JP5348370B2 - 電圧検出器のオフセット及びゲイン調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器の各相出力電圧を検出するための電圧検出器が有するオフセット（オフセット電圧ともいう）及び検出ゲイン誤差を補正するオフセット及びゲイン調整方法に関するものである。

下記の非特許文献１には、図４に示すように、電力変換器の直流回路の負極電位を基準として各相出力電圧を検出し、そのアナログ量をディジタル量に変換する方法が記載されている。なお、図４において、１１，１２は電力変換器の一相分の上下アームを構成する半導体スイッチング素子、１３，１４は環流ダイオード、２０は平滑コンデンサである。

上記回路において、電力変換器の直流回路の負極電位を基準として出力電圧Ｖｏを検出することで、例えば３相電力変換器の中性点を基準として検出する場合に比べて中性点電位の変動が少なく、電力変換器のコモンモードノイズの影響を受けにくくなる等の利点が得られる。
なお、本発明は電圧検出器の及びオフセット及びゲインを調整する方法に関するものであり、非特許文献１に記載されているアナログ量をディジタル量に変換する方法は本発明と直接的には関係しないため、説明を省略する。

杉本英彦，田中伸幸，「３相電圧形ＰＷＭインバータの出力電圧検出回路の開発」，平成１７年電気学会産業応用部門大会論文集，Ｉ−４１５〜Ｉ−４１８

さて、電圧検出値にオフセット電圧や検出ゲイン誤差が含まれると、電力変換器の制御性能を著しく低下させる。
しかしながら、非特許文献１には、電圧検出器のオフセット電圧や検出ゲイン誤差を補正する自動補正手段は特に開示されていない。仮に、装置の製造者がユーザに装置を提供する段階で、測定器を用いた測定等に基づいてオフセット電圧や検出ゲイン誤差を最適に補正したとしても、それらは、電圧検出器を構成する部品の温度特性等により、電力変換器が設置される状況に応じて変動してしまう。

このため従来では、温度変化等の影響を受けない高精度の部品を電圧検出器に用いることでオフセット電圧や検出ゲイン誤差を低減する方法が採られているが、これらの部品は概して高価であるため、装置の低価格化の妨げとなっていた。
そこで、本発明の解決課題は、電圧検出器やこれを用いた電力変換器の高価格化を招くことなく電圧検出器のオフセット電圧や検出ゲイン誤差を補正可能としたオフセット及びゲイン調整方法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、直流を多相交流に変換する電力変換器の出力電圧を、前記電力変換器の直流回路の負極電位を基準として検出する電圧検出器において、
前記電力変換器の全ての出力相から前記負極電位を同時に出力した状態で、前記電圧検出器により前記電力変換器の各相の出力電圧を検出してこれらの出力電圧検出値から各相のオフセット電圧を求め、
次に、前記電力変換器の全ての出力相から前記直流回路の正極電位を同時に出力した状態で、前記電圧検出器により前記電力変換器の各相の出力電圧を検出し、これらの出力電圧検出値から各相の前記オフセット電圧をそれぞれ減算して各相のオフセット補償電圧を求めると共に、各相のオフセット補償電圧の平均値を求め、
前記平均値を各相のオフセット補償電圧によりそれぞれ除算して前記電圧検出器の各相のゲイン補正値を演算し、
前記電圧検出器による各相の出力電圧検出値を、前記各相のオフセット電圧及びゲイン補正値を用いて補正するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電圧検出器のオフセット及びゲイン調整方法において、
前記オフセット電圧として、一定期間にわたり複数回検出した出力電圧検出値の平均値またはこれらの出力電圧検出値をローパスフィルタにより濾過した値を用い、かつ、前記オフセット補償電圧として、一定期間にわたり複数回検出したオフセット補償電圧の平均値またはこれらのオフセット補償電圧をローパスフィルタにより濾過した値を用いるものである。

本発明によれば、電力変換器を構成する下アームのスイッチング素子または上アームのスイッチング素子を全てオンさせた時の出力電圧検出値に基づいて、演算により電圧検出器のオフセット電圧及びゲイン補正値を求めることができる。これらのオフセット電圧及びゲイン補正値を用いて実際の出力電圧検出値を補正することにより、誤差の少ない出力電圧検出値に基づく電力変換器の運転が可能になる。このため、温度特性に優れた高精度かつ高価な部品を電圧検出器に用いる必要がなくなり、装置全体の低価格化を図ることができる。

以下、図に沿って本説明の実施形態を説明する。
まず、一例として、電力変換器が、図３に示す如く半導体スイッチ３１〜３６及び直流電源４０からなる３相ＰＷＭインバータ５０である場合について、文献１に記載されているように電力変換器の直流回路の負極電位を基準として各相出力電圧を検出する場合のゲイン及びオフセット（オフセット電圧ともいう）を以下に検討する。

３相ＰＷＭインバータ５０の各相出力電圧をそれぞれＶ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗとし、また、直流回路の負極電位を基準に測定した各相電圧検出値をそれぞれ、Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}とする。
この時、電圧検出時のゲイン誤差やオフセット電圧がないものとすれば、各相の出力電圧検出値は直流回路の負極電位を基準に測定されるので、数式１〜数式３のようになる。ただし、これらの数式において、Ｅ_ｄはインバータ５０の直流回路の電圧である。
［数式１］
Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}＝（Ｖ_ｕ＋Ｅ_ｄ／２）
［数式２］
Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}＝（Ｖ_ｖ＋Ｅ_ｄ／２）
［数式３］
Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}＝（Ｖ_ｗ＋Ｅ_ｄ／２）

ここで、インバータ５０の出力にゼロ相分がないとすれば、数式４が成立する。
［数式４］
Ｖ_ｕ＋Ｖ_ｖ＋Ｖ_ｗ＝０
このため、数式５〜数式７により、各相出力電圧検出値Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}に基づいて各相電圧Ｖ_ｕ’，Ｖ_ｖ’，Ｖ_ｗ’を演算し、これらのＶ_ｕ’，Ｖ_ｖ’，Ｖ_ｗ’を用いてインバータ５０の制御を行っている。
［数式５］
Ｖ_ｕ’＝（２×Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}）／３＝Ｖ_ｕ
［数式６］
Ｖ_ｖ’＝（２×Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}）／３＝Ｖ_ｖ
［数式７］
Ｖ_ｗ’＝（２×Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}）／３＝Ｖ_ｗ

しかしながら、実際には、電圧検出器を構成する部品の特性により、各相出力電圧の検出ゲインに誤差が生じたり、電圧検出値にオフセットが重畳される。これらの検出ゲイン及びオフセットを考慮した場合、インバータ５０の直流回路の負極電位を基準に測定した各相の出力電圧検出値は、数式８〜数式１０のようになる。
［数式８］
Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}＝Ｋ_ｕ×（Ｖ_ｕ＋Ｅ_ｄ／２）＋Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}
［数式９］
Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}＝Ｋ_ｖ×（Ｖ_ｖ＋Ｅ_ｄ／２）＋Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}
［数式１０］
Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}＝Ｋ_ｗ×（Ｖ_ｗ＋Ｅ_ｄ／２）＋Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}
ただし、Ｋ_ｕ，Ｋ_ｖ，Ｋ_ｗは各相の電圧検出器の検出ゲイン、Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}はオフセット電圧である。

これらの出力電圧検出値Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}に基づいて各相電圧Ｖ_ｕ’，Ｖ_ｖ’，Ｖ_ｗ’を前記数式５〜数式７により演算すると、以下の数式１１〜数式１３のようになり、真の３相電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗとは異なった値となる。
［数式１１］
Ｖ_ｕ’＝（２×Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}）／３
＝［｛（２×Ｋ_ｕ×Ｖ_ｕ）−（Ｋ_ｖ×Ｖ_ｖ）−（Ｋ_ｗ×Ｖ_ｗ）｝＋｛（２×Ｋ_ｕ−Ｋ_ｖ−Ｋ_ｗ）×Ｅ_ｄ／２｝＋｛（２×Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}）−Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}−Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}）｝］／３
［数式１２］
Ｖ_ｖ’＝（２×Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}）／３
＝［｛（２×Ｋ_ｖ×Ｖ_ｖ）−（Ｋ_ｗ×Ｖ_ｗ）−（Ｋ_ｕ×Ｖ_ｕ）｝＋｛（２×Ｋ_ｖ−Ｋ_ｗ−Ｋ_ｕ）×Ｅ_ｄ／２｝＋｛（２×Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}）−Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}−Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}）｝］／３
［数式１３］
Ｖ_ｗ’＝（２×Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}）／３
＝［｛（２×Ｋ_ｗ×Ｖ_ｗ）−（Ｋ_ｕ×Ｖ_ｕ）−（Ｋ_ｖ×Ｖ_ｖ）｝＋｛（２×Ｋ_ｗ−Ｋ_ｕ−Ｋ_ｖ）×Ｅ_ｄ／２｝＋｛（２×Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}）−Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}−Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}）｝］／３

ここで、数式１１〜数式１３について考えてみると、本来検出されるべき交流成分のほかに、数式１１〜数式１３の右辺［ ］内の第３項より、電圧検出器自身のオフセット電圧Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}も検出され、更にこれらに加えて、数式１１〜数式１３の右辺［ ］内の第２項より、各相の検出ゲインＫ_ｕ，Ｋ_ｖ，Ｋ_ｗのバラツキによって本来キャンセルされるはずの直流成分Ｅ_ｄがキャンセルされずに検出されることが分かる。また、数式１１〜数式１３の右辺［ ］内の第１項より、各相の検出ゲインＫ_ｕ，Ｋ_ｖ，Ｋ_ｗのバラツキによって各相の交流成分についても相ごとの検出ゲイン誤差が生ずることになる。

以上の点を踏まえて、本発明の第１実施形態では、図１に示すようなフローチャートに従い、アナログ量から変換したディジタル量の出力電圧検出値を基に、ソフトウェアにより電圧検出器のオフセット電圧及びゲイン補正値を演算し、これらを用いて実際の出力電圧検出値を補正するようにした。

図１において、まず、オフセット電圧を検出するに当たり、図３の３相ＰＷＭインバータ５０の全相の下アームスイッチ３２，３４，３６を一定期間オンする（ステップＳ１）。この時、３相全ての出力電圧値が直流回路の負極電位とほぼ等しくなるので、各相の出力電圧検出値をオフセット電圧Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}とする（ステップＳ２，Ｓ３）。

次いで、図３の３相ＰＷＭインバータ５０の全相の上アームスイッチ３１，３３，３５を一定期間オンし、インバータ５０の３相全てから直流回路の正極電位を出力させる（ステップＳ４）。この状態で３相の出力電圧を検出し、これらの出力電圧検出値Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}から前記オフセット電圧Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}をそれぞれ減算してオフセット補償を行った値（オフセット補償電圧という）の、ある基準電圧Ｖ_ＲＥＦに対する比率を以下の数式１４〜数式１６により演算し、その結果をゲイン補正値Ｋ_{ｕｃｏｍｐ}，Ｋ_{ｖｃｏｍｐ}，Ｋ_{ｗｃｏｍｐ}とする（ステップＳ５）。
［数式１４］
Ｋ_{ｕｃｏｍｐ}＝Ｖ_ＲＥＦ／（Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}）
［数式１５］
Ｋ_{ｖｃｏｍｐ}＝Ｖ_ＲＥＦ／（Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}）
［数式１６］
Ｋ_{ｗｃｏｍｐ}＝Ｖ_ＲＥＦ／（Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}）
これにより、３相の全相が同一の電圧（基準電圧Ｖ_ＲＥＦ）を出力している際に、各相の出力電圧検出値が同一になるようなゲイン補正値Ｋ_{ｕｃｏｍｐ}，Ｋ_{ｖｃｏｍｐ}，Ｋ_{ｗｃｏｍｐ}を計算することができる。

上記により計算したオフセット電圧及びゲイン補正値に基づいてインバータ５０が通常の運転をする際には、以下の数式１７〜１９により求めた電圧Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}’，Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}’，Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}’を各相の出力電圧検出値として用いる。
［数式１７］
Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}’＝Ｋ_{ｕｃｏｍｐ}×（Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}）
［数式１８］
Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}’＝Ｋ_{ｖｃｏｍｐ}×（Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}）
［数式１９］
Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}’＝Ｋ_{ｗｃｏｍｐ}×（Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}）

すなわち、上記のＶ_{ｕｎｄｅｔ}’，Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}’，Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}’を数式５〜数式７における各相の出力電圧検出値Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}の代わりに代入することにより各相電圧Ｖ_ｕ’，Ｖ_ｖ’，Ｖ_ｗ’を計算し、インバータ５０を制御する。
なお、基準電圧Ｖ_ＲＥＦは、以下の数式２０のようにオフセット補償電圧（Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}），（Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}），（Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}）の平均値として与えても良いし、別途、３相ＰＷＭインバータ５０の直流回路の電圧を検出するために直流電圧検出回路を設け、インバータ５０が直流電圧を出力している際の直流電圧検出回路による電圧検出値を用いても良い。
［数式２０］
Ｖ_ＲＥＦ＝｛（Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}）＋（Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}）＋（Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}）｝／３

次に、図２は、本発明の第２実施形態を示すフローチャートである。
第１実施形態に係る図１と異なる点は、一定期間にわたり複数回検出した値の平均値を用いて、オフセット及びゲイン補正値を求める点である。例えば、３相ＰＷＭインバータ５０の全相の下アームスイッチがオンした状態において、直流回路の負極電位を基準として各相の出力電圧を測定すると、各相の出力電位が安定せずに測定電圧が変動する場合や、検出ノイズ等に起因してオフセット電圧やゲイン補正値を正確に演算できない場合がある。

そこで、第２実施形態では、前記同様に３相ＰＷＭインバータ５０の全相の下アームスイッチ３２，３４，３６を一定期間オンし（ステップＳ１１）、その状態で出力電圧を検出して記憶する動作を規定数に達するまで複数回繰り返す（ステップＳ１２，Ｓ１３）。その後、複数の出力電圧検出値の平均値を求めることにより、電圧の変動成分やノイズ成分を除去したオフセット電圧Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}を演算する（ステップＳ１４）。

次に、前記同様に３相ＰＷＭインバータ５０の全相の上アームスイッチ３１，３３，３５を一定時間オンする（ステップＳ１５）。この状態で３相の出力電圧を検出し、これらの出力電圧検出値Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}，Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}から前記オフセット電圧Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}，Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}をそれぞれ減算してオフセット補償を行い、こうして得たオフセット補償電圧（Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}），（Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}），（Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}）を記憶する動作を規定数に達するまで複数回繰り返す（ステップＳ１６，Ｓ１７）。
その後、オフセット補償電圧（Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}），（Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}），（Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}）のそれぞれについて平均値を演算し（ステップＳ１８）、これらの平均値を用いて、数式１４〜数式１７によりゲイン補正値Ｋ_{ｕｃｏｍｐ}，Ｋ_{ｖｃｏｍｐ}，Ｋ_{ｗｃｏｍｐ}を演算する。

なお、この第２実施形態では、出力電圧検出値の平均値を用いてオフセット電圧を求めると共に、オフセット補償電圧（Ｖ_{ｕｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｕｎｏｆｆ}），（Ｖ_{ｖｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｖｎｏｆｆ}），（Ｖ_{ｗｎｄｅｔ}−Ｖ_{ｗｎｏｆｆ}）の平均値を用いてゲイン補正値を計算しているが、このように平均値を用いるのではなく、出力電圧検出値やオフセット補償電圧をローパスフィルタにより濾過した値を用いてオフセット電圧及びゲイン補正値を計算しても良い。更には、出力電圧検出値をローパスフィルタにより濾過した値の平均値をとってオフセット電圧を求めるというように、両者を組み合わせてもよい。

本発明の第１実施形態を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態を示すフローチャートである。 ３相ＰＷＭインバータの主回路構成図である。 非特許文献１に記載された出力電圧の検出原理を示す回路図である。

符号の説明

１１，１２：半導体スイッチング素子
１３，１４：環流ダイオード
２０：平滑コンデンサ
３１〜３６：半導体スイッチ
４０：直流電源
５０：３相ＰＷＭインバータ

Claims (2)

1. 直流を多相交流に変換する電力変換器の出力電圧を、前記電力変換器の直流回路の負極電位を基準として検出する電圧検出器において、
   前記電力変換器の全ての出力相から前記負極電位を同時に出力した状態で、前記電圧検出器により前記電力変換器の各相の出力電圧を検出してこれらの出力電圧検出値から各相のオフセット電圧を求め、
   次に、前記電力変換器の全ての出力相から前記直流回路の正極電位を同時に出力した状態で、前記電圧検出器により前記電力変換器の各相の出力電圧を検出し、これらの出力電圧検出値から各相の前記オフセット電圧をそれぞれ減算して各相のオフセット補償電圧を求めると共に、各相のオフセット補償電圧の平均値を求め、
   前記平均値を各相のオフセット補償電圧によりそれぞれ除算して前記電圧検出器の各相のゲイン補正値を演算し、
   前記電圧検出器による各相の出力電圧検出値を、前記各相のオフセット電圧及びゲイン補正値を用いて補正することを特徴とする電圧検出器のオフセット及びゲイン調整方法。
2. 請求項１に記載した電圧検出器のオフセット及びゲイン調整方法において、
   前記オフセット電圧として、一定期間にわたり複数回検出した出力電圧検出値の平均値またはこれらの出力電圧検出値をローパスフィルタにより濾過した値を用い、かつ、前記オフセット補償電圧として、一定期間にわたり複数回検出したオフセット補償電圧の平均値またはこれらのオフセット補償電圧をローパスフィルタにより濾過した値を用いることを特徴とする電圧検出器のオフセット及びゲイン調整方法。

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