JP3241223B2 - モータの制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は空気調和機の圧縮機
（コンプレッサ）等に用いるモータ、例えば直流ブラシ
レスモータ（以下ブラシレスモータと記す）の回転制御
技術に係り、特に詳しくは負荷状態に応じて最適なトル
ク制御を可能とするモータの制御方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】この種のモータの回転制御においては、
例えば図５に示す制御装置が用いられている。同図にお
いて、この制御装置は、直流電源Ｖｃｃをスイッチング
してブラシレスモータ１に印加するインバータ部２と、
ブラシレスモータ１がセンサレスである場合同ブラシレ
スモータ１の電機子巻線の端子電圧（誘起電圧）に基づ
いて回転子１ａの位置を検出して位置信号を出力する位
置検出回路３と、その位置信号に基づいてブラシレスモ
ータ１の電機子巻線の通電を切り替えるための駆動信号
を出力するとともに、同駆動信号のうちの所定駆動信号
をチョッピングするためのＰＷＭ信号を出力する制御回
路（マイクロコンピュータ）４とを備えている。

【０００３】インバータ部２は、上アームのスイッチン
グ素子Ｕ，Ｖ，Ｗおよび下アームのスイッチング素子
Ｘ，Ｙ，Ｚをブリッジ接続した駆動回路２ａと、制御回
路４からのＰＷＭ信号により下アームのスイッチング素
子Ｘ，Ｙ，Ｚを駆動する駆動信号のオン区間をチョッピ
ングするチョッピング部２ｂと、このチョッピングされ
た駆動信号を含む駆動信号により駆動回路２ａの各複数
のスイッチング素子を駆動するドライバ部２ｃとを備え
ている。

【０００４】制御回路４は、入力位置信号がどの相によ
るものであるかを判別する位置信号判別部４ａと、この
判別された位置信号を所定位相だけシフトする位相シフ
タ部４ｂと、この位相シフトされた信号をもとにして駆
動回路２ａの各スイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，
Ｚを駆動してブラシレスモータ１の電機子巻線の通電を
切り替えるための駆動信号を発生する駆動信号発生部４
ｃと、ブラシレスモータ１の回転速度の指令を出す回転
数指令部４ｄと、この速度指令および所定位相シフトれ
さた信号によりＰＷＭ信号のデューティ比を設定する制
御部４ｅと、この設定デューティ比のＰＷＭ信号を出力
するＰＷＭ信号発生部４ｆとを有している。

【０００５】上記構成の制御装置によると、ブラシレス
モータ１の回転制御においては、ブラシレスモータ１の
回転数を位置検出信号に基づいて算出し、この算出回転
数が目標回転数と異なっているときには、速度指令のＰ
ＷＭオン時間（デューティ比）を可変し、同ブラシレス
モータ１の回転数を目標回転数に調整することができ
る。

【０００６】ところで、上記制御装置におけるトルク制
御の方法として大別すると、その１つとしては予めトル
クパターンを有し、オープンループでトルク制御を行っ
て速度変動を軽減する方法がある。

【０００７】この方法の場合、図６に示すように、ブラ
シレスモータ１の１回転中を等分割し、例えば三相四極
のモータである場合１回転中を１２等分割し、この等分
割の区間毎に速度変動を小さくするトルクパターンを予
め決定する。そして、このトルクパターンを繰り返し用
いてブラシレモータ１のトルク制御を行う。

【０００８】他の１つとしては、回転速度やブラシレス
モータ１の電流を検出し、この検出回転速度や電流をフ
ィードバック制御量として逐次的にトルク制御を行う方
法がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記モ
ータの制御方法によるトルク制御を実現しようとする
と、前者の場合には、ブラシレスモータ１の負荷状態が
変動したとき、１つのトルクパターンで対応することが
できないという欠点がある。また、例えば複数のトルク
パターンを用意したとしても、駆動系がどのような状態
のときにどのトルクパターンに切り替えればよいかが難
しく、かつ最適なトルクパターンに切り替えることが困
難である。

【００１０】後者の場合には、ブラシレスモータ１の負
荷変動等に対しては確かに対応することができるが、逐
次的にトルク制御を行うアルゴリズム（推定アルゴリズ
ム）が複雑な上、回転制御のための速度フィードバック
がかかった状態ではトルク制御のための速度評価関数が
安定せず、回転速度の収束が遅くなることもある。すな
わち、ブラシレスモータ１の回転速度には本来の速度制
御に負荷変動等による速度制御系自体の変動によるもの
が含まれているからである。

【００１１】この発明は上記課題に鑑みなされたもので
あり、その目的はブラシレスモータの負荷状態に応じた
最適なトルク制御を行うことができ、かつ広範囲なトル
ク制御を可能とすることができ、ひいては振動や騒音を
抑えることができ、かつ安価に済ませることができるよ
うにしたモータの制御方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願の第１発明は、モータを回転制御する際、同モ
ータの負荷変動に応じてトルク制御を行なうモータの制
御方法において、前記モータの速度制御時に速度定常状
態となったときには、前記速度制御のフィードバックを
一時的に停止して、第１回目として前記モータの１回転
時間を検出し、次に前記モータの印加電圧を変化させて
第２回目として前記モータの１回転時間を検出した後、
前記第１回目の１回転時間と前記第２回目の１回転時間
との時間差に基づいて前記トルク制御のためのトルクパ
ターンを生成し、前記速度制御のフィードバックを再開
して前記生成されたトルクパターンにてトルク制御を行
なうことを特徴としている。

【００１３】また、本願の第２発明は、空気調和機用コ
ンプレッサを駆動するブラシレスモータを回転制御する
際、同ブラシレスモータの負荷変動に応じてトルク制御
を行なうモータの制御方法おいて、前記ブラシレスモー
タの速度制御時に速度定常状態となったときには、前記
ブラシレスモータ速度制御用のＰＷＭ信号のデューティ
比を現在値に一時的に固定して第１回目として前記ブラ
シレスモータの１回転時間を算出し、次に前記デューテ
ィ比を所定値だけ変更して第２回目として前記ブラシレ
スモータの１回転時間を算出した後、前記各１回転中を
複数に分割した各区間毎の時間を算出するとともに、そ
の各区間毎の時間差を算出して平均処理し、前記第２回
目の１回転時間算出後の所定時点で前記デューティ比を
前記第１回目の１回転時間算出時点のデューティ比に元
す処理を行なったうえで、前記平均処理された値と前記
各区間毎の時間差に基づいて前記デューティ比の可変量
を算出し、該可変量を加味して前記デューティ比を変更
してトルク制御を行なうことを特徴としている。

【００１４】上記構成によれば、上記モータ（ブラシレ
スモータ）の速度制御およびトルク制御を行なっている
場合、回転速度が定常状態になったときには、その速度
制御のためのフィードバックがオフ（停止）され、例え
ばＰＷＭ信号のデューティ比が固定される。この回転速
度の定常状態時に、第１回目の１回転時間が算出され
る。

【００１５】次に、上記デューティ比が所定値だけ変更
され、第２回目としての１回転時間が算出される。そし
て、デューティ比変更前の第１回目の１回転時間と、デ
ューティ比変更後の第２回目の１回転時間との差分が算
出され、かつ、その差分が所定値で除算され、１回転中
を複数に等分割した各区間毎の差分がそれぞれ得られ
る。

【００１６】しかる後、上記デューティ比が第１回目算
出時点の元の値に戻され、各区間毎の差分が平均処理さ
れ、この平均処理された値と上記各区間毎の差分の値を
もとにして各区間におけるデューティ比の可変量が算出
される。すなわち、各区間毎の負荷状態に応じてその可
変量が変更、設定されることから、ブラシレスモータの
トルク制御が負荷状態に対応したものとなる。換言すれ
ば、トルク制御のためのトルクパターンが負荷状態に応
じて変更され、つまり新たなトルクパターンが生成され
たことになる。

【００１７】

【００１８】

【実施例】この発明のモータの制御方法は、図２に示す
ように、ブラシレスモータの起動に際し、位置検出によ
る運転にモード移行するが、このモードにおいては既存
のトルクパターンに基づいてトルク制御を行い、ブラシ
レスモータの回転速度が過渡状態にあるときにはそのト
ルクパターンを変更せず、その回転速度が定常状態にな
ったときにはそのトルクパターンを変更し、この変更ト
ルクパターンにしたがってトルク制御を行う。

【００１９】そこで、この発明の一実施例を図１ないし
図４を参照して詳しく説明する。なお、図中、図５と同
一部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

【００２０】図１において、この制御装置は、図５に示
す制御回路４の機能の他に、ブラシレスモータ１の速度
制御時に回転速度が定常状態になったとき、速度制御の
フィードバックをオフとして１回転の時間を算出し、Ｐ
ＷＭ制御のためのデューティ比を所定量だけ可変して１
回転の時間を算出するとともに、そのデューティ比の変
更前の１回転の時間と変更後の１回転の時間との差分を
算出し、かつこの差分を１回転を複数に等分割した区間
毎の時間差で得、この時間差を平均処理し、しかる後デ
ューティ比を元に戻してその平均処理した値と時間差と
により負荷変動を判断し、この負荷変動を小さくするデ
ューティ比の可変量を算出し、この可変量により現デュ
ーティ比を変更、設定してトルク制御を行う制御回路
（マイクロコンピュータ）１０を備えている。

【００２１】制御回路１０は、位置検出回路３からの位
置信号がブラシレスモータ１のどの相に対応しているも
のであるかを判別する位置信号判別部１０ａと、この判
別された位置信号を所定位相角（例えば３０度）シフト
する位相シフタ部１０ｂと、この位相シフトされた信号
をもとにしてインバータ部２のスイッチング素子Ｕ，
Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚの駆動信号を発生する駆動信号発生
部１０ｃと、その位相シフトされた信号により１回転の
時間ｔを計測する１回転時間計測部１０ｄおよび１回転
中の複数区間（例えば１２区間）における各区間の時間
を計測する区間時間計測部１０ｅと、１回転の時間ｔを
１２等分割して区間平均時間とする除算部１０ｆと、各
区間の時間と区間平均時間との差分を算出する加算部１
０ｇと、この差分を平均処理した値Δｔｉを算出する区
間時間平均部１０ｈと、ブラシレスモータ１の回転速度
の指令を出す回転数指令部１０ｉと、この速度指令に基
づいてＰＷＭ信号のオン、オフ比（デューティ比）を設
定するとともに、１回転の時間ｔおよび各区間の差分の
平均処理値Δｔｉをもとにしてブラシレスモータ１の負
荷変動（例えば１回転中における変動）を検出し、この
負荷変動を小さくするトルクパターンを作成する一方、
このトルクパターンを用いて現ＰＷＭ信号のデューティ
比を変更、設定する制御部１０ｊと、この制御部１０ｊ
で設定されたデューティ比に基づいてＰＷＭ信号を発生
するＰＷＭ信号発生部１０ｋとを有している。

【００２２】なお、上記御回路１０の構成はアルゴリズ
ム的に表したものである。また、位置信号判別部１０
ａ、位相シフタ部１０ｂ、駆動信号発生部１０ｃ、回転
数指令部１０ｉおよびＰＷＭ信号発生部１０ｋは図５に
示す位置信号判別部４ａ、位相シフタ部４ｂ、駆動信号
発生部４ｃ、回転数指令部４ｄおよびＰＷＭ信号発生部
４ｆと同じ動作をする。さらに、制御回路１０ｊは所定
時間（所定回転数）後に区間時間平均部１０ｈをリセッ
トし、区間時間平均部１０ｈはそのリセットまでの各区
間における差分Δｔｉの平均処理した値を制御部１０ｊ
に出力する。

【００２３】次に、上記構成のブラシレスモータの制御
装置の動作を図３のフローチャート図および図４のタイ
ムチャート図を参照して詳細に説明すると、制御回路１
０は従来同様にブラシレスモータ１を起動する。

【００２４】しかる後、位置検出回路３からの位置信号
を確認し、つまり電機子巻線の端子電圧に誘起電圧が発
生していることを確認すると、位置検出による運転にモ
ード移行し、また予め制御回路１０の内部Ｒ０Ｍに記憶
されている１つのトルクパターンにしたがってトルク制
御を行う。なお、上記Ｒ０Ｍのトルクパターンとしては
モード移行後の負荷状態等をもとにして予め得たもので
ある。

【００２５】上記運転（位置検出による運転）モード移
行の速度制御においては速度過渡状態と速度定常状態と
があり、速度定常状態になる度に図３に示すルーチンを
実行し、新たなトルクパターンを作成する。

【００２６】まず、ブラシレスモータ１の回転制御にお
いて、まだ速度過渡状態にあるとき、トルクパターンを
変更しないためにステップＳＴ１からＳＴ２に進み、制
御部１０ｊは回転数指令部１０ｉからの指令に応じてＰ
ＷＭ信号のデューティ比（ＰＷＭパルス幅）を設定し、
かつ内部ＲＯＭのトルクパターンを加味したデューティ
比を変更、設定する（ステップＳＴ３）。

【００２７】上記速度フィードバック処理によりブラシ
レスモータ１の回転数が例えば目標回転数に保たれる
と、つまり速度定常状態になると、トルクパターンを変
更するためにステップＳＴ１からＳＴ４に進み、現ＰＷ
Ｍ信号のデューティ比を固定する。

【００２８】続いて、位相シフタ部１０ｂからの位相３
０度遅れ信号により、１回転時間計測部１０ｄはブラシ
レスモータ１の１回転の時間ｔを検出して制御回路１０
内のレジスタ等に記憶する（ステップＳＴ５）。

【００２９】続いて、制御部１０ｊは固定していたデュ
ーティ比を所定量ΔＰだけ増加（あるいは減少）させる
（ステップＳＴ６）。このデューティ比を所定量ΔＰだ
け増加した場合にはブラシレスモータ１の回転速度が僅
かに上昇し、このときの１回転の時間ｔａをレジスタ等
に記憶する（ステップＳＴ７）。さらに、１回転の時間
ｔ，ｔａを用いて区間当りの変化分Δｔ＝（ｔ−ｔａ）
／ｎ（ｎ＝１２）を算出する（ステップＳＴ８）。

【００３０】続いて、制御部１０ｊはデューティ比を元
に戻すとともに、区間時間平均部１０ｈをリセットする
（ステップＳＴ９）。このとき、区間時間平均部１０ｈ
はそのリセットまでの間に各区間の差分を平均処理し、
この平均処理値Δｔｉを制御部１０ｊに出力する。続い
て、制御部１０ｊは平均処理された値Δｔｉを算出変化
分Δｔで除算してα（比例係数）を算出する（ステップ
ＳＴ１０）。

【００３１】ところで、ブラシレスモータ１の印加電圧
をΔＶだけ上昇させる前の１回転の時間がｔであり、そ
のΔＶだけ上昇させた後の１回転の時間をｔａとする
と、基準電圧当りの時間変動Δｔは（（ｔ−ｔａ）／
ｎ）／ΔＶ（区間当り、ΔＶ当り）となる。また、各区
間時間（速度）と区間平均時間との差分Δｔｉは（ｔｉ
−ｔ／ｎ）で求められ、Δｔｉ／Δｔは（ｔｉ−ｔ／
ｎ）／（（ｔ−ｔａ）／ｎ）／ΔＶとなり、時間差分を
電圧差分に変換することができる。

【００３２】また、ＰＷＭ調整時にあってはΔＶとΔＰ
（デューティ可変ステップ数）とが比例関係にあるとす
れば、上記ΔＶをΔＰに置き換えることができる。した
がって、Δｔｉ／Δｔ＝（ｔｉ−ｔ／ｎ）ΔＰ／（（ｔ
−ｔａ）／ｎ）の比例係数α＝（ｔｉ−ｔ／ｎ）／
（（ｔ−ｔａ）／ｎ）を計算すれば、直接デューティ可
変ステップ数ΔＰを求めることができる。すなわち、そ
のデューティ可変ステップ数Ｐｉは整数処理したα値を
ΔＰに乗算して得ることができる。

【００３３】そこで、制御部１０ｊは上記算出比例係数
αをデューティ比の増加量ΔＰに乗算し、かつ各区間毎
に演算して各区間におけるデューティ可変量（可変ステ
ップ数）Ｐｉを算出する（ステップＳＴ１１）。

【００３４】続いて、現トルク制御において設定されて
いるデューティ比ステップ数に上記算出値Ｐｉを符号付
加算を行う（ステップＳＴ１２）。これにより、例えば
区間時間と平均時間との差分Δｔｉが図４のまん中に示
す図の形である場合、デューティ比ステップ数（ＰＷＭ
パルス幅）が図４の下方に示す図に各区間毎に可変され
る。そして、上述した速度フィードバック処理に戻し
（ステップＳＴ１３）、上記変更トルクパターンを加味
されたデューティ比ステップ数（ＰＷＭパルス幅）を設
定する（ステップＳＴ３）。

【００３５】すると、ＰＷＭ信号発生部１０ｋはその設
定されたデューティ比ステップ数（ＰＷＭパルス幅）に
基づいたチョッピング信号を発生する。これにより、ブ
ラシレスモータ１が通常運転（位置検出による運転）と
され、しかも負荷状態に応じたトルク制御とされる。こ
れにより、現トルク制御が図４の下方に示す図だけ変え
られ、結果トルクパターンを変更したと同じ作用、効果
が得られる。

【００３６】ここで、例えばブラシレスモータ１の速度
変動回転ムラが図４の上方に示す図である場合における
トルク制御について説明する。まず、回転速度の定常状
態で、デューティ比を可変量ΔＰだけ増加し、このとき
の１回転の時間ｔａを算出し、その増加前の１回転の時
間ｔとの差Δｔを算出する。この差分ΔｔがΔＰ（デュ
ーティ可変量（可変ステップ数））、電圧増加のため回
転が加速した変化量である。これを各区間の平均増加量
とするために、Δｔ＝ｔａ／ｎ（１回転の等分割した区
間の数）とする。

【００３７】そして、デューティ比ステップ数を元に戻
すと、１回転の時間がｔになり、加算部１０ｇの出力信
号（Δｔｉ＝ｔｉ−ｔ／ｎ）が図４のまん中に示す図と
なる。この信号（Δｔｉ＝ｔｉ−ｔ／ｎ）の平均が区間
時間平均部１０ｈで算出され、この算出平均がほぼ図４
のまん中に示す図の形をもつと考えられる。

【００３８】さらには、ΔｔｉをΔｔで除算して比例係
数αを算出し、この比例係数αをデューティ可変量ΔＰ
に対する時間変化で除算すると、デメンジョンが１とな
り、ΔＰの係数が算出される。その係数を現デューティ
比ステップ数に符号付加算すると、図４の下方に示す図
となり、つまり図４の上方向に示す図の変動に応じたト
ルク制御が行われる。

【００３９】なお、この発明を実現する方法としては、
式変形で種々考えられるが、上述したものと本質的には
同じである。

【００４０】このように、ブラシレスモータ１をトルク
制御するためのトルクパターンを変更する際、速度制御
フィードバックによる影響を抑えるために、ブラシレス
モータ１が速度定常状態になったときにその速度制御フ
ィードバックをオフとし、上述した方法で新たなトルク
パターンを生成するような処理、つまりトルクパターン
を変更する。しかる後、その速度制御フィードバックを
オンとし、その変更トルクパターンによるトルク制御を
行う。

【００４１】したがって、ブラシレスモータ１の負荷状
態に対応した種々のトルク制御が可能となり、１つのト
ルクパターンによるトルク制御と比較して広範囲なトル
ク制御が可能であり、また複数のトルクパターンを必要
とせず、原理的には無制限のトルクパターンをもってい
ると同様の作用、効果が得られる。

【００４２】また、クローズドループの手法と比較して
頻繁に演算を行う必要がないことから、制御回路１０と
してのマイクロコンピュータの能力を他の処理に利用す
ることができ、またこの発明の手法が簡易的に方程式を
解くので、高速にトルクパターンを変更することができ
る。

【００４３】さらに、全ての処理をマイクロコンピュー
タのソフトウェアで実現できるため、この発明の手法の
適用に当り、コストアップは問題とならない。

【００４４】さらにまた、上記ブラシレスモータ１を空
気調和機のコンプレッサのモータに用いた場合、モータ
トルクは印加電圧に対して一定のトルクを発生するた
め、空気調和機のコンプレッサの１回転中における冷媒
の吸入、圧縮および排出の一連の動作（コンプレッサ負
荷）により回転速度が変動し、振動が発生する。しか
し、この発明の手法によれば、空気調和機の室外機にお
ける振動や騒音を軽減することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のモータ
制御方法によれば、１回転中の回転むら変動以外の速度
変動を抑えるため、ブラシレスモータの回転速度が定常
になったときに、速度制御フィードバックをオフとし
て、この速度定常状態での負荷状態に応じたトルクパタ
ーンを生成した後、速度制御フィードバックをオンと
し、その生成されたトルクパターンによるトルク制御を
行うようにしたことにより、ブラシレスモータの負荷状
態に応じて最適なトルク制御を広範囲にわたって行なう
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示し、ブラシレスモータ
の制御方法が適用される制御装置の概略的ブロック線
図。

【図２】この発明のブラシレスモータの制御方法を説明
すための概略的原理図。

【図３】図１に示す制御装置の動作を説明するための概
略的フローチャート図。

【図４】図１に示す制御装置の動作を説明するための概
略的タイムチャート図。

【図５】従来のブラシレスモータの制御装置の概略的ブ
ロック線図。

【図６】図５に示す制御装置の動作を説明するための概
略的グラフ図。

【符号の説明】

１ ブラシレスモータ（モータ） １ａ 回転子 ２ インバータ部 ２ａ 駆動回路 ２ｂ チョッピング回路 ２ｃ ドライバ回路 ３ 位置検出回路 ４，１０ 制御回路（マイクロコンピュータ） １０ａ 位置信号判別部 １０ｂ 位相シフタ部 １０ｃ 駆動信号発生部 １０ｄ １回転時間計測部 １０ｅ 区間時間計測部 １０ｆ 除算部 １０ｇ 加算部 １０ｈ 区間時間平均部 １０ｉ 回転数指令部 １０ｊ 制御部 １０ｋ ＰＷＭ信号発生部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 6/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータを回転制御する際、同モータの負
   荷変動に応じてトルク制御を行なうモータの制御方法に
   おいて、 前記モータの速度制御時に速度定常状態となったときに
   は、前記速度制御のフィードバックを一時的に停止し
   て、第１回目として前記モータの１回転時間を検出し、
   次に前記モータの印加電圧を変化させて第２回目として
   前記モータの１回転時間を検出した後、前記第１回目の
   １回転時間と前記第２回目の１回転時間との時間差に基
   づいて前記トルク制御のためのトルクパターンを生成
   し、前記速度制御のフィードバックを再開して前記生成
   されたトルクパターンにてトルク制御を行なうことを特
   徴とするモータの制御方法。
2. 【請求項２】 空気調和機用コンプレッサを駆動するブ
   ラシレスモータを回転制御する際、同ブラシレスモータ
   の負荷変動に応じてトルク制御を行なうモータの制御方
   法おいて、 前記ブラシレスモータの速度制御時に速度定常状態とな
   ったときには、前記ブラシレスモータ速度制御用のＰＷ
   Ｍ信号のデューティ比を現在値に一時的に固定して第１
   回目として前記ブラシレスモータの１回転時間を算出
   し、次に前記デューティ比を所定値だけ変更して第２回
   目として前記ブラシレスモータの１回転時間を算出した
   後、前記各１回転中を複数に分割した各区間毎の時間を
   算出するとともに、その各区間毎の時間差を算出して平
   均処理し、前記第２回目の１回転時間算出後の所定時点
   で前記デューティ比を前記第１回目の１回転時間算出時
   点のデューティ比に元す処理を行なったうえで、前記平
   均処理された値と前記各区間毎の時間差に基づいて前記
   デューティ比の可変量を算出し、該可変量を加味して前
   記デューティ比を変更してトルク制御を行なうことを特
   徴とするモータの制御方法。