特許 7619520 コンバータの制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-14

(45)【発行日】2025-01-22

(54)【発明の名称】コンバータの制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/12 20060101AFI20250115BHJP

【ＦＩ】

H02M7/12 A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2024504132

(86)(22)【出願日】2022-03-03

(86)【国際出願番号】 JP2022009138

(87)【国際公開番号】W WO2023166662

(87)【国際公開日】2023-09-07

【審査請求日】2024-05-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡本 健

(72)【発明者】

【氏名】榎嶋 浩行

(72)【発明者】

【氏名】大塚 康司

【審査官】尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】特開平７－１４７７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－４３０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１６２９９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６９６４７３１（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

多相電源から多相電流の入力を受け、直流電圧を出力するコンバータの制御装置であり、
前記多相電源の位相を検出する位相検出器と、
前記コンバータの電圧方程式に基づき前記位相検出器の位相検出誤差を補正して補正位相を演算する位相補正器と、
前記補正位相を用いて前記コンバータの多相電流の検出値を直流電流に変換する電流座標変換器と、
前記コンバータの電流指令および前記直流電流が一致するように制御して電圧指令を演算する電流制御器と、
前記補正位相を用いて前記電圧指令を多相電圧指令に変換する電圧座標変換器と、
前記コンバータの電圧方程式に基づき前記コンバータのリアクトルのインダクタンスを推定する推定器と、
を備え、
前記位相補正器は、前記電圧指令、前記直流電流、および前記リアクトルのインピーダンスを用いて前記位相検出誤差を補正し、
前記推定器は、前記電圧指令および前記直流電流を用いて前記インダクタンスを推定し、
前記電流制御器は、前記推定器が推定した前記インダクタンスを用いて電流制御ゲインを更新する、
コンバータの制御装置。

【請求項2】

前記直流電流が基準値より小さい場合に、前記推定器は、前記インダクタンスの推定を停止し、
前記直流電流が前記基準値以上となるときに、前記位相補正器は、前記位相検出誤差の補正値をラッチし、
前記直流電流が前記基準値以上である場合に、前記推定器は、ラッチされた補正値を用いて演算された前記電圧指令および前記直流電流によって前記インダクタンスの推定を行う、
請求項１に記載のコンバータの制御装置。

【請求項3】

前記位相補正器は、前記電圧指令、前記直流電流、および前記リアクトルのインピーダンスを用いて演算した前記位相検出器の前記位相検出誤差が０になるようにフィードバック制御を行うことで前記補正位相を演算する、
請求項１または請求項２に記載のコンバータの制御装置。

【請求項4】

前記推定器は、前記コンバータの電圧方程式に基づき前記電圧指令および前記直流電流を入力とする状態推定オブザーバにより前記インダクタンスを推定する、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のコンバータの制御装置。

【請求項5】

前記電流制御器は、前記推定器が推定した前記インダクタンスを用いて前記電流制御ゲインを段階的に更新する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のコンバータの制御装置。

【請求項6】

前記電流制御器は、前記推定器が推定した前記インダクタンスを用いて前記電流制御ゲインを連続的に更新する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のコンバータの制御装置。

【請求項7】

前記推定器が推定した前記インダクタンスの監視によって異常が判定された場合に、前記電流制御器は、前記電流制御ゲインを更新しない、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のコンバータの制御装置。

【請求項8】

前記位相補正器が演算した前記位相検出誤差の補正値の監視によって異常が判定された場合に、前記位相補正器は、前記位相検出器が検出する位相を補正せず、前記推定器は、前記インダクタンスの推定を行わない、
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のコンバータの制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、コンバータの制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、３相電動機の電流制御の例を開示する。３相電動機の制御装置は、磁気飽和によって３相電動機のインダクタンスが変化した場合にも、インダクタンスを同定し、同定した値に応じて制御ゲインを調整することで、電流制御の安定性を高めている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】日本特開２００３－３３９１８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

３相ＰＷＭコンバータ（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）および３相電動機の電流制御は、同様の方法で実施可能である。すなわち、特許文献１の制御方法は、３相ＰＷＭコンバータにも適用できる。一方、特許文献１ではインダクタンスが電圧指令を基に計算されている。このため、通電位相に誤差がある場合に、電圧指令および実電圧の間に誤差が発生し、計算するインダクタンスにも誤差が発生する。これにより、制御ゲインの調整が適切に行われないことがある。

【0005】

本開示は、このような課題の解決に係るものである。本開示は、通電位相誤差がある場合においても、制御ゲインの調整をより適切に行えるコンバータの制御装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係るコンバータの制御装置は、多相電源から多相電流の入力を受け、直流電圧を出力するコンバータの制御装置であり、前記多相電源の位相を検出する位相検出器と、前記コンバータの電圧方程式に基づき前記位相検出器の位相検出誤差を補正して補正位相を演算する位相補正器と、前記補正位相を用いて前記コンバータの多相電流の検出値を直流電流に変換する電流座標変換器と、前記コンバータの電流指令および前記直流電流が一致するように制御して電圧指令を演算する電流制御器と、前記補正位相を用いて前記電圧指令を多相電圧指令に変換する電圧座標変換器と、前記コンバータの電圧方程式に基づき前記コンバータのリアクトルのインダクタンスを推定する推定器と、を備え、前記位相補正器は、前記電圧指令、前記直流電流、および前記リアクトルのインピーダンスを用いて前記位相検出誤差を補正し、前記推定器は、前記電圧指令および前記直流電流を用いて前記インダクタンスを推定し、前記電流制御器は、前記推定器が推定した前記インダクタンスを用いて電流制御ゲインを更新する。

【発明の効果】

【0007】

本開示に係るコンバータの制御装置であれば、通電位相誤差がある場合においても、制御ゲインの調整をより適切に行える。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係るコンバータおよびその制御装置の構成図である。

【図2】実施の形態１に係るコンバータにおいて、リアクトルに流れる電流とインダクタンスとの関係を示す図である。

【図3】実施の形態１に係るコンバータにおけるリアクトルのインダクタンスの変化による電流制御帯域の変化を示す図である。

【図4】実施の形態１に係る制御装置の電流制御器の構成を示すブロック図である。

【図5】実施の形態１に係る制御装置の推定器の構成を示すブロック図である。

【図6】実施の形態１に係る制御装置の位相補正器の構成を示すブロック図である。

【図7】実施の形態１に係る制御装置の動作の例を示すフローチャートである。

【図8】実施の形態１に係る制御装置におけるインダクタンスの推定値および電流制御ゲインの対応の例を示す図である。

【図9】実施の形態１に係る制御装置におけるインダクタンスの推定値および電流制御ゲインの対応の例を示す図である。

【図10】実施の形態１に係る制御装置の主要部のハードウェア構成図である。

【図11】実施の形態２に係る制御装置の電流制御器の構成を示すブロック図である。

【図12】実施の形態２に係る制御装置の動作の例を示すフローチャートである。

【図13】実施の形態３に係るコンバータおよびその制御装置の構成図である。

【図14】実施の形態３に係る位相補正器の電流制御器の構成を示すブロック図である。

【図15】実施の形態３に係る制御装置の動作の例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の対象を実施するための形態について添付の図面を参照しながら説明する。各図において、同一または相当する部分には同一の符号を付して、重複する説明は適宜に簡略化または省略する。なお、本開示の対象は以下の実施の形態に限定されることなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において、実施の形態の任意の構成要素の変形、または実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

【0010】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るコンバータ３およびその制御装置１０の構成図である。

【0011】

交流電源１は、多相電源の例である。この例において、交流電源１は、３相交流の電力を供給する電源である。交流電源１は、リアクトル２を介して、３相電圧形ＰＷＭコンバータであるコンバータ３に交流電力を供給する。コンバータ３は、交流電源１から入力された交流電力を直流電力に変換して出力する装置である。コンバータ３は、変換した直流電力を平滑コンデンサ４に供給する。直流母線電圧Ｖ_ｄｃは、平滑コンデンサ４から図示されないインバータに供給され、図示されない負荷電動機の駆動に使用される。

【0012】

コンバータ３の制御装置１０は、位相検出器５と、電流センサ６と、制御部７と、を備える。

【0013】

位相検出器５は、交流電源１の位相φを検出する。なお、位相検出器５は、交流電源１の位相を検出できれば、ハードウェアおよびソフトウェアを問わず、どのような構成であってもよい。

【0014】

電流センサ６は、コンバータ３の相電流を検出する。この例において電流センサ６は、コンバータ３の電流のうちの２相としてＩ_ｒおよびＩ_ｓを検出する。なお、電流センサ６は、コンバータ３の電流の３相を検出する構成であってもよい。

【0015】

制御部７は、位相検出器５が検出する交流電源１の位相φ、電流センサ６が検出するコンバータ３の相電流Ｉ_ｒおよびＩ_ｓ、直流母線電圧Ｖ_ｄｃに基づいて、コンバータ３への電圧指令Ｖ_ｒ、Ｖ_ｓ、およびＶ_ｔを計算する。制御部７は、電圧制御器７１と、電流制御器７２と、電圧座標変換器７３と、電流座標変換器７４と、位相補正器７５と、推定器７６と、を備える。

【0016】

電圧制御器７１は、直流母線電圧の指令値Ｖ_ｄｃ ^＊および検出値Ｖ_ｄｃを用いて、ｑ軸電流指令Ｉ_ｑ ^＊を計算する。電圧制御器７１は、例えばＰＩＤ制御（Ｐ：Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ、Ｉ：Ｉｎｔｅｇｒａｌ、Ｄ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）などの種々の方法を用いることができる。ｄ軸電流指令Ｉ_ｄ ^＊は力率＝１を達成するために通常０に設定されるが、電圧飽和を考慮して弱め界磁制御が実施されてもよい。

【0017】

電流制御器７２は、ｄｑ軸電流の指令値Ｉ_ｄ ^＊およびＩ_ｑ ^＊と検出値Ｉ_ｄおよびＩ_ｑとを用いて、ｄｑ軸電圧の指令値Ｖ_ｄ ^＊およびＶ_ｑ ^＊を計算する。ここで、ｄ軸およびｑ軸を表す際に、ｄｑ軸と表記する場合がある。電流制御器７２は、例えばＰＩＤ制御などの種々の方法を用いることができる。

【0018】

電圧座標変換器７３は、ｄｑ軸電圧の指令値を、コンバータ３への３相電圧指令Ｖ_ｒ、Ｖ_ｓ、およびＶ_ｔに補正位相θを用いて変換する。ここで、補正位相θは、位相検出器５が検出した位相φを位相補正器７５が補正したものである。位相補正器７５の詳細については、後述する。なお、図１に図示されていないが、３相電圧指令はキャリア比較によりＰＷＭ信号に変換され、コンバータ３のスイッチング素子へのゲート信号として印加される。

【0019】

電流座標変換器７４は、コンバータ３の相電流Ｉ_ｒおよびＩ_ｓを、ｄｑ軸電流Ｉ_ｄおよびＩ_ｑに変換する。なお、電流座標変換器７４は、２相分の電流を入力とするものに限定されず、３相分の電流を入力とするものであってもよい。

【0020】

推定器７６は、ｄ軸の電圧指令Ｖ_ｄ ^＊とｄｑ軸電流の検出値Ｉ_ｄおよびＩ_ｑとを用いて、リアクトル２のインダクタンスを推定する。推定器７６が推定したインダクタンスＬ＾は、電流制御器７２に出力される。電流制御器７２は、入力されたインダクタンスの推定値Ｌ＾を用いて、制御ゲインを更新する。推定器７６の詳細については、後述する。

【0021】

図２は、実施の形態１に係るコンバータ３において、リアクトル２に流れる電流とインダクタンスとの関係を示す図である。
図２に示されるグラフの横軸は、リアクトル２に流れる電流の大きさを表す。図２に示されるグラフの縦軸は、リアクトル２のインダクタンスの大きさを表す。

【0022】

リアクトル２はコイルであるから、電圧を印加すると時間とともにリアクトル２を流れる電流は増加し、磁束密度も上昇していく。別の言い方をすれば、直流母線に繋がれる負荷が大きいほど、リアクトル２に流れる電流が大きくなって磁束密度が上昇していく。一方、磁束密度は無限大に上昇するわけではなく、材質および形状などによって決まる最大磁束密度を超えると磁気飽和状態になる。磁気飽和を起こすと、リアクトル２のインダクタンスは急速に減少していく。図２において、この様子が示されている。

【0023】

図３は、実施の形態１に係るコンバータ３におけるリアクトル２のインダクタンスの変化による電流制御帯域の変化を示す図である。

【0024】

通常、電流制御器７２において、リアクトル２のインダクタンスの設計値を用いて電流制御ゲインが設計される。リアクトル２の実際のインダクタンスと電流制御器７２のインダクタンスの設計値が一致している場合に、電流制御のオープンループ特性は図３のＢのようになり、電流制御帯域はω_Ｂとなる。リアクトル２の実際のインダクタンスが電流制御器７２のインダクタンスの設計値より大きい場合に、見かけ上電流制御帯域が低くなり、オープンループ特性は図３のＡのようになる。このとき、電流制御帯域は、設計上の帯域ω_Ｂより低いω_Ａとなる。一方、リアクトル２の実際のインダクタンスが電流制御器７２のインダクタンスの設計値より小さい場合に、見かけ上電流制御帯域が高くなり、オープンループ特性は図３のＣのようになる。このとき、電流制御帯域は、設計上の帯域ω_Ｂより高いω_Ｃとなる。

【0025】

これを図２に示される関係と対応付けると、コンバータ３の直流母線に接続される負荷が大きくなるときに、リアクトル２に流れる電流が大きくなり、磁気飽和の影響でリアクトル２のインダクタンスが減少することになる。このとき、リアクトル２の実際のインダクタンスは電流制御器７２のインダクタンスの設計値よりも小さくなるため、見かけ上電流制御帯域が高くなる。インダクタンスが減少し電流制御帯域が高くなると、振動的な応答になったり発振したりして、電流の制御性が悪化しうる。本開示の電流制御器７２は、インダクタンスの推定値を用いて制御ゲインを更新することで、リアクトル２のインダクタンスが変化した場合にも安定した電流制御を可能としている。

【0026】

図４は、実施の形態１に係る制御装置１０の電流制御器７２の構成を示すブロック図である。

【0027】

先に述べたリアクトル２のインダクタンス変化による電流制御の安定性への影響を抑えるように、電流制御器７２は、変化したインダクタンスの推定値を用いて制御ゲインを更新する。電流制御器７２は、推定器７６が推定したリアクトル２のインダクタンスＬ＾を用いて電流制御器７２の制御ゲイン７２１を更新する。一般的に、電流制御器７２の制御ゲイン７２１は、電流制御帯域の設計値ω_Ｉとリアクトル２のインダクタンス設計値Ｌを用いて、ω_ＩＬに設定される。ここで、推定器７６が推定したリアクトル２のインダクタンスＬ＾を用いてゲインを更新するには、ゲインω_ＩＬに対してＬ＾／Ｌを乗算すればよい。つまり、予め設定したゲインω_ＩＬに、インダクタンスの推定器７６による推定値Ｌ＾と設計値Ｌとの比率を掛けることで、制御ゲインが更新される。

【0028】

図４において、電流制御としてＰＩ制御を用いた例が示される。電流制御器７２は、ｄｑ軸の電流偏差に制御ゲイン７２１を乗算し、その出力に対して積分時定数７２２を乗算した上で積分器７２３によって積分を実施する。電流制御器７２は、制御ゲイン７２１の出力すなわち比例項と積分器７２３の出力とを加算して、ｄｑ軸の電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊およびＶ_ｑ ^＊を計算する。このように、リアクトル２のインダクタンスをリアルタイムに推定してゲインを調整することで、インダクタンス変化があったとしても安定な電流制御が可能になる。なお、図４に示される電流制御の構成は一例であり、電流制御器７２は、例えばＰＩＤ制御などの種々の制御方式を用いることができる。

【0029】

図５は、実施の形態１に係る制御装置１０の推定器７６の構成を示すブロック図である。

【0030】

推定器７６は、ｄ軸電圧指令Ｖ_ｄ ^＊とｄｑ軸電流の検出値Ｉ_ｄおよびＩ_ｑを用いてリアクトル２のインダクタンスを推定する状態推定オブザーバである。ここで、コンバータ３のｄ軸の電圧方程式は、次の式（１）で表される。

【0031】

【数1】

【0032】

ここで、Ｌはリアクトル２のインダクタンス、ωは交流電源１の周波数、ｓはラプラス演算子を示している。式（１）のインダクタンスＬを推定値Ｌ＾に置き換えると、ｄ軸電圧の推定値Ｖ_ｄ＾を次の式（２）のように得ることができる。

【0033】

【数2】

【0034】

式（１）および式（２）に基づく電圧差分ｅ_Ｖｄは、次の式（３）で表される。

【0035】

【数3】

【0036】

式（３）から、リアクトル２のインダクタンスＬおよびその推定値Ｌ＾の差（Ｌ－Ｌ＾）がゼロになれば、電圧差分ｅ_Ｖｄもゼロになる。よって、推定器７６は、次の式（４）で表されるような制御則により、リアクトル２のインダクタンスを推定する。

【0037】

【数4】

【0038】

推定器７６は、式（４）のように実際の電圧Ｖ_ｄと推定電圧Ｖ_ｄ＾の電圧誤差ｅ_Ｖｄがゼロになるように積分制御を実施することで、インダクタンスの推定値Ｌ＾を得る。ここで、Ｋは推定器７６の制御ゲインを示す。制御ゲインＫが大きければ推定値は早く収束するが、計算の安定性を考慮して適切な値に設定される。なお、式（４）のＶ_ｄはコンバータ３の実際の電圧であるが、電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊がこれに相当するため、実際には電圧Ｖ_ｄは電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊に置き換えられる。つまり、実際のコンバータ電圧Ｖ_ｄと電圧指令Ｖ_ｄ ^＊とが一致している必要がある。なお、ここではコンバータ３のｄ軸に着目した推定器７６を示したが、ｑ軸の電圧方程式を用いても同様のインダクタンス推定を実施することができる。また、推定器７６に入力されるｄｑ軸電流の検出値Ｉ_ｄおよびＩ_ｑは、ｄｑ軸電流の指令値Ｉ_ｄ ^＊およびＩ_ｑ ^＊であってもよい。図５において、式（４）に基づくインダクタンス推定のブロック図が示されている。

【0039】

図６は、実施の形態１に係る制御装置１０の位相補正器７５の構成を示すブロック図である。

【0040】

位相検出器５が検出する交流電源１の位相φについて、例えば、位相検出回路の特性または位相の演算方法などによって検出誤差が生じうる。推定器７６は電圧指令Ｖ_ｄ ^＊を用いてリアクトル２のインダクタンスを推定するので、通電位相に誤差がある場合には電圧指令Ｖ_ｄ ^＊および実電圧Ｖｄの間に誤差が生じ、これにより推定器７６の推定精度が低下する。このような推定精度の低下を抑えるように、位相補正器７５は、位相検出器５が検出する位相φを補正する。

【0041】

ここで、電動機の拡張誘起電圧モデルは、誘起電圧をＥ、巻線抵抗をＲ、位相検出誤差をΔθとして、次の式（５）および式（６）のように表される。

【0042】

【数5】

【0043】

【数6】

【0044】

これをコンバータ３に適用すると、Ｅは、交流電源１の電圧に相当する。Δθは、位相検出器５が検出する交流電源１の位相φの検出誤差に相当する。また、コンバータ３において、巻線抵抗Ｒは十分に小さくゼロと見なすことができる。コンバータ３の電流は電動機の電流と反対方向に考えるため、電流の符号を反転させることで、次の式（７）および式（８）のようにコンバータ３の拡張誘起電圧モデルを得ることができる。

【0045】

【数7】

【0046】

【数8】

【0047】

式（７）および式（８）より、位相検出器５の検出誤差は、次の式（９）のように得ることができる。

【0048】

【数9】

【0049】

なお、式（９）は、電圧Ｖ_ｄおよびＶ_ｑをその指令値Ｖ_ｄ ^＊およびＶ_ｑ ^＊に置き換えて演算される。また、電流値Ｉ_ｄおよびＩ_ｑは、その指令値Ｉ_ｄ ^＊およびＩ_ｑ ^＊に置き換えられてもよい。式（９）により、位相補正器７５は、電圧指令Ｖ_ｄ ^＊およびＶ_ｑ ^＊と、電流Ｉ_ｄおよびＩ_ｑと、リアクトル２のインピーダンスωＬを用いて、位相検出器５の位相検出誤差Δθを計算できる。

【0050】

位相補正器７５は、式（９）で計算した位相検出誤差から、ローパスフィルターまたはその他の各種フィルターなどによって高周波成分を除去するように構成されていてもよい。位相補正器７５は、式（９）を用いて位相誤差Δθを計算し、ＰＬＬ制御（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）により、例えば次のように位相補正値Δφを求める。位相補正器７５は、位相検出誤差指令＝０と位相検出誤差＝Δθとの差をＰＩ制御器７５２で制御して補正速度を求める。位相補正器７５は、補正速度を積分器７５３で積分することで位相補正値Δφを求める。位相補正器７５は、求めた位相補正値Δφを位相φに加算し、補正位相θを算出する。このようなＰＬＬ制御ループを構成することにより、位相検出器５が検出する交流電源１の位相φの検出誤差を補正して通電位相を適正化でき、電圧指令および実電圧を一致させることができるようになる。これにより、推定器７６によるインダクタンスの推定精度の低下が抑えられる。

【0051】

なお、式（９）によって補正を行う位相補正器７５は、リアクトル２のインダクタンスＬを必要とする。このため、位相検出値φの検出誤差が生じている場合と、位相検出値φの検出誤差が生じていなくてもインダクタンスＬが変化する場合とが切り分けらず、いずれの場合においても位相検出器５に位相検出誤差Δθが発生しているとして計算される。ここで、図２に示される関係によれば、リアクトル２のインダクタンスは、リアクトル２に流れる電流が大きくなると磁気飽和の影響で減少する。一方、リアクトル２のインダクタンスは、リアクトル２に流れる電流が小さい場合に、変化しない。制御部７は、電流およびインダクタンスのこの関係を利用し、電流の大きさによって動作を切り替えることで、インダクタンスＬの変化が位相検出誤差Δθとして計算される影響を抑える。電流が基準値より小さい場合に、位相補正器７５は、位相誤差の補正または学習を行う。すなわち、位相補正器７５は、式（９）などに基づいて位相補正値を算出し、算出した位相補正値を用いて通電位相を補正する。このとき、推定器７６は、インダクタンスの推定を行わない。推定器７６は、例えばインダクタンスの設計値を出力するようにしてもよいし、直前の推定値を出力するようにしてもよい。一方、電流が基準値以上の場合に、位相補正器７５は、電流が基準値より小さい場合に算出された位相補正値を用いて通電位相を補正する。このとき、推定器７６は、補正された通電位相に基づいて演算された電圧指令および電流値などを用いて、インダクタンスの推定を行う。なお、基準値は、例えばリアクトル２において磁気飽和が発生する電流値などに応じて予め設定される電流の閾値である。基準値と比較される電流値は、例えば、ｄｑ軸電流Ｉ_ｄまたはＩ_ｑなどである。

【0052】

図７は、実施の形態１に係る制御装置１０の動作の例を示すフローチャートである。
図７において、位相補正およびインダクタンス推定における処理の例が示される。図７の処理は、例えばコンバータ３の制御を開始するときに行われる。

【0053】

ステップＳ７０１において、位相補正器７５は、例えば図６に示されるブロック図などの構成により、位相検出器５の位相検出誤差を補正する。その後、制御装置１０の処理は、ステップＳ７０２に進む。

【0054】

ステップＳ７０２において、制御部７は、コンバータ３の電流値が基準値以上であるかを判定する。電流値が基準値以上である場合に、リアクトル２のインダクタンスは変化するものとして、制御装置１０の処理は、ステップＳ７０３に進む。一方、電流値が基準値より小さい場合に、リアクトル２のインダクタンスは変化していないものとして、制御装置１０の処理は、推定器７６によるインダクタンスの推定を行わずにステップＳ７０７に進む。

【0055】

ステップＳ７０３において、位相補正器７５は、インダクタンスが変化しているので、位相検出誤差の補正値Δφをラッチする。これにより、インダクタンスの変化により式（９）を通じて補正値Δφが変動することが抑えられる。位相補正器７５は、例えば図６における積分器７５３の出力をラッチする。補正値Δφがラッチされることで、インダクタンスの変化による影響を受けずに位相検出器５の位相検出誤差が補正される。その後、制御装置１０の処理は、ステップＳ７０４に進む。

【0056】

ステップＳ７０４において、推定器７６は、例えば図５に示されるブロック図などの構成により、リアクトル２のインダクタンスを推定する。その後、制御装置１０の処理は、ステップＳ７０５に進む。

【0057】

ステップＳ７０５において、制御部７は、コンバータ３の電流値が基準値より小さいかを判定する。電流値が基準値以上である場合に、リアクトル２のインダクタンスは変化するものとして、制御装置１０の処理は、インダクタンスの推定を継続するようにステップＳ７０４に進む。一方、電流値が基準値より小さい場合に、リアクトル２のインダクタンスは変化しないものとして、制御装置１０の処理は、ステップＳ７０６に進む。

【0058】

ステップＳ７０６において、推定器７６は、リアクトル２のインダクタンスの推定を停止する。このとき、リアクトル２のインダクタンスの変化は発生していないので、推定器７６の積分器７６１の出力は、初期値すなわち設計値にリセットされてもよい。その後、制御装置１０の処理は、ステップＳ７０７に進む。

【0059】

ステップＳ７０７において、制御部７は、コンバータ３の制御が停止しているかを判定する。コンバータ３の制御が停止していない場合に、制御装置１０の処理は、位相検出誤差を補正するようにステップＳ７０１に進む。一方、コンバータ３の制御が停止している場合に、制御装置１０の処理は、終了する。

【0060】

図８および図９は、実施の形態１に係る制御装置１０におけるインダクタンスの推定値および電流制御ゲインの対応の例を示す図である。
図８および図９に示される上側のグラフおよび下側のグラフの横軸は、時間の経過を表す。図８および図９に示される上側のグラフの縦軸は、リアクトル２のインダクタンスの推定値を表す。図８および図９に示される下側のグラフの縦軸は、インダクタンスの推定値に応じて電流制御器７２において設定される電流制御ゲインを表す。図８および図９において、磁気飽和によってインダクタンスの推定値が減少する状況が示される。

【0061】

図８において、インダクタンスの推定値に応じて段階的に電流制御ゲインが更新される方式の例が示される。この方式は、例えば、電流制御器７２に設定される電流制御ゲインが制御系の安定性に対して余裕のある設計である場合などに採用される。

【0062】

図９において、インダクタンスの推定値に応じて連続的に電流制御ゲインが更新される方式の例が示される。この方式は、例えば、電流制御器７２に設定される電流制御ゲインが制御系の安定性に対して余裕の少ない設計である場合、すなわち、電流脈動または母線電圧の脈動を抑制するようにハイゲインの設計である場合などに採用される。制御ゲインを連続的に変化させることで、制御の安定性がより高められる。

【0063】

以上に説明したように、実施の形態１に係る制御装置１０は、コンバータ３の制御装置である。コンバータ３は、交流電源１から３相電流の入力を受け、スイッチングを行って直流電圧を出力する。制御装置１０は、位相検出器５と、位相補正器７５と、電流座標変換器７４と、電流制御器７２と、電圧座標変換器７３と、推定器７６と、を備える。位相検出器５は、交流電源１の位相を検出する。位相補正器７５は、コンバータ３の電圧方程式に基づき位相検出器５の位相検出誤差を補正して、補正位相を演算する。電流座標変換器７４は、補正位相を用いてコンバータ３の３相電流の検出値をｄｑ軸電流に変換する。電流制御器７２は、コンバータ３の電流指令および電流座標変換器７４が変換したｄｑ軸電流が一致するように制御して電圧指令を演算する。電圧座標変換器７３は、補正位相を用いて電圧指令を３相電圧指令に変換する。推定器７６は、コンバータ３の電圧方程式に基づきコンバータ３のリアクトル２のインダクタンスを推定する。位相補正器７５は、電流制御器７２が演算した電圧指令、電流座標変換器７４が変換したｄｑ軸電流、および推定器７６が推定したリアクトル２のインピーダンスを用いて位相検出誤差を補正する。推定器７６は、電流制御器７２が演算した電圧指令および電流座標変換器７４が変換したｄｑ軸電流を用いてインダクタンスを推定する。電流制御器７２は、推定器７６が推定したインダクタンスを用いて電流制御ゲインを更新する。

【0064】

このような構成により、通電位相の誤差が補正された状態でインダクタンスの推定が行われる。これにより、インダクタンスの推定の精度がより高められ、電流制御帯域が適正化されることで、電流制御の安定性がより高められる。このため、通電位相誤差がある場合においても、制御ゲインの調整がより適切に行われるようになる。

【0065】

また、電流座標変換器７４の変換したｄｑ軸電流が基準値より小さい場合に、推定器７６は、インダクタンスの推定を停止する。電流座標変換器７４の変換したｄｑ軸電流が基準値以上となるときに、位相補正器７５は、位相検出誤差の補正値をラッチする。電流座標変換器７４の変換したｄｑ軸電流が基準値以上である場合に、推定器７６は、ラッチされた補正値を用いて演算された電圧指令および変換されたｄｑ軸電流によってインダクタンスの推定を行う。

【0066】

このような構成により、リアクトル２のインダクタンス変動が発生しない条件では通電位相が補正される。このとき、インダクタンスの推定が停止しているので、通電位相が効果的に補正される。また、リアクトル２のインダクタンス変動が発生する条件では位相補正値がラッチされてインダクタンス推定が行われるため、インダクタンスが精度よく推定される。このように、通電位相の補正およびインダクタンスの推定などがインダクタンス変動の発生有無などの条件に応じて切り替えられるので、インダクタンス変動が生じうる場合においても、より安定な電流制御系が提供される。

【0067】

また、位相補正器７５は、位相検出器５の位相検出誤差が０になるようにフィードバック制御を行うことで補正位相を演算する。位相検出器の位相検出誤差は、電流制御器７２が演算した電圧指令、電流座標変換器７４が変換したｄｑ軸電流、およびリアクトル２のインピーダンスを用いて演算される。

【0068】

また、推定器７６は、コンバータ３の電圧方程式に基づき、電流制御器７２が演算した電圧指令および電流座標変換器７４が変換したｄｑ軸電流を入力とする状態推定オブザーバによりインダクタンスを推定する。

【0069】

また、電流制御器７２は、推定器７６が推定したインダクタンスを用いて電流制御ゲインを段階的に更新してもよい。このとき、インダクタンスの推定値に応じた制御ゲインの更新の処理がより簡易になる。
また、電流制御器７２は、推定器７６が推定したインダクタンスを用いて電流制御ゲインを連続的に更新してもよい。制御ゲインを連続的に変化させることで、制御の安定性がより高められる。

【0070】

続いて、図１０を用いて、制御装置１０のハードウェア構成の例について説明する。
図１０は、実施の形態１に係る制御装置１０の主要部のハードウェア構成図である。

【0071】

制御装置１０の各機能は、処理回路により実現し得る。処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ１００ａと少なくとも１つのメモリ１００ｂとを備える。処理回路は、プロセッサ１００ａおよびメモリ１００ｂと共に、あるいはそれらの代用として、少なくとも１つの専用ハードウェア２００を備えてもよい。

【0072】

処理回路がプロセッサ１００ａとメモリ１００ｂとを備える場合、制御装置１０の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。そのプログラムはメモリ１００ｂに格納される。プロセッサ１００ａは、メモリ１００ｂに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置１０の各機能を実現する。

【0073】

プロセッサ１００ａは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう。メモリ１００ｂは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリなどにより構成される。

【0074】

処理回路が専用ハードウェア２００を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらの組み合わせで実現される。

【0075】

制御装置１０の各機能は、それぞれ処理回路で実現することができる。あるいは、制御装置１０の各機能は、まとめて処理回路で実現することもできる。制御装置１０の各機能について、一部を専用ハードウェア２００で実現し、他部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。このように、処理回路は、専用ハードウェア２００、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせで制御装置１０の各機能を実現する。

【0076】

実施の形態２．
実施の形態２において、実施の形態１で開示される例と相違する点について特に詳しく説明する。実施の形態２で説明しない特徴については、実施の形態１で開示される例のいずれの特徴が採用されてもよい。

【0077】

実施の形態１に係る制御装置１０は、リアクトル２のインダクタンスを推定し、それに基づいて電流制御器７２のゲインを更新することで電流制御を安定化している。実施の形態２において、インダクタンスの推定値を監視することで、電流制御器７２の安定性をさらに高められる制御装置１０の例を開示する。

【0078】

図１１は、実施の形態２に係る制御装置１０の電流制御器７２の構成を示すブロック図である。
実施の形態２に係る制御装置１０は、実施の形態１に係る制御装置１０と比較し、電流制御器７２の構成を除いて同一である。実施の形態２に係る制御装置１０の電流制御器７２は、実施の形態１に係る制御装置１０の電流制御器７２と比較し、判定部７２４をさらに備えている。

【0079】

判定部７２４は、推定器７６の推定するリアクトル２のインダクタンスの推定値を監視し、当該推定値が異常か否かを判定する機能を搭載する部分である。例えば、判定部７２４は、インダクタンスの推定値Ｌ＾が、予め設定された範囲から外れていないかを判定する。このとき、判定部７２４は、予め設定されたインダクタンスの最大値Ｌ_ｍａｘおよび最小値Ｌ_ｍｉｎを記憶する。判定部７２４は、推定器７６の推定するインダクタンスＬ＾がＬ_ｍｉｎ＜Ｌ＾＜Ｌ_ｍａｘの条件を満たしているかを判定する。Ｌ_ｍｉｎ＜Ｌ＾＜Ｌ_ｍａｘの条件が満たされる場合に、判定部７２４は、インダクタンスの推定値は正常であると判定する。このとき、電流制御器７２は、正常と判定されたインダクタンスの推定値を用いて制御ゲイン７２１を更新する。一方、Ｌ_ｍｉｎ＜Ｌ＾＜Ｌ_ｍａｘの条件が満たされない場合に、判定部７２４は、インダクタンスの推定値は異常であると判定する。このとき、電流制御器７２は、制御ゲイン７２１の更新を行わない。電流制御器７２は、制御ゲイン７２１の更新を行わないときに、正常と判定されたインダクタンスの推定値を用いて直前に更新された制御ゲイン７２１の値を維持してもよい。

【0080】

判定部７２４は、インダクタンスの推定値Ｌ＾の時間変化を監視してもよい。例えば、判定部７２４は、電流制御周期ごとにＬ＾の時間変化量ｄＬ＾／ｄｔを計算して予め設定された基準値と比較する。判定部７２４は、計算した時間変化量が基準値を超えていない場合に、インダクタンスの推定値は正常であると判定する。このとき、電流制御器７２は、正常と判定されたインダクタンスの推定値を用いて制御ゲイン７２１を更新する。一方、判定部７２４は、計算した時間変化量が基準値を超えている場合に、インダクタンスの推定値は異常であると判定する。このとき、電流制御器７２は、制御ゲイン７２１の更新を行わない。

【0081】

また、インダクタンスは電流に応じて変化するため、判定部７２４は、インダクタンスの推定値Ｌ＾の電流変化を監視してもよい。例えば、判定部７２４は、電流制御周期ごとにＬ＾の電流変化量ｄＬ＾／ｄＩを計算して予め設定された基準値と比較する。判定部７２４は、計算した電流変化量が基準値を超えていない場合に、インダクタンスの推定値は正常であると判定する。このとき、電流制御器７２は、正常と判定されたインダクタンスの推定値を用いて制御ゲイン７２１を更新する。一方、判定部７２４は、計算した電流変化量が基準値を超えている場合に、インダクタンスの推定値は異常であると判定する。このとき、電流制御器７２は、制御ゲイン７２１の更新を行わない。

【0082】

図１２は、実施の形態２に係る制御装置１０の動作の例を示すフローチャートである。
図１２において、インダクタンスの推定値の監視における処理の例が示される。

【0083】

ステップＳ１２０１において、判定部７２４は、推定器７６が推定するインダクタンスの推定値が異常であるか判定するための処理を行う。インダクタンスの推定値が異常であるかの判定は、例えば、推定値自体の大きさ、推定値の時間変化量の大きさ、または推定値の電流変化量の大きさなどに基づいて行われる。このとき、判定部７２４は、例えば推定器７６による推定値の読み込み、時間変化量の計算、または電流変化量の計算などの処理を行う。その後、制御装置１０の処理は、ステップＳ１２０２に進む。

【0084】

ステップＳ１２０２において、判定部７２４は、インダクタンスの推定値が異常であるかを判定する。インダクタンスの推定値が異常であると判定する場合に、制御装置１０の処理は、ステップＳ１２０３に進む。一方、インダクタンスの推定値が異常でないと判定する場合に、制御装置１０の処理は、ステップＳ１２０４に進む。

【0085】

ステップＳ１２０３において、電流制御器７２は、インダクタンスの推定値が異常であるため、制御装置１０の処理は、制御ゲイン７２１の更新を行わずに終了する。このとき、推定器７６の入力信号である電流または電圧などが異常な値となっている可能性もある。このため、制御装置１０は、インダクタンスの推定値が異常であるときに、コンバータ３の制御自体を停止するように構成されていてもよい。

【0086】

ステップＳ１２０４において、電流制御器７２は、インダクタンスの推定値が正常であるため、インダクタンスの推定値を用いて制御ゲイン７２１を更新する。その後、制御装置１０の処理は、終了する。

【0087】

以上に説明したように、実施の形態２に係る制御装置１０において、推定器７６が推定したインダクタンスの監視によって異常の有無が判定される。異常があると判定される場合に、電流制御器７２は、電流制御ゲインを更新しない。

【0088】

このような構成により、制御ゲインが異常な値に更新されてしまうことが抑えられるので、より安定な電流制御系が提供される。

【0089】

実施の形態３．
実施の形態３において、実施の形態１または実施の形態２で開示される例と相違する点について特に詳しく説明する。実施の形態３で説明しない特徴については、実施の形態１または実施の形態２で開示される例のいずれの特徴が採用されてもよい。

【0090】

実施の形態３において、位相補正器７５の位相補正値を監視することで、電流制御器７２の安定性をさらに高められる制御装置１０の例を提供する。

【0091】

図１３は、実施の形態３に係るコンバータ３およびその制御装置１０の構成図である。

【0092】

実施の形態３に係る制御装置１０の制御部７において、実施の形態１に係る制御装置１０と比較して、位相補正器７５から推定器７６への信号線が追加されている。この例の制御装置１０において、位相補正器７５は、位相補正値を監視し、その監視結果に基づいて推定器７６にインダクタンスの推定の可否を通知する。推定器７６は、位相補正器７５から通知されたインダクタンスの推定可否に基づいて、動作を切り替える。位相補正器７５からインダクタンスの推定可能の通知を受信するときに、推定器７６は、インダクタンスの推定を行う。なお、例えばコンバータ３の電流が小さい場合などの異常の有無に関わらずインダクタンスの推定が行われない状況において、推定器７６は、位相補正器７５からの通知の内容に関わらずインダクタンスの推定を行わなくてもよい。位相補正器７５からインダクタンスの推定不可の通知を受信するときに、推定器７６は、インダクタンスの推定を行わない。

【0093】

図１４は、実施の形態３に係る制御装置１０の位相補正器７５の構成を示すブロック図である。
実施の形態３に係る制御装置１０の位相補正器７５は、実施の形態１に係る制御装置１０の位相補正器７５と比較し、判定部７５４をさらに備えている。

【0094】

判定部７５４は、位相補正器７５の計算する位相補正値を監視し、当該位相補正値が異常か否かを判定する機能を搭載する部分である。例えば、判定部７５４は、位相補正値Δφが、予め設定された範囲から外れていないかを判定する。このとき、判定部７５４は、予め設定された位相補正値の最大値Δφ_ｍａｘおよび最小値Δφ_ｍｉｎを記憶する。判定部７５４は、積分器７５３の出力である位相補正値ΔφがΔφ_ｍｉｎ＜Δφ＜Δφ_ｍａｘの条件を満たしているかを判定する。Δφ_ｍｉｎ＜Δφ＜Δφ_ｍａｘの条件が満たされる場合に、判定部７５４は、位相補正値は正常であると判定する。このとき、位相補正器７５は、推定器７６にインダクタンスの推定可能の通知を送信する。一方、Δφ_ｍｉｎ＜Δφ＜Δφ_ｍａｘの条件が満たされない場合に、判定部７５４は、位相補正値は異常であると判定する。このとき、位相補正器７５は、推定器７６にインダクタンスの推定不可の通知を送信する。

【0095】

判定部７５４は、位相補正値Δφの時間変化を監視してもよい。例えば、判定部７５４は、電流制御周期ごとにΔφの時間変化量ｄΔφ／ｄｔを計算して予め設定された基準値と比較する。判定部７２４は、計算した時間変化量が基準値を超えていない場合に、位相補正値は正常であると判定する。このとき、位相補正器７５は、推定器７６にインダクタンスの推定可能の通知を送信する。一方、判定部７５４は、計算した時間変化量が基準値を超えている場合に、位相補正値は異常であると判定する。このとき、位相補正器７５は、推定器７６にインダクタンスの推定不可の通知を送信する。

【0096】

図１５は、実施の形態３に係る制御装置１０の動作の例を示すフローチャートである。
図１５において、位相補正値の監視における処理の例が示される。

【0097】

ステップＳ１５０１において、判定部７５４は、位相補正器７５が計算する位相補正値が異常であるか判定するための処理を行う。位相補正値が異常であるかの判定は、例えば、位相補正値自体の大きさ、または位相補正値の時間変化量の大きさなどに基づいて行われる。このとき、判定部７５４は、例えば計算された位相補正値の読み込み、または時間変化量の計算などの処理を行う。その後、制御装置１０の処理は、ステップＳ１５０２に進む。

【0098】

ステップＳ１５０２において、判定部７５４は、位相補正値が異常であるかを判定する。位相補正値が異常であると判定する場合に、制御装置１０の処理は、ステップＳ１５０３に進む。一方、位相補正値が異常でないと判定する場合に、制御装置１０の処理は、ステップＳ１５０５に進む。

【0099】

ステップＳ１５０３において、位相補正器７５は、位相補正値が異常であるため、位相の補正を行わない。その後、制御装置１０の処理は、ステップＳ１５０４に進む。なお、位相補正値が異常であるとき、位相補正器７５の入力信号である電流または電圧などが異常な値となっている可能性もある。このため、制御装置１０は、位相補正値が異常であるときに、コンバータ３の制御自体を停止するように構成されていてもよい。

【0100】

ステップＳ１５０４において、位相補正器７５は、推定器７６にインダクタンスの推定不可の通知を送信する。その後、制御装置１０の処理は、終了する。

【0101】

ステップＳ１５０５において、位相補正器７５は、位相補正値が正常であるため、その補正値を用いて位相の補正を行う。その後、制御装置１０の処理は、ステップＳ１５０６に進む。

【0102】

ステップＳ１５０６において、位相補正器７５は、推定器７６にインダクタンスの推定可能の通知を送信する。その後、制御装置１０の処理は、終了する。

【0103】

以上に説明したように、実施の形態３に係る制御装置１０において、位相補正器７５が演算した位相検出誤差の補正値の監視によって異常の有無が判定される。異常があると判定された場合に、位相補正器７５は、位相検出器５が検出する位相を補正しない。このとき、推定器７６は、インダクタンスの推定を行わない。

【0104】

このような構成により、インダクタンスが異常な値に推定されてしまうことが抑えられるので、より安定な電流制御系が提供される。

【産業上の利用可能性】

【0105】

本開示に係る制御装置は、コンバータの制御に適用できる。

【符号の説明】

【0106】

１ 交流電源、 ２ リアクトル、 ３ コンバータ、 ４ 平滑コンデンサ、 ５ 位相検出器、 ６ 電流センサ、 ７ 制御部、 １０ 制御装置、 ７１ 電圧制御器、 ７２ 電流制御器、 ７３ 電圧座標変換器、 ７４ 電流座標変換器、 ７５ 位相補正器、 ７６ 推定器、 １００ａ プロセッサ、 １００ｂ メモリ、 ２００ 専用ハードウェア

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】