JP2008125245A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パラメータ誤差を見込んだ最大進角設定をモータ個々に適した最大進角設定として回転数範囲の制限を解消する。
【解決手段】モータトルク推定部２１によりモータ入力電力検出部２０で検出したモータ入力電力とモータ４の実回転数からモータ駆動トルクを推定し、直流電圧演算司令部２２により推定モータ駆動トルクと実際のモータ回転数と現在の進角値からモータ駆動に必要な直流電圧を推定しその値を総合制御部６へ指令し、その直流電圧によりモータを駆動した場合のモータの実回転数と目標回転数の差異に従い進角値変更司令部２３により電流進角値の増減を総合制御部６へ指令し回転数−電流進角特性を更新することにより、モータ個々に最適な回転数−電流進角特性を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は空調機の圧縮機などの動力源となるモータを、広い運転範囲で高効率に駆動するモータ駆動装置に関するものである。

従来、この種のモータ駆動装置には、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たブラシレスＤＣモータまで、様々なものが適用されている。

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、検出器を用いずに、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。

例えば、非特許文献１では、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る駆動方法がある。また、特許文献１では、固定座標軸上での電圧と電流の関係を用いている。
特許第３４１９７２５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と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（以下
、最大進角値という）に余裕を持たせておく必要がある。

ところが、余裕を持たせる目的で最大進角値を下げると、駆動できる最高回転数が低下してしまい、駆動範囲が狭まってしまうという課題を有していた。加えて、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も有していた。

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ばらついても、そのモータに適した最大進角値を設定することにより、広い運転範囲を確保できるモータ駆動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装置は、商用電源を任意の直流電圧に変換するコンバータ部と、前記直流電圧を任意の周波数及び電圧に変換するインバータ部と、前記インバータ部と前記コンバータ部とを制御する総合制御部と、前記インバータ部により駆動されるモータにより構成されるモータ駆動装置において、前記モータへの入力電力を検出するモータ入力電力検出部と、前記モータ入力電力検出部で求めたモータ入力電力と前記モータの回転数とからモータトルクを推定するモータトルク推定部と、前記モータトルク推定部で推定したトルクと現在の電流進角設定値と現在の回転数とモータパラメータとからモータ駆動に必要な直流電圧を推定し前記総合制御部に直流電圧の変更を指令する直流電圧推定指令部と、前記総合制御部が前記直流電圧推定指令部の指示に従い前記コンバータ部が出力する直流電圧を変更した結果前記モータの回転数が目標回転数を下回る場合は、前記総合制御部に対し電流進角値の増加を指令する進角値変更指令部とを備えたものである。

これによって、実際のモータとモデルとのパラメータずれにより、本来目標回転数が維持できる条件において目標回転数が維持できない場合は、そのモータに対しては電流進角値を増加させることができるので、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。

また、進角操作を実施する運転において目標回転数が維持できる場合には、目標回転数が維持できなくなる直前まで電流進角値を下げることができるため、過剰な進角により回転位相検出ができなくなる状態を回避できるのと同時に無駄に進角させることによる効率の低下を防ぐことができる。

本発明のモータ駆動装置は、個々のモータパラメータのばらつきに対し、最適な進角設定を実施することにより、広い運転範囲と高効率な駆動を実現することができる。

第１の発明は、商用電源を任意の直流電圧に変換するコンバータ部と、前記直流電圧を任意の周波数及び電圧に変換するインバータ部と、前記インバータ部と前記コンバータ部とを制御する総合制御部と、前記インバータ部により駆動されるモータにより構成されるモータ駆動装置において、前記モータへの入力電力を検出するモータ入力電力検出部と、前記モータ入力電力検出部で求めたモータ入力電力と前記モータの回転数とからモータトルクを推定するモータトルク推定部と、前記モータトルク推定部で推定したトルクと現在の電流進角設定値と現在の回転数とモータパラメータとからモータ駆動に必要な直流電圧を推定し前記総合制御部に直流電圧の変更を指令する直流電圧推定指令部と、前記総合制御部が前記直流電圧推定指令部の指示に従い前記コンバータ部が出力する直流電圧を変更
した結果前記モータの回転数が目標回転数を下回る場合は、前記総合制御部に対し電流進角値の増加を指令する進角値変更指令部とを備えたものである。

これにより、実際のモータとモデルとのパラメータずれにより、本来目標回転数が維持できる条件において目標回転数が維持できない場合は、対象となるモータに対して電流進角を引き上げることが可能であるため、目標回転数が維持できる電流進角値まで引き上げることで、進角不足により所望の回転数で駆動できなくなる状態が回避でき、広い運転範囲を確保することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の場合とは逆にモータパラメータがずれている時に適用できるものであり、商用電源を任意の直流電圧に変換するコンバータ部と、直流電圧を任意の周波数及び電圧に変換するインバータ部と、インバータ部とコンバータ部を制御する総合制御部と、インバータ部により駆動されるモータにより構成されるモータ駆動装置において、モータへの入力電力を検出するモータ入力電力検出部と、モータ入力電力検出部で求めたモータ入力電力とモータの回転数からモータトルクを推定するモータトルク推定部と、モータトルク推定部で推定したトルクと現在の電流進角設定値と回転数からモータ駆動に必要な直流電圧を推定し直流電圧の変更を総合制御部に指令する直流電圧推定指令部と、総合制御部が直流電圧推定指令部の指示に従いコンバータ部が出力する直流電圧を変更した場合でもモータの回転数が目標回転数に維持できる場合は電流進角値の減少を総合制御部に指令する進角値変更指令部とによる構成を有する。

これにより、推定した直流電圧設定においても目標回転数が維持できる場合には、対象となるモータに対して目標回転数が維持できなくなる直前まで電流進角値を下げることができるため、必要以上に進角させることによる効率の低下を回避でき、弱め界磁領域において高効率な運転を実施することができる。

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装置の構成図、図２はコンバータ部２及びインバータ部３の回路構成の一例を示す回路図、図３は進角調整装置１４の動作を説明するフローチャート、図４は進角調整装置１４の指示を受けた場合の総合制御部６が行う処理を説明するフローチャートである。

図１において、コンバータ部２は、交流電源１を任意の直流電圧に変換する。インバータ部３は、コンバータ部２からの直流電圧を任意の電圧及び周波数に変換し、モータ４に供給する。

電流センサ５は、モータ４に流れる電流を検出する。総合制御部６は、コンバータ２及びインバータ３を制御する。モータ入力電力検出部２０は、総合制御部６がモータ制御に使用しているデータからモータ入力電力を算出する。

モータトルク推定部２１は、モータ入力電力検出部２０の出力であるモータ入力電力と、総合制御部６がモータ制御に使用しているモータ４の実回転数とからモータトルクを推定する。

直流電圧推定指令部２２は、モータトルク推定部２１の出力であるモータトルクと、総合制御部６がモータ制御に使用している現在の電流進角値とモータ４の実回転数から必要な直流電圧を推定し、その推定結果を総合制御部６に直流電圧指令値として出力する。

進角値変更指令部２３は、進角調整を実施する際に直流電圧推定指令部２２の指令により直流電圧を変化させた場合に、モータ４の実回転数の変化に応じて電流進角値の変更を総合制御部６に指令する。

また、モータ入力電力検出部２０とモータトルク推定部２１と直流電圧推定指令部２２と進角値変更指令部２３により、進角調整装置２４が構成されている。

次に、図２により、コンバータ部２の回路構成の一例を説明する。図２において、ブリッジ整流回路７は、交流電源を整流し直流電圧とする。総合電流制御部６は、ブリッジ整流回路７で得られた直流を元に、リアクタ８、スイッチ１３、ダイオード１０及び電解コンデンサ１２の回路を制御することにより、所望の直流電圧が得られる。

ここで、入力電力の推定について説明する。統合制御部６が、電流検出器９により検出された入力電流の値と、電圧検出器１１により検出されたコンバータ部２からの直流電源の電圧値とを、時々刻々積和することにより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、制御が多少乱れても、あまり大きく変化しないため、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となる。

以下、図３に示されるフローチャートを用いて、進角調整装置２４が接続されたモータ４に対して、最適な電流進角値を決定していく手順を説明する。

ステップ１では、現在の回転数が高回転かどうか、つまり弱め界磁制御を使用中か否かを判断する。弱め界磁制御が使われていない場合は処理を終了し、弱め界磁制御が使われている場合はステップ２へ進む。ステップ２では、モータの入力電力を計算しステップ３へ進む。

ステップ３では、ステップ２で得られた入力電力と現在のモータ回転数からモータトルクを推定しステップ４へ進む。ステップ４では、ステップ３で得られたモータトルクと現在の電流進角設定値とモータ回転数とモータパラメータから必要な直流電圧値を推定しステップ５へ進む。

ステップ５では、ステップ４で推定した直流電圧値を指令値として総合電流制御部６に指令しステップ６へ進む。ステップ６では、直流電圧の変更が完了したかどうかを確認し、完了している場合はステップ７へ進む。

ステップ７では、モータの実回転数が目標回転数に維持されているかどうかを判断する。直流電圧を変更したことによりモータの実回転数が目標回転数を下回る場合はステップ８へ進み、そうでない場合はステップ１０へ進む。

ステップ８では、現在の電流進角を予め定められた電流進角だけ増加させ、その値を指令値として総合制御部６に出力しステップ９へ進む。ステップ９では、総合電流制御部６が電流進角値を増加させて制御を行った結果、モータの実回転数が目標回転数以上となったかどうかを判断する。モータの実回転数が目標回転数以上となった場合はステップ１３へ進み、そうでない場合は再度ステップ８へ戻り電流進角値を増加させる。

一方、直流電圧を変更した場合においても、モータの実回転数が目標回転数に維持され
ている場合は、現在の進角設定が現在の運転条件に対し余裕を持つため、ステップ１０で電流進角値を予め定められた電流進角だけ減少させ、その値を指令値として総合電流制御部６へ出力しステップ１１へ進む。

ステップ１１では。ステップ１０の電流進角値指令により総合電流制御部６が電流進角値を減少させて制御を行った結果、モータの実回転数が目標回転数を下回ったかどうかを判断する。モータの実回転数が目標回転数を下回った場合はステップ１２へ進み、そうでない場合は再度ステップ１０へ戻り電流進角値を減少させる。

ステップ１２では電流進角を下げすぎているため、現在の電流進角値に予め定められた電流進角だけ加え、その値を指令値として総合電流制御部６に指令した後ステップ１３へ進む。ステップ１３では直流電圧を本来設定されている値へ戻す指令を総合電流制御部６へ出力し処理を終了する。

次に、図４のフローチャートを用いて、進角調整装置１４から指令を受けた場合の総合制御部６の処理内容を説明する。

ステップ１では、進角調整装置１４から直流電圧値の指令が出ているか否かを判断する。直流電圧指令値が出ている場合はステップ２へ進み、そうでない場合はステップ３へ進む。
ステップ２では、直流電圧指令値に従いコンバータ部２に対し、コンバータ出力電圧を直流電圧指令値に一致させる直流電圧変更処理を実施しステップ３へ進む。

ステップ３では、進角調整装置１４から電流進角値の指令が出ているか否かを判断する。電流進角値指令が出ている場合はステップ４へ進み、そうでない場合はステップ５へ進む。ステップ４では、電流進角指令値に従いモータ４を制御する一方、現在設定されている回転数−電流進角特性を変更する回転数−進角特性変更処理を実施しステップ５へ進む。

ステップ５では、直流電圧の変更或いは電流進角の変更を実施したかどうかを判断する。実施した場合はステップ６へ進み、実施していない場合は処理を終了する。ステップ６では、進角調整装置２４から電圧復帰指令が出ているかどうかを確認する。電圧復帰指令が出ている場合はステップ７へ進み、そうでない場合はステップ３へ戻る。

ステップ７では、直流電圧の目標値を本来設定されている値に変更する直流電圧設定処理を実施し処理を終了する。

なお、モータ入力電力については、交流電源１の電圧がほとんど一定である場合には、コンバータ部での変換効率及びインバータ部での変換効率も推定できるため、入力電流を電流検出器で検出することにより、推定することも可能である。さらに、モータへの電流と電圧の瞬時値を時々刻々積和演算することでモータへの入力電力を直接演算することも可能である。

以上のように、本発明にかかるモータ駆動装置は、モータパラメータ等の製造上のばらつきを考慮してマージンを含んだ形で一律に電流進角値を設定するのではなく、個々のモータに対し最適な電流進角値を自動的に設定できるため、モータパラメータのばらつきに起因する電流進角不足による最高回転数の低下や、過度の電流進角を与えることによる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や、弱め界磁中での電流進角量を必要十分の値とできることで過度の進角を与えることによる運転効率の
低下を防ぐことが可能となる。

このため、広い運転範囲を確保できるのと同時に弱め界磁領域での運転の効率低下が防げ、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が生じる。

本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置の回路構成図 本発明の実施の形態におけるコンバータ部及びインバータ部の回路構成の一例を示す回路構成図 本発明の実施の形態における進角調整装置の動作を説明するフローチャート 本発明の実施の形態における進角調整装置の指示を受けた場合の総合制御部の動作を説明するフローチャート

符号の説明

１ 交流電源
２ コンバータ部
３ インバータ部
４ モータ
６ 総合制御部
１０ モータ入力電力検出部
１１ モータトルク推定部
１２ 直流電圧演算司令部
１３ 進角変更指令部

Claims (7)

1. 商用電源を任意の直流電圧に変換するコンバータ部と、前記直流電圧を任意の周波数及び電圧に変換するインバータ部と、前記インバータ部と前記コンバータ部とを制御する総合制御部と、前記インバータ部により駆動されるモータにより構成されるモータ駆動装置において、前記モータへの入力電力を検出するモータ入力電力検出部と、前記モータ入力電力検出部で求めたモータ入力電力と前記モータの回転数とからモータトルクを推定するモータトルク推定部と、前記モータトルク推定部で推定した前記モータトルクと現在の電流進角設定値と現在の回転数とモータパラメータとからモータ駆動に必要な直流電圧を推定し前記総合制御部に直流電圧の変更を指令する直流電圧推定指令部と、前記総合制御部が前記直流電圧推定指令部の指示に従い前記コンバータ部が出力する直流電圧を変更した結果前記モータの回転数が目標回転数を下回る場合は、前記総合制御部に対し電流進角値の増加を指令する進角値変更指令部とを備えたモータ駆動装置。
2. 前記進角値変更指令部は、前記直流電圧推定指令部の指示に従い前記コンバータ部が出力する直流電圧を変更した結果、前記モータの回転数が目標回転数に維持できる場合は電流進角値の減少を前記総合制御部に指令する請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記進角値変更指令部が電流進角値の変更を指令した場合は、前記総合制御部が前記変更内容を記憶し、設定されている周波数−電流進角値設定を変更し、以降の駆動に対しては前記変更された周波数−電流進角値設定により前記モータを駆動する請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記進角値変更指令部は、弱め界磁領域でのみ進角値変更の処理を実施する請求項１に記載のモータ駆動装置。
5. 前記交流電源の入力電流値をもって、前記モータへの入力電力とする請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
6. 前記モータへの通電電流位相の基準の検出方法が、前記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請求項１に記載のモータ駆動装置。
7. 前記モータへの印加電圧とモータ電流とから、前記モータの入力電力を算出する請求項６に記載のモータ駆動装置。

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