(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相電動機と、インバータと、インバータ母線電流を検出する電流検出手段と、前記インバータが出力する電圧値と前記電流検出手段により検出される電流値とから前記電動機の誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、推定された誘起電圧推定値に基づいて前記電動機の回転子磁極位置と回転速度を推定する回転子位置速度検出手段と、目標速度と推定された速度より比例積分（ＰＩ）演算を行なう速度ＰＩ演算手段と、前記速度ＰＩ演算手段で決定した補正値等に基づいて前記インバータを制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、前記ＰＷＭ信号生成手段で生成されたＰＷＭ信号のデューティを補正するデューティ補正手段とからなる電動機駆動装置において、前記電流検出手段がインバータ母線電流を検出している時間はＰＷＭ信号を変化させない様にデューティを補正する前記デューティ補正手段を有し、前記速度ＰＩ演算手段の速度比例ゲインを前記電動機の低速域において速度に応じて多段階あるいは直線的に可変し、低速になるほど大きくする電動機駆動装置。
【請求項２】
速度ＰＩ制御の速度比例ゲインを読み書き可能なメモリーに記憶することを特徴とした請求項１記載の電動機駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスＤＣモータなどの電動機を任意の回転数で駆動する電動機駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、空気調和機における圧縮機などの電動機を駆動する装置においては、地球環境保護の観点から消費電力を低減する必要性が大きくなっている。その中で、省電力の技術の一つとして、ブラシレスＤＣモータのような効率の高い電動機を任意の回転数で駆動するインバータなどが広く一般に使用されている。
【０００３】
さらに、駆動する技術としては、矩形波状の電流により駆動を行う矩形波駆動に対して、より効率が高く、騒音も低くすることが可能な正弦波駆動技術が注目されている。
【０００４】
空気調和機における圧縮機のような電動機を駆動する場合、電動機の回転子の位置を検出するセンサを取りつけることが困難であるため、回転子の位置を何らかの方法で推定しながら駆動を行う位置センサレス正弦波駆動の技術も発明されている。また、回転子の位置を推定する方法としては、電動機の誘起電圧を推定することにより行う方法がある。（例えば特許文献1参照）。
【０００５】
図９に位置センサレス正弦波駆動を実現するためのシステム構成を示す。
１は直流電源、２はインバータ、３はブラシレスモータ、４は固定子、５は回転子、６は制御部、７ｖと７ｗは電流センサである。ブラシレスモータ３は、中性点を中心にＹ結線された３つの相巻線４ｕ，４ｖ，４ｗが取付けられる固定子４、および磁石が装着されている回転子５を備える。Ｕ相巻線４ｕの非結線端にＵ相端子８ｕ、Ｖ相巻線４ｖの非結線端にＶ相端子８ｖ、Ｗ相巻線４ｗの非結線端にＷ相端子８ｗが接続される。
【０００６】
インバータ２は、一対のスイッチング素子が電流の上流側と下流側の関係に直列接続された直列回路を、Ｕ相用，Ｖ相用，Ｗ相用として３つ並列に有する。
これら直列回路に、直流電源１から出力されるＤＣ電圧が印加される。Ｕ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｕ、および下流側スイッチング素子１３ｕより成る。Ｖ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｖ、および下流側スイッチング素子１３ｖより成る。Ｗ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｗ、および下流側スイッチング素子１２ｗより成る。
【０００７】
そして、フリーホイールダイオード１４ｕ，１４ｖ，１４ｗ，１５ｕ，１５ｖ，１５ｗが、スイッチング素子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗと各々並列に接続される。インバータ２におけるスイッチング素子１２ｕと１３ｕの相互接続点、スイッチング素子１２ｖと１３ｖの相互接続点、およびスイッチング素子１２ｗと１３ｗの相互接続点に、ブラシレスモータ３の端子８ｕ，８ｖ，８ｗがそれぞれ接続される。
【０００８】
制御部６は、ブラシレスモータ３の相巻線４ｖ，４ｗに流れる電流を電流センサ７ｖ,７ｗによって検出し、この電流値をもとに誘起電圧を推定してインバータ２を制御する信号を出力する。以上のような回路構成にて、ブラシレスモータ３の駆動制御を行っている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−３５０４８９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の、誘起電圧の推定による位置センサレス正弦波駆動においては、駆動する電動機の相電流を検出するために、電流センサなどの検出器を最低でも２つ用いなければならず、駆動装置を構成する上でコストアップの要因となってしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は上記の課題を解決するもので、安価な構成で相電流を正確に検出し、低速回転域から高速回転域まで良質な駆動が可能で、かつ低速域での速度安定性に優れた電動機駆動装置を提供することを目的とする
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、インバータ母線電流にて３相電動機の各相の電流を検知し、インバータが出力する電圧値を検知し、前記電流および電圧から前記電動機の誘起電圧を推定し、この誘起電圧の推定値に基いて、前記電動機の回転子の磁極位置と回転速度を推定し、前記インバータを制御するPWM信号を生成し、このPWM信号をデューティ補正手段や速度比例ゲインの設定によって補正することで、低速回転域から高速回転域までの良質な駆動を安価な手法で実現するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、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。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は本願発明の第１の実施の形態の構成図である。
１は直流電源、２はインバータ、３はブラシレスモータ、４は固定子、５は回転子、６は制御部である。ブラシレスモータ３は、中性点を中心にＹ結線された３つの相巻線４ｕ，４ｖ，４ｗが取付けられる固定子４、および磁石が装着されている回転子５を備える。Ｕ相巻線４ｕの非結線端、すなわち中性点と反対側にＵ相端子８ｕが接続され、同様にＶ相巻線４ｖの非結線端にＶ相端子８ｖ、Ｗ相巻線４ｗの非結線端にＷ相端子８ｗが接続される。
【００１５】
インバータ２は、一対のスイッチング素子が電流の上流側と下流側の関係に直列接続された直列回路を、Ｕ相用，Ｖ相用，Ｗ相用として３つ並列に有する。
これら直列回路に、直流電源１から出力されるＤＣ電圧が印加される。
Ｕ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｕ、および下流側スイッチング素子１３ｕより成る。
【００１６】
Ｖ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｖ、および下流側スイッチング素子１３ｖより成る。Ｗ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｗ、および下流側スイッチング素子１２ｗより成る。
なお、フリーホイールダイオード１４ｕ，１４ｖ，１４ｗ，１５ｕ，１５ｖ，１５ｗが、スイッチング素子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗと各々並列に接続される。
【００１７】
インバータ２におけるスイッチング素子１２ｕ，１３ｕの相互接続点、スイッチング素子１２ｖ，１３ｖの相互接続点、およびスイッチング素子１２ｗ，１３ｗの相互接続点に、ブラシレスモータ３の端子８ｕ，８ｖ，８ｗがそれぞれ接続される。
【００１８】
インバータ２に印加されている直流電圧は、上述したインバータ２内のスイッチング素子などの回路によって三相の交流電圧に変換され、これによりブラシレスモータ３が駆動される。外部より与えられる目標速度を実現するべく、現在の速度との差異から、速度ＰＩ演算手段２１により補正値が演算され、演算された出力電圧を出力するために、ＰＷＭ信号生成手段９によりインバータ２のスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号が生成される。
【００１９】
ＰＷＭ信号はデューティ補正手段１９により補正を行った後、スイッチング素子を電気的に駆動するためのドライブ信号にベースドライバ１０により変換され、インバータ２に印加され、各スイッチング素子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗが駆動される。
【００２０】
続いて、制御部６での動作を簡単に説明する。インバータ母線に配した電流検出手段１１ により検出されたブラシレスモータ３の相電流と、ＰＷＭ信号生成手段９で演算される出力電圧と、インバータ印加電圧検出手段１６が検出したインバータ印加電圧の情報から、ブラシレスモータ３の誘起電圧が誘起電圧推定手段１７により推定される。
【００２１】
さらに、推定された誘起電圧から、回転子位置速度推定手段１８でブラシレスモータ３の回転子磁極位置および速度を推定する。回転子磁極位置（角度）の情報に基づいて角度ＰＩ演算手段２０で比例積分演算し算出した補正値と、推定された速度に基づいて速度ＰＩ演算手段２１にて比例積分演算し算出した補正値の、双方の補正値に基づきＰＷＭ信号生成手段９でブラシレスモータ３を駆動するためのＰＷＭ信号が生成される。このようにして推定された回転子５の速度と、外部から与えられる目標速度との偏差等の情報から、回転子速度が目標速度となるように制御される。
【００２２】
次に、誘起電圧推定手段１７の動作について説明する。電流検出手段１１は、検出された各相の巻線に流れる相電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を検出する。また、ＰＷＭ信号生成手段９で演算される出力電圧と、インバータ印加電圧検出手段１６が検出したインバータ印加電圧の情報から、各相の巻線に印加される相電圧（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）が求められる。
【００２３】
原理的には、これらの値から、下記式（１）（２）（３）の演算により、各相の巻線に誘起される誘起電圧値ｅｕ、ｅｖ、ｅｗが求められる。ここで、Ｒは抵抗、Ｌはインダクタンスである。また、ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔはそれぞれｉｕ、ｉｖ、ｉｗの時間微分である。
【００２４】
ｅｕ  ＝  ｖｕ  −  Ｒ・ｉｕ  −  Ｌ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ      ・・・（１）
ｅｖ  ＝  ｖｖ  −  Ｒ・ｉｖ  −  Ｌ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ      ・・・（２）
ｅｗ  ＝  ｖｗ  −  Ｒ・ｉｗ  −  Ｌ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ      ・・・（３）
式（１）（２）（３）をさらに詳細に展開すると式（４）（５）（６）となる。
【００２５】
0003675431.tif 000002
0003675431.tif 000003
ここで、ｄ／ｄｔは時間微分を表し、三角関数に関する微分の演算に現れるｄθ／ｄｔには推定速度ωｍを電気角速度に変換したものを用いる。また、ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔは、１次オイラー近似で求める。なお、ｗ相電流値ｉｗとｕ相電流値ｉｕとｖ相電流値ｉｖは式（１４）で表される関係を持つ。ここで、Ｒは巻線一相あたりの抵抗、ｌａは巻線一相あたりの漏れインダクタンス、Ｌａは巻線一相あたりの有効インダクタンスの平均値、およびＬａｓは巻線一相あたりの有効インダクタンスの振幅である。
【００２６】
誘起電圧推定手段１７においては、式（４）（５）（６）を簡略化した、式（７）（８）（９）を使用する。簡略化は、相電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが正弦波であると仮定し、電流指令振幅ｉａと電流指令位相βＴとから相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを作成し、簡略化したものである。
【００２７】
0003675431.tif 000004
次に、回転子位置速度推定手段１８の動作について説明する。誘起電圧推定手段１７により推定された推定誘起電圧値ｅｕ、ｅｖ、ｅｗから、回転子５の位置と速度を推定する。これは、回転子位置速度推定手段１８が推定する推定角度θｍを誘起電圧の誤差を用いて補正することにより、真値に収束させるものである。
また、そこから、推定速度ωｍを作成する。まず、各相の誘起電圧基準値（ｅｕｍ、ｅｖｍ、ｅｗｍ）を以下の式で求める。
【００２８】
ｅｕｍ  ＝  ｅｍ・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ）
ｅｖｍ  ＝  ｅｍ・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ−１２０°）
ｅｗｍ  ＝  ｅｍ・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ−２４０°）          ・・・（１０）
ここで、ｅｍ：誘起電圧振幅値は、推定誘起電圧ｅｕ、ｅｖ、ｅｗの振幅値と一致させることにより求める。この様にして求めた誘起電圧基準値と誘起電圧推定値との偏差εを作成する。
【００２９】
下記式（１１）のように、誘起電圧推定値ｅｓから誘起電圧基準値ｅｓｍを減算したものを偏差εにする。
【００３０】
ε  ＝  ｅｓ  −  ｅｓｍ                                  ・・・（１１）
（但し,ｓ：相 ｕ、ｖ、ｗ）
この偏差が、０になれば推定角度θｍが真値になるので、偏差εを０にするように角度ＰＩ演算手段２０で推定角度θｍを比例積分演算し補正値をＰＷＭ信号生成手段９に送信する。また、回転子位置速度検出手段１８で推定角度θｍの変動値を演算することにより、推定速度ωｍを作成し、速度ＰＩ演算手段２１に送信する。
【００３１】
速度ＰＩ演算手段２１では、目標速度ω＊を実現するために、目標速度ω＊と推定速度ωｍとの差Δωにより
ＫＰΔω＋ＫＩΔω                                        ・・・（１２）
（但し、ＫＰ：比例ゲイン、ＫＩ：積分ゲイン）
の補正値をＰＷＭ信号生成手段９に送信する。ＰＷＭ信号生成手段９では角度ＰＩ演算手段２０と速度ＰＩ演算手段２１からの補正値に基づき、出力するべき電圧Ｖ＊を計算し、電圧値Ｖ＊から各相に出力するべき電圧Ｖｓ＊（ｓ：相 ｕ、ｖ、ｗ）を以下の様にして求める。
【００３２】
Ｖｕ＊  ＝  Ｖ＊・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ）
Ｖｖ＊  ＝  Ｖ＊・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ−１２０°）
Ｖｗ＊  ＝  Ｖ＊・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ−２４０°）          ・・・（１３）
さらに、このようにして求められた電圧Ｖｓ＊（ｓ：相 ｕ、ｖ、ｗ）を出力するための各スイッチング素子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗへのＰＷＭ信号は、デューティ補正手段１９により補正され、ベースドライバ１０を通して出力した後、各スイッチング素子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗが駆動して正弦波状の交流を生成する。
【００３３】
このように本実施例では、推定誘起電圧値と誘起電圧基準値との偏差εを用いて推定角度θｍを作成し、正弦波状の相電流を流すことによりブラシレスモータ３の正弦波駆動を実現している。
【００３４】
ここで、インバータ母線に流れる電流にブラシレスモータ３の相電流が現れる様子を、図２〜６を用いて説明する。図２は、ブラシレスモータ３の各相の巻線に流れる相電流の状態を電気角の区切り毎に表した図である。電気角０〜６０°の区間においては、Ｕ相巻線４ｕとＷ相巻線４ｗには非結線端から中性点に向けて、Ｖ相巻線４ｖには中性点から非結線端に向けて電流が流れていることを示している。
【００３５】
電気角６０〜１２０°の区間においては、Ｕ相巻線４ｕには非結線端から中性点に向けて、Ｖ相巻線４ｖとＷ相巻線４ｗには中性点から非結線端に向けて電流が流れていることを示している。以降、電気角６０°毎に各相の巻線に流る相電流の状態が変化していく様子が示されている。
【００３６】
例えば、図２において電気角３０°の時にＰＷＭ信号生成手段９で生成されたＰＷＭ信号が図３のように変化した場合（Ｕはスイッチング素子１２ｕを、Ｖはスイッチング素子１２ｖを、Ｗはスイッチング素子１２ｗを、Ｘはスイッチング素子１３ｕを、Ｙはスイッチング素子１３ｖを、Ｚはスイッチング素子１３ｗを動作させる信号で、アクティブＨｉで記載）、インバータ母線には図４に示すようにタイミング▲１▼では０、タイミング▲２▼ではＷ相巻線４ｗに流れる電流、タイミング▲３▼ではＶ相巻線４ｖに流れる電流が現れる。
【００３７】
他にも、図２において電気角３０°の時にＰＷＭ信号生成手段９で生成されたＰＷＭ信号が図５のように変化した場合、インバータ母線には図６に示すようにタイミング▲１▼では０、タイミング▲２▼ではＵ相巻線４ｕに流れる電流、タイミング▲３▼ではＶ相巻線４ｖに流れる電流が現れる。
【００３８】
このように、インバータ２のスイッチング素子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗの状態によってインバータ母線にブラシレスモータ３の相電流が現れることが分かる。
【００３９】
上述のように近接したタイミングでニ相分の電流を判断することができれば、
ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０                                      ・・・（１４）
の関係から三相それぞれの電流が求められることは明白である。
【００４０】
しかしながら、図２において電気角３０°の時にＰＷＭ信号生成手段９で生成されたＰＷＭ信号が図７のように変化した場合、インバータ母線にはタイミング▲１▼で０、タイミング▲３▼でＶ相巻線４ｖに流れる電流しか現れない。このような変化のＰＷＭ信号が繰り返されると三相それぞれの電流を求めることができず、誘起電圧推定手段１７で誘起電圧の推定が不能になり、ブラシレスモータ３の駆動ができなくなる。
【００４１】
デューティ補正手段１９では上記のような不具合を回避すべく、ブラシレスモータ３の各相の巻線に流る相電流を検出する必要が生じた際には、ＰＷＭ信号生成手段９で生成されるＰＷＭ信号をチェックし、万が一、図７のような信号変化だった場合、例えば図３に示したようなＰＷＭ信号に補正する。
【００４２】
なお、図３にインバータ母線電流を１例として示しているが、スイッチング時に電流の振動が発生する。また、電流検出手段１１にはノイズ等が重畳する。これらの影響を取り除くために、ＰＷＭ信号生成手段９ではローパスフィルタ等を有している。
【００４３】
以上の補正やローパスフィルタによりパルス幅が小さい時（低速度時）の安定性、応答性が若干悪くなるが、速度ＰＩ演算手段２１にて速度比例ゲインＫＰの値を図８に示す速度に応じた多段階の設定とすることで負荷に応じた最適な速度比例ゲインＫＰを設定し、ハンチングや過電流の発生を抑制している。
【００４４】
図８において▲１▼よりも速度比例ゲインＫＰを大きくすると制御が敏感になりすぎインバータ２の各スイッチング素子に過電流が流れる状態となり▲２▼よりも小さくするとゲイン不足で応答が悪くハンチングが発生することとなるが、多段階の細かな設定によって本不具合が発生するのを防止している。
【００４５】
さらに、速度比例ゲインＫＰ値を制御部６の外部から読み書き可能なメモリー２１ａ（ＥＥＰＲＯＭ等）に記憶することで、３相電動機を用いた圧縮機等の容量差等による負荷の差に応じた値をメモリー２１ａに記憶させることで各負荷に対応した値とすることができ、マイクロコンピュータのＲＯＭを変更することなく電子制御装置の共通化を図っている。
【００４６】
また、デューティ補正手段１９から出力されたＰＷＭ信号のデューティ情報が電流検出手段１１ に入力され、電流検出手段１１ではインバータ母線電流にブラシレスモータ３のどの相の電流が現れているのか判断しながら三相それぞれの電流に変換し、以降の誘起電圧推定手段１７での誘起電圧の推定演算に活用される。
以上のように、インバータ母線電流を検知する電流検出手段１１とデューティ補正手段１９によりブラシレスモータ３の各相の巻線に流れる相電流を検出可能とし、速度ＰＩ演算手段２１にて速度比例ゲインＫＰの値を速度に応じた多段階の設定とすることで低速度の安定性を向上させている。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明の電動機駆動装置によれば、電流検出手段をインバータと電動機間の線間に少なくとも２つ以上設けることのない安価なシステム構成で低速度から高速度まで安定した正弦波駆動を実現することができるという効果を奏する。
【００４８】
また、速度ＰＩ制御の速度比例ゲインを読み書き可能なメモリーに記憶することで、メモリーのデータを変更するだけで種々の負荷（３相電動機や使用する製品の差等）に対応可能となり、マイクロコンピュータや電子制御装置の共通化が図れるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電動機駆動装置の第１の実施の形態における構成図
【図２】電動機の相電流状態の時間的変化の一例を表す図
【図３】ＰＷＭ信号の変化の一例を表す図
【図４】図３における、ＰＷＭ信号の変化時に電動機、インバータに流れる電流状態を表す図
【図５】ＰＷＭ信号の変化の一例を表す図
【図６】図５における、ＰＷＭ信号の変化時に電動機、インバータに流れる電流状態を表す図
【図７】ＰＷＭ信号の変化の一例を表す図
【図８】速度ＰＩ演算手段の速度比例ゲインＫＰ設定値を示す図
【図９】従来例を表すブロック図
【符号の説明】
２  インバータ
３  ブラシレスモータ（３相電動機）
９  ＰＷＭ信号生成手段
１１  電流検出手段
１６  インバータ印加電圧検出手段
１７  誘起電圧推定手段
１８  回転子位置速度推定手段
１９  デューティ補正手段
２１  速度ＰＩ演算手段
２１ａ  メモリー
【図１】
0003675431.tif 000005
【図２】
0003675431.tif 000006
【図３】
0003675431.tif 000007
【図４】
0003675431.tif 000008
【図５】
0003675431.tif 000009
【図６】
0003675431.tif 000010
【図７】
0003675431.tif 000011
【図８】
0003675431.tif 000012
【図９】
0003675431.tif 000013