JP6664565B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

回転電機（３）に流れる電流を検出する電流検出部（１３）と、検出電流、電流予測値、電流指令値、および電流高調波指令値に基づいて、スイッチングパターンを決定するスイッチングパターン決定部（１４）と、スイッチングパターンに応じて回転電機（３）に交流電力を出力する電力変換器部（１２）とを備え、スイッチングパターン決定部（１４）は、電流値は電流指令値に追従し、電流高調波は制限値以下とするようにスイッチングパターンを決定する。

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

多相交流回転機の駆動制御において、モータの状態（電流、トルク、回転数等）に基づき、電力変換装置のスイッチング状態を直接演算する瞬時電流制御の一つに「直接トルク制御」が知られている。

スイッチングテーブルを用いて電力変換装置のスイッチング状態を決定する直接トルク制御方式が開示されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１開示技術では、「直接トルク制御」のスイッチング状態(スイッチング損失)はそのテーブルによって決定されるが、複雑な動作、複数の種類の回転電機を駆動する装置の場合、テーブル設計は煩雑となる問題がある。

この解決のため、モデル予測を用いて各スイッチング状態を使用した場合のモータの状態を予測し、評価関数に基づいて最適なスイッチング状態を決定する方法が開示されている（例えば、特許文献２）。

特開平８−３３３９９号公報（段落［０００６］、［００２３］、［００３８］および図１、図２） 特開２００６−１７４６９７号公報（段落［０００７］−［００１６］および図１、図３）

特許文献２開示技術では、テーブル設計は不要となり、スイッチング損失の低減効果も期待される。数ステップ先を予測してスイッチング状態を決定する方式であるため、短い区間では電流高調波増加の抑制、スイッチング回数を低減する効果が期待される。しかし、より長期の区間（例えば、電気角周波数１周期）では、必ずしもこの効果が得られるとは限らない。また、直接トルク制御は制御対象の制限幅を増減する必要があるが、直接電流高調波の制限幅を決めることが困難という問題もある。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、電流高調波を直接制御対象とする直接トルク制御において、電流値は指令値に追従し、電流高調波は制限値以下とするように制御することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

本願に開示される電力変換装置は、直流電力を複数のスイッチング素子のスイッチング動作により交流電力に変換して回転電機に供給する電力変換装置において、回転電機に流れる電流を検出する電流検出部と、電流検出部で検出した電流値と、電流値から予測した電流予測値と、電流値の電流高調波の指令値である電流高調波指令値とに基づいて、複数のスイッチング素子のオンオフ切り替えのタイミングを表すスイッチングパターンを決定するスイッチングパターン決定部と、スイッチングパターンに応じて複数のスイッチング素子をスイッチング動作させて回転電機に交流電力を出力する電力変換部と、を備え、スイッチングパターン決定部は、電流値は電流指令値に追従し、電流値の高調波成分の実効値は電流高調波指令値以下とするようにスイッチングパターンを決定するものである。
本願に開示される電力変換装置は、直流電力を複数のスイッチング素子のスイッチング動作により交流電力に変換して回転電機に供給する電力変換装置において、回転電機に流れる電流を検出する電流検出部と、電流検出部で検出した電流値と、電流値の指令値である電流指令値と、電流値の電流高調波の指令値である電流高調波指令値とに基づいて、複数のスイッチング素子のオンオフ切り替えのタイミングを表すスイッチングパターンを決定するスイッチングパターン決定部と、スイッチングパターンに応じて複数のスイッチング素子をスイッチング動作させて回転電機に交流電力を出力する電力変換部と、を備え、
スイッチングパターン決定部は、電流値は電流指令値に追従し、電流値の高調波成分の実効値は電流高調波指令値以下とするようにスイッチングパターンを決定し、スイッチングパターン決定部は、電流値と、電流指令値と、電流高調波指令値とに基づいて、スイッチングパターンを決定するスイッチングパターン生成関数を出力する機械学習を行った機械学習器によって出力された前記スイッチングパターン生成関数と、電流値と、電流指令値とに基づいて、スイッチングパターンを決定するものである。

本願に開示される電力変換装置によれば、電流検出部で検出した電流値と、電流値から予測した電流予測値と、電流値の指令値である電流指令値と、電流値の電流高調波の指令値である電流高調波指令値とに基づいて、複数のスイッチング素子のオンオフ切り替えのタイミングを表すスイッチングパターンを決定するスイッチングパターン決定部を備え、スイッチングパターン決定部は、電流値は電流指令値に追従し、電流値の高調波成分の実効値は電流高調波指令値以下とするようにスイッチングパターンを決定するものであるから、電流値は指令値に追従し、電流高調波は制限値以下とするように回転電機を制御できる電力変換装置が得られる。
本願に開示される電力変換装置によれば、電流検出部で検出した電流値と、電流値の指令値である電流指令値と、電流値の電流高調波の指令値である電流高調波指令値とに基づいて、複数のスイッチング素子のオンオフ切り替えのタイミングを表すスイッチングパターンを決定するスイッチングパターン決定部を備え、スイッチングパターン決定部は、電流値は電流指令値に追従し、電流値の高調波成分の実効値は電流高調波指令値以下とするようにスイッチングパターンを決定し、スイッチングパターン決定部は、電流値と、電流指令値と、電流高調波指令値とに基づいて、スイッチングパターンを決定するスイッチングパターン生成関数を出力する機械学習を行った機械学習器によって出力された前記スイッチングパターン生成関数と、電流値と、電流指令値とに基づいて、スイッチングパターンを決定するものであるものであるから、電流値は指令値に追従し、電流高調波は制限値以下とするように回転電機を制御できる電力変換装置が得られる。

実施の形態１による電力変換装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１による電力変換装置を実現するハードウエア構成図である。 実施の形態１による電力変換装置に係るスイッチングパターンの説明図である。 実施の形態２による電力変換装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態２による電力変換装置に係る電流指令値の軌跡の説明図である。 実施の形態３による電力変換装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態３による電力変換装置に係るスイッチングパターンの説明図である。 実施の形態４による電力変換装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態４による電力変換装置の処理手順を説明するフローチャートである。 実施の形態４による機械学習器の構成を示すブロック図である。 実施の形態４による機械学習器を実現するハードウエア構成図である。

実施の形態１．
実施の形態１は、回転電機に流れる電流値を検出する電流検出部と、電流値、電流値から予測した電流予測値、電流指令値、および電流高調波指令値に基づいて、スイッチング素子のスイッチングパターンを決定するスイッチングパターン決定部と、スイッチングパターンに応じてスイッチング素子をスイッチング動作させて回転電機に交流電力を出力する電力変換部とを備え、スイッチングパターン決定部は、電流値は電流指令値に追従し、電流値の高調波は電流高調波指令値以下とするようにスイッチングパターンを決定する電力変換装置に関するものである。

以下、実施の形態１に係る電力変換装置の構成および動作について、電力変換装置の構成を示すブロック図である図１、電力変換装置を実現するハードウエア構成図である図２、および電力変換装置に係るスイッチングパターンの説明図である図３に基づいて説明する。

まず、実施の形態１の電力変換装置１の構成を図１に基づいて説明する。
回転電機を制御するシステム全体は、電力変換装置１、直流電源２、および回転電機３から構成される。

図１に示すように、電力変換装置１は直流電源２と回転電機３との間に接続され、直流電源２からの直流電力を交流電力に変換して回転電機３に出力して回転電機３を制御する。回転電機３は、直流電源２から出力された交流電力を動力に変換する。
なお、ここで使用される回転電機３は、電動機として説明するが、誘導電動機、同期電動機等各種の回転電機を用いることができる。

電力変換装置１は、主回路である電力変換部１２と、電流検出部１３と、スイッチングパターン決定部１４と、ｕｖｗ／ｄｑ変換器１５と、を備える。

電流検出部１３は、電力変換部１２が回転電機３に出力している電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。ｕｖｗ／ｄｑ変換器１５は、検出した電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄｑ座標上の電流値であるＩｄ、Ｉｑに変換する。スイッチングパターン決定部１４は、ｕｖｗ／ｄｑ変換器１５の出力である電流値Ｉｄ、Ｉｑと、外部から入力される電流指令値Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆおよび電流高調波指令値Ｉｔｈｄｒｅｆとに基づいて、スイッチングパターンＳＰｕ、ＳＰｖ、ＳＰｗを生成する。
なお、電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをまとめて記載する場合は、適宜電流値Ｉｕｖｗと記載する。電流値Ｉｄ、Ｉｑをまとめて記載する場合は、適宜電流値Ｉｄｑと記載する。電流指令値Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆをまとめて記載する場合は、適宜電流指令値Ｉｄｑｒｅｆと記載する。スイッチングパターンＳＰｕ、ＳＰｖ、ＳＰｗをまとめて記載する場合は、適宜スイッチングパターンＳＰｕｖｗと記載する。図１においても同様である。

この電力変換装置１は、図２で示すハードウエア構成により実現される。
図２において、電力変換装置１は、ハードウエアとして、電力変換部１２、電流検出部１３、電力変換部１２を制御するプロセッサ２０、およびプロセッサ２０の記憶装置２１で構成されている。

電力変換部１２は、スイッチング素子とこれに逆並列されたダイオードとを１セットとして６セットで構成されている。上アーム１セットと下アーム１セットとを直列に接続した１相分の直列体を３つ並列に接続した３相ブリッジ回路構成となっている。
各相の上アームと下アームとの接続点からバスバーによって回転電機３の各相の端子に接続されている。
電力変換部１２は、直流電源２の直流電力を三相交流電力に変換して、負荷である電動機などの回転電機３を駆動する。

記憶装置２１は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置を備えている。
不揮発性の補助記憶装置として、フラッシュメモリ等の代わりにハードディスク等を使用してもよい。

プロセッサ２０は、記憶装置２１から入力されたプログラムを実行する。
記憶装置２１は補助記憶装置と揮発性記憶装置とを備えるため、プロセッサ２０には補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプログラムが入力される。
プロセッサ２０は、演算結果等のデータを記憶装置２１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にこれらのデータを保存してもよい。

次に、電力変換装置１の各部の機能、動作について説明する。
電力変換部１２は、直流電源２から供給された直流電力をスイッチングパターン決定部１４で決定されたスイッチングパターンＳＰｕｖｗに基づいて交流電力に変換し、回転電機３に出力する。スイッチングパターンＳＰｕｖｗについては、後で説明する。

電流検出部１３は、電力変換部１２と回転電機３の間の三相交流電流を検出し、これを電流値Ｉｕｖｗとしてｕｖｗ／ｄｑ変換器１５に出力する。
ここで電流検出部にはＣＴ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）検出器、シャント抵抗等、いずれの電流検出器を用いてもよい。三相の内、二相分の電流を検出し、残りの一相を算出したものを用いてもよい。また、一つの検出器で三相交流電流値を復元する１シャント電流検出方式を用いてもよい。

ｕｖｗ／ｄｑ変換器１５は、電流検出部１３で検出した電流値Ｉｕｖｗを二相の電流値Ｉｄｑに変換し、スイッチングパターン決定部１４に出力する。
このとき、変換に必要な回転電機３の磁極位置の位相情報は電力変換装置１内で生成した位相を用いることができる。回転電機３にエンコーダ等の位相および速度の検出器を設置している場合は、検出した位相を用いてもよい。

実施の形態１は電流指令値がｄｑ座標上の電流指令値であるＩｄｑｒｅｆの例を示しているため、電流値Ｉｕｖｗを電流値Ｉｄｑに変換している。しかし、電流指令値が三相交流電流の指令値Ｉｕｖｗｒｅｆであれば、電流値Ｉｕｖｗを座標変換は行わず、そのままスイッチングパターン決定部１４に出力すればよい。
また、αβ座標上の電流指令値Ｉαβｒｅｆであれば、ｕｖｗ／αβ変換器を用いて電流値Ｉｕｖｗを電流値Ｉαβに変換し、スイッチングパターン決定部１４に出力すればよい。

スイッチングパターン決定部１４は、電流指令値Ｉｄｑｒｅｆに対し、ｕｖｗ／ｄｑ変換器１５から出力された電流値Ｉｄｑが追従するようにスイッチングパターンＳＰｕｖｗを作成する。このときスイッチングパターンＳＰｕｖｗは電流値Ｉｄｑの電流高調波実効値は電流高調波実効値の指令値である電流高調波指令値Ｉｔｈｄｒｅｆ以下とするように決定される。すなわち、電流高調波指令値Ｉｔｈｄｒｅｆは、電流値Ｉｄｑの電流高調波実効値に対する制限値である。
具体的には、スイッチングパターン決定部１４は、１つもしくは複数のスイッチング状態と切り替えタイミングの組み合わせであるスイッチングパターンＳＰｕｖｗを決定する。

次に、スイッチングパターンＳＰｕｖｗの決定の仕方の一例を、図３に基づいて説明する。図３は制御開始時間ｔ（ｋ）からＮステップ先までの電流指令値と電流予測値の一例を示している。ここで、ｔ（ｋ＋ｉ）はｉステップ後の時間、ｔ（ｋ＋Ｎ）はＮステップ後の時間である。
図３において、電流指令値であるＩｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆは一点鎖線で示している。電流予測値であるＩｄｐｒｅ、Ｉｑｐｒｅは細い直線（折れ線）で示している。

電流予測値（Ｉｄｐｒｅ、Ｉｑｐｒｅ）はスイッチング状態が変化すると軌道が変化する。図３において電流予測値（Ｉｄｐｒｅ、Ｉｑｐｒｅ）の傾きが変化している点（折れ点）は、ここでスイッチング状態が変化していることを示している。
なお、電流予測値Ｉｄｐｒｅ、Ｉｑｐｒｅをまとめて記載する場合は、適宜電流予測値Ｉｄｑｐｒｅと記載する。

ここで、電流予測値Ｉｄｑｐｒｅは回転電機３の定数を用いてモデル予測を行うことによって求める。モデル予測は、例えば、式（１）を用いて計算される。
式（１）は１ステップ先の電流予測値Ｉｄｑｐｒｅ（ｋ＋１）を計算する式である。
ここで、Ａ１、Ａ２、Ｂ１は回転電機３の定数と速度から計算される係数である。Ｔｓはサンプリング周期すなわち制御周期である。Ｉｄｑｐｒｅ（ｋ）は現在の電流値、Ψｄｑｐｒｅ（ｋ）は現在の回転子鎖交磁束、Ｖｄｑｐｒｅ（ｋ）は現在の出力電圧を示す。

このモデル予測式は誘導電動機の回転電機モデルから生成されるが、制御する回転電機によって予測式は異なるし、予測式の作成方法は他の方法でもよい。

Ｎステップは制御周期と電流高調波実効値を演算する周期によって決まり、Ｎ＝（電流高調波実効値の演算周期）／（制御周期）である。
例えば、制御周期は１０μｓ、電流高調波実効値の演算周期は電気角１周期に定められる。なお、電気角とは、回転電機３の回転磁界の角度である。

ここで、電流指令値Ｉｄｑｒｅｆに対し、電流値Ｉｄｑが追従することは、電流予測値Ｉｄｑｐｒｅの平均値が電流指令値Ｉｄｑｒｅｆと一致することを意味している。
そして、これには式（２）と式（３）とを満足することが必要である。
なお、電流予測値Ｉｄｑｐｒｅの平均値はＮステップ先までの電流予測値の合計をステップ数で除算することで求められる。

ここで式（２）と式（３）とを満足すれば、電流予測値Ｉｄｑｐｒｅの平均値が電流指令値Ｉｄｑｒｅｆと完全に一致していることになる。しかし、このようなスイッチングパターンＳＰｕｖｗを作成することは実際には困難である。このため、実際のスイッチングパターンＳＰｕｖｗは十分に小さい誤差許容量Ｉｄｑｔｏｌを用いて、式（４）と式（５）とを満足することが求められる。

同様に電流高調波実効値は式（６）を満足することが求められる。

ここで、電流高調波実効値は式（６）のように、電流指令値に対する電流予測値の誤差の二乗和平方根で算出している。
しかし、他に高速フーリエ変換等の周波数解析手法を用いて、電流予測値の各周波数成分を算出し、その基本波以外の周波数成分の二乗和平方根を用いて評価を行ってもよい。

スイッチングパターン決定部１４で作成されるスイッチングパターンＳＰｕｖｗは、制御周期毎に出力するスイッチング状態として決定してもよい。
また、複数のスイッチング状態とその出力する順番と切り替えタイミングを決定してもよい。
スイッチングパターンＳＰｕｖｗとして、複数のスイッチング状態、その順番、切り替えタイミングを決定した場合は、その出力が完了するまで、制御を行わなくてもよい。また、制御は制御周期毎に行い、予測した電流値と実際の検出した電流値との差異が規定値以上になれば、再度スイッチングパターンＳＰｕｖｗを作成してもよい。

また作成したスイッチングパターンが複数ある場合は、どのスイッチングパターンを選択してもよいが、例えば、それらのスイッチングパターンの中で電流高調波実効値が最も小さくなるスイッチングパターンを選択してもよい。
また、電流指令値Ｉｄｑｒｅｆに対し、電流値Ｉｄｑが最も良く追従する、すなわち電流予測値Ｉｄｑｐｒｅの平均値と電流指令値Ｉｄｑｒｅｆの一致率が高いものを選択してもよい。

この実施の形態１では、電流高調波実効値の指令値に基づいてスイッチングパターンを決定し、このスイッチングパターンに基づき回転電機を制御することで、電流高調波を直接制御することが可能となる。これにより騒音の要因となる電流高調波を電流高調波指令値以下に抑えて、回転電機を駆動することが可能となる。

上記説明のように、実施の形態１の電力変換装置１は、回転電機に流れる電流値を検出する電流検出部と、電流値、電流値から予測した電流予測値、電流指令値、および電流高調波指令値に基づいて、スイッチング素子のスイッチングパターンを決定するスイッチングパターン決定部と、スイッチングパターンに応じてスイッチング素子をスイッチング動作させて回転電機に交流電力を出力する電力変換部とを備え、スイッチングパターン決定部は、電流値は電流指令値に追従し、電流値の高調波は電流高調波指令値以下とするようにスイッチングパターンを決定するものである。
このため、実施の形態１の電力変換装置は、電流値は電流指令値に追従し、電流高調波は制限値である電流高調波指令値以下とするように回転電機を制御できる。

実施の形態２．
実施の形態２の電力変換装置は、スイッチングパターン決定部に外部から電流指令値と電流高調波指令値に加えて、さらに電流指令値の傾きを入力したものである。

以下、実施の形態２に係る電力変換装置の動作について、電力変換装置の構成を示すブロック図である図４、および電流指令値の軌跡の説明図である図５に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態２の電力変換装置のブロック図である図４において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。

まず、実施の形態２の電力変換装置２００の構成を図４に基づいて説明する。
回転電機を制御するシステム全体は、電力変換装置２００、直流電源２、および回転電機３から構成される。

図４において、電力変換装置２００は、主回路である電力変換部１２と、電流検出部１３と、スイッチングパターン決定部２１４と、ｕｖｗ／ｄｑ変換器１５と、を備える。

実施の形態１では、スイッチングパターン決定部１４へ外部から電流指令値Ｉｄｑｒｅｆと電流高調波指令値Ｉｔｈｄｒｅｆが入力されていた。
実施の形態２では、スイッチングパターン決定部２１４へ外部から電流指令値Ｉｄｑｒｅｆと電流高調波指令値Ｉｔｈｄｒｅｆに加えて、電流指令値の傾きＩｄｓｌｏ、Ｉｑｓｌｏが入力されている。
なお、電流指令値の傾きＩｄｓｌｏ、Ｉｑｓｌｏをまとめて記載する場合は、適宜電流指令値の傾きＩｄｑｓｌｏと記載する。図４、図５においても同様である。

以下、実施の形態１との差異である実施の形態２のスイッチングパターン決定部２１４の機能、動作を図４、図５に基づいて説明する。

スイッチングパターン決定部２１４は、外部から電流指令値Ｉｄｑｒｅｆに加え、電流指令値の傾きＩｄｑｓｌｏを入力することで、電流指令値の軌跡を生成する。

電流指令値の軌跡の生成方法について、図５に基づいて説明する。
制御開始時間ｔ（ｋ）からＮステップ先までの電流指令値の軌跡の一例を図５に示している。なお、図５は電流値Ｉｄについてのみ記載している。

制御開始時点において、電流指令値Ｉｄｒｅｆを始点として、傾きがＩｄｓｌｏである電流指令値の軌跡（太い点線）を生成する。
図５では、電流指令値の傾きＩｄｓｌｏはＮステップ後の増減幅で定義しているが、１ステップまたは２ステップ後の増減幅などで定義してもよい。
また、ここでは一つの傾きのみで電流指令値の軌跡を生成しているが、複数の傾きとその切り替え点とから、複雑な変化をする電流指令値の軌跡を生成してもよい。
さらに、各ステップの電流指令値および傾きをテーブルと、このテーブルを外部から入力して、電流指令値の軌跡を生成してもよい。

図５で説明した電流指令値の軌跡を用いて、実施の形態１と同様にしてスイッチングパターンＳＰｕｖｗを作成し、このスイッチングパターンＳＰｕｖｗを電力変換部１２に出力することで、電力変換装置２００は回転電機３を制御する。

実施の形態２では、スイッチングパターン決定部２１４において、電流指令値と傾きとに基づいて電流指令値の軌跡を生成することで、速度およびトルクが変化し、電流指令値が変化する過渡時においても電流高調波の評価を正確に行い、電流高調波を抑えることができる。

実施の形態２の電力変換装置は、スイッチングパターン決定部に外部から電流指令値と電流高調波指令値に加えて、さらに電流指令値の傾きを入力したものである。
したがって、本実施の形態２の電力変換装置は、電流値は電流指令値に追従し、電流高調波は制限値である電流高調波指令値以下とするように回転電機を制御できる。さらに、速度およびトルクが変化する過渡時においても、電流高調波を抑えることができる。

実施の形態３．
実施の形態３の電力変換装置は、スイッチングパターン決定部に外部から電流指令値と電流高調波指令値に加えて、さらに追加の制御性能の指令値を入力したものである。

以下、実施の形態３に係る電力変換装置の動作について、電力変換装置の構成を示すブロック図である図６、およびスイッチングパターンの説明図である図７に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態３の電力変換装置のブロック図である図６において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。

まず、実施の形態３の電力変換装置３００の構成を図６に基づいて説明する。
回転電機を制御するシステム全体は、電力変換装置３００、直流電源２、および回転電機３から構成される。

図６において、電力変換装置３００は、主回路である電力変換部１２と、電流検出部１３と、スイッチングパターン決定部３１４と、ｕｖｗ／ｄｑ変換器１５と、を備える。

実施の形態１では、スイッチングパターン決定部１４へ外部から電流指令値Ｉｄｑｒｅｆと電流高調波指令値Ｉｔｈｄｒｅｆが入力されていた。
実施の形態３では、スイッチングパターン決定部３１４へ外部から電流指令値Ｉｄｑｒｅｆ、電流高調波指令値Ｉｔｈｄｒｅｆに加えて、追加の制御性能の指令値としてスイッチング回数最小化指令値Ｓｗｎｍｉｎが入力されている。

以下、実施の形態１との差異である実施の形態３のスイッチングパターン決定部３１４の機能、動作を図６、図７に基づいて説明する。

実施の形態１では、スイッチングパターン決定部１４は、電流値Ｉｄｑは電流指令値Ｉｄｑｒｅｆに追従し、電流高調波は電流高調波指令値Ｉｔｈｄｒｅｆ以下とするようにスイッチングパターンが決定されていた。
この実施の形態３は、スイッチングパターン決定部３１４は上記条件に加え、追加の制御性能の指令値を入力し、追加の指令値も満足するスイッチングパターンを生成する。
図６では、追加の制御性能の例としてスイッチング回数の最小化を指令値（Ｓｗｎｍｉｎ）として入力している。

スイッチングパターン決定部３１４は、まず電流指令値Ｉｄｑｒｅｆに対し、ｕｖｗ／ｄｑ変換器１５から入力された電流値Ｉｄｑは追従し、かつ電流高調波は電流高調波指令値Ｉｔｈｄｒｅｆ以下とするように複数のスイッチングパターンを決定する。さらに、このスイッチングパターンの中からスイッチング回数が最も少ないスイッチングパターンを選択し、スイッチングパターンＳＰｕｖｗとして電力変換部１２に出力する。

スイッチングパターンの選択の仕方について、図７に基づいて説明する。
電流指令値Ｉｄｑｒｅｆに対し、ｕｖｗ／ｄｑ変換器１５から入力された電流値Ｉｄｑは追従し、かつ電流高調波は電流高調波指令値Ｉｔｈｄｒｅｆ以下とするように決定されたスイッチングパターンの候補例を図７に示す。

図７において、３つのスイッチングパターン（パターン１からパターン３）の候補の中からスイッチング回数が最小となるスイッチングパターンＳＰｕｖｗを選択する。 スイッチング回数は各相のスイッチング素子のオンとオフが切り替わる回数であり、図７の黒丸はスイッチング状態が切り替わる時点を示す。なお、図７は、三相の内の一相の切り替えを示している。

図７において、パターン１は３回、パターン２は２回、パターン３は４回のスイッチング回数となる。したがって、パターン２が最小回数であるため、パターン２が選択され、スイッチングパターンＳＰｕｖｗとして電力変換部１２に出力される。

この実施の形態３では、スイッチングパターン決定部３１４が、電流予測値が電流指令値に追従し、電流高調波が電流高調波指令値以下になる複数のスイッチングパターンを生成する。次にこの複数のスイッチングパターンの中から、追加の制御性能、例えばスイッチング回数の最小化の指令に基づいて最適なものを選択し、これをスイッチングパターンＳＰｕｖｗとして電力変換部１２に出力する。したがって、電流高調波の抑制に加えて、さらに追加の制御性能の向上を図ることができる。

実施の形態３の電力変換装置は、スイッチングパターン決定部に外部から電流指令値と電流高調波指令値に加えて、さらに追加の制御性能の指令値を入力したものである。
したがって、本実施の形態３の電力変換装置は、電流値は電流指令値に追従し、電流高調波は制限値である電流高調波指令値以下にするように回転電機を制御できる。さらに、付加的な制御性能の向上を図ることができる。

実施の形態４．
実施の形態４の電力変換装置は、スイッチングパターン決定部で決定するスイッチングパターンを機械学習を用いて生成するものである。

以下、実施の形態４に係る電力変換装置の動作について、電力変換装置の構成を示すブロック図である図８、電力変換装置の処理手順を説明するフローチャートである図９、機械学習器の構成を示すブロック図である図１０、および機械学習器を実現するハードウエア構成図である図１１に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態４の電力変換装置のブロック図である図８において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。

まず、実施の形態４の電力変換装置４００の構成を図８に基づいて説明する。
回転電機を制御するシステム全体は、電力変換装置４００、直流電源２、および回転電機３から構成される。

図８において、電力変換装置４００は、主回路である電力変換部１２と、電流検出部１３と、スイッチングパターン決定部４１４と、ｕｖｗ／ｄｑ変換器１５と、機械学習器１６とを備える。
実施の形態１の電力変換装置１に対して、実施の形態４の電力変換装置４００では、機械学習器１６が追加されている。
なお、図８において、スイッチングパターン生成関数をＳＰＧＦと記載している。

次に、実施の形態４の電力変換装置４００の動作例について、処理手順の一例を説明するフローチャートである図９に基づいて説明する。

なお、以下で説明する処理手順は、実施の形態４の学習方法と電動機制御方法の一例である。このため、以下で説明する処理手順の各処理は可能な限り変更されてもよい。また、以下で説明する処理手順について、実施の形態に応じて、適宜、処理の省略、置換、および追加が可能である。

図９のフローチャートは、「機械学習を実行するか」（Ｓ０１）の判定後、機械学習処理（Ｓ０２からＳ０５）と電動機制御処理（Ｓ１１からＳ１４）とに大きく分かれる。
ステップ１（Ｓ０１）では、機械学習を実行するかを判定する。実行する場合（Ｙｅｓ）は、機械学習処理を行い、学習モデルを作成する。実行しない場合（Ｎｏ）は、機械学習処理を行った学習済みの学習モデルを用いて電動機制御を実行する。

機械学習処理について説明する前に、ここで、機械学習を行う機械学習器１６の構成について、図１０に基づいて説明する。
機械学習器１６は、教師データ格納部１６１、入力データ取得部１６２、ラベル取得部１６３、学習部１６４、およびスイッチングパターン生成関数記憶部１６５を備える。
なお、図１０において、入力データはＩｄａｔ、ラベルはＬＢｕｖｗ、教師データ組はＴＤＳ、学習モデルはＬｍｏｄと記載している。
また、以降スイッチングパターン生成関数記憶部は、適宜ＳＰ生成関数記憶部と記載する。

機械学習は、事前に用意した教師データに基づいた教師データ付き学習を行う。教師データ付き学習については後で説明する。この事前に用意した教師データは、教師データ格納部１６１に格納されている。

なお、学習済みの学習モデルを用いて行う電動機制御は、電流値Ｉｄｑの電流高調波が電流高調波指令Ｉｔｈｄｒｅｆ以下となる制御である。この電動機制御は、例えば、モデル予測制御（Ｍｏｄｅｌ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、あるいは最適パルスパターン（Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ｐａｔｔｅｒｎｓ）を適用して行う。

次に、機械学習処理について、機械学習器１６の構成図である図１０も参照して説明する。
ステップ２（Ｓ０２）では、機械学習器１６の入力データ取得部１６２は、教師データ格納部１６１に格納されている教師データの中から電流指令値Ｉｄｑｒｅｆ（ｋ）、ｄｑ座標電流Ｉｄｑ（ｋ）、前回のスイッチングパターンＳＰｕｖｗ（ｋ−１）を取得し、入力データＩｄａｔとして学習部１６４に出力する。

ステップ３（Ｓ０３）では、機械学習器１６のラベル取得部１６３は、教師データ格納部１６１に格納されている教師データの中からスイッチングパターンＳＰｕｖｗ（ｋ）を取得し、ラベルＬＢｕｖｗとして学習部１６３に出力する。

ステップ４（Ｓ０４）では、機械学習器１６の学習部１６４は、入力データ取得部１６２から入力された入力データＩｄａｔと、ラベル取得部１６３から入力されたラベルＬＢｕｖｗのデータ組を教師データ組として取得し、教師データ付き学習を実行する。
学習部１６４は、この教師データ組に基づいて、教師データ付き学習を行うことにより、学習モデルＬｍｏｄを構築する。

ステップ５（Ｓ０５）では、機械学習器１６のＳＰ生成関数記憶部１６５は、学習部１６４で教師データ付き学習により得られる学習モデルをスイッチングパターン生成関数として保存する。
学習部１６４が構築した学習モデルは、ＳＰ生成関数記憶部１６５に出力される。

スイッチングパターン生成関数はステップ２（Ｓ０２）からステップ５（Ｓ０５）の処理を定期的に実行することで更新してもよい。

本実施の形態４における電動機制御を対象とした学習は、パーセプトロンを組み合わせて構成したニューラルネットワークによる教師データ付き学習である。具体的には、電動機状態を示す入力データと電動機状態に応じたラベルの組である教師データ組をニューラルネットワークに与え、ニューラルネットワークの出力がラベルと同じとなるように、各パーセプトロンについての重みづけを変更しながら学習を繰り返す。学習の過程では、バックプロパゲーション（Ｂａｃｋ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、誤差逆伝搬法とも呼ばれる。）という処理を繰り返し行うことで各パーセプトロンの出力の誤差を小さくするように重みづけ値を調整する。

このようにして、教師データ組の特徴を学習し、入力から結果を推定するための学習モデルを帰納的に獲得する。
本実施の形態４の教師データ付き学習は、学習結果として、電流値Ｉｄｑの電流高調波が電流高調波指令Ｉｔｈｄｒｅｆ以下となる電力変換部１２のスイッチングパターンＳＰｕｖｗ（ｋ）を決定するための学習モデルが得られる。
ここで、教師データ付き学習は、上述したように重みづけ値を調整しながら、ラベルと出力データとの誤差がなくなるようにするものである。

学習部１６４が学習に用いるニューラルネットワークは三層であってもよいが、これ以上にさらに層の数を増すようにしてもよい。いわゆるディープラーニング（深層学習とも呼ばれる。）により学習を行うようにしてもよい。
学習部１６４が構築した学習モデルは、ＳＰ生成関数記憶部１６５に出力される。

ＳＰ生成関数記憶部１６５に保存したスイッチングパターン生成関数は、電動機制御時にスイッチングパターン決定部４１４に出力され、スイッチングパターン生成関数と入力データに基づいて電力変換部１２のスイッチングパターンＳＰｕｖｗ（ｋ）が決定される。

次に、本実施の形態に関わる機械学習器１６のハードウエア構成の一例を図１１に基づいて説明する。
以上で説明した機械学習処理を実現するための機械学習器１６は、図１１で示すハードウエア構成により実現される。機械学習器１６は、プロセッサ３０、およびプロセッサ３０の記憶装置３１を備える。
なお、図１１において、学習結果データはＬＲｄａｔ、教師データはＴｄａｔ、学習プログラムはＬｐｒｇと記載している。

記憶装置３１は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の揮発性記憶装置３１１と、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、およびＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の不揮発性の補助記憶装置３１２を備えている。
不揮発性の補助記憶装置３１２として、ＨＤＤの代わりにフラッシュメモリ等を使用してもよい。
なお、図１１において、揮発性記憶装置３１１をＲＡＭと、補助記憶装置３１２をＨＤＤと記載している。

プロセッサ３０は、記憶装置３１から入力された各種の学習プログラムを実行する。
記憶装置３１は揮発性記憶装置３１１と補助記憶装置３１２を備えるため、プロセッサ３０には補助記憶装置３１２から揮発性記憶装置３１１を介して各種の学習プログラムが入力される。
プロセッサ３０は、学習プログラムの学習結果等のデータを記憶装置３１の揮発性記憶装置３１１に出力してもよいし、揮発性記憶装置３１１を介して補助記憶装置３１２にこれらのデータを保存してもよい。

学習プログラムは、教師データ付き学習の処理を機械学習器１６のプロセッサ３０に実行させ、機械学習の結果として学習結果データを生成させるための命令を含むプログラムである。
教師データは、電流値Ｉｄｑの電流高調波が電流高調波指令Ｉｔｈｄｒｅｆ以下となるための電力変換部１２のスイッチングパターンＳＰｕｖｗ（ｋ）を獲得するように機械学習器１６で機械学習を行うためのデータである。

機械学習器１６は、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）およびサーバ装置等により実現できる。
ただし、機械学習器１６については機械学習に伴う演算量が多いため、例えば、ＰＣにＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔｓ）を搭載し、ＧＰＧＰＵ（Ｇｅｎｅｒａｌ−Ｐｕｒｐｏｓｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔｓ）と呼ばれる技術により、ＧＰＵを機械学習に伴う演算処理に利用して、高速に処理できるようにしてもよい。

なお、機械学習器１６の具体的なハードウエア構成に関して、実施の形態に応じて、適宜、構成要素の省略、置換および追加が可能である。
例えば、機械学習器１６は複数のプロセッサを含んでもよい。また、プロセッサ３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等で構成されてもよい。

次に、機械学習が行われた後に、学習済みの学習モデルを用いて行われる電動機制御について、図９に基づいて説明する。
ステップ１（Ｓ０１）において、「機械学習を実行するか」の判定がＮｏの場合の電動機制御処理について説明する。

ステップ１１（Ｓ１１）では、スイッチングパターン決定部４１４は、機械学習器１６のＳＰ生成関数記憶部１６５から学習部１６４で教師データ付き学習により得られる学習モデルであるスイッチングパターン生成関数を取得する。

ステップ１２（Ｓ１２）では、スイッチングパターン決定部４１４は、電流指令値Ｉｄｑｒｅｆ（ｋ）、ｄｑ座標電流Ｉｄｑ（ｋ）、電力変換部１２の前回のスイッチングパターンＳＰｕｖｗ（ｋ−１）を入力データとして取得する。

ステップ１３（Ｓ１３）では、スイッチングパターン決定部４１４は、入力データとスイッチングパターン生成関数に基づいて、スイッチングパターンＳＰｕｖｗ（ｋ）を生成する。そして、生成したスイッチングパターンＳＰｕｖｗ（ｋ）は、電力変換部１２に出力される。

ステップ１４（Ｓ１４）では、電力変換部１２は、スイッチングパターン決定部４１４から出力されたスイッチングパターンＳＰｕｖｗ（ｋ）に基づいて、回転電機３に交流電力を供給する。回転電機３は、電流指令値Ｉｄｑｒｅｆ（ｋ）に対し、ｄｑ座標上の電流値Ｉｄｑ（ｋ）を追従させつつ、電流値Ｉｄｑ（ｋ）の電流高調波が電流高調波指令値Ｉｔｈｄｒｅｆ以下となるように駆動される。

実施の形態４の電力変換装置は、あらかじめ用意した電流値の電流高調波が電流高調波指令以下となるスイッチングパターンを出力するデータ組を機械学習器を用いて学習し、その学習結果であるスイッチングパターン生成関数を用いてスイッチングパターンを出力するものである。

モデル予測を用いて全探索し、最も電流高調波が指令値に近いスイッチングパターン算出する手法は、電力変換装置への実装は困難である。しかし、本実施の形態４の電力変換装置は、機械学習を用いることで高演算負荷のかかる制御手法の実装を可能にしている。そして、電流値は電流指令値に追従し、電流高調波は制限値である電流高調波指令値以下にするように回転電機を制御できる。

なお、教師データ付き学習による学習モデルの作成は、説明したように事前に用意した教師データを使用してもよいし、電動機制御を行いながら、教師データを測定し、教師データ付き学習を行うようにしてもよい。

また、電流値の電流高調波が電流高調波指令値以下となる特徴に加えて、電力変換部のスイッチング損失、回転電機の駆動音、回転電機の機械振動、および電流指令値への電流値の追従時間のうち少なくとも何れかをパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式で制御するよりも減少させる特徴を持つ教師データを用意し、教師データ付き学習を行うようにしてもよい。

実施の形態４の電力変換装置は、スイッチングパターン決定部で決定するスイッチングパターンを機械学習を用いて生成するものである。
したがって、本実施の形態４の電力変換装置は、電流値は電流指令値に追従し、電流高調波は制限値である電流高調波指令値以下にするように回転電機を制御できる。さらに、高演算負荷のかかる制御手法の実装を可能にすることができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

本願は、電流値は指令値に追従し、電流高調波は制限値以下とするように回転電機を制御できるため、電力変換装置に広く適用できる。

１，２００，３００，４００ 電力変換装置、２ 直流電源、３ 回転電機、１２ 電力変換部、１３ 電流検出部、１４，２１４，３１４，４１４ スイッチングパターン決定部、１５ ｕｖｗ／ｄｑ変換器、１６ 機械学習器、２０，３０ プロセッサ、２１，３１ 記憶装置、１６１ 教師データ格納部、１６２ 入力データ取得部、１６３ ラベル取得部、１６４ 学習部、１６５ スイッチングパターン生成関数記憶部、３１１ 揮発性記憶装置、３１２ 補助記憶装置。

Claims (12)

1. 直流電力を複数のスイッチング素子のスイッチング動作により交流電力に変換して回転電機に供給する電力変換装置において、
   前記回転電機に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部で検出した電流値と、前記電流値から予測した電流予測値と、前記電流値の指令値である電流指令値と、前記電流値の電流高調波の指令値である電流高調波指令値とに基づいて、前記複数のスイッチング素子のオンオフ切り替えのタイミングを表すスイッチングパターンを決定するスイッチングパターン決定部と、
   前記スイッチングパターンに応じて前記複数のスイッチング素子をスイッチング動作させて前記回転電機に前記交流電力を出力する電力変換部と、を備え、
   前記スイッチングパターン決定部は、前記電流値は前記電流指令値に追従し、前記電流値の高調波成分の実効値は前記電流高調波指令値以下とするように前記スイッチングパターンを決定する電力変換装置。
2. 前記スイッチングパターン決定部は、前記電流予測値は前記電流指令値に追従し、前記電流予測値の高調波成分の実効値は前記電流高調波指令値以下とするように前記スイッチングパターンを決定する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電流高調波指令値は、前記電流指令値に対する前記電流予測値の誤差の二乗和平方根を用いて演算される電流高調波実効値の指令値である請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電流高調波指令値は、前記電流予測値の各周波数成分を算出し、基本波以外の周波数成分の二乗和平方根を用いて演算される電流高調波実効値の指令値である請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記電流高調波指令値は、前記回転電機の回転磁界の角度である電気角１周期で演算を行った電流高調波実効値の指令値である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記電流指令値は、電流指令値とその傾きから生成された、制御開始時点から電流高調波実効値の演算周期までの軌跡で表される請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記スイッチングパターン決定部は、制御周期毎に前記スイッチング素子のオンオフ状態を決定する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記スイッチングパターン決定部は、前記スイッチング素子のオンオフ状態を複数決定し、前記複数のオンオフ状態の出力順序と切り替えるタイミングを決定する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記スイッチングパターン決定部は、前記電流値が前記電流高調波指令値以下となるスイッチングパターンの中から前記スイッチング素子のスイッチング回数が最小であるスイッチングパターンを選択する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
10. 直流電力を複数のスイッチング素子のスイッチング動作により交流電力に変換して回転電機に供給する電力変換装置において、
    前記回転電機に流れる電流を検出する電流検出部と、
    前記電流検出部で検出した電流値と、前記電流値の指令値である電流指令値と、前記電流値の電流高調波の指令値である電流高調波指令値とに基づいて、前記複数のスイッチング素子のオンオフ切り替えのタイミングを表すスイッチングパターンを決定するスイッチングパターン決定部と、
    前記スイッチングパターンに応じて前記複数のスイッチング素子をスイッチング動作させて前記回転電機に前記交流電力を出力する電力変換部と、を備え、
    前記スイッチングパターン決定部は、前記電流値は前記電流指令値に追従し、前記電流値の高調波成分の実効値は前記電流高調波指令値以下とするように前記スイッチングパターンを決定し、
    前記スイッチングパターン決定部は、前記電流値と、前記電流指令値と、前記電流高調波指令値とに基づいて、前記スイッチングパターンを決定するスイッチングパターン生成関数を出力する機械学習を行った機械学習器によって出力された前記スイッチングパターン生成関数と、前記電流値と、前記電流指令値とに基づいて、前記スイッチングパターンを決定する電力変換装置。
11. 前記スイッチングパターン決定部は、前記機械学習器から、前記電力変換部のスイッチング損失、前記回転電機の駆動音、前記回転電機の機械振動、および前記電流指令値への前記電流値の追従時間のうち少なくとも何れか１つをパルス幅変調方式で制御するよりも減少させる前記スイッチングパターン生成関数を取得する請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記機械学習器を備える請求項１０または請求項１１に記載の電力変換装置。

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