JP5078925B2 - 電動機の駆動装置並びに機器 - Google Patents
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Description
この問題を解決するため、例えば、比較器を用いてインバーター出力電流を各相毎に基準値と比較して出力電流の零クロス点近傍での比較結果(誤差)の大きさに応じた時間幅のパルス電圧を発生させ、補償量演算部によりPWM周波数とデッドタイムと直流電源の電圧に基づいてデッドタイム補量(補償量振幅)を演算させ、比較器出力と補償量演算部の出力を乗算器により乗じ、乗算器の出力を積分器により積分して台形状の波形の補償量信号を生成し、この補償量信号をPWM電圧指令演算器からの指令値に加算し、PWMパルス演算器でこの加算結果にPWM演算後デッドタイムを付加してインバーター主回路に駆動信号を出力するデッドタイム補償方法が開示されている。この構成により、上記インバーター出力電流が零クロス点を通過するのに伴って行われる補償電圧の極性変更を、上記出力電流の零クロス点以前の変更開始時点より、所定の勾配で行うことが可能となり、上記零クロス点での出力電流のリプル増大の問題を解消することができる(例えば特許文献1参照)。
また、デッドタイム補償電圧を、モーターの回転数から定まるインバーターの電気周波数における奇数次周波数の交流成分とすることを特徴とする技術が開示されている。この技術を用いることにより、小容量のリアクトル及び小容量のコンデンサーで構成されたインバーターにおいて、デッドタイムによるインバーター出力電圧誤差による電圧及び電流歪みを解消できるだけでなく、IECやJISなどに定められている高調波規格等に適合させることができる(例えば特許文献2参照)。
単相交流電源を入力とする単相ダイオード全波整流回路と、これに接続される従来のダイオード全波整流回路用の平滑コンデンサーの1/100程度の小容量平滑コンデンサーと、制御用PWMインバーターとモーターとで構成された制御回路とによって、あらかじめモーターのトルクを電源の2倍の周波数で制御することにより、ダイオード全波整流回路の入力力率と波形の改善を実現するモーター駆動用インバーターの制御装置技術が開示されている(例えば特許文献3参照)。
また、低騒音駆動が要求される場合にはPWM周波数付近の騒音レベルが高く、特にPWM周波数を可聴領域に設定せざるを得ない場合については使用上の制約が大きかった。 また出力電流の大きさにより零クロス近辺の補償電圧の勾配が変化するので、特定次数調波の比率が変わり、騒音が問題となるモーター駆動に関しては運転領域が限定されていた。
また、比較器を利用するため、外来ノイズに対しての耐力が弱く、補償電圧の算出に積分器を含むため、オーバーフロー等の問題があり、簡易なシステムでの実現が難しいという問題があった。
また、特許文献2に開示されている技術では、小容量のリアクトルや小容量のコンデンサーで構築されているインバーターでは母線電圧が脈動するため、母線電圧がゼロ付近でデッドタイム補償を行った場合、回生電圧により母線電圧が昇圧し、インバーターの耐圧破壊を招く恐れがあり、またデッドタイムによる電圧誤差の影響は電流の極性により決まるため、電流の位相が正確に把握できないと、不要な補償が行われることによる電圧・電流波形の歪みが発生し、騒音の発生や制御が不安定になるなどの課題があった。
また、特許文献3に開示されている技術では、低速や高キャリア周波数でインバーターを動作させると、インバーターのスイッチング素子の短絡を防止するためのデッドタイムの影響により、電圧指令値と実際にインバーターにて出力される電圧に誤差が生じるため電流が歪むことによるトルクリップルが発生し、電動機から騒音や振動が発生するなどの課題があった。
交流電源をリアクトルを介して全波整流する整流手段と、
前記整流手段の出力を平滑して前記交流電源の略二倍の周波数で脈動する母線電圧を出力するコンデンサーと、
前記コンデンサーから出力された母線電圧を電源として、電動機に電圧を印加するスイッチング手段を有するインバーターと、
このインバーターを制御するインバーター制御手段と、
前記交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、
前記母線電源の電圧を検出する母線電圧検出手段と、
前記電動機に流れる二相以上の電流を検出する電流検出手段と、
前記電動機の回転位相を検出する回転位相検出手段と、を備え、
前記インバーター制御手段は、周波数指令と前記ゼロクロス検出手段の出力と前記母線電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力と前記回転位相検出手段の出力に基づいて電圧指令を算出する電圧指令演算手段と、
前記母線電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力に基づいて前記スイッチング手段のアーム短絡防止用のデッドタイムに起因する、前記電圧指令演算手段からの電圧指令と前記インバーターからの出力電圧との間の誤差電圧を補償するための補償量を生成するデッドタイム補償手段と、
このデッドタイム補償手段の出力に基づいて前記電圧指令演算手段の出力を補正する電圧指令補正手段と、
この電圧指令補正手段によって得られたPWM信号を発生するPWM信号発生手段と、を備え
前記デッドタイム補償手段は、
前記電流検出手段の出力に基づいて前記電動機の回転位相と相電流の位相との位相差を算出する位相差検出手段と、
前記スイッチング手段のキャリア周波数と前記母線電圧検出手段の出力と予め定めたデッドタイムとに基づいてデッドタイム補償電圧を作成し、このデッドタイム補償電圧の特定次数成分のうち、基本波周波数成分を算出し、前記位相差検出手段の出力と前記算出した基本波周波数成分とに基づいて前記補償量を生成する補償量特定次数成分演算手段と
を備えるものである。
図1は、本発明の実施の形態1にかかる電動機の駆動装置を示す図である。図1に示すように電動機システムは、交流電源1、本発明に係る電動機の駆動装置2、電動機3から構成されている。電動機の駆動装置2は交流電源1からの電源を供給することで電動機3を駆動する。
また、電動機の駆動装置2は、一般的に使用されているリアクトルよりも十分に小容量のリアクトル(以後単にリアクトルと称す)4、整流手段5、一般的に使用されているコンデンサーよりも十分に小容量のコンデンサー(以後単にコンデンサーと称す)6、インバーター7、インバーター制御手段8、ゼロクロス検出手段9、母線電圧検出手段10、電流検出手段11、および磁極位置検出手段12を有する。
Iu+Iv+Iw=0 から、
説明を簡単にするため、母線電圧Vdcが一定の場合の電圧指令補正値ΔVu、ΔVv、ΔVwを図2に示す。(なお、後述するが、本発明では、母線電圧Vdcは一定ではなく脈動するので、本発明で取り扱う電圧指令補正値ΔVu、ΔVv、ΔVwは図2とは異なるものとなる。)
実施の形態1では、電流の極性に応じてデッドタイム補償する方式について説明した。
本発明の実施の形態2では、各相の電流のゼロクロスを正確に検出して、精度の良いデッドタイム補償を行う方法について説明する。
図5は、本発明の実施の形態2に係る電動機の駆動装置の構成を示す図である。
実施の形態2は、デッドタイム補償手段14に回転位相θを入力している以外は何ら変わりないため、実施の形態1と同一部分には同じ符号を付して説明を省略する。
なお、3の倍数の周波数を除く理由は以下の通りである。UVW相の電圧はそれぞれ互いに位相が2π/3ずつ異なっており、UVW相の電圧の3の倍数の高調波については、その位相のずれも3の倍数になるため、2πの倍数ずつ異なることになり、結果としてUWW相電圧の位相が同一になる。位相が同一で振幅も同一であるため、UVW相の3の倍数の高調波はすべて同一信号となり、線間電圧はゼロとなる。従って、この3の倍数の周波数成分はデッドタイム補償に寄与しない無意味なものとなるため、除くのである。
これにより、電圧指令補正値ΔVu、ΔVv、ΔVwによって補正された補正済み電圧指令値Vu**、Vv**、Vw**を脈動する母線電圧Vdcとほぼ同じものとすることができる。
以上の実施の形態1及び2で説明した電動機の駆動装置の活用例として、冷蔵庫や空気調和機などの冷凍空調装置、ヒートポンプ給湯器、電気掃除機、手乾燥機などが挙げられる。
60000rpm÷(極数÷2) 以上である。例えば、インバーターにて2極の電動機の場合60000rpm、4極の電動機の場合は30000rpmを超えるような回転数で電動機を駆動することで、同一風量や静圧を得るための羽根やモーターの大きさを小さくすることができ、小型軽量な電気掃除機を得ることができる。ただし、電動機の安定した駆動のためには、電気角1周期中に少なくとも10回は制御が行われる回転数を上限とすることが望ましい。
なお、電動機として永久磁石形のブラシレスDCモーターを適用することが可能である。
Claims (16)
- 交流電源をリアクトルを介して全波整流する整流手段と、
前記整流手段の出力を平滑して前記交流電源の略二倍の周波数で脈動する母線電圧を出力するコンデンサーと、
前記コンデンサーから出力された母線電圧を電源として、電動機に電圧を印加するスイッチング手段を有するインバーターと、
このインバーターを制御するインバーター制御手段と、
前記交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、
前記母線電源の電圧を検出する母線電圧検出手段と、
前記電動機に流れる二相以上の電流を検出する電流検出手段と、
前記電動機の回転位相を検出する回転位相検出手段と、を備え、
前記インバーター制御手段は、周波数指令と前記ゼロクロス検出手段の出力と前記母線電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力と前記回転位相検出手段の出力に基づいて電圧指令を算出する電圧指令演算手段と、
前記母線電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力に基づいて前記スイッチング手段のアーム短絡防止用のデッドタイムに起因する、前記電圧指令演算手段からの電圧指令と前記インバーターからの出力電圧との間の誤差電圧を補償するための補償量を生成するデッドタイム補償手段と、
このデッドタイム補償手段の出力に基づいて前記電圧指令演算手段の出力を補正する電圧指令補正手段と、
この電圧指令補正手段によって得られたPWM信号を発生するPWM信号発生手段と、を備え
前記デッドタイム補償手段は、
前記電流検出手段の出力に基づいて前記電動機の回転位相と相電流の位相との位相差を算出する位相差検出手段と、
前記スイッチング手段のキャリア周波数と前記母線電圧検出手段の出力と予め定めたデッドタイムとに基づいてデッドタイム補償電圧を作成し、このデッドタイム補償電圧の特定次数成分のうち、基本波周波数成分を算出し、前記位相差検出手段の出力と前記算出した基本波周波数成分とに基づいて前記補償量を生成する補償量特定次数成分演算手段と
を備えることを特徴とする電動機の駆動装置。 - 交流電源をリアクトルを介して全波整流する整流手段と、
前記整流手段の出力を平滑して前記交流電源の略二倍の周波数で脈動する母線電圧を出力するコンデンサーと、
前記コンデンサーから出力された母線電圧を電源として、電動機に電圧を印加するスイッチング手段を有するインバーターと、
このインバーターを制御するインバーター制御手段と、
前記交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、
前記母線電源の電圧を検出する母線電圧検出手段と、
前記電動機に流れる二相以上の電流を検出する電流検出手段と、を備え、
前記インバーター制御手段は、周波数指令と前記ゼロクロス検出手段の出力と前記母線電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力に基づいて電圧指令を算出する電圧指令演算手段と、
前記母線電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力に基づいて前記スイッチング手段のアーム短絡防止用のデッドタイムに起因する、前記電圧指令演算手段からの電圧指令と前記インバーターからの出力電圧との間の誤差電圧を補償するための補償量を生成するデッドタイム補償手段と、
このデッドタイム補償手段の出力に基づいて前記電圧指令演算手段の出力を補正する電圧指令補正手段と、
この電圧指令補正手段によって得られたPWM信号を発生するPWM信号発生手段と、を備え
前記デッドタイム補償手段は、
前記電流検出手段の出力に基づいて前記電動機の回転位相と相電流の位相との位相差を算出する位相差検出手段と、
前記スイッチング手段のキャリア周波数と前記母線電圧検出手段の出力と予め定めたデッドタイムとに基づいてデッドタイム補償電圧を作成し、このデッドタイム補償電圧の特定次数成分のうち、基本波周波数成分を算出し、前記位相差検出手段の出力と前記算出した基本波周波数成分とに基づいて前記補償量を生成する補償量特定次数成分演算手段と
を備えることを特徴とする電動機の駆動装置。 - 前記デッドタイム補償手段は、前記補償量特定次数成分算出手段が算出した特定次数成分の少なくとも1つ以上を用いてデッドタイム補償を行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電動機の駆動装置。
- 前記デッドタイム補償手段は、前記補償量特定次数成分算出手段が算出したデッドタイム補償電圧の特定次数の高調波成分のうち、3の倍数の成分以外の少なくとも1つの周波数成分を求めてデッドタイム補償を行うことを特徴とする請求項3に記載の電動機の駆動装置。
- 前記電流検出手段が検出した相電流を固定子座標系(αβ座標系)上の二軸成分に変換した後、回転座標に変換する座標変換手段を備え、
前記位相差検出手段は、前記座標変換手段の出力に基づいて前記電動機の回転位相と相電流の位相との位相差を算出することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の電動機の駆動装置。 - 前記電流検出手段が検出した相電流を前記回転位相検出手段の出力に基づいて、回転子の電気角周波数と同一周波数で回転する座標系(dqないしγδ座標系)上における相電流の二軸成分に変換した後、回転座標に変換する座標変換手段を備え、
前記位相差検出手段は、前記座標変換手段の出力に基づいて前記電動機の回転と相電流の位相との位相差を算出することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の電動機の駆動装置。 - 前記デッドタイム補償手段は、前記母線電圧検出手段の出力と、前記ゼロクロス検出手段の出力とに基づいて前記補償量を前記交流電源の略二倍の周波数で脈動させることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
- 前記デッドタイム補償手段は、前記電動機が所定値より低速回転もしくは前記電流検出手段の出力が所定値より小さい場合には、前記補償電圧を一定の割合で減じてデッドタイム補償を行うことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
- 前記回転数は最大定格の20%以下であることを特徴とする請求項8に記載の電動機の駆動装置。
- 前記電流は最大定格の20%以下であることを特徴とする請求項8に記載の電動機の駆動装置。
- 前記デッドタイム補償手段は、前記ゼロクロス検出手段の検出もしくは前記母線電圧検出手段の出力に基づき、前記交流電源のゼロクロス近辺では補償量をゼロとすることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
- 前記回転位相検出手段は、前記電流検出手段の出力に基づいて、前記電動機の回転位相を検出することを特徴とする請求項1から請求項11のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
- 前記電動機は、永久磁石形のブラシレスDCモーターであることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
- 前記電動機の最大回転数は、(60000÷(極数÷2))rpm以上であることを特徴とする請求項1から請求項13のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
- 前記インバーター制御手段はマイコンまたはDSPもしくは電子回路にて構成されることを特徴とする請求項1から請求項14のいずれかに記載の電動機の駆動装置。
- 請求項1から請求項15のいずれかに記載の電動機の駆動装置を備えた機器。
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