JP6203418B2 - 電力変換装置およびその制御方法、電動パワーステアリングの制御装置 - Google Patents
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Description
図1はこの発明の実施の形態1による電力変換装置の全体構成を示す図である。交流回転機1は例えば、U、V、Wの3相の3相巻線(一般的には多相巻線)Cを有する永久磁石同期回転機からなる。
直流電源2は、電力変換部3に直流電圧Vdcを出力する。この直流電源2は、バッテリ、DC−DCコンバータ、ダイオード整流器、PWM整流器等(共に図示省略)、直流電圧を出力する全ての機器を含み得る。
なお、直流電源2または直流電源2と平滑コンデンサ4からなる部分は直流電源部を構成する。
ここで、この実施の形態1では電力変換部3はスイッチング信号Qup〜Qwnにより、力行運転時に直流電源1または平滑コンデンサからの直流電圧を交流電圧に変換して交流回転機1に供給する動作を行うものとする。また後述する実施の形態3では電力変換部3はスイッチング信号Qup〜Qwnにより、回生運転時に交流回転機1の起電力を直流電力に変換して直流電源1または平滑コンデンサに供給する動作を行うものとする。
またこの発明では後述するように、電力変換部3が上記力行運転時の動作と回生運転時の動作を両方行う場合も含む。
この発明ではスイッチング信号Qup〜Qwnは、電力変換部3と共に、電流検出のための電流検出部7および相電流演算部8にも出力され、電流検出部7および相電流演算部8はそれぞれスイッチング信号Qup〜Qwnに従って検出、演算を行う。なお、電流検出部7および相電流演算部8へはQup〜Qwnの全てのスイッチング信号を出力する必要は無く、例えばQup、Qvp、Qwpのように上側のスイッチング信号を使用する、あるいはスイッチング信号Qup〜Qwnの状態を表現できる別の状態変数を使用するなどしても、同様の効果を得られる。
ただし、V/F制御はフィードフォワード制御であって、3相電流Iu、Iv、Iwを必要としない。従ってこの場合、電圧指令演算部6への3相電流Iu、Iv、Iwの入力は必須ではない。
位置検出器100は、交流回転機1の位相θをスイッチング信号生成部5へ出力する。
時刻ts1−1(n)で検出された母線電流IdcはU相を流れる電流Iuに等しく、母線電流Idcは正値となり直流電源2または平滑コンデンサ4から交流回転機1へ流れる力行モードとなっている。
時刻ts1−2(n)で検出された母線電流IdcはW相を流れる電流の符号反転値−Iwに等しく、母線電流Idcは正値となり直流電源2または平滑コンデンサ4から交流回転機1へ流れる力行モードとなっている。
時刻ts1−1(n)で検出された母線電流IdcはW相を流れる電流Iwに等しく、母線電流Idcは負値となり交流回転機1から直流電源2または平滑コンデンサ4へ流れる回生モードとなっている。
時刻ts1−2(n)で検出された母線電流IdcはU相を流れる電流の符号反転値−Iuに等しく、母線電流Idcは負値となり交流回転機1から直流電源2あるいは平滑コンデンサ4へ流れる回生モードとなっている。
dq軸電流を軸とした平面において図14のように電流ベクトルの位相角θβを定め、電流実効値をIrmsとすると、3相電流は下記式(1)のように表すことができる。
iv1=√(2)・Irms・sin(θ+θβ+(π/3))
iw1=√(2)・Irms・sin(θ+θβ−(π/3))
(1)
ここで
T:トルク
Pm:極対数
φ:磁束
Ld:d軸インダクタンス、
Lq:q軸インダクタンス
id:d軸電流
iq:q軸電流
すなわち、1つ目の電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるためには、
電圧ベクトルV1であれば180deg〜360deg、
電圧ベクトルV3であれば0deg〜120degまたは300deg〜360deg、
電圧ベクトルV5であれば60deg〜240deg、
で選択する必要がある。
すなわち、2つ目の電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるためには、
電圧ベクトルV4であれば0deg〜180deg、
電圧ベクトルV6であれば120deg〜300deg、
電圧ベクトルV2であれば0〜60degまたは240〜360deg
で選択する必要がある。
図17は、2つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを、それぞれ180deg存在する設定可能範囲のうち最小の電気角で実施した場合である。
図18は、2つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを、それぞれ180deg存在する設定可能範囲のうち最大の電気角で実施した場合である。
この2つの場合に限らず、図16の設定可能範囲に含まれる2つの電圧ベクトルを選択すれば同様の効果を得ることができる。
すなわち、1つ目の電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるためには、
電圧ベクトルV1であれば135deg〜315deg、
電圧ベクトルV3であれば0deg〜75degまたは255deg〜360deg、
電圧ベクトルV5であれば15deg〜195deg、
で選択する必要がある。
すなわち、2つ目の電圧ベクトルでの電流検出時に力行モードとなるためには、
電圧ベクトルV4であれば0deg〜135degまたは315deg〜360deg、
電圧ベクトルV6であれば75deg〜255deg、
電圧ベクトルV2であれば0〜15degまたは195〜360deg、
で選択する必要がある。
図21は、2つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを、それぞれ180deg存在する設定可能範囲のうち最小の電気角で実施した場合である。
図22は、2つの電圧ベクトルの組み合わせの切り換えを、それぞれ180deg存在する設定可能範囲のうち最大の電気角で実施した場合である。
この2つの場合に限らず、図20の設定可能範囲に含まれる2つの電圧ベクトルを選択すれば同様の効果を得ることができる。
またこの2つの場合に限らず、図16および図20の設定可能範囲を満たすような2つの電圧ベクトルを選択すれば同様の効果を得ることができる。
例えば、電流ベクトルのq軸成分が正の場合には図23、電流ベクトルのq軸成分が負の場合には図31のように2つの電圧ベクトルを選択することにより、力行運転状態で力行モードとなる2つの電圧ベクトルを出力して電流検出をし、電力損失を低減することができる。
電圧ベクトルが通常のままであれば力行と回生が切替わってしまうが、q軸電流の正負で切り替えることで力行モードで検出することができる。
これにより、電圧ベクトルを自由に選択できる低変調率領域では電力損失を最小とする電圧ベクトルを選択し、選択できる電圧ベクトルの組合せが限定される高変調率領域では必要な電圧ベクトルを選択することにより、高変調率での電力損失を抑制できる。
実施の形態1では位相角θβの想定範囲内の使用において、力行運転状態で力行モードとなる2つの電圧ベクトルを出力して、電力損失を低減するという従来に無い効果を得たが、この実施の形態では任意の位相角θβに対して同様の効果を得る方式について説明する。この実施の形態による電力変換装置の構成は基本的に図1に示すものと同じである。
例えば、d軸電流を多く流す(位相角が大きい)状態では、電圧ベクトルが通常のままであれば力行から回生に切り替わる領域が発生するが、電流指令の位相角を考慮して切り替えることで力行モードで検出することができる。
図36はこの発明の実施の形態3における電力変換装置の全体構成を示す図である。この発明の実施の形態3における電力変換装置は、図1とほぼ同じ全体構成であるが、スイッチング信号生成部5aで回生運転状態において電流検出の際に回生モードとなる2つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力することが異なる。
また、上記各実施の形態では3相の交流回転機を設けた装置を例に挙げて説明したが、3相に限定されず、4相以上の多相巻線を有する交流回転機を設けた装置にも適用可能である。
Claims (12)
- 3相以上の多相巻線を有する交流回転機と、
直流電圧を出力する直流電源部と、
前記交流回転機のための外部からの制御指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令に対応した少なくとも2つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、
前記スイッチング信号に基づいて、前記直流電源部からの前記直流電圧を交流電圧に変換して前記交流回転機に供給する電力変換部と、
前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出する電流検出部と、
前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算する相電流演算部と、
を備え、
前記電流検出部は、前記スイッチング信号に従って前記2つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部は、前記交流回転機が力行運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記直流電源部から前記交流回転機へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、
前記スイッチング信号生成部は、
前記制御指令が電流指令を含む場合の前記電流指令の2軸座標系における位相角と、
前記電圧指令の2軸座標系における位相角と、
前記相電流演算部で得られた相電流の2軸座標系における位相角と、
のうちの少なくとも1つに基づいて前記電圧ベクトルを選択する、
電力変換装置。 - 3相以上の多相巻線を有する交流回転機と、
直流電圧を出力する直流電源部と、
前記交流回転機のための外部からの制御指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令に対応した少なくとも2つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、
前記スイッチング信号に基づいて、前記直流電源部からの前記直流電圧を交流電圧に変換して前記交流回転機に供給する電力変換部と、
前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出する電流検出部と、
前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算する相電流演算部と、
を備え、
前記電流検出部は、前記スイッチング信号に従って前記2つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部は、前記交流回転機が力行運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記直流電源部から前記交流回転機へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、
前記スイッチング信号生成部は、
前記制御指令が電流指令を含む場合の前記電流指令の2軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
前記電圧指令の2軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
前記相電流演算部で得られた相電流の2軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
のうちの少なくとも1つに基づいて前記電圧ベクトルを選択する、
電力変換装置。 - 3相以上の多相巻線を有する交流回転機と、
直流電圧を出力する直流電源部と、
前記交流回転機のための外部からの制御指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令に対応した少なくとも2つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、
前記スイッチング信号に基づいて、前記直流電源部からの前記直流電圧を交流電圧に変換して前記交流回転機に供給する電力変換部と、
前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出する電流検出部と、
前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算する相電流演算部と、
を備え、
前記電流検出部は、前記スイッチング信号に従って前記2つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部は、前記交流回転機が力行運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記直流電源部から前記交流回転機へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、
前記電流検出部は、前記電圧指令の振幅が閾値を超えた場合、前記電圧ベクトルが電圧指令ベクトルに隣接するタイミングにて前記母線電流を検出する、
電力変換装置。 - 3相以上の多相巻線を有する交流回転機と、
直流電圧を出力する直流電源部と、
前記交流回転機のための外部からの制御指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令に対応した少なくとも2つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、
前記スイッチング信号に基づいて、前記交流回転機の起電力を直流電力に変換して前記直流電源部に供給する電力変換部と、
前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出する電流検出部と、
前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算する相電流演算部と、
を備え、
前記電流検出部は、前記スイッチング信号に従って前記2つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部は、前記交流回転機が回生運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記交流回転機から前記直流電源部へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、
前記スイッチング信号生成部は、
前記制御指令が電流指令を含む場合の前記電流指令の2軸座標系における位相角と、
前記電圧指令の2軸座標系における位相角と、
前記相電流演算部で得られた相電流の2軸座標系における位相角と、
のうちの少なくとも1つに基づいて前記電圧ベクトルを選択する、
電力変換装置。 - 3相以上の多相巻線を有する交流回転機と、
直流電圧を出力する直流電源部と、
前記交流回転機のための外部からの制御指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令に対応した少なくとも2つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、
前記スイッチング信号に基づいて、前記交流回転機の起電力を直流電力に変換して前記直流電源部に供給する電力変換部と、
前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出する電流検出部と、
前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算する相電流演算部と、
を備え、
前記電流検出部は、前記スイッチング信号に従って前記2つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部は、前記交流回転機が回生運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記交流回転機から前記直流電源部へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、
前記スイッチング信号生成部は、
前記制御指令が電流指令を含む場合の前記電流指令の2軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
前記電圧指令の2軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
前記相電流演算部で得られた相電流の2軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
のうちの少なくとも1つに基づいて前記電圧ベクトルを選択する、
電力変換装置。 - 3相以上の多相巻線を有する交流回転機と、
直流電圧を出力する直流電源部と、
前記交流回転機のための外部からの制御指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令に対応した少なくとも2つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、
前記スイッチング信号に基づいて、前記交流回転機の起電力を直流電力に変換して前記直流電源部に供給する電力変換部と、
前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出する電流検出部と、
前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算する相電流演算部と、
を備え、
前記電流検出部は、前記スイッチング信号に従って前記2つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部は、前記交流回転機が回生運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記交流回転機から前記直流電源部へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、
前記電流検出部は、前記電圧指令の振幅が閾値を超えた場合、前記電圧ベクトルが電圧指令ベクトルに隣接するタイミングにて前記母線電流を検出する、
電力変換装置。 - 前記電力変換部が前記スイッチング信号に基づいて、力行運転状態の場合に前記直流電源部からの前記直流電圧を交流電圧に変換して前記交流回転機に供給し、回生運転状態の場合に前記交流回転機の起電力を直流電力に変換して前記直流電源部に供給し、
前記スイッチング信号生成部は、前記交流回転機が回生運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記交流回転機から前記直流電源部へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、前記交流回転機が力行運転状態の場合に前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記直流電源部から前記交流回転機へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、請求項4から6までのいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記電流検出部は、前記電圧指令の振幅が閾値を超えた場合、前記電圧ベクトルが電圧指令ベクトルに隣接するタイミングにて前記母線電流を検出する請求項1,2,4,5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- ステアリング系の操舵トルクを補助するトルクを前記交流回転機が発生するように請求項1から8までのいずれか1項に記載の電力変換装置が設けられた電動パワーステアリングの制御装置。
- 3相以上の多相巻線を有する交流回転機のための外部からの制御指令に基づき電圧指令演算部で電圧指令を演算し、
スイッチング信号生成部により、前記電圧指令に対応した少なくとも2つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、
電力変換部により、前記スイッチング信号に基づいて、直流電源部からの直流電圧を交流電圧に変換して前記交流回転機に供給し、また前記交流回転機の起電力を直流電力に変換して前記直流電源部に供給し、
電流検出部により、前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出し、
相電流演算部により、前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算し、
前記電流検出部により、前記スイッチング信号に従って前記2つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部により、
前記交流回転機が力行運転状態の場合に、前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記直流電源部から前記交流回転機へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、
前記交流回転機が回生運転状態の場合に、前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記交流回転機から前記直流電源部へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、
の少なくとも一方のスイッチング信号の出力を行い、
前記スイッチング信号生成部により、
前記制御指令が電流指令を含む場合の前記電流指令の2軸座標系における位相角と、
前記電圧指令の2軸座標系における位相角と、
前記相電流演算部で得られた相電流の2軸座標系における位相角と、
のうちの少なくとも1つに基づいて前記電圧ベクトルを選択する、
電力変換装置の制御方法。 - 3相以上の多相巻線を有する交流回転機のための外部からの制御指令に基づき電圧指令演算部で電圧指令を演算し、
スイッチング信号生成部により、前記電圧指令に対応した少なくとも2つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、
電力変換部により、前記スイッチング信号に基づいて、直流電源部からの直流電圧を交流電圧に変換して前記交流回転機に供給し、また前記交流回転機の起電力を直流電力に変換して前記直流電源部に供給し、
電流検出部により、前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出し、
相電流演算部により、前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算し、
前記電流検出部により、前記スイッチング信号に従って前記2つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部により、
前記交流回転機が力行運転状態の場合に、前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記直流電源部から前記交流回転機へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、
前記交流回転機が回生運転状態の場合に、前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記交流回転機から前記直流電源部へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、
の少なくとも一方のスイッチング信号の出力を行い、
前記スイッチング信号生成部により、
前記制御指令が電流指令を含む場合の前記電流指令の2軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
前記電圧指令の2軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
前記相電流演算部で得られた相電流の2軸座標系における一方の軸方向成分の向きと、
のうちの少なくとも1つに基づいて前記電圧ベクトルを選択する、
電力変換装置の制御方法。 - 3相以上の多相巻線を有する交流回転機のための外部からの制御指令に基づき電圧指令演算部で電圧指令を演算し、
スイッチング信号生成部により、前記電圧指令に対応した少なくとも2つの電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力し、
電力変換部により、前記スイッチング信号に基づいて、直流電源部からの直流電圧を交流電圧に変換して前記交流回転機に供給し、また前記交流回転機の起電力を直流電力に変換して前記直流電源部に供給し、
電流検出部により、前記直流電源部と前記電力変換部との間を流れる電流である母線電流を検出し、
相電流演算部により、前記母線電流に基づいて前記交流回転機の多相巻線を流れる相電流を演算し、
前記電流検出部により、前記スイッチング信号に従って前記2つの電圧ベクトルを出力するタイミングで母線電流を検出し、
前記スイッチング信号生成部により、
前記交流回転機が力行運転状態の場合に、前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記直流電源部から前記交流回転機へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、
前記交流回転機が回生運転状態の場合に、前記電流検出部で前記母線電流を検出するタイミングにおいて前記交流回転機から前記直流電源部へ通電するような電圧ベクトルに対応したスイッチング信号を出力する、
の少なくとも一方のスイッチング信号の出力を行い、
前記電流検出部により、前記電圧指令の振幅が閾値を超えた場合、前記電圧ベクトルが電圧指令ベクトルに隣接するタイミングにて前記母線電流を検出する、
電力変換装置の制御方法。
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