JP2016036195A - モータ制御装置及び冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】１２０度通電方式と１８０度通電方式を切り替えてモータを駆動する際に必要とされる電圧印加量を自動的に決定することが可能なモータ制御装置及び冷蔵庫を提供する。【解決手段】１２０度通電方式と１８０度通電方式を切り替えてモータを運転するモータ制御装置において、通電方式を切り替える際に、インバータの出力電圧の位相を切り替えることで、出力電圧の大きさとモータのｑ軸に対して出力される電圧の大きさが、通電方式の切替前後において所定範囲内となるように制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、モータ制御装置及び冷蔵庫に関する。

３相ブラシレスモータなどを駆動する際に、１２０度通電方式と１８０度通電方式を切り替えて駆動するための手段として、例えば、特開２００８−１７２９４８号公報（特許文献１）がある。

この公報には、一方の通電方式から他方の通電方式への切換えの際に、回転数制御ＰＷＭデューティ／変調率演算部と通電切換制御・電圧／電流位相差算出・電圧位相算出部は、一方の通電方式における切換え直前のブラシレスモータのロータ位置に対する電流位相と切換直後の電流位相が等しくなるように制御すると記載されている。特に、通電方式を切り替えた際の電圧印加量の補正については、ＰＷＭデューティに所定値αを乗算した値を用いると記載されている。

特開２００８−１７２９４８号公報

特許文献１に記載されている通電方式を切り替えた際の電圧印加量の補正方法は、ＰＷＭデューティに所定値αを乗算する手段であり、この所定値αは実験やシミュレーションにより予め調整する必要がある。

しかし、特許文献１には所定値αを求めるための具体的な手法が記載されていない。また、実験やシミュレーションにて予期していない条件においては、所定値αの過不足により安定してモータを駆動できない可能性がある。

制御の安定性を高めるためにはフィードバックされる各入力値や各演算結果を基に、自動的に電圧印加量を決定できることが望ましい。

そこで本発明は、１２０度通電方式と１８０度通電方式を切り替えてモータを駆動する際に必要とされる電圧印加量を自動的に決定することが可能なモータ制御装置及び冷蔵庫を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明の一つの特徴は、モータと、インバータと、を備え、１２０度通電方式と１８０度通電方式を切り替えて前記モータを運転するモータ制御装置において、通電方式を切り替える際に、前記インバータの出力電圧の位相を切り替えることで、前記出力電圧の大きさと前記モータのｑ軸に対して出力される電圧の大きさが、通電方式の切替前後において所定範囲内となるように制御することを特徴とする。
なお、本発明のその他の特徴は、本願特許請求の範囲に記載の通りである。

本発明によれば、１２０度通電方式と１８０度通電方式を切り替えてモータを駆動する際に必要とされる電圧印加量を自動的に決定することが可能なモータ制御装置及び冷蔵庫を提供することができる。

本発明の実施例１におけるモータ制御装置の回路構成図の一例である。 本発明の実施例１における制御器の構成図の一例である。 本発明の実施例１におけるインバータ出力電圧と位相の関係を示す一例である。 本発明の実施例１におけるインバータ出力電圧と位相の関係を示す一例である。 本発明の実施例１における１２０度通電時のインバータ出力電圧位相を示す図の一例である。 本発明の実施例１における１２０度通電方法を示す図の一例である。 （ａ）は、１８０度通電時の出力電圧の状態、（ｂ）は、１２０度通電時の出力電圧の状態、（ｃ）は通電方式切替時のモータ電流の状態をそれぞれ示す図である。 本発明の実施例１における制御構成の一例である。 本発明の実施例１における制御動作とその効果を示す図の一例である。 本発明の実施例２における制御器の構成図の一例である。 本発明の実施例２における制御構成の一例である。 本発明の実施例２における制御動作と効果を示す図の一例である。 本発明の実施例１および２における他の制御構成との組合せを示す図の一例である。 本発明の実施例１および２における他の制御構成との組合せを示す図の一例である。

本発明の実施例について、図面に基づき説明する。

本実施例における回路構成の一例を図１に示す。本実施例は、図１に示すように交流電圧を出力するインバータ１と、このインバータ１に接続されたモータ２と、インバータ１に対してパルス幅変調信号を出力しインバータ１を制御する制御器３を有する。

制御器３は、図２に示すように、シャント抵抗器４を用いて検出されるインバータ直流電流Ｉｄｃを入力とし、電流再現器６にてインバータ直流電流Ｉｄｃからｄｑ軸電流ＩｄｃおよびＩｑｃを算出し、位置推定器７によって制御上のｄｃ−ｑｃ軸とモータの実際のｄ−ｑ軸との軸誤差Δθｃから位置推定を行い、推定した位置情報に基づいて速度推定器８によりモータの速度推定を行い速度制御器９にてモータ速度制御を実施する。

なお、本実施例では説明の簡略化のために、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^*はゼロ（モータのリラクタンストルクは使用しない）とし、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^*により磁石トルクを調整する制御構成について説明するが、リラクタンストルクの活用や弱め界磁制御のためにｄ軸電流指令値Ｉｄ^*が何らかの値を持つ場合においても本実施例は適用可能である。

速度指令値ω^*および速度制御器９により出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ^*は、出力電圧演算器１０に入力される。出力電圧演算器１０では、例えば式１および式２を用いて電圧指令値Ｖｄ^*およびＶｑ^*を算出する。ここで、Ｌｑはモータのｑ軸インダクタンス、Ｒｍはモータ巻線抵抗値、Ｋｅは角速度に対するモータ誘起電圧の大きさを示す。また、算出したＶｄ^*とＶｑ^*から、図３に示すようにｑ軸に対する電圧位相θｖを算出する。
Ｖｄ^* ＝ − ω^* × Ｌｑ × Ｉｑ^* ・・・・・（式１）
Ｖｑ^* ＝ Ｒｍ × Ｉｑ^* − ω^* × Ｋｅ ・・・・・（式２）
出力電圧演算器１０で求めたＶｄ^*とＶｑ^*を入力とし、電圧振幅演算器１１にて図３に示すように出力電圧振幅Ｖ１を求める。

また、インバータ出力電圧を補正するための出力電圧補正器１２には、電圧位相θｖを入力する。出力電圧補正器１２は、通電方式切替器１３の状態に応じて、電圧位相θｖを補正した値であるθｖ´を出力する。尚、出力電圧補正器１２の構成については後述する。

インバータは、入力電源である直流電圧Ｅｄを３相ＰＷＭ制御によるチョッパ動作を行うことで、交流電圧を出力する。そのため、電圧振幅演算器１１で求めたＶ１を正しくモータへ出力するために、インバータ直流電圧Ｅｄの大きさに合わせてＰＷＭのデューティを調整するＰＷＭデューティ調整器１４を通し、ＰＷＭデューティを補正したＶ１´を算出する。このＰＷＭデューティ補正後の出力電圧Ｖ１´と出力電圧補正器１２から出力される電圧位相θｖ´を用いてＶ１´をｄｑ軸に分解し、ＵＶＷの３相へ変換した後、電力変換回路１へＰＷＭのパルス信号として出力する。

尚、通電方式切替器１３による１２０度通電方式と１８０度通電方式の切り替えは、例えば位置推定器７から出力されるモータの推定位置θｄｃからモータ回転角度に応じて切り替えるか、ｑ軸電流検出値Ｉｑｃやモータの速度推定結果ω１の挙動からモータトルクを推定し、モータトルクの大きさに応じて切り替えればよい。以上が、本実施例における制御の全体構成である。

次に、本実施例で解決しようとする課題について、１８０度通電方式から１２０度通電方式へ切り替えた場合の動作を例として説明する。

一般的な１８０度通電方式では、ＵＶＷ３相のＰＷＭデューティを可変させ、３相全てに通電することで、モータへの出力電圧振幅値と電圧位相を制御可能である。すなわち、図４に示すように、出力電圧振幅値に対して電圧位相を変更することで、モータのｄ軸およびｑ軸に対するそれぞれの出力電圧であるＶｄ^*およびＶｑ^*を制御可能であることを示している。

これに対して１２０度通電方式は、ＵＶＷ３相のうちのいずれか２相だけを通電させる方式のため、図５に示すように０〜３６０度の電圧位相範囲を６０度ごとに分割した（１）〜（６）の６つの電圧位相にしか電圧を出力できない。よって図６に示すように、出力電圧Ｖ１は制御上のｑ軸に出力され、出力されたＶ１に対してロータのｑ軸が±３０度の範囲内となるように、通電する２相を切り替えるのが一般的な１２０度通電方式である。

ここで、図２の制御構成において、出力電圧補正器がない場合について説明する。出力電圧補正器がない場合、出力電圧補正用の電圧位相θｖ´＝θｖとなり、ＳｉｎＣｏｓ算出器１５に入力される。出力電圧Ｖ１はＰＷＭデューティ調整器１４に入力され、インバータ直流電圧Ｅｄの大きさに合わせてＰＷＭデューティ補正後の出力電圧Ｖ１´が出力される。１８０度通電時はＰＷＭデューティ補正後のＶ１´と電圧位相θｖより算出されるＳｉｎθｖおよびＣｏｓθｖを用いて、ｄ軸出力電圧Ｖｄ^**およびｑ軸出力電圧Ｖｑ^**に分解される。このとき、Ｖ１´とＶｄ^**、Ｖｑ^**の関係はそれぞれ式３および式４で表すことができる。
Ｖｄ^** ＝ Ｖ１’×Ｓｉｎθｖ’ ・・・・・（式３）
Ｖｑ^** ＝ Ｖ１’×Ｃｏｓθｖ’ ・・・・・（式４）
１８０度通電方式から１２０度通電方式へ切り替えた場合、ＵＶＷ各相のＰＷＭ出力に対して実際に通電する相は２相のみとなる。このとき、図７の（ａ）（ｂ）に示すようにＰＷＭデューティ補正後のＶ１´のうち実際に出力されるのはｑ軸出力電圧Ｖｑ^**のみとなり、式４の関係よりＶｑ^**≦Ｖ１´であるため、１８０度通電方式から１２０度通電方式へ切り替えた場合、モータへ実際に出力される電圧が低下することになる。また、出力電圧がＶ１´からＶｑ^**へ変わるため出力電圧の位相θが変化し、モータに流れる電流Ｉｍの位相も変化する。よって、モータ電流Ｉｍのｑ軸成分が低下し、モータの出力トルクや速度の低下を招く。モータの出力トルクや速度の低下は、モータの効率悪化や振動の増加を引き起こし最悪の場合は脱調停止などに至る。

通電方式を切り替えた場合の出力電圧の低下を補正する方法として、特許文献１に記載の方式が挙げられる。特許文献１には、出力電圧の低下を補正するために、ＰＷＭデューティに補正量αを乗算することが記載されているが、補正量αの決定方法は実験やシミュレーションにより求める方法であり、実際の運転条件が実験条件やシミュレーション条件から外れた場合は、補正量αの値を適切にできない。

図８に本実施例における出力電圧補正器１２の構成を示す。出力電圧補正器１２は、１８０度通電方式と１２０度通電方式のどちらの通電方式で動作させるかを示す通電方式情報を入力とし、ＳｉｎＣｏｓ算出器１５に対して、出力電圧位相θｖとゼロのどちらを出力電圧補正用の電圧位相θｖ´として出力するかを切り替えるスイッチを備えることを特徴とする。

１８０度通電方式の場合はスイッチをＡ側として、出力電圧位相θｖを出力電圧補正用の電圧位相θｖ´として出力する。出力電圧補正用の電圧位相θｖ´＝θｖとしてＰＷＭデューティ補正後の出力電圧Ｖ１´をｄｑ分解するとｄ軸とｑ軸の出力電圧Ｖｄ^**およびＶｑ^**は式３および式４によって求められる。１２０度通電方式の場合はスイッチをＢ側として、ゼロを出力電圧補正用の電圧位相θｖ´として出力する。式３および式４より、θｖ´＝０の場合は、図９（ｂ）に示すようにＶｑ^**＝Ｖ１´となる。これにより、出力電圧Ｖ１´を低下させることなく１２０度通電方式へ切り替えることが可能となる。このとき、モータのｑ軸に印加される電圧Ｖｑ^**は、従来方式に比べて増加することになる。図９（ｃ）に示すように、出力電圧Ｖ１´の位相が変わることによりモータ電流Ｉｍの位相も変化するが、ｑ軸出力電圧Ｖｑ^**が増加しているため、モータ電流Ｉｍのｑ軸成分は１２０度通電に切り替える前の状態を維持することができる。

また、１２０度通電方式から１８０度通電方式へ切り替える際は、出力電圧補正器１２のスイッチをＡ側として出力電圧Ｖ１´の位相が切り替えることでモータ電流Ｉｍのｑ軸成分を維持することができる。

本実施例によれば、１８０度通電方式と１２０度通電方式を切り替える際に、出力電圧補正器１２のスイッチを切り替えることで、モータの出力トルクや速度の低下を招くことなく通電方式を切り替えることが可能となる。

図１０に、上記と同様の効果を得るための異なる制御構成の一例を示す。本実施例は、前述の実施例に対し、出力電圧補正器１７の構成と出力電圧補正器１７の出力Ｖｑ＿ａｄｄをｑ軸出力電圧Ｖｑ＊＊に加算する点が異なるのみであり、その他の構成については実施例１に記載の内容と同じであるため、説明は省略する。

出力電圧補正器１７の構成について説明する。出力電圧補正器１７は、出力電圧演算器１０から出力される電圧位相θｖと通電方式切替器１３から出力される通電方式情報とＰＷＭデューティ調整器１４から出力される出力電圧Ｖ１´とＳｉｎＣｏｓ算出器から出力されるＣｏｓθｖを入力とし、ｑ軸出力電圧補正値Ｖｑ＿ａｄｄを出力する。ここで、ｑ軸出力電圧補正値Ｖｑ＿ａｄｄは、式５により求める。
Ｖｑ＿ａｄｄ ＝ Ｖ１´― Ｖ１´× Ｃｏｓθｖ ・・・・・（式５）
出力電圧補正器１７は、１８０度通電方式と１２０度通電方式のどちらの通電方式で動作させるかを示す通電方式情報を入力とし、式５にて求めた値とゼロのどちらを出力するかを切り替えるスイッチを備えることを特徴とする。

１８０度通電方式の場合はスイッチをＡ側とする。このとき、ｑ軸出力電圧補正値Ｖｑ＿ａｄｄ＝０となるため、従来の制御構成と同じ動作となる。１２０度通電方式の場合はスイッチをＢ側として、式５で求めた値をｑ軸出力電圧補正値Ｖｑ＿ａｄｄの値とする。このとき、ｑ軸に出力される電圧の大きさと出力電圧Ｖ１´の関係は、式４および式５より式６で表される。
Ｖ１´＝ Ｖｑ＊＊ ＋ Ｖｑ＿ａｄｄ ・・・・・（式６）
よって、図１２（ｂ）に示すように、１２０度通電方式時においてはｑ軸に出力される電圧を増加することができる。すなわち、図１２（ｃ）に示すように、モータ電流Ｉｍのｑ軸成分を１２０度通電に切り替える前の状態に維持することができ、実施例１と同様にモータの出力トルクや速度の低下を招くことなく通電方式を切り替えることが可能となる。

実施例１および実施例２については、モータの速度推定値ω１と速度指令値ω^*を入力としてｑ軸電流指令値Ｉｑ^*を出力する速度制御器９を備えた構成にて説明したが、実施例１および実施例２に記載の発明は図２および図１０に示す構成に限られるものではない。例えば、図１３に示すように、シャント抵抗器４を用いて検出した電流を電流再現器６に入力し、モータに流れるｑ軸電流を再現した値Ｉｑｃを一次遅れフィルタに通してｑ軸電流指令値Ｉｑ^*とするような制御構成にも適用可能である。

また、図１４に示すように、速度制御器の出力であるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と、モータに流れるｑ軸電流値Ｉｑｃを入力としてｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を補正し第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ＊＊を出力する電流制御器を備えた制御構成などにおいても、同様に適用可能である。

このように、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

モータは、永久磁石モータとして説明したが、その他の電動機（例えば、誘導機、同期機、スイッチトリラクタンスモータ、シンクロナスリラクタンスモータなど）を用いても構わない。その際、電動機によっては出力電圧演算器での演算方法が変わるが、それ以外については同様に適用でき、本願の目的を達成可能である。

また、回転モータを例に説明したが、当然、リニアモータを適用しても本願の目的を達成可能である。

上記の実施例では、位置センサレス制御を前提として記載した。そのため、位置推定方式について記載したが、例えば、電気角６０度毎の位置を得られるホールセンサを用いた１２０度通電式から１８０度通電方式に切り替えても、本願の目的を達成可能である。

また、実施例で説明したモータ制御装置を圧縮機に適用することで、駆動効率を向上することができる。さらに、実施例で説明したモータ制御装置を適用した冷媒圧縮機を冷蔵庫の冷凍サイクルに適用することで、省エネルギー性能を向上することができる。

１ 電力変換回路、２ 永久磁石モータ、３ 制御器、４ シャント抵抗器、５ ＰＷＭ発生器、６ 電流再現器、７ 位置推定器、８ 速度推定器、９ 速度制御器、１０ 出力電圧演算器、１１ 電圧振幅演算器、１２ 出力電圧補正器、１３ 通電方式切替器、１４ ＰＷＭデューティ調整器、１５ ＳｉｎＣｏｓ算出器、１６ 電圧位相切替スイッチ、１７ 出力電圧補正器、１８ 出力電圧補正値切替スイッチ、１９ 一次遅れフィルタ、２０ 電流制御器、１００ モータ制御装置

Claims (3)

1. モータと、インバータと、を備え、
   １２０度通電方式と１８０度通電方式を切り替えて前記モータを運転するモータ制御装置において、
   通電方式を切り替える際に、前記インバータの出力電圧の位相を切り替えることで、前記出力電圧の大きさと前記モータのｑ軸に対して出力される電圧の大きさが、通電方式の切替前後において所定範囲内となるように制御することを特徴とするモータ制御装置。
2. モータと、インバータと、を備え、
   １２０度通電方式と１８０度通電方式を切り替えて前記モータを運転するモータ制御装置において、
   通電方式を切り替える際に、前記インバータの出力電圧の大きさと前記モータのｑ軸に対して出力される電圧の大きさの差分を算出する演算器を備え、
   前記演算器で算出した前記差分を前記モータのｑ軸に対して出力される電圧に加算することで、前記インバータの出力電圧の大きさと前記モータのｑ軸に対して出力される電圧の大きさが、通電方式の切替前後において所定範囲内となるように制御することを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１又は２に記載のモータ制御装置を有する圧縮機を備えたことを特徴とする冷蔵庫。