JP5166112B2 - モータ駆動用インバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサ、リアクタで構成される平滑部を備え、インバータへ入力される前記平滑部の出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動するようなモータ駆動用インバータ制御装置に関し、特に、モータを流れる電流値を許容範囲内に制限し装置を保護するモータ駆動用インバータ制御装置に関する。

従来、コンデンサ、リアクタで構成される平滑部を備え、インバータへ入力される前記平滑部の出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動するようなモータ駆動用インバータ制御装置では、平滑部により脈動を抑制された電圧がインバータへ入力されるモータ駆動用インバータ制御装置と比較して、同一回転数、負荷条件でモータを駆動させた場合、モータ電流の最大値が高くなる。

図１１は、特許文献１に記載されるモータ駆動用インバータ制御装置において、インバータへ入力される平滑部の出力電圧波形を示したものであり、モータを駆動させるインバータへの供給電圧が交流電源の半周期毎に大きく落ち込む期間Tdropが存在する。このため脈動がない一定の電圧がインバータへ供給される場合と比較し、モータの駆動トルクを維持させるため、インバータへの電圧供給が落ち込んだ分、電流の供給量を増加することになり、結果としてモータ電流の最大値が高くなる。

特開平１０−１５０７９５号公報

このため前記従来のモータ駆動用インバータ制御装置によるモータ駆動では、モータの駆動トルクを維持させるため、装置が許容する電流値を超えた電流を供給し、減磁によるモータ性能低下やインバータを構成するパワーデバイスを破壊させる可能性があるという課題を有していた。

本発明は、前記課題を解決するもので、モータ電流が所定の電流値以上になるとモータ電流を制限し、減磁によるモータ性能の悪化やインバータを構成するパワーデバイスの破壊を防ぐモータ駆動用インバータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係るモータ駆動用インバータ制御装置は、交流電源を入力とする整流部と、整流部からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動する平滑部と、平滑部の出力直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータにより駆動されるモータと、モータ電流を検出する電流検出部と、電流検出部からの検出電流値を用いてモータの回転数を推定演算する回転数推定演算部と、モータの駆動回転数を指示する回転数指示部と、回転数指示部より指示される回転数でモータが駆動するのに必要なトルク量となる電流指令値を演算する電流指令演算部と、電流指令演算部からの電流指令値に基づき電圧指令値を演算する電圧指令演算部と、電圧指令演算部からの電圧指令値からインバータを駆動するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号発生部と、電流検出部による検出電流値が所定の制限値を超過した場合にモータ電流を制限する電流制限部と、を備える。上記モータ駆動用インバータ制御装置は、インバータに印加される電圧値を検出する電圧検出部と、電圧検出部より得られるインバータ印加電圧値の時系列変化から電圧歪み量を演算する電圧歪み量演算部と、電圧歪み量演算部より得られる電圧歪み量により、電流制限部の所定の制限値を補正する制限電流値補正部と、を備えたことを特徴とする。これにより、インバータ印加電圧波形により前記電流検出部の電流検出精度が低下しても、装置が許容する電流値以上の電流がモータに流れることを防止したモータ駆動を実現させることが出来る。

電流制限部は、モータ電流を制限する方法として、電流検出部からの検出電流値が所定の電流値以上でモータ駆動を停止させる、モータ駆動回転数を所定の時間下げる、電流指令演算部からのモータ一回転中の電流指令値の変動量を下げる方法のうち少なくとも１つの方法によりモータ電流を制限してもよい。これにより、モータの駆動状態に即した電流制限を行い、許容以上の電流がモータに流れることによるモータ性能の悪化やインバータを構成するパワーデバイスの破壊を防止したモータ駆動を実現させることが出来る。

電流制限部は、モータ電流を制限するためにモータ駆動回転数を下げた場合、モータ駆動回転数が所定の回転数未満に到達するとモータ駆動を停止させてもよい。これにより、モータ電流を制限しながらモータ駆動が保証される回転数領域以外でのモータ駆動を行わないモータ駆動を実現させることが出来る。

電流制限部は、モータ電流を制限するために電流指令演算部からのモータ一回転中の電流指令値の変動量を下げた場合、所定の変動量未満に到達するとモータ駆動回転数を所定の時間下げる、あるいはモータ駆動を停止させてもよい。これにより、モータ一回転中のトルク脈動が大きな、例えば1ピストンロータリコンプレッサの駆動において、モータ電流を制限したモータ駆動を実現させることが出来る。

電圧歪み量演算部で得られる電圧歪み量は、交流電源の半周期毎における電圧値の増加から減少、或いは減少から増加への変化の回数、または電圧値の増加から減少、或いは減少から増加へと変化する時間間隔としてもよい。これにより、高周波歪み成分を含むインバータ印加電圧によりモータ電流が変調され、前記電流検出部による電流検出精度が低下しても、装置が許容する電流値以上の電流がモータに流れることを防止したモータ駆動を実現させることが出来る。

平滑部は、コンデンサおよびリアクタで構成され、該コンデンサおよびリアクタより求められる共振周波数を交流電源周波数の４０倍以上になるよう設定してもよい。これにより、整流部への入力電流の電源高調波特性の高性能化を実現させることが出来る。

従って、インバータへの入力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動するモータ駆動用インバータ制御装置において、装置の許容以上の電流をモータに流すことによるモータ性能低下やインバータを構成するパワーデバイスの破壊を防止したモータ駆動を実現させることができる。

本発明のモータ駆動用インバータ制御装置は、平滑部からの出力電圧つまりインバータへの入力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動するモータ駆動用インバータ制御装置において、モータ電流を制限したモータ駆動を実現することができる。

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）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動用インバータ制御装置のブロック図を示したものである。該モータ駆動用インバータ制御装置は、単相交流電源である商用電源などの交流電源１より電力を供給され、供給された交流電圧を整流するダイオードブリッジで構成される整流部２と、前記整流部の出力を平滑するコンデンサ、リアクタで構成される平滑部３と、前記平滑部からの出力電圧をモータ駆動のために所望の交流電圧に変換する半導体スイッチング素子により構成されるインバータ４と、前記インバータにより駆動されるモータ５と、前記モータ５に流れる電流を検出するための電流検出部６と、前記電流検出部６からの検出値に基づきモータの回転数を推定演算する回転数推定演算部７と、前記モータ６の駆動回転数指示を与える回転数指示部８と、前記回転数指示部８からの回転数指示値と前記回転数推定演算部７より推定演算される回転数よりモータ６を駆動するための電流指令値を演算する電流指令演算部９と、前記電流指令演算部９からの電流指令値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算部１０と、前記電圧指令演算部１０からの電圧指令値に基づきインバータ４を駆動する信号を生成するＰＷＭ信号発生部１１と、前記電流検出部６により所定値以上の電流値が検出されるとモータ駆動を停止させる、モータ駆動回転数を所定の時間下げる、前記電流指令演算部９からのモータ一回転中の電流指令値の変動量を下げる方法のうち少なくとも１つの方法によりモータ駆動電流を制限する電流制限部１２と、前記インバータ４に印加される電圧を検出する電圧検出部１３と、前記電圧検出部１３より得られるインバータ印加電圧値の時系列変化から電圧歪み量を演算する電圧歪み量演算部１４と、前記電圧歪み量演算部１４より得られる電圧歪み量により前記電流制限部１２がモータ電流の制限を行う制限値を補正する制限電流値補正部１５を有している。

ここで、前記電流検出部６はモータ５の相電流を直接電流センサなどで検出することに限らず、前記インバータ４の母線部からの推定検出を含む。

更に、前記平滑部３は共振周波数が交流電源周波数の４０倍以上になるように設定されたコンデンサと該コンデンサへの突入充電電流のピーク値を下げるためのリアクタを有している。

なお、前記平滑部３を構成するリアクタは前記交流電源１と前記平滑部３を構成するコンデンサの間に挿入するため、前記整流部２の前後どちらでも構わない。

以上のように構成されたモータ駆動用インバータ制御装置について、以下にその動作、作用を説明する。

まず、整流部２を構成するリアクタ、コンデンサの値とインバータ４に印加される電圧波形について説明する。

交流電源１に交流電源周波数５０Ｈｚの商用電源を用いた場合、平滑部３を構成するリアクタとコンデンサの値は、電源高調波特性の高性能化を図るため共振周波数ｆｃ＝１/(２π＊√(Ｌ１＊Ｃ１))が交流電源周波数の４０倍以上、すなわち２０００Ｈｚ以上になるように設定する。このため例えばリアクタンス値０．５ｍＨ、キャパシタンス値１０μＦのリアクタとコンデンサを用いることでｆｃ（＝２２５０Ｈｚ）＞４０＊交流電源周波数（５０Ｈｚ）とする。

このように設定されたリアクタとコンデンサを備えた平滑部３の出力電圧波形は、図２（ａ）に示すように交流電源周波数の２倍周波（半周期（＝０．５＊Ｔｖａｃ））で脈動する。この脈動電圧をインバータ４へ入力してモータ５を駆動させると、モータ電流は図２（ｂ）に示すようにインバータ印加電圧の脈動成分により変調された波形となる。図２では交流電源１より理想的な正弦波電圧が供給される場合を示したが、高周波歪み成分を含む電圧が交流電源１より供給される場合、平滑部３の出力電圧波形は例えば図３（ａ）に示すようになり、このような高周波歪みを含む脈動電圧をインバータ４へ入力してモータ５を駆動させると、モータ電流は図３（ｂ）に示すように高周波歪み成分を含む脈動電圧により変調された波形となる。

ここでこの種のモータ駆動用インバータ制御装置において一般的な、インバータ４を駆動させるＰＷＭ信号のキャリア周期毎に電流検出部６によりモータ電流の検出を行う場合、インバータ４に印加される電圧に含まれる高周波歪み成分にモータ電流検出精度は依存することになる。特にモータ電流の最大値を検出する必要がある場合、歪み成分の周波数成分が高くなるほど検出精度が低下する。

このため電圧検出部１３により検出されるインバータ印加電圧の時系列変化より交流電源半周期毎の増加から減少、或いは減少から増加への変化の回数、または増加から減少、或いは減少から増加へと変化する時間間隔（Ｔ１〜Ｔｎ）を電圧歪み量として演算する電圧歪み量演算部１４からの電圧歪み量により検出精度を考慮して、電流制限部１２により電流制限を開始する制限開始電流を図４に示すように制限電流補正部１５により補正することでインバータ印加電圧に含まれる高周波歪み成分によらず実際の電流制限開始電流をほぼ一定にすることが出来る。

次に電流制限方法について説明する。図５から図７はモータ一回転中のトルク脈動の有無による回転数指示部８からの指示回転数と電流指令演算部９からの指令電流値、回転数推定演算部７により推定演算される実回転数の関係を示す。

スクロールコンプレッサのように低速から高速回転数域まで一回転中のトルク脈動が少ないモータ駆動では、図５に示すように回転数指示部８からの指示回転数F_tgtに対し、電流指令演算部９より一回転中の変動がほとんどない指令電流値I_tgt_mを与えることで、脈動のない安定した回転数Vmでのモータ駆動を実現できる。

このようなモータ駆動においてはモータ５の回転数制御によりモータ電流を制限することが出来る。

それに対し、1ピストンロータリコンプレッサのように低速回転で一回転中のトルク脈動が大きくなるモータ駆動では、低速で回転駆動させる場合、図６に示すように回転数指示部８からの指示回転数F_tgtに対し、電流指令演算部９より一回転中の変動がほとんどない指令電流値I_tgt_mを与えると、回転数推定演算部７より推定演算される実回転数が一回転中で大きく脈動（Vm±ΔV）し、それが振動となって装置の揺れにつながる。この振動を抑制するために図７に示すように回転数指示部８からの指示回転数F_tgtに対し、回転数推定演算部７により推定演算される実回転数の脈動を抑制するために、電流指令演算部９からの指令電流値は、駆動トルクが不足して実回転数が低下する区間では指令電流値I_tgt_mよりI_tgt_up増加させ、逆に駆動トルク過多により実回転数が上昇する区間では指令電流値I_tgt_mよりI_tgt_down減少させることで実回転数の脈動を抑制し実回転数Vmでの安定駆動を実現させる。このようなモータ駆動ではモータ回転数制御を行ってもモータ電流の最大値を制限する効果が薄いため、電流指令演算部９からのモータ一回転中における指令電流値の変動量（I_tgt_upおよびI_tgt_dowm）を調整制御することによりモータ電流を制限することが出来る。

上記のようなモータ電流制限方法およびモータ電流の検出精度を考慮したうえで、まず回転数制御によるモータ電流制限方法について説明を行う。

図８は電流制限部１２からの回転数制御によりモータ電流制限を行う場合の回転数指示部８からの指示回転数の時間変化を示す。ここで電流検出部６により検出されるモータ電流値をI、電流制限部１２からの回転数制御による電流制限を開始する電流値をIlim（インバータ印加電圧に含まれる高周波歪み成分による補正済み）、モータ５あるいはインバータ４を構成する半導体スイッチング素子が許容できるモータ電流の最大値をImax（Imax＞Ilim）とする。

例えばスクロールコンプレッサのように一回転中のトルク脈動が少なく回転数指示部８からの指示回転数に対し、電流指令演算部９よりほぼ一定の指令電流値を与えるモータ駆動では、モータ電流値Iがt1でI＞Ilimとなると、図８に示すように所定の時間、電流制限部１２によりモータ回転数を下げる、つまりモータ回転数をΔF_tgt下げることでモータ電流の最大値を抑制する。モータ回転数を下げた後、t2でI＜Ilimであればモータ回転数を元の指示回転数F_tgtに復帰させる。その後、t3で再びI＞Ilimとなるとモータ回転数をΔF_tgt下げる。モータ回転数をΔF_tgt下げたt4においてI＞Ilimの場合、更にモータ回転数をΔF_tgt下げてモータ電流の最大値を抑制する。その後、t5でI＜Ilimであればモータ回転数を元の指示回転数F_tgtに復帰させるために指示回転数を上げる。指示回転数上昇中のt6においてI＞Ilimとなるとモータ回転数をΔF_tgt下げモータ電流の最大値を抑制する。モータ回転数を下げた後、t7でI＜Ilimであればモータ回転数を元の指示回転数F_tgtに復帰させるために指示回転数を上げる。以上のように電流検出部６により検出されるモータ電流値Iと制限電流値Ilimとの比較結果によりモータ回転数を増減させる回転数制御を電流制限部１２が行うことでモータ電流値の最大値を制限電流値Ilim付近で制限するモータ駆動を行う。

ただし、モータ電流値IがI＞Imaxとなるような場合、および回転数制御によるモータ回転数がモータ駆動を保証する最低回転数F_tgt_min未満になるような場合は電流制限部１２によりＰＷＭ信号発生部１１からの信号出力をオフしてモータ５を停止させてモータ電流を制限する。

また、低速回転域での1ピストンロータリコンプレッサのように一回転中でのトルク脈動が大きく、このトルク脈動による振動を抑制するために電流指令演算部９からの指令電流値をトルク脈動に合わせて脈動させ、振動抑制を行っているモータ駆動における電流制限方法について説明する。

このようにトルク脈動による振動を抑制しているモータ駆動では、電流制限部１２によるモータ電流の最大値を制限する方法として回転数を増減させる回転数制御より、電流指令演算部９からの指令電流値の変動量を増減することにより効果的にモータ電流の最大値を制限できる。

図９は電流指令演算部９からの指令電流値の変動量の増減調整を示す。図９(ａ)は指令電流値I_tgt_mよりトルク脈動に合わせてトルクが不足する区間で指令電流値をI_tgt_up1増加させ、トルク過多となる区間で指令電流値をI_tgt_down1減少させることで実回転数を安定させモータ駆動による振動を抑制した駆動状態の指令電流値を示す。このようなモータ駆動においてI＞Ilimとなった場合、電流制限部１２により図９(ｂ)に示すようにトルク不足区間で増加させる指令電流値の増加分をI_tgt_up2（＜I_tgt_up1）、トルク過多区間で減少させる指令電流値の減少分をI_tgt_down2（＜I_tgt_down1）となるよう変動量を減少させることでモータ電流の最大値を制限する。

図１０は電流制限部１２により電流指令演算部９からの指令電流値の変動量を制御することで電流制限を行う場合の指令電流値の変動量の時間変化を示す。ここでは簡単のため指令電流値の変動量は増加分I_tgt_upと減少分I_tgt_downを同じ値のI_tgt_updownとする。

モータ駆動中に電流検出部６により検出されるモータ電流Iがt1でI＞Ilimとなると電流指令演算部９からの指令電流値の変動量をΔI_tgt_updown下げることでモータ電流の最大値を抑制する。指令電流値の変動量を下げた後、t2でI＜Ilimであれば指令電流値の変動量を元の変動量I_tgt_updownに復帰させる。その後、t3で再びI＞Ilimとなると指令電流値の変動量をΔI_tgt_updown下げる。指令電流値の変動量をΔI_tgt_updown下げたt4においてI＞Ilimの場合、更に指令電流値の変動量をΔI_tgt_updown下げる。そしてt5において、I＞Ilimの場合、更に指令電流値の変動量をΔI_tgt_updown下げる。モータ電流により調整した指令電流値の変動量がほぼゼロに近いI_tgt_updown_minに到達したt6において、なおI＞Ilimの場合、先に説明した電流制限部１２による回転数制御による電流制御を行う。その後、元の回転数に復帰した後、t7でI＜Ilimとなると指令電流値の変動量をΔI_tgt_updown上げ、t8でI＜Ilimであれば更に指令電流値の変動量をΔI_tgt_updown上げ、t9でI＞Ilimあれば指令電流値の変動量をΔI_tgt_updown下げてモータ電流の最大値を抑制する。その後I＜Ilimであればt10より指令電流値の変動量を上げて元のI_tgt_updownに復帰させる。このように電流検出部６により検出されるモータ電流値Iと制限電流値Ilimとの比較結果で電流制限部１２による指令電流値の変動量を増減、あるいは回転数制御を加えることでモータ電流値の最大値をIlim付近で制限するモータ駆動を行う。

ただし、モータ電流値IがI＞Imaxとなるような場合、および指令電流値の変動量がI_tgt_updown_min未満に到達して回転数制御による電流制限へ移行した後、モータ回転数がモータ駆動を保証する最低回転数F_tgt_min未満になるような場合は電流制限部１２によりＰＷＭ信号発生部１１からの信号出力をオフしてモータ５を停止させてモータ電流を制限する。

以上のように本実施の形態においては、インバータ４に印加される電圧の歪みによりモータ電流に制限制御を開始する制限電流値を補正する制限電流値補正部１５を備えることで、平滑部３からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で脈動するモータ駆動用インバータ制御装置においてモータ５の駆動状態に即してモータ５あるいはインバータ４を構成する半導体スイッチング素子が保証する電流値以上の電流を流すことのないモータ駆動を実現させることが出来る。

以上のように、本発明にかかるモータ駆動用インバータ制御装置は、モータ電流を保証された電流値内に駆動状態に合わせて効果的に制限することが出来る上、装置の低コスト化・小型化が可能であるため、装置の低コスト化・小型化が求められるあらゆるモータ制御装置に適用できる。

本発明の実施の形態におけるモータ駆動用インバータ制御装置の制御ブロック図 本発明の実施の形態における各種波形１ 本発明の実施の形態における各種波形２ 本発明の実施の形態におけるインバータ印加電圧歪みによる制限電流値補正の関係図 本発明の実施の形態における指令回転数、指令電流値、実回転数の関係例１ 本発明の実施の形態における指令回転数、指令電流値、実回転数の関係例２ 本発明の実施の形態における指令回転数、指令電流値、実回転数の関係例３ 本発明の実施の形態における電流制限手段の動作例１ 本発明の実施の形態における電流制限手段の動作例２ 本発明の実施の形態における電流制限手段の動作例３ 従来のモータ駆動用インバータ制御推知における平滑部出力電圧波形

符号の説明

１ 交流電源
２ 整流部
３ 平滑部
４ インバータ
５ モータ
６ 電流検出部
７ 回転数推定演算部
８ 回転数指示部
９ 電流指令演算部
１０ 電圧指令演算部
１１ ＰＷＭ信号発生部
１２ 電流制限部
１３ 電圧検出部
１４ 電圧歪み量演算部
１５ 制限電流値補正部

Claims (5)

1. 交流電源を入力とする整流部と、
   前記整流部からの出力電圧が前記交流電源周波数の２倍周波で脈動する平滑部と、
   前記平滑部の出力直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータにより駆動されるモータと、
   前記モータ電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部からの検出電流値を用いてモータの回転数を推定演算する回転数推定演算部と、
   前記モータの駆動回転数を指示する回転数指示部と、
   前記回転数指示部より指示される回転数で前記モータが駆動するのに必要なトルク量となる電流指令値を演算する電流指令演算部と、
   前記電流指令演算部からの電流指令値に基づき電圧指令値を演算する電圧指令演算部と、
   前記電圧指令演算部からの電圧指令値から前記インバータを駆動するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号発生部と、
   前記電流検出部による検出電流値が所定の制限値を超過した場合にモータ電流を制限する電流制限部と、を備えたモータ駆動用インバータ制御装置であって、
   前記インバータに印加される電圧値を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部より得られるインバータ印加電圧値の時系列変化から電圧歪み量を演算する電圧歪み量演算部と、
   前記電圧歪み量演算部より得られる電圧歪み量により、前記電流制限部の所定の制限値を補正する制限電流値補正部と、を備え、
   前記電圧歪み量演算部で得られる電圧歪み量は、前記交流電源の半周期毎における電圧値の増加から減少、或いは減少から増加への変化の回数、または電圧値の増加から減少、或いは減少から増加へと変化する時間間隔とすることを特徴とするモータ駆動用インバータ制御装置。
2. 前記電流制限部は、モータ電流を制限する方法として、前記電流検出部からの検出電流値が所定の電流値以上でモータ駆動を停止させる、モータ駆動回転数を所定の時間下げる、前記電流指令演算部からのモータ一回転中の電流指令値の変動量を下げる方法のうち少なくとも１つの方法によりモータ電流を制限することを特徴とする請求項１記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
3. 前記電流制限部は、モータ電流を制限するためにモータ駆動回転数を下げた場合、モータ駆動回転数が所定の回転数未満に到達するとモータ駆動を停止させることを特徴とする請求項１または２記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
4. 前記電流制限部は、モータ電流を制限するために前記電流指令演算部からのモータ一回転中の電流指令値の変動量を下げた場合、所定の変動量未満に到達するとモータ駆動回転数を所定の時間下げる、あるいはモータ駆動を停止させることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
5. 前記平滑部は、コンデンサおよびリアクタで構成され、該コンデンサおよびリアクタより求められる共振周波数を交流電源周波数の４０倍以上になるよう設定したことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。

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