JP2003009575A - 同期モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 平滑コンデンサの容量を増大することなく、
電源電圧変動の影響を受けずに安定したモータ駆動を可
能とするモータ駆動装置を提供する。 【解決手段】 直流電圧を疑似三相交流電圧に変換し、
駆動電圧として用いて同期モータを駆動するモータ駆動
装置は、同期モータの回転子位置を検出した回転子位置
検出情報Ｃu、Ｃv、Ｃwを用いて同期モータの駆動電圧
を発生させる正弦波発生部１０８と、直流電源の電圧を
同期モータの回転速度に換算するＬＰＦ１０２と、直流
電源の電圧を検出して同期モータの回転速度の低下を判
断する判断部１０１とを備える。駆動装置は、判断部１
０１により同期モータの回転速度が低下していると判断
された期間においては、ＬＰＦ１０２により得られる回
転速度に基いて回転子位置情報を推定し、それを用いて
正弦波発生部１０８で発生させる駆動電圧を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転子の位置を検
出することなく固定子の通電位相を回転子の位相に一致
させてトルクを発生させる同期モータの位置センサレス
駆動する装置であって、例えば、冷凍空調機器の冷媒用
圧縮機などに好適なモータ駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、冷凍空調機器の密閉型圧縮機
の動力源として永久磁石回転子を含む同期モータが高効
率の点から採用されている。しかし、かかる同期モータ
については、永久磁石の回転位置にあわせて固定子の通
電位相を変化させる必要がある。このために従来は、三
相モータのどれか２つの相に一定電圧を通電して、残り
の非通電相にて、モータ回転によって生じる誘起電圧を
検出して、回転位相を知る方法が広く採用されていた。
具体的な方法としては、例えば大野栄一編著「パワーエ
レクトロニクス入門:改訂２版」（平成３年、オーム
社）の第８章第２節「インバータルームエアコン」に記
載されている「センサレスブラシレスＤＣモータを用い
たルームエアコン用インバータ回路」の例がある。この
例の構成を図５に示す。図５の例では、モータ５の３つ
の端子電圧を一次遅れフィルタ８で平滑してパルス幅変
調の影響を取り除き、それら３つの端子電圧を、３つの
端子電圧の中点である基準電圧と比較器９にて比較する
ことにより基準電圧値を超えたタイミングを得て、その
タイミングを用いて通電位相を切り替える方法が採用さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の構成では、回転位相の分解能が低く、検出は６０
度毎にしか検出できないため、実際に検出した位相に基
き、さらに細かい位相間隔毎に位相を推定し、この推定
した値を用いてモータを駆動する必要がある。このよう
に分解能が低いため、急激な外乱や変動があると、位相
の推定値と実際の値とが大きく乖離するという問題があ
る。

【０００４】特に、使用する電源が商用交流電源では、
系統の負荷状況により電源電圧が急変することがあり、
このような状況でも回転位相を見失うことなく知ること
が重要である。また、使用する電源が電池のような直流
電源の場合でも、その他の接続されている負荷の状況に
より、直流電源部の電圧が急変することがある。モータ
の負荷が大きい場合、高い電圧を必要とするが、このよ
うな時に電源電圧が急激に低下すると、高い電圧を発生
することができなくなり、回転数は急激に低下する。

【０００５】図６はこのような状況におけるモータの回
転位相検出状況を示すタイミング波形図である。図６
（ａ）は、平滑コンデンサ３の両端電圧である直流電圧
Ｖdcの変化を示した図であり、図６（ｂ）はモータの回
転子の回転速度の変化を示した図である。図６（ｃ）は
直流電圧Ｖdcの変化に伴い、推定した回転子位相θのタ
イミングを示した図であり、図６（ｄ）は実際の回転子
位相θの検出タイミングを示した図である。図６
（ｃ）、（ｄ）において、θ1、θ2、θ3…は所定間隔
毎の回転位相を示し、図中の「↑」は、θ1、θ2、θ3
…の各値の回転子位相が検出されたタイミング、また
は、回転子位相がその位相θ1、θ2、θ3…になったと
推定されるタイミングを示している。

【０００６】図６（ａ）に示すように、直流電圧Ｖdcは
時刻ｔ１までは正常な値に維持されており、時刻ｔ１に
おいて商用電源１の電源電圧変動等により降下してい
る。直流電圧Ｖdcの変動に伴い、図６（ｂ）に示すよう
にモータの回転速度ωも低下している。図６（ｃ）、
（ｄ）に示すように、時刻ｔ１までは、回転子位相θ
１、θ２の推定値は実際の回転子位相と一致している。
その後、推定されるθの値は実際の回転子位相にかかわ
らず図６（ｃ）に示すようにθ3、θ4、θ5、θ6と等間
隔で推定されていく。一方、時刻ｔ１で直流電圧Ｖdcが
降下すると、実際の回転子の位置は図６（ｄ）に示すよ
うにθ'3、θ'4、θ'5、…と、推定値に比べて遅れて変
化することになる。

【０００７】つまり、時刻ｔaでの位相θA1の検出後、
本来であれば時刻ｔbで位相θA2が検出されるはずであ
るが、回転速度の低下によりこのタイミングでは検出さ
れず、その間、推定される位相はθ7、θ8、θ9と進
む。その後、時刻ｔ'bで位相θA2が検出されると、それ
に基き位相がθ7と推定され、これにより、推定される
位相がθ9からθ7に戻るという逆転現象を生じてしま
う。

【０００８】このように従来の駆動技術では、電圧変動
があると、実際の回転位相と推定位相とが大きくずれる
ことがある。このようなずれは、モータへの過電流の原
因ともなる。このため、モータ保護のためモータ駆動を
停止させる必要がある場合がある。

【０００９】このような事態を改善するためにモータ駆
動部分への電源電圧変動の影響を小さくするために平滑
コンデンサ３の容量を大きくすることが考えられるが、
平滑コンデンサ３の容量を大きくすると、駆動装置全体
が大きくなるという課題があるだけでなく、交流からの
電源電流に大きな高調波歪みを生じてしまい、商用電源
の配電系統に大きな負担を生じてしまうことになる。こ
れを回避するために、電源力率補正回路を取り付ける必
要がある。その補正回路については、大きなインダクタ
ンスを挿入する方法と、電力スイッチング素子による制
御回路を用いる方法とがあるが、前者の方法では回路が
大型になるという課題があり、後者の方法では制御回路
が挿入されることによる損失や制御が複雑であるという
課題がある。

【００１０】また、特開平１０−１５０７９５号公報で
は、平滑コンデンサを小さくして駆動制御する方法が記
載されているが、回転位相の検出については専用の位置
検出器を用いており、かかる専用の位置検出器を使用し
ないようにするためには、さらなる工夫が必要となる。

【００１１】本発明は上記の課題を解決するものであ
り、急激でかつ大きな電源電圧変動があっても、回転位
相推定が高精度で継続して行われるモータ駆動装置を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る同期モータ
の駆動装置は、直流電源からの電圧を疑似交流電圧に変
換し、その疑似交流電圧を駆動電圧として用い同期モー
タの回転子の位置を検出しながら同期モータを駆動する
駆動装置であって、同期モータの回転子位置を検出する
位置検出手段と、位置検出手段による同期モータの回転
子位置を用いて同期モータを駆動するための駆動電圧を
発生させる電圧発生手段と、直流電源の電圧を同期モー
タの回転速度に換算する換算手段と、直流電源の電圧を
検出して同期モータの回転速度の低下を判断する判断手
段とを備える。同期モータの駆動装置は、判断手段によ
り同期モータの回転速度が低下していると判断された期
間においては、換算手段により得られる回転速度に基い
て回転子位置情報を推定し、それを用いて電圧発生手段
で発生させる駆動電圧を制御する。

【００１３】同期モータの駆動装置において、換算手段
は、同期モータを含めたシステムの回転速度応答特性と
同等の特性を示す低域通過フィルタを含んでもよい。

【００１４】また、判断手段は、検出時の同期モータの
回転速度と同期モータの誘起電圧定数の積と、直流電源
の電圧とを比較することにより同期モータの回転速度低
下の有無を判断するようにしてもよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るモータ駆動装
置の実施形態について添付の図面を参照して説明する。

【００１６】図１は本発明に係るモータ駆動装置の回路
構成を示した図である。モータ駆動装置は、ダイオード
ブリッジ２、平滑コンデンサ３、三相ブリッジ回路４、
比較回路７、８ｕ、８ｖ，８ｗ及び制御回路７０からな
る。

【００１７】ダイオードブリッジ２と平滑コンデンサ３
は直流電圧源を構成する。直流電圧源は、交流電源１か
らの交流電圧をダイオードブリッジ２を経て整流し、コ
ンデンサ３により平滑して直流電圧に変換する。直流電
圧は、三相ブリッジ回路４によりパルス幅変調により擬
似三相交流に変換されてモータ５を駆動するために印加
される。その他の回路部品は直流電圧からモータ駆動用
三相擬似交流への電力変換を制御するために用いられ
る。

【００１８】直流電圧源からの直流電圧は分圧抵抗２１
１を経て制御回路７０で扱いやすい電圧に変換されて制
御回路７０に入力される。以降、分圧抵抗２１１により
得られる直流電圧を説明の便宜上「Ｖdc」と記す。一
方、三相ブリッジ回路４と直流電圧源の低電圧側端との
間には抵抗２０６が挿入されている。この抵抗２０６
は、ノイズ等により制御に不具合があって過電流が流れ
た場合に、後続の比較回路２０７にて、過電流が流れて
いることを検出するために使用される。過電流が検出さ
れると、モータ５の駆動は停止される。

【００１９】また、比較回路８ｕ、８ｖ，８ｗは回転位
置センサであり、モータへの接続線（U,V,W)の電圧と、
直流電圧源の出力電圧を分圧抵抗２１２にて減衰させた
電圧とを比較し、その比較結果を位相検出信号Ｃｕ，Ｃ
ｖ、Ｃｗとして制御回路７０へ出力する。一方、制御回
路７０は三相ブリッジ回路４へパルス幅変調指令を出力
する。位相検出信号Ｃｕ，Ｃｖ、Ｃｗは、モータ５の端
子電圧がしきい値よりも高いか否かを検出する信号であ
る。モータ５の端子電圧にはモータ巻線の誘起電圧が含
まれており、位相検出信号Ｃｕ，Ｃｖ、Ｃｗはモータ５
の回転位相を検出した信号であり、回転子位置情報とし
て利用される。モータ５が３相であるため、位相検出信
号Ｃｕ，Ｃｖ、Ｃｗの立ち上がり、立下りエッジ（以下
「変化エッジ」という。）は、回転位相の６０毎に発生
する。この変化エッジを用いた回転位相の制御方法に
は、例えば従来技術において記載した文献による方法を
用いることができる。

【００２０】図２は制御回路７０の機能ブロック図であ
る。直流電圧Ｖdcに関する情報は、判断部１０１および
低域通過フィルタ１０２およびパルス幅変調部１０９に
入力される。

【００２１】判断部１０１は、直流電圧Ｖdcが低下して
現状の回転速度（回転数）での運転が可能か否かを判断
する。判断部１０１は、同期モータ５の有する誘起電圧
定数とそのときの回転速度との積を算出し、得られた積
が低下した直流電圧Ｖdcより低ければそのときの直流電
圧Ｖdcを用いて現状の回転速度での運転が可能であると
判断し、得られた積が直流電圧Ｖdcよりも高ければ回転
速度が減速するので、現状の回転速度での運転が不可能
であると判断する。つまり、低下した直流電圧Ｖdcを同
期モータ５の誘起電圧定数で除算すれば、その直流電圧
で運転できる最高回転数が判るわけである。

【００２２】判断部１０１の判断結果は切替回路１０３
ａ、１０３ｂに送られる。切替回路１０３ａは、判断部
１０１の判断結果に基いて回転速度情報として低域通過
フィルタ（以下「ＬＰＦ」という。）１０２からの出力
または周期演算回路１１１からの出力のうちのいずれか
を選択し、比較回路１０５に出力する。つまり、直流電
圧Ｖdcが正常のときは、切替回路１０３ａは周期演算回
路１１１からの出力を選択し、直流電圧Ｖdcが異常に低
下したときは、ＬＰＦ１０２の出力を選択する。ＬＰＦ
１０２の出力特性は、モータ５の回転速度の減衰特性と
同様の時間特性となるように設定しておく。切替回路１
０３ｂは判断部１０１の判断結果に基いて積分回路１０
４からの出力または積分回路１１０からの出力のうちの
いずれかを選択し、正弦波発生部１０８に出力する。つ
まり、切替回路１０３ｂは、直流電圧Ｖdcが正常のとき
は積分回路１１０からの出力を選択し、直流電圧Ｖdcが
異常に低下した期間は積分回路１０４の出力を選択す
る。

【００２３】ＬＰＦ１０２の出力情報は直流電圧Ｖdcが
低下したときに推定される回転数ωの情報（ω推定情
報）となり、切替回路１０３ａ、１０３ｂを介して比較
回路１０５および積分回路１０４に送られる。比較回路
１０５は速度制御のための設定値ω*と、実際の回転速
度ωまたは回転数ωの推定情報とを比較することによ
り、設定値ω*を調整する。比較回路１０５の出力は速
度誤差であり、速度制御のための安定補償部１０６に送
られる。安定補償部１０６は、この速度誤差情報に基い
てモータ５への印加電圧情報を生成し、これを正弦波発
生部１０８に送る。

【００２４】一般に回転数情報を積分することにより位
相情報に変換できることから、積分回路１０４はω推定
情報を積分することにより、推定速度によりどれだけ回
転位相が変化しているかを算出する。直流電圧Ｖdcが低
下し、回転速度が減速したときは、切替回路１０３ｂに
より、この推定された位相情報が正弦波発生部１０８に
送られる。また、直流電圧Ｖdcが正常時には切替回路１
０３ｂにより積分回路１１０により得られた実際の回転
位相が正弦波発生部１０８に送られる。正弦波発生部１
０８は、速度制御に基いて決定された電圧情報（Ｖ）と
位相情報（θ）をもとに正弦波を発生し、パルス幅変調
部１０９に送る。パルス幅変調部１０９は、直流電圧情
報Ｖdcと正弦波発生部１０８からの正弦波の情報とを受
けて、正弦波で示されるモータ印加電圧を得るためのパ
ルス幅変調信号を生成し、これを三相ブリッジ回路４へ
送り、モータ５へ印加する電力を操作する。

【００２５】一方、回転位置センサ８u、８v、８wから
の回転子位置情報は２つに分岐する。一方の分岐におい
て、回転子位置情報は周期演算回路１１１にて位相検出
パルスの周期すなわち回転速度の逆数として等価的に回
転速度情報に変換され、切替回路１０３ａを介して比較
回路１０５に送られ、設定値ω*と比較される。すなわ
ち、速度制御ループを構成する。また、他方の分岐にお
いて、回転子位置情報は積回路１１０に入力され、補間
されて、より細かい位相情報に変換される。この位相情
報は、周期演算回路１１１にて位相検出パルスの周期、
すなわち回転速度の逆数として等価的に回転速度情報に
変換され、切替回路１０３ａを介して比較回路１０５に
送られ、設定値ω*と比較される。以上のように速度制
御ループが構成される。

【００２６】以上のように、本モータ駆動装置では、直
流電圧Ｖdcを検出し、直流電圧Ｖdcが低下し現状の回転
速度での運転が可能か否かを判断する。現状の回転速度
での運転が不可能であると判断したときは、ＬＰＦ１０
２により低下した回転数をシミュレートして得られる回
転数情報を用いてモータ駆動電圧を制御する。これによ
り、直流電圧Ｖdcの変動によりモータ回転数が低下した
場合であっても、正確にモータの回転数すなわち回転子
位置情報を推定することができ、正確な駆動制御が可能
となる。

【００２７】図３は、入力交流電圧Ｖacが変動したとき
の直流電圧Ｖdc、ω推定情報、ＬＰＦ１０２の出力の変
化を示したものである。時刻ｔ1において、交流入力電
圧Ｖacが低下すると、それに伴い直流電圧Ｖdcも低下す
る（図３（ａ）、（ｂ）参照）。一般に、交流入力電圧
Ｖacを整流平滑して得られる直流電圧Ｖdcは完全な直流
ではなく、若干の変動成分を有している。入力交流電圧
Ｖacの変動にともない、時刻ｔ1で直流電圧Ｖdcも低下
しはじめるが、モータ５は直流電圧Ｖdcの電圧が所定範
囲にあるときは、正常時の電圧値よりも多少低くても通
常動作可能なように構成されていることから、電圧が所
定範囲外まで低下したタイミングｔ1aになって初めて回
転速度ωが低下しはじめる。モータ５の回転速度は慣性
量を有するため、ある程度の時間を有して除々に低下す
る。ここで、ＬＰＦ１０２の出力特性は、ＬＰＦ１０２
の出力がモータの回転速度の減衰に関する時間特性と同
様の時間特性で低下するように設定されている。その
後、時刻ｔ2にて電圧が再び元に戻ると、回転速度は再
び上昇していく。

【００２８】図４は、直流電圧Ｖdcが低下したときのω
推定情報、ＬＰＦ１０２の出力、推定される位相θの検
出タイミング及び実際の位相θの検出タイミングの変化
を示したものである。図４（ａ）は位置検出θA1が行わ
れた後の時刻ｔ１にて直流電圧Ｖdcが低下した場合を示
すが、駆動するための電圧が不足しているので、回転速
度ωも低下しはじめる（図４（ｂ）参照）。一方、直流
電圧Ｖdcから作成したＬＰＦ１０２の出力も低下しはじ
める（図４（ｃ）参照）。回転速度ωの低下速度は回転
系の慣性量により決定されるので、ＬＰＦ１０２の出力
低下特性を同じように変化するような特性に設定してお
く。これにより、推定の回転位相を得ることができる。
したがって、実際の回転位相θの変化が電圧低下前の回
転位相検出θ1、θ2のあと、θ'3、θ'4、θ'5、θ'6と
速度低下により間隔が広がっている。同じように、ＬＰ
Ｆ１０２の出力に基いて補正されて推定された位相検知
タイミングθ3、θ4、θ5、θ6の間隔が広がっている。
位置検出θA2後も、θ'7とθ7とが同様であるが、それ
までの推定において、すなわち、θ3〜θ6とθ'3〜θ'6
との間で大きなずれなく回転位相が推定されていること
がわかる。

【００２９】なお、回転位相検出手段として、従来例と
同様の非通電期間の端子電圧を用いる方法を前提として
説明したが、その代わりに、通電中のモータ電圧値とモ
ータ電流値とを用いて回転位相を算出する方法、例え
ば、竹下隆晴ほか「電流推定誤差に基づくセンサレスブ
ラシレスＤＣモータ制御」（電気学会論文誌Ｄ，Vol.11
5-D、No.4、1995）に記載の方法を用いても同様の効果
を得ることができる。モータ電流の計測には、三相ブリ
ッジ回路２０４とモータとの間のモータへの配線に電流
検出素子を設置する方法や、抵抗２０６のように関連す
る電流が通過するところの電流から演算しても本発明を
実現することができる。

【００３０】また、電流値そのものを計測しない他の回
転位相検出方法としては、パルス幅変調毎にモータの端
子電圧からモータ電流の極性を知ることができる方法が
公開特許２０００−８３３９７公報で開示されており、
電流の極性変化は６０度毎に検出でき、この方法を用い
ることもできる。

【００３１】なお、本実施例ではモータ端子電圧と基準
電圧の比較を比較回路２０８ｕ，２０８ｖ、２０８ｗを
用いる構成で説明したが、基準電圧、および各相の端子
電圧を制御回路２１０に入力し、制御回路のソフトウェ
アで処理することも可能であることはいうまでもない。

【００３２】また、実施例としては回転位置検出器を使
用しない場合で説明したが、本発明は低い分解能の回転
位置検出器を有している場合でも同様に使用することが
可能であることはいうまでもない。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、直流電源の電圧が急激
に変動し、モータの回転数が低下したた場合であって
も、低下したモータの回転数、回転子位置を精度よく推
定することができ、実際のモータの回転数、回転子位置
を検出できるまでの間、その推定したモータの回転数、
回転子位置を用いてモータ駆動を制御できるため、電源
電圧変動の影響を受けない安定したモータ駆動が実現で
きる。

【００３４】また、本発明の装置おいて、ＬＰＦを用い
て電源電圧の変動量を回転速度情報を得ることができ、
これにより、回転速度の変動を容易に精度よく推定で
き、電源電圧が急激に低下して回転数も急激に低下した
場合であっても、安定したモータ駆動が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例における制御情報の流れを
示すブロック図

【図２】 同一実施例の全体回路構成を示す回路図

【図３】 同一実施例における制御作用を示すタイミン
グ波形図

【図４】 同一実施例における電源変動を示すタイミン
グ波形図

【図５】 従来例に電圧急変時の動作を示すタイミング
波形図

【図６】 従来の全体回路構成を示す回路図

【符号の説明】

１０１ 判断部 １０２ 低域通過フィルタ（ＬＰＦ） １０３ 切替回路 １０８ 正弦波発生部 １０９ パルス幅変調部 １１０ 積分回路 ２０１ 交流電源 ２０２ 整流回路 ２０３ 平滑コンデンサ ２０４ 三相ブリッジ回路 ２０５ モータ ２１０ 制御回路

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H560 AA02 BB04 BB12 DA13 DA19 DB20 EB01 JJ08 SS01 TT07 TT08 TT15 UA02 XA12 XB05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源からの電圧を疑似交流電圧に変
   換し、該疑似交流電圧を駆動電圧として用い、同期モー
   タの回転子の位置を検出しながら同期モータを駆動する
   駆動装置であって、 同期モータの回転子位置を検出する位置検出手段と、 該位置検出手段による同期モータの回転子位置を用いて
   同期モータを駆動するための駆動電圧を発生させる電圧
   発生手段と、 前記直流電源の電圧を同期モータの回転速度に換算する
   換算手段と、 前記直流電源の電圧を検出して同期モータの回転速度の
   低下を判断する判断手段とを備え、 前記判断手段により同期モータの回転速度が低下してい
   ると判断された期間においては、前記換算手段により得
   られる回転速度に基いて回転子位置情報を推定し、それ
   を用いて前記電圧発生手段で発生させる駆動電圧を制御
   することを特徴とする同期モータの駆動装置。
2. 【請求項２】 前記換算手段は、前記同期モータを含め
   たシステムの回転速度応答特性と同等の特性を示す低域
   通過フィルタを含むことを特徴とする請求項１記載の同
   期モータの駆動装置。
3. 【請求項３】 前記判断手段は、検出時の同期モータの
   回転速度と同期モータの誘起電圧定数の積と、前記直流
   電源の電圧とを比較することにより同期モータの回転速
   度低下の有無を判断することを特徴とする請求項１記載
   の同期モータの駆動装置。