JPH10257797A - 電力変換器のフィードバック制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力変換器に電力を供給する電源に電圧の上
下変動が生じる場合においても負荷に対して安定的に電
力を供給する。 【解決手段】 直流電源１２の供給する電力を３相交流
に変換して電気自動車の推進用モータ１０に供給するイ
ンバータ１４が出力する各相の電流の電流値に基づいて
該インバータ１４に対して電流制御を行う制御装置１６
において、電源電圧検出器２２により検出される直流電
源１２の電圧値に基づいて、ループゲインが所定範囲に
収まるよう前記インバータ１４に対する動作指示に補正
を加える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電力変換器のフィー
ドバック制御システムに関し、特に、電力変換器へ電力
を供給する電源の電圧値が変動する場合の当該電力変換
器のフィードバック制御技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種のモータ駆動システムにインバータ
などの電力変換器が広く利用されている。そして、これ
ら電力変換器の制御技術として、たとえば、特開昭６４
−２６３８７号公報には、３相交流誘導電動機の各相に
供給される電流値をフィードバックさせ、それらの値を
３相２相変換して得られる励磁電流やトルク電流とそれ
ぞれの指令値との偏差が零となるようインバータを制御
する目的で、モータ駆動システムにフィードバックルー
プを設ける技術が開示されている。

【０００３】このフィードバック制御の際には、主に低
速域において、電力変換器のデッドタイムや内蔵される
半導体スイッチング素子の特性などの影響によって、モ
ータへの供給電流に波形ひずみが生じ、その結果、モー
タにトルクリプルが生じるという問題がある。また、モ
ータに生じる逆起電力の高調波成分や電力変換器への動
作指令の誤差も制御システムの外乱として作用するた
め、同様に、モータへの供給電流に波形ひずみを生じさ
せる要因となる。

【０００４】このため、従来のモータ駆動システムで
は、こうしたモータへの供給電流の波形ひずみを抑える
ために、制御システムの安定度が確保できる範囲内にお
いてゲイン定数をできるだけ大きく設定するという対策
が講じられていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、一旦このよう
にしてゲイン定数を設定した後にインバータへ電力を供
給している電源の電圧が下降すると、設定した値では不
足するため、再び供給電流に波形ひずみが生じ、その結
果、モータにトルクリプルが生じ始める。

【０００６】一方、一旦ゲイン定数を設定した後にイン
バータの電源の電圧が上昇すると、設定した値では過大
となって、電流波形にリプルが生じる。この結果、磁気
騒音が増大するとともに、制御が不安定になる。また、
最悪の場合には、インバータに過電流が流入してインバ
ータが破壊されるおそれもある。

【０００７】こうした問題は、電力変換器の電源として
家庭用電源などの供給電圧が一定である電源を用いるこ
とのできない場合、たとえば電気自動車のように、回生
制動やエンジンによる充電によって電圧が上下変動する
電源を用いざるを得ない場合には特に重大である。

【０００８】本発明は上記課題に鑑みてなされたもので
あって、その目的は、電力変換器に電力を供給する電源
に電圧の上下変動が生じる場合に、負荷に対して安定的
に電力を供給することのできる電力変換器のフィードバ
ック制御システムを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、電源の供給する電力を所定形式に変換し
て負荷に供給する電力変換器が出力する電流の電流値を
検出する電流検出手段と、該電流検出手段により検出さ
れる電流値をフィードバックして前記電力変換器が出力
する電流を制御するフィードバック制御手段と、を含む
電力変換器のフィードバック制御システムにおいて、前
記電源の電圧値を検出する電源電圧検出手段と、該電源
電圧検出手段により検出される前記電源の電圧値に基づ
いて電流ループゲインが所定範囲に収まるよう前記電力
変換器に対する操作量を修正する電圧補償手段と、を含
むことを特徴とする。

【００１０】本発明によれば、前記電圧補償手段は、た
とえば、ＤＣチョッパにおけるオン／オフ比やインバー
タにおける変調率などの電力変換器に対する操作量に補
正を加えることにより、或いは、前記フィードバック制
御手段におけるゲイン定数に補正を加えることにより、
直接ないし間接に前記電力変換器に対する操作量を修正
し、前記電源の電圧値が上下変動する場合にもループゲ
インを所定範囲に収めることができる。こうすれば、負
荷に対して安定的に電力供給を行うことができ、この結
果、電力変換器の過電流破壊や磁気騒音増大などを抑制
することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を電気自動車の推進
用モータの駆動システムに適用する実施の形態について
図面に基づいて詳細に説明する。

【００１２】図１は、本電気自動車のモータ駆動システ
ムの機能ブロックを示す図である。同図に示すように、
本モータ駆動システムは、電気自動車の推進用モータ１
０と、該推進用モータ１０に駆動源となる直流電源１２
と、該直流電源１２の電力を３相交流に変換して推進用
モータ１０に供給するインバータ１４と、該インバータ
１４の動作制御を行うフィードバック制御装置１６と、
を含んで構成されている。そして、前記推進用モータ１
０には、その磁極位置θを検出する磁極位置センサ１８
が取り付けられている。また、前記インバータ１４の出
力側には推進用モータ１０に供給される３相交流の各相
の電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwを検出する電流検出器２０が取
り付けられ、前記直流電源１２には該直流電源の電圧値
Ｖbを検出する電源電圧検出器２２が取り付けられてい
る。また、同図中符号Ｃは平滑コンデンサを表す。

【００１３】なお、前記推進用モータ１０は永久磁石励
磁型同期モータを想定するが、本発明は誘導モータその
他各種のモータにも同様に適用することのできるもので
ある。また、直流電源１２は、鉛電池、ニッケル水素電
池その他の蓄電池であって、本電気自動車の回生制動時
に回収される電力や図示しない発電機の発生する電力に
より適宜充電されるものである。したがって、車両の制
動時などに充電状態が変化し、それに伴い端子電圧が上
下変動するものである。

【００１４】一方、本電気自動車では図示しない車両の
電子制御ユニットが、アクセル開度、ブレーキ踏力、推
進用モータ１０の回転数、などに基づいて、推進用モー
タ１０の界磁電流を指定する界磁電流指令値Ｉd*とトル
ク電流を指定するトルク電流指令値Ｉq*とを算出する。
そして、それら界磁電流指令値Ｉd*とトルク電流指令値
Ｉq*とが前記フィードバック制御装置１６に入力されて
いる。さらに、フィードバック制御装置１６には前記電
流検出器２０により検出された出力電流値Ｉu，Ｉv，Ｉ
wがそれぞれ入力され、磁気位置センサにより検出され
た磁気位置θが入力される。また、前記電源電圧検出器
２２により検出された直流電源１２の電圧値Ｖbが入力
される。

【００１５】３相の出力電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwはフィー
ドバック制御装置１６に入力され、該フィードバック制
御装置１６に設けられた３相２相変換部２８によりベク
トル変換されて界磁電流Ｉd及びトルク電流Ｉqに換算さ
れる。そして、界磁電流Ｉdは負極性で加算部２４に入
力され、同様に、トルク電流Ｉqは負極性で加算部２６
に入力される。また、加算部２４には上述のように図示
しない電子制御ユニットから界磁電流指令値Ｉd*が入力
されており、該界磁電流指令値Ｉd*から界磁電流Ｉdを
減じた値、すなわち励磁電流制御偏差ΔＩdがインバー
タ制御部３０に入力されるようになっている。同様に、
加算部２６には図示しない電子制御ユニットからトルク
電流指令値Ｉq*が入力されており、該トルク電流指令値
Ｉq*からトルク電流Ｉqを減じた値、すなわちトルク電
流制御偏差ΔＩqがインバータ制御部３０に入力される
ようになっている。そして、インバータ制御部３０は、
これら界磁電流制御偏差ΔＩdとトルク電流制御偏差Δ
Ｉqとが零になるようインバータ１４に対して動作制御
を行う。

【００１６】図２は、本電気自動車のインバータ制御部
３０の動作を説明するフロー図である。同図に示すよう
に、まず、インバータ制御部３０は加算部２４，２６か
ら入力される界磁電流制御偏差ΔＩdとトルク電流制御
偏差ΔＩqとを次式（１）（２）に代入することによ
り、対応する電圧指令Ｖd*及びＶq*を算出する（Ｓ１０
１）。ここで、係数Ｋp，Ｋiは、ＰＩ（比例積分）制御
における比例ゲイン及び積分ゲインを表す。

【００１７】

【数１】 なお、ここでは電圧指令値の導出にＰＩ演算を用いる
が、その他当業者に公知の各種の方法を同様に用いるこ
とができる。そして、インバータ制御部３０は、ベクト
ル変換によりそれらの電圧指令値Ｖd*，Ｖq*を３相電圧
指令値Ｖu，Ｖv，Ｖwに変換する（Ｓ１０２）。

【００１８】次に、予め定める直流電源１２の基準電圧
値Ｖb0と、前記電源電圧検出器２２からインバータ制御
部３０にリアルタイムに入力される直流電源１２の電圧
値Ｖbと、を次式（３）に代入することにより、補償係
数Ｋvを算出する（Ｓ１０３）。

【００１９】

【数２】Ｋv＝Ｖb0／Ｖb （３） その後、インバータ制御部３０は、Ｓ１０２で算出され
たそれぞれの３相電圧指令値Ｖu，Ｖv，ＶwにＳ１０３
で算出された補償係数Ｋvを乗算してなる補正済み３相
電圧指令値Ｖu'，Ｖv'，Ｖw'を算出する（Ｓ１０４）。
さらに、インバータ制御部３０は、それらの補正済み３
相電圧指令値Ｖu'，Ｖv'，Ｖw'を、インバータ１４の内
部に設けられた半導体スイッチング素子に対するＰＷＭ
制御信号に変換し、該信号をインバータ１４に供給する
（Ｓ１０５）。

【００２０】このようにしてインバータ１４の制御を行
えば、直流電源１２の電圧が上下変動した場合にも、そ
の変動に応じて３相電圧指令値Ｖu，Ｖv，Ｖwを補正す
ることができ、その結果、ＰＷＭ制御信号を補正してル
ープゲインを一定範囲に維持することができる。たとえ
ば、予め定める直流電源１２の基準電圧値Ｖb0が２４０
Ｖである場合に、電源電圧検出器２２により直流電源１
２の電圧が３００Ｖである旨が検出されれば、Ｓ１０２
で算出された元々の３相電圧指令値Ｖu，Ｖv，Ｖwに
０．８（＝２４０／３００）が乗じられたものがＰＷＭ
制御に用いられる。この結果、直流電源１２が通常通り
基準電圧値Ｖb0を有する場合に比して、変調率の変動幅
が小さな値に絞られたものとなるＰＷＭ制御信号、すな
わちインバータ１４の内部に設けられる半導体スイッチ
ング素子の解放する大きさの変動が小さいＰＷＭ制御信
号が、インバータ１４に供給されることになる。こうし
て、直流電源１２が基準電圧Ｖbを越える電圧値Ｖbを示
す場合に、それに応じてインバータ１４が推進用モータ
１０に供給する電流を制限することができ、ループゲイ
ンを一定範囲に維持することができる。

【００２１】ここで、図３（ａ）は本モータ駆動システ
ムにおいて前記直流電源１２が基準電圧Ｖb0よりも高い
電圧値Ｖbを示す場合に、前記インバータ制御部３０が
その電圧変動に対する補償を行うときの前記電流検出器
２０により検出される電流波形を示す図である。一方、
図３（ｂ）は本モータ駆動システムにおいて前記直流電
源１２が基準電圧Ｖb0よりも高い電圧値Ｖbを示す場
合、前記インバータ制御部３０がその電圧変動に対する
補償を行わないときの前記電流検出器２０により検出さ
れる電流波形を比較して示す図である。これは、図２に
既に示した前記インバータ制御部３０の処理のフロー図
中、Ｓ１０３において補償係数Ｋvを強制的に常に１に
設定した場合に相当する。これらの図によれば、図３
（ａ）に示される電流波形が比較的なだらかな形状を有
するのに対して、図３（ｂ）に示される電流波形にはリ
プル（同図中矢印Ａ参照）が生じていて、電流値が最大
で２５％以上増大していることが判る。このように、本
モータ駆動システムにより直流電源１２の電圧変動に対
する補償処理を行えば、出力波形にリプルが生じること
を抑制することができ、磁気ノイズの増大やインバータ
１４の過電流破壊を防止することができるとともに制御
の安定化を図ることができる。

【００２２】なお、以上説明した本電気自動車のモータ
駆動システムは種々の変形実施が可能である。たとえ
ば、上記実施の形態にかかる電気自動車においては電力
変換器としてインバータ１４を採用したが、その他、Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣチョ
ッパ、など各種の電力変換装置に対しても同様に本発明
を適用することができる。

【００２３】また、上記説明では３相電圧指令値Ｖu，
Ｖv，Ｖwを補正することにより直流電源１２の電圧変動
の補償を行ったが、その他、１）比例ゲインＫp及び積
分ゲインＫiを補正する、２）ＰＷＭ制御における変調
率を変更補正する、などによっても同様にループゲイン
を所定範囲に収めるようにすることができる。

【００２４】図４は、本電気自動車のインバータ制御部
３０の処理の変形例を説明するフロー図であり、比例ゲ
インＫp及び積分ゲインＫiを直接補正する例を説明する
ものである。同図によれば、まず、前記インバータ制御
部３０は補償係数Ｋvを上記式（３）に基づいて算出す
る（Ｓ２０１）。そして、直流電源１２が基準電圧Ｖb0
である状態で予め設定されたＰＩ制御の比例ゲインＫp
及び積分ゲインＫiに、それぞれＳ２０１で算出した補
償係数Ｋvを乗算して補正済み比例ゲインＫp'及び補正
済み積分ゲインＫi'を算出する（Ｓ２０２）。

【００２５】そうして、それら補正済み比例ゲインＫp'
及び補正済み積分ゲインＫi'を用いてＰＩ演算により対
応する電圧値Ｖd及びＶqを算出する（Ｓ２０３）。さら
に、それらの電圧値Ｖd及びＶqを２相３相変換して推進
用モータ１０に供給すべき３相電圧指令値Ｖu，Ｖv，Ｖ
wを算出する（Ｓ２０４）。そして、インバータ制御部
３０は、それらの補正済み３相電圧指令値Ｖu'，Ｖv'，
Ｖw'を、インバータ１４の内部に設けられた半導体スイ
ッチング素子に対するＰＷＭ制御信号に変換し、該信号
をインバータ１４に供給する（Ｓ２０５）。こうして
も、直流電源１２の電圧変動に対する補償処理を行っ
て、出力波形にリプルが生じることを抑制することがで
き、磁気騒音の増大やインバータ１４の過電流破壊を防
止することができるとともに制御の安定化を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施の形態にかかるモータ駆動システムの
機能ブロックを示す図である。

【図２】 本実施の形態にかかるモータ駆動システムの
インバータ制御部の動作を説明するフロー図である。

【図３】 図３（ａ）は、本実施の形態にかかるモータ
駆動システムにより直流電源の電圧変動に対する補償処
理を行った場合のインバータの出力電流波形を示す図で
ある。図３（ｂ）は、直流電源の電圧変動に対する補償
処理を行わない場合のインバータの出力電流波形を示す
図である。

【図４】 本実施の形態にかかるモータ駆動システムの
インバータ制御部の処理の変形例を説明するフロー図で
ある。

【符号の説明】

１０ 推進用モータ、１２ 直流電源、１４ インバー
タ、１６ 制御装置、１８ 磁極位置センサ、２０ 電
流検出器、２２ 電源電圧検出器、３０ インバータ制
御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源の供給する電力を所定形式に変換し
   て負荷に供給する電力変換器が出力する電流の電流値を
   検出する電流検出手段と、 該電流検出手段により検出される電流値をフィードバッ
   クして前記電力変換器が出力する電流を制御するフィー
   ドバック制御手段と、 を含む電力変換器のフィードバック制御システムにおい
   て、 前記電源の電圧値を検出する電源電圧検出手段と、 該電源電圧検出手段により検出される前記電源の電圧値
   に基づいて電流ループゲインが所定範囲に収まるよう前
   記電力変換器に対する操作量を修正する電圧補償手段
   と、 を含むことを特徴とする電力変換器のフィードバック制
   御システム。