JP2005348569A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータをセンサレス正弦波駆動して高効率運転を行う。
【解決手段】交流電力１を整流回路２により直流電力に変換し、インバータ回路３によりモータ４を駆動し、インバータ回路３の出力電流を電流検出手段５により検出して制御手段６によりセンサレス正弦波駆動し、モータ誘起電圧とモータ電流の位相を推定する位相推定手段によりインバータ回路３の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は永久磁石形同期電動機のモータ駆動装置に関するものである。

従来、この種の永久磁石形同期電動機のモータ駆動装置は、インバータ装置によりＶ／ｆ制御してセンサレス正弦波駆動するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２６２０８９号公報

しかしながら、Ｖ／ｆ制御によりセンサレス正弦波駆動する場合において、最大効率運転するためにモータ電流位相をモータ誘起電圧位相とほぼ同位相に制御する場合、電流進角すると脱調し易くなる課題があった。

また、モータ電流位相をモータ誘起電圧位相とほぼ同位相に制御するために駆動周波数を変更するとモータリアクタンスや誘起電圧変化等のモータパラメータが変化し、モータトルクも変化するので、制御がさらに不安定となり脱調し易い欠点があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、Ｖ／ｆ制御によりセンサレス正弦波駆動する場合において、回転数や運転駆動モードに応じて座標変換後の無効電流、あるいは力率を最適値に設定し、回転制御の安定性がよく、回転数変動がほとんどない回転制御を実現することを目的としている。

さらに、簡単な制御方法により脱調しにくい動作点に設定し、回転数やトルクに応じてモータ誘起電圧に対する電流位相を最適化できるので、モータ効率を高くし、トルク変動に対して脱調せず安定な回転駆動を目的とするものである。

上記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、交流電力を整流回路により直流電力に変換し、モータをインバータ回路により駆動し、インバータ回路の出力電流を電流検出手段により検出して設定回転数となるようにインバータ回路をＰＷＭ制御してセンサレス正弦波駆動し、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相を位相推定手段により推定してインバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更するようにしたものである。

本発明のモータ駆動装置は、インバータ回路の出力電流を電流検出手段により検出して設定回転数となるようセンサレス正弦波駆動し、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相を位相推定手段により推定し、インバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更するようにしたものであるから、回転数変動がほとんどなく、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相をほぼ同相、あるいは進角制御することにより最大効率運転が可能となり、かつ、脱調しにくく安定な回転駆動が可能となる。

また、回転起動時には所定の電流位相、あるいは、所定の無効電流設定値により回転駆動されるので、ヒートポンプの如き起動時からトルクが大きい場合でも、安定な起動が可能となる。

第１の発明は、交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されるモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をＰＷＭ制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段よりなり、前記制御手段は前記インバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が設定値となるように制御し、前記モータ誘起電圧に対する前記インバータ回路出力電流の位相を推定する位相推定手段を備え、前記位相推定手段の出力信号により前記インバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは前記無効電流の設定値を変更するようにしたものであり、、回転数変動がほとんどなく回転数やトルクに応じてモータ誘起電圧に対する電流位相を最適化できるので、モータ効率を高くし、トルク変動に対して脱調せず安定な回転駆動が可能となる。

第２の発明は、第１の発明における制御手段は、モータ駆動周波数とトルクに対応したインバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流を設定するようにしたから、トルク変動と位相変動が大きい起動時の場合でも多めの無効電流を流すことにより安定な回転駆動が可能となり、さらに、フィードバック制御ループを簡単にして制御ループ特有の不安定性を除くことができる。

第３の発明は、第１の発明において、モータ起動時にモータ駆動周波数とトルクに対応したインバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流を設定し、起動後に位相推定手段の出力信号により前記出力電圧と出力電流との位相、あるいは前記無効電流の設定値を変更するようにしたから、トルク変動と位相変動が大きい起動時の場合でも最適な無効電流を流すことにより安定な回転駆動が可能となり、さらに、起動後には誘起電圧に対するモータ電流位相を最適値に変更するので最大効率運転と安定な回転駆動が可能となる。

第４の発明は、第１の発明あるいは第２の発明における制御手段は、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相が最大トルク位相よりも遅れ位相となるように前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流を初期設定するようにしたから、トルク変動と位相変動が大きい起動時の場合でもトルクが増加してロータ位相がずれてもトルクを増加させるトルク自動修正機能が動作して安定な回転駆動が可能となる。

第５の発明は、第１の発明における制御手段は、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相が遅れ位相となるように前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流を初期設定するようにしたから、鉄心ロータ内に永久磁石を埋め込んだ埋込永久磁石形モータ、あるいは、ロータ表面に永久磁石を設けた表面永久磁石形モータのいずれのモータにおいても、トルク変動と位相変動が大きい起動時の場合でもトルクが増加してロータ位相がずれてもトルクを増加させるトルク自動修正機能が動作して安定な回転駆動が可能となる。

第６の発明は、第１の発明における制御手段は、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相がほぼ同位相となるように前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流を初期設定するようにしたから、埋込永久磁石形モータにおいて、トルク変動と位相変動が大きい起動時の場合でもトルクが増加してロータ位相がずれてもトルクを増加させるトルク自動修正機能が動作して安定な回転駆動が可能となる。

第７の発明は、第１の発明における位相推定手段は、インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相と、前記インバータ回路の出力電圧と誘起電圧の位相を比較するようにしたものであり、インバータ母線電圧軸を基準にしてモータ電流と誘起電圧の位相差を求めるので、正確なモータ電流と誘起電圧の位相差を演算して求めることができ、最大効率運転、あるいは進角制御や遅角制御が可能となる。

第８の発明は、第１の発明における位相推定手段は、インバータ回路の出力電圧とモータ巻線電圧降下の比と、前記インバータ回路の出力電流と無効電流の比を比較するようにしたものであり、インバータ回路の出力電圧とモータ巻線電圧降下の比によりインバータ母線電圧軸からの誘起電圧位相に応じた信号が検出でき、インバータ回路の出力電流と無効電流の比によりインバータ母線電圧軸からのモータ電流位相に応じた信号が検出できるので、誘起電圧位相とモータ電流位相よりモータ電流と誘起電圧の位相差を求めることによりモータ電流と誘起電圧の位相差を検出でき、最大効率運転、あるいは進角制御や遅角制御が可能となる。

第９の発明は、第１の発明における位相推定手段は、モータ誘起電圧とモータ巻線電圧降下の比と、インバータ回路の有効電流と無効電流の比を比較するようにしたものであり、モータ誘起電圧とモータ巻線電圧降下の比によりインバータ母線電圧軸からの誘起電圧位相に応じた信号が検出でき、インバータ回路の有効電流と無効電流の比によりインバータ母線電圧軸からのモータ電流位相に応じた信号が検出できるので、誘起電圧位相とモータ電流位相よりモータ電流と誘起電圧の位相差を検出でき、最大効率運転、あるいは進角制御や遅角制御が可能となる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック図を示すものである。

図１において、交流電源１より整流回路２に交流電力を加えて直流電力に変換し、インバータ回路３により直流電力を３相交流電力に変換してモータ４を駆動する。整流回路２は、全波整流回路２０の直流出力端子にコンデンサ２１ａ、２１ｂを直列接続し、コンデンサ２１ａ、２１ｂの接続点を交流電源入力の一方の端子に接続して直流倍電圧回路を構成し、インバータ回路３への印加電圧を高くする。インバータ回路３の負電圧側に電流検出手段５を接続し、インバータ回路３の３相各下アームに流れる電流を検出することによりインバータ回路３の出力電流、すなわち、モータ４の各相電流を検出する。

電流検出手段５は、インバータ回路３の下アームトランジスタのエミッタ端子に接続されたシャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃと、シャント抵抗５０ａ、５０ｂ、５０ｃのそれぞれの電圧降下を検知する電流検知回路５１より構成される。

制御手段６は、電流検出手段５の出力信号よりインバータ回路３の出力電流を演算し、設定回転数に応じた所定周波数、所定電圧を印加してモータ４を回転駆動するものであり、モータ負荷に応じてインバータ回路出力電圧に対する出力電流位相、あるいは無効電流となるように制御することにより設定同期速度でモータ４を回転駆動できる。

図２は、本発明による制御手段のブロック図で、マイクロコンピュータ、あるいはディジタルシグナルプロセッサ等の高速プロセッサによりセンサレス正弦波駆動を実現するものである。

基本的な制御方法について図３の制御ベクトル図を用いて説明する。図３は、ロータ表面に永久磁石を設けた表面永久磁石形モータ（略してＳＰＭモータ）のｄ−ｑ座標系のベクトル図であり、モータ誘起電圧Ｖｒはｑ軸と同軸であり、誘起電圧Ｖｒは誘起電圧定数ｋｅと回転数Ｎの積となり、（数１）で表される。

モータ誘起電圧Ｖｒはモータ駆動周波数ｆに比例し、モータ印加電圧Ｖａはモータ誘起電圧Ｖｒにほぼ比例した電圧が印加される。言い換えれば、モータ印加電圧Ｖａとモータ誘起電圧Ｖｒの比（Ｖａ／Ｖｒ；印加電圧定数）を一定にするので、（数２）に示すようにモータ印加電圧と周波数ｆの比（Ｖａ／ｆ）をほぼ一定に制御することになり、Ｖ／ｆ制御とも呼ばれる。

モータ電流Ｉをｑ軸電流とｄ軸電流に分解してそれぞれ制御すると一般的なベクトル制御になるが、センサレス制御の場合、ｑ軸、ｄ軸は直接検出できないので、モータ電流位相が角度γ進角していると仮定する。モータの電圧方程式は（数３）で表現されるので、駆動周波数ｆが固定された場合、ｄ−ｑ座標系においては、電流ベクトルＩを固定するとモータ印加電圧ベクトルＶａが固定される。逆に、モータ印加電圧ベクトルＶａを固定すると電流ベクトルＩは固定される。また、モータ印加電圧Ｖａ（母線軸）を主軸とするａ−ｒ軸に座標変換した場合においても同様であり、電流ベクトルＩを固定するとモータ誘起電圧ベクトルＶｒが固定される。言い換えれば、モータ定数があらかじめわかっておれば、電流ベクトルＩを固定することにより誘起電圧Ｖｒと電流Ｉの位相は一定に制御できるので、ｑ軸電流Ｉｑ（すなわちトルク電流）をほぼ一定に制御できベクトル制御とほとんど同じ制御が可能となる。

無効電流Ｉｓｉｎφ（＝Ｉｒ）を適当な値に選び、誘起電圧Ｖｒと電流Ｉの位相γを小さくすることにより、モータ電流Ｉはトルク電流（ｑ軸電流）Ｉｑとほとんど同じとなり、高効率運転が可能となり、モータ損失が減らせるのでモータの温度上昇を減らし、モータを小型化できる。

図４は、ＳＰＭモータの高速回転駆動時の制御ベクトル図であり、モータコイルインダクタンスによる電圧降下がコイル抵抗よりも大きくなる。

無効電流Ｉｒを所定値Ｉｒｓに制御する場合には、モータ電流位相を誘起電圧位相とほぼ同位相、あるいは少し遅れた位相となるように設定値Ｉｒｓを設定することによりロータ位相（ｑ軸）を電流位相よりも進め、急激な負荷変動により母線電圧軸からの電流位相φが変化してロータが回転磁界より遅れるとｑ軸からの電流位相γが零に近づきトルクが増加するので脱調することがなくなる。すなわち、ｑ軸からの電流位相γを検出せずにモータを駆動する場合には、モータ電流位相を誘起電圧位相、すなわち、最大トルク位相から少し遅れた位相に設定すると、急激なトルク変動に対しても自動的にトルクが増加する自動修正機能により安定に回転する。

また、埋込永久磁石形モータ（略してＩＰＭモータ）の場合には、モータ電流位相を誘起電圧位相から進角位相に設定するとリラクタンストルクが発生するので、誘起電圧位相から少し進角設定することにより自動的にトルクが増加する自動修正機能が動作して安定に回転する。すなわち、最大トルク位相となる進角位相よりも遅れた位相に設定することにより自動修正機能が動作する。

図２において、駆動条件設定手段６０は、モータ駆動条件に応じて駆動回転数、トルク電流、最適角度γを求めて、駆動周波数ｆ、無効電流Ｉｓｉｎφ等を設定するもので、回転数設定手段６１、無効電流設定手段６２に設定信号を送る。キャリヤ信号発生手段６３は、ＰＷＭ変調のための三角波信号Ｖｔと同期信号ｃｋを発生させるもので、キャリヤ周波数（スイッチング周波数）はモータ騒音を減らすために、通常、１５ｋＨｚ以上の超音波周波数に設定する。同期信号ｃｋは各演算ブロックに送られ、同期信号ｃｋに同期して各演算ブロックが動作する。

回転数設定手段６１は、モータ駆動周波数ｆを設定するためにキャリヤ信号周期Ｔｃの位相角Δθを求めて電気角演算手段６４に加え、Ｖ／ｆ設定手段６５に駆動周波数信号ｆを送る。電気角演算手段６４は、同期信号ｃｋに同期して位相θを求め、規格化された正弦波テーブルを記憶する記憶手段６６や座標変換手段等に位相信号θを加える。

Ｖ／ｆ設定手段６５は、駆動周波数ｆと負荷トルクに応じた印加電圧定数ｋｖｎを設定するもので回転数あるいは負荷トルクに応じた値が設定される。ポンプモータやファンモータの場合には、トルクは回転数の２乗で増加するので、印加電圧定数ｋｖｎは駆動周波数の２乗に比例して増加させる必要がある。しかし、ポンプやファンモータの場合には、それほど高い回転数は必要としないので、１から設定値まで直線的に変化させても問題ない。後ほど述べるように、食器洗い機において洗浄ポンプと排水ポンプを１つのモータで駆動する１モータ２ポンプ、あるいは、１モータ１ポンプ方式において正回転で洗浄運転、逆回転で排水運転させる場合にはモータに必要なトルク電流がそれぞれ変化するので、印加電圧定数ｋｖｎと無効電流を正転と逆転で設定値を変更させる必要がある。

記憶手段６６は、位相角に対応した三角関数の演算を行うために必要な規格化された正弦波テーブルを記憶領域に記憶しており、例えば、位相０から２πまで−１から＋１までの正弦波データを持っている。

高速Ａ／Ｄ変換手段６７は三角波変調信号のピーク値にて電流検出手段５の出力信号ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗをインバータ出力電流に対応したディジタル信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに数マイクロ秒以下でＡ／Ｄ変換して３相／２相・母線軸変換手段６８に各相電流の瞬時値を加える。

３相／２相・母線軸変換手段６８は、インバータ回路出力電流の瞬時値を３相／２相変換してインバータ回路出力電圧軸、すなわちモータ母線軸へ座標変換するもので、（数４）を用いて絶対変換し、母線軸との平行成分（ａ軸成分）Ｉａと母線軸との直角成分（ｒ軸成分）Ｉｒを求める。ＩｒはＩｓｉｎφに相当しインバータ出力（母線電圧）からみると無効電流成分となる。座標変換することにより、出力電流瞬時値より瞬時に無効電流成分Ｉｒが求まるだけではなく、（数５）に示す２乗平均により出力電流ベクトル絶対値Ｉを瞬時に求めることができる。

本発明は、３相／２相・母線軸への座標変換により無効電流成分、あるいは、母線電圧からの電流位相が直接検出できるので、電流零クロス検知により位相検出する場合に比べ、応答速度を早くできる特長がある。

無効電流比較手段６９は、３相／２相・母線軸変換手段６８の出力信号Ｉｒと無効電流設定手段６２の設定信号Ｉｒｓを比較し誤差信号ΔＩｒを出力し、誤差信号増幅演算手段７０により増幅あるいは積分して印加電圧補正信号ΔＶａを求め、出力電圧設定手段７１に出力する。

出力電圧設定手段７１は、Ｖ／ｆ設定手段６５の出力信号ｋｖｎと誤差信号増幅演算手段７０の印加電圧補正信号ΔＶａより出力電圧信号Ｖａを演算制御するもので、（数６）より出力電圧信号Ｖａを演算する。（数６）にてｇ１は比例ゲイン、ｇ２は積分ゲインである。

２相／３相・母線軸逆変換手段７２は、（数７）に示す逆変換式を用いて３相正弦波電圧信号を発生させる。インバータ出力電圧はａ軸と同相なので、Ｖａのみ演算すればよく、３相電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗをＰＷＭ制御手段７３に出力し、ＰＷＭ制御手段７３は、３相変調、あるいは２相変調されたＰＷＭ信号をインバータ回路３に加えてモータ４に正弦波電流を出力する。

位相推定手段７４は、インバータ回路出力電圧と出力電流との位相φを演算し、インバータ回路出力電圧と誘起電圧の位相δ演算により求め、位相φと位相δを比較してその差の信号より誘起電圧位相からのモータ電流位相γを推定するものである。

ＳＰＭモータの場合には、ｑ軸からの電流位相γをほぼ零にすると最大効率運転となるので、位相信号γを無効電流制御手段７５に加え、電流位相γがほぼ零、あるいは、ｑ軸に対して少し遅れ位相となるように無効電流制御手段７５により無効電流設定手段６２の設定値Ｉｒｓを変更する。

ＩＰＭモータの場合には、ｑ軸からの電流位相γを進角にするとリラクタンストルクが加わり最大効率運転となるので、位相信号γを無効電流制御手段７５に加え、電流位相γがほぼ零、あるいは、ｑ軸に対して進角位相となるように無効電流制御手段７５により無効電流設定手段６２の設定値Ｉｒｓを変更する。電流位相γを進めるほどトルクが増加するが、最大トルク位相以上に進めると脱調するため、最大トルク位相とｑ軸との中間の位相に設定すると高効率で安定な回転駆動となる。

起動制御手段７６は、起動時において所定の回転数立ち上がり制御を行うもので、経過時間と共に駆動周波数を零から直線的に所定周波数まで増加させ、無効電流設定値は所定値、あるいは回転数に応じた値に設定するものであり、位相推定手段７４からの位相信号γとは無関係に起動時のみ駆動条件を設定変更する。

図５は、位相推定手段７４と無効電流制御手段７５の詳細なブロック図である。

位相推定手段７４は、インバータ回路出力電圧Ｖａに対する出力電流Ｉの位相φを求める電流位相演算手段７４０と、インバータ回路出力電圧Ｖａに対する誘起電圧Ｖｒの位相δを求める誘起電圧位相演算手段７４１と、それぞれの出力信号位相φと出力信号位相δを比較して誘起電圧Ｖｒに対する出力電流Ｉの位相γを出力する位相比較回路７４２より構成される。

ＳＰＭモータの場合、ｃｏｓφは（数８）で求められ、ｃｏｓδは（数９）より求められるので、（数８）と（数９）の比較により位相γに応じた値を求められる。また、（数８）と（数９）が等しくなるように制御することにより位相γを零、すなわち、モータ電流位相をｑ軸と同相にでき最大効率運転制御ができる。

高速回転においてはコイル抵抗電圧は無視でき、リアクタンス電圧ωＬＩでモータ巻線電圧降下を代用できるので、誘起電圧Ｖｒに対するモータ印加電圧Ｖａの比（Ｖａ／Ｖｒ）を印加電圧定数ｋとすると、位相γを零にする条件は（数１０）より与えられる。

角周波数ωと誘起電圧Ｖｒは駆動周波数ｆに比例するので、誘起電圧定数ｋｒ（回転数に対する誘起電圧の比）、極数ｐ、コイルインダクタンスＬで表されるモータ固有の定数をモータ定数Ｋｒとすると、（数１０）は（数１１）に変形できる。

（数１１）より、有効電流Ｉａとモータ電流Ｉの比、印加電圧定数ｋとモータ定数Ｋｒとモータ電流より位相γを零にでき、さらに右辺と左辺を比較することにより位相γの大小が検出できるので、位相γを所定値に制御できる。

無効電流制御手段７５は、基準位相γｓを設定する位相設定手段７５０と、演算した位相γと基準位相γｓを比較する基準位相比較手段７５１と、無効電流変更手段７５２より構成され、基準位相γｓと位相γの誤差信号Δγに応じて無効電流設定値Ｉｒｓを制御する。すなわち、基準位相γｓに対して位相γが進むと無効電流設定値Ｉｒｓを増加させ、位相γが遅れると逆の操作をする。

ＳＰＭモータを制御する場合には、基準位相γｓを零に設定すると最大効率運転が可能となるが、トルク急変時の安定性を考慮するとｑ軸に対してわずかに遅れ位相の０から５度程度に設定するとよい。ＩＰＭモータの場合には進角設定し、最大トルク位相よりも１遅れた位相に設定し、誘起電圧位相から２０〜４０度程度に進角設定する。

図６は本発明によるモータ駆動基本プログラムのフローチャートを示す。ステップ１００よりモータ駆動プログラムが開始し、ステップ１０１に進んで起動運転フラグの有無を判定し、起動運転ならばステップ１０２に進んで初期設定を行い、ステップ１０３に進んで起動制御サブルーチンを実行する。起動制御の詳細は後ほど説明する。

次に、ステップ１０４に進んでキャリヤ信号割込信号の有無を判定し、キャリヤ信号割込信号が有ればステップ１０５のキャリヤ信号割込サブルーチンとステップ１０６の回転数制御サブルーチンを実行する。

図７は、キャリヤ信号割込サブルーチンのフローチャートである。ステップ２００よりプログラムが開始し、ステップ２０１にてキャリヤ同期信号ｃｋのカウント数ｋがモータ駆動周波数ｆの１周期内のキャリヤ数ｋｃかどうか判定し、等しければステップ２０２に進んでキャリヤカウント数ｋをクリヤする。モータ駆動周波数ｆの１周期内のキャリヤ数ｋｃは、駆動周波数設定時に予め求める。

例えば、８極モータの回転数４０４０ｒｐｍにおける駆動周波数ｆは２６９．３Ｈｚ、周期Ｔは３．７１２ｍｓｅｃとなり、キャリヤ周期Ｔｃが６４μｓｅｃ（キャリヤ周波数１５．６ｋＨｚ）の場合、パルス数ｋｃは５８となる。１キャリヤ周期Ｔｃの位相Δθは、駆動周波数ｆの１周期を２πとすると、Δθ＝２π／ｋｃとなる。

ステップ２０３にてキャリヤ同期信号のカウント数をインクリメントとし、次にステップ２０４に進んで、キャリヤ数ｋと１キャリヤ周期Ｔｃの位相Δθより電気角θの演算を行う。次にステップ２０５に進んで電流検出手段５からの信号を検出してインバータ出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。次にステップ２０６に進んで（数４）に従い３相／２相・母線軸座標変換を行い無効電流Ｉｒと有効電流Ｉａを求め、ステップ２０７に進んでＩｒ、Ｉａをメモリする。次にステップ２０８に進んで（数５）に従いモータ電流最大ベクトル値Ｉを演算する。

次にステップ２０９に進んで母線軸からの電流位相に対応するｃｏｓφを演算し、次にステップ２１０に進んで回転数制御サブルーチンにて演算した印加電圧Ｖａを呼び出し、次にステップ２１１に進んで（数７）に従い、２相／３相・母線軸座標逆変換を行いインバータ各相制御信号ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを求め、ステップ２１２に進んでＰＷＭ制御を行い、ステップ２１３に進んでリターンする。

図８は回転数制御サブルーチンのフローチャートを示し、モータ回転数制御はキャリヤ信号毎に必ずしも行う必要がないので、例えば、２キャリヤ信号毎に実行してもよい。キャリヤ周波数が超音波周波数になるとキャリヤ周期内のプログラム処理時間が問題となるので、電流検出演算、あるいはＰＷＭ制御等のキャリヤ毎に必ず実行する処理と、座標変換や図７に示したキャリヤ毎に必ずしも実行する必要のない処理を分け、キャリヤ毎に必ずしも実行する必要のない処理を複数に分割して処理することによりモータ制御以外のシーケンスプログラムを実行させることができる。

ステップ３００より回転数制御サブルーチンが開始し、ステップ３０１にて駆動周波数設定値ｆを呼出し、次にステップ３０２に進んで周波数設定値ｆに対応した無効電流設定値Ｉｒｓを呼び出し、ステップ３０３に進んで（数４）の３相／２相・母線軸座標変換より求めた無効電流Ｉｒを呼出し、ステップ３０４に進んで印加電圧定数設定値Ｖ／ｆ（すなわちｋｖｎ）を呼び出す。次にステップ３０５に進んでＩｒｓとＩｒを比較し誤差信号ΔＩｒを求め、（数６）より印加電圧Ｖａを演算する。次にステップ３０６に進んでモータ回転数と誘起電圧定数ｋｒよりモータ誘起電圧を演算する。

次にステップ３０７に進み、印加電圧と誘起電圧の比である印加電圧定数ｋを演算し、ステップ３０８に進んで印加電圧Ｖａ、誘起電圧Ｖｒ、印加電圧定数をメモリし、ステップ３０９に進んでリターンする。

再び、図６に示すモータ駆動プログラムに戻り、ステップ１０７に進んで起動フラグの有無の判定をし、起動完了後にはステップ１０８に進んで母線軸からのモータ電流位相φを演算し、次にステップ１０９に進んで母線軸からの誘起電圧位相δを演算し、その後ステップ１１０に進んで位相φと位相γの位相差γ、すなわち、誘起電圧位相（ｑ軸）からのモータ電流位相γを推定する。次にステップ１１１に進み、演算した位相γに応じて設定値γｓとの誤差信号により無効電流設定値Ｉｒｓを変更し、ステップ１１２に進んでリターンする。

位相φ、位相δの代用データとして、（数８）、（数９）に示したｃｏｓφ、ｃｏｓδを用いても構わない。

図９は起動制御サブルーチンのフローチャートであり、ステップ４００より起動制御サブルーチンが開始し、ステップ４０１にて無効電流起動初期設定値Ｉｒｓ０を設定し、次にステップ４０２に進んで時間経過と共に駆動周波数ｆを、零から周波数ｆ１まで直線的に上昇させる。この時の無効電流設定値Ｉｒｓ０は、周波数ｆ１における必要なトルク電流を十分供給できる値に設定する。印加電圧定数ｋは１以上に設定する。すなわち、印加電圧Ｖａは駆動周波数に比例して増加させるＶ／ｆ制御を行い、少なくとも誘起電圧と等しくなるように制御する。

ステップ４０３に進んで、駆動周波数ｆが所定周波数ｆ１に達したかの判定を行い、所定周波数ｆ１に達すると、ステップ４０４に進んで駆動周波数ｆを設定周波数ｆｓまでさらに増加させ、ステップ４０５に進んで駆動周波数ｆとトルクに応じた無効電流設定値Ｉｒｓとなるように制御する。ファンモータ、あるいはポンプモータに於いては、トルクは回転数の２乗に比例して増加するので、無効電流設定値Ｉｒｓはトルク電流Ｉｑに応じてｑ軸から遅れ位相となるように設定すると脱調しない安定な起動ができる。

次に、ステップ４０６に進んで設定周波数ｆｓに達したかどうか判定し、設定周波数ｆｓに達するとステップ４０７にて起動フラグをリセットし、起動完了フラグをセットしてステップ４０８に進んでリターンする。

図１０は、起動時の経過時間に対応した周波数と無効電力設定の制御を示す説明図である。

図９のフローチャートにて説明したように、無効電力設定値Ｉｒｓは一定値から、周波数とトルクに応じた値に変化させ、駆動周波数は時間経過と共に設定周波数ｆｓまで増加させる。モータ回転数が上昇するほど負荷トルクが上昇するので、起動時には加速に必要なトルクが加わるので、必要なトルク電流に対応した十分な無効電流を設定する。加速によるトルクを減らすために、図１０においては所定周波数ｆ１に達するまでの傾きと、設定周波数ｆｓに達するまでの加速度を変えている。

以上述べたように、本発明は、インバータ出力電流を検出して母線電圧軸へ座標変換し、母線電圧軸と直角方向の無効電流成分Ｉｒを制御することにより、ｑ軸からのモータ電流位相γを最適値に制御するものである。モータ起動時にはｑ軸からの位相γを制御する必要がないので安定な起動を確保できる十分な無効電流Ｉｒを供給し、起動完了後にｑ軸からの位相γを検出して最適位相設定値γｓとなるように制御するので最大効率で安定した駆動が可能となる。

以上述べた実施例は、誘起電圧に対するモータ電流の位相を所定値に制御するために、インバータ回路出力電流の無効電流成分Ｉｒ（＝Ｉｓｉｎφ）を制御する実施例を示したが、インバータ回路出力電圧と出力電流の位相φを制御しても同様の効果となる。また、ｔａｎφ（＝Ｉｒ／Ｉａ）を制御しても同様の効果を得ることができることは明らかである。

また、フローチャートに示したように、キャリヤに同期して無効電流成分、あるいは、印加電圧との電流位相を求めるので、駆動周波数の１周期内で数１０回検出でき、制御応答速度を早くすることができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態について図１１から図１３を用いて説明する。

図１１は、本発明の第２の実施例における制御手段の位相推定手段７４ａの詳細なブロック図を示すもので、インバータ回路出力電圧Ｖａに対する出力電流Ｉの位相φに対応した信号を、無効電流Ｉｒと出力電流Ｉの比（Ｉｒ／Ｉ）より求める電流位相演算手段７４０ａと、インバータ回路出力電圧Ｖａに対する誘起電圧Ｖｒの位相δを、モータ巻線電圧降下と出力電圧Ｖａの比（ωＬＩ／Ｖａ）より求める誘起電圧位相演算手段７４１ａと、それぞれの出力信号を比較して誘起電圧Ｖｒに対する出力電流Ｉの位相γに応じた信号を出力する位相比較回路７４２ａより構成される。

図１２は、第２の実施例におけるモータ駆動基本プログラムのフローチャートを示す。ステップ１００からステップ１０７までは図６と同じであり説明を省略する。ステップ１０８ａからステップ１１１ａまでは図６と異なり、位相φ、位相δ、位相γを直接演算するのではなく、ｓｉｎφ＝Ｉｒ／Ｉ、ｓｉｎδはωＬＩ／Ｖａとほぼ等しくなるので、Ｉｒ／Ｉより位相φを推定し、ωＬＩ／Ｖａより位相δを推定し、その差の信号より位相γを推定する。また、Ｉｒ／ＩがωＬＩ／Ｖａと等しくなるとモータ電流位相と誘起電圧位相がほぼ等しくなるので、Ｉｒ／ＩがωＬＩ／Ｖａと等しくなるように無効電流設定値Ｉｒｓを制御することにより最大効率運転が可能となる。

図１３は以上に説明した誘起電圧位相に対するモータ電流位相の制御ベクトル図を表したもので、高速回転においてコイル抵抗成分による電圧降下は無視でき、モータコイル巻線電圧降下はほぼコイルインダクタンス電圧降下と等しくなるので、簡略化して表現している。

モータ起動完了後のベクトル図は、ａ１−ｒ１軸が母線電圧軸となり出力電流はＩ１となり、無効電流はＩｒ１でｑ軸に対して遅れ位相となるように無効電流と印加電圧Ｖａを大きめに設定する。この時、Ｉｒ／ＩとωＬＩ／Ｖａを比較すると、（Ｉｒ１／Ｉ１）＞（ωＬＩ１／Ｖａ１）となるので、ｑ軸からの位相γが大きいと判断できるので、無効電流設定値Ｉｒｓを減らしてゆく。出力電流がｑ軸とほぼ同軸となるＩ０に於いて、（Ｉｒ０／Ｉ０）＝（ωＬＩ０／Ｖａ０）となるので、無効電流設定値Ｉｒ０の変更を停止させると、モータ電流が減少して最大効率運転駆動が可能となる。

ＩＰＭモータの場合には、コイルインダクタンスが位相により変化するので、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスの平均値Ｌａを採用してコイルインダクタンス電圧降下ωＬａＩを求め、γ＝（ωＬａＩ／Ｖａ）−（Ｉｒ／Ｉ）が進角設定値となるように制御することにより最大効率運転が可能となる。

（実施の形態３）
以下、本発明の第３の実施の形態について図１４を用いて説明する。

図１４は、第３の実施例における位相推定手段７４ｂの詳細なブロック図を示すもので、インバータ回路出力電圧Ｖａに対する出力電流Ｉの位相φに対応した信号を、無効電流Ｉｒと有効電流Ｉａの比（ｔａｎφ＝Ｉｒ／Ｉａ）より求める電流位相演算手段７４０ｂと、インバータ回路出力電圧Ｖａに対する誘起電圧Ｖｒの位相δを、モータ巻線電圧降下Ｖｚと誘起電圧Ｖｒの比（ｔａｎδ＝Ｖｚ／Ｖｒ）より求める誘起電圧位相演算手段７４１ａと、それぞれの出力信号を比較して誘起電圧Ｖｒに対する出力電流Ｉの位相γに応じた信号を出力する位相比較回路７４２ｂより構成される。

モータ駆動周波数ｆが高く、コイル抵抗が小さい場合には、コイル巻線電圧降下Ｖｚはコイルインダクタンス電圧降下とほぼ等しいので、Ｖｚ／ＶｒはωＬＩ／Ｖｒとなり、電流Ｉと駆動周波数とモータ定数Ｋｒより、ｔａｎδ＝Ｋｒ・Ｉより求まる。

よって、Ｉｒ／ＩａとＫｒ・Ｉの大小比較より、誘起電圧Ｖｒに対する出力電流Ｉの位相γに応じた信号を検出することができる。ＳＰＭモータの場合、Ｉｒ／Ｉａ＝Ｋｒ・Ｉとなるように制御することにより最大効率運転制御となる。

以上述べたように、本発明は、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相を推定する位相推定手段により設定位相からの位相差を検出し、設定位相となるように、インバータ回路出力電圧と出力電流の位相、あるいは、インバータ回路出力電流の無効電流成分を制御し最大効率運転を行うものである。

また起動時には、インバータ回路出力電圧と出力電流の位相、あるいは、インバータ回路出力電流の無効電流成分を初期設定値に制御し、起動後にモータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相が設定値となるように最大効率運転制御するので、起動が容易となり安定な起動特性をうることができる。

さらに、ロータ位置を検出するセンサレスベクトル制御ではなく、インバータ回路出力電圧に対する電流位相、あるいは無効電流を設定値に制御するＶ／ｆ制御であり、起動後にロータ位置推定演算するので、高速の位置推定演算は不必要でありマイクロコンピュータ等のプロセッサのプログラム容量も少ないので安価なプロセッサを使用でき、低価格でプロセッサへの負担が少なく、センサレスベクトル制御と同等の制御が可能となる。

以上のように、本発明によるモータ駆動装置は、インバータ回路の出力電流を電流検出手段により検出して設定回転数となるようセンサレス正弦波駆動し、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相を位相推定手段により推定し、インバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流の設定値を変更するようにしたものであるから、回転数変動がほとんどなく、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相をほぼ同相、あるいは進角制御することにより最大効率運転が可能となり、かつ、脱調しにくく安定な回転駆動が可能となるので、ファンやポンプを駆動する汎用インバータや、空調機のコンプレッサや熱交換器の送風ファン、あるいは、洗濯乾燥機のモータ駆動装置、食器洗い器のポンプモータ駆動装置の用途に適用できる。

本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック図 同モータ駆動装置の制御手段のブロック図 同モータ駆動装置の制御ベクトル図 同モータ駆動装置のＳＰＭモータの高速回転駆動時の制御ベクトル図 同モータ駆動装置の位相推定手段と無効電流制御手段の詳細なブロック図 同モータ駆動装置のモータ駆動基本プログラムのフローチャート 同モータ駆動装置のキャリヤ信号割込サブルーチンのフローチャート 同モータ駆動装置の回転数制御サブルーチンのフローチャート 同モータ駆動装置の起動制御サブルーチンのフローチャート 同モータ駆動装置の起動時の経過時間に対応した周波数と無効電力設定の制御を示す説明図 本発明の第２の実施の形態におけるモータ駆動装置の制御手段の位相推定手段の詳細なブロック図 同モータ駆動装置のモータ駆動基本プログラムのフローチャート 同モータ駆動装置の誘起電圧位相に対するモータ電流位相の制御ベクトル図 本発明の第３の実施の形態におけるモータ駆動装置の位相推定手段のブロック図

符号の説明

１ 交流電源
２ 整流回路
３ インバータ回路
４ モータ
５ 電流検出手段
６ 制御手段
７４ 位相推定手段

Claims (9)

1. 交流電源と、前記交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されるモータと、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力信号により前記インバータ回路をＰＷＭ制御して設定回転数となるように前記モータを制御する制御手段よりなり、前記制御手段は前記インバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流が設定値となるように制御し、前記モータ誘起電圧に対する前記インバータ回路出力電流の位相を推定する位相推定手段を備え、前記位相推定手段の出力信号により前記インバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは前記無効電流の設定値を変更するようにしたモータ駆動装置。
2. 制御手段は、モータ駆動周波数とトルクに対応したインバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流を設定するようにした請求項１記載のモータ駆動装置。
3. モータ起動時にモータ駆動周波数とトルクに対応したインバータ回路出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流を設定し、起動後に位相推定手段の出力信号により前記出力電圧と出力電流との位相、あるいは前記無効電流の設定値を変更するようにした請求項１記載のモータ駆動装置。
4. 制御手段は、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相が最大トルク位相よりも遅れ位相となるように前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流を初期設定するようにした請求項１あるいは請求項２記載のモータ駆動装置。
5. 制御手段は、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相が遅れ位相となるように前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流を初期設定するようにした請求項２記載のモータ駆動装置。
6. 制御手段は、モータ誘起電圧に対するインバータ回路出力電流の位相がほぼ同位相となるように前記インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相、あるいは無効電流を初期設定するようにした請求項２記載のモータ駆動装置。
7. 位相推定手段は、インバータ回路の出力電圧と出力電流との位相と、前記インバータ回路の出力電圧と誘起電圧の位相を比較するようにした請求項１記載のモータ駆動装置。
8. 位相推定手段は、インバータ回路の出力電圧とモータ巻線電圧降下の比と、前記インバータ回路の出力電流と無効電流の比を比較するようにした請求項１記載のモータ駆動装置。
9. 位相推定手段は、モータ誘起電圧とモータ巻線電圧降下の比と、インバータ回路の有効電流と無効電流の比を比較するようにした請求項１記載のモータ駆動装置。

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