JP2020005472A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機が同期ＰＷＭ制御方式で制御された場合に、空転中の電動機を再駆動したとしても、電気ショックの発生を抑止し、異常状態に陥ることを低減可能な電動機の制御装置を提供する。【解決手段】複数相の巻線を有する電動機を制御する電動機の制御装置であって、直流電圧を正弦波の交流電圧に変換し電動機に供給するインバータと、正弦波の交流電圧の周波数に応じてスイッチング信号を生成する制御部と、制御部の制御周期を可変させ、かつ、正弦波の交流電圧に対し常に同じ位相でスイッチングを行う位相制御情報を出力する同期ＰＷＭ制御部と、制御部からのスイッチング信号の出力が停止したときに、電動機の空転中位相を検出し、位相信号を出力する位相検出手段と、を有し、制御部は、電動機が空転中から再起動する際に、位相信号と位相制御情報に基づいて、スイッチング信号を生成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機の制御装置に関し、特に磁極位置検出手段、モータ電流検出手段を省略したセンサレス制御方法及び装置に関するものである。

従来、電動機の制御装置において、部品削減による信頼性向上、及び設置場所における制約の排除を目的に、電動機の磁極位置を検出するための磁極位置センサ、あるいはモータ電流センサを省略するセンサレス制御技術が提案されている。

特許文献１では、このセンサレス制御においてインバータのスイッチング動作が停止している状態、即ち電動機が空転している状態において、位相検出手段により空転中の実際の位相を検出し、インバータのスイッチング動作再開時には前記の実際の位相を用いることで、空転状態からの再起動を可能としている。

一方で、直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換するＰＷＭインバータ装置で駆動される電動機において、近年では、より広範囲にわたる速度制御が要求されている。この要求を実現するため、特許文献２では高速で駆動される電動機に対し、インバータ駆動電圧の変調率や電動機の駆動周波数に応じてインバータのスイッチング周波数を可変させ、かつ、トルク変動抑止のためインバータのスイッチングタイミングが、電動機の駆動周波数の1周期内において常に同じとなるように位相を管理する同期ＰＷＭ制御を採用している。

特開２００５−１３７１０６号公報 特開２０１３−２２３３０８号公報

特許文献２に示されるような同期ＰＷＭ制御方式を採用した場合に、特許文献１の方式で空転中の電動機を再駆動させると、同期ＰＷＭ制御で管理していない位相が入力されるため、再駆動直後にインバータのスイッチングタイミングにずれが生じることで、電流ショックが発生し、過電流や脱調等の異常状態に陥る可能性がある。

本発明は、電動機が同期ＰＷＭ制御方式で制御された場合に、空転中の電動機を再駆動したとしても、電気ショックの発生を抑止し、異常状態に陥ることを低減可能な電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、複数相の巻線を有する電動機を制御する電動機の制御装置であって、直流電圧を正弦波の交流電圧に変換し電動機に供給するインバータと、正弦波の交流電圧の周波数に応じてスイッチング信号を生成する制御部と、制御部の制御周期を可変させ、かつ、正弦波の交流電圧に対し常に同じ位相でスイッチングを行う位相制御情報を出力する同期ＰＷＭ制御部と、制御部からのスイッチング信号の出力が停止したときに、電動機の空転中位相を検出し、位相信号を出力する位相検出手段と、を有し、制御部は、電動機が空転中から再起動する際に、位相信号と位相制御情報に基づいて、スイッチング信号を生成する構成とする。

本発明によれば、電動機が同期ＰＷＭ制御方式で制御された場合に、空転中の電動機を再駆動したとしても、電気ショックの発生を抑止し、異常状態に陥ることを低減可能な電動機の制御装置を提供できる。

本発明に係る電動機の制御装置の一構成例を示す図である。 電気掃除機の外観を示す図である。 本発明の電動機の制御装置の処理部の制御ブロックを示す図である。 本発明の電動機の制御装置の全体動作フローを示す図である。 本発明の電動機の制御装置の位相信号の処理フローを示す図である。 本発明の位相検出手段の一回路例を示す図である。 本発明の位相信号と分圧信号の関係を示す図である。 本発明の同期ＰＷＭ制御の電圧位相と位相信号との関係を示す図である。 本発明の位相検出手段の他の回路例を示す図である。

本発明は、複数相の巻線を有する電動機１０３を制御する電動機１０３の制御装置に関し、本発明の実施例として、電動機１０３を含む電気掃除機１０の制御装置に利用した場合について、以下詳細に説明する。

図２は、本発明に関わる電気掃除機１０の外観である。 図１は、本発明に関わるモータ制御装置の基本構成図である。図１において、モータ制御装置はエネルギを供給する充電池１００、平滑コンデンサ１０１、負荷としてのファン１０２が取り付けられた電動機１０３、直流電圧を正弦波の交流電圧に変換し、変換した交流電力を電動機１０３であるモータ（本実施例では永久磁石同期モータ）に出力するインバータ１０４、それを駆動するドライバ回路１０５、ドライバ回路１０５にＰＷＭ信号を出力する処理部であるマイコン１０６、電源電圧を検出する為の電圧検知手段１０７、掃除機のスイッチ入切信号を伝えるスイッチ信号生成部１０８、インバータ１０４からの電力出力を停止し、電動機１０３が空転しているときに磁極位置信号を生成する位相検出手段１０９、直流電流検出器１１０、過電流検出回路１１１、直流電流検出抵抗１１７、とを備えて構成されている。

このように、本実施例は直接、磁極位置やモータ電流を検出する手段を省略した、センサレス構成となっている。

なお、本図ではエネルギ供給手段として充電池１００を用いているが、交流電力を直流電力に変換する手段を用いることにより、直流電力を利用することも可能である。

スイッチ信号生成部１０８からのスイッチ信号１１２が入の状態になると、マイコン１０６は充電池１００の電圧を電圧検知手段１０７によって、また、磁極位置を直流電流検出器１１０から得た電流情報１１４をもとにして出力演算を行い、ドライバ回路１０５にＰＷＭ波形を出力する。インバータ１０４はこの出力を受けて駆動され、電源１００からの直流電力を交流電力として電動機１０３へ供給する。この結果、電動機１０３とそれに取り付けられたファン１０２が回転し、吸い込み力が発生、ゴミを吸引する風力を得る。

スイッチ信号１１２が入から切の状態になると、マイコン１０６は、位相検出手段１０９からの位相信号１１３を受け付け、空転中の電動機１０３の状態を監視する。位相検出手段１０９は、電動機１０３とインバータ１０４を結ぶ各相の配線１１６からそれぞれの逆起電力を検出し、位相信号１１３としてマイコン１０６へ出力する。

また、スイッチ信号生成部１０８は、入切情報の他にも数種類の動作モードを持っている。マイコン１０６は、それぞれの動作モードに応じて回転数等の制御を行い、吸い込み力に変化をつける。

なお、本実施例において、位相検出手段１０９は、制御部であるＰＷＭ生成回路２４３からのスイッチング信号の出力が停止したときに、電動機１０３の空転中位相を検出し、位相信号を出力するものであり、図６のように構成している。図６ではＵ相とＶ相の逆起電力を用いる場合で説明する。

分圧回路１５０、１５１はＵ相の逆起電力を、また、分圧回路１５２、１５３はＶ相の逆起電力を、分圧し、比較回路であるコンパレータ１６０へ出力する。

比較回路であるコンパレータ１６０は、電動機１０３の固定子巻線とインバータ１０４間の複数の配線にかかる線間電圧を分圧した複数の電圧を比較するものであり、具体的には、分圧回路１５０〜１５３によって得られた信号１５４、１５５を受け、位相信号１１３としてＨまたはＬを出力する。

これらの波形の関係は図７のようになっており、Ｕ−Ｖ間線間電圧のゼロクロス点を閾値として、ＨかＬを出力する回路と等価である。

本実施例では、位相信号１１３のみを検出して空転中の状態を監視しているが、正転、逆転させる場合は図９のように第２の位相信号１７０を出力させることで、回転方向の検出を行うことも可能である。

次に、図３〜図５を用いて、処理部であるマイコン１０６内の動作について説明する。

図３において、マイコン１０６の動作は、ベクトル制御系２００、空転中位相検出系３００から構成されている。

ベクトル制御系２００は、特許文献１、２で提案するスマートベクトル方式であり、磁極位置センサ、モータ電流センサを省略した構成に対応している。同期ＰＷＭ制御器２４５を除き、詳細は特許文献１に記載のものであるため、ここでは概略のみ説明する。

まず、相電流再現器２０１により、増幅器１１４からの直流電流の電流情報I_DCから得た情報からモータ電流を再現する。これを、ｄ−ｑ変換器２０２により３相のIu、Iv、Iwの交流電流情報から回転座標系に変換し、トルク電流成分Iqcと、励磁電流成分Idcに変換する。

また、回転子位置推定器２２０は、これらのトルク電流成分Idc、励磁電流成分Iqcと、電圧指令演算器２４０の出力である電圧指令値Vdc*、Vqc*をもとにして、制御系で推定した磁極位置と、実際の電動機１０３との磁極位置のずれΔθcを算出する。ずれΔθcは、ＰＬＬ制御器２２１によって周波数指令値ω1に反映される。

電圧指令演算器２４０は、Id*、Iq*、ω1*から出力する電圧指令値Vdc*、Vqc*を演算する。

同期ＰＷＭ制御器２４５は、制御部であるＰＷＭ生成回路２４３の制御周期を可変させ、かつ、正弦波の交流電圧に対し常に同じ位相でスイッチングを行う位相制御情報（キャリア周期Tcと、同期ＰＷＭ制御状態Np）を出力するものであり、具体的には、ω1*とθdcとVdc*とVqc*から、電圧位相と同期したキャリア周期Tcと、同期ＰＷＭ制御状態Npを出力する。図８はNpが３の時のキャリア波６００と電圧位相６１０の関係及び、Npが９の時のキャリア波６０１と電圧位相６１１の関係を示している。Npが３の時のキャリア周期は電圧位相６１０の周期の３倍であり、Npが９の時のキャリア周期は電圧位相６１１の周期の９倍である。このように、Npはω1*の周期とキャリア周期Tcの関係を示している。

負荷変動等の外乱により前記電圧位相とキャリア周期Tcの関係がずれた場合、ずれを補正するための補正量ΔTcを現在のキャリア周期Tcに加えて出力することで、電圧位相とキャリア波の関係を一定に保ち、交流電圧に対し常に同じ位相でスイッチングを行えるように制御している。

本実施例ではキャリア周期Tcがω1*に依らず一定の非同期状態の場合を同期ＰＷＭ制御状態Np=0と定義し、ω1*の大きさに応じてNpを０、３、９のいずれかの状態に切替えて制御しているものとする。

ｄ−ｑ変換器２４２は、電圧指令値Vdc*、Vqc*を３相交流成分であるVu*、Vv*、Vw*に変換し、同期ＰＷＭ制御器２４５の出力であるキャリア周期Tcに応じたVu*、Vv*、Vw*を制御部であるＰＷＭ生成回路２４３へ出力する。

制御部であるＰＷＭ生成回路２４３は、正弦波の交流電圧の周波数に応じてスイッチング信号を生成するものであり、これらのVu*、Vv*、Vw*と、電圧検知手段１０７から得た情報Edcと同期ＰＷＭ制御器２４５の出力であるキャリア周期Tc、をもとに、出力パルスをドライバ回路１０５へ出力し、ドライバ回路１０５はインバータ１０４へ、パルスを出力する。

なお、励磁電流指令値Id*はｄ軸電流生成器２４１で、トルク電流指令値Iq*は、トルク電流フィードバック値Iqcからフィルタ２４４を介することによって求めている。

空転中位相検出系３００は、インバータ１０４のパルス出力が停止し、電動機１０３が空転している時に動作するもので、電動機１０３が空転中の状態から再起動できるようにするものである。

空転時位相検出器３０１は、位相検出手段１０９からの位相信号１１３を受け、信号レベルがＨ→Ｌ、あるいはＬ→Ｈに変化したときのタイミングで位相θfrを更新する。

空転時周波数計測器３０２は、空転時位相検出器３０１と同様に位相信号１１３を受け、その信号レベルの変化ごとに電動機１０３の空転時周波数ωfrを演算する。

スイッチ３１０は、電動機１０３が空転中であるか否かによって、使用する指令値を切り替えるものである。

空転時、スイッチ３１０は状態Ａを選択する。このため、位相検出手段１０９からの位相信号１１３は空転時位相検出器３０１、空転時周波数計測器３０２で検出され、空転時の電動機１０３の状態を監視できるようになる。

また、電圧指令生成器２４０への電流指令値Id*、Iq*として０を選択し、周波数指令として、空転時周波数ωfrを選択する。この結果、空転中の電圧指令値を常に演算することが可能となるため、空転中から電動機１０３を再起動させる際、この電圧指令値を即座に利用することが可能となる。

電動機１０３が完全停止している、あるいはインバータ１０４が電動機１０３へ電力を出力している状態において、スイッチ３１０は状態Ｂを選択する。このため、空転中位相検出系３００はベクトル制御系２００に何ら影響を与えない。

以下、本実施例におけるシステムの動作の流れを、図４、図５を用いて説明する。

図４は、本実施例の全体的な動作の流れについて示したものである。

まず、インバータ１０４へパルス出力処理を行っているかどうかを、インバータ出力中判定４０１で判断する。このとき、出力を停止していた場合、空転時周波数ωfrをもとにして判定４０５を行う。判定４０５は、再起動可能か不可能かを判定するものであり、位相検出手段１０９からの信号が検出できない所定の電動機の回転数未満、又は位相検出手段１０９からの信号が検出可能な所定の電動機１０３の回転数以上かどうかを判定するものである。具体的には、空転時周波数ωfrが、予め定めた下限値以上か否かを判定する。もし再起動不可状態と判定した場合、具体的には、空転時周波数ωfrが、予め定めた下限値以上と判定された場合、処理４０７において空転中位相検出系３００にあるスイッチ３１０をＢに設定し、電動機を停止する停止処理４０８を実行する。また、空転中からの再起動可能状態と判定した場合、具体的には、空転時周波数ωfrが、予め定めた下限値より小さいと判定された場合、処理４０６で空転中位相検出系３００にあるスイッチ３１０をＡに設定し、再起動に備える。

一方、判定４０１において、インバータ１０４へパルス出力中であった場合、空転中位相検出系３００にあるスイッチ３１０を判定４０２で実行する。このとき、状態Ｂだった場合、そのまま電圧演算４０９を行い、電動機１０３を制御する。

状態Ａの場合、まだ空転時からの再起動処理が継続されていることを示す。このときの電流指令値は、図３にもあるとおりId*、Iq*共に０であり、また周波数指令値は、インバータ１０４へのパルス出力を開始する直前のままとなっている。

そこで、通常のベクトル制御を行うため、状態Ｂに戻すためには、相電流再現器２０１から再現される相電流波形が正確である必要がある。このため、相電流波形が正常に再現されるまで状態Ａを継続する。

判定４０３にて、電流再現可能となった場合、処理４０４にて、スイッチ３１０を初めて状態Ｂへ変更し、通常の制御を行う。

次に、電動機１０３が空転中のときにおいて、位相信号１１３の信号変化毎に実行される処理を、図５を用いて示す。

電動機１０３が空転中の間、位相信号検出処理５０１は、位相検出手段１０９から出力された位相信号１１３が変化した直後の状態を検出する。

また、空転中周波数演算処理５０２は、位相検出手段１０９から出力された位相信号１１３が変化した時間間隔を計測する。

位相信号１１３がＨ→Ｌ、Ｌ→Ｈに変化するタイミングは、図７に示すように検出回路の波形、つまり磁極位置と常に１対１の対応を示す。このため、電動機１０３の正確な位相情報、空転時周波数を正確に得ることができる。

インバータ出力開始判定５０３は、スイッチ１０８からの信号を監視し、入になったときに有効となる。スイッチ１０８が入になると、磁極位置設定処理５０４により、ソフトウェア内で保持している位相と実際の磁極の位相を合わせる。

図８に同期ＰＷＭ制御状態Npが３及び９の場合に同期ＰＷＭ制御において管理している位相と位相信号１１３の関係を示す。

位相信号１１３がL→Hに変化するタイミング６２０及び、H→Lに変化するタイミング６３０で得られる位相情報は、Npが３の時の電圧位相６１０にも、Npが９の時の電圧位相６１１にも一致しない位相であるため、６２０及び６３０時点での電圧位相で磁極位置設定処理５０４を行うと、位相ずれにより電流ショックが発生する可能性がある。そこで磁極位置設定処理５０４では、位相信号１１３が変化してから最初に実行される同期ＰＷＭ制御の電圧位相更新タイミングで磁極位置設定値を設定する。例えば、Npが３の場合、６２０の後に６２２で電圧位相が更新されるので、予め６２２時点の電圧位相を設定する。また、Npが９の場合、６２０の後に６２１で電圧位相が更新されるので、予め６２１時点の電圧位相を設定する。同様に、Npが3の場合は６３０の後に６３２時点の電圧位相を、Npが９の場合は６３０の後に６３１時点の電圧位相を設定する。

次に、図５に戻り、インバータ１０４へパルスを出力することを許可するインバータ出力開始処理要求５０５を出力する。最後に、インバータ１０４から電動機１０３へ電力を出力している間、位相検出手段１０９は意味の無い位相信号を送出する。これを受け付けないようにするため、割り込み禁止処理５０６を実行する。

位相信号１１３の信号変化毎の処理を実行した後に、Nｐが３の場合キャリア波６００が６２２となるタイミングで、Npが９の場合キャリア波６０１が６２１となるタイミングで前記インバータ出力開始要求５０５を受けてインバータ出力開始処理を実行する。

以上のように、本発明では、制御部であるＰＷＭ生成回路２４３が、電動機１０３が空転中から再起動する際に、位相信号１１３と位相制御情報に基づいて、スイッチング信号を生成する、具体的には、位相検出手段１０９からの信号が検出できない所定の電動機の回転数未満の場合は、停止制御を行い、回転停止後、再起動させ、位相検出手段１０９からの信号が検出可能な所定の電動機１０３の回転数以上のときに、位相検出手段１０９の位相信号１１３に基づいて、スイッチング信号を生成することにより、磁極位置設定処理５０４で予め設定した位相とインバータ出力開始のタイミングが一致するので、位相がずれず、電流ショックなく再起動できる。

本発明を電気掃除機のような、軽負荷で電動機の出力を停止しても数秒間回転し続け、なおかつ、頻繁にスイッチの入切動作が実行可能な製品に適用することにより、再起動までの時間を短くする効果を得ることができる。

つまり、本発明により、センサレス制御方式の目的である、部品削減による信頼性向上、設置場所における制約の排除、を満たしたまま、非同期ＰＷＭ制御であっても、同期ＰＷＭ制御であっても、電流ショックを抑えながら電動機を空転時の状態からただちに起動させ、異常状態に陥ることを低減できる。

なお、上記実施例では、電動機を含む電気掃除機の例で説明したが、電気洗濯機などの他の家電製品に適用しても良い。

１０ 電気掃除機
１００ 充電池
１０１ 平滑コンデンサ
１０２ ファン
１０３ 電動機
１０４ インバータ
１０５ ドライバ回路
１０６ マイコン
１０７ 電圧検知手段
１０８ スイッチ信号生成部
１０９ 位相検出手段
１１０ 直流電流検出器
１１１ 過電流検出回路
１６０ コンパレータ

Claims (6)

1. 複数相の巻線を有する電動機を制御する電動機の制御装置であって、
   直流電圧を正弦波の交流電圧に変換し前記電動機に供給するインバータと、
   前記正弦波の交流電圧の周波数に応じてスイッチング信号を生成する制御部と、
   前記制御部の制御周期を可変させ、かつ、前記正弦波の交流電圧に対し常に同じ位相でスイッチングを行う位相制御情報を出力する同期ＰＷＭ制御部と、
   前記制御部からの前記スイッチング信号の出力が停止したときに、前記電動機の空転中位相を検出し、位相信号を出力する位相検出手段と、を有し、
   前記制御部は、前記電動機が空転中から再起動する際に、前記位相信号と前記位相制御情報に基づいて、前記スイッチング信号を生成することを特徴とする、電動機の制御装置。
2. 請求項１記載の電動機の制御装置であって、
   前記電動機は、永久磁石同期モータである、電動機の制御装置。
3. 請求項１記載の電動機の制御装置において、
   前記位相検出手段は、前記電動機の固定子巻線と前記インバータ間の複数の配線にかかる線間電圧を分圧した複数の電圧を比較する比較回路を有する、電動機の制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動機の制御装置であって、
   前記位相検出手段からの信号が検出できない所定の電動機の回転数未満の場合は、停止制御を行い、回転停止後、再起動させ、
   前記記位相検出手段からの信号が検出可能な所定の電動機の回転数以上のときに、前記位相検出手段の位相信号に基づいて、スイッチング信号を生成する、電動機の制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動機の制御装置であって、
   前記電動機は電気掃除機の電動機である電動機の制御装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動機の制御装置であって、
   前記電動機は電気洗濯機の電動機である電動機の制御装置。

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