JPWO2009072359A1 - 交流電動機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
2 インバータ
3,4,5 電流検出器
6 電動機
7 レゾルバ
8 電圧検出器
10 電流指令生成部
11 d軸基本電流指令生成部
14 加算器
15 q軸電流指令生成部
20 d軸電流制御部
21 q軸非干渉演算部
22 d軸非干渉演算部
23 q軸電流制御部
30 変調率演算部
40 制御位相角演算部
50 電圧指令/PWM信号生成部
53 掛算器
54 調整ゲインテーブル
55 電圧指令演算部
57 非同期キャリア信号生成部
58 同期3パルスキャリア生成部
59 スイッチ
60 パルスモード切替処理部
61〜63 比較器
64〜66 反転回路
67〜69 加算器
70 インバータ角周波数演算部
90 三相−dq軸座標変換部
95 基準位相角演算部
100A〜100D 電動機電流不平衡補償部
101U〜101W ローパスフィルタ(LPF)
102U〜102W ゲイン
103U〜103W 比例積分要素
104 減算器
105 加算器
106U〜106W 減算器
200 交流電動機の制御装置
図1は、本発明の実施の形態1における交流電動機の制御装置の構成例を示す図である。図1に示すように、主回路は直流電源となるコンデンサ1、コンデンサ1の直流電圧から任意の周波数の交流電圧に変換するインバータ2、永久磁石同期電動機(以下、単に電動機と記す)6を備えて構成されている。回路上にはコンデンサ1の電圧を検出する電圧検出器8、インバータ2の出力線の電流である電動機電流iu,iv,iwを検出する電流検出器3,4,5が配置され、前記電動機6には、ロータ機械角θmを検出する位置検出器であるレゾルバ7が配置されており、それぞれの検出信号は以下に説明する各部に入力されている。
θe=θm・PP・・・(1)
ここで、PPは電動機6の極対数である。
ω=d(θe)/dt・・・(3)
また、インバータ出力角周波数ωを2πで割ってインバータ出力周波数FINVを演算する。
ここで、K1、K3は比例ゲイン、K2、K4は積分ゲインである。
pqe=(K1+K2/s)・(iq*−iq)・・・・・(4)
pde=(K3+K4/s)・(id*−id)・・・・・(5)
なお、(4)、(5)式は、理由を先に述べたように、特に同期パルスモード時や1パルスモードでの運転の場合等において、演算を停止して、出力であるpde、pqeを停止直前の値に固定するか、徐々にゼロとするなどして制御に使用しないようにしても良い。
vdFF=(R1+s・Ld)・id*−ω・Lq・iq*・・・(6)
vqFF=(R1+s・Lq)・iq*+ω・(Ld・id*+φa)・・・(7)
ここで、R1は電動機6の一次巻線抵抗(Ω)、Ldはd軸インダクタンス(H)、Lqはq軸インダクタンス(H)、φaは永久磁石磁束(Wb)、sは微分演算子である。
PMF=VM*/VMmax・・・(8)
ただし、
VMmax=(√6/π)・EFC・・・(9)
VM*=sqrt(vd*2+vq*2)・・・(10)
また、(2)式〜(10)式から分かる通り、電流指令生成部10により生成されるd軸電流指令id*、q軸電流指令iq*により、変調率PMFが変化することが分かる。
θ=θe+π+THV・・・(11)
ここで、
THV=tan−1(vd*/vq*)・・・(12)
Vu**=PMFM・sinθ・・・(13)
Vv**=PMFM・sin(θ−(2・π/3))・・・(14)
Vw**=PMFM・sin(θ−(4・π/3))・・・(15)
図5は本発明の実施の形態2における電動機電流不平衡補償部100Bの構成例を示す図である。実施の形態2は実施の形態1に基づくものであり、実施の形態1と同じ構成の部分はその説明を省略し、実施の形態1と異なる部分のみを以下に説明する。図5に示すとおり、実施の形態1と比較して、電動機電流不平衡補償部100Bには、電流検出器3,4,5から検出された三相電流iu、iv、iwのうち、二相の電流iu、ivを入力し、それぞれLPF101U、101Vにより不要周波数成分を除去し、ゲイン102U、102Vにより極性を反転させてから、比例積分要素103U、103Vに入力する。それぞれの比例積分要素103U、103Vの出力を、それぞれ当該相の電動機電流不平衡補償量であるvudc、vvdcとして出力する。残りのW相の電動機電流不平衡補償量vwdcは、減算器104を使用してvwdc=−vudc−vvdcとして算出し出力する。
以下に本発明の実施の形態3の構成について説明する。実施の形態3は実施の形態1に基づくものであり、実施の形態1と同じ構成の部分はその説明を省略し、実施の形態1と異なる部分のみを以下に説明する。図6は本発明の実施の形態3における電動機電流不平衡補償部100Cの構成例を示す図である。図6に示すとおり、実施の形態1と比較して、電動機電流不平衡補償部100Cには、電流検出器3,4,5から検出された三相電流iu、iv、iwのうち、二相の電流iu、ivを入力し、それぞれLPF101U、101Vにより不要周波数成分を除去し、ゲイン102U、102Vにより極性を反転させてから、比例積分要素103U、103Vに入力する。それぞれの比例積分要素103U、103Vの出力を、それぞれ当該相の電動機電流不平衡補償量であるvudc、vvdcとして出力する。残りのW相の電動機電流不平衡補償量vwdcは、ゼロに固定して出力する。
以下に本発明の実施の形態4の構成について説明する。実施の形態4は実施の形態1に基づくものであり、実施の形態1と同じ構成の部分はその説明を省略し、実施の形態1と異なる部分のみを以下に説明する。図7は本発明の実施の形態4における電動機電流不平衡補償部100Dの構成例を示す図である。図7に示すとおり、電動機電流不平衡補償部100Dには電流検出器3,4,5から検出された三相電流iu、iv、iwを入力する。三相電流iu、iv、iwをそれぞれLPF101U〜101Wにより不要周波数成分を除去し、ゲイン102U〜102Wにより極性を反転させてから、比例積分要素103U〜103Wに入力する。比例積分要素103U〜103Wの出力の和を加算器105を通して得て、これをゲイン102によりゲイン倍した値をゼロ相分補正値zhとし、比例積分要素103U〜103Wの出力からそれぞれゼロ相分補正値zhを減算器106U〜106Wによって差し引いた値を三相の電動機電流不平衡補償量であるvudc、vvdc、vwdcとする。なお、ゲイン102の値は1/3とするのが好ましい。
電動機電流不平衡補償部100A〜100Dからの電動機電流不平衡補償量vudc、vvdc、vwdcと、d軸電流制御部20とq軸電流制御部23とからなる電流制御器の出力pde、pqeが干渉して電動機6の電流振動を生じる虞があるため、電動機電流不平衡補償部100A〜100Dの入力から電動機電流Iu,Iv,Iwまでの応答(電動機電流不平衡補償系の応答)とd軸電流制御部20、q軸電流制御部23の入力から電動機電流Iu,Iv,Iwまでの応答(電流制御系の応答)を一致しないように離しておくのが好ましい。一般には、電動機電流不平衡補償系の応答を電流制御系の応答よりも遅くしておくのが好ましい。さらに簡易に対応する場合は、d軸電流制御部20とq軸電流制御部23とからなる電流制御系の演算を停止して出力をゼロとするか、一定の固定値を出力するようにして電動機電流不平衡補償を実施するようにして良い。つまり、電動機電流不平衡補償量は、電流制御系の状態に関連して、補償の実施/非実施を含む作用の程度を調整するように構成することが好ましい。
LPF101U〜101Wのカットオフ周波数の設定は、電動機電流iu、iv、iwに含まれる成分のうち直流を含む低周波成分が抽出できればよく、数Hz以下に設定するのが好ましい。なお、LPF101U〜101Wのカットオフ周波数は、電動機電流不平衡補償を実施するインバータ出力周波数FINVと関連して決定するのがよい。つまり、電動機電流不平衡補償を実施するインバータ出力周波数FINVの帯域は、LPF101U〜101Wのカットオフ周波数よりも高く設定するのがよい。たとえば、LPF101U〜101Wのカットオフ周波数を2Hzに設定した場合、インバータ出力周波数FINVが10Hz以上の領域にて電動機電流不平衡補償を実施する等とするのが好ましい。このようにすれば、電動機電流不平衡補償量に含まれる電動機電流の基本波成分が過大となり、電動機電流不平衡補償量が過大となることを防止できる。
電動機電流不平衡補償の実施を開始または停止するタイミングを、インバータ出力周波数FINV、変調率PMFあるいはパルスモードと関連付けるのが好ましい。この理由を以下に述べる。同期パルスモード、1パルスモードの領域では、インバータ2の出力電圧半周期に含まれるパルス数が少なくなるため、上述のとおりd軸電流制御部20とq軸電流制御部23とからなる電流制御系の応答を低下させるか、電流制御系を停止する又は電動機への印加電圧位相のみを調整する制御へ切替えたりすることが必要となる。この場合、電流制御系による電動機電流の三相不平衡の抑制効果が低下あるいは無効となるため、同期パルスモード、1パルスモードの領域においてのみ本発明の電動機電流不平衡補償を実施する構成としてもよい。このため、電動機電流不平衡補償の実施を開始または停止するタイミングを、インバータ2のパルスモードに基づいて決定する構成としてもよい。なお、パルスモードの代わりにパルスモードの切替タイミングに関連のある量である変調率PMFあるいはインバータ出力周波数FINVあるいは、電気車の車速等に基づいて決定することでも同様の効果を得られる。
本発明の応用例では、上述のとおり、複数のパルスモードを電動機6の運転状態に応じて切り替えて電動機6を運転する。この場合、パルスモードに応じて、インバータ2の出力線間電圧を構成するパルス幅と位置が変化するため、パルスモードに応じて電動機電流の不平衡量は変化することになる。電動機電流不平衡補償部100A〜100Dは、電動機電流の不平衡が発生した後、電流検出器3,4,5により検出した電流を基に上記したLPF101、ゲイン102U〜102W、比例積分要素103U〜103Wを使用して、フィードバック的に電動機電流不平衡補償量vudc、vvdc、vwdcを生成し、電動機電流の不平衡量の抑制するように補償動作する。
Claims (16)
- 直流電源に接続され、交流電動機へ任意周波数、任意電圧の三相交流を出力するインバータと、
前記交流電動機の電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器からの信号に基づいて前記インバータの出力電圧指令を演算し、前記出力電圧指令に基づき前記インバータ内に具備されるスイッチング素子を制御するためのパルス幅変調信号を生成する電圧指令/PWM信号生成部と、を備えた交流電動機の制御装置において、
前記電流検出器により検出された電流に基づいて電動機電流不平衡補償量を生成する電動機電流不平衡補償部を有し、
前記電圧指令/PWM信号生成部は、前記インバータの運転状態に応じて、前記電動機電流不平衡補償量に基づいて前記パルス幅変調信号を直接的あるいは間接的に調整することを特徴とする交流電動機の制御装置。 - 前記インバータが三相インバータであって、
前記電動機電流不平衡補償部は前記交流電動機の三相の電流に基づいて当該相の前記電動機電流不平衡補償量をそれぞれ生成し、
前記電動機電流不平衡補償量に応じて、当該相の前記パルス幅変調信号を直接的あるいは間接的に調整することを特徴とする請求項1に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記インバータが三相インバータであって、
前記電動機電流不平衡補償部は前記交流電動機の電流のうち少なくとも任意の二つの相の電流に基づいて当該相の前記電動機電流不平衡補償量を生成し、
前記電動機電流不平衡補償量に応じて、当該相の前記パルス幅変調信号を直接的あるいは間接的に調整し、
前記二つの相の電動機電流不平衡補償量に基づいて、残り1相の電動機電流不平衡補償量を算出し、
当該残り1相の前記パルス幅変調信号を直接的あるいは間接的に調整する構成としたことを特徴とする請求項1に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記インバータが三相インバータであって、
前記電動機電流不平衡補償部は前記交流電動機の電流のうち少なくとも任意の二つの相の電流に基づいて当該相の前記電動機電流不平衡補償量を生成し、
前記電動機電流不平衡補償量に応じて、当該相の前記パルス幅変調信号を直接的あるいは間接的に調整し、
残り1相の電動機電流不平衡補償量をゼロとすることを特徴とする請求項1に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記インバータが三相インバータであって、
前記電動機電流不平衡補償部は前記交流電動機の三相の電流に基づいて当該相の前記電動機電流不平衡補償量の基本となる量を生成する構成であり、
三相の前記電動機電流不平衡補償量の基本となる量の和からなる量を、三相の前記電動機電流不平衡補償量の基本となる量からそれぞれ減算した量を、当該相の前記電動機電流不平衡補償量とし、
前記電動機電流不平衡補償量に応じて、当該相の前記パルス幅変調信号を直接的あるいは間接的に調整することを特徴とする請求項1に記載の交流電動機の制御装置。 - 前記電圧指令/PWM信号生成部は、前記電動機電流不平衡補償量に基づいて前記出力電圧指令を調整することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記電動機電流不平衡補償量に応じて前記パルス幅変調信号を直接的あるいは間接的に調整するかどうか又は調整の程度を前記インバータのパルスモードの状態、インバータ出力周波数、変調率の何れかに関連して決定する構成としたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記電動機電流不平衡補償量は前記インバータの前記パルスモードが同期パルスモードあるいは1パルスモードで運転されている場合に作用するように構成したことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記電流検出器からの電流検出値を前記インバータの出力する電圧の周波数に同期して回転するd軸とq軸とからなる直交二軸座標上のd軸電流とq軸電流とにそれぞれ分解し、前記d軸電流と前記q軸電流をそれぞれの指令値に一致させるよう、前記交流電動機への印加電圧の大きさを調整する電流制御系を有する場合、前記電動機電流不平衡補償量は、前記電流制御系の状態に関連して作用の程度を調整するように構成したことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記電動機電流不平衡補償部を含む電動機電流不平衡補償系の応答と、前記インバータの前記電流制御系の応答とが一致しないように設定されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記電動機電流不平衡補償部を含む電動機電流不平衡補償系の応答は前記インバータの前記電流制御系の応答よりも遅く設定されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記電動機電流不平衡補償量は、前記電流検出器からの電流検出値から直流を含む数Hz以下の低周波成分を抽出した値に基づいて演算した量であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記電流検出器からの電流検出値から直流を含む数Hz以下の低周波成分を抽出する手段としてローパスフィルタを有する場合、前記電動機電流不平衡補償量に応じて前記パルス幅変調信号を直接的あるいは間接的に調整を実施するインバータ出力周波数の帯域は、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも高く設定することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記交流電動機の電流に含まれる不平衡成分に対する補償量を予め求めたものを電動機電流不平衡予測補償量とし、前記電動機電流不平衡予測補償量を含んで前記電動機電流不平衡補償量を得る構成としたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記電動機電流不平衡予測補償量は、複数の前記パルスモードに応じて、それぞれ算出されたものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流電動機の制御装置。
- 前記スイッチング素子の動作を停止している場合は、前記電動機電流不平衡補償部の演算出力を停止することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の交流電動機の制御装置。
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