JP2001145382A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】交流電源を直流に変換する整流回路及び平滑回
路と、スイッチング動作とインダクタンスによるエネル
ギ蓄積効果を利用して電源の力率を改善する昇圧回路か
ら成る電源回路と、電源電流を正弦波にし、直流電圧と
指令電圧の偏差が零に成るように昇圧回路のスイッチン
グ動作を制御するコンバータ制御手段と、平滑回路の出
力にインバータ及び電動機を接続した電動機駆動回路
と、電動機の磁極位置を検出する位置検出回路と、電動
機の速度と指令速度の偏差が零になるようにインバータ
を制御するインバータ制御手段及び、前記電動機の動作
状態に応じて前記スイッチング素子のスイッチング動作
を一時停止するスイッチング動作停止手段を備える構成
となっている。 【効果】昇圧チョッパ回路のスイッチング動作を停止す
ることにより直流電圧の急上昇を防止できる。また、直
流電圧の上昇及び力率の低下を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は交流電源を整流し、所望
の直流電圧を出力する電源装置，交流電源の力率を改善
する電源装置、及び前記電源装置を用い電動機を制御す
る電動機制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、交流電源を整流して直流電源に変
換する整流回路にあって、電源電流の高調波を抑制する
電源回路と電動機駆動回路を組み合わせ、電動機の速度
制御を行う電動機制御装置には特開昭63−224698号公報
に記載の方式がある。本方式は、電源電流の高調波抑制
手段として昇圧チョッパ回路を用い電源電流を強制的に
流し、電源電流が正弦波になるように昇圧チョッパ回路
のスイッチング素子を動作させている。また、負荷とし
て接続されている電動機駆動回路の負荷状態により電源
電流の大きさを制御している。また、電動機駆動回路は
電動機の速度制御を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来方式では、電
源電流を正弦波に制御するためにスイッチング動作を行
い、強制的に電流を流している。このため、入力電力に
対して負荷の消費電力が小さくなると直流電圧が急上昇
する傾向にある。そこで、従来方式では最低入力電力値
を低く抑えるように電源回路の制御定数を決定し、出力
電圧が上昇しないようにしていた。

【０００４】しかし、入力電力が数ワットから数キロワ
ットまで変化するインバータを用いた電動機制御装置で
は、電源回路の制御定数を全範囲満足するように設定す
るには限界がある。また、電源回路の制御回路にＩＣ化
された力率改善専用回路等を用いた場合、最低入力電力
値を変更するのは困難である。

【０００５】本発明の目的は、消費電力が小さい時でも
直流電圧が急上昇しないような電源回路を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、交流電源を
直流に変換する整流回路及び平滑回路と、スイッチング
動作とインダクタンスによるエネルギ蓄積効果を利用し
て電源の力率を改善する昇圧回路から成る電源回路と、
電源電流を正弦波にし、直流電圧と指令電圧の偏差が零
に成るように前記昇圧回路のスイッチング動作を制御す
るコンバータ制御手段と、前記平滑回路の出力にインバ
ータ及び電動機を接続した電動機駆動回路と、電動機の
磁極位置を検出する位置検出回路と、前記電動機の速度
と指令速度の偏差が零になるようにインバータを制御す
るインバータ制御手段及び、前記電動機の負荷の状態に
応じて前記スイッチング素子のスイッチング動作を一時
停止するスイッチング動作停止手段を備えることにより
達成できる。

【０００７】

【作用】上記構成において、インバータ制御手段は電動
機の回転位置検出信号及び電源電流を入力し、電動機の
負荷が小さい場合、回転位置検出信号より電動機の速度
を演算し、速度指令値との偏差が零になるように通流率
を制御したドライブ信号がドライバへ出力される。ドラ
イバはドライブ信号に従ってインバータを動作させる。
この時、コンバータ制御手段には所定の直流電圧指令が
出力されている。

【０００８】また、電動機の負荷が大きい場合、回転位
置検出信号より電動機の速度を演算し、速度指令値との
偏差が零になるように直流電圧指令値を前記コンバータ
制御手段に出力している。この時、インバータへのドラ
イブ信号は通流率１００％信号となる。回転位置検出信
号は電動機の誘起電圧より位置検出回路により作成され
ている。

【０００９】コンバータ制御手段は電源電圧，電源電流
及び直流電圧を検出し、電源電圧波形より電源電圧に同
期した正弦波基準波形を作成する。さらに直流電圧値と
直流電圧指令値を比較し、偏差が零になるように正弦波
基準波形の振幅を変更する。このようにして作成された
正弦波基準波形と電源電流を比較し偏差が零になるよう
にスイッチング素子にスイッチング信号を出力してる。

【００１０】電源装置及びインバータは、スイッチング
信号及びドライブ信号にしたがって動作し、直流電圧及
び電動機を制御している。

【００１１】スイッチング動作停止手段は、インバータ
制御手段内に格納されており、電動機停止信号及び電源
電流検出値に基づいてコンバータ制御手段にコンバータ
停止信号を出力している。コンバータ制御手段はコンバ
ータ停止信号が停止状態（スイッチング動作停止）にな
っている間スイッチング信号を一時停止し、スイッチン
グ動作を行わない。

【００１２】スイッチング動作停止手段により、電動機
が停止している状態及び電動機負荷が小さく最低入力電
力値を下回る場合、昇圧回路のスイッチング動作を一時
停止し、直流電圧の上昇を抑制する。

【００１３】ここで、コンバータ停止信号の停止信号出
力条件は、電動機が停止状態の場合もしくは電源電流値
が基準値以下の場合である。ここで基準値は電源装置が
抑えることのできる最低入力電力値に相当する電源電流
値である。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の第一の実施例を図１から図４
を用いて説明する。図１は、整流回路及び昇圧チョッパ
回路を用いた力率改善回路と、インバータ及びモータか
ら成るモータ駆動回路を備えたモータ制御装置の系統図
である。

【００１５】交流電源１は全波整流回路２に接続され、
電源電圧の全波整流波形となる脈動直流電圧を出力す
る。リアクトル３，ダイオード４、及びトランジスタ５
より構成された昇圧チョッパ回路は、前記全波整流回路
２の出力側に接続され前記脈動直流電圧を前記トランジ
スタ５のスイッチング動作及びリアクトル３のエネルギ
蓄積効果により昇圧する。昇圧された脈動直流電圧は平
滑用コンデンサ６に供給され安定した直流電圧を出力す
る。

【００１６】同期モータ９を接続したインバータ８は、
平滑用コンデンサ６に接続されており、平滑用コンデン
サ６から供給される直流電圧を任意の交流電圧に変換し
同期モータ９を駆動する。また、電源電流検出素子７は
コンバータ制御手段１３及びインバータ制御手段１１に
電源電流値を与えている。

【００１７】位置検出回路１０は同期モータ９の誘起電
圧より磁極位置を検出しインバータ制御手段１１に出力
している。インバータ制御手段１１は位置検出回路１０
からの位置検出信号を基に、ドライブ信号，直流電圧指
令及び、コンバータ停止信号を出力し、モータの速度制
御を行っている。

【００１８】コンバータ制御手段１３は電源の力率改善
と同時に直流電圧指令及びコンバータ停止信号に基づい
て直流電圧の制御を行う。ドライバ１２はインバータ制
御手段１１からのドライブ信号に従ってインバータ８を
駆動する。

【００１９】図２にインバータ制御手段１１の回路構成
をブロックで示す。速度制御部111は、位置検出回路１
０からの位置検出信号を基に、モータの速度を演算し、
速度指令値との偏差に応じて通流率信号及び直流電圧指
令を作成し、それぞれＰＷＭ信号作成部１１２及びコン
バータ制御手段１３に出力する。また、位置検出信号か
らモータ停止信号を作成し、コンバータ動作制御部１１
３に出力する。

【００２０】コンバータ動作制御部１１３は、電源電流
検出素子７からの電源電流値及びモータ停止信号より、
トランジスタ５のスイッチング動作を一時停止するコン
バータ停止信号をコンバータ制御手段１３に出力する。

【００２１】ＰＷＭ信号作成部１１２は通流率信号より
通流率に応じたドライブ信号を作成する。

【００２２】図３にコンバータ制御手段１３のブロック
図を示す。コンバータ制御手段１３はインバータ制御手
段１１からの直流電圧指令に従って直流電圧の制御を行
うと同時に、脈動直流電圧値及び電源電流値により電源
電流を正弦波に制御し、電源の力率改善を行っている。

【００２３】電圧エラーアンプ１３１は直流電圧検出値
と直流電圧指令値とから電圧偏差を演算している。電圧
偏差は、脈動直流電圧、即ち、全波整流後の電源電圧波
形と乗算器１３２で乗算される。この値が図１で示すモ
ータ制御装置の入力電流指令値となる。

【００２４】電流エラーアンプ１３３は入力電流指令値
と電源電流検出値とから電流偏差を算出し、ＰＷＭコン
パレータ１３５に出力する。本回路で電源電流を正弦波
に制御している。

【００２５】ＰＷＭコンパレータ１３５は発振器１３４
からの三角波と電流偏差を比較しＰＷＭ信号を出力す
る。ＰＷＭ信号は、ＡＮＤ回路１３６によりコンバータ
停止信号と論理積が取られドライバ１３７に供給され
る。つまり、コンバータ停止信号が停止状態（スイッチ
ング動作停止）の時ＰＷＭ信号はドライバ１３７に供給
されない。ドライバ１３７はＰＷＭ信号によりトランジ
スタ５を駆動する。

【００２６】以上の回路構成によりモータの速度制御及
び電源の力率改善を行っている。なお、図２に示したイ
ンバータ制御手段はマイクロコンピュータを使用し、各
ブロックで示した動作はソフトウエア処理で実現してい
る。また、本実施例は電圧形インバータで説明したが、
電流形インバータを用いても何ら問題ない。この場合、
インバータ制御手段１１内に電流制御部が追加されるの
みである。

【００２７】次に図２に示したコンバータ動作制御部１
１３の動作について図４を用いて説明する。図４はコン
バータ動作制御部１１３の動作をフローチャートで示し
た。

【００２８】最初に処理（イ）でモータ９が動作中かを
前記速度制御部１１１のモータ停止信号より判定する。
モータが停止中の場合、処理（ホ）に進みコンバータ停
止信号を停止状態（スイッチング動作停止）で出力す
る。反対にモータが動作中の場合、処理（ロ）に進み電
源電流を検出する。そして、処理（ハ）で、検出した電
源電流とあらかじめ設定されている基準値と比較し、電
源電流が基準値より大きい場合、処理（ニ）に進みコン
バータ停止信号を動作状態（スイッチング動作許可）に
する。電源電流が基準値より小さい場合は、処理（ホ）
に進みコンバータ停止信号を停止状態（スイッチング動
作停止）で出力する。基準値は昇圧回路が扱える最小入
力電流値に設定してある。本実施例では、コンバータ停
止信号の停止状態出力が「Ｌ」レベル，動作状態出力が
「Ｈ」レベルとなっている。

【００２９】また、モータ電流の過電流検出によるモー
タの停止など急にモータが停止した場合は、割り込み処
理により処理（ホ）の処理が実行される。

【００３０】以上述べた回路動作及びソフト処理によ
り、モータが停止している状態及びモータ負荷が小さく
最低入力電力値を下回る場合、昇圧回路のスイッチング
動作を一時停止し、直流電圧の上昇を抑制することがで
きる。

【００３１】次に本発明の他の実施例のモータ制御装置
を図５から図８を用いて説明する。本実施例は第一の実
施例のコンバータ制御手段にＩＣ化された力率改善回路
を用いたものである。

【００３２】図５は他の実施例に係るモータ制御装置の
構成図である。ここで図１と異なるのはコンバータ制御
手段１４とインバータ制御手段１５のみである。

【００３３】コンバータ制御手段１４は上記で示した通
りＩＣ化された力率改善回路を用いている。この力率改
善回路は直流電圧指令値がＩＣ内部で設定されており、
直流電圧を可変するためには直流電圧検出ゲインを変更
する必要がある。このため、コンバータ制御手段１４に
は補正直流電圧検出値及びコンバータ停止信号がインバ
ータ制御手段１５より入力されている。

【００３４】図６にコンバータ制御手段１４の回路構成
を示す。図３と異なるのは電圧エラーアンプ１４１のみ
である。図６に示すように直流電圧指令値が基準電圧と
して一定値となっている。この基準電圧と補正直流電圧
検出値との偏差に従い、直流電圧制御及び力率改善制御
を第一の実施例同様に行っている。

【００３５】図７にインバータ制御手段１５の回路構成
をブロックで示す。第一の実施例と異なるのは直流電圧
演算部１１５が付加されている部分でありその他は同一
である。直流電圧演算部１１５は上記で述べた通り、直
流電圧検出ゲインを変更するためのものである。本回路
は直流電圧値が直流電圧指令値になったときに、電圧エ
ラーアンプ１４１の基準電圧と同じ電圧を発生するよう
に演算を行っている。

【００３６】図８にコンバータ動作制御部１１４の動作
をフローチャートで示す。コンバータ動作制御部１１４
は、第一の実施例のコンバータ動作制御部１１３と異な
り、電源電流との比較を行う基準値を二つ設け、昇圧チ
ョッパ回路が動作中か、停止中で異なる基準値と比較す
るようになっている。

【００３７】これは、昇圧チョッパが動作中は力率が向
上するため、同一負荷では昇圧チョッパが動作していな
い時に比べ電源電流が低減するためである。言い換えれ
ば、昇圧チョッパが停止中は、力率が低下し大きな電流
が流れるため、それに応じた大きな基準値と比較する。
反対に、昇圧チョッパが動作中は、力率が向上している
ため小さな電流となる。故に基準値も小さくなるもので
ある。

【００３８】図８の処理（イ)，(ロ)，(ニ)，(ホ）につ
いては第一の実施例と同様なので説明は省略する。処理
（ヘ）において昇圧チョッパが動作中かどうかを判定
し、動作中の場合は処理（ト）に、停止中の場合は処理
（チ）に移る。処理（ト）では、処理（ロ）で検出した
電源電流値と基準値１を比較し基準値１以下の場合は処
理（ホ）に進みスイッチング動作を停止する。基準値１
以上の場合は処理（ニ）へ進む。処理（チ）では、同様
処理（ロ）で検出した電源電流値と基準値２を比較し基
準値２以下の場合は処理（ホ）に進みスイッチング動作
を停止する。基準値２以上の場合は処理（ニ）へ進み、
コンバータ停止信号を動作状態（スイッチング動作許
可）にする。

【００３９】以上の方式により、ＩＣ化された力率改善
回路を使用しても直流電圧の可変ができ、モータが停止
している状態及びモータ負荷が小さく最低入力電力値を
下回る場合でも昇圧回路のスイッチング動作を一時停止
し、直流電圧の上昇を抑制することができる。

【００４０】また、基準値を昇圧チョッパ動作時と停止
時と２種類設けることにより、最小入力電力近傍まで力
率改善及び直流電圧制御が可能になる。

【００４１】これまで、電源電流値が最小値になったと
き完全にスイッチング動作を停止する方式で述べてきた
が、電源周期のある期間のみスイッチング動作を一時停
止する方式について説明する。

【００４２】図９は本発明の他の実施例に係るもので、
第一の実施例で述べたコンバータ停止信号出力処理動作
を示したものである。第一の実施例では、図４に示す様
にコンバータ動作制御部でモータが停止中及び電源電流
が基準値未満の場合、コンバータのスイッチング動作を
停止していた。しかし、本実施例では、モータが停止中
はスイッチング動作も停止するが、電源電流が基準値未
満の場合は図９に示すコンバータ動作停止処理を行い、
図１０に示すようなスイッチング動作を行うものであ
る。言い換えれば、入力電流のピーク付近でスイッチン
グ動作を停止し入力電力を抑えるものである。

【００４３】図９に示すコンバータ動作停止処理は図２
に示すコンバータ動作制御部１１３内で動作するものと
する。本回路は、スイッチング動作を停止する電流値レ
ベルを決定する電流制限手段２０と、実際にコンバータ
停止信号を発生するコンパレータ２１から構成されてい
る。

【００４４】電流制限手段２０は電源電流検出値より電
源１周期分の平均電流値を算出し、平均電流値があらか
じめ設定されている基準値になるように、電流制限信号
のレベルを制御している。

【００４５】コンパレータ２１は電流制限信号と電源電
流検出値を比較し、電流制限信号のレベルより電源電流
検出値が大きい場合にコンバータ停止信号を停止状態
（スイッチング動作停止）にする。ここでは停止状態は
「Ｌ」レベルである。

【００４６】以上述べたコンバータ動作停止処理は、ソ
フトウエア処理で実現している。

【００４７】次に、コンバータ動作停止処理を行った場
合の電流波形及び各動作波形を図１０に示す。図１０
は、脈動直流電圧波形と電源電流波形及び電流制限レベ
ルを一緒に、また、波形と同一タイミングで、コンバー
タ停止信号とスイッチング動作を示している。

【００４８】コンバータ動作停止処理により、電流制限
信号値より大きな電源電流値ではコンバータ停止信号が
「Ｌ」状態になりスイッチング動作を一時停止するた
め、電源電流は脈動直流電圧に同期し、電流制限値より
上のレベルではスイッチングが入らない波形となる。こ
れにより、スイッチングを完全に停止する方式に比べて
力率を向上できる。

【００４９】この構成により、モータが停止している状
態では昇圧回路のスイッチング動作を停止し、モータ負
荷が小さく最低入力電力値を下回る場合は、昇圧回路の
スイッチング動作を電源周期のある期間で一時停止し、
直流電圧の上昇を抑制することができる。また、昇圧回
路のスイッチング動作を完全に停止しないため、低負荷
時の電源力率の低下を抑制できる。

【００５０】なお、図９に示す電流制限手段２０では電
源電流平均値から電流制限レベルを決定したが、直流電
圧値等から決定しても同様の効果が得られる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、モータ負荷が小さく消
費電力が昇圧チョッパ回路の最小入力電力値よりも小さ
い場合やモータが停止している場合、昇圧チョッパ回路
のスイッチング動作を停止することにより直流電圧の急
上昇を防止できる。さらに、電源電流平均値から電流制
限レベルを決定しスイッチング動作を電源周期の一期間
停止することにより、直流電圧の上昇及び力率の低下を
抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例に係るモータ制御装置の
系統図。

【図２】本発明の第一の実施例に係るインバータ制御手
段のブロック図。

【図３】本発明の第一の実施例に係るコンバータ制御手
段のブロック図。

【図４】本発明の第一の実施例に係るコンバータ動作制
御部のフローチャート。

【図５】本発明の第二の実施例に係るモータ制御装置の
系統図。

【図６】本発明の第二の実施例に係るコンバータ制御手
段のブロック図。

【図７】本発明の第二の実施例に係るインバータ制御手
段のブロック図。

【図８】本発明の第二の実施例に係るコンバータ動作制
御部のフローチャート。

【図９】本発明の第二の実施例に係るコンバータ動作停
止処理の説明図。

【図１０】本発明の第二の実施例に係るコンバータ動作
停止処理の動作波形図。

【符号の説明】

１…交流電源、２…全波整流回路、３…リアクトル、４
…ダイオード、５…トランジスタ、６…平滑コンデン
サ、７…電源電流検出素子、８…インバータ、９…同期
モータ、１０…位置検出回路、１１…インバータ制御手
段、１３…コンバータ制御手段。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電源を直流に変換する整流回路及び平
   滑回路と、スイッチング動作とインダクタンスによるエ
   ネルギ蓄積効果を利用して力率の改善をする力率改善回
   路から成る電源回路と、前記電源回路の出力に接続した
   インバータ及び電動機から成る電動機駆動回路と、前記
   力率改善回路のスイッチング動作を制御する力率改善手
   段と、前記電動機駆動回路を用いて前記電動機の速度制
   御を行う速度制御手段を備えたモータ制御装置におい
   て、前記電動機の動作状態において前記力率改善回路の
   スイッチング動作を制御するスイッチング動作制御手段
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記電動機が停止中、
   前記力率改善回路のスイッチング動作を停止する手段を
   備えたスイッチング動作制御手段。
3. 【請求項３】請求項１において、前記電動機の消費電力
   が、前記電源回路が制御できる最小入力電力値より小さ
   い時に、前記力率改善回路のスイッチング動作を停止す
   る手段を備えたスイッチング動作制御手段。
4. 【請求項４】請求項１において、前記電源回路に流入す
   る電源電流もしくは電源回路から流出する直流電流を検
   出し、前記検出値と所定の基準値とを比較して前記検出
   値が小さいときに前記力率改善回路のスイッチング動作
   を停止するスイッチング動作停止手段。
5. 【請求項５】請求項４において、複数種類の異なる基準
   値を持ち、前記昇圧回路の回路動作状態に応じて比較す
   る基準値を変更するスイッチング動作停止手段。
6. 【請求項６】交流電源の力率を昇圧チョッパ回路を用い
   て改善する力率改善装置において、前記力率改善装置の
   出力に接続されている負荷状態に応じて、前記昇圧チョ
   ッパ回路のスイッチング素子を動作させるスイッチング
   信号を電源周期のある期間一時停止するスイッチング動
   作停止手段を備えた電源装置。
7. 【請求項７】請求項１において、直流電圧検出ゲイン
   を、直流電圧指令値に対応して変更する直流電圧検出手
   段を備えた力率改善装置。
8. 【請求項８】請求項１において、直流電圧値が直流電圧
   指令値に一致したときに、前記力率改善手段内部であら
   かじめ設定されている値と同じ値になるように直流電圧
   検出値を出力する直流電圧検出手段を備えた力率改善装
   置。