JPH1028382A - インバータの出力段における電流検出法 - Google Patents

インバータの出力段における電流検出法

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JPH1028382A
JPH1028382A JP8195373A JP19537396A JPH1028382A JP H1028382 A JPH1028382 A JP H1028382A JP 8195373 A JP8195373 A JP 8195373A JP 19537396 A JP19537396 A JP 19537396A JP H1028382 A JPH1028382 A JP H1028382A
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Motonobu Hattori
元信 服部
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路系のコスト高を抑え、かつ、これを小型
に保ちながらインバータ電流の検出ができるような方法
を提供する。 【解決手段】 三相交流のうち任意の一相の電流を実測
するとともに、他の一相の電流値を過去に行った二つの
実測値から近似計算により算出し、さらに、残った一相
の電流値を三相を流れる各相電流の和が零となる関係か
ら三相パルス幅変調インバータの出力段における電流を
算出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、インバータまたは
サーボアンプ(本明細書において、両者を総称して「イ
ンバータ」という)から出力される電流を検出する方法
に関し、さらに詳しくは、電圧型パルス幅変調インバー
タ、すなわち電圧型PWM(PulseWidth M
odulation)インバータの三相電流を検出する
方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図6及び7に基づいて、従来技術につい
て説明する。図6は三相基本波の電流を検出する回路
を、図7は三相基本波の電流を検出する原理をそれぞれ
示している。
【0003】インバータの三相電流を検出する方法とし
て、図6に示すような二つの方法が知られている。その
一つの方法とは、カレントトランス14Uおよび14V
を用いて電流を検出する方法である。また、他の方法と
は、出力トランジスタの上段および/または下段(もし
くは両者)にカレントトランスを配して通過電流を検知
したり、抵抗器13Uおよび13Vを流れる電流を検知
することによって電流を検出する方法である。
【0004】これらの検出方法では、図7(1)に示す
搬送波の何れかのピーク点(山または谷)22,2
2...のうち、上段(または下段)のトランジスタ1
1U,11Vまたは帰還ダイオード12U,12V(図
6)に、図7(2)に示す電流21が流れるタイミング
のときに電流23を検出するようになっている。電流2
3を検出することにより、高調波成分を多く含むインバ
ータの出力電流24の中から、三相モータをベクトル制
御する等のために必要な電流の基本波成分の瞬時値25
を得ることができるようになっている。
【0005】ベクトル演算制御するときには、三相の各
相電流のうち少なくとも二相の電流を同時タイミングで
検出しなければならないが、この点に従来技術の問題点
があった。すなわち、図1に仮想線で示すマイクロコン
ピュータ(マイコン)15に組み込まれているA/D
(アナログ・ディジタル)変換回路系(15a,15
b,15c,15d)は、入力チャンネル数が多いのに
もかかわらず、サンプルホールド回路15bやA/D変
換回路15cが、それぞれ一回路しか組み込まれていな
い。
【0006】一回路しか組み込まれていないのは、第1
にA/D変換回路は多数の素子を必要とするため複数の
回路を持たせるとマイコン自身のコストが高くなるこ
と、第2に素子数に応じてそれらの占有面積が大きくな
るためマイコン自身の物理的寸法が大きくなること等を
避けるためである。このため一般には、図1に符号15
aで示すマルチプレクサ回路をマイコンに持たせ、これ
により入力される複数のアナログデータを選択制御信号
に基づいて後段のサンプルホールド回路15bに逐次出
力するようになっていた。
【0007】したがって、上述した二相の電流は、同時
にA/D変換回路15cに出力されることはなく時間的
なズレを持って出力されることになり、このようなマイ
コンをベクトル演算制御のために使用することができな
かった。そこで、従来は、マイコンの外部にサンプルホ
ールド回路やA/D変換回路系を別個に設け、複数のア
ナログデータを処理していた。しかし、このような方法
では、回路系のコスト高を招くことになるばかりでな
く、これの小型化にも逆行することにもなる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する技術的課題は、上述した問題点を解決することにあ
り、回路系のコスト高を抑え、かつ、これを小型に保ち
ながらインバータ電流の検出ができるような方法を提供
することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上述したような技術的課
題を解決するために発明者は、一回路のサンプルホール
ド回路やA/D変換回路等により一相の相電流値を所定
のタイミングで処理させ、この結果に基づいて、このと
き処理していない他の二相の相電流値を計算により算出
すればよいことに気がつき、次のような構成を採用し
た。
【0010】すなわち、請求項1記載の発明は、上下段
合わせて少なくとも6組のトランジスタおよび当該トラ
ンジスタと逆並列に接続した帰還ダイオードにより構成
した電圧型の三相(U相,V相,W相)パルス幅変調イ
ンバータの出力段における電流検出法であって、上段ま
たは下段の何れか一方の段中の何れか二相(たとえば、
U相とV相)に接続した当該トランジスタまたは当該帰
還ダイオードに流れる電流を検出するための抵抗器また
はカレントトランスを当該二相(U相,V相)に接続
し、当該トランジスタがオン状態のときの搬送波の山ま
たは谷のうち何れかのピーク時における当該二相(U
相,V相)の相電流を予め定めた順序にしたがって検出
した各値をサンプルホールドし、当該サンプルホールド
した検出値をA/D交換してレジスタに書き込んだ後に
メモリに記憶し、当該二相(U相,V相)のうち当該ピ
ーク時に検出しなかった他方の相(たとえば、V相)の
相電流の値を、当該メモリに記憶してある当該他方の相
電流の値のうち何れか二つの値(以前に検出したV相の
相電流ののうち何れかの値)から近似計算により算出
し、当該二相以外の未検出の相(W相)の相電流の値
を、三相を流れる各相電流の和が零となる関係から算出
する構成を採用している。
【0011】ここで「上段または下段の何れか一方の段
中の何れか二相」とは、上段または下段のうち何れかの
段を選択し(ここでは下段を選択する)、さらに、ここ
で選択した下段の三相(U相,V相,W相)のうち任意
に選択した何れかの二相(ここではU相とV相を選択す
る)のことをいい、U相とV相の代わりに選択されたV
相とW相や、U相とW相も該当する。また、下段の代わ
りに上段において同様な選択をしてもよい。
【0012】ここで「予め定めた順序に従って検出」と
は、上記の例のようにU相とV相が選択された場合にお
いて、たとえば、U相とV相を交互に検出することを予
め定めておき、それに従い交互にそれらの電流値を検出
する、の意である。「予め定めた順序」としては、この
ように「交互」に行うものだけでなく、規則的なもので
あればどのようなものでもよい。そのような順序とし
て、たとえば、U相の電流値を2回連続して検出してか
らV相を1回検出しその後にU相を1回検出してからV
相を2回検出するように定め、これらを繰り返すような
ものが該当する。なお、本明細書における「近似計算」
の方法については、発明の実施形態の欄において詳しく
説明する。
【0013】請求項2記載の発明は、請求項1記載の発
明の構成に加え、当該二相(U相,V相)の相電流を交
互に検出する構成を採用している。
【0014】請求項3記載の発明は、上下段合わせて少
なくとも6組のトランジスタおよび当該トランジスタと
逆並列に接続した帰還ダイオードにより構成した電圧型
の三相(U相,V相,W相)パルス幅変調インバータの
出力段における電流検出法であって、上段または下段の
何れか一方の段の三相(U相,V相,W相)に接続した
当該トランジスタまたは当該帰還ダイオードに流れる電
流を検出するための抵抗器またはカレントトランスを当
該三相(U相,V相,W相)に接続し、当該トランジス
タがオン状態のときの搬送波の山または谷のうち何れか
のピーク時における当該三相(U相,V相,W相)の相
電流を一相ずつ予め定めた順序にしたがって検出した各
値をサンプルホールドし、当該サンプルホールドした検
出値をA/D交換してレジスタに書き込んだ後にメモリ
に記憶し、当該三相(U相,V相,W相)のうち当該ピ
ーク時に検出しなかった他の二相(たとえば、V相,W
相)の電流値を、当該メモリに記憶してある当該他の二
相(V相,W相)の電流値のうち各々何れか二つの値か
ら近似計算により算出する構成を採用している。
【0015】請求項4記載の発明は、上下段合わせて少
なくとも6組のトランジスタおよび当該トランジスタと
逆並列に接続した帰還ダイオードにより構成した電圧型
の三相パルス幅変調インバータの出力段における電流検
出法であって、上段または下段何れか一方の段の三相に
接続されている当該トランジスタまたは当該帰還ダイオ
ードに流れる電流を検出するための抵抗器またはカレン
トトランスを当該三相に接続し、当該トランジスタがオ
ン状態のときの搬送波の山または谷のうち何れかのピー
ク時における当該三相の相電流を一相ずつ予め定めた順
序にしたがって検出した各値をサンプルホールドし、当
該サンプルホールドした検出値をA/D交換してレジス
タに書き込んだ後にメモリに記憶し、当該三相のうち当
該ピーク時に検出しなかった他の二相の各電流値を、当
該他の二相のうち一方の相電流の値を、当該メモリに記
憶してある当該一方の相電流の値のうち何れか二つの値
から近似計算により算出し、当該他の二相のうち他方の
相電流の値を、三相を流れる各相電流の和が零となる関
係から算出することによりそれぞれ求める構成を採用し
ている。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、図1〜3に基づいて、本発
明の実施形態について説明する。図1は三相基本波電流
を検出する検出回路を、図2は三相基本波電流検出の原
理を、また、図3は三相基本波電流検出の誤差のシミュ
レーションをそれぞれ示している。
【0017】図1に示すように、インバータの出力段1
には、三相ブリッジ回路2が設けられ、これらを介して
三相交流(U相,V相,W相)が負荷20へ出力される
ようになっている。三相ブリッジ回路2は、主スイッチ
ング素子であるトランジスタ3U,3V,3Wならびに
5U,5V,5Wと、逆並列に接続された帰還ダイオー
ド4U,4V,4Wならびに6U,6V,6Wから基本
的に構成されている。そして、U相とV相には、それぞ
れ抵抗器7U,7Vが挿入され、これらによりトランジ
スタ5U,5Vまたは帰還ダイオード6U,6Vを流れ
る電流量を従来の技術の欄において既に述べた方法によ
り検出できるようになっている。
【0018】このようにして検出された電流アナログ量
は、マイコン10に組み込まれているアナログマルチプ
レクサ10aを介してサンプルホールド回路10bに送
られ、前者により選択されたU相またはV相のうち何れ
かの電流アナログ量を後者によりホールドされるように
なっている。さらに、この電流アナログ量は、A/D変
換器10cによりデジタル量に変換されてレジスタ回路
10dに送られ、メモリ10eに記憶されるようになっ
ている。
【0019】次に、図2に基づいて、本実施形態におけ
る三相基本電流を検出する原理について説明する。先行
技術の欄において既に述べたように、搬送波のピーク点
(山または谷)のうち、下段(または上段)のトランジ
スタまたは帰還ダイオードに電流が流れるタイミングの
ときにその電流を検出することにより、高周波成分を多
く含むインバータ出力電流の中から必要な電流の基本波
成分の瞬時値が得られることはよく知られている。
【0020】ここで、ベクトル演算制御等を行うために
は三相のうち何れか二相の電流値を同時タイミングに検
出したものが必要であり、この検出をどのようにして汎
用マイコンに処理させるかを説明する。図2(1)にお
いて符号15は、U相の電流基本波成分を示すサイン曲
線を表し、n−3,n−2,n−1,n,n+1,n+
2,n+3における電流値は、搬送波のピーク点(山ま
たは谷)22(図7(1))における相電流23をそれ
ぞれ表している。
【0021】この場合において、n−3,n−1,n+
1,n+3におけるものはU相電流の実測値であり、n
−2,n,n+3におけるものはU相電流の理論値であ
る。このことから理解されるように、本実施形態におい
ては、U相,V相,W相の三相のうち、U相とV相が電
流検出対象として選択され、その結果、W相が未検出対
象すなわち算出対象になっている。そして、U相電流と
V相電流が交互に検出され、U相が検出されるときはV
相は検出されずに近似計算の対象とされ、逆にV相が検
出されるときはU相は検出されずに近似計算の対象とさ
れるようになっている。
【0022】次に、図2(2)および(3)に基づい
て、近似計算を行う方法について説明する。図2(2)
は図2(1)の部分拡大図であり、図2(3)は各相電
流の実測値と計算値との関係を示す図である。図2
(2)において、iUn-3とiUn-1は、n−3およびn
−1におけるU相電流の実測値をそれぞれ示し、また、
iUn とiUn-2 は、nおよびn−2におけるU相電流
の近似計算値(このとき検出されるのはV相の電流値)
をそれぞれ示している。
【0023】このようにして実測された電流値は、先に
述べたようにメモリ10e(図1)の中に記憶されてい
る。なお、図2(2)および(3)において、〇は実測
値を、●は計算値を、×は真値すなわち理論値(Sin
Θの値)をそれぞれ示している。
【0024】ここで、近似計算を行う方法について、i
Un (nにおけるU相電流の近似計算値)を例にしてよ
り具体的に説明する。iUn は、既に実測されメモリ1
0eに記憶されている最新の二つの値(iUn-3 ,iUn-1
)から次の計算式により求められる(数1)。
【0025】
【数1】iUn = iUn-1 + (iUn-1 − iUn-
3 )/ 2
【0026】これと同様にn+2におけるU相電流であ
るiUn+2 は、次の計算式(数2)により求められる。
V相電流値を近似計算により算出する場合も、同様であ
る。
【0027】
【数2】iUn+2 = iUn+1 +(iUn+1 − iUn-
1 ) / 2
【0028】以上により、三相のうち二相(U相,V
相)の電流値が求められたわけであるが、次に、未検出
の相(W相)の相電流を求める方法について説明する。
この方法は、図1に示すような三相ブリッジ回路2にお
いて、各相に流れる電流値の和が零(iU+iV+iW
=0)となる関係を利用している。すなわち、三相の各
電流値のうちiUとiVは既に求められているので、i
Wは、−(iU+iV)の値を計算することにより求め
られる、というわけである。これと同様に、iWの代わ
りにiUが未検出相として選択されたときには−(iV
+iW)を計算することにより、また、iWが選択され
たときには−(iU+iV)を計算することによりそれ
ぞれ求められる、というわけである。
【0029】上述した方法は、先に説明したように、こ
れまでに実測した何れか二つの電流値を常に必要とす
る。このため、図2(3)に示すようにiUn-2および
iVn-1の場合はそれぞれ実測値が存在しないのでこれ
らの値を近似計算することはできない。これは、少なく
とも二つの実測値を備えた後(n時点以降)でなけれ
ば、三相の各電流値が求められないことを意味する。検
出開始から少なくとも二つの実測値を備えるまでの期間
は、微少期間であるから無視できるものであって実用上
何ら支障にならないが、かかる実測値を最新の値(n−
3,n−1)とすることが好ましい。このようにするこ
とによりかかる期間を最小とすることができるので、よ
り早期に制御を開始することができるからである。ま
た、近似計算を行う場合に、このような最新の値(n−
3,n−1)を採用することにより近似精度をより高め
ることができる。
【0030】次に、図3に基づいて、本実施形態におけ
る三相基本波電流の検出誤差をシミュレートした結果に
ついて説明する。この結果は、サンプリングレートを1
80回/サイクルとした場合において、基本波電流の一
サイクル波形の中で誤差が最大となる部分(曲率最大部
分)におけるものを示している。図3の表から明らかな
ように、最大誤差はわずかに0.18%にすぎず、この
ような誤差は制御を行う上で全く問題にならないので、
本検出方法が十分な実用性をもっていることが理解でき
る。
【0031】次に、図4および5に基づいて、他の実施
形態について説明する。図4は本実施形態にかかる三相
基本波電流の検出回路を、図5は同検出原理をそれぞれ
示している。なお、本実施形態において、先の実施形態
と共通するものについては、同一の名称および符号を用
いるとともにそれらの説明を省略する。
【0032】先の実施形態と本実施形態とが異なる点
は、次の2点である。第1に、先の実施形態においては
抵抗器(カレントトランス)が何れか二相にのみ接続さ
れている点で、三相すべてに接続されていて各相すべて
の電流値を検出できるようになっている本実施形態とは
異なっている。第2に、先の実施形態においては二相の
うち一方の電流値を検出することにより他方の電流値を
近似計算するとともに残った相について先の二相との関
係から算出するようになっている点で、何れか一相の電
流値を検出し、他の二相の電流値を近似計算により求め
るようになっている本実施形態と異なっている。
【0033】図5において符号16は、先の実施形態の
場合と同様にU相の電流基本波成分を示すサイン曲線を
表し、n−5,n−4,・・・,n,・・・n+3,n
+4における電流値は、搬送波のピーク点(山または
谷)22(図7(1))における相電流23をそれぞれ
表している。本実施形態においては予め定めた順序とし
てU,V,Wの順序を採用しているので、n−4,n−
1およびn+2におけるものがU相電流の実測値である
とすると、n−3,nおよびn+3がU相の理論値であ
り、このときのV相が実測対象である。また、n−5,
n−2,n+1およびn+4におけるものも同様にU相
の理論値であり、このときのW相が実測対象である。
【0034】上述したように、n+2においてはU相の
相電流が検出されるようになっているので、このときに
はV相およびW相の各電流値は検出されずに先の実施形
態の場合と同様に既に検出された二つの最新実測値から
求められるようになっている。つまり、V相の電流値は
nおよびn−3における検出結果により、W相の電流値
はn+1およびn−2における検出結果によりそれぞれ
近似計算するようになっている。これを具体的な数式に
より表すと、次のようになる(数3)。
【0035】
【数3】 iUn+2 = 実測値 iVn+2 = iVn + 2(iVn − iVn-3 )/ 3 iWn+2 = iWn+1 + (iWn+1 − iWn-2 )/ 3
【0036】なお、これまで説明したことはU相電流が
検出された場合についてであるが、V相電流の場合でも
W相電流の場合でも同じであることはいうまでもない。
【0037】最後に、上述した他の実施形態の変形例に
ついて説明する。他の実施形態と本実施形態とが異なる
のは、次の点である。すなわち、他の実施形態において
は検出しなかった他の二相の電流値のうち各々何れか二
つの値から近似計算により算出する点で、検出しなかっ
た他の二相の電流値のうち、何れか一方の相電流の値
を、メモリ10eに記憶してある一方の相電流の値のう
ち何れか二つの値から近似計算により算出し他方の相電
流の値を三相を流れる各相電流の和が零となる関係から
算出することによりそれぞれ求める本実施形態と異なっ
ている。近似計算の方法や各相電流の和が零となる関係
等についてはすでに述べてあるので、ここでは数式のみ
以下に示し(数4)、その他の詳しい内容の説明は省略
する。
【数4】 iUn+2 = 実測値 iVn+2 = iVn + 2(iVn − iVn-3 )/ 3 iWn+2 = −(iUn+2 + iVn+2 )
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、マイコンの外部にサン
プルホールド回路等のA/D変換回路系を設けたりする
ことなく、マイコン内部に組み込まれている単一のサン
プルホールド回路等だけで同時に三相の各相電流の基本
波成分の瞬時値を得ることができるようになる。このよ
うに部品点数を増加させる必要がないのでマイコンのコ
スト高を抑えながら回路系を小型に保ちつつインバータ
電流の検出ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態にかかる基本波電流を検出
する検出回路を示す図である。
【図2】 三相基本波電流検出の原理を示す図および図
表である。
【図3】 三相基本波電流検出の誤差のシミュレーショ
ンを示す図表である。
【図4】 他の実施形態にかかる三相基本波電流の検出
回路を示す図である。
【図5】 他の実施形態にかかる三相基本波電流の検出
原理を示す図である。
【図6】 従来の三相基本波の電流を検出する回路を示
す図である。
【図7】 従来の三相基本波の電流を検出する原理を示
す図である。
【符号の説明】
1 インバータの出力段 2 三相ブリッジ回路 3U トランジスタ 3V トランジスタ 3W トランジスタ 4U 帰還ダイオード 4V 帰還ダイオード 4W 帰還ダイオード 5U トランジスタ 5V トランジスタ 5W トランジスタ 6U 帰還ダイオード 6V 帰還ダイオード 6W 帰還ダイオード 7U 抵抗器 7V 抵抗器 9 負荷 10 マイコン 10a アナログマルチプレクサ 10b サンプルホールド回路 10c A/D変換器 10d レジスタ回路 10e メモリ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上下段合わせて少なくとも6組のトラン
    ジスタおよび当該トランジスタと逆並列に接続した帰還
    ダイオードにより構成した電圧型の三相パルス幅変調イ
    ンバータの出力段における電流検出法であって、 上段または下段の何れか一方の段中の何れか二相に接続
    した当該トランジスタまたは当該帰還ダイオードに流れ
    る電流を検出するための抵抗器またはカレントトランス
    を当該二相に接続し、 当該トランジスタがオン状態のときの搬送波の山または
    谷のうち何れかのピーク時における当該二相の相電流を
    予め定めた順序に従って検出した各値をサンプルホール
    ドし、 当該サンプルホールドした検出値をA/D交換してレジ
    スタに書き込んだ後にメモリに記憶し、 当該二相のうち当該ピーク時に検出しなかった他方の相
    電流の値を、当該メモリに記憶してある当該他方の相電
    流の値のうち何れか二つの値から近似計算により算出
    し、 当該二相以外の未検出の相の相電流の値を、三相を流れ
    る各相電流の和が零となる関係から算出することを特徴
    とするインバータの出力段における電流検出法。
  2. 【請求項2】 当該二相の相電流を交互に検出するよう
    にしたことを特徴とする請求項1記載のインバータの出
    力段における電流検出法。
  3. 【請求項3】 上下段合わせて少なくとも6組のトラン
    ジスタおよび当該トランジスタと逆並列に接続した帰還
    ダイオードにより構成した電圧型の三相パルス幅変調イ
    ンバータの出力段における電流検出法であって、 上段または下段何れか一方の段の三相に接続されている
    当該トランジスタまたは当該帰還ダイオードに流れる電
    流を検出するための抵抗器またはカレントトランスを当
    該三相に接続し、 当該トランジスタがオン状態のときの搬送波の山または
    谷のうち何れかのピーク時における当該三相の相電流を
    一相ずつ予め定めた順序にしたがって検出した各値をサ
    ンプルホールドし、 当該サンプルホールドした検出値をA/D交換してレジ
    スタに書き込んだ後にメモリに記憶し、 当該三相のうち当該ピーク時に検出しなかった他の二相
    の電流値を、当該メモリに記憶してある当該他の二相の
    電流値のうち各々何れかの二つの値から近似計算により
    算出することを特徴とするインバータの出力段における
    電流検出法。
  4. 【請求項4】 上下段合わせて少なくとも6組のトラン
    ジスタおよび当該トランジスタと逆並列に接続した帰還
    ダイオードにより構成した電圧型の三相パルス幅変調イ
    ンバータの出力段における電流検出法であって、 上段または下段何れか一方の段の三相に接続されている
    当該トランジスタまたは当該帰還ダイオードに流れる電
    流を検出するための抵抗器またはカレントトランスを当
    該三相に接続し、 当該トランジスタがオン状態のときの搬送波の山または
    谷のうち何れかのピーク時における当該三相の相電流を
    一相ずつ予め定めた順序にしたがって検出した各値をサ
    ンプルホールドし、 当該サンプルホールドした検出値をA/D交換してレジ
    スタに書き込んだ後にメモリに記憶し、 当該三相のうち当該ピーク時に検出しなかった他の二相
    の各電流値を、 当該他の二相のうち一方の相電流の値を、当該メモリに
    記憶してある当該一方の相電流の値のうち何れか二つの
    値から近似計算により算出し、 当該他の二相のうち他方の相電流の値を、三相を流れる
    各相電流の和が零となる関係から算出することによりそ
    れぞれ求めることを特徴とするインバータの出力段にお
    ける電流検出法。
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