JP5923437B2 - 同期電動機駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機駆動システムに係り、特に低速域において高性能な制御特性を実現することのできる同期電動機駆動制御システムに関する。

家電、産業機器、自動車などに用いられるモータ駆動システムには、小形、高効率の永久磁石モータ（同期電動機）が幅広く用いられている。しかし、永久磁石モータ（以下、ＰＭモータと略）を駆動するには、ＰＭモータの回転子位置の情報が必要であり、そのための位置センサが必須となる。近年では、この位置センサを取り除いて、ＰＭモータの回転数やトルクの制御を行う「センサレス制御」が広く普及している。

センサレス制御の実用化によって、位置センサにかかる費用（センサそのもののコスト、センサの配線にかかるコストなど）が削減できる。また、センサが不要となる分、システムの小形化、および劣悪な環境での使用が可能となる。

現在、ＰＭモータのセンサレス制御は、回転子が回転することによって発生する誘起電圧（速度起電圧）を直接検出し、回転子の位置情報としてＰＭモータの駆動を行う方式、あるいは対象となるモータの数式モデルから、回転子位置を推定演算する位置推定技術などが採用されている。

これらのセンサレス制御方式の大きな課題は、停止状態（零速）を含めた低速運転時の位置検出精度である。現在、実用化されている大半のセンサレス制御は、ＰＭモータの発生する速度起電圧に基づくものであるため、誘起電圧が小さい停止または低速域では感度が低下して、位置情報がノイズに埋もれてしまう。

この問題を解決する従来方式として、特許文献１がある。特許文献１は、ＰＭモータを１２０度通電制御することを前提にした、停止または低速域における位置センサレス制御方式であり、開放相に生じる起電圧の変化に基づいて通電相を切り替えるものである。この起電圧の変化は、ＰＭモータ内部の磁気回路の変化に伴う起電圧の変化であり、従来の回転速度に起因した速度起電圧を利用する方式とは異なる原理によるものである。よって、停止または低速域においてもセンサレス制御が実現できる。

また、通電相を切り替える際に位相を補正する構成の従来例としては、特許文献２がある。特許文献２では、従来の回転速度に起因した速度起電圧を利用する１２０度通電駆動方式のインバータを採用し、開放相に生じる速度起電圧に基づいて通電相を切り替える際に、位相の遅れを抑制するため、通電切り替えによって発生する還流電流の時間を計算して、この還流電流時間が所定回転数（高速域）に対応する値になるように設定して制御の安定化を図っている。

特開２００９−１８９１７６号公報 特開２００５−２０４３８３号公報

しかしながら、例えば特許文献１の発明では、ＰＭモータの停止または低速域において良好な制御性能を得ることができる。しかし、負荷トルクの大きい用途、あるいはインダクタンスの大きいモータを使用した場合には、トルク電流による磁束（ｑ軸磁束）の影響が大きくなるため、開放相起電圧の閾値に誤差が発生して、電圧位相が進んで力率が低下する。その結果、ＰＭモータを高トルク、高性能に制御できない。

また、特許文献２の発明では、通電相を切り替える際に還流電流の通電時間を考慮することで、運転速度に応じた位相の遅れを抑制することは可能であるが、３０度の範囲でしか制御することができない。また、誘起電圧の小さい低速域では感度が低下して、位置情報がノイズに埋もれるため、トルク特性が劣化する。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、低速域において高性能な制御特性を実現できるＰＭモータの駆動システムを提供するものである。

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。

複数のスイッチング素子を順次切り替えて交流電圧を発生して同期電動機に供給する電力変換器と、前記同期電動機の負荷トルクを検出または推定するトルク検出部と、前記電力変換器の通電する二相のパルス出力を前記同期電動機の三相巻線の内の二相に供給する際、供給されない相の解放電圧を検出する検出器と、前記検出器で検出した前記解放電圧に応じて前記通電する二相のパルス出力を所定の通電モードにしたがって順次切り替える制御器と、を備えた同期電動機駆動システムにおいて、前記制御器は、前記トルク検出部で検出または推定した前記負荷トルクに応じて前記二相のパルス出力を切り替えるタイミングを遅延させると共に、前記電力変換器の通電モードの切り替え後の通電相の重なり期間を前記同期電動機の速度または電気的時定数に基づいて設定し、当該重なり期間内は通電する当該二相のパルス出力の切り替えを禁止することを特徴とする。

本発明は、以上の構成を備えるため、低速域において高性能な制御特性を実現できるＰＭモータの駆動システムを提供することができる。

第１の実施形態にかかる同期電動機の駆動システムを説明する図である。 通電モードを説明する図である。 回転子位置を変化させた場合、非通電相に現れる起電圧を示す図である。 回転子位相角θ_ｄに応じた、通電する２相の切り替えを説明する図である。 通電モードと非通電相および非通電相の起電圧の関係を示す図である。 同期電動機の非通電相起電圧と比較する基準電圧（閾値）を発生する基準レベル切替器９を説明する図である。 従来技術に係る同期電動機のベクトル図である。 同期電動機の駆動システムの位相補償を説明する図である。 同期電動機に流れる電流波形の測定結果を示す図である。 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

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。

図１は、実施形態１にかかる同期電動機の駆動システムを説明する図である。

図１に示すように、本実施形態の同期電動機の駆動システムは、制御対象となるＰＭモータ４と、ＰＭモータ４に印加する印加電圧指令Ｖ^＊を発生するＶ^＊発生器１と、ＰＭモータ４と接続され、複数のスイッチング素子により構成される電力変換器（インバータ）３と、このインバータ３に対し、電圧指令を出力してＰＭモータ４を制御する制御器２を備える。 制御器２は、ＰＭモータ４の三相巻線のうち、二相を選択して正または負パルス電圧を印加する。また、正または負パルス印加時の開放相起電圧に基づいて位相（回転子の磁極位置）、および速度を推定する手段（モード切替トリガ発生器８）とを備える。

また、インバータ３は、インバータに電力を供給する直流電源３１、６個のスイッチング素子Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを有するインバータ主回路部３２、およびインバータ主回路３を直接駆動する出力プリ・ドライバ３３を備える。

Ｖ^＊発生器１は、ＰＭモータ４への印加電圧指令Ｖ^＊を発生する。制御器２はパルス幅変調（ＰＷＭ）により、指令Ｖ^＊に相当する電圧を、ＰＭモータ４に印加する。

すなわち、制御器２では、Ｖ^＊発生器１の出力に基づき、ＰＷＭ発生器５において、パルス幅変調された１２０度通電波を作成する。通電モード決定器６では、インバータ主回路部が行う６通りのスイッチングモードのうちの１つ表すモード指令を順次出力する。

ゲート信号切替器７は、インバータ主回路部の各々のスイッチング素子がどのような動作でスイッチングするかを、モード指令に基づいて決定し、最終的には６つのゲートパルス信号を、順次インバータ３に出力する。

また、通電モード決定器６は、モード切替トリガー発生器８が発生する信号によって、通電モードを切り替えていく。

モード切替トリガー発生器８は、ＰＭモータ４の非通電相における起電圧の比較基準となる閾値を発生する基準レベル切替器９と、ＰＭモータ４の三相端子電圧の中から、非通電相をモード指令に基づいて選択する非通電相電位選択器１０と、非通電相電位選択器１０の出力を前記閾値と比較し、モード切替トリガーを発生する比較器１１を有する。

このように、１２０度通電方式のインバータ３では、ＰＭモータの三相の巻線の中から２つの相を選択して電圧を印加し、トルクを発生させる。この際、２つの相の組み合わせは６通り存在し、それぞれを通電モード１〜６と定義される。

図２は、通電モードを説明する図であり、図２（ａ）は、Ｖ相からＷ相へ通電しているモード３、図２（ｂ）は反対にＷ相からＶ相へ通電している状態を示している。

図３は、回転子位置の角度を電気角の一周期分変化させた場合、非通電相に現れる起電圧を示す図である。これらの図を参照すると、回転子位置によって、Ｕ相の起電圧が変化しているのがわかる。

ここで、前記起電圧は、速度起電圧ではなく、Ｖ相とＷ相の電機子巻線に鎖交する磁束の変化率の差異が、Ｕ相にて観測されたものである。よって、停止または低速域であっても、回転子位置に応じた起電圧が観測できる。なお、図２（ａ）、（ｂ）に示す電圧パルスは、１２０度通電方式のインバータにおいては通常の動作中に印加される。 図４は、Ｕ〜Ｗ相の起電圧Ｅ_ｏｕ〜Ｅ_ｏｗ、インバータ２のゲート信号Ｇ_ｕｐ〜Ｇ_ｗｎ、ＰＭモータの回転子位相角θ_ｄ、および通電モードを示している。図に示すように回転子位相角θ_ｄに応じて、６０度毎に通電する２相が切り替えられている。

なお、図４における、モード３、およびモード６はそれぞれ図２（ａ）、（ｂ）の状態と等価である。このときのＵ相の起電圧は、図３と併せて記入すると、Ｅ_ｏｕ上の太い矢印のようになる。すなわち、モード３では、マイナス方向に減少し、モード６ではプラス方向に増加するような起電圧が観測される。

図５は、通電モードと非通電相、および非通電相の起電圧の関係を示す図である。通電モードが切り替わる毎に、起電圧が正、負に切り替わり、それぞれで上昇、減少を繰り返しているのがわかる。そこで、正側、負側にそれぞれ基準電圧（Ｖ_ｈｐ、Ｖ_ｈｎ）を設定しておき、前記基準電圧と、前記起電圧の大小関係から、モード切替のトリガー信号を発生させることができる。

図６は、同期電動機の非通電相起電圧と比較する基準電圧（閾値）を発生する基準レベル切替器９の構造を示す図である。

基準レベル切替器９は、正側基準電圧設定器１１１、負側基準電圧設定器１１２、切り替えスイッチ１１３を備える。モード指令が１、３、５の場合、切り替えスイッチを１側にして、閾値をＶ_ｈｐに設定し、モード指令が２、４、６の場合には切り替えスイッチを２側にして、閾値をＶ_ｈｎに設定する。

比較器１１では、この閾値と、非通電相の誘起電圧の大きさを比較し、モード切替のトリガー信号を発生する。

本実施形態により、回転子の回転位置に応じて、適切なモータ駆動トルクが得られる。ここで、非通電相の誘起電圧は、特許文献２に示されるような速度起電圧によるものではなく、変圧器起電圧であるため、極低速状態であっても感度よく検出することができる。

図７は、従来技術に係る同期電動機のベクトル図である。

図７において（ａ）は低トルク時、（ｂ）は高トルク時におけるベクトル図である。

図７（ａ）に示す低トルク時においては、ＰＭモータの主磁束Φ１と永久磁石の磁束Φmの位相は大きくはずれないため、従来技術の方式でも安定してＰＭモータを駆動できる。

しかしながら、図７（ｂ）に示す高トルク時においては、ＰＭモータの主磁束Φ１は、Φｍに対して位相が大きくずれる。このため主磁束Φ１に基づいてモードを切り替えると、電流が進み位相となり、力率が悪化してＰＭモータのトルクが低下し、制御システムが安定しない。

このため、モータの力率を改善して高トルク化を図るには、通電する二相を切り替えるタイミングをトルクに応じて遅らせる処理が必要となる。これにより、低速域においてＰＭモータを高トルク、高性能に制御することができる。

ここで、本実施形態は、低速域において、同期電動機を１２０度通電方式で駆動するに際して、すなわち、パルス印加時に発生する開放相の起電圧に基づいて通電する二相を切り替える際して、ＰＭモータの発生トルク、あるいは発生トルク相当の状態量に応じて、前記切り替えタイミングを変化させて、同期電動機を駆動することにある。

図８は、同期電動機の駆動システムの位相補償を説明する図である。

通電する二相を切り替えるタイミングをトルクに応じて遅らせる処理に、位相補償器２０（図１）を用いる場合においては、トルク推定部２１がモータの電流あるいはインバータの直流母線電流に基づいて、モータのトルクを推定し、推定したトルクに基づいて位相変換部２２で位相補償量を演算する。また、位相変換部は演算された値に基づいて通電する二相を切り替えるタイミング（位相補償期間）を決定する。すなわち、図８（ａ）で示した位相補償期間Ｔ_１だけ、モード切り替えを遅らせる。すなわち、位相変換部は、モード判定フラグを設けてこのフラグ値に基づいて、切り替え禁止期間を設定している。

このようにして、切り替え禁止期間を設定すると、電圧、電流の関係は、図８（ｂ）に示すような電圧Ｖ_１‘とＩ_１’の関係となって、主磁束Φ１と永久磁石の磁束Φｍの位相ずれが改善される。すなわち、高負荷あるいはモータのインダクタンスが大きい条件で、１２０度通電方式のインバータを低速域で運転する場合において力率を改善することができる。また、この際トルクの低下を抑制することができ、ＰＭモータを高トルク、高性能に制御することが可能となる。

図９は、同期電動機に流れる電流波形の測定結果を示す。図において図９（ａ）は従来技術での同期電動機の相電流波形である。図に示すように、位相進みが発生し、各通電モードの期間が不均一となり、力率も低下する。図９（ｂ）は本実施形態にかかる同期電動機での相電流波形である。図に示すように、位相を遅らせることにより各通電モードの期間が均一となり、力率も向上する。なお、図９図において、本実施形態の同期電動機を試験した場合における電流の実効値を１．０ｐ．ｕ．として基準化して示している。図より、本実施形態によれば、各通電モードの期間が均一化され、同期電動機の電流波形の位相進み、ひずみ率を改善でき、１２０度通電中の力率を改善できることがわかる。

以上説明したように、本実施形態の同期電動機駆動システムによれば、低速域において、また、高負荷あるいはモータのインダクタンスが大きい場合において力率改善による制御特性の安定化を図ることができ、高トルク、高性能な制御特性を実現できる。

(実施形態２）
図１０は、本発明の第２の実施形態を説明する図である。１２０度通電方式で駆動する場合、通電モード切替後に通電相の重なり期間が発生する。このため、前記重なり期間における位相推定結果には誤差が含まれる可能性がある。

このため、モード切替後の通電モードの重なり期間では位相推定を禁止するようにモード切替禁止フラグを設け、位相推定およびモード切替を禁止する。なお、通電相の重なり期間は、前記同期電動機の速度、または電気的時定数に基づいて推定することができる。このように構成した同期電動機の駆動システムにおいても同期電動機の電流波形の位相進み、およびひずみ率を改善でき、１２０度通電中の力率を改善できる。

（実施形態３）
図１１は、第３の実施形態を説明する図である。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。本実施形態においては、トルク指令器１０１からのトルク指令値τ^＊を直接、位相補償器２０Ａの位相変換部２２に入力し、制御の応答性を改善したものである。

なお、このように構成した同期電動機の駆動システムにおいても、同期電動機の電流波形の位相進みおよびひずみ率を改善し、１２０度通電中の力率を改善することができる。このため、本実施形態においても、図１と同様の効果を得ることができる。

(実施形態４）
図１２は、第４の実施形態を説明する図である。本実施形態においては、同期電動機の駆動システムにおいて、正弦波駆動制御器２００と本発明の実施形態にかかる制御器２とを、回転速度領域に応じてスイッチ１５で切り替える(起動時には制御器２側、加速した後は正弦波駆動制御器２００側)構成としている。

すなわち、ここまでに説明した各実施形態は、１２０度通電方式で位置センサレス方式の同期電動機駆動システムを基本としているが、現在ＰＭモータの駆動方式の主流は正弦波電流による１８０度通電方式に移行しつつある。しかし、１８０度通電方式では極低速の位置推定は困難である。したがって、起動時には１２０度通電方式で位置センサレス方式の駆動システムを使用し、ある程度加速した時点で１８０度通電方式の正弦波駆動に切り替えるという方式が望ましいことになる。すなわち、本実施形態によればＰＭモータの駆動システムの完成度をより高めることができる。なお、このように構成した駆動システムにおいても同期電動機の電流波形の位相進み、およびひずみ率を改善でき、１２０度通電中の力率を改善することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、同期電動機と、この同期電動機と接続され複数のスイッチング素子により構成される電力変換器（インバータ）と、このインバータに対し電圧指令を出力して同期電動機を制御する制御器と、同期電動機の電流を検出する手段と、同期電動機の負荷トルクを検出する手段を備え、この制御器は、同期電動機の三相巻線のうち、通電する二相を選択してパルス電圧を印加し、パルス印加時の開放相起電圧を検出し、検出した開放相起電圧に基づいて通電する二相を切り替える。また、通電する二相を切り替える際、同期電動機の発生トルク、あるいは発生トルク相当の状態量に応じて、そのタイミングを変化させる。

また、通電する二相を切り替えるタイミングは、発生トルク相当の状態量として同期電動機に流れる電流、あるいは電力変換器の直流母線電流、あるいはそれらの指令相当の値に基づいて変更する。また、通電する二相を切り替えるタイミングを変化させる際、発生トルクあるいは発生トルク相当の状態量が、大きくなるほど切り替えるタイミングを大きく遅らせる。これにより、低速域において、また高負荷あるいはモータのインダクタンスが大きい場合において力率を改善して制御特性の安定化を図ることができ、同期電動機を高トルク、高性能に制御することができる。なお、制御対象となる同期電動機として、ＰＭモータを例に説明したが、他の同期電動機（例えば、回転子に界磁巻線を使用したもの、あるいはリラクタンストルクによって駆動される電動機など）でも同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、S S D（Solid State Drive）等の記録装置、または、I Cカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１…Ｖ^＊発生器、２…制御器（インバータ）、３…電力変換器（インバータ）、
４…同期電動機（ＰＭモータ）、５…ＰＷＭ発生器、６…通電モード決定器、
７…ゲート信号切替器、８…モード切替トリガー発生器、９…基準レベル切替器、
１０…非通電相電位選択器、１１…比較器、
１５、１１３…切替スイッチ
２０、２０Ａ…位相補償器、２１…トルク推定部、２２…位相変換部、
３１…直流電源、３２…インバータ主回路部、３３…出力プリ・ドライバ、
３５…シャント抵抗、
１０１…トルク指令器、
１１１、１１２…基準レベル設定器、
２００…正弦波駆動制御器（１８０度通電方式）１…Ｖ^＊発生器、２…制御器（インバータ）、３…電力変換器（インバータ）、
４…同期電動機（ＰＭモータ）、５…ＰＷＭ発生器、６…通電モード決定器、
７…ゲート信号切替器、８…モード切替トリガー発生器、９…基準レベル切替器、
１０…非通電相電位選択器、１１…比較器、
１５、１１３…切替スイッチ
２０、２０Ａ…位相補償器、２１…トルク推定部、２２…位相変換部、
３１…直流電源、３２…インバータ主回路部、３３…出力プリ・ドライバ、
３５…シャント抵抗、
１０１…トルク指令器、
１１１、１１２…基準レベル設定器、
２００…正弦波駆動制御器（１８０度通電方式）

Claims (5)

1. 複数のスイッチング素子を順次切り替えて交流電圧を発生して同期電動機に供給する電力変換器と、前記同期電動機の負荷トルクを検出または推定するトルク検出部と、前記電力変換器の通電する二相のパルス出力を前記同期電動機の三相巻線の内の二相に供給する際、供給されない相の解放電圧を検出する検出器と、前記検出器で検出した前記解放電圧に応じて前記通電する二相のパルス出力を所定の通電モードにしたがって順次切り替える制御器と、を備えた同期電動機駆動システムにおいて、
   前記制御器は、前記トルク検出部で検出または推定した前記負荷トルクに応じて前記二相のパルス出力を切り替えるタイミングを遅延させると共に、前記電力変換器の通電モードの切り替え後の通電相の重なり期間を前記同期電動機の速度または電気的時定数に基づいて設定し、当該重なり期間内は通電する当該二相のパルス出力の切り替えを禁止することを特徴とする同期電動機駆動システム。
2. 請求項１記載の同期電動機駆動システムにおいて、
   前記負荷トルクは、前記同期電動機に流れる電流、前記電力変換器の直流母線に流れる電流、あるいはトルク指令値をもとに推定することを特徴とする同期電動機駆動システム。
3. 請求項１記載の同期電動機駆動システムにおいて、
   前記制御器は、前記トルク検出部で検出または推定した前記負荷トルクに応じて前記二相のパルス出力を切り替えるタイミングを遅延させることを特徴とする同期電動機駆動システム。
4. 請求項１記載の同期電動機駆動システムにおいて、
   前記電力変換器は、変換器を構成するスイッチング素子で形成されるアームの通電期間を、起動時は１２０度通電させる１２０度通電方式で起動し、その後１８０度通電させる１８０度通電方式に切り替えることを特徴とする同期電動機駆動システム。
5. 請求項１記載の同期電動機駆動システムにおいて、
   前記二相のパルス出力を切り替えるタイミングの遅延量は、前記負荷トルクが大きいほど大きく設定することを特徴とする同期電動機駆動システム。