(57)【要約】【課題】交流電動機を駆動するインバータ制御装置において、基本波位相と交流電動機内部に発生する回転磁束の位相との誤差を低減し、電流検出精度およびトルク精度を向上する。【解決手段】交流電動機を駆動するインバータ制御装置において、交流電動機に流入する電流の検出値と電流検出値に対する指令値との偏差から、基本波位相を補正する。これにより、基本波位相と交流電動機内部に発生する回転磁束の位相との誤差を低減でき、電流検出精度が向上する。その結果、トルク精度の向上が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機を駆動するインバータ制御装置において、交流電動機に流入する電流の検出値と前記電流検出値に対する指令値との偏差から、交流電動機内部に発生する回転磁束の位相を推定することで、電流検出値の座標変換に用いる位相情報の誤差を低減する位相誤差補正手段を有することを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項２】
直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータと、前記ＰＷＭインバータにより生成された交流電圧で駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、前記交流電動機に流入する交流電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された交流電流を直流電流検出値に変換する座標変換手段と、前記座標変換手段により変換された直流電流検出値に対する指令値を生成する電流指令生成手段と、前記交流電動機の速度情報を検出する速度検出手段と、前記速度検出手段により検出された速度情報と前記電流指令生成手段により生成された電流指令と前記座標変換手段により変換された直流電流検出値とから前記交流電動機を駆動するための電圧指令および周波数指令を生成するベクトル制御演算手段と、前記ベクトル制御演算手段により生成された電圧指令と周波数指令を用いてパルス幅変調方式により前記ＰＷＭインバータに対するスイッチング指令を生成するＰＷＭ制御演算手段とを有したインバータ制御装置において、
前記直流電流と前記電流指令との偏差から、交流電動機内部に発生する回転磁束の位相を推定することで、前記座標変換手段において交流電流を直流電流検出値に座標変換する際に用いる位相情報の誤差を低減する位相誤差補正手段を有することを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載のインバータ制御装置において、前記直流電流検出値の磁束方向成分である励磁電流検出値に対しては電流制御を行わず、前記励磁電流検出値に直交する電流成分であるトルク電流検出値に対してのみ電流制御を行うことを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のインバータ制御装置において、前記座標変換手段で生成される直流電流検出値の磁束方向成分である励磁電流検出値と前記電流指令生成手段で生成される電流指令の磁束方向成分である励磁電流指令との偏差から、前記座標変換手段において交流電流から直流電流検出値への座標変換に用いる基本波位相を補正することで、基本波位相と交流電動機内部に発生する回転磁束の位相との誤差を低減する位相誤差補正手段を有することを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のインバータ制御装置において、前記直流電流検出値の磁束方向成分である励磁電流検出値と前記電流指令の磁束方向成分である励磁電流指令との偏差に対して比例積分制御を行い、前記座標変換手段において交流電流から直流電流検出値への座標変換に用いる基本波位相を補正することで、基本波位相と交流電動機内部に発生する回転磁束の位相との誤差を低減する位相誤差補正手段を有することを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のインバータ制御装置において、前記直流電流検出値の磁束方向成分である励磁電流検出値と前記電流指令の磁束方向成分である励磁電流指令との偏差に対して比例制御を行い、前記座標変換手段において交流電流から直流電流検出値への座標変換に用いる基本波位相を補正することで、基本波位相と交流電動機内部に発生する回転磁束の位相との誤差を低減する位相誤差補正手段を有することを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のインバータ制御装置において、前記直流電流検出値の磁束方向成分である励磁電流検出値と前記電流指令の磁束方向成分である励磁電流指令との偏差に対して比例制御および１次遅れを行い、前記座標変換手段において交流電流から直流電流検出値への座標変換に用いる基本波位相を補正することで、基本波位相と交流電動機内部に発生する回転磁束の位相との誤差を低減する位相誤差補正手段を有することを特徴とするインバータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電動機を駆動するインバータ制御装置に係り、特に交流電動機内部に発生する回転磁束の位相を推定し、基本波位相と交流電動機内部に発生する回転磁束の位相との誤差を補正可能な位相誤差補正手段を有することを特徴とするインバータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電動機の制御方法としては、トルク制御の高応答化、高精度化が実現可能なベクトル制御が鉄道分野などで広く普及している。ベクトル制御では、交流電動機内部に発生する回転磁束と同期して回転する直交座標系に基づいて電流と磁束とを独立に定義し、交流電動機のモータ定数設計値や速度情報を用いて交流電動機を制御する。
【０００３】
ベクトル制御では、交流電動機に流入する交流電流を前記直交座標系の磁束方向成分（以下、励磁電流検出値という）と励磁電流検出値に直交する電流成分（以下、トルク電流検出値という）とで構成される直流電流検出値に座標変換して電流制御を行う。
【０００４】
交流電流から直流電流検出値への座標変換では、交流電動機内部に発生する回転磁束の位相情報が必要である。例えば特許文献１に記載されたインバータ制御装置では、交流電動機に印加する交流電圧に対する周波数指令であるインバータ周波数を積分した基本波位相を用いて前記交流電流から前記直流電流検出値への座標変換を行う。
【特許文献１】特開２００２−１９９７９６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、前記特許文献１のインバータ制御装置では、インバータの出力電圧誤差などによって、前記基本波位相と前記交流電動機内部に発生する回転磁束の位相とに誤差が生じた場合、位相誤差を補正することができない。その結果、前記励磁電流検出値および前記トルク電流検出値の検出精度が低下し、トルク精度が低下するという問題点がある。
【０００６】
本発明の課題は、交流電動機を駆動するインバータ制御装置において、基本波位相と交流電動機内部に発生する回転磁束の位相の誤差を低減し、電流検出精度およびトルク精度を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明のインバータ制御装置は、交流電動機内部に発生する回転磁束の位相を推定する位相誤差補正手段を有し、前記位相誤差補正手段は、交流電動機に流入する電流の検出値と前記電流検出値に対する指令値との偏差から、前記基本波位相を補正することで、前記基本波位相と前記交流電動機内部に発生する回転磁束の位相との誤差を低減することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、交流電動機に流入する電流の検出値と前記電流検出値に対する指令値との偏差から前記基本波位相を補正することで、前記基本波位相と前記交流電動機内部に発生する回転磁束の位相との誤差を低減することができ、電流検出精度およびトルク精度が向上する。特に鉄道車両においては、乗り心地や空転再粘着制御性能の向上のため、トルク精度が重要であり、本発明の効果は鉄道車両にとって有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の第１実施例のインバータ制御装置を示している。ＰＷＭインバータ１は、直流電源２から受電フィルタ３を介して得た直流電圧Ｅｃｆを３相の交流電圧に変換する。ＰＷＭインバータ１により生成された３相交流電圧は誘導電動機４に印加され、誘導電動機４を駆動する。図１では１台の誘導電動機として図示しているが、複数台の誘導電動機であってもよい。誘導電動機４に流入する交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは電流検出手段５で検出され、座標変換手段６で交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗから直流電流検出値Ｉｄ、Ｉｑに変換される。直流電流検出値Ｉｄ、Ｉｑに対する目標値である電流指令Ｉｄｐ、Ｉｑｐは電流指令生成手段７で生成される。誘導電動機４の速度情報Ｆｒは速度検出手段８により検出される。ベクトル制御演算手段９は、電流指令Ｉｄｐ、Ｉｑｐと直流電流検出値Ｉｄ、Ｉｑと速度情報Ｆｒと受電フィルタ３から得られる直流電圧Ｅｃｆとを用いて、誘導電動機４を駆動するための交流電圧指令である変調率Ｖｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖとを演算する。ＰＷＭ制御演算手段１０は、ベクトル制御演算手段９により生成された変調率Ｖｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖとからパルス幅変調方式によりＰＷＭインバータに対するスイッチング指令であるゲート信号（ｇａｔｅ  ｓｉｇｎａｌ）を生成する。
【００１１】
積分器１１は、インバータ周波数Ｆｉｎｖを積分して基本波位相θを生成する。位相誤差補正手段１２は、前記直流電流検出値の磁束方向の電流成分である励磁電流検出値Ｉｄと、励磁電流検出値Ｉｄに対する指令値である励磁電流指令Ｉｄｐとを用いて、基本波位相θと誘導電動機内部で発生する回転磁束の位相との誤差を補正するための位相誤差補正量Δθを生成する。座標変換手段６では、減算器１３において基本波位相θから位相誤差補正量Δθを減算した値を前記回転磁束の位相情報として使用する。
【００１２】
ここで、位相誤差補正手段１２の構成について説明する。図２は、基本波位相と同期した座標系（ｄ−ｑ軸）と誘導電動機内部で発生する回転磁束に同期した座標系（ｄ’−ｑ’軸）を示している。基本波位相誤差Δθｅｒｒが生じるとｄ−ｑ軸とｄ’−ｑ’軸に位相誤差が生じる。その結果、電流ベクトルＩ→に含まれる本来の励磁電流およびトルク電流は（Ｉ´ｄ，Ｉ´ｑ）であるのに対し、励磁電流検出値およびトルク電流検出値は（Ｉｄ，Ｉｑ）となる。電流指令Ｉｄｐ，Ｉｑｐはｄ−ｑ軸に対して設定されるので、誤差を含んだ励磁電流電流検出値およびトルク電流検出値（Ｉｄ，Ｉｑ）に対して電流制御を行うこととなる。
【００１３】
前記特許文献１のように、トルク電流のみ電流制御を行う場合、トルク電流指令Ｉｑｐとトルク電流検出値Ｉｑは電流制御器により一致する。一方、励磁電流については電流制御を行わないため、基本波位相誤差Δθｅｒｒと励磁電流指令Ｉｄｐおよび励磁電流検出値Ｉｄは式（１）の関係が成り立つ。
【数１】
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励磁電流に対して電流制御を行う場合でも、電流制御器の出力情報から、式（１）と同様の関係が得られる。
【００１４】
式（１）より、励磁電流指令Ｉｄｐと励磁電流検出値Ｉｄとの偏差を用いて、位相誤差補正量Δθを生成することで、基本波位相誤差Δθｅｒｒが低減できることがわかる。図３は、第１実施例における位相誤差補正手段１２の構成を示している。励磁電流指令Ｉｄｐと励磁電流検出値Ｉｄとの偏差に対して比例積分制御を行い、位相誤差を低減して位相誤差補正量Δθを生成する。
【００１５】
第１実施例のように、位相誤差補正量Δθを基本波位相θから減算した値を用いて、交流電流から直流電流検出値への座標変換を行うことで、基本波位相誤差Δθｅｒｒによる電流検出誤差を低減でき、その結果、トルク精度が向上できる。
【実施例２】
【００１６】
図４は、本発明の第２実施例のインバータ制御装置を示している。ＰＷＭインバータ１は、直流電源２から受電フィルタ３を介して得た直流電圧Ｅｃｆを３相の交流電圧に変換する。ＰＷＭインバータ１により生成された３相交流電圧は誘導電動機４に印加され、誘導電動機４を駆動する。
【００１７】
図４では１台の誘導電動機として図示しているが、複数台の誘導電動機であってもよい。誘導電動機４に流入する交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは電流検出手段５で検出され、座標変換手段６で交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗから直流電流検出値Ｉｄ、Ｉｑに変換される。直流電流検出値Ｉｄ、Ｉｑに対する目標値である電流指令Ｉｄｐ、Ｉｑｐは電流指令生成手段７で生成される。誘導電動機４の速度情報Ｆｒは速度検出手段８により検出される。ベクトル制御演算手段９は、電流指令Ｉｄｐ、Ｉｑｐと直流電流検出値Ｉｄ、Ｉｑと速度情報Ｆｒと受電フィルタ３から得られる直流電圧Ｅｃｆとを用いて、誘導電動機４を駆動するための交流電圧指令である変調率Ｖｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖとを演算する。ＰＷＭ制御演算手段１０は、ベクトル制御演算手段９により生成された変調率Ｖｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖとからパルス幅変調方式によりＰＷＭインバータに対するスイッチング指令であるゲート信号（ｇａｔｅ  ｓｉｇｎａｌ）を生成する。
【００１８】
積分器１１は、インバータ周波数Ｆｉｎｖを積分して基本波位相θを生成する。位相誤差補正手段１２は、前記直流電流検出値の磁束方向の電流成分である励磁電流検出値Ｉｄと、励磁電流検出値Ｉｄに対する指令値である励磁電流指令Ｉｄｐとを用いて、基本波位相θと誘導電動機内部で発生する回転磁束の位相との誤差を補正するための位相誤差補正量Δθを生成する。座標変換手段６では、減算器１３において基本波位相θから位相誤差補正量Δθを減算した値を前記回転磁束の位相情報として使用する。
【００１９】
図４の１４は、第２実施例における位相誤差補正手段１２の構成を示している。励磁電流指令Ｉｄｐと励磁電流検出値Ｉｄとの偏差に対して比例制御を行い、位相誤差を低減して位相誤差補正量Δθを生成する。
【００２０】
第２実施例のように、位相誤差補正量Δθを基本波位相θから減算した値を用いて、交流電流から直流電流への座標変換を行うことで、基本波位相誤差による電流検出誤差を低減でき、その結果、トルク精度が向上できる。
【実施例３】
【００２１】
図５は、本発明の第３実施例のインバータ制御装置を示している。ＰＷＭインバータ１は、直流電源２から受電フィルタ３を介して得た直流電圧Ｅｃｆを３相の交流電圧に変換する。ＰＷＭインバータ１により生成された３相交流電圧は誘導電動機４に印加され、誘導電動機４を駆動する。図５では１台の誘導電動機として図示しているが、複数台の誘導電動機であってもよい。誘導電動機４に流入する交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは電流検出手段５で検出され、座標変換手段６で交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗから直流電流検出値Ｉｄ、Ｉｑに変換される。直流電流検出値Ｉｄ、Ｉｑに対する目標値である電流指令Ｉｄｐ、Ｉｑｐは電流指令生成手段７で生成される。誘導電動機４の速度情報Ｆｒは速度検出手段８により検出される。ベクトル制御演算手段９は、電流指令Ｉｄｐ、Ｉｑｐと直流電流検出値Ｉｄ、Ｉｑと速度情報Ｆｒと受電フィルタ３から得られる直流電圧Ｅｃｆとを用いて、誘導電動機４を駆動するための交流電圧指令である変調率Ｖｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖとを演算する。ＰＷＭ制御演算手段１０は、ベクトル制御演算手段９により生成された変調率Ｖｃとインバータ周波数Ｆｉｎｖとからパルス幅変調方式によりＰＷＭインバータに対するスイッチング指令であるゲート信号（ｇａｔｅ  ｓｉｇｎａｌ）を生成する。
【００２２】
積分器１１は、インバータ周波数Ｆｉｎｖを積分して基本波位相θを生成する。位相誤差補正手段１２は、前記直流電流検出値の磁束方向の電流成分である励磁電流検出値Ｉｄと、励磁電流検出値Ｉｄに対する指令値である励磁電流指令Ｉｄｐとを用いて、基本波位相θと誘導電動機内部で発生する回転磁束の位相との誤差を補正するための位相誤差補正量Δθを生成する。座標変換手段６では、減算器１３において基本波位相θから位相誤差補正量Δθを減算した値を前記回転磁束の位相情報として使用する。
【００２３】
図５の１４は、第３実施例における位相誤差補正手段１２の構成を示している。励磁電流指令Ｉｄｐと励磁電流検出値Ｉｄとの偏差に対して比例制御を行い、さらに１次遅れで補正することで、位相誤差を低減して位相誤差補正量Δθを生成する。このように、比例制御の出力を１次遅れで補正することで、励磁電流検出値Ｉｄに重畳するノイズの影響を除去でき、位相誤差補正量Δθの振動を抑制できる。
【００２４】
第３実施例のように、位相誤差補正量Δθを基本波位相θから減算した値を用いて、交流電流から直流電流への座標変換を行うことで、基本波位相誤差Δθｅｒｒによる電流検出誤差を低減でき、その結果、トルク精度が向上できる。
【００２５】
本発明の一例として、励磁電流指令Ｉｄｐと励磁電流検出値Ｉｄとの偏差に対して比例積分制御を行う位相誤差補正手段についてシミュレーションを行った。シミュレーション条件はトルク電流のみ電流制御を行うベクトル制御を用いて、誘導電動機が停止した状態から起動し、加速運転を行った。また、基本波位相誤差は、起動後の各時点でのインバータ周波数に対して１０％の大きさの位相誤差が蓄積すると仮定した。
【００２６】
シミュレーション結果を図６、７に示す。図６は従来技術のように、インバータ周波数を積分した基本波位相を用いて交流電流から励磁電流検出値およびトルク電流検出値への座標変換を行った場合である。図７は本発明のように、位相誤差補正手段を実装した場合である。また、図６、７において、（ａ）は励磁電流指令、励磁電流検出値およびトルク電流指令、トルク電流検出値を示している。（ｂ）はトルク指令に対する実トルクの偏差を示しており、トルク指令が一定となった時間軸２秒後以降について示している。
【００２７】
図６では、基本波位相誤差により時間軸２０秒時点で約５Ａの励磁電流偏差が生じており、その結果、トルク偏差も約１．７％生じている。一方、図７では、位相誤差補正手段により基本波位相誤差を補正しているため、励磁電流偏差は生じていない。また、トルク偏差も最大で、約０．２％となっている。このように、本発明により基本波位相誤差を低減し、電流検出精度やトルク精度の向上が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明のように、交流電動機に流入する電流の検出値と前記電流検出値に対する指令値との偏差から、交流電動機内部に発生する回転磁束の位相を推定することで、電流検出精度が向上する。その結果、トルク精度の向上が可能となる。特に鉄道車両においては、乗り心地や空転再粘着制御性能の向上のため、トルク精度が重要であり、本発明の効果は鉄道車両にとって有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施例のインバータ制御装置を示す図である。
【図２】基本波位相誤差と励磁電流偏差の関係を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例における位相誤差補正手段の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例のインバータ制御装置を示す図である。
【図５】本発明の第３実施例のインバータ制御装置を示す図である。
【図６】従来技術によるシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明によるシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    ＰＷＭインバータ
２    直流電源
３    受電フィルタ
４    誘導電動機
５    電流検出手段
６    座標変換手段
７    電流指令生成手段
８    速度検出手段
９    ベクトル制御演算手段
１０    ＰＷＭ制御演算手段
１１    積分器
１２    位相誤差補正手段
１３    減算器
１４    位相誤差補正手段の構成例
【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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