JP2007089248A - 電動機の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサレスベクトル制御により電動機を駆動する場合に、低回転速度／低負荷状態においても支障無く電動機の電流を検出してセンサレスベクトル制御を継続することができる駆動装置を提供する。
【解決手段】 永久磁石型の電動機Ｍに疑似交流電圧を印加して駆動するためのインバータ主回路１と、電動機に流れる電流を検出する電流センサ６Ｖ、６Ｗと、インバータ主回路を制御する制御回路Ｃとを備えた駆動装置Ｄにおいて、制御回路は、電流センサの出力に基づき、電動機に流れる電流をトルク電流成分と界磁電流成分に分離してセンサレスベクトル制御によりインバータ主回路の転流を制御すると共に、電動機を所定の低回転速度域で運転する場合、及び／又は、電動機が所定の低負荷状態にある場合は、永久磁石の磁束を弱める方向の界磁電流成分を流す。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁極位置センサを用いない、センサレスベクトル方式により永久磁石型の電動機を制御する駆動装置に関するものである。

従来より永久磁石型同期電動機を磁極位置センサレスで制御する場合、一般的にベクトル制御が用いられている。このベクトル制御では、電動機に流れる電流をトルク電流成分と界磁電流成分とに分離し、ロータ位置に応じた最適な電流値を算出し、それにより矩形波インバータよりトルク変動が少ない効率の良い制御が可能となる手法である。

このような制御を行うためにはロータの磁極位置を把握する必要があるが、磁極位置センサを用いない高速用センサレスベクトル制御では、磁極位置センサの代わりにモータに流れる電流値を利用して磁極位置を推定する。このモータに流れる電流値を把握するため、電動機に流れる電流をカレントトランスや抵抗などの電流検出器を用いて検出し、検出した電流を界磁電流成分Ｉｄとトルク電流成分Ｉｑに分離して磁極位置推定を行う。

実際のベクトル制御では、電動機のロータの磁極位置が実角度θｄの回転位置となるｄ−ｑ回転座標系に対して、制御系にて推定角度θｄｃとなるｄｃ−ｑｃ回転座標系を仮定し、それらの軸誤差Δθを推定演算し、この軸誤差Δθをゼロにするようにインバータの電圧指令値をフィードバック修正することにより、実際の磁極位置と制御上の磁極位置を一致させるようにしている。

係るベクトル制御によれば、インバータにより電動機を駆動する電流の大きさと位相を負荷条件に応じて理想的に制御し、高トルク・高応答・高性能・高精度の電動機制御を実現できる。一方、モータに流れる電流を利用できない起動から前述した高速まで使用できるセンサレスベクトル制御の方式が無いため、起動時には例えば磁極位置検出の必要の無いＶ／Ｆ一定制御を行い、所定の回転速度で予め設定しておいた初期の磁極位置を用い、ベクトル制御に移行する方法などが考えられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−４８８８６号公報

ところで、近年では省エネルギーを実現するためにこの種電動機も低速化の一途を辿っている。電動機が低回転速度で運転される場合、或いは、電動機が低負荷状態であるときは、電動機に流れる全電流（トルク電流成分＋界磁電流成分）も小さくなる。そのため、前述した電流検出器の分解能では検出できなくなり、磁極位置検出に失敗して脱調し、停止してしまう問題があった。

これを解消するために電流検出器の分解能（電流検知レベル）を上げることも考えられるが、高速及び高負荷時の電流検出に問題が生じ、単一の検出器で低回転速度・低負荷から高回転速度・高負荷まで使用することは困難であった。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、センサレスベクトル制御により電動機を駆動する場合に、低回転速度／低負荷状態においても支障無く電動機の電流を検出してセンサレスベクトル制御を継続することができる駆動装置を提供するものである。

本発明は、永久磁石型の電動機に疑似交流電圧を印加して駆動するためのインバータ主回路と、電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、インバータ主回路を制御する制御手段とを備えた駆動装置において、制御手段は、電流検出手段の出力に基づき、電動機に流れる電流をトルク電流成分と界磁電流成分に分離してセンサレスベクトル制御によりインバータ主回路の転流を制御すると共に、電動機を所定の低回転速度域で運転する場合、及び／又は、電動機が所定の低負荷状態にある場合は、永久磁石の磁束を弱める方向の界磁電流成分を流すことを特徴とする。

請求項２の発明の電動機の駆動装置は、上記において制御手段は、電動機の回転速度、及び／又は、負荷状態に応じて永久磁石の磁束を弱める方向の界磁電流成分の値を変化させることを特徴とする。

本発明によれば、電動機に流れる電流をトルク電流成分と界磁電流成分に分離してセンサレスベクトル制御によりインバータ主回路の転流を制御して永久磁石型の電動機を駆動する際に、制御手段は、電動機を所定の低回転速度域で運転する場合、及び／又は、電動機が所定の低負荷状態にある場合、永久磁石の磁束を弱める方向の界磁電流成分を流すので、同一のトルクでも電動機に流れる全電流は増加することになる。

これにより、電動機を低回転速度で運転する場合や電動機の負荷が軽い場合にも、電流検出手段は支障無く電動機に流れる電流を検出することができるようになり、磁極位置検出の失敗による脱調を未然に回避することが可能となる。特に、請求項２の発明の如く電動機の回転速度、及び／又は、負荷状態に応じて永久磁石の磁束を弱める方向の界磁電流成分の値を変化させるようにすれば、磁極位置検出に必要にして充分な電流値を確保しながら、無用な電流増加も防止できるようになるものである。

次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。以下に示す各実施例の電動機Ｍは、例えばカーエアコンに搭載される二酸化炭素を冷媒として用いた図示しない電動コンプレッサを駆動する永久磁石内蔵型の同期電動機である。電動機Ｍは係るコンプレッサのシェル内に例えばロータリ圧縮要素と共に収納され、回転して圧縮要素を駆動するために用いられる。

図１は本発明を適用した一実施例の電動機Ｍの駆動装置Ｄの電気回路図、図２は駆動装置Ｄを構成する制御手段としての制御回路Ｃの制御プログラムを示すフローチャートである。実施例の駆動装置Ｄは、自動車のバッテリである直流電源ＤＣに接続された６個のスイッチング素子から成るインバータ主回路１（三相インバータ）と、このインバータ主回路１の各スイッチング素子の転流を制御して電動機Ｍに三相疑似交流電圧を印加する制御回路（制御手段）Ｃなどから構成される。

そして、前記電動機Ｍは例えば直巻方式にて三相のコイルが捲装されたステータ（固定子）と、このステータの内側で回転する永久磁石内蔵（ＩＰＭ）型のロータとから構成された同期電動機であり、ステータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相コイルにインバータ主回路１の各相の二次側ライン２Ｕ、２Ｖ、２Ｗが接続されている。

また、Ｖ相及びＷ相の二次側ライン２Ｖ、２Ｗには、電動機ＭのＶ相、Ｗ相に流れる電流を検出するためのカレントトランスから成る電流センサ（電流検出手段）６Ｖ、６Ｗが設けられており、各電流センサ６Ｖ、６Ｗの出力（電流検出値）は制御回路Ｃに入力されている。

この制御回路Ｃはインバータ主回路１に電圧指令を出力し、スイッチング素子の転流を制御することで、センサレスベクトル制御による三相通電により電動機Ｍを駆動する。この三相通電は所謂１８０°通電方式のことであり、正弦波電圧をステータの三相のコイルに加えて駆動するため、電圧利用率が良く、トルク変動も少なくなる。但し、回転するロータの永久磁石の磁束に対して電流位相を最適に制御するために、細かい磁極位置情報が必要となる。

センサレスでこの三相通電における磁極位置を検出する方法を以下に説明する。電動機Ｍのロータの磁極位置が実角度θｄの回転位置（実際の磁極位置）となるｄ−ｑ回転座標系（ｄ軸は永久磁石のＮ極の向き、ｑ軸はｄ軸からπ／２進んだ方向（電気角））に対して、制御回路Ｃにて推定角度θｄｃとなるｄｃ−ｑｃ回転座標系を考える。ここに、θｄｃは制御回路Ｃで作成しているので、軸誤差Δθ（Δθ＝θｄｃ−θｄ）を演算できれば、ロータの磁極位置を推定することができる。

実際には、電流センサ６Ｖ、６Ｗが検出した二次側ライン２Ｖ、２Ｗから電動機Ｍに流れる電流をトルク電流成分（トルク電流検出値Ｉｑ）と界磁電流成分（界磁電流検出値Ｉｄ）に分離する。そして、インバータ主回路１に与える電圧指令ｖｄ＊とｖｑ＊を、巻線抵抗ｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、発電定数ｋＥ、界磁電流指令Ｉｄ＊、トルク電流指令Ｉｑ＊、トルク電流検出値Ｉｑ、速度指令ω１＊（自動車の車室内温度と設定値、日射量などに基づいて車室内の制御回路などから入力される。）などと前記軸誤差Δθで表したモータモデル式を解くことにより、ロータの磁極位置を推定することになる。

制御回路Ｃは、このような推定によって検出されたロータの磁極位置に基づいて電動機Ｍのセンサレスベクトル制御を実行する。この場合制御回路Ｃは、電動機Ｍに流れる全電流を前述の如くトルク電流成分（トルク電流検出値Ｉｑ）と界磁電流成分（界磁電流検出値Ｉｄ）に分離し、トルク電流指令Ｉｑ＊と界磁電流指令Ｉｄ＊を独立して制御することにより、入力した速度指令ω１＊を実効させるために、磁束と電流位相の関係を最適となるように電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊の大きさと位相を決定し、トルクと操作量の関係を線形にする。

また、制御回路Ｃはｄ軸の界磁電流検出値Ｉｄを用いて電動機Ｍに流れる電流の位相調整を行う。そして、電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊をインバータ主回路１に与え、各スイッチング素子の転流を制御することで、速度指令を満足するような回転速度に電動機Ｍを駆動することになる。

次に、図２を用いて制御回路Ｃの動作について説明する。制御回路ＣはステップＳ１で現在の速度指令が所定の低回転速度（例えば３０Ｈｚなどの設定周波数）以下か、及び／又は、電動機Ｍの負荷が所定の低負荷状態（設定負荷）以下か否か判断し、否である場合にはステップＳ２に進んでｄ軸に流す界磁電流指令Ｉｄ＊をゼロとしてステップＳ４に進む。

ステップＳ４で制御回路Ｃは、前述の如く推定した磁極位置を用いて前述したセンサレスベクトル制御による電動機Ｍの三相通電を実行する。

他方、ステップＳ１で速度指令が所定の低回転速度以下である場合、及び／又は、電動機Ｍの負荷が所定の低負荷状態以下である場合、ステップＳ３に進んでロータの永久磁石の磁束を弱める方向でｄ軸に流す電流値を計算する。この計算に当たっては、回転速度が低い程、負荷が軽い程、ｄ軸に流す負の電流値を大きく、逆に回転速度が差ほど低くないとき、負荷が差ほど軽くないとき（何れも所定の低回転速度、低負荷状態以下であって）、ｄ軸に流す負の電流値を小さくする。

このようにしてステップＳ３でｄ軸に流す負の電流値を計算し、界磁電流指令Ｉｄ＊を生成してステップＳ４に移行する。この場合のステップＳ４におけるセンサレスベクトル制御では、図３の電流ベクトル図、図４の電流波形図に示すように、負のｄ軸電流（界磁電流成分−Ｉｄ）が追加されたことにより、同じトルクでも電動機Ｍに流れる全電流Ｉはトルク電流成分Ｉｑに比して大きくなる。

即ち、図３において界磁電流成分−Ｉｄを流さない場合には、電動機Ｍに流れる電流はＩｑの大きさである。しかしながら、−Ｉｄを流すことにより、合成された全電流はＩとなり、Ｉｑよりも大きくなる。この様子は図４から明らかであり、その差を電流増加分として示す。尚、各電流の位相は実際にはずれているが図４においては分かりやすいように位相を合わせて示している。

このように、制御回路Ｃは、電動機Ｍを所定の低回転速度域で運転する場合、及び／又は、電動機Ｍが所定の低負荷状態にある場合、永久磁石の磁束を弱める方向の界磁電流成分（−Ｉｄ）を流すので、同一のトルクでも電動機Ｍに流れる全電流Ｉは増加することになる。

これにより、電動機Ｍを低回転速度で運転する場合や電動機Ｍの負荷が軽い場合にも、電流センサ６Ｖ、６Ｗの分解能を上げること無く、各電流センサは支障無く電動機Ｍに流れる電流Ｉを検出することができるようになり、ロータの磁極位置検出の失敗による脱調を未然に回避することが可能となる。特に、電動機Ｍの回転速度、及び／又は、負荷状態に応じて永久磁石の磁束を弱める方向の界磁電流成分（−Ｉｄ）の値を変化させているので、磁極位置検出に必要にして充分な電流Ｉを確保しながら、無用な電流増加も防止できるようになる。

本発明の一実施例の電動機の駆動装置の電気回路図である。 図１の駆動装置を構成する制御回路の制御プログラムを示すフローチャートである。 図１の制御回路の制御により電動機に流れる電流のベクトル図である。 同じく図１の制御回路の制御により電動機に流れる電流の波形図である。

符号の説明

Ｃ 制御回路（制御手段）
Ｄ 駆動装置
Ｍ 電動機
１ インバータ主回路
６Ｖ、６Ｗ 電流センサ（電流検出手段）

Claims (2)

1. 永久磁石型の電動機に疑似交流電圧を印加して駆動するためのインバータ主回路と、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記インバータ主回路を制御する制御手段とを備えた駆動装置であって、
   前記制御手段は、前記電流検出手段の出力に基づき、前記電動機に流れる電流をトルク電流成分と界磁電流成分に分離してセンサレスベクトル制御により前記インバータ主回路の転流を制御すると共に、
   前記電動機を所定の低回転速度域で運転する場合、及び／又は、前記電動機が所定の低負荷状態にある場合は、前記永久磁石の磁束を弱める方向の前記界磁電流成分を流すことを特徴とする電動機の駆動装置。
2. 前記制御手段は、前記電動機の回転速度、及び／又は、前記負荷状態に応じて前記永久磁石の磁束を弱める方向の界磁電流成分の値を変化させることを特徴とする請求項１に記載の電動機の駆動装置。

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