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公開番号2024027357
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-01
出願番号2022130097
出願日2022-08-17
発明の名称モータ制御装置
出願人株式会社東芝,東芝デバイス&ストレージ株式会社
代理人弁理士法人サトー
主分類H02P 6/16 20160101AFI20240222BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】安定したモータ駆動を可能にする。
【解決手段】実施形態のモータ制御装置は、インバータ回路の直流側に接続され、電流値に対応する信号を発生する電流検出素子を備え、少なくともモータの相電流に基づいてロータ位置を決定し、その位置に追従させて2相又は3相のPWM信号を生成する。PWM信号生成部は、電流検出部がPWM信号の搬送波周期内で固定された2点のタイミングで2相の電流を検出可能となる3相の位相シフトPWM信号を生成する。推定したモータの電機子巻線の鎖交磁に基づきモータの回転磁界角度及び速度を推定し、PWM信号生成部に、モータ印可電圧の変調率の高低に応じて異なるPWM信号を生成させる切替え指令を出力する。2相又は3相のPWM信号パターンを生成した際に電気角1周期中でモータ電流が検出できなければ、前回の制御周期で推定した速度を使用し且つ前記速度を基に演算した角度を生成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
3相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を所定のPWM信号パターンに従いオンオフ制御することで、直流を3相交流に変換するインバータ回路を介してモータを駆動するモータ制御装置において、
前記インバータ回路の直流側に接続され、電流値に対応する信号を発生する電流検出素子と、
少なくとも前記モータの相電流に基づいてロータ位置を決定し、前記ロータ位置に追従するように2相又は3相のPWM信号パターンを生成するPWM信号生成部と、
前記電流検出素子に発生した信号と前記PWM信号パターンとに基づいて、前記モータの相電流を検出する電流検出部とを備え、
前記PWM信号生成部は、前記電流検出部が、前記PWM信号の搬送波周期内で固定された2点のタイミングで2相の電流を検出可能となるように3相の位相シフトPWM信号パターンを生成し、
前記モータの相電流と出力電圧指令に基づいて前記モータの電機子巻線の鎖交磁束を推定する磁束推定部と、
前記鎖交磁束に基づいて前記モータの回転磁界角度及び速度を推定し、前記PWM信号生成部に、前記モータ印可電圧の変調率の高低に応じて異なるPWM信号パターンを生成させるように切替え指令を出力する信号切替え出力部と、
2相又は3相のPWM信号パターンを生成した際に、電気角1周期の中で前記モータ電流が検出できない際には、前回の制御周期で推定した速度を使用し、且つ前回の制御周期で推定した速度を基に演算した角度を生成する角度補正部とを更に備えるモータ制御装置。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
前記PWM信号生成部は、前記位相シフトPWM信号パターンを、3相のPWM信号のうち1相は、前記搬送波周期の任意の位相を基準として遅れ側,進み側の双方向にデューティを増減させ、他の1相は、前記搬送波周期の任意の位相を基準として遅れ側,進み側の一方向にデューティを増減させ、残りの1相は、前記搬送波周期の任意の位相を基準として前記方向とは逆方向にデューティを増減させて生成する請求項1記載のモータ制御装置。
【請求項3】
信号切替え出力部は、前記PWM信号生成部に、前記モータ印可電圧の変調率が高い領域にある場合は対称のPWM信号パターンを2相又は3相で生成させ、前記モータ印可電圧の変調率が低い領域にある場合は、前記位相シフトPWM信号パターンを生成させるように切替え指令を出力する請求項1記載のモータ制御装置。
【請求項4】
前記磁束推定部は、前記モータ電流と前記αβ座標上の出力電圧指令に基づいて、時間積分することで、前記鎖交磁束を推定する請求項1に記載のモータ制御装置。
【請求項5】
前記磁束推定部は、αβ座標上の出力電圧指令と前記モータの相電流と前記モータの巻線抵抗値から演算した値を、2重の積分器により時間積分することで、前記鎖交磁束を推定する請求項4に記載のモータ制御装置。
【請求項6】
前記信号切替え出力部は、変調率領域に応じてPWM搬送波の周波数を変化させる請求項1に記載のモータ制御装置。
【請求項7】
前記モータを始動させる際に、推定したモータ角度を用いて、界磁電流成分であるd軸電流を印可する強制転流を行う強制転流実行部を備える請求項1から6の何れかに記載のモータ制御装置。
【請求項8】
前記強制転流実行部は、前記強制転流を行う際に、速度制御の結果を用いてトルク電流成分であるq軸電流も印可する請求項7に記載のモータ制御装置
【請求項9】
前記磁束推定部で推定された磁束から演算したモータ角度及びモータ速度を用いて、前記モータの制御にベクトル制御を行うベクトル制御実行部を備える請求項1記載のモータ制御装置。
【請求項10】
前記磁束推定部で推定された磁束から演算したモータ角度及びモータ速度を用いて、前記モータの直接トルク制御を行う直接トルク制御実行部を備える請求項1記載のモータ制御装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、3相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子をPWM制御することで、インバータ回路を介してモータを制御する制御装置、特に1シャント電流検出方式によるセンサレス制御に関する。
続きを表示(約 2,700 文字)【背景技術】
【0002】
モータを制御するためにU,V,W各相の電流を検出する場合、インバータ回路の直流部に挿入した1つのシャント抵抗を用いて電流検出を行う技術がある。この方式で3相の全ての電流を検出するには、PWM(Pulse Width Modulation;パルス幅変調)キャリア;搬送波の1周期内において、2相以上の電流を検出できるように3相のPWM信号パターンを発生させる必要がある。
【0003】
そのため、特許文献1では、1周期内におけるPWM信号の位相をシフトさせることで常に2相以上の電流を、騒音を増大させること無くモータ印可電圧の変調率が低い領域でも検出できる技術が提案されている。一方、推定した磁束からモータ速度、及び角度を推定する方法として、例えば、非特許文献1、2では、磁束オブザーバが提案されている。磁束オブザーバ方式では、例えば電流センサから得た二相電流Iα及びIβと、二相電圧Vα及びVβとモータ巻線抵抗Rとに基づいて、モータ巻線の鎖交磁束のα軸成分Ψα及びβ軸成分Ψβを推定すると共に、モータの回転磁界角度、ひいてはロータの位相角度及び発生トルクTを推定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特許第5178799号公報
【非特許文献】
【0005】
井上、他3名,井上、他5名「PMSMにおける直接トルク制御の運転領域を拡大する磁束推定手法に関する実機検証」令和3年電気学会全国大会講演論文集,電気学会,令和3年3月1日 5‐095
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
非特許文献1に示される磁束オブザーバにおいて、磁束の推定に用いる電流は、CT等の電流センサや3シャント電流検出方式の適用が想定されている。しかし、家電機器では、インバータの低コスト化等のために1シャント電流検出方式が適用されることが多い。1シャント電流検出方式を適用すると、起動から低速時におけるモータ印可電圧の変調率が低い場合に、電流を検出することができず磁束の推定に誤差が生じる可能性がある。特に、正弦波上に変化しているα軸、β軸の電流を磁束推定の演算に用いる場合、電流の未検出時に前回値を用いると、鎖交磁束の推定誤差が大きくなるという問題がある。
【0007】
そこで、推定した鎖交磁束からモータの回転磁界の位相角度及び速度を推定する磁束オブザーバ方式と1シャント電流検出方式とを組み合わせた際に、起動から低速領域で生じうる鎖交磁束の推定誤差を抑制し、安定したモータ駆動を可能とするモータ制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
実施形態のモータ制御装置は、3相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を所定のPWM信号パターンに従いオンオフ制御することで、直流を3相交流に変換するインバータ回路を介してモータを駆動するものにおいて、
前記インバータ回路の直流側に接続され、電流値に対応する信号を発生する電流検出素子と、
少なくとも前記モータの相電流に基づいてロータ位置を決定し、前記ロータ位置に追従するように2相又は3相のPWM信号パターンを生成するPWM信号生成部と、
前記電流検出素子に発生した信号と前記PWM信号パターンとに基づいて、前記モータの相電流を検出する電流検出部とを備え、
前記PWM信号生成部は、前記電流検出部が、前記PWM信号の搬送波周期内で固定された2点のタイミングで2相の電流を検出可能となるように3相のPWM信号パターンを生成し、
前記鎖交磁束に基づいて前記モータの回転磁界角度及び速度を推定し、前記PWM信号生成部に、前記モータ印可電圧の変調率の高低に応じて異なるPWM信号パターンを生成させるように切替え指令を出力する信号切替え出力部と、
2相又は3相のPWM信号パターンを生成した際に、電気角1周期の中で前記モータ電流が検出できない際には、前回の制御周期で推定した速度を使用し、且つ前回の制御周期で推定した速度を基に演算した角度を生成する角度補正部とを更に備える。
【図面の簡単な説明】
【0009】
第1実施形態であり、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図
磁束オブザーバを用いたベクトル制御ブロックを示す図
位置推定制御部の詳細構成を示す機能ブロック図
磁束推定部で使用する積分器の構成を示す機能ブロック図
1シャント電流検出方式における角度補正処理を示すフローチャート
PWM出力方式に応じた電流検出率の例を示す図
第2実施形態であり、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図
第3実施形態であり、磁束推定部で使用する積分器の構成を示す機能ブロック図
第1実施形態における低速域での実角度と推定角度と関係を示す図
第3実施形態における低速域での実角度と推定角度と関係を示す図
第4実施形態であり、モータ起動時の処理を示すフローチャート
各信号波形を示す図
図12の一部を拡大して示す図
第5実施形態であり、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図
変調率の高低に応じてPWM信号の搬送波周波数及び出力パターンを切り換える処理を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【0010】
(第1実施形態)
図1は、本実施形態のモータ制御装置の構成を示す機能ブロック図であり、特許文献1の図1に、幾つかの機能ブロックを追加したものである。直流電源部1は、直流電源のシンボルで示しているが、商用交流電源から直流電源を生成している場合には、整流回路や平滑コンデンサ等を含んでいる。直流電源部1には、正側母線2a,負側母線2bを介してインバータ回路3が接続されているが、負側母線2b側には電流検出素子であるシャント抵抗4が挿入されている。インバータ回路3は、スイッチング素子である例えばNチャネル型のパワーMOSFET5(U+,V+,W+,U-,V-,W-)を3相ブリッジ接続して構成されており、各相の出力端子は、例えばブラシレスDCモータからなるモータ6の各相巻線にそれぞれ接続されている。
(【0011】以降は省略されています)

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