特開 2023-144354 電動機の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023144354

(43)【公開日】2023-10-11

(54)【発明の名称】電動機の制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/20 20160101AFI20231003BHJP

   H02P 27/06 20060101ALI20231003BHJP

   H02P 6/182 20160101ALI20231003BHJP

【ＦＩ】

H02P6/20

H02P27/06

H02P6/182

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022051281

(22)【出願日】2022-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】399048917

【氏名又は名称】日立グローバルライフソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】林 炳

(72)【発明者】

【氏名】丹羽 彬夫

(72)【発明者】

【氏名】吉野 知也

【テーマコード（参考）】

5H505

5H560

【Ｆターム（参考）】

5H505AA08

5H505BB09

5H505CC04

5H505DD08

5H505EE41

5H505EE49

5H505HA07

5H505HB02

5H505JJ03

5H505KK05

5H505LL16

5H505LL22

5H505LL41

5H505MM02

5H560BB04

5H560BB12

5H560DA13

5H560DB20

5H560DC12

5H560DC13

5H560EB01

5H560GG04

5H560HA08

5H560JJ02

5H560SS02

(57)【要約】

【課題】
巻き線インダクタンスが小さい電動機において、空転状態から電動機を再駆動させる際に、大きな電流リップルが発生し、異常状態に陥ることがあるため、空転状態からの再駆動ができない問題があった。
【解決手段】
複数相の巻き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駆動する際に一時的に前記インバータの制御周波数を高く設定した上で、位相信号に基づいて、スイッチング信号を生成する。さらに再駆動に成功し、制御が安定した後に、直ちにインバータの制御周波数を通常の状態に戻す。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数相の巻き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、前記制御部は、前記電動機が空転中から再駆動する際に一時的に前記インバータの制御周波数を高く設定した上で、位相信号に基づいて、スイッチング信号を生成し、再駆動後に制御の安定を確認したのちに前記インバータの制御周波数を通常状態に復帰することを特徴とする、電動機の制御装置。

【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、再駆動させ、前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。

【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、空転状態からの再駆動を可能としている。また、特許文献２では電動機が同期ＰＷＭ制御方式で制御された場合に、空転状態から電動機を駆動させたとしても、電気ショックの発生を抑止し、過電流や脱調等の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されている。

【0004】

一方で、電気掃除機は軽量タイプの需要が伸びており、搭載されているモータもさらなる小型化が求められている。一般的に小型モータほど巻き線インダクタンスが小さい傾向にある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５－１３７１０６号公報

【特許文献2】特開２０２０－００５４７２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１並び２に示されるような電動機を空転状態から再駆動させる（空転再駆動とも呼ぶ）技術において、巻き線インダクタンスがより小さい電動機を再駆動させようとした場合、大きな電流リップルが発生し、過電流や脱調等の異常状態に陥る可能性がある。対策として、インバータの制御周波数をより高く設定した状態でモータを駆動し、特許文献１に記載の手法を実行することが考えられるが、特許文献２の同期ＰＷＭ制御との併用が不可能であること、高い制御周波数では回路損失が増大し、インバータ回路の温度が上昇すること等が課題となる。

【0007】

本発明は、巻き線インダクタンスが小さい電動機において、空転状態から電動機を再駆動させる際に、大きな電流リップルを抑制し、異常状態に陥らず正常に再駆動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、複数相の巻き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、電動機が空転再駆動を行う際に一時的に前記インバータの制御周波数を高く設定した上で、位相信号に基づいて、スイッチング信号を生成する。さらに再駆動に成功し、制御が安定した後に、直ちにインバータの制御周波数を通常の状態に戻す。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、巻き線インダクタンスが低い電動機において、空転再駆動を行ったとしても、大きな電流リップルを抑制し、異常状態に陥らない電動機の制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】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。

【図2】電気掃除機の外観を示す図である。

【図3】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。

【図4】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。

【図5】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。

【図6】本発明の位相検出手段の一回路例を示す図である。

【図7】本発明の位相信号と分圧信号の関係を示す図である。

【図8】本発明の位相検出手段の他の回路図を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例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８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で提案されてい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。キャリア周波数制御器２４５と、空転再駆動要求生成器２４６を除き、詳細は特許文献１、２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Iqc、励磁電流成分Idc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】

キャリア周波数制御器２４５は、制御部であるＰＷＭ生成回路２４３の制御周波数Fcを可変させるものである。キャリア周波数制御器２４５の一つの入力である空転再駆動要求生成器２４６は、電動機１０３の測定指令値ωr*と電動機１０３が空転時周波数ωfrから空転再駆動要求の有無を判定するものである。具体的にはスイッチ１０８の切以外を押下された場合、すなわち運転要求(ωｒ*≠０)があった場合に、空転時周波数ωfrが十分に大きいと、電動機が停止するまで待ってから再駆動させるより、空転中に電動機を再駆動させる方が早いため、空転再駆動を要求する。空転再駆動要求の有無に応じてキャリア周波数制御器２４５から制御周波数Fcを出力する。ここで図３に示されていような同期ＰＷＭ制御方式を用いる場合には、Vdc*、Vdq*、θdc、ω1*をキャリア周波数制御器２４５に入力しω1*と同期した制御周波数Fcを出力する。前記空転再駆動の要求により出力されるFcは同期ＰＷＭ制御により出力されるFcよりも優先されるものとする。これにより一時的に非同期ＰＷＭ制御となるが、後述の手順で空転再駆動終了後に同期ＰＷＭ制御へ復帰させることができる。

【0030】

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、キャリア周波数制御器の出力であるキャリア周波数Fc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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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駆動できるようにするものである。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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を再駆動させる際、この電圧指令値を即座に利用することが可能となる。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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、再駆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１０３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。もし再駆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、空転中からの再駆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、インバータ制御周波数の高速化処理４０６を実施した後に処理４１０で空転中位相検出系３００にあるスイッチ３１０をＡに設定し、再駆動に備える。

【0042】

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、判定４１１を実行する。

【0043】

判定４１１は制御が安定したか否かの判定を行う。制御が安定したか否かについては「空転再駆動からの規定時間経過」や「磁極の位置ずれΔθcが規定範囲内」や「モータ相電流の大きさが定常時相当」等から判断可能である。また、その他のパラメータを用い、制御安定を定義しても良い。制御が安定した場合、処理４１２にてインバータの制御周波数Fcを高い設定値から通常の設定値に戻し、電圧演算処理４０９を行う。なお、制御周波数Fcを通常の設定値に戻す際には、非同期ＰＷＭ制御、同期ＰＷＭ制御ともに、即時通常の設定値に復帰させると変化が大きくショックが生じる可能性があるため、制御周波数Fcを段階的に戻す手法を取っても良い。一方、制御が安定していない場合、そのまま電圧演算４０９を行い、電動機１０３を制御する。

【0044】

判定４０２の判定結果が状態Ａの場合、まだ空転時からの再駆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。

【0045】

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。

【0046】

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に変更し通常の制御を行う。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

また、空転中周波数演算処理５０２は、位相検出手段１０９から出力された位相信号１１３が変化した時間間隔を計測する。

【0050】

位相信号１１３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。

【0051】

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せる。次に、インバータ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要求５０５を出力する。最後に、インバータ１０４から電動機１０３へ電力を出力している間、位相検出手段１０９は意味の無い位相信号を送出する。これを受け付けないようにするため、割り込み禁止処理５０６を実行する。

【0052】

以上のように、本発明では、電動機１０３が空転中から再駆動する際に、空転中の再駆動が不可能と判定された場合、停止制御を行い、回転停止後、再駆動させる。空転中の再駆動が可能と判定された場合、制御が安定するまでに、キャリア周波数制御器２４５にて一時的にインバータの制御周波数を高く設定し、制御する。制御が安定したら、直ちにインバータの制御周波数を通常の制御周波数に戻し、通常の制御を行うことで、巻き線インダクタンスが低い電動機においても大きな電流リップルなく再駆動できる。

【0053】

本発明を電気掃除機のような、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、再駆動までの時間を短くする効果を得ることができる。

【0054】

なお、上記実施例では、電動機を含む電気掃除機の例で説明したが、電気洗濯機などの他の家電製品に適用しても良い。

【符号の説明】

【0055】

１０ 電気掃除機
１００ 充電池
１０１ 平滑コンデンサ
１０２ ファン
１０３ 電動機
１０４ インバータ
１０５ ドライバ回路
１０６ マイコン
１０７ 電圧検知手段
１０８ スイッチ信号生成部
１０９ 位相検出手段
１１０ 直流電流検知器
１１１ 過電流検出回路
１６０ コンバータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】