JP6735622B2 - モータ駆動装置、及び、それを用いた冷凍空調機器 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石同期モータを可変速駆動するモータ駆動装置、及び、それを用いた冷凍空調機器に関する。

永久磁石同期モータ（以下「ＰＭモータ」と呼ぶ。）は、誘導モータに比べて高効率な特性を有するため、家電製品から産業機器あるいは電動車分野へと適用範囲が広がっている。

また、上記機器は、地球温暖化防止や省エネルギー化の動きに伴い、低速回転域（軽負荷）の高効率化が求められるとともに、機器の使用感（快適性）を向上させるために高速回転域（高負荷）における駆動範囲の拡大も求められている。

例えば、家電製品のルームエアコンの場合、省エネルギーの指標である通年エネルギー消費効率（以下「ＡＰＦ」と呼ぶ。）の向上及び、高出力化の指標である外気温２℃での暖房能力（以下「低温暖房能力」と呼ぶ。）の向上の両立が求められている。

モータの低速回転域での高効率化の方法としては、モータの磁石量及び巻線を増加させることによる低速設計化があるが、低速設計化すると、高速回転域で発生する誘起電圧が増大するため、高速回転域での効率が大幅に低下し、実用的な駆動可能領域が狭くなることが懸念される。

そこで、低速設計されたモータの高速回転域の拡大手段として、直流電圧を昇圧する方式が実用化されているが、直流電圧を昇圧するための回路が追加となり、回路規模の増加や昇圧回路等の損失の増加が課題となる。

上記課題を解決する手段として、特許文献１の通り、弱め界磁制御を用いて高速回転域を拡大する方法が知られている。特許文献１は、モータ印加電圧が直流電圧以上になる高速回転域において、ｑ軸電流偏差（ｑ軸電流指令Iq^*とｑ軸電流Iqの差）に応じてモータ電圧位相を進めることで弱め界磁制御を実現している。

一方、冷凍空調機器は、圧縮機を用いて冷媒の圧縮を行っており、圧縮機の動作工程に応じて負荷トルクが周期的に変動する特性を有する。そこで、周期的に変動する圧縮機の負荷トルクにモータ出力トルクを一致させることで、モータの速度変動を抑制し圧縮機の振動低減を行う速度変動抑制制御が適用されている。特許文献２に速度変動抑制制御の代表的な方式が示されている。本方式は、モータ制御の内部値である軸誤差推定値より負荷トルクを推定し、モータ出力トルクを負荷トルクに一致させる制御手法が記載されている。

また、特許文献３には、圧縮機の振動抑制とインバータ回路部品の焼損防止を目的に、回転速度と回路電流の状態で速度変動抑制制御の補正量を制限（回転速度や電流増加で低減）する方式が開示されている。さらに、特許文献４には、電源脈動成分のピーク値と負荷トルクの変動成分ピーク値とのタイミングが一致した時にピーク電流値の上限値を設定し、その上限値を超えないように出力トルクの変動幅を低減する手法が開示されている。

しかし、特許文献１〜４とも弱め界磁制御域での速度変動抑制制御及び、突極比があるモータを使用した場合の脱調抑制に関しては十分な考慮がなされていない。

特開２００７-２５２０５２号公報 特開２００５-１９８４０２号公報 特開２００１-１１９９８１号公報 特開２０１２-１６５６３１号公報

本発明が解決しようとする課題は、周期的な負荷トルクを持つ機器の振動低減を行う速度変動抑制制御を弱め界磁制御領域で安定に制御できる装置を提供するものである。

さらに詳しく述べると、突極比が大きい割に誘起電圧定数の値が比較的小さいモータ（例えばフェライトモータ等）は、弱め界磁制御域でのトルクの出力範囲が狭い。このようなモータに上記速度変動抑制制御を適用するとトルク不足で脱調する可能性が大きい。

そこで本発明は、弱め界磁制御領域で速度変動抑制制御を行う場合であっても十分なトルクを確保できるようにして脱調の発生を防ぐことを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、外部機器の負荷に起因する周期的なトルク変動に同期するように三相モータの出力トルクを制御することで、前記三相モータの回転速度変動を抑制する速度変動抑制制御部を具備し、弱め界磁制御時に前記速度変動抑制制御部が出力するモータ電流の脈動振幅成分の振幅値は、前記三相モータの回転速度に反比例、または、前記三相モータの電源が出力する直流電圧に比例、または、前記三相モータへの印加可能電圧に比例するものとした。

本発明のモータ駆動装置、並びに、冷凍空調機器によれば、低速回転域の高効率化と高速回転域の駆動範囲の拡大の両立をするとともに、弱め界磁制御領域での脱調発生を抑制し、低振動化を実現することができる。

実施例１のモータ駆動装置の概略図である。 実施例１の速度変動抑制制御部の内部構成図である。 実施例１の振幅制限部の内部構成図である。 実施例１の振幅制限の動作説明ベクトル図である。 実施例１の脈動トルク推定部の構成図である。 実施例１の速度変動抑制制御の動作説明図である。 実施例１のｄ軸電流とq軸電流の関係説明図である。 実施例１のトルクと電圧位相、変調率の説明図である。 実施例１例の制限値演算ブロック図である。 実施例１の動作説明図である。 実施例１の回転速度とモータ電流脈動振幅値の関係図である。 実施例１の回転速度を増加させた時のシミュレーション結果である。 実施例１の直流電圧を増加させた時のシミュレーション結果である。 実施例１のモータ電流のシミュレーション波形である。 実施例２の出力トルクとモータ印加電圧位相と変調率の関係説明図である。 実施例２の制限値演算ブロック図である。 実施例２の動作説明図である。 実施例２の動作説明図である。 実施例３の制限値演算ブロック図である。 実施例３の動作説明図である。 実施例４の制限値演算ブロック図である。 実施例４の動作説明図である。 実施例５の制限値演算ブロック図である。 実施例５の動作説明図である。 実施例６の制限値演算ブロック図である。 実施例６の動作説明図である。 実施例６の適用事例説明図である。 本発明に係るモータ駆動装置とＰＭモータの関係の概説図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

位置センサレスベクトル制御を用いた実施例１のモータ駆動装置１００を図１〜図１４、および、図２８を用いて説明する。

まず、図２８を用いて、本実施例のモータ駆動装置と永久磁石同期モータ（ＰＭモータ）の関係を概説する。図２８において、１００はモータ駆動装置、２８１はマイコン、２８２はインバータ、２８３は直流電源、２８４は電流検出器、２８５は三相のＰＭモータである。

マイコン２８１はＰＭモータ２８５に接続された圧縮機などの機器に応じた回転速度指令ω^＊を出力する。モータ駆動装置１００は、マイコン２８１が出力する回転速度指令ω^＊、電流検出器２８４が検出した三相交流電流の電流値（Iu, Iv, Iw）、直流電源２８３の直流電圧Edc等に基づき、インバータ２８２を制御する三相交流電圧指令（Vu^*, Vv^*, Vw^*）を出力する。インバータ２８２は直流電源２８３から供給される直流電圧Edcを電力変換した三相交流電圧（Vu, Vv, Vw）を出力し、これによりＰＭモータ２８５を回転駆動し、ＰＭモータ２８５に接続された圧縮機などの運転が行われる。

次に、図１を用いて、モータ駆動装置１００を詳細に説明する。図１において、１はd軸電流指令演算部、２は電流指令演算部、３は電圧演算部、４は電圧補正演算部、５はｄq/３相変換部、６はＰＷＭ演算部、７は速度制御部、８は速度変動抑制制御部、９はトルク脈動推定部、１０は３相/ｄq変換部、１１は軸誤差演算部、１２はトルク電流制限値演算部、１３はＰＬＬ位相演算部、１４は積分器である。また、電流指令演算部２、電圧演算部３、電圧補正演算部４、ｄq/３相変換部５は、ベクトル制御部１０１を構成し、３相/ｄq変換部１０、軸誤差演算部１１、ＰＬＬ位相演算部１３、積分器１４は、位置センサレス制御部１０２を構成する。

d軸電流指令演算部１は、ＰＭモータ２８５のd軸電流指令Id^*を発生する部分で、駆動するＰＭモータ２８５が非突極型モータであれば通常領域では０を出力し、弱め界磁制御を行う領域では相応の値を出力している。一方、突極型モータの場合は、例えば、数１に示すトルク/電流比が最大となる数１の一般式を用いてd軸電流指令Id^*を出力する。

ここで、Ke：誘起電圧定数、Ld：d軸インダクタンス、Lq：q軸インダクタンス、
Iqc：q軸電流検出値である。

ベクトル制御部１０１は、d軸電流指令演算部１が出力するd軸電流指令Id^*と後述するd軸電流検出値Idcの偏差、及び、後述するｑ軸電流指令Iq^*とｑ軸電流検出値Iqcの偏差等に基づいて、固定座標系の三相交流電圧（Vu、Vv、Vw）を出力するものであり、電流指令演算部２、電圧演算部３、電圧補正演算部４、ｄq/３相変換部５からなる。

電流指令演算部２は、d軸電流指令Id^*とd軸電流検出値Idcの偏差、及び、ｑ軸電流指令Iq^*とｑ軸電流検出値Iqcの偏差から第２の電流指令値（Id^**、Iq^**）を、比例積分制御を用いて算出している。電流指令演算部２の詳細な動作は特許文献１に記載されている周知技術のため詳細な説明は省略する。

電圧演算部３は、上述した第２の電流指令値（Id^** 、Iq^**）から数２に示す電圧方程式（微分項省略）を用いてモータ電圧指令（Vd^* 、Vq^*）を算出している。

ここで、R：モータの巻線抵抗値、ω^＊：モータの回転速度指令である。

電圧補正演算部４は、モータ電圧指令（Vd^* 、Vq^*）と直流電圧値Edcを基に第２のモータ電圧指令（Vd^** 、Vq^**）を算出している。具体的には、モータ電圧指令（Vd^* 、Vq^*）から一旦モータ電圧振幅値と基本電圧位相を算出し、直流電圧の大きさに応じた変調率ベースの第２のモータ電圧指令（Vd^** 、Vq^**）を算出している。この演算により、直流電圧に変動があってもモータ印加電圧は指令（Vd^* 、Vq^*）通りの電圧が印加される。

ｄq/３相変換部５は、回転座標系（ｄｑ座標系）の第２のモータ電圧指令（Vd^** 、Vq^**）を固定座標系の三相交流電圧（Vu、Vv、Vw）に変換する。

ＰＷＭ演算部６は、ベクトル制御部１０１の出力である三相交流電圧（Vu、Vv、Vw）をＰＷＭ信号に変換し、インバータ２８２を制御する三相交流電圧指令（Vu^*、Vv^*、Vw^*）として出力する部分である。具体的には、三相交流電圧（Vu、Vv、Vw）と三角波搬送信号を比較してＰＷＭ信号を作成している。実際には、マイクロコンピュータのＰＷＭタイマの機能で実現している。

速度制御部７は、マイコン２８１などの上位系から入力された回転速度指令ω^*と後述する回転速度検出値ωとの偏差から比例積分制御を用いてｑ軸電流指令Iq^* _asrを算出している。

位置センサレス制御部１０２は、電流検出器２８４が検出した三相交流電流（Iu，Iv，Iw）に基づいて、ＰＭモータ２８５の回転位相θｄ等を推定するものであり、３相/ｄｑ変換部１０と、軸誤差演算部１１、ＰＬＬ位相演算部１３、積分器１４からなる。

３相/ｄｑ変換部１０は、ｄq/３相変換部５の反対の動作をしており、固定座標系の三相交流電流（Iu，Iv，Iw）を入力された回転位相θｄに基づいて回転座標系（ｄｑ座標系）のモータ電流（Idc，Iqc）に変換するものである。

軸誤差演算部１１は、ＰＭモータ２８５への印加電圧である第２のモータ電圧指令（Vd^**，Vq^**）と前記ｄｑ座標系のモータ電流検出値（Idc，Iqc）と回転速度指令ω^*から数３に従って、制御系の位相と実際の位相の誤差(軸誤差演算値Δθ)を演算している。

ＰＬＬ位相演算部１３は、軸誤差演算値Δθが０になるように比例積分制御を用いて回転速度ωを出力している。

積分器１４は、ＰＬＬ位相演算部１３の出力である回転速度ωを積分することでＰＭモータ２８５の回転位相θｄを出力している。

なお、位置センサレス制御部１０２の詳細動作は、特許文献１、２にも記載されているので詳細な説明は省略する。

次に、脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*を生成するために用いられる、速度変動抑制制御部８、トルク脈動推定部９、トルク電流制限値演算部１２について、詳細に説明する。

トルク脈動推定部９は、回転速度ωと軸誤差演算値Δθから圧縮機などの外部負荷に起因する脈動トルクΔTmを推定して出力する。また、速度変動抑制制御部８は、回転速度ωと脈動トルクΔTmを入力とする積分制御を用いて脈動トルクΔTmを抑制する脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*を算出して出力する。

具体的には、トルク脈動推定部９は、図５に示す演算構成で回転速度ωと軸誤差演算値Δθから脈動トルクΔTmを推定し、速度変動抑制制御部８は、図２の構成に示す、フーリエ変換部８Ａ１、積分補償器８Ａ２、振幅制限部８Ｂ、フーリエ逆変換部８Ｃ、ｓｉｎ・ｃｏｓ生成部８Ａ３からなる簡易的な構成で、脈動トルクΔTm中に含まれる回転に同期した成分を抽出して、その成分を抑制する脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*を出力している。

なお、速度変動抑制制御部８とトルク脈動推定部９の基本原理は、特許文献２記載のトルク制御器（ATR）とトルク脈動（ΔTm）推定器と同等であるが、本実施例の速度変動抑制制御部８では、振幅制限部８Ｂを追加している点で特許文献２と相違する。すなわち、振幅制限部８Ｂを有する本実施例の速度変動抑制制御部８では、トルク電流制限値演算部１２の制限値IqATR_LIM^*に応じて、前記脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*の出力振幅を抑制する点で特許文献２のトルク制御器（ATR）と相違する。

ここで、速度変動抑制制御の必要性と動作について図６を用いて説明する。図６は、シングルロータリ圧縮機やレシプロ圧縮機を想定した圧縮機負荷トルク（破線）とモータ出力トルク（実線）と回転速度と脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*と回転速度の関係を示した図である。

図６（ａ）はモータ出力トルクを一定に制御した場合、図６（ｂ）はモータ出力トルクを圧縮機負荷トルクに一致させるように脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*を制御し、回転速度を一定に制御した場合である。

図６（ａ）から分かる通り、モータ出力トルクを一定に制御すると、モータ出力トルクと圧縮機負荷トルクとの差で回転速度（実線太線）が変動する。回転速度が変動すると圧縮機の振動や騒音となるばかりではなく、回転数変動が大きいとＰＭモータ２８５が脱調し停止する可能性もある。

そこで、図６（ｂ）に示す速度変動抑制制御では、モータ出力トルクを圧縮機負荷トルクに一致させることでトルクの過不足を無くし、回転速度を一定に制御することができる。但し、速度変動抑制制御の実現には、速度変動抑制制御部８の出力である脈動トルク電流指令値Iq_ATR ^*を、図６（ｂ）で示したように、圧縮機負荷トルクに応じて大きく変化させなければならない。

ここで、表１と図７、図８を用いて、速度変動抑制制御時に脈動トルク電流指令値Iq_ATR ^*を大きく変化させた場合の問題点と対策を説明する。表１は図７作成時に用いたモータ定数と直流電圧値、変調率を示している。表１に示す通り、ＰＭモータ２８５は、突極比が２で比較的誘起電圧定数Keが小さい突極型モータであり、d軸電流指令Id^*は数１により求められるものである。

図７は横軸にd軸電流Id、縦軸にq軸電流Iqを取った時の、定トルク曲線と定電圧楕円を示した図である。

定トルク曲線は、数４に示すトルク式を用いて一定トルク時のd軸電流Idとｑ軸電流Iqの関係を算出したものであり、図６（ａ）のようなモータ出力トルク一定を実現するために必要なd軸電流Idとｑ軸電流Iqの関係を示している。図７では、トルクを、1Nm、2Nm、3Nm、4Nm、5Nmとした５パターンの定トルク曲線を示しており、これらから、図７の下側領域ではモータ出力トルクが小さく、左上領域ではモータ出力トルクが大きいことが分かる。

ここで、Ｐｎはモータの極対数である。

一方、定電圧楕円は、数５に示す弱め界磁の関係式を用いて、定電圧Vom（モータへの印加可能電圧：例えば直流電圧からモータ電流による電圧降下分（巻線抵抗、スイッチング素子などの電圧降下分）を差し引いた値）時のd軸電流Idとｑ軸電流Iqの関係を算出したものであり、図６（ｂ）のような速度変動抑制制御を実現するために必要なd軸電流Idとｑ軸電流Iqの関係を示している。すなわち、定電圧楕円は所定の電圧と回転数時に選択できるd軸電流Idとｑ軸電流Iqの関係を示している。なお、図７では、ＰＭモータ２８５の回転速度を、1000min^-1、2000min^-1、2500min^-1、3000min^-1、4000min^-1、5000min^-1、6000min^-1とした７パターンの定電圧楕円を示しており、これらから、図７の右側領域ではd軸電流Idの絶対値|Id|を大きくするとｑ軸電流Iqも大きくなり、左側領域では|Id|を大きくするとｑ軸電流Iqが小さくなることが分かる。

以上の説明から分かるように、図７は、所定の電圧時に所定の回転速度で出力できるトルクとその時に必要とされるd軸電流Idとｑ軸電流Iqの値の関係を示した図である。

次に、図７を用いて、ＰＭモータ２８５に定電圧Vomを印加し、一定の回転速度2500min^-1で回転させた場合を例に、従来のモータ駆動装置を用いて速度変動抑制制御を行った際に発生しうる問題点を説明する。

2500min^-1時の定電圧楕円（図７の太実線）に沿ってｄ軸電流Idの絶対値|Id|を０から順次大きくしていくと、点Ａに達するまでに、定トルク曲線3Nm、4Nmを跨ぐことから、モータ出力トルクが凡そ2.5Nmから4.7Nmに増加することが分かる。つまり、点Ａの右側の領域では、|Id|、|Iq|の双方を大きくすることで、モータ出力トルクを大きくすることができる。一方、点Ａの左側の領域では、|Id|を大きくすると、定電圧楕円上のｑ軸電流Iqは減少に転じる。すなわち、点Ａの左右でｑ軸電流Iqの変化傾向が逆転し、点Ａより右側（d軸電流が小さい領域）では、q軸電流Iqは増加傾向、反対に左側（ｄ軸電流が大きい領域）では、ｑ軸電流Iqは減少傾向となっている。

つまり、回転速度を維持したまま、点Ａよりも大きなモータ出力トルクを得ようとすると、d軸電流Idの絶対値|Id|を増加させることに加え、ｑ軸電流Iqの絶対値|Iq|を減少させる必要がある。

しかし、一般的な速度制御部７では、速度を増加（トルクを増加）するときにはq軸電流指令Iq^*を増加させる処理を行うため、点Ａの左側の領域ではd軸電流Idとｑ軸電流Iqの関係が定電圧楕円から外れ、モータが脱調してしまうという問題があった。なお、この問題は、脈動トルク電流指令値Iq_ATR ^*の振幅が過大である結果、（Id, Iq）が定電圧楕円から外れ、モータの脱調が発生する、と捉えることもできる。

これは速度変動抑制制御適用時も同様であり、常に定電圧楕円における点Ａの右側の領域で運用されるように、速度変動抑制制御適用時には脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*の出力振幅を抑制する必要が生じていた。

これに対処すべく、図６（ｂ）に示す脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*を、トルク電流制限値演算部１２が出力する制限値IqATR_LIM^*で抑制した場合の、脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*、圧縮機負荷トルク（破線）、モータ出力トルク（実線）、回転速度（実線）の関係を図８に示す。なお、図８各図中の下向き矢印は、脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*のピーク値を図６（ｂ）に比べて制限した量を示し、図８（ａ）は制限値IqATR_LIM^*が大きく制限が小さい状態、（ｂ）は制限値IqATR_LIM^*が中で制限も中程度の状態、（ｃ）は制限値IqATR_LIM^*が小さく制限が大きい状態を示している。

これらから、モータ出力トルクの振幅（変動）は脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*の振幅（変動）と比例関係にあり、回転速度の振幅（変動）は脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*の振幅（変動）と反比例関係にあることが分かる。

つまり、脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*のピーク値を小さくすると、回転速度の変動が大きくなり、脱調の可能性が高まることになるが、脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*のピーク値を適切に制限することで、図７の定電圧楕円上における点Ａ右側の安定領域でモータを運用できるため、脱調の発生を回避できる。なお、圧縮機負荷トルクの変動が小さい場合は、脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*のピーク値を０に制限し、速度変動抑制制御が停止している時と同じ状態にしても安定したモータ運用を実現することができる。

以下、制限値IqATR_LIM^*が入力される振幅制限部８Ｂ、制限値IqATR_LIM^*を演算するトルク電流制限値演算部１２等の具体的な構成を説明する。

まず、図９を用いて、トルク電流制限値演算部１２における制限値IqATR_LIM^*の算出法を説明する。図９は、数６を基にブロック図化した図である。

数６は、数７の弱め界磁の関係式（前述の数５の変形）の平方根内が負にならない条件式であり、この式を満足するようにq軸電流|Iq^*|（脈動トルク電流振幅値）を制限することで、図７の点Ａの右側の領域でのモータ運用を維持でき、脱調を回避することができる。

図９に示すように、定電圧演算部１２Ａで、直流電圧Edc、変調率ｋｈ、巻線抵抗等の電圧降下分Vdropを基に定電圧（モータへの印加可能電圧）Vomを算出する。その後、定電圧Vomを回転速度ω、ｑ軸インダクタンスLqで除算する。さらに、速度制御部７の出力であるｑ軸電流指令Iq^* _asrを減算することで、制限値IqATR_LIM^*を得る。

なお、本実施例を実際に適用する場合は、モータ定数等の設定誤差に対応した制限ができるように、数６から算出される制限値より多少大きめ（制限方向）の値を制限値IqATR_LIM^*として採用することが望ましい。

次に、図３を用いて、振幅制限部８Ｂの内部構成を説明する。図２でも説明したように、振幅制限部８Ｂは、入力された第１のトルク電流（IqATR_α1、IqATR_β1）と制限値IqATR_LIM^*を基に、制限された第２のトルク電流（IqATR_α2、IqATR_β2）を出力するものである。図３に示すように、振幅制限部８Ｂは、振幅演算部８Ｂ１、位相演算部８Ｂ２、振幅制限処理部８Ｂ３、ベクトル分解演算８Ｂ４から構成されている。

振幅演算部８Ｂ１、位相演算部８Ｂ２は、第1のトルク電流（IqATR_α1、IqATR_β1）を基に、それぞれ、トルク電流振幅値IqATR、位相値θATRを算出する。振幅制限処理部８Ｂ３は、制限値IqATR_LIM^*を用いて、トルク電流振幅値IqATRを小さくした出力信号IqATR_LIMを出力する。ベクトル分解演算８Ｂ４は、出力信号IqATR_LIMと位相値θATRを基に、第２のトルク電流（IqATR_α2、IqATR_β2）を演算して出力する。

図４は、図３で行われる処理をベクトル図で表現した図であり、縦軸をα軸、横軸をβ軸とした平面上に、制限値IqATR_LIM^*（点線円弧）、制限前の第１のトルク電流（点線ベクトルＡ）、制限後の第２のトルク電流（実線ベクトルＢ）を示した図である。

図４に示す通り、第１のトルク電流（IqATR_α1、IqATR_β1）の位相値θATRを維持したまま、その大きさを制限値IqATR_LIM^*と等しくすることで、第１のトルク電流を縮小した第２のトルク電流（IqATR_α2、IqATR_β2）を生成する。なお、第２のトルク電流に相当する実線ベクトルＢが制限値IqATR_LIM^*内にあることは、図７の点Ａ右側の脱調が発生しない安定領域でモータが運用されることと同義である。

図１の速度変動抑制制御部８は、このようにして得られた第２のトルク電流（IqATR_α2、IqATR_β2）に基づいた脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*を出力するものであり、また、ベクトル制御部１０１は、この脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*を反映させたq軸電流指令Iq^*に基づいて三相交流電圧（Vu, Vv, Vw）を出力するものであるため、これにより制御されるＰＭモータ２８５は脱調しない範囲で運用されることになる。

ここで、図１０を用いて、本実施例における、ＰＭモータ２８５の回転速度ωと、Iq^*（振幅値）、制限値IqATR_LIM^*（振幅値）の関係を説明する。図７からも分かるように、定電圧Vomを用いた場合、q軸電流Iqを大きくすると回転速度が小さくなり、q軸電流Iqを小さくすると回転速度が大きくなる関係がある。これを踏まえ、本実施例では、回転速度ωが増加する初期期間に制限値IqATR_LIM^*、ｑ軸電流指令Iq^*の両者を徐々に減少するようにし、回転速度ωが一定となる期間に、制限値IqATR_LIM^*、ｑ軸電流指令Iq^*の両者がともに一定となるようにした。

次に、図１１を用いて、本制御を用いた場合の回転速度に対するモータ電流脈動振幅値のイメージ図を示す。図１１において、横軸は回転速度ωであり、縦軸はモータ電流脈動振幅値|Iq^*|である。本制御を用いた場合、モータ電流脈動振幅|Iq^*|は、数６に示す通り、モータ印加可能電圧Vomに比例し、回転速度ωに反比例の関係になる。実線を基準とすると、モータ印加可能電圧Vomが高い場合は、上側鎖線で示すように、モータ電流脈動振幅値の全域にわたり回転速度が増加し、モータ印加可能電圧Vomが低い場合は、下側鎖線で示すように、モータ電流脈動振幅値の全域にわたり回転速度が低下する。

図１２、図１３に本実施例の制御を用いた場合のシミュレーション結果を示す。

図１２は、直流電圧Edcを維持したまま、回転速度ωを増加させた場合の、負荷トルク、モータ出力トルク、モータ電流（Ｕ相）それぞれの関係を示している。ここに示すように、直流電圧Edcを２００Ｖに固定し、回転速度を１０〜１１ｓの１秒間で２５００min^-1から３０００min^-1に増加させると、負荷トルクが一定の環境下で脱調の発生なく、図１２（ｃ）に示すモータ出力トルク、図１２（ｄ）に示すモータ電流ピーク値の両者がともに減少する。つまり、本実施例の制御を用いた場合、回転速度ωとモータ電流ピーク値の間には反比例関係があり、回転速度ωに応じてモータ電流ピーク値を制御できることが分かる。

一方、図１３は、回転速度ωを維持したまま、直流電圧Edcを増加させた場合の、負荷トルク、モータ出力トルク、モータ電流（Ｕ相）それぞれの関係を示している。ここに示すように、回転速度ωを３０００min^-1に固定した環境下で、直流電圧Edcを１０〜１１ｓの１秒間で２００Ｖから２４０Ｖに増加させると、負荷トルクが一定の環境下で脱調の発生なく、図１３（ｃ）に示すモータ出力トルク、図１３（ｄ）に示すモータ電流ピーク値の両者がともに増加する。つまり、本実施例の制御を用いた場合、直流電圧Edcとモータ電流ピーク値の間には比例関係があり、直流電圧Edcに応じてモータ電流ピーク値を制御できることが分かる。

これらの回転速度ωとモータ電流ピーク値の反比例関係、直流電圧Edcとモータ電流ピーク値の比例関係を利用すれば、回転速度ω、直流電圧Edcを適切に指定し、三相分のモータ電流の振幅値を適切に制御することができる。これにより、図１４に示す様に、外部機器の負荷に起因する周期的な脈動トルクΔTmに同期したモータ出力トルクを発生させ、モータの速度変動を抑制することができ、モータの振動低減、脱調回避を図ることができる。

以上で説明したように、本実施例によれば、脈動トルク電流指令Iq_ATR ^*のピーク値を制限することで、脱調しない組合せのd軸電流指令Id^*とq軸電流指令Iq^*を生成でき、これらに基づいてベクトル制御を行うことで、ＰＭモータ２８５の脱調を防止できる。

以上の構成を用いることで、周期的な負荷トルクを持つ機器の振動低減を行う速度変動抑制制御を弱め界磁制御領域で安定に制御でき、低速回転域の高効率化と高速回転域の駆動範囲の拡大の両立をするとともに、更に高出力化が図れ、本手段を用いたモータ駆動装置並びに冷凍空調機器の低振動化が実現できる。

なお、ベクトル制御、位置センサレス制御及び速度変動抑制制御の構成（方式）は本実施例の構成（方式）に限定するものではない。また、本実施例はシングルロータリ圧縮機やレシプロ圧縮機を想定して説明しているが、周期的なトルク変動をもつ負荷なら適用可能である。

基本的制御構成並びに動作は実施例１で説明したので、実施例２以降では、前述の図９、図１０に相当する制限値IqATR_LIM^*の算出法及びその時の動作等の別案について図面を用いて説明する。

図１５は、図７を別表現で表したグラフであり、横軸に出力トルク、縦軸にモータ印加電圧位相と変調率ｋｈを示している。この図１５から、モータ印加電圧位相は出力トルクに対して比例の関係があることが分かる。また、変調率ｋｈは途中で変極するが出力トルクが小さい領域では概略比例関係があることが分かる。つまり、出力トルクが小さい領域では、電圧位相や変調率を指標にして制限値IqATR_LIM^*を算出することも可能である。

図１６に実施例２の制限値IqATR_LIM^*の演算ブロック図、図１７、図１８にその時の動作説明図を示す。実施例２は、実施例１（図９）に点線部１２Ｂを追加した構成となっている。モータ定数の設定誤差が無ければ、実施例１で問題ないが、実際はモータ定数の設定誤差等が存在する。そのため、実施例２では、モータ印加電圧位相に制限値（上限、下限）を設けて、制限値IqATR_LIM^*を補正する構成とした。この構成を用いることでモータ定数の設定誤差等に強くなり、よりロバストな制御が可能となる。また、モータ印加電圧位相を所定値内に管理することも可能になる。

点線部１２Ｂは、モータ印加電圧位相を上限値（θvu^*）と下限値（θvd^*）を用いて偏差を算出し、比較器１２Ｂ１で、偏差の正値の大きい方を選択し、その値を積分器１２Ｂ２に入力し制限値IqATR_LIM^*を補正する構成となっている。なお、これらを別々に算出（積分）して制限値IqATR_LIM^*を補正しても良い。

図１７はモータ印加電圧位相が上限値（θvu^*）に達した場合、図１８は電圧位相が下限値（θvd^*）に達した場合の動作を示している。ここで、回転速度の動きは図示していないが、図１０と同様であり、実施例１の制限値IqATR_LIM^*を点線で示し、実施例２の制限値IqATR_LIM^*を実線で示す。

このようにモータ印加電圧位相を併用することでモータ印加電圧位相を所定値以内に抑えることが可能となり、モータ定数等の設定誤差があっても脱調することなく駆動が可能となる。

なお、図１６は点線部１２Ｂと併用する構成であるが、点線部１２Ｂのみで制限値IqATR_LIM^*を算出することも可能である。また、電圧位相の偏差は正の値のみを使用するため、実際には負値を削除するリミッタが必要であるが、図の簡単化のため図示していない。以降の図も同様である。

実施例３を図１９、図２０に示す。図１９は、図９の構成に点線部１２Ｃを追加した構成であり、図２０はその時の動作説明図である。図１９の点線部１２Ｃは、変調率で制限値IqATR_LIM^*を補正する方式である。変調率を用いても実施例１や実施例２同様に制限値IqATR_LIM^*の補正が可能である。なお、図１７、図１８と同様に、図２０では、実施例１の制限値IqATR_LIM^*を点線で示し、実施例３の制限値IqATR_LIM^*を実線で示す。

実施例４を図２１、図２２に示す。実施例４は、実施例３で示した点線部１２Ｃのみで制限値IqATR_LIM^*を算出する方式である。この場合、図２２に示す通り、変調率ｈｋが変調率指令値ｋｈ^*に到達した時点で制限値IqATR_LIM^*が変化するため、若干のオーバーシュートが発生するものの、実用上の悪影響はなく、構成の簡略化、コスト低減を図ることができる。

実施例５を図２３、図２４に示す。実施例５は、変調率ｈｋと変調率指令値ｋｈ^*の大小関係を比較し、変調率ｈｋが変調率指令値ｋｈ^*より大きい期間のみ制限値IqATR_LIM^*を所定値だけ減算（変調率ｈｋが変調率指令値ｋｈ^*より小さい期間は加算）する構成である。本実施例の構成は積分器を使用しないため、構成が簡単であり、ソフトウエアで実現する場合も容量や処理時間が低減できる。また、本実施例では、比較器を用いてIqATR_LIM^*を所定値ずつ減算する方式で説明したが、変調率ｈｋが変調率指令値ｋｈ^*を超えたら、所定の時間間隔で、IqATR_LIM^*をあらかじめ設定した所定値まで、所定値ずつ減算する方式としての良い。

実施例６を図２５、図２６に示す。実施例６は、実施例１の図９に併用して、d軸電流の操作でｑ軸電流（トルク電流ピーク値）を抑制する方式である。図７で定電圧楕円について述べたが、図７に示す通り、q軸電流を増加させるためには、d軸電流を増加させる必要がある。逆に言うと、d軸電流が増加しないとｑ軸電流は増加できない。よって、図２５に示す通り、電圧位相でｄ軸電流の負への増加を制限することで結果的にｑ軸電流（IqATR_LIM^*）の増加を制限することができる。

図２５は、図１のｄ軸電流指令演算部１に電圧位相によるｄ軸電流制限部１２Ｄを追加した構成となっている。ｄ軸電流指令演算部１は、数１に従ってトルク／電流比が最大となるＩｄ値を算出する算出部と数７に従って弱め界磁電流となるＩｄ値を算出する算出部と、上記Ｉｄ電流値の負に大きい方を出力する選択器から構成されている。モータ印加電圧位相によるｄ軸電流制限部１２Ｄは図１６の１２Ｂの電圧位相上限のみを制限する構成となっている。モータ印加電圧位相によるｄ軸電流制限部１２Ｄを用いてｄ軸電流の負に増加を制限する。なお、モータ印加電圧位相によるｄ軸電流制限部１２Ｄはモータ印加電圧位相によるｄ軸電流制限部１２Ｂの構成に変更しても問題ない。

動作の様子を図２６に記載する。モータ印加電圧位相が電圧位相上限指令値θvu^*に到達するとｄ軸電流指令値の負に増加を図の通り制限する（破線は電圧位相によるｄ軸電流制限部１２Ｄが無い場合のｄ軸電流指令値である）。なお、図２６では、実施例１のd軸電流指令Id^*を点線で示し、実施例６のd軸電流指令Id^*を実線で示している。本実施例を用いることで、ｄ軸電流を制限することで間接的にｑ軸電流（IqATR_LIM^*）の増加を制限することができる。

実施例７は、上記何れかの実施例のモータ駆動装置１００を、冷凍空調機器の一例としてルームエアコンに適用したものである。図２７に示す本実施例のルームエアコンは、室外機２７１、室内機２７２、リモコン２７３から構成されており、室外機２７１内の圧縮機を駆動するモータ駆動装置に何れかの実施例の構成を適用したものである。ここで、室外機２７１に搭載されている圧縮機はツインロータリ圧縮機で、機械角１回転に２回のトルク変動を持つ圧縮機である。実施例１では機械角１回転に１回のトルク変動を持つ機器を前提に説明してきたが、周期的に変動する負荷を持つ機器であれば、機械角１回転に２回のトルク変動を持つ圧縮機を対象としても良い。

ここで、上記実施例で電圧位相や変調率ｋｈで制限値IqATR_LIM^*を補正したり直接制限値IqATR_LIM^*を算出する実施例を述べたが、モータ印加電圧位相や変調率ｋｈは図１５に示した通り、回転速度によって所定値（指令値）が変化する。よって、上記実施例を適用する場合は、回転速度に応じて所定値（指令値）を変化させる構成を備えることが望ましい。

本発明のモータ駆動装置を圧縮機駆動用モータの制御に適用することで、低速回転時から高速回転時まで広範囲に振動騒音の低減が可能であり、弱め界磁制御も可能である。

本実施例ではツインロータリー圧縮機で説明したが、スクロール圧縮機にも適用可能である。但し、振動騒音低減の効果はロータリ圧縮機ほどではない。また、冷蔵庫等小型の冷凍機に広く用いられているレシプロ圧縮機に適用することも可能である。

１ d軸電流指令演算部
２ 電流指令演算部
３ 電圧演算部
４ 電圧補正演算部
５ ｄｑ／３相変換部
６ ＰＷＭ演算部
７ 速度制御部
８ 速度変動抑制制御部
９ トルク脈動推定部
１０ ３相／ｄｑ変換部
１１ 軸誤差演算部
１２ トルク電流制限値演算部
１３ ＰＬＬ位相演算部
１４ 積分器
１５ ＰＬＬ位相演算部
１６ 直流電圧検出部
１７ 積分器
８Ａ１ フーリエ変換部
８Ａ２ 積分補償器
８Ｂ 振幅制限部
８Ｃ フーリエ逆変換部
１００ モータ駆動装置
１０１ ベクトル制御部
１０２ 位置センサレス制御部
２８１ マイコン
２８２ インバータ
２８３ 直流電源
２８４ 電流検出器
２８５ ＰＭモータ

Claims (3)

1. 上位系から入力された回転速度指令に基づいて、外部機器の負荷に起因する周期的なトルク変動に同期するように三相モータの出力トルクを制御するモータ駆動装置であって、
   回転座標系のｄ軸電流指令を出力するｄ軸電流指令演算部と、
   回転座標系のｑ軸電流指令を出力する速度制御部と、
   固定座標系の三相交流電流値が入力され、回転座標系のd軸電流検出値、ｑ軸電流検出値、前記三相モータの回転速度、軸誤差演算値、回転位相を出力する位置センサレス制御部と、
   前記回転速度、および、前記軸誤差演算値が入力され、脈動トルクを出力するトルク脈動推定部と、
   制限値を出力するトルク電流制限値演算部と、
   前記回転速度、前記脈動トルク、および、前記制限値が入力され、該脈動トルクに含まれる回転に同期した成分を０にするトルク電流を演算するとともに、該トルク電流の出力振幅を前記制限値で制限した脈動トルク電流指令を出力する速度変動抑制制御部と、
   前記ｄ軸電流指令と前記d軸電流検出値の差分、前記ｑ軸電流指令と前記ｑ軸電流検出値の差分、前記脈動トルク電流指令、前記回転位相が入力され、固定座標系の三相交流電圧値を出力するベクトル制御部と、
   を具備し、
   弱め界磁制御時に前記トルク電流制限値演算部が出力する前記制限値は、
   前記三相モータへの印加電圧位相に比例、または、
   前記三相モータの変調率に比例、
   することを特徴とするモータ駆動装置。
2. 上位系から入力された回転速度指令に基づいて、外部機器の負荷に起因する周期的なトルク変動に同期するように三相モータの出力トルクを制御するモータ駆動装置であって、
   回転座標系のｄ軸電流指令を出力するｄ軸電流指令演算部と、
   回転座標系のｑ軸電流指令を出力する速度制御部と、
   固定座標系の三相交流電流値が入力され、回転座標系のd軸電流検出値、ｑ軸電流検出値、前記三相モータの回転速度、軸誤差演算値、回転位相を出力する位置センサレス制御部と、
   前記回転速度、および、前記軸誤差演算値が入力され、脈動トルクを出力するトルク脈動推定部と、
   制限値を出力するトルク電流制限値演算部と、
   前記回転速度、前記脈動トルク、および、前記制限値が入力され、該脈動トルクに含まれる回転に同期した成分を０にするトルク電流を演算するとともに、該トルク電流の出力振幅を前記制限値で制限した脈動トルク電流指令を出力する速度変動抑制制御部と、
   前記ｄ軸電流指令と前記d軸電流検出値の差分、前記ｑ軸電流指令と前記ｑ軸電流検出値の差分、前記脈動トルク電流指令、前記回転位相が入力され、固定座標系の三相交流電圧値を出力するベクトル制御部と、
   を具備し、
   弱め界磁制御時に前記トルク電流制限値演算部が出力する前記制限値を、所定値以下としたことを特徴とするモータ駆動装置。
3. 上位系から入力された回転速度指令に基づいて、外部機器の負荷に起因する周期的なトルク変動に同期するように三相モータの出力トルクを制御するモータ駆動装置であって、
   回転座標系のｄ軸電流指令を出力するｄ軸電流指令演算部と、
   回転座標系のｑ軸電流指令を出力する速度制御部と、
   固定座標系の三相交流電流値が入力され、回転座標系のd軸電流検出値、ｑ軸電流検出値、前記三相モータの回転速度、軸誤差演算値、回転位相を出力する位置センサレス制御部と、
   前記回転速度、および、前記軸誤差演算値が入力され、脈動トルクを出力するトルク脈動推定部と、
   制限値を出力するトルク電流制限値演算部と、
   前記回転速度、前記脈動トルク、および、前記制限値が入力され、該脈動トルクに含まれる回転に同期した成分を０にするトルク電流を演算するとともに、該トルク電流の出力振幅を前記制限値で制限した脈動トルク電流指令を出力する速度変動抑制制御部と、
   前記ｄ軸電流指令と前記d軸電流検出値の差分、前記ｑ軸電流指令と前記ｑ軸電流検出値の差分、前記脈動トルク電流指令、前記回転位相が入力され、固定座標系の三相交流電圧値を出力するベクトル制御部と、
   を具備し、
   弱め界磁制御時に前記トルク電流制限値演算部が出力する前記制限値を、所定値以下まで徐々に低下させることを特徴とするモータ駆動装置。

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