JP2006136102A - モータの駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インバータ回路から直流側の母線に還流する電流によってコンデンサの寿命が低下することを防止することが可能なモータの駆動制御装置を提供すること。
【解決手段】 モータ制御部は、電流ゼロクロスが予想される区間のみ一時的に進んだ電圧ベクトルを出力し、（ｅ）に示すように、電流のゼロクロス前後での母線電流の極性変化に基づいてゼロクロスを検出する。
そして、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示すように、電流と電圧の位相差を検出するとともに、（ｃ）、（ｇ）、（ｈ）に示すように、速やかに固定相を切り替えることで、できる限り直流側へ還流する電流を発生させないようにしている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、モータの駆動制御装置に関し、特に、インバータ回路を用いたモータ駆動を制御するためのモータ駆動制御装置に関する。

従来技術として、下記特許文献１に開示された同期モータの駆動制御装置がある。このモータ駆動制御装置では、インバータ回路の各アームのスイッチング素子を全てオフとする回生モードを有し、モータコイルに流れる電流を、インバータ回路に直流電圧を入力する一対の母線間に設けられたコンデンサに回生するようになっている。
特開２００４−１０４８６１号公報

しかしながら、上記従来技術のモータ駆動制御装置では、コンデンサの内部インピーダンスが大きい場合には、逆にリップル電流による損失が大きく、効率が悪化するとともに、コンデンサ内部の温度上昇により、コンデンサ寿命の低下を招くという問題がある。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、インバータ回路から直流側の母線に還流する電流によってコンデンサの寿命が低下することを防止することが可能なモータの駆動制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
複数相のモータコイルに、インバータ回路（１６）の前記複数相に対応したスイッチング素子（１６１）のスイッチングに基づいて、直流電圧をＰＷＭ変調により交流に変換して印加し、モータ（１２）を駆動するモータの駆動制御装置であって、
モータコイルに流れる電流が、インバータ回路（１６）に直流電圧を印加するための母線（１５）に還流することを抑制するように、前記複数相のうちスイッチング素子（１６１）のオンオフ状態を固定する相を決定することを特徴としている。

これによると、複数相のモータコイルに対応したスイッチング素子（１６１）のうち、オンオフ状態を固定する相を、母線（１５）に還流する電流を抑制するように決定する。したがって、母線（１５）間にコンデンサ（１５１）を設けていても、コンデンサ寿命の低下を招き難い。このようにして、インバータ回路（１６）から直流側の母線（１５）に還流する電流によってコンデンサ（１５１）の寿命が低下することを防止することができる。

また、請求項２に記載の発明では、オンオフ状態を固定する相は、前記モータコイルに流れる電流の絶対値が最大の相とすることを特徴としている。

これによると、インバータ回路（１６）から直流側の母線（１５）に還流する電流を抑制することが容易である。また、スイッチング損失を低減することができる。

また、請求項３に記載の発明では、前記複数相のモータコイル電流のいずれかがゼロクロスしたときに、オンオフ状態を固定する相を切り替えることを特徴としている。

これによると、モータコイルに流れる電流の絶対値が最大の相を速やかに固定する相とすることが容易である。

また、請求項４に記載の発明のように、母線（１５）に流れる電流の極性情報に基づいて、モータコイル電流のゼロクロスを容易に検出することができる。

また、請求項５に記載の発明では、モータコイル電流の絶対値が最大の相の電圧が、複数相のうちで最大値もしくは最小値でない場合には、モータコイル電流の絶対値が前記最大の相に次いで大きい相を、固定する相とすることを特徴としている。

これによると、モータコイルへの印加電圧とモータコイル電流との位相差が大きくなり、モータコイル電流の絶対値最大相を固定する相とすると相間電圧が設定できなくなる場合であっても、モータコイル電流の絶対値比較に基づいて固定する相を決定して対応することができる。

また、請求項６に記載の発明では、モータコイル電流の絶対値が最大の相の電圧が、複数相のうちで最大値もしくは最小値でない場合には、電圧の絶対値が最大の相を、固定する相とすることを特徴としている。

これによると、モータコイルへの印加電圧とモータコイル電流との位相差大きくなり、モータコイル電流の絶対値最大相を固定する相とすると相間電圧が設定できなくなる場合であっても、モータコイル印加電圧絶対値に基づいて固定する相を決定して対応することができる。

また、請求項７に記載の発明では、モータ（１２）の運転負荷が所定値より小さいときには、電圧の絶対値が最大の相を、固定する相とすることを特徴としている。

これによると、モータコイル電流の絶対値最大相が入れ替わったか否かを判断し難い場合には、モータコイル印加電圧絶対値に基づいて固定する相を決定し、誤動作を防止することができる。

また、請求項８に記載の発明では、インバータ回路（１６）における変調率が所定値より大きいときには、電圧の絶対値が最大の相を、固定する相とすることを特徴としている。

これによると、過変調制御時に、モータコイル電流の絶対値最大相を固定する相とすると相間電圧の歪みが大きくなってしまう場合であっても、モータコイル印加電圧絶対値に基づいて固定する相を決定して対応することができる。

また、請求項９に記載の発明では、
複数相のモータコイルに、インバータ回路（１６）の前記複数相に対応したスイッチング素子（１６１）のスイッチングに基づいて、直流電圧をＰＷＭ変調により交流に変換して印加し、モータ（１２）を駆動するモータの駆動制御装置であって、
インバータ回路（１６）に直流電圧を印加するための母線（１５）に流れる電流の極性情報に基づいて、モータコイルに印加される電圧とモータコイルに流れる電流との位相差を検出することを特徴としている。

これによると、モータコイル印加電圧と、母線電流極性情報に基づくモータコイル電流のゼロクロス検出とから、モータコイル印加電圧とモータコイル電流との位相差を検出することができる。したがって、この位相差に基づいて、ロータ位置センサを用いないモータの駆動制御が可能である。

また、請求項１０に記載の発明では、
複数相のモータコイルに、インバータ回路（１６）の前記複数相に対応したスイッチング素子（１６１）のスイッチングに基づいて、直流電圧をＰＷＭ変調により交流に変換して印加し、モータ（１２）を駆動するモータの駆動制御装置であって、
インバータ回路（１６）に直流電圧を印加するための母線（１５）に流れる電流の極性情報に基づいて、モータ（１２）への回転数指令に応じてモータコイルに流す目標電流位相と、モータコイルに流れる実電流位相との位相偏差を検出することを特徴としている。

これによると、回転数指令に基づく目標電流位相と、母線電流極性情報に基づくモータコイル実電流位相との位相偏差を検出することができる。したがって、この位相偏差に基づいて、ロータ位置センサを用いないモータの駆動制御が可能である。

また、請求項１１に記載の発明のように、母線（１５）に流れる電流の極性情報は、母線（１５）に設けたシャント抵抗部（１５２）に発生する電圧をコンパレータ回路（１３０）で検出することで、容易に得ることができる。

また、請求項１２に記載の発明では、複数回路を同一パッケージに内蔵したオペアンプ（１２４ａ、１３０ａ）を用いて、母線（１５）に流れる電流の極性情報を検出する回路（１３０）と、モータ（１２）の運転負荷情報を検出する回路（１２４）とを構成したことを特徴としている。

これによると、両情報検出回路（１２４、１３０）を同一パッケージ内のオペアンプ（１２４ａ、１３０ａ）を用いて構成することで、部品点数を減少することが可能である。

また、請求項１３に記載の発明では、モータ（１２）は同期モータ（１２）であって、位置センサを用いることなく、モータコイルに印加される電圧とモータコイルに流れる電流との位相差に基づいて、同期モータ（１２）を駆動制御することを特徴としている。

このように、本発明は、モータコイル印加電圧とモータコイル電流との位相差に基づいて同期モータ（１２）の位置センサレス駆動制御を行なう制御装置に適用することができる。

また、請求項１４に記載の発明では、モータ（１２）が運転する負荷は、圧縮機構（１１）であることを特徴としている。

このように、圧縮機構（１１）により圧縮される被圧縮流体の漏れ抑止を考慮するとロータ位置センサを設け難いコンプレッサモータの駆動制御装置に、本発明を適用することができる。

また、請求項１５に記載の発明では、モータ（１２）が運転する負荷は、送風ファン（５１）であることを特徴としている。

また、請求項１６に記載の発明では、モータ（１２）が運転する負荷は、流体を圧送するポンプ機構（９０）であることを特徴としている。

これらのように、送風ファン（５１）やポンプ機構（９０）を運転するモータを位置センサレス駆動制御する駆動制御装置に本発明を適用することも可能である。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

本実施形態は、本発明に係るモータ駆動制御装置を、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ式給湯装置のヒートポンプサイクル１中の電動圧縮機１０の制御装置として適用したものであり、図１は、本実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の概略要部構成を示す模式図である。また、図２は、本実施形態におけるモータの位置センサレス駆動制御装置である電動圧縮機１０の同期モータ１２のモータ駆動制御部１２０概略構成を示すブロック図である。

図１に示すように、ヒートポンプサイクル１は、圧縮機１０、給湯用熱交換器（水冷媒熱交換器）２０、エジェクタ（減圧手段）３０、アキュムレータ４０、室外熱交換器（熱源用熱交換器）５０、内部熱交換器６０、およびこれらを環状に接続する冷媒配管７０で構成されている。

圧縮機１０は、内蔵する同期モータ（本実施形態におけるモータ）１２（図２参照）によって圧縮機構１１（図２参照）が運転されて、気相冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する電動コンプレッサである。

給湯用熱交換器２０は、圧縮機１０の吐出口より吐出された高温高圧の冷媒によって水を湯に昇温させる水−冷媒熱交換器であり、冷媒が流通する冷媒通路部と水が流通する水通路部とにより構成されている。給湯用熱交換器２０の冷媒通路部は冷媒流路管により構成され、冷媒通路部が水通路部の表面に熱交換可能に密着するように配置された熱交換構造となっている。

給湯用熱交換器２０の水通路部は、給水を流通する給水通路（流水路）８０の一部を構成しており、ポンプ（ポンプ機構）９０の作動により給水通路８０内を流れる水を、給湯用熱交換器２０内で高温高圧冷媒との熱交換によって給湯用の高温の湯とするようになっている。

室外熱交換器（蒸発器）５０は、外気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより外気から吸熱するための熱交換器である。また、エジェクタ３０は給湯用熱交換器２０から流出する冷媒を減圧膨張させて室外熱交換器５０にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。

ここで、エジェクタ３０は、給湯用熱交換器２０から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を略等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部と、ノズル部から噴射する高い速度の冷媒流により室外熱交換器５０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル部から噴射する冷媒流と混合する混合部、およびノズル部から噴射する冷媒と室外熱交換器５０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ等の昇圧部からなるものである。

エジェクタ３０のノズル部は、ノズル開度を調節するための図示しないニードル弁を有しており、ニードル弁は図示しないステッピングモータの作動によりノズル部の軸線方向に駆動するようになっている。

また、アキュムレータ４０は、エジェクタ３０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離器であり、分離された気相冷媒は内部熱交換器６０を介して圧縮機１０に吸引され、分離された液相冷媒は室外熱交換器５０側に吸引されるようになっている。

内部熱交換器６０は、アキュムレータ４０から導出され室外熱交換器５０の一部において外気と熱交換した低圧気相冷媒と、エジェクタ３０にて減圧される前の高圧側の冷媒とを熱交換する熱交換器であり、この内部熱交換器６０により圧縮機１０吸入側での冷媒のエンタルピを上昇させて、超臨界ヒートポンプサイクル１の能力を向上させている。

また、ヒートポンプサイクル１には、圧縮機１０の吐出側と室外熱交換器５０の上流側とを連通する連通配管７８と、この連通配管７８の経路を開閉する電磁弁７９が設けられている。この連通配管７８は除霜用の冷媒配管であって、電磁弁７９が開弁すると、連通配管７８を介して高温冷媒が室外熱交換器５０に導入され、室外熱交換器５０の除霜を行なうことができるようになっている。

図１に示すように、冷媒配管７０には、圧縮機１０の吐出冷媒温度を検出する吐出温サーミスタ７１、給湯用熱交換器２０下流側の冷媒温度を検出する冷媒出口サーミスタ７２、室外熱交換器５０上流側の冷媒温度を検出するエバ入口サーミスタ７３、室外熱交換器５０下流側の冷媒温度を検出するフロストサーミスタ７４、およびエジェクタ３０上流側においてヒートポンプサイクル１の高圧側冷媒圧力を検出する圧力センサ７５が設けられている。

また、室外熱交換器５０の空気流れ上流側面には、電動ファン（送風ファン）５１の作動により室外熱交換器５０を通過する前の外気の温度を検出する外気サーミスタ５２が設けられている。

一方、給水通路８０には、給湯用熱交換器２０上流側の水温を検出する給水サーミスタ８１、および給湯用熱交換器２０下流側の水温を検出する給湯サーミスタ８２が設けられている。

上記各サーミスタ５２、７１〜７４、８１、８２から温度情報、および圧力センサ７５からの圧力情報は、制御ユニット１００に入力される。そして、この制御ユニット１００は、上記各情報および図示しない操作手段や検出手段からの入力信号に基づいて、圧縮機１０、エジェクタ３０、電動ファン５１、電磁弁７９、ポンプ９０等を作動制御するようになっている。

図２に示すように、圧縮機１０は、同期モータ１２により負荷としての圧縮機構１１を回転運動させ、冷媒を圧縮して吐出するものであり、本実施形態の同期モータ１２は、磁石を埋設したロータを回転駆動する４極３相コイルを有する同期モータである。

外部電源１９からの交流電圧が入力線１３を介してＡＣ／ＤＣコンバータ回路１４に入力され、直流電圧に変換されて母線１５を介してインバータ回路１６に入力される。インバータ回路１６は、後述する制御ユニット１００のモータ制御部１２０からの信号に基づいて同期モータ１２のステータコイルの各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）に電圧を印加し、ロータが回転駆動される。

なお、一対の母線１５間には、コンデンサ（例えば、直流側の平滑手段としての電解コンデンサやスナバコンデンサとしてのフィルムコンデンサ）１５１が設けられている。

制御ユニット１００は、共通のマイコン内に、ヒートポンプサイクル１を含むヒートポンプ式給湯装置本体部を制御するための給湯器制御部１１０と、本実施形態における同期モータの位置センサレス駆動制御装置としてのモータ制御部１２０とを備えている。

モータ制御部１２０は、本実施形態における目標位相差設定手段としての目標位相差制御部１２１、目標電流位相設定手段としての目標位相制御部１２２、位相偏差検出手段としての位相偏差検出部１２３、負荷情報検出手段としての負荷情報検出部１２４、印加電圧設定手段としての電圧振幅制御部１２５およびモータ印加電圧波形生成部１２６、母線電流極性検出手段としての極性検出部１３０を備えている。

負荷情報検出部１２４は、図３に示すように、母線１５に接続した負荷情報検出回路（積分回路）からなり、母線１５に流れる電流に基づいて負荷情報を検出するようになっている。

また、極性検出部１３０は、図３に示すように、母線１５に接続したコンパレータ回路からなり、母線１５に設けたシャント抵抗部１５２との構成により、母線１５に流れる電流の極性情報を検出するようになっている。

なお、図示は省略しているが、負荷情報検出部１２４に用いられているオペアンプ１２４ａと、極性検出部１３０に用いられているオペアンプ１３０ａとは、同一パッケージ内に集積されたオペアンプのうちの２つとしている。このように、コンパレータにオペアンプを使用した場合、センサレスの力率角制御に必要な負荷情報を検出するための積分回路と、同一パッケージのオペアンプを使用することで安価に構成でき、安価な回路と、安価なマイコンで、位置センサレスの正弦波駆動が実現できる。

目標位相差制御部１２１では、上位制御部である給湯器制御部１１０からの回転数指令と負荷情報検出部１２４からの負荷情報に基づいて、ＲＯＭに格納したマップもしくは演算式（本例ではマップ）により、同期モータ１２の駆動制御におけるコイルへの印加電圧とモータコイル電流との目標位相差が設定される。

また、目標位相制御部１２２では、給湯器制御部１１０からの回転数指令に応じて目標電流位相が更新される。そして、位相偏差検出部１２３では、目標位相制御部１２２で更新された目標電流位相に基づくゼロクロス（目標ゼロクロス）と、極性検出部１３０が検出した母線電流極性情報に基づく実ゼロクロス（検出ゼロクロス）とから、位相偏差を検出する。

電圧振幅制御部１２５では、給湯器制御部１１０からの回転数指令に基づいて基底電圧振幅を設定するとともに、位相偏差検出部１２３で検出された位相偏差が所定値（本例では０）になるように印加電圧振幅を制御する。

モータ印加電圧波形生成部１２６では、目標位相差制御部１２１において設定された目標位相差、目標位相制御部１２２において更新された目標電流位相、および電圧振幅制御部１２５において設定された印加電圧振幅、極性検出部１３０において検出された母線電流極性情報に基づく検出ゼロクロスから、モータ１２への印加電圧波形情報を生成し、前述のインバータ回路１６に出力する。

インバータ回路１６は、図３に示すように周知の構造をなしており、モータ１２のステータコイルに対応したＵ、Ｖ、Ｗ相の３相分のアームからなる。

Ｕ相のアームは、スイッチング素子１６１とダイオード１６２とを逆並列接続した上アームＵ１と、同じくスイッチング素子１６１とダイオード１６２とを逆並列接続した下アームＵ２とを直列接続して構成され、上アームＵ１と下アームＵ２との接続部がモータコイルに接続されている。

Ｖ相アームおよびＷ相アームも、スイッチング素子１６１とダイオード１６２とにより同様に構成されている。

ここで、モータ印加電圧波形生成部１２６におけるインバータ回路１６の制御について説明する。図４は、モータ印加電圧波形生成部１２６の制御動作を説明するためのフローチャートである。

モータ印加電圧波形生成部１２６は、まず、極性検出部１３０からの入力に基づいていずれかの相の電流のゼロクロスを検出したら（ステップＳ１００）、電流区間を更新する（ステップＳ１１０）。

そして、次に、負荷情報検出部１２４において検出した負荷（モータ１２の運転負荷）がモータコイル電流２Ａ相当以下であるか否か判断する（ステップＳ１２０）。図２では、負荷情報検出部１２４からモータ印加電圧波形生成部１２６への入力図示を省略している。

ステップＳ１２０において、負荷が２Ａ相当以下であると判断した場合には、電流ゼロクロスの信頼性が低いと判断して、ステップＳ１８０へ進む。ステップＳ１２０において、負荷が２Ａ相当を越えると判断した場合には、変調率が１．１５４７１以上であるか否か（過変調であるか否か）判断する（ステップＳ１３０）。ステップＳ１３０において、過変調であると判断した場合には、ステップＳ１８０へ進む。

ステップＳ１３０において過変調でないと判断した場合には、電流の絶対値が最大の相をその電流区間における基準相とする（ステップＳ１４０）。そして、基準相と他相との電圧指令を比較し、基準相の電圧が最大値もしくは最小値であるか否か判断する（ステップＳ１５０）。

基準相の電圧が最大値もしくは最小値でない場合、すなわち、基準相の電圧が正に場合には基準相より他相が大きいとき、もしくは基準相の電圧が負に場合には基準相より他相が小さいときには、ステップＳ１７０へ進む。

ステップＳ１５０において基準相の電圧が最大値もしくは最小値であると判断した場合には、ステップＳ１６０へ進み、基準相のスイッチング素子１６１のオンオフ状態を固定する。

ステップＳ１５０において基準相の電圧が最大値もしくは最小値でないと判断した場合には、ステップＳ１７０において電流の絶対値が最大の相に次いで大きい相を固定相とし、この相のスイッチング素子１６１のオンオフ状態を固定する。なお、ステップＳ１７０では、電圧指令絶対値が最大の相を固定相としてもよい。

ステップＳ１２０で電流ゼロクロスの信頼性が低いと判断した場合、およびステップＳ１３０で過変調であると判断した場合には、ステップＳ１８０において電圧の絶対値が最大の相を固定相とし、この相のスイッチング素子１６１のオンオフ状態を固定する。

ステップＳ１６０、Ｓ１７０、Ｓ１８０のいずれかを実行したらステップＳ１００へリターンする。

上述の構成および制御動作によれば、スイッチングに伴なう損失を低減することができる。スイッチング素子１６１の１回のＯＮ／ＯＦＦで生じる損失ｗは、下記の数式１のようになり、電流値にほぼ比例する。

（数式１）
ｗ≒（１／２）Ｅ×Ｉｏｎ×ｔｏｎ＋（１／２）Ｅ×Ｉｏｎ×ｔｏｆｆ
ただし、Ｅは直流側電圧、Ｉｏｎは電流、ｔｏｎ、ｔｏｆｆはスイッチング時間である。

したがって、図５に示すように、電流の絶対値が高い相を固定とすることで、スイッチング損失を低減することができる。

ちなみに、図５において、（ａ）はモータ１２の各相に流れる電流、（ｂ）は電流のゼロクロスに応じて更新される電流区間である。（ｃ）は図４のステップＳ１４０で更新される基準相を示しており、Ｕは、基準相が固定相となる場合の上アームＵ１がＯＮ、下アームＵ２がＯＦＦの状態を示し、Ｕ′は、上アームＵ１がＯＦＦ、下アームＵ２がＯＮの状態を示すものである。ＶおよびＶ′、ＷおよびＷ′も同様である。

また、（ｄ）は電圧指令（比較波形の原型）、（ｅ）は極性検出部１３０が検出する母線電流極性、（ｆ）はモータコイルへの印加電圧と電流との位相差である。（ｇ）は基準相を固定相とするための重畳波であり、（ｈ）は電圧指令に重畳波を重畳して生成された相電圧（２相変調の実質的な比較波形）である。

インバータ回路１６の各スイッチング素子１６１のスイッチング周期は、基本的に図６に示すように、６０°の空間を囲む２つの電圧ベクトルと、零ベクトルＥ（０００）もしくはＥ（１１１）とで構成される。図６に例示する電圧ベクトルｅ、電流ベクトルｉの状態では、電圧ベクトルＥ（１０１）とＥ（１００）ならびに零ベクトルＥ（０００）の電圧パターンで構成される。

ここで、電圧ベクトルのＯＮ、ＯＦＦパターンの表示は、括弧内に順にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各アームのスイッチング素子の状態を示しており、１は上アームがＯＮかつ下アームがＯＦＦ、０は上アームがＯＦＦかつ下アームがＯＮの状態を示している。

図６に例示する電圧ベクトルｅ、電流ベクトルｉの状態は、電流区間Ｉで、各素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、電流の向きは、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すようになる。この状態から時間が経過し、Ｗ相の電流極性が反転、すなわち電流区間ＩＩとなると、各素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、電流の向きは、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）となる。

ここで、Ｗ相の電流極性が反転するときに、電圧ベクトルｅを１２０°の空間を囲む２つの電圧ベクトルＥ（１０１）とＥ（１１０）ならびに零ベクトルＥ（０００）の電圧パターンで構成すると、図７（ｄ）のように、電圧ベクトルＥ（１１０）出力時に電流区間Ｉでは、負荷に流れる電流から直流側への回生（還流）が発生する。一方、図８（ｄ）のように、電流区間ＩＩでは、負荷に流れる電流から直流側への回生（還流）は発生しない。

このように、電流のゼロクロスが予想される区間のみ、一時的に進んだ電圧ベクトルを出力することで、図５（ｅ）に示すように、電流のゼロクロス前後で母線電流の極性が変化するため、母線電流極性からゼロクロスを検出することができる。

このとき、図５（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示すように、母線電流極性変化が検出されたときの電圧位相から、電流と電圧の位相差を検出するとともに、図５（ｃ）、（ｇ）、（ｈ）に示すように、速やかに固定相を切り替えることで、できる限り回生電流（直流側へ還流する電流）を発生させないようにする。

このように、回生電流を発生させないようにすることで、モータ電流のリップルが抑えられ、モータ鉄損やノイズを低減することができるとともに、直流側のコンデンサ１５１（平滑手段である電解コンデンサやスナバコンデンサ）へのリップル電流が減少し、特に、電解コンデンサの内部抵抗ＥＳＲ等の損失を低減することができる。

また、電解コンデンサのリップル電流の低減は、コンデンサ内部温度の低減にもなり、コンデンサ１５１の長寿命化を図ることができる。

また、電流位相を基準として固定相を決める場合、電圧と電流の位相差が±３０°以上
（電流位相に対して電圧位相が進んでいる場合の位相差を正とする）になると、固定したい相（基準相）の電圧が最大または最小の相ではなくなり、固定したい相を１または−１にすると、１または−１以上となる相が発生し、電圧歪みを生じる。

このような歪みは、電流波形を歪ませ、トルク変動による不安定な挙動につながり、これが著しくなると、電流ゼロクロスの誤検知→電流区間の誤判定→固定相の誤り→モータ脱調となる。

電流位相を基準とした従来の技術（例えば、特開２００４−１０４８６１号公報開示技術）では、一般に負荷の力率は１に近くなるので問題にならないとし、＋３０°以上になった場合、強制的にステージ（通常時の電流区間に当たる）を進めることで、予め不確定要素として排除する仕組みとしている。しかし、弱め界磁制御を実施した場合、位相差は−３０°以下となる。

また、過変調制御を実施した場合、電流位相を基準としたまま固定相を決め、ピークカットをすると相間電圧の歪みが大きくなってしまう。

さらに、負荷（電流）が小さくなると、電流ゼロクロスの検出が不安定になり、誤った固定相判定により、著しい電圧歪み→モータ脱調となるリスクが高い。

ところが、本実施形態では、図４のフローチャートに示すように、負荷が所定値以上に小さくなった場合および変調率が所定値以上に大きくなった場合には、ステップＳ１８０において電圧の絶対値の最大相を固定相としている。これにより、図１０に過変調時のモータ電流、電流区間、基準相、電圧指令、固定相、重畳波、相電圧を例示するように制御される。

ここで、負荷の所定値は、電流ゼロクロスの検出が不安定にならない範囲で、位相差が±９０°以上とならないような値にしており、変調率の所定値は、１．５４７１以下で、位相差が±９０°以上にならないような値にしている。

また、上記以外の場合にも、従来技術（前述の特開２００４−１０４８６１号公報開示技術）のように電流区間を強制的に進めることはせず、各区間で、固定したい相（基準相）とその他の相の電圧を比較して、最終的に固定する相を決めている。これにより、図９に位相差が−６０°時のモータ電流、電流区間、基準相、電圧指令、固定相、重畳波、相電圧を例示するように制御される。

ちなみに、ステップＳ１６０を実行するときには、図５に例示するように制御される。

位相差が±３０°以上で固定したい相（基準相）が最終的に固定する相にできない場合、電流の絶対値が次に大きな相が固定相となるようにすることで、損失増加を最小限に抑制することができる。

このように、本実施形態のモータ駆動制御によれば、弱め界磁制御や過変調制御においても、簡易かつ安定に動作させることができる。

また、力率角制御との組み合わせにおいて、簡易かつ安定した動作を、処理負荷の少ないロジックで実現でき、比較的安価なマイコンで位置センサレス制御を実現することができる。

（他の実施形態）
上記一実施形態では、母線電流極性に基づく電流ゼロクロス検出によって、固定相の切り替えをおこなっているが、これに限定されるものではなく、磁極位置推定演算によって、電流位相を検出して、その角度により切り替えをおこなってもよいし、ホール素子などの位置センサによって検出されるロータ回転位置に基づいて切り替えをおこなってもよい。

また、上記一実施形態では、電流ゼロクロス検出は、母線電流極性に基づいて検出していたが、モータ電流から検出するものであってもよい。また、電流ゼロクロス検出は、電流位相検出としてもかまわない。

また、上記一実施形態では、負荷情報検出部１２４が検出し、運転負荷の判定に用いる情報は、モータ電流でなく入力電流であってもよい。

また、上記一実施形態では、負荷情報検出部１２４を構成する負荷情報検出回路は、積分回路であったが、ピークホールド回路でもよい。

また、上記一実施形態では、電圧と電流の位相差は、電圧位相を基準として電流ゼロクロス時の位相差を求めるものであったが、これに限定されるものではなく、電流位相を基準として、位相偏差を求めるものでもよい。

また、上記一実施形態では、モータは、同期モータ（ＰＭモータ、リラクタンスモータなど）であったが、誘導モータであってもかまわない。弱め界磁制御は同期モータ固有の制御であるが、誘導モータに対する過変調制御等においては本発明を適用することができる。

また、正弦波変調ＰＷＭの方法（サブハーモニック変調方式、空間ベクトル方式など）を限定するものでもない。

また、上記一実施形態では、同期モータ１２は、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプサイクル１の圧縮機構１１を運転するモータであったが、これに限定されるものではない。冷媒が二酸化炭素以外のヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）の圧縮機モータであってもよいし、負荷は圧縮機構ではなく電動ファン（送風ファン）５１やポンプ（ポンプ機構）９０等であってもよい。モータを駆動制御する場合に、本発明は広く適用して有効である。

また、上記一実施形態では、母線電流極性情報に基づいて電流ゼロクロスを検出して電流区間を更新し、基準相の更新や固定相の決定を行なっていたが、母線電流情報に基づいて、モータコイル印加電圧とモータコイル電流との位相差、もしくは目標電流位相と実電流位相との位相偏差を検出し、この位相差もしくは位相偏差に基づいて、ロータ位置センサを用いないモータの駆動制御を行なうことが可能である。

例えば、図１１に示すように、電流位相と無関係に（上記一実施形態における基準相とは無関係に）下側に固定した場合（各相の下アームを順次ＯＮ状態に固定した場合）や、図１２に示すように、電流位相と無関係に上下交互に固定した場合においても、母線電流極性に基づいて電圧と電流の位相差を検出し、この位相差に基づいてモータの位置センサレス制御を行なうことができる。

本発明を適用した一実施形態におけるヒートポンプ給湯装置の概略要部構成を示す模式図である。 モータ駆動制御部１２０概略構成を示すブロック図である。 インバータ回路１６、負荷情報検出部１２４、極性検出部１３０の接続関係を示す回路図である。 モータ印加電圧波形生成部１２６の概略制御動作を説明するためのフローチャートである。 ステップＳ１６０が実行された場合における、（ａ）モータ電流、（ｂ）電流区間、（ｃ）基準相、（ｄ）電圧指令、（ｅ）母線電流極性、（ｆ）電圧と電流との位相差、（ｇ）重畳波、（ｈ）相電圧の関係例を示すグラフである。 空間ベクトル法によるベクトル図である。 電流区間Ｉにおける電流ベクトルと電流の状態を示す図である。 電流区間ＩＩにおける電流ベクトルと電流の状態を示す図である。 ステップＳ１７０が実行された場合における、（ａ）モータ電流、（ｂ）電流区間、（ｃ）基準相、（ｄ）電圧指令、（ｅ）固定相、（ｆ）重畳波、（ｇ）相電圧の関係例を示すグラフである。 ステップＳ１８０が実行された場合における、（ａ）モータ電流、（ｂ）電流区間、（ｃ）基準相、（ｄ）電圧指令、（ｅ）固定相、（ｆ）重畳波、（ｇ）相電圧の関係例を示すグラフである。 他の実施形態における母線電流極性に基づく位相差検出例を示すグラフである。 他の実施形態における母線電流極性に基づく位相差検出例を示すグラフである。

符号の説明

１ ヒートポンプサイクル
１０ 圧縮機
１１ 圧縮機構（負荷）
１２ 同期モータ（モータ）
１５ 母線
１６ インバータ回路
５１ 電動ファン（送風ファン）
９０ ポンプ（ポンプ機構）
１２０ モータ制御部（モータ駆動制御部、同期モータの位置センサレス駆動制御装置）
１２４ 負荷情報検出部（負荷情報検出手段）
１２６ モータ印加電圧波形生成部
１３０ 極性検出部（コンパレータ回路）
１２４ａ、１３０ａ オペアンプ
１５１ コンデンサ
１５２ シャント抵抗部
１６１ スイッチング素子
Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１ 上アーム
Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２ 下アーム

Claims (16)

1. 複数相のモータコイルに、インバータ回路（１６）の前記複数相に対応したスイッチング素子（１６１）のスイッチングに基づいて、直流電圧をＰＷＭ変調により交流に変換して印加し、モータ（１２）を駆動するモータの駆動制御装置であって、
   前記モータコイルに流れる電流が、前記インバータ回路（１６）に前記直流電圧を印加するための母線（１５）に還流することを抑制するように、前記複数相のうちスイッチング素子（１６１）のオンオフ状態を固定する相を決定することを特徴とするモータの駆動制御装置。
2. 前記固定する相は、前記モータコイルに流れる電流の絶対値が最大の相とすることを特徴とする請求項１に記載のモータの駆動制御装置。
3. 前記複数相のモータコイル電流のいずれかがゼロクロスしたときに、前記固定する相を切り替えることを特徴とする請求項２に記載のモータの駆動制御装置。
4. 前記母線（１５）に流れる電流の極性情報に基づいて、前記ゼロクロスを検出することを特徴とする請求項３に記載のモータの駆動制御装置。
5. 前記モータコイル電流の絶対値が最大の相の電圧が、前記複数相のうちで最大値もしくは最小値でない場合には、前記モータコイル電流の絶対値が前記最大の相に次いで大きい相を、前記固定する相とすることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載のモータの駆動制御装置。
6. 前記モータコイル電流の絶対値が最大の相の電圧が、前記複数相のうちで最大値もしくは最小値でない場合には、電圧の絶対値が最大の相を、前記固定する相とすることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載のモータの駆動制御装置。
7. 前記モータ（１２）の運転負荷が所定値より小さいときには、電圧の絶対値が最大の相を、前記固定する相とすることを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれか１つに記載のモータの駆動制御装置。
8. 前記インバータ回路（１６）における変調率が所定値より大きいときには、電圧の絶対値が最大の相を、前記固定する相とすることを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれか１つに記載のモータの駆動制御装置。
9. 複数相のモータコイルに、インバータ回路（１６）の前記複数相に対応したスイッチング素子（１６１）のスイッチングに基づいて、直流電圧をＰＷＭ変調により交流に変換して印加し、モータ（１２）を駆動するモータの駆動制御装置であって、
   前記インバータ回路（１６）に前記直流電圧を印加するための母線（１５）に流れる電流の極性情報に基づいて、前記モータコイルに印加される電圧と前記モータコイルに流れる電流との位相差を検出することを特徴とするモータの駆動制御装置。
10. 複数相のモータコイルに、インバータ回路（１６）の前記複数相に対応したスイッチング素子（１６１）のスイッチングに基づいて、直流電圧をＰＷＭ変調により交流に変換して印加し、モータ（１２）を駆動するモータの駆動制御装置であって、
    前記インバータ回路（１６）に前記直流電圧を印加するための母線（１５）に流れる電流の極性情報に基づいて、前記モータ（１２）への回転数指令に応じて前記モータコイルに流す目標電流位相と、前記モータコイルに流れる実電流位相との位相偏差を検出することを特徴とするモータの駆動制御装置。
11. 前記母線（１５）に流れる電流の極性情報は、前記母線（１５）に設けたシャント抵抗部（１５２）に発生する電圧をコンパレータ回路（１３０）で検出することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１つに記載のモータの駆動制御装置。
12. 複数回路を同一パッケージに内蔵したオペアンプ（１２４ａ、１３０ａ）を用いて、前記母線（１５）に流れる電流の極性情報を検出する回路（１３０）と、前記モータ（１２）の運転負荷情報を検出する回路（１２４）とを構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１つに記載のモータの駆動制御装置。
13. 前記モータ（１２）は同期モータ（１２）であって、
    位置センサを用いることなく、前記モータコイルに印加される電圧と前記モータコイルに流れる電流との位相差に基づいて、前記同期モータ（１２）を駆動制御することを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１つに記載のモータの駆動制御装置。
14. 前記モータ（１２）が運転する負荷は、圧縮機構（１１）であることを特徴とする請求項１３に記載のモータの駆動制御装置。
15. 前記モータ（１２）が運転する負荷は、送風ファン（５１）であることを特徴とする請求項１３に記載のモータの駆動制御装置。
16. 前記モータ（１２）が運転する負荷は、流体を圧送するポンプ機構（９０）であることを特徴とする請求項１３に記載のモータの駆動制御装置。

Images