JP4895120B2 - 電圧形インバータの制御装置 - Google Patents
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Description
しかし、このデッドタイムに起因して、電圧形インバータの出力電圧は出力電圧指令に対して誤差を持つことになり、これによる出力電圧の歪が電動機駆動時のトルクリプルの原因となっている。
以下、この従来技術を、図5を参照しつつ説明する。
前記インバータ101において、破線で示したブロック101aは、前述したデッドタイムによる出力電圧歪Δvが、電流検出手段110により検出された出力電流iの極性に応じて発生することをモデル化したものである。
これらの補償量調節手段108及び補償手段105では、電圧歪成分の波形に基づいて、積分やその積分値の差演算等を行って過補償または不足補償を判別し、その判別結果に応じて補償量を決定するという複雑な処理を行っており、これらが回路構成の複雑化や演算負荷の増大を招いていた。
図6は、この先願発明の構成を示すブロック図であり、1は所望の大きさ及び周波数の交流電圧を出力する電圧形PWMインバータ、2はインバータ1の各相の出力端子に接続された誘導電動機、3は誘導電動機2に対する一次角周波数指令ω1 *を設定する周波数設定器、4は一次角周波数指令ω1 *を積分して位相基準信号θ1 *を出力する積分手段、5は回転磁界座標系のd軸電圧指令値v1d *及びq軸電圧指令値v1q *を位相基準信号θ1 *に基づいて固定子座標系の各相電圧指令値vu *,vv *,vw *に変換する座標変換手段である。
まず、周波数設定手段3により設定された一次角周波数指令ω1 *は、V/f変換手段8に入力され、一次角周波数指令ω1 *に対応する一次電圧指令値(出力電圧指令値)が出力される。ここで、電圧指令値のd軸成分は誘導電動機2が発生するトルクには直接影響しないため、V/f変換手段8からは、一次角周波数指令ω1 *に対応するq軸電圧指令値v1q *が一次電圧指令値として出力される。
以下、q軸電圧指令値v1q *を一次電圧指令値v1q *、q軸電圧v1qを一次電圧v1q、q軸電流iqを一次電流iqともいう。
ここで、数式1により与えられる回転磁界座標系で表現された誘導電動機の電圧方程式より、誘導電動機2の一次電流i1qと一次電圧v1qとの関係を求めると、数式2となる。
インバータ1のデッドタイムによる誤差電圧及び上記d軸干渉成分や逆起電力成分の和を外乱電圧vdisと定義すると、数式2から数式3を得ることができる。
そして、高速外乱推定オブザーバ9では、次の数式4に示す如く、推定した出力電圧(=(R1+R2+pLσ)i1q)と一次電圧指令値v1q *との差分をとり、時定数T1のローパスフィルタを通してゲインKを乗じ、外乱電圧推定値^vdisとして出力する。なお、数式4において、記号「^」を付した値は何れも推定値である。
よって、低速外乱推定オブザーバ10により、数式2における右辺第4項の逆起電力成分vemfを演算すると共に、d軸干渉成分演算手段11により右辺第2項のd軸干渉成分vcmp(=ω1Lσi1d)を演算し、これらを減算手段13,14に図示の符号で入力することにより高速外乱推定オブザーバ9の出力である外乱電圧推定値^vdisを補償して補償電圧vcを生成する。
また、先願発明は単純なV/f一定制御を対象としており、ベクトル制御や、電流指令値から前向きに電圧指令値を演算してトルクを制御するような方式に適用することは困難である。
すなわち、請求項1に係る発明は、半導体スイッチング素子のオン・オフにより所望の大きさ及び周波数の交流電圧を出力する電圧形インバータの制御装置において、
インバータの出力電流指令値から、逆起電力成分及び干渉成分を除いた第1の出力電圧指令値を演算する手段と、
インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
インバータの出力電流検出値からインバータの出力電圧を推定する手段と、
第1の出力電圧指令値とインバータの出力電圧推定値とから電圧歪み成分を推定する手段と、
この電圧歪み成分推定値から電圧補正値を求める手段と、
第1の出力電圧指令値に逆起電力成分及び干渉成分を加えた第2の出力電圧指令値を、前記電圧補正値にて補正することにより、インバータに対する最終的な出力電圧指令値を生成する手段と、を備えたものである。
すなわち、請求項2に係る発明は、請求項1において、前記インバータの出力電流指令値と出力電流検出値との偏差をなくすように動作する電流調節手段と、この電流調節手段の出力を第2の出力電圧指令値に加算する手段と、を備えたものである。
すなわち、請求項3に係る発明は、
半導体スイッチング素子のオン・オフにより所望の大きさ及び周波数の交流電圧を出力する電圧形インバータの制御装置において、
インバータの出力電流指令値から、逆起電力成分及び干渉成分を除いた第1の出力電圧指令値を演算する手段と、
インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
インバータの出力電流検出値から前記インバータの出力電圧を推定する手段と、
第1の出力電圧指令値と前記インバータの出力電圧推定値とから電圧歪み成分を推定する手段と、
この電圧歪み成分推定値から電流指令補正値を求める手段と、
この電流指令補正値により前記出力電流指令値を補正する手段と、
この手段による補正後の出力電流指令値と前記出力電流検出値との偏差をなくすように動作する電流調節手段と、
第1の出力電圧指令値に逆起電力成分及び干渉成分を加えた第2の出力電圧指令値を、前記電流調節手段の出力にて補正することにより、インバータに対する最終的な出力電圧指令値を生成する手段と、を備えたものである。
まず、本発明が先願発明と異なる点は、インバータの出力電流指令値から演算した出力電圧指令値と出力電流検出値から演算した出力電圧推定値とを用いて電圧歪み成分を推定し、この電圧歪み成分推定値から求めた補正値を用いて出力電圧指令値を補正することにある。
この実施形態では、図1に示すように、d軸電流指令値id *及びq軸電流指令値iq *から、数式9に示す誘導電動機2の電圧方程式に従ってd軸電圧指令値vd0 *及びq軸電圧指令値vq0 *が演算される。ここで、d軸電圧指令値vd0 *及びq軸電圧指令値vq0 *を、便宜的に第2の出力電圧指令値という。
なお、この数式9は、d軸,q軸電流指令値id *,iq *を用いてd軸,q軸電圧指令値vd0 *,vq0 *を演算する以外は、前述した数式1と同様である。
なお、上記パラメータは、検出値(実際値)であっても、推定値であっても構わない。
なお、図1において、干渉項とは±ω1Lσによる成分(リアクタンスによる電圧降下成分の設定値(推定値))、逆起電力とはωmφ2dによる負荷の逆起電力成分であり、21〜25は加減算手段である。
これらの電圧指令値vd *,vq *を座標変換手段5により静止座標系に変換し、角周波数ω1に応じた出力電圧指令値を求める。以降は、電圧形PWMインバータ1内のPWM発生手段により、インバータ1のパルスパターンを計算し、そのパターンに応じて半導体スイッチング素子をオン・オフすることにより、所望の出力電圧を誘導電動機2に供給する。
これらの電流検出値id,iqを電圧歪み推定手段20に入力し、推定手段20ではインバータ1の出力電圧を推定すると共に、その電圧推定値と電圧指令値とから電圧歪み成分を推定し、更に電圧補正値Δvd,Δvqを演算する。
電圧歪み推定手段20では、まず、回転座標上のd軸,q軸電流検出値id,iqから出力電圧推定値^vd,^vqを数式10により計算する。
数式10と数式11との差分をとって電圧歪み成分推定値^vdrip,^vqripとすると、これらは数式12によって表される。
ここで、図6に示した先願発明では、電圧指令値に逆起電力成分が重畳していたため、高速,低速の二つのオブザーバ9,10を用意し、時定数を最適に選んで電圧歪み成分のみを抽出しなければならない。これに対し、本実施形態では、元々、第1の出力電圧指令値に関する数式11に逆起電力成分が含まれておらず、オブザーバの時定数τは電圧歪み成分の周波数より高く設定するだけで良いため、複雑な調整は不要である。
従って、本実施形態によれば、先願発明と比べて簡単な構成により容易に電圧歪み成分を補償することが可能である。
すなわち、d軸,q軸電流指令値id *,iq *とd軸,q軸電流検出値id,iqとの偏差がそれぞれ加減算手段31,32により求められ、その偏差が電流調節手段30に入力されている。電流調節手段30では、上記各電流偏差をなくすように調節動作が行われ、その出力が加減算手段26,27において第2の出力電圧指令値vd0 *,vq0 *にそれぞれ加算される。以降の構成及び動作は、第1実施形態と同様であり、電圧歪み推定手段20の構成も図4(a)に示した通りである。
電流調節手段は、通常、電流指令値と電流検出値との偏差をPI制御やPID制御を用いてゼロにするように電圧指令値を演算する。従って、電流調節手段の性能が十分に高い場合、電圧歪み成分は電流調節手段により補正することができる。しかし、実際には、電流調節手段は制御回路の演算時間等に起因して応答に限界があり、高い周波数では電圧歪み成分の補償は不十分となる。
以上により、本実施形態は電流調節手段を用いたベクトル制御等の制御に適用すると好適である。
本実施形態では、電圧歪み推定手段20において、数式12に示した電圧歪み成分推定値^vdrip,^vqripから電流指令補正値Δid *,Δiq *を演算し、これらの電流指令補正値Δid *,Δiq *により電流調節手段30の入力であるd軸,q軸電流指令値id *,iq *をそれぞれ補正する。このような構成により、電流調節手段30の制御性能を改善して電圧歪み成分を効果的に除去するようにした。
ここで、図4(b)は電圧歪み推定手段20の構成を示すブロック図であり、20aは数式10を演算するブロック、20b,20cは^vdrip,^vqripを演算するための加減算手段、20eは数式14を演算するブロックである。
図3に示す如く、上記電流指令補正値Δid *,Δiq *を加減算手段33,34において元の電流指令値に加算し、加減算手段31,32を介して電流調節手段30に入力する。
なお、電流指令補正値Δid *,Δiq *は、上述した如く電圧歪み成分、ハイパスフィルタ及びゲインにより求める以外に、実際の電流検出値id,iqに含まれる歪み成分を抽出し、ゲインを乗じて求めてもよい。
2:誘導電動機
5,7:座標変換手段
6:電流検出手段
20:電圧歪み推定手段
21〜27,31〜34:加減算手段
30:電流調節手段
Claims (5)
- 半導体スイッチング素子のオン・オフにより所望の大きさ及び周波数の交流電圧を出力する電圧形インバータの制御装置において、
前記インバータの出力電流指令値から、逆起電力成分及び干渉成分を除いた第1の出力電圧指令値を演算する手段と、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記インバータの出力電流検出値から前記インバータの出力電圧を推定する手段と、
第1の出力電圧指令値と前記インバータの出力電圧推定値とから電圧歪み成分を推定する手段と、
この電圧歪み成分推定値から電圧補正値を求める手段と、
第1の出力電圧指令値に逆起電力成分及び干渉成分を加えた第2の出力電圧指令値を、前記電圧補正値にて補正することにより、前記インバータに対する最終的な出力電圧指令値を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする電圧形インバータの制御装置。 - 請求項1に記載した電圧形インバータの制御装置において、
前記インバータの出力電流指令値と出力電流検出値との偏差をなくすように動作する電流調節手段と、
この電流調節手段の出力を第2の出力電圧指令値に加算する手段と、
を備えたことを特徴とする電圧形インバータの制御装置。 - 半導体スイッチング素子のオン・オフにより所望の大きさ及び周波数の交流電圧を出力する電圧形インバータの制御装置において、
前記インバータの出力電流指令値から、逆起電力成分及び干渉成分を除いた第1の出力電圧指令値を演算する手段と、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記インバータの出力電流検出値から前記インバータの出力電圧を推定する手段と、
第1の出力電圧指令値と前記インバータの出力電圧推定値とから電圧歪み成分を推定する手段と、
この電圧歪み成分推定値から電流指令補正値を求める手段と、
この電流指令補正値により前記出力電流指令値を補正する手段と、
この手段による補正後の出力電流指令値と前記出力電流検出値との偏差をなくすように動作する電流調節手段と、
第1の出力電圧指令値に逆起電力成分及び干渉成分を加えた第2の出力電圧指令値を、前記電流調節手段の出力にて補正することにより、前記インバータに対する最終的な出力電圧指令値を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする電圧形インバータの制御装置。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載した電圧形インバータの制御装置において、
第1の出力電圧指令値を演算する手段は、
前記インバータの回転座標上の出力電流指令値、負荷の抵抗値及びインダクタンス値を用いて、出力電圧指令値を演算することを特徴とする電圧形インバータの制御装置。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した電圧形インバータの制御装置において、
前記インバータの出力電圧を推定する手段は、
前記インバータの回転座標上の出力電流検出値、負荷の抵抗値及びインダクタンス値を用いて、出力電圧を推定することを特徴とする電圧形インバータの制御装置。
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