JP2004129336A

JP2004129336A - 電動機駆動装置

Info

Publication number: JP2004129336A
Application number: JP2002286738A
Authority: JP
Inventors: Eiji Goto; 後藤　英二; Hirobumi Noma; 野間　博文; Harukado Kobayashi; 小林　玄門; Masashi Arakawa; 荒川　政志
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】安価な構成で相電流を正確に検出し、低速回転域から高速回転域まで良質な駆動が可能で、かつ外乱耐性に優れた電動機駆動装置を提供することを目的とする。
【解決手段】インバータ母線電流にて３相電動機の各相の電流を検知し、デューティ補正手段を備え、かつ電動機の各相の相電圧の飽和を検出する手段にフィルタを設けた。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスＤＣモータなどの電動機を任意の回転数で駆動する電動機駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、空気調和機における圧縮機などの電動機を駆動する装置においては、地球環境保護の観点から消費電力を低減する必要性が大きくなっている。その中で、省電力の技術の一つとして、ブラシレスＤＣモータのような効率の高い電動機を任意の周波数で駆動するインバータなどが広く一般に使用されている。
【０００３】
さらに、駆動する技術としては、矩形波状の電流により駆動を行う矩形波駆動に対して、より効率が高く、騒音も低くすることが可能な正弦波駆動技術が注目されている。
空気調和機における圧縮機のような電動機を駆動する場合、電動機の回転子の位置を検出するセンサを取りつけることが困難であるため、回転子の位置を何らかの方法で推定しながら駆動を行う位置センサレス正弦波駆動の技術も発明されている。
【０００４】
また、回転子の位置を推定する方法として、電動機の誘起電圧を推定することにより行う方法が提案されている。
【０００５】
図９に位置センサレス正弦波駆動を実現するためのシステム構成を示す。１は直流電源、２はインバータ、３はブラシレスモータ、４は固定子、５は回転子、６は制御部、７ｖと７ｗは電流センサである。ブラシレスモータ３は、中性点を中心にＹ結線された３つの相巻線４ｕ，４ｖ，４ｗが取付けられる固定子４、および磁石が装着されている回転子５を備える。Ｕ相巻線４ｕの非結線端にＵ相端子８ｕ、Ｖ相巻線４ｖの非結線端にＶ相端子８ｖ、Ｗ相巻線４ｗの非結線端にＷ相端子８ｗが接続される。
【０００６】
インバータ２は、一対のスイッチング素子が電流の上流側と下流側の関係に直列接続された直列回路を、Ｕ相用，Ｖ相用，Ｗ相用として３つ有する。
【０００７】
これら直列回路に、直流電源１から出力されるＤＣ電圧が印加される。Ｕ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｕ、および下流側スイッチング素子１３ｕより成る。Ｖ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｖ、および下流側スイッチング素子１３ｖより成る。Ｗ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｗ、および下流側スイッチング素子１２ｗより成る。
【０００８】
なお、フリーホイールダイオード１４ｕ，１４ｖ，１４ｗ，１５ｕ，１５ｖ，１５ｗが、各スイッチング素子と並列に接続される。
【０００９】
インバータ２におけるスイッチング素子１２ｕ，１３ｕの相互接続点、スイッチング素子１２ｖ，１３ｖの相互接続点、およびスイッチング素子１２ｗ，１３ｗの相互接続点に、ブラシレスモータ３の端子８ｕ，８ｖ，８ｗがそれぞれ接続される。
【００１０】
制御部６は、ブラシレスモータ３の相巻線４ｖ，４ｗに流れる電流を電流センサ７ｖ，７ｗによって検出し、この電流値をもとに誘起電圧を推定し、目標速度を実現するための出力すべき電圧をＰＷＭ信号生成手段９で決定し、インバータ２を制御する信号を出力する。
【００１１】
また、直流電源１から出力されるＤＣ電圧をインバータ印加電圧検出手段１６で検出し、このＤＣ電圧とＰＷＭ信号生成手段９で決定した電圧をもとに、ブラシレスモータ３の各相の相電圧の飽和を検出し、飽和を検出したときには目標速度を減少させるなどの保護制御を即時行っている。以上のような回路構成にて、ブラシレスモータ３の駆動制御を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−３５０４８９号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の誘起電圧の推定による位置センサレス正弦波駆動においては、駆動する電動機の相電流を検出するために、電流センサなどの検出器を最低でも２つ用いなければならず、駆動装置を構成する上でコストアップの要因となってしまうという問題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、インバータ母線電流にて３相電動機の各相の電流を検知し、デューティ補正手段を備えることによって低速回転域から高速回転域まで良質な駆動を安価な手法で実現し、かつ相電圧の飽和を検出する手段にフィルタを備えることをによって外乱耐性に優れた電動機駆動装置を実現するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は本実施例の構成を示すブロック図である。１は直流電源、２はインバータ、３はブラシレスモータ、４は固定子、５は回転子、６は制御部である。
ブラシレスモータ３は、中性点を中心にＹ結線された３つの相巻線４ｕ，４ｖ，４ｗが取付けられる固定子４、および磁石が装着されている回転子５を備える。Ｕ相巻線４ｕの非結線端にＵ相端子８ｕ、Ｖ相巻線４ｖの非結線端にＶ相端子８ｖ、Ｗ相巻線４ｗの非結線端にＷ相端子８ｗが接続される。
【００１７】
インバータ２は、一対のスイッチング素子が電流の上流側と下流側の関係に直列接続された直列回路を、Ｕ相用，Ｖ相用，Ｗ相用として３つ有する。これら直列回路に、直流電源１から出力されるＤＣ電圧が印加される。Ｕ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｕ、および下流側スイッチング素子１３ｕより成る。Ｖ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｖ、および下流側スイッチング素子１３ｖより成る。Ｗ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｗ、および下流側スイッチング素子１２ｗより成る。なお、フリーホイールダイオード１４ｕ，１４ｖ，１４ｗ，１５ｕ，１５ｖ，１５ｗが、各スイッチング素子と並列に接続される。
【００１８】
インバータ２におけるスイッチング素子１２ｕ，１３ｕの相互接続点、スイッチング素子１２ｖ，１３ｖの相互接続点、およびスイッチング素子１２ｗ，１３ｗの相互接続点に、ブラシレスモータ３の端子８ｕ，８ｖ，８ｗがそれぞれ接続される。
【００１９】
インバータ２に印加されている直流電圧は、上述したインバータ２内のスイッチング素子などの回路によって三相の交流電圧に変換され、それによりブラシレスモータ３が駆動される。
【００２０】
外部より与えられる目標速度を実現するべく、現在の速度との誤差から演算された出力電圧を出力するために、ＰＷＭ信号生成手段９によりインバータ２のスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号が生成される。
【００２１】
ＰＷＭ信号はデューティ補正手段１９により補正を行った後、スイッチング素子を電気的に駆動するためのドライブ信号にベースドライバ１０により変換され、各スイッチング素子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗが動作する。
【００２２】
次に、制御部６での動作を簡単に説明する。インバータ母線に配した電流検出手段１１　により検出されたブラシレスモータ３の相電流と、ＰＷＭ信号生成手段９で演算される出力電圧と、インバータ印加電圧検出手段１６が検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧より、ブラシレスモータ３の誘起電圧が誘起電圧推定手段１７により推定される。
【００２３】
さらに、推定された誘起電圧から、回転子位置速度推定手段１８でブラシレスモータ３の回転子磁極位置および速度を推定する。推定された回転子磁極位置の情報に基づいてＰＷＭ信号生成手段９でブラシレスモータ３を駆動するための各相へ印加するべき電圧が決定され、決定された電圧に基づいてＰＷＭ信号が生成される。
【００２４】
このようにして推定された回転子５の速度と、外部から与えられる目標速度との偏差等の情報から、回転子速度が目標速度となるように制御される。また、相電圧飽和時制御手段２０でインバータ印加電圧検出手段１６が検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧と、ＰＷＭ信号生成手段９で決定されたブラシレスモータ３の各相へ印加するべき電圧により、ブラシレスモータ３の各相の相電圧の飽和を検出し、たとえば目標速度を減少させるなどの保護制御を行う。
【００２５】
次に、誘起電圧推定手段１７の動作について説明する。電流検出手段１１　により検出された各相の巻線に流れる相電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を得る。また、ＰＷＭ信号生成手段９で演算される出力電圧と、インバータ印加電圧検出手段１６が検出したインバータ印加電圧の情報から、各相の巻線に印加される相電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）が求められる。
【００２６】
原理的には、これらの値から、下記式（１）、（２）、（３）の演算により、各相の巻線に誘起される誘起電圧値ｅｕ、ｅｖ、ｅｗが求められる。
【００２７】
ここで、Ｒは抵抗、Ｌはインダクタンスである。また、ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔはそれぞれｉｕ、ｉｖ、ｉｗの時間微分である。
【００２８】
ｅｕ＝ｖｕ−Ｒ・ｉｕ−Ｌ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ　　　　・・・（１）
ｅｖ＝ｖｖ−Ｒ・ｉｖ−Ｌ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ　　　　・・・（２）
ｅｗ＝ｖｗ−Ｒ・ｉｗ−Ｌ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ　　・・・（３）
【００２９】
式（１）、（２）、（３）をさらに詳細に展開すると式（４）、（５）、（６）となる。
【００３０】

【００３１】
ここで、ｄ／ｄｔは時間微分を表し、三角関数に関する微分の演算に現れるｄθ／ｄｔには推定速度ωｍを電気角速度に変換したものを用いる。
【００３２】
また、ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔは、１次オイラー近似で求める。なお、ｗ相電流値ｉｗは式（１４）のように、ｕ相電流値ｉｕとｖ相電流値ｉｖとの和の符号を変えたものとする。
【００３３】
ここで、Ｒは巻線一相あたりの抵抗、ｌａは巻線一相あたりの漏れインダクタンス、Ｌａは巻線一相あたりの有効インダクタンスの平均値、およびＬａｓは巻線一相あたりの有効インダクタンスの振幅である。
【００３４】
誘起電圧推定手段１７においては、式（４）、（５）、（６）を簡略化した、式（７）、（８）、（９）を使用する。
【００３５】
簡略化は、相電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが正弦波であると仮定し、電流指令振幅ｉａと電流指令位相βＴとから相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを作成し、簡略化したものである。
【００３６】

【００３７】
次に、回転子位置速度推定手段１８の動作について説明する。誘起電圧推定手段１７により推定された推定誘起電圧値ｅｕ、ｅｖ、ｅｗから、回転子５の位置と速度を推定する。これは、回転子位置速度推定手段１８が認識している推定角度θｍを誘起電圧の誤差を用いて補正することにより、真値に収束させるものである。また、そこから、推定速度ωｍを作成する。
【００３８】
まず、各相の誘起電圧基準値（ｅｕｍ、ｅｖｍ、ｅｗｍ）を以下の式で求める。
【００３９】
ｅｕｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ）
ｅｖｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ−１２０°）
ｅｗｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ−２４０°）
・・・（１０）ここで、ｅｍ：誘起電圧振幅値は、推定誘起電圧ｅｕ、ｅｖ、ｅｗの振幅値と一致させることにより求める。
【００４０】
この様にして求めた誘起電圧基準値と誘起電圧推定値との偏差εを作成する。
下記式（１１）のように、誘起電圧推定値ｅｓから誘起電圧基準値ｅｓｍを減算したものを偏差εにする。
ε＝ｅｓ−ｅｓｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１１）
（ｓ：相　ｕ／ｖ／ｗ）
【００４１】
この偏差が、０になれば推定角度θｍが真値になるので、偏差εを０にするように角度ＰＩ演算手段２０で推定角度θｍを比例積分演算し補正値をＰＷＭ信号生成手段９に送信する。
【００４２】
また、回転子位置速度推定手段１８で推定角度θｍの変動値を演算することにより、推定速度ωｍを作成し、速度ＰＩ演算手段２１に送信する。
【００４３】
速度ＰＩ演算手段２１では、目標速度ω＊を実現するために、目標速度ω＊と推定速度ωｍとの差Δωにより、
ＫＰΔω＋ＫＩΔω　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１２）
（ＫＰ：比例ゲイン、ＫＩ：積分ゲイン）
の補正値をＰＷＭ信号生成手段９に送信する。
【００４４】
ＰＷＭ信号生成手段９では角度ＰＩ演算手段２０と速度演算手段２１からの補正値に基づき、出力するべき電圧Ｖ＊を計算し、電圧値Ｖ＊から各相に出力するべき電圧Ｖｓ＊（ｓ：相　ｕ／ｖ／ｗ）を以下の様にして求める。
【００４５】
Ｖｕ＊＝Ｖ＊・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ）
Ｖｖ＊＝Ｖ＊・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ−１２０°）
Ｖｗ＊＝Ｖ＊・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ−２４０°）
・・・（１３）
【００４６】
さらに、このようにして求められた電圧Ｖｓ＊（ｓ：相　ｕ／ｖ／ｗ）を出力するための各スイッチング素子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗのＰＷＭ信号は、デューティ補正手段１９により補正され、ベースドライバ１０に出力した後、各スイッチング素子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗが駆動して正弦波状の交流を生成する。
【００４７】
このように本実施例では、推定誘起電圧値と誘起電圧基準値との偏差εを用いて推定角度θｍを作成し、正弦波状の相電流を流すことによりブラシレスモータ３の正弦波駆動を実現している。
【００４８】
ここで、デューティ補正手段１９の動作について説明する前に、インバータ母線に流れる電流にブラシレスモータ３の相電流が現れる様子を、図２〜６を用いて説明する。図２は、ブラシレスモータ３の各相の巻線に流る相電流の状態を電気角の区切り毎に表した図である。
【００４９】
電気角０〜６０°の区間においては、Ｕ相巻線４ｕとＷ相巻線４ｗには非結線端から中性点に向けて、Ｖ相巻線４ｖには中性点から非結線端に向けて電流が流れていることを示している。電気角６０〜１２０°の区間においては、Ｕ相巻線４ｕには非結線端から中性点に向けて、Ｖ相巻線４ｖとＷ相巻線４ｗには中性点から非結線端に向けて電流が流れていることを示している。以降、電気角６０°毎に各相の巻線に流る相電流の状態が変化していく様子が示されている。
【００５０】
例えば、図２において電気角３０°の時にＰＷＭ信号生成手段９で生成されたＰＷＭ信号が図３のように変化した場合（Ｕはスイッチング素子１２ｕを、Ｖはスイッチング素子１２ｖを、Ｗはスイッチング素子１２ｗを、Ｘはスイッチング素子１３ｕを、Ｙはスイッチング素子１３ｖを、Ｚはスイッチング素子１３ｗを動作させる信号で、アクティブＨｉで記載）、インバータ母線には図４に示すようにタイミング▲１▼では０、タイミング▲２▼ではＷ相巻線４ｗに電流が流れ、タイミング▲３▼ではＶ相巻線４ｖに電流が流れる。
【００５１】
他にも、図２において電気角３０°の時にＰＷＭ信号生成手段９で生成されたＰＷＭ信号が図５のように変化した場合、インバータ母線には図６に示すようにタイミング▲１▼では０、タイミング▲２▼ではＵ相巻線４ｕに電流が流れ、タイミング▲３▼ではＶ相巻線４ｖに電流が流れる。
【００５２】
このように、インバータ２のスイッチング素子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗの状態によってインバータ母線にブラシレスモータ３の相電流が現れることが分かる。上述のように、近接したタイミングでニ相分の電流を判断することができれば、
ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１４）
の関係から三相それぞれの電流が求められることは明白である。
【００５３】
しかしながら、図２において電気角３０°の時にＰＷＭ信号生成手段９で生成されたＰＷＭ信号が図７のように変化した場合、インバータ母線にはタイミング▲１▼で０、タイミング▲３▼でＶ相巻線４ｖに流れる電流しか現れない。
【００５４】
このような変化のＰＷＭ信号が繰り返されると三相それぞれの電流を求めることができず、誘起電圧推定手段１７で誘起電圧の推定が不能になり、ブラシレスモータ３の駆動ができなくなる。
【００５５】
デューティ補正手段１９では上記のような不具合を回避すべく、ブラシレスモータ３の各相の巻線に流る相電流を検出する必要が生じた際には、ＰＷＭ信号生成手段９で生成されるＰＷＭ信号をチェックし、万が一、図７のような信号変化だった場合、例えば図３に示したようなＰＷＭ信号に補正する。
【００５６】
図３に示すように、インバータ母線電流は、スイッチング時には電流の振動が発生し、また、電流検出手段１１にはノイズ等が重畳する。これらの影響により、微小な時間ではあるが、誘起電圧推定手段１７で推定される誘起電圧が影響をうけ、さらにはＰＷＭ信号生成手段９で決定するブラシレスモータ３の各相へ出力するべき電圧Ｖｓ＊（ｓ：相　ｕ／ｖ／ｗ）が影響をうける。
【００５７】
従って、ブラシレスモータ３の各相へ出力するべき電圧Ｖｓ＊（ｓ：相　ｕ／ｖ／ｗ）がノイズ等の外乱により過大となったとき、インバータ印加電圧検出手段１６で検出された直流電源１から出力されるＤＣ電圧との比較によってブラシレスモータ３の各相へ印加される相電圧の飽和が検出され、保護制御を行うため、モータ駆動の安定性が若干悪くなる。
【００５８】
ここで図８を用いて相電圧飽和時制御手段２０がブラシレスモータ３の各相へ印加される相電圧の飽和を検出したときの処理を説明する。判断２１でブラシレスモータ３の各相へ印加される相電圧が飽和かを検出する。判断２１で相電圧の飽和を検出したとき、判断２２の連続設定回数以上かを判断する。
【００５９】
判断２２で連続設定回数以上と判断したとき、処理２３の保護制御処理を実行し、処理２４の相電圧の飽和検出回数を１カウントアップする処理を実行する。
判断２２で連続設定回数未満と判断したときは、処理２３の保護制御処理を実行せず、処理２４の飽和検出回数を１カウントアップする処理のみ実行する。
【００６０】
また、判断２１で相電圧の飽和を検出していないときは、相電圧の飽和検出回数をクリアする処理２５を実行する。
【００６１】
上記処理によって、相電圧の飽和の検出が設定回数未満のときは外乱による影響とみなすことができ、外乱等によって誘起電圧推定手段１７で推定される誘起電圧が影響をうけた時も安定した駆動を実現することができる。
【００６２】
また、デューティ補正手段１９から出力されたＰＷＭ信号のデューティ情報が電流検出手段１１　に入力され、電流検出手段１１ではインバータ母線電流にブラシレスモータ３のどの相の電流が現れているのか判断しながら三相それぞれの電流に変換し、以降の誘起電圧推定手段１７での誘起電圧の推定演算に活用される。
【００６３】
以上のように、インバータ母線電流を検知する電流検出手段１１とデューティ補正手段１９によりブラシレスモータ３の各相の巻線に流れる相電流を検出可能とし、ブラシレスモータ３の各相へ印加される相電圧の飽和を複数回連続で検出したとき保護制御を作動させることで外乱耐性を向上させている。
【００６４】
【発明の効果】
電流検出手段をインバータと電動機間の線間に少なくとも２つ以上設けることのない安価なシステム構成で、低速度から高速度まで安定した正弦波駆動を実現し、外乱耐性の優れたモータ駆動が行えるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電動機駆動装置の一実施例の構成を示すブロック図
【図２】電動機の相電流状態の時間的変化の一例を表す図
【図３】ＰＷＭ信号の変化の一例を表す図
【図４】図３における、ＰＷＭ信号の変化時に電動機、インバータに流れる電流状態を表す図
【図５】ＰＷＭ信号の変化の一例を表す図
【図６】図５における、ＰＷＭ信号の変化時に電動機、インバータに流れる電流状態を表す図
【図７】ＰＷＭ信号の変化の一例を表す図
【図８】電動機の各相に印加される相電圧の飽和を検出時の処理を表すフローチャート
【図９】従来例を表すブロック図
【符号の説明】
２　インバータ
３　ブラシレスモータ（３相電動機）
９　ＰＷＭ信号生成手段
１１　電流検出手段
１６　インバータ印加電圧検出手段
１７　誘起電圧推定手段
１８　回転子位置速度推定手段
１９　デューティ補正手段

Claims

三相電動機と、インバータと、インバータ母線電流を検出する電流検出手段と、前記インバータが出力する電圧値と前記電流検出手段により検出される電流値とから前記電動機の誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、推定された誘起電圧推定値に基づいて前記電動機の回転子磁極位置と回転速度を推定する回転子位置速度検出手段と、推定された回転子磁極位置の情報に基づいて前記インバータを制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、前記ＰＷＭ信号生成手段で生成されたＰＷＭ信号のデューティを補正するデューティ補正手段から構成される電動機駆動装置において、前記電流検出手段がインバータ母線電流を検出している時間は、ＰＷＭ信号を変化させないデューティに補正、前記電動機の各相に印加される相電圧の飽和の検出にフィルタを設けた電動機駆動装置。
三相電動機の各相に印加される相電圧の飽和を複数回連続して検出したとき相電圧の飽和とすることを特徴とした請求項１記載の電動機駆動装置。
空気調和機に搭載したことを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の電動機駆動装置。