JP2010259130A - 電動機駆動装置および圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】高い変調率を維持しつつ、高効率で安定した電動機の駆動を実現すること。
【解決手段】電動機駆動装置３は、電動機４に流れる電流を検出する電流検出部９と、目標速度ω＊と電動機４の回転速度ω１との速度誤差から電流指令値Ｉ＊を作成する速度制御部１１と、電流制御部１２へ進角指令β＊を指令する進角指示部１８と、進角指令β＊と電流指令値Ｉ＊と検出された電流値との電流誤差から電圧指令値ｖ＊を作成する電流制御部１２と、回転子位置速度推定部１５の出力から安定性を判断する安定性判断部１６と、安定性判断部１６の出力から進角指示部１８へ進角指令β＊の増減を指示する過変調指令１７とを備え、この安定性判断部１６と過変調指令部１７と進角指示部１８により、変調率を高く維持しつつ安定に電動機４の駆動が実現できる。
【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注目されている。

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つ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が考案されている。回転子の位置を推定する方法としては、電動機の固定子巻線に生ずる誘起電圧を推定することにより行う方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図４に特許文献１の電動機駆動装置のシステム構成を示す。電動機駆動装置３は、複数のスイッチング素子５ａ〜５ｆと対をなす還流ダイオード６ａ〜６ｂからなるインバータ５と、直流電圧検出部１０と、速度制御部１１と、電流制御部１２と、ＰＷＭ信号生成部１３、誘起電圧推定部１４と、回転子位置速度推定部１５とを備える。

交流電源１からの入力電圧は整流回路２で直流に整流され、その直流電圧はインバータ５により３相の交流電圧に変換され、それによりブラシレスＤＣモータである電動機４が駆動される。

電動機駆動装置３では、外部より与えられる目標速度を実現するべく、速度制御部１１は目標速度ω＊と現在の速度ω１（回転子位置速度推定部１５により推定された推定速度の現在値）との速度誤差Δωがゼロとなるように比例積分制御（以下、ＰＩ制御という）により電流指令値Ｉ＊を演算する。

電流制御部１２は速度制御部１１により演算された電流指令値Ｉ＊に基づいて作成される固定子巻線の相電流指令値と、電流検出器７ａ、７ｂおよび電流検出部９から得られる電流検出値との電流誤差がゼロとなるようにＰＩ制御により電圧指令値ｖ＊を演算する。誘起電圧推定部１４は電流検出器７ａ、７ｂおよび電流検出部９により検出された電動機４の電流検出値と、電圧指令値ｖ＊と、分圧抵抗８ａ、８ｂおよび直流電圧検出部１０により検出されたインバータ５の直流電圧の情報とに基づいて、電動機４の固定子巻線の各相に生じた誘起電圧を推定する。

回転子位置速度推定部１５は、誘起電圧推定部１４により推定された誘起電圧を用いて電動機４における回転子磁極位置および速度を推定する。この推定された回転子磁極位置の情報に基づいて、電流制御部１２では、インバータ５が電圧指令値ｖ＊を出力するために、スイッチング素子５ａ〜５ｆを駆動するための信号が生成され、その駆動信号はＰＷＭ信号生成部１３により、スイッチング素子５ａ〜５ｆを電気的に駆動するためのドライブ信号に変換される。ドライブ信号により各スイッチング素子５ａ〜５ｆが動作する。

以上の構成によって、位置センサレス正弦波駆動を行っている。
一般的に運転範囲を拡大する手法としては、弱め磁界を利用する事が多いが、運転範囲の拡大を弱め磁界制御にたよらず出力電圧の実効値を上げる手段として、特許文献２に示すように、電圧指令値ｖ＊が母線電圧を超える過変調時に過変調でない場合の出力電圧よりも大きな電圧をブラシレスモータに印加するようにする事により、直流ブラシレスモータに印加される出力電圧の実効値あるいは平均値の最大値を増加させることができ、直流ブラシレスモータの運転範囲（回転数範囲）を広くし、電圧利用率を上げることができるという方法がある。

特許第３４１９７２５号公報 特開２００２−２４７８７６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、過変調とするための出力電圧指令値の上限は、制御の安定性を考え予め余裕を持たせて決定した値で制限する事となる。このため、本来許容される運転範囲を最大限に利用する事ができ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、電動機の運転状況に応じて可能な限り高い変調率で、かつ、安定した電動機の駆動を実現するための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、高圧側に配置された上アームスイッチング素子と低圧側に配置された下アームスイッチング素子からなるスイッチング素子対を複数有し、各スイッチング素子の動作により直流電圧を所望の周波数、電圧の交流電圧に変換し、複数相の電動機にその駆動電圧として供給するインバータと、外部から与えられる電動機の目標速度と電動機の回転速度との速度誤差から電動機の電流指令値を作成する速度制御部と、電動機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、進角指令値を作成する進角指示部と、進角指令値と電流指令値と電流検出部により検出された電流検出値との電流誤差と回転子位置速度推定部の推定した回転子磁極位置から電動機の電圧指令値を作成する電流制御手段と、電圧指令値に基づいて、インバータの各スイッチング素子の動作を制御するＰＷＭ信号を作成するＰＷＭ信号生成部と、電動機の運転状態の安定性を判断する安定性判断部と、安定性判断部の結果に基づいて進角指令値に対して進角値の増減を指令する過変調指令部とを備えるものである。

この安定性判断部と過変調指令部と進角指示部によって、電動機の制御安定性を保ちつつ変調率を高い領域に設定し電動機を駆動する事ができる。

本発明の電動機駆動装置は、安定性判部と過変調指令部と進角指示部によって、電動機の制御安定性を保ちつつ高い変調率を維持する事により運転範囲が広く効率の良い電動機の駆動を実現することができる。

本発明の実施の形態１における電動機駆動装置のシステム構成図 本発明の実施の形態１における安定性判断部１６の動作を説明するフローチャート 本発明の実施の形態１における過変調指令部１７の動作を説明するフローチャート 従来の電動機駆動装置のシステム構成図

第１の発明は、高圧側に配置された上アームスイッチング素子と低圧側に配置された下アームスイッチング素子からなるスイッチング素子対を複数有し、各スイッチング素子の動作により直流電圧を所望の周波数、電圧の交流電圧に変換し、複数相の電動機にその駆動電圧として供給するインバータと、外部から与えられる前記電動機の目標速度と電動機の回転速度との速度誤差から電動機の電流指令値を作成する速度制御部と、電動機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、進角指令値を作成する進角指示部と、進角指令値と電流指令値と電流検出部により検出された電流検出値との電流誤差と回転子位置速度推定部の推定した回転子磁極位置から電動機の電圧指令値を作成する電流制御部と、電圧指令値に基づいて、前記インバータの各スイッチング素子の動作を制御するＰＷＭ信号を作成するＰＷＭ信号生成部と、電動機の運転状態の安定性を判断する安定性判断部と、安定性判断部の結果に基づいて進角指示部に対して増減を指令する過変調指令部とを備えることにより、電動機の制御安定性を保ちつつ高い変調率を維持する事により運転範囲が広く効率の良い電動機の駆動を実現できる。

第２の発明は、特に第１の発明の安定性判断部における安定性の判断を、回転子位置速度推定部の推定した回転子磁極位置の変動から判断することにより、従来制御に対し複雑な処理を追加する事無く安定性の判断を実施する事ができる。

第３の発明は、第１または第２に記載の電動機駆動装置を圧縮機に用いることで、負荷範囲の広い圧縮機においても、運転範囲が広く、かつ制御安定性を保つこと可能となる。

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１における電動機駆動装置のシステム構成図を示すものである。

図１において、電動機駆動装置３は、複数のスイッチング素子５ａ〜５ｆと対をなす還流ダイオード６ａ〜６ｂからなるインバータ５と、電圧検出部１０と、速度制御部１１と、電流制御部１２と、ＰＷＭ信号生成部１３と、誘起電圧推定部１４と、進角指示部１８と、回転子位置速度推定部１５と、安定性判断部１６と、過変調指令部１７とを備える。

交流電源１からの入力電圧は整流回路２で直流に整流され、その直流電圧は交流直流変換部５により３相の交流電圧に変換され、それによりブラシレスＤＣモータである電動機４が駆動される。

電動機駆動装置３に示す安定性判断部１６の動作を図２のフローチャートを用いて説明する。

ステップ１では、回転子位置速度推定部１５が出力する回転子磁極位置θ１により電気角が一周期を越えたかどうかを判断する。超えた場合はステップ２へ進み、超えていない場合はステップ８へ進む。

ステップ８では前回のθ１と今回のθ１の差分Δθ（Δθ＝今回θ１−前回θ１）を計
算し、Δθの最大値（Δθｍａｘ）と最小値（Δθｍｉｎ）を更新し終了する。

ステップ２では、ステップ８で更新した現時点のΔθの最大値（Δθｍａｘ）と最小値（Δθｍｉｎ）を抽出し、ステップ３へ進む。

ステップ３では、現在の基準Δθ（Δθｒｅｆ）を計算し、ステップ４へ進む。Δθｒｅｆは現在の速度指令値から演算周期毎の進む角度を計算したものである。

ステップ４では、Δθの変動率（Δθｅｒｒ）を下記式に従い計算し、ステップ５へ進む。

Δθｅｒｒ＝（Δθｍａｘ−Δθｍｉｎ）÷Δθｒｅｆ
ステップ５では、ΔθｍａｘとΔθｍｉｎをクリアしてステップ６へ進む。

ステップ６では、Δθｅｒｒが変動率制限閾値（Δθｌｉｍｉｔ）以上かどうかを判断する。以上の場合はステップ７へ進み未満の場合はステップ９へ進む。このとき、閾値以上の場合は不安定であり、閾値未満の場合は安定であると判断するものとする。ここで、ステップ７では不安定な兆候を検出したため、過変調指令部１７に対し変調率を下げる要求を出力し終了する。

ステップ９では、Δθｅｒｒが変動率制限閾値（Δθｌｉｍｉｔ）未満であるため、過変調指令部１７に対し変調率を上げる要求を出力し終了する。

次に過変調指令部１７の動作を図３に示すフローチャートで説明する。

ステップ１で、安定性判断部１６からの不安定入力信号の有無を判定する。不安定入力信号がある場合はステップ２へ進み、無い場合はステップ３へ進む。ステップ２では、現在の制御状態に不安定な兆候が見られるため、変調率を下げるために現在の進角指令値β＊を上昇させる要求を進角指示部１８に出力し終了する。ステップ３では現在の制御状態が安定であるため更に変調率を上げるために現在の進角指令値β＊を減少させる要求を進角指示部１８に出力し終了する。進角指令値β＊を上げると変調率は低くなり、下げると変調率は高くなる。

以上のようにΔθｅｒｒと変動率制限閾値との比較によって、進角指令値β＊を制御することで、電動機の運転状況に応じて可能な限り高い変調率で、かつ、安定した電動機の駆動が可能となる。さらに、運転範囲が広く効率の良い電動機の駆動を実現できるため、例えば、負荷範囲の広い空気調和機における圧縮機駆動用電動機などに用いることができる。

また、進角指示部１８は、予め設定されている下限進角値と上限進角値の範囲内で、過変調指令部１７の信号に従い進角指令値β＊を変更する。

速度制御部１１は、外部より与えられる目標速度を実現するべく、目標速度ω＊と現在の速度ω１（回転子位置速度推定部１５により推定された推定速度の現在値）との速度誤差Δωがゼロとなるように、ＰＩ制御により電流指令値Ｉ＊を演算する。

電流制御部１２は進角指令値β＊と回転子位置速度推定部１５から出力された回転子磁極位置θ１と速度制御部１１により演算された電流指令値Ｉ＊に基づいて作成される固定子巻線の相電流指令値と、電流検出器７ａ、７ｂおよび電流検出部９から得られる電流検出値との電流誤差がゼロとなるようにＰＩ制御により電圧指令値ｖ＊を演算する。

誘起電圧推定部１４は、電流検出器７ａ、７ｂおよび電流検出部９により検出された電動機４の電流検出値と、電圧指令値ｖ＊と、分圧抵抗８ａ、８ｂおよび直流電圧検出部１０により検出されたインバータ５の直流電圧の情報とに基づいて、電動機４の固定子巻線の各相に生じた誘起電圧を推定する。

回転子位置速度推定部１５は、誘起電圧推定部１４により推定された誘起電圧を用いて電動機４における回転子の回転子磁極位置および速度を推定する。

この推定された回転子磁極位置の情報に基づいて、電流制御部１２では、インバータ５が電圧指令値ｖ＊を出力するために、スイッチング素子５ａ〜５ｆを駆動するための信号が生成され、その駆動信号はＰＷＭ信号生成部１３により、スイッチング素子５ａ〜５ｆを電気的に駆動するためのドライブ信号に変換される。ドライブ信号により各スイッチング素子５ａ〜５ｆが動作する。

なお、図１では電動機４の相電流を検出する２つの電流検出器７ａ、７ｂを備え、回転子の位置速度の推定に使用しているが、インバータ５の入力側の直流電流（インバータ５の母線電流）から電動機４の相電流を検出するなどの手段を用いても良いことは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる電動機駆動装置は、安定性判部と過変調指令部と進角指示部によって、電動機の制御安定性を保ちつつ高い変調率を維持する事により運転範囲が広く効率の良い電動機の駆動を実現できるため、例えば、空気調和機における圧縮機駆動用電動機などのようにエンコーダなどの位置センサを使用することができない場合に限らず、サーボドライブなどのように位置センサを具備することができる場合においても本発明は適用できる。

３ 電動機駆動装置
４ 電動機
５ インバータ
５ａ〜５ｆ スイッチング素子
９ 電流検出部
１１ 速度制御部
１２ 電流制御部
１３ ＰＷＭ信号生成部
１５ 回転子位置速度推定部
１６ 安定性判断部
１７ 過変調指令部
１８ 進角指示部

Claims (3)

1. 高圧側に配置された上アームスイッチング素子と低圧側に配置された下アームスイッチング素子からなるスイッチング素子対を複数有し、各スイッチング素子の動作により直流電圧を所望の周波数、電圧の交流電圧に変換し、複数相の電動機にその駆動電圧として供給するインバータと、外部から与えられる前記電動機の目標速度と前記電動機の回転速度との速度誤差から前記電動機の電流指令値を作成する速度制御部と、前記電動機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、進角指令値を出力する進角指示部と、前記進角指令値と前記電流指令値と前記電流検出部により検出された電流検出値との電流誤差と回転子位置速度推定部の推定した回転子磁極位置から前記電動機の電圧指令値を作成する電流制御部と、前記電圧指令値に基づいて、前記インバータの各スイッチング素子の動作を制御するＰＷＭ信号を作成するＰＷＭ信号生成部と、前記電動機の運転状態の安定性を判断する安定性判断部と、前記安定性判断部の結果に基づいて前記進角指示部に対して進角値の増減を指令する過変調指令部とを備える事を特徴とする電動機駆動装置。
2. 安定性判断部は、回転子位置速度推定部の推定した回転子磁極位置の変動から電動機の制御安定性を判断する事を特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
3. 請求項１または２に記載の電動機駆動装置によって駆動することを特徴とする圧縮機。