(57)【要約】【課題】従来のモータ制御装置では、インバータ主回路に備えられたスイッチング素子は単方向の電流制御を行うスイッチング素子で構成されるため、単相交流電源を整流する整流回路が必要となり、交流電力から直流電力へ電力変換を行う際に変換損失が発生してしまうという課題を有していた。【解決手段】単相交流電源１を単素子で双方向に電流制御を行うことができるスイッチング素子を備え、直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力によりモータ３を駆動するインバータ主回路４と、全体の動作を制御する制御手段５とを備えることにより整流回路がないモータ制御装置を提供することができる。【選択図】図１
2010029044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電源を単素子で双方向に電流制御を行うことができるスイッチング素子を備え、前記単相交流電源入力を直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力によりモータを駆動するインバータ主回路と、装置全体の動作を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、電圧指令値に基づいて前記インバータ主回路内のスイッチング素子をオンオフするＰＷＭ信号のパルス幅増減制御と、前記ＰＷＭ信号のパルス幅の増大制御で前記電圧指令値に相当したインバータ出力電圧が得られない飽和状態となったときには前記ＰＷＭ信号の出力タイミングを早めてインバータ出力電圧の位相を進ませる弱め界磁制御とを行い、かつ、前記ＰＷＭ信号のパルス幅増減制御および前記弱め界磁制御は、前記インバータ主回路に印加される前記単相交流電源電圧の周期ごとにおけるＡ／Ｄサンプリングデータを用いて行われ、前記モータの電流量に依存する電機子反作用を考慮した相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定して位置センサレス駆動を行うことを特徴としたモータ制御装置。
【請求項２】
前記インバータ主回路に印加される電圧とＰＷＭ信号のパルス幅とモータの回転数とからモータの電流量を推定し、電機子反作用による相誘起電圧の進み位相角を前記推定した電流量により補正し、補正した相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定するようにした請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
電源投入時にインバータ主回路の入力端子間に接続されたコンデンサを充電するために流れる突入電流から周辺機器の回路を保護する突入電流防止回路を備えない構成とした請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記インバータ主回路が備える双方向スイッチング素子はノーマリオフ型、ダブルゲート型の少なくとも１つの特徴を有するＧａＮ半導体で構成された請求項１に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相交流電源から三相モータを可変速で駆動できるモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来のモータ制御装置について説明する。従来のこの種のモータ制御装置としては、特許文献１で開示された手段がある。
【０００３】
まず、特許文献１に記載された内容について図面を参照しながら説明する。図５に示したように、単相交流電源の出力を全波整流する整流回路と、前記整流回路の出力端子間に接続されて駆動対象であるモータからの回生電流を流すための小容量のコンデンサと、前記コンデンサに印加される電圧をスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力により前記モータを駆動するインバータ主回路と、全体の動作を制御する制御手段とを備えている。
【０００４】
上記構成において、制御手段は、電圧指令値に基づいて前記インバータ主回路内のスイッチング素子をオンオフするＰＷＭ信号のパルス幅増減制御と、前記ＰＷＭ信号のパルス幅の増大制御で前記電圧指令値に相当したインバータ出力電圧が得られない飽和状態となったときには前記ＰＷＭ信号の出力タイミングを早めてインバータ出力電圧の位相を進ませる弱め界磁制御とを行い、かつ、前記ＰＷＭ信号のパルス幅の増減制御および前記弱め界磁制御は前記コンデンサの小容量化に伴い発生する電源リプルの前記単相交流電源の周期ごとにおけるＡ／Ｄサンプリングデータを用いて行われ、前記モータの電流量に依存する電機子反作用を考慮した相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定して位置センサレス駆動を行う。
【特許文献１】特許第３７００５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような従来のモータ制御装置において、上記の特許第３７００５７６に開示されたモータ制御装置では、インバータ主回路に備えられたスイッチング素子は単方向の電流制御を行うスイッチング素子で構成されるため、単相交流電源を整流する整流回路が必要となり、交流電力から直流電力へ電力変換を行う際に変換損失が発生してしまうという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するもので、電力変換回数を減らすことで電力変換損失を低減させるモータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ制御装置は、単相交流電源を単素子で双方向に電流制御を行うことができるスイッチング素子を備え、直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力によりモータを駆動するインバータ主回路と、全体の動作を制御する制御手段とを備えたものである。
【０００８】
これにより単相交流電源を用いた電力変換回数を減らし、電力変換損失を低減させたモータ駆動を実現させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のモータ制御装置は、単相交流電源を用いた三相モータ駆動において、交流電力から直流電力への電力変換を行わないモータ駆動を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、単相交流電源を単素子で双方向に電流制御を行うことができるスイッチング素子を備え、直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力によりモータを駆動するインバータ主回路と、全体の動作を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、電圧指令値に基づいて前記インバータ主回路内のスイッチング素子をオンオフするＰＷＭ信号のパルス幅増減制御と、前記ＰＷＭ信号のパルス幅の増大制御で前記電圧指令値に相当したインバータ出力電圧が得られない飽和状態となったときには前記ＰＷＭ信号の出力タイミングを早めてインバータ出力電圧の位相を進ませる弱め界磁制御とを行い、かつ、前記ＰＷＭ信号のパルス幅の増減制御および前記弱め界磁制御は、前記インバータ主回路に印加される前記単相交流電源電圧の周期ごとにおけるＡ／Ｄサンプリングデータを用いて行われ、前記モータの電流量に依存する電機子反作用を考慮した相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定して位置センサレス駆動を行うようにすることで、
モータ電流に依存した電機子反作用の相誘起電圧に対する影響を補正し、補正した相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定して、位置センサレスの構成としながら安定な駆動を、整流回路の削除により電力変換回数および電力変換損失を低減した状態で実現することができる。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明のモータ制御装置において、前記インバータ主回路に印加される電圧とＰＷＭ信号のパルス幅とモータ回転数とからモータの電流量を推定し、電機子反作用による相誘起電圧の進み位相角を前記推定した電流量により補正し、補正した相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定するようにすることで、電流センサを用いずに、モータ電流に依存する電機子反作用の相誘起電圧への影響を補正することができる。
【００１２】
第３の発明は、従来必要とされた電源投入時にインバータ主回路入力端子間に接続されたコンデンサを充電するために流れる突入電流から周辺機器の回路を保護する突入電流防止回路を備えない構成とすることにより、全体の構成を簡略にし、部品点数を削減することができる。
【００１３】
第４の発明は、前記インバータ主回路が備える双方向スイッチング素子はノーマリオフ型、ダブルゲート型の少なくとも１つの特徴を有するＧａＮで構成されることにより、インバータ主回路における動作抵抗低減による導通損失低減、装置の信頼性向上を図ることができる。
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１５】
（実施の形態１）
以下、本発明のモータ制御装置の一実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は、本実施例の構成を示すブロック図、図２は、電機子反作用による相誘起電圧の進み位相角を示す波形図、図３は、インバータ主回路に印加される脈動電圧（単相電源からの出力電圧）と補正のタイミングとを示す波形図である。なお、図４に示した従来例と同じ構成要素には同一符号を付与している。
【００１７】
上記構成において、まず、単相交流電源１を整流回路２を介さず直接、双方向スイッチング素子を備えたインバータ主回路４により可変電圧・可変周波数の交流出力に変換し、三相モータ３を駆動する構成となっている。本実施例のモータ制御装置では、電源投入時
の突入電流による周辺機器の誤動作を防止するための突入電流防止回路８は組み込まれていない。
【００１８】
本実施例のモータ制御装置において、電機子反作用による相誘起電圧の進み位相角を考慮した位相制御を、相電圧検出手段５ａと相電流符号変化検出手段５ｂとスイッチング素子変調手段５ｃと電流値推定手段５ｄとにより行い、また、ＰＷＭ信号のパルス幅の増減制御および弱め界磁制御を、モータ駆動に作用するまでの遅延を考慮して、前記スイッチング素子変調手段５ｃと相電流符号変化検出手段５ｂと電源周波数検出手段５ｅとにより行う。
【００１９】
上記モータ制御において、スイッチング素子変調手段５ｃからの相印加電圧指令の符号が変化するタイミングと、相電圧検出手段５ａと相電流符号変化検出手段５ｂとにより検出された相電流の符号が変化するタイミングとの位相差を任意に設定する位相差制御については従来の技術と同じであるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００２０】
まず、電機子反作用による相誘起電圧の進み位相角を考慮した制御について説明する。無通電時の相誘起電圧は図２（ａ）に示したようになる。しかし、実際に三相モータ３を駆動している通電時では電機子反作用により図２（ｃ）に示したような電圧が重畳されて相誘起電圧は図２（ｂ）に示すようになる。ただし、ここでは説明を簡単にするため電機子反作用で発生する電圧を矩形波状に示している。このように電機子反作用の影響を受けると相誘起電圧のゼロクロスポイントは無通電時の相誘起電圧に比べて進むことになる。また、この電機子反作用による影響はモータ電流に依存するため、電流量が増加すると相誘起電圧のゼロクロスポイントの進み具合もθ１＜θ２と大きくなる。したがって、相電圧検出手段５ａおよび相電流符号変化検出手段５ｂによる相電流符号変化ポイントから三相モータ３の回転子位置を推定する位相制御では回転子位置情報を正しく検出することができない。
【００２１】
そこで、電流量により電機子反作用による影響を考慮するため、相電流符号変化検出手段５ｂから得る回転子位置情報を補正して位相制御を行う。ここで、電流値推定手段５ｄは、電機子反作用による影響の大小を判断する電流量を、インバータ主回路に印加される電圧Ｖｉｎｖ、ＰＷＭ信号のパルス幅、および三相モータ３の回転数から推定する。このように、電流量に依存する電機子反作用の影響を考慮して相誘起電圧の進み位相角θを補正することにより、電流量に伴う位置検出誤差をなくした位相制御を行うことができる。
【００２２】
つぎに、ＰＷＭ信号のパルス幅の増減制御および弱め界磁制御を、モータ駆動に作用するまでの遅延を考慮して行うことについて説明する。これらの制御は整流回路２および整流回路２の出力端子間に接続されたコンデンサ７をなくしたことにより生じる脈動電圧に起因する回転数変動を抑制している。
【００２３】
ここで、前記脈動電圧（単相交流電源電圧の絶対値の脈動）の周期は、図３に示したように、単相交流電源１の周期の半分となる。したがって、図３に示した期間ｔ１において単相交流電源１の半周期がわかれば補正すべき電源リプルの周期が明確になる。さらに、図３の期間ｔ１に電源リプルをＡ／Ｄサンプリングし、このサンプリング値をもとに期間ｔ２においてパルス幅の増減制御および弱め界磁制御を行うことで、前記パルス幅増減制御および弱め界磁制御のタイミングと三相モータ３への作用のタイミングの遅延を考慮した補正制御を行うことができる。このように、単相交流電源１の半周期前に対応する電源リプルのＡ／Ｄサンプリング値をもとに電源リプル補正を行うことでリアルタイムに補正制御を行った場合より確実に回転数変動を抑制することができる。
【００２４】
なお、上記遅延時間はステップ応答などによりあらかじめ測定した値を用いてもよい。
【００２５】
つぎに、電源投入時の突入電流から周辺機器の誤動作を防止するための突入電流防止回路８が不要になった理由について説明する。本実施例のモータ制御装置において、整流回路２および整流回路２の出力端子間に接続するコンデンサ７を不要にした場合、電源投入時に充電するコンデンサがなくなる。このため、突入電流防止回路８を設けなくても周辺機器が誤動作を起こすと言うことはなくなる。
【００２６】
以上のように本実施例によれば、位置センサを用いないため、圧縮機などのような密閉状態となる過酷な温度・圧力条件のもとでの駆動を実現させることができる。
【００２７】
さらに、整流回路２とコンデンサ７の削除に伴うインバータ主回路４の出力補正にモータ電流を増加させる弱め界磁制御を用いるモータ制御装置において、モータ電流量に依存する電機子反作用の影響を考慮した回転子位置検出を行うことで、位置検出誤差をなくした安定な駆動を実現できる。このとき、三相モータ３の回転数、ＰＷＭ信号パルス幅、およびインバータ主回路４の入力端子間電圧Ｖｉｎｖからモータ電流量を推定することで電流センサを用いることなく位置検出誤差を補正することができる。  また、脈動電圧の影響の補正に必要なＡ／Ｄサンプリングデータについては、単相交流電源周期ごとに半周期前のＡ／Ｄサンプリングデータを用いることにより、Ａ／Ｄサンプリング速度が高速、かつ処理能力の速い高性能マイコンを使用することなく電源リプルを予測して制御することができる。
【００２８】
さらに、整流回路２およびコンデンサ７を削除することにより、従来必要とされていた突入電流防止回路８が不要となり、部品点数を削減することができる。
【００２９】
つぎに、インバータ主回路の動作損失低減と装置の信頼性向上について説明する。
【００３０】
まず、動作損失については、従来のインバータ主回路４で用いられているＳｉ系のスイッチング素子と比較するとＧａＮの導通抵抗は理論的に１桁以上低くなるため動作時の導通損失を大幅に低減することができる。
【００３１】
信頼性向上については、ノーマリオン型ではなくノーマリオフ型のスイッチング素子を用いることでスイッチング素子を制御する制御系の異常等によるインバータ主回路４における電源短絡を回避することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上のように、本発明にかかるモータ制御装置は、電力変換回数を削減することによる損失低減を図ることができる上、整流回路、平滑回路、力率改善回路といった従来必要である回路を削除することによる低コスト化・小型化が可能であるため、装置の低コスト化・小型化が求められるあらゆるモータ制御装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のモータ制御装置の一実施例の構成を示すブロック図
【図２】電機子反作用による相誘起電圧の進み位相角を示す波形図
【図３】脈動電圧と補正のタイミングとを示す波形図
【図４】従来例における突入電流防止回路の構成を示す回路図
【図５】従来のモータ制御装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００３４】
１  単相交流電源
２  整流回路
３  三相モータ（モータ）
４  インバータ主回路
５  制御手段
５ａ  相電圧検出手段
５ｂ  相電流符号変化検出手段
５ｃ  スイッチング素子変調手段
５ｄ  電流値推定手段
５ｅ  電源周波数検出手段
６  位置センサ
７  コンデンサ
８  突入電流防止回路
８ａ  抵抗
８ｂ  リレー
【図１】
2010029044.tif 000003
【図２】
2010029044.tif 000004
【図３】
2010029044.tif 000005
【図４】
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【図５】
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