(57)【要約】  電力変換器（１１）の出力電流とスイッチング状態から回転電機（３）の駆動状態を示す二つ以上の制御量を算出する制御量演算部（１３）と、制御量の指令値を基準として制限幅付き指令値を生成する制限幅付き指令値生成部（１５）と、制御量が制限幅付き指令値の制限幅内に収束するようにスイッチング状態を決定するスイッチング状態決定部（１６）とを備え、少なくとも一つの制限幅付き指令値に対し、その制限幅を回転電機（３）の駆動状態に基づいて時間的に変化させる。
2019111372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子のスイッチング動作により回転電機を駆動する電力を供給する電力変換器の制御装置において、
前記電力変換器の出力電流と前記電力変換器のスイッチング素子のスイッチング状態から前記回転電機の駆動状態を示す二つ以上の制御量を算出する制御量演算部と、
前記制御量の指令値を基準として、前記制御量の脈動の制限幅を持った制限幅付き指令値を生成する制限幅付き指令値生成部と、
前記制御量と前記制限幅付き指令値に基づいて、前記制御量が前記制限幅付き指令値の制限幅内に収束するように、スイッチング状態を決定するスイッチング状態決定部と、を備え、
少なくとも一つの前記制限幅付き指令値に対し、その制限幅付き指令値の制限幅を、前記回転電機の駆動状態に基づいて、時間的に変化させる電力変換装置。
【請求項２】
前記回転電機の前記制御量は、前記回転電機のトルクおよび固定子鎖交磁束である請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記回転電機の前記制御量は、前記回転電機の２軸直交回転座標上の電流である請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記回転電機の前記制御量は、前記回転電機の２軸直交静止座標上の電流である請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制限幅付き指令値生成部は、前記制御量である固定子鎖交磁束の位相から前記回転電機の駆動状態を算出し、前記回転電機の駆動状態に基づいて、前記制限幅付き指令値における制限幅を時間的に変化させる請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制限幅付き指令値生成部は、前記制御量の軌道の傾きから前記回転電機の駆動状態を算出し、前記回転電機の駆動状態に基づいて、前記制限幅付き指令値の制限幅を時間的に変化させる請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記スイッチング状態決定部は、前記制御量について回転電機の計算モデル式を用いて、前記スイッチング状態に対応する各電圧ベクトルに対して、サンプリング点から前記制限幅付き指令値の制限幅に到達するまで延長した前記制御量の軌道およびスイッチング回数を算出し、前記軌道の長さ／前記スイッチング回数を評価値とし、この評価値が最大となる前記スイッチング状態を決定する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転電機、特に、電動機に用いられる直接トルク制御方式の電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、多相交流回転電機の駆動制御において、回転電機の状態（電流、トルク、回転数等）に基づき、電力変換装置のスイッチング状態を直接演算する瞬時電流制御が知られている。瞬時電流制御の一つに「直接トルク制御」が知られており、スイッチングテーブルを用いて電力変換装置のスイッチング状態を決定する方式が開示されている（例えば、特許文献１）。
この方式では「直接トルク制御」のスイッチング状態、すなわちスイッチング損失はそのテーブルによって決定されるが、複雑な動作、もしくは複数の種類の回転電機を駆動する装置のような場合、そのテーブル設計は煩雑となる問題がある。【０００３】
この問題を解決するため、モデル予測を用いて各スイッチング状態を使用した場合のモータの状態を予測し、評価関数に基づいて最適なスイッチング状態を決定する方式が開示されている（例えば、特許文献２）。
この方式では、テーブル設計なしで制御可能となり、またスイッチング損失の低減効果も期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３３３９９号公報（段落［００１３］−［００１８］および図１）
【特許文献２】特開２００６−１７４６９７号公報（段落［００２３］−［００３３］および図２、３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、特許文献１、２開示の直接トルク制御においては、制御量はトルク、回転電機の回転子鎖交磁束となる。モデル予測を組み合わせる場合では２軸直交回転座標上の電流等、出力電流を制御量とする場合もある。これらの制御量は回転電機の駆動状態によって含有する脈動量が大きく変動する。
また二つ以上の制御量の回転電機の駆動状態と脈動量の変動の関係はそれぞれ異なる。その際に、直接トルク制御では、指令値に対し所定の脈動許容幅を設けその範囲内に制御量が収束するようにスイッチング制御を行う。【０００６】
一般に脈動許容範囲を広げるほど、単位時間あたりのスイッチング回数は減少し、スイッチング素子のスイッチング損失は抑制できる。一方、制御量の脈動が増えるため、回転電機のトルクリプルや騒音の原因となる。そのため、脈動許容幅はスイッチング損失と制御対象の脈動成分の両方を考慮し設定され、トレードオフの関係にある。【０００７】
しかし、制御量の含有する脈動量は一定ではないため、一つの制御量の脈動量が小さいときには、その他の制御量が先に脈動許容幅を超える。このため、その一つの制御量は脈動許容幅に満たない脈動となる。その際その一つの制御量は許容幅の上限もしくは下限付近に張り付くことがある。この結果、その一つの制御量が指令値と異なる値を出力する問題が発生する。
またこの問題を回避するため、脈動許容幅を小さくすると、制御量の脈動量が大きいときにスイッチング回数が極端に増加する問題がある。【０００８】
この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、スイッチング周波数を抑制しつつ、制御量を指令値に追従させることができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る電力変換装置は、スイッチング素子のスイッチング動作により回転電機を駆動する電力を供給する電力変換器の制御装置において、電力変換器の出力電流と電力変換器のスイッチング素子のスイッチング状態から回転電機の駆動状態を示す二つ以上の制御量を算出する制御量演算部と、制御量の指令値を基準として、制御量の脈動の制限幅を持った制限幅付き指令値を生成する制限幅付き指令値生成部と、制御量と制限幅付き指令値に基づいて、制御量が制限幅付き指令値の制限幅内に収束するように、スイッチング状態を決定するスイッチング状態決定部と、を備え、少なくとも一つの制限幅付き指令値に対し、その制限幅付き指令値の制限幅を、回転電機の駆動状態に基づいて、時間的に変化させるものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る電力変換装置は、制御量の指令値を基準として制御量の脈動の制限幅を持った制限幅付き指令値を生成する制限幅付き指令値生成部、制御量と制限幅付き指令値に基づいて制御量が制限幅付き指令値の制限幅内に収束するようにスイッチング状態を決定するスイッチング状態決定部を備え、少なくとも一つの制限幅付き指令値に対し、その制限幅付き指令値の制限幅を回転電機の駆動状態に基づいて時間的に変化させるものである。このため、回転電機の駆動状態による制御量の脈動量の変動に起因する指令値と出力値の誤差の発生を抑制し、脈動の制限幅を小さくすることなく誤差の発生を回避することでスイッチング周波数の増大を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る機能ブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１の電力変換装置に係るハードウエア構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る固定子鎖交磁束の位相領域を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る制御量指令値に対する制限幅付き指令値の例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１の電力変換装置に係るスイッチング状態決定部の内部ブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態１の電力変換装置に係るスイッチング状態決定部のトルクコンパレータのヒステリシス特性の説明図である。
【図７】この発明の実施の形態１の電力変換装置に係るスイッチング状態決定部の磁束コンパレータのヒステリシス特性の説明図である。
【図８】この発明の実施の形態１の電力変換装置に係るスイッチング状態決定部のスイッチングテーブルの説明図である。
【図９Ａ】この発明の実施の形態１の電力変換装置に係るスイッチングテーブルの電圧ベクトル説明図である。
【図９Ｂ】この発明の実施の形態１の電力変換装置に係るスイッチングテーブルの電圧ベクトル説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態２の電力変換装置に係る機能ブロック図である。
【図１１】この発明の実施の形態２の電力変換装置に係るスイッチング状態決定部の内部ブロック図である。
【図１２】この発明の実施の形態２の電力変換装置に係るスイッチング状態決定部のモデル予測の説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態２の電力変換装置に係るスイッチング状態決定部のモデル予測の説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態２の電力変換装置に係るスイッチング状態決定部のモデル予測の説明図である。
【図１５】この発明の実施の形態３の電力変換装置に係る機能ブロック図である。
【図１６】この発明の実施の形態３の電力変換装置に係るスイッチング状態決定部の内部ブロック図である。
【図１７】この発明の実施の形態３の電力変換装置に係る他の機能ブロック図である。
【図１８】この発明の実施の形態４の電力変換装置に係る機能ブロック図である。
【図１９】この発明の実施の形態４の電力変換装置に係る制御量指令値に対する制限幅付き指令値の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
実施の形態１は、回転電機の電流を検出する電流検出部と、この検出電流と電力変換器のスイッチング状態から回転電機を制御する二つ以上の制御量を算出する制御量演算部と、この制御量である固定子鎖交磁束の位相を算出する位相演算部と、各制御量の指令値に対し制限幅付き指令値を生成する制限幅付き指令値生成部と、各制御量と固定子鎖交磁束の位相と制限幅付き指令値に基づいて、制御量を制限幅内に収束するようにスイッチング状態を決定するスイッチング状態決定部と、を備え、少なくとも一つの指令値に対し、制限幅付き指令値の制限幅を時間的に変化させる電力変換装置に関するものである。
【００１３】
以下、本願発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成および動作について、電力変換装置の機能ブロック図である図１、ハードウエア構成図である図２、固定子鎖交磁束の位相領域を示す図である図３、制御量指令値に対する制限幅付き指令値の例を示す図である図４、スイッチング状態決定部の内部ブロック図である図５、トルクコンパレータのヒステリシス特性の説明図である図６、磁束コンパレータのヒステリシス特性の説明図である図７、スイッチングテーブルの説明図である図８、および電圧ベクトルの説明図である図９に基づいて説明する。
【００１４】
実施の形態１の電力変換装置の全体構成および機能を図１〜図９に基づいて説明する。まず、図１に基づいて、電力変換装置１の内部構成を説明し、次にこの電力変換装置１を実現するためのハードウエアの構成例を図２に基づいて説明する。その後、電力変換装置の各構成ブロックの機能および全体の機能を図１〜図９に基づいて説明する。
【００１５】
図１において、電力変換装置システムは、電力変換装置１と、直流電源２と、回転電機３とから構成される。
電力変換装置１は、電力変換部と、制御部とを備える。
電力変換装置１の電力変換部は、電力変換器１１を備える。電力変換装置１の制御部は、電流検出部１２と、制御量演算部１３と、位相演算部１４と、制限幅付き指令値生成部１５と、スイッチング状態決定部１６と、を備える。
【００１６】
次に、電力変換装置１の機能を実現するためのハードウエアの構成例を図２に基づいて説明する。
電力変換装置１は、ハードウエアとして、電力変換器１１と、電力変換器１１を制御するプロセッサ５０と、その記憶装置５１と、電流検出部１２とを備える。なお、図２において、電流検出部１２を「ＣＤ（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）」と記載している。
電力変換器１１は、６セットのスイッチング素子とダイオードとで構成されており、直流電源２の直流電力を三相交流電力に変換して、負荷である電動機などの回転電機３を駆動する。なお、図２では、各スイッチング素子をＳａ０、Ｓａ１、Ｓｂ０、Ｓｂ１、Ｓｃ０、Ｓｃ１としている。
【００１７】
プロセッサ５０は、記憶装置５１から入力されたプログラムを実行する。記憶装置５１は補助記憶装置と揮発性記憶装置とを備えるため、プロセッサ５０に補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプログラムが入力される。また、プロセッサ５０は、演算結果等のデータを記憶装置５１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置に演算結果データを保存してもよい。
【００１８】
次に、電力変換装置１の各構成ブロックの機能および全体の機能を図１〜図９に基づいて説明する。
電力変換器１１は、直流電源２から供給された電力をスイッチング状態決定部１６で決定されたスイッチング状態Ｓｕｖｗに基づいて交流電力に変換し、回転電機３に供給する。
回転電機３は、電力変換器１１で変換された交流電力を動力に変換する。なお、ここで使用される回転電機は電動機を想定して説明するが、他の種類の回転電機を用いてもよい。
【００１９】
電流検出部１２は、電力変換器１１と回転電機３の間の三相交流電流を検出し、この検出電流をＩｕｖｗとして制御量演算部１３に入力する。電流検出部１２には、ＣＴ（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）検出器、シャント抵抗等、いずれの電流検出器を用いてもよい。また、二相分の電流を検出し、残りの一相分を算出することもできるし、一つの検出器で三相交流電流を復元する１シャント電流検出方式を用いてもよい。
【００２０】
制御量演算部１３は、電流検出部１２で検出した電流Ｉｕｖｗとスイッチング状態決定部１６で決定されたスイッチング状態Ｓｕｖｗに基づいて制御量の現在値を算出し、位相演算部１４とスイッチング状態決定部１６に入力する。ここでは制御量として、トルクＴｅ、固定子鎖交磁束Ψｅを算出している。トルクＴｅはスイッチング状態決定部１６に入力し、固定子鎖交磁束Ψｅは位相演算部１４およびスイッチング状態決定部１６に入力している。
【００２１】
位相演算部１４は、制御量演算部１３で算出した固定子鎖交磁束Ψｅから、固定子鎖交磁束の位相θｅを算出し、制限幅付き指令値生成部１５およびスイッチング状態決定部１６に入力する。
図３に示すように、位相演算部１４は、固定子鎖交磁束Ψｅを静止座標上ΨｅαとΨｅβに座標変換し、その領域が領域θ（１）からθ（６）までのいずれに属するかを特定する。
なお、図３、図４および図８において、例えばθ（１）をθ１、θ（６）をθ６と記載している。
【００２２】
制限幅付き指令値生成部１５は、制御量の指令値から制限幅付き指令値を生成し、スイッチング状態決定部１６に入力する、図１では制御量をトルクおよび固定子鎖交磁束とした場合を示しており、トルク指令値Τｒｅｆおよび固定子鎖交磁束指令値Ψｒｅｆに対し、それぞれ制限幅ΔΤｒｅｆおよびΔΨｒｅｆを設けた、制限幅付き指令値であるΤｒｅｆ±ΔΤｒｅｆおよびΨｒｅｆ±ΔΨｒｅｆをスイッチング状態決定部１６に入力している。
【００２３】
図４に制限幅付き指令値の一例を示す。図４に示しているように、トルク指令値Τｒｅｆに対する制限幅ΔΤｒｅｆは、時間にかかわらず一定である。これに対し、固定子鎖交磁束指令値Ψｒｅｆに対する制限幅ΔΨｒｅｆは、位相演算部１４で算出した固定子鎖交磁束の位相θｅに基づいて時間的に変化する。
具体的には、位相領域の切り替わり点周辺、すなわちθ（１）からθ（２）に切り替わる箇所では、固定子鎖交磁束指令値の制限幅ΔΨｒｅｆは小さく、位相領域の中心では固定子鎖交磁束指令値の制限幅ΔΨｒｅｆは大きくなっている。
【００２４】
図４では固定子鎖交磁束指令値の制限幅を正弦波状に変化させているが、トルク指令値の制限幅のみを変化させてもよい。また固定子鎖交磁束指令値およびトルク指令値の両方の制限幅を変化させてもよい。
図４では、制限幅を正弦波状に変化させているが、その変化の仕方も正弦波状に限らない。
制限幅を変化させる制御量はそれぞれの制御量の脈動の変動に応じて決定される。例えば、回転電機の回転速度が低いときには、固定子鎖交磁束の脈動の変動がトルクの変動に対して大きいため、固定子鎖交磁束の制限幅のみ時間変化させる方が望ましい。しかし、回転電機の回転速度が大きいときには、トルクの脈動の変動も大きくなるため、固定子鎖交磁束とトルクの両方の指令値の制限幅を時間的に変化させるほうが望ましい。
【００２５】
スイッチング状態決定部１６は、制御量演算部１３で算出されたトルクＴｅおよび固定子鎖交磁束Ψｅと、位相演算部１４で算出された固定子鎖交磁束の位相θｅと、制限幅付き指令値生成部１５で生成された制限幅付きトルク指令値Τｒｅｆ±ΔΤｒｅｆおよび制限幅付き固定子鎖交磁束指令値Ψｒｅｆ±ΔΨｒｅｆとに基づいて、スイッチング状態Ｓｕｖｗを決定する。
【００２６】
図５にスイッチング状態決定部１６の機能を説明する内部ブロック図を示す。
スイッチング状態決定部１６は、減算器２１、２２と、トルクコンパレータ２３と、磁束コンパレータ２４とを備える。
減算器２１で演算されたトルク指令値ΤｒｅｆとトルクＴｅとの差分δΤをトルクコンパレータ２３に入力する。
また、減算器２２で演算された固定子鎖交磁束指令値Ψｒｅｆと固定子鎖交磁束Ψｅとの差分δΨを磁束コンパレータ２４に入力する。
【００２７】
図６にトルクコンパレータ２３のヒステリシス特性を示す。差分δΤおよび制限幅付き指令値生成部１５で算出された制限幅付きトルク指令値の制限幅ΔΤｒｅｆに基づいて、−１、０、１のいずれかのトルクコンパレータ出力τを出力する。
具体的には、差分δΤが０から増大するときにΔΤｒｅｆ未満のときは、トルクコンパレータ出力τは０である。δΤがΔΤｒｅｆ以上になるとトルクコンパレータ出力τは１となる。その後、δΤが０未満になるまでトルクコンパレータ出力τは１となり、δΤが０未満となった時点でトルクコンパレータ出力τは０となる。
−側のトルクコンパレータ出力τも同様の特性を示す。
【００２８】
図７に磁束コンパレータ２４のヒステリシス特性を示す。差分δΨおよび制限幅付き指令値生成部１５で算出された制限幅付き固定子鎖交磁束指令値の制限幅ΔΨｒｅｆに基づいて、０、１のいずれかの磁束コンパレータ出力ψを出力する。
具体的には差分δΨがΔΨｒｅｆ以上のときは、磁束コンパレータ出力ψは１を出力する。その後、δΨが−ΔΨｒｅｆとなるまで磁束コンパレータ出力ψは１であり、δΨが−ΔΨｒｅｆ以下となった時点で磁束コンパレータ出力ψは０となる。
そして、δΨが−ΔΨｒｅｆからΔΨｒｅｆまで増加するときは、磁束コンパレータ出力ψは０である。
【００２９】
トルクおよび磁束コンパレータ出力τ、ψと、位相演算部１４で算出した固定子鎖交磁束の位相θｅとをスイッチングテーブル２５に入力し、このスイッチングテーブル２５に基づいてスイッチング状態Ｓｕｖｗを出力する。
【００３０】
図８にスイッチングテーブルの一例を示す。図８に示されるように、トルクおよび磁束コンパレータ出力τ、ψと固定子鎖交磁束の位相θｅの状態によって全体で８個のスイッチング状態から１つのスイッチング状態が選択される。このスイッチング状態は、電圧ベクトル（Ｖ０〜Ｖ７）に対応する。
選択されたスイッチング状態を電力変換器１１に入力することで、直流電源２の電力を所望の交流電力に変換し、回転電機３を駆動する。
【００３１】
図９は電圧ベクトル（Ｖ０〜Ｖ７）の説明図である。図９Ａは各電圧ベクトル（Ｖ０〜Ｖ７）を模式的に表している。図９Ｂは各電圧ベクトル（Ｖ０〜Ｖ７）のＵ、Ｖ、Ｗ相のスイッチング状態を表している。例えば、電圧ベクトルＶ１（１００）は、Ｕ相については上アームのスイッチング素子Ｓａ０がＯＮ、下アームのスイッチング素子Ｓａ１がＯＦＦを表している。Ｖ相については、上アームのスイッチング素子Ｓｂ０がＯＦＦ、下アームのスイッチング素子Ｓｂ１がＯＮを表している。Ｗ相については、上アームのスイッチング素子Ｓｃ０がＯＦＦ、下アームのスイッチング素子Ｓｃ１がＯＮを表している。
【００３２】
この実施の形態１では、制御量であるトルクと固定子鎖交磁束の少なくともどちらか一方の指令値に対し、回転電機の駆動状態に基づいて、制限幅付き指令値の制限幅の幅長を時間的に変化させている。このため、各制御量の変動が大きい箇所では大きな制限幅に設定し、変動が小さい箇所では小さな制限幅に設定することができる。
その結果、一つの制御量の変動が他の制御量の変動に対して大きいか、もしくは小さいときに発生する制御量の指令値に対する出力誤差を抑制することができる。このため、出力誤差の増大を回避するために必要なスイッチング周波数の増加も抑制できる。この結果、制御量の指令値に対する正確な回転電機の駆動が可能となり、さらに、スイッチング損失の増大を抑制することができる。
【００３３】
この実施の形態１では、具体例として、制御量としてトルクと固定子鎖交磁束を用い、固定子鎖交磁束の位相θｅに基づいて、電力変換器１１のスイッチング状態を決定する例を説明した。しかし、トルクと固定子鎖交磁束以外の制御量を用いることも、固定子鎖交磁束の位相θｅ以外に基づいて、電力変換器１１のスイッチング状態を決定することもできる。
【００３４】
すなわち、電力変換装置１を、電力変換器１１の出力電流とスイッチング素子Ｓａ０〜Ｓｃ１のスイッチング状態から回転電機３の駆動状態を示す二つ以上の制御量を算出する制御量演算部１３と、制御量の指令値を基準として、制御量の脈動の制限幅を持った制限幅付き指令値を生成する制限幅付き指令値生成部１５と、制御量と制限幅付き指令値に基づいて、制御量が制限幅付き指令値の制限幅内に収束するように、スイッチング状態を決定するスイッチング状態決定部１６とを備え、少なくとも一つの制限幅付き指令値に対し、その制限幅付き指令値の制限幅を、回転電機３の駆動状態に基づいて、時間的に変化させる構成をすることができる。
【００３５】
この構成により、回転電機３の駆動状態による制御量の脈動量の変動に起因する指令値と出力値の誤差の発生を抑制し、脈動の制限幅を小さくすることなく誤差の発生を回避することでスイッチング周波数の増大を抑制できる。
【００３６】
以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置は、回転電機の電流を検出する電流検出部と、この検出電流と電力変換器のスイッチング状態から回転電機を制御する二つ以上の制御量を算出する制御量演算部と、この制御量である固定子鎖交磁束の位相を算出する位相演算部と、各制御量の指令値に対し制限幅付き指令値を生成する制限幅付き指令値生成部と、各制御量と固定子鎖交磁束の位相と制限幅付き指令値に基づいて、制御量を制限幅内に収束するようにスイッチング状態を決定するスイッチング状態決定部とを備え、少なくとも一つの指令値に対し、制限幅付き指令値の制限幅を時間的に変化させる電力変換装置に関するものである。
したがって、回転電機の駆動状態による制御量の脈動量の変動に起因する指令値と出力値の誤差の発生を抑制し、脈動の制限幅を小さくすることなく誤差の発生を回避することでスイッチング周波数の増大を抑制できる。
【００３７】
さらに、制御量としてトルクと固定子鎖交磁束を用い、固定子鎖交磁束の位相に基づいて、電力変換器のスイッチング状態を決定することで、回転電機のトルクを直接制御可能となり、トルクの脈動を考慮した回転電機の駆動を可能となる。また、固定子鎖交磁束の位相に依存して変化する制御量の脈動を考慮した制限幅付き指令値の制限幅の変更が可能となる。
【００３８】
実施の形態２．
実施の形態２の電力変換装置は、スイッチング状態決定部において、電動機の計算モデル式を用いて各電圧ベクトルの軌道を計算し、スイッチング回数を考慮した評価値を算出し、この評価値が最大となるスイッチング状態（電圧ベクトル）を選択する構成としたものである。
【００３９】
実施の形態２の電力変換装置１００について電力変換装置の機能ブロック図である図１０、スイッチング状態決定部の内部ブロック図である図１１、スイッチング状態決定部のモデル予測の説明図である図１２〜図１４に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。図１０において、実施の形態１の図１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、実施の形態１と区別するため、電力変換装置１００およびスイッチング状態決定部１６ａとしている。
【００４０】
まず、電力変換装置１００の構成を図１０に基づいて説明する。
実施の形態２の電力変換装置１００と実施の形態１の電力変換装置１との構成の違いは、スイッチング状態決定部１６ａであり、さらに、速度検出部４が追加されている点である。他の構成ブロックは、実施の形態１の図１と同様であるので、説明を省略する。
【００４１】
まず、速度検出部４は、回転電機３の回転速度を検出し、検出した回転速度をスイッチング状態決定部１６ａに入力する。ここで速度検出部４には、エンコーダ、レゾルバ、ホールセンサ等、いずれの速度検出器を用いてもよい。
【００４２】
実施の形態１では、スイッチング状態決定部１６において、トルクＴｅとトルク指令値Τｒｅｆとの差分δＴ、トルク指令値の制限幅ΔΤｒｅｆ、固定子鎖交磁束Ψｅと固定子鎖交磁束指令値Ψｒｅｆとの差分δΨ、固定子鎖交磁束指令値の制限幅ΔΨｒｅｆ、固定子鎖交磁束の位相θｅに基づいて、次に出力するスイッチング状態を決定していた。
【００４３】
実施の形態２においては、図１１の内部ブロック図に示すように、スイッチング状態決定部１６ａは、状態予測部３１と、予測値延長部３２と、スイッチング状態選択部３３とを備える。
【００４４】
状態予測部３１において、図１２に示すように、現在（時間ｋで表している）のトルクＴｅと、固定子鎖交磁束Ψｅと、固定子鎖交磁束の位相θｅと、速度検出部４で検出された回転電機３の回転速度Ｗｒｅとから公知である電動機の計算モデル式を用いて各スイッチング状態（電圧ベクトル）を出力した際の次の周期の予測トルクＴｐｒｅと予測固定子鎖交磁束Ψｐｒｅをそれぞれ算出する。
なお、ここで図１２では簡単のため三つの電圧ベクトル（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）の軌道なみを示しているが、通常電圧ベクトルＶ０からＶ７まで全てで実施する。
【００４５】
続いて、予測値延長部３２において状態予測部３１で算出した予測トルクＴｐｒｅおよび予測固定子鎖交磁束Ψｐｒｅを制限幅付き指令値生成部１５で生成した制限幅付きトルク指令値Τｒｅｆ±ΔΤｒｅｆおよび制限幅付き固定子鎖交磁束指令値Ψｒｅｆ±ΔΨｒｅｆと比較し、トルクと固定子鎖交磁束のどちらか一方が制限幅内にないものを除外する。
【００４６】
図１２の場合、時間ｋ＋１において、電圧ベクトルＶ１のときの予測トルクＴｐｒｅ１が制限幅付きトルク指令値Τｒｅｆ±ΔΤｒｅｆ内にないため、除外される。
一方で電圧ベクトルＶ２、Ｖ３を選択したときのように、両方の予測値が制限幅内にあるときは、その予測値を図１３に示すように制限幅に到達するまで時間的に伸ばした延長トルクＴｅｘｔと延長固定子鎖交磁束Ψｅｘｔを算出する。
【００４７】
最後に、スイッチング状態選択部３３において、予測値延長部３２にて延長した延長トルクＴｅｘｔと延長固定子鎖交磁束Ψｅｘｔの軌道の長さとそのスイッチング状態から評価値を算出する。
具体的には、各電圧ベクトルに対して、（その軌道の長さ／スイッチング回数）を評価値として算出する。なお、ここでスイッチング回数とは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチング変化の合計である。例えば、図１３において、電圧ベクトルＶ１（１００）から電圧ベクトルＶ２（１１０）に変化した場合は１回、電圧ベクトルＶ１（１００）から電圧ベクトルＶ３（０１０）に変化した場合は２回と数える。
【００４８】
この評価値が最大となるスイッチング状態が最適であり、スイッチング状態選択部３３はこの最適なスイッチング状態Ｓｕｖｗを選択し、スイッチング状態決定部１６ａは出力する。
すなわち図１３の電圧ベクトルＶ２、Ｖ３のうち、図１４では電圧ベクトルＶ２が選択されて出力される。
【００４９】
この実施の形態２では、制限幅付き指令値生成部１５が生成した制限幅に時間変化を付加した制限幅付き指令値に対し、全てのスイッチング状態の中から最適なスイッチング状態を選択することで、実施の形態１の効果である指令値に対する誤差の抑制に加え、さらにスイッチング周波数の低減が可能となる。
【００５０】
なお、状態予測部３１で用いる電動機の計算モデルは、使用する回転電機の種類に対応した回転電機の計算モデルを用いる。
【００５１】
以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置は、スイッチング状態決定部において、電動機の計算モデル式を用いて各電圧ベクトルの軌道を計算し、スイッチング回数を考慮した評価値を算出し、この評価値が最大となるスイッチング状態（電圧ベクトル）を選択する構成としたものである。
したがって、実施の形態２の電力変換装置は、回転電機の駆動状態による制御量の脈動量の変動に起因する指令値と出力値の誤差の発生を抑制し、脈動の制限幅を小さくすることなく誤差の発生を回避することでスイッチング周波数の増大を抑制できる。また、最適なスイッチング状態を選択できるため、さらにスイッチング周波数の低減が可能となる。
【００５２】
実施の形態３．
実施の形態３の電力変換装置は、制御量を回転電機の電流とし、位相演算部で算出した回転子鎖交磁束の位相を用いて、回転座標上あるいは静止座標上の電流を算出し、この電流と、回転子鎖交磁束の位相と、回転電機の回転速度とに基づいて、電動機の計算モデル式を用いて、最適なスイッチング状態を決定する構成としたものである。
【００５３】
以下、実施の形態３の電力変換装置について、電力変換装置の機能ブロック図である図１５、図１７、およびスイッチング状態決定部の内部ブロック図である図１６に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。図１５、図１７において、実施の形態１の図１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、実施の形態と区別するため、電力変換装置２００、２００ａ、位相演算部１４ａ、制限幅付き指令値生成部１５ａ、１５ｂと、スイッチング状態決定部１６ｂとしている。なお、実施の形態１の制御量演算部１３は、削除されている。
【００５４】
実施の形態３に係る電力変換装置２００と実施の形態１に係る電力変換装置１との相違点について説明する。位相演算部１４が位相演算部１４ａに、制限幅付き指令値生成部１５が制限幅付き指令値生成部１５ａに、スイッチング状態決定部１６がスイッチング状態決定部１６ｂに変更されている。さらに、速度検出部４とｕｖｗ／ｄｑ変換部１７が追加され、制御量演算部１３が削除されている点である。他の構成ブロックは、実施の形態１の図１と同様であるので、説明を省略する。また速度検出部４は実施の形態２と同じであるため、説明を省略する。
【００５５】
実施の形態１では、スイッチング状態決定部１６において、トルクＴｅとトルク指令値Τｒｅｆとの差分δＴ、トルク指令値の制限幅ΔΤｒｅｆ、固定子鎖交磁束Ψｅと固定子鎖交磁束指令値Ψｒｅｆとの差分δΨ、固定子鎖交磁束指令値の制限幅ΔΨｒｅｆ、固定子鎖交磁束の位相θｅに基づいて、次に出力するスイッチング状態を決定していた。
【００５６】
実施の形態３では制御量をトルクＴｅと固定子鎖交磁束Ψｅの代わりに回転電機３の電流とし、位相演算部１４ａで算出した回転子鎖交磁束の位相Φｅを用いて、回転座標上の電流ＩｄとＩｑを算出し、この電流ＩｄとＩｑとに基づいてスイッチング状態Ｓｕｖｗを決定する。
【００５７】
図１５において、位相演算部１４ａは、電流検出部１２で検出した電流Ｉｕｖｗと、スイッチング状態決定部１６ｂで決定されたスイッチング状態Ｓｕｖｗと、速度検出部４で検出した回転電機３の回転速度Ｗｒｅとに基づいて回転子鎖交磁束の位相Φｅを算出する。位相演算部１４ａは、回転子鎖交磁束の位相Φｅを制限幅付き指令値生成部１５ａとスイッチング状態決定部１６ｂとｕｖｗ／ｄｑ変換部１７に入力する。
【００５８】
ｕｖｗ／ｄｑ変換部１７は、電流検出部１２で検出した電流Ｉｕｖｗと位相演算部１４ａで算出された回転子鎖交磁束の位相Φｅを用いて座標変換を行い、回転座標上の電流ＩｄとＩｑを算出し、スイッチング状態決定部１６ｂに入力する。
【００５９】
制限幅付き指令値生成部１５ａは、回転座標上の電流指令値ＩｄｒｅｆおよびＩｑｒｅｆに対し、位相演算部１４ａで算出された回転子鎖交磁束の位相Φｅを用いて制限幅付き電流指令値Ｉｄｒｅｆ±ΔＩｄｒｅｆおよびＩｑｒｅｆ±ΔＩｑｒｅｆを生成し、スイッチング状態決定部１６ｂに入力する。
【００６０】
実施の形態３においては、図１６の内部ブロック図に示すように、スイッチング状態決定部１６ｂは、状態予測部４１と、予測値延長部４２と、スイッチング状態選択部４３とを備える。
図は省略しているが、それぞれの機能、動作は実施の形態２における状態予測部３１、予測値延長部３２、スイッチング状態選択部３３と同様である。
すなわち初めに、状態予測部４１において、回転座標上の電流ＩｄおよびＩｑと、回転子鎖交磁束の位相Φｅと、速度検出部４で検出された回転電機３の回転速度Ｗｒｅとから公知である電動機の計算モデル式を用いて各スイッチング状態（電圧ベクトル）を出力した際の次の周期の回転座標上の予測電流ＩｄｐｒｅおよびＩｑｐｒｅをそれぞれ算出する。
なお、電圧ベクトルＶ０からＶ７まで全てで実施する。
【００６１】
続いて予測値延長部４２において、状態予測部４１にて算出した予測電流ＩｄｐｒｅおよびＩｑｐｒｅを制限幅付き指令値生成部１５ａで生成した制限幅付き電流指令値Ｉｄｒｅｆ±ΔＩｄｒｅｆおよびＩｑｒｅｆ±ΔＩｑｒｅｆと比較し、どちらか一方が制限幅内にないものを除外する。一方で、両方の予測電流が制限幅内にあるとき、その予測電流を制限幅に到達するまで時間的に伸ばした延長予測電流ＩｄｅｘｔおよびＩｑｅｘｔを算出する。
【００６２】
最後にスイッチング状態選択部４３において予測値延長部４２にて延長した予測電流ＩｄｅｘｔおよびＩｑｅｘｔの軌道の長さと、そのスイッチング状態から評価値を算出する。
実施の形態２で説明したように、各電圧ベクトルに対して、（その軌道の長さ／スイッチング回数）を評価値として算出する。スイッチング状態選択部４３はこの評価値が最大となるスイッチング状態Ｓｕｖｗを選択する。スイッチング状態決定部１６ｂは、この選択されたスイッチング状態Ｓｕｖｗを出力する。
【００６３】
また、実施の形態３は図１７のような構成とすることも可能である。図１５の電力変換装置２００と図１７の電力変換装置２００ａとの違いは、ｕｖｗ／ｄｑ変換部１７がｕｖｗ／αβ変換部１８になり、制限幅付き指令値生成部１５ｂになっていることである。
【００６４】
電力変換装置２００（図１５）では、電流検出部１２で検出した回転電機３の電流Ｉｕｖｗを回転座標上の電流ＩｄおよびＩｑに変換して、スイッチング状態決定部１６ｂに入力している。
一方、電力変換装置２００ａ（図１７）では、電流検出部１２で検出した回転電機３の電流Ｉｕｖｗを静止座標上の電流ＩαおよびＩβに変換して、スイッチング状態決定部１６ｂに入力している。
これに対応して、制限幅付き指令値生成部１５ｂに入力される指令値は、静止座標上の電流指令値ＩαｒｅｆおよびＩβｒｅｆとなっている。また、制限幅付き指令値生成部１５ｂから出力される制限幅付指令値も静止座標上の制限幅付き電流指令値Ｉαｒｅｆ±ΔＩαｒｅｆおよびＩβｒｅｆ±ΔＩβｒｅｆになる。
【００６５】
電力変換装置２００ａにおいても、スイッチング状態決定部１６ｂの機能、動作は回転座標上の電流ＩｄおよびＩｑを用いる場合と同様に、静止座標上の電流ＩαおよびＩβを用いて、スイッチング状態決定部１６ｂは最適なスイッチング状態Ｓｕｖｗを決定する。
【００６６】
この実施の形態３では、回転電機の電流を直接制御することによって、電流の脈動を考慮し、電流指令値に対する誤差や電流高調波成分を効果的に抑制できる。さらに電動機の計算モデルを用いて、最適なスイッチング状態を選択できるためスイッチング周波数の低減が可能となる。
【００６７】
以上説明したように、実施の形態３の電力変換装置は、制御量を回転電機の電流とし、位相演算部で算出した回転子鎖交磁束の位相を用いて、回転座標上あるいは静止座標上の電流を算出し、この電流と、回転子鎖交磁束の位相と、回転電機の回転速度とに基づいて、電動機の計算モデル式を用いて、最適なスイッチング状態を決定する構成としたものである。したがって、実施の形態３の電力変換装置は、回転電機の駆動状態による制御量の脈動量の変動に起因する指令値と出力値の誤差の発生を抑制し、脈動の制限幅を小さくすることなく誤差の発生を回避することでスイッチング周波数の増大を抑制できる。
また、回転電機の電流を直接制御することによって、電流指令値に対する誤差や電流高調波成分を効果的に抑制でき、最適なスイッチング状態を選択できるため、さらにスイッチング周波数の低減が可能となる。
【００６８】
実施の形態４．
実施の形態４の電力変換装置は、制限幅付き指令値生成部に制御量であるトルクと固定子鎖交磁束を入力し、その軌道の傾きに基づいて制御量の制限幅付き指令値の制限幅を時間的に変化させる構成としたものである。
【００６９】
以下、実施の形態４の電力変換装置について、電力変換装置の機能ブロック図である図１８および制御量指令値に対する制限幅付き指令値の例を示す図である図１９に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。図１８において、実施の形態１の図１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、実施の形態１と区別するため、電力変換装置３００、制限幅付き指令値生成部１５ｃとしている。
【００７０】
実施の形態４に係る電力変換装置３００と実施の形態１に係る電力変換装置１との相違点は、制限幅付き指令値生成部１５が制限幅付き指令値生成部１５ｃに変更されている点である。他の構成ブロックは、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００７１】
実施の形態１では、制限幅付き指令値生成部１５で固定子鎖交磁束の位相θｅを用いて、制御量の制限幅付き指令値の制限幅を時間変化させていた。
実施の形態４においては、制限幅付き指令値生成部１５ｃは固定子鎖交磁束の位相θｅの代わりにトルクＴｅと固定子鎖交磁束Ψｅを入力し、これらの軌道に基づいて制御量の制限幅付き指令値の制限幅を時間変化させる。
【００７２】
具体例を図１９に基づいて説明する。なお、図１９において、Ａは「傾きが大きくなっている」を示し、Ｂは「傾きが小さくなっている」を示している。
図１９において、検出したタイミングまでの所定時間の固定子鎖交磁束Ψｅの軌道の傾きが大きくなっていく傾向にある場合は、固定子鎖交磁束の制限幅付き指令値の制限幅ΔΨｒｅｆを拡大している。逆に軌道の傾きが小さくなっていく傾向にある場合は固定子鎖交磁束の制限幅ΔΨｒｅｆを縮小している。
【００７３】
この実施の形態４では、制御量の軌道の傾きに基づいて制限幅付き指令値の制限幅を時間変化させることで、直接制御量の脈動の変化を反映した回転電機の駆動状態に基づいた制限幅付き指令値の制限幅の変更ができる。
【００７４】
本実施の形態４では、制御量として固定子鎖交磁束の軌道の傾きの変化に基づいて、固定子鎖交磁束の制限幅付き指令値の制限幅を時間的に変化させる例を説明した。しかし、制御量としてトルクあるいは電流（回転座標上の電流あるいは静止座標上の電流）の制限幅付き指令値の制限幅を時間的に変化させてもよい。
【００７５】
以上説明したように、実施の形態４の電力変換装置は、制限幅付き指令値生成部にトルクと固定子鎖交磁束を入力し、その軌道の傾きに基づいて制御量の制限幅付き指令値の制限幅を時間的に変化させる構成としたものである。したがって、実施の形態４の電力変換装置は、回転電機の駆動状態による制御量の脈動量の変動に起因する指令値と出力値の誤差の発生を抑制し、脈動の制限幅を小さくすることなく誤差の発生を回避することでスイッチング周波数の増大を抑制できる。また、回転電機の駆動状態を制御量の軌道の傾きから算出することで、直接制御量の脈動の変化を反映した制限幅付き指令値の制限幅の変更が可能となる。
【００７６】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
この発明は、少なくとも一つの制限幅付き指令値に対し、その制限幅を回転電機の駆動状態に基づいて時間的に変化させることで、脈動の制限幅を小さくすることなくスイッチング周波数の増大を抑制できるため、直接トルク制御方式の電力変換装置に広く適用できる。
【符号の説明】
【００７８】
１，１００，２００，２００ａ，３００  電力変換装置、２  直流電源、３  回転電機、４  速度検出部、１１  電力変換器、１２  電流検出部、１３  制御量演算部、１４，１４ａ  位相演算部、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ  制限幅付き指令値生成部、１６，１６ａ，１６ｂ  スイッチング状態決定部、１７  ｕｖｗ／ｄｑ変換部、１８  ｕｖｗ／αβ変換部、２１，２２  減算器、２３  トルクコンパレータ、２４  磁束コンパレータ、２５  スイッチングテーブル、３１，４１  状態予測部、３２，４２  予測値延長部、３３，４３  スイッチング状態選択部、５０  プロセッサ、５１  記憶装置、Ｓａ０，Ｓａ１，Ｓｂ０，Ｓｂ１，Ｓｃ０，Ｓｃ１  スイッチング素子。
【図１】
2019111372.tif 000003
【図２】
2019111372.tif 000004
【図３】
2019111372.tif 000005
【図４】
2019111372.tif 000006
【図５】
2019111372.tif 000007
【図６】
2019111372.tif 000008
【図７】
2019111372.tif 000009
【図８】
2019111372.tif 000010
【図９Ａ】
2019111372.tif 000011
【図９Ｂ】
2019111372.tif 000012
【図１０】
2019111372.tif 000013
【図１１】
2019111372.tif 000014
【図１２】
2019111372.tif 000015
【図１３】
2019111372.tif 000016
【図１４】
2019111372.tif 000017
【図１５】
2019111372.tif 000018
【図１６】
2019111372.tif 000019
【図１７】
2019111372.tif 000020
【図１８】
2019111372.tif 000021
【図１９】
2019111372.tif 000022
【国際調査報告】
2019111372.tif 000023
2019111372.tif 000024