(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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ようにしたモータ制御装置。
【請求項２】
整流回路の出力端子間電圧と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した請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
電源投入時に整流回路の出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記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
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、特開平１０-１５０７９５号公報、および特開２０００-８３３９７号公報などに開示された手段がある。
【０００３】
まず、特開平１０−１５０７９５号公報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４に示したように、単相交流電源１の出力を全波整流する整流回路２と、整流回路２の整流出力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三相モータ３を駆動するインバータ主回路４と、インバータ主回路４を制御する制御手段５と、三相モータ３の回転子位置の情報を与える位置センサ６とを備え、前記制御手段５は、電圧指令値に基づいて前記インバータ主回路４内のスイッチング素子をオンオフさせるためのＰＷＭ信号を発生する信号発生手段を備えている。
【０００４】
上記構成において、制御手段５は、電源リプルに対応して前記信号発生手段により常に所望のインバータ出力電圧を得ることができるようにＰＷＭ信号のパルス幅の増減制御を行い、最大パルス幅において所望のインバータ出力を得ることができない飽和状態となった場合には、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て所望のインバータ出力を得ることを可能にしている。
【０００５】
つぎに、特開２０００−８３３９７号公報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１の出力を全波整流する整流回路２と、整流回路２の整流出力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三相モータ３を駆動するインバータ主回路４と、インバータ主回路４を制御する制御手段５とを備え、制御手段５は、同一相におけるスイッチング素子のデッドタイム期間中の三相モータ３の端子電圧を検出する相電圧検出手段５ａと、相電圧検出手段５ａにより検出された前記端子電圧から相電流の符号が変化したタイミングを検出する相電流符号変化検出手段５ｂと、前記相電流符号変化タイミングと相印加電圧との位相差に基づいてＰＷＭ信号を発生するスイッチング素子変調手段５ｃとを備えている。
【０００６】
上記構成において、スイッチング素子のデッドタイム期間中の三相モータ３の端子電圧を相電圧検出手段５ａにより検出することにより相電流の符号を検出し、この相電流の符号変化を相電流符号変化検出手段５ｂにより検出する。検出された相電流符号変化タイミングより三相モータ３の回転子位置を推定し、スイッチング素子変調手段５ｃにより、この相電流符号変化タイミングと相印加電圧との位相差制御を行う。
【０００７】
また、平滑用および回生電流用として十分大きな容量のコンデンサ７を備えたコンデンサ入力型の整流回路２では、図６に示したように、抵抗８ａとリレー８ｂとにより構成される突入電流防止回路８が備えられている。これは電源投入直後の少しの間は抵抗８ａを介してコンデンサ７を充電し、その後、リレー８ｂをオンとすることにより電源投入時に大きな充電電流(突入電流)が流れて単相交流電源１としての商用電源の電圧が一瞬低下することによる周辺機器の誤動作を防止している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のモータ制御装置において、上記の特開平１０−１５０７９５号公報に開示されたモータ制御装置では、モータ駆動に必要不可欠な三相モータ３の回転子位置情報を位置センサ６により検出しているため、この位置センサ６が過酷な温度・圧力条件にさらされる圧縮機などのような密閉状態での駆動を実現させることができない。また、上記の特開２０００−８３３９７号公報などが開示している従来の位置センサレス駆動手段を用いると、コンデンサ７の小容量化に伴うインバータ主回路４の出力補正に相電流が増加する弱め界磁制御を用いる前記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の影響が大きくなるため、三相モータ３の相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定する従来の技術では、位置検出誤差が大きくなると言う問題があった。
【０００９】
また、単相交流電源１を整流したのちの電源リプルは電源周波数の２倍の周波数となるため、１００Ｈｚまたは１２０Ｈｚの電源リプルをＰＷＭ信号のパルス幅の増減制御および弱め界磁制御により補正する必要がある。これらの補正による効果が実際にモータの駆動に作用するまでにはある期間が必要となる。このためリアルタイムにこれらの補正を行う上記制御方法では、駆動対象である三相モータ３の回転数変動やこれに伴う振動、騒音を十分に抑制できないと言う問題があった。
【００１０】
さらに、整流回路２の出力端子間に接続されたコンデンサ７の容量が十分大きな場合、電源投入時にコンデンサ７を充電するために流れる突入電流を防止するために突入電流防止回路８を挿入する必要があり、部品点数が多くなると言う問題があった。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するもので、コンデンサ７の容量を少なくする、またはなくすことにより、突入電流防止回路８を不要とし、さらに、三相モータ３の相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定する手法において、モータ電流に依存した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回転子位置推定を行うことで正確な回転子位置推定を行い、また、コンデンサ７の小容量化に伴う電源リプルを予測してＰＷＭ信号パルス幅増減制御および弱め界磁制御を行うことで、回転数変動およびこれに伴う振動、騒音などを抑制して安定な駆動を行うモータ制御装置を提供すること目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係わる本発明は、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、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ようにしたモータ制御装置である。
【００１３】
本発明により、モータの電流量に依存する電機子反作用の影響を補正した推定回転子位置により、位置センサレスで安定に駆動することができる。
【００１４】
また、本発明により、整流回路に接続するコンデンサの容量を小さくしたりなくしたとき、それに伴う電源リプルの影響を的確に補正して安定に駆動することができる。
【００１５】
請求項２に係わる本発明は、整流回路の出力端子間電圧と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した請求項１に係わるモータ制御装置である。
【００１６】
本発明により、電流センサなしてモータの電流量を推定して回転子位置の補正に用いることができる。
【００１７】
請求項３に係わる本発明は、電源投入時に整流回路の出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に係わるモータ制御装置である。
【００１８】
本発明により、全体の構成を簡単にすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
請求項１に係わる本発明は、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、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ようにしたモータ制御装置とする。
【００２０】
本発明において、制御手段は、位置センサなしで相誘起電圧と相電流符号変化とから回転子位置を推定するとき、電流量に依存する電機子反作用が相誘起電圧に与える影響を補正し、補正した相誘起電圧を用いて回転子位置を推定する。
【００２１】
また、本発明において、制御手段は、整流回路の出力端子間に接続されたコンデンサの小容量化に伴う電源リプルの、単相交流電源の周期ごとにおける半周期前のＡ／Ｄサンプリングデータを用いて、ＰＷＭ信号のパルス幅の増減制御および弱め界磁制御を行う。これにより、リアルタイム処理を行うために必要なＡ／Ｄサンプリング速度が高速でかつ処理能力の速い高性能マイコンを不要とし、また、電源リプルを半周期前のＡ／Ｄサンプリングデータから予測することにより、モータ駆動に作用するまでの遅延を考慮した制御を行うこととなる。
【００２２】
請求項２に係わるモータ制御装置は、整流回路の出力端子間電圧と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した請求項１記載のモータ制御装置とする。
【００２３】
本発明において、制御手段は、整流回路の出力端子間電圧と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、推定した電流量を用いて相誘起電圧の電機子反作用による進み位相角を補正し、補正した相誘起電圧を用いて回転子位置を推定する。
【００２４】
請求項３に係わるモータ制御装置は、電源投入時に整流回路の出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に係わるモータ制御装置とする。
【００２５】
本発明において、モータ制御装置は、整流回路の出力端子間に接続されたコンデンサの容量を小さく、またはコンデンサを設けない構成とし、これにより電源投入時の突入電流を小さく、またはなくし、突入電流防止回路を不要としている。
【００２６】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２７】
【実施例】
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。
【００２８】
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、電源リプルと補正のタイミングとを示す波形図である。なお、図６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。
【００２９】
上記構成において、まず、単相交流電源１を整流回路２により整流し、整流回路２の出力端子間に駆動対象である三相モータ３からの回生電流を流すための小容量のコンデンサ７を接続し、コンデンサ７の端子に印加される電圧をインバータ主回路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は組み込まれていない。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、整流回路２の出力端子間電圧Ｖｄｃ、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。
【００３４】
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の出力端子間に接続されたコンデンサ７の小容量化またはコンデンサ７をなくしたことにより生じる電源リプルに起因する回転数変動を抑制している。
【００３５】
ここで、前記電源リプルの周期は、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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の出力端子間に接続するコンデンサ７の容量を小さくする、またはコンデンサ７を不要にした場合、電源投入時にコンデンサ７を充電する電流は微小なものになる。このため、突入電流防止回路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。
【００３８】
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。
【００３９】
さらに、コンデンサ７の小容量化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、および整流回路２の出力端子間電圧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、電源リプル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。
【００４０】
さらに、コンデンサ７を小容量化することにより、従来必要とされていた突入電流防止回路が不要となり、部品点数を削減することができる。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１に係わる本発明は、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、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ようにしたモータ制御装置とすることにより、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実現することができる。
【００４２】
また、整流回路の出力端子間に接続されるコンデンサの小容量化に伴う電源リプルに起因する回転数変動、振動、および騒音を抑制することができる。
【００４３】
請求項２に係わる本発明は、整流回路の出力端子間電圧と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した請求項１に係わるモータ制御装置とすることにより、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饗を補正することができる。
【００４４】
請求項３に係わる本発明は、電源投入時に整流回路の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に係わるモータ制御装置とすることにより、従来必要とされた突入電流防止回路が不要となるため、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。
【図面の簡単な説明】
【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】  電源リプルと補正のタイミングとを示す波形図
【図４】  従来の電源リプル補正制御を行うモータ制御装置の構成を示すブロック図
【図５】  従来の位置センサレス駆動を行うモータ制御装置の構成を示すブロック図
【図６】  従来例における突入電流防止回路の構成を示す回路図
【符号の説明】
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】
0003700576.tif 000002
【図２】
0003700576.tif 000003
【図３】
0003700576.tif 000004
【図４】
0003700576.tif 000005
【図５】
0003700576.tif 000006
【図６】
0003700576.tif 000007