JP6035942B2 - モータ駆動制御装置 - Google Patents
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Description
<第1実施形態>
(1)概要
図1は、ブラシレスDCモータ51と、このブラシレスDCモータ51を駆動するための本実施形態に係るモータ駆動制御装置20とを含むモータ駆動制御システム100全体の構成図である。ブラシレスDCモータ51は、ヒートポンプ装置の室外機10(図2参照)に含まれる機器の1つである室外ファン15の駆動源として用いられるファンモータであって、交流電圧の印加によって駆動する交流モータである。モータ駆動制御装置20は、該室外機10内に搭載されている。
ここで、室外機10について、図2を用いて簡単に説明する。ここではヒートポンプ装置として、ヒートポンプ式給湯器の室外機を例として説明を行なう。室外機10は、主として、圧縮機11、水熱交換器12、膨張弁13、蒸発器14及び室外ファン15等の様々な機器を有している。圧縮機11、水熱交換器12、膨張弁13及び蒸発器14は、順次接続されて冷凍サイクルを構成している。圧縮機11は、冷凍サイクル内を循環する冷媒を圧縮する。水熱交換器12には、室外機10と接続された貯湯タンクユニット(図示せず)から送られてくる水が通る熱交換水路16が設けられており、熱交換水路16中を流れる水と冷媒との間で熱交換を行うことができる。膨張弁13は、電気的に制御される電動弁であって、冷凍サイクル内を循環する冷媒を減圧する。蒸発器14は、冷媒サイクル内の冷媒と空気との間で熱交換を行わせ、冷媒を蒸発させるためのものである。室外ファン15は、例えばプロペラファンであって、回転により室外機10外部からの空気を蒸発器14に案内する。
次に、ブラシレスDCモータ51について説明する。本実施形態に係るブラシレスDCモータ51は、3相モータであり、ステータ52と、ロータ53とを備えている。ステータ52は、スター結線されたU相、V相及びW相の駆動コイルLu,Lv,Lwを含む。各駆動コイルLu,Lv,Lwの一方端は、それぞれインバータ25から延びるU相、V相及びW相の各配線の駆動コイル端子TU,TV,TWに接続されている。各駆動コイルLu,Lv,Lwの他方端は、互いに端子TNとして接続されている。これら3相の駆動コイルLu,Lv,Lwは、ロータ53が回転することによりその回転速度とロータ53の位置に応じた誘起電圧を発生させる。
次いで、本実施形態に係るモータ駆動制御装置20の構成について説明する。本実施形態に係るモータ駆動制御装置20は、図1に示すように、整流部21と、平滑コンデンサ22と、電圧検出部23と、電流検出部24と、インバータ(起動部に相当)25と、ゲート駆動回路26と、起動前回転数検出回路(後述するセンサレス制御回路28の回転数推定部28cと共に、回転数導出部に相当)27と、センサレス制御回路28(主として変更部に相当)と、マイクロコンピュータ29とを備える。
整流部21は、4つのダイオードD1a,D1b,D2a,D2bによってブリッジ状に構成されている。具体的には、ダイオードD1aとD1b、D2aとD2bは、それぞれ互いに直列に接続されている。ダイオードD1a,D2aの各カソード端子は、共に平滑コンデンサ22のプラス側端子に接続されており、整流部21の正側出力端子として機能する。ダイオードD1b,D2bの各アノード端子同士は平滑コンデンサ22のマイナス側端子に接続されており、整流部21の負側出力端子として機能する。ダイオードD1a,D1b同士の接続点及びダイオードD2a,D2b同士の接続点は、それぞれ商用電源91に接続されている。即ち、ダイオードD1a,D1b同士の接続点、及びダイオードD2a,D2b同士の接続点は、それぞれ整流部21の入力の役割を担っている。
平滑コンデンサ22は、一端が整流部21の正側出力端子に接続され、他端が整流部21の負側出力端子に接続されている。平滑コンデンサ22は、整流部21から供給された直流電源、つまりは整流部21によって整流された電圧を平滑する。以下、説明の便宜上、平滑コンデンサ22による平滑後の電圧を“平滑後電圧Vfl”という。この平滑後電圧Vflは、直流電源に係る電圧よりも更にリップルの低い電圧となっており、平滑コンデンサ22の後段、即ち出力側に接続されたインバータ25に印加される。
電圧検出部23は、平滑コンデンサ22の出力側に接続されており、平滑コンデンサ22の両端電圧、即ち平滑後電圧Vflの値を検出する。特に、電圧検出部23は、ファンモータ51の起動後に電圧検出動作を行う。
電流検出部24は、平滑コンデンサ22及びインバータ25の間であって、かつ平滑コンデンサ22の負側出力端子側に接続されている。電流検出部24は、ファンモータ51の起動後、ファンモータ51に流れるモータ電流Imを検出する。
インバータ25は、平滑コンデンサ22の出力側に接続されている。インバータ25は、図1に示すように、複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、単にトランジスタという)Q3a,Q3b,Q4a,Q4b,Q5a,Q5b及び複数の還流用ダイオードD3a,D3b,D4a,D4b,D5a,D5bを含む。トランジスタQ3aとQ3b、Q4aとQ4b、Q5aとQ5bは、それぞれ互いに直列に接続されている。各ダイオードD3a〜D5bは、トランジスタのコレクタ端子とダイオードのカソード端子とが接続されると共にトランジスタのエミッタ端子とダイオードのアノード端子とが接続されることで、各トランジスタQ3a〜Q5bに対して並列接続されている。
ゲート駆動回路26は、センサレス制御回路28からの電圧指令値Vpwmに基づき、インバータ25の各トランジスタQ3a〜Q5bのオン及びオフの状態を変化させる。具体的には、ゲート駆動回路26は、センサレス制御回路28によって決定されたデューティを有する駆動電圧SU1,SV1,SW1がインバータ25からファンモータ51に出力されるように、各トランジスタQ3a〜Q5bのゲートに印加するゲート制御電圧Gu,Gx,Gv,Gy,Gw,Gzを生成する。生成されたゲート制御電圧Gu,Gx,Gv,Gy,Gw,Gzは、それぞれのトランジスタQ3a〜Q5bのゲート端子に印加される。
起動前回転数検出回路27は、入力がファンモータ51のW相の駆動コイル端子TWと接続されており、出力がセンサレス制御回路28に接続されている。即ち、起動前回転数検出回路27は、インバータ25よりも後段側に位置していると言える。起動前回転数検出回路27は、主に起動前においてファンモータ51が回転している際に、駆動コイルLwに発生するW相の誘起電圧Vwnに基づいて、起動前のファンモータ51の回転数を検出する。
センサレス制御回路28は、電圧検出部23、電流検出部24、ゲート駆動回路26、起動前回転数検出回路27及びマイクロコンピュータ29と接続されている。センサレス制御回路28は、ファンモータ51をロータ位置センサレス方式にて駆動させる回路である。
マイクロコンピュータ29は、図1に示すように、主として、センサレス制御回路28と接続されている。また、図示してはいないが、マイクロコンピュータ29は、室外機10の各機器を統括して制御する室外機側制御部とも接続されている。
次に、本実施形態のモータ駆動制御装置20の動作について、図7を用いて説明する。図7は、モータ駆動制御装置20が行う動作を示すフロー図である。
(4−1)
本実施形態に係るモータ駆動制御装置20では、少なくともファンモータ51の起動直前状態時、強制駆動方式に基づく駆動電圧SU1,SV1,SW1が変更される。即ち、ファンモータ51を起動するためにファンモータ51に出力される強制駆動方式に基づく駆動電圧SU1,SV1,SW1は、ファンモータ51の回転状態に応じて変化する。これにより、少なくともモータ起動直前状態時のファンモータ51の回転状態に応じた駆動電圧SU1,SV1,SW1によってファンモータ51が起動するため、過電流及び過電圧状態の発生を抑えることができ、コストをかけることなく且つ簡単にファンモータ51の起動安定性を確保できる。
特に、本実施形態では、強制駆動方式に基づく駆動電圧SU1,SV1,SW1をファンモータ51に出力してファンモータ51を起動させる際、センサレス制御回路28は、ファンモータ51の起動直前の回転数に応じて駆動電圧SU1,SV1,SW1の周波数または電圧値を変更する。これにより、強制駆動方式が採用されても、ファンモータ51は確実に起動することができる。
また、本実施形態によると、例えば図4に示すように、ファンモータ51が起動を開始してから通常回転状態へと至るまでの間、時間の経過に応じて、言い換えればファンモータ51の回転状態に応じて、刻々と周波数または電圧値が変化する駆動電圧SU1,SV1,SW1がファンモータ51に出力されるようになる。従って、過電流及び過電圧の発生がより確実に抑えられる。
また、本実施形態によると、例えば図5に示すように、起動直前時におけるファンモータ51の回転数が所定回転数pr1以上である場合には、ファンモータ51を起動開始させるためにファンモータ51に出力する駆動電圧SU1,SV1,SW1の周波数(または電圧値)Vstart1は、所定周波数F1(または所定電圧値V1)よりも小さく設定される。これにより、モータ駆動制御装置20は、起動直前時に既に所定回転数pr1以上回転してしまっているファンモータ51を起動させた際、ファンモータ51に流れるモータ電流Imや平滑コンデンサ22の電圧が過剰となってしまう現象を抑えることができ、ファンモータ51の起動安定性を確保することができる。
本実施形態によると、ファンモータ51が起動を開始してから通常回転状態に至るまでの間におけるファンモータ51の回転数の増加に伴って、駆動電圧SU1,SV1,SW1の周波数または電圧値は大きく設定されていく。これにより、ファンモータ51に流れるモータ電流Imや平滑コンデンサ22の電圧が過剰となってしまう現象やファンモータ51の脱調を抑えることができ、ファンモータ51の起動安定性を確保することができる。
特に、本実施形態では、ファンモータ51が起動を開始してから通常回転状態に至るまでの間、起動開始後の経過時間に伴って、駆動電圧の周波数または電圧値が大きく設定されていく。これにより、ファンモータ51に流れるモータ電流Imや平滑コンデンサ22の電圧が過剰となってしまう現象やファンモータ51の脱調を抑えることができ、ファンモータ51の起動安定性を確保することができる。
<第2実施形態>
上記実施形態では、いわゆる強制駆動方式にて、ファンモータ51が起動する場合について説明した。ここでは、起動を更に確実にするため、起動開始時に直流励磁方式を用いてファンモータ51が起動する場合について説明する。
図8は、本実施形態に係るモータ駆動制御装置120を含むモータ駆動制御システム200全体の構成図である。図8に示すモータ駆動制御装置120は、上記第1実施形態に係るモータ駆動制御装置20と制御内容の一部が異なるものの、その構成は上記第1実施形態に係るモータ駆動制御装置20と同様である。
本実施形態に係るインバータ125は、ファンモータ51の起動の際、直流励磁方式に基づく駆動電圧SU2,SV2,SW2をファンモータ51に出力して該モータ51を固定した後、強制駆動を行なって該モータ51を起動させる。ここで、直流励磁方式とは、起動直前のファンモータ51に対して所定の通電パターンで直流通電を行うことで、該モータ51におけるロータ53の位置を所定位置に一旦固定させ、ロータ53が固定した状態からファンモータ51の駆動を開始させる方式である。これにより、インバータ125からは、ロータ53を直流励磁させてロータ53の位置を所定位置に移動させ固定させるための駆動電圧SU2,SV2,SW2が、ファンモータ51に出力される。次いで、インバータ125からは、ロータ53を強制的に駆動するための駆動電圧SU2,SV2,SW2がファンモータ51に出力される。この強制駆動により、ファンモータ51はようやく起動することができる。
センサレス制御回路128は、上記第1実施形態に係るセンサレス制御回路28と同様の構成をしており(図6参照)、ファンモータ51をロータ位置センサレス方式にて駆動させる回路である。センサレス制御回路128は、ファンモータ51が起動を開始してから通常回転状態となるまでの間、及びファンモータ51が通常回転している間は、ロータ53の位置の推定及びファンモータ51の回転数の推定を行い、これらの推定結果に応じた電圧指令値Vcを出力する。
次に、本実施形態のモータ駆動制御装置120の動作について、図11〜12を用いて説明する。図11〜12は、モータ駆動制御装置120が行う動作を示すフロー図である。
(3−1)
本実施形態に係るモータ駆動制御装置120では、ファンモータ51が起動直前状態から直流励磁終了までのファンモータ51の回転状態に応じて、直流励磁方式に基づく駆動電圧SU2,SV2,SW2が変更される。そして、直流励磁終了後から通常回転状態に至るまでの間、ファンモータ51の回転状態に応じて、強制駆動方式に基づく駆動電圧SU2,SV2,SW2が変更される。即ち、ファンモータ51を起動するためにファンモータ51に出力される駆動電圧SU2,SV2,SW2は、一定ではなく、ファンモータ51の回転数に応じて変化する。これにより、ファンモータ51の回転数に応じた駆動電圧SU2,SV2,SW2によってファンモータ51が起動するため、過電流及び過電圧状態の発生を抑えることができ、コストをかけることなく且つ簡単にファンモータ51の起動安定性を確保できる。
特に、本実施形態では、直流励磁方式に基づく駆動電圧SU2,SV2,SW2をファンモータ51に出力してファンモータ51を起動させる際、センサレス制御回路128は、ファンモータ51の起動直前の回転数に応じて駆動電圧SU2,SV2,SW2のデューティを変更する。これにより、直流励磁方式が採用されても、ファンモータ51は確実に起動することができる。
また、本実施形態によると、例えば図10に示すように、ファンモータ51が起動を開始してから直流励磁終了までの間、時間の経過に応じて、言い換えればファンモータ51の回転数に応じて刻々と変化するデューティを有する駆動電圧SU2,SV2,SW2が、ファンモータ51に出力される。従って、過電流及び過電圧の発生がより確実に抑えられる。
場合によっては、風等の外力や回転停止直後の慣性力の影響を受けてファンモータ51が起動直前時に既に回転しており、且つ該モータ51の回転数が所定回転数pr2以上となってしまっていることがある。しかし、本実施形態に係るモータ駆動制御装置120は、例えば図9に示すように、起動直前時におけるファンモータ51の回転数が所定回転数pr2以上である場合には、ファンモータ51を起動開始させるためにファンモータ51に出力する駆動電圧SU2,SV2,SW2のデューティVstart2を、所定駆動電圧における所定デューティD2よりも小さくする。これにより、モータ駆動制御装置120は、起動直前時に既に所定回転数pr2以上回転してしまっているファンモータ51を起動させた際、ファンモータ51に流れるモータ電流Im及び平滑コンデンサ22の電圧が過剰となってしまう現象を抑えることができ、ファンモータ51の起動安定性を確保することができる。
本実施形態に係るモータ駆動制御装置120は、ファンモータ51が起動を開始してから通常回転状態までの間におけるファンモータ51の回転数の低下に伴って、駆動電圧SU2,SV2,SW2のデューティを大きくしていく。これにより、ファンモータ51に流れるモータ電流Imや平滑コンデンサ22の電圧が過剰となってしまう現象や、ファンモータ51の脱調を抑えることができ、ファンモータ51の起動安定性を確保することができる。
特に、本実施形態では、ファンモータ51が起動を開始してから通常回転状態に至るまでの間、起動開始後の経過時間に伴って、駆動電圧の周波数または電圧値が大きく設定されていく。これにより、ファンモータ51に流れるモータ電流Im及び平滑コンデンサ22の電圧が過剰となってしまう現象やファンモータ51の脱調を抑えることができ、ファンモータ51の起動安定性を確保することができる。
<変形例>
以上、本発明の実施形態及びその変形例について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
上記第1及び第2実施形態では、起動直前時のファンモータ51の回転数を把握する手法として、W相の誘起電圧Vwnに基づき起動時のファンモータ51の回転数を検出する手法が採用された場合について説明した。
(手法1)ファンモータ51の制御に関する所定の数式モデルを用いて、ファンモータ51の回転数が把握される手法。
(手法2)電圧検出部23,123によって検出される平滑後電圧Vflに基づいて、ファンモータ51の回転数が把握される手法。
(手法3)電流検出部24,124によって検出されるモータ電流Imに基づいて、ファンモータ51の回転数が把握される手法。
上記第1及び第2実施形態に係る図4,10では、時間の経過に応じて駆動電圧SU1〜SW1,SU2〜SW2のデューティ、周波数及び電圧値が直線的に大きくなる場合を表している。しかし、駆動電圧SU1〜SW1,SU2〜SW2のデューティ、周波数及び電圧値は、直線的ではなく、時間の経過に応じて曲線的に増加してもよい。
上記第1及び第2実施形態では、本発明に係るモータ駆動制御装置20,120が、室外ファン15の駆動源であるファンモータ51を駆動制御するための装置として用いられる場合について説明した。
上記第1及び第2実施形態では、ロータ53の位置を検出する位置検出センサ(例えば、ホール素子)が搭載されていないブラシレスDCモータを、ファンモータ51として利用する場合について説明した。
上記第1及び第2実施形態では、駆動電圧SU1〜SW1,SU2〜SW2の電圧値やデューティ等を駆動信号として調整している場合について説明した。しかし、電圧値やデューティ値を調整するのではなく、モータ電流を駆動信号として調整してもよい。直流励磁方式においてはモータの固定力を調整し、強制駆動方式においてはモータの駆動力(駆動トルク)を調整しているのであるから、モータ電流を調整しても、同様の効果を得ることができる。
上記第2実施形態では、モータの起動直前から通常回転状態へと至るまでの間、モータ起動開始時には直流励磁方式が採用され、次いで第1実施形態にて説明した強制駆動方式が採用されると説明した。しかし、途中で強制駆動方式が採用されずに、直流励磁方式のみでモータが起動されてもよい。
14 蒸発器
15 室外ファン
20,120 モータ駆動制御装置
21,121 整流部
22,122 平滑コンデンサ
23,123 電圧検出部
24,124 電流検出部
25,125 インバータ
26,126 ゲート駆動回路
27,127 起動前回転数検出回路
27a フィルタ
27b コンパレータ
27c 演算部
28,128 センサレス制御回路
28a モータモデル電算部
28b ロータ位置推定部
28c 回転数推定部
28d LPF
28e 回転数制御部
28f 電流制御部
28g 波形成形部
29,129 マイクロコンピュータ
51 ファンモータ
100,200 モータ駆動制御システム
Vfg 回転数指令
Vpwm,Vc 電圧指令値
FG1 第1回転数信号
FG2 第2回転数信号
Im モータ電流
Vfl 平滑後電圧
Vstart1 起動開始時の駆動電圧の周波数及び電圧値
Vstart2 起動開始時の駆動電圧のデューティ
pr1,pr2 所定回転数
D1 所定デューティ
F1 所定周波数
V1 所定電圧値
Claims (7)
- ロータ(53)及びステータ(52)を有するモータ(51)をロータ位置センサレス制御方式にて駆動するモータ駆動制御装置(20,120)であって、
少なくとも前記モータの起動直前状態時の、前記モータの回転数を導出する回転数導出部(27,28c,127)と、
前記モータに対し直流通電を行うことで前記ロータ位置を所定位置に固定させる直流励磁方式、及び前記モータに対し所定の電圧と周波数とを印加する強制通電を行うことで前記モータを所定回転数まで加速させる強制駆動方式、のうち少なくともいずれかの方式に基づく駆動信号を、前記モータに出力して前記モータを起動させる起動部(25,125)と、
前記直流励磁方式及び前記強制駆動方式のうち少なくともいずれかの方式に基づく前記駆動信号を、前記回転数導出部が導出した前記モータの回転数に応じて変更する変更部(28,128)と、
を備え、
前記変更部(28,128)は、起動直前の前記モータの回転数が所定回転数よりも大きい場合、前記モータを起動開始させるために前記モータに出力する前記駆動信号の電圧もしくは電流を、前記モータが無回転の状態で起動開始する場合に前記モータに出力される所定駆動電圧もしくは所定駆動電流よりも小さくする、
モータ駆動制御装置(20,120)。 - 前記起動部(25,125)が前記直流励磁方式に基づく前記駆動信号を前記モータに出力して前記モータを起動させる際、
前記変更部(28、128)は、前記モータの回転数に応じて前記駆動信号の電圧もしくは電流を変更する、
請求項1に記載のモータ駆動制御装置(20,120)。 - 前記起動部(25,125)が前記強制駆動方式に基づく前記駆動信号を前記モータに出力して前記モータを起動させる際、
前記変更部(28,128)は、前記モータの回転数に応じて前記駆動信号の周波数、電圧、もしくは電流の値を変更する、
請求項1に記載のモータ駆動制御装置(20,120)。 - 前記変更部(28,128)は、前記モータが起動を開始してから通常回転状態に至るまでの間の前記モータの回転数に応じて、前記駆動信号の電圧、もしくは電流を連続的に変更する、
請求項1から3のいずれか1項に記載のモータ駆動制御装置(20,120)。 - 前記変更部(28,128)は、前記モータが起動を開始してからの経過時間に応じて、前記駆動信号の電圧もしくは電流を連続的に変更する、
請求項1から4のいずれか1項に記載のモータ駆動制御装置(20,120)。 - 前記変更部(28,128)は、前記モータが起動を開始してから通常回転状態に至るまでの間、その間における前記モータの回転数が大きくなるのに伴い前記駆動信号の電圧もしくは電流を大きくする、
請求項1から5のいずれか1項に記載のモータ駆動制御装置(20,120)。 - 前記変更部(28,128)は、前記モータが起動を開始してから通常回転状態に至るまでの間、起動開始後の経過時間に伴い前記駆動信号の電圧もしくは電流を大きくする、
請求項4または6に記載のモータ駆動制御装置(20,120)。
Priority Applications (8)
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---|---|---|---|
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