JPH0736703B2

JPH0736703B2 - 電力変換器の制御装置

Info

Publication number: JPH0736703B2
Application number: JP62171005A
Authority: JP
Inventors: 博美稲葉; 武喜安藤; 俊明黒沢; 三根　　俊介
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-07-10
Filing date: 1987-07-10
Publication date: 1995-04-19
Anticipated expiration: 2010-04-19
Also published as: JPS6416265A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は電力変換器の制御装置に係り、特にコンピユー
タ（マイクロコンピユータ）制御に好適な電力変換器の
制御装置に関する。

〔従来の技術〕

インバータなどの電力変換器では、その制御に、従来は
主としてアナログ方式によるものが使用されていた。

しかしながら、このようなアナログ方式の制御装置で
は、それに使用されている種々の部品の経年変化などに
よる出力の変動や、設定精度に限度があるなどの問題点
がある。

そこで、このような問題点の改善のため、デジタル方式
の制御装置が種々提案されるようになり、その一例とし
て、例えば、特開昭57−25171号公報は、マイコン（マ
イクロコンピユータ）のバスに外付されたタイマに、処
理閑散時にパルス幅データを書込んでおき、マイコンは
このタイマによる割込を受けたとき、単にこのタイマに
起動指令を供給するだけであとはスケジユール的に処理
が行われ、これによりマイコンは出力処理から解放され
るようにした方式について提案している。

そして、この方式によれば、マイコンはパルス幅データ
算出のためのデータテーブルの参照，データの加工等の
処理に専念できるので、良好な性能が期待できる。

また、この方式とは別に、電気学会論文誌60−B61によ
る、ワンチツプマイコンに内蔵の入出力ポートとパルス
増幅器を直接接続する方式についての提案もある。

この方式によれば、タイマはワンチツプマイコンに内蔵
のものを利用でき、分配回路もソフトウエア化できるた
め回路構成は単純化され、かつ、ポートの異常も、ある
程度まではマイコンの自己診断機能によつてカバーでき
るという利点が得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、これらのうち、前者の方式では、タイ
マ，分配回路など別置の装置を必要とするため、以下の
列挙する問題点がある。

構成上、３系統のタイマ出力を電力変換装置の６個
のスイツチング素子（電力変換器が３相交流系統の場
合）に分配する回路およびタイマ回路を必要とし、これ
ら外付の回路によるコストアツプおよびノイズ混入によ
る誤動作の増加がある。

装置用マイコンから見た場合、タイマおよび分配回
路がマイコンの外部に存在するため、マイコン自身が持
つている故障診断機能（例えばウオツチドツグタイマな
ど）によつては異常検出ができないので、これら外付の
回路の為に別途、故障検出回路が必要になる。

また、後者の方式では、マイコンの処理が多くなり、電
力変換器のスイツチング素子に供給する制御信号の最小
パルス幅を充分に狭くすることができないという問題点
があつた。

の問題点はスイツチング周波数を高く設定する際、ある
いはコンバータの同期性能などに悪い影響を与える。

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点に対処し、
マイコンを用いた簡潔な回路構成で、高周波スイツチン
グや同期性能の向上を可能とした電力変換器の制御装置
を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、一定時間（ｎΔt₁）毎に、この一定時間（ｎ
Δt₁）内に発生させるべき複数のパルスのパルス幅を決
定する手段と、決定された一定幅の複数のパルスを前記
一定時間（ｎΔt₁）内をｎ等分した所定周期（Δt₁）毎
に１つづつｎ回連続して発生する手段を備えたことを特
徴とする。

〔作用〕

制御信号を、それが実際に必要になる時刻に先立つて、
それとは無関係に予じめ作成しておくことができるた
め、マイコンの負荷が軽くなり、簡単な構成で充分に最
小パルス幅の狭いパルスを発生させることができる。更
にスケジユール処理間隔を供給時刻算出間隔よりも短く
したので、むだ時間がなくなり、スイツチング周波数を
高く設定したり、コンバータの周期処理を良好に行なう
ことが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明による電力変換器の制御装置について、図
示の実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例で、図において、１は三相交
流電源、２は過電圧抑制用のコンデンサ、２は電流形コ
ンバータ部で、31〜36はその主スイツチング素子を構成
するトランジスタ、４は直流リアクトル、５は電流形イ
ンバータ部で、51〜56はその主スイツチング素子を構成
するトランジスタ、６は過電圧抑制用のコンデンサ、７
は負荷の一例として示した誘導電動機、８は直流電流検
出器、９は一次電流指令i₁＊とフイードバツク値i₁を比
較する比較器、10,11はパルスパターン（制御信号）を
トランジスタ31〜36,51〜56に供給するための、ワンチ
ツプマイコンである（なお、これらのワンチツプマイコ
ン10と11は同一のハード構成となつているので、その詳
細な説明は主として制御回路10について行なう）。

12はコンバータ制御系に与えられる一次電流指令i₁＊が
供給される端子、13,14はインバータ制御系に与えられ
る周波数指令ω_１＊と位相指令θ＊が供給される端子、
15は電源同期用の信号を入力するための信号線である。

ワンチツプマイコン10は入力ポート101,内部バス102,プ
ログラムやパルス幅データテーブル等を格納するROM10
3,一時記憶やレジスタとして用いられるRAM104,演算等
を実行するALU105,出力ポート106に所定のパルスパター
ン（事象）からなる制御信号を出力するために必要な事
象の設定を行う事象設定レジスタ107,この事象をいつイ
ネーブルにするかの時刻設定を行う時刻設定レジスタ10
8,これら両設定レジスタ107,108の内容を連結し保持す
る保持レジスタ109,この保持レジスタ109に設定された
いく組かの設定データが順次、サイクリツクに格納され
る連想メモリ110,実際の時刻を出力するタイマ111,この
タイマ111による時刻と連想メモリ110内の設定時刻内容
とを比較し、これらが一致したときに出力を発生する比
較部112,この比較部112からのトリガを受け設定された
事象を出力ポート106に出力制御する実行コントローラ1
13などで構成される。

次に、この実施例の動作について説明する。ただしここ
では、まずインバータ制御の場合を例にとつて説明す
る。

第２図は出力ポート106に発生させる事象、つまりパル
スパターンを求める事象算出処理プログラムF1000の概
略フローチヤートである。まずF1100で周波数指令ω_１
＊，位相指令θ＊を入力ポート101から読み取る。勿論
このω_１＊とθ＊もワンチツプマイコン10の内部で計算
する場合には、このF1100でのポート読み取りは不要と
なる。次にこの周波数指令ω_１＊を一定時間Δt₁ごとに
積分し、位相指令θ＊と加算して総合位相θ_Ｔを処理F1
200で求める。次に電気角360゜を60゜ごとに分けた６つ
のモードのうち、今回求めた総合位相θ_Ｔではどのモー
ドでのパルスパターンを出力すればよいか、つまり総合
位相θ_Ｔに応じて出力事象をF1300の処理で求める。な
お、総合位相θ_Ｔと６つのモードとの関係は後に詳述す
る。さらに最後に割込みインターバルΔt₁間にパルスパ
ターンを変化させるまでの時間ｔ_Enを総合位相θ_Ｔによ
るデータテーブルの参照によつて求めておく処理をF140
0で行う。

従つて、この処理によつて２つのレジスタ107と108に設
定する事象内容と事象変化時刻の２項目が求まつたこと
になる。

次に、このようにして求めておいて２つの項目を出力ポ
ート制御用の連想メモリ110に設定する処理F2000を第３
図に示す。

まずF2100で６個のトランジスタに必要な事象設定と時
間設定が完了したかどうかを判断し、NOであればF2200
で該当する事象設定を行い、F2300で事象変化の時間設
定を行う処理を終る。

次にこれら２つの処理F1000とF2000がどのような時間経
過で起動されるかを第４図に示す。

事象設定処理F2000はΔt₁ごとに生じるタイマ割込み200
0に同期して起動される。一方事象算出処理F1000はタイ
マ割込み2000に先立つて生じる第２のタイマ割込み1000
によつて起動される。この図ではタイマ割込み1000は２
Δt₁ごとに起動し、タイマ割込み2000はΔt₁ごとに起動
としているので事象算出処理F1000は事象設定処理F2000
に対して、２回に１回の割合で実行されることがわか
る。つまりスケジユールされるデータの更新は２回に１
回という割合となつている。従つて、実際に事象設定さ
れるデータは事象算出処理で求めた値の1/2を用いるこ
とになる。高周波スイツチングを実現するために、事象
設定間隔Δt₁をさらに短かくする場合にはマイコンの処
理能力の関係から事象算出処理間隔を４・Δt₁、あるい
は６・Δt₁に設定すれば目標を達成することができる。

このような処理を行えばインバータ装置５のスイツチン
グ周波数を高く設定することができる。

次に第５図を用いて処理F1300のパルスパターンの決定
について説明する。

この実施例におけるインバータ制御の場合には、電圧角
60゜ごとにパルスパターンを変化させ、360゜で一巡す
る６組のモードをくり返すようにしている。そこで60゜
を区間とする６組のモードM1〜M6を総合位相θ_Ｔで選択
するようにした。そのフローチヤートが第５図である。
なお、位相θ_Ｔが０゜〜360゜以外の領域に出た場合に
は360゜を加減算して領域内にθ_Ｔを引きもどす領域チ
エツクをF1300の先頭で行つておく。

次に第６図に電流形インバータへの適用を例にとつた事
象決定テーブルを示す。ここではタイマ割込み1000の間
隔を事象設定間隔の２倍とした場合を示す。期間Δt₁/₂
の間、常時点弧させておくトランジスタ、事象発生まで
の間点弧させ、その後、消弧させるトランジスタ、事象
発生までの間、消弧させておき、その後、点弧させるト
ランジスタの各組み合わせを示す。従つて位相θ_Ｔがわ
かればモードがわかり、消点弧させるべきトランジスタ
が特定できることになり、この時点（F1300の処理が終
つた時点）でまだわからないのは、いつ消点弧を行うか
ということだけになる。

ここで点弧についてはたとえば事象設定の際にレジスタ
に“1"を、消弧についは“0"を設定するという具合にそ
れぞれのトランジスタに出力指定を行うことを意味す
る。

第８図では事象を変化させる時間の元となるデータ（こ
のデータを分割スケジユール数で除算したものを使
う。）を求める処理（第２図のF1400）について説明す
る。結論的にいえば正弦波出力に近い波形が得られれば
よいであるからこの実施例では位相θ_Ｔに応じてsinθ
_Ｔと120゜位相ずれのあるsin（θ_Ｔ−120゜）,sin（θ
_Ｔ−240゜）の波高値の比に割込み間隔Δt₁を分配する
方式を用いた。つまり第１および第２の事象発生（パル
スパターンを変化させること）までの時間ｔ_E1n,t_E2nを
位相θ_Ｔの関数として下式で求めてテーブル化してお
き、位相θ_Ｔで検索するのである。

ｔ_E1n＝Δt₁sin（θ_Ｔ−240゜），ｔ_E2n＝ｔ_E1n＋Δt₁・sinθ_Ｔそして検索したデータをスケジユールの分割数で除して
具体的な事象発生までの時間を算出するのである。

第８図に動作モードとトランジスタ51〜56に与えられる
ポート出力信号S51〜56の一例を示す。

次に、それではその図のモード１のはじめの部分を例に
とつて具体化した事象設定処理のフローチヤートを第９
図に示す。なお、前述のように、第３図では概略説明の
ためループ構成で説明したが、実際には第９図に示すよ
うに直列的に流れる処理としている。

この第９図のフローチヤートは第８図の時点t₀からt₀＋
Δt₁/2までの１つのタイマ割込み期間用の事象設定処理
を示したもので、まず、時点t₀割込が生じると、F2410
でこのモード１では常時点弧するトランジスタ55（第６
図参照）と第１の事象発生までの間点弧するトランジス
タ53にすぐに点弧信号が発生するように事象セツトと時
刻セツトをそれぞれのトランジスタについて２組のセツ
トを行う。すなわち、トランジスタ55と53に対応するポ
ート３と５に“1"を発生するよう事象セツトを行い、次
に時刻セツトとして今の時刻t₀に所定時間ｔ_ｄを加えて
所定レジスタにセツトする。このとき、すぐに点弧する
のであるから、この時間ｔ_ｄとしては可能な限り小さな
値を選ぶ必要がある。これによつて事象と時刻が連想メ
モリ110にセツトされ、以後、スケジユール的にｔ_ｄ経
過後、トランジスタ55と53に“1"信号が出力されること
になる。

なお、ここで所定時間ｔ_ｄを付加しているのは、次の理
由による。すなわち、事象を連想メモリ110にセツト
し、それから読み出されるまでにはいくらかの時間が必
然的に経過してしまう。従つて、この時間ｔ_ｄを付加し
ないで今の時刻t₀をセツトしてのでは、もはや比較器11
2での一致は得られず、この事象を出力ポート106に与え
ることは不可能になつてしまうからである。

F2420では位相指令θ＊の急変等で動作モードが前回と
変わつたことを想定して、このモードでは消弧状態にあ
るべきトランジスタの消弧確認処理を行う。処理はF241
0と同様連想メモリ110を用いるが、ここでは事象か消弧
であるのでポート1,2,4,6に“0"を発生するよう事象セ
ツトを行う。

次に時点t₀＋ｔ_En/2でトランジスタ53が消弧するような
スケジユール処理をF2430で行う。事象はポート３に
“0"出力であり、時刻はt₀＋ｔ_E1n/2をセツトする。仮
にｔ_ｄがある程度大きな値であれば、この時点で同一タ
イマ割込み内で１つの出力ポートについて複数の事象が
時刻をへだててスケジユールされたことになる。

さらにF2440ではトランジスタ53の消弧に代わつてトラ
ンジスタ51の点弧スケジユール設定が行われる。

なおここではトランジスタ53の記弧とトランジスタ51の
点弧を同一時刻としたが、過電圧防止として電流形イン
バータでは“1"期間をラツプさせ、電圧形では過電流を
防止するため非ラツプ期間を作るためｔ_En/2の時間をF2
430とF2440で変える考慮も可能である。

次に、第２の事象発生点t₀＋ｔ_E2n/2でトランジスタ51
を消弧するスケジユール（F2450）、トランジスタ52を
点弧するスケジユール（F2460）を引きつづいて行う。

このように、以上の実施例では、位相θ_Ｔの算出，θ_Ｔ
に基づいて消点弧すべきトランジスタを決定し、さらに
θ_Ｔによつて消点弧する時間を所定時間Δt₁ごとに決定
し、さらに消点弧すべきトランジスタとその時刻を対に
してスケジユールを組むという処理を所定時間Δt₁より
も短かいインターバルごとに行うようにしており、従つ
て、この一連の処理により従来の搬送波と変調波との比
較による方式とくらべマイクロプロセツサ（ALU）が常
時比較に拘束されるというような不具合がなくなるばか
りか、高周波インバータ制御への適用が可能であるため
出力波形の正弦波化という制御上の効果をも発生させる
ことができた。

なお以上の説明では電動機のベクトル制御を考慮して周
波数指令ω_１＊と位相指令θ＊を用いて総合位相指令θ
_Ｔを算出した実施例について示したが、単にインバータ
周波数指令ω_１＊のみを与えるだけでよいような場合に
はθ＊を省略しθ_Ｔは、 θ_Ｔ＝Σω_１＊Δｔより算出したものを用いても本発明の本質は損われな
い。

また、この実施例では第７図に示したテーブルを少なく
するために60゜区間のみとしたが、これを360゜に拡大
すればテーブルの量は増えるが、θ_Ｔを60゜区間に換算
して消点弧時間を求める手間がなくなるという効果があ
る。

また、事象設定処理F2000内のスケジユール処理に第１
図ではワンチツプマイコン内のプログラマブルI/O機能
を利用したが、ポートが不足する場合、あるいはポート
出力信号のチエツク等でワンチツプマイコン内のプログ
ラマブルI/Oが用いられない場合には、同等の機能を有
する外付け周辺I/Oを用いても同等の効果が得られるの
は言うまでもない。

なお、ここではタイマ割込み間隔Δt₁の変化については
詳細に述べなかつたが、素子の温度上昇などの外部要因
によつてスイツチング周波数を変化させる必要がある用
途に対しては、これらの変化に比例してｔ_E1n,t_E2nを変
化させるようなルーチンを追加するだけでΔt₁の可変に
対しても応じることができる。

以上の説明ではインバータ制御への適用を例にとつた
が、次にコンバータ制御への適用上の効果を示す。この
場合もインバータ制御の場合と同様、事象設定処理の起
動間隔を事象算出処理の1/2とした時を例にとる。事象
算出処理は第２図に示した処理とほぼ同じであるが、こ
こでは周波数指令ω_１＊として使用する電源の周波数を
設定する。また位相指令θ＊と通流率指令γ＊は電流偏
差に応じて算出する。インバータ制御と異なるのは電源
同期処理を行う点にある。この処理は事象設定処理F200
0と組み合せたコンバータ用事象設定処理F3000としてい
る。この処理のフローチヤートを第10図に示す。F3100
で電源からの同期要求があつたかどうかの判定を行うNO
であれば通常の事象設定処理F2000を行つて処理を終る
が、要求があつた場合にはスケジユールするデータを変
更して同期をとる必要がある。

F3200で同期入力から今回の事象設定処理が起動された
までの経過時間ｔ′を算出し、F3300でこの経過時間
ｔ′に基づいて周波数指令の積分項の初期値を求める。
そしてF3400でこの積分項と位相指令から総合位相θ_Ｔ
を求め、F3500でθ_Ｔに応じて６コのトランジスタに与
える事象を決定し、F3600でθ_Ｔに応じてパターンを変
化させるまでの時間を求め、F2000でスケジユールをし
て処理F3000を終了する。

このような連想メモリを用いたスケジユール出力によつ
てPWMパルスパターンの更新を行う方式ではスケジユー
ル間隔（Δt₁/n）（ただしｎは事象設定処理の分割数）
の途中で同期入力があつた場合、次のスケジユール設定
までの間はパルス出力に変化が生じないので同期処理を
むだ時間を伴うが、ここで提案したように事象算出処理
よりも短かい間隔で事象設定処理を行えば、この同期処
理に伴うむだ時間を十分に小さくすることができるの
で、直流出力の脈動を十分小さくできる特有の効果があ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、インバータの高周波化，コンバータの
同期性能向上など従来のマイコン制御技術では対応が困
難であつた項目を改善することができるので、経年変化
や調整が不要なデジタルPWM制御を実現できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体構成図、第２図は
電流形インバータ装置の一例を示す回路図、第３図は事
象設定処理を示すフローチヤート、第４図は割込みタイ
ミングの説明図、第５図はモード選択処理を示すフロー
チヤート、第６図はモードの説明図、第７図は時間設定
の説明図、第８図はPWM制御パルスの一例を示すタイム
チヤート、第９図は事象設定処理の一部を示すフローチ
ヤート、第10図はコンバータ用事象設定処理を示すフロ
ーチヤートである。４……直流リアクトル、５……主スイツチング回路、10
……マイコン、51〜56……トランジスタ、101……入力
ポート、102……内部バス、103……ROM、104……RAM、1
05……ALU、106……出力ポート、107……事象設定レジ
スタ、108……時刻設定レジスタ、109……保持レジス
タ、110……連想メモリ、111……タイマ、112……比較
部、113……実行コントローラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三根俊介茨城県勝田市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (56)参考文献特開昭59−185169（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電力変換器の主回路を構成する複数のスイ
ッチング素子と、これらのスイッチング素子をオン、オ
フするスイッチングパルスを発生する制御装置とよりな
る電力変換器の制御装置において、前記制御装置は、一定時間（ｎΔt₁）毎に、この一定時
間（ｎΔt₁）内に発生させるべき複数のパルスのパルス
幅を決定する手段と、決定された一定幅の複数のパルスを、前記一定時間（ｎ
Δt₁）内をｎ等分した所定周期（Δt₁）毎に１つづつ、
ｎ回連続して発生する手段を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。