JP4242679B2 - ブラシレス直流モータの制御装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はモータの制御装置及び方法に係り、より詳しくはブラシレス直流モータのトルクリップル（torque ripple）を最小にするための制御装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレス直流モータは、ブラシと整流子などの機械的要素の代わりに、スイッチング素子から構成された整流回路を用いる。このブラシレス直流モータは、磨耗によるブラシの交替が不要であり、電子妨害（electromagnetic interference）と駆動騒音が少ないことが特徴である。
【０００３】
ブラシレス直流モータは、商用交流電源をパルス状の多相交流電源（一般に、３相）に変換する電力変換装置により電源の供給を受ける。ブラシレス直流モータの速度を制御する制御装置は、電力変換装置からブラシレス直流モータに供給される多相交流電源の相電流情報と回転子の位置及び速度情報に基づいてブラシレス直流モータの回転速度を制御する。制御装置は、ブラシレス直流モータの回転速度が外部から入力される速度命令に追従するように制御する。
【０００４】
このような従来のブラシレス直流モータの制御装置は、直流モータの各相に発生する逆起電力を基準電圧と比較して逆起電力検出信号を発生させ、この逆起電力検出信号に基づいて電力変換装置を制御する。しかし、ブラシレス直流モータの負荷が非常に高いか、高速で運転するなど、ブラシレス直流モータの巻線の電気時定数（Ｌ／Ｒ）が増加する場合は、巻線に流れる電流に位相が印加される電圧によって遅延できる。ブラシレス直流モータの巻線に流れる電流の位相遅延が累積すると、ブラシレス直流モータに過度な電流が供給されて、ブラシレス直流モータの発熱量を増加させ、これはブラシレス直流モータの効率を低下させる原因となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は前記のような従来の問題点に鑑みてなされたもので、ブラシレス直流モータの巻線に流れる相電流の位相差を補償して逆起電力と同相となるように制御するためのブラシレス直流モータの制御装置及び方法を提供することにその目的がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記のような目的を達成するため、本発明のブラシレス直流モータの制御装置は、商用交流電源を多相交流電源に変換してブラシレス直流モータに提供する電力変換装置を含む。電流検出部はブラシレス直流モータの相電流を検出する。制御部はブラシレス直流モータの理想的な相転換時間と前記相電流の実際の相転換時間を算出し、前記実際の相転換時間が前記理想的な相転換時間を追従するように制御する。
【０００７】
本発明によるブラシレス直流モータの制御方法は、ブラシレス直流モータの理想的な相転換時間を算出し、相電流の実際の相転換時間を算出し、実際の相転換時間が前記理想的な相転換時間を追従するように制御する。
【０００８】
また、本発明によるブラシレス直流モータの制御装置は、商用交流電源を多相交流電源に変換してブラシレス直流モータに提供する電力変換装置を含む。位置検出部はブラシレス直流モータの逆起電力のゼロクロシングポイントを検出する。電流検出部はブラシレス直流モータの相電流を検出する。制御部はブラシレス直流モータの理想的な相転換時間と前記相電流の実際の相転換時間を算出し、相電流が進相であるとき、実際の相転換時間を延長させ、相電流が遅相であるとき、実際の相転換時間を短縮させて実際の相転換時間が理想的な相転換時間を追従するように制御する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるブラシレス直流モータの制御装置及び方法の好ましい実施例を図１ないし図７に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本発明によるブラシレス直流モータ制御装置を示すブロック図である。同図に示すように、コンバータ１０４、キャパシタ１０８及びインバータ１０６からなる電力変換装置は、交流電源装置１０２から供給される交流電源をパルス形態の３相交流電源に変換してブラシレス直流モータ１１０に供給する。インバータ１０６からブラシレス直流モータ１１０に供給される３相交流電源（Ｕ、Ｖ、Ｗ）のそれぞれの相電流のうち、Ｕ相及びＶ相電流が電流検出部１１２により検出される。電流検出部１１２により検出されたＵ相及びＶ相電流の情報は制御部１１４に提供され、インバータ制御信号の根幹となる。ブラシレス直流モータ１１０の回転子の位置と速度は位置検出部１１６により検出され、検出された回転子の位置情報も制御部１１４に提供され、インバータ制御信号の根幹となる。位置検出部１１６は、ブラシレス直流モータ１１０の相電圧に誘起される逆起電力のゼロクロシングポイント（zero crossing point）を検出し、これにより回転子の位置情報を獲得する。制御部１１４は、電流検出部１１２から入力される相電流情報と位置検出部１１６から入力される回転子の位置情報を参照してブラシレス直流モータ１１０の回転速度を制御する。制御部１１４は、インバータ１０６から出力される３相交流電源（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の相転換（phase commutation）時点及び相電流の大きさを制御するためのインバータ制御信号を出力して、ブラシレス直流モータ１１０の回転速度が速度命令に追従するようにする。制御部１１４は内部にデータ記憶装置であるメモリ１１４ａを内蔵し、このメモリ１１４ａには、現在のブラシレス直流モータ１１０の相転換時間と電気角０°〜６０°のく間内で検出された二つ以上の相電流値が記憶される。制御部１１４は、メモリ１１４ａに記憶される相転換時間と相電流値を参照して、逆起電力と相電流の位相差を補正する。
【００１１】
図２はブラシレス直流モータの駆動に関連した電圧及び電流の特性を示す波形図であって、ブラシレス直流モータ１１０の駆動電圧２０２、逆起電力２０４及び相電流２０６をそれぞれ示す。同図に示すように、逆起電力２０４がゼロクロシングポイント２０８を通過する時点２０８と新たな相電流２０６の供給が開始される時点２１０との間には一定時間の相転換期間が存在する。１２０°通電型の場合、理想的な相転換時間は電気角０°を中心に前後３０°に相当する区間である。本発明によるブラシレス直流モータの制御装置においては、逆起電力と相電流の位相差を判別し、これから相転換時間を算出するため、電気角０°以後の点弧相電流の点弧時点を検出する。図２においては、電気角０°から点弧時点までの相転換基間（ｔ_３０°）が電気角３０°に相当する大きさであって、理想的な場合である。電気角０°〜３０°の区間に相当する時間は駆動電圧２０２の周波数から算出することができる。制御部１１４は、電気角３０°を時間に換算して理想的な相転換時間（ｔ_３０°）としてメモリ１１４ａに記憶する。
【００１２】
ブラシレス直流モータの負荷が非常に高いか、高速で運転するなど、ブラシレス直流モータの巻線の電気時定数（Ｌ／Ｒ）が増加する場合には、印加される電圧によって、巻線に流れる電流の位相が理想的な場合から外れることがあり得る。すなわち、相電流の位相が逆起電力の位相に対して進相又は遅相となり得る。ブラシレス直流モータ１１０の駆動効率を最適化するためには、逆起電力と相電流の一致させることが重要であるが、相電流の位相が逆起電力の位相に対して進相であるか遅相であれば、最適の駆動効率を得ることができない。したがって、ブラシレス直流モータ１１０の最適駆動効率を得るため、逆起電力に対する相電流の進相／遅相を判別し、その位相差を補償することが好ましい。
【００１３】
図３は相電流が進相又は遅相である場合を示す図である。図３のＡは進相の相電流３０２を示すもので、点弧される相電流３０２の点弧時点が電気角２０°に先立っている。この場合、相転換時間（ｔ_C1）は理想的な相転換時間（ｔ_３０°）より短いため、相電流３０２と逆起電力の位相を一致させるためには相転換時間（ｔ_C1）を延長させなければならない。図３のＢは遅相の相電流３０４を示すもので、点弧される相電流３０４の点弧時点が電気角３０°より後にある。この場合、相転換時間（ｔ_Ｃ２）は理想的な相転換時間（ｔ_３０°）より長いため、相電流３０４と逆起電力の位相を一致させるためには、相転換時間（ｔ_Ｃ２）を短縮させなければならない。
【００１４】
図４及び図５は、本発明によるブラシレス直流モータの制御装置において、相電流の進相／遅相を判別する方法を説明するもので、図４は相電流が進相である場合であり、図５は相電流が遅相である場合である。まず、図４に示すように、一つの基本的な相転換は電気角０°から始まる。本発明によるブラシレス直流モータの制御装置は、電気角０°〜６０°の区間内で周期的に相電流４０４の値を測定し、測定された値の大小を比較し、相電流４０４の進相／遅相を判別する。図４に示すように、相電流４０４の０°〜６０°の区間でｔ_１、ｔ_２、ｔ_３の時点で測定された電流値（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３）が減少趨勢である（Ｉ_１＞Ｉ_２＞Ｉ_３）相電流４０４が進相であることが分かる。反対に、図５に示すように、相電流５０４の０°〜６０°の区間でｔ_４、ｔ_５、ｔ_６の時点で測定された電流値（Ｉ_４、Ｉ_５、Ｉ_６）が増加趨勢である（Ｉ_４＞Ｉ_５＞Ｉ_６）相電流５０４が遅相であることが分かる。相電流４０４、５０４の０°〜６０°の区間で、電流値の検出間隔が稠密になるほど進相／遅相をより精密に測定することができる。図４及び図５から分かるように、相電流４０４、５０４が進相又は遅相であると、直流端電流４０２、５０２も進相又は遅相であって同一である。したがって、相電流４０４、５０４の代わりに、直流端電流４０２、５０２から相電流４０２、５０２の進相／遅相を判別することもできる。
【００１５】
図６は本発明によるブラシレス直流モータの制御方法を示すもので、相電流の進相／遅相を判別して位相差を補正する方法を示すフローチャートである。同図に示すように、現在ブラシレス直流モータ１１０の駆動電圧２０２の周波数から理想的な相転換時間（ｔ_３０°）を算出する（６０２）。逆起電力２０４のゼロクロシングポイント２０８を検出し、このゼロクロシングポイント２０８から点弧相電流２０６の点弧時点２１０までの時間である実際の相転換時間（ｔ_Ｃ）を算出する（６０４）。実際の相転換時間（ｔ_Ｃ）が算出されると、相電流の進相／遅相を判別する位相を検出する（６０６）。図４及び図５に示すように、相電流４０４、５０４の電気角０°〜６０°の区間内で一定間隔を置き、二つ以上の相電流値（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３又はＩ_４、Ｉ_５、Ｉ_６）を検出し、検出された相電流値（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３又はＩ_４、Ｉ_５、Ｉ_６）が減少の趨勢であるか又は増加の趨勢であるかを判別することにより、相電流の進相／遅相を判別する。検出された相電流値（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３又はＩ_４、Ｉ_５、Ｉ_６）が減少の趨勢であると進相であり、増加の趨勢であると遅相である。また、検出された相電流値（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３又はＩ_４、Ｉ_５、Ｉ_６）が一定であると、逆起電力と相電流は同相である。
【００１６】
逆起電力に対する相電流４０４の位相が進相であると（６０８）（図４参照）、現在算出されている実際の相転換時間（ｔ_Ｃ１）をβだけ延長して相転換時間（ｔ_Ｃ１）を設定する（６１０）。逆起電力に対する相電流４０４の位相が進相であると、実際の相転換時間（ｔ_Ｃ１）を延長し、点弧される新たな相電流６０４の供給開始時点を遅延させることにより、逆起電力と相電流４０４の位相を一致させる。したがって、実際の相転換時間（ｔ_Ｃ１）をβだけ延長させながら最終に理想的な相転換時間（ｔ_３０°）に一致させる。
【００１７】
逆起電力に対する相電流の位相が遅相であると（６１２）（図５参照）、現在算出されている実際の相転換時間（ｔ_Ｃ２）をβだけ短縮させて相転換時間（ｔ_Ｃ２）を再設定する。すなわち、逆起電力に対する相電流５０４の位相が遅相であると、実際の相転換時間（ｔ_Ｃ２）を短縮させて、点弧される新たな相電流５０４の供給開始時点を早めることにより、逆起電力と相電流５０４の位相を一致させる。逆起電力と相電流４０４、５０４の位相が一致するのは実際の相転換時間（ｔ_Ｃ）が理想的な相転換時間（ｔ_３０°）と同一になることを意味する。
【００１８】
逆起電力と相電流が同相であると、現在算出されている相転換時間（ｔ_Ｃ）をそのまま適用してブラシレス直流モータ１１０を駆動させる（６１６）。このように、相転換時間が理想値（ｔ_３０°）に補正されると、逆起電圧の各ゼロクロシングポイントから相転換時間（ｔ_３０°）が経過した時点で相転換が実施されるようにする（６１４）。
【００１９】
図７は本発明によるブラシレス直流モータの制御装置のほかの実施例を示すブロック図である。同図に示すように、電流検出部７１２は直流端キャパシタ１０８の陰極で現れる直流端電流を検出し、その値を制御部１１４に提供する。図４及び図５に示すように、相電流４０４、５０４が進相又は遅相であると、直流端電流４０２、５０２も進相又は遅相であって、同一である。したがって、ブラシレス直流モータ１１０の相電流４０４、５０４の代わりに、直流端電流４０２、５０２から相電流４０２、５０２の進相／遅相を判別することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるブラシレス直流モータの制御装置は、ブラシレス直流モータの逆起電圧と相電流の位相差を補正して同相となるようにすることにより、ブラシレス直流モータの相転換区間で発生するトルクリップルを最小にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるブラシレス直流モータの制御装置を示すブロック図である。
【図２】 ブラシレス直流モータの駆動に関連した電圧及び電流の特性を示す波形図である。
【図３】 相電流が進相又は遅相である場合を示す図である。
【図４】 本発明によるブラシレス直流モータの制御装置において、相電流が進相である場合、相電流の進相／遅相を判別する方法を説明する図である。
【図５】 本発明によるブラシレス直流モータの制御装置において、相電流が遅相である場合、相電流の進相／遅相を判別する方法を説明する図である。
【図６】 本発明によるブラシレス直流モータの制御方法を示すフローチャートである。
【図７】 本発明によるブラシレス直流モータの制御装置のほかの実施例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０２ 電源装置
１０４ コンバータ
１０８ キャパシタ
１０６ インバータ
１１０ 直流モータ
１１２ 電流検出部
１１４ 制御部
１１４ａ メモリ
１１６ 位置検出部

Claims (17)

1. 商用交流電源を多相交流電源に変換してブラシレス直流モータに提供する電力変換装置と、
   前記ブラシレス直流モータの相電流を検出する電流検出部と、
   前記ブラシレス直流モータの理想的な相転換時間と前記相電流の実際の相転換時間を算出し、前記実際の相転換時間が前記理想的な相転換時間を追従するように制御する制御部とを含み、
   前記相電流の電気角０°〜６０°の区間で前記電流検出部により少なくとも二つの相電流値を検出し、検出された二つ以上の電流値の大小を比較して前記相電流の進相／遅相を判別することを特徴とするブラシレス直流モータ制御装置。
2. 前記制御装置は、前記ブラシレス直流モータの逆起電力のゼロクロシングポイントを検出する位置検出部をさらに含み、前記理想的な相転換時間が前記相電流の電気角０°〜３０°の区間に対応する時間であり、前記実際の相転換時間が前記ゼロクロシングポイントから点弧相電流の点弧時点までの時間であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレス直流モータ制御装置。
3. 前記制御部は、前記相電流が進相であるとき、前記実際の相転換時間を延長させ、前記相電流が遅相であるとき、実際の相転換時間を短縮させることを特徴とする請求項１に記載のブラシレス直流モータ制御装置。
4. 前記検出された二つ以上の相電流値が減少の趨勢であるとき、前記相電流を進相と判別し、前記検出された二つ以上の相電流値が増加の趨勢であるとき、前記相電流を遅相と判別することを特徴とする請求項１に記載のブラシレス直流モータ制御装置。
5. 前記相電流検出部が、前記電力変換装置から前記ブラシレス直流モータに提供される多相交流電源の相電流を検出することを特徴とする請求項１に記載のブラシレス直流モータ制御装置。
6. 前記電力変換装置は、
   前記商用交流電源を直流に変換するコンバータと、
   前記直流電源を前記多相交流電源に変換するインバータと、
   前記コンバータとインバータを連結する直流端キャパシタとを含んでなり、
   前記相電流検出部が前記直流端キャパシタの陰極で現れる相電流を検出することを特徴とする請求項１に記載のブラシレス直流モータ制御装置。
7. 前記多相交流電源がパルス形態の３相交流電源であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレス直流モータ制御装置。
8. ブラシレス直流モータの制御方法において、
   前記ブラシレス直流モータの理想的な相転換時間を算出する段階と、
   前記相電流の実際の相転換時間を算出する段階と、
   前記実際の相転換時間が前記理想的な相転換時間を追従するように制御する段階とを含み、
   前記相電流の電気角０°〜６０°の区間で前記電流検出部により少なくとも二つの相電流値を検出し、検出された二つ以上の電流値の大小を比較して前記相電流の進相／遅相を判別することを特徴とするブラシレス直流モータの制御方法。
9. 前記ブラシレス直流モータの逆起電力のゼロクロシングポイントを検出する位置検出部をさらに含み、前記理想的な相転換時間が前記相電流の電気角０°〜３０°の区間に対応する時間であり、前記実際の相転換時間が前記ゼロクロシングポイントから点弧相電流の点弧時点までの時間であることを特徴とする請求項８に記載のブラシレス直流モータ制御方法。
10. 前記相電流が進相であるとき、前記実際の相転換時間を延長させ、前記相電流が遅相であるとき、実際の相転換時間を短縮させることを特徴とする請求項８に記載のブラシレス直流モータ制御方法。
11. 前記検出された二つ以上の相電流値が減少の趨勢であるとき、前記相電流を進相と判別し、前記検出された二つ以上の相電流値が増加の趨勢であるとき、前記相電流を遅相と判別することを特徴とする請求項８に記載のブラシレス直流モータ制御方法。
12. 商用交流電源を多相交流電源に変換してブラシレス直流モータに提供する電力変換装置と、
    前記ブラシレス直流モータの逆起電力のゼロクロシングポイントを検出する位置検出部と、
    前記ブラシレス直流モータの相電流を検出する電流検出部と、
    前記ブラシレス直流モータの理想的な相転換時間と前記相電流の実際の相転換時間を算出し、前記相電流が進相であるとき、前記実際の相転換時間を延長させ、前記相電流が遅相であるとき、前記実際の相転換時間を短縮させて前記実際の相転換時間が前記理想的な相転換時間を追従するように制御する制御部とを含み、
    前記相電流の電気角０°〜６０°の区間で前記電流検出部により少なくとも二つの相電流値を検出し、検出された二つ以上の電流値の大小を比較して前記相電流の進相／遅相を判別することを特徴とするブラシレス直流モータ制御装置。
13. 前記理想的な相転換時間が前記相電流の電気角０°〜３０°の区間に対応する時間であり、前記実際の相転換時間が前記ゼロクロシングポイントから点弧相電流の点弧時点までの時間であることを特徴とする請求項１２に記載のブラシレス直流モータ制御装置。
14. 前記検出された二つ以上の相電流値が減少の趨勢であるとき、前記相電流を進相と判別し、前記検出された二つ以上の相電流値が増加の趨勢であるとき、前記相電流を遅相と判別することを特徴とする請求項１２に記載のブラシレス直流モータ制御装置。
15. 前記相電流検出部が、前記電力変換装置から前記ブラシレス直流モータに提供される多相交流電源の相電流を検出することを特徴とする請求項１２に記載のブラシレス直流モータ制御装置。
16. 前記電力変換装置は、
    前記商用交流電源を直流に変換するコンバータと、
    前記直流電源を前記多相交流電源に変換するインバータと、
    前記コンバータとインバータを連結する直流端キャパシタとを含んでなり、
    前記相電流検出部が前記直流端キャパシタの陰極で現れる相電流を検出することを特徴とする請求項１２に記載のブラシレス直流モータ制御装置。
17. 前記多相交流電源がパルス形態の３相交流電源であることを特徴とする請求項１２に記載のブラシレス直流モータ制御装置。

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