JPWO2020070814A1 - Power converter control device and feedback control device - Google Patents

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Abstract

フィードバック制御装置(20)は、指令信号(r)と制御対象(26)の出力(y)との偏差(e)を増幅し、制御対象(26)へ入力する操作量(u)を演算する制御部(24)を備える。制御部(24)は、指令信号(r)の周波数で共振する第1の増幅器(241)と、比例演算又は比例積分演算を行う第2の増幅器(243)とを備える。第1の増幅器(241)の伝達関数をK1(s)で表し、第2の増幅器(243)の伝達関数をK2(s)で表すとき、制御部(24)の伝達関数は、K2(s)(1−K1(s))で表される。また、第1の増幅器(241)は、周波数に対する位相応答が負であり、指令信号の周波数よりも高周波域でゲインが単調減少である。The feedback control device (20) amplifies the deviation (e) between the command signal (r) and the output (y) of the control target (26), and calculates the operation amount (u) to be input to the control target (26). A control unit (24) is provided. The control unit (24) includes a first amplifier (241) that resonates at the frequency of the command signal (r) and a second amplifier (243) that performs proportional calculation or proportional integration calculation. When the transfer function of the first amplifier (241) is represented by K1 (s) and the transfer function of the second amplifier (243) is represented by K2 (s), the transfer function of the control unit (24) is K2 (s). ) (1-K1 (s)). Further, the first amplifier (241) has a negative phase response to the frequency, and the gain is monotonically reduced in the high frequency region than the frequency of the command signal.

Description

本発明は、交流電源から出力される交流電力を直流電力に変換する電力変換器の制御装置及びフィードバック制御装置に関する。 The present invention relates to a control device and a feedback control device of a power converter that converts AC power output from an AC power source into DC power.

交流電源に接続され、交流電力と直流電力とを相互に変換する電力変換器として、パルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)コンバータがある。PWMコンバータの役割は、大きく分けて二つある。一つは直流電圧の制御であり、もう一つは交流電流の制御である。以下、PWMコンバータを単に「コンバータ」と呼ぶ。 There is a pulse width modulation (PWM) converter as a power converter connected to an AC power source and mutually converting AC power and DC power. The role of the PWM converter is roughly divided into two. One is the control of DC voltage, and the other is the control of AC current. Hereinafter, the PWM converter is simply referred to as a "converter".

コンバータが交流電流を制御する方式には、大きく分けて二つある。一つは、電源電圧の位相を基準とする回転座標変換によって、交流電流のフィードバック値を直流量の有効電流と無効電流に分離し、それらを直流量の指令値に追従させる方式である。もう一つは、正弦波状の電流指令値に対して、交流電流のフィードバック値を直接追従させる方式である。以下、前者を「DC−ACR(Direct Current−Automatic Current Regulator)」と呼び、後者を「AC−ACR(Alternate Current−Automatic Current Regulator)」と呼ぶ。一般的に、AC−ACR方式では、比例(Proportional)制御器(以下「P制御器」と呼ぶ)又は比例積分(Proportional Integral)制御器(以下「PI制御器」と呼ぶ)が用いられる。下記特許文献1には、AC−ACR方式の制御装置が開示されている。 There are roughly two methods in which a converter controls alternating current. One is a method in which the feedback value of the alternating current is separated into the active current and the reactive current of the DC amount by the rotational coordinate conversion based on the phase of the power supply voltage, and these are made to follow the command value of the DC amount. The other is a method in which the feedback value of the alternating current is directly followed by the sinusoidal current command value. Hereinafter, the former is referred to as "DC-ACR (Direct Current-Automatic Currant Regulator)", and the latter is referred to as "AC-ACR (Alternate Current-Automatic Currant Regulator)". Generally, in the AC-ACR method, a proportional controller (hereinafter referred to as "P controller") or a proportional integral controller (hereinafter referred to as "PI controller") is used. The following Patent Document 1 discloses an AC-ACR type control device.

特開平11−32486号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-32486

DC−ACR方式は、有効電流と無効電流を定常偏差なく制御できるという利点がある。しかしながら、DC−ACR方式では、電源が単相交流の場合には、回転する瞬時電流ベクトルを定義するために、元の交流電流に対して90°の位相差をもつ信号を準備する必要がある。この準備過程によって、信号の出力に遅れが生じる。このため、DC−ACR方式には、制御応答を高く設計できないという欠点がある。また、DC−ACR方式には、交流電流に重畳されるステップ状外乱を抑制できないという欠点もある。 The DC-ACR method has an advantage that the active current and the reactive current can be controlled without steady-state deviation. However, in the DC-ACR system, when the power supply is single-phase alternating current, it is necessary to prepare a signal having a phase difference of 90 ° with respect to the original alternating current in order to define a rotating instantaneous current vector. .. This preparatory process causes a delay in the output of the signal. Therefore, the DC-ACR method has a drawback that the control response cannot be designed to be high. Further, the DC-ACR method has a drawback that the step-like disturbance superimposed on the alternating current cannot be suppressed.

これに対し、AC−ACR方式は、制御応答を高く設計し易く、ステップ状外乱に対する抑制性能も高い。しかしながら、AC−ACR方式は、P制御器又はPI制御器を使用するため、正弦波指令値に対しては定常偏差が残るという課題がある。 On the other hand, the AC-ACR method has a high control response and is easy to design, and has high suppression performance against step-like disturbance. However, since the AC-ACR method uses a P controller or a PI controller, there is a problem that a steady deviation remains with respect to the sine wave command value.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、AC−ACR方式において、正弦波指令値に対する定常偏差を低減することができる電力変換器の制御装置及びフィードバック制御装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a power converter control device and a feedback control device capable of reducing a steady deviation with respect to a sine wave command value in the AC-ACR method. To do.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るフィードバック制御装置は、指令信号と制御対象の出力との偏差を増幅し、制御対象へ入力する操作量を演算する制御部を備える。制御部は、指令信号の周波数で共振する第1の増幅器と、比例演算又は比例積分演算を行う第2の増幅器とを備える。第1の増幅器の伝達関数をK1(s)で表し、第2の増幅器の伝達関数をK2(s)で表すとき、制御部の伝達関数は、K2(s)(1−K1(s))で表される。また、第1の増幅器は、指令信号の周波数に対する位相応答が負であり、指令信号の周波数よりも高周波域でゲインが単調減少である。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the feedback control device according to the present invention includes a control unit that amplifies the deviation between the command signal and the output of the control target and calculates the operation amount to be input to the control target. .. The control unit includes a first amplifier that resonates at the frequency of the command signal and a second amplifier that performs proportional calculation or proportional integration calculation. When the transfer function of the first amplifier is represented by K1 (s) and the transfer function of the second amplifier is represented by K2 (s), the transfer function of the control unit is K2 (s) (1-K1 (s)). It is represented by. Further, in the first amplifier, the phase response to the frequency of the command signal is negative, and the gain is monotonically reduced in the high frequency region than the frequency of the command signal.

本発明によれば、ステップ状外乱に対する抑制性能を維持しつつ、正弦波指令値に対する定常偏差を低減することができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to reduce the steady-state deviation with respect to the sine wave command value while maintaining the suppression performance against step-like disturbance.

実施の形態1に係る電力変換器の制御装置を含む駆動システムの構成図Configuration diagram of the drive system including the control device of the power converter according to the first embodiment. 図1に示される制御演算部の構成を示すブロック図A block diagram showing the configuration of the control calculation unit shown in FIG. 図2に示される電圧制御部の詳細構成を示すブロック図A block diagram showing a detailed configuration of the voltage control unit shown in FIG. 実施の形態1によるコンバータの力行時の動作を説明するベクトル図A vector diagram illustrating the operation of the converter during power running according to the first embodiment. 実施の形態1によるコンバータの回生時の動作を説明するベクトル図A vector diagram illustrating the operation of the converter during regeneration according to the first embodiment. 実施の形態1による電流制御部を含む電流制御系を表すブロック線図A block diagram showing a current control system including a current control unit according to the first embodiment. 実施の形態1のコンバータにおける運転状態が力率1ではないときの力行時の動作を説明するベクトル図A vector diagram illustrating an operation during power running when the operating state of the converter of the first embodiment is not a power factor of 1. 実施の形態1による電流制御部の詳細構成を示すブロック図A block diagram showing a detailed configuration of the current control unit according to the first embodiment. 二次遅れ系で構成した実施の形態1による第1の増幅器の周波数特性を表すボード線図Bode diagram showing the frequency characteristics of the first amplifier according to the first embodiment configured by the secondary lag system. 実施の形態1による電流制御部を用いたときの効果の説明に供するボード線図Bode diagram for explaining the effect when the current control unit according to the first embodiment is used. 比較例1による電流制御器の構成例を示すブロック図Block diagram showing a configuration example of the current controller according to Comparative Example 1. 比較例1によるバンドパスフィルタの周波数特性を表すボード線図Bode diagram showing the frequency characteristics of the bandpass filter according to Comparative Example 1. 比較例1による電流制御系の開ループ伝達関数の周波数特性を示すボード線図Bode diagram showing the frequency characteristics of the open-loop transfer function of the current control system according to Comparative Example 1. 比較例2による電流制御器の構成例を示すブロック図Block diagram showing a configuration example of the current controller according to Comparative Example 2. 比較例2によるハイパスフィルタの周波数特性を表すボード線図Bode diagram showing the frequency characteristics of the high-pass filter according to Comparative Example 2. 比較例2による電流制御系の開ループ伝達関数の周波数特性を示すボード線図Bode diagram showing the frequency characteristics of the open-loop transfer function of the current control system according to Comparative Example 2. 実施の形態1の制御演算部における演算機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図A block diagram showing an example of a hardware configuration that realizes a calculation function in the control calculation unit of the first embodiment. 実施の形態1の制御演算部における演算機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図A block diagram showing another example of a hardware configuration that realizes an arithmetic function in the control arithmetic unit of the first embodiment. 実施の形態1による電流制御部の第1の変形例を示す図The figure which shows the 1st modification of the current control part by Embodiment 1. 実施の形態1による電流制御部の第2の変形例を示す図The figure which shows the 2nd modification of the current control part by Embodiment 1. 実施の形態1による電流制御部の第3の変形例を示す図The figure which shows the 3rd modification of the current control part by Embodiment 1. 実施の形態4に係るフィードバック制御装置の構成を示すブロック図A block diagram showing a configuration of a feedback control device according to a fourth embodiment.

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換器の制御装置及びフィードバック制御装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。 The power converter control device and the feedback control device according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the following embodiments.

実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る電力変換器の制御装置(以下、単に「制御装置」と呼ぶ)10を含む駆動システム100の構成図である。コンバータ2は、交流電源1から出力される交流電力を直流電力に変換する電力変換器である。負荷3は、コンバータ2によって制御される制御対象である。コンバータ2から見て、交流電源1の側を「交流側」と呼び、負荷3の側を「直流側」と呼ぶ。制御装置10が後述するフィードバック制御装置を構成するとき、交流側における要部の出力が制御装置10側にフィードバックされる。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a configuration diagram of a drive system 100 including a control device (hereinafter, simply referred to as “control device”) 10 of the power converter according to the first embodiment. The converter 2 is a power converter that converts AC power output from AC power supply 1 into DC power. The load 3 is a controlled object controlled by the converter 2. Seen from the converter 2, the side of the AC power supply 1 is called the "AC side", and the side of the load 3 is called the "DC side". When the control device 10 configures the feedback control device described later, the output of the main part on the AC side is fed back to the control device 10.

コンバータ2によって変換された直流電力は、負荷3に供給される。負荷3は、コンバータ2から出力される直流電力を交流電力に変換する図示しないインバータと、インバータの交流電力によって駆動されるアクチュエータとを含む概念である。アクチュエータの一例は、モータである。 The DC power converted by the converter 2 is supplied to the load 3. The load 3 is a concept including an inverter (not shown) that converts DC power output from the converter 2 into AC power, and an actuator driven by the AC power of the inverter. An example of an actuator is a motor.

コンバータ2は、インピーダンス要素4を介して交流電源1と接続される。インピーダンス要素4には、交流電源1とコンバータ2とを接続する図示しない電気配線のインピーダンス要素、交流電源1の図示しない内部インピーダンス要素などが含まれる。 The converter 2 is connected to the AC power supply 1 via the impedance element 4. The impedance element 4 includes an impedance element of electrical wiring (not shown) that connects the AC power supply 1 and the converter 2, an internal impedance element (not shown) of the AC power supply 1.

制御装置10は、PWM信号を生成する制御演算部10aを有する。制御演算部10aは、コンバータ2をPWM制御するためのPWM信号を生成してコンバータ2を制御する。交流電源1の出力と、負荷3の出力との関係によって、交流電源1が出力する交流電力が負荷3に出力される場合もあれば、負荷3が出力する直流電力が交流電源1に出力される場合もある。即ち、コンバータ2は、交流電源1が出力する交流電力と負荷3が出力する直流電力とを相互に変換する機能を有する。なお、コンバータ2に関するPWM制御については、多くの公知文献が存在しており、ここでの詳細な説明は省略する。 The control device 10 has a control calculation unit 10a that generates a PWM signal. The control calculation unit 10a controls the converter 2 by generating a PWM signal for PWM control of the converter 2. Depending on the relationship between the output of the AC power supply 1 and the output of the load 3, the AC power output by the AC power supply 1 may be output to the load 3, or the DC power output by the load 3 is output to the AC power supply 1. In some cases. That is, the converter 2 has a function of mutually converting the AC power output by the AC power supply 1 and the DC power output by the load 3. There are many publicly known documents regarding PWM control related to the converter 2, and detailed description thereof will be omitted here.

図2は、図1に示される制御演算部10aの構成を示すブロック図である。図2に示される構成は、本実施の形態におけるコンバータ制御の概要を説明するための図である。 FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the control calculation unit 10a shown in FIG. The configuration shown in FIG. 2 is a diagram for explaining an outline of converter control in the present embodiment.

制御演算部10aは、図2に示されるように、位相演算部11と、減算器12,14,16と、電圧制御部13と、電流制御部15と、スイッチング指令生成部17とを有する。以下、各部の動作について説明する。 As shown in FIG. 2, the control calculation unit 10a includes a phase calculation unit 11, subtractors 12, 14 and 16, a voltage control unit 13, a current control unit 15, and a switching command generation unit 17. The operation of each part will be described below.

位相演算部11は、電源電圧vsに基づいて電源電圧位相θを生成する。電源電圧vsは、交流電源1の出力電圧である。電源電圧位相θは、電流指令値is*を生成する際の基準位相である。電源電圧位相θは、電圧制御部13に入力される。 The phase calculation unit 11 generates the power supply voltage phase θ based on the power supply voltage vs. The power supply voltage vs. is the output voltage of the AC power supply 1. The power supply voltage phase θ is a reference phase when the current command value is * is generated. The power supply voltage phase θ is input to the voltage control unit 13.

減算器12は、直流電圧指令値Ed*と、直流電圧Edとの偏差である直流電圧偏差ΔEdを生成する。直流電圧Edは、負荷3に印加される実際の直流電圧の検出値である。 The subtractor 12 generates a DC voltage deviation ΔEd, which is a deviation between the DC voltage command value Ed * and the DC voltage Ed. The DC voltage Ed is a detected value of the actual DC voltage applied to the load 3.

電圧制御部13は、直流電圧偏差ΔEd及び電源電圧位相θに基づいて電流指令値is*を生成する。電流指令値is*は、コンバータ2の交流側に流すべき電流の目標値である。電流指令値is*は、減算器14に入力される。 The voltage control unit 13 generates the current command value is * based on the DC voltage deviation ΔEd and the power supply voltage phase θ. The current command value is * is a target value of the current to be passed to the AC side of the converter 2. The current command value is * is input to the subtractor 14.

減算器14は、電流指令値is*と交流電流isとの偏差である電流制御偏差Δisを生成する。交流電流isは、コンバータ2に流出入する実際の交流電流の検出値である。電流制御偏差Δisは、電流制御部15に入力される。 The subtractor 14 generates a current control deviation Δis, which is a deviation between the current command value is * and the alternating current is. The alternating current is is a detected value of the actual alternating current flowing in and out of the converter 2. The current control deviation Δis is input to the current control unit 15.

電流制御部15は、電流制御偏差Δisに基づいて電圧補償量Δvcを生成する。電圧補償量Δvcの詳細については後述する。電圧補償量Δvcは、減算器16に入力される。 The current control unit 15 generates a voltage compensation amount Δvc based on the current control deviation Δis. The details of the voltage compensation amount Δvc will be described later. The voltage compensation amount Δvc is input to the subtractor 16.

減算器16は、詳細は後述するフィードフォワード電圧vFFから電圧補償量Δvcを減算することで得られる交流電圧指令vc*を生成する。交流電圧指令vc*は、コンバータ2の交流側に出力すべき交流電圧の目標値である。なお、フィードフォワード電圧vFFの詳細については後述する。 The subtractor 16 generates an AC voltage command vc * obtained by subtracting the voltage compensation amount Δvc from the feedforward voltage vFF, which will be described in detail later. The AC voltage command vc * is a target value of the AC voltage to be output to the AC side of the converter 2. The details of the feedforward voltage vFF will be described later.

スイッチング指令生成部17は、交流電圧指令vc*に基づいてスイッチング指令sw*を生成する。スイッチング指令sw*は、コンバータ2をPWM制御するためのPWM信号である。 The switching command generation unit 17 generates a switching command sw * based on the AC voltage command vc *. The switching command sw * is a PWM signal for PWM control of the converter 2.

なお、図2の減算器16では、フィードフォワード電圧vFFに対して、電圧補償量Δvcが減算される。減算器16において、電圧補償量Δvcが加算されるのではなく減算されているのは、交流電源1からコンバータ2に向かう方向を交流電流isの正と定義しているからである。即ち、電圧補償量Δvcの極性は、交流電流isの極性に応じて決定することができるものである。 In the subtractor 16 of FIG. 2, the voltage compensation amount Δvc is subtracted from the feedforward voltage vFF. In the subtractor 16, the voltage compensation amount Δvc is subtracted rather than added because the direction from the AC power supply 1 to the converter 2 is defined as the positive AC current is. That is, the polarity of the voltage compensation amount Δvc can be determined according to the polarity of the alternating current is.

図3は、図2に示される電圧制御部13の詳細構成を示すブロック図である。電圧制御部13は、図3に示されるように、単位正弦波生成部13aと、PI制御器13b(図3では「PI」と表記)と、乗算器13cとを含む。 FIG. 3 is a block diagram showing a detailed configuration of the voltage control unit 13 shown in FIG. As shown in FIG. 3, the voltage control unit 13 includes a unit sine wave generation unit 13a, a PI controller 13b (denoted as “PI” in FIG. 3), and a multiplier 13c.

前述の通り、減算器12は、直流電圧偏差ΔEdを生成する。PI制御器13bは、直流電圧偏差ΔEdを増幅する。PI制御器13bの出力は、電流指令値is*の振幅に相当する直流量である。図3では、この直流量が|is*|と表記されている。 As described above, the subtractor 12 generates the DC voltage deviation ΔEd. The PI controller 13b amplifies the DC voltage deviation ΔEd. The output of the PI controller 13b is a DC amount corresponding to the amplitude of the current command value is *. In FIG. 3, this DC amount is expressed as | is * |.

単位正弦波生成部13aは、電源電圧vsと同位相で振幅が1の単位正弦波sinθを生成する。乗算器13cは、直流量|is*|に単位正弦波sinθを乗算して電流指令値is*を生成する。電流指令値is*は、電圧制御部13の出力である。電流指令値is*は、電源電圧vsの周波数で振動する交流量である。 The unit sine wave generation unit 13a generates a unit sine wave sin θ having the same phase as the power supply voltage vs and an amplitude of 1. The multiplier 13c multiplies the DC amount | is * | by the unit sine wave sinθ to generate the current command value is *. The current command value is * is the output of the voltage control unit 13. The current command value is * is the amount of alternating current that oscillates at the frequency of the power supply voltage vs.

次に、実施の形態1によるコンバータ2の動作について説明する。まず、図1において、電源電圧vsと、交流電圧vcと、交流電流isとの間には、次式の回路方程式が成り立つ。 Next, the operation of the converter 2 according to the first embodiment will be described. First, in FIG. 1, the circuit equation of the following equation holds between the power supply voltage vs. the AC voltage vc and the AC current is.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

上記(1)式において、「r」はインピーダンス要素4における抵抗成分であり、「x」はインピーダンス要素4におけるリアクタンス成分である。 In the above equation (1), "r" is a resistance component in the impedance element 4, and "x" is a reactance component in the impedance element 4.

また、上記(1)式をベクトル図に表記すると、図4及び図5のようになる。図4は、実施の形態1によるコンバータ2の力行時の動作を説明するベクトル図である。図5は、実施の形態1によるコンバータ2の回生時の動作を説明するベクトル図である。なお、図4及び図5は共に、電源電圧vsと交流電流isとが互いに直交する成分を有さない、力率1の運転状態を示している。 Further, when the above equation (1) is expressed in a vector diagram, it becomes as shown in FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a vector diagram illustrating the operation of the converter 2 during power running according to the first embodiment. FIG. 5 is a vector diagram illustrating the operation of the converter 2 at the time of regeneration according to the first embodiment. Both FIGS. 4 and 5 show an operating state with a power factor of 1 in which the power supply voltage vs. the alternating current is does not have a component orthogonal to each other.

力率1の運転状態において、力行時では、図4にも示されるように、電源電圧vsと交流電流isとが同位相となる。このため、駆動システム100における電力の流れは、交流電源1からコンバータ2の直流側へと向かう向きとなる。一方、力率1の運転状態において、回生時では、図5にも示されるように、電源電圧vsと交流電流isとが逆位相となる。このため、駆動システム100における電力の流れは、コンバータ2の直流側から交流電源1へと向かう向きとなる。 In the operating state with a power factor of 1, during power running, the power supply voltage vs. the alternating current is are in phase, as shown in FIG. Therefore, the flow of electric power in the drive system 100 is directed from the AC power supply 1 to the DC side of the converter 2. On the other hand, in the operating state with a power factor of 1, during regeneration, the power supply voltage vs. the alternating current is are in opposite phases, as shown in FIG. Therefore, the flow of electric power in the drive system 100 is directed from the DC side of the converter 2 to the AC power supply 1.

コンバータ2の動作原理は、交流電圧vcの振幅及び位相を制御することで、インピーダンス要素4の両端電圧を制御し、交流電流isを所望の値に制御することにある。上記(1)式によると、所望の交流電流isが決まれば、電源電圧vsと、インピーダンス要素4の抵抗成分r及びリアクタンス成分xとを用いて、必要な交流電圧vcを演算できる。この必要な交流電圧vcを「フィードフォワード電圧」と呼び、前述の通り「vFF」で表す。フィードフォワード電圧vFFは、次式で表される。 The operating principle of the converter 2 is to control the voltage across the impedance element 4 by controlling the amplitude and phase of the AC voltage vc, and to control the AC current is to a desired value. According to the above equation (1), once the desired AC current is is determined, the required AC voltage vc can be calculated by using the power supply voltage vs. the resistance component r and the reactance component x of the impedance element 4. This required AC voltage vc is called "feedforward voltage" and is represented by "vFF" as described above. The feedforward voltage vFF is expressed by the following equation.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

なお、上記(2)式において、電流指令値is*の代わりに、交流電流isのフィードバック値を用いる方法もあるが、本実施の形態ではどちらにも限定しない。 In the above equation (2), there is a method of using the feedback value of the alternating current is instead of the current command value is *, but the present embodiment is not limited to either of them.

ここで、図2の例では、コンバータ2への交流電圧指令vc*は、フィードフォワード電圧vFFから電圧補償量Δvcを減算したものとなっている。つまり、交流電圧指令vc*のうち大半はフィードフォワード電圧vFFの成分であり、未知の外乱、インピーダンス要素4のパラメータ誤差などの影響を抑制するように働く電圧補償量Δvcによって、電流制御部15の出力が調整されることになる。 Here, in the example of FIG. 2, the AC voltage command vc * to the converter 2 is obtained by subtracting the voltage compensation amount Δvc from the feedforward voltage vFF. That is, most of the AC voltage command vc * is a component of the feed forward voltage vFF, and the current control unit 15 is affected by the voltage compensation amount Δvc that works to suppress the influence of unknown disturbance, parameter error of the impedance element 4, and the like. The output will be adjusted.

次に、実施の形態1による電流制御系について説明する。図6は、実施の形態1による電流制御部15を含む電流制御系を表すブロック図である。図6に示される記号の意味は、以下の通りである。 Next, the current control system according to the first embodiment will be described. FIG. 6 is a block diagram showing a current control system including the current control unit 15 according to the first embodiment. The meanings of the symbols shown in FIG. 6 are as follows.

R(s):指令信号(電流指令値is*に対応)
Y(s):出力(交流電流isに対応)
E(s):制御偏差(電流制御偏差Δisに対応)
K(s):電流制御部15の伝達関数
P(s):制御対象52の伝達関数(インピーダンス要素4に対応)
R (s): Command signal (corresponds to the current command value is *)
Y (s): Output (corresponding to alternating current is)
E (s): Control deviation (corresponding to current control deviation Δis)
K (s): Transfer function of current control unit 15 P (s): Transfer function of control target 52 (corresponding to impedance element 4)

制御対象52の伝達関数は、インピーダンス要素4における抵抗成分をR、インダクタンス成分をLとすると、P(s)=1/(R+sL)なる一次遅れ系で表せる。「s」はラプラス演算子である。なお、一般的に、抵抗成分Rに比べてインダクタンス成分Lの方が十分に大きいので、抵抗成分Rを無視し、P(s)=1/sLとしてもよい。 The transfer function of the control target 52 can be represented by a first-order lag system of P (s) = 1 / (R + sL), where R is the resistance component of the impedance element 4 and L is the inductance component. "S" is a Laplace operator. In general, the inductance component L is sufficiently larger than the resistance component R, so the resistance component R may be ignored and P (s) = 1 / sL may be set.

ここで、電流制御系の動作の理解のため、電流制御部15の制御器がP制御器であると仮定し、K(s)=Kcとおく。このとき、指令信号R(s)から制御偏差E(s)までの伝達関数は、次式で表される。 Here, in order to understand the operation of the current control system, it is assumed that the controller of the current control unit 15 is a P controller, and K (s) = Kc. At this time, the transfer function from the command signal R (s) to the control deviation E (s) is expressed by the following equation.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

また、電流制御系への入力は、正弦波入力を仮定し、r(t)=sinωtと置く。r(t)は、電流制御系への入力信号の時間関数である。このとき、入力信号r(t)のラプラス変換R(s)は、R(s)=ω/(s+ω)で与えられるので、制御偏差E(s)は、次式で表される。Further, the input to the current control system is assumed to be a sine wave input, and r (t) = sinωt is set. r (t) is a time function of the input signal to the current control system. At this time, since the Laplace transform R (s) of the input signal r (t) is given by R (s) = ω / (s 2 + ω 2 ), the control deviation E (s) is expressed by the following equation. ..

Figure 2020070814
Figure 2020070814

上記(4)式を変形すると次式が得られる。 The following equation is obtained by modifying the above equation (4).

Figure 2020070814
Figure 2020070814

更に、上記(5)式を逆ラプラス変換して時間波形を求めると、次式が得られる。 Further, when the time waveform is obtained by inverse Laplace transform of the above equation (5), the following equation is obtained.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

上記(6)式において、第3項は単調減少の指数関数であり、時間の経過と共にゼロに収束する。一方、第1項と第2項とはゼロにならず、振動周波数で振動し続ける。計算は省略するが、制御器をPI制御にしても、制御偏差の振動項は消失しない。即ち、電流制御系には、制御偏差が残ることとなる。 In the above equation (6), the third term is an exponential function of monotonically decreasing, and converges to zero with the passage of time. On the other hand, the first term and the second term do not become zero and continue to vibrate at the vibration frequency. Although the calculation is omitted, the vibration term of the control deviation does not disappear even if the controller is controlled by PI. That is, the control deviation remains in the current control system.

また、入力信号r(t)が正弦波であるのに対し、制御偏差E(s)の時間関数であるe(t)には余弦波も含まれている。つまり、r(t)とe(t)とは、異なる位相となっているので、r(t)とy(t)も異なる位相となる。このことは、電流指令値is*と交流電流isとの間の位相がずれ、力率が意図したとおりに制御されないことを意味している。 Further, while the input signal r (t) is a sine wave, the time function e (t) of the control deviation E (s) also includes a cosine wave. That is, since r (t) and e (t) have different phases, r (t) and y (t) also have different phases. This means that the phase between the current command value is * and the alternating current is is out of phase, and the power factor is not controlled as intended.

前述のフィードフォワード電圧vFFによって、電流制御系の制御偏差である電流制御偏差Δisを低減することが期待される。しかしながら、フィードフォワード電圧vFFによる補償(ここでは、「フィードフォワード補償」と呼ぶ)は、未知の外乱、又は制御対象52のパラメータ変動に対してはロバストではない。即ち、フィードフォワード補償は、未知の外乱、又は制御対象52にパラメータ変動があると十分な効果が発揮されない。 It is expected that the feedforward voltage vFF described above reduces the current control deviation Δis, which is the control deviation of the current control system. However, compensation by feedforward voltage vFF (referred to here as “feedforward compensation”) is not robust against unknown disturbances or parameter fluctuations of the controlled object 52. That is, the feedforward compensation is not sufficiently effective when there is an unknown disturbance or a parameter fluctuation in the controlled object 52.

電流制御系に電流制御偏差Δisが生じるとき、問題となるのは力率が所望の値にならないことである。制御演算部10aにおいては、電圧制御部13の働きで、直流電圧Edを一定に制御するために必要な有効電流の量は、偏差なく自動的に達成される。従って、電流制御偏差Δisの影響は主に、無効電流量又は力率に反映されることになる。 When the current control deviation Δis occurs in the current control system, the problem is that the power factor does not reach the desired value. In the control calculation unit 10a, the amount of effective current required to control the DC voltage Ed to be constant is automatically achieved without deviation by the function of the voltage control unit 13. Therefore, the influence of the current control deviation Δis is mainly reflected in the reactive current amount or the power factor.

次に、運転状態が力率1ではないときのコンバータ2の動作について説明する。図7は、実施の形態1のコンバータ2における運転状態が力率1ではないときの力行時の動作を説明するベクトル図である。なお、ここでは、図7に示されるように、電源電圧vsに対して交流電流isの位相が遅れている場合を一例とする。 Next, the operation of the converter 2 when the operating state is not the power factor 1 will be described. FIG. 7 is a vector diagram illustrating the operation during power running when the operating state of the converter 2 of the first embodiment is not the power factor 1. Here, as shown in FIG. 7, a case where the phase of the alternating current is is delayed with respect to the power supply voltage vs. is taken as an example.

図7において、点Aは交流電流isを発生させる交流電圧vc’のベクトルの終点であり、点Cは電流指令値is*を発生させる交流電圧vcのベクトルの終点である。図7のベクトル図から、コンバータ2の交流電圧出力を、vc’からvcへ変化させることができれば、所望の交流電流を達成できることが分かる。つまり、交流電流isを発生させる交流電圧vc’と、電流指令値is*を発生させる交流電圧vcとの差分が、電流制御部15が出力すべき電圧補償量Δvcであると考えることができる。 In FIG. 7, the point A is the end point of the vector of the AC voltage vc'that generates the AC current is, and the point C is the end point of the vector of the AC voltage vc that generates the current command value is *. From the vector diagram of FIG. 7, it can be seen that a desired AC current can be achieved if the AC voltage output of the converter 2 can be changed from vc'to vc. That is, it can be considered that the difference between the AC voltage vc'that generates the AC current is and the AC voltage vc that generates the current command value is * is the voltage compensation amount Δvc to be output by the current control unit 15.

次に、図7において、電圧補償量Δvcを構成する二つのベクトルに着目する。二つのベクトルの一方は、電流制御偏差Δisと同位相のrΔisであり、二つのベクトルのもう一方は、電流制御偏差Δisより90度位相が進んだjxΔisである。ここで、従来方式による電流制御部は、増幅器がP制御又はPI制御で構成されている。このため、従来方式による電流制御部では、電流制御偏差Δisと同位相又は遅れ位相の信号しか出力することができない。なお、従来方式による電流制御部の詳細な動作については、後述する。 Next, in FIG. 7, attention is paid to the two vectors constituting the voltage compensation amount Δvc. One of the two vectors is rΔis, which is in phase with the current control deviation Δis, and the other of the two vectors is jxΔis, which is 90 degrees ahead of the current control deviation Δis. Here, in the current control unit according to the conventional method, the amplifier is configured by P control or PI control. Therefore, the current control unit according to the conventional method can output only signals having the same phase or the lag phase as the current control deviation Δis. The detailed operation of the current control unit by the conventional method will be described later.

図8は、実施の形態1による電流制御部15の詳細構成を示すブロック図である。図8において、図2と同一又は同等の構成部には、同一の符号及び記号で示している。 FIG. 8 is a block diagram showing a detailed configuration of the current control unit 15 according to the first embodiment. In FIG. 8, the same or equivalent components as those in FIG. 2 are indicated by the same reference numerals and symbols.

電流制御部15は、前述の通り、電流指令値is*と交流電流isとの偏差である電流制御偏差Δisを増幅し、電圧補償量Δvcを出力する制御部である。図8に示されるように、電流制御部15は、第1の増幅器151と、減算器152と、第2の増幅器153とを有する。K1(s)は第1の増幅器151の伝達関数であり、K2(s)は第2の増幅器153の伝達関数である。 As described above, the current control unit 15 is a control unit that amplifies the current control deviation Δis, which is the deviation between the current command value is * and the alternating current is, and outputs the voltage compensation amount Δvc. As shown in FIG. 8, the current control unit 15 includes a first amplifier 151, a subtractor 152, and a second amplifier 153. K1 (s) is the transfer function of the first amplifier 151, and K2 (s) is the transfer function of the second amplifier 153.

第1の増幅器151は、電流制御偏差Δisを増幅する。減算器152は、電流制御偏差Δisと第1の増幅器151の出力との差分を生成する。第2の増幅器153は、減算器152の出力、即ち電流制御偏差Δisと第1の増幅器151の出力との差分を増幅する。 The first amplifier 151 amplifies the current control deviation Δis. The subtractor 152 produces a difference between the current control deviation Δis and the output of the first amplifier 151. The second amplifier 153 amplifies the output of the subtractor 152, that is, the difference between the current control deviation Δis and the output of the first amplifier 151.

第2の増幅器153は、従来方式による電流制御部の増幅器と同じく、P制御器又はPI制御器である。一方、第1の増幅器151は、以下の条件を満足する制御器である。 The second amplifier 153 is a P controller or a PI controller, like the amplifier of the current control unit according to the conventional method. On the other hand, the first amplifier 151 is a controller that satisfies the following conditions.

・電源電圧vsの周波数で共振特性となる。
・電源電圧vsの周波数で負の位相応答特性を有する。
・電源電圧vsの周波数より高周波域でゲインが単調減少である。
-Resonance characteristics are obtained at the frequency of the power supply voltage vs.
-Has a negative phase response characteristic at a frequency of power supply voltage vs.
-The gain is monotonically reduced in the high frequency range from the frequency of the power supply voltage vs.

このとき、実施の形態1による電流制御部15の出力である電圧補償量Δvcは、次式で表される。 At this time, the voltage compensation amount Δvc, which is the output of the current control unit 15 according to the first embodiment, is expressed by the following equation.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

ここで、第2の増幅器153がP制御器であると仮定すると、上記(7)式の第1項は、電流制御偏差Δisと同位相の信号となる。一方、上記(7)式の第2項は、負符号を含めると、電流制御偏差Δisに対して進み位相になる。したがって、上記(7)式によれば、第1項が図7のベクトルBAに相当する電圧を補償するように動作し、第2項が図7のベクトルCBに相当する電圧を補償するように動作する。なお、第2の増幅器153をPI制御器とする場合においても、PI制御器に用いる積分器の時定数が電源電圧vsの周期よりも十分に大きければ、同様の関係が成り立つ。 Here, assuming that the second amplifier 153 is a P controller, the first term of the above equation (7) is a signal having the same phase as the current control deviation Δis. On the other hand, the second term of the above equation (7) becomes a leading phase with respect to the current control deviation Δis when a negative sign is included. Therefore, according to the above equation (7), the first term operates so as to compensate the voltage corresponding to the vector BA of FIG. 7, and the second term compensates the voltage corresponding to the vector CB of FIG. Operate. Even when the second amplifier 153 is used as the PI controller, the same relationship holds if the time constant of the integrator used for the PI controller is sufficiently larger than the period of the power supply voltage vs. the period.

また、一般的に、抵抗成分rよりも、リアクタンス成分xの方が十分に大きい。このため、図7の電圧補償量Δvcは、電流制御偏差Δisと同位相の成分(ベクトルBA)よりも、進み位相にある成分(ベクトルCB)のほうが支配的である。従って、(7)式においても、第2項の方を支配的に機能させる必要がある。このことは、第1の増幅器151が電源電圧vsの周波数において、共振特性となるように設計することで達成される。 Further, in general, the reactance component x is sufficiently larger than the resistance component r. Therefore, the voltage compensation amount Δvc in FIG. 7 is dominated by the component (vector CB) in the lead phase rather than the component (vector BA) having the same phase as the current control deviation Δis. Therefore, even in the equation (7), it is necessary to make the second term function predominantly. This is achieved by designing the first amplifier 151 to have resonance characteristics at a frequency of power supply voltage vs. frequency.

さらに、第1の増幅器151が電源電圧vsの周波数よりも高周波域で遮断特性を有することで、電流制御系の開ループ伝達関数において、当該周波数域のゲイン特性及び位相特性の変化を小さくできる。言い換えると、第2の増幅器153だけで電流制御系を構成したときと比較して、電流制御系の安定性が劣化するのを抑制できる。第1の増幅器151を備えたときの電流制御系の安定性については、公知の別の方式との比較を後述する。 Further, since the first amplifier 151 has a cutoff characteristic in a frequency region higher than the frequency of the power supply voltage vs., the change in the gain characteristic and the phase characteristic in the frequency region can be reduced in the open loop transfer function of the current control system. In other words, it is possible to suppress deterioration of the stability of the current control system as compared with the case where the current control system is configured only by the second amplifier 153. The stability of the current control system when the first amplifier 151 is provided will be described later in comparison with another known method.

ここで、再び、図7における電流制御偏差Δisと、電圧補償量Δvcとの間の位相差δに着目する。位相差δはインピーダンス角を表しており、δ=tan−1(x/r)である。先にも述べたとおり、リアクタンス成分xは、抵抗成分rに比べて十分に大きいので、電圧補償量Δvcは、電流制御偏差Δisに対して、ほぼ90度進みの関係にある。従って、前述した第1の増幅器151の条件は、以下のように変更してもよい。Here, again, attention is paid to the phase difference δ between the current control deviation Δis in FIG. 7 and the voltage compensation amount Δvc. The phase difference δ represents the impedance angle, and δ = tan -1 (x / r). As described above, since the reactance component x is sufficiently larger than the resistance component r, the voltage compensation amount Δvc has a relationship of approximately 90 degrees advance with respect to the current control deviation Δis. Therefore, the conditions of the first amplifier 151 described above may be changed as follows.

・電源電圧vsの周波数で共振する。
・電源電圧vsの周波数で−90度の位相応答である。
・電源電圧vsの周波数より高周波域でゲインが単調減少である。
-Resonates at a frequency of power supply voltage vs.
-The phase response is -90 degrees at the frequency of the power supply voltage vs.
-The gain is monotonically reduced in the high frequency range from the frequency of the power supply voltage vs.

上記のような条件を満足するには、第1の増幅器151を二次遅れ系で構成するのが簡単である。二次遅れ系は、比例ゲインをα、固有周波数をωr、減衰係数をζとして、次式の伝達関数で表現できる。 In order to satisfy the above conditions, it is easy to configure the first amplifier 151 with a second-order lag system. The second-order lag system can be expressed by the transfer function of the following equation, where the proportional gain is α, the natural frequency is ωr, and the attenuation coefficient is ζ.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

図9は、二次遅れ系で構成した実施の形態1による第1の増幅器151の周波数特性を表すボード線図である。図9には、例えば比例ゲインを1、固有周波数を120π[rad/s](60[Hz]の場合)としたときの実施の形態1による二次遅れ系の周波数特性が示されている。図9の例による二次遅れ系では、固有周波数である60[Hz]において、ゲインは上段部に示されるように極大となり、位相応答は下段部に示されるように「−90度」となる。また、上段部に示されるように、固有周波数よりも高周波域でゲインが単調減少となっている。従って、固有周波数を電源電圧vsの周波数に一致させれば、電源電圧vsの周波数で共振し、電源電圧vsの周波数で「−90度」の位相応答であり、電源電圧vsの周波数より高周波域でゲインが単調減少である、という3つの条件が同時に達成される。 FIG. 9 is a Bode diagram showing the frequency characteristics of the first amplifier 151 according to the first embodiment configured by the secondary lag system. FIG. 9 shows the frequency characteristics of the second-order lag system according to the first embodiment when, for example, the proportional gain is 1 and the natural frequency is 120π [rad / s] (in the case of 60 [Hz]). In the second-order lag system according to the example of FIG. 9, at the natural frequency of 60 [Hz], the gain becomes maximum as shown in the upper part, and the phase response becomes "-90 degrees" as shown in the lower part. .. Further, as shown in the upper part, the gain is monotonically decreased in the high frequency region than the natural frequency. Therefore, if the natural frequency is matched with the frequency of the power supply voltage vs., it resonates at the frequency of the power supply voltage vs. the phase response is "-90 degrees" at the frequency of the power supply voltage vs. The three conditions that the gain is monotonically decreasing are achieved at the same time.

図10は、実施の形態1による電流制御部15を用いたときの効果の説明に供するボード線図である。図10において、上段部及び下段部共に、実線は電流制御部15を図8のように構成した実施の形態1における電流制御系の開ループ伝達関数の周波数特性であり、破線は電流制御部15を第2の増幅器153のみで構成したときの電流制御系の開ループ伝達関数の周波数特性である。なお、破線は、実施の形態1の電流制御部15と、後述する2つの比較例による電流制御部との差を説明するための基準特性として示している。また、図10では、500[μs」のむだ時間を仮定している。 FIG. 10 is a Bode diagram for explaining the effect when the current control unit 15 according to the first embodiment is used. In FIG. 10, in both the upper and lower stages, the solid line is the frequency characteristic of the open-loop transfer function of the current control system according to the first embodiment in which the current control unit 15 is configured as shown in FIG. 8, and the broken line is the current control unit 15. Is the frequency characteristic of the open-loop transfer function of the current control system when only the second amplifier 153 is used. The broken line is shown as a reference characteristic for explaining the difference between the current control unit 15 of the first embodiment and the current control unit according to two comparative examples described later. Further, in FIG. 10, a dead time of 500 [μs] is assumed.

図10において、実施の形態1による電流制御系の開ループ伝達関数は、固有周波数である60[Hz]において、ゲインが極大値となり、位相はほぼ0度となっている。このことは、電流指令値is*に対して、電流制御偏差Δisがほぼ同位相となることを意味している。このとき、電流指令値is*と交流電流isとの位相差も解消されるので、力率が高精度に制御されるようになる。 In FIG. 10, the open-loop transfer function of the current control system according to the first embodiment has a maximum gain at a natural frequency of 60 [Hz] and a phase of almost 0 degrees. This means that the current control deviation Δis is substantially in phase with respect to the current command value is *. At this time, the phase difference between the current command value is * and the alternating current is is also eliminated, so that the power factor can be controlled with high accuracy.

ところで、電流制御部において、共振特性を持つ増幅器として、バンドパスフィルタを用いる手法が知られている。以下、この手法による電流制御器を「比較例1による電流制御器」、又は単に「比較例1」と呼ぶ。図11は、比較例1による電流制御部15Aの構成例を示すブロック図である。比較例1による電流制御部15Aでは、図8に示される第1の増幅器151がバンドパスフィルタ154に置き替えられている。B(s)は、バンドパスフィルタ154の伝達関数である。 By the way, in the current control unit, a method of using a bandpass filter as an amplifier having a resonance characteristic is known. Hereinafter, the current controller by this method will be referred to as "current controller according to Comparative Example 1" or simply "Comparative Example 1". FIG. 11 is a block diagram showing a configuration example of the current control unit 15A according to Comparative Example 1. In the current control unit 15A according to Comparative Example 1, the first amplifier 151 shown in FIG. 8 is replaced with the bandpass filter 154. B (s) is a transfer function of the bandpass filter 154.

また、図11の電流制御部15Aでは、図8に示される減算器152が加算器155に変更されている。図8に示される減算器152は、電流制御偏差Δisと第1の増幅器151の出力との差分を生成するのに対し、図11に示される加算器155は、電流制御偏差Δisにバンドパスフィルタ154の出力を加算している点に注意が必要である。なお、その他の構成については、図8と同一であり、同一の構成部には同一の符号及び記号で示している。 Further, in the current control unit 15A of FIG. 11, the subtractor 152 shown in FIG. 8 is changed to the adder 155. The subtractor 152 shown in FIG. 8 generates a difference between the current control deviation Δis and the output of the first amplifier 151, whereas the adder 155 shown in FIG. 11 has a bandpass filter for the current control deviation Δis. It should be noted that the output of 154 is added. The other configurations are the same as those in FIG. 8, and the same components are indicated by the same reference numerals and symbols.

バンドパスフィルタ154の伝達関数B(S)は、比例ゲインをα、中心周波数をωr、減衰係数をζとして、次式で表すことができる。 The transfer function B (S) of the bandpass filter 154 can be expressed by the following equation, where the proportional gain is α, the center frequency is ωr, and the attenuation coefficient is ζ.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

上記(9)式において、「1/2ζ」は先鋭度、「2ζωr」はバンド幅とも呼ばれる。 In the above equation (9), "1 / 2ζ" is also called sharpness, and "2ζωr" is also called bandwidth.

次に、比較例1による電流制御部15Aを適用した電流制御系の周波数特性について説明する。なお、実施の形態1による電流制御部15との比較の際の条件を同等とすべく、中心周波数ωrは、電源電圧vsの周波数に一致させる。 Next, the frequency characteristics of the current control system to which the current control unit 15A according to Comparative Example 1 is applied will be described. The center frequency ωr is made to match the frequency of the power supply voltage vs. in order to make the conditions at the time of comparison with the current control unit 15 according to the first embodiment the same.

図12は、比較例1によるバンドパスフィルタ154の周波数特性を表すボード線図である。図12には、比例ゲインを1、中心周波数を120π[rad/s](60[Hz])としたときのバンドパスフィルタ154の周波数特性が示されている。図12の例によれば、中心周波数でゲインが極大となり、また、中心周波数において位相応答が「0度」である特性、即ち負ではない応答特性が示されている。 FIG. 12 is a Bode diagram showing the frequency characteristics of the bandpass filter 154 according to Comparative Example 1. FIG. 12 shows the frequency characteristics of the bandpass filter 154 when the proportional gain is 1 and the center frequency is 120π [rad / s] (60 [Hz]). According to the example of FIG. 12, the gain is maximized at the center frequency, and the phase response is “0 degrees” at the center frequency, that is, the response characteristic that is not negative is shown.

図13は、比較例1による電流制御系の開ループ伝達関数の周波数特性を示すボード線図である。比較例1による開ループ伝達関数の周波数特性は、図13の上段部及び下段部において、実線で示されている。また、図13において、上段部及び下段部共に、破線は図10の破線で示した基準特性である。 FIG. 13 is a Bode diagram showing the frequency characteristics of the open-loop transfer function of the current control system according to Comparative Example 1. The frequency characteristics of the open-loop transfer function according to Comparative Example 1 are shown by solid lines in the upper and lower parts of FIG. Further, in FIG. 13, the broken line in both the upper part and the lower part is the reference characteristic shown by the broken line in FIG.

比較例1による開ループ伝達関数は、バンドパスフィルタ154の中心周波数において、ゲインが極大となり、位相はほぼ「−90度」となっている。比較例1によれば、中心周波数で選択的にゲインを大きくできる。このため、実施の形態1と同様に、中心周波数の正弦波指令入力に対する制御偏差を小さくでき、力率が高精度に制御されるようになる。 In the open-loop transfer function according to Comparative Example 1, the gain is maximized at the center frequency of the bandpass filter 154, and the phase is approximately "-90 degrees". According to Comparative Example 1, the gain can be selectively increased at the center frequency. Therefore, as in the first embodiment, the control deviation of the center frequency with respect to the sinusoidal command input can be reduced, and the power factor can be controlled with high accuracy.

しかしながら、図13の下段部に示されるように、比較例1の特性は、基準特性と比較すると、中心周波数よりも低周波側では位相が進んでいるが、中心周波数よりも高周波側では位相遅れが大きくなっている。従って、高応答化のために、応答周波数(ゲイン交差周波数)が電源電圧vsの周波数よりも高くなるように第2の増幅器153を設計すると、位相余裕が減少するという課題が生じる。ここで、「位相余裕」とは、開ループ伝達関数のボード線図において、ゲインが0dBになる周波数での位相が−180度に対してどれだけ余裕があるかを示す量、即ち位相差である。なお、ゲインが0dBになる周波数は、一般的に「応答周波数」又は「ゲイン交差周波数」と呼ばれている。 However, as shown in the lower part of FIG. 13, the characteristic of Comparative Example 1 has a phase advance on the low frequency side of the center frequency as compared with the reference characteristic, but has a phase lag on the high frequency side of the center frequency. Is getting bigger. Therefore, if the second amplifier 153 is designed so that the response frequency (gain crossing frequency) is higher than the frequency of the power supply voltage vs. in order to increase the response, there arises a problem that the phase margin is reduced. Here, the "phase margin" is an amount indicating how much the phase at the frequency at which the gain becomes 0 dB has a margin with respect to −180 degrees in the Bode diagram of the open-loop transfer function, that is, the phase difference. is there. The frequency at which the gain becomes 0 dB is generally called a "response frequency" or a "gain crossing frequency".

これに対し、上述した実施の形態1による電流制御部15の場合、開ループ伝達関数の位相特性は、図10の下段部に示されるように、基準特性に対して、位相を進める方向にしか変化しない。従って、実施の形態1によれば、電流制御系が高応答となるように設計した場合でも、十分な位相余裕を確保することができる。 On the other hand, in the case of the current control unit 15 according to the first embodiment described above, the phase characteristic of the open-loop transfer function is only in the direction of advancing the phase with respect to the reference characteristic, as shown in the lower part of FIG. It does not change. Therefore, according to the first embodiment, even when the current control system is designed to have a high response, a sufficient phase margin can be secured.

また、共振特性を持つ増幅器を電流制御部に適用する別の手法として、ハイパスフィルタを用いる手法も知られている。以下、この手法による電流制御器を「比較例2による電流制御器」、又は単に「比較例2」と呼ぶ。図14は、比較例2による電流制御部15Bの構成例を示すブロック図である。比較例2による電流制御部15Bでは、図8に示される第1の増幅器151がハイパスフィルタ156に置き替えられている。C(s)は、ハイパスフィルタ156の伝達関数である。なお、図14の電流制御部15Bでは、図11の電流制御部15Aと同様に、加算器155において、電流制御偏差Δisにハイパスフィルタ156の出力が加算されている。その他の構成については、図8と同一であり、同一の構成部には同一の符号及び記号で示している。 Further, as another method of applying an amplifier having resonance characteristics to the current control unit, a method of using a high-pass filter is also known. Hereinafter, the current controller by this method will be referred to as "current controller according to Comparative Example 2" or simply "Comparative Example 2". FIG. 14 is a block diagram showing a configuration example of the current control unit 15B according to Comparative Example 2. In the current control unit 15B according to Comparative Example 2, the first amplifier 151 shown in FIG. 8 is replaced with the high-pass filter 156. C (s) is the transfer function of the high-pass filter 156. In the current control unit 15B of FIG. 14, the output of the high-pass filter 156 is added to the current control deviation Δis in the adder 155, similarly to the current control unit 15A of FIG. Other configurations are the same as those in FIG. 8, and the same components are indicated by the same reference numerals and symbols.

ハイパスフィルタ156の伝達関数C(s)は、比例ゲインをα、カットオフ周波数をωr、減衰係数をζとして、次式で表すことができる。 The transfer function C (s) of the high-pass filter 156 can be expressed by the following equation, where the proportional gain is α, the cutoff frequency is ωr, and the attenuation coefficient is ζ.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

次に、比較例2による電流制御部15Bを適用した電流制御系の周波数特性について説明する。なお、実施の形態1による電流制御部15との比較の際の条件を同等とすべく、カットオフ周波数ωrは、電源電圧vsの周波数に一致させる。 Next, the frequency characteristics of the current control system to which the current control unit 15B according to Comparative Example 2 is applied will be described. The cutoff frequency ωr is made to match the frequency of the power supply voltage vs. in order to make the conditions at the time of comparison with the current control unit 15 according to the first embodiment equivalent.

図15は、比較例2によるハイパスフィルタ156の周波数特性を表すボード線図である。図15には、比例ゲインを1、カットオフ周波数を120π[rad/s](60[Hz])としたときのハイパスフィルタ156の周波数特性が示されている。図15の例によれば、カットオフ周波数でゲインが極大となり、また、カットオフ周波数において位相応答が「+90度」である特性が示されている。 FIG. 15 is a Bode diagram showing the frequency characteristics of the high-pass filter 156 according to Comparative Example 2. FIG. 15 shows the frequency characteristics of the high-pass filter 156 when the proportional gain is 1 and the cutoff frequency is 120π [rad / s] (60 [Hz]). According to the example of FIG. 15, the gain is maximized at the cutoff frequency, and the phase response is “+90 degrees” at the cutoff frequency.

図16は、比較例2による電流制御系の開ループ伝達関数の周波数特性を示すボード線図である。比較例2による開ループ伝達関数の周波数特性は、図16の上段部及び下段部において、実線で示されている。また、図16において、上段部及び下段部共に、破線は図10及び図13の破線で示した基準特性である。 FIG. 16 is a Bode diagram showing the frequency characteristics of the open-loop transfer function of the current control system according to Comparative Example 2. The frequency characteristics of the open-loop transfer function according to Comparative Example 2 are shown by solid lines in the upper and lower parts of FIG. Further, in FIG. 16, the broken lines in both the upper part and the lower part are the reference characteristics shown by the broken lines in FIGS. 10 and 13.

比較例2による開ループ伝達関数は、ハイパスフィルタ156のカットオフ周波数において、ゲインが極大となり、位相はほぼ「0度」となっている。このことは、電流指令値is*に対して、電流制御偏差Δisがほぼ同位相となることを意味している。このとき、電流指令値is*と交流電流isとの位相差も解消されるので、力率が高精度に制御されるようになる。 In the open-loop transfer function according to Comparative Example 2, the gain is maximized at the cutoff frequency of the high-pass filter 156, and the phase is substantially "0 degree". This means that the current control deviation Δis is substantially in phase with respect to the current command value is *. At this time, the phase difference between the current command value is * and the alternating current is is also eliminated, so that the power factor can be controlled with high accuracy.

しかしながら、図16の上段部に示されるように、比較例2の特性は、基準特性と比較すると、カットオフ周波数よりも高周波側では、増加する方向にゲインがオフセットしている。このとき、応答周波数(ゲイン交差周波数)は、基準特性と比較すると高周波側にシフトしている。従って、高応答化のために、応答周波数(ゲイン交差周波数)が電源電圧vsの周波数よりも高くなるように第2の増幅器153を設計すると、ゲイン余裕と位相余裕が減少するという課題が生じる。 However, as shown in the upper part of FIG. 16, in the characteristic of Comparative Example 2, the gain is offset in the increasing direction on the high frequency side of the cutoff frequency as compared with the reference characteristic. At this time, the response frequency (gain crossing frequency) is shifted to the high frequency side as compared with the reference characteristic. Therefore, if the second amplifier 153 is designed so that the response frequency (gain crossing frequency) is higher than the frequency of the power supply voltage vs. in order to increase the response, there arises a problem that the gain margin and the phase margin are reduced.

更に、第2の増幅器153のみで電流制御部を構成する場合、制御対象52のインダクタンス成分Lの大きさに対応して、第2の増幅器153の比例ゲインを決定するだけで、容易に所望の応答周波数を達成することができる。一方、ハイパスフィルタ156を併用して電流制御部を構成する場合、ハイパスフィルタ156のパラメータと、第2の増幅器153のパラメータとが相互に影響して応答周波数が変化するので、制御器の設計が複雑になるという課題がある。 Further, when the current control unit is configured only by the second amplifier 153, it is easily desired by simply determining the proportional gain of the second amplifier 153 corresponding to the magnitude of the inductance component L of the controlled object 52. A response frequency can be achieved. On the other hand, when the current control unit is configured by using the high-pass filter 156 in combination, the parameters of the high-pass filter 156 and the parameters of the second amplifier 153 influence each other to change the response frequency. There is the problem of complexity.

これに対し、上述した実施の形態1による電流制御部15の場合、開ループ伝達関数のゲイン特性は、図10の上段部に示されるように、基準特性に対して、固有周波数よりも高周波側でのオフセット量が小さい。従って、固有周波数よりも高周波側の制御応答が第2の増幅器153のパラメータだけで支配的に決まる。これにより、制御器の設計が容易な上、十分なゲイン余裕及び位相余裕を確保することができる。 On the other hand, in the case of the current control unit 15 according to the first embodiment described above, the gain characteristic of the open-loop transfer function is on the higher frequency side than the natural frequency with respect to the reference characteristic, as shown in the upper part of FIG. The amount of offset at is small. Therefore, the control response on the higher frequency side than the natural frequency is predominantly determined only by the parameter of the second amplifier 153. As a result, the controller can be easily designed, and a sufficient gain margin and phase margin can be secured.

以上説明したように、実施の形態1における電流制御部は、電力変換器の交流側に流すべき電流の目標値である電流指令値と交流側の実際の電流との偏差を増幅する。伝達関数がK1(s)で表される第1の増幅器と、伝達関数がK2(s)で表される第2の増幅器とにより、第1の増幅器及び第2の増幅器を含む全体の伝達関数がK2(s)(1−K1(s))で表される。そして、第1の増幅器は、少なくとも交流電源の周波数で共振し、第2の増幅器は比例演算又は比例積分演算を行う。これにより、ステップ状外乱に対する抑制性能を維持しつつ、正弦波指令値に対する定常偏差を低減することができる。 As described above, the current control unit in the first embodiment amplifies the deviation between the current command value, which is the target value of the current to be passed to the AC side of the power converter, and the actual current on the AC side. The entire transfer function including the first amplifier and the second amplifier by the first amplifier whose transfer function is represented by K1 (s) and the second amplifier whose transfer function is represented by K2 (s). Is represented by K2 (s) (1-K1 (s)). Then, the first amplifier resonates at least at the frequency of the AC power supply, and the second amplifier performs proportional calculation or proportional integration calculation. As a result, it is possible to reduce the steady-state deviation with respect to the sine wave command value while maintaining the suppression performance against step-like disturbance.

また、実施の形態1に係る制御装置において、第1の増幅器が電源電圧の周波数で負の位相応答特性を有し、電源電圧の周波数よりも高周波域でゲインが単調減少するものであれば、電流制御器における設計の容易性を確保しつつ、十分なゲイン余裕及び位相余裕を確保することができる。 Further, in the control device according to the first embodiment, if the first amplifier has a negative phase response characteristic at the frequency of the power supply voltage and the gain monotonically decreases in the high frequency range than the frequency of the power supply voltage. It is possible to secure a sufficient gain margin and phase margin while ensuring the ease of design in the current controller.

次に、実施の形態1の制御演算部10aにおける演算機能を実現するためのハードウェア構成について、図17及び図18の図面を参照して説明する。図17は、実施の形態1の制御演算部10aにおける演算機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図18は、実施の形態1の制御演算部10aにおける演算機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。 Next, the hardware configuration for realizing the calculation function in the control calculation unit 10a of the first embodiment will be described with reference to the drawings of FIGS. 17 and 18. FIG. 17 is a block diagram showing an example of a hardware configuration that realizes a calculation function in the control calculation unit 10a of the first embodiment. FIG. 18 is a block diagram showing another example of a hardware configuration that realizes a calculation function in the control calculation unit 10a of the first embodiment.

実施の形態1の制御演算部10aにおける演算機能の全部又は一部をソフトウェアで実現する場合には、図17に示されるように、演算を行うプロセッサ300、プロセッサ300によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ302、及び信号の入出力を行うインタフェース304を含む構成とすることができる。 When all or part of the calculation function in the control calculation unit 10a of the first embodiment is realized by software, as shown in FIG. 17, the processor 300 that performs the calculation and the program read by the processor 300 are stored. The memory 302 and the interface 304 for inputting / outputting signals can be included.

プロセッサ300は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、CPU(Central Processing Unit)、又はDSP(Digital Signal Processor)といった演算手段であってもよい。また、メモリ302には、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(登録商標)(Electrically EPROM)といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVD(Digital Versatile Disc)を例示することができる。 The processor 300 may be a computing means such as an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, a CPU (Central Processing Unit), or a DSP (Digital Signal Processor). Further, the memory 302 includes a non-volatile or volatile semiconductor memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Program ROM), and an EPROM (registered trademark) (Electrically EPROM). Examples thereof include magnetic discs, flexible discs, optical discs, compact discs, mini discs, and DVDs (Digital Versailles Disc).

メモリ302には、制御演算部10aにおける演算機能の全部又は一部を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ300は、インタフェース304を介して必要な情報を授受し、メモリ302に格納されたプログラムをプロセッサ300が実行することにより、コンバータ2に対するPWM制御を行うことができる。 The memory 302 stores a program that executes all or a part of the calculation functions of the control calculation unit 10a. The processor 300 exchanges necessary information via the interface 304, and the processor 300 executes a program stored in the memory 302 to perform PWM control on the converter 2.

また、図17に示すプロセッサ300及びメモリ302は、図18のように処理回路303に置き換えてもよい。処理回路303は、単一回路、複合回路、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)、又は、これらを組み合わせたものが該当する。 Further, the processor 300 and the memory 302 shown in FIG. 17 may be replaced with the processing circuit 303 as shown in FIG. The processing circuit 303 corresponds to a single circuit, a composite circuit, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination thereof.

実施の形態2.
実施の形態2では、実施の形態1に係る制御装置10の電流制御系における安定条件について考察する。まず、実施の形態1による電流制御部15を適用した電流制御系の開ループ伝達関数は次式で表される。
Embodiment 2.
In the second embodiment, the stability conditions in the current control system of the control device 10 according to the first embodiment will be considered. First, the open-loop transfer function of the current control system to which the current control unit 15 according to the first embodiment is applied is expressed by the following equation.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

上記(11)式において、分母多項式をD(s)、分子多項式をN(s)とおくと、電流制御系の閉ループ伝達関数は次式で表される。 In the above equation (11), if the denominator polynomial is D (s) and the numerator polynomial is N (s), the closed loop transfer function of the current control system is expressed by the following equation.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

また、比例ゲインをKp、積分時定数をTiとして、第2の増幅器153の伝達関数K2(s)を次のようにおく。 Further, the proportional gain is Kp, the integration time constant is Ti, and the transfer function K2 (s) of the second amplifier 153 is set as follows.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

ここで、電流制御系の安定性を評価するために、電流制御系の特性多項式φ(s)を求める。特性多項式φ(s)は、次式で表される。 Here, in order to evaluate the stability of the current control system, the characteristic polynomial φ (s) of the current control system is obtained. The characteristic polynomial φ (s) is expressed by the following equation.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

上記(14)式において、a0〜a4は、特性多項式φ(s)の係数であり、αは第1の増幅器151の比例ゲインである。係数a0〜a4のうち、係数a2〜a4を表す式には負符号が含まれず、すべての定数が正である。従って、係数a2〜a4の値は正である。よって、電流制御系が安定であるためには、少なくとも多項式の係数a0,a1が正でなければならない。まず、a1>0の条件より次式が得られる。 In the above equation (14), a0 to a4 are coefficients of the characteristic polynomial φ (s), and α is a proportional gain of the first amplifier 151. Of the coefficients a0 to a4, the expressions representing the coefficients a2 to a4 do not include a negative sign, and all the constants are positive. Therefore, the values of the coefficients a2 to a4 are positive. Therefore, in order for the current control system to be stable, at least the coefficients a0 and a1 of the polynomial must be positive. First, the following equation is obtained from the condition of a1> 0.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

また、a0>0であるためには、α<1であればよい。ここで、上記(15)式の右辺の第2項及び第3項は明らかに正である。従って、電流制御系が安定であるための必要条件は、α<1である。また、第1の増幅器151の位相応答を負とする条件は、α>0である。以上の条件を踏まえると、第1の増幅器151の比例ゲインαは、0<α<1の範囲で設定するのが望ましい条件となる。ここで、境界条件であるα=1を上記(14)式へ代入し、ラウスの安定判別法に基づき多項式係数a0〜a4を評価すると、電流制御系は安定であることが確認できる。また、α=0の場合は、第1の増幅器が無効となり従来の電流制御系と同じ構成に帰着する。したがって、第1の増幅器151の比例ゲインαを0<α<1の範囲に設定すれば、他の制御系を付加することなく、電流制御系の安定度を維持することができる。 Further, in order for a0> 0, α <1 may be sufficient. Here, the second and third terms on the right side of the above equation (15) are clearly positive. Therefore, the necessary condition for the current control system to be stable is α <1. The condition for making the phase response of the first amplifier 151 negative is α> 0. Based on the above conditions, it is desirable that the proportional gain α of the first amplifier 151 is set in the range of 0 <α <1. Here, by substituting α = 1, which is a boundary condition, into the above equation (14) and evaluating the polynomial coefficients a0 to a4 based on Routh's stability determination method, it can be confirmed that the current control system is stable. Further, when α = 0, the first amplifier becomes invalid and the configuration is the same as that of the conventional current control system. Therefore, if the proportional gain α of the first amplifier 151 is set in the range of 0 <α <1, the stability of the current control system can be maintained without adding another control system.

なお、伝達関数の周波数特性は、伝達関数のラプラス演算子をs=jωと置き換えて計算すればよい。また、第1の増幅器151の伝達関数を表す(8)式は、s=0とすると比例ゲインαと一致する。このため、「第1の増幅器151の比例ゲインαを0<α<1の範囲に設定する」ということは、「直流成分に対するゲインを0<α<1の範囲に設定する」と言い換えてもよい。 The frequency characteristic of the transfer function may be calculated by replacing the Laplace operator of the transfer function with s = jω. Further, the equation (8) representing the transfer function of the first amplifier 151 agrees with the proportional gain α when s = 0. Therefore, "setting the proportional gain α of the first amplifier 151 in the range of 0 <α <1" can be rephrased as "setting the gain for the DC component in the range of 0 <α <1". Good.

以上説明したように、実施の形態2に係る制御装置は、第1の増幅器の比例ゲインαが0<α<1の範囲に設定されるので、他の制御系を付加することなく、電流制御系の安定度を維持することができる。 As described above, in the control device according to the second embodiment, since the proportional gain α of the first amplifier is set in the range of 0 <α <1, current control is performed without adding another control system. The stability of the system can be maintained.

実施の形態3.
実施の形態3では、図8に示される実施の形態1による電流制御部15の変形例について説明する。実施の形態1による電流制御部15は、以下に示す変形例のように構成されていてもよい。
Embodiment 3.
In the third embodiment, a modification of the current control unit 15 according to the first embodiment shown in FIG. 8 will be described. The current control unit 15 according to the first embodiment may be configured as shown in the following modification.

図19は、実施の形態1による電流制御部15の第1の変形例を示す図である。図19において、図8と同一又は同等の構成部には、同一の符号及び記号で示している。 FIG. 19 is a diagram showing a first modification of the current control unit 15 according to the first embodiment. In FIG. 19, the same or equivalent components as those in FIG. 8 are indicated by the same reference numerals and symbols.

図19に示される電流制御部15Cにおいて、第2の増幅器153は、電流制御偏差Δisを増幅する。また、第1の増幅器151を含む制御系は、第2の増幅器153の出力を増幅する。そして、減算器152によって、第2の増幅器153の出力と、第1の増幅器151の出力との差分が、電圧補償量Δvcとして出力される。 In the current control unit 15C shown in FIG. 19, the second amplifier 153 amplifies the current control deviation Δis. Further, the control system including the first amplifier 151 amplifies the output of the second amplifier 153. Then, the subtractor 152 outputs the difference between the output of the second amplifier 153 and the output of the first amplifier 151 as the voltage compensation amount Δvc.

図20は、実施の形態1による電流制御部15の第2の変形例を示す図である。図20における電流制御部15Dにおいて、図8と同一又は同等の構成部には、同一の符号及び記号で示している。 FIG. 20 is a diagram showing a second modification of the current control unit 15 according to the first embodiment. In the current control unit 15D in FIG. 20, the same or equivalent components as those in FIG. 8 are indicated by the same reference numerals and symbols.

図20に示される電流制御部15Dにおいて、第1の増幅器151は、電流制御偏差Δisを増幅する。また、第2の増幅器153は二つあり、一方の第2の増幅器153aは、電流制御偏差Δisを増幅し、他方の第2の増幅器153bは、第1の増幅器151の出力を増幅する。そして、減算器157によって、一方の第2の増幅器153aの出力と、他方の第2の増幅器153bの出力との差分が、電圧補償量Δvcとして出力される。 In the current control unit 15D shown in FIG. 20, the first amplifier 151 amplifies the current control deviation Δis. Further, there are two second amplifiers 153, one second amplifier 153a amplifies the current control deviation Δis, and the other second amplifier 153b amplifies the output of the first amplifier 151. Then, the subtractor 157 outputs the difference between the output of one second amplifier 153a and the output of the other second amplifier 153b as the voltage compensation amount Δvc.

図21は、実施の形態1による電流制御部15の第3の変形例を示す図である。図21における電流制御部15Eにおいて、図8と同一又は同等の構成部には、同一の符号及び記号で示している。 FIG. 21 is a diagram showing a third modification of the current control unit 15 according to the first embodiment. In the current control unit 15E in FIG. 21, the same or equivalent components as those in FIG. 8 are indicated by the same reference numerals and symbols.

図21に示される電流制御部15Eにおいても、第2の増幅器153は二つあり、一方の第2の増幅器153a及び他方の第2の増幅器153bは共に、電流制御偏差Δisを増幅する。また、第1の増幅器151は、他方の第2の増幅器153bの出力を増幅する。そして、減算器157によって、一方の第2の増幅器153aの出力と、第1の増幅器151の出力との差分が、電圧補償量Δvcとして出力される。 Also in the current control unit 15E shown in FIG. 21, there are two second amplifiers 153, and both the second amplifier 153a and the second amplifier 153b amplify the current control deviation Δis. Further, the first amplifier 151 amplifies the output of the other second amplifier 153b. Then, the subtractor 157 outputs the difference between the output of the second amplifier 153a and the output of the first amplifier 151 as the voltage compensation amount Δvc.

図19から図21に示される第1から第3の変形例の何れにおいても、第2の増幅器153、若しくは第2の増幅器153a,153bは、P制御器又はPI制御器である。また、第1の増幅器151は、実施の形態1と同様の条件を満足するものである。 In any of the first to third modifications shown in FIGS. 19 to 21, the second amplifier 153 or the second amplifiers 153a and 153b are P controllers or PI controllers. Further, the first amplifier 151 satisfies the same conditions as in the first embodiment.

そして、図8及び図19から図21に示される電流制御部15,15C,15D,15Eは、何れも数式上で等価の次式の伝達関数で表すことができる。 The current control units 15, 15C, 15D, and 15E shown in FIGS. 8 and 19 to 21 can all be represented by transfer functions of the following equations that are equivalent in mathematical expressions.

Figure 2020070814
Figure 2020070814

以上の説明のように、本発明による電流制御部は、第1の増幅器と、第2の増幅器と、減算器という3種類の制御器から構成される線形なシステムである。従って、交換則、分配則、又は結合則により等価変換できるものであれば、図8及び図19から図21に示される構成以外のものでもよい。即ち、本発明による電流制御部は、電流制御部の伝達関数が上記(16)式の形式で表せるものであれば、どのような構成のものでもよい。 As described above, the current control unit according to the present invention is a linear system composed of three types of controllers: a first amplifier, a second amplifier, and a subtractor. Therefore, any configuration other than those shown in FIGS. 8 and 19 to 21 may be used as long as it can be equivalently converted by the commutative law, the distributive law, or the associative law. That is, the current control unit according to the present invention may have any configuration as long as the transfer function of the current control unit can be expressed in the form of the above equation (16).

実施の形態4.
図22は、実施の形態4に係るフィードバック制御装置20の構成を示すブロック図である。図22は、図6に示される実施の形態1の電流制御系を、より一般化したフィードバック制御系のブロック線図に表したものである。なお、図22において、図6及び図8と同一又は同等の構成部には、同一の符号及び記号で示している。
Embodiment 4.
FIG. 22 is a block diagram showing the configuration of the feedback control device 20 according to the fourth embodiment. FIG. 22 shows the current control system of the first embodiment shown in FIG. 6 in a block diagram of a more generalized feedback control system. In FIG. 22, the same or equivalent components as those in FIGS. 6 and 8 are indicated by the same reference numerals and symbols.

図22において、実施の形態4に係るフィードバック制御装置20は、減算器14と、制御部24とを有する。制御部24は、図6に示される電流制御部15に対応する。制御部24の出力側には制御対象26があり、制御対象26の出力であるモデル出力yが減算器14にフィードバックされる。減算器14は、指令信号rからモデル出力yを減算した制御偏差eを生成する。制御部24は、制御偏差eを増幅し、制御対象26に入力する操作量uを演算する。K(s)は制御部24の伝達関数であり、P(s)は制御対象26の伝達関数である。 In FIG. 22, the feedback control device 20 according to the fourth embodiment has a subtractor 14 and a control unit 24. The control unit 24 corresponds to the current control unit 15 shown in FIG. There is a control target 26 on the output side of the control unit 24, and the model output y, which is the output of the control target 26, is fed back to the subtractor 14. The subtractor 14 generates a control deviation e by subtracting the model output y from the command signal r. The control unit 24 amplifies the control deviation e and calculates the operation amount u to be input to the control target 26. K (s) is the transfer function of the control unit 24, and P (s) is the transfer function of the controlled object 26.

また、図22において、制御部24は、第1の増幅器241と、減算器242と、第2の増幅器243とを有する。第1の増幅器241は、図8に示される第1の増幅器151に対応し、減算器242は、図8に示される減算器152に対応し、第2の増幅器243は、図8に示される第2の増幅器153に対応する。K1(s)は第1の増幅器241の伝達関数であり、K2(s)は第2の増幅器243の伝達関数である。 Further, in FIG. 22, the control unit 24 has a first amplifier 241 and a subtractor 242, and a second amplifier 243. The first amplifier 241 corresponds to the first amplifier 151 shown in FIG. 8, the subtractor 242 corresponds to the subtractor 152 shown in FIG. 8, and the second amplifier 243 corresponds to the subtractor 152 shown in FIG. Corresponds to the second amplifier 153. K1 (s) is the transfer function of the first amplifier 241 and K2 (s) is the transfer function of the second amplifier 243.

ここで、第1の増幅器241は、指令信号rが周波数ωrで振動する正弦波信号のとき、以下の条件を満足する制御器であるとする。 Here, it is assumed that the first amplifier 241 is a controller that satisfies the following conditions when the command signal r is a sinusoidal signal that oscillates at the frequency ωr.

・周波数ωrで共振特性となる。
・周波数ωrで負の位相応答特性を有する。
・周波数ωrより高周波域でゲインが単調減少である。
・ Resonance characteristics occur at the frequency ωr.
-Has a negative phase response characteristic at the frequency ωr.
-The gain is monotonically decreasing in the high frequency range from the frequency ωr.

また、実施の形態1と同様に、制御対象26の伝達関数P(s)が、一次遅れ形式として、P(s)=1/(R+sL)で表され、且つ、制御対象26のモデル定数が周波数ωrの近辺でR<<ωrLが成り立つとする。このとき、第1の増幅器241は、次の条件を満足すればよい。 Further, as in the first embodiment, the transfer function P (s) of the control target 26 is represented by P (s) = 1 / (R + sL) as the first-order lag format, and the model constant of the control target 26 is It is assumed that R << ωrL holds in the vicinity of the frequency ωr. At this time, the first amplifier 241 may satisfy the following conditions.

・周波数ωrで共振特性となる。
・周波数ωrでの位相応答が−90度である。
・周波数ωrより高周波域でゲインが単調減少である。
・ Resonance characteristics occur at the frequency ωr.
-The phase response at the frequency ωr is -90 degrees.
-The gain is monotonically decreasing in the high frequency range from the frequency ωr.

更に、上記の条件を満足する簡便な増幅器として、第1の増幅器241は、上記(8)式で表されるような二次遅れ系としてもよい。この場合、第1の増幅器241の比例ゲインであるαは、0<α<1の範囲とする。比例ゲインαをこの範囲内の値に設定すれば、フィードバック制御装置20の制御系は、制御部24によって安定化することができる。なお、第2の増幅器243は、実施の形態1と同様に、P制御器又はPI制御器を用いる。 Further, as a simple amplifier that satisfies the above conditions, the first amplifier 241 may be a second-order lag system as represented by the above equation (8). In this case, α, which is the proportional gain of the first amplifier 241, is in the range of 0 <α <1. If the proportional gain α is set to a value within this range, the control system of the feedback control device 20 can be stabilized by the control unit 24. As the second amplifier 243, a P controller or a PI controller is used as in the first embodiment.

このとき、図22に示されるフィードバック制御系の開ループ伝達関数は、例えば図10の実線で示されるような周波数特性となる。図10において、周波数ωrは、固有周波数に対応し、フィードバック制御系の開ループ伝達関数は、周波数ωrにおいてゲインが極大値であり、位相はほぼ0度である。このことは、周波数ωrで振動する指令信号rに対して、制御偏差eがほぼ同位相となることを意味し、このことは更に、モデル出力yが指令信号rに対してほぼ同位相となることを意味している。従って、モデル出力yの、指令信号rに対する追従性が向上することになる。 At this time, the open-loop transfer function of the feedback control system shown in FIG. 22 has a frequency characteristic as shown by the solid line in FIG. 10, for example. In FIG. 10, the frequency ωr corresponds to the natural frequency, and the open-loop transfer function of the feedback control system has a maximum gain at the frequency ωr and a phase of almost 0 degrees. This means that the control deviation e is substantially in phase with respect to the command signal r oscillating at the frequency ωr, which further means that the model output y is substantially in phase with respect to the command signal r. It means that. Therefore, the followability of the model output y with respect to the command signal r is improved.

また、図22に示されるフィードバック制御系の開ループ伝達関数は、図10の破線で示される特性、即ち、第2の増幅器243だけで制御部24を構成した場合の特性と比較すると、周波数ωrより高周波側におけるゲインの増加及び位相遅れがほとんどない。従って、周波数ωrより高周波側における制御応答が、第2の増幅器243のパラメータだけで支配的に決まる。このため、実施の形態4に係るフィードバック制御装置20は、制御部24における設計の容易性を確保しつつ、十分なゲイン余裕及び位相余裕を確保することができる。 Further, the open-loop transfer function of the feedback control system shown in FIG. 22 has a frequency ωr as compared with the characteristic shown by the broken line in FIG. 10, that is, the characteristic when the control unit 24 is configured only by the second amplifier 243. There is almost no gain increase or phase lag on the higher frequency side. Therefore, the control response on the high frequency side of the frequency ωr is predominantly determined only by the parameter of the second amplifier 243. Therefore, the feedback control device 20 according to the fourth embodiment can secure a sufficient gain margin and a phase margin while ensuring the ease of design in the control unit 24.

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configuration shown in the above-described embodiment shows an example of the content of the present invention, can be combined with another known technique, and is configured without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change a part of.

1 交流電源、2 コンバータ、3 負荷、4 インピーダンス要素、10 制御装置、10a 制御演算部、11 位相演算部、12,14,16,152,157,242 減算器、13 電圧制御部、13a 単位正弦波生成部、13b PI制御器、13c 乗算器、15,15A,15B,15C,15D,15E 電流制御部、17 スイッチング指令生成部、20 フィードバック制御装置、24 制御部、26,52 制御対象、100 駆動システム、151,241 第1の増幅器、153,153a,153b,243 第2の増幅器、154 バンドパスフィルタ、155 加算器、156 ハイパスフィルタ、300 プロセッサ、302 メモリ、303 処理回路、304 インタフェース。 1 AC power supply, 2 converter, 3 load, 4 impedance element, 10 controller, 10a control calculation unit, 11 phase calculation unit, 12, 14, 16, 152, 157, 242 subtractor, 13 voltage control unit, 13a unit sine Wave generator, 13b PI controller, 13c multiplier, 15, 15A, 15B, 15C, 15D, 15E current control unit, 17 switching command generator, 20 feedback control device, 24 control unit, 26, 52 control target, 100 Drive system, 151,241 first amplifier, 153, 153a, 153b, 243 second amplifier, 154 bandpass filter, 155 adder, 156 highpass filter, 300 processor, 302 memory, 303 processing circuit, 304 interface.

Claims (4)

指令信号と制御対象の出力との偏差を増幅し、前記制御対象へ入力する操作量を演算する制御部を備えたフィードバック制御装置であって、
前記制御部は、
前記指令信号の周波数で共振する第1の増幅器と、
比例演算又は比例積分演算を行う第2の増幅器と、
を備え、
前記第1の増幅器の伝達関数をK1(s)で表し、
前記第2の増幅器の伝達関数をK2(s)で表すとき、
前期制御部の伝達関数がK2(s)(1−K1(s))で表され、
前記第1の増幅器は、
前記指令信号の周波数に対する位相応答が負であり
前記指令信号の周波数よりも高周波域でゲインが単調減少である
ことを特徴とするフィードバック制御装置。
A feedback control device including a control unit that amplifies the deviation between the command signal and the output of the control target and calculates the amount of operation to be input to the control target.
The control unit
A first amplifier that resonates at the frequency of the command signal,
A second amplifier that performs proportional or proportional integral operations,
With
The transfer function of the first amplifier is represented by K1 (s).
When the transfer function of the second amplifier is represented by K2 (s),
The transfer function of the control unit in the previous term is represented by K2 (s) (1-K1 (s)).
The first amplifier
A feedback control device characterized in that the phase response to the frequency of the command signal is negative and the gain is monotonically decreased in a frequency region higher than the frequency of the command signal.
前記第1の増幅器は、固有周波数が前記指令信号の周波数と一致する二次遅れ系であることを特徴とする請求項1に記載のフィードバック制御装置。 The feedback control device according to claim 1, wherein the first amplifier is a secondary lag system in which the natural frequency matches the frequency of the command signal. 前記第1の増幅器は、直流成分に対するゲインが0より大きく1未満であることを特徴とする請求項1又は2に記載のフィードバック制御装置。 The feedback control device according to claim 1 or 2, wherein the first amplifier has a gain for a DC component of more than 0 and less than 1. 交流電源から出力される交流電力を直流電力に変換する電力変換器の制御装置であって、
前記制御装置は、
前記電力変換器の交流側に流すべき電流の目標値である電流指令値と、前記交流側の実際の電流との偏差に基づいて電圧補償量を生成する電流制御部を備え、
前記電流制御部は、請求項1から3の何れか1項に記載のフィードバック制御装置に具備される前記制御部を備え、
前記指令信号の周波数は前記交流電源の周波数であり、
前記操作量は前記電圧補償量である
ことを特徴とする電力変換器の制御装置。
A control device for a power converter that converts AC power output from an AC power supply into DC power.
The control device is
A current control unit that generates a voltage compensation amount based on the deviation between the current command value, which is the target value of the current to be passed to the AC side of the power converter, and the actual current on the AC side, is provided.
The current control unit includes the control unit provided in the feedback control device according to any one of claims 1 to 3.
The frequency of the command signal is the frequency of the AC power supply.
A control device for a power converter, wherein the operation amount is the voltage compensation amount.
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