JP5188734B2 - 直流ブラシレスモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流ブラシレスモータ制御装置に係り、特に、パルス幅変調周波数を制御することのできる直流ブラシレスモータ制御装置に関する。

直流ブラシレスモータ駆動装置のパルス幅変調周波数を運転中に可変制御する方法として、特許文献１記載の技術が知られている。この文献には、パルス幅変調により出力される信号のパルス幅が短かくなった場合、パルス幅変調周波数を低くすることにより、同じデューティ比でもパルス幅を広くして、これにより直流ブラシレスモータの位置検出を確実にして安定した運転制御を可能とすることが示されている。
特開２０００-３１６２９４号公報

前記従来技術によれば、直流ブラシレスモータ駆動装置のパルス幅変調周波数を運転中に安定して可変制御することができる。しかしながら、直流ブラシレスモータ駆動装置を高効率運転するための方策については述べられていない。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、パルス幅変調の周波数を最適な周波数に制御することで高効率な直流ブラシレスモータ駆動装置を提供することにある。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

交流入力電圧を直流電圧に変換するコンバータと、該コンバータの出力する直流電圧をパルス幅変調して交流電圧を出力するインバータを備え、該インバータの出力電圧により直流ブラシレスモータを回転駆動する直流ブラシレスモータ制御装置において、前記インバータはパルス幅変調周波数の増加に伴い損失が増加し、前記直流ブラシレスモータはパルス幅変調周波数の増加に伴い損失が減少する特性を有し、前記インバータのパルス幅変調周波数を前記直流電圧、交流入力電流、直流入力電流および回転数の変化に応じて可変制御する制御器を備え、入力電力が増加して、前記直流電圧が低下したとき前記パルス幅変調周波数を上昇させ、モータ回転数を低下させるとき前記パルス幅変調周波数を低下させ、入力電力が減少して、前記交流入力電流が減少したとき前記パルス幅変調周波数を低下させて、前記コンバータ、インバータ、および直流ブラシレスモータからなる装置全体の効率を改善する。

本発明は、以上の構成を備えるため、パルス幅変調の周波数を最適な周波数に制御して、高効率な直流ブラシレスモータ駆動装置を提供することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。以下の例では、直流ブラシレスモータとして永久磁石型同期電動機（以下、ＰＭモータと称する）を用いて説明するが、他の同期電動機（例えば、巻線型同期電動機、リラクタンスモータなど）にも、同様に適用できる。

図１は、第１の実施形態にかかる直流ブラシレスモータ駆動装置を説明する図である。図１において、１は回転数指令発生器であり、電動機に回転数指令Ｎ＊を与える。２は制御器であり、ＰＭモータに印加すべき交流印加電圧を演算し、パルス幅変調波信号（ＰＷＭ信号）に変換して出力する。３はインバータであり、前記ＰＷＭ信号により駆動される。４はインバータ３に電力を供給するコンバータ、５は制御対象であるＰＭモータ、６はＰＭモータの負荷（例えば、空調機等の熱ポンプを構成する圧縮機）である。７はコンバータからインバータに供給される電流Ｉｄを検出する電流検出器、８はコンバータの直流電圧Ｖ０を検出する直流電圧検出器である。

制御器２は、電流Ｉｄを検出して、ＰＭモータ５に印加すべき三相交流指令電圧Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊（＊は先行する符号が「指令値」であることを表す）を演算するモータ印加電圧演算器１０、コンバータ４の直流電圧ＶｄをもとにＰＷＭ周波数指令ｆ＊を決定するＰＷＭ周波数指令発生器１１、並びに前記三相交流指令電圧Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊およびＰＷＭ周波数ｆをもとに、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）ｕ＋、ｕ−、ｖ＋、ｖ−、ｗ＋、ｗ−を発生するＰＷＭ信号発生器１２を備える。

インバータ３に電力を供給するコンバータ４は、交流電源４１および交流を整流するダイオードブリッジ４２、および直流電源に含まれる脈動成分を抑制する平滑コンデンサ４３を備える。

次に、図１を参照しながら、本実施形態にかかる直流ブラシレスモータ駆動装置を説明する。まず、モータ印加電圧演算器１０は、回転数指令発生器１が発信した回転数指令Ｎ＊、電流検出器７が検出した電流Ｉｄ、および直流電圧検出器８が検出した電圧Ｖｄをもとにモータ印加電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を決定する。

ＰＷＭ周波数指令発生器１１は、直流電圧検出器８が検出した電圧ＶｄをもとにＰＷＭ周波数指令ｆ＊を決定する。ＰＷＭ信号発生器１２は前記モータ印加電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊およびＰＷＭ周波数指令ｆ＊をもとにパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）ｕ＋、ｕ−、ｖ＋、ｖ−、ｗ＋、ｗ−を生成する。

図２は、直流ブラシレスモータ駆動装置における各損失とインバータのＰＷＭ周波数との関係を説明する図である。直流ブラシレスモータ駆動装置の効率を上げるためには、該装置を構成するコンバータ、インバータ、およびモータの各損失を低減する必要がある。ブラシレスモータ駆動装置の全損失をＰｔ、コンバータの損失をＰｃ、インバータの損失をＰｉ、モータの損失をＰｍとすると、全損失Ｐｔは
Ｐｔ＝Ｐｃ＋Ｐｉ＋Ｐｍ ・・・（１）
で表すことができる。

図２に示すように、インバータ損失ＰｉはインバータＰＷＭ周波数が大きくなると増加し、モータ損失ＰｍはインバータＰＷＭ周波数が大きくなると減少する。

ここで、インバータ損失Ｐｉは、それを構成するスイッチング損失がインバータＰＷＭ周波数に比例して増加するため、インバータ損失とインバータＰＷＭ周波数は右上がりの１次関数に類似する関係となる。

モータ損失Ｐｍは、インバータＰＷＭ周波数の増加に伴い、モータ電流の波形が正弦波に近づきモータ力率が上昇し、またリップル電流のインバータ周波数成分が低下してモータ電流の実効値が低下するため、モータ損失は少なくなる。

このように、インバータＰＷＭ周波数の増加に伴い、インバータ損失は増加し、モータ損失は低下する。このため、インバータＰＷＭ周波数を可変とし、全損失が少なくなるインバータＰＷＭ周波数を選択することのより、直流ブラシレスモータを高効率に運転することができる。

図３は、モータ出力と装置（コンバータ入力からモータ出力まで）効率の関係を示す図である。この図では、横軸にモータ出力を、また縦軸に装置効率をとり、コンバータ出力電圧Ｖｄを２５０，２６０，２７０Ｖと変化させた場合の効率のデータである。

図３に示すように、入力電力（≒モータ出力）が約７００Ｗまではコンバータ出力電圧Ｖｄは低いほうが効率がよい。これは同じ負荷に対して出力電圧Ｖｄが低下した場合、インバータ損失およびモータ損失が低下するためである。すなわち、出力電圧Ｖｄが低下したことによりスイッチング損失が低下し、更にモータ力率が増加するためである。

しかし、入力電力が低いときは出力電圧Ｖｄは低下しない。特に入力電圧が２００Ｖのときは顕著である。入力電圧が１００Ｖで倍電圧整流している場合も同様である。入力電力が低いときは、出力電圧Ｖｄが高くなるため、インバータＰＷＭ周波数を下げることで、インバータ損失を下げるのがよい。入力電力が増加して、出力電圧Ｖｄが低下した場合には、インバータＰＷＭ周波数を上げるとよい。この場合には、インバータ損失はやや増加するもののモータ損失は低下するので効率を高くすることができる。

次にインバータＰＷＭ周波数可変による効果を説明する。出力電圧Ｖｄ＝２７０〜２６０Ｖの間はインバータ周波数を３．６３ｋＨｚ、Ｖｄ＝２５０Ｖ以下となった場合に４ｋＨｚとした場合、インバータＰＷＭ周波数を３．６３ｋＨｚ一定にした場合よりも総合効率として０．２％の効果がある。ここでは直流電圧に応じて２段階にインバータＰＷＭ周波数を設定する例を説明したが、直流電圧に応じてさらにインバータＰＷＭ周波数を細かく設定してもよい。また、直流電圧とインバータＰＷＭ周波数の関係を線形で設定しもよいし、２次関数またはそれ以上の多次関数で設定してもよい。

図４は、第２の実施形態を説明する図である。図において、１３はモータ回転数演算器であり、電流検出器７が検出した電流Ｉ０をもとにモータ回転数Ｎを演算する。なお、図４において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。

第１の実施形態１との相違点はＰＷＭ周波数ｆの決定法であり、電流検出器７から検出された電流Ｉｄをもとにモータ回転数演算器１３でモータ回転数Ｎを演算する。また、ＰＷＭ周波数指令発生器１１は前記演算された回転数ＮをもとにＰＷＭ周波数指令ｆ＊を決定する。

次に、前記周波数指令ｆ＊の決定法について説明する。モータを駆動する場合、モータには回転数に応じて次式で表される誘起電圧が発生する。

Ｖｒ＝Ｋｅ×Ｎ ・・・（式２）
ここで、Ｖｒは誘起電圧、Ｋｅは誘起電圧定数、Ｎは回転数である。

モータ損失を低減させる要因のモータ力率の上昇はこの誘起電圧と直流電圧の差によるところが大きい。よって、インバータＰＷＭ周波数をモータの回転数Ｎにより決定することによって効率を改善することができる。例えば２０００回転以下は３．６３ｋＨｚ、２０００回転を超える場合は４ｋＨｚにする。この場合も実施形態１と同様な効果が期待できる。

ここでは直流電圧に応じて２段階にインバータＰＷＭ周波数を設定する例を説明したが、モータ回転数に応じてさらに細かくインバータＰＷＭ周波数を設定してもよい。このとき、モータ回転数とインバータＰＷＭ周波数の関係は線形に設定しもよいし、２次関数またはそれ以上の多次関数で設定してもよい。

また、ここでは回転数Ｎをモータ電流Ｉｄから演算する例で説明したが、回転数指令Ｎ＊を用いてもよいし、エンコーダあるいはホールセンサ等を用いて測定したモータ回転数を使用してもよい。

図５は、第３の実施形態を説明する図である。図において、４４は交流入力電流を検出する交流電流検出器である。なお、図５において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。

第１の実施形態との相違点はＰＷＭ周波数指令ｆ＊の決定法である。この例では、ＰＷＭ周波数指令発生器１１は交流電流検出器４４により検出された交流入力電流ＩｓをもとにＰＷＭ周波数指令ｆ＊を決定する。

次に周波数指令ｆ＊の決定法について説明する。モータの負荷トルクをＴとするとモータの出力（Ｎ×Ｔ）と交流入力電流Ｉｓは次式の関係式で表される。

Ｎ×Ｔ＝Ｖｓ×Ｉｓ×ｃｏｓθ×ηｃ×ηｉ×ηｍ ・・・（式３）
ここでＶｓは交流入力電圧、ｃｏｓθは力率、ηｃはコンバータ効率、ηｉはインバータ効率、ηｍはモータ効率である。交流入力電圧Ｖｓは１００Ｖか２００Ｖでほぼ一定のため、交流入力電流によりモータ負荷の大きさがわかる。よって交流入力電流Ｉｓに基づいてインバータＰＷＭ周波数を決定しても第１の実施形態と同様の効果が得られる。例えば交流入力電流８Ａ以下は３．６３ｋＨｚ、８Ａを超える場合は４ｋＨｚにする。ここでは交流入力電流に応じて２段階にインバータＰＷＭ周波数を設定する例を説明したが、交流入力電流に応じてさらにインバータＰＷＭ周波数を細かく設定してもよいし、交流入力電流とインバータＰＷＭ周波数の関係を線形で設定しもよいし、２次関数またはそれ以上の多次関数で設定してもよい。

図６は、第４の実施形態を説明する図である。図において、１４は電流検出器７が検出した電流Ｉ０をもとに直流電流ＩＤを演算する直流電流演算器である。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。

第１の実施形態との相違点はＰＷＭ周波数指令ｆ＊の決定法である。この例では、直流電流演算器１４は、電流検出器７が検出した電流Ｉｄをもとに直流電流（平均値）ＩＤを演算し、ＰＷＭ周波数指令発生器１１は前記直流電流ＩＤをもとにＰＷＭ周波数指令ｆ＊を決定する。

次に周波数指令ｆ＊の決定法について説明する。モータの負荷トルクをＴとするとモータの出力（Ｎ×Ｔ）と直流電流ＩＤは次式の関係式で表される。

Ｎ×Ｔ＝Ｖｄ×ＩＤ×ηｉ×ηｍ ・・・（式４）
なお、直流電流Ｉｄによりモータ負荷の大きさがわかるため直流電流ＩｄをもとにインバータＰＷＭ周波数を決定しても第１の実施形態と同様の効果を得られる。例えば直流電流５Ａ以下は３．６３ｋＨｚ、５Ａを超える場合は４ｋＨｚとする。ここでは直流電流に応じて２段階にインバータＰＷＭ周波数を設定する例を説明したが、直流電流に応じてさらにインバータＰＷＭ周波数指令を細かく設定してもよいし、直流電流とインバータＰＷＭ周波数の関係を線形で設定しもよいし、２次関数またはそれ以上の多次関数で設定してもよい。

図７は、以上の各実施形態におけるＰＷＭ周波数の決定方法をまとめて示す図であり、図７（ａ）は、直流電圧Ｖｄ、回転数Ｎ、交流電流Ｉｓおよび直流電流Ｉｄの各状態量と、この状態量に対応して決定されるＰＷＭ周波数の対応関係を示し、図７（ｂ）は運転時間（運転開始後の経過時間）とＰＷＭ周波数の関係を示す図である。

図７（ａ）における各実施形態の下段は運転開始後の高負荷状態を示し、上段は運転開始直後、および運転が安定した後の軽負荷状態を示している。

図７（ｂ）に示すように、例えば、空調機等の熱ポンプを構成する圧縮機の運転開始から予め設定した第１の所定期間（例えば３分）は第１のＰＷＭ周波数（例えば３．６３ｋＨｚ）で駆動し、前記所定期間の経過後は前記第１のＰＷＭ周波数よりも高い第２のＰＷＭ周波数（例えば４ｋＨｚ）で駆動し、前記空調機を設置した室の温度変化が予め設定した範囲内に収まったとき（例えば運転開始から６０分が経過して負荷が軽くなった後）、前記第２のＰＷＭ周波数よりも低い第３の周波数（例えば３．６３ｋＨｚ）で駆動する。

以上の説明において、種々の数値を使用して説明したが、これらの数値は一例であり、他の数値であっても差し支えない。

また、インバータの制御法として、直流電源４の電流Ｉｄを検出してモータ電流を再現する方法を用いたが、各相電流を直接ホールＣＴあるいはシャント抵抗を用いて検出することもできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、パルス幅変調周波数を最適な周波数に制御する。このためインバータ損失およびモータ損失を低減し、高効率な運転を実現することができる。

第１の実施形態にかかる直流ブラシレスモータ駆動装置を説明する図である。 直流ブラシレスモータ駆動装置における各損失とインバータのＰＷＭ周波数との関係を説明する図である。 モータ出力電力と装置効率の関係を示す図である。 第２の実施形態を説明する図である。 第３の実施形態を説明する図である。 第４の実施形態を説明する図である。 ＰＷＭ周波数の決定方法をまとめて示す図である。

符号の説明

１ 回転数指令発生器
２ 制御器
３ インバータ
４ 直流電源
５ ＰＭモータ
６ 圧縮機
７ 電流検出器
１０ モータ印加電圧演算器
１１ ＰＷＭ周波数指令発生器
１２ ＰＷＭ信号発生器
１３ モータ回転数演算器。

１４ 直流電流演算器

Claims (2)

1. 交流入力電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
   該コンバータの出力する直流電圧をパルス幅変調して交流電圧を出力するインバータを備え、
   該インバータの出力電圧により直流ブラシレスモータを回転駆動する直流ブラシレスモータ制御装置において、
   前記インバータはパルス幅変調周波数の増加に伴い損失が増加し、前記直流ブラシレスモータはパルス幅変調周波数の増加に伴い損失が減少する特性を有し、
   前記インバータのパルス幅変調周波数を前記直流電圧、交流入力電流、直流入力電流および回転数の変化に応じて可変制御する制御器を備え、
   入力電力が増加して、前記直流電圧が低下したとき前記パルス幅変調周波数を上昇させ、
   モータ回転数を低下させるとき前記パルス幅変調周波数を低下させ、
   入力電力が減少して、前記交流入力電流が減少したとき前記パルス幅変調周波数を低下させて、
   前記コンバータ、インバータ、および直流ブラシレスモータからなる装置全体の効率を改善することを特徴とする直流ブラシレスモータ制御装置。
2. 交流入力電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
   該コンバータの出力する直流電圧をパルス幅変調して交流電圧を出力するインバータを備え、
   該インバータの出力電圧により直流ブラシレスモータを回転駆動する直流ブラシレスモータ制御装置において、
   前記インバータはパルス幅変調周波数の増加に伴い損失が増加し、前記直流ブラシレスモータはパルス幅変調周波数の増加に伴い損失が減少する特性を有し、
   前記インバータのパルス幅変調周波数を前記直流電圧、交流入力電流、直流入力電流および回転数の変化に応じて可変制御する制御器を備え、
   入力電力が増加して、前記直流電圧が低下したとき前記パルス幅変調周波数を上昇させ、モータ回転数を低下させるとき前記パルス幅変調周波数を低下させ、
   入力電力が減少して、前記直流入力電流が低下したとき前記パルス幅変調周波数を低下させて、
   前記コンバータ、インバータ、および直流ブラシレスモータからなる装置全体の効率を改善することを特徴とする直流ブラシレスモータ制御装置。

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