JP2656483B2 - 電動機の速度制御装置 - Google Patents

電動機の速度制御装置

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JP2656483B2 JP62059733A JP5973387A JP2656483B2 JP 2656483 B2 JP2656483 B2 JP 2656483B2 JP 62059733 A JP62059733 A JP 62059733A JP 5973387 A JP5973387 A JP 5973387A JP 2656483 B2 JP2656483 B2 JP 2656483B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電動機の速度制御装置に係り、特に昇圧チョ
ッパ回路と電力変換装置を備えた電動機の速度制御に好
適な速度制御装置に関するものである。
〔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
路であつて、電源電流の高調波を抑制する回路を備えた
ものとして、特開昭59−198873号公報に記載された回路
があり、整流回路の出力端に昇圧チヨツパ回路としてリ
アクトルとスイツチング素子とを接続し、直流出力電圧
の設定電圧との差の交流電源の電圧信号を乗算した同期
誤差信号と電流波形とを比較し、その差の極性に応じて
上記のスイツチング素子をオン・オフさせるようになつ
ていた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術は、直流電源に接続される負荷が電力変
換装置であって、この電力変換装置により電動機を駆動
する場合についての配慮がなされていなかつた。すなわ
ち、回転速度を変化するのに、電力変換装置に加える直
流入力電圧を変化すれば回転速度が変化する特性の電動
機への上記従来技術の適用にあたつては、直流出力電圧
に対する設定電圧を上記速度とこの速度に対する指令速
度とにより作成するための速度制御回路を追加する必要
があるなど、回路規模が複雑化するといつた問題があつ
た。さらに昇圧チヨツパ回路を用いる従来技術では、電
力変換装置に加えられる直流入力電圧の大きさを交流入
力電圧の波高値以下の値に制御することができず、電動
機の速度制御範囲が限定されるという問題があつた。
本発明の目的は、上記した従来技術のもつ欠点をなく
し、電動機を広範囲にわたつて速度制御することができ
る電動機の速度制御装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、昇圧チヨツパ回路のスイッチン素子の断
続動作を制御して、チヨツパ回路の出力直流電圧の大き
さを変え、この直流電力を所定のデューティに保たれた
電力変換装置を介し、モータに対する指令速度と検出速
度との偏差が零となるように出力直流電圧を制御する第
1の速度制御機能と、昇圧チョッパ回路のスイッチング
素子の断続動作を制御して、その出力直流電圧を所定値
に維持するとともに、直流電力を電力変換装置によりパ
ルス幅変調を行なって、モータに対する指令速度と検出
速度との偏差が零となるように電力変換装置のデューテ
ィを制御する第2の速度制御機能と、電力変換装置のデ
ューティが所定の値に達したとき、第2の速度制御機能
から第1の速度制御機能へ切り換え、一方前記昇圧チョ
ッパ回路の出力する直流電力の電圧が、設定された電圧
より低くなったとき、第1の速度制御機能から第2の速
度制御機能へ切り換える切換機能を備えることによって
達成される。
〔作用〕
高速領域では指令速度を高めれば偏差速度が増加し、
これによつて電流指令及び同期電流指令信号が増大し、
それにともない電源電流との差が増え、その結果、スイ
ツチング素子のオン時間が長くなり、電源電流が増大す
る。これにより電力変換装置に加えられる直流電圧が高
まり、電動機の速度が上昇する。そして偏差速度が零に
なるまで以上の動作が繰り返され、電源電流の大きさを
偏差速度に応じて変えることにより電動機の速度を制御
することができる。また、低速領域では指令速度を高め
れば偏差速度が増加し、電力変換装置におけるPWM(Plu
se width modulation パルス幅変調)制御によつて電動
機へ加えられる電圧が高まり、電動機の速度が上昇す
る。そして偏差速度が零になるまで以上の動作が繰り返
され、電動機の速度を制御することができる。
〔実施例〕
以下本発明を第1図,第4図に示した実施例及び第2
図,第3図を用いて詳細に説明する。
第1図は本発明の電動機の速度制御装置の一実施例を
示す回路構成図で、ブラシレス直流電動機用のものを示
してある。第1図において、交流電源1は、整流回路2,
昇圧チヨツパ回路3を介して直流電圧Edに変換され、イ
ンバータ4に直流電力を供給し、このインバータ4によ
つて同期モータ5を駆動する。
同期モータ5の速度を制御する制御回路は、マイクロ
コンピユータ6、同期モータ5の回転子5aの磁極位置を
モータ端子電圧7から検出するための位置検出回路8、
インバータ4を構成するトランジスタ4a〜4fに対するイ
ンバータ制御部9、電源電流10の波形と大きさを制御す
る電源電流制御部11、低速モードと高速モードの切り換
えのための直流電圧比較部12及び直流電流を検出する直
流電流検出部13からなる。
マイクロコンピュータ6は、同期モータ5を駆動する
のに必要な各種プログラム、例えば、速度制御処理、位
置検出回路8からの位置検出信号14、速度指令15、直流
電圧比較信号16及び検出直流電流17の取り込み、また、
インバータ用ドライバ9aへのインバータドライブ信号1
8、電源電流制御部11への電流指令19やインバータ制御
部9への電圧信号20の出力などの処理が実行される。
昇圧チョッパ回路3は、リアクトル3a、トランジスタ
3b、ダイオード3cおよび平滑コンデンサ3dで構成され、
トランジスタ3bに対するドライブ信号が電源電流制御部
11にて作成され、トランジスタ3bのオン時間及びオフ時
間を変えることにより電源電流10の瞬時瞬時の大きさを
変えるものとしている。
第2図は第1図の電流電圧21と電源電流10の波形図
で、第2図(a)と(b)に示すように、電源電流制御
部11と昇圧チヨツパ回路3により電源電流10の波形を電
源電圧21と同位相の正弦波とするとともに、その大きさ
である実効値をマイクロコンピュータ6から出力される
電流指令19に応じて制御するようにしてある。
電源電流制御部11は、整流回路2の出力電圧から電源
電圧21と同期した全波整流波形となる電圧信号22を作成
する電源電圧検出回路11a、この電圧信号22とデイジタ
ル信号である電流指令19とを掛け合せ、アナログ信号で
ある同期電流指令信号23を作成する乗算付D−A変換器
11b、電源電流10の全波整流波形を抵抗11cにて検出して
増幅する電源電流増幅器11d、この出力である検出電源
電流24と同期電流指令信号23とを比較し、その差電圧を
零とするように動作する電流制御増幅器11e、この出力
である誤差信号25と三角波発振器11fの出力である三角
波26を比較してトランジスタ3bに対するチヨツパ信号27
を作成するコンパレータ11g及びトランジスタ3bに対す
るチヨツパ用ドライバ11hから構成してある。
インバータ制御部9は、デイジタル信号である電圧信
号20をアナログ信号に変換するD−A変換器9b、この出
力である電圧信号28と三角波発振器9cの出力である三角
波29を比較してインバータ4に対するチヨツパ信号30を
作成するコンパレータ9d及びインバータ4に対るるイン
バータ用ドライバ9aから構成してある。
直流電流検出部13は、直流電流Idを抵抗31にて検出し
て増幅する直流電流増幅器13a、この出力をデイジタル
信号に変換するA−D変換器13bから構成してある。
直流電圧比較部12は、直流設定電圧Edcを増幅する設
定電圧増幅器12a、この出力を、直流電圧Edを抵抗32,33
によつて検出した信号と比較するコンパレータ12bから
構成してある。
本発明の実施例の速度制御装置を備えた構成のブラシ
レス直流モータにおいて、本発明では高速領域と低速領
域で異なつた制御法を用い、それを切り換えることに特
徴があり、高速領域と低速領域で異なつた制御法を用い
る理由及びその切り換えの手法について以下に説明す
る。
ブラシレス直流モータは、インバータの出力電圧を変
えることにより速度制御を行うことができるが、その手
法としては直流電圧Edを変化させる手法とインバータに
よるPWM制御とがある。直流電圧Edを変える手法として
昇圧チヨツパ回路を用いる手法があるが、この手法では
昇圧チヨツパ回路を用いるため、直流電圧Edが電源電圧
21の波高値よりも低くする場合では、電源電圧の波高値
の付近で昇圧チヨツパが動作せず、電源電流10を正弦波
に制御できなくなる。従つて、このような領域で高速制
御を行うには、インバータでPWM制御を行う必要があ
り、このため高速領域と低速領域で異なつた速度制御法
を用いる必要が生じる。そこで、常に直流電圧Edが電源
電圧21よりも大きい領域、すなわち、直流電圧Edが電源
電圧21の波高値よりも大きい領域では、昇圧チヨツパ回
路を用いて直流電圧制御を、インバータではPWM制御を
行わない高速制御モードを行い、それ以外の領域では昇
圧チヨツパ回路では直流電圧Edが一定電圧となるような
制御を、インバータではPWM制御を行う低速制御モード
を行うようにすればよいことがわかる。
両モードの切り換えは、インバータのPWM制御のデユ
テイ(duty)が100%となれば低速モードから高速モー
ドへ、直流電圧Edが電源電圧21の波高値より大きな値を
取るように選ばれた設定電圧Edcより小さくなれば、高
速モードから低速モードへ切り換えればよいことがわか
る。以下、第3図と第4図を用いて具体的な実現手法を
説明する。
第3図は位置検出信号140の波形図で、60゜毎に3相
の信号の状態が変化する。そして、60゜毎の時間t1〜t6
を測定し、1サイクルの時間Tを求めることにより同期
モータ5の速度を検出するようにする。
第4図は第1図のマイクロコンピユータ6において実
行される速度制御処理の一実施例を示すフローチヤート
で、電流指令19とインバータ制御部9への電圧信号20の
作成手順を表わしている。処理Iにおいて、マイクロコ
ンピユータ6の外部から与えられた速度指令15により指
令速度Nrを算出し、処理IIにおいて、位置検出信号14の
1サイクルの時間Tを求め、処理IIIにおいて、1サイ
クルの時間Tと比例定数Kより速度Nを算出する。その
後、現在のモードを判定し、高速モードであれば、直流
電圧Edが電源電圧21の波高値より大きな値を取るように
選ばれた設定電圧Edcより小さい場合には処理IVを、大
きい場合には処理Vを行うようにし、また、現在のモー
ドが低速モードであれば、インバータ制御部9への電圧
信号20がデユテイ100%となるときに$FF(16進数でFF
を示す)となるように定めたとき、電圧信号20$FFとな
る場合には処理Vを、そうでない場合には処理IVを行う
ようにする。処理IVでは、電流指令19であるところのIr
は直流電流信号17であるところのIdと比例定数KLの積と
して、電圧信号20であるところのErは指令速度Nrと検出
速度Nとの偏差速度ΔN=Nr−Nより比例項PLと積分項
ILを作成し、その和としてそれぞれ決定される。ここ
に、比例項PLは、比例ゲインKPLと偏差速度ΔNの積と
して、また、積分項ILは、積分ゲインKILと偏差速度Δ
Nとの積をその時点における積分項に加えて作成する。
その後、電流指令値Ir,電圧信号Erを出力し、低速モー
ドとする。処理Vでは、電圧信号20は$FFとして、電流
指令19は比例項PHと積分項IHの和としてそれぞれ出力さ
れる。ここに、比例項PHは比例ゲインKPHと偏差速度Δ
Nの積として、また、積分項IHは積分ゲインKIHと偏差
速度ΔNとの積をその時点における積分項に加えて作成
する。その後、電流指令値Ir、電圧信号Erを出力し、高
速モードとする。
以上の速度制御処理を繰り返し実行することにより、
指令速度Nrと検出速度Nが等しくなるように制御され
る。
なお、上記した実施例では、ブラシレス直流モータに
適用した場合について説明したが、他の同期モータにも
適用可能であることはいうまでもない。
〔発明の効果〕
以上説明した本発明によれば、高速領域では昇圧チヨ
ツパ回路を用いて電動機の速度制御を行うため電力変換
装置でのPWM制御を行う必要がなく電力変換装置での損
失低減及び電動機の巻線電流の高調波成分を少なくする
ことが可能となり、また、電力変換装置に加えられる直
流入力電圧の大きさが交流入力電圧の波高値よりも小さ
くなるような領域、すなわち、昇圧チヨツパ回路のみで
は速度制御が不可能であるような低速領域では、電力変
換装置でPWM制御を行うように構成したことにより低速
領域での速度制御を可能とし、広範囲にわたる速度制御
が可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の電動機の速度制御装置の一実施例を示
す回路構成図、第2図は第1図における電源電圧と電源
電流の波形図、第3図は位置検出信号の波形図、第4図
の第1図のマイクロコンピユータにおける速度制御処理
の一実施例を示すフローチヤートである。 1……交流電源、2……整流回路、3……昇圧チヨツパ
回路、4……インバータ、5……同期モータ、6……マ
イクロコンピユータ、8……位置検出回路、9……イン
バータ制御部、9a……インバータ用ドライバー、9b……
D−A変換器、9c……三角発振器、9d……コンパレー
タ、11……電源電流制御部、11a……電源電圧検出回
路、11b……乗算付D−A変換器、11d……電源電流増幅
器、11e……電流制御増幅器、11f……三角波発振器、11
g……コンパレータ、11h……チヨツパ用ドライバー、12
……直流電圧比較器、12a……設定電圧増幅器、12b……
コンパレータ、13……直流電流検出部、13a……直流電
流増幅器、13b……A−D変換器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柏崎 進 栃木県下都賀郡大平町富田800番地 株 式会社日立製作所栃木工場内 (72)発明者 飯塚 健一 栃木県下都賀郡大平町富田800番地 株 式会社日立製作所栃木工場内 (56)参考文献 特開 昭59−198897(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】昇圧チヨツパ回路によって直流電力の電圧
    の大きさを変化できるようにし、この直流電力を電力変
    換装置に供給して交流電力に変換し、前記電力変換装置
    の出力側に接続されたモータを駆動する電動機の速度制
    御装置において、前記昇圧チョッパ回路のスイッチング
    素子の断続動作を制御して、前記昇圧チョッパ回路の出
    力直流電圧の大きさを変え、この直流電力を所定のデュ
    ーティに保たれた前記電力変換装置を介して、前記モー
    タに対する指令速度と検出速度との偏差が零となるよう
    に出力直流電圧を制御する第1の速度制御機能と、前記
    昇圧チョッパ回路のスイッチング素子の断続動作を制御
    して、前記昇圧チョッパ回路の出力直流電圧を所定値に
    維持するとともに、前記直流電力を前記電力変換装置に
    よりパルス幅変調を行なって、前記モータに対する指令
    速度と検出速度との偏差が零となるように前記電力変換
    装置のデューティを制御する第2の速度制御機能と、前
    記電力変換装置のデューティが所定の値に達したとき前
    記第2の速度制御機能から前記第1の制御機能へ切り換
    え、一方前記昇圧チョッパ回路の出力する直流電力の電
    圧が、設定された電圧より低くなったとき、前記第1の
    速度制御機能から第2の速度制御機能へ切り換える機能
    を備えたことを特徴とする電動機の速度制御装置。
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