JP2014207740A

JP2014207740A - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP2014207740A
Application number: JP2013082733A
Authority: JP
Inventors: 大輔園田; Daisuke Sonoda; 加藤　康司; Yasushi Kato; 康司加藤; 横内　保行; Yasuyuki Yokouchi; 保行横内; 充弘阪本; Mitsuhiro Sakamoto
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: US9214884B2; CN104104294A; JP6194466B2; CN104104294B; US20140306626A1

Abstract

【課題】従来の家電機器向けブラシレスモータの一般的なモータ駆動装置では、速度制御を行う上位側のコントローラからの入力がＤｕｔｙ指令であるため、ベクトル制御をそのまま導入しようとした場合、上位側からの指令をＤｕｔｙ指令から電流指令に変更する必要があり、モータだけでなく上位コントローラも変更しなければならないという課題があった。【解決手段】上位コントローラから入力されたデューティ指令と実際のインバータの出力デューティが等しくなる電流指令若しくは速度指令を求め、求めた電流指令若しくは速度指令をもとにベクトル制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明はブラシレスモータのモータ駆動装置に関するものである。

エアコン用ファンモータなどの家電機器向けブラシレスモータの一般的なモータ駆動装置では、モータ内部にインバータ、ＣＰＵ、ホール素子等の位置センサを内蔵しており上位側のコントローラから入力されたデューティ指令と位置センサから取得したモータの回転子位置をもとにＣＰＵがインバータへのスイッチング信号を生成し、モータ巻線に矩形波電圧又は正弦波電圧を通電してモータを駆動している。

上位側のコントローラはモータから受け取ったＦＧ信号と呼ばれるモータの回転数に比例した周波数のパルス信号をもとに、速度や風量等が所望の値になるようにモータに入力するデューティ指令を調整している（例えば、非特許文献１参照）。

一方、前述のモータの回転子位置に応じて矩形波電圧を印加する矩形波駆動方式や正弦波電圧を印加する正弦波駆動方式よりも高性能な制御方式としてモータの回転子位置に応じてモータ巻線電流を制御する、いわゆるベクトル制御方式が広く知られている。ベクトル制御では永久磁石によって発生する磁石トルク方向の電流（ｑ軸電流）と永久磁石によって発生する磁束方向の電流（ｄ軸電流）をそれぞれ独立に制御することができる。そのため、矩形波駆動方式や正弦波駆動方式に比べ高効率、低騒音、高速応答を実現することができる。

図８にベクトル制御によってモータ速度を制御する場合の一般的なモータ駆動装置のブロック図を示す。交流電源１を整流回路２１により直流化し、平滑コンデンサ２２を通して平滑化した後、三相インバータ２３によって任意の電圧に交流化されモータ４に供給される。位置検出部３２によってモータの回転子の位置が算出される。

速度制御部５６は速度指令と位置検出部３２から求めたモータの回転子の位置を微分器６０で微分して求まるモータの速度から電流指令を算出する。電流制御部５３は電流指令と電流検出器３１から検出したモータの巻線電流と位置検出部３２から算出されるモータの回転子の位置から電圧指令を求め三相インバータへ出力する。

また、図９は従来のモータ駆動方法のブロック図である。交流電源１を整流回路２１により直流化し、平滑コンデンサ２２を通して平滑化した後、三相インバータ２３によって任意の電圧に交流化されモータ４に供給される。位置検出部３２によってモータの回転子の位置が算出される。ＦＧ出力部５４は位置検出部３２からの位置情報をもとに回転数信号であるＦＧパルスを出力する。

上位コントローラ側の上位速度制御部５１はＦＧ出力部５４から入力されたＦＧパルスをもとに速度や風量等が所望の値になるようにモータに出力するデューティ指令を調整する。電圧制御部５７は入力されたデューティ指令とモータの回転子の位置から電圧指令を求め三相インバータへ出力する。

遠藤隆久、外２名、「エアコン用インバータ装置の省エネ技術」、東芝レビュー、２００６年１２月１日、第６１巻、第１２号、ｐ．４７−５０

しかしながら、従来の家電機器向けブラシレスモータの一般的なモータ駆動装置では、速度制御を行う上位側のコントローラからの入力がＤｕｔｙ指令であるため、前述のベクトル制御をそのまま導入しようとした場合、上位側からの指令をＤｕｔｙ指令から電流指令に変更する必要があり、モータだけでなく上位コントローラも変更しなければならないという課題があった。

非特許文献１では、ベクトル制御導入にあたり、従来、モータ内部にあったインバータ回路をモータ内部ではなく外部の室内制御基板上に移し、モータ内部のＣＰＵで行なっていたスイッチング信号の生成を室内制御基板上のマイコンにて行うなど、大幅な変更が行われている。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、上位側のコントローラを変更することなくモータ制御回路部の変更のみで、より高性能なモータ制御方式であるベクトル制御を搭載したブラシレスモータの駆動装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は回転子位置に応じてモータ巻線に印加する電流を制御する、いわゆるベクトル制御を搭載したモータ駆動装置であって、入力されたデューティ指令と実際のインバータの出力デューティが等しくなる電流指令若しくは速度指令を求め、求めた電流指令若しくは速度指令をもとにベクトル制御を行う。そのため、ベクトル制御を行いながらインバータの出力デューティを上位コントローラが望むデューティに制御することが可能となる。

これによって、上位側のコントローラを変更することなくモータ制御回路部の変更のみでベクトル制御を搭載したブラシレスモータの駆動装置を提供することができる。

矩形波駆動や正弦波駆動を行うブラシレスモータ駆動装置において、上位側のコントローラの設計を変えることなくモータ制御回路部の変更のみでより高性能な制御方式であるベクトル制御を導入することができる。

本発明のデューティ指令から求めた電流指令を用いてベクトル制御を行うモータ駆動方法のブロック図本発明のデューティ指令と実際のインバータの出力デューティの差が零となるように電流指令を算出する方法を示すブロック図と電流制御部の詳細ブロック図本発明のデューティ指令から求めた速度指令を用いてベクトル制御を行うモータ駆動方法のブロック図本発明のデューティ指令と実際のインバータの出力デューティの差が零となるように速度指令を算出する方法を示すブロック図と速度制御部及び電流制御部の詳細ブロック図本発明のデューティ指令とモータの逆モデルから電流指令を算出する方法を示すブロック図と電流制御部の詳細ブロック図ブラシレスモータの等価回路図本発明のフィードバック制御によってデューティ指令から求めた電流指令とモータの逆モデルから求めた電流指令を足しあわせたものを電流指令とする方法を示すブロック図と電流制御部の詳細ブロック図ベクトル制御によってモータ速度を制御する場合の一般的なモータ駆動装置のブロック図従来のモータ駆動方法のブロック図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明のデューティ指令から求めた電流指令を用いてベクトル制御を行うモータ駆動方法のブロック図である。交流電源１を整流回路２１により直流化し、平滑コンデンサ２２を通して平滑化した後、三相インバータ２３によって任意の電圧に交流化されモータ４に供給される。位置検出部３２によってモータの回転子の位置が算出される。ＦＧ出力部は位置検出部３２からの位置情報をもとに回転数信号であるＦＧパルスを出力する。

上位コントローラ側の上位速度制御部５１はＦＧ出力部から入力されたＦＧパルスをもとに速度や風量等が所望の値になるようにモータに出力するデューティ指令を調整する。電流指令計算部５２はインバータの出力電圧が上位コントローラ側から入力されたデューティ指令になるような電流指令を算出する。電流制御部５３は電流指令と電流検出器３１から検出したモータの巻線電流と位置検出部３２から算出されるモータの回転子の位置から電圧指令を求め三相インバータへ出力する。

電流指令計算部５２及び電流制御部５３について更に詳しく説明する。図２は本発明のデューティ指令と実際のインバータの出力デューティの差が零となるように電流指令を算出する方法を示すブロック図と電流制御部の詳細ブロック図である。
相電圧の振幅Ｖ_{ｐｈ＿ａｍｐ}とｄ軸電圧ｖ_ｄ、ｑ軸電圧ｖ_ｑの関係は（式１）で表される。

インバータのスイッチングデューティＤと相電圧の振幅Ｖ_{ｐｈ＿ａｍｐ}の関係は、電圧利用率をη、インバータの搬送波振幅をＣＡＲＲＩＥＲ＿ＣＯＵＮＴとすると（式２）で表される。

電圧利用率ηはインバータの変調方式により決まり、三相変調方式の場合は約０．８７、二相変調方式や三相変調に搬送波の上下包絡線中心値の変動に応じた高調波を重畳する三倍調波注入方式の場合は１となる。（式１）に電流制御部の操作量であるｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊を代入して電圧Ｖを求め、（式２）にデューティ指令を代入して電圧指令Ｖ^＊を求めることができる。電圧指令Ｖ＊と出力電圧Ｖの偏差が零になるようにフィードバック制御によって電流指令を算出する。

電流制御部５３は電流指令から算出したｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊と、電流検出器３１から検出した電流と位置検出部３２から算出されるモータの回転子の位置より算出したｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑとの偏差が零になるようにフィードバック制御を行ってｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊を算出する。ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊に回転座標変換及び二相−三相変換を行い三相の電圧指令ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊が算出される。

以上のように、デューティ指令と実際のインバータの出力デューティの差が零となるように電流指令をフィードバック制御することでデューティ指令から電流指令を算出することができる。

（実施の形態２）
図３は本発明のデューティ指令から求めた速度指令を用いてベクトル制御を行うモータ駆動方法のブロック図である。実施の形態１との違いは電流指令計算部５２が、速度指令計算部５５と速度制御部５６に変わっている。速度指令計算部５５は、インバータの出力電圧が上位コントローラ側から入力されたデューティ指令になるような速度指令を算出する。速度制御部５６は、入力された速度指令と位置検出部３２から求めたモータの回転子の位置を微分器６０で微分して求まるモータの速度から電流指令を算出する。

図４は本発明のデューティ指令と実際のインバータの出力デューティの差が零となるように速度指令を算出する方法を示すブロック図と速度制御部及び電流制御部の詳細ブロック図である。速度指令計算部５５による速度指令の算出方法は実施の形態１で述べた電流指令計算部５２と全く同じである。

（式１）から算出した電圧Ｖと（式２）から算出した電圧指令Ｖ^＊との偏差が零になるようにフィードバック制御によって速度指令を算出する。速度制御部５４は入力された速度指令とモータ速度の偏差が零になるようにフィードバック制御を行い、速度制御の操作量を電流指令として電流制御部５３に出力する。

例えばモータの保護機能として速度上限を上位コントローラ側だけではなくモータの制御回路側でも設けたいという場合は、速度制御部を持たない実施の形態１では難しいが実施の形態２では生成する速度指令を制限することで容易に実現することができる。

（実施の形態３）
図５は本発明のデューティ指令とモータの逆モデルから電流指令を算出する方法を示すブロック図である。実施の形態１との違いは電流指令計算部５２の電流指令の算出方法が異なる。実施の形態１のようにフィードバック制御により電流指令を求めるのではなくモータの逆モデルから計算によって電流指令を算出する。

図６にブラシレスモータの等価回路図を示す。ここでｖはモータ巻線に印加される電圧、ｉはモータの巻線に流れる電流、Ｌはモータ巻線のインダクタンス、Ｒはモータ巻線の抵抗、ｅはモータの永久磁石による誘起電圧を表す。図８よりモータの電圧方程式は（式３）で表すことができる。

（式３）を実効値で考えた場合、（式３）は（式４）で表すことができる。

Ｖｒｍｓはモータ巻線に印加される電圧の実効値、Ｉ_ｒｍｓはモータの巻線に流れる電流の実効値、ω_ｅは電気角周波数、ω_ｍは機械角周波数、Ｋ_ｅは誘起電圧定数を表す。

巻線電圧と電源電圧の関係は（式５）で表すことができる。

Ｖ_ｄｃはインバータに入力される電源電圧を表し、交流電源１によって印加される交流電圧の振幅と等しい。（式４）、（式５）より

また、ｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑとの関係は（式７）で表すことができる。

（式６）、（式７）に上位コントローラから入力されたデューティ指令を代入することでデューティ指令から電流指令を算出することができる。フィードバック制御によって電流指令を算出する実施の形態１に比べて計算によって電流指令を求めるため高い応答性が得られるが計算に使用する抵抗値などの誤差の影響を受ける。

（実施の形態４）
図７は本発明のフィードバック制御によってデューティ指令から電流指令を求める方法とモータの逆モデルから計算による電流指令を求める方法を組み合わせたものである。実施の形態１で説明したデューティ指令と実際のインバータの出力デューティの差が零になるようにフィードバック制御により求めた電流指令と実施の形態３で説明したモータの逆モデルから求めた電流指令を足しあわせたものを電流指令としてベクトル制御を行う。この方式はいわゆる２自由度制御といわれるもので逆モデルを用いることによる高速応答性とフィードバック制御によるモデル化誤差の影響の補償の両立が可能である。

以上のように、本発明によって矩形波駆動や正弦波駆動を行うブラシレスモータ駆動装置において、上位側のコントローラの設計を変えることなくモータ制御回路部の変更のみで、より高性能な制御方式であるベクトル制御を導入することができ、ブラシレスモータ駆動装置全般に利用することができる。

１交流電源
４モータ
２１整流回路
２２平滑コンデンサ
２３三相インバータ
３１電流検出器
３２位置検出部
５１上位速度制御部
５２電流指令計算部
５３電流制御部
５４ＦＧ出力部
５５速度指令計算部
５６速度制御部
５７電圧制御部
６０微分器

Claims

回転子位置に応じてモータ巻線に印加する電流を制御するモータ駆動装置において、モータに入力されたデューティ指令と実際のインバータ出力デューティが等しくなるような指令値を生成することを特徴とするモータ駆動装置。
前記指令値を電流指令とすることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記指令値を速度指令とすることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記指令値の生成に際して、モータに入力されたデューティ指令と実際のインバータ出力デューティとの偏差が零になるようフィードバック制御により指令値を生成することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記電流指令の生成に際して、モータ等価回路の逆モデルから計算することを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。
前記電流指令の生成に際して、モータに入力されたデューティ指令と実際のインバータ出力デューティとの偏差が零になるようフィードバック制御したときのフィードバック制御の操作量とモータ等価回路の逆モデルから計算した電流値を足しあわせたものを電流指令とすることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。