JP6004374B2 - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

モータ制御装置及びモータ制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、モータ制御装置及びモータ制御方法に関する。
従来から、三相ブラシレスモータを、インバータを用いて駆動及び制動することが知られている。三相ブラシレスモータを制動(減速)する際には、三相ブラシレスモータに負荷トルクがかけられる。このとき、三相ブラシレスモータはジェネレータとして動作する。すなわち、三相ブラシレスモータで電力が発生する。発生した電力はインバータに回生される。回生された電力は、インバータの母線電圧を過上昇させることがある。このことは、コンデンサ、スイッチング素子等の各種部品の破壊を引き起こす。三相ブラシレスモータにかけられる負荷トルクが大きい場合には、インバータに大きな電力が回生される。従って、各種部品が破壊される問題は顕著に現れる。
特許文献1では、インバータの母線電圧の過上昇を防止する方法が提案されている。
特許第3622410号明細書
制動力を高めることと回生電力を抑えることとの間にはトレードオフの関係がある。特許文献1に記載された技術をもってしても、インバータの母線電圧の過上昇を防止しつつ十分な制動力を確保することは容易ではない。
本発明の目的は、インバータの母線電圧の過上昇を防止しつつ、十分な制動力を確保するための技術を提供することにある。
すなわち、本開示は、
三相ブラシレスモータのロータの位置を検出するロータ位置検出器と、
U相スイッチング回路、V相スイッチング回路及びW相スイッチング回路を有するインバータと、
前記三相ブラシレスモータのU相、V相及びW相の各相における誘起電圧のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間を第2の期間、隣接する前記第2の期間に挟まれた期間を第1の期間と定義したときに、前記ロータの位置に関する情報に基づき、(i)前記第1の期間の全期間において、前記U相スイッチング回路、前記V相スイッチング回路及び前記W相スイッチング回路の各回路のハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチが非導通状態となるように前記インバータを駆動し、(ii)前記第2の期間の一部期間又は全期間において、前記U相スイッチング回路、前記V相スイッチング回路及び前記W相スイッチング回路から選ばれた少なくとも1つの回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記ローサイドスイッチが導通状態となるように前記インバータを駆動することによって前記三相ブラシレスモータを制動する制動制御部と、
を備えた、モータ制御装置を提供する。
上記の技術によれば、インバータの母線電圧の過上昇を防止しつつ、十分な制動力を確保することができる。
実施形態のモータ制御装置の構成図 三相ブラシレスモータの座標軸を説明するための図 三相ブラシレスモータのU相の誘起電圧と、U相スイッチング回路のスイッチングパターンとの関係を示すタイミング図 三相ブラシレスモータのV相の誘起電圧と、V相スイッチング回路のスイッチングパターンとの関係を示すタイミング図 三相ブラシレスモータのW相の誘起電圧と、W相スイッチング回路のスイッチングパターンとの関係を示すタイミング図 三相ブラシレスモータのU相の誘起電圧の時間変化、U相スイッチング回路のスイッチングパターン及び三相ブラシレスモータのU相に流れる電流の時間変化を示すタイミング図 三相ブラシレスモータの回転数の時間変化及びインバータの母線電圧の時間変化を示すグラフ
本発明者は、制動動作時に、三相ブラシレスモータの巻線に無効電流を流すことにより、三相ブラシレスモータの回転エネルギーを巻線において消費させることを検討した。
すなわち、本開示の第1態様は、
三相ブラシレスモータのロータの位置を検出するロータ位置検出器と、
U相スイッチング回路、V相スイッチング回路及びW相スイッチング回路を有するインバータと、
前記三相ブラシレスモータのU相、V相及びW相の各相における誘起電圧のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間を第2の期間、隣接する前記第2の期間に挟まれた期間を第1の期間と定義したときに、前記ロータの位置に関する情報に基づき、(i)前記第1の期間の全期間において、前記U相スイッチング回路、前記V相スイッチング回路及び前記W相スイッチング回路の各回路のハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチが非導通状態となるように前記インバータを駆動し、(ii)前記第2の期間の一部期間又は全期間において、前記U相スイッチング回路、前記V相スイッチング回路及び前記W相スイッチング回路から選ばれた少なくとも1つの回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記ローサイドスイッチが導通状態となるように前記インバータを駆動することによって前記三相ブラシレスモータを制動する制動制御部と、
を備えた、モータ制御装置を提供する。
第1態様によれば、制動動作時に三相ブラシレスモータにおいて発生する電力の少なくとも一部が無効電力となる。これにより、インバータの母線電圧の過上昇を防止しつつ、十分な制動力を確保することができる。
本開示の第2態様は、第1態様に加え、前記制動制御部は、前記第2の期間の一部期間又は全期間において、前記U相スイッチング回路、前記V相スイッチング回路及び前記W相スイッチング回路の各回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記ローサイドスイッチが導通状態となるように前記インバータを駆動するモータ制御装置を提供する。このような構成によれば、制動動作時に三相ブラシレスモータにおいて発生する電力における無効電力の割合を高めることができる。
本開示の第3態様は、第1又は第2態様に加え、前記制動制御部は、前記第2の期間の全期間において、前記U相スイッチング回路、前記V相スイッチング回路及び前記W相スイッチング回路から選ばれた前記少なくとも1つの回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記ローサイドスイッチが導通状態となるように前記インバータを駆動するモータ制御装置を提供する。このような構成によれば、制動動作時に三相ブラシレスモータにおいて発生する電力における無効電力の割合を高めることができる。
本開示の第4態様は、第1〜第3態様のいずれか1つに加え、前記三相ブラシレスモータの前記U相、前記V相及び前記W相の各相における誘起電圧の立ち上がり時のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間を期間2A、前記三相ブラシレスモータの前記U相、前記V相及び前記W相の各相における誘起電圧の立ち下がり時のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間を期間2Bと定義したときに、前記制動制御部は、(iii)前記期間2Aの一部期間又は全期間において、前記U相スイッチング回路、前記V相スイッチング回路及び前記W相スイッチング回路から選ばれた前記少なくとも1つの回路の前記ハイサイドスイッチが導通状態となりかつ前記ローサイドスイッチが非導通状態となり、(iv)前記期間2Bの一部期間又は全期間において、前記U相スイッチング回路、前記V相スイッチング回路及び前記W相スイッチング回路から選ばれた前記少なくとも1つの回路の前記ハイサイドスイッチが非導通状態となりかつ前記ローサイドスイッチが導通状態となるように、前記インバータを駆動するモータ制御装置を提供する。このような構成によれば、三相ブラシレスモータの少なくとも1相において、誘起電圧の位相よりも進んだ位相の電流が流れる。この場合、三相ブラシレスモータの磁石による界磁磁束を弱めることができる(弱め界磁を利用できる)。これにより、誘起電圧が低減し、インバータの母線電圧の上昇を効果的に抑えることができる。
本開示の第5態様は、第1〜第4態様のいずれか1つに加え、整流回路と、前記整流回路によって整流された電圧が印加される降圧チョッパ回路又は昇圧チョッパ回路を有し、前記インバータに直流電圧を印加するコンバータと、をさらに備え、前記三相ブラシレスモータを駆動すべきとき、PAM方式で前記三相ブラシレスモータが駆動されるように、前記インバータ及び前記コンバータが駆動するモータ制御装置を提供する。モータ制御装置がこのような構成を有している場合には、電源への電力の回生が困難であり、インバータにおける母線電圧が特に上昇し易いため、第1態様により得られる効果は特に有効なものとなる。
本開示の第6態様は、
三相ブラシレスモータのロータの位置を検出するステップと、
前記三相ブラシレスモータのU相、V相及びW相の各相における誘起電圧のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間を第2の期間、隣接する前記第2の期間に挟まれた期間を第1の期間と定義したときに、前記ロータの位置を検出するステップによって得られた前記ロータの位置に関する情報に基づき、(i)前記第1の期間の全期間において、前記三相ブラシレスモータの前記U相、前記V相及び前記W相の各相に正電圧及び負電圧を印加せず、(ii)前記第2の期間の一部期間又は全期間において、前記三相ブラシレスモータの前記U相、前記V相及び前記W相から選ばれた少なくとも1相に正電圧又は負電圧を印加することによって前記三相ブラシレスモータを制動するステップと、
を含む、モータ制御方法を提供する。
このような制御方法によれば、第1態様により得られる効果と同様の効果が得られる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(実施形態)
図1に示すように、モータ制御装置100は、整流回路102、コンバータ103、インバータ104、主制御装置106及びホールセンサ109a,109b,109cを備えている。モータ制御装置100の入力端は、系統電源101に接続される。モータ制御装置100の出力端は、三相ブラシレスモータ105(以下、単に「モータ105」と称する)に接続される。ホールセンサ109a,109b,109cは、モータ105に内蔵される。
(モータ制御装置100の動作の概要)
図1を参照しながら、モータ制御装置100の動作の概要を説明する。まず、ホールセンサ109a,109b,109cが、モータ105のロータの位置を検出する。ホールセンサ109a,109b及び109cの検出値は、主制御装置106に入力される。主制御装置106は、取得した検出値からロータの位置を特定し、ロータの位置から、スイッチング信号を生成する。このスイッチング信号は、インバータ104の第二ベースドライバ108に出力される。これにより、インバータ104が駆動される。主制御装置106はまた、別のスイッチング信号を生成する。このスイッチング信号は、コンバータ103の第一ベースドライバ107に出力される。これにより、コンバータ103が駆動される。この結果、インバータ104の母線電圧が調整される。このようにして、モータ105の回転数が、目標値に制御される。モータ105の回転数の目標値は、上位コントローラ(図示せず)から主制御装置106に与えられる。インバータ104の母線電圧は、分圧抵抗121a及び121bを用いて検出される。
次に、系統電源101、整流回路102、コンバータ103、インバータ104、ホールセンサ109a,109b,109c、モータ105及び主制御装置106の詳細を以下で説明する。
(系統電源101)
本実施形態では、系統電源101は、交流電圧源である。
(整流回路102)
整流回路102には、系統電源101から交流電圧が入力される。整流回路102は、ダイオードブリッジ119と、平滑コンデンサ110とを有する。整流回路102は、交流電圧を直流電圧に変換する。なお、系統電源101及び整流回路102に代えて、直流電圧源を用いることもできる。
(コンバータ103)
コンバータ103には、整流回路102から直流電圧が入力される。コンバータ103は、スイッチング素子111、還流ダイオード112、リアクトル113、第一ベースドライバ107及び平滑コンデンサ120を有する。平滑コンデンサ120、スイッチング素子111、還流ダイオード112及びリアクトル113は、降圧チョッパ回路を構成している。ただし、コンバータ103において、昇圧チョッパ回路が構成されていてもよい。コンバータ103は、PWM(Pulse Width Modulation)制御を行う。
第一ベースドライバ107は、出力デューティ(スイッチング信号)をドライブ信号に変換する。出力デューティは、主制御装置106から第一ベースドライバ107に入力される。ドライブ信号は、スイッチング素子111を電気的に駆動する。これにより、出力であるインバータ104側の直流電圧の大きさが、入力である整流回路102側の直流電圧の大きさから変更されたものとなる。
本実施形態では、スイッチング素子111は、力行動作時において駆動され、制動動作時において停止する。スイッチング素子111の具体例としては、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)及びIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が挙げられる。
(インバータ104)
インバータ104には、コンバータ103から直流電圧が入力される。インバータ104は、変換回路、第二ベースドライバ108、分圧抵抗121a、121bを含む。変換回路は、スイッチング素子122a,122b,122c,122d,122e,122f及び還流ダイオード123a,123b,123c,123d,123e,123fが対になったものである。本実施形態では、インバータ104は、力行動作時には120度矩形波駆動(Block Commutation)方式に従って動作する。ただし、インバータ104は、力行動作時において、180度通電方式などの、120度矩形波駆動方式以外の方式に従って動作するものであってもよい。
第二ベースドライバ108は、スイッチング信号をドライブ信号に変換する。スイッチング信号は、主制御装置106から第二ベースドライバ108に入力される。ドライブ信号は、各スイッチング素子122a〜122fを電気的に駆動する。これにより、直流電圧が、電圧パルスに変換される。
スイッチング素子122a〜122fは、三相スイッチング回路を構成している。詳細には、スイッチング素子122a及び122bは、モータ105のU相に対応するスイッチング回路を構成している。スイッチング素子122c及び122dは、モータ105のV相に対応するスイッチング回路を構成している。スイッチング素子122e及び122fは、モータ105のW相に対応するスイッチング回路を構成している。以下の説明では、スイッチング素子122a及び122bをU相スイッチング回路と呼ぶことがある。同様に、スイッチング素子122c及び122dをV相スイッチング回路と呼ぶことがある。同様に、スイッチング素子122e及び122fをW相スイッチング回路と呼ぶことがある。スイッチング素子122a,122c及び122eは、ハイサイドスイッチである。スイッチング素子122b,122d及び122fは、ローサイドスイッチである。ハイサイドスイッチは、系統電源101側からモータ105側へと電流を流すか否かを切り替えるスイッチを指す。ローサイドスイッチは、モータ105側から系統電源101側へと電流を流すか否かを切り替えるスイッチを指す。
スイッチング素子122a〜122fの具体例としては、MOSFET及びIGBTが挙げられる。
(ホールセンサ109a,109b,109c)
ホールセンサ109a,109b,109cは、モータ105のロータの位置を検出するロータ位置検出器である。
(モータ105)
モータ105は、モータ制御装置100の制御対象である。モータ105には、インバータ104によって、電圧が印加される。すなわち、モータ105のU相、V相、W相に正電圧、負電圧又はゼロ電圧が印加される。本明細書では、「正電圧が印加される」とは、ハイサイドスイッチが導通状態にあることにより流れる電流(正電流)に基づいて電圧が印加されることを指す。「負電圧が印加される」とは、ローサイドスイッチが導通状態にあることにより流れる電流(負電流)に基づいて電圧が印加されることを指す。本実施形態では、U相、V相、W相の各々が、相対的に高電圧を有する高電圧相と、相対的に低電圧を有する低電圧相との2種類から選択されるいずれかとなるように、モータ105が制御される。
(モータ105の座標軸の定義)
図2に示すように、本明細書では、基準となる角度からみたロータのN極の角度をロータの位置θrと呼ぶ。基準の角度(θr=0)は、U相の巻線に正電流を流したときに生成されるU相電機子反作用磁束の方向である。θrは電気角である。
(主制御装置106)
主制御装置106として、A/D変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むDSP(Digital Signal Processor)を使用できる。主制御装置106には、モータ105を駆動及び制動するためのプログラムが格納されている。すなわち、主制御装置106は、力行制御部、制動制御部及びコンバータ制御部の役割を担う。力行制御部は、120度矩形波駆動方式でモータ105が駆動されるようにインバータ104を制御するためのプログラムモジュールである。制動制御部は、モータ105を制動すべきときにインバータ104を制御するためのプログラムモジュールである。コンバータ制御部は、コンバータ103を制御するためのプログラムモジュールである。力行制御部及びコンバータ制御部は、PAM(Pulse Amplitude Modulation)方式でモータ105が駆動されるように、コンバータ103及びインバータ104を制御する。なお、力行制御部、制動制御部及びコンバータ制御部が単一の制御装置によって実現されていることは必須ではない。例えば、コンバータ制御部としての制御装置は、力行制御部及び制動制御部としての制御装置と別に設けられていてもよい。さらに、力行制御部、制動制御部及びコンバータ制御部の果たすべき機能がソフトウェアのみによって実現されていることは必須ではない。必要な機能の一部、場合によっては全部が論理回路によって実現されていてもよい。力行制御部は、180度通電方式などの、120度矩形波駆動方式以外の方式でモータ105が駆動されるようにインバータ104を制御するものであってもよい。
(モータ制御装置100による制御の詳細)
モータ制御装置100では、インバータ104における三相スイッチング回路がスイッチングパターンを生成する。スイッチングパターンに基づいて、モータ105は動作する。三相スイッチング回路のスイッチングパターンを、図3A〜図3Cを用いて説明する。
図3A〜図3Cの上段は、ロータの位置θrと、モータ105のU相、V相、W相の誘起電圧eu、ev、ewとの関係を示す。図3A〜図3Cの中段は、力行動作時における、ロータの位置θrと、U相スイッチング回路、V相スイッチング回路、W相スイッチング回路のスイッチングパターンとの関係を示す。図3A〜図3Cの下段は、制動動作時における、ロータの位置θrと、U相スイッチング回路、V相スイッチング回路、W相スイッチング回路のスイッチングパターンとの関係を示す。なお、図3A〜図3Cの中段及び下段(並びに図4の中段)において、パルスが上側に延びている期間は、ハイサイドスイッチが導通状態にある期間に相当する。「SW_P」は、ハイサイドスイッチが導通状態にあることによりパルスが生成されていることを表している。パルスが下側に延びている期間は、ローサイドスイッチが導通状態にある期間に相当する。「SW_N」は、ローサイドスイッチが導通状態にあることによりパルスが生成されていることを表している。
以下、ロータの位置θrを、図3A〜図3Cに示すようにI〜VIの6つのセクションに区分して、三相スイッチング回路のスイッチングパターンを詳細に説明する。セクションIの期間は、150°≦θr<210°の関係が成立する期間である。セクションIの期間は、ロータの位置θrが、誘起電圧euが立ち上がりながらゼロ電圧となるゼロクロスポイントを中心とした±30°の範囲にある期間であるともいえる。セクションIIの期間は、210°≦θr<270°の関係が成立する期間である。セクションIIIの期間は、270°≦θr<330°の関係が成立する期間である。セクションIVの期間は、0°≦θr<30°又は330°≦θr<360°の関係が成立する期間である。セクションIVの期間は、ロータの位置θrが、誘起電圧euが立ち下がりながらゼロ電圧となるゼロクロスポイントを中心とした±30°の範囲にある期間であるともいえる。セクションVの期間は、30°≦θr<90°の関係が成立する期間である。セクションVIの期間は、90°≦θr<150°の関係が成立する期間である。
力行動作時において、各スイッチング回路は以下のように制御される。セクションIの期間においては、U相スイッチング回路のスイッチング素子122a及びスイッチング素子122bの両方が非導通状態となる。セクションII及びIIIの期間においては、スイッチング素子122aは導通状態となり、スイッチング素子122bは非導通状態となる。セクションIVの期間においては、スイッチング素子122a及びスイッチング素子122bの両方が非導通状態となる。セクションV及びVIの期間においては、スイッチング素子122aは非導通状態となり、スイッチング素子122bは導通状態となる。セクションI及びIIの期間においては、V相スイッチング回路のスイッチング素子122cは非導通状態となり、スイッチング素子122dは導通状態となる。セクションIIIの期間においては、スイッチング素子122c及びスイッチング素子122dの両方が非導通状態となる。セクションIV及びVの期間においては、スイッチング素子122cは導通状態となり、スイッチング素子122dは非導通状態となる。セクションVIの期間においては、スイッチング素子122c及びスイッチング素子122dの両方が非導通状態となる。セクションIの期間においては、W相スイッチング回路のスイッチング素子122eは導通状態となり、スイッチング素子122fは非導通状態となる。セクションIIの期間においては、スイッチング素子122e及びスイッチング素子122fの両方が非導通状態となる。セクションIII及びIVの期間においては、スイッチング素子122eは非導通状態となり、スイッチング素子122fは導通状態となる。セクションVの期間においては、スイッチング素子122e及びスイッチング素子122fの両方が非導通状態となる。セクションVIの期間においては、スイッチング素子122eは導通状態となり、スイッチング素子122fは非導通状態となる。力行動作時には、三相スイッチング回路のこのようなスイッチングパターンによって、モータ105に正トルクを発生させる。
制動動作時においては、スイッチング素子111のスイッチング動作を停止する。これにより、系統電源101側からの電力の供給が断たれ、モータ105とインバータ111との間に閉回路が形成される。一方、スイッチング素子122a〜122fは駆動される。これにより、閉回路内を流れる電流の位相が調整される。すなわち、誘起電圧と電流との位相差が調整された状態でモータ105に電流が流れ、モータ105の回転エネルギーが巻線で消費される。
具体的には、制動動作時において、各スイッチング回路は以下のように制御される。セクションIの期間においては、U相スイッチング回路のスイッチング素子122aは導通状態となり、スイッチング素子122bは非導通状態となる。セクションII及びIIIの期間においては、スイッチング素子122a及びスイッチング素子122bの両方が非導通状態となる。セクションIVの期間においては、スイッチング素子122aは非導通状態となり、スイッチング素子122bは導通状態となる。セクションV及びVIの期間においては、スイッチング素子122a及びスイッチング素子122bの両方が非導通状態となる。
セクションI及びIIの期間においては、V相スイッチング回路のスイッチング素子122c及びスイッチング素子122dの両方が非導通状態となる。セクションIIIの期間においては、スイッチング素子122cは導通状態となり、スイッチング素子122dは非導通状態となる。セクションIV及びVの期間においては、スイッチング素子122c及びスイッチング素子122dの両方が非導通状態となる。セクションVIの期間においては、スイッチング素子122cは非導通状態となり、スイッチング素子122dは導通状態となる。
セクションIの期間においては、W相スイッチング回路のスイッチング素子122e及びスイッチング素子122fの両方が非導通状態となる。セクションIIの期間においては、スイッチング素子122eは非導通状態となり、スイッチング素子122fは導通状態となる。セクションIII及びIVの期間においては、スイッチング素子122e及びスイッチング素子122fの両方が非導通状態となる。セクションVの期間においては、スイッチング素子122eは導通状態となり、スイッチング素子122fは非導通状態となる。セクションVIの期間においては、スイッチング素子122e及びスイッチング素子122fの両方が非導通状態となる。
図3A〜図3Cに示す第1の期間、第2の期間、期間1A、期間1B及び期間2Aは、セクションI〜VIにおける一又は複数のセクションに対応する。U相スイッチング回路では、セクションII、III、V及びVIは第1の期間に対応する。セクションI及びIVは第2の期間に対応する。セクションII及びIIIは期間1Aに対応する。セクションV及びVIは期間1Bに対応する。セクションIは期間2Aに対応する。セクションIVは期間2Bに対応する。V相スイッチング回路では、セクションI、II、IV及びVは第1の期間に対応する。セクションIII及びVIは第2の期間に対応する。セクションIV及びVは期間1Aに対応する。セクションI及びIIは期間1Bに対応する。セクションIIIは期間2Aに対応する。セクションVIは期間2Bに対応する。W相スイッチング回路では、セクションI、III、IV及びVIは第1の期間に対応する。セクションII及びVは第2の期間に対応する。セクションI及びVIは期間1Aに対応する。セクションIII及びIVは期間1Bに対応する。セクションVは期間2Aに対応する。セクションIIは期間2Bに対応する。第1の期間、第2の期間、期間1A、期間1B、期間2A及び期間2Bは、電気角に関する期間である。
本明細書では、「第1の期間」は、ホールセンサ109a,109b,109cなどにより第1の期間であることが推定された期間を含む概念である。第2の期間、期間1A、期間1B、期間2A及び期間2Bについても同様である。
本実施形態の制動動作では、三相スイッチング回路の各相のスイッチングパターンの位相とモータ105の誘起電圧の位相とがずれるように、三相スイッチング回路を制御する。これにより、モータ105の各相の巻線に、無効電流が流れる。すなわち、モータ105の各相の巻線において、無効電力が発生する。この無効電力はモータ105の各相の巻線において銅損として消費される。これにより、モータ105の回転エネルギーが減衰する。また、有効電力が発生する場合に比べると、インバータ104においてコンバータ103由来の直流電圧に重畳されるモータ105由来の電圧が大きくなり難い。このため、インバータ104の母線電圧の上昇を抑えることが可能となる。
詳細には、本実施形態の制動動作では、三相スイッチング回路の各相のスイッチングパターンの位相がモータ105の誘起電圧の位相よりも進んだ位相となるように、三相スイッチング回路を制御する。これにより、モータ105の各相の巻線に、進み無効電流が流れる。このようにすれば、モータ105の界磁磁束を弱める効果(弱め界磁)を利用できる。従って、インバータ104の母線電圧の上昇を効果的に抑えることが可能となる。
特に、本実施形態の制動動作では、期間2Aの全期間において、U相スイッチング回路、V相スイッチング回路及びW相スイッチング回路の各回路のハイサイドスイッチが導通状態となりかつローサイドスイッチが非導通状態となり、期間2Bの全期間において、U相スイッチング回路、V相スイッチング回路及びW相スイッチング回路の各回路のハイサイドスイッチが非導通状態となりかつローサイドスイッチが導通状態となるように、インバータ104を駆動する。この場合には、電流の位相と誘起電圧の位相との差(位相差)が90度に近づき易いため、モータ105の界磁磁束を弱める効果が顕著になる。
本実施形態の制動動作のシミュレーション結果を図4及び図5に示す。図4の上段は、力行動作時及び制動動作時の、モータ105のU相の誘起電圧euの時間変化を示す。図4の中段は、力行動作時及び制動動作時の、U相スイッチング回路のスイッチングパターンを示す。図4の下段は、モータ105のU相に流れる電流の時間変化を示す。図5の上段は、モータ105の回転数の時間変化を示す。図5の下段は、インバータ104の母線電圧の時間変化を示す。
図4から、制動動作時には、モータ105のU相に流れる電流の位相は誘起電圧euの位相に対して、約90度進んでいる。図5から、モータ105の回転数が低下している。すなわち、モータ105が制動されている。また、図5から、インバータ104の母線電圧は、一定の電圧(50V以下)で上げ止まっている。すなわち、三相スイッチング回路におけるコンデンサ及びスイッチング素子等が破壊されることを防止できる。
本実施形態で説明した以外のスイッチングパターンを採用することもできる。例えば、制動制御部は、(v)期間2Aの一部期間又は全期間において、U相スイッチング回路、V相スイッチング回路及びW相スイッチング回路から選ばれた少なくとも1つの回路においてハイサイドスイッチが非導通状態となり、かつローサイドスイッチが導通状態となり、(vi)期間2Bの一部期間又は全期間において、U相スイッチング回路、V相スイッチング回路及びW相スイッチング回路から選ばれた少なくとも1つの回路においてハイサイドスイッチが導通状態となりかつローサイドスイッチが非導通状態となるように、インバータ104を駆動するものであってもよい。これにより、モータ105のU相、V相及びW相から選ばれた少なくとも1つの相において、誘起電圧の位相よりも遅れた位相の電流が流れる。
本実施形態では、制動制御部は、第2の期間におけるゼロクロスポイントを跨ぐ期間において、ハイサイドスイッチまたはローサイドスイッチが導通状態となるように、インバータ104を制御している。ただし、制動制御部は、第2の期間におけるゼロクロスポイントよりも進み側の期間のみにおいて、ハイサイドスイッチまたはローサイドスイッチが導通状態となるように、インバータ104を制御するものであってもよい。また、制動制御部は、第2の期間におけるゼロクロスポイントよりも遅れ側の期間のみにおいて、ハイサイドスイッチまたはローサイドスイッチが導通状態となるように、インバータ104を制御するものであってもよい。
また、本実施形態では、ロータ位置検出器はホールセンサ109a,109b,109cである。これにより、制御に要する計算機資源を抑制できる。また、モータ105を含む全体構成を小型にできる。ただし、ロータ位置検出器として、エンコーダ、レゾルバ等を用いることもできる。これにより、モータ105のロータの位置を高精度に検出できる。
本実施形態におけるモータ制御装置100は回生制御を行わない。また、本実施形態におけるコンバータ103及びインバータ104は回生ブレーキ(ブレーキ抵抗)を有さない。従って、三相スイッチング回路におけるコンデンサ及びスイッチング素子等の破壊を防止するという効果は特に有効である。ただし、モータ制御装置100は、本実施形態の制動動作を実施できる限り、回生制御も実施できるように構成されていてもよい。また、コンバータ103又はインバータ104は回生ブレーキを有していてもよい。
本発明のモータ制御装置は、インバータを用いたSPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)、冷暖房装置及び給湯機等のヒートポンプ式冷凍装置用の同期モータ、並びにスピンドルモータ等の各種モータの制御に適用できる。本発明は、特に、PAM方式による駆動が求められるインバータを用いたモータ制御に有用である。本発明は、例えば、停電時のように、モータに接続されている機器等を急速に停止すべき場合に好適に適用できる。
100 モータ制御装置
101 系統電源
102 整流回路
103 コンバータ
104 インバータ
105 三相ブラシレスモータ
106 主制御装置
107 第一ベースドライバ
108 第二ベースドライバ
109a,109b,109c ホールセンサ
110 平滑コンデンサ
111 スイッチング素子
112 還流ダイオード
113 リアクトル
119 ダイオードブリッジ
120 平滑コンデンサ
121a,121b 分圧抵抗
122a〜122f スイッチング素子
123a〜123f 還流ダイオード

Claims (6)

  1. 三相ブラシレスモータのロータの位置を検出するロータ位置検出器と、
    U相スイッチング回路、V相スイッチング回路及びW相スイッチング回路を有するインバータと、
    前記三相ブラシレスモータのU相における誘起電圧のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をU相の第2の期間、隣接する前記U相の第2の期間に挟まれた期間をU相の第1の期間、前記三相ブラシレスモータのV相における誘起電圧のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をV相の第2の期間、隣接する前記V相の第2の期間に挟まれた期間をV相の第1の期間、前記三相ブラシレスモータのW相における誘起電圧のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をW相の第2の期間、隣接する前記W相の第2の期間に挟まれた期間をW相の第1の期間と定義したときに、前記ロータの位置に関する情報に基づき、(i)前記U相の第1の期間の全期間において前記U相スイッチング回路のハイサイドスイッチ及び前記U相スイッチング回路のローサイドスイッチが非導通状態となるという条件と、前記V相の第1の期間の全期間において前記V相スイッチング回路のハイサイドスイッチ及び前記V相スイッチング回路のローサイドスイッチが非導通状態となるという条件と、前記W相の第1の期間の全期間において前記W相スイッチング回路のハイサイドスイッチ及び前記W相スイッチング回路のローサイドスイッチが非導通状態となるという条件とからなる3つの条件が全て成立するように前記インバータを駆動し、(ii)前記U相の第2の期間の一部期間又は全期間において前記U相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記U相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件と、前記V相の第2の期間の一部期間又は全期間において前記V相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記V相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件と、前記W相の第2の期間の一部期間又は全期間において前記W相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記W相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件とからなる3つの条件の少なくとも1つが成立するように前記インバータを駆動することによって前記三相ブラシレスモータを制動する制動制御部と、
    を備えた、モータ制御装置。
  2. 前記制動制御部は、前記U相の第2の期間の一部期間又は全期間において前記U相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記U相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件と、前記V相の第2の期間の一部期間又は全期間において前記V相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記V相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件と、前記W相の第2の期間の一部期間又は全期間において前記W相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記W相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件とからなる3つの条件が全て成立するように前記インバータを駆動する請求項1に記載のモータ制御装置。
  3. 前記制動制御部は、前記U相の第2の期間の全期間において前記U相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記U相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件と、前記V相の第2の期間の全期間において前記V相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記V相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件と、前記W相の第2の期間の全期間において前記W相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチ又は前記W相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件とからなる3つの条件の少なくとも1つが成立するように前記インバータを駆動する請求項1又は2に記載のモータ制御装置。
  4. 前記三相ブラシレスモータの前記U相における誘起電圧の立ち上がり時のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をU相の期間2A、前記三相ブラシレスモータのV相における誘起電圧の立ち上がり時のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をV相の期間2A、前記三相ブラシレスモータのW相における誘起電圧の立ち上がり時のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をW相の期間2A、前記三相ブラシレスモータの前記U相における誘起電圧の立ち下がり時のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をU相の期間2B、前記三相ブラシレスモータの前記V相における誘起電圧の立ち下がり時のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をV相の期間2B、前記三相ブラシレスモータの前記W相における誘起電圧の立ち下がり時のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をW相の期間2Bと定義したときに、
    前記制動制御部は、(iii)前記U相の期間2Aの一部期間又は全期間において前記U相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチが導通状態となりかつ前記U相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが非導通状態となるという条件と、前記V相の期間2Aの一部期間又は全期間において前記V相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチが導通状態となりかつ前記V相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが非導通状態となるという条件と、前記W相の期間2Aの一部期間又は全期間において前記W相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチが導通状態となりかつ前記W相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが非導通状態となるという条件とからなる3つの条件の少なくとも1つが成立し、(iv)前記U相の期間2Bの一部期間又は全期間において前記U相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチが非導通状態となりかつ前記U相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件と、前記V相の期間2Bの一部期間又は全期間において前記V相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチが非導通状態となりかつ前記V相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件と、前記W相の期間2Bの一部期間又は全期間において前記W相スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチが非導通状態となりかつ前記W相スイッチング回路の前記ローサイドスイッチが導通状態となるという条件とからなる3つの条件の少なくとも1つが成立するように、前記インバータを駆動する請求項1〜3のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
  5. 整流回路と、
    前記整流回路によって整流された電圧が印加される降圧チョッパ回路又は昇圧チョッパ回路を有し、前記インバータに直流電圧を印加するコンバータと、をさらに備え、
    前記三相ブラシレスモータを駆動すべきとき、PAM方式で前記三相ブラシレスモータが駆動されるように、前記インバータ及び前記コンバータが駆動する請求項1〜4のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
  6. 三相ブラシレスモータのロータの位置を検出するステップと、
    前記三相ブラシレスモータのU相における誘起電圧のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をU相の第2の期間、隣接する前記U相の第2の期間に挟まれた期間をU相の第1の期間、前記三相ブラシレスモータのV相における誘起電圧のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をV相の第2の期間、隣接する前記V相の第2の期間に挟まれた期間をV相の第1の期間、前記三相ブラシレスモータのW相における誘起電圧のゼロクロスポイントを中心とした±30°の期間をW相の第2の期間、隣接する前記W相の第2の期間に挟まれた期間をW相の第1の期間と定義したときに、前記ロータの位置を検出するステップによって得られた前記ロータの位置に関する情報に基づき、(i)前記U相の第1の期間の全期間において前記三相ブラシレスモータの前記U相に正電圧及び負電圧を印加しないという条件と、前記V相の第1の期間の全期間において前記三相ブラシレスモータの前記V相に正電圧及び負電圧を印加しないという条件と、前記W相の第1の期間の全期間において前記三相ブラシレスモータの前記W相に正電圧及び負電圧を印加しないという条件とからなる3つの条件が全て成立し、(ii)前記U相の第2の期間の一部期間又は全期間において前記三相ブラシレスモータの前記U相に正電圧又は負電圧を印加するという条件と、前記V相の第2の期間の一部期間又は全期間において前記三相ブラシレスモータの前記V相に正電圧又は負電圧を印加するという条件と、前記W相の第2の期間の一部期間又は全期間において前記三相ブラシレスモータの前記W相に正電圧又は負電圧を印加するという条件とからなる3つの条件の少なくとも1つが成立するように前記三相ブラシレスモータを制動するステップと、
    を含む、モータ制御方法。
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