JP2018174660A - Three-phase inverter device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動機の三相の電流制御を行う三相インバータ装置に関する。 The present invention relates to a three-phase inverter device that performs three-phase current control of an electric motor.
図7は、従来の電動機用の三相インバータ装置の一部を示すブロック図である。同図で、インバータ部2は、スイッチング素子Q1とQ2,Q3とQ4,Q5とQ6が其々ブリッジ接続された3つの組のスイッチング素子から構成されている。各組のスイッチング素子は、其々U相,V相,W相の三相電流を電動機1へ出力する。電流検出器14,15は、それぞれU相とV相の電流Iu,Ivを検出し、検出した電流Iu,Ivは電流制御部3に入力される。電流制御部3の内部では、前段からの直交座標系の電流指令値Id,Iqから3相の指令電流Iuc,Ivc,Iwcに変換する。また、電流制御部3の内部では、IuとIvを加算して符号を変えた値をW相の検出電流Iwとし、指令電流Iuc,Ivc,Iwcから其々検出電流Iu,Iv,Iwを減算することで、電流偏差Iud,Ivd,Iwdを演算している。また、電流制御部3の内部では、電流偏差Iud,Ivd,Iwdを各相のPID制御器を介して指令電圧Vu,Vv,Vwに変換して出力する。指令電圧Vu,Vv,Vwは、PWM変換器5へ入力され、キャリア周波数fの三角波を発生するキャリア信号発生器4からの三角波信号Wtと指令電圧Vu,Vv,Vwの値を比較して、スイッチング素子のオンオフ幅を変えるためのPWM信号である指令電圧Up,Un,Vp,Vn,Wp,Wnを生成する。PWM信号である指令電圧Up,Un,Vp,Vn,Wp,Wnはインバータ部2に入力され、其々スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6をオンオフ制御する。これにより、図7の三相インバータ装置は、指令電流Iuc,Ivc,Iwcに従ったU相,V相,W相の三相電流を電動機1へ出力する。なお、PWM変換器5では、指令電圧Vu,Vv,Vwを三角波信号Wtと比較し、Vu,Vv,Vwが三角波信号Wtよりも大きいとき、其々Up,Vp,Wpをオンとし、Un,Vn,Wnをオフとしている。また、Vu,Vv,Vwが三角波信号Wtよりも小さいときは、其々Up,Vp,Wpをオフとし,Un,Vn,Wnをオンとしている。ただし、このままだとブリッジ接続された上下のスイッチング素子がオン又はオフするまでの応答時間に遅れがあるため、各組の上下のスイッチング素子が同時にオンするタイミングが発生し、スイッチング素子が上下短絡して破壊する問題がある。そのため、PWM変換器5では、ブリッジ接続された上下のスイッチング素子が同時オンしないようにスイッチング素子の一方がオフに変化した直後は一定時間他方がオンしないようにするデッドタイムTdを設けて、PWM信号であるUp,Un,Vp,Vn,Wp,Wnを出力する。デッドタイムの期間中は、ブリッジ接続された上下のスイッチング素子は両方ともオフ状態となる。しかし、誘導負荷である巻線を持つ電動機では、流れている電流がデッドタイム期間中でも流れようとする。そのため、プラス方向に電流が流れている場合は、デッドタイム期間中も下のスイッチング素子に並列接続されたダイオードを通して電流が流れ、下のスイッチング素子がオン状態と同じになる。また、マイナス方向に電流が流れている場合は、デッドタイム期間中も上のスイッチング素子に並列接続されたダイオードを通して電流が流れ、上のスイッチング素子がオン状態と同じになる。このことから、流れる電流の向きが変わることにより、上下のスイッチング素子のオンする時間幅が急激に変化することになる。
FIG. 7 is a block diagram showing a part of a conventional three-phase inverter device for an electric motor. In the figure, the
ここで、図5には、図5(a)に示す指令電圧によってスイッチング素子をオンオフした場合の波形図を示してある。破線が従来技術、実線が実施形態の波形を示す。 Here, FIG. 5 shows a waveform diagram when the switching element is turned on and off by the command voltage shown in FIG. A broken line indicates the waveform of the conventional technique, and a solid line indicates the waveform of the embodiment.
上述のように、スイッチング素子のオンする時間幅が急激に変化すると、図5(b)の破線のように電流の流れる方向が切り替わるタイミングでU相,V相,W相の電圧が不連続に変化し、電流波形も図5(c)の破線のように歪んだ波形となってしまう。このままでは、指令値通りに電動機の電流を忠実に制御できないため、電動機の回転トルクや回転速度又は回転位置を高精度に制御できないという問題がある。 As described above, when the time width during which the switching element is turned on suddenly changes, the U-phase, V-phase, and W-phase voltages become discontinuous at the timing when the current flow direction is switched as shown by the broken line in FIG. As a result, the current waveform also becomes a distorted waveform as shown by the broken line in FIG. In this state, since the current of the motor cannot be faithfully controlled according to the command value, there is a problem that the rotational torque, rotational speed, or rotational position of the motor cannot be controlled with high accuracy.
図8は、図7の三相インバータ装置にデッドタイム補償器を付加した三相インバータ装置の一例を示すブロック図である。デッドタイム補償器6は、電流制御部3からの指令電流Iuc,Ivc,Iwcのそれぞれの極性を検出し、デッドタイム補償電圧Du,Dv,Dwを出力する。ここで、デッドタイムによりU相,V相,W相の電圧が不連続に急激に変化する電圧変化の半分に相当する電圧をVdとすると、デッドタイム補償電圧Du,Dv,Dwは、対応する指令電流の極性が正だと+Vdとし、指令電流の極性が負だと−Vdとして対応する相の補償電圧を出力する。加算器7,8,9では、指令電圧Vu,Vv,Vwに対してそれぞれデッドタイム補償電圧Du,Dv,Dwを加算し、デッドタイム補償された指令電圧Vu‘,Vv’,Vw‘をPWM変換器5へ出力する。このようにデッドタイム補償することで、図8の三相インバータ装置では、U相,V相,W相の電圧と電流を図5(b)と図5(c)の実線で示すような正常な波形に補正することができる。
FIG. 8 is a block diagram showing an example of a three-phase inverter device in which a dead time compensator is added to the three-phase inverter device of FIG. The
前述した図7の三相インバータ装置で、抵抗負荷を想定してUV相間に電流を流した場合、指令電圧Vu,Vvに対するU相,V相電流平均電流は、図4のグラフの破線のような特性となる。このようにデッドタイムがあるため、3相が0電圧付近では、6個のスイッチング素子の上側と下側が同時にオンするタイミングがなくなり、全相の電流が全く流れない不感帯ができる。このような特性は、誘導性負荷でも微小電圧かつ微小電流の時は、デッドタイム期間の途中で、ダイオードを流れる電流が0となるため、類似した特性となっていた。また、電動機は回転速度が高いほど電流が多少歪んでいたとしても慣性力が作用し、デッドタイムによる電流歪が大きくてもそれによる運動性能への影響は少なかった。しかし、回転速度が低い場合は、慣性力が働かないうえに、電動機の巻線に印加する電圧も小さくなるため、デッドタイムの影響による運動性能の悪化は大きかった。 In the above-described three-phase inverter device of FIG. 7, when a current is passed between the UV phases assuming a resistance load, the U-phase and V-phase current average currents with respect to the command voltages Vu and Vv are as shown by the broken lines in the graph of FIG. Characteristics. Since there is such a dead time, when the three phases are close to 0 voltage, there is no timing when the upper and lower sides of the six switching elements are simultaneously turned on, and a dead zone where no current flows in all phases is generated. Such characteristics are similar to those of the inductive load when the voltage and current are very small because the current flowing through the diode becomes 0 during the dead time period. Moreover, even if the electric current was somewhat distorted as the rotational speed of the electric motor increased, the inertial force acted, and even if the current distortion due to the dead time was large, the influence on the exercise performance was small. However, when the rotational speed is low, the inertial force does not work and the voltage applied to the windings of the motor is also small, so the performance of the motor is greatly deteriorated due to the dead time.
ただし、図8のデッドタイム補償器を付加した三相インバータ装置では、0電圧付近でもデッドタイム補償電圧により、上のスイッチング素子と下のスイッチング素子のタイミングが重なる付近まで瞬時に指令電圧が補正されるため、理論上はこのような問題はない。しかし、スイッチング素子は、オフからオン又はオンからオフへの変化は、急激に変化するものではなく、徐々に変化して切り替わるため、図8に示すようなデッドタイム補償器6では、デッドタイムによる影響を完全に除去できなかった。また、スイッチング素子のオン又はオフするまでの応答時間は、素子バラツキや温度等の影響も受けるため、デッドタイムの時間は常に一定ではなく、最適なデッドタイムの補償電圧の値は経時変化する。そのため、デッドタイム補償電圧が小さすぎれば、図5(c)の破線のように0電流付近で、電流が殆ど変化しない不連続的な特性が現れる。また、デッドタイム補償電圧が大き過ぎれば、図5(d)の破線のように、電流が急激に変化する不連続に近い箇所が発生する。単調増加性のある素直な電圧電流特性であれば、電流制御部のフィードバックにより、電流歪を除去できる。しかし、図5(c)(d)の破線部のように不連続な箇所ができるとフィードバックだけでは、電流の歪を小さくすることが難しかった。なお、デッドタイムが変化する問題に対しては、デッドタイムを直接測定してリアルタイムに補償する方法もあるが、回路素子が増加する上、ノイズ等の影響による誤検出の問題もあった。
However, in the three-phase inverter device to which the dead time compensator of FIG. 8 is added, the command voltage is instantaneously corrected to near the timing where the upper switching element and the lower switching element overlap with the dead time compensation voltage even near zero voltage. Therefore, there is no such problem in theory. However, since the switching element from OFF to ON or from ON to OFF does not change abruptly but changes gradually and switches, the
本発明は,上述のような事情から成されたものであり,本発明の目的は電圧指令に対する電流の特性をデッドタイムによる不連続箇所のない特性に改善し、電流制御特性の良い三相インバータ装置を提供することにある。 The present invention has been made under the circumstances as described above, and an object of the present invention is to improve a current characteristic with respect to a voltage command so that there is no discontinuous part due to dead time, and a three-phase inverter having a good current control characteristic. To provide an apparatus.
本発明は、ブリッジ接続された3組のスイッチング素子を、キャリア周波数のPWM信号によりオンオフさせ、三相電流を出力する三相インバータ装置において、一定電圧をVcとして、キャリア周波数の半周期の整数倍の周期TsごとにPWM信号の電圧を+Vc,−Vc,0の3つの値の何れかの補正電圧で補正し、かつ各相の前記補正電圧の総和は、周期Tsの3の整数倍の周期で0となり、かつ前記3組のスイッチング素子をオンオフさせるPWM信号の電圧の補正量は、同じタイミングの周期Ts内で少なくとも2組は、+Vcと−Vcである三相インバータ装置である。 The present invention relates to a three-phase inverter device that outputs three-phase current by turning on and off three sets of bridge-connected switching elements by a PWM signal having a carrier frequency, and is an integral multiple of a half cycle of the carrier frequency with a constant voltage Vc. The voltage of the PWM signal is corrected with a correction voltage of any of three values of + Vc, −Vc, 0 every period Ts, and the sum of the correction voltages of each phase is a period that is an integral multiple of 3 of the period Ts. In the three-phase inverter device, the correction amount of the voltage of the PWM signal for turning on and off the three sets of switching elements is + Vc and −Vc in at least two sets within the same timing period Ts.
本発明では、一定電圧Vcで、周期Ts内のPWMによる出力電圧を+Vc,−Vc,0の3つのパターンの何れかの電圧で補正するようにPWM信号によるオンオフ時間を修正し、同じタイミングの周期Ts内で少なくとも2組の補正電圧は+Vcと−Vcとなる。このため、一定電圧|Vc|が図8で説明した最適なデッドタイム補償電圧Vdよりも大きい場合は、三相の指令電圧が全て0の場合でも、上のスイッチング素子と下のスイッチング素子がオンして電動機側に電流が流れるタイミングが必ず存在し、デッドタイムによる電流の不感帯を無くすことができる。しかも各相の補正電圧の総和は、周期Tsの3の整数倍の周期で0となるため、印加される平均電圧や電流は、3・Tsの整数倍の周期で0となる。また、周期Tsがキャリア周期の半分の場合で、+Vc→−Vc→0の繰り返す条件では、補正電圧により印加される周波数成分は、キャリア周波数の2/3倍と非常に高い周波数となるため、補正電圧が電動機に与える悪影響を無視することができる。また、出力電圧を+Vcと−Vcを繰り返すことによるディザー的な効果により、デッドタイムによる不連続な電流特性を改善できる。
In the present invention, the on / off time by the PWM signal is corrected so as to correct the output voltage by the PWM within the cycle Ts with the voltage of any of the three patterns of + Vc, −Vc, 0 at the constant voltage Vc, and the same timing is obtained. Within the cycle Ts, at least two sets of correction voltages are + Vc and -Vc. For this reason, when the constant voltage | Vc | is larger than the optimum dead time compensation voltage Vd described with reference to FIG. 8, the upper switching element and the lower switching element are turned on even when the three-phase command voltages are all zero. Thus, there is always a timing for the current to flow on the motor side, and the dead zone of the current due to the dead time can be eliminated. In addition, since the sum of the correction voltages for each phase becomes 0 in a cycle that is an integral multiple of 3 of the cycle Ts, the applied average voltage or current becomes 0 in a cycle that is an integral multiple of 3 · Ts. In addition, when the cycle Ts is half of the carrier cycle and the condition of repeating + Vc → −
また、本発明をデッドタイム補償器のある三相インバータ装置に適用した場合は、デッドタイム補償量を最適量よりも小さくしてもディザー的な効果により、デッドタイムによる不連続な電流特性を改善できる。このため、デッドタイム補償による電流特性の線形特性を改善した上で、補償量の過小分による不連続部を解消できる。これにより、スイッチング素子特性が温度や素子バラツキで変動しても電流特性への影響を小さく抑えることができる。このため、コストアップとなるデッドタイム測定回路等がなくても高精度な電流制御が可能である。 In addition, when the present invention is applied to a three-phase inverter device having a dead time compensator, even if the dead time compensation amount is made smaller than the optimum amount, the discontinuous current characteristic due to the dead time is improved by a dither effect. it can. For this reason, it is possible to eliminate the discontinuous portion due to the excessive amount of compensation while improving the linear characteristic of the current characteristic by dead time compensation. As a result, even if the switching element characteristics fluctuate due to temperature and element variations, the influence on the current characteristics can be suppressed to a small level. For this reason, highly accurate current control is possible even without a dead time measuring circuit or the like that increases costs.
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図1で、図7と機能及び動作が同じものは同符号を付し、その説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1, the same functions and operations as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
このように、本実施形態では、図7の構成にはない、補正電圧発生器10と加算器11,12,13を有している。
As described above, this embodiment includes the
補正電圧発生器10は、U,V,W相についての補正電圧Zu,Zv,Zwを出力し、これが加算器11,12,13供給され、ここでU,V,W相の指令電圧Vu,Vv,Vwに加算される。
The
ここで、図3に基づいて、指令電圧Vu,Vv,Vwの補正について説明する。電流制御部3においては、キャリア周波数の三角波信号Wtと指令電圧Vu,Vv,Vwの値を比較して、スイッチング素子Q1〜Q6のオンオフ幅を変えるためのPWM信号である指令電圧Up,Un,Vp,Vn,Wp,Wnを生成し、加算器11,12,13に供給している。
Here, correction of the command voltages Vu, Vv, and Vw will be described with reference to FIG. In the
補正電圧発生器10は、キャリア信号発生器4からの三角波信号Wtの信号に同期して、キャリア信号周期の半分となる周期Tsごとに、+Vc,−Vc,0の順に3パターンで変化し繰り返す補正電圧Zu,Zv,Zwを出力する。すなわち、補正電圧Zuは指令電圧Up,Unが、補正電圧Zvは指令電圧Vp,Vnが、補正電圧Zwは指令電圧Wp,Wnが、オンからオフまたはオフからオンの切り替わるタイミングにおいて、+Vc,−Vc,0の状態を順に繰り返す。このため、周期Tsの3倍の周期内での各補正電圧の総和は0となる。また、図3に示すように補正電圧Zu,Zv,Zwは、同じタイミングの周期Ts内で異なる補正電圧値を出力する。このため、同じタイミング周期Ts内では、必ず補正電圧が+Vcと−Vcとなる2組の相が存在する。補正電圧Zu,Zv,Zwは、其々加算器11,12,13で、電流制御部3が出力した指令電圧Vu,Vv,Vwが加算され、電圧指令Vuc,Vvc,Vwcに補正される。これにより、PWM変換器5では、指令電圧Vu,Vv,Vwに対してPWM信号のオンオフ時間を補正電圧修分だけ修正することになる。
The
このように、本実施形態では、スイッチ素子の3回の切り換えタイミングにおいて、+Vcまたは−Vcが補正電圧として加えられる。従って、一定電圧|Vc|が図8で説明した最適なデッドタイム補償電圧Vdよりも大きい場合は、三相の指令電圧が全て0の場合でも、上のスイッチング素子と下のスイッチング素子がオンして電動機側に電流が流れるタイミングが必ず存在する。これによって、デッドタイムによる電流の不感帯を無くすことができる。しかも各相の補正電圧の総和は、周期Tsの3の整数倍の周期で0となるため、印加される平均電圧や電流についての悪影響はない。 Thus, in the present embodiment, + Vc or −Vc is added as a correction voltage at the switching timing of the switch element three times. Therefore, when the constant voltage | Vc | is larger than the optimum dead time compensation voltage Vd described in FIG. 8, the upper switching element and the lower switching element are turned on even when the three-phase command voltages are all zero. Therefore, there is always a timing for current to flow to the motor side. Thereby, the dead zone of the current due to the dead time can be eliminated. In addition, since the sum of the correction voltages of each phase becomes 0 in a cycle that is an integral multiple of 3 of the cycle Ts, there is no adverse effect on the applied average voltage or current.
図1の三相インバータ装置で、抵抗負荷を想定してUV相間に電流を流した場合、指令電圧Vu,Vvに対するU相,V相電流の平均電流の特性は、図4のグラフの実線のような特性となり、デッドタイムによる0V付近での不連続な特性を改善できる。また、電動機の巻線に印加される電圧は図5(e)の破線のようになり、電流も図5(f)の破線のように、共にデッドタイムによる不連続箇所が無くなる。ただし、破線部の特性は、電流制御部のフィードバックループゲインが低い場合の波形で、フィードバックループゲインが高い場合は、図5(e)(f)の実線のような波形となる。 In the three-phase inverter device of FIG. 1, when a current is passed between the UV phases assuming a resistance load, the characteristics of the average current of the U-phase and V-phase currents with respect to the command voltages Vu and Vv are indicated by the solid line in the graph of FIG. Thus, discontinuous characteristics near 0V due to dead time can be improved. Further, the voltage applied to the winding of the motor is as shown by the broken line in FIG. 5E, and the current is also free from discontinuous portions due to dead time as shown by the broken line in FIG. 5F. However, the characteristic of the broken line portion is a waveform when the feedback loop gain of the current control unit is low, and when the feedback loop gain is high, the waveform is a waveform as shown by the solid lines in FIGS.
また、図2のように、図1の本発明の三相インバータ装置に図8に示されるデッドタイム補償器6を付加しても良い。この場合は、デッドタイム補償器6による補償電圧Vdは最適なデッドタイム補償量以下に設定し、|Vc|+|Vd|が、最適なデッドタイム補償量以上の値とすれば、電流制御部のフィードバックループゲインを高くしなくとも図5(e)(f)の破線のような波形歪を改善できる上、デッドタイム補償量が多少ずれていたとしても電圧や電流が不連続とならないため、電流制御部のフィードバックによって指令に忠実な電流波形を実現できる。
Further, as shown in FIG. 2, the
なお、図1では、キャリア周波数の半周期を周期Tsとし、補正電圧Zu,Zv,Zwが3Tsで繰り返すパターンを示した。他の補正電圧のパターンとしては、図6の表に示すようなものも考えられる。補正電圧のパターンとしては、補正電圧が+Vc,−Vc,0の3つの値の何れかとし、かつ各相の補正電圧の総和が周期Tsの3の整数倍の周期で0であり、さらには3組のスイッチング素子の補正電圧は、同じタイミングの周期Ts内で少なくとも2組は、+Vcと−Vcであるパターンであれば、本発明を実現できる。 FIG. 1 shows a pattern in which the half cycle of the carrier frequency is a period Ts and the correction voltages Zu, Zv, and Zw repeat at 3Ts. Other correction voltage patterns as shown in the table of FIG. 6 are also conceivable. As a pattern of the correction voltage, the correction voltage is one of three values of + Vc, −Vc, 0, and the sum of the correction voltages of each phase is 0 in a cycle that is an integral multiple of 3 of the cycle Ts. The present invention can be realized if the correction voltages of the three sets of switching elements are patterns in which at least two sets are + Vc and −Vc within the period Ts of the same timing.
1 電動機、 2 インバータ部、 3 電流制御部、 4 キャリア信号発生器、 5 PWM変換器, 6 デッドタイム補償器、 7,8,9,11,12,13 加算器、 10 補正電圧発生器、 14,15 電流検出器。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
一定電圧をVcとして、キャリア周波数の半周期の整数倍の周期TsごとにPWM信号の電圧を+Vc,−Vc,0の3つの値の何れかの補正電圧で補正し、かつ各相の前記補正電圧の総和は、周期Tsの3の整数倍の周期で0となり、かつ前記3組のスイッチング素子をオンオフさせるPWM信号の電圧の補正量は、同じタイミングの周期Ts内で少なくとも2組は、+Vcと−Vcであることを特徴とする三相インバータ装置。 In a three-phase inverter device that turns on and off three sets of switching elements connected in a bridge by a PWM signal of a carrier frequency and outputs a three-phase current,
The constant voltage is Vc, the voltage of the PWM signal is corrected with a correction voltage of any one of three values of + Vc, −Vc, and 0 every period Ts that is an integral multiple of a half cycle of the carrier frequency, and the correction of each phase The sum of the voltages becomes 0 in a cycle that is an integral multiple of 3 of the cycle Ts, and the correction amount of the voltage of the PWM signal that turns on and off the three sets of switching elements is + Vc in at least two sets within the cycle Ts of the same timing. And a three-phase inverter device characterized by being -Vc.
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