JP5364138B2 - モータ駆動制御装置および空調機器 - Google Patents
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Description
本実施形態に係るモータ駆動制御装置は、位置センサレス制御で交流モータに電力を供給する180度通電方式でPWM制御を行うインバータにおいて、そのインバータの上下アームのスイッチ素子を所定の停止期間だけ停止させる相(開放相)を設けた通電パターンを形成する。この開放相で発生した磁気飽和による起電圧を測定し、その測定した起電圧を用いて磁石位置(回転子位相)を検出することによって、停止時を含む低速域から高速域まで位置センサレス制御を行うことが可能となる。
〈モータ駆動制御装置の全体構成〉
図1は、第1実施形態に係るモータ駆動制御装置100の回路構成を表している。モータ駆動制御装置100は、直流電源2より供給される直流電力をPWM制御によって所望の交流電力に変換し、その交流電力を交流モータ1へ供給するインバータ3と、インバータ3によって駆動される交流モータ1に流れる三相交流電流Iu、Iv、Iw(モータ電流)を検出する電流検出手段4と、交流モータ1に印加される三相交流電圧Vu、Vv、Vw(モータ印加電圧)を検出する電圧検出手段5と、180度通電のパルス信号でインバータ3をPWM制御する180度通電手段(制御手段)6と、180度通電のパルス信号のうち、所定の相のパルス信号を所定の停止期間だけ停止させる停止手段7と、交流モータ1が所定の速度以下のときの運転状態に応じて、停止手段7から出力される180度通電のパルス信号の停止期間を調整する調整手段8とを備えて構成される。
図1に示すモータ駆動制御装置100において、直流電源2が、インバータ3の正極側端子3aと負極側端子3bとの間に直流電圧VDCを印加する。インバータ3は、三相にブリッジ構成されたスイッチ素子Sup、Sun、Svp、Svn、Swp、Swnを備え、直流電源2から供給された直流電圧VDCを、PWM制御によって三相交流電圧Vu、Vv、Vwに変換する。インバータ3が、三相交流電圧Vu、Vv、Vw、すなわちモータ印加電圧を交流モータ1に印加すると、交流モータ1には三相交流電流(モータ電流)Iu、Iv、Iwが流れる。そして、交流モータ1は、三相のインバータ3からPWM制御によって出力された三相交流電流(モータ電流)Iu、Iv、Iwに応じたトルクを出力する。
図1において、電流検出手段4は、インバータ3の負極側端子3bを流れる母線電流IDCを検出し、この母線電流IDCから三相交流電流(モータ電流)Iu、Iv、Iwを抽出する。ただし、出力側の三相交流電流Iu、Iv、Iwを直接検出するように、インバータ3の各相端子3c、3d、3eに電流検出手段を設けても良い。
電圧検出手段5は、U相電圧検出手段5a、V相電圧検出手段5b、およびW相電圧検出手段5cを備え、それぞれ、インバータ3の負極側端子3bを基準として、インバータ3の各相端子3c、3d、3eの端子電圧Vua、Vva、Vwa(図2参照)、すなわちモータ印加電圧を検出する。
ここで、図1に示すインバータ3におけるU相電圧、U相電流およびパルス信号の波形について、図3(a)を用いて説明する。なお、図3(b)は図3(a)の部分拡大図である。図3(a)において、縦軸は、交流モータ1の中性点を基準電位として表している。図3(a)の上段において、U相電圧Vuは、理想的な電圧波形として、電圧位相θvのcos関数で表している。また、図3(a)の中段、下段に示すUp、Unは、後記する180度通電手段6が出力するPWM制御のパルス信号に基づくU相のスイッチ素子Sup、Sun(図1参照)のON/OFF波形を表し、信号レベルが“1”のときはON、“0”のときはOFFを表わしている。なお、スイッチ素子Sup、Sunのスイッチング特性は理想的であるものとする。
図5は、第1実施形態のモータ駆動制御装置100を二相変調型PWM制御方式で駆動した際、電流のゼロクロス点を含んだ近傍にU相のパルス信号の停止期間Toffを設けて、U相のパルス信号の停止期間Toffを設定して実機を駆動した場合の電圧、電流およびパルス信号の各波形を示している。横軸に電圧位相、縦軸に電圧、電流、およびパルス信号の各レベルを示している。ただし、U相電圧は、交流モータ1の中性点を基準電位としている。
ここで、磁気飽和現象について説明する。図6は、図1に示す交流モータ1の各相端子電圧の検出時のイメージ図であり、スイッチ素子Svpおよびスイッチ素子SwnがONの場合(図4参照)における各相端子電圧Vua、Vva、Vwaを示している。このモードのときは、交流モータ1の回路構成の対称性から、理想的には、V相端子電圧VvaはVDC/2、W相端子電圧Vwaは−VDC/2であって、U相端子電圧Vuaは0となるはずである。しかし、交流モータ1の各相のインダクタンスは、磁気飽和により回転子位相θの影響を受けるために均一ではない。そのため、図6に示すように、U相端子電圧Vuaとして起電圧V0が生じる。同様にして、スイッチ素子Svn,SwpがONの場合には、U相端子電圧Vuaとして起電圧V0aが生じる(図4参照)。
再び図1に戻って、180度通電手段6は、磁気飽和型位相推定手段6a、誘起電圧型位相推定手段6b、位相推定切換手段6c、電圧指令手段6d、PWM制御手段6e、および速度推定手段6fを備え、インバータ3における三相の各相のスイッチ素子Sup〜SwnのPWM制御信号(パルス信号)、および交流モータ1の速度推定値ωaを出力する。
図1に示す停止手段7は、PWM制御手段6eから各スイッチ素子Sup〜Swnへ出力されるPWM制御のパルス信号を停止させるための停止信号を出力する。停止手段7から出力される停止信号は、PWM制御手段6eから出力されるPWM制御のパルス信号に優先して、スイッチ素子Sup〜Swnを停止させることができる。したがって、PWM制御手段6eから180度の全区間においてパルス信号が出力されても、停止手段7で設定された停止期間Toffの間は、所定の相のパルス信号は停止される。
次に、図1に示す調整手段8が、停止手段7から出力される停止信号の停止期間Toffを調整する方法(1)〜(5)について説明する。
各方法についての説明に入る前に、各方法に共通の前提について説明する。
はじめに、パルス信号の停止期間Toffと電流歪みεとの関係について説明する。図8は、図1に示すインバータ3のパルス信号の停止期間Toffと電流歪みεとの関係を示す特性図であり、横軸に停止期間Toff、縦軸に電流歪みεを表わしている。ただし、説明を簡単にするために、停止期間Toffのみによって電流波形は歪むものとする。
さらに、調整手段8は、交流モータ1の回転子の磁束量または固定子の巻線の巻数に基づいて、停止期間Toffを調整しても良い。図12は、交流モータ1が巻線可変手段および磁束量可変回転子を備えた場合における交流モータ1の概念を示している。すなわち、図12に示すように、交流モータ1は、U相巻線可変手段1a、V相巻線可変手段1b、およびW相巻線可変手段1cを備え、これらの巻線可変手段1a、1b、1cによって、交流モータ1の各相の巻線の巻数を変化させて磁束量可変回転子1dに接続しても良い。
次に、第2実施形態として、第1実施形態のモータ駆動制御装置100を用いた空調機器10について、図13および図14を用いて説明する。なお、第1実施形態と同様な内容については説明を省略する。図13は、第1実施形態に記載したモータ駆動制御装置100を空調機器10の圧縮機9を駆動する交流モータ1の制御に適用した場合の構成図を示している。
第3実施形態では、空転している交流モータ1を再起動させる場合について、図15、図16を用いて説明する。図15は、図1に示すモータ駆動制御装置によって駆動される交流モータの三相交流電圧のベクトルの関係を表している。また、図16は、図1に示す180度通電手段6におけるフリーラン再起動時の位相推定の構成例を表している。なお、第1実施形態と重複する内容については説明を省略する。ただし、何らかの外力がなければ、インバータ3の全てのスイッチ素子Sup〜Swnを停止させている限り、交流モータ1は停止している。
つまり、V相誘起電圧Vωvの絶対値は、U相、V相、W相の三相の中で最小である。
1a U相巻線可変手段
1b V相巻線可変手段
1c W相巻線可変手段
1d 磁束量可変回転子
2 直流電源
3 インバータ
3a 正極側端子
3b 負極側端子
3c U相端子
3d V相端子
3e W相端子
4 電流検出手段
5 電圧検出手段
5a U相電圧検出手段
5aa 第一分圧抵抗
5ab 第二分圧抵抗
5ac スイッチ手段
5b V相電圧検出手段
5c W相電圧検出手段
6 180度通電手段(制御手段)
6a 磁気飽和型位相推定手段
6b 誘起電圧型位相推定手段
6c 位相推定切換手段
6d 電圧指令手段
6e PWM制御手段
6f 速度推定手段
6g フリーラン型位相推定手段
7 停止手段
8 調整手段
9 圧縮機
10 空調機器
100 モータ駆動制御装置
VDC 直流電圧
IDC 母線電流
Sup、Sun、Svp、Svn、Swp、Swn スイッチ素子
Vu、Vv、Vw U相電圧、V相電圧、W相電圧
Vua、Vva、Vwa U相端子電圧、V相端子電圧、W相端子電圧
V1 モータ電圧
Iu、Iv、Iw U相電流、V相電流、W相電流
I1 モータ電流
Vω 誘起電圧
Vωu、Vωv、Vωw 誘起電圧のU相成分、V相成分、W相成分
Ton 通電期間
Toff 停止期間
Tr 還流期間
V0、V00、V0a 起電圧
θ 回転子位相
θa 位相推定値
θv 電圧位相
θi 電流位相
θω 誘起電圧位相
ω 回転速度
ωa 速度推定値
τ 負荷トルク
Claims (13)
- 直流電源から供給される直流電力をPWM制御によって所望の交流電力に変換し、その交流電力を交流モータへ供給するインバータと、
前記交流モータに流れるモータ電流を検出する電流検出手段と、
前記交流モータの端子に印加されるモータ印加電圧を検出する電圧検出手段と、
180度通電のパルス信号を出力して、前記インバータをPWM制御する制御手段と、
前記パルス信号のうち、所定の相のパルス信号を所定の停止期間だけ停止させる停止手段と、
前記交流モータが所定の回転速度以下のときの運転状態に応じて、前記停止手段に設定された停止期間を可変調整する調整手段と
を備えることを特徴とするモータ駆動制御装置。 - 前記調整手段は、電気角1周期において前記モータ電流がゼロとなる期間を含むように前記停止期間を可変調整し、その停止期間を前記停止手段に設定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。
- 前記調整手段は、電気角1周期において前記モータ電流の実効値が極小値となる期間を含むように前記停止期間を可変調整し、その停止期間を前記停止手段に設定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のモータ駆動制御装置。
- 前記調整手段は、電気角1周期において前記モータ電流の実効値の極小値が複数存在するときは、それぞれの前記極小値に対応して、複数の停止期間を前記停止手段に設定することを特徴とする請求項3に記載のモータ駆動制御装置。
- 前記調整手段は、前記交流モータの回転速度、トルク、前記モータ電流、前記モータ印加電圧の少なくとも一つが低くなるほど、前記停止期間を電気角60度以下の範囲で増加させて、その停止期間を前記停止手段に設定することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載のモータ駆動制御装置。
- 前記調整手段は、前記交流モータの回転速度、トルク、前記モータ電流、前記モータ印加電圧の少なくとも一つが高くなるほど、前記停止期間を減少させるかまたはゼロにして、その停止期間を前記停止手段に設定することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載のモータ駆動制御装置。
- 前記調整手段は、前記インバータの駆動周波数に応じて前記停止期間を可変調整し、その停止期間を前記停止手段に設定することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載のモータ駆動制御装置。
- 前記電圧検出手段は、前記交流モータの端子と該電圧検出手段との接続状態をON/OFFさせるスイッチ手段を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載のモータ駆動制御装置。
- 前記交流モータが空転しているとき、
前記停止手段は、前記電圧検出手段の検出した電圧検出値の絶対値が最小値となる相の前記パルス信号を所定の停止期間だけ停止させ、
前記制御手段は、前記停止期間に該当しない相のパルス信号によって前記インバータをPWM制御し、前記交流モータを始動させ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。 - 前記交流モータが磁束量を任意に可変可能であるとき、
前記調整手段は、前記磁束量に応じて前記停止期間を可変調整し、その停止期間を前記停止手段に設定することを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載のモータ駆動制御装置。 - 前記調整手段は、前記巻線の巻数に応じて前記停止期間を可変調整し、その停止期間を前記停止手段に設定することを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載のモータ駆動制御装置。
- 請求項1ないし請求項11のいずれか一項に記載のモータ駆動制御装置によって駆動されることを特徴とする空調機器。
- 前記調整手段は、前記空調機器の機械系の1周期と前記交流モータの電気角の1周期とが異なるときには、前記停止期間を、電気角の1周期ごとに前記モータ電流の実効値の最小値が存在する期間を含むように可変調整し、その停止期間を前記停止手段に設定することを特徴とする請求項12に記載の空調機器。
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