(57)【要約】  電力変換装置の制御に、電動機の回転角を回転角センサにより検出して使用する場合、その通信周期は必ずしも電力変換装置の制御周期には同期しないため、電力変換装置の制御周期と非同期の回転角を電力変換装置の制御に用いることになり、速度リップルやトルクリップル増加などの制御性能低下が課題となる。  電動機を駆動するための電力変換装置であって、回転角センサ１００によりディジタル化された回転角を、電力変換装置２が通信部１０３および通信部１１１を介して受信する構成であって、ディジタル化された回転角を通信周期と独立した演算周期で回転角信号に復元する復元部１１３と、復元された回転角信号により、インバータ２２を制御するインバータ制御部５０を備えたものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機に交流電力を供給するインバータ部と前記インバータ部を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記電動機の回転角の値をディジタル化したディジタル回転角を通信により受信する回転角受信部を備え、
前記回転角受信部は、
前期通信の通信周期とは時間的に独立した演算タイミングで回転角信号を演算する復元部を備え
前記制御部はさらに、
前記復元部の出力する回転角信号により前記インバータ部のゲートパルスを生成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記復元部は、
速度演算器と、
積分器と、を備え、
前記速度演算器は、
前記ディジタル化された回転角の受信値の変化量と、
受信された通信周期に係わる値と、
に基づき回転速度を計算し、
前記積分器は、
前記速度演算器の出力に基づく値により演算することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記復元部はまた、
速度演算器と、
積分器と、を備え、
前記速度演算器は、
前記ディジタル化された回転角の受信値の変化量と、
受信された通信周期に係わる値と、
遅延時間と、
加速度に係わる値と、
に基づき回転速度を計算し、
前記積分器は、
前記速度演算器の出力に基づく値により演算することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記復元部はさらに、
前記積分器の出力を前記回転角の受信周期毎に保持する保持回路をさらに備え、
前記積分器は、
前記速度演算器の出力に補正値として前記保持回路の出力を加算した値に基づく値により演算することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記回転角受信部は、
前記電動機の回転速度を通信によりさらに受信し、
前記復元部は、
加算器と積分器と保持回路をさらに備え、
前記加算器は前記通信受信部から入力される前記ディジタル化された回転速度と前記保持回路の出力値を加算し、
前記保持回路は前記積分器の出力を前記回転角の受信周期毎に保持し、
前記積分器は前記加算器の出力に基づく値により演算することを特徴とする請求項１に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、電動機駆動に使用する電力変換装置に係り、特に回転角センサにて回転角をディジタル変換して電動機制御に用いる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機駆動に使用する電力変換装置において、電動機制御のため、レゾルバやアブソリュートエンコーダなどの回転角センサを使用する場合がある。電力変換装置は、回転角センサがアナログ量を出力する場合、電力変換装置内において、電力変換装置の制御周期に同期して回転角をディジタル変換して電動機制御に用いることで、回転角の検出遅延を低減することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２１８２９０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようなアナログ出力ではなく、回転角センサにおいてディジタル変換を実施し、そのディジタル量をシリアル通信等で電力変換装置に伝送する回転角センサを用いた場合、その通信周期は必ずしも電力変換装置の制御周期には同期しない。電力変換装置の制御周期と非同期の回転角を電力変換装置の制御に用いた場合、速度リップルやトルクリップル増加などの制御性能低下が懸念され、課題となっている。【０００５】
上記通信周期と上記制御周期を一致させることが可能であれば、上記の課題は解決するが、通信周期と制御周期に要求される仕様は異なるため、両者を一致させることは一般に困難である。【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、回転角センサの出力をディジタル通信を用いて電力変換装置に送信し制御を行う電力変換装置に於いて、回転角センサと電力変換装置間の通信周期と、制御周期が異なる場合にも、精度よく回転角を得ることができ、安定した電動機の駆動が可能な電力変換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】
本発明に係る電力変換装置は、交流電動機に交流電力を供給するインバータ部と前記インバータ部を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記電動機の回転角の値をディジタル化したディジタル回転角を通信により受信する回転角受信部を備え、前記回転角受信部は、前記通信の通信周期とは時間的に独立した演算タイミングで回転角信号を演算する復元部を備え、前記制御部は、前記復元部の出力する回転角信号により前記インバータ部のゲートパルスを生成する電力変換装装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、回転角センサと電力変換装置間の通信周期と、電力変換装置の制御周期が異なる場合にも、回転角を精度よく得ることが可能となり、電動機の安定した駆動が可能な電力変換装置を提供することをすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の全体ブロック図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る回転角の復元部のブロック図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る回転角の復元部の動作例波形。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の全体ブロック図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る回転角の復元部のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置を、図１から図３を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置のおよびドライブシステムのブロック図である。第１の実施形態に係る電力変換装置は、商用の３相の交流電源１からの交流電力を電力変換器２によって周波数変換して電動機３に供給する電力変換装置である。
【００１２】
電力変換器２は、主回路部２０と制御部２５で構成される。主回路部２０は、コンバータ２１、インバータ２２、電流検出器２３等により構成される。電力変換器２に入力された交流電力は、コンバータ２１で直流電力に変換される。コンバータ２１から出力された直流電力は、インバータ２２により交流電力に変換されて電力変換器２から電動機３に出力される。電動機３は、電力変換器３から出力される交流電力により可変速駆動される。電動機３は例えば同期電動機である。
【００１３】
主回路部２０は制御部２５によって制御される。電力変換器２のインバータ２２は、ＰＷＭ変換器である。インバータ２２を構成するパワーデバイス（図示しない）は、制御部２５から与えられるゲート信号によりオンオフ制御されている。電動機３には回転角センサ１００が取り付けられており、この出力は制御部２５に与えられる。また、インバータ２２の出力側には電流検出器（インバータ出力電流検出器）２３が設けられ、この出力も制御部２５に与えられる。
【００１４】
制御部２５は、インバータ制御部５０と回転角受信部６０等から構成される。電動機３に取り付けられた回転角センサ１００は、電動機３の回転角を検出し、検出した回転角を通信により回転角受信部６０に送信する。
【００１５】
制御部２５には外部から速度基準が与えられる。外部から与えられた速度基準は減算器５１の第１入力に入力されている。減算器５１の第２入力には、速度演算器５６で得られる速度帰還ωFが入力されている。減算器５１では第１入力と第２入力との差分が演算され、電流基準回路５２に与えられる。電流基準回路５２は、例えばＰＩ制御器であって、速度基準に後述の速度帰還ωFが追従するようにトルク電流基準を出力する。
【００１６】
速度帰還ωFは、速度演算器５６の出力であり、後述の回転角θ（ｍ）を微分等の演算をし、求めることができる。ここでサフィックス（ｍ）は後述する制御のタイミングを表す。回転角θ（ｍ）とは、インバータ制御部５０が制御タイミングｍにおいて制御に使用する回転角をあらわしている。インバータ制御部５０は、ディジタル回路で構成され、その制御タイミングの周期が制御周期である。
【００１７】
トルク電流基準は、電圧基準回路５３に入力されている。電流検出器２３の出力も電圧基準回路５３に入力されている。電圧基準回路５３は、回転角θ（ｍ）を基準にインバータ２２の出力電流のトルク電流成分が、トルク電流基準に追従するように３相の電圧指令を生成して、この３相の電圧指令をＰＷＭ制御器５４に与える。ＰＷＭ制御器５４は、インバータ２２の各相の出力電圧が与えられた３相の電圧指令となるように、インバータ２２の各パワーデバイスに対してＰＷＭ変調されたゲート信号を供給する。このようにしてインバータ２２は制御される。
【００１８】
回転角センサ１００について説明する。回転角センサ１００は、角度検出部１０１、Ａ／Ｄ変換部１０２、通信部１０３などを備える。角度検出部１０１は、電動機３の回転軸の回転角を検出する。角度検出部１０１で算出された回転角θ（ｔ０）はＡ／Ｄ変換部１０２でディジタル化され、通信部１０３に送られる。ここで、サフィックス(t)およびサフィックス（ｔ０）の表記は時間的に連続値であることを表している。ディジタル化した回転角を、通信部１０３により電力変換器２の制御部２５へ伝送する。通信部１０３についてはディジタル信号を伝送できるものであれば特に制限はなく、一定周期毎に通信するものでも、或いは、電力変換器２からの要求に応じて伝送を実施するものでもよい。
【００１９】
回転角受信部６０は、通信部１１１とラッチ回路１１２と復元部１１３などを備える。通信部１０３から通信で送信された回転角の信号は、回転角受信部６０内の通信部１１１で受信される。通信部１１１からの通信完了信号Ｓ１（ｎ）により、ラッチ回路１１２にて回転角θ（ｎ）として保持される。ここで、サフィックス（ｎ）の表記は通信周期で更新される値であることを表している。すなわち回転角θ（ｎ）は通信部１０３の通信周期ごとに更新され、通信周期ｎにおいて回転角受信部６０で、回転角として使用され、通信周期内は一定値を保つことを意味している。ラッチ回路１１２の出力である回転角θ（ｎ）と通信完了信号Ｓ１（ｎ）により、復元部１１３にて時間的に連続な連続回転角信号θ（ｔ）を復元する。
【００２０】
連続回転角信号θ（ｔ）は、インバータ制御部５０内のラッチ回路５５にて電動機制御同期信号Ｓ２（ｍ）でインバータ制御部５０の制御周期で回転角の値が保持され、インバータ制御部５０内で使用される。ここで、サフィックス（ｍ）の表記はインバータ制御部５０の制御周期で更新される値であることを表している。
【００２１】
ここで、回転角受信部６０での演算周期をインバータ制御部の演算周期より短くすることにより、連続回転角信号θ（ｔ）は連続値として見なす事ができる。特に積分器２０２の演算を高速で実施することにより連続回転角信号θ（ｔ）は連続値として見なす事ができる。すなわち連続的な回転角あるいは連続回転角が得られるとは、通信周期と独立した任意の演算タイミングでの回転角が得られるということである。
【００２２】
このように、通信周期の回転角θ（ｎ）から、連続回転角信号θ（ｔ）を復元し、ラッチ回路５５で回転角θ（ｍ）を生成することにより、インバータ制御部５０の制御周期に同期した回転角を電動機制御に使用することが可能となる。
【００２３】
図２は、本発明の第１の実施形態の復元部１１３のブロック図である。まず、速度演算器２０１により、回転角θ（ｎ）と通信周期から回転速度ω（ｎ）を演算する。回転速度ω（ｎ）の演算は例えば、単純に回転角θ（ｎ）の変化量と通信周期にかかわる時間から演算してもよいし、通信手段による遅延や、回転角センサ１００内のＡ／Ｄ変換部１０２の変換遅延などと回転速度の加速度に係わる値を加味して補正したものを用いてもよい。
【００２４】
たとえば通信タイミングｎにおける回転速度ω（ｎ）は以下の手順で演算してもよい。
【００２５】
ここで通信タイミングｎが完了した時刻をｔ（ｎ）とする。このときに通信タイミングｎで通信部１１１が受信した回転角が回転角θ（ｎ）である。
【００２６】
また、通信タイミングｎで通信部１１１が受信した回転角θ（ｎ）のデータを通信部１０３が発信した時刻をｔ１０３（ｎ）とする。前回の通信タイミングｎ−１が完了した時刻をｔ（ｎ−１）とする。このときに通信タイミングｎ−１で通信部１１１が受信した回転角が回転角θ（ｎ−１）である。
【００２７】
また、通信タイミングｎ−１で通信部１１１が受信した回転角θ（ｎ−１）のデータを通信部１０３が発信した時刻をｔ１０３（ｎ−１）とする。
【００２８】
また、実際の回転角検出からＡＤ変換して通信部１０３までの遅延時間をＴdとする。通信部１０３は通信データとして回転角ともに発信した時刻を送信し、通信部１１１は通信データとして回転角とともに通信部１０３の発信した時刻を受け取るものとする。
【００２９】
この場合、回転速度ω（ｎ）は例えば以下の式（１）で計算してもよい。
2020161786.tif 000003
【００３０】
ここで例えば第１項が回転角の変化量と通信周期にかかわる時間で演算される値に相当し、第２項が回転軸の加速度や検出および通信の遅延時間に係わる値である。尚、通信部１０３と通信部１１１間が専用回線などを使用し、通信周期が固定とみなすことができる場合は、式（１）に於いて、ｔ１０３（ｎ）−ｔ１０３（ｎ−１）やｔ（ｎ）−（ｔ１０３（ｎ）−Ｔｄ）を固定値としても良い。
【００３１】
次に、回転速度ω（ｎ）に後述する回転角補償速度ω１（ｎ）を加算器２０５で加算したのち、積分器２０２で積分することで連続回転角信号θ(t)を生成する。回転角補償速度ω１（ｎ）は連続回転角信号θ(t)と回転角センサ１００より受信した回転角θ（ｎ）の差異をなくす目的のものであり、特に回転角急変時に検出誤差低減に効果がある。
【００３２】
回転角補償速度ω１（ｎ）は回転角補償器２０３の出力であり、回転角補償器２０３では回転角θ（ｎ）と、連続回転角信号θ(t)をラッチ回路２０４（請求項記載の保持回路）により通信完了信号Ｓ１（ｎ）でラッチした回転角θ１（ｎ）の差分に応じて回転角補償速度ω１（ｎ）を出力する。例えば、回転角補償速度ω１（ｎ）は回転角θ（ｎ）と回転角θ１（ｎ）の差分に所定のゲインＫを乗算することによって演算することができる。すなわち例えば下式（２）にて回転補償角速度ω１（ｎ）を演算することができる。
ω１（ｎ）＝Ｋ・［θ（ｎ）−θ1（ｎ）］・・・・・・・・・・・・（２）
【００３３】
図３は、回転角補償器２０３の動作を示した図で、横軸は時間（ｔ）である。図中の白丸は回転角θ（ｎ）を、黒丸は回転角θ（ｍ）を表しており、実線は連続回転角θ(t)を表している。図３において時刻Ｔ１における通信部１０３の通信周期タイミングをｎＴ１と記す。
【００３４】
図３では、時刻Ｔ１に回転角θ（ｎ）が急変し回転角θ(nＴ１)そして回転速度ω（ｎＴ１）という値になった場合を示しているが、時刻Ｔ１における回転角θ(nＴ１)と連続回転角信号θ(ｔ)のラッチされた値である回転角θ１（ｎＴ１）との差分に基づき回転角補償速度ω１(nＴ１)を出力することにより、時刻Ｔ１以降において、回転角θ（ｎ）と連続回転角信号θ(ｔ)の差分をすみやかに減少させることができることを示している。
【００３５】
尚、回転角補償器２０３のゲインを適切に選択することにより、式（１）の第２項を省略しても良い。尚、図示されていない機械的回転角から電気的回転角への変換は、電動機３の極数を考慮の上行う。機械的回転角から電気的回転角への変換例えば、インバータ制御部５０で実施してもよく、あるいは他の部分で実施しても良い。
【００３６】
以上の様に本実施形態によれば、回転角センサと電力変換装置間の通信周期と、電力変換装置の制御周期が異なる場合にも、回転角を精度よく得ることが可能となり、電動機の安定した駆動が可能な電力変換装置を提供することができる。
【００３７】
（第２の実施形態）
図４および図５を用いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置およびドライブシステムのブロック図である。第５図は、本発明の第２の実施形態に係る復元部４１３のブロック図である。この図において、第１の実施形態のものと共通する要素には同一の符号が振られている。以下の説明では、第１の実施形態で既に説明した構成については省略し、第２の実施形態に特有の構成について説明する。
【００３８】
第２の実施形態においては回転角センサ１００の代わりに回転角センサ４００が設けられる。さらに回転角受信部６０の代わりに回転角受信部７０が設けられる。
【００３９】
回転角センサ４００について説明する。回転角センサ４００は、角度検出部４０１、Ａ／Ｄ変換部４０２、通信部４０３および速度演算器４０４などを備える。角度検出部４０１は、電動機３の回転軸の回転角を検出する。角度検出部４０１で算出された回転角θ（ｔ０）はＡ／Ｄ変換部４０２でディジタル化され、回転角θ（ｕ）とする。ここで、サフィックス（ｕ）の表記は、Ａ／Ｄ変換部４０２の検出周期で更新される値であることを表している。
【００４０】
回転角θ（ｕ）は、通信部４０３と速度演算器４０４に送られる。同時に速度演算器４０４にて、回転角θ（ｕ）とＡ／Ｄ変換部４０２の検出周期から回転速度ω（ｕ）を計算する。ディジタル化した回転角θ（ｕ）と回転速度ω（ｕ）は通信部４０３により電力変換器２の制御部２５へ伝送される。通信部４０３についてはディジタル信号を伝送できるものであれば特に制限はなく、一定周期毎に通信するものでも、或いは、電力変換器２からの要求に応じて伝送を実施するものでもよい。
【００４１】
速度演算器４０４の動作は、速度演算器２０１の動作と同様であり、例えば以下の式（３）で計算される。
2020161786.tif 000004
【００４２】
ここでＡ／Ｄ変換タイミングｕが完了した時刻をｔ（ｕ）とする。このときにＡ／Ｄ変換タイミングｕで速度演算器４０４が受信した回転角が回転角θ（ｕ）とする。また、前回のＡＤ変換タイミングｎ−１が完了した時刻をｔ（ｕ−１）とする。このときにＡ／Ｄ変換タイミングｕ−１で速度演算器４０４が受信した回転角が回転角θ（ｕ-１）とする。また、Ａ／Ｄ変換部４０２のＡＤ変換周期をＴａｄとし、位相検出部とＡ／Ｄ変換部の遅延をＴｄ２とする。ここで例えば第１項が回転角の変化量と通信周期にかかわる時間で演算される値に相当し、第２項が回転角の加速度や検出等の遅延時間に係わる値である。
【００４３】
回転角受信部７０は通信部４１１とラッチ回路４１２と復元部４１３などを備える。通信部４０３から通信で送信された信号（回転角θ（ｎ）および回転速度ω（ｎ））は、回転角受信部７０内の通信部４１１で受信され、通信部４１１からの通信完了信号Ｓ３（ｎ）によりラッチ回路４１２にて回転角θ（ｎ）と回転速度ω（ｎ）として保持される。ここで、サフィックス（ｎ）の表記は通信周期で更新される値であることを示している。
【００４４】
ラッチ回路４１２の出力である回転角θ（ｎ）と回転速度ω（ｎ）は通信完了信号Ｓ３（ｎ）により、復元部４１３にて時間的に連続な連続回転角信号θ(ｔ)を復元する。連続回転角信号θ(t)を生成した後の動作としては、第１の実施形態と同様である。
【００４５】
図５は本発明の第２の実施形態の復元部４１３のブロック図である。回転速度ω３（ｎ）は、第１の実施形態の復元部１１３と異なり、速度演算器２０１が省略され、回転角センサ４００より通信部４１１とラッチ回路４１２経由で受信した値であり、加算器３０５に入力されている、上記以外は第１実施形態と同様となる。
【００４６】
すなわち、図５の積分器３０２は図２の積分器２０２に相当し、図５の回転角補償器３０３は図２の回転角補償器２０３に相当し、図５のラッチ回路３０４（請求項記載の保持回路）は図２のラッチ回路２０４に相当し、図５の加算器３０５は図２の加算器２０５に相当する。さらに図５のω３（ｎ）は図２のω（ｎ）に相当し、図５のω４（ｎ）は図２のω１（ｎ）に相当し、図５のθ３（ｎ）は図２のθ（ｎ）に相当し、図５のＳ３（ｎ）は図２のＳ１（ｎ）に相当し、図５のθ４（ｎ）は図２のθ１（ｎ）に相当する。
【００４７】
以上の様に本実施形態によれば、回転角センサと電力変換装置間の通信周期と、電力変換装置の制御周期が異なる場合にも、回転角を精度よく得ることが可能となり、電動機の安定した駆動が可能な電力変換装置を提供することをすることができる。
【００４８】
尚、以上の説明では電動機３を同期電動機として説明したが、インバータ制御部５０にすべり演算部等を設けることにより、本発明が誘導電動機を駆動するためのシステムに適用できることは明らかである。
【符号の説明】
【００４９】
１…交流電源
２…電力変換器
３…電動機
２０…主回路部
２１…コンバータ
２２…インバータ
２３…電流検出器
２５…制御部
５０…インバータ制御部
５１…減算器
５２…電流基準回路
５３…電圧基準回路
５４…ＰＷＭ制御器
５５…ラッチ回路
５６…速度演算器
６０…回転角受信部
７０…回転角受信部
１００…回転角センサ
１０１…角度検出部
１０２…Ａ／Ｄ変換部
１０３…通信部
１１１…通信部
１１２…ラッチ回路
１１３…復元部
２０１…速度演算器
２０２…積分器
２０３…回転角補償器２０３
２０４…ラッチ回路
２０５…加算器
３０２…積分器
３０３…回転角補償器
３０４…ラッチ回路
３０５…加算器
４００…回転角センサ
４０１…角度検出部
４０２…Ａ／Ｄ変換部
４０３…通信部
４０４…速度演算器
４１１…通信部
４１２…ラッチ回路
４１３…復元部
【図１】
2020161786.tif 000005
【図２】
2020161786.tif 000006
【図３】
2020161786.tif 000007
【図４】
2020161786.tif 000008
【図５】
2020161786.tif 000009
【国際調査報告】
2020161786.tif 000010
2020161786.tif 000011
2020161786.tif 000012