JP2013146190A - 電動機制御方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周期的負荷に対して電動機の回転速度変動を抑制するとき、回生電力の活用により省電力化を達成する。
【解決手段】交流電源１をコンバータ２に供給して直流電源を得、平滑用コンデンサ３で平滑化し、インバータ４により交流電源化して電動機５に供給する。電動機５は周期的な負荷変動を呈する圧縮機６を駆動する。コンバータ２の出力端子間に回生抵抗７を接続している。周期的負荷変動に伴って回転速度変動を削減するために部分的に回生動作を行う場合には、１回転平均における電力の流れはインバータ４から電動機５の向きであって、回生によりＤＣ電圧が上がり続けるということはない。このため、平滑コンデンサ３の容量を適当に選ぶことによって、回生抵抗７によるエネルギー消費なしにインバータ運転しつづけることが可能である。
【選択図】図７

Description

この発明は、周期性負荷を駆動する電動機を、回転速度変動を抑制するように制御するための方法およびその装置に関する。

従来から、周期性負荷を駆動する電動機を、回転速度変動を抑制するように制御するための方法として、負荷トルク変動による速度変動を打ち消すように電圧、電流を繰り返し制御する方法が提案されている。

特開平１−２１８３８０号公報 特開平１−１３３５８５号公報 特開２００１−３７２８１号公報 特開平１１−５５９８６号公報 特開平８−２２３９９３号公報 特開平１１−１８４３６号公報

しかし、この方法を採用した場合において、忠実性を高めると高次調波で不安定になり、逆に忠実性が低ければ位相ずれを生じてしまうという不都合がある。

また、忠実性を高めると電流が大きくなりすぎ、パワーデバイスや電動機として大容量のものを用いなければならなくなり、ひいてはコストアップを招いてしまうという不都合もある。

さらに、電動機のロータ位置を、ロータリーエンコーダなどを用いることなく、電圧、電流の検出値および電動機の機器定数から検出することも提案されているが、機器定数としては設計値をそのまま使用するか、または生産時に調整された値を使用することになるので、前者の場合にはばらつきにより運転できないエリアが発生するという不都合、後者の場合にはコストアップを招いてしまうという不都合を生じることになる。

特に、負荷トルク変動に起因する速度変動を打ち消すように電圧、電流を制御する場合には、電動機のロータ位置を検出する処理が発散してしまう可能性があるという不都合もある。

この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、負荷トルク変動に起因する速度変動を抑制するように電圧、電流を制御するに当たって、安定性を高めることができるとともに、コストダウンを達成することができる電動機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。

この発明にかかる電動機制御方法の第１の態様は、周期的負荷に対して電動機の回転速度変動を抑制するようにインバータから電動機に印加する電圧または電流を制御する電動機制御方法において、前記インバータは部分的にマイナストルク出力を行い、この際回生された電力を再度モータ駆動に利用する方法である。

この発明にかかる電動機制御方法の第２の態様は、前記出力電圧のデッドタイム補償をさらに行う方法である。

この発明にかかる電動機制御装置の第１の態様は、周期的負荷に対して電動機の回転速度変動を抑制するようにインバータから電動機に印加する電圧または電流を制御する電動機制御装置において、前記インバータとして、部分的にマイナストルク出力を行い、この際回生された電力を再度モータ駆動に利用するものを採用するものである。

この発明にかかる電動機制御装置の第２の態様は、前記インバータとして、前記出力電圧のデッドタイム補償をさらに行うものを採用するものである。

この発明にかかる電動機制御方法の第１の態様であれば、周期的負荷に対して電動機の回転速度変動を抑制するようにインバータから電動機に印加する電圧または電流を制御するに当たって、前記インバータは部分的にマイナストルク出力を行い、この際回生された電力を再度モータ駆動に利用するのであるから、１回転平均における電力の流れがインバータから電動機に向かう方向となり、回生により直流電圧が上がりつづけることはないので、回生電力の活用により省電力化を達成することができる。

この発明にかかる電動機制御方法の第２の態様であれば、前記出力電圧のデッドタイム補償をさらに行うのであるから、デッドタイムによる電圧の変化を抑制することができるほか、その第１の態様と同様の効果を達成することができる。

この発明にかかる電動機制御装置の第１の態様であれば、周期的負荷に対して電動機の回転速度変動を抑制するようにインバータから電動機に印加する電圧または電流を制御するに当たって、前記インバータによって、部分的にマイナストルク出力を行い、この際回生された電力を再度モータ駆動に利用することができる。

したがって、１回転平均における電力の流れがインバータから電動機に向かう方向となり、回生により直流電圧が上がりつづけることはないので、回生電力の活用により省電力化を達成することができる。

この発明にかかる電動機制御装置の第２の態様であれば、前記インバータとして、前記出力電圧のデッドタイム補償をさらに行うものを採用するのであるから、デッドタイムによる電圧の変化を抑制することができるほか、その第１の態様と同様の効果を達成することができる。

さらに説明する。

近年の、ロータリーエンコーダなどを用いることなくロータ位置を検出するロータ位置検出方式では緻密な角度出力が可能であることから、モータの角速度変動を計算することが可能になり、このことを利用して、
１．角加速度をフイードバックして速度変動を抑えることで、より緻密な制御を可能にすることができ、
２．基本波成分を抽出した後ゲイン無限大でフイードバックすることにより、安定性を高めることができ、
３．高負荷時に制振制御を弱めることで電流ピークを削減し、モータインバータのコストダウンを達成することができ、
４．角加速度変動は負荷トルク変動と同じ位相を持つことを考慮して、ゲインが有限であっても位相誤差を０にすることができ、
これらの知見に基づいて本発明を完成させることができた。

この発明の電動機制御装置の一実施態様を示すブロック図である。 各部波形を示す図である。 位置検出部の一例を示すブロック図である。 この発明の電動機制御装置の他の実施態様を示すブロック図である。 圧縮機１回転中の圧縮機負荷変動の変化を示す図である。 圧縮機の代表的トルク波形を説明する図である。 この発明の電動機制御装置のさらに他の実施態様の要部を示す電気回路図である。 マイナストルク出力時の波形を示す図である。 インバータの詳細構成を示す図である。 この発明の電動機制御装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。 クリップ前後の電流指令を示す図である。 この発明の電動機制御装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。 図３の位置検出部１２においてモータ５のｑ軸インダクタンスＬｑが位置検出部１２に設定されたＬｑよりも１０％だけ小さい場合の角度誤差推移を表す図である。 位置検出部を用いて１回転毎に繰り返しトルク変動のある圧縮機を負荷変動に合わせて出力トルクを振りながら駆動した場合の各部の概略波形を示す図である。 この発明の電動機制御装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して、この発明の電動機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１はこの発明の電動機制御装置の一実施態様を示すブロック図である。

この電動機制御装置は、交流電源１をコンバータ２に供給して直流電源を得、平滑用コンデンサ３で平滑化し、インバータ４により交流電源化して電動機５に供給している。そして、この電動機（モータ）５により圧縮機６を駆動するようにしている。

また、電動機５に供給される電圧、および電流を電圧検出部１１ａ、電流検出部１１ｂにより検出し、位置検出部１２に供給する。この位置検出部１２から出力される角速度を微分器１３に供給して角加速度を出力し、基本波成分抽出部１４によって角加速度の基本波成分を抽出し、振幅調整部１５に供給する。そして、減算部１６によって、平均電流指令から振幅調整部１５の出力を減算し、この減算結果、電流検出値、および位置検出部１２からのロータ位置を電流制御部１７に供給して電流制御演算を行い、電流指令をインバータ４に供給する。

前記圧縮機６は、１回転に１回または２回程度の周期負荷変動を有するものである。

前記位置検出部１２は、電動機５の電圧・電流および磁石磁束やｄ軸及びｑ軸インダクタンス（Ｌｄ、Ｌｑ）等の機器定数を用いて、ロータの回転位置、回転角速度を算出するものである。

前記微分器１３は角速度を微分して角加速度を算出するものである。

前記基本波成分抽出部１４は角加速度の基本波成分を抽出するものである。したがって、基本波成分抽出部１４の出力としては、圧縮機６の負荷変動が電動機１回転に１度の場合には電動機回転数と同じ周波数の角加速度変動が、１回転に２度の場合には電動機回転数の倍の周波数の角加速度変動が抽出出力される。

前記振幅調整部１５は、角加速度の基本波成分を増幅し出力するものである。ここで、振幅調整部１５においては、通常基本波成分の振幅を積分するなどにより増幅度を無限大に設定してある。

図２に示す各部波形を参照してさらに説明する。なお、図２中（Ａ）は１シリンダ圧縮機の軸トルクを、図２中（Ｂ）は平均トルクで駆動した場合の電動機角速度を、図２中（Ｃ）は電動機角加速度を、図２中（Ｄ）は図１の制御を行った場合の電動機出力トルクを、それぞれ示している。また、これらの図において、横軸は、ロータの回転角度（機械角）である。

平均トルク｛図２中（Ａ）（Ｄ）の破線参照｝で駆動した場合、平均トルクよりも圧縮機の軸トルクが大きな場合には減速し、逆に圧縮機の軸トルクが小さな場合には加速する。このため角加速度はおおむね圧縮トルクを上下逆にしたような形になり、角加速度の基本波成分は図２中（Ｃ）に示したようになる。そこで、電動機の出力トルクを角加速度の基本波成分と逆相になるように変動させることによって、速度変動の基本波成分を削減できる。ここで、図２中（Ｄ）に破線で示したように電動機出力トルクとして速度変動の基本波成分を打ち消すのに十分な振幅が得られていない湯合には、角加速度の基本波成分が依然として残るため振幅調整部においてさらに大きな振幅が出力されるように調整され、結局角加速度の基本波成分が０になる振幅で安定化する。

また、何らかの遅れなどによって出力トルクの位相と角加速度の位相が若干ずれている場合においても、圧縮機軸トルクと電動機出力トルクとの残差トルクによる角加速度の基本波成分を検出し、これを打ち消すように制御されるので、最終的には角加速度の基本波成分は０に制御される。

このような制御により、速度変動の基本波数成分を削減できることから振動を効果的に削減できる。

図１の実施態様においては電流指令に基本波成分を重畳しているが、前述したように若干の位相ずれなどはフイードバック制御により無視できるため、電流制御を持たない制御などでは電圧指令に直接基本波成分を重畳することも可能である。また、内部的にトルク指令を持つ制御の場合にはトルク指令に基本波成分を重畳することが有効であることは言うまでもない。

この制御によれば基本波成分のみを削減するため制御遅れ等の影響を受けにくく、従来知られている繰り返し制御などに比して安定な制御が実現可能である。また、圧縮機等を駆動する場合には基本波成分の削減のみで十分な制振効果が得られる。

さらに、上記の説明では基本波成分のみを対象にしたが、基本波成分に加えて２次など高次の角加速度成分を抽出し、トルク変動を打ち消すように制御してもよいことは明らかである。しかし、この場合には、制御が複雑になること、発散の可能性が高まることというデメリットを有する反面、制振性はさほど高まらないことから、要求仕様とのトレードオフで制御対象とすべき高次成分を選択する必要がある。

図３は位置検出部の一例を示すブロック図であり、３相分の検出電圧を入力として２相電圧に変換する第１変換部１２１と、３相分の検出電流を入力として２相電流に変換する第２変換部１２２と、巻線抵抗Ｒによる電圧降下を算出する電圧降下算出部１２３と、２相電圧から算出された電圧降下を減算する第１減算部１２４と、第１減算部１２４による減算結果を積分する積分部１２５と、ｑ軸インダクタンスＬｑによる磁束を算出する磁束算出部１２６と、積分結果から算出された磁束を減算する第２減算部１２７と、第２減算部１２７による減算結果からロータ位置を算出するロータ位置算出部１２８と、ロータ位置を微分して角速度を算出する微分部１２９とを有している。

ただし、他の構成の位置検出部を採用することも可能である。

図４はこの発明の電動機制御装置の他の実施態様を示すブロック図である。

この電動機制御装置が図１の電動機制御装置と異なる点は、減算部１６に変えて加算部１６′を採用した点、および振幅調整部１５と加算部１６′との間に波形発生部１８を介在させた点のみである。

前記波形発生部１８は、圧縮機の各吐出圧力、吸入圧力におけるトルク波形とその基本波の位相とが予め設定されており、瞬時毎の吐出圧力、吸入圧力、および振幅調整部１５からの基本波成分の波形を元に、出力波形の基本波成分の位相が振幅調整部１５からの位相を反転した位相、出力波形の基本波成分の振幅が振幅調整部１５からの振幅となるようにトルク波形を出力するものである。これは、例えば波形発生部１８において各波形ごとに基本波成分の位相、振幅が同じになる形で保持し、入力された位相、振幅にあわせて増幅しながら読み出すことで容易に実現できる。

図５は圧縮機１回転中の圧縮機負荷変動の変化を示す図であり、図５中（Ａ）は吸入圧力が低く内部の圧力が上がりにくい場合のトルク変化を、図５中（Ｂ）は吸入圧力が高く内部の圧力が急峻に上昇する場合のトルク変化を、それぞれ示しており、何れも吐出圧力はほぼ同じとした場合を模式的に表している。

吸入圧力、吐出圧力は、空気調和機に用いられる圧縮機の場合には凝縮温度、蒸発温度により予測できるため、これらを用いて出力トルクパターンを制御することでより緻密な制御が可能となる。

ただし、この場合には、必要な波形データの量が膨大になる。この不都合を解消させる場合には、例えば、図６に示すように、圧縮機の代表的トルク波形を、図５中（Ａ）（Ｂ）のような波形の各ポイントでの平均として求めることによってデータ量を低減することができ、しかも吐出圧力、吸入圧力の入力を不要にして構成を簡単化することができる。

図７はこの発明の電動機制御装置のさらに他の実施態様の要部を示す電気回路図である。

この電動機制御装置は、交流電源１をコンバータ２に供給して直流電源を得、平滑用コンデンサ３で平滑化し、インバータ４により交流電源化して電動機５に供給している。そして、この電動機５により圧縮機６を駆動するようにしている。また、コンバータ２の出力端子間に回生抵抗７を接続している。

また、電動機５に供給される電圧、電流および電流指令を入力として電圧指令を生成し、インバータ４に供給する制御部２０を有している。

前記回生抵抗７は著しく大きい抵抗値を有するものであり、前記制御部２０は、例えば、図１、図４に示す構成を有するものである。

通常、回生が発生する可能性のあるインバータにおいては、電動機から回生されてきた電力によりＤＣ電圧が過電圧となって、コンデンサやインバータ素子が破壊されないように回生抵抗を設け、回生電力を消費してしまう構成が採用されている。また、省エネルギー化のために回生抵抗に直列にスイッチを設け、回生動作時のみ回生抵抗を接続する構成が採用されることもある。

一方、周期的負荷変動に伴って回転速度変動を削減するために部分的に回生動作を行う場合には、１回転平均における電力の流れはインバータから電動機の向きであって、回生によりＤＣ電圧が上がり続けるということはない。このため、インバータ入力に設けられるコンデンサの容量を適当に選ぶことによって、回生抵抗によるエネルギー消費なしにインバータ運転しつづけることが可能である。そこで、回生抵抗７を極めて大きく（消費エネルギーは著しく小さくなるように）選ぶかもしくは回生抵抗を設けないことで、回生された電力を再び電動機駆動に用い、省電力化を達成することが可能となる。

図８はマイナストルク出力時の波形を示す図であり、デッドタイム補正を行わない場合の電流指令｛図８中（Ａ）参照｝と出力電流｛図８中（Ｂ）参照｝とを示している。図８では誘起電圧ベクトルの向きと同じ向きであるｑ軸方向に軸をとった回転座標系上での電流（ｑ軸電流）を示している。電流指令を図８中（Ａ）とするとデッドタイム補正がない場合には電流指令が小さくなるに伴って、デッドタイムの影響で電圧がかからなくなり、電流０の近辺で指令電流をクリップした図８中（Ｂ）の波形が観測される。電流制御部を持つ構成の場合（例えば、図１、図４などを参照）、電流指令と実電流との差により適宜電流を制御するため遅い変化であればデッドタイムの影響を無視することができるが、１回転中に１回または２回程度の高速な変化に対しては十分なゲインを得ることができず、やはり図８中（Ｂ）のような波形になってしまう。このようなことが起こると、周期負荷変動による回転速度変動をなくすための制御部が不安定になってしまうことがあるため、出力を行う際にデッドタイム補正を行うことが好ましい。

図９はインバータの詳細構成を示す図であり、ここでは３相のものを示している。デッドタイムは例えばｕ相のスイッチングを行うＴｕ＋、Ｔｕ−が同時にＯＮしないようにするためにＴｕ＋の入力をオフした後デッドタイム期間をあけてＴｕ−の入力をオンするように制御することである。このためデッドタイムがあると２つのトランジスタがオフする期間が作られることになるが、このとき例えば電動機に向けて電流が流れているとＴｕ−に並列に接続されたダイオードがオンし、結局Ｔｕ−がオンしたのと同じ結果となる。逆に電流が電動機からインバータに向けて流れているときにはＴｕ＋に並列に接続されたダイオードがオンするため、出力電圧が見かけ上変化するように見える。そこで、ＰＷＭの出力時に電動機に向けて電流が流れている場合にはプラスに接続される期間を長くし、逆に電動機から電流が流れ込んでいる場合にはマイナスに接続される期間を長くすることで、デッドタイムによる電圧の変化を抑えることができる。

図１０はこの発明の電動機制御装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。

この電動機制御装置が図１の電動機制御装置と異なる点は、検出電流を入力とするピーク電流制御部１８をさらに設けた点、および振幅調整部１５に代えて、ピーク電流制御部１８からの出力に基づいて制御される振幅調整部１５′を採用した点のみである。

前記ピーク電流制御部１８は、モータ電流のピーク値を検出し、ピーク値がインバータやモータの限界電流を考慮して予め設定された値を越えることが予想される場合に、振幅を抑制する指令を出力するものである。

前記振幅調整部１５′は、振幅抑制指令を入力として、それまでは角加速度の基本波成分が０になるように積分などで無限大のゲインを実現していたところを積分値からある一定割合の値を除去するなどによりゲインを下げる処理を行う。

したがって、角加速度の基本波成分は０にはならなくなるが、電流指令の振幅が小さくなるためピーク電流が削減され、インバータデバイスやモータの限界電流以下で駆動しつづけることが可能となる。

換言すれば、電流容量が小さいインバータデバイスやモータを使用することができるので、コストダウンを達成することができる。

図１１はクリップ前後の電流指令を示す図であり、図１１中（Ａ）がクリップ前の電流指令波形を、図１１中（Ｂ）がクリップ後の電流指令波形を、それぞれ示している。なお、この波形は、電流指令に周期トルク変動を除去するための信号を印加した後のものである。また、クリップすることによりピーク電流の低い形に偏向された電流指令を得る処理は、例えば、振幅調整部において実現することができる。

図１１中（Ａ）の波形がさらに大きくなりピーク電流設定値に到達すると、電流指令をクリップすることでピーク電流を削減する。この際平均電流がそのままであると平均トルクが低下し速度が低下する。このため、速度制御ループなどで平均電流指令値を上昇させ、さらにクリップを行うことで、平均速度は維持しながらピーク電流の削減が可能となる。この場合には前述した振幅を調整する場合よりも等価的に大きな基本波成分を出力できることから、ピーク電流を守りながら基本波成分０を達成するトルク変動量を拡大することができる。

図１２はこの発明の電動機制御装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。

この電動機制御装置が図１の電動機制御装置と異なる点は、振幅調整部１５からの出力を入力とする誤差削減部１９をさらに設けた点、および位置検出部１２に代えて、誤差削減部１９からの出力に基づいて制御される振幅調整部１２′を採用した点のみである。

前記誤差削減部１９は、例えば、予め設定された圧縮機のトルク変動量の大きさを有しており、振幅調整部１５からのトルク変動量出力とこの設定値を比較してＬｑ補正指令を出力するものである。前記位置検出部１２′は、例えば、Ｌｑ補正指令に応答してＬｑを補正し、補正後のＬｑを用いてロータ位置、角速度を出力するものである。

図１３は、図３の位置検出部１２においてモータ５のｑ軸インダクタンスＬｑが位置検出部１２に設定されたＬｑよりも１０％だけ小さい場合の角度誤差推移を表す図である。この図では時間とともに負荷を徐々に上げた場合を示している。この図から分かるように負荷の増大に伴って推定角度は遅れていく。この位置検出部１２を用いて１回転毎に繰り返しトルク変動のある圧縮機６を負荷変動に合わせて出力トルクを振りながら駆動した場合の各部の概略波形を図１４に示す。誤差がない場合には負荷トルクの増大に伴って出力トルクが増えるため回転速度は大きく変動することなく一定回転を保つことができる｛図１４中（Ａ）参照｝。しかし、Ｌｄが小さな場合には、出力トルク増大に伴って位置検出部１２がマイナス方向に誤差を生じるため、出力トルクと同位相の角加速度誤差が生じトルクの大きな部分で角加速度が大きく観測される｛図１４中（Ｂ）参照｝。そして、この情報に基づいてトルク制御が行われるため、実際の所要トルクよりも小さなトルク変動を行うことになる。

一方、圧縮機６のトルク変動量は圧縮機６の構造によりほぼ定まるため、圧縮機６の持つトルク変動量と制御が出力するトルク変動の大きさを比較し、制御の出力するトルク変動量が小さな場合には位置検出部１２に設定されたＬｑが実モータのＬｑよりも小さいことが分かる。

したがって、図１２の誤差削減部１９において、両トルク変動量を比較することによってＬｑ補正指令を出力し、位置検出部１２′におけるＬｑの補正を実現することができる。

ここではＬｑの誤差削減のみについて述べたが、例えば図３の位置検出部の場合、他の機器定数や電流検出器や電圧検出器のゲイン等に誤差がある場合にも同様の動作を行うので、これらについても同様の方法で誤差削減を行うことが可態である。また、複数のパラメータに誤差が生じている場合にはそれぞれの誤差を削減することはできないが、それらの結果生じる位置検出誤差を例えばＬｑを調整することによって削減することが可能である。

図３以外の位置検出部を採用した場合にも、通常、出力トルクに応じて生じる位置検出誤差の符号とパラメータの誤差の符号とに相関があるため、それを利用してパラメータの誤差を削減できる。

図１５はこの発明の電動機制御装置のさらに他の実施態様を示すブロック図である。

この電動機制御装置が図１２の電動機制御装置と異なる点は、誤差削減部１９に代えて、振幅調整部１５からの出力、検出電流、および角速度を入力とする誤差削減部１９′を採用した点のみである。

前記誤差削減部１９′は、予め角速度、電流に応じて最適なトルク変動比が設定されており、角速度、電流に応じて設定されたトルク変動比になるようにパラメータ調整指令を出力するものである。

圧縮機６の負荷変動は圧縮機の構造によりほぼ決まるが、図５に示したように外部条件によっても変化する。そこで、電流、角速度などの情報を用い負荷変動比率を変化させることでより正確な位置検出誤差の削減を実施することができる。すなわち、角速度、電流に合わせて設定されたトルク変動比になるように位置検出部１２′のバラメータを調整することで、位置検出誤差を削減し、速度変動を防止することができる。

Claims (4)

1. 周期的負荷（６）に対して電動機（５）の回転速度変動を抑制するようにインバータ（４）から電動機（５）に印加する電圧または電流を制御する電動機制御方法において、前記インバータ（４）は部分的にマイナストルク出力を行い、この際回生された電力を再度電動機駆動に利用することを特徴とする電動機制御方法。
2. 前記出力電圧のデッドタイム補償をさらに行う請求項１に記載の電動機制御方法。
3. 周期的負荷（６）に対して電動機（５）の回転速度変動を抑制するようにインバータ（４）から電動機（５）に印加する電圧または電流を制御する電動機制御装置において、前記インバータ（４）として、部分的にマイナストルク出力を行い、この際回生された電力を再度電動機駆動に利用するものを採用することを特徴とする電動機制御装置。
4. 前記インバータ（４）は、前記出力電圧のデッドタイム補償をさらに行うものである請求項３に記載の電動機制御装置。

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