JP4930218B2 - 電圧形インバータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧形インバータの制御装置に関し、例えば、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によって交流電動機を駆動する場合に、インバータの出力電圧に含まれる誤差や歪を補償するための制御装置に関するものである。

通常の電圧形インバータは、上下アームを構成する半導体スイッチング素子を交互に導通させて所望の大きさ及び周波数の交流電圧を発生している。しかし、周知のようにスイッチング素子にはターンオフ時の動作遅れがあり、これによって上下アームが同時にオンすることによるアーム短絡を防ぐために、スイッチングパターンに短絡防止期間（デッドタイム）を設けている。
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。

上述したデッドタイムに起因する出力電圧の歪を補償するための従来技術として、特許文献１に記載されているように、インバータの出力電圧指令値及び出力電流に基づいて出力電圧歪を推定し、この推定値に基づいて出力電圧指令値に加える補償信号の振幅（補償量）を調節する方法が知られている。
以下、この従来技術を、図８を参照しつつ説明する。

図８において、１０１は電圧指令値に比例した電圧を出力する電圧形パルス幅変調（ＰＷＭ）インバータであり、１０２はインバータ１０１によって駆動される交流電動機である。
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。

また、１０３は、回転磁界座標系における電動機１０２の磁束軸方向のｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊、これに直交するｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊及び位相基準信号θ^＊（＝ω^＊ｔ）が入力されて固定子座標系の出力電圧指令値ｖ^＊を出力する座標変換手段、１０９は出力電圧指令値ｖ^＊と後述する補償手段１０５からの補償信号Δｖ^＊とを加算する加算手段、１０６は出力電流ｉを回転磁界座標系のｄ軸電流ｉ_ｄ及びｑ軸電流ｉ_ｑに変換する座標変換手段、１０７はｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊、ｄ軸電流ｉ_ｄ及びｑ軸電流ｉ_ｑに基づいて電圧歪成分（補償残留成分）を推定する歪成分推定手段、１０８は推定した電圧歪成分と出力電流ｉとに基づいて補償量を調節する補償量調節手段、１０８ａは電圧歪成分の極性反転手段、１０８ｂは出力電流ｉの極性に応じて切替信号を出力する極性検出手段、１０８ｃは前記切替信号により選択された歪成分推定手段１０７の出力またはその反転出力を積分する積分手段、１０５は出力電流ｉの極性に応じた補償信号Δｖ^＊を前記加算手段１０９に出力する補償手段である。

上記構成において、出力電圧歪Δｖは、各軸の電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊からインバータ１０１の出力電圧までの経路において、歪成分が作用するモデルによって推定することができ、歪成分推定手段１０７は、ｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊、ｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊、ｄ軸電流ｉ_ｄ及びｑ軸電流ｉ_ｑを用いて外乱オブザーバの原理に従い電圧歪成分を推定する。そして、この電圧歪成分が零に近付くように、補償量調節手段１０８により補償手段１０５からの補償信号Δｖ^＊を制御し、これを加算手段１０９にて元の出力電圧指令値ｖ^＊に加算して出力電圧歪Δｖの最小化を図っている。

すなわち、上記補償信号Δｖ^＊を元の出力電圧指令値ｖ^＊に加算して出力電圧歪Δｖをフィードフォワード制御することにより、出力電圧ｖにΔｖが含まれるのを抑制して出力電圧歪を補償している。この補償信号の振幅（補償量）は、電圧歪成分の振幅に一致する場合に最も補償効果が大きく、それより過大または過小でも補償残留成分が発生するので、この従来技術では、補償量調節手段１０８によって補償量の過不足を判別し、その判別結果により補償手段１０５を介して補償量を最適値に制御している。

しかるに、上記従来技術では、外乱オブザーバとしての歪成分推定手段１０７により推定した電圧歪成分には、電動機１０２の逆起電力（速度起電力）も含まれるため、推定した歪成分をそのまま用いて出力電圧指令値を補償することができない。このため、補償量調節手段１０８及び補償手段１０５を用いて補償量を調整する必要がある。
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。

上記の点に鑑み、出願人は、特願２００７−６５８７として、上記問題点を解決可能な電圧形インバータの制御装置（第１の先願発明という）を既に出願している。
図９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ω_１ ^＊を設定する周波数設定器、４は一次角周波数指令ω_１ ^＊を積分して位相基準信号θ_１ ^＊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ｖ_１ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊を位相基準信号θ_１ ^＊に基づいて固定子座標系の各相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換する座標変換手段である。

また、６はインバータ１の出力電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを検出する電流検出手段、７は固定子座標系の出力電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを位相基準信号θ_１ ^＊に基づいて回転磁界座標系のｄ軸電流ｉ_１ｄ及びｑ軸電流ｉ_１ｑに変換する座標変換手段、８は一次角周波数指令ω_１ ^＊からｑ軸電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊を出力するＶ／ｆ変換手段、９はｑ軸電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊及びｑ軸電流ｉ_１ｑから外乱電圧ｖ_ｄｉｓを推定して出力する第１の推定手段としての高速外乱推定オブザーバ、１０はｑ軸電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊及びｑ軸電流ｉ_１ｑから逆起電力成分ｖ_ｅｍｆを推定して出力する第２の推定手段としての低速外乱推定オブザーバ、１１はｄ軸電流ｉ_１ｄ、一次角周波数指令ω_１ ^＊及び漏れインダクタンスＬ_σを用いてリアクタンスによる電圧降下成分(ｄ軸干渉成分)ｖ_ｃｍｐを演算する第３の推定手段としてのｄ軸干渉成分演算手段、１２はｄ軸電流指令値ｉ_１ｄ ^＊及びｄ軸電流ｉ_１ｄを入力としてｄ軸電圧指令値ｖ_１ｄ ^＊を出力する電流制御手段、１３は前記逆起電力成分ｖ_ｅｍｆからｄ軸干渉成分ｖ_ｃｍｐを減算する減算手段、１４は前記外乱電圧ｖ_ｄｉｓから減算手段１３の出力を減算した値を補償電圧ｖ_ｃとして出力する減算手段、１５は元のｑ軸電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊と前記補償電圧ｖ_ｃとを加算して補正後のｑ軸電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊を出力する加算手段である。

次に、図９の動作を説明する。この第１の先願発明における制御方法には、周知のＶ／ｆ一定制御が用いられる。
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ω_１ ^＊は、Ｖ／ｆ変換手段８に入力され、一次角周波数指令ω_１ ^＊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ω_１ ^＊に対応するｑ軸電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊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ｖ_１ｑ ^＊を一次電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊、ｑ軸電圧ｖ_１ｑを一次電圧ｖ_１ｑ、ｑ軸電流ｉ_ｑを一次電流ｉ_ｑともいう。

一次電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊は座標変換手段５に入力され、積分手段４からの位相基準信号θ_１ ^＊を用いた座標変換により正弦波の出力電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊が生成される。これらの電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊をインバータ１の内部で搬送波信号と比較して得たＰＷＭ信号に従ってインバータ１の半導体スイッチング素子をオン・オフ動作させることにより、出力電圧ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗが制御されて誘導電動機２に供給されることになる。

一方、インバータ１のデッドタイムに起因する出力電圧歪は、回転磁界座標系において高速外乱推定オブザーバ９により推定した外乱電圧ｖ_ｄｉｓにより補償される。
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ｉ_１ｑと一次電圧ｖ_１ｑとの関係を求めると、数式２となる。

これらの数式において、φ_２ｄ，φ_２ｑ：ｄ軸電動機磁束及びｑ軸電動機磁束，ｖ_１ｄ，ｉ_１ｄ：誘導電動機の一次側のｄ軸電圧及びｄ軸電流，ｖ_１ｑ，ｉ_１ｑ：誘導電動機の一次側のｑ軸電圧及びｑ軸電流，ω_１：一次角周波数，ω_ｍ：回転角周波数（電気角速度），Ｒ_１：一次抵抗値，Ｒ_２：二次抵抗値，Ｌ_σ：漏れインダクタンス，Ｌ_ｍ：励磁インダクタンス，ｐ：微分演算子である。

数式２において、右辺第２項はｄ軸干渉成分、第４項は逆起電力成分となる。なお、右辺第３項は、低速において影響がないためゼロと考える。
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ｖ_ｄｉｓと定義すると、数式２から数式３を得ることができる。

ここで、外乱電圧ｖ_ｄｉｓを外乱オブザーバにより推定することを考える。すなわち、数式３に示した一次電流ｉ_１ｑと一次電圧ｖ_１ｑとの関係に基づき、誘導電動機２に印加されているインバータ１の出力電圧（＝（Ｒ_１＋Ｒ_２＋ｐＬ_σ）ｉ_１ｑ）を一次電流ｉ_１ｑから推定する。
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（＝（Ｒ_１＋Ｒ_２＋ｐＬ_σ）ｉ_１ｑ）と一次電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊との差分をとり、時定数Ｔ_１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＾ｖ_ｄｉｓ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。

ここで、デッドタイムによる外乱成分は、一次出力周波数をｆ（＝ω_１／２π）とした場合、その６倍の周波数の交流リプル成分がｑ軸上に現れる。従って、数式４における時定数Ｔ_１は、出力周波数の６倍より十分速い時間で外乱電圧を推定するとし、例えば数式５に示す範囲に設定する。

また、前述したように、外乱電圧推定値＾ｖ_ｄｉｓには、デッドタイムによる誤差電圧の他に誘導電動機２の逆起電力成分やｄ軸干渉成分が含まれることになり、中高速領域において逆起電力成分も補償されてしまい、Ｖ／ｆ制御などのオープンループ制御時に電圧が過大となり安定性に問題がある。
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ｖ_ｅｍｆ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ｖ_ｃｍｐ（＝ω_１Ｌ_σｉ_１ｄ）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＾ｖ_ｄｉｓを補償して補償電圧ｖ_ｃを生成する。

低速外乱推定オブザーバ１０は、数式４と同様の構造を持ち、時定数をＴ_２とした数式６に示す推定逆起電力＾ｖ_ｅｍｆを出力する外乱推定オブザーバを構成する。

ここで、逆起電力ｖ_ｅｍｆは数式２より回転角周波数ω_１に依存し、その変化は、デッドタイムによる外乱成分に対して非常に遅い。従って、数式６における時定数Ｔ_２は、デッドタイムによる外乱成分を無視できる程度に遅くすれば逆起電力ｖ_ｅｍｆの推定が可能であり、例えば数式７に示す範囲に設定する。

低速外乱推定オブザーバ１０から出力される推定逆起電力＾ｖ_ｅｍｆには、数式２の右辺第２項のｄ軸干渉成分ｖ_ｃｍｐも含まれるが、ｖ_ｃｍｐまで推定して外乱成分として補償すると中高速領域で安定性が劣化するため、これを数式８に示すように一次角周波数ω_１、ｄ軸電流ｉ_１ｄ及び漏れインダクタンスＬ_σを用いて算出して前向きに補償する。

上記のように計算されたｄ軸干渉成分ｖ_ｃｍｐは、減算手段１３により推定逆起電力＾ｖ_ｅｍｆから減算することにより補償される。減算手段１３の出力は次段の減算手段１４に入力されて外乱電圧推定値＾ｖ_ｄｉｓを補償し、その結果を補償電圧ｖ_ｃとして出力する。

補償電圧ｖ_ｃは加算手段１５において一次電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊に加えられるので、結果的には、外乱電圧から逆起電力相当量を除いたデッドタイムによる誤差電圧のみを電圧歪成分として推定し、一次電圧指令値ｖ_１ｑ ^＊を補償するシステムを構成することができる。これにより、インバータ１の出力電圧歪を常に最小化することができる。

しかしながら、第１の先願発明では、時定数の早い高速外乱推定オブザーバ９と時定数の遅い低速外乱推定オブザーバ１０とを組み合わせて構成されており、これらの二つのオブザーバ９，１０の時定数を最適に設定しなければ、逆に電圧歪み成分が増加してしまうおそれがある。時定数の調整には経験的な知識が必要であるため、煩雑化するという問題がある。
また、第１の先願発明は単純な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。

このような観点から、出願人は特願２００７−１３５３８５として、別の先願に係る制御装置（第２の先願発明という）を既に出願している。
図１０は第２の先願発明の構成を示すブロック図である。この先願発明では、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊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ｖ_ｄ０ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ０ ^＊が演算される。ここで、ｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ０ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ０ ^＊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ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を用いてｄ軸，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ０ ^＊，ｖ_ｑ０ ^＊を演算する以外は、前述した数式１と同様である。

但し、数式９において、φ_２ｄ，φ_２ｑ：二次磁束、Ｒ_１，Ｒ_２：一次，二次抵抗、Ｌ_σ：漏れインダクタンス、Ｌ_ｍ：相互インダクタンス（何れもＴ型等価回路より換算した値）、ω_１：電気角周波数、ω_ｍ：機械角周波数、ｐ：微分演算子である。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。
図１０では、一例として、数式９におけるφ_２ｑ＝０とした構成を示している。また、図１０における干渉項とは±ω_１Ｌ_σによる成分、逆起電力とはω_ｍφ_２ｄによる成分であり、２１〜２７は加減算手段である。

一方、ｄ軸，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊とｄ軸，ｑ軸電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑ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ｖ_ｄ０ ^＊，ｖ_ｑ０ ^＊にそれぞれ加算される。
更に、加減算手段２６，２７の出力に、後述する電圧歪み推定手段２０により演算された電圧補正値Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑをそれぞれ加えて補正を行い、ｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を求める。なお、電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊は、図９における電圧指令値ｖ_１ｄ ^＊，ｖ_１ｑ ^＊と実質的に同じものである。

これらの電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を座標変換手段５により静止座標系に変換し、角周波数ω_１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。

また、電流検出手段６は電動機２に流れる電流を検出し、座標変換手段７により回転座標系に変換してｉ_ｄ，ｉ_ｑを求める。なお、電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑは、図９における電流検出値ｉ_１ｄ，ｉ_１ｑと実質的に同じものである。
これらの電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑ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Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑを演算する。

図１１は電圧歪み推定手段２０の構成図であり、２０ａは下記の数式１０を演算する演算ブロック、２０ｄは数式１３を演算する演算ブロック、２０ｂ，２０ｃは加減算手段である。
この電圧歪み推定手段２０では、まず、回転座標上のｄ軸，ｑ軸電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑから出力電圧推定値＾ｖ_ｄ，＾ｖ_ｑを数式１０により計算する。数式１０において、τ_２は電動機二次時定数（＝Ｒ_２／Ｌ_ｍ）である。

数式１０において、ｑ軸側の出力電圧推定値＾ｖ_ｑは第１の先願発明における数式２の右辺第１項と同じであるが、ここではｄ軸側についても出力電圧推定値＾ｖ_ｄを演算する。なお、電動機２の抵抗値Ｒ_１，Ｒ_２及びインダクタンス値Ｌ_σ，Ｌ_ｍは、前述した電圧指令値の演算に用いたものと同じ値を使用する。

一方、逆起電力成分とｄ軸，ｑ軸に互いに干渉する成分を除くｄ軸，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｄｎ ^＊，ｖ_ｑｎ ^＊は、数式１１により演算され、これらの電圧指令値が電圧歪み推定手段２０に入力される。ここで、ｄ軸電圧指令値ｖ_ｄｎ ^＊，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｑｎ ^＊を、便宜的に第１の出力電圧指令値（基準電圧指令値）という。

数式１０と数式１１とは、電圧歪みがない状態では全く同様になり、電圧歪みが存在すると電圧歪みによって電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑと電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊との間に誤差が生じる。
ｄ軸，ｑ軸のそれぞれにつき数式１１と数式１０との差分をとって電圧歪み成分推定値＾ｖ_ｄｒｉｐ，＾ｖ_ｑｒｉｐとすると、これらは数式１２によって表される。

数式１２により求めた電圧歪み成分推定値＾ｖ_ｄｒｉｐ，＾ｖ_ｑｒｉｐにローパスフィルタ（１／（１＋ｓτ））及びゲインＫを介し、外乱オブザーバとしてｄ軸，ｑ軸電圧補正値Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑを数式１３により求める。

上記のように、第２の先願発明では、数式１３により求めた電圧補正値Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑを用いて出力電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を補正することにより、デッドタイム等に起因する電圧歪み成分を補償してトルクリプルを低減している。

特許第３５３６１１４号公報（段落［０００７］〜［００１２］、図１等）

図１０に示した第２の先願発明では、図１１の電圧歪み推定手段２０が、数式１１により電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊から演算される基準電圧指令値ｖ_ｄｎ ^＊，ｖ_ｑｎ ^＊と、数式１０により電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑから演算される出力電圧推定値＾ｖ_ｄ，＾ｖ_ｑとのそれぞれの偏差（すなわち、数式１２に示した電圧歪み成分推定値＾ｖ_ｄｒｉｐ，＾ｖ_ｑｒｉｐ）をゼロにするように調節するため、見方を変えれば簡単な電流調節手段と同様の動作を行っている。
これは、数式１２における抵抗値やインダクタンス値を変化しない定数とみなせば、電流指令値と電流検出値との偏差に定数（ゲイン）と一次遅れフィルタを介する電流制御を行っているとみなせるからである。

従って、数式１３におけるフィルタの時定数やゲインＫの設計には、系に応じた最適な設計が必要となり、運転条件や制御系の遅れ時間などの影響により、特性が影響を受ける。
更に、図１０に示した如く電流調節手段３０が存在する場合には、電圧歪み推定手段２０、加減算手段２３，２５等からなる出力電圧指令値補正手段の周波数特性と電流調節手段３０の周波数特性とが接近すると互いに干渉し、電圧歪み成分に対する所望の低減効果が得られない恐れがある。

そこで、本発明の解決課題は、電流調節手段との干渉がなく、ゲイン等の複雑な設計を不要にして出力電圧歪み成分を低減するようにした高精度な制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、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であって、前記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を、電圧補正値により補正して前記インバータに与えるようにした制御装置において、
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、
前記電圧補正値により補正した出力電圧指令値から基準電圧指令値を演算する手段と、
前記基準電圧指令値と前記インバータの出力電圧推定値との差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前記電圧補正値を求める手段と、を備えたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記電圧補正値により補正した出力電圧指令値と負荷の逆起電力成分及びリアクタンスによる電圧降下成分とを用いて前記基準電圧指令値を演算すると共に、負荷の抵抗値及びインダクタンス値を用いて前記出力電圧推定値を演算するものである。
また、請求項３に係る発明は、請求項１において、前記電圧補正値により補正した出力電圧指令値を前記基準電圧指令値とし、負荷の抵抗値，インダクタンス値，逆起電力成分及びリアクタンスによる電圧降下成分を用いて前記出力電圧推定値を演算するものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項において、前記インバータの出力電流指令値と前記電流検出値との偏差を零にするように動作する電流調節手段を備え、前記電圧補正値による補正前の出力電圧指令値が、前記電流調節手段の出力を含むものである。

図１０の先願発明が、出力電圧の歪み成分を推定するための基準電圧指令値を電流指令値から演算していたのに対し、請求項１に記載した発明では、出力電圧指令値を電圧補正値にて補正することにより基準電圧指令値を演算し、この基準電圧指令値と、出力電流検出値から推定した出力電圧推定値との差から電圧歪み成分を推定し、更に、この電圧歪み成分に基づいて前記電圧補正値を求めることとした。
上記構成により、本発明によれば、図１０の先願発明のように、出力電圧の歪み成分を推定して電圧補正値を求めるに当たってゲインの最適設計を不要とし、また、電流調節手段との干渉を生じずに出力電圧の歪み成分を補償し、電動機を負荷とした場合のトルクリプルや回転むらを改善して高効率かつ高精度な制御装置を提供することができる。
また、請求項４に係る発明によれば、電流調節手段を有する制御装置においても、同様に干渉せずに電圧歪み成分を低減させることが可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明の特徴は、図１０の先願発明では電圧歪み成分の推定に用いる基準電圧指令値ｖ_ｄｎ ^＊，ｖ_ｑｎ ^＊を電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊から演算していたのに対し、本発明では、電圧歪み推定手段から出力される電圧補正値Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑにより元の出力電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を補正して基準電圧指令値ｖ_ｄｎ ^＊，ｖ_ｑｎ ^＊を求め、これに基づいて出力電圧の歪み成分を推定する点である。

図１は、本発明の第１実施形態を示すブロック図であり、請求項１に係る発明に相当する。
図１において、ｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ０ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ０ ^＊は、前述した数式９により、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を用いて演算される。
図１では、一例として数式９におけるφ_２ｑ＝０とした構成を示しており、制御を簡単化するために、このように数式９を簡略化した場合でも本発明は適用可能である。

また、図１では誘導電動機の電圧方程式に基づいて演算しているが、同期電動機を対象とする場合には電圧方程式を変更すれば適用可能である。なお、一般的に速度制御やトルク制御などの制御対象に基づいて電流指令値の演算手段は多数存在するが、本発明は特に電流指令値の演算方法を要旨とするものではなく、何らかの方法でｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊が与えられれば良い。

演算されたｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ０ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ０ ^＊に、後述する電圧歪み推定手段４０により演算された電圧補正値Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑを加減算手段２３，２５にてそれぞれ加えて補正することにより、ｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を求める。
これらの電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を座標変換手段５により静止座標系に変換し、角周波数ω_１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。

電流検出手段６は電動機２に流れる電流を検出し、座標変換手段７により回転座標系に変換してｉ_ｄ，ｉ_ｑを求める。
これらの電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑを電圧歪み推定手段４０に入力し、推定手段４０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及び電流指令値から電圧歪み成分を推定して電圧補正値Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑを演算する。

次に、請求項２に相当する電圧歪み推定手段４０の構成を説明する。
図２は電圧歪み推定手段４０の構成図であり、４１，４２，４４〜４６は加減算手段、４３，４７はローパスフィルタ、４８は演算ブロックである。演算ブロック４８は、前述した数式１０により、回転座標上の電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑから出力電圧推定値＾ｖ_ｄ，＾ｖ_ｑを演算する。
一方、電圧歪み成分から求めた電圧補正値をΔｖ_ｄ，Δｖ_ｑとすると、図１の構成により、出力電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊は数式１４によって表される。

図２に示す電圧歪み推定手段４０には出力電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊及び電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊が入力され、加減算手段４１，４４，４５を介し、ｄ軸，ｑ軸に互いに干渉する干渉成分としてのリアクタンスによる電圧降下成分とｑ軸の逆起電力成分とを用いて、基準電圧指令値ｖ_ｄｎ ^＊，ｖ_ｑｎ ^＊を数式１５のように求める。

数式１５における基準電圧指令値ｖ_ｄｎ ^＊の右辺第二項と基準電圧指令値ｖ_ｑｎ ^＊の右辺第二項とがリアクタンスによる電圧降下成分であり、基準電圧指令値ｖ_ｑｎ ^＊の右辺第三項が逆起電力成分である。なお、周波数が低い領域では、ω_１，ω_ｍが小さいので、数式１５から明らかなようにリアクタンスによる電圧降下成分及び逆起電力成分が微小となる。従って、基準電圧指令値ｖ_ｄｎ ^＊，ｖ_ｑｎ ^＊を出力電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊として演算してもよい。

前述した数式１２と同様に、以下の数式１６に示す如く、ｄ軸，ｑ軸のそれぞれにつき数式１５と数式１０との差分をとって電圧歪み成分推定値＾ｖ_ｄｒｉｐ，＾ｖ_ｑｒｉｐを求める。
図２における加減算手段４２，４６は、この数式１６を演算するためのものである。

数式１６に時定数τのローパスフィルタ４３，４７を通して、数式１７のように電圧補正値Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑを求める。

図１に示した如く、数式１７により演算した電圧補正値Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑを用いて数式１４により出力電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を更新（補正）する。
なお、本発明をソフトウェアにて構成する場合には、演算周期毎に数式１７により電圧補正値Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑを演算し、１演算周期後に数式１４により出力電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を補正する構成となる。このような場合には、ローパスフィルタが存在しないと代数ループとなり安定性が損なわれるため、ローパスフィルタ４３，４７は必須である。
ここで、上記の説明では、リアクタンスによる電圧降下成分（ω_１Ｌ_σに関わる項）を求めるためにｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を用いているが、ｄ軸電流検出値ｉ_ｄ及びｑ軸電流検出値ｉ_ｑを用いても良い。

次に、図３は、請求項３に相当する電圧歪み推定手段４０の構成図である。
図２においては、出力電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊に負荷のリアクタンスによる電圧降下成分及び逆起電力成分を加減算して基準電圧指令値ｖ_ｄｎ ^＊，ｖ_ｑｎ ^＊を求めているが、数式１８に示すように、出力電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を基準電圧指令値ｖ_ｄｎ ^＊，ｖ_ｑｎ ^＊とし、また、数式１９に示すように、前記数式１０による演算結果に負荷のリアクタンスによる電圧降下成分及び逆起電力成分を加減算して出力電圧推定値＾ｖ_ｄ，＾ｖ_ｑを求め、これらの数式１８，１９を用いて前記数式１６により電圧歪み成分推定値＾ｖ_ｄｒｉｐ，＾ｖ_ｑｒｉｐを求めても良い。

図３は、上記数式１８，１９を演算し、更に数式１６により求めた電圧歪み成分推定値＾ｖ_ｄｒｉｐ，＾ｖ_ｑｒｉｐから数式１７によって電圧補正値Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑを求めるための構成を示しており、符号４９は数式１９を実行する演算ブロックである。
なお、数式１９では、リアクタンスによる電圧降下成分（ω_１Ｌ_σに関わる項）の演算にｄ軸電流検出値ｉ_ｄ及びｑ軸電流検出値ｉ_ｑを用いているが、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を用いても良い。

以上説明した第１実施形態によれば、図１０の先願発明において必要であったゲインＫの最適な設計が不要になると共に、電流調節手段との干渉もなく、電圧歪み成分の低減効果を損なう恐れもない。

次いで、図４は本発明の第２実施形態を示すブロック図であり、請求項４に相当している。
本実施形態は、電流調節手段を備えた制御装置に関するもので、図１の実施形態に対して電流調節手段６０及び加減算手段５１〜５４が付加されている。なお、図４における電圧歪み推定手段４０の構成は、第１実施形態と同様に、図２または図３の何れでも良い。
以下に、この第２実施形態により、図１０で述べたような電流調節手段との干渉をなくすことができる理由を説明する。

前述したように、図１０における電圧歪み推定手段２０は、電流調節手段３０の出力に加えられる電圧補正値Δｖ_ｄ，Δｖ_ｑを、究極的には電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊と電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑとから演算している。従って、電圧歪み推定手段２０が、電流調節手段３０と並列に調節手段を構成することになり、電流調節手段３０の周波数特性及び電圧歪み推定手段２０の周波数特性が互いに影響して干渉するおそれがある。

しかし、図４に示した本発明の第２実施形態では、電圧歪み推定手段４０が、出力電圧指令値ｖ_ｄ０ ^＊，ｖ_ｑ０ ^＊から電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑまでの間で閉ループとなっているため、電流調節手段６０とは独立していると見なすことができる。
すなわち、電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊から電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑまでの電流調節手段６０の閉ループの内側に電圧歪み推定手段４０の閉ループが存在することになり、前記ローパスフィルタ４３，４７の時定数τを電流調節手段６０の時定数よりも短い値に設定すれば、電流調節手段６０の応答遅れに対して干渉せずに補助的に補償することができる。
本実施形態における設計パラメータはローパスフィルタ４３，４７の時定数τのみであり、上述した如く時定数τを電流調節手段６０の時定数よりも短く設定すれば、電圧歪み成分を効果的に補正することが可能である。

図５は、本発明の上記第２実施形態を適用した場合のシミュレーション波形であり、左側がインバータ１の出力電流波形、右側が出力電流の高調波解析結果を示す周波数スペクトラムである。
比較のため、図１０の先願発明によるシミュレーション波形を図６に、電流調節手段のみを備えて電圧歪み推定手段を有しない場合のシミュレーション波形を図７に、それぞれ示してある。
シミュレーションの条件としては、ＰＷＭ制御のスイッチング周期を１００［μｓ］、デッドタイムを５［μｓ］とし、電流調節手段の時定数を１［ｍｓ］、第２実施形態における前記ローパスフィルタ４３，４７の時定数τを０．１［ｍｓ］とした。

図５と図７とを比較すると、図７の出力電流波形には定期的に段が存在し、正弦波に歪みが含まれた波形になっている。また、高調波解析結果を見ると、図７では比較的高い周波数まで様々な周波数を含んだ歪みが顕著に発生している。
一方、図５の第２実施形態では、電流調節手段の特性は図７と同様であるにも関わらず、波形は良好な正弦波であり、高調波解析でも比較的高い周波数の歪みまで良好に低減できている。従って、本実施形態によれば、電流調節手段で追従できない歪み成分を効果的に除去して良好に制御を行っていることが分かる。
また、図６の先願発明によれば、図７に比べて出力電流波形の歪み成分は減少しているが、高調波解析結果からは未だ改善の余地があることが分かる。
以上のように、本発明によれば、出力電圧歪みを効果的に低減して良好な制御が行えることが確認された。

なお、上記の各実施形態では電圧形ＰＷＭインバータ１により誘導電動機２を駆動する場合を対象としたが、本発明は、同期電動機等の他の電動機の駆動システムにも適用可能である。

本発明の第１実施形態を示すブロック図である。 図１における電圧歪み推定手段の構成図である。 図１における電圧歪み推定手段の他の構成図である。 本発明の第２実施形態を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の効果を説明するためのシミュレーション波形である。 図１０の先願発明によるシミュレーション波形である。 電流調節手段のみで電圧歪み推定手段を有しない場合のシミュレーション波形である。 特許文献１に記載された従来技術を示すブロック図である。 第１の先願発明を示すブロック図である。 第２の先願発明を示すブロック図である。 図１０における電圧歪み推定手段の構成図である。

符号の説明

１：電圧形ＰＷＭインバータ
２：誘導電動機
５，７：座標変換手段
６：電流検出手段
２１〜２５，４１，４２，４４〜４６，５１〜５４：加減算手段
４０：電圧歪み推定手段
４３，４７：ローパスフィルタ
４８，４９：演算ブロック
６０：電流調節手段

Claims (4)

1. 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であって、前記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を、電圧補正値により補正して前記インバータに与えるようにした制御装置において、
   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、
   前記電圧補正値により補正した出力電圧指令値から基準電圧指令値を演算する手段と、
   前記基準電圧指令値と前記インバータの出力電圧推定値との差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前記電圧補正値を求める手段と、
   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。
2. 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、
   前記電圧補正値により補正した出力電圧指令値と負荷の逆起電力成分及びリアクタンスによる電圧降下成分とを用いて前記基準電圧指令値を演算すると共に、負荷の抵抗値及びインダクタンス値を用いて前記出力電圧推定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。
3. 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、
   前記電圧補正値により補正した出力電圧指令値を前記基準電圧指令値とし、負荷の抵抗値，インダクタンス値，逆起電力成分及びリアクタンスによる電圧降下成分を用いて前記出力電圧推定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。
4. 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、
   前記インバータの出力電流指令値と前記電流検出値との偏差を零にするように動作する電流調節手段を備え、
   前記電圧補正値による補正前の出力電圧指令値が、前記電流調節手段の出力を含むことを特徴とする電圧形インバータの制御装置。

Images