JP2006136114A - Motor drive device and air conditioner using the same - 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の電動機駆動装置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 drive device that drives an electric motor such as a brushless DC motor at an arbitrary rotation speed, and an air conditioner using the electric motor drive 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。 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 technologies, 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 than a rectangular wave driving that is driven by a rectangular wave current is becoming mainstream.
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、電動機の誘起電圧を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 of estimating the rotor position, there is a method of estimating the induced voltage of the motor, and a method of estimating from the current flowing through the inverter bus (for example, Patent Document 1), or flowing to the motor using a current sensor. A method of estimating from the current (for example, Patent Document 2) is invented.
図5に特許文献1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を示す。図5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。 FIG. 5 shows a system configuration for realizing the position sensorless sine wave drive described in Patent Document 1. In FIG. 5, 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
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
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。
The DC voltage applied to the
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
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。
The
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。
The PWM
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。
FIG. 4 shows a system configuration for realizing the position sensorless sine wave drive described in
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、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、生じた位置推定誤差により脱調するという課題を有していた。本発明は上記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脱調を防止し、安定した駆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。 However, in the conventional position sensorless sine wave drive based on the estimation of the induced voltage, there is a problem that the position estimation error increases rapidly when the load on the motor is heavy, and the step-out occurs due to the generated position estimation error. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electric motor drive device that prevents a step-out and realizes stable driving even in a state where an increase in a rotor position estimation error is fast.
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、負荷量検出手段を設け、負荷検出手段で検出した負荷が予め設定された値を超えた場合、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駆動が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 drive device of the present invention is provided with load amount detection means, and when the load detected by the load detection means exceeds a preset value, each of the detected three-phase electric motors Switching the gain setting value of proportional integral calculation that determines the command current from the target current that generates the phase current and the torque necessary to reach the target rotation speed, improving the voltage followability applied to the inverter to achieve the target speed Thus, an electric motor drive device capable of stable driving even in a state where the increase in rotor position estimation error is fast is realized.
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駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。 The electric motor driving device of the present invention realizes an electric motor driving device capable of stable driving even in a state where the increase in rotor position estimation error is fast.
第1の発明は、三相電動機の負荷量を検出する負荷量検出手段を設け、負荷量検出手段で検出した負荷量が予め設定された値以上の場合のみ、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も安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。
The first invention is provided with load amount detection means for detecting the load amount of the three-phase motor, and each phase of the detected three-phase motor is detected only when the load amount detected by the load amount detection means is not less than a preset value. Switching the gain setting value of proportional-integral calculation that determines the command current from the target current that generates the torque necessary to reach the current and target rotation speed, improving the follow-up of the voltage applied to the inverter to achieve the target speed Thus, an electric motor drive device capable of stable driving even in a state where the increase in rotor position estimation error is fast is realized.
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も安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。 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 an object of the present invention to realize an electric motor driving device capable of stable driving even when a 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することができる。 The third aspect of the invention is to detect the phase current flowing in the three-phase motor of the first or second aspect of the invention using current detection means arranged on the inverter bus, and to produce 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。 The fourth aspect of the invention detects the phase current flowing through the three-phase motor of the first or second aspect of the invention using a current sensor, and can detect the phase current with high accuracy.
第5の発明は、特に、第1から第3の発明の電動機駆動装置を圧縮機の吐出口と吸入口に圧力検出手段を備えた空気調和機に使用し、圧縮機の吐出口と吸入口の差を三相電動機に負荷量とすることにより、負荷量検出手段を新たに設けることなく、安価でかつ回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。 In particular, the fifth aspect of the invention uses the motor drive device of the first to third aspects of the invention in an air conditioner having pressure detection means at the discharge port and suction port of the compressor, and the discharge port and suction port of the compressor. By using the difference between the three-phase motor as a load amount, an electric motor drive device capable of stable driving even in a state where the increase in the rotor position estimation error is fast without being provided with a new load amount detection means is provided. It is realized.
第6の発明は、特に、第1から第3の発明の電動機駆動装置を、室内機と室外機のそれぞれに熱交換器温度検出手段を備えた空気調和機に使用し、暖房運転時には、室内機の熱交換器に配した室内熱交換器温度検出手段を用い、冷房運転時には室外機の熱交換器に配した室外熱交換器温度検出手段を用い、それぞれの運転状態において検出した熱交換の温度を三相電動機に負荷量とすることにより、負荷量検出手段を新たに設けることなく、安価でかつ回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。 In particular, the sixth aspect of the invention uses the electric motor drive device of the first to third aspects of the invention in an air conditioner having a heat exchanger temperature detection means in each of the indoor unit and the outdoor unit, and during the heating operation, Using the indoor heat exchanger temperature detection means arranged in the heat exchanger of the machine, and during the cooling operation, using the outdoor heat exchanger temperature detection means arranged in the heat exchanger of the outdoor unit, the heat exchange detected in each operation state By using the temperature as the load amount for the three-phase motor, an inexpensive motor drive device that can be driven stably even when the rotor position estimation error increases quickly without the need for additional load amount detection means is realized. To do.
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は本発明の第1の実施の形態におけるブロック図である。図1において、1は直流電源、2はインバータ、3は三相電動機であるブラシレスモータ、4は固定子、5は回転子、6は制御部である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a DC power source, 2 is an inverter, 3 is a brushless motor which is a three-phase 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
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
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。
The DC voltage applied to the
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
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である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、回転子位置速度検出手段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
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。電流比例積分演算ゲイン切換え手段11では、ブラシレスモータ3の負荷量を検出する負荷量検出手段19で検出した負荷量が予め設定された値以上と未満の場合とで、指令電流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負荷量が予め設定された値以上の場合、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、比例項ゲインおよび積分項ゲインを大きくするもので、目標回転数を実現するためのインバータ2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る。
The PWM
尚、比例積分演算で使用する積分項ゲインは指令回転数が目標回転数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。 Note that the integral term gain used in the proportional integral calculation is used to eliminate a residual deviation when the command rotational speed approaches the target rotational speed, and therefore, only the proportional term gain may be switched.
(実施の形態2)
図2は本発明の第2の実施の形態におけるブロック図であり、ブラシレスモータ3に流れる相電流を電流検出手段である電流センサ20v、20wを用いて検出することにより、相電流を精度よく検出するものであり、その他の構成および動作は第1の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a block diagram according to the second embodiment of the present invention, and detects the phase current with high accuracy by detecting the phase current flowing through the
(実施の形態3)
図3は本発明の第3の実施の形態におけるブロック図である。図3において、21は空気調和機の室外機であり、22は圧縮機、23は圧縮機の吐出口に配した吐出口圧力検出手段、24は圧縮機の吸入口に配した吸入口圧力検出手段である。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a block diagram according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 3, 21 is an outdoor unit of an air conditioner, 22 is a compressor, 23 is a discharge port pressure detecting means disposed at the discharge port of the compressor, and 24 is a suction port pressure detection disposed at the suction port of the compressor. Means.
吐出口圧力検出手段23と吸入口圧力検出手段24で検出した圧力の差を演算し、演算された圧力差を負荷量とすることで、負荷量検出手段19を新たに設けることなく、安価でかつ回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。 By calculating the difference between the pressures detected by the discharge port pressure detection means 23 and the suction port pressure detection means 24 and using the calculated pressure difference as the load amount, the load amount detection means 19 is not newly provided, and it is inexpensive. In addition, an electric motor drive device capable of stable driving even in a state where the increase in rotor position estimation error is fast is realized.
(実施の形態4)
図4は本発明の第4の実施の形態におけるブロック図である。図4において、25は空気調和機の室内機であり、26は交流電源、27は室内機25から供給される交流電圧を直流電圧に変換する直流電圧生成部、28は室内機25の熱交換器に配した室内熱交換器温度検出手段、29は室外機21の熱交換器に配した室外熱交換器温度検出手段である。
(Embodiment 4)
FIG. 4 is a block diagram according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 4, 25 is an indoor unit of an air conditioner, 26 is an AC power supply, 27 is a DC voltage generating unit that converts an AC voltage supplied from the
冷房運転時には、室外熱交換器温度検出手段29で検出した室外熱交換温度を、暖房運転時には室内熱交換機温度検出手段28で検出した室内熱交換機温度を負荷量とすることで、負荷量検出手段19を新たに設けることなく、安価でかつ回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。 By using the outdoor heat exchanger temperature detected by the outdoor heat exchanger temperature detecting means 29 during the cooling operation and the indoor heat exchanger temperature detected by the indoor heat exchanger temperature detecting means 28 during the heating operation as the load amount, the load amount detecting means Accordingly, an electric motor drive device that can be driven stably even in a state where the increase in the rotor position estimation error is fast is realized.
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も安定した駆動が可能となるので、位置センサレスブラシレスDCモータを使用する産業機器、製品等の用途にも使用できる。 As described above, the electric motor drive device of the present invention can be driven stably even in a state where the increase in the rotor position estimation error is fast, so that it can be used for industrial equipment, products and the like using the position sensorless brushless DC motor. Can also be used.
2 インバータ
3 ブラシレスモータ(三相電動機)
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 電流比例積分演算ゲイン切換え手段
16 インバータ印加電圧検出手段(直流電圧検出手段)
17 誘起電圧推定手段
18 回転子位置速度検出手段
19 負荷量検出手段
2
6 Control section 7 Current detection means 9 PWM signal generation means 10
17 Induced voltage estimating means 18 Rotor position
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