所定のサンプルタイミングで検出した前記相電流検出を電流検出値として出力するステップと、
前記電流検出値に基づき最適な電流検出値を抽出するステップと、
前記抽出された電流検出値と電流指令値とを比較して電圧指令を作成するステップと、
ＰＷＭキャリア信号と前記電圧指令を比較してＰＷＭパルスを発生するステップと、
前記ＰＷＭパルスを用いて半導体素子をスイッチングし前記電動機に電力を供給するステップと、を備え、
前記ＰＷＭキャリア信号の半周期（平均区間）の１／Ｎ時間毎に前記平均区間あたりＮ個の電流検出値を出力し、
前記Ｎ個の電流検出値の電流検出平均値と前記Ｎ個の電流検出値とをそれぞれ比較し、前記電流検出平均値に一番近い電流検出値を得るサンプルタイミングを決定し、
前記所定のタイミングは、少なくとも前記決定されたサンプルタイミングを含むことを特徴とするＰＷＭインバータ装置の電流制御方法。
前記電流指令もしくは前記電動機の負荷状態が急変して電流が過渡状態になるタイミングでは、サンプルした前記電流検出値を全て抽出することを特徴とする請求項４に記載のＰＷＭインバータ装置の電流制御方法。