(57)【要約】【課題】直流電圧に大きなリプルが発生する場合において、安定性を確保しつつ低次高調波電流を低減可能なモータ制御装置を提供する。【解決手段】モータ制御装置は、単相交流電源を入力とする整流回路と、整流回路と接続され、整流回路で得られた直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、インバータの出力側と接続されたモータと、インバータを制御する制御装置と、単相交流電源のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路と、単相交流電源の電流を検出する交流電流検出回路とを備え、制御装置は、モータの回転数を設定する回転数設定手段と、ゼロクロス点検出回路のゼロクロス点の検出からの経過時間と交流電流検出回路の検出結果とに基づいて単相交流電源の高調波電流が小さくなるように回転数設定手段により設定されるモータの回転数を補正する回転数補正手段とを含む。【選択図】図１
2013247686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電源を入力とする整流回路と、
前記整流回路と接続され、前記整流回路で得られた直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの出力側と接続されたモータと、
前記インバータを制御する制御装置と、
前記単相交流電源のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路と、
前記単相交流電源の電流を検出する交流電流検出回路とを備え、
前記制御装置は、
前記モータの回転数を設定する回転数設定手段と、
前記ゼロクロス点検出回路の前記ゼロクロス点の検出からの経過時間と前記交流電流検出回路の検出結果とに基づいて前記単相交流電源の高調波電流が小さくなるように前記回転数設定手段により設定される前記モータの回転数を補正する回転数補正手段とを含む、モータ制御装置。
【請求項２】
前記回転数補正手段は、前記交流電流検出回路の検出結果から前記単相交流電源の周波数に対する３次周波数成分の高調波電流を検出し、前記３次周波数成分の高調波電流が予め設定された所定の値よりも大きい場合は、前記モータの回転数の補正量を大きくする、請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記回転数補正手段は、前記交流電流検出回路の検出結果から前記単相交流電源の周波数に対する５次周波数成分の高調波電流を検出し、前記５次周波数成分の高調波電流が予め設定された所定の値よりも大きい場合は、前記モータの回転数の補正量を小さくする、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はモータ制御装置に関し、例えば複数相のコイルを備えた同期モータをセンサを用いることなく駆動できるようなモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数相のコイルを備えた同期モータを駆動する場合、モータロータに対して適切なタイミングでモータ電流を流すことおよびコイル端子に電圧を印加することのいわゆる通電タイミングの最適化が重要となっていた。この通電タイミングの基準を検出するために、逆起電圧を検出する方式や、ゼロクロス電流位相を検出する方式等、種々の方式が存在する。
【０００３】
例えば、モータロータ位置センサを用いずにモータを制御・駆動するいわゆるセンサレス駆動においては、モータコイルへの通電を行なう際に、モータの回転によってモータコイルに発生する逆起電圧をモータコイル端子から検出する方式がある。
【０００４】
また、本願出願人による、特開２００１−１１２２８７号公報（特許文献１）には、２ヶ所の交流電圧の位相期間ごとに各交流電流検出値を積算して交流電流信号面積とし、両交流電流信号面積の面積比を交流電圧／電流位相差情報として検出することにより、ゼロクロス時における電圧位相を検出する場合よりも精度の高い位相制御が可能な方式が示されている。
【０００５】
図７は、従来の一般的なモータ制御装置の構成を説明する図である。
図７を参照して、ステータに複数相（３相）のコイル、ロータに永久磁石を備えた同期モータ１００を駆動するために、モータ制御装置は、インバータ１５０とコンバータ回路１３０と交流電源１６０と、コイル１７０と、電流センサ１８０と、コントローラ１１０とから構成されている。
【０００６】
同期モータ１００はインバータ１５０によって駆動され、インバータ１５０にはコンバータ回路１３０から交流電源１６０を直流に変換して与えられる。
【０００７】
具体的には、コンバータ回路１３０は、ダイオード全波整流回路１２０と、母線間の平滑コンデンサ１４０とを含み、平滑コンデンサの容量は直流電圧波形のリップルを改善できる程度に十分大きい。
【０００８】
このコンバータ回路１３０により、交流電源１６０の交流電圧が直流電圧に変換されてインバータ１５０に供給される。
【０００９】
コイル１７０は、コンバータ回路１３０に供給される交流電源の力率を改善する目的で設けられたものである。
【００１０】
一方で、上記のような従来の構成においては、入力電流波形の改善と、高力率化が得にくいという問題がある。
【００１１】
この点で、特開２００２−５１５８９号公報（特許文献２）においては、コイル１７０を用いず、また、インバータの母線間には従来の平滑コンデンサの１/１００程度の小容量のコンデンサを用いることで故意に直流電圧に電源の２倍の周波数のリプルを発生させ、簡易な方式で入力電流波形の改善と、高力率化を実現する方式が提案されている。
【００１２】
しかしながら、特許文献２のようにインバータの母線間に従来の平滑コンデンサの１/１００程度の小容量のコンデンサを用いて、特許文献１の方式でモータを駆動した場合、直流電圧に大きなリプルが発生する。これにより、インバータ出力側のモータ電流に大きな脈動が発生し、モータの回転が不安定となるため、振動、騒音が増大し、効率が悪化するとともに、最悪の場合は脱調停止に至る可能性もある。
【００１３】
このようは直流電圧に大きなリプルが発生する場合に、特開２０１１−７８１５３号公報（特許文献３）では、単相交流電源のゼロクロス点の検出からの経過時間に応じて、モータの回転数を補正することでモータ駆動の安定化を図る方式が開示されている。
【００１４】
しかしながら、特許文献３の方式を用いてモータの回転数を補正することで、モータ駆動の安定化を図ることができるが、回転数の補正と電源高調波との関係についてはなんら記載されておらず、電源高調波が大きくなりＩＥＣ（国際電気標準会議）規格値をオーバーする場合がある。
【００１５】
また、特開２００６−８１３２８号公報（特許文献４）では、直流電圧に大きなリプルが発生する場合において、モータの相数と極数と回転数の積の次数の電源高調波の低減を図る方式が開示されている。
【００１６】
しかしながら、特許文献４には高調波の低減を図る方式が記載されているが、モータの相数と極数と回転数の積の次数の電源高調波に関するものであり、３次や５次程度の低次高調波電流の低減には直接は寄与しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００１−１１２２８７号公報
【特許文献２】特開２００２−５１５８９号公報
【特許文献３】特開２０１１−７８１５３号公報
【特許文献４】特開２００６−８１３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、インバータの母線間には従来の平滑コンデンサよりも小容量のコンデンサ（例えば、１／１００程度）を用いて、直流電圧に大きなリプルが発生する場合において、安定性を確保しつつ低次高調波電流を低減可能な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】
【００１９】
本発明のある局面に従うモータ制御装置は、単相交流電源を入力とする整流回路と、整流回路と接続され、整流回路で得られた直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、インバータの出力側と接続されたモータと、インバータを制御する制御装置と、単相交流電源のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路と、単相交流電源の電流を検出する交流電流検出回路とを備え、制御装置は、モータの回転数を設定する回転数設定手段と、ゼロクロス点検出回路のゼロクロス点の検出からの経過時間と交流電流検出回路の検出結果とに基づいて単相交流電源の高調波電流が小さくなるように回転数設定手段により設定されるモータの回転数を補正する回転数補正手段とを含む。
【００２０】
好ましくは、回転数補正手段は、交流電流検出回路の検出結果から単相交流電源の周波数に対する３次周波数成分の高調波電流を検出し、３次周波数成分の高調波電流が予め設定された所定の値よりも大きい場合は、モータの回転数の補正量を大きくする。
【００２１】
好ましくは、回転数補正手段は、交流電流検出回路の検出結果から単相交流電源の周波数に対する５次周波数成分の高調波電流を検出し、５次周波数成分の高調波電流が予め設定された所定の値よりも大きい場合は、モータの回転数の補正量を小さくする。
【発明の効果】
【００２２】
直流電圧に大きなリプルが発生する場合において、安定性を確保しつつ低次高調波電流を低減する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に従うモータ制御装置の構成について説明するブロック図である。
【図２】本実施の形態に従う回転数を補正する方式について説明する図である。
【図３】補正率基本値である回転数補正率データテーブル１７の具体的な値を説明する図である。
【図４】本実施の形態に従う回転数補正ゲインＧの変更について説明するフロー図である。
【図５】本実施形態における回転数補正ゲインＧを変化させた場合の交流電流波形を説明する図である。
【図６】本実施形態における回転数補正ゲインＧを変化させた場合の高調波電流の測定結果を説明する図である。
【図７】従来の一般的なモータ制御装置の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を附してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に従うモータ制御装置の構成について説明するブロック図である。
【００２６】
図１を参照して、モータ制御装置は、ステータに複数相（３相）のコイルとロータに永久磁石とを備えた同期モータ１と、インバータ２と、コンバータ回路３と、交流電源４と、第１の電流センサ５と、モータ電流検出アンプ部６と、第２の電流センサ２１と、ゼロクロス点検出部３０と、電圧センサ３１とマイクロコンピュータであるコントローラ７とから構成されている。
【００２７】
同期モータ１は、インバータ２によって駆動され、インバータ２にはコンバータ回路３から交流電源４の交流電圧を直流に変換して与えられる。
【００２８】
具体的には、コンバータ回路３は、ダイオード全波整流回路３３と、母線間のコンデンサ３４を含む。このコンバータ回路３により、交流電源４の交流電圧が直流電圧に変換されてインバータ２に供給される。
【００２９】
コンデンサ３４は、従来の平滑コンデンサよりも容量が極めて小さい（例えば、１／１００程度の１０μＦ）ものを使用し、直流電圧波形には交流電源の２倍の周波数１００Ｈｚのリプルを発生させる。
【００３０】
第１の電流センサ５は、モータコイル端子Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の中で特定相（図１ではＵ相）に流れるモータ電流ａを検出する。第１の電流センサ５で検出されたモータ電流は、モータ電流検出アンプ部６に与えられる。
【００３１】
そして、モータ電流検出アンプ部６において、所定量増幅し、そして、オフセット加算したモータ電流信号ｂがコントローラ７に与えられる。
【００３２】
また、第２の電流センサ２１は、交流電源４の交流電流を検出する。第２の電流センサ２１で検出された交流電流は、コントローラ７の交流電流検出部１９に与えられる。
【００３３】
更に、電圧センサ３１は、交流電源４の交流電圧を検出する。電圧センサ３１で検出された交流電圧は、ゼロクロス点検出部３０に与えられる。
【００３４】
そして、ゼロクロス点検出部３０は、電圧センサ３１で検出された交流電圧をモニタリングして０Ｖを跨ぐ際にゼロクロス点信号を生成してコントローラ７に与える。
【００３５】
コントローラ７は、位相差検出部８と、目標位相差情報格納部９と、加算部１０と、ＰＩ演算部１１と、回転数設定部１２と、正弦波データテーブル１３と、正弦波データ作成部１４と、ＰＷＭ作成部１５と、回転数補正率制御部１６と、回転数補正率データテーブル１７と、補正後回転数作成部１８と、交流電流検出部１９との各処理をソフト的に行なう。
【００３６】
位相差検出部８は、モータ電流検出アンプ部６から与えられたモータ電流信号を所定のタイミングでＡ／Ｄ変換して取り込み、２個所のモータ駆動電圧位相期間ごとにサンプリングした各電流サンプリングデータを積算してモータ電流信号面積とし、両モータ電流信号面積の面積比を位相差情報として出力する。
【００３７】
目標とする位相差情報は目標位相差情報格納部９に格納されているものとする。目標位相差情報と位相差情報との誤差データは加算部１０によって算出される。
【００３８】
ＰＩ演算部１１は、算出された誤差データに対して比例誤差データおよび積分誤差データを算出してデューティ基準値を出力する。なお、加算部１０とＰＩ演算部１１とによって位相差制御部が構成される。
【００３９】
回転数設定部１２は、同期モータ１の目標とする回転数指令を設定し、正弦波データテーブル１３は所定のデータ個数のテーブルを含む。
【００４０】
回転数補正率データテーブル１７は、ゼロクロス点の検出からの経過時間に応じた目標とする回転数に対する補正率データの基本値を格納したものである。
【００４１】
回転数補正率制御部１６は、回転数補正率データテーブル１７の出力である補正率基本値を交流電流検出部１９の出力に応じて変更し、回転数補正率を演算し、補正後回転数作成部１８に出力する。
【００４２】
補正後回転数作成部１８は、回転数補正率制御部１６で演算された回転数補正率を用いて回転数設定部１２により設定された回転数を補正して、補正後回転数を正弦波データ作成部１４に出力する。
【００４３】
正弦波データ作成部１４は、補正後回転数作成部１８から出力された補正後回転数と時間経過に従って正弦波データテーブル１３からモータコイル端子Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に対応した正弦波データを読出すとともに、Ｕ相の正弦波データからＵ相のモータ駆動電圧位相情報ｃを出力する。
【００４４】
ＰＷＭ作成部１５は正弦波データとデューティ基準値とから各相ごとにインバータ２の駆動素子にＰＷＭ波形を出力する。
【００４５】
また、本例においては、Ｕ相について検出する場合について説明するが、１相だけでなく各相のモータ電流を検出するとさらに高精度にすることができる。さらに、正弦波データの作成は正弦波データテーブル１３をもとに作成せずに、演算によって作成してもかまわない。
【００４６】
さらに、各構成要素８〜１９の構成要素はコントローラ７でソフト的に処理されるようにしたが、特にこれに限ることなく同様の処理をしていればハード構成で構成してもよい。
【００４７】
なお、モータの駆動波形は正弦波とした場合についての構成であるが、正弦波形にすることで滑らかなモータ電流の供給が可能となるために振動、騒音が少なくできる。しかしながら、これに限らず、モータロータの磁束に合せたモータ電流が得られるような駆動波形を通電すれば、より高効率な駆動が可能となる。
【００４８】
２個所のモータ駆動電圧位相期間で検出された２つのモータ電流信号面積は、位相差検出部８で面積比が計算され、この結果が位相差情報とされる。
【００４９】
この位相差情報と目標位相差情報との誤差量に対してＰＩ演算部１１でＰＩ演算が行なわれ、ＰＷＭ作成部１５はその出力であるデューティ基準値と別途回転指令から求まる正弦波データとから、その都度の出力デューティ比を計算してＰＷＭ信号を作成し、インバータ２を介してモータコイルに印加することで同期モータ１が駆動される。
【００５０】
すなわち、モータ駆動電圧（出力デューティ）に対するモータ電流位相差を一定に制御するための位相差制御フィードバックループによって駆動電圧の大きさ（ＰＷＭデューティのデューティ幅）を決定し、同期モータ１を所望の回転数で回転させるために所望の周波数で出力される正弦波データによって回転数を決定する。これによって、所望の位相差，所望の回転数でモータを駆動・制御することができる。
【００５１】
なお、モータ起動時は各相に強制的に通電し、回転磁界を与えていき、強制励磁で行ない、通常駆動時に上記方法で制御を行なえばよい。
【００５２】
ここで、この発明における上記の位相差制御によって同期モータが駆動・制御できることは特開２００１−１１２２８７号公報（特許文献１）に記載される通りである。
【００５３】
図２は、本実施の形態に従う回転数を補正する方式について説明する図である。
図２（ａ）を参照して、ここでは、交流電圧波形が示されている。なお、交流電源４は２００Ｖ、周波数は５０Ｈｚである。モータの回転数指令値（補正前回転数）は２８００ｒｐｍとしている。
【００５４】
図２（ｂ）には、図２（ａ）の交流電圧波形に対するゼロクロス点信号が示されている。具体的には、ゼロクロス点検出部３０が交流電源４をモニタリングして交流電圧波形において、交流電圧が０を跨ぐゼロクロス点信号を出力する。
【００５５】
図２（ｃ）には、図２（ａ）の直流電圧波形が示されている。本例においてはコンデンサ３４の容量が極めて小さいため、直流電圧波形には交流電源の２倍の周波数１００Ｈｚのリプルが発生する。
【００５６】
図２（ｄ）には、補正率基本値が示されている。このように補正率基本値は、ゼロクロス点の検出からの経過時間に応じて回転数補正率データテーブル１７から読み出されるデータである。
【００５７】
図３は、補正率基本値である回転数補正率データテーブル１７の具体的な値を説明する図である。
【００５８】
図３を参照して、回転数補正率データテーブルの値は、モータが安定して駆動できる値を予め実験を行い決定したものである。
【００５９】
図２（ｅ）には、補正後回転数が示されている。回転数補正率制御部１６では、回転数補正率＝回転数補正ゲインＧ×補正率基本値の計算を行い、最終的な回転数補正率を演算する。
【００６０】
補正後回転数作成部１８は、回転数補正率制御部１６で演算された回転数補正率を用いて回転数設定部１２により設定された回転数を補正して、補正後回転数を正弦波データ作成部１４に出力する。
【００６１】
例えば、補正前回転数が２８００ｒｐｍで、回転数補正ゲインＧが０．９で、経過時間１．０ｍｓの場合は、図３より補正率基本値が−１６．３８％であるため、回転数補正値は、回転数補正率＝０．９×−１６．３８％＝−１４．７４２％となり、補正後回転数は、補正後回転数＝２８００ｒｐｍ×（１００％−１４．７４２％）≒２３８７ｒｐｍとなる。
【００６２】
図４は、本実施の形態に従う回転数補正ゲインＧの変更について説明するフロー図である。
【００６３】
図４を参照して、交流電流検出部１９は、交流電源４の周波数に対する第３次周波数成分の高調波電流Ｉ３と第５次周波数成分の高調波電流Ｉ５を検出する。
【００６４】
この検出には交流電流検出部１９でのソフト的処理として、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いてもよいし、第３次周波数成分あるいは第５次周波数成分を抽出するバンドパスフィルターを用いてもよい。
【００６５】
まず、回転数補正率制御部１６は、第３次周波数成分の高調波電流Ｉ３（３次高調波電流Ｉ３とも称する）が、予め設定した高調波規格値（例えばＩＥＣ規格）に比べ大きいか否かを判断する（ステップＳ１）。
【００６６】
ステップＳ１において、第３次周波数成分の高調波電流Ｉ３が予め設定した高調波規格値に比べ大きい場合（ステップＳ１においてＹＥＳ）は回転数補正ゲインＧを小さくする（ステップＳ２）。
【００６７】
高調波規格値に比べ大きい場合以外（ステップＳ１においてＮＯ）は、回転数補正ゲインＧを変更しない。
【００６８】
更に、回転数補正率制御部１６は、第５次周波数成分の高調波電流Ｉ５（５次高調波電流Ｉ５とも称する）が、予め設定した高調波規格値（たとえばＩＥＣ規格）に比べ大きいか否かを判断する（ステップＳ３）。
【００６９】
ステップＳ３において、第５次周波数成分の高調波電流Ｉ５が高調波規格値に比べ大きい場合（ステップＳ３においてＹＥＳ）には、回転数補正ゲインＧを大きくする（ステップＳ４）。
【００７０】
ステップＳ３において、第５次周波数成分の高調波電流Ｉ５が高調波規格値に比べ大きい場合以外（ステップＳ３においてＮＯ）は、回転数補正ゲインＧを変更しない。
【００７１】
そして、処理を終了する（終了）。
なお、回転数補正ゲインＧを変化させた場合の３次高調波電流と５次高調波電流の大小はトレードオフの関係にあることを実験的に確認し、それを前提に制御を行っている。
【００７２】
図５は、本実施形態における回転数補正ゲインＧを変化させた場合の交流電流波形を説明する図である。
【００７３】
図５を参照して、ここでは、補正量が過大である場合、過小である場合、最適である場合の例が示されている。
【００７４】
図６は、本実施形態における回転数補正ゲインＧを変化させた場合の高調波電流の測定結果を説明する図である。
【００７５】
図６を参照して、交流電源電流の高調波成分と交流電源周波数に対する次数との関係をＩＥＣ規格と併せて示したものである。
【００７６】
補正量が過小、つまり回転数補正ゲインＧが小さすぎる場合には、特に３次高調波電流がＩＥＣ規格値を大きく上回っており、逆に補正量が過大、つまり回転数補正ゲインＧが大きすぎる場合には特に５次高調波電流がＩＥＣ規格値を大きく上回っているが、回転数補正ゲインＧを変更することにより、補正量が最適となると４０次までの高調波成分においてＩＥＣ規格をクリアしていることが分かる。
【００７７】
上述の如く、本実施形態では、特別な回路部品を追加することなく、回転数を補正することで、交流電源電流の高調波成分を抑制し、ＩＥＣ規格をクリアすることができる。
【００７８】
さらに、インバータの母線間には従来の平滑コンデンサよりも小容量（例えば、１／１００程度）のコンデンサを用いることが可能となり、簡易な方式で、入力電流波形の改善と高力率化を実現することが可能である。
【００７９】
また、インバータの母線間に従来の平滑コンデンサよりも小容量（例えば、１／１００程度）のコンデンサを用いることで、小型、軽量、低コストなモータ制御装置を実現することが可能である。
【００８０】
また、このモータ制御装置は、同期モータをロータ位置センサを用いることなく安定に駆動できるため、空気調和機や冷蔵庫などに搭載される圧縮機のモータ制御装置として使用することが可能である。
【００８１】
なお、本実施例では、従来の平滑コンデンサよりも小容量（例えば、１/１００程度）のコンデンサを用いた例について説明したが、これに限らず、例えば１／２００程度や１／５０程度の小容量のコンデンサなどの場合にも同様に適用することは可能である。
【００８２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８３】
１，１００  同期モータ、２，１５０  インバータ、３，１３０  コンバータ回路、４，１６０  交流電源、５  第１の電流センサ、６  モータ電流検出アンプ部、７，１１０  コントローラ、８  位相差検出部、９  目標位相差情報格納部、１０  加算部、１１  演算部、１２  回転数設定部、１３  正弦波データテーブル、１４  正弦波データ作成部、１５  ＰＷＭ作成部、１６  回転数補正率制御部、１７  回転数補正率データテーブル、１８  補正後回転数作成部、１９  交流電流検出部、２１  第２の電流センサ、３０  ゼロクロス点検出部、３１  電圧センサ、３３，１２０  ダイオード全波整流回路、３４  コンデンサ、１４０  平滑コンデンサ、１７０  コイル、１８０  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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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