JP2005192267A - 電動機駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の位置推定誤差の増加が早い状態での速度安定性に優れ、かつ高速回転可能な電動機駆動装置を実現する。
【解決手段】 三相電動機３に印加する電圧指令値の電圧飽和の度合いである電圧飽和率と比較する電圧飽和率設定値を変更することなく、電圧飽和率と電圧飽和設定値とを比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定以上の場合、または三相電動機３を起動する場合に、検出した三相電動機３の各相電流と目標回転数に達するために必要なトルクを発生させる目標電流から指令電流を比例積分微分演算により決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置センサレスブラシレスＤＣモータを任意の回転数で駆動する電動機駆動装置に関するものである。

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。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主流となりつつある。

空気調和機における圧縮機の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付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。回転子の位置を推定する方法として、電動機の誘起電圧から推定することにより行う方法があり、インバータ母線に流れる電流から推定する方法や（例えば、特許文献１参照）、電流センサを用いて電動機に流れる電流から推定する方法（例えば、特許文献２参照）が発明されている。

図３に特許文献１記載の従来の位置センサレス正弦波駆動のシステム構成を示す。

図３において、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が取り付けられる固定子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。

インバータ２は、直列接続された一対のスイッチング素子がＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用として３組並列接続され、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、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、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より成り、フライホイールダイオード１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ、１５ｕ、１５ｖ、１５ｗは、各スイッチング素子と並列に接続される。

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。

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擬似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。

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、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。

制御部６は、インバータ母線に配した電流検出手段７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。さらに推定された誘起電圧から、回転子位置推定手段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。

また、ブラシレスモータ３に印加される電圧が正弦波から歪みを生じて回転子の位置の推定誤差が大きくなることを防止するために、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のピークが、インバータ印加電圧検出手段１６によって検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧を超える割合である電圧飽和率と、予め設定された電圧飽和率設定値とを比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合のみ、電圧飽和率が電圧飽和率設定値よりも小さくなるまで外部から与えられる回転速度目標値を下げる保護制御を電圧飽和制御手段１９で行っている。

ＰＷＭ信号生成手段９は、推定された回転子磁極位置の情報に基づき、目標速度に達するために必要なトルクを発生させる目標電流を決定する。さらにインバータ母線に配した電流検出手段７により検出されるブラシレスモータ３の相電流が目標電流とおりになるように比例積分演算（ＰＩ制御）を用いて指令電流さらには指令電圧を決定し、インバータ２を制御する信号を出力する。

図４は特許文献２記載の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であり、ブラシレスモータ３の相電流を検出する手段をインバータ母線に配した電流検出手段７から電流センサ２０ｖ、２０ｗにしたものであり、その他の構成は特許文献１記載の発明と同様である。

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。
特開２００３−１８９６７０号公報 特開２０００−３５０４８９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、回転子の位置推定誤差が大きくなることによる脱調を防止するために、電動機に印加する電圧指令値の電圧飽和の度合いである電圧飽和率が、予め設定した電圧飽和率設定値以上の場合、電圧飽和率が電圧飽和率設定値よりも小さくなるまで外部から与えられる回転速度目標値を下げる保護制御を実施するが、電動機の負荷が重い状態では位置推定誤差の増加が早く、保護制御を実施する以前もしくは保護制御動作中に脱調する場合があった。また、予め設定する電圧飽和率設定値を小さくすると、電動機の負荷が重く、位置推定誤差の増加が早い場合の脱調を防止することはできるが、電動機の負荷が重くないときには電動機の回転速度目標値を下げる保護制御が早動作するため、高速で回転させることが困難になるという課題を有していた。また、三相電動機の起動時は電動機の負荷が重く、位置推定誤差が大きくなるため脱調するという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態での速度安定性に優れ、かつ高速回転可能で安定した起動を実現する電動機駆動装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電動機駆動装置は、電動機に印加する電圧指令値の電圧飽和の度合いである電圧飽和率と比較する電圧飽和率設定値を変更することなく、電圧飽和率と電圧飽和設定値とを比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定以上の場合、または三相電動機を起動させる場合に、検出した三相電動機の各相電流と目標回転数に達するために必要なトルクを発生させる目標電流から指令電流を、比例積分演算（ＰＩ制御）から微分項を演算式に加えた比例積分微分演算（ＰＩＤ制御）を用いて決定することにより、目標速度を実現するためのインバータに印加する電圧追従性を向上させ、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態での速度安定性に優れ、かつ高速回転可能で安定した起動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

本発明の電動機駆動装置は、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態での速度安定性に優れ、かつ高速回転可能で安定した起動を実現することができる。

第１の発明は、三相電動機に印加する電圧指令値の電圧飽和の度合いである電圧飽和率と比較する電圧飽和率設定値を変更することなく、電圧飽和率と電圧飽和設定値とを比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定以上の場合に、検出した三相電動機の各相電流と目標回転数に達するために必要なトルクを発生させる目標電流から指令電流を比例積分演算（ＰＩ制御）から微分項を演算式に加えた比例積分微分演算（ＰＩＤ制御）を用いて決定することにより、目標速度を実現するためのインバータに印加する電圧の追従性を向上し、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態での速度安定性に優れ、かつ高速回転可能な電動機駆動装置を実現することができる。

第２の発明は、三相電動機に印加する電圧指令値の電圧飽和の度合いである電圧飽和率と比較する電圧飽和率設定値を変更することなく、電圧飽和率と電圧飽和設定値とを比較し、三相電動機を起動させる場合に、検出した三相電動機の各相電流と目標回転数に達するために必要なトルクを発生させる目標電流から指令電流を比例積分演算（ＰＩ制御）から微分項を演算式に加えた比例積分微分演算（ＰＩＤ制御）を用いて決定することにより、目標速度を実現するためのインバータに印加する電圧の追従性を向上し、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態での速度安定性に優れ、かつ高速回転可能な電動機駆動装置を実現することができる。

第３の発明は、特に第１または２の発明で、三相電動機の相電流をインバータ母線から検出することにより、電流センサを使用せずに安価に検出することができる。

第４の発明は、特に第１または２の発明で、三相電動機の相電流を電流センサを用いて検出することにより、電流値を正確に検出することができる。

以下、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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電動機駆動装置の構成ブロック図である。

図１において、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が取り付けられる固定子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。

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。

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。

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。

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、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。

制御部６は、インバータ母線に配した電流検出手段７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。さらに推定された誘起電圧から、回転子位置推定手段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。

また、ブラシレスモータ３に印加される電圧が正弦波から歪みを生じて回転子の位置の推定誤差が大きくなることを防止するために、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のピークが、インバータ印加電圧検出手段１６によって検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧を超える割合である電圧飽和率と、予め設定された電圧飽和率設定値とを比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合のみ、電圧飽和率が電圧飽和率設定値よりも小さくなるまで外部から与えられる回転速度目標値を下げる保護制御を電圧飽和制御手段１９で行っている。

ＰＷＭ信号生成手段９は、推定された回転子磁極位置の情報に基づき、目標速度に達するために必要なトルクを発生させる目標電流を決定する。さらにインバータ母線に配した電流検出手段７により検出されるブラシレスモータ３の相電流が目標電流とおりになるように比例積分演算（ＰＩ制御）を用いて指令電流さらには指令電圧を決定し、インバータ２を制御する信号を出力する。演算切り換え手段１１では、指令電流を求める演算を電圧飽和制御手段１９で電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上を検出した場合と、電圧飽和率が電圧飽和率設定値未満を検出した場合とで、比例積分演算（ＰＩ制御）、もしくは微分項を加えた比例積分微分演算（ＰＩＤ制御）の切換えを行っている。さらに、三相電動機起
動時の場合と三相電動機起動時以外の場合とで比例積分演算（ＰＩ制御）、もしくは微分項を加えた比例積分微分演算（ＰＩＤ制御）の切換えを行っている。比例積分演算（ＰＩ制御）および比例積分微分演算（ＰＩＤ制御）の切り換えは電圧飽和率が電圧飽和設定値以上を検出した場合、または三相電動機を起動する場合に比例積分微分演算（ＰＩＤ制御）とする。電圧飽和率が電圧飽和設定値以上を検出した場合、ブラシレスモータ３の負荷が重いため、回転子の位置推定誤差の増加が早く、脱調しやすいと判断し、比例積分微分演算（ＰＩＤ制御）に切り換えることで、電圧飽和保護制御によって下げる目標回転数を実現するためのインバータ３に印加する電圧が追従しやすくなり、安定した回転を得ることができる。さらには電圧飽和率設定値を変更することが不要であるため高速回転が可能となる。 また、三相電動機起動時など一時的に電動機の負荷が重い状態においても同様に、インバータに印加する電圧が追従しやすくなるため安定した起動を実現することができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における電動機駆動装置の構成ブロック図であり、実施の形態１のブラシレスモータ３に流れる相電流の検出手段を、インバータ母線に配した電流検出手段７から電流センサ２０ｖ、２０ｗに変更したものであり、その他の構成および動作は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

以上のように、本発明の電動機駆動装置は、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態での速度安定性に優れ、かつ高速回転可能で安定した起動が可能となるので、位置センサレスブラシレスＤＣモータを使用する空気調和機以外の家電機器や産業機器等の用途にも使用できる。

本発明の実施の形態１における電動機駆動装置の構成ブロック図 本発明の実施の形態２における電動機駆動装置の構成ブロック図 従来の電動機駆動装置の構成ブロック図 従来の別の電動機駆動装置の構成ブロック図

符号の説明

２ インバータ
３ ブラシレスモータ（三相電動機）
７ 電流検出手段
９ ＰＷＭ生成手段
１６ 直流電圧検出手段
１７ 誘起電圧推定手段
１８ 回転子位置速度推定手段
１９ 電圧飽和制御手段
２０ｖ、２０ｗ 電流センサ

Claims (4)

1. 三相電動機と、インバータと、前記三相電動機に流れる相電流を検出する電流検出手段と、前記インバータに接続される直流電源の直流電圧検出手段と、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推定手段と、推定された回転子磁極位置の情報に基づき、比例積分演算（ＰＩ制御）により前記三相電動機の回転速度が目標の回転速度に達するために必要なトルクを発生させる目標電流と前記電流検出手段により検出される電流値とから指令電流を決定し、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、前記直流電圧検出手段の出力と前記三相電動機に印加する電圧指令値から電圧飽和の度合いである電圧飽和率を演算して、予め設定された電圧飽和率設定値と比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合のみ、電圧飽和率が電圧飽和率設定値よりも小さくなるまで外部から与えられる回転速度目標値を下げる電圧飽和制御手段とから構成される電動機駆動装置において、前記電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合に、比例積分微分演算（ＰＩＤ制御）を用いて目標の回転速度に達するために必要なトルクを発生させる目標電流を決定することを特徴とする電動機駆動装置。
2. 三相電動機と、インバータと、前記三相電動機に流れる相電流を検出する電流検出手段と、前記インバータに接続される直流電源の直流電圧検出手段と、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推定手段と、推定された回転子磁極位置の情報に基づき、比例積分演算（ＰＩ制御）により前記三相電動機の回転速度が目標の回転速度に達するために必要なトルクを発生させる目標電流と前記電流検出手段により検出される電流値とから指令電流を決定し、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、前記直流電圧検出手段の出力と前記三相電動機に印加する電圧指令値から電圧飽和の度合いである電圧飽和率を演算して、予め設定された電圧飽和率設定値と比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合のみ、電圧飽和率が電圧飽和率設定値よりも小さくなるまで外部から与えられる回転速度目標値を下げる電圧飽和制御手段とから構成される電動機駆動装置において、前記三相電動機を起動させる場合に、比例積分微分演算（ＰＩＤ制御）を用いて目標の回転速度に達するために必要なトルクを発生させる目標電流を決定することを特徴とする電動機駆動装置。
3. 三相電動機の相電流をインバータ母線から検出することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機駆動装置。
4. 三相電動機の相電流を電流センサを用いて検出することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機駆動装置。

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