モータ制御装置
【課題】大きなリプルを有する直流電源でモータをインバータ制御した場合、モータの回転が不安定となり、振動や騒音の増大や、最悪の場合、脱調や過電流停止を引き起こす。
【解決手段】モータ制御装置は、交流電源を直流出力電圧（Ｖｄｃ）に変換して出力するコンバータ（３）と、直流出力電圧を交流電流に変換してモータ（１）を駆動するインバータ（２）と、モータの回転数指令を設定する回転数設定部（１２）と、回転数指令に基づきインバータ（２）を制御するＰＷＭ信号生成部（１５）と、加速禁止直流電圧（ｄ）を設定する加速禁止直流電圧設定部（１６）と、加速禁止直流電圧（ｄ）および直流出力電圧（Ｖｄｃ）に基づき、モータの加速制御信号（ｅ）を生成する加速判定部（１７）とを有し、加速制御信号（ｅ）に基づき、回転数指令の変更を禁止する。
【解決手段】モータ制御装置は、交流電源を直流出力電圧（Ｖｄｃ）に変換して出力するコンバータ（３）と、直流出力電圧を交流電流に変換してモータ（１）を駆動するインバータ（２）と、モータの回転数指令を設定する回転数設定部（１２）と、回転数指令に基づきインバータ（２）を制御するＰＷＭ信号生成部（１５）と、加速禁止直流電圧（ｄ）を設定する加速禁止直流電圧設定部（１６）と、加速禁止直流電圧（ｄ）および直流出力電圧（Ｖｄｃ）に基づき、モータの加速制御信号（ｅ）を生成する加速判定部（１７）とを有し、加速制御信号（ｅ）に基づき、回転数指令の変更を禁止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ制御装置に関し、特に、モータの加速制御機能を備えたモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数相のコイルを備えた同期モータを駆動する場合、適切なタイミングで、モータ電流を流すこと、およびコイル端子に電圧を印加することの、いわゆる通電タイミングの最適化が重要となっている。この通電タイミングの基準を検出する方法として、逆起電力電圧を検出する方法や、ゼロクロス電流位相を検出する方法等、種々の方法が存在する。
【０００３】
逆起電力電圧を検出してモータへの通電タイミングを制御する方法として、モータロータ位置センサを用いずにモータを制御・駆動する、いわゆるセンサレス駆動が知られている。センサレス駆動では、モータの回転によりモータコイルに発生する逆起電圧をコイル端子から検出し、モータへの通電タイミングを制御する。
【０００４】
また、本願出願人は、特開２００１−１１２２８７号公報（特許文献１）にて、ゼロクロス時における電圧位相を検出する方法よりも精度の高い位相制御方法を開示している。即ち、２箇所のモータ駆動電圧位相期間ごとにサンプリングした各電流サンプリングデータを積算してモータ電流信号面積とし、この両モータ電流信号面積比を交流電圧／電流の位相差情報として検出する方式である。
【０００５】
図６を参照して、一般的なモータ制御装置の構成を説明する。
モータ制御装置は、コンバータ１３０、インバータ１５０、電流センサ１８０、およびコントローラ１１０で構成される。コンバータ１３０は、交流電源１６０から交流電圧が入力され、ダイオード全波整流回路１２０および平滑コンデンサ１４０で、リップルを改善した直流出力電圧に変換する。インバータ１５０は、コントローラ１１０で制御される３相のインバータ回路で、直流出力電圧をＵ相／Ｖ相／Ｗ相の３相の交流電流に変換し、同期モータ１００を駆動する。電流センサ１８０は、同期モータ１００のＵ相に流れるモータ相電流を検出する。コイル１７０は、コンバータ１３０の力率改善を目的に配置されている。
【０００６】
特開２００２−５１５８９号公報（特許文献２）には、上記コイル１７０を用いずに、インバータの母線間に、従来の平滑コンデンサの１／１００程度の小容量を接続する構成が開示されている。この構成により、交流電源の２倍の周波数を有するリプルを直流出力電圧に発生させ、入力電流波形の改善と高力率化を実現する方式を提案するものである。
【０００７】
図７を参照して、特許文献１が開示するモータ制御装置で同期モータの回転数を増加させた場合の、モータ電流の変化について説明する。図７（ａ）に示すとおり、コンバータ回路は、その直流出力電圧のリプルを改善できる程度に、十分大きな容量の平滑コンデンサを備えているとする。コンバータ回路に印加される交流電源の実効電圧値は２００Ｖ、周波数は５０Ｈｚとし、４極同期モータは、回転数２０００ｒｐｍで回転しているものとする。なお、図７は、各波形の時間的変化を概念的に示すものであり、従って、横軸および縦軸は任意スケールである。
【０００８】
図７（ｂ）に示すとおり、２０００ｒｐｍで回転している同期モータの回転数を、時刻ｔ１以降、増加（加速）させる。図７（ｃ）に示すとおり、ｔ１以降の加速期間中は、検出対象のＵ相のモータ電流振幅に見られるように、同期モータは安定した電流供給を受け、その結果一定のトルクで加速が行われる。つまり、振動や騒音の発生を抑制した同期モータの加速が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１１２２８７号公報
【特許文献２】特開２００２−５１５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図８を参照して、特許文献２の構成を有するコンバータへ、実効電圧値２００Ｖ、周波数５０Ｈｚの交流電源を印加し、そのコンバータの直流出力電圧で、２０００ｒｐｍで回転している４極同期モータを加速させた場合の課題を説明する。なお、図８は、各波形の時間的変化を概念的に示すものであり、横軸および縦軸は任意スケールである。
【００１１】
図８（ａ）は、コンバータの直流出力電圧の波形を示す。平滑コンデンサの容量が小さいため、直流出力電圧は、交流電源の２倍の周波数で変動するリプルを有する。リプルの周期は、交流電源の周波数５０Ｈｚの２倍の周波数、つまり、１０ｍｓとなる。図８（ｂ）に示すとおり、時刻ｔ１で、２０００ｒｐｍで回転している同期モータの回転数を増加（加速）させると、図８（ｃ）に示すとおり、時刻ｔ１以降、直流出力電圧のリプル成分のためモータ相電流振幅は不安定となる。この結果、同期モータの回転が不安定となり、振動や騒音の増大や、最悪の場合、脱調や過電流停止を引き起こすという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、交流電源を直流出力電圧に変換して出力するコンバータと、直流出力電圧を複数相の交流電流に変換して出力し、複数相のコイルを備えたモータを駆動するインバータと、直流出力電圧を検出する直流電圧センサと、モータの所定の相に流れるモータ相電流を検出する電流センサと、モータの回転数指令を設定する回転数設定部と、回転数指令に基づき、インバータを制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、加速禁止直流電圧を設定する加速禁止直流電圧設定部と、加速禁止直流電圧および直流出力電圧に基づき、モータの加速制御信号を生成する加速判定部と、加速制御信号に基づき、回転数指令の変更が禁止される、モータ制御装置である。
【００１３】
本発明のモータ制御装置において、直流出力電圧が加速禁止直流電圧以下となる加速禁止期間中は、回転数指令の変更が禁止されることが望ましい。
【００１４】
本発明のモータ駆動装置において、モータの目標回転数を設定する目標回転数設定部を更に備え、回転数指令は、モータの回転数が目標回転数に達するまで変更されることが望ましい。
【００１５】
本発明のモータ制御装置において、モータ相電流に基づき、モータ相電流振幅を検出するモータ相電流振幅検出部と、モータ相電流振幅目標値を設定するモータ相電流振幅目標値設定部と、モータ相電流振幅およびモータ相電流振幅目標値に基づき、加速禁止直流電圧を更新する加速禁止直流電圧更新部を更に備えることが望ましい。
【００１６】
本発明のモータ駆動装置において、加速禁止直流電圧更新部は、加速禁止期間に加速禁止直流電圧を更新することが望ましい。
【００１７】
本発明のモータ制御装置において、正弦波データを格納する正弦波データテーブルと、回転数指令および正弦波データに基づき、電圧指令値を生成する正弦波データ作成部と、電圧指令値とモータ相電流との位相差に基づき、ＰＷＭデューティー基準値を生成する位相差制御部を更に備え、ＰＷＭ信号生成部は、電圧指令値に基づきＰＷＭ信号を生成することが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、大きなリプルを有する直流電源でモータをインバータ制御した場合でも、安定したモータの加速制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係るモータ制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るモータ制御装置により、モータ回転数を制御するタイミングを説明する波形図である。
【図３】本発明の実施の形態の変形例に係るモータ制御装置のブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態の変形例に係るモータ制御装置により、モータ回転数を制御するタイミングを説明する波形図である。
【図５】本発明の実施の形態の変形例に係るモータ制御装置が備える、加速禁止直流電圧更新部における処理フロー図である。
【図６】一般的なモータ制御装置のブロック図である。
【図７】特許文献１が開示するモータ制御装置で同期モータの回転数を増加させた場合の、モータ相電流振幅の変化を示す図である。
【図８】特許文献２が開示する制御装置で同期モータの回転数を増加させた場合の、モータ相電流振幅の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。実施の形態の説明において、個数、量などに言及する場合、特に記載ある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。実施の形態の図面において、同一の参照符号や参照番号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、実施の形態の説明において、同一の参照符号等を付した部分等に対しては、重複する説明は繰り返さない場合がある。
【００２１】
＜実施の形態＞
図１を参照して、本発明の実施の形態に係るモータ制御装置のブロック図を説明する。
【００２２】
モータ制御装置は、入力に印加された交流電源４を直流出力電圧Ｖｄｃに変換して出力するコンバータ３、直流出力電圧Ｖｄｃを３相（Ｕ相／Ｖ相／Ｗ相）交流電流に変換して出力するインバータ２、直流出力電圧Ｖｄｃを検出して出力する直流電圧センサ２１、同期モータ１のＵ相のモータ相電流ａを検出して出力する電流センサ５、モータ相電流ａを所定量増幅し、オフセット加算したモータ電流信号ｂを出力するモータ電流検出アンプ部６、ＰＷＭ信号Ｐを生成して出力するコントローラ７、およびＰＷＭ信号Ｐに基づき、インバータ２における３相交流電流の生成を制御するベースドライバ１９で構成される。
【００２３】
コンバータ３は、複数のダイオードからなる全波整流回路２０、および平滑コンデンサ４０で構成される。平滑コンデンサ４０は、コンバータ３の母線間（接地配線と直流出力電圧Ｖｄｃを有する電源配線間）に接続され、本実施の形態では、その容量値が１００μＦ以下のものを用いる。具体的には、コンバータ３の負荷側と接続されるインバータ２において、同期モータ１の回生エネルギーによる半導体素子（３相の縦積みスイッチングトランジスタ）の耐圧破壊を防止する観点から、容量値を１０μＦ〜２０μＦ程度にすることが望ましい。
【００２４】
電流センサ５は、本実施の形態では、３相のモータ相電流のうちＵ相のモータ相電流を検出して出力している。電流センサ５の具体的な例として、コイルとホール素子で構成された、所謂、電流センサや、カレントトランス等がある。直流電圧センサ２１は、全波整流回路２０の出力電圧（コンバータ３の直流出力電圧Ｖｄｃ）を検出して出力する。
【００２５】
コントローラ７の構成について説明する。コントローラ７を構成する機能ブロックのうち、位相差検出部８、目標位相差情報格納部９、加算部１０、ＰＩ演算部１１（以上を、位相差制御部３０、とする。）、正弦波データテーブル１３、正弦波データ作成部１４、ＰＷＭ信号生成部１５、および回転数設定部１２の構成や機能は、特許文献１にて本願出願人が開示している。これら各機能ブロックの概要を以下に説明する。
【００２６】
位相差検出部８は、２箇所のモータ駆動電圧位相期間毎にサンプリングした各電流サンプリングデータを積算してモータ電流信号面積とし、両モータ電流信号の面積比を位相差情報として出力する。目標位相差情報は、目標位相差情報格納部９に格納される。目標位相差情報と位相差情報との誤差データは加算部１０により積算される。ＰＩ演算部１１は、算出された誤差データに対して比例誤差データおよび積分誤差データを算出してデューティ基準値を出力する。
【００２７】
回転数設定部１２は、同期モータ１の回転数指令を設定し、正弦波データテーブル１３は、所定のデータ個数で構成される正弦波データを含む。正弦波データ作成部１４は、回転数指令と正弦波データに基づき、モータコイルＵ相／Ｖ相／Ｗ相の各電圧指令値を生成するとともに、Ｕ相の正弦波データからＵ相のモータ駆動電圧位相情報ｃを出力する。
【００２８】
ＰＷＭ信号生成部１５は、正弦波データ作成部１４が出力する各相の電圧指令値およびＰＩ演算部１１が出力するデューティ基準値に基づき、各相毎のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号Ｐをベースドライバ１９へ出力する。なお、モータ起動時は、各相へ強制的に通電して回転磁界を与える強制励磁を行い、通常駆動時は上記方法で回転数の制御を行う。
【００２９】
次に、コントローラ７を構成する機能ブロックのうち、同期モータ１の加速制御を行う機能ブロックについて説明する。
【００３０】
目標回転数設定部１８は、回転数設定部１２が出力する回転数指令に基づく回転速度で回転している同期モータ１に対し、その到達目標である目標回転数を設定する。回転数設定部１２は、その目標回転数と同期モータ１の回転数とを比較して目標回転数となるようにその回転数を設定し、同期モータ１を徐々に加速または減速させる。加速禁止直流電圧設定部１６は、同期モータ１を加速制御するに際し、その可否判断の基準となる加速禁止直流電圧ｄを設定する。
【００３１】
加速判定部１７は、加速禁止直流電圧ｄと直流出力電圧Ｖｄｃとの比較結果に基づき、加速禁止／許可信号ｅを出力して、回転数設定部１２を制御する。直流出力電圧Ｖｄｃが加速禁止直流電圧ｄ以下となる期間に亘り、加速判定部１７は、回転数設定部１２に対して加速禁止を指示する。直流出力電圧Ｖｄｃが加速禁止直流電圧ｄより大きい期間に亘り、加速判定部１７は、回転数設定部１２に対して加速許可を指示する。
【００３２】
図２を参照して、本発明の実施の形態に係るモータ制御装置の動作を説明する。なお、図２は、各波形の時間的変化を概念的に示すものであり、横軸および縦軸は任意スケールである。
【００３３】
図２（ａ）に、コンバータ３が出力する直流出力電圧Ｖｄｃの波形を示す。本発明の実施の形態では、コンバータ３が備える平滑コンデンサ４０の容量は十分小さいため、全波整流回路２０が生成する直流出力電圧Ｖｄｃには、大きなリプルが発生している。周波数５０Ｈｚの交流電源４がコンバータ３に入力されている場合、リプルは、１０ｍｓの周期で、期間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、およびそれ以降も発生することになる。
【００３４】
加速禁止直流電圧設定部１６には、所定の値を有する加速禁止直流電圧ｄが設定される。この値は、加速中のモータ相電流振幅の変動が低減し、モータを安定して駆動できる値を予め実験して決定される。直流電圧センサ２１で検出される直流出力電圧Ｖｄｃは、加速禁止直流電圧ｄと、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１６の各時刻において等しくなるとする。
【００３５】
図２（ｂ）に、同期モータ１のモータ回転数の時刻変化を示す。加速開始時の時刻ｔ１１におけるモータ回転数はＲ１（２０００ｒｐｍ）であるとする。時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の期間（厳密に言えば、時刻ｔ１１と時刻ｔ１２とを除いた期間。）、直流出力電圧Ｖｄｃは加速禁止直流電圧ｄより大きくなっている。従って、加速判定部１７は、回転数設定部１２へ加速許可を指示する加速禁止／許可信号ｅを出力する。その信号を受けた回転数設定部１２は、加速開始時の時刻ｔ１１における回転数Ｒ１を増加させる回転数指令を正弦波データ作成部１４へ出力する。
【００３６】
図２（ｂ）では、モータ回転数を連続的に増加させているが、実際は、コントローラ７による制御周期により、回転数は離散的に設定される。例えば、制御周期を１ｍｓ、加速度を１００ｒｐｍ／ｓ（１ｒｐｍ／１０ｍｓ）とすると、モータ回転数は、コントローラ７の制御周期１ｍｓ毎に０．１ｒｐｍの割合で加速される。
【００３７】
時刻ｔ１２〜時刻ｔ１３の期間（加速禁止期間Ｔｈ１１）、直流出力電圧Ｖｄｃは加速禁止直流電圧ｄ以下となるため、加速判定部１７は、回転数設定部１２へ加速禁止を指示する加速禁止／許可信号ｅを出力する。回転数設定部１２は、時刻ｔ１２における回転数指令を維持し、同期モータ１の加速を禁止する。同様に、時刻ｔ１４〜時刻ｔ１５の期間（加速禁止期間Ｔｈ１２）も、加速判定部１７により同期モータ１の加速が禁止される。
【００３８】
時刻ｔ１３以降も同様に、加速判定部１７は、直流出力電圧Ｖｄｃと加速禁止直流電圧ｄとの比較結果に基づき、回転数設定部１２の制御を行う。この回転数設定部１２によるモータ回転数の制御は、回転数設定部１２が設定するモータ回転数と目標回転数設定部１８が設定する目標回転数とが等しくなるまで行われる。
【００３９】
図２（ｃ）に、同期モータ１のＵ相のモータ相電流振幅を示す。加速期間中は加速トルクが必要になるため、モータ相電流振幅は増加している。一方、同期モータ１への印加電圧が不足する加速禁止期間中は、モータ回転数の加速を禁止しているため、モータ相電流振幅の増加や振動の増加が抑制されている。
【００４０】
本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置によれば、コンバータ３の直流出力電圧Ｖｄｃに大きなリプルが発生している条件においても、安定したモータ加速が実現できる。その結果、モータ加速時の振動や騒音を低減し、効率の悪化も低減できる。また、同期モータ１の出力を精度良く制御可能となる。
【００４１】
＜実施の形態の変形例＞
図３を参照して、本発明の実施の形態の変形例に係るモータ制御装置のブロック図を説明する。
【００４２】
図３の変形例に係るモータ制御装置は、図１のモータ制御装置に、モータ相電流振幅検出部２２、加速禁止直流電圧更新部２５、およびモータ相電流振幅目標値設定部２４を追加した構成となっている。図３と図１で共通するブロック図の説明は、省略する。
【００４３】
モータ相電流振幅検出部２２は、モータ電流検出アンプ部６が出力するモータ電流信号ｂから３６０°毎に最大値を検出し、Ｕ相のモータ相電流振幅Ｉとして出力する。
【００４４】
モータ相電流振幅目標値設定部２４には、モータ相電流振幅目標値Ｉ＊が設定される。このモータ相電流振幅設定値Ｉ＊は、インバータ２の電流容量以下で同期モータ１が脱調することなく安定して駆動出来る値を、予め実験により決定する。
【００４５】
加速禁止直流電圧更新部２５は、加速禁止直流電圧設定部１６に設定される加速禁止直流電圧ｄを、モータ相電流振幅目標値Ｉ＊およびモータ相電流振幅Ｉに基づき、直流出力電圧Ｖｄｃのリプル周期毎に更新し、加速禁止直流電圧設定部１６へ出力する。
【００４６】
図４を参照して、本発明の実施の形態の変形例に係るモータ制御装置の動作を説明する。なお、図４は、各波形の時間的変化を概念的に示すものであり、横軸および縦軸は任意スケールである。
【００４７】
図４（ａ）に、コンバータ３が出力する直流出力電圧Ｖｄｃの波形を示す。本変形例も図２（ａ）と同様に、コンバータ３が備える平滑コンデンサ４０の容量は十分小さいため、全波整流回路２０が生成する直流出力電圧Ｖｄｃには、大きなリプルが発生している。周波数５０Ｈｚの交流電源４がコンバータ３に入力されている場合、リプルは、１０ｍｓの周期で、期間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、およびそれ以降も発生することになる。
【００４８】
加速禁止直流電圧設定部１６には、期間Ｔａに亘り、加速禁止直流電圧ｄ１が設定される。直流電圧センサ２１で検出される直流出力電圧Ｖｄｃは、加速禁止直流電圧ｄ１と、時刻ｔ２１およびｔ２２において等しくなるとする。
【００４９】
図４（ｂ）に、同期モータ１のモータ回転数の時刻変化を示す。加速開始時の時刻ｔ２１におけるモータ回転数はＲ１（２０００ｒｐｍ）であるとする。時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間（厳密に言えば、時刻ｔ２１と時刻ｔ２２とを除いた期間。）、直流出力電圧Ｖｄｃは加速禁止直流電圧ｄ１より大きくなっている。従って、加速判定部１７は、回転数設定部１２へ、加速許可を指示する加速禁止／許可信号ｅを出力する。その信号を受けた回転数設定部１２は、加速開始時の時刻ｔ２１における回転数Ｒ１を増加させる回転数指令を正弦波データ作成部１４へ出力する。
【００５０】
時刻ｔ２２から、後述する時刻ｔ２３の期間に亘り、直流出力電圧Ｖｄｃは加速禁止直流電圧ｄ１またはｄ２以下となるため、加速判定部１７は、回転数設定部１２へ加速禁止を指示する加速禁止／許可信号ｅを出力する。回転数設定部１２は、時刻ｔ２２における回転数指令を維持し、同期モータ１の加速を禁止する。
【００５１】
図４（ｂ）では、モータ回転数を連続的に増加させているが、実際は、コントローラ７による制御周期により、回転数は離散的に設定される。例えば、制御周期を１ｍｓ、加速度を１００ｒｐｍ／ｓ（１ｒｐｍ／１０ｍｓ）とすると、モータ回転数は、コントローラ７の制御周期１ｍｓ毎に０．１ｒｐｍの割合で加速される。
【００５２】
図４（ｃ）に、同期モータのＵ相のモータ相電流振幅を示す。加速期間中は加速トルクが必要となるため、モータ相電流振幅Ｉは、加速開始の時刻ｔ２１以前の値、更には、モータ相電流振幅目標値Ｉ＊より大きくなる。モータ相電流振幅目標値Ｉ＊および期間Ｔａにおけるモータ相電流振幅Ｉに基づき、加速禁止直流電圧更新部２５は、次の期間Ｔｂにおける加速禁止直流電圧ｄ２を更新する。
【００５３】
図５および図４を参照して、加速禁止直流電圧更新部２５における加速禁止直流電圧ｄの更新処理フローを説明する。
【００５４】
図５は、加速禁止直流電圧更新部２５による更新処理フローを示す。時刻ｔ２２に加速禁止期間Ｔｈ２１が始まると、モータ相電流振幅Ｉとモータ相電流振幅目標値Ｉ＊との大小比較を行う（ステップＳ１）。Ｉ＞Ｉ＊の場合（Ｙ）は、その大小関係と差の絶対値に基づき加速禁止直流電圧ｄ１に対する差分Δｄを計算し（ステップＳ３）、期間Ｔａにおける加速禁止直流電圧ｄ１（ｄ（ｏｌｄ））に差分Δｄを加算して、期間Ｔｂにおける加速禁止直流電圧ｄ２（＝ｄ１＋Δｄ）を計算する（ステップＳ４１）。
【００５５】
ステップＳ１で、Ｉ＞Ｉ＊に該当しない（Ｎ）場合は、Ｉ＜Ｉ＊の判定を行う（ステップＳ２）。その条件に該当する（Ｙ）場合は、その大小関係と差の絶対値に基づき加速禁止直流電圧ｄ１に対する差分Δｄを計算し（ステップＳ３）、期間Ｔａにおける加速禁止直流電圧ｄ１（ｄ（ｏｌｄ））から差分Δｄを減算して、期間Ｔｂにおける加速禁止直流電圧ｄ２（＝ｄ１−Δｄ）を計算する（ステップＳ４２）。なお、差分Δｄの計算は、ＰＩ制御による演算が望ましい。
【００５６】
ステップＳ２で、Ｉ＜Ｉ＊に該当しない（Ｎ）場合（Ｉ＝Ｉ＊）は、差分Δｄを計算せずに、期間Ｔａにおける加速禁止直流電圧ｄ１（ｄ（ｏｌｄ））を、期間Ｔｂにおける加速禁止直流電圧ｄ２とする。加速禁止直流電圧更新部２５から出力される期間Ｔｂにおける加速禁止直流電圧ｄ２は、加速禁止直流電圧設定部１６に設定される。この一連の更新処理フローは、図４（ｃ）において、直流出力電圧Ｖｄｃが加速禁止直流電圧ｄ１以下となる時刻ｔ２２に開始され、リプルが発生する期間Ｔａから期間Ｔｂに切り替わるまでに完了する。
【００５７】
図４（ａ）に戻り、期間Ｔｂにおける加速判定部１７による同期モータ１の加速制御の動作を説明する。
【００５８】
加速禁止直流電圧設定部１６には、期間Ｔｂの開始時刻までに、更新された加速禁止直流電圧ｄ２が設定される。期間Ｔａにおいて、Ｉ＞Ｉ＊であったため、ｄ２はｄ１に差分Δｄ１を加算した値となる。期間Ｔａにおいて直流出力電圧Ｖｄｃが加速禁止直流電圧ｄ１以下となる時刻ｔ２２から、期間Ｔｂにおいて直流出力電圧Ｖｄｃが加速禁止直流電圧ｄ２以下である時刻ｔ２３までの期間（加速禁止期間Ｔｈ２１）に亘り、加速判定部１７は、回転数設定部１２へ加速禁止を指示する加速禁止／許可信号ｅを出力する。
【００５９】
図４（ｃ）の期間Ｔａでは、モータ相電流振幅Ｉがモータ相電流振幅目標値Ｉ＊を超えたため、期間Ｔｂでは、加速禁止直流電圧ｄ２を加速禁止直流電圧ｄ１よりも大きく設定している。これにより、加速中のモータ相電流振幅Ｉは、モータ相電流振幅目標値Ｉ＊以下となっている。
【００６０】
期間Ｔｂでは、モータ相電流振幅Ｉがモータ相電流振幅目標値Ｉ＊を下回ったため、期間Ｔｃでは、加速禁止直流電圧ｄ３を加速禁止直流電圧ｄ２（期間Ｔｂ）よりも小さく設定している。これにより、期間Ｔｃにおける加速中のモータ相電流振幅Ｉは、期間Ｔｂにおけるモータ相電流振幅Ｉよりも、モータ相電流振幅目標値Ｉ＊に近づくように制御される。上述の通り、加速禁止直流電圧の差分ΔｄをＰＩ制御演算することにより、加速中のモータ相電流振幅を、速やかにモータ相電流目標値Ｉ＊に近づけることが可能となる。
【００６１】
本発明の実施形態の変形例に係るモータ駆動装置によれば、コンバータ３の直流出力電圧Ｖｄｃに大きなリプルが発生する条件においても、モータの安定した加速が実現できる。その結果、加速中のモータが発生する振動や騒音を低減しつつ、すばやく目標回転数に到達可能となる。さらに、モータの出力を精度良く制御可能となる。
【００６２】
また、本発明の実施形態およびその変形例に係るモータ駆動装置において、モータ相電流振幅の検出は、複数相のモータ相電流のうちＵ相に対して行っている。しかしながら、１相だけでなく、複数相のモータ相電流を検出することにより、モータの加速制御をより高精度に行うことが可能となる。また、コントローラ７を構成する各機能ブロックは、コントローラ内のプログラムで処理するように構成したが、特にその構成にこだわることなく、ハードウェアで同様の処理を行ってもよい。
【００６３】
正弦波データの作成は、正弦波データテーブル１３によらず、演算により作成してもよい。モータの駆動波形を正弦波とすることにより、滑らかなモータ電流の供給が可能となり、モータの振動や騒音が低減される。しかしながら、駆動波形を正弦波に限定せずに、モータロータの磁束に合わせたモータ電流が得られるような駆動波形を通電することにより、より効率的なモータ駆動が可能となる。
【００６４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６５】
１,１００ 同期モータ、２,１５０ インバータ、３,１３０ コンバータ、４,１６０ 交流電源、５,１８０ 電流センサ、６ モータ電流検出アンプ部、７,１１０ コントローラ、８ 位相差検出部、９ 目標位相差情報格納部、１０ 加算部、１１ ＰＩ演算部、１２ 回転数設定部、１３ 正弦波データテーブル、１４ 正弦波データ作成部、１５ ＰＷＭ信号生成部、１６ 加速禁止直流電圧設定部、１７ 加速判定部、１８ 目標回転数設定部、１９ ベースドライバ、２０,１２０ 全波整流回路、２１ 電流電圧センサ、２２ モータ相電流振幅検出部、２４ モータ相電流振幅目標値設定部、２５ 加速禁止直流電圧更新部、３０ 位相制御部、４０,１４０ 平滑コンデンサ、１７０ コイル、ａ モータ相電流、ｂ モータ電流信号、ｃ Ｕ相のモータ駆動電圧位相情報、ｄ 加速禁止直流電圧、ｅ 加速禁止／許可信号、Ｐ ＰＷＭ信号、Ｖｄｃ 直流出力電圧、Ｉ モータ相電流振幅、Ｉ＊ モータ相電流振幅目標値。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ制御装置に関し、特に、モータの加速制御機能を備えたモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数相のコイルを備えた同期モータを駆動する場合、適切なタイミングで、モータ電流を流すこと、およびコイル端子に電圧を印加することの、いわゆる通電タイミングの最適化が重要となっている。この通電タイミングの基準を検出する方法として、逆起電力電圧を検出する方法や、ゼロクロス電流位相を検出する方法等、種々の方法が存在する。
【０００３】
逆起電力電圧を検出してモータへの通電タイミングを制御する方法として、モータロータ位置センサを用いずにモータを制御・駆動する、いわゆるセンサレス駆動が知られている。センサレス駆動では、モータの回転によりモータコイルに発生する逆起電圧をコイル端子から検出し、モータへの通電タイミングを制御する。
【０００４】
また、本願出願人は、特開２００１−１１２２８７号公報（特許文献１）にて、ゼロクロス時における電圧位相を検出する方法よりも精度の高い位相制御方法を開示している。即ち、２箇所のモータ駆動電圧位相期間ごとにサンプリングした各電流サンプリングデータを積算してモータ電流信号面積とし、この両モータ電流信号面積比を交流電圧／電流の位相差情報として検出する方式である。
【０００５】
図６を参照して、一般的なモータ制御装置の構成を説明する。
モータ制御装置は、コンバータ１３０、インバータ１５０、電流センサ１８０、およびコントローラ１１０で構成される。コンバータ１３０は、交流電源１６０から交流電圧が入力され、ダイオード全波整流回路１２０および平滑コンデンサ１４０で、リップルを改善した直流出力電圧に変換する。インバータ１５０は、コントローラ１１０で制御される３相のインバータ回路で、直流出力電圧をＵ相／Ｖ相／Ｗ相の３相の交流電流に変換し、同期モータ１００を駆動する。電流センサ１８０は、同期モータ１００のＵ相に流れるモータ相電流を検出する。コイル１７０は、コンバータ１３０の力率改善を目的に配置されている。
【０００６】
特開２００２−５１５８９号公報（特許文献２）には、上記コイル１７０を用いずに、インバータの母線間に、従来の平滑コンデンサの１／１００程度の小容量を接続する構成が開示されている。この構成により、交流電源の２倍の周波数を有するリプルを直流出力電圧に発生させ、入力電流波形の改善と高力率化を実現する方式を提案するものである。
【０００７】
図７を参照して、特許文献１が開示するモータ制御装置で同期モータの回転数を増加させた場合の、モータ電流の変化について説明する。図７（ａ）に示すとおり、コンバータ回路は、その直流出力電圧のリプルを改善できる程度に、十分大きな容量の平滑コンデンサを備えているとする。コンバータ回路に印加される交流電源の実効電圧値は２００Ｖ、周波数は５０Ｈｚとし、４極同期モータは、回転数２０００ｒｐｍで回転しているものとする。なお、図７は、各波形の時間的変化を概念的に示すものであり、従って、横軸および縦軸は任意スケールである。
【０００８】
図７（ｂ）に示すとおり、２０００ｒｐｍで回転している同期モータの回転数を、時刻ｔ１以降、増加（加速）させる。図７（ｃ）に示すとおり、ｔ１以降の加速期間中は、検出対象のＵ相のモータ電流振幅に見られるように、同期モータは安定した電流供給を受け、その結果一定のトルクで加速が行われる。つまり、振動や騒音の発生を抑制した同期モータの加速が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１１２２８７号公報
【特許文献２】特開２００２−５１５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図８を参照して、特許文献２の構成を有するコンバータへ、実効電圧値２００Ｖ、周波数５０Ｈｚの交流電源を印加し、そのコンバータの直流出力電圧で、２０００ｒｐｍで回転している４極同期モータを加速させた場合の課題を説明する。なお、図８は、各波形の時間的変化を概念的に示すものであり、横軸および縦軸は任意スケールである。
【００１１】
図８（ａ）は、コンバータの直流出力電圧の波形を示す。平滑コンデンサの容量が小さいため、直流出力電圧は、交流電源の２倍の周波数で変動するリプルを有する。リプルの周期は、交流電源の周波数５０Ｈｚの２倍の周波数、つまり、１０ｍｓとなる。図８（ｂ）に示すとおり、時刻ｔ１で、２０００ｒｐｍで回転している同期モータの回転数を増加（加速）させると、図８（ｃ）に示すとおり、時刻ｔ１以降、直流出力電圧のリプル成分のためモータ相電流振幅は不安定となる。この結果、同期モータの回転が不安定となり、振動や騒音の増大や、最悪の場合、脱調や過電流停止を引き起こすという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、交流電源を直流出力電圧に変換して出力するコンバータと、直流出力電圧を複数相の交流電流に変換して出力し、複数相のコイルを備えたモータを駆動するインバータと、直流出力電圧を検出する直流電圧センサと、モータの所定の相に流れるモータ相電流を検出する電流センサと、モータの回転数指令を設定する回転数設定部と、回転数指令に基づき、インバータを制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、加速禁止直流電圧を設定する加速禁止直流電圧設定部と、加速禁止直流電圧および直流出力電圧に基づき、モータの加速制御信号を生成する加速判定部と、加速制御信号に基づき、回転数指令の変更が禁止される、モータ制御装置である。
【００１３】
本発明のモータ制御装置において、直流出力電圧が加速禁止直流電圧以下となる加速禁止期間中は、回転数指令の変更が禁止されることが望ましい。
【００１４】
本発明のモータ駆動装置において、モータの目標回転数を設定する目標回転数設定部を更に備え、回転数指令は、モータの回転数が目標回転数に達するまで変更されることが望ましい。
【００１５】
本発明のモータ制御装置において、モータ相電流に基づき、モータ相電流振幅を検出するモータ相電流振幅検出部と、モータ相電流振幅目標値を設定するモータ相電流振幅目標値設定部と、モータ相電流振幅およびモータ相電流振幅目標値に基づき、加速禁止直流電圧を更新する加速禁止直流電圧更新部を更に備えることが望ましい。
【００１６】
本発明のモータ駆動装置において、加速禁止直流電圧更新部は、加速禁止期間に加速禁止直流電圧を更新することが望ましい。
【００１７】
本発明のモータ制御装置において、正弦波データを格納する正弦波データテーブルと、回転数指令および正弦波データに基づき、電圧指令値を生成する正弦波データ作成部と、電圧指令値とモータ相電流との位相差に基づき、ＰＷＭデューティー基準値を生成する位相差制御部を更に備え、ＰＷＭ信号生成部は、電圧指令値に基づきＰＷＭ信号を生成することが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、大きなリプルを有する直流電源でモータをインバータ制御した場合でも、安定したモータの加速制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係るモータ制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るモータ制御装置により、モータ回転数を制御するタイミングを説明する波形図である。
【図３】本発明の実施の形態の変形例に係るモータ制御装置のブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態の変形例に係るモータ制御装置により、モータ回転数を制御するタイミングを説明する波形図である。
【図５】本発明の実施の形態の変形例に係るモータ制御装置が備える、加速禁止直流電圧更新部における処理フロー図である。
【図６】一般的なモータ制御装置のブロック図である。
【図７】特許文献１が開示するモータ制御装置で同期モータの回転数を増加させた場合の、モータ相電流振幅の変化を示す図である。
【図８】特許文献２が開示する制御装置で同期モータの回転数を増加させた場合の、モータ相電流振幅の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。実施の形態の説明において、個数、量などに言及する場合、特に記載ある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。実施の形態の図面において、同一の参照符号や参照番号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、実施の形態の説明において、同一の参照符号等を付した部分等に対しては、重複する説明は繰り返さない場合がある。
【００２１】
＜実施の形態＞
図１を参照して、本発明の実施の形態に係るモータ制御装置のブロック図を説明する。
【００２２】
モータ制御装置は、入力に印加された交流電源４を直流出力電圧Ｖｄｃに変換して出力するコンバータ３、直流出力電圧Ｖｄｃを３相（Ｕ相／Ｖ相／Ｗ相）交流電流に変換して出力するインバータ２、直流出力電圧Ｖｄｃを検出して出力する直流電圧センサ２１、同期モータ１のＵ相のモータ相電流ａを検出して出力する電流センサ５、モータ相電流ａを所定量増幅し、オフセット加算したモータ電流信号ｂを出力するモータ電流検出アンプ部６、ＰＷＭ信号Ｐを生成して出力するコントローラ７、およびＰＷＭ信号Ｐに基づき、インバータ２における３相交流電流の生成を制御するベースドライバ１９で構成される。
【００２３】
コンバータ３は、複数のダイオードからなる全波整流回路２０、および平滑コンデンサ４０で構成される。平滑コンデンサ４０は、コンバータ３の母線間（接地配線と直流出力電圧Ｖｄｃを有する電源配線間）に接続され、本実施の形態では、その容量値が１００μＦ以下のものを用いる。具体的には、コンバータ３の負荷側と接続されるインバータ２において、同期モータ１の回生エネルギーによる半導体素子（３相の縦積みスイッチングトランジスタ）の耐圧破壊を防止する観点から、容量値を１０μＦ〜２０μＦ程度にすることが望ましい。
【００２４】
電流センサ５は、本実施の形態では、３相のモータ相電流のうちＵ相のモータ相電流を検出して出力している。電流センサ５の具体的な例として、コイルとホール素子で構成された、所謂、電流センサや、カレントトランス等がある。直流電圧センサ２１は、全波整流回路２０の出力電圧（コンバータ３の直流出力電圧Ｖｄｃ）を検出して出力する。
【００２５】
コントローラ７の構成について説明する。コントローラ７を構成する機能ブロックのうち、位相差検出部８、目標位相差情報格納部９、加算部１０、ＰＩ演算部１１（以上を、位相差制御部３０、とする。）、正弦波データテーブル１３、正弦波データ作成部１４、ＰＷＭ信号生成部１５、および回転数設定部１２の構成や機能は、特許文献１にて本願出願人が開示している。これら各機能ブロックの概要を以下に説明する。
【００２６】
位相差検出部８は、２箇所のモータ駆動電圧位相期間毎にサンプリングした各電流サンプリングデータを積算してモータ電流信号面積とし、両モータ電流信号の面積比を位相差情報として出力する。目標位相差情報は、目標位相差情報格納部９に格納される。目標位相差情報と位相差情報との誤差データは加算部１０により積算される。ＰＩ演算部１１は、算出された誤差データに対して比例誤差データおよび積分誤差データを算出してデューティ基準値を出力する。
【００２７】
回転数設定部１２は、同期モータ１の回転数指令を設定し、正弦波データテーブル１３は、所定のデータ個数で構成される正弦波データを含む。正弦波データ作成部１４は、回転数指令と正弦波データに基づき、モータコイルＵ相／Ｖ相／Ｗ相の各電圧指令値を生成するとともに、Ｕ相の正弦波データからＵ相のモータ駆動電圧位相情報ｃを出力する。
【００２８】
ＰＷＭ信号生成部１５は、正弦波データ作成部１４が出力する各相の電圧指令値およびＰＩ演算部１１が出力するデューティ基準値に基づき、各相毎のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号Ｐをベースドライバ１９へ出力する。なお、モータ起動時は、各相へ強制的に通電して回転磁界を与える強制励磁を行い、通常駆動時は上記方法で回転数の制御を行う。
【００２９】
次に、コントローラ７を構成する機能ブロックのうち、同期モータ１の加速制御を行う機能ブロックについて説明する。
【００３０】
目標回転数設定部１８は、回転数設定部１２が出力する回転数指令に基づく回転速度で回転している同期モータ１に対し、その到達目標である目標回転数を設定する。回転数設定部１２は、その目標回転数と同期モータ１の回転数とを比較して目標回転数となるようにその回転数を設定し、同期モータ１を徐々に加速または減速させる。加速禁止直流電圧設定部１６は、同期モータ１を加速制御するに際し、その可否判断の基準となる加速禁止直流電圧ｄを設定する。
【００３１】
加速判定部１７は、加速禁止直流電圧ｄと直流出力電圧Ｖｄｃとの比較結果に基づき、加速禁止／許可信号ｅを出力して、回転数設定部１２を制御する。直流出力電圧Ｖｄｃが加速禁止直流電圧ｄ以下となる期間に亘り、加速判定部１７は、回転数設定部１２に対して加速禁止を指示する。直流出力電圧Ｖｄｃが加速禁止直流電圧ｄより大きい期間に亘り、加速判定部１７は、回転数設定部１２に対して加速許可を指示する。
【００３２】
図２を参照して、本発明の実施の形態に係るモータ制御装置の動作を説明する。なお、図２は、各波形の時間的変化を概念的に示すものであり、横軸および縦軸は任意スケールである。
【００３３】
図２（ａ）に、コンバータ３が出力する直流出力電圧Ｖｄｃの波形を示す。本発明の実施の形態では、コンバータ３が備える平滑コンデンサ４０の容量は十分小さいため、全波整流回路２０が生成する直流出力電圧Ｖｄｃには、大きなリプルが発生している。周波数５０Ｈｚの交流電源４がコンバータ３に入力されている場合、リプルは、１０ｍｓの周期で、期間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、およびそれ以降も発生することになる。
【００３４】
加速禁止直流電圧設定部１６には、所定の値を有する加速禁止直流電圧ｄが設定される。この値は、加速中のモータ相電流振幅の変動が低減し、モータを安定して駆動できる値を予め実験して決定される。直流電圧センサ２１で検出される直流出力電圧Ｖｄｃは、加速禁止直流電圧ｄと、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１６の各時刻において等しくなるとする。
【００３５】
図２（ｂ）に、同期モータ１のモータ回転数の時刻変化を示す。加速開始時の時刻ｔ１１におけるモータ回転数はＲ１（２０００ｒｐｍ）であるとする。時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の期間（厳密に言えば、時刻ｔ１１と時刻ｔ１２とを除いた期間。）、直流出力電圧Ｖｄｃは加速禁止直流電圧ｄより大きくなっている。従って、加速判定部１７は、回転数設定部１２へ加速許可を指示する加速禁止／許可信号ｅを出力する。その信号を受けた回転数設定部１２は、加速開始時の時刻ｔ１１における回転数Ｒ１を増加させる回転数指令を正弦波データ作成部１４へ出力する。
【００３６】
図２（ｂ）では、モータ回転数を連続的に増加させているが、実際は、コントローラ７による制御周期により、回転数は離散的に設定される。例えば、制御周期を１ｍｓ、加速度を１００ｒｐｍ／ｓ（１ｒｐｍ／１０ｍｓ）とすると、モータ回転数は、コントローラ７の制御周期１ｍｓ毎に０．１ｒｐｍの割合で加速される。
【００３７】
時刻ｔ１２〜時刻ｔ１３の期間（加速禁止期間Ｔｈ１１）、直流出力電圧Ｖｄｃは加速禁止直流電圧ｄ以下となるため、加速判定部１７は、回転数設定部１２へ加速禁止を指示する加速禁止／許可信号ｅを出力する。回転数設定部１２は、時刻ｔ１２における回転数指令を維持し、同期モータ１の加速を禁止する。同様に、時刻ｔ１４〜時刻ｔ１５の期間（加速禁止期間Ｔｈ１２）も、加速判定部１７により同期モータ１の加速が禁止される。
【００３８】
時刻ｔ１３以降も同様に、加速判定部１７は、直流出力電圧Ｖｄｃと加速禁止直流電圧ｄとの比較結果に基づき、回転数設定部１２の制御を行う。この回転数設定部１２によるモータ回転数の制御は、回転数設定部１２が設定するモータ回転数と目標回転数設定部１８が設定する目標回転数とが等しくなるまで行われる。
【００３９】
図２（ｃ）に、同期モータ１のＵ相のモータ相電流振幅を示す。加速期間中は加速トルクが必要になるため、モータ相電流振幅は増加している。一方、同期モータ１への印加電圧が不足する加速禁止期間中は、モータ回転数の加速を禁止しているため、モータ相電流振幅の増加や振動の増加が抑制されている。
【００４０】
本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置によれば、コンバータ３の直流出力電圧Ｖｄｃに大きなリプルが発生している条件においても、安定したモータ加速が実現できる。その結果、モータ加速時の振動や騒音を低減し、効率の悪化も低減できる。また、同期モータ１の出力を精度良く制御可能となる。
【００４１】
＜実施の形態の変形例＞
図３を参照して、本発明の実施の形態の変形例に係るモータ制御装置のブロック図を説明する。
【００４２】
図３の変形例に係るモータ制御装置は、図１のモータ制御装置に、モータ相電流振幅検出部２２、加速禁止直流電圧更新部２５、およびモータ相電流振幅目標値設定部２４を追加した構成となっている。図３と図１で共通するブロック図の説明は、省略する。
【００４３】
モータ相電流振幅検出部２２は、モータ電流検出アンプ部６が出力するモータ電流信号ｂから３６０°毎に最大値を検出し、Ｕ相のモータ相電流振幅Ｉとして出力する。
【００４４】
モータ相電流振幅目標値設定部２４には、モータ相電流振幅目標値Ｉ＊が設定される。このモータ相電流振幅設定値Ｉ＊は、インバータ２の電流容量以下で同期モータ１が脱調することなく安定して駆動出来る値を、予め実験により決定する。
【００４５】
加速禁止直流電圧更新部２５は、加速禁止直流電圧設定部１６に設定される加速禁止直流電圧ｄを、モータ相電流振幅目標値Ｉ＊およびモータ相電流振幅Ｉに基づき、直流出力電圧Ｖｄｃのリプル周期毎に更新し、加速禁止直流電圧設定部１６へ出力する。
【００４６】
図４を参照して、本発明の実施の形態の変形例に係るモータ制御装置の動作を説明する。なお、図４は、各波形の時間的変化を概念的に示すものであり、横軸および縦軸は任意スケールである。
【００４７】
図４（ａ）に、コンバータ３が出力する直流出力電圧Ｖｄｃの波形を示す。本変形例も図２（ａ）と同様に、コンバータ３が備える平滑コンデンサ４０の容量は十分小さいため、全波整流回路２０が生成する直流出力電圧Ｖｄｃには、大きなリプルが発生している。周波数５０Ｈｚの交流電源４がコンバータ３に入力されている場合、リプルは、１０ｍｓの周期で、期間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、およびそれ以降も発生することになる。
【００４８】
加速禁止直流電圧設定部１６には、期間Ｔａに亘り、加速禁止直流電圧ｄ１が設定される。直流電圧センサ２１で検出される直流出力電圧Ｖｄｃは、加速禁止直流電圧ｄ１と、時刻ｔ２１およびｔ２２において等しくなるとする。
【００４９】
図４（ｂ）に、同期モータ１のモータ回転数の時刻変化を示す。加速開始時の時刻ｔ２１におけるモータ回転数はＲ１（２０００ｒｐｍ）であるとする。時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間（厳密に言えば、時刻ｔ２１と時刻ｔ２２とを除いた期間。）、直流出力電圧Ｖｄｃは加速禁止直流電圧ｄ１より大きくなっている。従って、加速判定部１７は、回転数設定部１２へ、加速許可を指示する加速禁止／許可信号ｅを出力する。その信号を受けた回転数設定部１２は、加速開始時の時刻ｔ２１における回転数Ｒ１を増加させる回転数指令を正弦波データ作成部１４へ出力する。
【００５０】
時刻ｔ２２から、後述する時刻ｔ２３の期間に亘り、直流出力電圧Ｖｄｃは加速禁止直流電圧ｄ１またはｄ２以下となるため、加速判定部１７は、回転数設定部１２へ加速禁止を指示する加速禁止／許可信号ｅを出力する。回転数設定部１２は、時刻ｔ２２における回転数指令を維持し、同期モータ１の加速を禁止する。
【００５１】
図４（ｂ）では、モータ回転数を連続的に増加させているが、実際は、コントローラ７による制御周期により、回転数は離散的に設定される。例えば、制御周期を１ｍｓ、加速度を１００ｒｐｍ／ｓ（１ｒｐｍ／１０ｍｓ）とすると、モータ回転数は、コントローラ７の制御周期１ｍｓ毎に０．１ｒｐｍの割合で加速される。
【００５２】
図４（ｃ）に、同期モータのＵ相のモータ相電流振幅を示す。加速期間中は加速トルクが必要となるため、モータ相電流振幅Ｉは、加速開始の時刻ｔ２１以前の値、更には、モータ相電流振幅目標値Ｉ＊より大きくなる。モータ相電流振幅目標値Ｉ＊および期間Ｔａにおけるモータ相電流振幅Ｉに基づき、加速禁止直流電圧更新部２５は、次の期間Ｔｂにおける加速禁止直流電圧ｄ２を更新する。
【００５３】
図５および図４を参照して、加速禁止直流電圧更新部２５における加速禁止直流電圧ｄの更新処理フローを説明する。
【００５４】
図５は、加速禁止直流電圧更新部２５による更新処理フローを示す。時刻ｔ２２に加速禁止期間Ｔｈ２１が始まると、モータ相電流振幅Ｉとモータ相電流振幅目標値Ｉ＊との大小比較を行う（ステップＳ１）。Ｉ＞Ｉ＊の場合（Ｙ）は、その大小関係と差の絶対値に基づき加速禁止直流電圧ｄ１に対する差分Δｄを計算し（ステップＳ３）、期間Ｔａにおける加速禁止直流電圧ｄ１（ｄ（ｏｌｄ））に差分Δｄを加算して、期間Ｔｂにおける加速禁止直流電圧ｄ２（＝ｄ１＋Δｄ）を計算する（ステップＳ４１）。
【００５５】
ステップＳ１で、Ｉ＞Ｉ＊に該当しない（Ｎ）場合は、Ｉ＜Ｉ＊の判定を行う（ステップＳ２）。その条件に該当する（Ｙ）場合は、その大小関係と差の絶対値に基づき加速禁止直流電圧ｄ１に対する差分Δｄを計算し（ステップＳ３）、期間Ｔａにおける加速禁止直流電圧ｄ１（ｄ（ｏｌｄ））から差分Δｄを減算して、期間Ｔｂにおける加速禁止直流電圧ｄ２（＝ｄ１−Δｄ）を計算する（ステップＳ４２）。なお、差分Δｄの計算は、ＰＩ制御による演算が望ましい。
【００５６】
ステップＳ２で、Ｉ＜Ｉ＊に該当しない（Ｎ）場合（Ｉ＝Ｉ＊）は、差分Δｄを計算せずに、期間Ｔａにおける加速禁止直流電圧ｄ１（ｄ（ｏｌｄ））を、期間Ｔｂにおける加速禁止直流電圧ｄ２とする。加速禁止直流電圧更新部２５から出力される期間Ｔｂにおける加速禁止直流電圧ｄ２は、加速禁止直流電圧設定部１６に設定される。この一連の更新処理フローは、図４（ｃ）において、直流出力電圧Ｖｄｃが加速禁止直流電圧ｄ１以下となる時刻ｔ２２に開始され、リプルが発生する期間Ｔａから期間Ｔｂに切り替わるまでに完了する。
【００５７】
図４（ａ）に戻り、期間Ｔｂにおける加速判定部１７による同期モータ１の加速制御の動作を説明する。
【００５８】
加速禁止直流電圧設定部１６には、期間Ｔｂの開始時刻までに、更新された加速禁止直流電圧ｄ２が設定される。期間Ｔａにおいて、Ｉ＞Ｉ＊であったため、ｄ２はｄ１に差分Δｄ１を加算した値となる。期間Ｔａにおいて直流出力電圧Ｖｄｃが加速禁止直流電圧ｄ１以下となる時刻ｔ２２から、期間Ｔｂにおいて直流出力電圧Ｖｄｃが加速禁止直流電圧ｄ２以下である時刻ｔ２３までの期間（加速禁止期間Ｔｈ２１）に亘り、加速判定部１７は、回転数設定部１２へ加速禁止を指示する加速禁止／許可信号ｅを出力する。
【００５９】
図４（ｃ）の期間Ｔａでは、モータ相電流振幅Ｉがモータ相電流振幅目標値Ｉ＊を超えたため、期間Ｔｂでは、加速禁止直流電圧ｄ２を加速禁止直流電圧ｄ１よりも大きく設定している。これにより、加速中のモータ相電流振幅Ｉは、モータ相電流振幅目標値Ｉ＊以下となっている。
【００６０】
期間Ｔｂでは、モータ相電流振幅Ｉがモータ相電流振幅目標値Ｉ＊を下回ったため、期間Ｔｃでは、加速禁止直流電圧ｄ３を加速禁止直流電圧ｄ２（期間Ｔｂ）よりも小さく設定している。これにより、期間Ｔｃにおける加速中のモータ相電流振幅Ｉは、期間Ｔｂにおけるモータ相電流振幅Ｉよりも、モータ相電流振幅目標値Ｉ＊に近づくように制御される。上述の通り、加速禁止直流電圧の差分ΔｄをＰＩ制御演算することにより、加速中のモータ相電流振幅を、速やかにモータ相電流目標値Ｉ＊に近づけることが可能となる。
【００６１】
本発明の実施形態の変形例に係るモータ駆動装置によれば、コンバータ３の直流出力電圧Ｖｄｃに大きなリプルが発生する条件においても、モータの安定した加速が実現できる。その結果、加速中のモータが発生する振動や騒音を低減しつつ、すばやく目標回転数に到達可能となる。さらに、モータの出力を精度良く制御可能となる。
【００６２】
また、本発明の実施形態およびその変形例に係るモータ駆動装置において、モータ相電流振幅の検出は、複数相のモータ相電流のうちＵ相に対して行っている。しかしながら、１相だけでなく、複数相のモータ相電流を検出することにより、モータの加速制御をより高精度に行うことが可能となる。また、コントローラ７を構成する各機能ブロックは、コントローラ内のプログラムで処理するように構成したが、特にその構成にこだわることなく、ハードウェアで同様の処理を行ってもよい。
【００６３】
正弦波データの作成は、正弦波データテーブル１３によらず、演算により作成してもよい。モータの駆動波形を正弦波とすることにより、滑らかなモータ電流の供給が可能となり、モータの振動や騒音が低減される。しかしながら、駆動波形を正弦波に限定せずに、モータロータの磁束に合わせたモータ電流が得られるような駆動波形を通電することにより、より効率的なモータ駆動が可能となる。
【００６４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６５】
１,１００ 同期モータ、２,１５０ インバータ、３,１３０ コンバータ、４,１６０ 交流電源、５,１８０ 電流センサ、６ モータ電流検出アンプ部、７,１１０ コントローラ、８ 位相差検出部、９ 目標位相差情報格納部、１０ 加算部、１１ ＰＩ演算部、１２ 回転数設定部、１３ 正弦波データテーブル、１４ 正弦波データ作成部、１５ ＰＷＭ信号生成部、１６ 加速禁止直流電圧設定部、１７ 加速判定部、１８ 目標回転数設定部、１９ ベースドライバ、２０,１２０ 全波整流回路、２１ 電流電圧センサ、２２ モータ相電流振幅検出部、２４ モータ相電流振幅目標値設定部、２５ 加速禁止直流電圧更新部、３０ 位相制御部、４０,１４０ 平滑コンデンサ、１７０ コイル、ａ モータ相電流、ｂ モータ電流信号、ｃ Ｕ相のモータ駆動電圧位相情報、ｄ 加速禁止直流電圧、ｅ 加速禁止／許可信号、Ｐ ＰＷＭ信号、Ｖｄｃ 直流出力電圧、Ｉ モータ相電流振幅、Ｉ＊ モータ相電流振幅目標値。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を直流出力電圧に変換して出力するコンバータと、
前記直流出力電圧を複数相の交流電流に変換して出力し、前記複数相のコイルを備えたモータを駆動するインバータと、
前記直流出力電圧を検出する直流電圧センサと、
前記モータの所定の相に流れるモータ相電流を検出する電流センサと、
前記モータの回転数指令を設定する回転数設定部と、
前記回転数指令に基づき、前記インバータを制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
加速禁止直流電圧を設定する加速禁止直流電圧設定部と、
前記加速禁止直流電圧および前記直流出力電圧に基づき、前記モータの加速制御信号を生成する加速判定部と、
前記加速制御信号に基づき、前記回転数指令の変更が禁止される、モータ制御装置。
【請求項２】
前記直流出力電圧が前記加速禁止直流電圧以下となる加速禁止期間中は、前記回転数指令の変更が禁止される、請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記モータの目標回転数を設定する目標回転数設定部を更に備え、
前記回転数指令は、前記モータの回転数が前記目標回転数に達するまで変更される、請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記モータ相電流に基づき、モータ相電流振幅を検出するモータ相電流振幅検出部と、
モータ相電流振幅目標値を設定するモータ相電流振幅目標値設定部と、
前記モータ相電流振幅および前記モータ相電流振幅目標値に基づき、前記加速禁止直流電圧を更新する加速禁止直流電圧更新部を更に備える、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記加速禁止直流電圧更新部は、前記加速禁止期間に前記加速禁止直流電圧を更新する、請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
正弦波データを格納する正弦波データテーブルと、
前記回転数指令および前記正弦波データに基づき、電圧指令値を生成する正弦波データ作成部と、
前記電圧指令値と前記モータ相電流との位相差に基づき、ＰＷＭデューティー基準値を生成する位相差制御部、を更に備え、
前記ＰＷＭ信号生成部は、前記電圧指令値に基づき前記ＰＷＭ信号を生成する、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項１】
交流電源を直流出力電圧に変換して出力するコンバータと、
前記直流出力電圧を複数相の交流電流に変換して出力し、前記複数相のコイルを備えたモータを駆動するインバータと、
前記直流出力電圧を検出する直流電圧センサと、
前記モータの所定の相に流れるモータ相電流を検出する電流センサと、
前記モータの回転数指令を設定する回転数設定部と、
前記回転数指令に基づき、前記インバータを制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
加速禁止直流電圧を設定する加速禁止直流電圧設定部と、
前記加速禁止直流電圧および前記直流出力電圧に基づき、前記モータの加速制御信号を生成する加速判定部と、
前記加速制御信号に基づき、前記回転数指令の変更が禁止される、モータ制御装置。
【請求項２】
前記直流出力電圧が前記加速禁止直流電圧以下となる加速禁止期間中は、前記回転数指令の変更が禁止される、請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記モータの目標回転数を設定する目標回転数設定部を更に備え、
前記回転数指令は、前記モータの回転数が前記目標回転数に達するまで変更される、請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記モータ相電流に基づき、モータ相電流振幅を検出するモータ相電流振幅検出部と、
モータ相電流振幅目標値を設定するモータ相電流振幅目標値設定部と、
前記モータ相電流振幅および前記モータ相電流振幅目標値に基づき、前記加速禁止直流電圧を更新する加速禁止直流電圧更新部を更に備える、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記加速禁止直流電圧更新部は、前記加速禁止期間に前記加速禁止直流電圧を更新する、請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
正弦波データを格納する正弦波データテーブルと、
前記回転数指令および前記正弦波データに基づき、電圧指令値を生成する正弦波データ作成部と、
前記電圧指令値と前記モータ相電流との位相差に基づき、ＰＷＭデューティー基準値を生成する位相差制御部、を更に備え、
前記ＰＷＭ信号生成部は、前記電圧指令値に基づき前記ＰＷＭ信号を生成する、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−７４７８３（Ｐ２０１３−７４７８３Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１４７４２（Ｐ２０１１−２１４７４２）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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