JP4493431B2

JP4493431B2 - インバータ制御装置

Info

Publication number: JP4493431B2
Application number: JP2004217829A
Authority: JP
Inventors: 博光秋月
Original assignee: Toshiba Elevator Co Ltd
Current assignee: Toshiba Elevator and Building Systems Corp
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2024-07-26
Also published as: JP2006042479A

Description

本発明は、インバータを二相ＰＷＭ（パルス幅変調）制御するインバータ制御装置に関する。

従来の一般的なインバータ制御装置は図３に示すように構成されている。このインバータ制御装置の制御対象はインバータ１である。インバータ１は、商用交流電源からコンバータを通して得られる直流電源又は電池による直流電源２の直流電力を交流電力に変換し、この変換された交流電力を３相交流電動機３（例えば永久磁石同期電動機）に供給し駆動する。このインバータ１は、３相交流電動機３である負荷の相数に応じた対数の例えばＩＧＢＴ等の大電力用スイッチング素子からなり、インバータ制御装置１０によりスイッチング制御される。

インバータ制御装置１０は、電動機３の回転速度を検出する速度検出器１１と、この速度検出器１１により検出される速度と速度指令との偏差に基づいてｄ−ｑ２相の座標系で表した電流指令Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊を発生する電流指令発生部１３と、インバータ１の出力各相のうち、Ｕ相出力及びＷ相出力側に設けられたＵ相電流検出器１４ｕ及びＷ相電流検出器１４ｗで検出される電流Ｉｕ，Ｉｗが入力され、ｄ−ｑ２相の座標系に変換した測定電流Ｉｄ，Ｉｑを取り出すＵＶＷ／ｄｑ変換部１５とを有する。

また、インバータ制御装置１０には、電流指令発生部１３からの電流指令Ｉｄ^＊、Ｉｑ^＊とＵＶＷ／ｄｑ変換部１５からの測定電流Ｉｄ，Ｉｑとの偏差をそれぞれ取り出し、この偏差電流に応じたｄｑ軸電圧指令Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊に変換する電流制御部１６ｄ，１６ｑと、これらｄｑ軸電圧指令Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊を入力とし、Ｕ相電圧指令Ｖｕ，Ｖ相電圧指令Ｖｖ及びＷ相電圧指令Ｖｗに変換して出力するｄｑ／ＵＶＷ変換部１７と、ＰＷＭ変換部１８とが設けられている。

このＰＷＭ変換部１８は、図４に示すごとくＵ相電圧指令Ｖｕと三角波等の所定の波形を有する搬送波ｅｓとを比較し、パルス幅変調されたＵ相ＰＷＭ信号Ｓｕ（＋），Ｓｕ（−）を取り出し、インバータ１のＵ相対応の対となるスイッチング素子を駆動制御する。また、Ｖ相電圧指令Ｖｖ，Ｗ相電圧指令Ｖｗについても、図示されていないが同様な処理によってパルス幅変調されたＶ相ＰＷＭ信号Ｓｖ（＋），Ｓｖ（−）、Ｗ相ＰＷＭ信号Ｓｗ（＋），Ｓｗ（−）、を取り出す。従って、各相の電圧指令を可変すれば、ＰＷＭ信号のパルス幅を可変することができる。

ところで、このようなＰＷＭ制御では、電磁波ノイズ及びスイッチングロスの低減、電力変換の効率を図る観点から、図５に示すように各相電圧指令のピーク時点の±３０°（電気角）区間を最大電圧指令レベルで固定し、他の相も同様に電圧指令のピーク時点の±３０°区間を最大電圧指令レベルで固定し、各相ごとにインバータ１の該当相のスイッチングを休止させる２相ＰＷＭ制御方式も行われている。各相の±３０°区間を最大電圧指令レベルで固定する手段は、各相電圧指令にオフセット電圧を与えることにより実現する。従って、各相のスイッチング休止相への切替えは電圧位相の６０°位相毎に行っている。

しかしながら、以上のような二相ＰＷＭ制御は、スイッチング休止相に最高の電圧指令レベルを設定し、他の相のスイッチング休止相にも所定の区間に最高電圧指令レベルを設定するようなオフセット電圧を与えているので、電流指令の電流位相とＰＷＭ変換部１８に印加される電圧指令の電圧位相との間に位相差が生じている場合には次のような問題が生ずる。すなわち、ある相のスイッチング休止区間の切替え時、各相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの不連続性等に基づき、他の相の電圧指令がインバータ１の電源電圧を越える値となり、電動機３の電流波形が歪み、制御性が悪化する。

そこで、従来、ある相のスイッチング休止相への切替え時、他の相の電圧指令がインバータ１の電源電圧を越えないようにするため、電流指令と電圧指令との位相差を検出し、その位相差に応じて各相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを変更することが行われている。

具体的には、図６に示すように、電流位相Ｑｉと２軸電圧指令Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊とから位相差である電圧位相（以下、電圧位相と呼ぶ）を検出する位相差検出部２１と、ｄｑ／ＵＶＷ変換部１７とＰＷＭ変換部１８との間に設けられ、スイッチング休止相の所定区間を最高電圧指令レベルに設定するだけでなく、他の相のスイッチング休止区間以外の区間についても電圧位相に応じて各相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに所望のオフセット電圧を設定し、いわゆる補正された電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を出力する二相ＰＷＭ変換部２２とが設けられている。

位相差検出部２１には、電流位相Ｑｉを検出するレゾルバなどの電流位相検出器２１ａと、ｄ軸電圧指令Ｖｄ^＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ^＊とからＶ_Q＝ｔａｎ^-１（Ｖｄ^＊／Ｖｑ^＊）の演算式により２軸電圧位相Ｖ_Qを求める２軸電圧位相演算部２１ｂと、これら電流位相Ｑｉと２軸電圧位相Ｖ_Qとから電圧位相Ｑｖ（＝電流位相Ｑｉ−Ｖ_Q）を取り出す位相演算部２１ｃとが設けられている。

そして、二相ＰＷＭ変換部２２では、入力される各相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに対し、例えばＵ相電圧指令Ｖｕの６０°電圧位相毎のスイッチング休止相切替え時をタイミングとし、他の相の電圧指令Ｖｖ，Ｖｗに対してオフセット電圧による補正電圧Ａｖ，Ａｗを施すことにより、図７に示す実線のごとく補正された電圧指令Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を取り出してインバータ１に出力し、インバータ１の電源電圧を越えないようにしている。なお、Ｖ相、Ｗ相のスイッチング休止相切替え時、前述同様に二相ＰＷＭ変換部２２からオフセット電圧のもとに補正電圧Ａｗ，Ａｕ、Ａｕ，Ａｖだけ補正した電圧指令Ｖｗ^＊，Ｖｕ^＊、Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊を出力する。

（特許文献１）
特開平８−３４０６９１号

ところで、以上のような二相ＰＷＭ制御では、各相１２０°のずれをもった電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに対し、図７（ｄ）に示すように電圧位相の６０°位相毎にスイッチング休止相を切替え、そのスイッチング休止区間を最高電圧指令レベルに設定するとともに、スイッチング休止相の切替え時に他の相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをオフセット電圧で補正し、所望の電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖ^ｗ＊を取り出している。

しかし、電圧位相Ｑｖが低速で変化している場合、電流制御部１６ｄ，１６ｑがフィードバック制御によって２軸電圧指令Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊を取り出しているが、レゾルバなどの電流位相検出器２１ａの電流位相にノイズが含まれていると、各相が１２０°ずつずれているので、電圧位相Ｑｖ＝１２０°のとき、Ｕ相からＶ相に切替えたとき、電流制御部１６ｄ，１６ｑのフィードバック制御により発振現象が生じ、電流制御部１６ｄ，１６ｑの出力である２軸電圧指令２Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊に揺動が発生する。

よって、図７（ｄ）の１２０°部分を拡大して示す図８に示すごとく、電圧位相Ｑｖに基づいてＵ相からＶ相に切替え移行したにも拘らず、再度Ｖ相からＵ相に戻るといった位相戻り（イ）が起きてしまう。その結果、スイッチング休止相の適切なスイッチング休止制御ができない状態となる。

本発明は以上のような事情に鑑みてなされたもので、各相のスイッチング休止相への切替え時、位相の変化にも拘らず、スイッチング休止相切替え後の電圧位相を保持し、インバータの各相のスイッチング休止制御を確実に実行するインバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、２軸の電圧指令を三相の電圧指令に変換するｄｑ／ＵＶＷ変換手段と、このｄｑ／ＵＶＷ変換手段から出力される各相の電圧指令をＰＷＭ（パルス幅変調）し、各相ＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ変換手段とを有し、この各相ＰＷＭ信号をインバータを介して電動機を駆動制御するインバータ制御装置であって、
前記２軸の電圧指令から得られる２軸電圧位相と前記電動機側から取り出す電流位相とを用いて電圧位相を検出する位相差検出手段と、この位相差検出手段で検出される電圧位相の６０°位相毎に順次スイッチング休止相に切替えて当該スイッチング休止相に対応する前記電圧指令の正側又は負側のピーク近傍に所定のオフセット電圧を設定し、また、前記スイッチング休止相への切替え時に前記電圧位相が変化し、再度前記切替えを終えた相の電圧位相に戻った場合、この戻った電圧位相が所定のヒステリシス領域内であれば、前記スイッチング休止相に切替えたときの電圧位相をホールドし、このホールドされた電圧位相に基づいて前記所定のオフセット電圧を当該スイッチング休止相に対応する電圧指令に設定し、所定のスイッチング休止区間を生成する二相ＰＷＭ変換手段とをとを設けた構成である。

本発明によれば、各相のスイッチング休止相の切替え時、電圧位相が再度切替えを終えた相の電圧位相に戻るような位相変化があっても、切替えたときのスイッチング休止相の電圧位相を保持するので、インバータの各相スイッチング休止制御を確実に実行することができる。

以下、本発明の実施の形態について図１を参照して説明する。

図１は本発明に係るインバータ制御装置の要部の一実施の形態を示す構成図である。

先ず、インバータ１を含むインバータ制御装置の全体構成は図３，図６と同様であるので、同一構成部分については同一符号を用いて説明する。

このインバータ制御装置における本発明の要部となる二相ＰＷＭ変換部（二相ＰＷＭ変換手段）２２としては、各相切替え時に対応して所定の位相電圧範囲となるヒステリシス領域を設定するヒステリシス領域設定部２２ａが設けられている。このヒステリシス領域設定部２２ａは、例えばＷ相からＵ相への切替え時に４５°〜６０°の位相電圧範囲とするヒステリシス領域、Ｕ相からＶ相への切替え時に１０５°〜２０°の位相電圧範囲とするヒステリシス領域、Ｖ相からＷ相への切替え時に１６５°〜１８０度の位相電圧範囲とするヒステリシス領域がそれぞれ設定されている。

また、二相ＰＷＭ変換部２２には、位相差ホールド部２２ｂ、前述するオフセット電圧設定部２２ｃ及び二相ＰＷＭ補正部２２ｄが設けられている。

位相差ホールド部２２ｂは、位相差検出部２１で検出される電圧位相Ｑｖから図７（ｄ）に示すごとく１２０°となったとき、つまりＵ相（＋）からスイッチング休止相であるＶ相に切替えて電圧指令ＶｖのＶ相（−)側に最高電圧指令レベルを設定してスイッチング休止制御を実行する。

しかし、電圧位相Ｑｖに基づいてＵ相からスイッチング休止相であるＶ相への切替え時、位相が低速で変化している場合にレゾルバなどの電流位相検出器２１ａで検出される電流位相Ｑｉなどにノイズが含まれていると、切替え元の電圧位相に位相戻りを起こす。

そこで、切替え元に戻った電圧位相Ｑｖがヒステリシス領域設定部２２ａで設定されるＵ相からＶ相切替え時のヒステリシス領域内で変化している場合、Ｕ相から移行したＶ相の位相電圧Ｑｖをホールドする機能をもっている。また、Ｗ相からスイッチング休止相であるＵ相に切替えた時、位相戻りによって電圧位相Ｑｖが再度Ｗ相に戻った場合には同様にヒステリシス領域設定部２２ａで設定される範囲（４５°〜６０°）のヒステリシス領域内であれば、切替え先であるスイッチング休止相（Ｕ相）に移行した電圧位相Ｑｖをホールドし、Ｕ相（＋）のスイッチング休止を実行可能にする。

オフセット電圧設定部２２ｃは、例えばＵ相（＋）からＶ相に切替えた時、Ｖ相（−）側をスイッチング休止区間と判断し、Ｖ相電圧指令ＶvをＶ相最高電圧指令に相当するレベルとするオフセット電圧を出力し、他の相のＶ相電圧指令Ｖｕ，Ｖｗには所望のオフセット電圧を出力する機能をもっている。すなわち、オフセット電圧設定部２２ｃは、予め各相ごとに設定するオフセット電圧が設定され、位相差ホールド部２２ｂから出力される電圧位相Ｑｖに基づいて設定されたオフセット電圧を二相ＰＷＭ補正部２２ｄに設定する。

この二相ＰＷＭ補正部２２ｄは、オフセット電圧設定部２２ｃから出力されるオフセット電圧を用いて、入力される各相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを補正し、この補正された各相電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を出力し、ＰＷＭ変換部１８に送出する
次に、以上のような装置の動作について図２を参照して説明する。

今、図７（ｄ）の電圧位相Ｑｖの６０°から１２０°の位相範囲において、Ｕ相（＋）のピークを境として±３０となる６０°をＵ相（＋）をスイッチング休止区間とし、インバータ１のスイッチング休止制御を実施している。しかる後、電圧位相Ｑｖの１２０°となったとき、当該Ｕ相からＶ相に切替えてＶ相（−）をスイッチング休止区間とし、インバータ１のスイッチング休止制御を行うが、このとき位相が低速で変化している状態で電流位相検出器２１ａにノイズが含まれていると、電流制御部１６ａ，１６ｂのフィードバック制御によって発振現象が生じ、電流制御部１６ｄ，１６ｑの出力である２軸電圧指令２Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊に揺動が発生する。よって、電圧位相Ｑｖも大きく変化し、図２に示すようにＵ相からＶ相に切替えたにも係らず、位相電圧Ｑｖが切替えもとのＵ相に逆戻りしてしまう。

そこで、本発明装置においては、Ｕ相からＶ相に切替えたとき、ヒステリシス領域設定部２２ａにはＵ相からＶ相に切替えた際のヒステリシス領域が１０５°〜１２０°と設定されているので、電圧位相ＱｖがＶ相に切替えた後に再度Ｕ相に戻っても当該ヒステリシス領域内で変化する限り、位相差ホールド部２２ｂは、Ｖ相のスイッチング休止区間となる電圧位相Ｑｖをホールドしてオフセット電圧設定部２２ｃに送出し続けるので、Ｖ相（−）のスイッチング休止状態を継続できる。

そして、位相差ホールド部２２ｂは、その後Ｖ相に対応する電圧位相Ｑｖに戻るが、もともとＶ相のスイッチング休止区間となる電圧位相Ｑｖであるので、当該電圧位相Ｑｖをそのまオフセット電圧設定部２２ｃに送出する。その結果、電圧位相Ｑｖが低速で変化している状態で電流位相検出器２１ａの電流位相Ｑｉにノイズが含まれている場合、電圧位相Ｑｖに基づいて、ある相から他の相に切替えた際に不安定な状態にあっても、切替え先の相のスイッチング休止状態となる電圧位相Ｑｖを安定に継続出力できる。

オフセット電圧設定部２２ｃは、位相差ホールド部２２ｂから送られてくる電圧位相Ｑｖに基づいて、６０°位相毎に順次各相のスイッチング休止区間に与えるべき最高電圧指令レベルのオフセット電圧を出力し、スイッチング休止区間でない他の相においても、予め定めるオフセット電圧を出力し、二相ＰＷＭ補正部２２ｄに供給する。

この二相ＰＷＭ補正部２２ｄは、オフセット電圧設定部２２ｃからの各相のオフセット電圧を取り込み、ｄｑ／ＵＶＷ変換部１７から入力される各相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに与えることにより、所望の各相の電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を取り出し、ＰＷＭ変換部１８に送出する。

従って、以上のような実施の形態によれば、２軸の電圧指令から得られる２軸電圧位相と電動機３から取り出す電流位相との位相差である電圧位相に基づき、６０°電圧位相毎に各相を順次切替え、該当相の正側及び負側のピーク近傍に所定のスイッチング休止区間を形成するためのオフセット電圧を出力するが、その各相切替え後に切替えもとの相の電圧位相に逆戻りする変化があったとき、予め設定されるヒステリシス領域内の電圧位相の変化である限り、位相差ホールド部２１ｂが切替え先となるスイッチング切替え相の電圧位相をホールドし出力するので、インバータの各相スイッチング休止制御を確実に実行することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。また、各実施の形態は組み合わせて実施することが可能であり、その場合には組み合わせによる効果が得られる。

本発明に係るインバータ制御装置の要部の一実施形態を示す構成図。各相切替え時の電圧位相の変化とヒステリシス領域との関係を説明する図。従来の一般的なインバータ制御装置の構成図。ＰＷＭ変換の原理を説明する波形図。各相の電圧指令のピーク時点に±３０°のスイッチング休止区間を設けるために最高電圧指令のレベルに設定した図。二相／三相変換部とＰＷＭ変換部との間に二相ＰＷＭ変換部を設け、スイッチング休止区間を最高電圧指令のレベルとしたときの不具合を解決する従来のもう１つのインバータ制御装置の構成図。図６に示す二相ＰＷＭ変換部による各相電圧指令の波形図。各相切替え時の電圧位相の変化を説明する図。

符号の説明

１…インバータ、３…電動機、１０…インバータ制御装置、１１…速度検出器、１２…速度制御部、１３…電流指令発生部、１４ｕ，１４ｗ…電流検出器、１５…ＵＶＷ／ｄｑ変換部、１６ｄ，１６ｑ…電流制御部、１７…ｄｑ／ＵＶＷ変換部、１８…ＰＷＭ変換部、２１…位相差検出部、２２…二相ＰＷＭ変換部、２２ａ…ヒステリシス領域設定部、２２ｂ…位相差ホールド部、２２ｃ…オフセット電圧設定部、２２ｄ…二相ＰＷＭ補正部。

Claims

２軸の電圧指令を三相の電圧指令に変換するｄｑ／ＵＶＷ変換手段と、このｄｑ／ＵＶＷ変換手段から出力される各相の電圧指令をＰＷＭ（パルス幅変調）し、各相ＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ変換手段とを有し、この各相ＰＷＭ信号をインバータを介して電動機を駆動制御するインバータ制御装置であって、
前記２軸の電圧指令から得られる２軸電圧位相と前記電動機側から取り出す電流位相とを用いて電圧位相差を検出する位相差検出手段と、
前記ｄｑ／ＵＶＷ変換手段と前記ＰＷＭ変換手段との間に設けられ、前記位相差検出手段で検出される電圧位相の６０°位相毎に順次スイッチング休止相に切替えて当該スイッチング休止相に対応する前記電圧指令の正側又は負側のピーク近傍に所定のオフセット電圧を設定し、また、前記スイッチング休止相への切替え時に前記電圧位相が変化し、再度前記切替えを終えた相の電圧位相に戻った場合、この戻った電圧位相が所定のヒステリシス領域内であれば、前記スイッチング休止相に切替えたときの電圧位相をホールドし、このホールドされた電圧位相に基づいて前記所定のオフセット電圧を当該スイッチング休止相に対応する電圧指令に設定し、所定のスイッチング休止区間を生成する二相ＰＷＭ変換手段とを備えたことを特徴とするインバータ制御装置。
請求項１に記載のインバータ制御装置において、
前記二相ＰＷＭ変換手段は、前記電圧位相検出手段で検出される電圧位相の６０°位相毎に当該電圧位相から下位に所定の電圧位相幅をもつヒステリシス領域を設定するヒステリシス領域設定手段と、前記電圧位相検出手段で検出される電圧位相の６０°位相毎に順次スイッチング休止相に切替えたときに当該電圧位相が変化して再度前記切替えを終えた相の電圧位相に戻った場合、この戻った電圧位相が前記ヒステリシス領域内であれば、前記スイッチング休止相に切替えたときの電圧位相をホールドする位相差ホールド手段と、この位相差ホールド手段を介して出力される電圧位相の６０°位相毎に所定の相の正側又は負側に所定のオフセット電圧を出力するオフセット電圧設定手段と、前記スイッチング休止相に対応する電圧指令に前記オフセット電圧を設定し、所定のスイッチング休止区間を生成する二相ＰＷＭ補正手段とを備えたことを特徴とするインバータ制御装置。