JP2005323414A - モータ駆動装置とそのモータ駆動装置を搭載した電動圧縮機及び車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低騒音低振動であるとともに小型軽量で信頼性を向上し、コストアップを抑制したモータ駆動装置を提供すること。
【解決手段】直流電源１とスイッチング回路２の間に設けた電源電流を検出する電流センサ６を、固定子巻線４の電流検出にも用いて磁石回転子５の位置検出を行う構成とするもので、１つの相のキャリア周期内通電期間をシフトして、当該相の固定子巻線４に流れる電流を検出し、他のキャリア周期において他の相の固定子巻線４に流れる電流を検出することにより、２相分の相電流を検出し、永久磁石回転子５の位置を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサレスＤＣブラシレスモータを駆動するスイッチング回路を備えたモータ駆動装置に関するものである。

従来、この種のモータ駆動装置として１２０度通電方式がある（例えば、特許文献１参照）。

図１７は、従来の１２０度通電駆動用モータ駆動装置の電気回路図である。図１７において、モータ駆動装置１１１の動作を次に示す。位相シフト回路１２７、比較回路１２８により、固定子巻線１２４の電圧から磁石回転子５の位置検出が行われ、電流センサ１２６は、電源電流を検出して消費電力算出やスイッチング素子保護等を行うため備えられている。もって、制御回路１２９は、電流センサ１２６、比較回路１２８等からの信号に基づいてスイッチング素子１２２を制御し、バッテリー１２１からの直流電圧をスイッチングすることにより、交流電流を、固定子巻線１２４と磁石回転子１２５から成るセンサレスＤＣブラシレスモータへ出力し駆動する。ダイオード１２３は、固定子巻線１２４からの電流の還流ルートを形成する。しかし、この方法では磁界変化が６０度間隔（通電が６０度間隔）のため、モータのトルク変動が大きい。

一方、連続した回転磁界により永久磁石回転子を駆動してトルク変動を小さくする方法として、正弦波駆動方式がある（例えば、特許文献２参照）。

図１８は、従来の相電流検出用電流センサを備えた正弦波駆動用モータ駆動装置の電気回路図である。図１８において、モータ駆動装置１１７の動作を次に示す。図１７に比べ、比較回路１２８及び位相シフト回路１２７は設けられず、固定子巻線１２４の電流から磁石回転子１２５の位置検出を行うためのＵ相電流検出用電流センサ１３０、及びＷ相電流検出用電流センサ１３１が備えられる。制御回路１２９は、上記２個の電流センサからの２相分の電流値により残りの１相の電流を演算し（電流センサは２個必要であるが、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のうちどの２相でも良い）、磁石回転子１２５の位置検出を行い、電流センサ１２６等からの信号に基づいてスイッチング素子１２２を制御し、バッテリー１２１からの直流電圧をスイッチングすることにより、正弦波状の交流電流を、固定子巻線１２４と磁石回転子１２５から成るセンサレスＤＣブラシレスモータへ出力する。ダイオード１２３は、固定子巻線１２４からの電流の還流ルートを形成する。
特開平８−１６３８９１号公報 特開２０００−３３３４６５号公報

このようなモータ駆動装置により駆動される電動圧縮機において、車両用空調装置、特に電気自動車においては低騒音低振動であることが大変重要になる。すなわち、電気自動車はエンジンが無いため静粛性が大変高い（ハイブリッド電気自動車においては、エンジンを起動せずモータで走行している場合が同様である）。更に停車中においては、バッテリー電源により電動圧縮機を駆動することが可能で、この場合は、走行による騒音振動も無いので、電動圧縮機の騒音振動が目立つこととなる。

また、車両への搭載性や走行性能確保の面からは、電動圧縮機及びそのモータ駆動装置
は小型軽量が要望されている。

しかしながら、従来の１２０度通電方式の場合、磁界変化が６０度間隔（通電が６０度間隔）のためモータにトルク変動があり、それが騒音振動の原因となっていた。

一方、正弦波電流を出力する正弦波駆動のモータ駆動装置を用いれば、上述したようにトルク変動が小さくなり低騒音低振動となる。しかしながら、図１８に示す従来の構成では、磁石回転子の位置検出を行うために、２個の電流センサが必要であり、モータ駆動装置として小型軽量化を進める上での阻害要因になると共に、コストアップの要因になる。また、相ごとに設ける電流センサーでは電気絶縁のためにホール素子を用いたセンサを用いる必要があり、ホール素子周辺回路、基板等必要であり、センサーの小型化が難しく、部品点数が多いという課題を有していた。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、低騒音低振動であるとともに小型軽量で信頼性を向上し、コストアップを抑制したモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、直流電源とスイッチング回路の間に設けた電源電流を検出する電流センサを、固定子巻線の電流検出にも用いて磁石回転子の位置検出を行うものである。この電流検出においては、１つの相のキャリア周期内通電期間をシフトすることにより、当該相の固定子巻線に流れる電流を検出し、他のキャリア周期において他の相の固定子巻線に流れる電流を検出するものである。これにより、２相分の相電流を検出し、永久磁石回転子の位置を判定することができる。

上記構成によって、２個の相電流検出用電流センサを追加することなく正弦波駆動が可能となり、また、従来の１２０度通電における位相シフト回路及び比較回路も不要となり構成部品を減少してコストを抑制することができ、低騒音低振動であるとともに小型軽量で且つ信頼性の高いモータ駆動装置が得られる。

また、このモータ駆動装置を適用することで、低騒音低振動で小型化した電動圧縮機が得られ、更に、この電動圧縮機を用いて車両用空調装置の静粛性を向上することができる。

本発明のモータ駆動装置は、２個の相電流検出用電流センサを設けることなく、位置検出が正確な正弦波駆動が可能であるため、トルク変動が小さく低騒音低振動であるとともに、小型軽量で且つ信頼性を向上することができ、特に静粛性を必要とする電動圧縮機等に適用することができる。

第１の発明は、直流電源とスイッチング回路の間に設けた電源電流を検出する電流センサを、固定子巻線の電流検出にも用いて磁石回転子の位置検出を行う。この電流検出においては、１つの相のキャリア周期内通電期間をシフトすることにより、当該相の固定子巻線に流れる電流を検出し、他のキャリア周期において他の相の固定子巻線に流れる電流を検出する。これにより、永久磁石回転子の位置を判定する。よって、２個の相電流検出用電流センサを追加することなく正弦波駆動が可能となり、また、従来の１２０度通電における位相シフト回路及び比較回路も不要となり構成部品が減少するので、低騒音低振動であるとともに小型軽量で且つ信頼性の高いモータ駆動装置が得られる。

第２の発明は、第１の発明のモータ駆動装置を、センサレスＤＣブラシレスモータを備えた電動圧縮機に搭載したものである。これにより、小型で振動に強く、またモータ巻線に横方向長さを短くできる集中巻を採用可能であり、小型で信頼性の高いモータ駆動装置を一体化した電動圧縮機が得られる。

第３の発明は、特に、第２の発明のモータ駆動装置を搭載した電動圧縮機を、車両用空調装置に搭載したものである。これにより、車両用空調装置を低騒音低振動にすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１によるモータ駆動装置の電気回路図である。

図１において、モータ駆動装置２０は従来のモータ駆動装置１１１、１１７に代わるものである。図１の電気回路図を図１７の１２０度通電駆動用の電気回路図と比較すると、比較回路１２８、及び位相シフト回路１２７が削除されている。また、図１の電気回路図を図１８の相電流検出用電流センサを備えた正弦波駆動用の電気回路図と比較すると、Ｕ相電流検出用電流センサ１３０、及びＷ相電流検出用電流センサ１３１が削除されている。

制御回路７は、電流センサ６からの電流を演算し、磁石回転子５の位置検出を行い、電流センサ６等からの信号に基づいてスイッチング素子２を制御し、バッテリー１からの直流電圧をスイッチングすることにより、正弦波状の交流電流を固定子巻線４と磁石回転子５から成るセンサレスＤＣブラシレスモータへ出力する。ダイオード３は、固定子巻線１２４からの電流の還流ルートとなる。

電流センサ６の検出電流値は、制御回路７へ送られ、消費電力算出やスイッチング素子２等の保護のための判断に用いられ、更に磁石回転子５の位置検出に用いられる。

よって、制御回路７は、図１７の位相シフト回路１２７、比較回路１２８、図１８のＵ相電流検出用電流センサ１３０、Ｗ相電流検出用電流センサ１３１用の信号入力回路（ハード）を削減でき、プログラムソフト変更のみを行えば良い。

そして、回転数指令信号（図示せず）等に基づいてスイッチング素子２を制御する。電流センサ６としては、ホール素子を用いたセンサ、シャント抵抗等、スイッチング素子２によるスイッチング電流のピークが検出できるものであれば良いが、電流センサ６はプリント基板上に搭載されるため、耐振性の点からはシャント抵抗が望ましい。

従来からある電流センサ６は、スイッチング素子２等を保護するためにスイッチング電流のピークが検出できるようになっているので、そのまま使用できる。また、図１においては、電流センサ６は電源ラインのマイナス側に挿入されているが、電流は同じなのでプラス側でも良い。

このような構成とすることにより、従来に比べて構成部品が減少するため、小型軽量化が図れるとともに、耐振などの信頼性を向上することができる。

次に、本発明の実施の形態１による磁石回転子５の位置検出方法について述べる。

図２は、本発明のモータ駆動装置の正弦波駆動における誘起電圧検出方法を示す概念図であり、Ｕ相における相電流と誘起電圧との関連を示す。誘起電圧は、図１に示す磁石回転子５の回転により固定子巻線４に誘起する電圧であるので、磁石回転子５の位置検出に使用することができる。また、図３は、センサレスＤＣブラシレスモータの電圧電流波形を示す特性図で、センサレスＤＣブラシレスモータの電圧電流の１相分の一例を示す。

図１における固定子巻線４には、インダクタンスＬとともに抵抗Ｒも存在している。誘起電圧、インダクタンスＬの電圧、抵抗Ｒの電圧の和がモータ駆動装置２０からの印加電圧に等しい。誘起電圧をＥｕ、相電流をｉｕ、印加電圧をＶｕとすると、Ｖｕ＝Ｅｕ＋Ｒ・ｉｕ＋Ｌｄ・ｉｕ／ｄｔであるので（、誘起電圧Ｅｕは、Ｅｕ＝Ｖｕ−Ｒ・ｉｕ−Ｌｄ・ｉｕ／ｄｔで表される。

図１における制御回路７はスイッチング素子２を制御しているので、印加電圧Ｖｕは既知である。よって、制御回路７のプログラムソフトにインダクタンスＬと抵抗Ｒの値を入力しておけば、相電流ｉｕを検出することで誘起電圧Ｅｕを算出できる。

次に、電流センサ６にて磁石回転子５の位置を検出する方法について述べる。

まず、３相変調の波形の特性図を示す。図４は最大変調１００％、図５は最大変調５０％、図６は最大変調１０％におけるそれぞれの波形の特性図で、Ｕ相端子電圧４１、Ｖ相端子電圧４２、Ｗ相端子電圧４３、及び中性点電圧２９を示している。３相変調は、変調度が上がるにつれ５０％を中心に０％と１００％の両方向に伸びている。

次に、図により例を示して説明する。図７は本発明の実施の形態１による相電流検出方法を示す通電タイミングチャートであり、１キャリア内（キャリア周期）での上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ、下アームスイッチング素子Ｘ，Ｙ，Ｚの通電の一例を示している。この場合、図５の最大変調５０％の３相変調において、位相がおおよそ１３０度での通電である。通電パターンとして、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の４パターンがあり、それぞれ図８〜図１１に示す。

通電パターン（ａ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ全てがＯＦＦ、下アームスイッチング素子Ｘ，Ｙ，Ｚ全てがＯＮである。Ｕ相電流、Ｖ相電流がそれぞれ、下アームスイッチング素子Ｘ，Ｙと並列のダイオードから固定子巻線４へ流れ、Ｗ相電流は固定子巻線４から下アームスイッチング素子Ｚへ流れ出ている。よって、電流センサ６に電流は流れず検出されない。

通電パターン（ｂ）においては、上アームスイッチング素子ＵがＯＮ、下アームスイッチング素子Ｙ、ＺがＯＮである。Ｕ相電流は、上アームスイッチング素子Ｕから固定子巻線４へ流れ、Ｖ相電流は下アームスイッチング素子Ｙと並列のダイオードから固定子巻線４へ流れ、Ｗ相電流は固定子巻線４から下アームスイッチング素子Ｚへ流れ出ている。よって、電流センサ６には、Ｕ相電流が流れ検出される。

通電パターン（ｃ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ，ＶがＯＮ、下アームスイッチング素子ＺがＯＮである。Ｕ相電流、Ｖ相電流は、それぞれ、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖから固定子巻線４へ流れ、Ｗ相電流は固定子巻線４から下アームスイッチング素子Ｚへ流れ出ている。よって、電流センサ６には、Ｗ相電流が流れ検出される。

通電パターン（ｄ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ全てがＯＮ、下アームスイッチング素子Ｘ，Ｙ，Ｚ全てがＯＦＦである。Ｕ相電流、Ｖ相電流は、それぞれ、上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖから固定子巻線４へ流れ、Ｗ相電流は固定子巻線４
から上アームスイッチング素子Ｗから流れ込んでいる。よって、電流センサ６に電流は流れず検出されない。

上記のようにしてＵ相電流とＷ相電流が検出されるので、残りのＶ相電流は固定子巻線４の中性点において、キルヒホッフの電流の法則を適用することにより求められる。この場合、Ｕ相電流は固定子巻線４の中性点へ流れ込む電流であり、Ｗ相電流は固定子巻線４の中性点から流れ出る電流なので、Ｖ相電流はＵ相電流とＷ相電流の差をとれば求められる。

３相変調においては、上記の如く、キャリア周期内の通電パターン（ｄ）の期間において電源電流が流れない（電流センサ６に電流は流れない）。そのため、キャリア周期内で前半と後半の２回に分けて通電されていることになる。これは、キャリア周波数が２倍と同じことになり（キャリア周期が半分）、キャリア騒音が低減される。これにより、更に低騒音低振動が図れる。

以上の電流検出は、キャリアごとに行えるので、キャリア毎に位置検出し、固定子巻線４への出力を調整することができる。よって、１２０度通電に比較しトルク変動が小さく、低騒音低振動を実現できる。また、起動性が向上する。

上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，ＷのＯＮ、ＯＦＦ状態で電流センサ６により検出できる相電流が決定されることが分かる。１相のみＯＮ時はその相の電流、２相ＯＮ時は残りの相の電流が検出可能であり、３相ＯＮ時及びＯＮの相が無い時は検出不可となる。従って、１キャリア内の上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，ＷのＯＮを確認することで、検出可能な相電流を知ることができる。図７において上アーム各相のＯＮ状態を確認すれば良い。

図１２〜図１４において、このことを用い検出できる電流を検討することができる。図１２は、３相変調の最大変調１００％の位相毎における上アームの通電を示す特性図である。

図１２において、図４の最大変調１００％の３相変調における位相３０度、４５度、６０度、７５度、９０度においての１キャリア内（キャリア周期）での上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，ＷのＯＮ（通電）状態を中央から均等に振り分け表示している。

なお、Ｕ相の通電期間を細実線で表わし、Ｗ相の通電期間を太実線で表わし、Ｖ相の通電期間を中実線で表わしている。さらに、各通電期間の下に矢印で示したＵ，ＶはそれぞれＵ相の電流検出可能期間とＶ相の電流検出可能期間を示している。

３０度においては、図４より、Ｕ相変調は７５％、Ｗ相変調も７５％であるので、１キャリア（キャリア周期）を１００％として、Ｕ相（細線）の変調（通電時間）、Ｗ相（太線）の変調（通電時間）ともに７５％を中央から均等に振り分け表示している。他の位相も同様である。

３０度〜９０度としたのは、通電する相は異なるが、この通電時間パターンの繰り返しになっているからである。

同様に、図１３に最大変調５０％の場合、図１４に最大変調１０％の場合の位相毎における上アームの通電の特性図を示す。

ここで、図１２〜図１４の位相３０度、９０度においては、２相の通電時間が一致して
いるために、電流センサ６による電流検出時間が確保できず、１相分の電流しか検出できない。また、図１４の位相４５度、６０度、７５度においては、１相分の電流も検出できない状況になっている。このような場合、前回（前のキャリア周期で）検出された値を再度使用する、推定する等の対処が必要となるが、位置検出が不正確になってしまう。したがって、正弦波駆動の低騒音低振動等の効果が薄れてしまうが、この対応方法を次に示す。

図１５は、本発明の実施の形態１による３相変調の相電流検出を示す特性図である。ここで、３相の通電時間のうち、最大通電時間をＡ、中間の通電時間をＢ、最小通電時間をＣとする。最大通電時間Ａと中間の通電時間Ｂとの差の半分〔（Ａ−Ｂ）／２〕をαとする。中間の通電時間Ｂと最小通電時間Ｃとの差の半分〔（Ｂ−Ｃ）／２〕をβとする。また、電流センサ６が電流検出するために必要な最小時間をδとする。

図１５（ａ）は、最大変調１０％における位相６０度の場合を示している。この場合、α＜δ，β＜δであり１相分の電流も検出できない。

図１５（ｂ）の左側のキャリア周期において、最大通電時間（Ｕ相）の通電期間を、α≧δとなるように左にシフトさせている。これにより、キャリア周期の前半において、Ｕ相の電流を検出可能となる。シフトする時間は、δから図１５（ａ）におけるαを引いた値以上にすれば良い。

右側の次のキャリア周期において、最小通電時間（Ｖ相）の通電期間を、β≧δとなるように右にシフトさせている。これにより、キャリア周期の前半において、Ｖ相の電流を検出可能となる。シフトする時間は、δから図１５（ａ）におけるβを引いた値以上にすれば良い。

この２回のキャリア周期により、２相分の電流が検出できるので位置検出が可能となる。常時この方式としても良いし、次のキャリア周期用として決定されたスイッチングにおいて、電流検出が困難で、上記方法で電流検出する必要がある場合、更に次のキャリア周期においても同一のスイッチングにして、上記方法を適用しても良い。

位相６０度に特定したが、他の位相４５度、７５度等においても同様である。位相３０度、９０度のように、１相分の電流が既に検出出来る場合は、２回のキャリア周期の一方で、もう１相分の電流を検出すればよい。

上記最大通電時間（Ｕ相）の通電期間のシフトと最小通電時間（Ｖ相）の通電期間のシフトとを同時に行えば、１回のキャリア周期で２相分の電流が検出でき位置検出が可能となるが、当該キャリア周期内での電流変動が大きくなり振動騒音に影響する。

よって、前回検出された値を再度使用する、推定する等の対処を減らすことができ、位置検出が不正確になることを防止できる。これにより、低騒音低振動であるとともに起動性が高く小型軽量で且つ信頼性の高いモータ駆動装置が得られる
（実施の形態２）
図１６は、本発明の実施の形態２による車両用モータ駆動装置一体型電動圧縮機の断面図である。図１６において、車両への搭載を考慮して小型化を図るために、電動圧縮機４０の左側にモータ駆動装置２０を密着させて取り付けてある。

金属製筐体３２の中には圧縮機構部２８、モータ３１等が設置されている。冷媒は、吸入口３３から吸入され、圧縮機構部２８（この例ではスクロール式）がモータ３１で駆動されることにより、圧縮される。圧縮された冷媒は、モータ３１周辺を冷却しながら通過
して吐出口３４より吐出される。モータ３１の巻線に接続されているターミナル３９
は、モータ駆動装置２０に接続される。

モータ駆動装置２０は電動圧縮機４０に取り付けられるように、ケース３０を使用している。高温の発熱源となるスイッチング回路部３７は、ケース３０を介して電動圧縮機４０の金属製筐体３２に熱を放散し、更に金属製筐体３２を介して電動圧縮機４０内部の冷媒で冷却するようにしている。

ターミナル３９は、スイッチング回路部３７の出力部に接続される。接続線３６は、バッテリーへの電源線と、エアコンコントローラへの制御用信号線とがある。本実施の形態では、モータ３１の巻線に集中巻を採用することにより、分布巻に比べて横方向の長さを短くしている。集中巻はインダクタンスが大きいため、１２０度通電ではダイオードへの還流時間が長くなり位置検出が困難で制御が難しいが、正弦波駆動では電流により位置検出するので制御可能である。

より振動を低減するためには、正弦波電流がより滑らかになる３相変調を用いるのが好ましい。

このようなモータ駆動装置一体型電動圧縮機は、モータ駆動装置及び本体が小さいこと、振動に強いこと、更には静粛性が高いことが必要な、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載する空調装置用の圧縮機として誠に好適である。

以上のように、本発明にかかるモータ駆動装置は、位置検出が正確な正弦波駆動が可能であるため、低騒音低振動であるとともに起動性が高く、小型軽量で且つ信頼性が高くなるので、電動アシスト自転車等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１によるモータ駆動装置の電気回路図 同モータ駆動装置の正弦波駆動における誘起電圧検出方法を示す概念図 センサレスＤＣブラシレスモータの電圧電流波形を示す特性図 ３相変調の最大変調１００％における各相波形の変調を示す特性図 ３相変調の最大変調５０％における各相波形の変調を示す特性図 ３相変調の最大変調１０％における各相波形の変調を示す特性図 本発明の実施の形態１による相電流検出方法を示す通電タイミングチャート 同通電パターン（ａ）における電流経路を示す電気回路図 同通電パターン（ｂ）における電流経路を示す電気回路図 同通電パターン（ｃ）における電流経路を示す電気回路図 同通電パターン（ｄ）における電流経路を示す電気回路図 ３相変調の最大変調１００％の位相毎における上アームの通電を示す特性図 ３相変調の最大変調５０％の位相毎における上アームの通電を示す特性図 ３相変調の最大変調１０％の位相毎における上アームの通電を示す特性図 本発明の実施の形態１による３相変調の相電流検出を示す特性図 本発明の実施の形態２による車両用モータ駆動装置一体型電動圧縮機の断面図 従来の１２０度通電駆動用モータ駆動装置の電気回路図 従来の相電流検出用電流センサを備えた正弦波駆動用モータ駆動装置の電気回路図

符号の説明

１ バッテリ
２ スイッチング素子
３ ダイオード
４ 固定子巻線
５ 磁石回転子
６ 電流センサ
７ 制御回路
２０ モータ駆動装置
３０ ケース
３１ モータ部
４０ 電動圧縮機

Claims (3)

1. 直流電源の直流電圧をスイッチングすることにより正弦波状の交流電流をセンサレスＤＣブラシレスモータへ出力するスイッチング回路と、前記直流電源と前記スイッチング回路間の電流を検出する電流センサとを備え、前記電流センサによって前記センサレスＤＣブラシレスモータの固定子巻線に流れる電流を検出し、前記センサレスＤＣブラシレスモータの永久磁石回転子の位置を判定するモータ駆動装置において、１つのキャリア周期内にて１つの相の通電期間をシフトして、前記電流センサにより当該相の固定子巻線に流れる電流を検出し、他のキャリア周期内にて他の相の通電期間をシフトして、当該相の固定子巻線に流れる電流を検出することにより、永久磁石回転子の位置を判定し、前記スイッチング回路のスイッチングを制御するモータ駆動装置。
2. 請求項１に記載のモータ駆動装置を備えた電動圧縮機。
3. 請求項１に記載のモータ駆動装置を備えた電動圧縮機を用いた車両用空調装置。

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