JP2011217504A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置検出運転モードと同期運転モードとの頻繁な切り換えを抑制し、安定してモータの回転制御を行うことを可能とする駆動装置を得ること。
【解決手段】モータ３に交流電圧を供給するインバータ回路２と、ステータに誘起される誘起電圧のゼロクロス点を検出し、ロータ３２の位置を検出するための位置検出信号を出力する位置検出回路４と、誘起電圧のゼロクロス点の検出が不安定となる回転数より大きな回転数閾値が予め設定され、モータ３の回転数が回転数閾値より大きい場合には、位置検出信号に基づいてインバータ回路２の通電相を切り換える位置検出運転を行い、モータ３の回転数が回転数閾値以下であり、且つ、誘起電圧のゼロクロス点の検出が可能である場合には、一定の通電切換時間が経過する毎にインバータ回路２の通電相を切り換える同期運転を行う制御回路５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動装置に関するものである。

例えば電気角１２０度毎に通電相を切り替えてモータを駆動する１２０度通電方式では、モータのステータに誘起される誘起電圧のゼロクロス点からロータの位置検出情報を取得して、位置検出情報に従ってマイクロコンピュータからインバータ回路に駆動信号を出力し、モータを駆動する位置検出運転モードがある。

一方、起動時にはロータの位置検出に必要な誘起電圧が得られないため、一定のタイミングで強制的に通電相を切り換える同期運転モードによりモータを駆動している。

近年、エアコンなどに用いるコンプレッサ用モータでは、省エネ性追求の要求からより低回転数領域での運転制御が求められている。しかし、モータを位置検出運転モードで駆動している状態から回転数を低下させると、誘起電圧はモータの回転数に比例して低下するため、ロータの位置検出できなくなり、モータの回転制御が不可能になる。このような不具合を解決する技術として、下記特許文献１などが存在する。

特許文献１に示された技術では、モータの回転数を低下させ極低速になった時には運転モードを位置検出運転モードから同期運転モードに切り換えて低回転数領域でのモータの運転を可能とする技術が開示されている。

特開平５−２２７７８７号公報

しかしながら、トルクリップルのあるコンプレッサなどをモータの負荷とした場合は、低回転数領域ではトルク変動によりモータの回転速度に脈動が発生し、モータの機械角の一回転の間で回転速度が変動するため、特許文献１に示された技術では、誘起電圧が検出できる場合とできない場合が生じ、位置検出運転モードと同期運転モードとを頻繁に切り換えることとなり、モータの回転制御が不安定となる、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、位置検出運転モードと同期運転モードとの頻繁な切り換えを抑制し、安定してモータの回転制御を行うことができるモータ駆動装置を得ることを目的とする。

本発明にかかるモータ駆動装置は、ロータおよびステータを有するモータを、非通電区間を有する通電方式により駆動するモータ駆動装置であって、直流電源に接続され、前記直流電源から供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記モータに供給するインバータ回路と、前記ステータに誘起される誘起電圧のゼロクロス点を検出し、前記ロータの位置を検出するための位置検出信号を出力する位置検出回路と、前記位置検出信号に基づいて前記インバータ回路の通電相を切り換える位置検出運転と、一定の通電切換時間が経過する毎に前記インバータ回路の通電相を切り換える同期運転とを、前記モータの回転数に応じて切り換えて前記インバータ回路を駆動制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記誘起電圧のゼロクロス点の検出が不安定となる回転数より大きな回転数閾値が予め設定され、前記モータの回転数が前記回転数閾値より大きい場合には、前記位置検出運転を行い、前記モータの回転数が前記回転数閾値以下である場合には、前記同期運転を行うことを特徴とする。

この発明によれば、位置検出運転モードと同期運転モードとの頻繁な切り換えを抑制し、安定してモータの回転制御を行うことが可能となる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるモータ駆動装置の一構成例を示す図である。 図２は、位置検出運転モードにおけるタイミングチャートの一例を示す図である。 図３は、同期運転モードにおけるタイミングチャートの一例を示す図である。 図４は、運転モードの切り換えの差異を示す図である。 図５は、実施の形態１にかかるモータ駆動装置の運転モード切換フローチャートの一例を示す図である。 図６は、実施の形態２にかかるモータ駆動装置の運転モード切換フローチャートの一例を示す図である。

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかるモータ駆動装置を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態にかかるモータ駆動装置の一構成例を示す図である。図１に示すように、実施の形態１にかかるモータ駆動装置は、インバータ回路２と、位置検出回路４と、制御回路５とを備え、直流電源１から直流電圧Ｖｄｃが供給され、モータ３に交流電圧を供給する。

インバータ回路２は、Ｕ相スイッチング素子２１、Ｖ相スイッチング素子２２、Ｗ相スイッチング素子２３、Ｘ相スイッチング素子２４、Ｙ相スイッチング素子２５、およびＺ相スイッチング素子２６を備え、各スイッチング素子２１，２２，２３，２４，２５，２６が３相ブリッジ接続され、制御回路５から供給される各スイッチング素子２１，２２，２３，２４，２５，２６への駆動信号により駆動される。

モータ３は、１２０度通電方式により駆動される４極モータであり、ステータ３１とロータ３２とを備えている。なお、モータ３の極数は４極に限らず、また、モータ駆動方式は、非通電区間を有する方式であれば何でもよい。

位置検出回路４は、各抵抗４１〜４６およびコンパレータ４７を備えている。各抵抗４１〜４３の一端は、ステータ３１の各相に接続され、各抵抗４１〜４３の他端間が接続されている。各抵抗４１〜４３の接続点とグランドとの間に抵抗４４が接続され、各抵抗４１〜４４の接続点がコンパレータ４７の反転入力端子に接続されている。以下、この各抵抗４１〜４４の接続点の電圧を、仮想中性点電圧という。また、直流電源１の正極側とグランドとの間に抵抗４５および抵抗４６が直列に接続され、抵抗４５および抵抗４６の接続点の電圧を基準電圧として、コンパレータ４７の非反転入力端子に供給される。この基準電圧は、仮想中性点電圧の正弦波成分のゼロクロス点（正負の変曲点）の電圧と一致するように設定される。コンパレータ４７は、仮想中性点電圧と基準電圧とを比較することにより、仮想中性点電圧のゼロクロス点（すなわち、誘起電圧のゼロクロス点）を検出し、ロータ３２の位置を検出（以下、単に「位置検出」という）するための位置検出信号を出力する。

制御回路５は、位置検出回路４から出力される位置検出信号に基づいて位置検出を行い、この位置検出結果および外部からの回転数指令信号（図示せず）に基づいて各スイッチング素子２１，２２，２３，２４，２５，２６への駆動信号を生成して出力する。

つぎに、位置検出運転モードおよび同期運転モードについて説明する。図２は、位置検出運転モードにおけるタイミングチャートの一例を示す図である。また、図３は、同期運転モードにおけるタイミングチャートの一例を示す図である。

図２（ａ）は、仮想中性点電圧を示している。図２（ａ）において、横軸は時間の経過を示し、縦軸は仮想中性点電圧値を示している。図２（ｂ）は、位置検出回路４から出力される位置検出信号に基づいて仮想中性点電圧のゼロクロス点が検出される位置検出タイミングを示し、図２（ｃ）は、位置検出運転モードにおける各相のスイッチング素子２１，２２，２３，２４，２５，２６への駆動信号を示している。

図３（ａ）は、同期運転モードにおける通電切換タイミングを示している。図３（ａ）において、横軸は時間の経過を示し、縦軸は通電切換を行うまでの時間を示している。図３（ｂ）は、同期運転モードにおける各相のスイッチング素子２１，２２，２３，２４，２５，２６への駆動信号を示している。

位置検出運転モードでは、図２に示すように、仮想中性点電圧のゼロクロス点（すなわち、誘起電圧のゼロクロス点）において通電相が切り換えられ、各相のスイッチング素子２１，２２，２３，２４，２５，２６への駆動信号が出力される。

一方、同期運転モードでは、図３に示すように、通電切換時間Ｔが経過する毎に一定のタイミングで通電相が切り換えられ、各相のスイッチング素子２１，２２，２３，２４，２５，２６への駆動信号が出力される。ここで、通電切換時間Ｔは、モータの回転数指令値から１回転あたりの時間を求め、その時間を、モータの極数および相数で決定される１回転中の通電切換回数（本実施の形態では１２回）で割った時間である。

つぎに、実施の形態１にかかるモータ駆動装置の運転モード切換の概念について説明する。位置検出運転モードでの運転中において回転数が低下すると、位置検出運転モードから同期運転モードに切り換えることにより低回転数での運転を行うことができる。しかしながら、例えば特開平５−２２７７８７号公報に示される技術では、トルクリップルのあるコンプレッサなどをモータの負荷とした場合は、低回転数領域ではトルク変動によりモータの回転速度に脈動が発生するため、誘起電圧のゼロクロス点が検出できる場合とできない場合が生じ、位置検出運転モードと同期運転モードとを頻繁に切り換えることとなり、モータの回転制御が不安定となる。したがって、実施の形態にかかるモータ駆動装置では、位置検出運転モードと同期運転モードとを切り換える回転数閾値を、誘起電圧のゼロクロス点の検出が不安定となる回転数よりも大きな値に設定する。

図４は、運転モードの切り換えの差異を示す図である。図４（ａ）は、誘起電圧が検出できなくなった時点で運転モードを位置検出運転モードから同期運転モードに切り換える場合を示し、図４（ｂ）は、位置検出運転モードと同期運転モードとを切り換える回転数閾値を、誘起電圧のゼロクロス点の検出が不安定となる回転数よりも大きな値に設定した場合を示している。

図４（ａ）に示すように、誘起電圧が検出できなくなった時点（回転数ｒ１）で運転モードを位置検出運転モードから同期運転モードに切り換える場合は、誘起電圧が検出できる場合とできない場合が生じる回転数領域（回転数ｒ１〜ｒ２）で位置検出運転モードと同期運転モードとが頻繁に切り換わることとなり、モータの回転制御が不安定となる。

したがって、実施の形態１にかかるモータ駆動装置では、、図４（ｂ）に示すように、位置検出運転モードと同期運転モードとを切り換える回転数閾値を、誘起電圧のゼロクロス点の検出が不安定となる回転数領域（回転数ｒ１〜ｒ２）よりも大きな値（回転数ｒ０）に設定することにより、回転数閾値以下では同期運転モードで運転するため、全回転数領域において安定してモータの回転制御を行うことができる。

つぎに、実施の形態１にかかるモータ駆動装置の運転モード切換動作について、図１および図５を参照して説明する。図５は、実施の形態１にかかるモータ駆動装置の運転モード切換フローチャートである。

図５において、コンプレッサを起動すると、制御回路５は、同期運転モードによりモータ３の駆動を開始する（ステップＳＴ１０１）。制御回路５は、位置検出回路４から出力される位置検出信号に基づいて、位置検出運転モードによる駆動が可能な誘起電圧が得られているか否かを判定し（ステップＳＴ１０２）、位置検出運転モードによる駆動が可能な誘起電圧となった時点で（ステップＳＴ１０２；Ｙｅｓ）、位置検出運転モードに移行する（ステップＳＴ１０３）。位置検出運転モードによる駆動が可能な誘起電圧が得られていなければ（ステップＳＴ１０２；Ｎｏ）、ステップＳＴ１０１の処理に戻り、位置検出運転モードによる駆動が可能な誘起電圧となるまでステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０２の処理を繰り返し実行する。ここで、位置検出運転モードによる駆動が可能な誘起電圧が得られているか否か（ステップＳＴ１０２）を判定する方法としては、例えばモータ３の機械角の１回転中における誘起電圧のゼロクロス点の検出回数が予め設定した検出回数閾値以上であるか否かにより判定することができる。図１に示した１２０度通電方式により駆動される４極モータである場合には、モータ３の機械角の１回転中における最大検出回数は１２回となるので、検出回数閾値は１２回以下に設定すればよい。

位置検出運転モードによる駆動を開始すると（ステップＳＴ１０３）、制御回路５は、位置検出信号に基づいて、モータ３の回転数が予め設定した回転数閾値Ｘｒｐｓよりも大きいか否かを判定する（ステップＳＴ１０４）。ここで、回転数閾値Ｘｒｐｓは、誘起電圧のゼロクロス点の検出が不安定となる回転数よりも大きな値に設定されている。

モータ３の回転数が回転数閾値Ｘｒｐｓよりも大きい場合は（ステップＳＴ１０４；Ｙｅｓ）、それまでの運転モードが位置検出運転モードである場合には、位置検出運転モードを継続し、それまでの運転モードが同期運転モードである場合には、位置検出運転モードに移行して（ステップＳＴ１０５）、ステップＳＴ１０４の処理に戻る。

モータ３の回転数が回転数閾値Ｘｒｐｓ以下であれば（ステップＳＴ１０４；Ｎｏ）、制御回路５は、それまでの運転モードが同期運転モードである場合には、同期運転モードを継続し、それまでの運転モードが位置検出運転モードである場合には、同期運転モードに移行して（ステップＳＴ１０６）、ステップＳＴ１０４の処理に戻る。

以上のように、実施の形態１にかかるモータ駆動装置によれば、モータの回転数に応じて位置検出運転モードと同期運転モードとを切り換える回転数閾値として、誘起電圧のゼロクロス点の検出が不安定となる回転数よりも大きな回転数閾値を設定したので、位置検出運転モードと同期運転モードとの頻繁な切り換えを抑制し、安定してモータの回転制御を行うことができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、モータの一回転中における誘起電圧のゼロクロス点の検出回数に応じて位置検出運転モードと同期運転モードとを切り換える検出回数閾値を設け、検出回数が検出回数閾値以上である場合には位置検出運転を行い、検出回数が検出回数閾値未満である場合には同期運転を行う。なお、実施の形態２にかかるモータ駆動装置の構成は、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を省略する。

つぎに、実施の形態２にかかるモータ駆動装置の運転モード切換動作について、図１および図６を参照して説明する。図６は、実施の形態１にかかるモータ駆動装置の運転モード切換フローチャートである。なお、実施の形態１と同一または同等の処理には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

コンプレッサを起動すると、実施の形態１と同様に、制御回路５は、ステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０３の処理を実行する。位置検出運転モードによる駆動を開始すると（ステップＳＴ１０３）、制御回路５は、位置検出信号に基づいて、モータ３の機械角の１回転中における誘起電圧のゼロクロス点の検出回数が予め設定した検出回数閾値Ｍ以上であるか否かを判定する（ステップＳＴ１０４ａ）。ここで、検出回数閾値Ｍは、モータの回転制御が不安定となる検出回数よりも大きな値に設定されている。

モータ３の機械角の１回転中における誘起電圧のゼロクロス点の検出回数が検出回数閾値Ｍ以上である場合は（ステップＳＴ１０４ａ；Ｙｅｓ）、それまでの運転モードが位置検出運転モードである場合には、位置検出運転モードを継続し、それまでの運転モードが同期運転モードである場合には、位置検出運転モードに移行して（ステップＳＴ１０５）、ステップＳＴ１０４ａの処理に戻る。

モータ３の機械角の１回転中における誘起電圧のゼロクロス点の検出回数が検出回数閾値Ｍ未満であれば（ステップＳＴ１０４ａ；Ｎｏ）、制御回路５は、それまでの運転モードが同期運転モードである場合には、同期運転モードを継続し、それまでの運転モードが位置検出運転モードである場合には、同期運転モードに移行して（ステップＳＴ１０６）、ステップＳＴ１０４ａの処理に戻る。

以上のように、実施の形態２にかかるモータ駆動装置によれば、モータの一回転中における誘起電圧のゼロクロス点の検出回数に応じて位置検出運転モードと同期運転モードとを切り換える検出回数閾値として、モータの回転制御が不安定となる検出回数よりも大きな検出回数閾値を設定したので、実施の形態１と同様に、位置検出運転モードと同期運転モードとの頻繁な切り換えを抑制し、安定してモータの回転制御を行うことができる。

なお、上述した実施の形態では、モータの回転数に応じて位置検出運転モードと同期運転モードとを切り換える回転数閾値を設ける例と、モータの一回転中における誘起電圧のゼロクロス点の検出回数に応じて位置検出運転モードと同期運転モードとを切り換える検出回数閾値を設ける例とを、それぞれ異なる実施例として説明したが、これら２つの実施例に示した回転数閾値と検出回数閾値とを、同時に設けるようにしてもよい。つまり、モータの回転数が回転数閾値よりも大きいか、あるいはモータの機械角の１回転中における誘起電圧のゼロクロス点の検出回数が検出回数閾値以上である場合には位置検出運転を行い、モータの回転数が回転数閾値以下であるか、あるいはモータの機械角の１回転中における誘起電圧のゼロクロス点の検出回数が検出回数閾値未満である場合には同期運転を行うように制御することも可能である。このように制御することにより、より確実に位置検出運転モードと同期運転モードとの頻繁な切り換えを抑制することができ、モータの回転制御をさらに安定させることができる。

また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかるモータ駆動装置は、位置検出運転モードと同期運転モードとの頻繁な切り換えを抑制し、安定してモータの回転制御を行うことができる発明として有用である。

１ 直流電源
２ インバータ回路
３ モータ
４ 位置検出回路
５ 制御回路
２１ Ｕ相スイッチング素子
２２ Ｖ相スイッチング素子
２３ Ｗ相スイッチング素子
２４ Ｘ相スイッチング素子
２５ Ｙ相スイッチング素子
２６ Ｚ相スイッチング素子
３１ ステータ
３２ ロータ
４１，４２，４３，４４，４５，４６ 抵抗
４７ コンパレータ

Claims (3)

1. ロータおよびステータを有するモータを、非通電区間を有する通電方式により駆動するモータ駆動装置であって、
   直流電源に接続され、前記直流電源から供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記モータに供給するインバータ回路と、
   前記ステータに誘起される誘起電圧のゼロクロス点を検出し、前記ロータの位置を検出するための位置検出信号を出力する位置検出回路と、
   前記位置検出信号に基づいて前記インバータ回路の通電相を切り換える位置検出運転と、一定の通電切換時間が経過する毎に前記インバータ回路の通電相を切り換える同期運転とを、前記モータの回転数に応じて切り換えて前記インバータ回路を駆動制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記誘起電圧のゼロクロス点の検出が不安定となる回転数より大きな回転数閾値が予め設定され、前記モータの回転数が前記回転数閾値より大きい場合には、前記位置検出運転を行い、前記モータの回転数が前記回転数閾値以下である場合には、前記同期運転を行う
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
2. ロータおよびステータを有するモータを、非通電区間を有する通電方式により駆動するモータ駆動装置であって、
   直流電源に接続され、前記直流電源から供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記モータに供給するインバータ回路と、
   前記ステータに誘起される誘起電圧のゼロクロス点を検出し、前記ロータの位置を検出するための位置検出信号を出力する位置検出回路と、
   前記位置検出信号に基づいて前記インバータ回路の通電相を切り換える位置検出運転と、一定の通電切換時間が経過する毎に前記インバータ回路の通電相を切り換える同期運転とを、前記モータの機械角の１回転中における前記誘起電圧のゼロクロス点の検出回数に応じて切り換えて前記インバータ回路を駆動制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記モータの回転制御が不安定となる検出回数よりも大きな検出回数閾値が予め設定され、前記モータの機械角の１回転中における前記誘起電圧のゼロクロス点の検出回数が前記回転数閾値より大きい場合には、前記位置検出運転を行い、前記モータの機械角の１回転中における前記誘起電圧のゼロクロス点の検出回数が前記回転数閾値以下である場合には、前記同期運転を行う
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
3. ロータおよびステータを有するモータを、非通電区間を有する通電方式により駆動するモータ駆動装置であって、
   直流電源に接続され、前記直流電源から供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記モータに供給するインバータ回路と、
   前記ステータに誘起される誘起電圧のゼロクロス点を検出し、前記ロータの位置を検出するための位置検出信号を出力する位置検出回路と、
   前記位置検出信号に基づいて前記インバータ回路の通電相を切り換える位置検出運転と、一定の通電切換時間が経過する毎に前記インバータ回路の通電相を切り換える同期運転とを、前記モータの回転数および前記モータの機械角の１回転中における前記誘起電圧のゼロクロス点の検出回数に応じて切り換えて前記インバータ回路を駆動制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記誘起電圧のゼロクロス点の検出が不安定となる回転数より大きな回転数閾値および前記モータの回転制御が不安定となる検出回数よりも大きな検出回数閾値が予め設定され、前記モータの回転数が前記回転数閾値より大きいか、あるいは前記モータの機械角の１回転中における前記誘起電圧のゼロクロス点の検出回数が前記回転数閾値より大きい場合には、前記位置検出運転を行い、前記モータの回転数が前記回転数閾値以下であるか、あるいは前記モータの機械角の１回転中における前記誘起電圧のゼロクロス点の検出回数が前記回転数閾値以下である場合には、前記同期運転を行う
   ことを特徴とするモータ駆動装置。

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