JP3696786B2

JP3696786B2 - モータ制御装置

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Publication number: JP3696786B2
Application number: JP2000359304A
Authority: JP
Inventors: 政次中谷; 英史大塚
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2020-11-27
Also published as: JP2002165490A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はモータ制御装置に関し、特に、空気調和機の圧縮機などに用いられる複数相のコイルを備えた同期モータをロータ位置センサレスで駆動するモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの駆動方法において、いわゆる１８０度通電駆動方法は、モータロータ位置センサを用いることなくモータを制御・駆動するセンサレス駆動における、モータコイル電流波形に通電休止期間を設けないものであり、モータ駆動電圧とモータコイル電流の位相差を制御するものである。本願出願人による特願２０００−０４４２７９号には、モータコイル電流の変動による位相差情報検出精度の低下を抑制する効果的な方法として、モータ回転検出器などのセンサを設けなくても、正弦波駆動をはじめとする１８０度通電駆動が可能となり、モータ効率の向上，低騒音および低振動を実現できる。
【０００３】
図２はこの発明の背景となりかつこの発明の実施形態におけるモータコイル電流サンプリングの様子を示す図である。図２において、モータ駆動電圧を基準とする２箇所の位相期間において、両位相期間におけるサンプリングタイミングが対称となるような所定のサンプリングタイミングｓｐ０〜ｓｐ５で、所定回数モータコイル電流をサンプリングし、各位相期間でのモータコイル電流値Ｉ０〜Ｉ５を積算し（Ｓ０，Ｓ１）、それぞれの値の比（Ｓ０／Ｓ１）を計算してこれを位相差情報とし、この位相差情報が所定の値になるように制御する。
【０００４】
２箇所の位相期間で対称となるタイミングでＡＤサンプリングを行なっているので、図２に示すように電圧と電流の位相差が０度のときには、位相差情報としてはＳ０＝Ｓ１となるのでＳ０／Ｓ１＝１と計算される。位相差０度で制御するには位相差情報を１になるように制御すればよい。
【０００５】
また、負荷トルクの検出方法としては、モータの回転軸と負荷との間に歪み検出器を挿入し、歪み検出器の出力から負荷トルクを計算する方法が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の特願２０００−０４４２７９号の位相差検出方法において、モータ回転数についてはそれに対応して目標位相差情報を変更し、モータを高効率で駆動する構成が示されている。しかしながら、本願発明者らによる実験では、モータ脱調などが生じずモータ駆動が可能である位相差範囲、および最高効率が得られる位相差は、モータ回転数が固定でも負荷トルクによって変化していくことがわかった。
【０００７】
その結果を図１３に示す。このときのモータの回転数は３０００ｒｐｍであり、各特性での負荷トルクは５ｋｇｆｃｍおよび１５ｋｇｆｃｍである。これにより、目標位相差情報は、モータの回転数だけでなく、負荷トルクによっても変更する必要のあることがわかったが、特願２０００−０４４２７９号ではそのような構成になっておらず、対応することはできない。
【０００８】
一方、トルク検出器は高価であり、モータの使用環境によっては取付けることが困難な場合がある。たとえば、圧縮機モータへの取付けは、圧縮機内部への取付けが必要で検出線の引出しを必要とし、また悪環境下に耐え得るトルク検出器はさらに高価となる。
【０００９】
これらから、従来技術では負荷トルクに対応できない、あるいは負荷トルクの検出が困難であるため、負荷トルクの変化が大きい環境で使用する際に、モータを最高効率位相差で制御することができず、装置の省エネルギー性能が低下してしまうことが発生し、さらに重大な課題として、モータが脱調する、インバータなどの回路に過電流が流れブレーカが遮断するといった不具合が生じてしまう。
【００１０】
それゆえに、この発明の主たる目的は、負荷トルクを簡単な方法で推定し、負荷トルク変化がある場合でもモータ駆動が可能なモータ制御装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、モータを駆動するモータ制御装置であって、直流電源電圧を交流電圧に変換してモータのコイルに与えるインバータ部と、モータのコイル電流を検出するコイル電流検出部と、モータ駆動電圧を基準とする複数の位相期間においてコイル電流検出部によって検出したモータコイル電流を積算し、各位相期間におけるモータコイル電流積算値の比を算出して位相差情報を検出する位相差検出部と、モータの負荷トルクを推定する負荷トルク推定部と、負荷トルク推定部によって推定された負荷トルク、あるいは該負荷トルクとモータ回転数に基づいて目標位相差情報を設定する目標位相差設定部と、位相差検出部によって検出される位相差情報が目標位相差設定部によって設定された目標位相差情報に一致するようにインバータ部を制御する制御部を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、目標位相差設定部は、負荷トルクと目標位相差情報の関係、あるいはモータ回転数および負荷トルクと目標位相差情報の関係を示す目標位相差テーブルを参照して目標位相差情報を設定することを特徴とする。これにより、目標位相差の設定処理が縮小でき高速のマイクロコンピュータなどを使用する必要がなくなり、コストダウンに貢献できる。
【００１３】
さらに、目標位相差テーブルの各パラメータ分解能は、モータの最高効率から効率低下許容値を基に設定することを特徴とする。これにより、処理内容を最小化・最適化でき、目標位相差テーブルのメモリ容量削減を実現できる。
【００１４】
さらに、コイル電流検出部は、モータのコイル電流を検出する電流センサと、電流センサの検出値を所定の周期でサンプリングし、サンプリングした各アナログ値をデジタル値に変換して位相差検出部に与える第１のＡＤ変換器とを含み、モータ制御部は、電流センサの検出値の最大値をサンプリングし、サンプリングしたアナログ値をデジタル値に変換して負荷トルク推定部に与える第２のＡＤ変換器を備え、負荷トルク推定部は、第２のＡＤ変換器から与えられたデジタル値に基づいてモータの負荷トルクを推定することを特徴とする。これにより、トルク検出器の搭載が必要なくなり、さらにトルク検出器搭載にかかる配線などの処理も必要なくなりコストダウンを実現できる。
さらに、コイル電流検出部は、モータのコイル電流を検出する電流センサと、電流センサの検出値を所定の周期でサンプリングし、サンプリングした各アナログ値をデジタル値に変換して位相差検出部および負荷トルク推定部に与えるＡＤ変換器とを含み、負荷トルク推定部は、ＡＤ変換器から与えられたデジタル値に基づいて電流センサの検出値の最大値を検出し、検出した最大値からモータの負荷トルクを推定することを特徴とする。
【００１５】
さらに、交流電源電圧を直流電源電圧に変換してインバータ部に与えるコンバータ部と、コンバータ部の交流電源電流を検出する電源電流検出部を備え、負荷トルク推定部は、電源電流検出部によって検出された交流電源電流値からモータの負荷トルクを推定することを特徴とする。これにより、トルク検出器の搭載を不要にでき、既存のカレントトランスなどの利用が可能であるのでコストダウンを実現できる。
【００１６】
さらに、インバータ部の直流電源電圧を検出する電源電圧検出部を備え、負荷トルク推定部は、電源電圧検出部によって検出された直流電源電圧値からモータの負荷トルクを推定することを特徴とする。これにより、検出器を抵抗で構成できるので安価に実現できる。
【００１７】
さらに、交流電源電圧を直流電源電圧に変換してインバータ部に与えるコンバータ部と、コンバータ部の出力直流電源電圧を検出する電源電圧検出部と、電源電圧検出部の検出結果に基づいて、コンバータ部の出力直流電源電圧を所定値に制御する制御信号を出力するフィードバック制御部を備え、負荷トルク推定部は、制御信号からモータの負荷トルクを推定することを特徴とする。これにより、特別な付加回路は全く必要ないのでコストアップを抑えることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図１において、モータ１はインバータ回路２によって駆動される。インバータ回路２には、ＡＣ電源４からの交流電圧がＡＣ−ＤＣコンバータ回路３によって直流電圧に変換されて与えられる。モータ１のモータコイル端子Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の中で特定相（図１の場合Ｕ相）に流れるモータ電流が電流センサ５によって検出され、検出されたモータ電流がモータ電流検出アンプ部６に与えられ、モータ電流が所定量増幅およびオフセット加算してマイクロコンピュータ７などの制御デバイスに与えられる。マイクロコンピュータ７は位相差検出部８と目標位相差情報格納部９と加算器１０とＰＩ演算部１１と回転数設定部１２と正弦波データテーブル１３と正弦波データ作成部１４とＰＷＭ作成部１５とＡＤ変換器１６とを含み、各処理をソフト的に行なう。
【００１９】
ＡＤ変換器１６はモータ電流検出アンプ部６から出力されるモータ電流信号をアナログ値からデジタル値に変換して位相差検出部８に与える。位相差検出部８は２箇所のモータ駆動電圧を位相期間ごとに各モータ電流検出値を積算してモータ電流信号面積とし、両モータ電流信号面積の面積比を位相差情報として加算器１０に出力する。目標位相差情報格納部９は目標とする位相差情報を格納し、目標位相差設定部１７は負荷トルクおよびモータ回転数から適切な目標位相差情報を設定する。加算器１０は目標位相差情報格納部９から出力される目標位相差情報と位相差検出部８から出力される位相差情報との誤差データを算出してＰＩ演算部１１に与える。ＰＩ演算部１１は算出された誤差データに対して比例誤差データおよび積分誤差データを算出し、デューティ基準値をＰＷＭ作成部１５に与える。なお、加算器１０とＰＩ演算部１１で位相差制御部が構成される。
【００２０】
回転数設定部１２はモータ１の回転数指令を設定し、正弦波データテーブル１３は所定のデータ個数で構成された正弦波データを正弦波データ作成部１４に与える。正弦波データ作成部１４は回転数設定部１２から与えられる回転数指令と、時間経過に従って正弦波データテーブル１３からモータコイル端子Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に対応した正弦波データを読出すとともに、Ｕ相の正弦波データからＵ相のモータ駆動電圧位相情報を出力する。正弦波データはＰＷＭ作成部１５に与えられ、モータ駆動電圧位相情報は位相差検出部８に与えられる。ＰＷＭ作成部１５は正弦波データとデューティ基準値とから各相ごとにインバータ部２の各駆動素子にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）波形信号を出力する。
【００２１】
なお、電流センサ５はコイルとホール素子で構成されたいわゆる電流センサあるいはカレントトランスでもよい。また、１相だけでなく各相のモータコイル電流を検出するとさらに高精度となる。さらに、正弦波データの作成は正弦波データテーブル１３をもとに作成せずに演算によって作成しても構わない。
【００２２】
なお、図１に示すモータ１の駆動波形は、正弦波とした場合の構成を示しているが、正弦波にすることで滑らかなモータコイル電流の供給が可能となるため、振動，騒音を少なくできる。しかしながら、これに限らず、モータロータの磁束分布に合わせたモータコイル電流が得られるような駆動波形を通電すれば、より高効率な駆動が可能となる。
【００２３】
２ヶ所のモータ駆動電圧位相期間で検出された２つのモータコイル電流信号面積は、位相差検出部８で面積比が計算され、この結果が位相差情報とされる。加算器１０によってこの位相差情報と目標位相差情報との誤差量が求められ、ＰＩ演算部１１でＰＩ演算され、その出力であるデューティ基準値と別途回転指令から求まる正弦波データとに基づいてＰＷＭ作成部１５がその都度の出力デューティを計算し、インバータ回路２を介してモータコイルに印加することによってモータ１が駆動される。
【００２４】
すなわち、モータ駆動電圧（出力デューティ）に対するモータコイル電流位相差を一定に制御するための位相差制御フィードバックループによって、駆動電圧の大きさ（ＰＷＭデューティのデューティ幅）が決定され、モータ１を所望の回転数で回転させるために、所望の周波数で出力される正弦波データによって回転数が決定されるものであり、これによって所望の位相差，所望の回転数でモータ１が駆動・制御される。
【００２５】
次に、回転数の設定およびＰＷＭ出力について説明する。この発明による位相差制御方式は、逆起電圧パルスなどを検出して速度制御を行なう方式とは異なり、モータの回転数はモータコイルに通電するＰＷＭ波からなる正弦波電圧の周波数で決定される、いわゆる強制励磁駆動である。
【００２６】
正弦波データテーブル１３には、連続的にアナログ値を出力すると正弦波波形が出力されるデータ列が格納されており、このデータ列の参照アドレスがＰＷＭキャリア周期ごとに所定数ずつ更新される。この所定数が大きければ高回転数となる。つまり、モータ回転数は、モータ１の構造的なものを除外すると、ＰＷＭキャリア周波数と正弦波データテーブル１３の参照データとの更新間隔で決まるものである。
【００２７】
また、たとえばコイル相数が３相であれば、それぞれの相のデータは、電気角で１２０度ずつずらした正弦波データを参照すればよい。なお、その都度正弦波演算を行なって正弦波データを作成してもよい。
【００２８】
因みに、前記参照アドレスはモータ駆動電圧の位相情報そのものである。これら求まった各相ごとの正弦波データと、位相差制御によって算出されたデューティ基準値とが乗算され、いわゆるＰＷＭ波形発生器などＰＷＭ作成部１５に入力されてＰＷＭ波形信号が出力される。このＰＷＭ波形発生器の概要は、たとえばＰＷＭキャリア周期で三角波を発生し、この三角波の波高値と前記乗算された値とを比較し、比較結果に基づいてＨｉｇｈ／Ｌｏｗ出力する。
【００２９】
続いて、位相差情報の検出方法について説明する。前述の図２に示したように、モータ電圧位相における第１の位相期間のモータ電圧位相θ０を０〜９０度，第２の位相期間θ１を９０〜１８０度としている。また、各サンプリングタイミングがすべてｔｓという等間隔の位相間隔でｎ回（図２の場合３回ずつ、計６回）サンプリングするように設定している。そして、位相差情報は、θ０でのモータコイル電流信号面積をＳ０としてＩ０＋Ｉ１＋Ｉ２を積算し、θ１でのモータコイル電流信号面積をＳ１としてＩ３＋Ｉ４＋Ｉ５を積算し、２つのモータコイル電流信号面積の比（Ｓ０／Ｓ１）を算出する。図２の場合、位相差情報は１である。
【００３０】
このように、各位相期間におけるサンプリングタイミングを、モータ電圧位相９０度を中心として対称となる位相にできるので、目標位相差の設定などの制御設計が容易になる。
【００３１】
近年、空気調和機をはじめとするコンプレッサ用モータとして、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータが使用されることが多くなっている。周知のように、永久磁石ロータ内部に埋込んだ形状のいわゆるＩＰＭモータの場合、磁石磁束とコイル電流となって発生するフレミングトルク（磁石トルクと呼ばれることもある）と、ロータ形状によってモータコイルのインダクタンスが変化することを利用したリラクタンストルクとが合成される。したがって、通常の永久磁石を用いた同期モータに比べて大きなトルクが得られるため、モータの高効率化が可能である。このフレミングトルクとリラクタンストルクはそれぞれロータとステータの相対位置の関数となっており、このフレミングトルクとリラクタンストルクとの和を最大とするには、適切なロータとステータの相対位置でのモータコイルへの通電が必要であることが知られている。
【００３２】
なお、特願２０００−０４４２７９号で述べているように、ロータとステータの相対位置と位相差情報とは線形な関係であるので、位相差制御によって間接的にロータとステータの相対位置への通電を制御していることになる。
【００３３】
上記したＩＰＭモータを用いて位相差制御をする場合、モータ回転数，負荷トルクが変化した場合、最高効率となる位相差情報はどうなるのかを実験で確かめた。
【００３４】
図３は横軸に位相差情報をとり、縦軸に効率をとり、実際にモータを駆動させて測定した結果のグラフである。なお、横軸の位相差情報はＰＩ制御されているので目標位相差情報と置換えることができる。回転条件は、モータ回転数３０００ｒｐｍ、負荷トルク５ｋｇｆｃｍおよび１５ｋｇｆｃｍと、モータ回転数４０００ｒｐｍ、負荷トルク５ｋｇｆｃｍおよび１５ｋｇｆｃｍである。
【００３５】
この結果から、モータ回転数のみならず負荷トルクが変化することによっても最高効率となる位相差情報の変化することがわかった。
【００３６】
したがって、モータの使用環境において負荷トルクが変化するような場合でも、モータ効率を最高効率で駆動させるためには負荷トルクを検知し、それによって目標位相差情報を変更していく必要がある。
【００３７】
この発明の実施形態では、目標位相差設定部１７に負荷トルクおよびモータ回転数の情報を入力し、各回転条件によって適切な目標位相差情報を設定する目標位相差指令を目標位相差情報格納部９に出力し、目標位相差情報格納部９で目標位相差指令に該当する目標位相差情報を出力し、位相差制御が行なわれる構成であるため、いかなる回転条件でも最高効率でのモータ駆動が可能となり、高効率化を実現できる。
【００３８】
目標位相差設定部１７で各回転条件によって適切な目標位相差情報を設定する目標位相差指令を導出する方法は、図３のような実験結果から負荷トルクおよびモータ回転数の各情報をパラメータとする計算式を作り、負荷トルクおよびモータ回転数の各情報を代入してもよい。たとえば、モータ回転数３０００ｒｐｍで負荷トルク５ｋｇｆｃｍのときは、目標位相差情報としてθ５を設定するように処理し、モータ回転数３０００ｒｐｍで負荷トルク１５ｋｇｆｃｍのときには目標位相差情報としてθ１５を設定するように処理する。
【００３９】
あるいは、図３のような実験結果から、負荷トルクおよびモータ回転数の各情報をパラメータとする２次元の目標位相差テーブルを作成しておき、このテーブルから参照するようにすれば目標位相差の設定処理が縮小でき、高速マイクロコンピュータなどを使用する必要がなくなり、コストダウンに貢献できる。
【００４０】
図４は目標位相差テーブルの例を示す図である。ここで、実際の負荷トルクおよびモータ回転数はリニア的に変化していることが多いが、その際には負荷トルクおよびモータ回転数を目標位相差テーブルで示された分解能に、四捨五入あるいは切り捨てなどを行なって置換えて参照していけばよい。
【００４１】
たとえば、モータ回転数３１００ｒｐｍ、負荷トルク１９ｋｇｆｃｍの場合には、図４のテーブルに当てはめるためにモータ回転数を３０００ｒｐｍ、負荷トルクを２０ｋｇｆｃｍに置換えてから参照し、目標位相差指令値として２０度を選択すればよい。目標位相差情報格納部９では位相差２０度に相当する目標位相差情報を出力して位相差制御が行なわれる。
【００４２】
ここで、目標位相差テーブルの各パラメータ分解能の設定方法は、メモリの空き容量から設定してもよく、あるいは図３に示す効率特性から設定してもよい。図３（ａ），（ｂ）からわかるように、効率特性は山型の特性であり、効率ピーク付近はなだらかであることがわかる。装置の効率仕様として最高効率から何ポイント低下まで許容できるかという、効率低下許容値ηｄを設定しておき、これから分解能を設定する。
【００４３】
たとえば、図３（ａ）のモータ回転数３０００ｒｐｍの特性において、負荷トルクが５ｋｇｆｃｍと１５ｋｇｆｃｍの間の値であるＴｋｇｆｃｍのときを考えると、負荷トルクＴｋｇｆｃｍのときの効率特性は図３（ａ）に示すようになり、また効率低下許容値をηｄに設定すれば、仕様を満たすには位相差情報をθ−Ｔからθ＋Ｔの範囲であればよいことがわかる。ここで、負荷トルク５ｋｇｆｃｍの効率ピーク位相差θ５で位相差制御を行なってモータを駆動しており、負荷トルクＴｋｇｆｃｍに変化したときを考えると、同じ位相差情報θ５であっても仕様を満たしていることがわかる。この場合、目標位相差情報の変更は必要ない。
【００４４】
したがって、目標位相差テーブルの分解能としては、効率の許容低下度と許容効率範囲の位相差情報から設定してやればよく、こうすることで、既設な目標位相差情報の切換えが最小限の大きさのテーブル量で実現できるので、オーバスペックで不必要な目標位相差情報の切換えがなくなり、処理内容を最小化・最適化できる。また、目標位相差テーブルのメモリ容量も最小化・最適化でき、メモリ容量削減を実現できる。
【００４５】
なお、上述の説明では、負荷トルクについて説明したが、モータ回転数の分解能も同様に設定すればよい。
【００４６】
ここで、上述したように、モータの高効率駆動では、モータ回転数および負荷トルクの情報が必要であることがわかったが、実際に負荷トルクを検出することは装置内にトルク検出器を搭載する必要があり、また空気調和機の圧縮機モータの場合を考えると搭載は困難であり、どのようにして負荷トルクを検出するかが重要となる。
【００４７】
以下、この発明の実施形態による負荷トルクの推定方法について説明する。まず、モータコイル電流から負荷トルクを推定する方法について説明する。
【００４８】
上述したＩＰＭモータを用いた場合では、上述のとおり通電タイミングによってモータ発生トルクが変化する。したがって、同一の回転数，負荷トルクであっても、通電タイミングが変わればモータコイル電流も変化してしまう。したがって、モータコイル電流から負荷トルクを推定する方法では正確な負荷トルクを推定することができず、位相差制御にも不具合をもたらすことが懸念される。そこで、モータコイル電流から負荷トルクを検出できるか、あるいはモータコイル電流最大値と負荷トルクを測定した。
【００４９】
図５はその測定結果の波形を示す。負荷トルクがＴ０からＴ１に変化すると、それに比例してモータコイル電流の最大値Ｉｍ０からＩｍ１に変化していることがわかる。このことから、モータコイル電流最大値から負荷トルクを推定することが可能であることがわかり、この発明に適用できることがわかった。この発明はこれに着目したものである。
【００５０】
図６はモータコイル電流から負荷トルクを推定する第２の実施形態の構成を示すブロック図である。図６において、負荷トルク検出ＡＤ変換器１８ではモータコイル電流の最大値をサンプリングし、負荷トルク推定器１９でサンプリング値から負荷トルクへの変換を行なう。そして、目標位相差設定部１７で上述の処理を行ない、目標位相差情報の適切な設定が行なわれる。
【００５１】
なお、負荷トルク推定器１９での変換は、図５の結果から一次式で行なっても差し支えないし、負荷トルク推定器１９をスルーして目標位相差設定部１７でのパラメータを負荷トルクからモータコイル電流最大値に変更してそのまま入力してもよい。
【００５２】
また、負荷トルクが同一でもモータ回転数が変化すれば変化してしまうことが考えられるので、負荷トルク推定器１９はモータ回転数情報も加味して負荷トルクを推定するのが望ましい。
【００５３】
図７はモータコイル電流による負荷トルク推定を簡素化した第３の実施形態の構成を示すブロック図である。図７において、ＡＤ変換器１６でサンプリングされたモータコイル電流検出値が負荷トルク推定用として使用される。ＡＤ変換器１６によるモータコイル電流のサンプリングは、図２のＩ０〜Ｉ５のように行なわれる。この両位相期間中のモータコイル電流検出値Ｉ０〜Ｉ５から最大値を検出して（図２の場合Ｉ２，Ｉ３）、負荷トルク推定器１９に入力された上記と同様に位相差制御を行なう。
【００５４】
なお、図２のモータコイル電流検出値の最大値Ｉ２，Ｉ３は、厳密にはモータコイル電流の最大値から少しだけずれた位相での検出値であるが、この値を基に負荷トルクを推定しても差し支えない程度のものである。
【００５５】
なお、当然ながら各モータコイル電流検出値を使用せずに、モータコイル電流の最大値を直接サンプリングしてもかまわない。
【００５６】
上述のごとく、この実施形態によれば、負荷トルク推定をモータコイル電流から行なうので、トルク検出器の搭載が必要なくなり、さらにトルク検出器搭載に係る配線などの処理も必要なくなりコストダウンを実現できる。また、位相差制御用のＡＤ変換器を利用すれば、特別なパーツの追加は必要なく、従来の構成のままで負荷トルクの推定を実現できる。
【００５７】
なお、負荷トルクの許容推定誤差は、上述した目標位相差テーブルの分解能以内であり、これをモータコイル電流による負荷トルク推定実現の目安とすればよいし、逆に目標位相差テーブルの分解能を負荷トルクの許容推定誤差から設定してもよい。
【００５８】
次に、負荷トルク推定の他の例について説明する。
図８はこの発明の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。この実施形態は、負荷トルク推定を電源電流から行なうものであり、電源電流検出器２０で交流電源からの電源電流を検出し、これから負荷トルクを推定する。それ以外の構成は図１と同じである。
【００５９】
図９は電源電流と位相差情報の特性を、負荷トルクを変更して測定した結果を示す。図９から明らかなように、電源電流を検出すれば負荷トルクを推定でき、これから最適な目標位相差情報を決定できることがわかる。
【００６０】
電源電流検出器２０としては電流センサを用いてもよいが、通常ＡＣ電源４からの電流は過電流検出のためカレントトランス（以下、Ｃ．Ｔ）が取付けられており、電源電流を検出している。したがって、電源電流の検出にあたってはこのＣ．Ｔを利用すればコストを上昇することなく実現できる。また、ＡＣ電源電流とは限らず、インバータ回路２の入力電源であるＤＣ電源電流を検出してもよい。
【００６１】
なお、負荷トルクの推定誤差と目標位相差テーブル分解能の関係も前述のようにすればよい。
【００６２】
図１０は負荷トルク推定の他の例を示す第５の実施形態の構成を示すブロック図である。図１０において、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路３とインバータ回路２との間に直流電源電圧検出器２１が挿入されインバータ回路２の入力電源である直流電源電圧が検出される。
【００６３】
元来、コンバータ回路３では、一定電圧の直流電源電圧が得られるように整流および平滑されている。しかしながら、実際にはモータ１での仕事によって直流電源電圧が変動してしまう。これは負荷トルク変動によって直流電源電圧が変動するということであり、この発明では一般的には欠点となるこの直流電源電圧変動に着目したものである。
【００６４】
なお、電源電圧の変動は、コンバータ回路３での損失によるため、あるいは平滑用コンデンサの容量不足などが原因として挙げられ、特に安価に作成された装置で顕著に見られる。
【００６５】
図１１は負荷トルクを変化させたときの直流電源電圧の特性を示す。図１１に示すように、負荷トルクが大きくなると直流電源電圧の低下することがわかる。したがって、直流電源電圧を検出すれば負荷トルクを推定できることがわかる。直流電源電圧検出器２１は直流電源電圧を抵抗分割した値を読込むのが簡単な方法であるが、これだけに限らない。
【００６６】
負荷トルク推定方法および負荷トルク推定誤差と目標位相差テーブル分解能の関係などは前述の方法と同様である。電流を検出することなく抵抗のみを用いればよいので、非常に簡単にまた安価に実現できる。
【００６７】
ところで、前述のコンバータ回路３は近年高精度化されてきており、直流電源電圧が一定になるようにフィードバック制御されているものがあり、さらに所望の直流電源電圧を出力できるように構成されている。これらはＡＣ電源４の力率向上にも寄与しており注目されている方法である。
【００６８】
この実施形態はこれに着目したものであり、フィードバック制御されている制御信号の大小によって負荷トルクを推定する。前述したように直流電源電圧は負荷トルクなどによって多少変動してしまう。これを一定電圧に制御するために、制御としては負荷トルクに比例した制御信号を出力して電源電圧の低下を抑制する。
【００６９】
図１２はこの発明の第６の実施形態の構成を示すブロック図である。図１２において、マイクロコンピュータ７内にフィードバック制御部２２が設けられ、このフィードバック制御部２２によって直流電源電圧検出器２１で検出された直流電圧に基づいてコンバータ回路３がフィードバック制御される。フィードバック制御部２２とモータ駆動の制御部分は同一のマイクロコンピュータ７内に構成されることが多いので、制御信号の受渡しが容易となる。
【００７０】
これによって、負荷トルクの想定が可能となり、特別な負荷回路を全く必要としないので、コストアップを抑えかつ高精度なモータ駆動を実現できる。
【００７１】
なお、電源電圧および電源電流などは前述のようにモータ１の仕事に応じて変動するものである。したがって、モータ回転数によっても変動してしまうことが考えられるが、モータ回転数情報を基に補正すればよい。
【００７２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００７３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、位相差情報を目標位相差情報に制御することで、正弦波通電をはじめとする１８０度通電でモータを駆動するモータ制御装置において、負荷トルクを簡単な方法で推定し、負荷トルク変化がある場合でもモータ駆動が可能になる。したがって、負荷トルクの変化が大きい環境で使用する際にもモータが脱調する、インバータなどの回路に過電流が流れてブレーカが遮断するなどの致命的な課題を克服することができ、騒音，振動を抑制でき、モータを最高効率位相差で制御することができるので、装置としての省エネルギーに貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の第１の実施形態におけるモータ電流信号およびサンプリングタイミング図である。
【図３】この発明の第１の実施形態における位相差情報−効率特性を示す図である。
【図４】この発明の第１の実施形態における目標位相差テーブルの一例を示す図である。
【図５】この発明の第１の実施形態を示すモータコイル電流最大値と負荷トルクを示す波形図である。
【図６】この発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の第４の実施形態における位相差情報−電源電流特性を示す図である。
【図１０】この発明の第５の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１１】この発明の第５の実施形態における直流電源電圧と負荷トルクを示す波形である。
【図１２】この発明の第６の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１３】位相差情報−効率特性を示す図である。
【符号の説明】
１モータ、２インバータ回路、３コンバータ回路、４ＡＣ電源、５電流センサ、６モータ電流検出アンプ部、７マイクロコンピュータ、８位相差検出部、９目標位相差情報格納部、１０加算器、１１ＰＩ演算部、１２回転数設定部、１３正弦波データテーブル、１４正弦波データ作成部、１５ＰＷＭ作成部、１６ＡＤ変換器、１７目標位相差設定部、１８負荷トルク検出ＡＤ変換器、１９負荷トルク推定器、２０電源電流検出器、２１直流電源電圧検出器、２２フィードバック制御部。

Claims

モータを駆動するモータ制御装置であって、
直流電源電圧を交流電圧に変換して前記モータのコイルに与えるインバータ部、
前記モータのコイル電流を検出するコイル電流検出部、
モータ駆動電圧を基準とする複数の位相期間において前記コイル電流検出部によって検出したモータコイル電流を積算し、各位相期間におけるモータコイル電流積算値の比を算出して位相差情報を検出する位相差検出部、
前記モータの負荷トルクを推定する負荷トルク推定部、
前記負荷トルク推定部によって推定された負荷トルク、あるいは該負荷トルクとモータ回転数に基づいて目標位相差情報を設定する目標位相差設定部、および
前記位相差検出部によって検出される位相差情報が前記目標位相差設定部によって設定された目標位相差情報に一致するように前記インバータ部を制御する制御部を備えることを特徴とする、モータ制御装置。
前記目標位相差設定部は、負荷トルクと目標位相差情報の関係、あるいはモータ回転数および負荷トルクと目標位相差情報の関係を示す目標位相差テーブルを参照して前記目標位相差情報を設定することを特徴とする、請求項１に記載のモータ制御装置。
前記目標位相差テーブルの各パラメータ分解能は、前記モータの最高効率からの効率低下許容値を基に設定することを特徴とする、請求項２に記載のモータ制御装置。
前記コイル電流検出部は、
前記モータのコイル電流を検出する電流センサと、
前記電流センサの検出値を所定の周期でサンプリングし、サンプリングした各アナログ値をデジタル値に変換して前記位相差検出部に与える第１のＡＤ変換器とを含み、
前記モータ制御部は、前記電流センサの検出値の最大値をサンプリングし、サンプリングしたアナログ値をデジタル値に変換して前記負荷トルク推定部に与える第２のＡＤ変換器を備え、
前記負荷トルク推定部は、前記第２のＡＤ変換器から与えられたデジタル値に基づいて前記モータの負荷トルクを推定することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のモータ制御装置。
前記コイル電流検出部は、
前記モータのコイル電流を検出する電流センサと、
前記電流センサの検出値を所定の周期でサンプリングし、サンプリングした各アナログ値をデジタル値に変換して前記位相差検出部および前記負荷トルク推定部に与えるＡＤ変換器とを含み、
前記負荷トルク推定部は、前記ＡＤ変換器から与えられたデジタル値に基づいて前記電流センサの検出値の最大値を検出し、検出した最大値から前記モータの負荷トルクを推定することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のモータ制御装置。
交流電源電圧を直流電源電圧に変換して前記インバータ部に与えるコンバータ部、および
前記コンバータ部の交流電源電流を検出する電源電流検出部を備え、
前記負荷トルク推定部は、前記電源電流検出部によって検出された交流電源電流値から前記モータの負荷トルクを推定することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のモータ制御装置。
前記インバータ部の直流電源電圧を検出する電源電圧検出部を備え、
前記負荷トルク推定部は、前記電源電圧検出部によって検出された直流電源電圧値から前記モータの負荷トルクを推定することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のモータ制御装置。
交流電源電圧を直流電源電圧に変換して前記インバータ部に与えるコンバータ部、
前記コンバータ部の出力直流電源電圧を検出する電源電圧検出部、および
前記電源電圧検出部の検出結果に基づいて、前記コンバータ部の出力直流電源電圧を所定値に制御する制御信号を出力するフィードバック制御部を備え、
前記負荷トルク推定部は、前記制御信号から前記モータの負荷トルクを推定することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のモータ制御装置。