(57)【要約】【課題】  簡便でかつ正確なデッドタイムのバラツキの測定方法と不安定現象を防止できる電圧形インバータの制御方法を提供する。【解決手段】  電圧の大きさ、周波数および位相の制御可能なパワー半導体素子から構成されるＰＷＭ方式の電圧形インバータの制御方法において、運転前にインバータの各相電流の極性毎に電圧誤差情報を記憶しておき、運転時に、前記電圧誤差情報を読み出し、電圧指令値に、あるいはＰＷＭ指令信号のパルス幅に補償して、電圧誤差を補正するようにしたものある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の大きさ、周波数および位相の制御可能なパワー半導体素子から構成されるＰＷＭ方式の電圧形インバータの制御方法において、
運転前に前記インバータの各相電流の極性毎に電圧誤差情報を記憶しておき、運転時に、前記電圧誤差情報を読み出し、電圧指令値に、あるいはＰＷＭ指令信号のパルス幅に補償して、電圧誤差を補正するようにしたことを特徴とする電圧形インバータの制御方法。
【請求項２】
運転前に、交流電動機に電圧形インバータを構成するパワー半導体素子の２相の電流値が等しく、かつ、他１相の電流値は０となるべき位相で、直流電圧指令を与えて駆動し、２相の電流値が等しくなるように、あるいは、１相の電流値が０になるように電圧補正値を変更し、変更された電圧補正値を基にして運転時に用いる電圧誤差情報を演算、記憶することを特徴とする請求項１記載の電圧形インバータの制御方法。
【請求項３】
運転前に、交流電動機に電圧形インバータを構成するパワー半導体素子の２相の電流値が等しく、かつ、他１相の電流値は前記２相の合計値となるべき位相で、直流電圧指令を与えて駆動し、２相の電流値が等しくなるように、あるいは、１相に他相の２倍の電流が流れるように電圧補正値を変更し、このときの電圧補正値を基にして運転時に用いる電圧誤差情報を演算、記憶することを特徴とする請求項１記載の電圧形インバータの制御方法。
【請求項４】
運転前に、交流電動機に電圧形インバータを構成するパワー半導体素子の各相の電流が所定の条件となる位相で、直流電圧指令を与えて駆動し、前記所定の条件の電流値となるように電圧補正値を変更し、このときの電圧補正値を基にして運転時に用いる電圧誤差情報を演算、記憶することを特徴とする請求項１記載の電圧形インバータの制御方法。
【請求項５】
運転前に、請求項２〜４記載のいずれかの条件・方法を異なる位相で複数回繰り返し実施し、運転時に用いる電圧誤差情報を演算、記憶することを特徴とする請求項１記載の電圧形インバータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＰＷＭ方式の電圧形インバータにおけるトルク低下、トルクリップル及び不安定現象を防止するための交流電動機の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＷＭ方式の電圧形インバータでは、インバータを構成するＰ側及びＮ側スイッチング素子を交互に導通させ出力電圧を制御する。しかし、スイッチング素子にターンオフ時間によるスイッチングの遅れがあるため、Ｐ側およびＮ側が同時にオンしないように、一方がオフした後、所定時間（デッドタイム）の後に、もう一方を遅れてオンするようにしている。
従来のＰＷＭ方式の電圧形インバータにおいては、デッドタイムのバラツキの影響により、特にインバータの出力周波数が低い場合、出力電圧が小さいこともあり、出力電圧の変動や歪みが大きくなり、インバータにより制御される電動機のトルク低下やトルクリップルが生じたり、不安定現象が発生するなどの問題があった。
従来、この対策法として、特許文献１のようにデッドタイム（オンディレイ）補償値のずれを自動調整する方法が知られている。
【特許文献１】国際公開  ＷＯ９８／４２０６７（ＰＣＴ／ＪＰ９７／００９０９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、従来技術である特許文献１では、インバータを構成するスイッチング素子のＰ側とＮ側のデッドタイム補償値のずれを自動調整する方法については開示されていないため、スイッチング素子のＰ側、Ｎ側にデッドタイム差があると、充分な補正が行われず、また、調整のためには少なくとも異なる２つ以上のスイッチング周波数（キャリア周波数）で運転する必要もある。
そこで、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、その目的とするところは、キャリア周波数を変更せず、Ｐ側、Ｎ側のデッドタイム差も測定可能な簡便でかつ正確な測定方法と、デッドタイムのバラツキによるインバータ出力電圧の波形歪み、トルクリップルが原因で発生する不安定現象を防止できる電圧形インバータの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、以下の制御方法を特徴とする。
（第１の発明）電圧の大きさ、周波数および位相の制御可能なパワー半導体素子から構成されるＰＷＭ方式の電圧形インバータの制御方法において、運転前に前記インバータの各相電流の極性毎に電圧誤差情報を記憶しておき、運転時に、前記電圧誤差情報を読み出し、電圧指令値に、あるいはＰＷＭ指令信号のパルス幅に補償して、電圧誤差を補正するようにしたことを特徴とする。
（第２の発明）運転前に、交流電動機に電圧形インバータを構成するパワー半導体素子の２相の電流値が等しく、かつ、他１相の電流値は０となるべき位相で、直流電圧指令を与えて駆動し、２相の電流値が等しくなるように、あるいは、１相の電流値が０になるように電圧補正値を変更し、変更された電圧補正値を基にして運転時に用いる電圧誤差情報を演算、記憶することを特徴とする。
（第３の発明）運転前に、交流電動機に電圧形インバータを構成するパワー半導体素子の２相の電流値が等しく、かつ、他１相の電流値は前記２相の合計値となるべき位相で、直流電圧指令を与えて駆動し、２相の電流値が等しくなるように、あるいは、１相に他相の２倍の電流が流れるように電圧補正値を変更し、このときの電圧補正値を基にして運転時に用いる電圧誤差情報を演算、記憶することを特徴とする。
（第４の発明）運転前に、交流電動機に電圧形インバータを構成するパワー半導体素子の各相の電流が所定の条件となる位相で、直流電圧指令を与えて駆動し、前記所定の条件の電流値となるように電圧補正値を変更し、このときの電圧補正値を基にして運転時に用いる電圧誤差情報を演算、記憶することを特徴とする。
（第５の発明）運転前に、第２〜４発明のいずれかの条件・方法を異なる位相で複数回繰り返し実施し、運転時に用いる電圧誤差情報を演算、記憶することを特徴とする。
このため、デッドタイムそのものは測定しないが、各相、および、そのＰ側、Ｎ側間のデッドタイムの差を測定、補正することができるので、インバータを構成するスイッチング素子のターンオフ時間によるスイッチングの遅れのバラツキを解消することができるとともに、キャリア周波数の変更が不要であるので、調整時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、簡便でかつ正確なデッドタイムのバラツキ値が補償できるので、デッドタイムのバラツキによるインバータ出力電圧の波形歪み、トルクリップルが原因で発生する不安定現象を防止でき、安定した制御が行えるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１に本発明の第一の実施例を示す。図１において１は電圧形インバータ、２は交流電動機、３Ｕ、３Ｖ、３Ｗは電流検出器、４Ｕ、４Ｖ、４Ｗは比較器、５は搬送波信号を発生する発振器、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗは加算器、７はゲート駆動回路、８はインバータ制御装置、９Ｕ、９Ｖ、９Ｗはデッドタイム補償器、１０は直流電源、１１は速度指令回路、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃはスイッチ回路である。電圧形インバータ１は直流電源１０から加えられる直流電圧をＰＷＭ制御方式により任意の周波数の交流電圧に変換する。電圧形インバータ１はトランジスタやＩＧＢＴなどのパワー半導体素子からなるスイッチング素子ＴＵＰ、ＴＶＰ、ＴＷＰ、ＴＵＮ、ＴＶＮ、ＴＷＮと各パワー半導体素子に逆並列接続された帰還ダイオードＤＵＰ、ＤＶＰ、ＤＷＰ、ＤＵＮ、ＤＶＮ、ＤＷＮとから構成される。電圧形インバータ１の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの交流出力端に交流電動機２が接続されている。交流電動機２のＵ相、Ｖ相及びＷ相の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは電流検出器３Ｕ、３Ｖ、３Ｗによって検出される。なお、速度検出器１４が交流電動機２に連結されている。
インバータ制御装置８には、速度指令回路１１で作成された速度指令値ωｒ*、上記電流検出器３Ｕ、３Ｖ、３Ｗによって検出された交流電動機２のＵ相、Ｖ相及びＷ相の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、速度検出器１４からの速度検出値ωｒが加えられ、後述のように、１２０°位相差のＵ，Ｖ，Ｗの各相の電圧指令パターン信号（Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*）を出力する。ここで添え字の＊は指令値であることを示す（以下同じ）。スイッチ回路１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、運転前のデッドタイムバラツキ測定時は０を出力し、運転時はデッドタイム補償器９Ｕ、９Ｖ、９Ｗからの値を出力する。デッドタイム補償器９Ｕ、９Ｖ、９Ｗの説明図を図５に示す。図５に示すように、デッドタイム補償器９Ｕの出力はＩｕの極性によりΔＶｄｕｐあるいはΔＶｄｕｎ、９Ｖの出力はＩｖの極性によりΔＶｄｖｐあるいはΔＶｄｖｎ、９Ｗの出力はＩｗの極性によりΔＶｄｗｐあるいはΔＶｄｗｎと個別値が設定できる。
また、各相の電圧指令パターン信号（Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*）は、それぞれ１２０°位相差の信号で、加算器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗに加えられる。加算器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗは、電圧指令パターン信号Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*とスイッチ回路１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの出力値を加算し、電圧指令値Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*をそれぞれ比較器４Ｕ、４Ｖ、４Ｗに入力する。ＰＷＭ制御のための搬送波信号を発生する発振器５の出力信号（今後、この信号の周波数をキャリア周波数と称す）は比較器４Ｕ、４Ｖ、４Ｗに入力する。比較器４Ｕ、４Ｖ、４Ｗは、加算器６Ｕ、６Ｖ、６Ｗの出力信号と搬送波信号を比較し、電圧形インバータ１を構成するスイッチング素子ＴＵＰ、ＴＶＰ、ＴＷＰ、ＴＵＮ、ＴＶＮ、ＴＷＮをオン、オフするためのＰＷＭパルスを発生する。ゲート回路７は比較器４Ｕ、４Ｖ、４Ｗの出力するＰＷＭパルスに応じてスイッチング素子ＴＵＰ、ＴＶＰ、ＴＷＰ、ＴＵＮ、ＴＶＮ、ＴＷＮにゲート信号を与える。
図２は、前述したインバータ制御装置８の詳細回路図である。図２において１２は励磁電流指令回路、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆはスイッチ回路、１５は３相／２相変換器、１６は２相／３相変換器、１７は一次角周波数演算回路、１８は速度制御回路、１９はトルク電流制御回路、２０は励磁電流制御回路、２１は電圧指令補償回路、２２Ａ、２２Ｂは加算器、２３は積算器、２４はバラツキチューニング処理部である。インバータ制御装置８には、交流電動機２の相電流（Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ）を座標変換したトルク電流帰還値Ｉｑｆｂおよび励磁電流帰還値Ｉｄｆｂを送出する３相／２相変換器１５が設けられている。さらに、速度指令回路１１から入力された速度指令値ωｒ*と速度検出器１４からの速度検出値ωｒが一致するように設けられた速度制御回路（ＡＳＲ）１８の出力値をトルク電流指令値Ｉｑｒｅｆとし、このＩｑｒｅｆと３相／２相変換器１５が出力するトルク電流帰還値Ｉｑｆｂとが一致するように制御するためのトルク電流制御回路（ＡＣＲｑ）１９、励磁電流指令回路１２からの励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆと３相／２相変換器１５からの励磁電流帰還値Ｉｄｆｂとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路（ＡＣＲｄ）２０が設けられている。
また、交流電動機２で発生した誘起電圧と一次抵抗ｒ１や漏れインダクタンスｌによる逆起電力の電圧を出力する電圧指令補償回路２１を有している。電圧指令補償回路２１の出力のうち、トルク電流方向成分の電圧は、トルク電流制御回路１９出力と加算器２２Ａで加算されトルク電流方向電圧指令値Ｖｑｒｅｆを生成し、励磁電流方向成分の電圧は、励磁電流制御回路２０出力と加算器２２Ｂで加算され励磁電流方向電圧指令値Ｖｄｒｅｆを生成する。さらに、トルク電流方向電圧指令値Ｖｑｒｅｆと励磁電流方向電圧指令値Ｖｄｒｅｆとから１２０°位相差のＵ，Ｖ，Ｗの各相の電圧指令パターン信号（Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*）を生成して出力する２相／３相変換器１６が設けられている。
なお、３相／２相変換器１５、２相／３相変換器１６は、それぞれ１式、２式で演算される。
【０００８】
【数１】
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【０００９】
また、インバータ制御装置８は、Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆと設定された二次抵抗ｒ２からすべり周波数指令値ωｓ*を求め、速度検出器１４からの速度検出値ωｒとから一次角周波数ω１*を演算して出力する一次角周波数演算回路１７を有し、一次角周波数指令演算回路１７からの一次角周波数ω１*は、積算器２３により積算され、３相／２相変換器１５および２相／３相変換器１６へ、位相θとして出力される。
なお、インバータ制御装置８は、運転前のデッドタイムバラツキ測定動作をコントロールするバラツキチューニング処理部２４を有し、バラツキチューニング処理部２４からはスイッチ回路１３Ａ〜１３Ｆの切り替え信号Ｃｓｗの出力、運転前のデッドタイムバラツキ測定時の励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆと位相θの値の設定（Ｓｅｔ）を行う。
また、インバータ制御装置８は、運転前のデッドタイムバラツキ測定時は、スイッチ回路１３Ｄによりトルク電流指令値Ｉｑｒｅｆは０に、スイッチ回路１３Ｅ、１３Ｆにより励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆ、位相θはそれぞれバラツキチューニング処理部２４からの指示値に変更される。
運転時において、上記のようにデッドタイム補償器９Ｕの出力はＩｕの極性によりΔＶｄｕｐあるいはΔＶｄｕｎ、９Ｖの出力はＩｖの極性によりΔＶｄｖｐあるいはΔＶｄｖｎ、９Ｗの出力はＩｗの極性によりΔＶｄｗｐあるいはΔＶｄｗｎとしているので、相電流の極性毎に電圧誤差を補正することができる。
次にバラツキチューニング処理部２４の動作を中心に運転前のバラツキ測定動作を図３のフローチャートを用いて詳述する。
Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の１相の電流検出値が０となる位相で電圧補正値を可変させながら駆動し、他２相の電流検出値の大きさが一致したとき、あるいは１相の電流が０となるときの前記電圧補正値の差分値を、２相間のバラツキ値（相対値）として記憶する。この条件でＰ側とＮ側のバラツキ値を測定する。
図１の電圧形インバータの回路構成図には、電流検出器３Ｕ，３Ｖ，３Ｗが各相毎に装備されているが、実際はコストダウンのため２相分（ここでは、Ｗ相とＵ相）のみ装備されることがあるので、その場合で以下、説明する。
運転前のバラツキ測定動作では、バラツキチューニング処理部２４は、バラツキ測定の際に流す直流電流の大きさを、電圧形インバータ１と交流電動機２の定格電流値を基にＩｄと決め（ブロック３a）、スイッチ回路１３Ａ〜１３Ｃはａ側、スイッチ回路１３Ｆはｂ側にし、９Ｕ，９Ｖ，９Ｗのデッドタイム補償器出力が、各相の電圧指令値に加算されるようにする。なお、測定時に用いる補償値はΔｄｕｐ、Δｄｕｎ、Δｄｖｐ、Δｄｖｎ、Δｄｗｐ、Δｄｗｎであり、その初期値は同一値とし、キャリア周波数は、デッドタイムの影響が大きくなるようにインバータが許容できる範囲でなるべく高い周波数に設定する。（ブロック３ｂ）
次に、位相θを３３０°に設定後、駆動すると、各相の電圧指令値は、Ｖｗ*＝−Ｖｕ*、Ｖｖ*＝０となる。（ブロック３ｃ）  Ｗ，Ｕ相の各電流検出値Ｉｗ、−Ｉｕの大きさが等しくなるようにΔｄｕｎを調整する。このときの修正動作は、abs(Ｉｗ)＞abs（Ｉｕ）ならばΔｄｕｎを大きくし、abs（Ｉｗ）＜abs（Ｉｕ）ならばΔｄｕｎを小さくすることで行ない、Ｗ相Ｐ側とＵ相Ｎ側とのデッドタイムの差分値をΔｄｕｎに記憶する。（ブロック３ｄ）なお、abs(X)は、Xの絶対値を意味する。
上記では、abs(Ｉｗ)、abs（Ｉｕ）の大きさでΔｄｕｎを可変させたが、Ｉｖ＝０つまりはＩｕ＋Ｉｗ＝０となるようにΔｄｕｎを可変させてもよい。
【実施例２】
【００１０】
次に第二の実施例について説明する。第二の実施例において、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の２相の電流検出値が同値となる位相で、電圧補正値を可変させながら駆動し、前記２相の電流検出値の大きさが一致したとき、あるいは１相に他相の２倍の電流が流れるときの前記電圧補正値の差分値を、２相間のバラツキ値（相対値）として記憶する。この条件でＰ，Ｎの同じ側の相間のバラツキ値を測定する。
第二の実施例と第一の実施例との違いは、位相θの与え方と調整方法が異なるのみであるので、その部分を中心に図４のフローチャートを用いて説明する。
運転前のバラツキ測定動作では、バラツキチューニング処理部２４は、（ブロック３a）、（ブロック３ｂ）を実施する。
次に、位相θを６０°に設定し、駆動すると、各相の電圧指令値は、Ｖｗ*＝Ｖｕ*＝Ｖｖ*／２となる。（ブロック４ｃ）Ｗ，Ｕ相の各電流検出値Ｉｗ、Ｉｕの大きさが等しくなるようにΔｄｕｐを調整する。このときの修正動作は、abs(Ｉｗ)＞abs（Ｉｕ）ならばΔｄｕｐを大きくし、abs（Ｉｗ）＜abs（Ｉｕ）ならばΔｄｕｐを小さくすることで行ない、Ｗ相Ｐ側とＵ相Ｎ側とのデッドタイムの差分値をΔｄｕｐに記憶する。（ブロック４ｄ）
また、上記とは異なる任意の位相θでも、その位相θでの流れるべき各相の電流値がわかるので、その電流になるようにデッドタイムの差分値を調整すれば同様にデッドバンド補償を行うことができる。
さらに、運転前に、上記したいずれかの条件・方法を異なる位相で複数回繰り返し実施すれば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相およびそれら各相のＰ側、Ｎ側のデッドタイムのバラツキ値を測定することができる。
以上のようにして測定したデッドタイムの各相、Ｐ，Ｎ側での電圧補正値（バラツキ値）Δｄｕｐ、Δｄｕｎ、Δｄｖｐ、Δｄｖｎ、Δｄｗｐ、Δｄｗｎは、運転時に用いるデッドタイム補償器９Ｕ、９Ｖ，９Ｗでの設定値ΔＶｄｕｐ、ΔＶｄｕｎ、ΔＶｄｖｐ、ΔＶｄｖｎ、ΔＶｄｗｐ、ΔＶｄｗｎ（電圧誤差情報）に、簡単な連立方程式を解くこと（演算）で変換される。
本実施例によれば、上述のようにして測定したデッドタイムによる電圧誤差情報を、デッドタイム補償器９Ｕ、９Ｖ、９Ｗの対応する箇所に設定し、運転時にスイッチ回路１３Ａ〜１３Ｆをａ側に切り替えることで、個別のデッドタイムによる電圧誤差情報を用いてデッドタイム補償を行うことができる。
上記では、電圧補正値（バラツキ値）を電圧指令値に加算する電圧誤差情報として記憶するようにしたが、デッドタイムの補償をＰＷＭ信号のパルス幅で補償するようにしたインバータ装置の場合は、電圧補正値（バラツキ値）をＰＷＭ信号のパルス幅とした電圧誤差情報に変換し、記憶するようにすればよい。
また、上記では、電流検出器がＷ相とＵ相にのみに装備されているとして説明したが、他相に装備されていたり、３相とも装備されていても同様に実施できる。
また、各相に与える電圧値を可変にする場合に、位相θを変更したが、位相θは固定にして、バラツキ測定動作での電圧指令値Ｖｕ*,Ｖｖ*,Ｖｗ*を変更しても、電流指令値Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆの値を変更するようにしても同様に実施することができる。
なお、本発明の実施例を速度検出器付きの誘導電動機で説明したが、速度検出器なしの誘導電動機や、同期機を用いても適用でき、これによっても本発明の効果が得られることは明らかである。
また、本発明の実施例により開示されたデッドタイムによる電圧誤差の測定方法は、運転時のデッドタイム補償方法が異なっても、何ら問題なく使用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第一の実施例を示す電圧形インバータの回路構成図
【図２】本発明の第一の実施例を構成する制御装置８の詳細回路図
【図３】本発明の第一の実施例での演算処理内容のフローチャート
【図４】本発明の第二の実施例での演算処理内容のフローチャート
【図５】本発明のデッドタイム補償器（９Ｕ、９Ｖ、９Ｗ）の説明図
【符号の説明】
【００１２】
１  電圧形インバータ
２  交流電動機
３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ  電流検出器
４Ｕ、４Ｖ、４Ｗ  比較器
５  発振器、
６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ  加算器
７  ゲート回路
８  インバータ制御装置
９Ｕ、９Ｖ、９Ｗ  デッドタイム補償器
１０  直流電源
１１  速度指令回路
１２  励磁電流指令回路、
１３Ａ〜１３Ｆ  スイッチ回路
１４  速度検出器
１５  ３相／２相変換器
１６  ２相／３相変換器
１７  一次角周波数演算回路
１８  速度制御回路
１９  トルク電流制御回路
２０  励磁電流制御回路
２１  電圧指令補償回路
２２Ａ、２２Ｂ  加算器
２３  積算器
２４  バラツキチューニング処理部
【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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