(57)【要約】【課題】  電力変換器を停止させることなく、また電力変換器が過渡運転状態においても確実に電流検出器のオフセットを推定して補償し、高精度な電流制御を実現することができる電力変換器の制御装置を得る。【解決手段】  複数の半導体スイッチング素子によって構成された電力変換器の制御装置において、電力変換器の出力電流を検出する電流検出器２と、電流検出器が有するオフセットを推定するオフセット推定器２１とを備え、オフセット推定器２１は電力変換器の制御装置における電圧指令に基づいたフィードバックループを用いてオフセット推定を行う。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体スイッチング素子によって構成された電力変換器の制御装置において、電力変換器の出力電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器が有するオフセットを推定するオフセット推定器と補償演算器で構成されたオフセット補償器を備え、前記オフセット推定器は電力変換器の制御装置における電圧指令に基づいたフィードバックループを用いてオフセット推定を行うことを特徴とする電力変換器の制御装置。
【請求項２】
オフセット推定器に用いられる電圧指令は２軸直交回転座標上にて表現された電圧指令であることを特徴とする請求項１記載の電力変換器の制御装置。
【請求項３】
オフセット推定器に用いられる２軸直交回転座標上にて表現された電圧指令のどちらか一方を切り替えて用い、切り替えの基準として、電力変換器の出力電流または電力変換器の出力電圧周波数または電力変換器の制御装置における電流指令または電力変換器に接続されている負荷の種類とすることを特徴とする請求項２記載の電力変換器の制御装置。
【請求項４】
オフセット推定器に用いられる電圧指令は、２軸直交回転座標上にて表現された電力変換器の出力電流ベクトルまたは電力変換器の制御装置における電流指令ベクトルに対して直交する成分とすることを特徴とする請求項２記載の電力変換器の制御装置。
【請求項５】
オフセット推定器は電力変換器の制御装置における電流指令位相の一周期を複数の区間に分割して処理を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電力変換器の制御装置。
【請求項６】
オフセット推定器は電力変換器の制御装置における電流指令位相の一周期を複数の区間に分割して処理を行い、その処理を実行する区間内に電力変換器の出力電流または電力変換器の制御装置上における電流指令の極性反転（ゼロクロス）を含むことを特徴とする請求項５記載の電力変換器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、スイッチング素子で構成された上下アームのオン・オフによって所望の電力を出力する電力変換器の制御装置に関するもので、特にパルス幅変調を用いてスイッチング素子を駆動する電力変換器（以下、ＰＷＭインバータと記述する）の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＰＷＭインバータを用いて負荷に所望の電力を供給する際の制御装置の一般的な動作について図１を用いて説明する。動作の説明のため、電力変換器として三相ＰＷＭインバータを設定し、負荷として三相交流電動機を設定する。
図１において、１は電力変換器の制御装置、２は電流検出器、３は検出された電流信号、４は電流検出器２のオフセット補償器、５は座標変換器、６は位相、７は検出された電流信号、８は電流指令、９は電流制御器、１０は電圧指令、１１は座標変換器、１２は電圧指令、１３はデッドタイム補償信号演算器、１４はデッドタイム補償信号、１５はＰＷＭパターン演算器、１６はＰＷＭパターン信号、１７はＰＷＭインバータ、１８は三相交流電動機、１９はオフセット記録器、２３は電流検出器２のオフセット補償信号である。
電流検出器２は三相交流電動機１８に流れる電流を検出する。検出された電流信号３は制御装置１に取り込まれる。オフセット補償器４において、電流検出器２によって重畳されたオフセット成分を除去される。その後、座標変換器５によって位相６に基づいて座標変換されｄｑ軸回転座標上の電流信号７となる。なお、位相６と同位相成分をｄ軸成分とする。位相６に対して９０度の進み位相成分をｑ軸成分とする。位相６は三相交流電動機１８の種類によって取得方法が異なる。誘導電動機ならばすべり周波数演算器より得られる磁束位相である。同期電動機ならば回転子の磁極位置であり、エンコーダなどの検出器によって得られる。なお、図１中では省略する。電流制御器９は検出電流信号７と電流指令８に従って電流制御を実施し電圧指令１０を出力する。電圧指令１０は座標変換器１１によって三相静止座標上の電圧指令信号１２に変換され、デッドタイム補償を施された後、ＰＷＭパターン演算器１５によってＰＷＭパターン信号１６に変換される。
デッドタイム補償信号１４は検出電流信号３よりデッドタイム補償信号演算器１３によって演算される。また、電流指令８に対して座標変換を実施し、その信号に基づいてデッドタイム補償信号を求める場合もあるが、図１では省略する。
ＰＷＭパターン演算器１５ではＰＷＭインバータ１７の上下スイッチング素子の短絡防止のためデッドタイムを挿入してパターンを演算する。ＰＷＭインバータ１７は前述のＰＷＭパターン信号１６に従い、各相の上下スイッチング素子を駆動して所定の電圧を三相交流電動機１８に印加する。
ＰＷＭインバータの制御装置１はこのような処理を繰り返し実行して、所望の電力を負荷に供給する制御動作を行っている。
さて、電流検出器２による検出電流信号３にはオフセットが含まれることが多い。図１に示した電力変換器の制御装置においては、オフセットによってＰＷＭインバータ１７の出力電流に振動が発生する。この結果、三相交流電動機１８の出力トルクにも振動が発生する。振動の周波数は、ＰＷＭインバータ出力電圧または出力電流の基本波周波数成分の周波数（以下、一次周波数と記述）と同一となる。このような問題があるため、電流検出器２によって重畳されるオフセットを除去する処理がなされてきた。その多くは、電力変換器の電源投入前に電流検出器の検出電流信号をオフセットとして記録しておき、電力変換器の運転中にオフセット補償に用いる方法である。図１に示した例ではオフセット記録器１９がそのオフセット記録に用いられる。
【０００３】
しかし、長時間の運転の後には電流検出器の周囲温度や検出器内部の素子温度が変化し、電流検出器の検出電流信号に含まれるオフセットが変動する。このため電源投入前に取得したオフセットを用いても最適な補償が行われず、負荷電流に振動が発生する問題があった。検出電流信号に含まれるオフセットを再取得するには電力変換器を一旦停止する必要があり、連続した運転が要求される場合には再取得ができないという問題があった。
この問題を解決する技術として、例えば特許文献１、２に示される技術がある。これは電流検出器によって検出した電流信号に対してローパスフィルタ処理を実施し、オフセットを検出して補償する技術である（特許文献１参照）。また、電流検出器によって検出した電流信号に対して積分処理を所定の期間中実施してオフセットを検出する技術である（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１７０７９９号公報
【特許文献２】特開２００１−１６９５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に示される技術では定常運転時のみにしかオフセットの検出ができないという問題がある。また精度良くオフセットを検出するためにはローパスフィルタの遮断周波数を適切に設定する必要があった。また、特許文献２に示される技術では、電流検出器によって検出した電流信号に対して積分処理を所定の期間中実施してオフセットを検出できるが、特許文献１の技術と同様に定常運転時のみでしか検出ができない。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電力変換器を停止させることなく、また電力変換器が過渡運転状態においても確実に電流検出器のオフセットを推定して補償し、高精度な電流制御を実現することができる電力変換器の制御装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る電力変換器の制御装置においては、複数の半導体スイッチング素子によって構成された電力変換器の制御装置において、電力変換器の出力電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器が有するオフセットを推定するオフセット推定器と補償演算器で構成されたオフセット補償器を備え、前記オフセット推定器は電力変換器の制御装置における電圧指令に基づいたフィードバックループを用いてオフセット推定を行うものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、電力変換器を停止させることなく、また電力変換器が過渡運転状態においても、確実に電流検出器のオフセットを検出して補償できる。この結果、高精度な電流制御が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図２はこの発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置を説明するための説明図である。動作の説明のため、電力変換器として三相ＰＷＭインバータを設定し、負荷として三相交流電動機を設定した。
図２において、１は電力変換器の制御装置、２は電流検出器、３は検出された電流信号、４は電流検出器２のオフセット補償器、５は座標変換器、６は位相、７は検出された電流信号、８は電流指令、９は電流制御器、１０は電圧指令、１１は座標変換器、１２は電圧指令、１３はデッドタイム補償信号演算器、１４はデッドタイム補償信号、１５はＰＷＭパターン演算器、１６はＰＷＭパターン信号、１７はＰＷＭインバータ、１８は三相交流電動機、２０は電流指令位相演算器、２１はオフセット推定器、２２は電流指令位相、２３は電流検出器２のオフセット補償信号である。なお、図２において、デッドタイム補償信号１４を検出電流信号３より求める構成としているが、背景技術にて説明したように電流指令８より求める構成としてもよい。
電流指令位相演算器２０は位相６と電流指令８より電流指令位相２２を演算する。オフセット補償器４はオフセット推定器２１と補償演算器で構成される。オフセット推定器２１は電流指令位相２２および電圧指令１０および位相６から電流検出器２が有するオフセットを推定するものである。このとき、オフセット推定器２１は電圧指令１０の歪みを検知して動作する。
次にオフセット推定器２１の動作について図３を用いて説明する。図３（Ａ）は電流検出器２によって得られた三相交流電動機１８の一相分の相電流波形である。図３（Ｂ）はｄｑ軸（２軸直交）回転座標上の電流指令ベクトルに直交する電圧指令（以下、Ｖｄｉｓと記述する）である。図３（Ｂ）ではＰＷＭインバータ１７のデッドタイムによる電圧外乱の影響により、相電流の極性反転（ゼロクロス）の近傍において電圧指令に歪みが生じる。ここで電流検出器２に正のオフセットが生じた場合、図３（Ｂ）の歪みが図３（Ｃ）のように変化し、相電流波形の上り・下りで歪みの大きさが異なった波形となる。電流検出器２に負のオフセットが生じた場合も、図３（Ｅ）に示すように歪みの大きさが変化するが、正のオフセットが生じた場合とは歪みの大小が逆転する。
ここで電流指令位相２２に基づき位相区間を分割する。ここで分割された区間内にＶｄｉｓの電流ゼロクロスに伴う歪みが入るように設定する。設定した区間内において積分演算を実行し平均値を求めて記録する。Ｖｄｉｓの歪みによって平均値には図３（Ｄ）、図３（Ｆ）に示す差が発生する。Ａｖ１は区間１におけるＶｄｉｓの平均値であり、Ａｖ７は区間７におけるＶｄｉｓの平均値である。電流検出器２のオフセットが補償されている場合、図３（Ｂ）に示すように電圧指令の歪みは均等となる。すなわち平均値も一致する。このため、この平均値の差を用いることで、オフセットの推定が実現できる。例えば平均値の差を積分処理してオフセットの推定値とする。電流検出器２のオフセットが補償されれば、上記の平均値の差も０となり、積分演算が停止する。この図３では説明のため一相分としたが、実際の運転に実施される二相検出時または三相検出時においては、ぞれぞれの相に対応した歪み成分を用いればよい。このため、三相独立してオフセット補償が可能となる。
なお、図３（Ｂ）では電圧指令Ｖｄｉｓの歪みは上向きのトゲ状である。負荷の種類、デッドタイム補償器の構成、１次周波数や電流といった運転条件、などによっては下向きのトゲ状となることもある。これを図４に示す。ただし、電流検出器２に発生するオフセットの正負と平均値Ａｖ１、Ａｖ７の大小関係は同じである。（下記となる）
○  電流検出器に正のオフセットが発生する場合…………Ａｖ１＜Ａｖ７
○  電流検出器に負のオフセットが発生する場合…………Ａｖ１＞Ａｖ７
以上のような動作を実現するために、例えばオフセット推定器２１の構成は図５のような構成とするとよい。図５では、電流指令位相２２と位相６から、座標変換器２１ｄによって電流指令ベクトル直交する方向の電圧指令を求め、この信号をＶｄｉｓ２１ｂに割り当てている。２１ｅはフィルタであり、Ｖｄｉｓ２１ｂからオフセット量推定に不要な成分を除去する働きを持つ。
図５に示した位相分割・オフセット推定値更新器２１ｃでは、図３または図４にて示した、区間毎の平均値演算およびオフセット推定・更新動作を実行する。動作を実現する構成として、例えば図６に示す構成がある。２１ｃ−１はリセット信号発生器、２１ｃ−２はＶｄｉｓ積分器、２１ｃ−３は平均値演算用ゲイン、２１ｃ−４はサンプルホールド器、２１ｃ−５はサンプルホールドタイミング発生器、２１ｃ−６はＶｄｉｓ平均値記録器、２１ｃ−７はオフセット更新器で、積分器２１ｃ−７ａ及びゲイン２１ｃ−７ｂからなる。２１ｃ−８は動作タイミング発生器である。図６ではＶｄｉｓ２１ｂを積分器２１ｃ−２によって積分する。ゲイン２１ｃ−３は積分値を平均値に変換するためのゲインであり、１次周波数によって可変である。図３および図４に示すように所定の区間毎のＶｄｉｓ２１ｂの平均値を得るため電流指令位相の所定のタイミングでサンプルホールドして、記録器２１ｃ−６に格納する。サンプルホールドのタイミングと動作はサンプルホールドタイミング発生器２１ｃ−５、サンプルホールド器２１ｃ−４による。サンプルホールド直後に積分器２１ｃ−２の値を０にリセットする。そのタイミングはリセット信号発生器２１ｃ−１が電流指令位相２２に基づいて発生する。オフセット更新器２１ｃ−７は動作タイミング発生器２１ｃ−８によって設定されるタイミングで記録器２１ｃ−６に格納されていたＶｄｉｓ２１ｂの区間毎の平均値を読み出し、差分を取って積分演算を実行する。図３および図４ならばオフセット更新器２１ｃ−７の動作タイミングは区間２の直後または区間８の直後に設定できる。
このように、図２に示した電力変換器の制御装置において、図３、図４に示すようにオフセット推定器２１を動作させることで電流検出器２が有するオフセットを推定し、オフセット補償器４にてオフセット補償を実現できる。またローパスフィルタ処理を用いていないため過渡運転時においても高精度なオフセット補償が実現できる。この結果、高精度な電流制御が実現できる。
すなわち、この発明に係る電力変換器の制御装置は、電力変換器の出力電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器が有するオフセットを推定するオフセット推定器と補償演算器で構成されたオフセット補償器を備え、前記オフセット推定器は電力変換器の制御装置における電圧指令に基づいたフィードバックループを用いてオフセット推定を行うことにより課題を解決するものである。
また、上記の電力変換器の制御装置は、オフセット推定器に用いられる電圧指令を２軸直交回転座標上にて表現された電圧指令とすることにより課題を解決するものである。
また、上記の電力変換器の制御装置は、２軸直交回転座標上にて表現された電圧指令のどちらか一方を切り替えて用い、切り替えの基準として、電力変換器の出力電流または電力変換器の出力電圧周波数または電力変換器の制御装置における電流指令または電力変換器に接続されている負荷の種類とすることにより解決するものである。
また、上記の電力変換器の制御装置は、オフセット推定器に用いられる電圧指令を２軸直交回転座標上にて表現された電圧指令とし、２軸直交回転座標上にて表現された電力変換器の出力電流ベクトルまたは電力変換器の制御装置における電流指令ベクトルに対して直交する成分とすることにより課題を解決するものである。
また、上記の電力変換器の制御装置は、オフセット推定器が電力変換器の制御装置における電流指令位相の一周期を複数の区間に分割して処理を行い、その区間内に静止座標上にて表現された電力変換器の出力電流または電力変換器の制御装置上における電流指令の極性反転（ゼロクロス）を含むことにより課題を解決するものである。
【００１０】
実施の形態２．
実施の形態１では、オフセット推定器２１を図５に示す構成としたが、この実施の形態２においては、図７に示す構成としたものである。この場合、図７の電圧指令切り替え器２１ａは電流制御器９から出力される電圧指令１０を入力とし、ｄ軸電圧指令またはｑ軸電圧指令をオフセット推定の元となる信号Ｖｄｉｓ２１ｂに割り当てる。図５のように厳密に電流ベクトルまたは電流指令ベクトルに対して直交する方向でなくとも、図３および図４に示すような歪みの検知が可能なためである。このため、切り替えの基準として、Ｖｄｉｓ２１ｂの歪みが最も大きく検知できる電圧指令を割り当てる設定とする。例えば、三相交流電動機１８の検出電流信号３または電流指令８や１次周波数によって切り替えてもよい。また接続されている三相交流電動機の種類によって切り替えてもよい。これらの切り替え基準を平行して使用してもよい。図７の構成は座標変換器２１ｄを使用しないため簡潔な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一般的な電力変換器の制御装置を説明するための説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置を説明するための説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置の電流検出器オフセット推定の動作を説明するための説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置の電流検出器オフセット推定の動作を説明するための説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置の電流検出器のオフセット推定器の構成図である。
【図６】この発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置の位相分割・オフセット推定値更新器を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態２における電力変換器の制御装置の電流検出器のオフセット推定器の構成図である。
【符号の説明】
【００１２】
１  電力変換器の制御装置
２  電流検出器
３  検出された電流信号
４  電流検出器のオフセット補償器
５  座標変換器（三相静止座標上の量から回転座標上の量への変換に使用）
６  位相
７  検出された電流信号（回転座標上にて表現）
８  電流指令
９  電流制御器
１０  電圧指令（回転座標上にて表現）
１１  座標変換器（回転座標上の量から三相静止座標上の量への変換に使用）
１２  電圧指令（三相静止座標上にて表現）
１３  デッドタイム補償信号演算器
１４  デッドタイム補償信号
１５  ＰＷＭパターン演算器
１６  ＰＷＭパターン信号
１７  ＰＷＭインバータ
１８  三相交流電動機
１９  電流検出器のオフセット記録器
２０  電流指令位相演算器
２１  オフセット推定器
２１ａ  電圧指令切り替え器
２１ｂ  Ｖｄｉｓ
２１ｃ  位相分割・オフセット推定値更新器
２１ｃ−１  リセット信号発生器
２１ｃ−２  Ｖｄｉｓ積分器
２１ｃ−３  平均値演算用ゲイン
２１ｃ−４  サンプルホールド器
２１ｃ−５  サンプルホールドタイミング発生器
２１ｃ−６  Ｖｄｉｓ平均値記録器
２１ｃ−７  オフセット更新器
２１ｃ−７ａ  積分器
２１ｃ−７ｂ  ゲイン
２１ｃ−８  オフセット補償量更新器の動作タイミング発生器
２１ｄ  座標変換器（電流指令ベクトルまたは検出電流ベクトル直交方向への変換）
２１ｅ  フィルタ
２２  電流指令位相
２３  電流検出器のオフセット補償信号
【図１】
2006320160.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006320160.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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