JP4678699B2 - モータ制御装置 - Google Patents
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Description
この発明はモータ制御装置に関し、例えば複数相のコイルを備えた同期モータをセンサを用いることなく駆動できるようなモータ制御装置に関する。
従来、複数相のコイルを備えた同期モータを駆動する場合、モータロータに対して適切なタイミングでモータ電流を流すことおよびコイル端子に電圧を印加することのいわゆる通電タイミングの最適化が重要となっていた。この通電タイミングの基準を検出するために、逆起電圧を検出する方式や、ゼロクロス電流位相を検出する方式等、種々の方式が存在する。
たとえば、モータロータ位置センサを用いずにモータを制御・駆動するいわゆるセンサレス駆動においては、モータコイルへの通電を行なう際に、モータの回転によってモータコイルに発生する逆起電圧をモータコイル端子から検出する方式がある。
また、特開平5−236789号公報に示される駆動装置は、モータ電流ゼロクロス時におけるモータ電圧位相を検出し、この電圧位相を基準とするモータ電流位相を検出して、このモータ電流位相が所望の電流位相となるように電圧指令、あるいは周波数指令を演算する方式が示されている。
図10は、従来の一般的なモータ制御装置の構成である。
図10を参照して、ステータに複数相(3相)のコイル、ロータに永久磁石を備えた同期モータ100を駆動するために、インバータ装置は、インバータ150とコンバータ回路130と交流電源160と、コイル170と、電流センサ180と、コントローラ110とから構成されている。なお、本例においては、交流電源160は、200V、50Hzであるものとする。
図10を参照して、ステータに複数相(3相)のコイル、ロータに永久磁石を備えた同期モータ100を駆動するために、インバータ装置は、インバータ150とコンバータ回路130と交流電源160と、コイル170と、電流センサ180と、コントローラ110とから構成されている。なお、本例においては、交流電源160は、200V、50Hzであるものとする。
同期モータ100はインバータ150によって駆動され、インバータ150にはコンバータ回路130から交流電源160を直流に変換して与えられる。
具体的には、コンバータ回路130は、ダイオード122〜128で形成されるダイオード全波整流回路120と、母線間の平滑コンデンサ140とを含み、平滑コンデンサの容量は、直流電圧波形のリップルを改善できる程度に十分大きい。
このコンバータ回路130により、交流電源160の交流電圧が直流電圧に変換されてインバータ150に供給される。
コイル170は、コンバータ回路130に供給される交流電源の力率を改善する目的で設けられたものである。
図11は、直流電圧の波形と、U相モータ電流との関係を説明する図である。
図11(a)に示されるように、平滑コンデンサ140の容量が十分大きい場合には、直流電圧波形のリプルが改善されて、一定の直流電圧がインバータ150に供給される。
図11(a)に示されるように、平滑コンデンサ140の容量が十分大きい場合には、直流電圧波形のリプルが改善されて、一定の直流電圧がインバータ150に供給される。
図11(b)は、電流センサ180により、検出したU相の電流波形を説明する図である。
図11(b)に示されるように、直流電圧波形のリプルが改善されて一定の直流電圧がインバータ150に供給されるためインバータ150から同期モータ100を駆動するU相モータ電流は、振幅が一定の安定した波形として検出される。
一方で、上記のような従来の構成においては、入力電流波形の改善と、高力率化が得にくいという問題があるため、特開2002−51589号公報においては、コイル170を用いず、また、インバータの母線間には従来の平滑コンデンサの1/100程度の小容量のコンデンサを用いることで故意に直流電圧に電源の2倍の周波数のリプルを発生させ、簡易な方式で入力電流波形の改善と、高力率化を実現する方式が提案されている。
しかしながら、上記方式を採用した場合には、直流電圧波形のリプルを改善するコイル170が設けられていないため図12(a)に示されるように直流電圧に電源の2倍の周波数のリプルが発生する。すなわち、交流電源160は200V、50Hzであるため100Hzのリプルが発生する。
ここで、モータの回転数2800rpm時のインバータの出力周波数は、4極モータであるため、93.3Hzとなる。このように、インバータの周波数が直流電圧のリプルの周波数に近づくと、図12(b)に示されるようにインバータ出力側のモータ電流に大きな脈動が発生し、モータの回転が不安定となるため、振動、騒音が増大し、効率が悪化するとともに、最悪の場合は脱調停止に至る。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、直流電圧のリプルが大きい場合でも安定性を確保した位置センサレス正弦波通電が可能なモータ制御装置を提供することである。
本発明のある局面に従うモータ制御装置は、単相交流電源を入力とする整流回路と、整流回路と接続され、整流回路で得られた直流電力を三相交流電力に変換し、モータを駆動するインバータと、インバータを制御する制御装置と、単相交流電源のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路とを備える。制御装置は、モータの回転数を設定する回転数設定手段と、ゼロクロス点検出回路のゼロクロス点の検出からの経過時間に応じて複数回、回転数設定手段により設定されるモータの回転数を補正する回転数補正手段とを含む。
本発明の別の局面に従うモータ制御装置は、単相交流電源を入力とする整流回路と、整流回路と接続され、整流回路で得られた直流電力を三相交流電力に変換し、モータを駆動するインバータと、インバータを制御する制御装置と、単相交流電源のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路とを備える。制御装置は、モータの回転数を設定する回転数設定手段と、ゼロクロス点検出回路のゼロクロス点の検出からの経過時間に応じて複数回、回転数設定手段により設定されるモータの回転数を補正する回転数補正手段とを含む。回転数補正手段は、ゼロクロス点の検出からの経過時間に従って予め規定された補正率データテーブルの補正率に基づいて目標回転数を補正する。
特に、補正率は、目標回転数に対する補正率データテーブルに規定された補正率の合計が概ね0となる値に規定される。
特に、補正率データテーブルは、目標回転数毎に設けられる。
好ましくは、インバータの母線間には極めて小容量のコンデンサを接続する。
好ましくは、インバータの母線間には極めて小容量のコンデンサを接続する。
本発明のモータ制御装置は、ゼロクロス点検出回路のゼロクロス点の検出からの経過時間に応じて、回転数設定手段により設定されるモータの回転数を補正する回転数補正手段を設ける。当該構成により、ゼロクロス点の検出からの経過時間に応じて、モータの回転数を補正する。ゼロクロス点となる直流電圧が0Vに落ち込む際の回転数を補正して、直流電圧のリプルの周波数よりもかなり離れた値とすることにより、電流波形の脈動を抑制して、振幅が一定の安定した波形を検出することが可能となり、安定に同期モータを駆動できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を附してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図1を用いて、本発明の実施の形態に従うモータ制御装置のブロック図について説明する。
図1を参照して、モータ制御装置は、ステータに複数相(3相)のコイルとロータに永久磁石とを備えた同期モータ1と、インバータ2と、コンバータ回路3と、交流電源4と、電流センサ5と、モータ電流検出アンプ部6と、ゼロクロス検出部30と、電圧センサ32と、マイクロコンピュータであるコントローラ7とから構成されている。
同期モータ1は、インバータ2によって駆動され、インバータ2にはコンバータ回路3から交流電源4の交流電圧を直流に変換して与えられる。
具体的には、コンバータ回路3は、複数のダイオード22〜28を含み、全波整流回路20が形成される。また、母線間に小容量コンデンサ40が設けられる。本例において、小容量コンデンサ40は、100μF以下のものを用いることとする。具体的には、負荷側である同期モータ1の回生エネルギーによるインバータ2の半導体素子の耐圧破壊防止を考慮して10〜20μF程度のコンデンサを用いることが可能である。
電流センサ5は、モータコイル端子U,V,W各相の中で特定相(図1ではU相)に流れるモータ電流aを検出する。電流センサ5で検出されたモータ電流は、モータ電流検出アンプ部6に与えられる。
そして、モータ電流検出アンプ部6において、所定量増幅し、そして、オフセット加算したモータ電流信号bがコントローラ7に与えられる。
また、電圧センサ32は、交流電源4の電圧を検出する。電圧センサ32で検出された交流電圧は、ゼロクロス検出部30に与えられる。
そして、ゼロクロス検出部30は、電圧センサ32で検出された交流電圧をモニタリングして0Vを跨ぐ際にゼロクロス点信号を生成してコントローラ7に与える。
コントローラ7は、位相差検出部8と、目標位相差情報格納部9と、加算部10と、PI演算部11と、回転数設定部12と、正弦波データテーブル13と、正弦波データ作成部14と、PWM作成部15、補正率データ抽出部16と、回転数補正率データテーブル17との各処理をソフト的に行なう。本実施例においては、特開2001−112287号公報に記載される位相制御方式と同様の方式により位相制御を実行する。この点については後述する。
位相差検出部8は、モータ電流検出アンプ6から与えられたモータ電流信号を所定のタイミングでA/D変換して取り込み、2個所のモータ駆動電圧位相期間ごとにサンプリングした各電流サンプリングデータを積算してモータ電流信号面積とし、両モータ電流信号面積の面積比を位相差情報として出力する。
目標とする位相差情報は目標位相差情報格納部9に格納される。目標位相差情報と位相差情報との誤差データは加算部10によって算出される。PI演算部11は算出された誤差データに対して比例誤差データおよび積分誤差データを算出してデューティ基準値を出力する。なお、加算部10とPI演算部11とによって位相差制御部が構成される。
回転数設定部12は、同期モータ1の目標とする回転数指令を設定し、正弦波データテーブル13は所定のデータ個数のテーブルを含む。
回転数補正率データテーブル17は、目標とする回転数に対する補正率データを格納したものである。
補正率データ抽出部16は、回転数補正率データテーブルからゼロクロス検出部30により生成されたゼロクロス点信号の経過時間に応じた補正率データを抽出して、補正回転数生成部18に出力する。
補正回転数生成部18は、補正率データ抽出部16により抽出された補正率データに従って回転数設定部12により設定された回転数を補正して、正弦波データ作成部14に出力する。
正弦波データ作成部14は、補正回転数生成部18から出力された回転数指令と時間経過に従って正弦波データテーブル13からモータコイルU,V,W各相に対応した正弦波データを読出すとともに、U相の正弦波データからU相のモータ駆動電圧位相情報cを出力する。
PWM作成部15は正弦波データとデューティ基準値とから各相ごとにインバータ2の駆動素子にPWM波形を出力する。
なお、電流センサ5はコイルとホール素子で構成されたいわゆる電流センサでもよく、カレントトランスでもよい。
また、本例においては、U相について検出する場合について説明するが、1相だけでなく各相のモータ電流を検出するとさらに高精度にすることができる。さらに、正弦波データの作成は正弦波データテーブル13をもとに作成せずに、演算によって作成してもかまわない。
さらに、各構成要素8〜17の構成要素はコントローラ7でソフト的に処理されるようにしたが、特にこれに限ることなく同様の処理をしていればハード構成で構成してもよい。
なお、モータの駆動波形は正弦波とした場合についての構成であるが、正弦波形にすることで滑らかなモータ電流の供給が可能となるために振動、騒音が少なくできる。しかしながら、これに限らず、モータロータの磁束に合せたモータ電流が得られるような駆動波形を通電すれば、より高効率な駆動が可能となる。
2個所のモータ駆動電圧位相期間で検出された2つのモータ電流信号面積は、位相差検出部8で面積比が計算され、この結果が位相差情報とされる。この位相差情報と目標位相差情報との誤差量に対してPI演算部11でPI演算が行なわれ、PWM作成部15はその出力であるデューティ基準値と別途回転指令から求まる正弦波データとから、その都度の出力デューティ比を計算してPWM信号を作成し、インバータ2を介してモータコイルに印加することで同期モータ1が駆動される。
すなわち、モータ駆動電圧(出力デューティ)に対するモータ電流位相差を一定に制御するための位相差制御フィードバックループによって駆動電圧の大きさ(PWMデューティのデューティ幅)を決定し、同期モータ1を所望の回転数で回転させるために所望の周波数で出力される正弦波データによって回転数を決定する。これによって、所望の位相差,所望の回転数でモータを駆動・制御することができる。
なお、モータ起動時は各相に強制的に通電し、回転磁界を与えていき、強制励磁で行ない、通常駆動時に上記方法で制御を行なえばよい。
ここで、この発明の位相差制御によって同期モータが駆動・制御できることは特開2001−112287号公報に記載されるとおりである。
本実施の形態においては、一例として上記位相差制御の方式について、まず、この発明の位相差情報の検出の処理について説明する。
図2を用いて位相差情報検出の原理を説明する。
図2(a)を参照して、U相のモータ電流aは0レベルを中心としたほぼ正弦波状の波形とする。このモータ電流aをモータ電流検出アンプ部6によって増幅し、オフセット設定してモータ電流信号bを作成する。これはモータ電流aをコントローラ7に内蔵されているA/D変換器の変換可能電圧範囲(たとえば0〜+5V)に合せるために行なわれる。
図2(a)を参照して、U相のモータ電流aは0レベルを中心としたほぼ正弦波状の波形とする。このモータ電流aをモータ電流検出アンプ部6によって増幅し、オフセット設定してモータ電流信号bを作成する。これはモータ電流aをコントローラ7に内蔵されているA/D変換器の変換可能電圧範囲(たとえば0〜+5V)に合せるために行なわれる。
また、U相のモータ駆動電圧位相情報cは正弦波データ作成部14でU相の正弦波データから作成される。なお、モータ駆動電圧位相情報cは、実際には正弦波波形とする必要はなく、位相情報だけがわかっていればよい。
位相差検出部8には図2(b)に示すようなモータ電流信号bと図2(c)に示すモータ駆動電圧位相情報cが入力される。位相差検出部8では、モータ駆動電圧位相情報cから予め決められた所定の位相期間θ0,θ1においてモータ電流信号bのサンプリングを所定のサンプリング位相(サンプリングタイミング)s0〜s3で1位相期間当りn回(図2の場合2回)行ない、各位相期間θ0およびθ1でのモータ電流信号面積をそれぞれIS0およびIS1として、各々サンプリングされて電流サンプリングデータを積算する。
すなわち、
Is0=I0+I1
Is1=I2+I3
そして、各モータ電流信号面積Is0,Is1の比を計算してこれを位相差情報とする。
Is0=I0+I1
Is1=I2+I3
そして、各モータ電流信号面積Is0,Is1の比を計算してこれを位相差情報とする。
図3は、コントローラ7における位相差情報を検出する位相差検出ルーチンを説明するフロー図である。
図3は、サンプリングタイミングが到来したかをタイマの値などで検出して、サンプリングを開始させるサンプリング開始ルーチン(タイマ割込ルーチン)を説明するフロー図である。なお、特にこのような処理構成でなくても同様の考え方で処理を行なっていればよい。
図3を参照して、ステップS2において、サンプリング位相s0のサンプリングタイミングを、モータの回転数とタイマのカウント周期から、サンプリング開始ルーチンの割込値として設定し、サンプリング回数nなどの各変数を初期化する。これはモータ回転開始直後、あるいは位相期間θ0の直後または位相期間θ0の前に1度だけ行なわれ、それ以降のサンプリングタイミング設定はサンプリング開始ルーチンで行なわれる。
ステップS4以降はループ処理であり、ステップS2が行なわれた後は、位相差情報の検出が終了するまでこのループ処理が繰返され、次回の位相期間θ0で再度ループ処理が行なわれる。ステップS4では、位相差検出部8においてサンプリング開始ルーチンで開始指令されたサンプリングが終了したかを検出する。終了していればステップS8に進み、終了していなければ以下の処理が行なわれるが、ループ処理中なので結果的にサンプリングが終了したかを検出し続けることとなる。
そして、次に、電流のサンプリング値を読み込む(ステップS8)。具体的には、位相差検出部8は、モータ電流検出アンプ6から出力される電流のサンプリング値を読み込む。
そして、次に、ステップS12においてサンプリング回数が1回更新される。具体的には、位相差検出部8において以降の処理が実行される。
次に、ステップS14において、現在の位相期間がθ0あるいはθ1かが判断され、判断結果によってステップS16またはS22の処理を行なう。この判断はサンプリング回数nで行なえばよい。
ステップS16あるいはS22では、サンプリング回数が所定回数(2回あるいは4回)になったかを判断し、所定回数(2回あるいは4回)であれば、ステップS18あるいはS24の処理を行なう。
ステップS18あるいはS24では、それぞれの位相期間でのサンプリングが終了したものとして、電流サンプリングデータの積算(I0+I1,I2+I3)を行ない、モータ電流信号面積Is0あるいはIs1を計算する。ステップS20では、モータ電流信号面積Is0およびIs1両方の計算が終了したかを判断し、終了していなければループ処理に戻る。
ステップS26においては、モータ電流信号面積Is0およびIs1の計算が終了していたとして、両面積データの比(Is0/Is1)を計算して、これを位相差情報とする。
そして、次に、検出した位相差情報を保存する(ステップS28)。そして、一連の位相差検出ルーチン(ループ処理)が終了する。
一方、ステップS6において、モータ電圧が所定の電圧未満であると判断された場合(ステップS6においてNO)には、次に、電流のサンプリング値を無効とする(ステップS9)。そして、位相差検出ルーチンの処理を終了する。モータ電圧が所定の電圧未満である場合には、モータ電流の振幅も小さいため誤差の影響が大きい。それゆえ、誤差の影響が大きいモータ電流のサンプリング値を用いた位相差情報では精度の高い位相制御が難しいため位相差検出ルーチンの処理を終了する。この場合には、保存されている位相差情報に基づいて、位相制御が実行されることになる。すなわち、位相差情報は更新されず、次の位相差検出ルーチンの際にモータ電圧が所定の電圧以上の場合に更新された位相差情報に基づく位相制御が実行されることになる。
また、図4に示すサンプリング開始ルーチン(タイマ割込ルーチン)は、タイマ割込が設定されたサンプリングタイミングで処理が開始され、ステップS40では次回のサンプリングタイミングを予め決めておいたサンプリング位相に従ってサンプリング開始ルーチンの割込値として設定される。
ステップS42では、A/D変換器に電流サンプリング開始を指示して終了する。
このように、サンプリング開始ルーチンの処理の中で次回のサンプリングタイミングの設定を行なうのは、現在のタイマカウント値がわかっている(≒今回のタイマ割込値)、現在のモータ電圧位相がわかっている(≒今回のサンプリング位相)ためであり、このようにすることで改めてタイマカウント値、モータ電圧位相を参照する必要がなくなり、効率的な処理が可能となる。
このように、サンプリング開始ルーチンの処理の中で次回のサンプリングタイミングの設定を行なうのは、現在のタイマカウント値がわかっている(≒今回のタイマ割込値)、現在のモータ電圧位相がわかっている(≒今回のサンプリング位相)ためであり、このようにすることで改めてタイマカウント値、モータ電圧位相を参照する必要がなくなり、効率的な処理が可能となる。
しかしながら、厳密には今回のタイマ割込値、今回のサンプリング位相は、割込が発生した時点での値であり、ステップS40を行なう時点でのタイマカウント値、モータ電圧位相とはわずかながら異なってしまう。したがって、厳密なサンプリングタイミングの設定が必要であれば、その都度タイマカウント値およびモータ電圧位相を参照するのが望ましい。
ここで、モータ電流のサンプリングタイミングは、予め決めておいたサンプリング位相に従って、モータ回転数とタイマ周期とから、その都度所定の値にタイマ割込値を設定することで任意に決めることができる。この設定方法は具体的にはたとえばと同じく正弦波2周期でモータが1回転するとし、モータ回転数が3000rpmのときにモータ電圧位相30°のときにサンプリングを開始するとして、モータ電圧位相0°のときに設定を行ない、また電流サンプリングタイマのカウント分解能は1μsecとすると、モータ電圧位相が0°から30°になるまでの時間は、正弦波1周期の時間が10msecなので、
0.01[s]*30[°]/360[°]=833[μsec]
であり、電流サンプリングタイマのカウントとしては、
833[μsec]/1[μsec/カウント]=833[カウント]
となる。つまり、モータ電圧位相0°のときのタイマのカウント値に833を加算し、これをタイマ割込値とすれば、モータ電圧位相30°でタイマ割込が発生して電流のサンプリングが開始される。なお、前述のようにモータ回転数は正弦波データの周期によって決まる、つまりコントローラ7側で決まるものであるので、正確なモータ電圧位相でのサンプリングが可能となる。
0.01[s]*30[°]/360[°]=833[μsec]
であり、電流サンプリングタイマのカウントとしては、
833[μsec]/1[μsec/カウント]=833[カウント]
となる。つまり、モータ電圧位相0°のときのタイマのカウント値に833を加算し、これをタイマ割込値とすれば、モータ電圧位相30°でタイマ割込が発生して電流のサンプリングが開始される。なお、前述のようにモータ回転数は正弦波データの周期によって決まる、つまりコントローラ7側で決まるものであるので、正確なモータ電圧位相でのサンプリングが可能となる。
また2個所の位相期間でのサンプリングタイミングをどのように設定するかについては、各サンプリングタイミングは常にモータ電圧の同じ位相にサンプリングされ、1つの位相差情報に対しては1つのロータステータ相対位置あるいは駆動電圧(出力デューティ)が得られるようなタイミングであれば問題はない。
しかしながら、図2に示すように、モータ電圧位相90°を中心として線対称となる位相で(位相90°地点からの各サンプリングタイミングまでの位相が、それぞれの位相期間のサンプリングタイミングで同じとなる位相で、また言い換えれば実際の位相差が0のときには両モータ電流信号面積が同値として検出されるような位相で)、各位相期間における電流サンプリングを行なえば、位相差制御設計が容易となる。
さらに、モータ電圧位位相の各位相期間はまとまっている必要もなく、たとえば図2においてI0とI5の積算値は第1の位相期間のモータ電流信号面積とし、I2とI7の積算値を第2の位相期間のモータ電流信号面積と分割してもよく、これらは制御系の処理時間の余裕度などから決めればよい。
また、位相期間θ0とθ1における位相差情報(Is0/Is1)検出後の位相差検出は、位相期間θ1とθ2を利用して、位相差情報(Is2/Is1)の計算を行なうことでより高速な位相差情報の検出が可能となる。
ここで、モータ電流のサンプリングタイミングの設定、すなわちタイマ割込値の設定を簡略化する方法について説明する。
図5はモータ電流信号bとモータ駆動電圧位相情報cの波形図である。
図5において、モータ駆動電圧位相情報cに基づく所定の位相期間θ0,θ1間でのサンプリング回数はそれぞれ3回としている。ここで注目すべきは、各位相期間内での電流サンプリングタイミングを同じ値のサンプリング期間θs=aにしている、つまり同じ間隔でサンプリングを行なうことである。
図5において、モータ駆動電圧位相情報cに基づく所定の位相期間θ0,θ1間でのサンプリング回数はそれぞれ3回としている。ここで注目すべきは、各位相期間内での電流サンプリングタイミングを同じ値のサンプリング期間θs=aにしている、つまり同じ間隔でサンプリングを行なうことである。
前述のサンプリングタイミングの設定方法に従って、各位相期間の最初にθsを計算した後は、以降のタイマ割込値では現在のタイマカウント値θsを加算するだけでよい。
このように一定のタイミングとすることで、図4のステップS40でのサンプリングタイミング設定、すなわちタイマ割込値の計算を軽減することができる。
上述の如く、本実施形態では、図12(a)で説明したように直流電圧に大きなリプルが発生する可能性がある。
したがって、図12(b)で説明したように、インバータ出力側のモータ電流に大きな脈動が発生し、具体的には、U相モータ電流の電流値が−10Aから10Aの範囲内を超える値となる場合もあり、位相差制御が不安定となる可能性がある。そのため、モータの回転が不安定となるため、振動、騒音が増大し、効率が悪化する可能性がある。
本実施の形態においては、上記点を改善するためにインバータ出力側のモータ電流の脈動を抑制するために回転数を補正する方式について説明する。
図6を用いて、本発明の実施の形態に従うモータ制御装置の回転数を補正する方式について説明する。
図6(a)を参照して、ここでは、交流電圧波形が示されている。なお、交流電源4は200V,周波数は50Hzである。モータの回転数指令値(補正前回転数)は2800rpmとしている。モータの回転数指令値(補正前回転数)が2800rpmの場合のインバータの出力周波数は、4極モータであるため93.3Hzである。
図6(b)には、図6(a)の交流電圧波形に対する直流電圧波形が示されている。本例においては平滑コンデンサの容量が十分小さいため、直流電圧波形には、大きなリプルが発生している。すなわち、交流電源の2倍の周波数100Hzのリプルが発生する。
図6(c)には、図6(a)の交流電圧波形に対するゼロクロス点信号が示されている。具体的には、ゼロクロス検出部30が交流電源4をモニタリングして交流電圧波形において、交流電圧が0を跨ぐゼロクロス点信号を出力する。
本実施の形態においては、このゼロクロス点信号の立ち上がりエッジが発生した時点を0として、この時点からの経過時間をマイクロコンピュータであるコントローラ7で計測する。
補正率データ抽出部16は、回転数補正率データテーブル17を読み出してこの時間経過に従う補正率データを抽出する。そして、当該抽出された補正率データが補正回転数生成部18に出力される。
補正回転数生成部18は、回転数設定部12で設定された目標回転数に対して補正率データを乗算して計算された値を補正した目標回転数として正弦波データ作成部14に出力する。
図7には、本発明の実施の形態に従う回転数補正率データテーブルの数値が示されている。
具体的には10msを一周期として、0.2ms毎の数値が示されている。
当該回転数補正率データテーブルの数値は、モータ電流の脈動を低減し、モータが安定して駆動できる値を予め実験により求めたものである。
当該回転数補正率データテーブルの数値は、モータ電流の脈動を低減し、モータが安定して駆動できる値を予め実験により求めたものである。
図6(d)は、0%を基準とした場合の図7の補正率データに基づく回転数補正率データ線である。
図6(d)に示されるように、回転数補正率データ線は、直流電圧波形に合わせたデータ線であり、ゼロクロス点の場合に最も回転数補正率が大きくなるように設定されている。
例えば、補正前回転数が2800rpmで、経過時間5.0msの場合は、図7より補正率データが18.17%であるため、回転数補正値は、2800rpm×18.17%=約509rpmとなる。
補正後回転数は、2800rpm+509rpm=3309rpmとなる。
また、経過時間10msすなわち0msの場合には、図7より補正率データが−31.83%であるため回転数補正値は、2800rpm×(−31.83%)=約−891rpmとなる。
また、経過時間10msすなわち0msの場合には、図7より補正率データが−31.83%であるため回転数補正値は、2800rpm×(−31.83%)=約−891rpmとなる。
補正後回転数は、2800rpm+(−891)=1999rpmとなる。
ここで、回転数1999rpm時のインバータの出力周波数は4極モータであるため、66.63Hzとなる。したがって、インバータの周波数は直流電圧のリプルの周波数(100Hz)よりもかなり離れた値に設定される。
ここで、回転数1999rpm時のインバータの出力周波数は4極モータであるため、66.63Hzとなる。したがって、インバータの周波数は直流電圧のリプルの周波数(100Hz)よりもかなり離れた値に設定される。
すなわち、本例においては、ゼロクロス点を検出して、ゼロクロス点において直流電圧が0Vに落ち込む際の補正率データを最も大きくして、直流電圧のリプルの周波数よりもかなり離れた値とすることにより、電流波形について脈動を抑制して、振幅が一定の安定した波形を検出することが可能となる。
図8を用いて、本発明の実施の形態における直流電圧波形とU相モータ電流の関係を示す図である。
図8(a)を参照して、図12(a)にも示されるように直流電圧に大きなリプルが発生するが、上記で説明した方式に従って目標回転数を補正することにより、図8(b)に示されるようにモータ電流の脈動を大幅に低減することが可能である。ここでは、U相モータ電流の電流値が−10Aから10Aの範囲内に収められている場合が示されている。
これにより、モータの安定駆動が実現でき、振動、騒音を低減し、効率の悪化も抑制できる。
また、図6(e)には、補正前回転数と補正後回転数との関係が示されている。
ここで、図7に示す回転数補正率データテーブルは、補正率データの平均値が概ね0となるように設定する。具体的には、ゼロクロス点近傍においては、回転数を下げる一方、ゼロクロス点から離れている期間において回転数を上げることにより、平均回転数(補正後回転数の平均値)とモータの回転数指令値(補正前回転数)の差を概ね無くすことができる。
ここで、図7に示す回転数補正率データテーブルは、補正率データの平均値が概ね0となるように設定する。具体的には、ゼロクロス点近傍においては、回転数を下げる一方、ゼロクロス点から離れている期間において回転数を上げることにより、平均回転数(補正後回転数の平均値)とモータの回転数指令値(補正前回転数)の差を概ね無くすことができる。
例えば、平均回転数と回転数指令値とに差が生じると、モータの出力を精度良く制御することが困難になる。
例えば、冷蔵庫の圧縮機用のモータ駆動装置の場合を例に挙げると、平均回転数が回転数指令値より小さいときは冷却不足の状態になり、平均回転数が回転数指令値より大きいときは冷却過剰の状態となるが、差を概ね無くすことにより、全体的にモータの回転数を目標回転数とすることが可能であるため精度の高い制御が可能となる。
また、本例においては、一例として1つの回転数補正率データテーブルについて説明したが、目標回転数に応じて回転数補正率データテーブルを設けるようにすることも可能である。
図9には、モータの回転数指令値(補正前回転数)に応じて変更可能な複数の回転数補正率データテーブルが示されている。
目標回転数に対するインバータの出力周波数が直流電圧のリプルの周波数に近い値でない場合、例えば目標回転数が2000rpm未満の場合あるいは4000rpm以上の場合には、補正率データの範囲も小さくすることが可能である。
なお、上記の回転数補正率データテーブルの値は、モータ電流の変動が低減しモータが安定して駆動できる値を予め実験を行い決定することが可能である。
上述の如く、本実施形態では、従来の構成の如くコイルを用いず、また、インバータの母線間には従来の平滑コンデンサの1/100程度の小容量のコンデンサを用いることが可能となり、その場合に直流電圧に大きなリプルが発生している条件においても、モータの安定駆動が実現でき、振動、騒音を低減し、効率の悪化も抑制できる。また、モータの出力を精度良く制御できる。
また、インバータの母線間に従来の平滑コンデンサの1/100程度の小容量のコンデンサを用いることで、小型、軽量、低コストなインバータ装置を実現することが可能である。
また、検出した交流電圧/電流位相差情報を用いてインバータ制御を行うことで、低騒音、低振動、高効率である正弦波通電をはじめとする180度通電によるモータ駆動において、ロータ位置を検知するセンサを用いず、安定な回転を行うことが可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 モータ、2 インバータ、3 コンバータ回路、4 交流電源、5 電流センサ、6 モータ電流検出アンプ部、7 コントローラ、8 位相差検出部、9 目標位相差情報格納部、10 加算部、11 PI演算部、12 回転数設定部、13 正弦波データテーブル、14 正弦波データ作成部、15 PWM作成部、16 補正率データ抽出部、17 回転数補正率データテーブル、18 補正回転数生成部、20 全波整流回路、30 ゼロクロス検出部、32 電圧センサ。
Claims (5)
- 単相交流電源を入力とする整流回路と、
前記整流回路と接続され、前記整流回路で得られた直流電力を三相交流電力に変換し、モータを駆動するインバータと、
前記インバータを制御する制御装置と、
前記単相交流電源のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路とを備え、
前記制御装置は、
前記モータの回転数を設定する回転数設定手段と、
前記ゼロクロス点検出回路の前記ゼロクロス点の検出からの経過時間に応じて複数回、前記回転数設定手段により設定される前記モータの回転数を補正する回転数補正手段とを含む、モータ制御装置。 - 単相交流電源を入力とする整流回路と、
前記整流回路と接続され、前記整流回路で得られた直流電力を三相交流電力に変換し、モータを駆動するインバータと、
前記インバータを制御する制御装置と、
前記単相交流電源のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路とを備え、
前記制御装置は、
前記モータの回転数を設定する回転数設定手段と、
前記ゼロクロス点検出回路の前記ゼロクロス点の検出からの経過時間に応じて、前記回転数設定手段により設定される前記モータの回転数を補正する回転数補正手段とを含み、
前記回転数補正手段は、前記ゼロクロス点の検出からの経過時間に従って予め規定された補正率データテーブルの補正率に基づいて目標回転数を補正する、モータ制御装置。 - 前記補正率は、前記目標回転数に対する前記補正率データテーブルに規定された補正率の合計が概ね0となる値に規定される、請求項2記載のモータ制御装置。
- 前記補正率データテーブルは、目標回転数毎に設けられる、請求項2または3に記載のモータ制御装置。
- 前記インバータの母線間には極めて小容量のコンデンサを接続する、請求項1〜4のいずれかに記載のモータ制御装置。
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