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公開番号2020005472
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200109
出願番号2018125741
出願日20180702
発明の名称電動機の制御装置
出願人日立グローバルライフソリューションズ株式会社
代理人個人
主分類H02P 21/34 20160101AFI20191206BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】
電動機が同期PWM制御方式で制御された場合に、空転中の電動機を再駆動したとしても、電気ショックの発生を抑止し、異常状態に陥ることを低減可能な電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】
複数相の巻線を有する電動機を制御する電動機の制御装置であって、直流電圧を正弦波の交流電圧に変換し電動機に供給するインバータと、正弦波の交流電圧の周波数に応じてスイッチング信号を生成する制御部と、制御部の制御周期を可変させ、かつ、正弦波の交流電圧に対し常に同じ位相でスイッチングを行う位相制御情報を出力する同期PWM制御部と、制御部からのスイッチング信号の出力が停止したときに、電動機の空転中位相を検出し、位相信号を出力する位相検出手段と、を有し、制御部は、電動機が空転中から再起動する際に、位相信号と位相制御情報に基づいて、スイッチング信号を生成する。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
複数相の巻線を有する電動機を制御する電動機の制御装置であって、
直流電圧を正弦波の交流電圧に変換し前記電動機に供給するインバータと、
前記正弦波の交流電圧の周波数に応じてスイッチング信号を生成する制御部と、
前記制御部の制御周期を可変させ、かつ、前記正弦波の交流電圧に対し常に同じ位相でスイッチングを行う位相制御情報を出力する同期PWM制御部と、
前記制御部からの前記スイッチング信号の出力が停止したときに、前記電動機の空転中位相を検出し、位相信号を出力する位相検出手段と、を有し、
前記制御部は、前記電動機が空転中から再起動する際に、前記位相信号と前記位相制御情報に基づいて、前記スイッチング信号を生成することを特徴とする、電動機の制御装置。
続きを表示(約 530 文字)【請求項2】
請求項1記載の電動機の制御装置であって、
前記電動機は、永久磁石同期モータである、電動機の制御装置。
【請求項3】
請求項1記載の電動機の制御装置において、
前記位相検出手段は、前記電動機の固定子巻線と前記インバータ間の複数の配線にかかる線間電圧を分圧した複数の電圧を比較する比較回路を有する、電動機の制御装置。
【請求項4】
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電動機の制御装置であって、
前記位相検出手段からの信号が検出できない所定の電動機の回転数未満の場合は、停止制御を行い、回転停止後、再起動させ、
前記記位相検出手段からの信号が検出可能な所定の電動機の回転数以上のときに、前記位相検出手段の位相信号に基づいて、スイッチング信号を生成する、電動機の制御装置。
【請求項5】
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電動機の制御装置であって、
前記電動機は電気掃除機の電動機である電動機の制御装置。
【請求項6】
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電動機の制御装置であって、
前記電動機は電気洗濯機の電動機である電動機の制御装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電動機の制御装置に関し、特に磁極位置検出手段、モータ電流検出手段を省略したセンサレス制御方法及び装置に関するものである。
続きを表示(約 7,000 文字)【背景技術】
【0002】
従来、電動機の制御装置において、部品削減による信頼性向上、及び設置場所における制約の排除を目的に、電動機の磁極位置を検出するための磁極位置センサ、あるいはモータ電流センサを省略するセンサレス制御技術が提案されている。
【0003】
特許文献1では、このセンサレス制御においてインバータのスイッチング動作が停止している状態、即ち電動機が空転している状態において、位相検出手段により空転中の実際の位相を検出し、インバータのスイッチング動作再開時には前記の実際の位相を用いることで、空転状態からの再起動を可能としている。
【0004】
一方で、直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換するPWMインバータ装置で駆動される電動機において、近年では、より広範囲にわたる速度制御が要求されている。この要求を実現するため、特許文献2では高速で駆動される電動機に対し、インバータ駆動電圧の変調率や電動機の駆動周波数に応じてインバータのスイッチング周波数を可変させ、かつ、トルク変動抑止のためインバータのスイッチングタイミングが、電動機の駆動周波数の1周期内において常に同じとなるように位相を管理する同期PWM制御を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2005−137106号公報
特開2013−223308号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献2に示されるような同期PWM制御方式を採用した場合に、特許文献1の方式で空転中の電動機を再駆動させると、同期PWM制御で管理していない位相が入力されるため、再駆動直後にインバータのスイッチングタイミングにずれが生じることで、電流ショックが発生し、過電流や脱調等の異常状態に陥る可能性がある。
【0007】
本発明は、電動機が同期PWM制御方式で制御された場合に、空転中の電動機を再駆動したとしても、電気ショックの発生を抑止し、異常状態に陥ることを低減可能な電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は上記課題を解決するために、複数相の巻線を有する電動機を制御する電動機の制御装置であって、直流電圧を正弦波の交流電圧に変換し電動機に供給するインバータと、正弦波の交流電圧の周波数に応じてスイッチング信号を生成する制御部と、制御部の制御周期を可変させ、かつ、正弦波の交流電圧に対し常に同じ位相でスイッチングを行う位相制御情報を出力する同期PWM制御部と、制御部からのスイッチング信号の出力が停止したときに、電動機の空転中位相を検出し、位相信号を出力する位相検出手段と、を有し、制御部は、電動機が空転中から再起動する際に、位相信号と位相制御情報に基づいて、スイッチング信号を生成する構成とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、電動機が同期PWM制御方式で制御された場合に、空転中の電動機を再駆動したとしても、電気ショックの発生を抑止し、異常状態に陥ることを低減可能な電動機の制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
本発明に係る電動機の制御装置の一構成例を示す図である。
電気掃除機の外観を示す図である。
本発明の電動機の制御装置の処理部の制御ブロックを示す図である。
本発明の電動機の制御装置の全体動作フローを示す図である。
本発明の電動機の制御装置の位相信号の処理フローを示す図である。
本発明の位相検出手段の一回路例を示す図である。
本発明の位相信号と分圧信号の関係を示す図である。
本発明の同期PWM制御の電圧位相と位相信号との関係を示す図である。
本発明の位相検出手段の他の回路例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明は、複数相の巻線を有する電動機103を制御する電動機103の制御装置に関し、本発明の実施例として、電動機103を含む電気掃除機10の制御装置に利用した場合について、以下詳細に説明する。
【0012】
図2は、本発明に関わる電気掃除機10の外観である。 図1は、本発明に関わるモータ制御装置の基本構成図である。図1において、モータ制御装置はエネルギを供給する充電池100、平滑コンデンサ101、負荷としてのファン102が取り付けられた電動機103、直流電圧を正弦波の交流電圧に変換し、変換した交流電力を電動機103であるモータ(本実施例では永久磁石同期モータ)に出力するインバータ104、それを駆動するドライバ回路105、ドライバ回路105にPWM信号を出力する処理部であるマイコン106、電源電圧を検出する為の電圧検知手段107、掃除機のスイッチ入切信号を伝えるスイッチ信号生成部108、インバータ104からの電力出力を停止し、電動機103が空転しているときに磁極位置信号を生成する位相検出手段109、直流電流検出器110、過電流検出回路111、直流電流検出抵抗117、とを備えて構成されている。
【0013】
このように、本実施例は直接、磁極位置やモータ電流を検出する手段を省略した、センサレス構成となっている。
【0014】
なお、本図ではエネルギ供給手段として充電池100を用いているが、交流電力を直流電力に変換する手段を用いることにより、直流電力を利用することも可能である。
【0015】
スイッチ信号生成部108からのスイッチ信号112が入の状態になると、マイコン106は充電池100の電圧を電圧検知手段107によって、また、磁極位置を直流電流検出器110から得た電流情報114をもとにして出力演算を行い、ドライバ回路105にPWM波形を出力する。インバータ104はこの出力を受けて駆動され、電源100からの直流電力を交流電力として電動機103へ供給する。この結果、電動機103とそれに取り付けられたファン102が回転し、吸い込み力が発生、ゴミを吸引する風力を得る。
【0016】
スイッチ信号112が入から切の状態になると、マイコン106は、位相検出手段109からの位相信号113を受け付け、空転中の電動機103の状態を監視する。位相検出手段109は、電動機103とインバータ104を結ぶ各相の配線116からそれぞれの逆起電力を検出し、位相信号113としてマイコン106へ出力する。
【0017】
また、スイッチ信号生成部108は、入切情報の他にも数種類の動作モードを持っている。マイコン106は、それぞれの動作モードに応じて回転数等の制御を行い、吸い込み力に変化をつける。
【0018】
なお、本実施例において、位相検出手段109は、制御部であるPWM生成回路243からのスイッチング信号の出力が停止したときに、電動機103の空転中位相を検出し、位相信号を出力するものであり、図6のように構成している。図6ではU相とV相の逆起電力を用いる場合で説明する。
【0019】
分圧回路150、151はU相の逆起電力を、また、分圧回路152、153はV相の逆起電力を、分圧し、比較回路であるコンパレータ160へ出力する。
【0020】
比較回路であるコンパレータ160は、電動機103の固定子巻線とインバータ104間の複数の配線にかかる線間電圧を分圧した複数の電圧を比較するものであり、具体的には、分圧回路150〜153によって得られた信号154、155を受け、位相信号113としてHまたはLを出力する。
【0021】
これらの波形の関係は図7のようになっており、U−V間線間電圧のゼロクロス点を閾値として、HかLを出力する回路と等価である。
【0022】
本実施例では、位相信号113のみを検出して空転中の状態を監視しているが、正転、逆転させる場合は図9のように第2の位相信号170を出力させることで、回転方向の検出を行うことも可能である。
【0023】
次に、図3〜図5を用いて、処理部であるマイコン106内の動作について説明する。
【0024】
図3において、マイコン106の動作は、ベクトル制御系200、空転中位相検出系300から構成されている。
【0025】
ベクトル制御系200は、特許文献1、2で提案するスマートベクトル方式であり、磁極位置センサ、モータ電流センサを省略した構成に対応している。同期PWM制御器245を除き、詳細は特許文献1に記載のものであるため、ここでは概略のみ説明する。
【0026】
まず、相電流再現器201により、増幅器114からの直流電流の電流情報I
DC
から得た情報からモータ電流を再現する。これを、d−q変換器202により3相のIu、Iv、Iwの交流電流情報から回転座標系に変換し、トルク電流成分Iqcと、励磁電流成分Idcに変換する。
【0027】
また、回転子位置推定器220は、これらのトルク電流成分Idc、励磁電流成分Iqcと、電圧指令演算器240の出力である電圧指令値Vdc*、Vqc*をもとにして、制御系で推定した磁極位置と、実際の電動機103との磁極位置のずれΔθcを算出する。ずれΔθcは、PLL制御器221によって周波数指令値ω1に反映される。
【0028】
電圧指令演算器240は、Id*、Iq*、ω1*から出力する電圧指令値Vdc*、Vqc*を演算する。
【0029】
同期PWM制御器245は、制御部であるPWM生成回路243の制御周期を可変させ、かつ、正弦波の交流電圧に対し常に同じ位相でスイッチングを行う位相制御情報(キャリア周期Tcと、同期PWM制御状態Np)を出力するものであり、具体的には、ω1*とθdcとVdc*とVqc*から、電圧位相と同期したキャリア周期Tcと、同期PWM制御状態Npを出力する。図8はNpが3の時のキャリア波600と電圧位相610の関係及び、Npが9の時のキャリア波601と電圧位相611の関係を示している。Npが3の時のキャリア周期は電圧位相610の周期の3倍であり、Npが9の時のキャリア周期は電圧位相611の周期の9倍である。このように、Npはω1*の周期とキャリア周期Tcの関係を示している。
【0030】
負荷変動等の外乱により前記電圧位相とキャリア周期Tcの関係がずれた場合、ずれを補正するための補正量ΔTcを現在のキャリア周期Tcに加えて出力することで、電圧位相とキャリア波の関係を一定に保ち、交流電圧に対し常に同じ位相でスイッチングを行えるように制御している。
【0031】
本実施例ではキャリア周期Tcがω1*に依らず一定の非同期状態の場合を同期PWM制御状態Np=0と定義し、ω1*の大きさに応じてNpを0、3、9のいずれかの状態に切替えて制御しているものとする。
【0032】
d−q変換器242は、電圧指令値Vdc*、Vqc*を3相交流成分であるVu*、Vv*、Vw*に変換し、同期PWM制御器245の出力であるキャリア周期Tcに応じたVu*、Vv*、Vw*を制御部であるPWM生成回路243へ出力する。
【0033】
制御部であるPWM生成回路243は、正弦波の交流電圧の周波数に応じてスイッチング信号を生成するものであり、これらのVu*、Vv*、Vw*と、電圧検知手段107から得た情報Edcと同期PWM制御器245の出力であるキャリア周期Tc、をもとに、出力パルスをドライバ回路105へ出力し、ドライバ回路105はインバータ104へ、パルスを出力する。
【0034】
なお、励磁電流指令値Id*はd軸電流生成器241で、トルク電流指令値Iq*は、トルク電流フィードバック値Iqcからフィルタ244を介することによって求めている。
【0035】
空転中位相検出系300は、インバータ104のパルス出力が停止し、電動機103が空転している時に動作するもので、電動機103が空転中の状態から再起動できるようにするものである。
【0036】
空転時位相検出器301は、位相検出手段109からの位相信号113を受け、信号レベルがH→L、あるいはL→Hに変化したときのタイミングで位相θfrを更新する。
【0037】
空転時周波数計測器302は、空転時位相検出器301と同様に位相信号113を受け、その信号レベルの変化ごとに電動機103の空転時周波数ωfrを演算する。
【0038】
スイッチ310は、電動機103が空転中であるか否かによって、使用する指令値を切り替えるものである。
【0039】
空転時、スイッチ310は状態Aを選択する。このため、位相検出手段109からの位相信号113は空転時位相検出器301、空転時周波数計測器302で検出され、空転時の電動機103の状態を監視できるようになる。
【0040】
また、電圧指令生成器240への電流指令値Id*、Iq*として0を選択し、周波数指令として、空転時周波数ωfrを選択する。この結果、空転中の電圧指令値を常に演算することが可能となるため、空転中から電動機103を再起動させる際、この電圧指令値を即座に利用することが可能となる。
【0041】
電動機103が完全停止している、あるいはインバータ104が電動機103へ電力を出力している状態において、スイッチ310は状態Bを選択する。このため、空転中位相検出系300はベクトル制御系200に何ら影響を与えない。
【0042】
以下、本実施例におけるシステムの動作の流れを、図4、図5を用いて説明する。
【0043】
図4は、本実施例の全体的な動作の流れについて示したものである。
【0044】
まず、インバータ104へパルス出力処理を行っているかどうかを、インバータ出力中判定401で判断する。このとき、出力を停止していた場合、空転時周波数ωfrをもとにして判定405を行う。判定405は、再起動可能か不可能かを判定するものであり、位相検出手段109からの信号が検出できない所定の電動機の回転数未満、又は位相検出手段109からの信号が検出可能な所定の電動機103の回転数以上かどうかを判定するものである。具体的には、空転時周波数ωfrが、予め定めた下限値以上か否かを判定する。もし再起動不可状態と判定した場合、具体的には、空転時周波数ωfrが、予め定めた下限値以上と判定された場合、処理407において空転中位相検出系300にあるスイッチ310をBに設定し、電動機を停止する停止処理408を実行する。また、空転中からの再起動可能状態と判定した場合、具体的には、空転時周波数ωfrが、予め定めた下限値より小さいと判定された場合、処理406で空転中位相検出系300にあるスイッチ310をAに設定し、再起動に備える。
【0045】
一方、判定401において、インバータ104へパルス出力中であった場合、空転中位相検出系300にあるスイッチ310を判定402で実行する。このとき、状態Bだった場合、そのまま電圧演算409を行い、電動機103を制御する。
【0046】
状態Aの場合、まだ空転時からの再起動処理が継続されていることを示す。このときの電流指令値は、図3にもあるとおりId*、Iq*共に0であり、また周波数指令値は、インバータ104へのパルス出力を開始する直前のままとなっている。
【0047】
そこで、通常のベクトル制御を行うため、状態Bに戻すためには、相電流再現器201から再現される相電流波形が正確である必要がある。このため、相電流波形が正常に再現されるまで状態Aを継続する。
【0048】
判定403にて、電流再現可能となった場合、処理404にて、スイッチ310を初めて状態Bへ変更し、通常の制御を行う。
【0049】
次に、電動機103が空転中のときにおいて、位相信号113の信号変化毎に実行される処理を、図5を用いて示す。
【0050】
電動機103が空転中の間、位相信号検出処理501は、位相検出手段109から出力された位相信号113が変化した直後の状態を検出する。
(【0051】以降は省略されています)

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