JP5125097B2

JP5125097B2 - モータの制御方法およびその装置

Info

Publication number: JP5125097B2
Application number: JP2006348335A
Authority: JP
Inventors: 智行鷲見; 拓司天野; 剛志酒井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2026-12-25
Also published as: JP2008160997A

Description

本発明は、例えばヒートポンプサイクル等に使用される圧縮機を起動するためのモータの制御方法およびその装置に関するものである。

従来のモータ制御装置として、例えば特許文献１に示されるように、電圧指令値を３相ＰＷＭ出力部でパルス幅に変換したのち、算出したパルス幅の和がインバータ部、およびモータ等のハード制限値（最大パルス幅）を超えている場合、パルス幅の大きいものをそのまま出力し、パルス幅の小さいものは最大パルス幅からパルス幅の大きいものを引いた残りの大きさにして出力するものが知られている。
特開２００４−３３７００号公報

しかしながら、上記の制御装置においては、出力パルス幅を最大パルス幅内に収めることができるが、常にパルス幅の小さいものをより小さくする制御としているので、電圧指令値から推定したモータ位置と実際のモータ位置との間に誤差が発生し、更にその誤差がモータの進む方向、あるいは反対の方向のいずれかに現れるという問題がある。

本発明の目的は、電圧指令値から変換したパルス幅の和が、最大パルス幅を超える場合があっても、推定位置のズレの発生を防止して、効率的にモータの制御が可能となるモータ制御方法およびその装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、インバータ（４０）に対して、上位制御部（１０）からの電圧指令に基づく複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）を出力して、インバータ（４０）に接続されるモータ（５０）の作動を制御するモータの制御方法であって、
複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）は、インバータ（４０）に対する最終出力指令であり、
複数のパルス幅指令の単純な和（ΣＰＷｖｎ）に対する、インバータ（４０）およびモータ（５０）の最大パルス幅（ＰＷｃ）の割合（ＰＷｃｒａｔｅ）が１より小さい場合に、
複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）のそれぞれに割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を乗じて、複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）を複数の制限パルス幅指令（ＰＷｖｎＳ）に修正してインバータ（４０）に出力することを特徴としている。

これにより、複数の制限パルス幅指令（ＰＷｖｎＳ）の和（ΣＰＷｖｎＳ）のベクトル方向を複数のパルス幅指令の和（ΣＰＷｖｎ）のベクトル方向と同一のまま最大パルス幅（ＰＷｃ）以下にすることができる。よって、電圧指令から推定したモータ（５０）の位置と、実際に出力された制限パルス幅指令（ＰＷｖｎＳ）によって駆動されるモータ（５０）の位置とのズレの発生を防止でき、効率的なモータ（５０）の制御が可能となる。

請求項２に記載の発明では、上記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を上位制御部（１０）にフィードバックさせることを特徴としている。

これにより、上位制御部（１０）からの電圧指令を随時補正でき、精度の高い制御が可能となる。

請求項３に記載の発明では、上記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を算出する際に、漸化式を用いることを特徴としている。

これにより、複雑な演算を不要として容易に割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を算出することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項３における漸化式は、１次収束する式であることを特徴としており、これにより、発散することなく確実な割合（ＰＷｃｒａｔｅ）の算出結果を得ることができる。

１次収束する式としては、請求項５に記載の発明のように、ニュートン法の逆数近似式を用いて好適である。これにより、割算処理をなくし演算負荷を減らすことができる。

請求項６に記載の発明では、上記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を算出する際に、ロジック回路を備える専用のハードウエアを用いることを特徴としている。

これにより、必要に応じた能力設定が可能であり、無理なく割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を算出することができる。

ハードウエアとしては、請求項７に記載の発明のように、コーデックを用いて好適である。

請求項８に記載の発明では、上記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を算出する際に、複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）の大小に対して上記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を予め対応付けたマップを用いることを特徴としている。

これにより、割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を演算するための負荷を低減することができる。

請求項９〜請求項１６に記載の発明は、モータの制御装置に関するものであり、その技術的意義は上記請求項１〜請求項８に記載のモータの制御方法と本質的に同じである。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態におけるモータの制御装置１００について、図１〜図８を用いて説明する。本実施形態のモータの制御装置１００は、圧縮機６０を作動負荷とするモータ５０の駆動を制御するためのものであり、図１に示すように、上位制御部１０、モータ制御部２０、３相ＰＷＭ出力部２０、インバータ４０を有している。

モータ５０は、３相ブラシレスＤＣモータにより構成されており、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のステータコイルにそれぞれ所定のタイミングで電圧が印加されることで、回転動作するようになっている。

圧縮機６０は、家庭用給湯装置を構成するヒートポンプサイクル内に配設されて、このヒートポンプサイクル内の冷媒を室外熱交換器から吸入して、高温高圧に圧縮した後に加熱用熱交換器側に吐出する流体機械である。圧縮機６０は、モータ５０に接続されて、モータ５０の駆動力によって作動するようになっており、例えば室外機内に取付けされている。

上位制御部１０は、家庭用給湯装置の作動を制御する給湯用の制御部であり、ヒートポンプサイクル作動のために必要とされるモータ５０（圧縮機６０）の回転数指令をモータ制御部２０に出力する。モータ制御部２０は、上位制御部１０から入力された回転数指令を、この回転数指令に対応する電圧指令に変換して、変換した電圧指令を３相ＰＷＭ出力部３０に出力する。

３相ＰＷＭ出力部３０は、モータ制御部２０から入力された電圧指令をパルス幅指令に変換して、インバータ４０に出力する。また、３相ＰＷＭ出力部３０は、パルス幅指令と最大パルス幅とから算出したパルス幅制限率（詳細後述）をフィードバックのために上位制御部１０、モータ制御部２０に出力する。

インバータ４０は、図２に示すように、３相ＰＷＭ出力部３０からのパルス幅指令に基づいて３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の上下アームスイッチング素子４０ａ〜４０ｆを所定のタイミングでスイッチング動作させ、モータ５０に電力を供給する。そして、インバータ４０は、スイッチング素子４０ａ〜４０ｆの動作状態を３相ＰＷＭ出力部３０に出力する。

インバータ４０からの電力供給によって、モータ５０（圧縮機６０）は、上位制御部１０の回転数指令に応じた回転数で作動される。

図３は、モータ５０の作動制御中における制御周期毎の割り込み処理を示すフローチャートである。また、図４は空間電圧ベクトル図を示すものである。まず、ステップＳ１で、モータ制御部２０からの電圧指令値を元に、電圧指令値の電圧ベクトルの位置に応じた複数のパルス幅ＰＷｖｎ（パルス幅指令であり、ｎ＝１〜６）を演算する。ステップＳ２において、ステップＳ１で算出した複数のパルス幅ＰＷｖｎの和ΣＰＷｖｎ（パルス幅指令の和）に対するインバータ４０およびモータ５０における出力可能な最大パルス幅ＰＷｃの比（割合）を演算し、これをパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅとする。パルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅは、
（数１）
ＰＷｃｒａｔｅ＝ＰＷｃ／ΣＰＷｖｎ
と表すことができる。

ここでは、パルス制限率ＰＷｃｒａｔｅを算出する際に、漸化式を用いている。更に、漸化式としては、１次収束するニュートン法の逆数近似式を採用している。ニュートン法における１／Ａを求める近似式は、
（数２）
Ｘｎ＋１＝２×Ｘｎ−Ａ×Ｘｎ^２
であり、
この数式２をパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅ算出の式に置き換えると、
（数３）
ＰＷｃｒａｔｅ＝ＰＷｃ×［２×１／（ＰＷｖ１＋ＰＷｖ２）
−（ＰＷｖ１＋ＰＷｖ２）×｛１／（ＰＷｖ１＋ＰＷｖ２）｝^２］
となり、この数式３を用いてパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅを算出するようにしている。

次に、ステップＳ３において、パルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅが１より小さい、即ち、図４（ａ）に示すように、パルス幅の和ΣＰＷｖｎが最大パルス幅ＰＷｃを超えている場合に、ステップＳ４に遷移する。ステップＳ４で、パルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅをステップＳ１で算出した複数のパルス幅ＰＷｖｎのそれぞれに乗じて、複数の制限パルス幅ＰＷｖｎＳ（制限パルス幅指令）を算出する（図４（ｂ））。そして、ステップＳ５で制限パルス幅ＰＷｖｎＳをインバータ４０へ出力する。

一方、ステップＳ３において、パルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅが１以上であった場合、即ち、パルス幅の和ΣＰＷｖｎが最大パルス幅ＰＷｃよりも小さい場合には、ステップＳ６に遷移し、ステップＳ１で算出したパルス幅ＰＷｖｎをそのままインバータ４０へ出力する。

これにより、複数の制限パルス幅ＰＷｖｎＳの和（ΣＰＷｖｎＳ）のベクトル方向を、複数のパルス幅の和ΣＰＷｖｎのベクトル方向と同一のまま最大パルス幅ＰＷｃ以下にすることができる。よって、図５に示すように、電圧指令から推定したモータ５０の位置と、実際に出力された制限パルス幅指令ＰＷｖｎＳによって駆動されるモータ５０の位置とのズレの発生を防止でき（推定位置の誤差をゼロとして）、効率的なモータ５０の制御が可能となる。

また、算出したパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅを上位指令（上位制御部１０、モータ制御部２０）にフィードバックすることで、最大パルス幅ＰＷｃに対してオーバーする電圧分を補正する制御を容易に組み込むことが可能である。

また、パルス制限率ＰＷｃｒａｔｅを算出する際に、数式１における割算を直接行なうのではなく、漸化式として１次収束する式を用いるようにしているので、複雑な演算を不要として容易に、且つ発散することなく確実なパルス制限率をＰＷｃｒａｔｅを得ることができる。更に、ニュートン法の逆数近似式、即ち数式３を用いることで、割算処理をなくし演算負荷を減らすことができる。

図６は、回転数指令が一定である場合において、割算を用いて算出したＰＷｃｒａｔｅと、ニュートン法の逆数近似式を用いて算出したＰＷｃｒａｔｅとを比較したものであり、両者の１％未満である（図６グラフ上では両者がほぼ重なっている）。

また、図７に示すように、回転数指令が急激に上昇・下降した場合においては、パルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅは、図８のようになる。つまり、電圧指令値（図７のＶα、ＶＶβ）が急激に上昇した場合、はニュートン法の逆数近似式で算出したものは通常の割算によって算出したものよりも目標値に急峻に近づく。逆に、電圧指令値が急激に減少した場合には、目標値に対して緩やかに近づく。

電圧指令値が急上昇する場合は、強く制限を掛けなければならない時なので、近似誤差により通常より大きく制限されるが、制御的には発散しない安定な方向なので良い作用だと言える。電圧指令値が急下降する場合は、制限を一気に緩める時であるが、急激に緩めると制御が発散する恐れがあり、それを近似誤差により抑えることができるのでこちらも制御の安定に良い作用であると言える。

尚、上記実施形態においては、パルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅをニュートン法の逆数近似式を用いて算出したが、数式１に基づいて、そのまま割算によって算出するようにしても良い。これにより、より正確なパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅを算出することができる。

（その他の実施形態）
上記第１実施形態では、パルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅを算出するために、漸化式としてニュートン法の逆数近似式を使用したが、他の式を用いるようにしても良い。

また、３相ＰＷＭ出力部３０内のソフトウエア（ＣＰＵ）にてパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅを算出するようにしたが、専用のコーデックのようなロジック回路を備えるハードウエアを設けて、そこでパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅを算出するようにしても良い。

これにより、パルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅの算出に必要とされる能力設定を行うことが可能であり、３相ＰＷＭ出力部３０のＣＰＵに依存することなく、パルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅを算出することができる。

また、パルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅを算出するにあたって、複数のパルス幅ＰＷｖｎの大小に対して、パルス幅制限値ＰＷｃｒａｔｅを割り付けたマップを作成しておき、このマップを用いてパルス幅制限率を求めるようにしても良い。マップは、例えば複数のパルス幅の和ΣＰＷｖｎ（ＰＷｖ１＋ＰＷｖ２）に対するパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅを割り付けたもの、あるいは、複数のパルス幅ＰＷｖｎ（ＰＷｖ１、ＰＷｖ２）の組み合わせに対するパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅを割り付けたもの等とすることができる。

また、本モータの制御装置１００は、給湯装置を構成するヒートポンプサイクルに配設される圧縮機６０を作動負荷とするモータ５０を制御するものとして説明したが、これに限らず、例えば冷凍サイクル内の圧縮機を作動負荷とするモータを制御するもの等、他の用途にも使用できる。

モータの制御装置全体を示すブロック図である。インバータを示す回路図である。パルス幅制限率算出のための処理を示すフローチャートである。パルス幅の和ΣＰＷｖｎを示す空間電圧ベクトル図である。電圧指令値から推定したモータ位置と、３相ＰＷＭ出力部の制限パルス幅指令値から推定したモータ位置との誤差を示すグラフである。割算で算出したパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅと、二ユートン法の逆数近似式を用いて算出したパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅとを示すグラフである。急激に変動した時の電圧指令値を示すグラフである。急激に電圧指令値が変動した時のパルス幅制限率ＰＷｃｒａｔｅを示すグラフである。

符号の説明

１０上位制御部
３０３相ＰＷＭ出力部
４０インバータ
５０モータ
１００モータの制御装置

Claims

インバータ（４０）に対して、上位制御部（１０）からの電圧指令に基づく複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）を出力して、前記インバータ（４０）に接続されるモータ（５０）の作動を制御するモータの制御方法であって、
前記複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）は、前記インバータ（４０）に対する最終出力指令であり、
前記複数のパルス幅指令の単純な和（ΣＰＷｖｎ）に対する、前記インバータ（４０）および前記モータ（５０）の最大パルス幅（ＰＷｃ）の割合（ＰＷｃｒａｔｅ）が１より小さい場合に、
前記複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）のそれぞれに前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を乗じて、前記複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）を複数の制限パルス幅指令（ＰＷｖｎＳ）に修正して前記インバータ（４０）に出力することを特徴とするモータの制御方法。
前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を前記上位制御部（１０）にフィードバックさせることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御方法。
前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を算出する際に、漸化式を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータの制御方法。
前記漸化式は、１次収束する式であることを特徴とする請求項３に記載のモータの制御方法。
前記１次収束する式は、ニュートン法の逆数近似式であることを特徴とする請求項４に記載のモータの制御方法。
前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を算出する際に、ロジック回路を備える専用のハードウエアを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータの制御方法。
前記ハードウエアは、コーデックであることを特徴とする請求項６に記載のモータの制御方法。
前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を算出する際に、前記複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）の大小に対して前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を予め対応付けたマップを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ制御方法。
モータ（５０）に接続されるインバータ（４０）と、
前記インバータ（４０）に対して、上位制御部（１０）からの電圧指令に基づく複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）を出力して、前記モータ（５０）の作動を制御するＰＷＭ出力部（３０）とを備えるモータの制御装置において、
前記複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）は、前記インバータ（４０）に対する最終出力指令であり、
前記ＰＷＭ出力部（３０）は、前記複数のパルス幅指令の単純な和（ΣＰＷｖｎ）に対する、前記インバータ（４０）および前記モータ（５０）の最大パルス幅（ＰＷｃ）の割合（ＰＷｃｒａｔｅ）が１より小さい場合に、
前記複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）のそれぞれに前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を乗じて、前記複数のパルス幅指令（ＰＷｖｎ）を複数の制限パルス幅指令（ＰＷｖｎｓ）に修正して前記インバータ（４０）に出力することを特徴とするモータの制御装置。
前記ＰＷＭ制御部（３０）は、前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を前記上位制御部（１０）にフィードバックさせることを特徴とする請求項９に記載のモータ制御装置。
前記ＰＷＭ出力部（３０）は、前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を算出するための漸化式を備えることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のモータの制御装置。
前記漸化式は、一次収束する式であることを特徴とする請求項１１に記載のモータの制御方法。
前記１次収束する式は、ニュートン法の逆数近似式であることを特徴とする請求項１２に記載のモータの制御装置。
前記ＰＷＭ出力部（３０）は、前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を算出するためのロジック回路を用いた専用のハードウエアを備えることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のモータの制御装置。
前記ハードウエアは、コーデックであることを特徴とする請求項１４に記載のモータの制御装置。
前記ＰＷＭ出力部（３０）は、前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を算出するための前記複数のパルス幅指令の大小に対する前記割合（ＰＷｃｒａｔｅ）を予め対応付けたマップを備えることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のモータ制御装置。