KR101765407B1 - 전력 변환 장치 및 전력 변환 장치의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 형태의 전력 변환 장치의 설정부는, 계속 시간을 랜덤으로 설정함과 함께, 서로 상이한 복수의 반송파 주파수 중 어느 하나의 반송파 주파수를 설정 반송파 주파수로서 설정한다. 이에 의해, 반송파 발생부는, 소정의 설정 반송파 주파수의 반송파를 소정의 계속 시간 동안 발생시킨다. 그리고, PWM 신호 발생부는, 반송파 발생부에 있어서 발생된 반송파에 기초하여, PWM 신호를 발생시키고, 전력 변환부는, 발생된 PWM 신호에 기초하여 전력 변환을 행하여 부하에 공급한다.

Description

전력 변환 장치 및 전력 변환 장치의 제어 방법{POWER CONVERSION DEVICE, AND POWER CONVERSION DEVICE CONTROL METHOD}
본 발명의 실시 형태는, 전력 변환 장치, 전력 변환 장치의 제어 방법, 회전 센서리스 제어 장치 및 회전 센서리스 제어 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
PWM 전력 변환 장치의 전자 소음을 저감하기 위해, 특허문헌 1에서는 반송파의 주파수를 시간적으로 변화시키는 PWM 전력 변환 장치가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에서는, 반송파 주파수를 난수에 따라서 변경함으로써, PWM의 고조파 성분을 분산하여 PWM 고조파에 의한 전자 소음을 저감하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3의 기술에서는, 복수의 반송파 주파수를 변경할 때, 고조파의 주파수 분포 특성이 평탄해지도록 각 반송파 주파수의 발생 확률을 결정하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 영구 자석 동기 전동기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)를 회전 센서를 사용하지 않고 제어하는 PMSM 회전 센서리스 제어에 있어서는, 발생하는 유기 전압이 작은 저속 영역에 있어서, 전동기 철심 돌극성을 이용하여 회전 각도를 추정하기 위해, 고주파 전압을 중첩하여, 전류 응답을 검출하는 방식이 널리 사용되고 있다.
그러나, 중첩되는 고주파 전압에 의해 전자 소음이 발생함이 알려져, 이 발생하는 전자 소음을 저감하기 위해, 중첩되는 고주파 전압의 주파수를 시간적으로 전환하는(변경하는) 기술이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 4 참조).
일본 특허 공고 평3-79959호 공보 일본 특허 제3154965호 공보 일본 특허 공개 제2009-303288호 공보 일본 특허 공개 제2004-343833호 공보
그런데, 반송파 주파수를 전환할(변경할) 때에는, 전환(변경) 전후의 주파수의 평균값 성분이 발생하는 것이, 발명자들의 시험으로부터 밝혀졌다.
따라서, PWM 전력 변환에 사용하는 PWM 신호의 반송파 주파수의 영향을 저감하기 위해서, 복수의 반송파 주파수를 전환하여 사용한 경우에는, 전환 횟수가 많아질수록 평균 주파수의 성분이 커져, 목표한 바와 같은 주파수 스펙트럼 분포를 실현할 수 없으며, 기계 공진을 피하는 것이 곤란해져 전자 소음이 발생할 우려가 있었다.
또한, PWM 전력 변환에 사용하는 PWM 신호에 중첩되는 중첩 고주파 주파수의 영향을 저감하기 위해, 복수의 중첩 고주파 주파수를 전환하여 사용한 경우에는, 전환 횟수가 많아질수록 평균 주파수의 성분이 커져, 평탄한 주파수 스펙트럼 분포의 실현이 곤란해질 우려가 있다. 특히, 일반적으로는 중첩 고주파 주파수를 선택할 수 있는 범위에는 제약이 있고, 좁은 범위밖에 선택할 수 없음에 기인하여 평균 주파수의 성분이 커져, 전자 소음이 발생할 우려가 있었다.
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로, PWM 제어 시의 전자 소음을 저감 가능한 전력 변환 장치, 전력 변환 장치의 제어 방법, 회전 센서리스 제어 장치, 회전 센서리스 제어 장치의 제어 방법 및 제어 프로그램을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
실시 형태의 전력 변환 장치의 설정부는, 계속 시간을 랜덤으로 설정함과 함께, 서로 상이한 복수의 반송파 주파수 중 어느 하나의 반송파 주파수를 설정 반송파 주파수로서 설정한다.
이에 의해, 반송파 발생부는, 소정의 설정 반송파 주파수의 반송파를 소정의 계속 시간 동안 발생시킨다.
그리고, PWM 신호 발생부는, 반송파 발생부에 있어서 발생된 반송파에 기초하여, PWM 신호를 발생시키고, 전력 변환부는, 발생된 PWM 신호에 기초하여 전력 변환을 행하여 부하에 공급한다.
또한, 실시 형태의 회전 센서리스 제어 장치의 설정부는, PWM 제어에 있어서의 기본파 주파수보다도 높은 주파수인 서로 상이한 복수의 중첩 고주파 주파수 중 어느 하나의 중첩 고주파 주파수를 설정함과 함께, 설정된 중첩 고주파 주파수를 갖는 전압 또는 설정된 중첩 고주파 주파수를 갖는 전류의 계속 시간을 랜덤으로 설정한다.
이에 의해, 발생부는, 중첩 고주파 주파수의 전압 또는 전류를 계속 시간 동안 발생시키고, 추정부는, 발생된 중첩 고주파 주파수를 갖는 전압을 영구 자석 동기 전동기에 인가하거나, 또는, 발생된 중첩 고주파 주파수를 갖는 전류를 영구 자석 동기 전동기에 공급하여, 영구 자석 동기 전동기의 회전자 자극 위치 및 회전 속도를 추정한다.
도 1은 제1 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치의 개요 구성 블록도이다.
도 2는 계속 판정부의 개요 구성 블록도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 타이밍 차트이다.
도 4는 반송파 주파수의 전환 상태의 설명도이다.
도 5는 반송파 주파수와 고조파 성분과의 관계 설명도이다.
도 6은 제1 실시 형태의 변형예의 설명도이다.
도 7은 제2 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치의 개요 구성 블록도이다.
도 8은 제2 실시 형태의 타이밍 차트이다.
도 9는 제2 실시 형태의 동작 설명도이다.
도 10은 제2 실시 형태의 효과의 설명도이다.
도 11은 제3 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치의 개요 구성 블록도이다.
도 12는 기계 특성 판정에 있어서 부하에 흘리는 전류의 일례의 설명도이다.
도 13은 기계 특성 판정에 있어서의 부하의 소음 특성의 설명도이다.
도 14는 기계 특성과 설정되는 반송파 주파수와의 관계 설명도이다.
도 15는 기계 특성과 설정되는 반송파 주파수와의 다른 관계 설명도이다.
도 16은 제1 변형예의 개요 구성 설명도이다.
도 17은 제4 실시 형태의 PMSM 회전 센서리스 제어 시스템의 개요 구성 블록도이다.
도 18은 계속 판정부의 개요 구성 블록도이다.
도 19는 제4 실시 형태의 타이밍 차트이다.
도 20은 중첩 고주파 주파수의 전환 상태의 설명도이다.
도 21은 중첩 고주파 주파수와 고조파 성분과의 관계 설명도이다.
도 22는 고주파 전압 지령 생성부의 개요 구성 블록도이다.
도 23은 변형예의 동작 설명 타이밍 차트이다.
도 24는 다른 고주파 전압 지령 생성부의 개요 구성 블록도이다.
도 25는 제5 실시 형태의 PMSM 회전 센서리스 제어 시스템의 개요 구성 블록도이다.
도 26은 제5 실시 형태의 동작 설명도이다.
도 27은 제5 실시 형태의 효과의 설명도이다.
도 28은 제6 실시 형태의 PMSM 회전 센서리스 제어 시스템의 개요 구성 블록도이다.
도 29는 제6 실시 형태의 타이밍 차트이다.
도 30은 제6 실시 형태의 변형예의 설명도이다.
이하에 도면을 참조하여, 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다.
[1] 제1 실시 형태
도 1은 제1 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치의 개요 구성 블록도이다.
PWM 전력 변환 장치(10)는, 크게 구별하면, 직류 전원(11)으로부터의 입력 직류 전압을 강압해서 구동 전압으로 하여 부하(12)에 출력하는 전력 변환부로서 기능하는 강압 초퍼(13)와, 반송파 주파수를 연산하여 반송파 주파수 신호를 출력하는 반송파 주파수 연산부(14)와, 반송파 주파수 신호에 상당하는 반송파 주파수를 갖는 반송파 신호를 발생시키는 반송파 신호 발생부(15)와, 출력 전압 지령 신호를 생성하고 출력하는 출력 전압 지령 생성부(16)와, 입력된 반송파 신호 및 출력 전압 지령 신호에 기초하여 PWM 신호를 강압 초퍼(13)에 출력하는 PWM 신호 발생부(17)를 구비하고 있다.
상기 구성에 있어서, 반송파 주파수 연산부(14), 반송파 신호 발생부(15), 출력 전압 지령 생성부(16) 및 PWM 신호 발생부(17)는, PWM 전력 변환을 제어하는 제어부(18)를 구성하고 있다.
반송파 주파수 연산부(14)는, 난수를 발생시키는 난수 발생부(21)와, 입력된 난수의 값에 기초하여 계속 기간(계속 시간)을 결정하고, 계속 기간 데이터(계속 시간 데이터)를 출력하는 계속 기간 결정부(22)와, 입력된 계속 기간 데이터에 기초하여 계속 판정을 행하고, 주파수 선택 신호를 출력하는 계속 판정부(23)와, 주파수 선택 신호에 기초하여, 반송파 주파수로서 설정 가능한 주파수 중 가장 주파수가 높은 최대 반송파 주파수 fmax 또는 반송파 주파수로서 설정 가능한 주파수 중 가장 주파수가 낮은 최소 반송파 주파수 fmin 중 어느 한쪽을 반송파 주파수 신호로서 출력하는 주파수 선택부(24)를 구비하고 있다.
도 2는 계속 판정부의 개요 구성 블록도이다.
계속 판정부(23)는, 계속 기간 데이터 및 카운트 데이터가 입력되고, 계속 기간 데이터의 값 및 카운트 데이터의 값이 일치했는지 여부를 판별하여, 비교 결과 신호를 출력하는 비교기(31)와, 비교 결과 신호가 일치를 나타내는 경우에 리셋되고, 비교 결과 신호가 불일치인 상태에서 카운트값을 증가하여 카운트 데이터로서 출력하는 카운터(32)와, 비교 결과 신호 및 주파수 선택 신호가 입력되고, 비교 결과 신호와 주파수 선택 신호가 불일치인 경우에, 주파수 선택 신호를 반전하는 반전 처리기(33)를 구비하고 있다.
다음으로 제1 실시 형태의 동작을 설명한다.
먼저, 반송파 주파수 연산부(14)의 난수 발생부(21)는, 난수값을 발생시켜 계속 기간 결정부(22)에 출력한다. 여기서, 난수 발생부(21)는, 의사 난수를 연산하여 난수값으로서 출력하거나, 난수 테이블을 참조하거나 하여 난수값을 출력한다.
이 결과, 계속 기간 결정부(22)는, 입력된 난수에 기초하여 선택 반송파 주파수의 계속 기간을 결정하고, 계속 기간 데이터로서 출력한다. 보다 구체적으로는, 반송파 1주기분을 기준으로 하여 식 (1)로 계산한다.
Figure 112015112819787-pct00001
계속 판정부(23)는, 입력된 계속 기간 데이터에 기초하여, 계속 판정을 행하고, 주파수 선택 신호를 출력한다. 본 제1 실시 형태에 있어서는, 반송파 주파수는, 최대 반송파 주파수 fmax 또는, 최소 반송파 주파수 fmin의 2종류이므로, 주파수 선택 신호는 "0" 또는 "1" 중 어느 하나의 값을 갖는 2치 데이터이다. 따라서, 계속 기간 데이터의 값에 따라, 최대 반송파 주파수 fmax 또는, 최소 반송파 주파수 fmin 중 어느 하나에 대응하는 주파수 선택 신호가 주파수 선택부(24)에 출력된다.
주파수 선택부(24)는, 주파수 선택 신호에 기초하여, 반송파 주파수를 최대 반송파 주파수 fmax 또는 최소 반송파 주파수 fmin 중 어느 하나를 배타적으로 반송파 주파수 신호로서 출력한다.
이 결과, 반송파 신호 발생부(15)는, 반송파 주파수 신호에 대응하는 주파수(본 제1 실시 형태에서는, 최대 반송파 주파수 fmax 또는 최소 반송파 주파수 fmin 중 어느 하나)의 반송파 신호를 생성하여, PWM 신호 발생부(17)에 출력한다.
한편, 출력 전압 지령 생성부(16)는, 강압 초퍼(13)의 출력 전압에 상당하는 출력 전압 지령 신호(=PWM 제어에 있어서의 기본파에 상당)를 생성하고, PWM 신호 발생부(17)에 출력한다.
이들 결과, PWM 신호 발생부(17)는, 입력된 반송파 신호 및 출력 전압 지령 신호에 기초하여 PWM 신호를 강압 초퍼(13)에 출력한다.
강압 초퍼(13)는, PWM 신호에 기초하여 직류 전원(11)으로부터의 입력 직류 전압을 강압하여 구동 전압으로서 부하(12)에 출력하고, 부하(12)가 구동되게 된다.
다음으로 보다 구체적인 동작에 대하여 설명한다.
도 3은 제1 실시 형태의 타이밍 차트이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, PWM 신호 발생부(17)의 직류 전원 전압을 Vdc[V]로 한 경우에, 반송파 신호 발생부(15)가 발생하는 반송파 신호 SC는, 0[V]와 직류 전원 전압 Vdc[V]의 2개의 전압 레벨 사이에서 천이하는 삼각파가 된다.
한편, 출력 전압 지령 신호 SB의 전압은 일정하다.
이들 결과, PWM 신호 발생부(17)에서 발생되는 PWM 신호 SP는, 반송파 신호 SC<출력 전압 지령 신호 SB의 경우에는, "H" 레벨이 되고, 반송파 신호 SC≥출력 전압 지령 신호 SB의 경우에는, "L" 레벨이 된다.
도 4는 반송파 주파수의 전환 상태의 설명도이다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 본 제1 실시 형태에 의하면, 난수 발생부(21)에 있어서 발생된 난수에 기초하여, 반송파 신호 SC의 주파수(설정 반송파 주파수)는, 최대 반송파 주파수 fmax 또는 최소 반송파 주파수 fmin 중 어느 하나의 계속 기간이 랜덤으로 변화하도록 되어 있다.
본 제1 실시 형태에 의하면, 동일 주파수의 반송파의 계속 기간이 매회 상이하기 때문에, 반송파 주파수 선택 범위의 평균 주파수의 성분을 저감할 수 있다.
또한, 본 제1 실시 형태에 있어서는, 난수값에 따라서 계속 기간을 변경함으로써, 동일 주파수의 반송파 계속 기간의 변화에 규칙성이 없어지기 때문에, 계속 기간의 변화에 수반되는 청각 상의 위화감이 발생하는 일이 없어진다.
이상의 설명에 있어서는, 난수 발생부(21)에서 난수를 발생시키고, 난수에 따라서 계속 기간을 변경했지만, 예를 들어 정현파에 따라서 계속 기간을 변경해도, 반송파 주파수 선택 범위의 평균 주파수의 성분을 저감할 수 있다.
반송파에 의해 발생하는 고조파의 주파수 스펙트럼 분포에 있어서, 각 반송파 주파수에 의해 발생하는 고조파 성분의 피크는 반송파 주파수 선택 범위 내에 나타난다.
또한, 통상, 반송파 주파수의 선택 범위는, 상한 주파수(fmax)는 마이크로컴퓨터의 제어 연산 처리 시간의 제한을 받고, 하한 주파수(fmin)는 제어 지연에 의한 제어성의 악화에 따른 제한을 받는다. 따라서, 상한 주파수(fmax)부터 하한 주파수(fmin)에 이르는 주파수 대역으로서는, 넓게 취할 수 없다.
도 5는 반송파 주파수와 고조파 성분의 관계 설명도이다.
즉, 도 5에 도시하는 바와 같이, 하한의 반송파 주파수인 최소 반송파 주파수 fmin에 의한 고조파 성분의 피크(71)와 상한의 반송파 주파수인 최대 반송파 주파수 fmax에 의한 고조파 성분의 피크(72), 주파수의 변이에 수반하는 고조파 성분의 피크(73)는 각각 겹치게 된다. 따라서, 반송파 주파수 선택 범위 중에서, 분산의 범위를 가능한 한 넓히기 위해서는, 반송파 주파수 선택 범위의 하한의 최소 반송파 주파수 fmin과 상한의 최대 반송파 주파수 fmax의 2개의 주파수를 반송파 주파수로서 선택하고, 계속 기간을 변화시킴으로써 분산하는 것이 보다 바람직함을 알 수 있다.
또한, 가능하면, 반송파 주파수의 갱신 타이밍이 반송파의 산부 또는 골부가 되도록, 계속 기간은, 반송파가 삼각파인 경우에는 반송파 주기의 반주기의 정수배, 반송파가 톱니파인 경우에는 반송파 1주기의 정수배로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 반송파의 산부부터 골부의 사이의 출력 전압의 평균값이 출력 전압 지령의 전압값이 된다는 PWM의 전제가 유지되어, 반송파 주파수의 변경에 의해, 출력 전압에 발생하는 오차의 발생을 방지할 수 있다.
도 6은 제1 실시 형태의 변형예의 설명도이다.
본 제1 실시 형태에서는, 강압 초퍼(13)에 의한 부하(12)의 제어에 대하여 나타냈지만, 예를 들어 도 6에 도시하는 바와 같이, 인버터(13A)에 의한 교류 모터(12A)의 제어인 경우 등, PWM 전력 변환 장치이면 마찬가지로 고조파 성분의 분산 효과가 얻어지고, 기계적 공진 등의 발생을 억제할 수 있다.
[2] 제2 실시 형태
도 7은 제2 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치의 개요 구성 블록도이다.
도 7에 있어서, 도 1의 제1 실시 형태와 마찬가지의 부분에는, 동일한 부호를 부여하기로 한다.
본 제2 실시 형태가 제1 실시 형태와 상이한 점은, 제1 실시 형태가, 단순히 난수값에 의해 동일 주파수의 반송파를 PWM 신호의 생성에 계속하여 사용하는 계속 기간을 설정하고 있었던 것에 반해, 본 제2 실시 형태는, 난수값 및 변이 확률값을 사용하고, 난수값이 변이해야 할 조건을 만족하고 있는지 여부를 변이 확률값에 기초하여 행하는 반송파 주파수 연산부를 구비한 점이다. 이 경우에, 변이 확률값을 복수 사용함으로써, 어떤 반송파 주파수로부터 다른 반송파 주파수로 전환할지 여부를 판별하고 있으므로, 한층 더 균일하게 반송파 주파수를 전환할 수 있고, 얻어지는 고조파 성분의 주파수를 균일하게 분산시킬 수 있다.
PWM 전력 변환 장치(10)의 반송파 주파수 연산부(14A)는, 크게 구별하면, 도 7에 도시하는 바와 같이, 난수를 발생시키는 난수 발생부(21)와, 주파수 선택 신호에 기초하여 미리 설정된 복수의 변이 확률값 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 변이 확률 선택부(41)와, 입력된 난수값 및 입력된 변이 확률값에 기초하여 주파수 변이를 행해야 하는지 여부의 변이 판정을 행하여 변이 지령 신호를 출력하는 변이 판정부(42)와, 입력된 변이 지령 신호에 기초하여, 주파수 선택 신호를 출력하는 주파수 선택 지시부(43)와, 주파수 선택 신호에 기초하여, 반송파 주파수를 최대 반송파 주파수 fmax 또는 최소 반송파 주파수 fmin 중 어느 하나를 배타적으로 반송파 주파수 신호로서 출력하는 주파수 선택부(24)를 구비하고 있다.
본 제2 실시 형태에 있어서는, 사용하는 반송파 주파수를 최대 반송파 주파수 fmax 및 최소 반송파 주파수 fmin의 2종류로 하고 있으므로, 변이 확률값은, 반송파 주파수를 최대 반송파 주파수 fmax로부터 최소 반송파 주파수 fmin으로 변이시키는 확률값인 변이 확률값 Phl과, 반송파 주파수를 최소 반송파 주파수 fmin으로부터 최대 반송파 주파수 fmax로 변이시키는 확률값인 변이 확률값 Plh 두 가지가 사용되고 있다.
다음으로 제2 실시 형태의 동작을 설명한다.
먼저, 반송파 주파수 연산부(14A)의 난수 발생부(21)는, 난수값을 발생시켜 변이 판정부(42)에 출력한다. 여기서, 난수 발생부(21)는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 의사 난수를 연산하여 난수값으로서 출력하거나, 난수 테이블을 참조하거나 하여 난수값을 변이 판정부(42)에 출력한다.
이것과 병행하여, 변이 확률 선택부(41)는, 주파수 선택 지시부(43)가 출력하고 있는 주파수 선택 신호에 기초하여 미리 설정된 복수의 변이 확률값 Phl, Plh 중 어느 하나를 선택하여 변이 판정부(42)에 출력한다.
구체적으로는, 주파수 선택 지시부(43)가 출력하고 있는 주파수 선택 신호가 최대 반송파 주파수 fmax에 대응하는 것인 경우에는, 반송파 주파수를 최대 반송파 주파수 fmax로부터 최소 반송파 주파수 fmin으로 변이시키는 확률값인 변이 확률값 Phl이 변이 판정부(42)에 출력된다.
또한, 주파수 선택 지시부(43)가 출력하고 있는 주파수 선택 신호가 최소 반송파 주파수 fmin에 대응하는 것인 경우에는, 반송파 주파수를 최소 반송파 주파수 fmin으로부터 최대 반송파 주파수 fmax로 변이시키는 확률값인 변이 확률값 Plh가 변이 판정부(42)에 출력된다.
이 결과, 변이 판정부(42)는 입력된 난수값과 변이 확률값에 기초하여 주파수 변이를 행해야 하는지 여부의 변이 판정을 행하여 변이 지령 신호를 주파수 선택 지시부(43)에 출력한다.
보다 구체적으로는, 예를 들어 난수값을 0 내지 1로 하고, 입력된 난수값이 변이 확률값(예를 들어, 변이 확률값 Phl=0.45) 이하인 경우에는, 현재의 반송파 주파수와는 상이한 반송파 주파수로 변이하는 변이 지령 신호를 주파수 선택 지시부(43)에 출력한다.
주파수 선택 지시부(43)는, 입력된 변이 지령 신호에 기초하여, 주파수 선택 신호를 주파수 선택부(24)에 출력한다.
이 결과, 주파수 선택부(24)는, 입력된 주파수 선택 신호에 기초하여, 반송파 주파수를 최대 반송파 주파수 fmax 또는 최소 반송파 주파수 fmin 중 어느 한쪽을 반송파 주파수 신호로서 반송파 신호 발생부(15)에 출력한다.
반송파 신호 발생부(15)는, 반송파 주파수 신호에 대응하는 주파수(본 제2 실시 형태에서는, 최대 반송파 주파수 fmax 또는 최소 반송파 주파수 fmin 중 어느 하나)의 반송파 신호를 생성하여, PWM 신호 발생부(17)에 출력한다.
한편, 출력 전압 지령 생성부(16)는, 강압 초퍼(13)의 출력 전압에 상당하는 출력 전압 지령 신호(=PWM 제어에 있어서의 기본파에 상당)를 생성하여, PWM 신호 발생부(17)에 출력한다.
이 결과, PWM 신호 발생부(17)는, 입력된 반송파 신호 및 출력 전압 지령 신호에 기초하여 PWM 신호를 강압 초퍼(13)에 출력한다.
강압 초퍼(13)는, PWM 신호에 기초하여 직류 전원(11)으로부터의 입력 직류 전압을 강압하여 구동 전압으로서 부하(12)에 출력하고, 부하(12)가 구동되게 된다.
도 8은 제2 실시 형태의 타이밍 차트이다.
이상의 구성에 의해, 반송파 주파수 연산부(14A)에 있어서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 최대 반송파 주파수 fmax 또는 최소 반송파 주파수 fmin의 계속 기간이 랜덤으로 변화하는 반송파 신호 SC1이 출력되고, PWM 신호 발생부(17)에 의해, 도 8에 도시한 바와 같은 PWM 신호 SP1이 출력된다.
또한, 본 제2 실시 형태에 있어서는, 제1 실시 형태의 효과 외에, 적절한 변이 확률값을 사용함으로써 반송파 주파수의 변이 상태를 조정할 수 있으므로, 원하는 고조파의 주파수 스펙트럼 분포의 생성이 용이해진다.
여기서, 변이 확률값에 의한 고조파의 주파수 스펙트럼 분포의 조정에 대하여 설명한다.
본 제2 실시 형태에 있어서는, 동작 모드로서는, 이하의 4개밖에 존재하지 않는다.
(1) 최소 반송파 주파수 fmin의 계속
(2) 최대 반송파 주파수 fmax의 계속
(3) 최소 반송파 주파수 fmin으로부터 최대 반송파 주파수 fmax로의 변이
(4) 최대 반송파 주파수 fmax로부터 최소 반송파 주파수 fmin으로의 변이
도 9는 제2 실시 형태의 동작 설명도이다.
이 경우에 있어서, 발생하는 고조파의 주파수 스펙트럼 분포로서는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 3종류의 주파수 스펙트럼 분포가 된다. (3) 최소 반송파 주파수 fmin으로부터 최대 반송파 주파수 fmax로의 변이와 (4) 최대 반송파 주파수 fmax로부터 최소 반송파 주파수 fmin으로의 변이는 모두 73이 되므로, 공통으로 취급한다.
따라서, 이들 3종류의 주파수 스펙트럼 분포를 사용하여 고찰한다.
각 주파수 스펙트럼 분포의 피크에 있어서의 고조파 성분의 진폭은, 식 (2) 내지 식 (4)로 나타낼 수 있다.
Figure 112015112819787-pct00002
Figure 112015112819787-pct00003
Figure 112015112819787-pct00004
여기서, 상수 C는 변조율이나 분산 범위 등에 따라 변화하는데, 3개의 분산에서 공통의 상수이다.
이상에 기초하여, 본 제2 실시 형태에 있어서는, 고조파의 주파수 스펙트럼 분포를 조정하고 있다.
예를 들어, 최소 반송파 주파수 fmin의 고조파 성분을 많게 하고 싶은 경우에는, 반송파 주파수를 최대 반송파 주파수 fmax로부터 최소 반송파 주파수 fmin으로 변이시키는 변이 확률값 Phl을 크게 하거나, 또는, 반송파 주파수를 최소 반송파 주파수 fmin으로부터 최대 반송파 주파수 fmax로 변이시키는 변이 확률값 Plh를 작게 하면 된다.
또한, 최대 반송파 주파수 fmax의 고조파 성분을 많게 하고 싶은 경우에는 반송파 주파수를 최대 반송파 주파수 fmax로부터 최소 반송파 주파수 fmin으로 변이시키는 변이 확률값 Phl을 작게 하거나, 또는, 반송파 주파수를 최소 반송파 주파수 fmin으로부터 최대 반송파 주파수 fmax로 변이시키는 변이 확률값 Plh를 크게 하면 된다.
또한, 최소 반송파 주파수 fmin으로부터 최대 반송파 주파수 fmax로의 변이, 또는, 최대 반송파 주파수 fmax로부터 최소 반송파 주파수 fmin으로의 변이에 의해 발생하는 고조파 성분을 많게 하고 싶은 경우에는, 반송파 주파수를 최대 반송파 주파수 fmax로부터 최소 반송파 주파수 fmin으로 변이시키는 변이 확률값 Phl, 또는, 반송파 주파수를 최소 반송파 주파수 fmin으로부터 최대 반송파 주파수 fmax로 변이시키는 변이 확률값 Plh를 크게 하면 된다. 이에 의해, 임의의 주파수 스펙트럼 분포의 생성이 가능해진다.
그런데, 제1 실시 형태에서도 설명한 바와 같이, 통상, 반송파 주파수의 선택 범위는 넓게 취할 수 없다.
따라서, 도 5에 도시한 바와 같이, 반송파 주파수 선택 범위의 하한의 반송파 주파수인 최소 반송파 주파수 fmin에 의한 고조파 성분의 피크(71), 반송파 주파수 선택 범위의 상한의 반송파 주파수인 최대 반송파 주파수 fmax에 의한 고조파 성분의 피크(72) 및, 반송파 주파수의 변이에 기인하는 고조파 성분의 피크(73)는 각각 겹치게 된다.
도 10은 제2 실시 형태의 효과의 설명도이다.
그로 인해, 반송파 주파수의 변이에 기인하는 고조파의 피크(73)를, 최소 반송파 주파수 fmin에 의한 고조파 성분의 피크(71) 및 최대 반송파 주파수 fmax에 의한 고조파 성분의 피크(72)에 비하여 작게 함으로써, 도 10에 도시하는 바와 같이, 반송파 주파수의 선택 범위 내에서 가능한 한 평탄하게 하는 것이 가능해진다.
본 제2 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 난수가 아니라, 예를 들어 정현파에 따라서 변이 판정을 실시해도, 반송파 주파수 선택 범위의 평균 주파수의 성분을 저감할 수 있다. 또한, 본 제2 실시 형태에서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 강압 초퍼(13)에 의한 부하(12)의 제어에 대하여 나타냈지만, PWM 전력 변환 장치라면 마찬가지로 고조파 성분의 분산 효과가 얻어진다.
또한, 가능하면, 반송파 주파수의 갱신 타이밍이 반송파의 피크(산부) 또는 보텀(골부)이 되도록, 반송파 주파수의 변경은 피크 위치 또는 보텀 위치에서만 실시하는 편이 좋다. 이에 의해, 반송파의 피크부터 보텀 사이의 출력 전압의 평균값이 출력 전압 지령이 된다는 PWM의 전제가 유지되어, 반송파 주파수의 변경에 의해, 출력 전압에 발생하는 오차의 발생을 방지할 수 있다.
[3] 제3 실시 형태
본 제3 실시 형태가 상기 제2 실시 형태와 상이한 점은, 부하의 기계 특성에 기초하여 변이 확률값 및 반송파 주파수를 결정하는 변이 확률 반송파 주파수 결정부를 구비한 점이다.
도 11은 제3 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치의 개요 구성 블록도이다.
도 11에 있어서, 도 7의 제2 실시 형태와 동일한 부분에는, 동일한 부호를 부여하기로 한다.
PWM 전력 변환 장치(10)의 반송파 주파수 연산부(14B)는, 크게 구별하면, 도 11에 도시하는 바와 같이, 난수를 발생시키는 난수 발생부(21)와, 입력된 부하의 기계 특성에 기초하여, 변이 확률값 Phl, Plh, 최대 반송파 주파수 fmax 및 최소 반송파 주파수 fmin을 결정하는 변이 확률 반송파 주파수 결정부(51)와, 변이 확률 반송파 주파수 결정부(51)에 의해 설정된 복수의 변이 확률값 중 어느 하나를 주파수 선택 신호에 기초하여 선택하여 출력하는 변이 확률 선택부(41)와, 입력된 난수값 및 입력된 변이 확률값에 기초하여 주파수 변이를 행해야 하는지 여부의 변이 판정을 행하여 변이 지령 신호를 출력하는 변이 판정부(42)와, 입력된 변이 지령 신호에 기초하여, 주파수 선택 신호를 출력하는 주파수 선택 지시부(43)와, 변이 확률 반송파 주파수 결정부(51)에 의해 설정된 최대 반송파 주파수 fmax 또는 최소 반송파 주파수 fmin 중 어느 하나를, 주파수 선택 신호에 기초하여 반송파 주파수 신호로서 출력하는 주파수 선택부(24)를 구비하고 있다.
도 12는 기계 특성 판정에 있어서 부하에 흘리는 전류의 일례의 설명도이다.
도 13은 기계 특성 판정에 있어서의 부하의 소음 특성의 설명도이다.
상술한 제3 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치(10)의 구성에 있어서, 기계 특성이란, 예를 들어 도 12와 같은 화이트노이즈에 가까운 전류를 부하에 흘렸을 때에 있어서의, 도 13에 나타내는 부하의 소음 특성이나, 단순히 부하의 기계 공진점의 주파수(예를 들어, 도 13에 있어서는, 3.4kHz 및 3.9kHz)이다.
도 14는 기계 특성과 설정되는 반송파 주파수와의 관계 설명도이다.
그리고, 변이 확률 반송파 주파수 결정부(51)는, 입력된 기계 특성에 따라서, 예를 들어 도 14에 도시하는 바와 같이, 기계 특성(82)에 있어서의 기계 공진점을, 최대 반송파 주파수 fmax 및 최소 반송파 주파수 fmin의 평균 주파수[=2fmin×fmax/(fmax+fmin)≒(fmax+fmin)/2]와 일치시키도록 최대 반송파 주파수 fmax 및 최소 반송파 주파수 fmin을 결정한다. 또한, 변이 확률값 Phl, Plh를 작게 함으로써, 반송파 주파수의 변이 횟수를 억제하고, 평균 주파수에 있어서의 고조파의 피크 발생을 억제함으로써, 기계 공진을 피한 주파수 스펙트럼 분포(81)로 한다.
도 15는 기계 특성과 설정되는 반송파 주파수와의 다른 관계 설명도이다.
예를 들어, 도 15에 도시하는 바와 같이, 최대 반송파 주파수 fmax에 있어서의 소음이 크게 나는 기계 특성(84)의 경우에는, 반송파 주파수를 최대 반송파 주파수 fmax로부터 최소 반송파 주파수 fmin으로 변이시키는 변이 확률값 Phl보다도, 반송파 주파수를 최소 반송파 주파수 fmin으로부터 최대 반송파 주파수 fmax로 변이시키는 변이 확률값 Plh를 작게 하여 최대 반송파 주파수 fmax의 고조파의 피크보다도 최소 반송파 주파수 fmin의 고조파의 피크가 커지도록, 기계 공진을 피한 주파수 스펙트럼 분포(83)로 한다.
이상과 같이 구성한 본 제3 실시 형태에 따르면, 기계 공진을 피할 수 있고, 전자 소음을 저감하는 것이 가능해진다.
본 제3 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 마찬가지로, 난수가 아니라, 예를 들어 정현파에 따라서 변이 판정을 실시해도, 반송파 주파수 선택 범위의 평균 주파수의 성분을 저감할 수 있다.
또한, 본 제3 실시 형태에서도, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 마찬가지로, 강압 초퍼(13)에 의한 부하(12)의 제어에 대하여 나타냈지만, PWM 전력 변환 장치라면 마찬가지로 고조파 성분의 분산 효과가 얻어진다.
본 제3 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 마찬가지로, 난수가 아니라, 예를 들어 정현파에 따라서 변이 판정을 실시해도, 기계 공진을 피할 수 있다.
또한, 제3 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 마찬가지로, 강압 초퍼(13)에 의한 부하(12)의 제어에 대하여 나타냈지만, 예를 들어 부하(12)로서 기능하는 교류 모터(12A)를 제어하는 인버터여도, 교류 모터(12A)의 기계 특성에 따라서 본 발명을 사용하면 마찬가지로 전자 소음 저감 효과가 얻어진다.
[4] 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 변형예
[4.1] 제1 변형예
도 16은 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 제1 변형예의 개요 구성 설명도이다.
이상의 각 실시 형태에 있어서는, 부하의 기계 특성을 별도 입력(설정)하는 구성을 취하고 있었지만, 도 16에 도시하는 바와 같이, 부하의 근방에 소음 검출용 마이크로폰(91)을 설치하고, 마이크로폰(91)의 출력을 고속 푸리에 변환(FFT)하여 분석하는 FFT 애널라이저(92)를 설치하여, FFT 분석 결과에 기초하여 최대 반송파 주파수 fmax, 최소 반송파 주파수 fmin 및 반송파 계속 기간을 정하도록 구성하는 것도 가능하다.
[4.2] 제2 변형예
제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 제1 변형예와 마찬가지로 FFT 애널라이저를 설치하고, 또한, 제2 실시 형태에서 사용한 변이 확률값 Phl 및 변이 확률값 Plh를 FFT 분석 결과에 기초하여 정하도록 구성하는 것도 가능하다.
[4.3] 제3 변형예
상기 제3 실시 형태에 있어서는, 변이 확률 반송파 주파수 결정부(51)를 갖는 구성을 취하고 있었지만, 제2 실시 형태의 구성에 있어서, 기계 공진을 피하도록 미리 변이 확률값 Phl, Plh 및 반송파 주파수 fmax, fmin을 계산해 두고, 그것을 설정하도록 구성하는 것도 가능하다.
[4.4] 제4 변형예
제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치의 제어부는, CPU 등의 제어 장치와, ROM(Read Only Memory)이나 RAM 등의 기억 장치와, HDD, CD 드라이브 장치 등의 외부 기억 장치와, 디스플레이 장치 등의 표시 장치와, 키보드나 마우스 등의 입력 장치를 구비하고 있고, 통상의 컴퓨터를 이용한 하드웨어 구성으로서 구성하는 것도 가능하다.
[4.5] 제5 변형예
또한 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치의 제어부에서 실행되는 제어 프로그램은, 인스톨 가능한 형식 또는 실행 가능한 형식의 파일로 CD-ROM, 플렉시블 디스크(FD), CD-R, DVD(Digital Versatile Disk) 등의 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록되어 제공되도록 해도 된다.
[4.6] 제6 변형예
또한, 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치의 제어부에서 실행되는 제어 프로그램을, 인터넷 등의 네트워크에 접속된 컴퓨터 상에 저장하고, 네트워크 경유로 다운로드시킴으로써 제공하도록 구성해도 된다. 또한, 본 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치에서 실행되는 제어 프로그램을 인터넷 등의 네트워크 경유로 제공 또는 배포하도록 구성해도 된다.
[4.7] 제7 변형예
또한, 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 PWM 전력 변환 장치의 제어부의 제어 프로그램을, ROM 등에 미리 내장하여 제공하도록 구성해도 된다.
[5] 제4 실시 형태
도 17은, 제4 실시 형태의 PMSM 회전 센서리스 제어 시스템의 개요 구성 블록도이다.
PMSM 회전 센서리스 제어 시스템(110)은 크게 구별하면, 전력 변환을 행하는 인버터(111)와, 인버터(111)에 의해 회전 구동되는 PMSM(112)과, 전동기 철심 돌극성을 이용하여 PMSM(112)의 회전 각도를 추정하기 위하여 중첩하는 고주파 전압의 주파수를 연산하고, 설정하기 위한 중첩 고주파 주파수 연산부(113)와, 중첩 고주파 주파수 연산부(113)에 의해 설정된 주파수를 갖는 고주파 신호를 제어 신호에 중첩하면서, 인버터(111)를 제어하는 인버터 제어부(114)를 구비하고 있다. 이때, 중첩 고주파 주파수 연산부(113)는 인버터 제어부(114)의 내부 또는 외부에 설치하는 것이 가능하다.
중첩 고주파 주파수 연산부(113)는, 난수를 발생시키는 난수 발생부(121)와, 입력된 난수의 값에 기초하여 계속 기간을 결정하고, 계속 기간 데이터를 출력하는 계속 기간 결정부(122)와, 입력된 계속 기간 데이터에 기초하여 후술하는 계속 판정을 행하고, 주파수 선택 신호를 출력하는 계속 판정부(123)와, 주파수 선택 신호에 기초하여, 중첩 고주파 주파수로서 설정 가능한 주파수 중 가장 주파수가 높은 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max 또는 중첩 고주파 주파수로서 설정 가능한 주파수 중 가장 주파수가 낮은 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min 중 어느 한쪽을 중첩 고주파 주파수 신호로서 출력하는 주파수 선택부(124)를 구비하고 있다.
도 18은 계속 판정부의 개요 구성 블록도이다.
계속 판정부(123)는 비교기(161), 카운터(162), 반전 처리기(163)를 구비하고 있다.
비교기(161)는, 계속 기간 데이터 및 카운트 데이터가 입력되어, 계속 기간 데이터의 값 및 카운트 데이터의 값이 일치했는지 여부를 판별하고, 비교 결과 신호를 출력한다.
카운터(162)는, 내부에 메모리를 갖고 있으며, 메모리에는 카운트값이 보존되어 있다. 카운트값의 초기값은 예를 들어 0으로 한다. 그 카운트값에 대하여 제어 주기마다 일정 값(예를 들어 1)을 가산하여 메모리 내의 카운트값을 갱신한다.
카운터(162)에는, 비교 결과 신호가 입력되고, 비교 결과 신호가 일치에 상당할 경우에 카운트값은 초기값으로 리셋된다. 또한, 카운터(162)는, 비교 결과 신호가 불일치에 상당하는 경우에는, 계속하여 제어 주기마다 일정값을 가산하여 카운트값으로서 출력한다.
반전 처리기(163)는 비교 결과 신호 및 주파수 선택 신호가 입력되고, 비교 결과 신호와 주파수 선택 신호가 불일치로 되었을 경우에, 주파수 선택 신호를 반전한다.
이상의 일련의 처리가 계속 판정이 된다.
인버터 제어부(114)는, 주파수 선택부(124)로부터 출력되는 중첩 고주파 주파수 신호에 기초하여, 중첩해야 할 고주파 전압의 주파수 지시를 행하기 위한 중첩 전압 지령 신호 vdch*을 출력하는 고주파 전압 지령 생성부(131)를 구비하고 있다. 또한, 인버터 제어부(114)는 입력된 중첩 전압 지령 신호 vdch* 및 q축 전류 검출 신호 iqc에 기초하여 PMSM(112)의 회전 위상각을 추정하여 추정 위상각 θest를 출력하는 회전 위상각 추정부(132)를 구비하고 있다.
또한, 인버터 제어부(114)는 운전실 등의 외부로부터 입력되는 d축 전류 지령 신호 idc*, q축 전류 지령 신호 iqc*, 전류 검출부(137)의 검출값으로부터 산출되는 d축 전류 검출 신호 idc 및 q축 전류 검출 신호 iqc에 기초하여 전류 제어를 행하기 위하여 기본파 전압 지령 신호 vdcf*, vqcf*을 생성해 출력하는 전류 제어부(133)와, 기본파 전압 지령 신호 vdcf*, vqcf* 및 중첩 전압 지령 신호 vdch*에 기초하여 d축 전압 지령 신호 vdc*, q축 전압 지령 신호 vqc*을 출력하는 고주파 전압 중첩부(134)를 구비하고 있다.
또한, 인버터 제어부(114)는 입력된 d축 전압 지령 신호 vdc* 및 q축 전압 지령 신호 vqc*의 좌표 변환을 행하여 U상 전압 지령 신호 vu*, V상 전압 지령 신호 vv*, W상 전압 지령 신호 vw*을 출력하는 제1 좌표 변환부(135)와, 입력된 전압 지령 신호 vu*, vv*, vw*과, 반송파인 삼각파 또는 톱니파를 비교하여 PWM 변조를 행하고, 인버터(111)의 각 상 스위칭 소자의 온/오프 지령인 게이트 신호를 출력하는 PWM 변조부(136)를 구비하고 있다.
또한, 인버터 제어부(114)는, PMSM(112)에 흐르는 3상 교류 전류 중 복수 상(도 17의 예에서는, U상 및 W상의 2상)의 전류 응답값을 검출하고, 전류 검출 신호(도 17의 예에서는, U상 전류 검출 신호 iu 및 W상 전류 검출 신호 iw)를 출력하는 전류 검출부(137)와, 전류 검출부(137)에 의해 출력된 전류 검출 신호(도 17의 예에서는, U상 전류 검출 신호 iu 및 W상 전류 검출 신호 iw)의 좌표 변환(UVW/dcqc 변환)을 행하여 d축 전류 검출 신호 idc 및 q축 전류 검출 신호 iqc를 출력하는 제2 좌표 변환부(138)를 구비하고 있다.
다음으로 제4 실시 형태의 동작을 설명한다.
먼저, 중첩 고주파 주파수 연산부(113)의 난수 발생부(121)는, 난수값을 발생시켜 계속 기간 결정부(122)에 출력한다. 여기서, 난수 발생부(121)는, 의사 난수를 연산하여 난수값으로서 출력하거나, 난수 테이블을 참조하거나 하여 난수값을 출력한다.
이 결과, 계속 기간 결정부(122)는, 입력된 난수값에 기초하여 중첩 고주파 주파수의 계속 기간을 결정하고, 계속 기간 데이터로서 출력한다. 보다 구체적으로는, 중첩 고주파 주파수의 1주기분을 기준으로 하여 식 (5)로 계산한다.
Figure 112015112819787-pct00005
계속 판정부(123)는, 입력된 계속 기간 데이터에 기초하여, 계속 판정을 행하고, 주파수 선택 신호를 출력한다. 본 제4 실시 형태에 있어서는, 중첩 고주파 전압의 주파수는, 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max 또는, 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min의 2종류이므로, 주파수 선택 신호는, "0" 또는 "1" 중 어느 하나의 값을 갖는 2치 데이터이다. 따라서, 계속 기간 데이터의 값에 따라, 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max 또는, 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min 중 어느 하나에 대응하는 주파수 선택 신호가 주파수 선택부(124)에 출력된다.
주파수 선택부(124)는, 주파수 선택 신호에 기초하여, 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max 또는 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min 중 어느 한쪽을 중첩 고주파 주파수 신호로서 고주파 전압 지령 생성부(131)에 출력한다.
인버터 제어부(114)의 고주파 전압 지령 생성부(131)는, 입력된 중첩 고주파 주파수 신호에 기초하여 중첩해야 할 고주파 전압의 주파수의 지시를 행하기 위한 중첩 전압 지령 신호 vdch*을 회전 위상각 추정부(132) 및 고주파 전압 중첩부(134)에 출력한다.
한편, 전류 제어부(133)는, 입력된 d축 전류 지령 신호 idc*, q축 전류 지령 신호 iqc*, d축 전류 검출 신호 idc 및 q축 전류 검출 신호 iqc에 기초하여 전류 제어를 행하기 위하여 기본파 전압 지령 신호 vdcf*, vqcf*을 생성해 고주파 전압 중첩부(134)에 출력한다.
이 결과, 고주파 전압 중첩부(134)는, 기본파 전압 지령 신호 vdcf* 및 중첩 전압 지령 신호 vdch*에 기초하여 d축 전압 지령 신호 vdc*을 생성하고, 기본파 전압 지령 신호 vqcf* 및 중첩 전압 지령 신호 vdch*에 기초하여 q축 전압 지령 신호 vqc*을 생성하고, 생성한 d축 전압 지령 신호 vdc* 및 q축 전압 지령 신호 vqc*을 제1 좌표 변환부(135)에 출력한다.
제1 좌표 변환부(135)는 입력된 d축 전압 지령 신호 vdc* 및 q축 전압 지령 신호 vqc*의 좌표 변환을 행하여 U상 전압 지령 신호 vu*, V상 전압 지령 신호 vv* 및 W상 전압 지령 신호 vw*을 PWM 변조부(136)에 출력한다.
PWM 변조부(136)는, 입력된 전압 지령 신호 vu*, vv*, vw*과, 반송파인 삼각파 또는 톱니파를 비교하여 PWM 변조를 행하고, 인버터(111)의 각 상 스위칭 소자의 온/오프 지령인 게이트 신호를 인버터(111)에 출력한다.
이 결과, 인버터(111)로부터 PMSM(112)에는, 동기한 상태에서 U상 전류, V상 전류 및 W상 전류가 흘러, PMSM(112)의 도시하지 않은 회전자가 회전하게 된다.
이것과 병행하여, 전류 검출부(137)는, PMSM(112)에 흐르는 3상 교류 전류 중 복수 상(도 17의 예에서는, U상 및 W상의 2상)의 전류 응답값을 검출하고, 전류 검출 신호(도 17의 예에서는, U상 전류 검출 신호 iu 및 W상 전류 검출 신호 iw)를 제2 좌표 변환부(138)에 출력한다.
제2 좌표 변환부(138)는, 전류 검출부(137)에 의해 출력된 전류 검출 신호(도 17의 예에서는, U상 전류 검출 신호 iu 및 W상 전류 검출 신호 iw)의 좌표 변환(UVW/dcqc 변환)을 행해서 d축 전류 검출 신호 idc를 전류 제어부(133)에 출력하고, q축 전류 검출 신호 iqc를 회전 위상각 추정부(132) 및 전류 제어부(133)에 출력한다.
이 결과, 회전 위상각 추정부(132)는, 입력된 중첩 전압 지령 신호 vdch* 및 q축 전류 검출 신호 iqc에 기초하여 PMSM(112)의 회전 위상각을 추정하여 추정 위상각 θest를 제1 좌표 변환부(135) 및 제2 좌표 변환부(138)에 출력한다.
상기 동작의 결과, 제1 좌표 변환부(135)는, 추정 위상각 θest에 상당하는 PMSM(112)의 회전 상태에 최적의 전압 지령 신호 vu*, vv*, vw*을 PWM 변조부(136)에 대하여 출력하게 되므로, 인버터(111)는 소음을 억제하면서, PMSM(112)의 회전 상태에 따라서 회전 구동을 행한다.
다음으로 보다 구체적인 동작에 대하여 설명한다.
도 19는 제4 실시 형태의 타이밍 차트이다.
도 19에 도시하는 바와 같이, PWM 변조부(136)의 직류 전원 전압을 Vdc[V]라 했을 경우에, 반송파 발생부가 발생하는 반송파 신호 SC는, 0[V]와 직류 전원 전압Vdc[V]의 2개의 전압 레벨의 사이에서 천이하는 삼각파가 된다.
또한, 고주파 전압 지령 생성부(131)가 출력하는 중첩 전압 지령 신호 vdch*은, 도 19에 도시하는 바와 같이, 그 주기가 중첩 고주파 주파수(최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max 또는 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min)에 따른 주파수를 갖는 구형파가 된다.
보다 상세하게는, 도 19에 있어서, 시각 t1부터 시각 t2에 이르는 기간 및 시각 t3부터 시각 t4에 이르는 기간에 있어서는, 중첩 전압 지령 신호 vdch*은, 중첩 고주파 주파수=최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min이므로, 비교적 낮은 주파수의 구형파로 되어 있다.
한편, 도 19에 있어서, 시각 t2부터 시각 t3에 이르는 기간 및 시각 t4 이후의 기간에 있어서는, 중첩 전압 지령 신호 vdch*은, 중첩 고주파 주파수=최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max이므로, 비교적 높은 주파수의 구형파로 되어 있다.
도 20은, 중첩 고주파 주파수의 전환 상태의 설명도이다.
여기서 도 20은, 도 19의 (a)의 장기적인 시간축으로 표현한 도면으로 되어 있다.
도 20에 도시하는 바와 같이, 본 제4 실시 형태에 따르면, 난수 발생부(121)에 있어서 발생된 난수값에 기초하여, 중첩 고주파 주파수는, 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max 또는 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min 중 어느 하나의 계속 기간이 랜덤으로 변화하도록 되어 있다.
따라서, 본 제4 실시 형태에 따르면, 동일 주파수의 중첩 고주파가 인가되는 계속 기간이 매회 상이하기 때문에, 중첩 고주파 주파수 선택 범위에 있어서의 평균 주파수의 성분을 저감할 수 있다.
또한, 본 제4 실시 형태에 있어서는, 난수값에 따라서 계속 기간을 변경함으로써, 동일 주파수의 중첩 고주파의 계속 기간의 변화에 규칙성이 없어지므로, 계속 기간의 변화에 수반되는 청각 상의 위화감을 발생시키는 일이 없어진다.
본 제4 실시 형태에 따르면, 중첩 고주파의 계속 기간이 매회 상이하기 때문에, 중첩 고주파 주파수 선택 범위의 평균 주파수의 성분을 저감할 수 있다.
또한, 본 제4 실시 형태에 따르면, 난수값에 따라서 계속 기간을 변경하고 있으므로, 동일한 중첩 고주파 주파수를 유지하고, 계속되는 계속 기간의 변화에 규칙성이 없어져, 계속 기간의 변화에 수반되는 청각 상의 위화감이 발생하는 일이 적어진다.
또한, 통상, 반송파 주파수의 선택 범위는, 상한 주파수(ｆ'max)는 마이크로컴퓨터의 제어 연산 처리 시간의 제한을 받고, 하한 주파수(ｆ'min)는 제어 지연에 의한 제어성의 악화에 의한 제한을 받는다. 따라서, 상한 주파수(ｆ'max)로부터 하한 주파수(ｆ'min)에 이르는 주파수 대역으로서는, 넓게 취할 수 없다.
도 21은 중첩 고주파 주파수와 고조파 성분의 관계 설명도이다.
즉, 도 21에 도시하는 바와 같이, 하한의 주파수인 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min에 의한 고조파 성분의 산부(171), 상한의 주파수인 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max에 의한 고조파 성분의 산부(172) 및 주파수의 변이에 수반하는 고조파 성분의 산부(173)는 각각 겹치게 된다. 따라서, 중첩 고주파 주파수 선택 범위 내에서, 분산의 범위를 가능한 한 확장하기 위해서는, 중첩 고주파 주파수 선택 범위의 하한의 주파수인 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min과 상한의 주파수인 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max의 2개의 주파수를 중첩 고주파 주파수로서 선택하고, 계속 기간을 변화시킴으로써 분산하는 것이 보다 바람직함을 알 수 있다.
또한, 가능하면, 중첩 고주파 주파수의 갱신 타이밍이 반송파의 산부 또는 골부가 되도록, 계속 기간으로서는, 반송파가 삼각파인 경우에는 반송파 주기의 반주기의 정수배, 반송파가 톱니파인 경우에는 반송파의 1주기의 정수배로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 반송파의 산부로부터 골부의 사이의 출력 전압의 평균값이 출력 전압 지령의 전압값이 된다는 PWM의 전제가 유지되어, 반송파 주파수의 변경에 의해, 출력 전압에 발생하는 오차의 발생을 방지할 수 있다.
[5.1] 제4 실시 형태의 변형예
[5.1.1] 제1 변형예
상기 구성에 있어서, 중첩 고주파 주파수를 유지하는 계속 기간을, 중첩 고주파 주기의 반주기의 정수배로 하고, 고주파 전류가 0이 되는 타이밍에 중첩 고주파의 주파수를 전환하도록 구성하는 것도 가능하다.
이에 의해, 보다 안정된 전환을 실현할 수 있다.
또한, 계속 기간을, 중첩 고주파의 1주기의 정수배로 함으로써, 고주파 1주기의 푸리에 급수 연산에 의해 회전 위상각의 추정, 즉, 추정 위상각 θest를 정확하게 산출할 수 있다.
[5.1.2] 제2 변형예
상기 제4 실시 형태에서는, 고주파 전압을 중첩하는 방법을 나타냈지만, 고주파 전류를 중첩하는 방법으로도 마찬가지의 효과를 얻는 것이 가능하다.
또한, 상기 제4 실시 형태에서는, 중첩 고주파 전압을 d축에 구형파를 중첩하고 있는 예를 나타냈지만, d축과 q축의 양쪽 또는 q축에만 전압을 중첩하거나, 또는 정현파를 중첩하는 경우에도 마찬가지의 효과가 얻어진다.
[5.1.3] 제3 변형예
도 22는 고주파 전압 지령 생성부의 개요 구성 블록도이다.
고주파 전압 지령 생성부(131)는, 중첩 고주파 주파수 설정부(113X)로부터 입력된 중첩 고주파 주파수(ｆ'max 또는 ｆ'min)를, 식 (6) 또는 식 (7)로 표시되는 중심 중첩 고주파 주파수 fh_c로 나누고, 제1 중첩 고주파 전압 진폭 지령값 Vdh*을 곱한 값을 제2 중첩 고주파 전압 진폭 지령값 Vdh**로서 출력하는 중첩 고주파 전압 진폭 지령 생성부(301)와, 입력된 중첩 고주파 주파수(ｆ'max 또는 ｆ'min)의 중첩 고주파 전압 진폭을 제2 중첩 고주파 전압 진폭 지령값 Vdh**에 상당하는 값으로서 중첩 전압 지령 신호 vdch*로 하는 구형파 생성부(302)를 구비하고 있다.
Figure 112015112819787-pct00006
Figure 112015112819787-pct00007
도 23은 제3 변형예의 동작 설명 타이밍 차트이다.
상기 구성의 결과, 도 23에 도시하는 바와 같이, 시각 t1부터 시각 t2에 이르는 기간 및 시각 t3부터 시각 t4에 이르는 기간은, 중첩 고주파 주파수=ｆ'min (<ｆ'max)으로 되어 있다. 이 기간에 있어서의 중첩 전압 지령 신호 vdch*의 값은, 중첩 고주파 주파수가, 중심 중첩 고주파 주파수 fh _ c에 있어서의 중첩 전압 지령 신호 vdch*의 진폭=vh[V]인 경우에, 중첩 고주파 주파수=ｆ'min에 있어서의 중첩 전압 지령 신호 vdch*의 진폭 vhf'min<vh로 되어 있다.
또한, 도 23에 도시하는 바와 같이, 시각 t2부터 시각 t3에 이르는 기간 및 시각 t4 이후의 기간은, 중첩 고주파 주파수=ｆ'max로 되어 있고, 이 기간에 있어서의 중첩 전압 지령 신호 vdch*의 값은, 중첩 고주파 주파수가, 중심 중첩 고주파 주파수 fh _ c에 있어서의 중첩 전압 지령 신호 vdch*의 진폭=vh[V]인 경우에, 중첩 고주파 주파수=ｆ'max에 있어서의 중첩 전압 지령 신호 vdch*의 진폭 vhf'max>vh로 되어 있다.
고주파 전류 idch의 진폭 Ih는, 중첩 전압 지령 신호 vdch*의 진폭 vh와 중첩 고주파 주파수 fh, 인덕턴스 L을 사용하여, 다음 식과 같이 근사시킬 수 있다.
Ih≒vh/(4fh×L)
따라서, 상기 구성의 결과, vh/fh가 일정해지므로, 도 23에 도시하는 바와 같이, 중첩한 고주파 전압에 의해 발생하는 고주파 전류 idch의 진폭이 중첩 고주파 주파수의 값(ｆ'min 또는 ｆ'max)에 관계없이 일정해져, SN비를 일정하게 유지할 수 있다.
이렇게 구성함으로써, 소음을 저감하기 위해 중첩 고주파 주파수를 가변하도록 함으로써 회전자 자극 위치의 추정 정밀도가 떨어지는 경우가 있어도, 중첩 고주파 주파수의 전압 진폭에 따라서 제어할 수 있기 때문에, 중첩 고주파 주파수가 일정할 때와 마찬가지의 추정 정밀도를 유지할 수 있다.
도 24는 다른 고주파 전압 지령 생성부의 개요 구성 블록도이다.
도 24의 구성에 있어서는, 도 17의 계속 판정부(123)로부터 고주파 전압 지령 생성부(131)에 주파수 선택 신호가 보내진다.
고주파 전압 지령 생성부(131)는, 계속 판정부(123)로부터 입력된 주파수 선택 신호에 기초하여, 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max에 대응하는 중첩 고주파 전압 진폭 vhf'max 또는 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min에 대응하는 중첩 고주파 전압 진폭 vhf'min 중 어느 하나를 출력하는 전압 진폭 선택부(303)와, 입력된 중첩 고주파 주파수(ｆ'max 또는 ｆ'min) 및 입력된 중첩 고주파 전압 진폭(vhf'max 또는 vhf'min)에 기초하여, 중첩 전압 지령 신호 vdch*로 하는 구형파 생성부(302)를 구비하고 있다.
본 구성에 의해서도, 중첩한 고주파 전압에 의해 발생하는 고주파 전류 idch의 진폭이 중첩한 고주파 전압 주파수의 값에 관계없이 일정해져, SN비를 일정하게 유지할 수 있다.
도 24의 고주파 전압 지령 생성부(131)를 제4 실시 형태의 중첩 고주파 주파수 연산부(113)와 조합함으로써, 도 24에 도시하는 바와 같이 중첩 고주파 주파수 연산부(113)에서 생성된 주파수 선택 신호를 사용하여 전압 진폭 선택부(303)와 같이 스위치에 의한 전환만으로 중첩 고주파 전압 진폭 지령 Vdh*을 선택할 수 있고, 프로그램을 단순화할 수 있다.
[6] 제5 실시 형태
도 25는 제5 실시 형태의 PMSM 회전 센서리스 제어 시스템의 개요 구성 블록도이다.
도 25에 있어서, 도 17의 제4 실시 형태와 마찬가지의 부분에는, 동일한 부호를 부여하기로 한다.
본 제5 실시 형태가 제4 실시 형태와 상이한 점은, 제4 실시 형태가, 단순히 난수값에 의해 계속해서 사용하는 동일한 중첩 고주파 주파수의 계속 기간을 설정하고 있었던 것에 반해, 본 제5 실시 형태는, 난수값 및 변이 확률값을 사용하여, 난수값이 변이해야 할 조건을 만족하고 있는지 여부를 변이 확률값에 기초하여 행하는 중첩 고주파 주파수 연산부를 구비한 점이다. 이 경우에, 변이 확률값을 복수 사용함으로써, 어떤 중첩 고주파 주파수로부터 다른 중첩 고주파 주파수로 전환할지 여부를 판별하고 있기 때문에, 발생하는 고주파 성분을 제어함으로써 한층 더 균일하게 중첩 고주파 주파수를 전환할 수 있고, 얻어지는 고조파 성분을 균일하게 분산시킬 수 있다.
PMSM 회전 센서리스 제어 시스템(110A)의 중첩 고주파 주파수 연산부(113A)는, 크게 구별하면, 도 25에 도시하는 바와 같이, 난수를 발생시키는 난수 발생부(121)와, 주파수 선택 신호에 기초하여 미리 설정된 복수의 변이 확률값 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 변이 확률 선택부(141)와, 입력된 난수값 및 입력된 변이 확률값에 기초하여 주파수 변위를 행해야 하는지 여부의 변이 판정을 행하여 변이 지령 신호를 출력하는 변이 판정부(142)와, 입력된 변이 지령 신호에 기초하여, 주파수 선택 신호를 출력하는 주파수 선택 지시부(143)와, 주파수 선택 신호에 기초하여, 중첩 고주파 주파수를 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max 또는 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min 중 어느 하나를 배타적으로 중첩 고주파 주파수 신호로서 출력하는 주파수 선택부(124)를 구비하고 있다.
본 제5 실시 형태에 있어서도, 사용하는 중첩 고주파 주파수를 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max 및 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min의 2종류로 하고 있다. 변이 확률값은, 중첩 고주파 주파수를 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로부터 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로 변이시키는 확률값인 변이 확률값 P'hl과, 중첩 고주파 주파수를 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로부터 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로 변이시키는 확률값인 변이 확률값 P'lh의 두 가지가 사용되고 있다.
다음으로 제5 실시 형태의 동작을 설명한다.
먼저, 중첩 고주파 주파수 연산부(113A)의 난수 발생부(121)는, 난수값을 발생시켜 변이 판정부(142)에 출력한다. 여기서, 난수 발생부(121)는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 의사 난수를 연산하여 난수값으로서 출력하거나, 난수 테이블을 참조하거나 하여 난수값을 변이 판정부(142)에 출력한다.
이것과 병행하여, 변이 확률 선택부(141)는, 주파수 선택 지시부(143)가 출력하고 있는 주파수 선택 신호에 기초하여 미리 설정된 복수의 변이 확률값 P'hl, P'lh 중 어느 하나를 선택하여 변이 판정부(142)에 출력한다.
구체적으로는, 변이 확률 선택부(141)에 주파수 선택 지시부(143)로부터 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max에 대응하는 주파수 선택 신호가 입력되는 경우에는, 중첩 고주파 주파수를 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로부터 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로 변이시키는 확률값인 변이 확률값 P'hl이 변이 판정부(142)에 출력된다.
또한, 변이 확률 선택부(141)에 주파수 선택 지시부(143)로부터 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min에 대응하는 주파수 선택 신호가 입력되는 경우에는, 중첩 고주파 주파수를 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로부터 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로 변이시키는 확률값인 변이 확률값 P'lh가 변이 판정부(142)에 출력된다.
이 결과, 변이 판정부(142)는, 입력된 난수값과 변이 확률값에 기초하여 주파수 변위를 행해야 하는지 여부의 변이 판정을 행한다. 그 후, 행해진 변이 판정의 결과에 대응하는 변이 지령 신호를 주파수 선택 지시부(143)에 출력한다.
보다 구체적으로는, 예를 들어 난수값을 0 내지 1로 하고, 입력된 난수값이 변이 확률값(예를 들어, 변이 확률값 P'hl=0.45) 이하인 경우에는, 현재의 중첩 고주파 주파수와는 상이한 중첩 고주파 주파수로 변이하는 변이 지령 신호를 주파수 선택 지시부(143)에 출력한다.
주파수 선택 지시부(143)는, 입력된 변이 지령 신호에 기초하여, 주파수 선택 신호를 주파수 선택부(124)에 출력한다.
이 결과, 주파수 선택부(124)는, 입력된 주파수 선택 신호에 기초하여, 중첩 고주파 주파수를 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max 또는 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min 중 어느 한쪽을 중첩 고주파 주파수 신호로 하여 고주파 전압 지령 생성부(131)에 출력한다. 고주파 전압 지령 생성부(131)는, 중첩 고주파 주파수 신호에 대응하는 주파수(본 제2 실시 형태에서는, 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max 또는 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min 중 어느 하나)에 대응하는 중첩 전압 지령 신호 vdch*을 생성한다. 또한, 생성된 중첩 전압 지령 신호 vdch*을 회전 위상각 추정부(132) 및 고주파 전압 중첩부(134)에 출력한다.
한편, 전류 제어부(133)는, 입력된 d축 전류 지령 신호 idc*, q축 전류 지령 신호 iqc*, d축 전류 검출 신호 idc 및 q축 전류 검출 신호 iqc에 기초하여 전류 제어를 행하기 위해 기본파 전압 지령 신호 vdcf*, vqcf*을 생성해 고주파 전압 중첩부(134)에 출력한다.
이 결과, 고주파 전압 중첩부(134)는, 기본파 전압 지령 신호 vdcf* 및 중첩 전압 지령 신호 vdch*에 기초하여 d축 전압 지령 신호 vdc*을 생성하고, 기본파 전압 지령 신호 vqcf* 및 중첩 전압 지령 신호 vqch*에 기초하여 q축 전압 지령 신호 vqc*을 생성한다. 생성된 d축 전압 지령 신호 vdc* 및 q축 전압 지령 신호 vqc*을 제1 좌표 변환부(135)에 출력한다.
제1 좌표 변환부(135)는, 입력된 d축 전압 지령 신호 vdc* 및 q축 전압 지령 신호 vqc*의 좌표 변환을 행하여 U상 전압 지령 신호 vu*, V상 전압 지령 신호 vv* 및 W상 전압 지령 신호 vw*을 생성한다. 생성된 U상 전압 지령 신호 vu*, V상 전압 지령 신호 vv* 및 W상 전압 지령 신호 vw*을 PWM 변조부(136)에 출력한다.
PWM 변조부(136)는, 입력된 전압 지령 신호 vu*, vv*, vw*과, 반송파인 삼각파 또는 톱니파를 비교하여 PWM 변조를 행하고, 인버터(111)의 각 상 스위칭 소자의 온/오프 지령인 게이트 신호를 PMSM(112)에 출력한다.
이 결과, PMSM(112)에는, 동기한 상태에서 U상 전류, V상 전류 및 W상 전류가 흐르고, PMSM(112)의 도시하지 않은 회전자가 회전하게 된다.
이것과 병행하여, 전류 검출부(137)는, PMSM(112)에 흐르는 3상 교류 전류 중 복수 상(도 25의 예에서는, U상 및 W상의 2상)의 전류 응답값을 검출하고, 전류 검출 신호(도 25의 예에서는, U상 전류 검출 신호 iu 및 W상 전류 검출 신호 iw)를 제2 좌표 변환부(138)에 출력한다.
제2 좌표 변환부(138)는, 전류 검출부(137)에 의해 출력된 전류 검출 신호(도 25의 예에서는, U상 전류 검출 신호 iu 및 W상 전류 검출 신호 iw)의 좌표 변환(UVW/dcqc 변환)을 행하여 d축 전류 검출 신호 idc를 전류 제어부(133)에 출력하고, q축 전류 검출 신호 iqc를 회전 위상각 추정부(132) 및 전류 제어부(133)에 출력한다.
이 결과, 회전 위상각 추정부(132)는, 입력된 중첩 전압 지령 신호 vdch* 및 q축 전류 검출 신호 iqc에 기초하여 PMSM(112)의 회전 위상각을 추정하여 추정 위상각 θest를 제1 좌표 변환부(135) 및 제2 좌표 변환부(138)에 출력한다.
상기 동작의 결과, 제1 좌표 변환부(135)는, 추정 위상각 θest에 상당하는 PMSM(112)의 회전 상태에 최적인 전압 지령 신호 vu*, vv*, vw*을 PWM 변조부(136)에 대하여 출력하게 되므로, 인버터(111)는 소음을 억제하면서, PMSM(112)의 회전 상태에 따라서 회전 구동을 행한다.
또한, 본 제5 실시 형태에 있어서는, 제4 실시 형태의 효과 외에, 적절한 변이 확률값을 사용함으로써 중첩 고주파 주파수의 변이 상태를 조정할 수 있으므로, 원하는 고조파의 주파수 스펙트럼 분포의 생성이 용이해진다.
여기서, 변이 확률값에 의한 고조파의 주파수 스펙트럼 분포의 조정에 대하여 설명한다.
본 제5 실시 형태에 있어서, 동작 모드로서는 이하의 4개밖에 존재하지 않는다.
(1) 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min의 계속
(2) 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max의 계속
(3) 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로부터 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로의 변이
(4) 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로부터 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로의 변이
도 26은 제5 실시 형태의 동작 설명도이다.
이 경우에 있어서, 발생하는 고조파의 주파수 스펙트럼 분포로서는, 도 26에 도시하는 바와 같이, 3종류의 주파수 스펙트럼 분포가 된다.
즉,
(1) 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min의 계속 시가 주파수 스펙트럼 분포(171),
(2) 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max의 계속 시가 주파수 스펙트럼 분포(172),
(3) 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로부터 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로의 변이 시 및 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로부터 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로의 변이 시는 모두 주파수 스펙트럼 분포(173)가 되므로, 공통으로 취급한다.
따라서, 이들 3종류의 주파수 스펙트럼 분포를 사용하여 고찰한다.
각 주파수 스펙트럼 분포의 피크에 있어서의 고조파 성분의 진폭은, 식 (8) 내지 식 (10)으로 표시할 수 있다.
Figure 112015112819787-pct00008
Figure 112015112819787-pct00009
Figure 112015112819787-pct00010
여기서, 상수 C는 변조율이나 분산 범위 등에 따라 변화하는데, 3개의 분산에서 공통의 상수이다.
이상에 기초하여, 본 제5 실시 형태에 있어서는, 고조파의 주파수 스펙트럼 분포를 조정하고 있다.
예를 들어, 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min의 고조파 성분을 많게 하고 싶은 경우에는, 중첩 고주파 주파수를 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로부터 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로 변이시키는 변이 확률값 P'hl을 크게 하거나, 또는, 중첩 고주파 주파수를 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로부터 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로 변이시키는 변이 확률값 P'lh를 작게 하면 된다.
또한, 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max의 고조파 성분을 많게 하고 싶은 경우에는 중첩 고주파 주파수를 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로부터 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로 변이시키는 변이 확률값 P'hl을 작게 하거나, 또는 중첩 고주파 주파수를 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로부터 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로 변이시키는 변이 확률값 P'lh를 크게 하면 된다.
또한, 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로부터 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로의 변이, 또는, 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로부터 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로의 변이에 의해 발생하는 고조파 성분을 많게 하고 싶은 경우에는, 중첩 고주파 주파수를 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로부터 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로 변이시키는 변이 확률값 P'hl, 또는, 중첩 고주파 주파수를 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min으로부터 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max로 변이시키는 변이 확률값 P'lh를 크게 하면 된다. 이에 의해, 임의의 주파수 스펙트럼 분포의 생성이 가능해진다.
그런데, 제4 실시 형태에서도 설명한 바와 같이, 통상, 중첩 고주파 주파수의 선택 범위는 넓게 취할 수 없다.
따라서, 도 21에 도시한 바와 같이, 하한의 중첩 고주파 주파수 ｆ'min에 의한 고조파 성분의 주파수 스펙트럼 분포(171)와 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max에 의한 고조파 성분의 주파수 스펙트럼 분포(172), 중첩 고주파 주파수의 변이에 기인하는 고조파 성분의 주파수 스펙트럼 분포(173)는 각각 겹치게 된다.
도 27은 제5 실시 형태의 효과의 설명도이다.
도 27에서는, 중첩 고주파 주파수의 변이에 기인하는 고조파의 주파수 스펙트럼 분포(173)가, 최소 중첩 고주파 주파수 ｆ'min에 의한 고조파 성분의 주파수 스펙트럼 분포(171) 및 최대 중첩 고주파 주파수 ｆ'max에 의한 고조파 성분의 주파수 스펙트럼 분포(172)와 중첩되었을 때, 스펙트럼의 합이 평탄하게 되어 있다. 스펙트럼의 합을 평탄하게 하기 위해서, 주파수 스펙트럼 분포(173)가, 주파수 스펙트럼 분포(171) 및 주파수 스펙트럼 분포(172)에 대하여 낮아지도록 변이 확률값 P'hl과 P'lh를 설정함으로써, 도 27에 도시하는 바와 같이, 중첩 고주파 주파수의 선택 범위 내에서 가능한 한 평탄하게 하는 것이 가능해진다.
본 제5 실시 형태에 있어서도, 제4 실시 형태와 마찬가지로, 난수가 아닌, 예를 들어 정현파에 따라서 변이 판정을 실시해도, 중첩 고주파 주파수 선택 범위의 평균 주파수의 성분을 저감할 수 있다.
또한, 가능하면, 중첩 고주파 주파수의 갱신 타이밍이 반송파의 주파수 스펙트럼 분포의 피크 또는 주파수 스펙트럼 분포의 보텀이 되도록, 중첩 고주파 주파수의 변경은 피크 위치 또는 보텀 위치에서만 실시하는 편이 좋다. 이에 의해, 반송파의 피크로부터 보텀의 사이의 출력 전압의 평균값이 출력 전압 지령이 된다는 PWM의 전제가 유지되어, 중첩 고주파 주파수의 변경에 의해, 출력 전압에 발생하는 오차의 발생을 방지할 수 있다.
[7] 제6 실시 형태
도 28은, 제6 실시 형태의 PMSM 회전 센서리스 제어 시스템의 개요 구성 블록도이다.
도 28에 있어서, 도 17의 제4 실시 형태와 마찬가지의 부분에는, 동일한 부호를 부여하기로 한다.
본 제6 실시 형태가 제4 실시 형태와 상이한 점은, 중첩 고주파 주파수 연산부(113)대신에, PMSM 회전 센서리스 제어 시스템(110B)에 있어서, PWM 변조부(136)에서 사용하는 반송파 주파수(도 28의 경우, 최대 반송파 주파수 ｆ'max1 또는 최소 반송파 주파수 ｆ'min1 중 어느 하나)를 결정하는 반송파 주파수 연산부(151)를 사용한 점과, 반송파 주파수 연산부(151)에 의해 결정된 반송파 주파수를 갖는 반송파 신호 SC를 생성하여 PWM 변조부(136)에 출력하는 반송파 발생부(152)를 설치한 점과, 반송파 주파수 신호에 기초하여 중첩해야 할 고주파 전압의 주파수 지시를 행하기 위한 중첩 전압 지령 신호 vdch*을 출력하는 고주파 전압 지령 생성부(131A)를 구비한 점이다.
다음으로 제6 실시 형태의 동작을 설명한다.
먼저, 반송파 주파수 연산부(151)의 난수 발생부(121)는, 난수값을 발생시켜 계속 기간 결정부(122)에 출력한다. 여기서, 난수 발생부(121)는, 의사 난수를 연산하여 난수값으로서 출력하거나, 난수 테이블을 참조하거나 하여 난수값을 출력한다.
이 결과, 계속 기간 결정부(122)는, 입력된 난수에 기초하여 중첩 고주파 주파수의 계속 기간을 결정하고, 계속 기간 데이터로서 출력한다. 보다 구체적으로는, 중첩 고주파 주파수의 1주기분을 기준으로 하여 제1 실시 형태에 있어서, 상술한 식 (1)로 계산한다.
계속 판정부(123)는, 입력된 계속 기간 데이터에 기초하여, 계속 판정을 행하고, 주파수 선택 신호를 출력한다. 본 제6 실시 형태에 있어서는, 반송파의 주파수는, 최대 반송파 주파수 ｆ'max1 또는 최소 반송파 주파수 ｆ'min1의 2종류이므로, 주파수 선택 신호는, "0" 또는 "1" 중 어느 하나의 값을 갖는 2치 데이터이다. 따라서, 계속 판정에 따라, 최대 반송파 주파수 ｆ'max1 또는 최소 반송파 주파수 ｆ'min1 중 어느 하나에 대응하는 주파수 선택 신호가 주파수 선택부(124)에 출력된다.
주파수 선택부(124)는, 주파수 선택 신호에 기초하여, 최대 반송파 주파수 ｆ'max1 또는 최소 반송파 주파수 ｆ'min1 중 어느 한쪽을 반송파 주파수 신호로서 고주파 전압 지령 생성부(131A) 및 반송파 발생부(152)에 출력한다.
이 결과, 고주파 전압 지령 생성부(131A)는, 입력된 반송파 주파수 신호에 기초하여, 중첩해야 할 고주파 전압의 주파수 지시를 행하기 위한 중첩 전압 지령 신호 vdch*을 회전 위상각 추정부(132) 및 고주파 전압 중첩부(134)에 출력한다.
한편, 반송파 발생부(152)는, 반송파 주파수 신호에 대응하는 주파수(본 제6 실시 형태에서는, 최대 반송파 주파수 ｆ'max1 또는 최소 반송파 주파수 ｆ'min1 중 어느 하나)의 반송파 신호 SC를 생성하고, PWM 변조부(136)에 출력한다.
도 29는 제6 실시 형태의 타이밍 차트이다.
이상의 구성에 의해, 제6 실시 형태의 반송파 주파수 연산부(151)에 있어서는, 최대 반송파 주파수 ｆ'max1 또는 최소 반송파 주파수 ｆ'min1의 계속 기간이 랜덤으로 변화하는 반송파 주파수가 생성된다. 반송파 주파수는 반송파 주파수 연산부(151)로부터 반송파 발생부(152)에 출력된다. 반송파 발생부(152)에 있어서, 입력된 반송파 주파수를 사용하여 반송파 신호 SC를 PWM 변조부(136)에 출력한다.
본 제6 실시 형태에 따르면, 중첩 고주파를 반송파에 동기시킴으로써, 중첩 고주파 주파수에 의한 전자 소음과 중첩 고주파에 의한 전자 소음의 양쪽을 동시에 저감할 수 있다.
이상의 설명에 있어서는, 중첩 고주파 전압의 주파수를 반송파 주파수와 동등하게 했지만, 동기되어 있으면, 예를 들어 중첩 고주파 주파수의 절반, 3분의 1 등으로 해도 된다.
도 30은 제6 실시 형태의 변형예의 설명도이다.
또한, 본 제6 실시 형태에서는, 반송파 주파수 연산부(151)로서, 제4 실시 형태의 중첩 고주파 주파수 연산부(113)와 마찬가지의 연산 방법을 사용했지만, 본 제6 실시 형태의 변형예는, PMSM 회전 센서리스 제어 시스템(110C)에 있어서, 도 30에 도시하는 바와 같이, 제5 실시 형태의 중첩 고주파 주파수 연산부(113A)와 마찬가지의 연산 방법을 사용한 반송파 주파수 연산부(151A)의 구성을 취하는 것도 가능하다.
본 제6 실시 형태에 있어서도, 제4 실시 형태 및 제5 실시 형태와 마찬가지로, 난수값이 아닌, 예를 들어 정현파에 따라서 변이 판정을 실시해도, 중첩 고주파 주파수 선택 범위의 평균 주파수의 성분을 저감할 수 있다.
또한, 본 제6 실시 형태에 있어서도, 제4 실시 형태 및 제5 실시 형태와 마찬가지로, 고주파 전류를 중첩하는 방법으로도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또한, d축과 q축의 양쪽 또는 q축에만 전압을 중첩하거나, 또는 정현파를 중첩하는 경우에도 마찬가지의 효과가 얻어진다.
[8] 제4 실시 형태 내지 제6 실시 형태의 변형예
[8.1] 제1 변형예
제4 실시 형태 내지 제6 실시 형태의 회전 센서리스 제어 장치는, CPU 등의 제어 장치와, ROM(Read Only Memory)이나 RAM 등의 기억 장치와, HDD, CD 드라이브 장치 등의 외부 기억 장치와, 디스플레이 장치 등의 표시 장치와, 키보드나 마우스 등의 입력 장치를 구비하고 있고, 통상의 컴퓨터를 이용한 하드웨어 구성으로서 구성하는 것도 가능하다.
[8.2] 제2 변형예
또한 제4 실시 형태 내지 제6 실시 형태의 회전 센서리스 제어 장치에서 실행되는 제어 프로그램은, 인스톨 가능한 형식 또는 실행 가능한 형식의 파일로 CD-ROM, 플렉시블 디스크(FD), CD-R, DVD(Digital Versatile Disk) 등의 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록되어 제공되도록 해도 된다.
[8.3] 제3 변형예
또한, 제4 실시 형태 내지 제6 실시 형태의 회전 센서리스 제어 장치에서 실행되는 제어 프로그램을, 인터넷 등의 네트워크에 접속된 컴퓨터 상에 저장하고, 네트워크 경유로 다운로드시킴으로써 제공하도록 구성해도 된다. 또한, 본 실시 형태의 회전 센서리스 제어 장치의 제어부에서 실행되는 제어 프로그램을 인터넷 등의 네트워크 경유로 제공 또는 배포하도록 구성해도 된다.
[8.4] 제4 변형예
또한, 제4 실시 형태 내지 제6 실시 형태의 회전 센서리스 제어 장치의 제어 프로그램을, ROM 등에 미리 내장하여 제공하도록 구성해도 된다.
이상, 본 발명의 몇 가지 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는, 기타 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 청구범위에 기재된 발명과 그 균 등의 범위에 포함된다.

Claims (16)

  1. 소정의 설정 반송파 주파수의 반송파를 소정의 계속 시간 동안 발생시키는 반송파 발생부와,
    상기 계속 시간을 랜덤으로 설정함과 함께, 서로 다른 복수의 반송파 주파수 중 어느 하나의 반송파 주파수를 상기 설정 반송파 주파수로서 설정하는 설정부와,
    상기 반송파 발생부에 있어서 발생된 상기 반송파에 기초하여, PWM 신호를 발생시키는 PWM 신호 발생부와,
    상기 PWM 신호에 기초하여 전력 변환을 행하여 부하에 공급하는 전력 변환부를 구비하고,
    상기 설정부는, 난수를 발생시키는 난수 발생부와,
    발생된 상기 난수 및 소정의 설정 변이 확률값에 기초하여, 현재의 설정 반송파 주파수를 다른 반송파 주파수로 변이시킬지 여부를 판정하는 변이 판정부를 구비하고,
    상기 설정부는, 상기 변이 판정부의 판정 결과가 변이시키는 것이었을 경우에, 상기 설정 반송파 주파수를 다른 반송파 주파수로 설정함과 함께, 서로 다른 복수의 변이 확률값 중 어느 하나의 변이 확률값을 상기 설정 변이 확률값으로서 설정하는, 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부하의 기계적 공진 특성이 입력되고, 당해 입력된 기계적 공진 특성에 기초하여, 상기 복수의 반송파 주파수 및 상기 복수의 변이 확률값 중 적어도 어느 한쪽을 미리 결정하는 값 결정부를 구비한, 전력 변환 장치.
  3. PWM 신호에 기초하여 전력 변환을 행하여 부하에 공급하는 전력 변환부를 구비한 전력 변환 장치에 있어서 실행되는 전력 변환 장치의 제어 방법이며,
    소정의 설정 반송파 주파수의 반송파를 소정의 계속 시간 동안 발생시키는 반송파 발생 과정과,
    상기 계속 시간을 랜덤으로 설정함과 함께, 서로 다른 복수의 반송파 주파수 중 어느 하나의 반송파 주파수를 상기 설정 반송파 주파수로서 설정하는 설정 과정과,
    상기 반송파 발생 과정에 있어서 발생된 상기 반송파에 기초하여, PWM 신호를 발생시키는 신호 발생 과정을 구비하고,
    상기 설정 과정은, 난수를 발생시키는 난수 발생 과정과,
    발생된 상기 난수 및 소정의 설정 변이 확률값에 기초하여, 현재의 설정 반송파 주파수를 다른 반송파 주파수로 변이시킬지 여부를 판정하는 변이 판정 과정을 구비하고,
    상기 설정 과정은, 상기 변이 판정 과정에서의 판정 결과가 변이시키는 것이었을 경우에, 상기 설정 반송파 주파수를 다른 반송파 주파수로 설정함과 함께, 서로 다른 복수의 변이 확률값 중 어느 하나의 변이 확률값을 상기 설정 변이 확률값으로서 설정하는, 전력 변환 장치의 제어 방법.
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