JP2014131459A - 2相srmの駆動制御方法及びこのような方法を用いる装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】騒音や振動を低減することができる2相SRMの駆動制御方法及びこのような方法を用いる装置(SRM駆動制御装置及びSRM駆動制御方法)を提供する。
【解決手段】本発明のSRM駆動制御装置は、SRMの現在の速度が目標速度に到達したか否かを判断する目標速度到達可否判断部700と、前記SRMがゼロ電圧スイッチングが可能な状態であるか否かを判断するZVS達成可否判断部710と、前記SRMで負トルクが発生するか否かを判断する負トルク発生可否判断部720と、目標速度到達可否判断部700、ZVS達成可否判断部710及び負トルク発生可否判断部720で行われた判断結果に基づいて進み角を制御するか否かを判断する進み角制御部730と、目標速度到達可否判断部700、ZVS達成可否判断部710及び負トルク発生可否判断部720で行われた判断結果に基づいて導通角を制御するか否かを判断する導通角制御部740と、を含むものである。
【選択図】図7
【解決手段】本発明のSRM駆動制御装置は、SRMの現在の速度が目標速度に到達したか否かを判断する目標速度到達可否判断部700と、前記SRMがゼロ電圧スイッチングが可能な状態であるか否かを判断するZVS達成可否判断部710と、前記SRMで負トルクが発生するか否かを判断する負トルク発生可否判断部720と、目標速度到達可否判断部700、ZVS達成可否判断部710及び負トルク発生可否判断部720で行われた判断結果に基づいて進み角を制御するか否かを判断する進み角制御部730と、目標速度到達可否判断部700、ZVS達成可否判断部710及び負トルク発生可否判断部720で行われた判断結果に基づいて導通角を制御するか否かを判断する導通角制御部740と、を含むものである。
【選択図】図7
Description
本発明は、2相SRMの駆動制御方法及びこのような方法を用いる装置(SRM駆動制御装置及びSRM駆動制御方法)に関する。
スイッチドリラクタンスモータは、約150年を超える古いモータ設計形態の一つである。このような伝統的な形態のリラクタンスモータが電力用半導体の開発とともに可変ドライブの条件を満たすために、スイッチドリラクタンスモータとして知られるようになった。
「Switched Reluctance」という名称は、S.A.Nasarによって名づけられ、この名称は、SRMの二つの主な特徴を説明している。第一に「Switched」とは、モータが常に連続してスイッチングモードで動作しなければならないということを意味し、これは、新しい形態の電力用半導体の開発及び発達に伴い、これを適用した以降に用いられた用語である。第二に「Reluctance」とは、回転子と固定子がリラクタンス磁気回路(magnetic circuits)を可変させることで動作する二重突極型構造を意味する。
Nasra、French、Koch、Lawrensonなどの学者らは、1960年代の構造的に類似したStepping Motorと異なり、電力用半導体を用いた連続モード制御を考案するようになった。その当時、唯一電力用サイリスタ半導体が相対的に高い電圧及び電流を制御する性能を有したため、これをスイッチドリラクタンスモータを制御するために適用した。現在、電力用トランジスタ、GTO、IGBT及び電力用MOSFETなどが開発されてSRM制御のための定格電力の範囲内で多様に利用することができるようになった(例えば、特許文献1参照)。
SRMは、構造面において非常に簡単である。SRMは、永久磁石やブラシ、そして整流子を含まない。このSRMにおいて、固定子は、突極を含み、鋼鉄が積層された構造を有しており、直列に連結されたコイルが巻かれた巻線がそれぞれの相(phase)に独立して連結され、固定子極を包む。回転子は、巻線を有せず、鋼鉄の積層構造となっており、固定子と同様に突極型構造となっている。従って、固定子と回転子の両方が突極型構造を有するため、二重突極型(double salient)構造と認められる。このようなシンプルな構造は、信頼性を向上し、生産コストを低減するため、可変速ドライブの代案として、その可能性が大きいと認められる。
近年、このようなSRMを掃除機などの家電製品に利用するときに高速運転が必要となり、この場合、高速運転によって騒音や振動が多く発生してこれに対する解決策が求められる。
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためのものであり、本発明の一側面は、騒音や振動を低減することができるSRMの駆動を制御する装置(SRM駆動制御装置)に関する。
本発明の他の側面は、騒音や振動を低減することができるSRMの駆動を制御する方法(SRM駆動制御方法)に関する。
本発明の実施例によるSRM(switched reluctance motor)の駆動制御装置(SRM駆動制御装置)は、前記SRMの現在の速度が目標速度に到達したか否かを判断する目標速度到達可否判断部と、前記SRMがゼロ電圧スイッチングが可能な状態であるか否かを判断するZVS(zero volt switching)達成可否判断部と、前記SRMで負トルクが発生するか否かを判断する負トルク発生可否判断部と、前記目標速度到達可否判断部、前記ZVS達成可否判断部及び前記負トルク発生可否判断部で行われた判断結果に基づいて進み角を制御するか否かを判断する進み角制御部と、前記目標速度到達可否判断部、前記ZVS達成可否判断部及び前記負トルク発生可否判断部で行われた判断結果に基づいて導通角を制御するか否かを判断する導通角制御部と、を含むものである。
前記目標速度到達可否判断部は、前記SRMの現在の速度が目標速度に到達しなかったと判断した場合、前記進み角制御部で前記進み角を変化させ、前記導通角制御部で前記導通角を変化させるように具現されることができる。
前記目標速度到達可否判断部は、前記SRMの現在の速度が前記目標速度より大きい場合、前記進み角及び前記導通角を減少させ、前記SRMの現在の速度が目標速度より小さい場合、前記進み角及び前記導通角を増加させるように具現されることができる。
前記ZVS達成可否判断部は、SRMが前記ZVSが可能でない状態であると判断した場合、前記進み角制御部で前記進み角を減少させ、前記導通角制御部で前記導通角を増加させるように具現されることができる。
前記ZVS達成可否判断部は、前記SRMのコンバータに入力される電流をセンシングしてマイナスの極性を有する電流がある場合、SRMが前記ZVSが可能な状態であると判断するように具現されることができる。
前記負トルク発生可否判断部は、前記SRMで負トルクが発生するか否かを判断して前記SRMで負トルクが発生したと判断した場合、前記進み角制御部で前記進み角を増加させ、前記導通角制御部で前記導通角を減少させるように具現されることができる。
前記負トルク発生可否判断部は、ダイオードの電流をセンシングして位相0度と180度で電流の流れがある場合、負トルクが発生したと判断するように具現されることができる。
本発明の実施例によるSRM(switched reluctance motor)の駆動制御方法(SRM駆動制御方法)は、前記SRMの初期駆動区間を経て前記SRMを正常駆動させる段階と、前記SRMの運転制御モードを行って前記SRMの導通角及び進み角を制御する段階と、を含むものである。
前記SRMの運転制御モードを行って前記SRMの導通角及び進み角を制御する段階は、前記SRMの現在の速度が目標速度に到達したか否かを判断する段階と、前記SRMの現在の速度が目標速度に到達しなかったと判断した場合、前記進み角及び前記導通角を制御してSRMを目標速度で駆動させる段階と、前記SRMの現在の速度が目標速度に到達したと判断した場合、前記SRMがゼロ電圧スイッチングが可能な状態であるか否かを判断する段階と、を含むことができる。
前記SRMの現在の速度が目標速度に到達しなかったと判断した場合、前記進み角及び前記導通角を制御してSRMを目標速度で駆動させる段階は、前記SRMの現在の速度が前記目標速度より大きい場合、前記進み角及び前記導通角を減少させる段階と、前記SRMの現在の速度が目標速度より小さい場合、前記進み角及び前記導通角を増加させる段階と、を含むことができる。
前記SRMの運転制御モードを行って前記SRMの導通角及び進み角を制御する段階は、前記SRMがゼロ電圧スイッチングが可能な状態であるか否かを判断する段階と、SRMが前記ZVSが可能でない状態であると判断した場合、前記進み角を減少させ、前記導通角を増加させ、前記ゼロ電圧スイッチングが可能な状態になるように前記SRMを制御する段階と、を含むことができる。
前記SRMがゼロ電圧スイッチングが可能な状態であるか否かを判断する段階は、前記SRMのコンバータに入力される電流をセンシングしてマイナスの極性を有する電流がある場合、SRMが前記ZVSが可能な状態であると判断する段階であることができる。
前記SRMの運転制御モードを行って前記SRMの導通角及び進み角を制御する段階は、前記SRMで負トルクが発生するか否かを判断する段階と、前記SRMで負トルクが発生したと判断した場合、前記進み角を増加させ、前記導通角を減少させる段階と、を含むことができる。
前記SRMで負トルクが発生するか否かを判断する段階は、ダイオードの電流をセンシングして位相0度と180度で電流の流れがある場合に負トルクが発生したと判断する段階であることができる。
前記SRMの初期駆動区間を経て前記SRMを正常駆動させる段階は、前記SRMの巻線に電源を流して固定子と回転子が所定位置に動いて前記SRMを運転待機中の状態に設定する段階と、前記SRMの初期設定導通角を正常運転状態の導通角に変化させ、PWM(pulse width modulation)周波数を上昇させる段階と、前記SRMの初期設定進み角を正常運転状態の進み角に変化させ、PWM(pulse width modulation)周波数を上昇させる段階と、を含むことができる。
上述したように、本発明の実施例による2相SRMの駆動制御方法及びこのような方法を用いる装置(SRM駆動制御装置及びSRM駆動制御方法)は、SRMの現在の速度が前記目標速度に到達したか否かを判断し、ZVS(zero volt switching)達成可否を判断し、負トルクが発生したか否かを判断した結果に基づいて導通角及び進み角を制御することで、SRMの騒音及び振動を減少させることができる。
本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は、添付図面に係る以下の詳細な説明及び好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「一面」、「他面」、「第1」、「第2」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、構成要素が前記用語によって限定されるものではない。以下、本発明を説明するにあたり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
図1は、本発明の実施例による2相スイッチドリラクタンスモータのスイッチング装置の構成図である。
図1を参照すると、2相スイッチドリラクタンスモータのスイッチング装置は、商用電源10を整流して直流電源を供給する整流部20、整流部20に連結されたキャパシタ30、キャパシタ30に連結されたゼロ電圧スイッチングコンバータ40及び2相SRM50の位置及び速度を検知してゼロ電圧スイッチングコンバータ40を制御するマイクロプロセッサ60を含むものである。
整流部20は、入力される商用電源10を整流して、直流電源をキャパシタ30に供給する。キャパシタ30は整流された直流電圧の力率を改善し、ノイズを吸収してゼロ電圧スイッチングコンバータ40に供給することができる。
ゼロ電圧スイッチングコンバータ40は、2相SRM50の二つの相巻線のそれぞれに上下に直列連結されている一対の上部及び下部スイッチ、二つの相巻線の両端に交差連結されている一対のダイオードを含み、マイクロプロセッサ60の制御により、動作モード1〜3で動作して前記2相SRM50を駆動させることができる。
一方、マイクロプロセッサ60は、2相SRM50の位置と速度を検知してゼロ電圧スイッチングコンバータ40の一対の上部及び下部スイッチを制御してスイッチが動作モード1〜3で動作するようにして、2相SRM50を駆動させるようにすることができる。
ここで、動作モード1は、2相SRM50の当該相巻線に正の直流電圧を印加して巻線に電流を上昇させ、動作モード2は、巻線に電流が流れている時に巻線を循環するようにして徐々に減少させ、動作モード3は、当該相巻線に負の直流電圧を印加して速く減少させる。
このように構成される2相スイッチドリラクタンスモータのスイッチング装置は、次のように動作する。
先ず、前記マイクロプロセッサ60は、ゼロ電圧スイッチングコンバータ40を動作モード1〜動作モード3で動作するように制御して、2相SRM50の二つの相巻線のうち何れか一つの相巻線を励磁させた後に励磁状態を終了させる。
また、次いで、前記マイクロプロセッサ60は、ゼロ電圧スイッチングコンバータ40を動作モード1〜3で動作するように制御して、2相SRM50の二つの相巻線のうち他の一つの相巻線を励磁させた後に励磁状態を終了させる。
以降、前記マイクロプロセッサ60は、このような動作を繰り返して行って2相SRM50を駆動させる。
この際、前記マイクロプロセッサ60は、ゼロ電圧スイッチングコンバータ40を動作モード1〜3で動作するように制御するにあたり多様な方式で制御することができる。
図2は、本発明の実施例によるゼロ電圧スイッチングコンバータの詳細構成図である。
図2を参照すると、図1のゼロ電圧スイッチングコンバータ40は、A相巻線の上部に直列連結されている第1上部スイッチS1、A相巻線の下部に直列連結されている第1下部スイッチS2、B相巻線の上部に直列連結されている第2上部スイッチS3、B相巻線の下部に直列連結されている第2下部スイッチS4を含むことができる。
また、前記ゼロ電圧スイッチングコンバータ40は、A相巻線と第1下部スイッチS2の接点に陽極が連結されており、陰極がB相巻線と第2上部スイッチS3の接点に連結されている第1ダイオードD1及びB相巻線と第2下部スイッチS4の接点に陽極が連結されており、陰極がA相巻線と第1上部スイッチS1の接点に連結されている第2ダイオードD2を含んでいる。
このようなゼロ電圧スイッチングコンバータ40において、第1上部スイッチS1と第2下部スイッチS4は、図3に図示されたように、互いに180度の位相差を有して半周期ずつオン(on)している。また、第1下部スイッチS2と第2上部スイッチS3もまた、図3に図示されたように、180度の位相差を有して半周期オン(on)している。
このようなゼロ電圧スイッチングコンバータ40は、図4Aに図示されたように、エンコーダー波形を基準として第1下部スイッチS2と第2上部スイッチS3を調節して、進み角(又は先行角、advanced angel)を制御して第1上部スイッチS1と第2下部スイッチS4を調節して、導通角(またはドエル角、dwell angle)を制御することができる。
第1上部スイッチS1は、SRMのA相の導通角(dwell angle)を調整することができる。S1は、S4に従属して動作することができ、S4と180度の位相差を有することができる。
第1下部スイッチS2は、SRMのB相の進み角(advanced angle)を調整することができる。センサーにより読み取る情報を制御器のCPUが理解及び判断し、SRMの速度状態とZVSの状態によって、S2のターンオン時点を調整して、進み角を制御することができる。センサーにより読み取る情報を制御器のCPUが理解及び判断し、SRMの速度状態とZVS状態に合わせてS2のターンオン時点を調整して、進み角を制御するプロセスについては、さらに詳述する。
第2上部スイッチS3は、SRMのA相の進み角を調節することができる。第2上部スイッチS3は、第1下部スイッチS2に従属して動作し、第1下部スイッチS2と180度の位相差を有する。
第2下部スイッチS4は、SRMのB相の導通角を調整することができる。第2下部スイッチS4は、上述した第1下部スイッチと同様に、SRMの速度状態とZVS状態に合わせて第2下部スイッチS4のターンオンする時点を調整して、導通角を制御することができる。第1下部スイッチS2と第2下部スイッチS4のターンオン時点の差だけ導通角になることができる。
本発明の実施例によると、進み角、導通角、PWMテューティ比を変化させてSRMの駆動を制御することができる。ドエル角、進み角及びPWMテューティ比が変わる場合、SRMの駆動は、以下のような変化が生じ得る。
ドエル角(θDW)は、固定子電流がスイッチオン(on)となるところの固定子の位置をターンオン(turn on)角とし、回転子電流がスイッチオフとなるところの回転子の位置をターンオフ(turn off)角としたときに、ターンオフ(turn off)角とターンオン(turn on)角との差を言う。
進み角(θAD)は、巻線に電源を印加して励磁(magnetizing)を行う区間である。進み角が変化する場合、ターンオン時点が繰り上げられて電流上昇時間が変わる。ドエル角と進み角を変化させて、SRMのrpm(revolution per minute)を調節することができる。例えば、進み角を調節してターンオン時点を繰り上げて十分な電流上昇時間をはかり、ドエル角を調節してトルク発生領域を最大限に利用するが、負トルクが発生する区間に到達する前に、電流の大きさを最小化して負トルクの発生を抑制することができる。即ち、ドエル角が調節される場合、トルク発生領域を最大限に利用するが、負トルクが発生する区間に到達する前に電流の大きさを最小化することができる。
また、SRMのトルク特性は、電流の方向と無関係であり、インダクタンスの勾配の符号と同一の符号を有するため、電流のみを制御してSRMを逆方向に回転させることが不可能であり、正回転及び逆回転を行うため、角度制御により所望の回転方向のトルクを発生させる区間に電流を流すことが必要である。その他にも急制動をしようとする時にも角度制御を利用することができる。
即ち、ドエル角が変化する場合、SRMでトルクが発生する区間が変わり、SRMの負荷変動を制御することができる。
PWMデューティ比を変化させる場合、SRMに流れる電流を制御してSRMの負荷変動を調節することができる。PWMデューティ比を変化させてSRMの負荷変動を制御する方法は、主に低速及び中速で駆動されるSRMを制御するために用いることができる。
低速又は中速で駆動されるSRMは、逆起電力とモータのインダクタンスの増加速度が遅く、印加電圧による電流の上昇率が大きいため、高速で駆動されるSRMのピーク電流より大きくなり得る。この電流をスイッチング素子の電流より小さく制限するために、チョッピングにより、スイッチング素子をターンオン、ターンオフさせてSRMを所望の速度に制御することができる。
図3は、本発明の実施例によるSRMの動作を区間別に制御する方法を示すグラフである。
図3を参照すると、第1区間310は、モータの制御部にオン(on)信号が入る前の状態を示し、制御部にAC電源のみが入っている状態を示す。この区間で、少量の電源のみをSRMの巻線に流してSRMの固定子と回転子を所定位置に移動させ、SRMが駆動待機状態になる。固定子の相に電流が流れると回転子を最大のインダクタンス値を有する位置になるまでインダクタンスが増加する方向に回転させようとするトルクが発生する。万が一、鉄心に磁化成分が残っていない場合、電流の方向がトルクの極性と無関係になり、トルクが常に回転子が自分に最も近い整列位置に移動しようとする方向に発生する。導通角(ドエル角、dwell angle)は、初期設定導通角と設定することができる。
第2区間320は、モータの制御部にオン(on)信号が入ってモータが駆動し始める状態を示す。第2区間320では、初期設定導通角から正常運転状態と設定された導通角にSRMの導通角が変化する。この際、初期モータ駆動のためのPWM周波数は、上昇する。即ち、PWMテューティ比を変化させる場合、SRMに流れる電流を制御して、SRMの負荷変動を調節することができる。
第3区間330では、進み角(ドエル角)に対する制御を行うことができる。上述したように、進み角が変わる場合、ターンオン時点が繰り上げられて電流上昇時間が変わる。即ち、第3区間330では、進み角を変化させて、SRMのrpm(revolution per minute)を調節することができる。
第4区間340は、PWM周波数が最大に上昇して、最大PWMテューティ比で駆動される区間を示す。第4区間340で、SRMは、正常速度で駆動させることができる。
以下、図4A、図4B及び図5A〜Fでは、SRMが駆動される場合、本発明の実施例によるゼロ電圧スイッチングコンバータの動作について開示する。
図4A、図4B及び図5A〜Fは、本発明の実施例によるゼロ電圧スイッチングコンバータの動作を示す概念図である。
ゼロ電圧スイッチングコンバータ40の動作を、詳細に説明すると、次のとおりである。
図4Aを参照すると、第1上部スイッチS1と第1下部スイッチS2がターンオン(Turn−On)する。これにより、図5Aに図示されたように、第1上部スイッチS1と、A相巻線また第1下部スイッチS2からなる電流ループが形成される(A相動作モード1)。
このように、第1上部スイッチS1と第1下部スイッチS2がターンオンした後に一定時間が経つと、ゼロ電圧スイッチングコンバータ40が正常動作区間T1〜T2に進入して、図4Bに図示されたように、第1上部スイッチS1に印加電圧による電流Isaが流れるが、第1上部スイッチS1に流れる電流Isaは、時間が経つにつれて徐々に減少する。この際、第1上部スイッチS1の電圧Vsaは、ターンオンによって、0電圧になる。
また、このように、第1上部スイッチS1と第1下部スイッチS2がターンオンした後に一定時間が経つと、正常動作区間に進入して、図4Bに図示されたように、第1下部スイッチS2に直流電圧の印加による電流Isbが流れるが、第1下部スイッチS2に流れる電流Isbは、時間が経つにつれて徐々に減少する。この際、第1下部スイッチS2の電圧Vsbは、ターンオン状態により、0電圧になる。
正常動作区間T1〜T2において、第1上部スイッチS1と第1下部スイッチS2に流れる電流は、同一である。
一方、次の区間(図4Bの時間T2〜T3区間)、第1上部スイッチS1は、ターンオフし、第1下部スイッチS2は、ターンオン状態を維持する。これにより、図5Bに図示されたように、A相巻線、第1下部スイッチS2、第2下部スイッチS4及び第2ダイオードD2からなる電流ループが形成される(A相動作モード2)。
この際、第1上部スイッチS1がターンオフすることにより、第1上部スイッチS1には、電流が流れず、第1上部スイッチS1両端の電圧Vsaは、印加される直流電圧に近接する。
また、第1下部スイッチS2は、オン状態を維持しているため、徐々に電流が減少し、電圧もまた、ターンオン状態による0電圧であり、変動がない。
ただし、この際、第1上部スイッチS1がターンオフし、第1上部スイッチ両端に印加電圧が印加されると、第2下部スイッチS4の内部ダイオードと第2ダイオードD2を介して、A相巻線に流れた電流が循環する。
これにより、第2下部スイッチS4の内部ダイオードには、第2下部スイッチS4の両端の電圧が、図4Bに図示されたように、0電圧を維持している状態で、A相巻線の循環する電流Isdが流れる。
勿論、図5Bに図示されたように、A相巻線、第1下部スイッチS2、第2下部スイッチS4及び第2ダイオードD2からなる電流ループに流れる電流は、徐々に減少する。
この際、第2ダイオードD2に流れる電流Idbは、図4Bに図示されたように、第1下部スイッチS2に流れる電流と同一である。
次に、このような状態で、第1下部スイッチS2はターンオン状態を継続して維持するようにし、第2下部スイッチS4をターンオンさせる(図4Bの区間T3〜T4)。
これにより、第1下部スイッチS2は、オン状態を維持しているため、徐々に電流が減少し、電圧もまた、ターンオン状態による0電圧であり、変動がない。
また、この際、第2下部スイッチS4がターンオンするにつれて、図5Cに図示されたように、A相巻線に流れた電流が第2下部スイッチS4の内部ダイオードでなく、第2下部スイッチS4を介して直接流れることになり、以前の状態と同様に、第2ダイオードD2を介してA相巻線に流れた電流が依然として循環する(A相動作モード2状態維持)。
これにより、第2下部スイッチS4には、第2下部スイッチS4の両端の電圧Vsdが、図4Bに図示されたように、0電圧(ゼロ電圧)を維持している状態で、A相巻線の循環する電流が流れる。
勿論、この際、A相巻線、第1下部スイッチS2、第2下部スイッチS4及び第2ダイオードD2からなる電流ループに流れる電流が徐々に減少する。
さらに、この際、第2下部スイッチS4は、ゼロ電圧以下の状態で、スイッチがターンオンして、スイッチング損失を最小化することができる。
また、このように、第2下部スイッチS4がゼロ電圧以下の状態で、スイッチがターンオンすると、以下の式1により、電流勾配が速度起電力によって次第に減少する。
一方、以降に、第2下部スイッチS4を維持した状態で、第1下部スイッチS2がターンオフする(図4Bの区間T4〜T5参照)。
これにより、第1下部スイッチS2のターンオフにより、図5Dに図示されたように、第2上部スイッチS3の内部ダイオード、第1ダイオードD1、A相巻線、第2ダイオード及び第2下部スイッチからなる電流ループが形成される。
また、第1下部スイッチS2がターンオフすることにより、第1下部スイッチS2には、図4Bに図示されたように電流が流れず、第1下部スイッチS2の両端の電圧は、第1下部スイッチS2のターンオフにより入力電圧と近接する。
この際、前記第2下部スイッチS4には、依然としてA相巻線の循環電流が流れ、前記第2上部スイッチS3の内部ダイオードには、図4Bに図示されたように、A相巻線の循環電流Iscが流れる。
勿論、第2上部スイッチの両端の電圧Vscは、内部ダイオードを介する循環電流の流れにより、0電圧状態に変化する。
この際、第1ダイオードD1介して流れる電流Idaは、図4Bに図示されたように、第2ダイオードD2を介して流れる電流と同一である。
次に、次の区間(図4Bの区間T5〜T6参照)に、第2下部スイッチS4のターンオン状態を維持した状態で、第2上部スイッチS3をターンオンさせる。
これにより、第2上部スイッチS3とB相巻線、及び第2下部スイッチS4からなる電流ループと、第2上部スイッチS3、第1ダイオードD1、A相巻線、第2ダイオード及び第2下部スイッチからなる電流ループが、図5Eに図示されたように重なる。
これにより、B相巻線に流れる電流とA相巻線に流れる電流の差だけ、第2上部スイッチS3と第2下部スイッチS4に電流が流れる(A相動作モード3とB相動作モード1の重なり)。
この際、勿論、第2上部スイッチS3の両端の電圧は、内部ダイオードを介する循環電流の流れにより、0電圧状態に変化していたため、これにより、第1上部スイッチはゼロ電圧状態でスイッチがターンオンして、スイッチング損失を最小化する。
次の区間(図4Bの区間T6〜T7)、第2上部スイッチS3と第2下部スイッチ4がターンオン状態を継続して維持すると、A相巻線に流れる電流を徐々に減少することになり、これに伴い、第2上部スイッチS3と第2下部スイッチS4に流れる電流ループのみが残る(B相動作モード1)。
以降には、再度、第2下部スイッチS4のターンオン状態を維持した状態で、第2上部スイッチS3をオフし(B相動作モード2)、また、一定時間後に第2下部スイッチS4をオンした状態で、第1下部スイッチS2をターンオンし(B相動作モード3)、第2下部スイッチS4がターンオン状態を維持した状態で、第1上部スイッチS1をターンオンして(B相動作モード3とA相動作モード1の重なり)維持する(A相動作モード1)過程を繰り返して、モータを駆動させる。
即ち、本発明の実施例によるコンバータ回路のスイッチング方法を用いる場合、ゼロ電圧スイッチングが可能となり、高速回転を必要とするモータでは、スイッチング損失を減らすことができる。ゼロ電圧スイッチングは、スイッチとダイオードが並列構造で形成された場合、ダイオードをオン(on)させてダイオード電圧が0に近い値を有する時に、スイッチをターンオンすることで、スイッチで発生する損失を減らすことができる。
また、本発明によると、既存のSRM用スイッチング装置に比べて、ダイオードの数を減らすことで、コストを低減することができ、大きさを小型化できるだけでなく、既存のSRM用スイッチング装置に比べて、トルクリップルを減らすことができる。図4A、図4B及び図5A〜Fを参照して、上述した動作を行うコンバータ回路が具現されたSRMの駆動を制御するために、現在の速度が目標速度に到達したか否か、ゼロ電圧スイッチングが行われるか否か、負トルクが発生したか否かを判断する必要がある。
図6は、本発明の実施例によるSRM駆動制御方法を示すフローチャートである。
図6を参照すると、初期駆動を行う(段階S600)。
段階S600では、上述した図3の第1区間〜第3区間の動作を行うことができる。
段階S600では、SRMの初期駆動を行うために、SRMの巻線に若干の電源のみを流してSRMの固定子と回転子が所定位置に移動した駆動待機状態を作ることができる。初期設定導通角から正常運転状態と設定された導通角にSRMの導通角が変化する。即ち、初期モータ駆動のために、PWMテューティ比、進み角及び導通角に対する制御を行って、SRMを正常駆動段階になるように変化させることができる。
SRMを正常駆動する(段階S610)。
PWM周波数を最大に上昇させて、SRMを正常速度で駆動させることができる。SRMの正常駆動状態では、設定された導通角及び進み角でSRMを動作させることができる。
SRMの運転制御モードを行う(段階S620)。
運転制御モードは、現在の速度と目標速度を比較して、現在の速度を目標速度で制御せよとの命令が始まる運行モードを示す。
本発明の実施例によるSRMの運転制御モードは、現在の速度が目標速度に到達したか否か、現在の速度が目標速度に到達したと判断した場合、ZVS(ゼロ電圧スイッチング)達成可否、現在の速度が目標速度に到達し、ZVS(ゼロ電圧スイッチング)達成した場合、負トルクが発生したか否かなどを判断して、進み角と導通角を変化させることができる。
現在の速度が目標速度に到達したか否かを判断する(段階S630)。
現在の速度が目標速度に到達しなかったと判断した場合、進み角及び導通角を制御してSRMを目標速度で駆動させることができる。
例えば、現在の速度が目標速度より大きい場合、進み角及び導通角を減少させ、現在の速度が目標速度より小さい場合、進み角及び導通角を増加させることができる(段階S635)。
現在の速度が目標速度に到達したと判断した場合、前記SRMがゼロ電圧スイッチングが可能な状態であるか否かを判断する(段階S640)。
現在の速度が目標速度に到達したと判断した場合、ゼロ電圧スイッチングが可能であるか否かに対して判断することができる。コンバータに入力される電流をセンシングしてマイナスの極性を有する電流がある場合、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)が可能な状態になったと判断することができる。コンバータに入力される電流をセンシングしてマイナスの極性を有する電流がない場合、ゼロ電圧スイッチングが可能でない状態であると判断して進み角を減少させ、導通角を増加させてゼロ電圧スイッチング状態が達成されるように、SRMを制御することができる(段階S645)。
例えば、進み角を1度減少させ、導通角を2度増加させて、ゼロ電圧スイッチング状態が達成されるように、SRMを制御することができる。
目標速度とゼロ電圧スイッチング状態を達成した場合、負トルクが発生するか否かを判断する(段階S650)。
ダイオードD1の電流をセンシングして位相0度と180度で電流の流れがある場合、負トルクが発生したと判断して進み角を増加させ、導通角を減少させることができる(段階S655)。
例えば、進み角5度増加させ、導通角3度減少させることができる。
ダイオードD1の電流をセンシングして位相0度と180度で電流の流れがない場合、負トルクが発生しなかったと判断することができ、このような場合、進み角及び導通角に対する追加の制御を行わずに、SRMを駆動させることができる。
本発明の実施例による前記のような制御方法を用いることで、モータ回転速度及びZVS、負トルク除去による騒音/振動減少などの効果を得ることができる。
図7は、本発明の実施例によるSRM駆動制御装置を示すフローチャートである。
図7を参照すると、SRM駆動制御装置は、目標速度到達可否判断部700、ZVS達成可否判断部710、負トルク発生可否判断部720、進み角制御部730、導通角制御部740を含むものである。
目標速度到達可否判断部700は、SRMが駆動するにあたり、SRMの現在の駆動速度が設定された目標駆動速度に到達したか否かを判断するために具現されることができる。
例えば、1000rpm(revolution per minute)でSRMを駆動しようとする時に、SRMの目標速度を1000rpmに設定して、当該目標速度に現在の駆動速度が到達したか否かを判断することができる。目標速度到達可否判断部700で判断した結果、現在の速度が目標速度より大きい場合、進み角制御部730に進み角を減少させるように命令し、導通角制御部740に導通角を減少させるように命令して、SRMの現在の速度が目標速度に減少するように制御することができる。反対に、現在の速度が目標速度より小さい場合、進み角制御部730に進み角を増加させるように命令し、導通角制御部740に導通角を増加させるように命令して、SRMの現在の速度が目標速度に増加するように制御することができる。
ZVS達成可否判断部710は、SRMでゼロ電圧スイッチング状態が存在するか否かを判断することができる。ZVS達成可否判断部710が、ゼロ電圧スイッチング状態が達成されなかったと判断した場合、進み角制御部730に進み角を減少させるように命令し、導通角制御部740に導通角を増加させるように命令して、ゼロ電圧スイッチング状態が達成されるように、SRMの進み角及び導通角を制御することができる。ZVS達成可否判断部710は、目標速度到達可否判断部700が、SRMが目標速度で駆動されると判断した後、SRMでゼロ電圧スイッチング状態が達成されたか否かを判断することができる。
負トルク発生可否判断部720は、SRMに負トルクが発生したか否かについて判断することができる。負トルク発生可否判断部720が負トルクが発生しなかったと判断した場合、SRMが目標運転状態になったと判断することができ、SRMを設定された導通角及び進み角で駆動させることができる。反対に、負トルク発生可否判断部720で判断した結果、負トルクが発生したと判断した場合、導通角制御部740に導通角を減少させるように命令し、進み角制御部730に進み角を増加させるように命令することができる。
負トルク発生可否判断部720は、ZVS達成可否判断部710の判断結果、ZVS状態が存在すると判断された後、判断を行うことができる。
進み角制御部730は、目標速度到達可否判断部700、ZVS達成可否判断部710、負トルク発生可否判断部720の制御信号により、SRMの進み角を制御することができる。
導通角制御部740は、目標速度到達可否判断部700、ZVS達成可否判断部710、負トルク発生可否判断部720の制御信号により、SRMの導通角を制御することができる。
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、当該分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。
本発明は、2相SRMの駆動制御方法及びこのような方法を用いる装置(SRM駆動制御装置及びSRM駆動制御方法)に適用可能である。
10 商用電源
20 整流部
30 キャパシタ
40 ゼロ電圧スイッチングコンバータ
50 2相SRM
60 マイクロプロセッサ
310 第1区間
320 第2区間
330 第3区間
340 第4区間
700 目標速度到達可否判断部
710 ZVS達成可否判断部
720 負トルク発生可否判断部
730 進み角制御部
740 導通角制御部
20 整流部
30 キャパシタ
40 ゼロ電圧スイッチングコンバータ
50 2相SRM
60 マイクロプロセッサ
310 第1区間
320 第2区間
330 第3区間
340 第4区間
700 目標速度到達可否判断部
710 ZVS達成可否判断部
720 負トルク発生可否判断部
730 進み角制御部
740 導通角制御部
Claims (15)
- SRMの現在の速度が目標速度に到達したか否かを判断する目標速度到達可否判断部と、
前記SRMがゼロ電圧スイッチングが可能な状態であるか否かを判断するZVS(zero volt switching)達成可否判断部と、
前記SRMで負トルクが発生するか否かを判断する負トルク発生可否判断部と、
前記目標速度到達可否判断部、前記ZVS達成可否判断部及び前記負トルク発生可否判断部で行われた判断結果に基づいて進み角を制御するか否かを判断する進み角制御部と、
前記目標速度到達可否判断部、前記ZVS達成可否判断部及び前記負トルク発生可否判断部で行われた判断結果に基づいて導通角を制御するか否かを判断する導通角制御部と、を含むSRM駆動制御装置。 - 前記目標速度到達可否判断部は、
前記SRMの現在の速度が目標速度に到達しなかったと判断した場合、前記進み角制御部で前記進み角を変化させ、前記導通角制御部で前記導通角を変化させるように具現される請求項1に記載のSRM駆動制御装置。 - 前記目標速度到達可否判断部は、
前記SRMの現在の速度が前記目標速度より大きい場合、前記進み角及び前記導通角を減少させ、前記SRMの現在の速度が目標速度より小さい場合、前記進み角及び前記導通角を増加させるように具現される請求項2に記載のSRM駆動制御装置。 - 前記ZVS達成可否判断部は、
SRMが前記ZVSが可能でない状態であると判断した場合、前記進み角制御部で前記進み角を減少させ、前記導通角制御部で前記導通角を増加させるように具現される請求項2に記載のSRM駆動制御装置。 - 前記ZVS達成可否判断部は、
前記SRMのコンバータに入力される電流をセンシングしてマイナスの極性を有する電流がある場合、SRMが前記ZVSが可能な状態であると判断するように具現される請求項4に記載のSRM駆動制御装置。 - 前記負トルク発生可否判断部は、
前記SRMで負トルクが発生するか否かを判断して前記SRMで負トルクが発生したと判断した場合、前記進み角制御部で前記進み角を増加させ、前記導通角制御部で前記導通角を減少させるように具現される請求項2に記載のSRM駆動制御装置。 - 前記負トルク発生可否判断部は、
ダイオードの電流をセンシングして位相0度と180度で電流の流れがある場合、負トルクが発生したと判断するように具現される請求項6に記載のSRM駆動制御装置。 - SRMの初期駆動区間を経て前記SRMを正常駆動させる段階と、
前記SRMの運転制御モードを行って前記SRMの導通角及び進み角を制御する段階と、を含むSRM駆動制御方法。 - 前記SRMの運転制御モードを行って前記SRMの導通角及び進み角を制御する段階は、
前記SRMの現在の速度が目標速度に到達したか否かを判断する段階と、
前記SRMの現在の速度が目標速度に到達しなかったと判断した場合、前記進み角及び前記導通角を制御してSRMを目標速度で駆動させる段階と、
前記SRMの現在の速度が目標速度に到達したと判断した場合、SRMがゼロ電圧スイッチングが可能な状態であるか否かを判断する段階と、を含む請求項8に記載のSRM駆動制御方法。 - 前記SRMの現在の速度が目標速度に到達しなかったと判断した場合、前記進み角及び前記導通角を制御してSRMを目標速度で駆動させる段階は、
前記SRMの現在の速度が前記目標速度より大きい場合、前記進み角及び前記導通角を減少させる段階と、
前記SRMの現在の速度が目標速度より小さい場合、前記進み角及び前記導通角を増加させる段階と、を含む請求項9に記載のSRM駆動制御方法。 - 前記SRMの運転制御モードを行って前記SRMの導通角及び進み角を制御する段階は、
前記SRMがゼロ電圧スイッチングが可能な状態であるか否かを判断する段階と、
SRMが前記ZVSが可能でない状態であると判断した場合、前記進み角を減少させ、前記導通角を増加させ、前記ゼロ電圧スイッチングが可能な状態になるように前記SRMを制御する段階と、を含む請求項9に記載のSRM駆動制御方法。 - 前記SRMがゼロ電圧スイッチングが可能な状態であるか否かを判断する段階は、
前記SRMのコンバータに入力される電流をセンシングしてマイナスの極性を有する電流がある場合、SRMが前記ZVSが可能な状態であると判断する段階である請求項8に記載のSRM駆動制御方法。 - 前記SRMの運転制御モードを行って前記SRMの導通角及び進み角を制御する段階は、
前記SRMで負トルクが発生するか否かを判断する段階と、
前記SRMで負トルクが発生したと判断した場合、前記進み角を増加させ、前記導通角を減少させる段階と、を含む請求項9に記載のSRM駆動制御方法。 - 前記SRMで負トルクが発生するか否かを判断する段階は、
ダイオードの電流をセンシングして位相0度と180度で電流の流れがある場合に負トルクが発生したと判断する段階である請求項13に記載のSRM駆動制御方法。 - 前記SRMの初期駆動区間を経て前記SRMを正常駆動させる段階は、
前記SRMの巻線に電源を流して固定子と回転子が所定位置に動いて前記SRMを運転待機中の状態に設定する段階と、
前記SRMの初期設定導通角を正常運転状態の導通角に変化させ、PWM(pulse width modulation)周波数を上昇させる段階と、
前記SRMの初期設定進み角を正常運転状態の進み角に変化させ、PWM(pulse width modulation)周波数を上昇させる段階と、を含む請求項8に記載のSRM駆動制御方法。
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