JP2014054058A - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの回転速度に応じて効率を最適化する。
【解決手段】モータ制御装置１００は、通電パターン出力部１５０とインバータ回路１３０とを有する。通電パターン出力部１５０は、複数の通電パターンを循環的に出力する。インバータ回路１３０は、出力された通電パターンにしたがって、モータＭが備えるコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗのそれぞれと整流回路１１０とを選択的に接続する。通電パターン出力部１５０は、通電パターンの出力タイミングを、モータＭの回転速度に応じて遅延させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの回転速度に応じて効率を最適化できるモータ制御装置及びモータ制御方法に関する。

従来、ファンモータには、広範囲の速度制御が可能なブラシレスモータを用いる。ブラシレスモータは、下記特許文献１に開示されているように、複数のホール素子を備え、ホール素子が出力する信号を用いてロータの回転位置を検出する。

ブラシレスモータにおけるステータコイルの通電パターンはロータの回転位置に応じて決めてある。ここで、通電パターンとは、ロータの回転位置にしたがって電源に接続するステータコイルと電源に接続したステータコイルに流す電流の方向とを示すパターンである。ステータコイルは、ロータの回転位置に応じて、決められた通電パターンで通電される。

特開２００２−１９１１８６号公報

しかしながら、ステータコイルの通電パターンは、複数のホール素子の内のいずれかのホール素子から出力される信号が変化すると同時に変更される。通常、ホール素子から出力される信号が変化するタイミングは、ロータの回転速度が遅くなるにしたがって早くなる。

したがって、従来のブラシレスモータでは、回転速度が低速になればなるほどホール素子によるロータの位置検出のタイミングが早くなり、通電パターンは最適な切替タイミングよりも早く切り替わる。このため、低速の回転速度領域では、ステータコイルで発生する磁力がロータに有効に活用され難くなり、効率が低下して出力に対する消費電力が増加する。

低速の回転速度領域で生じるロータの位置検出のタイミングのずれを補償するためには、そのタイミングのずれ分だけ、ホール素子の配置をロータの回転方向にずらすことが考えられる。しかし、これでは、可変速運転されるファンモータの効率をその回転速度に応じて常に最適化しておくことはできない。

本発明は、上記のような従来の技術の不具合を解消するために成されたものであり、モータの回転速度に応じて効率を最適化できるモータ制御装置及びモータ制御方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るモータ制御装置は、通電パターン出力部とインバータ回路とを有する。

通電パターン出力部は、複数の通電パターンを循環的に出力する。インバータ回路は、出力された通電パターンにしたがって、モータが備えるコイルのそれぞれと電源とを選択的に接続する。通電パターン出力部は、通電パターンの出力タイミングを、モータの回転速度に応じて遅延させる。

本発明に係るモータ制御装置は、モータの回転速度が遅くなるほど現在の通電パターンから次の通電パターンへの切り替わりを遅くして、その回転速度に応じた最適な効率でモータを回転させる。

上記目的を達成するための本発明に係るモータ制御方法は、モータのロータの回転位置に応じて通電パターンを選択する第１段階と、ロータの回転速度を演算する第２段階と、ロータの回転速度から遅延時間を演算する第３段階と、演算された遅延時間だけ遅延させて選択した通電パターンを出力する第４段階と、を含み、第１段階から第４段階を繰り返してモータを連続的に回転させる。

上記のモータ制御装置と同様に、本発明に係るモータ制御方法は、モータの回転速度が遅くなるほど現在の通電パターンから次の通電パターンへの切り替わりを遅くして、その回転速度に応じた最適な効率でモータを回転させる。

上記のように構成された本発明によれば、通電パターンの出力タイミングをモータの回転速度に応じて遅延させたので、効率をモータの回転速度に応じて最適化できる。

本実施形態に係るモータ制御装置の構成図である。 図１に示した通電パターン出力部の構成を示すブロック図である。 図１に示したセンサ部が出力する信号の説明に供する図である。 通電パターンとセンサ部が出力する信号との関係の説明に供する図である。 通電パターンとステータコイルの通電方向との関係の説明に供する図である。 通電パターンの出力タイミングの説明に供する図である。 本実施形態に係るモータ制御装置の動作フローチャートである。 従来のモータ制御装置の特性と本実施形態に係るモータ制御装置の特性の測定結果である。 図８の測定結果を可視化したグラフである。 従来のモータ制御装置と本実施形態に係るモータ制御装置がそれぞれ同一の条件で同一のモータを駆動したときの電流波形図である。

以下に、本発明に係るモータ制御装置及びモータ制御方法の実施形態について説明する。

〔モータ制御装置の構成〕
図１は、本実施形態に係るモータ制御装置の構成図である。

モータ制御装置１００は、平滑コンデンサＣを備えた整流回路１１０とモータＭに接続されたインバータ回路１３０を有する。

整流回路１１０は、図に示す通り、ブリッジ接続した６個のダイオードＤ１−Ｄ６を有し、６個のダイオードＤ１−Ｄ６は交流電源（三相）１２０から流れる電流を全波整流する。６個のダイオードＤ１−Ｄ６によって全波整流された電流は、平滑コンデンサＣによって平滑化され、全波整流後の直流電流のリップルが低減される。整流回路１１０はモータＭの電源となる。

整流回路１１０には、インバータ回路１３０が並列に接続してある。インバータ回路１３０は、整流回路１１０が整流した直流電流をスイッチングする３つのアーム回路１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃを有する。

アーム回路１４０Ａは、一対のトランジスタＴＲ１とＴＲ４とを直列に接続し、一対のトランジスタＴＲ１とＴＲ４同士の接続ライン１４２ＡにモータＭのステータコイルＬｕを接続する。アーム回路１４０Ｂは、一対のトランジスタＴＲ２とＴＲ５とを直列に接続し、一対のトランジスタＴＲ２とＴＲ５同士の接続ライン１４２ＢにモータＭのステータコイルＬｗを接続する。アーム回路１４０Ｃは、一対のトランジスタＴＲ３とＴＲ６とを直列に接続し、一対のトランジスタＴＲ３とＴＲ６同士の接続ライン１４２ＣにモータＭのステータコイルＬｖを接続する。

３つのアーム回路１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃは整流回路１１０の平滑コンデンサＣに並列に接続される。６つのトランジスタＴＲ１、ＴＲ４、ＴＲ２、ＴＲ５、ＴＲ３、ＴＲ６のコレクタ−エミッタ間には、ダイオードＤが逆接続される。６つのトランジスタＴＲ１、ＴＲ４、ＴＲ２、ＴＲ５、ＴＲ３、ＴＲ６のゲートには、これらのトランジスタをスイッチングさせる駆動回路１４５が個別に接続される。

本実施形態で例示するモータＭはブラシレスモータである。モータＭのステータＭＳは、スター接続された３つのステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗを有する。モータＭのロータＭＲは、Ｎ極とＳ極を２分割して着磁された円筒形の磁石を有し、ステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗによって形成される磁界を用いて回転する。

ロータＭＲの周囲には、ロータＭＲの回転方向に沿って３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が配置される。３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、１２０°の位相差を持って配置される。センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、たとえば図３に示すように、ロータＭＲのＮ極と対峙しているときにはＨｉの信号を出力し、そのＳ極と対峙しているときにはＬｏの信号を出力する。Ｎ極とＳ極の境目ではＨｉの信号とＬｏの信号が切り替わる。センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、ロータＭＲの回転位置を検出する回転位置検出センサとして機能する。なお、センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は本実施形態ではホール素子を想定している。しかし、ロータＭＲの回転位置を検出できるセンサであれば、ホール素子以外のセンサの使用も可能である。ステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗをセンサ部の代わりとして回転位置検出センサとしても良い。

センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、ロータＭＲの回転速度も検出できる。センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、ロータＭＲの回転速度に応じたパルス幅のパルス信号を出力する。センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、ロータＭＲの回転速度を検出する回転速度検出センサとしても機能する。

モータ制御装置１００は、センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が接続された通電パターン出力部１５０を備える。通電パターン出力部１５０はそれぞれの駆動回路１４５に向けて複数の通電パターンを循環的に出力する。通電パターン出力部１５０は、通電パターンの出力タイミングを、モータＭの回転速度に応じて遅延させる。さらに具体的には、通電パターン出力部１５０は、通電パターンの出力タイミングをモータＭの回転速度が遅くなるほどより多くの時間遅延させる。なお、インバータ回路１３０は、モータＭが備えるステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗのそれぞれと整流回路１１０とを、通電パターンにしたがって選択的に接続する。

通電パターンとは、ロータＭＲの回転位置にしたがって整流回路１１０に接続するステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗと整流回路１１０に接続したステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗに流す電流の方向とを示すパターンである。通電パターンの具体例については後で詳しく説明する。

図２は、図１に示した通電パターン出力部１５０の構成を示すブロック図である。通電パターン出力部１５０は、回転速度演算部１５２、遅延時間演算部１５４、通電パターン選択部１５６、通電パターン出力タイミング調整部１５８を有する。

回転速度演算部１５２は、センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が出力するパルス信号に基づいてロータＭＲの回転速度を演算する。

遅延時間演算部１５４は、演算されたロータＭＲの回転速度に応じて、通電パターンの出力タイミングを遅らせるための遅延時間を演算する。遅延時間演算部１５４は、ロータＭＲの回転速度とその回転速度に対する遅延時間を記述したテーブルを有する。遅延時間は、ロータＭＲの回転速度が定格回転数であるときに０、その定格回転数から一定割合減少する毎にｔｍｓｅｃずつ増加させる。したがって、遅延時間演算部１５４は、ロータＭＲの回転速度が定格回転数から遅くなるにしたがって遅延時間を段階的に長くする。

なお、遅延時間演算部１５４は、上記のようなテーブルを持たずに、ロータＭＲの回転速度に応じた遅延時間を演算するようにしても良い。この場合、遅延時間演算部１５４は、ロータＭＲの回転速度が定格回転数から遅くなるにしたがって遅延時間を連続的に長くする。

通電パターン選択部１５６は、３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が検出したロータＭＲの回転位置に応じて通電パターンを選択する。

３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、図３に示すように、ロータＭＲの回転位置によって、それぞれＨｉ、Ｌｏの信号を出力する。通電パターン選択部１５６は、３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３がそれぞれ出力するＨｉ、Ｌｏの信号を入力し、ロータＭＲの回転位置を認識する。３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のそれぞれは、電気角で１２０°位相のずれたＨｉ、Ｌｏの信号を出力するため、通電パターン選択部１５６は、ロータＭＲの回転位置を６０°毎に認識することができる。

通電パターン選択部１５６は、たとえば、センサ部Ｈ１がＬｏの信号を出力し、センサ部Ｈ２がＬｏの信号を出力し、センサ部Ｈ３がＨｉの信号を出力しているときには、通電パターン１を選択する。また、通電パターン選択部１５６は、センサ部Ｈ１がＨｉの信号を出力し、センサ部Ｈ２がＨｉの信号を出力し、センサ部Ｈ３がＬｏの信号を出力しているときには、通電パターン４を選択する。

３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３がそれぞれ出力するＨｉ、Ｌｏの信号の組み合わせは、図４に示すように６パターンある。この６パターンのそれぞれに対応させて通電パターン１−６を設定してある。したがって、通電パターン選択部１５６は、３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が検出したロータＭＲの回転位置を認識することで、ロータＭＲの回転位置に応じた通電パターンを選択できる。通電パターンは、１、２、３、４、５、６、１、２、…の順番に遷移する。通電パターンが１−６まで進んだときにはロータＭＲは１回転する。したがって、通電パターン選択部１５６は、ロータＭＲが１回転する毎に、通電パターン１−６を循環させて選択することになる。

図５は、通電パターンとステータコイルの通電方向との関係の説明に供する図である。
図に示すように、通電パターン１が、通電パターン出力タイミング調整部１５８から出力された場合には、通電方向がＵ＋、Ｖ-となっている。このため、図１に示した、トランジスタＴＲ１とＴＲ５が駆動回路１４５によってスイッチングされ、整流回路１１０からトランジスタＴＲ１、ステータコイルＬｕ、ステータコイルＬｗ、トランジスタＴＲ５、整流回路１１０に至る閉回路を電流が流れる。また、通電パターン２が、通電パターン出力タイミング調整部１５８から出力された場合には、通電方向がＵ＋、Ｗ-となっている。このため、トランジスタＴＲ１とＴＲ６が駆動回路１４５によってスイッチングされ、整流回路１１０からトランジスタＴＲ１、ステータコイルＬｕ、ステータコイルＬｖ、トランジスタＴＲ６、整流回路１１０に至る閉回路を電流が流れる。さらに、通電パターン３が、通電パターン出力タイミング調整部１５８から出力された場合には、通電方向がＶ＋、Ｗ-となっている。このため、トランジスタＴＲ２とＴＲ６が駆動回路１４５によってスイッチングされ、整流回路１１０からトランジスタＴＲ２、ステータコイルＬｗ、ステータコイルＬｖ、トランジスタＴＲ６、整流回路１１０に至る閉回路を電流が流れる。通電パターン４−６についても通電パターン１−３と同様の考え方で形成される閉回路に電流が流れる。なお、閉回路を形成するトランジスタは駆動回路１４５によってＰＷＭ制御される。

通電パターン出力タイミング調整部１５８は、通電パターン選択部１５６によって選択された通電パターンを、遅延時間演算部１５４によって演算された遅延時間分遅延させて、インバータ回路１３０に出力する。たとえば、図７に示すように、通電パターンを１−２に切り替える場合には、ロータＭＲの回転速度が高速度の場合には、通電パターン２の指示を遅延させることなく駆動回路１４５に出力する。ロータＭＲの回転速度が中速度の場合には、通電パターン２の指示をｔ１ｍｓｅｃ遅延させて駆動回路１４５に出力する。ロータＭＲの回転速度が低速度の場合には、通電パターン２の指示をｔ２ｍｓｅｃ遅延させて駆動回路１４５に出力する。通電パターンを２−３などに切り替える場合も同様である。

〔モータ制御装置の動作〕
次に、図１に示したモータ制御装置１００の動作について説明する。図７は、モータ制御装置１００の動作フローチャートである。なお、この動作フローチャートの処理手順は、モータ制御方法の手順を示すものでもある。

まず、通電パターン選択部１５６は、３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の信号から通電パターンを選択する。３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の信号の組み合わせは、ロータＭＲの回転位置を示すものであるから、通電パターン選択部１５６はロータＭＲの回転位置に応じて通電パターンを選択していることになる(ステップＳ１００)。

次に、回転速度演算部１５２は、３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が出力するパルス信号に基づいてロータＭＲ（モータＭ）の回転速度を演算する（ステップＳ１０１）。

遅延時間演算部１５４は、回転速度演算部１５２によって演算されたロータＭＲ（モータＭ）の回転速度に基づいて、通電パターンを出力するタイミングを調整するための遅延時間を演算する（ステップＳ１０２）。

通電パターン出力タイミング調整部１５８は、通電パターン選択部１５６によって選択された通電パターンを、遅延時間演算部１５４によって演算された遅延時間だけ遅らせて出力する。たとえば、図６に示すように、ロータＭＲの回転速度が中速度の場合には高速度の場合に比較してｔ１ｍｓｅｃ遅らせて通電パターンを出力し、低速度の場合には、高速度の場合に比較してｔ２ｍｓｅｃ遅らせて通電パターンを出力する。通電パターンの出力を遅延させると、インバータ回路１３０による通電パターンの切り替えが遅れるので、センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３による検出タイミングの誤差が解消できる（ステップＳ１０３）。

モータ制御装置１００は、上記のステップＳ１００からステップＳ１０３までの処理を繰り返し行うことによって、モータＭを回転させる。

〔モータ制御装置による効果〕
以上のように、本実施形態に係るモータ制御装置１００は、従来であれば、通電パターンを切り替えなければならない条件が整っていたとしても、モータの回転速度が遅い場合には、通電パターンを切り替えるタイミングを故意に遅くさせている。このため、モータの回転速度が遅いときには回転速度が速いときよりも、相対的に早く通電パターンが切り替えられてしまうことによる不具合を容易に解消できる。

図８は、従来のモータ制御装置の特性と本実施形態に係るモータ制御装置の特性の測定結果である。また、図９は、図８の測定結果を可視化したグラフである。

モータ制御装置の特性の測定は、ファンモータを２台直列に接続して両方のファンモータの回転数を違えて送風するタイプのファンモータに対して行った。これらの図で、前段及び後段と記載されているのは、そのファンモータの送風方向風上側に位置するファンモータが前段、送風方向風下側に位置するファンモータが後段である。

これらの図を見ると、モータが高速で回転することになるデューティー比が大きい状態から、低速で回転することになるデューティー比が小さい状態に移行するにしたがって、前段及び後段のモータの電力低減率が増加していく。このため、同一の回転速度で回転させた場合には、ステータコールに流れる電流が従来のモータ制御装置よりも本実施形態のモータ制御装置の方が小さくて済む。したがって、モータの出力に対する消費電力は小さくなる。特に図９に示すように、通電パターンの出力タイミングをずらすことによって、中低速領域の効率が大きく上昇していることがわかる。

図１０は、従来のモータ制御装置と本実施形態に係るモータ制御装置がそれぞれ同一のモータを駆動したときの電流波形図である。

この電流波形図を見比べると、同じ速度で同一の負荷を駆動しているのにもかかわらず、電流のピークが４３％（従来品が２３３ｍＡ、本発明品が１５２ｍＡ）も下がっており、本発明品の方のモータの効率が従来のモータの効率よりも大きく向上していることがわかる。

以上のように、本発明に係るモータ制御装置及びモータ制御方法によれば、通電パターンの出力タイミングをモータの回転速度に応じて電気的に遅延させたので、モータの回転速度に応じて効率を最適化できる。

なお、上記実施形態では、３相のモータを例示して説明したが、本発明の思想は、単相モータ、２相モータ、５相モータ等の様々な相数のモータに対しても適用することができる。また、上記実施形態では、ロータの極数が２極の場合を例示したが、３極以上の極数のモータについても本発明の思想を適用することができる。さらに、スロット数も様々な数のモータに対して適用することができる。

１００ モータ制御装置、
１１０ 整流回路、
１２０ 交流電源（三相）、
１３０ インバータ回路、
１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ アーム回路、
１４２Ａ、１４２Ｂ、１４２Ｃ 接続ライン、
１４５ 駆動回路、
１５０ 通電パターン出力部、
１５２ 回転速度演算部、
１５４ 遅延時間演算部、
１５６ 通電パターン選択部、
１５８ 通電パターン出力タイミング調整部、
Ｃ 平滑コンデンサ、
ＴＲ１−ＴＲ６ トランジスタ、
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３ センサ部。

Claims (11)

1. 複数の通電パターンを循環的に出力する通電パターン出力部と、
   出力された通電パターンにしたがって、モータが備えるコイルのそれぞれと電源とを選択的に接続するインバータ回路と、を有し、
   前記通電パターン出力部は、前記通電パターンの出力タイミングを、前記モータの回転速度に応じて遅延させることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記通電パターン出力部は、
   前記通電パターンの出力タイミングを、前記モータの回転速度が遅くなるほどより多くの時間遅延させることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記通電パターン出力部は、
   回転位置検出センサが検出した前記モータのロータの回転位置に応じて通電パターンを選択する通電パターン選択部と、
   回転速度検出センサが検出した前記ロータの回転速度に応じて前記通電パターンの出力タイミングを遅らせるための遅延時間を演算する遅延時間演算部と、
   選択された通電パターンを演算された遅延時間分遅延させて出力する通電パターン出力タイミング調整部と、
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記遅延時間演算部は、前記遅延時間を前記ロータの回転速度が遅くなるにしたがって段階的に長くすることを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記遅延時間演算部は、前記遅延時間を前記ロータの回転速度が遅くなるにしたがって連続的に長くすることを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
6. 前記通電パターンは、前記ロータの回転位置にしたがって前記電源に接続する前記コイルと前記電源に接続した前記コイルに流す電流の方向とを示すパターンであり、
   前記通電パターン出力部は、
   前記ロータが１回転する毎に、複数の通電パターンを循環させて出力することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のモータ制御装置。
7. モータのロータの回転位置に応じて通電パターンを選択する第１段階と、
   前記ロータの回転速度を演算する第２段階と、
   前記ロータの回転速度から遅延時間を演算する第３段階と、
   演算された遅延時間だけ遅延させて選択した通電パターンを出力する第４段階と、を含み、
   前記第１段階から第４段階を繰り返して前記モータを連続的に回転させることを特徴とするモータ制御方法。
8. 前記遅延時間は、前記ロータの回転速度が遅くなるほどより長くすることを特徴とする請求項７に記載のモータ制御方法。
9. 前記遅延時間は、前記ロータの回転速度が遅くなるにしたがって段階的に長くすることを特徴とする請求項８に記載のモータ制御方法。
10. 前記遅延時間は、前記ロータの回転速度が遅くなるにしたがって連続的に長くすることを特徴とする請求項８に記載のモータ制御方法。
11. 前記通電パターンは、前記ロータの位置にしたがって電源に接続する前記モータのコイルと前記電源に接続した前記コイルに流す電流の方向とを示すパターンであり、
    前記ロータが１回転する毎に、複数の通電パターンが循環することを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載のモータ制御方法。