JP2002084780A

JP2002084780A - モータ制御装置

Info

Publication number: JP2002084780A
Application number: JP2000265457A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Notohara; 保夫能登原; Tsunehiro Endo; 常博遠藤; Mitsuhisa Kawamata; 光久川又; Yuichiro Takamune; 裕一郎高宗
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2002-03-22

Abstract

(57)【要約】【課題】ブレーキトルクを制御しながら直流電圧の上
昇を抑制した状態でモータを減速・停止させること。【解決手段】インバータ主回路１に制御回路６０から
ＰＷＭ信号を出力してインバータ主回路１による変換出
力を制御するに際して、ブラシレスモータ２のモータ電
流を回転座標系のｑ軸電流とｄ軸電流とに分け、回転数
制御回路５で生成されたｑ軸電流指令値Ｉｑ※にしたが
ってｑ軸電流を調整してブレーキトルクを制御し、減速
時に直流電圧が所定値Ｅｄ１※を超えたときに直流電圧
抑制回路７で生成されたｄ軸電流指令値Ｉｄ※にしたが
ってｄ軸電流を調整して回生エネルギーを制御すること
で、機械的ブレーキや電力消費回路を用いることなく、
直流電圧を所定位置以下に抑制しながらモータ２の急停
止、急減速が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インバータ回路を
用いてモータの駆動を制御するモータ制御装置に係り、
特に、モータに対する急可変速制御を行うインバータ機
器や外力によりモータが回転させられるモータ駆動装置
の減速、停止制御を行うに好適なモータ制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、モータ駆動機器はインバータ化が
進み、家電製品のほとんどがブラシレスモータを用いた
インバータ制御機器になっている。

【０００３】なかでも、洗濯機は、回転・停止・（反
転）を繰り返したり、脱水時の高速回転からの急停止な
ど、急減速運転を頻繁に繰り返している。また、電動自
転車やファンなど外力により回されることのあるシステ
ムはオーバースピードにならないように、回転数を抑制
（減速）する必要がある。

【０００４】このような減速、停止を行うために、例え
ば、モータ軸に機械的ブレーキ装置を設置したり、駆動
モータにブレーキトルクが発生するように電流を流し、
電磁ブレーキ（電気的ブレーキ装置）として使用したり
する方式、または上記２つのブレーキを組み合わせた方
式などが知られている。

【０００５】例えば、洗濯機の洗濯槽駆動用モータの制
御装置としては、図４に示されるものが知られている。
この制御装置のおいては、インバータ主回路１の前段に
回生エネルギーを消費する電力消費回路１１を設けると
ともにモータ軸に機械的ブレーキ装置１２が設けられて
いる。しかし、機械的ブレーキ装置１２は文字通り機械
的機構を別に設けたものであり、小型軽量化が困難とな
る。

【０００６】また電気的ブレーキ装置として駆動モータ
を使用する方式としては、駆動モータの巻線を短絡する
方式や誘起電圧と逆位相の電流を流す方式（逆位相電流
方式と称する。）がある。

【０００７】モータ巻線を短絡する方式としては、例え
ば、特開平１０−３２３０７９号公報や特開２０００−
１３４９０５号公報に記載されているものが提案されて
いるが、これらの方式はいずれもブレーキ力が十分では
ない。

【０００８】一方、逆位相電流方式は誘起電圧と逆位相
の電流を流すことでモータにブレーキトルクを作用させ
ることはできるが、このとき回生エネルギーが発生し、
この回生エネルギーによりインバータ入力側の直流電圧
が上昇してしまう。このため、回生エネルギーを消費す
るための電力消費回路１１を設置することが余儀なくさ
れる。

【０００９】また、電力消費回路１１などを使用しない
で直流電圧の上昇を防止するためには、減速率を下げて
ゆっくり減速する方法も考えられるが、この方法では本
来の目的である急減速が達成できない。

【００１０】そこで、これらの課題を解決する１つの方
式として、例えば、特開平１１−２７５８８９号公報に
記載されているものが提案されている。この方式は、上
記逆位相電流方式を改善したものであり、巻線電流の位
相を直流電圧の大きさによって調整することで、直流電
圧を設定値に維持し、電力消費回路１１を省略したもの
である。

【００１１】この方式においては、ブレーキ開始指令が
発生したときに、そのときの回転速度に応じて、インバ
ータ出力電圧の位相と電圧値を予め設定されている値
（回転速度に対する値）に初期設定して出力し、その
後、直流電圧値の大きさあるいは回転速度の降下率に応
じて、上記インバータ出力電圧の位相と電圧値を調整す
るようになっている。ここで、位相と電圧値を別々に変
化させてもよく、また連動させても良い。

【００１２】インバータの出力電圧の位相および電圧値
を変化させると、モータの巻線電流の位相と大きさが変
化し、回生エネルギーとブレーキトルクを変化させるこ
とができる。このため、上記方式によれば、回生エネル
ギーを調整できるため、直流電圧の上昇を抑え、直流電
圧を一定値に調整することが可能になる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、回生エネルギーを変えるとブレークトルクも同時
に変化するため、ブレーキトルクを所定の値に制御しな
がら回生エネルギーを調整することはできない。言い替
えると、ブレークトルクと回生エネルギーを個別に制御
できないため、回転数を所定の値に制御しながらの減速
は難しい。

【００１４】また、インバータ出力電圧の位相と大きさ
（電圧値）と回生エネルギーおよびブレーキトルクとの
関係が不十分である。言い替えれば、インバータ出力電
圧の位相と大きさ（電圧値）の決定法に理論的説明がな
く、実験的に決定されているので、駆動モータのばらつ
きや機種の違いなどによっては対応が困難となる。

【００１５】さらに、回生エネルギーを調整して直流電
圧を制御しているが、回生エネルギーを零にすること、
言い替えれば、モータの入出力電力を等しくして直流電
圧の上昇を抑制するという発想はない。

【００１６】本発明の目的は、モータに制動力を与える
装置やモータから発生する電気的エネルギーを消費する
回路を用いることなくブレーキトルクを制御しながら直
流電圧の上昇を抑制した状態でモータを減速・停止させ
ることのできるモータ制御装置とそれを用いた洗濯機、
電気自動車を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、制御信号に応答して直流電力を交流電
力に変換し変換された交流電力をモータに供給するイン
バータ回路と、前記インバータ回路に制御信号を与えて
前記インバータ回路による変換出力を制御する変換出力
制御手段とを備え、前記変換出力制御手段は、前記モー
タの減速時に前記モータから発生する回生エネルギーと
前記モータに作用するブレーキトルクとを別々に制御し
てなるモータ制御装置を構成したものである。

【００１８】前記モータ制御装置を構成するに際して
は、以下の要素を付加することができる。

【００１９】（１）前記変換出力制御手段は、前記モー
タのモータ電流を回転座標系のｑ軸電流とｄ軸電流とに
分け、前記ｑ軸電流を調整して前記ブレーキトルクを制
御し、前記ｄ軸電流を調整して前記回生エネルギーを制
御してなる。

【００２０】（２）前記変換出力制御手段は、前記回生
エネルギーとして、前記インバータ回路入力側の直流電
力、直流電圧、直流電流または前記モータの入力電力の
うちいずれか１つを制御してなる。

【００２１】前記各モータ制御装置を構成するに際して
は、以下の要素を付加することができる。

【００２２】（１）前記変換出力制御手段は、前記イン
バータ回路入力側の直流電力、直流電圧、直流電流また
は前記モータの入力電力のうちいずれか１つを検出する
回生エネルギー検出手段と、前記回生エネルギー検出手
段の検出値を所定値にするためのｄ軸電流指令値を生成
するｄ軸電流指令値生成手段と、前記モータの速度を検
出する速度検出手段と、前記速度検出手段の検出値を回
転速度指令値にするためのｑ軸電流指令値を生成するｑ
軸電流指令値生成手段と、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ
軸電流指令値に従って前記制御信号を生成する制御信号
生成手段とを備えてなる。

【００２３】（２）前記変換出力制御手段は、前記イン
バータ回路入力側の直流電流を検出する回生エネルギー
検出手段と、前記回生エネルギー検出手段の検出値を零
にするためのｄ軸電流指令値を生成するｄ軸電流指令値
生成手段と、前記モータの速度を検出する速度検出手段
と、前記速度検出手段の検出値を回転速度指令値にする
ためのｑ軸電流指令値を生成するｑ軸電流指令値生成手
段と、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸電流指令値に従っ
て前記制御信号を生成する制御信号生成手段とを備えて
なる。

【００２４】（３）前記変換出力制御手段は、トルク指
令またはｑ軸電流値を基に前記モータの入出力電力を零
にするためのｄ軸電流指令値を生成するｄ軸電流指令値
生成手段と、前記ｄ軸電流指令値と前記トルク指令に従
って前記制御信号を生成する制御信号生成手段とを備え
てなる。

【００２５】（４）前記変換出力制御手段は、前記イン
バータ回路入力側の直流電力を検出する回生エネルギー
検出手段と、前記モータの速度を検出する速度検出手段
と、前記速度検出手段の検出値を回転速度指令値にする
ためのｑ軸電流指令値を生成するｑ軸電流指令値生成手
段と、前記ｑ軸電流指令値またはｑ軸電流値から前記モ
ータの入出力電力を零にするための第１の指令値を生成
する第１の指令値生成手段と、前記回生エネルギー検出
手段の検出値を所定値にするための第２の指令値を生成
する第２の指令値生成手段と、前記第１の指令値と前記
第２の指令値とを合わせてｄ軸電流指令値を生成するｄ
軸電流指令値生成手段と、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ
軸電流指令値に従って前記制御信号を生成する制御信号
生成手段とを備えてなる。

【００２６】（５）前記ｄ軸電流指令値生成手段は、前
記モータの減速時に、前記回生エネルギー検出手段の検
出値が所定値に達したことを条件に前記ｄ軸電流指令値
を生成してなる。

【００２７】また、前記各モータ制御装置を構成するに
際しては、以下の要素を付加することができる。

【００２８】前記変換出力制御手段は、前記モータの減
速中に前記インバータ回路入力側の直流電圧を受電電圧
よりも高い値にし、その後前記モータへの入出力電力を
零近傍に制御して前記直流電圧を一定に保ち、その後前
記モータの力率を正にして前記直流電圧を受電電圧まで
下げてなる。

【００２９】また、本発明は、制御信号に応答して直流
電力を交流電力に変換し変換された交流電力をモータに
供給するインバータ回路と、前記インバータ回路に制御
信号を与えて前記インバータ回路による変換出力を制御
する変換出力制御手段とを備え、前記変換出力制御手段
は、前記モータの減速時に前記モータの力率を加速時も
しくは定常運転時よりも小さくして前記インバータ回路
入力側の直流電圧または前記モータから発生する回生エ
ネルギーを制御してなるモータ制御装置を構成したもの
である。

【００３０】前記モータ制御装置を構成するに際して
は、以下の要素を付加することができる。

【００３１】前記変換出力制御手段は、前記モータの減
速中に前記インバータ回路入力側の直流電圧を受電電圧
よりも高い値にし、その後前記モータへの入出力電力を
零近傍に制御して前記直流電圧を一定に保ち、その後前
記モータの力率を正にして前記直流電圧を受電電圧まで
下げてなる。

【００３２】また、本発明は、前記いずれかのモータ制
御装置を用いて前記モータで洗濯槽を駆動する電気洗濯
機において、前記変換出力制御手段は、前記モータの減
速時に前記モータにブレーキトルクを発生させるととも
に前記モータから発生する回生エネルギーを制御して前
記インバータ回路入力側の直流電圧を所定値以下に制御
してなることを特徴とする電気洗濯機を構成したもので
ある。

【００３３】さらに、本発明は、前記いずれかのモータ
制御装置を用いて前記モータで車輪を駆動する電動自転
車において、前記変換出力制御手段は、下り坂で前記モ
ータの回転数が所定値を超えたときに前記モータにブレ
ーキトルクを発生させるとともに前記モータから発生す
る回生エネルギーを制御して前記インバータ回路入力側
の直流電圧を所定値以下に制御してなることを特徴とす
る電動自転車を構成したものである。

【００３４】前記電動自転車を構成するに際しては、以
下の要素を付加することができる。

【００３５】前記変換出力制御手段は、ブレーキ指令に
従って前記モータにブレーキトルクを発生させるととも
に前記インバータ回路入力側の直流電圧が所定値を超え
たときに前記モータから発生する回生エネルギーを制御
して前記直流電圧を所定値以下に制御してなる。

【００３６】前記した手段によれば、モータの減速時
に、ブレーキトルクと回生エネルギーを別々に制御した
り、あるいは力率を小さくして直流電圧もしくは回生エ
ナルギーを所定値に保つようにしたりしているので、減
速時の速度制御が可能になるとともに、モータに制動力
を与える装置やモータから発生する電気的エネルギーを
消費する回路を用いることなくブレーキトルクを制御し
ながら直流電圧の上昇を抑制した状態でモータを減速・
停止させることが可能になる。

【００３７】また、外力でモータが回転されている場
合、直流電圧の上昇を防止でき、安全な停止及び減速動
作が可能になる。

【００３８】さらに、モータ制御装置を洗濯機の洗濯槽
駆動装置に使用した場合、機械的ブレーキ装置や電力消
費回路が消費できるため、軽量化が図れる。

【００３９】一方、モータ制御装置を電動自動車に適応
した場合、坂路での自動ブレーキ制御やバッテリーの充
電が可能となり、安全性を向上できる。

【００４０】また、エアコンの室外器モータファン駆動
装置に本発明を適用すると、風によりファンが回転させ
られても直流電圧の上昇を防止できる。

【００４１】さらに、電気自動車の駆動装置に本発明を
適用すると、エンジンブレーキとして使用できる。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。なお、第１実施形態および他の実
施形態におけるブラシレスモータとして、インダクタン
スが回転位置によって変化しない円筒型を例として示し
てある。

【００４３】（第１実施形態）図１は、洗濯機の洗濯槽
を駆動するブラシレスモータの駆動を制御するモータ制
御装置に本発明を適応したときのブロック構成図であ
る。図１において、洗濯機は、一般に、直流電源を得る
ために、商用交流電源を整流する方式を採用しており、
本実施形態においても同様の回路を設け、商用交流電源
に接続された整流回路１０を用いて直流電力を得るよう
になっている。ここで、整流回路１０の出力側に力率を
改善する力率改善回路を設置したり、バッテリーなど直
流電力を直接発生する回路を接続することもできる。

【００４４】整流回路１０の出力側にはインバータ回路
としてのインバータ主回路１が接続されており、整流回
路１０とインバータ主回路１との間には平滑コンデンサ
Ｃが設けられている。インバータ主回路１は、三相アー
ムを構成するスイッチング素子として、例えば、サイリ
スタ、ＧＴＯ、トランジスタなどを複数個備えており、
各スイッチング素子と並列にダイオードが接続されてい
る。そしてインバータ主回路１は整流回路１０から直流
電力を取り込み、この直流電力を、制御回路６０からの
制御信号（ＰＷＭ信号）に応答して交流電力に変換し、
変換された交流電力をブラシレスモータ２に供給するよ
うになっている。ブラシレスモータ２には洗濯槽３が接
続されており、ブラシレスモータ２の回転駆動によって
洗濯槽３が駆動されるようになっている。そして、本実
施形態においては、インバータ主回路１に制御信号を与
えてインバータ主回路１による変換出力（電力変換出
力）を制御するとともに、ブラシレスモータ２の減速時
に、ブラシレスモータ２から発生する回生エネルギーと
ブラシレスモータに作用するブレーキトルクとを別々に
制御するための変換出力制御手段が設けられている。

【００４５】この変換出力制御手段は、ブラシレスモー
タ２のモータ電流を回転座標系のｑ軸電流（磁束と直交
したモータ電流成分）とｄ軸電流（磁束と平行したモー
タ電流成分）とに分け、ｑ軸電流を調整してブレーキト
ルクを制御し、ｄ軸電流を調整して回生エネルギーを制
御するようになっている。

【００４６】具体的には、変換出力制御手段は、直流電
圧検出器７ａ、直流電圧抑制回路７、回転数制御回路
５、制御回路６０、回転数演算回路４、位置検出器４ａ
を備えて構成されている。

【００４７】直流電圧検出器７ａは、インバータ主回路
１入力側の直流電圧としてコンデンサＣ両端の直流電圧
を検出する直流電圧検出手段あるいは回生エネルギー検
出手段として構成されており、直流電圧検出器７ａの検
出電圧は直流電圧抑制回路７に入力されている。直流電
圧抑制回路７は、ブラシレスモータ２の定速時および加
速時にはｄ軸電流指令値ｉｄ※として０を出力し、ブラ
シレスモータ２の減速時で且つ、直流電圧検出器７ａの
検出電圧が所定値Ｅｄ１※を超えたときに、直流電圧に
対する比例積分演算を行ってｄ軸電流指令値Ｉｄ※を出
力するｄ軸電流指令値生成手段として構成されている。
直流電圧抑制回路７の生成によるｄ軸電流指令値Ｉｄ※
の出力は、回転数指令値Ｎ※、回転数演算値Ｎおよび直
流電圧検出値によって行われるようになっている。すな
わち、後述するように、回転数指令値Ｎ※と回転数演算
値Ｎとの偏差によって減速中か否かを判定し、減速時で
且つ直流電圧が所定値Ｅｄ１※を超えたときにのみ直流
電圧を比例積分演算して得られたｄ軸電流指令値※を出
力し、それ以外のとき、すなわち加速時と定速時には０
（ｄ軸指令値※＝０）を出力するようになっている。

【００４８】なお、定速時および加速時におけるｄ軸電
流指令値を０としたが、ブラシレスモータ２が突極型の
ように、モータ効率を向上させるために、ｄ軸電流を流
す必要がある場合は、定速時および加速時におけるｄ軸
電流指令値として、０以外の値であって相当の値に設定
することもできる。

【００４９】一方、位置検出器４ａは、例えば、ホール
素子などを用いた位置センサで構成されており、ブラシ
レスモータ２の回転位置としての位置情報を検出し、位
置情報を回転数演算回路４に出力するようになってい
る。回転数演算回路４は、位置検出器４ａの検出による
位置情報からブラシレスモータ２の回転数を演算し、回
転数演算値Ｎを直流電圧抑制制御回路７と回転数制御回
路５に出力するようになっている。すなわち位置検出器
４ａと回転数演算回路４はブラシレスモータ２の速度を
検出する速度検出手段として構成されている。

【００５０】回転数制御回路５は、回転数指令値Ｎ※と
回転数演算値Ｎとの偏差を比例積分し、速度検出手段の
検出値を回転速度指令値にするためのｑ軸電流指令値Ｉ
ｑ※、すなわち回転数指令値Ｎ※と回転数演算値Ｎとの
偏差を０に抑制するためのｑ軸電流指令値Ｉｑ※を生成
するｑ軸電流指令値生成手段として構成されている。

【００５１】制御回路６０は、例えば、電流制御器、
ｄ、ｑ／３相交流座標変換器などを備えており、ブラシ
レスモータ２のモータ電流を回転座標系のｄ軸成分とｑ
軸成分とに分けて、ｑ軸電流の調整によってブラシレス
モータ２に対するブレーキトルクを制御し、ｄ軸電流を
調整してブラシレスモータ２から発生する回生エネルギ
ーを制御するための制御信号として、例えば、ＰＷＭ
（パルス幅変調信号）信号を生成する制御信号生成手段
として構成されている。そして制御回路６０の生成によ
る制御信号（ＰＷＭ信号）はインバータ主回路１の各ス
イッチング素子のゲートに印加されるようになってい
る。

【００５２】なお、位置検出器４ａとして、ホール素子
などのセンサを用いる他に、ブラシレスモータ２に誘起
される誘起電圧や端子電圧、モータ電流などの情報から
位置情報を推定する方式を採用することもできる。また
ブラシレスモータ２を同期モータとして運転する場合
は、回転数フィードバックは行わなくても良い。

【００５３】また、本実施形態においては、各電流指令
値からモータモデルを用いてブラシレスモータ２への印
加電圧を決定するオープンループ制御を想定している
が、ブラシレスモータ２の巻線に流れるモータ電流を検
出し、モータ電流をｄ−ｑ変換し、変換された電流を電
流指令値に一致させる電流制御を行うこともできる。

【００５４】また、制御回路６０や回転数制御回路５な
ど整流回路１０とインバータ主回路１以外はすべてワン
チップのマイクロコンピュータやＤＳＰ（デジタル・シ
グナル・プロセッサ）を用いたソフトウエア処理で実現
することができる。

【００５５】次に、直流電圧抑制回路７のｄ軸電流指令
値Ｉｄ※の出力を決定する出力判定アルゴリズムを図２
にしたがって説明する。

【００５６】まず、ステップＳ１において、ブラシレス
モータ２の回転数演算値Ｎと回転数指令値Ｎ※との差を
演算し、この演算値から減速中か否かを判定し、減速中
でないときにはステップＳ３に進み、通常の制御とし
て、ｄ軸電流指令値として０を出力する。

【００５７】一方、減速中であるときには、ステップＳ
２に進み、直流電圧が所定値Ｅｄ１※を超えているか否
かを判定する。ここで、直流電圧が所定値Ｅｄ１※を超
えている場合はステップＳ４に進み、直流電圧を比例積
分演算してｄ軸電流指令値Ｉｄ※を生成する。なお、直
流電圧が所定値以下のときにはステップＳ３に進み、こ
のルーチンでの処理を終了する。

【００５８】以上の処理を繰り返すことにより、減速中
且つ直流電圧が設定値を超えた場合に直流電圧の上昇を
抑制しながら減速ブレーキ動作が可能になる。

【００５９】ここで、直流電圧の所定値Ｅｄ１※はイン
バータ主回路１の半導体素子（スイッチング素子）が破
壊しない電圧以下で最大出力が発生できる電圧値以上の
値である。

【００６０】次に、図１に示す装置を用いて直流電圧抑
制制御を行う場合と行わない場合のブラシレスモータ２
の回転数と直流電圧との関係を図３にしたがって説明す
る。

【００６１】図３（ａ）は直流電圧抑制制御なしの動作
を示し、図３（ｂ）は直流電圧抑制制御有りのときの動
作を示している。また図３に示す線Ａは減速率を大きく
した急減速状態、線Ｂは線Ａよりも減速率を下げた減速
状態、線Ｃは直流電圧が急上昇しないように、減速率を
小さくした状態での直流電圧と回転数の動きを示したも
のである。

【００６２】図３において、直流電圧抑制制御を行わな
い場合は、線Ａ、線Ｂとも直流電圧が大きく上昇してい
ることが分かる。このとき、直流電圧がインバータ主回
路１の耐圧を超えるとインバータ主回路１が破壊する。
なお、従来技術では、インバータ主回路の破壊を防止す
るために、直流電圧がインバータ主回路１の耐圧を超え
ないように、直流電力を抵抗で消費する電力消費回路１
１がインバータ主回路１の入力側に接続されており、減
速時にはこの回生エネルギーを電力消費回路１１で消費
するようになっている。

【００６３】一方、本発明に係る直流電圧抑制制御を行
うと、図３（ｂ）に示すように、線Ａ、線Ｂの状態で
も、直流電圧を所定値に抑制でき、急減速が可能にな
る。ここで、減速率の小さい線Ｃの状態では、直流電圧
が所定値に達しないため、直流電圧抑制制御は動作しな
いことになる。すなわち、本発明を用いない場合は減速
率を小さくして直流電圧の上昇を抑える必要があるが、
本発明を用いれば減速率をそのままにした状態でもある
いは減速率を大きくしても急減速が可能になる。

【００６４】このように、本実施形態においては、直流
電圧を制御するｄ軸電流とブラシレスモータ２の出力ト
ルクを制御するｑ軸電流とを別々に制御するようにして
いるため、ブレーキトルクを発生させながら直流電圧の
上昇を抑制することが可能になる。このため、減速時に
もモータの速度制御が可能になる。

【００６５】また、定速時および加速時はｄ軸電流指令
値を最適効率点に設定することにより高効率運転が可能
になる。

【００６６】さらに、機械的ブレーキ機構や直流電力消
費回路をなくすことが可能になり、洗濯機の小型軽量化
が図れる。

【００６７】上記実施形態では、直流電圧値を検出する
ことによりブラシレスモータ２の回生エネルギーを間接
的に検出しているが、回生エネルギーを検出するに際し
ては、インバータ主回路１の入力電力、直流電流、ブラ
シレスモータ２への入力電力を用いることも可能であ
る。

【００６８】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態を図５に示す。本実施形態は、直流電流を用いてｄ
軸電流指令値Ｉｄ※を生成するに際して、直流電圧検出
器７ａの代わりに、直流電流検出器７ｂを設けるととも
に整流回路１０とインバータ主回路１との間にシャント
抵抗７１を挿入し、直流電圧抑制回路７の代わりに回生
エネルギー制御回路７０を設けたものであり、他の構成
は図１と同様である。

【００６９】直流電流検出器７ｂは、シャント抵抗７１
を介してインバータ主回路１に流入する直流電流を検出
する電流検出手段あるいは回生エネルギー検出手段とし
て構成されており、検出電流は回生エネルギー制御回路
７０に入力されている。ここで、インバータ主回路１に
流入する電流を正、流出する電流を負で表している。

【００７０】回生エネルギー制御回路７０は、直流電流
検出器７ｂの検出による直流電流を取り込み、この直流
電流値が正のときに、ｄ軸電流指令値として０を出力
し、直流電流値が負になったときには、回生電流が流れ
たとして、直流電流値が０になるように、直流電流値に
対して比例積分演算を行ってｄ軸電流指令値Ｉｄ※を生
成するｄ軸電流指令値生成手段として構成されている。
このｄ軸電流指令値Ｉｄ※にしたがって制御回路６０か
らＰＷＭ信号が出力されると、ブラシレスモータ２の回
生エネルギーは０に制御される。なお、このとき、回転
数および回転数指令値を読み込み、減速判定を行ってか
ら回生エネルギー制御を行うこともできる。

【００７１】このように、本実施形態においては、直流
電圧以外の回生エネルギーである直流電流が負になった
とき、すなわち回生電流が流れたときに、直流電流が０
になるようにｄ軸電流を制御して回生エネルギーを０に
するようにしているため、ブレーキトルクを発生させな
がら直流電圧の上昇を抑制することができるとともに、
減速時にもモータの速度制御が可能になる。さらに機械
的ブレーキ機構や直流電力消費回路をなくすことが可能
となり、洗濯機の小型軽量化が図れる。

【００７２】（第３実施形態）次に、本発明の第３実施
形態を図６ないし図９を用いて説明する。

【００７３】本実施形態は、図６に示すように、バッテ
リー１００を電力源（直流電源）とした電動自転車の車
輪駆動システムに本発明のモータ制御装置を適応したと
きの制御ブロック図である。

【００７４】本実施形態におけるブラシレスモータ２は
電動自転車の車輪３０に直結されており、上位制御系か
らのトルク指令（ｑ軸電流指令値と等価なトルク指令）
に応じてトルクを出力し、車輪３０を駆動するようにな
っており、本実施形態では回転数制御回路５は省略さ
れ、直流電圧抑制回路７の代わりに、回生エネルギー制
御回路８が設けられている。

【００７５】回生エネルギー制御回路８は、上位制御系
からのトルク指令であるｑ軸電流指令値Ｉｑ※を入力と
して、ｑ軸電流指令値からブラシレスモータ２の入出力
電力が０になるｄ軸電流指令値Ｉｄ※を生成するｄ軸電
流指令値生成手段として構成されており、ｄ軸電流指令
値Ｉｄ※を制御回路６０に出力するようになっている。

【００７６】なお、回生エネルギー制御回路８は、ブラ
シレスモータ２の定速時および加速時はｄ軸電流指令値
として０を出力するようになっている。

【００７７】回生エネルギー制御回路８においてｄ軸電
流指令値Ｉｄ※の演算を行うか否かの判断は、第１実施
形態と同様に直流電圧を検出し、その値で回生エネルギ
ー制御回路８に演算指令を出力する方法を採用すること
もできるが、本実施形態においては、ブラシレスモータ
２の回転数演算値Ｎとｑ軸電流指令値（トルク指令）を
用いて行っている。具体的には、トルク指令であるｑ軸
電流指令値が負（逆トルク）もしくは回転数演算値Ｎが
予め設定されているオーバースピード値になったときに
行うこととしている。

【００７８】回生エネルギー制御回路８は、トルク指令
としてのｑ軸電流指令値を用いてブラシレスモータ２の
入出力電力を０とするためのｑ軸電流指令値Ｉｄ※を算
出する演算回路８１を備えており、この演算回路８１の
具体的構成について以下に説明する。

【００７９】まず、ブラシレスモータ２は回転子に永久
磁石を使用しているため、回転すれば必ず誘起電圧が発
生するとともに回生エネルギーが発生する。このため回
生エネルギーを調整するためには、ブラシレスモータ２
の永久磁石の磁束を打ち消す方向に減磁磁束を発生させ
て誘起電圧を調整すればよいことになる。すなわち、ｄ
軸に負の電流を流して、その大きさを調整すれば、回生
エネルギーの調整が可能になる。次の（１）式にブラシ
レスモータ２の電圧方程式を示す。この電圧方程式は電
流定常時であってブラシレスモータ２として非突極型を
用いたときの場合を示している。

【００８０】

【数１】このときのモータ入力を次の（２）式に示す。

【００８１】

【数２】ここで、

【００８２】

【数３】

【００８３】

【数４】

【００８４】

【数５】

【００８５】

【数６】である。

【００８６】上記（２）式にはｃｏｓφ_ｖの項が入って
いる。このためφ_ｖの値によりモータ入力Ｐ_ｉｎは、−
π／２＜φ_ｖ＜π／２の範囲ではＰ_ｉｎ＞０π／２＜φ
_ｖ≦π、−π≦φ_ｖ＜−π／２の範囲ではＰ_ｉｎ＜０φ
_ｖ＝±π／２ではＰ_ｉｎ＝０となる。上記の関係をまと
めると図７のようになる。

【００８７】ここで、φ_ｖを±π／２つまり力率（ｃｏ
ｓφ_ｖ）＝０にすれば、ブラシレスモータ２の入力電力
は０となり、エネルギーの入出力は行われない。言い替
えると、力率を加速時や定常運転時の値よりも小さい値
である０近傍に制御することにより、ブラシレスモータ
２の入出力（回生エネルギー）を制御することができ
る。

【００８８】ここで、具体例として、ｑ軸電流Ｉ_ｑに応
じたｄ軸電流Ｉ_ｄを求めることによって力率を制御する
ことを考える。

【００８９】このために、（５）、（６）式より、φ_ｖ
とｄ軸電流；Ｉ_ｄ、ｑ軸電流；Ｉ_ｑの関係を求めると、

【００９０】

【数７】となる。上記（７）式より、モータ入力＝０を満足する
Ｉ_ｄを求める。

【００９１】次に、（１）式を用いてＶ_ｄ、Ｖ_ｑを消去
すると、次の（８）式が得られる。

【００９２】

【数８】（８）式における分母が０のとき、φ_ｖ＝δ−φ＝π／
２となる。

【００９３】

【数９】上記（９）式において、（９）式＝０とおいて、Ｉ_ｄに
ついて解くと、次の（１０）式が得られる。

【００９４】

【数１０】ここで、図８に、（１０）式の計算結果例を示す。図８
におけるグラフの曲線の左側はモータ入力正（力行）、
右側はモータ入力負（回生）となる。つまり、本曲線上
がモータ入出力０の状態となる。

【００９５】上記（１０）式の通り、ｄ軸電流を決定す
れば、ブラシレスモータ２の入出力電力は０となり、回
生エネルギーをインバータ主回路１側に戻すことなく、
直流電圧の上昇を抑制することができる。

【００９６】上記（１０）式の実現に当たって、本実施
形態では、回転数とｑ軸電流指令値とからｄ軸電流指令
値※を演算したＲＯＭテーブルを内蔵し、演算回路８１
でテーブル検索により求めるものとする。なお、これに
限らず、モータ電流を検出する構成の場合は、実際のｑ
軸電流値を用いてもよい。さらに、回転数範囲やｑ軸電
流の範囲（負荷範囲）が限られているシステムの場合に
は、（１０）式を線形近似式に置き換えて使用してもよ
い。

【００９７】次に、上記構成を適用した電動自転車を実
際に使用した場合のｑ軸電流指令値、ｄ軸電流指令値お
よび直流電圧の関係を図９にしたがって説明する。

【００９８】図９において、横軸に時間を取り電動自転
車が使用されたときの勾配とｑ軸電流指令値とｄ軸電流
指令値および直流電圧値を示す。時間０より平坦な路を
出発すると、電動自電車は若干のトルクアシストを行う
べく、ｑ軸電流指令値を正側に出力する。このときｄ軸
電流指令値は０であって、直流電圧はバッテリー電圧で
ある。

【００９９】まず、電動自動車が時間（ａ）において上
り坂を走行すると、十分なトルクアシストを行うべくｑ
軸電流指令値を正側に増加させる。このときｄ軸電流指
令値および直流電圧値には変化はない。

【０１００】次に、時間（ｂ）において上り坂が終わる
と、ｑ軸電流指令値は平坦部で必要な値に戻る。

【０１０１】次に、時間（ｃ）において急な下り坂にな
ると、モータ２の回転数が増加するため、ｑ軸電流指令
値は負側に出力され、モータ２によるブレーキ動作が開
始され、モータ回転数は減速する。この直後、ｄ軸電流
指令値に対する演算が開始され、ｑ軸電流指令値に応じ
たｄ軸電流指令値が算出される。このｄ軸電流指令値も
負側に出力される。ただし、減速が開始された後、ｄ軸
電流の制御が開始されるまでには、モータ２の回生エネ
ルギーが直流側に戻り、直流電圧を若干上昇させるが、
ｄ軸電流の制御が開始されると回生エネルギーが０に制
御され、これ以上の直流電圧の上昇はない。

【０１０２】次に、時間（ｄ）において、下り坂の勾配
が緩くなると、それにしたがってｑ軸電流値が小さくな
り、ｄ軸電流値も小さくなる。

【０１０３】次に、時間（ｅ）において下り坂が終わる
と、平坦時のｑ軸電流指令値となり、ｄ軸電流指令値は
０に戻る。このときモータ２は力行運転となり、直流電
流を消費するため、直流電圧も元のバッテリー電圧に戻
る。

【０１０４】本実施形態においては、直流電圧の制御を
行っていないが、バッテリー１００への充電回路および
直流電圧抑制回路を設けることにより、下り坂で回生エ
ネルギーをバッテリー１００へ積極的に充電することも
可能である。

【０１０５】このように、本実施形態によれば、ｑ軸電
流指令値より直接ｄ軸電流指令値を算出しているため、
瞬時にモータ２の入力電力と出力電力が等しくなり、直
流電力の上昇を抑制することができる。このため、電動
自転車は上位制御系の要求通りのブレーキトルクを直流
電圧の上昇を抑制した状態で出力できる。また、下り坂
では回転数が所定値をオーバーすると自動的にブレーキ
がかかり、電動自転車の安全性を高めることができる。

【０１０６】（第４実施形態）上記第３実施形態では
（１０）式を用いてｄ軸電流指令値を演算していたが、
上記演算式にはモータ定数やｑ軸電流指令値を使用して
いる。実際の場合、モータ定数のばらつきやモータの温
度などにより誤差を生じることがある。そこで、第１実
施形態と第３実施形態を組み合わせた第４実施形態につ
いて以下に説明する。

【０１０７】本実施形態は、図１０に示すように、直流
電圧抑制回路７の代わりに、第１実施形態における直流
電圧抑制回路７と第３実施形態における回性エネルギー
制御回路８を組み合わせものであり、演算回路８１にお
いてｑ軸電流指令値Ｉｑ※からｄ軸電流指令値を演算
し、この演算値を直流電圧抑制回路７の出力によって加
算器９２で補正する構成になっている。

【０１０８】演算回路８１は、第３実施形態と同様に、
（１０）式より求めたＲＯＭテーブルを備えており、回
転数制御回路５の生成によるｑ軸電流指令値※からモー
タ２の入出力電力を零にするための第１の指令値を生成
し、生成した第１の指令値を加算器９２に出力する第１
の指令値生成手段として構成されている。直流電圧抑制
回路７は、直流電圧を入力し、直流電圧が設定値になる
ように直流電圧に対する比例積分演算を行って第２の指
令値を生成し、生成した第２の指令値を加算器９２に出
力する第２の指令値生成手段として構成されている。加
算器９２は、第１の指令値と第２の指令値とを加算し、
加算された指令値をｄ軸指令値Ｉｄ※として生成して制
御回路６０に出力するｄ軸指令値生成手段として構成さ
れている。

【０１０９】ここで、前記実施形態と同様に、直流電圧
抑制制御が必要でないときは、ｄ軸電流指令値は０に固
定される。

【０１１０】また、直流電圧抑制制御を動作させるか否
かの判断は、第１実施形態と同様、減速中かつ直流電圧
が設定値を超えた場合に行っているが、直流電圧値のみ
を用いることも可能である。

【０１１１】本実施形態によれば、モータ定数に誤差が
あっても比例積分演算によりｄ軸電流指令値を補正し、
最適なｄ軸電流指令値を出力することができる。

【０１１２】前記実施形態においては電動自転車につい
て説明したが、電気自動車やエアコン室外機モータファ
ンなど外力で回されることのあるモータ使用機器にも本
発明を適応できる。

【０１１３】以上説明したように、各実施形態によれ
ば、ブレーキトルクと回生エネルギーの制御を別々に行
うようにしたため、減速時の速度制御が可能になる。

【０１１４】また、機械的ブレーキ装置や電力消費回路
を付加することなく、直流電圧を所定値以下に抑制しな
がらモータ２の急停止や急減速制御が可能になる。

【０１１５】さらに、外力でモータ２が回される場合、
直流電圧の上昇を防止でき、安全に停止および減速動作
が行える。またさらに、回生エネルギーを制御してバッ
テリー１００の充電や発電電圧の調整が可能になる。

【０１１６】一方、モータ制御装置を洗濯機の洗濯槽駆
動装置に使用した場合、機械的ブレーキ装置や電力消費
回路が消費できるため、軽量化が図れる。

【０１１７】また、モータ制御装置を電動自動車に適応
した場合、坂路での自動ブレーキ制御やバッテリーの充
電が可能となり、安全性を向上できる。

【０１１８】また、エアコンの室外器モータファン駆動
装置に本発明を適用すると、風によりファンが回転させ
られても直流電圧の上昇を防止できる。

【０１１９】さらに、電気自動車の駆動装置に本発明を
適用すると、エンジンブレーキとして使用できる。

【０１２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
モータの減速時に、モータに制動力を与える装置やモー
タから発生する電気的エネルギーを消費する回路を用い
ることなくブレーキトルクを制御しながら直流電圧の上
昇を抑制した状態でモータを減速・停止させることが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示すモータ制御装置の
ブロック構成図である。

【図２】図１に示す装置のｄ軸電流出力アルゴリズムを
説明するための図である。

【図３】図１に示す装置の作用を説明するための図であ
って、（ａ）は直流電圧抑制制御なしのときの波形図、
（ｂ）は直流電圧抑制制御有りのときの波形図である。

【図４】従来例のブロック構成図である。

【図５】本発明の第２実施形態を示すモータ制御装置の
ブロック構成図である。

【図６】本発明の第３実施形態を示すモータ制御装置の
ブロック構成図である。

【図７】モータの入出力電力関係を説明するための図で
ある。

【図８】モータの入出力電力関係を示す特性図である。

【図９】本発明の第３実施形態の動作説明図である。

【図１０】本発明の第４実施形態を示すモータ制御装置
のブロック構成図である。

【符号の説明】

１インバータ主回路２ブラシレスモータ３洗濯槽４ａ位置検出器４回転数演算回路５回転数制御回路６０制御回路７、９直流電圧抑制回路８回生エネルギー制御回路１０整流回路３０車輪１００バッテリー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川又光久茨城県日立市東多賀町一丁目１番１号株式会社日立多賀エレクトロニクス内 (72)発明者高宗裕一郎茨城県日立市東多賀町一丁目１番１号株式会社日立多賀エレクトロニクス内Ｆターム(参考） 3B155 HB02 HB09 LA02 LB17 LC12 5H560 AA01 BB04 BB12 BB17 DA02 DB02 DB20 DC12 DC13 EB01 GG03 HB01 HB02 RR05 RR07 SS02 SS06 UA02 UA07 UA08 XA02 XA04 XA12 XA13 5H576 AA01 AA10 AA12 AA20 BB02 BB03 CC04 CC05 DD02 DD07 EE01 EE09 EE11 FF04 GG01 GG02 GG04 GG05 HA02 HA05 HA07 HB02 JJ03 JJ17 JJ24 LL05 LL10 LL14 LL15 LL16 LL22 LL24 LL41 MM03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御信号に応答して直流電力を交流電力
に変換し変換された交流電力をモータに供給するインバ
ータ回路と、前記インバータ回路に制御信号を与えて前
記インバータ回路による変換出力を制御する変換出力制
御手段とを備え、前記変換出力制御手段は、前記モータ
の減速時に前記モータから発生する回生エネルギーと前
記モータに作用するブレーキトルクとを別々に制御して
なるモータ制御装置。
【請求項２】請求項１に記載のモータ制御装置におい
て、前記変換出力制御手段は、前記モータのモータ電流
を回転座標系のｑ軸電流とｄ軸電流とに分け、前記ｑ軸
電流を調整して前記ブレーキトルクを制御し、前記ｄ軸
電流を調整して前記回生エネルギーを制御してなること
を特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】請求項１または２に記載のモータ制御装
置において、前記変換出力制御手段は、前記回生エネル
ギーとして、前記インバータ回路入力側の直流電力、直
流電圧、直流電流または前記モータの入力電力のうちい
ずれか１つを制御してなることを特徴とするモータ制御
装置。
【請求項４】請求項１、２または３のうちいずれか１
項に記載のモータ制御装置において、前記変換出力制御
手段は、前記インバータ回路入力側の直流電力、直流電
圧、直流電流または前記モータの入力電力のうちいずれ
か１つを検出する回生エネルギー検出手段と、前記回生
エネルギー検出手段の検出値を所定値にするためのｄ軸
電流指令値を生成するｄ軸電流指令値生成手段と、前記
モータの速度を検出する速度検出手段と、前記速度検出
手段の検出値を回転速度指令値にするためのｑ軸電流指
令値を生成するｑ軸電流指令値生成手段と、前記ｄ軸電
流指令値と前記ｑ軸電流指令値に従って前記制御信号を
生成する制御信号生成手段とを備えてなることを特徴と
するモータ制御装置。
【請求項５】請求項１、２または３のうちいずれか１
項に記載のモータ制御装置において、前記変換出力制御
手段は、前記インバータ回路入力側の直流電流を検出す
る回生エネルギー検出手段と、前記回生エネルギー検出
手段の検出値を零にするためのｄ軸電流指令値を生成す
るｄ軸電流指令値生成手段と、前記モータの速度を検出
する速度検出手段と、前記速度検出手段の検出値を回転
速度指令値にするためのｑ軸電流指令値を生成するｑ軸
電流指令値生成手段と、前記ｄ軸電流指令値と前記ｑ軸
電流指令値に従って前記制御信号を生成する制御信号生
成手段とを備えてなることを特徴とするモータ制御装
置。
【請求項６】請求項１、２または３のうちいずれか１
項に記載のモータ制御装置において、前記変換出力制御
手段は、トルク指令またはｑ軸電流値を基に前記モータ
の入出力電力を零にするためのｄ軸電流指令値を生成す
るｄ軸電流指令値生成手段と、前記ｄ軸電流指令値と前
記トルク指令に従って前記制御信号を生成する制御信号
生成手段とを備えてなることを特徴とするモータ制御装
置。
【請求項７】請求項１、２または３のうちいずれか１
項に記載のモータ制御装置において、前記変換出力制御
手段は、前記インバータ回路入力側の直流電力を検出す
る回生エネルギー検出手段と、前記モータの速度を検出
する速度検出手段と、前記速度検出手段の検出値を回転
速度指令値にするためのｑ軸電流指令値を生成するｑ軸
電流指令値生成手段と、前記ｑ軸電流指令値またはｑ軸
電流値から前記モータの入出力電力を零にするための第
１の指令値を生成する第１の指令値生成手段と、前記回
生エネルギー検出手段の検出値を所定値にするための第
２の指令値を生成する第２の指令値生成手段と、前記第
１の指令値と前記第２の指令値とを合わせてｄ軸電流指
令値を生成するｄ軸電流指令値生成手段と、前記ｄ軸電
流指令値と前記ｑ軸電流指令値に従って前記制御信号を
生成する制御信号生成手段とを備えてなることを特徴と
するモータ制御装置。
【請求項８】請求項４、５、６または７のうちいずれ
か１項に記載のモータ制御装置において、前記ｄ軸電流
指令値生成手段は、前記モータの減速時に、前記回生エ
ネルギー検出手段の検出値が所定値に達したことを条件
に前記ｄ軸電流指令値を生成してなることを特徴とする
モータ制御装置。
【請求項９】請求項１乃至８のうちいずれか１項に記
載のモータ制御装置において、前記変換出力制御手段
は、前記モータの減速中に前記インバータ回路入力側の
直流電圧を受電電圧よりも高い値にし、その後前記モー
タへの入出力電力を零近傍に制御して前記直流電圧を一
定に保ち、その後前記モータの力率を正にして前記直流
電圧を受電電圧まで下げてなることを特徴とするモータ
制御装置。
【請求項１０】制御信号に応答して直流電力を交流電
力に変換し変換された交流電力をモータに供給するイン
バータ回路と、前記インバータ回路に制御信号を与えて
前記インバータ回路による変換出力を制御する変換出力
制御手段とを備え、前記変換出力制御手段は、前記モー
タの減速時に前記モータの力率を加速時もしくは定常運
転時よりも小さくして前記インバータ回路入力側の直流
電圧または前記モータから発生する回生エネルギーを制
御してなるモータ制御装置。
【請求項１１】請求項１０に記載のモータ制御装置に
おいて、前記変換出力制御手段は、前記モータの減速中
に前記インバータ回路入力側の直流電圧を受電電圧より
も高い値にし、その後前記モータへの入出力電力を零近
傍に制御して前記直流電圧を一定に保ち、その後前記モ
ータの力率を正にして前記直流電圧を受電電圧まで下げ
てなることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項１２】請求項１乃至１１のうちいずれか１項
に記載のモータ制御装置を用いて前記モータで洗濯槽を
駆動する電気洗濯機において、前記変換出力制御手段
は、前記モータの減速時に前記モータにブレーキトルク
を発生させるとともに前記モータから発生する回生エネ
ルギーを制御して前記インバータ回路入力側の直流電圧
を所定値以下に制御してなることを特徴とする電気洗濯
機。
【請求項１３】請求項１乃至９のうちいずれか１項に
記載のモータ制御装置を用いて前記モータで車輪を駆動
する電動自転車において、前記変換出力制御手段は、下
り坂で前記モータの回転数が所定値を超えたときに前記
モータにブレーキトルクを発生させるとともに前記モー
タから発生する回生エネルギーを制御して前記インバー
タ回路入力側の直流電圧を所定値以下に制御してなるこ
とを特徴とする電動自転車。
【請求項１４】請求項１乃至９のうちいずれか１項に
記載のモータ制御装置を用いて前記モータで車輪を駆動
する電動自転車において、前記変換出力制御手段は、ブ
レーキ指令に従って前記モータにブレーキトルクを発生
させるとともに前記インバータ回路入力側の直流電圧が
所定値を超えたときに前記モータから発生する回生エネ
ルギーを制御して前記直流電圧を所定値以下に制御して
なることを特徴とする電動自転車。