(57)【要約】【課題】  風等の外乱によって電動機が勝手に回ってしまう可能性がある用途に使用するモータに関してもＵ，Ｖ，Ｗ相の合成電流をインバータの直流側のシャント抵抗で検出して１８０度通電方式を適用し、簡単な回路構成で、高効率、かつ、小スペースに実装可能な電動機の制御装置が望まれる。本発明の目的は、高効率で電動機を制御することにある。【解決手段】  電動機の３つの相電圧のうち２つの相電圧のみを検出する相電圧検出手段を備え、シャント抵抗で検出された電流の情報と相電圧検出手段で検出された２つの相電圧の情報とに基づいて電動機を制御する電動機の制御装置。【選択図】図１
2009077503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電動機を駆動するためのインバータであって、複数のスイッチング素子から構成されるインバータと、
前記インバータの直流側に設けられた電流検出回路と、
この電流検出回路からの電流情報を基に前記電動機を制御する電動機の制御装置において、
前記電動機の３つの相電圧のうち２つの相電圧のみを検出する相電圧検出手段を備え、
前記電流情報と前記相電圧検出手段で検出された２つの相電圧の情報とに基づいて前記電動機を制御する電動機の制御装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記電動機を制御する前に、前記相電圧検出手段で検出された２つの相電圧の情報に基づいて、前記電動機のロータの回転方向，回転速度，磁極位置を検出することを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項３】
空気調和機の室外ファンを回転させるための三相交流電動機を駆動するインバータであって、複数のスイッチング素子から構成されるインバータと、
前記インバータの直流側に設けられた電流検出回路と、
この電流検出回路からの電流情報を基に前記室外ファンの回転数を制御する空気調和機の制御装置において、
前記電動機の３つの相電圧のうち２つの相電圧のみを検出する相電圧検出手段を備え、
前記電流情報と前記相電圧検出手段で検出された２つの相電圧の情報とに基づいて前記室外ファンの回転数を制御する空気調和機の制御装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記室外ファンの回転数を制御する前に、前記相電圧検出手段で検出された２つの相電圧の情報に基づいて、前記電動機のロータの回転方向，回転速度，磁極位置を検出することを特徴とする空気調和機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ回路において、１本の過電流検出用シャント抵抗によって三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の合成電流を検出する事で、マイコン内部演算によって磁極位置を推定して通常駆動時は位置センサレス駆動方式で１８０度通電制御を行う電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固定子巻線を備え、回転子（ロータ）に永久磁石を使用した永久磁石形同期モータ（以下ＰＭモータ：permanent magnetモータ）は、高効率であることから空気調和機等の家電製品に多く用いられている。この永久磁石同期モータの駆動制御は、回転子の磁極位置とモータ電流の位相とを密接に関係付けて行う事が必要である。近年では、モータ制御の高効率化が進んでいる。
【０００３】
このようなモータに関しては、ホール素子等のロータ位置検出センサを用いてロータ磁極位置検出を行うことなく、１本の過電流検出用シャント抵抗によって電流検出を行うものがある。このようなモータには、当該検出された電流をマイコン内部でＡ／Ｄ変換することにより磁極位置を推定して、１８０度通電方式によってモータ駆動する位置センサレス駆動方法が採用されている。
【０００４】
空気調和機の室外機に設けられる室外ファンを駆動する場合、インバータによってモータを起動する前に風によりファンが勝手に回転している（空転している）事がある。このとき、シャント抵抗１本を用いた回路によりセンサレスベクトル制御で電動機の駆動を行うとすると、インバータのスイッチング素子がオンオフされていない状態では、モータの誘起電圧による電流が如何なる電流であるかを特定することができない。何故なら、この磁極位置の推定は、インバータがスイッチングするタイミングから、現在シャント抵抗に流れている電流が如何なる電流であるかを論理的に導き出す方法によるものだからである。
【０００５】
そこで特許文献１ではシャント抵抗１本で行うセンサレスベクトル制御に加え、電動機の線間電圧を検出する手段を設け、インバータのスイッチングによって電動機を駆動する前に電動機のロータの回転方向，回転速度，磁極位置を検出する電動機の制御装置が提案されている。
【０００６】
特許文献１によると、風等の外乱によって勝手にファンが回っている場合、モータの誘起電圧を検出する回路を追加し、インバータがスイッチングする前にロータ磁極位置と回転速度と回転方向を検出することで、起動時に外乱が入っても所望の回転速度に制御する事を可能としている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１６６６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら特許文献１では、線間電圧を知るために電動機の三相の電圧を知ることが必要である。このために、図４に示すように各相それぞれに相電圧を検出するための抵抗を配設している。そして、ダイオードとトランジスタとを接続し、トランジスタを順次オフすることで必要な相電圧を選択する。選択によって相電圧の情報を入手し、線間電圧を演算している。
【０００９】
この方法によれば、マイコンのＡＤポートが１つで済むという利点があるが、マイコンの通常ポートが３つ必要となり、回路が複雑になってしまう。
【００１０】
また、通常運転時に線間電圧が発生した場合に、全ての（３つの）相電圧検出抵抗に電流が流れてしまい、損失が発生する。例えば、相電圧検出抵抗に４３０ｋΩの抵抗を使用し、線間電圧が２００Ｖ発生した場合には、相電圧検出抵抗１個に約０.１Ｗの損失が発生する。相電圧検出抵抗が３個配設されている場合、これは入力３０Ｗで電動機を運転した効率において１％に相当する。
【００１１】
また、通常相電圧検出抵抗を３個配設する場合、高電圧で互いに異極となることから所定の絶縁距離をとる必要があり、広い実装スペースが必要となる。
【００１２】
従って、風等の外乱によって電動機が勝手に回ってしまう可能性がある用途に使用するモータに関してもＵ，Ｖ，Ｗ相の合成電流をインバータの直流側のシャント抵抗で検出して１８０度通電方式を適用し、簡単な回路構成で、高効率、かつ、小スペースに実装可能な電動機の制御装置が望まれる。
【００１３】
本発明の目的は、高効率で電動機を制御することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上基本発明の目的は、
三相交流電動機を駆動するためのインバータであって、複数のスイッチング素子から構成されるインバータと、
前記インバータの直流側に設けられた電流検出回路と、
この電流検出回路からの電流情報を基に前記電動機を制御する電動機の制御装置において、
前記電動機の３つの相電圧のうち２つの相電圧のみを検出する相電圧検出手段を備え、
前記電流情報と前記相電圧検出手段で検出された２つの相電圧の情報とに基づいて前記電動機を制御する
ことによって達成される。
【００１５】
また、上基本発明の目的は、
空気調和機の室外ファンを回転させるための三相交流電動機を駆動するインバータであって、複数のスイッチング素子から構成されるインバータと、
前記インバータの直流側に設けられた電流検出回路と、
この電流検出回路からの電流情報を基に前記室外ファンの回転数を制御する空気調和機の制御装置において、
前記電動機の３つの相電圧のうち２つの相電圧のみを検出する相電圧検出手段を備え、
前記電流情報と前記相電圧検出手段で検出された２つの相電圧の情報とに基づいて前記室外ファンの回転数を制御する
ことによって達成される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高効率で電動機を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、ＰＭモータを使用したモータ制御装置の実施例を、図１〜図３を用いて説明する。
【００１８】
図１は本発明によるモータ制御装置の実施例を示す回路構成図である。本実施例の制御装置は、商用電源から直流電源を作るコンバータ１と、コンバータ１から供給される直流電源を三相交流に変換するインバータ２と、制御対象であるＰＭモータ３と、電動機の交流印加電圧を演算しパルス幅変調波信号（ＰＷＭ信号）に変換して出力する制御器４と、コンバータ１がインバータ２へ供給する電流Ｉ０を検出する電流検出器５と、ＰＭモータ３の２つの相電圧を検出する相電圧検出器６とからなる。
【００１９】
なお、相電圧検出器６は、ＰＭモータ３の３つの相電圧のうち２つの相電圧のみを検出するものである。本実施例ではＵ相電圧とＶ相電圧とを検出する。
【００２０】
インバータ２に電力を供給するコンバータ１は、交流電源１１と、交流を整流するダイオードブリッジ１２と、直流電源に含まれる脈動成分を抑制する平滑コンデンサ１３とを有している。
【００２１】
制御器４は、ＡＤ変換器４１と、電流再現器４２と、モータ印加電圧演算器４３と、ＰＷＭ信号発生器４４と、ＡＤ変換器４５と、回転数・回転方向演算器４６と、を有している。
【００２２】
ＡＤ変換器４１は、コンバータ１がインバータ２へ供給する電流Ｉ０を検出し、このＩ０の検出値をデジタル値Ｉ０′に変換する。電流再現器４２は、Ｉ０′からＰＭモータ３に流れる三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを制御器内部で演算により再現する。モータ印加電圧演算器４３は、ＰＭモータ３に印加すべき三相交流指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を演算する。ＰＷＭ信号発生器４４は、上記三相交流指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づき、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）ｕ＋，ｕ−，ｖ＋，ｖ−，ｗ＋，ｗ−を発生する。ＡＤ変換器４５は、ＰＭモータ３の相電圧Ｖｕ，Ｖｖを検出するとともに検出されたＶｕ，Ｖｖの検出値をデジタル値Ｖｕ′，Ｖｖ′に変換する。回転数・回転方向演算器４６は、Ｖｕ′とＶｖ′に基づいてインバータを起動する前のＰＭモータ３の回転数と回転方向を演算する。
【００２３】
通常の制御に関しては、例えば特開２００２−２７２１９４号公報に記載されている手法と同様のもので行う。また上記手法以外でもＩ０を用いて制御する手法であれば他の手法を用いることができる。
【００２４】
次にインバータ２を起動する前のＰＭモータ３の回転数，回転方向を演算する方法を図２，図３を用いて説明する。
【００２５】
まず図２の（Ｓ１）でＰＭモータ３の相電圧Ｖｕ，Ｖｖを検出する。この電圧波形は図３の実線と破線となる。図３には理解しやすくするため点線にＷ相の電圧を検出した場合の線も載せているが、Ｗ相の電圧値は不明である。Ｖｕの電圧のピーク値が（数式１）で表されるように電動機の回転数に比例した電圧となる。
【００２６】
「Ｖｕｐｅａｋ＝Ｋｅ×Ｎ」・・・（数式１）
ここで、Ｖｕｐｅａｋ：Ｕ相電圧検出値のピーク値
Ｋｅ        ：誘起電圧定数で、モータの固有値で既知
Ｎ          ：電動機の回転数
よって、電動機の回転数Ｎに比例したＶｕｐｅａｋ値が十分小さければ、回転していないか、回転数が低いと考えられるため、通常起動が可能である。このため、Ｖｕｐｅａｋ値と所定値Ｖｕ０との大小を比較し、Ｖｕｐｅａｋ値がその所定値以下または未満であれば、この場合は通常の起動として（Ｓ２）の起動を行う。なお、起動する前に停止処理を行ってもよい。
【００２７】
Ｖｕｐｅａｋが回転数を判定するのに十分に大きいとき、つまり、（Ｓ１）で（Ｓ２）以外と判定されたとき、（Ｓ３）で回転数を演算する。これは図３の電圧を回転周期より十分早い周期でサンプリングして或る時間内のＵ相電圧の山の数をカウントしてもよいし、一つの山から次の山への時間を検出してもよい。また数式１において、Ｋｅは既知であるため、この式を変形して回転数Ｎを求めてもよい。以上のような方法によってＰＭモータ３の回転数を演算できたとしても、Ｕ相の相電位のみでは回転方向が不明である。
【００２８】
次に（Ｓ４）で回転方向を判定する。これは相電圧Ｖｕ′，Ｖｖ′の波形のピークが現れる順序で決まる。Ｖｕ′波形のピーク→Ｖｖ′波形のピークの順序で現れるならば正回転、Ｖｖ′波形のピーク→Ｖｕ′波形のピークの順序ならば逆回転である。
【００２９】
次に（Ｓ５）で磁極位置を演算する。これは正回転ならばＶｕ′の波形のはじめのピークを検出したときの磁極位置をｄ軸位相の２４０°としてもよいし、２個目のピークでｄ軸位相の３００°としもよいし、Ｖｖ′のピーク値を使ってもよい。またピーク値ではなく、Ｖｕ′が０となる値で決めてもよい。またピーク値の１／２の値で決めてもよい。逆回転でも同様に磁極位置を決めることができる。
【００３０】
以上により空転状態での回転数，回転方向，磁極位置が判明したことになる。以上の検出した情報をもとに（Ｓ６）で起動する。順方向で回転していた場合は検出した磁極情報をもとにベクトル制御を行い、即通常運転に移行することが可能である。逆方向に回転していた場合には上記情報をもとに逆回転のままベクトル制御を行い、減速し、回転数を０にした後、順回転に制御する。
【００３１】
（Ｓ２）か（Ｓ６）で起動した後は、（Ｓ７）で通常制御を行う。
【００３２】
本実施例では従来方法の三相電圧全てから位置検出することに比べて、検出回路抵抗を一相分減らせるので相電圧検出回路の損失を約２／３とすることができる。
【００３３】
電流検出手段としてシャント抵抗を例として挙げているが、シャント抵抗に代えて電流センサでも上記の起動方法を実現することができる。
【００３４】
以上の実施例によれば、複数のスイッチング素子から構成されるインバータ回路において、三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）に流れる合成電流情報を１本の過電流検出用シャント抵抗によって検出し、ＰＷＭ信号に同期したＡ／Ｄ変換機によってインバータ回路の出力電流を再現する事で、通常時はロータ磁極位置を推定し駆動する事によって１８０度通電制御を実現することができる。
【００３５】
外乱等によってロータが勝手に回っている（空転している）場合は、インバータがスイッチングする前に、モータの２つの相電圧を検出する手段を設け、モータが回転することによって発生する誘起電圧から、ロータの磁極位置と回転速度と回転方向を演算し、その空転状況に応じて起動を行った後、通常制御を行う事ができる。
【００３６】
この電動機の制御を、空気調和機の室外ファンを回転させるための三相交流電動機の制御に応用すれば、室外ファンの回転数を制御することができる。
【００３７】
以上によれば、風等の外乱によって電動機が勝手に回ってしまう可能性がある用途に使用するモータに関してもＵ，Ｖ，Ｗ相の合成電流をインバータの直流側のシャント抵抗で検出して１８０度通電方式を適用し、簡単な回路構成で、高効率、かつ、小スペースに実装可能な電動機の制御装置が望まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によるモータ制御装置の実施例を示す回路構成図。
【図２】本発明の実施例の制御のフローチャート。
【図３】ＰＭモータの相電圧波形。
【図４】従来の１シャント＋位置検出モータの回路構成図。
【符号の説明】
【００３９】
１  コンバータ
２  インバータ
３  ＰＭモータ
４  制御回路
５  シャント抵抗
６  相電圧検出回路
１１  交流電源
１２  ダイオードブリッジ
１３  平滑キャパシタ
４１，４５  ＡＤ変換器
４２  モータ電流再現器
４３  モータ印加電圧演算器
４４  ＰＷＭ信号発生器
４６  回転数・回転方向演算器
【図１】
2009077503.tif 000003
【図２】
2009077503.tif 000004
【図３】
2009077503.tif 000005
【図４】
2009077503.tif 000006