JP2009038846A - 電動機駆動装置及びそれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子が1回転する間のトルク変動が大きい電動機でも過負荷時以外の速度変動を抑制することができ、さらに過負荷時において過電流保護装置が動作することを防止することができ、連続して安定な運転が可能な電動機駆動装置を実現する。
【解決手段】トルク指令補正手段１１を設け、ＰＷＭ信号生成手段９で生成したＰＷＭ信号が予め設定された値より大きい場合、トルク制御手段２１で決定したトルク指令量を減少することにより、上記課題を解決することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータなどの電動機を任意の回転数で駆動する電動機駆動装置に関するものである。

近年、空気調和機における圧縮機などの電動機を駆動する装置においては、地球環境保護の観点から消費電力を低減する必要性が大きくなっている。その中で、省電力の技術の一つとして、ブラシレスＤＣモータのような効率の高い電動機を任意の周波数で駆動するインバータなどが広く一般に使用されている。さらに、駆動する技術としては、矩形波状の電流により駆動を行う矩形波駆動に対して、より効率が高く、騒音も低くすることが可能な正弦波駆動技術が主流となりつつある。また、使用する圧縮機は、効率が高く、安価な１ピストンのロータリー圧縮機を使用するのが主流となっている。

空気調和機における圧縮機のような電動機を駆動する場合、電動機の回転子の位置を検出するセンサを取り付けることが困難であるため、回転子の位置を何らかの方法で推定しながら駆動を行う位置センサレス正弦波駆動の技術も発明されている。回転子の位置を推定する方法として、電動機の誘起電圧を推定することにより行う方法があり、インバータ母線に流れる電流から推定する方法や（例えば、特許文献１）、電流センサを用いて電動機に流れる電流から推定する方法（例えば、特許文献２）が発明されている。

また、１ピストンのロータリー圧縮機のような、電動機の回転子の１回転中に発生する負荷トルク変動が大きい電動機を駆動する際、負荷トルク変動を抑制するために、トルク制御手段（例えば、特許文献３）が発明されている。

図４に特許文献１記載の位置センサレス正弦波駆動を実現するためのシステム構成を示す。１は直流電源、２はインバータ、３はブラシレスモータ、４は固定子、５は回転子、６は制御部である。

ブラシレスモータ３は、中性点を中心にＹ結線された３つの相巻線４ｕ、４ｖ、４ｗが取り付けられる固定子４、および磁石が装着されている回転子５を備える。Ｕ相巻線４ｕの非結線端にＵ相端子８ｕ、Ｖ相巻線４ｖの非結線端にＶ相端子８ｖ、Ｗ相巻線４ｗの非結線端にＷ相端子８ｗが接続される。

インバータ２は、一対のスイッチング素子が電流の上流側と下流側の関係に直列接続された直列回路を、Ｕ相用、Ｖ相用、Ｗ相用として３つ有する。これら直列回路に、直流電源１から出力されるＤＣ電圧が印加される。Ｕ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｕ、および下流側スイッチング素子１３ｕより成る。Ｖ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｖ、および下流側スイッチング素子１３ｖより成る。Ｗ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｗ、および下流側スイッチング素子１２ｗより成る。なお、フリーホイールダイオード１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ、１５ｕ、１５ｖ、１５ｗが、各スイッチング素子と並列に接続される。

インバータ２におけるスイッチング素子１２ｕ、１３ｕの相互接続点、スイッチング素子１２ｖ、１３ｖの相互接続点、およびスイッチング素子１２ｗ、１３ｗの相互接続点に、ブラシレスモータ３の端子８ｕ、８ｖ、８ｗがそれぞれ接続される。

インバータ２に印加されている直流電圧は、上述したインバータ２内のスイッチング素
子などの回路によって三相の交流電圧に変換され、それによりブラシレスモータ３が駆動される。

外部より与えられる目標速度を実現するべく、現在の速度との誤差から演算された出力電圧を出力するために、ＰＷＭ信号生成手段９によりインバータ２のスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号が生成され、スイッチング素子を電気的に駆動するためのドライブ信号にベースドライバ１０により変換され、各スイッチング素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１３ｕ、１３ｖ、１３ｗが動作する。

制御部６は、インバータ母線に配した電流検出手段７により検出されたブラシレスモータ３の相電流と、ＰＷＭ信号生成手段９で演算される出力電圧とインバータ印加電圧検出手段１６が検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧より、ブラシレスモータ３の誘起電圧が誘起電圧推定手段１７により推定される。推定された誘起電圧は、回転子位置速度検出手段１８で、ブラシレスモータ３の各相の相電圧方程式に基づいて決定される誘起電圧と比較し、その比較結果によってブラシレスモータ３の回転子磁極位置および速度を推定する。

図５は特許文献２記載の位置センサレス正弦波駆動を実現するためのシステム構成であり、ブラシレスモータ３の相電流を検出する手段をインバータ母線に配した電流検出手段７から電流センサ２０ｖ、２０ｗにしたものであり、その他の構成および動作は特許文献１記載の発明と同様である。

図６は特許文献３記載のトルク制御を実現するシステム構成であり、２１はブラシレスモータ３の負荷トルクを制御するトルク制御手段であり、トルク制御手段２１は、回転子位置速度検出手段１８により検出される速度を用いて加速度を演算する回転子加速度検出手段１９と、検出された加速度の変動を０にするように制御する加速度制御手段２０で構成されている。トルク制御手段２１は回転子加速度検出手段１９で加速度を検出し、加速度制御手段２０で現在の加速度と目標加速度からトルク指令量を決定し、ＰＷＭ信号生成手段９に出力する。

回転子位置速度検出手段１８は、電流検出手段７で検出した電流と、インバータ２が出力した直流電圧と、ブラシレスモータ３のモータ定数を用いて、モータのモデル式からモータの推定電流値を演算し、電流検出手段７で検出した電流との誤差を用いることで、回転子の位置を推定する。ここで、電流検出手段７で検出された電流値と、モータのモデル式から推定された電流値を、回転磁界の軸δ方向の電流ｉδと磁束の向きの軸γ方向の電流ｉγに変換し、直流値として取り扱うことにより、トルク制御を容易に実現している。

ＰＷＭ信号生成手段９は外部より与えられる目標速度を実現するべく、現在の速度との誤差から演算された出力電圧に目標加速度を実現するトルク指令量を加減算し、インバータ２のスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号が生成され、さらに、スイッチング素子を電気的に駆動するためのドライブ信号にベースドライバ１０により変換され、各スイッチング素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１３ｕ、１３ｖ、１３ｗが動作する。

以上のような回路構成にて、ブラシレスモータ３の駆動制御を行っている。
特開２００３−１８９６７０号公報 特開２０００−３５０４８９号公報 特開２００１−３７２８１号公報

しかしながら、１ピストンのロータリー圧縮機のような、電動機の回転子が１回転する間の負荷トルクの変動が大きい電動機を前記トルク制御を用いて駆動と、負荷トルクが大きいときはインバータに印加する電圧を大きくし、負荷トルクが小さいときはインバータに印加する電圧を小さくするという制御を行うため、トルク制御を用いない場合と比較すると、モータ電流の最大値は増加し、過負荷時には過電流保護装置が動作するという課題を有していた。

また、一般の電動機駆動装置は、モータの減磁防止やパワーデバイスの過電流破壊を防止するため、モータに流れる電流がある一定値を越えるとモータの運転を停止する過電流保護機能を有する。従って、負荷の大小に関わらずトルク制御量を一定にしてトルク制御を行うと、過負荷時に過電流保護装置が動作することを防止する必要性から、トルク制御量を大きくすることができず、過負荷時以外の速度変動を抑制できないという課題を有していた。

本発明は上記の課題を解決するもので、過負荷時以外の速度変動を抑制することができ、さらに過負荷時において過電流保護装置が動作することを防止することができ、連続して安定な運転が可能な電動機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、本発明の電動機駆動装置は、トルク指令補正手段を設け、ＰＷＭ信号生成手段で生成したＰＷＭ信号が予め設定された値を超えた場合、トルク制御手段で決定したトルク指令量を減少することで、過負荷時以外には速度変動を抑制することが可能となり、モータの振動や騒音も抑制することができる。また、過負荷時にはトルク制御量を制限するため１回転中の速度変動は大きくなるが、過電流保護装置が動作することを防止するものである。

本発明の電動機駆動装置は電動機の回転子が１回転する間のトルク変動が大きい電動機の速度変動を抑制することができ、連続して安定な運転が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

第１の発明は、ＰＷＭ信号生成手段で生成したＰＷＭ信号が予め設定された値を超えた場合、トルク制御手段で決定したトルク指令量を減少するトルク指令補正手段を設けることにより、過負荷時において過電流保護機能が動作してモータが停止に至ることを防止することができ、さらに過負荷時以外の速度変動を抑制することが可能となり、連続して安定な運転が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

第２の発明は、特に、第１の発明の三相電動機に流れる相電流の検出をインバータ母線に配した電流検出手段を用いて検出するもので、低コストで相電流をすることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の三相電動機に流れる相電流の検出を電流センサを用いて検出するもので、精度よく相電流を検出することができる。

第４の発明は、特に、第１から第３の発明の電動機駆動装置を、空気調和機の圧縮機駆動用に使用し、空気調和機の圧縮機には１ピストンのロータリー圧縮機を使用することで、安価でかつ低振動な空気調和機を提供するものである。

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は本発明の第１の実施の形態におけるブロック図である。１は直流電源、２はインバータ、３はブラシレスモータ、４は固定子、５は回転子、６は制御部である。

ブラシレスモータ３は、中性点を中心にＹ結線された３つの相巻線４ｕ、４ｖ、４ｗが取り付けられる固定子４、および磁石が装着されている回転子５を備える。Ｕ相巻線４ｕの非結線端にＵ相端子８ｕ、Ｖ相巻線４ｖの非結線端にＶ相端子８ｖ、Ｗ相巻線４ｗの非結線端にＷ相端子８ｗが接続される。

インバータ２は、一対のスイッチング素子が電流の上流側と下流側の関係に直列接続された直列回路を、Ｕ相用、Ｖ相用、Ｗ相用として３つ有する。これら直列回路に、直流電源１から出力されるＤＣ電圧が印加される。Ｕ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｕ、および下流側スイッチング素子１３ｕより成る。Ｖ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｖ、および下流側スイッチング素子１３ｖより成る。Ｗ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｗ、および下流側スイッチング素子１２ｗより成る。なお、フリーホイールダイオード１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ、１５ｕ、１５ｖ、１５ｗが、各スイッチング素子と並列に接続される。

インバータ２におけるスイッチング素子１２ｕ、１３ｕの相互接続点、スイッチング素子１２ｖ、１３ｖの相互接続点、およびスイッチング素子１２ｗ、１３ｗの相互接続点に、ブラシレスモータ３の端子８ｕ、８ｖ、８ｗがそれぞれ接続される。

インバータ２に印加されている直流電圧は、上述したインバータ２内のスイッチング素子などの回路によって三相の交流電圧に変換され、それによりブラシレスモータ３が駆動される。

トルク制御手段２１は、現在の速度を回転子加速度検出手段１９により、ある一定周期毎に検出し、その一定周期における変化量を加速度として、加速度制御手段２０により、目標加速度と比較し、目標加速度を実現するトルク指令量を決定する。

ＰＷＭ信号生成手段９は外部より与えられる目標速度を実現するべく、現在の速度との誤差から演算された出力電圧に目標加速度を実現するトルク指令量を増加減し、インバータ２のスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号が生成され、さらに、スイッチング素子を電気的に駆動するためのドライブ信号にベースドライバ１０により変換され、各スイッチング素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１３ｕ、１３ｖ、１３ｗが動作する。

制御部６は、インバータ母線に配した電流検出手段７により検出されたブラシレスモータ３の相電流と、ＰＷＭ信号生成手段９で演算される出力電圧とインバータ印加電圧検出手段１６が検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧より、ブラシレスモータ３の誘起電圧が誘起電圧推定手段１７により推定される。さらに推定された誘起電圧から、回転子位置速度検出手段１８でブラシレスモータ３の回転子磁極位置および速度を推定する。

トルク指令補正手段１１は、ＰＷＭ信号生成手段９で生成したＰＷＭ信号が予め設定された値より大きい場合、トルク制御手段で決定したトルク指令量を減少することにより、過負荷時において過電流保護機能が動作してモータが停止に至ることを防止することができ、さらに過負荷時以外の速度変動を抑制することが可能となり、連続して安定な運転が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態におけるブロック図であり、ブラシレスモータ３に流れる相電流を電流センサ２２ｖ、２２ｗを用いて検出することにより、相電流を精度よく検出するものであり、その他の構成および動作は第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

（実施の形態３）
図３は本発明の第３の実施の形態におけるブロック図であり、２３は空気調和機の室外機であり、２４は圧縮機である。２４の圧縮機に１ピストンのロータリー圧縮機を用いることで、安価でかつ低振動な空気調和機を実現するものである。

以上のように、本発明の電動機駆動装置は、回転子の位置推定誤差を小さくし、安定した駆動が可能となるので、位置センサレスブラシレスＤＣモータを使用する産業機器、製品等の用途にも使用できる。

本発明の実施の形態１における電動機駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態２における電動機駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態３における空気調和機のブロック図 従来の電流センサレス電動機駆動装置のブロック図 従来の電流センサ付き電動機駆動装置のブロック図 従来のトルク制御手段を備えた電動機駆動装置のブロック図

符号の説明

１ 直流電源
２ インバータ
３ ブラシレスモータ（三相電動機）
６ 制御部
７ 電流検出手段
９ ＰＷＭ信号生成手段
１０ ベースドライバ
１１ トルク指令補正手段
１６ インバータ印加電圧検出手段
１７ 誘起電圧推定手段
１８ 回転子位置速度検出手段
１９ 回転子加速度検出手段
２０ 加速度制御手段
２１ トルク制御手段

Claims (4)

1. 三相電動機と、インバータと、前記三相電動機が発生するトルクと前記三相電動機が駆動する負荷要素が発生する負荷トルクとを一致させるように前記インバータを制御するトルク制御手段から構成される電動機のトルク制御装置において、前記三相電動機を目標の回転数で駆動する出力電圧を出力するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、前記ＰＷＭ信号生成手段で生成するＰＷＭ信号が予め設定された値より大きい場合、前記トルク制御手段で決定したトルク指令量を減少させるトルク指令量補正手段を設けることを特徴とする電動機駆動装置。
2. 三相電動機の相電流をインバータ母線から検出する請求項１記載の電動機駆動装置。
3. 三相電動機の相電流を電流センサを用いて検出する請求項１記載の電動機駆動装置。
4. 請求項１〜３記載の電動機駆動装置を用い、圧縮機に１ピストンのロータリー圧縮機を使用することを特徴とする空気調和機。

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