(57)【要約】【課題】オブザーバのモデルが一致しない場合でも良好な電流応答特性を得ることができる電力変換装置を提供する。【解決手段】  オブザーバ（１１）と、振動成分抽出器（１４）と、第１減算器（１２）と、第２減算器（１３）とを備え、検出電流信号Ｉｆｂからオブザーバ１１の出力である推定電流信号Ｉｏｂｓを減じて推定差電流信号Ｉｄｉｆを生成、推定差電流信号Ｉｄｉｆから振動成分Ｉｖｉｂを抽出、さらに振動成分電流抽出器（１４）にて除去したい振動成分電流信号Ｉｖｉｂのみを抽出して、検出電流信号Ｉｆｂから減じた電流信号Ｉｆｂ２を電流制御器２の電流フィードバック信号として用いた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流指令と電流信号に基づいて電圧指令を生成する電流制御器と、キャリア信号を発生するキャリア信号発生器と、前記キャリア信号と前記電圧指令とを比較しゲート信号を生成する比較器と、前記ゲート信号から駆動電圧を生成するインバータ回路と、を備えた電力変換装置において、
モータの検出電流信号と前記電圧指令に基づいて振動成分を除去した電流信号を生成する電流信号生成器を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電流信号生成器は、前記検出電流信号と前記電圧指令に基づいて電流推定信号を生成するオブザーバと、前記検出電流信号から前記電流推定信号を減じて推定差電流信号を生成する第１減算器と、前記推定差電流信号の振動成分を抽出する振動成分抽出器と、前記検出電流信号から前記振動成分を減じる第２減算器と、を備えることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記電流信号生成器は、前記電流指令と前記電圧指令に基づいて電流推定信号を生成するオブザーバと、前記検出電流信号から前記電流推定信号を減じて推定差電流信号を生成する第１減算器と、前記推定差電流信号の振動成分を抽出する振動成分抽出器と、前記検出電流信号から前記振動成分を減じる第２減算器と、を備えることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記オブザーバは、前記電圧指令または前記検出電流信号または前記推定電流信号をフィルタリングするフィルタを備えること特徴とする請求項２または３記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記振動成分抽出器は、任意のローパスフィルタ、または任意のハイパスフィルタ、または任意の帯域制限フィルタ、または任意の帯域通過フィルタであることを特徴とする請求項２乃至４記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記振動成分抽出器は、任意の周波数帯域の振動成分を抽出した信号に任意のゲインを乗じた信号を出力することを特徴とする請求項２乃至５記載の電力変換装置。
【請求項７】
インバータ回路は直流モータを駆動することを特徴とする請求項１乃至６記載の電力変換装置。
【請求項８】
インバータ回路は交流モータを駆動することを特徴とする請求項１乃至６記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、工作機械におけるテーブルやロボットアームのような負荷機械を駆動する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置は、電圧指令Ｖｒｅｆと測定電流Ｉｆｂとを電流オブザーバ部に入力し、生成される電流推定信号Ｉｏｂを電流フィードバック制御部で使用することで、良好な電流応答特性を得られるようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
図５は従来の電力変換装置のブロック図である。図５において、１０１は直流電動機、１０２は電力変換回路、１０３は実電流観測部、１０４は電流フィードバック制御部、１０５は電流オブザーバ部である。
【０００３】
図５を用いて従来の電力変換装置の動作を説明する。電流指令Ｉｒｅｆと電流推定信号Ｉｏｂとを電流フィードバック制御部１０４に入力し、モータ電圧指令Ｖｒｅｆを生成する。電流フィードバック制御部１０４の動作は式（１）のようにフィードバックゲインをｋａとする比例制御で構成される。
Ｖｒｅｆ＝ｋａ＊（Ｉｒｅｆ−Ｉｏｂ）          （１）
電流フィードバック制御部１０４は比例制御としたが、式（２）のように比例積分制御で構成してもよい。電力変換回路１０２は電圧指令Ｖｒｅｆを入力して直流電動機１０１の駆動電流を生成する。実電流観測部１０３は直流電動機１０１の駆動電流を検出し、測定電流Ｉｆｂとして出力する。モータ電圧指令Ｖｒｅｆと測定電流Ｉｆｂとを電流オブザーバ部１０５に入力し、電流オブザーバ１０５は次のようにして電流推定信号Ｉｏｂを生成する。ただし、ｓは微分演算子、Ｒは抵抗、Ｌはインダクタンスを示す。Ｌ１、Ｌ２はオブザーバのゲインである。
Ｉｏｂ＊ｓ＝−Ｒ＊Ｉｏｂ／Ｌ＋Ｌ１＊（Ｉｆｂ−Ｉｏｂ）＋（Ｖｏｂ＋Ｖｒｅｆ）／Ｌ
Ｖｏｂ＊ｓ＝Ｌ２＊（Ｉｆｂ−Ｉｏｂ）                        （２）
このように、従来の電力変換装置は、電流オブザーバ１０５の出力である推定電流信号Ｉｏｂを用いて電流フィードバック制御部１０４のフィードバック信号として使用することで、フィードバックゲインを高く設定することができるので、温度などの影響による直流電動機１０１と電力変換回路１０２とパラメータ変動や、電源の変動などが生じる際も、良好な電流応答特性を得られる。
【特許文献１】特開２００３−１４３８９６（第５−６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電力変換装置は、電流フィードバック制御部のフィードバック信号として電流オブザーバ部により生成される推定電流信号を用いているので、オブザーバ部のモデルが電力変換回路のモデルと一致しない場合や、電流検出値に誤差がある場合は理想的な推定電流信号を得ることができないので良好な電流応答特性を得ることができないという問題があった。
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、検出電流信号から電流応答に影響を与える振動成分のみを除去することで、オブザーバのモデルが一致しない場合でも良好な電流応答特性を得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】
【０００５】
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。
【０００６】
請求項１に記載の発明は、電流指令と電流信号基づいて電圧指令を生成する電流制御器と、キャリア信号を発生するキャリア信号発生器と、前記キャリア信号と前記電圧指令とを比較しゲート信号を生成する比較器と、前記ゲート信号から駆動電圧を生成するインバータ回路と、を備えた電力変換装置において、モータの検出電流信号と前記電圧指令に基づいて振動成分を除去した電流信号を生成する電流信号生成器を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置において、前記電流信号生成器は、前記検出電流信号と前記電圧指令に基づいて推定電流信号を生成するオブザーバと、前記検出電流信号から前記推定電流信号を減じて推定差電流信号を生成する第１減算器と、前記推定差電流信号の振動成分を抽出する振動成分抽出器と、前記検出電流信号から前記振動成分を減じる第２減算器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置において、前記電流信号生成器は、前記電流指令と前記電圧指令に基づいて推定電流信号を生成するオブザーバと、前記検出電流信号から前記推定電流信号を減じて推定差電流信号を生成する第１減算器と、前記推定差電流信号の振動成分を抽出する振動成分抽出器と、前記検出電流信号から前記振動成分を減じる第２減算器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項２または３記載の電力変換装置において、前記オブザーバは、前記電圧指令または前記検出電流信号または前記推定電流信号をフィルタリングするフィルタを備えること特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４記載の電力変換装置において、前記振動成分抽出器は、任意のローパスフィルタ、または任意のハイパスフィルタ、または任意の帯域制限フィルタ、または任意の帯域通過フィルタであることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項２乃至５記載の電力変換装置において、前記振動成分抽出器は、任意の周波数帯域の振動成分を抽出した信号に任意のゲインを乗じた信号を出力することを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６記載の電力変換装置において、インバータ回路は直流モータを駆動することを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至６記載の電力変換装置において、インバータ回路は交流モータを駆動することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１または２に記載の発明によると、検出電流信号の振動成分のみを除去することができるので、良好な電流応答特性の電力変換装置を提供することができる。
また、請求項３に記載の発明によると、オブザーバに入力する電流値を電流指令とすることで、誤差の少ない推定電流信号を得ることができ、検出電流信号の振動成分の除去精度が上がるため良好な電流応答特性の電力変換装置を提供することができる。
また、請求項４に記載の発明によると、オブザーバに入力する信号はフィルタ処理された信号なので、誤差の少ない推定電流信号を得ることができ、検出電流信号の振動成分の除去精度が上がり、良好な電流応答特性の電力変換装置を提供することができる。
また、請求項５乃至８記載の発明によると、検出電流信号の振動成分のみを除去することができ、良好な電流応答特性の電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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】
【０００９】
図１は、本発明の電力変換装置の第１実施例の構成を示すブロック図である。図において、１は電力変換装置、２は電流制御器、３は比較器、４はインバータ回路、５はキャリア信号発生器、１０は電流信号生成器、１１はオブザーバ、１２は第１減算器、１３は第２減算器、１４は振動成分抽出器である。
本発明が従来技術と異なる部分は電流信号生成器がオブザーバと振動成分抽出器と第１減算器、第２減算器とを備えて、モータの検出電流信号の振動成分を除去した電流信号を電流制御器のフィードバック信号として使用している部分である。
図１を用いて、本発明の電力変換装置の動作を説明する。電力変換装置１は電流指令Ｉｒｅｆと電流信号Ｉｆｂ２とを電流制御器２に入力し、電圧指令Ｖｒｅｆを生成する。電流信号Ｉｆｂ２の生成方法については後述する。電流制御器２が比例制御である場合は、式（３）のようにして電圧指令Ｖｒｅｆを生成する。ただし、ｋａはフィードバックゲインである。
Ｖｒｅｆ＝ｋａ＊（Ｉｒｅｆ−Ｉｆｂ２）                （３）
電流制御器２は比例積分制御、もしくは比例積分微分制御であってもよい。電流制御器２で生成されたＶｒｅｆは比較器３に入力されキャリア信号発生器５から出力されるキャリア信号Ｖｃａｒと比較してＶｒｅｆ≧Ｖｃａｒの時ＯＮ、Ｖｒｅｆ＜Ｖｃａｒの時ＯＦＦとなるようなゲート信号を生成する。比較器３から出力されるゲート信号をインバータ回路４にて処理して駆動電圧を生成し負荷であるモータを駆動する。
【００１０】
次に、電流検出信号Ｉｆｂ２を生成するための動作について説明する。電流信号Ｉｆｂ２は電流検出信号生成器１０にて生成される。モータ電圧指令Ｖｒｅｆとモータの検出電流信号Ｉｆｂとをオブザーバ１１に入力して、式（４）のように状態変数を推定電流信号Ｉｏｂｓ、推定外乱電圧Ｖｏｂｓとする２次のオブザーバとして構成する。ただし、ｓは微分演算子、Ｒは抵抗、Ｌはインダクタンスを示す。Ｌ１、Ｌ２はオブザーバのゲインである。
Ｉｏｂｓ＊ｓ＝−Ｒ＊Ｉｏｂｓ／Ｌ＋Ｌ１＊（Ｉｆｂ−Ｉｏｂｓ）
＋（Ｖｏｂｓ＋Ｖｒｅｆ）／Ｌ      
Ｖｏｂｓ＊ｓ＝Ｌ２＊（Ｉｆｂ−Ｉｏｂｓ）                      （４）
また、オブザーバ１１は推定電流信号Ｉｏｂｓを状態変数とする１次のオブザーバであってもよい。オブザーバ１１を１次のオブザーバとして構成する場合は式（５）のようして推定電流信号Ｉｏｂｓを生成する。ただし、Ｌ３はオブザーバのゲインである。
Ｉｏｂｓ＊ｓ＝−Ｒ＊Ｉｏｂｓ／Ｌ＋Ｌ３（Ｉｆｂ−Ｉｏｂｓ）＋Ｖｒｅｆ／Ｌ    （５）
オブザーバ１１により生成された推定電流信号Ｉｏｂｓ、およびモータの電流信号Ｉｆｂは減算器１３に入力され、電流信号Ｉｆｂから推定電流信号Ｉｏｂｓを減算する処理を行って推定差電流信号Ｉｄｉｆを生成する。推定差電流信号Ｉｄｉｆは振動成分抽出器１４に入力される。振動成分抽出器１４では、推定差電流信号Ｉｄｉｆから除去したい振動成分Ｉｖｉｂのみを抽出するフィルタとなっている。除去したい振動成分Ｉｖｉｂがある周波数帯域以上の信号であれば振動成分抽出器１４をハイパスフィルタとして構成すればよい。また、除去したい振動成分Ｉｖｉｂがある周波数帯域以下の信号であれば振動成分抽出器１４をローパスフィルタとして構成すればよい。また、除去したい振動成分Ｉｖｉｂがある範囲の周波数帯域であれば振動成分抽出器１４を帯域通過フィルタとして構成すればよい。また、除去したい振動成分Ｉｖｉｂがある範囲以外の周波数帯域であれば振動成分抽出器１４を帯域制限フィルタとして構成すればよい。また、任意のローパスフィルタ、または任意のハイパスフィルタ、または任意の帯域通過フィルタ、または任意の帯域制限フィルタにより抽出された信号に任意のゲインを乗じて出力してもよい。
【００１１】
振動成分抽出器１４により生成された振動成分Ｉｖｉｂ、および検出電流信号Ｉｆｂは減算器１２に入力されて検出電流信号Ｉｆｂから振動成分Ｉｖｉｂを減算して電流信号Ｉｆｂ２を生成する。
【００１２】
このように電流制御器２で用いる電流信号Ｉｆｂ２は検出電流信号Ｉｆｂから任意の振動成分が除去された信号であるため、良好な電流応答を得ることができる。
【実施例２】
【００１３】
図２は、本発明の電力変換装置の第２実施例の構成を示すブロック図である。本発明の第２実施例の電力変換装置は、第１実施例の電力変換装置と電流検出信号生成器が異なるだけであるため、図２における電流検出信号生成器１０´の動作について説明する。電流信号生成器１０´は電流信号生成器１０と同じく、オブザーバ１１と第１減算器１２と第２減算器１３と振動成分抽出器１４とを備えているが、オブザーバ１１に入力される信号が電圧指令Ｖｒｅｆと電圧指令Ｉｒｅｆとなっている。したがって、オブザーバ１１が状態変数を推定電流信号Ｉｏｂｓ、推定外乱電圧Ｖｏｂｓとする２次のオブザーバとして構成した場合、式（６）のようにして推定電流信号Ｉｏｂｓを生成する。
Ｉｏｂｓ＊ｓ＝−Ｒ＊Ｉｏｂｓ／Ｌ＋Ｌ１＊（Ｉｒｅｆ−Ｉｏｂｓ）
＋（Ｖｏｂｓ＋Ｖｒｅｆ）／Ｌ
Ｖｏｂｓ＊ｓ＝Ｌ２＊（Ｉｒｅｆ−Ｉｏｂｓ）                      （６）
また、オブザーバ１１が推定電流信号Ｉｏｂｓを状態変数とする１次のオブザーバとして構成した場合は式（７）のようにして推定電流信号Ｉｏｂｓを生成する。
Ｉｏｂｓ＊ｓ＝−Ｒ＊Ｉｏｂｓ／Ｌ＋Ｌ３（Ｉｒｅｆ−Ｉｏｂｓ）＋Ｖｒｅｆ／Ｌ  （７）
オブザーバ１１により生成された推定電流信号Ｉｏｂｓ、および検出電流信号Ｉｆｂは第２減算器１３に入力され、検出電流信号Ｉｆｂから推定電流信号Ｉｏｂｓを減算する処理を行い、振動成分抽出器１４に入力される。振動成分抽出器１４では、除去したい振動成分Ｉｖｉｂのみを抽出するフィルタとなっている。除去したい振動成分Ｉｖｉｂがある周波数帯域以上の信号であれば振動成分抽出器１４をハイパスフィルタとして構成すればよい。また、除去したい振動成分がある周波数帯域以下の信号であれば振動成分抽出器１４をローパスフィルタとして構成すればよい。また、除去したい振動成分Ｉｖｉｂがある範囲の周波数帯域であれば振動成分抽出器１４を帯域通過フィルタとして構成すればよい。また、除去したい振動成分Ｉｖｉｂがある範囲以外の周波数帯域であれば振動成分抽出器１４を帯域制限フィルタとして構成すればよい。また、任意のローパスフィルタ、または任意のハイパスフィルタ、または任意の帯域通過フィルタ、または任意の帯域制限フィルタにより抽出された信号に任意のゲインを乗じて出力してもよい。
【００１４】
振動成分抽出器１４により生成された振動成分Ｉｖｉｂ、および検出電流信号Ｉｆｂは第１減算器１２に入力されて検出電流信号Ｉｆｂから振動成分Ｉｖｉｂを減算して電流信号Ｉｆｂ２を生成する。
【００１５】
このように電流制御器２で用いる電流信号Ｉｆｂ２は検出電流信号Ｉｆｂから任意の振動成分Ｉｖｉｂが除去された信号であるため良好な電流応答を得ることができる。また、オブザーバに入力される電流値として電流指令Ｉｒｅｆを用いることで、検出電流信号Ｉｆｂの検出誤差が多い場合であっても精度良く検出電流信号Ｉｆｂの振動を除去することができるため、良好な電流応答を得ることができる。
【実施例３】
【００１６】
図３は、本発明の電力変換装置の第３実施例の構成を示すブロック図である。本発明の第３実施例の電力変換装置は、第１実施例の電力変換装置と電流信号生成器が異なるだけであるため、図３における電流信号生成器１０´´の動作について説明する。電流信号生成器１０´´は、オブザーバ１１と第１減算器１２と第２減算器１３と振動成分抽出器１４とフィルタ１５とフィルタ１６とを備えていて、オブザーバ１１には検出電流信号Ｉｆｂをフィルタ１５でフィルタ処理した信号と、モータ電圧指令Ｖｒｅｆをフィルタ１６でフィルタ処理した信号とを入力して推定電流信号Ｉｏｂｓを生成する。図３では検出電流信号Ｉｆｂと電圧指令Ｖｒｅｆとの両方の信号をフィルタ処理しているが、どちらか一方の信号をフィルタ処理しても良い。オブザーバ１１と第１減算器１２と第２減算器１３と振動成分抽出器１４の動作は第１の実施例と同じである。
【実施例４】
【００１７】
図４は、本発明の電力変換装置の第４の実施例の構成を示すブロック図である。本発明の第４実施例の電力変換装置は第２実施例の電力変換装置と電流信号生成器が異なるだけであるため、図４における電流信号生成器１０´´´の動作について説明する。電流信号生成器１０´´´は、オブザーバ１１と第１減算器１２と第２減算器１３と振動成分抽出器１４とフィルタ１６とフィルタ１７とを備えていて、オブザーバ１１には電圧指令Ｖｒｅｆをフィルタ１６でフィルタ処理した信号と電流指令Ｉｒｅｆをフィルタ１７でフィルタ処理した信号とを入力して推定電流信号Ｉｏｂｓを生成する。図４では電流指令Ｉｒｅｆと電圧指令Ｖｒｅｆとの両方の信号をフィルタ処理しているが、どちらか一方の信号をフィルタ処理しても良い。オブザーバ１１と第１減算器１２と第２減算器１３と振動成分抽出器１４の動作は第２の実施例と同じである。
【実施例５】
【００１８】
負荷としては、主に直流モータ、交流モータなどの電気モータに適用される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施例を示す電力変換装置のブロック図
【図２】本発明の第２実施例を示す電力変換装置のブロック図
【図３】本発明の第３実施例を示す電力変換装置の電流検出信号生成器のブロック図
【図４】本発明の第４実施例を示す電力変換装置の電流検出信号生成器のブロック図
【図５】従来の電力変換装置のブロック図
【符号の説明】
【００２０】
１  電力変換装置
２  電流制御器
３  比較器
４  インバータ回路
５  キャリア信号発生器
１０  電流信号生成器
１１  オブザーバ
１２  第１減算器
１３  第２減算器
１４  振動成分抽出器
１５  フィルタ
１６  フィルタ
１７  フィルタ
１０１  直流電動機
１０２  電力変換回路
１０３  実電流観測部
１０４  電流フィードバック制御部
１０５  電流オブザーバ部
【図１】
2008154361.tif 000003
【図２】
2008154361.tif 000004
【図３】
2008154361.tif 000005
【図４】
2008154361.tif 000006
【図５】
2008154361.tif 000007