JP5359229B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源からの交流電圧を直接スイッチングして３相モータを可変速で駆動できるモータ制御装置に関するものである。

従来、この種のモータ制御装置はインバータ主回路に印加される電圧を検出し、この検出値を用いてモータ駆動を行う（例えば、特許文献１参照）。

図９は、上記特許文献１に記載される従来のモータ制御装置のブロック図である。

図９に示すように、従来のモータ制御装置は、交流電源と、交流電圧を直接スイッチングしてモータ駆動を行う複数個の双方向半導体スイッチで構成されるインバータ主回路（ＰＷＭサイクルコンバータ）と、前記交流電源と前記インバータ主回路間に設置されるラインフィルタと、前記交流電源電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部の検出結果を用いて前記インバータ主回路を構成する双方向半導体スイッチを制御しモータ駆動を行う駆動制御部から構成されている。

電圧検出部は交流電源の電圧値と電圧位相の瞬時値を駆動制御部に出力し、駆動制御部はモータ電流方向などの情報と合わせてインバータ主回路を構成する双方向半導体スイッチのオン、オフ制御によりモータ駆動を行う。
特開２０００−１３９０７６号公報

一般的に駆動制御部において各種検出値を取り込むマイコン等のＡＤ変換ポートは直流電圧入力仕様で負電圧入力に対応していない。しかしながら前記従来の構成によるモータ駆動では、インバータ主回路に印加される電圧が交流電圧となるため、交流電圧印加中の電圧検出部からの検出信号のみでは駆動制御部において交流電圧値を認識でき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、インバータ主回路に印加される電圧が交流電圧となる場合でも、駆動制御部においてオフセット電圧を設定することで電圧検出部からの検出値を駆動制御部で交流電圧値と認識できるモータ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、本発明のモータ制御装置は、交流電源と、該交流電源出力を双方向に電流制御を行うことができる双方向スイッチング素子を備え、直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力によりモータを駆動させるインバータ主回路と、前記インバータ主回路と前記交流電源間に設置されるフィルタ部と、前記インバータ主回路に印加される電圧値を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部の検出値を用いて前記インバータ主回路の双方向スイッチング素子のオン、オフ制御を行う駆動制御部を備えたモータ制御装置において、前記フィルタ部と前記電圧検出部による電圧検出箇所との間に設置される入力接続スイッチと、前記入力接続スイッチのオン、オフを制御するスイッチ制御部を備え、前記駆動制御部は、前記入力接続スイッチがオフ時に前記電圧検出部により検出される検出値をオフセット電圧として設定し、前記電圧検出部により交流電圧検出を行うものである。

これによりインバータ主回路へ交流電圧が印加されるモータ制御装置において、入力接
続スイッチがオフ時に電圧検出部により検出される検出値をオフセット電圧として設定することで、交流電圧印加時の電圧検出部からの検出値により交流電圧値を認識することができる。

本発明のモータ制御装置は、直接インバータ主回路へ入力される交流電圧値を特別な装置なしに電圧検出部により検出し、モータ駆動制御に反映することができる。

第１の発明は、交流電源と、該交流電源出力を双方向に電流制御を行うことができる双方向スイッチング素子を備え、直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力によりモータを駆動させるインバータ主回路と、前記インバータ主回路と前記交流電源間に設置されるフィルタ部と、前記インバータ主回路に印加される電圧値を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部の検出値を用いて前記インバータ主回路の双方向スイッチング素子のオン、オフ制御を行う駆動制御部を備えたモータ制御装置において、
前記フィルタ部と前記電圧検出部による電圧検出箇所との間に設置される入力接続スイッチと、前記入力接続スイッチのオン、オフを制御するスイッチ制御部を備え、前記駆動制御部は、前記入力接続スイッチがオフ時に前記電圧検出部により検出される検出値をオフセット電圧として設定し、前記電圧検出部により交流電圧検出を行うことにより、電圧検出部による直流電圧、交流電圧の検出を可能にし、更に駆動制御部によるモータ駆動状態に応じたインバータ主回路への交流電源電圧供給を行うことができる。

第２の発明は、第１の発明のモータ制御装置において、前記スイッチ制御部は、前記駆動制御部によりモータ停止状態にある場合、前記入力接続スイッチをオフすることにより、インバータ主回路において待機時に消費される電力消費抑制、インバータ主回路やモータの浮遊容量による漏れ電流を抑制することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明のモータ制御装置において、前記スイッチ制御部は、前記駆動制御部によりモータを停止状態から駆動させる際、前記電圧検出手段により前記インバータ主回路の入力端子電圧を検出後、前記入力接続スイッチをオンさせることにより、前記入力接続スイッチによる交流電圧供給直前のインバータ主回路の入力端子電圧を基準電圧とした電圧検出部による電圧検出を行うことができる。

第４の発明は、第１から第３のいずれかのモータ制御装置において、前記インバータ主回路が備える双方向スイッチング素子はノーマリオフ型、ダブルゲート型の少なくとも１つの特徴を有するＧａＮで構成されることにより、前記インバータ主回路における導通損失低減、高速スイッチングによる高効率化、装置の信頼性向上を図ることができる。

第５の発明は、第１から第４のいずれかのモータ制御装置において、前記フィルタ部は前記交流電源と前記インバータ主回路間の少なくとも片側のラインに直列接続されたリアクタと、そのリアクタのインバータ主回路側ライン間に並列接続されたコンデンサで構成され、その共振周波数が交流電源周波数の４０倍以上になるようにキャパシタンス値とリアクタンス値を決めることで入力電流の電源高調波特性の高性能化を実現することができる。

第６の発明は、第１から第５のいずれかのモータ制御装置を空気調和機に具備することにより整流回路を持たない安価で高効率な装置で、かつマイコン等のＡＤ変換ポートを通して交流電圧値を用いた演算処理を実施することができる。

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１）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置の構成図を示したものである。

図１のモータ制御装置は、交流電源１より電力を供給され、供給された交流電圧をダイオードブリッジで構成された整流回路を介さずに双方向スイッチング素子１１を備え直接所望の可変電圧・可変周波数の交流出力に変換するインバータ主回路２と、前記インバータ主回路２の出力により駆動されるモータ３と、前記インバータ主回路２に印加される電圧値を検出する電圧検出部４と、前記インバータ主回路２と前記交流電源１間に設置されるコンデンサ５とリアクタ６で構成されるフィルタ部７と、前記電圧検出部４の検出値を用いて前記インバータ主回路２の双方向スイッチング素子１１のオン・オフ制御を行うマイコン等で構成される駆動制御部８と、前記フィルタ部７と前記電圧検出部４による検出箇所の間に設置される入力接続スイッチであるスイッチ９と、前記駆動制御部８及び電圧検出部４の状態により前記スイッチ９のオン、オフを行い前記インバータ主回路２への交流電源電圧供給を制御するスイッチ制御部１０を有している。

ここで、交流電源１とインバータ主回路２との間に接続される前記フィルタ部７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、インバータ主回路２より生じるスイッチングノイズの入力側（交流電源１）への流出を防止するために直列接続されたリアクタ７と、インバータ主回路２のスナバとして並列接続されたコンデンサ５を有している。該コンデンサ５は前記リアクタ６よりインバータ主回路２側に接続される。

以上のように構成されたモータ制御装置について、以下その動作、作用を説明する。

図２、図３は、本実施の形態における各部の動作波形である。

まず、交流電源１に交流電源周波数ｆａｃ＝５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの単相商用電源を用いた場合、その出力電圧波形は図２（ａ）に示すように周期Ｔａｃ＝２０ｍｓｅｃあるいは１６．７ｍｓｅｃの正弦波状の波形となる。この出力電圧を共振周波数が交流電源周波数の４０倍以上に設定されたリアクタ６とコンデンサ５（例えばリアクタンス値０．５ｍＨ、キャパスタンス値１０μＦ、共振周波数ｆｃ＝１／（２π＊√（ＬＣ））＝２２５０Ｈｚ＞４０＊ｆａｃ（＝５０Ｈｚ）を介してインバータ主回路２へ供給する。

ここで、リアクタンス値およびキャパシタンス値は、交流電源１からのインバータ主回路２により直接変換することで、上述のように従来と比較して小さな値に設定することが可能である。

ここでインバータ主回路２への入力電流波形は、後述するリアクタ６がない場合もしくはリアクタ６のリアクタンス値が極端に小さい場合には、図２（ｂ）に示すようにインバータ主回路２におけるスイッチング波形が重畳した電流波形となる。このため交流電源１とインバータ主回路２の間にリアクタ６を直列接続し、そのリアクタンス値を適度に設定することで交流電源１（入力）側の電流波形は図２（ｃ）のようになりスイッチング成分が除去された電流波形となる。またコンデンサ５との共振周波数を交流電源周波数の４０倍以上に設定することで入力電流について電源高調波電流規制の国際規格に対する高性能化を実現することができる。

更に、インバータ主回路２の寄生容量をＣ０とし、波高値Ｖ０の異常な電圧サージが印加された場合（図３（ａ））と比較し、容量Ｃ（Ｃ＞＞Ｃ０）のコンデンサ５をインバータ主回路２に並列接続することで急峻な電圧サージを吸収しＶ０＊Ｃ０／Ｃへ低下させることができるので（図３（ｂ））、スナバとしてインバータ主回路２の破壊を防止することができる。このとき、コンデンサ５の容量Ｃは電圧サージのように周波数の大きなものを吸収するが、電源周波数程度のものについてはほとんど影響しない値に設定する。

次に電圧検出部４によるインバータ主回路２に印加される交流電圧検出について図４から図７を用いて説明する。

例えば、交流電源１にＡＣ１００Ｖ／５０Ｈｚの理想的な単相商用電源を用いた場合、整流回路がないためインバータ主回路２には図４（ａ）に示すＴａｃ＝１０ｍｓｅｃ、Ｖｒｓ１＝Ｖｒｓ２＝√２＊１００Ｖの交流電圧が印加される。ここでＶｒｓ１、Ｖｒｓ２はそれぞれ正および負の電圧波高値を示している。

この交流電圧を電圧検出部４により検出し、その結果をマイコン等のＡＤ変換ポートを介して駆動制御部８で用いる場合、一般的にＡＤ変換ポートは直流電圧入力仕様となっている。このため、ＡＤ変換ポートの入力最大電圧値をＶＡＤ＿ＭＡＸ、入力最小電圧値をＶＡＤ＿ＭＩＮとすると電圧検出部４からの検出値は図４（ｂ）に示すようにＶｒｓ１をＶｒｓ１＿ａｄ（＜ＶＡＤ＿ＭＡＸ）、−Ｖｒｓ２をＶｒｓ２＿ａｄ（＞ＶＡＤ＿ＭＩＮ）となるように変換される。

駆動制御部８が上記変換値を用いて交流電圧値を認識するにあたり、駆動制御部８は図５に示すようにまず、モータ３の駆動停止状態を保持されているかを判断する（ＳＴＥ５０１）。さらに停止状態を保持している場合はスイッチ制御部１０によりスイッチ９をオフすることで（ＳＴＥＰ５０２）インバータ主回路２への交流電圧供給を遮断し、停止状態でない（スイッチ９がオン状態）場合はスイッチ９のオン状態を保持して（ＳＴＥＰ５０３）インバータ主回路２への交流電圧供給を行う。

次にモータ停止保持状態からモータを駆動する場合について図６を用いて説明する。図６に示すように、モータ停止状態からスタートして駆動制御部８によりモータ駆動開始要求の有無を判断する（ＳＴＥＰ６０１）。モータ駆動開始要求がない場合は処理を終了する。モータ駆動開始要求がある場合は、モータ駆動開始前にスイッチ制御部１０によりスイッチ９がオフしているかを判断する（ＳＴＥＰ６０２）。スイッチがオフしていない場合はスイッチ制御部１０によりスイッチ９をオフする（ＳＴＥＰ６０３）。スイッチ９がオフの場合、インバータ主回路２への交流電圧供給は遮断されるため入力端子電圧は図７（ａ）に示す電圧波形となる。この電圧を電圧検出部４で検出すると（ＳＴＥＰ６０４）、検出値は図７（ｂ）に示す値に変換される。このときに検出される電圧値Ｖｒｓ＿ｏｆｆｓｅｔをオフセット電圧値として設定する（ＳＴＥＰ６０５）。オフセット電圧値Ｖｒｓ＿ｏｆｆｓｅｔ設定後、スイッチ制御部１０によりスイッチ９をオンして（ＳＴＥＰ６０６）インバータ主回路２への交流電圧供給を行い、駆動制御部８によるモータ駆動を開始する（ＳＴＥＰ６０７）。

つまりインバータ主回路２への交流電圧供給前の入力端子電圧をオフセット電圧として設定することで、マイコン等のＡＤ変換ポートを介して入力される直流電圧値によってインバータ主回路２へ供給される交流電圧値を認識することが出来る。

また、スイッチ制御部１０はモータが停止状態にある場合、スイッチ９をオフすることにより、インバータ主回路２において待機時に消費される電力消費抑制、インバータ主回路２やモータの浮遊容量による漏れ電流を抑制することができる。

なお、図１は交流電源１に単相交流電源を用いた構成を示しているが、図８に示す三相交流電源が接続された場合も同様に考えることが出来る。

また、インバータ主回路２が備える双方向スイッチング素子１１はノーマリオフ型、ダブルゲート型の少なくとも１つの特徴を有するＧａＮで構成されることにより、インバータ主回路２における動作抵抗低減による導通損失低減、高速スイッチングによるスイッチング損失低減、装置の信頼性向上を図ることができる。

さらに、本実施の形態におけるモータ制御装置を空気調和機に用いることで、整流回路を持たない安価で高効率な制御装置を用いて圧縮機のモータ駆動制御を行なうことが可能となる。また、上記モータ駆動制御を行なうにあたっては、一般的なマイコン等のＡＤ変換ポートを通した交流電圧値を用いて演算処理を実施することができる。

以上のように本実施の形態においては交流電源１からインバータ主回路２に印加される交流電圧を検出する電圧検出部４と、この交流電圧を遮断できるスイッチ９と、前記電圧検出部４の検出値を用いて前記インバータ主回路２の双方向スイッチング素子１１のオン、オフ制御を行う駆動制御部８と、前記駆動制御部８からのモータ動作状態により前記スイッチ９のオン、オフを制御するスイッチ制御部１０を備えることにより、整流回路を備えないことによる装置全体の小型化、低コスト化、高効率化を実現と、交流電圧値を用いたモータ駆動を実現することが出来る。

以上のように、本発明にかかるモータ制御装置は、直接インバータ主回路へ入力される交流電圧値を特別な装置なしに電圧検出部により検出し、モータ駆動制御に反映することができる上に、整流回路を必要としないため、装置の小型化、低コスト化、高効率化を実現でき、空気調和機など圧縮機を備えたあらゆる機器への適用が可能である。

本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置のブロック構成図 同実施の形態１におけるインバータ装置の各部動作波形図 同実施の形態１におけるインバータ装置の各部動作波形図 同実施の形態１におけるインバータ主回路に印加される電圧波形図 同実施の形態１におけるスイッチ動作の流れを表す概略図 同実施の形態１におけるスイッチ動作の流れを表す概略図 同実施の形態１におけるインバータ主回路に印加される電圧波形図 同実施の形態１におけるモータ制御装置のブロック構成図 従来のモータ制御装置のブロック構成図

符号の説明

１ 交流電源
２ インバータ主回路
３ モータ
４ 電圧検出部
５ コンデンサ
６ リアクタ
７ フィルタ部
８ 駆動制御部
９ スイッチ（入力接続スイッチ）
１０ スイッチ制御部
１１ 双方向スイッチング素子

Claims (6)

1. 交流電源と、該交流電源出力を双方向に電流制御を行うことができる双方向スイッチング素子を備え、直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力によりモータを駆動させるインバータ主回路と、前記インバータ主回路と前記交流電源間に設置されるフィルタ部と、前記インバータ主回路に印加される電圧値を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部の検出値を用いて前記インバータ主回路の双方向スイッチング素子のオン、オフ制御を行う駆動制御部を備えたモータ制御装置において、
   前記フィルタ部と前記電圧検出部による電圧検出箇所との間に設置される入力接続スイッチと、前記入力接続スイッチのオン、オフを制御するスイッチ制御部を備え、前記駆動制御部は、前記入力接続スイッチがオフ時に前記電圧検出部により検出される検出値をオフセット電圧として設定し、前記電圧検出部により交流電圧検出を行うことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記スイッチ制御部は、前記駆動制御部によりモータ停止状態にある場合、前記入力接続スイッチをオフすることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記スイッチ制御部は、前記駆動制御部によりモータを停止状態から駆動させる際、前記電圧検出部により前記インバータ主回路の入力端子電圧を検出後、前記入力接続スイッチをオンさせることを特徴とする請求項１または２記載のモータ制御装置。
4. 前記インバータ主回路が備える双方向スイッチング素子はノーマリオフ型、ダブルゲート型の少なくとも１つの特徴を有するＧａＮで構成される請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
5. 前記フィルタ部は前記交流電源と前記インバータ主回路間の少なくとも片側のラインに直列接続されたリアクタと、そのリアクタのインバータ主回路側ライン間に並列接続されたコンデンサで構成され、その共振周波数が交流電源周波数の４０倍以上になるようにキャパシタンス値とリアクタンス値を決めることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
6. 請求項１から５の少なくとも１項に記載のモータ制御装置を備えた空気調和機。