JPWO2020044508A1 - モータ駆動装置、モータ制御方法および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

モータ駆動装置は、直流電圧を交流電圧へ変換して、交流電圧を出力するインバータ回路と、モータに印加される電流の指令値である電流指令値を生成する電流指令生成部（１１）と、電流指令値を基に交流電圧の指令値である電圧指令値を生成することによってインバータ回路を制御する電圧指令生成部（１０）と、を備える。電流指令生成部（１１）は、回転子の位置決めの後、回転子の回転速度が定常状態となるまでの期間において、回転子の回転速度の指令値である速度指令値の変化に追従してレベルが調整された電流指令値を生成する。

Description

本発明は、モータを駆動するモータ駆動装置、モータ制御方法および冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置の圧縮機には、圧縮機の運転停止と同時に冷媒の流路が遮断されることによって、冷媒の吸入口と吐出口とにおける圧力差である差圧が生じることがある。圧縮機の運転再開時における差圧が大きいほど、圧縮機のモータが起動する際の負荷トルクは大きくなる。

特許文献１には、負荷トルクの変動に関わらずモータの安定した起動を可能とするために、回転子の実際の回転位置と制御上における回転位置との差である軸誤差を同期運転モードにおいて求め、軸誤差を基に電圧指令値を調整する方法が開示されている。特許文献１の方法は、回転子が停止している状態から一定の期間の同期運転モードにおいて、回転子の回転位置を検出せずにコイルの通電相を切り換えることにより、回転子の回転を開始させる。回転子の回転開始後、コイルの非通電相に生じる誘起電圧によって回転子の回転位置を検出可能な程度にまで回転子の回転が加速されると、モータの運転モードは、回転位置のフィードバック制御を行う位置フィードバック運転モードへ移行する。

特開２０１２−２４９３５５号公報

上記特許文献１の従来技術の場合、同期運転モードから位置フィードバック運転モードへの切り換わりにおいて、モータを流れる電流の位相変化によって回転子の回転が不安定となる場合がある。回転子の安定した回転を可能とするためには、同期運転モードでの加速が制限されることになる。このため、従来技術によると、同期運転モードを経てモータを起動させることにより、同期運転モードにて加速に制限が課せられる分、モータの起動に時間がかかるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータの起動に要する時間を短縮可能とするモータ駆動装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るモータ駆動装置は、回転子を有するモータを駆動する。本発明に係るモータ駆動装置は、直流電圧を交流電圧へ変換して、交流電圧を出力するインバータ回路と、モータに印加される電流の指令値である電流指令値を生成する電流指令生成部と、電流指令値を基に交流電圧の指令値である電圧指令値を生成することによってインバータ回路を制御する電圧指令生成部と、を備える。電流指令生成部は、回転子の位置決めの後、回転子の回転速度が定常状態となるまでの期間において、回転子の回転速度の指令値である速度指令値の変化に追従してレベルが調整された電流指令値を生成する。

本発明に係るモータ駆動装置は、モータの起動に要する時間を短縮できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るモータ駆動装置を示す図 図１に示すモータ駆動装置が有するインバータ制御部の機能構成を示すブロック図 図１に示すインバータ制御部の機能が専用のハードウェアによって実現される場合のハードウェア構成を示す図 図１に示すインバータ制御部の機能が、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサによって実現される場合のハードウェア構成を示す図 図２に示すインバータ制御部によって生成されるＰＷＭ信号のデューティ比と、ＰＷＭ信号によって制御される出力電圧との関係を説明する図 図１に示すモータ駆動装置によるモータ制御方法の手順を示すフローチャート 図６に示すモータ制御方法の手順によってモータを駆動した場合における回転速度の推移の第１の例を示す図 図６に示すモータ制御方法の手順によってモータを駆動した場合におけるモータ電流の波形の例を示す図 図６に示すモータ制御方法の手順によってモータを駆動した場合における回転速度の推移の第２の例を示す図 図１に示すモータ駆動装置を有する冷凍サイクル装置の構成を示す図 図１０に示す冷凍サイクル装置が有する圧縮機の例であるレシプロ圧縮機を模式的に表した図 図１０に示す冷凍サイクル装置が有する圧縮機の例であるロータリー圧縮機とレシプロ圧縮機とのトルクについて説明する図

以下に、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置、モータ制御方法および冷凍サイクル装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るモータ駆動装置１００を示す図である。モータ駆動装置１００は、モータ５０を駆動する。モータ５０は、センサレス型のブラシレスモータである。モータ５０は、永久磁石である回転子と、３相のコイルが設けられた固定子とを有する。モータ駆動装置１００は、直流電源１から出力される直流電圧を交流電圧へ変換して交流電圧を出力するインバータ回路２と、インバータ回路２を制御するインバータ制御部３とを有する。

インバータ回路２は、直流電源１から供給される直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆと、各々がスイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆの各々に並列に接続されたダイオード５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆとを有する。

モータ駆動装置１００は、インバータ回路２の入力側に印加される直流電圧を検出する電圧検出部６と、直流電源１とインバータ回路２との間を流れる直流電流を検出する電流検出部７とを有する。電圧検出部６は、直流電圧の検出結果を示す情報である検出電圧Ｖｄｃをインバータ制御部３へ出力する。電流検出部７は、直流電流の検出結果を示す情報である検出電流Ｉｄｃをインバータ制御部３へ出力する。インバータ制御部３は、検出電圧Ｖｄｃと検出電流Ｉｄｃとを基にパルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを生成する。インバータ制御部３は、ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮをインバータ回路２へ出力して、スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆの動作を制御する。

モータ駆動装置１００には、直流電源１に代えて、整流と平滑化とによって交流電力を直流電力へ変換するコンバータ回路が設けられても良い。直流電源１は、太陽電池あるいはバッテリなどに代えられても良い。

図１に示すスイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆは、トランジスタである。スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、サイリスタ、またはＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）といった半導体素子であっても良い。

スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃは、直流電源１のプラス端子に接続されている。スイッチング素子４ｄ，４ｅ，４ｆは、直流電源１のマイナス端子に接続されている。スイッチング素子４ａとスイッチング素子４ｄとは、直列に接続されている。スイッチング素子４ｂとスイッチング素子４ｅとは、直列に接続されている。スイッチング素子４ｃとスイッチング素子４ｆとは、直列に接続されている。スイッチング素子４ａとスイッチング素子４ｄとの間の接続点８ａは、モータ５０におけるＵ相の端子に接続される。スイッチング素子４ｂとスイッチング素子４ｅとの間の接続点８ｂは、モータ５０におけるＶ相の端子に接続される。スイッチング素子４ｃとスイッチング素子４ｆとの間の接続点８ｃは、モータ５０におけるＷ相の端子に接続される。

インバータ制御部３は、スイッチング素子４ａへＰＷＭ信号ＵＰを出力することによって、スイッチング素子４ａのスイッチングを制御する。インバータ制御部３は、スイッチング素子４ｄへＰＷＭ信号ＵＮを出力することによって、スイッチング素子４ｄのスイッチングを制御する。インバータ制御部３は、スイッチング素子４ｂへＰＷＭ信号ＶＰを出力することによって、スイッチング素子４ｂのスイッチングを制御する。インバータ制御部３は、スイッチング素子４ｅへＰＷＭ信号ＶＮを出力することによって、スイッチング素子４ｅのスイッチングを制御する。インバータ制御部３は、スイッチング素子４ｃへＰＷＭ信号ＷＰを出力することによって、スイッチング素子４ｃのスイッチングを制御する。インバータ制御部３は、スイッチング素子４ｆへＰＷＭ信号ＷＮを出力することによって、スイッチング素子４ｆのスイッチングを制御する。

電流検出部７は、スイッチング素子４ｄ，４ｅ，４ｆと直流電源１との間に接続されたシャント抵抗を有する。モータ駆動装置１００からモータ５０へ電流が流れることにより、シャント抵抗にも電流が流れる。電流検出部７は、シャント抵抗に発生する電圧降下と抵抗値とを基に電流を測定することにより、モータ５０に印加される電流であるモータ電流を検出する。なお、モータ駆動装置１００は、スイッチング素子４ｄ，４ｅ，４ｆと直流電源１との間に接続された電流検出部７に代えて、モータ駆動装置１００とモータ５０との間を流れる電流を直接検出する電流検出部を有しても良い。かかる電流検出部には、モータ５０の各相における電流を検出するための１個以上のシャント抵抗が設けられる。

図２は、図１に示すモータ駆動装置１００が有するインバータ制御部３の機能構成を示すブロック図である。インバータ制御部３には、電圧検出部６からの検出電圧Ｖｄｃと電流検出部７からの検出電流Ｉｄｃとが入力される。また、インバータ制御部３には、モータ５０を含むシステム全体を制御する上位コントローラによって、回転子の回転速度の指令値である速度指令値ω＊が与えられる。モータ駆動装置１００は、あらかじめ設定された速度指令値ω＊を保持しても良い。

電流復元部１８は、検出電流Ｉｄｃを基に、３相のモータ電流を示す情報である３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを復元する。Ｕ相電流Ｉｕは、Ｕ相のモータ電流を示す。Ｖ相電流Ｉｖは、Ｖ相のモータ電流を示す。Ｗ相電流Ｉｗは、Ｗ相のモータ電流を示す。なお、モータ駆動装置１００とモータ５０との間を流れる各相の電流が直接検出される場合は、電流復元部１８による復元は不要である。

座標変換部１９は、復元された３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと磁極位置θとを基に、３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗからｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑへの座標変換を行う。ここで、ｄ軸およびｑ軸は、回転子の磁極に対応する２軸である。ｄ軸は、回転子の磁極による磁束の方向の軸である。ｑ軸は、回転方向においてｄ軸とは９０度異なる方向の軸である。ｄ軸電流Ｉｄは、モータ電流のｄ軸成分を示す情報である。ｑ軸電流Ｉｑは、モータ電流のｑ軸成分を示す情報である。磁極位置θについては後述する。座標変換部１９は、後述する電圧指令演算部１３へｄ軸電流Ｉｄを出力し、電圧指令演算部１３と後述するすべり補償処理部１６とへｑ軸電流Ｉｑを出力する。

インバータ制御部３は、モータ５０に印加される電流の指令値である電流指令値を生成する電流指令生成部１１を有する。電流指令生成部１１は、速度指令値ω＊を基に、ｄ軸成分の電流指令値であるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を生成する。電流指令生成部１１は、回転子の位置決めの後、回転子の回転速度が定常状態となるまでの期間において、速度指令値ω＊の変化に追従してレベルが調整されたｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を生成する。電流指令生成部１１は、生成されたｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を電圧指令演算部１３へ出力する。

インバータ制御部３は、速度指令値ω＊を調整する速度指令調整部１２と、速度指令値ω＊からの回転速度の遅延であるすべりを補償するための処理を行うすべり補償処理部１６と、回転子の回転位置を推定する位置推定部１７とを有する。すべり補償処理部１６は、検出電流Ｉｄｃからの復元および座標変換によって得られたｑ軸電流Ｉｑを基に、すべり補償のための速度指令値ω＊の調整量を算出する。速度指令調整部１２は、すべり補償処理部１６によって算出された調整量を基に、速度指令値ω＊を調整する。これにより、速度指令調整部１２は、検出電流Ｉｄｃに基づいた速度指令値ω＊の調整を行う。速度指令調整部１２は、調整された速度指令値ω＊を電圧指令演算部１３へ出力する。

位置推定部１７は、速度指令調整部１２による調整を経た速度指令値ω＊を積分することにより、回転方向における回転子の磁極の位置を推定する。位置推定部１７は、座標変換部１９と、後述する電圧指令生成部１０とへ、推定結果を表す情報である磁極位置θを出力する。磁極位置θは、固定子を基準とする回転子の磁極の位置を表す。なお、インバータ制御部３は、回転子の回転速度を測定する機能を有しても良い。この場合、位置推定部１７は、速度指令値ω＊に代えて回転速度の測定値を積分することにより、磁極の位置を推定しても良い。

インバータ制御部３は、モータ５０へ出力される交流電圧の指令値である電圧指令値を生成する電圧指令生成部１０を有する。電圧指令生成部１０は、電圧指令値を生成することによってインバータ回路２を制御する。電圧指令生成部１０は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とを算出する電圧指令演算部１３と、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊から３相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊への座標変換を行う座標変換部１４とを有する。ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊は、ｄ軸成分の電圧指令値である。ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は、ｑ軸成分の電圧指令値である。

電圧指令演算部１３は、電流指令生成部１１で生成されたｄ軸電流指令値Ｉｄ＊へｄ軸電流Ｉｄを収束可能に調整されたｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を生成する。また、電圧指令演算部１３は、速度指令調整部１２からの速度指令値ω＊を基に、ｑ軸成分の電流指令値であるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成する。電圧指令演算部１３は、生成されたｑ軸電流指令値Ｉｑ＊へｑ軸電流Ｉｑを収束可能に調整されたｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を生成する。電圧指令演算部１３は、生成されたｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とを座標変換部１４へ出力する。

座標変換部１４は、生成されたｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と検出電圧Ｖｄｃと磁極位置θとを基に、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊から、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊およびＷ相電圧指令値Ｖｗ＊への座標変換を行う。座標変換部１４は、ＰＷＭ信号生成部１５へ３相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を出力する。

ＰＷＭ信号生成部１５は、負荷の機械角に対応した負荷トルクの値を推定し、推定した負荷トルクの値に対応したパルス数を求める。ＰＷＭ信号生成部１５は、求めたパルス数に対応した周波数を持つキャリア波と３相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊とを比較して、ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを生成する。ＰＷＭ信号生成部１５は、生成されたＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮをインバータ回路２へ出力する。

インバータ制御部３の機能は、処理回路により実現される。処理回路は、モータ駆動装置１００に搭載される専用のハードウェアである。処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであっても良い。

図３は、図１に示すインバータ制御部３の機能が専用のハードウェアによって実現される場合のハードウェア構成を示す図である。専用のハードウェアである処理回路３０は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらの組み合わせである。

図４は、図１に示すインバータ制御部３の機能が、メモリ３２に格納されるプログラムを実行するプロセッサ３１によって実現される場合のハードウェア構成を示す図である。プロセッサ３１およびメモリ３２は、相互に通信可能に接続されている。プロセッサ３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。インバータ制御部３の機能は、プロセッサ３１と、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ３２に格納される。メモリ３２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の不揮発性もしくは揮発性の半導体メモリ等の内蔵メモリである。

インバータ制御部３の機能の一部が専用のハードウェアにより実現され、インバータ制御部３の機能のその他の部分がソフトウェアあるいはファームウェアにより実現されても良い。このように、インバータ制御部３の機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって実現することができる。

インバータ回路２からの出力電圧の制御は、ＰＷＭ信号のデューティ比の制御によって行われる。デューティ比は、ＰＷＭ周期におけるパルス幅の割合である。ここで、デューティ比と出力電圧との関係について説明する。図５は、図２に示すインバータ制御部３によって生成されるＰＷＭ信号のデューティ比と、ＰＷＭ信号によって制御される出力電圧との関係を説明する図である。図５に示すグラフの横軸は時間を表し、縦軸はデューティ比と出力電圧の振幅とを表す。図５において、ＰＷＭ信号のパルスは破線により示している。キャリア波形は実線により示している。太い実線により示す電圧波形４３は、出力電圧の振幅４１と時間との関係を表す。周期４５は、電圧波形４３の周期である。

キャリア周期４４は、モータ５０の制御のための演算が行われる周期である。インバータ制御部３は、１キャリアまたは複数キャリアごとに、出力電圧の制御のための演算を行う。インバータ回路２には、ＰＷＭ信号のパルスがオンである時間に直流電圧が印加される。ＰＷＭ信号のパルス幅４２が調整されることによって、出力電圧の振幅４１が調整される。デューティ比は、電圧波形４３が正弦波に近い波形となるように調整される。

次に、モータ駆動装置１００によるモータ５０の駆動の制御について説明する。図６は、図１に示すモータ駆動装置１００によるモータ制御方法の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１において、モータ駆動装置１００は、上位コントローラから運転開始指令が与えられることによって、モータ５０の起動を開始する。モータ５０の起動の開始により、モータ駆動装置１００は、ステップＳ２において、位置決めモードによるモータ５０の動作を開始させる。第１の工程であるステップＳ２において、モータ駆動装置１００は、回転子の位置決めを行う。

位置決めモードにおいて、インバータ制御部３は、あらかじめ設定された電圧指令値を電圧指令演算部１３から出力することにより、回転子を特定の回転位置へ移動させる。これにより、モータ駆動装置１００は、あらかじめ設定された回転位置への回転子の位置決めを行う。位置決めモードにおいて、インバータ制御部３へ与えられる速度指令値ω＊はゼロである。

回転子の位置決めの後、インバータ制御部３へ与えられる速度指令値ω＊がゼロから増加することにより、ステップＳ３において、モータ駆動装置１００は、モータ５０の運転モードを位置決めモードから起動加速モードへ移行させる。起動加速モードにおいて、電流指令生成部１１は、速度指令値ω＊の増加に追従するように、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊のレベルを調整する。起動加速モードにおいて、モータ駆動装置１００は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊のレベルの調整によって、速度指令値ω＊の変化量である加速度にしたがって回転子の回転を加速させる。第２の工程であるステップＳ３において、モータ駆動装置１００は、位置決めされた状態から回転子を回転させ、かつ回転を加速させる。

起動加速モードによって速度指令値ω＊が定常状態に達したとき、ステップＳ４において、モータ駆動装置１００は、モータ５０の運転モードを起動加速モードから定常運転モードへ移行させる。定常状態とは、速度指令値ω＊の増加の後に速度指令値ω＊が一定となった状態とする。定常運転モードにおいて、モータ駆動装置１００は、定常状態とされた速度指令値ω＊にしたがってモータ５０を駆動する。第３の工程であるステップＳ４において、モータ駆動装置１００は、加速の後の定常運転により回転子を回転させる。なお、定常運転モードにおいて、モータ駆動装置１００は、速度指令値ω＊が変更されることによって、回転子の回転速度を変化させる。

定常運転モードにてモータ５０を駆動している間、ステップＳ５において、インバータ制御部３は、停止指令の有無を判断する。停止指令は、速度指令値ω＊をゼロとする指令である。停止指令が無い場合（ステップＳ５，Ｎｏ）、モータ駆動装置１００は、定常運転モードでのモータ５０の駆動を継続する。停止指令があった場合（ステップＳ５，Ｙｅｓ）、ステップＳ６において、モータ駆動装置１００は、モータ５０の運転を停止する。これにより、モータ駆動装置１００は、図６に示す手順を終了する。

図７は、図６に示すモータ制御方法の手順によってモータ５０を駆動した場合における回転速度の推移の第１の例を示す図である。図７において、グラフＲ１は、図６に示す手順で運転モードを移行させた場合における回転速度ωの推移の例を示している。期間Ｔ１は、モータ５０の運転モードが位置決めモードとされる期間である。期間Ｔ２は、モータ５０の運転モードが起動加速モードとされる期間である。期間Ｔ３は、モータ５０の運転モードが定常運転モードとされる期間である。

図７において、グラフＲ２は、比較例における回転速度ωの推移を示している。比較例では、上記の起動加速モードに代えて、同期運転モードと位置フィードバック運転モードとによる駆動が行われる。期間Ｔ４は、モータ５０の運転モードが同期運転モードとされる期間である。期間Ｔ５は、モータ５０の運転モードが位置フィードバック運転モードとされる期間である。比較例においても、位置決めモードによる回転子の位置決めは、図６に示すモータ制御方法と同様に行われる。

比較例の同期運転モードでは、モータ５０へ供給される電流の周波数の増加によって回転速度ωを増加させる。同期運転モードから位置フィードバック運転モードへの切り換わりにおいて、モータ５０を流れる電流の位相変化によって、回転子の回転が不安定となる場合がある。モータ５０は、回転が不安定となることにより、振動を生じることがある。モータ５０に振動が生じ得る状況において回転子の加速度を大きくすると、回転がさらに不安定となることで、ＰＷＭ信号による制御に回転が追従しなくなる現象である脱調を生じ得る。同期運転モードの場合、回転子の安定した回転を可能とするために、加速が制限されることになる。加速に制限が課せられる分、期間Ｔ４における加速が期間Ｔ５よりも低くなるために、回転速度ωがゼロから定常状態になるまでに要する期間Ｔ４＋Ｔ５を短縮することが困難となる。

図６に示す実施の形態１にかかる手順では、回転子の回転速度がゼロから定常状態になるまでの起動加速モードにおいて、速度指令値ω＊は時間に比例して増加する。期間Ｔ２における速度指令値ω＊と時間との関係は、一次関数によって表される。かかる速度指令値ω＊に追従するようにｄ軸電流指令値Ｉｄ＊のレベルを調整して、モータ５０の駆動を制御することにより、モータ駆動装置１００は、起動加速モードにおいて、時間に比例して回転速度ωを増加させる。モータ駆動装置１００は、上記の同期運転モードではある制限値よりも加速度を大きくすることができない一方、起動加速モードでは当該制限値よりも加速度を大きくすることができる。または、モータ駆動装置１００は、起動加速モードにおいて、モータ５０の仕様による最大値にまで加速度を大きくすることができる。このため、モータ駆動装置１００は、回転速度ωがゼロから定常状態になるまでの期間Ｔ２を、上記の期間Ｔ４＋Ｔ５よりも短縮することができる。これにより、モータ駆動装置１００は、起動加速モードでのモータ５０の駆動によって、モータ５０の起動に要する時間を短縮することができる。

このように、モータ駆動装置１００は、同期運転モードによる駆動が行われる場合とは異なり、回転子の回転を開始した直後から回転子の加速度を大きくすることができる。回転子の加速度が大きくなり、モータ５０により出力されるトルクが大きくなるため、モータ５０は、起動時における振動の低減と騒音の低減とが可能となる。

図８は、図６に示すモータ制御方法の手順によってモータ５０を駆動した場合におけるモータ電流の波形の例を示す図である。位置決めモードである期間Ｔ１の開始時に、モータ電流の電流値は、特定の回転位置に回転子を移動させるために、一定の値にまで上げられる。期間Ｔ１が終了するまで、モータ電流の電流値は一定に維持される。起動加速モードである期間Ｔ２の開始時に、モータ電流の振幅は最大となる。期間Ｔ２では、回転子が回転を開始してからは時間の経過とともにモータ電流の振幅は減少する。モータ電流の振幅は、速度指令値ω＊の増加に追従して回転子の回転を加速可能に調整される。定常運転モードである期間Ｔ３では、速度指令値ω＊が定常状態となることによって、モータ電流の振幅は一定となる。

起動加速モードにおいて、速度指令値ω＊は、時間に比例して一定の度合いで増加させる以外に、増加の度合いを変化させても良い。図９は、図６に示すモータ制御方法の手順によってモータ５０を駆動した場合における回転速度の推移の第２の例を示す図である。速度指令値ω＊の増加の度合いは、起動加速モードである期間Ｔ２の開始時において最大とする。期間Ｔ２において、速度指令値ω＊の増加の度合いは、時間の経過に伴って減少させていき、速度指令値ω＊を定常状態へ収束させる。定常運転モードである期間Ｔ３において速度指令値ω＊は定常状態となる。期間Ｔ２における速度指令値ω＊と時間との関係は、高次関数によって表される。かかる速度指令値ω＊に追従するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を生成して、モータ５０の駆動を制御することにより、回転速度ωは、速度指令値ω＊と同様に変化する。第２の例の場合も、モータ駆動装置１００は、起動加速モードでのモータ５０の駆動によって、モータ５０の起動に要する時間を短縮することができる。

スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆの材料は、一般的な半導体材料であるシリコン（Ｓｉ）のほか、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）またはダイヤモンド（Ｃ）といった、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体材料であっても良い。ワイドバンドギャップ半導体のバンドギャップは、シリコンのバンドギャップよりも大きい。スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆは、ワイドバンドギャップ半導体が用いられることで、電力損失の低減が可能となり、高い効率でのスイッチング動作が可能となる。また、スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆは、キャリア周波数を高くする場合においても電力損失を低減可能とする。スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆは、キャリア周波数を高くすることでスイッチング動作の高速化が可能となる。モータ駆動装置１００は、スイッチング動作の細かい制御が可能となることで、モータ５０の起動をより安定化させることができる。モータ駆動装置１００は、スーパージャンクション構造を有するＭＯＳＦＥＴが用いられる場合も、ワイドバンドギャップ半導体が用いられる場合と同様の効果を得ることができる。

次に、モータ駆動装置１００およびモータ５０を含むシステムの１つである冷凍サイクル装置について説明する。図１０は、図１に示すモータ駆動装置１００を有する冷凍サイクル装置１０１の構成を示す図である。冷凍サイクル装置１０１は、冷凍サイクルであるヒートポンプサイクルによって冷媒を循環させながら冷却処理を行う装置である。冷凍サイクル装置１０１は、冷蔵庫またはエアコンディショナーといった装置に適用される。

冷凍サイクル装置１０１は、冷媒を循環させる閉回路である冷媒回路５１を備える。冷凍サイクル装置１０１は、冷媒回路５１における冷媒の圧縮と圧縮された冷媒の膨張とによって、冷媒の液化と気化とを繰り返す。冷媒回路５１において、熱交換器５３と、減圧機構５４と、電磁弁５５と、熱交換器５６と、圧縮機５７とは、かかる配列順で、冷媒配管５２を介して接続されている。圧縮機５７と熱交換器５３とは、冷媒配管５２を介して接続されている。

蒸発器である熱交換器５３は、冷媒と熱媒体との熱交換を行う。熱交換器５３は、上流側である圧縮機５７側から送られてくる冷媒に熱を吸収させて、下流側である減圧機構５４側へ冷媒を送る。熱交換器５３は、凝縮器の機能も有している。

減圧機構５４は、冷媒の流量を制御する。減圧機構５４の例としては、開閉によって冷媒の流量を調整する膨張弁であるバルブが挙げられる。減圧機構５４は、バルブのほか、絞り開度が可変な構造を有する膨張弁、重圧部にダイアフラムを採用した機械式膨張弁、またはキャピラリーチューブであっても良い。

電磁弁５５は、電気信号にしたがって冷媒回路５１の開閉を行う。電磁弁５５は、電気信号の入力により開閉を制御可能であれば良く、任意の構造とすることができる。なお、減圧機構５４および電磁弁５５は、冷媒回路５１の任意の位置に配置することができる。また、電磁弁５５は、使用されない場合もある。冷媒回路５１には、圧縮機５７の運転中の圧力差と圧縮機５７の停止期間とにより差圧が発生する。

凝縮器である熱交換器５６は、冷媒と熱媒体との熱交換を行う。熱交換器５６は、上流側である熱交換器５３側から送られてくる冷媒の熱を放出させ、下流側である圧縮機５７側へ冷媒を送る。熱交換器５６は、蒸発器の機能も有している。

熱交換器５３，５６は、空気または水といった熱媒体に対応した形式を備える。熱媒体が空気である場合、熱交換器５３，５６には、フィンアンドチューブ型熱交換器を用いることができる。また、熱媒体が水またはブラインといった液体である場合、熱交換器５３，５６には、マイクロチャネル熱交換器、シェルアンドチューブ型熱交換器、ヒートパイプ式熱交換器、二重管式熱交換器、またはプレート熱交換器を用いることができる。

圧縮機５７は、モータ５０と、冷媒を圧縮するための構成が配置された冷媒圧縮室と、熱交換器５６側に設けられ冷媒を吸入する吸入口と、熱交換器５３側に設けられ冷媒を吐出する吐出口とを有する。圧縮機５７のうちモータ５０以外の構成要素については図示を省略している。圧縮機５７は、熱交換器５６から吸入された冷媒をモータ５０の駆動によって圧縮して、圧縮された冷媒を熱交換器５３へ吐出させる。

圧縮機５７は、インバータ駆動が可能な圧縮機であって、上記のインバータ回路２によって回転数が制御される。圧縮機５７の例としては、ロータリー圧縮機、スクロール圧縮機、およびレシプロ圧縮機が挙げられる。

図１１は、図１０に示す冷凍サイクル装置１０１が有する圧縮機５７の例であるレシプロ圧縮機を模式的に表した図である。レシプロ圧縮機は、冷媒圧縮室を構成する筒６０の内部においてピストン６１を往復動作させることによって、筒６０の内部の空間容積を変化させて冷媒を圧縮する。クランク６２の上端は、ピストン６１に連結されている。クランク６２の下端は、モータ５０の回転軸に連結されている。クランク６２は、回転子の回転動作を受けて、上下の直線動作を行う。ピストン６１は、クランク６２の動作を受けて、上死点と下死点との間において往復運動を行う。

図１０に示す圧縮機５７は、冷媒、潤滑油の種類または潤滑油の量によって種々の影響を受ける。圧縮機５７の冷媒圧縮室を動作可能とするトルクは、使用条件によって異なる。また、インバータ回路２の出力電圧も、使用条件によって異なる。

図１２は、図１０に示す冷凍サイクル装置１０１が有する圧縮機５７の例であるロータリー圧縮機とレシプロ圧縮機とのトルクについて説明する図である。図１２に示すグラフの縦軸はトルクを表し、横軸は回転子の回転位置を示す角度を表す。トルクカーブＣ１は、ロータリー圧縮機についての角度と負荷トルクとの関係を表す。トルクカーブＣ２は、レシプロ圧縮機についての角度と負荷トルクとの関係を表す。

２つのトルクカーブＣ１，Ｃ２を比較すると、ロータリー圧縮機に比べてレシプロ圧縮機では、負荷トルクが大きくなる角度範囲が限定的であることが分かる。圧縮機５７にレシプロ圧縮機を使用する場合、モータ駆動装置１００は、位置決めモードにおいて回転子を停止させる回転位置を、負荷トルクが大きくなる角度範囲以外の位置とすることで、起動加速モードにおいて必要な起動トルクの低減が可能となる。これにより、モータ駆動装置１００は、モータ５０の加速度を向上可能とし、モータ５０の起動に要する時間をさらに短縮することができる。

上述するように、モータ駆動装置１００は、回転子の加速度を向上可能とし、モータ５０により出力されるトルクを大きくすることができる。このため、圧縮機５７は、負荷トルクの変動が大きい場合であっても、モータ駆動装置１００によって、安定した駆動が可能となり、かつ起動に要する時間を短縮することができる。

実施の形態１によると、モータ駆動装置１００は、速度指令値の変化に追従してレベルが調整された電流指令値を生成して、かかる電流指令値を基に電圧指令値を生成することによって、回転子の回転速度がゼロから定常状態となるまでの期間を短縮することができる。これにより、モータ駆動装置１００は、モータ５０の起動に要する時間を短縮できるという効果を奏する。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 直流電源、２ インバータ回路、３ インバータ制御部、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ スイッチング素子、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ ダイオード、６ 電圧検出部、７ 電流検出部、８ａ，８ｂ，８ｃ 接続点、１０ 電圧指令生成部、１１ 電流指令生成部、１２ 速度指令調整部、１３ 電圧指令演算部、１４，１９ 座標変換部、１５ ＰＷＭ信号生成部、１６ すべり補償処理部、１７ 位置推定部、１８ 電流復元部、３０ 処理回路、３１ プロセッサ、３２ メモリ、４１ 振幅、４２ パルス幅、４３ 電圧波形、４４ キャリア周期、４５ 周期、５０ モータ、５１ 冷媒回路、５２ 冷媒配管、５３，５６ 熱交換器、５４ 減圧機構、５５ 電磁弁、５７ 圧縮機、６０ 筒、６１ ピストン、６２ クランク、１００ モータ駆動装置、１０１ 冷凍サイクル装置。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るモータ駆動装置は、回転子を有するモータを駆動する。本発明に係るモータ駆動装置は、直流電圧を交流電圧へ変換して、交流電圧を出力するインバータ回路と、モータに印加される電流の指令値である電流指令値を生成する電流指令生成部と、電流指令値を基に交流電圧の指令値である電圧指令値を生成することによってインバータ回路を制御する電圧指令生成部と、を備える。電圧指令生成部は、回転子の位置決めを行う位置決めモードにおいて、回転子の負荷トルクに基づいて設定される角度範囲以外の位置へ回転子を移動させる電圧指令値を出力する。電流指令生成部は、回転子の位置決めの後、回転子の回転速度が定常状態となるまでの期間において、回転子の回転速度の指令値である速度指令値の変化に追従してレベルが調整された電流指令値を生成する。

キャリア周期４７は、モータ５０の制御のための演算が行われる周期である。インバータ制御部３は、１キャリアまたは複数キャリアごとに、出力電圧の制御のための演算を行う。インバータ回路２には、ＰＷＭ信号のパルスがオンである時間に直流電圧が印加される。ＰＷＭ信号のパルス幅４２が調整されることによって、出力電圧の振幅４１が調整される。デューティ比は、電圧波形４３が正弦波に近い波形となるように調整される。

１ 直流電源、２ インバータ回路、３ インバータ制御部、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ スイッチング素子、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ ダイオード、６ 電圧検出部、７ 電流検出部、８ａ，８ｂ，８ｃ 接続点、１０ 電圧指令生成部、１１ 電流指令生成部、１２ 速度指令調整部、１３ 電圧指令演算部、１４，１９ 座標変換部、１５ ＰＷＭ信号生成部、１６ すべり補償処理部、１７ 位置推定部、１８ 電流復元部、３０ 処理回路、３１ プロセッサ、３２ メモリ、４１ 振幅、４２ パルス幅、４３ 電圧波形、４５ 周期、４７ キャリア周期、５０ モータ、５１ 冷媒回路、５２ 冷媒配管、５３，５６ 熱交換器、５４ 減圧機構、５５ 電磁弁、５７ 圧縮機、６０ 筒、６１ ピストン、６２ クランク、１００ モータ駆動装置、１０１ 冷凍サイクル装置。

Claims (6)

1. 回転子を有するモータを駆動するモータ駆動装置であって、
   直流電圧を交流電圧へ変換して、前記交流電圧を出力するインバータ回路と、
   前記モータに印加される電流の指令値である電流指令値を生成する電流指令生成部と、
   前記電流指令値を基に前記交流電圧の指令値である電圧指令値を生成することによって前記インバータ回路を制御する電圧指令生成部と、
   を備え、
   前記電流指令生成部は、前記回転子の位置決めの後、前記回転子の回転速度が定常状態となるまでの期間において、前記回転子の回転速度の指令値である速度指令値の変化に追従してレベルが調整された前記電流指令値を生成するモータ駆動装置。
2. 前記モータに印加される電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部による電流の検出結果に基づいた前記速度指令値の調整を行う速度指令調整部と、
   を備え、
   前記電圧指令生成部は、前記電流指令値と、前記速度指令調整部から出力される前記速度指令値とを基に、前記電流指令値を生成する請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記速度指令値は、前記回転子の回転速度がゼロから前記定常状態になるまでにおいて、時間とともに増加する請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記インバータ回路は、ワイドバンドギャップ半導体が用いられたスイッチング素子を有する請求項１から３のいずれか１つに記載のモータ駆動装置。
5. 直流電圧を交流電圧へ変換し前記交流電圧をモータに印加することによって前記モータを駆動するモータ駆動装置によるモータ制御方法であって、
   前記モータが有する回転子の位置決めを行う第１の工程と、
   位置決めされた状態から前記回転子を回転させ、かつ回転を加速させる第２の工程と、
   加速の後の定常運転により前記回転子を回転させる第３の工程と、
   を含み、
   前記第２の工程は、
   前記モータに印加される電流の指令値である電流指令値を生成する工程と、
   前記電流指令値を基に前記交流電圧の指令値である電圧指令値を生成することによって前記交流電圧の出力を制御する工程と、
   を含み、
   前記モータが有する回転子の回転速度の指令値である速度指令値の変化に追従してレベルが調整された前記電流指令値を生成するモータ制御方法。
6. モータの駆動によって冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記モータを駆動する請求項１から４のいずれか１つに記載のモータ駆動装置と、
   を備える冷凍サイクル装置。

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