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モータの制御方法 - 株式会社富士通ゼネラル
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発明の名称 モータの制御方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平8−126377
公開日 平成8年(1996)5月17日
出願番号 特願平6−280016
出願日 平成6年(1994)10月19日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】大原 拓也
発明者 尾原 義之
要約 目的
1つあるいは少数の基本トルクパターンにより負荷状態に応じて最適なトルク制御を可能とする。

構成
ブラシレスモータ1の制御方法において、基本トルクパターン記憶部10iを有しており、1回転時間を計測タイマ10bで計時し、回転速度指令と1回転時間とを比較部10fで比較し、PWMデューティ可変部10gでPWM信号のデューティ幅を変更して指令回転数とする一方、負荷状態を負荷演算部10hで演算し、これにより基本トルクパターンの振幅、位相を変更するためのデータを記憶しているROM10jのアドレスをアドレス計算部10kで算出し、振幅のデータを乗算部10lで基本トルクパターンに乗算し、トルクパターン作成部10mで位相変更し、変更されたトルクパターンを加算部10oでPWM信号のデューティ幅に加算する。
特許請求の範囲
【請求項1】 モータを回転制御するモータの制御方法において、少なくとも1つの基本トルクパターンを有しており、前記モータの回転むらに応じて前記基本トルクパターンの振幅、位相を変更して新たなトルクパターンを作成し、該作成されたトルクパターンを用いて前記モータをトルク制御するようにしたことを特徴とするモータの制御方法。
【請求項2】 モータをPWM制御方式で回転制御するモータの制御方法において、少なくとも1つの基本トルクパターンを有しており、前記モータの回転数を検出するとともに、前記モータの回転制御のためのPWMデューティおよび検出回転数をもとにして前記モータの負荷状態を検出し、該負荷状態に応じて前記基本トルクパターンの振幅、位相を変更して新たなトルクパターンを作成し、該作成されたトルクパターンを用いて前記モータをトルク制御するようにしたことを特徴とするモータの制御方法。
【請求項3】 前記モータは空気調和機のコンプレッサのモータとしてのブラシレスモータである請求項1または請求項2記載のモータの制御方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は空気調和機の圧縮機(コンプレッサ)等に用いるモータ、例えば直流ブラシレスモータ(以下ブラシレスモータと記す)を回転制御するモータの制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】この種のブラシレスモータを圧縮機等のモータとして利用する場合、例えば図5に示す制御装置が必要である。
【0003】図5において、この制御装置は、商用交流電源を交流/直流変換した直流電源Vccをスイッチングしてブラシレスモータ1に印加するインバータ部2と、ブラシレスモータ1がセンサレスである場合同ブラシレスモータ1の電機子巻線の端子電圧(誘起電圧)に基づいて回転子1aの位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出回路3と、その位置検出信号をもとにしてブラシレスモータ1の電機子巻線の通電切り替えタイミング(点弧タイミング)を得、この点弧タイミングにしたがってインバータ部2の駆動信号を出力するとともに、回転数に応じてブラシレスモータ1の印加電圧を可変し、かつトルクパターンにしたがって可変するための電圧制御信号(PWM信号)を出力する制御回路(マイクロコンピュータ)4とを備えている。
【0004】インバータ部2は、上アームのスイッチング素子U,V,Wおよび下アームのスイッチング素子X,Y,Zをブリッジ接続した駆動回路2aと、制御回路4からの電圧制御信号(PWM信号)により下アームのスイッチング素子X,Y,Zを駆動する駆動信号のオン区間をチョッピングするチョッピング回路2bと、このチョッピングされた駆動信号を含む駆動信号により駆動回路2aの各複数のスイッチング素子を駆動するドライバ回路2cとを備えている。
【0005】上記構成の制御装置において、ブラシレスモータ1がPWM制御方式で回転制御される。この場合、1回転中を12分割(3相4極の場合)し、間欠的に回転子1aの位置情報(位置検出信号)を発生する一方、トルク制御を同時に行うため、図6に示すように、0ないし11の各区間毎に負荷トルク曲線に近似したトルクパターンを設定している。
【0006】すなわち、1回転中において負荷の変動が生じている場合、ブラシレスモータ1に回転むらが生じ、これがブラシレスモータ1の振動、騒音を発生する。特に、空気調和機のコンプレッサモータとしてそのブラシレスモータ1を用いた場合には、振動により配管に対してストレスがかかり、空調系の劣下を高めることになる。そのため、図6に示す形のトルクパターンを用いてトルク制御を行い、1回転中におけるトルクを変えて回転むらを相殺するようにしている。
【0007】具体的に説明すると、制御回路4は指令回転数およびトルクパターンにしたがってPWM信号のデューティ比を可変し、1回転の平均速度を指令回転数に一致させるとともに、1回転中における変動負荷による速度変動を抑え、ひいては振動、騒音を抑えている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記モータの制御方法にあっては、トルク制御に用いるトルクパターンが1つであることから、ある決まった負荷トルク曲線に対しては有効であるが、ブラシレスモータ1の回転数を広範囲で可変したり、平均負荷が変わるような制御対象の場合には対応することができない。
【0009】そこで、複数のトルクパターンを予め用意しておけば、上記欠点を解消できるが、トルクパターンを記憶しておくためのメモリ(ROM)の容量が膨大なものとなり、しかも全ての条件を満足させることは極めて困難である。
【0010】この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的はトルクパターンの種類がなくとも、種々負荷に応じて精密なトルク制御を行うことができるようにしたモータの制御方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、この発明のモータ制御方法は、モータを回転制御するモータの制御方法において、少なくとも1つの基本トルクパターンを有しており、前記モータの回転むらに応じて前記基本トルクパターンの振幅、位相を変更して新たなトルクパターンを作成し、該作成されたトルクパターンを用いて前記モータをトルク制御するようにしたことを要旨とする。
【0012】また、この発明はモータをPWM制御方式で回転制御するモータの制御方法において、少なくとも1つの基本トルクパターンを有しており、前記モータの回転数を検出するとともに、前記モータの回転制御のためのPWMデューティおよび検出回転数をもとにして前記モータの負荷状態を検出し、該負荷状態に応じて前記基本トルクパターンの振幅、位相を変更して新たなトルクパターンを作成し、該作成されたトルクパターンを用いて前記モータをトルク制御するものである。
【0013】さらに、前記モータは空気調和機のコンプレッサのモータとしてのブラシレスモータである。
【0014】
【作用】上記手段としたので、上記モータ(例えばコンプレッサモータ)を駆動する際、上記モータの回転数(例えば1回転時間)が検出され、PWM制御のためのPWMデューティおよび検出1回転時間をもとにしてモータの負荷状態が演算される。
【0015】この演算結果の負荷状態に応じて基本トルクパターンの振幅、位相が変更される。例えば、低回転数時ほどコンプレッサのロータの慣性によって回転むらが打ち消されない。その結果、加圧による回転むらが表面に表れ、そのために振動も大きくなる。また、高速回転になるほど、回転子の慣性等によって振動は減少する。一方、負荷の状態(コンプレッサでは圧力)によっても、振動は変化し、負荷の大きさにより振動位相が変化し、また高負荷ほど振動振幅が増加する。
【0016】このような条件を加味して基本トルクパターンの振幅、位相を変更するためのデータが例えば予めROMに記憶されている。上記演算結果の負荷状態に応じた振幅データがROMから読み出されると、振幅データが基本トルクパターンに乗算され、この振幅可変されたトルクパターンが位相データにより位相ジフトされる。
【0017】このようにして、基本トルクパターンの振幅、位相が変更され、この振幅、位相変更された新たなトルクパターンを用いてトルク制御が行われるため、モータの回転変動が抑えられ、ひいては振動が抑えられる。
【0018】
【実施例】この発明のモータの制御方法は、基本トルクパターンの振幅、位相を負荷状態に応じて変更すれば、種々の負荷に応じた適切なトルクパターンを得ることができることに着目し、図4に示すように、1つのトルクパターンまたは少数の基本トルクパターンの振幅を変更し、さらにこの振幅変更されたトルクパターンの位相をシフトして新たなトルクパターンを作成し、この新たなトルクパターンに切り替えてトルク制御を行う。
【0019】そのため、この発明のモータの制御方法が適用される制御装置は図1および図2に示す構成をしている。なお、図中、図5と同一部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
【0020】図1および図2において、この制御装置は、図5に示す制御回路4の機能の他に、予め基本となるトルクパターンを記憶しておき、ブラシレスモータ1の回転制御時に同ブラシレスモータ1の負荷状態を検出し、この負荷状態に応じてその基本トルクパターンの振幅、位相もしくは振幅および位相を決定し、この決定振幅、位相もしくは振幅および位相に基づいて基本トルクパターンを変更して新たなトルクパターンを作成し、この新たなトルクパターンに基づいてトルク制御を行う制御回路(制御マイクロコンピュータ)10を備えている。
【0021】制御回路10は、位置検出回路3からの位置検出信号のタイミングを内部タイミングとして使用するためにシリアル信号に変換し、また必要とする場合そのシリアル信号をπ/6位相シフトするタイミング発生部10aと、その位置検出信号の各区間(12区間)の時間を計時する区間時間計測タイマ10bと、そのシリアル信号をもとにして1回転の時間を計時する1回転時間計測タイマ10cと、そのシリアル信号をもとにしてインバータ部2の各トランジスタU,V,W,X,Y,Zを点弧するための駆動信号を発生する駆動信号発生部10dと、ブラシレスモータ1の回転数指令を出す回転速度指令(回転時間)部10eと、この指令回転数(回転時間)と1回転時間とを比較する比較部10fと、この比較結果(差分)に応じてPWMデューティ比を可変し、速度フィードバックを行うPWMデューティ比可変部10gと、その1回転時間とPWMデューティ比の可変量をもとにしてブラシレスモータ1の負荷状態を検出する負荷演算部10hと、基本トルクパターンを記憶している基本トルクパターン部10iと、その基本トルクパターンの振幅、位相を可変するためのデータを記憶しているROM10jと、負荷演算部10hで得られた負荷状態に応じてROM10jの所定データ(振幅、位相)を読み出すためのアドレス計算部10kと、基本トルクパターンにその読み出された振幅(ゲイン)データを乗算する乗算部10lと、この乗算されたトルクパターンとその読み出された位相データとにより新たなトルクパターンを作成し、既に得られているトルクパターンから新たなトルクパターンに切り替えるトルクパターン作成部10mと、上記計時された各区間の時間のタイミングでそのトルクパターン作成部10mにおけるトルクパターンを切り替えるための切り替え信号を出力するトルク制御タイミング発生部10nと、PWMデューティ比可変部10gで得られた速度出力のPWMデューティにトルクパターン作成部10mで得られたデータを加算する加算部10oと、この加算部10oで加算されたデータをもとにしてPWM信号を発生するPWM制御部10pとを備えている。
【0022】次に、上記構成のブラシレスモータの制御装置の動作を図3のグラフ図を参照して詳細に説明する。なお、ブラシレスモータ1の可変速度制御の場合、負荷トルクは指令回転数を出力するための平均トルクと、負荷変動によるトルクむらの合成トルクとなる。
【0023】また、トルクむらが図3(a)に示す波形とし、これを負荷トルクの交流成分と定義する。この交流成分を打ち消すようなトルクパターン、つまり図3(b)に示す基本トルクパターンを予め基本トルクパターン部10iに記憶している。
【0024】さらに、例えば低回転数時ほど加圧による回転むらが大きく、そのために振動も大きくなる。また、高速回転になるほど、回転子の慣性等によって振動は減少する。一方、負荷の状態(コンプレッサでは圧力)によっても、振動は変化し、負荷の大きさにより振動位相が変化し、また高負荷ほど振動振幅が増加する。そこで、ROM10jは上記条件を加味した振幅、位相データ(例えば1,0°)を記憶している。
【0025】まず、制御回路10のタイミング発生部10aは位置検出回路3からの位置検出信号のをもとにして同制御回路10の内部タイミングに使用する点弧タイミング(シリアル信号)を発生する。駆動信号発生部10dはその点弧タイミングで駆動回路2aの各スイッチング素子U,V,W,X,Y,Zを駆動する駆動信号を出力する。
【0026】このとき、1回転時間計測タイマ10cはタイミング発生部10aからのシリアル信号(点弧タイミング)をもとにして回転子1aの1回転時間を計時する。この1回転時間と回転速度指令(回転時間)部10eからの指令速度(時間)とが比較部10fに入力する。比較部10fは加算器、またはコンパレータであり、この比較部10fは1回転時間と指令回転時間との差分値を算出する。
【0027】PWMデューティ可変部10gはその差分値に応じてPWM信号のデューティ幅の可変量を算出し、この可変量を加算部10oを介してPWM制御部10pに出力する。
【0028】これにより、その差分値がPWM信号のデューティ幅に反映され、逐次的にその差分値が零近傍になるまでPWM信号のデューティ幅が可変される。これが指定回転数を発生するモータトルクに相当する。
【0029】また、負荷演算部10hはPWMデューティ可変部10gからのPWMデューティ(可変量)および1回転時間によりブラシレスモータ1の負荷状態を検出する。例えば、そのPWMデューティ(可変量)および1回転時間をもとにして予め設定した関数で負荷状態(1回転を12分割(3相4極の場合)した各区間における負荷の大きさ)を算出する。
【0030】すなわち、この負荷状態の検出方法としては、電流を検出する方法もあるが、電流検出部を増設する必要があり、コスト面で問題があるからである。そこで、この発明ではPWM制御方式によるPWMデューティを用いている。
【0031】定回転速度制御のフィードバックループを有している場合、負荷が増加して速度が低下したとすると、デューティ幅が変わり、インバータ部2の各トランジスタの点弧期間が増加して回転数を指令回転に一致するまで上昇させる。しかし、そのデューティ幅だけ検出したのでは、回転数を上昇(あるいは下降)させるため、デューティが増加(あるいは減少)したのか、または外因によって負荷が変動してデューティが増加(あるいは減少)したのか判別が難しいので、回転数の情報も負荷状態の検出に用いている。
【0032】ところで、ROM10jには予め種々負荷状態に応じて基本トルクパターンの振幅、位相を可変するためのデータが記憶されている。その振幅、位相のデータを読み出すため、アドレス計算部10kは負荷演算部10hで得られた負荷状態に応じてROM10jのアドレスを発生する。なお、上記負荷状態と振幅、位相とを関係式で表し、この関係式を用いてその振幅、位相を演算するようにしてもよい。
【0033】このようにして、検出された負荷状態に応じてROM10jの振幅、位相のデータを読み出し、この読み出された振幅ゲインを乗算部10oに入力して基本トルクパターン部10iの基本トルクパターンに乗算する。例えば、図3(c)に示すように、基準トルクパターンの振幅を増幅し、この増幅されたトルクパターンをトルクパターン作成部10mに入力する。
【0034】また、ROM10jから読み出された位相データがトルクパターン作成部10mに入力しており、トルクパターン作成部10mは入力トルクパターンをその位相データ分だけシフトする。例えば、図3(d)に示すように、同図(c)に示すトルクパターンをその位相データ分だけシフトした新たなトルクパターンを作成する。
【0035】一方、区間時間計測タイマ10bは1回転を12分割した各区間の時間を計時し、この計時時間をトルク制御タイミング発生部10nに出力する。トルク制御タイミング発生部10nはその区間時間をもとにしてトルクパターンの切り替えタイミングを発生する。
【0036】上記発生されたトルクパターンの切り替えタイミングによりトルクパターン作成部10mは現に作成した新たなトルクパターンに切り替えて出力する。これがブラシレスモータ1の回転むらを抑制するモータトルク交流成分となり、例えば図3(d)に示す新たなトルクパターンのデータが各区間毎に加算部10oに入力される。
【0037】これにより、加算部10oの出力が最終的にブラシレスモータ1を駆動するためのPWM信号のデューティ幅としてPWM制御部10pに入力し、PWM制御部10pはチョッパ用のPWM信号を発生する。
【0038】インバータ部2は駆動信号発生部10dからの駆動信号およびPWM制御部10pからのチョッパ用のPWM信号を入力し、従来同様に駆動回路2aの各トランジスタU,V,W,X,Y,Zを駆動し、上述のループを繰り返す。
【0039】なお、上記実施例では、基本トルクパターン部10iの基本トルクパターンを1つもっている場合について説明したが、幾つかの異なる基本トルクパターンを用意しておき、例えば負荷状態に応じて1つの基本トルクパターンを選択し、この選択基本トルクパターンの振幅、位相もしくは振幅および位相を変更して新たなトルクパターンを作成するようにしてもよい。これにより、基本トルクパターンの振幅、位相を無理なく変更することが可能となる。
【0040】このように、1つの基本トルクパターンまたは少数の基本トルクパターンの振幅、位相を負荷状態に応じて変更して新たなトルクパターンを作成し、この作成トルクパターンによってトルク制御行うことから、トルクパターンを記憶しておくためのメモリ容量が小さくて済み、負荷に最適なトルク制御(いわゆる精密なトルク制御)が可能となり、ブラシレスモータ1の種々負荷に対応して適切なトルク制御が可能となる。
【0041】とろこで、トルク制御が必要でない場合、例えば高速回転時に回転変動が小さく、トルク制御を必要としない場合、またはトルク制御を行うことによって、逆に加振してしまうような場合がある。このような場合であっても、ブラシレスモータ1の印加トルクの定常分(速度制御分)と振動抑制分(回転変動抑制分)とを独立に制御していることから、トルク制御を切り離し、つまりトルク制御を停止することができ、加振することもない。しかも、高速回転時にトルク制御ルーチンを行わないようにすることにより、ブラシレスモータ1のほかの制御処理の高速化が図れるという利点もある。
【0042】また、上記基本トルクパターンの振幅、位相を変更するために、ブラシレスモータ1の負荷状態を検出する方法として、PWMデューティと1回転時間とによって負荷状態を検出していることから、電流検出等のハードウェアを付加する必要がなく、安価に済ませられる。
【0043】さらに、この発明の制御方法は、全て制御マイコンのソフトウェアで行っていることから、この発明を付加することによるコストアップは問題とならない。
【0044】さらにまた、ブラシレスモータ1の振動を減少させることができるため、例えば空気調和機のコンプレッサモータに用いた場合には配管のストレスが少なくなり、これによりその配管に余裕をもたせずに済み、つまり室外機のコンパクト化を図ることができる。
【0045】
【発明の効果】以上説明したように、この発明のモータの制御方法によれば、1つのトルクパターンまたは少数のトルクパターンを予め用意しておき、モータの負荷状態に応じてそのトルクパターンの振幅を変更し、かつその変更トルクパターンの位相を変更して新たなトルクパターンを得、この新たなトルクパターンを用いトルク制御を行うようにしたので、トルクパターンの種類がなくとも、種々負荷に応じて精密なトルク制御(いわゆる負荷に応じて適切なトルク制御)を行うことができるという効果がある。
【0046】また、この発明によれば、トルク制御が必要でない場合、例えば高速回転時に回転変動が小さく、またはトルク制御を行うことによって逆に加振してしまうような場合であっても、ブラシレスモータ1の印加トルクの定常分(速度制御分)と振動抑制分(回転変動抑制分)とを独立に制御していることから、トルク制御を切り離し、つまりトルク制御を停止することができ、加振することもない。しかも、高速回転時にトルク制御ルーチンを行わないようにすることにより、ブラシレスモータ1の制御処理の高速化が図れるという利点もある。
【0047】さらに、上記基本トルクパターンの振幅、位相を変更するために、ブラシレスモータ1の負荷状態を検出する方法として、PWMデューティと1回転時間とによって負荷状態を検出していることから、電流検出等のハードウェアを付加する必要がなく、安価に済ませられる。
【0048】さらにまた、空気調和機のコンプレッサモータに用いた場合、振動が抑えられるため、配管のストレスが少なくなり、これによりその配管に余裕をもたせずに済み、つまり室外機のコンパクト化を図ることができる。




 

 


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