JP2009153355A - 同期モータの制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】瞬時電圧低下が発生しても、同期モータ１２が不安定な作動となることなく、安定した制限運転を継続する、もしくは停止することのできる同期モータの制御方法および制御装置を提供する。
【解決手段】通常運転制御部２２、制限運転制御部２３、制限運転判定部２４、および運転制御切替部２５とを備え、制限運転制御部２３にて電流ベクトルｉの位相角度θｃを所定範囲の進み角度に制御する。
これにより、瞬時に電源電圧が低下したときであっても、電流ベクトルｉの位相角度θｃを所定範囲の進み角度に制御して、回転数を制限した制限運転を安定して継続する、もしくは停止させることができる。これにより、ロータが振動的に回転するなどの不安定な作動を防ぐことができ、同期モータ１２が不安定な状態で脱調したり、停止したりすることを回避できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期モータの制御方法および制御装置に関するものであり、特に、複数相のモータコイルを備えた同期モータを、ロータ位置センサを用いることなく運転制御するためのモータ制御方法およびモータ制御装置に関するものである。

従来技術として、下記特許文献１に開示されたインバータの制御装置がある。このモータの制御装置では、外部からの運転指令によってモータの回転数の目標設定を行う回転数指令手段と、交流電源の供給状態を判断する電源状態判断手段と、電源状態判断手段の判定に基づき、回転数指令手段の回転数設定に優先してモータの回転数を制限する回転数決定手段とを備えている。

そして、電源状態判断手段によって交流電源の供給状態を判定し、回転数指令手段による目標回転数に対して回転数の上限を制限することで、交流電源の供給能力が不安定である場合に、モータの運転が頻繁に停止することを回避してモータの安定運転を継続するようになっている。
特許２００７−９７２４９号公報

しかしながら、上記従来技術のインバータの制御装置は、上限回転数を制限することで安定運転を継続させる方式であるが、落雷などにより急峻な電源電圧の低下（瞬時電圧低下）があった場合、入力電圧の低下に合わせて回転数を制限すると、ロータの機械的な特性によって急峻な回転数の低下指示には追従できず、ロータが振動的に回転するなどの不安定な作動となり、この不安定な作動から脱調して停止するなどという問題点がある。そのため、機械的な特性に合わせて応答性を設計する手段を用いるが、応答性が悪く不安定な作動となり、この不安定な作動から脱調して停止する問題が発生する。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、瞬時電圧低下が発生しても、モータが不安定な作動となることなく、安定した制限運転を継続する、もしくは停止することのできる同期モータの制御方法および制御装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、ロータの位置を検出するための位置センサを用いることなく、複数相からなるステータコイルに印加する電圧指令を出力して、負荷（１１）を駆動するための同期モータ（１２）を運転制御する同期モータの制御方法であって、
ロータの推定位置に基づく電圧振幅および電圧位相指令によってステータコイルに電圧を印加して、ステータコイルに流れる電流ベクトル（ｉ）を制御することにより、同期モータ（１２）を運転指令に基づく回転数で運転する通常運転制御ステップ（Ｓ４）と、ロータの推定位置に基づく電圧振幅および電圧位相指令によってステータコイルに電圧を印加して、ステータコイルに流れる電流ベクトル（ｉ）を制御することにより、同期モータ（１２）を運転指令に基づく回転数よりも低い回転数に制限して運転する制限運転ステップ（Ｓ５）と、
ステータコイルの電圧、電流およびこれらと関係する少なくとも１つ以上の状態量から制限運転の要否を判定する制限運転判定ステップ（Ｓ３）と、制限運転判定ステップ（Ｓ３）で制限運転が必要と判定したときに、通常運転制御ステップ（Ｓ４）から制限運転ステップ（Ｓ５）へ運転制御を切り替える運転制御切替ステップ（Ｓ３〜Ｓ５）とを備え、制限運転ステップ（Ｓ５）にて電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を所定範囲の進み角度に制御することを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、例えば、瞬時に電源電圧が低下したときであっても、電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を所定範囲の進み角度に制御して回転限界を上昇させる（いわゆる弱め界磁制御で作動させる）範囲を含めて、過渡的な位置推定誤差が発生しても、ロータの機械的な特性に合った回転数制御ラインで制限回転数まで落とす、もしくは停止させることができる。これにより、ロータが振動的に回転するなどの不安定な作動を防ぐことができ、同期モータ（１２）が脱調して停止するのを回避しつつ、安定して制限運転に移行する、もしくは停止させることができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の同期モータの制御方法において、制限運転判定ステップ（Ｓ３）は、所定の閾値と、状態量と電流ベクトル（ｉ）を制御するための電流制限値との関係式もしくは関係マップとを予め持っており、状態量と閾値とを比較して制限運転が必要と判定したときに、通常運転制御ステップ（Ｓ４）から制限運転制御ステップ（Ｓ５）へ運転制御を切り替えるとともに、状態量と関係式もしくは関係マップとから電流制限値を導き出して制御することを特徴としている。

この請求項２に記載の発明によれば、実測される状態量（例えば電圧、電流、回転数など）を用いて電流制限値を算出するのに比べ、状態量に基づいて制限値を決定することにより処理を簡単にすることができる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の同期モータの制御方法において、制限運転ステップ（Ｓ５）では、電流ベクトル（ｉ）の磁極軸方向の電流もしくは磁極軸に直交する方向の電流のいずれかの電流値を制限することで、電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を所定範囲の進み角度に制御することを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を算出しなくて良いため、計算を簡単にすることができる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれかに記載の同期モータの制御方法において、電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を、所定範囲として９０〜１５０度としていることを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、位置推定誤差が発生した場合においても、同期モータ（１２）の回転限界をできる限り上昇させて回転を維持することができる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれかに記載の同期モータの制御方法において、電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を、所定範囲として略９０度としていることを特徴としている。この請求項５に記載の発明によれば、軸誤差（ロータの実際の位置に対する推定位置の誤差）に対するトルク変動を最小限に抑えることができる。

また、請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれかに記載の同期モータの制御方法において、負荷（１１）は、ヒートポンプサイクル中に循環する冷媒を圧縮するための圧縮機構（１１）であることを特徴としている。この請求項６に記載の発明によれば、ヒートポンプサイクルの冷媒を圧縮する圧縮機構（１１）は、サイクル中の冷媒の状態や吸入圧縮吐出サイクルに応じて負荷トルクが大きく変動し易く、回転方向においてロータに振動的な変動が発生し易い。

従って、本発明により、瞬時に電源電圧が低下したときであっても、ロータが振動的に回転するなどの不安定な作動を防ぐことができ、同期モータ（１２）が脱調して停止するのを回避しつつ、安定して制限運転に移行する、もしくは停止させる効果は極めて大きい。

また、請求項７に記載の発明では、ロータの位置を検出するための位置センサを用いることなく、複数相からなるステータコイルに印加する電圧指令を出力して、負荷（１１）を駆動するための同期モータ（１２）を運転制御する同期モータの制御装置であって、
ロータの推定位置に基づく電圧振幅および電圧位相指令によってステータコイルに電圧を印加して、ステータコイルに流れる電流ベクトル（ｉ）を制御することにより、同期モータ（１２）を運転指令に基づく回転数で運転する通常運転制御手段（２２）と、ロータの推定位置に基づく電圧振幅および電圧位相指令によってステータコイルに電圧を印加して、ステータコイルに流れる電流ベクトル（ｉ）を制御することにより、同期モータ（１２）を運転指令に基づく回転数よりも低い回転数に制限して運転する制限運転制御手段（２３）と、
ステータコイルの電圧、電流およびこれらと関係する少なくとも１つ以上の状態量から制限運転の要否を判定する制限運転判定手段（２４）と、制限運転判定手段（２４）で制限運転が必要と判定したときに、通常運転制御手段（２２）から制限運転制御手段（２３）へ運転制御を切り替える運転制御切替手段（２５）とを備え、制限運転制御手段（２３）にて電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を所定範囲の進み角度に制御することを特徴としている。この請求項７に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の制御方法を行うことができる。

また、請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の同期モータの制御装置において、制限運転判定手段（２４）は、所定の閾値と、状態量と電流ベクトル（ｉ）を制御するための電流制限値との関係式もしくは関係マップとを予め持っており、状態量と閾値とを比較して制限運転が必要と判定したときに、通常運転制御手段（２２）から制限運転制御手段（２３）へ運転制御を切り替えるとともに、状態量と関係式もしくは関係マップとから電流制限値を導き出して制御することを特徴としている。この請求項８に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の制御方法を行うことができる。

また、請求項９に記載の発明では、請求項７または８に記載の同期モータの制御装置において、制限運転制御手段（２３）では、電流ベクトル（ｉ）の磁極軸方向の電流もしくは磁極軸に直交する方向の電流のいずれかの電流値を制限することで、電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を所定範囲の進み角度に制御することを特徴としている。この請求項９に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の制御方法を行うことができる。

また、請求項１０に記載の発明では、請求項７ないし９のいずれかに記載の同期モータの制御装置において、電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を、所定範囲として９０〜１５０度としていることを特徴としている。この請求項１０に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の制御方法を行うことができる。

また、請求項１１に記載の発明では、請求項７ないし１０のいずれかに記載の同期モータの制御装置において、電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を、所定範囲として略９０度としていることを特徴としている。この請求項１１に記載の発明によれば、請求項５に記載の発明の制御方法を行うことができる。

また、請求項１２に記載の発明では、請求項７ないし１１のいずれかに記載の同期モータの制御装置において、負荷（１１）は、ヒートポンプサイクル中に循環する冷媒を圧縮するための圧縮機構（１１）であることを特徴としている。この請求項１２に記載の発明によれば、請求項６に記載の発明の制御方法を行うことができる。なお、特許請求の範囲および上記各手段に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１〜７を用いて詳細に説明する。まず図１は、第１実施形態における電動圧縮機１０の駆動回路と、制御装置２０の概略構成を示すブロック図である。電動圧縮機１０は、例えば、二酸化炭素などを冷媒とするヒートポンプ式給湯装置などのヒートポンプサイクル中に配設される圧縮機であり、図１に示すように、圧縮機構（本発明で言う負荷）１１を内蔵する同期モータ１２で駆動して、気相冷媒を圧縮（例えば、二酸化炭素冷媒であれば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。

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。そして、交流電源部１３からの交流電圧が、入力線１４を介してＡＣ／ＤＣコンバータ回路１５に入力され、直流電圧に変換されて母線１６を介してインバータ回路１８に入力される。なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路１５とインバータ回路１８との間の母線１６には、コンデンサ１７が接続されており、落雷などによって交流電源部１３からの交流電圧が急峻に低下（瞬時電圧低下）した場合、コンデンサ電圧を発生するようになっている。もしくは、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路１５内に平滑コンデンサを設けても良い。

インバータ回路１８は、制御装置２０からの指令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）に配線１９を介して電圧を印加し、ロータが回転駆動されようになっている。インバータ回路１８は、図１に示すように、スイッチング素子とダイオードとを逆並列接続した複数のアームからなる周知の構造を成すものである。

制御装置２０は、制御入出力部２１、通常運転制御部２２、制限運転制御部２３、制限運転判定部２４、および運転制御切替部２５を備えている。ここで、通常運転制御部２２が本実施形態における通常運転制御手段に相当し、制限運転制御部２３が制限運転制御手段に相当し、制限運転判定部２４が制限運転判定手段に相当し、運転制御切替部２５が運転制御切替手段に相当する。

制御入出力部２１は、インバータ給電構成部（本例ではインバータ回路１８および配線１９）と制御装置２０の実質的なモータ制御部との間の信号の入出力を管理する接続部である。制御入出力部２１を介して行われる情報信号の入出力としては、図１に示すように、配線１９の１相もしくは複数相（本例では２相）における検出電流値情報の入力、インバータ回路１８からの電圧情報の入力、インバータ回路１８への電圧指令情報の出力などがある。

通常運転制御部２２は、制御入出力部２１を介して入力した同期モータ１２の実状態量（実測される状態量、例えば電圧、電流、回転数）を用いてロータの位置推定を行い、算出したロータの推定位置に基づいた電圧振幅および電圧位相指令を、制御入出力部２１を介してインバータ回路１８に出力し、ロータの推定位置を反映したベクトル制御によりステータコイルに電圧を印加して同期モータ１２を運転指令に基づく回転数で運転する機能を備えている。ここで実行される制御が、いわゆる位置センサレス制御である。

一方、制限運転制御部２３は、制御入出力部２１を介して入力した同期モータ１２の実状態量（実測される状態量、例えば電圧、電流、回転数）を用いてロータの位置推定を行い、算出したロータの推定位置に基づいた電圧振幅および電圧位相指令を、制御入出力部２１を介してインバータ回路１８に出力し、ロータの推定位置を反映したベクトル制御によりステータコイルに電圧を印加して同期モータ１２を運転指令に基づく回転数よりも低い回転数に制限して運転する機能を備えている。

なお、通常運転制御部２２および制限運転制御部２３は、それぞれ電流制御部２２１、２３１と速度制御部２２２、２３２とを備えている。制限運転判定部２４は、制御入出力部２１を介して入力した同期モータ１２の実状態量（本例では実測される電圧値や電流値）の検出を行い（取得し）、これらの検出結果（取得結果）に基づいて制限運転が必要か否かを判定する。

そして、制限運転が必要と判定した場合には、通常運転制御から制限運転制御への運転制御切替指令を運転制御切替部２５に出力するようになっている。そして、運転制御切替部２５の動作により、通常運転制御部２２による通常運転制御と制限運転制御部２３による制限運転制御との運転制御切り替えを行うようになっている。

次に、上記の制御動作を、フローチャートを用いて説明する。図２は、図１中の制限運転判定部２４と運転制御切替部２５との概略制御動作を示すフローチャートである。制御装置２０の制限運転判定部２４は、制御入出力部２１を介して、同期モータ１２の実状態量（本例では実測される電圧値や電流値）を取得する（ステップＳ１）。次に制限運転判定部２４は、ステップＳ１で検出した実状態量に基づく最大回転数（制限値）を算出する（ステップＳ２）。

そして、図３に示す関係より、算出した最大回転数が所定の閾値回転数を上回っているか否かを判定して、制限運転が必要か否かを判断する（ステップＳ３）。図３は、予め調べた電源からの入力電圧に対する最大回転数の関係から、運転制御切替判定を行う例を示すグラフである。

算出した最大回転数が所定の閾値回転数を上回っていて、制限運転の必要がなければ通常運転制御（ステップＳ４）とし、算出した最大回転数が所定の閾値回転数を下回っていて、制限運転が必要であれば制限運転制御（ステップＳ５）とするものである。すなわち、制限運転判定部２４では、前記状態量から最大回転数を算出して、制限運転が必要か否かを判定している。

ここで、ステップＳ３が本実施形態における制限運転判定ステップ、ステップＳ３〜５が本実施形態における運転制御切替ステップ、ステップＳ４が本実施形態における通常運転制御ステップ、ステップＳ５が本実施形態における制限運転制御ステップである。なお、上記のステップＳ１〜５は、同期モータ１２が運転される間、常に繰り返して実行される。

次に、運転制御が切り替わるときの作動について説明する。図４は、例えば、瞬時電圧低下が生じて運転制御が切り替わるときの、入力電圧と同期モータ１２の回転数との推移を示すグラフである。図４に示す例では、通常２５０Ｖある交流電源部１３からの入力電圧が、落雷などの影響によって一気に１００Ｖまで低下した場合を示している。

まず、入力電圧が通常の２５０Ｖある場合、上述のステップＳ２で算出される制限値としての最大回転数は、本例では８０００ｒｐｍとなる。このため、制限運転判定部２４で行われる上述のステップＳ３の判定では、所定の閾値回転数を上回っていて制限運転の必要なしとして通常運転制御部２２による通常運転制御が行われている。

しかし、瞬時電圧低下で入力電圧が１００Ｖまで低下したときには、上述のステップＳ２で算出される制限値としての最大回転数は、本例では２０００ｒｐｍとなる。このため、制限運転判定部２４で行われる上述のステップＳ３の判定では、所定の閾値回転数を下回っていて制限運転の必要ありとして制限運転制御部２３による制限運転制御に切り替えられる。

そして、同期モータ１２の最大回転数は２０００ｒｐｍに下げて制限される（図４中実線で示す回転数制限ライン）。なお、本実施形態では、インバータ回路１８の入力側にコンデンサ１７を設けているため、そのコンデンサ１７が発生するコンデンサ電圧により、実際の入力電圧は、図４中の破線のように、ある時定数に関係して低下する。実際にインバータ回路１８に入力される電圧はこのコンデンサ電圧となるため、コンデンサ電圧での電圧低下ラインに合わせて駆動するのが、図４中破線の回転数制限ラインである。

しかし、実際のロータの負荷も含めた機械的な特性による回転数低下は、例えば図４中の一点鎖線のようになる。このように、電気指令に対して機械的な特性による変化が遅いため、上述したいずれの制限ラインをとったとしても、実際のロータの動きが追従できずに不安定もしくは脱調して停止する場合がある。

そこで、本実施形態では、実際のロータの負荷も含めた機械的な特性に合わせた回転数制限ラインとすることを目標としている。しかし、図４からも分るように、電圧が不足する領域が発生する。そのため、電圧が不足する分だけ電流値が跳ね上がって電流値の制限ラインに張り付いたり、急激な変化を伴うため不安定な動作になったりする場合がある。そこで、本実施形態では、電流ベクトルの位相角度を所定範囲の進み角度に制御して、位置推定に誤差が発生した場合でもできる限り回転限界を維持しつつ駆動を継続するようにしている。

まず、図５および図６は、モータ制御における座標軸を定義する図である。図５は、ステータコイルの各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）の位置とα、β軸からなる固定座標との関係を示すものであり、図６は、α、β軸を基準として、ロータ磁極軸であるｄ軸と、そのｄ軸に直交するｑ軸とからなる回転座標を示すものである。

制限運転制御部２３は、制御入出力部２１から取得した検出値であるＵ相電流値ｉｕおよびＶ相電流値ｉｖに基づいて瞬時電流ベクトル位相を算出する。具体的には、取得したＵ相電流値ｉｕおよびＶ相電流値ｉｖを座標変換してステータコイルに流れる電流ベクトルｉのｄ軸成分であるｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸成分であるｑ軸電流ｉｑを算出する。次に、図７に示す関係より、下記数式１を用いて電流位相（電流ベクトルｉの位相角度）θｃを算出する。
（数１）
θｃ＝ｔａｎ−１（ｉｑ／ｉｄ）
そして、本実施形態において制限運転制御中は、電流ベクトルｉの位相角度θｃを所定範囲の進み角度に制御している。具体的には、位相角度θｃの所定範囲として９０〜１５０度としている。なお、この制限すべき電流ベクトルｉの位相角度θｃは、同期モータ１２および負荷である圧縮機構１１の特性によって変化するため、一意的に決定できるものではない。できる限り回転数を維持することを考えて、実際に安定駆動できる位相角度θｃの範囲を予め実機調査して設定するものである。

また、電流ベクトルｉの位相角度θｃを制限する方法として、ｄ軸およびｑ軸の電流値を用いて同じ効果が得られるようｄ軸およびｑ軸の電流値を個別に制限しても良い。つまり、ベクトル制御を実施している制御であれば、ｄ軸およびｑ軸の電流値は制御で用いられているため、新たに算出する必要がないため、制御を簡単にすることができる。

次に、本実施形態の特徴と、その効果について述べる。まず、ロータの推定位置に基づく電圧振幅および電圧位相指令によってステータコイルに電圧を印加して、ステータコイルに流れる電流ベクトルｉを制御することにより、同期モータ１２を運転指令に基づく回転数で運転する通常運転制御部２２と、ロータの推定位置に基づく電圧振幅および電圧位相指令によってステータコイルに電圧を印加して、ステータコイルに流れる電流ベクトルｉを制御することにより、同期モータ１２を運転指令に基づく回転数よりも低い回転数に制限して運転する制限運転制御部２３と、
ステータコイルの電圧、電流およびこれらと関係する少なくとも１つ以上の状態量から制限運転の要否を判定する制限運転判定部２４と、制限運転判定部２４で制限運転が必要であると判定したときに、通常運転制御部２２から制限運転制御部２３へ運転制御を切り替える運転制御切替部２５とを備え、制限運転制御部２３にて電流ベクトルｉの位相角度θｃを所定範囲の進み角度に制御するようにしている。

これによれば、例えば、瞬時に電源電圧が低下したときであっても、電流ベクトルｉの位相角度θｃを所定範囲の進み角度に制御して回転限界を上昇させる（いわゆる弱め界磁制御で作動させる）範囲を含めて、過渡的な位置推定誤差が発生しても、ロータの機械的な特性に合った回転数制御ラインで制限回転数まで落とす、もしくは停止させることができる。これにより、ロータが振動的に回転するなどの不安定な作動を防ぐことができ、同期モータ１２が脱調して停止するのを回避しつつ、安定して制限運転に移行する、もしくは停止させることができる。

また、制限運転制御部２３では、電流ベクトルｉの磁極軸方向の電流もしくは磁極軸に直交する方向の電流のいずれかの電流値を制限することで、電流ベクトルｉの位相角度θｃを所定範囲の進み角度に制御するようにしている。これによれば、電流ベクトルｉの位相角度θｃを算出しなくて良いため、計算を簡単にすることができる。

また、電流ベクトルｉの位相角度θｃを、所定範囲として９０〜１５０度としている。これによれば、位置推定誤差が発生した場合においても、同期モータ１２の回転限界をできる限り上昇させて回転を維持することができる。また、負荷は、ヒートポンプサイクル中に循環する冷媒を圧縮するための圧縮機構１１である。これによれば、ヒートポンプサイクルの冷媒を圧縮する圧縮機構１１は、サイクル中の冷媒の状態や吸入圧縮吐出サイクルに応じて負荷トルクが大きく変動し易く、回転方向においてロータに振動的な変動が発生し易い。

従って、本発明により、瞬時に電源電圧が低下したときであっても、ロータが振動的に回転するなどの不安定な作動を防ぐことができ、同期モータ１２が脱調して停止するのを回避しつつ、安定して制限運転に移行する、もしくは停止させる効果は極めて大きい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図８〜１０を用いて説明する。図８はｄｑ軸座標において電流ベクトルｉの位相角度θｃが１７０度の状態、図９はｄｑ軸座標において電流ベクトルｉの位相角度θｃが９０度の状態を示す図である。また図１０は、ロータの実位置と推定位置との誤差（軸誤差）とトルクとの関係を示す特性図である。なお、以降の各実施形態においては、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成および特徴について説明する。

図８および図９は、位置センサレス制御において、動作が不安定になるという問題が顕著に発生する特性について示している。位置センサレス制御において、入力電圧の急変のような過渡変化の状態では、ロータの実位置と推定位置とがずれて軸誤差が発生する。図１０は、図８および図９で示すような電流ベクトルｉの角度において、軸誤差が発生した場合にトルクに与える影響を示している。

図１０を見て分るとおり、電流ベクトルｉの位相角度θｃが９０度の場合は、軸誤差に対するトルク変化は少ないが、電流ベクトルｉの位相角度θｃが１７０度の場合は、軸誤差に対するトルク変化が大きく発生してしまう。例えば、電流ベクトルｉの位相角度θｃ＝１７０度において、軸誤差が０度のときと、軸誤差が３０度の時とを比較すると、＋１Ｎｍが−１Ｎｍとトルクが反転してしまう程の誤差となってしまう。

このため、電流ベクトルｉの角度を所定範囲となるように制御する必要がある。本実施形態では、電流ベクトルｉの位相角度θｃを、所定範囲として略９０度としている。これによれば、軸誤差に対するトルク変動を最小限に抑えることができる。つまり、軸誤差が発生しても、トルク誤差が大きく発生しなくなり、入力電圧が急変するような運転状態においても、できる限り安定な駆動を実現することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について図１１を用いて説明する。図１１は、最大回転数、電流ベクトルの大きさおよび電流制限値の関係を示すマップである。上述した各実施形態と異なる特徴部分を説明する。本実施形態の制限運転判定部２４は、所定の閾値と、状態量と電流ベクトルｉを制御するための電流制限値との関係式もしくは関係マップとを予め持っており、状態量と閾値とを比較して制限運転が必要と判定したときに、通常運転制御部２２から制限運転制御部２３へ運転制御を切り替えるとともに、状態量と関係式もしくは関係マップとから電流制限値を導き出して制御するようにしている。

これによれば、実測される状態量（例えば電圧、電流、回転数など）を用いて電流制限値を算出するのに比べ、状態量に基づいて制限値を決定することにより処理を簡単にすることができる。

（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。例えば、上述の実施形態では、算出した最大回転数（制限値）が所定の閾値回転数を上回っているか否かで通常運転制御か制限運転制御かを判定しているが、制御入出力部２１からの状態量より得られる運転状態から、通常運転制御か制限運転制御かを判定しても良い。

つまり、運転状態の判定は、電圧や電流およびそれら状態変数と関係する少なくとも１つ以上の情報を用いて行い、回転数制限値やそれと関係する値を算出し、回転数制限値やそれと関係する値は、同期モータの電圧方程式やそれを簡略化した式より算出しても良い。

また、上述の実施形態では、図７に示したように、ロータの回転方向を反時計回り方向とした場合について説明したが、図１２に示すように、ロータの回転方向が時計回り方向の場合であっても良いことはもちろんである。また、上述の実施形態では、同期モータ１２は４極３相モータであったが、極数および相数はこれに限定されるものではない。

また、上述の実施形態では、同期モータ１２が駆動する圧縮機構１１のタイプについて説明を省略したが、ロータリ型、ピストン型、スクロール型などの各種の圧縮機構を採用することができる。ロータリ型の圧縮機構を採用した場合には、ロータリ型の圧縮機構は駆動時のトルク変動が比較的大きいので、本発明の運転制御切り替えを適用して特に有効である。

また、上述の実施形態では、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の圧縮機構１１を駆動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良いし、負荷は圧縮機構ではなくポンプ機構などであっても良い。位置センサを用いることなく同期モータを運転制御する場合に、本発明は広く適用して有効である。

本発明の第１実施形態における電動圧縮機１０の駆動回路と、制御装置２０の概略構成を示すブロック図である。 図１中の電圧低下判定部２４と運転制御切替部２５との概略制御動作を示すフローチャートである。 予め調べた電源からの入力電圧に対する最大回転数の関係から、運転制御切替判定を行う例を示すグラフである。 瞬時電圧低下が生じて運転制御が切り替わるときの、入力電圧と同期モータ１２の回転数との推移を示すグラフである。 ステータコイルの各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）の位置とα、β軸からなる固定座標との関係を定義する図である。 α、β軸を基準として、ロータ磁極軸であるｄ軸と、ｄ軸に直交するｑ軸とからなる回転座標を定義する図である。 電流ベクトルｉの位相角度θｃと、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑとの関係を示す図である。 ｄｑ軸座標において電流ベクトルｉの位相角度θｃが１７０度の状態を示す図である。 ｄｑ軸座標において電流ベクトルｉの位相角度θｃが９０度の状態を示す図である。 ロータの実位置と推定位置との誤差（軸誤差）とトルクとの関係を示す特性図である。 最大回転数、電流ベクトルの大きさおよび電流制限値の関係を示すマップである。 他の実施形態における運転制御切り替えを行う際の電流ベクトルｉの状態を説明する図である。

符号の説明

１１…圧縮機構（負荷）
１２…同期モータ
２２…通常運転制御部（通常運転制御手段）
２３…制限運転制御部（制限運転制御手段）
２４…制限運転判定部（制限運転判定手段）
２５…運転制御切替部（運転制御切替手段）
ｉ…電流ベクトル
θｃ…位相角度

Claims (12)

1. ロータの位置を検出するための位置センサを用いることなく、複数相からなるステータコイルに印加する電圧指令を出力して、負荷（１１）を駆動するための同期モータ（１２）を運転制御する同期モータの制御方法であって、
   前記ロータの推定位置に基づく電圧振幅および電圧位相指令によって前記ステータコイルに電圧を印加して、前記ステータコイルに流れる電流ベクトル（ｉ）を制御することにより、前記同期モータ（１２）を運転指令に基づく回転数で運転する通常運転制御ステップ（Ｓ４）と、
   前記ロータの推定位置に基づく電圧振幅および電圧位相指令によって前記ステータコイルに電圧を印加して、前記ステータコイルに流れる電流ベクトル（ｉ）を制御することにより、前記同期モータ（１２）を前記運転指令に基づく回転数よりも低い回転数に制限して運転する制限運転制御ステップ（Ｓ５）と、
   前記ステータコイルの電圧、電流およびこれらと関係する少なくとも１つ以上の状態量から制限運転の要否を判定する制限運転判定ステップ（Ｓ３）と、
   前記制限運転判定ステップ（Ｓ３）で制限運転が必要と判定したときに、前記通常運転制御ステップ（Ｓ４）から前記制限運転制御ステップ（Ｓ５）へ運転制御を切り替える運転制御切替ステップ（Ｓ３〜Ｓ５）とを備え、
   前記制限運転制御ステップ（Ｓ５）にて前記電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を所定範囲の進み角度に制御することを特徴とする同期モータの制御方法。
2. 前記制限運転判定ステップ（Ｓ３）は、所定の閾値と、前記状態量と前記電流ベクトル（ｉ）を制御するための電流制限値との関係式もしくは関係マップとを予め持っており、
   前記状態量と前記閾値とを比較して制限運転が必要と判定したときに、前記通常運転制御ステップ（Ｓ４）から前記制限運転制御ステップ（Ｓ５）へ運転制御を切り替えるとともに、
   前記状態量と前記関係式もしくは関係マップとから前記電流制限値を導き出して制御することを特徴とする請求項１に記載の同期モータの制御方法。
3. 前記制限運転制御ステップ（Ｓ５）では、前記電流ベクトル（ｉ）の磁極軸方向の電流もしくは前記磁極軸に直交する方向の電流のいずれかの電流値を制限することで、前記電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を所定範囲の進み角度に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の同期モータの制御方法。
4. 前記電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を、前記所定範囲として９０〜１５０度としていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の同期モータの制御方法。
5. 前記電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を、前記所定範囲として略９０度としていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の同期モータの制御方法。
6. 前記負荷（１１）は、ヒートポンプサイクル中に循環する冷媒を圧縮するための圧縮機構（１１）であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の同期モータの制御方法。
7. ロータの位置を検出するための位置センサを用いることなく、複数相からなるステータコイルに印加する電圧指令を出力して、負荷（１１）を駆動するための同期モータ（１２）を運転制御する同期モータの制御装置であって、
   前記ロータの推定位置に基づく電圧振幅および電圧位相指令によって前記ステータコイルに電圧を印加して、前記ステータコイルに流れる電流ベクトル（ｉ）を制御することにより、前記同期モータ（１２）を運転指令に基づく回転数で運転する通常運転制御手段（２２）と、
   前記ロータの推定位置に基づく電圧振幅および電圧位相指令によって前記ステータコイルに電圧を印加して、前記ステータコイルに流れる電流ベクトル（ｉ）を制御することにより、前記同期モータ（１２）を前記運転指令に基づく回転数よりも低い回転数に制限して運転する制限運転制御手段（２３）と、
   前記ステータコイルの電圧、電流およびこれらと関係する少なくとも１つ以上の状態量から制限運転の要否を判定する制限運転判定手段（２４）と、
   前記制限運転判定手段（２４）で制限運転が必要と判定したときに、前記通常運転制御手段（２２）から前記制限運転制御手段（２３）へ運転制御を切り替える運転制御切替手段（２５）とを備え、
   前記制限運転制御手段（２３）にて前記電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を所定範囲の進み角度に制御することを特徴とする同期モータの制御装置。
8. 前記制限運転判定手段（２４）は、所定の閾値と、前記状態量と前記電流ベクトル（ｉ）を制御するための電流制限値との関係式もしくは関係マップとを予め持っており、
   前記状態量と前記閾値とを比較して制限運転が必要と判定したときに、前記通常運転制御手段（２２）から前記制限運転制御手段（２３）へ運転制御を切り替えるとともに、
   前記状態量と前記関係式もしくは関係マップとから前記電流制限値を導き出して制御することを特徴とする請求項７に記載の同期モータの制御装置。
9. 前記制限運転制御手段（２３）では、前記電流ベクトル（ｉ）の磁極軸方向の電流もしくは前記磁極軸に直交する方向の電流のいずれかの電流値を制限することで、前記電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を所定範囲の進み角度に制御することを特徴とする請求項７または８に記載の同期モータの制御装置。
10. 前記電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を、前記所定範囲として９０〜１５０度としていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の同期モータの制御装置。
11. 前記電流ベクトル（ｉ）の位相角度（θｃ）を、前記所定範囲として略９０度としていることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載の同期モータの制御装置。
12. 前記負荷（１１）は、ヒートポンプサイクル中に循環する冷媒を圧縮するための圧縮機構（１１）であることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の同期モータの制御装置。

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