TWI274465B - Control method of voltage source inverter - Google Patents

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TWI274465B TW093124679A TW93124679A TWI274465B TW I274465 B TWI274465 B TW I274465B TW 093124679 A TW093124679 A TW 093124679A TW 93124679 A TW93124679 A TW 93124679A TW I274465 B TWI274465 B TW I274465B
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Masashiro Tanaka
Shigekazu Nakamura
Hiroshi Suetake
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Yaskawa Electric Corp
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Description

1274465 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於防止PWM (脈寬調變）方式之電壓型 反相器的轉矩降低、轉矩波動及不穩定現象用之交流電動 機的控制方法。 【先前技術】
在PWM (脈寬調變）方式之電壓型反相器中，乃令 構成反相器之P側及N側開關元件交互導通而控制輸出 電壓。但是，開關元件存在有基於斷開時間之開關的延遲 故，爲了不令P側及N側同時導通，在一方關閉後，於 特定時間（空載時間）後，才令另外一方延遲導通。
在習知的 PWM (脈寬調變）方式之電壓型反相器 中，基於空載時間的偏差之影響，特別是在反相器的輸出 頻率低之情形，輸出電壓也小，輸出電壓的變動或變形也 變大，而存在有藉由反相器所控制之電動機的轉矩降低， 或產生轉矩波動，發生不穩定現象的問題。 習知上，作爲此之對策方法，爲所知悉的如專利文獻 1般，自動調整空載時間（導通延遲）補償値的偏差的方 法。 專利文獻 1 :國際公開 W098/42067(PCT/JP97/00909) 【發明內容】 可是，在習知技術之專利文獻1中，並未揭示自動調 -5· 1274465 (2) 整構成反相器之開關元件的P側與N側之空載時 値之偏差的方法故，開關元件之P側、N側如有空 差，便無法進行充分之補正，另外，爲了做調整， 要以不同之2種以上的開關頻率（載波頻率）來運 因此，本發明係有鑑於此種問題點而完成的， 在於提供：不變更載波頻率，P側、N側之空載時 可以測量之簡便，且正確之測量方法，及可以防止 載時間之偏差所致之反相器輸出電壓的波形變形、 波動爲其原因所發生之不穩定現象之電壓型反相器 方法。 解決課題之手段 爲了解決前述課題，設以下之控制方法爲特徵 (第1發明）一種由可做電壓的大小、頻率及 控制的功率半導體元件所構成之PWM (脈寬調變 之電壓型反相器之控制方法，其特徵爲：運轉前， 前述反相器之各相電流的極性記憶電壓誤差資訊 時，讀出前述電壓誤差資訊，對電壓指令値或1 (脈寬調變）指令訊號之脈衝寬加以補償，以補正 差。 (第2發明）運轉前，於構成電壓型反相器之 導體元件的2相之電流値相等，且另外I相之電流 爲〇之相位，對交流電動機給予直流電壓指令而 動，變更電壓補正値以令2相之電流値成爲相等， 間補償 載時間 至少需 轉。 其目的 間差也 基於空 以轉矩 之控制 相位之 )方式 就每一 ，運轉 :P WM 電壓誤 功率半 値應成 加以驅 或者1 -6- 1274465 (3) 相之電流値成爲〇 ’以所變更之電壓補正値爲基礎，運算 運轉時所使用之電壓誤差資訊而加以記憶。 (第3發明）運轉前，於構成電壓型反相器之功率半 導體元件的2相之電流値相等，且另外1相之電流値應成 爲前述2相之合計値之相位，對交流電動機給予直流電壓 指令而加以驅動’變更電壓補正値以令2相之電流値成爲 相等，或者於1相流通另一相之2倍的電流，以此時之電 壓補正値爲基礎’運算運轉時所使用之電壓誤差資訊而加 以記憶。 (第4發明）運轉前，於構成電壓型反相器之功率半 導體元件的各相之電流成爲特定條件等之相位，對交流電 動機給予直流電壓指令而加以驅動，變更電壓補正値以成 爲前述特定條件之電流値，以此時之電壓補正値爲基礎， 運算運轉時所使用之電壓誤差資訊而加以記憶。 (第5發明）運轉前，以不同之相位複數次重複實施 第2〜4發明之其中一種條件、方法，運算運轉時之電壓 誤差資訊而加以記憶。 因此，空載時間本身雖不加以測量，但是，可以測 量、補正各相、及其之Ρ側、Ν側間之空載時間差故，可 以解除基於構成反相器之開關元件的斷開時間之開關延遲 的偏差，同時，不需要變更載波頻率故，可以縮短調整時 間。 發明之效果 1274465 (4) 如依據本發明，可以簡便地補償正確之空載時間的偏 差値故，具有可以防止以空載時間之偏差所致之反相器輸 出電壓的波形變形、轉矩波動爲原因所發生之不穩定現 象，進行穩定之控制的效果。 【實施方式】 以下，依據圖面說明本發明之具體的實施例。 實施例1 第1圖係顯示本發明之第一實施例。第1圖中，1爲 電壓型反相器，2爲交流電動機，3 U、3 V、3 W爲電流檢 測器，4U、4V、4W爲比較器，5爲產生載波訊號之振盪 器，6U、6V、6W加法器，7爲閘驅動電路，8爲反相器 控制裝置，9U、9V、9W爲空載時間補償器，1〇爲直流電 源’ 1 1爲速度指令電路，1 3 A、1 3 B、1 3 C爲開關電路。 電壓型反相器1係將由直流電源1 0所加之直流電壓藉由 PWM(脈寬調變）控制方式而轉換爲任意之頻率的交流電 壓。電壓型反相器1係由：由電晶體或IGBT (絕緣閘阻 隔型雙載子電晶體）等之功用半導體元件所成之開關元件 TUP、TVP、TWP、TUN、TVN、TWN，及反向並聯連接 於各功率半導體元件之反饋二極體DUP、DVP、DWP、 DUN、DVN、DWN所構成。於電壓型反相器1之各相 ϋ ' V、w的交流輸出端連接交流電動機2。交流電動機2 的U相、ν相及W相之相電流Iu、Ιν、iw係藉由電流檢 -8- 1274465 (5) 測器3 U、3 V、3 W所檢測。另外，速度檢測器！ 4係連結 在交流電動機2。 於反相器控制裝置8施加在速度指令電路1 1所作成 之速度指令値ω I·*、藉由前述電流檢測器3U、3V、3W所 檢測之交流電動機2的U相，、V相及W相之相電流In、 Iv、Iw、來自速度檢測器1 4之速度檢測値ω r，如後述 般，輸出120°相位差之U、V、W之各相的電壓指令形式 訊號（Vu*、Vv*、Vw* )。此處，附加字之*係表示指令 値（以下同）。開關電路13A、13B、13C在運轉前之空 載時偏差測量時，係輸出0，在運轉時，係輸出來自空載 時間補償器9U、9V、9W之値。第5圖係空載時間補償器 9U、9V、9W之說明圖。如第5圖所示般，空載時間補償 器9 U之輸出係依據I u的極性而設定爲△ V d ία ρ或 △ Vdini，9V之輸出係依據Iv之極性而設定爲△ Vdvp或 △ Vdvn，9W之輸出係依據Iw之極性而設定爲△ Vdwp或 △ V dwn 〇 另外，各相之電壓指令形式訊號（Vu*、Vv*、Vw* ) 係分別以120°相位差之訊號而加在加法器6U、6V、6W。 加法器6U、6V、6W係將電壓指令形式訊號Vu*、Vv*、 Vw*與開關電路13A、13B、13C之輸出値予以相加，將 電壓指令値 Vu*、Vv*、Vw*分別輸入比較器4U、4V、 4W。產生PWM(脈寬調變）控制用之載波訊號之振盪器5 的輸出訊號（此後，將此訊號的頻率稱爲載波頻率）係輸 入比較器4U、4V、4W。比較器4U、4V、4W則比較加法 -9 - 1274465 (6) 器6U、6V、6W的輸出訊號與載波訊號，產生開關構成電 壓型反相器 1之開關元件 TUP、TVP、TWP、TUN、 TVN、TWN用之PWM(脈寬調變）脈衝。閘電路7係因應 比較器4U、4V、4W之輸出的PWM (脈寬調變）脈衝而對 開關元件TUP、TVP、TWP、TUN、TVN、TWN供給閘訊 第2圖係前述之反相器控制裝置8的詳細電路圖。第 2圖中，1 2係激磁電流指令電路，1 3 D、1 3 E、1 3 F爲開關 電路，1 5爲3相/ 2相轉換器，1 6爲2相/ 3相轉換器， 1 7爲一次角頻率運算電路，1 8爲速度控制電路，1 9爲轉 矩電流控制電路，2 0爲激磁電流控制電路，2 1爲電壓指 令補償電路’ 22A、22B爲加法器，23爲累積器，24爲偏 差調諧處理部。於反相器控制裝置8設置有送出將交流電 動機2的相電流（U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流 Iw)予以座標轉換之轉矩電流反饋値Iqfb及激磁電流反 饋値Id fb之3相/ 2相轉換器1 5。進而，設置有：設置 爲將令由速度指令電路11所輸入之速度指令値與來 自速度檢測器1 4之速度檢測値ω r成爲相同之速度控制 電路（ASR ) 1 8的輸出値當成轉矩電流指令値iqref，控 制此Iqref與3相/ 2相轉換器1 5所輸出之轉矩電流反饋 値Iqfb成爲相同之轉矩電流控制電路（ACRq) 19、控制 激磁電流方向電壓以令來自激磁電流指令電路1 2之激磁 電流指令値Idref與來自3相/ 2相轉換器〗5之激磁電流 反饋値I d f b成爲相同之激磁電流控制電路（a c R d ) 2 0。 -10- 1274465 (7) 另外’具有輸出在交流電動機2所產生之感應電壓與 基於一次電阻rl或洩漏電感1之反向感應電動勢之電壓 的電壓指令補償電路2 1。在電壓指令補償電路2 ]之輸出 中’轉矩電流方向成分之電壓係產生轉矩電流控制電路 1 9輸出與加法器22 A所相加之轉矩電流方向電壓指令値 Vqref ’激磁電流方向成分之電壓係產生激磁電流控制電 路20輸出與加法器22B所相加之激磁電流方向電壓指令 値 Vdref。進而，設置有由轉矩電流方向電壓指令値 Vqref與激磁電流方向電壓指令値vdref產生120°相位差 之 U、V、W之各相的電壓指令形式訊號（Vu*、Vv*、 Vw*)而予以輸出之2相//3相轉換器μ。 另外，3相/ 2相轉換器1 5、2相/ 3相轉換器1 6係 分別以1式、2式進行運算。 [數學式1] Ίφ' cos θ sin θ ·1φ· -sin^ cos θ Ίο 〇 - Ju β Vy/Ϊ -Ά- Ιν L· _
1 o e Vu^ -1/2 V3/2 -1/2 L _ cos Θ — sin •Vdref · sin Θ cos Θ L _ Vqref 另外，反相器控制裝置8係具有由Idref、Iqref與所 設定的二次電阻r 2以求得滑動頻率指令値ω s *，與來自 速度檢測器1 4之速度檢測値ω r運算一次角頻率ω i *並予 以輸出之一次角頻率運算電路17，來自一次角頻率運算 電路17之一次角頻率ω 係藉由累積器23而被累積，當 -11 - 1274465 (8) 成相位0而輸出給3相/ 2相轉換器1 5及2相/ 3相轉換 器16 〇 另外’反相器控制裝置8係具有控制運轉前的空載時 間偏差測量動作之偏差調諧處理部2 4，由偏差調諧處理 部24進行開關電路13A〜13F之切換訊號Csw之輸出、運 轉則之空載時間偏差測量時之激磁電流指令値】d r e f與相 位0値的設定（Set )。 另外’反相器控制裝置8在運轉前之空載時間偏差測 量時’藉由開關電路13D，轉矩電流指令値lqref被變更 爲〇，藉由開關電路13E、13F，激磁電流指令値Idref、 相位Θ分別被變更爲來自偏差調諧處理部24之指示値。 在運轉時，如前述般，空載時間補償器9U之輸出係 依據Ιιι的極性而成爲△ Vdup或△ Vdun，9V之輸出係依 據Iv之極性而成爲△ Vdvp或△ Vdvn，9W之輸出係依據 Iw之極性而成爲△ Vdwp或△ Vdwn故，可就每一相電流 之極性補正電壓誤差。 接著，以偏差調諧處理部24的動作爲中心，使用第 3圖詳述運轉前之偏差測量動作。 以U相、V相、W相之1相的電流檢測値成爲〇之相 位一面改變電壓補正値一面驅動，將另外2相之電流檢測 値之大小相同時，或者1相的電流成爲0時之前述電壓補 正値之差分値當成2相間的偏差値（相對値）予以記憶。 以此條件測量P側與N側之偏差値。 第1圖之電壓型反相器的電路構造圖中，雖係每一各 -12- 1274465 (9) 相裝備有電流檢測器3 U、3 V、3 W，但是，實際上，爲了 成本降低，有只裝備2相分（此處，w相與U相）故， 以該情形，於以下做說明。
在運轉前之偏差測量動作中，偏差調諧處理部24係 以電壓型反相器1與交流電動機2之額定電流値爲基礎， 決定偏差測量時所流過之直流電流的大小（方塊3 a )， 開關電路1 3 A〜1 3 C係設爲a側，開關1 3 F係設爲b側， 9U、9V、9W之空載時間補償器輸出係被加在各相的電壓 指令値。另外，測量時所使用之補償値爲△ Vdup、 △ Vdun、Δ V d νρ ^ Δ Vdvn > AVdwp、Vdwn，其起始値設 爲相同値，載波頻率係設定爲在反相器可容許之範圍內儘 可能高之頻率，以令空載時間的影響變大（方塊3 b )。 接著，將相位0設定爲3 3 0 °後，一加以驅動時，各相 的電壓値令値爲，Vw*=-Vu*、Vv* = 0(方塊3c)。調整
△ Vdun以令W、U相之各電流檢測値Iw、-Iu之大小成 爲相等。此時之修正動作係如abs(Iw)>abS(Ii〇，則令 △ Vdiin 變大，如 abs(Iw)<abs(Iu)，則令△ vdun 變小而進 行，將W相P側與U相N側之空載時間的差分値記憶爲 △ Vdini。（方塊3d )另外，asb(X)係意指X的絕對値。 在前述中，雖以abs(Iw)、abs(Iu)之大小而令Δνίΐιιη 可以改變，也可令△ Vdun改變而成爲Ιν = 0，即 I u + I w = 0。 實施例2 -13- 1274465 (10) 接著，說明第二實施例。在第二實施例中，以U 相、V相、W相之2相的電流檢測値成爲相同値之相位， 一面令電壓補正値改變一面加以驅動，將前述2相之電流 檢測値之大小相同時，或在1相流過另一相的2倍的電流 時之前述電壓補正値之差分値當成2相間之偏差値（相對 値）加以記憶。以此條件測量P、N之相同側之相間的偏 差値。 第二實施例與第一實施例之不同係只是相位0之給予 方式與調整方法不同故，以該部份爲中心，利用第4圖之 流程做說明。 在運轉前之偏差測量動作中，偏差調諧處理部24係 實施（方塊3 a )、（方塊3 b )。 接著，將相位0設定爲60°而加以驅動時，各相的電 壓指令値成爲 Vw*=Vu* = Vv*/2。（方塊4c)調整Δίΐιιρ 以令W、U相之各電流檢測値Iw、IU的大小成爲相等。 此時之修正動作係如abs(Iw)>abs(Iu)，則令△ dup變大， 如abs(Iw)<abs(Iu)，貝[J令△ dup變小而進行，將W相P側 與U相N側之空載時間的差分値記憶爲△ dup。（方塊 4d ) 另外，即使與前述不同之任意的相位0，知道以該相 位0之應流過之各相的電流値故，如調整空載時間的差分 値以成爲該電流，同樣也可以進行空載帶補償。 進而，在運轉前，如以不同之相位複數次重複實施前 述之某一種條件、方法，可以測量U相、V相、w相及個 -14- 1274465 (11) 別各相之P側、N側之空載時間的偏差値。 如前述般所測量之空載時間的各相、P、N側之電壓 補正値（偏差値）Δ(1ΐΐρ、△dun、Δίΐνρ、△(!¥!!、 △ dwp、△ dwn可藉由解簡單之連立方程式（運算）而轉 換爲運轉時所使用之空載時間補償器9 U、9 V、9 W之設定 値 AVdiip、Δ Vdun ' Δ Vdvp > Δ Vdvn ^ Δ Vdwp > △ Vdwn(電壓誤差資訊）。 如依據本實施例，將基於如前述般所測量之空載時間 的電壓誤差資訊設定在空載時間補償器9 U、9 V、9 W之對 應處所，在運轉時，藉由將開關電路1 3 A〜1 3F切換於a 側，可以使用基於個別之空載時間的電壓誤差資訊進行空 載時間補償。 在前述中，雖設爲將電壓補正値（偏差値）加於電壓 指令値之電壓誤差資訊而予以記憶，但是，在以PWM(脈 寬調變）訊號之脈衝寬補償空載時間之補償之反相器裝置 的情形，可將電壓補正値（偏差値）轉換爲當成PWM (脈 寬調變）訊號之脈衝寬的電壓誤差資訊而加以記憶。 另外，在前述中，雖說明電流檢測器只裝備於W相 與U相，但是，裝備於各相、3相都裝備也可同樣實施。 另外，在設給予各相之電壓値爲可以改變之情形，雖 變更相位0，但是，相位0固定，變更偏差測量動作之電 壓指令値Vu*、Vv*、Vw*，變更電流指令値Idref、Iqref 之値，也可以同樣地實施。 另外，雖以含速度檢測器之感應電動機來說明本發明 •15- 1274465 (12) 之實施例’但是使用無速度檢測器之感應電動機、同步電 動機也可以適用，很清楚藉此也可以獲得本發明之效果。 另外’基於本發明之實施例所揭示之空載時間的電壓 誤差之測量方法，即使運轉時之空載時間補償方法不同， 不用說也可沒有問題地使用。 產業上之利用可能性 如使用本發明，可以防止以PWM(脈寬調變）方式之 電壓型反相器所驅動之電動機的轉矩降低、轉矩波動及不 穩定現象。 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示本發明之第一實施例之電壓型反相器的 電路構造圖。 第2圖係構成本發明之第一實施例之控制裝置8的詳 細電路圖。 第3圖係本發明之第一實施例之運算處理內容的流程 圖。 第4圖係本發明之第二實施例之運算處理電路的流程 圖。 第5圖係本發明之空載時間補償器（9U、9V、9W ) 之說明圖。 【主要元件符號說明】 -16- 1274465 (13)
1 :電壓型反相器，2 :交流電動機，3 U、3 V、3 W : 電流檢測器，4U、4V、4W :比較器，5 :振盪器，6U、 6V、6W :加法器，7 :閘電路，8 :反相器控制裝置， 9U、9V、9W :空載時間補償器，10 :直流電源，Π :速 度指令電路，1 2 :激磁電流指令電路，1 3 A〜1 3 F :開關電 路，14 :速度檢測器，1 5 : 3相/ 2相轉換器，1 6 : 2相 / 3相轉換器，1 7 : —次角頻率運算電路，1 8 :速度控制 電路，1 9 :轉矩電流控制電路，2 0 :激磁電流控制電路， 21 :電壓指令補償電路，22 A、22B :加法器，23 :累積 器，24 :偏差調諧處理部
-17-

Claims (1)

1274465 ⑴ 十、申請專利範圍 1 · 一種電壓型反相器之控制方法，是針對由可做電 壓的大小、頻率及相位之控制的功率半導體元件所構成之 PWM (脈寬調變）方式之電壓型反相器之控制方法，其特 徵爲： 運轉前’就每一前述反相器之各相電流的極性記憶電 壓誤差資訊’運轉時，讀出前述電壓誤差資訊，對電壓指 令値或者PWM (脈寬調變）指令訊號之脈衝寬加以補 償’以補正電壓誤差。 2 ·如申請專利範圍第1項所記載之電壓型反相器之 控制方法，其中，運轉前，於構成電壓型反相器之功率半 導體元件的2相之電流値相等，且另外1相之電流値應成 爲0之相位，對交流電動機給予直流電壓指令而加以驅 動’變更電壓補正値以令2相之電流値成爲相等，或者1 相之電流値成爲0，以所變更之電壓補正値爲基礎，運算 運轉時所使用之電壓誤差資訊而加以記憶。 3 .如申請專利範圍第1項所記載之電壓型反相器之 控制方法，其中，運轉前，於構成電壓型反相器之功率半 導體元件的2相之電流値相等，且另外1相之電流値應成 爲前述2相之合計値之相位，對交流電動機給予直流電壓 指令而加以驅動，變更電壓補正値以令2相之電流値成爲 相等，或者於1相流通另一相之2倍的電流，以此時之電 壓補正値爲基礎，運算運轉時所使用之電壓誤差資訊而加 以記憶。 -18- 1274465 (2) 4.如申請專利範圍第1項所記載之電壓型反相器之 控制方法，其中，運轉前，於構成電壓型反相器之功率半 導體元件的各相之電流成爲特定條件等之相位，對交流電 動機給予直流電壓指令而加以驅動，變更電壓補正値以成 爲前述特定條件之電流値，以此時之電壓補正値爲基礎， 運算運轉時所使用之電壓誤差資訊而加以記憶。 5 ·如申請專利範圍第1項所記載之電壓型反相器之 控制方法，其中，運轉前，以不同之相位複數次重複實施 如申請專利範圍第2〜4項所記載之其中一種條件、方 法，運算運轉時所使用之電壓誤差資訊而加以記憶。 -19- 1274465 七、指定代表圖： (一） 、本案指定代表圓為··第（3 )圖 (二） 、本代表圖之元件代表符號簡單說明：無 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學 式：
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