JP2010098852A - モータの制御装置とそれを用いた冷凍装置および空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷トルクの周期的な変動に応じて強制励磁周波数を補正することによってモータトルクの制御を行なう場合に、回転数指令値に正確に一致した回転速度で同期モータが回転するように制御可能なモータの制御装置を提供する。
【解決手段】平均回転数算出部２５は、パルス幅変調信号４８を生成するための波形データ４７の周期に基づいて同期モータ１のロータの平均回転数を算出する。周波数補正部２９は、回転数指令値と算出した平均回転数との比を周波数補正係数βによって補正された強制励磁周波数ω＊に乗じることによって、強制励磁周波数ω＊さらに補正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータによって駆動されるモータの制御装置、ならびにそのモータを用いて圧縮機を駆動する冷凍装置および空調装置に関する。

永久磁石同期モータは、保守性、制御性、耐環境性に優れるとともに、高効率、高出力の運転が可能であるため、広く利用されている。また、永久磁石が不要な同期リラクタンスモータも安価、かつ、リサイクルが容易なモータとして盛に研究されている。

永久磁石同期モータあるいは同期リラクタンスモータ等の同期モータに高性能な制御を行なうためには、ロータの位置に応じた正弦波電流をコイルに流すことが重要となる。一般的に、このような要件を満たすことが可能なモータの制御方法としては、ホール素子、エンコーダ、レゾルバ等のロータの位置を検出する位置センサの出力を利用する自制運転（速度フィードバック運転）方法がある。また、位置センサの出力に代えて、モータの電圧や電流の情報に基づいて、演算により間接的にロータの位置を求める方法も提案されている。

しかし、位置センサはモータ制御装置を備える機器の小型化を妨げる大きな要因となる。そればかりでなく、位置センサを設置した場合には位置センサの信号を伝える複数本の配線や受信回路も必要となる。よって、位置センサの出力に基づいてロータの位置を求める方法の場合には、機器の信頼性、位置センサを取り付ける際の作業性、および機器の価格等といった問題がある。また、モータの電圧や電流の情報に基づいて間接的にロータの位置を演算する方法の場合は、複雑かつ高速な演算処理が必要となるため、制御装置が高価になるという問題がある。

上記問題に鑑み、位置情報に基づかずに同期モータを制御することを可能にするモータ制御装置が提案されている。たとえば、特開２００１―１１２２８７号公報（特許文献１）に開示される技術は、回転数指令値に基づく周波数（以下、強制励磁周波数と称する）を有するモータ電圧を各相の電機子巻線に印加することによってモータを運転する他制運転（速度オープンループ運転）に関するものである。さらに、この文献の開示されたモータの制御装置は、モータ電圧とモータ電流の位相差が目標位相差と一致するようにフィードバック制御することにより高性能な正弦波駆動を実現している。

ところで、同期モータで駆動する負荷としては、一定の負荷トルクを有するものや負荷トルクの変動が小さいものもあるが、その一方で大きな負荷トルク変動を有するものが多数ある。その一例として、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商品の圧縮機として広く使用されているものである。以下の説明では、これら圧縮機を代表して、シングルロータ型圧縮機と称する。

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という反面、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、モータ１回転中に冷媒の吸入，圧縮，吐出という圧縮サイクルを順次繰返していく。したがって、吐出直前は冷媒が圧縮されているので負荷トルクが大きくなり、吐出直後は冷媒が抜けて負荷トルクが小さくなる。このような圧縮機に対して一定のトルクで制御を行うと、負荷トルクとモータトルクの偏差が発生し、圧縮機の振動が大きくなる。

そこで、負荷変動に応じてモータが発生するモータトルクを補正することによってトルク制御を行う技術が開発されている。たとえば、特開２００４―２７４８４１号公報（特許文献２）に開示されるモータの制御装置は、ロータの機械角に対応して設定されたＰＷＭ（パルス幅変調：Pulse Width Modulation）信号のデューティ値の補正量と強制励磁周波数の補正量とを予め記憶し、これらの補正量を用いてトルク制御を行なう。
特開２００１―１１２２８７号公報 特開２００４―２７４８４１号公報

上記の特開２００４―２７４８４１号公報（特許文献２）のように、モータ１回転を複数の区間に分割して、各々の区間で強制励磁周波数の補正量を予め記憶し、記憶した補正量を用いて機械角ごとに強制励磁周波数を補正した場合、モータの瞬時回転数と回転数指令値とには当然に差が生じる。モータ複数回転での平均回転数については、モータ１回転ごとの補正量の平均値が０になるようにすれば、回転数指令値に対して差が生じないはずであるが、実際には演算誤差のために差が生じてしまう。

平均回転数と回転数指令値とに差が生じると、モータの出力を精度良く制御することが困難になる。たとえば、冷蔵庫の圧縮機用のモータ駆動装置の場合を例に挙げると、平均回転数が回転数指令値より小さいときは冷却不足の状態になり、平均回転数が回転数指令値より大きいときは冷却過剰の状態となる。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものである。この発明の目的は、強制励磁周波数を負荷トルクの変動に応じて補正することによってモータトルクの制御を行なう場合に、回転数指令値に正確に一致した回転速度で同期モータが回転するように制御可能なモータの制御装置を提供することである。さらに、この発明の目的は、このモータの制御装置を用いて圧縮機を駆動する低振動かつ低騒音の冷凍装置および空調装置を提供することである。

この発明は一局面において、負荷装置に接続された同期モータを回転数指令値に対応する強制励磁周波数に基づいて他制運転するためのモータの制御装置であって、信号生成部と、インバータ回路と、第１の周波数補正部と、回転数算出部と、第２の周波数補正部と、波形データ作成部とを備える。ここで、負荷装置の負荷トルクは、同期モータのロータの回転に同期して周期的に変動する。信号生成部は、波形データに基づいてパルス幅変調信号を生成する。インバータ回路は、複数のスイッチング素子を含み、パルス幅変調信号に応答して複数のスイッチング素子の各々がスイッチングすることによって、入力された直流電力を交流電力に変換して同期モータに出力する。第１の周波数補正部は、負荷トルクの変動に応じて予め設定された周波数補正係数を用いて、同期モータの１回転中の機械角ごとに強制励磁周波数を補正する。回転数算出部は、波形データの周期に基づいてロータの平均回転数を算出する。第２の周波数補正部は、算出した平均回転数が回転数指令値に一致するように、第１の周波数補正部によって補正された強制励磁周波数を補正する。波形データ作成部は、第２の周波数補正部によって補正された強制励磁周波数に基づいて、同期モータの１回転中の機械角ごとに周波数が変調された波形データを作成する。

好ましくは、第２の周波数補正部は、回転数指令値と平均回転数との比を第１の周波数補正部によって補正された強制励磁周波数に乗じることによって、強制励磁周波数を補正する。

また好ましくは、第１の周波数補正部は、同期モータの一回転が複数の区間に分割された各区間ごとに、負荷トルクの変動に応じて予め設定された周波数補正係数を記憶する周波数補正係数記憶部を含む。この場合、第１の周波数補正部は、周波数補正係数記憶部に記憶された周波数補正係数を用いて強制励磁周波数を補正する。

また好ましくは、モータの制御装置は、デューティ基準値算出部と、デューティ補正部とをさらに備える。デューティ基準値算出部は、波形データの位相と同期モータのステータを流れるモータ電流の位相との位相差に基づいて、パルス幅変調信号のデューティの基準値を算出する。デューティ補正部は、負荷トルクの変動に応じて予め設定されたデューティ補正係数を用いて、同期モータの１回転中の機械角ごとにデューティの基準値を補正する。この場合、信号生成部は、デューティ補正部によって補正されたデューティ基準値を波形データに乗じて得られる値に基づいてパルス幅変調信号を生成する。

さらに好ましくは、モータの制御装置は、電流センサと、モータ電流推定部とをさらに備える。電流センサは、インバータ回路に入力される直流電流を検出する。モータ電流推定部は、パルス幅変調信号に基づいて、複数のスイッチング素子の各々がスイッチングする直前と直後の直流電流の変化分を算出し、算出された変化分に基づいてモータ電流を推定する。

また好ましくは、負荷装置は、シングルロータ型圧縮機またはレシプロ型圧縮機である。

この発明は他の局面において、冷凍装置であって、同期モータと、同期モータの回転に同期して負荷トルクが変動する負荷装置としての圧縮機と、同期モータを制御する上記のモータの制御装置とを備える。

また、この発明はさらに他の局面において、空調装置であって、同期モータと、同期モータの回転に同期して負荷トルクが変動する負荷装置としての圧縮機と、同期モータを制御する上記のモータの制御装置とを備える。

この発明によれば、パルス幅変調信号を生成するための波形データの周期に基づいてロータの平均回転数を算出する。そして、算出した平均回転数が回転数指令値に一致するように、負荷トルクの変動に応じて補正された強制励磁周波数をさらに補正する。したがって、回転数指令値に正確に一致した回転速度で同期モータが回転するように制御可能なモータの制御装置を提供できる。さらに、このモータの制御装置を用いて圧縮機を駆動することによって、低振動かつ低騒音の冷凍装置および空調装置を提供できる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

（モータの制御装置５０の全体構成）
図１、図２は、本発明の実施の形態の冷凍装置１００の構成を示すブロック図である。図１は、マイクロコンピュータ７のハードウェア構成を表わし、図２は、マイクロコンピュータ７のソフトウェア構成を機能ブロック図で表わす。なお、図１、図２に示す構成を備えた機器は、冷凍装置に限らず空調装置であってもよい。

図１を参照して、冷凍装置１００は、同期モータ１と、同期モータ１に接続された負荷装置としての圧縮機６０と、同期モータ１を駆動制御する制御装置５０を含む。ここで、制御装置５０は、インバータ回路２と、コンバータ回路３と、ＡＣ（Alternating Current）電源４と、電流センサとしての電流検出抵抗５と、直流電流検出用アンプ部６と、制御部としてのマイクロコンピュータ７とを含む。

圧縮機６０は、たとえば、シングルロータ型圧縮機あるいはレシプロ型圧縮機である。圧縮機６０のトルクは、同期モータ１のロータの回転に同期して周期的に変動する。

３相４極の同期モータ１は、インバータ回路２の出力側に接続されており、インバータ回路２によって駆動される。インバータ回路２には、コンバータ回路３によってＡＣ電源４からの交流電圧が直流電圧に変換されて供給される。

インバータ回路２は、図示しない６個の半導体スイッチング素子を用いた三相ブリッジ回路であり、Ｕ相アーム、Ｖ相アーム、およびＷ相アームを有する。半導体スイッチング素子のスイッチングは、ＰＷＭ信号４８によって制御される。

電流検出抵抗５は、コンバータ回路３とインバータ回路２とを結ぶ直流回路の負極側に設けられる。電流検出抵抗５の両端に発生する電圧に基づいて直流電流信号が検出される。直流電流検出用アンプ部６は、インバータ回路２を流れる直流電流信号を増幅し、マイクロコンピュータ７に出力する。

マイクロコンピュータ７は、データバス７４を介して接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）７１、ＲＡＭ（Random-Access Memory）７２、ＲＯＭ（Read-Only Memory）７３、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器７０ａ、およびＤ／Ａ（Digital to Analog）変換器７０ｂを含む。マイクロコンピュータ７は、Ａ／Ｄ変換器７０ａによって、直流電流検出用アンプ部６から出力された直流電流信号ｉｄを受ける。また、マイクロコンピュータ７は、直流電流信号ｉｄに基づいて、同期モータ１の動作を制御するためのＰＷＭ信号４８を生成する。生成されたＰＷＭ信号４８は、Ｄ／Ａ変換器７０ｂによってアナログ信号に変換された後、インバータ回路２に出力される。マイクロコンピュータ７の処理は、プログラムに基づくソフトウェア処理によって行なわれる。

ここで、本実施の形態によるモータの制御方式は、他制運転（速度オープンループ運転）方式である。すなわち、マイクロコンピュータ７による制御によって、インバータ回路２は、回転数指令値に対応した強制励磁周波数に基づいて生成したモータ電圧を同期モータ１に印加する。このとき、本実施の形態のモータの制御装置５０は、同期モータ１のロータを位置を検出するコイルおよびホール素子などの位置センサを設けずに、センサレスで同期モータ１を駆動する。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るので、位置センサを設けることが困難であるからである。具体的には、モータの制御装置５０は、モータ電圧（インバータ回路２の出力電圧）と同期モータ１のステータを流れるモータ電流との位相差を検出し、検出した位相差が目標位相差となるようにモータ電圧をフィードバック制御する。このような位相差制御は、同期モータ１のロータとステータとの相対位置を直接検出するものではない。しかし、位相差情報とロータ・ステータの相対位置とはほぼ比例関係にあるので、位相差情報を制御することによって間接的にロータ・ステータの相対位置を制御することができる。この結果、同期モータ１を高効率に駆動することができる。

（マイクロコンピュータ７のソフトウェア構成−全体構成）
図２を参照して、マイクロコンピュータ７は、モータ電流推定部８と、位相差検出部９と、目標位相差情報格納部１０と、デューティ基準値算出部２６とを含む。主にこれらの構成要素によって、マイクロコンピュータ７は、位相差のフィードバック信号に基づくＰＷＭ信号のデューティの基準値Ｄを算出する。

また、マイクロコンピュータ７は、ロータ機械角検出部１３と、デューティ補正部２７と、ＰＷＭ信号生成部１５とをさらに含む。これらの構成要素によって、マイクロコンピュータ７は、機械角に対応して予め設定されたデューティ補正係数αを用いてデューティ基準値Ｄを補正し、補正後のデューティ値（α×Ｄ）を用いてＰＷＭ信号を生成する。

さらに、マイクロコンピュータ７は、回転数指令値設定部１７と、第１の周波数補正部２８と、平均回転数算出部２５と、第２の周波数補正部２９と、正弦波データテーブル２３と、波形データ作成部２２とを含む。主にこれらの構成要素によって、マイクロコンピュータ７は、同期モータ１の回転数を制御する。以下、最初にデューティ基準値Ｄの算出とその補正に関する構成要素について説明し、次にこの発明の特徴である回転数制御に関する構成について説明する。

（マイクロコンピュータ７のソフトウェア構成−デューティ値の算出）
モータ電流推定部８は、直流電流信号ｉｄとＰＷＭ信号４８とを受けて、インバータ回路２を構成する各スイッチング素子がスイッチングする直前直後の直流電流信号の変化分を検出する。モータ電流推定部８は、検出した直流電流信号の変化分に基づいてモータ電流を算出する。このように、モータの制御装置５０では、モータ電流はインバータ回路２の入力電流（直流電流）から演算により検出される。したがって、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モータ電流を直接検出するための電流センサを必要としないので、コストを削減することができる。ここで、モータ電流推定部８は、特開平８−１９２６３号公報に記載されているものと同様である。以下、図３を参照して、モータ電流推定部８の構成について説明する。

図３は、図２のモータ電流推定部８の構成の一例を示すブロック図である。図３を参照して、モータ電流推定部８は、直流電流検出用アンプ部６から受けた直流電流信号ｉｄに基づいて、各相のモータ電流信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを算出して出力する。モータ電流推定部８は、サンプルホールド部３１，３２と、タイミング制御部３３と、減算部３４と、分配演算部３５とを含む。

サンプルホールド部３１および３２は、ＰＷＭ信号によるスイッチングパターンに応じて、直流電流信号ｉｄのサンプリングおよびサンプリングした値の一時的記憶を交互に行なう。このときのサンプリングのタイミングは、インバータ回路２のＵ相アーム、Ｖ相アーム、Ｗ相アームのスイッチングパターンに応じてタイミング制御部３３によって制御される。これにより、サンプルホールド部３１，３２は、一方が各相のアームのスイッチング直前の直流電流信号ｉｄをサンプリングするときに他方がスイッチング直後の直流電流信号ｉｄをサンプリングする。

タイミング制御部３３は、インバータ回路２の各相アームのオン／オフを制御するＰＷＭ信号から各相アームのスイッチングのタイミング信号を得るとともに、このタイミング信号に基づいてサンプルホールド部３１，３２のサンプリングのタイミングを制御する。

減算部３４は、サンプルホールド部３１，３２がそれぞれサンプリングした直流電流信号ｉｄ１，ｉｄ２の差であるΔｉｄを算出する。

分配演算部３５は、電流差Δｉｄを各相別に分配することによって電流信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを得る。この信号分配には、タイミング制御部３３から受けた各相別のタイミング信号が用いられる。こうして得られた各相のスイッチング前後の電流差Δｉｄが、各相のモータ電流信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗである。

再び図２を参照して、位相差検出部９は、インバータ回路２から同期モータ１の各相に出力されるモータ電圧と、同期モータ１のステータの各相を流れるモータ電流との位相差を検出する。ここで、位相差の検出に用いるモータ電流の信号には、モータ電流推定部８により出力されたモータ電流信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが用いられる。また、インバータ回路２から出力されるモータ電圧は、マイクロコンピュータ７で作成したＰＷＭ信号４８に基づくものであるので、ソフト的に検出が可能である。具体的に、位相差検出部９は、後述する波形データ作成部２２から出力された波形データ４７を用いてモータ電流信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとの位相差を検出する。なお、モータ電圧とモータ電流との位相差は、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。

目標位相差情報格納部１０は、モータ電圧とモータ電流の位相差の目標値である目標位相差を格納する。

図４は、目標位相差のデータテーブルの一例である。図４に示すように、目標位相差は、回転数指令値に対応して予め定められている。目標位相差は、実験やシミュレーションなどによって、同期モータ１を高効率に駆動するために適した値となるように決定される。

再び図２を参照して、デューティ基準値算出部２６は、位相差検出部９で検出したモータ電圧とモータ電流との位相差、および目標位相差情報格納部１０に格納された目標位相差に基づいて、これらの位相差の誤差を最小化するようにＰＷＭ信号のデューティの基準値Ｄを算出する。デューティ基準値算出部２６は、加算器１１とＰＩ演算部１２とを含む。

加算器１１は、位相差検出部９によって検出された位相差と目標位相差との誤差量を求める。

ＰＩ演算部１２は、比例制御（Ｐ制御）によって誤差量に対して所定の増幅を行って比例誤差量を算出し、積分制御（Ｉ制御）によって誤差量を積算して、その値を増幅することによって積分誤差量を算出する。ＰＩ演算部１２は、比例誤差量と積分誤差量を加算してデューティ基準値Ｄを算出する。

ロータ機械角検出部１３は、モータ電圧の電気角を機械角に対応付けるものである。同期モータ１のように４極モータの場合、電気角２回転が機械角１回転に対応する。すなわち、電気角０度が機械角０度に対応するものとすれば、電気角０度〜７２０度は、機械角０度〜３６０度に対応する。このとき、各電気角が機械角０度〜１８０度の区間と機械角１８０度〜３６０度の区間とのいずれの区間に含まれるのかが判定できれば、電気角を機械角に対応付けることができる。本実施の形態の場合、この区間判定には、負荷トルクの変動に伴なう直流電流信号ｉｄ（インバータ回路２の入力電流）の強度変化が利用される。なお、電気角は、後述する波形データ作成部２２から出力された波形データ４７の位相から検出される。

具体的に、ロータ機械角検出部１３は、互いに１８０°位相がずれた第１、第２の機械角において検出された直流電流信号ｉｄの大小比較を行なうことによって、ロータの機械的位置を判定する。判定に用いられるこれらの機械角は、予め測定した直流電流信号ｉｄの測定結果に基づいて、最も直流電流信号ｉｄの大小の差が大きくなるように設定される。できるだけ精度よく判定するために、極端な軽負荷または高負荷を避けた所定の回転数で判定を行なう。機械角の区間判定を一度行なった後は電気角をもとに同期モータの制御を行なうことができる。なお、交流のモータ電流信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの振幅も負荷トルクの変動に伴なって増減するので、本実施の形態の直流電流信号ｉｄに代えて交流のモータ電流信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを機械角の区間判定に利用してもよい。

デューティ補正部２７は、圧縮機６０の負荷トルクの変動に応じて予め設定されたデューティ補正係数αを用いて、同期モータ１の１回転中の機械角ごとにデューティ基準値Ｄを補正する。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の圧縮機６０は、モータ１回転中に冷媒の吸入，圧縮，吐出という圧縮サイクルを順次繰返していくので、同期モータ１の回転に同期した一定のパターンで負荷トルクが変動する。このような場合に振動や騒音を防止するには、負荷トルクに一致するようにモータトルクを制御する必要がある。そこで、デューティ補正部２７は、予め負荷トルクの変動に合わせて設定されたデューティ補正係数αをデューティ基準値Ｄに乗じることによって、同期モータ１の１回転中の機械角ごとにデューティ基準値Ｄを補正する。本実施の形態の場合、デューティ補正部２７は、デューティ補正係数記憶部１６と乗算器１４とを含む。

デューティ補正係数記憶部１６は、同期モータ１の１回転が複数の区間に分割された各区間ごとに、負荷トルクの変動に応じて設定されたデューティ補正係数αを予め記憶する。そして、デューティ補正係数記憶部１６は、現在の機械角に対応するデューティ補正係数αを乗算器１４に出力する。

図５は、デューティ補正係数のデータテーブルの一例を示す図である。図５に示すように、負荷トルクが大きくなるほど（図５で機械角１８０度付近）、デューティ補正係数αを大きく設定することによって、モータトルクを増加させる。デューティ補正係数αの平均値はほぼ１に等しい。デューティ補正係数αは、実験やシミュレーション等などを行なうことによって、モータを高効率で低振動に駆動するために適した値に予め定めておく。

乗算器１４は、ＰＩ演算部１２で算出されたデューティ基準値Ｄにデューティ補正係数αを乗算し、補正後のデューティ値（α×Ｄ）をＰＷＭ信号生成部１５に出力する。

ＰＷＭ信号生成部１５は、後述する波形データ作成部２２によって各相ごとに作成された正弦波状の波形データ４７に、補正後のデューティ値（α×Ｄ）を乗じて得られたモータ電圧指令値を基にしてＰＷＭ信号４８を生成する。具体的には、ＰＷＭ信号生成部１５は、ＰＷＭ信号４８の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各相のモータ電圧指令値とを比較し、その比較結果に応じてＨレベル／Ｌレベルの信号をＰＷＭ信号４８として生成する。生成された各相ごとのＰＷＭ信号４８はインバータ回路２に出力される。

（マイクロコンピュータ７のソフトウェア構成−モータ回転数の制御）
次に回転数の制御について説明する。まず、回転数指令値設定部１７は、回転数指令値を設定し、設定された回転数指令値に対応する強制励磁周波数ω＊を出力する。同期モータ１の極数を２ｐ（ただし、実施の形態１ではｐ＝２）とし、回転数指令値をＮ［ｒｐｍ］とし、円周率をπとしたとき、強制励磁周波数ω＊は、
ω＊＝２π×ｐ×Ｎ／６０ …(1)
で与えられる。

第１の周波数補正部２８は、圧縮機６０の負荷トルクの変動に応じて予め設定された周波数補正係数βを用いて、同期モータ１の１回転中の機械角ごとに強制励磁周波数ω＊を補正する。前述のデューティ補正部２７は、負荷トルクとモータトルクとが等しくなるようにモータ電圧の振幅（結果として、モータ電流の振幅）を補正している。これに対して、第１の周波数補正部２８は、負荷トルクとモータトルクとが等しくなるようにモータ電圧の周波数（結果として、モータ電流の周波数）を補正する。通信理論に例えれば、デューティ補正部２７によって正弦波の振幅変調が行なわれ、第１の周波数補正部２８によって周波数変調（位相変調）が行なわれていると考えることができる。また、物理的には、デューティ補正部２７がモータ電流のうちのトルク成分電流の大きさを制御しているのに対して、第１の周波数補正部２８がモータ電流に含まれるトルク成分電流の割合を制御していると考えることができる。本実施の形態の第１の周波数補正部２８は、周波数補正係数記憶部１８と乗算器２０とを含む。

周波数補正係数記憶部１８は、負荷トルク変動と機械角（ロータ位置）とに相関があることを利用して、同期モータ１の１回転が複数の区間に分割された各区間ごとに、負荷トルクの変動に応じて設定された周波数補正係数βを予め記憶する。そして、周波数補正係数記憶部１８は、現在の機械角に対応する周波数補正係数βを乗算器２０に出力する。周波数補正係数記憶部１８に記憶された周波数補正係数βのデータテーブルの一例は図６、図８に示される。周波数補正係数βは、適宜、実験やシミュレーション等などを行い、モータを高効率で低振動に駆動するために適した値に予め定めておく。

乗算器２０は、回転数指令値設定部１７から出力された強制励磁周波数ω＊に周波数補正係数βを乗算して、乗算結果（β×ω＊）を第２の周波数補正部２９に出力する。

第２の周波数補正部２９は、同期モータ１の実際の平均回転数が回転数指令値に一致するように、第１の周波数補正部２８で補正された強制励磁周波数ω＊をさらに補正する。周波数補正係数βを用いて強制励磁周波数ω＊を補正した場合、モータの瞬時回転数と回転数指令値とには当然に差が生じる。モータ複数回転での平均回転数については、モータ１回転ごとの補正量の平均値が０になるようにすれば、回転数指令値に対して差が生じないはずであるが、実際には演算誤差のために差が生じる。平均回転数と回転数指令値とに差が生じると、モータの出力を精度良く制御することが困難になる。そこで、第２の周波数補正部２９は、同期モータ１の実際の平均回転数に基づいて、第１の周波数補正部２８で補正された強制励磁周波数ω＊をさらに補正する。本実施の形態の場合、第２の周波数補正部２９は、周波数補正量演算部１９と乗算器２１とを含む。

周波数補正量演算部１９は、同期モータ１の実際の平均回転数に基づいて、周波数補正係数γを算出する。本実施の形態の場合、周波数補正係数γは、次式（２）のように、回転数指令値と平均回転数との比によって計算される。

周波数補正係数γ＝回転数指令値／平均回転数 …(2)
ここで、同期モータ１のステータに印加されるモータ電圧は、マイクロコンピュータ７で作成したＰＷＭ信号４８に基づくものであるので、同期モータ１の実際の平均回転数はソフト的に検出が可能である。具体的には、平均回転数算出部２５によって、波形データ作成部２２から出力された波形データ４７の周期を用いて平均回転数が算出される。たとえば、平均回転数算出部２５は、波形データ４７からモータ４回転分に要する時間を検出し、その時間を用いて平均回転数を算出する。

乗算器２１は、乗算器２０から出力された強制励磁周波数ω＊の補正結果（β×ω＊）にさらに周波数補正係数γを乗じることによって、
ω＝γ×β×ω＊ …(3)
で表わされる補正後強制励磁周波数ωを算出する。算出された補正後の強制励磁周波数ωは波形データ作成部２２に出力される。

正弦波データテーブル２３は、所定のデータ個数で構成された正弦波データを予め記憶しており、正弦波データを波形データ作成部２２に出力する。

波形データ作成部２２は、補正後強制励磁周波数ωに従って角度変化した変化後の電気角に対応する正弦波データを正弦波データテーブル２３から読出して、モータ巻線端子Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の波形データ４７を作成する。波形データ４７は、正弦波データを周波数変調したものに相当する。具体的には、時刻Ｔn（ｎは整数）のときの電気角（位相）がθnであり、補正後強制励磁周波数がωnであったとすると、次の時刻Ｔn+1における電気角θn+1は、
θn+1＝ωn×（Ｔn+1−Ｔn）＋θn …(4)
と表わされる。この場合、波形データ作成部２２は、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の波形データ４７として、sin(θn+1)、sin(θn+1＋１２０°)、sin(θn+1−１２０°)を作成する。同様に、波形データ作成部２２は、次の時刻Ｔn+2における電気角θn+2を、電気角θn+1に対応する補正後強制励磁周波数ωn+1を用いて計算し、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の波形データ４７を作成する。以降の波形データ４７の作成も同様の手順による。波形データ作成部２２は、作成した波形データ４７を、ＰＷＭ信号生成部１５、位相差検出部９、ロータ機械角検出部１３、および平均回転数算出部２５に出力する。

以上のとおり、モータ電圧の強制励磁周波数ω＊は、周波数補正係数βで補正された後、さらに、回転数指令値と実際の平均回転数とが等しくなるように補正される。そして補正後の強制励磁周波数ωを用いて波形データ４７が作成されるので、回転数指令値に正確に一致した回転速度で同期モータ１を運転することができる。以下、具体例を参照しながら強制励磁周波数ω＊の補正についてさらに説明する。

（強制励磁周波数ω＊の補正の具体例）
図６は、図２の周波数補正係数記憶部１８に記憶された周波数補正係数βのデータテーブルの一例を示す図である。

また、図７は、図６のデータテーブルを用いて正弦波を補正して得られた波形を示す図である。図７において、正弦波Ａを破線で示す。また、周波数補正係数βを用いて正弦波Ａを補正して得られる波形Ｂを細い実線で示す。さらに、平均回転数が回転数指令値に一致するように波形Ｂを補正して得られる波形Ｃを太い実線で示す。図７の横軸は規格化された時間を表わす。モータの１回転に要する時間が１に規格化されている。なお、図７に示すように、４極モータの場合、モータ１回転が正弦波の２周期に相当する。

図６、図７を参照して、モータ１回転（機械角０°〜３６０°）での図６の周波数補正係数βの平均値はおよそ１．１である。したがって、第１の周波数補正部２８によって強制励磁周波数ω＊の補正を行い、第２の周波数補正部２９による補正を行なわない場合、平均回転数は回転数指令値のおよそ１．１倍になる。すなわち、図７に示すように、波形Ｂの波長は、回転数指令値に対応する波形Ａのおよそ０．９倍になる。波形Ｂに対して第２の周波数補正部２９による補正を行なうと、波形Ｃで示されるように、モータ１回転に対応する周期が正弦波Ａと一致する。

図８は、図２の周波数補正係数記憶部１８に記憶された周波数補正係数βのデータテーブルの他の例を示す図である。

また、図９は、図８のデータテーブルを用いて正弦波を補正して得られた波形を示す図である。図９において、正弦波Ａを破線で示し、図２の第１および第２の周波数補正部２８，２９によって正弦波Ａを補正して得られた波形Ｃを太い実線で示す。図９の横軸は規格化した時間を表わす。モータの１回転に要する時間が１に規格化されている。

図８、図９を参照して、図８の周波数補正係数βの平均値はおよそ１に設定されているので、図８のデータテーブルに従って強制励磁周波数ω＊の補正を行い、第２の周波数補正部２９による補正を行なわない場合も、平均回転数と回転数指令値とのずれは小さい。すなわち、この場合の波形は図９の波形Ｃとほぼ同じになる。しかしながら、実際には演算誤差が存在するので、周波数補正係数βの平均値が厳密に１になるように設定しても平均回転数と回転数指令値とにずれが残る。そこで、第２の周波数補正部２９による補正も行なうことによって、図９の波形Ｃに示すように、平均回転数と回転数指令値とを一致させることができる。

（まとめ）
以上のとおり、本実施の形態のモータの制御装置５０によれば、負荷トルクが周期的に変動する場合であっても、同期モータ１を正弦波通電および１８０度通電を用いて、センサレスで低騒音、低振動、高効率に駆動することができる。さらに、負荷トルクの変動に応じて強制励磁周波数ω＊を補正した場合であっても、簡単な構成によってモータの平均回転数を正確に制御できるので、正確な出力制御が実現できる。

ここで、上記の実施の形態におけるモータの制御装置５０は、冷凍装置および空調装置などに使用される圧縮機６０のモータ駆動に用いられている。しかし、この発明は、特にこれらに限定して適用されるものでない。この発明のモータの制御装置５０は、同期モータ１の回転に同期して所定周期で負荷トルクが変動する負荷装置のモータ駆動を行う場合に広く用いることができる。これによって、低振動、低騒音で安定した同期モータの駆動と正確な回転数制御とが実現される。

また、上記の実施の形態において、デューティ補正部２７および第１、第２の周波数補正部２８，２９では、デューティ基準値および強制励磁周波数などの補正対象に補正係数を乗算することによって補正を行なっている。これに対して、補正係数を補正対象に乗じることによって補正量を求め、この補正量を補正対象に加算することによって補正を行なってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態の冷凍装置１００の構成を示すブロック図である（マイクロコンピュータ７のハードウェア構成）。 本発明の実施の形態の冷凍装置１００の構成を示すブロック図である（マイクロコンピュータ７のソフトウェア構成）。 図２のモータ電流推定部８の構成の一例を示すブロック図である。 目標位相差情報のデータテーブルの一例である。 デューティ補正係数のデータテーブルの一例を示す図である。 図２の周波数補正係数記憶部１８に記憶された周波数補正係数βのデータテーブルの一例を示す図である。 図６のデータテーブルを用いて正弦波を補正して得られた波形を示す図である。 図２の周波数補正係数記憶部１８に記憶された周波数補正係数βのデータテーブルの他の例を示す図である。 図８のデータテーブルを用いて正弦波を補正して得られた波形を示す図である。

符号の説明

１ 同期モータ、２ インバータ回路、３ コンバータ回路、４ ＡＣ電源、５ 電流検出抵抗、６ 直流電流検出用アンプ部、７ マイクロコンピュータ、８ モータ電流推定部、９ 位相差検出部、１０ 目標位相差情報格納部、１２ ＰＩ演算部、１３ ロータ機械角検出部、１５ ＰＷＭ信号生成部、１６ デューティ補正係数記憶部、１７ 回転数指令値設定部、１８ 周波数補正係数記憶部、１９ 周波数補正量演算部、２２ 波形データ作成部、２３ 正弦波データテーブル、２５ 平均回転数算出部、２６ デューティ基準値算出部、２７ デューティ補正部、２８ 第１の周波数補正部、２９ 第２の周波数補正部、４７ 波形データ、４８ ＰＷＭ信号、５０ モータの制御装置、６０ 圧縮機、１００ 冷凍装置（空調装置）、Ｄ デューティ基準値、α デューティ補正係数、β 周波数補正係数、γ 周波数補正係数、ω＊ 強制励磁周波数、ω 補正後強制励磁周波数。

Claims (8)

1. 負荷装置に接続された同期モータを回転数指令値に対応する強制励磁周波数に基づいて他制運転するためのモータの制御装置であって、
   前記負荷装置の負荷トルクは、前記同期モータのロータの回転に同期して周期的に変動し、
   波形データに基づいてパルス幅変調信号を生成する信号生成部と、
   複数のスイッチング素子を含み、前記パルス幅変調信号に応答して前記複数のスイッチング素子の各々がスイッチングすることによって、入力された直流電力を交流電力に変換して前記同期モータに出力するインバータ回路と、
   前記負荷トルクの変動に応じて予め設定された周波数補正係数を用いて、前記同期モータの１回転中の機械角ごとに前記強制励磁周波数を補正する第１の周波数補正部と、
   前記波形データの周期に基づいて前記ロータの平均回転数を算出する回転数算出部と、
   算出した前記平均回転数が前記回転数指令値に一致するように、前記第１の周波数補正部によって補正された前記強制励磁周波数を補正する第２の周波数補正部と、
   前記第２の周波数補正部によって補正された前記強制励磁周波数を用いて、前記同期モータの１回転中の機械角ごとに周波数が変調された前記波形データを作成する波形データ作成部とを備える、モータの制御装置。
2. 前記第２の周波数補正部は、前記回転数指令値と前記平均回転数との比を前記第１の周波数補正部によって補正された前記強制励磁周波数に乗じることによって、前記強制励磁周波数を補正する請求項１に記載のモータの制御装置。
3. 前記第１の周波数補正部は、前記同期モータの一回転が複数の区間に分割された各区間ごとに、前記負荷トルクの変動に応じて予め設定された前記周波数補正係数を記憶する周波数補正係数記憶部を含み、
   前記第１の周波数補正部は、前記周波数補正係数記憶部に記憶された前記周波数補正係数を用いて前記強制励磁周波数を補正する、請求項１または２に記載のモータの制御装置。
4. 前記モータの制御装置は、
   前記波形データの位相と前記同期モータのステータを流れるモータ電流の位相との位相差に基づいて、前記パルス幅変調信号のデューティの基準値を算出するデューティ基準値算出部と、
   前記負荷トルクの変動に応じて予め設定されたデューティ補正係数を用いて、前記同期モータの１回転中の機械角ごとに前記デューティの基準値を補正するデューティ補正部とをさらに備え、
   前記信号生成部は、前記デューティ補正部によって補正された前記デューティ基準値を前記波形データに乗じて得られた値に基づいて前記パルス幅変調信号を生成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータの制御装置。
5. 前記モータの制御装置は、
   前記インバータ回路に入力される直流電流を検出する電流センサと、
   前記パルス幅変調信号に基づいて、前記複数のスイッチング素子の各々がスイッチングする直前と直後の前記直流電流の変化分を算出し、算出された前記変化分に基づいて前記モータ電流を推定するモータ電流推定部とをさらに備える、請求項４に記載のモータの制御装置。
6. 前記負荷装置は、シングルロータ型圧縮機またはレシプロ型圧縮機である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のモータの制御装置。
7. 同期モータと、
   前記同期モータの回転に同期して負荷トルクが変動する負荷装置としての圧縮機と、
   前記同期モータを制御する請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータの制御装置とを備える、冷凍装置。
8. 同期モータと、
   前記同期モータの回転に同期して負荷トルクが変動する負荷装置としての圧縮機と、
   前記同期モータを制御する請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータの制御装置とを備える、空調装置。

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