JP2005237131A - Motor drive and air conditioner employing it - Google Patents
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Abstract
Description
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とそれを用いた空気調和機に関するものである。 The present invention relates to an electric motor driving device that drives an electric motor such as a brushless DC motor at an arbitrary number of rotations, and an air conditioner using the electric motor driving device.
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、矩形波状の電圧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。 In recent years, in an apparatus for driving an electric motor such as a compressor in an air conditioner, there is an increasing need to reduce power consumption from the viewpoint of protecting the global environment. Among them, as one of the power saving techniques, an inverter that drives a highly efficient electric motor such as a brushless DC motor at an arbitrary frequency is widely used. Furthermore, as a driving technique, a sine wave driving technique that is more efficient and can reduce noise is becoming mainstream as compared with a rectangular wave driving that is driven by a rectangular wave voltage.
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)、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)が発明されている。 When driving an electric motor such as a compressor in an air conditioner, it is difficult to attach a sensor for detecting the position of the rotor of the electric motor. A sinusoidal drive technique has also been invented. As a method for estimating the position of the rotor, there is a method performed by estimating from the induced voltage of the motor, a method of estimating from the current flowing through the inverter bus (for example, Patent Document 1), and the method of flowing to the motor using a current sensor. A method of estimating from the current (for example, Patent Document 2) has been invented.
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を実現するためのシステム構成を示す。
FIG. 3 shows a system configuration for realizing the conventional position sensorless sine wave drive described in
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。 In FIG. 3, 1 is a DC power source, 2 is an inverter, 3 is a brushless motor, 4 is a stator, 5 is a rotor, and 6 is a control unit.
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。
The brushless motor 3 includes a stator 4 to which three
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。
The inverter 2 has three series circuits in which a pair of switching elements are connected in series in a relationship between the upstream side and the downstream side of the current, for U phase, for V phase, and for W phase. A DC voltage output from the
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。
In the inverter 2, the
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。 The DC voltage applied to the inverter 2 is converted into a three-phase AC voltage by a circuit such as the switching element in the inverter 2 described above, and the brushless motor 3 is thereby driven.
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。
In order to realize the target speed given from the outside, the PWM signal generating means 9 generates a PWM signal for driving the switching element of the inverter 2 in order to output the output voltage calculated from the error with the current speed. The switching signals 12u, 12v, 12w, 13u, 13v, and 13w operate by being converted by the
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直流電圧検出手段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。
The
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、直流電圧検出手段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保護手段19で行っている。
Further, in order to prevent the voltage applied to the brushless motor 3 from being distorted from a sine wave and increasing the estimation error of the rotor position, each phase of the brushless motor 3 determined by the PWM
PWM信号生成手段9は、回転子位置速度推定手段18で推定された回転数と、目標速度から比例積分演算を用いて指令速度を決定し、決定した指令速度に基づいてインバータ2を制御する信号を出力する。 The PWM signal generation means 9 determines a command speed from the rotational speed estimated by the rotor position speed estimation means 18 and the target speed using a proportional integration calculation, and controls the inverter 2 based on the determined command speed. Is output.
図4は特許文献2記載の従来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。
FIG. 4 shows a system configuration for realizing the conventional position sensorless sinusoidal drive described in Patent Document 2, and includes a
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。
しかしながら、前記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、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速く、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速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。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も安定して回転を実現し、かつ高速回転可能な電動機駆動装置を提供することを目的とする。 However, in the conventional position sensorless sine wave drive based on the estimation of the induced voltage, the degree of voltage saturation of the voltage command value to be applied to the motor is prevented in order to prevent step-out due to an increase in rotor position estimation error. When a certain voltage saturation rate is equal to or higher than a preset voltage saturation rate setting value, protection control is performed to lower the target rotational speed value given from the outside until the voltage saturation rate becomes smaller than the voltage saturation rate setting value. In a heavy load, the position estimation error increases rapidly, and there is a case where the step out occurs before the protection control is performed or during the protection control operation. In addition, if the preset voltage saturation rate is reduced, step-out can be prevented when the load on the motor is heavy and the position estimation error increases rapidly, but when the load on the motor is not heavy, the rotation speed of the motor Since the protection control for lowering the target value operates quickly, there is a problem that it is difficult to rotate at high speed. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and to provide an electric motor drive device that can stably rotate and can rotate at high speed even when a rotor position estimation error increases rapidly.
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のみ、推定された回転数と目標速度から指令速度を決定する比例積分演算のゲイン設定値を切り換え、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することによって、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した回転を実現し、かつ高速回転可能な電動機駆動装置を実現するものである。
In order to solve the above-described conventional problems, the electric motor driving device of the present invention is configured so that the voltage saturation ratio setting value to be compared with the voltage saturation ratio which is the degree of voltage saturation of the voltage command value applied to the electric motor is changed. Compare the saturation rate with the voltage saturation setting value, and switch the gain setting value for proportional integral calculation that determines the command speed from the estimated speed and target speed only when the voltage saturation rate is equal to or higher than the voltage saturation rate setting. By improving the voltage followability applied to the inverter for realizing the speed, the motor drive device that realizes stable rotation and can rotate at high speed even when the rotor position estimation error increases rapidly is realized. It is.
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も安定した回転を実現し、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。 The motor drive device of the present invention can realize a stable rotation even in a state where the increase in the rotor position estimation error is fast, and can realize a motor drive device capable of high-speed rotation.
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のみ、推定された回転数と目標速度から指令速度を決定する比例積分演算のゲイン設定値を切り換えることにより、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して、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した回転を実現し、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。 The first invention compares the voltage saturation rate with the voltage saturation set value without changing the voltage saturation rate setting value to be compared with the voltage saturation rate which is the degree of voltage saturation of the voltage command value applied to the three-phase motor. Only when the voltage saturation rate is equal to or higher than the voltage saturation rate setting, the inverter for realizing the target speed is switched by switching the gain setting value of proportional integral calculation that determines the command speed from the estimated speed and the target speed. It is possible to improve the voltage followability to be applied, realize a stable rotation even in a state where the increase in the rotor position estimation error is fast, and realize an electric motor drive device capable of high-speed rotation.
第2の発明は、特に、第1の発明の比例積分演算のゲイン設定値の比例項ゲインのみ切換え、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ることにより、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態で安定した回転を実現し、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。 In the second invention, in particular, by switching only the proportional term gain of the gain setting value of the proportional integral calculation of the first invention and improving the voltage followability applied to the inverter for realizing the target speed, It is possible to realize a motor drive device that can achieve stable rotation and can rotate at a high speed while the position estimation error increases rapidly.
第3の発明は、特に、第1または第2の発明の三相電動機に流れる相電流の検出を、インバータ母線に配した電流検出手段を用いて検出するもので、低コストで相電流を検出することができる。 In particular, the third invention detects the phase current flowing through the three-phase motor of the first or second invention using current detection means arranged on the inverter bus, and detects the phase current at low cost. can do.
第4の発明は、特に、第1または第2の発明の三相電動機に流れる相電流の検出を、電流センサを用いて検出するもので、精度よく相電流を検出することができる。 In the fourth aspect of the invention, in particular, the detection of the phase current flowing through the three-phase motor of the first or second aspect of the invention is detected using a current sensor, and the phase current can be detected with high accuracy.
第5の発明は、特に、第1から第4の発明の電動機駆動装置を空気調和機に使用したものであり、それぞれの電動機駆動装置の効果を生かした空気調和機を実現することができる。 In the fifth aspect of the invention, in particular, the motor drive device according to the first to fourth aspects of the present invention is used in an air conditioner, and an air conditioner that makes use of the effects of the respective motor drive devices can be realized.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the electric motor drive apparatus according to
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。 1 is a DC power source, 2 is an inverter, 3 is a brushless motor, 4 is a stator, 5 is a rotor, and 6 is a control unit.
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。
The brushless motor 3 includes a stator 4 to which three
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。
The inverter 2 has three series circuits in which a pair of switching elements are connected in series in a relationship between the upstream side and the downstream side of the current, for U phase, for V phase, and for W phase. A DC voltage output from the
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。
In the inverter 2, the
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。 The DC voltage applied to the inverter 2 is converted into a three-phase AC voltage by a circuit such as the switching element in the inverter 2 described above, and the brushless motor 3 is thereby driven.
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。
In order to realize the target speed given from the outside, the PWM signal generating means 9 generates a PWM signal for driving the switching element of the inverter 2 in order to output the output voltage calculated from the error with the current speed. The switching signals 12u, 12v, 12w, 13u, 13v, and 13w operate by being converted by the
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直流電圧検出手段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。
The
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、直流電圧検出手段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保護手段19で行っている。
Further, in order to prevent the voltage applied to the brushless motor 3 from being distorted from a sine wave and increasing the estimation error of the rotor position, each phase of the brushless motor 3 determined by the PWM signal generating means 9 is prevented. A voltage saturation rate, which is a ratio at which the peak of the voltage to be applied to the DC voltage output from the
PWM信号生成手段9は、回転子位置速度推定手段18で推定された回転数と、目標速度から比例積分演算を用いて指令速度を決定し、決定した指令速度に基づいてインバータ2を制御する信号を出力する。速度比例積分演算ゲイン切換え手段11では、電圧飽和保護手段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、指令速度を決定する比例積分演算で用いる比例項ゲインおよび積分項ゲインの切換えを行っている。比例項ゲインおよび積分項ゲインの切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、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速く、脱調しやすいと判断し、比例項ゲインおよび積分項ゲインを大きくするもので、電圧飽和保護手段19によって下げる目標速度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るため、安定した回転を得ることが可能となり、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。 The PWM signal generation means 9 determines a command speed from the rotational speed estimated by the rotor position speed estimation means 18 and the target speed using a proportional integration calculation, and controls the inverter 2 based on the determined command speed. Is output. In the speed proportional integral calculation gain switching means 11, the voltage saturation protection means 19 detects whether the voltage saturation rate is greater than or equal to the voltage saturation rate set value and when the voltage saturation rate is less than the voltage saturation rate set value. The proportional term gain and integral term gain used in the proportional integral calculation that determines the speed are switched. Switching between the proportional term gain and integral term gain is determined that if the voltage saturation rate is greater than or equal to the voltage saturation set value, the load of the brushless motor 3 is heavy, so that the rotor position estimation error increases rapidly and is likely to step out. Since the proportional term gain and the integral term gain are increased, the voltage applied to the inverter 3 for realizing the target speed to be lowered by the voltage saturation protection means 19 can easily follow, so that stable rotation can be obtained. Furthermore, since it is not necessary to change the voltage saturation setting value, high-speed rotation is possible.
また、比例積分演算で使用する積分項ゲインは指令速度が目標速度に近づいたときの残留偏差をなくすために使用されるものであるため、比例項ゲインの切換えのみでもよい。 Further, since the integral term gain used in the proportional integral calculation is used to eliminate the residual deviation when the command speed approaches the target speed, it is possible to only switch the proportional term gain.
(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におけるブラシレスモータ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と同じであるため、説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the electric motor driving apparatus according to the second embodiment of the present invention. From the current detection means 7 to the
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安定した回転を実現し、かつ高速回転可能となるので、ブラシレスDCモータを使用する空気調和機以外の空調機器・冷蔵冷凍機器・産業機器等の用途にも広く使用できる。 As described above, the electric motor drive device of the present invention realizes stable rotation in a state where the increase in the rotor position estimation error is fast, and enables high-speed rotation, so that it is other than an air conditioner using a brushless DC motor. It can be widely used for applications such as air-conditioning equipment, refrigeration equipment, and industrial equipment.
2 インバータ
3 ブラシレスモータ
6 制御部
7 電流検出手段
9 PWM信号生成手段
10 ベースドライバ
11 速度比例積分演算ゲイン切換え手段
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 電圧飽和保護手段
20v、20w 電流センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Inverter 3
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JP2004044270A JP2005237131A (en) | 2004-02-20 | 2004-02-20 | Motor drive and air conditioner employing it |
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