JP4467520B2 - 弱め磁束領域を拡張するための永久磁石同期モータの駆動装置及び駆動方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

（技術分野）
本発明は、位置センサや電流センサを用いない広角（すなわち１２０度より大きく１８０度より小さい導通角）通電駆動の弱め磁束領域を拡張可能な永久磁石同期モータ（すなわち、表面磁石モータまたは埋込磁石モータ）の駆動技術に関する。

（背景技術）
電流センサ及び位置センサを用いずに逆起電圧を検出することによる表面磁石モータまたは埋込磁石モータの１２０度導通パルス幅変調（ＰＷＭ）駆動の開発についてよく報告されている（「センサレスブラシレスモータのマイコン制御(”Microcomputer control for sensorless brushless motor”, K.Iizuka, H.Uzuhashi, M.Kano, T.Endo and T.Mohri, IEEE transactions on Industry Applications, Vol. IA-21, No.4, May/June 1985, pp 595-691)」イイヅカ、ウズハシ、カノ、エンドウ、モウリ）。典型的なインバータの構成を図１に示す。インバータは、ＳＰＭまたはＩＰＭ同期モータの誘導された逆起電圧を検出するために三相端子のそれぞれについてＲ１とＲ２からなる分圧抵抗を備える。Ｒ１とＲ２からなる分圧抵抗の値は、モータの逆起電圧が、アナログ及びデジタル回路またはマイクロコントローラのＡ／Ｄポートに応じた適当な電圧レベルになるように選択される。

第１の方法に関して、従来の１２０度通電駆動について３相に対するＰＷＭベースドライブ波形及び三相端子Ｕ、Ｖ、Ｗでの逆起電圧波形を図２に示す。上側トランジスタＴ₁，Ｔ₃，Ｔ₅はＰＷＭモードにおいてデューティδでオン・オフし、下側トランジスタＴ₂，Ｔ₄，Ｔ₆は１２０度導通期間の間、完全にオンする。

第２の方法において、典型的な３相ＰＷＭベースドライブ波形と３相端子における誘導された逆起電圧波形の別の波形の組を図３に示す。図３では、１２０度通電期間において、上側トランジスタＴ₁、Ｔ₃、Ｔ₅と下側トランジスタＴ₂、Ｔ₄、Ｔ₆の双方は、最初の６０度の間完全にオンし、その後、次の６０度の間のＰＷＭモードにおいてデューティδでオン、オフする。図２、３に示すように、特定の相の電流ゼロクロス期間の間、対応する誘導逆起電圧波形は中心がＥ／２となる台形波である。Ｅは主電源電圧である。中心線Ｅ／２は、誘導された逆起電圧のゼロクロスを示す。

この制御技術では、６０度毎に３相の逆起電圧のゼロクロスを検出し、新しい相の通電を開始する前の速度に対応する遅延（Ｄ）を事前に算出し、実質的に与える。３相の誘導逆起電圧からゼロクロスを検出することは、簡単なアナログ及びデジタル回路によるハードウェアで実現できる。これを図４に示す。検出されたゼロクロス信号は、モータを制御するマイコンの１つのチャンネルのＡ／Ｄポートに入力として与えられる。

一方、３相分の誘導された逆起電圧は、マイコンの３つのチャンネルのＡ／Ｄポートに入力として与えられる。それらは、モータを制御するマイコン内部のソフトウェアによりゼロクロス検出信号を順次生成する。これを図５に示す。図６に閉ループ制御のブロック図を示す。ＰＷＭキャリア周波数の１サイクルに対応する回転子位置の増分Δθは、マイコン内部で、誘電逆起電圧の２つの連続したゼロクロスの間のＰＷＭ割り込みの合計数で６０度を分割することにより推定される。速度ωはΔθから推定される。推定された速度ωは最初にローパスフィルタ（ＬＰＦ）を通され、その後、基準速度ω^*と比較される。ω^*とωの誤差はＰＩ（Proportional and Integral）制御器で処理され、ＰＷＭオンデューティδを生成する。

近年、電流センサや位置センサを用いず誘導された逆起電圧を検出する広角の１５０度通電駆動が提案されている（特開２００２−０７８３７３号公報、特開２００２−３５９９９１号公報）。モータは１２０度通電駆動で起動され、速度がω₁とω₂の間にある間、３相に対する１２０度ＰＷＭベースドライブ波形が左方向に３０度だけ拡張され、これにより図７、８に示すように広角１５０度通電駆動になる。図７、８はまた広角１５０度通電駆動に対する３相端子Ｕ、Ｖ、Ｗでの誘導された逆起電圧を示している。１２０度通電駆動から１５０度通電駆動へ切り替わる間、ＰＷＭデューティδは常に９５％より小さい。

広角１５０度通電駆動について、駆動システムの低振動、効率的な動作を実現するベースドライブ波形の別の変調方法が提案されている。ベースドライブ波形の変調は、誘導された逆起電圧の完全なゼロクロス検出を保証する。そのような１つの変調方法においては、図９に示すように、最初の３０度のオン期間（δ）においてｋ％だけ増加し、最後の３０度のオン期間ではｋ％だけ減少させる（「埋め込み磁石型モータの新規なセンサレス制御」(”A novel sensorless control drive for an interior permanent magnet motor", S.Saha, T.Tazawa, T.Iijima, K.Narazaki, H.Murakami and Y.Honda:, in IEEE-IECON conference at Denever, USA, Nov. 2001, pp 1655-1660”)、サハ、タザワ、イイジマ、ナラザキ、ムラカミ、ホンダ）。ｋの値は、モータが速度ω₁とω₂の間で１２０度導通角から１５０度導通角に変化するにつれて、０％からｋ₁％まで増加する。１５０度導通角モードにおいては、ｋの値はモータの速度ωにしたがいｋ₁％から０％へ線形に減少する。

（発明の開示）
（発明が解決しようとする課題）
１２０度通電駆動に対する、広角な１５０度通電駆動の主な利点は、弱め磁束領域を拡張できることである。これを図１０に示す。これは、位置センサレス１２０度通電駆動において装置の有効な導通角が完全には利用されないため、非常に低速で飽和した磁束状態を招くためである。図１１に、ＰＷＭベースドライブ変調を用いた広角な１５０度通電駆動の閉ループブロック図を示す。最大効率で動作させるために、広角１５０度通電駆動に対する本発明の制御技術は、逆起電圧Ｅ／２のゼロクロスの検出、及び逆起電圧ゼロクロスの瞬間と次の適切な位相のオンとの間の適切な遅延角（Ｄ）を必要とする１２０度通電駆動と類似している。このため、１５０度通電駆動の本センサレス制御技術により、基本相電圧と相磁気逆起電圧との間の負荷角εは常に間接的に固定される。そのため、弱め磁束領域をさらに拡張することは不可能である。

本発明は、位置センサ及び電流センサを用いない広角通電駆動の弱め磁束領域を拡張可能な永久磁石同期モータの駆動方法を提供することを目的とする。

（その解決方法）
表面磁石モータ（ＳＰＭ）または埋込磁石モータ（ＩＰＭ）に対する位置センサ及び電流センサを用いない広角１５０度通電駆動の弱め磁束領域は、１５０度広角通電駆動の制御方法をモータの逆起電圧を検出する閉ループからモータの逆起電圧を検出しない強制的な駆動技術による開ループに変更すれば、拡張することができる。これにより、広角の位置センサ及び電流センサを用いない１５０度通電駆動のスピードとトルクの限界は、その強制的な駆動技術により拡張される。

強制駆動技術は逆起電圧を検出する必要がなく、このため、１５０度通電駆動におけるような電流ゼロクロス期間は必要とされない。よって、三相インバータにおいて逆ダイオードが導通を開始し、強制駆動モードにおいて１８０度位相電流導通を実現する。これが、弱め磁束領域が拡張される第１の基本的な理由である。強制ドライブモードにおいて駆動システムのスピード及びトルクが増加するとき、逆ダイオードは適当なタイミングで導通し、それにより、相電圧が相逆起電圧に対してより多く進み、負荷角εの値を増加させる。これにより弱め磁束領域はさらに拡張される。負荷角εの自動調整は、永久磁石同期モータ駆動システムの本質的な特性であって安定性を実現するものであり、自己同期化（self-synchronization）と呼ばれる。

ＳＰＭ同期モータについては負荷角εが９０度を超えると、ＩＰＭ同期モータについては負荷角εが７０度〜８５度を超えると（ｑ軸リアクタンスＸ_q及びｄ軸リアクタンスＸ_dに依存するが）、モータ駆動システムは安定性を失い、脱調する。速度応答及びトルク応答はモータ駆動システムの高い慣性を考慮して適切に低く保持され、強制駆動モードにおいて、自己同期化現象が保証され、負荷角εは決して永久磁石同期モータにおける安定値を超えない。

本発明の永久磁石同期モータの制御方法において、モータは、モータの逆起電圧を検出する閉ループによる駆動モードで駆動される。駆動状態が所定状態に達したときに、モータ駆動モードは、閉ループの駆動モードから、モータの逆起電圧を検出しない開ループの駆動モードに切り替わる。これにより、安定した強制駆動システムを実現し、永久磁石同期モータの弱め磁束領域が拡張される。強制駆動期間におけるモータの制御は、前回に検出された逆起電圧のゼロクロスの情報及び所定の加速及び減速の情報から推定されたロータ位置及び速度により実行される。逆起電圧のゼロクロスは強制駆動モードに入る前に常に完全に検出されるため、初期の非常に安定した、基本相電圧と相逆起電圧の間の負荷角εが常に確認される。

本発明の第１の態様において、広角駆動ストラテジＩを提供する。駆動ストラテジＩでは、モータを、第１の導通角を用いた閉ループによる第１の駆動モードで起動する。加速時において、第１の駆動モードに対するＰＷＭデューティδが９５％よりも大きくなったときに、モータ駆動モードを、第１の駆動モードから、第１の導通角よりも広い第２の導通角を用いる閉ループによる第２の駆動モードへ切り替える。更なる加速時において、第２の駆動モードに対するＰＷＭデューティδが９５％よりも大きくなったときに、モータ駆動モードを、第２の駆動モードから、開ループでの強制駆動モードに切り替える。これにより、強制駆動は安定し、永久磁石同期モータの弱め磁束領域か拡張される。減速時において、逆起電圧のゼロクロスが連続して重ねて検出されたときに、モータ駆動モードを強制駆動モードから第２の駆動モードに切り替える。更なる減速時において、広角駆動に対するＰＷＭデューティδが８０％よりも小さくなったときに、モータ駆動モードを第２の駆動モードから第１の駆動モードに切り替える。

本発明の第２の態様において、広角駆動ストラテジIIを提供する。駆動ストラテジIIでは、モータを、１２０度から１５０度の間の第１の導通角を用いる閉ループによる第１の駆動モードで起動する。加速時において、第１の駆動モードに対するＰＷＭデューティδが９５％よりも大きくなったときに、モータ駆動モードを、第１の駆動モードから、第１の導通角よりも広い第２の導通角を用いる閉ループによる第２の駆動モードへ切り替える。更なる加速時において、第２の駆動モードに対するＰＷＭデューティδが９５％よりも大きくなったときに、モータ駆動モードを、第２の駆動モードから、開ループによる強制駆動モードに切り替える。これにより、安定した強制駆動システムを実現し、永久磁石同期モータの弱め磁束領域か拡張される。減速時において、逆起電圧のゼロクロスが連続して重ねて検出されたときに、モータ駆動モードを強制駆動モードから第２の駆動モードに切り替える。更なる減速時において、第２の駆動に対するＰＷＭデューティδが８０％よりも小さくなったときに、モータ駆動モードを第２の駆動モードから第１の駆動モードに切り替える。

本発明の第３の態様において、広角駆動ストラテジIIIを提供する。駆動ストラテジIIIでは、モータを、閉ループにおいて第１の導通角を用いる第１の駆動モードで起動する。加速時において、ＰＷＭデューティδが１０％から９５％の間にある第１の速度ω₁と第２の速度ω₂の間の速度のときに、モータ駆動モードを、第１の駆動モードから、第１の導通角よりも広い第２の導通角を用いる閉ループによる第２の駆動モードへ切り替える。更なる加速時において、第２の駆動モードに対するＰＷＭデューティδが９５％よりも大きくなったときに、モータ駆動モードを、第２の駆動モードから、開ループによる強制駆動モードに切り替える。これにより、安定した強制駆動システムを実現し、永久磁石同期モータの弱め磁束領域か拡張される。減速時において、逆起電圧のゼロクロスが連続して重ねて検出されたときに、モータ駆動モードを強制駆動モードから第２の駆動モードに切り替える。更なる減速時において、速度が一旦ω_２に達すると、導通角は減少し始め、速度ω₁において導通角は第１の導通角に戻る。

本発明の第４の態様において、広角駆動ストラテジIVを提供する。駆動ストラテジIVでは、モータを、閉ループにおいて第１の導通角を用いる第１の駆動モードで起動する。加速時において、ＰＷＭデューティδが１０％から９５％の間にある第１の速度ω₁と第２の速度ω₂の間の速度のときに、モータ駆動モードは、第１の駆動モードから、第１の導通角よりも広い第２の導通角を用いる閉ループによる第２の駆動モードへ切り替わる。更なる加速時において、ＰＷＭデューティδが常に１０％と９５％の間にあるときに、速度ω₃にて、モータ駆動モードを、第２の駆動モードから、開ループによる強制駆動モードに切り替える。これにより、強制駆動システムは安定し、永久磁石同期モータの弱め磁束領域か拡張される。モータ駆動モードを強制駆動モードに切り替えるときに、ＰＷＭデューティδは固定される。減速時において、モータ速度がω₃に達したときに、逆起電圧のゼロクロスが連続して重ねて検出された後、モータ駆動モードを第２の駆動モードに切り替える。更なる減速時において、第１の速度ω₁と第２の速度ω₂の間の速度においてモータ駆動モードを第２の駆動モードから第１の駆動モードに切り替える。

駆動ストラテジＩ、II、III、IVに関し、強制駆動モードは、強制駆動モードに入る直前に検出された逆起電圧のゼロクロス及びモータに対する所定の加速と減速に関する情報から推定したロータ位置及び速度に基づき実行することができる。

駆動ストラテジＩ、II、III、IVに関し、第１の駆動モードにおいて、モータの閉ループ制御を、逆起電圧のゼロクロスを検出し、０度から３０度の間で変化する遅延を与えることで実行してもよい。第２の駆動モードにおいて、ＰＷＭベースドライブ波形が変調されなければ、モータの閉ループ制御を、逆起電圧のゼロクロスを検出し、０度の遅延を与えることで実行してもよい。ＰＷＭベースドライブ波形が変調されるときは、モータの閉ループ制御を、逆起電圧のゼロクロスを検出し、０度から１５度の間で変化する遅延を与えることで実行してもよい。

駆動ストラテジＩ、II、III、IVにおいて、第１の導通角は１２０度であり、第２の導通角は１５０度であってもよい。

駆動ストラテジＩ、II、III、IVにおいて、第２の導通角は１２０度から１５０度の間にあってもよい。

ここに提案する、強制駆動技術を有する広角駆動システムは、冷蔵庫、電気自動車のエアコン及び室内用エアコンに対するコンプレッサの駆動装置として好適である。コンプレッサの駆動装置に対する速度及びトルク応答は比較的遅いため、提案する強制駆動技術は適している。

（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、安定性を維持しようとする、永久磁石同期モータ駆動システムの本質的な特性である「自己同期化」原理を定義することで基本的に説明される。

本発明は、誘導された逆起電圧のゼロクロスを検出せずに１５０度に等しい広い導通角に対してＳＰＭ、ＩＰＭ同期モータの弱め磁束領域を拡張するために議論されるユニークな方法に関する。閉ループの１５０度通電駆動に対する基本的なハードウェア構成及びソフトウェア制御アルゴリズムは１２０度通電駆動の場合と同じであり、背景技術のところで説明済みである。１５０度通電駆動と１２０度通電駆動の唯一の大きな違いは、モータの逆起電圧の検出期間が６０度から３０度に短縮されることであり、これは、改良されたハードウェアまたはソフトウェアスキームのいずれかにより実現される。モータ駆動が閉ループの１２０度通電駆動モードから１５０度通電駆動モードに、またはその逆に変更されるタイミングは、ＰＷＭディーティ（δ）とモータ速度（ω）に依存する。１５０度通電駆動モードにおいてモータの弱め磁束領域を拡張するために、モータの動作は、閉ループの制御モードから、誘導された逆起電圧のゼロクロスの検出を必要としない開ループの強制駆動モードに切り替わる。加速時において、モータ駆動が閉ループの１５０度通電駆動モードから開ループの強制駆動モードに切り替わるタイミングは、ＰＷＭディーティ（δ）とモータ速度（ω）に依存する。強制駆動モードに入る前に、ロータ位置と、最後に検出された逆起電圧のゼロクロスから推定されたモータ速度とが認識できる。強制駆動モードにおいて、加速及び減速の所定の値からモータ速度（ω）及びそれによるモータのロータ位置（θ）が推定される。減速時において、モータ駆動を開ループの強制駆動モードから閉ループの１５０度通電駆動モードに再度切り替えるタイミングは、連続した逆起電圧のゼロクロスの検出に依存する。このように、１５０度通電駆動モードに対する永久磁石同期モータの弱め磁束領域を拡張するために、ハードウェア・ストラテジをほぼ維持しつつ、ソフトウェア制御アルゴリズムのみを変更するだけでよい。

（第１の実施の形態）
弱め磁束領域を拡張する、強制駆動技術及び１５０度通電駆動を用いた広角駆動ストラテジＩの主な特徴を以下に順に説明する。広角駆動システムはマイコンにより実行される。図１２Ａに、ＰＷＭベースドライブ波形変調を伴わない広角駆動ストラテジＩに対して変更した閉ループブロック図を示す。図１２Ａから、広角の１５０通電駆動の基本的な制御ストラテジは１２０度通電駆動と同じであることが理解できる。

（ｉ）表面磁石（ＳＰＭ）または埋め込み磁石（ＩＰＭ）同期モータ１０は、初期ＰＷＭオンデューティ（δ_i）及びモータ１０の初期起動周波数（ｆ_i）で、開ループの１２０度通電駆動として起動される。逆起電圧はセンサ２１により検出され、逆起電圧のゼロクロスはモジュール２２により検出される。逆起電圧のゼロクロスが６回連続して検出された後、モータ制御は１２０度導通角の開ループから閉ループに切り替えられる。１２０度ベースドライブ波形は図２または図３に示されたいずれかと同様のものとなり得る。閉ループの１２０度通電駆動の制御技術は、逆起電圧のゼロクロスを検出すること、及び他の適切な相をオンする前の遅延（Ｄ）を与えることを含む。遅延角（Ｄ）はｘ度であり、ｘは０度から３０度の間で変化する。ＰＷＭキャリア周波数のサイクルに対応するロータ位置の増分Δθは、６０度を、２つの連続するゼロクロス間のＰＷＭインタラプトの総数で除算することで推定される。このΔθの推定はモータの初期起動から連続して実行される（モジュール２３）。今、モータ速度（ω）を以下のように推定する（モジュール２４）。
ω=Δθ*f_s ...(1)
ここで、ｆ_sはキャリア周波数である。推定された速度（ω）はローパスフィルタ（ＬＰＦ）２５を通過し、基準速度（ω^*）と比較される。ωとω^*の誤差はＰＩ（Proportional and Integral）コントローラ２３で処理され、ＰＷＭオンデューティ（δ）が生成される。

（ii）加速時において、１２０度通電駆動に対するＰＷＭデューティδが一旦９５％よりも大きくなると、３相に対する１２０度ＰＷＭベースドライブ波形は左方向にｘ度だけ、右方向に（３０−ｘ）度だけ拡張され、広角の１５０度通電駆動となる（モジュール３０）。このように、誘導された逆起電圧のゼロクロスが検出された後の遅延角（Ｄ）は、広角の１５０度通電駆動に対しては０度となる。導通角は、１２０度から１５０度の間までに増加するまで、１ｍｓのインタラプト毎にΔθずつ増加する。Δθは、ＰＷＭキャリア周波数の各サイクルに対応する。逆起電圧のゼロクロスが検出された後の広角の１５０度通電駆動の基本的な制御技術は１２０度の場合と同様である。図１２Ｂに、正弦曲線の磁束密度分布を仮定した場合の、広角の１５０度通電駆動モードにおける埋め込み磁石（ＩＰＭ）モータの一つの相のベクトル図を示す。図１２Ｂに示すパラメータは次のとおりである。
L_q: モータのｑ軸インダクタンス
L_d: モータのｄ軸インダクタンス
I: 相電流
i_q: モータのｑ軸電流
i_d: モータのｄ軸電流
Φ_m: 磁束
E_f: 磁気誘導電圧すなわち逆起電圧
Φ_r: リラクタンス磁束(=L_q i_q+ L_d i_d);
ω_Φr: リラクタンス磁束による誘導電圧すなわち逆起電圧
(=ω L_q i_q+ ω L_d i_d=x_q i_q+ x_d i_d);
Φ₀: 総磁束(=Φ_m+Φ_r);
ω_Φ0: 総誘導電圧すなわち総逆起電圧(=E_f+ω_Φr);
R: 巻線の１相あたりの抵抗
Vt: 端子電圧
ε: 負荷角

（iii）更なる加速時において、広角１５０度駆動のＰＷＭデューティδが一旦９５％よりも大きくなると、永久磁石同期モータ１０は強制駆動モードに切り替わり、弱め磁束領域がさらに拡張される（モジュール２８）。強制駆動モードにおいて、モータの制御動作は閉ループから開ループに切り替わる。強制駆動モードでは、逆起電圧は検出されない。このため、１２０度及び１５０度通電駆動時のように電流ゼロクロス期間は必要ない。強制駆動モード期間中のモータの制御は、前回に検出された逆起電圧のゼロクロスとモータの所定の加速及び減速に関する情報から推定されるロータ位置とモータ速度から実行される。ω_fiを前回に検出された逆起電圧から推定されるモータ速度とすると、モータが１５０度通電駆動から強制駆動モードに切り替わる時点ｔ₁での強制駆動モードの初期速度は、ω_fiである。今、強制駆動モードにおけるタイミングｔ₂でのモータ速度は次式で与えられる。
ω_ff = ω_fi + a*(t₂ t₁) ...(2)
ここで、"ａ"はモータの加速度である。ＰＷＭキャリア周波数のサイクル毎に対応するロータ位置の増分Δθは次式で与えられる。
Δθ = ω_ff / f_s ...(3)

Δθを認識することは、強制駆動モード時におけるロータ位置の算出、モータの制御に有効である。

強制駆動モードにおいて、インバータ１１内の逆ダイオードは導通し、１８０度の相電流通電が実現される。これは弱め磁束領域が拡張される第１の基本的な理由である。図１３Ａは、強制駆動モードにおける埋め込み磁石同期モータの、トルクＴ₁、速度ω₁での典型的なＵ相電流、端子電圧及び逆起電圧波形を示し、図１３Ｂは、トルクＴ₁、速度ω₂での典型的なＵ相電流、端子電圧及び逆起電圧波形を示す。ここで、ω₂はω₁よりも大きい速度である。これらの図において、線”Ｘ”はＵ相端子電圧（Ｖu）を、線”Ｙ”はＵ相電流を、線”Ｚ”はＵ相逆起電圧を示す。強制駆動モードにおいてトルクＴ₁で速度ω₁の間、図１３Ａから、逆起電圧のゼロクロスは得られていないが、Ｕ相電流（線Ｙ）のゼロクロス期間（Ｃ₀）はまだ認識できることがわかる。強制駆動モードにおいてトルクＴ₁で速度ω₂の間、図１３Ｂから、Ｕ相電流のゼロクロス期間はなく、１８０度の相電流通電となっていることがわかる。図１３Ｂから、Ｕ相電流に関して、約１サイクルにおいて６つの導通期間Ｃ₁〜Ｃ₆が存在していることがわかる。各期間は以下のとおりである。
Ｃ₁：この期間中、ダイオードＤ₁とトランジスタＴ₅が導通する。
Ｃ₂：この期間中、ダイオードＤ₂とトランジスタＴ₄が導通する。
Ｃ₃：この期間中、トランジスタＴ₁と他の素子が１５０度の期間、導通する。
Ｃ₄：この期間中、ダイオードＤ₂とトランジスタＴ₆が導通する。
Ｃ₅：この期間中、ダイオードＤ₁とトランジスタＴ₃が導通する。
Ｃ₆：この期間中、トランジスタＴ₂と他の素子が１５０度の期間、導通する。

図１３Ｃは、強制駆動モードにおける埋め込み磁石同期モータの、トルクＴ₂、速度ω₂での典型的なＵ相電流、端子電圧及び逆起電圧波形を示す。ここで、Ｔ₂はＴ₁よりも大きい。図１３Ｃでは図１３Ｂに比して、期間Ｃ₁は増加し、期間Ｃ₂は減少し、一方、期間Ｃ₃は増加し、期間Ｃ₅は減少する。これにより、適当なタイミングでインタバータの逆ダイオードが自然導通するために、モータのトルク及び速度の増加にともない、強制駆動モード時において、Ｕ相モータ巻線の基本的な印加電圧がＵ相逆起電圧に対してシフトする。相逆起電圧に対する相電圧が進むことは、負荷角εの増加を招き、それにより弱め磁束領域が拡張される。

図１４に、強制駆動モードにおける埋め込み磁石（ＩＰＭ）モータの相ベクトル図を示す。広角の１５０度通電駆動モードに対する図１２Ｂの場合に比して負荷角εが増加している。このような負荷角εの自動調整は安定性を実現する永久磁石同期モータの本質的な特性であり、「自己同期化」と呼ばれることがある。図１５に強制駆動の速度−トルク（Ｓ−Ｔ）特性を示す。ＳＰＭとＩＰＭ同期モータのトルク方程式はそれぞれ式（４）、（５）で与えられる。

ここで、Ｖ_tは相電圧、Ｅ_fは逆起電圧、ωはモータ速度、εは負荷角、ｘ_sはＳＰＭの同期リラクタンス、ｘ_dとｘ_qはそれぞれＩＰＭのｄ軸とｑ軸のリラクタンスである。

上記方程式から、ＳＰＭモータに対する引っ張りトルクは負荷角εが９０度のときに発生し、ＩＰＭモータに対する引っ張りトルクは負荷角εが７０度と８５度の間にあるときに発生する（ｑ軸リラクタンスｘ_qとｄ軸リラクタンスｘ_dに依存して）。よって、ＳＰＭモータでは負荷角εが９０度を超えると、ＩＰＭモータでは７０度−８５度の範囲を超えると、モータ駆動システムは安定性を失い、同期がはずれる。強制駆動システムの速度とトルク応答が適切に低い値に維持され、モータ駆動システムの大きな慣性が考慮されている場合、強制駆動モードの間、永久磁石同期モータにおいて自己同期化の現象が保証され、負荷角εは決して安定値を超えることはない。

（iv）減速時は、逆起電圧のゼロクロスが一旦連続して重ねて検出されると、モータは、開ループの強制駆動モードから閉ループの広角の１５０度通電駆動モードに切り替わる。駆動システムを開ループの強制駆動モードから閉ループの広角の１５０度通電駆動モードに切り替える前に、逆起電圧のゼロクロスが１２回の連続して検出される。同様に、さらに減速する場合、１５０度通電駆動のＰＷＭデューティδが一旦８０％より小さくなると、導通角は減少し始め、モータは１５０度通電駆動モードから１２０度通電駆動モードに切り替えられる（モジュール２９）。

（第２の実施の形態）
弱め磁束領域を拡張する、１５０度導通角及び強制駆動技術を用いた広角駆動ストラテジIIの主な特徴を以下に順に説明する。図１６Ａに、広角駆動ストラテジIIについて変更した閉ループブロック図を示す。

（ｉ）表面磁石（ＳＰＭ）または埋め込み磁石（ＩＰＭ）同期モータ１０は、従来の１２０度通電駆動の代わりに、１２０度から１５０度の間で変化する導通角（Ｃ）を用いた開ループの広角通電駆動として起動される。６回連続して逆起電圧のゼロクロス検出が成功した後、モータ制御は広角通電駆動の開ループから閉ループに切り替えられる。広角駆動の制御技術は、逆起電圧のゼロクロスを検出すること、及び、新しい相の開始前に遅延（Ｄ）を与えることを含む。遅延角（Ｄ）はｘ度であり、０度≦ｘ≦（１５０−Ｃ）度である。広角通電モードにおける、ロータ位置の増分Δθ、速度ω、ＰＷＭオンデューティδの推定技術は、第１の実施の形態の場合と同様である（モジュール２３〜２６による）。

（ii）加速時において、広角通電駆動のＰＷＭデューティδが一旦９５％よりも大きくなると、３相に対する広角のベースドライブ波形は左方向にｘ度だけ、右方向に（１５０−Ｃ−ｘ）度だけ拡張され、１５０度通電駆動となる。導通角の増加率は第１の実施形態のものと同じである。この場合もまた、誘導された逆起電圧のゼロクロスが検出された後の遅延角（Ｄ）は、広角の１５０度通電駆動に対しては０度となる。逆起電圧のゼロクロスが検出された後の広角の１５０度通電駆動の基本的な制御技術は、導通角（Ｃ）での広角駆動の場合と同様である。

（iii）加速時において、１５０度通電駆動のＰＷＭデューティδが一旦９５％よりも大きくなると、モータ駆動は開ループの強制駆動モードに切り替えられる。モータ制御が強制駆動モードに一旦切り替えられたときの技術は、第１の実施の形態の場合と同様である。

（iv）減速時において、強制駆動モードから１５０度通電駆動モードに切り替え、その後に、１５０度通電駆動から、導通角（Ｃ）の広角駆動に切り替える技術は、第１の実施の形態の場合と同様である。

（第３の実施の形態）
弱め磁束領域を拡張する、１５０度通電駆動及び強制駆動技術を用いた広角駆動ストラテジIIIの主な特徴を以下に順に説明する。図１６Ｂに、広角駆動ストラテジIIについて変更した閉ループブロック図を示す。

（ｉ）モータ１０は、第１の実施の形態と同様の方法で、１２０度通電駆動で起動され、速度が所定速度ω₁に達するまで１２０度通電駆動モードの閉ループで回転させられる。

（ii）加速時において、ＰＷＭデューティδが１０％から９５％の間の所定値にあるときに、ω₁とω₂の間の速度で１２０度通電駆動から１５０度通電駆動に切り替わる。ω₁とω₂の間の速度では、３相に対する１２０度ＰＷＭベースドライブ波形が左方向に３０度だけ拡張され、図８に示すように広角の１５０度通電となる（モジュール３３）。この技術の特筆すべき特徴は、１５０度通電駆動モードにおいて、ＰＷＭベースドライブ波形が変調されることである。ＰＷＭベースドライブ波形の変調は、図９に示したのと同様の方法でなされる。つまり、最初の３０度におけるオン期間（δ）がｋ％だけ増加し、最後の３０度におけるオン期間がｋ％だけ減少する。ｋの値は、ω₁とω₂の間の速度でモータ制御が１２０度通電駆動から１５０度通電駆動に切り替わるときに０％からｋ₁％まで増加する。１５０度通電駆動モードにおいて、ＰＷＭオンデューティδが９５％に達したとき、ｋの値は、モータ１０の速度ωに応じて、速度ω₂でのｋ₁％から、速度ω₃での０％まで線形に減少する。１５０度通電駆動に対する制御技術は、誘導された逆起電圧のゼロクロスを検出すること、及びｘ度（０度＜ｘ≦１５度）の遅延（Ｄ）を与えることを含む。ベースドライブ波形の変調を伴う１５０度通電駆動モードにおける、ロータ位置の増分Δθ、速度ω、ＰＷＭオンデューティδの推定技術は、第１の実施の形態の場合と同様である（モジュール２３〜２６による）。

（iii）更なる加速時において、１５０度通電駆動のＰＷＭデューティδが一旦９５％よりも大きくなると、モータ制御は開ループの強制駆動モードに切り替えられる（モジュール２８）。モータ制御が強制駆動モードに一旦切り替えられたときの技術は、第１の実施の形態の場合と同様である。

（iv）減速時において、強制駆動モードから１５０度通電駆動モードに切り替える技術は、第１の実施の形態の場合と同様である。１５０度通電駆動モードにおいて、減速時に速度が一旦ω₂に達すると、導通角は減少し始め、速度ω₁で導通角は再度１２０度に戻る。

（第４の実施の形態）
弱め磁束領域を拡張する、１５０度通電駆動及び強制駆動技術を用いた広角駆動ストラテジIIの主な特徴を以下に順に説明する。図１６Ｃに、広角駆動ストラテジIVについて変更した閉ループブロック図を示す。

（ｉ）モータ１０は、第１の実施の形態と同様の方法で、１２０度通電駆動で起動され、速度が所定速度ω₁に達するまで１２０度通電駆動モードの閉ループで回転させられる。

（ii）加速時において、ＰＷＭデューティδが１０％から９５％の間の所定値にあるときに、ω₁とω₂の間の速度で１２０度通電駆動から１５０度通電駆動に切り替わる。１５０度通電駆動モードにおいて、ＰＷＭベースドライブ波形は変調されてもよいし、変調されなくても良い。よって、１５０度通電駆動モードにおける技術は、第１または第３の実施の形態のいずれかと同様である。

（iii）更なる加速時において、１５０度通電駆動のＰＷＭデューティδが常に１０％から９５％の間にあって速度ω₃のときに、モータ制御は１５０度通電駆動モードから強制駆動モードに切り替わる（モジュール３５）。モータ制御が一旦強制駆動モードに切り替えられると、ＰＷＭオンデューティδは固定値に保持され、強制駆動モード時の制御技術は第１の実施の形態の場合と同様である。

（iv）減速時において、モータ速度が一旦ω₃に達すると、１２回連続して逆起電圧の検出が成功した後で、モータ制御は再度１５０度通電駆動モードに切り替えられる。さらなる減速時において、ω_１とω_２の間の速度で、モータ制御は１５０度通電駆動モードから１２０度通電駆動モードに切り替わる。

（産業上の利用の可能性）
上記に提案した、強制駆動技術を用いた広角の１５０度通電駆動は、冷蔵庫、電気自動車用エアコン及び室内用エアコンに対するコンプレッサ駆動装置に好適である。コンプレッサ駆動装置に対する速度及びトルク応答は比較的低いため、提案の強制駆動技術は適している。図１７は、冷蔵庫、電気自動車用エアコン及び室内用エアコンに対するコンプレッサ駆動装置への本発明の適用を例示した図である。コンプレッサ駆動装置１００は、コンプレッサ２００に連結したＳＰＭ（又はＩＰＭ）同期モータ１０を駆動するユニットであり、図１２Ａ、１６Ａ〜１６Ｃに示すインバータ１１や逆起電圧検出器２１等を含む構成を有する。

永久磁石同期モータに対する典型的な３相インバータの構成を示す図 ３相の永久磁石同期モータに対する従来の１２０度ＰＷＭベースドライブ波形と、スキームＩによる３相端子Ｕ、Ｖ、Ｗでの誘導逆起電圧の波形を示す図 ３相の永久磁石同期モータに対する従来の１２０度ＰＷＭベースドライブ波形と、スキームIIによる３相端子Ｕ、Ｖ、Ｗでの誘導逆起電圧の波形を示す図 逆起電圧のゼロクロス検出のためのハードウェア・スキーム 逆起電圧のゼロクロス検出のためのソフトウェア・スキーム 従来の１２０度ＰＷＭ駆動の永久磁石同期モータの閉ループ制御に対するブロック図 ３相の永久磁石同期モータに対する広角１５０度ＰＷＭベースドライブ波形と、スキームＩによる３相端子Ｕ、Ｖ、Ｗでの誘導逆起電圧の波形を示す図 ３相の永久磁石同期モータに対する広角１５０度ＰＷＭベースドライブ波形と、スキームIIによる３相端子Ｕ、Ｖ、Ｗでの誘導逆起電圧の波形を示す図 広角１５０度ＰＷＭ駆動に対するユニークな電圧変調スキーム 位置及び電流センサレス技術を用いた従来の１２０度駆動及び広角駆動時の永久磁石同期モータにおける速度−トルク特性。ω_b1は、δが１００％のときの１２０度通電駆動に対する基本速度であり、ω_b2は、δが１００％のときの１５０度通電駆動に対する基本速度である。 変調を伴う広角の１５０度ＰＷＭ駆動を行う永久磁石同期モータの閉ループ制御のブロック図 変調を伴わない１５０度通電駆動モードを有する永久磁石同期モータの弱め磁束領域を拡張する、本発明の第１の実施の形態のモータ制御装置の制御ブロック図 電流及び位置センサレス制御技術を用いた１５０度通電駆動モード時の埋め込み磁石モータ（ＩＰＭ）の１つの相のベクトル図 強制駆動モードにおけるトルクＴ₁、速度ω₁での、埋め込み磁石モータに対するＵ相端子電圧（Ｘ）、Ｕ相電流（Ｙ）、Ｕ相逆起電圧（Ｚ）をそれぞれ示す図 強制駆動モードにおけるトルクＴ₁、速度ω₂での、埋め込み磁石モータに対するＵ相端子電圧（Ｘ）、Ｕ相電流（Ｙ）、Ｕ相逆起電圧（Ｚ）をそれぞれ示す図 強制駆動モードにおけるトルクＴ₂、速度ω₂での、埋め込み磁石モータに対するＵ相端子電圧（Ｘ）、Ｕ相電流（Ｙ）、Ｕ相逆起電圧（Ｚ）をそれぞれ示す図 強制駆動モード時の埋め込み磁石モータ（ＩＰＭ）の１つの相のベクトル図 位置及び電流センサレス技術を用いた従来の１２０度駆動、広角１５０度駆動及び強制駆動時の永久磁石同期モータにおける速度−トルク特性。ω_b1は、δが１００％のときの１２０度通電駆動に対する基本速度であり、ω_b2は、δが１００％のときの１５０度通電駆動に対する基本速度である。 本発明の第２の実施の形態のモータ制御装置の制御ブロック図を示す図 本発明の第３の実施の形態のモータ制御装置の制御ブロック図を示す図 本発明の第４の実施の形態のモータ制御装置の制御ブロック図を示す図 本発明によるコンプレッサの駆動装置の構成を示す図

Claims (10)

1. 永久磁石同期モータの制御方法において、
   第１の導通角を用いた閉ループによる第１の駆動モードでモータを起動し、
   加速時に、第１の駆動モードにおけるＰＷＭデューティδが９５％を超えたときに、モータ駆動モードを、前記第１の駆動モードから、前記第１の導通角よりも大きい第２の導通角を用いた閉ループによる第２の駆動モードへ切替え、
   更なる加速時に、前記第２の駆動モードにおけるＰＷＭデューティδが９５％を超えたときに、モータ駆動モードを、前記第２の駆動モードから、開ループの強制駆動モードへ切替え、これにより、安定した強制駆動システムを実現し、永久磁石モータの弱め磁束領域を拡張し、
   減速時に、逆起電圧のゼロクロスが連続して重ねて検出されたときに、モータ駆動モードを、前記強制駆動モードから前記第２の駆動モードへ切替え、
   更なる減速時に、広角駆動におけるＰＷＭデューティδが８０％を下回ったときに、モータ駆動モードを、前記第２の駆動モードから前記第１の駆動モードへ切替える、
   永久磁石同期モータの制御方法。
2. 永久磁石同期モータの制御方法において、
   １２０度と１５０度の間の第１の導通角を用いた閉ループによる第１の駆動モードでモータを起動し、
   加速時に、前記第１の駆動モードにおけるＰＷＭデューティδが９５％を超えたときに、モータ駆動モードを、前記第１の駆動モードから、前記第１の導通角よりも大きい第２の導通角を用いた閉ループによる第２の駆動モードへ切替え、
   更なる加速時に、前記第２の駆動モードにおけるＰＷＭデューティδが９５％を超えたときに、モータ駆動モードを、前記第２の駆動モードから、開ループの強制駆動モードへ切替え、これにより、安定した強制駆動システムを実現し、永久磁石モータの弱め磁束領域を拡張し、
   減速時に、逆起電圧のゼロクロスが連続して重ねて検出されたときに、モータ駆動モードを、前記強制駆動モードから前記第２の駆動モードへ切替え、
   更なる減速時に、前記第２の駆動モードにおけるＰＷＭデューティδが８０％を下回ったときに、モータ駆動モードを、前記第２の駆動モードから前記第１の駆動モードへ切替える、
   永久磁石同期モータの制御方法。
3. 永久磁石同期モータの制御方法において、
   第１の導通角を用いた閉ループによる第１の駆動モードでモータを起動し、
   加速時に、ＰＷＭデューティδが１０％と９５％の間にあるときに、モータ駆動モードを、前記第１の駆動モードから、第１の速度ω₁と第２の速度ω₂の間の速度で、前記第１の導通角よりも大きい第２の導通角を用いた閉ループによる第２の駆動モードへ切替え、
   更なる加速時に、前記第２の駆動モードにおけるＰＷＭデューティδが９５％を超えたときに、モータ駆動モードを、前記第２の駆動モードから、開ループの強制駆動モードへ切替え、これにより、安定した強制駆動システムを実現し、永久磁石モータの弱め磁束領域を拡張し、
   減速時に、逆起電圧のゼロクロスが連続して重ねて検出されたときに、モータ駆動モードを前記強制駆動モードから前記第２の駆動モードへ切替え、
   更なる減速時に、速度が一旦第２の速度ω₂に達すると、導通角が減少し始め、前記第１の速度ω₁で前記導通角は前記第１の導通角に戻る、
   永久磁石同期モータの制御方法。
4. 永久磁石同期モータの制御方法において、
   第１の導通角を用いた閉ループによる第１の駆動モードでモータを起動し、
   加速時に、ＰＷＭデューティδが１０％と９５％の間にあるときに、モータ駆動モードを、前記第１の駆動モードから、第１の速度ω₁と第２の速度ω₂の間の速度で、前記第１の導通角よりも大きい第２の導通角を用いた閉ループによる第２の駆動モードへ切替え、
   更なる加速時に、ＰＷＭデューティδが常に１０％と９５％の間にあるときに、速度ω₃で、モータ駆動モードを、前記第２の駆動モードから、開ループの強制駆動モードへ切替え、これにより、安定した強制駆動システムを実現し、永久磁石モータの弱め磁束領域を拡張し、
   モータ駆動モードが前記強制駆動モードに切り替わったときにＰＷＭオンデューティδを固定値に保持し、
   減速時に、モータ速度が速度ω₃に達したときに、逆起電圧の検出が成功した後、モータ駆動モードを前記第２の駆動モードへ切替え、
   更なる減速時に、第１の速度ω₁と第２の速度ω₂の間の速度で、モータ駆動モードを前記第２の駆動モードから前記第１の駆動モードに切り替える、
   永久磁石同期モータの制御方法。
5. 強制駆動モードは、強制駆動モードに入る直前に検出された逆起電圧のゼロクロスの情報及びモータに対する所定の加速と減速に関する情報から推定したロータ位置及び速度に基づき実行される、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の永久磁石同期モータの制御方法。
6. 前記第１の駆動モードにおいてモータの閉ループ制御は、逆起電圧を検出し、０度から３０度の間で変化する遅延を与えることで実行され、
   前記第２の駆動モードにおいてモータの閉ループ制御は、ＰＷＭベースドライブ波形が変調されないときは、逆起電圧を検出し、０度の遅延を与えることにより実行され、ＰＷＭベースドライブ波形が変調されるときは、逆起電圧を検出し、０度から１５度の間で変化する遅延を与えることで実行される、
   請求項１ないし４のいずれか１つに記載の永久磁石同期モータの制御方法。
7. 前記第１の導通角は１２０度であり、前記第２の導通角は１５０度である、請求項１、３または４記載の永久磁石同期モータの制御方法。
8. 前記第２の導通角は１２０度と１８０度の間にある、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の永久磁石同期モータの制御方法。
9. 永久磁石同期モータを駆動するための電力を供給するインバータと、
   請求項１ないし８のいずれか１つに記載の制御方法を用いて前記インバータを制御する制御部と
   を備えたモータ制御装置。
10. 永久磁石同期モータと、請求項９記載のモータ制御装置とを備えたコンプレッサ。

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