JP3721368B2

JP3721368B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP3721368B2
Application number: JP2003146595A
Authority: JP
Inventors: 啓二坂本; 尚志前田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: US20050001581A1; CN100373758C; EP1480329A3; JP2004350455A; CN1574589A; US7126306B2; EP1480329A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３相交流モータの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、３相交流モータにおいては、各相に基本周波数の正弦波電流を流して該モータを駆動している。モータが出力し得る最大トルクは各相に流すピーク電流値によって決まることから、この正弦波電流のピーク電流値、すなわち振幅の大きさによって決まっていた。
【０００３】
又、電圧利用効率を向上させるために、各相への基本周波数の電圧指令に基本周波数の３倍周波数の電圧指令を重畳して電圧指令とし、ＰＷＭ信号を作成し、インバータを駆動する制御方法も公知である（特許文献１，特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１３３５５８号公報
【特許文献２】
特開平１１−６９８９９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１，２に記載された発明では、基本正弦波の電圧にその周波数の３倍の周波数の電圧を重畳して各相電圧指令とすることによって、電圧利用率を向上させたものであるが、各相に流れる電流は、正弦波であり、最大電流値は正弦波のピーク値であり、このピーク値、すなわち振幅を増大させること以外にはトルクを増大させることはできない。
そこで、本発明の目的は、基本周波数の正弦波電流のピーク値を増大させなくても、モータの出力トルクを増大させることができるモータ制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、３相の各巻線が独立して構成されている同期モータ又は誘導モータ等の３相交流モータの制御装置であって、各相の巻線に基本正弦波電流と該基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流とを加えた電流を与えて駆動制御するようにしたものである。前記基本正弦波電流と該基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流とを加えた電流は、各相毎に独立に、直流電源に直列接続された２つのスイッチング素子の２対によって供給するようにした。
【０００７】
具体的には、前記基本正弦波電流に該基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流を加えた指令値及び該指令値を反転させた反転指令値を三角波と比較してスイッチング制御信号を求め、前記指令値によって求められたスイッチング信号に基づいて、前記２対の一方の直列接続された２つのスイッチング素子をオン／オフ制御し、前記反転指令値によって求められたスイッチング信号に基づいて、他方の直列接続された２つのスイッチング素子をオン／オフ制御して、各相の巻線に基本正弦波電流に該基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流を加えた電流を流すようにした。又、この基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流の振幅は、基本正弦波電流の振幅より小さい振幅とした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明をロータに永久磁石を使用した同期モータに適用したときの動作原理説明図である。
Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のステータ巻線であり、Ｎ，Ｓはロータの磁極を表す。
【０００９】
Ｕ相巻線と磁束の角度をΘで、磁石の強さをＭとすると、Ｕ相巻線に鎖交する磁束φＵは、
φＵ＝Ｍ・sinΘ
で表される。
同様に、Ｖ，Ｗ相巻線に鎖交する磁束φＶ，φＷは、
φＶ＝Ｍ・sin(Θ＋2/3π)
φＷ＝Ｍ・sin(Θ＋4/3π)
と表される。このような、磁束分布をもつＵ，Ｖ，Ｗ相巻線に電流を流して一定トルクを発生するために、
ＩＵ＝Ｉ・sinΘ
ＩＶ＝Ｉ・sin(Θ＋2/3π)
ＩＷ＝Ｉ・sin(Θ＋4/3π)
を各相の巻線に流す。そのとき発生するトルクは、

となり、巻線と磁束の角度Θに依存しない一定トルクを得ることができる。
【００１０】
一方、本発明は、上述した各相の巻線に流す電流を基本正弦波の電流に該基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流を重畳した電流を流すようにする。すなわち、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを次のようにする。
【００１１】
ＩＵ＝Ｉ・sinΘ ＋Ia・sin3Θ
ＩＶ＝Ｉ・sin(Θ＋2/3π) ＋Ia・sin3Θ
ＩＷ＝Ｉ・sin(Θ＋4/3π) ＋Ia・sin3Θ
なお、基本正弦波電流の振幅Ｉに対して、基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流の振幅Iaは基本正弦波電流の振幅Ｉよりも小さい所定の値とする。このとき発生するトルクは、

となり、基本正弦波のみの電流で駆動した場合と同一のトルクを発生できる。
【００１２】
しかし、基本正弦波の電流を流したときと、該基本正弦波に該基本正弦波の周波数の３倍の周波数の電流を重畳して流したときの、各相の巻線に流れる電流波形をみると、図２に示すものとなる。なお、この図２において、基本正弦波の周波数の３倍の周波数の電流の振幅Iaは、
Ia＝(1−√３／２)・Ｉ
としている。図２において符号Ｓ１は基本正弦波の電流の「Ｉ・sinΘ」の波形であり、符号Ｓ２は基本正弦波の電流に基本正弦波の周波数の３倍の周波数の電流を重畳した「Ｉ・sinΘ＋Ia・sin3Θ」の電流波形である。又、符号Ｓ３は、基本正弦波の周波数の３倍の周波数の電流波形である。
【００１３】
この図２により明らかのように、基本正弦波の電流に基本正弦波の周波数の３倍の周波数の電流を重畳した電流{Ｉ・sinΘ＋Ia・sin3Θ｝の最大振幅値は、基本正弦波の電流Ｉ・sinΘの最大振幅値より小さい。
【００１４】
このことは、各相巻線に基本正弦波の電流を流したときと、該基本正弦波の電流に該基本正弦波の周波数の３倍の周波数の電流を重畳させた電流を流したときでは、発生トルクは同一であるが、３倍周波数の電流を重畳したときの方が各相巻線に流れる電流のピーク値を小さくすることができる。逆に言うと、電流振幅値（電流ピーク値）が同一であれば、基本正弦波の電流にその３倍の周波数の電流を重畳させた電流を流したときの方が大きなトルクを発生させることができることを意味している。
【００１５】
また、図３は、本発明を誘導モータに適用したときの原理説明図である。図３において、ステータの巻線をＵ，Ｖ，Ｗ、ロータの巻線をｒ，ｓ，ｔで表している。誘導モータの場合、ステータ巻線の電流のつくる磁束によって、ロータに電流を誘導し、トルクを発生するものである。ここで、ステータのＵ相巻線とロータのｒ相の巻線rの成す角度をΘとし、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の固定子巻線の電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを、
ＩＵ＝Ｉ・sinωt ＋Ia・sin3ωt
ＩＶ＝Ｉ・sin(ωt+2/3π)＋Ia・sin3ωt
ＩＷ＝I・sin(ωt＋4/3π)＋Ia・sin3ωt
とすと、固定子の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗからロータ巻線ｒが受ける磁束φｒは以下のようになる。
【００１６】

なお、Ｍは定数である。
【００１７】
以上のように、ロータのｒ相巻線が受ける磁束はステータ巻線に流す基本正弦波の電流成分のみとなり基本正弦波の３倍の周波数の電流成分の影響は受けない。同様に、ロータのｓ，ｔ相の巻線が受ける磁束φs，φtも基本正弦波の電流成分によるものとなる。そのため、発生するトルクも基本正弦波の電流のみをステータの各巻線に流したときと同一となる。そして図２に示したように、電流の振幅は、基本正弦波の電流のみの振幅よりも基本正弦波の電流にその周波数の３倍の周波数の電流を重畳したときの電流の振幅の方が小さくなることから、同一ピーク値の電流をステータ巻線に流せば、基本正弦波の電流にその３倍の周波数の電流を重畳したときの方が大きなトルクを発生させることができることを意味している。
【００１８】
図４は、上述した基本正弦波の電流に該基本正弦波の周波数の３倍の周波数の電流を重畳させてモータのステータ巻線に流してモータを駆動する本実施形態の要部ブロック図である。
【００１９】
本発明のモータ駆動方式は、各相のステータ巻線を独立して制御する点に特徴がある。図７は従来のＰＷＭ制御によるモータ制御の要部ブロック図である。従来のモータ駆動制御の場合、図７に示すように、ステータのＵ，Ｖ，Ｗ相の巻線は互いに接続されており（図７に示す例では、各相巻線の中性点が接続されている）、スイッチング制御回路２０から出力されるＰＷＭパルス信号によってインバータ回路のスイッチング素子Ｔu1，Ｔu2，Ｔv1，Ｔv2，Ｔw1，Ｔw2をスイッチングして各相の巻線に電流を流すようにしている。
【００２０】
図７に示した従来の駆動方式では、３相の各巻線電流の総和は０であることから、各相巻線を中性点で接続しても問題はないが、本発明では、基本正弦波電流にその基本正弦波の周波数の３倍の周波数の電流を重畳して流して駆動するものであるから、３相電流の和がゼロとはならない。そのため、図４に示すようにステータのＵ，Ｖ，Ｗ相の巻線は独立し、巻線同士は接続されていない。そして、この独立した各相の巻線に電流を流すために、２つのスイッチング素子を直列に接続した直列回路を１対備えるものである。Ｕ相巻線に電流を流す回路について説明すると、直流電源間にスイッチング素子Ｔu1とスイッチング素子Ｔu2が順方向に直列に接続されており、又、各スイッチング素子Ｔu1，Ｔu2には並列にダイオードＤが逆方向にそれぞれ接続されている。この直列回路と同じように、直流電源間にスイッチング素子Ｔu3とスイッチング素子Ｔu4が順方向に直列に接続され、各スイッチング素子Ｔu3，Ｔu4には並列にダイオードＤが逆方向にそれぞれ接続されている。
【００２１】
そして、スイッチング素子Ｔu1とスイッチング素子Ｔu2の接続点とＵ相巻線の一方の端子が接続され、スイッチング素子Ｔu3とスイッチング素子Ｔu4の接続点とＵ相巻線の他方の端子が接続されている。他のＶ相、Ｗ相についても同様であり、各相毎に２つのスイッチング素子が直列に接続された直列回路を１対有し、その直列回路の２つのスイッチング素子の接続点が対応する巻線の端子にそれぞれ接続されている。
【００２２】
これらスイッチング素子Ｔu1〜Ｔu4，Ｔv1〜Ｔv4，Ｔw1〜Ｔw4をスイッチング制御回路１０からの信号によってスイッチングさせて、各相の巻線に基準正弦波の電流に該基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数の電流を重畳した電流が流れるように制御する。図５は、スイッチング制御回路１０の詳細ブロック図である。各Ｕ，Ｖ，Ｗ相に対して、それぞれ２つの比較器１１と反転回路１２及び２つの反転回路１３からなる同一形態の回路で構成されている。
【００２３】
Ｕ相の指令値ＩＵｃ（＝Ｉ・sinωt＋Ia・sin3ωt）は、比較器１１で三角波と比較され、この比較器１１からの比較結果である出力信号のスイッチング制御信号はスイッチング素子Ｔu1に出力されると共に、該スイッチング制御信号を反転回路１３で反転させた反転スイッチング制御信号がスイッチング素子Ｔu2に出力される。又、指令値ＩＵｃを反転回路１２で反転した反転指令値が比較器１１で三角波と比較され、その比較結果の出力信号であるスイッチング制御信号は、スイッチング素子Ｔu3に出力されると共に、該スイッチング制御信号を反転回路１３で反転させた反転スイッチング信号は、スイッチング素子Ｔu4に出力される。
【００２４】
同様にＶ相への指令値ＩＶｃ（＝Ｉ・sin(ωt+2/3π)＋Ia・sin3ωtＩ・sinωt）と三角波との比較結果のスイッチング制御信号はスイッチング素子Ｔv1に出力されると共に、その反転スイッチング制御信号は、スイッチング素子Ｔv2に出力される。又、指令値ＩＶｃを反転させた反転指令値と三角波との比較結果のスイッチング制御信号は、スイッチング素子Ｔv3に出力されると共に、その反転スイッチング制御信号は、スイッチング素子Ｔv4に出力される。
【００２５】
さらに、Ｗ相への指令値ＩＷｃ（＝I・sin(ωt＋4/3π)＋Ia・sin3ωt）と三角波との比較結果のスイッチング制御信号はスイッチング素子Ｔw1に出力されると共に、その反転スイッチング制御信号は、スイッチング素子Ｔw2に出力される。又、指令値ＩＷｃを反転させた反転指令値と三角波との比較結果のスイッチング制御信号は、スイッチング素子Ｔw3に出力されると共に、その反転スイッチング制御信号は、スイッチング素子Ｔw4に出力される。
【００２６】
図６は、比較器１１による指令値と三角波との比較と出力信号の説明図である。この図６では、Ｕ相の例を取って説明している。Ｕ相の指令値ＩＵｃ（＝Ｉ・sinωt＋Ia・sin3ωt）と三角波とを比較し、及び指令値ＩＵｃを反転回路１２で反転した反転指令値を三角波と比較して出力信号を作成している例を示している。
【００２７】
Ｕ相の指令値ＩＵｃと三角波を比較し、指令値が三角波より大きいときには、スイッチング素子をオンにするスイッチング制御信号（ハイレベルの信号）を出力し、逆に指令値が三角波より小さいときにはスイッチング素子をオフにするスイッチング制御信号（ローレベルの信号）を出力し、このスイッチング制御信号はスイッチング素子Ｔu1に出力されている。又、この信号を反転回路１３で反転した反転スイッチング制御信号がスイッチング素子Ｔu2に出力されている。
【００２８】
又、Ｕ相指令値ＩＵｃを反転回路１２で反転した反転指令値と三角波が比較され、同様に、この反転指令値が三角波より大きいときには、スイッチング素子をオンにするスイッチング制御信号（ハイレベルの信号）を出力し、逆に指令値が三角波より小さいときにはスイッチング素子をオフにするスイッチング制御信号（ローレベルの信号）を出力し、このスイッチング制御信号はスイッチング素子Ｔu3に出力されている。又、このスイッチング制御信号を反転回路１３で反転した反転スイッチング制御信号がスイッチング素子Ｔu4に出力されている。Ｖ相、Ｗ相に対しても同様である。
【００２９】
次に本実施形態の動作を説明する。基本正弦波の電流に、該基本正弦波の周波数の３倍の周波数の電流を重畳させて各相の指令値を作成するまでは、従来と同様である。そして、この各相の指令値をスイッチング制御回路１０に入力すると、スイッチング制御回路１０はその各指令値及び該指令値を反転させた反転指令値を比較器１１で三角波と比較し、前述のようにスイッチング制御信号を出力する。
【００３０】
Ｕ，Ｖ，Ｗ相の指令値ＩＵｃ，ＩＶｃ，ＩＷｃと三角波の比較結果のスイッチング制御信号はそれぞれスイッチング素子Ｔu1，Ｔv1，Ｔw1に入力され、スイッチング制御信号がオン信号（ハイレベルの信号）のとき、これらスイッチング素子をオンさせる。又、このスイッチング制御信号を反転させた信号はスイッチング素子Ｔu2，Ｔv2，Ｔw2に入力され、この反転スイッチング制御信号がオン信号（ハイレベルの信号）のとき、これらスイッチング素子をオンさせる。その結果、スイッチング素子Ｔu1とＴu2，Ｔv1とＴv2，Ｔw1とＴw2が共にオンとなって、直流電源の両端が短絡されることはない。
【００３１】
又、同様に、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の指令値ＩＵｃ，ＩＶｃ，ＩＷｃの反転指令値と三角波の比較結果のスイッチング制御信号はそれぞれスイッチング素子Ｔu3，Ｔv3，Ｔw3に入力され、その反転スイッチング制御信号はスイッチング素子Ｔu4，Ｔv4，Ｔw4に入力される。この場合も、スイッチング素子Ｔu3とＴu4，Ｔv3とＴv4，Ｔw3とＴw4が共にオンとなって、直流電源の両端が短絡されることはない。
【００３２】
巻線に流れる電流の流れを、図６に示すようにＵ相に指令値ＩＵｃ（＝Ｉ・sinωt＋Ia・sin3ωt）が入力されたを例にとって説明する。前述したように、Ｕ相への指令値ＩＵｃによるスイッチング制御信号によって、図６に示すようにスイッチング素子Ｔu1〜Ｔu4は、オン／オフ制御される。スイッチング素子Ｔu1とＴu4がオンになる区間（ｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４，ｔ５〜ｔ６，ｔ７〜ｔ８）において、直流電源のプラス端子からスイッチング素子Ｔu1、Ｕ相巻線、スイッチング素子Ｔu4、直流電源のマイナス端子と電流が流れる。これによって、指令値とおりの基本周波数の電流にその３倍の周波数の電流を重畳した電流が流れることになる。他の区間は電流は流れない。なお、スイッチング素子Ｔu3，Ｔu2が共にオンとなって、これらのスイッチング素子を介してＵ相巻線に電流が流れるときは、逆方向への回転指令のときである。
【００３３】
以上のように、ステータ巻線に基本正弦波の電流にその周波数の３倍の周波数の電流を重畳して流すとき、各相の電流の総和が「０」とならないことから、本発明は、各相の巻線を独立して、各相の巻線に基本正弦波の電流にその３倍の周波数の電流を重畳して流すようにした。これによって大きなトルクを発生させるようにした。例えば、基本周波数の電流の振幅Ｉに対して基本周波数の３倍の周波数の電流の振幅Ｉaを、Ｉa＝０．１６×Ｉとして、基本正弦波の電流に重畳して、本実施形態を駆動した場合、この電流の最大値は０．８７×Ｉと１３％少ない電流となる。しかし、発生トルクは３倍の周波数の電流を重畳しないときと同じである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、各相の巻線に基本正弦波の電流にその基本正弦波の周波数の３倍の周波数の電流を重畳して流すことによって、従来の基本正弦波の電流だけで駆動する場合と比較して、同一ピーク電流でも大きなトルクを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】永久磁石を使用した同期モータに本発明を適用したときの動作原理説明図である。
【図２】ステータ巻線に基本正弦波の電流を流したときと、該基本正弦波の周波数の３倍の周波数の電流を基本正弦波の電流に重畳して流したときの、各相の巻線に流れる電流波形の測定結果を示す図である。
【図３】本発明を誘導モータに適用したときの動作原理説明図である。
【図４】本発明の一実施形態の要部ブロック図である。
【図５】同実施形態におけるスイッチング制御回路の詳細ブロック図である。
【図６】同実施形態における指令値と三角波を比較してスイッチング制御信号を作成する方法の説明図である。
【図７】従来の３相モータの駆動方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０スイッチング制御回路
１１三角波との比較器
１２，１３反転回路
Ｔu1，Ｔu2，Ｔu3，Ｔu4 Ｕ相用のスイッチング素子
Ｔv1，Ｔv2，Ｔv3，Ｔv4 Ｖ相用のスイッチング素子
Ｔw1，Ｔw2，Ｔw3，Ｔw4 Ｗ相用のスイッチング素子
Ｄダイオード

Claims

３相の各巻線が独立して構成された３相交流モータの制御装置であって、各相の巻線に基本正弦波電流と該基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流とを加えた電流を与えて駆動制御することを特徴とするモータ制御装置。
前記交流モータは同期モータであることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
前記交流モータは誘導モータであることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
前記基本正弦波電流と該基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流とを加えた電流は、各相毎に独立に、直流電源に直列接続された２つのスイッチング素子の２対によって供給されることを特徴とする請求項１乃至３の内いずれか１項に記載のモータ制御装置。
前記基本正弦波電流に該基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流を加えた指令値及び該指令値を反転させた反転指令値を三角波と比較してスイッチング制御信号を求め、前記指令値によって求められたスイッチング信号に基づいて、前記２対の一方の直列接続された２つのスイッチング素子をオン／オフ制御し、前記反転指令値によって求められたスイッチング信号に基づいて、他方の直列接続された２つのスイッチング素子をオン／オフ制御して、各相の巻線に基本正弦波電流に該基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流を重畳して流すようにした請求項４に記載のモータ制御装置。
前記基本正弦波電流の周波数の３倍の周波数をもつ電流の振幅は、基本正弦波電流の振幅より小さい所定の振幅であることを特徴とする請求項１乃至５の内いずれか１項に記載のモータ制御装置。