JP2005065449A

JP2005065449A - モータ制御装置

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Publication number: JP2005065449A
Application number: JP2003294909A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Sakanobe; 和憲坂廼邊; Masaaki Yabe; 正明矢部; Kunihiko Yagi; 邦彦八木; Akira Sakai; 顕酒井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-19
Also published as: JP4186750B2

Abstract

【課題】従来の発明は、トルク脈動に応じて流れる脈動電流によるモータ効率の効率低下であった。電流に含まれる脈動成分はモータの出力には寄与せず電流の実効値のみを増加させるため、効率を低下させる大きな要因となっていた。
【解決手段】この発明に係るモータ制御装置は、回転に伴うトルク脈動を有する負荷と、これを駆動するモータと、前記モータを可変速駆動するインバータおよび制御手段よりなるモータ制御装置において、出力トルクの脈動量を検出する出力トルク脈動検出手段と、前記出力トルク脈動に応じてこのトルク脈動を抑制するよう前記インバータの出力周波数又は電圧の少なくとも１つを補正する脈動補正手段と、運転周波数が所定以下の場合に前記脈動補正手段の補正割合を大きくする補正ゲイン調整手段とを備えるものである。
【選択図】図１

Description

この発明はモータ制御に係り、特に、トルク脈動を有する負荷を駆動するインバータに関するものである。

従来のモータ制御装置としては、軽負荷時に振動・騒音を低減するためのトルク制御を行い、過負荷時には電流ピークを抑制するよう制御するものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−２１８７８５号公報（第３―４頁、第１図〜第３図）

解決しようとする課題は、トルク脈動に応じて流れる脈動電流によるモータ効率の効率低下であった。電流に含まれる脈動成分はモータの出力（回転数×トルクの時間平均）には寄与せず電流の実効値のみを増加させるため、効率を低下させる大きな要因となっていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は電流脈動を抑制し効率を改善をすることができるモータ制御装置を得るものである。

この発明に係るモータ制御装置は、回転に伴うトルク脈動を有する負荷と、これを駆動するモータと、前記モータを可変速駆動するインバータおよび制御手段よりなるモータ制御装置において、出力トルクの脈動量を検出する出力トルク脈動検出手段と、前記出力トルク脈動に応じてこのトルク脈動を抑制するよう前記インバータの出力周波数又は電圧の少なくとも１つを補正する脈動補正手段と、運転周波数が所定以下の場合に前記脈動補正手段の補正割合を大きくする補正ゲイン調整手段とを備えるものである。

この発明の補正ゲイン調整手段は、モータの電流脈動を抑制しモータの実効電流を低減し効率を改善するという効果がある。
また、電流脈動の抑制は高速運転になると低感度に行われるので、高速時に問題となる出力トルク検出ないし推定の誤差増大の問題がなく良好に駆動できる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるモータ制御装置の構成を示すものである。図において、直流電源１の出力側に可変速駆動させるインバータ２が電気的に接続され、さらにインバータ２の出力側にはこのインバータ２により可変速駆動するモータ３が電気的に接続されている。モータ３には機械的に接続される、例えば圧縮機等の脈動負荷（以降脈動負荷と称す）４が接続される。この脈動負荷４は回転に応じて負荷トルクが周期的に変化する特性を持ち、例えば図６に示す様な負荷トルクパターンとなっている。インバータ２とモータ３の接続線には、前記接続線に流れる電流情報を制御手段６に出力する電流検出手段５が設けられている。制御手段６は、前記電流検出手段５からの電流情報と、外部より与えられる速度指令ｆ、および直流電源１の電源電圧情報Ｖｄｃの各入力部と、インバータ２への制御信号の出力部を有し、内部には出力トルク脈動検出手段７、補正ゲイン調整手段８、脈動補正手段９、駆動制御手段１０がそれぞれ設けられている。

出力トルク脈動検出手段７は、モータ３に流れる電流情報を電流検出手段５を介して取得し、出力トルク脈動を演算し脈動補正手段９に出力する。補正ゲイン調整手段８は、速度指令ｆが所定以下の場合にあるときに補正割合を大きくするような脈動補正ゲインを脈動補正手段９に出力する。図７に速度指令ｆと脈動補正ゲインの関係図の一例を示す。脈動補正手段９は、前記脈動補正ゲインおよび出力トルク脈動を入力し、前記出力トルク脈動を抑制するようインバータ２の出力する電圧および周波数の補正量又はインバータ２の出力する電圧又は周波数の補正量の少なくとも一つを補正する。駆動制御手段９は、前記速度指令ｆ、前記電圧及び周波数の補正量、前記電源電圧情報Ｖｄｃおよび電流情報に基づき、モータにあたえる電圧の振幅および周波数を逐次計算しインバータ２を発生する制御信号に変換して出力する。
上記において、モータ３および脈動負荷４は例えば圧縮機等で構成される。また制御手段６は例えばマイクロコンピュータ等で構成される。

次に動作について図１０に示す制御フローに基づき説明する。制御手段６は外部からの速度指令ｆに基づき、インバータ２にモータ３を所定周波数で駆動するための制御信号を逐次出力する。インバータ２は前記制御信号に基づき内部のスイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦし、モータ３に交流電圧を供給する。これに応じてモータ３は回転し、脈動負荷４を駆動する（ステップ１）。

脈動負荷４は前述のように回転に同期した脈動トルク特性を有するため、モータの回転速度は脈動し、電流は脈動した電流波形となる。この時の電流波形の一例を図３に示す。一般にモータ３の回転速度はトルク偏差（出力トルクー負荷トルク）の時間積分に比例し、モータ電流の脈動量は前記速度変動の時間積分に依存するため、前記脈動トルクの周波数が低下するほど回転速度の変動量が増加し、電流の脈動も増大する。すなわち前述の脈動負荷４を駆動する場合、これにより生じる電流脈動の大きさは回転速度の２乗にほぼ反比例するような特性となり、低速において電流脈動は急増する。出力トルク脈動検出手段７は、電流脈動が発生すると所定の演算に基づきトルク脈動量を演算する（ステップ２）。

トルク脈動の演算方法としては例えば、モータの磁束方向と位相が一致する直交２軸の回転座標を求め、検出したモータ電流を前記座標系に変換し、トルク電流成分と励磁電流成分を求め、この時のトルク電流成分の大きさにトルク定数を乗じて出力トルクを得、さらにはその出力トルクの時間平均値を求めると共に、出力トルク瞬時値と出力トルク平均値の差分よりトルク脈動量を求める、等の方法がある。
次に、補正ゲイン調整手段８は、速度指令ｆを逐次入力し読み込み、速度指令ｆに変更ないかを判断し、それに応じた脈動補正ゲインを出力する（ステップ３〜５）。

次に上記の様にして求められたトルク脈動量および脈動補正ゲインに基づき脈動補正手段９はインバータの出力する周波数の補正値及び電圧の補正値を計算する（ステップ６）。

ここで周波数補正値及び電圧補正値は出力トルク脈動量に脈動補正ゲインを乗じた後、周波数・電圧それぞれに対してあらかじめ決定されている所定の正の定数をそれぞれ乗じて求められる。

次に駆動制御手段１０は、速度指令ｆ・モータ電流からモータに出力する電圧および周波数の基準値を演算すると共に、前記で求められた周波数の補正量及び電圧の補正量を前記基準値から減算し、電圧指令の瞬時値を求め（ステップ７）、さらに、前記電源電圧情報Ｖｄｃより、インバータ２内のスイッチング素子のＰＷＭ制御信号を生成し出力する（ステップ８）。

以上説明したステップ２〜ステップ８の動作を繰り返し実施すことにより、図４および図５にこの発明の実施の形態１における出力トルクが一定である場合の出力トルク・負荷トルクの時間波形の特性図、及び出力トルクが一定である場合のモータ電流の時間波形の特性図に示すように、出力トルク脈動量が大であるときには、インバータ出力周波数が減速すると共に出力電圧が低下し、次のタイミングにおける出力トルクが減少する。

また出力トルク脈動量が小であるときにはインバータ出力周波数が上昇すると共に出力電圧が低下し、次のタイミングにおける出力トルクが増加するよう動作する。また、参考までに周波数及び電圧の補正を行わない場合（従来）のトルク及び電流の時間波形を図２および図３に示す。

次に運転周波数が高速の場合と低速の場合における動作の違いについて説明する。前述の様に低速の場合は高速の場合に比べ、モータ３の速度変動量が増加するため電流脈動が増加するが、モータの速度起電力が小さくなるため、上記の脈動補正ゲインに運転周波数に依らず一定とすると、電流脈動が十分抑制されない。ただし、この発明においては補正ゲイン調整手段８が運転周波数に応じて脈動補正ゲインを変化し、低速となるほど脈動補正ゲインを大きくするよう動作するので、電流脈動は高速時と同様に抑制される。図８に補正ゲイン調整手段の有無と電流脈動の関係を示す。また冒頭に述べたように電流脈動は効率の低下要因であることから、上記の様に電流脈動を抑制することで低速運転時の効率低下が小さくなり効率を改善することができる。

図９に補正ゲイン調整を行った場合（制御有り）と、行わない場合（制御無し）とにおけるモータ電流の比率に関する計測例を示す。ここで、脈動負荷は圧縮機でありトルク脈動周波数は前記トルク脈動周期内のモータ電流振幅を一定とする運転周波数と一致している仕様のものを使用している。計測結果に依れば脈動周波数４０（Ｈｚ）以下の条件において制御による電流低減の効果が大きくなる。

なお、インバータおよびモータにはそれぞれ最大電流定格があり、これを越える電流が流れる条件では使用できないが、補正ゲイン調整が行われない場合、低速では電流脈動により電流ピークが増加し運転不能となっていた。一方、本発明によれば、電流脈動が抑制されるため、より低速まで運転範囲を拡大することができる等の効果がある。

この発明の活用例として、冷凍空調用の圧縮機インバータの高効率化が挙げられる。冷蔵庫および家庭用エアコン等では負荷トルク脈動の大きいシングルロータリ型或いはレシプロ型の圧縮機が用いられる。これらの機器は、家庭内消費電力の３０％以上を占めるため、機器の省エネルギー化に対する要求も高い。また、これらの機器の圧縮機は、通常定格周波数よりも低い運転周波数で長時間運転されるため、低速での効率改善は省エネルギーに対して寄与率が高くなる。本発明は、これらの期待に応える有効な手段となる。

この発明の実施の形態１におけるモータ制御装置の構成図。この発明の実施の形態１におけるインバータ周波数が一定である場合の出力トルク・負荷トルクの時間変化を示す特性図。この発明の実施の形態１におけるインバータ周波数が一定である場合のモータ電流の時間変化を示す特性図。この発明の実施の形態１における出力トルクが一定である場合の出力トルク・負荷トルクの時間変化を示す特性図。この発明の実施の形態１における出力トルクが一定である場合のモータ電流の時間変化を示す特性図。この発明の実施の形態１における脈動負荷のトルク変動を示す特性図。この発明の実施の形態１における速度指令と脈動補正ゲインの関係を示す関係図。この発明の実施の形態１における回転速度と電流脈動の関係を示す関係図。この発明の実施の形態１における回転速度と電流の関係を示す関係図。この発明の実施の形態１によるモータ制御装置の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１直流電源、２インバータ、３モータ、４脈動負荷、５電流検出手段、６制御手段、７出力トルク脈動検出手段、８補正ゲイン調整手段、９脈動補正手段、１０駆動制御手段。

Claims

回転に伴うトルク脈動を有する負荷と、これを駆動するモータと、前記モータを可変速駆動するインバータおよび制御手段よりなるモータ制御装置において、出力トルクの脈動量を検出する出力トルク脈動検出手段と、前記トルク脈動に応じてこのトルク脈動を抑制するよう前記インバータの出力周波数又は電圧の少なくとも１つを補正する脈動補正手段と、速度指令が所定以下の場合に、前記脈動補正手段の補正割合を大きくする補正ゲイン調整手段を有することを特徴とするモータ制御装置。
補正ゲイン調整を行う範囲はトルク脈動の周波数が４０Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
駆動される負荷は圧縮機であることを特徴とする請求項１から２記載のモータ制御装置。
回転に伴うトルク脈動を有する圧縮機と、これを駆動するモータと、前記モータを可変速駆動するインバータおよび制御手段よりなるモータ制御装置において、前記圧縮機の負荷トルク脈動周波数が４０Ｈｚ以下の運転領域において、前記トルク脈動周期内のモータ電流振幅を一定に制御することを特徴とするモータ制御装置。