JP2007135400A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレーキトルクを制御しながら直流電圧の上昇を抑制した状態でモータを減速・停止させる。
【解決手段】インバータ主回路１によりブラシレスモータ２のモータ電流を回転座標系のｑ軸電流とｄ軸電流とに分けて制御し、回転数制御回路５で生成されたｑ軸電流指令値Ｉｑ※に従ってｑ軸電流を調整してブレーキトルクを制御し、減速時に直流電圧が所定値Ｅｄ１※を超えたときに直流電圧抑制回路７で生成されたｄ軸電流指令値Ｉｄ※に従ってｄ軸電流を調整して回生エネルギーを零近傍に制御することで、機械的ブレーキや電力消費回路を用いることなく、直流電圧を所定位置以下に抑制しながらモータ２の急停止、急減速が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ回路を用いてモータの駆動を制御するモータ制御装置に係り、特に、モータに対する急可変速制御を行うインバータ機器や外力によりモータが回転させられるモータ駆動装置の減速、停止制御を行うに好適なモータ制御装置に関する。

近年、モータ駆動機器はインバータ化が進み、家電製品のほとんどがブラシレスモータを用いたインバータ制御機器になっている。

なかでも、洗濯機は、回転・停止・（反転）を繰り返したり、脱水時の高速回転からの急停止など、急減速運転を頻繁に繰り返している。また、電動自転車やファンなど外力により回されることのあるシステムはオーバースピードにならないように、回転数を抑制（減速）する必要がある。

このような減速、停止を行うために、例えば、モータ軸に機械的ブレーキ装置を設置したり、駆動モータにブレーキトルクが発生するように電流を流し、電磁ブレーキ（電気的ブレーキ装置）として使用したりする方式、または上記２つのブレーキを組み合わせた方式などが知られている。

例えば、洗濯機の洗濯槽駆動用モータの制御装置としては、図４に示されるものが知られている。この制御装置のおいては、インバータ主回路１の前段に回生エネルギーを消費する電力消費回路１１を設けるとともにモータ軸に機械的ブレーキ装置１２が設けられている。しかし、機械的ブレーキ装置１２は文字通り機械的機構を別に設けたものであり、小型軽量化が困難となる。

また、電気的ブレーキ装置として駆動モータを使用する方式としては、駆動モータの巻線を短絡する方式や誘起電圧と逆位相の電流を流す方式（逆位相電流方式と称する。）がある。

モータ巻線を短絡する方式としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されているものが提案されているが、これらの方式はいずれもブレーキ力が十分ではない。

一方、逆位相電流方式は誘起電圧と逆位相の電流を流すことでモータにブレーキトルクを作用させることはできるが、このとき回生エネルギーが発生し、この回生エネルギーによりインバータ入力側の直流電圧が上昇してしまう。このため、回生エネルギーを消費するための電力消費回路１１を設置することが余儀なくされる。

また、電力消費回路１１などを使用しないで直流電圧の上昇を防止するためには、減速率を下げてゆっくり減速する方法も考えられるが、この方法では本来の目的である急減速が達成できない。

そこで、これらの課題を解決する１つの方式として、例えば、特許文献３に記載されているものが提案されている。この方式は、上記逆位相電流方式を改善したものであり、巻線電流の位相を直流電圧の大きさによって調整することで、直流電圧を設定値に維持し、電力消費回路１１を省略したものである。

この方式においては、ブレーキ開始指令が発生したときに、そのときの回転速度に応じて、インバータ出力電圧の位相と電圧値を予め設定されている値（回転速度に対する値）に初期設定して出力し、その後、直流電圧値の大きさあるいは回転速度の降下率に応じて、上記インバータ出力電圧の位相と電圧値を調整するようになっている。ここで、位相と電圧値を別々に変化させてもよく、また連動させても良い。

インバータの出力電圧の位相及び電圧値を変化させると、モータの巻線電流の位相と大きさが変化し、回生エネルギーとブレーキトルクを変化させることができる。このため、上記方式によれば、回生エネルギーを調整できるため、直流電圧の上昇を抑え、直流電圧を一定値に調整することが可能になる。

特開平１０−３２３０７９号公報 特開２０００−１３４９０５号公報 特開平１１−２７５８８９号公報

しかし、上記従来技術では、回生エネルギーを変えるとブレークトルクも同時に変化するため、ブレーキトルクを所定の値に制御しながら回生エネルギーを調整することはできない。言い替えると、ブレークトルクと回生エネルギーを個別に制御できないため、回転数を所定の値に制御しながらの減速は難しい。

また、インバータ出力電圧の位相と大きさ（電圧値）と回生エネルギー及びブレーキトルクとの関係が不十分である。言い替えれば、インバータ出力電圧の位相と大きさ（電圧値）の決定法に理論的説明がなく、実験的に決定されているので、駆動モータのばらつきや機種の違いなどによっては対応が困難となる。

さらに、回生エネルギーを調整して直流電圧を制御しているが、回生エネルギーを零にすること、言い替えれば、モータの入出力電力を等しくして直流電圧の上昇を抑制するという発想はない。

本発明が解決しようとする課題は、モータに制動力を与える装置やモータから発生する電気的エネルギーを消費する回路を用いることなくブレーキトルクを制御しながら直流電圧の上昇を抑制した状態でモータを減速・停止させることのできるモータ制御装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、直流電源を入力としたインバータ回路と、前記インバータ回路に接続されたモータからなるモータ制御装置において、前記インバータ回路は、前記モータのモータ電流を回転座標系のｑ軸電流とｄ軸電流に分けて制御するベクトル制御形インバータ回路であり、少なくとも前記ｑ軸電流を制御することによりブレーキトルクを制御し、前記ｄ軸電流を制御することにより回生エネルギーを制御できる構成であり、前記モータが減速時には、前記モータの力率が零近傍になるようにd軸電流を制御することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、直流電源を入力としたインバータ回路と、前記インバータ回路に接続されたモータからなるモータ制御装置において、前記インバータ回路は、前記モータのモータ電流を回転座標系のｑ軸電流とｄ軸電流に分けて制御できるベクトル制御形インバータ回路であり、少なくとも前記ｑ軸電流を制御することによりブレーキトルクを制御し、前記ｄ軸電流を制御することにより回生エネルギーを制御できる構成であり、前記モータが減速時には、前記直流電源の入出力電流が零近傍になるようにd軸電流を制御することを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、直流電源を入力としモータ電流を回転座標系のｑ軸電流とｄ軸電流に分けて制御できるベクトル制御形インバータ回路と、前記インバータ回路に接続されたモータからなるモータ制御装置において、前記インバータ回路は、前記モータの速度が所定値になるようにｑ軸電流指令値を算出する速度制御手段と、直流電力、直流電圧、直流電流あるいはモータ入力電力の少なくとも一つを検出する回生エネルギー検出手段と、前記回生エネルギー検出手段からの検出値を用いて前記モータから前記直流電源に回生される電力が零近傍になるようにｄ軸電流を制御する回生エネルギー制御手段を備えたことを特徴とする。

さらに、第１〜第３の態様において、前記モータが減速中かつ前記回生エネルギー検出値もしくは直流電圧値が所定値に達したときに、前記d軸電流指令値を算出することができる。

本発明によれば、モータの減速時に、ブレーキトルクと回生エネルギーを別々に制御したり、あるいは力率を小さくして直流電圧もしくは回生エナルギーを所定値に保つようにしたりしているので、減速時の速度制御が可能になるとともに、モータに制動力を与える装置やモータから発生する電気的エネルギーを消費する回路を用いることなくブレーキトルクを制御しながら直流電圧の上昇を抑制した状態でモータを減速・停止させることが可能になる。

また、外力でモータが回転されている場合、直流電圧の上昇を防止でき、安全な停止及び減速動作が可能になる。

さらに、モータ制御装置を洗濯機の洗濯槽駆動装置に使用した場合、機械的ブレーキ装置や電力消費回路が消費できるため、軽量化が図れる。

一方、モータ制御装置を電動自動車に適応した場合、坂路での自動ブレーキ制御やバッテリーの充電が可能となり、安全性を向上できる。

また、エアコンの室外器モータファン駆動装置に本発明を適用すると、風によりファンが回転させられても直流電圧の上昇を防止できる。

さらに、電気自動車の駆動装置に本発明を適用すると、エンジンブレーキとして使用できる。

以上説明したように、本発明によれば、モータの減速時に、モータに制動力を与える装置やモータから発生する電気的エネルギーを消費する回路を用いることなくブレーキトルクを制御しながら直流電圧の上昇を抑制した状態でモータを減速・停止させることが可能になる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、第１実施形態及び他の実施形態におけるブラシレスモータとして、インダクタンスが回転位置によって変化しない円筒型を例として示してある。

（第１実施形態）
図１は、洗濯機の洗濯槽を駆動するブラシレスモータの駆動を制御するモータ制御装置に本発明を適応したときのブロック構成図である。図１において、洗濯機は、一般に、直流電源を得るために、商用交流電源を整流する方式を採用しており、本実施形態においても同様の回路を設け、商用交流電源に接続された整流回路１０を用いて直流電力を得るようになっている。ここで、整流回路１０の出力側に力率を改善する力率改善回路を設置したり、バッテリーなど直流電力を直接発生する回路を接続することもできる。

整流回路１０の出力側にはインバータ回路としてのインバータ主回路１が接続されており、整流回路１０とインバータ主回路１との間には平滑コンデンサＣが設けられている。インバータ主回路１は、三相アームを構成するスイッチング素子として、例えば、サイリスタ、ＧＴＯ、トランジスタなどを複数個備えており各スイッチング素子と並列にダイオードが接続されている。そしてインバータ主回路１は整流回路１０から直流電力を取り込み、この直流電力を、制御回路６０からの制御信号（ＰＷＭ信号）に応答して交流電力に変換し、変換された交流電力をブラシレスモータ２に供給するようになっている。ブラシレスモータ２には洗濯槽３が接続されており、ブラシレスモータ２の回転駆動によって洗濯槽３が駆動されるようになっている。そして、本実施形態においては、インバータ主回路１に制御信号を与えてインバータ主回路１による変換出力（電力変換出力）を制御するとともに、ブラシレスモータ２の減速時に、ブラシレスモータ２から発生する回生エネルギーとブラシレスモータに作用するブレーキトルクとを別々に制御するための変換出力制御手段が設けられている。

この変換出力制御手段は、ブラシレスモータ２のモータ電流を回転座標系のｑ軸電流（磁束と直交したモータ電流成分）とｄ軸電流（磁束と平行したモータ電流成分）とに分け、ｑ軸電流を調整してブレーキトルクを制御し、ｄ軸電流を調整して回生エネルギーを制御するようになっている。

具体的には、変換出力制御手段は、直流電圧検出器７ａ、直流電圧抑制回路７、回転数制御回路５、制御回路６０、回転数演算回路４、位置検出器４ａを備えて構成されている。

直流電圧検出器７ａは、インバータ主回路１入力側の直流電圧としてコンデンサＣ両端の直流電圧を検出する直流電圧検出手段あるいは回生エネルギー検出手段として構成されており、直流電圧検出器７ａの検出電圧は直流電圧抑制回路７に入力されている。直流電圧抑制回路７は、ブラシレスモータ２の定速時及び加速時にはｄ軸電流指令値ｉｄ※として０を出力し、ブラシレスモータ２の減速時で且つ、直流電圧検出器７ａの検出電圧が所定値Ｅｄ１※を超えたときに、直流電圧に対する比例積分演算を行ってｄ軸電流指令値Ｉｄ※を出力するｄ軸電流指令値生成手段として構成されている。直流電圧抑制回路７の生成によるｄ軸電流指令値Ｉｄ※の出力は、回転数指令値Ｎ※、回転数演算値Ｎ及び直流電圧検出値によって行われるようになっている。すなわち、後述するように、回転数指令値Ｎ※と回転数演算値Ｎとの偏差によって減速中か否かを判定し、減速時で且つ直流電圧が所定値Ｅｄ１※を超えたときにのみ直流電圧を比例積分演算して得られたｄ軸電流指令値※を出力し、それ以外のとき、すなわち加速時と定速時には０（ｄ軸指令値※＝０）を出力するようになっている。

なお、定速時及び加速時におけるｄ軸電流指令値を０としたが、ブラシレスモータ２が突極型のように、モータ効率を向上させるために、ｄ軸電流を流す必要がある場合は、定速時及び加速時におけるｄ軸電流指令値として、０以外の値であって相当の値に設定することもできる。

一方、位置検出器４ａは、例えば、ホール素子などを用いた位置センサで構成されており、ブラシレスモータ２の回転位置としての位置情報を検出し、位置情報を回転数演算回路４に出力するようになっている。回転数演算回路４は、位置検出器４ａの検出による位置情報からブラシレスモータ２の回転数を演算し、回転数演算値Ｎを直流電圧抑制制御回路７と回転数制御回路５に出力するようになっている。すなわち位置検出器４ａと回転数演算回路４はブラシレスモータ２の速度を検出する速度検出手段として構成されている。

回転数制御回路５は、回転数指令値Ｎ※と回転数演算値Ｎとの偏差を比例積分し、速度検出手段の検出値を回転速度指令値にするためのｑ軸電流指令値Ｉｑ※、すなわち回転数指令値Ｎ※と回転数演算値Ｎとの偏差を０に抑制するためのｑ軸電流指令値Ｉｑ※を生成するｑ軸電流指令値生成手段として構成されている。

制御回路６０は、例えば、電流制御器、ｄ、ｑ／３相交流座標変換器などを備えており、ブラシレスモータ２のモータ電流を回転座標系のｄ軸成分とｑ軸成分とに分けて、ｑ軸電流の調整によってブラシレスモータ２に対するブレーキトルクを制御し、ｄ軸電流を調整してブラシレスモータ２から発生する回生エネルギーを制御するための制御信号として、例えば、ＰＷＭ（パルス幅変調信号）信号を生成する制御信号生成手段として構成されている。そして制御回路６０の生成による制御信号（ＰＷＭ信号）はインバータ主回路１の各スイッチング素子のゲートに印加されるようになっている。

なお、位置検出器４ａとして、ホール素子などのセンサを用いる他に、ブラシレスモータ２に誘起される誘起電圧や端子電圧、モータ電流などの情報から位置情報を推定する方式を採用することもできる。またブラシレスモータ２を同期モータとして運転する場合は、回転数フィードバックは行わなくても良い。

また、本実施形態においては、各電流指令値からモータモデルを用いてブラシレスモータ２への印加電圧を決定するオープンループ制御を想定しているが、ブラシレスモータ２の巻線に流れるモータ電流を検出し、モータ電流をｄ−ｑ変換し、変換された電流を電流指令値に一致させる電流制御を行うこともできる。

また、制御回路６０や回転数制御回路５など整流回路１０とインバータ主回路１以外はすべてワンチップのマイクロコンピュータやＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）を用いたソフトウエア処理で実現することができる。

次に、直流電圧抑制回路７のｄ軸電流指令値Ｉｄ※の出力を決定する出力判定アルゴリズムを図２にしたがって説明する。

まず、ステップＳ１において、ブラシレスモータ２の回転数演算値Ｎと回転数指令値Ｎ※との差を演算し、この演算値から減速中か否かを判定し、減速中でないときにはステップＳ３に進み、通常の制御として、ｄ軸電流指令値として０を出力する。

一方、減速中であるときには、ステップＳ２に進み、直流電圧が所定値Ｅｄ１※を超えているか否かを判定する。ここで、直流電圧が所定値Ｅｄ１※を超えている場合はステップＳ４に進み、直流電圧を比例積分演算してｄ軸電流指令値Ｉｄ※を生成する。なお、直流電圧が所定値以下のときにはステップＳ３に進み、このルーチンでの処理を終了する。

以上の処理を繰り返すことにより、減速中且つ直流電圧が設定値を超えた場合に直流電圧の上昇を抑制しながら減速ブレーキ動作が可能になる。

ここで、直流電圧の所定値Ｅｄ１※はインバータ主回路１の半導体素子（スイッチング素子）が破壊しない電圧以下で最大出力が発生できる電圧値以上の値である。

次に、図１に示す装置を用いて直流電圧抑制制御を行う場合と行わない場合のブラシレスモータ２の回転数と直流電圧との関係を図３にしたがって説明する。

図３（ａ）は直流電圧抑制制御なしの動作を示し、図３（ｂ）は直流電圧抑制制御有りのときの動作を示している。また図３に示す線Ａは減速率を大きくした急減速状態、線Ｂは線Ａよりも減速率を下げた減速状態、線Ｃは直流電圧が急上昇しないように、減速率を小さくした状態での直流電圧と回転数の動きを示したものである。

図３において、直流電圧抑制制御を行わない場合は、線Ａ、線Ｂとも直流電圧が大きく上昇していることが分かる。このとき、直流電圧がインバータ主回路１の耐圧を超えるとインバータ主回路１が破壊する。なお、従来技術では、インバータ主回路の破壊を防止するために、直流電圧がインバータ主回路１の耐圧を超えないように、直流電力を抵抗で消費する電力消費回路１１がインバータ主回路１の入力側に接続されており、減速時にはこの回生エネルギーを電力消費回路１１で消費するようになっている。

一方、本発明に係る直流電圧抑制制御を行うと、図３（ｂ）に示すように、線Ａ、線Ｂの状態でも、直流電圧を所定値に抑制でき、急減速が可能になる。ここで、減速率の小さい線Ｃの状態では、直流電圧が所定値に達しないため、直流電圧抑制制御は動作しないことになる。すなわち、本発明を用いない場合は減速率を小さくして直流電圧の上昇を抑える必要があるが、本発明を用いれば減速率をそのままにした状態でもあるいは減速率を大きくしても急減速が可能になる。

このように、本実施形態においては、直流電圧を制御するｄ軸電流とブラシレスモータ２の出力トルクを制御するｑ軸電流とを別々に制御するようにしているため、ブレーキトルクを発生させながら直流電圧の上昇を抑制することが可能になる。このため、減速時にもモータの速度制御が可能になる。

また、定速時及び加速時はｄ軸電流指令値を最適効率点に設定することにより高効率運転が可能になる。

さらに、機械的ブレーキ機構や直流電力消費回路をなくすことが可能になり、洗濯機の小型軽量化が図れる。

上記実施形態では、直流電圧値を検出することによりブラシレスモータ２の回生エネルギーを間接的に検出しているが、回生エネルギーを検出するに際しては、インバータ主回路１の入力電力、直流電流、ブラシレスモータ２への入力電力を用いることも可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図５に示す。本実施形態は、直流電流を用いてｄ軸電流指令値Ｉｄ※を生成するに際して、直流電圧検出器７ａの代わりに、直流電流検出器７ｂを設けるとともに整流回路１０とインバータ主回路１との間にシャント抵抗７１を挿入し、直流電圧抑制回路７の代わりに回生エネルギー制御回路７０を設けたものであり、他の構成は図１と同様である。

直流電流検出器７ｂは、シャント抵抗７１を介してインバータ主回路１に流入する直流電流を検出する電流検出手段あるいは回生エネルギー検出手段として構成されており、検出電流は回生エネルギー制御回路７０に入力されている。ここで、インバータ主回路１に流入する電流を正、流出する電流を負で表している。

回生エネルギー制御回路７０は、直流電流検出器７ｂの検出による直流電流を取り込み、この直流電流値が正のときに、ｄ軸電流指令値として０を出力し、直流電流値が負になったときには、回生電流が流れたとして、直流電流値が０になるように、直流電流値に対して比例積分演算を行ってｄ軸電流指令値Ｉｄ※を生成するｄ軸電流指令値生成手段として構成されている。このｄ軸電流指令値Ｉｄ※にしたがって制御回路６０からＰＷＭ信号が出力されると、ブラシレスモータ２の回生エネルギーは０に制御される。なお、このとき、回転数及び回転数指令値を読み込み、減速判定を行ってから回生エネルギー制御を行うこともできる。

このように、本実施形態においては、直流電圧以外の回生エネルギーである直流電流が負になったとき、すなわち回生電流が流れたときに、直流電流が０になるようにｄ軸電流を制御して回生エネルギーを０にするようにしているため、ブレーキトルクを発生させながら直流電圧の上昇を抑制することができるとともに、減速時にもモータの速度制御が可能になる。さらに機械的ブレーキ機構や直流電力消費回路をなくすことが可能となり、洗濯機の小型軽量化が図れる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図６ないし図９を用いて説明する。

本実施形態は、図６に示すように、バッテリー１００を電力源（直流電源）とした電動自転車の車輪駆動システムに本発明のモータ制御装置を適応したときの制御ブロック図である。

本実施形態におけるブラシレスモータ２は電動自転車の車輪３０に直結されており、上位制御系からのトルク指令（ｑ軸電流指令値と等価なトルク指令）に応じてトルクを出力し、車輪３０を駆動するようになっており、本実施形態では回転数制御回路５は省略され、直流電圧抑制回路７の代わりに、回生エネルギー制御回路８が設けられている。

回生エネルギー制御回路８は、上位制御系からのトルク指令であるｑ軸電流指令値Ｉｑ※を入力として、ｑ軸電流指令値からブラシレスモータ２の入出力電力が０になるｄ軸電流指令値Ｉｄ※を生成するｄ軸電流指令値生成手段として構成されており、ｄ軸電流指令値Ｉｄ※を制御回路６０に出力するようになっている。

なお、回生エネルギー制御回路８は、ブラシレスモータ２の定速時及び加速時はｄ軸電流指令値として０を出力するようになっている。

回生エネルギー制御回路８においてｄ軸電流指令値Ｉｄ※の演算を行うか否かの判断は、第１実施形態と同様に直流電圧を検出し、その値で回生エネルギー制御回路８に演算指令を出力する方法を採用することもできるが、本実施形態においては、ブラシレスモータ２の回転数演算値Ｎとｑ軸電流指令値（トルク指令）を用いて行っている。具体的には、トルク指令であるｑ軸電流指令値が負（逆トルク）もしくは回転数演算値Ｎが予め設定されているオーバースピード値になったときに行うこととしている。

回生エネルギー制御回路８は、トルク指令としてのｑ軸電流指令値を用いてブラシレスモータ２の入出力電力を０とするためのｑ軸電流指令値Ｉｄ※を算出する演算回路８１を備えており、この演算回路８１の具体的構成について以下に説明する。

まず、ブラシレスモータ２は回転子に永久磁石を使用しているため、回転すれば必ず誘起電圧が発生するとともに回生エネルギーが発生する。このため回生エネルギーを調整するためには、ブラシレスモータ２の永久磁石の磁束を打ち消す方向に減磁磁束を発生させて誘起電圧を調整すればよいことになる。すなわち、ｄ軸に負の電流を流して、その大きさを調整すれば、回生エネルギーの調整が可能になる。次の（１）式にブラシレスモータ２の電圧方程式を示す。この電圧方程式は電流定常時であってブラシレスモータ２として非突極型を用いたときの場合を示している。

このときのモータ入力を次の（２）式に示す。

ここで、

である。

上記（２）式にはｃｏｓφ_ｖの項が入っている。このためφ_ｖの値によりモータ入力Ｐ_ｉｎは、
−π／２＜φ_ｖ＜π／２の範囲ではＰ_ｉｎ＞０
π／２＜φ_ｖ≦π、−π≦φ_ｖ＜−π／２の範囲ではＰ_ｉｎ＜０
φ_ｖ＝±π／２ではＰ_ｉｎ＝０
となる。上記の関係をまとめると図７のようになる。

ここで、φ_ｖを±π／２つまり力率（ｃｏｓφ_ｖ）＝０にすれば、ブラシレスモータ２の入力電力は０となり、エネルギーの入出力は行われない。言い替えると、力率を加速時や定常運転時の値よりも小さい値である０近傍に制御することにより、ブラシレスモータ２の入出力（回生エネルギー）を制御することができる。

ここで、具体例として、ｑ軸電流Ｉ_ｑに応じたｄ軸電流Ｉ_ｄを求めることによって力率を制御することを考える。

このために、（５）、（６）式より、φ_ｖとｄ軸電流；Ｉ_ｄ、ｑ軸電流；Ｉ_ｑの関係を求めると、

となる。上記（７）式より、モータ入力＝０を満足するＩ_ｄを求める。

次に、（１）式を用いてＶ_ｄ、Ｖ_ｑを消去すると、次の（８）式が得られる。

（８）式における分母が０のとき、φ_ｖ＝δ−φ＝π／２となる。

上記（９）式において、（９）式＝０とおいて、Ｉ_ｄについて解くと、次の（１０）式が得られる。

ここで、図８に、（１０）式の計算結果例を示す。図８におけるグラフの曲線の左側はモータ入力正（力行）、右側はモータ入力負（回生）となる。つまり、本曲線上がモータ入出力０の状態となる。

上記（１０）式の通り、ｄ軸電流を決定すれば、ブラシレスモータ２の入出力電力は０となり、回生エネルギーをインバータ主回路１側に戻すことなく、直流電圧の上昇を抑制することができる。

上記（１０）式の実現に当たって、本実施形態では、回転数とｑ軸電流指令値とからｄ軸電流指令値※を演算したＲＯＭテーブルを内蔵し、演算回路８１でテーブル検索により求めるものとする。なお、これに限らず、モータ電流を検出する構成の場合は、実際のｑ軸電流値を用いてもよい。さらに、回転数範囲やｑ軸電流の範囲（負荷範囲）が限られているシステムの場合には、（１０）式を線形近似式に置き換えて使用してもよい。

次に、上記構成を適用した電動自転車を実際に使用した場合のｑ軸電流指令値、ｄ軸電流指令値及び直流電圧の関係を図９にしたがって説明する。

図９において、横軸に時間を取り電動自転車が使用されたときの勾配とｑ軸電流指令値とｄ軸電流指令値及び直流電圧値を示す。時間０より平坦な路を出発すると、電動自電車は若干のトルクアシストを行うべく、ｑ軸電流指令値を正側に出力する。このときｄ軸電流指令値は０であって、直流電圧はバッテリー電圧である。

まず、電動自動車が時間（ａ）において上り坂を走行すると、十分なトルクアシストを行うべくｑ軸電流指令値を正側に増加させる。このときｄ軸電流指令値及び直流電圧値には変化はない。

次に、時間（ｂ）において上り坂が終わると、ｑ軸電流指令値は平坦部で必要な値に戻る。

次に、時間（ｃ）において急な下り坂になると、モータ２の回転数が増加するため、ｑ軸電流指令値は負側に出力され、モータ２によるブレーキ動作が開始され、モータ回転数は減速する。この直後、ｄ軸電流指令値に対する演算が開始され、ｑ軸電流指令値に応じたｄ軸電流指令値が算出される。このｄ軸電流指令値も負側に出力される。ただし、減速が開始された後、ｄ軸電流の制御が開始されるまでには、モータ２の回生エネルギーが直流側に戻り、直流電圧を若干上昇させるが、ｄ軸電流の制御が開始されると回生エネルギーが０に制御され、これ以上の直流電圧の上昇はない。

次に、時間（ｄ）において、下り坂の勾配が緩くなると、それにしたがってｑ軸電流値が小さくなり、ｄ軸電流値も小さくなる。

次に、時間（ｅ）において下り坂が終わると、平坦時のｑ軸電流指令値となり、ｄ軸電流指令値は０に戻る。このときモータ２は力行運転となり、直流電流を消費するため、直流電圧も元のバッテリー電圧に戻る。

本実施形態においては、直流電圧の制御を行っていないが、バッテリー１００への充電回路及び直流電圧抑制回路を設けることにより、下り坂で回生エネルギーをバッテリー１００へ積極的に充電することも可能である。

このように、本実施形態によれば、ｑ軸電流指令値より直接ｄ軸電流指令値を算出しているため、瞬時にモータ２の入力電力と出力電力が等しくなり、直流電力の上昇を抑制することができる。このため、電動自転車は上位制御系の要求通りのブレーキトルクを直流電圧の上昇を抑制した状態で出力できる。また、下り坂では回転数が所定値をオーバーすると自動的にブレーキがかかり、電動自転車の安全性を高めることができる。

（第４実施形態）
上記第３実施形態では（１０）式を用いてｄ軸電流指令値を演算していたが、上記演算式にはモータ定数やｑ軸電流指令値を使用している。実際の場合、モータ定数のばらつきやモータの温度などにより誤差を生じることがある。そこで、第１実施形態と第３実施形態を組み合わせた第４実施形態について以下に説明する。

本実施形態は、図１０に示すように、直流電圧抑制回路７の代わりに、第１実施形態における直流電圧抑制回路７と第３実施形態における回性エネルギー制御回路８を組み合わせものであり、演算回路８１においてｑ軸電流指令値Ｉｑ※からｄ軸電流指令値を演算し、この演算値を直流電圧抑制回路７の出力によって加算器９２で補正する構成になっている。

演算回路８１は、第３実施形態と同様に、（１０）式より求めたＲＯＭテーブルを備えており、回転数制御回路５の生成によるｑ軸電流指令値※からモータ２の入出力電力を零にするための第１の指令値を生成し、生成した第１の指令値を加算器９２に出力する第１の指令値生成手段として構成されている。直流電圧抑制回路７は、直流電圧を入力し、直流電圧が設定値になるように直流電圧に対する比例積分演算を行って第２の指令値を生成し、生成した第２の指令値を加算器９２に出力する第２の指令値生成手段として構成されている。加算器９２は、第１の指令値と第２の指令値とを加算し、加算された指令値をｄ軸指令値Ｉｄ※として生成して制御回路６０に出力するｄ軸指令値生成手段として構成されている。

ここで、前記実施形態と同様に、直流電圧抑制制御が必要でないときは、ｄ軸電流指令値は０に固定される。

また、直流電圧抑制制御を動作させるか否かの判断は、第１実施形態と同様、減速中かつ直流電圧が設定値を超えた場合に行っているが、直流電圧値のみを用いることも可能である。

本実施形態によれば、モータ定数に誤差があっても比例積分演算によりｄ軸電流指令値を補正し、最適なｄ軸電流指令値を出力することができる。

前記実施形態においては電動自転車について説明したが、電気自動車やエアコン室外機モータファンなど外力で回されることのあるモータ使用機器にも本発明を適応できる。

以上説明したように、各実施形態によれば、ブレーキトルクと回生エネルギーの制御を別々に行うようにしたため、減速時の速度制御が可能になる。

また、機械的ブレーキ装置や電力消費回路を付加することなく、直流電圧を所定値以下に抑制しながらモータ２の急停止や急減速制御が可能になる。

さらに、外力でモータ２が回される場合、直流電圧の上昇を防止でき、安全に停止及び減速動作が行える。またさらに、回生エネルギーを制御してバッテリー１００の充電や発電電圧の調整が可能になる。

一方、モータ制御装置を洗濯機の洗濯槽駆動装置に使用した場合、機械的ブレーキ装置や電力消費回路が消費できるため、軽量化が図れる。

また、モータ制御装置を電動自動車に適応した場合、坂路での自動ブレーキ制御やバッテリーの充電が可能となり、安全性を向上できる。

また、エアコンの室外器モータファン駆動装置に本発明を適用すると、風によりファンが回転させられても直流電圧の上昇を防止できる。

さらに、電気自動車の駆動装置に本発明を適用すると、エンジンブレーキとして使用できる。

本発明の第１実施形態を示すモータ制御装置のブロック構成図である。 図１に示す装置のｄ軸電流出力アルゴリズムを説明するための図である。 図１に示す装置の作用を説明するための図であって、（ａ）は直流電圧抑制制御なしのときの波形図、（ｂ）は直流電圧抑制制御有りのときの波形図である。 従来例のブロック構成図である。 本発明の第２実施形態を示すモータ制御装置のブロック構成図である。 本発明の第３実施形態を示すモータ制御装置のブロック構成図である。 モータの入出力電力関係を説明するための図である。 モータの入出力電力関係を示す特性図である。 本発明の第３実施形態の動作説明図である。 本発明の第４実施形態を示すモータ制御装置のブロック構成図である。

符号の説明

１ インバータ主回路
２ ブラシレスモータ
３ 洗濯槽
４ａ 位置検出器
４ 回転数演算回路
５ 回転数制御回路
６０ 制御回路
７、９ 直流電圧抑制回路
８ 回生エネルギー制御回路
１０ 整流回路
３０ 車輪
１００ バッテリー

Claims (4)

1. 直流電源を入力としたインバータ回路と、前記インバータ回路に接続されたモータからなるモータ制御装置において、
   前記インバータ回路は、前記モータのモータ電流を回転座標系のｑ軸電流とｄ軸電流に分けて制御するベクトル制御形インバータ回路であり、少なくとも前記ｑ軸電流を制御することによりブレーキトルクを制御し、前記ｄ軸電流を制御することにより回生エネルギーを制御できる構成であり、
   前記モータが減速時には、前記モータの力率が零近傍になるようにd軸電流を制御することを特徴とするモータ制御装置。
2. 直流電源を入力としたインバータ回路と、前記インバータ回路に接続されたモータからなるモータ制御装置において、
   前記インバータ回路は、前記モータのモータ電流を回転座標系のｑ軸電流とｄ軸電流に分けて制御できるベクトル制御形インバータ回路であり、少なくとも前記ｑ軸電流を制御することによりブレーキトルクを制御し、前記ｄ軸電流を制御することにより回生エネルギーを制御できる構成であり、
   前記モータが減速時には、前記直流電源の入出力電流が零近傍になるようにd軸電流を制御することを特徴とするモータ制御装置。
3. 直流電源を入力としモータ電流を回転座標系のｑ軸電流とｄ軸電流に分けて制御できるベクトル制御形インバータ回路と、前記インバータ回路に接続されたモータからなるモータ制御装置において、
   前記インバータ回路は、前記モータの速度が所定値になるようにｑ軸電流指令値を算出する速度制御手段と、直流電力、直流電圧、直流電流あるいはモータ入力電力の少なくとも一つを検出する回生エネルギー検出手段と、前記回生エネルギー検出手段からの検出値を用いて前記モータから前記直流電源に回生される電力が零近傍になるようにｄ軸電流を制御する回生エネルギー制御手段を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のモータ制御装置において、
   前記モータが減速中かつ前記回生エネルギー検出値もしくは直流電圧値が所定値に達したときに、前記d軸電流指令値を算出することを特徴とするモータ制御装置。

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