JP6239391B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータを駆動する電力変換装置に関し、特に、デッドタイムに起因する電流歪みの抑制方法に好適である。

電力変換器のスイッチング方式において、上下アームのスイッチング素子の短絡を防止するために設定されるデッドタイムにより、インバータの出力電圧が変化する。このため、相電流のゼロクロス点及びその近傍で出力電圧が不連続になり、これによって相電流も不連続になり、電流波形に歪みを生じる場合がある。その結果、相電流のゼロクロス点近傍において、モータのトルクが脈動したり、騒音が大きくなったりする原因となっている。

インバータの出力電流の大きさによらず波形歪みが生じるのを抑制するため、インバータのオンデレイに伴う出力電圧降下を出力電流の大きさに応じて補償することが知られ、例えば、特許文献１に記載されている。

特開平３−１３５３８９号公報

上記特許文献１に記載のものでは、インバータ出力電流の指令信号の大きさと極性に応じて各相のデッドタイム補償電圧を求め、インバータ出力電圧の指令信号に補償電圧を加算し、デッドタイム補償を行うので、デッドタイム補償は、モータ電流のゼロクロスが発生するタイミングを精度良く判定して、デッドタイム補償電圧とモータ電流との極性を一致させる必要がある。つまり、特許文献１の方式では、相電流指令値の大きさと極性によりデッドタイム補償電圧を決定しているため、インバータ出力電流を検出する電流検出器の出力に誤検出防止のためにノイズ除去の機能を備えたノイズフィルタを設けた場合、特に高周波数においては、相電流指令値と実際の相電流の間に位相差が生じ、適切な補償をすることができない恐れがある。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、モータの回転速度が高く、高周波数のインバータであっても簡単な構成で、デッドタイムに起因する電流歪みを抑制し、モータのトルク脈動及び、騒音を低減することにある。

本発明は上記目的を達成するために、モータを駆動するインバータと、前記モータの回転速度と磁極位置を検出するロータリーエンコーダと、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、インバータ出力電流を検出する電流検出器の出力からノイズを除去するノイズフィルタと、前記モータの磁極位置の位相に対応してトルク軸の電流指令値及び磁束軸の電流指令を演算し、前記トルク軸の電流指令と磁束軸の電流指令から３相の電流指令値を演算する制御演算部と、を備えた電力変換装置において、前記制御演算部で演算した３相の電流指令値に基づいて補償値を演算するデットタイム補償部を有し、トルク軸の電流指令と磁束軸の電流指令に基づき前記ノイズフィルタの出力に応じた３相電圧指令値を前記デットタイム補償部の出力で補正して前記インバータを制御し、前記３相の電流指令値と前記インバータの実際の出力電流との位相差を、前記モータの回転速度と、前記電流検出器及び前記ノイズフィルタにより生じる遅れ時間とを乗算することで求め、前記制御演算部は、前記モータの磁極位置の位相に前記求めた位相差を加算した位相に基づいて、前記３相の電流指令値を演算するものである。

本発明によれば、３相の電流指令値とインバータの実際の出力電流との位相差を、モータの回転速度と、電流検出器及びノイズフィルタにより生じる遅れ時間と、から演算し、位相差をモータの磁極位置の位相に加算して３相の電流指令値を演算するので、デッドタイム補償電圧の位相が適切に設定され、モータの回転速度が高い場合でも、簡単な構成で、デッドタイムに起因する電流歪みの抑制し、モータのトルクが脈動、騒音を低減することができる。

本発明の一実施の形態を示すブロック図。 従来の制御方式による電流波形。 本発明の一実施の形態による電流波形。 従来の制御方式を示すブロック図。 デッドタイム補償電圧の説明図。

以下、本発明の実施の形態を説明するにあたって、違いを明らかにするため、従来技術の詳細を説明する。
図４は従来の制御方式のブロック図であり、電源１，電源１の商用交流電源を直流電圧に変換する整流器２，整流器２で直流に変換された電圧を任意の周波数の交流電圧に変換するインバータ３，インバータ３により駆動されるモータ４，モータ４の回転速度および磁極位置を検出するロータリーエンコーダ５により電力変換装置の主回路部分は構成される。インバータ３は、モータのベクトル制御に基づいて回転座標系の磁束軸成分とトルク軸成分を制御することにより駆動する。磁束軸では、磁束軸電流指令Ｉｄ＊に対して、電流検出器６の出力信号が入力されたノイズフィルタ７から出力されたインバータ３の出力電流ＩｕＦＢ，ＩｖＦＢ，ＩｗＦＢ（以降、相電流検出値）を３相−２相変換（８）することにより得られる磁束軸電流ＩｄＦＢとの差分を磁束軸電流制御系ブロック１１に入力することにより磁束軸成分の電圧指令値Ｖｄ＊を演算する。

トルク軸においてはモータ４の速度指令ωｒｅ＊に対してロータリーエンコーダ５から得られる回転速度ωｒｅＦＢとの差分を速度制御系ブロック１２に入力することによりトルク指令τ＊を得る。さらにトルク−電流変換ゲインブロック（Ｋ_T）１３に入力することによりトルク軸電流指令Ｉｑ＊が得られる。トルク軸電流指令Ｉｑ＊と、相電流検出値を３相−２相変換（８）することにより得られるトルク軸電流ＩｑＦＢとの差分をトルク軸電流制御系ブロック１４に入力することによりトルク軸成分の電圧指令Ｖｑ＊を得る。

一方で、磁束軸電流指令Ｉｄ＊とトルク軸電流指令Ｉｑ＊を２相−３相変換（１５）することにより得られるインバータ３の出力電流の３相電流指令Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊（以降、相電流指令値）の極性により、デッドタイム補償回路１７はデッドタイム補償量の極性を決定してデッドタイム補償電圧を演算する。

磁束軸成分の電圧指令Ｖｄ＊とトルク軸成分の電圧指令Ｖｑ＊を２相−３相変換（１６）することにより、インバータ３の各相に対する電圧指令を得ることができる。この電圧指令にデッドタイム補償電圧を加算して、３相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊（以降、相電圧指令値）を演算し、相電圧指令値とキャリアの比較によりＰＷＭパルスを生成してインバータ２のスイッチング素子を駆動する。

この制御方式では、相電流指令値に基づいてデッドタイム補償電圧を演算するため、相電流指令値とインバータ出力の実際の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ（以降、実際の相電流）に位相差の無い場合には、良好なデッドタイム補償動作が得られ、実際の相電流の歪みを抑制できる。

しかし、相電流指令値と実際の相電流に位相差がある場合は、デッドタイム補償電圧と実際の相電流の極性が一致しない区間が生じるため、デッドタイム補償が適切に行われない。このことにより、デッドタイム補償の効果が小さくなるだけでなく、実際の電流と極性の異なるデッドタイム補償電圧が相電圧指令値に加算されるため、期待した効果とは逆に電流歪みが大きくなる。

図５は相電流指令値と実際の相電流に位相差Δθｒｅがある場合に演算されるデッドタイム補償電圧の説明図を示す。一般的に、電流検出器６の出力には、誤検出防止のためにノイズ除去の機能を備えたノイズフィルタ７を設ける。電流検出器６及びノイズフィルタ７は遅れ要素を持っているから、相電流検出値は実際の相電流に対して遅れ位相となる。さらに相電流指令値は、相電流検出値に一致するように演算されるから、相電流指令値は実際の相電流に対して遅れ位相となる。

相電流指令値と実際の相電流に、遅れ要素による位相差がある場合、実際の相電流のゼロクロス近傍では、実際の相電流が正極性のときにデッドタイム補償電圧が負極性となる区間（左側斜線部）が生じる。一方で実際の相電流が負極性のときにデッドタイム補償電圧が正極性となる区間（右側斜線部）が生じる。これにより、図４の方式ではデッドタイム補償電圧の極性が適切に判定されないため、電流歪みの抑制効果が小さいだけでなく、逆に電流歪みが大きくなる。

実際の相電流に対する相電流指令値の遅れ時間Δｔｄが、電流検出器６及びノイズフィルタ７に代表される電力変換装置の構成部品の遅れ要素が支配的となり決定される場合、遅れ時間Δｔｄは固定値に近似できる。遅れ位相Δθｒｅ（単位：ｒａｄ）は遅れ要素による遅れ時間Δｔｄ（単位：ｓｅｃ）にモータの電気角速度（単位：ｒａｄ／ｓｅｃ）を乗算した値となる。これは、モータの回転速度が高くなると共に、インバータの出力が高周波数になることで、相電流指令値と実際の相電流の位相差Δθｒｅが大きくなるため、デッドタイム補償電圧と実際の相電流との位相差が大きくなり、デッドタイム補償が困難となった結果、電流歪みが増大し、モータのトルク脈動が大きくなり、騒音が増大することを示している。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態による概略構成を示すブロック図であり、上図が主回路部分、下図が制御回路部分である。
電力変換装置の主回路部分は、電源１，電源１の商用交流電圧を直流電圧に変換する整流器２，整流器２で直流に変換された電圧を任意の周波数の交流電圧に変換するインバータ３，インバータ３により駆動されるモータ４，モータ４の回転速度及び磁極位置を検出するロータリーエンコーダ５により構成される。またモータ４はシーブ２１と接続しており、シーブ２１に巻きかけられるロープ２２により乗りかご２３及びおもり２４が図示しない昇降路内に吊られている。モータ４が電力変換装置によって駆動されてシーブ２１が回転駆動されると、ロープ２２が駆動され、乗りかご２３とおもり２４が昇降路内において互いに反対方向に昇降する。

電力変換装置の制御回路部分は、磁束軸においては、磁束軸電流指令Ｉｄ＊と、電流検出器６の出力信号が入力されたノイズフィルタ７から出力された相電流検出値ＩｕＦＢ，ＩｖＦＢ，ＩｗＦＢ（以降、相電流検出値）を３相−２相変換（８）することにより得られる磁束軸電流ＩｄＦＢとの差分を磁束軸電流制御系ブロック１１に入力することによって、磁束軸成分の電圧指令値Ｖｄ＊を演算する。

トルク軸においては、モータ４の速度指令ωｒｅ＊に対してモータ４の回転軸に取り付けられたロータリーエンコーダ５から得られる回転速度ωｒｅＦＢとの差分を速度制御系ブロック１２に入力することによりトルク指令τ＊を得る。さらにトルク−電流変換ゲインブロック（Ｋ_T）１３に入力することによりトルク軸電流指令Ｉｑ＊が得られる。トルク軸電流指令Ｉｑ＊と、相電流検出値を３相−２相変換（８）することにより得られるトルク軸電流ＩｑＦＢとの差分をトルク軸電流制御系ブロック１４に入力することによりトルク軸成分の電圧指令Ｖｑ＊を演算する。

一方で、磁束軸電流指令Ｉｄ＊とトルク軸電流指令Ｉｑ＊を２相−３相変換（１５）することにより得られる相電流指令値Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊（以降、相電流指令値）の極性により、デッドタイム補償回路１７はデッドタイム補償量の極性を決定してデッドタイム補償電圧を演算する。

磁束軸成分の電圧指令Ｖｄ＊とトルク軸成分の電圧指令Ｖｑ＊を２相−３相変換（１６）することにより、インバータ３の各相に対する電圧指令を得ることができる。この電圧指令にデッドタイム補償電圧を加算して、３相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊（以降、相電圧指令値）を演算し、相電圧指令値とキャリアの比較によりＰＷＭパルスを生成してスイッチング素子を駆動する。

相電流指令値は、磁束軸成分の電流指令Ｉｄ＊とトルク軸成分の電流指令Ｉｑ＊とモータ４の磁極位置に対応した位相θを２相−３相変換ブロック１５に入力することで演算することができる。２相−３相変換の演算式を式（Ａ）に示す。

相電流指令値の位相は、（Ａ）式からθにより決定されるので、相電流指令値の極性に基づいて演算するデッドタイム補償電圧の位相は、θに任意の数値を代入することで、変更することができる。（Ａ）式のθは、ロータリーエンコーダから得られる回転速度ωｒｅＦＢを積分することで得られる、モータ磁極位置に対応した位相θｒｅ及び、相電流指令値と実際の相電流との位相差Δθｒｅにより、（Ｂ）式で表される。

実際の相電流に対する相電流指令値の遅れ時間Δｔｄ（単位：ｓｅｃ）に、ロータリーエンコーダから得られる回転速度ωｒｅＦＢ（単位：ｒａｄ／ｓｅｃ）を乗算することで、Δθｒｅが演算され、モータ磁極位置に対応したΔθｒｅを得ることができる。回転速度ωｒｅＦＢからΔθｒｅを演算するに代えて、回転速度ωｒｅＦＢをモータ４の速度指令ωｒｅ＊に置き換えても良い。また、ここではモータ磁極位置の情報を得るために、ロータリーエンコーダを用いる例を示したが、インバータの電圧及び電流から磁極位置を推定することは可能であり、その情報を用いても良い。

電流検出器６及びノイズフィルタ７に代表される電力変換装置の構成部品の遅れ要素が支配的となる場合、遅れ時間Δｔｄは固定値に近似できる。そのため、遅れ要素を含む部品に変更が無い限り、遅れ時間Δｔｄは電力変換装置を製作して最初の型式試験で測定するのみで、一意に決定することができる。

図２は、従来の制御方式により、位相差Δθｒｅが補正されない場合の電流波形を示し、図３は、一実施の形態により、位相差Δθｒｅが補正された場合の実際の相電流波形を示す。デッドタイムに起因する歪みは、基本波の６倍の周波数成分が電流波形に重畳される。補償前と比較して、一実施形態による歪みの抑制効果を確認できる。

１ 電源
２ 整流器
３ インバータ
４ モータ
５ ロータリーエンコーダ
６ 電流検出器
７ ノイズフィルタ
８ ３相−２相変換ブロック
１１ 磁束軸電流制御系ブロック
１２ 速度制御系ブロック
１３ トルク−電流変換ゲインブロック
１４ トルク軸電流制御系ブロック
１５ ２相−３相変換ブロック
１６ ２相−３相変換ブロック
１７ デッドタイム補償回路
２１ シーブ
２２ ロープ
２３ 乗りかご
２４ おもり

Claims (4)

1. モータを駆動するインバータと、前記モータの回転速度と磁極位置を検出するロータリーエンコーダと、前記インバータの出力電流を検出する電流検出器と、インバータ出力電流を検出する電流検出器の出力からノイズを除去するノイズフィルタと、前記モータの磁極位置の位相に対応してトルク軸の電流指令値及び磁束軸の電流指令を演算し、前記トルク軸の電流指令と磁束軸の電流指令から３相の電流指令値を演算する制御演算部と、を備えた電力変換装置において、
   前記制御演算部で演算した３相の電流指令値に基づいて補償値を演算するデットタイム補償部を有し、トルク軸の電流指令と磁束軸の電流指令に基づき前記ノイズフィルタの出力に応じた３相電圧指令値を前記デットタイム補償部の出力で補正して前記インバータを制御し、前記３相の電流指令値と前記インバータの実際の出力電流との位相差を、前記モータの回転速度と、前記電流検出器及び前記ノイズフィルタにより生じる遅れ時間とを乗算することで求め、前記制御演算部は、前記モータの磁極位置の位相に前記求めた位相差を加算した位相に基づいて、前記３相の電流指令値を演算することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記ロータリーエンコーダに代えて、前記モータの磁極位置を推定する演算部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置において、前記位相差の演算を前記モータの回転速度に代えて前記モータの速度指令により演算することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１ないし３に記載のいずれかの電力変換装置において、前記電流検出器及び前記ノイズフィルタにより生じる遅れ時間を固定値として近似して前記位相差を演算することを特徴とする電力変換装置。