JP4281408B2 - Motor control device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスDCモータを周波数制御するモータ制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、ブラシレスDCモータを回転数制御するモータ制御装置として、120゜通電方式と、正弦波180゜通電方式がある。120゜通電方式は、上記特許は誘起電圧のゼロクロス信号を直接検出する方式であり、それを検出するために、インバータ相電圧と基準電圧との比較を行って得られるものである。このゼロクロス信号に基づいて、転流信号を変化させている。このゼロクロス信号は、モータ1回転中に12回発生し、機械角30゜、すなわち電気角60゜毎に発生する(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
180゜通電方式は、上記特許はモータ巻線の中性点電位と、3相のインバータ出力電圧に対して3相Y結線した抵抗の中性点電位との差分電圧を増幅し、それを積分回路に入力し、その積分回路の出力信号と、その出力信号をフィルタ回路により処理し直流カットしたローパス信号との比較により、誘起電圧に対応する位置検出信号を得ている。この位置検出信号は、モータ1回転中に12回発生し、機械角30゜、すなわち電気角60゜毎に発生する。この方式においては、積分回路を通すため、位相補正制御が必要である(例えば、特許文献2および3参照)。
【0004】
【特許文献1】
特許第2642357号公報
【特許文献2】
特開平7−245982号公報
【特許文献3】
特開平7−337079号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、以下のような課題があった。
【0006】
図7は従来の120°通電方式のモータ制御装置の制御ブロック図である。この方式は、誘起電圧部分のゼロクロスの比較を行っているため、モータ負荷急変・電源電圧急変の状態がおきると、誘起電圧のゼロクロス信号がインバータ出力電圧領域内に隠れてしまい、検出できなくなることがある。このような状態になると、まず脱調現象が発生し、インバータシステムが停止してしまう。また、1相当たり誘起電圧が電気角60゜連続して確認できるのであるが、モータ運転時の音・振動を軽減しようとして、通電角を150゜程度に設定して運転させようとすると、1相当たり誘起電圧が電気角30゜分しか連続確認できず、通常の運転時においてもインバータ回生電圧の影響により脱調する危険性が増加し、また乱調等の不安定現象も発生し易くなる傾向があった。また、この構成では、180゜通電に近い運転はまず不可能であるという課題を有していた。図8(a)は180゜通電方式の相電流波形と誘起電圧波形との関係図である。通常運転時には誘起電圧10に対して相電流20の位置に設定し、最高回転数を増加させる場合には相電流20を進角させる必要があるが限界が早く、高速回転性能が劣る。
【0007】
図8(b)は同通電方式の相電流波形と誘起電圧波形との関係図である。180゜通電方式は、積分回路を通すため、誘起電圧のゼロクロス位置を絶対値での的確な把握ができず、また、運転状態によってはゼロクロス位置と位置検出信号の位相差が大きく変化するため、位相補正等の複雑な制御が必要となり、その位相補正調整が困難であったり、制御演算が複雑になる。また、モータに中性点出力端子が必要、誘起電圧波形の3次高調波成分を利用しているため正弦波着磁マグネットを使用したモータでは使用不可能という課題を有していた。
【0008】
また、電流フィードバック方式によるセンサレス正弦波180゜通電駆動制御では、モータの磁極位置をモータ電流とモータ電気的定数とにより推定演算するため演算誤差が大きくなり、モータ電流の進角制御の限界点が早く、最高回転数も位置センサ付制御に対しどうしても遠く及ばない課題があった。
【0009】
本発明は、上記課題を解決すべきなされたものであり、その目的とするところは、機械的電磁ピックアップセンサの必要としない誘起電圧フィードバック制御の新方式により、位置センサ付正弦波180゜通電と同等レベルの高速性能を実現し、またどのような運転負荷領域においても脱調限界トルクを一層向上させ、さらには安価かつ信頼性の高いモータ制御装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題を解決するために本発明のモータ制御装置は、スイッチング素子を複数個含み該スイッチング素子の開閉により直流電圧をPWM信号に基づき交流電圧に変換し3相ブラシレスDCモータに供給する直流交流変換手段と、前記ブラシレスDCモータの誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、前記ブラシレスDCモータの磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、該磁極位置検出手段から出力される磁極位置に基づいて電圧波形を出力する電圧制御手段と、該電圧波形を前記PWM信号に変換するPWM制御手段とを有するモータ制御装置において、回生電圧を検出する回生電圧検出手段を更に有し、前記磁極位置検出手段は、前記回生電圧の検出終了後に検出された、前記誘起電圧に基づいて前記磁極位置を判定する構成とし、かつ更に、前記回生電圧検出手段の回生検出動作が所定時間継続した場合、該回生電圧検出手段に直流電圧の再取込指令を出力するVDC再取込検出手段とを備え、前記回生電圧検出手段は該再取込指令に基づいて直流電圧の再取込を行うものである。
【0011】
また、上記回生電圧検出手段は、上記直流電圧の再取込を行う場合には、回生電圧検出動作を一時中断するものである。
【0012】
また、上記VDC再取込検出手段は、上記直流電圧と(1−回生電圧係数)との積を直流電圧変化率で除算した数値以下に上記所定時間を制限し、前記回生電圧係数は、0≦回生電圧係数≦1を満たす実数である。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1は本発明の実施の形態のモータ制御装置の制御ブロック図である。本実施の形態のモータ制御装置は、3相ブラシレスDCモータ7を回転数制御するモータ制御装置である。この図において、モータ制御装置は、直流電圧4を交流電圧に変換し、3相ブラシレスDCモータ(以下、BLMと略)7に出力する直流交流変換手段6と、BLM7の誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段1と、ブラシレスDCモータの磁極位置を検出する磁極位置検出手段2と、磁極位置検出手段2から出力される磁極位置に基づいて電圧波形を出力する電圧制御手段3と、電圧波形をPWM信号に変換するPWM制御手段5と、誘起電圧に含まれる回生電圧を検出する回生電圧検出手段8と、回生電圧の検出終了後に、検出された誘起電圧に基づいて磁極位置を判定する磁極位置検出手段2とを有する。
【0014】
PWM制御手段5は、BLM7を回転数制御するための印加電圧・周波数・位相を制御するPWM信号を出力する。直流交流変換手段6は、高速に開閉する6つのスイッチング素子(図2(a))から成り立っている。
【0015】
まず、図1において誘起電圧検出手段1と磁極位置検出手段2と電圧制御手段3、PWM制御手段5の役割について順次説明する。この部分は、図7従来のモータ制御装置の制御ブロック図の働きと同様である。
【0016】
図1において、誘起電圧検出手段1は、BLM7の誘起電圧を降下させ、磁極位置検出手段2では誘起電圧ゼロクロス信号を検出し、誘起電圧ゼロクロス信号を磁極位置として電圧制御手段3に出力する。電圧制御手段3はその磁極位置に基づいて、BLM7を駆動させるための電圧波形を演算しそれをPWM制御手段5に出力する。電圧波形に基づきPWM制御手段5はPWM信号を直流交流変換手段6に出力する。このように構成されたモータ制御装置では、BLM7の回転数は、直流交流変換手段6から出力される交流電圧の周波数と位相(以下、『インバータ周波数』と称す)を変化させることにより制御される。
【0017】
120゜通電方式の場合、PWM制御手段5は、直流交流変換手段6のスイッチング素子を開閉する6通りのPWM信号を出力し、その6通りのPWM信号によりスイッチング素子が開閉されることにより、直流交流変換手段6から出力されるインバータ周波数が制御される。
【0018】
6通りのPWM信号について説明する。6通りのPWM信号とは、直流交流変換手段6のスイッチング素子を駆動するためのパルス信号である。PWM信号は、インバータ電気角1周期において6つの基本的なパターンPTN1〜PTN6を有し、PWM信号1周期の逆数がインバータ周波数となる。
【0019】
実際、BLM7の回転数を変更させるべき手法は、PWM制御手段5が直流交流変換手段6のインバータ周波数を変化させながら、BLM7を回転数制御する。
【0020】
図2(a)に示す通り、直流交流変換手段6は、6個のスイッチング素子を有し、U相、V相、W相に対して、それぞれ上アームにスイッチング素子1個、下アームにスイッチング素子1個具備している。
【0021】
PTN1では、U相上アームスイッチング素子Tuと、V相下アームスイッチング素子Tyが通電される。
【0022】
PTN2では、U相上アームスイッチング素子Tuと、W相下アームスイッチング素子Tzが通電される。
【0023】
PTN3では、V相上アームスイッチング素子Tvと、W相下アームスイッチング素子Tzが通電される。
【0024】
PTN4では、V相上アームスイッチング素子Tvと、U相下アームスイッチング素子Txが通電される。
【0025】
PTN5では、W相上アームスイッチング素子Twと、U相下アームスイッチング素子Txが通電される。
【0026】
PTN6では、W相上アームスイッチング素子Twと、V相下アームスイッチング素子Tyが通電される。
【0027】
PWM信号の転流切換は、電圧制御手段3の電圧波形出力に基づいて行われる。
【0028】
磁極位置検出手段2の詳細動作を図2(b)および図3・図4を用いて説明する。BLM7の誘起電圧ゼロクロス信号は、電気角1周期中に6回発生する。図3(a)は1相当たりの誘起電圧ゼロクロス信号を記載している。図3(a)は相電流波形と相誘起電圧波形の関係図であり、誘起電圧10と相電流9とその正ゼロクロス信号11と逆ゼロクロス信号12を示している。正ゼロクロス信号11は電気角0゜、逆ゼロクロス信号12は電気角180゜で発生する。磁極位置検出手段2が実際に観測できる誘起電圧は、直流電圧4の負側をGND電位Nとするならば、図3(b)の誘起電圧10a・図4(b)の10bのようになっており、これはBLM7の線間電圧を観測していることになるが、ゼロクロス信号付近の誘起電圧を考えるものとすれば、誘起電圧10の電圧波形にPWM電圧成分が重畳された波形となる。基本的には、直流電圧VDCの半分である(=VDC/2)と誘起電圧10a(10b)の交点、さらには直流交流変換手段6の上アーム素子と下アーム素子がそれぞれ1つずつ導通点弧している期間(図3・図4中のTON部分)であれば正ゼロクロス信号11(逆ゼロクロス信号12)を検出できる。
【0029】
磁極位置検出手段2は、図中の正ゼロクロス信号11および逆ゼロクロス信号12を検出して、それを磁極位置として電圧制御手段3に出力する。そのゼロクロス信号に基づいて電圧制御手段3は相電流9とほぼ相似形の電圧波形を演算し、PWM制御手段5ではその電圧波形に基づいて、各電気角に対応したPWM信号のベースPTNを創出する。図3の電気角X1〜X2、図4の電気角X3〜X4は電流カット区間である。また、電圧制御手段3は120゜〜180゜通電波形の電圧波形を創出できる。ただし、誘起電圧を観測するためには、その通電角を180゜未満にする必要がある。
【0030】
通電角>120゜とする場合には、120゜通電方式で説明した6通りのPWM信号に加えて、3相正弦波駆動用PWM信号を追加する。基本的には、3相のうちどれか1相でも電流OFFとなる区間(≡電流カット区間)では、120゜通電方式用のPWM信号を使用する。3相すべてに相電流が流れている区間では、3相正弦波駆動用PWM信号を使用する。このPWM信号については、3相正弦波PWM制御としてすでに公知技術であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
【0031】
なお、電圧制御手段3が出力する電圧波形は相電流9とほぼ相似系であるが、その位相差は相電流9に対して多少進んでいる。本実施例では簡単化のため、その位相差をゼロとして説明することにする。すなわち 電圧波形≡相電流9 と定義する。
【0032】
図9は、BLM7の等価回路図である。R1は巻線一次抵抗、Lu・Lv・Lwは各相のインダクタンス、Eu・Ev・Ewは各相の界磁誘起電圧である。ここで、界磁誘起電圧とは、BLM7が無通電状態で回転したときに、マグネット(界磁)のみによる発生する誘起電圧を意味している。図2(b)は3相ブラシレスDCモータの界磁誘起電圧波形関係図である。図中のU1はEuの正ゼロクロス位置を、U2は逆ゼロクロス位置を表している。同様に他相も表記しており、ゼロクロス位置の間隔は理想的には60゜毎、電気角1周期につき6回発生することになる。これらゼロクロス位置を、BLM7の真の磁極位置と命名する。
【0033】
BLM7の真の磁極位置は、誘起電圧10のゼロクロス信号からは、電機子反作用の影響により直接確定することはできず、両者には位相差が生ずる。また、この位相差は、運転負荷に依存するため、真の磁極位置を誘起電圧ゼロクロス信号から特定するのは困難である。しかし、真の磁極位置は特定できなくとも、誘起電圧ゼロクロス信号のみによりBLM7を回転数制御することは十分可能であり、むしろ誘起電圧により制御するほうが好ましい場合もある。本実施例では、両者の位相差はゼロであるものとして説明する。すなわち、真の磁極位置≡誘起電圧ゼロクロス位置である。
【0034】
すなわち、図3(a)の誘起電圧10がU相に対応したものであるならば
ゼロクロスU1≡正ゼロクロス信号11
ゼロクロスU2≡逆ゼロクロス信号12である。
【0035】
なお、 Eu≠誘起電圧10である。上式は、電機子反作用の影響により両者の電圧波形振幅が異なるために発生する。
【0036】
次に、回生電圧検出手段8の詳細動作を図3・図4および図5を用いて説明する。一般的に回生電圧の発生する条件としては、BLM7の相電流をカットした瞬間より所定時間連続して発生し、その後に本来の誘起電圧が発生する。誘起電圧検出手段1の出力は、この回生電圧と誘起電圧の双方が含まれており、双方の判別が必要である。この判別を誤れば、回生電圧部分を誘起電圧のゼロクロス信号と誤検出していまい、乱調・脱調などの異常現象が発生する。
【0037】
回生電圧と誘起電圧の関係図を図3(b)と図4(b)に示す。図3は誘起電圧10として時間微分値が正の場合であり、図4は誘起電圧10として時間微分値が負の場合を示している。図中で回生電圧13・回生電圧14は相電流9をカットした瞬間より発生し、回生電圧終了点19・回生電圧終了点22まで継続する。正ゼロクロス信号11を確定する必要条件の一つとして、
誘起電圧10a ≧ VDC/2
また、逆ゼロクロス信号12を確定する必要条件の一つとして、
誘起電圧10b ≦ VDC/2がある。
【0038】
しかしながら、正ゼロクロス信号11を検出する以前に回生電圧13の電圧値がVDCであるために、すでに上式の関係を満たしており誤検出してしまう。これを防ぐために図中の位置検出において、回生電圧終了点19以前では位置検出結果を無視し、回生電圧終了点19後より位置検出の判定開始するようにすれば回生電圧13を正ゼロクロス信号11として誤検出することはない。
【0039】
逆ゼロクロス信号12の場合も同様に、回生電圧14の電圧値が0Vであり、すでに上式の関係を満たしており誤検出してしまう。これを防ぐために図中の位置検出区間を回生電圧終了点22後より判定開始するようにする。このように回生電圧検出手段8は回生電圧終了点19・回生電圧終了点22を磁極位置検出手段2に対して回生終了信号として出力し、磁極位置検出手段2はその信号を受けるまでは回生電圧13・回生電圧14の位置検出を無視する。そして、その信号を受けたのであれば位置検出の判断開始を行うので本来の正ゼロクロス信号11および逆ゼロクロス信号12を確定することができるようになる。
【0040】
回生電圧検出手段8では、VTH1回生判定基準電圧17・VTH2回生判定基準電圧18を内部に持ち、その値と回生電圧13・回生電圧14を比較することで判定行う。具体的には
VTH1回生判定基準電圧17 = 回生電圧係数*VDC
VTH2回生判定基準電圧18 = 回生電圧係数*VDCであり、
0≦回生電圧係数≦1を満たす実数である。上記、回生電圧係数を適切に設定すればよい。また、回生電圧検出手段8では回生電圧13・回生電圧14の電圧をサンプリングする。すなわち、回生検出点15と回生検出点16である。電流カット開始点である電気角X1・X3より、回生電圧検出手段8は電圧サンプリングを行い、回生検出点15と回生検出点16の電圧Vijを求める。この電圧Vijを図5を使って説明する。
【0041】
図5は回生電圧検出手段8の電圧サンプリング動作を説明したものである。図中のT=0が電流カット開始点の電気角X1・X3に相当する。T=0より回生電圧検出手段8は、誘起電圧検出手段1の誘起電圧(この時点ではまだ回生電圧である)をサンプリングし始め、回生電圧が終了する回生電圧終了点19・回生電圧終了点22で回生終了信号を磁極位置検出手段2に対して創出する。T=0より、時間Tij31間隔で回生電圧の取込みであるVij回生検出点30を取得し、V0j、V1j、V2j、・・・、Vij毎に、回生電圧の判定を行う。ここで、i、jは任意の自然数である。回生電圧の判定を行う場合には、
Vi=Σ(Vip)/(j+1) ;p=0→j
を求め、上記ViとVTH1またはVTH2と比較して、回生電圧を判定する。すなわち、図3の場合には、
Vi ≧ VTH1
図4の場合には、
Vi ≦ VTH2
であれば、Viを回生電圧とみなす。上式の条件が成立している間は、磁極位置検出手段2は位置検出結果をすべて無視する。そして、上式の条件が非成立となった時点で回生電圧検出手段8は磁極位置検出手段2に対して回生終了信号を送出し、磁極位置検出手段2はその信号をうけて、位置検出の判断を開始する。磁極位置検出手段2としては、その回生終了信号を受けた時点で、先に説明した従来の判定基準で正ゼロクロス信号11・逆ゼロクロス信号12を求める。その位置確定が終了すれば、図3・図4のウエイト時間経過後の電気角X2において電流カットを終了し、位相転流(ベースPTNの切換)を行う。
【0042】
次に、VDC再取込検出手段40の動作を説明する。図5に示すように、VDC再取込検出手段40は、回生電圧検出手段8の回生検出動作継続時間をT=0より計測しており、
T=TRCV*n ;nは自然数
となるとVDC再取込検出信号を回生電圧検出手段8に対して送出する。ここでTRCV(>0)は、VDC再取込基準時間である。回生電圧検出手段8では、そのVDC再取込検出信号を受けて、現在の動作状態に係わらず回生電圧検出動作を一時中断しVDCの再取込みを行う。VDCの再取込みが終了すれば、そのVDCに基づいて、回生電圧検出手段8は回生電圧検出動作を再開する。これにより、VDCの電圧変化率・リプル率が大きくても、所定時間毎にVDC電圧値を更新するのでその悪影響を小さく抑えることができる。
【0043】
VDC再取込基準時間TRCVについて図6を用いて説明する。図6(a)は直流電圧4を時間Tに対してプロットしたものであり、図6(b)は、図6(a)においてT=T1〜T2を拡大してプロットしたものである。直流電圧32は周期2*ΔTDCを持ち、最大値VDCMAX、最小値VDCMINをとる準正弦波状波形である。その拡大図である直流電圧33において、時間T=T1で直流電圧33を取り込んだとし、その時の電圧値をVDCとすれば、回生電圧検出手段8の回生判定基準電圧は、図3の場合を考えると、回生判定基準電圧はVTH1であり、
VTH1=回生電圧係数*VDC
であり、上式で回生電圧係数≡RCV1(VTH1用)と定義すると
VTH1=RCV1*VDC
である。直流電圧33は時間と共に変化していくので、回生電圧13の回生検出点15の電圧値であるVijも直流電圧33と同数値で変化する。この時、任意の時間T=T12をとると、その時間における直流電圧33は電圧値VDC12とし、この数値は上記回生判定基準電圧VTH1より同等以上が必要である。すなわち、
VDC12 ≧ VTH1
を満足すればよい。直流電圧33の電圧変化率絶対値の最大値をσMAX(≧0)とすれば、
ΔVDC = VDC−VDC12 (ΔVDC>0)
TRCV = T12−T1
とおくと、
ΔVDC ≦ σMAX*TRCV
となり、上式をTRCVについて整理する。
【0044】
VDC12=VDC−ΔVDC
≧VDC−σMAX*TRCV
≧VTH1
=RCV1*VDC
よって、上式の第2行目と第4行目より、
VDC−σMAX*TRCV ≧ RCV1*VDC
であるから、
TRCV ≦ VDC*(1−RCV1)/σMAX
である。VDCの変化量を考えると、
TRCV ≦ VDCMIN*(1−RCV1)/σMAX
となる。上式を満たすように、VDC再取込検出手段40はTRCVを設定する。
【0045】
図4の場合には、回生電圧14の回生検出点16で電圧値Vijは直流電圧VDCの電圧値が
VDC > 0
であれば、
Vij = 0
を満たす。従って、
VTH2 = 回生電圧係数*VDC ≧0
であるから、
Vij ≦ VTH2
を常に満足する。
【0046】
以上、本実施例は3相ブラシレスDCモータを例にあげて説明したが単相ブラシレスDCモータへの適用についてもその考え方は同一であり、また本発明の主旨・概念・請求範囲を逸脱しない範囲内において適宜、実施例の変更・追加・削除はもちろん可能である。
【0047】
【発明の効果】
以上のように本発明のモータ制御装置によれば、スイッチング素子を複数個含み該スイッチング素子の開閉により直流電圧をPWM信号に基づき交流電圧に変換し3相ブラシレスDCモータに供給する直流交流変換手段と、前記ブラシレスDCモータの誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、前記ブラシレスDCモータの磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、該磁極位置検出手段から出力される磁極位置に基づいて電圧波形を出力する電圧制御手段と、該電圧波形を前記PWM信号に変換するPWM制御手段とを有するモータ制御装置において、回生電圧を検出する回生電圧検出手段を更に有し、前記磁極位置検出手段は、前記回生電圧の検出終了後に検出された、前記誘起電圧に基づいて前記磁極位置を判定する構成とし、かつ更に、前記回生電圧検出手段の回生検出動作が所定時間継続した場合、該回生電圧検出手段に直流電圧の再取込指令を出力するVDC再取込検出手段とを備え、前記回生電圧検出手段は該再取込指令に基づいて直流電圧の再取込を行うものである。これにより、直流電圧がすばやく変化した場合においても、回生電圧を正確に検出できるため非常に信頼性の高いモータ制御装置を構築できる。
【0048】
また、上記回生電圧検出手段は、上記直流電圧の再取込を行う場合には、回生電圧検出動作を一時中断するものである。これにより、直流電圧取込動作と回生電圧検出動作との競合をなくすことで、回生電圧検出精度を向上し、より安定性に優れたモータ制御装置を構築できる。
【0049】
また、上記VDC再取込検出手段は、上記直流電圧と(1−回生電圧係数)との積を直流電圧変化率で除算した数値以下に上記所定時間を制限し、前記回生電圧係数は、0≦回生電圧係数≦1を満たす実数である。これにより、直流電圧変化率に基づいてVDC再取込時間を数値設計できるため、非常に運転適用範囲の広いモータ制御装置を構築できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施形態のモータ制御装置の制御ブロック図
【図2】 (a)直流交流変換手段の構成図
(b)3相ブラシレスDCモータの界磁誘起電圧波形関係図
【図3】 回生電圧検出手段の動作説明図(1)
【図4】 回生電圧検出手段の動作説明図(2)
【図5】 回生電圧検出手段とVDC再取込検出手段の動作説明図
【図6】 VDC再取込検出手段の動作説明図
【図7】 従来のモータ制御装置の制御ブロック図
【図8】 従来の相電流波形と誘起電圧波形との関係図
【図9】 3相ブラシレスDCモータの等価回路図
【符号の説明】
1 誘起電圧検出手段
2 段磁極位置検出手段
3 電圧制御手段
4 直流電圧
5 PWM制御手段
6 直流交流変換手段
7 ブラシレスDCモータ(BLM)
8 回生電圧検出手段
9 相電流
10 誘起電圧
11 正ゼロクロス信号
12 逆ゼロクロス信号
13 回生電圧
14 回生電圧
15 回生検出点
16 回生検出点
17 回生判定基準電圧
18 回生判定基準電圧
19 回生電圧終了点
22 回生電圧終了点
20 相電流
21 相電流
30 回生検出点
31 回生検出時間間隔
32 直流電圧
33 直流電圧
40 VDC再取込検出手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a motor control device that controls the frequency of a brushless DC motor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there are a 120 ° energization method and a
[0003]
In the 180 ° energization method, the above patent amplifies the differential voltage between the neutral point potential of the motor winding and the neutral point potential of the three-phase inverter output voltage with respect to the three-phase inverter output voltage, and integrates it. A position detection signal corresponding to the induced voltage is obtained by comparing the output signal of the integration circuit input to the circuit with the low-pass signal obtained by processing the output signal with a filter circuit and cutting the direct current. This position detection signal is generated 12 times during one rotation of the motor, and is generated every 30 ° mechanical angle, that is, every 60 ° electrical angle. In this method, phase correction control is required to pass through an integration circuit (see, for example,
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2642357 [Patent Document 2]
JP 7-245982 A [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-337079
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional configuration has the following problems.
[0006]
FIG. 7 is a control block diagram of a conventional 120 ° energization motor controller. Since this method compares the zero crossing of the induced voltage portion, if a motor load sudden change or power supply voltage sudden change occurs, the induced voltage zero crossing signal will be hidden in the inverter output voltage region and will not be detected. There is. In such a state, first, a step-out phenomenon occurs and the inverter system stops. In addition, the induced voltage per phase can be confirmed continuously by 60 ° electrical angle. However, if the operation angle is set to about 150 ° in order to reduce the noise and vibration during motor operation, The induced voltage per phase can only be confirmed continuously for an electrical angle of 30 °, the risk of step-out increases due to the effect of the inverter regenerative voltage even during normal operation, and unstable phenomena such as turbulence tend to occur. was there. In addition, this configuration has a problem that operation close to 180 ° energization is impossible. FIG. 8A is a relationship diagram between the phase current waveform and the induced voltage waveform of the 180 ° energization method. During normal operation, the
[0007]
FIG. 8B is a relationship diagram between the phase current waveform and the induced voltage waveform of the same energization method. Since the 180 ° energization method passes through the integration circuit, the zero-cross position of the induced voltage cannot be accurately grasped with an absolute value, and the phase difference between the zero-cross position and the position detection signal varies greatly depending on the operating state. Complicated control such as phase correction is required, and the phase correction adjustment is difficult, and the control calculation is complicated. Further, the motor requires a neutral point output terminal, and uses the third harmonic component of the induced voltage waveform, and therefore has a problem that it cannot be used in a motor using a sine wave magnetized magnet.
[0008]
In addition, in the
[0009]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to provide a 180 ° sine wave with a position sensor by applying a new method of induced voltage feedback control that does not require a mechanical electromagnetic pickup sensor. An object of the present invention is to provide a motor control device that achieves a high speed performance of the same level, further improves the step-out limit torque in any operating load region, and is inexpensive and highly reliable.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the motor control device of the present invention includes a plurality of switching elements, converts a DC voltage into an AC voltage based on a PWM signal by opening and closing the switching elements, and supplies the AC voltage to a three-phase brushless DC motor. a DC-AC converting hands stage, and the induced voltage detecting means for detecting the induced voltage of the brushless DC motor, a magnetic pole position detection means for detecting the magnetic pole position of the brushless DC motor, the magnetic pole outputted from the magnetic pole position detecting means A motor control device having a voltage control means for outputting a voltage waveform based on a position and a PWM control means for converting the voltage waveform into the PWM signal, further comprising a regenerative voltage detection means for detecting a regenerative voltage, magnetic pole position detection means, said detected after detecting the end of the regenerative voltage, configured to determine the magnetic pole position based on the induced voltage And, and further, when said regenerative detection operation of the regenerative voltage detecting means has continued for a predetermined time, and a VDC reuptake detecting means for outputting reuptake command of the DC voltage to the regenerative voltage detecting means, said regenerative voltage The detecting means re-acquires the DC voltage based on the re-acquisition command.
[0011]
In addition, the regenerative voltage detection means temporarily interrupts the regenerative voltage detection operation when the DC voltage is retaken.
[0012]
The VDC reuptake detecting means limits the predetermined time to a value obtained by dividing a product of the DC voltage and (1-regenerative voltage coefficient) by a DC voltage change rate, and the regenerative voltage coefficient is 0 ≦ Real number satisfying regenerative voltage coefficient ≦ 1.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a control block diagram of a motor control device according to an embodiment of the present invention. The motor control device of the present embodiment is a motor control device that controls the rotation speed of the three-phase
[0014]
The PWM control means 5 outputs a PWM signal for controlling the applied voltage, frequency, and phase for controlling the rotation speed of the
[0015]
First, the roles of the induced voltage detection means 1, the magnetic pole position detection means 2, the voltage control means 3, and the PWM control means 5 will be described sequentially in FIG. This part is the same as the operation of the control block diagram of the conventional motor control device in FIG.
[0016]
In FIG. 1, the induced voltage detection means 1 lowers the induced voltage of the
[0017]
In the case of the 120 ° energization method, the PWM control means 5 outputs six kinds of PWM signals for opening and closing the switching elements of the direct current to alternating current conversion means 6, and the switching elements are opened and closed by the six kinds of PWM signals. The inverter frequency output from the AC conversion means 6 is controlled.
[0018]
Six kinds of PWM signals will be described. The six types of PWM signals are pulse signals for driving the switching elements of the DC /
[0019]
Actually, the method for changing the rotation speed of the
[0020]
As shown in FIG. 2 (a), the DC /
[0021]
In PTN1, the U-phase upper arm switching element Tu and the V-phase lower arm switching element Ty are energized.
[0022]
In PTN2, the U-phase upper arm switching element Tu and the W-phase lower arm switching element Tz are energized.
[0023]
In PTN3, the V-phase upper arm switching element Tv and the W-phase lower arm switching element Tz are energized.
[0024]
In PTN4, the V-phase upper arm switching element Tv and the U-phase lower arm switching element Tx are energized.
[0025]
In PTN5, the W-phase upper arm switching element Tw and the U-phase lower arm switching element Tx are energized.
[0026]
In PTN6, the W-phase upper arm switching element Tw and the V-phase lower arm switching element Ty are energized.
[0027]
The commutation switching of the PWM signal is performed based on the voltage waveform output of the voltage control means 3.
[0028]
The detailed operation of the magnetic pole position detecting means 2 will be described with reference to FIG. 2B and FIGS. The induced voltage zero cross signal of the
[0029]
The magnetic pole position detection means 2 detects the positive zero
[0030]
When the energization angle> 120 °, in addition to the six PWM signals described in the 120 ° energization method, a three-phase sine wave driving PWM signal is added. Basically, the PWM signal for the 120 ° energization method is used in the section where the current is OFF in any one of the three phases (≡current cut section). In the section where the phase current flows in all three phases, the PWM signal for three-phase sine wave drive is used. Since this PWM signal is already known as three-phase sine wave PWM control, detailed description thereof is omitted here.
[0031]
The voltage waveform output by the voltage control means 3 is almost similar to that of the phase current 9, but the phase difference is somewhat advanced with respect to the phase current 9. In this embodiment, for simplification, the phase difference will be described as zero. That is, voltage waveform ≡phase current 9 is defined.
[0032]
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of the BLM7. R1 is the primary resistance of the winding, Lu · Lv · Lw is the inductance of each phase, and Eu · Ev · Ew is the field induced voltage of each phase. Here, the field induced voltage means an induced voltage generated only by a magnet (field) when the
[0033]
The true magnetic pole position of the
[0034]
That is, if the induced
Zero
[0035]
Note that Eu ≠ induced
[0036]
Next, the detailed operation of the regenerative voltage detection means 8 will be described with reference to FIGS. Generally, as a condition for generating the regenerative voltage, the regenerative voltage is generated continuously for a predetermined time from the moment when the phase current of the
[0037]
FIG. 3B and FIG. 4B show the relationship between the regenerative voltage and the induced voltage. FIG. 3 shows a case where the time differential value is positive as the induced
As one of the necessary conditions for determining the reverse zero
There is an induced
[0038]
However, since the voltage value of the
[0039]
Similarly, in the case of the reverse zero
[0040]
The regenerative voltage detection means 8 has a VTH1 regenerative
VTH2 regeneration determination reference voltage 18 = regenerative voltage coefficient * VDC,
It is a real number satisfying 0 ≦ regenerative voltage coefficient ≦ 1. The regenerative voltage coefficient may be set appropriately. The regenerative voltage detection means 8 samples the
[0041]
FIG. 5 illustrates the voltage sampling operation of the regenerative voltage detection means 8. T = 0 in the figure corresponds to the electrical angles X1 and X3 of the current cut start point. From T = 0, the regenerative voltage detection means 8 starts sampling the induced voltage of the induced voltage detection means 1 (which is still the regenerative voltage at this time), and the regenerative
Vi = Σ (Vip) / (j + 1); p = 0 → j
And the regenerative voltage is determined by comparing Vi with VTH1 or VTH2. That is, in the case of FIG.
Vi ≧ VTH1
In the case of FIG.
Vi ≦ VTH2
If so, Vi is regarded as a regenerative voltage. While the above condition is satisfied, the magnetic pole position detecting means 2 ignores all the position detection results. When the above condition is not satisfied, the regenerative
[0042]
Next, the operation of the VDC reuptake detection means 40 will be described. As shown in FIG. 5, the VDC reuptake detection means 40 measures the regeneration detection operation duration of the regeneration voltage detection means 8 from T = 0,
T = TRCV * n; When n is a natural number, a VDC reuptake detection signal is sent to the regenerative voltage detection means 8. Here, TRCV (> 0) is the VDC recapture reference time. The regenerative voltage detection means 8 receives the VDC reuptake detection signal, temporarily suspends the regenerative voltage detection operation regardless of the current operation state, and retakes the VDC. When the recapture of the VDC is completed, the regenerative
[0043]
The VDC re-acquisition reference time TRCV will be described with reference to FIG. FIG. 6A is a plot of the
VTH1 = Regenerative voltage coefficient * VDC
And the above formula defines the regenerative voltage coefficient ≡RCV1 (for VTH1): VTH1 = RCV1 * VDC
It is. Since the
VDC12 ≥ VTH1
Should be satisfied. If the maximum value of the voltage change rate absolute value of the
ΔVDC = VDC−VDC12 (ΔVDC> 0)
TRCV = T12-T1
After all,
ΔVDC ≦ σMAX * TRCV
Then, the above equation is organized for TRCV.
[0044]
VDC12 = VDC-ΔVDC
≧ VDC−σMAX * TRCV
≧ VTH1
= RCV1 * VDC
Therefore, from the second and fourth lines of the above formula,
VDC-σMAX * TRCV ≧ RCV1 * VDC
Because
TRCV ≤ VDC * (1-RCV1) / σMAX
It is. Considering the amount of change in VDC,
TRCV ≤ VDCMMIN * (1-RCV1) / σMAX
It becomes. The VDC reuptake detection means 40 sets TRCV so as to satisfy the above equation.
[0045]
In the case of FIG. 4, the voltage value Vij at the
If,
Vij = 0
Meet. Therefore,
VTH2 = regenerative voltage coefficient * VDC ≧ 0
Because
Vij ≤ VTH2
Always satisfied.
[0046]
Although the present embodiment has been described by taking a three-phase brushless DC motor as an example, the concept is the same for application to a single-phase brushless DC motor, and the scope does not depart from the spirit, concept, and claims of the present invention. Of course, it is possible to change, add, or delete the embodiment as appropriate.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the motor control device of the present invention, a DC / AC converting means that includes a plurality of switching elements and converts the DC voltage into an AC voltage based on the PWM signal by opening and closing the switching elements and supplies the AC voltage to the three-phase brushless DC motor. When the induced voltage detection means to detect an induced voltage of the brushless DC motor, the magnetic pole position detecting means for detecting the magnetic pole position of the brushless DC motor based on the magnetic pole position outputted from the magnetic pole position detecting means A motor control device having voltage control means for outputting a voltage waveform and PWM control means for converting the voltage waveform into the PWM signal, further comprising regenerative voltage detection means for detecting a regenerative voltage, and the magnetic pole position detection means , the was detected after detecting the end of the regenerative voltage, and configured to determine the magnetic pole position based on the induced voltage, and further When the regenerative operation of detecting the regenerative voltage detecting means has continued for a predetermined time, and a VDC reuptake detecting means for outputting reuptake command of the DC voltage to the regenerative voltage detecting means, the regenerative voltage detecting means該再The DC voltage is re-taken based on the take-in command. As a result, even when the DC voltage changes quickly, the regenerative voltage can be accurately detected, so that a highly reliable motor control device can be constructed.
[0048]
In addition, the regenerative voltage detection means temporarily interrupts the regenerative voltage detection operation when the DC voltage is retaken. Thereby, by eliminating the competition between the DC voltage taking-in operation and the regenerative voltage detecting operation, it is possible to improve the regenerative voltage detection accuracy and to construct a motor control device with more stability.
[0049]
The VDC reuptake detecting means limits the predetermined time to a value obtained by dividing a product of the DC voltage and (1-regenerative voltage coefficient) by a DC voltage change rate, and the regenerative voltage coefficient is 0 ≦ Real number satisfying regenerative voltage coefficient ≦ 1. Thereby, since the VDC retake time can be numerically designed based on the DC voltage change rate, it is possible to construct a motor control device having a very wide operation application range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a control block diagram of a motor control device of the present embodiment. FIG. 2 is a block diagram of a field induced voltage waveform of a three-phase brushless DC motor. Operation explanatory diagram of voltage detecting means (1)
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the regenerative voltage detecting means (2).
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the regenerative voltage detecting means and the VDC reuptake detecting means. FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the VDC reuptake detecting means. FIG. 7 is a control block diagram of a conventional motor control device. Relationship diagram between conventional phase current waveform and induced voltage waveform [Fig. 9] Equivalent circuit diagram of three-phase brushless DC motor [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
8 Regenerative voltage detection means 9 Phase current 10
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