(57)【要約】【課題】  ＰＷＭのキャリア周波数が低い場合でも、電流指令に対する応答を高くできるインバータ装置を提供する。【解決手段】  接続された負荷に電力を供給するPWM電力変換手段と、負荷（１）に流れる電流を検出する電流検出手段（６）と、検出した電流と電流指令とを比較して負荷へ供給する電圧指令を計算する電流制御手段（８）と、電圧指令に従ってPWM電力変換への指令を設定するPWM制御手段とを備えたPWMインバータ装置において、電流指令が与えられた時に、前回の電流指令値と今回の電流指令値との差分に基づいて電圧指令修正量を求め、電圧指令に加算してPWM制御手段への指令を修正する電圧指令修正部（１１）を備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続された負荷に電力を供給するPWM電力変換手段と、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記検出した電流と電流指令とを比較して前記負荷へ供給する電圧指令を計算する電流制御手段と、前記電圧指令に従ってPWM電力変換への指令を設定するPWM制御手段とを備えたPWMインバータ装置において、
前記電流指令が与えられた時に、前回の電流指令値と今回の電流指令値との差分に基づいて電圧指令修正量を求め、前記電圧指令修正量を前記電圧指令に加算して前記PWM制御手段への前記電圧指令を修正する電圧指令修正部を備えたことを特徴とするPWMインバータ装置。
【請求項２】
前記電圧指令修正部は、負荷の電気的モデルに基づいた電圧変化量を演算することを特徴とする請求項１記載のPWMインバータ装置。
【請求項３】
前記電圧指令修正部は、前記電流指令値の差分を用いてPI制御により演算するPI制御手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載のPWMインバータ装置。
【請求項４】
前記PI制御手段は、前記電流制御手段の出力を用いて演算し、その演算結果を用いて前記電流制御手段の積分器の積分値を修正することを特徴とする請求項３のPWMインバータ装置。
【請求項５】
前記PI制御手段の比例ゲインは、前記電流制御手段の比例ゲインと、電流制御周期と電流指令演算周期との比とから決定することを特徴とする請求項４記載のPWMインバータ装置。
【請求項６】
前記電圧指令修正量Δvd,Δvqは、今回の電流指令と前回の電流指令の差分ΔＩｄ、ΔＩｑを用いた次式で求めることを特徴とする請求項１記載のPWMインバータ装置。
2008295163.tif 000009
ここで、電動機回転子と同期して回転するｄｑ軸回転座標系を用いIdn,Iqnは今回のｄ軸、ｑ軸の電流指令、Idn-1,Iqn-1は前回のｄ軸、ｑ軸の電流指令、Rは一次抵抗、Ld、Lqは各々ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス、ωは回転速度である。
【請求項７】
前記電圧指令修正量Δvd,Δvqは、前回の電流指令と今回の電流指令との差にPI制御を施した次式で求めることを特徴とする請求項６記載のPWMインバータ装置。
2008295163.tif 000010
ここで、KPｄ’,KPq’は各々ｄ軸、ｑ軸のPI制御の比例ゲイン、ＴＩｄ、ＴＩｑは各々ｄ軸、ｑ軸のPI制御の積分定数、ｓはラプラス演算子である。
【請求項８】
電流制御のサンプリング周期と電流指令を更新する電流指令演算部のサンプリング周期が異なる場合にｄ軸、ｑ軸のPI制御の比例ゲインKPｄ’、KPq’は、次式で求めることを特徴とする請求項７記載のPWMインバータ装置。
2008295163.tif 000011
ここで、KPｄ  、KPqは電流制御器の比例ゲイン、TＩは電流制御周期、Tｖは電流指令演算部の演算周期である。
【請求項９】
電流制御周期TＩの方が電流指令演算部の演算周期Tｖより短い場合は、式（５）の演算をする際に、電流制御器の積分値を積分初期値とし、式（５）の演算後に変更された積分量を用いて電流制御器の積分値を修正することを特徴とする請求項７記載のPWMインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータなどの負荷の電流を制御するPWMインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のPWMインバータ装置について、図に基づいて説明する。図３は、PWMインバータ装置の一般的な構成を示す図である。キャリア発生器４は設定したキャリア周波数に基づいて三角波を発生し、比較器３は変調波指令と前記三角波を比較してインバータ２に対するスイッチング指令を出力し、インバータ２はスイッチング指令に従ってパワー素子のON/OFFをして負荷１に電力を供給する。電流検出スタート信号発生器５は、前記三角波の頂点の位置で電流検出をするように電流検出器６への電流検出スタート信号を出力し、電流検出器６は前記電流検出スタート信号に基づいて電流を検出する。このようにすることでインバータのスイッチングの影響を受けない電流を検出することができる。また、変調波指令設定器７は入力した変調波指令を前記三角波の頂点のタイミングで比較器３に出力する。電流制御器８は前記検出した電流と電流指令とを比較して負荷に流れる電流が電流指令に一致するように電圧指令を演算する。電流制御の演算は一般的には比例積分制御（PI制御）が使われる。また、PI制御と同時に前記電流指令または前記電流と負荷のモデルに基づいて電圧のFF補償を行う場合もある。電圧補償器９は、電流制御器８が出力した電圧指令の通りの電圧になるように、インバータ回路のDC電圧の変動やスイッチングにおける電圧変動分を補償して変調波指令を演算する。電流指令演算部１０は、負荷に対して流すべき電流を演算し、電流制御器８に出力する。
【０００３】
図４は電流検出と電流演算および変調波指令の払い出しのタイミングチャートを示す。PWMの三角波頂点で電流を検出し、電流制御演算および電圧補償演算をした後に変調波を設定し、三角波の頂点のタイミングで変調波指令を更新している。
このように電流制御周期はPWMのキャリア周波数に依存しているため、電流制御応答もキャリア周波数によって制限を受けることになる。一方、キャリア周波数は大容量になる程パワーデバイスの特性により高く取れなくなる。また外部へのノイズなどの影響を低減するため、キャリア周波数を低くしなくてはならない場合もある。このような用途では十分な電流制御応答を得られないという問題がある。
このような問題に対し、電流制御ゲインを高くとった場合のオーバーシュート量を低減するため、１サンプリング周期前の電流指令を電流制御器への指令として与え、電流指令の変化率に応じたモデル電圧をフィードフォーワード出力し、電流制御器の出力とフィードフォーワード量を加算して電圧指令を求める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、PWM周波数が低い場合に電流偏差が生じた場合にPWM周波数を変化させて一時的に電流制御応答を上げるようにしているものもある（例えば、特許文献２参照）。また、PWMの三角波頂点の所定時間手前で電流を検出し、検出した電流から推定した頂点位置での電流を用いて電流制御を実行し、頂点位置で電圧指令を払い出すことによって無駄時間を短縮して電流制御応答を上げる方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
図５において、フィードフォーワード補償演算部１０５は、電流指令Ia*を入力し、１サンプリング周期前の電流指令をモデル電流Iamとして出力すると共に、モデル電圧信号Vamを出力する。電流制御器１０７は電動機１０１の電流Iaとモデル電流信号Iamとの偏差を入力し補償電圧信号Va1を出力する。PWMチョッパ１０３は、モデル電圧信号Vamと補償電圧信号Va1とを加算して得られた１次電圧指令Va*に電動機１０１の１次電圧Vaが一致するように制御する。このようにすることによりゲインを高くとってもオーバーシュートを抑えることが可能となる。
【０００５】
図６において、電流指令i1*と電流検出i1との電流偏差を電流制御器２０３でPI演算した電圧指令v1*を座標変換器２０４で3相に変換し、コンパレータ２１０ｂでキャリア発生器２１０ａからのＰＷＭキャリアと比較したＰＷＭで３相インバータを制御してモータＭ１を駆動するインバータ装置において、ＰＷＭキャリアを低く設定し、絶対値演算器２１１ａで電流偏差の絶対値を取り、関数器２１１ｂで電流偏差にほぼ反比例する周波数変調係数ｋＴＣを作ってキャリア周波数発生器２１０ａのキャリア周波数をｋＴＣで変調してキャリア周波数を電流偏差に応じて高くすると共に、電流制御器２０３と周波数指令を位相指令とする積分器２０５の積分定数をｋＴＣで変化させて応答速度を補正すると共に乗算器２０９にｋＴＣを与えて電圧指令に補正を加えることにより、電流偏差が大きくなった場合に電流制御応答を上げることができる。
【０００６】
図７において、電流サンプルホールドタイミング発生部３１９は、三角波の正および負の頂点時刻位置から所定時間前の時刻位置にて電流をサンプルホールドを行うように電流サンプルホールド部３１２に指令して電流を検出し、検出した電流値に対して三角波の頂点時刻位置での電流値に近い値となるように電流補償部３１３で補償を加えた電流値を求めて電流制御演算を実行するようにする。つまり三角波の頂点の前に電流を検出して電流制御演算を行った後に、次の頂点の位置でPWMパルスパターンを発生するようにすることで無駄時間を低減することができる。電流制御演算では、推定した頂点位置での電流を使用し、理想的には電流リプル(ripple)成分が殆んど含まれない電流に基づいて演算を実行することになるので、三角波の周波数を上げることなく無駄時間の低減と電流制御応答の向上が図れる。
このように、従来のインバータ装置は、電流制御系の安定性向上や無駄時間の削減により電流制御応答を改善するようにするのである。
【特許文献１】特開平１１−１８４６９号公報（第６−１４頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−３７２４８号公報（第３−５頁、図１）
【特許文献３】特開２００５−３１２２７４号公報（第３−５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のインバータ装置は、電流指令モデルおよび電圧指令モデル出力を使用する方法では、電流制御ゲインが高くとれるので電流検出の変動に対する応答は上げることができるが、電流指令の反映は1サンプル遅れるため、電流指令に対する応答は上げられないという問題点があった。電流偏差に応じてキャリア周波数を操作する方法は、キャリア周波数が機器や環境により制限を受ける場合に使うことができない。また、キャリア周波数が低い場合は、電流指令の更新周期に対して電流制御周期を十分に高くできなくなる場合があり、電流指令の変化への追従性が落ちるという問題点があった。三角波の所定時間前に電流を検出する方法では、検出した電流にPWMのリプル成分が含まれ、特にスイッチングのタイミングに近い場合はスイッチングによるサージ電流なども検出されるため、頂点における電流を推定することは困難であり、また、キャリア周波数が低い場合は、電流指令変化に追従することは困難になるという問題点があった。
【０００８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、キャリア周波数が低い場合でも電流指令に対する応答を高くすることができるインバータ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】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、接続された負荷に電力を供給するPWM電力変換手段と、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記検出した電流と電流指令とを比較して前記負荷へ供給する電圧指令を計算する電流制御手段と、前記電圧指令に従ってPWM電力変換への指令を設定するPWM制御手段とを備えたPWMインバータ装置において、前記電流指令が与えられた時に、前回の電流指令値と今回の電流指令値との差分に基づいて電圧指令修正量を求め、前記電圧指令に加算して前記PWM制御手段への指令を修正する電圧指令修正部を備えたのである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の発明に対し、前記電圧指令修正部として、負荷の電気的モデルに基づいた電圧変化量を演算するようにしたのである。
また、請求項３に記載の発明は、前記電圧指令修正部として、前記電流指令値の差分を用いてPI制御により演算するPI制御手段を備える機能を、請求項１または請求項２記載の発明に加えたのである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３の発明における前記PI制御手段として、前記電流制御手段の出力を用いて演算し、その演算結果を用いて前記電流制御手段の積分器の積分値を修正するようにしたのである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項４の発明に対し、前記PI制御手段の比例ゲインとして、前記電流制御手段の比例ゲインと、電流制御周期と電流指令演算周期との比とから求めるようにしたのである。
【００１０】
また、請求項６の発明は、請求項１において前記電圧指令修正量Δvd,Δvqは、今回の電流指令と前回の電流指令の差分ΔＩｄ、ΔＩｑを用いた（４）式で求めることを特徴としたものである。
また、請求項７記載の発明は請求項６において前記電圧指令修正量Δvd,Δvqは、前回の電流指令と今回の電流指令との差にPI制御を施した（５）式で求めることを特徴としたものである。
また、請求項８の発明は請求項７において電流制御のサンプリング周期と電流指令を更新する電流指令演算部のサンプリング周期が異なる場合にｄ軸、ｑ軸のPI制御の比例ゲインKPｄ’,KPq’は、（６）式で求めることを特徴としたものである。
また、請求項９の発明は請求項７において電流制御周期TＩの方が電流指令演算部の演算周期Tｖより短い場合は、式（５）の演算をする際に、電流制御器の積分値を積分初期値とし、式（５）の演算後に変更された積分量を用いて電流制御器の積分値を修正することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によると、電圧指令修正部により、電流指令が変化したときに即座にPWM指令に反映することができ、電流指令に対する応答を向上することができる。また、請求項２に記載の発明によると、電圧指令修正部として、負荷の電気的モデルを元に演算するようになるため、適切なPWM指令の修正が可能となる。また、請求項３に記載の発明によると、電圧指令修正部にPI制御手段を持たせることにより、PWM指令修正量の調整が可能になる。また、請求項４に記載の発明によると、前記PI制御手段を前記電流制御手段に反映させることで、次回以降の電流制御演算にも反映させることで電流応答を更に向上することができる。また、請求項５に記載の発明によると、前記PI制御手段の比例ゲインを適切に設定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明のインバータ装置の制御ブロック図である。図において、１は負荷、２はインバータ、３は比較器、４はキャリア発生器、５は電流検出スタート信号発生器、６  は電流検出器、７は変調波指令設定器、８は電流制御器、９は電圧補償器、１０は電流指令演算部、１１は電圧指令修正部である。
本実施例が従来と異なる点は電流指令を入力として電圧指令修正部を設けた点である。以下に図１のブロック図に従って動作を説明する。
図において、キャリア発生器４は設定したキャリア周波数に基づいて三角波を発生し、比較器３は変調波指令と前記三角波を比較してインバータに対するスイッチング指令を出力し、インバータ２はスイッチング指令に従ってパワー素子のON/OFFをして負荷１に電力を供給する。電流検出スタート信号発生器５は、前記三角波の頂点の位置で電流検出をするように電流検出器６への電流検出スタート信号を出力し、電流検出器６は前記電流検出スタート信号に基づいて電流を検出する。変調波指令設定器７は入力した変調波指令を前記三角波の頂点のタイミングで比較器３に出力する。電流制御器８は前記検出した電流と電流指令とを比較して負荷に流れる電流が電流指令に一致するように電圧指令を演算する。電流制御の演算は一般的には比例積分制御（PI制御）が使われる。また、PI制御と同時に前記電流指令または前記電流と負荷のモデルに基づいて電圧のFF補償を行う場合もある。例えば、負荷が３相同期モータの場合は、以下のようにする。回転子の磁極位置に座標系を設定し、座標系の磁束成分方向をｄ軸、それと直交するトルク成分方向をｑ軸とすると、モータモデルは式（１）のように表せる。
【００１４】
【数１】
2008295163.tif 000003
【００１５】
ただし、Id,Iqはｄｑ軸電流、vd,vqはｄｑ軸電圧、Rは一次抵抗、Ld,Lqはｄｑ軸インダクタンス、ωは回転速度（電気角）、φは誘起電圧定数である。
このようなモデルの電流を制御する場合、３相のうち少なくとも２相を検出し、検出した電流をモータの磁極位置を用いて座標変換することによりｄｑ軸電流Id, Iqを求め、ｄｑ軸電流指令Id*,Iq*と比較することにより制御する。一般的に式（２）のようなPI制御により電流を制御する。ｄ軸、ｑ軸のPI制御出力vacrd, vacrqは（２）で求める。
【００１６】
【数２】
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【００１７】
ただし、KPd,KPqはそれぞれd軸とq軸の比例ゲイン、TId,TIqはd軸とq軸の積分時定数、である。さらに、応答性を上げるためフィードフォーワードを式（１）のモデルに基づいて例えば式（３）のようにして求める。
【００１８】
【数３】
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【００１９】
これを（２）式のPI制御出力に加算してｄｑ軸電圧指令vd*, vq* を求める。ここで、フィードフォーワードの演算に使用する電流として電流指令を使う場合もある。また、一次抵抗に関する項は省略される場合もある。求められたvd*, vq* からモータの磁極位置を用いて３相電圧指令に変換して出力することで、モータの電流を制御することができる。ただし、インバータのスイッチング素子の特性やインバータに入力されたDC電圧が想定した電圧と異なる場合など、電圧指令通りの電圧を出力できない。そのため、これらの電圧変動分を補償する必要がある。電圧補償器９は、電流制御器が出力した電圧指令の通りの電圧になるように、インバータ回路のDC電圧の変動やスイッチングにおける電圧変動分を補償して変調波指令を演算する。電圧変動の主な要因としては、電流が流れたときのスイッチング素子の電圧降下、スイッチング時の短絡防止のためのデッドタイムによる電圧変動、電源電圧変動があり、これらを補償する。これらの補償を施して変調波指令を作成し、変調波指令設定器７に出力する。
【００２０】
電流指令演算部１０は、負荷に対して流すべき電流を演算し、電流制御器８および電圧指令修正部１１へ演算した電流指令を出力する。モータの場合の電流指令は、ユーザあるいは他のコントローラなどから与えられたトルク指令や、速度制御する場合は、実際のモータの速度が指令速度に一致するようにトルク指令を演算する。
電圧指令修正部１１は入力された電流指令と前回の電流指令との差分に基づき、電圧の変化量を求めて電圧補償器９の出力に対して補正を加えた後、変調波指令設定器７に出力する。
電圧変化量は３相同期モータを制御する場合、例えば式（３）から以下のようにして電圧変化量Δvd,Δvqを求める。
【００２１】
【数４】
2008295163.tif 000006
【００２２】
ここで、電動機回転子と同期して回転するｄｑ軸回転座標系を用いIdn,Iqnは今回のｄ軸、ｑ軸の電流指令、Idn-1,Iqn-1は前回のｄ軸、ｑ軸の電流指令である。
求めた電圧変化量Δvd,Δvqを前回の電圧補償器８の出力に加算することにより、電圧指令を修正し、変調波指令設定器に出力する。
【実施例２】
【００２３】
電圧変化量の演算において、実施例１の方法では、モデルと実際のもののパラメータに誤差があった場合に正確に補償できない場合がある。これに対応するために前回の電流指令と今回の電流指令との差にPI制御を施すようにする。（５）式においてKPｄ’,KPq’は各々ｄ軸、ｑ軸のPI制御の比例ゲイン、ＴＩｄ、ＴＩｑは各々ｄ軸、ｑ軸のPI制御の積分定数、ｓはラプラス演算子である。
【００２４】
【数５】
2008295163.tif 000007
【００２５】
更に、式（４）と式（５）の和を電圧変化量とすれば余分な積分がされず応答も改善する。ここで、PI制御の比例ゲインKPｄ’,KPq’ は電流制御ゲインと同等に設定するのが望ましいが、電流制御のサンプリング周期と電流指令を更新する電流指令演算部１０のサンプリング周期が異なるため、これらの周期の違いによっては電流制御が安定でなくなる場合がある。これを解消するため、比例ゲインは電流制御器８の比例ゲインに電流制御周期TIと電流指令演算部１０の演算周期TVとの比を乗じ、
【００２６】
【数６】
2008295163.tif 000008
【００２７】
とすることにより安定化できる。
また、電流制御周期の方が速い場合は、式（５）の積分と電流制御器８の積分を連動させることにより、更に応答を改善できる。つまり、式（５）の演算をする際に、電流制御器８の積分値を積分初期値とし、式（５）の演算後に変更された積分量を用いて電流制御器８の積分値を修正する。
【実施例３】
【００２８】
図２は本発明における電流指令設定、電流検出、電流演算、電圧指令修正演算および変調波指令の払い出しのタイミングチャートを示す。PWMの三角波頂点で電流を検出し、電流制御演算および電圧補償演算をした後に変調波を設定し、三角波の頂点のタイミングで変調波指令を更新している点は従来と同じである。図２では電流制御の周期よりも遅く、非同期の周期で電流指令を設定する例を示している。図２において、ｔ１の時点で設定された電流指令は、ｔ２の時点から開始される電流制御演算に用いられて電圧指令を得て、ｔ３の時点で変調波が設定されて電圧が出力される。最悪の場合、指令を反映した出力が、電流制御の２周期分だけ遅れることになる。これに対し、電圧指令修正演算は、電流指令が変化した直後に演算され、即座に変調波指令が設定される。ｔ１の時点の指令に対してｔ４の時点で反映される。つまり、電流制御の１周期分だけ早いタイミングで設定されるため、電流指令の変化に即座に対応することが可能となる。
最近では、負荷分散のために複数のプロセッサが使用され、電流制御と電流指令演算は別のプロセッサで実行される場合がある。このような場合、電流指令演算部から電流指令を書き込む際に、電流制御用プロセッサに対して割り込みを発生させ、電流制御用プロセッサ側で本発明の電圧指令修正機能を持たせることで実現する。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、電流制御とは別に、電流指令を更新したタイミングで電圧指令を修正するようにすることによって、電流指令を即座に反映させることができ、電流指令に対する応答を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例を示すインバータ装置の制御ブロック図
【図２】本発明の実施例における電流制御のタイムチャート
【図３】従来のインバータ装置の制御ブロック図
【図４】従来のインバータ装置における電流制御のタイムチャート
【図５】従来のインバータ装置における電流制御ブロック図の例１
【図６】従来のインバータ装置における電流制御ブロック図の例２
【図７】従来のインバータ装置における電流制御ブロック図の例３
【符号の説明】
【００３１】
１  負荷
２  インバータ
３  比較器
４  キャリア発生器
５  電流検出スタート信号発生器
６  電流検出器
７  変調波指令設定器
８  電流制御器
９  電圧補償器
１０  電流指令演算部
１１  電圧指令修正部
１０１  電動機
１０２  電流検出器
１０３  PWMチョッパ
１０４  電流制御部
１０５  フィードフォーワード補償演算部
１０６  比較器
１０７  電流制御器
１０８  加算器
１１０  電流指令発生器
２０１  電流指令発生器
２０２  比較器
２０３  電流制御器
２０３ａ  比例演算器
２０３ｂ  積分演算器
２０３ｃ  加算器
２０４  座標変換器
２０５  積分器
２０６  座標変換器
２０９  乗算器
２１０ａ  キャリア発生器
２１０ｂ  コンパレータ
２１１ａ  絶対値演算器
２１１ｂ  関数器
３０１  インバータ装置
３０２  交流電動機
３１１  電流検出部
３１２  電流サンプルホールド部
３１３  電流補償部
３１４  電流制御演算部
３１５  ＰＷＭパルスパターン発生部
３１６  ＰＷＭインバータ
３１７  三角波発生部
３１８  電圧指令更新タイミング発生部
３１９  電流サンプルホールドタイミング発生部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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