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

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θ_rと呼ぶ。基準の角度（θ_r＝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。θ_r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θ_rと、モータ１０５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の誘起電圧ｅ_u、ｅ_v、ｅ_w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θ_r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θ_r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θ_r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°≦θ_r＜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θ_rが、誘起電圧ｅ_u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°≦θ_r＜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°≦θ_r＜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°≦θ_r＜３０°又は３３０°≦θ_r＜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θ_rが、誘起電圧ｅ_u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°≦θ_r＜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°≦θ_r＜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ｅ_u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ｅ_u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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