JP4654124B2

JP4654124B2 - 永久磁石同期電動機駆動装置の制御方法、及びそれを用いた永久磁石同期電動機駆動装置

Info

Publication number: JP4654124B2
Application number: JP2005376955A
Authority: JP
Inventors: 義行田口; 智文大久保
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: JP2007181309A

Description

本発明は、永久磁石同期電動機を駆動する技術に関する

永久磁石同期電動機を駆動する装置について、特許文献１に開示がある。特許文献１は、簡単な構成にて、インバータ出力の欠相を速やかに検出する技術に関するものである。

特開２００４−２８９９０９号公報(第３−４頁、図２)

上記特許文献１も含め、駆動する電動機に対して、駆動装置から出力される複数相の出力のうちの欠相を検出することの望まれる場合がある。

欠相の検出については、欠相している相では、駆動装置からの出力が無いので、電流が流れないことになる。従って、各相毎に流れている電流を測定することで、欠相の有無を知ることになる。

なお、上記電流は、電動機が回転中には、測定が困難であり、起動前、もしくは停止時に測定することなる。そして、電動機が停止している状態では、通常駆動装置からは、出力が出ない為、何らかの検出用の出力を出すようにすることが考えられる。

しかしながら、電動機の停止状態で検出用出力を出力する場合に、駆動装置の出力段のスイッチング素子が許容する電流値、または許容される期間内に上記検出用出力を出力する必要があり、これらが課題となる。

上記課題等を解決するにあたり、留意すべきことを以下に説明し、その対応を記載する。

第１には、検出用出力を出力する場合に、駆動装置の出力段のスイッチング素子が許容する電流値の大きさを設定することである。これについては、制御部において出力段のスイッチング素子の定格値の１０％程度の電流値を目標値とした電流制御にて電圧を調整することで、出力段のスイッチング素子を保護しつつ、欠相検出を実施可能とする。

第２には、欠相検出の検出精度を向上させることである。通常、これらの欠相検出を含め、電流検出は電流検出部および制御部にて実施されるものである。そして、電流検出もある一定のサンプリング周期によって検出されている。上記の検出用の信号に対する電流検出値には、通常、何らかの雑音、ノイズ等の不要成分が含まれるものである。従って、これらの不要成分の影響を低減することが好ましい。このこと等を考慮して、上記検出用の信号は、電流検出用のサンプリング周期の１０倍程度の期間出力するものとする。

第３には、欠相を検出可能とする検出用出力方式である。一般に永久磁石同期電動機の運転時の通電方法としては１８０度通電方式および１２０度通電方式がある。本発明では１２０度通電の出力方式を用いて欠相を検出する。前者の場合、通電可能となる位相の自由度が大きくなるが、逆変換部の上アームおよび下アームスイッチング素子を３つ以上駆動するため、どれか１つスイッチング素子破壊していた場合には他の２つのスイッチング素子を通して電流が流れるため、欠相を検出することが困難となる。後者の場合、たとえば３相出力の場合、通電する位相は６０度毎すなわち１回転で６つの通電パターンに限定されるが逆変換部の上アームおよび下アームのスイッチング素子を各１つのみ駆動する。よってどちらかのスイッチング素子が破壊している場合、電流は流れないことになるので欠相検出することができる。

第４には検出用出力が電動機に出力されると、場合によっては、電動機の回転子が回転すること等がある。

これに対しては、三相出力の場合、１２０度通電方式の通電パターンを用いることで電動機に出力されて通常回転トルクが発生する通電パターンおよび保持トルクを発生通電パターン以外の通電パターンにて検出電圧を出力することで電動機を回転させることなく、欠相を検出が可能となる。３相出力の場合、通電は６パータンとなるがそのうち２つが回転トルク発生パターンおよび保持トルク発生パターンとなる。よってこの２つを除いた４つのパターンを通電することにより、逆変換部の短絡モードでない上アームと下アーム組み合わせにより通電することで欠相を検出することができる。

本発明によれば、従来よりも信頼性を向上させた電動機を駆動する駆動装置を提供可能となる。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例の構成を示す構成図であり、図２は、実施例の制御の手順を示すフローチャートであり、図３〜図５は、実施例を説明する通電パターンを説明する模式図である。

図１において、商用電源１０からの電力が順変換部２０にて直流電力に変換後、平滑部３０にて平滑後、逆変換部４０に入力され、逆変換部４０では、ＰＷＭ信号発生部５０からのＰＷＭ信号に基づいて、交流電力に変換後、永久磁石同期電動機７０に出力される。この際、ＰＷＭ信号発生部５０は、制御部６０によって、制御される。また磁極位置検出器８０により永久磁石同期電動機の磁極の位置を検出する。

次に、図２に示すフローチャートにて、本発明の実施例の検出の手順を説明する。

通常、磁極位置検出器８０等により永久磁石同期電動機の磁極の位置の検出を行った位置検出の後に、本実施例の欠相検出を開始する（ステップ２００）。

まず、先に実行された位置検出処理により得られた位置情報により１２０度通電方式における回転トルクおよび保持トルクを発生しない通電パターンを欠相検出用通電パターンとして設定し(ステップ２１０)、設定した欠相検出用通電パターンの１つをセットする（ステップ２２０）。３相出力の場合、前述の通り１２０度通電方式における回転トルクおよび保持トルクが発生しない４つの通電パターンのうちの１つを設定することになる。

次に通電時間をセットし（ステップ２３０）、指令電圧値をセット（ステップ２４０）の後に、一般的に電流制御と呼ばれる電流制御を用いて出力をスタートする（ステップ２５０）。

その後、電流検出処理を行い(ステップ２６０)、検出された電流値を積分する(ステップ２７０)。ここで欠相検出精度を向上させるために電流値積分処理を行うことにしたが、この積分処理は無くすることも出来る。

次に予め設定した閾値と比較する（ステップ２８０）。そして、前記閾値よりも大きければ、正常と判断（ステップ２４０−ＹＥＳ）し、出力をストップ(ステップ３２０)する。ここで全ての欠相検出用通電パターンを終了したかを判定し(ステップ３３０)、全て終了していなければ(ステップ３３０−ＮＯ)、欠相検出用通電パターンを変更し(ステップ３４０)、再度出力スタート(ステップ２５０)し、検出処理を続ける。

全ての欠相検出用通電パターンを終了した場合(ステップ３３０−ＹＥＳ)には、欠相がなかったと判定し欠相検出処理を終了する(ステップ３５０)。

また積算電流値予め設定した閾値と比較し小さければ(ステップ２８０−ＮＯ)、予め設定した通電時間を経過したかを判定し(ステップ２９０)、経過していなければ(ステップ２９０−ＮＯ)、前述の通電時間内での検出動作を行う。

前述の通電時間を経過した場合は(ステップ２９０−ＹＥＳ)、欠相と判定し(ステップ３００)、出力をストップ(ステップ３１０)、欠相検出処理を終了する(ステップ３５０)。

ここで、通電時間を設けたのは、検出時の雑音、ノイズ等の不要成分の影響を回避するため、所定時間の期間において、検出動作を行うようにする為のものである。

ここで、図３〜図５を用いて、本実施例にて使用する欠相検出用通電パターンについて、説明する。なお、図において、内部に回転子を示し、その外側に固定子を示すが、これは、説明用の例示として記載したものである。

図３に、１２０度通電方式において、回転トルクが発生するパターン例を示す。また、図４に、１２０度通電方式において、保持トルクが発生するパターン例を示す。この図３、図４の通電パターンでは、回転子が回転する可能性があるので、欠相検出のために、使用するのには、好ましくない。

先ず、図３では、回転子の磁極のＮ極の近傍の向かいに位置する固定子の巻き線にて発生する磁束がＮ極の磁性を生ずることで、相互に反発し合い、回転子が矢印の向きに回転する力(回転トルク)が発生するパターンである。実際には、回転トルクの場合には、図３に示すように、単純にＮ極の磁束を発生するものではないが、説明を容易とする為に、敢えて、回転トルクでは、Ｎ極として、図示している。

次に、図４では、回転子の磁極のＮ極の近傍に向かいに位置する固定子の巻き線がＳ極の磁束を生ずることで、相互に引き合い、回転子が矢印の向きに回転する力(保持トルク)が発生するパターンである。実際には、保持トルクの場合にも、図４に示すように、単純にＳ極の磁束を発生するものでもないが、説明を容易とする為に、敢えて、保持トルクでは、Ｓ極として、図示している。

一方、図５に示す通電パターンでは、回転子の磁極のＮ極の近傍の向かいに位置する固定子の巻き線で生ずる磁束が小さく(図５では、これを「×」印にて記す)ので、回転トルクおよび保持トルクを発生しないので、回転子が回転することもない。従って、本実施例では、図５に示す通電パターンを欠相検出用通電パターンとして用いることとする。

なお、前記にて、「固定子の巻き線で発生する磁束小さく」としたが、これは、全く磁束を生じない場合だけではなく、図５の回転子のＮ極に、回転トルクおよび保持トルクを発生するような力の影響を与えない程度の磁性の大きさであっても良いものとする。

ここで、図５に示す欠相用通電パターンでの、電流の流し方について説明する。この通電パターンにおいて、前述した様に、回転トルクおよび保持トルクを発生しないだけでなく、逆変換部のスイッチング素子の短絡も回避出来るようにするものとする。

逆変換部は、一般に「上アーム」と呼ばれるスイッチング素子と、「下アーム」と呼ばれるスイッチング素子とが、直列接続されるもので、構成される。この上アームと下アームのスイッチング素子の両者が同時にＯＮして、電流が流れると、この両者のスイッチング素子が破壊される場合があるので、同時には、ＯＮしないように制御される必要がある。
これは、本実施例の欠相検出時においても、留意する必要のある事項である。

また、前記両上下アームの同時ＯＮの回避だけでなく、これらのスイッチング素子に電流が流れる時間は、これらスイッチング素子が破壊されない時間内に制限される必要もある。

前述の２つの条件を備えて、欠相検出するように電流を流す為に、永久磁石同期電動機駆動装置にて、逆変換部を制御するＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部にて、出力されるＰＷＭ信号と同様の出力信号を、欠相検出用の検出信号として、用いるようにする。ここで、上記制御では、電動機７０の回転位置は、位置検出器８０によって、検出後、制御部６０に入力され、制御に使用される。また、シャント抵抗９０に流れる電流を検出することで、電動機７０に流れる電流を検出し、制御部６０の制御にて使用される。

なお、上記実施例で、検出用の電圧値の選定にあたり、出力段のスイッチング素子の定格値を超えた場合の素子破壊を回避し、素子を保護するものとして、定格値の１０％程度として説明したが、これに限定されるものではない。従って、出力段のスイッチング素子等の損失等を考慮することで、安全に出力段のスイッチング素子の定格値を超えないように出来る電圧値であれば、上記の値と異なる値であっても良い。

また、上記実施例で、不要成分の影響を低減すること等を考慮して、上記検出用の信号は、電流検出用のサンプリング周期の１０倍程度の期間として説明したが、これに限定されるものではない。従って、検出用の検出信号の測定などにおいて、不要成分の影響を低減すること等が可能であれば、サンプリング周期の１０倍とは異なる期間であっても良い。

なお、上記実施例では、電流検出にシャント抵抗を駆動装置内部に設けていたが、これに限定されるものではなく、電動機に出力される出力線の、例えば、３相に対して、各々の相に設けるものであってもよい。また、シャント抵抗に限定されるものでもなく、所謂ホール素子と呼ばれる電流検出素子を用いるものであっても良い。

上記実施例では、１２０度通電方式にて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、１８０度通電方式と呼ばれる駆動方式においても、上記実施例を用いて、欠相検出できるものである。但し、この場合には、電動機の起動時に欠相検出を行う所定の期間は、１２０度通電方式にて、出力された欠相検出用の検出電流にて、欠相を検出後、１８０度通電方式にて、電動機を駆動するように、切替え制御する必要がある。

本発明の一実施例に係わる構成を示す図同実施例に係わる制御処理を示す図本実施例を説明するに当たっての通電パターン例を示す図本実施例を説明するに当たっての他の通電パターン例を示す図本実施例に用いた通電パターン例を示す図

符号の説明

２０：順変換部、３０：平滑部３０、４０：逆変換部、５０：ＰＷＭ信号発生部、６０：制御部、７０：永久磁石同期電動機、８０：磁極位置検出器。

Claims

永久磁石電動機の磁極位置を検出して回転制御する永久磁石電動機駆動装置の制御方法であって、
前記永久磁石電動機を１２０度通電方式により運転制御し、
起動時に前記永久磁石電動機の磁極位置を検出し、
前記検出された前記永久磁石電動機の磁極位置から、回転子を回転させる回転トルク、及び回転子を保持させる保持トルクを発生しないように前記永久磁石電動機に印加する電圧の印加電圧パターンを欠相検出用通電パターンとして設定し、
前記設定された欠相検出用通電パターンで、前記永久磁石電動機に印加電圧が印加され、
前記印加電圧によって流れる電流の検出処理を行い、検出された検出電流値と予め設定された所定電流値とを比較し、
比較結果が、前記検出電流値の方が前記所定電流値よりも小さい場合には、欠相していると判定して、前記永久磁石電動機の欠相を検出することを特徴とする永久磁石電動機駆動装置の制御方法。
請求項１記載の永久磁石電動機駆動装置の制御方法であって、
前記検出電流値を検出する検出処理を所定の時間行うことを特徴とする永久磁石電動機駆動装置の制御方法。
請求項２に記載の永久磁石電動機駆動装置の制御方法であって、
前記検出電流値を検出する検出処理において、電流検出サンプリング周期より長い検出時間で電流を検出することを特徴とする永久磁石電動機駆動装置の制御方法。
請求項１記載の永久磁石電動機駆動装置の制御方法であって、
前記検出電流値を検出する検出処理において、検出電流を積分処理することを特徴とする永久磁石電動機駆動装置の制御方法。
請求項１記載の永久磁石電動機駆動装置の制御方法であって、
前記欠相検出用通電パターンは、回転子の所定の磁極の向かいに位置する固定子の巻き
線で発生する磁束によって、回転子を回転させる回転力を発生させないもの、及び、回転子の所定の磁極の向かいに位置する固定子の巻き線で発生する磁束によって、回転子を保持させる保持力を発生させないものとすることを特徴とする永久磁石電動機駆動装置の制御方法。
商用電源からの電力を直流電力に変換する順変換部と、
前記順変換部の出力を平滑する平滑部と、
前記平滑部の出力を交流電力に変換して、永久磁石同期電動機に出力する逆変換部と、
前記逆変換部を駆動するＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部と、
前記逆変換部の出力電流を検出し、ＰＷＭ信号発生部を制御する制御部と、
永久磁石同期電動機の回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出器と
を有する永久磁石同期電動機駆動装置であって、
前記制御部で前記永久磁石電動機を１２０度通電方式により運転制御し、
起動時に、回転子を回転させる回転トルク、及び回転子を保持させる保持トルクを発生しないように前記永久磁石電動機に印加する電圧の印加電圧パターンにより電圧を永久磁石電動機に一定時間印加して、電流値を検出し、
該検出された検出電流値と予め設定された所定電流値とを比較し、
比較結果が、前記検出電流値の方が前記所定電流値よりも小さい場合には、欠相していると判定することを特徴とする永久磁石同期電動機駆動装置。
請求項６記載の永久磁石電動機駆動装置であって、
前記検出電流値を検出する検出処理を所定の時間行うことを特徴とする永久磁石電動機
駆動装置。
請求項７に記載の永久磁石電動機駆動装置であって、
前記検出電流値を検出する検出処理において、電流検出のサンプリング周期より長い検出時間で電流を検出することを特徴とする永久磁石電動機駆動装置。
請求項６記載の永久磁石電動機駆動装置であって、
前記検出電流値を検出する検出処理において、検出電流を積分処理することを特徴とする永久磁石電動機駆動装置。
請求項６記載の永久磁石電動機駆動装置であって、
前記印加電圧パターンは、回転子の所定の磁極の向かいに位置する固定子の巻き線で発生する磁束によって、回転子を回転させる回転力を発生させないもの、及び、回転子の所定の磁極の向かいに位置する固定子の巻き線で発生する磁束によって、回転子を保持させる保持力を発生させないものとすることを特徴とする永久磁石電動機駆動装置。