JP2003219683A - 永久磁石電動機の制御方法 - Google Patents

永久磁石電動機の制御方法

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JP2003219683A
JP2003219683A JP2002012280A JP2002012280A JP2003219683A JP 2003219683 A JP2003219683 A JP 2003219683A JP 2002012280 A JP2002012280 A JP 2002012280A JP 2002012280 A JP2002012280 A JP 2002012280A JP 2003219683 A JP2003219683 A JP 2003219683A
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Masanori Murakami
正憲 村上
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサレスの回転子位置検出方法において、
ステータ巻線のインダクタンスによる3n次高調波成分
を低減して正確なロータ位置推定を行う。 【解決手段】 永久磁石電動機3のステータ結線と並列
に接続した抵抗Rおよび非線形素子NLDのスター結線
回路10によって仮想中性点電圧を得、その仮想中性点
電圧およびステータ結線の中性点電圧をローパスフィル
タ5を介して増幅・コンパレータ回路6に入力してそれ
ら電圧の差を得、この差電圧をA/D変換回路7でデジ
ルタ信号に変換し、これを位置推定信号として制御回路
11に入力する。制御回路11は、その位置推定信号の
印加電圧周波数の3倍の高調波成分によりロータ位置を
推定して電力変換回路2の駆動信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気調和機や電気
自動車などに用いられる永久磁石電動機の制御方法に関
し、さらに詳しく言えば、位置センサによることなくロ
ータ位置を検出する永久磁石電動機の制御方法に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】永久磁石電動機は各種装置の駆動源とし
て用いられているが、例えば空気調和機の分野において
は、多くの場合、図6に例示するように、直流電源1に
よる直流電圧をインバータなどの電力変換回路2にて三
相の交流電圧に変換して永久磁石電動機3に印加するよ
うにしている。
【0003】このとき、ロータの位置を検出してステー
タの巻線電流を切り替えるようにしているが、そのロー
タの位置検出方法の一つとして、誘起電圧を用いるセン
サレス方式がある。
【0004】このセンサレス方式においては、ステータ
結線の中性点電圧(モータ中性点電圧)と、同ステータ
結線に並列に接続したスター結線の抵抗Rからなる抵抗
回路4による仮想中性点電圧とをローパスフィルタ5に
通してPWM波形信号による雑音などを除去した後、モ
ータ中性点電圧と仮想中性点電圧との差電圧を増幅・コ
ンパレータ回路6で得て、この差電圧をA/D変換回路
7によってデジタル変換し、そのデジタル信号を位置推
定信号としてマイコンなどのモータ制御手段に取り込
む。
【0005】モータ制御手段においては、その位置推定
信号から3次高調波成分の電圧を検出し(印加電圧周波
数の3倍高調波成分を抽出し)、この電圧によりロータ
位置を推定し、この位置推定により電力変換回路2の駆
動信号をドライバ回路8に出力し、ステータ巻線の通電
を切り替えてモータを運転する。これによれば、位置セ
ンサなどのハードウェア回路を必要としないことから、
ハード的コストを安価にできる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
センサレス方式による制御方法においては、ロータ永久
磁石によりステータ巻線に発生する誘起電圧には3n次
高調波(n;整数)以外に、ステータ巻線のインダクタ
ンスによる3n次高調波成分も含まれるため、正確なロ
ータ位置の推定が行われないとう欠点がある。
【0007】したがって、最適な通電切り替えが行われ
ず、つまり最適なモータ運転が行われず、例えば空気調
和機や電気冷蔵庫のモータに適用した場合、モータ効率
の低下、高騒音といった問題点が生じることになる。
【0008】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、その目的は、ステータ巻線のインダクタン
スによる3n次高調波成分を低減して、正確なロータ位
置推定を行い、最適な通電切り替えを行うことができる
ようにした永久磁石電動機の制御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】上記目的を達成するため
に、本発明は、永久磁石電動機のステータ結線と並列に
接続した抵抗によって仮想中性点電圧を得て、その仮想
中性点電圧と上記ステータ結線の中性点電圧との差電圧
によりロータ位置を推定して、上記ステータ結線に対す
る通電を切り替える永久磁石電動機の制御方法におい
て、上記各抵抗に非線形素子をそれぞれ直列に接続して
なる結線回路を有し、上記結線回路による仮想中性点と
上記ステータ結線の中性点電圧との差電圧により、上記
ロータ位置の推定を行うようにしたことを特徴としてい
る。
【0010】本発明には、次に述べるいくつかの好まし
い態様が含まれる。その第1の態様においては、上記永
久磁石電動機が三相で、上記非線形素子が非線形のコイ
ルであり、上記抵抗と上記コイルとを組み合わせた結線
回路が、上記ステータ結線に並列に接続したスター結線
とされる。
【0011】第2の態様においては、上記永久磁石電動
機が三相で、上記非線形素子が一方を順方向とし、他方
を逆方向として並列に接続した2つのダイオードを含む
ダイオード回路からなり、上記抵抗と上記ダイード回路
とを組み合わせた結線回路が、上記ステータ結線に並列
に接続したスター結線とされる。
【0012】これらの態様によれば、ステータ巻線のイ
ンダクタンスによる3n次高調波が同様のコイルなどに
よって低減され、しかも非線形素子がコイルやダイオー
ドといった入手し易い安価な部品でよいため、低コスト
で済ませられる。
【0013】また、第3の態様においては、上記差電圧
を、上記ステータ結線の中性点電圧と上記結線回路によ
る仮想中性点電圧とをローパスフィルタおよびコンパレ
ータを通した後にA/D変換して、そのデジタル信号に
て上記ロータ位置の推定を行うとともに、上記ロータ位
置の推定に際しては、予め負荷モードや回転数に応じて
求められている補正データを加味する。これにより、負
荷状態やモータ回転数に対して最適なロータ位置推定が
行われる。
【0014】本発明は、特に空気調和機もしくは電気冷
蔵庫のファンモータやコンプレッサモータに対して好適
で、本発明の制御方法によれば、ファンモータやコンプ
レッサモータの運転が高効率、低騒音で行われ、空気調
和機、電気冷蔵庫の能力向上が図れる。
【0015】
【発明の実施の形態】次に、図1ないし図5を参照し
て、本発明の実施形態について説明する。なお、図1
中、図6と同一部分には同一符号を付して重複説明を省
略する。
【0016】図1に示すように、本発明においては、仮
想中性点電圧を得るためのスター結線の抵抗Rに非線形
素子NLDを直列に接続してなるスター結線回路10を
備えており、このスター結線回路10によって得た仮想
中性点電圧とモータ中性点電圧との差電圧をローパスフ
ィルタ5、増幅・コンパレータ回路6で得、この差電圧
をA/D変換回路7でデジタル信号(位置検出信号)に
変換して、モータの制御回路(マイクロコンピュータ)
11に入力し、この制御回路11によってロータ位置を
推定して電力変換回路2の駆動信号を出力する。
【0017】この実施形態では、上記非線形素子NLD
として、図3に示す非線形のコイル(磁気飽和を起こす
コイル)L、もしくは図4に示す複数のダイオードD
1,D2が用いられるが、他の素子や装置であってもよ
い。
【0018】なお、ダイードD1,D2を用いる場合に
は、少なくとも2つのダイオードを並列に接続する構成
とし、その一方のダイオードD1を順方向に接続し、他
方のダイオードD2を逆方向に接続する。
【0019】本発明の動作を図2のタイムチャート図お
よび図5のフローチャート図を参照して説明する。ま
ず、制御回路は11は、電力変換回路2の駆動信号をド
ライバ回路8に出力して三相の交流電圧を永久磁石電動
機3に印加し、同永久磁石電動機3を運転する。
【0020】このとき、スター結線回路10によって仮
想中性点電圧が得られるが、そのスター結線回路10に
は非線形素子NLDが含まれているため、仮想中性点電
圧には、ステータ巻線のインダクタンスによる3n次高
調波と同様の非線形素子NLDによる3n次高調波成分
の電圧が含まれる。
【0021】モータ中性点電圧とスター結線回路10に
よる仮想中性点電圧とをローパスフィルタ5に通してノ
イズ(PWM波形による雑音など)を除去し、これらモ
ータ中性点電圧と仮想中性点電圧との差電圧を増幅・コ
ンパレータ回路6で得る。
【0022】このモータ中性点電圧と仮想中性点電圧と
の差電圧を得る際には、モータ中性点電圧に重畳されて
いるインダクタンスの3n次高調波が仮想中性点電圧の
高調波成分によって低減され、印加電圧周波数(基本波
周波数)の3倍の高調波成分が抽出される。
【0023】そして、図2に示すように、基本波の3倍
の高調波成分の電圧による差電圧がA/D変換回路7に
よってデジタル信号(位置推定信号)に変換され制御回
路11に入力される。このように、位置推定に必要なデ
ジタル信号が制御回路11に入力することから、真のロ
ータ位置推定が容易に行えることになり、最適な通電切
り替えを行うことができる。
【0024】また、ステータ巻線のインダクタンスの非
線形性による高調波は電流の関数であることから、その
電流に応じてロータ位置推定を補正することが好まし
い。例えば予め決められた負荷モード(運転モード)で
のみ運転する空気調和機や電気冷蔵庫においては、回転
数と電流の対比が分かっていることから、回転数によっ
て電流を把握することが可能である。
【0025】そこで、下記表1に示すように、予め各運
転モード毎にモータ回転数に応じてロータ位置推定を補
正する補正値θ11ないしθ1m,…,θn1ないしθ
nmを求めてテーブル化し、この補正テーブルを制御回
路11の内部メモリに記憶しておく。
【0026】
【表1】
【0027】次に、この制御回路11における処理を図
5のフローチャートにしたがって説明すると、まずノイ
ズ以外のデジタル信号を入力し、つまり上述したPWM
波形によるノイズだけでなく、インダクタンスの3n次
高調波などを低減した真の位置推定信号を入力する(ス
テップST1)。続いて、現在の運転モードを判断し
(ステップST2)、この判断結果により上記表1の補
正テーブルを選択する(ステップST3)。
【0028】入力デジタル信号によりロータ位置推定を
行うが、その位置検出間隔を算出するとともに、これま
での位置検出間隔と合わせて加算し(例えば1回転
分)、位置検出間隔の平均値を算出し(ステップST
4)、またモータ回転数を得、この回転数に応じた補正
値を表1から読み出す。
【0029】その平均値に補正値を加減してロータ位置
を推定し(ステップST5)、ロータ位置推定により点
弧位相を決定し、これをPWM波形とともにセットし
(ステップST6)、つまり回転制御に必要な三相交流
の電圧を得るための信号を生成し、電力変換回路2の駆
動信号として出力する(ステップST7)。
【0030】このように、ロータ位置推定に際しては、
入力位置推定信号を負荷モードに応じて補正し、またそ
の補正に際しては電流センサを用いずに済むことから、
真のロータ位置推定が行えるだけでなく、負荷モードに
応じて最適なロータ位置推定が行え、また低コスト化が
図れる。また、上記最適なロータ推定により高効率、低
騒音での運転が可能であり、空気調和機、電気冷蔵庫に
おけるファンモータやコンプレッサモータ制御が可能と
なる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
永久磁石電動機のステータ結線と並列に接続した抵抗お
よび非線形素子の結線回路によって仮想中性点電圧を得
て、ステータ結線の中性点電圧(モータ中性点電圧)と
その結線回路による仮想中性点との差電圧を得、この差
電圧にてロータ位置推定を行うようにしたことにより、
その非線形素子によってステータ巻線のインダクタンス
による3n次高調波成分の低減が図れ、ひいては真のロ
ータ位置推定を行って最適な通電切り替えができるとい
う効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を説明するための概略的ブロ
ック線図。
【図2】本発明による位置検出を説明するための概略的
タイムチャート図。
【図3】本発明の実施形態に用いられる非線形素子を例
示した回路図。
【図4】本発明の実施形態に用いられる他の非線形素子
を例示した回路図。
【図5】本発明の動作を説明するために概略的フローチ
ャート図。
【図6】従来のモータ制御装置を説明するための概略的
ブロック線図。
【符号の説明】
1 直流電源 2 電力変換回路 3 永久磁石電動機 5 ローパスフィルタ 6 増幅・コンパレータ回路 7 A/D変換回路 10 スター結線回路 11 制御回路(マイクロコンピュータ) D1,D2 ダイオード L コイル NLD 非線形素子 R スター結線用抵抗

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 永久磁石電動機のステータ結線と並列に
    接続した抵抗によって仮想中性点電圧を得て、その仮想
    中性点電圧と上記ステータ結線の中性点電圧との差電圧
    によりロータ位置を推定して、上記ステータ結線に対す
    る通電を切り替える永久磁石電動機の制御方法におい
    て、 上記各抵抗に非線形素子をそれぞれ直列に接続してなる
    結線回路を有し、上記結線回路による仮想中性点と上記
    ステータ結線の中性点電圧との差電圧により、上記ロー
    タ位置の推定を行うようにしたことを特徴とする永久磁
    石電動機の制御方法。
  2. 【請求項2】 上記永久磁石電動機が三相で、上記非線
    形素子が非線形のコイルであり、上記抵抗と上記コイル
    とを組み合わせた結線回路が、上記ステータ結線に並列
    に接続したスター結線である請求項1に記載の永久磁石
    電動機の制御方法。
  3. 【請求項3】 上記永久磁石電動機が三相で、上記非線
    形素子が一方を順方向とし、他方を逆方向として並列に
    接続した2つのダイオードを含むダイオード回路からな
    り、上記抵抗と上記ダイード回路とを組み合わせた結線
    回路が、上記ステータ結線に並列に接続したスター結線
    である請求項1に記載の永久磁石電動機の制御方法。
  4. 【請求項4】 上記差電圧を、上記ステータ結線の中性
    点電圧と上記結線回路による仮想中性点電圧とをローパ
    スフィルタおよびコンパレータを通した後にA/D変換
    して、そのデジタル信号にて上記ロータ位置の推定を行
    うとともに、上記ロータ位置の推定に際しては、予め負
    荷モードや回転数に応じて求められている補正データを
    加味するようにした請求項1,2または3に記載の永久
    磁石電動機の制御方法。
  5. 【請求項5】 当該永久磁石電動機が空気調和機もしく
    は電気冷蔵庫のファンモータやコンプレッサモータ用で
    ある請求項1ないし4のいずれか1項に記載の永久磁石
    電動機の制御方法。
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