JP6219297B2 - 電気負荷に印加される電圧を補正する制御方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、電気負荷に印加される制御電圧を補正する制御方法及びシステムに関する。

知られている様式では、電力変換器（power converter）は、いくつかのスイッチングアーム（例えば３つのスイッチングアーム）が設けられた逆変換器モジュール（inverter module）を備えており、各スイッチングアームが、制御される電気負荷に連結されている。これらのスイッチングアームは、電圧源に接続された２つの電源線間で並列に接続されている。各アームは例えば、２つの電源線間で直列に接続された少なくとも２つのスイッチと、第１のスイッチと第２のスイッチとの間に配置され、電気負荷に接続された接続中間点（connection midpoint）とを備えている。各スイッチは例えば、トランジスタを備え、このトランジスタがＩＧＢＴ型であれば随意に更にダイオードを備える。

従来の逆変換器モジュールのスイッチングアームにおいては、２つのスイッチは相補的なＰＷＭ信号により制御される、即ち、一方のスイッチが閉状態であるときに他方のスイッチは開状態であり、その逆も同様である。更に、２つのスイッチが同時に閉状態になることを防止するために、２つのスイッチの閉状態切換時間（closed state switching time）の間に不感時間（dead-time）が挿入される。従って、この不感時間の間、２つのスイッチは開状態である。このようにして、２つの電源線間の短絡、及びこの短絡により引き起こされ得る電流スパイクが確実に回避される。

電気負荷に印加される所望の電圧の関数として、各スイッチングアームは、出力電圧を取得するように制御される。各スイッチの固有の電圧降下のため、各スイッチの抵抗のため、及びＰＷＭ制御における不感時間の挿入のために、実際に印加される出力電圧は、所望の電圧と常に異なることがわかる。従って、電気負荷に実際に印加される各電圧が所望の電圧に等しくなるように、電圧補償を導入することが必要である。この問題に対処するために、従来技術において知られている大多数の手順は、複雑な機器の助力によって実行されている。

本発明の目的は、電力変換器の逆変換器モジュールの非線形性を補償することを可能にする制御方法であって、単純で、費用がよりかからず、実行するのが容易である制御方法を提案することである。

この目的は、電力変換器内で実行される制御方法であって、前記電力変換器は、電気負荷に印加される制御電圧を基準制御電圧の関数として決定することを可能にする制御規則（control law）により制御される逆変換器モジュールを備え、前記制御方法は、
− 前記電気負荷に印加される実際の電圧を測定するステップと、
− 前記電気負荷に印加される前記実際の電圧を表す電圧をフィルタリングして、第１のフィルタリングされた電圧を取得する第１のステップと、
− 前記基準制御電圧を表す電圧をフィルタリングして、第２のフィルタリングされた電圧を取得する第２のステップと、
− 前記基準制御電圧に付与される補正値を決定するステップであって、前記補正値は、前記第１のフィルタリングされた電圧と前記第２のフィルタリングされた電圧とに基づいて決定される、ステップと、
を含む制御方法により実現される。

個別の特徴によれば、前記第１のフィルタリングのステップは、電子型（electronic type）のローパスフィルタにより実行される。

別の個別の特徴によれば、前記第２のフィルタリングのステップは、ソフトウェア型のローパスフィルタにより実行される。

別の個別の特徴によれば、前記補正値は、比例積分動作補正器（proportional-integral action corrector）を用いることにより決定される。

本発明は更に、電力変換器内で用いられる制御システムであって、前記電力変換器は、電気負荷に印加される制御電圧を基準制御電圧の関数として決定することを可能にする制御規則により制御される逆変換器モジュールを備え、前記制御システムは、
− 前記電気負荷に印加される実際の電圧を測定する手段と、
− 前記電気負荷に印加される前記実際の電圧を表す電圧をフィルタリングして、第１のフィルタリングされた電圧を取得する第１の手段と、
− 前記基準制御電圧を表す電圧をフィルタリングして、第２のフィルタリングされた電圧を取得する第２の手段と、
− 前記基準制御電圧に付与される補正値を、前記第１のフィルタリングされた電圧と前記第２のフィルタリングされた電圧の関数として決定する手段と、
を備える制御システムに関する。

個別の特徴によれば、前記第１のフィルタリングの手段は、電子型のローパスフィルタを備える。

別の個別の特徴によれば、前記第２のフィルタリングの手段は、ソフトウェア型のローパスフィルタを備える。

別の個別の特徴によれば、前記第１のフィルタリングの手段の時定数と前記第２のフィルタリングの手段の時定数は、実質的に同一である。

別の個別の特徴によれば、前記補正値は、比例積分動作補正器を用いることにより決定される。

本発明によれば、電子型のローパスフィルタを使用して、測定される実際の電圧をフィルタリングすることが、出力位相に存在する電流の時間ダイナミクスに相当する遅い時間ダイナミクスで作動することを可能にし、この電流が、制御される最終的な量に相当している。

他の特性及び利点が、例として与えられ、添付の図面により表される実施形態を参照しつつ、後続の詳述な説明において明らかとなる。

可変速ドライブ（variable speed drive）型の電力変換器の出力段を表す図である。 電力変換器に関する制御概略図であり、本概略図は本発明の制御方法を例示している。

本発明は、電力変換器の制御に適用され、より正確には、電力変換器に接続された電気負荷Ｌに付与される電圧補正の決定に適用される。

図１を参照すると、電力変換器は、電圧源を有する逆変換器モジュールＩＮＶを備えている。表現「電圧源を有する逆変換器ＩＮＶ」は、いわゆるフライングキャパシタ逆変換器及びマトリクス変換器型の逆変換器がそうであるように、ＤＣ電源母線を備え２つ以上のレベルを有するすべての従来の逆変換器を意味すると理解される。後続の説明は、２つのレベルを有する従来の逆変換器をより詳細に扱っているが、本発明は、スイッチによりモデル化可能な少なくとも１つのスイッチングアーム（switching arm）を備える任意のタイプの電力変換器に適用されることが理解されなければならない。

知られている様式では、図１に表されるような従来の逆変換器モジュールＩＮＶは、２つの電源線（正の電源線及び負の電源線）を備え、それらの電源線間に、母線キャパシタＣｂｕｓ及びいくつかのスイッチングアーム１、２、３（図１においては３つのスイッチングアーム）が接続されている。典型的には各スイッチングアーム１、２、３は、２つの電源線間に接続された少なくとも２つのスイッチ（Ｔ１₁、Ｔ２₁、Ｔ１₂、Ｔ２₂、Ｔ１₃、Ｔ２₃）を備えている。各アーム上では、２つのスイッチ間に配置された接続中間点（これらも１、２、３と指定されている）が電気負荷Ｌに接続されている。各スイッチは、ＩＧＢＴ型、ＪＦＥＴ型等のトランジスタを備えている。トランジスタがＩＧＢＴ型のものであれば、トランジスタは通常通りダイオードに関連付けられる。

後続の説明では、各スイッチ（Ｔ１₁、Ｔ２₁、Ｔ１₂、Ｔ２₂、Ｔ１₃、Ｔ２₃）が、ＩＧＢＴトランジスタ及びダイオードから構成されることが考慮に入れられる。

図２を参照すると、逆変換器モジュールＩＮＶの複数のスイッチは、電力変換器の処理手段（processing means）により実行される制御規則ＣＬにより制御される。知られている様式では、制御規則は、入力として、電気負荷Ｌに付与される磁束基準φ_ref及び速度基準ω_refを受信し、電気負荷Ｌに接続された電力変換器の各出力位相Ｕ、Ｖ、Ｗ上に印加される（ｕ_app）複数の基準制御電圧ｕ_refを、この磁束基準φ_ref及びこの速度基準ω_refの関数として決定することを可能にする。

制御規則ＣＬにおいては、電力変換器の各出力位相Ｕ、Ｖ、Ｗ上に印加される複数の制御電圧ｕ_appは、基準電圧生成器ＵＲＥＦへの入力として印加される磁束基準φ_ref及び速度基準ω_refを表す複数の基準制御電圧ｕ_refに基づいて決定されることが知られている。

この構成では、これらの出力位相上で測定される複数の実際の電圧ｕ_realが、決定された複数の基準制御電圧ｕ_refに対応しないことが知られている。これは、逆変換器モジュールの非線形性に特に起因するものであり、これらの非線形性は、スイッチの切換の間に挿入される不感時間、スイッチの切換の継続期間（duration）、及び各スイッチの固有の電圧損失に起因している。

本発明の制御方法は、電圧の損失を補償することと、所望の基準制御電圧ｕ_refに等しい出力位相上で測定される実際の電圧ｕ_realを取得することを可能にする。本発明の制御システムは、この方法を実行することを可能にするハードウェア及びソフトウェアの手段を備えている。

本発明の制御方法は、計算手段により、各基準制御電圧ｕ_refに付与される複数の補正値ｕ_corを決定して、電気負荷Ｌに印加される対応する制御電圧ｕ_appを補正する。

図２を参照すると、本方法は、電気負荷Ｌに接続された複数の出力位相に印加される複数の実際の電圧ｕ_realを測定する。これらの実際の電圧ｕ_realは例えば、少なくとも２つの複合電圧（compound voltage）ｕ_{real_comp}（複合電圧＝２つの出力位相間で測定される電圧）の形式で取り出される（recover）。これらの実際の複合電圧はその後、フィルタリングされた複数の実際の複合電圧ｕ_{real_comp} ^Fを取得するために、例えば（ソフトウェアではなく）電子型のローパスフィルタＦ＿Ｈｗによりフィルタリングされる。

対応する様式では、本制御方法は、上述の電子フィルタと同じ時定数を用いて、ソフトウェア型のローパスフィルタＦ＿Ｓｗにより、フィルタリングされた複数の基準複合電圧ｕ_{ref_comp} ^Fを取得するような形で、複数の複合電圧ｕ_{ref_comp}の形式で同様に取り出される複数の基準制御電圧ｕ_refをフィルタリングする。

本発明の実行のために、我々は、すべての実際の単純な電圧を決定するには２つの電圧測定で十分なので複合電圧を用いた。しかしながら、各出力位相上で測定された実際の単純な電圧から直接開始することは可能であっただろう。次に、対応する基準の単純な電圧が、本方法を実行するために取り出される。

フィルタリングされた複数の基準複合電圧ｕ_{ref_comp} ^Fとフィルタリングされた複数の実際の複合電圧ｕ_{real_comp} ^Fは、入力として、複数の補正値ｕ_corを決定することを可能にする補正ブロックに印加される。

後続の論証は、以下の変数に基づいて、付与される補正の原理を説明することを可能にする。
− ｉ_sは、電力変換器の出力位相にて流れる電流に相当し、
− ｕ_appは、電気負荷に印加される制御電圧に相当し、
− ｕ_realは、電気負荷に印加される実際の電圧に相当し、
− ｕ_refは、電気負荷に印加される制御電圧を決定することを可能にする基準制御電圧に相当し、
− ｕ_corは、基準制御電圧に実際の電圧を整合させることを可能にする計算された補正値に相当する。

逆変換器モジュールの出力上の電圧に関するモデルは、以下の関係式により表現可能である。

上式において、項perturbations（摂動）は、電気負荷に印加される実際の電圧が電気負荷に印加される制御電圧に相当するように、消去されなければならない。前述したように、項perturbationsは特に、逆変換器モジュールの各スイッチにおける電圧損失に相当し、各スイッチの固有の抵抗に相当し、かつ各位相において流れる電流の符号に関係付けられる。

本発明によれば、電気負荷に印加される制御電圧は、以下の表現式によると、基準制御電圧と補正値との和に相当する。

実際の電圧の電子フィルタリングは、以下の関係式により表現される。

上式において、
− Ｔは、電子フィルタの時定数を表し、
− ｕ_real ^Fは、フィルタリングされた実際の制御電圧に相当する。

基準制御電圧のソフトウェアフィルタリングは、以下の関係式により表現される。

上式において、
− Ｔは、電子フィルタリングの時定数と同一であるソフトウェアフィルタの時定数を表し、
− ｕ_ref ^Fは、フィルタリングされた基準制御電圧に相当する。
Δｕ＝ｕ^F−ｕ_ref ^Fを定義することにより、誤差の定義が得られる。

項perturbationsを取り除くために、比例積分動作補正器ＰＩが以下の表現式の形で使用可能である。

上式において、Ｋ_p及びＫ_Iは、比例積分動作補正器ＰＩの利得に相当する。

更に、予測動作（anticipative action）（「フィードフォワード」）項を付加して、補正値を決定することも可能である。そして、補正関係式は次のようになる。

上式において、項perturbations_ESTは、予測動作項（例えばＶ_ｃｏｍｐ・ｓｉｇｎ（ｉ_s）に等しい）に相当しており、摂動関数の概念を表す。Ｖ_ｃｏｍｐは、逆変換器モジュールの非線形性を引き起こす補償電圧に相当する。

比例積分動作補正器ＰＩに、フィルタリングされた複数の基準制御電圧（例えば複合電圧の形式で取り扱われるもの）と、複数の出力位相上で測定されるフィルタリングされた複数の実際の電圧（例えば複合電圧の形式で取り扱われるもの）とを注入することで、その結果、複数の補正値ｕ_corを決定することが可能である。これらの補正値ｕ_corは、多様な摂動（特にスイッチの切換における非線形性（項perturbations））を考慮して電気負荷Ｌに印加される制御電圧ｕ_appを取得するような形で、基準制御電圧ｕ_refに付加される。

本発明によれば、制御システムは、電動機の速度が非常に高くなるときに上述の補正手順を動作停止（deactivate）させる手段を備えることが可能である。実際、高速度では、スイッチの切換の間の不感時間により引き起こされる電圧への影響は無視できるほどになり、これにより、補正手順はほとんど重要性がなくなる。

Claims (5)

1. 電力変換器内で実行される制御方法であって、前記電力変換器は、電気負荷（Ｌ）に印加される制御電圧（ｕ_app）を基準制御電圧（ｕ_ref）の関数として決定することを可能にする制御規則により制御される逆変換器モジュール（ＩＮＶ）を備え、前記制御方法は、
   前記電気負荷（Ｌ）に印加される実際の電圧（ｕ_real）を測定するステップと、
   前記電気負荷に印加される前記実際の電圧（ｕ_real）を表す電圧をフィルタリングして、第１のフィルタリングされた電圧を取得する第１のステップであって、前記実際の電圧（ｕ _real ）は次の式ｕ _real ＝ｕ _app ＋perturbationsに相当し、ただし、ｕ _real は前記実際の電圧に相当し、ｕ _app は前記制御規則により決定される前記制御電圧に相当し、「perturbations」は消去される必要がある項に相当する、第１のステップと、
   前記基準制御電圧（ｕ_ref）を表す電圧をフィルタリングして、第２のフィルタリングされた電圧を取得する第２のステップと、
   前記基準制御電圧（ｕ_ref）に付与される補正値（ｕ_cor）を決定するステップであって、前記補正値（ｕ_cor）は、前記第１のフィルタリングされた電圧と前記第２のフィルタリングされた電圧とに基づいて決定され、前記補正値（ｕ _cor ）は、前記「perturbations」項のない前記実際の電圧に相当する前記制御電圧（ｕ _app ）を得るよう前記基準制御電圧（ｕ _ref ）に加えられる値に相当する、ステップと、
   を含み、
   前記第１のフィルタリングのステップは、電子型のローパスフィルタ（Ｆ＿Ｈｗ）により実行され、
   前記第２のフィルタリングのステップは、ソフトウェア型のローパスフィルタ（Ｆ＿Ｓｗ）により実行される、
   ことを特徴とする制御方法。
2. 前記補正値（ｕ_cor）は、比例積分動作補正器（ＰＩ）を用いることにより決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 電力変換器内で用いられる制御システムであって、前記電力変換器は、電気負荷（Ｌ）に印加される制御電圧（ｕ_app）を基準制御電圧（ｕ_ref）の関数として決定することを可能にする制御規則により制御される逆変換器モジュール（ＩＮＶ）を備え、前記制御システムは、
   前記電気負荷（Ｌ）に印加される実際の電圧（ｕ_real）を測定する手段と、
   前記電気負荷に印加される前記実際の電圧（ｕ_real）を表す電圧をフィルタリングして、第１のフィルタリングされた電圧を取得する第１の手段であって、前記実際の電圧（ｕ _real ）は次の式ｕ _real ＝ｕ _app ＋perturbationsに相当し、ただし、ｕ _real は前記実際の電圧に相当し、ｕ _app は前記制御規則により決定される前記制御電圧に相当し、「perturbations」は消去される必要がある項に相当する、第１の手段と、
   前記基準制御電圧（ｕ_ref）を表す電圧をフィルタリングして、第２のフィルタリングされた電圧を取得する第２の手段と、
   前記基準制御電圧（ｕ_ref）に付与される補正値（ｕ_cor）を、前記第１のフィルタリングされた電圧と前記第２のフィルタリングされた電圧の関数として決定する手段であって、前記補正値（ｕ _cor ）は、前記「perturbations」項のない前記実際の電圧に相当する前記制御電圧（ｕ _app ）を得るよう前記基準制御電圧（ｕ _ref ）に加えられる値に相当する、手段と、
   を備え、
   前記第１のフィルタリングの手段は、電子型のローパスフィルタ（Ｆ＿Ｈｗ）を備え、
   前記第２のフィルタリングの手段は、ソフトウェア型のローパスフィルタ（Ｆ＿Ｓｗ）を備える、
   ことを特徴とする制御システム。
4. 前記第１のフィルタリングの手段の時定数と前記第２のフィルタリングの手段の時定数は、実質的に同一であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記補正値（ｕ_cor）は、比例積分動作補正器（ＰＩ）を用いることにより決定されることを特徴とする請求項３又は４に記載のシステム。

Images