(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレスＤＣモータの磁極センサが生成する第１位相信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、前記ブラシレスＤＣモータの電流信号を生成する電流検出部と、速度指令と前記速度信号との速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記速度信号から生成した第１位相補正信号と前記電流信号から生成した第２位相補正信号を前記第１位相信号に加算し第２位相信号を生成する位相補正部と、前記トルク指令と前記第２位相信号から３相電流指令を生成する電流指令生成部と、前記電流指令と前記ブラシレスＤＣモータ定数から３相電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記３相電圧指令をＰＷＭ信号に変換するＰＷＭ生成部と、前記ＰＷＭ信号を電力増幅して前記ブラシレスＤＣモータを駆動するインバータとを備えるインバータ制御装置において、
起動時に前記ブラシレスＤＣモータが逆回転している場合、第３位相補正信号を生成し、前記第１位相信号に加算して新たな第１位相信号を生成する逆回転位相補正部を備えることを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項２】
前記逆回転位相補正部は、前記速度指令と前記速度信号と前記第１位相信号を入力し、前記速度指令と前記速度信号の極性が異なる場合を逆回転と判断することを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
【請求項３】
前記第３位相補正信号は、前記速度信号の関数であることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
【請求項４】
前記第３位相補正信号は、所定の固定値であることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
【請求項５】
前記第１位相補正信号を前記速度信号に比例してトルク発生方向に進めることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
【請求項６】
前記第２位相補正信号を前記電流信号の振幅に比例してトルク発生方向に進めることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
【請求項７】
ブラシレスＤＣモータの磁極センサが生成する第１位相信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、前記ブラシレスＤＣモータの電流信号を生成する電流検出部と、速度指令と前記速度信号との速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記速度信号から生成した第１位相補正信号と前記電流信号から生成した第２位相補正信号を前記第１位相信号に加算し第２位相信号を生成する位相補正部と、前記トルク指令と前記第２位相信号から３相電流指令を生成する電流指令生成部と、前記電流指令と前記ブラシレスＤＣモータ定数から３相電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記３相電圧指令をＰＷＭ信号に変換するＰＷＭ生成部と、前記ＰＷＭ信号を電力増幅して前記ブラシレスＤＣモータを駆動するインバータとを備えるインバータ制御装置のモータ起動方法において、
前記速度指令と前記速度信号を読込むステップと、
前記速度指令と速度信号が異なる極性のときは逆回転と判断するステップと、
逆回転と判断したときは、位相信号に所定の固定位相を加算して減速停止させた後正常起動するステップと、
正回転と判断したときは、正常起動をするステップと、
を備えることを特徴とするインバータ装置のモータ起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスＤＣモータ起動時に逆回転している場合、過電圧を抑制して停止させることができるインバータ制御装置とモータ起動方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来のブラシレスＤＣモータを駆動するインバータ制御装置は、モータ起動時に逆回転している場合は、３相インバータを構成する６個のスイッチング素子のローサイド側３個、またはハイサイド側３個のスイッチング素子を全てオンに、残りの３個をオフにして、モータの端子を短絡し、発電制動（ダイナミックブレーキ）をかけて停止させ、ほぼ停止状態から起動できるようにしている。（例えば、特許文献１参照）。また、逆回転速度が所定値以上の場合はモータの駆動を禁止しているものもある（例えば、特許文献２参照）。また、磁極センサ無しのブラシレスＤＣモータを駆動するインバータ制御装置では、モータに流れる各相の相電流から回転数、方向、磁極推定を行い、逆方向の回転数が所定回転数以上の時は、モータ駆動を禁止している。逆方向の回転数が所定回転数以下の場合は、各相の線間を短絡してモータを減速させている（例えば、特許文献３参照）。
このように、従来のブラシレスＤＣモータを駆動するインバータ制御装置では、起動時、逆方向に回転している場合、逆回転数が所定値以上の場合はモータ駆動を禁止し、逆回転数が所定値以下では各相の相間を短絡して、逆回転中のモータを減速させる、という手段がとられていた。
また、減速中のモータ発電力を電源に回生して逆方向の回転を停止させる手段もとられていた。
【特許文献１】特開平１０−１８５２５２号公報
【特許文献２】特開２０００−１４１８３号公報
【特許文献３】特開２００１−１２８４８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
送風機の用途によっては、逆回転数がモータの定格回転数近くで回転している場合でもモータ駆動を禁止せず、起動できるように要求されている。従来のブラシレスＤＣモータを駆動するインバータ制御装置は起動時、逆方向に回されている場合は、逆回転速度が所定値以上の場合はモータ駆動を禁止するので、すぐには起動できないという問題があった。また、逆回転中に減速停止して直接起動する制御では、逆回転速度がある程度大きいと、回生電力がインバータ制御装置の電源にもどり、電源コンデンサを充電しすぎて過電圧になるという問題もあった。
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、逆回転速度が大きい場合でも回生電力による過電圧を抑制してモータを停止させ、安定した起動ができるインバータ制御装置とモータ起動方法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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、ブラシレスＤＣモータの磁極センサが生成する第１位相信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、前記ブラシレスＤＣモータの電流信号を生成する電流検出部と、速度指令と前記速度信号との速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記速度信号から生成した第１位相補正信号と前記電流信号から生成した第２位相補正信号を前記第１位相信号に加算し第２位相信号を生成する位相補正部と、前記トルク指令と前記第２位相信号から３相電流指令を生成する電流指令生成部と、前記電流指令と前記ブラシレスＤＣモータ定数から３相電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記３相電圧指令をＰＷＭ信号に変換するＰＷＭ生成部と、前記ＰＷＭ信号を電力増幅して前記ブラシレスＤＣモータを駆動するインバータとを備えるインバータ制御装置において、起動時に前記ブラシレスＤＣモータが逆回転している場合、第３位相補正信号を生成し、前記第１位相信号に加算して新たな第１位相信号を生成する逆回転位相補正部を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインバータ制御装置において、前記逆回転位相補正部は、前記速度指令と前記速度信号の極性が異なる場合を逆回転と判断することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のインバータ制御装置において、前記第３位相補正信号は、前記速度信号の関数であることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載のインバータ制御装置において、前記第３位相補正信号は、所定の固定値であることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１記載のインバータ制御装置において、前記第１位相補正信号は前記速度信号に比例してトルク発生方向に進めることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１記載のインバータ制御装置において、前記第２位相補正信号は、前記電流信号の振幅に比例してトルク発生方向に進めることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、ブラシレスＤＣモータの磁極センサが生成する第１位相信号から速度信号を生成する速度信号生成部と、前記ブラシレスＤＣモータの電流信号を生成する電流検出部と、速度指令と前記速度信号との速度偏差に基づいてトルク指令を生成する速度制御部と、前記速度信号から生成した第１位相補正信号と前記電流信号から生成した第２位相補正信号を前記第１位相信号に加算し第２位相信号を生成する位相補正部と、前記トルク指令と前記第２位相信号から３相電流指令を生成する電流指令生成部と、前記電流指令と前記ブラシレスＤＣモータ定数から３相電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記３相電圧指令をＰＷＭ信号に変換するＰＷＭ生成部と、前記ＰＷＭ信号を電力増幅して前記ブラシレスＤＣモータを駆動するインバータとを備えるインバータ制御装置のモータ起動方法において、前記速度指令と前記速度信号を読込むステップと、
前記速度指令と速度信号が異なる極性のときは逆回転と判断するステップと、逆回転と判断したときは、位相信号に所定の固定位相を加算して減速停止させた後正常起動するステップと、正回転と判断したときは、正常起動をするステップとを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によると、逆回転速度が大きい場合でも回生電力による過電圧を抑制してモータを停止させ、安定した起動ができるインバータ制御装置とモータ起動方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明のインバータ制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、１は速度制御部、２は電流指令生成部、３は電圧指令生成部、４はＰＷＭ信号生成部、５はインバータ部、６は電流検出部、７は速度信号生成部、８は位相補正部、９は逆回転位相補正部、１０はモータ、１１は磁極センサである。また、図２はインバータ部の主回路構成を示すブロック図である。図２において、１２は整流電源部、１３は直流電源コンデンサ部である。
【０００８】
次に動作について説明する。整流電源１２は、３相電源Ｒ、Ｓ、Ｔ相の電圧を整流して直流電源を生成する。電源コンデンサ１３は直流電源を平滑する。
磁極センサ１１はモータ１０の位相信号を生成する。位相信号は、通常、ブラシレスＤＣモータの３相巻線、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の正回転時の誘起電圧と同相の方形波であるが、絶対値の位相信号でもよい。速度信号生成部７は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の位相信号から、回転方向と回転速度を生成する。回転方向は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の変化順によって判別でき、回転速度は、例えばＵ相の周期をクロックで数えて周期を測定し、周期の逆数をとって、回転速度とする。また、Ｕ相だけではなく、Ｖ相、Ｗ相についても同様に周期を測定し、各相の周期が更新されるたびに、速度データを更新することもできる。電流信号は、３相電流を位相信号で同期整流した極性付振幅信号である。また、３相電流信号を位相信号に同期した正弦波信号を生成し、各相電流と乗算して加算し、ｑ軸電流を生成してもよい。速度制御部１は、速度指令ωｒｅｆと速度信号ωｆｂの差の速度偏差ΔωをＰＩＤ（比例、積分、微分）制御処理し、トルク指令Ｔｒｅｆを生成する。電流指令生成部２は、トルク指令Ｔｒｅｆをモータの誘起電圧定数ｋｅで除して電流指令の振幅を生成、さらに位相信号θｆｂの余弦関数ｃｏｓ（θｆｂ）、ｃｏｓ（θｆｂ−２π／３）、ｃｏｓ（θｆｂ＋２π／３）を乗算して、３相電流指令Ｉｒｅｆｕ、Ｉｒｅｆｖ、Ｉｒｅｆｗを生成する。電圧指令生成部３は電流指令と速度信号と位相信号より、各相誘起電圧信号Ｅｍｕ、Ｅｍｖ、Ｅｍｗを生成する。さらに、モータ定数より、インピーダンス電圧降下電圧Ｅｚｕ、Ｅｚｖ、Ｅｚｗを加算して、３相電圧指令Ｅｒｅｆｕ、Ｅｒｅｆｖ、Ｅｒｅｆｗを生成する。ＰＷＭ信号生成部４は電圧指令を一定周期の三角波と比較して各相のＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ信号はキャリア周期ごとに、３相電圧指令から空間ベクトルを求め、空間ベクトルからＰＷＭ信号の時間パターンを求めてもよい。インバータ５は３相ブリッジの６個のスイッチング素子で構成され、スイッチング素子はＰＷＭ信号でオン・オフして、モータに電力を供給する。
位相補正部８は、高速回転時の電流位相遅れの補正と、ブラシレスＤＣモータのロータが突極の場合は電流を誘起電圧よりもトルク発生方向に進めてリラクタンストルクを発生させるためにある。速度信号ωｆｂの関数の第１位相補正信号Δθ１と電流信号Ｉｆｂの振幅の関数の第２位相補正信号Δθ２を生成し、第１位相信号θｆｂ１に加算し第２位相信号θｆｂ２を生成する。通常は、第１位相補正信号Δθ１は速度信号ωｆｂに比例させ、第２位相補正信号Δθ２は電流信号Ｉｆｂに比例させる。
逆回転位相補正部９は、起動時、モータが高速で逆回転している場合に、逆回転を停止し、正転方向に起動するためにある。しかし、高速に回転しているモータを急速に停止させると、回転系の運動エネルギーがモータとインバータで電気エネルギーに変換され、エネルギーがインバータの電源に回生して、電流がコンデンサを充電し、電圧が上昇する。この電圧上昇を部品に耐圧レベル以下におさえるために、電流位相を誘起電圧からずらして、電流の振幅を増大させ、モータのジュール損を増加させ、回生エネルギーを消費する。具体的には、速度指令ωｒｅｆと速度信号ωｆｂの極性が異なるときを逆回転と判断して、位相信号を所定の固定位相の第３位相補正信号Δθ３を第１位相信号θｆｂ１に加算し、新たな第１位相信号とする。通常、第３位相補正信号Δθ３は負極性であり、逆回転時は第１位相補正信号Δθ１と第２位相補正信号Δθ２はゼロとする。また、第３位相補正信号Δθ３は、ブラシレスＤＣモータの定数に基づいて速度信号の関数とし、損失許容範囲でジュール損を最大としたり、近似的に速度に比例させたりしてもよい。
【０００９】
図３は、本発明のインバータ装置のモータ起動方法の実施例を示すフローチャートである。ます、ステップ１では速度指令と速度信号を読込み、ステップ２で速度指令と速度信号が異なる極性のときは逆回転と同じときは正回転と判断し、逆回転と判断したときは、ステップ３で位相信号に所定の固定位相を加算するステップと、正回転と判断したときは、ステップ４で正常起動をする。
【００１０】
図４は、逆回転を検出して減速停止したときのシミュレーションで、（ａ）は固定位相＝０度の場合、（ｂ）は固定位相＝−４５度の場合である。固定位相＝０度の場合はインバータの直流電源コンデンサの電圧が４５０Ｖまで上昇するのに対して、固定位相＝−４５度の場合は減速レートを同一とすると、同一トルクを発生するためには、１／ｃｏｓ（４５°）＝１．４倍の電流を流さなければならず、モータのジュール損は１．４２＝２倍に増える。モータの回生電力は同一なので、（回生電力−モータジュール損−インバータ損）が実質、電源コンデンサを充電する電力になるので電圧の上がり方は少なくなる。図４のシミュレーションの条件は、インバータ部が速度制御部の比例ゲインｋｖ＝１Ｎｍｓ／ｒａｄ、キャリア周波数ｆｃ＝２ｋＨｚ，インバータ電源コンデンサ容量＝４７０μＦ、インバータ回路損失Ｐｉ＝２００Ｗ、モータ部が誘起電圧定数ｋｅ＝０．２Ｖｓ／ｒａｄ、電機子抵抗＝０．５Ω／相、インダクタンスＬ＝１ｍＨ／相、イナーシャＪ＝０．００２ｋｇｍ２、減速条件が、逆回転速度ωｍａｘ＝２００ｒａｄ／ｓ、減速時間Ｔｄｃ＝５０ｍｓとしている。固定位相ずらしても、モータジュール損よりも回生電力が大きく、充電電圧が構成部品の耐圧特性を超える場合は、減速度を抑えるか、所定の第１電圧とそれより１０Ｖほど低い第２電圧を設定しておき、第１電圧に到達したら減速を止め、第２電圧まで下がったら再び減速を開始してもよい。
【００１１】
他の実施例に、電流制御を行うものがある。例えば図５はｄｑ軸電流制御を適用した例である。図１の実施例に対して３相電流／ｄｑ電流座標変換部２３、電流制御部２１、誘起電圧補正部２２が追加され、電圧指令部３のなかにｄｑ軸電圧／３相電圧変換が含まれている以外は、動作は図１の実施例と同じである。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
本発明は、外部から逆回転速度でまわされやすい用途や、逆回転で長時間回転していては機器を痛めてしまうような用途、例えば、ビルの空調設備など送風機全般などへの適用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のインバータ制御装置の構成を示すブロック図
【図２】インバータ部の主回路構成を示すブロック図
【図３】本発明のモータ起動方法を示すフローチャート
【図４】本発明の動作を示すシミュレーション
【図５】本発明のインバータ制御装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００１４】
１  速度制御部
２  電流指令生成部
３  電圧指令生成部
４  ＰＷＭ信号生成部
５  インバータ部
６  電流検出部
７  速度信号生成部
８  位相補正部
９  逆回転位相補正部
１０  モータ
１１  磁極センサ
１２  整流電源部
１３  電源コンデンサ部
２１  電流制御部
２２  誘起電圧補正部
２３  ３相電流／ｄｑ軸電流変換部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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