(57)【要約】【課題】回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した回転を実現し、かつ高速回転可能な電動機駆動装置を実現する。【解決手段】電動機３に印加する電圧指令値の電圧飽和の度合いである電圧飽和率と比較する電圧飽和率設定値を変更することなく、速度比例積分演算ゲイン切換え手段１１で電圧飽和率と電圧飽和率設定値とを比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合のみ、推定された回転数と目標速度から指令速度を決定する比例積分演算のゲイン設定値を切り換える。【選択図】図１
2005237131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相電動機と、インバータと、前記三相電動機に流れる相電流を検出する電流検出手段と、前記インバータに接続される直流電源の直流電圧検出手段と、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推定手段と、推定された回転速度と目標の回転数から比例積分演算を用いて指令速度を決定し、前記指令速度から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、前記直流電圧検出手段の出力と前記電動機に印加する電圧指令値から電圧飽和の度合いである電圧飽和率を演算して予め設定された電圧飽和率設定値と比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合のみ、電圧飽和率が電圧飽和率設定値よりも小さくなるまで外部から与えられる回転速度目標値を下げる電圧飽和保護手段とから構成される電動機駆動装置において、前記電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合、比例積分演算で使用する比例項ゲインおよび積分項ゲインを切換えることを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項２】
電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合、比例積分演算で使用する比例項ゲインを切換えることを特徴とする請求項１記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
三相電動機の相電流をインバータ母線から検出することを特徴とする請求項１または２記載の電動機駆動装置。
【請求項４】
三相電動機の相電流を電流センサを用いて検出することを特徴とする請求項１または２記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動機駆動装置を用いたことを特徴とする空気調和機。
【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とそれを用いた空気調和機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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周波数で駆動するインバータが広く一般に使用されている。さらに、駆動する技術としては、矩形波状の電圧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主流となりつつある。
【０００３】
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付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。回転子の位置を推定する方法として、電動機の誘起電圧から推定することにより行う方法があり、インバータ母線に流れる電流から推定する方法や（例えば、特許文献１）、電流センサを用いて電動機に流れる電流から推定する方法（例えば、特許文献２）が発明されている。
【０００４】
図３に特許文献１記載の従来の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。
【０００５】
図３において、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。
【０００６】
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が取り付けられる固定子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。
【０００７】
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。なお、フリーホイールダイオード１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ、１５ｕ、１５ｖ、１５ｗが、各スイッチング素子と並列に接続される。
【０００８】
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。
【０００９】
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、それによりブラシレスモータ３が駆動される。
【００１０】
外部より与えられる目標速度を実現するべく、現在の速度との誤差から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、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、各スイッチング素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１３ｕ、１３ｖ、１３ｗが動作する。
【００１１】
制御部６は、インバータ母線に配した電流検出手段７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直流電圧検出手段１６が検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧より、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。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。
【００１２】
また、ブラシレスモータ３に印加される電圧が正弦波から歪みを生じて回転子の位置の推定誤差が大きくなることを防止するために、ＰＷＭ信号生成手段９で決定されたブラシレスモータ３の各相へ印加するべき電圧のピークが、直流電圧検出手段１６によって検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧を超える割合である電圧飽和率と、予め設定された電圧飽和率設定値とを比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合のみ、電圧飽和率が電圧飽和率設定値よりも小さくなるまで外部から与えられる回転速度目標値を下げる保護制御を電圧飽和保護手段１９で行っている。
【００１３】
ＰＷＭ信号生成手段９は、回転子位置速度推定手段１８で推定された回転数と、目標速度から比例積分演算を用いて指令速度を決定し、決定した指令速度に基づいてインバータ２を制御する信号を出力する。
【００１４】
図４は特許文献２記載の従来の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であり、ブラシレスモータ３の相電流を検出する手段をインバータ母線に配した電流検出手段７から電流センサ２０ｖ、２０ｗにしたものであり、その他の構成は特許文献１記載の発明と同様である。
【００１５】
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。
【特許文献１】特開２００３−１８９６７０号公報
【特許文献２】特開２０００−３５０４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、前記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、回転子の位置推定誤差が大きくなることによる脱調を防止するために、電動機に印加する電圧指令値の電圧飽和の度合いである電圧飽和率が、予め設定した電圧飽和率設定値以上の場合、電圧飽和率が電圧飽和率設定値よりも小さくなるまで外部から与えられる回転速度目標値を下げる保護制御を実施するが、電動機の負荷が重い状態では位置推定誤差の増加が速く、保護制御を実施する以前もしくは保護制御動作中に脱調する場合があった。また、予め設定する電圧飽和率設定値を小さくすると、電動機の負荷が重く、位置推定誤差の増加が速い場合の脱調を防止することはできるが、電動機の負荷が重くないときには電動機の回転速度目標値を下げる保護制御が早動作するため、高速で回転させることが困難になるという課題を有していた。本発明は上記従来の課題を解決するもので、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定して回転を実現し、かつ高速回転可能な電動機駆動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】
【００１７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電動機駆動装置は、電動機に印加する電圧
指令値の電圧飽和の度合いである電圧飽和率と比較する電圧飽和率設定値を変更することなく、電圧飽和率と電圧飽和設定値とを比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定以上の場合のみ、推定された回転数と目標速度から指令速度を決定する比例積分演算のゲイン設定値を切り換え、目標速度を実現するためのインバータに印加する電圧追従性を向上することによって、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した回転を実現し、かつ高速回転可能な電動機駆動装置を実現するものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の電動機駆動装置は回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した回転を実現し、かつ高速回転可能な電動機駆動装置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】
【００１９】
第１の発明は、三相電動機に印加する電圧指令値の電圧飽和の度合いである電圧飽和率と比較する電圧飽和率設定値を変更することなく、電圧飽和率と電圧飽和設定値とを比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定以上の場合のみ、推定された回転数と目標速度から指令速度を決定する比例積分演算のゲイン設定値を切り換えることにより、目標速度を実現するためのインバータに印加する電圧追従性を向上して、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した回転を実現し、かつ高速回転可能な電動機駆動装置を実現することができる。
【００２０】
第２の発明は、特に、第１の発明の比例積分演算のゲイン設定値の比例項ゲインのみ切換え、目標速度を実現するためのインバータに印加する電圧追従性を向上させることにより、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態で安定した回転を実現し、かつ高速回転可能な電動機駆動装置を実現することができる。
【００２１】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の三相電動機に流れる相電流の検出を、インバータ母線に配した電流検出手段を用いて検出するもので、低コストで相電流を検出することができる。
【００２２】
第４の発明は、特に、第１または第２の発明の三相電動機に流れる相電流の検出を、電流センサを用いて検出するもので、精度よく相電流を検出することができる。
【００２３】
第５の発明は、特に、第１から第４の発明の電動機駆動装置を空気調和機に使用したものであり、それぞれの電動機駆動装置の効果を生かした空気調和機を実現することができる。
【００２４】
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。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電動機駆動装置の構成ブロック図である。
【００２６】
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。
【００２７】
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が取り付けられる固定子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。
【００２８】
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。なお、フリーホイールダイオード１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ、１５ｕ、１５ｖ、１５ｗが、各スイッチング素子と並列に接続される。
【００２９】
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。
【００３０】
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、それによりブラシレスモータ３が駆動される。
【００３１】
外部より与えられる目標速度を実現するべく、現在の速度との誤差から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、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、各スイッチング素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１３ｕ、１３ｖ、１３ｗが動作する。
【００３２】
制御部６は、インバータ母線に配した電流検出手段７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直流電圧検出手段１６が検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧より、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。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。
【００３３】
また、ブラシレスモータ３に印加される電圧が正弦波から歪みを生じて回転子の位置の推定誤差が大きくなることを防止するために、ＰＷＭ信号生成手段９で決定されたブラシレスモータ３の各相へ印加するべき電圧のピークが、直流電圧検出手段１６によって検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧を超える割合である電圧飽和率と、予め設定された電圧飽和率設定値とを比較し、電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合のみ、電圧飽和率が電圧飽和率設定値よりも小さくなるまで外部から与えられる回転速度目標値を下げる保護制御を電圧飽和保護手段１９で行っている。
【００３４】
ＰＷＭ信号生成手段９は、回転子位置速度推定手段１８で推定された回転数と、目標速度から比例積分演算を用いて指令速度を決定し、決定した指令速度に基づいてインバータ２を制御する信号を出力する。速度比例積分演算ゲイン切換え手段１１では、電圧飽和保護手段１９で電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上を検出した場合と、電圧飽和率が電圧飽和率設定値未満を検出した場合とで、指令速度を決定する比例積分演算で用いる比例項ゲインおよび積分項ゲインの切換えを行っている。比例項ゲインおよび積分項ゲインの切換えは電圧飽和率が電圧飽和設定値以上を検出した場合、ブラシレスモータ３の負荷が重いため、回転子の位置推定誤差の増加が速く、脱調しやすいと判断し、比例項ゲインおよび積分項ゲインを大きくするもので、電圧飽和保護手段１９によって下げる目標速度を実現するためのインバータ３に印加する電圧が追従しやすくなるため、安定した回転を得ることが可能となり、さらには電圧飽和率設定値を変更することが不要であるため高速回転が可能となる。
【００３５】
また、比例積分演算で使用する積分項ゲインは指令速度が目標速度に近づいたときの残留偏差をなくすために使用されるものであるため、比例項ゲインの切換えのみでもよい。
【００３６】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における電動機駆動装置の構成ブロック図であり、実施の形態１におけるブラシレスモータ３に流れる相電流の検出手段をインバータ母線に配した電流検出手段７から電流センサ２０ｖ、２０ｗに変更したものであり、その他の構成および動作は実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明の電動機駆動装置は、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態で安定した回転を実現し、かつ高速回転可能となるので、ブラシレスＤＣモータを使用する空気調和機以外の空調機器・冷蔵冷凍機器・産業機器等の用途にも広く使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態１における電動機駆動装置の構成ブロック図
【図２】本発明の実施の形態２における電動機駆動装置の構成ブロック図
【図３】従来の電流センサレス電動機駆動装置の構成ブロック図
【図４】従来の電流センサ付き電動機駆動装置の構成ブロック図
【符号の説明】
【００３９】
２  インバータ
３  ブラシレスモータ
６  制御部
７  電流検出手段
９  ＰＷＭ信号生成手段
１０  ベースドライバ
１１  速度比例積分演算ゲイン切換え手段
１６  直流電圧検出手段
１７  誘起電圧推定手段
１８  回転子位置速度推定手段
１９  電圧飽和保護手段
２０ｖ、２０ｗ  電流センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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