JP2020150700A - 駆動装置、駆動システム、及び、電動機の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機のトルク制御及び速度制御が行われなくても、電動機の高効率化を適切に実現する駆動装置を提供すること。【解決手段】実施形態によれば、駆動装置は、電圧制御部、パラメータ設定部、位相調整部を備える。電圧制御部は、入力された電力を任意の電圧及び周波数の交流電力に変換して電動機に供給する電力変換器から電動機に駆動電圧を印加させる。パラメータ設定部は、電動機の回転速度及び回転速度に関連するパラメータのいずれかを速度情報として設定する。位相調整部は、電動機に流れる電流及び設定された速度情報に基づいて算出される指標が小さくなるように、駆動電圧の位相を調整する。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、駆動装置、駆動システム、及び、電動機の駆動方法に関する。

電動機の駆動システムの高効率化等を狙い、永久磁石を利用した同期電動機が、電動機として広く普及している。そして、電動機として同期電動機等が用いられる駆動システムでは、電動機の効率を向上させる駆動制御が求められている。電動機の駆動制御の例として、電動機の誘起電圧の位相及び電動機に流れる電流の位相に基づいて、電動機に印加される駆動電圧を調整する方法がある。この駆動制御では、誘起電圧の位相及び流れる電流の位相が一致する状態に、駆動電圧の位相を調整し、電動機を高効率化させる。また、電動機の駆動制御の別の例として、電動機に流れる電流が小さくなる状態に、電動機に印加される駆動電圧の位相を調整し、電動機を高効率化させる方法がある。

前述のような電動機の駆動システムでは、電動機の出力トルクを制御するトルク制御、及び、電動機の回転速度を制御する速度制御のいずれかが行われる場合、駆動システムの回路構成及び駆動制御における処理等が複雑になる。このため、電動機のトルク制御及び速度制御が行われなくても、電動機の高効率化が実現される電動機の駆動制御が、求められている。

特開２０１５−６２３２９号公報 特開２００７−２６７５７６号公報

本発明が解決しようとする課題は、電動機の高効率化を比較的簡単な処理で実現する駆動装置、駆動システム、及び、電動機の駆動方法を提供することにある。

実施形態によれば、駆動装置は、電圧制御部、パラメータ設定部、位相調整部を備える。電圧制御部は、入力された電力を任意の電圧及び周波数の交流電力に変換して電動機に供給する電力変換器の作動を制御することにより、電力変換器から電動機に駆動電圧を印加させる。パラメータ設定部は、電動機の回転速度及び回転速度に関連するパラメータのいずれか１つ以上を速度情報として設定する。位相調整部は、電動機に流れる電流、及び、パラメータ設定部で設定された速度情報に基づいて算出される指標が小さくなるように、駆動電圧の位相を調整する。

実施形態によれば、前述の駆動装置、電力変換器及び電動機を備える駆動システムが提供される。電動機には、電力変換器から駆動電圧が印加される。

実施形態では、電動機の駆動方法が提供される。駆動方法では、入力された電力を電力変換器によって任意の電圧及び周波数の交流電力に変換し、変換した交流電力を電動機に供給する。また、駆動方法では、電動機に流れる電流を検出する。また、駆動方法では、電動機の回転速度及び回転速度に関連するパラメータのいずれか１つ以上を速度情報として設定する。また、駆動方法では、検出された電流、及び、設定された速度情報に基づいて算出される指標が小さくなるように、電力変換器から電動機に印加される駆動電圧の位相を調整する。

図１は、電動機におけるベクトル図の一例を示す概略図である。 図２は、図１の状態から誘起電圧ベクトルに対する駆動電圧ベクトルの位相が進んだある状態での、電動機におけるベクトル図を示す概略図である。 図３は、第１の実施形態に係る駆動装置及び駆動システムの一例を示す概略図である。 図４は、第１の実施形態に係る駆動装置によって行われる処理を示すフローチャートである。 図５は、第２の実施形態に係る駆動装置及び駆動システムの一例を示す概略図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
まず、電動機の駆動制御に関連するパラメータについて説明する。図１及び図２は、永久磁石を利用した電動機におけるベクトル図を示す。図１及び図２のそれぞれでは、電動機の回転子の磁束ベクトルΦ_Ｍが作用する方向をｄ軸とし、かつ、ｄ軸に対して直交する方向をｑ軸とする座標における、ベクトル図を示す。また、図１及び図２のそれぞれでは、磁束ベクトルΦ_Ｍに加えて、電力変換器（インバータ）から電動機に印加される駆動電圧ベクトルＶ、電動機の誘起電圧ベクトルＥ、及び、電動機を流れる電流ベクトルＩが、示される。

図１の状態では、誘起電圧ベクトルＥに対して駆動電圧ベクトルＶが同位相になる状態で、電動機に駆動電圧が印加されている。この場合、誘起電圧ベクトルＥに対する電動機を流れる電流ベクトルＩの位相差θは、位相差θａとなる。このため、電流ベクトルＩは、誘起電圧ベクトルＥに対して位相差θａ遅れる状態になる。

図２の状態では、誘起電圧ベクトルＥに対する駆動電圧ベクトルＶの位相δが位相δａ進んだ状態で、電動機に駆動電圧が印加されている。図２の状態では、図１の状態からの駆動電圧の位相シフト量は、位相δａになる。この場合、誘起電圧ベクトルＥに対して駆動電圧ベクトルＶが位相δａ進むことにより、電動機の電流ベクトルＩが誘起電圧ベクトルＥに対して同位相になる。したがって、誘起電圧ベクトルＥに対する電流ベクトルＩの位相差θは、ゼロになる。

ここで、表面磁石電動機等の電動機における出力トルクτ_Ｍは、電動機の極対数Ｐ、前述の電流Ｉ及び位相差θを用いて、式（１）のようになる。式（１）では、電動機の磁束Φ_Ｍ及び電動機に流れる電流Ｉは、スカラ量で示される。

出力トルクτ_Ｍが一定の場合は、式（１）から、電動機の高効率化のためには、cosθを最大化させて、電動機に流す電流Ｉを低下させればよい。この場合、図１の状態から図２の状態への変化と同様にして電動機への駆動電圧Ｖの位相をシフトする等、駆動電圧Ｖの位相を制御して、誘起電圧Ｅに対する電流Ｉの位相差θをゼロにする。

例えば、電動機の電流Ｉのみを指標とし、指標である電流Ｉが小さくなる状態に、駆動電圧Ｖの位相を調整する制御が行われるとする。電流Ｉを指標とする前述の制御では、出力トルクτ_Ｍが一定に拘束される場合、すなわち、出力トルクτ_Ｍを一定に維持する制御が行われる場合は、駆動電圧Ｖの位相の調整によって、容易に位相差θがゼロに収束され、cosθが１に収束される。

ただし、駆動システムの回路構成及び駆動制御における処理等を単純化させる観点等から、電動機の出力トルクτ_Ｍを一定に維持する制御等のトルク制御、及び、電動機の回転角速度（回転速度）ωを一定に維持する制御等の速度制御が行われないこともある。この場合、電流Ｉを指標とする前述の制御によって、指標である電流Ｉが小さくなる状態に駆動電圧Ｖの位相を調整しても、cosθの１への収束とは無関係に電流Ｉが低下される。このため、電動機の高効率化が達成されない。

そこで、電流Ｉの代わりに式（２）に示す指標εａを設定した制御が行われるとする。指標εａは、出力トルクτ_Ｍに対する電流Ｉの割合を示す。

式（２）において、電動機の極対数Ｐ及び電動機の磁束Φ_Ｍは、電動機固有の定数である。このため、指標εａは、位相差θのみが変数となる関数である。したがって、前述したトルク制御及び速度制御が行われない駆動制御でも、指標εａが小さくなる（最小化する）状態に、駆動電圧Ｖの位相を調整することにより、cosθが１に収束される。すなわち、トルク制御等がおこなわれないことにより出力トルクτ_Ｍが変化する場合でも、指標εａに基づく前述の制御によって、位相差θがゼロに収束される。したがって、出力トルクτ_Ｍが変化する条件下でも、電動機の高効率化が達成される。

ただし、式（２）等に示すように、電動機の出力トルクτ_Ｍは、電流Ｉ及び磁束Φ_Ｍを用いて算出されるパラメータであり、電動機の駆動システムの構成等によっては、出力トルクτ_Ｍを取得できない場合もある。この場合、前述の指標εａを設定できない。そこで、式（３）に示す電動機の運動方程式に着目する。式（３）では、電動機の慣性定数Ｍ、電動機の回転角速度ω、電動機の出力トルクτ_Ｍ及び電動機の負荷トルクτ_Ｌが示される。また、式（３）では、出力トルクτ_Ｍと負荷トルクτ_Ｌとのトルク偏差Δτが示される。

ここで、式（３）を、任意の制御周期Ｔｓにおける回転角速度ωの時間変化を示す式となるように、式（３）を区間［０，Ｔｓ］で時間積分等し、式（３）を式変形する。これにより、式（４）が得られる。式（４）では、制御周期Ｔｓの間の回転角速度ωの速度偏差Δωが示される。また、式（２）で示す指標εａの出力トルクτ_Ｍを回転角速度ωに置換した指標εを、式（５）に示す。

式（４）において、制御周期Ｔｓ及び慣性定数Ｍは定数である。このため、速度偏差Δωはトルク偏差Δτに対して比例する。このため、式（５）で示す指標εは、式（２）で示す指標εａと等価な指標として扱うことができる。したがって、式（５）の指標εを用いても、指標εａに基づく前述の駆動制御と同様の制御を行うことができる。このため、指標εａに基づく前述の駆動制御と同様に、トルク制御及び速度制御が行われない駆動制御でも、指標εが小さくなる（最小化する）状態に、駆動電圧Ｖの位相を調整することにより、cosθが１に収束される。すなわち、指標εに基づく制御によって、出力トルクτ_Ｍが変化する条件下でも、電動機の高効率化が達成される。

以下、前述の指標εに基づく制御を行う駆動装置、及び、その駆動装置及び電動機を備える駆動システムについて説明する。図３は、本実施形態に係る駆動装置及び駆動システムの一例を示す。駆動システムは、電動機４及び電動機４の駆動装置を備える。図３の一例では、電動機４は、三相同期電動機である。

駆動装置は、電力変換器１を備える。図３の一例では、電力変換器１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）２等のスイッチング素子を６個備える。電力変換器１では、６個のＩＧＢＴ２を三相ブリッジ接続することにより、いわゆるインバータ回路が構成される。ＩＧＢＴ２のそれぞれでは、コレクタとエミッタとの間に、還流ダイオード３が接続される。還流ダイオード３のそれぞれは、ＩＧＢＴ２の対応する１つに対して並列に接続される。電力変換器１には、駆動用電源である直流電源Ｖｄｃから、直流電力が供給される。電力変換器１の３つの出力端子（三相出力端子）のそれぞれは、電動機４の３つの固定子巻線（三相固定子巻線）の対応する１つに、接続される。

また、駆動装置は、回転速度演算部７、電圧制御部８、位相調整部９及びピーク値検出部１０を備える。ある一例では、回転速度演算部７、電圧制御部８、位相調整部９及びピーク値検出部１０は、マイコン等に搭載される集積回路（integrated circuit）１２に実装される。この場合、集積回路１２は、プロセッサ及び記憶媒体等を備え、プロセッサは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を含む。プロセッサを含む集積回路１２は、記憶媒体等に記憶されるプログラム等を実行することにより、後述する処理を行う。また、後述するように、実施形態に係る駆動装置を、回転速度演算部７、電圧制御部８、位相調整部９及びピーク値検出部１０により例えば集積回路１２として構成し、電力変換器１、回転子位置検出部５、電流検出部６及び運転指令設定部１１を備えないようにすることも可能である。この場合、駆動システムを、電力変換器１、電動機４、回転子位置検出部５、電流検出部６、運転指令設定部１１、及び、駆動装置として構成することができ、駆動装置は、回転速度演算部７、電圧制御部８、位相調整部９及びピーク値検出部１０を備える。

電圧制御部８は、電力変換器１への指令を伝達することにより、電力変換器１から電動機４に交流電力を供給させる。この際、電力変換器１は、電圧制御部８からの指令によって、直流電源Ｖｄｃから入力された電力を、任意の電圧及び周波数の三相交流電力に変換する。そして、電力変換器１は、変換した三相交流電力を電動機４に供給する。これにより、例えば疑似正弦波状の三相交流電圧が電力変換器１から出力され、出力された三相交流電圧が、駆動電圧Ｖとして電動機４に印加される。電動機４に駆動電圧Ｖが印加されることにより、電動機４は回転する。電圧制御部８は、電力変換器１の作動を制御することにより、駆動電圧Ｖを制御し、電動機４の回転を制御する。

電圧制御部８は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ２のオン／オフのタイミングに関する指令を生成する。この際、電圧制御部８は、ＩＧＢＴ２のオン／オフのタイミングを制御するパルス信号のパターンを生成する。ＩＧＢＴ２のオン／オフのタイミングを制御するパルス信号としては、例えば、三相ＰＷＭ（pulse width modulation）信号等が挙げられる。電圧制御部８は、生成したパルス信号のパターンに基づいて、ＩＧＢＴ２のオン／オフのタイミングを制御し、電動機４に印加される駆動電圧Ｖを制御する。また、電圧制御部８で生成されるパルス信号のデューティ比Ｄ、すなわち、ＩＧＢＴ２のオン／オフのタイミングに関する指令のデューティ比Ｄが変化することにより、ＩＧＢＴ２のオン／オフのタイミングが変化する。

また、駆動装置は、電流検出部６を備える。電流検出部６は、電動機４に流れる電流を検出する。電流検出部６は、電動機４の１相以上について電流Ｉを検出する。電流検出部６は、シャント抵抗又は電流センサ等を備える。電流検出部６がシャント抵抗を備える例としては、電力変換器１の負側（グランド側）の電源線の１カ所にシャント抵抗を配置した１シャント方式が挙げられる。また、電力変換器１において負側（グランド側）の３つのＩＧＢＴ２のそれぞれのエミッタと負側の電源線との間にシャント抵抗を配置することにより、３カ所にシャント抵抗が配置される３シャント方式を採用してもよい。

また、駆動装置は、回転子位置検出部５を備える。回転子位置検出部５は、電動機４の回転子の位置（回転位置）を検出する。ある一例では、回転子位置検出部５は、電動機４に取り付けられるロータリーエンコーダ又はホールセンサ等を備え、ロータリーエンコーダ又はホールセンサ等の出力から、回転子の位置を検出する。回転子の位置を検出することにより、電動機４において発生する三相の誘起電圧Ｅの位相が検出される。このため、回転子位置検出部５は、電動機４の誘起電圧Ｅの位相に同期するロータリーエンコーダ又はホールセンサ等の出力信号を検出する。また、回転子の位置に関する情報は、回転子位置検出部５から電圧制御部８に伝達される。電圧制御部８は、回転子の位置に関する情報に基づいて、前述したパルス信号を生成等し、電力変換器１の作動を制御する。

なお、回転子位置検出部５は、センサが設けられないいわゆるセンサレス方式を採用してもよい。ある一例では、回転子位置検出部５は、電動機４の誘起電圧Ｅを直接的に検出し、誘起電圧Ｅの位相等に基づいて回転子の位置を検出する。また、別のある一例では、回転子位置検出部５は、電流検出部６から電動機４を流れる電流Ｉに関する情報を取得する。そして、電流Ｉ等の電動機４の運転状態及び固定定数等を用いて、回転子位置検出部５は、回転子の位置を推定する。また、回転子位置検出部５がセンサレス方式を採用する場合、回転子位置検出部５は、回転速度演算部７、電圧制御部８、位相調整部９及びピーク値検出部１０と一緒に集積回路１２に実装されてもよい。

また、駆動システムには、運転指令設定部１１を備える。運転指令設定部１１は、例えばユーザーインターフェースを備え、ユーザー等によって電動機４の運転に関する指令が設定される。運転指令設定部１１で設定された指令は、電圧制御部８に伝達される。ある一例では、前述したパルス信号のデューティ比Ｄが、運転指令設定部１１で設定され、設定されたデューティ比Ｄが電圧制御部８に伝達される。電圧制御部８は、設定されたデューティ比Ｄで、前述したパルス信号を生成する。運転指令設定部１１に設けられるユーザーインターフェースとしては、タッチパネル、操作ボタン又はリモコン等が挙げられる。

パラメータ設定部として設けられる回転速度演算部７には、回転子位置検出部５で検出された電動機４の回転子の位置に関する情報が、伝達される。回転速度演算部７は、回転子の位置に関する情報から、電動機４の回転子の回転角速度（回転速度）ωを、電動機４の速度情報として算出・推定演算等し設定する。

また、電流検出部６は、Ａ／Ｄ変換器を備え、検出した電流Ｉに関するアナログ信号をＡ／Ｄ変換器によって、デジタル信号に変換する。そして、電流検出部６は、電動機４に流れる電流Ｉに関する情報を示すデジタル信号を、ピーク値検出部１０に伝達する。

ピーク値検出部１０は、ピークホールド回路を備える。ピーク値検出部１０は、電流Ｉに関する情報から、電流（交流）Ｉが正から負に切替わるゼロクロス、又は、電流Ｉが負から正に切替わるゼロクロスを検出する。そして、ピーク値検出部１０は、検出したゼロクロスに基づいて、電流Ｉの１周期の開始及び終了を識別する。ピーク値検出部１０は、１周期における電流Ｉのピーク値Ｉｐを検出する。ピーク値検出部１０は、１周期ごとに、ピーク値Ｉｐを検出する。

位相調整部９には、回転速度演算部７で算出された回転角速度ω、及び、ピーク値検出部１０で検出された電流Ｉのピーク値Ｉｐが、伝達される。位相調整部９は、回転角速度ω及びピーク値Ｉｐに基づいて、電動機４に印加される駆動電圧Ｖの位相を調整する。そして、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相の調整結果を電圧制御部８に伝達し、電圧制御部８は、位相調整部９での調整結果に基づいて、駆動電圧Ｖの位相を制御する。駆動電圧Ｖの位相が制御されることにより、図１及び図２等を用いて前述したように、誘起電圧Ｅに対する電流Ｉの位相差θが制御される。

ある一例では、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの現時点からの位相シフト量に関する指令を、電圧制御部８に伝達する。そして、電圧制御部８は、位相シフト量に関する指令に基づいて、前述したパルス信号の位相の補正等を行い、駆動電圧Ｖの位相を制御する。また、本実施形態では、位相調整部９は、回転角速度ωに対する電流Ｉのピーク値Ｉｐの割合を、指標εとして設定する。そして、位相調整部９は、指標εが小さくなる状態に（最小化される状態に）、駆動電圧Ｖの位相を調整する。ここで、指標εは、前述した式（５）の指標εと同様の指標である。そして、指標εは、回転角速度ω等の電動機４の速度情報、及び、電流Ｉを用いて算出される指標である。

図４は、位相調整部９を含む駆動装置によって行われる処理を示すフローチャートである。図４に示す処理は、電動機４が駆動している状態では、継続して行われる。図４に示すように、位相調整部９は、電流検出部６及びピーク値検出部１０での検出結果等に基づいて、電動機４に流れる電流（交流）Ｉのピーク値Ｉｐを取得する処理を行う（Ｓ４１）。また、位相調整部９は、回転速度演算部７での演算結果等に基づいて、電動機４の回転角速度（回転速度）ωを取得する処理を行う（Ｓ４２）。また、位相調整部９は、ピーク値検出部１０等での電流Ｉの１周期の開始及び終了の識別結果等に基づいて、電流（交流）Ｉが次の周期に切替わったか否かを判断する（Ｓ４３）。すなわち、Ｓ４３では、電流Ｉの１周期が終了したか否かが、判断される。

電流Ｉが次の周期に切替わっていない場合は（Ｓ４３−Ｎｏ）、処理はＳ４４に進むことなく待機し、Ｓ４１〜Ｓ４３の処理を継続する。Ｓ４１〜Ｓ４３の処理によって、電流Ｉの１周期ごとに１回、位相調整部９は、電流Ｉのピーク値Ｉｐ及び電動機４の回転角速度ωを取得する。電流Ｉが次の周期に切替わっている場合は（Ｓ４３−Ｙｅｓ）、処理はＳ４４に進み、Ｓ４４以降の処理が順次に行われる。Ｓ４４以降の処理は、電流Ｉの周期が切替わるたびに行われ、電流Ｉの１周期ごとに行われる。

そして、位相調整部９は、ピーク値Ｉｐ及び回転角速度ωから前述の指標εを算出するとともに、指標εの積算値γａを算出する（Ｓ４４）。ここで、積算値γａは、後述するＳ４７ｆ又はＳ４９ｆの処理によって、電流Ｉのα_ｒｅｆ周期ごとにゼロにリセットされる。ここで、α_ｒｅｆは、２以上の自然数である。したがって、電流Ｉの複数周期ごとに、積算値γａがゼロにリセットされる。また、ｎ周期目の積算値γａ_（ｎ）は、式（６）のようなる。式（６）では、ｎ周期目に取得したピーク値Ｉｐ及び回転角速度ω、ｎ周期目の指標ε_（ｎ）及び、（ｎ−１）周期目の積算値γａ_{（ｎ−１）}が示される。

そして、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相調整の状況がいずれのＳｔａｇｅであるかを判断する（Ｓ１０５）。Ｓｔａｇｅは、例えば０、１、２、３の４つの状態を含む。初回のＳ１０５の判定では、Ｓｔａｇｅは例えば０であると判断される。位相調整の状況を示すＳｔａｇｅが０の場合は（Ｓ１０５−Ｓｔａｇｅ＝０）、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相を所定の位相シフト量進める（Ｓ４６ａ）。そして、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相調整の状況を示すＳｔａｇｅを１に設定する（Ｓ４６ｂ）。また、位相調整部９は、カウント値αを１加算する（Ｓ４６ｃ）。なお、カウント値αは、後述するＳ４７ｂ又はＳ４９ｂの処理による積算値γａを用いた前回の比較から電流Ｉの何周期分経過したかを、示す。そして、カウント値αは、後述するＳ４７ｆ又Ｓ４９ｆの処理によって、電流Ｉのα_ｒｅｆ周期ごとにゼロにリセットされ、積算値γａがゼロにリセットされた周期と同一の周期において、ゼロにリセットされる。そして、処理はＳ４１に戻り、Ｓ４１以降の処理が順次に行われる。

位相調整の状況を示すＳｔａｇｅが１の場合は（Ｓ１０５−Ｓｔａｇｅ＝１）、位相調整部９は、カウント値αが基準値α_ｒｅｆ以上であるか否かを判断する（Ｓ４７ａ）。基準値α_ｒｅｆは、後述するＳ４７ｆ又Ｓ４９ｆの処理によって積算値γａが何周期ごとにゼロにリセットされるかを示す値に、相当する。そして、基準値α_ｒｅｆは、後述するＳ４７ｂ又はＳ４９ｂの処理による積算値γａを用いた比較が何周期ごとに行われるかを示す値に、相当する。このため、Ｓ４７ａでは、後述するＳ４７ｂ又はＳ４９ｂの処理による積算値γａを用いた前回の比較から電流Ｉのα_ｒｅｆ周期以上経過したか否かが、判断される。カウント値αが基準値α_ｒｅｆより小さい場合は（Ｓ４７ａ−Ｎｏ）、位相調整部９は、カウント値αを１加算する（Ｓ４７ｇ）。また、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相調整の状況を示すＳｔａｇｅを１で維持する。そして、処理はＳ４１に戻り、Ｓ４１以降の処理が順次に行われる。

一方、カウント値αが基準値α_ｒｅｆ以上の場合（Ｓ４７ａ−Ｙｅｓ）、すなわち、積算値γａを用いた前回の比較から電流Ｉのα_ｒｅｆ周期以上経過している場合は、位相調整部９は、積算値γａを積算値γｂと比較する（Ｓ４７ｂ）。ここで、Ｓ４７ｂ等の比較段階では、積算値γａは、Ｓ４７ｂ又は後述するＳ４９ｂの処理による前回の比較から今回の比較までの指標εの積算値に相当する。また、積算値γｂは、Ｓ４７ｂ又は後述するＳ４９ｂの処理による前々回の比較から前回の比較までの指標εの積算値に相当する。したがって、積算値γｂは、前回の比較において積算値γａとして用いられた値に相当する。そして、位相調整部９は、Ｓ４７ｂでの積算値γａ，γｂの比較の結果、今回の積算値γａが前回の積算値γｂより小さいか否かを判断する（Ｓ４７ｃ）。

積算値γａが積算値γｂより小さい場合は（Ｓ４７ｃ−Ｙｅｓ）、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相調整の状況を示すＳｔａｇｅを０に設定する（Ｓ４７ｄ）。一方、積算値γａが積算値γｂ以上場合は（Ｓ４７ｃ−Ｎｏ）、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相調整の状況を示すＳｔａｇｅを２に設定する（Ｓ４７ｅ）。そして、Ｓ４７ｄ又はＳ４７ｅの処理を行うと、位相調整部９は、カウント値α及び積算値γａをゼロにリセットするとともに、Ｓ４７ｂでの比較において今回の積算値γａとして用いられた値に積算値γｂを更新する（Ｓ４７ｆ）。したがって、Ｓ４７ｂでの積算値γａ，γｂの比較が行われると、比較が行われた周期と同一の周期において、Ｓ４７ｆの処理によって、カウント値α及び積算値γａがゼロにリセットされ、積算値γｂがＳ４７ｂで積算値γａとして用いられた値に更新される。そして、処理はＳ４１に戻り、Ｓ４１以降の処理が順次に行われる。

位相調整の状況を示すＳｔａｇｅが２の場合は（Ｓ１０５−Ｓｔａｇｅ＝２）、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相を所定の位相シフト量遅らせる（Ｓ４８ａ）。そして、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相調整の状況を示すＳｔａｇｅを３に設定する（Ｓ４８ｂ）。また、位相調整部９は、カウント値αを１加算する（Ｓ４８ｃ）。そして、処理はＳ４１に戻り、Ｓ４１以降の処理が順次に行われる。

位相調整の状況を示すＳｔａｇｅが３の場合は（Ｓ１０５−Ｓｔａｇｅ＝３）、位相調整部９は、カウント値αが基準値α_ｒｅｆ以上であるか否かを判断する（Ｓ４９ａ）。カウント値αが基準値α_ｒｅｆより小さい場合は（Ｓ４９ａ−Ｎｏ）、位相調整部９は、カウント値αを１加算する（Ｓ４９ｇ）。また、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相調整の状況を示すＳｔａｇｅを３で維持する。そして、処理はＳ４１に戻り、Ｓ４１以降の処理が順次に行われる。

一方、カウント値αが基準値α_ｒｅｆ以上の場合（Ｓ４９ａ−Ｙｅｓ）、すなわち、積算値γａを用いた前回の比較から電流Ｉのα_ｒｅｆ周期以上経過している場合は、位相調整部９は、Ｓ４７の処理と同様に、積算値γａを積算値γｂと比較する（Ｓ４９ｂ）。そして、位相調整部９は、Ｓ４９ｂでの積算値γａ，γｂの比較の結果、今回の積算値γａが前回の積算値γｂより小さいか否かを判断する（Ｓ４９ｃ）。

積算値γａが積算値γｂより小さい場合は（Ｓ４９ｃ−Ｙｅｓ）、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相調整の状況を示すＳｔａｇｅを２に設定する（Ｓ４９ｄ）。一方、積算値γａが積算値γｂ以上場合は（Ｓ４９ｃ−Ｎｏ）、位相調整部９は、駆動電圧Ｖの位相調整の状況を示すＳｔａｇｅを０に設定する（Ｓ４９ｅ）。そして、Ｓ４９ｄ又はＳ４９ｅの処理を行うと、位相調整部９は、カウント値α及び積算値γａをゼロにリセットするとともに、Ｓ４９ｂでの比較において今回の積算値γａとして用いられた値に積算値γｂを更新する（Ｓ４９ｆ）。したがって、Ｓ４９ｂでの積算値γａ，γｂの比較が行われると、比較が行われた周期と同一の周期において、Ｓ４９ｆの処理によって、カウント値α及び積算値γａがゼロにリセットされ、積算値γｂがＳ４９ｂで積算値γａとして用いられた値に更新される。そして、処理はＳ４１に戻り、Ｓ４１以降の処理が順次に行われる。

本実施形態では、前述のような処理が行われる。このため、駆動電圧Ｖの位相を進めた結果、前回の積算値γｂに比べて今回の積算値γａが小さくなると、駆動電圧Ｖの位相を進める処理が継続される。一方、駆動電圧Ｖの位相を進めた結果、今回の積算値γａが前回の積算値γｂ以上になると、駆動電圧Ｖの位相を遅らせる処理に切替えられる。また、駆動電圧Ｖの位相を遅らせた結果、前回の積算値γｂに比べて今回の積算値γａが小さくなると、駆動電圧Ｖの位相を遅らせる処理が継続される。一方、駆動電圧Ｖの位相を遅らせた結果、今回の積算値γａが前回の積算値γｂ以上になると、駆動電圧Ｖの位相を進める処理に切替えられる。したがって、本実施形態では、電流Ｉのα_ｒｅｆ周期分の指標εの積算値γａが小さくなる（最小化する）状態に、駆動電圧Ｖの位相が調整され、指標εが小さくなる状態に、駆動電圧Ｖの位相が調整される。

本実施形態では、前述のように指標εが小さくなる（最小化する）状態に駆動電圧Ｖの位相を調整する制御が適切に行われるため、誘起電圧Ｅに対する電流Ｉの位相差θがゼロに適切に収束され、ｃｏｓθが１に適切に収束される。したがって、前述の処理が行われることにより、トルク制御及び速度制御が行われない条件下、すなわち、出力トルクτ_Ｍが変化する条件下でも、電動機４の高効率化が達成される。

また、本実施形態では、電流Ｉのα_ｒｅｆ周期分の指標εの積算値γａを取得し、積算値γａを前回の積算値γｂに対して比較する。したがって、積算値γａを用いた比較は、電流Ｉのα_ｒｅｆ周期ごとに行われる。このため、実機動作における安定性が確保される。

また、本実施形態では、指標εは、回転角速度（回転速度）ωに対する電流Ｉのピーク値Ｉｐの割合であり、電動機４の出力トルクτ_Ｍを用いることなく算出される。このため、前述の処理が行われることにより、出力トルクτ_Ｍが取得できない場合でも、電動機４の高効率化が達成される。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る駆動装置及び駆動システムの一例を示す。第２の実施形態の駆動システムは、第１の実施形態の駆動システムと基本的には同様である。ただし、本実施形態では、運転指令設定部１１で設定されたデューティ比Ｄに関する情報が、電圧制御部８に加えて位相調整部９に、伝達される。

また、本実施形態では、指標εの代わりに式（７）に示す指標εｂが算出される。式（７）に示すように、指標εｂは、回転角速度（回転速度）ωに対する電流Ｉのピーク値Ｉｐの割合を算出し、ＩＧＢＴ（スイッチング素子）２のオン／オフのタイミングに関する指令のデューティ比Ｄを算出した割合に乗算した値である。

本実施形態でも、第１の実施形態と基本的には同様の処理が行われ、図４の処理と基本的には同様の処理が行われる。ただし、本実施形態では、Ｓ４４において、指標εｂが算出される。また、指標εの積算値γａと同様に、指標εｂの積算値γｃが算出される。そして、積算値γｂと同様に、積算値γｄが定義される。そして、本実施形態でも、指標εの積算値γａ，γｂの比較と同様にして、指標εｂの積算値γｃ，γｄが比較される。そして、指標εｂの積算値γｃ，γｄの比較結果に基づいて、第１の実施形態と同様にして、駆動電圧Ｖの位相が調整される。このため、本実施形態でも、電流Ｉのα_ｒｅｆ周期分の指標εｂの積算値γｃが小さくなる（最小化する）状態に、駆動電圧Ｖの位相が調整され、指標εｂが小さくなる状態に、駆動電圧Ｖの位相が調整される。

本実施形態でも、電動機４の回転角速度（回転速度）ω等の電動機４の速度情報、及び、電動機４に流れる電流Ｉを用いて指標εｂが算出される。そして、指標εｂが小さくなる状態に、駆動電圧Ｖの位相が調整される。したがって、本実施形態でも、第１の実施形態等と同様にして、電動機４の高効率化が達成される。

また、本実施形態では、指標εｂとして、回転角速度ωに対する電流Ｉの割合にデューティ比Ｄを乗算したパラメータが、用いられる。このため、電動機４の負荷トルクτ_Ｌに対応させてデューティ比Ｄを適宜変更した場合でも、指標εｂが小さくなる状態に駆動電圧Ｖの位相を調整することにより、電動機４の高効率化が適切に実現される。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に示す駆動装置及び駆動システムでは、回転速度演算部７の代わりに、速度逆数演算部がパラメータ設定部として設けられる。速度逆数演算部は、回転角速度（回転速度）ωの逆数である時間相当のパラメータを、電動機４の速度情報として算出・推定演算等して設定する。本実施形態では、速度逆数演算部は、カウント値Ｎを、回転角速度ωの逆数である時間相当のパラメータとして、算出・推定演算等して設定する。

ここで、回転角速度ωの逆数は、電動機４の回転子が任意の区間の移動に要する経過時間に相当する。前述の集積回路１２を備えるマイコン等では、この経過時間を測定において、固定の制御処理間隔Ｔａにカウント値Ｎを乗算して、経過時間を示すことが一般的である。したがって、速度逆数演算部で算出されるカウント値Ｎは、回転角速度ω及び制御処理間隔Ｔａを用いて、式（８）のように示される。

したがって、第１の実施形態等で用いられる指標ε、すなわち、回転角速度ωに対する電流Ｉの割合は、式（９）のように式変形できる。

したがって、第１の実施形態等で用いられる指標εは、回転角速度ωの代わりに、カウント値Ｎを用いて算出可能である。本実施形態では、位相調整部９は、回転角速度ωの代わりに、回転角速度ωの逆数である時間相当のパラメータとして、カウント値Ｎを取得し、カウント値Ｎ及び電流Ｉを用いて、指標εを算出する。そして、本実施形態では、電流Ｉにカウント値Ｎを乗算した値を用いて、指標εが算出される。

本実施形態では、前述のようにして指標εが算出されるため、除算を行うことなく指標εが算出される。一般的に、除算では、加算、減算及び乗算等に比べて、演算処理が多く、演算回路の構成等が複雑になる。本実施形態では、指標εの算出に除算が行われないため、駆動装置における演算処理を少なくすることが可能になり、演算回路の構成等を単純化することが可能になる。

（変形例）
なお、前述の実施形態等では、電力変換器１から電動機４に三相交流電力が供給されるが、前述の駆動制御は、一相の交流電力が電動機４に供給される場合、及び、二相の交流電力が供給される場合も、適用可能である。
また、前述の実施形態等では、駆動装置が電力変換器１、回転子位置検出部５、電流検出部６及び運転指令設定部１１を備えるものを対象として説明したが、駆動装置はこれらの電力変換器１、回転子位置検出部５、電流検出部６及び運転指令設定部１１を備えない形態とすることも可能である。
この場合、駆動装置を構成するパラメータ設定部（例えば回転速度演算部７）は、駆動装置の外部に設けられた回転子位置検出部５等から回転子の位置に関する情報が入力可能に、構成される。同様に、駆動装置を構成する電圧制御部８は、駆動装置の外部に設けられた回転子位置検出部５等の検出した回転子の位置に関する情報に基づいて駆動装置の外部に設けられた電力変換器１の動作を制御可能に、構成される。さらに電圧制御部８を、駆動装置の外部に設けられた運転指令設定部１１等からの運転に関する指令を入力可能に、構成してもよい。また、この場合の駆動装置は、ピーク値検出部１０等が備えられることにより、駆動装置の外部に設けられた電流検出部６等から電動機４に流れる電流I（電流I自体及び電流Iに関する情報を含む）を入力可能に、構成される。

これらの少なくとも一つの実施形態又は実施例によれば、位相調整部は、電流及び速度情報を用いて算出される指標を設定し、指標が小さくなる状態に駆動電圧の位相を調整する。これにより、例えば電動機のトルク制御及び速度制御が行われない場合も含め、電動機の高効率化を比較的簡単な処理で実現する駆動装置を提供できる。速度情報は、一例として、回転角速度ωおよび回転角速度ωの逆数（カウント値Ｎなど）を含む。

また、これら少なくとも一つの実施形態又は実施例によれば、駆動電圧の位相の調整において、電流及び速度情報を用いて算出される指標を設定し、指標が小さくなる状態に駆動電圧の位相を調整する。これにより、例えば電動機のトルク制御及び速度制御が行われない場合を含め、比較的簡単な処理で電動機の高効率化を実現する電動機の駆動方法を提供できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…電力変換器、４…電動機、５回転子位置検出部、６…電流検出部、７…回転速度演算部、８…電圧制御部、９…位相調整部、１０…ピーク値検出部、１１…運転指令設定部、１２…集積回路。

Claims (7)

1. 入力された電力を任意の電圧及び周波数の交流電力に変換して電動機に供給する電力変換器の作動を制御することにより、前記電力変換器から前記電動機に駆動電圧を印加させる電圧制御部と、
   前記電動機の回転速度及び前記回転速度に関連するパラメータのいずれか１つ以上を速度情報として設定するパラメータ設定部と、
   前記電動機に流れる電流、及び、前記パラメータ設定部で設定された前記速度情報に基づいて算出される指標が小さくなるように、前記電圧制御部により前記電動機に印加される前記駆動電圧の位相を調整する位相調整部と、
   を具備する駆動装置。
2. 前記パラメータ設定部は、前記速度情報として、前記電動機の前記回転速度を算出し、
   前記位相調整部は、前記回転速度に対する前記電流の割合を、前記指標として設定する、
   請求項１の駆動装置。
3. 前記電力変換器は、スイッチング素子を備え、
   前記電圧制御部は、前記電力変換器の前記スイッチング素子のオン／オフのタイミングを制御することにより、前記電動機に印加される前記駆動電圧を制御し、
   前記パラメータ設定部は、前記速度情報として、前記電動機の前記回転速度を算出し、
   前記位相調整部は、前記回転速度に対する前記電流の割合に、前記スイッチング素子のオン／オフのタイミングに関する指令のデューティ比を乗算した値を、前記指標として設定する、
   請求項１の駆動装置。
4. 前記パラメータ設定部は、前記速度情報として、前記回転速度の逆数である時間相当のパラメータを算出し、
   前記位相調整部は、前記時間相当のパラメータに前記電流を乗算した値を用いて、前記指標を設定する、
   請求項１の駆動装置。
5. 前記電圧制御部、前記パラメータ設定部、及び、前記位相調整部が実装された集積回路を具備する、請求項１乃至４のいずれか１項の駆動装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項の駆動装置と、
   前記電力変換器と、
   前記電力変換器から前記駆動電圧が印加される電動機と、
   を具備する駆動システム。
7. 入力された電力を電力変換器によって任意の電圧及び周波数の交流電力に変換し、変換した前記交流電力を電動機に供給することと、
   前記電動機に流れる電流を検出することと、
   前記電動機の回転速度及び前記回転速度に関連するパラメータのいずれか１つ以上を速度情報として設定することと、
   検出された前記電流、及び、設定された前記速度情報に基づいて算出される指標が小さくなるように、前記電力変換器から前記電動機に印加される駆動電圧の位相を調整することと、
   を具備する電動機の駆動方法。