JP2012239340A

JP2012239340A - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP2012239340A
Application number: JP2011108023A
Authority: JP
Inventors: Yuji Shiragami; 雄志白神
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-12-06

Abstract

【課題】高速で逆回転しているモータを起動した時でも、モータの電流を許容値以下に抑制してインバータやモータを過電流から保護する。
【解決手段】インバータ２０を制御する制御手段と、直流母線４１を流れる電流を検出する電流検出器６１と、直流母線４１に流れる電流の制限値として、第１の電流制限値とこれよりも大きい第２の電流制限値とを保持する電流制限保持部７２と、モータ３０の起動時に第１の電流制限値を設定し、モータ３０の回転速度・回転方向・位置を推定した後に第２の電流制限値を設定する電流制限判断部７３と、を備え、制御手段は、モータ３０の起動時に、直流母線４１の電流が第１の電流制限値を超えないようにインバータ２０を制御し、かつ、モータ３０を起動した後の通常運転時には、直流母線４１の電流が第２の電流制限値を超えないようにインバータ２０を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファンフィルタユニット（ＦＦＵ）やエアコン室外機、チラーユニット等に用いられるファンモータをインバータにより駆動するモータ駆動装置に関し、詳しくは、モータを流れる電流を所定値に制限する機能を備えたモータ駆動装置に関するものである。

図１０は、この種の電流制限機能を備えた従来のモータ駆動装置を示している。図１０の主回路において、１０は直流母線４１に接続された平滑コンデンサ、２０は半導体スイッチング素子を三相ブリッジ接続してなるインバータ（三相電圧形インバータ）、３０は永久磁石形同期モータ（ブラシレスＤＣモータ）等のファンモータ、４０は直流母線４１に流れる直流電流を検出する電流検出抵抗である。
また、５０は電流検出回路５１、演算回路５２及び駆動回路５３からなる制御回路であり、演算回路５２は、電流値演算部５２１、電流制限保持部５２３、電流制限判断部５２４及びＰＷＭ演算部５２５から構成されている。

この従来技術では、電流検出回路５１により検出した直流母線４１の直流電流から、電流値演算部５２１がモータ３０の各相を流れる電流（有効電流）を演算する。ここで、有効電流の演算方法は、例えば、後述の数式１に示す通りである。
電流制限判断部５２４では、電流制限保持部５２３に予め保持されている電流制限値と前記有効電流とを比較し、有効電流が電流制限値を超えている場合には、インバータ２０の運転を停止させる指令をＰＷＭ演算部５２５に送って駆動回路５３によりインバータ２０の運転を停止させ、インバータ２０やモータ３０を過電流から保護する。その後、有効電流が電流制限値以下になると、ＰＷＭ演算部５２５による通常の動作を行わせてインバータ２０の運転を再開している。

図１０の従来技術では、上述した動作により、モータ３０を流れる電流が電流制限値以下になるように制御している。なお、電流制限保持部５２３はＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去・書換可能な不揮発性メモリ）によって構成されており、このＥＥＰＲＯＭに電流制限値が予め記憶されている。

また、図１１は、特許文献１に記載された従来技術を示すブロック図であり、図１０と同一のものには同一の番号を付してある。
図１１において、６１は図１０の電流検出抵抗４０及び電流検出回路５１に相当する電流検出器であり、その電流検出値に含まれる高周波成分はローパスフィルタ６２により除去されて直流電流（平均値）Ｉ_ｄｃが演算される。この直流電流Ｉ_ｄｃは有効電流演算器６３に入力され、インバータ２０の直流電圧検出値Ｅ_ｄｃ及び出力電圧の振幅指令値Ｖ^＊を用いた数式１の演算により、有効電流ｉ_δが求められる。
[数式１]
ｉ_δ＝√２・Ｉ_ｄｃ・Ｅ_ｄｃ／（３・Ｖ^＊）

上記の有効電流ｉ_δはハイパスフィルタ６４を通ることにより直流成分が除去されて変動成分Δｉ_δのみとなり、この変動成分Δｉ_δに比例演算器６５にて所定のゲインを乗じることで周波数補正量Δｆ^＊が求められる。

一方、周波数指令器６６からの周波数指令値ｆ^＊と周波数補正量Δｆ^＊との偏差が加減算器６８により算出され、この偏差を積分器６９により積分することでインバータ２０の出力電圧の位相θが演算される。
パルス幅変調器７０は、図１０におけるＰＷＭ演算部５２５及び駆動回路５３と同等の機能を有しており、ｆ／Ｖ変換器６７から出力される振幅指令値Ｖ^＊と前記位相θとに基づきＰＷＭ演算を行ってインバータ２０の半導体スイッチング素子に対する駆動信号を生成する。
この従来技術では、上述した制御により、交流電流検出器や位置検出器を用いずに安定したＶ／ｆ一定制御を可能にしている。

特開２００５−２１８２７３号公報（段落[００１２]〜[００１７]、図１等）

図１０や図１１に示したモータ駆動装置を空調用途のファンモータに適用する場合、インバータ２０により駆動されていなくても自然風や他のファンモータからの送風によってモータが逆回転することがある。
このように逆回転しているモータを起動する場合には、モータの回転速度・回転方向・位置（回転子の電気角）を予め検出した上でインバータ２０を制御する必要があるが、その検出時に、直流母線４１に流れる直流電流以外に、インバータ２０を介して還流電流が流れる。

通常、交流電流検出器（変流器）を用いたりモータの各相にシャント抵抗を接続すれば、還流電流を検出することができ、この還流電流を加味して電流制限を行うことが可能であるため、自然風等によるモータの逆回転状態からの起動時に電流制限保護を行うことができる。
しかし、前述した従来技術では、直流母線を流れる電流は検出できても、インバータ２０とモータ３０との間の還流電流を検出することができない。このため、高速で逆回転しているモータ３０を起動する場合に許容値以上の電流が流れることがあり、これによってインバータ２０のスイッチング素子が破損したり、モータ３０を減磁させる等の問題を生じていた。

そこで、本発明の解決課題は、モータが高速で逆回転している場合でも、モータを流れる電流を許容値以下に抑制してインバータやモータを保護するようにしたモータ駆動装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、インバータによりモータを駆動するモータ駆動装置において、
前記インバータの半導体スイッチング素子をオン・オフ制御する制御手段と、
前記インバータの直流母線を流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記直流母線に流れる電流の制限値として、第１の電流制限値と、この第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値と、を保持する電流制限保持手段と、
前記モータの起動時に第１の電流制限値を設定し、前記モータの回転速度・回転方向・位置を推定した後に第２の電流制限値を設定する電流制限判断手段と、を備え、
前記制御手段は、前記モータの起動時に、前記直流母線を流れる電流が第１の電流制限値を超えないように前記インバータの半導体スイッチング素子を制御し、かつ、前記モータを起動した後の通常運転時には、前記直流母線を流れる電流が第２の電流制限値を超えないように前記インバータの半導体スイッチング素子を制御するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載したモータ駆動装置において、前記電流制限判断手段が、前記直流母線に流れる電流から抽出した有効電流に基づいて前記モータの回転速度・回転方向・位置を推定するものである。

本発明によれば、モータが高速で逆回転している起動時には第１の電流制限値による電流制限が働き、起動後の通常時には第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値による電流制限が働くため、いずれの場合もモータの電流を許容値以下に抑えてモータやインバータを保護することができる。
これらの電流制限機能は、特許文献１に記載された制御回路を基本として特別なハードウェアを追加することなく、主としてソフトウェアの改良により低コストにて実現可能である。

本発明の実施形態を示すブロック図である。実施形態の動作を示すフローチャートである。モータの正転時及び逆転時における無負荷誘起電圧の波形図である。インバータのＵ相下アームをオン、オフした際に流れる電流の説明図である。Ｕ相下アームのオン、オフ操作に伴う電流波形の説明図である。図１におけるローパスフィルタの出力信号の処理タイミングを示す図である。モータの回転方向に応じた各相の無負荷誘起電圧と、各相下アームのスイッチング素子をオン、オフ操作したときの電流値との関係を示す波形図である。図７の一部に相当する通流開始点の説明図である。回転方向の推定動作の説明図である。従来技術を示すブロック図である。従来技術を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態を示す回路図であり、図１１と同一の部分には同一の番号を付してある。なお、この実施形態は、図１１と同様にインバータ２０をＶ／ｆ一定制御するものであるが、本発明は、いわゆるセンサレスベクトル制御等によりインバータ２０を制御する場合にも適用可能である。
以下では、図１を参照しつつ図１１との相違点を中心に説明する。

図１において、７１はモータ３０が起動されたか否かを判断するモータ起動判断部であり、その出力は電流制限判断部７３に送られている。また、７２はモータ起動時の電流制限値（第１の電流制限値）と通常時の電流制限値（第２の電流制限値）とが記憶された電流制限保持部であり、ＥＥＰＲＯＭやＲＯＭによって構成されている。

電流制限保持部７２に予め記憶されている二種類の電流制限値は、駆動対象であるモータ３０の定格に応じて設定されるものであり、起動時の電流制限値は通常時の電流制限値よりも小さくする必要があるが、例えば、通常時の電流制限値をモータ定格電流（実効値）の２５０％とした場合、起動時の電流制限値をモータ定格電流の２００％または１５０％とすればよい。

次に、電流制限判断部７３の動作を図２に従って説明する。
モータ駆動装置の電源が投入されると、電流制限判断部７３は、まず起動時の電流制限値を電流制限保持部７２から読み出してメモリに設定する（図２のステップＳ１）。次に、モータ起動判断部７１の出力から、運転指令が有るか否かを判断する（同Ｓ２）。
そして、運転指令が有ると（同Ｓ２Ｙｅｓ）、モータ３０の回転速度・回転方向・位置（回転子の電気角）を推定する（同Ｓ３）。

ここで、モータ３０の回転速度・回転方向・位置は以下のようにして推定する。
まず、図３は、モータの回転方向に応じた回転子電気角と各相の無負荷誘起電圧との関係を示している。回転方向は、誘起電圧の相順がＵ→Ｖ→Ｗとなる方向を正転とし、回転子電気角はＵ相誘起電圧が正転時にゼロクロスする点を０°とする。

いま、インバータ３０の一相の下アームのスイッチング素子をオンし、その後にオフした場合のモータ電流の挙動について考える。
例えば、無負荷誘起電圧が最も低い相がＵ相でない場合にＵ相下アームをオンすると、モータの電流は、図４（ａ）に示すようにＵ相及びＶ相（またはＵ相及びＷ相）に流れる。次に、Ｕ相下アームをオフすると、その直後の電流は、図４（ｂ）に示すように直流中間回路を介して流れるので、図１の電流検出器６１に直流電流Ｉ_ｄｃが流れる。
図５は、上述したＵ相下アームのオン・オフ操作に伴う電流波形を示している。

なお、電流検出器６１の出力から直流電流Ｉ_ｄｃを検出する場合、図６（ａ）に示されるローパスフィルタ６２による信号の立ち上がりの遅れや、有効電流演算器６３内に設けられたＡ／Ｄ変換器６３ａによる変換時間を考慮する必要がある。このため、図６（ｂ）に示すように、Ｕ相下アームをオフしてから所定時間Δｔ経過した時点におけるローパスフィルタ出力Ｉ_ｄｃ’のＡ／Ｄ変換後の電流値Ｉ_ｍａｘを取り込んで、有効電流の演算に用いることが望ましい。

図７は、モータの回転方向に応じた各相の無負荷誘起電圧と、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の下アームのスイッチング素子を前述のようにオン・オフ操作したときの電流値Ｉ_ｍａｘとの関係を示しており、図７（ａ）は正転時、図７（ｂ）は逆転時の波形図である。
この図から明らかなように、モータの回転方向及び下アームをオン・オフ操作する相に応じてＩ_ｍａｘが通流を開始する電気角（通流開始点という）が異なる。そこで、この挙動を利用してモータ３０の回転速度・回転方向・位置を推定する。

図８は、図７の一部に相当する通流開始点の説明図であり、図８（ａ）はＵ相下アームをオン・オフ操作したとき正転時の波形図、図８(ｂ) はＵ相下アームをオン・オフ操作したとき逆転時の波形図である。
これらの図から、正転、逆転で二通りの可能性があるため、後述する方法で回転方向を判別できれば、一相の下アームをオン・オフ操作したときの通流開始点から回転子位置を推定することができ、例えばＵ相については、正転時が１５０°、逆転時が２１０°であることが判明する。
また、モータの回転速度は、同一相の下アームのオン・オフ操作を継続し、通流開始点を２回検出することで推定可能である。つまり、通流開始点は電気角一周期内に１箇所であるから、モータの回転方向に関わらず、２回の通流開始点の検出に要した時間から回転速度を推定することができる。

更に、回転方向の推定は以下のようにして行う。
すなわち、前述した方法で回転速度を推定できれば、Ｕ相の通流開始点を検出した直後に、オン・オフ操作する相をＶ相に切り替えてＶ相操作時の通流開始点を検出し、これら二つの通流開始点の検出に要した時間と、先に推定した速度とから、二つの通流開始点の間の電気角の差を求める。
図９（ａ）に示すように、二つの通流開始点の差が１２０°であれば回転方向は正転、図９（ｂ）に示すように、二つの通流開始点の差が２４０°であれば逆転、と推定することができる。
こうして回転方向が分かれば、通流開始点の電気角を特定することができ、モータ起動時のプリセット値として用いる回転子の電気角は、最後の通流開始点を基準にすればよい。

以上のようにしてモータ３０の速度・回転方向・位置を推定したら、これらの情報に基いてパルス幅変調器７０を動作させ、インバータ２０によりモータ３０を実際に起動する。
従って、モータ３０の起動時には第１の電流制限値による電流制限機能が働いており、モータ３０が自然風などにより高速で逆回転していて、モータ３０の起動時に還流電流が流れる場合には、図１の電流検出器６１、ローパスフィルタ６２、有効電流演算器６３により検出した有効電流が第１の電流制限値を超えると、パルス幅変調器７０によりインバータ２０の運転を停止させてインバータ２０及びモータ３０を過電流から保護することができる。

モータ３０の起動後に、電流制限判断部７３は、通常時の電流制限値、すなわち第２の電流制限値を電流制限保持部７２から読み出してメモリに設定する（図２のステップＳ３Ｙｅｓ, 同Ｓ４）。これにより、通常時には、第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値を用いた電流制限動作によってインバータ２０及びモータ３０が保護される。
その後、モータ３０の運転を継続している間は通常時の電流制限値を維持し（図２のステップＳ５Ｎｏ）、モータ３０の運転を停止したら、ステップＳ１以降の動作を実行する（図２のステップＳ５Ｙｅｓ）。

以上のように、この実施形態によれば、モータ３０の起動時には通常時よりも小さい電流制限値による電流制限機能が働くので、仮にモータ３０が高速で逆回転していてもモータ３０の電流を許容値以下に制限してインバータ２０及びモータ３０を過電流から保護することができる。

１０：平滑コンデンサ
２０：三相電圧形インバータ
３０：モータ
４１：直流母線
６１：電流検出器
６２：ローパスフィルタ
６３：有効電流演算器
６３ａ：Ａ／Ｄ変換器
６４：ハイパスフィルタ
６５：比例演算器
６６：周波数指令器
６７：ｆ／Ｖ変換器
６８：加減算器
６９：積分器
７０：パルス幅変調器
７１：モータ起動判断部
７２：電流制限保持部
７３：電流制限判断部

Claims

インバータによりモータを駆動するモータ駆動装置において、
前記インバータの半導体スイッチング素子をオン・オフ制御する制御手段と、
前記インバータの直流母線を流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記直流母線に流れる電流の制限値として、第１の電流制限値と、この第１の電流制限値よりも大きい第２の電流制限値と、を保持する電流制限保持手段と、
前記モータの起動時に第１の電流制限値を設定し、前記モータの回転速度・回転方向・位置を推定した後に第２の電流制限値を設定する電流制限判断手段と、を備え、
前記制御手段は、前記モータの起動時に、前記直流母線を流れる電流が第１の電流制限値を超えないように前記インバータの半導体スイッチング素子を制御し、かつ、前記モータを起動した後の通常運転時には、前記直流母線を流れる電流が第２の電流制限値を超えないように前記インバータの半導体スイッチング素子を制御することを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１に記載したモータ駆動装置において、
前記電流制限判断手段は、前記直流母線に流れる電流から抽出した有効電流に基づいて前記モータの回転速度・回転方向・位置を推定することを特徴とするモータ駆動装置。