JP4406552B2

JP4406552B2 - 電動機の制御装置

Info

Publication number: JP4406552B2
Application number: JP2003369771A
Authority: JP
Inventors: 亨仁木; 光久川又
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: JP2005137106A

Description

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。

従来、電動機の制御装置において、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ことによるセンサレス制御技術が提案されている。

例えば、特開２００１−２５１８８９号公報（特許文献１）、平成１３年電気学会産業応用部門大会論文集Ｎｏ．２４８による技術（非特許文献１）では、突極性を持つ同期モータの回転子位置を誘起電圧の位相から正確に推定できる回転子位置推定方法と、この推定方法を適用して高速運転、あるいは負荷急変や急加減速運転を安定に行うことができる方法が考案されている。この方式により、モータ電流センサのみで制御を行うことが可能となる。

また、平成１４年電気学会産業応用部門大会論文集Ｎｏ．１７１による技術（非特許文献２）は、前記方式を発展させた方式であり、従来例１の位置センサレス技術において必要なモータ相電流情報を、インバータの直流側に流れる電流を検出する、直流シャント抵抗から再現することを特徴としている。このため、モータ電流センサを省略した制御装置を提供することが可能となる。

特開２００１−２５１８８９号公報

平成１３年電気学会産業応用部門大会論文集Ｎｏ．２４８平成１４年電気学会産業応用部門大会論文集Ｎｏ．１７１

特許文献１及び非特許文献１，２の方式では、電動機が空転している際、インバータのスイッチング動作が停止しているため、電動機に電流が流れない。このため、電動機を再駆動させる際、空転中の磁極位置を検出、あるいは推定することができず、停止するまで待つか、強制的にブレーキ制御をかけて回転を停止させ、その後停止状態から再起動しなければならないため、再起動までの時間が長くなるという欠点があった。

本発明は前記課題を解決するために、複数相の巻線を有する電動機と、直流電圧を可変周波数、可変電圧の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回路と、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチングするドライバ回路と、前記ドライバ回路へＰＷＭ信号を出力する制御部とを備え、なおかつモータの磁極位置を直接検出するための手段を有さない電動機の制御装置において、前記電動機の空転中の位相信号を検出するための位相検出手段を設け、前記制御部は、スイッチ信号が「切」のときに、前記位相検出手段からの前記位相信号を受け、前記位相信号の信号レベルがＨからＬへ変化あるいはＬからＨへ変化したときのタイミングで位相を更新すると共に、前記位相信号の信号レベルの変化ごとに前記電動機の空転中の周波数を演算し、電流指令値として０を選択すると共に、周波数指令として前記電動機の空転中の周波数を選択し、前記電動機の空転中の電圧指令値を演算する。

また、モータ電流検出手段を省略し、かわりにインバータの直流側に流れる電流を検出する手段を有する手段を備えた構成とする。この電流から電動機の磁極位置を求め、さらに電動機として永久磁石同期モータを使用する。

そして、位相信号を生成する位相検出手段として、電動機の固定子巻線とインバータ回路間の配線にかかる線間電圧を分圧する分圧回路と、前記分圧回路によって得られた信号を比較して信号レベルをＨまたはＬとして前記位相信号を出力する比較回路から構成する。

本発明により、インバータのスイッチング動作が停止している間、電動機の磁極位置と回転周波数を簡便な構成によって得ることが可能となる。

このため、センサレス制御方式の目的である、部品削減による信頼性向上、設置場所における制約の排除を満たしたまま、電動機を空転時の状態からただちに起動させることが可能となる。

特に、電動機に永久磁石同期モータを使用することで、空転中においても誘起電圧を得られるため、位相検出信号を得ることが可能となり、再起動させることが可能となる。

また、上記誘起電圧が検出できなくなるような低速回転のときは、最小時間で強制的にブレーキ制御を行い、回転停止後、ただちに再起動することにより、再起動までの時間を短くすることができる。

さらに、本発明の制御装置は、電気掃除機のように、軽負荷で電動機の出力を停止しても数秒間回転し続け、なおかつ、頻繁にスイッチの入切動作が実行可能な製品に適用することにより、再起動までの時間を短くする効果を得ることができる。

電気掃除機のように、軽負荷で電動機の出力を停止しても数秒間回転し続け、なおかつ、頻繁にスイッチの入切動作が実行可能な製品に適用することにより、再起動までの時間を短くする効果を得る。

本発明の実施例として、電気掃除機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。

図２は、本発明に関わる電気掃除機の外観であり、縦収納姿勢の電気掃除機１０を充電台２０に設置した状態を図示している。

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、直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力をモータ１０３に出力するインバータ回路１０４、それを駆動するドライバ１０５、ドライバにＰＷＭ信号を出力するマイコン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、インバータ回路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、インバータ直流電流検出手段１１０、過電流検出手段１１１、直流電流検出抵抗１１７、とを備えて構成されている。

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。

なお、本図ではエネルギ供給手段として充電池を用いているが、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。

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１０７によって、また、磁極位置を直流電流検出手段１１０から得た電流情報１１４をもとにして出力演算を行い、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。

スイッチ信号１１２が入から切になると、マイコン１０６は、位相検出手段１０９からの信号を受け付け、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とインバータ回路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（位置検出信号）１１３としてマイコン１０６へ出力する。

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。

なお、本実施例において、位相検出手段１０９は、図６のように構成している。

１５０、１５１はＵ相の逆起電力を、また、１５２、１５３はＶ相の逆起電力を分圧し、コンパレータ１６０へ出力する回路である。

コンパレータ１６０は、回路１５０〜１５３の分圧回路によって得られた信号１５４、１５５を受け、位置検出信号１１３としてＨまたはＬを出力する。

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。

本実施例では、位置検出信号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８のように第２の位相検出信号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。

次に、図３〜図５を用いて、マイコン１０６内の動作について説明する。

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。

ベクトル制御系２００は、従来例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。詳細は前掲の参考文献に記載のものであるため、ここでは概略のみ説明する。

まず、相電流再現器２０１により、直流電流の電流情報１１４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。

また、回転子位置推定器２２０は、これらのIdc、Iqcと、電圧指令演算器２４０の出力である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。

電圧指令演算器２４０は、Id*、Iq*、ω1*から出力する電圧指令値Vd*、Vq*を演算する。ｄ−ｑ変換器２４２は、前記Vd*、Vq*を３相交流成分であるVu*、Vv*、Vw*に変換し、ＰＷＭ生成回路２４３へ出力する。

回路２４３はこれらのVu*、Vv*、Vw*と、電圧検知手段１０７から得た情報Edcをもとに、出力パルスをドライバ１０５へ出力し、ドライバ１０５はパルスをインバータ回路１０４へ出力する。

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。

空転中位相検出系３００は、インバータ回路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。

空転時位相検出器３０１は、位相検出手段１０９からの信号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。

空転時周波数計測器３０２は、空転時位相検出器３０１と同様に信号１１３の信号を受け、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。

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。

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。

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。

電動機１０３が完全停止している、あるいはインバータ回路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はベクトル制御系に何ら影響を与えない。

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。

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。

まず、インバータ回路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。もし停止状態と判定した場合、処理４０７において空転中位相検出系３００にあるスイッチ切り替え状態をＢとし、ブレーキによる停止処理４０８を実行する。また、空転中からの再起動が可能な場合、処理４０６でスイッチをＡに設定し、再起動に備える。

一方、判定５０１において、インバータ回路へパルス出力中であった場合、空転中位相検出系３００にあるスイッチ切り替え状態を判定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５０９を行い、電動機１０３を制御する。

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、インバータ回路１０４へのパルス出力を開始する直前のままとなっている。

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。

もし再現可能となった場合、初めて状態Ｂへの変更を行い、通常の制御を行う。

次に、電動機１０３が空転中のときにおいて、位置検出信号１１３の信号変化毎に実行される処理を、図５を用いて示す。

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から出力された信号が変化した直後の状態を検出する。

また、空転中周波数演算処理５０２は、位相検出手段１０９から出力された信号が変化した時間間隔を計測する。

信号がＨ→Ｌ、Ｌ→Ｈに変化するタイミングは、図７に示すように検出回路の波形、つまり磁極位置と常に１対１の対応を示す。このため、電動機１０３の正確な位相情報、空転時周波数を正確に得ることができる。

インバータ出力開始判定５０３は、スイッチ１０８からの信号を監視し、入になったときに有効となる。スイッチ１０８が入になると、磁極位置設定処理５０４により、ソフトウェア内で保持している位相と実際の磁極の位相を合わる。次に、インバータ回路１０４へパルスを出力することを許可するインバータ出力開始処理５０５を実行する。最後に、インバータ回路１０４から電動機１０３へ電力を出力している間、検出回路１０９は意味の無い信号を送出する。これを受け付けないようにするため、割り込み停止処理４０６を実行する。

本発明の実施例であり、電動機が空転中でも再起動可能な構成とした、正弦波変調された信号で電動機を制御する、位置センサレス、電流センサレス方式によるインバータ構成図である。電気掃除機の外観図である。本発明の実施例であり、電動機が空転中でも再起動可能させるために必要な空転中位相検出系を備えた制御ブロック図である。本実施例の全体的な動作の流れを示したフローチャートである。位置検出信号の信号変化毎に実行される処理の流れを示したフローチャートである。位相検出回路１０９の第１の回路例である。位相検出回路が得る、電動機の誘起電圧と、出力する信号の関係図である。位相検出回路１０９の第２の回路例である。

符号の説明

１００…充電池、１０１…コンデンサ、１０２…ファン、１０３…電動機、１０４…インバータ、１０５…ドライバ回路、１０６…マイクロコンピュータ、１０７…電圧検知手段、１０８…手元スイッチ、１０９…位相検出手段、１１０…直流電流検出器、１１１…過電流検出回路、１５０,１５１,１５２,１５３…分圧抵抗、１６０…コンパレータ、２０１…相電流再現器、２０２…３相交流電流→回転座標系変換器（ｄ−ｑ変換器）、２２０…回転子位置推定器、２２１…ＰＬＬ制御器、２４０…電圧指令演算器、２４１…ｄ軸電流生成器、２４２…回転座標系→３相交流電圧変換器（ｄ−ｑ変換器）、２４３…パルス幅変調部、２４４…電流指令作成部、３０１…空転時位相検出器、３０２…空転時周波数計測器、３１０…空転時／他状態切替器。

Claims

複数相の巻線を有する電動機と、直流電圧を可変周波数、可変電圧の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回路と、前記インバータ回路のスイッチング素子をスイッチングするドライバ回路と、前記ドライバ回路へＰＷＭ信号を出力する制御部とを備え、なおかつモータの磁極位置を直接検出するための手段を有さない電動機の制御装置において、
前記電動機の空転中の位相信号を検出するための位相検出手段を設け、
前記制御部は、スイッチ信号が「切」のときに、前記位相検出手段からの前記位相信号を受け、前記位相信号の信号レベルがＨからＬへ変化あるいはＬからＨへ変化したときのタイミングで位相を更新すると共に、前記位相信号の信号レベルの変化ごとに前記電動機の空転中の周波数を演算し、電流指令値として０を選択すると共に、周波数指令として前記電動機の空転中の周波数を選択し、前記電動機の空転中の電圧指令値を演算することを特徴とした、電動機の制御装置。
請求項１に記載の電動機の制御装置において、
特に電動機に永久磁石同期モータを使用したことを特徴とする、電動機の制御装置。
請求項２に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回路間の配線にかかる線間電圧を分圧する分圧回路と、前記分圧回路によって得られた信号を比較して信号レベルをＨまたはＬとして前記位相信号を出力する比較回路から構成されたことを特徴とする、電動機の制御装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の電動機の制御装置において、
前記位相検出手段からの信号が検出できない所定の回転数以下のときは強制的にブレーキ制御を行い、回転停止後、再起動させるようにし、また、前記位相検出手段からの信号が検出可能な所定回転数以上のときに、前記位相検出手段の出力をもとに前記制御部からのＰＷＭ信号を生成するようにしたことを特徴とする電動機の制御装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の電動機の制御装置を、電気掃除機の制御装置としたことを特徴とする電気掃除機。