JP5905822B2 - 周期的な負荷にかけられる電動モータ用の制御システムおよび周期的な負荷にかけられる電動モータ用の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、周期的な負荷を駆動する際の電気エネルギー消費の効率を最適化することを目的とした、ブラシレス直流台形タイプの電動モータ、特に永久磁石モータを制御するためのシステムおよび方法に関する。

より詳細には、本発明は、コンプレッサに見られるような周期的な負荷の使用を伴う用途向けに推奨され、そうしたコンプレッサでは、吸引サイクル中にあるトルクと比べて、圧縮サイクル中のトルクがはるかに大きくなる。

ブラシレス直流タイプの永久磁石モータは、低価格かつ高性能が求められる用途で常に評判になっている。ブラシレス直流タイプのモータは逆さまに取り付けられた直流モータに似ており、永久磁石はロータに取り付けられる。直流モータではスイッチとブラシにより電流の反転が行われるが、ブラシレス直流モータの場合には、ステータのコイルを駆動する電力インバータによって電流が反転される。

エネルギーを消費する際に最大のトルクと最高の効率を得るには、モータの各相で電流を誘導電圧と同期させることが必要である。これは、モータ軸に連結したセンサを用いるか、またはモータの各相で誘導電圧もしくは電流を観測することによって実行可能である。モータ軸に連結したセンサには、モータの設計に余分な要素が追加され、その解決手段による最終的なコストが大幅に増加してしまうという欠点がある。その上、スペースに限りがあったり、モータがさらされる環境自体のために、これらのタイプのセンサを用いることが不可能になるおそれがある。このために、大抵は、電圧または電流の観測器を用いることが最良の選択になる。

北米特許第６９２２０２７号には、電圧比較器、コンデンサおよび抵抗器によって構成されるネットワークで構築される電圧観測器を用いる技法が開示されている。その比較器の出力は、モータ駆動の整流の瞬間を決定するマイクロプロセッサに送られる。その解決手段ではマイクロプロセッサにより処理されるが、多くの外付けの部品を用いる必要がある。

ＡＮＤＲＩＣＨらは、モータの３つの相を表示し、数学的に扱い、次いでそれらを互いに比較して、モータの整流の瞬間を決定する技法を用いている。この技法の利点は、モータの位置を決定する際のアナログ回路がなくなり、モータの機械的な構造に応じて観測器の調整に自由度が与えられ、部品のパラメタの変動に対する感度がより低くなり、かつ回路を較正する可能性が与えられることである。

ブラシレス直流モータは、冷却システムに適用されるコンプレッサを駆動する際に用いることができる。このタイプの用途は、本発明の範囲内に定められる周期的な負荷の条件を充足する。このタイプのモータを冷却システムに適用する目的は、システムの冷却能力を変動させることであり、その能力は、冷却流を変化させることによって制御することができる。そしてその冷却流量は、モータの平均速度に正比例する。したがって、制御装置の主な仕様は平均回転速度の制御とすべきである。

コンプレッサの働きは、吸引段階と圧縮段階の２つの動作段階に分けることができる。吸引は、各サイクルの最初に行われ、シリンダ内でピストンが後退することを特徴とする。この処理の間、シリンダは冷却流体で充填される。そして、ピストンがその変位の方向を逆転したときに、圧縮サイクルが始まる。この段階の間、シリンダ内部で流体が圧縮される。流体の圧縮により、機械的な１周回を完了した結果生じる平均のトルクよりはるかに大きなトルクが発生する。機械的な周回ごとにこの振舞いが繰り返されることを念頭に置くと、モータが動作する間のトルクの変動に周期的な振舞いを見ることができる。

機械的な１周回中のトルクの変動により、モータ速度の変動が引き起こされ、圧縮サイクル中にモータの速度が減少する。一般に、機械的な１周回の中でモータの瞬間速度を調整するための制御動作には、圧縮サイクル中の速度を相殺するようなオフセットがない。コンプレッサを駆動するために開発された制御装置は、冷却システムにとって重要なものは平均の冷却流（これは基本的には平均回転速度によって定義される）の制御であるということを前提としている。

しかしながら、モータの平均速度の単純な制御では、吸引サイクルおよび圧縮サイクル中の回転の変動に起因して、電流の波形に歪みが現れる恐れがある。電流波形のこの変形は、モータの力率が低下することに起因して電気エネルギーの消費の効率を減少させるため、望ましくない。

例えば圧縮サイクルを念頭に置くと、トルクが増加することによって引き起こされる速度の低下に起因して、モータの誘導電圧は振幅が低下することに留意されたい。従来の制御装置はモータにかけられる平均電圧を変更するようには機能せず、このために、モータのコイルにかけられる電位（これは、インバータによってかけられる電圧とモータの誘導電圧との間の差分として定義される）の差分が増加する。モータのコイルにかけられる電位の差分が増加すると、圧縮サイクル中の電流が増加することになる。同様に、吸引サイクルでは、モータの誘導電圧の振幅が低下することに起因して電流が減少する。

したがって、モータでかけられる電流が圧縮サイクル中に増加し、吸引サイクル中に減少する。この振舞いは誘導電圧の振舞いと正反対であり、誘導電圧は圧縮サイクル中に減少し、吸引サイクル中に増加する。電圧と電流の間でこのように振舞いが逆転していることは、電流の波形が誘導電圧の波形と異なったものになると減少する因子であるモータの力率に影響する。

本発明の目的は、周期的な負荷の駆動装置に適用されるブラシレス直流モータの力率を、モータにかけられる電流の波形の調整によって改良することである。電流波形のこの調整は、機械的な１周回中の速度の変動から結果として生じるモータの誘導電圧の変動に起因して実行すべきである。

本発明の目的を達成する１つの手段は、電動モータ用の制御システムであって、電動モータと、少なくとも１つの電子制御ユニットと、少なくとも１つの電源ユニットとを備え、電源ユニットによって電動モータが電気的に駆動され、電子制御ユニットによって電源ユニットが電気的に命令され、電子制御ユニットによって実現される平均速度制御装置を備え、電動モータの瞬間速度をモニタしモータの平均速度値を与えるように平均速度制御装置が構成され、得られた平均速度に基づき平均電圧を計算するように電子制御ユニットが構成され、瞬間電圧値によって電動モータを電気的に駆動するように電源ユニットが構成され、瞬間速度と平均速度の間で除算をした結果を平均電圧に掛けることによってこの瞬間電圧値を計算するシステムにより提供される。

本発明の目的を達成する別の手段は、電動モータ用の制御方法であって、
ｉ）電動モータの平均速度をモータの瞬間速度の読み取り値に基づき計算するステップと、
ｉｉ）以前のステップの平均速度を用いて平均電圧を計算するステップと、
ｉｉｉ）電動モータの瞬間速度をモニタするステップと、
ｉｖ）瞬間速度と平均速度の間で除算をした結果を平均電圧に掛けることによって計算される瞬間電圧値で電動モータを電気的に駆動するステップと
を含む方法により提供される。

上記のシステムおよび方法は、本発明の教示に従って電流波形の調整を実行する。したがって、その制御方法では、速度の制御によって以前に定められた平均電圧に瞬間速度と平均速度の間で除算をしたものを掛けて、モータに加えるべき電圧を変更する。モータに加えられる電圧に行うその修正では、本明細書に記載したやり方で、電流の波形を誘導電圧の波形に類似するようにうまく調整する。

モータに送出される瞬間電圧を変えることで、速度制御のネットワークによって計算される平均電圧を変えることなく、電流のいかなる変化も付与されることも本書では強調する。

説明のために与えた添付の図面を参照して、本発明を説明する。

（ａ）３相４極であり、電気角度１２０°のレベルでの台形電圧によるブラシレス直流タイプの永久磁石モータの駆動システムのブロック図を表す。この図には、整流器、静電フィルタ、電源スイッチの組により特徴付けられる３相インバータ、永久磁石モータ、電圧観測器、および制御ユニットが含まれる。（ｂ）電動モータの駆動に特有の波形である。 平均速度制御装置を用いて電動モータを駆動するためのブロック図を示す。この解決手段での制御は、モータの平均速度をモニタすることによる。 （ａ）モータ軸にかけられる一定の負荷にモータの各相のうちの１つにおいてかけられる平均電圧ＦＡと誘導電圧ＥＡの波形である。（ｂ）この同じ場合でのモータの電流波形を示す。 （ａ）と（ｃ）は、ある機械的な期間内の異なる瞬間における、モータに加えられる電圧ＦＡと誘導電圧ＥＡの間の差分の詳細である。また、（ｂ）と（ｄ）は、モータ内に結果として生じるそれぞれの電流を示す。 平均速度の制御方法から結果として生じる、一定の負荷にかけられるモータの３つの相での電流である。その３つの相での電流は、機械的な１周回の中で同一の波形を示す。 平均速度制御装置によって駆動されるモータにかけられる周期的な負荷の特性曲線である。 （ａ）誘導電圧ＥＡとモータに加えられる電圧ＦＡの波形を示す。（ｂ）モータ内に結果として生じる電流の波形を示す。誘導電圧ＥＡの変動は、機械的な１周回の中でモータの速度が変動することの直接的な結果である。 （ａ）最大速度の瞬間中の、モータに加えられる電圧ＦＡと誘導電圧ＥＡの間の差分の詳細である。（ｂ）最大速度の瞬間中に結果として生じる電流である。（ｃ）最小速度の瞬間中の、モータに加えられる電圧ＦＡと誘導電圧ＥＡの間の差分の詳細である。（ｄ）最小速度の瞬間中に結果として生じる電流である。 平均速度の制御方法から結果として生じる、周期的な負荷にかけられるモータの３つの相での電流を示す。 モータの力率を改良するための、本明細書で提案する制御方法のブロック図である。図では、電流の波形の調整を担うブロックを強調している。 （ａ）誘導電圧ＥＡの波形と本明細書で提案する制御方法によって修正されたモータに加えられる電圧ＦＡの波形とを示す。（ｂ）モータ内に結果として生じる電流の波形を示す。 （ａ）最大速度の瞬間中の、誘導電圧ＥＡと本明細書で提案する制御方法によって修正されたモータに加えられる電圧ＦＡとの詳細である。（ｂ）最大速度の瞬間中に結果として生じる電流である。（ｃ）最小速度の瞬間中の、誘導電圧ＥＡと本明細書で提案する制御方法によって修正されたモータに加えられる電圧ＦＡとの詳細である。（ｄ）最小速度の瞬間中に結果として生じる電流である。 本発明で提案する制御方法によって修正された、モータの３つの相での電流を示す。

図１（ａ）は制御図の基本的な機構を示し、（ｂ）は、電動モータ１０、この場合には３相のブラシレス直流タイプの永久磁石モータを４極で台形波により駆動する際に存在する理想的な波形を示す。

一例として、以下では、このモータは、残りの図面を解析するために用いられるものとする。しかしながら、ブラシレス直流タイプのいかなる永久磁石モータに対しても本発明は有効である。通常動作のときは、その制御により、電圧および／または電流の観測器の入力を解析し、検出された位置に従って、図１（ｂ）に示した順序でスイッチＳＷ１〜ＳＷ６を駆動する。

また、モータ軸に連結したセンサや誘導電圧または電流の観測器を用いることによってモータの速度を測定できることが知られている。本明細書で提案する機構では図１（ａ）に示すような電圧観測器が用いたが、提示する本発明にはいかなる他の速度測定装置も適用することができる。

図２は、電動モータ１０の平均速度による制御のブロック図を示す。この典型的な機構は、モータと、インバータと、速度をモニタすることができるセンサとを示している。この場合、制御装置は、システムによって定められる基準値、または設定値と共にセンサからくる速度についての情報の処理を担う。

そして図３は、軸上に一定の負荷を課した場合についての、従来の平均速度の制御装置によって駆動される電動モータ１０の応答を示す。機械的な１サイクルの間、実際の回転速度は一定のままであるから、一定の負荷条件はこの種類の制御にとって好ましい。

速度が一定のこの振舞いは、モータの誘導電圧の波形に反映される。図３（ａ）の通り、誘導電圧は均一の形状を維持する。すなわち、機械的な１サイクルの間に変化しない。結果として、モータ内の電流から生じる波形も均一の振舞いをするとみなされ、図３（ｂ）に示すように機械的な１周回の間に変化しない。

図４（ａ）および（ｃ）は、誘導電圧ＥＡと電動モータ１０にかけられる電圧ＦＡの間の差分を詳細に説明するものであり、その差分は機械的な１周回内でほぼ一定のままである。図４（ｂ）および（ｄ）は、誘導電圧ＥＡとモータに加えられる電圧ＦＡの間の差分が維持されるために、モータ１０内に結果として生じる相電流の波形も機械的な１周回内で同一になることを示す。

したがって、図５でわかるように、モータの３つの相に結果として生じる電流の波形は同一であり、機械的な１サイクル中にいかなる種類の歪みも示さない。

しかしながら、冷却システムに適用されるコンプレッサに対して見込まれるような周期的な負荷を駆動する場合には、上記の振舞いは当てはまらない。

図６は、平均の動作点ＴＭの周りの振動で構成される周期的な負荷の一例を示す。典型的な周期的特徴をもつ負荷は、往復運動をするコンプレッサによって発生する負荷である。従来の平均速度の制御装置によって動作するモータ速度への影響は、平均速度ＲＰＭＭの周りの振動になる。

速度の振動によって誘導電圧ＥＡの振幅に変動が引き起こされるが、その変動を図７に示す。速度制御装置によってモータに加えられる電圧ＦＡは機械的な１周回の間に一定なので、誘導電圧ＥＡが大きくなるほど、モータから結果として生じる電流ＩＡは小さくなる。

したがって、図８（ａ）および（ｂ）で強調してある最大速度の瞬間中に、誘導電圧ＥＡはモータに加えられる電圧ＦＡに非常に近くなる。結果として、電流ＩＡの振幅は減少する。図８（ｃ）および（ｄ）で強調してある最小速度の瞬間中には、逆転現象が起こる。

速度の変動がモータの電流に与える影響を図９にまとめているが、図９では、機械的な１周回中のＩＡ、ＩＢおよびＩＣの各相の電流が歪んでいることがはっきり示されている。誘導電圧が増加する間にモータ内に結果として生じる電流が減少するか、または誘導電圧が減少する間に電流が増加すると、モータの力率の低下に直接影響する。

したがって、モータの力率を改良するためには、電流が誘導電圧と同じ構成をもつべきである。したがって、誘導電圧が減少するときには電流が低下することが必要であり、その逆も必要である。しかし、従来の速度制御装置を用いて起こる現象は全く逆である。モータの機械的な１周回中に誘導電圧に反比例するこの電流の変動により、モータの力率が損なわれ、したがってシステムの効率が減少する。

こうしたことに従って、本発明は、周期的な負荷の駆動装置に適用されるモータの力率を最適化するように特に設計された、電動モータ１０の電流の波形を調整するシステムおよび方法を提供する。本明細書で提案する制御システムをブロック図の形で図１０に表す。図では、電流の波形の調整を担うブロックを強調している。

周期的な負荷にかけられる電動モータ用の制御システムは、図から考えられる通り、電動モータ１０と、少なくとも１つの電子制御ユニット２０と、少なくとも１つの電源ユニット３０とを備える。

電動モータ１０は電源ユニット３０によって電気的に駆動され、電源ユニット３０は、図１（ａ）に示す通り、電動モータ１０の各相の電圧を制御するように構成された１組の電源スイッチＳＷ２Ｎによって駆動される。

さらに、上記の電源ユニット３０は、電子制御ユニット２０によって電気的に命令される。

先行技術と比べて革新的なことに、本システムは、電動モータ１０の瞬間速度Ｖ_ｉをモニタし、それによりモータ１０の平均速度値を与えるように構成された、電子制御ユニット２０によって実現される平均速度制御装置を備える。

そして、電子制御ユニット２０は、得られた平均速度に基づき平均電圧Ｖ_ｍを計算するように構成されている。これに対し、電源ユニット３０は、瞬間電圧値Ｖ_ｉｎｓによって電動モータ１０を電気的に駆動するように構成されており、この瞬間電圧値Ｖ_ｉｎｓは、瞬間速度Ｖ_ｉと平均速度の間で除算をした結果を平均電圧Ｖ_ｍに掛けることによって計算する。

既に述べたように、本発明では好ましくはブラシレス直流タイプのモータを対象とするのが理想的であるが、本発明の教示によれば他の同様のモータを用いることもできる。

本発明の範囲内で、電動モータ１０の電流の波形がその誘導電圧の波形に実質的に揃うように瞬間電圧値Ｖ_ｉｎｓを計算することが可能になる。

また、本発明により、電動モータ１０の速度の読み取り値を改良するように構成されたフィルタを用いることが可能になる。

これまでに述べたように、本発明により、電動モータ１０、特に周期的な負荷を用いるモータ用に作られた制御方法も提供される。

上記のシステムによって実現される上記の方法は、
ｉ）電動モータ１０の平均速度ＲＰＭ_平均をモータの瞬間速度Ｖ_ｉｎｓの読み取り値に基づき計算するステップと、
ｉｉ）以前のステップの平均速度に基づき平均電圧Ｖ_ｍを計算するステップと、
ｉｉｉ）電動モータ１０の瞬間速度Ｖ_ｉをモニタするステップと、
ｉｖ）瞬間速度Ｖ_ｉｎｓと平均速度の間で除算をした結果を平均電圧Ｖ_ｍに掛けることによって計算される瞬間電圧値Ｖ_ｉｎｓで電動モータ１０を電気的に駆動するステップと
を本質的に含む。

したがって、本発明の教示によれば、その制御方法では、速度の制御によって以前に定められた平均電圧Ｖ_ｍに瞬間速度Ｖ_ｉと平均速度ＲＰＭ_平均の間で除算をしたものを掛けて、電動モータ１０に加えるべき電圧を変更する。

モータに加えられる電圧に行われる修正では、本明細書に記載したように、電流の波形を誘導電圧の波形に類似するようにうまく調整する。図１１（ａ）は、誘導電圧ＥＡの波形とモータに加えられる電圧ＦＡの波形を示す。図１１（ｂ）に示す修正された電流ＩＡの振幅は、それ以降、誘導電圧ＥＡに正比例する。

したがって、図１２（ａ）および図１２（ｂ）で強調してある最大速度の瞬間中に、モータに加えられる電圧ＦＡが増加し、電流ＩＡの振幅が増加することになる。図１２（ｃ）および図１２（ｄ）で強調してある最小速度の瞬間中には、その逆の現象が起こる。

ＩＡ、ＩＢおよびＩＣの各相の電流を調整した結果を図１３に示す。この意味では、今度電流が示した振動は、誘導電圧が示した同じ変動と位相が合っているため、力率を改良するのに都合がよい。

上記に照らして、今回提案したシステムおよび方法に従って調整された力率が増加することを考慮すると、先行技術と比べて有利な、周期的な負荷によって動作する電動モータ向けの最適化された制御が本発明により提供され、機器の電気エネルギーの消費が著しく低下する。

最後に、本明細書で述べた本発明は、冷却コンプレッサが用いられる用途向けにも、今回特許請求の範囲に記載した対象についての制御の提案に非常に合致してサイクルを動作させる際にそれらが機能するため、特に有利であるということを指摘しておかなければならない。

好ましい実施形態の一例を説明してきたが、本発明の範囲は、考えられる他の変形も含み、本明細書に添付される特許請求の範囲の内容によってのみ限定され、潜在的な均等物も含むことを理解されたい。

Claims (6)

1. 電動モータ（１０）と、
   少なくとも１つの電子制御ユニット（２０）と、
   少なくとも１つの電源ユニット（３０）とを備え、
   前記電源ユニット（３０）によって前記電動モータ（１０）が電気的に駆動され、
   前記電子制御ユニット（２０）によって前記電源ユニット（３０）が電気的に命令される、
   周期的な負荷がかけられる電動モータ用の制御システムにおいて、
   前記電子制御ユニット（２０）によって実現される平均速度制御装置を備え、前記電動モータ（１０）の瞬間速度（Ｖ_ｉ）をモニタし前記モータ（１０）の平均速度ＲＰＭ_平均を計算するように前記平均速度制御装置が構成され、前記平均速度ＲＰＭ_平均に基づき平均電圧（Ｖ_ｍ）を計算するように前記電子制御ユニット（２０）が構成され、瞬間電圧値（Ｖ_ｉｎｓ）によって前記電動モータ（１０）を電気的に駆動するように前記電源ユニット（３０）が構成され、前記瞬間速度（Ｖ_ｉ）を前記平均速度ＲＰＭ_平均で除算した結果を前記平均電圧（Ｖ_ｍ）に掛けることによってこの瞬間電圧値（Ｖ_ｉｎｓ）を計算し、
   さらに、前記電動モータ（１０）の電流の波形と前記電動モータ（１０）での誘導電圧の波形の位相が合うように、前記瞬間電圧値（Ｖ _ｉｎｓ ）の計算値に基づき、前記電流の振幅を前記電動モータ（１０）での誘導電圧の振幅に正比例させるように構成されることを特徴とするシステム。
2. 前記電動モータ（１０）がブラシレス直流タイプのものであることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電動モータ（１０）の各相での電圧を制御するように構成された１組の電源スイッチ（ＳＷ２Ｎ）を前記電源ユニット（３０）が備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
4. 前記電動モータ（１０）の速度の読み取り値を最適化するように構成されたフィルタを用いることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
5. 周期的な負荷がかけられる電動モータ（１０）用の制御方法であって、
   ｉ）前記電動モータ（１０）の平均速度ＲＰＭ_平均を前記モータの瞬間速度（Ｖ_ｉ）の読み取り値に基づき計算するステップと、
   ｉｉ）前記ステップの前記平均速度ＲＰＭ_平均に基づき平均電圧（Ｖ_ｍ）を計算するステップと、
   ｉｉｉ）前記電動モータ（１０）の前記瞬間速度（Ｖ_ｉ）をモニタするステップと、
   ｉｖ）前記瞬間速度（Ｖ_ｉ）を前記平均速度ＲＰＭ_平均で除算した結果を前記平均電圧（Ｖ_ｍ）に掛けることによって計算される瞬間電圧値（Ｖ_ｉｎｓ）で前記電動モータ（１０）を電気的に駆動するステップと、
   ｖ）前記電動モータ（１０）の電流の波形と前記電動モータ（１０）での誘導電圧の波形の位相が合うように、前記瞬間電圧値（Ｖ _ｉｎｓ ）の計算値に基づき、前記電流の振幅を前記誘導電圧の振幅に正比例するように調整するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
6. 請求項１から４で規定される前記制御システムによって前記ｉ）〜ｖ）のステップが実行されることを特徴とする、請求項５に記載の電動モータ（１０）用の制御方法。

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