JP2017070049A - ブラシレスｄｃモータの制御方法、及びインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ電圧、及びモータ電流の増大を抑えつつブラシレスＤＣモータの高速回転領域を拡大すること。【解決手段】回転数に応じた三相電圧指示値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗをパルス幅変調して生成した駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗを効率化ブラシレスＤＣモータ４５に印加して回転数ＲをＰＷＭ制御する制御方法において、前記回転数Ｒが第１回転数Ｒａに至るまでは、前記ＰＷＭ制御により回転数Ｒを制御し、前記回転数Ｒが前記第１回転数Ｒａを超えた場合には、前記ＰＷＭ制御に弱め磁束制御を追加して回転数Ｒを制御し、このとき、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔに達した場合には、駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗによって印加されるモータ電圧Ｖを可変する。【選択図】図４

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータの制御技術に関する。

空気調和装置や電動車両などの幅広い分野において、駆動源となる電動機としてブラシレスＤＣモータが用いられている。
各種装置には、一般に、その装置に必要とされる最大出力に見合った数のブラシレスＤＣモータが搭載されている。したがって、既設のブラシレスＤＣモータの高速回転領域を拡大し高出力化できれば、必要となるブラシレスＤＣモータの数を減らすことができ、これにより、装置の低コスト化、及びダウンサイジング化が図られる。
一方、ブラシレスＤＣモータの制御によって、高速回転領域を拡大する技術も提案されている。例えば、ブラシレスＤＣモータの制御に弱め磁束制御を採用した技術（例えば、特許文献１参照）や、ＰＷＭ制御、弱め磁束制御、及びＰＡＭ制御を適宜に切り替える技術（例えば、特許文献２参照）である。

特開２００３−１９９３８２号公報 国際公開第２０１３／１２９２３０号

ところで、ブラシレスＤＣモータは、ステータが備える電機子巻線の巻線数を増やすことで、ステータに生じる磁力が強められ推進力が増強され、最大出力が高まり、また入力電力に対する機械出力の百分率比（以下、「効率」という）も高くなる。
しかしながら、電機子巻線の巻線数が増加した場合、ロータの永久磁石が減磁に至る減磁電流値は低下する。
したがって、効率を高めたブラシレスＤＣモータでは、引き上げ後の最大出力が得られる回転数に至る前に、電機子巻線に流す電流（以下、「モータ電流」という）が減磁電流値に達し、結局は、最大出力が得られない。
そして、上記の特許文献１、及び特許文献２の技術であっても、効率を高めたブラシレスＤＣモータの制御においては、引き上げられた最大出力を得る前に、モータ電流が減磁電流値に達することは避けられない。

また、ブラシレスＤＣモータの電機子巻線に印加する電圧（以下、「モータ電圧」という）を高めれば、最大出力を得るためのモータ電流が相対的に引き下げられる。
しかしながら、電機子巻線の巻線数の増加により最大出力が高められたブラシレスＤＣモータにあっては、既存構成部品である電気回路部品が高出力化後の最大出力を想定して構成されていない。
したがって、従前よりもモータ電圧を高めて最大出力を得ようとした場合、モータ電圧が既存の電気回路部品の定格電圧や耐電圧を超えてしまい、この場合にも、結局は、最大出力が得られない。また、最大出力の引き上げに伴って、これら電気回路部品を耐電圧が高い部品に交換するとなると、高出力タイプの既存のブラシレスＤＣモータよりも反って高コストになる。

そこで、本発明は、モータ電圧、及びモータ電流の増大を抑えつつ、ブラシレスＤＣモータの高速回転領域を拡大できるブラシレスＤＣモータの制御方法、及びインバータ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、本発明は、回転数に応じた指示電圧をパルス幅変調して生成した駆動パルスをブラシレスＤＣモータに印加して回転数をＰＷＭ制御するブラシレスＤＣモータの制御方法において、前記回転数が第１回転数に至るまで、前記ＰＷＭ制御により回転数を制御する第１ステップと、前記回転数が前記第１回転数を超えた場合に、前記ＰＷＭ制御に弱め磁束制御を追加して回転数を制御する第２ステップと、前記第２ステップにおいてモータ電流が、減磁電流値に応じて設定された所定電流値に達した場合に、前記駆動パルスによって前記ブラシレスＤＣモータに印加されるモータ電圧を可変する第３ステップと、を備えたことを特徴とする。

また本発明は、上記ブラシレスＤＣモータの制御方法において、前記第３ステップでは、前記モータ電流の増減に基づいて前記モータ電圧を可変する、ことを特徴とする。

また本発明は、上記ブラシレスＤＣモータの制御方法において、前記第３ステップでは、前記モータ電圧を可変して、前記モータ電流を前記所定電流値に維持する、ことを特徴とする。

また本発明は、上記ブラシレスＤＣモータの制御方法において、前記モータ電流が前記所定電流値に達する第２回転数が予め設定され、前記第３ステップでは、前記回転数が前記第２回転数に達した場合に前記モータ電圧を可変することを特徴とする。

また本発明は、上記ブラシレスＤＣモータの制御方法において、前記ブラシレスＤＣモータは、冷凍サイクルが備える圧縮機を駆動するモータである、ことを特徴とする。

本発明は、回転数に応じた指示電圧をパルス幅変調して生成した駆動パルスをブラシレスＤＣモータに印加して回転数をＰＷＭ制御するインバータ装置において、前記回転数が第１回転数を超えた場合に、ｄ軸電流を制御して弱め磁束制御をする弱め磁束制御部と、前記弱め磁束制御が行われている間、モータ電流が、減磁電流値に応じて設定された所定電流値に達した場合に、前記駆動パルスによって前記ブラシレスＤＣモータに印加されるモータ電圧を可変制御するモータ電圧制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明では、ＰＷＭ制御に弱め磁束制御を追加して回転数を制御している間、モータ電流が所定電流値に達した場合に指示電圧が可変されるので、回転数の増減に伴うモータ電流の増減幅が抑えられる。
さらに、モータ電流の増加を抑えたまま回転数を大きくできるので、弱め磁束制御によりモータ電流が減磁電流値に近づいた場合でも、モータ電流のそれ以上の増加を抑え、低いモータ電流のまま高速回転領域を拡大できる。
加えて、指示電圧の可変は、モータ電流が所定電流値に達した場合に行われるので、指示電圧の調整幅が小さくても十分に高速回転領域を拡大できる。これにより、高速回転領域の拡大に要する指示電圧の最大電圧、すなわちブラシレスＤＣモータに印加されるモータ電圧の最大電圧が抑えられる。

本発明に係る空気調和装置の実施形態を示す冷凍サイクルの回路図である。 圧縮機が備える効率化ブラシレスＤＣモータを駆動するインバータ装置の全体構成図である。 インバータ装置の制御ブロックを、制御対象の効率化ブラシレスＤＣモータとともに示す図である。 モータ制御手順の説明図である。 モータ電圧可変制御のフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る空気調和装置１の実施形態を示す冷凍サイクルの回路図である。
空気調和装置１は、室外ユニット２と、複数の室内ユニット４とを備えている。各室内ユニット４には、室内熱交換器６および室内用電子制御弁７がそれぞれ設置されている。

室外ユニット２は、インバータ駆動式の圧縮機１１を備え、この圧縮機１１の出力調整を行うことにより、システム全体の出力を細かく制御することができるように構成されている。
この圧縮機１１は、いわゆるＤＣコンプレッサであり、後に詳述するが、効率が高められたブラシレスＤＣモータ（以下、「効率化ブラシレスＤＣモータ」と称し、符号４５を付す）を備えている。効率化ブラシレスＤＣモータ４５は、所定最大出力を出力する既存のブラシレスＤＣモータにおいて、ステータが備える電機子巻線の巻線数が増やされたものである。巻線数の増加により、ステータに生じる磁力が強められて推進力が増強するので、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の最大出力、及び効率は、既存の所定最大出力、及び効率よりも高くなっている。

空気調和装置１の冷凍サイクルにおいて、ブラシレスＤＣモータに要求される最大の出力を、需要最大出力Ｐｍと称すると、本実施形態の効率化ブラシレスＤＣモータ４５は、最大出力が需要最大出力Ｐｍよりも下回っている既存のブラシレスＤＣモータに対し、電機子巻線の巻線数を増やことで、最大出力が需要最大出力Ｐｍよりも高い値に引き上げられている。
これにより、室外ユニット２にあっては、既存の複数台のブラシレスＤＣモータが、１台の効率化ブラシレスＤＣモータ４５に置き換えられており、この置き換えによって生じた空きスペースの分だけダウンサイジングされている。

圧縮機１１の吐出側には、冷媒配管１２を介してオイルセパレータ１３が接続されている。圧縮機１１とオイルセパレータ１３との間の冷媒配管１２は、合流して１本の冷媒配管１２となってオイルセパレータ１３に接続される。

また、オイルセパレータ１３には、四方弁１４を介して室外熱交換器１５が冷媒配管１２により接続されている。室外熱交換器１５は、過冷却熱交換器１６が冷媒配管１２により接続されている。過冷却熱交換器１６には、室内用電子制御弁７を介して室内熱交換器６が接続されるように構成されている。室内熱交換器６には四方弁１４を介してアキュムレータ１７が冷媒配管１２により接続されており、アキュムレータ１７には、圧縮機１１が冷媒配管１２により接続されている。

室外熱交換器１５には、２系統の管路が形成されており、四方弁１４側の冷媒配管１２および過冷却熱交換器１６側の冷媒配管１２は、それぞれ分岐して室外熱交換器１５に接続されるように構成されている。また、室外熱交換器１５の過冷却熱交換器１６側の各冷媒配管１２には、それぞれ室外用電子制御弁１８，１８が接続されている。

過冷却熱交換器１６は、２つの熱交換ユニット２０，２０を備えており、室外熱交換器１５側の冷媒配管１２および室内熱交換器６側の冷媒配管１２は、それぞれ分岐して過冷却熱交換器１６の各熱交換ユニット２０に接続されるように構成されている。各熱交換ユニット２０は、本実施形態においては、二重管式の熱交換器とされており、熱交換ユニット２０の外側の配管には、室外熱交換器１５側の冷媒配管１２および室内熱交換器６側の冷媒配管１２がそれぞれ接続されるように構成されている。
過冷却熱交換器１６と室内熱交換器６とを接続する冷媒配管１２の中途部には、過冷却用分岐配管２１が接続されており、この過冷却用分岐配管２１は、途中、過冷却用電子制御弁２２を介して、各熱交換ユニット２０の内側配管２３に接続されている。熱交換ユニット２０の内側配管２３を流れた冷媒は、過冷却冷媒配管２４を介して四方弁１４とアキュムレータ１７との間の冷媒配管１２に戻されるように構成されている。

また、圧縮機１１とオイルセパレータ１３との間の冷媒配管１２の中途部には、分岐して圧縮機１１とアキュムレータ１７との間の冷媒配管１２に接続される冷媒戻し配管２５が設けられている。冷媒戻し配管２５の中途部には、冷媒戻し用電磁弁２６が接続されている。そして、冷媒戻し用電磁弁２６を開くと、冷媒の一部は、冷凍サイクルを循環せずに圧縮機１１の吸い込み側に導かれる。

また、オイルセパレータ１３の下部には、オイル配管２７が接続されており、オイル配管２７の中途部には、冷媒戻し配管２５に接続されるオイル戻し配管２８が接続されている。オイル戻し配管２８は、オイル配管２７から分岐する２つの分岐管２９，３０を備えており、一方の分岐管２９には、オイル戻し用電磁弁３１が設けられるとともに、他方の分岐管３０には、キャピラリチューブ３２が設けられている。また、オイル配管２７の各分岐管２９，３０の接続部分の間には、キャピラリチューブ３２が設けられている。
オイルセパレータ１３と四方弁１４との間の冷媒配管１２の中途部には、途中分岐してオイル配管２７の中途部に接続される高圧冷媒配管３３が接続されている。高圧冷媒配管３３の中途部には、高圧冷媒配管３３の冷媒圧力を検出する高圧センサ３４および高圧冷媒用電磁弁３５が設けられている。

また、空気調和装置１は、制御装置４０を備えている。この制御装置４０は、リモートコントローラ（不図示）を介して入力したユーザ指示等に応じて空気調和装置１全体の運転制御を行う。具体的には、制御装置４０は、ユーザにより指示された動作を実現するため、自ユニットが備える圧力センサ、温度センサにより検出された圧力および温度に基づき、圧縮機１１の発停や運転周波数を制御したり、各種弁を開閉・切換する制御をしたりする。

冷房運転時には、制御装置４０は、四方弁１４を実線状態に切り替える。
圧縮機１１からの冷媒は、オイルセパレータ１３、逆止弁１９、及び四方弁１４を経た後、実線矢印で示すように、室外熱交換器１５に向かう。さらに冷媒は、室外熱交換器１５、室外用電子制御弁１８、過冷却熱交換器１６を経た後、冷媒配管１２を介して室内ユニット４に入る。室内ユニット４に入った冷媒は、室内ユニット４の室内用電子制御弁７、及び室内熱交換器６を経由し、冷媒配管１２を介して室外ユニット２に戻される。室外ユニット２に戻された冷媒は、四方弁１４、及びアキュムレータ１７を経て、圧縮機１１に戻される。

暖房運転時には、制御装置４０は、四方弁１４を破線状態に切り替える。
圧縮機１１からの冷媒は、オイルセパレータ１３、逆止弁１９、及び四方弁１４を経た後、破線矢印で示すように、冷媒配管１２を介して室内ユニット４に入り、室内ユニット４の室内熱交換器６、及び室内用電子制御弁７を経由する。さらに、冷媒は、冷媒配管１２を介して、室外ユニット２に入る。室外ユニット２に入った冷媒は、室外用電子制御弁１８、室外熱交換器１５、四方弁１４、及びアキュムレータ１７を経て、圧縮機１１に戻される。

図２は、圧縮機１１が備える効率化ブラシレスＤＣモータ４５を駆動するインバータ装置５０の全体構成図である。
上述のとおり、効率化ブラシレスＤＣモータ４５は、所定最大出力を出力する既存のブラシレスＤＣモータにおいて、ステータに設けられた電機子巻線の巻線数が増やされていることで、最大出力Ｐｍａｘが所定最大出力も高められたものである。
したがって、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の減磁電流値Ｉａ（図４）は、電機子巻線の巻線数の増加に伴って既存のブラシレスＤＣモータの減磁電流値よりも低下している。
このため、何ら対策を施さなければ、この効率化ブラシレスＤＣモータ４５では最大出力Ｐｍａｘが得られる最大回転数Ｒｍａｘ（図４）に至る前に、モータ電流Ｉが減磁電流値Ｉａに達し、結局は、最大出力Ｐｍａｘが得られない。

そこで、本実施形態のインバータ装置５０は、効率化ブラシレスＤＣモータ４５であっても、減磁電流値Ｉａよりも低いモータ電流Ｉで最大出力Ｐｍａｘが得られるように制御している。
以下、このインバータ装置５０について詳述する。

インバータ装置５０は、三相電源６０から三相交流電力が入力される、いわゆる三相インバータであり、図２に示すように、制御マイコン５１と、保護ブロック部５２と、整流器５３と、昇圧回路５４と、ＩＰＭ５５と、を備えている。
制御マイコン５１は、インバータ装置５０の動作を制御するマイクロコンピュータである。制御マイコン５１は、制御装置４０の命令に基づき、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の始動、停止、冷凍サイクル（空調）の要求出力に応じた出力制御、といった各種のモータ制御を実行する。

保護ブロック部５２は、インバータ装置５０の入力段に設けられ、三相電源６０の接続時にインバータ装置５０を保護する回路ブロックであり、互いに直列接続されたノイズフィルタ６１、及びマグネットスイッチ６２を備えている。ノイズフィルタ６１は、三相電源６０の電源電圧に重畳した高調波ノイズを低減する回路である。マグネットスイッチ６２は、インラッシュカレントを遮断する回路である。

整流器５３は、保護ブロック部５２を介して入力される三相電源６０の三相交流電力を直流電力に変換するコンバータであり、ダイオードブリッジ回路を備えている。
昇圧回路５４は、整流器５３から出力された直流電力を所定電圧に昇圧し、ＩＰＭ５５に直流電圧を出力する回路である。この昇圧回路５４は、リアクタ５６と、ＩＧＢＴ５７と、ダイオード５８と、平滑コンデンサ５９と、を備えた、いわゆるチョッパ昇圧回路である。ＩＧＢＴ５７、及びダイオード５８は、昇圧制御回路６４とともに一体にモジュール化されており、これらがＩＧＢＴモジュール６３として構成されている。
昇圧制御回路６４は、ＩＧＢＴ５７のオン／オフのデューティサイクルを可変して出力電圧を制御するものである。この出力電圧の指示値は制御マイコン５１から昇圧制御回路６４に入力されている。

ＩＰＭ５５は、インテリジェントパワーモジュール（Intelligent Power Module）と称され、電力を制御するパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワーデバイスの駆動回路や自己保護機能を組み込んだ電力用半導体素子である。
このＩＰＭ５５は、電力変換回路として、直流電力を三相の交流電力に変換するインバータ回路５５Ａを備えている。インバータ回路５５Ａは、一対のトランジスタを三相の相ごとにブリッジ接続した一般的な回路構成を有し、昇圧回路５４の直流の出力電圧を三相の交流電圧に変換し、効率化ブラシレスＤＣモータ４５を駆動する駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗを生成する。

ここで、インバータ装置５０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって効率化ブラシレスＤＣモータ４５を制御している。すなわち、この駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗは、効率化ブラシレスＤＣモータ４５を駆動するための指示電圧をパルス幅変調して生成されたものであり、この指示電圧は、上記制御マイコン５１からＩＰＭ５５に入力されている。
具体的には、ＩＰＭ５５は、インバータ回路５５Ａを駆動するドライバ回路５５Ｂを備え、このドライバ回路５５Ｂが指示電圧に基づいてインバータ回路５５Ａを駆動し、昇圧回路５４の出力電圧をパルス幅変調することで、駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗが生成される。
これらの駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗは、１２０度ずつ位相をずれして生成され、それぞれが効率化ブラシレスＤＣモータ４５のＵ相、Ｖ相、及びＷ相の電機子巻線に印加されることで、それぞれの電機子巻線に指示電圧に相当するモータ電圧が印加され、ロータが回転する。

ここで、本実施形態の効率化ブラシレスＤＣモータ４５は、４極構造の三相モータであり、インバータ装置５０は、この効率化ブラシレスＤＣモータ４５を、いわゆる正弦波駆動方式にて駆動する。

また、このインバータ装置５０では、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の回転数Ｒ（図４）のフィードバック制御にベクトル制御が用いられている。さらに、このベクトル制御には、ロータの回転角度θを検出するセンサ（例えばロータリエンコーダや磁気ホール素子）を必要としない、いわゆるセンサレスベクトル制御が用いられている。

また、このインバータ装置５０は、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の回転数Ｒに応じて、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の駆動方式を次のように切り替えている。
すなわち、インバータ装置５０は、第１回転数Ｒａに達するまではＰＷＭ制御によって効率化ブラシレスＤＣモータ４５を駆動し、第１回転数Ｒａ〜第２回転数Ｒｂの間は、ＰＷＭ制御に弱め磁束制御を加えて効率化ブラシレスＤＣモータ４５を駆動する。そして、第２回転数Ｒｂ〜最大回転数Ｒｍａｘの間は、インバータ装置５０は、ＰＷＭ制御、及び弱め磁束制御に、モータ電圧を可変するモータ電圧可変制御を加えて効率化ブラシレスＤＣモータ４５を駆動している。

これらの制御、及び駆動を実現する制御ブロックについて説明する。

図３は、インバータ装置５０の制御ブロックを、制御対象の効率化ブラシレスＤＣモータ４５とともに示す図である。
この制御ブロックは、図３に示すように、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の回転数Ｒをフィードバック制御する制御システムを構成するものであり、制御処理部７０と、インバータ部７２と、検出処理部７３と、を備えている。
効率化ブラシレスＤＣモータ４５の回転数Ｒは、目標速度ｏｍｇｔｇｔ（単位［ｒａｄ／ｓｅｃ］）によって指示される。この目標速度ｏｍｇｔｇｔは、冷凍サイクルの負荷（空調負荷）に基づいて制御装置４０によって決定された指令周波数（単位［Ｈｚ］）を換算して求められる。この換算は、制御装置４０、及び制御処理部７０のどちらが行ってもよい。

制御処理部７０には、上記目標速度ｏｍｇｔｇｔと、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の現在の速度である現在速度ｏｍｇとがフィードバック信号として入力される。
そして、制御処理部７０は、目標速度ｏｍｇｔｇｔと現在速度ｏｍｇの偏差に基づいて、三相電圧指示値Ｖｕ、Ｖｖ，Ｖｗを生成する。これら三相電圧指示値Ｖｕ、Ｖｖ，Ｖｗは、効率化ブラシレスＤＣモータ４５のＵ相、Ｖ相、及びＷ相の各相に印加する電圧の指示値である。
この制御処理部７０は、制御マイコン５１が制御プログラムを実行することにより実現されている。

インバータ部７２は、インバータ装置５０のＩＰＭ５５、及び昇圧回路５４によって実現されるものであり、三相電圧指示値Ｖｕ、Ｖｖ，Ｖｗをパルス幅変調して駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗを生成する。
検出処理部７３は、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の現在速度ｏｍｇを推定し、制御処理部７０に入力するものであり、制御マイコン５１、及び、インバータ装置５０に設けられた電流検出器７４によって実現されている。

ここで、インバータ装置５０は、上述の通り、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の回転数Ｒのフィードバック制御にベクトル制御を用いている。
一般に、ベクトル制御では、電機子巻線に流すモータ電流が、トルクに関する成分と、関与しない成分とに分けられ、それぞれの成分の制御によってブラシレスＤＣモータの発生トルクが制御される。具体的には、ベクトル制御では、ステータ側とロータ側のそれぞれに空間ベクトル座標が設定され、ブラシレスＤＣモータに印加する電流、及び電圧が、それぞれの座標において変換されながら制御される。ロータ側の空間ベクトル座標は、一般に、ｄｑ座標と呼ばれる。ｄ軸（ｄｉｒｅｃｔ−ａｘｉｓ）はロータが備える永久磁石による磁束と同位相に設定され、ｄ軸に対応するモータ電流成分（以下、「ｄ軸電流」という）は、磁束制御に用いられる。ｑ軸（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ａｘｉｓ）はｄ軸と直交する方向に設定されており、ｑ軸に対応するモータ電流成分（以下、「ｑ軸電流」という）を制御することで、効率化ブラシレスＤＣモータのトルクが制御される。

検出処理部７３は、ｑ軸電流Ｉｑ、及びｄ軸電流Ｉｄを検出するために、上記電流検出器７４と、３相／２相座標変換部８０とを備え、さらに、ロータの回転角度θ（位置）を推定する現在速度・位置推定部８１を備えている。
電流検出器７４は、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の３相のうちの少なくとも２相（本実施形態では、Ｕ相、及びＶ相）に流れる相電流Ｉｕ、Ｉｖを検出し、デジタル出力する回路である。
３相／２相座標変換部８０は、３相交流座標系である相電流Ｉｕ、Ｉｖに対し、Ｃｌａｒｋｅ変換、及びＰａｒｋ変換を順に施すことで、２相の交流座標系であるｑ軸電流Ｉｑ、及びｄ軸電流Ｉｄに座標変換する。これにより、現在のｑ軸電流Ｉｑ、及びｄ軸電流Ｉｄが検出される。
現在速度・位置推定部８１は、ｑ軸電流Ｉｑ、及びｄ軸電流Ｉｄと、ｑ軸電圧Ｖｑ、及びｄ軸電圧Ｖｄとに基づいて、ロータの現在の回転速度である現在速度ｏｍｇと、ロータの回転位置θとを演算によって推定する。ｑ軸電圧Ｖｑ、及びｄ軸電圧Ｖｄは、一般に、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の巻線抵抗、及びインダクタンスに基づいて算出される。
現在速度・位置推定部８１の推定により、ロータの位置を検出するためのセンサが不要となる。

制御処理部７０は、ベクトル制御を実現するために、図３に示すように、速度制御部７５と、弱め磁束制御部７６と、電流制御部７７と、２相／３相座標変換部７８とを備えている。さらに、制御処理部７０は、これらベクトル制御のための制御ブロックとは別に、効率化ブラシレスＤＣモータ４５に印加するモータ電圧を可変制御するモータ電圧制御部７９を備えている。

速度制御部７５は、目標速度ｏｍｇｔｇｔと現在速度ｏｍｇの偏差に基づいて、トルクの目標値を出力する。上述のとおり、トルク（より正確には、いわゆるマグネットトルク）とｑ軸電流Ｉｑは関係を有するので、速度制御部７５は、トルクの目標値の代わりに、ｑ軸電流Ｉｑの目標値であるＩｑ電流目標値Ｉｑｔｇｔを演算し、このＩｑ電流目標値Ｉｑｔｇｔを出力する。
目標速度ｏｍｇｔｇｔと現在速度ｏｍｇの偏差に基づくＩｑ電流目標値Ｉｑｔｇｔの演算には、速度ＰＩ（Proportional-Integral）制御に基づく演算が用いられている。

弱め磁束制御部７６は、ｄ軸電流Ｉｄの目標値であるＩｄ電流目標値Ｉｄｔｇｔを出力する。上述のとおり、ｄ軸電流Ｉｄは磁束制御に用いられる電流であり、このインバータ装置５０では、弱め磁束制御に用いられている。
弱め磁束制御は、弱め界磁制御や電圧位相制御とも呼ばれる制御である。詳述すると、ステータの電機子巻線には、ロータの永久磁石の磁束によって回転数Ｒに比例した誘起電圧が発生する。回転数Ｒの増加に伴って、誘起電圧がインバータ装置５０の出力電圧以上になると、ステータの電機子巻線に電流を流すことができなくなり、回転数Ｒをそれ以上に上げることができない。

そこで、弱め磁束制御では、ｄ軸に負の電流を流し、これによりロータの永久磁石の磁束が弱められた効果を得ることで、誘起電圧を下げ、より高い回転数での駆動を可能にしている。
このインバータ装置５０では、弱め磁束制御部７６は、回転数Ｒが第１回転数Ｒａ以上になった場合に、弱め磁束制御を開始し、回転数Ｒに比例した値のｄ軸電流ＩｄをＩｄ電流目標値Ｉｄｔｇｔとして出力する。
第１回転数Ｒａは、インバータ装置５０が出力可能な最大電圧に誘起電圧が近づき、回転数Ｒの増加に対し、当該インバータ装置５０の出力電圧が飽和する状態に至るときの値が予め設定されている。

電流制御部７７は、ｑ軸に印加するｑ軸電圧の指示値であるＶｑ電圧指示値Ｖｑｔｇｔ、及びｄ軸に印加するｄ軸電圧の指示値であるＶｄ電圧指示値Ｖｄｔｇｔを出力するものである。
具体的には、電流制御部７７は、Ｉｑ電流目標値Ｉｑｔｇｔと現在のＩｑ電流値の偏差に対し電流ＰＩ制御に基づく演算を実行し、演算結果をＶｑ電圧指示値Ｖｑｔｇｔとして出力する。電流制御部７７は、ｄ軸についても同様に、Ｉｄ電流目標値Ｉｄｔｇｔと現在のＩｄ電流値の偏差に対し電流ＰＩ制御に基づく演算を実行し、演算結果をＶｄ電圧指示値Ｖｄｔｇｔとして出力する。

２相／３相座標変換部７８は、２相のＶｑ電圧指示値Ｖｑｔｇｔ、及びＶｄ電圧指示値Ｖｄｔｇｔと、ロータの回転位置θとに基づいて、これら２相のＶｑ電圧指示値Ｖｑｔｇｔ、及びＶｄ電圧指示値Ｖｄｔｇｔを、三相電圧指示値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに座標変換して出力する。

インバータ部７２では、昇圧回路５４の出力電圧をパルス幅変調することで、三相電圧指示値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗをパルス幅変調した駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗを生成する。この駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗが効率化ブラシレスＤＣモータ４５の各相の電機子巻線に印加されることで、目標速度ｏｍｇｔｇｔに対応する回転数Ｒでロータが回転するように制御される。

ベクトル制御では、パルス幅変調のパルス幅の１周期ごとに、三相電圧指示値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗが出力され、この三相電圧指示値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗをパルス幅変調して駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗが出力される。

モータ電圧制御部７９は、回転数Ｒが第２回転数Ｒｂ以上の場合に、モータ電圧Ｖを可変し、モータ電流Ｉを規制電流値Ｉｔ（図４）に維持する。モータ電圧Ｖの可変は、昇圧回路５４が出力する出力電圧を可変することで行われている。また、規制電流値Ｉｔは、減磁電流値Ｉａに応じて設定され、当該減磁電流値Ｉａよりも低い電流値である。第２回転数Ｒｂは、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔに至る回転数Ｒであり、制御マイコン５１に予め設定されている。

一般に、ブラシレスＤＣモータにおいては、モータ電圧Ｖが高いほど、低い値のモータ電流Ｉで同じ回転数Ｒが得られる。したがって、回転数Ｒの増加に伴ってモータ電流Ｉが、減磁電流値Ｉａに近い付いた場合に、モータ電圧Ｖを回転数Ｒの増加に応じて高めることで、回転数Ｒが増加してもモータ電流Ｉの増加が抑えられることとなる。

本実施形態では、モータ電圧制御部７９は、回転数Ｒが第２回転数Ｒｂ以上の場合に、ベクトル制御動作（より正確には、三相電圧指示値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの生成動作）のための各部の動作を妨げる（干渉する）ことなく、かつ、ベクトル制御の安定性を損なわない周期で、モータ電圧Ｖを可変している。
また、モータ電圧Ｖの上限は、少なくともインバータ装置５０が出力可能な最大電圧Ｖｍａｘ以下に設定されており、また、電圧値の１回あたりの調整量もベクトル制御の安定性を損なわない範囲に抑えられている。
さらに、この最大電圧Ｖｍａｘは、インバータ装置５０の定格の最大電圧に設定されており、これにより、モータ電圧Ｖを最大電圧Ｖｍａｘ付近まで高めたときに、効率化によって引き上げられた最大出力Ｐｍａｘが得られる。なお、この最大出力Ｐｍａｘは、少なくとも、冷凍サイクルに要求される上記需要最大出力Ｐｍ以上となっている。

図４はモータ制御手順の説明図である。なお、同図には、圧縮機１１の回転数上昇に対して負荷も上昇する場合のモータ電流Ｉの挙動が示されている。
インバータ装置５０は、上述のとおり、回転数Ｒに応じて効率化ブラシレスＤＣモータ４５の制御を異ならせている。
すなわち、回転数Ｒが第１回転数Ｒａに達するまでは、図４に示すように、ＰＷＭ制御が行われる。このＰＷＭ制御では、インバータ装置５０は、ベクトル制御により三相電圧指示値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを生成し、これをパルス幅変調して駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗを生成し、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の各相の電機子巻線に印加することで、回転数Ｒを制御する。このＰＷＭ制御では、回転数Ｒの増加に応じてモータ電流Ｉが増加し、またｄ軸電流Ｉｄは略ゼロに維持される。

次いで、回転数Ｒが第１回転数Ｒａ以上であり、第２回転数Ｒｂ以下の場合、インバータ装置５０は、ＰＷＭ制御に加えて、弱め磁束制御を行う。この弱め磁束制御では、インバータ装置５０は、回転数Ｒの増加に応じてｄ軸電流Ｉｄを負方向に増加させる。
弱め磁束制御が行われている場合は、図４に示すように、回転数Ｒに対するモータ電流Ｉの増加率が、弱め磁束制御が行われていない場合よりも大きくなる。

第２回転数Ｒｂは、上述のように、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔに至る回転数Ｒであり、この規制電流値Ｉｔは、減磁電流値Ｉａから所定マージン分だけ下回った電流値である。所定マージンは、電流検出器７４の測定誤差を踏まえて設定されており、規制電流値Ｉｔが減磁電流値Ｉａを下回る範囲で可能な限り当該減磁電流値Ｉａに近づくように設定されている。
したがって、ＰＷＭ制御、及び弱め磁束制御は、モータ電流Ｉが減磁電流値Ｉａに近い規制電流値Ｉｔに達するまで行われる。
そして回転数Ｒが第２回転数Ｒｂを超えた場合、すなわち、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔに達した場合、インバータ装置５０は、ＰＷＭ制御、及び弱め磁束制御に加え、モータ電圧Ｖを可変するモータ電圧可変制御を行う。

図５は、モータ電圧可変制御のフローチャートである。
このモータ電圧可変制御では、インバータ装置５０は、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔに維持されるように、最大電圧Ｖｍａｘ以下の範囲でモータ電圧Ｖを可変する。モータ電圧Ｖの可変は、ＰＷＭ制御、及び弱め磁束制御の安定性を害すること無く、これらＰＷＭ制御、及び弱め磁束制御に干渉しない周期で行われる。

モータ電圧可変制御において、インバータ装置５０のモータ電圧制御部７９は、モータ電圧Ｖの可変周期が到来すると、図５に示すように、インバータ部７２から現在のモータ電圧Ｖを取り込む（ステップＳ１）。このモータ電圧Ｖは、昇圧回路５４からの出力電圧を抵抗器によって分圧した電圧を制御マイコン５１に取り込んで特定される。
モータ電圧Ｖが最大電圧Ｖｍａｘ以上である場合（ステップＳ２：Ｙ）、モータ電圧制御部７９は、モータ電圧Ｖを抑えるために、昇圧回路５４の出力電圧の現在の調整量から所定電圧値を減算した値を算出する（ステップＳ３）。

一方、モータ電圧Ｖが最大電圧Ｖｍａｘ以下である場合（ステップＳ２：Ｎ）、モータ電圧制御部７９は、モータ電流Ｉを規制電流値Ｉｔに維持するために、次の動作を実行する。
すなわち、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔの上限値である規制電流上限値Ｉｔｍａｘ以上である場合（ステップＳ４：Ｙ）、モータ電圧制御部７９は、モータ電流Ｉを下げるべく、昇圧回路５４の出力電圧の現在の調整量に所定電圧値を加算する（ステップＳ５）。
また、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔの下限値である規制電流下限値Ｉｔｍｉｎ以下である場合（ステップＳ６：Ｙ）、モータ電圧制御部７９は、モータ電流Ｉを上げるべく、昇圧回路５４の出力電圧の現在の調整量から所定電圧値を減算する（ステップＳ７）。

次いで、減算、又は加算後の調整量が、調整量の所定上限値以上である場合には（ステップＳ８：Ｙ）、モータ電圧制御部７９は、調整量を所定上限値に設定する（ステップＳ９）。この所定上限値は、昇圧回路５４の出力電圧を所定上限値により調整して得られるモータ電圧Ｖが最大電圧Ｖｍａｘ、或いは、それ以下となる値である。
また、減算、又は加算後の調整量が「０」を下回っている場合には（ステップＳ１０：Ｙ）、モータ電圧制御部７９は、調整量を「０」に設定する（ステップＳ１１）。

そして、モータ電圧制御部７９は、この調整量をインバータ部７２の昇圧回路５４に出力し、この調整量分だけ昇圧回路５４の出力電圧を可変する（ステップＳ１２）。
これにより、インバータ部７２では、昇圧回路５４の可変後の出力電圧に基づいてパル幅変調が行われて駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗが生成される。この駆動パルスＫｕ、Ｋｖ、Ｋｗが効率化ブラシレスＤＣモータ４５に供給されることで、当該効率化ブラシレスＤＣモータ４５に印加されるモータ電圧Ｖが調整量に応じて可変されることなる。

そして、回転数Ｒが第２回転数Ｒｂを超えた場合に、このモータ電圧可変制御が行われることで、図４に示すように、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔ（より正確には、規制電流上限値Ｉｔｍａｘと規制電流下限値Ｉｔｍｉｎの間）に維持され、また、モータ電圧Ｖが最大電圧Ｖｍａｘ以下に抑えられた状態で、回転数Ｒを大きくすることがき、これにより高速回転領域が拡大される。
そして、モータ電圧Ｖを最大電圧Ｖｍａｘまで高めることで、モータ電流Ｉを規制電流値Ｉｔに維持し、かつ、効率化ブラシレスＤＣモータ４５の元と成った既存のブラシレスＤＣモータの定格の最大電圧の範囲のモータ電圧Ｖで、需要最大出力Ｐｍ以上の最大出力Ｐが得られることとなる。

以上説明したように、本実施形態によれば次の効果を奏する。
すなわち、インバータ装置５０は、ＰＷＭ制御に弱め磁束制御を追加して回転数Ｒを制御している間、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔに達した場合に、モータ電圧Ｖを可変する。このモータ電圧Ｖの可変により、回転数Ｒの増減に伴うモータ電流Ｉの増減の幅が抑えられる。すなわち、モータ電流Ｉの増加を抑えたまま回転数Ｒを大きくできるので、弱め磁束制御によりモータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔに近づいた場合でも、モータ電流Ｉのそれ以上の増加を抑え、低いモータ電流Ｉのまま高速回転領域を拡大できる。
加えて、モータ電圧Ｖの可変は、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔに達した場合に行われるので、モータ電圧Ｖの調整幅が小さくても十分に高速回転領域を拡大できる。これにより、高速回転領域の拡大に要するモータ電圧Ｖの最大電圧Ｖｍａｘが抑える。

またインバータ装置５０は、モータ電流Ｉの増減に基づいてモータ電圧Ｖを可変するので、モータ電流Ｉを確実にコントロールできる。したがって、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔを超えないように確実に制御することができるので、規制電流値Ｉｔを減磁電流値Ｉａに十分に近付けることができる。

またインバータ装置５０は、モータ電圧Ｖを可変して、モータ電流Ｉを規制電流値Ｉｔに維持する。これにより、弱め磁束制御を、減磁電流値Ｉａによって制限されるまで最大に行った状態を維持したたま、高速回転領域を拡大することができる。

またインバータ装置５０には、モータ電流Ｉが規制電流値Ｉｔに達する第２回転数Ｒｂが予め設定され、インバータ装置５０は、回転数Ｒが第２回転数Ｒｂに達した場合にモータ電圧Ｖを可変する。
これにより、インバータ装置５０は、回転数Ｒのフィードバック制御の中で、モータ電圧Ｖの可変制御の開始、及び終了のタイミングも判断でき、制御が簡素化される。

また冷凍サイクルが備える圧縮機１１を駆動する効率化ブラシレスＤＣモータ４５の駆動制御に上記インバータ装置５０を用いることで、圧縮機１１を内蔵した室外ユニット２の低コスト化、及びダウンサイズイング化を図ることができる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示したものであり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、及び応用が可能である。

例えば、上述した実施形態において、効率化ブラシレスＤＣモータ４５に、減磁電流値Ｉａよりも低い他の電流制限値が設定されている場合には、当該他の電流制限値に応じて規制電流値Ｉｔが設定される。
また例えば、上述した実施形態では、効率化ブラシレスＤＣモータ４５として、電機子巻線の巻線数を増やすことでブラシレスＤＣモータの効率を高めた構成を例示した。しかしながら、これに限らず、例えばロータが備える永久磁石の磁力を増加させることで効率化ブラシレスＤＣモータ４５を構成することもできる。
また例えば、インバータ装置５０は、効率化ブラシレスＤＣモータ４５に限らず、この効率化ブラシレスＤＣモータ４５の元となった既存のブラシレスＤＣモータを駆動制御してもよい。
さらに、インバータ装置５０の駆動制御対象のブラシレスＤＣモータは、冷凍サイクルに設けられた圧縮機１１を駆動するモータに限定されるものではない。

１ 空気調和装置
２ 室外ユニット
１１ 圧縮機
４５ 効率化ブラシレスＤＣモータ
５０ インバータ装置
５１ 制御マイコン
５３ 整流器
５４ 昇圧回路
５５ ＩＰＭ
５５Ａ インバータ回路
５５Ｂ ドライバ回路
６０ 三相電源
６４ 昇圧制御回路
７０ 制御処理部
７２ インバータ部
７３ 検出処理部
７４ 電流検出器
７５ 速度制御部
７６ 弱め磁束制御部
７７ 電流制御部
７８ ２相／３相座標変換部
７９ モータ電圧制御部
８０ ３相／２相座標変換部
Ｉ モータ電流
Ｉａ 減磁電流値
Ｉｄ ｄ軸電流
Ｉｔ 規制電流値（所定電流値）
Ｒ 回転数
Ｒａ 第１回転数
Ｒｂ 第２回転数
Ｒｍａｘ 最大回転数
Ｖ モータ電圧
Ｖｍａｘ 最大電圧
Ｖｕ、Ｖｋ、Ｖｗ 三相電圧指示値（指示電圧）

Claims (6)

1. 回転数に応じた指示電圧をパルス幅変調して生成した駆動パルスをブラシレスＤＣモータに印加して回転数をＰＷＭ制御するブラシレスＤＣモータの制御方法において、
   前記回転数が第１回転数に至るまで、前記ＰＷＭ制御により回転数を制御する第１ステップと、
   前記回転数が前記第１回転数を超えた場合に、前記ＰＷＭ制御に弱め磁束制御を追加して回転数を制御する第２ステップと、
   前記第２ステップにおいてモータ電流が、減磁電流値に応じて設定された所定電流値に達した場合に、前記駆動パルスによって前記ブラシレスＤＣモータに印加されるモータ電圧を可変する第３ステップと、
   を備えたことを特徴とする制御方法。
2. 前記第３ステップでは、前記モータ電流の増減に基づいて前記モータ電圧を可変する、ことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. 前記第３ステップでは、前記モータ電圧を可変して、前記モータ電流を前記所定電流値に維持する、ことを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
4. 前記モータ電流が前記所定電流値に達する第２回転数が予め設定され、
   前記第３ステップでは、前記回転数が前記第２回転数に達した場合に前記モータ電圧を可変することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の制御方法。
5. 前記ブラシレスＤＣモータは、冷凍サイクルが備える圧縮機を駆動するモータである、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の制御方法。
6. 回転数に応じた指示電圧をパルス幅変調して生成した駆動パルスをブラシレスＤＣモータに印加して回転数をＰＷＭ制御するインバータ装置において、
   前記回転数が第１回転数を超えた場合に、ｄ軸電流を制御して弱め磁束制御をする弱め磁束制御部と、
   前記弱め磁束制御が行われている間、モータ電流が、減磁電流値に応じて設定された所定電流値に達した場合に、前記駆動パルスによって前記ブラシレスＤＣモータに印加されるモータ電圧を可変制御するモータ電圧制御部と、
   を備えたことを特徴とするインバータ装置。
   

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