JP2002165482A - モータ制御装置 - Google Patents

モータ制御装置

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JP2002165482A JP2000357281A JP2000357281A JP2002165482A JP 2002165482 A JP2002165482 A JP 2002165482A JP 2000357281 A JP2000357281 A JP 2000357281A JP 2000357281 A JP2000357281 A JP 2000357281A JP 2002165482 A JP2002165482 A JP 2002165482A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 位置センサレスのモータ制御装置において、
相誘起電圧に対する電機子反作用の影響と電源リプルに
対する制御効果遅れとを考慮した制御により、速度変
動、騒音、および振動などを抑制する。 【解決手段】 制御手段５は、相電圧検出手段５ａによ
り検出した三相モータ３の相誘起電圧に基づいて回転子
位置を推定するとき、三相モータ３の電流量に依存した
電機子反作用の影響による相誘起電圧の進み位相角を、
ＰＷＭ信号パルス幅、回転数、および電源電圧Ｖｄｃに
より推定した電流量により、電流センサレスで補正し、
的確な回転子位置を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、単相交流電源から
三相モータを可変速で駆動できるモータ制御装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】以下、従来のモータ制御装置について説
明する。従来のこの種のモータ制御装置としては、特開
平１０-１５０７９５号公報、および特開２０００-８３
３９７号公報などに開示された手段がある。
【０００３】まず、特開平１０−１５０７９５号公報に
記載された内容について図面を参照しながら説明する。
図４に示したように、単相交流電源１の出力を全波整流
する整流回路２と、整流回路２の整流出力をスイッチン
グして得た可変電圧・可変周波数の交流出力により三相
モータ３を駆動するインバータ主回路４と、インバータ
主回路４を制御する制御手段５と、三相モータ３の回転
子位置の情報を与える位置センサ６とを備え、前記制御
手段５は、電圧指令値に基づいて前記インバータ主回路
４内のスイッチング素子をオンオフさせるためのＰＷＭ
信号を発生する信号発生手段を備えている。
【０００４】上記構成において、制御手段５は、電源リ
プルに対応して前記信号発生手段により常に所望のイン
バータ出力電圧を得ることができるようにＰＷＭ信号の
パルス幅の増減制御を行い、最大パルス幅において所望
のインバータ出力を得ることができない飽和状態となっ
た場合には、前記ＰＷＭ信号の出力タイミングを早めて
インバータ出力電圧の位相を進ませて所望のインバータ
出力を得ることを可能にしている。
【０００５】つぎに、特開２０００−８３３９７号公報
に記載された内容について図面を参照しながら説明す
る。図５に示したように、単相交流電源１の出力を全波
整流する整流回路２と、整流回路２の整流出力をスイッ
チングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力により
三相モータ３を駆動するインバータ主回路４と、インバ
ータ主回路４を制御する制御手段５とを備え、制御手段
５は、同一相におけるスイッチング素子のデッドタイム
期間中の三相モータ３の端子電圧を検出する相電圧検出
手段５ａと、相電圧検出手段５ａにより検出された前記
端子電圧から相電流の符号が変化したタイミングを検出
する相電流符号変化検出手段５ｂと、前記相電流符号変
化タイミングと相印加電圧との位相差に基づいてＰＷＭ
信号を発生するスイッチング素子変調手段５ｃとを備え
ている。
【０００６】上記構成において、スイッチング素子のデ
ッドタイム期間中の三相モータ３の端子電圧を相電圧検
出手段５ａにより検出することにより相電流の符号を検
出し、この相電流の符号変化を相電流符号変化検出手段
５ｂにより検出する。検出された相電流符号変化タイミ
ングより三相モータ３の回転子位置を推定し、スイッチ
ング素子変調手段５ｃにより、この相電流符号変化タイ
ミングと相印加電圧との位相差制御を行う。
【０００７】また、平滑用および回生電流用として十分
大きな容量のコンデンサ７を備えたコンデンサ入力型の
整流回路２では、図６に示したように、抵抗８ａとリレ
ー８ｂとにより構成される突入電流防止回路８が備えら
れている。これは電源投入直後の少しの間は抵抗８ａを
介してコンデンサ７を充電し、その後、リレー８ｂをオ
ンとすることにより電源投入時に大きな充電電流(突入
電流)が流れて単相交流電源１としての商用電源の電圧
が一瞬低下することによる周辺機器の誤動作を防止して
いる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】このような従来のモー
タ制御装置において、上記の特開平１０−１５０７９５
号公報に開示されたモータ制御装置では、モータ駆動に
必要不可欠な三相モータ３の回転子位置情報を位置セン
サ６により検出しているため、この位置センサ６が過酷
な温度・圧力条件にさらされる圧縮機などのような密閉
状態での駆動を実現させることができない。また、上記
の特開２０００−８３３９７号公報などが開示している
従来の位置センサレス駆動手段を用いると、コンデンサ
７の小容量化に伴うインバータ主回路４の出力補正に相
電流が増加する弱め界磁制御を用いる前記モータ制御装
置において、電機子反作用による相誘起電圧の進み位相
角の影響が大きくなるため、三相モータ３の相誘起電圧
に基づいて回転子位置を推定する従来の技術では、位置
検出誤差が大きくなると言う問題があった。
【０００９】また、単相交流電源１を整流したのちの電
源リプルは電源周波数の２倍の周波数となるため、１０
０Ｈｚまたは１２０Ｈｚの電源リプルをＰＷＭ信号のパ
ルス幅の増減制御および弱め界磁制御により補正する必
要がある。これらの補正による効果が実際にモータの駆
動に作用するまでにはある期間が必要となる。このため
リアルタイムにこれらの補正を行う上記制御方法では、
駆動対象である三相モータ３の回転数変動やこれに伴う
振動、騒音を十分に抑制できないと言う問題があった。
【００１０】さらに、整流回路２の出力端子間に接続さ
れたコンデンサ７の容量が十分大きな場合、電源投入時
にコンデンサ７を充電するために流れる突入電流を防止
するために突入電流防止回路８を挿入する必要があり、
部品点数が多くなると言う問題があった。
【００１１】本発明は、上記の課題を解決するもので、
コンデンサ７の容量を少なくする、またはなくすことに
より、突入電流防止回路８を不要とし、さらに、三相モ
ータ３の相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定する手
法において、モータ電流に依存した電機子反作用による
相誘起電圧の進み位相角を考慮した回転子位置推定を行
うことで正確な回転子位置推定を行い、また、コンデン
サ７の小容量化に伴う電源リプルを予測してＰＷＭ信号
パルス幅増減制御および弱め界磁制御を行うことで、回
転数変動およびこれに伴う振動、騒音などを抑制して安
定な駆動を行うモータ制御装置を提供すること目的とす
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１に係わる本発明
は、単相交流電源の出力を全波整流する整流回路と、前
記整流回路の出力端子間に接続されて駆動対象であるモ
ータからの回生電流を流すための小容量のコンデンサ
と、前記コンデンサに印加される電圧をスイッチングし
て得た可変電圧・可変周波数の交流出力により前記モー
タを駆動するインバータ主回路と、全体の動作を制御す
る制御手段とを備え、前記制御手段は、電圧指令値に基
づいて前記インバータ主回路内のスイッチング素子をオ
ンオフするＰＷＭ信号のパルス幅増減制御と、前記ＰＷ
Ｍ信号のパルス幅の増大制御で前記電圧指令値に相当し
たインバータ出力電圧が得られない飽和状態となったと
きには前記ＰＷＭ信号の出力タイミングを早めてインバ
ータ出力電圧の位相を進ませる弱め界磁制御とを行う制
御において、前記モータの電流量に依存する電機子反作
用を考慮した相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定し
て位置センサレス駆動を行うようにしたモータ制御装置
である。
【００１３】本発明により、モータの電流量に依存する
電機子反作用の影響を補正した推定回転子位置により、
位置センサレスで安定に駆動することができる。
【００１４】請求項２に係わる本発明は、整流回路の出
力端子間電圧とＰＷＭ信号のパルス幅とモータ回転数と
からモータの電流量を推定し、電機子反作用による相誘
起電圧の進み位相角を前記推定した電流量により補正
し、補正した相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定す
るようにした請求項１に係わるモータ制御装置である。
【００１５】本発明により、電流センサなしてモータの
電流量を推定して回転子位置の補正に用いることができ
る。
【００１６】請求項３に係わる本発明は、ＰＷＭ信号の
パルス幅の増減制御および弱め界磁制御を、モータ駆動
に作用するまでの遅延を考慮して行うようにした請求項
１に係わるモータ制御装置である。
【００１７】本発明により、整流回路に接続するコンデ
ンサの容量を小さくしたりなくしたとき、それに伴う電
源リプルの影響を的確に補正して安定に駆動することが
できる。
【００１８】請求項４に係わる本発明は、電源投入時に
整流回路の出力端子間に接続されたコンデンサを充電す
るために流れる突入電流から周辺機器の回路を保護する
突入電流防止回路を備えない構成とした請求項１に係わ
るモータ制御装置である。
【００１９】本発明により、全体の構成を簡単にするこ
とができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】請求項１に係わる本発明は、単相
交流電源の出力を全波整流する整流回路と、前記整流回
路の出力端子間に接続されて駆動対象であるモータから
の回生電流を流すための小容量のコンデンサと、前記コ
ンデンサに印加される電圧をスイッチングして得た可変
電圧・可変周波数の交流出力により前記モータを駆動す
るインバータ主回路と、全体の動作を制御する制御手段
とを備え、前記制御手段は、電圧指令値に基づいて前記
インバータ主回路内のスイッチング素子をオンオフする
ＰＷＭ信号のパルス幅増減制御と、前記ＰＷＭ信号のパ
ルス幅の増大制御で前記電圧指令値に相当したインバー
タ出力電圧が得られない飽和状態となったときには前記
ＰＷＭ信号の出力タイミングを早めてインバータ出力電
圧の位相を進ませる弱め界磁制御とを行う制御におい
て、前記モータの電流量に依存する電機子反作用を考慮
した相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定して位置セ
ンサレス駆動を行うようにしたモータ制御装置とする。
【００２１】本発明において、制御手段は、位置センサ
なしで相誘起電圧と相電流符号変化とから回転子位置を
推定するとき、電流量に依存する電機子反作用が相誘起
電圧に与える影響を補正し、補正した相誘起電圧を用い
て回転子位置を推定する。
【００２２】請求項２に係わるモータ制御装置は、整流
回路の出力端子間電圧とＰＷＭ信号のパルス幅とモータ
回転数とからモータの電流量を推定し、電機子反作用に
よる相誘起電圧の進み位相角を前記推定した電流量によ
り補正し、補正した相誘起電圧に基づいて回転子位置を
推定するようにした請求項１記載のモータ制御装置とす
る。
【００２３】本発明において、制御手段は、整流回路の
出力端子間電圧とＰＷＭ信号のパルス幅とモータ回転数
とからモータの電流量を推定し、推定した電流量を用い
て相誘起電圧の電機子反作用による進み位相角を補正
し、補正した相誘起電圧を用いて回転子位置を推定す
る。
【００２４】請求項３に係わるモータ制御装置は、ＰＷ
Ｍ信号のパルス幅の増減制御および弱め界磁制御を、モ
ータ駆動に作用するまでの遅延を考慮して行うようにし
た請求項１記載に係わるモータ制御装置とする。
【００２５】本発明において、制御手段は、整流回路の
出力端子間に接続されたコンデンサの小容量化に伴う電
源リプルの、単相交流電源の周期ごとにおける半周期前
のＡ／Ｄサンプリングデータを用いて、ＰＷＭ信号のパ
ルス幅の増減制御および弱め界磁制御を行う。これによ
り、リアルタイム処理を行うために必要なＡ／Ｄサンプ
リング速度が高速でかつ処理能力の速い高性能マイコン
を不要とし、また、電源リプルを半周期前のＡ／Ｄサン
プリングデータから予測することにより、モータ駆動に
作用するまでの遅延を考慮した制御を行うこととなる。
【００２６】請求項４に係わるモータ制御装置は、電源
投入時に整流回路の出力端子間に接続されたコンデンサ
を充電するために流れる突入電流から周辺機器の回路を
保護する突入電流防止回路を備えない構成とした請求項
１に係わるモータ制御装置とする。
【００２７】本発明において、モータ制御装置は、整流
回路の出力端子間に接続されたコンデンサの容量を小さ
く、またはコンデンサを設けない構成とし、これにより
電源投入時の突入電流を小さく、またはなくし、突入電
流防止回路を不要としている。
【００２８】以下、本発明の実施例について説明する。
【００２９】
【実施例】以下、本発明のモータ制御装置の一実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。
【００３０】図１は、本実施例の構成を示すブロック
図、図２は、電機子反作用による相誘起電圧の進み位相
角を示す波形図、図３は、電源リプルと補正のタイミン
グとを示す波形図である。なお、図６に示した従来例と
同じ構成要素には同一符号を付与している。
【００３１】上記構成において、まず、単相交流電源１
を整流回路２により整流し、整流回路２の出力端子間に
駆動対象である三相モータ３からの回生電流を流すため
の小容量のコンデンサ７を接続し、コンデンサ７の端子
に印加される電圧をインバータ主回路４により可変電圧
・可変周波数の交流出力に変換し、三相モータ３を駆動
する構成となっている。本実施例のモータ制御装置で
は、電源投入時の突入電流による周辺機器の誤動作を防
止するための突入電流防止回路は組み込まれていない。
【００３２】本実施例のモータ制御装置において、電機
子反作用による相誘起電圧の進み位相角を考慮した位相
制御を、相電圧検出手段５ａと相電流符号変化検出手段
５ｂとスイッチング素子変調手段５ｃと電流値推定手段
５ｄとにより行い、また、ＰＷＭ信号のパルス幅の増減
制御および弱め界磁制御を、モータ駆動に作用するまで
の遅延を考慮して、前記スイッチング素子変調手段５ｃ
と相電流符号変化検出手段５ｂと電源周波数検出手段５
ｅとにより行う。
【００３３】上記モータ制御において、スイッチング素
子変調手段５ｃからの相印加電圧指令の符号が変化する
タイミングと、相電圧検出手段５ａと相電流符号変化検
出手段５ｂとにより検出された相電流の符号が変化する
タイミングとの位相差を任意に設定する位相差制御につ
いては従来の技術と同じであるため、ここでは詳細な説
明は省略する。
【００３４】まず、電機子反作用による相誘起電圧の進
み位相角を考慮した制御について説明する。無通電時の
相誘起電圧は図２（ａ）に示したようになる。しかし、
実際に三相モータ３を駆動している通電時では電機子反
作用により図２（ｃ）に示したような電圧が重畳されて
相誘起電圧は図２（ｂ）に示すようになる。ただし、こ
こでは説明を簡単にするため電機子反作用で発生する電
圧を矩形波状に示している。このように電機子反作用の
影響を受けると相誘起電圧のゼロクロスポイントは無通
電時の相誘起電圧に比べて進むことになる。また、この
電機子反作用による影響はモータ電流に依存するため、
電流量が増加すると相誘起電圧のゼロクロスポイントの
進み具合もθ１＜θ２と大きくなる。したがって、相電
圧検出手段５ａおよび相電流符号変化検出手段５ｂによ
る相電流符号変化ポイントから三相モータ３の回転子位
置を推定する位相制御では回転子位置情報を正しく検出
することができない。
【００３５】そこで、電流量により電機子反作用による
影響を考慮するため、相電流符号変化検出手段５ｂから
得る回転子位置情報を補正して位相制御を行う。ここ
で、電流値推定手段５ｄは、電機子反作用による影響の
大小を判断する電流量を、整流回路２の出力端子間電圧
Ｖｄｃ、ＰＷＭ信号のパルス幅、および三相モータ３の
回転数から推定する。このように、電流量に依存する電
機子反作用の影響を考慮して相誘起電圧の進み位相角θ
を補正することにより、電流量に伴う位置検出誤差をな
くした位相制御を行うことができる。
【００３６】つぎに、ＰＷＭ信号のパルス幅の増減制御
および弱め界磁制御を、モータ駆動に作用するまでの遅
延を考慮して行うことについて説明する。これらの制御
は整流回路２の出力端子間に接続されたコンデンサ７の
小容量化またはコンデンサ７をなくしたことにより生じ
る電源リプルに起因する回転数変動を抑制している。
【００３７】ここで、前記電源リプルの周期は、図３に
示したように、単相交流電源１の周期の半分となる。し
たがって、図３に示した期間ｔ１において単相交流電源
１の半周期がわかれば補正すべき電源リプルの周期が明
確になる。さらに、図３の期間ｔ１に電源リプルをＡ／
Ｄサンプリングし、このサンプリング値をもとに期間ｔ
２においてパルス幅の増減制御および弱め界磁制御を行
うことで、前記パルス幅増減制御および弱め界磁制御の
タイミングと三相モータ３への作用のタイミングの遅延
を考慮した補正制御を行うことができる。このように、
単相交流電源１の半周期前に対応する電源リプルのＡ／
Ｄサンプリング値をもとに電源リプル補正を行うことで
リアルタイムに補正制御を行った場合より確実に回転数
変動を抑制することができる。
【００３８】なお、上記遅延時間はステップ応答などに
よりあらかじめ測定した値を用いてもよい。
【００３９】つぎに、電源投入時の突入電流から周辺機
器の誤動作を防止するための突入電流防止回路が不要に
なった理由について説明する。本実施例のモータ制御装
置において、整流回路２の出力端子間に接続するコンデ
ンサ７の容量を小さくする、またはコンデンサ７を不要
にした場合、電源投入時にコンデンサ７を充電する電流
は微小なものになる。このため、突入電流防止回路を設
けなくても周辺機器が誤動作を起こすと言うことはなく
なる。
【００４０】以上のように本実施例によれば、位置セン
サを用いないため、圧縮機などのような密閉状態となる
過酷な温度・圧力条件のもとでの駆動を実現させること
ができる。
【００４１】さらに、コンデンサ７の小容量化に伴うイ
ンバータ主回路４の出力補正にモータ電流を増加させる
弱め界磁制御を用いるモータ制御装置において、モータ
電流量に依存する電機子反作用の影響を考慮した回転子
位置検出を行うことで、位置検出誤差をなくした安定な
駆動を実現できる。このとき、三相モータ３の回転数、
ＰＷＭ信号パルス幅、および整流回路２の出力端子間電
圧からモータ電流量を推定することで電流センサを用い
ることなく位置検出誤差を補正することができる。 ま
た、電源リプルの影響の補正に必要なＡ／Ｄサンプリン
グデータについては、単相交流電源周期ごとに半周期前
のＡ／Ｄサンプリングデータを用いることにより、Ａ／
Ｄサンプリング速度が高速、かつ処理能力の速い高性能
マイコンを使用することなく電源リプルを予測して制御
することができる。
【００４２】さらに、コンデンサ７を小容量化すること
により、従来必要とされていた突入電流防止回路が不要
となり、部品点数を削減することができる。
【００４３】
【発明の効果】請求項１に係わる本発明は、単相交流電
源の出力を全波整流する整流回路と、前記整流回路の出
力端子間に接続されて駆動対象であるモータからの回生
電流を流すための小容量のコンデンサと、前記コンデン
サに印加される電圧をスイッチングして得た可変電圧・
可変周波数の交流出力により前記モータを駆動するイン
バータ主回路と、全体の動作を制御する制御手段とを備
え、前記制御手段は、電圧指令値に基づいて前記インバ
ータ主回路内のスイッチング素子をオンオフするＰＷＭ
信号のパルス幅増減制御と、前記ＰＷＭ信号のパルス幅
の増大制御で前記電圧指令値に相当したインバータ出力
電圧が得られない飽和状態となったときには前記ＰＷＭ
信号の出力タイミングを早めてインバータ出力電圧の位
相を進ませる弱め界磁制御とを行う制御において、前記
モータの電流量に依存する電機子反作用を考慮した相誘
起電圧に基づいて回転子位置を推定して位置センサレス
駆動を行うようにしたモータ制御装置とすることによ
り、モータ電流に依存した電機子反作用の相誘起電圧に
対する影響を補正し、補正した相誘起電圧に基づいて回
転子位置を推定して、位置センサレスの構成としながら
安定な駆動を実現することができる。
【００４４】請求項２に係わる本発明は、整流回路の出
力端子間電圧とＰＷＭ信号のパルス幅とモータ回転数と
からモータの電流量を推定し、電機子反作用による相誘
起電圧の進み位相角を前記推定した電流量により補正
し、補正した相誘起電圧に基づいて回転子位置を推定す
るようにした請求項１に係わるモータ制御装置とするこ
とにより、電流センサを用いずに、モータ電流に依存す
る電機子反作用の相誘起電圧への影饗を補正することが
できる。
【００４５】請求項３に係わる本発明は、ＰＷＭ信号の
パルス幅の増減制御および弱め界磁制御を、モータ駆動
に作用するまでの遅延を考慮して行うようにした請求項
１に係わるモータ制御装置とすることにより、整流回路
の出力端子間に接続されるコンデンサの小容量化に伴う
電源リプルに起因する回転数変動、振動、および騒音を
抑制することができる。
【００４６】請求項４に係わる本発明は、電源投入時に
整流回路のコンデンサを充電するために流れる突入電流
から周辺機器の回路を保護する突入電流防止回路を備え
ない構成とした請求項１に係わるモータ制御装置とする
ことにより、従来必要とされた突入電流防止回路が不要
となるため、全体の構成を簡略にし、部品点数を削減す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータ制御装置の一実施例の構成を示
すブロック図
【図２】電機子反作用による相誘起電圧の進み位相角を
示す波形図
【図３】電源リプルと補正のタイミングとを示す波形図
【図４】従来の電源リプル補正制御を行うモータ制御装
置の構成を示すブロック図
【図５】従来の位置センサレス駆動を行うモータ制御装
置の構成を示すブロック図
【図６】従来例における突入電流防止回路の構成を示す
回路図
【符号の説明】
１ 単相交流電源 ２ 整流回路 ３ 三相モータ（モータ） ４ インバータ主回路 ５ 制御手段 ５ａ 相電圧検出手段 ５ｂ 相電流符号変化検出手段 ５ｃ スイッチング素子変調手段 ５ｄ 電流値推定手段 ５ｅ 電源周波数検出手段 ６ 位置センサ ７ コンデンサ ８ 突入電流防止回路 ８ａ 抵抗 ８ｂ リレー

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 単相交流電源の出力を全波整流する整流
    回路と、前記整流回路の出力端子間に接続されて駆動対
    象であるモータからの回生電流を流すための小容量のコ
    ンデンサと、前記コンデンサに印加される電圧をスイッ
    チングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力により
    前記モータを駆動するインバータ主回路と、全体の動作
    を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、電圧指
    令値に基づいて前記インバータ主回路内のスイッチング
    素子をオンオフするＰＷＭ信号のパルス幅増減制御と、
    前記ＰＷＭ信号のパルス幅の増大制御で前記電圧指令値
    に相当したインバータ出力電圧が得られない飽和状態と
    なったときには前記ＰＷＭ信号の出力タイミングを早め
    てインバータ出力電圧の位相を進ませる弱め界磁制御と
    を行う制御において、前記モータの電流量に依存する電
    機子反作用を考慮した相誘起電圧に基づいて回転子位置
    を推定して位置センサレス駆動を行うようにしたモータ
    制御装置。
  2. 【請求項２】 整流回路の出力端子間電圧とＰＷＭ信号
    のパルス幅とモータ回転数とからモータの電流量を推定
    し、電機子反作用による相誘起電圧の進み位相角を前記
    推定した電流量により補正し、補正した相誘起電圧に基
    づいて回転子位置を推定するようにした請求項１記載の
    モータ制御装置。
  3. 【請求項３】 ＰＷＭ信号のパルス幅の増減制御および
    弱め界磁制御を、モータ駆動に作用するまでの遅延を考
    慮して行うようにした請求項１記載のモータ制御装置。
  4. 【請求項４】 電源投入時に整流回路の出力端子間に接
    続されたコンデンサを充電するために流れる突入電流か
    ら周辺機器の回路を保護する突入電流防止回路を備えな
    い構成とした請求項１記載のモータ制御装置。
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