JP5264059B2 - インバータ制御装置及びインバータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源の出力の形態を変化させ、交流電圧を出力する電力変換装置の制御装置及び制御方法に関し、搬送波周波数の変化に起因する不具合の発生を防止する技術に関する。

従来、三相交流モータ（以下、モータと略記）のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電流を検出し、検出された電流値と電流制御器から出力される電流指令値とから求められる偏差に基づいてPID（比例・積分・微分）制御を行い、電流制御器から出力されるPID制御値と三角波状搬送波（以下、搬送波と略記）の大小関係に応じてインバータ回路を構成するスイッチング素子のオン／オフを切り換えるインバータ制御装置が知られている。そして、このようなインバータ制御装置によれば、モータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に正弦波状の電流が流れるようにフィードバック制御を行うことができる。

ところで、上記インバータ制御装置は、一般に、三角波比較型正弦波ＰＷＭインバータ装置と呼ばれるが、電流制御器に入力される搬送波周波数に起因したＥＭＩノイズが発生することが知られている。そのピークを低減させるために、搬送波周波数を時間とともに変化せせる手法が提案されている。しかしながら搬送波周波数を時間とともに変化させることにより、電流リプルやトルクリプルなどの不具合が発生する。これら電流リプルやトルクリプルの発生を低減するために、搬送波周波数に応じて電流制御ゲインである積分定数を補正し、等価的に電流制御ゲインを一定とする電力変換器が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開2000-184731号公報

しかしながら、上記従来の電力変換器は、搬送波周波数の変化に電流制御ゲイン値を合わせることにより電流リプル又はトルクリプルの増大を抑制しているので、電流制御器内のマイクロコンピュータの演算処理負荷が膨大となる。また、その処理は非常に短時間で実行される必要があるため、能力の高いマイコンが必要となり、システムのコスト上昇を招く可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、演算負荷を増大させることなく、搬送波周波数を周期的に変化させたときに発生する電流リプルやトルクリプルによる不具合を低減することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係るインバータ制御装置及びインバータ制御方法は、電圧指令値を生成する周期時間が可変であり、電圧指令値を生成する周期時間の所定回数分の時間と電流指令値を生成する所定の周期時間とを一致させるインバータ制御装置又はインバータ制御方法を提供する。

本発明に係るインバータ制御装置及びインバータ制御方法は、電流制御器が電圧指令値を生成する周期時間の所定回数分の時間と制御器が電流指令値を生成する所定の周期時間とを一致させるので、電流指令値を生成する所定の周期時間に発生する電圧指令値を生成する所定回数分のズレを一定値とみなせる。したがって、搬送波周波数の周期的な変化に合わせて電流制御ゲインを変更することなく電流制御が可能となり、演算負荷を増大させることなく電流リプルやトルクリプルによる不具合を低減することができる。

以下に本発明の実施形態について、図面とともに詳述する。

[モータ制御装置の全体構成]始めに、図１を参照して、本発明の第１の実施形態となる三相交流モータ7を駆動するときのモータ制御装置１のブロック図について説明する。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態となる制御装置１は、主として、入力部2と、速度制御器3と、電流制御器4と、PWMインバータ5と、電流センサ6と、三相交流モータ7と、速度検出器8と、搬送波発生部9と、搬送波周波数可変部10を備える。

[各構成部の詳細]速度制御器3は、入力部２から入力される三相交流モータ7への回転速度の指示値（目標値）である速度指令値と三相交流モータ7から検出される回転速度（検出値）の差（偏差）に基づいて、PID制御により電流指令値を算出し、電流制御器4へ出力する。なお、電流指令値の詳細については後述する。

電流制御器4は、速度制御器3から出力された電流指令値と三相交流モータ7に入力される電流値（電流検出値）に基づいて、PWMインバータ5のスイッチング素子をオン／オフさせるための電圧指令値をPID制御により生成し、PWMインバータ5に出力する。なお、電圧指令値の詳細については後述する。

PWMインバータ5は、三角波比較型正弦波ＰＷＭインバータであり、電流制御器4から出力された電圧指令値と搬送波発生部9から入力される搬送波信号に基づいて、スイッチング素子をオン／オフさせることにより、三相交流電流を生成し、三相交流モータ7に出力する。三相交流モータ7は、生成された三相交流電流により、速度指令値から入力される所望の回転速度を実現すべく回転力を発生させる。

電流センサ6は、PWMインバータ5で生成された三相交流電流を検出し、検出された電流値を電流制御器4へフィードバックする。

速度検出器8は、三相交流モータ7の回転速度を検出し、検出された回転速度を電流制御器4へフィードバックする。なお、本実施形態では、三相交流モータ7の回転速度を検出しているが、三相交流モータ7の回転角を検出するようにしてもよい。

搬送波発生部9は、PWMインバータ5へ搬送波を出力する。

搬送波周波数可変部10は、搬送波発生部9から出力される搬送波周波数fcを変化させる。

[速度制御器と電流制御器で行われるPID制御]次に、図２を参照して、速度制御器3および電流制御器4で行われるPID制御について説明する。

図２に示される制御対象12が、ある物理量の出力を実現しようとした場合、物理量の指令値（目標値）と実際に実現されている物理量の検出値の差（偏差e(t)）が求められ、PID制御器11に入力される。PID制御器11は、偏差e(t)の値が小さくなるように、制御対象12に対して操作量u(t)を出力する。なお、u(t)は次の式で算出される。

Kpは比例ゲイン、Kiは積分ゲイン、Kd微分ゲインを表す。

ここで、速度制御器3では、速度指令値が指令値、検出値が速度検出値、操作量が電流指令値に該当し、電流制御器4では、電流指令値が指令値、検出値が電流検出値、操作量が電圧指令値に該当する。また、数式１からも分かるように、Kp、Ki及びKdを含む項は、搬送波周波数fcの逆数である搬送波周期時間に依存している。なお、トルク制御を行う場合は、トルク指令値が指令値に対応し、検出値がトルク検出値にそれぞれ該当する。

[速度制御ループと電流制御ループ]次に、図３を参照して、モータ制御装置１で行われる速度制御ループと電流制御ループについて説明する。

速度制御ループは、まず、速度制御器3が電流指令値を電流制御器4へ出力する。次に、その電流指令値に基づいて、電流制御ループを通じて三相交流モータ7が駆動され、三相交流モータ7の回転速度を検出し、検出した回転速度値を速度制御器3に入力するというフィードバックループ制御を行う。

電流制御ループは、電流制御器4が電圧指令値をPWMインバータ5へ出力する。次に、その電圧指令値に基づいて、PWMインバータ5が、三相交流電流を生成し三相交流モータ7へ出力する。三相交流モータ7へ出力される三相交流電流を検出し、検出された三相交流電流値を電流制御器4に入力するというフィードバックループ制御を行う。

ここで、速度制御器3が電流指令値を生成する時間（つまり、速度制御ループ1周期の時間）を生成時間Ts、電流制御器4が電圧指令値を生成する時間（つまり、電流制御ループ1周期の時間）を生成時間Tcとする。なお、生成時間Tcは、搬送波発生部９から出力される搬送波信号の周期と同じであり、搬送波周波数fcの逆数となる。また、生成時間Tsは搬送波信号に依存せず一定の周期をとる。

次に、電流制御ループにおけるPI制御(Kd=0の場合)において、先述の数式１から分かるように、搬送波周波数fcの変化とともに生成時間Tcが変化するので、PI制御のKi、Kpを含む項も変化する。ここで、生成時間Tcの変化に対する影響を受けないように、Ki、Kｐを含む項の値が一定となるように積分ゲインKiと微分ゲインKpの補正を行うことになるが、補正のための演算量は膨大なものとなってしまう。

そこで、本発明の第１の実施例に係るインバータ制御装置では、速度制御ループ1周期の時間（すなわち、生成時間Ts）と電流制御ループ1周期の所定回数分の時間(つまり、各生成時間Tc1〜Tcnの総和した時間)を一致させる構成とした。すなわち、次の数式２が成り立つように各生成時間Tc1〜Tcnを決定する（Tsは一定）。

図４は、電流制御ループ1周期の時間（生成時間Ts）と速度制御ループ1周期の時間（生成時間Tc）の関係を示しており、速度制御ループ1周期の時間と各電流制御ループの1周期の時間の和が同じになるように構成され、次の式を満たす関係となっている。

この場合、各電流制御ループ1周期の時間（生成時間Tc1〜Tc6）の和と速度制御ループの１周期の時間（生成時間Ts）に一致していれば、順序は異なっていても良い。このように速度制御ループ1周期あたりの各電流制御ループで発生する操作量u(t)のズレが一定であるとみなすことができるので、電流制御ループの比例ゲイン、積分ゲインを補正することなく、速度制御器3で制御を行うことが可能となり、演算負荷を増大させることなく搬送波周波数fcを周期的に変化させたときに発生するトルクリプルや電流リプルによる不具合を抑制することができる。

次に、本発明の第２実施例となるインバータ制御装置の構成について説明する。本発明の第２の実施例となるインバータ制御装置の構成は本発明の第1の実施例に係るインバータ制御装置と同じ構成であるので、以下、図５を用いて、生成時間Tsの変化と生成時間Tcの関係について説明する。

図５に示されるように、本発明の第２の実施例となるインバータ装置の電流制御ループの生成時間と速度制御ループの生成時間の関係は、Tsに対して、生成時間Tc1〜Tc6の和とその出現順序が同一の順番で現れる関係となっている。このような関係の場合、生成時間Tsと搬送波周波数の変化周期Tmが等しく、また生成時間Tsが搬送波の変化周期Tmの整数倍と一致させることができるので、本発明の第１の実施例とは異なり、速度制御ループの１周期の開始時刻と終了時刻の同期をとらなくてもよい。この場合、搬送波の変化周期Tmが一定であるので、速度制御ループの1周期の開始時期がいつであってもよく、例えば、開始時期が電流制御ループTc2の生成時期または電流制御ループTc4の生成時期であっても速度制御ループの1周期の間では同一の生成時間Tc1〜Tc6のすべてが１度づつ含まれることになる。従って、搬送波周波数の変化周期Tmを生成時間Tsに応じて設定することができる。

次に、本発明の第３実施例となるインバータ制御装置の構成について説明する。本発明の第３の実施例となるインバータ制御装置の構成は本発明の第1の実施例に係るインバータ制御装置と同じ構成であるので、以下、図６を用いて、電流制御ループの生成時間Tsの変化と速度制御ループの生成時間Tcの関係について説明する。

図６に示されるように、PID制御の搬送波周波数fcは、全波整流の正弦波状に変化している。このように搬送波周波数fcを変化させることによって、図６に示される一点鎖線の時刻を速度制御ループの開始時期とし、生成時間Tsを搬送波周波数の変化周期Tmの半周期の整数倍とし、先述の数式２を満足する関係が実現できる。したがって速度制御ループの周期に応じて、搬送波周波数fcに起因する不具合の発生を防止するための搬送波周波数fcの変化周期をさらに適切に規定することが可能となる。

次に、本発明の第４実施例となるインバータ制御装置の構成について説明する。本発明の第４の実施例となるインバータ制御装置の構成は本発明の第1の実施例に係るインバータ制御装置と同じ構成であるので、以下、図７及び図８を用いて、電流制御ループの生成時間Tsの変化と速度制御ループの生成時間Tcの関係について説明する。

図７に示されるように、PID制御の搬送波周波数fcは、三角波状に変化している。このように変化させることによって、図７に示される一点鎖線の時刻にある搬送波周波数fcが最大値（山の位置）または最小値（谷の位置）と速度制御ループの生成時間Tcの開始時刻を同期させる。

さて、前述した実施例のすべてにおいて、速度制御ループおよび電流制御ループは、それぞれマイコンの割込み処理を用いて実現することが可能である。図８は、図７の搬送波周波数fc変化を実現するための速度制御割込みと電流制御割込みのタイミングを示す図である。この場合、速度制御割込みを、搬送波周波数fcが最大値または最小値となる電流制御割込みと同期させている。このような構成とすることで、速度またはトルク制御ループと搬送波周波数fcの変化周期を容易に同期させることが可能となる。

なお、上記本発明の実施例を用いた説明においては、速度制御を適用したモータ駆動についてのみ説明したが、本発明は速度制御に限定されるものではなく、トルク制御を適用したモータ駆動についても同様に実施することが可能である。この場合、上記説明において速度制御をトルク制御に変えることで、同様に説明される。

本発明の第1の実施例に係るモータ制御のブロック構成図である。 速度制御器又は電流制御器で行われるPID制御のブロック構成図である。 電流制御ループ制御及び速度制御ループ制御のブロック構成図である。 本発明の第1の実施例に係る搬送波周波数の時間変化と電流制御ループの生成時間Tc及び速度制御ループの生成時間Tsとの関係を表す図である。 本発明の第２の実施例に係る搬送波周波数の時間変化と電流制御ループの生成時間Tc及び速度制御ループの生成時間Tsとの関係を表す図である。 本発明の第３の実施例に係る搬送波周波数の時間変化と電流制御ループの生成時間Tc及び速度制御ループの生成時間Tsとの関係を表す図である。 本発明の第４の実施例に係る搬送波周波数の時間変化と電流制御ループの生成時間Tc及び速度制御ループの生成時間Tsとの関係を表す図である。 本発明の第４の実施例に係る速度制御ループの割り込み時刻を表す図である。

符号の説明

１：制御装置
２：速度制御器
３：電流制御器
４：PWMインバータ
５：電流センサ
６：三相交流モータ
７：速度検出器
８：搬送波発生部
９：搬送波周波数可変部
１０：PID制御器
１１：制御対象

Claims (5)

1. 交流電流により駆動する交流モータと、
   前記交流モータに所望の回転速度又はトルクとなるように指令値を入力する入力部と、
   前記交流モータの回転速度又は回転角を検出する検出部と、
   前記交流モータに入力される電流を検出する電流検出部と、
   搬送波を発生させる搬送波発生部と、
   前記搬送波の周波数を可変する搬送波周波数可変部と、
   前記指令値と前記検出された回転速度又は前記指令値と前記検出された回転角に基づいて電流指令値を生成する制御器と、
   前記電流指令値および前記検出された電流を入力し、前記搬送波信号の変化に基づいて電圧指令値を生成する電流制御器と、
   を有し、前記制御器が前記電流指令値を生成する周期時間は一定で、前記電流制御器が前記電圧指令値を生成する周期時間は前記搬送波の周期と同じであって可変であり、前記電流制御器が前記電圧指令値を生成する周期時間の所定回数分の時間と前記制御器が前記電流指令値を生成する周期時間とを一致させるようにインバータ制御を行うインバータ制御装置。
2. 前記制御器が前記電流指令値を生成する時間は、前記搬送波周波数の変化波形の周期の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 交流電流により駆動する交流モータと、
   前記交流モータに所望の回転速度又はトルクとなるように指令値を入力する入力部と、
   前記交流モータの回転速度又は回転角を検出する検出部と、
   前記交流モータに入力される電流を検出する電流検出部と、
   搬送波を発生させる搬送波発生部と、
   前記搬送波の周波数を可変する搬送波周波数可変部と、
   前記指令値と前記検出された回転速度又は前記指令値と前記検出された回転角に基づいて電流指令値を生成する制御器と、
   前記電流指令値および前記検出された電流を入力し、前記搬送波信号の変化に基づいて電圧指令値を生成する電流制御器と、
   を有し、前記制御器が前記電流指令値を生成する周期時間は一定で、前記電流制御器が前記電圧指令値を生成する周期時間は前記搬送波の周期と同じであって可変であり、前記電流制御器が前記電圧指令値を生成する周期時間の所定回数分の時間と前記制御器が前記電流指令値を生成する周期時間とを一致させるようにインバータ制御を行い、
   前記制御器が前記電流指令値を生成する時間は、前記搬送波周波数の変化波形の周期の整数倍であり、
   前記搬送波周波数の変化波形は、所定の時刻を中心に半周期毎に折り返される波形であり、前記電流指令値の生成周期の開始時刻を該所定の時刻に一致させ、該生成周期を該搬送波周波数の変化波形の半周期の整数倍に合わせるインバータ制御装置。
4. 前記搬送波周波数の変化波形は三角波状であり、前記電流指令値の生成周期の開始時刻は、該搬送波周波数の変化波形の三角波状の最大値又は最小値となる時刻と一致する請求項３に記載のインバータ制御装置。
5. 交流モータに所望の回転速度又はトルクとなるように指令値を入力するステップと、
   交流モータの回転速度又は回転角を検出するステップと、
   交流モータに入力される電流を検出するステップと、
   搬送波を発生させるステップと、
   搬送波周波数を可変するステップと、
   指令値と検出された回転速度又は指令値と検出された回転角に基づいて電流指令値を生成するステップと、
   前記電流指令値および前記検出された電流を入力し、搬送波信号の変化に基づいて電圧指令値を生成するステップと、
   を有し、前記電流指令値を生成する周期時間は一定で、前記電圧指令値を生成する周期時間は前記搬送波の周期と同じであって可変であり、前記電圧指令値を生成する周期時間の所定回数分の時間と前記電流指令値を生成する周期時間とを一致させるようにインバータ制御を行うインバータ制御方法。

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