KR20110005674A - 모터 구동 제어 장치 - Google Patents

Abstract

간단한 통전 제어 방법으로 고속 구동까지를 실현하는 모터 구동 제어 장치를 제공한다. 모터 구동 제어 장치는, 3상 브리지 회로에 대하여 정방향 통전, 통전 오프, 부방향 통전, 통전 오프를 주기적으로 반복하여, 통전 오프 시에 단자 전압을 반전시킬 수 있도록 통전 위상 조정을 실행한다. 고속 구동 시에는, 통전 오프 직후에 단자 전압이 반전하도록 위상 조정하고, 원하는 회전 속도에 도달할 수 없을 경우에는, 통전 시간을 단축시키는 제어를 실행한다. 이것에 의해, 실제의 인가 전압에 대한 상전류를 진행시킬 수 있어, 약계자 구동에 의한 고속 회전을 실현할 수 있다. 마찬가지로 전압에 여유가 있을 경우에는, 통전 오프의 직전에 단자 전압이 반전하도록 위상 조정하여, 통전 오프 시각과 단자 전압 반전 시각과의 위상 관계가 원하는 관계가 되도록 통전 시간 폭을 조정함으로써, 인가 전압과 전류 위상의 최적화를 실현하여, 최대 효율 구동을 실현한다.

Description

모터 구동 제어 장치{MOTOR DRIVE CONTROL APPARATUS}

본 발명은, 회전자에 영구자석을 포함하는 동기 모터(이하, 모터라고 약칭한다)의 자극(磁極) 위치 검출용으로 센서를 채용하지 않고 구동하는 모터 구동 제어 장치에 관한 것이며, 특히 시시각각으로 구동 회로의 출력 전압을 변화시키는 일 없이 저속으로부터 고속까지의 광범위로 구동하는 모터 구동 제어 장치에 관한 것이다.

종래에, 이 종류의 모터를 구동하기 위해서는, 펄스(pulse) 폭 변조를 이용해서 의사(擬似) 정현파(正弦波)의 인가(印加) 전압을 발생시켜, 얻어지는 정현파상(正弦波狀) 전류의 순시(瞬時) 값과 인가 전압과 모터의 파라미터 모델을 이용해서, 파라미터 모델로부터 재계산에 의해 모델 출력의 전류 값이나 모델 출력의 인가 전압을 얻고, 모델 출력과의 오차가 제로(zero)가 되도록 추정 위상 정보를 변조시키도록 피드백(feedback) 연산해서, 자극 위치를 추정하는 방법이 채용되고 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조).

또한, 간단한 방법으로서, 전기각(電氣角)으로 120도 등, 일부분의 기간에만 일정 전압을 인가하고, 인가하지 않고 있을 때에 단자의 전압을 보고, 자극 위치를 산출해 내는 방법도 있다(예를 들면, 비특허문헌 2 참조). 도 7은, 비특허문헌 2에 기재된 종래의 모터 구동 제어 장치를 나타내는 것이다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 종래의 모터 구동 제어 장치는, 교류 전원(4)을 정류 회로(3)에서 정류하고, 콘덴서(8)로 평활해서 직류를 얻는다. 직류를 3상 브리지(bridge) 회로(2)에 입력하고, 제어 회로(95)에 의해, 3상 브리지 회로(2)의 반도체 스위치를 온/오프(ON/OFF)함으로써, 모터(1)에 의사 3상 교류를 인가한다. 여기에서의 의사 3상 교류는, 각각의 상(相)의 전압이 정방향 통전, 통전 오프, 부방향 통전, 통전 오프를 주기적(cyclic)으로 반복하는 교류이다. 모터(1)의 자극 위치의 검출은, 비통전 기간의 전압을 필터(filter)(97u, 97v, 97w)로 여파(濾波)하여, 각각을 비교 회로(96u, 96v, 96w)에서 기준 전압 혹은 3개 전압의 평균치와 비교함으로써, 유기(誘起) 전압 파형으로부터 자극 위치를 직접 검출하고 있다.

일본국 전기학회 논문지D 117권 1호 평성 9년 P98∼104 오노 에이이치(大野榮一)저 「파워일렉트로닉스 입문(개정 3판)」 오무사 출판, 평성 9년 8월 20일, P.242-244

그러나, 비특허문헌 1의 구성에서는, 모터 전류를 항상 검출해 둘 필요가 있으며, 정현파상의 전류를 전제로 하기 때문에, 인가 전압을 시시각각으로 변화시킬 필요가 있는 등, 제어 연산이 복잡해진다고 하는 과제를 안고 있다. 또한, 비특허문헌 2의 구성에서는, 통전을 중지하고 있는 기간에 있어서, 모터의 상전류가 제로가 되고, 또한 그 때의 단자 전압의 변화를 검출할 수 있는 비교적 긴 기간이 필요하다. 이것 때문에, 원하는 회전수가 높아져, 직류 전압이 부족할 때에 이용하는 약계자(弱界磁) 제어를 실행해도, 인가 전압을 오프하고 있는 기간에 모터 전류가 제로가 되는 기간을 비교적 길게 얻을 수 없으므로, 직류 전압보다도 모터의 발전 전압이 충분히 높을 때에 구동하는 약계자 제어를 실행하는 것이 곤란하다고 하는 과제를 안고 있다.

본 발명은, 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로, 인버터로부터 발생시키는 전압을 일정하게 한 채로, 약계자 구동을 실현할 수 있는 모터 구동 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 모터 구동 제어 장치는, 각각의 스위칭(switching) 소자에 병렬로 역방향으로 전류를 흘려보내는 다이오드를 마련한 소자 군(群)에 의해 구성되는 3상 풀 브리지 회로를 갖추고, 직류 전원 혹은 교류 전원을 정류 평활해서 얻어진 의사 직류 전원을 상기 3상 풀 브리지 회로에서 임의의 전압과 임의의 주파수의 의사 3상 교류로 변환해서, 모터를 원하는 회전수로 구동하는 모터 구동 제어 장치이며, 의사 3상 교류는, 각각의 상을 정방향의 통전 기간 및 비통전 기간과 부방향의 통전 기간 및 비통전 기간을 주기적으로 반복하는 의사 3상 교류로서, 비통전 기간에 있어서의 단자 전압을 검출하고, 단자 전압이 정(正)으로부터 부(負)로 변화되는 시각을 해당하는 상의 전류가 부로부터 정으로 변화된 시각으로 하고, 단자 전압이 부로부터 정으로 변화되는 시각을 해당하는 상의 전류가 정으로부터 부로 변화된 시각으로 해서, 얻어진 각각의 전류 변화 시각에 근거하는 전류 위상과 전압 인가한 결과 발생한 모터 단자의 교류 전압(의사 3상 교류 전압)의 위상 차(差)가 원하는 값이 되도록 상기 인가 전압의 위상을 조정하는 제어 회로를 갖는다. 이것에 의해, 비통전 기간의 단자 전압으로부터 유기 전압을 읽을 수 없을 경우라도, 모터의 전류 위상을 알 수 있어, 전류 위상과 전압 위상을 원하는 관계로 유지함으로써 모터를 안정적으로 구동하는 것이 가능하게 된다.

상기 의사 3상 교류에 있어서, 통전 기간에 있어서의 각각의 브리지로부터 발생하는 단자 전압의 절대치가, 직류 부분의 중성점(中性點) 전위에 대하여, 일정 전압이어도 좋다. 이것에 의해, 인가 전압을 시시각각으로 변경할 필요가 없어져, 간단한 구성으로 모터를 안정적으로 구동하는 것이 가능하게 된다.

실제의 회전 속도와 원하는 회전 속도와의 편차에 근거하여, 통전 기간에 있어서의 각각의 브리지로부터 발생하는 단자 전압의 절대치를 조정해도 좋다. 이것에 의해, 원하는 회전 속도를 얻을 수 있다.

단자 전압의 절대치를 실현 가능한 최대치로 해도, 원하는 회전 속도를 하회(下回)할 경우에는, 비통전 기간의 비율을 증대시켜, 비통전 기간으로 된 대략 직후에 전류 극성이 반전(反轉)하도록 통전 개시 위상을 조정해도 좋다. 이것에 의해, 모터에 인가되는 실제 전압을 저하시키는 일 없이, 전류 위상을 진행시킬 수 있어, 약계자 구동이 가능하게 되고, 구동 범위를 넓힐 수 있다.

상기 모터 구동 제어 장치는, 모터 구동 제어 장치 혹은 모터 구동 제어 장치를 포함하는 시스템의 입력 전류 혹은 입력 전력을 검출하는 입력 검출 수단을 더 갖추어도 좋다. 이 경우, 입력 검출 수단의 출력을 회전수로 나눈 값으로부터 산출한 값에 근거하여, 상기 비통전 기간의 비율을 증대시키는 상한(上限)을 마련한다. 입력 전력을 회전수로 나눈 값은, 모터의 토크(torque)에 대체로 상당하는 값이기 때문에, 약계자 제어에 있어서의 위치 센서 없는 안정성의 한계를 결정하는 파라미터인 부하(負荷) 토크를 알 수 있어, 약계자 구동의 한계까지의 광범위에 걸쳐 안정적으로 구동할 수 있다.

상기 입력 전력 중, 모터 구동 이외의 부분에서 소비하는 전력의 대략의 값을 미리 알고 있을 경우에는, 입력 검출 수단의 출력으로부터, 모터 구동 이외에서의 소비하는 전력 분량을 뺀 값을 입력 검출 수단의 출력으로 해도 좋다. 이것에 의해, 실제의 모터에서 발생하고 있는 토크의 견적 정밀도를 향상시킬 수 있어, 약계자 구동의 한계까지의 광범위에 걸쳐 더욱 안정적으로 구동할 수 있다.

통전 기간에 발생하는 단자에의 인가 전압의 절대치(단자 전압의 절대치)가 실현 가능한 최대치에 대하여 작고, 또한, 원하는 회전 속도가 실현되고 있을 때에는, 통전 기간의 비율을 증대시키고, 비통전 기간에 있어서의 단자 전압이 반전한 시점의 대략 직후에 통전을 개시하도록, 통전 위상을 제어해도 좋다. 이것에 의해, 회전수가 낮고, 인가 전압에 여유가 있을 경우에, 적정한 전압과 전류의 위상 관계가 유지되어, 고효율 구동을 실현할 수 있다.

상기 모터 구동 제어 장치는, 모터 구동 제어 장치 혹은 모터 구동 제어 장치를 포함하는 시스템의 입력 전류 혹은 입력 전력을 검출하는 입력 검출 수단을 더 구비하고, 입력 검출 수단의 출력을 회전수로 나눈 값으로부터 산출한 값에 근거하여, 비통전 개시 위상과 비통전 기간에 있어서의 단자 전압 반전(反轉)의 위상과의 위상 차(기준 위상 차)를 결정해도 좋다. 이것에 의해, 부하 토크가 변동할 경우에도, 그 토크에 따른 최적인 위상 관계가 유지되어, 넓은 토크 범위에서 고효율 구동을 실현할 수 있다.

상기 입력 전력 중, 모터 구동 이외의 부분에서 소비하는 전력의 대략의 값을 미리 알고 있을 경우에는, 입력 검출 수단의 출력으로부터, 모터 구동 이외에서의 소비하는 전력 분량을 뺀 값을 입력 검출 수단의 출력으로 해도 좋다. 이것에 의해, 부하 토크가 변동할 경우에도, 그 토크에 따른 최적인 위상 관계가 유지되어, 넓은 토크 범위에서 고효율 구동을 실현할 수 있다.

상기 모터 구동 제어 장치는, 기동(起動) 시에는, 각각의 상(相)을 정방향의 통전 기간과 비통전 기간과 부방향의 통전 기간과 비통전 기간을 주기적으로 반복하는 의사 3상 교류를 모터에 인가하고, 비통전 기간에 있어서, 단자 전압이 반전하도록, 인가 전압 폭을 조정하고, 비통전 기간에 있어서 단자 전압이 대략 착실하게 반전하는 것을 확인하는 동작을 경유시켜도 좋다. 이것에 의해, 기동(起動)으로부터 동일한 검출 수단에 의한 구동을 실현할 수 있어, 구동 제어 회로가 간단하게 된다.

본 발명의 모터 구동 제어 장치는, 순시 전류를 검출하는 일 없고, 게다가 전류 위상의 검출 범위가 넓기 때문에, 광범위한 약계자 구동을 실행할 수 있어, 중저속에서의 고효율 구동과 큰 구동 범위를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시형태∼제4실시형태에 있어서의 모터 구동 제어 장치의 전체 회로도.
도 2는 본 발명의 제1실시형태 및 제2실시형태에 있어서의 전류 진각(進角) 특성을 나타내는 특성도.
도 3은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 모터 구동 제어 장치의 출력 신호의 파형도.
도 4는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 동작 원리를 설명하기 위한 회로도.
도 5는 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 모터 구동 제어 장치의 출력 신호의 파형도.
도 6A는 본 발명의 제4실시형태에 있어서의 모터 구동 제어 장치의 출력 신호의 파형도.
도 6B는 본 발명의 제4실시형태에 있어서의 모터 구동 제어 장치의 출력 신호의 파형도.
도 7은 종래의 모터 제어 구동 장치의 전체 회로도.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(제1실시형태)

도 1에, 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 모터 구동 제어 장치의 회로 블록도를 나타낸다. 도 1에 나타내는 모터 구동 제어 장치의 구성은, 이후의 제2실시형태∼제4실시형태에 있어서도 공통이다. 도 1에 있어서, 교류 전원(4)을 정류 회로(3)에서 정류하고, 콘덴서(8)로 평활함으로써, 직류 전원을 구성한다. 직류 전원은 3상 브리지 회로(2)에 접속되고, 3상 브리지 회로(2)의 출력은 모터(1)에 접속되어 있다. 3상 브리지 회로(2)는, 각각의 상 2개, 합계 6개의 소자 군을 갖는다. 3상 브리지 회로(2)의 각각의 소자는, 반도체 스위치와 역방향으로 전류를 흘려보낼 수 있는 다이오드와의 병렬 접속에 의해 구성되어 있다. 제어 회로(25)는 3상 브리지 회로(2)를 제어하는 것이며, 비교 회로(26u, 26v, 26w)에서 3상 브리지 회로(2)의 출력 3 계통을 기준 전압과 비교한 정보를 입력하고, 모터(1)의 회전 상황을 추정하여, 3상 브리지 회로(2)를 제어함으로써, 모터(1)의 적정한 구동을 실행한다. 교류 전원(4)으로부터의 유입 전류를 검출하는 전류 검출 수단(21) 및 그 전류의 진폭을 검출하는 진폭 검출 수단(22)의 출력을 이용함으로써, 제어 회로(25)의 더욱 고정밀도 제어를 실현할 수 있다.

제어 회로(25)의 동작을 설명하기 전에, 본 구동 방식의 기본 원리를 설명한다. 도 2는 동일 회전수, 동일 토크의 조건 하에서, 모터의 자극 위상에 대한 전류 진각과 인가되는 전압에 대한 전류 진각의 특성을 나타낸 것이다. 모터를 효율적으로 구동하기 위해서는, 동일한 전류로 더욱 큰 토크를 발생시키면 좋기 때문에, 자극 위상과 전류 위상이 일치하도록 구동하는 것이 이상적이다. 그렇지만, 효율이 좋은 구동 방법에서는, 고속 구동하려고 하면, 높은 인가 전압을 필요로 하게 되어, 회로 규모가 증대해버린다. 그래서, 고속 구동 시에 그다지 효율을 중시하지 않을 경우에는, 자극 위상에 대하여 전류를 나아가게 하는, 소위 약계자 구동이 실행된다. 약계자 구동을 실행하면 모터에의 인가 전압을 억제할 수 있으므로, 고전압의 회로가 불필요하게 된다. 단, 본 발명은, 자극 위상을 검출하는 수단을 불필요하게 하고 싶은 용도이며, 자극 위상을 직접 검출할 수 없으므로, 전류 진각을 직접적으로 제어할 수 없다. 그런데 도 3의 특성으로부터 명확한 바와 같이, 자극 위상에 대한 전류 진각을 증가시켜 가면, 인가 전압에 대한 전류 진각도 증가해 간다. 이것 때문에, 인가 전압과 전류의 위상 차를 원하는 값에 유지하면, 고효율 구동도 실현할 수 있고 약계자 구동도 실현할 수 있다.

도 3(a)∼도 (c)는, 제어 회로(25)의 동작을 설명하기 위한 파형도이다. 제어 회로(25)에서는, 각각의 상에 대하여, 통전 오프, 정방향 통전, 통전 오프, 부방향 통전의 동작을 주기적으로 실행한다. 도 3(a)는 통전의 파형이며, 통전 오프 기간은, 시각 T1로부터 시각 T3까지, 시각 T4로부터 시각 T6까지, 시각 T7로부터 시각 T9까지, 시각 T1O으로부터 시각 T12까지이며, 정방향 통전 기간은, 시각 T3으로부터 시각 T4까지, 시각 T9로부터 시각 T1O까지이며, 부방향 통전 기간은 시각 T6으로부터 시각 T7까지이다. 도 3(b)는 이 상전류(相電流)의 파형이며, 시각 T2로부터 시각 T5까지, 시각 T8로부터 시각 T11까지는 정방향의 전류가 흐르고, 그 이외의 기간에서는 부방향의 전류가 흐르고 있다. 도 3(c)는, 이 때의 단자 전압의 파형을 나타내고 있다. 반도체 스위치에 의해 정방향 혹은 부방향의 통전이 되고 있을 때에는, 단자 전압은 통전 전압과 동일하게 되지만, 통전 오프의 기간에 있어서는, 전류의 상태에 의해 단자 전압 파형이 변화된다. 도 3에서는 통전되고 있을 때에는 실선, 통전 오프 기간의 파형은 점선으로 나타내고 있다.

도 4에 그 변화의 원리를 나타낸다. 도 4(a)는 브리지 회로로부터 모터(1)에 전류가 흐르고 있을 경우를 나타내고 있다. 이 경우, 스위치(401, 402)는 오프이며, 다이오드(404)를 경유해서 모터(1)에 전류가 흐른다. 다이오드(404)에 의해, 모터의 단자와 직류 전원의 마이너스가 도통되어 있으므로, 단자 전압은 직류 전원의 마이너스와 동등하게 된다. 도 4(b)는 모터로부터 전류가 귀환하고 있는 경우를 나타내고 있다. 이 경우는, 다이오드(403)를 경유해서 직류 전원의 플러스 측에 도통되기 때문에, 단자 전압은 직류 전원의 플러스와 동등하게 된다.

이 원리에 근거해서, 도 3(c)의 파형을 설명하면, 시각 T1에서 부방향 통전을 오프로 하였을 때에 전류가 부방향이므로, 단자 전압은 직류 전압의 플러스 전위가 된다. 시각 T2에서 전류 극성이 반전하고 있으므로, 단자 전압은 직류 전압의 마이너스 전위가 된다. 시각 T3에서 정방향 통전을 실행하므로, 단자 전압은 직류 전압의 플러스 전위가 된다. 시각 T4에서 통전 오프되면, 전류가 정이기 때문에, 단자 전압이 직류 전압의 마이너스 전위가 된다. 시각 T5에서 전류 극성이 반전하므로, 단자 전압은 직류 전압의 플러스 전위가 된다. 또한 시각 T6에서 부방향 통전을 실행하므로, 단자 전압은 직류 전압의 마이너스 전위가 된다. 제어 회로(25)는 이렇게 통전을 실행하지만, 특히, 통전 오프하고 나서 전류의 위상이 반전할 때까지의 시간(예를 들면, T1로부터 T2, T4로부터 T5, T7로부터 T8 등)이 될 수 있는 한 짧아지도록, 다음의 통전 개시 시각을 제어한다. 통전 오프하고 나서 전류의 위상이 반전할 때까지의 시간이 소정의 값보다도 클 경우에는, 다음의 통전 개시 시각을 빠르게 하도록 한다. 이 때 단자 전압은 대부분 통전 오프가 없는 파형과 마찬가지로 보인다. 또한, 통전 개시 위상과 전류 반전 위상으로부터 다음의 통전 개시 위상까지의 분량만큼 전류 위상을 전압 위상보다도 진행시킬 수 있다.

또한, 이렇게 구동해도, 원하는 회전 속도에 도달할 수 없을 경우에는, 통전 기간의 비율을 내린다. 통전 기간을 짧게 하면, 전류 반전 위상으로부터 다음의 통전 개시 위상까지의 분량이 길어지므로, 전압을 기준으로 한 전류 진각을 더욱 증가시킬 수 있다. 결과로서, 자극 위상에 대한 전류 진각도 증가시킬 수 있어, 약계자 구동 범위를 확대할 수 있다.

이렇게 하여 통전 오프로부터 전류 극성 반전까지의 기간을 짧게 함으로써, 도 3(c)의 단자 전압 파형에 나타내는 바와 같이, 정부(正負) 함께 최대 전압의 구형(矩形) 전압으로 되어, 모터에의 높은 인가 전압이 실현된다. 따라서, 최대의 인가 전압을 실현하면서 또한 약계자 구동이 실현되어, 고속 구동이 가능하게 된다.

(제2실시형태)

본 실시형태에 있어서는, 도 1의 제어 회로(25)가, 교류 전원(4)으로부터의 유입 전류를 검출하는 전류 검출 수단(21) 및 그 전류의 진폭을 검출하는 진폭 검출 수단(22)의 출력을 이용함으로써, 더욱 고정밀도의 제어를 실현한다. 이것은, 특히 모터의 토크 범위가 클 경우에 유효한 수단이 된다. 도 2에는 부하 토크가 변화되었을 경우의, 전류 위상 특성을 병기(倂記)하고 있다. 토크가 증대하면, 전압에 대한 전류 진각이 적어지는 동시에, 전압에 대한 전류 진각 특성의 변곡점이 전류 진각의 적은 측으로 이동해 온다. 전압에 대한 전류의 위상을 일정하게 유지하는 구동 제어는 변곡점을 초월할 수 없으므로, 더욱 광범위한 구동을 실현하기 위해서는, 변곡점이 어느 부근이 될지를 미리 알아 두어야 한다. 그래서, 모터 구동 장치의 입력에 전류 검출 수단(21)을 마련하고, 그 검출 출력의 진폭을 진폭 검출 수단(22)에 의해 검출함으로써, 제어 회로(25)에서는 입력 전류 값을 알 수 있다.

또한 교류 전원(1)의 전압은 거의 일정하기 때문에, 입력 전류는 입력 전력과 거의 등가(等價)이다. 또한 회로 및 모터의 손실이 충분히 작다고 하면, 입력 전력과 모터의 출력 동력도 거의 등가이다. 제어 회로(25)에서는 모터의 회전수를 알고 있으므로, 입력 전류 값을 모터 회전수로 나누면, 모터의 토크와 거의 등가인 값을 얻을 수 있다. 이 등가 값을 이용해서 전압에 대한 전류 위상의 제한 값을 마련함으로써, 넓은 토크 변화가 있을 경우라도, 한계까지 약계자 구동을 실행할 수 있어, 넓은 구동 범위를 실현할 수 있다.

또한, 모터 구동 제어 장치의 입력 전력을 이용하는 예를 나타냈지만, 예를 들면 냉장고 등에서는, 시스템의 입력 전력으로서는, 본 발명의 모터 구동 이외에, 히터 등을 구비하고 있을 경우가 있다. 이 경우에는, 히터를 통전하고 있는 것인가 아닌가의 여부를 제어 회로(25)에서 조사함으로써, 히터에 사용하고 있는 전력을 뺄 수 있어, 더욱 고정밀도로 모터 토크를 추정할 수 있으므로, 더욱 광범위한 구동 범위를 실현할 수 있다.

(제3실시형태)

도 5(a)∼도 (c)는, 모터에의 인가 전압에 여유가 있을 경우의 고효율 구동을 실현하기 위한 파형도이다. 도 5(a)는 반도체 스위치의 통전 지령을 나타낸 것으로, 시각 T500으로부터 T502까지는 통전 오프, 시각 T502로부터 T503까지는 정방향의 통전, 시각 T503으로부터 T505까지는 통전 오프, 시각 T505로부터 T506까지 부방향의 통전, 시각 T506으로부터 T508까지는 다시 통전 오프, 시각 T508로부터 T509까지는 플러스 통전, 시각 T509로부터 T511까지는 통전 오프로, 통전 오프, 정방향 통전, 통전 오프, 부방향 통전의 조합을 주기적으로 실행하고 있다.

도 5(b)에, 제어 상태에 있을 경우의 상전류의 파형을 나타내고 있다. 상전류는 시각 T501에서 부로부터 정으로 전환하고, 시각 T504에서 정으로부터 부로 전환하고, 마찬가지로, 시각 T507에서 정방향으로, 시각 T510에서 부방향으로 전환하고 있다.

도 5(c)는 단자 전압의 파형이다. 실선 부분은 반도체 스위치에 의한 통전으로 전압이 결정되어 있는 부분이며, 파선 부분은 반도체 스위치가 오프 상태에서 전류에 의해 전압이 결정되어 있는 부분이다. 통전 오프의 기간에서는, 전류 극성과는 반대 극성의 단자 전압이 된다. 즉, 통전 오프 시에 단자 전압으로부터 전압 극성을 알 수 있다. 도 5의 제어 상태에서는, 전류 극성 반전이 재통전의 직전이 되도록 제어되고 있다. 이렇게 통전 개시 시각을 제어함으로써, 단자 전압 파형은 대략 180도 기간씩의 플러스 전압과 마이너스 전압의 교번(交番) 파형이 된다.

도 5에서는, 상전류와 단자 전압 파형과의 시간 차(差)는 시각 T500과 T501과의 차, 시각 T503과 T504와의 차, 시각 T506과 T507과의 차와 같이, 제어 회로(25)에서 용이하게 구해 갈 수 있다. 그리고, 시간 차는 위상 차와 등가이기 때문에, 원하는 위상 차가 되도록, 통전 폭을 조정하면 좋다. 원하는 위상 차는 미리 구해 둔 효율이 최대가 되는 값이어도 좋고, 부하 토크가 크게 변화될 경우는, 제2실시형태에서 설명한 방법과 마찬가지로, 입력 전력을 이용해서 모터 토크 값의 개략 값을 추정하고, 그 값을 기초로 각각의 토크에서 효율이 최대가 되는 원하는 위상 차를 결정해 가는 방법도 가능하다. 또한, 원하는 회전수를 얻기 위한, 인가 전압의 조정은, 인가 가능한 최대 전압을 하회하고 있기 때문에, 펄스 폭 변조에 의한 등가적 실제 전압을 내리는 수법을 이용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

(제4실시형태)

도 6A 및 도 6B는 기동 시에 있어서의 제어 동작을 나타내는 파형도이다. 기동 시의 초저속 회전에서는 유기 전압도 낮고, 회전 변동과의 구별이 어렵기 때문에, 구동 시에 통전의 위상 변조를 실행하는 것이 곤란해진다. 이것 때문에, 기동의 처음에는 회전 위상에 관한 피드백을 실행하지 않고, 미리 정한 주파수의 교류 전압을 인가해서, 모터의 회전자가 동기해서 회전할 수 있는 상황을 만들어 낸다. 주기 도 6A 및 도 6B는 이러한 경우라도 기동해 가기 위한 파형을 나타낸 것이다.

인가하는 교류 전압이 적정 전압보다도 높을 경우에는, 도 6A와 같이, 단자 전압에 대하여 상전류가 대폭적인 위상 지연 상황이 된다. 즉, 시각 T600으로부터 T601의 통전 오프 기간에는 상전류의 극성은 부이며, 그 결과, 단자 전압은 정방향의 최대치가 되어 있다. 다음의 통전 오프 기간인, 시각 T603과 T604의 사이에서는, 상전류의 극성은 정이 되고, 그 결과, 단자 전압은 부방향의 최대치가 된다. 그 결과, 단자 전압에 대하여 상전류는 위상 지연 상태가 된다.

인가하는 교류 전압이 적정 전압보다도 낮을 경우에는, 도 6B와 같이, 단자 전압에 대하여 상전류가 대폭적인 위상 진행 상황이 된다. 즉, 시각 T651로부터 T652의 통전 오프 기간에는 상전류의 극성은 정이며, 그 결과, 단자 전압은 부방향의 최대치가 되어 있다. 다음의 통전 오프 기간인, 시각 T654와 T655의 사이에서는, 상전류의 극성은 부가 되고, 그 결과, 단자 전압은 정방향의 최대치가 된다. 그 결과, 단자 전압에 대하여 상전류는 위상 지연 상태가 된다.

더욱 적정한 구동으로 하기 위해서는, 상기의 원리에 근거해서, 통전 시의 전압 폭을 조정하고, 통전 오프 시에 단자 전압이 반전하도록 조정하면 좋다. 이렇게 하여 기동을 확인한 결과, 제3실시형태에서 설명한 제어 방식에 이행함으로써, 기동으로부터 동일 회로 수단으로 적절한 구동을 실현할 수 있다.

본 발명에 관련되는 모터 구동 제어 장치는, 사용 빈도가 높은 중회전수 영역에서의 구동 효율을 향상시키는 것과 고회전 구동의 양립을, 전류 센서 등을 사용하는 일 없이, 전압 위상의 변화에 맞추어서 시시각각 인가 전압을 조절할 필요도 없게 실현하는 것이 가능하게 되기 때문에, 냉매를 압축해서 냉열(冷熱)이나 온열(溫熱)을 얻는 히트 펌프(heat pump) 관계, 즉, 냉장고, 에어 컨디셔너(air conditioner), 히트 펌프식 온수 공급기 등은 물론, 펌프, 송풍기 등의 용도에도 적용할 수 있다.

1: 모터
2: 3상 브리지 회로
3: 정류 회로
4: 교류 전원
21: 전류 검출 수단
22: 진폭 검출 수단
25: 제어 회로
26u, 26v, 26w: 비교 회로

Claims (10)

1. 각각의 스위칭 소자에 병렬로 역방향에 전류를 흘려보내는 다이오드를 마련한 소자 군(群)에 의해 구성되는 3상 풀 브리지 회로를 갖추고, 직류 전원 혹은 교류 전원을 정류 평활해서 얻어진 의사(擬似) 직류 전원을 상기 3상 풀 브리지 회로에서 임의의 전압과 임의의 주파수의 의사 3상 교류로 변환해서, 모터를 원하는 회전수로 구동하는 모터 구동 제어 장치이며,
   상기 의사 3상 교류는, 각각의 상(相)을 정방향의 통전 기간 및 비통전 기간과 부방향의 통전 기간 및 비통전 기간을 주기적으로 반복하는 의사 3상 교류로서,
   비통전 기간에 있어서의 모터의 단자 전압을 검출해서, 단자 전압이 정(正)으로부터 부(負)로 변화되는 시각을 해당하는 상의 전류가 부로부터 정에 변화된 시각으로 하고, 단자 전압이 부로부터 정으로 변화되는 시각을 해당하는 상의 전류가 정으로부터 부에 변화된 시각으로 해서, 얻어진 각각의 전류 변화 시각에 근거하는 전류 위상과 전압 인가한 결과 발생한 모터 단자에 있어서의 교류 전압의 위상과의 차(差)가 원하는 값이 되도록 인가 전압의 위상을 조정하는 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 의사 3상 교류에 있어서, 통전 기간에 있어서의 각각의 브리지로부터 발생하는 단자 전압의 절대치가, 직류 부분의 중성점 전위에 대하여, 일정 전압인 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   실제의 회전 속도와 원하는 회전 속도와의 편차에 근거해서, 상기 통전 기간에 있어서의 각각의 브리지로부터 발생하는 단자 전압의 절대치를 조정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 단자 전압의 절대치를 실현 가능한 최대치로 해도 원하는 회전 속도를 하회할 경우에는, 비통전 기간의 비율을 증대시켜, 비통전 기간이 된 대략 직후에 전류 극성이 반전(反轉)하도록 통전 개시 위상을 조정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   모터 구동 제어 장치 혹은 모터 구동 제어 장치를 포함하는 시스템의 입력 전류 혹은 입력 전력을 검출하는 입력 검출 수단을 더 구비하고, 상기 입력 검출 수단의 출력을 회전수로 나눈 값으로부터 산출한 값에 근거해서, 상기 비통전 기간의 비율을 증대시키는 상한(上限)을 마련한 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   모터 구동 장치를 포함하는 시스템에 있어서, 모터 구동 이외의 부분에서 소비하는 전력의 대략의 값을 미리 알고 있을 경우에는, 상기 입력 검출 수단의 출력으로부터, 모터 구동 이외에서의 소비하는 전력 분량을 뺀 값을 상기 입력 검출 수단의 출력으로 하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.
7. 청구항 3에 있어서,
   상기 통전 기간에 발생하는 단자에의 인가 전압의 절대치가 실현 가능한 최대치에 대하여 작고, 또한, 원하는 회전 속도가 실현되고 있을 때에는, 통전 기간의 비율을 증대시켜, 비통전 기간에 있어서의 단자 전압이 반전한 시점의 대략 직후에 통전을 시작하도록, 통전 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   모터 구동 제어 장치 혹은 모터 구동 제어 장치를 포함하는 시스템의 입력 전류 혹은 입력 전력을 검출하는 입력 검출 수단을 더 구비하고, 상기 입력 검출 수단의 출력을 회전수로 나눈 값으로부터 산출한 값에 근거하여, 비통전 개시 위상과, 비통전 기간에 있어서의 단자 전압 반전의 위상과의 위상 차를 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   모터 구동 장치를 포함하는 시스템에 있어서, 모터 구동 이외의 부분에서 소비하는 전력의 대략의 값을 미리 알고 있을 경우에는, 상기 입력 검출 수단의 출력으로부터, 모터 구동 이외에서의 소비하는 전력 분량을 뺀 값을 상기 입력 검출 수단의 출력으로 하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.
10. 청구항 7 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서,
    기동(起動) 시에는, 각각의 상을 정방향의 통전 기간과 비통전 기간과 부방향의 통전 기간과 비통전 기간을 주기적으로 반복하는 의사(擬似) 3상 교류를 모터에 인가하고, 비통전 기간에 있어서, 단자 전압이 반전하도록, 인가 전압 폭을 조정하고, 비통전 기간에 있어서 단자 전압이 대략 착실하게 반전하는 것을 확인하는 동작을 경유시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.

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