JP2006320105A - モータ制御装置およびこれを用いた電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 直流電圧が変動しても、常に所望の回転数で高効率の弱め界磁制御を実現する。
【解決手段】 基準直流電圧における回転数に対して設定されたｄ軸電流指令を記憶したｄ軸電流テーブル１７を備える。参照回転数補正部１４は、基準直流電圧と検出された直流電圧との差に応じて、検出された回転数を補正する。ｄ軸電流演算部１５は、ｄ軸電流テーブル１７を参照して、補正後の回転数に対するｄ軸電流指令を決定する。この電流指令に基づいてモータ１の弱め界磁制御を行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は、洗濯機、洗濯乾燥機等のモータ駆動される電気機器のモータ制御装置に関する。

洗濯機や洗濯乾燥機等の電気機器では、洗濯槽を回転させるためのモータとして、回転子に永久磁石を有する永久磁石型同期モータが使用される。このモータに対するベクトル制御インバータでは、トルク指令や回転数からｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を作成し、これらの指令から必要な電圧が得られるようなゲート信号が作られる。

ここで、モータの回転数が高い場合は、負のｄ軸電流指令を設定し、モータの回転に伴って発生する逆起電力を減少させる弱め界磁制御を行うのが一般的である。この制御により、モータが高速回転して逆起電力が大きくなっても、モータへの印加電圧が増加する。したがって、逆起電力による電力不足を補うことができ、モータの回転数を上昇させることができる。

ｄ軸電流指令の生成には、演算して算出する方法やテーブルを参照する方法がある。演算による方法では、ｄ軸電流指令の演算は計算が複雑なため、マイコン等の演算処理装置には高い能力を要求する。この結果、高価な演算処理装置を使用する必要があり、コストが高くなってしまう。一方、テーブルを参照する方法では、ｄ軸電流指令を生成するための演算量を減らすことができ、演算処理装置の負荷が減る。その結果、演算処理装置を安価で低性能のものであっても使用可能となり、コストダウンが見込める。このようなテーブルを使用したモータ制御装置が、例えば特許文献１、２に開示されている。
特開２０００−２２８８９２号公報 特開２０００−３２７９９号公報

弱め界磁制御を行うとき、ｄ軸電流指令は回転数と直流電圧に応じた値に設定する必要がある。この制御のために参照するテーブルとして、図８に示すような回転数と直流電圧の２軸のテーブルが作成される。テーブルは、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリに記憶される。図８のようにデータ量が多いと、大きな容量のメモリが必要となり、コストアップの要因となる。

そこで、図９に示すような回転数のみに応じた１軸のテーブルを用いることにより、メモリ使用量は節約できる。しかし、直流電圧が変動した場合に、効率が悪化したり、所望の回転数で駆動できなくなるなどの問題が発生する。また、図１０に示すような直流電圧のみに応じた１軸のテーブルを用いても、メモリ使用量は節約できるが、回転数が変化した場合に、効率が悪化したり、所望の回転数で駆動できなくなる。なお、直流電圧ごとにあるいは回転数ごとにテーブルを複数用いると、適切な弱め界磁制御が可能となるが、テーブルを検索するのに時間を要するとともに、メモリ容量も増える。

本発明は、上記に鑑み、直流電圧が変動しても、常に所望の回転数で高効率の弱め界磁制御を実現できる低コストなモータ制御装置の提供を目的とする。

本発明は、モータに電源からの電力をインバータ回路を通して供給するモータ制御装置であって、モータの回転数に基づいて電流指令を決定する電流決定部と、前記電流指令から電圧指令を演算する電圧演算部と、前記電圧指令に基づいてＰＷＭ信号を生成して前記インバータ回路に出力する変換部と、前記電源からインバータ回路に供給される直流電圧を検出する直流電圧検出部とを備え、前記回転数に対する電流指令を設定したテーブルが設けられ、前記電流決定部は、前記直流電圧の変動に応じて前記回転数を補正し、前記テーブルを参照して電流指令を決定する。

テーブルは、基準直流電圧における回転数に対して設定された電流指令を保有している。電流決定部は、基準直流電圧と検出された直流電圧とに基づいて前記回転数を補正する。そして、テーブルを参照して、補正後の回転数に応じた電流指令が決定され、この電流指令に基づいてモータが駆動制御される。これによって、インバータ回路に供給される直流電圧が変動しても、所望の回転数でモータを回転駆動することができ、確実に弱め界磁制御を行える。

具体的な回転数の補正として、電流決定部は、検出された直流電圧が基準直流電圧より小のとき、回転数が大きくなるように補正し、直流電圧が基準直流電圧より大のとき、回転数が小さくなるように補正する。すなわち、基準直流電圧と検出された直流電圧との差が大きくなるほど、回転数の補正量が大きくなる。

補正後の回転数に対する閾値が設定され、補正後の回転数が前記閾値を超えるとき、電流指令は固定値とされる。回転数によっては、電流指令を必要としない場合や安全性の点から電流指令が制限される場合がある。これに基づいて閾値は設定される。

閾値としては、上限閾値が設定され、上限閾値に対する電流指令の固定値として最小制限値が決められる。また、下限閾値が設定され、下限閾値に対する電流指令の固定値が０とされる。なお、上限閾値および下限閾値の両方を設定するだけでなく、いずれか一方だけを設定してもよい。このように、回転数の閾値に応じて電流指令を固定値とすることにより、テーブルのデータ量を減らすことができる。

そして、電源として交流電源が用いられ、該交流電源からの交流電圧が直流電圧に変換されてインバータ回路に供給され、直流電圧検出部の代わりに、前記交流電圧を検出する交流電圧検出部が設けられ、検出された交流電圧から直流電圧を算出する。

例えば、回路レイアウトや測定部品の都合上、直流電圧を直接検出できない場合がある。インバータ回路に供給される直流電圧とこの直流電圧の変換前の交流電圧とは対応関係にあるので、直流電圧の変動は交流電圧の変動でもある。そこで、直流電圧を検出できなくても、交流電圧を検出すればよく、上記のように回転数を補正して、テーブルを参照しながらモータを駆動制御できる。

上記のモータ制御装置を電気機器が備えていると、テーブルを使用してモータの弱め界磁制御を行える。特に、電気機器として洗濯機あるいは洗濯乾燥機に適用すると、脱水運転のように高速でモータを回転駆動する必要があるので、適切な弱め界磁制御ができ、好適である。

本発明によると、テーブルを使用して、モータの駆動制御をする場合、複数のテーブルを用意したり、データの多いテーブルを用意する必要がなくなり、１つのテーブルだけでよく、メモリ使用量を低減でき、コストを減らせる。

本実施形態のモータ制御装置を使用したモータ駆動装置の概略構成を図１に示す。モータ駆動装置は、交流電源からの電力によって動作する電気機器に搭載され、３相永久磁石型同期モータであるモータ１をインバータ回路２によるインバータ制御によって駆動制御する。インバータ回路２には、モータ制御装置であるマイクロコンピュータ（マイコン）３から３相電圧信号Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊が供給され、インバータ回路２は、この信号に基づいてモータ１に印加電圧を出力する。コンバータ回路４は、交流電源５から直流電源を形成し、インバータ回路２に電力を供給する。

そして、モータ１の回転数を検出するためにロータ位置検出部６が設けられている。ロータ位置検出部６は、ホールセンサを用い、モータ１のロータ位置を検出して、マイコン３にロータ位置信号を出力する。また、インバータ回路２に供給される直流電圧を検出する直流電圧検出部７が設けられている。直流電圧検出部７は、コンバータ回路４とインバータ回路２との間に設けられ、抵抗の両端にかかる電圧から直流電圧を検出して、マイコン３に直流電圧信号Ｖｄｃを出力する。

マイコン３は、ロータ位置検出部６からのロータ位置信号と直流電圧検出部７からの直流電圧信号Ｖｄｃを用いて、プログラムにしたがって３相電圧信号Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算して、これらの信号をインバータ回路２に出力する。

マイコン３は、モータ１の回転数に基づいて電流指令を決定する電流決定部と、前記電流指令から電圧指令を演算する電圧演算部と、前記電圧指令に基づいてＰＷＭ信号を生成して、ＰＷＭ信号をインバータ回路２に出力する変換部とを有している。具体的には、図２に示すように、モータ回転数演算部１１、減算部１２、ｑ軸電流演算部１３、参照回転数補正部１４、ｄ軸電流演算部１５、２相電圧演算部１６、ｄ軸電流テーブル１７、角度演算部１８、２相３相電圧変換部１９を有する。電流決定部は、モータ回転数演算部１１、減算部１２、ｑ軸電流演算部１３、ｄ軸電流演算部１５によって構成される。電圧演算部は、２相電圧演算部１６から構成され、変換部は、２相３相電圧変換部１９から構成される。

参照回転数補正部１４は、検出された回転数を直流電圧の変動に応じて補正し、補正後の回転数をｄ軸電流演算部１５に出力する。ｄ軸電流演算部１５は、補正後の回転数に対して、ｄ軸電流テーブル１７を参照しながらｄ軸電流指令を決定する。なお、その他の各部は、特許文献１、特開２００１−２０４２００号公報等に記載のように公知のものである。

ｄ軸電流テーブル１７は、図３に示すように、モータの回転数に対するｄ軸電流指令を有している。このテーブルのｄ軸電流指令は、基準直流電圧における回転数ごとに予め決められたｄ軸電流指令のデータである。例えば、基準直流電圧を８０Ｖとして、所望の回転数で高効率の弱め界磁制御を実現できるｄ軸電流指令をモータ回転数ごとに実験により、あるいはシミュレーションにより求めて、テーブルが作成される。

次に、上記のマイコン３によるの制御動作を説明する。図４のフローチャートに示すように、ロータ位置信号に基づいてモータ１の回転数をモータ回転数演算部１１により演算する（Ｓ１）。モータ回転数演算部１１から演算モータ回転数ωが出力され、減算部１２により、演算モータ回転数ωと目標とする指令モータ回転数ω＊との偏差Δωを算出する（Ｓ２）。この偏差Δωがｑ軸電流演算部１３に入力される。ｑ軸電流演算部１３は、Δωからｑ軸電流指令Ｉｑを決定する（Ｓ３）。

また、参照回転数補正部１４は、演算モータ回転数ωを直流電圧検出部７によって検出された直流電圧Ｖｄｃに応じて補正し、参照用回転数ωＬを決定する（Ｓ４）。すなわち、検出された直流電圧Ｖｄｃが基準直流電圧より大きいとき、ｄ軸電流指令の参照用回転数ωＬが小さくなるように補正し、検出された直流電圧Ｖｄｃが基準直流電圧より小さいとき、参照用回転数ωＬが大きくなるように補正する。ｄ軸電流演算部１５は、ｄ軸電流テーブル１７のデータを参照して、補正後の回転数ωＬに基づいてｄ軸電流指令Ｉｄを決定する（Ｓ５）。

ｄ軸電流演算部１５は、参照用回転数補正部１４から入力された参照用回転数ωＬに応じたｄ軸電流指令を決定し、２相電圧演算部１６に出力する。２相電圧演算部１６は、ｑ軸電流指令Ｉｑ、ｄ軸電流指令Ｉｄおよび演算モータ回転数ωに基づいて、ｑ軸電圧指令Ｖｑおよびｄ軸電圧指令Ｖｄを演算する（Ｓ６）。

また、角度演算部１８は、ロータ位置信号から回転角度θを演算する（Ｓ７）。２相３相電圧変換部１９では、ｑ軸電圧指令Ｖｑとｄ軸電圧指令Ｖｄを回転角度θに基づいて、３相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する（Ｓ８）。３相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、インバータ回路２に出力される（Ｓ９）。

ここで、回転数の補正において、検出された直流電圧Ｖｄｃの値に応じて次式により、参照用回転数ωＬを算出する。
ωＬ＝ω＋ｋ×（８０−Ｖｄｃ） ・・・（１）
ｋは計算用の係数であり、図８のテーブルを用いたモータと同様の特性のモータであれば、ｋ＝１とすればよい。

演算モータ回転数１００ｒｐｍ、直流電圧６０Ｖの場合、従来技術に示した図９のテーブルを用いると、ｄ軸電流指令Ｉｄ＝−６となる。このｄ軸電流指令に応じて弱め界磁制御を行うと、モータ１は十分なトルクが得られず、効率が悪化したり、所望の回転数で駆動できない等の問題が発生する。しかし、（１）式に基づく補正後の回転数は１２０ｒｐｍとなり、図３のｄ軸電流テーブル１７を参照すると、ｄ軸電流指令Ｉｄ＝−８となる。直流電圧が基準直流電圧８０Ｖから６０Ｖに低下しても、モータ１の回転数を増大させることができ、十分なトルクが得られる。したがって、効率が悪化することなく、所望の回転数で駆動することが可能となる。

ところで、モータ１の起動時のように回転数が低い場合、界磁電流は０となる。図３に示すテーブル１７では、参照用回転数ωＬが低く、ｄ軸電流指令を必要としない回転領域が存在する。すなわち、ｄ軸電流指令Ｉｄ＝０となる領域がテーブル１７に含まれることになる。

また、インバータ回路２に過大な電流が流れて回路が劣化したり、破壊されることなどを回避するため、ｄ軸電流指令の最小値は所定の値、例えば−１０に制限されている。図３に示すテーブル１７には、参照用回転数ωＬが高く、ｄ軸電流が最小値に制限されている回転領域が存在する。すなわち、ｄ軸電流指令Ｉｄ＝−１０となる領域がテーブル１７に含まれることになる。

そこで、補正後の回転数に対する閾値を設定する。閾値には、上限閾値ω１と下限閾値ω２とがあり、各閾値に対してｄ軸電流指令の値を固定値とする。下限閾値の固定値としては、ｄ軸電流指令Ｉｄ＝０である。上限閾値の固定値としては、ｄ軸電流指令Ｉｄ＝−１０である。

そのため、ｄ軸電流テーブル１７には、図５に示すように、下限閾値を４０ｒｐｍとしたときは、４０ｒｐｍより高いときのｄ軸電流指令のデータを記憶しておく。また、上限閾値を１４０ｒｐｍとしたとき、１４０ｒｐｍより低いときのｄ軸電流指令のデータを記憶しておく。

このテーブル１７を用いたときの制御動作を図６に示す。基本的な動作は、図４に示すものと同じである。ｄ軸電流演算部１３は、参照用回転数ωＬが閾値ω１よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１０）。閾値ω１以下のときは、参照用回転数ωＬ＝ω１を設定する（Ｓ１１）。

参照用回転数ωＬが閾値ω１より大きいとき、参照用回転数ωＬが閾値ω２よりも小さいか否かを判定する（Ｓ１２）。閾値ω２以上のときは、参照用回転数ωＬ＝ω２を設定する（Ｓ１３）。参照用回転数ωＬが閾値ω１よりも大きく、かつ閾値ω２よりも小さいときは、参照用回転数ωＬをそのまま使用する。ｄ軸電流テーブル１７から参照用回転数ωＬに対する電流指令データを読出して、ｄ軸電流指令Ｉｄを決定する（Ｓ５）。

このようなテーブル１７を使用することにより、不揮発性メモリに記憶しておくデータ量を低減できる。したがって、記憶容量の少ないメモリを使用することが可能となり、コストを低減できる。

上記の実施形態におけるモータ駆動装置では、直接直流電圧を検出している。直流電圧検出部７の代わりに、図７に示すように、交流電圧検出部２０を設けてもよい。交流電圧検出部２０は、交流電源５とコンバータ回路４との間に設けられ、交流電源５からの交流電圧を検出する。コンバータ回路４は、入力された交流電圧を整流して、直流電圧として出力する。そのため、入力される交流電圧の大きさと出力される直流電圧の大きさには対応関係がある。マイコン３は、検出された交流電圧から直流電圧を推定することができる。そして、この推定した直流電圧に応じてｄ軸電流テーブル１７の参照時に使用する回転数を補正する。その他の構成は、上記の実施形態と同じであるため、省略する。

次に、本実施形態のモータ駆動装置を洗濯機に適用する。洗濯機は、洗濯槽に直接モータ１を取付けたダイレクトドライブ方式とされ、モータ１の回数が直接洗濯槽の回転となる。洗濯機は、低速で洗濯槽を回転させて洗濯物の洗濯を行う洗い運転やすすぎ運転と、高速で洗濯槽を回転させて脱水を行う脱水運転とを行う。

脱水運転では、洗濯物を早く乾かすために、水分を遠心分離により減らすことが要求される。そのため、洗濯槽の高速回転が必要となり、指定されたモータ回転数でモータが駆動制御される。このとき、十分なトルクを確保して、安定した回転駆動を行えるように、弱め界磁制御が行われる。

脱水運転において、指令モータ回転数ω＊がマイコン３に入力されると、マイコン３は、この指令モータ回転数ω＊に基づいてモータ１を駆動制御する。マイコン３は、直流電圧の変動に応じてｄ軸電流テーブル１７を参照しながら弱め界磁制御を行う。これにより、モータ駆動装置は、洗濯槽の回転に伴ってモータ１にかかる負荷の変動等により直流電圧が変動した場合であっても、指令モータ回転数ω＊で洗濯槽を高効率に回転させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。上記のモータ制御装置は、電気自動車、エレベータ、ポンプ等の同期モータを使用した電気機器に適用してもよい。また、補正後の回転数に対して上限および下限の閾値を設定したが、いずれか一方のみの閾値を設定してもよく、これに合わせてｄ軸電流テーブルを作成しても、データ量を減らすことができる。

本発明のモータ駆動装置の概略構成を示すブロック図 モータ駆動装置に使用されるモータ制御装置の概略構成を示すブロック図 本実施形態の回転数とｄ軸電流指令とのテーブルを示す図 マイコンの制御動作のフローチャート 他の実施形態の回転数とｄ軸電流指令とのテーブルを示す図 他の実施形態のテーブルを使用したときのマイコンの制御動作のフローチャート 他の実施形態のモータ駆動装置の概略構成を示すブロック図 従来の回転数および直流電圧に対するｄ軸電流指令のテーブルを示す図 従来の回転数とｄ軸電流指令のテーブルを示す図 従来の直流電圧とｄ軸電流指令のテーブルを示す図

符号の説明

１ モータ
２ インバータ回路
３ マイクロコンピュータ
４ コンバータ回路
５ 交流電源
６ ロータ位置検出部
７ 直流電圧検出部
１１ モータ回転数演算部
１２ 減算部
１３ ｑ軸電流演算部
１４ 参照回転数補正部
１５ ｄ軸電流演算部
１６ ２相電圧演算部
１７ ｄ軸電流テーブル
１８ 角度演算部
１９ ２相３相電圧変換部
２０ 交流電圧検出部

Claims (9)

1. モータに電源からの電力をインバータ回路を通して供給するモータ制御装置であって、モータの回転数に基づいて電流指令を決定する電流決定部と、前記電流指令から電圧指令を演算する電圧演算部と、前記電圧指令に基づいてＰＷＭ信号を生成して前記インバータ回路に出力する変換部と、前記電源からインバータ回路に供給される直流電圧を検出する直流電圧検出部とを備え、前記回転数に対する電流指令を設定したテーブルが設けられ、前記電流決定部は、前記直流電圧の変動に応じて前記回転数を補正し、前記テーブルを参照して電流指令を決定することを特徴とするモータ制御装置。
2. テーブルは、基準直流電圧における回転数に対して設定された電流指令を保有しており、前記電流決定部は、基準直流電圧と検出された直流電圧とに基づいて前記回転数を補正することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 電流決定部は、検出された直流電圧が基準直流電圧より小のとき、回転数が大きくなるように補正し、直流電圧が基準直流電圧より大のとき、回転数が小さくなるように補正することを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
4. 補正後の回転数に対する閾値が設定され、補正後の回転数が前記閾値を超えるとき、電流指令は固定値とされることを特徴とする請求項２または３記載のモータ制御装置。
5. 補正後の回転数の上限閾値が設定され、上限閾値に対する電流指令の固定値として最小制限値が決められたことを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
6. 補正後の回転数の下限閾値が設定され、下限閾値に対する電流指令の固定値が０とされたことを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
7. 電源として交流電源が用いられ、該交流電源からの交流電圧が直流電圧に変換されてインバータ回路に供給され、直流電圧検出部の代わりに、前記交流電圧を検出する交流電圧検出部が設けられ、検出された交流電圧から直流電圧を算出することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のモータ制御装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のモータ制御装置を備え、テーブルを使用してモータの弱め界磁制御を行うことを特徴とする電気機器。
9. 電気機器は、洗濯機あるいは洗濯乾燥機であることを特徴とする請求項８記載の電気機器。

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