JP5169118B2 - Power conversion device and power conversion method - Google Patents
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本発明は、モータ制御などに使用される電力変換装置および電力変換方法に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a power conversion method used for motor control and the like.
従来、PWM(Pulse-Width Modulation)変調方式を使用した電力変換装置がある(特許文献1参照)。当該電力変換装置では、スイッチの開閉によって発生する高調波ノイズを低減するために、キャリア周波数を時間変化させている。これにより、高調波ノイズのエネルギーを広周波数帯域で拡散させることができ、高調波ノイズのピークレベルを低減している。
しかしながら、従来の電力変換装置では、デジタル制御により、キャリア周波数を時間変化させているため、キャリア周波数の値は離散的になる。また、キャリア周波数が一の値を保持した後、他の値に離散的に変化する周期である割込み周期は、キャリア周波数の逆数であるキャリア周期に等しい。また、ある周波数帯域内における高調波ノイズのエネルギーは、キャリア周波数の値が上記帯域内に存在する時間に比例する。更に、キャリア周波数の値は等間隔であるので、上記帯域幅も等間隔である。これから、キャリア周波数の値が大きい程、上記帯域幅当りの上記エネルギーは小さくなる。よって、キャリア周波数を時間変化させて、上記帯域内で拡散させた高調波ノイズの各ピークレベルは不均一となり、十分にピークレベルを低減できていないという問題があった。 However, in the conventional power converter, since the carrier frequency is changed with time by digital control, the value of the carrier frequency becomes discrete. In addition, an interrupt cycle, which is a cycle in which the carrier frequency holds one value and then discretely changes to another value, is equal to a carrier cycle that is the inverse of the carrier frequency. Further, the energy of the harmonic noise in a certain frequency band is proportional to the time that the value of the carrier frequency exists in the band. Furthermore, since the carrier frequency values are equally spaced, the bandwidth is also equally spaced. From this, the larger the carrier frequency value, the smaller the energy per bandwidth. Therefore, the peak level of the harmonic noise diffused within the band by changing the carrier frequency with time is not uniform, and there is a problem that the peak level cannot be sufficiently reduced.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、キャリア周波数の高調波ノイズをより均一化することができる電力変換装置および電力変換方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said problem, and it aims at providing the power converter device and the power conversion method which can make the harmonic noise of a carrier frequency more uniform.
上記目的達成のため、本発明に係る電力変換装置では、出力手段から出力値を出力させるための制御信号を生成する制御信号生成手段に出力される搬送波の周波数を変化させる搬送波周波数変化手段は、搬送波の周波数の複数の値のうちの一の値が大きくなる程、上記複数の値を昇順または降順に並べた場合における上記一の値と上記一の値に隣接する値との差を小さくし、前記搬送波の周波数が前記一の値を保持した後、前記一の値に隣接する値に離散的に変化する周期を、前記搬送波の周期とすることを特徴としている。 To achieve the above object, in the power conversion device according to the present invention, the carrier frequency changing means for changing the frequency of the carrier wave output to the control signal generating means for generating the control signal for outputting the output value from the output means, higher the first value of the plurality of values of the carrier frequency is increased, to reduce the difference between the value adjacent to the value of the first value and the one in the case of arranging the plurality of values in ascending or descending order The frequency of the carrier wave having the one value and then discretely changing to a value adjacent to the one value is defined as the carrier wave period .
本発明により、キャリア周波数の高調波ノイズをより均一化することができる。 According to the present invention, the harmonic noise of the carrier frequency can be made more uniform.
本発明に係る電力変換装置の一例として、直流電源の出力をPWM変調することにより正弦波状の交流電力をモータに供給するインバータを備えるインバータシステムについて説明する。以下に、本発明の第1の実施形態に係るインバータシステムについて、図1乃至図11を参照して説明する。 As an example of a power converter according to the present invention, an inverter system including an inverter that supplies sinusoidal AC power to a motor by PWM-modulating the output of a DC power supply will be described. Hereinafter, an inverter system according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 11.
(第1の実施形態)
(インバータシステムの構成)
以下、図1を参照して、インバータシステム1の構成と動作について説明する。図1は本発明の第1の実施形態に係るインバータシステム1の構成を示す図、図2は図1に示すキャリア周波数変化部9で変化するキャリア周波数とキャリア周期Tcの関係を示す図である。電力変換装置であるインバータシステム1は、図1に示すように、出力手段であるPWMインバータ2、三相ブラシレス直流モータ(以下、モータとする。)3を備える。更に、電流センサ4a、4b、4cを含む電流検出部4、演算装置(以下、CPUとする。)を内蔵する制御装置10、電池BおよびコンデンサCを主な構成要素として備える。また、制御装置10は、指令値出力手段である電流指令生成部5、PID制御部6a、6b、6c、搬送波出力手段であるキャリア信号生成部7を備える。更に、制御信号生成手段である比較器8a、8b、8cおよび搬送波周波数変化手段であるキャリア周波数変化部9を備える。
(First embodiment)
(Inverter system configuration)
Hereinafter, the configuration and operation of the
上記PWMインバータ2は、6個のスイッチング素子Tu+、Tu−、Tv+、Tv−、Tw+、Tw−を備える。これらのスイッチング素子は、比較器8a、8b、8cの制御に従って電池BおよびコンデンサCからなる直流電源の正極又は負極を選択し、選択した電極をモータ3のU相、V相、W相の各電極に接続する。スイッチング素子Tu+、Tu−、Tv+、Tv−、Tw+、Tw−はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子により構成されている。
The
上記電流センサ4a、4b、4cはそれぞれ、PWMインバータ2からモータ3に供給されるU相、V相、W相の電流値を検出する。上記電流指令生成部5は、電流センサ4a、4b、4cの電流検出値が正弦波状の交流電流に変換されるように、正弦波状の電流指令値を生成する。上記PID制御部6a、6b、6cは、電流センサ4a、4b、4cの電流検出値が、電流指令生成部5が生成した電流指令値に従うように、電流センサ4a、4b、4cの電流検出値をPID制御する。
The
また、キャリア周波数変化部9は、キャリア信号生成部7で生成された搬送波であるキャリア信号の周波数(以下、キャリア周波数とする。後述する図5および図6参照)を変化させる。その際、キャリア周波数変化部9は、キャリア信号の周期(以下、キャリア周期とする。)Tcを複数設定する。図2に示すように、キャリア周波数とキャリア周期Tcとは反比例(逆数)の関係にあるので、キャリア周期Tcを複数設定することで、キャリア周波数を変化させることができる。更に、キャリア周波数が一の値を保持した後、他の値に離散的に変化する周期である割込み周期を、キャリア周期Tcに等しくする。そして、キャリア信号生成部7は、搬送波の周波数であるキャリア周波数を有する三角波状のキャリア信号を比較器8a、8b、8cに出力する。
The carrier
上記比較器8a、8b、8cは、PID制御部6a、6b、6cの出力値と三角波状のキャリア信号の大小関係を比較する。そして、その大小関係に応じてPWMインバータ2のスイッチング素子Tu+、Tu−、Tv+、Tv−、Tw+、Tw−のオン/オフを制御する信号をPWMインバータ2に入力する。U相のスイッチング素子Tu+、Tu−の制御を例として比較器8aの動作を具体的に説明する。比較器8aは、PID制御部6aの出力値が三角波状のキャリア信号よりも大きい場合、Tu+、Tu−をそれぞれオン状態およびオフ状態に制御することにより正の電圧をモータ3のU相に印加する。逆にPID制御部6aの出力値が三角波状のキャリア信号よりも小さい場合には、Tu+、Tu−をそれぞれオフ状態およびオン状態に制御することにより、負の電圧をモータ3のU相に印加する。
The
(キャリア周波数の値を等間隔で変化させた場合)
次に、従来の電力変換装置で用いられた、キャリア周波数の値を等間隔で変化させた場合のキャリア周波数の時間変化について説明する。図3は、等間隔で変化させた場合のキャリア周波数の時間変化の図である。図3に示すように、キャリア周波数の複数の値は離散的な値となる。図3は、キャリア周波数の複数の値における最小値から最大値まで昇順になるように、キャリア周期Tcを複数設定した場合の時間変化を示している。また、図3では、半周期分の時間変化を示している。もう半周期は、キャリア周波数の複数の値における最大値から最小値まで降順になるように、キャリア周期Tcを複数設定した場合の時間変化である。図3と図示しない半周期の時間変化を合わせて、1周期分の時間変化となる。これから、キャリア周波数の1周期分の時間変化は、三角波状になる。
(When changing the carrier frequency value at regular intervals)
Next, the time change of the carrier frequency when the value of the carrier frequency used in the conventional power conversion apparatus is changed at equal intervals will be described. FIG. 3 is a diagram of the time change of the carrier frequency when changing at equal intervals. As shown in FIG. 3, the plurality of carrier frequency values are discrete values. FIG. 3 shows a time change when a plurality of carrier periods Tc are set so as to increase in ascending order from the minimum value to the maximum value among the plurality of values of the carrier frequency. Moreover, in FIG. 3, the time change for a half cycle is shown. The other half cycle is a time change when a plurality of carrier cycles Tc are set so as to be descending from the maximum value to the minimum value of the plurality of values of the carrier frequency. A time change for one cycle is obtained by combining a time change of a half cycle (not shown) with FIG. From this, the time change of one cycle of the carrier frequency becomes a triangular wave.
具体的には、図3では、キャリア周波数の複数の値として、5kHz、6kHz、・・、15kHzの11個の値を使用している。そして、複数の値5kHz、・・、15kHzの間隔は全て1kHzであり、等しくなっている。更に、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzにおける最小値5kHzから最大値15kHzまでは、複数の値5kHz、・・、15kHzが昇順になるように、キャリア周期Tcを複数設定している。同様に、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzにおける最大値15kHzから最小値5kHzまでは、複数の値5kHz、・・、15kHzが降順になるように、キャリア周期Tcを複数設定している。また、キャリア周期Tcの各設定値と割込み周期を等しくする。これより、割込み周期未満の間、キャリア周波数の値は変化せず、一定値を保持する。そして、割込み周期毎に、キャリア周波数の値が離散的に変化する。これから、キャリア周波数の値が大きくなる程、キャリア周期Tcの設定値が小さくなる。よって、キャリア周波数の値が大きくなる程、割込み周期も小さくなる。
Specifically, in FIG. 3, 11 values of 5 kHz, 6 kHz,..., 15 kHz are used as a plurality of values of the carrier frequency. The intervals of the plurality of
更に、上記の時間変化の場合のノイズスペクトルと周波数密度について説明する。図4は、図3に示す時間変化の場合のノイズスペクトルと周波数密度を示す図である。図4(a)は図3に示す時間変化の場合の基本周波数(1次高調波)の周波数密度であり、図4(b)は図3に示す時間変化の場合の基本周波数のノイズスペクトルである。ここで、ある周波数帯域内の高調波ノイズのエネルギーを上記周波数帯域の帯域幅で割った値を周波数密度とする。すると、ある周波数帯域内の高調波ノイズのピークレベルは、周波数密度に比例する。また、ある周波数帯域内の高調波ノイズのエネルギーは、キャリア周波数の複数の値のうちの一の値のn(n=1、2、・・)次高調波が上記周波数帯域内に存在する時間に比例する。 Furthermore, the noise spectrum and frequency density in the case of the above time change will be described. FIG. 4 is a diagram showing the noise spectrum and frequency density in the case of the time change shown in FIG. 4A shows the frequency density of the fundamental frequency (first harmonic) in the case of the time change shown in FIG. 3, and FIG. 4B shows the noise spectrum of the fundamental frequency in the case of the time change shown in FIG. is there. Here, a value obtained by dividing the energy of the harmonic noise in a certain frequency band by the bandwidth of the frequency band is defined as a frequency density. Then, the peak level of the harmonic noise in a certain frequency band is proportional to the frequency density. Further, the energy of harmonic noise in a certain frequency band is the time during which n (n = 1, 2,. Is proportional to
具体的に説明すると、図4(a)に示すように、キャリア周波数が時間変化した場合、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzの基本周波数5kHz、・・、15kHzで各スペクトル(実線)が表れる。すなわち、5kHz、・・、15kHzでスペクトルが表れる。上記のように、キャリア周波数の値が大きくなる程、割込み周期が小さくなる。例えば、キャリア周波数の複数の値における最小値5kHzの割込み周期は0.2msecであるが、キャリア周波数の複数の値における最大値15kHzの割込み周期は0.066・・msecである。そのため、キャリア周波数の複数の値のうちの一の値の基本周波数が上記周波数帯域内に存在する時間は、キャリア周波数の値が大きくなる程、短くなる。これから、図4(a)に示したように、キャリア周波数の値が大きくなる程、上記周波数帯域内における高調波ノイズのエネルギーが小さくなり、スペクトルが小さくなる。
More specifically, as shown in FIG. 4A, when the carrier frequency changes with time, each spectrum (solid line) has a plurality of carrier frequency values of 5 kHz,. ) Appears. That is, a spectrum appears at 5 kHz,. As described above, the greater the carrier frequency value, the shorter the interrupt period. For example, the interrupt period of the
また、キャリア周波数の複数の値の基本周波数に対する各周波数帯域を規定する。図3では、上記のように、キャリア周波数の複数の値として、5kHz、6kHz、・・、15kHzの11個の値を使用している。そのため、図4(a)では、複数の値5kHz、・・、15kHzの基本周波数5kHz、・・、15kHzに対する周波数帯域として、11個示している。なお、11個の上記周波数帯域は、高調波ノイズをより均一化するため、互いに重ならないようにする。更に、11個の上記周波数帯域の帯域幅を全て等しくする。これから、上記のように、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzの間隔は全て1kHzであることから、11個の上記周波数帯域の帯域幅も1kHzとなる。すなわち、キャリア周波数の複数の値における最小値5kHzの基本周波数5kHzに対する周波数帯域は4.5kHz〜5.5kHzとなる。一方、キャリア周波数の複数の値における最大値15kHzの基本周波数15kHzに対する周波数帯域は14.5kHz〜15.5kHzとなる。
Further, each frequency band for a plurality of fundamental frequencies of the carrier frequency is defined. In FIG. 3, as described above, 11 values of 5 kHz, 6 kHz,..., 15 kHz are used as a plurality of values of the carrier frequency. For this reason, FIG. 4A shows 11 frequency bands for a plurality of values of 5 kHz,..., 15 kHz with respect to a basic frequency of 5 kHz,. The 11 frequency bands are not overlapped with each other in order to make the harmonic noise more uniform. Further, all the 11 frequency bands have the same bandwidth. As described above, since the intervals between the plurality of
図4(a)では、上記周波数帯域毎の周波数密度(点線)も示している。上記のように、キャリア周波数の値が大きくなる程、上記周波数帯域内における高調波ノイズのエネルギーが小さくなる。そして、11個の上記周波数帯域の帯域幅は全て等しい。これから、上記周波数帯域毎の周波数密度は、キャリア周波数の値が大きくなる程、小さくなる。すなわち、最大値15kHzの基本周波数15kHzに対する周波数帯域14.5kHz〜15.5kHzの周波数密度は、最小値5kHzの基本周波数5kHzに対する周波数帯域4.5kHz〜5.5kHzの周波数密度より小さい。よって、図3に示した時間変化の場合のノイズスペクトルは、結果的に、図4(b)のように、キャリア周波数の値が大きくなる程、小さくなる。これは、上記周波数帯域毎の高調波ノイズのピークレベルが上記周波数帯域毎の周波数密度に比例することから、明らかである。すなわち、キャリア周波数を時間変化させて拡散させた場合でも、上記周波数帯域毎の高調波ノイズのピークレベルが不均一となり、当該ピークレベルを十分に低減できていない。そこで、第1の実施形態では、11個の上記周波数帯域の帯域幅を不等にするため、キャリア周波数の値を不等間隔で変化させている。
In FIG. 4A, the frequency density (dotted line) for each frequency band is also shown. As described above, the higher the carrier frequency value, the lower the harmonic noise energy in the frequency band. And all the 11 frequency bands have the same bandwidth. From this, the frequency density for each frequency band becomes smaller as the value of the carrier frequency becomes larger. That is, the frequency density of the frequency band 14.5 kHz to 15.5 kHz with respect to the
(キャリア周波数の値を不等間隔で変化させた場合)
次に、本発明の第1の実施形態に係る、キャリア周波数の値を不等間隔で変化させた場合のキャリア周波数の時間変化について説明する。図5は第1の実施形態に係るキャリア周波数の時間変化の半周期を示す図、図6は図5に示す時間変化に続く半周期を示す図である。図3と同様に、キャリア周波数の複数の値は離散的な値となる。図5は、キャリア周波数の複数の値における最小値から最大値まで昇順になるように、キャリア周期Tcを複数設定した場合の時間変化を示している。図6は、キャリア周波数の複数の値における最大値から最小値まで降順になるように、キャリア周期Tcを複数設定した場合の時間変化を示している。図5および図6に示す時間変化を合わせて、1周期分の時間変化となる。これから、キャリア周波数の1周期分の時間変化は三角波状になる。
(When the carrier frequency value is changed at unequal intervals)
Next, the time change of the carrier frequency when the value of the carrier frequency is changed at unequal intervals according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a diagram showing a half cycle of the time change of the carrier frequency according to the first embodiment, and FIG. 6 is a diagram showing a half cycle following the time change shown in FIG. Similar to FIG. 3, the plurality of values of the carrier frequency are discrete values. FIG. 5 shows a time change when a plurality of carrier periods Tc are set so as to be in ascending order from the minimum value to the maximum value among the plurality of values of the carrier frequency. FIG. 6 shows the change over time when a plurality of carrier periods Tc are set so that the carrier frequency is in descending order from the maximum value to the minimum value among the plurality of values of the carrier frequency. The time change shown in FIGS. 5 and 6 is combined to be a time change for one cycle. From this, the time change of one cycle of the carrier frequency becomes a triangular wave.
具体的には、図5および図6では、図3と同様に、キャリア周波数の複数の値として、5kHz、・・、15kHzの11個の値を使用している。そして、図3と同様に、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzにおける最小値5kHzから最大値15kHzまでは、複数の値5kHz、・・、15kHzが昇順になるように、キャリア周期Tcを複数設定している。更に、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzにおける最大値15kHzから最小値5kHzまでは、複数の値5kHz、・・、15kHzが降順になるように、キャリア周期Tcを複数設定している。また、図3と同様に、キャリア周期Tcの各設定値と割込み周期を等しくする。これから、割込み周期未満の間、キャリア周波数の値は変化せず、一定値を保持する。そして、割込み周期毎に、キャリア周波数の値が離散的に変化する。これから、図3と同様に、キャリア周波数の値が大きくなる程、キャリア周期Tcの設定値が小さくなる。よって、キャリア周波数の値が大きくなる程、割込み周期も小さくなる。しかし、第1の実施形態では、図3と異なり、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzを不等間隔で変化させている。
Specifically, in FIGS. 5 and 6, as in FIG. 3, 11 values of 5 kHz,..., 15 kHz are used as a plurality of values of the carrier frequency. As in FIG. 3, the carrier period Tc is such that the plurality of
更に、上記の時間変化の場合のノイズスペクトルと周波数密度についても説明する。図7は、図5および図6に示す時間変化の場合のノイズスペクトルと周波数密度を示す図である。図7(a)は、図5および図6に示す時間変化の場合の基本周波数(1次高調波)の周波数密度であり、図7(b)は図5および図6に示す時間変化の場合の基本周波数のノイズスペクトルである。図7(a)に示すように、図4(a)と同様に、キャリア周波数が時間変化した場合、キャリア周波数の複数の値の基本周波数で各スペクトル(実線)が表れる。すなわち、5kHz、・・、15kHzでスペクトルが表れる。上記のように、キャリア周波数の値が大きくなる程、割込み周期が小さくなる。そのため、図4(a)と同様に、キャリア周波数の複数の値のうちの一の値の基本周波数がある周波数帯域内に存在する時間は、キャリア周波数の値が大きくなる程、短くなる。これから、図4(a)と同様に、キャリア周波数の値が大きくなる程、上記周波数帯域内における高調波ノイズのエネルギーが小さくなり、スペクトルが小さくなる。 Further, the noise spectrum and frequency density in the case of the above time change will be described. FIG. 7 is a diagram showing a noise spectrum and a frequency density in the case of the time change shown in FIGS. FIG. 7A shows the frequency density of the fundamental frequency (first harmonic) in the case of the time change shown in FIGS. 5 and 6, and FIG. 7B shows the case of the time change shown in FIGS. It is a noise spectrum of the fundamental frequency. As shown in FIG. 7A, as in FIG. 4A, when the carrier frequency changes with time, each spectrum (solid line) appears at a plurality of fundamental frequencies of the carrier frequency. That is, a spectrum appears at 5 kHz,. As described above, the greater the carrier frequency value, the shorter the interrupt period. Therefore, as in FIG. 4A, the time in which a fundamental frequency of one of a plurality of values of the carrier frequency exists in a certain frequency band becomes shorter as the value of the carrier frequency increases. As in FIG. 4A, as the carrier frequency value increases, the harmonic noise energy in the frequency band decreases and the spectrum decreases.
図5および図6に示すように、キャリア周波数の複数の値として、5kHz、・・、15kHzの11個の値を使用している。そのため、図7(a)では、複数の値5kHz、・・、15kHzの基本周波数5kHz、・・、15kHzに対する周波数帯域として、11個示している。なお、11個の上記周波数帯域は、高調波ノイズをより均一化するため、互いに重ならないようにする。ここで、第1の実施形態では、図4(a)と異なり、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzを不等間隔で変化させている。具体的には、複数の値5kHz、・・、15kHzのうちの一の値fc1(図8参照)が大きくなる程、複数の値5kHz、・・、15kHzを昇順に並べた場合における一の値fc1と隣接する値fc2(図8参照)との差を小さくする。そのため、上記周波数帯域毎の帯域幅は、キャリア周波数の値が大きくなる程、小さくなる。第1の実施形態に係る11個の上記周波数帯域(点線)を図7(a)に示す。
As shown in FIGS. 5 and 6, 11 values of 5 kHz,..., 15 kHz are used as a plurality of values of the carrier frequency. Therefore, in FIG. 7A, 11 frequency bands are shown for a plurality of values of 5 kHz,..., 15 kHz with respect to a basic frequency of 5 kHz,. The 11 frequency bands are not overlapped with each other in order to make the harmonic noise more uniform. Here, in the first embodiment, unlike FIG. 4A, a plurality of
上記のように、キャリア周波数の値が大きくなる程、上記周波数帯域内における高調波ノイズのエネルギーが小さくなる。しかし、第1の実施形態では、上記のように、キャリア周波数の値が大きくなる程、上記帯域幅を小さくしているので、図7(a)に示したように、上記周波数帯域毎の周波数密度をより平坦にすることができる。すなわち、キャリア周波数の複数の値の基本周波数に表れる各スペクトルはピークが異なるが、キャリア周波数の時間変化により、各スペクトルは、キャリア周波数の複数の値の基本周波数に対する周波数帯域内で拡散される。例えば、キャリア周波数の複数の値のうちの一の値の基本周波数に表れるスペクトルは、上記一の値より大きい他の値の基本周波数に表れるスペクトルよりレベルが高くなるが、隣り合うスペクトルとの間隔が広くなる。一方、キャリア周波数の複数の値のうちの一の値の基本周波数に表れるスペクトルは、上記一の値より小さい他の値の基本周波数に表れるスペクトルよりレベルが低くなるが、隣り合うスペクトルとの間隔が狭くなる。したがって、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzの基本周波数5kHz、・・、15kHzに対する周波数帯域全体で見た場合、当該周波数帯域毎の周波数密度をより均一にすることができる。よって、図5および図6に示した時間変化の場合のノイズスペクトルは、図7(b)に示すように均一となる。これから、上記周波数帯域毎の高調波ノイズのピークレベルが均一となり、当該ピークレベルをより低減できる。 As described above, the higher the carrier frequency value, the lower the harmonic noise energy in the frequency band. However, in the first embodiment, as described above, as the value of the carrier frequency increases, the bandwidth is reduced. Therefore, as shown in FIG. The density can be made flatter. That is, each spectrum appearing in a plurality of fundamental frequencies of the carrier frequency has a different peak, but each spectrum is spread within a frequency band with respect to the fundamental frequencies of the plurality of values of the carrier frequency due to changes in the carrier frequency over time. For example, a spectrum that appears in one of the plurality of carrier frequency values has a higher level than a spectrum that appears in another fundamental frequency that is larger than the one value, but is spaced from adjacent spectra. Becomes wider. On the other hand, the spectrum that appears in the fundamental frequency of one value among the plurality of values of the carrier frequency has a lower level than the spectrum that appears in the fundamental frequency of another value that is smaller than the one value, but the interval between adjacent spectrums. Becomes narrower. Therefore, when viewed over the entire frequency band with respect to a plurality of carrier frequency values of 5 kHz,..., 15 kHz and a basic frequency of 5 kHz,..., 15 kHz, the frequency density for each frequency band can be made more uniform. Therefore, the noise spectrum in the case of the time change shown in FIGS. 5 and 6 becomes uniform as shown in FIG. 7B. From this, the peak level of the harmonic noise for each frequency band becomes uniform, and the peak level can be further reduced.
(一の値fc1に隣接する値fc2の計算方法)
次に、第1の実施形態に係るインバータシステム1のキャリア周波数の複数の値のうちの一の値fc1に隣接する値fc2の計算方法について説明する。図8は、キャリア周波数の複数の値のうちの一の値fc1に隣接する値fc2の計算方法を示す図である。図8において、キャリア周波数の複数の値のうちの一の値fc1に隣接する値fc2(fc1<fc2)を計算する。ここで、一の値fc1のキャリア周期TcをTc1と、隣接する値fc2のキャリア周期TcをTc2とする。更に、一の値fc1の基本周波数に対する周波数帯域をΔfc1と、隣接する値fc2の基本周波数に対する周波数帯域をΔfc2(Δfc1>Δfc2)とする。なお、上記周波数帯域Δfc1の最小値と上記周波数帯域Δfc1の最大値の合計を2で割った値が、一の値fc1となる。同様に、上記周波数帯域Δfc2の最小値と上記周波数帯域Δfc2の最大値の合計を2で割った値が、隣接する値fc2となる。
(Calculation method of value fc2 adjacent to one value fc1)
Next, a method for calculating the value fc2 adjacent to one value fc1 among the plurality of values of the carrier frequency of the
ここで、図8より、次に関係式が導かれる。 Here, the relational expression is derived from FIG.
(キャリア周波数変化部9の内部構成とそれで実行される制御処理)
次に、キャリア周波数変化部9の内部構成とキャリア周波数変化部9で実行される制御処理について説明する。図9は、図1に示すキャリア周波数変化部9の内部構成を示すブロック図である。図9に示すように、キャリア周波数変化部9は、キャリア周波数の複数の値における最小値である初期値、キャリア周波数の複数の値における最大値および当該初期値の基本周波数に対する周波数帯域を設定させる設定部91を備える。更に、図8に示した計算方法を実行する演算部92と、演算部92が計算した計算値の逆数であるキャリア周期Tcを格納する記憶部94と、上記最大値より当該計算値が大きいか否か判定する計算値判定部95とを備える。また、キャリア周波数を一の値に保持した後、他の値に離散的に変化させるための割込み信号を発生する割込み信号発生部96と、割込み周期をカウントする計時部97とを備える。また、カウンタの値が、記憶部94に格納されたキャリア周期Tc以上か否か判定するカウント値判定部98を備える。更に、主に、設定部91、演算部92、記憶部94、計算値判定部95、割込み信号発生部96、計時部97およびカウント値判定部98をタイミング制御する制御部93と備えている。
(Internal configuration of carrier
Next, an internal configuration of the carrier
図10は、図8に示す計算方法を実行するフローチャートである。図10に示すように、設定部91は、キャリア周波数の複数の値における最小値である初期値、キャリア周波数の複数の値における最大値および当該初期値の基本周波数に対する周波数帯域をユーザに設定させる(ステップS101)。ここで、キャリア周波数の値として使用可能な範囲が与えられる場合がある。例えば、システム要件(例えば、PWMインバータ2のスイッチング素子Tu+、Tu−、Tv+、Tv−、Tw+、Tw−の発熱の抑制、音響ノイズの発生の抑制等)による。キャリア周波数の複数の値における最小値は、上記使用可能な範囲の最小周波数であり、キャリア周波数の複数の値における最大値は、上記使用可能な範囲の最大周波数である。第1の実施形態では、最小値を5kHz、最大値を15kHzとしている。次に、演算部92は、図8に示した計算方法により、設定部91で設定された初期値および当該初期値の基本周波数に対する周波数帯域から計算値を計算する(ステップS102)。
FIG. 10 is a flowchart for executing the calculation method shown in FIG. As illustrated in FIG. 10, the setting
次に、計算値判定部95は、演算部92で計算された計算値と設定部91で設定された最大値とを比較し、上記計算値が上記最大値より大きいか否か判定する(ステップS103)。上記計算値が上記最大値より大きくないと計算値判定部95が判定した場合(ステップS103:No)、演算部92は上記計算値を初期値に代入する(ステップS104)。次に、演算部92は、上記計算値の逆数であるキャリア周期Tcを計算する(ステップS105)。制御部93は、演算部92で計算されたキャリア周期Tcを記憶部94に格納する。第1の実施形態では、記憶部94のある配列に複数のキャリア周期Tcを格納する。その後、ステップS102に移行し、設定部91で設定された上記周波数帯域と演算部92により代入された現状の初期値とから、次の計算値を計算する。以降、上記計算値が上記最大値より大きいと計算値判定部95が判定するまで、ステップS102〜ステップS105の制御処理を繰り返し実行する。これにより、複数の計算値および複数のキャリア周期Tcを自動的に計算できる。また、演算部92が図8に示した計算方法を実行しているので、上記計算値のうちの一の値fc1が大きくなる程、一の値fc1と一の値fc1に隣接する値fc2との差を小さくすることができる。
Next, the calculated
一方、上記計算値が上記最大値より大きいと計算値判定部95が判定した場合(ステップS103:Yes)、制御部93は、記憶部94に格納された複数のキャリア周期Tcを並べ替え(ステップS106)、本制御処理を終了する。具体的には、第1の実施形態では、記憶部94のある配列に格納された複数のキャリア周期Tcは降順に並んでいる。そこで、降順に並んだ複数のキャリア周期Tcを、記憶部94の他の配列に格納する。更に、記憶部94のある配列に格納された複数のキャリア周期Tcを昇順に並べ替え、上記他の配列に格納する。このとき、降順に並んだキャリア周期Tcに続いて、昇順に並べ替えたキャリア周期Tcを格納する。このようにして、キャリア周期Tcの設定値を複数設定している。
On the other hand, when the calculated
図11は、図5および図6に示す時間変化を実行するフローチャートである。図11に示すように、まず、カウント値判定部98は、記憶部94の他の配列に格納されたキャリア周期Tcの最初の設定値を、割込み周期として取得する。
次に、カウント値判定部98は、キャリア周波数を一の値に保持した後、他の値に離散的に変化させるための割込み信号を割込み信号発生部96から発生させる(ステップS201)。次に、計時部97は、割込み信号発生部96からの割込み信号に基づいて、内蔵されたカウンタによりカウント動作を開始する(ステップS202)。次に、カウント値判定部98は、割込み信号に基づいて、カウンタの値(以下、カウント値とする。)が割込み周期、すなわち、キャリア周期Tcの最初の設定値以上になったか否か判定する(ステップS203)。カウント値が割込み周期以上でないとカウント値判定部98が判定した場合(ステップS203:No)、カウント値が割込み周期以上であるとカウント値判定部98が判定するまで、キャリア周波数変化部9は待機する。
FIG. 11 is a flowchart for executing the time change shown in FIGS. 5 and 6. As shown in FIG. 11, first, the count
Next, after holding the carrier frequency at one value, the count
一方、カウント値が割込み周期以上であるとカウント値判定部98が判定した場合(ステップS203:Yes)、カウント値判定部98は、キャリア周期Tcの次の設定値を、割込み周期として取得する(ステップS204)。その後、ステップS201に戻り、カウント値判定部98は、割込み信号を割込み信号発生部96から再度発生させる。以降、ステップS201〜ステップS204の制御処理を繰り返し実行する。これにより、記憶部94の他の配列に格納されたキャリア周期Tcの設定値の順番で、割込み信号を発生させることができる。これから、キャリア周波数の複数の値における最小値から最大値までは複数の値が昇順になるように、最大値から最小値までは複数の値が降順になるように、キャリア周波数を変化させることができる。よって、図5および図6に示したキャリア周波数の時間変化を実現することができる。
On the other hand, when the count
以上より、第1の実施形態に係るインバータシステム1では、指令値を出力する電流指令生成部5と、キャリア信号を出力するキャリア信号生成部7と、キャリア周波数を変化させるキャリア周波数変化部9とを備える。また、上記指令値とキャリア信号とを比較し、該比較結果に応じた制御信号を生成する比較器8a、8b、8cと、上記制御信号に基づいた出力値を出力するPWMインバータ2とを備える。そして、キャリア周波数変化部9は、キャリア周波数の複数の値のうちの一の値fc1が大きくなる程、複数の値を昇順に並べた場合における一の値fc1と一の値fc1に隣接する値fc2との差を小さくしている。これから、キャリア周波数の高調波ノイズをより均一化することができる。
As described above, in the
なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、第1の実施形態では、インバータシステム1について本発明を適用したが、特にこれに限定されるものでない。例えば、Hブリッジ構成のDCモータ駆動システムやDC−DCコンバータ等のスイッチングにより電力を変換するシステムにおいて、スイッチングの周波数を離散的な値で時間とともに変化させるシステムであれば、適用可能である。
The embodiment described above is an example of the implementation of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto, and other various embodiments are within the scope described in the claims. It is applicable to. For example, in the first embodiment, the present invention is applied to the
また、第1の実施形態では、キャリア周波数の時間変化を三角波状に変化させているが、特にこれに限定されるものでなく、他の形状でも良い。キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzのうちの一の値fc1が大きくなる程、複数の値5kHz、・・、15kHzを昇順に並べた場合における一の値fc1と隣接する値fc2との差を小さくすれば、どの形状でも良い。例えば、図5に示した時間変化を1周期とした場合の時間変化、すなわち、のこぎり波状としても良い。同様に、図6に示した時間変化を1周期とした場合の時間変化、すなわち、のこぎり波状としても良い。更に、キャリア周波数の時間変化を、図12に示すようにランダムに変化させても良い。なお、キャリア周波数の時間変化の形状は、図10のステップS106の制御処理、すなわち、制御部93によるキャリア周期Tcの並べ替え処理で容易に変更することできる。
In the first embodiment, the time change of the carrier frequency is changed to a triangular wave shape, but is not particularly limited to this, and other shapes may be used. A value fc2 adjacent to one value fc1 when the plurality of values 5kHz,..., 15kHz are arranged in ascending order as the value fc1 of the plurality of values 5kHz,. Any shape can be used as long as the difference is reduced. For example, the time change when the time change shown in FIG. 5 is one period, that is, a sawtooth wave shape may be used. Similarly, a time change when the time change shown in FIG. 6 is one cycle, that is, a sawtooth wave shape may be used. Furthermore, the time change of the carrier frequency may be changed randomly as shown in FIG. Note that the shape of the carrier frequency over time can be easily changed by the control process in step S106 of FIG. 10, that is, the rearrangement process of the carrier period Tc by the
また、第1の実施形態では、キャリア周波数の複数の値として、5kHz、・・、15kHzを使用しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の値でも良い。また、キャリア周波数の複数の値として、11個の値を使用しているが、特にこれに限定されるものでなく、何個でも良い。 In the first embodiment, 5 kHz,..., 15 kHz are used as a plurality of values of the carrier frequency. However, the present invention is not particularly limited to this, and other values may be used. Further, although 11 values are used as the plurality of values of the carrier frequency, the number is not particularly limited to this, and any number may be used.
また、第1の実施形態では、増加時(図5参照)のキャリア周波数の値と、減少時(図6参照)のキャリア周波数の値とを同じ値にしているが、特にこれに限定されるものでなく、異なっていても良い。 Further, in the first embodiment, the value of the carrier frequency at the time of increase (see FIG. 5) and the value of the carrier frequency at the time of decrease (see FIG. 6) are set to the same value. It is not a thing and may be different.
また、第1の実施形態では、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzを昇順に並べた場合における一の値fc1と一の値fc1に隣接する値fc2との差を小さくしているが、特にこれに限定されるものでない。キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzを降順に並べた場合における一の値fc1と一の値fc1に隣接する値fc2との差を小さくしても良い。
In the first embodiment, the difference between one value fc1 and the value fc2 adjacent to the one value fc1 when a plurality of
また、第1の実施形態では、図8に示した計算方法を使用して、一の値fc1に隣接する値fc2を計算しているが、特にこれに限定されるものでない。一の値fc1と一の値fc1に隣接する値fc2との差を小さくできれば、程度の差はあるが、他の方法でも良い。 In the first embodiment, the value fc2 adjacent to one value fc1 is calculated using the calculation method shown in FIG. 8, but the present invention is not particularly limited to this. As long as the difference between the one value fc1 and the value fc2 adjacent to the one value fc1 can be reduced, other methods may be used.
また、第1の実施形態では、キャリア周波数変化部9の演算部92は、図8に示した計算方法で計算値を計算し、キャリア周期Tcを計算しているが、特にこれに限定されるものでなく、ユーザが予め計算していても良い。
In the first embodiment, the
また、第1の実施形態では、キャリア周波数の複数の値における最小値を初期値として、ユーザに設定させているが、特にこれに限定されるものでなく、上記最小値と異なる値を初期値としても良い。 In the first embodiment, the user sets the minimum value among a plurality of values of the carrier frequency as an initial value. However, the present invention is not particularly limited to this, and a value different from the minimum value is set as the initial value. It is also good.
また、第1の実施形態では、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzの基本周波数5kHz、・・、15kHzに対する周波数帯域毎の帯域幅を、キャリア周波数の値が大きくなる程、小さくしている。そして、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzの基本周波数5kHz、・・、15kHzに表れる各スペクトルを上記帯域幅で割ることで、周波数密度をより均一にしている。しかし、特にこれに限定されるものでない。キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzのm(m:任意の整数のうちの一の整数)次高調波m×5kHz、・・、m×15kHzに表れる各スペクトルを上記帯域幅で割っても、同様の効果を取得できる。
Further, in the first embodiment, the bandwidth for each frequency band with respect to a plurality of carrier frequency values of 5 kHz,..., 15 kHz and a basic frequency of 5 kHz,. ing. Then, the frequency density is made more uniform by dividing each spectrum appearing at a plurality of carrier frequency values of 5 kHz,..., 15 kHz into fundamental frequencies of 5 kHz,. However, it is not particularly limited to this. Multiple values of
また、第1の実施形態では、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzを増加時(図5参照)と、減少時(図6参照)との2回使用している。また、キャリア周波数の複数の値のうちの一の値の基本周波数が上記周波数帯域内に存在する時間は、キャリア周波数の値が大きくなる程、短くなるので、上記周波数帯域内における高調波ノイズのエネルギーも小さくなる。そこで、第1の実施形態では、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzの基本周波数5kHz、・・、15kHzに対する周波数帯域毎の帯域幅を、キャリア周波数の値が大きくなる程、小さくする。そして、キャリア周波数の複数の値5kHz、・・、15kHzの基本周波数5kHz、・・、15kHzに表れる各スペクトルを上記帯域幅で割ることで、周波数密度をより均一にしている。しかし、特にこれに限定されるものでない。
In the first embodiment, a plurality of
キャリア周波数の複数の値の基本周波数に対する周波数帯域毎の帯域幅を等しくしたまま、キャリア周波数の複数の値のうちの一の値の基本周波数が上記周波数帯域内に存在する時間を同じにしても、同様の効果を取得できる。すなわち、キャリア周波数の複数の値の使用回数を異ならせて、上記存在する時間を同じにすれば良い。具体的には、例えば、キャリア周波数の複数の値が5kHz、10kHzおよび15kHzの3個の場合を考える。キャリア周波数の1周期の時間変化を、10kHz、15kHz、10kHz、5kHz、15kHz、10kHzとする。すなわち、1周期の間に、5kHzを1回、10kHzを2回、15kHzを3回使用する。これから、キャリア周波数の複数の値5kHz、10kHz、15kHzの基本周波数5kHz、10kHz、15kHzが各周波数帯域内に存在する時間は、下記のようになる。
Even if the bandwidth for each frequency band with respect to the fundamental frequency of the plurality of values of the carrier frequency is kept the same, the time during which the fundamental frequency of one value among the plurality of values of the carrier frequency exists in the frequency band is made the same. , You can get the same effect. That is, the existing times may be made the same by changing the number of times of use of a plurality of values of the carrier frequency. Specifically, for example, consider a case where there are three carrier frequency values of 5 kHz, 10 kHz, and 15 kHz. The time change of one cycle of the carrier frequency is 10 kHz, 15 kHz, 10 kHz, 5 kHz, 15 kHz, and 10 kHz. That is, 5 kHz is used once, 10 kHz is used twice, and 15 kHz is used three times during one period. From this, the time during which the plurality of
1 電力変換装置であるインバータシステム、
2 出力手段であるPWMインバータ、3 三相ブラシレス直流モータ、
4 電流検出部、4a、4b、4c 電流センサ、
5 指令値出力手段である電流指令生成部、6a、6b、6c PID制御部、
7 搬送波出力手段であるキャリア信号生成部、
8a、8b、8c 制御信号生成手段である比較器、
9 搬送波周波数変化手段であるキャリア周波数変化部、
10 制御装置、
91 設定部、92 演算部、93 制御部、94 記憶部、
95 計算値判定部、96 割込み信号発生部、97 計時部、
98 カウント値判定部、
B 電池、C コンデンサ、fc1 一の値、fc2 隣接する値、
Δfc1、Δfc2 周波数帯域、Tc、Tc1、Tc2 キャリア周期、
Tu+、Tu−、Tv+、Tv−、Tw+、Tw− スイッチング素子、
θ 角度
1 Inverter system that is a power converter,
2 Output means PWM inverter, 3 three-phase brushless DC motor,
4 Current detector, 4a, 4b, 4c Current sensor,
5 current value generating means as command value output means, 6a, 6b, 6c PID control part,
7 Carrier signal generation unit which is carrier wave output means,
8a, 8b, 8c Comparator as control signal generating means,
9 Carrier frequency changing unit as carrier frequency changing means,
10 control device,
91 setting unit, 92 calculation unit, 93 control unit, 94 storage unit,
95 Calculated value judgment part, 96 Interrupt signal generation part, 97 Timekeeping part,
98 count value determination unit,
B battery, C capacitor, fc1 one value, fc2 adjacent value,
Δfc1, Δfc2 frequency band, Tc, Tc1, Tc2 carrier period,
Tu +, Tu−, Tv +, Tv−, Tw +, Tw− switching elements,
θ angle
Claims (6)
搬送波を出力する搬送波出力手段と、
前記搬送波の周波数を変化させる搬送波周波数変化手段と、
前記指令値と前記搬送波とを比較し、該比較結果に基づいた制御信号を生成する制御信号生成手段と、
前記制御信号に基づいた出力値を出力する出力手段とを備え、
前記搬送波周波数変化手段は、前記周波数の複数の値のうちの一の値が大きくなる程、前記複数の値を昇順または降順に並べた場合における前記一の値と前記一の値に隣接する値との差を小さくし、
前記搬送波の周波数が前記一の値を保持した後、前記一の値に隣接する値に離散的に変化する周期を、前記搬送波の周期とする
ことを特徴とする電力変換装置。 Command value output means for outputting the command value;
Carrier wave output means for outputting a carrier wave;
Carrier frequency changing means for changing the frequency of the carrier;
Control signal generating means for comparing the command value with the carrier wave and generating a control signal based on the comparison result;
Output means for outputting an output value based on the control signal,
The carrier frequency changing means has a value adjacent to the one value and the one value when the plurality of values are arranged in ascending order or descending order as one value of the plurality of values of the frequency increases. the difference between the smaller,
The power conversion device according to claim 1, wherein a period in which the frequency of the carrier wave is discretely changed to a value adjacent to the one value after holding the one value is a period of the carrier wave .
前記差|fc2−fc1|は、
|fc2−fc1|=α×(1/fc1+1/fc2)(但し、αは正数)
で表されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の電力変換装置。 When the one value is fc1 and the adjacent value is fc2,
The difference | fc2−fc1 |
| Fc2−fc1 | = α × (1 / fc1 + 1 / fc2) (where α is a positive number)
It is represented by these. The power converter device in any one of the Claims 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の電力変換装置。The power converter according to any one of claims 1 to 4.
出力手段により、前記制御信号に基づいた出力値を出力し、
搬送波周波数変化手段により、前記周波数の複数の値のうちの一の値が大きくなる程、前記複数の値を昇順または降順に並べた場合における前記一の値と前記一の値に隣接する値との差が小さくなるように、前記搬送波の周波数を変化させ、
前記搬送波の周波数が前記一の値を保持した後、前記一の値に隣接する値に離散的に変化する周期を、前記搬送波の周期とする
ことを特徴とする電力変換方法。 The control signal generating means compares the command value from the command value output means with the carrier wave from the carrier wave output means, and generates a control signal according to the comparison result,
An output means outputs an output value based on the control signal,
The one value and the value adjacent to the one value when the plurality of values are arranged in ascending order or descending order as the value of one of the plurality of values of the frequency increases by the carrier frequency changing means. The carrier frequency is changed so that the difference between
The power conversion method , wherein a period in which the frequency of the carrier wave discretely changes to a value adjacent to the one value after holding the one value is set as a period of the carrier wave .
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