JP2008099511A - モータ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータのパラメータの差異に対し、広い運転範囲を確保できるモータ駆動制御装置を提供すること。
【解決手段】目標回転数に実回転数が到達しない場合に電流進角を増加させる電流進角制御手段３０２と、進角制御実施前の直流電圧とモータ入力電力と実回転数と駆動トルクと進角制御実施後のモータ電流のピーク値とを記憶する運転状態記憶手段３０３と、進角制御実施後のモータ電流ピーク値の変化幅が予め設定している値を超えた場合に電流進角制御手段３０２で電流進角を下げると同時に運転状態記憶手段３０３に記憶している駆動トルク、実回転数、直流電圧値に加えて電流進角値を記憶する電流進角上限記憶手段３０４とを備え、これらの情報を用いて電流進角値を加減する事で広い運転範囲を確保できる。
【選択図】図１

Description

本発明は空調機の圧縮機などの原動力となるモータを、高効率で広範囲に駆動するモータ駆動制御装置に関するものである。

従来、この種のモータ駆動装置では、交流電圧を印加するだけで駆動できる誘導モータから、回転子に永久磁石を内蔵するいわゆるＩＰＭ構造にすることにより、リラクタンストルクも利用することにより高効率化してきている。また、ＩＰＭモータは、電流位相を進めることにより弱め界磁駆動を効率よく行うことも可能であり、電源電圧よりも発電電圧が高い場合でも駆動することが可能になり、広い運転範囲を実現することができる。このＩＰＭモータを空調機の密閉型圧縮機の駆動源として利用するには、検出器を用いることなく永久磁石の回転位相を適切に行うことが必要になる。

回転位相を検出器なしで検出する方法として、従来はモータの固定子への通電を短期間休止して、端子に現れるモータ回転の誘起電圧を検出する方法が採用されていた。しかしながら、弱め界磁駆動を行うと、非通電期間を設けても、モータのインダクタンスにより電流が引き続き流れてしまい、大きな弱め界磁を行うことが困難であった。

これに対し、非通電期間を設けることなくモータへの通電を正弦波状にして、そのときの電圧と電流の関係から、永久磁石回転子の回転位相を推定して駆動する方法が提案されている。回転座標軸上で電圧と電流の関係をモデルと比較し、モデルとの誤差が少なくなるように駆動することにより、結果として、回転位相検出ができている駆動方法がある（例えば、非特許文献１）。また、固定座標軸上での電圧と電流の関係を用いるものもある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５０４８９号公報 竹下、野村、松井「電流推定誤差に基づくセンサレスブラシレスＤＣモータ制御」電気学会 論文誌Ｄ、Ｖｏｌ．１１５−Ｄ、Ｎｏ．４ １９９５年４月１日 Ｐ．４２０−４２７

しかしながら、前記従来の構成では、個々のモータのパラメータをモデルとして、実際の電圧と電流の情報のずれが解消されていれば、適正に回転位相検出ができているとしているものなので、個々のモータのパラメータが正確に把握できていることが必要条件になる。もし、モデルに用いるモータパラメータが実際のパラメータとずれていると検出される回転位相に誤差を生じることになる。この検出される回転位相の誤差の影響は、電流と誘起電圧の有効分の比率が増加すると大きくなる。つまり、弱め界磁制御を行っているときに、誤差の影響が非常に大きくなる。このため、個々のモータのパラメータ変動分を見越して、電流位相を進める限界（以降は最大進角値）に余裕を持たせておく必要がある。ところが、最大進角値を下げると、駆動できる最高速度が低下してしまい、駆動範囲が狭まってしまうという課題を有していた。このような状況で駆動範囲を確保するには、駆動するための電源電圧を上げる、あるいは、モータの発電定数を下げるなどの、効率低下や部品のコストアップを必要とする手法をとらざるを得ないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、個々のモータのパラメータが多少変動しても、最大進角値を確保することができて、広い運転範囲を確保できるモータ駆動制御装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動制御装置は、交流電力を直流電力へ変換する整流回路と、前記整流回路の出力を交流電力へ変換するインバータ回路を有するモータ駆動制御装置において、弱め界磁制御中においては目標回転数に実回転数が到達しない場合には目標回転数に実回転数が一致するまで電流進角制御手段により電流進角を増加させる事を基本とする一方、この時電流進角制御手段による進角制御実施前の整流回路の直流電圧とモータの入力電力と実回転数と駆動トルクと進角制御実施後の数周期間のモータ電流のピーク値とを運転状態記憶手段に記憶し、進角制御実施後においてはモータ電流ピーク値の変化幅が予め設定している値を超えた場合に電流進角制御手段で電流進角を下げると同時に運転状態記憶手段に蓄えられている駆動トルク、実回転数、直流電圧値に加えて電流進角値を電流進角上限記憶手段に記憶し、電流進角制御手段は進角制御をする際において電流進角上限記憶手段に記憶した情報を用いて、現在の運転状況が記憶している内容と一致する状況にある場合は、記憶されている電流進角値を上限値としてモータの駆動制御をする事により、以降の運転において、不安定となる状況に陥ることなく運転が可能となるのに加えて、必要な進角は与えると同時に進角不足により、所望の回転数で駆動できなくなる状態も回避でき、広い運転範囲を確保することができる。

本発明のモータ駆動制御装置は、モータのパラメータが変動しても、大きな弱め界磁効果を維持することができ、効率よく幅広い運転範囲を確保することができる。

第１の発明は、交流電力を直流電力へ変換する整流回路と、前記整流回路の出力を交流電力へ変換するインバータ回路を有するモータ駆動制御装置において、弱め界磁制御中においては目標回転数に実回転数が到達しない場合に電流進角を増加させる電流進角制御手段と、電流進角制御手段による進角制御実施前の整流回路の直流電圧とモータの入力電力と実回転数と駆動トルクと進角制御実施後の数周期間のモータ電流のピーク値とを記憶する運転状態記憶手段と、進角制御実施後のモータ電流ピーク値の変化幅が予め設定している値を超えた場合に電流進角制御手段で電流進角を下げると同時に運転状態記憶手段に蓄えられている駆動トルク、実回転数、直流電圧値に加えて電流進角値を記憶する電流進角上限記憶手段とを備え、電流進角制御手段は電流進角上限記憶手段に順次記憶した情報を用いて、一致する状況がある場合は、記憶されている電流進角値を上限値としてモータを駆動する事により、以降の運転において、不安定となる状況に陥ることなく、必要な進角は与えると同時に進角不足により、所望の回転数で駆動できなくなる状態も回避でき、安定した弱め界磁制御ができる。これにより、パラメータずれがあっても広い運転範囲が確保できる。

第２の発明は、変化する運転状況に対し電流進角制御手段が一定回転数運転時でかつ弱め界磁制御中においては予め決められた周期で入力電力と実回転数から駆動トルクを計算し、駆動トルクが低下傾向にある場合は実回転数が目標回転数に追従する範囲で電流進角を低下させる事により過剰な進角による損失を低減する事ができ、効率の良い運転が可能となる。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動制御装置の構成を示す回路ブロック図、図２は、本発明における電流進角とモータ電流の関係を示した特性図、図３は、本発明
の実施の形態における電流進角制御手段の処理を説明するためのフローチャート、図４は、本発明の実施の形態における電流進角制御手段の中の電流進角更新処理を説明するためのフローチャート、図５は、本発明の実施の形態における電流進角制御手段の中のピーク値変化幅検出処理を説明するためのフローチャート、図６は、本発明の実施の形態における電流進角制御手段の中の電流進角制限処理を説明するためのフローチャート、図７は本発明の実施の形態における負荷に合わせた電流進角値とする制御方法を説明するフローチャートである。

図１を用いて、モータ駆動制御に必要な回路構成について説明する。図１は、家庭用などの単相交流電源を用いて駆動する場合の回路構成を示す回路ブロック図であり、単相電源１から整流ダイオードブリッジ４を経て、力率改善リアクトル５および平滑コンデンサ６により略直流電源を構成する。直流電源以降に、三相ブリッジ回路２を経てモータ３に接続されており、制御回路３００では、三相ブリッジ回路２をパルス幅変調制御して三相擬似交流を作成せしめ、モータ３を駆動制御する。制御回路３００では、モータ３の電流を電流検出器１１ａ、１１ｂで検出し、モータ３への印加電圧は、直流電圧を電圧検出器１４で検出して、三相ブリッジ回路２におけるパルス幅変調量から印加電圧を算出する。これにより、モータ３の略適正な駆動が可能になる。一方、入力電流を電流検出器１３で検出し、直流電源の電圧検出器１４での検出結果との時々刻々の積和を求めると、平均入力電力が得られる。ここで入力電力とモータ出力とは下記の関係がある。

入力電力＝回路効率×モータ効率×モータ回転数×モータトルク
ここで、回路効率やモータ効率は制御が多少ずれても、あまり大きな変化をしないため、入力電力からモータトルクの概略値を推定することが可能である。なお、制御回路３００はマイクロコンピュータで構成され、制御はプログラムに基づいたシーケンス制御で実現される。

次に図２を用いて電流進角値とモータ電流値の関係について説明する。グラフはあるトルクにおける電流進角値とモータ電流値の関係を示している。今、電流進角β０において駆動しているとする。β０はもっともモータ電流が少なくなるポイントであり、これはトルクにより異なる値となる。ここで、電流進角を加減するとモータ電流は増加傾向となる。電流進角を増加させる方向で変化させた場合、ある領域からモータ電流の増加率が急激に大きくなっていく。これは電流進角を大きく進めたために、制御が不安定となるためである。よって、この制御が不安定となる領域の手前が、電流進角の最大値となる。

次に図３から図６を用いて如何にして実回転数が目標回転数に到達しない場合に進角を操作する事により実回転数を目標回転数に到達させるかについて説明する。

図１における電流進角制御手段３０２の処理を説明したフローチャートが図３である。図３において処理９０1では目標回転数に実回転数が一致するまでの制限時間をカウントするタイマをクリアし処理９０２へ進む。処理９０２では図１に示しているモータ制御手段３０１から目標回転数（Ｎ＊）を獲得し処理９０３へ進む。処理９０３ではモータ制御手段３０１から実回転数（Ｎ）を獲得し判断９０４へ進む。判断９０４では目標回転数と実回転数の比較を行い一致している場合は処理を終了し、そうでない場合は処理９０５へ進む。処理９０５では目標回転数に実回転数が一致するまでの制限時間をカウントするタイマを更新し判断９０６へ進む。判断９０６では制限時間に到達していない場合は判断９０４に戻り、制限時間を超えた場合は処理９０７へ進む。

処理９０７では電流進角の更新を行う。この処理の詳細について図４を用いて説明する。処理９２０では、図１に示す電圧検出器１４により得られる現在の直流電圧と、電流検出器１３で検出した入力電流とにより時々刻々の積和により求めた平均入力電力（モータ
制御手段３０１の機能として実施）とをそれぞれ運転状態記憶手段３０３に記憶し処理９２１へ進む。処理９２１では現在の駆動トルクを図１の説明において述べた式及び考え方に基づき計算し運転状態記憶手段３０３に記憶して処理９２２へ進む。処理９２２では処理９２０及び処理９２１で記憶した４つの項目である直流電圧、入力電力、実回転数及び駆動トルクの組み合わせを運転状態記憶手段３０３から順次読み出し、電流進角上限値記憶手段３０４に記憶されている組み合わせと一致するかどうかの比較を行い判断９２３へ進む。判断９２３では一致しているケースがある場合には処理９２４へ進み、一致しているケースが無い場合には処理９２５へ進む。

処理９２４では一致しているケースの電流進角値を電流進角上限値記憶手段３０３から読み出し電流進角上限値として設定し判断処理９０８へ進む。

判断処理９０８では現在の電流進角の更新と処理９２４で設定した電流進角上限値とを比較する。電流進角値が電流進角上限値より小さな場合は処理９０９へ進み、そうでない場合は電流進角の更新をせず処理を終了する。処理９０９では電流進角値更新後のモータの挙動を観測する。処理９０９の処理の詳細を図５のフローチャートを用いて説明する。

処理９３０では現在のモータ電流のピーク値を検出し運転状態記憶手段３０３に順次格納していき判断９３１に進む。判断９３１では電流進角変更後に所定の回数だけモータ電流のピーク値を格納したかどうかを判断する。所定数格納した場合は処理９３２へ進み、そうでない場合は処理９３０に戻る。

処理９３２では運転状態記憶手段３０３に格納されているモータ電流のピーク値の変化幅を計算し処理９１０へ進む。処理９１０では処理９３２で求めた変化幅が予め設定している値を超えているかどうかを判断する。超えている場合は処理９１１へ進み、そうでない場合は処理を終了する。処理９１１では電流進角の制限と禁止駆動条件の電流進角上限記憶手段３０４への情報格納を実施する。その詳細な説明を図６のフローチャートを用いて説明する。処理９４０では、現状の電流進角値では駆動状態が不安定となるため、電流進角を所定量減少させて処理９４１へ進む。処理９４１では、運転状況が不安定となった運転状態を特定するために、運転状態記憶手段３０３に記憶している駆動トルク、直流電圧、入力電力、実回転数に加え処理９４０で算出した所定量減少させた直流進角値を電流進角上限記憶手段３０４に記憶し処理を終了する。

次に、回転数が一定の状況かつ弱め界磁制御領域において負荷が減少した場合に適切な電流進角値とする制御方法について図７のフローチャートを用いて説明する。

判断９５０では現在の運転状況が加減速状態出ない事を判断する。加減速状態である場合は処理を終了し、そうでない場合は処理９５１へ進む。処理９５１では現在の駆動トルクをモータ入力電力と実回転数から計算しステップ９５２へ進む。処理９５２では前回のタイミングで計算し運転状態記憶手段３０３に記憶している前回駆動トルクを読み出して判断９５３へ進む。判断９５３では前回と今回の駆動トルクを比較して今回の駆動トルクよりも前回の駆動トルクが大であると判断した場合、負荷量が減少したと認識して処理９５４へ進み、そうでない場合は処理を終了する。ステップ９５４では現在の電流進角値から所定量減算し判断９５５へ進む。判断９５５では、処理９５４の処理を実行した結果実回転数が減少したかどうかを判断する。減少した場合は処理９５６へ進みそうでない場合は処理９５４に戻り再度電流進角値を減少させる。処理９５６では処理９５４で電流進角を減少させた結果進角不足となり実回転数が低下したため、これを元に戻すために電流進角値を所定量増加させて処理を終了する。

ところで、上記説明では駆動トルクを演算により求め、この値の大小により電流進角を
操作したが、この部分を電流検出器１１ａ及び１１ｂで検出した瞬時電流値から実効値を求め、モータ電流の実効値の大小で電流進角を操作しても同様の制御が可能である。
あるいは、モータの入力電力の大小で電流進角を操作しても同様の制御が可能である。

（実施の形態２）
図８の回路構成は、図１の回路構成を簡素化したものである。交流電源１の電圧がほぼ一定である場合には、直流部分の電圧も一定になるので、入力電流を電流検出器１２で検出することにより、比例計算で入力電力とすることが可能になる。

（実施の形態３）
図９の回路構成は、単相交流電源１からの入力力率を改善する回路を付加したものである。リアクトル５０５を介してスイッチ５３０で交流電源１を短絡せしめ、リアクトル５０５に電流を蓄えて、スイッチ５３０をオフしたときに、整流ダイオードブリッジ４を経由して平滑コンデンサ６に電流を流し込む。リアクトル５０５に電流を蓄える動作が含まれるため、交流電源１の最大電圧よりも高い直流電圧を得ることも可能である。このような回路構成であっても、電流検出器１３と電圧検出器１４により入力電力を検出することができ、広い運転範囲を実現することができる。

（実施の形態４）
図１０の回路構成は、図９と同様の効果を狙うもので違う構成によるものである。リアクトル６０５を経由した交流電源１の一時短絡を整流ダイオードブリッジ４による整流動作を経た後に、スイッチ１３を用いて行うものである。図１０の場合と同様に、電流検出器１３と電圧検出器１４により入力電力を検出することができ、広い運転範囲を実現することができる。

なお、モータの電流を検出するのに、モータの各相（三相の場合は２つで測定可能）に電流検出器を設けて、直接的に電流を検出する方法で説明したが、三相ブリッジ回路でパルス幅変調して駆動する場合に、直流側に電流検出手段を設け、時分割的に各相の電流を検出してモータを駆動する方法もある。この場合、電流検出器の数を減らすことができる。

さらに、モータへの電流と電圧の瞬時値を時々刻々に積和演算することでモータへの入力電力を直接演算できる方法もある。

以上のように、本発明にかかるモータ駆動制御装置は、モータパラメータが変動して、弱め界磁制御中に回転位相検出が困難になる状態になることを補償することが可能となるので、広い運転範囲を確保でき、駆動回路を大型化することなく、空調機などの能力可変範囲を拡大できるなどの効果を生じる。

本発明の実施の形態１におけるモータ駆動制御装置の構成を示す回路ブロック図 本発明の実施の形態１における電流進角とモータ電流の関係を示した特性図 本発明の実施の形態１における電流進角制御手段の処理を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態１における電流進角制御手段の中の電流進角更新処理を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態１における電流進角制御手段の中のピーク値変化幅検出処理を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態１における電流進角制御手段の中の電流進角制限処理を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態１における負荷に合わせた電流進角値とする制御方法を説明するフローチャート 本発明の実施の形態２におけるモータ駆動制御装置の構成を示す回路ブロック図 本発明の実施の形態３におけるモータ駆動制御装置の構成を示す回路ブロック図 本発明の実施の形態４におけるモータ駆動制御装置の構成を示す回路ブロック図

符号の説明

１ 交流電源
２ インバータ回路
３ モータ
４ 整流回路
３０２ 電流進角制御手段
３０３ 運転状態記憶手段
３０４ 電流進角上限記憶手段

Claims (10)

1. 交流電力を直流電力へ変換する整流回路と、前記整流回路の出力を交流電力へ変換するインバータ回路と、弱め界磁制御中においては目標回転数に実回転数が到達しない場合に電流進角を増加させる電流進角制御手段と、前記電流進角制御手段による進角制御実施前の前記整流回路の直流電圧とモータの入力電力と実回転数と駆動トルクと進角制御実施後の所定期間のモータ電流のピーク値とを記憶する運転状態記憶手段と、進角制御実施後のモータ電流ピーク値の変化幅が予め設定している値を超えた場合に前記電流進角制御手段で電流進角を下げ、前記運転状態記憶手段に蓄えられている情報である駆動トルクと実回転数と直流電圧値に加えて電流進角値を記憶する電流進角上限記憶手段とを具備することを特徴とするモータ駆動制御装置。
2. 前記電流進角制御手段は前記電流進角上限記憶手段に順次記憶した情報を用いて、一致する状況がある場合は、記憶されている電流進角値を上限値としてモータの進角制御を実施する事を特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
3. 電流進角制御手段は一定回転数運転時でかつ弱め界磁制御中においては予め決められた周期で入力電力と実回転数から駆動トルクを計算し、その駆動トルクが低下傾向にある場合は実回転数が目標回転数に追従する範囲で電流進角を低下させる事を特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
4. 電流進角制御手段はモータ電流の実効値の時間的変化をもってモータに加えられる駆動トルクの時間的変化とすることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動制御装置。
5. 電流進角制御手段はモータの入力電力の時間的変化をもってモータに加えられる駆動トルクの時間的変化とすることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動制御装置。
6. 整流回路の効率および力率および入力電力と回転数毎の交流変換回路の効率とモータの効率をあらかじめ求めておき、入力電流と整流回路の効率および力率と交流変換回路の効率とモータの効率とモータの回転数から駆動トルクを推定することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動制御装置。
7. 交流電源の入力電流値をもって、モータへの入力電力とすることを特徴とする請求項１または４に記載のモータ駆動制御装置。
8. 整流回路の出力に平滑回路を有し、平滑回路への入力電流と平滑回路の電圧を用いて入力電力を検出することを特徴とする、請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
9. モータへの通電電流位相の基準の検出方法が、モータへの印加電圧とモータ電流およびモータパラメータを用いた回転位相の推定に基づくものであることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
10. モータへの印加電圧とモータ電流からモータへの入力電力を算出することを特徴とする請求項１または４に記載のモータ駆動制御装置。

Images