JP2011120471A

JP2011120471A - モータ制御方法およびその装置

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Publication number: JP2011120471A
Application number: JP2011054314A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Maeda; 敏行前田; Tomoo Taniguchi; 智勇谷口
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP5321622B2

Abstract

【課題】パワーデバイスやモータの容量を大きくすることなく、電流検出を行うハードウエアを簡単化して、ＯＣＰおよび電流制御を精度よく達成する。
【解決手段】３相インバータ回路３からの出力をモータ４に供給してモータ４を駆動するとともに、３相インバータ回路３を制御するための電流検出機能および過電流保護機能を有するに当たって、モータ相電流をフィードバック制御するとともに、電流制御系に供給すべき電流指令の最大値を制限し、しかも、過電流保護のための電流検出と電流制御のための電流検出とを、ＤＣリンクに設けられた１つの電流センサたるＯＣＰ部５が兼ねる。
【選択図】図４

Description

この発明は、インバータからの出力をモータに供給してモータを駆動するとともに、インバータを制御するための電流検出機能および過電流保護機能を有するモータ制御装置およびその方法に関する。

図１は従来のモータ制御装置の一例を示す図である。

このモータ制御装置は、交流電源１００を入力とする整流回路１１０と、整流回路１１０の直流出力を入力とする３相インバータ回路（パワーデバイス）１２０と、３相インバータ回路１２０の出力が供給されるモータ１３０と、整流回路１１０と３相インバータ回路１２０とを接続するＤＣリンクの所定位置に設けられて過電流保護を行う過電流保護部１４０と、モータ１３０の相電流を検出する相電流検出部１５０と、３相インバータ回路１２０のスイッチング素子にスイッチング信号を供給するとともに、出力電圧情報を出力するドライバー１８０と、相電流および出力電圧を入力として、モータ１３０の回転子の回転位置および回転速度を検出する位置速度検出部１６０と、回転速度指令および検出された回転速度を入力として速度制御演算を行い、出力電圧指令を出力する速度制御部１７０とを有している。

なお、前記ドライバー１８０は、出力電圧指令および検出された位置を入力として所定の演算を行ってスイッチング信号および出力電圧を出力するものである。このドライバー１８０には、過電流保護部１４０からの過電流保護信号も供給されており、該当する場合に、過電流を防止すべく（全てのスイッチング素子をオフすべく）スイッチング信号を出力する。

また、前記過電流保護部１４０は、ＤＣリンクに介挿されたシャント抵抗１４１と、シャント抵抗１４１の端子間電圧を入力として所定の閾値（パワーデバイスやモータの限界電流から設定された最大電流に対応する値）と比較して過電流保護信号を出力する過電流保護部１４２とを有している。

図２は従来のモータ制御装置の他の例を示す図である。

このモータ制御装置が図１のモータ制御装置と異なる点は、速度制御部１７０とドライバー１８０との間に電流指令制限部１９０と電流制御部２００とをさらに含む点、および速度制御部１７０として、回転速度指令および検出された回転速度を入力として速度制御演算を行い、出力電流指令を出力するものを採用した点のみである。

前記電流指令制限部１９０は、出力電流指令を入力として、出力電流指令が過電流保護以下の電流指令になるようにクランプするものである。

前記電流制御部２００は、電流指令制限部１９０から出力される出力電流指令と検出された相電流とを比較し、相電流が出力電流指令となるように電圧指令を作成し、ドライバー１８０に供給するものである。

特開平０２−１９７２９５号公報特開平０３−１５５３９２号公報

図１の構成のモータ制御装置を採用した場合には、相電流とＤＣリンク電流とを検出する必要があるため、電流検出を行うハードウエアが膨大になる。換言すれば、電流検出を行うハードウエアに無駄がある。

また、外乱などによりモータに電流が多く流れた場合には、過電流保護による出力停止しか実行できないため、制御性が劣ることになる。

図２の構成のモータ制御装置を採用した場合には、出力電流指令を過電流保護以下の電流指令に制限することによって、瞬間的な過負荷などに起因する過電流保護による停止を起こさずにモータを駆動し続けることができる。

しかし、相電流とＤＣリンク電流とを検出する必要があるため、電流検出を行うハードウエアが膨大になる。換言すれば、電流検出を行うハードウエアに無駄がある。

また、この不都合に関連して、相電流を過電流保護（以下、ＯＣＰと称する）の電流値以下に制御する場合に、次の不都合が生じる。

図３はＯＣＰ、相電流検出にばらつきがある場合の設定値の関係を示す図である。

図３中（ａ）に示すように、ＤＣリンク電流が大きく検出されて、結果的に低い電流でＯＣＰがかかり（ＯＣＰ下限側）、かつ、相電流が小さく検出されて相電流制御が大きな電流を出力してしまう（相電流制限上限側）場合、相電流が制限に達する前にＯＣＰがかかり、結局出力停止となってしまう。

このような不都合の発生を防止しようとすれば、図３中（ｂ）に示すように、ＯＣＰと相電流制御のばらつきによる重なりをなくする必要があり、この結果、インバータ回路の最大出力の下限である相電流制限下限値から、ＯＣＰ時の最大電流であるＯＣＰ上限値までの幅が広くなり、パワーデバイスやモータの容量を大きくせざるを得なくなってしまう。

この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、パワーデバイスやモータの容量を大きくすることなく、電流検出を行うハードウエアを簡単化して、ＯＣＰおよび電流制御を精度よく達成することができるモータ制御方法およびその装置を提供することを目的としている。

本発明に係るモータ制御方法の第１の態様は、インバータからの出力をモータに供給してモータを駆動するとともに、インバータを制御するための電流検出機能および過電流保護機能を有するに当たって、モータ相電流をフィードバック制御するとともに、電流制御系に供給すべき電流指令の最大値を制限し、しかも、過電流保護のための電流検出と電流制御のための電流検出とを共用する方法である。

本発明に係るモータ制御方法の第２の態様は、前記電流検出を、ＤＣリンクに設けられた１つの電流センサにより行う方法である。

本発明に係るモータ制御方法の第３の態様は、インバータからの出力をモータに供給してモータを駆動するとともに、インバータを制御するための電流検出機能および過電流保護機能を有するに当たって、ＤＣリンクから検出した電流値に基づいて過電流保護を行い、さらに、過電流保護のための電流検出結果に基づいて、モータ相電流をフィードバック制御するための電流指令の最大値を補正する方法である。

本発明に係るモータ制御方法の第４の態様は、過電流保護のための設定値を、モータ相電流をフィードバック制御する電流制御手段の設定値と電流制御系の最大オーバーシュート電流とを加算した値に設定し、少なくともモータまたはパワーデバイスの最大電流を略過電流保護上限値に設定した方法である。

本発明に係るモータ制御装置の第１の態様は、インバータからの出力をモータに供給してモータを駆動するとともに、インバータを制御するための電流検出機能および過電流保護機能を有するものであって、モータ相電流をフィードバック制御する電流制御手段と、電流制御手段に供給すべき電流指令の最大値を制限する電流指令制限手段とを含み、過電流保護のための電流検出手段と電流制御のための電流検出手段とを共用したものである。

本発明に係るモータ制御装置の第２の態様は、前記電流検出手段として、ＤＣリンクに設けられた１つの電流センサを採用するものである。

本発明に係るモータ制御装置の第３の態様は、インバータからの出力をモータに供給してモータを駆動するとともに、インバータを制御するための電流検出機能および過電流保護機能を有するものであって、ＤＣリンクから検出した電流値に基づいて過電流保護を行う過電流保護手段と、過電流保護のための電流検出結果に基づいて、モータ相電流をフィードバック制御するための電流指令の最大値を補正する補正手段とを含むものである。

本発明に係るモータ制御装置の第４の態様は、過電流保護のための設定値を、モータ相電流をフィードバック制御する電流制御手段の設定値と電流制御系の最大オーバーシュート電流とを加算した値に設定し、少なくともモータまたはパワーデバイスの最大電流を略過電流保護上限値に設定したものである。

本発明に係るモータ制御方法の第１の態様は、電流検出のためのハードウエアの無駄を排除することができ、過電流保護のばらつき、電流制御のばらつきが互いに独立に発生することを未然に防止して、パワーデバイスやモータの容量を小さくすることができ、しかも過電流保護、電流制御を精度よく達成することができるという特有の効果を奏する。

本発明に係るモータ制御方法の第２の態様は、電流センサの数を必要最小限にすることができるほか、上記第１の態様と同様の効果を奏する。

本発明に係るモータ制御方法の第３の態様は、過電流保護のばらつき、電流制御のばらつきが互いに独立に発生することを未然に防止して、パワーデバイスやモータの容量を小さくすることができ、しかも、過電流保護を機能させる必要がない状態でモータを安定に駆動し続けることができるという特有の効果を奏する。

本発明に係るモータ制御方法の第４の態様は、トルク急変などにより過電流保護に起因する停止を防止することができるほか、上記第１の態様、上記第２の態様、または上記第３の態様と同様の効果を奏する。

本発明に係るモータ制御装置の第１の態様は、電流検出のためのハードウエアの無駄を排除することができ、過電流保護のばらつき、電流制御のばらつきが互いに独立に発生することを未然に防止して、パワーデバイスやモータの容量を小さくすることができ、しかも過電流保護、電流制御を精度よく達成することができるという特有の効果を奏する。

本発明に係るモータ制御装置の第２の態様は、電流センサの数を必要最小限にすることができるほか、上記第１の態様と同様の効果を奏する。

本発明に係るモータ制御装置の第３の態様は、過電流保護のばらつき、電流制御のばらつきが互いに独立に発生することを未然に防止して、パワーデバイスやモータの容量を小さくすることができ、しかも、過電流保護を機能させる必要がない状態でモータを安定に駆動し続けることができるという特有の効果を奏する。

本発明に係るモータ制御装置の第４の態様は、トルク急変などにより過電流保護に起因する停止を防止することができるほか、上記第１の態様、上記第２の態様、または上記第３の態様と同様の効果を奏する。

従来のモータ制御装置の一例を示す図である。従来のモータ制御装置の他の例を示す図である。ＯＣＰ設定値と相電流制限設定値との関係を説明する図である。この発明のモータ制御装置の一実施態様を示す図である。この発明のモータ制御装置の他の実施態様を示す図である。この発明のモータ制御装置のさらに他の実施態様を示す図である。急激な電流増加によるオーバーシュートを説明する図である。

以下、添付図面を参照して、この発明のモータ制御方法およびその装置の実施の態様を詳細に説明する。

図４はこの発明のモータ制御装置の一実施態様を示す図である。

このモータ制御装置は、交流電源１を入力とする整流回路２と、整流回路２の直流出力を入力とする３相インバータ回路（パワーデバイス）３と、３相インバータ回路３の出力が供給されるモータ４と、整流回路２と３相インバータ回路３とを接続するＤＣリンクの所定位置に設けられてＯＣＰを行うＯＣＰ部５と、モータ４の相電流を算出する相電流算出部６と、３相インバータ回路３のスイッチング素子にスイッチング信号を供給するとともに、出力電圧情報を出力するドライバー９と、相電流および出力電圧を入力として、モータ４の回転子の回転位置および回転速度を検出する位置速度検出部７と、回転速度指令および検出された回転速度を入力として速度制御演算を行い、出力電流指令を出力する速度制御部８と、出力電流指令を入力として、出力電流指令がＯＣＰ以下の電流指令になるようにクランプする電流指令制限部１０と、電流指令制限部１０から出力される出力電流指令と検出された相電流とを比較し、相電流が出力電流指令となるように電圧指令を作成し、ドライバー９に供給する電流制御部１１とを有している。

前記ＯＣＰ部５は、ＤＣリンクに介挿されたシャント抵抗５ａと、シャント抵抗５ａの端子間電圧を入力として所定の閾値（パワーデバイスやモータの限界電流から設定された最大電流に対応する値）と比較してＯＣＰ信号を出力するとともに、ＤＣリンク電流Ｉ_dcを出力するＯＣＰ部５ｂとを有している。

前記相電流算出部６は、ＤＣリンク電流Ｉ_dcを入力として相電流を算出するものである。なお、この相電流の算出は、例えば、「ＰＷＭインバータの三相出力電流の直流側での検出法」、谷沢ほか、ＩＥＡ−９４−１７（以下、引用文献と称する）に示すように従来公知である。

上記の構成のモータ制御装置を採用すれば、出力電流指令を過電流保護以下の電流指令に制限することによって、瞬間的な過負荷などに起因する過電流保護による停止を起こさずにモータを駆動し続けることができる。

また、電流検出のためのハードウエアを簡単化することができる。

さらに、例えば、ＯＣＰ下限値になるようなＤＣリンク電流検出の誤差が生じた場合、電流検出を共用していることに起因して、相電流検出においては相電流制限下限値となるように誤差が生じ、結果的に、相電流制限にかかる前にＯＣＰにかかることを防止することができる。この結果、２つの電流検出部を設けていた場合に発生していた相互ばらつき（一方が多く、他方が少ないというばらつき）をなくし、インバータ回路３の最大出力の下限である相電流下限値から、保護時の最大電流であるＯＣＰ上限値までの幅を狭めることができ、ひいては、パワーデバイス３やモータ４の容量を削減することができる。

さらにまた、相間の電流検出アンバランスを防止することができる。

図５はこの発明のモータ制御装置の他の実施態様を示す図である。

このモータ制御装置は、交流電源１を入力とする整流回路２と、整流回路２の直流出力を入力とする３相インバータ回路（パワーデバイス）３と、３相インバータ回路３の出力が供給されるモータ４と、整流回路２と３相インバータ回路３とを接続するＤＣリンクの所定位置に設けられてＯＣＰを行うＯＣＰ部５と、モータ４の相電流を検出する相電流検出部２６と、３相インバータ回路３のスイッチング素子にスイッチング信号を供給するとともに、出力電圧情報を出力するドライバー９と、相電流および出力電圧を入力として、モータ４の回転子の回転位置および回転速度を検出する位置速度検出部７と、回転速度指令および検出された回転速度を入力として速度制御演算を行い、出力電圧指令を出力する速度制御部２８とを有している。

なお、図４のモータ制御装置と同じ符号が付与された構成部分は同様の構成を有するとともに、同様の作用を達成するものである。

前記相電流検出部２６は、ＤＣリンク電流Ｉ_dcに基づいて相電流を補正するものである。具体的には、例えば、ＤＣリンク電流Ｉ_dcとして＋Ｉｕ（または＋Ｉｖ）が検出されているときの相電流Ｉｕ（またはＩｖ）との誤差と−Ｉｕ（または−Ｉｖ）が検出されているときの相電流Ｉｕ（またはＩｖ）との誤差との平均により０点を補正し、各検出結果での振幅誤差により振幅ゲインを補正することによって、相電流の補正を行う。

上記の構成のモータ制御装置の作用は次のとおりである。

相電流は、引用文献に示すように、ＤＣリンク電流により検出することが可能であるが、パルスが細くなった場合などには、相電流検出ができなくなってしまうおそれがあり、また、ノイズの影響を受けやすいなどの問題がある。

一方、相電流を直接検出する場合には、コストダウンのため、交流電流検出器や低精度の直流電流検出器が用いられることが多く、直流電流の検知ができなかったり、温度変化などに対して十分な精度が得られないなどの問題がある。

しかし、ＤＣリンクにおける電流検出は、センサが１つであるため、３相インバータ回路３の出力電流を検出する場合と比較して高価なセンサを使いやすく、さらに、安価なシャント抵抗などにおいても温度特性等絶対精度に優れているという特性などから、ＤＣリンクからの電流検出の方が精度向上を実現しやすい。

このような点を考慮して、この実施態様においては、ＤＣリンクからの電流検出結果に基づいて相電流検出部２６の０点、ゲインなどを補正することによって、上記の何れも問題点をも解決し、正確な相電流の検出を達成することができる。

したがって、過電流保護のばらつき、電流制御のばらつきが互いに独立に発生することを未然に防止して、パワーデバイスやモータの容量を小さくすることができ、しかも電流検出精度を簡単に高めて過電流保護、電流制御を精度よく達成することができる。

図６はこの発明のモータ制御装置のさらに他の実施態様を示す図である。

このモータ制御装置は、交流電源１を入力とする整流回路２と、整流回路２の直流出力を入力とする３相インバータ回路（パワーデバイス）３と、３相インバータ回路３の出力が供給されるモータ４と、整流回路２と３相インバータ回路３とを接続するＤＣリンクの所定位置に設けられてＯＣＰを行うＯＣＰ部５と、モータ４の相電流を検出する相電流検出部３６と、３相インバータ回路３のスイッチング素子にスイッチング信号を供給するとともに、出力電圧情報を出力するドライバー９と、相電流および出力電圧を入力として、モータ４の回転子の回転位置および回転速度を検出する位置速度検出部７と、回転速度指令および検出された回転速度を入力として速度制御演算を行い、出力電流指令を出力する速度制御部８と、出力電流指令を入力として、出力電流指令がＯＣＰ以下の電流指令になるようにクランプする電流指令制限部３０と、電流指令制限部３０から出力される出力電流指令と検出された相電流とを比較し、相電流が出力電流指令となるように電圧指令を作成し、ドライバー９に供給する電流制御部１１とを有している。

前記電流指令制限部３０は、ＤＣリンク電流Ｉ_dcを入力として最大指令電流を補正する機能をさらに有するものである。具体的には、例えば、ＤＣリンク電流Ｉ_dcと対応する相電流検出部３６による検出電流値Ｉ_phaseとを用いてＩ_phase／Ｉ_dcを算出し、この平均値を電流指令制限部３０における当初の設定値に乗算して、最大指令電流を補正する。

そして、この処理を行うことにより、２つの電流検出におけるばらつきの影響を排除して、電流容量の無駄を最小に押さえることができる。

したがって、過電流保護のばらつき、電流制御のばらつきが互いに独立に発生することを未然に防止して、パワーデバイスやモータの容量を小さくすることができ、しかも、過電流保護を機能させる必要がない状態でモータを安定に駆動し続けることができる。

もちろん、この実施態様において、相電流検出部３６に代えて、図５のモータ制御装置の相電流検出部２６を採用することが可能である。

また、前記の各実施態様におけるＯＣＰ部５ｂに設定されるＯＣＰ設定値として、電流指令制限部１０、３０の設定値に対して電流制御系の最大オーバーシュート電流を加えた値を採用し、少なくともパワーデバイスまたはモータの最大電流をＯＣＰ上限値に設定することが好ましい。

さらに説明する。

電流制御系は、相電流検出値を用いたフィードバック制御系であるから、早い外乱や急激なトルク増加に対して、図７に示すようなオーバーシュートを発生し、モータ電流が電流制限値を越える場合がある。

しかし、上記のようにＯＣＰ設定値を設定しておけば、トルク急変などに拘わらずＯＣＰ停止を防止することができる。また、ＯＣＰ上限値を上記のように設定しておけば、パワーデバイスまたはモータの破損を防止することができる。

３３相インバータ回路
４モータ
５ＯＣＰ部
１０電流指令制限部
１１電流制御部
２６相電流検出部
３０電流指令制限部

Claims

インバータ（３）からの出力をモータ（４）に供給してモータ（４）を駆動するとともに、インバータ（３）を制御するための電流検出機能および過電流保護機能を有するモータ制御方法であって、
モータ相電流をフィードバック制御するとともに、電流制御系に供給すべき電流指令の最大値を制限し、
しかも、過電流保護のための電流検出と電流制御のための電流検出とを共用することを特徴とするモータ制御方法。
前記電流検出は、ＤＣリンクに設けられた１つの電流センサ（５）により行われる請求項１に記載のモータ制御方法。
インバータ（３）からの出力をモータ（４）に供給してモータ（４）を駆動するとともに、インバータ（３）を制御するための電流検出機能および過電流保護機能を有するモータ制御方法であって、
ＤＣリンクから検出した電流値に基づいて過電流保護を行い、さらに、過電流保護のための電流検出結果に基づいて、モータ相電流をフィードバック制御するための電流指令の最大値を補正することを特徴とするモータ制御方法。
過電流保護のための設定値を、モータ相電流をフィードバック制御する電流制御手段の設定値と電流制御系の最大オーバーシュート電流とを加算した値に設定し、少なくともモータまたはパワーデバイスの最大電流を略過電流保護上限値に設定した請求項１、請求項２または請求項３に記載のモータ制御方法。
インバータ（３）からの出力をモータ（４）に供給してモータ（４）を駆動するとともに、インバータ（３）を制御するための電流検出機能および過電流保護機能を有するモータ制御装置であって、
モータ相電流をフィードバック制御する電流制御手段（１１）と、
電流制御手段（１１）に供給すべき電流指令の最大値を制限する電流指令制限手段（１０）と、
を含み、
過電流保護のための電流検出手段（５）と電流制御のための電流検出手段（５）とを共用していることを特徴とするモータ制御装置。
前記電流検出手段（５）は、ＤＣリンクに設けられた１つの電流センサ（５）である請求項５に記載のモータ制御装置。
インバータ（３）からの出力をモータ（４）に供給してモータ（４）を駆動するとともに、インバータ（３）を制御するための電流検出機能および過電流保護機能を有するモータ制御装置であって、
ＤＣリンクから検出した電流値に基づいて過電流保護を行う過電流保護手段（５）と、
過電流保護のための電流検出結果に基づいて、モータ相電流をフィードバック制御するための電流指令の最大値を補正する補正手段（３０）とを含むことを特徴とするモータ制御装置。
過電流保護のための設定値を、モータ相電流をフィードバック制御する電流制御手段（１１）の設定値と電流制御系の最大オーバーシュート電流とを加算した値に設定し、少なくともモータ（４）またはパワーデバイス（３）の最大電流を略過電流保護上限値に設定した請求項５、請求項６または請求項７に記載のモータ制御装置。