JP4760216B2 - モータ駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は空調機の圧縮機などの原動力となるモータを、高効率で駆動するモータ駆動制御装置に関するものである。

従来、この種のモータ駆動装置では、交流電圧を印加するだけで駆動できる誘導モータから、回転子に永久磁石を内蔵するいわゆるＩＰＭ構造にすることにより、リラクタンストルクも利用することにより高効率化してきている。また、ＩＰＭモータは、電流位相を進めることにより弱め界磁駆動を効率よく行うことも可能であり、電源電圧よりも発電電圧が高い場合でも駆動することが可能になり、広い運転範囲を実現することができる。このＩＰＭモータを空調機の密閉型圧縮機の駆動源として利用するには、永久磁石の回転位相を検出器を用いずに適切に行うことが必要になる。

回転位相を検出器なしで検出する方法として、従来はモータの固定子への通電を短期間休止して、端子に現れるモータ回転の誘起電圧を検出する方法が採用されていた。しかしながら、弱め界磁駆動を行うと、非通電期間を設けても、モータのインダクタンスにより電流が引き続き流れてしまい、大きな弱め界磁を行うことが困難であった。

これに対し、モータへの通電を非通電期間を設けることなく正弦波状にして、そのときの電圧と電流の関係から、永久磁石回転子の回転位相を推定して駆動する方法が提案されている。例えば、非特許文献１では、回転座標軸上で電圧と電流の関係をモデルと比較し、モデルとの誤差が少なくなるように駆動することにより、結果として、回転位相検出ができている駆動方法がある。また、特許文献１では、固定座標軸上での電圧と電流との関係を用いるものもある。
特許第３４１９７２５号公報 竹下、野村、松井「電流推定誤差に基づくセンサレスブラシレスＤＣモータ制御」電気学会 論文誌Ｄ、Ｖｏｌ．１１５−Ｄ、Ｎｏ．４ １９９５年４月１日 Ｐ．４２０−４２７

しかしながら、前記従来の構成では、個々のモータのパラメータをモデルとして、実際の電圧と電流の情報とのずれが解消されていれば、適正に回転位相検出ができているとしているものなので、個々のモータのパラメータが正確に把握できていることが必要条件になる。もし、モデルに用いるモータパラメータが実際のパラメータとずれていると検出される回転位相に誤差を生じることになる。この検出される回転位相の誤差の影響は、電流と誘起電圧の有効分の比率が増加すると大きくなる。つまり、弱め界磁制御を行っているときに、誤差の影響が非常に大きくなる。このため、個々のモータのパラメータ変動分を見越して、電流位相を進める限界（以降は最大進角値）に余裕を持たせておく必要がある。
ところが、最大進角値を下げると、駆動できる最高速度が低下してしまい、駆動範囲が狭まってしまうという課題を有していた。このような状況で駆動範囲を確保するには、駆動するための電源電圧を上げる、あるいは、モータの発電定数を下げるなどの、効率低下や部品のコストアップを必要とする手法をとらざるを得ないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、個々のモータのパラメータが多少変動しても、最大進角値を確保することができて、広い運転範囲を確保できるモータ駆動制御装
置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動制御装置は、モータへの入力電力を検出し、入力電力と回転数から、トルクを割り出し、割り出したトルクに相当するモータ電流よりも実際のモータ電流が大きい状態で、かつモータ電圧に余裕がある場合には、駆動制御における進角設定値を低減するように操作するものである。

これによって、実際のモータとモデルとのパラメータずれにより、実際の進角が大きくなってしまっていることが検出されて、進角を少なくすることができるので、過剰な進角により、回転位相検出ができなくなる状態を回避でき、広い運転範囲を確保することができる。

また、割り出した推定トルクに相当するモータ電流よりも実際のモータ電流が大きくない状態で、かつモータ電圧に余裕がない場合には、駆動制御における進角設定値を増大するように操作するものである。

これによって、実際のモータとモデルとのパラメータずれにより、実際の進角が小さくなってしまっていることが検出されて、進角を大きくすることができるので、進角不足により、所望の回転数で駆動できなくなる状態も回避でき、広い運転範囲を確保することができる。

本発明のモータ駆動制御装置は、モータのパラメータが変動しても、大きな弱め界磁効果を維持することができ、広い運転範囲を確保することができる。

第１の発明は、モータへの入力電力を検出し、電力と回転数からトルクを推定し、実際のモータ電流が前記トルクに対応するモータ電流に対して大きい状態であり、かつ、モータに印加している電圧が出力可能な最大電圧よりも低い場合には、モータへの電流進角値を少なくするように操作することにより、パラメータずれに起因する過剰な進角状態が解消され、安定した弱め界磁制御ができる。これにより、パラメータずれがあっても広い運転範囲が確保できる。

第２の発明は、特に、第１の発明の場合とは逆のずれのときに適用できるものであり、モータへの入力電力を検出し、電力と回転数からトルクを推定し、実際のモータ電流が前記トルクに対応するモータ電流に対して大きくない状態であり、モータに印加している電圧が出力可能な最大電圧よりも高くなって場合には、モータへの電流進角値を多くするように操作することにより、パラメータずれに起因する進角不足状態が解消され、広い運転範囲が確保できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動制御装置の動作原理を示す特性図を示すものである。

図１において、上段のグラフは、電流進角とモータ電流との関係を示すグラフであり、下段のグラフは、電流進角とモータ電圧との関係を示すグラフである。負荷トルクが同じ
で回転数も同じ場合、電流進角を増加させると、モータ電流は増加し、モータ電圧は減少する傾向にある。また、負荷トルクが増加すると、モータ電流、モータ電圧ともに増加する傾向にある。

ここで、電流進角をβ０として設定し駆動しているとする。このときに、実線の矢印のような電流が流れ、また、必要な電圧も出力可能な範囲になっている。この状態で、電流が増加した場合を考える。電流が増加するのは、負荷トルクが増加した場合と、電流進角がずれてβ１になった場合とが考えられる。一方、駆動回路やモータの効率が余り変化しなければ、トルクは入力電力を回転数で除算した結果に略比例するので、トルクが増加しているのかどうかを調べることができる。さらに、電流進角が進んでいる場合には、モータ電圧が下がっていることから、トルク増加か電流進角ずれかが区別することができる。この結果、電流増加が電流進角ずれに起因するものである場合には、電流進角を戻してやれば、モータ電流を減少させることができる。

次に、図２のグラフを用いて、パラメータが逆方向にずれたときの検出方法について説明する。ここで、電流進角をβ０で設定して駆動しているにもかかわらず、電流が少なく、電圧が出力可能な電圧を超えている場合が発生すると、図２の上のグラフから、トルクが減少したか、電流進角が不足したかのどちらかになっていることがわかる。一方、図２の下のグラフより、電圧が不足するのは、トルクが増加したか、電流進角が不足したのかのどちらかであることがわかる。つまり、双方を満たすのは、電流進角が不足した場合になる。したがって、電流進角を増加してやればよいことがわかる。

結局、図１および図２に示した動作原理を用いることにより、電流位相検出のずれにより電流進角がずれてしまうことが解消できることになる。つまり、モータのパラメータのずれによる影響を解消することができ、広い運転範囲を実現することができる。

図８は、上記の原理を実現するための制御シーケンスを示すフローチャートである。制御回路では、判断９０１において、高速駆動中かどうかを調べ、高速駆動中すなわち弱め界磁制御を使っていないときには、処理全体を終了し、弱め界磁制御を使っているときには、処理９０２に進み、入力電力を算出する。次に処理９０３へ進み、得られた入力電力と現在の回転数からトルクを推定する。さらに判断９０４へ進み、推定トルクが基準値以内であるかどうかを調べ、基準値以内であれば処理９０５へと進み、基準値以内でなければ処理全体を終了する。処理９０５では、推定したトルクから、モータモデルを用いて、モータの電流を推定する。次に、判断９０６へ進み、実際のモータ電流と推定値とを比較し、実際のモータ電流が大きければ判断９０７へと進み、実際のモータ電流が小さければ判断９０９へと進む。判断９０７では、現在のモータへの印加電圧が限界値よりも小さければ処理９０８へと進み、そうでなければ処理全体を終了する。処理９０８では現在の電流進角設定値をすこし減らして、処理全体を終了する。一方、判断９０９では現在のモータへの印加電圧が限界値とほぼ同等になっているかどうかを調べ、限界値になっていれば処理９１０へと進み、限界値よりも小さければ処理全体を終了する。処理９１０では、現在の電流進角設定値をすこし増加して、処理全体を終了する。このフローチャートと図１および図２の対応は、図１の原理に基づく処理は、判断９０６、判断９０７、処理９０８が該当し、図２の原理に基づく処理は、判断９０６、判断９０９、処理９１０が該当する。

次に、図３を用いて、駆動制御に必要な回路構成について説明する。図３は、家庭用などの単相交流電源を用いて駆動する場合の回路構成を示す回路ブロック図であり、単相電源１から整流ダイオードブリッジ４を経て、力率改善リアクトル５および平滑コンデンサ６により略直流電源を構成する。直流電源以降に、三相ブリッジ回路２を経てモータ３に接続されており、制御回路３００では、三相ブリッジ回路２をパルス幅変調制御して三相
擬似交流を作成せしめ、モータ３を駆動制御する。制御回路３００では、モータ３の電流を電流検出器１１ａ、１１ｂで検出し、モータ３への印加電圧は、直流電圧を電圧検出器１４で検出して、三相ブリッジ回路２におけるパルス幅変調量から印加電圧を算出する。これにより、モータ３の略適正な駆動が可能になる。一方、入力電流を電流検出器３１３で検出し、直流電源の電圧検出器１４での検出結果との時々刻々の積和を求めると、平均入力電力が得られる。ここで入力電力とモータ出力とは下記の関係がある。

入力電力＝回路効率×モータ効率×モータ回転数×モータトルク
ここで、回路効率やモータ効率は制御が多少ずれても、あまり大きな変化をしないため、入力電力からモータトルクの概略値を推定することが可能である。したがって、図３の回路構成をすることにより、図１および図２で説明した原理を実現することが可能になる。なお、制御回路３００はマイクロコンピュータで構成され、制御はプログラムに基づいたシーケンス制御で実現される。

図４の回路構成は、図３の回路構成を簡素化したものである。交流電源１の電圧がほとんど一定である場合には、直流部分の電圧も一定になるので、入力電流を電流検出器４１３で検出することにより、比例計算で入力電力とすることが可能になる。

図５の回路構成は、単相交流電源１からの入力力率を改善する回路を付加したものである。リアクトル５０５を介してスイッチ５３０で交流電源１を短絡せしめ、リアクトル５０５に電流を蓄えて、スイッチ５３０をオフしたときに、整流ダイオードブリッジ４を経由して平滑コンデンサ６に電流を流し込む。リアクトル５に電流を蓄える動作が含まれるため、交流電源１の最大電圧よりも高い直流電圧を得ることも可能である。このような回路構成であっても、電流検出器３１３と電圧検出器１４により入力電力を検出することができ、図１および図２で説明した制御を実現することが可能になり、広い運転範囲を実現することができる。

図６の回路構成は、図５と同様の効果を狙うもので違う構成によるものである。リアクトル６０５を経由した交流電源１の一時短絡を整流ダイオードブリッジ４による整流動作を経た後に、スイッチ１３を用いて行うものである。図５の場合と同様に、電流検出器３１３と電圧検出器１４により入力電力を検出することができ、図１および図２で説明した制御を実現することが可能になり、広い運転範囲を実現することができる。

図７の回路構成は、直流電源から動作する場合に適用することができる構成を示すものである。直流電圧を電圧検出器１４で検出し、直流電源からの電流を電流検出器２０で検出することにより、入力電力を検出することができ、図１および図２で説明した制御を実現することが可能になり、広い運転範囲を実現することができる。

なお、モータの電流を検出するのに、モータの各相（三相の場合は２つで測定可能）に電流検出器を設けて、直接的に電流を検出する方法で説明したが、三相ブリッジ回路でパルス幅変調して駆動する場合に、直流側に電流検出手段を設け、時分割的に各相の電流を検出してモータを駆動する方法が提案されており、電流検出器の数を減らすことができる（特開２００３−１１１４８０号公報参照）。

さらに、モータへの電流と電圧の瞬時値を時々刻々に積和演算することでモータへの入力電力を直接演算できる方法もある。

以上のように、本発明にかかるモータ駆動制御装置は、モータパラメータが変動して、弱め界磁制御中に回転位相検出が困難になる状態になることを補償することが可能となる
ので、広い運転範囲を確保でき、駆動回路を大型化することなく、空調機などの能力可変範囲を拡大できるなどの効果を生じる。

本発明の実施の形態におけるモータ駆動制御装置における電流進角が進みすぎた場合の解消原理を示す特性図 本発明の実施の形態におけるモータ駆動制御装置における電流進角が遅れすぎた場合の解消原理を示す特性図 本発明の実施の形態における全体回路構成図 本発明の実施の形態における第１の全体回路構成図 本発明の実施の形態における第２の全体回路構成図 本発明の実施の形態における第３の全体回路構成図 本発明の実施の形態における第４の全体回路構成図 本発明の実施の形態における制御シーケンスを示すフローチャート

符号の説明

１ 交流電源
２ 三相ブリッジ回路
３ モータ
１１ａ、１１ｂ、１３、２０ 電流検出器
１４ 電圧検出器
３００，４００、５００，６００、８００ 制御回路

Claims (7)

1. 直流電源もしくは、交流電源を変換してモータ駆動用の交流電力に変換する回路手段を有し、モータへの入力電力を検出し、電力と回転数からトルクを推定し、実際のモータ電流が前記トルクに対応するモータ電流に対して大きい状態であり、かつ、モータに印加している電圧が出力可能な最大電圧よりも低い場合には、モータへの電流進角値を少なくするように操作することを特徴とするモータ駆動制御装置。
2. 推定したトルクが一定以下であり、モータに印加している電圧が出力可能な最大電圧と同じ場合、実際のモータ電流が推定したモータ電流よりも小さい場合は、モータへの電流進角値を多くするように操作することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
3. 交流電源の入力電流値をもって、モータへの入力電力とすることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
4. 整流回路の出力に平滑回路を有し、平滑回路への入力電流と平滑回路の電圧を用いて入力電力を検出することを特徴とする、請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
5. モータへの通電電流位相の基準の検出方法が、モータへの印加電圧とモータ電流およびモータパラメータを用いた回転位相の推定に基づくものであることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
6. モータへの印加電圧とモータ電流からモータへの入力電力を算出することを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動制御装置。
7. 交流電源からの交流電力を直流に変換する整流回路として、電力流入経路にインダクタンスを挿入し、交流電力出力端とインダクタンスとの直列回路を短時間短絡せしめることによる入力力率改善回路を用いることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。

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