JP2010011642A - モータ制御装置、圧縮機駆動装置、及び冷凍・空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置センサレスでロータの機械的位置を検出することができ、１８０度通電が可能であって、低コスト化を図ることができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】周期的な負荷トルク変動を有する負荷要素を駆動する同期モータ４を駆動するインバータ回路３と、インバータ回路３に流れる電流を検出して、同期モータ４に流れる電流を推定するモータ電流推定手段（電流検出回路５及びモータ電流推定部６）と、前記モータ電流推定手段によって推定されたモータ電流を積算する積算手段（モータ電流積算値記憶部７）と、各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度離れている前記積算手段の複数の積算結果を比較することによって、前記同期モータのロータ機械的位置を検出する検出手段（ロータ位置判定部９）とを備えるモータ制御装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータを制御するモータ制御装置に関し、特にインバータ回路を有するモータ制御装置に関する。また、本発明は、モータ制御装置を搭載した圧縮機駆動装置及びこの圧縮機駆動装置を搭載した冷凍装置、空調装置（これらを総称して冷凍・空調装置とする）に関する。

近年、負荷変動を伴う負荷要素を駆動する同期モータの可変速制御にはインバータが用いられている。周期的な大きな負荷トルク変動を有する負荷要素を備えるものとして、シングルロータ型圧縮機あるいはレシプロ型圧縮機などが挙げられる。シングルロータ型圧縮機あるいはレシプロ型圧縮機などは、空気調和機や冷蔵庫などの家電製品に搭載される圧縮機として広く使用されているものである。以下、周期的な大きな負荷トルク変動を有する負荷要素を備える圧縮機として、シングルロータ型圧縮機を例に挙げて説明する。

図１はシングルロータ型圧縮機の特性を示す図である。シングルロータ型圧縮機の特徴は、構造が簡単で製造コストが安価である反面、負荷トルク変動が非常に大きいことである。シングルロータ型圧縮機では、作動媒体の吸入工程、圧縮工程、吐出工程からなる圧縮サイクルがモータ１回転につき１回行われる。吐出直前は作動媒体が圧縮されているため、負荷トルクが大きくなり、吐出直後は作動媒体が抜けているため、負荷トルクが小さくなる。したがって、図１に示すようにモータトルクＴ_Mが一定であると、モータトルクＴ_Mと負荷トルクＴ_Lとの間に差が生じて、ロータ角速度ω_Rが変動し、ひいては圧縮機が大きく振動するという不具合が生じる。

この不具合の発生を防ぐ方法として、ロータの機械的位置に応じて、つまり、作動媒体の吸入工程、圧縮工程、吐出工程からなる圧縮サイクルのどの位置にあるかに応じて、モータトルクを変化させる方法がある。この方法を用いることにより、負荷トルク変動に応じたモータトルクの出力が可能となり、負荷トルク変動の影響を低減して低振動化を図ることができる。なお、この方法ではロータの機械的位置の検出が重要となるが、圧縮機では、内部が高温状態になり、ロータの機械的位置を検出する位置センサ（ホールＩＣなど）を設けることが困難であるため、位置センサレスでロータの機械的位置を検出する必要がある。

ここで、位置センサレスでロータの機械的位置を検出することができる検出方法として、特許文献１で提案されている方法及び特許文献２で提案されている方法などが知られている。特許文献１で提案されている検出方法では、センサレスのロータ位置検出とモータ１回転中の最小速度検出とによりロータの機械的位置を検出している。また、特許文献２で提案されている検出方法では、モータ電流を検出して、励磁電流成分であるｄ軸電流とトルク電流成分であるｑ軸電流とを求め、ｑ軸電流の変動が負荷トルク変動に起因する周期性を有することを利用してロータの機械的位置を検出している。

特開平６−９０５８８号公報 特開２００３−３３９１９７号公報

特許文献１で提案されている検出方法は、誘起電圧のゼロクロスを検出してロータ位置検出を行っているため、モータの３相をそれぞれ１２０度通電することにより駆動している。したがって、非通電区間においてトルク制御が行えないという問題がある。また、１２０度通電は１８０度通電に比べ、モータ電流の変化が急峻となるため騒音が大きくなるなどの問題もある。また、誘起電圧のゼロクロスを検出する必要があるため、モータ制御装置に、モータの端子電圧を分圧するための分圧抵抗、モータの各端子電圧の分圧同士を比較するコンパレータなどを設けることが必要となり回路コストが増加する。

特許文献２で提案されている検出方法は、１８０度通電が可能であるが、少なくとも１相分のモータ電流を算出して座標変換を行い、ｄ軸電流及びｑ軸電流を求めるため複雑かつ高速な演算処理が必要となり、モータ制御装置が高価になるという問題がある。

本発明は、上記の状況に鑑み、位置センサレスでロータの機械的位置を検出することができ、１８０度通電が可能であって、低コスト化を図ることができるモータ制御装置、当該モータ制御装置を搭載した圧縮機駆動装置、及び当該圧縮機駆動装置を搭載した冷凍・空調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に、本発明に係るモータ制御装置は、周期的な負荷トルク変動を有する負荷要素を駆動する同期モータを駆動するインバータ回路と、前記インバータ回路に流れる電流を検出して、前記同期モータに流れる電流を推定するモータ電流推定手段と、前記モータ電流推定手段によって推定されたモータ電流を積算する積算手段と、各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度離れている前記積算手段の複数の積算結果を比較することによって、前記同期モータのロータ機械的位置を検出する検出手段とを備える構成とする。

また、上記構成のモータ制御装置において、前記負荷トルク変動の１周期範囲が複数の単位区間に分割され、前記積算手段の各積算期間がそれぞれ前記複数の単位区間のいずれかと一致するようにしてもよい。

また、積算処理時のノイズの影響を除去する観点から、上記各構成のモータ制御装置において、積算終了時点の電気角度が等しい前記積算手段の複数の積算結果を平均化する平均化手段を備え、前記検出手段が、平均化手段の出力を用いて比較処理を行うようにしてもよい。

また、上記各構成のモータ制御装置において、前記同期モータを３相４極モータとする場合、前記検出手段が、各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度離れている前記積算手段の２つの積算結果を１組又は複数組抽出して大小比較を行うようにするとよい。さらに、各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度離れている前記積算手段の２つの積算結果の差が最も大きくなる組が、前記大小比較が行われる組に含まれているようにしてもよい。一方、上記各構成のモータ制御装置において、前記同期モータを３相６極モータとする場合、前記検出手段が、各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度、７２０度離れている前記積算手段の３つの積算結果のうち１組又は複数組の大小比較を行うようにするとよい。さらに、各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度、７２０度離れている前記積算手段の３つの積算結果のそれぞれの差が最も大きくなる組が、前記大小比較が行われる組に含まれているようにしてもよい。

また、ロータ機械的位置の誤検出を回避する観点から、上記各構成のモータ制御装置において、各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度離れている前記積算手段の複数の積算結果の差が所定の値より大きい場合にロータ機械的位置を検出するようにしてもよい。

また、上記各構成のモータ制御装置において、前記検出手段によって検出された前記同期モータのロータ機械的位置に基づいて前記同期モータの発生トルクを補正する発生トルク補正手段を備えることが望ましい。

また、本発明に係る圧縮機駆動装置は、上記いずれかの構成のモータ制御装置を備える構成とする。また、本発明に係る冷凍・空調装置は、上記構成の圧縮機駆動装置を備える構成とする。

本発明によれば、低騒音、低振動、高効率である正弦波通電をはじめとする１８０度通電によるモータ駆動においても、少ない電流情報と簡易な演算処理によりロータ機械的位置を推定することができる。このように、本発明では位置センサを必要としないこと、また、ｑ軸電流などの座標変換処理を必要とする情報を用いないため演算速度の遅い安価なマイクロコンピュータを採用することが可能となり、モータ制御装置のコストを削減することができる。

また、本発明によれば、推定したロータ機械的位置を利用してモータトルクを変化させることにより、負荷トルク変動に応じたモータトルクの出力が可能となり、負荷トルク変動の影響を低減して低振動なモータ制御装置を実現できる。また、そのモータ制御装置を用いることにより、低騒音で高効率な圧縮機駆動装置及び冷凍・空調装置を提供することができる。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。本発明に係るモータ制御装置の一構成例を図２に示す。図２に示す本発明に係るモータ制御装置は、コンバータ回路２と、インバータ回路３と、電流検出抵抗（シャント抵抗）Ｒ１と、電流検出回路５と、マイクロコンピュータＡ１とを備えている。コンバータ回路２の入力側には交流電源１が接続され、インバータ回路３の出力側には同期モータ４が接続される。

コンバータ回路２は、交流電源１からの交流電圧を直流電圧に変換してインバータ回路３に供給する。インバータ回路３は、コンバータ回路２からの直流電圧を３相交流電圧に変換して同期モータ４に供給する。コンバータ回路２の出力側とインバータ回路３の入力側とは正極直流ライン及び負極直流ラインによって接続されており、当該負極直流ライン上に電流検出抵抗Ｒ１が設けられている。電流検出回路５は、電流検出抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧に基づいてインバータ回路３に流れる直流電流を検出し、その検出した直流電流を増幅して、直流電流信号としてマイクロコンピュータＡ１に出力する。すなわち、電流検出回路５は、インバータ回路３に流れる直流電流を検出する直流電流検出手段として機能している。

マイクロコンピュータＡ１は、同期モータ４を駆動制御するための回路であり、モータ電流推定部６と、モータ電流積算値記憶部７と、平均化部８と、ロータ位置判定部９と、トルク制御部１０と、ＰＩ制御部１１と、ＰＷＭ波形作成部１２と、回転数設定部１３と、正弦波データ作成部１４と、目標位相差制御部１５と、位相差検出部１６とを有しており、以下で説明する処理をプログラムにしたがって行っている。

モータ電流推定部６は、電流変化分演算手段（不図示）及び分配演算手段（不図示）を有し、入力された直流電流信号から電流変化分演算手段により直流電流の変化分を求め、直流電流信号の変化分から分配演算手段によりモータ電流を推定演算する。ここで、電流変化分演算手段および分配演算手段は、例えば特開平８−１９２６３号公報に記載されているものを用いることができる。特開平８−１９２６３号公報に記載されているものを用いた場合、電流変化分演算手段は、インバータ回路３の各相駆動素子のスイッチング直前と直後の直流電流信号（電流検出回路５の出力信号）からその変化分を求め、分配演算手段は、インバータ回路３の各相駆動素子のスイッチングタイミングに応じて直流電流信号（電流検出回路５の出力信号）の変化分を各相別に分配して相別のモータ電流を推定演算する。モータ電流推定部６を設けることにより、コイルおよびホール素子で構成された電流センサ、カレントトランスといったモータ電流を検出するための電流センサを使用せずに、モータ電流を推定演算することができるため、コストを削減することができる。

位相差検出部１６は、ＰＷＭ波形作成部１２から出力されたモータ電圧信号とモータ電流推定部６から出力されたモータ電流信号とを用いてモータ電圧とモータ電流との位相差を検出し、検出した位相差に関する情報（以下、位相差情報という）ψをＰＩ演算部１１に出力する。なお、モータ電圧信号がマイクロコンピュータＡ１内のＰＷＭ波形作成部１２で作成されているため、同期モータ４のモータ電圧を直接検出する必要はない。位相差検出部１６において検出する位相差は、モータ電圧がモータ電流に対して進み位相の場合は正の値、遅れ位相の場合は負の値、同相の場合は０とする。また、モータ電圧のゼロクロス点とモータ電流のゼロクロス点の位相差から位相差情報を検出する場合、ゼロクロス点は１相あたり電気角３６０度中に０度と１８０度の２点存在するため、電気角３６０度中に２回位相差を検出することができる。そのため、同期モータ４が４極３相同期モータである場合、モータ１回転中に電気的に２回転するため１相あたり４回位相差を検出することができる。

図３Ａ及び図３Ｂは、同期モータ４が１回転中の負荷変動の大きいシングルロータ型圧縮機用４極３相同期モータである場合の負荷トルクＴ_Lと、Ｕ相モータ電圧Ｖ_Uと、各相モータ電流Ｉ_U、Ｉ_V、及びＩ_Wと、モータ１回転中のモータ電流積算値との関係を示す図である。モータ電流積算値の算出方法に関しては、ロータ位置判定部９の詳細な動作について説明する際に述べる。図３Ａ及び図３Ｂに示すように負荷トルクＴ_Lが変動すると、各相モータ電流Ｉ_U、Ｉ_V、及びＩ_Wの振幅も変動するため、モータ電流積算値にも周期的な変動が現れる。同期モータ４が４極３相同期モータの場合、モータ電流積算値はモータ１回転中に１２回算出され、この算出された電流積算値はそれぞれモータ電流積算値記憶部７に記憶される。また、平均化部８で各モータ電流積算値のモータ数回転分をそれぞれ平均化する。

目標位相差制御部１５は、モータ電流と目標とする位相差との関係を示すテーブルデータを格納しており、モータ電流の大きさに応じた目標位相差に関する情報（以下、目標位相差情報という）ψ^*をＰＩ演算部１１に出力する。前記テーブルデータの各データ値は、同期モータ４の特性によって異なるため、適宜、実験やシミュレーション等などを行い、同期モータ４を高効率駆動するために適した値を予め決定しておく。

ロータ位置判定部９は、平均化部８によって平均化されたモータ電流積算値からロータ機械的位置を検出判定し、その検出判定結果をトルク制御部１０に与える。ロータ位置判定部９の詳細な動作については、後述する。

トルク制御部１０は、図４に示す回転機械角範囲毎のトルク補正量を記憶しており、現在の回転機械角に応じたトルク補正量Ｔ_dをＰＩ制御部１１に出力する。図４に示す回転機械角範囲毎のトルク補正量は、予め実験により測定したロータ機械的位置と負荷トルクの関係から決定するとよい。

ＰＩ制御部１１は、位相差情報ψと目標位相差情報ψ^*との誤差量を求め、前記誤差データに対して所定の増幅を行って比例誤差データ（Ｐ）を算出し、前記誤差データを積算してその積算値を増幅して積分誤差データ（Ｉ）を算出し、前記比例誤差データ（Ｐ）と前記積分誤差データ（Ｉ）とを加算してＰＩ制御信号を得る。そして、ＰＩ制御部１１は、ＰＩ制御信号とトルク制御部１０からのトルク補正量Ｔ_dとを乗算してデューティ基準値Ｖを得て、そのデューティ基準値ＶをＰＷＭ波形作成部１２に出力する。例えば、回転機械角が２０度の場合は、ＰＩ制御信号とトルク補正量０．８とを乗算した値がデューティ基準値となり、回転機械角が２００度の場合は、ＰＩ制御信号とトルク補正量１．２とを乗算した値がデューティ基準値となる。

回転数設定部１３は、目標とする回転数指令値に対応する強制励磁角周波数ω_m ^*を決定し、その決定した強制励磁角周波数ω_m ^*を正弦波データ作成部１４に出力する。正弦波データ作成部１４は、所定のデータ個数で構成された正弦波データテーブルを予め記憶しており、強制励磁角周波数ω_m ^*に基づいて、同期モータ４のモータ巻線端子の各相に対応した正弦波データ（電気角で１２０度ずつずらした正弦波データ）Ｓ_U、Ｓ_V、及びＳ_Wを正弦波データテーブルから読み出して、ＰＷＭ波形作成部１２に出力する。尚、この正弦波データの作成は、正弦波データテーブルを元に作成することに限られず、例えば、演算によって作成しても構わない。

ＰＷＭ波形作成部１２は、正弦波データ作成部１４で求まった各相の正弦波データＳ_U、Ｓ_V、及びＳ_Wそれぞれと、ＰＩ演算部１１で求まったデューティ基準値Ｖとを乗算し、その乗算値に基づいて各相ＰＷＭ波形信号を算出し、その算出した各相ＰＷＭ波形信号をインバータ回路３の対応する各駆動素子（Ｕ相上側駆動素子Ｑ_U、Ｕ相下側駆動素子Ｑ_x、Ｖ相上側駆動素子Ｑ_V、Ｖ相下側駆動素子Ｑ_y、Ｗ相上側駆動素子Ｑ_W、Ｗ相下側駆動素子Ｑ_z）に出力する。例えば、ＰＷＭ波形作成部１２は、ＰＷＭキャリア周期で三角波を発生させ、この三角波の波高値と前記乗算値とを比較し、その比較結果に基づいてＨｉｇｈ／Ｌｏｗ出力することで、各相のＰＷＭ波形信号を出力する。インバータ回路３は、コンバータ回路２からの直流電圧を、各相のＰＷＭ波形信号に基づいて各相の正弦波状電圧（モータ電圧）に変換し、その各相の正弦波状電圧（モータ電圧）を同期モータ４の各相のモータ巻線に印加する。これにより、同期モータ４が駆動される。

以上の方法により、同期モータ４のロータ位置を検出する位置センサを設けなくても、同期モータ４の１８０度通電での駆動が可能となり、また、モータ効率の向上、低騒音および低振動を簡単な構成と制御で実現することができる。

次に、ロータ位置判定部９の詳細な動作及びロータ位置判定に関連する各部の動作について説明する。以下、同期モータ４が４極のモータである場合について説明する。同期モータ４が４極のモータである場合、電気角２回転が機械角１回転に相当する。回転電気角は、モータ電圧に対応するＰＷＭ波形信号をマイクロコンピュータＡ１内のＰＷＭ波形作成部１２で作成するため直接検出する必要はない。そのため、回転電気角の差が３６０度であって回転機械角１８０度分位相のずれた回転位置の判別、つまり回転位置が、図３Ａの区間Ａにあたる機械角０度〜機械角１８０度（回転電気角０度〜回転電気角３６０度）の範囲内にあるのか、図３Ａの区間Ｂにあたる機械角１８０度〜機械角３６０度（回転電気角３６０度〜回転電気角７２０度）の範囲内にあるのかの判別さえ行えれば、ロータ機械的位置を決定できる。そこで、電流積算値記憶部７に記憶され平均化部８によって平均化された各モータ電流積算値のうち、例えば、電流積算モータ相及び積算区間が共に等しい回転電気角６０度と回転電気角４２０度の２つのデータ（図３Ａ及び図３Ｂでは、モータ電流積算値の符号がＷＰであり、値が１９と２７である）を比較し、電流積算値が小さい方を機械角３０度、電流積算値が大きい方を機械角２１０度と決定する。これにより、ロータ機械的位置が判定される。

各相のモータ電流積算値は各相のモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを各々積算することにより算出される。例えばＵ相の場合はＵ相電圧位相０度から１８０度の区間でモータ電流を積算することによりモータ電流積算値ＵＰ（Ｕ相Positive）が算出され、Ｕ相電圧位相１８０度から３６０度の区間でモータ電流を積算することによりモータ電流積算値ＵＮ（Ｕ相 Negative）が算出される。したがって、ロータ１回転（機械角３６０度）でＵ相の電流積算値情報は４点算出される。また、Ｖ相、Ｗ相も同様にしてモータ電流積算値がそれぞれ算出され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のモータ電流積算値はロータ１回転中に計１２点算出される。

ここで、Ｕ相電圧位相０度から１８０度の区間のモータ電流積算値ＵＰの算出方法について説明する。図５に示すように、Ｕ相電圧位相９０度を中心に所定の間隔ｄでＵ相モータ電流Ｉｕをモータ電流推定部６が推定し、その推定された６個のＵ相モータ電流Ｉｕ［１］〜Ｉｕ［６］を積算し、積算結果をそのままモータ電流積算記憶部７が記憶する。Ｕ相電圧位相１８０度から３６０度の区間のモータ電流積算値ＵＮの算出方法も同様にＵ相電圧位相２７０度を中心に所定の間隔ｄでＵ相モータ電流Ｉｕをモータ電流推定部６が推定し、その推定された６個のＵ相モータ相電流Ｉｕ［１］〜Ｉｕ［６］を積算し、積算結果の符合を反転させて正の値にしたものをモータ電流積算記憶部７が記憶する。

図３Ａ及び図３Ｂのようにモータ１回転中に負荷トルクＴ_Lに変動があると各相のモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの振幅も変動し、モータ電流積算値も変動する。これに対して、図６のように、負荷トルクＴ_Lがモータ１回転中で変動しない条件下では、各相のモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの振幅に変動がなく、モータ電流積算値も変動しない。このようにモータ１回転中の負荷トルクの変動とモータ電流積算値には相関があり、本発明に係るモータ制御装置はこの相関を利用してロータ機械的位置を推定する。

モータ積算電流値の比較は１組のデータを比較するだけではなく、同じ電流モータ相で積算区間が等しい複数のデータ、例えば回転電気角６０度と４２０度の２つのデータ（図３Ａ及び図３Ｂでは、モータ電流積算値の符号がＷＰであり、値が１９と２７である）の比較に加え、回転電気角１２０度と４８０度の２つのデータ（図３Ａ及び図３Ｂでは、モータ電流積算値の符号がＶＮであり、値が１７と２９である）、回転電気角１８０度と５４０度の２つのデータ（図３Ａ及び図３Ｂでは、モータ電流積算値の符号がＵＰであり、値が１６と２９である）のそれぞれの比較を行い、それら３組の比較結果に基づいてロータ機械的位置を判定してもよい。

ここで、電流積算値の大小比較を行う区間は、回転電気角で３６０度離れた区間同士のモータ電流積算値の差が最も大きくなる区間（図３Ａ及び図３Ｂでは、Ｕ相電圧位相１８０度）の１組又はその１組を含む複数の組とすると、判定の信頼性が向上する。

ただし、圧縮機の負荷トルクが十分大きくない運転状態においては、モータ電流積算値の変動が小さい場合もある。このような状態でモータ電流積算値の変動からロータ機械的位置を検出すると誤判定のおそれがある。そこで、モータ電流積算値の変動が所定の値以上の場合にのみ、例えば、図７のように大小比較を行うモータ電流積算値の差Δが４０以上の場合にのみ、ロータ機械的位置を判定する。これにより、ロータ機械的位置の判定の信頼性が向上する。ここでいう所定値は同期モータ４の特性によって異なるため、予め実験等によって決定し、マイクロコンピュータＡ１内のメモリに収納しておく。

また、モータ電流積算値検出時のノイズの影響を除去するため、図２に示す構成のようように、同一単位区間のモータ電流積算値をモータ数回転数分抽出し、平均化する平均化部８を備え、平均化されたモータ電流積算値を用いてロータ機械的位置を判定することが望ましい。例えば、今回から３回転前までのモータ電流積算値をモータ電流積算値記憶部７が記憶し、それらの平均値を用いてロータ位置判定部９がロータ機械的位置を判定する。

以上の同期モータ４が４極のモータである場合における、ロータ機械的位置の判定に関連して実行されるマイクロコンピュータＡ１の処理について、図８に示すフローチャートを参照して説明する。

モータ電流積算値記憶部７は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相についてそれぞれ特定電圧位相区間でモータ電流を積算する（ステップＳ１０）。このうちＵ相、Ｖ相、Ｗ相についてそれぞれモータ電流値が負となる特定電圧位相区間のモータ電流積算値については、積算結果の符合を反転させて正の値にする（ステップＳ２０）。次に、ロータ位置判定部９は、ＰＷＭ波形作成部１２からの電圧位相情報（例えばＵ相電圧位相情報）に基づいてロータ機械的位置判定の開始位置を確認できたか否かを判定する（ステップＳ３０）。

ロータ機械的位置判定の開始位置を確認できなければ（ステップＳ３０のＮＯ）、ステップＳ１０に戻る。一方、ロータ機械的位置判定の開始位置を確認できたならば（ステップＳ３０のＹＥＳ）、ロータ位置判定部９は、比較対象である任意の機械的位置判定位相で機械角が互いに１８０度異なる２つのモータ電流積算値の差が閾値以上であって、モータの負荷変動が大きくロータの位置判定を正常に行える状態であるか否かを判定する（ステップＳ４０）。尚、図３Ａ及び図３Ｂに示す状態の場合、モータ電流積算値ＵＮは、後述するステップＳ５０の判定結果が他のモータ電流積算値と異なってしまうため、比較対象から除外する。

２つのモータ電流積算値の差が閾値以上でなければ（ステップＳ４０のＮＯ）、ステップＳ１０に戻る。一方、２つのモータ電流積算値の差が閾値以上であれば（ステップＳ４０のＹＥＳ）、ロータ位置判定部９は、一方のモータ電流積算値（モータ電流積算値１）が他方のモータ電流積算値（モータ電流積算値２）より小さいか否かを判定する（ステップＳ５０）。

一方のモータ電流積算値（モータ電流積算値１）が他方のモータ電流積算値（モータ電流積算値２）より小さければ（ステップＳ５０のＹＥＳ）、他方のモータ電流積算値（モータ電流積算値２）でのロータ機械的位置は区間Ｂ内であると判定し（ステップＳ６０）、フローを終了する。これに対して、一方のモータ電流積算値（モータ電流積算値１）が他方のモータ電流積算値（モータ電流積算値２）より小さくなければ（ステップＳ５０のＮＯ）、一方のモータ電流積算値（モータ電流積算値１）でのロータ機械的位置は区間Ｂ内であると判定し（ステップＳ７０）、フローを終了する。

続いて、同期モータ４が６極のモータである場合のロータ位置判定部９の動作及びロータ位置判定に関連する各部の動作について説明する。同期モータ４が６極のモータである場合、電気角３回転が機械角１回転に相当する。回転電気角は、モータ電圧に対応するＰＷＭ波形信号をマイクロコンピュータＡ１内のＰＷＭ波形作成部１２で作成するため直接検出する必要はない。そのため、回転電気角の差が３６０度であって回転機械角１２０度分位相のずれた回転位置の判別、つまり回転位置が、図９Ａの区間Ｃにあたる機械角０度〜機械角１２０度（回転電気角０度〜回転電気角３６０度）の範囲内にあるのか、図９Ａの区間Ｄにあたる機械角１２０度〜機械角２４０度（回転電気角３６０度〜回転電気角７２０度）の範囲内にあるのか、図９Ａの区間Ｅにあたる機械角２４０度〜機械角３６０度（回転電気角７２０度〜回転電気角１０８０度）の範囲内のあるのかの判別さえ行えれば、ロータ機械的位置を決定できる。そこで、電流積算値記憶部７に記憶され平均化部８によって平均化された各モータ電流積算値のうち、例えば、電流積算モータ相及び積算区間が共に等しい回転電気角６０度と回転電気角４２０度と回転電気角７８０度の３つのデータ（図９Ａ及び図９Ｂでは、モータ電流積算値の符号がＷＰであり、値が１８と２１と２９である）を比較し、電流積算値が小さい方から機械角２０度、機械角１４０度、機械角２６０度と決定する。これにより、ロータ機械的位置が判定される。

各相のモータ電流積算値は各相のモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを各々積算することにより算出される。例えばＵ相の場合はＵ相電圧位相０度から１８０度の区間でモータ電流を積算することによりモータ電流積算値ＵＰ（Ｕ相Positive）が算出され、Ｕ相電圧位相１８０度から３６０度の区間でモータ電流を積算することによりモータ電流積算値ＵＮ（Ｕ相 Negative）が算出される。したがって、ロータ１回転（機械角３６０度）でＵ相の電流積算値情報は６点算出される。また、Ｖ相、Ｗ相も同様にしてモータ電流積算値がそれぞれ算出され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のモータ電流積算値はロータ１回転中に計１８点算出される。

ここで、Ｕ相電圧位相０度から１８０度の区間のモータ電流積算値ＵＰの算出方法について説明する。４極モータの場合と同様に、図５に示すように、Ｕ相電圧位相９０度を中心に所定の間隔ｄでＵ相モータ電流Ｉｕをモータ電流推定部６が推定し、その推定された６個のＵ相モータ電流Ｉｕ［１］〜Ｉｕ［６］を積算し、積算結果をそのままモータ電流積算記憶部７が記憶する。Ｕ相電圧位相１８０度から３６０度の区間のモータ電流積算値ＵＮの算出方法も４極モータの場合と同様にＵ相電圧位相２７０度を中心に所定の間隔ｄでＵ相モータ電流Ｉｕをモータ電流推定部６が推定し、その推定された６個のＵ相モータ相電流Ｉｕ［１］〜Ｉｕ［６］を積算し、積算結果の符合を反転させて正の値にしたものをモータ電流積算記憶部７が記憶する。

図９Ａ及び図９Ｂのようにモータ１回転中に負荷トルクＴ_Lに変動があると各相のモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの振幅も変動し、モータ電流積算値も変動する。このようにモータ１回転中の負荷トルクの変動とモータ電流積算値には相関があり、本発明に係るモータ制御装置はこの相関を利用してロータ機械的位置を推定する。

モータ積算電流値の比較は１組のデータを比較するだけではなく、同じ電流モータ相で積算区間が等しい複数のデータ、例えば回転電気角６０度と４２０度と７８０度の３つのデータ（図９Ａ及び図９Ｂでは、モータ電流積算値の符号がＷＰであり、値が１８と２１と２９である）の比較に加え、回転電気角１２０度と４８０度と８４０度の３つのデータ（図９Ａ及び図９Ｂでは、モータ電流積算値の符号がＶＮであり、値が１７と２４と２８である）、回転電気角１８０度と５４０度と９００度の３つのデータ（図９Ａ及び図９Ｂでは、モータ電流積算値の符号がＵＰであり、値が１６と２６と２６である）のそれぞれの比較を行い、それら３組の比較結果に基づいてロータ機械的位置を判定してもよい。

ここで、電流積算値の大小比較を行う区間は、回転電気角で３６０度離れた区間同士のモータ電流積算値の差が最も大きくなる区間（図９Ａ及び図９Ｂでは、Ｕ相電圧位相６０度）の１組又はその１組を含む複数の組とすると、判定の信頼性が向上する。

ただし、圧縮機の負荷トルクが十分大きくない運転状態においては、モータ電流積算値の変動が小さい場合もある。このような状態でモータ電流積算値の変動からロータ機械的位置を検出すると誤判定する危険がある。そこで、４極モータの場合と同様にして、モータ電流積算値の変動が所定の値以上の場合にのみ、例えば、図１０のように大小比較を行うモータ電流積算値の差Δ１及びΔ２がそれぞれ１０以上の場合にのみ、ロータ機械的位置を判定する。これにより、ロータ機械的位置の判定の信頼性が向上する。ここでいう所定値は同期モータ４の特性によって異なるため、予め実験等によって決定し、マイクロコンピュータＡ１内のメモリに収納しておく。

以上の同期モータ４が６極のモータである場合における、ロータ機械的位置の判定に関連して実行されるマイクロコンピュータＡ１の処理について、図１１に示すフローチャートを参照して説明する。

モータ電流積算値記憶部７は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相についてそれぞれ特定電圧位相区間で電流を積算する（ステップＳ１１０）。このうちＵ相、Ｖ相、Ｗ相についてそれぞれモータ電流値が負となる特定電圧位相区間のモータ電流積算値については、積算結果の符合を反転させて正の値にする（ステップＳ１２０）。次に、ロータ位置判定部９は、ＰＷＭ波形作成部１２からの電圧位相情報（例えばＵ相電圧位相情報）に基づいてロータ機械的位置判定の開始位置を確認できたか否かを判定する（ステップＳ１３０）。

ロータ機械的位置判定の開始位置を確認できなければ（ステップＳ１３０のＮＯ）、ステップＳ１１０に戻る。一方、ロータ機械的位置判定の開始位置を確認できたならば（ステップＳ１３０のＹＥＳ）、ロータ位置判定部９は、比較対象である任意の機械的位置判定位相で機械角がそれぞれ１２０度異なる３つのモータ電流積算値のそれぞれの差が閾値以上であって、モータの負荷変動が大きくロータの位置判定を正常に行える状態であるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。尚、図９Ａ及び図９Ｂに示す状態の場合、モータ電流積算値ＷＮ、ＶＰ、ＵＮは、後述するステップＳ１５０で求める大小関係が他のモータ電流積算値と異なってしまうため、比較対象から除外する。

モータ電流積算値のそれぞれの差の少なくとも一つが閾値以上でなければ（ステップＳ１４０のＮＯ）、ステップＳ１１０に戻る。一方、モータ電流積算値のそれぞれの差全てが閾値以上であれば（ステップＳ１４０のＹＥＳ）、ロータ位置判定部９は、第１のモータ電流積算値（モータ電流積算値１）と第２のモータ電流積算値（モータ電流積算値２）と第３のモータ電流積算値（モータ電流積算値３）とを比較し大小関係を求める（ステップＳ１５０）。

３つのモータ電流積算値の中で最小であるモータ電流積算値でのロータ機械的位置は区間Ｃ内であり、３つのモータ電流積算値の中で中間であるモータ電流積算値でのロータ機械的位置は区間Ｄ内であり、３つのモータ電流積算値の中で最大であるモータ電流積算値でのロータ機械的位置は区間Ｅ内であると判定し（ステップＳ１６０）、フローを終了する。

＜まとめ＞
冷凍・空調装置などで使用される圧縮機では、内部が高温状態になり、ホールＩＣなどのロータ位置を検出する位置センサを設けることが困難であるため、位置センサレスで同期モータ４を駆動する必要がある。そこで、図２に示す本発明に係るモータ制御装置を圧縮機駆動装置の同期モータを駆動するために使用する。これによって、コイルおよびホール素子で構成された電流センサ、カレントトランスといった交流電流を検出するための電流センサが不要となるとともに、位置センサも不要となる。また、データ（モータ電流）の簡単な積算と平均化及び比較で処理を行っているため、高度な演算処理を必要とせず低速度の安価なマイクロコンピュータで制御することが可能になる。

そして、この本発明に係るモータ制御装置を備えた圧縮機駆動装置を冷凍・空調装置に搭載する。これによって、冷蔵庫、冷凍庫、空気調和機といった冷凍・空調装置を運転することが可能となる。例えば、空気調和機の場合、少なくとも圧縮機、室外熱交換器、膨張装置、及び室内熱交換器を冷媒配管により接続した冷媒回路を設け、本発明に係るモータ制御装置を備えた圧縮機駆動装置によって圧縮機を駆動し、四方弁の切り替えにより、冷房運転を行うときに冷媒回路の冷媒の流れ方向を圧縮機→室外熱交換器→膨張装置→室内熱交換器→圧縮機の方向とし、暖房運転を行うときに冷媒回路の冷媒の流れ方向を圧縮機→室内熱交換器→膨張装置→室外熱交換器→圧縮機の方向とする。

また、本実施形態において本発明に係るモータ制御装置を冷凍・空調装置等で使用される圧縮機のモータ駆動に用いているが、本発明は特にこれに限定されることはなく、本発明に係るモータ制御装置は、周期的な負荷トルク変動を伴う負荷要素を駆動する同期モータの可変速制御全般に使用することができ、本発明に係るモータ制御装置を用いることによって、高効率で安定した駆動を実現することができる。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。

は、シングルロータ型圧縮機の特性を示す図である。 は、本発明に係るモータ制御装置の一構成例を示す図である。 は、同期モータが４極のモータであって軽負荷である場合におけるモータ１回転中の負荷トルク、各相モータ電流、Ｕ相モータ電圧、及び各相モータ電流積算値の関係を示す図である。 は、同期モータが４極のモータであって軽負荷である場合におけるモータ１回転中の負荷トルク、各相モータ電流、Ｕ相モータ電圧、及び各相モータ電流積算値の関係を示す図である。 は、回転機械角範囲毎のトルク補正量を示す図である。 は、モータ電流とモータ電圧の関係及びモータ電流の積算方法を示す図である。 は、同期モータが４極のモータであって負荷変動が無い場合におけるモータ１回転中の負荷トルク、各相モータ電流、Ｕ相モータ電圧、及び各相モータ電流積算値の関係を示す図である。 は、同期モータが４極のモータであって高負荷である場合におけるモータ１回転中の負荷トルク、各相モータ電流、Ｕ相モータ電圧、及び各相モータ電流積算値の関係を示す図である。 は、同期モータが４極のモータである場合における、ロータ機械的位置の判定に関連して実行される処理のフローチャートである。 は、同期モータが６極のモータであって軽負荷である場合におけるモータ１回転中の負荷トルク、各相モータ電流、Ｕ相モータ電圧、及び各相モータ電流積算値の関係を示す図である。 は、同期モータが６極のモータであって軽負荷である場合におけるモータ１回転中の負荷トルク、各相モータ電流、Ｕ相モータ電圧、及び各相モータ電流積算値の関係を示す図である。 は、同期モータが６極のモータであって高負荷である場合におけるモータ１回転中の負荷トルク、各相モータ電流、Ｕ相モータ電圧、及び各相モータ電流積算値の関係を示す図である。 は、同期モータが６極のモータである場合における、ロータ機械的位置の判定に関連して実行される処理のフローチャートである。

符号の説明

１ 交流電源
２ コンバータ回路
３ インバータ回路
４ 同期モータ
５ 電流検出回路
６ モータ電流推定部
７ モータ電流積算値記憶部
８ 平均化部
９ ロータ位置判定部
１０ トルク制御部
１１ ＰＩ制御部
１２ ＰＷＭ波形作成部
１３ 回転数設定部
１４ 正弦波データ作成部
１５ 目標位相差制御部
１６ 位相差検出部
Ａ１ マイクロコンピュータ
Ｒ１ 電流検出抵抗（シャント抵抗）

Claims (11)

1. 周期的な負荷トルク変動を有する負荷要素を駆動する同期モータを駆動するインバータ回路と、
   前記インバータ回路に流れる電流を検出して、前記同期モータに流れる電流を推定するモータ電流推定手段と、
   前記モータ電流推定手段によって推定されたモータ電流を積算する積算手段と、
   各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度離れている前記積算手段の複数の積算結果を比較することによって、前記同期モータのロータ機械的位置を検出する検出手段とを備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記負荷トルク変動の１周期範囲が複数の単位区間に分割され、前記積算手段の各積算期間がそれぞれ前記複数の単位区間のいずれかと一致する請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 積算終了時点の電気角度が等しい前記積算手段の複数の積算結果を平均化する平均化手段を備え、前記検出手段が、平均化手段の出力を用いて比較処理を行う請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記同期モータが３相４極モータであり、前記検出手段が、各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度離れている前記積算手段の２つの積算結果を１組又は複数組抽出して大小比較を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
5. 各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度離れている前記積算手段の２つの積算結果の差が最も大きくなる組が、前記大小比較が行われる組に含まれている請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記同期モータは３相６極モータであり、前記検出手段が、各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度、７２０度離れている前記積算手段の３つの積算結果のうち１組又は複数組の大小比較を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
7. 各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度、７２０度離れている前記積算手段の３つの積算結果のそれぞれの差が最も大きくなる組が、前記大小比較が行われる組に含まれている請求項６に記載のモータ制御装置。
8. 各積算期間の長さが等しく且つ各積算終了時点が電気角度で３６０度離れている前記積算手段の複数の積算結果の差が所定の値より大きい場合にロータ機械的位置を検出する請求項１〜７のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
9. 前記検出手段によって検出された前記同期モータのロータ機械的位置に基づいて前記同期モータの発生トルクを補正する発生トルク補正手段を備える請求項１〜８のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のモータ制御装置を備えることを特徴とする圧縮機駆動装置。
11. 請求項１０に記載の圧縮機駆動装置を備えることを特徴とする冷凍・空調装置。

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