JP5217477B2 - 電圧型ｐｗｍインバータの制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電動機を可変速駆動する電圧型ＰＷＭインバータに係り、特に速度指令に応じてＰＷＭキャリア周波数を切換えるＰＷＭインバータの制御装置に関する。
図３に電圧型ＰＷＭインバータを用いた可変速駆動装置の例を示す。ＰＷＭ制御は、出力電圧の振幅Ｖに比例し、かつ出力周波数と同一周波数Ｆのそれぞれ１２０度ずつずれた３相の正弦波信号Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を発生させ、これらを三角波などのキャリア信号ｆｃと比較器で比較して、インバータの主回路を構成するパワーデバイスＩＧＢＴなどのスイッチングのタイミングを決めている。
このＰＷＭインバータにおけるキャリア周波数ｆｃは、主回路素子のスイッチングの頻度を決める要素であり、スイッチング損失および素子寿命に大きく影響する。一方、キャリア周波数を切り換えることにより付加価値を設けた手法がある。例えば、ＩＧＢＴのスイッチングロスを低減させるための手法として、単純にキャリア周波数を下げる方法や、主回路のＩＧＢＴの３アームのうちのある１アームのスイッチングを休ませる手法（２アーム制御）などがある（例えば、特許文献１参照）。
また、スイッチングの際の上下アームの短絡を防止するためにデッドタイムを設けるが、このデッドタイムの影響による電圧制御精度の低減を抑制するためにキャリア周波数を下げる手法もある。
特開平５−３１６７４４号公報
電圧型ＰＷＭインバータをサーボモータの駆動装置に適用した場合、サーボ系のドライバには、主に以下の運転パターンがあることが一般的なインバータと異なる。
（ａ）短時間・高トルク（大電流）での加減速運転
（ｂ）停止状態での高トルク制御（当て止めや保圧）
特に、（ｂ）の用途では一部の主回路素子に電流が集中するため、熱集中による主回路素子の破壊や寿命の低減に繋がる。
（ｂ）停止状態での高トルク制御（当て止めや保圧）
特に、（ｂ）の用途では一部の主回路素子に電流が集中するため、熱集中による主回路素子の破壊や寿命の低減に繋がる。
これら運転パターンにおける対策として、以下の方法が考えられる。
（１）停止状態での電流耐量を基準として、通常より枠（電流定格）の大きい主回路素子を選定する。
（２）キャリア周波数を低くして、適用する。
しかし、（１）についてはコストが上がってしまうことが問題になる。また、（２）については、キャリア周波数を下げることは制御の応答性の低下に繋がるため、特にサーボ系では加減速時のトルクの応答性が重要であるため、適用していない。
また、第３の対策として、停止状態での高トルク制御時のみキャリアを下げる方法が考えられるが、停止状態からの加速時に瞬時にキャリア周波数は切り替わらないので（加速開始の判定が必要なので）、停止状態からの加速特性に問題が生じてしまうことになる。
本発明の目的は、電流容量の大きい主回路素子を不要にして、加減速時の応答性を高めた電圧型ＰＷＭインバータの制御装置を提供することにある。
本発明は、前記の課題を解決するため、周波数指令（速度指令）の減速完了後に必要に応じてキャリア周波数を下げ、加速開始前にキャリア周波数を元に戻すキャリア周波数切換制御を行い、この切換制御には運転パターンで決まる加減速期間に必要なトルク応答を得るスケジューリング手段を設けたもので、以下の構成を特徴とする。
（１）予め定められた運転パターンを基に電動機の速度制御を行い、ＰＷＭキャリア周波数を切換制御できるＰＷＭインバータの制御装置であって、
前記ＰＷＭキャリア周波数の切換制御は、速度指令の減速完了後における、停止状態での高トルク制御が必要な期間はキャリア周波数を下げ、停止状態からの加速開始前にキャリア周波数を元に戻すキャリア周波数切換えを行い、
前記運転パターンに従った時刻または電動機の回転位置で決まる加減速期間に必要なトルク応答を得るスケジューリング手段を備えたことを特徴とする。
前記ＰＷＭキャリア周波数の切換制御は、速度指令の減速完了後における、停止状態での高トルク制御が必要な期間はキャリア周波数を下げ、停止状態からの加速開始前にキャリア周波数を元に戻すキャリア周波数切換えを行い、
前記運転パターンに従った時刻または電動機の回転位置で決まる加減速期間に必要なトルク応答を得るスケジューリング手段を備えたことを特徴とする。
（２）前記スケジューリング手段は、インバータの主回路素子のスイッチング損失による発熱量と、電動機の加減速に必要なトルクからＰＷＭキャリア周波数の切換制御を設定することを特徴とする。
以上のとおり、本発明によれば、周波数指令（速度指令）の減速完了後に必要に応じてキャリア周波数を下げ、加速開始前にキャリア周波数を元に戻すキャリア周波数切換制御を行い、この切換制御には運転パターンで決まる加減速期間に必要なトルク応答を得るスケジューリング手段を設けたため、加減速時の応答性を高めた制御ができる。
具体的には、短時間・高トルク（大電流）での加減速運転、また、停止状態での高トルク制御が必要なサーボドライバにおいて、熱集中による主回路素子の破壊や寿命の低減を防止するための対策として、通常より枠（電流定格）の大きい主回路素子を選定する必要が無くなるため、コストダウンに繋がる。また、キャリア周波数を低くして適用することによる、加減速性能の低下を防ぐことが出来る。
図１は、本発明の実施形態を示す電圧型ＰＷＭインバータの構成図である。この構成は、図３と同様に、Ｖ／Ｆ制御部１は周波数指令Ｆに比例したαβ軸の電圧Ｖα*、Ｖβ*を求め、位相検出部２は周波数指令Ｆの積分で位相θを求め、２相／３相変換器３は電圧Ｖα*、Ｖβ*と位相θから３相の正弦波信号Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を発生する。
ＰＷＭ制御部４は、これら正弦波信号Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を三角波などのキャリア信号ｆｃと比較してＵＶＷ相別の正弦波ＰＷＭ信号を発生する比較器４Ａと、キャリア信号ｆｃを発生する信号発生器４Ｂと、正弦波ＰＷＭ信号間にデッドタイムを形成するデッドタイム回路４Ｃと、この出力になる正弦波ＰＷＭ信号でインバータの主回路部５のパワーデバイス（ＩＧＢＴなど）のドライブ信号を発生するドライブ回路４Ｄで構成する。
この装置構成において、本実施形態では、予め設定される運転パターンを規定する時刻Ｔｎ別の周波数指令Ｆｎとキャリア周波数指令Ｆｃｎを発生するテーブル処理部６を追加している。
ここで、射出成型機やタレパン加工用のサーボモータをＰＷＭインバータで駆動する場合、テーブル処理部６の出力を決定する運転パターンは、前記のように、（ａ）短時間・高トルク（大電流）での加減速運転、（ｂ）停止状態での高トルク制御（当て止めや保圧）などの特徴がある。しかし、これらの用途では機械や製造品によって運転パターンが決められており、基本的にその繰り返し運転となり、一旦運転パターンを決めてしまえば、後で変更することはほとんど無いと言える。
この運転パターンによる繰り返し運転（周波数／電圧制御）において、運転パターンに従った時刻によって周波数指令Ｆを順次切換える制御に加えて、ＰＷＭキャリア周波数の切換え制御を行い、しかもキャリア周波数の切換えは高トルク発生に入る前に切換えておく。
図２は、テーブル処理部６に搭載する、周波数、キャリア周波数テーブルによる運転パターンの例を示す。パターン１周期間に周波数Ｆ１〜Ｆ８、キャリア周波数Ｆｃ１〜Ｆｃ８を切換える運転パターンにおいて、トルク波形に斜線部分で示す期間が、“停止状態での高トルク制御”が必要な部分とした場合、この期間では前述したように、主回路素子に電流が集中するため、熱集中による主回路素子の破壊や寿命の低減に繋がることになる。
そこで、電流集中期間のみキャリア周波数を下げれば、主回路素子のスイッチング損失を低減できるが、加減速時にキャリア周波数を下げたままでは加減速特性が悪くなってしまう。そこで、テーブル処理部６では、同じ運転パターンの繰り返し制御になるＰＷＭインバータにおけるキャリア周波数の切換えタイミングをスケジューリングし、主回路素子に負担がかかる条件ではキャリア周波数を低くして素子の破壊や寿命低下を防ぎつつ、加減速時にはキャリア周波数を“事前に”元に戻して加減速性能の悪化を防ぐ。
図２の例では、速度Ｆ３からＦ５に下げる減速期間Ｆ４にはキャリア周波数を高いままにしておくことで急減速に必要なトルク電流を確保し、速度Ｆ５の低速期間にはキャリア周波数を下げてスイッチング損失を軽減し、速度Ｆ５からＦ７に上げる加速期間Ｆ６にキャリア周波数を元に戻すことで急加速に必要なトルク電流を確保する。なお、速度Ｆ２の減速期間にはキャリア周波数を下げる制御を行わない。これは、該減速期間では運転パターンの初期になるため、主回路素子のスイッチング損失による発熱量がいまだ低いとしてテーブル設定されるものであり、運転パターンによって決められる。
なお、実施形態では、Ｖ／Ｆ制御方式のＰＷＭインバータに適用した場合を示すが、ベクトル制御方式の可変速ＰＷＭインバータなどに適用して同等の作用効果を得ることができる。また、テーブル処理部６は、周波数指令とキャリア周波数を時刻に従って切換えるのに代えて、運転パターンが電動機の回転量（位置）で決まる場合にはその位置に従って切換えることもできる。
１ Ｖ／Ｆ制御部
２ 位相検出部
３ ２相／３相変換器
４ ＰＷＭ制御部
５ インバータの主回路部
６ テーブル処理部
２ 位相検出部
３ ２相／３相変換器
４ ＰＷＭ制御部
５ インバータの主回路部
６ テーブル処理部
Claims (2)
- 予め定められた運転パターンを基に電動機の速度制御を行い、ＰＷＭキャリア周波数を切換制御できるＰＷＭインバータの制御装置であって、
前記ＰＷＭキャリア周波数の切換制御は、速度指令の減速完了後における、停止状態での高トルク制御が必要な期間はキャリア周波数を下げ、停止状態からの加速開始前にキャリア周波数を元に戻すキャリア周波数切換えを行い、
前記運転パターンに従った時刻または電動機の回転位置で決まる加減速期間に必要なトルク応答を得るスケジューリング手段を備えたことを特徴とする電圧型ＰＷＭインバータの制御装置。 - 前記スケジューリング手段は、インバータの主回路素子のスイッチング損失による発熱量と、電動機の加減速に必要なトルクからＰＷＭキャリア周波数の切換制御を設定することを特徴とする請求項１に記載の電圧型ＰＷＭインバータの制御装置。
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