(57)【要約】  【課題】回路素子への影響のない、ごく短時間生ずる電流変動や、回路素子およびモータの温度変化に対して柔軟に対応した保護手段に関する。【解決手段】モータ電流に流れる電流を推定するモータ電流推定手段を設け、これら手段より検出した電流の大きさ、および通電時間に応じて過電流保護と判断する条件を可変とすることで低コストかつ適切にシステム保護を実現する電動機の制御装置を構成する。【選択図】  図３
2020014266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数相の巻線を有する電動機と、直流電圧を可変周波数、可変電圧の正弦波の交流電圧に変換し、前記電動機に供給するインバータと、インバータのスイッチング素子をスイッチングするドライバ回路と、スイッチング信号を生成する制御部とを備え、なおかつモータに流れる電流を直接検出するための手段を有さない電動機の制御装置において、
インバータに流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段をもとにモータ電流に流れる電流を推定するモータ電流推定手段を設け、これら手段より検出した電流の大きさ、および通電時間に応じて過電流保護と判断する条件を可変とすることを特徴とした電動機の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電動機の制御装置において、前記電流検出手段により得られた電流情報に加え、インバータ、電動機の温度条件を過電流保護と判断する条件に反映させることを特徴とする、電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項１〜２記載の電動機の制御装置を、電気掃除機の制御装置としたことを特徴とする電気掃除機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の制御装置に関し、特にモータ電流検出手段を省略したセンサレス方法における保護装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電動機の制御装置において、電動機の磁極位置を検出するための磁極位置センサ、あるいはモータ電流センサを省略することによるセンサレス制御技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１による技術では、突極性を持つ同期モータの回転子位置を誘起電圧の位相から正確に推定できる回転子位置推定方法と、この推定方法を適用して高速運転、あるいは負荷急変や急加減速運転を安定に行うことができる方法が考案されている。この方式により、モータ電流センサのみで制御を行うことが可能となる。
【０００４】
また、非特許文献１による技術は、前記方式を発展させた方式であり、特許文献１の位置センサレス技術において必要なモータ相電流情報を、インバータの直流側に流れる電流を検出する、直流シャント抵抗から再現することを特徴としている。このため、モータ電流センサを省略した制御装置を提供することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２５１８８９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】２０１４年電気学会産業応用部門論文誌Ｖｏｌ．１３４、Ｎｏ．６ｐｐ５７９〜５８７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本方式によるシステムでは、回路素子保護、および減磁などによるモータ保護のためにインバータの出力を制限あるいは停止する必要がある。一般的には電流検出手段に過電流保護手段を設け、ある決められた閾値を所定時間経過すると、回路素子への通電を停止するよう構成される。
【０００８】
しかしこの方法では、回路素子への影響のない、ごく短時間生ずる電流変動や、回路素子およびモータの温度変化に対して柔軟に対応できず、高コスト設計となるおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
課題を解決するため、本発明では、複数相の巻線を有する電動機と、直流電圧を可変周波数、可変電圧の正弦波の交流電圧に変換し、前記電動機に供給するインバータと、インバータのスイッチング素子をスイッチングするドライバ回路と、スイッチング信号を生成する制御部とを備え、なおかつモータに流れる電流を直接検出するための手段を有さない電動機の制御装置において、インバータに流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段をもとにモータ電流に流れる電流を推定するモータ電流推定手段を設け、これら手段より検出した電流の大きさ、および通電時間に応じて過電流保護と判断する条件を可変とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低コストかつ適切にシステム保護を実現する電動機の制御装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例である、位置センサレス、電流センサレス方式によるインバータ構成図。
【図２】電気掃除機の外観図。
【図３】本発明の実施例であり、電動機が空転中でも再起動可能させるために必要な空転中位相検出系を備えた、制御ブロック図。
【図４（ａ）】本実施例で示される過電流検出条件のタイミングチャート。
【図４（ｂ）】本実施例で示される過電流検出条件のタイミングチャート。
【図４（ｃ）】本実施例で示される過電流検出条件のタイミングチャート。
【図４（ｄ）】本実施例で示される過電流検出条件のタイミングチャート。
【図５】本実施例で示される過電流検出条件と温度の依存関係を定めるグラフのタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、添付した図面を参照し、本発明による実施形態について、詳細に説明する。
【００１３】
図２は、本発明に関わる電気掃除機の外観であり、縦収納姿勢の電気掃除機１０を充電台２０に設置した状態を図示している。
【００１４】
図１は、本発明に関わるモータ制御装置の基本構成図である。図１において、モータ制御装置はエネルギを供給する充電池１００、平滑コンデンサ１０１、負荷としてのファン１０２が取り付けられた電動機１０３、直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を電動機１０３に出力するインバータ回路１０４、それを駆動するドライバ回路１０５、ドライバにＰＷＭ信号を出力するマイクロコンピュータ（マイコン）１０６、電源電圧を検出する為の電圧検知手段１０７、掃除機のスイッチ入切信号を伝える手元スイッチ（スイッチ信号生成部）１０８、インバータ回路１０４からの電力出力を停止し、電動機１０３が空転しているときに磁極位置信号を生成する位相検出手段１０９、直流電流検出手段１１０、過電流検出手段１１１、直流電流検出抵抗１１７、とを備えて構成されている。
【００１５】
このように、本実施例は直接、磁極位置やモータ電流を検出する手段を省略した、センサレス構成となっている。
【００１６】
なお、本図ではエネルギ供給手段として充電池を用いているが、交流電力を直流電力に変換する手段を用いることにより、直流電力を利用することも可能である。
【００１７】
スイッチ信号生成部１０８からのスイッチ信号１１２が入の状態になると、マイコン１０６は充電池１００の電圧を電圧検知手段１０７によって、また、磁極位置を直流電流検出手段１１０から得た電流情報１１４をもとにして出力演算を行い、ドライバ回路１０５にＰＷＭ波形を出力する。インバータ回路１０４はこの出力を受けて駆動され、電源１００からの直流電力を交流電力として電動機１０３へ供給する。この結果、電動機１０３とそれに取り付けられたファン１０２が回転し、吸い込み力が発生、ゴミを吸引する風力を得る。
【００１８】
スイッチ信号１１２が入から切になると、マイコン１０６は、位相検出手段１０９からの信号を受け付け、空転中の電動機１０３の状態を監視する。位相検出手段１０９は、電動機１０３とインバータ回路１０４を結ぶ各相の配線１１６からそれぞれの逆起電力を検出し、位相信号１１３としてマイコン１０６へ出力する。
【００１９】
また、スイッチ信号生成部１０８は、入切情報の他にも数種類の動作モードを持っている。マイコン１０６は、それぞれの動作モードに応じて回転数等の制御を行い、吸い込み力に変化をつける。
【００２０】
次に、図３を用いて、マイコン１０６内の動作について説明する。
【００２１】
図３において、マイコン１０６の動作は、ベクトル制御系２００、空転中位相検出系３００から構成されている。
【００２２】
ベクトル制御系２００は、従来例１、２で提案するスマートベクトル方式であり、磁極位置センサ、モータ電流センサを省略した構成に対応している。詳細は前掲の参考文献に記載のものであるため、ここでは概略のみ説明する。
【００２３】
まず、相電流再現器２０１により、直流電流の電流情報１１４から得た情報からモータ電流を再現する。これを、ｄ−ｑ変換器２０２により３相のIu、Iv、Iwの交流電流情報から回転座標系に変換し、トルク電流成分Iqcと、励磁電流成分Idcに変換する。
【００２４】
また、回転子位置推定器２２０は、これらのIdc、Iqcと、電圧指令演算器２４０の出力である電圧指令値Vdc*、Vqc*をもとにして、制御系で推定した磁極位置と、実際の電動機１０３との磁極位置のずれΔθcを算出する。ずれΔθcは、ＰＬＬ制御器２２１によって周波数指令値ω1に反映される。
【００２５】
電圧指令演算器２４０は、Id*、Iq*、ω1*から出力する電圧指令値Vd*、Vq*を演算する。ｄ−ｑ変換器２４２は、前記電圧指令値Vdc*、Vqc*を３相交流成分であるVu*、Vv*、Vw*に変換し、ＰＷＭ生成回路２４３へ出力する。
【００２６】
ＰＷＭ回路２４３はこれらのVu*、Vv*、Vw*と、電圧検知手段１０７から得た情報Edcをもとに、出力パルスをドライバ１０５へ出力し、１０５はインバータ回路へパルスをインバータ回路１０４へ出力する。
【００２７】
なお、励磁電流指令値Id*はｄ軸電流生成器２４１で、トルク電流指令値Iq*は、（トルク電流フィードバック値）トルク電流成分Iqcからフィルタ２４４を介することによって求めている。
【００２８】
空転中位相検出系３００は、インバータ回路１０４のパルス出力が停止し、電動機１０３が空転している時に動作するもので、電動機１０３が空転中の状態から再起動できるようにするものである。
【００２９】
空転時位相検出器３０１は、位相検出手段１０９からの信号１１３を受け、信号レベルがＨ→Ｌ、あるいはＬ→Ｈに変化したときのタイミングで位相θfrを更新する。
【００３０】
空転時周波数計測器３０２は、空転時位相検出器３０１と同様に信号１１３の信号を受け、その信号レベルの変化ごとに電動機１０３の空転時周波数ωfrを演算する。
【００３１】
スイッチ３１０は、電動機１０３が空転中であるか否かによって、使用する指令値を切り替えるものである。
【００３２】
空転時、スイッチ３１０は状態Ａを選択する。このため、位相検出手段１０９からの位相信号１１３は空転時位相検出器３０１、空転時周波数計測器３０２で検出され、空転時の電動機１０３の状態を監視できるようになる。
【００３３】
また、電圧指令生成器２４０への電流指令値Id*、Iq*として０を選択し、周波数指令として、空転時周波数ωfrを選択する。この結果、空転中の電圧指令値を常に演算することが可能となるため、空転中から電動機１０３を再起動させる際、この電圧指令値を即座に利用することが可能となる。
【００３４】
電動機１０３が完全停止している、あるいはインバータ回路１０４が電動機１０３へ電力を出力している状態において、スイッチ３１０は状態Ｂを選択する。このため、空転中位相検出系３００はベクトル制御系に何ら影響を与えない。
【００３５】
以下、本実施例における保護動作の流れを、図４、図５を用いて説明する。
【００３６】
図４は、本実施例における、過電流保護として動作すべき条件を示したものである。
【００３７】
図４（ａ）は、従来の過電流検出方法の典型例を示したものである。この図の場合、モータ相電流の定格電流の１８０％値を過電流閾値とし、数μｓ(例えば２μｓ程度)の期間超えると過電流異常とし、マイクロコンピュータ１０６からのパルス出力を停止する。
【００３８】
図４（ｂ）はモータ相電流の定格電流の１５０％値を期間Ｔ１の間超えたときにパルス出力を停止する。このような場合、ごく短時間、定格電流の１５０％を超えただけでは過電流異常とはせず、運転継続させることが可能である。実際にはインバータ回路１０４、および電動機１０３の耐力に合わせて閾値を設定する。この結果、ごく短時間しか流れない電流の変化に対しては過電流異常とせず運転継続することで、より使い勝手のよいシステムを実現できる。
【００３９】
図４（ｃ）は、モータ実効電流値を監視し、その電流が期間Ｔ２を超えると過電流と判定するものである。実効電流値で監視することで、システム全体の兆候を容易にかつ全般的にとらえることが可能となり、異常の予兆をとらえやすくなる。
【００４０】
図４（ｄ）は、モータ実効電流値の変化量を監視する方法である。ある監視期間Ｔ３の間、電流Ｉ１とＩ２の変化量が所定の閾値を超える場合、たとえ実際の電流値が過電流レベルに達していなかったとしても過電流と判断するものである。このような場合はインバータ回路１０４の故障、あるいは電動機１０３の脱調や減磁がきっかけとなって発生することがあり、大電流が流れる前にパルス出力を止めることでシステムの安全性を高めることができる。
【００４１】
図５は、基板温度に対し過電流閾値を可変させている例を示す。
【００４２】
一般的に、半導体素子は発熱に対し過電流耐力が少なくなる傾向にあるが、温度条件によってはより多くの電流を流すことも可能である。例えば図４（ａ）の過電流条件を図５のように設定することで、低温環境下ではより多くの出力を出せる制御装置を構成できる。なお本実施例は、ある温度を超えると曲線状に過電流閾値を下げるよう記載しているが、電流閾値を変化させる温度条件、変化の度合いについてはこの形式に限られるものではない。また適用する過電流条件についても、図４（ａ）〜（ｄ）のそれぞれに個別に反映させることが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１００            充電池
１０１            コンデンサ
１０２            ファン
１０３            電動機
１０４            インバータ
１０５            ドライバ回路
１０６            マイクロコンピュータ
１０７            電圧検知手段
１０８            手元スイッチ
１０９            位相検出手段
１１０            直流電流検出器
１１１            過電流検出回路
１５０〜１５３        分圧抵抗
１６０            コンパレータ
２０１            相電流再現器
２０２            ３相交流電流→回転座標系変換器（ｄ−ｑ変換器）
２２０            回転子位置推定器
２２１            ＰＬＬ制御器
２４０            電圧指令演算器
２４１            ｄ軸電流生成器
２４２            回転座標系→３相交流電圧変換器（ｄ−ｑ変換器）
２４３            パルス幅変調部
２４４            電流指令作成部
３０１            空転時位相検出器
３０２            空転時周波数計測器
３１０            空転時／他状態切替器
Edc            直流電圧
Iu            Ｕ相モータ電流
Iv            Ｖ相モータ電流
Iw            Ｗ相モータ電流
IDC            直流電流検出値
ｄ軸            永久磁石回転子磁束方向の位置の軸
ｑ軸            ｄ軸に対し回転方向に９０度進んだ位置の軸
ｄｃ軸            制御上の仮想回転子位置の軸
ｑｃ軸            ｄｃ軸に対し回転方向に９０度進んだ位置の軸
Idc            仮想ｄｃ−ｑｃ座標系における電流のｄｃ軸成分
Iqc            仮想ｄｃ−ｑｃ座標系における電流のｑｃ軸電流
Δθc            ｄ−ｑ実座標系とｄｃ−ｑｃ仮想座標系との軸ずれ位相角
Δω1            ｄ−ｑ実座標系とｄｃ−ｑｃ仮想座標系との軸ずれ周波数
ω1            制御軸の回転速度（インバータ出力周波数）
ωｒ*            モータ速度指令（周波数指令）
Id*            ｄ軸電流指令
Iq*            ｑ軸電流指令
Vdc*          ｄｃ軸電圧指令
Vqc*          ｑｃ軸電圧指令
Vu            Ｖ相モータ電圧指令
Vv            Ｖ相モータ電圧指令
Vw            Ｖ相モータ電圧指令
ωfr            空転周波数
θfr            空転時位相角
【図１】
2020014266.tif 000003
【図２】
2020014266.tif 000004
【図３】
2020014266.tif 000005
【図４（ａ）】
2020014266.tif 000006
【図４（ｂ）】
2020014266.tif 000007
【図４（ｃ）】
2020014266.tif 000008
【図４（ｄ）】
2020014266.tif 000009
【図５】
2020014266.tif 000010