JP5257594B2

JP5257594B2 - 電圧型インバータのスイッチング信号生成方法及び装置

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Publication number: JP5257594B2
Application number: JP2008257435A
Authority: JP
Inventors: 良樹芝垣
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-10-02
Also published as: JP2010088266A

Description

本発明は、デッドタイム補償機能を有する電圧型インバータのスイッチング信号生成方法及び装置関する。

交流電動機駆動用の電圧インバータの基本的構成を示す回路図が図２に示されている。同図に示される電圧形インバータは、６個のダイオードＤ_１〜Ｄ_６を有する三相ブリッジ整流回路と平滑用の主回路コンデンサＣとを含む交直変換部と、６個のスイッチング素子Ｔｒ_１〜Ｔｒ_６（この例では、ＩＧＢＴ）を有する三相ブリッジ回路よりなる直交変換部とを包含している。なお、図において、ＰＳは三相交流電源、Ｍは電動機（この例では、三相誘導電動機）、ＦＤ_１〜ＦＤ_６はフライホイールダイオードである。

それらのスイッチング素子Ｔｒ_１〜Ｔｒ_６は、制御回路ＣＯＮＴに含まれるスイッチング信号生成部から与えられるスイッチング信号Ｓ_１〜Ｓ_６によってスイッチング制御され、上下アームのスイッチング素子（Ｔｒ_１とＴｒ_４、Ｔｒ_２とＴｒ_５、Ｔｒ_３とＴｒ_６）を交互に導通することによって出力電圧のデューティ比を変化させ、出力電圧指令に従った所望の交流電圧を発生させている。

制御回路ＣＯＮＴに含まれるスイッチング信号生成部の従来例が図３に示されている。同図に示されるように、このスイッチング信号生成部は、外部から与えられた周波数指令値（ｆ_ｒｅｆ）に基づいて瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）を生成する瞬時電圧指令生成手段１０１と、電流検出手段から与えられた出力電流相当値（ｘ_ｎ）を、出力電流相当値（ｘ_ｎ）の極性を演算要素として含む所定の演算式に代入することにより、デッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）を算出するデッドタイム補償量演算手段１０２と、瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）とデッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）とを加算して得られた補償済み瞬時電圧指令値（ｖ′_ｒｅｆ）に基づいて、各スイッチング素子に対して与えられるべきスイッチング信号であるＰＷＭ信号（ｓ_１〜ｓ_６）を生成するＰＷＭ信号生成手段１０３とを包含するものである。

ところで、スイッチング素子のゲート信号（スイッチング信号）をオフにしてから、実際にスイッチング素子が完全に遮断するまでには一定の時間を要する。したがって、上下アームのスイッチング素子が同時に導通して短絡状態となることを防ぐため、一方のスイッチング素子のゲート信号をオフにした後、もう一方のゲート信号をオンにするまでの間に所定の待ち時間を挿入することが行われている。この待ち時間のことをデッドタイムと呼んでいる。

デッドタイム期間中は上下アームのスイッチング素子が共に遮断されているため、出力電流はスイッチング素子と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードを通じて流れる。このとき、上下アームのうちいずれのフリーホイールダイオードが導通するかは、出力電流の方向によって決まる。

出力電流Ｉの方向と極性との関係を示す説明図が図４に、デッドタイム（Ｔ_ｄ）を説明するための波形図が図５にそれぞれ示されている。

図４に示されるように、インバータからモータに向かって電流が流れるときを出力電流Ｉの正の向きとすると、出力電流が正のとき、下側アームのフリーホイールダイオードＦＤ_４が導通し、インバータの出力電圧はほぼ０となる。逆に、出力電流Ｉが負の向きのとき、上側アームのフリーホイールダイオードＦＤ_１が導通し、インバータの出力電圧は主回路直流電圧Ｖ_ｄｃとほぼ等しくなる。

その結果、デッドタイム期間中の出力電圧に起因して、所望の出力電圧に対する誤差電圧が生じ、この誤差電圧は、出力電流の方向に応じて極性が変わる方形波となる。図６に示されるように、インバータの出力電圧は出力電圧指令に誤差電圧が重畳されて歪んだものとなり、トルク脈動や乱調の一因となっている。なお、図６において、Ｉは出力電流、Ｖは実出力電圧、Ｖ′は理想出力電圧である（なお、説明の便宜上、高調波は描かれていない）。

このデッドタイムに起因する出力電圧歪を補償するものとしては、出力電流の方向を判別し、誤差電圧の大きさを見込んで出力電圧指令を補正する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、図３に示されるデッドタイム補償量演算手段１０２が、出力電流の方向を判別し、誤差電圧の大きさを見込んで出力電圧指令を補正する。
特開昭６２−４００９０号公報

電流方向を判別して誤差電圧を補正しようとした場合、出力電流に含まれる高調波成分や雑音等の影響で、出力電流のゼロクロス付近で補正の方向が振動したり、誤った補正が行われたりするという問題があった。

このような、出力電流のゼロクロス付近でのデッドタイム補償特性を改善する方法としては、（１）出力電流をフィルタリングしてから方向を判別する方法、（２）極性判別のアルゴリズムを工夫する方法、（３）実際の出力電流の代わりに電流指令を用いる方法等が提案されている。

しかしながら、出力電流をフィルタリングしてから方向を判別する方法（１）の場合には、フィルタの位相遅れによって実際の出力電流との間に位相差が生じる。また、極性判別のアルゴリズムを工夫する方法（２）としては、極性判別の閾値にヒステリシスを持たせたり、所定時間内の極性反転を無視したりするなど、さまざまな方法が考案されているが、これらは補正方向の振動を防ぐことは出来ても、雑音等の影響を受けずに精度良く極性判別が出来るとは限らず、また、アルゴリズムが複雑化するという問題がある。さらに、実際の出力電流の代わりに電流指令を用いる方法（３）の場合には、電流ループを持った比較的高価なインバータにしか適用できない。

本発明の目的は、インバータが通常備えている電流検出手段と、単純なアルゴリズムのみを用いて、出力電流の極性を高調波成分や雑音の影響を受けずに正しく判定し、精度よく安定してデッドタイム補償を行うことにある。

上述の「発明が解決しようとする課題」は、以下の構成を有する電圧型インバータのスイッチング信号生成方法及び装置により解決することができるものと考えられる。

すなわち、この発明の電圧型インバータのスイッチング信号生成方法は、電圧型インバータの直交変換部に含まれる各スイッチング素子をスイッチング制御するための信号を生成する方法であって、与えられた周波数指令値（ｆ_ｒｅｆ）に基づいて瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）を生成する瞬時電圧指令生成ステップと、与えられた出力電流相当値（ｙ_ｎ）を、出力電流相当値（ｙ_ｎ）の極性を演算要素として含む所定の演算式に代入することにより、デッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）を算出するデッドタイム補償量演算ステップと、前記瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）と前記デッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）とを加算して得られた補償済み瞬時電圧指令値（ｖ′_ｒｅｆ）に基づいて、各スイッチング素子に対して与えられるべきスイッチング信号であるＰＷＭ信号（ｓ_１〜ｓ_６）を生成するＰＷＭ信号生成ステップとを包含することを前提とする。

この方法には、さらに、電流検出手段を介して検出された実出力電流値（ｘ_ｎ）に基づいて、デッドタイム補償量の演算に使用されるべき出力電流相当値（ｙ_ｎ）を、所定の同定処理により求める電流波形同定ステップが設けられている。

そして、前記同定処理は、高調波成分や雑音等を含まない理想出力電流波形に対応しかつ係数値が未定の出力電流波形関数を用意し、この関数から求められた電流値（ｙ）と実出力電流値（ｘ_ｎ）との平均二乗誤差が最小となるまで、その関数の係数値を逐次更新することにより、実出力電流波形に相当する高調波成分や雑音等を含まない出力電流波形関数を確定し、この確定された出力電流波形関数から求められた各時点の電流値を出力電流相当値（ｙ_ｎ）として同定するように構成されている。

また、この発明の電圧型インバータのスイッチング信号生成装置は、電圧型インバータの直交変換部に含まれる各スイッチング素子をスイッチング制御するための信号を生成する装置であって、与えられた周波数指令値（ｆ_ｒｅｆ）に基づいて瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）を生成する瞬時電圧指令生成手段と、与えられた出力電流相当値（ｙ_ｎ）を、出力電流相当値（ｙ_ｎ）の極性を演算要素として含む所定の演算式に代入することにより、デッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）を算出するデッドタイム補償量演算手段と、前記瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）と前記デッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）とを加算して得られた補償済み瞬時電圧指令値（ｖ′_ｒｅｆ）に基づいて、各スイッチング素子に対して与えられるべきスイッチング信号であるＰＷＭ信号（ｓ_１〜ｓ_６）を生成するＰＷＭ信号生成手段とを包含することを前提とする。

この方法には、さらに、電流検出手段を介して検出された実出力電流値（ｘ_ｎ）に基づいて、デッドタイム補償量の演算に使用されるべき出力電流相当値（ｙ_ｎ）を、所定の同定処理により求める電流波形同定手段が設けられている。

このような構成によれば、デッドタイム補償量の演算に供される出力電流相当値（ｙ_ｎ）は高調波成分や雑音等が含まれていないため、出力電流に含まれる高調波成分や雑音等の影響で、出力電流のゼロクロス付近で補正の方向が振動したり、誤った補正が行われたりするということがない。

本発明によれば、平均二乗誤差を最小化するように動作するため、出力電流のサンプリング値に雑音等の誤差が含まれていても精度良く出力電流波形の同定が行える。その結果に基づいて、出力電流の極性を判別してデッドタイムを補償するので、雑音等の影響を受けにくく精度良く安定したデッドタイム補償が行える。フィルタを用いた場合のような位相遅れの問題もない。また、通常インバータに備わっている電流検出手段のみを用いるため、特別な回路を必要とせず、単純な処理手順により安価に実現できる。

以下に、本発明に係るデッドタイム補償機能を有する電圧型インバータのスイッチング信号生成方法及び装置の一実施形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。

交流電動機駆動用のインバータでは、インバータ本体の過電流保護や電動機の過負荷保護、トルク補償などを実現するために電流検出手段を備えているのが通常である。これを利用してデッドタイム補償を行う。

本発明に係るスイッチング信号生成部の構成を模式的に示すブロック図が図１に示されている。同図に示されるように、このスイッチング信号生成部は、従来例と同様に、外部から与えられた周波数指令値（ｆ_ｒｅｆ）に基づいて瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）を生成する瞬時電圧指令生成手段１０１と、電流検出手段から与えられた出力電流相当値（ｘ_ｎ）を、出力電流相当値（ｘ_ｎ）の極性を演算要素として含む所定の演算式に代入することにより、デッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）を算出するデッドタイム補償量演算手段１０２と、瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）とデッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）とを加算して得られた補償済み瞬時電圧指令値（ｖ′_ｒｅｆ）に基づいて、各スイッチング素子に対して与えられるべきスイッチング信号であるＰＷＭ信号（ｓ_１〜ｓ_６）を生成するＰＷＭ信号生成手段１０３とを包含するものである。

以上の基本的な構成に加えて、このスイッチング信号生成部には、さらに、電流検出手段（図２の電流センサＣＴに相当）を介して検出された実出力電流値（ｘ_ｎ）に基づいて、デッドタイム補償量の演算に使用されるべき出力電流相当値（ｙ_ｎ）を、所定の同定処理により求める電流波形同定手段１０４が設けられている。

そして、電流波形同定手段１０４における同定処理は、つぎのように構成されている。すなわち、先ず、高調波成分や雑音等を含まない理想出力電流波形に対応しかつ係数値が未定の出力電流波形関数ｙ（式１）を用意する。ここで、ｙは電流値、ｔは時間、振幅Ａ及び位相θは未定係数である。

ｙ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋θ）（式１）

次に、この関数ｙから求められた電流値（ｙ）と実出力電流値（ｘ_ｎ）との平均二乗誤差が最小となるまで、その関数の係数Ａ，θの値を逐次更新することにより、実出力電流波形に相当する高調波成分や雑音等を含まない出力電流波形関数を確定し、この確定された出力電流波形関数から求められた各時点の電流値を出力電流相当値（ｙ_ｎ）として同定する。

具体的には、以下の処理手順で行う。先ず、電流検出手段（ＣＴ）を介して、インバータの出力電流をサンプリングする。ｎ回目のサンプリングにおける電流のサンプリング値をｘ_ｎとする。

しかるのち、適当な初期値Ａ_０，θ_０から始めて、電流のサンプリングごとに、以下の式（式２）に従ってＡ_ｎ，θ_ｎの値を更新してゆく。

ｙ_ｎ＝Ａ_ｎｓｉｎ（ωｔ_ｎ＋θ_ｎ）

ｅ_ｎ＝ｙ_ｎ−ｘ_ｎ

Ａ_ｎ＋１＝Ａ_ｎ−２μｅ_ｎｓｉｎ（ωｔ_ｎ＋θ_ｎ）

θ_ｎ＋１＝θ_ｎ−２μｅ_ｎＡ_ｎｃｏｓ（ωｔ_ｎ＋θ_ｎ）（式２）

ただしωはインバータの出力周波数で、既知である。μは収束の速さと安定性に関係するパラメータである。

こうして、確定された関数ｙから求められた各時点の電流値を出力電流相当値（ｙ_ｎ）として同定する。

続いて、デッドタイム補償量演算手段１０２では、次式（式３）により、同定された出力電流波形ｙ_ｎの極性を判別して、出力電圧指令ｖ_ｒｅｆの補償量Δｖ_ｒｅｆを計算により求める。ただし、Ｔ_ｄはデッドタイム長、Ｔ_ｆはキャリア周期である。

Δｖ_ｒｅｆ＝ｓｇｎ（ｙ_ｎ）・（Ｔ_ｄ／Ｔ_ｃ）（式３）

出力電圧指令ｖ_ｒｅｆに補償量Δｖ_ｒｅｆを加算することによって、出力電圧指令を補正し、補正された出力電圧指令ｖ′_ｒｅｆに基づいて、ＰＷＭ信号生成手段１０３はスイッチング信号であるＰＷＭ信号を生成する。

なお、以上説明した各手段１０１〜１０４については、ＬＳＩ化されワイヤードロジック回路で実現してもよいし、マイクロプロセッサを利用したストアードプログラム方式にてソフトウェア的に実現してもよい。

このように、以上の実施形態によれば、平均二乗誤差を最小化するように動作するため、出力電流のサンプリング値に雑音等の誤差が含まれていても精度良く出力電流波形の同定が行える。その結果に基づいて、出力電流の極性を判別してデッドタイムを補償するので、雑音等の影響を受けにくく精度良く安定したデッドタイム補償が行える。フィルタを用いた場合のような位相遅れの問題もない。また、通常インバータに備わっている電流検出手段のみを用いるため、特別な回路を必要とせず、単純な処理手順により安価に実現できる。

なお、以上の実施形態において、電流センサ（ＣＴ）については、瞬時電流が検出されるものであれば足り、その数や位置は特に限定されるものではない。また、電源については、単層交流や直流でもよい。さらに、スイッチング素子の種類についても、ＩＧＢＴに限定されるものではない。更に、本発明の適用は、三相誘導電動機に限らず、同期電動機等々各種の交流電動機に広く適用が可能である。

本発明は、この種の電圧形インバータで交流電動機を速度可変駆動する場合に、トルク脈動や乱調の発生を未然に防止するために、利用することができる。

スイッチング信号生成部の構成を模式的に示すブロック図である。交流電動機駆動用の電圧インバータの基本的構成を示す回路図である。従来のスイッチング信号生成部の構成を模式的に示すブロック図である。出力電流Ｉの方向と極性との関係を示す説明図である。デットタイム（Ｔ_ｄ）を説明するための波形図である。出力電圧歪みを説明するための波形図である。

符号の説明

１０１瞬時電圧指令生成手段
１０２デッドタイム補償量演算手段
１０３ＰＷＭ信号生成手段
１０４電圧同定手段
ｆ_ｒｅｆ周波数指令値
ｖ_ｒｅｆ瞬時電圧指令値
ｘｎ出力電流検出値
ｙｎ同定された出力電流値
Δｖ_ｒｅｆデッドタイム補償量
ｖ′_ｒｅｆ補償済み瞬時電圧指令値
Ｓ_１〜Ｓ_６スイッチング制御信号
ＰＳ三相交流電源
Ｍ三相誘導電動機
Ｄ_１〜Ｄ_６ダイオード
Ｃ主回路コンデンサ
Ｔｒ_１〜Ｔｒ_６スイッチング素子
ＦＤ_１〜ＦＤ_６フリーホイルダイオード

Claims

電圧型インバータの直交変換部に含まれる各スイッチング素子をスイッチング制御するための信号を生成する方法であって、
与えられた周波数指令値（ｆ_ｒｅｆ）に基づいて瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）を生成する瞬時電圧指令生成ステップと、
与えられた出力電流相当値（ｙ_ｎ）を、出力電流相当値（ｙ_ｎ）の極性を演算要素として含む所定の演算式に代入することにより、デッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）を算出するデッドタイム補償量演算ステップと、
前記瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）と前記デッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）とを加算して得られた補償済み瞬時電圧指令値（ｖ′_ｒｅｆ）に基づいて、各スイッチング素子に対して与えられるべきスイッチング信号であるＰＷＭ信号（ｓ_１〜ｓ_６）を生成するＰＷＭ信号生成ステップとを包含し、さらに
電流検出手段を介して検出された実出力電流値（ｘ_ｎ）に基づいて、デッドタイム補償量の演算に使用されるべき出力電流相当値（ｙ_ｎ）を、所定の同定処理により求める電流波形同定ステップを有し、かつ
前記同定処理が、
高調波成分や雑音等を含まない理想出力電流波形に対応しかつ係数値が未定の出力電流波形関数を用意し、この関数から求められた電流値（ｙ）と実出力電流値（ｘ_ｎ）との平均二乗誤差が最小となるまで、その関数の係数値を逐次更新することにより、実出力電流波形に相当する高調波成分や雑音等を含まない出力電流波形関数を確定し、この確定された出力電流波形関数から求められた各時点の電流値を出力電流相当値（ｙ_ｎ）として同定するものである、ことを特徴とする電圧型インバータのスイッチング信号生成方法。
電圧型インバータの直交変換部に含まれる各スイッチング素子をスイッチング制御するための信号を生成する装置であって、
与えられた周波数指令値（ｆ_ｒｅｆ）に基づいて瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）を生成する瞬時電圧指令生成手段と、
与えられた出力電流相当値（ｙ_ｎ）を、出力電流相当値（ｙ_ｎ）の極性を演算要素として含む所定の演算式に代入することにより、デッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）を算出するデッドタイム補償量演算手段と、
前記瞬時電圧指令値（ｖ_ｒｅｆ）と前記デッドタイム補償量（Δｖ_ｒｅｆ）とを加算して得られた補償済み瞬時電圧指令値（ｖ′_ｒｅｆ）に基づいて、各スイッチング素子に対して与えられるべきスイッチング信号であるＰＷＭ信号（ｓ_１〜ｓ_６）を生成するＰＷＭ信号生成手段とを包含し、さらに
電流検出手段を介して検出された実出力電流値（ｘ_ｎ）に基づいて、デッドタイム補償量の演算に使用されるべき出力電流相当値（ｙ_ｎ）を、所定の同定処理により求める電流波形同定手段を有し、かつ
前記同定処理が、
高調波成分や雑音等を含まない理想出力電流波形に対応しかつ係数値が未定の出力電流波形関数を用意し、この関数から求められた電流値（ｙ）と実出力電流値（ｘ_ｎ）との平均二乗誤差が最小となるまで、その関数の係数値を逐次更新することにより、実出力電流波形に相当する高調波成分や雑音等を含まない出力電流波形関数を確定し、この確定された出力電流波形関数から求められた各時点の電流値を出力電流相当値（ｙ_ｎ）として同定するものである、ことを特徴とする電圧型インバータのスイッチング信号生成装置。