JP2012205423A

JP2012205423A - モータの制御装置

Info

Publication number: JP2012205423A
Application number: JP2011068520A
Authority: JP
Inventors: Seiji Shimono; 聖仁下野; Tetsuto Osawa; 哲人大沢
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】平滑用コンデンサを有しない構成において、モータの起動性を確保できるモータの制御装置を得る。
【解決手段】モータの制御装置は、交流電源電圧を全波整流して脈動電圧を出力する整流部と、前記脈動電圧を用いて、モータを駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記脈動電圧の谷部を検出する検出部と、前記検出された谷部のタイミングを基点にＰＷＭキャリア信号を発生させる発生部と、前記発生されたＰＷＭキャリア信号を用いてＰＷＭ信号を生成して前記駆動部へ出力する生成部とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの制御装置に関する。

特許文献１には、平滑用コンデンサを不要、若しくは大幅に小容量化したことの影響を低減するインバータ装置として、インバータ出力電圧よりモータ側の誘起電圧が高い飽和状態になったときに、制御ユニットがインバータの出力タイミングを予め設定された角度信号に相当した時間だけ早める技術が記載されている。これにより、特許文献１によれば、脈動電圧の影響を低減できるとされている。

特開平１０−１５０７９５号公報

特許文献１に記載された技術では、飽和状態になったときの位相進み量を予め設定する必要があり、位相進み量は回転数や負荷状態によって変える必要がある。したがって、位相進み量については、様々な回転数と負荷状態とに対応する位相進み量を実機による測定から予め算出して、設定しておく必要があり、位相進み量の設定が煩雑であり、かつ困難である。

また、特許文献１に記載された技術では、インバータ出力電圧の位相を進ませることで、飽和状態におけるトルク変動を抑えているが、モータ起動時に関しては、モータが必要とするトルク力が通常運転時と比較して低いため、位相進み量の調整では脈動電圧の影響を低減できないおそれがある。すなわち、モータの起動性が悪い傾向にある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、平滑用コンデンサを有しない、又はその容量を小さくした構成において、容易にモータの起動性を良好にできるモータの制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるモータの制御装置は、交流電源電圧を全波整流して脈動電圧を出力する整流部と、前記脈動電圧を用いて、モータを駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記脈動電圧の谷部を検出する検出部と、前記検出された谷部のタイミングを基点にＰＷＭキャリア信号を発生させる発生部と、前記発生されたＰＷＭキャリア信号を用いてＰＷＭ信号を生成して前記駆動部へ出力する生成部とを有することを特徴とする。

また、本発明にかかるモータの制御装置は、上記の発明において、ＰＷＭキャリア信号の周期ごとに、前記脈動電圧のレベルに応じて、生成されるべきＰＷＭ信号のデューティー比を決定する決定部をさらに備え、前記生成部は、前記決定部により決定されたデューティー比でＰＷＭ信号を生成することを特徴とする。

また、本発明にかかるモータの制御装置は、上記の発明において、前記発生部は、前記交流電源電圧の半周期の整数分の１の周期を有するＰＷＭキャリア信号を発生させることを特徴とする。

本発明にかかるモータの制御装置は、平滑用コンデンサを有しない、又はその容量を小さくした構成において、容易にモータの起動性を良好にできるという効果を奏する。

図１は、実施形態にかかるモータの制御装置の構成を示す図である。図２は、実施形態にかかるモータの制御装置の動作を示す図である。図２は、実施形態にかかるモータの制御装置の動作を示す図である。図４は、実施形態にかかるモータの制御装置の動作を示す図である。図５は、比較例にかかるモータの制御装置の動作を示す図である。

以下に、本発明にかかるモータの制御装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施形態にかかるモータＭの制御装置１００について図１を用いて説明する。図１は、モータＭの制御装置１００の構成を示す図である。

制御装置１００は、例えば予め設定された起動電圧を各相に出力して、モータＭを起動する。制御装置１００は、整流部１０、駆動部２０及び制御部５０を備える。

整流部１０は、交流電源Ｅから交流電源電圧を受ける。整流部１０は、交流電源電圧（図３に破線で示す波形）を全波整流して脈動電圧（図３に実線で示す波形）を出力する。すなわち、整流部１０は、全波整流された脈動電圧を平滑化せずに出力する。

駆動部２０は、脈動電圧を整流部１０から受ける。駆動部２０は、脈動電圧を用いて、モータＭを駆動する。具体的には、駆動部２０は、ＩＰＭ（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ）２１を有する。ＩＰＭ２１は、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を制御部５０から受けて、ＰＷＭ信号に応じて、脈動電圧を例えば３相の交流電圧に変換してモータＭへ出力する。

制御部５０は、駆動部２０を制御するように、駆動部２０にＰＷＭ信号を出力する。具体的には、制御部５０は、ゼロクロス検出器（検出部）３０及びマイコン４０を有する。

ゼロクロス検出器３０は、入力側が整流部１０及び駆動部２０の間のＰラインＬｐ、ＮラインＬｎ上のノードＮ３、Ｎ４に接続され、出力側がマイコン４０に接続されている。ゼロクロス検出器３０は、例えば、ノードＮ３から取得した信号とノードＮ４から取得した信号とを比較することにより、両者の差が最小となる点を脈動電圧の谷部として検出する。言い換えると、ゼロクロス検出器３０は、交流電源電圧のゼロクロス点を検出する。図３に示すように、破線で示す交流電源電圧の波形におけるゼロクロス点Ｐ１〜Ｐ３は、実線で示す脈動電圧における谷部となる点でもある。すなわち、図１に示すゼロクロス検出器３０は、交流電源電圧のゼロクロス点を脈動電圧の谷部として検出する。ゼロクロス検出器３０は、検出結果、すなわちゼロクロス点を示すゼロクロス信号（図４参照）をマイコン４０へ出力する。

マイコン４０は、ゼロクロス信号をゼロクロス検出器３０から受ける。マイコン４０は、ゼロクロス信号に応じてＰＷＭ信号を生成してＩＰＭ２１へ出力する。また、マイコン４０は、整流部１０及び駆動部２０の間のＰラインＬｐ、ＮラインＬｎ上のノードＮ１、Ｎ２から脈動電圧を取得する。具体的には、マイコン４０は、発生部４１、決定部４２、及び生成部４３を有する。

発生部４１は、ゼロクロス検出器３０により検出された脈動電圧の谷部（例えば、ゼロクロス点Ｐ１〜Ｐ３）を基点にして、ＰＷＭキャリア信号を発生させる。ＰＷＭキャリア信号は、例えば、三角波である（図４参照）。また、発生部４１は、交流電源電圧の半周期の整数分の１の周期を有するＰＷＭキャリア信号を発生させる。すなわち、ＰＷＭキャリア信号の周期は、脈動電圧の１周期（谷部から次の谷部までの期間）の整数分の１になっている（図４参照）。言い換えると、ＰＷＭキャリア信号の周期は、交流電源電圧の周波数を偶数倍したものとなっている。発生部４１は、発生したＰＷＭキャリア信号を生成部４３へ出力する。

決定部４２は、生成部４３により生成されるべきＰＷＭ信号のデューティー比を決定する。具体的には、決定部４２は、ＰＷＭキャリア信号の周期ごとに、ノードＮ１、Ｎ２から脈動電圧を取得する。そして、決定部４２は、脈動電圧のレベルに応じて、モータの各相に出力される起動電圧が脈動電圧の影響を受けないように、ＰＷＭ信号のデューティー比を決定する。決定部４２は、決定された結果、すなわちＰＷＭデューティー比信号を生成部４３へ出力する。ＰＷＭデューティー比信号は、例えば、ＰＷＭキャリア信号と比較されるべき閾値である。

例えば、図４に示すように、決定部４２は、脈動電圧がレベルＶ１である場合に、ＰＷＭ信号のデューティー比を第１の値に決定して、第１の値のデューティー比に対応した閾値ＴＨ１をＰＷＭデューティー比信号として出力する。決定部４２は、脈動電圧がレベルＶ１より高いレベルＶ２である場合に、ＰＷＭ信号のデューティー比を第１の値より小さい第２の値に決定して、第２の値のデューティー比に対応した閾値ＴＨ２をＰＷＭデューティー比信号として出力する。決定部４２は、脈動電圧がレベルＶ１より低いレベルＶ３である場合に、ＰＷＭ信号のデューティー比を第１の値より大きい第３の値に決定して、第３の値のデューティー比に対応した閾値ＴＨ３をＰＷＭデューティー比信号として出力する。これにより、決定部４２は、脈動電圧のレベルに対応した形でＰＷＭ信号のデューティー比を決定できる。

生成部４３は、ＰＷＭキャリア信号を発生部４１から受け、ＰＷＭデューティー比信号を決定部４２から受ける。生成部４３は、ＰＷＭキャリア信号とＰＷＭデューティー比信号（閾値）とを比較し、比較結果としてのＰＷＭ信号を生成する。例えば、生成部４３は、ＰＷＭキャリア信号の振幅がＰＷＭデューティー比信号（閾値）より大きければＰＷＭ信号をＯＮレベルとし、ＰＷＭキャリア信号の振幅がＰＷＭデューティー比信号（閾値）より小さければＰＷＭ信号をＯＦＦレベルとする。

例えば、図４に示すように、生成部４３は、ＰＷＭデューティー比信号が閾値ＴＨ１である場合に、ＰＷＭキャリア信号と閾値ＴＨ１とを比較して、第１の値のデューティー比でＰＷＭ信号を生成する。生成部４３は、ＰＷＭデューティー比信号が閾値ＴＨ１より高い閾値ＴＨ２である場合に、ＰＷＭキャリア信号と閾値ＴＨ２とを比較して、第１の値より小さい第２の値のデューティー比でＰＷＭ信号を生成する。生成部４３は、ＰＷＭデューティー比信号が閾値ＴＨ１より低い閾値ＴＨ３である場合に、ＰＷＭキャリア信号と閾値ＴＨ３とを比較して、第１の値より大きい第３の値のデューティー比でＰＷＭ信号を生成する。これにより、生成部４３は、決定部４２により決定されたデューティー比でＰＷＭ信号を生成する。

次に、モータＭの起動時におけるモータＭの制御装置１００の動作について図２及び図４を用いて説明する。図２は、主としてマイコン４０における動作を示すデータフロー図である。以下では、モータＭが圧縮機を駆動するモータである場合について例示的に説明する。

図４に示すモータ起動電圧Ｖｓは、例えば、モータＭの仕様（モータ定数等）により決定される。マイコン４０では、脈動電圧の振幅がモータ起動電圧Ｖｓより小さくなる飽和状態の期間Ｔｄを避けてＰＷＭ信号がＯＮレベルになるように、ゼロクロス信号を検出し、そのタイミングを基点にＰＷＭ信号の出力開始を行う。具体的には、以下の制御を行う。

圧縮機運転／停止判定部４０１は、圧縮機の起動を指示する圧縮機運転指示を受けたら、検出開始の指示をＰＷＭ出力開始部４０２へ供給する。また、圧縮機運転／停止判定部４０１は、圧縮機の停止を指示する圧縮機停止指示を受けたら、検出停止の指示をＰＷＭ出力開始部４０２へ供給する。

ＰＷＭ出力開始部４０２は、検出開始の指示を受けたら、ゼロクロス検出器３０からのゼロクロス信号を受付可能な状態になる。ＰＷＭ出力開始部４０２は、ゼロクロス信号を受けたら、ＰＷＭ出力指示をＰＷＭ信号出力部４３１へ供給する。また、ＰＷＭ出力開始部４０２は、検出停止の指示を受けたら、ＰＷＭ停止指示をＰＷＭ信号出力部４３１へ供給する。

ＰＷＭ信号出力部４３１は、ＰＷＭ出力指示を受けたら、ＰＷＭキャリア周期タイミング信号をＰＷＭキャリア周期処理部４１１へ供給する。

ＰＷＭキャリア周期処理部４１１は、ＰＷＭキャリア周期タイミング信号を受けたら、その受けたタイミングを基点にＰＷＭキャリア信号を発生させる。これにより、ＰＷＭキャリア周期処理部４１１は、脈動電圧の谷部（例えば、図４に示すゼロクロス点Ｐ１〜Ｐ３）を基点にして、ＰＷＭキャリア信号を発生させＰＷＭデューティー比算出部４２１経由でＰＷＭ信号出力部４３１へ供給する。また、ＰＷＭキャリア周期処理部４１１は、ＰＷＭキャリア周期タイミング信号を受けたことに応じて、ＰＷＭデューティー比算出指示をＰＷＭデューティー比算出部４２１へ供給する。

ＰＷＭデューティー比算出部４２１は、ＰＷＭデューティー比算出指示を受けたら、ノードＮ１、Ｎ２から脈動電圧を取得する。そして、ＰＷＭデューティー比算出部４２１は、脈動電圧のレベルに応じて、ＰＷＭ信号のデューティー比を決定する。ＰＷＭデューティー比算出部４２１は、決定された結果、すなわちＰＷＭデューティー比信号をＰＷＭ信号出力部４３１へ出力する。ＰＷＭデューティー比信号は、例えば、ＰＷＭキャリア信号と比較されるべき閾値である。

ＰＷＭ信号出力部４３１は、ＰＷＭキャリア信号とＰＷＭデューティー比信号（閾値）とを比較し、比較結果としてのＰＷＭ信号を生成する。例えば、ＰＷＭ信号出力部４３１は、ＰＷＭキャリア信号の振幅がＰＷＭデューティー比信号（閾値）より大きければＰＷＭ信号をＯＮレベルとし、ＰＷＭキャリア信号の振幅がＰＷＭデューティー比信号（閾値）より小さければＰＷＭ信号をＯＦＦレベルとする。ＰＷＭ信号出力部４３１は、生成したＰＷＭ信号をＩＰＭ２１へ出力する。

ここで、前回とこれからとのそれぞれにおけるＰＷＭ信号がＯＮレベルになるＯＮ区間が飽和状態の期間Ｔｄを避けたものとなることが望ましい。これを決める要素としてＰＷＭのキャリア周期と、ＰＷＭ最大デューティーを規定する必要がある。すなわち、下記の数式１、数式２が成立するようなパラメータを予め記憶部４０３に記憶させておき、マイコン４０における各部が適宜参照するようにする。

ＰＷＭ信号のキャリア周期 × ｎ回＝電源半周期・・・数式１

ＰＷＭ信号のキャリア周期 ≧ Ｔｄ・・・数式２

上記の数式１は、ＰＷＭ信号のキャリア周期を電源半周期（交流電源電圧の半周期）に対して整数分の１となる時間にすることで、ＰＷＭ信号のキャリア周期の始点、又は終点を飽和状態区間Ｔｄの中心とするものである。また、上記の数式２は、ＰＷＭ信号のキャリア周期の真ん中が、飽和状態区間Ｔｄに到達しないようにするものである。発生部４１は、数式１と数式２とを満たすようにＰＷＭキャリア周期を決定する。

なお、ＰＷＭ信号出力部４３１は、ＰＷＭ出力指示を受けていなくても、ＰＷＭキャリア信号の周期が経過するタイミングになったら、ＰＷＭキャリア周期タイミング信号をＰＷＭキャリア周期処理部４１１へ供給する。すなわち、ＰＷＭ信号出力部４３１、ＰＷＭキャリア周期処理部４１１、及びＰＷＭデューティー比算出部４２１のループは、ＰＷＭキャリア信号の周期ごとに繰り返される。これにより、ＰＷＭキャリア信号の周期ごとに、ＰＷＭデューティー比算出部４２１がＰＷＭ信号のデューティー比を見直すようにさせる。

ここで、仮に、整流部１０が平滑コンデンサを有する場合を考える。この場合、整流部１０の回路が全体的に大型化するとともにコストが増大する傾向にある。

それに対して、実施形態では、整流部１０が平滑コンデンサを有しない。これにより、整流部１０の回路を全体的にコンパクトに抑えることができるとともにコストを低減できる。

あるいは、仮に、整流部１０が平滑コンデンサを有しない構成において、図５に示すように、飽和状態の期間Ｔｄ内にＰＷＭ信号をＯＮレベルにさせた場合について考える。この場合、整流部１０から駆動部２０へ出力される電圧はリップルを含む脈動電圧となるが、脈動電圧であるために発生する飽和状態の期間Ｔｄ内では、ＰＷＭ信号をＯＮしていても脈動電圧のレベルがモータ起動電圧Ｖｓより低くなっておりモータ起動電圧Ｖｓを確保する事ができない傾向にある。このため、モータＭに印加される電圧が図５に示すような不安定な波形となってしまうので、モータＭの起動性が著しく低下する傾向にある。

それに対して、実施形態では、整流部１０が平滑コンデンサを有しない構成において、ゼロクロス検出器３０が脈動電圧の谷部を検出し、発生部４１が検出された谷部のタイミングを基点にＰＷＭキャリア信号を発生させ、生成部４３が発生されたＰＷＭキャリア信号を用いてＰＷＭ信号を生成して駆動部２０へ出力する。これにより、図４に示すように、飽和状態の期間Ｔｄを避けてＰＷＭ信号がＯＮレベルになるようにＰＷＭ信号を生成することができるので、モータＭに印加される電圧を安定させることができ、モータの起動性を確保できる。すなわち、平滑用コンデンサを有しない構成において、容易にモータの起動性を良好にできる。

あるいは、仮に、整流部１０が平滑コンデンサを有しない構成において、飽和状態の期間Ｔｄになった際に、駆動部２０の出力電圧の位相を進ませる弱め界磁制御を行う場合について考える。この場合、飽和状態になったときの位相進み量を予め設定する必要があり、位相進み量は回転数や負荷状態によって変える必要がある。したがって、位相進み量については、様々な回転数と負荷状態とに対応する位相進み量を実機による測定から予め算出して、設定しておく必要があり、位相進み量の設定が煩雑であり、かつ困難である。

それに対して、実施形態では、ＰＷＭキャリア信号の周期を交流電源電圧の周期との関係で調整しておけばよいので、調整が容易である。すなわち、ＰＷＭキャリア信号の周期を実機に合わせて設定することが容易である。

また、上記の弱め界磁制御を行う場合では、飽和状態になったときにインバータ出力電圧の位相を進ませるので、必要トルク自体の低い起動時においてトルク脈動を抑制しにくく、モータの起動性が低下する傾向にある。

それに対して、実施形態では、図４に示すように、飽和状態の期間Ｔｄを避けてＰＷＭ信号がＯＮレベルになるようにＰＷＭ信号を生成することができるので、必要トルク自体の低い起動時においてもトルク脈動を抑制でき、容易にモータの起動性を良好にできる。すなわち、平滑用コンデンサを有しない構成において、容易にモータの起動性を良好にできる。

なお、図１では整流部１０が平滑コンデンサを有しない構成を例示したが、整流部１０は、平滑コンデンサの容量を一般的な容量値より小さくした平滑コンデンサを有していても良い。この場合でも、整流部１０から駆動部２０へ出力される電圧は依然として脈動成分を多く含む脈動電圧であるため、飽和状態の期間Ｔｄが存在する。

そこで、ゼロクロス検出器３０が脈動電圧の谷部を検出し、発生部４１が検出された谷部のタイミングを基点にＰＷＭキャリア信号を発生させ、生成部４３が発生されたＰＷＭキャリア信号を用いてＰＷＭ信号を生成して駆動部２０へ出力することで、上記の実施形態と同様に、飽和状態の期間Ｔｄを避けてＰＷＭ信号がＯＮレベルになるようにＰＷＭ信号を生成することができる。

以上のように、本発明にかかるモータの制御装置は、モータの制御に有用である。

１０整流部
２０駆動部
２１ＩＰＭ
３０ゼロクロス検出器
４０マイコン
４１発生部
４２決定部
４３生成部
５０制御部
１００制御装置
４０１圧縮機運転／停止判定部
４０２ＰＷＭ出力開始部
４０３記憶部
４１１ＰＷＭキャリア周期処理部
４２１ＰＷＭデューティー比算出部
４３１ＰＷＭ信号出力部

Claims

交流電源電圧を全波整流して脈動電圧を出力する整流部と、
前記脈動電圧を用いて、モータを駆動する駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記脈動電圧の谷部を検出する検出部と、
前記検出された谷部のタイミングを基点にＰＷＭキャリア信号を発生させる発生部と、
前記発生されたＰＷＭキャリア信号を用いてＰＷＭ信号を生成して前記駆動部へ出力する生成部と、
を有する
ことを特徴とするモータの制御装置。
前記制御部は、ＰＷＭ信号のデューティー比を決定する決定部をさらに有し、
前記決定部は、ＰＷＭキャリア信号の周期ごとに、前記脈動電圧のレベルに応じて、ＰＷＭ信号のデューティー比を決定し、
前記生成部は、前記決定部により決定されたデューティー比でＰＷＭ信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載のモータの制御装置。
前記発生部は、前記交流電源電圧の半周期の整数分の１の周期を有するＰＷＭキャリア信号を発生させる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータの制御装置。