JP6326832B2 - Inverter control method and voltage type inverter - Google Patents
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Description
本発明は、三角波キャリア信号と電圧指令によりPWMパターンを生成するPWM変調制御に関する。 The present invention relates to PWM modulation control for generating a PWM pattern by a triangular wave carrier signal and a voltage command.
可変速駆動装置などでは、インバータ回路にPWM変調制御を適用して、電圧指令に応じた交流電圧を出力している。PWM変調制御には、三角波キャリア信号と電圧指令により、PWMパルスパターンを生成する方法がある。 In a variable speed drive device or the like, PWM modulation control is applied to an inverter circuit to output an AC voltage corresponding to a voltage command. PWM modulation control includes a method of generating a PWM pulse pattern by using a triangular wave carrier signal and a voltage command.
なお、基準正弦波の傾きに応じてキャリアの周波数を変更する方法が特許文献3に開示されている。
A method for changing the carrier frequency in accordance with the slope of the reference sine wave is disclosed in
また、制御周期内において、電圧指令値が大きい領域でキャリア周波数を高く設定し、前記電圧指令値が小さい領域でキャリア周波数を低く設定することが特許文献4に開示されている。
Further,
さらに、PWM制御に従って制御されるモータ電流のリップル電流幅Iprを検出し,リップル電流幅の基準値Ipr♯とのリップル電流幅偏差ΔIprに基づき、PWM制御の搬送波周波数を指示する制御信号を設定することにより、リップル電流幅を適正レベルに維持するための搬送波周波数のフィードバック制御が実現されることが特許文献5に開示されている。
Further, the ripple current width Ipr of the motor current controlled according to the PWM control is detected, and a control signal that indicates the carrier frequency of the PWM control is set based on the ripple current width deviation ΔIpr from the reference value Ipr # of the ripple current width. Thus,
また、三角波発生回路のキャリア周波数を、車速又は交流機の回転数と負荷条件により変化させることが特許文献6に開示されている。
図14および図15に示すような電流リプル軌跡が描く形状は、キャリア周波数fcを高くすれば大きさが小さくなり、キャリア周波数fcを低くすれば大きくなる。この電流リプル成分は、負荷の電気機器内で銅損や鉄損の発生要因となるため、電流リプルは小さく、つまり、キャリア周波数fcを高くしたいが、一方で,単位時間当たりのスイッチング回数が多くなると主回路のスイッチング損失が増大して半導体素子の温度上昇が問題となる。そこで、電流リプルの抑制とスイッチング周波数の低減という相反する課題を両立する方式が望まれている。 The shape drawn by the current ripple locus as shown in FIGS. 14 and 15 decreases as the carrier frequency fc is increased, and increases as the carrier frequency fc is decreased. This current ripple component causes copper loss and iron loss in the electrical equipment of the load. Therefore, the current ripple is small, that is, the carrier frequency fc is desired to be high, but on the other hand, the number of times of switching per unit time is large. Then, the switching loss of the main circuit increases and the temperature rise of the semiconductor element becomes a problem. In view of this, there is a demand for a method that satisfies both conflicting problems of suppressing current ripple and reducing switching frequency.
従って、これらの関係を考慮して、適切なキャリア周波数fcを選定する必要がある。 Therefore, it is necessary to select an appropriate carrier frequency fc in consideration of these relationships.
上記の従来例の要点と課題について説明する。 The points and problems of the conventional example will be described.
電圧形PWMインバータでは、キャリア周波数により電流リプルが変化する。負荷機にとっては電流リプル成分により銅損の増加や鉄心の高調波鉄損などが増加するため、電流リプル成分は少ない方がつまりキャリア周波数は高いほうが好ましい。一方で、インバータにとっては、キャリア周波数を高くすると、スイッチング素子のスイッチング回数(ON/OFF動作の発生頻度)が増加し、スイッチング損失によって素子の温度上昇や効率の低下が生じるので好ましくない。 In the voltage type PWM inverter, the current ripple changes depending on the carrier frequency. For the load machine, an increase in copper loss and a harmonic iron loss in the iron core due to the current ripple component increase, and therefore it is preferable that the current ripple component is smaller, that is, the carrier frequency is higher. On the other hand, for the inverter, if the carrier frequency is increased, the switching frequency (occurrence frequency of ON / OFF operation) of the switching element is increased, and the switching loss causes an increase in the temperature of the element and a decrease in efficiency.
従って、通常はインバータと負荷機の総合損失やそれぞれの冷却能力を考慮して、キャリア周波数を選定している。 Therefore, the carrier frequency is usually selected in consideration of the total loss of the inverter and the load machine and the respective cooling capacity.
運転条件に応じてこのキャリア周波数を変化させることが考えられており、従来は負荷電流の大きさや回転速度(周波数)を基準として可変にする方式が多い。 It has been considered to change the carrier frequency in accordance with the operating conditions. Conventionally, there are many methods in which the carrier frequency is variable based on the magnitude of the load current and the rotation speed (frequency).
ある方式では、負荷電流が大きいとスイッチング損失が増加するため、負荷増に応じてキャリア周波数を下げてスイッチング回数を低減し、素子の発熱量の増加を抑制している。 In a certain method, when the load current is large, the switching loss increases. Therefore, the carrier frequency is lowered in accordance with the increase in the load to reduce the number of times of switching, thereby suppressing an increase in the heat generation amount of the element.
それ以外には、交流電動機の可変速駆動ではV/F制御のように回転速度(周波数)に電圧もほぼ比例して変化するため、電流リプルの形状も異なることを考慮して、総合損失や各部の温度上昇を考慮してキャリア周波数を変化させる方式もある。 Other than that, in the variable speed drive of an AC motor, the voltage also changes almost proportionally to the rotation speed (frequency) as in V / F control, so that the total loss and There is also a method of changing the carrier frequency in consideration of the temperature rise of each part.
しかし、従来の方法では、キャリア周波数の切り替えなどを行っているものの、切り替え時には急変させたり、または時間変化を緩やかにして定格周波数の周期よりも十分に長い時間をかけて変化させている。 However, in the conventional method, although the carrier frequency is switched, the frequency is changed suddenly at the time of switching, or the time change is moderated to take a time sufficiently longer than the cycle of the rated frequency.
逆の発想に立てば、基本波周期の60°ごとに変化する電流リプルの脈動まで考慮してキャリア周波数を制御する方式はまだ開示されていない。そこで、キャリア周波数が一定なら電流リプルの最大値が変動するが、逆に電流リプルの最大値を一定値に固定させるようなキャリア周波数を逆算する方法が考えられる。この方法を電流リプルとして図示すれば、図28では楕円状であった包絡線を、図30のように円状にすれば電流リプルの最大値を一定にできる。 On the contrary, a method for controlling the carrier frequency in consideration of the ripple of the current ripple that changes every 60 ° of the fundamental period has not been disclosed yet. Therefore, although the maximum value of the current ripple varies if the carrier frequency is constant, conversely, a method of calculating the carrier frequency so that the maximum value of the current ripple is fixed to a constant value can be considered. If this method is illustrated as a current ripple, the maximum value of the current ripple can be made constant by making the envelope, which was elliptical in FIG. 28, circular as shown in FIG.
図30の円状の包絡線の半径を、図28の楕円の長軸に一致させれば、短軸部分のPWMキャリア周期を長くすることになり、短軸部分という制限された期間であるがキャリア周波数を低減でき、ひいては平均スイッチング周波数も低減できる。 If the radius of the circular envelope in FIG. 30 coincides with the long axis of the ellipse in FIG. 28, the PWM carrier period of the short axis portion is lengthened, which is a limited period of the short axis portion. The carrier frequency can be reduced, and thus the average switching frequency can also be reduced.
以上示したようなことから、インバータ装置において、適切なキャリア周波数を選定し、スイッチング損失の低減、および、電流リプルの抑制を図ることが課題となる。 As described above, in the inverter device, it is a problem to select an appropriate carrier frequency, to reduce switching loss and to suppress current ripple.
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、PWM変調方式により三相交流電圧を出力するインバータを、可変電圧可変周波数で制御するインバータの制御方法であって、三角波キャリア信号の上下の頂点に同期して電圧指令を更新するか、または、その整数倍の期間を更新周期とする方式とし、電圧指令を入力し、基準キャリア周波数に基づいて三相変調方式、または、二相変調方式による零相変調を適用して電圧指令を補正し、前記補正後の電圧指令を用いて、三角波キャリア信号の半周期間における出力電流の電流リプルのベクトル軌跡を推定し、それらの電流リプルのベクトル軌跡のノルムを計算し、当該ノルムの最大成分である最大ノルムを選出し、その電流リプルの最大ノルムの値が許容電流リプルと一致するように、キャリア周波数の補正係数を計算し、基準キャリア周波数にキャリア周波数の補正係数を乗算した値をキャリア周波数指令に設定し、補正後の電圧指令と、キャリア周波数指令に基づいた三角波キャリア信号と、を用いてスイッチング素子をオンオフ制御させるPWMパターンを出力することを特徴とする。 The present invention has been devised in view of the above-described conventional problems, and one aspect thereof is an inverter control method for controlling an inverter that outputs a three-phase AC voltage by a PWM modulation method at a variable voltage variable frequency. The voltage command is updated in synchronization with the upper and lower vertices of the triangular wave carrier signal, or the period that is an integral multiple of the voltage command is used as the update cycle, and the voltage command is input and three-phase modulation is performed based on the reference carrier frequency. The voltage command is corrected by applying zero-phase modulation by the method or the two-phase modulation method, and the vector locus of the current ripple of the output current during the half cycle of the triangular wave carrier signal is estimated using the corrected voltage command. , Calculate the norm of the vector locus of those current ripples, select the maximum norm that is the maximum component of the norm, and the value of the maximum norm of the current ripple is the allowable current ripple. The carrier frequency correction coefficient is calculated so that it matches, the value obtained by multiplying the reference carrier frequency by the carrier frequency correction coefficient is set in the carrier frequency command, the corrected voltage command, and the triangular wave carrier based on the carrier frequency command And a PWM pattern for controlling on / off of the switching element using the signal.
前記電流リプルノルムを推定する際に、回転座標系をとり、界磁磁束による速度起電力のベクトルの位相角と、電圧指令を極座標変換した位相角と、を等しいとみなし、回転座標変換に使用する基準位相と電圧指令を極座標変換した位相角とを加算した値を回転座標の基準軸とし、補正後の電圧指令のベクトルを回転座標の基準軸に選定して、出力電圧ベクトルのスカラ量をこの基準軸として演算し、その基準軸の出力電圧ベクトルのスカラ量と界磁磁束による速度起電力のスカラ量との差の電圧成分と、その電圧ベクトルを出力する時間間隔から、電流リプルの軌跡を推定することを特徴とする。 When estimating the current ripple norm, the rotational coordinate system is taken, and the phase angle of the vector of velocity electromotive force due to the field magnetic flux is regarded as equal to the phase angle obtained by converting the voltage command into polar coordinates, and is used for rotational coordinate conversion. The value obtained by adding the reference phase and the phase angle obtained by converting the voltage command to the polar coordinate is used as the reference axis of the rotation coordinate, and the corrected voltage command vector is selected as the reference axis of the rotation coordinate. Calculate the current ripple trajectory from the voltage component of the difference between the scalar amount of the output voltage vector of the reference axis and the velocity electromotive force scalar amount due to the field magnetic flux and the time interval at which the voltage vector is output. It is characterized by estimating.
前記電流リプルのベクトル軌跡のノルムを計算する際に、基準軸とその直交軸の電流ノルムに値の異なる重み係数をそれぞれ乗算し、重み係数乗算後の各軸成分からノルムを計算し、そのノルムから最大ノルムを選択することを特徴とする。 When calculating the norm of the vector locus of the current ripple, the current norm of the reference axis and its orthogonal axis are multiplied by different weighting factors, and the norm is calculated from each axis component after the weighting factor multiplication. The maximum norm is selected from.
本発明によれば、インバータ装置において、適切なキャリア周波数を選定することが可能となる。これにより、スイッチング損失の低減、および、電流リプルの抑制を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to select an appropriate carrier frequency in the inverter device. Thereby, reduction of switching loss and suppression of current ripple can be achieved.
[1.全体構成]
本願発明の内容を記述する前に、まず基本となる従来技術例として可変速駆動装置のV/F制御方式について記載しておく。
[1. overall structure]
Before describing the contents of the present invention, first, a V / F control method for a variable speed drive device will be described as a basic prior art example.
各種の座標系は図2のように定義する。主回路の三相交流出力における各相をU相,V相,W相とし、U相を基準とする固定座標系の二軸座標をαβ座標、また、角周波数指令ω*を積分した位相角θと同期した回転座標系の二軸座標をdq座標とする。ここで、回転座標の初期位相は、時刻t=0のときにα軸とd軸が一致するものとする。 Various coordinate systems are defined as shown in FIG. Each phase in the three-phase AC output of the main circuit is the U phase, V phase, and W phase, the biaxial coordinates of the fixed coordinate system based on the U phase are αβ coordinates, and the phase angle that integrates the angular frequency command ω * The biaxial coordinate of the rotating coordinate system synchronized with θ is defined as the dq coordinate. Here, it is assumed that the initial phase of the rotational coordinates coincides with the α axis and the d axis when time t = 0.
PWM制御により、主回路の出力である相電圧は、Vp=+Vdc/2とVn=−Vdc/2の2値のレベルが時分割で出力され、それが三相分あるので三相電圧の組み合わせとしては合計8種類のPWMパターンの状態が存在する。以降では、図3のようなαβ座標上で表した8種類の電圧ベクトルを定義して、PWMパターンの代わりにこれと等価な電圧ベクトルとして表現することにする。 Due to the PWM control, the phase voltage, which is the output of the main circuit, is output in a time-division manner as binary levels of V p = + V dc / 2 and V n = −V dc / 2, and there are three phases. There are a total of eight types of PWM pattern states as combinations of phase voltages. In the following, eight types of voltage vectors represented on the αβ coordinates as shown in FIG. 3 are defined and expressed as equivalent voltage vectors instead of the PWM pattern.
図1は、基本的なV/F制御方式の制御ブロック図である。ここでは原理が分かりやすいように連続形(アナログ系)の例で示しており、下記に各構成要素を列記する。 FIG. 1 is a control block diagram of a basic V / F control method. Here, in order to make the principle easy to understand, an example of a continuous type (analog type) is shown, and each component is listed below.
(1)入力指令および二軸電圧指令演算部1
入力指令は回転速度に相当する角周波数指令ω*であり、この角周波数指令ω*から二軸電圧指令演算部1において、角周波数指令ω*とほぼ比例した二軸電圧指令Vd *,Vq *を生成する。これは、図2で定義した回転座標系(dq座標)の直交二軸成分の電圧である。このように角周波数と電圧をほぼ比例させた制御方式をV/F制御と呼んでいる。
(1) Input command and biaxial voltage
Input command is an angular frequency command corresponding to the rotation speed omega *, in this angular frequency command omega * biaxial voltage
(2)キャリア発生部2
PWMパターンを生成するために必要な三角波キャリア信号Cryを生成する。これは、図4のようなキャリア周波数指令f*cを周波数とし、振幅を±1とする三角波の信号とする。そして、三角波の上下の頂点の時刻で、この三角波キャリア信号Cryと他の制御信号を同期させるためのタイミング信号(サンプル信号)Ssmplを生成している。
(2)
A triangular wave carrier signal Cry necessary for generating a PWM pattern is generated. This is a triangular wave signal having a carrier frequency command f * c as shown in FIG. 4 as a frequency and an amplitude of ± 1. A timing signal (sample signal) S smpl for synchronizing the triangular wave carrier signal Cry and other control signals is generated at the time of the upper and lower vertices of the triangular wave.
(3)相電圧指令生成部3
回転座標系の二軸電圧指令Vd *,Vq *に対して、回転座標変換(P-1)してαβ座標の電圧成分に変換し、さらに、二相/三相変換(C-1)して三相正弦波の交流電圧指令(以下、三相電圧指令と称する)V’u,V’v,V’wに変換する。この三相電圧指令V’u,V’v,V’wは、さらに三次高調波を含む零相成分を同じ量だけ三相に加算するという「零相電圧補正(以下、零相変調と称する)」を適用して、新たな電圧指令Vu,Vv,Vwに変換している。この零相変調を適用することにより、直流電源に対する最大出力電圧の比率(電圧の利用率)を約15%拡大できることが知られている。この零相変調の方式には多数の方法が存在し、本明細書では後述する「二相変調」を使用しているが、ここでは基本的な「三相変調」の零相変調方式も含む意味をこめて、「零相変調」という名称で表している。
(3) Phase
With respect to the biaxial voltage commands V d * and V q * in the rotational coordinate system, the rotational coordinate conversion (P −1 ) is performed to convert the voltage component of the αβ coordinate, and the two-phase / three-phase conversion (C −1). ) And converted into a three-phase sine wave AC voltage command (hereinafter referred to as a three-phase voltage command) V ′ u , V ′ v , V ′ w . The three-phase voltage commands V ′ u , V ′ v , and V ′ w further add “zero-phase components including third-order harmonics” to the three phases by the same amount “zero-phase voltage correction (hereinafter referred to as zero-phase modulation). ) ”Is applied to convert the voltage commands into new voltage commands V u , V v , and V w . It is known that by applying this zero phase modulation, the ratio of the maximum output voltage to the DC power supply (voltage utilization factor) can be increased by about 15%. There are many methods for this zero-phase modulation, and in this specification, “two-phase modulation”, which will be described later, is used, but here, a basic “three-phase modulation” zero-phase modulation method is also included. For the sake of clarity, it is represented by the name “zero phase modulation”.
(4)PWM比較器4
ここでは三角波キャリア信号Cryと三相の電圧指令vu_pwm,vv_pwm,vw_pwmの大小を比較して、PWMパターンを生成する。三相のPWM比較器4を大小比較器にて構成した例を図5に示す。主回路6の直流リンク電圧Vdcは電源系統の電圧変動などにより変動するため、電圧指令Vu,Vv,Vwを直流リンク電圧Vdcの1/2倍(=Vdc/2)で除算することにより、Vp=+Vdc/2とVn=−Vdc/2の各電圧指令を+1と−1という三角波キャリア信号Cryの振幅に対応した単位法の指令値に変換し、これと三角波キャリア信号Cryを逐次大小比較する。
(4)
Here, the triangular wave carrier signal Cry and the three-phase voltage commands v u_pwm , v v_pwm , and v w_pwm are compared to generate a PWM pattern. FIG. 5 shows an example in which the three-
各相の電圧指令Vu_pwm,Vv_pwm,Vw_pwmよりも三角波キャリア信号Cryの方が小さければ上アーム側をON(+Vdc/2出力,Hモード)する動作をし,三角波キャリア信号Cryのほうが大きければ下アーム側をON(−Vdc/2出力,Lモード)する動作となるようなPWMパターンpwm(u,v,w)を出力する。 If the triangular wave carrier signal Cry is smaller than the voltage commands V u_pwm , V v_pwm , V w_pwm of each phase, the upper arm side is turned on (+ Vdc / 2 output, H mode), and the triangular wave carrier signal Cry is larger. For example, the PWM pattern pwm (u, v, w) is output so that the lower arm side is turned on (-V dc / 2 output, L mode).
ここで、比較条件は(a>b)のように等号を含ませていないが、実際には三角波キャリア信号Cryの上昇時(UP)と下降時(DOWN)の一方を、”>”から”≧”に置き替えて対称性を維持するなどの改善方法があるが、本発明と直接関係が無いため簡単な表記としている。 Here, the comparison condition does not include an equal sign as in (a> b), but actually, one of the rising (UP) and falling (DOWN) of the triangular wave carrier signal Cry is changed from “>”. There is an improvement method such as maintaining symmetry by replacing “≧”, but it has a simple notation because it is not directly related to the present invention.
また、ここでは離散系として取り扱うのでPWM比較器4の前にサンプルホールド回路S/Hを挿入して、電圧指令Vu,Vv,Vwを三角波キャリア信号Cryの頂点(サンプル信号Ssmpl)の時刻でのみ更新(サンプル)し、それ以外の期間は保持(ホールド)させている。これにより、図10のva_pwm,vb_pwm,vc_pwmのように、PWM比較器4に入力される電圧指令を階段状の離散値に変換している。
Further, here, since it is handled as a discrete system, a sample hold circuit S / H is inserted in front of the
(5)デッドタイム生成/ゲート駆動部5
ここでは、PWM比較器4で生成した三相のPWMパターンpwm(u,v,w)を、6アームの各スイッチング素子をオンオフ制御するためのゲート信号g_u,g_v,g_w,g_x,g_y,g_zに変換する。実際は、スイッチング素子にスイッチング動作の遅れ時間が存在するため、上アームと下アームのON/OFF状態が交互に入れ替わる際に、両アームともOFFとする短絡防止期間(デッドタイム)を挿入してからゲート信号g_u,g_v,g_w,g_x,g_y,g_zを生成している。
(5) Dead time generation /
Here, PWM patterns pwm of the three-phase generated by the PWM comparator 4 (u, v, w) of the gate signal g _u for on-off control the switching elements of the sixth arm, g _v, g _w, g _x , to convert g _y, to g _z. Actually, there is a delay time of the switching operation in the switching element. Therefore, when the ON / OFF state of the upper arm and the lower arm are alternately switched, a short-circuit prevention period (dead time) in which both arms are turned OFF is inserted. the gate signal g _u, g _v, g _w , g _x, g _y, are generating g _z.
(6)主回路6
実際に出力するPWM電圧を生成するインバータ回路部であり、ここでは、図1に示すような三相の6アームブリッジ回路を使用している。また、直流リンク電圧は前述のようにVdcとする。
(6)
This is an inverter circuit section that generates a PWM voltage to be actually output. Here, a three-phase six-arm bridge circuit as shown in FIG. 1 is used. The DC link voltage is V dc as described above.
以上が、図1の構成要素であり、主回路6のパワースイッチング素子をPWM制御することにより、角周波数指令ω*、および、それにほぼ比例した振幅の三相交流出力電圧を電力増幅して出力するものである。本発明では、この構成例のうち、(2)と(3)の部分であるキャリア発生部2や相電圧指令生成部3に関して新たな機能を付加する。
The above is the component of FIG. 1, and the power switching element of the
[2.三相電圧指令の生成法(零相変調方式の分類と定義)]
本項では、本願発明内容の説明を容易にするために、まず、相電圧指令生成部3の従来例について数式的な表現を定義しておく。
[2. Three-phase voltage command generation method (classification and definition of zero-phase modulation method)]
In this section, in order to facilitate the explanation of the content of the present invention, first, mathematical expressions are defined for the conventional example of the phase voltage
三相電圧指令V’u,V’v,V’wの生成法としては、上記の方法以外にも、「120°位相差の三相正弦波振器」を使用したり、「極座標→三相変換器」を使用するなど多種多様な実現方法があるが、近年は,図1に示したような回転座標系の二軸座標成分として電圧指令Vd *,Vq *を与え、これを三相電圧指令V’u,V’v,V’wに座標変換する方法が一般的である。 As a method for generating the three-phase voltage commands V ′ u , V ′ v , and V ′ w , in addition to the above method, a “three-phase sine wave vibrator with 120 ° phase difference” can be used, or “polar coordinates → three There are various realization methods such as using a phase converter, but in recent years, voltage commands V d * and V q * are given as two-axis coordinate components of a rotating coordinate system as shown in FIG. A method of converting coordinates to three-phase voltage commands V′u, V′v, and V′w is common.
電圧指令は以下の(1)式のような回転座標系の二軸座標成分(dq成分)である二軸電圧指令V* d,V* qとして与えられるものとした。二軸電圧指令V* d,V* qは電圧ベクトルとみなすことができ、角周波数指令ω*(電気角)を時間積分した位相角θにより移動している回転座標(dq座標)上でこの電圧指令ベクトルを観測すると、電圧振幅が|V*|で位相がd軸から位相角ψVの関数となる。 The voltage command is given as two-axis voltage commands V * d and V * q which are two-axis coordinate components (dq components) of the rotating coordinate system as shown in the following equation (1). The biaxial voltage commands V * d and V * q can be regarded as voltage vectors. On the rotating coordinate (dq coordinate) that is moved by the phase angle θ obtained by time-integrating the angular frequency command ω * (electrical angle), When the voltage command vector is observed, the voltage amplitude is | V * | and the phase is a function of the phase angle ψ V from the d-axis.
ここで、回転座標変換の基準位相θは、以下の(2)式のように回転角速度数(角周波数指令)ω*を積分したものである。 Here, the reference phase θ of the rotation coordinate conversion is obtained by integrating the rotational angular velocity number (angular frequency command) ω * as shown in the following equation (2).
図1で使用した座標変換行列を下記に定義しておく。 The coordinate transformation matrix used in FIG. 1 is defined below.
三相成分から二軸座標系への変換行列Cとその逆変換行列C-1は、以下の(3)式となる。 The transformation matrix C from the three-phase component to the biaxial coordinate system and its inverse transformation matrix C −1 are expressed by the following equation (3).
二軸座標系において、固定座標系から回転座標系に変換する変換行列Pと、その逆行列P-1は、以下の(4)式となる。 In the biaxial coordinate system, a transformation matrix P for transforming from a fixed coordinate system to a rotating coordinate system and its inverse matrix P −1 are expressed by the following equation (4).
dq軸成分の二軸電圧指令V* d,V* qの(1)式に対して、回転座標変換式(5)と二相三相変換式(6)を適用すれば三相交流成分に変換できる。 If the rotating coordinate conversion equation (5) and the two-phase three-phase conversion equation (6) are applied to the two-axis voltage commands V * d and V * q (1) for the dq-axis component, the three-phase AC component can be obtained. Can be converted.
次に、電圧利用率を改善させるための零相変調を説明する。ここでは、「三相変調」と「二相変調」との2種類を説明する。 Next, zero phase modulation for improving voltage utilization will be described. Here, two types of “three-phase modulation” and “two-phase modulation” will be described.
まず、「三相変調」として、「最大/最小値の振幅一定」という方法を示しておく。本明細書の実施形態ではこの方法は使用しないが、基本原理であるために記載しておく。 First, a method of “constant maximum / minimum amplitude” as “three-phase modulation” is shown. Although this method is not used in the embodiment of the present specification, it is described because it is a basic principle.
この方式は、まず最初に、(6)式の三相電圧指令V’u,V’v,V’wから、(7)式にて各時刻における最大電圧v_maxと最小電圧V_minを選択する。 In this method, first, the maximum voltage v_max and the minimum voltage V_min at each time are selected according to the equation (7) from the three-phase voltage commands V ′ u , V ′ v and V ′ w in the equation (6).
次に、(8)式のように、(7)式の最大値と最小値の中間値を計算して零相変調の補正値Vofs_3phを計算する。 Next, as shown in equation (8), an intermediate value between the maximum value and the minimum value of equation (7) is calculated to calculate a zero-phase modulation correction value V ofs — 3ph .
そして、以下の(9)式のように、(6)式の三相正弦波に対して、全相に共通な補正値Vofs_3phを加算する。 Then, a correction value V ofs — 3ph common to all phases is added to the three-phase sine wave of equation (6) as in the following equation (9).
図6が「三相変調」と呼ぶ零相補償を適用した例の波形チャートであり、正弦波の三相電圧指令V’u,V’v,V’wの最大値と最小値から三角波に似た形状の零相電圧成分の補正値Vofs_3phを計算し、これを三相電圧指令V’u,V’v,V’wの全相に加算して電圧指令Vu,Vv,Vwのような波形に変換するものである。この変換後の波形は正弦波の最大値付近がへこんだ形状であり、最大振幅が低減つまり同じ直流リンク電圧Vdcであっても更に大きな電圧を出力できることがわかる。また、補正後の電圧指令Vu,Vv,Vwの最大値と最小値はどの時刻でも0レベルに対して正負対称な波形となっていることが特徴であり、これにより後述する電流リプル軌跡の形状の対称性を実現できる。 FIG. 6 is a waveform chart of an example in which zero-phase compensation called “three-phase modulation” is applied, from a maximum value and a minimum value of a three-phase voltage command V ′ u , V ′ v , V ′ w of a sine wave to a triangular wave A correction value V ofs — 3ph of a zero-phase voltage component having a similar shape is calculated, and this is added to all phases of the three-phase voltage commands V ′ u , V ′ v , and V ′ w to be voltage commands V u , V v , V It converts to a waveform like w . It can be seen that the waveform after this conversion has a shape in which the vicinity of the maximum value of the sine wave is dented, and even when the maximum amplitude is reduced, that is, the same DC link voltage V dc can be output. In addition, the maximum and minimum values of the corrected voltage commands V u , V v , and V w are characterized by positive and negative symmetric waveforms with respect to the 0 level at any time. The symmetry of the trajectory shape can be realized.
次に、「二相変調」と呼ばれている零相変調について解説する。これは(7)式と(8)式の代わりに、以下の(10)式と(11)式により零相電圧を計算し、三相変調と同様に(12)式にて全相に対して補正を行う。これ以外にも多数の演算方法があるが、ここでは、変調後の波形が正負対称で、かつ、120degごとに周期性を有する一般的な例を示している。 Next, zero phase modulation called “two-phase modulation” will be described. Instead of (7) and (8), the zero-phase voltage is calculated by the following (10) and (11), and for all phases in (12) as in the case of three-phase modulation. To correct. There are many other calculation methods, but here, a general example in which the waveform after modulation is positive-negative symmetric and has periodicity every 120 degrees is shown.
この二相変調の零相変調成分の補正値Vofs_2phは、三相変調の零相変調と同様に、以下の(12)式により、三相ともに同相成分を加算して補償する。 The correction value V ofs — 2ph of the zero-phase modulation component of the two-phase modulation is compensated by adding the in-phase component for the three phases according to the following equation (12), similarly to the zero-phase modulation of the three-phase modulation.
図7が「二相変調」と呼ぶ零相電圧の補正例であり、(11)式の補正値ofs_2phを三相電圧指令V’u,V’v,V’wに加算する。これにより、元の三相電圧指令V’u,V’v,V’wの最大値と直流リンク電圧VdcのP側電位+Vdc/2との差電圧、および、元の三相電圧指令V’u,V’v,V’wの最小値と直流リンク電圧VdcのN側電位−Vdc/2との差電圧とを比較し、最大電圧側(P側)の差電圧が小さい場合には最大値がP側電位に接するように、最小電圧側(N側)の差電圧が小さい場合には三相交流の最小値をN側電位に接するように補正される。 FIG. 7 shows an example of correction of the zero-phase voltage called “two-phase modulation”, and the correction value ofs_2ph in the equation (11) is added to the three-phase voltage commands V ′ u , V ′ v and V ′ w . As a result, the difference voltage between the maximum value of the original three-phase voltage command V ′ u , V ′ v , V ′ w and the P-side potential + V dc / 2 of the DC link voltage V dc , and the original three-phase voltage command The difference voltage between the minimum value of V ′ u , V ′ v , V ′ w and the N side potential −V dc / 2 of the DC link voltage V dc is compared, and the difference voltage on the maximum voltage side (P side) is small. In such a case, the minimum value of the three-phase alternating current is corrected so as to be in contact with the N-side potential when the difference voltage on the minimum voltage side (N side) is small.
そして、このP側とN側に接している期間は60degごとに交互に生じ、その区間内では一相分だけは三角波キャリア信号Cryの頂点と一致するレベルとなるため、その相はPWMパルスが発生せずにスイッチングが休止する。この結果、下記のような平均スイッチング周波数を定義すると、「二相変調」を適用した場合には、「三相変調」を適用した場合と比較して、平均周波数を約2/3に低減することができる。 The period in contact with the P side and the N side alternately occurs every 60 degrees, and only one phase in the section is at a level that coincides with the apex of the triangular wave carrier signal Cry. Switching stops without occurring. As a result, when the following average switching frequency is defined, when “two-phase modulation” is applied, the average frequency is reduced to about 2/3 as compared with the case where “three-phase modulation” is applied. be able to.
(平均スイッチング周波数の定義)
スイッチング回数を「LからHモードへの変化と逆のHからLモードへの変化とのセットが1回のスイッチングである」と定義し、基本波周期の整数倍程度の時間間隔におけるスイッチング回数をその時間間隔で除したものを、その相の「平均スイッチング周波数」と定義する。もし、相を特に指定しない場合には、三相分を平均したものを「平均スイッチング周波数」示すことにする。
(Definition of average switching frequency)
The number of times of switching is defined as "one set of switching from the change from L to H mode and the opposite change from H to L mode", and the number of times of switching in a time interval that is an integer multiple of the fundamental wave period. The value divided by the time interval is defined as the “average switching frequency” of the phase. If the phase is not specified, the average of the three phases is indicated as “average switching frequency”.
以上が、一般的な零相変調も考慮したPWM制御を用いたV/F制御方式のインバータシステムの構成例である。三相変調と二相変調の選択は、デッドタイム時間よりも時間幅の細いパルスが生じないという制限が適用されることが多く、出力電圧(PWM変調率)が小さい場合には三相変調の零相変調が、逆に大きい場合には二相変調の零相変調が選択されることが多い。 The above is an example of the configuration of a V / F control type inverter system using PWM control in consideration of general zero-phase modulation. In the selection of three-phase modulation and two-phase modulation, the restriction that a pulse with a narrower time width than the dead time is not often applied, and when the output voltage (PWM modulation rate) is small, three-phase modulation On the contrary, when the zero phase modulation is large, the zero phase modulation of the two phase modulation is often selected.
[3.三相PWMパターンの生成方法]
本明細書では、上記のような零相変調を適用した相電圧指令生成部3を有するPWM変換器において、平均スイッチング周波数を低減させるために、負荷に流れる電流リプル成分を評価関数としてキャリア周波数を可変制御する手法である。その内容を説明するためには、電流リプルの定義やそれを表す数式表現が必要になる。そこで、上述のようなPWM生成法による電圧を出力した場合の電流リプル成分について説明や定義をしておく。
[3. Three-phase PWM pattern generation method]
In this specification, in the PWM converter having the phase voltage
電圧指令に対して、(8)式の三相変調の零相成分を補正した後に、図1のサンプルホールド回路S/Hにて離散系に変換した例が図10である。また、三角波キャリア信号Cryも示している。 FIG. 10 shows an example in which the zero-phase component of the three-phase modulation of equation (8) is corrected with respect to the voltage command and then converted into a discrete system by the sample hold circuit S / H of FIG. A triangular wave carrier signal Cry is also shown.
二相変調において、(11)式の(1)における零相成分の補正値Vofs_2phを適用して元の三相交流をP電位に接した場合を図11に、(11)式の(2)における零相成分の補正値Vofs_2phを適用して元の三相交流をN電位に接した場合を図12に示す。 In the two-phase modulation, the case where the original three-phase alternating current is in contact with the P potential by applying the zero-phase component correction value V ofs — 2ph in the expression (1) of the expression (11) is shown in FIG. FIG. 12 shows the case where the original three-phase alternating current is in contact with the N potential by applying the zero-phase component correction value V ofs — 2ph in FIG.
この3種類(図10,図11,図12)の図中における変数や記号は、基本的には図1の変数を使用している。そして、さらに、サンプルタイミングの時刻やその間のホールド期間など分別できるように追加情報を付加してある。それらの要素や記号の説明を次に列記しておく。 The variables and symbols in the three types (FIGS. 10, 11, and 12) basically use the variables in FIG. Further, additional information is added so that the time of the sample timing and the hold period between them can be distinguished. The explanation of these elements and symbols is listed below.
Cry:三角波キャリア信号
Down期間:三角波キャリア信号が負方向に変化する期間
UP期間:三角波キャリア信号が正方向に変化する期間
t(n),t(m),t(n+1),t(m+1):三角波キャリア信号Cryの頂点の時刻であり、離散系で構成した制御のサンプル(更新)タイミングである。キャリア周期に二回発生するため、上頂点をn,下頂点をmとし、次の周期では(n+1)および(m+1)と表す
v* n,v* m,v* (n+1),v* (m+1):t(n),t(m),t(n+1),t(m+1)の時刻をサンプルした電圧指令ベクトルである。これは図や説明には使用しないが、一応定義しておく
θvn,θvm,θv(n+1),θv(m+1):各サンプル時刻の電圧指令ベクトルv* n,v* m,v* (n+1),v* (m+1)について、その位相角を固定座標基準で表したものである。時刻t(n)の場合は、回転座標系の基準位相θ(t(n))と、回転座標基準からみた電圧ベクトルの位相角φv(t(n))とを合成した位相角θvn=θ(t(n))+φv(t(n))に相当する。そして、t(n),t(m),t(n+1),t(m+1)の各時刻における位相角を定義した
va_pwm(n),vb_pwm(n),vc_pwm(n):時刻t(n)でサンプルした三相電圧指令vu_pwm(n),vv_pwm(n),vw_pwm(n)のうち、最大電圧相の成分をva_pwm(n),中間電圧相をvb_pwm(n),最小電圧相をvc_pwm(n)とする。また、“()”内にサンプル時刻の添え字(n,m,n+1,m+1)を追記して、時間的に変化する電圧指令を分別・特定する。
Cry: triangular wave carrier signal Down period: period in which the triangular wave carrier signal changes in the negative direction UP period: period in which the triangular wave carrier signal changes in the positive direction t (n) , t (m), t (n + 1), t (m + 1) : The time at the apex of the triangular wave carrier signal Cry, which is a sample (update) timing of control configured in a discrete system. Since it occurs twice in the carrier period, the upper vertex is n, the lower vertex is m, and v * n , v * m , v * (n + 1) , v are expressed as (n + 1) and (m + 1) in the next period. * (m + 1) : A voltage command vector obtained by sampling the times t (n), t (m), t (n + 1), and t (m + 1). This is not used in the figure or explanation, but is defined for the moment θ vn , θ vm , θ v (n + 1) , θ v (m + 1) : Voltage command vector v * n , v at each sample time The phase angle of * m , v * (n + 1) , v * (m + 1) is expressed with a fixed coordinate reference. In the case of time t (n), the phase angle θ vn is a combination of the reference phase θ (t (n)) of the rotating coordinate system and the phase angle φ v (t (n)) of the voltage vector viewed from the rotating coordinate reference. = Θ (t (n)) + φ v (t (n)). Then, t (n), t ( m), t (n + 1), t (m + 1) v a_pwm that defines the phase angle at each time of (n), v b_pwm (n ), v c_pwm (n): the time t Among the three-phase voltage commands v u_pwm (n), v v_pwm (n), and v w_pwm (n) sampled in (n), the maximum voltage phase component is va_pwm (n) and the intermediate voltage phase is v b_pwm (n ), And let the minimum voltage phase be v c_pwm (n). In addition, subscripts (n, m, n + 1, m + 1) of the sample time are added in “()”, and voltage commands that change with time are classified and specified.
これを使用する理由は、三相交流では位相角により相電圧指令の大小関係が入れ替わるため、PWMパターンの発生時刻の順序が入れ替わり複雑になるためである。そこで説明を簡素化するために、直接u,v,w相を使用せず、表1のように相電圧の大きさ順であるa,b,c相に置き換えるという媒介変数的な技法を適用することにした。u,v,w相とa,b,c相の関係は、表1のように三相電圧指令の固定座標上の位相角θv=(θ+ψv)により決まる。 The reason for using this is that, in three-phase alternating current, the magnitude relationship of the phase voltage commands is switched depending on the phase angle, and therefore the order of the generation times of the PWM patterns is switched and becomes complicated. Therefore, in order to simplify the explanation, a parametric technique is used in which the u, v, and w phases are not used directly, but are replaced with the a, b, and c phases in order of the phase voltage as shown in Table 1. Decided to do. The relationship between the u, v, w phase and the a, b, c phase is determined by the phase angle θ v = (θ + ψ v ) on the fixed coordinates of the three-phase voltage command as shown in Table 1.
ta(n),tb(n),tc(n):va_pwm(n),vb_pwm(n),vc_pwm(n)の三相電圧指令と三角波キャリア信号Cryとの交点の時刻である。n,m,(n+1),(m+1)は、その電圧指令サンプルタイミングを、(a,b,c)は電圧指令の相でありスイッチングの発生する相を示す。 t a (n), t b (n), t c (n): time of intersection of the three-phase voltage command of va_pwm (n), v b_pwm (n), v c_pwm (n) and the triangular wave carrier signal Cry It is. n, m, (n + 1), and (m + 1) are the voltage command sample timings, and (a, b, c) are the phases of the voltage command and indicate the phases in which switching occurs.
pwm(a),pwm(b),pwm(c):各相の電圧指令va_pwm(n),vb_pwm(n),vc_pwm(n)と三角波キャリア信号Cryとの大小比較の結果の出力信号である。各相のPWM状態は、時刻ta(n),tb(n),tc(n)にてPWMパターンpwm(a),pwm(b),pwm(c)に変化し、これらは三相個別の信号である。Va_pwm(n)>Cryの期間は“H”を、Va_pwm(n)<Cryの期間は“L”を出力する。ここで、“H”の場合には上アームの素子がONつまり直流電源のP電位+Vdc/2が出力され、“L”の場合には下アームの素子がONして直流電源のN電位−Vdc/2が出力される。 pwm (a), pwm (b), pwm (c): Output of the magnitude comparison result between the voltage commands v a_pwm (n), v b_pwm (n), v c_pwm (n) of each phase and the triangular wave carrier signal Cry Signal. The PWM state of each phase changes to PWM patterns pwm (a), pwm (b), and pwm (c) at times t a (n), t b (n), and t c (n). It is a signal for each phase. “V” is output during the period of V a — pwm (n)> Cry, and “L” is output during the period of V a — pwm (n) <Cry. Here, in the case of “H”, the upper arm element is turned on, that is, the P potential + V dc / 2 of the DC power source is output, and in the case of “L”, the lower arm element is turned on and the N potential of the DC power source is output. -V dc / 2 is output.
t0(n),tλ(n),tμ(n),t7(n):t(n)からt(m)というDOWN状態のキャリア半周期に相当するサンプル期間を考えると、この期間に3回のスイッチング(時刻ta(n),tb(n),tc(n))が生じる。この時刻を区切りとすると、t(n)〜t(m)間は4個の期間に区分できる。この区間の時間幅を、発生順にt0(n),tλ(n),tμ(n),t7(n)とする。各区間の電圧指令va_pwm(n),vb_pwm(n),vc_pwm(n)と三角波キャリア信号Cryとの関係、および、これにより生じる各相のPWMパターンpwm(a),pwm(b),pwm(c)は、表2のような関係になる。 t 0 (n), t λ (n), t μ (n), t 7 (n): Considering the sample period corresponding to the carrier half-cycle in the DOWN state from t ( n) to t (m) Three switching times (time t a (n), t b (n), t c (n)) occur in the period. Using this time as a delimiter, t (n) to t (m) can be divided into four periods. The time width of this section is t 0 (n), t λ (n), t μ (n), t 7 (n) in the order of occurrence. The relationship between the voltage commands v a_pwm (n), v b_pwm (n), v c_pwm (n) and the triangular wave carrier signal Cry in each section, and the PWM patterns pwm (a), pwm (b) of each phase generated thereby. , Pwm (c) have the relationship shown in Table 2.
この記号(0,λ,μ,7)はキャリア半周期の期間を示すが、三角波キャリア信号CryがUP状態では、表2の下段から上段方向に変位するので発生順序は逆の7,μ,x,0となる。しかし、この記号がついたPWMパターンはDOWN/UPともに共通である。 This symbol (0, λ, μ, 7) indicates the period of the carrier half cycle, but when the triangular wave carrier signal Cry is in the UP state, the generation order is reversed to 7, 7, x, 0. However, the PWM pattern with this symbol is common to both DOWN / UP.
va_pwm(n),vb_pwm(n),vc_pwm(n)のように大小関係を設定したので、8種類ある三相のPWMパターン(電圧ベクトル)のうち、表2のようにキャリア半周期間に発生するPWM状態は4種類に限定され、かつ、その発生順序も決まる。 Since the magnitude relationship is set as v a_pwm (n), v b_pwm (n), and v c_pwm (n), among the eight types of three-phase PWM patterns (voltage vectors), between the carrier half-cycles as shown in Table 2 There are four types of PWM states generated at the same time, and the generation order is also determined.
図10および図11や図12は原理説明であり、電圧指令Va_pwm,Vb_pwm,Vc_pwmと時間により変化する三角波キャリア信号Cryを大小比較してPWM生成させているが、この各時間幅t0(n),tλ(n),tμ(n),t7(n)は表3のように電圧指令Va_pwm,Vb_pwm,Vc_pwmとキャリア周波数さえ決まれば、その時点で数値計算により求めることもできる。つまり、実際に三角波キャリア信号Cryを発生させなくても、指令値が確定した時点で、PWMパターンは予測できるものであり、以降の説明ではこれを利用する。 FIGS. 10, 11 and 12 illustrate the principle. The voltage commands V a — pwm , V b — pwm , V c — pwm and the triangular wave carrier signal Cry which changes with time are compared in magnitude to generate PWM. 0 (n), t λ (n), t μ (n), and t 7 (n) are numerical calculations at that time if the voltage commands V a — pwm , V b — pwm , V c — pwm and the carrier frequency are determined as shown in Table 3. Can also be obtained. That is, the PWM pattern can be predicted when the command value is determined without actually generating the triangular wave carrier signal Cry, and this will be used in the following description.
表3の二相変調にはT0=0とT7=0の欄が存在する。T0=0については、図11において、Va_pwm(n)=+Vdc/2(P電位)の条件であることを意味する。これにより、Hに変化およびLに変化するスイッチング時刻がTa(n)=t(n),ta(m)=t(n+1)となり異なる変化が同一相に同時に発生するため、結局はこの電圧位相がP電位になる相にはスイッチングが生じない。T7=0についても同様に、図12において、Vc_pwm(n)=−Vdc/2(N電位)の関係が有るため、今度はtc(n)=tc(m)=t(m)の同時刻で2種類のスイッチング変化が生じ、結局はこの電圧位相がN電位になる相にはスイッチングが生じない。 In the two-phase modulation of Table 3, there are columns of T 0 = 0 and T 7 = 0. T 0 = 0 means that in FIG. 11, the condition is V a — pwm (n) = + V dc / 2 (P potential). As a result, the switching time when changing to H and changing to L becomes T a (n) = t (n), t a (m) = t (n + 1), and different changes occur simultaneously in the same phase. Switching does not occur in the phase where the voltage phase is P potential. Similarly, since T 7 = 0 has a relationship of V c — pwm (n) = − V dc / 2 (N potential) in FIG. 12, this time t c (n) = t c (m) = t ( Two types of switching changes occur at the same time of m). Eventually, no switching occurs in the phase where this voltage phase becomes N potential.
このスイッチングの発生する時刻およびその相順が決まれば、表1のような位相角θvの範囲によりu,v,w相とa,b,c相の関係が決まるため、各PWM期間t0(n),tλ(n),tμ(n),t7(n)における出力電圧V0(n),Vλ(n),Vμ(n),V7(n)は図3の8種類の電圧ベクトルに置き換えられ、表4のような関係になる。 When the time at which this switching occurs and the phase order thereof are determined, the relationship between the u, v, w phase and the a, b, c phase is determined by the range of the phase angle θ v as shown in Table 1, and therefore each PWM period t 0 (n), t λ (n ), t μ (n), output at t 7 (n) voltage V 0 (n), V λ (n), V μ (n), V 7 (n) is 3 Are replaced with the following eight types of voltage vectors.
また、この表4の8種類の電圧ベクトルを表5で示しておく。 Table 8 shows the eight types of voltage vectors in Table 4.
表5の説明として、電圧ベクトルV4=[vu,vv,vw]Tの例を考える。以下の(13)式のように、三相のスイッチング状態と直流リンク電圧VdcからV4の各相の出力電圧が決まるため、これを(5)式の逆回転座標変換行列C-1により二軸座標に変換し、さらに、(6)式の二相三相変換を適用すれば表5に示すような二軸成分が得られる。 As an explanation of Table 5, consider an example of voltage vector V 4 = [v u , v v , v w ] T. Since the three-phase switching state and the DC link voltage V dc to the output voltage of each phase V 4 are determined as shown in the following equation (13), this is expressed by the inverse rotation coordinate transformation matrix C −1 in equation (5). Biaxial components as shown in Table 5 can be obtained by converting to biaxial coordinates and applying the two-phase three-phase transformation of equation (6).
ここで、二相三相変換の係数√2/3と、三相合成したことにより生じる係数3/2を合成するため、±Vdc/2の2値しか出力しない三相電圧を二軸成分に変換した電圧ベクトルの振幅成分には、(13)式のように√3/2(Vdc/2)の係数が現れている。
Here, in order to combine the coefficient √2 / 3 of the two-phase / three-phase conversion and the
[4.PWMパターンによる電流ベクトル軌跡と電流リプル成分]
3項まではPWMパターンの生成方法とその電圧ベクトルについて説明をしてきた。4項と5項にて、核心であるこのPWM出力電圧成分により生じる出力電流(図1では、端子U,V,Wに流れる電流)の電流リプルにてついて説明する。まず、本項では基本となる固定座標系において説明を展開し、その次に、回転座標や新たに規定した速度起電力基準の回転座標系に展開する。
[4. Current vector locus by PWM pattern and current ripple component]
Up to
(固定座標系での電流リプル成分)
負荷の一例として同期電動機を選定すると、固定座標系の直交二軸座標系(αβ座標)で現した電圧電流方程式は(14)式となる。PWM制御では複数の出力電圧V0,Vλ,Vμ,V7を時分割して、電圧指令[v* α v* β]と等価な電圧を出力することにより、電流の基本波成分に高周波成分のリプルが重畳される。
(Current ripple component in fixed coordinate system)
When a synchronous motor is selected as an example of the load, the voltage / current equation expressed in the orthogonal biaxial coordinate system (αβ coordinate) of the fixed coordinate system is expressed by equation (14). A plurality of output voltage V 0 in the PWM control, V lambda, V mu, divided at the V 7, by outputting a voltage command [v * α v * β] equivalent voltage, the fundamental wave component of the current A ripple of high frequency components is superimposed.
ここで、時間変化する変数と、サンプル期間中は一定であると近似する変数と、が混在するため、以降では時間変化する変数に“(t)”を付記して明示することにする。 Here, since a variable that changes over time and a variable that approximates to be constant during the sample period coexist, the variable that changes over time will be indicated by adding “(t)”.
次に、[eα(t) eβ(t)]T=[eα0 eβ0](一定)という近似を適用し、さらに微分項を左辺に移動すれば、(15)式の状態方程式の形式に変換できる。 Next, by applying the approximation [e α (t) e β (t)] T = [e α0 e β0 ] (constant) and further moving the differential term to the left side, the state equation of equation (15) Can be converted to a format.
キャリア周波数fcが角周波数指令ω*よりも十分に高く、サンプル期間に回転する位相角の変位量(θvn→θvm)は小さいため無視できるものと仮定して、[eα(t) eβ(t)]T=[eα0 eβ0](一定)とする。また、巻線抵抗Rの電圧降下成分も小さいものとして無視すると、電流成分を(17)式のような初期値と簡単な積分成分に近似できる。 Carrier frequency f c is sufficiently higher than the angular frequency command omega *, displacement of the phase angle to rotate the sample period (θ vn → θ vm) assuming negligible for small, [e α (t) e β (t)] T = [e α0 e β0 ] (constant). If the voltage drop component of the winding resistance R is also small and ignored, the current component can be approximated to an initial value and a simple integral component as shown in equation (17).
そして、(17)式から初期電流ベクトルを除いた(18)式で示される[iα(t) iβ(t)]Tを、以降では「電流リプルのベクトル軌跡」または「電流リプル」と呼ぶことにする。 Then, [i α (t) i β (t)] T expressed by the equation (18) obtained by removing the initial current vector from the equation (17) is hereinafter referred to as “current ripple vector locus” or “current ripple”. I will call it.
なお、ここでは、同期電動機を例に取って説明しているが、起電力成分を一定と近似さえできれば誘導機や系統連携機器などでも同様に取り扱うことができることは明らかである。 Although the synchronous motor is described here as an example, it is clear that induction machines and system linkage devices can be similarly handled as long as the electromotive force component can be approximated to be constant.
表4のように、電圧指令の位相角により60degごとに三相のスイッチング順序が異なるため、ここでも、u,v,w相ではなく、相電圧の大きさ順であるa,b,c相にて取り扱うことにする。また、以降の説明では、具体性を持たせたいため、図13のような位相が0deg<(θv)<60deg区間の電圧指令の例を使用する。 As shown in Table 4, since the switching order of the three phases differs every 60 degrees depending on the phase angle of the voltage command, here also the a, b, and c phases, which are not the u, v, and w phases but the phase voltages are in order of magnitude. Will be handled in Further, in the following description, in order to provide a specificity, an example of a voltage command in which the phase is 0 deg <(θ v ) <60 deg as shown in FIG. 13 is used.
実際には、スイッチング素子の遅延時間や素子の電圧降下などが発生するが、ここでは理想的なPWM制御を仮定し、電圧指令[v* α v* β]Tと等価な電圧ベクトルV0,Vλ,Vμ,V7と出力期間T0,Tλ,Tμ,T7を実現可能であるとする。 In fact, such a voltage drop of the delay time and the element of the switching element is generated, where the assumption of an ideal PWM control, voltage command [v * α v * β] T equivalent to the voltage vector V 0, Assume that V λ , V μ , V 7 and output periods T 0 , T λ , T μ , T 7 can be realized.
また、界磁磁束よる速度起電力については[eα0 eβ0]Tと表し、サンプル周期間での変化は少ないものとみなして一定に近似できるものとする。 The velocity electromotive force due to the field magnetic flux is expressed as [e α0 e β0 ] T, and it can be assumed that the change between the sample periods is small and can be approximated to be constant.
以上のように定義した電圧成分や時間成分などを使用して、キャリア周期の電流ベクトルの変化成分を求める。 Using the voltage component and the time component defined as described above, the change component of the current vector of the carrier cycle is obtained.
(18)式の電流ベクトルの時間変化(電流リプル)[iα(t) iβ(t)]Tは、インバータが出力する出力電圧[vα(t) vβ(t)]Tと速度起電力[eα0 eβ0]Tの差分ベクトルを時間積分したものである。出力電圧[vα(t) vβ(t)]TはPWMであり、V0,Vλ,Vμ,V7の出力電圧がT0,Tλ,Tμ,T7の時間間隔にて変化するため、各スイッチング時刻間に変化する電流ベクトルの変化量を「電圧と時間の積」で近似すれば表6のような電流変化量となる。この上段の4行は三角波キャリア信号CryのDOWN期間,下段の4行はUP期間であり、これらは発生順序が逆になる。 The time change (current ripple) [i α (t) i β (t)] T of the current vector in equation (18) is the output voltage [v α (t) v β (t)] T output from the inverter and the speed The difference vector of electromotive force [e α0 e β0 ] T is obtained by time integration. Output voltage [v α (t) v β (t)] T is PWM, and the output voltages of V 0 , V λ , V μ , and V 7 are at time intervals of T 0 , T λ , T μ , and T 7. Therefore, if the change amount of the current vector changing between the switching times is approximated by “product of voltage and time”, the current change amount as shown in Table 6 is obtained. The upper four rows are the DOWN period of the triangular wave carrier signal Cry, and the lower four rows are the UP period, and the generation order of these is reversed.
電流ベクトルの軌跡は表6の電流変化量を積算したものになるが、サンプル期間(n)の電流リプルの予測については、開始時刻の電流ベクトルinを初期値とし、それに対する積算として計算すればよい。実際にはサンプル時刻tnの瞬間に、電流検出のA/D変換やPWM設定の演算および電流リプルの予測演算などを同時に行うことは出来ないため、前回の計測電流を利用して、これにサンプル周期間の基本波電流の予測変化分を加算するなどの対策などが必要であるが、ここでは理想状態で取り扱う。 Although the locus of the current vector is to that by integrating the current change amount in Table 6, the prediction of the current ripple of the sample period (n) is a current vector i n the start time as the initial value, by calculating the cumulative thereto That's fine. Actually, A / D conversion for current detection, PWM setting calculation, and current ripple prediction calculation, etc. cannot be performed simultaneously at the instant of sample time t n. It is necessary to take measures such as adding the predicted change in the fundamental current between sample periods, but here it is handled in an ideal state.
初期値から表6の各期間の電流変化量を積算すれば、表7の電流iのように各スイッチング時刻の電流ベクトルが予測できる。ここで、表7の電流iには電圧更新タイミングを示す“(n)”と、またスイッチング時刻を示すためのスイッチング相の記号“a,b,c”の両方を付記した。 If the current change amount of each period in Table 6 is integrated from the initial value, the current vector at each switching time can be predicted as the current i in Table 7. Here, both “(n)” indicating the voltage update timing and “a, b, c” of the switching phase for indicating the switching time are appended to the current i in Table 7.
今回は半周期を基本単位とするので、表6や表7では、三角波キャリア信号CryのDOWN期間では“(n)”を付記し、UP期間では“(m)”を付記する。電流リプルの評価期間については、三角波キャリア信号Cryの半周期単位の場合だけでなく一周期単位の場合も考えられる。半周期単位の場合には、DOWN期間の初期値i(n)およびUP期間の初期値i(m)を零にリセットすればよく、これ以降の電流軌跡の変化量のみ考えればよい。もし、一周期を評価する場合には(n)区間の最終の推定電流ベクトルを次のキャリア半周期(m)の初期値imとみなして継続して積算させればよい。 Since the half cycle is the basic unit this time, in Tables 6 and 7, “(n)” is added in the DOWN period of the triangular wave carrier signal Cry, and “(m)” is added in the UP period. Regarding the evaluation period of the current ripple, not only the case of the half cycle unit of the triangular wave carrier signal Cry but also the case of the unit of one cycle can be considered. In the case of a half cycle unit, the initial value i (n) of the DOWN period and the initial value i (m) of the UP period may be reset to zero, and only the amount of change in the current trajectory thereafter may be considered. If it is sufficient to integrated continuously regarded as the initial value i m of the (n) the final estimated current vector for the next carrier half cycle of the period (m) is when evaluating one cycle.
表7のように電流軌跡が計算できたので、次は電流リプル成分の定義を考える。電流リプルについては、キャリア半周期間を評価対象とし、DOWN/UPの各区間の初期値i(n)またはi(m)を基準点として、この基準点と各スイッチング時刻における電流ベクトルとの差分ベクトル成分を電流リプルとみなす。そして、その電流リプルの軌跡と基準点間の距離を求め、これを「電流リプルのノルム」と呼ぶ。そして、電流リプルノルムのうち最大値を「電流リプルの最大ノルム」と定義する。PWM制御の場合はキャリア半周期に3回発生するスイッチング時刻に電流リプルのどれかがこの最大ノルムの条件になる。 Since the current locus was calculated as shown in Table 7, the definition of the current ripple component will be considered next. For the current ripple, the difference vector between this reference point and the current vector at each switching time, with the carrier half-cycle as the evaluation target and the initial value i (n) or i (m) of each section of DOWN / UP as the reference point The component is regarded as a current ripple. Then, the distance between the locus of the current ripple and the reference point is obtained, and this is called the “norm of the current ripple”. The maximum value of the current ripple norm is defined as “the maximum norm of the current ripple”. In the case of PWM control, one of the current ripples becomes the condition of this maximum norm at the switching time that occurs three times in the carrier half cycle.
しかし実際には、キャリア半周期間の始点を基準点とすると、これと電流リプルの終点が一致しないという問題がある。表6の電流ベクトルの軌跡の例を固定座標系上に描いてみると、図14と図15のように、電流ベクトルの初期値i(n)に対してキャリアの半周期後のi(m)は移動してしまう。図14は三相変調の場合であるが、図15に示す二相変調の場合も同様である。 However, in practice, if the starting point between carrier half-cycles is used as a reference point, there is a problem that this does not coincide with the end point of the current ripple. When an example of the locus of the current vector in Table 6 is drawn on the fixed coordinate system, as shown in FIGS. 14 and 15, i (m) after a half cycle of the carrier with respect to the initial value i (n) of the current vector. ) Will move. FIG. 14 shows the case of three-phase modulation, but the same applies to the case of two-phase modulation shown in FIG.
そこで、DOWN期間の新たな基準点としては、(19)式のようにキャリア半周期の始点i(n)と終点i(m)の中間点inmを採用し、電流リプル成分もこの新しい基準点に準拠するように補正することにした。本当は、この始点と終点の差異は基本波成分の移動量であり、時間経過に応じて一定速度で変化するのであるが、それを考慮した厳密な計算は複雑すぎるので、中間点に近似して演算を簡素化することにした。 Therefore, as a new reference point for the DOWN period, an intermediate point i nm between the start point i (n) and the end point i (m) of the carrier half cycle is employed as shown in the equation (19), and the current ripple component is also the new reference point. I decided to make corrections to comply with the points. Actually, the difference between the start point and the end point is the amount of movement of the fundamental wave component, and it changes at a constant speed as time passes.However, the exact calculation considering it is too complicated, so it approximates the intermediate point. I decided to simplify the calculation.
同様に、キャリアUP期間の半周期についても、始点imと終点i(n+1)の中間点im(n+1)をこの期間(m)の新たな基準点とする。 Similarly, for a half cycle of the carrier UP period also, the midpoint i m of the starting point i m and end points i (n + 1) of the (n + 1) as a new reference point for the period (m).
このように、電流リプルを計算する基準点を更新したので、各スイッチング時刻における電流リプル成分も表8のように補正する。これは、三相変調の例を示したものであり、これをベクトル図で表すと図16のような成分となる。また、二相変調の場合には図17のような成分となる。 Since the reference point for calculating the current ripple is updated in this way, the current ripple component at each switching time is also corrected as shown in Table 8. This shows an example of three-phase modulation, and when this is represented by a vector diagram, the components are as shown in FIG. In the case of two-phase modulation, the components are as shown in FIG.
こうして、各スイッチング時刻の電流リプルを定義できたので、例えばΔia(n)の電流リプルノルムとしては、(20)式のような二軸成分に分解し、さらに、(21)式のように二乗和の平方根をとればノルム成分|Δia(n)|が得られる。そして、図16の各スイッチング時刻における電流リプルベクトルのノルム成分を計算しておき、キャリア半周期間における最大成分を選択して「電流リプルの最大ノルム」を得る。 Thus, since the current ripple at each switching time can be defined, for example, the current ripple norm of Δi a (n) is decomposed into biaxial components as shown in equation (20), and further squared as shown in equation (21). If the square root of the sum is taken, a norm component | Δi a (n) | is obtained. Then, the norm component of the current ripple vector at each switching time in FIG. 16 is calculated, and the maximum component during the carrier half cycle is selected to obtain the “maximum norm of current ripple”.
以上は、三相変調における電流リプルのノルム成分を計算したが、二相変調の場合でも、表3のように出力時間幅を変更すれば表6〜表8はそのまま適用できる。二相変調かつP側電位にシフトする場合では、三相変調の電流変化量に対して、Δia(n)=0,Δia(m)=0となり、ΔiC(n)とΔiC(m)成分は二倍となるので、その結果、図17(a)のような電流リプル成分になる。同様にN側電位にシフトする場合では、ΔiC(n)=0,ΔiC(m)=0となり、Δia(n)とΔia(m)成分は二倍となるため、図17(b)のような電流リプル成分になる。あとは、各電流リプルのノルムを計算してから最大ノルムを選択する。 In the above, the norm component of the current ripple in the three-phase modulation is calculated. However, even in the case of the two-phase modulation, if the output time width is changed as shown in Table 3, Tables 6 to 8 can be applied as they are. In the case of two-phase modulation and shifting to the P-side potential, Δi a (n) = 0 and Δi a (m) = 0 with respect to the current change amount of the three-phase modulation, and Δi C (n) and Δi C ( Since the component m) is doubled, the result is a current ripple component as shown in FIG. Similarly, when shifting to the N-side potential, Δi C (n) = 0, Δi C (m) = 0, and Δi a (n) and Δi a (m) components are doubled. The current ripple component is as shown in b). After that, after calculating the norm of each current ripple, the maximum norm is selected.
以上、各相のスイッチング時刻における電流リプルの最大ノルムを計算する方法について説明を行った。 The method for calculating the maximum norm of the current ripple at the switching time of each phase has been described above.
[5.電流リプル成分を有効電流と無効電流として取り扱う方法]
前項では固定座標系における電流リプル成分を計算したが、最終的には、この電流リプル成分を有効電力成分と無効電力成分に分離して取り扱えるように拡張したい。そこで、まず、電流リプルを回転座標系の直交二軸成分として取り扱う方法を説明する。
[5. Method of handling current ripple component as active current and reactive current]
In the previous section, the current ripple component in the fixed coordinate system was calculated. Eventually, we would like to expand this current ripple component so that it can be handled separately as an active power component and a reactive power component. First, a method for handling current ripple as an orthogonal biaxial component of a rotating coordinate system will be described.
(1)回転座標系の負荷モデル
固定座標系の負荷モデルの方程式として(14)式,(15)式,(16)式,(17)式,(18)式を示しているが、これを図2で定義した回転座標系(dq座標)に変換すると、(22)式,(23)式,(24)式,(25)式,(26)式のように変換できる。
(1) Load model of rotating coordinate system Expressions (14), (15), (16), (17), and (18) are shown as equations of the load model of the fixed coordinate system. When converted into the rotating coordinate system (dq coordinate) defined in FIG. 2, the conversion can be performed as shown in the following equations (22), (23), (24), (25), and (26).
微分項を回転座標変換すると、diαβ/dt→didq/dt+J・(ωL・idq)と置き換える必要があるため、速度起電力成分に・(ωL・idq)項が現れる。そこで、この成分と界磁磁束との合成した速度起電力を[ed1(t) eq1(t)]と表す。 When the differential term is converted into rotational coordinates, it is necessary to replace it with di αβ / dt → di dq / dt + J · (ωL · i dq ), so that the (ωL · i dq ) term appears in the speed electromotive force component. Therefore, the combined speed electromotive force of this component and the field magnetic flux is represented as [e d1 (t) e q1 (t)].
微分項を左辺に移動して状態方程式の形式に変換した後、キャリア周期間の起電力の変化や、電流リプル量は小さいものと近似する。具体的には、キャリア周波数fCが角周波数指令ω*よりも十分に高いため、キャリア周期間における電圧指令の位相θv=(θ(t)+ψv(t))の回転量は微少であり無視できるものと仮定して、(23)式のように[ed1 eq1]T(一定)とみなす。この(23)式の近似と抵抗Rの電圧降下成分も無視する近似を適用すれば、(22)式は(24)式に簡素化できる。 After the differential term is moved to the left side and converted into the form of the state equation, it is approximated that the change in electromotive force during the carrier period and the amount of current ripple are small. Specifically, since the carrier frequency f C is sufficiently higher than the angular frequency command ω * , the rotation amount of the voltage command phase θ v = (θ (t) + ψ v (t)) during the carrier period is very small. Assuming that it can be ignored, it is regarded as [ed 1 e q1 ] T (constant) as shown in equation (23). By applying the approximation of the equation (23) and the approximation that also ignores the voltage drop component of the resistor R, the equation (22) can be simplified to the equation (24).
ここで、この回転座標系の速度起電力は[ed1 eq1]Tと表しており、固定座標系の速度起電力[eα0 eβ0]Tを単に回転座標変換したものとは異なるので注意が必要である。 Note Here, the speed electromotive force of the rotating coordinate system is expressed as [e d1 e q1] T, simply different since those obtained by converting a rotating coordinate the speed electromotive force [e α0 e β0] T of the fixed coordinate system is necessary.
PWMキャリア周期という短期間の電流ベクトルの変化は、(17)式と同様に、サンプル期間の開始時刻(キャリア頂点)の電流ベクトルを初期値とし、それに各PWM状態の変化成分を積算した(25)式となる。ここでも、初期値成分[id0 id0]Tを除いた成分を、回転座標系における「電流リプルのベクトル」と呼ぶ。 As for the short-term current vector change called the PWM carrier cycle, the current vector at the start time (carrier vertex) of the sample period is set as the initial value, and the change component of each PWM state is integrated (25), as in the equation (17). ). Here again, the component excluding the initial value component [i d0 i d0 ] T is referred to as “current ripple vector” in the rotating coordinate system.
そして、積分演算を電圧成分の時間積に近似すれば、(0,λ,μ,7)という4区間のPWMパターンにおける出力電圧成分[vd vq]と各時間幅ΔTによる電流ベクトルの変化量[Δid Δiq]は、(26)式の近似式として取り扱う。 If the integral calculation is approximated to the time product of the voltage components, the change in the current vector due to the output voltage component [v d v q ] and the time width ΔT in the PWM pattern of four sections (0, λ, μ, 7). The quantity [Δi d Δi q ] is treated as an approximate expression of the expression (26).
PWMパターンの生成については[3.三相PWMパターン生成方法]の項の手順を使用できるため、[4.PWMパターンによる電流ベクトル軌跡と電流リプル成分]の項の電流の変化量の計算部分を、(14)式〜(18)式から(22)式〜(26)式のように、回転座標系の式に置き換えれば、d軸を基準軸とする回転座標の式が得られる。 For the generation of the PWM pattern, refer to [3. Since the procedure described in the section “3-phase PWM pattern generation method” can be used, [4. The calculation part of the current change amount in the term of “current vector locus and current ripple component by the PWM pattern” is expressed by the equation (14) to (18) to (22) to (26). If it replaces with a formula, the formula of the rotation coordinate which makes d-axis the reference axis will be obtained.
ここで、回転座標と固定座標の差異を考察してみる。PWM出力電圧は固定座標系に準拠し、速度起電力は回転座標系に準拠しており、本来は異なる座標系の成分が含まれている。できるだけ近似をしない場合には、固定座標系上では[eα0 eβ0]Tの方に座標が異なるための誤差が生じ、回転座標系上ではPWM電圧[vd(t) vq(t)]Tの方に座標が異なるための誤差が生じる。 Now consider the difference between rotating and fixed coordinates. The PWM output voltage conforms to a fixed coordinate system, the speed electromotive force conforms to a rotating coordinate system, and originally includes components of different coordinate systems. When approximation is not possible as much as possible, an error occurs because the coordinates are different in the direction of [e α0 e β0 ] T on the fixed coordinate system, and the PWM voltage [v d (t) v q (t) on the rotating coordinate system. ] An error occurs because the coordinates are different in T.
従って、どちらを選んでも電流リプルには同レベルの誤差が生じるものと考えられる。しかし、[6.キャリア周波数が十分に高いと近似できる場合の電流リプル成分]の項では[v* d v* q]T≒[ed1 eq1]Tという大胆な近似を適用するが、この場合には固定座標の[eα0 eβ0]T成分よりも回転座標の[ed1 eq1]T成分の方が誤差が少ないため、回転座標系の速度起電力および電流リプル計算を採用している。 Accordingly, it is considered that the same level of error occurs in the current ripple regardless of which is selected. However, [6. The section of the current ripple component on the case where the carrier frequency can be approximated with sufficiently high [v * d v * q] T ≒ [e d1 e q1] While applying a bold approximation that T, fixed coordinate in this case Since the [e d1 e q1 ] T component of the rotational coordinates has less error than the [e α0 e β0 ] T component of the above, the velocity electromotive force and current ripple calculation of the rotating coordinate system is adopted.
(2)速度起電力基準の回転座標系
最後に、電流リプルを有効電力と無効電力に相当する成分として取り扱うために、図18のe1=[ed1 eq1]Tベクトルの位相を基準軸とする新たな回転座標(X−Y座標)を定義する。
(2) Rotational coordinate system based on velocity electromotive force Finally, in order to handle current ripple as a component corresponding to active power and reactive power, the phase of e 1 = [ed 1 e q1 ] T vector in FIG. A new rotation coordinate (XY coordinate) is defined.
(23)式を極座標に変換して、(27)式のようにd軸からe1ベクトルまでの位相角φe1を得る。 By converting equation (23) into polar coordinates, a phase angle φ e1 from the d axis to the e 1 vector is obtained as in equation (27).
そして、表8と同様にして回転座標上の(26)式にて計算した電流リプルのベクトル成分[Δid Δiq]に対して、(28)式のようにdq座標から位相角φe1だけ回転してXY座標に回転座標変換すれば、最終的に回転座標(X−Y座標)の成分に変換できる。これは、図16に対しては図19のように、また、図17に対しては図20のように、e1ベクトルをX軸に一致させるように回転させて[|e1| 0]Tベクトルとしたことが特徴である。これにより、電流リプルのX軸成分は有効分をY軸成分は無効分を示すようになる。 Then, in the same manner as in Table 8, with respect to the current ripple vector component [Δi d Δi q ] calculated by the equation (26) on the rotation coordinate, only the phase angle φ e1 from the dq coordinate as in the equation (28). If rotation coordinates are converted to XY coordinates by rotation, it can be finally converted into components of rotation coordinates (XY coordinates). As shown in FIG. 19 for FIG. 16 and FIG. 20 for FIG. 17, the e 1 vector is rotated so as to coincide with the X axis [| e 1 | 0]. It is characterized by the T vector. As a result, the X-axis component of the current ripple indicates the effective component and the Y-axis component indicates the ineffective component.
以上にて、dq座標系で電流リプルを計算してから座標変換する方法を示したが、それよりも、まずPWMパターンの各期間の電圧成分を回転座標(X−Y座標)に変換してしまい、このX−Y座標上で電流変化量やリプル成分を計算する方が簡単になる。そこで、以降では、実用的な方法として、この電圧成分を[|e1| 0]Tベクトルを基準とする新たな回転座標(X−Y座標)に変換してから計算する手順を示す。 In the above, the method of converting the coordinates after calculating the current ripple in the dq coordinate system has been shown. Instead, the voltage component of each period of the PWM pattern is first converted into the rotation coordinates (XY coordinates). Therefore, it is easier to calculate the current change amount and the ripple component on the XY coordinates. Therefore, in the following, as a practical method, a procedure for calculating after converting this voltage component into a new rotation coordinate (XY coordinate) based on the [| e 1 | 0] T vector will be described.
電圧指令の位相角θv,α軸からd軸までの位相角θ,d軸からe1ベクトルまでの位相角φe1,合成位相θe1=θ+φe1とする。PWMパターンは従来どおり固定座標上で計算すればよい。しかし、PWMパターンの各電圧ベクトル成分を回転座標上で取り扱うには、αβ成分という二軸成分より極座標で取り扱った方が簡単になる。 The phase angle θ v of the voltage command, the phase angle θ from the α axis to the d axis, the phase angle φ e1 from the d axis to the e 1 vector, and the combined phase θ e1 = θ + φ e1 . What is necessary is just to calculate a PWM pattern on a fixed coordinate as usual. However, in order to handle each voltage vector component of the PWM pattern on the rotation coordinate, it is easier to handle it on the polar coordinate than the biaxial component called αβ component.
そこで、表4の代わりに表9のように電圧指令V*の位相角θvに基づいて6区間に分類し、極座標の位相成分としてTλ期間の出力電圧ベクトルVλの位相θλとTμ期間の出力電圧ベクトルVμの位相θμを設定した。ここで、V0とV7は振幅が零であるので、計算時に位相情報は使用しないため省略している。 Therefore, instead of Table 4 based on the voltage command V * of the phase angle theta v as shown in Table 9 were classified into 6 sections, and the phase theta lambda of the output voltage vector V lambda of T lambda period as polar phase components T set the phase theta mu output voltage vector V mu of mu period. Here, since the amplitudes of V 0 and V 7 are zero, phase information is not used at the time of calculation and is omitted.
こうすれば、表4の電圧成分と同様に、XY座標系で表した電圧ベクトルV’0,V’7,V’λ,V’μが(29)式により計算できる。XY座標系の速度起電力e’1は基準軸(X軸)と一致しているため、(30)式のようにスカラ成分となる。そして、表7と同様に、XY座標系で表した電流ベクトルの変化量と電流ベクトルの軌跡は表10として計算できる。 By doing so, the voltage vectors V ′ 0 , V ′ 7 , V ′ λ , and V ′ μ expressed in the XY coordinate system can be calculated by the equation (29), similarly to the voltage components in Table 4. Since the speed electromotive force e ′ 1 in the XY coordinate system coincides with the reference axis (X axis), it becomes a scalar component as shown in equation (30). Similarly to Table 7, the amount of change in the current vector and the locus of the current vector expressed in the XY coordinate system can be calculated as Table 10.
もし、この座標上でもキャリア頂点の電流リプルの軌跡がキャリアの半周期間に基本波成分の角速度で移動していることを考慮したい場合には、(20)式と同様にキャリア半周期の始点i’(n)と終点i’(m)の中間点i’nmを(30)式にて計算し、これを新たな基準点として補正すればよい。 If it is desired to consider that the current ripple trajectory at the carrier vertex moves at the angular velocity of the fundamental wave component during the half cycle of the carrier even on this coordinate, the start point i of the carrier half cycle is obtained as in the equation (20). An intermediate point i ′ nm between “(n) and end point i ′ (m)” is calculated by the equation (30), and this may be corrected as a new reference point.
そして,この中間点i’nmを新たな基準点とみなして電流リプル成分を補正すると、表11のように表すことができる。 If the current ripple component is corrected by regarding this intermediate point i ′ nm as a new reference point, it can be expressed as shown in Table 11.
表11の各スイッチング時刻における基準点からみた電流リプルから、(32)式にて各成分のノルムが計算できる。 From the current ripple viewed from the reference point at each switching time in Table 11, the norm of each component can be calculated by equation (32).
ここで、(32)式内に、補正係数kX,kYを新たに追加しておく。これは、実施形態3にて使用するためのものであり、現時点ではkX=1,kY=1と置き,無視して説明を進める。 Here, correction coefficients k X and k Y are newly added to the equation (32). This is for use in the third embodiment. At this time, it is assumed that k X = 1 and k Y = 1, and the explanation is ignored.
最後に、表11の各電流リプル成分についてノルムを計算し、(33)式のようにその中から最大ノルムを選択して|Δi’max(n)|とする。 Finally, the norm is calculated for each current ripple component in Table 11, and the maximum norm is selected from among them as shown in Equation (33), and is set as | Δi ′ max (n) |.
以上は三相変調を対象として電流リプルの変化量と軌跡を計算した例であるが、二相変調の場合でも表3のときと同様に、各電圧ベクトルの出力時間を置き換えれば表9〜表11はそのまま使用できるので説明は省略する。 The above is an example of calculating the current ripple variation and locus for three-phase modulation, but in the case of two-phase modulation as well as in Table 3, if the output time of each voltage vector is replaced, Tables 9 to Since 11 can be used as it is, description thereof is omitted.
以上により、速度起電力を基準とする回転座標系でも、各相のスイッチング時刻における電流リプルのノルム成分を計算することができるようになった。 As described above, the norm component of the current ripple at the switching time of each phase can be calculated even in the rotating coordinate system based on the speed electromotive force.
最後に、表5に対応するXY座標系の電圧成分を表12に示しておく。 Finally, Table 12 shows voltage components in the XY coordinate system corresponding to Table 5.
[6.キャリア周波数が十分に高いと近似できる場合の電流リプル成分]
[4.PWMパターンによる電流ベクトル軌跡と電流リプル成分]の項および[5.電流リプル成分を有効電流と無効電流として取り扱う方法]の項では、キャリア半周期の電流リプル軌跡の始点と終点に差が生じるという一般形を考えた。しかし、次の2種類の近似を適用すれば、電流リプルの始点と終点の中間点を計算する必要も無くなり計算を簡略化できる。本明細書の内容は「PWMによる電流リプル成分を推定して、それに基づいてキャリア周波数を可変制御する」ものであり、電流や電圧の制御精度に影響しなければ、推定した電流リプルに多少の誤差が含まれていても実用上は問題ないことが多い。この誤差によりスイッチング周波数が影響を受けるが、温度設計の余裕が大きければ実害は少なく、また、平均スイッチング周波数を監視するなどの対策も可能である。そこで、本項では実用性を重視して、大幅な近似を適用して計算を簡略化する方法を説明する。
[6. Current ripple component when carrier frequency is sufficiently high]
[4. Current vector locus and current ripple component by PWM pattern] and [5. In the section “Method of handling current ripple component as active current and reactive current”], a general form is considered in which a difference occurs between the start point and end point of the current ripple locus of the carrier half cycle. However, if the following two types of approximation are applied, it is not necessary to calculate the intermediate point between the start point and end point of the current ripple, and the calculation can be simplified. The content of this specification is “estimating the current ripple component by PWM and variably controlling the carrier frequency based on it”, and if the current and voltage control accuracy is not affected, the estimated current ripple is somewhat Even if an error is included, there is often no problem in practical use. Although the switching frequency is affected by this error, if the temperature design margin is large, the actual harm is small, and measures such as monitoring the average switching frequency are possible. Therefore, in this section, a method for simplifying the calculation by applying a large approximation with an emphasis on practicality will be described.
(近似条件)
(a)キャリア周波数fcが十分に高いものと仮定する。
(b)さらに、図21のように,電圧指令[v* d v* q]Tと速度起電力成分[e1d e1q]Tがほぼ等しいと近似する。
(Approximate condition)
(A) It is assumed that the carrier frequency fc is sufficiently high.
(B) Further, as shown in FIG. 21, it is approximated that the voltage command [v * d v * q ] T and the speed electromotive force component [e 1d e 1q ] T are substantially equal.
三相変調の場合には、図23のように、同じ電流リプル軌跡上を繰り返して移動するようになる。この電流リプル軌跡の始点と終点の差が小さくなる。 In the case of three-phase modulation, as shown in FIG. 23, it moves repeatedly on the same current ripple locus. The difference between the start point and the end point of this current ripple locus becomes small.
上記の条件を設定すると、図13のベクトル図における電圧指令[v* d v* q]と速度起電力[e1d e1q]を図21のように(v*≒e1)と近似することになり、図16の電流リプルの軌跡は図23のように変化してサンプル期間の始点と終点が一致する。また、XY座標においては、図18の電圧ベクトルを図22のように近似することにより、図19の電流リプル成分は図24のようになる。 When the above conditions are set, the voltage command [v * d v * q ] and the speed electromotive force [e 1d e 1q ] in the vector diagram of FIG. 13 are approximated to (v * ≈e 1 ) as shown in FIG. Thus, the locus of the current ripple in FIG. 16 changes as shown in FIG. 23, and the start point and end point of the sample period coincide. Further, in the XY coordinates, the current ripple component of FIG. 19 becomes as shown in FIG. 24 by approximating the voltage vector of FIG. 18 as shown in FIG.
図23では各サンプル時刻の電流ベクトルin=im=i(n+1)=imn=im(n+1)は一致するようになり、tn〜t(n+1)までのキャリア周期間の軌跡は、2つの三角形を辺の中間点を基準に点対称に配置した並行四辺形になる。従って、この三角形への近似および対称性を利用すれば、基準点の補正演算が不要になるだけでなく、最大ノルム成分を推定するために必要な各スイッチング時刻の電流リプルの演算量も、3個の時刻から2個の時刻の電流リプル演算だけに削減できる。これにより、大幅に演算が簡素化できる。 In FIG. 23, the current vectors i n = i m = i (n + 1) = i mn = i m (n + 1) at the respective sampling times coincide with each other, and from t n to t (n + 1) The trajectory between carrier periods is a parallelogram in which two triangles are arranged point-symmetrically with respect to the middle point of the side. Therefore, if the approximation to the triangle and the symmetry are used, not only the correction calculation of the reference point becomes unnecessary, but also the calculation amount of the current ripple at each switching time required for estimating the maximum norm component is 3 It is possible to reduce the current ripple calculation from two times to only two current times. This can greatly simplify the calculation.
図24のXY座標の場合には、零ベクトルを出力している期間の電流変化量(Δi0(n),Δi7(n))成分つまり平行四辺形の対角線は、X軸に一致するのでY軸成分が零となり、この成分のノルム計算のためには二乗や平方根などの演算が不要になる。これらは三相変調の例であるが、二相変調の場合でも図17の電流ベクトルin=im=i(n+1)が一致するようになり、図25のような2個の三角形が頂点に対して対称に配置された形状になる。同様に、XY座標成分についても、図20についても図26のように2個の三角形が頂点に対して対称に配置された形状になる。そのため、図26でも同様に、零ベクトル電圧の出力期間における電流リプル成分のY軸成分は零となり、ノルム計算のための二乗や平方根などの演算が不要になる。 In the case of the XY coordinates of FIG. 24, the current change amount (Δi 0 (n), Δi 7 (n)) component, that is, the parallelogram diagonal line during the period of outputting the zero vector coincides with the X axis. The Y-axis component becomes zero, and operations such as square and square root are not necessary for norm calculation of this component. These are examples of three-phase modulation, but even in the case of two-phase modulation, the current vectors i n = i m = i (n + 1) in FIG. 17 are matched, and two triangles as shown in FIG. Becomes a shape arranged symmetrically with respect to the vertex. Similarly, the XY coordinate component also has a shape in which two triangles are arranged symmetrically with respect to the vertex as shown in FIG. Therefore, similarly in FIG. 26, the Y-axis component of the current ripple component in the output period of the zero vector voltage is zero, and operations such as the square and the square root for norm calculation are not required.
このように本項で提供する近似を適用すると、始点と終点を一致させる近似、および、零ベクトル電圧による電流リプルをスカラ量として取り扱えるよう座標を選定したことにより、大幅な演算量の削減が可能になる。 By applying the approximation provided in this section in this way, it is possible to greatly reduce the amount of computation by selecting coordinates that can handle the current ripple due to zero vector voltage as an approximation that matches the start point and the end point. become.
この近似を適用しても、図21の電圧指令の位相が変化すると図25の電流リプル軌跡の形状が変化するという要因がまだ残っている。それについて調べるために、図27のように数個の電圧指令の位相条件を設定し、そのときの電流ベクトルの軌跡を描いたものが図32である。図21の電圧指令のように、d軸から60degまで、つまり、V4からV6の位相間に電圧指令が存在する場合には、PWM出力電圧ベクトルは(V4,V6,V0,V7)の4種類となるが、その出力時間比率が変化する。そのため、電流軌跡も図25のように電圧指令の位相によって変化する。
Even if this approximation is applied, there still remains a factor that the shape of the current ripple locus in FIG. 25 changes when the phase of the voltage command in FIG. 21 changes. In order to investigate this, FIG. 32 shows the current vector trajectory set by setting several voltage command phase conditions as shown in FIG. As the voltage command of FIG. 21, the d-axis to 60 deg, i.e., when the voltage command between the phase of V 6 from V 4 is present, PWM
電流リプル軌跡の中心点(初期値)は電圧指令と同期して回転するとともに、電流リプルが描く三角形の形状も変化する。電流リプルの最大ノルムがどのように変化するのかを明示するために、図32からキャリア周期分の電流リプル成分のみ抽出し、全ての基準点が原点に一致するように平行移動してみると図33となる。この電流リプルの軌跡群の最大ノルムにより構成される頂点群は楕円状に分布しており、長軸と短軸が存在することが分かる。本発明は、この電圧指令の位相により電流リプルの最大ノルムが変動することに着目するものである。 The center point (initial value) of the current ripple locus rotates in synchronization with the voltage command, and the shape of the triangle drawn by the current ripple also changes. In order to clearly show how the maximum norm of the current ripple changes, only the current ripple component for the carrier period is extracted from FIG. 32 and translated so that all the reference points coincide with the origin. 33. It can be seen that the vertex group constituted by the maximum norm of the current ripple trajectory group is distributed in an elliptical shape and has a major axis and a minor axis. The present invention focuses on the fact that the maximum norm of the current ripple varies depending on the phase of the voltage command.
この楕円状に分布した最大ノルムの頂点を、図33の破線で示したように設定した電流リプル成分を半径とする円状に配置すれば電流リプルの最大ノルムを一定に制御することができ、逆に楕円の短軸と長軸成分を設定して新たな効果を得ることを考える。 If the vertices of the maximum norm distributed in an elliptical shape are arranged in a circle having a radius of the current ripple component set as shown by the broken line in FIG. 33, the maximum norm of the current ripple can be controlled to be constant, Conversely, consider setting a short axis and a long axis component of an ellipse to obtain a new effect.
本発明で着目するのは、図28のような電流リプルのベクトル軌跡の形状変化である。図28は複数の異なる電圧指令位相θVにおける電流リプル軌跡を示し、電流リプルがΔi(θv_b)とΔi(θv_c)の場合には最大ノルムが破線で示すような半径|Δi*|の円上に存在する。ところが、電流リプルがΔi(θv_a)とΔi(θv_d)の場合には最大ノルムが半径|Δi*|の円よりも小さい。これは、Δi(θv_a)とΔi(θV_d)の場合は電流リプルを拡大させる余裕があることを意味しており、その分だけキャリア周波数をもっと低下させてもよいと考えることができる。そこで、電流リプルを予測計算して、その最大ノルム成分が一定|Δi*|になるようにキャリア周波数を補正する方式が考えられる。こうすると、電流リプルの最大ノルムが許容電流誤差円|Δi*|に一致するように制御することになり、部分的な期間に限定されるが、それでも少しでもキャリア周波数を低減させれば、平均キャリア周波数が低減できるようになり、ひいてはスイッチング損失なども低減できる。これが、本願発明に関する最初の発想である。 In the present invention, attention is paid to the shape change of the vector locus of the current ripple as shown in FIG. FIG. 28 shows current ripple trajectories at a plurality of different voltage command phases θ V. When the current ripple is Δi (θ v — b ) and Δ i (θ v — c ), the radius | Δi * | Exists on a circle. However, when the current ripple is Δi (θ v — a ) and Δi (θ v — d ), the maximum norm is smaller than the circle of radius | Δi * |. If this is the Δi (θ v_a) Δi of (theta V_d) it indicates that there is room to expand the current ripple can be thought of as its amount corresponding carrier frequency may be more reduced. Therefore, a method of predicting and calculating current ripple and correcting the carrier frequency so that the maximum norm component becomes constant | Δi * | can be considered. In this way, the maximum norm of the current ripple is controlled so as to match the allowable current error circle | Δi * |, which is limited to a partial period, but if the carrier frequency is reduced even a little, the average The carrier frequency can be reduced, and the switching loss can be reduced. This is the first idea regarding the present invention.
PWM半周期間における電流リプルの最大ノルム推定方法として、[4.PWMパターンによる電流ベクトル軌跡と電流リプル成分]のように固定座標系で扱うものと、[5.電流リプル成分を有効電流と無効電流として取り扱う方法]のように回転座標系および特殊な回転座標系(XY座標系)で扱うものなど、取り扱う座標系の差異により3種類を示した。ここでさらに、近似を適用しないで厳密に計算する方法や、[6.キャリア周波数が十分に高いと近似できる場合の電流リプル成分]のように大胆な近似をして電流リプル成分の計算を簡素化する方法もある。また、これから述べる制御指標にも幾つかの種類が存在しており、これらを組み合わせると膨大な実施形態数になってしまう。そこで下記のように、厳密な方法と実用的な方法、および,有効/無効電力成分の制御まで拡張する例という3通りの基本的な方式と三相/二相変調の組み合わせに限定することにより実施形態数を制限している。
実施形態1:固定座標系で厳密な計算を適用する場合(三相変調)
実施形態2:固定座標系で厳密な計算を適用する場合(二相変調)
実施形態3:特殊な回転座標系(XY座標,有効電力と無効電力を考慮)にて、近似を適用して簡易化する場合(三相変調)
実施形態4:特殊な回転座標系(XY座標,有効電力と無効電力を考慮)にて、近似を適用して簡易化する場合(二相変調)
実施形態5:実施形態4において、さらに電流リプルの有効分と無効分にそれぞれ異なる重み付けて評価する方法。
As a method for estimating the maximum norm of the current ripple during the PWM half cycle, [4. [5. Current vector locus by PWM pattern and current ripple component] and the like handled in a fixed coordinate system, [5. Three types are shown depending on the difference in the coordinate system to be handled, such as those handled in a rotating coordinate system and a special rotating coordinate system (XY coordinate system) such as the method of handling current ripple components as active current and reactive current]. Further, a method of calculating strictly without applying approximation, [6. There is also a method of simplifying the calculation of the current ripple component by making a bold approximation such as [current ripple component when approximation is possible when the carrier frequency is sufficiently high]. In addition, there are several types of control indices described below, and when these are combined, the number of embodiments becomes enormous. Therefore, as described below, by limiting to the combination of three basic methods and three-phase / two-phase modulation: a strict method and a practical method, and an example of extending to control of active / reactive power components The number of embodiments is limited.
Embodiment 1: When exact calculation is applied in a fixed coordinate system (three-phase modulation)
Embodiment 2: When applying exact calculation in a fixed coordinate system (two-phase modulation)
Embodiment 3: Case where simplification is applied by applying approximation in a special rotating coordinate system (XY coordinate, considering active power and reactive power) (three-phase modulation)
Embodiment 4: Case where simplification is applied by applying approximation in a special rotating coordinate system (XY coordinate, considering active power and reactive power) (two-phase modulation)
Embodiment 5: The method of evaluating in
図1の従来法の制御構成例に対して、相電圧指令生成部3に三相変調を適用した場合が図8であり、二相変調方式を適用したものが図9である。これは、キャリア信号の頂点時刻でサンプルを更新する離散系として構成したものであり、この図8と図9が本願発明に対する従来例である。そして、これに対して三相変調の場合は図31が、二相変調の場合は図34が実施形態の制御ブロック図である。
FIG. 8 shows a case where the three-phase modulation is applied to the phase voltage
図31において、図8に対して追加したのは次の5個の要素である。
(1)三相変調の零相変調を適用した後の三相電圧指令より、電流リプルの最大ノルム|Δi(θ)|を推定演算する。
(2)電流リプルの最大ノルム|Δi(θ)|と許容電流リプル|Δi*|の比より、キャリア周波数補正係数kfcを計算する。
(3)基本キャリア周波数f*cに、このキャリア周波数補正係数kfcを乗算してキャリア周波数指令fcを計算する。
(4)キャリア周波数指令fcどおりの周波数の三角波キャリア信号Cryを生成する。
(5)キャリア周波数指令fcに応じて、電圧指令を回転座標から固定座標に変換する回転座標変換の基準位相θ0を計算する。
In FIG. 31, the following five elements are added to FIG.
(1) The maximum norm | Δi (θ) | of the current ripple is estimated and calculated from the three-phase voltage command after applying the zero-phase modulation of the three-phase modulation.
(2) The carrier frequency correction coefficient k fc is calculated from the ratio between the maximum norm | Δi (θ) | of the current ripple and the allowable current ripple | Δi * |.
(3) to the basic carrier frequency f * c, calculates a carrier frequency command f c by multiplying the carrier frequency correction factor k fc.
(4) for generating a triangular wave carrier signal Cry the frequency of the carrier frequency command f c as expected.
(5) In accordance with the carrier frequency command f c , the rotation coordinate conversion reference phase θ 0 for converting the voltage command from the rotation coordinate to the fixed coordinate is calculated.
図34において、図9に対して追加したのは次の5個の要素である。
(1)二相変調を適用して得られた三相電圧指令より、電流リプルの最大ノルム|Δi(θ)|を推定演算する。
(2)電流リプルの最大ノルム|Δi(θ)|と許容電流リプル|Δi*|の比より、キャリア周波数補正係数kfcを計算する。
(3)基本キャリア周波数f*cに、このキャリア周波数補正係数kfcを乗算してキャリア周波数指令fcを計算する。
(4)キャリア周波数指令fcどおりの周波数の三角波キャリア信号Cryを生成する。
(5)キャリア周波数指令fcに応じて、電圧指令を回転座標から固定座標に変換する回転座標変換の基準位相θ0を計算する。
In FIG. 34, the following five elements are added to FIG.
(1) The maximum norm | Δi (θ) | of the current ripple is estimated and calculated from a three-phase voltage command obtained by applying two-phase modulation.
(2) The carrier frequency correction coefficient k fc is calculated from the ratio between the maximum norm | Δi (θ) | of the current ripple and the allowable current ripple | Δi * |.
(3) to the basic carrier frequency f * c, calculates a carrier frequency command f c by multiplying this carrier frequency correction factor k fc.
(4) for generating a triangular wave carrier signal Cry the frequency of the carrier frequency command f c as expected.
(5) In accordance with the carrier frequency command f c , the rotation coordinate conversion reference phase θ 0 for converting the voltage command from the rotation coordinate to the fixed coordinate is calculated.
これについては、それぞれ実施形態1,3,5および実施形態2,4,5において共通である。実施形態1と実施形態2および実施形態3と実施形態4の差異は電流リプルの最大ノルム|Δi(θ)|演算部の内容についてであり、異なる形態の計算方法を複数の実施形態に分けて記述する。
This is common to
[実施形態1]
図31のブロック図の構成要素を箇条書きで示す。[1.全体構成]と重複する部分も分かりやすいように記述しておく。
[Embodiment 1]
The components of the block diagram of FIG. [1. Describe parts that overlap with [Overall configuration] in an easy-to-understand manner.
(a)指令更新部7
キャリア発生部2の三角波キャリア信号Cryの頂点で発生するサンプル信号Ssmplにより、サンプルホールド回路S10にて(1)式に相当する電圧指令[vd * vq *],サンプルホールド回路S11により角周波数指令ω*をラッチして保持する。また、サンプルホールド回路S12によりキャリア周波数指令f*cもラッチする。
(b)基準位相演算部8
基準位相演算部8では、キャリア周波数指令f*cから、その半周期の時間1/(2f*c)を計算し、そして、(2)式の積分を(34)式のように離散化して計算する。さらに、ここで計算するPWMパターンは実際には1サンプル遅れて実電圧として出力されるため、PWMパターン演算に使用する電圧指令には1サンプル分の位相進み補正をしておく必要がある。そこで、(34)式によって、角周波数指令ω*に応じた次回のサンプル信号Ssmplの発生時刻までに進む位相角成分Δθ^を計算し、そして前回すでに計算済みの基準位相θ0とこの進み位相角Z-1・Δθ^を加算してから、電圧指令の回転座標変換部P-1の新たな基準位相θ^とすることにより、この電圧指令の位相進みの予測補正を実現する。
(A)
Based on the sample signal S smpl generated at the apex of the triangular wave carrier signal Cry of the
(B) Reference
The reference
(c)相電圧指令生成部3
電圧指令[vd * vq *]Tに対して、(4)式の回転座標変換P-1と(3)式の二相三相変換C-1により対称の三相電圧指令V’u,V’v,V’wに変換する。ここで、座標変換の基準位相には前述の基準位相θ^を使用する。
(d)零相変調(三相変調)部9a
二軸電圧指令Vd *,Vq *を対称の三相電圧指令V’u,V’v,V’wに変換したものに対して、(7)式と(8)式および(9)式のような零相変調補正を適用して新たな電圧指令Vu,Vv,Vwに変換する。具体的には、零相変調計算部9aにて(7)式のvmaxとvminを求め、さらに(8)式のようにこれらの平均値より零相変調の補正値Vofs_3phを計算し、そしてこれを(9)式のような三相の共通オフセット補正として三相電圧指令V’u,V’v,V’wに加算して新たな電圧指令Vu,Vv,Vwを出力する。
(e)電流リプルのノルム(|Δi(θ)|)推定部10
ここでは、零相変調後の電圧指令Vu,Vv,Vwおよび直流リンク電圧Vdc情報より、基準キャリア周波数指令f*cを適用すると仮定した場合のPWMパターンの計算と電流リプルの予測演算を行う。
(C) Phase
With respect to the voltage command [v d * v q * ] T , a symmetric three-phase voltage command V ′ u by the rotational coordinate transformation P −1 in equation (4) and the two-phase three-phase transformation C −1 in equation (3). , V ′ v and V ′ w . Here, the above-described reference phase θ ^ is used as the reference phase for coordinate transformation.
(D) Zero phase modulation (three phase modulation)
For the biaxial voltage commands V d * and V q * converted into symmetrical three-phase voltage commands V ′ u , V ′ v and V ′ w , the equations (7), (8) and (9) Applying the zero-phase modulation correction as shown in the equation, the voltage commands V u , V v , and V w are converted. Specifically, the zero-phase
(E) Current ripple norm (| Δi (θ) |)
Here, calculation of the PWM pattern and prediction of the current ripple when it is assumed that the reference carrier frequency command f * c is applied from the voltage commands V u , V v , V w and the DC link voltage V dc information after the zero phase modulation. Perform the operation.
まず、電圧指令ベクトルの位相θvと表1より、三相交流成分であるu,v,w相を電圧の大小順を示すa,b,c相に関連づける。これにより、表2のようにキャリア半周期にスイッチングが発生する相順と4種類の電圧ベクトルが決まる。以降では、このスイッチングの発生順であるa,b,c相を利用して計算を進める。 First, from the phase θ v of the voltage command vector and Table 1, the u, v, and w phases, which are three-phase AC components, are associated with the a, b, and c phases indicating the order of voltage. As a result, as shown in Table 2, the phase sequence in which switching occurs in the carrier half cycle and the four types of voltage vectors are determined. In the following, the calculation proceeds using the a, b, and c phases, which are the order of occurrence of this switching.
PWMパターンは4種類の出力電圧ベクトルとその出力時間として定義でき、表3によりT0,Tλ,Tμ,T7の時間幅を計算し、表4によりその時間幅に対応する電圧ベクトルV0,Vλ,Vμ,V7を選択する。ここで、表3には零相変調方法により3種類の計算方法が示してあるが、三相変調の場合には第2列を使用する。 The PWM pattern can be defined as four types of output voltage vectors and their output times. The time widths of T 0 , T λ , T μ and T 7 are calculated from Table 3, and the voltage vector V corresponding to the time width is calculated from Table 4. 0, V λ, V μ, to select a V 7. Here, three types of calculation methods are shown in Table 3 by the zero-phase modulation method, but the second column is used in the case of three-phase modulation.
PWMパターンが計算できれば、表7の第1列のようにスイッチング時刻(電圧ベクトル変化時刻)が決まり、三角波キャリア信号CryのDOWN期間では開始時刻t(n)と終了時刻t(m)の間にta(n),tb(n),tc(n)という3回のスイッチング時刻が、三角波キャリア信号CryのUP期間では開始時刻t(m)と終了時刻t(n+1)の間にtc(m),tb(m),ta(m)という3回のスイッチング時刻が決まり、さらにこの時刻間に発生する電圧成分は表6のように決まる。次に、表6にて各電圧ベクトルが出力されている期間中における電流ベクトルの変化量を計算し、さらにこれを表7の第4列のようにキャリア半周期の最初の初期値電流をin=0とおき電流変化量を発生順に積算して前述のスイッチング時刻における電流リプルのベクトル成分を計算する。これについてもDOWN期間のキャリア半周期においてはin,ina,inb,inc,imのスイッチング順に、また、UP期間のキャリア半周期においてはim,imc,imb,iba,i(n+1)のスイッチング順に計算する。 If the PWM pattern can be calculated, the switching time (voltage vector change time) is determined as shown in the first column of Table 7, and during the DOWN period of the triangular wave carrier signal Cry, between the start time t (n) and the end time t (m). Three switching times t a (n), t b (n), and t c (n) are t between the start time t (m) and the end time t (n + 1) in the UP period of the triangular wave carrier signal Cry. Three switching times c (m), t b (m), and t a (m) are determined, and the voltage components generated between these times are determined as shown in Table 6. Next, the amount of change in the current vector during the period in which each voltage vector is output is calculated in Table 6, and the initial initial value current in the carrier half cycle is represented by i as shown in the fourth column of Table 7. The vector component of the current ripple at the switching time is calculated by adding n = 0 and accumulating the current change amount in the order of occurrence. I n in the carrier half cycle of the DOWN period also this, i na, i nb, i nc, the switching order of the i m, also, i m in the carrier half-period of UP period, i mc, i mb, i ba , I (n + 1) switching order.
この各スイッチング時刻における電流ベクトルが図14における三角形状の電流軌跡の頂点に相当する。これらの頂点の電流ベクトルから、電流リプル成分を抽出するためには基準点を設定する必要があるため、キャリア半周期間の始点と終点の情報から表8の第2列に示す計算にてオフセット補正成分を計算し、これを電流リプルの基準点と定義する。 The current vector at each switching time corresponds to the apex of the triangular current locus in FIG. Since it is necessary to set a reference point in order to extract a current ripple component from the current vectors at these vertices, offset correction is performed by calculation shown in the second column of Table 8 from information on the start point and end point during the carrier half cycle. The component is calculated and defined as the reference point for current ripple.
そして、表7の第4列の電流ベクトルをこの基準に変更することにより、表8の第3列のような新たな基準点に対する各スイッチング時間の電流ベクトルとの差分ベクトルΔia,Δib,Δicを最終的なスイッチング時刻の電流リプル成分と定義する。これは、図14の各成分を図16のようなキャリア半周期単位での基準値とそこからのベクトル成分に変換することになる。この電流リプルΔia,Δib,Δicはベクトル量であるため、(20)式のように直交二軸成分Δiα(n)_α,Δiβ(n)_βに分解してから(21)式により振幅成分(以降はノルムと呼ぶ)|Δia(n)|が計算できる。 Then, by changing the current vector in the fourth column of Table 7 to this reference, the difference vectors Δi a , Δi b , and the current vectors of the respective switching times with respect to the new reference point as in the third column of Table 8 the .delta.i c is defined as the current ripple component of the final switching time. This means that each component in FIG. 14 is converted into a reference value and a vector component therefrom in units of carrier half cycles as shown in FIG. Since this current ripple Δi a, Δi b, Δi c is a vector quantity, after decomposed into (20) orthogonal axes component Δi α (n) _α as, Δi β (n) _β ( 21) The amplitude component (hereinafter referred to as the norm) | Δi a (n) |
三角波キャリア信号Cryの半周期の間に3回のスイッチング時刻が発生するが、図16における電流リプル成分Δia(n)とΔic(n)およびΔia(m)とΔic(m)は同じ振幅のベクトルになるため、この対称性(等ノルム)という条件を利用すれば実際には電流リプル成分Δia(n),Δib(n)またはΔib(m)とΔia(m)の2個だけ計算しておけばよく、どちらかに最大ノルム成分が含まれている。そこで、実際の演算としては、この2種類のうちの大きな振幅成分をこの電圧指令における電流リプルの最大ノルムの推定値|Δi|=max(|Δia|,|Δib|)として出力する。
(f)キャリア補正係数演算部11
基準キャリア周波数指令f*cを仮定した場合におけるキャリア半周期間における電流リプルの最大ノルム推定値|Δi|が求まったので、これと許容電流リプル|Δi*|とから、図31のキャリア補正係数演算部11にてキャリア周波数の補正係数kfcを計算する。これは,「電流リプルのノルム|Δi(θ)|推定部10」の出力である推定した電流リプルのノルム|Δi(θ)|が、電流リプルの振幅指令|Δi*|と一致するようにキャリア周波数fcを補正するものであり、(35)式で計算する。
Three switching times occur during the half cycle of the triangular wave carrier signal Cry. Current ripple components Δi a (n) and Δi c (n) and Δi a (m) and Δi c (m) in FIG. Since the vectors have the same amplitude, the current ripple components Δi a (n), Δi b (n) or Δi b (m) and Δi a (m) are actually used if this symmetry (equal norm) condition is used. It is sufficient to calculate only two of these, and either contains the maximum norm component. Therefore, as an actual calculation, a large amplitude component of the two types is output as an estimated value | Δi | = max (| Δi a |, | Δi b |) of the maximum norm of the current ripple in this voltage command.
(F) Carrier correction
Since the maximum norm estimated value | Δi | of the current ripple during the carrier half cycle when the reference carrier frequency command f * c is assumed, the carrier correction coefficient calculation of FIG. 31 is calculated from this and the allowable current ripple | Δi * |. The
さらに(36)式のように、このキャリア周波数の補正係数kfcと基準キャリア周波数f*cとを乗算して、最終的に出力するPWMのキャリア周波数の設定値fcを得る。 And (36) as in equation a correction coefficient k fc and the reference carrier frequency f * c of the carrier frequency by multiplying, obtain the set value f c of the finally output to the PWM carrier frequency.
(g)キャリア周波数補正部12
キャリア発生部2ではキャリア補正されたキャリア周波数指令fcに応じた可変周波数の三角波キャリア信号Cryを発生させる。例えば、三角波の振幅は直流電圧に関連しているので固定しておき、三角波の傾きを変化させれば等価的にキャリア周波数を変化させることができる。
(G) Carrier
Generating a triangular carrier signal Cry variable frequency corresponding to the
三角波キャリア信号Cryの頂点のタイミング信号Ssmplより、サンプルホールド回路S20にて電圧指令Vu,Vv,Vwを三角波キャリア信号Cryの頂点で同期して更新しているため、同様にサンプルホールド回路S22によりキャリア発生部2に入力するキャリア周波数指令fcも同時に更新させる。こうすれば、電圧指令が一定に保持される期間は三角波キャリア信号Cryの傾きも一定に固定されるため正確なPWM変調が可能になる。ここで、起動時の初回だけはキャリア周波数指令fcが未確定なので、基準キャリア周波数指令f*cを初期値として代用するなどの対策を適用しておく。
Since the voltage command Vu, Vv, Vw is updated synchronously with the vertex of the triangular wave carrier signal Cry by the sample hold circuit S20 from the timing signal S smpl at the vertex of the triangular wave carrier signal Cry, the sample hold circuit S22 similarly carrier frequency command f c to be input to the
PWMパターンの計算では、基準キャリア周波数指令f*cに基づく位相進み補正を適用した予測基準位相θ^を使用した。しかし、キャリア周波数指令fcを変化させると、三角波キャリア信号Cryの半周期、つまり、次回のタイミング信号Ssmplまでの時間間隔も変化するため、もう一度キャリア周波数指令fcを用いて(37)式にて進み位相を計算して最終的な次回の基準位相θを計算し、これを次回のサンプル時刻までサンプルホールド回路S21によりθ0として次回の計算まで保持する。こうすれば、キャリア周波数指令fcを変化させても、電圧指令の位相進み角すなわち基本波周波数が正確に出力できるようになる。 In the calculation of the PWM pattern, a predicted reference phase θ ^ to which phase advance correction based on the reference carrier frequency command f * c is applied is used. However, changing the carrier frequency command f c, a half cycle of the triangular wave carrier signal Cry, that is, to change the time interval until the next timing signal S smpl, using again the carrier frequency command f c (37) formula The final phase is calculated by calculating the final next reference phase θ, and this is held as θ 0 by the sample hold circuit S21 until the next calculation time until the next calculation time. In this way, even if the carrier frequency command fc is changed, the phase lead angle of the voltage command, that is, the fundamental frequency can be output accurately.
以上が、実施形態1における構成例である。 The above is the configuration example in the first embodiment.
[実施形態2]
実施形態1は三相変調の場合であったが、実施形態2では図34の二相変調による方法の場合を説明する。
[Embodiment 2]
Although the first embodiment is a case of three-phase modulation, the second embodiment will explain the case of the method using the two-phase modulation of FIG.
図31のブロック図の構成要素とほぼ同じ構成であり、零相変調の方式とPWMパターンの演算およびPWMリプル電流のノルム|Δi|演算部分のみ相違点が存在する。そこで、実施形態1と重複する部分は省略し、差異の有る項目のみ記述する。
(a)指令更新部7
(b)基準位相演算部8
(c)相電圧指令生成部3
上記の3項は実施形態1と同じ構成である。次の項は差異が存在するが、修正した部分だけでは細切れになって分かりにくいので、この項全体を更新して表している。
The configuration is almost the same as the components in the block diagram of FIG. 31, and there is a difference only in the zero-phase modulation method, the calculation of the PWM pattern, and the norm | Δi | Therefore, the parts that are the same as those in the first embodiment are omitted, and only items that are different are described.
(A)
(B) Reference
(C) Phase
The above three items have the same configuration as in the first embodiment. There is a difference in the next term, but it is difficult to understand because only the corrected part is broken.
(d)零相変調(二相変調)9b
電圧指令を対称三相交流成分に変換したものに対して、二相変調では(10)式〜(11)式および(12)式のような零相変調補正を適用して新たな電圧指令Vu,Vv,Vwに変換する。
(D) Zero phase modulation (two phase modulation) 9b
In contrast to the voltage command converted into a symmetric three-phase AC component, in the two-phase modulation, a new voltage command V is applied by applying zero-phase modulation correction as shown in equations (10) to (11) and (12). u, V v, converted to V w.
具体的には、P側電位変調量計算部13にて(10)式の(1)の補正値Vofs_2phPを計算し、N側電位変調量計算部14にて(10)式の(2)の補正値Vofs_2phNを計算する。そして、この2種類の成分を比較して(11)式に基づいてスイッチSectにより、絶対値の小さいほうを選択する。または、電圧の位相角θvを表9のようなモードに分類して、Sectの制御を行っても同じ動作をする。ここでは、この電圧指令の位相を利用する方を描いてある。そして、選択された零相変調補正量を(12)式のような三相の共通オフセット補正として三相電圧指令V’u,V’v,V’wに加算して新たな電圧指令Vu,Vv,Vwを出力する。
Specifically, the P-side potential modulation
(e)電流リプルのノルム(|Δi(θ)|)推定部10
ここでは、基準キャリア周波数指令f*cを適用すると仮定して、零相変調後の三相電圧指令Vu,Vv,Vwおよび直流リンク電圧Vdc情報より、キャリア半周期間のPWMパターン計算と電流リプルの予測を行う。
(E) Current ripple norm (| Δi (θ) |)
Here, assuming that the reference carrier frequency command f * c is applied, the PWM pattern calculation between the carrier half periods is calculated from the three-phase voltage commands V u , V v , V w after zero-phase modulation and DC link voltage V dc information. And predicting current ripple.
まず、電圧指令ベクトルの位相θvと表1より、三相交流成分であるu,v,w相を電圧の大小順を示すa,b,c相に関連づける。これにより、表2のようにキャリア半周期にスイッチングが発生する相順と4種類の電圧ベクトル決まる。以降では、このスイッチングが発生する相順を示すa,b,c相を利用して計算を進める。 First, from the phase θ v of the voltage command vector and Table 1, the u, v, and w phases, which are three-phase AC components, are associated with the a, b, and c phases indicating the order of voltage. As a result, as shown in Table 2, the phase order in which switching occurs in the carrier half cycle and four types of voltage vectors are determined. In the following, the calculation proceeds using a, b, and c phases indicating the phase order in which this switching occurs.
PWMパターンは4種類の出力電圧ベクトルとその出力時間として定義でき、表3によりT0,Tλ,Tμ,T7の時間幅を計算し、表4によりその時間幅に対応する電圧ベクトルV0,Vλ,Vμ,V7を選択する。ここで、表3には零相変調方法により3種類の計算方法が示してあるが、二相変調の場合には、三角波キャリア信号CryのDOWN期間では第3列(P側に接する零相変調)を、UP期間では第4列(N側に接する零相変調)を選択する。また、時間要素には零を含む項目が含まれているが、これは三相変調と統一して取り扱うために設定したものであり、例えばT0=0の場合には、V0ベクトルは発生させず次の電圧ベクトルに移行することを意味する。 The PWM pattern can be defined as four types of output voltage vectors and their output times. The time widths of T 0 , T λ , T μ and T 7 are calculated from Table 3, and the voltage vector V corresponding to the time width is calculated from Table 4. 0, V λ, V μ, to select a V 7. Table 3 shows three types of calculation methods according to the zero-phase modulation method. In the case of two-phase modulation, the third column (zero-phase modulation in contact with the P side) in the DOWN period of the triangular wave carrier signal Cry. ) In the UP period, the fourth column (zero-phase modulation in contact with the N side) is selected. In addition, the time element includes an item including zero, which is set to be handled in a unified manner with three-phase modulation. For example, when T 0 = 0, a V 0 vector is generated. Without moving to the next voltage vector.
PWMパターンが計算できれば、表7の第1列のようにスイッチング時刻(電圧ベクトル変化時刻)が決まり、三角波キャリア信号CryのDOWN期間では開始時刻t(n)と終了時刻t(m)の間にta(n),tb(n),tc(n)という3回のスイッチング時刻が、三角波キャリア信号CryのUP期間では開始時刻t(m)と終了時刻t(n+1)の間にtc(m),tb(m),ta(m)という3回のスイッチング時刻が決まる。 If the PWM pattern can be calculated, the switching time (voltage vector change time) is determined as shown in the first column of Table 7, and during the DOWN period of the triangular wave carrier signal Cry, between the start time t (n) and the end time t (m). Three switching times t a (n), t b (n), and t c (n) are t between the start time t (m) and the end time t (n + 1) in the UP period of the triangular wave carrier signal Cry. Three switching times, c (m), t b (m), and t a (m), are determined.
さらに、この時刻間に発生する電圧成分は表6のように決まる。次に、表6にて各電圧ベクトルが出力されている期間中における電流ベクトルの変化量を計算し、さらにこれを表7の第4列のようにキャリア半周期の最初の初期値電流をin=0とおき電流変化量を発生順に積算して前述のスイッチング時刻における電流リプルのベクトル成分を計算する。これについてもDOWN期間のキャリア半周期においてはin,ina,inb,inc,imのスイッチング順に、また、UP期間のキャリア半周期においてはim,imc,imb,iba,i(n+1)のスイッチング順に計算する。 Further, the voltage components generated during this time are determined as shown in Table 6. Next, the amount of change in the current vector during the period in which each voltage vector is output is calculated in Table 6, and the initial initial value current in the carrier half cycle is represented by i as shown in the fourth column of Table 7. The vector component of the current ripple at the switching time is calculated by adding n = 0 and accumulating the current change amount in the order of occurrence. I n in the carrier half cycle of the DOWN period also this, i na, i nb, i nc, the switching order of the i m, also, i m in the carrier half-period of UP period, i mc, i mb, i ba , I (n + 1) switching order.
この各スイッチング時刻における電流ベクトルが図15における三角形状の電流軌跡の頂点に相当する。これらの頂点の電流ベクトルから、電流リプル成分を抽出するためには基準点を設定する必要があるため、キャリア半周期間の始点と終点の情報から表8の第2列のオフセット補正成分inm,im(n+1)を計算し、これを電流リプルの基準点と定義する。そして表8の第3列のように、この基準点と各スイッチング時間の電流ベクトルとの差分ベクトルΔia,Δib,Δic,をスイッチング時刻の電流リプル成分と定義する。 The current vector at each switching time corresponds to the apex of the triangular current locus in FIG. Since it is necessary to set a reference point in order to extract a current ripple component from the current vectors at these vertices, the offset correction components i nm , im (n + 1) is calculated and defined as a reference point for current ripple. Then, as shown in the third column of Table 8, the difference vectors Δi a , Δi b , Δi c between the reference point and the current vector at each switching time are defined as current ripple components at the switching time.
これは、図15の各成分を図17のようなキャリア半周期単位での基準値とそこからのベクトル成分に変換したことになる。この電流リプル成分Δia,Δib,Δicはベクトル量であるため、(20)式のように直交二軸成分に分解でしてから(21)式により振幅成分(以降はノルムと呼ぶ)が計算できる。 This means that each component in FIG. 15 is converted into a reference value and a vector component therefrom in units of carrier half cycles as shown in FIG. This current ripple component .DELTA.i a, .DELTA.i b, because .DELTA.i c is a vector quantity (called later norm) amplitude component by (20) was decomposed into orthogonal biaxial components from (21) as equation Can be calculated.
二相変調の場合は表3のように時間幅が零の期間が存在すること、また、図17のようにキャリア半周期において開始時時刻と終了時刻の電流リプル成分は小さいのでこれらは最大ノルムにはならないものとして除外すれば、実際には、N側変調の場合にはΔia(n),Δib(n)、または、P側変調の場合にはΔib(m),Δia(m)の2個だけ計算しておけばよく、どちらかに最大ノルム成分が含まれている。そこで、この2種利のうちの大きな振幅成分をこの電圧指令における電流リプルの最大ノルムの推定値|Δi|=max(|Δia|,|Δib|)として出力する。 In the case of two-phase modulation, there is a period with a time width of zero as shown in Table 3, and since the current ripple components at the start time and end time are small in the carrier half cycle as shown in FIG. In fact, Δi a (n), Δi b (n) in the case of N-side modulation, or Δi b (m), Δi a (in the case of P-side modulation. It is only necessary to calculate two of m), and either contains the maximum norm component. Therefore, a large amplitude component of these two types of interest is output as an estimated value | Δi | = max (| Δi a |, | Δi b |) of the maximum norm of the current ripple in this voltage command.
実施形態1と計算式は異なるものの,演算量はほぼ同程度になる。 Although the calculation formula is different from that of the first embodiment, the calculation amount is almost the same.
(f)キャリア補正係数演算部11
(g)キャリア周波数の補正部
この2項も実施形態1と同じ構成であるため、説明を省略する。以上が、実施形態2の構成例である。
(F) Carrier correction
(G) Carrier Frequency Correction Unit Since these two terms have the same configuration as that of the first embodiment, the description thereof is omitted. The above is the configuration example of the second embodiment.
[実施形態3]
実施形態1では、三相変調を適用するPWMに対して、電流リプルのノルム|Δi|の計算に固定座標系の演算式を利用して電流ベクトル変化を予測し、できるだけ厳密な計算を行って電流リプルのノルム|Δi|の精度を確保していた。これに対して、実施形態3と実施形態4ではできるだけ近似を適用して、複雑な計算を簡素化することに着目した方式を説明する。
[Embodiment 3]
In the first embodiment, for PWM to which three-phase modulation is applied, a current vector change is predicted using an arithmetic expression of a fixed coordinate system for calculating a current ripple norm | Δi | The accuracy of the norm | Δi | of the current ripple was ensured. On the other hand, in the third and fourth embodiments, a method that focuses on simplifying complicated calculation by applying approximation as much as possible will be described.
本実施形態3を実現するために、実施形態1から変更した要点は下記の3点である。
(条件a)回転座標系で取り扱う
(条件b)電圧指令[vd * vq *]T≒[ed1 eq1]Tの近似を適用する
(条件c)さらに、回転座標の基準位相角を速度起電力[ed1 eq1]Tのベクトル方向に選択する。
In order to realize the third embodiment, the main points changed from the first embodiment are the following three points.
(Condition a) Handling in the rotating coordinate system (Condition b) Applying the approximation of voltage command [v d * v q * ] T ≈ [ed 1 e q1 ] T (Condition c) Further, the reference phase angle of the rotating coordinate Speed electromotive force [e d1 e q1 ] Select in the vector direction of T.
制御ブロック図は図31と同じものを使用しており、「電流リプルノルム推定部10」の内容だけが異なるため、ここでは実施形態1の「(e)電流リプルのノルム(|Δi(θ)|)推定部10」に相当する部分の変更点のみ説明する。
(e)実施形態3における電流リプルのノルム(|Δi|)の計算
PWMパターンの演算は実施形態1と共通であり、基準キャリア周波数指令f*cを仮定して回転座標変換に使用する基準位相θ^により三相交流に変換された電圧指令Vu,Vv,Vwに変換し、これと直流リンク電圧Vdcなどの情報よりPWMパターンとそれによる電流変化を予測するものである。
The same control block diagram as that of FIG. 31 is used, and only the contents of the “current ripple
(E) Calculation of Norm (| Δi |) of Current Ripple in
電圧指令ベクトルの位相θvと表1より、三相交流成分であるU,V,W相と電圧の大小順を示すa,b,c相を関連づける。PWMパターンは出力電圧ベクトルとそれを出力する時間間隔として設定されるため、表3によりT0,Tλ,Tμ,T7の時間幅を、表4によりその時間幅に対応する電圧ベクトルV0,Vλ,Vμ,V7を選択する。このV0,Vλ,Vμ,V7は、実際には表5の8種類の電圧ベクトルから選択したものに相当している。ここで、表3には零相変調方法により3種類の計算方法が示してあるが、三相変調の場合には第2列を使用する。 ここまでは実施形態1と同じ構成である。 From the phase θ v of the voltage command vector and Table 1, the U, V, and W phases, which are three-phase AC components, are associated with the a, b, and c phases indicating the order of voltage. Since the PWM pattern is set as an output voltage vector and a time interval for outputting it, the time widths of T 0 , T λ , T μ and T 7 are shown in Table 3, and the voltage vector V corresponding to the time width is shown in Table 4. 0, V λ, V μ, to select a V 7. These V 0 , V λ , V μ , and V 7 actually correspond to those selected from the eight types of voltage vectors shown in Table 5. Here, three types of calculation methods are shown in Table 3 by the zero-phase modulation method, but the second column is used in the case of three-phase modulation. Up to this point, the configuration is the same as that of the first embodiment.
PWMパターンが計算できたため、次に電流ベクトルの軌跡を計算するのであるが、ここで実施形態3にて前述の3個((a)〜(c))の設定や近似を適用する。 Since the PWM pattern is calculated, the locus of the current vector is calculated next. Here, in the third embodiment, the above three settings ((a) to (c)) and approximation are applied.
まず、「(23)式の速度起電力[ed1 eq1]Tを計算する代わりに、(条件b)を適用して電圧指令[vd * vq *]Tにて代用する」という近似を適用する。つまり、(27)式で示した速度起電力の位相φe1は、二軸電圧指令[Vd * Vq *]Tを極座標変換した|v*|∠φv*の位相と等しいものとして位相角φv*にて代用する。そして、従来の回転座標の基準位相つまりU相からd軸までの位相角θ^と、この位相角φv*の合成位相θe=θ+φv*を基準軸(X軸)とする直交二軸座標(XY座標)を使用して、電流リプル成分を計算する。このように特殊な回転座標軸を利用することがこの実施形態3と実施形態4の特徴である。 First, an approximation of “substituting the voltage command [v d * v q * ] T by applying (condition b) instead of calculating the speed electromotive force [e d1 e q1 ] T of the equation (23)”. Apply. That is, the phase of the speed electromotive force φ e1 shown in the equation (27) is assumed to be equal to the phase of | v * | ∠φ v * obtained by polar-transforming the biaxial voltage command [V d * V q * ] T. Substitute with angle φ v * . Then, a reference phase (X-axis) is used as a reference axis (X-axis) with the reference phase of the conventional rotational coordinates, that is, the phase angle θ ^ from the U-phase to the d-axis and the combined phase θ e = θ + φ v * of this phase angle φ v * The current ripple component is calculated using the coordinates (XY coordinates). It is a feature of the third and fourth embodiments that a special rotation coordinate axis is used.
電圧ベクトルVλ,VμをXY座標上に変換するには(29)式のように変換すれば良い。ここで、位相θλとθμは表9の値を使用する。これは表5のαβ座標系の8種類の電圧ベクトルを回転座標変換した表12の成分中から選択したものに相当している。つまり、Vλ,Vμの2種類の電圧ベクトルをXY座標上に変換するには、表5から選択する代わりに、この表12から対応する電圧ベクトルV’λ,V’μの式を選択するように変更すればよいため、これを(29)式の電圧成分の式と表9の位相として表現し直したものである。V0,V7については振幅成分が零であるため回転座標変換してもやはり零ベクトルであり、これもV’0,V’7という零ベクトルに置き換えられている。 In order to convert the voltage vectors V λ and V μ on the XY coordinates, the conversion may be performed as shown in equation (29). Here, the values in Table 9 are used for the phases θ λ and θ μ . This corresponds to one selected from the components in Table 12 obtained by rotating coordinate transformation of eight types of voltage vectors in the αβ coordinate system in Table 5. That is, in order to convert the two types of voltage vectors V λ and V μ on the XY coordinates, instead of selecting from Table 5, the corresponding voltage vectors V ′ λ and V ′ μ are selected from Table 12. Therefore, this is re-expressed as the voltage component equation (29) and the phase in Table 9. Since V 0 and V 7 have zero amplitude components, they are still zero vectors even after rotational coordinate conversion, and are also replaced by zero vectors V ′ 0 and V ′ 7 .
電圧指令[vd * vq *]Tを図22のように自分自身の位相を基準とするXY座標上に変換すると、このベクトルは[|v*| 0]TのようにX軸成分のみとなりY軸成分は零になって簡単なスカラ量になる。これにより、零の項が現れるため以降の演算か簡略化できるようになる。 When the voltage command [v d * v q * ] T is converted into XY coordinates based on its own phase as shown in FIG. 22, this vector is only the X-axis component as [| v * | 0] T. The Y-axis component becomes zero and a simple scalar quantity is obtained. As a result, a zero term appears, so that the subsequent calculation can be simplified.
(補足)このように,(条件a,条件b,条件c)を適用すると、電圧指令がX軸成分のみになり、ひいてはV0,V7の出力期間の電流変化もX軸方向にしか発生しなくなる。そうすると、さらに電流ノルム演算において一部のベクトル成分ではあるが一方の軸成分が零になりスカラ量として取り扱うことができる。この近似を適用することにより、このようにベクトル成分を出来るだけスカラ量に置き換えることができ、その結果として演算の削減効果が期待できる。 (Supplement) In this way, when (Condition a, Condition b, Condition c) is applied, the voltage command becomes only the X-axis component, and as a result, the current change in the output period of V 0 and V 7 also occurs only in the X-axis direction. No longer. Then, in addition, in the current norm calculation, one of the vector components is zero, but it can be handled as a scalar quantity. By applying this approximation, the vector component can be replaced with the scalar quantity as much as possible, and as a result, an effect of reducing the calculation can be expected.
XY座標の各電圧ベクトル成分と出力時間幅が求まれば、電流リプル成分も実施形態1と同様の手順で計算できる。 If each voltage vector component of XY coordinates and the output time width are obtained, the current ripple component can be calculated in the same procedure as in the first embodiment.
ここで、(条件b)を適用したので、キャリア半周期間の電流ベクトルの軌跡は、図24のように始点と終点が一致する。そのため、実施形態1では表8のようにオフセット補正を適用したが、これが不要になってより簡素化できる。 Here, since (Condition b) is applied, the starting point and the ending point of the current vector locus during the carrier half cycle coincide with each other as shown in FIG. Therefore, in the first embodiment, offset correction is applied as shown in Table 8, but this is unnecessary and can be further simplified.
従って、電流リプル成分は表10の第2列の電圧を使用して、第3列にてその電圧ベクトルを出力する期間における電流変化量を計算でき、さらにそれを第4列のように積算すれば各時刻の電流ベクトルi’na,i’nb,i’ncまたはi’mc,i’mb,i’maが計算できる。そして、オフセット補正が不要なため表11の第2列の補正成分はi’nm=0およびi’m(n+1)=0と置けるので、電流リプル成分は表10の値がそのまま利用でき、i’a(n)=i’na,i’b(n)=i’nb,i’c(n)=i’ncおよびi’c(m)=i’mc,i’b(m)=i’mb,i’a(m)=i’maと置けばよく、表11のような基準点の計算やそれを用いた補正演算自体が不要になる。 Therefore, the current ripple component can use the voltage in the second column of Table 10 to calculate the amount of current change in the period in which the voltage vector is output in the third column, and further integrate it as in the fourth column. For example, the current vectors i ′ na , i ′ nb , i ′ nc or i ′ mc , i ′ mb , i ′ ma at each time can be calculated. Since offset correction is not required, the correction components in the second column of Table 11 can be set as i ′ nm = 0 and i ′ m (n + 1) = 0, so that the current ripple component can use the values in Table 10 as they are. , I ′ a (n) = i ′ na , i ′ b (n) = i ′ nb , i ′ c (n) = i ′ nc and i ′ c (m) = i ′ mc , i ′ b (m ) = I ′ mb , i ′ a (m) = i ′ ma, and calculation of the reference point as shown in Table 11 and correction operation using the reference point are not necessary.
さらに,電圧差(V’7−e1)はX軸成分しか含まないため、i’c(n)とi’c(m)成分もX軸成分しか発生しないのでスカラ量として取り扱える。i’a(n)とi’a(m)成分もスカラ量として取り扱える。このようにスカラ量であれば、ノルムを求める際の二乗や平方根演算も不要になり演算量はさらに削減できるようになる。つまり、スカラ量であるi’a(n)またはi’a(m)をそのままノルムとみなし、ベクトル量であるi’b(n)またはi’b(m)だけはベクトル演算したのちにノルム成分を計算する。 Furthermore, since the voltage difference (V ′ 7 −e 1 ) includes only the X-axis component, the i ′ c (n) and i ′ c (m) components also generate only the X-axis component, and therefore can be handled as a scalar quantity. The i ′ a (n) and i ′ a (m) components can also be handled as scalar quantities. In this way, if the amount is a scalar, the square or square root calculation for obtaining the norm is not required, and the amount of calculation can be further reduced. That is, the scalar quantity i ′ a (n) or i ′ a (m) is regarded as a norm as it is, and only the vector quantity i ′ b (n) or i ′ b (m) is the norm after vector calculation. Calculate the components.
なお、電圧指令[v* d v* q]Tは零相変調前の指令であるが、インバータの負荷が、電機子巻線の中性点が絶縁されている三相電動機の場合(すなわち前記中性点の接地や抵抗接地やコンデンサ接地などがされていない場合)では、零相電流が流れない。したがって、零相変調後の電圧指令を用いて上記の方法で電流リプルのノルム(|Δi|)計算することに問題はない。 Although the voltage command [v * d v * q] T is an instruction before the zero-phase modulation, the load of the inverter, a three-phase motor neutral point of the armature winding is insulated (i.e. the Zero-phase current does not flow when neutral point grounding, resistance grounding or capacitor grounding is not performed. Therefore, there is no problem in calculating the norm (| Δi |) of the current ripple by the above method using the voltage command after the zero phase modulation.
後は、実施形態1と同様な構成を採用している。原理的には実施形態1と同様な機能を実現しようとしているが、電流ベクトルやノルムなどの計算量が削減できることが実施形態3の特徴である。 Thereafter, the same configuration as that of the first embodiment is adopted. In principle, the same function as that of the first embodiment is to be realized, but the feature of the third embodiment is that the amount of calculation such as a current vector and a norm can be reduced.
ここで電流リプルのノルム成分を計算する際の(32)式にて、まだkx=1,ky=1に設定している。これらの係数は、実施形態5で使用する。 Here, k x = 1 and k y = 1 are still set in equation (32) when calculating the norm component of the current ripple. These coefficients are used in the fifth embodiment.
[実施形態4]
実施形態1を実施形態3に近似したように、実施形態2も同様に近似を適用することができるので、これを本実施形態4とする。
[Embodiment 4]
As the first embodiment approximates the third embodiment, the second embodiment can apply the approximation in the same manner.
本実施形態4を実現するために変更した要点は、実施形態3と同じ下記の3点である。
(条件a)回転座標系で取り扱う
(条件b)電圧指令[vd * vq *]T≒[ed1 eq1]Tの近似を適用する。
(条件c)さらに、回転座標の基準位相を速度起電力[ed1 eq1]Tのベクトル方向に選択する。
The main points changed to realize the fourth embodiment are the following three points as in the third embodiment.
(Condition a) Handled in the rotating coordinate system (Condition b) Approximation of voltage command [v d * v q * ] T ≈ [ed 1 e q1 ] T is applied.
(Conditions c) further selects a reference phase rotating coordinate vector direction of the velocity electromotive force [e d1 e q1] T.
制御ブロック図は図34と同じものを使用しており、「電流リプルノルム推定部10」の内容だけが異なるため、ここでは実施形態2の「(e)電流リプルのノルム(|Δi(θ)|)推定部10」に相当する部分の変更点のみ説明する。
The control block diagram is the same as that shown in FIG. 34, and only the contents of the “current ripple
(e)実施形態4における電流リプルのノルム(|Δi|)の計算
PWMパターンの演算は実施形態1と共通である。基準キャリア周波数指令f*cを仮定して回転座標変換に使用する基準となる位相角θ^により三相交流に変換された三相電圧指令V’u,V’v,V’wに変換し、これと直流リンク電圧vdcなどの情報よりPWMパターンとそれによる電流変化を予測するものである。
(E) Calculation of Norm (| Δi |) of Current Ripple in
電圧指令ベクトルの位相θvと表4より、三相交流成分であるU,V,W相と電圧の大小順を示すa,b,c相を関連づける。PWMパターンは出力電圧ベクトルとそれを出力する時間間隔として表現できるため、表3によりT0,Tλ,Tμ,T7の時間幅を、表4によりその時間幅に対応する電圧ベクトルV0,Vλ,Vμ,V7を選択する。このV0,Vλ,Vμ,V7は、実際には表5の8種類の電圧ベクトルから選択したものに相当している。 Associating a phase theta v and Table 4 of the voltage command vector, U is a three-phase alternating current component, V, a indicating the magnitude order of the W-phase voltage, b, and c-phase. Since the PWM pattern can be expressed as an output voltage vector and a time interval for outputting it, the time widths of T 0 , T λ , T μ , and T 7 are shown in Table 3, and the voltage vector V 0 corresponding to the time width is shown in Table 4. , V λ , V μ , V 7 are selected. These V 0 , V λ , V μ , and V 7 actually correspond to those selected from the eight types of voltage vectors shown in Table 5.
ここで、表3には3種類の計算方法があるが、二相変調の場合には、三角波キャリア信号CryがDOWN期間では第2列(P側に接する零相変調)を、UP期間では第3列(N側に接する零相変調)を使用する。また、時間要素には零を含む期間が存在するが、これは三相変調と統一して取り扱うために設定したものであり、例えばT0=0の場合には、V0ベクトルは発生せず直ぐに次の電圧ベクトルに移行することを意味する。 Here, there are three types of calculation methods in Table 3, but in the case of two-phase modulation, the triangular wave carrier signal Cry is in the second column (zero-phase modulation in contact with the P side) in the DOWN period, and in the UP period. Three rows (zero phase modulation in contact with the N side) are used. In addition, there is a period including zero in the time element, which is set to be handled in a unified manner with the three-phase modulation. For example, when T 0 = 0, no V 0 vector is generated. Immediately shifts to the next voltage vector.
PWMパターンが計算できたため、次に電流ベクトルの軌跡を計算するのであるが、ここで実施形態3と同様に前述の3個の設定や近似を適用する。 Since the PWM pattern can be calculated, the locus of the current vector is calculated next. Here, the above three settings and approximations are applied as in the third embodiment.
まず、「(23)式の速度起電力[ed1 eq1]Tを計算する代わりに、(条件b)を適用して電圧指令[Vd * Vq *]Tにて代用する」という近似を適用する。つまり、(27)式で示した速度起電力の位相角φe1を電圧指令[Vd * Vq *]Tは、極座標変換した|V*|∠φv*の位相と等しいものとして位相角φv*で代用する。そして、従来の回転座標の基準位相、つまり、U相からd軸までの位相角θと、この位相角φv*の合成位相θe=θ+φv*を基準軸(X軸)とする直交二軸座標(XY座標)を使用して、電流リプル成分を計算することが特徴である。 First, an approximation of “substituting the voltage command [V d * V q * ] T by applying (condition b) instead of calculating the speed electromotive force [e d1 e q1 ] T of equation (23)”. Apply. That is, the voltage command [V d * V q * ] T of the phase angle φ e1 of the speed electromotive force expressed by the equation (27) is assumed to be equal to the phase of | V * | ∠φ v * obtained by polar coordinate conversion. Use φ v * instead. Then, the reference phase of the conventional rotational coordinate, that is, the phase angle θ from the U phase to the d axis and the combined phase θ e = θ + φ v * of the phase angle φ v * are used as a reference axis (X axis). The feature is that the current ripple component is calculated using the axis coordinates (XY coordinates).
電圧ベクトルVλ,VμをXY座標上に変換するには(29)式のように変換すれば良い。ここで、位相角θλとθμは表9の値を使用する。これは表5のαβ座標系の8種類の電圧ベクトルを回転座標変換した表12の成分中から選択したものに相当している。つまり、Vλ,Vμの2種類の電圧ベクトルをXY座標上に変換するには、表5から選択する代わりに、この表12から対応する電圧ベクトルV’λ,V’μの式を選択するように変更すればよいため、これを(29)式の電圧成分の式と表9の位相として表現し直したものである。V0,V7については振幅成分が零であり回転座標変換してもやはり零ベクトルであるため、これもV’0,V’7という零ベクトルに置き換えられている。 In order to convert the voltage vectors V λ and V μ on the XY coordinates, the conversion may be performed as shown in equation (29). Here, the values in Table 9 are used for the phase angles θ λ and θ μ . This corresponds to one selected from the components in Table 12 obtained by rotating coordinate transformation of eight types of voltage vectors in the αβ coordinate system in Table 5. That is, in order to convert the two types of voltage vectors V λ and V μ on the XY coordinates, instead of selecting from Table 5, the corresponding voltage vectors V ′ λ and V ′ μ are selected from Table 12. Therefore, this is re-expressed as the voltage component equation (29) and the phase in Table 9. Since V 0 and V 7 have zero amplitude components and are still zero vectors even after rotational coordinate conversion, they are also replaced by zero vectors V ′ 0 and V ′ 7 .
電圧指令[V* d V* q]Tを図22のようにXY座標上に変換すると、このベクトルが基準軸になっているので[|V*| 0]TのようにX軸成分のみとなりY軸成分は零になって簡単なスカラ量になる。 When the voltage command [V * dV * q ] T is converted to the XY coordinates as shown in FIG. 22, this vector becomes the reference axis, so only the X-axis component is obtained as [| V * | 0] T. The Y-axis component becomes zero and a simple scalar quantity is obtained.
(補足)このように、(条件a,b,c)を適用すると、電圧指令がX軸成分のみになり、ひいてはV0,V7の出力期間の電流変化もX軸方向にしか発生しなくなる。そうすると、さらに電流ノルム演算において一部のベクトル成分ではあるが一方の軸成分が零になりスカラ量として取り扱うことができる。この近似を適用することにより、このようにベクトル成分を出来るだけスカラ量に置き換えることができ、その結果として演算の削減効果が期待できる。 (Supplement) As described above, when (conditions a, b, and c) are applied, the voltage command becomes only the X-axis component, and as a result, the current change during the output period of V 0 and V 7 also occurs only in the X-axis direction. . Then, in addition, in the current norm calculation, one of the vector components is zero, but it can be handled as a scalar quantity. By applying this approximation, the vector component can be replaced with the scalar quantity as much as possible, and as a result, an effect of reducing the calculation can be expected.
XY座標の各電圧ベクトル成分と出力時間幅が求まれば、電流リプル成分も実施形態2と同様の手順で計算できる。 If each voltage vector component of XY coordinates and the output time width are obtained, the current ripple component can be calculated in the same procedure as in the second embodiment.
ここで、(条件b)を適用したため、キャリア半周期間の電流ベクトルの軌跡は、図26のように始点と終点が一致する。そのため、実施形態2では表8のようにオフセット補正を適用したが、これが不要になってより簡素化できる。 Here, since (Condition b) is applied, the starting point and the ending point of the current vector locus during the carrier half cycle coincide with each other as shown in FIG. Therefore, in the second embodiment, offset correction is applied as shown in Table 8, but this is unnecessary and can be further simplified.
従って、電流リプル成分は表10の第2列の電圧を使用して、第3列にてその電圧ベクトルを出力する期間における電流変化量を計算し、さらにそれを第4列のように積算すれば各時刻の電流ベクトルi’na,i’nb,i’ncまたはi’mc,i’mb,i’maが計算でき、オフセット補正が不要なので表11の第2列の成分はi’nm=0およびi’m(n+1)=0と置けるため、電流リプル成分は表10の値がそのまま利用でき、i’a(n)=i’na,i’b(n)=i’nb,i’c(n)=i’ncおよびi’c(m)=i’mc,I’b(m)=i’mb,i’a(m)=i’maと置けばよく、表11のような基準点の計算やそれを用いた補正演算自体が不要になる。 Therefore, the current ripple component uses the voltage in the second column of Table 10, calculates the amount of current change during the period in which the voltage vector is output in the third column, and further integrates it as in the fourth column. For example, the current vector i ′ na , i ′ nb , i ′ nc or i ′ mc , i ′ mb , i ′ ma at each time can be calculated, and offset correction is unnecessary, so the component in the second column of Table 11 is i ′ nm = 0 and i ′ m (n + 1) = 0, the current ripple component can be used as it is, and i ′ a (n) = i ′ na , i ′ b (n) = i ′ nb , i ′ c (n) = i ′ nc and i ′ c (m) = i ′ mc , I ′ b (m) = i ′ mb , i ′ a (m) = i ′ ma The calculation of the reference point as shown in Table 11 and the correction operation using the reference point are not required.
また、表3の二相変調にてP側シフトする場合にはT0(n)=T0(m)=0であるため、I’a(n)=0およびi’a(m)=0となり、このノルム計算も不要になる。同様に、表3の二相変調にてN側シフトする場合にはT7(n)=T7(m)=0であるため、i’c(n)=0およびi’c(m)=0となり、このノルム計算も不要になる。 Further, when shifting to the P side in the two-phase modulation of Table 3, since T 0 (n) = T 0 (m) = 0, I ′ a (n) = 0 and i ′ a (m) = The norm calculation becomes unnecessary. Similarly, in the case of shifting to the N side in the two-phase modulation of Table 3, since T 7 (n) = T 7 (m) = 0, i ′ c (n) = 0 and i ′ c (m) = 0, and this norm calculation is also unnecessary.
さらに、表3の二相変調にてP側シフトする場合には電圧差(V7’−e1)はX軸成分しか含まないため、i’c(n)とi’c(m)成分もX軸成分しか含まずスカラ量として取り扱える。同様に、表3の二相変調にてN側シフトする場合には電圧差(V0’−e1)はX軸成分しか含まないため、ia’(n)とia’(m)成分もX軸成分しか含まずスカラ量として取り扱える。従って、ベクトルの一方の軸成分が零であり、ノルムを求める際の二乗や平方根演算も不要になる。こうして、演算量はさらに削減できるようになる。 Further, when the P-side shift is performed in the two-phase modulation shown in Table 3, the voltage difference (V 7 ′ −e 1 ) includes only the X-axis component, so that i ′ c (n) and i ′ c (m) components Can also be handled as a scalar quantity, containing only the X-axis component. Similarly, the voltage difference in the case of N-side shift at the two-phase modulation in Table 3 'order (-e 1 includes only the X-axis component, i a V 0)' ( n) and i a '(m) The component includes only the X-axis component and can be handled as a scalar quantity. Therefore, one of the axis components of the vector is zero, and the square and square root operations for obtaining the norm are not required. Thus, the calculation amount can be further reduced.
以上をまとめると、実施形態4の|Δi|としては、P側シフトする場合にはスカラ量であるi’ncやi’mcを、N側シフトする場合にはi’naやi’maをそのままノルムとみなし、残ったベクトル量であるi’b(n)またはi’b(m)だけはベクトル演算したのちにノルム成分を計算する。 Summarizing the above, as | Δi | in the fourth embodiment, i ′ nc and i ′ mc that are scalar quantities are used when shifting to the P side, and i ′ na and i ′ ma are used when shifting to the N side. Assuming the norm as it is, only the remaining vector quantity i ′ b (n) or i ′ b (m) is vector-calculated and then the norm component is calculated.
あとは、実施形態2と同様な構成を採用している。原理的には実施形態2と同様な機能を実現しようとしているが、電流ベクトルやノルムなどの計算量が削減できることが実施形態4の特徴である。ここで、電流リプルのノルム成分を計算する際の(32)式にて、まだkx=1,ky=1に設定している。これらの係数は、実施形態5で使用する。 After that, the same configuration as that of the second embodiment is adopted. In principle, the same function as in the second embodiment is to be realized, but the feature of the fourth embodiment is that the amount of calculation such as a current vector and norm can be reduced. Here, in equation (32) when calculating the norm component of the current ripple, k x = 1 and k y = 1 are still set. These coefficients are used in the fifth embodiment.
[実施形態5]
実施形態5は、実施形態3と実施形態4に対して改良を加えるものであり、電流リプルの評価方法を変更することにより、新しい機能が生じさせることができる。
[Embodiment 5]
The fifth embodiment is an improvement over the third and fourth embodiments, and a new function can be generated by changing the current ripple evaluation method.
実施形態3と実施形態4では速度起電力ベクトルの方向をX軸に、それに直交方向にY軸を定義した。これにより、電流リプル成分のうちX軸成分は有効電力に相当する電流分であり、Y軸成分は無効電力に相当する電流分となる。回転機などの場合には、有効電力の脈動はトルクリプルに相当するため、機械系への外乱成分となる。そのため、実施形態1から実施形態4で示したように電流リプルを一定に制御することにより平均キャリア周波数を低減したいのであるが、しかし、有効分の電流リプルも同時に抑制したい。そこで、代わりに無効分の電流リプルの方は電流リプルの制限設定値よりも少し増えることを許容すれば、トルクリプルの抑制と平均スイッチング周波数の上昇抑制との両立をできると考えた。実施形態5はこれを実現するための方法を説明する。
In the third and fourth embodiments, the direction of the speed electromotive force vector is defined on the X axis, and the Y axis is defined on the orthogonal direction. Thereby, among the current ripple components, the X-axis component is a current corresponding to active power, and the Y-axis component is a current corresponding to reactive power. In the case of a rotating machine or the like, the pulsation of active power corresponds to torque ripple, and thus becomes a disturbance component to the mechanical system. Therefore, it is desired to reduce the average carrier frequency by controlling the current ripple to be constant as shown in the first to fourth embodiments, but it is also desired to suppress the current ripple for the effective amount at the same time. Therefore, instead of allowing the current ripple of the ineffective portion to be slightly increased from the limit setting value of the current ripple, it is considered that both suppression of torque ripple and suppression of increase in average switching frequency can be achieved.
適用する手法は、電流リプルのベクトル成分から(32)式でノルムを計算する際に、有効電力相当の電流リプルを抑制したい場合には、kx>1およびky<1のようにX軸成分とY軸成分の重みをつける方法である。 The method to be applied is that when calculating the norm from the vector component of the current ripple according to the equation (32), if it is desired to suppress the current ripple corresponding to the active power, the X axis is expressed as k x > 1 and k y <1. This is a method of weighting the component and the Y-axis component.
こうすると、電流リプルのX軸成分の方がY軸成分よりも相対的に大きい場合には、重み係数分だけ最大ノルムが過大に評価されるのでキャリア周波数を高くしてX軸のリプル成分を抑制するように動作する。反対にY軸成分の方が大きい場合には、今度は最大ノルムが過小に評価されるためキャリア周波数を低下させてY軸の電流リプルを増大させる。このように、X軸とY軸に異なる重み係数を設定することにより、有効軸成分が主要成分であるときには電流リプルを抑制したいのでキャリア周波数を高くして電流リプルを抑制し、逆に無効軸成分が主要成分の場合には電流リプルの増大を許容させて代わりにスイッチング周波数を低減してできるだけ平均キャリア周波数を低くする。このように、電流リプルの軸成分に応じてキャリア周波数の可変制御方式を異なる特性にすることにより、有効電力相当の電流リプルを抑制する機能と、逆に無効分の電流リプルを増大させることにより平均スイッチング周波数の上昇を抑制するという相反する要求をできるだけ満足できる制御が実現できる。 In this way, if the X-axis component of the current ripple is relatively larger than the Y-axis component, the maximum norm is overestimated by the weighting factor, so the carrier frequency is increased to increase the X-axis ripple component. Operates to suppress. On the contrary, when the Y-axis component is larger, the maximum norm is underestimated this time, so the carrier frequency is lowered and the Y-axis current ripple is increased. In this way, by setting different weighting factors for the X axis and Y axis, it is desirable to suppress current ripple when the effective axis component is the main component, so the carrier frequency is increased to suppress current ripple, and conversely the invalid axis When the component is the main component, an increase in current ripple is allowed and, instead, the switching frequency is reduced to make the average carrier frequency as low as possible. Thus, by making the variable control method of the carrier frequency different depending on the axis component of the current ripple, the current ripple corresponding to the active power is suppressed, and conversely, the reactive current ripple is increased. It is possible to realize control that can satisfy the conflicting requirement of suppressing the increase in average switching frequency as much as possible.
この実施形態5では(32)式の電流リプル推定側に補正係数を設定したが、ここに重みを掛ける代わりに電流リプルの許容値の方を楕円状に設定して有効分と無効分のリプル成分を個別に制御する方法も考えられる。この指令側を操作しても、逆に本実施形態5のように指令と比較される推定側を操作しても、どちらでも相対的にほぼ等価な効果が得られる。しかし、指令側を楕円状に補正するには、電流リプルの位相情報などを必要とするなど演算量が増えることが課題であるため、本実施形態5では推定側に補正を加える方法を採用している。 In the fifth embodiment, the correction coefficient is set on the current ripple estimation side of the equation (32), but instead of applying a weight here, the allowable value of the current ripple is set in an elliptical shape and the ripples for the effective and ineffective portions are set. A method of individually controlling the components is also conceivable. Even if the command side is operated or the estimation side compared with the command is operated as in the fifth embodiment, a relatively substantially equivalent effect can be obtained. However, in order to correct the command side to be elliptical, there is a problem that the amount of calculation increases, such as requiring current ripple phase information, and therefore, the fifth embodiment employs a method of correcting the estimation side. ing.
以上の実施形態1〜5の効果を示すために、数値シミュレーションを行った例を示す。ここでは、効果の説明として次の3種類の数値シミュレーションの結果を示す。 In order to show the effects of the first to fifth embodiments, an example in which a numerical simulation is performed will be described. Here, the following three types of numerical simulation results are shown as an explanation of the effect.
ここで、実施形態1と実施形態2は固定座標系にて厳密な計算をする方式であり、実施形態3と実施形態4はさらに近似を適用して計算を簡素化したものである。そのため,実施形態1と実施形態3および実施形態2と実施形態4は、それぞれほぼ同様の機能を示す。そこで、ここでは、実施形態3と実施形態4に限定して効果を示すことにした。また、実施形態5については実施形態3と実施形態4のどちらとも組み合わせることができるが、ここでは代表例として実施形態4と実施形態5を組み合わせた場合の効果を示す。
Here,
以降で示すデータを一覧表にしたものが表13と表14である。表13は三相変調の場合において、実施形態3の効果を確認するための比較データの一覧である。表14は二相変調の場合において、実施形態4を適用した効果、および実施形態4と実施形態5を組み合わせて適用した効果を確認するための比較データの一覧である。
Tables 13 and 14 list the data shown below. Table 13 is a list of comparison data for confirming the effects of the third embodiment in the case of three-phase modulation. Table 14 is a list of comparison data for confirming the effects of applying
まず、比較用に実施形態5を適用していない場合の動作例を図35と図43に示す。三角波キャリア信号Cryの周波数を3kHzに固定し、零相変調方式として三相変調を適用した場合が図35である。三角波キャリア信号Cryの周波数を4kHzに固定し、零相変調方式として二相変調を適用した場合が図43である。二相変調の方が平均スイッチング周波数が低くなるため、キャリア周波数を4/3倍にしている。 First, FIG. 35 and FIG. 43 show an operation example when the fifth embodiment is not applied for comparison. FIG. 35 shows a case where the frequency of the triangular carrier signal Cry is fixed at 3 kHz and three-phase modulation is applied as the zero-phase modulation method. FIG. 43 shows a case where the frequency of the triangular carrier signal Cry is fixed to 4 kHz and two-phase modulation is applied as the zero-phase modulation method. Since the average switching frequency is lower in the two-phase modulation, the carrier frequency is set to 4/3 times.
このシミュレーションは,下記のような理想的な条件を設定している。
ア)理想スイッチであり、デッドタイムの設定や遅延時間および素子の電圧降下は無い
イ)負荷条件(e0,R,Lの値)は、電流の振幅が約1.0p.u付近および力率が1.0付近となるように設定した。これは、電圧と電流が同一位相の方が分かりやすいことから設定したものであり、他の電流条件でも動作上は問題ない。ウ)基本キャリア周波数f*c=3kHz(三相変調),4kHz(二相変調),基本波周波数=50Hzとした。
In this simulation, the following ideal conditions are set.
A) It is an ideal switch, and there is no dead time setting, no delay time, and no element voltage drop. B) The load condition (values of e 0 , R, and L) is about 1.0 p. The vicinity of u and the power factor were set to be about 1.0. This is set because it is easier to understand when the voltage and current have the same phase, and there is no problem in operation even under other current conditions. C) The fundamental carrier frequency f * c = 3 kHz (three-phase modulation), 4 kHz (two-phase modulation), and the fundamental wave frequency = 50 Hz.
この図35と図43は上から順に次の波形を示している。
(a)三相の電圧指令Vu0,Vv0,Vw0と三角波キャリア信号Cry
PWM比較器4に入力される三相交流電圧指令Vu0,Vv0,Vw0(零相変調・サンプルホールド後)と三角波キャリア信号Cryである。
FIG. 35 and FIG. 43 show the following waveforms in order from the top.
(A) Three-phase voltage commands V u0 , V v0 , V w0 and triangular wave carrier signal Cry
These are three-phase AC voltage commands V u0 , V v0 , V w0 (after zero-phase modulation / sample hold) and a triangular wave carrier signal Cry that are input to the
電圧指令Vu0,Vv0,Vw0(50Hz)の1周期(20ms),三角波キャリア信号Cryは3kHzの場合には20ms期間に60周期(4kHz)分が、また、4kHzの場合には20ms期間に80周期(4kHz)分が描かれている。また、電圧成分は単位法で示した。 One cycle (20 ms) of voltage commands V u0 , V v0 , V w0 (50 Hz), the triangular wave carrier signal Cry is 60 kHz (4 kHz) in a 20 ms period in the case of 3 kHz, and a 20 ms period in the case of 4 kHz. 80 periods (4 kHz) are drawn. The voltage component is shown by the unit method.
三相変調には零相変調を適用しているため、相電圧の最大値と最小値の振幅が常に等しくなっている。二相変調の方は、電気角で60degごとにP側またはN側という2種類の零相変調モードが切り替わっている。 Since zero-phase modulation is applied to three-phase modulation, the amplitude of the maximum value and the minimum value of the phase voltage are always equal. In the case of two-phase modulation, two types of zero-phase modulation modes of P side or N side are switched every 60 degrees in electrical angle.
(b)三相PWMパターンPWM_u,PWM_v,PWM_w
PWM比較器4の出力であるPWM制御信号(H/L)の三相成分(ディジタル値)であり、上レベルが“H(上アームON)”であり下レベルが“L(下アームon)”に相当する。
(B) Three-phase PWM pattern PWM_u, PWM_v, PWM_w
The three-phase component (digital value) of the PWM control signal (H / L) that is the output of the
(c)電流波形(回転座標系,X−Y軸成分)ix,iy
下段(d)の三相交流の電流波形を、[5.電流リプル成分を有効電流と無効電流として取り扱う場合]で説明した電圧基準のXY座標で表した回転座標状の直交二軸成分に三相交流電流を変換したものである。直流成分は基本波成分であり、三角形状のリプルはPWMにより発生する電流リプル成分である。この電流リプル幅は、基本波周期の6倍の周期でPWMリプル幅が脈動していることが分かる。縦軸は単位法表示である。
(C) Current waveform (rotating coordinate system, XY axis component) ix, iy
The current waveform of the three-phase AC in the lower stage (d) is shown in [5. The three-phase alternating current is converted into the orthogonal two-axis component in the rotation coordinate form represented by the XY coordinates of the voltage reference described in the case of treating the current ripple component as an active current and a reactive current]. The DC component is a fundamental wave component, and the triangular ripple is a current ripple component generated by PWM. It can be seen that the PWM ripple width pulsates at a current ripple width of 6 times the fundamental wave period. The vertical axis represents the unit method.
(d)電流波形(三相交流波形iu,iv/三角波頂点時刻の同期電流サンプル波形iu_smpl,iv_smpl,iw_smpl)
インバータの出力電流波形であり、三相座標系の三相電流成分を示している。2種類の三相成分が描かれているが、上側が三相交流電流波形であり下側は電流検出信号に相当するものとしてキャリア頂点で電流波形をサンプルホールドしたものを示している。ここで波形が重なると見づらいので、検出信号の方に−0.1p.u.のオフセットを重畳させて下にずらしてある。
(D) Current waveform (three-phase AC waveform i u , i v / synchronous current sample waveform i u_smpl , i v_smpl , i w_smpl)
It is an output current waveform of the inverter and shows a three-phase current component of a three-phase coordinate system. Two types of three-phase components are drawn, and the upper side shows a three-phase alternating current waveform, and the lower side shows a sampled and held current waveform at the top of the carrier as equivalent to a current detection signal. Here, since it is difficult to see if the waveforms overlap, the detection signal is -0.1 p. u. The offset is superimposed and shifted downward.
このように、正弦波状の電流が流れていることから、正弦波の電圧指令と等価なPWM変調出力が得られていること、および「キャリア同期電流サンプル」などと呼ばれる電流検出方法(サンプルタイミング制御)を適用すれば、ほぼPWM電流リプルを除去した基本波成分が検出できていることも確認できる。これも、縦軸は単位法表示である。 Thus, since a sinusoidal current flows, a PWM modulation output equivalent to a sinusoidal voltage command is obtained, and a current detection method called “carrier synchronization current sampling” (sample timing control). ), It can be confirmed that the fundamental wave component from which the PWM current ripple is substantially removed can be detected. Again, the vertical axis is the unit method display.
(e)三相のスイッチング発生回数の積算値
2段目の(b)図の各相の変化(H→LまたはL→Hの変換)を各0.5回(L→H→Lにて1回)のスイッチングとして、各相について発生回数をカウントしたものである。三相変調ではキャリア周波数fc=3kHzなので20ms間に60回のスイッチングが発生する。二相変調ではキャリア周波数fc=4kHzであるが、約1/3の期間はスイッチングをしない休止期間になるのでスイッチング周波数は約2/3(約2.7kHz)に低減し、20ms間に約53回のスイッチングが発生する。
(E) Integrated value of the number of occurrences of three-phase switching The change of each phase (H → L or L → H conversion) in the second stage (b) is 0.5 times each (L → H → L) As a single switching, the number of occurrences is counted for each phase. In three-phase modulation, since the carrier frequency fc = 3 kHz, switching occurs 60 times in 20 ms. In the two-phase modulation, the carrier frequency fc = 4 kHz, but the switching frequency is reduced to about 2/3 (about 2.7 kHz) since the period of about 1/3 is not switched, and about 53 for 20 ms. Times of switching occurs.
図37と図40は電流リプル成分の軌跡を固定座標(αβ座標)の直交二軸成分として表したものであり、図37は図35の最初の電気角60deg付近を、また、図40は図43の最初の電気角60deg付近のみ描いている。一周期を描くと多数の軌跡が重複して識別できなくなるため、1/6周期程度に制限して描いた。これは、(d)図の三相交流電流から基本波成分を除去したもの、または(c)図の直流成分を除去してから固定座標に回転座標変換したものに相当する。
FIGS. 37 and 40 show the locus of the current ripple component as orthogonal biaxial components of fixed coordinates (αβ coordinates). FIG. 37 shows the vicinity of the first
図37とこの図40より、PWMによる電流リプル成分の最大ノルム点のベクトルは楕円状に分布していることが分かる。そして、本願発明ではこの最大ノルム点の分布に着目して、これらを制御するものである。 From FIG. 37 and FIG. 40, it can be seen that the vector of the maximum norm point of the current ripple component by PWM is distributed elliptically. And in this invention, paying attention to distribution of this maximum norm point, these are controlled.
以上が、本願発明の実施形態と比較するための従来例の動作例である。 The above is the operation example of the conventional example for comparison with the embodiment of the present invention.
(実施形態1および実施形態3)
実施形態1と実施形態3は三相変調を適用した場合であり、近似方法の差異があるものの原理的には同様な効果が得られるため、実施形態3の方のデータを代表として示してから、効果について説明する。
(
The first embodiment and the third embodiment are cases where three-phase modulation is applied, and the same effect can be obtained in principle although there is a difference in approximation method. Therefore, after the data of the third embodiment is shown as a representative. The effect will be described.
実施形態3を適用した場合のタイムチャートが図36である。ここでは、基準キャリア周波数は3kHzであるが、電流リプルの振幅指令によって出力PWMのキャリア周波数が変化する。そこで、スイッチング周波数がほぼ3kHzになるように電流リプルの振幅設定を0.05p.u.に設定した。また、ここでは使用しないため、kx=ky=1に設定している。 FIG. 36 is a time chart when the third embodiment is applied. Here, the reference carrier frequency is 3 kHz, but the carrier frequency of the output PWM changes according to the amplitude command of the current ripple. Therefore, the amplitude setting of the current ripple is set to 0.05 p. u. Set to. Further, since it is not used here, k x = k y = 1 is set.
また、図36の電流リプル成分Δiα,ΔiβをXY座標における軌跡として表したものが図38である。 FIG. 38 shows the current ripple components Δi α and Δi β in FIG. 36 as trajectories in XY coordinates.
この図36と図38より、本実施形態3の効果が読み取れる。 36 and 38, the effect of the third embodiment can be read.
(1)電流リプル幅の変化
図36(c)のXY軸電流のリプル成分の幅に着目すると、図35の方はiXのリプル幅は6倍の周期で脈動しておりその最大値は大きく、iYのリプル幅はほぼ一定であり振幅は小さいままである。これが、実施形態3を適用すると、iXの電流リプルの振幅が小さくなり、iYの電流リプルに6倍の周期成分が現われている。しかし、このiXとiYの電流リプルは同時には大きくなっていない。
(1) Change in current ripple width Focusing on the width of the ripple component of the XY-axis current in FIG. 36 (c), the ripple width of i X pulsates in a period of 6 times in FIG. The ripple width of i Y is substantially constant and the amplitude remains small. However, when the third embodiment is applied, the amplitude of the current ripple of i X becomes small, and a 6-fold periodic component appears in the current ripple of i Y. However, the current ripples of i X and i Y are not increased at the same time.
また、図36(a)の三角波キャリア信号Cryの波形をみると、図36では周期が変化していることが分かる。特に、iYのリプル成分が大きいときに三角波キャリア信号Cryの周期が長くなり、この期間ではキャリア周波数fcが低減していることが分かる。逆にiXのリプル成分が減少している場合には、キャリア周波数fcが少し高くなるが電流リプル成分は抑制されている。これを電流リプルのXY軸成分として比較すると、図37では電流リプルの最大ノルムの分布は楕円状であったが、図38では長軸方向が小さくなり逆に短軸方向が大きくなって円状の分布に変化している。つまり、電流リプルの最大ノルムの振幅成分の脈動を抑制して平均化させることにより最大ノルムの最大値を抑制することができる。 Also, looking at the waveform of the triangular wave carrier signal Cry in FIG. 36A, it can be seen that the period has changed in FIG. In particular, it can be seen that when the ripple component of i Y is large, the cycle of the triangular wave carrier signal Cry becomes long, and the carrier frequency fc is reduced during this period. Conversely, when the ripple component of i X is decreasing, the carrier frequency fc is slightly increased, but the current ripple component is suppressed. When this is compared as the XY axis component of the current ripple, the distribution of the maximum norm of the current ripple is elliptical in FIG. 37, but in FIG. 38, the major axis direction becomes smaller and the minor axis direction becomes larger and the circular shape becomes larger. The distribution has changed. That is, the maximum value of the maximum norm can be suppressed by suppressing the pulsation of the amplitude component of the maximum norm of the current ripple.
(2)出力電圧と電流検出特性
正確なPWM電圧が出力できるように、キャリア周波数fcの変更をキャリア半周期単位で更新している。この確認は、図36(d)の電流波形に歪が無く同等の基本波成分であること、また、電流検出を想定して、サンプルタイミングにて電流検出値をサンプル/ホールドした波形も同様に歪みなく実電流と等価な波形を検出できている。
(2) Output voltage and current detection characteristics The change of the carrier frequency fc is updated on a carrier half cycle basis so that an accurate PWM voltage can be output. This confirmation is the same in the waveform of FIG. 36 (d) in which the current waveform has no distortion and is the same fundamental wave component, and the current detection value is sampled / held at the sample timing assuming current detection. A waveform equivalent to the actual current can be detected without distortion.
(3)変調率によるスイッチング周波数の低減効果
実施形態3は、電圧指令が低減つまり変調率が低いときに改善効果が大きい。図39は横軸に変調率を、縦軸に電流リプルが等しい場合の平均キャリア周波数(スイッチング周波数)を示したものである。変調率が小さくなるとPWMによる電流リプルは小さくなる傾向があったが、実施形態3を適用するとキャリア周波数が低減できている。これにより、変調率が低い場合にはスイッチング損失を低減できる効果が高い。
(3) Switching frequency reduction effect due to
以上をまとめると、従来のキャリア周波数を変更する方式では、あらかじめ設定したテーブル情報や切り替え操作などによって実現していたが、この実施形態では電流リプルの設定値を操作するだけで自動的にキャリア周波数が追従して変化できるようになる。また、直流電圧の変動などの影響も考慮に含めることもできる。 In summary, the conventional method of changing the carrier frequency was realized by preset table information, switching operation, etc. In this embodiment, the carrier frequency is automatically set only by operating the current ripple setting value. Can follow and change. In addition, influences such as fluctuations in DC voltage can also be taken into consideration.
また、基本波周期内の位相に応じて逐次にキャリア周波数を変動させることにより、脈動する電流リプルの最大振幅を低減して均一な電流リプルに抑制し、できるだけスイッチング周波数も低くなるように動作できる。 In addition, by sequentially changing the carrier frequency according to the phase within the fundamental wave period, the maximum amplitude of the pulsating current ripple can be reduced and suppressed to a uniform current ripple, and the switching frequency can be lowered as much as possible. .
これにより、主回路素子のスイッチング損失の低減と電流リプルによる負荷の電気機器内の銅損・鉄損の低減という相反する要求に対して、両方を考慮したPWM変調を実現できる。 As a result, it is possible to realize PWM modulation in consideration of both conflicting demands for reducing the switching loss of the main circuit element and reducing the copper loss and iron loss in the electrical equipment of the load due to current ripple.
以上が,実施形態1、3の効果である。 The above is the effect of the first and third embodiments.
(実施形態2および実施形態4)
実施形態1と実施形態3および実施形態2と実施形態4の差異は、変調方式が三相変調から二相変調に変わったことである。それ以外は、ほぼ同等の機能を有している。
(
The difference between the first embodiment and the third embodiment, and the second embodiment and the fourth embodiment is that the modulation method is changed from three-phase modulation to two-phase modulation. Other than that, it has almost the same function.
この効果は、同様に図43と図44のXY軸電流成分の比較、および図40と図41との電流リプル軌跡を比較することより確認できる。図40と図41を比較すると、三相変調のような大きな電流リプル成分の変化は生じていないが、少しではあるが電流リプルの最大ノルム成分の平滑化(円状の分布)ができていることが確認できる。これは、図41の電流リプルの軌跡が円状になっていることからも確認できる。また、二相変調の場合でも、図39と同様な変調率に応じたキャリア周波数の制御が可能になることも、この方式の利点である。 Similarly, this effect can be confirmed by comparing the XY-axis current components of FIGS. 43 and 44 and comparing the current ripple trajectories of FIGS. 40 and 41. When comparing FIG. 40 and FIG. 41, there is no change in the large current ripple component as in three-phase modulation, but the maximum norm component of the current ripple is smoothed (circular distribution) to a small extent. I can confirm that. This can also be confirmed from the fact that the current ripple locus in FIG. 41 is circular. Further, even in the case of two-phase modulation, it is an advantage of this method that the carrier frequency can be controlled in accordance with the modulation rate similar to that in FIG.
(実施形態5)
二相変調に実施形態4を適用した方式に、さらに実施形態5のノルム計算時における重み係数補正を適用したものが図45である。これは、図43や図44に対応した波形が図45であり、図40や図41に対応した電流リプルの軌跡形状が図42である。ここでは、有効電力成分を抑制するようにkx=1.6を設定し、逆に無効成分を増加させるようにky=1/1.6似設定した。そして平均スイッチング周波数が図44とほぼ等しくなるように電流リプルの振幅設定を調整して、0.06p.u.とした。
(Embodiment 5)
FIG. 45 shows a scheme in which the fourth embodiment is applied to the two-phase modulation and the weighting factor correction in the norm calculation of the fifth embodiment is further applied. The waveform corresponding to FIGS. 43 and 44 is FIG. 45, and the locus shape of the current ripple corresponding to FIGS. 40 and 41 is FIG. Here, k x = 1.6 is set so as to suppress the active power component, and conversely, k y = 1 / 1.6 is set so as to increase the reactive component. Then, the amplitude setting of the current ripple is adjusted so that the average switching frequency becomes substantially equal to that in FIG. u. It was.
図42では、今度は電流リプルの最大点のベクトルが楕円状に戻り、図43よりもさらに長軸と短軸の差が大きくなっている。図45の特徴は、iX,iYの電流リプル脈動波形にあり、iXは基本波に対する6倍の脈動が抑制され、さらに最大のリプル幅が抑制されている。一方でiYの電流リプルの振幅や脈動幅が増加している。これは、有効電力つまりトルクに影響するリプル成分を抑制するために、有効分の電流リプルが大きな場合にはキャリア周波数を高く設定し、このままでは平均スイッチング周波数も高くなってしまうため、有効電力分が小さい期間では無効分の拡大を許容させて、キャリア周波数を低減する。こうすると、平均スイッチング周波数を維持しながら、トルクリプルの小さいPWMが実現できる。これがこの方式の効果である。 In FIG. 42, the vector of the maximum point of the current ripple returns to an ellipse this time, and the difference between the major axis and the minor axis is larger than in FIG. The feature of FIG. 45 lies in the current ripple pulsation waveforms of i X and i Y , where 6 times the pulsation with respect to the fundamental wave is suppressed for i X and the maximum ripple width is further suppressed. On the other hand, the amplitude and pulsation width of the current ripple of i Y are increasing. In order to suppress the ripple component affecting the active power, that is, the torque, the carrier frequency is set high when the current ripple is large, and the average switching frequency is also increased in this state. The carrier frequency is reduced by allowing the ineffective portion to be expanded in a period where the frequency is small. In this way, PWM with a small torque ripple can be realized while maintaining the average switching frequency. This is the effect of this method.
また、平均スイッチング周波数が図44とほぼ等しいことから、従来方式の図35と比較して、スイッチング損失低減の効果を有しているといえる。 In addition, since the average switching frequency is almost the same as that in FIG. 44, it can be said that the switching loss is reduced as compared with the conventional method shown in FIG.
実施形態4と実施形態5では、図41と図42の電流リプル波形の形状の差異のように、特徴がまったく異なる。これらの優劣は、これを適用するシステムよって要求される機能により評価が異なってくる。主回路の損失低減を重要視するシステムにおいては実施例1〜4を、逆に、負荷のトルクリプルを重要視する場合にはさらに実施形態5を適用してすればよい。しかし、これらの方式を使い分ける場合においても、電流リプルの振幅設定Δi*と、電流リプルの予測計算時の2つの重み係数kx,kyを変更するだけで実現でき、制御プログラムなどは同じものを利用できる。そのため、製品ごとにプログラムを管理する必要が無くなり、ソフトウエアの履歴管理などの点でも設定のみで機能が変更できることも利点の一つともいえる。
The features of the fourth and fifth embodiments are completely different, such as the difference in the shape of the current ripple waveform in FIG. 41 and FIG. These superiority and inferiority are evaluated differently depending on the function required by the system to which the advantage is applied.
1…二軸電圧指令演算部
2…キャリア発生部
3…相電圧指令生成部
4…PWM比較器
5…ゲート駆動部
6…主回路
10…電流リプルノルム推定部
11…キャリア補正係数演算部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
三角波キャリア信号の上下の頂点に同期して電圧指令を更新するか、または、その整数倍の期間を更新周期とする方式とし、
電圧指令を入力し、基準キャリア周波数に基づいて三相変調方式、または、二相変調方式による零相変調を適用して電圧指令を補正し、
前記補正後の電圧指令を用いて、三角波キャリア信号の半周期間における出力電流の電流リプルのベクトル軌跡を推定し、それらの電流リプルのベクトル軌跡のノルムを計算し、当該ノルムの最大成分である最大ノルムを選出し、
その電流リプルの最大ノルムの値が許容電流リプルと一致するように、キャリア周波数の補正係数を計算し、
基準キャリア周波数にキャリア周波数の補正係数を乗算した値をキャリア周波数指令に設定し、
補正後の電圧指令と、キャリア周波数指令に基づいた三角波キャリア信号と、を用いてスイッチング素子をオンオフ制御させるPWMパターンを出力することを特徴とするインバータ制御方法。 An inverter control method for controlling an inverter that outputs a three-phase AC voltage by a PWM modulation method at a variable voltage variable frequency,
The voltage command is updated in synchronization with the upper and lower vertices of the triangular wave carrier signal, or a period that is an integral multiple of the voltage command is used as the update cycle.
Input the voltage command, correct the voltage command by applying zero-phase modulation by three-phase modulation method or two-phase modulation method based on the reference carrier frequency,
Using the corrected voltage command, the vector locus of the current ripple of the output current during the half cycle of the triangular wave carrier signal is estimated, the norm of the vector locus of the current ripple is calculated, and the maximum component that is the maximum component of the norm is calculated. Select the norm,
Calculate the carrier frequency correction factor so that the maximum norm value of the current ripple matches the allowable current ripple,
Set the carrier frequency command to a value obtained by multiplying the reference carrier frequency by the carrier frequency correction coefficient,
An inverter control method, comprising: outputting a PWM pattern for controlling on / off of a switching element using a corrected voltage command and a triangular wave carrier signal based on a carrier frequency command.
回転座標系をとり、界磁磁束による速度起電力のベクトルの位相角と、電圧指令を極座標変換した位相角と、を等しいとみなし、
回転座標変換に使用する基準位相と電圧指令を極座標変換した位相角とを加算した値を回転座標の基準軸とし、補正後の電圧指令のベクトルを回転座標の基準軸に選定して、出力電圧ベクトルのスカラ量をこの基準軸として演算し、
その基準軸の出力電圧ベクトルのスカラ量と界磁磁束による速度起電力のスカラ量との差の電圧成分と、その電圧ベクトルを出力する時間間隔から、電流リプルの軌跡を推定することを特徴とする請求項1記載のインバータの制御方法。 When estimating the current ripple norm,
Taking the rotating coordinate system, the phase angle of the vector of velocity electromotive force due to the field magnetic flux is considered to be equal to the phase angle obtained by converting the voltage command into polar coordinates,
The value obtained by adding the reference phase used for rotation coordinate conversion and the phase angle obtained by converting the voltage command to polar coordinates is used as the reference axis of the rotation coordinate, and the corrected voltage command vector is selected as the reference axis of the rotation coordinate. Calculate the scalar quantity of the vector as this reference axis,
The current ripple trajectory is estimated from the voltage component of the difference between the scalar quantity of the output voltage vector of the reference axis and the scalar quantity of the speed electromotive force due to the field magnetic flux and the time interval at which the voltage vector is output. The inverter control method according to claim 1.
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