JP4680701B2 - 永久磁石同期電動機の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、界磁に永久磁石を用いた永久磁石同期電動機の制御方法に係り、特に、ＰＷＭインバータを用いた永久磁石同期電動機の制御方法に関する。

同期電動機の一種に、回転子(ロータ)に永久磁石を用いた回転界磁形の同期電動機があり、給電用のブラシが不要なことから直流ブラシレスモータなどと呼ばれ、励磁電力が不要なので効率が良く、従って、比較的小型のモータとして有利であり、このため、近年、例えばエアコンなどに多用されるようになっている。

この回転界磁形の永久磁石同期電動機では、回転検出器又は磁極位置検出器を用い、回転子の磁極位置を検出して電機子電流を切換えることにより回転磁界を生成させ、回転子にトルクを発生させるのであるが、このとき、近年は、ＰＷＭ(パルス幅変調)インバータにより電機子電流を切換えるようにした、いわゆるＰＷＭインバータ駆動方式の永久磁石同期電動機が一般的である。

ところで、このような永久磁石同期電動機の場合、起動時、又は起動直後に回転子軸がロックしたとすると、回転検出器又は磁極位置検出器による信号が変化しなくなってしまうので、電動機駆動用インバータのＰＷＭ信号発生部における出力電圧位相も変化せず、ロックしてしまうことになる。そしてこのようにインバータの出力電圧位相がロックすると、当該インバータの出力電圧は直流電圧となってしまうので、インバータの特定のスイッチング素子に直流電流が流れ続けることになる。

ここで、電動機が回転している場合、出力電圧位相はロックせず電動機の回転に同期した周波数に応じて変化するため、特定のスイッチング素子に直流電流が流れ続けることはなく、この場合、スイッチング素子には交流電流が流れるため、熱の蓄積と放出が短時間に交互に行われることによりスイッチング素子が急激に発熱する虞はない。

このとき、スイッチング素子の定格電流値は、一般に直流電流を連続的に流せる値として定義されているが、ＰＷＭインバータの場合は、スイッチング素子が、商用交流電源の周波数に比較してかなり高い数ＫＨｚ(キロヘルツ)の周波数のキャリア(搬送波信号)でスイッチングされるので、スイッチング素子のオン抵抗などによる定常的な損失の他に、スイッチング動作による過渡的な損失が加わるので、スイッチング素子の発熱が更に大きくなる。

このため、スイッチング素子がＰＷＭ制御されている場合は、ロックして直流電流状態になると、このときの平均電流値が、たとえスイッチング素子の定格電流値以内の値であっても、急激にスイッチング素子の温度が上昇してしまう虞がある。

ところで、このような場合の保護としては、従来から、インバータの出力電流が所定の値を超えたら過電流保護装置により出力を遮断する方法や、電動機の保護用として制御装置に搭載される電子サーマル保護装置を利用し、運転周波数が低周波の場合には、保護動作が敏感になるような特性に設定することにより保護動作を早く働かせ保護する方法などか適用されている。

また、更には、電流抑制機能により設定電流値を定格電流以下に設定することにより大きな電流をスイッチング素子に流さないようにして保護する方法なども従来から知られており(例えば、特許文献１参照。)、このときインバータのキャリア周波数を低減させるようにした方法も従来から知られている(例えば、特許文献２参照。)。
特開平９−１４０１５４号公報 特開平９−７０１９５号公報

上記従来技術は、スイッチング素子にキャリア周波数でスイッチングされた電流が通流されている点に配慮がされておらず、電動機のロックに際して特定のスイッチング素子に発熱が集中してしまうという問題があった。

上記したように、電動機の回転子軸がロックされた状態で起動した場合、旗は起動直後に回転子軸がロックした場合には、ＰＷＭインバータの特定のスイッチング素子に直流状態の電流が流れ続けるが、このときスイッチング素子に通流される電流がキャリア周波数でスイッチングされているため、スイッチング素子の損失が大きくなり、熱蓄積によるスイッチング素子の熱破壊の虞が生じてしまうのである。

このとき、特許文献１に開示の従来技術でも、回転子軸にロックが生じた場合の対応については、何も記載していないものであり、特許文献２に開示の従来技術では、キャリア周波数を低減する条件に電流指令値を使用している。

本発明の目的は、ＰＷＭインバータのスイッチング素子の保護が、電動機回転子軸のロックに際しても確実に得られるようにした永久磁石同期電動機の制御方法を提供することにある。

上記目的は、永久磁石形同期電動機の回転子磁極位置を検出し、ＰＷＭインバータを制御して電機子電流を切換える方式の永久磁石形同期電動機の制御方法において、前記永久磁石形同期電動機のロックを検出し、ロック時に前記ＰＷＭインバータのキャリア周波数を通常運転時用の周波数から低減させ、前記ロック時でのキャリア周波数の低減量が、前記ＰＷＭインバータのスイッチング素子の出力電流の大きさと通電時間の長さから算出されるようにして達成される。

ここで、前記キャリア周波数の低減が実行されたとき、当該キャリア周波数の低減量に応じて電流抑制機能の設定電流値が増加されるようにしてもよい。

上記手段では、電動機の起動時において、回転子軸がロックした場合に、前記制御装置にて出力電流がキャリア周波数低減開始電流値を超えた場合にはＰＷＭ信号を発生する基準となるキャリア周波数を起動時に設定していたキャリア周波数よりも低減させるものとする。

この場合、前記キャリア周波数低減処理後、変更したキャリア周波数によりキャリア周波数低減開始電流値を再度求め検出した出力電流値と比較する。検出した直流電流がキャリア周波数低減開始電流値よりも出力電流が大きい場合には再度キャリア周波数を低減する。

前記のように求めたキャリア周波数低減開始電流値よりも検出した出力電流が大きい場合にはキャリア周波数を低減する。キャリア周波数低減下限値は使用環境および制御装置の機器構成によって決めることができる。

キャリア周波数低減下限値までキャリア周波数を低減させても、出力電流が前記キャリア周波数低減開始電流値を超えている場合には、スイッチング素子のジャンクション温度、定常損失、スイッチング素子、制御装置の冷却能力および出力電流値とキャリア周波数の関係からからスイッチングによる直流電流を連続して流せる時間を求め、通電時間を監視することにより前記求めた連続通電時間以上継続して出力電流が流れたら出力を遮断する。

この結果、速度検出器または磁極位置検出器を有する永久磁石動機電動機を前記検出器の信号を用いて駆動する制御装置において、起動時に回転子軸がロックし出力電流が直流となり特定のスイッチング素子に流れるような場合においても、スイッチング素子が熱破壊に至る前に出力を遮断することによりスイッチング素子を保護することがきる。

本発明によれば、ＰＷＭスイッチングによる損失を考慮したスイッチング素子の保護が得られるので、従来技術に比較して、より一層、高い信頼性を保持させることができる。

以下、本発明による永久磁石同期電動機の制御方法について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図３は、本発明の一実施形態が適用された永久磁石同期電動機制御装置の一例で、図示のように、この実施形態では、まず、商用電源１００から供給された交流電力を順変換部１１０に入力し、ここで直流に変換後、平滑部１２０により平滑化した上で逆変換部１３０に供給し、ここでＰＷＭ制御し、回転界磁形永久磁石同期電動機の駆動に必要な駆動電力に変換し、この駆動電力をモータＭ、すなわち回転界磁形永久磁石同期電動機１４０に供給するようになっている。

このとき、永久磁石同期電動機１４０には、その回転子の回転位置を検出するセンサとして磁極位置検出器１５０が設けてあり、これにより検出されてくる回転子位置信号Ｒが制御部１６０に入力されている。このとき制御部１６０にはＰＷＭ信号発生部１８０とキャリア信号発生部１７０が設けてあり、これらは制御部１６０の制御のもとで動作する。

そこで、制御部１６０は、これらキャリア信号発生部１７０とＰＷＭ信号発生部１８０を、回転子位置信号Ｒに基づいて制御し、これによりキャリア信号発生部１７０はキャリア周波数をＰＷＭ信号発生部１８０に供給し、ＰＷＭ信号発生部１８０は、キャリア周波数からＰＷＭ信号を生成して逆変換部１３０のスイッチング素子に供給し、永久磁石同期電動機１４０に駆動電力が供給されるようにする。

このとき、逆変換部１３０と永久磁石同期電動機１４０の間には、例えばＣＴ(電流トランス)などの電流検出器１９０が設けてあり、これにより逆変換部１３０の出力電流が検出されるようになっていて、ここで検出した出力電流信号Ｃも制御部１６０に入力されるようになっている。

そして、制御部１６０は、上記したように、回転子位置信号Ｒに基づいて永久磁石同期電動機１４０の回転制御を実行するだけではなく、回転子軸のロックや出力電流の検出などの処理も併せて実行するようになっており、このため所定のプログラムが搭載されたマイコン(マイクロコンピュータ)で構成されている。

次に、図４も、本発明の一実施形態が適用された永久磁石同期電動機制御装置の一例であるが、これは、出力電流をＰＷＭインバータ主回路側で検出するようにした場合の一例で、このため、例えばシャント抵抗などの電流検出器１９０ａを平滑部１２０と逆変換部１３０の間に設け、これにより検出た出力電流信号Ｃを制御部１６０に入力するようになっている。

次に、これら図３と図４の永久磁石同期電動機制御装置による本発明の実施形態の動作について、フローチャートにより説明する。まず、図１は、本発明の第１の実施形態に係る制御方法に必要な処理を示したもので、この処理は、制御部１６０のマイコンにより実行され、図示のように、電動機(永久磁石同期電動機１４０)を起動・スタートさせたとき開始され、以後、所定の一定時間毎に、例えば１０ミリ秒毎に実行されるものである。

そして、まず、予め設定されている通常運転時キャリア周波数ｆ₀ により、特定のスイッチング素子をスイッチングした場合、当該スイッチング素子に連続して通流することができる直流電流の最大値を算出してキャリア周波数低減開始電流Ｉ₀ とする(ステップ２００)。

ここで、このキャリア周波数低減開始電流Ｉ₀ は、スイッチング素子のジャンクション温度、定常損失、スイッチング損失、及び逆変換部１３０が備えている冷却能力から、既知の物理的法則に従って制御部１６０のマイコンにより計算することができる。このときの通常運転時キャリア周波数ｆ₀ は、運転条件や運転環境によって決まるものであるが、通常、８ＫＨｚ程度の周波数が設定される(ｆ₀ ＝８ＫＨｚ)。

次に、ロックの検出を行ない、ロック検出か否かを判定する(ステップ２１０)。ここで回転子軸がロックしていた場合、起動したのにもかかわらず回転子位置信号Ｒが変化しない。そこで、この場合、ロックと判定され、結果はＹＥＳとなる。そして、ロックと判定されなかった場合、結果はＮＯとなる。

そして、まず、結果がＮＯのときはキャリア周波数を通常運転時キャリア周波数ｆ₀ としたままにする(ステップ２２０)。

一方、ロックと判定された場合、結果はＹＥＳになるので、次に、通常運転時キャリア周波数ｆ₀ でスイッチングした直流電流を連続して流せる時間の最大値、すなわち許容最大連続直流通電時間Ｔ_m を求める(ステップ２３０)。

この許容最大連続直流通電時間Ｔ_m は、電流検出器１９０又は電流検出器１９０ａの出力電流信号Ｃによる電流値と現在のキャリア周波数、スイッチング素子の定常損失、スイッチング損失、ジャンクション温度、及び逆変換部１３０が備えている冷却能力から、既知の物理的法則に従って制御部１６０のマイコンにより計算することができる。

次に、検出した電流値を積分することにより通電時間Ｔを計算し(ステップ２４０)、計算した通電時間Ｔを許容最大連続直流通電時間Ｔ_m と比較して出力遮断判定を行う(ステップ２５０)。そして、結果がＮＯ、つまり通電時間Ｔが許容最大連続直流通電時間Ｔ_m 以上の場合(Ｔ≧Ｔ_m)、制御部１６０は逆変換部１３０を出力遮断し、運転を停止させる(ステップ２９０)。

一方、結果がＹＥＳ、つまり通電時間Ｔが許容最大連続直流通電時間Ｔ_m 未満の場合(Ｔ＜Ｔ_m)には、続いてステップ２６０とステップ２７０を実行し、キャリア周波数低減判定を行う。

まず、ステップ２６０で判定結果がＹＥＳになった場合、つまり電流検出器１９０又は電流検出器１９０ａにより検出した電流Ｉがキャリア周波数低減開始電流Ｉ₀ 以上の場合(Ｉ₀ ≦Ｉ)で、且つ、ステップ２７０の判定結果もＹＥＳになった場合、つまり現在のキャリア周波数ｆがキャリア周波数下限値ｆ_L を下回っていない場合(ｆ_L ＜ｆ)には、キャリア周波数を低減する(ステップ２８０)。

このときのキャリア周波数低減下限値ｆ_L は、この装置の具体的な構成や使用環境によって決まるものであるが、通常、１ＫＨｚ程度の値が設定される。他方、ステップ２８０におけるキャリア周波数の低減は、例えば１回当り０．５ＫＨｚ程度に設定してやればよい。なお、この場合、ステップ２８０によるキャリア周波数の低減処理回数の最大値は、ｆ₀＝８０００で、ｆ_L＝１０００なので、７０００(８０００−１０００)÷５００＝１４となる。

一方、ステップ２６０の判定結果がＮＯになった場合、つまり検出電流Ｉがキャリア周波数低減開始電流Ｉ₀ 未満の場合(Ｉ₀ ＞Ｉ)と、ステップ２７０の判定結果がＮＯになった場合、つまり現在のキャリア周波数ｆがキャリア周波数下限値ｆ_L を越えていた場合(ｆ_L ＜ｆ)は、ステップ２８０によるキャリア周波数低減処理は行わず、この場合はステップ２３０、ステップ２４０、ステップ２５０による許容最大連続直流通電時間を求める処理と、通電時間を監視する処理により保護が与えられることになる。

ここで、この図１の処理は、上記したように、ある決められた一定時間毎に実行され、従って、この実施形態によれば、起動時、永久磁石同期電動機１４０の回転子軸にロックが生じ、逆変換部１３０のスイッチング素子に直流電流が通流して当該スイッチング素子に熱破壊の虞が生じたときには、キャリア周波数の低減によるスイッチング損失の抑制が働くことになり、この結果、通流されている電流値を低下させることなくスイッチング素子の発熱を抑えることができる。

ここで、この図１の処理において、ステップ２６０以降のキャリア周波数低減処理の前にステップ２５０による許容最大連続直流通電時間と通電時間による出力遮断判定を行っている理由は、キャリア周波数低減させている状態でスイッチング素子の熱破壊限界レベルに到達した場合の保護を考慮したためであり、これにより更に確実な保護を得ることができる。

次に、図２は、本発明の第２の実施形態に係る制御方法に必要な処理を示したもので、これは、制御部１６０に電流抑制機能を持たせるようにした場合の本発明の一実施形態であり、ここで電流抑制機能とは、電動機の運転中に出力電流が、予め設定してある電流値(設定電流値)を超えた場合、逆変換部のＰＷＭによるデューティ(通流率)を制御して、出力電流が設定電流値を超えないようにする機能のことである。

ところで、このときの設定電流値としては、制御装置自体に固有の値が固定値として設定されるのが一般的であるが、ここで、この第２の実施形態では、この電流抑制機能における設定電流値を、固定値ではなく可変値にしたものである。

既に説明したように、本発明は、電動機がロックしたとき、キャリア周波数を下げ、スイッチング損失を低減させるようにしたものであるが、このときのキャリア周波数の引下げによるスイッチング損失の低減は、見方を変えれば、その分だけスイッチング素子に通流可能な電流値が相対的に多くできることを意味している。

そこで、この第２の実施形態では、このことを利用し、電動機の起動時、更に大きな起動トルクを発生されることができるようにしたもので、このため、図２に示すように、第１の実施形態による処理(図１)におけるキャリア周波数低減処理ステップ２８０の後にステップ３００を設けたものであり、その他の構成は、図１の実施形態の場合と同じである。

このとき、ステップ３００では、ステップ２８０でキャリア周波数を引下げたことにより低減されたスイッチング素子のステップ損失分に見合う電流値の増加量を演算し、この増加量を前記電流抑制機能の設定値に加算する処理を実行する。

既に説明したように、ステップ２８０の処理と、この後のステップ３００の処理が実行されるのは、回転子軸がロックした場合であり、従って、この図２の実施形態によれば、回転子軸がロックした場合には自動的にキャリア周波数が低減されると共に電流抑制機能の設定電流値が増加させられることになり、この結果、永久磁石同期電動機１４０の起動トルクが大きくなり、起動特性の向上が得られることになる。

ここで、以上の実施形態による作用効果を列挙すれば、以下の通りである。 ます、キャリア周波数の低減により、スイッチング素子に流れるＰＷＭ信号のスイッチング周波数を低減させ、スイッチング素子での電流損失による発熱を小さくすることができ、このように発熱が低減できるようになれば、スイッチング素子の熱破壊に関する問題も改善され得る。

次に、キャリア周波数の低減によりスイッチング素子の損失を低減しているので、スイッチング素子に通流する電流値を変えなくても運転時間を長くすることができ、その結果、ロックした場合でも、ロック状態から抜け出す可能性が増加する。

また、スイッチング素子のキャリア周波数を低減して、電流損失を低減させるということは、その分だけ、通流可能な電流値を増加させることが可能になることを意味する。よって、キャリア周波数を低減させつつ、スイッチング素子の許容範囲内で、それに通流される電流値を増加することができ、これにより電動機の起動時において、起動トルクを大きくすることも可能とすることができる。

このとき、電動機起動直後に制御部において、ある特定のスイッチング素子をスイッチングした場合、スイッチング素子に、連続で流すことのできる直流電流の最大値であるキャリア周波数低減開始電流値を求める。このときのキャリア周波数低減開始電流値は、制御部において、スイッチング素子のジャンクション温度、定常損失、スイッチング損失、及び前記制御装置の冷却能力よって求めることができる。

本発明による永久磁石同期電動機の制御方法の一実施形態による動作を説明するためのフローチャートである。 本発明による永久磁石同期電動機の制御方法の他の一実施形態による動作を説明するためのフローチャートである。 本発明による永久磁石同期電動機の制御方法の一実施形態が適用された永久磁石同期電動機制御装置の一例を示すブロック構成図てある。 本発明による永久磁石同期電動機の制御方法の一実施形態が適用された永久磁石同期電動機制御装置の他の一例を示すブロック構成図てある。

符号の説明

１００：三相交流電源
１１０：順変換部
１２０：平滑部
１３０：逆変換部
１４０：永久磁石動機電動機
１５０：磁極位置検出器
１６０：ＰＷＭ信号発生部
１７０：キャリア信号発生部
１８０：制御部
１９０：電流検出部(ＣＴ)
１９０ａ：電流検出部(シャント抵抗)

Claims (2)

1. 永久磁石形同期電動機の回転子磁極位置を検出し、ＰＷＭインバータを制御して電機子電流を切換える方式の永久磁石形同期電動機の制御方法において、
   前記永久磁石形同期電動機のロックを検出し、ロック時に前記ＰＷＭインバータのキャリア周波数を通常運転時用の周波数から低減させ、
   前記ロック時でのキャリア周波数の低減量が、前記ＰＷＭインバータのスイッチング素子の出力電流の大きさと通電時間の長さから算出されることを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御方法。
2. 請求項１に記載の永久磁石形同期電動機の制御方法において、
   前記キャリア周波数の低減が実行されたとき、当該キャリア周波数の低減量に応じて電流抑制機能の設定電流値が増加されることを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御方法。

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