JP7326629B2

JP7326629B2 - モータ駆動装置

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Publication number: JP7326629B2
Application number: JP2022541026A
Authority: JP
Inventors: 雅也野木; 公志吉村
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2023-08-15
Anticipated expiration: 2040-08-05
Also published as: US20230188076A1; CN115997340A; JPWO2022029940A1; WO2022029940A1; EP4195495A4; EP4195495A1

Description

本発明は、互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータのモータ駆動装置に関する。

圧縮機等を駆動するモータとして、複数の相巻線を有する永久磁石同期モータ（ＤＣブラシレスモータともいう）が使用される。また、圧縮機を駆動するモータは、圧縮機内に内蔵される。圧縮機の内部は高温高圧となるため、モータの回転位置、すなわちロータ位置を検出するセンサは内蔵することができない。このため、この種のモータはインバータの出力に応答するモータ巻線電流からロータ位置を推定するセンサレス駆動となっている。また、永久磁石同期モータの一例として、互いに非接続状態の複数の相巻線を有するオープン巻線モータ（Open-Winding Motor）が知られている。

オープン巻線モータ（モータと略称する）を駆動するモータ駆動装置は、モータの各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータ、モータの各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータを備え、これら第１および第２インバータのスイッチングにより、モータを駆動する。とくに、モータの起動に際しては、第１および第２インバータからモータの各相巻線に所定の経路で直流励磁電流を流すいわゆる直流励磁により、モータのロータを予め定めた初期位置へと回動させて、その位置で固定させる初期位置決めを行う。この位置決めの後、第１および第２インバータから各相巻線に界磁成分電流を供給する強制転流を行い、起動を完了する。そして、起動の完了後、各相巻線に流れる電流を検出し、その検出電流に基づいてロータの回転速度及びロータ位置を検出もしくは推定し、その回転速度が目標速度となるよう第１および第２インバータのスイッチングをＰＷＭ制御する。

特許第4906836号

上記オープン巻線モータを駆動する際の特有の問題としてモータの通電に伴ってモータの駆動に寄与しない零軸電流が流れる。起動の初期位置決めに際し、直流励磁電流が各相巻線に流れることに伴い、零軸電流が増えてモータ損失が増大するという課題がある。

本発明の実施形態の目的は、モータの起動時のモータ損失を低減できるモータ駆動装置を提供することである。

請求項１のモータ駆動装置は、複数の相巻線が互いに非接続状態で配置されたモータを駆動するもので、前記各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータと；前記各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータと；前記モータの起動に際し、前記第１および第２インバータから前記各相巻線に直流励磁電流を供給する直流励磁により前記モータのロータを初期位置へ回動させ、この回動後、前記ロータの回転速度が目標速度となるよう前記第１および第２インバータのスイッチングをＰＷＭ制御するコントローラと；を備える。そして、前記コントローラは、前記各相巻線における零軸電流がほぼゼロとなる前記直流励磁を行う。

一実施形態の構成を示すブロック図。同実施形態におけるコントローラの制御を示すフローチャート。同実施形態における直流励磁の位相を示す図。同実施形態における直流励磁の位相の他の例を示す図。図４の直流励磁により流れる電流の経路を示す図。

以下、一実施形態のモータ駆動装置について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、３相交流電源１に駆動回路２が接続され、その駆動回路２にモータ３およびコントローラ４が接続されている。

モータ３は、互いに非接続状態の複数の相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有する圧縮機駆動用の三相永久磁石同期モータいわゆるオープン巻線モータ（Open-Winding Motor）であり、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを装着したステータ４１、複数例えば２つの永久磁石Ｍ１，Ｍ２を埋設したロータ４２、このロータ４２を支持するロータ軸４３を含む。

上記駆動回路２は、３相交流電源１の３相交流電圧を全波整流して平滑し出力する直流電源部１０、この直流電源部１０の出力端とオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端との間の通電を制御するインバータ（第１インバータ）２０、および上記直流電源部１０の出力端とオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端との間の通電を制御するインバータ（第２インバータ）３０を含む。直流電源部１０をインバータ２０，３０の共通の直流電源とする電源共通方式を採用している。

インバータ２０は、スイッチ素子たとえばＩＧＢＴ２１，２２の直列回路、ＩＧＢＴ２３，２４の直列回路、ＩＧＢＴ２５，２６の直列回路を有し、ＩＧＢＴ２１，２２の相互接続点と相巻線Ｌｕの一端との間の通電、ＩＧＢＴ２３，２４の相互接続点と相巻線Ｌｖの一端との間の通電、ＩＧＢＴ２５，２６の相互接続点と相巻線Ｌｗの一端との間の通電を、ＩＧＢＴ２１～２６のスイッチング（オン，オフ）により制御する。ＩＧＢＴ２１～２６に、回生ダイオード（フリー・ホイール・ダイオードともいう）２１ａ～２６ａが逆並列接続されている。

インバータ３０は、インバータ２０と同様にスイッチ素子たとえばＩＧＢＴ３１，３２の直列回路、ＩＧＢＴ３３，３４の直列回路、ＩＧＢＴ３５，３６の直列回路を有し、ＩＧＢＴ３１，３２の相互接続点と相巻線Ｌｕの他端との間の通電、ＩＧＢＴ３３，３４の相互接続点と相巻線Ｌｖの他端との間の通電、ＩＧＢＴ３５，３６の相互接続点と相巻線Ｌｗの他端との間の通電を、ＩＧＢＴ３１～３６のスイッチング（オン，オフ）により制御する。ＩＧＢＴ３１～３６に、回生ダイオード３１ａ～３６ａが逆並列接続されている。

なお、インバータ２０は、実際には、上記３つの直列回路を互いに並列接続して構成される主回路と、この主回路のＩＧＢＴ２１～２６を駆動する駆動回路などの周辺回路とを、単一のパッケージに収納したモジュールいわゆるＩＰＭ（Intelligent Power Module）である。インバータ３０も、同様の構成のＩＰＭである。

インバータ２０と相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端との間の３つの通電ラインに電流センサ１１ｕ，１１ｖ，１１ｗが配置されている。これら電流センサ１１ｕ，１１ｖ，１１ｗは、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに流れる相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検知する。これら電流センサ１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの検知信号がコントローラ４に送られる。

コントローラ４は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路からなり、駆動回路２によるモータ駆動をセンサレス・ベクトル制御するもので、回転数検出部５１、第１制御部５２、第２制御部５３、および第３制御部５４を含む。

回転数検出部５１は、電流センサ１１ｕ，１１ｖ，１１ｗで検知される相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づき、モータ３におけるロータ４２の回転速度（角速度）を検出（推定）する。

第１制御部５２は、モータ３の起動に際し、インバータ２０，３０からモータ３の相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに所定の経路で直流励磁電流Ｉｄｕ，Ｉｄｖ，Ｉｄｗを供給する直流励磁により、モータ３のロータ４２を予め定めた初期位置（所定の回転機械角）へと回動させる初期位置決めを行う。とくに、第１制御部５２は、モータ３の起動に際し、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗにおける零軸電流（零相電流ともいう）Ｉｚがほぼゼロとなる直流励磁を行う。この直流励磁を行うための直流励磁電流Ｉｄｕ，Ｉｄｖ，Ｉｄｗは、第２制御部５３の後述のＰＷＭ制御により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに流れる相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうち、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗにおける零軸電流Ｉｚがほぼゼロとなる位相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに相等する。零軸電流Ｉｚがほぼゼロとなる位相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとは、１つの相電流がゼロとなり残りの２つの相電流が正側と負側で互いにほぼ同じ値となる位相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗである。１つの相電流がゼロとなり残りの２つの相電流が正側と負側で互いに同じ値となる位相の電気角は、いずれか１つの相電流が最大となる時の電気角を基準の0度とした場合に、30度・90度・150度・210度・270度・330度である。以下、位相の表記については、この基準を用いた電気角を意味する。

第２制御部５３は、上記直流励磁によりロータ４２が初期位置へ回動した後、インバータ２０，３０から相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに界磁成分電流（ｄ軸電流）を供給する強制転流により、モータ３のロータ４２を回転させてモータ３の起動を完了する。

第３制御部５４は、上記強制転流によるモータ３の起動完了後、回転数検出部５１で検出されるロータ４２の回転速度が外部から指令される目標速度となるよう、インバータ２０，３０のスイッチングをＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）する。

このコントローラ４が実行する制御を図２のフローチャートに示す。フローチャート中のステップS1，S2…については単にS1，S2…と略称する。

モータ３の起動に際し（S1のYES）、コントローラ４は、モータ３のロータ４２を予め定めた初期位置へ回動させるべく、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗにおける零軸電流Ｉｚがほぼゼロとなる位相で直流励磁を行う（S2）。すなわち、コントローラ４は、１つの相巻線に直流励磁電流が流れず、他の１つの相巻線に一方向の直流励磁電流が流れ、残りの１つの相巻線に他方向の直流励磁電流が流れるように、インバータ２０，３０のスイッチングを制御する。

この直流励磁によるロータ４２の初期位置への回動後、コントローラ４は、インバータ２０，３０から相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに界磁成分電流を供給する強制転流により（S3）、モータ３のロータ４２を回転させてモータ３の起動を完了する。この起動完了後、コントローラ４は、回転数検出部５１で検出されるロータ４２の回転速度が目標速度となるよう、インバータ２０，３０のスイッチングをＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）する（S4）。

ＰＷＭ制御により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに流れる運転中の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、図３に示すように、互いに120度の位相ずれをもって変化する。実線が相電流Ｉｕ、破線が相電流Ｉｖ、一点鎖線が相電流Ｉｗ、二点鎖線が零軸電流Ｉｚを示している。図３においては、Ｕ相の相電流Ｉｕが最大となる時の電気角を基準の0度として表わしている。零軸電流Ｉｚは、各相電流の３倍周期で正弦波状に変化し、その各相電流の１周期中に６つの零クロス点を含む。これら零クロス点の位相は、30度・90度・150度・210度・270度・330度である。これらの位相ごとに、１つの相電流がゼロとなり残りの２つの相電流が正側と負側で互いに同じ値となる通電パターンが形成される。すなわち、１つの相巻線に繋がるインバータ２０，３０の各スイッチ素子はオフし、他の１つの相巻線に繋がるインバータ２０の上側の１つのスイッチ素子がオンしてインバータ３０の下側の１つのスイッチ素子がオンし、残りの１つの相巻線に繋がるインバータ３０の上側の１つのスイッチ素子がオンしてインバータ２０の下側の１つのスイッチ素子がオンする。

直流励磁用の直流励磁電流Ｉｄｕ，Ｉｄｖ，Ｉｄｗは、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに流れる相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうち、１つの相電流がゼロとなり残りの２つの相電流が正側と負側で互いに同じ値となる位相たとえば30度の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに相等する。この30度の位相では、直流励磁電流Ｉｄｖがゼロとなり、直流励磁電流Ｉｄｕ，Ｉｄｗが正側と負側で互いに同じ値となる。この直流励磁電流Ｉｄｕ，Ｉｄｗが流れる経路を図１に破線矢印で示している。

直流励磁電流Ｉｄｕは、インバータ２０の上側のＩＧＢＴ２１のオンおよびインバータ３０の下側のＩＧＢＴ３２のオンにより、直流電源部１０の正側出力端（＋）からインバータ２０の上側のＩＧＢＴ２１を通って相巻線Ｌｕの一端に流れ、その相巻線Ｌｕの他端からインバータ３０の下側のＩＧＢＴ３２を通って直流電源部１０の負側出力端（－）へ流れる。

直流励磁電流Ｉｄｗは、インバータ３０の上側のＩＧＢＴ３５のオンおよびインバータ２０の下側のＩＧＢＴ２６のオンにより、直流電源部１０の正側出力端（＋）からインバータ３０の上側のＩＧＢＴ３５を通って相巻線Ｌｗの他端に流れ、その相巻線Ｌｗの一端からインバータ２０の下側のＩＧＢＴ２６を通って直流電源部１０の負側出力端（－）へ流れる。

直流励磁電流Ｉｄｖがゼロとなり、直流励磁電流Ｉｄｕ，Ｉｄｗが正側と負側の互いに同じ値で平衡するので、直流電源部１０の負側出力端（－）のラインからインバータ２０，３０を通って相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗへ向かう零軸電流Ｉｚはゼロとなる。零軸電流Ｉｚがゼロとなるので、直流励磁に際してのモータ損失を低減できる。

仮に、図４に示すように、位相45度で直流励磁を行うと、直流励磁電流Ｉｄｖがゼロから正側に外れた値となり、直流励磁電流Ｉｄｕ，Ｉｄｗが正側と負側の互いに異なる値となる。この直流励磁電流Ｉｄｕ，Ｉｄｖ，Ｉｄｗが流れる経路を図５に破線矢印で示す。

直流励磁電流Ｉｄｖは、インバータ２０の上側のＩＧＢＴ２５のオンおよびインバータ３０の下側のＩＧＢＴ３４のオンにより、直流電源部１０の正側出力端（＋）からインバータ２０の上側のＩＧＢＴ２５を通って相巻線Ｌｖの一端に流れ、その相巻線Ｌｖの他端からインバータ３０の下側のＩＧＢＴ３４を通って直流電源部１０の負側出力端（－）へ流れる。

直流励磁電流Ｉｄｗは、インバータ３０の上側のＩＧＢＴ３５のオンおよびインバータ２０の下側のＩＧＢＴ２６のオンにより、直流電源部１０の正側出力端（＋）からインバータ３０の上側のＩＧＢＴ３５を通って相巻線Ｌｗの他端に流れ、その相巻線Ｌｗの一端からインバータ２０の下側のＩＧＢＴ２６を通って直流電源部１０の負側出力端（－）へ流れる。また、スイッチ素子２６を通過した直流励磁電流Ｉｄｗのうち直流励磁電流Ｉｄｕ，Ｉｄｖの合成分より大きい電流分Ｉｄｗ´が、インバータ３０の下側のＩＧＢＴ３６の回生ダイオード３６ａを通って相巻線Ｌｗに向かう零軸電流Ｉｚとなる。このような通電では、零軸電流Ｉｚが大きくなるので、モータ損失が増えてしまう。本実施形態ではこのような不具合を解消できる。

なお、相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗにおいて、１つの相電流がゼロとなり残りの２つの相電流が正側と負側で互いにほぼ同じ値となる位相は、30度だけでなく、90度・150度・210度・270度・330度である。90度の位相では、直流励磁電流Ｉｄｕがゼロとなり、直流励磁電流Ｉｄｖ，Ｉｄｗが正側と負側の互いにほぼ同じ値で平衡する。150度の位相では、直流励磁電流Ｉｄｗがゼロとなり、直流励磁電流Ｉｄｖ，Ｉｄｕが正側と負側の互いに同じ値で平衡する。これら30度・90度・150度・210度・270度・330度の位相のいずれかにおいて直流励磁を行えばよい。

なお、モータ損失は、零軸電流の大きさに比例する。また、零軸電流は通常の正弦波でのモータ駆動周期に対し、３倍の周波数で略正弦波状に変化する。このため、零軸電流がゼロとなる状態が最も高効率となるが、零軸電流がゼロとなる近傍の位相で通電しても、十分にモータ効率は改善できる。したがって、完全に零軸電流をゼロにしなくとも、30度・90度・150度・210度・270度・330度の近傍の位相、例えば±５度の範囲におけるＰＷＭ制御の出力を行わせることでモータの効率向上が可能である。これらの位相における通電では、直流励磁電流Ｉｄｕがほぼゼロで、直流励磁電流Ｉｄｖ，Ｉｄｗが正側と負側の互いにほぼ同じ値となり、零軸電流Ｉｚはわずかに生じるがその値は小さいため、損失は小さく、モータの効率はそれほど低下しない。

なお、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形例は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…３相交流電源、２…駆動回路、３…オープン巻線モータ、４…コントローラ、１０…直流電源部、２０…インバータ（第１インバータ）、３０…インバータ（第２インバータ）、４１…ステータ、４２…ロータ、Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ…相巻線

Claims

複数の相巻線が互いに非接続状態で配置されたモータを駆動するモータ駆動装置であって、
前記各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータと、
前記各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータと、
前記モータの起動に際し、前記第１および前記第２インバータから前記各相巻線に直流励磁電流を供給する直流励磁により前記モータのロータを初期位置へ回動させ、この回動後、前記ロータの回転速度が目標速度となるよう前記第１および前記第２インバータのスイッチングをＰＷＭ制御するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記相巻線における零軸電流がほぼゼロとなる前記直流励磁を行う、
ことを特徴とするモータ駆動装置。
前記直流励磁電流は、前記ＰＷＭ制御により前記各相巻線に流れる各相電流のうち、前記各相巻線における前記零軸電流がゼロとなる位相の各相電流に相等する複数の直流励磁電流である、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記直流励磁電流は、前記各相巻線に流れる各相電流のうち、いずれか１つの相電流がゼロとなり、残りの相電流が正側と負側で互いににほぼ同じ値となる位相の相電流に相等する、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記各相巻線は、３つの相巻線であり、
前記コントローラは、前記３つの相巻線のうち、１つの相巻線に直流励磁電流が流れず、他の１つの相巻線に一方向の直流励磁電流が流れ、残りの１つの相巻線に他方向の直流励磁電流が流れるように、前記第１インバータおよび前記第２インバータのスイッチングを制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記各相巻線は、３つの相巻線であり、
前記直流励磁電流は、前記ＰＷＭ制御により前記各相巻線に流れる３つの相電流のうち、１つの相電流がゼロとなり残りの２つの相電流が正側と負側で互いにほぼ同じ値となる位相の３つの相電流に相等する３つの直流励磁電流である、
ことを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動装置。
前記１つの相電流がゼロとなり前記残りの２つの相電流が正側と負側で互いにほぼ同じ値となる位相は、30度・90度・150度・210度・270度・330度である、
ことを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動装置。
前記コントローラは、
前記モータの起動に際し、前記第１および第２インバータから前記各相巻線に直流励磁電流を供給する直流励磁により前記モータのロータを初期位置へ回動させ、
この回動後、前記第１および第２インバータから前記各相巻線に界磁成分電流を供給する強制転流により、前記ロータを回転させて前記モータの起動を完了し、
この起動の完了後、前記各相巻線に流れる前記各相電流に基づいて前記ロータの回転速度を検出し、検出した回転速度が前記目標速度となるよう前記第１および第２インバータの前記スイッチングを前記ＰＷＭ制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。