JP2006304452A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク変動による振動・騒音を低減できる電動機の制御装置を提供すること。
【解決手段】回転子速度・位置検出部４は、電流センサで検出する電流値から電動機回転速度および、回転位置を検出する。負荷の変動によるトルクの変動は、予め回転位置と対にした基本トルクパターンとしてトルクパターン記憶部５に定義される。回転位置は、当該トルクパターン記憶部５に送られる。これによって、必要なトルクが回転位置（角度）によって決定される。一方、回転速度変動検出部６が回転速度変動からトルク変動を検知し、基本トルクパターンに適切な補正を加える。決定された補正トルクは、トルクパターン補正部８を経て、正弦波駆動制御部９に渡され、そこで当該補正トルクを考慮した正弦波が生成される。その後は、ベースドライバ１０が、適切な電動機印加電圧信号をインバータ部２に送る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機の制御装置に関し、さらに詳しくは、電動機の負荷変動に対応して、トルク指令を制御する電動機の制御装置に関するものである。

従来、シングルロータリ圧縮機のような１回転中のトルク変動が大きな圧縮機に対し、負荷変動に合わせたトルク制御を行う場合、ＰＷＭ回路による矩形波（１２０度通電）制御により、通電休止区間において取得する誘起電圧検出信号を元に圧縮機位置を特定し、制御を行ってきた（たとえば、特許文献１）。

特開２００１−２９５７６９号公報

しかしながら、上記技術では、通電と通電休止を繰り返す間欠駆動である為、モータ電流を滑らかに流すことができず、振動・騒音が大きく発生するという問題があった。これに対し、正弦波駆動（１８０度通電）制御では、通電休止区間なくモータコイル端子に電圧を連続的に印加するため、振動・騒音の低減、運転範囲の拡大効果が期待できるが、モータの誘起電圧検出信号を得る区間がなくなるので、圧縮機の位置を特定するのが困難となる。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、上記１８０度通電の正弦波駆動では検出し難い誘起電圧信号は用いず、電流センサとそれに付随するアンプ回路を搭載する程度で、シングルロータリ圧縮機のトルク脈動低減制御を正弦波駆動制御で実現する電動機の制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係る電動機の制御装置は、電動機の回転子の回転速度および回転位置を検出する回転速度位置検出手段と、前記電動機の回転位置に対する負荷トルク変動を基にして、前記電動機に付与すべきトルク加減量である基本トルクパターンを予め記憶しておくトルクパターン記憶手段と、前記回転速度位置検出手段で検出される回転速度の変動を検出する回転数変動検出手段と、前記回転数変動検出手段からの変動を表した情報を基に、当該情報に応じたトルク補正値を算出する回転数変動評価手段と、前記回転速度位置検出手段で検出された前記回転位置に同期して、前記基本トルクパターンのうち、当該回転位置に対応するトルクを読み出し、前記回転数変動評価手段からの前記トルク補正値を当該トルクに乗じて補正トルクパターンを生成するトルクパターン補正手段と、前記トルクパターン補正手段によって算出される補正トルクパターンを電動機が出力するためのトルク指令を１８０度通電の正弦波で生成する駆動制御手段と、を有するようにしたものである。

電動機の回転子の回転速度および回転位置を検出する回転速度位置検出手段としては、電動機に入力する電流を検出する電流センサでもよいし、電動機内部に設けられるホール素子等の回転位置センサでもよい。基本トルクパターンは、電動機の回転位置に合わせて演算、シミュレーション、または実験で予め決定でき、テーブルや関数の形にしてメモリ等のトルクパターン記憶手段に記憶される。

一方、上記回転速度位置検出手段からの回転速度（回転数）は、逐次回転数変動検出手段に記憶され、差し引き、微分する等して変動が検出される。そして、当該変動の大きさによって、上記基本トルクパターンを補正するトルク補正値が回転数変動評価手段で算出され、電動機の回転位置に同期させて、当該トルク補正値が基本トルクパターンのうち、当該回転位置に対応したトルクに乗じられる。こうして生成される補正トルクパターンは、電動機の小さなトルク脈動にも対応したものとなり、電動機に当該トルクパターン通りのトルクを出力させるための正弦波状トルク指令が生成される。

また、この発明に係る電動機の制御装置は、前記電動機の制御装置において、前記トルクパターン記憶手段は、複数の基本トルクパターンを記憶し、前記電動機の被検出負荷状態に応じて、前記複数の基本トルクパターンから一つの基本トルクパターンを選択し、前記回転数変動評価手段による前記トルク補正値を前記基本トルクパターンのうち、前記回転位置に対応するトルクを読み出し、前記回転数変動評価手段からの前記トルク補正値を当該トルクに乗じて補正トルクパターンを生成するようにしたものである。

また、この発明に係る電動機の制御装置は、前記電動機の制御装置において、前記電動機の前記負荷状態の検出が、負荷の状態を直接的に表す状態量または間接的に表す状態量を検出することで行われるようにしたものである。

基本トルクパターンは、負荷変動の特徴を表しているものである。しかし、より厳密には、負荷の状態によって変動幅も上下する。そこで、そのような変動幅に応じた基本パターンを複数用意しておき、圧力、圧力比、温度、仕事量等から直接・間接に把握できる負荷状態に応じて一つの基本パターンを選択・決定する。これにより、現実に起きる電動機の負荷変動に合わせた基本トルクパターンをトルク制御に適用することができる。

本発明に係る電動機の制御装置は、空気調和装置に用いられるシングルロータリ圧縮機に組み込まれる電動機等、一回転中のトルク変動が大きな電動機を周波数可変で制御する場合に、振動や騒音を低減することができる。

以下に、本発明にかかる電動機の制御装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る電動機の制御装置の構成を示すである。この電動機の制御装置は、コンバータ部１、インバータ部２、電動機３、回転子速度・位置検出部４、トルクパターン記憶部５、回転数変動検出部６、回転数変動評価部７、トルクパターン補正部８、正弦波駆動制御部９、ベースドライバ１０、および加算器１１から構成される。以下、発明の構成要件として見た場合、回転子速度・位置検出部４、トルクパターン記憶部５、回転数変動検出部６、回転数変動評価部７、トルクパターン補正部８、および正弦波駆動制御部９は、それぞれ〜部を、〜手段と読み替えるものとする。

コンバータ部１は、交流電源からの電力を直流電力に変換してインバータ部２に供給する回路である。インバータ部２は、コンバータ部１からの直流電力を、ＰＷＭ回路を含むベースドライバ１０からの制御信号に応じて、３相の電力に変換し、電動機３に供給する。電動機３は、たとえば、空気調和装置の冷媒回路に用いられるシングルロータリ圧縮機等（図示省略）と機械的に接続され、当該圧縮機等が電動機に対する負荷となる。

本発明に係る制御装置は、電動機入力電流（三相のうち２相分の入力電流）を検出する電流センサ（図示省略）を有する。回転子速度位置検出部４は、上記電流センサで検出する電流値から電動機回転速度および、回転位置を検出する。電動機３の回転位置を検出するのは、負荷のトルク変動を予測するためと、後述する正弦波駆動制御部９およびベースドライバ１０によってインバータ部２に送る制御信号と、当該回転位置とを同期させるためである。

図４は、シングルロータリ圧縮機の一回転分のトルク変動を示すグラフであり、横軸は回転角度、縦軸は、負荷トルクである。電動機３の負荷が空気調和装置に用いられる圧縮機である場合、電動機３のトルク４０の変動は、基本的にシングルロータリ構造等の圧縮機の構造に起因するものである。このため、同図に示すように、圧縮機と機械的に固定接続される電動機が０度から３６０度まで一回転する間のトルク４０の変動は、電動機３の回転位置が検出できれば、それを基準にしておよそ予測可能である。

そして、上記トルク４０の変動は、たとえば、図５に示すように、６０度ごとの平均トルク４１で代替でき、これらのトルク４１は、回転位置（角度）と対にして二次元の基本トルクパターンテーブルとして、トルクパターン記憶部５に定義される。なお、ここでは、トルクパターン記憶部５を演算処理の高速化を図るべくテーブルで定義したが、回転角度から演算によって求まる場合は、当該演算に用いる関数で定義しておいてもよい。また、上記では、テーブルに用いるトルクの定義に６０度ごとの平均トルク４１を用いたが、この分割角度は、図示した１度ごとの平均トルク４２のように、細かければ細かい程、精度が上がるので、演算装置の性能に合わせて適当な分割角度が採用される。

このように、上記トルクパターン記憶部５では、回転位置（角度）によって、補正すべきトルクが決まるので、当該回転位置に対応したトルクを決定すべく、回転子速度・位置検出部４で検出される回転位置情報は、当該トルクパターン記憶部５に送られる。これによって決定されたトルクは、トルクパターン補正部８を経て、正弦波駆動制御部９に渡され、そこで当該補正トルク値を考慮した正弦波が生成される。その後は、ベースドライバ１０が、上記生成された正弦波をＵＶＷの三相に振り分け、ＰＷＭ回路により、適切な電動機印加電圧信号をインバータ部２に送る。

ここで、回転子速度・位置検出部４、トルクパターン記憶部５、回転数変動検出部６、回転数変動評価部７、トルクパターン補正部８、および正弦波駆動制御部９について、詳細に説明する。図３は、トルクパターン補正部８の具体的な作用を示すブロック図である。回転子速度・位置検出部４で検出される回転子速度（回転数）ω_nは、回転数変動検出部６に渡され、一旦保管される。

そして、次のサンプリングによって得られるω_n-1との差が回転数変動検出部６において求められる。当該差は、回転数変動評価部７に渡され、当該差の絶対値、または当該差の自乗等をＪｎとしたときの、ｄＪ＝Ｊ_n−Ｊ_n-1を評価関数、つまり変動を表す情報として評価が行われる。したがって、ｄＪは、回転数が増加する傾向なのか、減少する傾向なのかではなく、変動の大きさを表す指標となる。なお、当該ｄＪの意義を考えると、Ｊｎは、ピーク値の積分値でもよいし、ピークホールド値等としてもよい。

上記ｄＪの値は、トルクパターン補正部８に送られる。ここでは、トルクパターン記憶部５においてテーブルとして記憶されている基本トルクパターンの値Ｔ_tblに、Ｍ＋ｄＭの値が乗じられる。これによって、当該Ｔ_tblの大きさは補正される。換言すれば、トルクの補正値Ｔ_tblが、電動機の回転数変化を基にして再調整された値Ｔ_FFとなる。Ｍは、トルクパターン補正係数（補正値）で、ｄＭは、当該Ｍの微調整項である。

上記ｄＭは、上記ｄＪの値によって符号を変えて、たとえば０．１×Ｍ、０．２×Ｍ等の小さな値としておく。ｄＭの符号は、上記ｄＪが０よりも大きい場合、つまり、基本トルクパターンテーブルで電動機に印加する電圧を補正しても、負荷に対してトルクが大き過ぎ、回転数が上がる傾向がある場合は、ｄＭの正負の符号を反転して、基本トルクパターンをやや小さめにする。逆に、ｄＪが０以下の場合は、ｄＭの符号はそのままにする。なお、ｄＭの具体的な値は、実験やシミュレーションにより適当な値に決定するのが好ましい。

上記のように、補正されたトルク値Ｔ_FFは、正弦波駆動回路９に送られ、サーボ回路への付加信号値となる。具体的には、まず、加減器１１に入力される指令回転数と検出回転数との差が、比例要素Ｋ₁３１、Ｋ₂３２および積分要素１／Ｚ３３によってそれぞれ処理される。そして、加え合わせ点３４でそれらが加え合わされ、さらに内側ループ位置３５に、当該Ｔ_FFが付加される。Ｔ_FFを、電流値に変換し、電流フィードバック値と突き合わせるように付加する構成にしてもよい。

当該トルク指令Ｔ_FFは、サーボ回路内でフィードバックされる電流またはトルクとは無関係に付加する信号であるから、フィードフォワード信号に該当し、フィードバックシステムの安定性には影響しないという性質がある。そのため、本来のフィードバックシステムに用いられる上記比例要素比例要素Ｋ₁３１、Ｋ₂３２および積分要素１／Ｚ３３等のゲインが調整しやすくなるという効果もある。

その後、これらの信号は、比例要素Ｋ₃３６等によってゲインが上げられ、トルク指令値Ｔ_refとなる。なお、上記サーボ回路は、いわゆるＰＩ制御で構成されるのが一般的であるが、これに限るものではなく、ＩＰ制御、ＰＩＤ等、様々なタイプのサーボ回路を利用可能である。いずれにしても、正弦波駆動回路９は、１８０度通電で、ベースドライバ１０、インバータ部２を通じて電動機３に滑らかに電圧を印加する役割を果たす。

以上のように、この発明の実施例１にかかる電動機の制御装置によれば、予め想定される基本トルクパターンに、さらに回転数変動から得られる補正を施すことで、圧縮機等の負荷変動に追従できるトルク制御を行うことができる。これにより、負荷変動による振動を低減できる。また、製造時において、電動機と圧縮機とを接続する際に、角度がばらつく組み込み誤差が発生しても、基本トルクパターンにさらに補正が施せるので、従来からの生産技術を補う機能をも有すると言える。

また、１８０度通電の正弦波駆動方式を適用することから、三相それぞれ間欠のない、滑らかなトルク電流を電動機に流すことができ、これによっても、永久磁石型同期電動機、誘導電動機等の電動機の振動・騒音の低減が可能となる。

この発明に係る電動機の制御装置は、空気調和装置に用いられる圧縮機の駆動にも適用可能であるが、家電製品や自動車部品としての空気調和装置の圧縮機およびその駆動装置は、コスト競争が激しいのが実情である。当該コスト面を考えても、本発明に係る電動機の制御装置は、特に高価な部品の追加を必要とせず、電流センサとアンプ類を追加する程度であり、制御自体も、従来から用いられていた一般的なコンピュータ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他の記憶媒体等、プログラムで構成できるので、低コストで電動機の振動や騒音を低減できる。また、逐次加速度を演算により求めて、リアルタイムで加速度指令を補正するような複雑な演算も必要ないことから、コンピュータの演算にかかる負担も少なくて済み、廉価な装置で構成できる。

図２は、この発明の実施例２に係る電動機の制御装置を示すブロック図である。このトルク制御装置は、基本的には実施例１に係る電動機の制御装置と同様であるが、複数のトルクパターン記憶部２１、圧力条件検出部２２、トルクパターン切替え部２３、およびトルクパターン補正部２４が異なる。なお、これ以外の構成は、実施例１と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

トルクパターン記憶部２１は、電動機３に接続される負荷の状態に応じて、補正すべき基本トルクパターンをメモリー等の記憶手段に複数記憶しておく部分である。たとえば、電動機３の負荷が空気調和装置に用いられる圧縮機である場合、当該圧縮機は、低圧部分（シングルロータリ部の入口）と高圧部分（同部の出口）との比によって、圧縮に必要なトルクが変化するので、これらを何パターンか予めテーブルとして記憶しておく。

そして、それら複数の基本トルクパターンは、トルクパターン切り替え部２３において、圧力条件検出部２２で検出される圧力を基に、一つに選択・決定される。なお、図２では、トルクパターンの決定に圧力条件を用いたが、これに限らず、負荷の条件が変わる要因となる情報、たとえば、圧力比、温度、負荷の仕事量等を用いることができる。また、図２−２に示すように、直接センサ等で検出できる量ではなく、負荷の状態を間接的に推定する圧力条件推定部２５を設けるようにしてもよい。たとえば負荷が圧縮機の場合であれば冷媒の温度等で圧力条件を推定できる。

基本トルクパターンが決まれば、回転数変動評価部７によって、回転数の変動に基づく補正が当該基本トルクパターンにさらに施される。このトルクパターンによって、正弦波駆動制御部９による１８０度通電用の正弦波状指令電圧信号が生成される。

このように、この発明の実施例２にかかる電動機の制御装置によれば、実施例１で説明した効果の他、予め想定される複数の基本トルクパターンのうち、負荷状態に適した一のパターンを選択し、さらに回転数変動から得られる補正を施すことで、圧縮機等の負荷トルク変動により追従できるトルク制御を行うことができる。これにより、負荷変動による振動を低減できる。

また、１８０度通電の正弦波駆動方式を適用することから、三相それぞれ間欠のない、滑らかなトルク電流を電動機に流すことができ、これによっても、永久磁石型同期電動機、誘導電動機等の電動機の振動・騒音の低減が可能となる。

以上のように、本発明にかかる電動機の制御装置は、永久磁石型同期電動機や誘導電動機等の電動機についてのトルク制御に有用であり、トルク変動の周期が回転子一周でおよそ決まっている電動機のトルク制御に適用可能である。

実施例１に係る電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。 実施例２に係る電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。 図２−１の圧力条件検出部を圧力条件推定部で置き換えたものを示すブロック図である。 トルクパターン補正部８の具体的な機能を示すブロック図である。 シングルロータリ圧縮機の一回転分のトルク変動を示すグラフであり、横軸は回転角度、縦軸は、負荷トルクである。 シングルロータリ圧縮機の一回転分の基本トルクパターンを示すグラフであり、横軸は回転角度、縦軸は、負荷トルクである。

符号の説明

１ コンバータ部
２ インバータ部
３ 電動機
４ 回転子速度・位置検出部
５、１１ トルクパターン記憶部
６ 回転数変動検出部
７ 回転数変動評価部
８ トルクパターン補正部
９ 正弦波駆動制御部
１０ ベースドライバ
１１ 加算器
２２ 圧力条件検出部
２３ トルクパターン切替え部
２４ トルクパターン補正部
２５ 圧力条件推定部
３１、３２、３６ 比例要素
３３ 積分要素
３４、３５ 加え合わせ点
４０、４１ トルク

Claims (3)

1. 電動機の回転子の回転速度および回転位置を検出する回転速度位置検出手段と、
   前記電動機の回転位置に対する負荷トルク変動を基にして、前記電動機に付与すべきトルク加減量である基本トルクパターンを予め記憶しておくトルクパターン記憶手段と、
   前記回転速度位置検出手段で検出される回転速度の変動を検出する回転数変動検出手段と、
   前記回転数変動検出手段からの変動を表した情報を基に、当該情報に応じたトルク補正値を算出する回転数変動評価手段と、
   前記回転速度位置検出手段で検出された前記回転位置に同期して、前記基本トルクパターンのうち、当該回転位置に対応するトルクを読み出し、前記回転数変動評価手段からの前記トルク補正値を当該トルクに乗じて補正トルクパターンを生成するトルクパターン補正手段と、
   前記トルクパターン補正手段によって算出される補正トルクパターンを電動機が出力するためのトルク指令を１８０度通電の正弦波で生成する駆動制御手段と、
   を有することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記トルクパターン記憶手段は、複数の基本トルクパターンを記憶し、前記電動機の被検出負荷状態に応じて、前記複数の基本トルクパターンから一つの基本トルクパターンを選択し、
   前記回転数変動評価手段による前記トルク補正値を前記基本トルクパターンのうち、前記回転位置に対応するトルクを読み出し、前記回転数変動評価手段からの前記トルク補正値を当該トルクに乗じて補正トルクパターンを生成することを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
3. 前記電動機の前記負荷状態の検出は、負荷の状態を直接的に表す状態量または間接的に表す状態量を検出することで行われることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機の制御装置。

Images