JP2009284627A - 電動機駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷が過大となった場合でもインバータの過電流停止を防止して電動機の駆動を維持することができる電動機駆動装置を提供する。
【解決手段】半導体スイッチング素子のブリッジ構成からなり、直流電力を所望の周波数、電圧の交流電力に変換して複数相の電動機にその電力を供給するインバータと、電動機の誘起電圧に対して所定の位相差の電動機電流が流れるようにインバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段とを備え、インバータ制御手段は、電動機電流の最大値が予め設定された第１の電流設定値を超える場合には、第１の所定期間が経過するまで所定の時間変化率で位相差を減少させるものである。これにより、電動機の運転効率を高めて電動機電流を減らし、インバータの過電流停止を防止して電動機の駆動を維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機駆動装置に関し、さらに詳しくは、ブラシレスＤＣモータなどの電動機を任意の回転数で駆動する電動機駆動装置に関する。

近年、空気調和機における圧縮機などの電動機を駆動する装置においては、地球環境保護の観点から消費電力を低減する必要性が大きくなっている。その中で、省電力の技術の一つとして、ブラシレスＤＣモータのような高効率な電動機を任意の周波数で駆動するインバータなどが広く一般に使用されている。さらに、駆動する技術としては、矩形波状の電流により駆動を行う矩形波駆動に対して、より効率が高く、騒音も低くすることが可能な正弦波駆動技術が注目されている。

空気調和機における圧縮機に備えられた電動機を駆動する場合、電動機の回転子の位置を検出するセンサを取りつけることが困難であるため、回転子の位置を何らかの方法で推定しながら駆動を行う位置センサレス正弦波駆動の技術が考案されている。回転子の位置を推定する方法としては、電動機の固定子巻線に生ずる誘起電圧を推定することにより行う方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図６に特許文献１の電動機駆動装置のシステム構成を示す。この電動機駆動装置は、複数のスイッチング素子４ａｐ〜４ｆｐと対をなす還流ダイオード５ａｐ〜５ｆｐからなるインバータ４ｐと、電流検出部８ｐ、正弦波駆動部９ｐ、ＰＷＭ信号生成部１０ｐ、誘起電圧推定部１１ｐ、位置速度推定部１２ｐから構成されるインバータ制御部７ｐとを備え、交流電源１ｐからの入力電圧は整流回路２ｐで直流に整流され、その直流電圧はインバータ４ｐにより３相の交流電圧に変換され、それによりブラシレスＤＣモータである電動機３ｐが駆動される。

ここで、誘起電圧推定部１１ｐは、電流検出値と電圧指令値とに基づいて、電動機３ｐの固定子巻線の各相に生じる誘起電圧を推定し、誘起電圧推定値として出力する。位置速度推定部１２ｐは、誘起電圧推定値を用いて、電動機３ｐの回転子の磁極位置および回転速度を推定し、それぞれ磁極位置推定値、回転速度推定値として出力する。電流検出器６ａｐ、６ｂｐおよび電流検出部８ｐは、電動機３ｐの電流検出値を出力する。正弦波駆動部９ｐは、目標回転速度と回転速度推定値との差を速度誤差として算出し、その速度誤差と、電流検出値と、磁極位置推定値とから、電動機３ｐの電圧指令値を演算する。ＰＷＭ信号生成部１０ｐは、電圧指令値に基づいてインバータ４ｐのスイッチング素子４ａｐ〜４ｆｐを動作させるための駆動信号を生成する。

なお、正弦波駆動部９ｐの動作は次の通りである。外部から与えられる電動機３ｐの目標回転速度と回転速度推定値との速度誤差がゼロになるように、ＰＩ制御により電流指令振幅を求める。この電流指令振幅と、０〜９０［ｄｅｇ］（０〜π／２［ｒａｄ］）の範囲における予め設定された電流位相とを用い、ｄｑ軸電流指令を求める。ここで、電流位相は、例えば電動機３ｐの回転速度推定値などで一義的に決定された目標値を持たせて、目標通りに動作するように設定する。

一般的には、電動機３ｐの最大回転数を引き上げるために、この電流位相を大きくすることで電動機３ｐの界磁磁束を弱めて電動機３ｐの印加電圧を抑制する手法、いわゆる弱め界磁制御がよく知られている。電動機３ｐの界磁磁束を弱めると、電動機３ｐの運転効率が低下し、電動機電流は増加する。

また、固定子巻線の相電流指令は、ｄｑ軸電流指令と磁極位置推定値とを用い、２相−３相変換を行うことで求められる。ここで、相電流指令値と電流検出器６ａｐ、６ｂｐおよび電流検出部８ｐから得られる相電流検出値との電流誤差がゼロとなるように、ＰＩ制御により相電圧指令を演算する。

このように、従来の電動機駆動装置は、相電圧方程式に基づいたモデルにより導出された誘起電圧推定値と誘起電圧基準値との偏差を用いて磁極位置推定値を生成し、正弦波状の相電流を流すことで位置センサレス正弦波駆動を実現している。
特開２０００−３５０４８９号公報

しかしながら、上述した従来の構成では、電動機３ｐの運転状況に応じて電流位相を変更する構成を備えていない。このため、特に弱め界磁制御の効果を高めるために予め設定された電流位相が大きい場合で、電動機３ｐの負荷が過大となった場合には、電動機３ｐの電流値が過大となる。その結果、インバータ４ｐのパワー素子などを保護するため過電流停止に至り、電動機３ｐの駆動を維持することが出来ないという課題を有していた。

本発明は、上述した従来の課題を解決するもので、電動機３ｐの電流最大値に応じて予め設定された誘起電圧に対する電動機電流の位相差（電流位相）を変更し、負荷が過大となった場合でもインバータ４ｐの過電流停止を防止して、電動機３ｐの駆動を維持することができる電動機駆動装置を提供することを目的とする。

上述した従来の課題を解決するために、本発明の電動機駆動装置は、直流電力を交流電力に変換し、複数相の電動機へ供給するインバータと、前記電動機に流れる電動機電流を検出する電流検出手段を含み、電動機電流に基づいて前記電動機の誘起電圧を特定し、特定された誘起電圧に対して所望の位相差の電動機電流が流れるように前記インバータを制御するインバータ制御手段と、を有し、前記インバータ制御手段は、電動機電流が第１所定値を超えると、位相差を減少させている。

これによって、負荷が過大となった場合には、予め設定された誘起電圧に対する電動機電流の位相差（電流位相）を減少させることで、電動機の運転効率を高めて電動機電流を減らし、インバータの過電流停止を防止して電動機の駆動を維持することができる。

本発明の電動機駆動装置によれば、負荷が過大となって電動機の電流ピーク値が電流設定値を超える場合には、所定期間が経過するまで所定の時間変化率で誘起電圧に対する電流の位相差（電流位相）を減少させる。これにより、電動機の運転効率を高めて電動機電流を減らし、インバータの過電流停止を防止して電動機の駆動を維持することができる。特に、弱め界磁制御の効果を高めるために、予め設定された電流位相が大きい場合に有効である。

第１の観点によれば、本発明の電動機駆動装置は、半導体スイッチング素子のブリッジ構成からなり、直流電力を所望の周波数、電圧の交流電力に変換して複数相の電動機にその電力を供給するインバータと、電動機の誘起電圧に対して所定の位相差の電動機電流が流れるようにインバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段とを備え、インバータ制御手段は、電動機電流の最大値が予め設定された第１の電流設定値を超える場合には、第１の所定期間が経過するまで所定の時間変化率で前記位相差を減少させるものである。これにより、負荷が過大となった場合には、予め設定された誘起電圧に対する電動機電流の位相差（電流位相）を減少させることで、電動機の運転効率を高めて電動機電流を減らし、インバータの過電流停止を防止して電動機の駆動を維持することができる。

第２の観点によれば、本発明の電動機駆動装置は、半導体スイッチング素子のブリッジ構成からなり、直流電力を所望の周波数、電圧の交流電力に変換して複数相の電動機にその電力を供給するインバータと、電動機の誘起電圧に対して所定の位相差の電動機電流が流れるようにインバータに駆動信号を与えるインバータ制御手段とを備え、インバータ制御手段は、電動機電流の最大値が予め設定された第１の電流設定値を超える場合には、第１の電流設定値よりも小さな値で設定された第２の電流設定値以下となるまで所定の時間変化率で前記位相差を減少させるものである。これにより、負荷が過大となった場合には、予め設定された誘起電圧に対する電動機電流の位相差（電流位相）を減少させることで、電動機の運転効率を高めて電動機電流を減らし、インバータの過電流停止を防止して電動機の駆動を維持することができる。

第３の観点によれば、本発明の電動機駆動装置は、特に第１または第２の観点において、インバータ制御手段は、予め設定された位相差の下限値を備え、位相差が下限値以上の場合のみ位相差を減少させるものである。これにより、予め設定された誘起電圧に対する電動機電流の位相差（電流位相）を過大に減少させて遅れ位相となることで、電動機の駆動が不安定となることを防止することができる。

第４の観点によれば、本発明の電動機駆動装置は、特に第１〜３の観点において、インバータ制御手段は、位相差を減少させた後、位相差が予め設定された位相差目標値よりも小さい場合には、第２の所定期間が経過するまで位相差を増加させないものである。これにより、電動機電流が急激に変化して電動機の駆動が不安定となることを防止することができる。

第５の観点によれば、本発明の電動機駆動装置は、特に第１〜４の観点において、インバータ制御手段は、電動機の固定子巻線に流れる電動機電流を検出する電流検出手段と、電動機に印加される電動機電圧と電動機電流とから電動機に発生する誘起電圧を特定する誘起電圧特定手段と、誘起電圧に基づいて、電動機の回転子の磁極位置および回転速度を推定する位置速度推定手段とを備えるものである。これにより、エンコーダやレゾルバ等の、回転子の磁極位置を検出する位置センサが不要となるため、コスト低減と信頼性向上とを図ることができる。

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。図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。また、以下において記述される数字は、すべて本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。さらに、ハイ／ローにより表される論理レベルは、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、例示された論理レベルの異なる組み合わせにより、同等な結果を得ることも可能である。また、構成要素間の接続関係は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。さらに、以下の実施の形態は、ハードウェアおよび／またはソフトウェアを用いて構成されるが、ハードウェアを用いる構成は、ソフトウェアを用いても構成可能であり、ソフトウェアを用いる構成は、ハードウェアを用いても構成可能である。

（実施の形態１）
図１は、本発明による実施の形態１における電動機駆動装置のシステム構成を示すブロック図である。実施の形態１の電動機駆動装置は、交流電源１、整流回路２、インバータ４、インバータ制御部７、および電動機３を含む。インバータ４は、複数のスイッチング素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、およびそれぞれ対をなす還流ダイオード５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆを含む。スイッチング素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆは、いわゆるブリッジ状に構成される。インバータ制御部７は、電流検出部８、正弦波駆動部９、ＰＷＭ信号生成部１０、誘起電圧推定部１１、位置速度推定部１２、電流位相設定部１３、電流ピーク値監視部１４、および経過時間計測部１５を含む。

誘起電圧推定部１１は誘起電圧特定部とも呼ばれ、電流ピーク値監視部１４は補正要求信号生成部とも呼ばれ、電流位相設定部１３は位相差設定部とも呼ばれる。位置速度推定部１２、正弦波駆動部９、およびＰＷＭ信号生成部１０は、制御部を構成する。

整流回路２は、交流電源１からの交流入力電圧を直流電圧に整流する。インバータ４は、この直流電圧を３相の交流電圧に変換し、ブラシレスＤＣモータを表す電動機３へ供給することにより、電動機３を駆動する。

電流検出器６ａ、６ｂおよび電流検出部８は、電動機３に流れる電動機電流を検出し、電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を出力する電流検出手段を構成する。誘起電圧である誘起電圧推定部１１は、電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）とに基づいて、電動機３の固定子巻線の各相に生じる誘起電圧を推定し（すなわち特定し）、誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）として出力する。誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）は、誘起電圧特定値とも呼ばれる。位置速度推定手段である位置速度推定部１２は、誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）を用いて、電動機３の回転子の磁極位置および回転速度を推定し、それぞれ磁極位置推定値θ、回転速度推定値ωとして出力する。正弦波駆動部９は、目標回転速度ω＊と回転速度推定値ωとの差を速度誤差として算出し、その速度誤差と、電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と、磁極位置推定値θとから、電動機３の電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を演算する。ＰＷＭ信号生成部１０は、電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に基づいてインバータ４のスイッチング素子４ａ〜４ｆを動作させるための駆動信号を生成し、駆動信号を用いてインバータ４を制御する。

すなはち、インバータ制御部７は、推定された誘起電圧に対して所望の位相差の電動機電流が流れるようにインバータ４を制御する。

正弦波駆動部９の動作は次の通りである。外部から与えられる電動機３の目標回転速度ω＊と回転速度推定値ωとの速度誤差がゼロになるように、式（１）で表されるＰＩ制御により電流指令振幅Ｉ＊を求める。
Ｉ＊＝ＫＰＷ・（ω＊−ω）＋ＫＩＷ・Σ（ω＊−ω） （１）

式（１）の演算により求められる電流指令振幅Ｉ＊と、０〜９０［ｄｅｇ］（０〜π／２［ｒａｄ］）の範囲における予め設定された電流位相βＴとを用い、式（２）、（３）の演算により、ｄｑ軸電流指令（ｉｄ＊、ｉｑ＊）を求める。
ｉｄ＊＝−Ｉ＊・ｓｉｎ（βＴ） （２）
ｉｑ＊＝Ｉ＊・ｃｏｓ（βＴ） （３）

ここで、電流位相βＴは、誘起電圧に対する電動機電流の位相差の指令値を表し、単に位相差とも呼ばれる。電流位相βＴは、例えば電動機３の回転速度推定値ωなどで一義的に決定された目標値を持たせて、目標通りに動作するように設定する。

一般的には、電動機３の最大回転数を引き上げるために、この電流位相βＴを大きくすることで電動機３の界磁磁束を弱めて電動機３の印加電圧を抑制する手法、いわゆる弱め界磁制御がよく知られている。電動機３の界磁磁束を弱めると、電動機３の運転効率が低下し、電動機電流は増加する。

また、固定子巻線の相電流指令（ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊）は、ｄｑ軸電流指令（ｉｄ＊、ｉｑ＊）と磁極位置推定値θとを用い、式（４）〜（６）の演算により、２相−３相変換を行うことで求められる。２相−３相変換については説明を省略する。
ｉｕ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓθ｝
−ｉｑ＊・ｓｉｎθ｝ （４）
ｉｖ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓ（θ−２π／３）
−ｉｑ＊・ｓｉｎ（θ−２π／３）｝ （５）
ｉｗ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓ（θ＋２π／３）
−ｉｑ＊・ｓｉｎ（θ＋２π／３）｝ （６）

ここで、相電流指令値（ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊）と電流検出器６ａ、６ｂおよび電流検出部８から得られる相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）との電流誤差がゼロとなるように、電流制御ゲイン（ＫＫｎ：比例ゲイン、ＫＩＫｎ：積分ゲイン、ｎ＝１、２、３（３相分））を用い、式（７）〜式（９）で表されるＰＩ制御により相電圧指令（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を演算する。
ｖｕ＊＝ＫＰＫ１・（ｉｕ＊−ｉｕ）＋ＫＩＫ１・Σ（ｉｕ＊−ｉｕ） （７）
ｖｖ＊＝ＫＰＫ２・（ｉｖ＊−ｉｖ）＋ＫＩＫ２・Σ（ｉｖ＊−ｉｖ） （８）
ｖｗ＊＝ＫＰＫ３・（ｉｗ＊−ｉｗ）＋ＫＩＫ３・Σ（ｉｗ＊−ｉｗ） （９）

なお、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を３相−２相変換してｄｑ軸電流検出値（ｉｄ、ｉｑ）を求め、ｄｑ軸電流指令（ｉｄ＊、ｉｑ＊）とｄｑ軸電流検出値（ｉｄ、ｉｑ）との電流誤差がゼロとなるよう、ＰＩ制御によってｄｑ軸電圧指令（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を求め、ｄｑ軸電圧指令（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を２相−３相変換して相電圧指令（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を求めても良い。３相−２相変換についても説明を省略する。

具体的には、ｄｑ軸電流検出値（ｉｄ、ｉｑ）は、式（１０）、（１１）の演算により求められる。
ｉｄ＝｛√（２）｝・｛ｉｕ・ｓｉｎ（θ＋π／３）＋ｉｖ・ｓｉｎθ｝ （１０）
ｉｑ＝｛√（２）｝・｛ｉｕ・ｃｏｓ（θ＋π／３）＋ｉｖ・ｃｏｓθ｝ （１１）

ｄｑ軸電圧指令（ｖｄ＊、ｖｑ＊）は、電流制御ゲイン（ＫＰＤ：ｄ軸電流比例ゲイン、ＫＩＤ：ｄ軸電流積分ゲイン、ＫＰＱ：ｑ軸電流比例ゲイン、ＫＩＱ：ｑ軸電流積分ゲイン）を用い、式（１２）、（１３）の演算により求められる。
ｖｄ＊＝ＫＰＤ・（ｉｄ＊−ｉｄ）＋ＫＩＤ・Σ（ｉｄ＊−ｉｄ） （１２）
ｖｑ＊＝ＫＰＱ・（ｉｑ＊−ｉｑ）＋ＫＩＱ・Σ（ｉｑ＊−ｉｑ） （１３）

そこで、相電圧指令（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）は、ｄｑ軸電圧指令（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を２相−３相変換することにより、式（１４）〜（１６）の演算により求められる。
ｖｕ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓθ
−ｖｑ＊・ｓｉｎθ｝ （１４）
ｖｖ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓ（θ−２π／３）
−ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ−２π／３）｝ （１５）
ｖｗ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓ（θ＋２π／３）
−ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ＋２π／３）｝ （１６）

次に、誘起電圧推定部１１による電動機３の誘起電圧の推定方法について説明する。まず、各相の誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）は、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と、相電圧指令（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を用い、式（１７）〜（１９）の演算により求められる。
ｅｕ＝ｖｕ＊−Ｒ・ｉｕ−Ｌ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ （１７）
ｅｖ＝ｖｖ＊−Ｒ・ｉｖ−Ｌ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ （１８）
ｅｗ＝ｖｗ＊−Ｒ・ｉｗ−Ｌ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ （１９）

ここで、Ｒは電動機３の巻線１相あたりの抵抗、Ｌはそのインダクタンスである。ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔはそれぞれｉｕ、ｉｖ、ｉｗの時間微分である。式（１７）〜（１９）を展開すると、式（２０）〜（２２）が得られる。

ｅｕ＝ｖｕ＊−Ｒ・ｉｕ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ―２π／３）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ―２π／３）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋２π／３）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋２π／３）｝／ｄｔ （２０）

ｅｖ＝ｖｖ＊−Ｒ・ｉｖ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋２π／３）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋２π／３）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ―２π／３）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ―２π／３）｝／ｄｔ （２１）

ｅｗ＝ｖｗ＊−Ｒ・ｉｗ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ―２π／３）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ−２π／３）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋２π／３）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋２π／３）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ （２２）

ここで、Ｒは巻線１相あたりの抵抗、ｌａは巻線１相あたりの漏れインダクタンス、Ｌａは巻線１相あたりの有効インダクタンスの平均値、Ｌａｓは巻線１相あたりの有効インダクタンスの振幅である。ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔは、１次オイラー近似で求める。

ｕ相電流ｉｕは、ｖ相電流ｉｖとｗ相電流ｉｗとの和を求め、その符号を変えることにより得られる値とする。ここで、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）が正弦波であると仮定し、電流指令振幅Ｉ＊と電流位相βＴとを用い、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を簡略化すると、以下に示す式（２３）〜（２５）が得られる。
ｅｕ＝ｖｕ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ―βＴ） （２３）
ｅｖ＝ｖｖ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ−２π／３）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ−２π／３）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ―βＴ−２π／３） （２４）
ｅｗ＝ｖｗ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ＋２π／３）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ＋２π／３）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ―βＴ＋２π／３） （２５）

これらの式を用いて、誘起電圧推定部１１は、誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）を求める。

位置速度推定部１２は、各相の誘起電圧基準値（ｅｕｍ、ｅｖｍ、ｅｗｍ）を、次に示す３つの式によりそれぞれ求める。ここで、誘起電圧振幅値ｅｍは、ｅｕ、ｅｖ、ｅｗの振幅値と一致させることで求められる。
ｅｕｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ） （２６）
ｅｖｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ−２π／３） （２７）
ｅｗｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ＋２π／３） （２８）

このようにして求めた誘起電圧基準値ｅｓｍと、誘起電圧推定値ｅｓとの偏差εを求める。ここで、ｅｓｍは、ｅｕｍ、ｅｖｍ、または、ｅｗｍを意味し、ｅｓは、ｅｕ、ｅｖ、または、ｅｗを意味する
ε＝ｅｓ−ｅｓｍ （ｓ＝ｕ、ｖ、または、ｗ） （２９）

この偏差εが０になれば磁極位置推定値θが真値となるので、偏差εを０に収束させるように、偏差εを用いたＰＩ演算などを行って、磁極位置推定値θが求められる。また、磁極位置推定値θの変動値を演算することにより、回転速度推定値ωが求められる。

このように、実施の形態１の電動機駆動装置は、相電圧方程式に基づいたモデルにより導出された誘起電圧推定値と誘起電圧基準値との偏差εを用いて磁極位置推定値θを生成し、正弦波状の相電流を流すことで位置センサレス正弦波駆動を実現している。

さらに、電流ピーク値監視部１４は、電流検出部８から得られる相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）のピーク値（例えば、各相電流検出値の絶対値を取って導出する）が予め設定された電流設定値Ｉｓ１を超えると、電流位相補正の要求信号Ｓ１４を出力する（ハイレベルにする）。経過時間計測部１５は、電流位相補正の要求信号Ｓ１４が出力された時点から所定期間Ｔｓ１経過した時点を表す経過時間信号Ｓ１５Ｂを出力する。電流ピーク値監視部１４は、経過時間信号Ｓ１５Ｂが出力されると、電流位相補正の要求信号Ｓ１４の出力を停止する（リセットする、またはローレベルにする）。経過時間計測部１５は、さらに、電流位相補正の要求信号Ｓ１４の出力が停止された時点から所定期間Ｔｓ２経過した時点を表す経過時間信号Ｓ１５Ａを出力する。電流位相設定部１３は、電流ピーク値監視部１４から出力される電流位相補正の要求信号Ｓ１４を受けて、電流位相βＴの目標値βＴ１、電流位相βＴの下限値βＴ０、および経過時間信号Ｓ１５Ａに基づき、電流位相βＴを設定する。正弦波駆動部９は、電流位相設定部１３から出力された電流位相βＴに基づいて、式（２）、式（３）、および式（２３）〜式（２８）の演算を行う。

電流位相βＴの目標値βＴ１は、インバータ制御部７に含まれる電流位相目標値設定部（図示されていない）により設定される。電流位相βＴは単に位相差とも呼ばれ、電流位相目標値設定部は位相差目標値設定部とも呼ばれる。

次に、電流ピーク監視部１４と電流位相設定部１３の具体的な動作について、特に、電流位相βＴが目標通りに設定されている状態で、時間が経過するにつれて電動機３の負荷トルクが増大する場合について、図３および図４を用いて説明する。図３および図４は、上から順番に、電動機３の負荷トルク、電動機３の電流ピーク値、電流ピーク監視部１４の出力である電流位相補正の要求信号Ｓ１４、および電流位相設定部１３から出力された電流位相βＴについて、波形の時間変化をそれぞれ示している。図３は電流位相βＴの目標値βＴ１が一定の場合を示し、図４は電流位相βＴの目標値βＴ１が変化する場合を示す。

図３において、電流ピーク監視部１４は、時点Ｔａ０にて電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ１を超えた場合、電流位相補正の要求信号Ｓ１４を出力する（ハイレベルにする）。経過時間計測部１５は、電流位相補正の要求信号Ｓ１４に基づき、時点Ｔａ０から所定期間Ｔｓ１経過後の時点Ｔａ１にて経過時間信号Ｓ１５Ｂを出力する。電流ピーク監視部１４は、経過時間信号Ｓ１５Ｂに基づき、電流位相補正の要求信号Ｓ１４をローレベルにする。経過時間計測部１５は、電流位相補正の要求信号Ｓ１４がローレベルになった時点Ｔａ１から所定期間Ｔｓ２経過後の時点Ｔａ２にて経過時間信号Ｓ１５Ａを出力する。電流位相設定部１３は、要求信号Ｓ１４が出力されている間（ハイレベルの間）、所定の時間変化率で電流位相βＴを減少させ、これにより電流ピーク値を減少させる（時点Ｔａ０〜Ｔａ１）。所定期間Ｔｓ１が経過した後は、電流位相設定部１３は、要求信号Ｓ１４の出力停止（ローレベル）を受けて、電流位相βＴの減少を停止させ、電流位相βＴが目標値βＴ１よりも小さいため、電流位相βＴを時点Ｔａ１の値に維持する（時点Ｔａ１〜Ｔａ２）。すなわち、電流位相設定部１３は、電流位相βＴの増加を停止させる。所定期間Ｔｓ２が経過した後は、電流位相設定部１３は、経過時間信号Ｓ１５Ａの出力を受けて、目標値βＴ１に一致させるように電流位相βＴを増加させるため、電流ピーク値は増加する（時点Ｔａ２〜Ｔａ３）。時点Ｔａ３にて再度電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ１を超えた場合、前述の動作を繰り返す。

また、図４において、電流ピーク監視部１４は、時点Ｔｂ０にて電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ１を超えた場合、電流位相補正の要求信号Ｓ１４を出力する（ハイレベルにする）。経過時間計測部１５は、電流位相補正の要求信号Ｓ１４に基づき、時点Ｔａ０から所定期間Ｔｓ１経過後の時点Ｔａ１にて経過時間信号Ｓ１５Ｂを出力する。電流ピーク監視部１４は、経過時間信号Ｓ１５Ｂに基づき、電流位相補正の要求信号Ｓ１４をローレベルにする。経過時間計測部１５は、電流位相補正の要求信号Ｓ１４がローレベルになった時点Ｔａ１から所定期間Ｔｓ２経過後の時点Ｔａ２にて経過時間信号Ｓ１５Ａを出力する。電流位相設定部１３は、要求信号Ｓ１４が出力されている間（ハイレベルの間）、所定の時間変化率で電流位相βＴを減少させ、これにより電流ピーク値を減少させる（時点Ｔｂ０〜Ｔｂ１）。所定期間Ｔｓ１が経過した後は、電流位相設定部１３は、要求信号Ｓ１４の出力停止（ローレベル）を受けて、電流位相βＴの減少を停止させ、電流位相βＴが目標値βＴ１よりも小さいため、電流位相βＴを時点Ｔｂ１の値に維持する（時点Ｔｂ１〜Ｔｂ１１）。すなわち、電流位相設定部１３は、電流位相βＴの増加を停止させる。時点Ｔｂ１１にて電流位相βＴの目標値βＴ１が電流位相βＴよりも値が小さくなるように変化すると、電流位相設定部１３は、経過時間信号Ｓ１５Ａの出力を受けていなくても（所定期間Ｔｓ２が経過していなくても）、目標値βＴ１に一致させるように電流位相βＴを減少させ、電流位相βＴを目標値βＴ１に維持する（時点Ｔｂ１１以降）。時点Ｔｂ１１以降で再度電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ１を超えた場合、前述の動作を繰り返す。

図３および図４において、電流位相設定部１３は、電流ピーク値監視部１４から出力される電流位相補正の要求信号Ｓ１４を受けて、電流位相βＴを減少させた後、所定期間Ｔｓ２が経過するまで増加させないようにしており、これにより、電動機電流が急激に変化して電動機の駆動が不安定となることを防止することができる。

このように、実施の形態１の電動機駆動装置によれば、負荷が過大となって電動機３の電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ１を超える場合には、所定期間Ｔｓ１が経過するまで所定の時間変化率で誘起電圧に対する電流の位相差（電流位相）βＴを減少させる。これにより、電動機３の運転効率を高めて電動機電流を減らし、インバータ４の過電流停止を防止して電動機の駆動を維持することができる。特に、弱め界磁制御の効果を高めるために、予め設定された電流位相が大きい場合に有効である。

また、電流位相設定部１３には予め設定された電流位相βＴの下限値βＴ０を設けている。電流位相設定部１３は、電流ピーク値監視部１４から出力される電流位相補正の要求信号Ｓ１４を受けて、電流位相βＴを減少させる場合に、電流位相βＴが下限値βＴ０以下に減少しようとすると、電流位相βＴを下限値βＴ０に維持する（電流位相βＴの減少を停止させる）。電流位相設定部１３は、電流位相βＴが下限値βＴ０よりも小さくなることを防止しており、これにより、電流位相βＴを過大に減少させて遅れ位相となり、その結果、電動機の駆動が不安定となることを防止することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。その他の構成、動作、および効果は、実施の形態１と同等であるので、説明を省略する。

図２は、実施の形態２における電動機駆動装置のシステム構成を示すブロック図である。図２における実施の形態２の構成が図１における実施の形態１の構成と異なる点は、インバータ制御部７、ならびにインバータ制御部７に含まれる電流ピーク値監視部１４および経過時間計測部１５が、インバータ制御部７Ａ、ならびにインバータ制御部７Ａに含まれる電流ピーク値監視部１４Ａおよび経過時間計測部１５Ａにそれぞれ変更されている点である。

電流ピーク値監視部１４Ａは、電流検出部８から得られる相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）のピーク値（例えば、各相電流検出値の絶対値を取って導出する）が予め設定された電流設定値Ｉｓ１を超えると、電流位相補正の要求信号Ｓ１４を出力する（ハイレベルにする）。電流ピーク値監視部１４Ａは、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）のピーク値が電流設定値Ｉｓ１よりも小さな値に設定された電流設定値Ｉｓ２未満になると、電流位相補正の要求信号Ｓ１４の出力を停止する（リセットする、またはローレベルにする）。経過時間計測部１５Ａは、電流位相補正の要求信号Ｓ１４の出力が停止された時点から所定期間Ｔｓ２経過した時点を表す経過時間信号Ｓ１５Ａを出力する。電流位相設定部１３は、電流ピーク値監視部１４Ａから出力される電流位相補正の要求信号Ｓ１４を受けて、電流位相βＴの目標値βＴ１、電流位相βＴの下限値βＴ０、および経過時間信号Ｓ１５Ａに基づき、電流位相βＴを設定する。正弦波駆動部９は、電流位相設定部１３から出力された電流位相βＴに基づいて、式（２）、式（３）、および式（２３）〜式（２８）の演算を行う。

次に、電流ピーク監視部１４Ａと電流位相設定部１３の具体的な動作について、特に、電流位相βＴが目標通りに設定されている状態で、時間が経過するにつれて電動機３の負荷トルクが増大する場合について、図５を用いて説明する。図５は、上から順番に、電動機３の負荷トルク、電動機３の電流ピーク値、電流ピーク監視部１４Ａの出力である電流位相補正の要求信号Ｓ１４、および電流位相設定部１３から出力された電流位相βＴについて、波形の時間変化をそれぞれ示している（電流位相βＴの目標値βＴ１が一定の場合）。

図５において、電流ピーク監視部１４Ａは、時点Ｔｃ０にて電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ１を超えた場合、電流位相補正の要求信号Ｓ１４を出力する（ハイレベルにする）。電流ピーク監視部１４Ａは、時点Ｔｃ１にて電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ２未満になると、電流位相補正の要求信号Ｓ１４をローレベルにする。経過時間計測部１５Ａは、電流位相補正の要求信号Ｓ１４がローレベルになった時点Ｔｃ１から所定期間Ｔｓ２経過後の時点Ｔｃ２にて経過時間信号Ｓ１５Ａを出力する。電流位相設定部１３は、要求信号Ｓ１４が出力されている間（ハイレベルの間）、所定の時間変化率で電流位相βＴを減少させ、これにより電流ピーク値を減少させる（時点Ｔｃ０〜Ｔｃ１）。電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ２以下となった時点（時点Ｔｃ１）で、電流位相設定部１３は、要求信号Ｓ１４の出力停止（ローレベル）を受けて、電流位相βＴの減少を停止させ、電流位相βＴが目標値βＴ１よりも小さいため、電流位相βＴを時点Ｔｃ１の値に維持する（時点Ｔｃ１〜Ｔｃ２）。すなわち、電流位相設定部１３は、電流位相βＴの増加を停止させる。所定期間Ｔｓ２が経過した後は、電流位相設定部１３は、経過時間信号Ｓ１５Ａの出力を受けて、目標値βＴ１に一致させるように電流位相βＴを増加させるため、電流ピーク値は増加する（時点Ｔｃ２〜Ｔｃ３）。時点Ｔｃ３にて再度電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ１を超えた場合、前述の動作を繰り返す。

電流位相βＴの目標値βＴ１が変化する場合については、実施の形態１の電動機駆動装置と同様の動作を行う。すなわち、電流位相βＴの目標値βＴ１が電流位相βＴよりも値が小さくなるように変化すると、電流位相設定部１３は、経過時間信号Ｓ１５Ａの出力を受けていなくても（所定期間Ｔｓ２が経過していなくても）、目標値βＴ１に一致させるように電流位相βＴを減少させ、電流位相βＴを目標値βＴ１に維持する。

図５において、電流位相設定部１３は、電流ピーク値監視部１４Ａから出力される電流位相補正の要求信号Ｓ１４を受けて、電流位相βＴを減少させた後、所定期間Ｔｓ２が経過するまで増加させないようにしており、これにより、電動機電流が急激に変化して電動機の駆動が不安定となることを防止することができる。

このように、実施の形態２の電動機駆動装置によれば、負荷が過大となって電動機３の電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ１を超える場合には、電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ２未満となるまで所定の時間変化率で誘起電圧に対する電流の位相差（電流位相）βＴを減少させる。これにより、電動機３の運転効率を高めて電動機電流を減らし、インバータ４の過電流停止を防止して電動機の駆動を維持することができる。特に、弱め界磁制御の効果を高めるために、予め設定された電流位相が大きい場合に有効である。

なお、実施の形態１の電動機駆動装置では、一義的に設定した所定期間Ｔｓ１が経過するまで所定の時間変化率で電流位相βＴを減少させていたが、実施の形態２の電動機駆動装置では、電流ピーク値が電流設定値Ｉｓ２に低下するまで、所定の時間変化率で電流位相βＴを減少させている。このため、実施の形態２の電動機駆動装置では、電流ピーク値の低下速度に関係なく、インバータ４の過電流停止のおそれが解消した段階で電流位相βＴの減少を停止することができる。これにより、さらに汎用性のある駆動制御が可能となる。

また、電流位相設定部１３には予め設定された電流位相βＴの下限値βＴ０を設けている。電流位相設定部１３は、電流ピーク値監視部１４Ａから出力される電流位相補正の要求信号Ｓ１４を受けて、電流位相βＴを減少させる場合に、電流位相βＴが下限値βＴ０以下に減少しようとすると、電流位相βＴを下限値βＴ０に維持する。電流位相設定部１３は、電流位相βＴが下限値βＴ０よりも小さくなることを防止しており、これにより、電流位相βＴを過大に減少させて遅れ位相となり、その結果、電動機の駆動が不安定となることを防止することができる。

なお、実施の形態１および２において、２つの電流検出器６ａ、６ｂにより電動機３の電流を検出しているが、インバータ４の直流電流、すなわち、整流回路２とインバータ４との間に流れる電流から電動機３の電流を検出するなどの構成を用いても良い。

また、実施の形態１および２において、電動機駆動装置は位置センサレス正弦波駆動で構成しているが、特に限定したものでなく、エンコーダなどの位置センサを備えた駆動システムに適用しても良い。

さらに、実施の形態１および２において、正弦波駆動部９へ与えられる目標回転速度ω＊に電動機３の回転速度ωが追従するように、回転速度制御を行うものとしたが、例えば、電動機３のトルクを制御するようにしても同様の効果が得られる。

加えて、実施の形態１および２において、整流回路１２を用いているが、力率改善型昇圧コンバータなどを用いても良い。

以上のように、本発明の電動機駆動装置によれば、負荷が過大となった場合には、所定の時間変化率で電流位相を減少させることで、電動機の運転効率を高めて電動機電流を減らし、インバータ４の過電流停止を防止して電動機の駆動を維持することができる。特に、弱め界磁制御の効果を高めるために、予め設定された電流位相が大きい場合に有効である。従って、本発明の電動機駆動装置は、空気調和機における圧縮機の電動機駆動装置等の位置センサレス駆動システムに限らず、サーボドライブ等の位置センサを備えたシステムにおいても応用することができる。

以上、実施の形態におけるこれまでの説明は、すべて本発明を具体化した一例であって、本発明はこれらの例に限定されず、本発明の技術を用いて当業者が容易に構成可能な種々の例に展開可能である。

本発明は、電動機駆動装置に利用できる。

本発明の実施の形態１による電動機駆動装置のシステム構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２による電動機駆動装置のシステム構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による電動機駆動装置の動作を示す波形図である。 本発明の実施の形態１による電動機駆動装置の動作を示す波形図である。 本発明の実施の形態２による電動機駆動装置の動作を示す波形図である。 従来例の電動機駆動装置のシステム構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 交流電源
２ 整流回路
３ 電動機
４ インバータ
４ａ〜４ｆ スイッチング素子
５ａ〜５ｆ 還流ダイオード
６ａ、６ｂ 電流検出器
７、７Ａ インバータ制御部
８ 電流検出部
９ 正弦波駆動部
１０ ＰＷＭ信号生成部
１１ 誘起電圧推定部
１２ 位置速度推定部
１３ 電流位相設定部
１４、１４Ａ 電流ピーク値監視部
１５ 経過時間計測部

Claims (10)

1. 直流電力を交流電力に変換し、複数相の電動機へ供給するインバータと、
   前記電動機に流れる電動機電流を検出する電流検出手段を含み、電動機電流に基づいて前記電動機の誘起電圧を特定し、特定された誘起電圧に対して所望の位相差の電動機電流が流れるように前記インバータを制御するインバータ制御手段と、を有し、
   前記インバータ制御手段は、電動機電流が第１所定値を超えると、位相差を減少させる、電動機駆動装置。
2. 前記インバータ制御手段は、位相差を所定の時間変化率で減少させる、請求項１の電動機駆動装置。
3. 前記インバータ制御手段は、電動機電流が第１所定値を超えた時点から第１所定期間後に、位相差の減少を停止させる、請求項１の電動機駆動装置。
4. 前記インバータ制御手段は、位相差の減少を停止させた時点から第２所定期間の間、位相差の増加を停止させる、請求項３の電動機駆動装置。
5. 前記インバータ制御手段は、前記電動機電流が、第１所定値よりも小さい第２所定値未満になると、位相差の減少を停止させる、請求項１の電動機駆動装置。
6. 前記インバータ制御手段は、位相差の減少を停止させた時点から第２所定期間の間、位相差の増加を停止させる、請求項５の電動機駆動装置。
7. 前記インバータ制御手段は、
   位相差の目標値を設定する位相差目標値設定手段を含み、
   位相差が目標値を超えると、位相差を減少させる、請求項１の電動機駆動装置。
8. 前記インバータ制御手段は、位相差が所定値未満になると、位相差の減少を停止させる、請求項１に記載の電動機駆動装置。
9. 前記インバータは、複数の半導体スイッチング素子によるブリッジ構成を含む、請求項１の電動機駆動装置。
10. 前記インバータ制御手段は、
    電動機電流に基づいて前記電動機の誘起電圧を特定する誘起電圧特定手段と、
    電動機電流が第１所定値を超えると、位相差の補正要求信号を生成する補正要求信号生成手段と、
    補正要求信号に基づいて、位相差を設定する位相差設定手段と、
    誘起電圧および位相差に基づいて、前記インバータを制御する制御手段と、を含む、請求項１に記載の電動機駆動装置。

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