JP4112265B2 - センサレスベクトル制御用インバータ装置及び回転駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を回転子に、電機子巻線を固定子に設けた永久磁石モータのセンサレスベクトル制御用インバータ装置に関し、特にモータが外力等によりロックしたり回転速度が異常に低下したことを速やかに検出する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エアコン等のコンプレッサ用モータやファン用モータ、電気自動車の駆動用モータに対しては、広範囲の可変速制御や電力消費量の低減、メンテナンス性の改善等の要請が強まってきている。これに応えるため永久磁石を回転子に使用した永久磁石モータを、回転子位置検出用のセンサを取り付けることなく、インバータ装置を使用してベクトル制御する方式が多く採用されるようになってきている。
【０００３】
ところが、例えばエアコンの室外機などに使用されるファン用モータなどでは、モータが外力やモータ自身の故障により完全にロックして回転しなくなったり、回転速度が異常に低下するといった回転異常が発生することがある。かかる場合、モータにホールＩＣ等のモータ回転子位置を検出できるセンサが取り付けられていれば（例えば、特開平９−７４７９０号公報参照）、センサからの信号の有無等を検出することにより、回転異常が発生したことを確認することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、センサレスベクトル制御（例えば、特開平２−１２４１９９号報参照）の場合には、回転子位置検出用のセンサを備えていないために、モータの回転異常を検出することが困難である。このため従来は、外力等によりロックする可能性がある製品、例えばファン等へのセンサレスベクトル制御の適用は難しかった。
【０００５】
本発明は、かかる不都合を解消するためになされたもので、センサレスベクトル制御により駆動されている永久磁石モータに、外力等によるロックや回転数低下などの回転異常が発生した場合に、これを速やかに検出できるセンサレスベクトル制御用のインバータ装置及び当該インバータ装置を備えた回転駆動装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、回転子に永久磁石を設けてなる永久磁石モータの電流を、永久磁石が作る磁束と平行なｄ軸電流とこれに直交するｑ軸電流とに分離してそれぞれを独立に制御するセンサレスベクトル制御用インバータ装置であって、ｄ軸誘起電圧推定値を算出するｄ軸誘起電圧推定手段を有し、前記ｄ軸誘起電圧推定値をゼロに収束させるように、前記ｄ軸誘起電圧推定値に基づいて演算される角周波数誤差推定値を前記回転子の角周波数指令値から減算することにより前記回転子の角周波数を検出する回転子速度推定手段と、前記回転子速度推定手段により検出した角周波数と前記角周波数指令値との差が所定値を超えた場合に、回転異常と判定する回転異常検出手段とを備えていることを特徴とするものである。これによればモータ角周波数をセンサレスで検出でき、モータが回転異常を起こした場合には検出した角周波数と角周波数指令値との差が大きくなるので、回転異常を速やかに検出することができる。
【０００７】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、回転異常の判定を角周波数指令値から計算したｑ軸誘起電圧と、ｑ軸電圧方程式から計算したｑ軸誘起電圧との差が所定値を超えたことで行うようにした。この場合も、モータの回転異常によりｑ軸電圧方程式から計算したｑ軸誘起電圧が減少して周波数指令値から計算したｑ軸誘起電圧との差が大きくなるので、回転異常をセンサレスで速やかに検出することができる。
【０００８】
請求項３記載の発明では、請求項１又は２に記載の発明において、回転異常の判定がされた場合に、永久磁石モータへの電流を停止することとした。回転異常が発生した場合にモータへの過電流の供給が速やかに停止されるので、モータの焼損、インバータ装置内スイッチング素子の破損を防止できる効果がある。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れかに記載の発明において、前記ｄ軸誘起電圧推定値は、前記永久磁石モータの電流実測値に基づいて計算したｄ軸電流及びｑ軸電流と、ｄ軸電圧指令値と、前記角周波数推定値と、モータ回路定数とから求めることを特徴とするものである。このような値から計算したｄ軸誘起電圧推定値をゼロに収束させることにより、回転異常判定に必要な回転子角周波数を回転子角度を検出するセンサを用いることなく検出することができる。
【００１０】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れかに記載の発明において、前記回転子速度推定手段は、前記ｄ軸誘起電圧推定値を比例積分演算器で演算して前記角周波数誤差推定値を出力するように構成され、前記ｄ軸誘起電圧推定値をゼロに収束させることには、前記ｄ軸誘起電圧推定値を前記回転子速度推定手段の比例積分演算器で演算した出力を、更に別の比例積分演算器により演算した出力をｑ軸電流指令値として与える手段を含むことを特徴とするものである。このような手段を用いることにより、ｄ軸誘起電圧推定値をゼロに収束させることができ、回転異常判定に必要な回転子角周波数を回転子角度を検出するセンサを用いることなく検出することができる。
【００１１】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れかに記載の発明において、永久磁石モータは、ファン駆動用モータであることを特徴とするものである。ファン駆動用モータは回転異常を起こし易いモータであるが、請求項１ないし５に記載の各インバータ装置は、回転異常をセンサレスで速やかに検出できるので、安心して適用することができる。
【００１２】
請求項７記載の発明は、前記永久磁石モータと該モータを駆動するインバータ装置とを備えた回転駆動装置であって、前記インバータ装置として請求項１ないし５の何れかに記載のインバータ装置を用いるものである。請求項１ないし５に記載の各インバータ装置は、回転異常をセンサレスで速やかに検出できるので、これを備えた回転駆動装置は、回転異常を起こし易い負荷の駆動にも安心して適用できる効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。図１は、本発明のセンサレスベクトル制御用インバータ装置（以下、本インバータ装置という）を使用した三相永久磁石モータ（以下、単にモータという）のセンサレスベクトル制御装置の構成を機能ブロックで表したものである。
【００１４】
負荷であるモータ１は、永久磁石を回転子に、電機子巻線を固定子に設けた回転界磁型の三相永久磁石モータである。回転子位置を検出するセンサは取り付けられていないが、回転子位置に応じた電流がインバータ装置から電機子巻線に供給され、それにより回転駆動される。
【００１５】
本インバータ装置は、電流制御手段２と回転子速度・角度推定手段３と回転異常検出手段４の３つの手段で構成されている。電流制御手段２は、回転子位置に応じて電機子に流す電流の位相と大きさを制御する手段である。回転子速度・角度推定手段３は、回転子の角周波数（回転速度）と回転子角度を推定する手段であって、回転子上に定めた回転座標系（以下、ｄｑ座標系という）の、固定座標系（以下、αβ座標系という）に対する角周波数と位相角を推定する手段である。回転異常検出手段４は、回転子がロックしたこと又は回転速度が異常に低下したことを検出するための手段である。
【００１６】
以下、各手段の構成及び動作を説明しながら、ベクトル制御装置全体の動作を明らかにする。モータ１の電機子巻線に流れる三相電流は、シャント抵抗等を用いた電流検出器５により検出される。検出された三相の相電流Ｉa、Ｉb、Ｉcは、ａbｃ／αβ変換器６の演算により、αβ座標系で表した等価な二相電流Ｉα、Ｉβに変換される。変換された二相電流Ｉα、Ｉβは、引き続きαβ／ｄｑ変換器７の演算によりｄｑ座標系で表した電流Ｉd、Ｉqに変換される。この座標変換の演算に際しては、後述する回転子速度・角度推定手段３により推定された回転子角度推定値（ｄ軸とα軸との位相角の推定値）θestが用いられる。
【００１７】
ここでｄｑ座標系とは、回転子上の永久磁石が作り出す磁束方向をｄ軸とし、これより回転方向にπ／２進んだ方向をｑ軸に定めた座標系である。電流Ｉd、Ｉqは、それぞれｄ軸方向、ｑ軸方向の電流成分を意味する。
【００１８】
このような座標変換により計算された電流Ｉd、Ｉqが、減算器８、９において、それぞれの電流指令値Ｉd-com、Ｉq-comから減算されて電流偏差ΔＩd、ΔＩqが計算される。求められた電流偏差ΔＩd、ΔＩqは、対応する比例積分演算器１０、１１で演算されて出力にそれぞれｄ軸指令電圧Ｖd、ｑ軸指令電圧Ｖqを発生させる。出力の指令電圧Ｖd、Ｖqは、電機子電流を電流指令値Ｉd-com、Ｉq-comに近づけるために印加されるべきｄｑ座標系で表した電機子電圧である。
【００１９】
この指令電圧Ｖd、Ｖqは、ｄｑ／αβ変換器１２により、αβ座標系上での指令電圧Ｖα、Ｖβに変換される。この座標変換の演算の際にも、後述する回転子角度推定値θestが用いられる。ＰＷＭ形成器１３は、指令電圧Ｖα、Ｖβに基づいてＰＷＭインバータ１４内のスイッチング素子を駆動する信号を発生させる。ＰＷＭインバータ１４が、その信号に従ってスイッチング動作を実行することにより、モータ１の電機子巻線に電圧Ｖd、Ｖqに比例した電圧が印加され、モータ１が回転駆動される。このようにしてモータ１の電機子電流Ｉd、Ｉqは、比例積分演算器１０、１１の調節動作により電流指令値Ｉd-com、Ｉq-comに一致するように制御される。
【００２０】
ここで電流Ｉd-comは、磁束を作る成分（励磁電流成分）の指令値であり、この値は外部より与えられる。一方、電流Ｉq-comは、回転トルクを発生させる成分（トルク電流成分）の指令値であり、モータ１の回転速度に直接的に関係する量である。この電流指令値Ｉq-comは、比例積分演算器１５の出力として与えられる。
【００２１】
比例積分演算器１５は、減算器１６と共にモータ１の回転速度を調節する機能を果たすものである。減算器１６の＋入力端子には、回転子の角周波数指令値ωcomが、−入力端子には回転子速度・角度推定手段３により推定されたモータ１の角周波数推定値ωestが入力される。そして、その偏差が比例積分演算器１５にて演算され出力にｑ軸の電流指令値Ｉq-comを発生させる。
【００２２】
このように、励磁電流指令値Ｉd-comとトルク電流指令値Ｉq-comが独立に与えられ、モータ１にその指令値通りの電流が流れるためには、αβ／ｄｑ変換器７及びｄｑ／αβ変換器１２での座標変換演算が正確に行われる必要がある。そのためには、演算に必要な回転子角度θが正確に把握される必要がある。本インバータ装置では、この回転子角度θの値を、センサを用いて検出するのでなく、ｄｑ座標系での電動機モデルを用いた回転子速度・角度推定手段３にて推定演算して求めている。
【００２３】
ｄ軸誘起電圧推定手段１７は、回転子に取り付けた永久磁石が作る磁束が回転することにより、電機子巻線中に生ずる誘起電圧のｄ軸成分推定値Ｅdを次式により計算する。
Ｅd ＝Ｖd −（Ｒ＋Ｐ・Ｌd）・Ｉd ＋ωest・Ｌq・Ｉq （１）式
ここに、Ｒはモータ１の巻線抵抗、Ｌd、Ｌqはｄ軸、ｑ軸インダクタンス、ωestは回転子の角周波数推定値、Ｐは微分演算子である。電流Ｉd 、Ｉqには測定電流値を座標変換して求めた値を用い、電圧ＶdにはＰＷＭインバータ１４の応答性が良いことから測定値の代わりに指令値を用いている。
【００２４】
角周波数推定値ωestは、（１）式で求めた誘起電圧のｄ軸成分Ｅdを比例積分演算器１８で演算した結果を角周波数誤差推定値ωerrorとし、この値を減算器１９にて角周波数指令値ωcomから減算して次式で求める。
ωest ＝ ωcom −ωerror （２）式
回転子角度推定値θestは、上記角周波数推定値ωestを積分器２０にて積分して求める。
【００２５】
誘起電圧には（１）式で計算したｄ軸成分Ｅdの他にｑ軸成分Ｅqも存在する。また、角周波数誤差推定値ωerrorは、ｄ軸誘起電圧Ｅdを比例積分演算器１８で演算しただけの数値である。従って、上記の角周波数誤差推定値ωerrorは、正確な角周波数誤差を表している訳ではない。しかし（２）式で計算した角周波数推定値ωest、及びこれを積分して求めた回転子角度推定値θestを座標変換や誘起電圧推定演算に使用し、更に調節器の助けを借りてｄ軸誘起電圧推定値Ｅdをゼロに収束させることができた場合を考えると、その時点では、誘起電圧の推定値はｑ軸成分のみである。この状態では、回転子の永久磁石が作る磁束はｄ軸と平行であると推定することができ、またこの時の回転子角度推定値θestは、実際の回転子角度θに一致していると推定することができる。
【００２６】
本インバータ装置では、比例積分演算器１８が、比例積分演算器１５、積分器２０の助けを受けて、誘起電圧Ｅdをその目標とするゼロ値に収束させるように角周波数推定値ωest、回転子角度推定値θest及びｑ軸電流指令値（トルク電流指令値）Ｉq-comの値を調節する。一方、回転子の角周波数については、比例積分演算器１５が角周波数誤差推定値ωerrorをゼロに収束させる調節動作を行う（比例積分演算器１５の入力信号は、ωerrorとなっている）。そしてこれらの調節動作の結果として、ｄ軸誘起電圧推定値Ｅd及び角周波数誤差推定値ωerrorが共にゼロに収束する。こうしてＥdとωestとが共にゼロに収束した時点では、角周波数推定値ωestは角周波数指令値ωcomに一致し、モータ１は角周波数指令値ωcomで回転駆動される。即ち、この時点の角周波数推定値ωestはモータ１の角周波数ωに等しいと推定され、モータ１の角周波数ωがセンサを用いることなく検出されたことになる。
【００２７】
このように回転子角周波数ωが外部からの角周波数指令値ωcomに一致し、励磁電流Ｉdも外部からの励磁電流指令値Ｉd-comに一致するように独立して調節される制御は、一般にベクトル制御と呼ばれ、本インバータ装置の場合は回転子の回転角度検出にセンサを用いていないことから、特にセンサレスベクトル制御と呼ばれる。
【００２８】
本インバータ装置では、上記のようにして求めた角周波数推定値ωestを用い、回転異常検出手段４にて、次のように回転異常の判定を行う。
第１の判定の態様は、角周波数指令値ωcomと角周波数推定値ωestとの差が所定値を超えた場合、即ち次式が成立した場合に回転異常発生と判定する態様である。
【００２９】
｜ωcom − ωest｜＞Ｘ （３）式
ここにＸは、ＰＷＭインバータ１４やモータ１の仕様から決まる所定の定数である。モータ１が外力等でロックしたり、回転速度が指令値から外れて低下したりすると、角周波数推定値ωestが減少して（３）式が満足されるようになるので、（３）式により回転異常を検出することができる。この判定基準によれば、モータ１に回転子角度を検出するセンサを取り付けることなく、回転異常を速やかに検出できる効果がある。
【００３０】
第２の判定の態様は、誘起電圧のｑ軸成分の大きさで判定する態様である。誘起電圧のｑ軸成分の推定値 Ｅest1は、ｑ軸についての電圧方程式より次のように計算される。
Ｅest1＝Ｖq−（Ｒ＋Ｐ・Ｌq）・Ｉq − ωest・Ｌd・Ｉd （４）式
ここに、電圧Ｖqはｑ軸電圧指令値である。
【００３１】
他方、角周波数指令値ωcomに一致して回転した場合の誘起電圧 Ｅest2は、モータ１の誘起電圧定数をＫeとすると次式で表せる。
Ｅest2＝Ｋe・ωcom （５）式
モータ１がロックしたり回転数が低下すると、（４）式で計算されるｄ軸誘起電圧推定値 Ｅest1が減少する。従って、次式が成立した場合に回転異常発生と判定することができる。
｜Ｅest2 −Ｅest1｜＞Ｙ （６）式
ここにＹは、ＰＷＭインバータ１４やモータ１の仕様から決まる所定の定数である。制御系の応答性は良いので、この判定基準による場合も、モータ１に回転子角度を検出するセンサを取り付けることなく、回転異常を速やかに検出できる効果がある。
【００３２】
（３）式又は（６）式の基準により回転異常と判定された場合には、ＰＷＭインバータ１４のスイッチング動作を停止させてモータ１への電流供給を停止する。これにより、電機子巻線が焼損したり、ＰＷＭインバータ１４のスイッチング素子が破壊したりすることが防止される。
【００３３】
モータ１がファンを駆動するファン駆動用モータである場合には、外力や逆風によりモータがロックしたり回転速度が異常に低下することがあるが、上述した回転異常検出手段を備えた本インバータ装置を使用すれば、安心してセンサレスベクトル制御を適用することができる。
【００３４】
また、永久磁石モータをインバータ制御する場合、制御を最適化するために永久磁石モータの各種モータ定数を把握して、インバータ制御に反映させる必要がある。このことから今日では、永久磁石モータとそれを駆動するインバータ装置とを一体化して回転駆動装置として販売されることが多い。この場合にインバータ装置として本インバータ装置が採用してあれば、ロックや異常な回転数低下を起こしやすい負荷に対しても安心して適用できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明のセンサレスベクトル制御用インバータ装置によれば、モータのロックや異常な回転数低下といった回転異常を、回転子角度を検出するためのセンサを取り付けることなく速やかに検出することができる。また回転異常を検出した場合にモータへの電流供給を停止するようにすることで、回転異常を起こし易い負荷駆動に対しても安心して適用できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すベクトル制御インバータ装置の電気的構成を機能ブロックにより示す図
【符号の説明】
図中、１は永久磁石モータ、２は電流制御手段、３は回転子速度・ 角度推定手段、４は回転数異常検出手段、１０、１１、１５、１８は比例積分演算器、１７はｄ軸誘起電圧推定手段、ωestは角周波数推定値、Ｅdはｄ軸誘起電圧推定値、Ｉdはｄ軸電流、Ｉqはｑ軸電流を示す。

Claims (7)

1. 回転子に永久磁石を設けてなる永久磁石モータの電流を、永久磁石が作る磁束と平行なｄ軸電流とこれに直交するｑ軸電流とに分離してそれぞれを独立に制御するセンサレスベクトル制御用インバータ装置であって、
   ｄ軸誘起電圧推定値を算出するｄ軸誘起電圧推定手段を有し、前記ｄ軸誘起電圧推定値をゼロに収束させるように、前記ｄ軸誘起電圧推定値に基づいて演算される角周波数誤差推定値を前記回転子の角周波数指令値から減算することにより前記回転子の角周波数を検出する回転子速度推定手段と、
   前記回転子速度推定手段により検出した角周波数と前記角周波数指令値との差が所定値を超えた場合に、回転異常と判定する回転異常検出手段とを備えていることを特徴とするセンサレスベクトル制御用インバータ装置。
2. 前記判定に代えて、前記角周波数指令値から計算したｑ軸誘起電圧と、ｑ軸電圧方程式から計算したｑ軸誘起電圧との差が所定値を超えた場合に、回転異常と判定することを特徴とする請求項１記載のセンサレスベクトル制御用インバータ装置。
3. 前記回転異常の判定がされた場合には、前記永久磁石モータへの電流を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサレスベクトル制御用インバータ装置。
4. 前記ｄ軸誘起電圧推定値は、前記永久磁石モータの電流実測値に基づいて計算したｄ軸電流及びｑ軸電流と、ｄ軸電圧指令値と、角周波数推定値と、モータ回路定数とから求めることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のセンサレスベクトル制御用インバータ装置。
5. 前記回転子速度推定手段は、前記ｄ軸誘起電圧推定値を比例積分演算器で演算して前記角周波数誤差推定値を出力するように構成され、
   前記ｄ軸誘起電圧推定値をゼロに収束させることには、前記ｄ軸誘起電圧推定値を前記回転子速度推定手段の比例積分演算器で演算した出力を更に別の比例積分演算器に入力し、その演算出力をｑ軸電流指令値として与える手段を含むことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のセンサレスベクトル制御用インバータ装置。
6. 前記永久磁石モータは、ファン駆動用モータであることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載のセンサレスベクトル制御用インバータ装置。
7. 前記永久磁石モータと該モータを駆動するインバータ装置とを備えた回転駆動装置であって、前記インバータ装置は請求項１ないし５の何れかに記載のセンサレスベクトル制御用インバータ装置からなることを特徴とする回転駆動装置。

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