JP6935349B2

JP6935349B2 - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP6935349B2
Application number: JP2018037487A
Authority: JP
Inventors: 隆志高木; 敏満會澤; 申王
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2021-09-15
Anticipated expiration: 2038-03-02
Also published as: JP2019154143A

Description

本発明の実施形態は、モータ駆動装置に関する。

モータシステムの高効率化を狙い、永久磁石を利用した同期モータが広く普及している。そして、同期モータの効率を向上させる電力変換装置の制御方法も様々に提案されている。制御方法の例としては、例えば特許文献１に示すように、モータの誘起電圧位相と電流位相が一致するよう電圧位相を制御する方法や、例えば特許文献２に示すように、モータの電流が小さくなるように電圧位相を制御する方法などがある。

特開２０１５−６２３２９号公報特開２００７−２６７５７６号公報

特許文献１で示される制御方法は、モータの誘起電圧位相と電流位相とを容易に検出できることから、電圧位相の制御も容易であり、且つ安定的に実施できる。しかしながら、モータの回転子位置を高精度に把握することが不可欠である。そのため、ロータリエンコーダやホールセンサ等の位置センサを設ける際には取り付け誤差が、センサレス制御では推定誤差がそれぞれ効率低下の要因となる。また、永久磁石を回転子内部に埋め込んだ埋込磁石型モータに適用した場合には、回転子位置によりインダクタンス特性が変化する。したがって、モータの誘起電圧位相と電流位相とが一致する動作点において、必ずしも最大効率が得られない。

特許文献２で示される制御方法は、モータに通電される電流値を最小化することを目指すため、モータの特性に依らず最大効率が得られる。しかしながら、モータの電流波形に歪みや周期毎のばらつきが生じるため、電圧位相を安定的に制御するにはモータ電流を数周期単位で評価すること等が必要となり、目標とする電圧位相への収束に時間を要する。また、定格に対して負荷が小さい制御領域ではモータ電流の検出精度が低下するため、適切な電圧制御が困難となる。さらに、モータ電流は速度やトルクに応じて変化するので、速度変化中の過渡状態では電圧位相の制御が不安定になり易く、定常状態のみ制御を実施するなどの工夫が必要となる。

そこで、２つの制御方法を適切に選択することで、モータの制御精度を維持して運転効率を高めることができるモータ駆動装置を提供する。

実施形態のモータ駆動装置は、直流電力を任意の電圧及び周波数の３相交流電力に変換して電動機に供給する電力変換器と、
この電力変換器を介して前記電動機に駆動電圧を印加するため、制御指令を与える電圧制御部と、
前記電動機に通電される少なくとも一相の電流を検出する電流検出部と、
前記電流のゼロクロス位相を検出する電流ゼロクロス検出部と、
前記電動機の誘起電圧に基づいた位置信号を出力する位置信号出力部と、
前記電流検出部、前記電流ゼロクロス検出部及び前記位置信号出力部からの信号が入力され、前記駆動電圧の位相を調整した結果を前記電圧制御部に与える位相制御部とを備え、
前記位相制御部は、前記誘起電圧のゼロクロス位相に相当する位置と、前記電流のゼロクロス位相とが一致するよう、前記駆動電圧の位相を調整する第１位相調整部と、
前記電流の値が小さくなるよう前記駆動電圧の位相を調整する第２位相調整部と、
前記電動機の駆動状態を示す、前記駆動電圧、前記電流及び回転速度のうち少なくとも１つの情報に基づいて、前記第１位相調整部と前記第２位相調整部との何れか一方を選択して用いるように切り替える選択制御部とを有する。

第１実施形態であり、モータ駆動装置の構成を要部に付いて示す機能ブロック図選択制御部による処理内容を示すフローチャート第１位相調整部による処理内容を示すフローチャート第２位相調整部による処理内容を示すフローチャートデューティ値比較用の閾値に付与したヒステリシス特性を示す図デューティ変化量比較用の閾値に付与したヒステリシス特性を示す図第２実施形態であり、モータ駆動装置の構成を要部に付いて示す機能ブロック図第２位相調整部の詳細構成を示す図３相電流波形と、遅延回路より出力される信号波形とを示す図第３実施形態であり、電流比較用の閾値に付与したヒステリシス特性を示す図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について、図１から図６を参照しながら説明する。図１は、モータ駆動装置の構成を要部に付いて示す機能ブロック図である。電力変換装置１は、６個のスイッチング素子，例えばＩＧＢＴ２を３相ブリッジ接続することで、所謂インバータ回路を構成している。ＩＧＢＴ２のコレクタ、エミッタ間にはフリーホイールダイオード３が接続されている。

電力変換装置１には、駆動用電源として直流電源Ｖｄｃが供給されている。電力変換装置１の各相出力端子は、三相同期電動機４の各相固定子巻線に接続されている。また、電力変換装置１の負側電源線には、例えばシャント抵抗や電流センサからなる電流検出部５が挿入されている。また、これに替えて、電力変換装置１において下側のＩＧＢＴ２のエミッタと負側電源線との間にそれぞれ抵抗素子を配置する３シャント方式を採用しても良い。

回転子位置検出部６は、例えば電動機４に取り付けられたロータリエンコーダやホールセンサにより回転位置を検出する構成や、電流検出部５により得られた電動機４の相電流等の運転状態や定数等から回転位置を推定する、所謂センサレス方式を採用したものでも良い。

位相制御部７は、第１位相調整部８，第２位相調整部９及び選択制御部１０を備えている。回転子位置検出部６により出力される回転位置信号は、第１位相調整部８及び電圧制御部１１に入力されている。電流検出部５により出力される検出信号は、第２位相調整部９及びゼロクロス検出部１２に入力されている。ゼロクロス検出部１２は、相電流の振幅がゼロクロス位相に達したタイミングを示す信号を第１位相調整部８に出力する。

第１位相調整部８，第２位相調整部９は、電力変換装置１が電動機４に出力する電圧と、電動機４に流れる電流との位相をそれぞれ異なる方式で調整するもので、調整信号を選択制御部１０に出力する。選択制御部１０は、運転指令設定部１３より入力される運転情報に応じて、第１位相調整部８，第２位相調整部９の何れか一方を選択し、選択した方の調整信号を電圧制御部１１に出力する。

電圧制御部１１は、電動機４に対して任意の電圧及び周波数の３相疑似正弦波電圧を出力するため、回転子位置検出部６で得られた情報を元に、電力変換装置１を構成するＩＧＢＴ２のオン／オフタイミングを制御する３相ＰＷＭ信号パターンを生成する。また、電圧制御部１１は、ＰＷＭ信号パターンの作成に当たり、運転指令設定部１３で設定される外部指令に従ってＰＷＭ信号のデューティを変化させると共に、位相制御部７から得られた位相情報に基づいてＰＷＭ信号の位相を補正する。

次に、本実施形態の作用について図２から図６を参照して説明する。図２は、選択制御部１０による処理内容を示すフローチャートである。選択制御部１０は、運転指令設定部１３より与えられるＰＷＭデューティの情報を参照し、そのデューティを予め設定した閾値と比較する（Ｓ２１）。ここで閾値は、電流検出精度を踏まえたデューティ比と電流値との関係に依存するが、例えば１０〜２０％程度に設定する。また、図５に示すように、デューティの上昇時と低下時とでヒステリシス幅を持たせて切り替える。

ステップＳ２１において、デューティが閾値以下であれば（ＮＯ）第１位相調整部８を選択し（Ｓ２３）、デューティが閾値を超えていれば（ＹＥＳ）電動機４の回転速度と相関関係のあるデューティの変化量を閾値と比較するする（Ｓ２２）。変化量が閾値以下であり比較的小さい場合は（ＮＯ）モータ制御が定常状態にあると判断し、第２位相調整部９を選択する（Ｓ２４）。この変化量の閾値も電流値との関係に依存するが、例えば１０％／ｓｅｃ程度の変化率に設定する。これについても図６に示すように、変化方向の正負共にヒステリシス幅を持たせて切り替える。

ステップＳ２２において、変化量が閾値を超えており比較的大きい場合は（ＹＥＳ）モータ制御が過渡状態にあると判断し、ステップＳ２３に移行する。尚、ステップＳ２２，Ｓ２３における比較対象を、デューティ比に替えて回転数，速度やモータ電流にしても良い。尚、ステップＳ２１は電圧振幅比較部に相当し、ステップＳ２２は電圧変化比較部に相当する。

図３は、第１位相調整部８による処理内容を示すフローチャートである。第１位相調整部８は、ゼロクロス検出部１２より交流周期毎に電流のゼロクロス位相を取得し（Ｓ３１）、当該位相が基準に対して遅れているか否かを判断する（Ｓ３２）。ここで、位相の基準は回転子位置検出部６で得られる誘起電圧のゼロクロス位相とする。電動機４が正転している場合、両者の位相差が正の値であれば電流位相が遅れていると判断される（ＹＥＳ）。そこで、位相の遅れを補正するため、電流位相を進めるように調整する（Ｓ３３）。一方、位相差が負の値であれば（ＮＯ）、位相の進みを補正するため電流位相が遅れるように調整する（Ｓ３４）。

図４は、第２位相調整部９による処理内容を示すフローチャートである。第２位相調整部９は、例えばピークホールド回路を内蔵しており、電流検出部５により検出される電流のピーク値を（Ｓ４１）続くステップＳ４２において交流の各周期で取得する。交流の周期が切り替わると（ＹＥＳ）、各周期毎に１回ステップＳ４３〜Ｓ４８の処理を行う。

ステップＳ４３では、各周期毎に取得した電流ピーク値を積算し、各位相調整の状況に応じて処理を「Ｓｔａｇｅ＝０〜３」に分岐させる（Ｓ４４）。「Ｓｔａｇｅ＝０」では、電流位相を予め決めた分だけ進めると（Ｓ４５ａ）「Ｓｔａｇｅ＝１」に設定する（Ｓ４５ｂ）。これにより、次の周期ではステップＳ４６ａ〜Ｓ４６ｆを実行する。

「Ｓｔａｇｅ＝１」では、予め規定した周期を超過したか否かを判断し（Ｓ４６ａ）、規定周期に達していなければ（ＮＯ）処理を終了する。一方、規定周期を超過していれば（ＹＥＳ）前回の電流ピーク値との比較を行う（Ｓ４６ｂ）。また、前回のピーク値を更新する（Ｓ４６ｃ）。上記比較の結果、今回の値の方が小さければ（Ｓ４６ｄ；ＹＥＳ）「Ｓｔａｇｅ＝０」に設定する（Ｓ４６ｅ）。一方、今回の値の方が大きい場合は（Ｓ４６ｄ；ＮＯ）「Ｓｔａｇｅ＝２」に設定する（Ｓ４６ｆ）。

「Ｓｔａｇｅ＝２」では、電流位相を予め決めた分だけ遅れさせると（Ｓ４７ａ）「Ｓｔａｇｅ＝３」に設定する（Ｓ４７ｂ）。「Ｓｔａｇｅ＝３」では、ステップＳ４８ａ〜Ｓ４８ｄにおいて「Ｓｔａｇｅ＝１」のステップＳ４６ａ〜Ｓ４６ｄと同様の処理を行う。そして、ステップＳ４８ｄにおいて、今回の値の方が小さければ（ＹＥＳ）「Ｓｔａｇｅ＝２」に設定し（Ｓ４８ｅ）、今回の値の方が大きい場合は（ＮＯ）「Ｓｔａｇｅ＝０」に設定する（Ｓ４８ｆ）。
尚、図３，図４に示す処理は、それぞれ特許文献１，２において行われている処理と基本的に同じものである。

以上のように本実施形態によれば、位相制御部７は、電流検出部５、ゼロクロス検出部１２及び回転子位置検出部６からの信号が入力され、駆動電圧の位相を調整した結果を電圧制御部１１に出力する。具体的には、第１位相調整部８は、誘起電圧のゼロクロス位相と電流のゼロクロス位相とが一致するように駆動電圧の位相を調整し、第２位相調整部９は、電流の値が小さくなるよう駆動電圧の位相を調整する。そして、選択制御部１０は、電動機４の駆動状態を示す駆動電圧の情報に基づいて、第１位相調整部８と第２位相調整部９との何れか一方を選択して用いるように切り替える。

第１位相調整部８は、第２位相調整部９に比較して実行される処理が簡素であるため応答が速く、且つ位相調整は安定的に実行される。しかし、基準となる誘起電圧位相の検出や、電流リップルの重畳により電流のゼロクロス位相の検出に誤差が生じていると最大効率は得られない。一方、第２位相調整部９は、実行される処理は複雑であるが、各運転状態において最小の電流で制御できるので、電動機４の最大効率を引き出すことができる。しかし、位相を安定的に調整するには、電流値を高精度且つ安定的に検出できる必要がある。

そこで、選択制御部１０により、第２位相調整部９の適用が困難な制御領域，例えば電流検出感度が低下する低速運転領域や、速度が大きく変化している期間には適用せず、第１位相調整部８を選択する。これにより、電動機４の全運転範囲において、安定的に高い効率を引き出すことができる。

また、第２位相調整部９は、電流検出部５で検出された電流について交流の１周期毎のピーク値を取得し、これを複数周期に亘り積算したものを、過去に同様にして得られたピーク値の積算値と比較して電流値の大小を判定する。これにより、電流のピーク値を確実に評価できる。尚、ピーク値については、必ずしも複数周期に亘る積算値を用いる必要は無く、１周期毎のピーク値を比較しても良い。また、電流のピーク値を積算することに替えて、半周期の電流値を積分し、過去に得られた積分値と比較して電流値の大小を判定しても良い。尚、ステップＳ２１，Ｓ２２の何れか一方のみを用いて選択を行っても良い。

また、選択制御部１０は、駆動電圧の大きさを予め決定したヒステリシス幅を有する設定値と比較し、設定値を下回る場合は第１位相調整部８を選択する。設定値を上回る場合は駆動電圧の大きさを前回値にヒステリシス幅を付与したものと比較し、一定以上の変化が生じていると判断すると第１位相調整部８を選択する。また、一定以上の変化が生じていないと判断すると第２位相調整部９を選択する。これにより、第１位相調整部８，第２位相調整部９を適切に切り替えて、位相調整を行うことができる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図７に示すように、第２実施形態のモータ駆動装置は、第１実施形態の電流検出部５，第２位相調整部９に替わる相電流検出部２１，第２位相調整部２２を備えている。相電流検出部２１は、例えば３シャント方式により電動機４の各相電流を個別に検出する。

図８は、第２位相調整部２２の詳細構成を示すもので、電流比較器２３ａ〜２３ｃ，Ｄフリップフロップである遅延回路２４ａ〜２４ｃ及びＡＤ変換器２５を備えている。相電流検出部２１は、各相電流を電圧に変換して、電流比較器２３及びＡＤ変換器２５に入力する。電流比較器２３ａはＵ−Ｖ相電圧，電流比較器２３ｂはＶ−Ｗ相電圧，電流比較器２３ｃはＵ−Ｗ相電圧をそれぞれ比較する。図９に示すように、２相の電流レベルが等しくなるタイミングでは、残り１相の電流レベルがピークを示す。

遅延回路２４に供給する電流検出トリガは、周波数が例えばＰＷＭキャリア周波数程度のクロック信号とする。すると、遅延回路２４ａ〜２４ｃより出力される信号は、図９に示すように、二値レベルが１８０度間隔で変化する３相信号となる。そして、各信号の立上りエッジをトリガとしてＡＤ変換器２５の変換データを読み出すことで、
遅延回路２４ａ →Ｗ相電流ピーク値
遅延回路２４ｂ →Ｕ相電流ピーク値
遅延回路２４ｃ →Ｖ相電流ピーク値
が得られる。これにより、簡素な構成や処理で電流ピーク値を検出できる。

尚、必ずしも３相全ての電流のピーク値を検出する必要は無いので、コンパレータを１つのみ用いて、１つの相電流のピーク値のみを検出しても良い。また、遅延回路２４を削除して、電流比較器２３の出力信号を用いても良い。

（第３実施形態）
第３実施形態は、選択制御部１０における第１，第２位相調整部８，９を選択する手法の変形である。選択制御部１０は、駆動電圧に相当するＰＷＭデューティに替えて電流を比較対象とする。図１０に示すように、第２位相調整部９で取得される電流のピーク値を利用し、第２位相調整部９が判定で使用する閾値Ｘに対して、より大きな値の閾値Ｙを設定する。電流ピーク値の差分が閾値Ｙを超える場合は第２位相調整部９を選択する。±Ｘ未満の範囲は不感帯となる。

すなわち、電流はデューティや負荷の変化に応じて比例的に変動するため、大きな電流変化があればモータ制御が過渡状態にあると判定する。このように、第２位相調整部９が処理中で利用している電流ピーク値を利用することで追加の処理が不要となり、処理を簡素にできる。

（第４実施形態）
第４実施形態は、位相制御部７における処理の変形例である。第１及び第２位相調整部８及び９において、累積の位相調整量をθ，制御ステップ毎の進角，遅角量をδとした際に、
進角の場合→θ＝θ＋δ
遅角の場合→θ＝θ−δ
として処理する。調整量θは、モータ制御を停止した際にθ＝０と初期化するのみで、第１位相調整部８，第２位相調整部９の選択が切り替わっても、その時点の累積値を保持する。

すなわち、第１位相調整部８，第２位相調整部９を切り替える毎に、累積位相調整量θを初期化してゼロから開始すると、切り替えた直後に制御が不安定となる。そこで、切り替え前の累積位相調整量θを保持しておき、切り替え後も調整量θから制御を開始することで、安定的に制御切り替えを実現できる。

（その他の実施形態）
ヒステリシス幅の設定は、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。また、必ずしも切替えの判定を行う際にヒステリシス特性を付与する必要は無い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は電力変換装置、４は三相同期電動機、５は電流検出部、６は回転子位置検出部、７は位相制御部、８は第１位相調整部、９は第２位相調整部、１０は選択制御部、２１は相電流検出部、２２は第２位相調整部を示す。

Claims

直流電力を任意の電圧及び周波数の３相交流電力に変換して電動機に供給する電力変換器と、
この電力変換器を介して前記電動機に駆動電圧を印加するため、制御指令を与える電圧制御部と、
前記電動機に通電される少なくとも一相の電流を検出する電流検出部と、
前記電流のゼロクロス位相を検出する電流ゼロクロス検出部と、
前記電動機の誘起電圧に基づいた位置信号を出力する位置信号出力部と、
前記電流検出部、前記電流ゼロクロス検出部及び前記位置信号出力部からの信号が入力され、前記駆動電圧の位相を調整した結果を前記電圧制御部に与える位相制御部とを備え、
前記位相制御部は、前記誘起電圧のゼロクロス位相に相当する位置と、前記電流のゼロクロス位相とが一致するよう、前記駆動電圧の位相を調整する第１位相調整部と、
前記電流の値が小さくなるよう前記駆動電圧の位相を調整する第２位相調整部と、
前記電動機の駆動状態を示す、前記駆動電圧、前記電流及び回転速度のうち少なくとも１つの情報に基づいて、前記第１位相調整部と前記第２位相調整部との何れか一方を選択して用いるように切り替える選択制御部とを有するモータ駆動装置。
前記第２位相調整部は、前記電流検出部で検出された電流について交流の１周期毎のピーク値を取得し、これを１周期分又は複数周期に亘り積算したものを、過去に得られた前記ピーク値と比較して電流値の大小を判定する請求項１記載のモータ駆動装置。
前記電流検出部は、少なくとも２相の電流を検出し、
前記第２位相調整部は、２相の電流値が等しくなるタイミングで、残りの１相の電流値をピーク値として取得する請求項２記載のモータ駆動装置。
前記第２位相調整部は、前記電流検出部で検出された電流について、交流の１周期分又は複数周期に亘り正又は負の半周期の電流値を積分し、過去に得られた前記積分値と比較して電流値の大小を判定する請求項１記載のモータ駆動装置。
前記選択制御部は、前記第２位相調整部における電流値の大小判定機能を流用し、前記第２位相調整部が用いる比較用の設定とは異なる閾値を設定し、前記電流値の今回値と前回値との差分が前記閾値を超えると前記第１位相調整部を選択し、前記差分が前記閾値を下回ると前記第２位相調整部を選択する請求項２から４の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
前記選択制御部は、前記駆動電圧の大きさを予め決定したヒステリシス幅を有する設定値と比較する電圧振幅比較部を備え、前記設定値を下回る場合は前記第１位相調整部を選択し、前記設定値を上回る場合は前記第２位相調整部を選択する請求項１から４の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
前記選択制御部は、前記駆動電圧について過去の情報を保持しており、前記駆動電圧の大きさを前回値にヒステリシス幅を付与したものと比較する電圧変化比較部を備え、一定以上の変化が生じていると判断すると前記第１位相調整部を選択し、前記一定以上の変化が生じていないと判断すると前記第２位相調整部を選択する請求項１から６の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
前記選択制御部は、前記電圧振幅比較部と、前記電圧変化比較部とを備え、
先に前記電圧振幅比較部での比較を行い、前記設定値を上回る際には前記電圧変化比較部での比較を行う請求項６を引用する請求項７記載のモータ駆動装置。
前記位相制御部は、前記第１、第２位相調整部を切り替える際に、切り替え直前の位相調整量を保持し、切り替え後は前記保持された位相調整量から調整を継続する請求項１から８の何れか一項に記載のモータ駆動装置。