WO2012053148A1

WO2012053148A1 - インバータ制御装置と電動圧縮機および電気機器

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Publication number: WO2012053148A1
Application number: PCT/JP2011/005071
Authority: WO
Inventors: 篤志甲田; 秀治小川原
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2012-04-26
Also published as: JP2012090464A; EP2632041A1; US20130285586A1; CN103201943A

Abstract

　本発明のインバータ制御装置は、ブラシレスＤＣモータの目標回転数に応じて所定の周波数で電気角１８０度未満の転流信号波形を出力する同期転流により動作する。また、インバータ回路部の出力電圧に対するブラシレスＤＣモータの誘起電圧位相を所定の位相に保つために、同期転流による動作においても、ブラシレスＤＣモータの誘起電圧位相の変化状態に応じてインバータ回路部の出力電圧を変化させ、モータの運転状態を追従させるようにした。これにより、強制転流による同期運転時のより安定したモータ動作を実現することができる。

Description

インバータ制御装置と電動圧縮機および電気機器

　本発明は、ブラシレスＤＣモータのインバータ制御装置と、インバータ制御装置を用いた電動圧縮機および電気機器に関する。

　従来、この種のインバータ制御装置は、ブラシレスＤＣモータのロータ磁極位置に応じて、ステータの三相巻線の通電相の切換え、すなわち転流動作を行なうことで回転磁界を発生させ、ロータが出力トルクを得るように制御されていた。したがって、ブラシレスＤＣモータの運転においては、ステータ巻線電流により発生する磁束に対してロータ磁束の相対関係を得ることが必要である。

　また、ホール素子等のセンサを用いたモータでは、センサによりロータ磁極位置を正確に認識することができるため、間接的な誘起電圧によるロータ磁極位置を検知する必要がない。そして、センサから直接ロータ磁極位置が判断できるので、容易にモータ制御を行なうことができる。

　しかしながら、密閉型圧縮機においては、使用環境によるセンサ故障、冷媒漏れなどの信頼性、センサ一体型による故障時のモータのメンテナンスの観点から、ホール素子等のセンサを埋め込むこと自体が容易ではない。したがって、一般的にはホール素子等のセンサを用いずにステータ巻線に生じる誘起電圧によりロータ磁極位置を検知するセンサレス方式のインバータ制御装置が用いられている。

　一般に、センサレス方式のインバータ制御装置の波形制御では、制御波形として１２０度通電波形が採用されているものが多い。ブラシレスＤＣモータを駆動するシステムにおいては、電気角１２０度の期間、インバータの各相スイッチを導通させ、残りの電気角６０度の期間を無制御としている。この場合、電気角６０度の無制御期間を用い、上下アームのスイッチのオフ期間中にモータ端子に現れる誘起電圧を観測することにより、ロータ磁極位置を検知している。

　また近年、モータの高効率化を図るためロータ内部に永久磁石を埋め込み、磁石に起因するトルクのみならずリラクタンスに起因するトルクを発生させることにより、モータ電流を増加させることなく全体として発生トルクを大きくすることができる埋込磁石構造のブラシレスＤＣモータが多く用いられてきている（例えば、特許文献１参照）。

　以下、図面を参照しながら、従来のインバータ制御装置について説明する。

　図４は、特許文献１に記載された従来のインバータ制御装置の構成を示す図である。図５は、インバータ制御装置の各部の信号波形および処理内容を示すタイムチャートである。

　図４において、直流電源１１１の端子間に３対のスイッチングトランジスタＴｒｕ、Ｔｒｘ、Ｔｒｖ、Ｔｒｙ、Ｔｒｗ、Ｔｒｚをそれぞれ直列接続してインバータ回路部１０４を構成している。ブラシレスＤＣモータ１０５は、４極の分布巻き構造のステータ１０５ｂと、ロータ１０５ａで構成されている。ロータ１０５ａは、内部に永久磁石１０５α、１０５βを埋め込んだ磁石埋込型構造である。

　各対のスイッチングトランジスタ同士の接続点は、ブラシレスＤＣモータ１０５のＹ接続された各相のステータ巻線１０５ｕ、１０５ｖ、１０５ｗの端子にそれぞれ接続されている。

　尚、スイッチングトランジスタＴｒｕ、Ｔｒｘ、Ｔｒｖ、Ｔｒｙ、Ｔｒｗ、Ｔｒｚのコレクタ－エミッタ端子間には、それぞれ保護用の還流ダイオードＤｕ、Ｄｘ、Ｄｖ、Ｄｙ、Ｄｗ、Ｄｚが接続されている。

　抵抗１０１、１０２は、母線１０３、１０４間に直列に接続されている。抵抗１０１、１０２の共通接続点である検出端子ＯＮは、ブラシレスＤＣモータ１０５のステータ巻線１０５ｕ、１０５ｖ、１０５ｗの中性点の電圧に相当する直流電源１１１の電圧の１／２である仮想中性点の電圧ＶＮを出力するようになっている。

　コンパレータ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃは、これらの各非反転入力端子（＋）が、抵抗１０７、１０８、１０９を介してスイッチングトランジスタの出力端子ＯＵ、ＯＶ、ＯＷにそれぞれ接続され、各反転入力端子（－）が、検出端子ＯＮに接続されている。

　そして、これらのコンパレータ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの出力端子は、論理手段であるマイクロプロセッサ１１０の入力端子Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３にそれぞれ接続されている。またマイクロプロセッサ１１０の出力端子Ｏ１～Ｏ６は、ドライブ回路１２０を介してスイッチングトランジスタＴｒｕ、Ｔｒｘ、Ｔｒｖ、Ｔｒｙ、Ｔｒｗ、Ｔｒｚを駆動する。

　次に図５を用いて制御動作について説明する。

　（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は定常動作時におけるステータ巻線１０５ｕ、１０５ｖ、１０５ｗの端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを示す。

　これらの端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、インバータ回路部１０４による供給電圧Ｖｕａ、Ｖｖａ、Ｖｗａと、ステータ巻線１０５ｕ、１０５ｖ、１０５ｗに発生する誘起電圧Ｖｕｂ、Ｖｖｂ、Ｖｗｂと、転流切り換え時にインバータ回路部１０４のダイオードＤｕ、Ｄｘ、Ｄｖ、Ｄｙ、Ｄｗ、Ｄｚの内のいずれかが導通することにより生じるパルス状のスパイク電圧Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃとの合成波形となる。これらの端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと直流電源１１１の電圧の１／２である仮想中性点電圧ＶＮとをコンパレータ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃにより比較した出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗを（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）に示す。

　この場合、コンパレータ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗは、前述の誘起電圧Ｖｕｂ、Ｖｖｂ、Ｖｗｂの正および負ならびに位相を表わす信号ＰＳｕａ、ＰＳｖａ、ＰＳｗａと、前述のパルス状電圧のＶｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃに対応する信号ＰＳｕｂ、ＰＳｖｂ、ＰＳｗｂとからなる。

　また、パルス状電圧Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃは、ウェイトタイマにより無視しているので、コンパレータ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗは、結果として誘起電圧Ｖｕｂ、Ｖｖｂ、Ｖｗｂの正および負ならびに位相を示す。

　マイクロプロセッサ１１０は、各コンパレータ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗの状態に基づいて（Ｇ）に示す６つのモードＡ～Ｆを認識し、出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗのレベルが変化した時点から電気角で３０度だけ遅らせて、ドライブ信号ＤＳｕ（Ｊ）～ＤＳｚ（Ｏ）を出力する。

　モードＡ～Ｆの各時間Ｔ（Ｈ）は、電気角６０度を示す。モードＡ～Ｆの１／２の時間（Ｉ）すなわちＴ／２は、電気角で３０度に相当する遅延時間を示す。

　このように、ブラシレスＤＣモータ１０５のロータ１０５ａの回転に応じて、ステータ巻線１０５ｕ、１０５ｖ、１０５ｗに生ずる誘起電圧からロータ１０５ａの位置状態を検出する。また、その誘起電圧の変化時間（Ｔ）を検出してステータ巻線１０５ｕ、１０５ｖ、１０５ｗへの通電モードおよびタイミングにより各相ステータ巻線１０５ｕ、１０５ｖ、１０５ｗの通電のための駆動信号を決定して実行させる。

　しかしながら、特許文献１に記載された従来の構成では、誘起電圧により位置検出をおこなっていることから、インバータ回路の転流動作は、誘起電圧が検出可能な範囲に限定される。さらに、急激な回転変動を伴う負荷変動や電圧変動が発生し、誘起電圧波形のゼロクロス点の検出が不可能となる。すなわちロータ１０５ａの相対位置が認識できないような運転状態となった場合、ブラシレスＤＣモータ１０５の運転を継続することが不可能となる。その結果、ブラシレスＤＣモータ１０５が脱調停止するという課題を有していた。

特開平１－８８９０号公報

　本発明のインバータ制御装置は、ブラシレスＤＣモータと、インバータ回路部と、出力電圧制御部と、位置検出回路部と、位置検出判定部と、位置検出転流制御部と、強制同期転流制御部とを備える。ブラシレスＤＣモータは、永久磁石を設けたロータと三相巻線を設けたステータからなる。インバータ回路部はブラシレスＤＣモータを駆動する。出力電圧制御部は、インバータ回路部の出力電圧を制御する。位置検出回路部は、ブラシレスＤＣモータの誘起電圧とインバータ回路部の出力電圧により生成した基準電圧を比較検出する。位置検出判定部は、位置検出回路部の出力信号に基づきブラシレスＤＣモータの誘起電圧波形のゼロクロス点からロータ位置検出信号を出力する。位置検出転流制御部は、位置検出判定部からの出力信号に基づきインバータ回路部の転流信号波形を出力する。強制同期転流制御部は、ブラシレスＤＣモータの目標回転数に応じて所定の周波数で電気角１８０度未満の転流信号波形を出力する。インバータ制御装置は、位置検出転流による動作において、出力電圧制御部による出力電圧が上限でなおかつ目標回転数に到達しない場合、同期転流により動作する。

　したがって、誘起電圧波形のゼロクロス点の検出が不可能、すなわちロータの相対位置が認識できないような運転状態となった場合、目標回転数およびその時点の運転回転数に基づいて、所定の周波数の駆動波形によって強制的に転流を継続する。これにより、モータの運転状態を維持するとともに、インバータ出力電圧、または電流位相に対する誘起電圧位相の状態に応じて、インバータ出力電圧を変化させることができる。その結果、強制転流による同期運転時のより安定したモータ動作を実現することができる。

　本発明のインバータ制御装置によれば、ブラシレスＤＣモータのセンサレス駆動において、目標回転数の増加、負荷トルク変動などの要因により、運転ロータの磁極位置検知が困難な運転状態、さらにセンサレス駆動によるインバータ出力電圧上限となった場合においても、強制同期駆動によるモータの運転状態の継続が可能となる。さらに弱め磁束効果による出力トルク増加により運転範囲を拡大するとともに、モータ運転状態の変化による脱調停止を防止し、安定した運転動作の継続を可能とすることができる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御装置のブロック図である。図２Ａは、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御装置の各部の信号波形と処理内容を示すタイムチャートである。図２Ｂは、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御装置の各部の信号波形と処理内容を示すタイムチャートである。図３は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御装置の制御動作を示すフローチャートである。図４は、従来のインバータ制御装置の構成を示す図である。図５は、従来のインバータ制御装置の各部の信号波形および処理内容を示す図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって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におけるインバータ制御装置のブロック図である。図２Ａ、図２Ｂは、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御装置の各部の信号波形と処理内容を示すタイムチャートである。図３は、本発明の実施の形態１における制御動作を示すフローチャートである。

　図１において、インバータ制御装置２５０は、商用交流電源２０１と、電動圧縮機（図示せず）に接続されている。

　インバータ制御装置２５０は、インバータ装置２００と、ブラシレスＤＣモータ２０３と、位置検出回路２０６と、マイクロプロセッサ２０７を備える。

　また、インバータ装置２００は、整流部２０２と、インバータ回路部２０４と、ドライブ回路２０５を具備する。整流部２０２は、商用交流電源２０１を直流電源に変換する。インバータ回路部２０４は、電動圧縮機のブラシレスＤＣモータ２０３を駆動する。ドライブ回路２０５は、インバータ回路部２０４を駆動する。

　さらに、インバータ装置２００は、マイクロプロセッサ２０７と接続されている。マイクロプロセッサ２０７は、ブラシレスＤＣモータ２０３の端子電圧を検出する位置検出回路部２０６の信号を入力とし、インバータ回路部２０４を制御する。

　マイクロプロセッサ２０７は、位置検出判定部２０８と、位置検出転流制御部２０９を備える。位置検出判定部２０８は、位置検出回路部２０６からの出力信号に対してブラシレスＤＣモータ２０３の磁極位置を検出する。

　位置検出転流制御部２０９は、位置検出判定部２０８からの位置検出信号に基づいてインバータ回路部２０４の転流信号を生成する。

　また、マイクロプロセッサ２０７は、位相差判定部２１０と、強制同期転流制御部２１１を備える。位相差判定部２１０は、位置検出回路部２０６からの出力信号により、インバータ回路部２０４の出力電圧位相に対するブラシレスＤＣモータ２０３の誘起電圧位相の位相差を検出して位相差検出信号を出力する。

　強制同期転流制御部２１１は、位相差検出信号に基づいて転流信号を生成する。すなわち、強制同期転流制御部２１１は、ブラシレスＤＣモータ２０３の目標回転数に応じて所定の周波数で電気角１８０度未満の転流信号波形を出力する。

　さらに、マイクロプロセッサ２０７は、回転速度検出部２１２と、出力電圧制御部２１３と、ドライブ制御部２１６を備える。回転速度検出部２１２は、位置検出判定部２０８からの出力に基づいて回転速度を算出する。出力電圧制御部２１３は、回転速度と回転速度指令、または位相差に応じて出力電圧にＰＷＭ変調を行う。ドライブ制御部２１６は、位置検出転流制御部２０９または強制同期転流制御部２１１の出力により、ドライブ回路部２０５を駆動する。

　ブラシレスＤＣモータ２０３は、３相巻線のステータ２０３ａとロータ２０３ｂで構成されている。

　ステータ２０３ａは、ステータ巻線２０３ｕ、２０３ｖ、２０３ｗを具備する。ロータ２０３ｂは、内部に永久磁石２０３α、２０３β、２０３γ、２０３δ、２０３ε、２０３ζを配置し、リラクタンストルクを発生する磁石埋込型構造である。ロータ２０３ｂは、突極性を有する。

　インバータ回路部２０４は、６つの三相ブリッジ接続されたスイッチングトランジスタＴｒｕ、Ｔｒｘ、Ｔｒｖ、Ｔｒｙ、Ｔｒｗ、Ｔｒｚと、それぞれに並列に接続された環流ダイオードＤｕ、Ｄｘ、Ｄｖ、Ｄｙ、Ｄｗ、Ｄｚより構成されている。

　位置検出回路部２０６は、コンパレータ（図示せず）等から構成されており、ブラシレスＤＣモータ２０３の誘起電圧に基づく端子電圧信号とインバータ回路部２０４の出力電圧により生成した基準電圧を、コンパレータにより比較して、位置検出信号を得る。

　位置検出判定部２０８は、位置検出回路部２０６の出力信号に基づきブラシレスＤＣモータ２０３の誘起電圧波形のゼロクロス点から、ロータ２０３ｂの位置信号を得てロータ位置検出信号を生成する。

　位置検出転流制御部２０９は、位置検出判定部２０９の位置検出信号によって転流のタイミングを計算し、スイッチングトランジスタＴｒｕ、Ｔｒｘ、Ｔｒｖ、Ｔｒｙ、Ｔｒｗ、Ｔｒｚの転流信号を生成する。

　位相差判定部２１０は、位置検出回路部２０６の出力信号から、インバータ回路部２０４の出力電圧位相とステータ巻線２０３ｕ、２０３ｖ、２０３ｗに発生する誘起電圧位相の位相差信号を生成する。そして、この位相差に基づいて、出力電圧制御部２１３による出力電圧を変化させ、インバータ回路部２０４の出力電圧に対するブラシレスＤＣモータ２０３の誘起電圧位相を所定の位相に保つ。

　強制同期転流制御部２１１は、回転速度指令によって転流のタイミングを計算し、スイッチングトランジスタＴｒｕ、Ｔｒｘ、Ｔｒｖ、Ｔｒｙ、Ｔｒｗ、Ｔｒｚの転流信号を生成する。

　回転速度検出部２１２は、位置検出判定部２０８からの位置信号によってブラシレスＤＣモータ２０３の回転速度を算出し、回転速度検出部２１２から得られた回転速度と指令回転速度との偏差を出力する。

　出力電圧制御部２１３は、回転速度検出部２１２の偏差信号、または位相差判定部２１０の位相差信号の状態に応じて、インバータ出力電圧のＰＷＭ変調信号を出力し、インバータ回路部２０４の出力電圧を制御する。

　ドライブ制御部２１６は、出力電圧制御部２１３のＰＷＭ変調デューティ値、回転速度検出部２１２の回転数偏差信号に応じて、位置検出転流制御部２０９と強制同期転流制御部２１１のいずれかの転流信号によってドライブ回路２０５を駆動する。

　出力電圧制御部２１３のＰＷＭ変調デューティ値が上限で、回転数偏差が所定の値以上が継続した場合、位置検出転流から強制同期転流へ切り換える。すなわち、インバータ制御装置２５０は、位置検出転流による動作において出力電圧制御部２１３による出力電圧が上限でかつ目標回転数に達しない場合、同期転流により動作する。

　そして、ドライブ制御部２１６は、位置検出転流制御部２０９、または強制同期転流制御部２１１の転流信号と出力電圧制御部２１３のＰＷＭ変調信号を合成し、スイッチングトランジスタＴｒｕ、Ｔｒｘ、Ｔｒｖ、Ｔｒｙ、Ｔｒｗ、ＴｒｚをＯＮ／ＯＦＦするドライブ信号を生成し、ドライブ回路２０５へ出力する。

　ドライブ回路部２０５では、ドライブ信号に基づき、スイッチングトランジスタＴｒｕ、Ｔｒｘ、Ｔｒｖ、Ｔｒｙ、Ｔｒｗ、ＴｒｚのＯＮ／ＯＦＦスイッチングを行い、ブラシレスＤＣモータ２０３を駆動する。

　次に、図２Ａ、図２Ｂに示すインバータ制御装置２５０の各種波形について説明する。

　（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、ブラシレスＤＣモータ２０３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の端子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗであり、それぞれの位相が１２０度ずつずれた状態で変化する。

　これらの端子電圧は、インバータ回路部２０４による供給電圧Ｖｕａ、Ｖｖａ、Ｖｗａと、ステータ巻線２０３ｕ、２０３ｖ、２０３ｗに発生する誘起電圧Ｖｕｂ、Ｖｖｂ、Ｖｗｂと、パルス状のスパイク電圧Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃとの合成波形となる。パルス状のスパイク電圧Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃは、転流切り換え時にインバータ回路部２０４の還流ダイオードＤｕ、Ｄｘ、Ｄｖ、Ｄｙ、Ｄｗ、Ｄｚの内のいずれかが導通することにより生じる。

　また、各相端子電圧（値）Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと直流電源電圧の１／２の電圧である仮想中性点電圧（値）ＶＮを比較し、各コンパレータ（図示せず）より出力する出力信号が、ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗである。

　この出力信号は、供給電圧Ｖｕａ、Ｖｖａ、Ｖｗａに対応する出力信号ＰＳｕａ、ＰＳｖａ、ＰＳｗａと、スパイク電圧Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃに対応する出力信号ＰＳｕｃ、ＰＳｖｃ、ＰＳｗｃと、誘起電圧Ｖｕｂ、Ｖｖｂ、Ｖｗｂと仮想中性点電圧ＶＮの比較中の期間に相当する出力信号ＰＳｕｂ、ＰＳｖｂ、ＰＳｗｂとの合成信号となる。

　ここで、誘起電圧位相が中間位相の場合の出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗは、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）であり、その時の位相差判定部２１０の出力信号の状態が（Ｇ）となる。

　また、誘起電圧位相が遅れ位相の場合の出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗは、（Ｈ）、（Ｉ）、（Ｊ）であり、その時の位相差判定部の出力信号の状態が（Ｋ）となる。

　同様に、誘起電圧位相が進み位相の場合の出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗは、（Ｌ）、（Ｍ）、（Ｎ）であり、その時の位相差判定部の出力信号の状態は（Ｏ）である。

　マイクロプロセッサ２０７は、目標回転数に応じて基準タイマカウント値（Ｐ）のカウント動作を行ない、強制同期基準信号（Ｑ）を発生する。

　さらに、強制同期基準信号（Ｑ）を基準として、一定間隔で転流信号（Ｒ）、およびサンプリング開始信号（Ｓ）を発生し、転流信号の状態に応じて、ドライブ信号ＤＳｕ（Ｔ）からＤＳｚ（Ｙ）を出力する。

　続いて、図３のフローチャートにより、インバータ制御装置２５０の詳細な動作について説明する。

　図３において、各ステップは位相差判定部２１０、強制同期転流制御部２１１、出力電圧制御部２１３の動作を示す。

　まず、ステップ１０１において、基準タイマによって目標周波数に対する電気角１２０度に相当する基準時間のタイマカウントを開始する。

　ここで、ステップ１０１は、強制同期基準信号（Ｑ）の発生時点であり、後述する位相進み判定期間に相当する。

　その後、ステップ１０２において、位置検出回路部２０６からの出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗの状態の検出を行ない、スイッチングトランジスタＴｒｕ、Ｔｒｘ、Ｔｒｖ、Ｔｒｙ、Ｔｒｗ、Ｔｒｚの出力状態、すなわち図２Ａ、２Ｂにおける動作モードの状態に応じた出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗの状態によって位相検出判定を行う。

　ここで、誘起電圧の立上り期間においては、該当通電相は電気角６０度に相当する期間、無通電状態となる。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の無通電期間の開始前後において、それぞれ下側ドライブ信号ＤＳｘ、ＤＳｙ、ＤＳｚが、上側ドライブ信号ＤＳｕ、ＤＳｖ、ＤＳｗへと切り換えが行なわれる。

　インバータ回路部２０４の出力電圧が立上り波形の場合において、誘起電圧が進み位相の場合、位相進み検出期間の期間中、端子電圧が仮想中性点電圧値ＶＮを下回ることがなく、位置検出回路部２０６出力が‘Ｌ’信号となることはない。すなわち位置検出回路部２０６出力の‘Ｌ’信号を検出した場合、ステップ１０３で誘起電圧位相が進み位相状態ではないと判断し進み位相状態をセットする。

　次に、ステップ１０４において、基準タイマカウント値（Ｐ）が転流時間、例えば電気角３０度に相当する時間を経過するまでステップ１０２に戻り、進み位相検知判定を継続する。そして、転流時間を経過した場合、ステップ１０５に進む。

　ステップ１０５は、転流信号（Ｒ）を発生させて、Ｕ相、Ｖ相、またはＷ相の状態に応じて、それぞれ上側ドライブ信号ＤＳｕ、ＤＳｖ、またはＤＳｗをＯＮとして転流動作を行なう。

　その後、ステップ１０６において、基準タイマカウント値（Ｐ）が、遅れ位相検知開始時間を経過するまで待機する。

　ステップ１０６は、基準タイマカウント値（Ｐ）が遅れ位相検知開始時間、例えば電気角９０度に相当する時間の直前１００μｓ手前の時間を経過した場合、位置検出回路部２０６からの出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗの状態の検出を行なう。そして、スイッチングトランジスタＴｒｕ、Ｔｒｘ、Ｔｒｖ、Ｔｒｙ、Ｔｒｗ、Ｔｒｚの出力状態、すなわち、図２Ａ、２Ｂにおける動作モードの状態に応じた出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗの状態によって位相検出判定を行う。

　インバータ回路部２０４の出力電圧が立下り波形の場合において、誘起電圧が遅れ位相の場合、位相遅れ検出期間の期間中、端子電圧が仮想中性点電圧値ＶＮを上回るため、位置検出回路部２０６出力が‘Ｈ’信号となる。すなわち位置検出回路部２０６出力の‘Ｈ’信号を検出した場合、ステップ１０８で誘起電圧位相が遅れ位相状態であると判断し遅れ位相状態をセットする。

　そして、ステップ１０９において基準タイマカウント値（Ｐ）が転流時間を経過するまでステップ１０７に戻り遅れ位相検知を継続し、転流時間を経過した場合、ステップ１１０に進む。

　ステップ１１０は、転流信号（Ｒ）を発生させ、Ｕ相、Ｖ相、またはＷ相の状態に応じて、それぞれ下側ドライブ信号ＤＳｘ、ＤＳｙ、またはＤＳｚをＯＮとして転流動作を行なう。

　その後、ステップ１１１において、基準タイマカウント値（Ｐ）が、進み位相検知開始時間を経過するまで待機する。

　続いて、ステップ１１２は、基準タイマカウント値（Ｐ）が、進み位相検知開始時間、例えば電気角９０度に相当する時間の直後１００μｓの時間を経過した場合、位置検出回路部２０６からの出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗの状態の検出を行なう。そして、スイッチングトランジスタＴｒｕ、Ｔｒｘ、Ｔｒｖ、Ｔｒｙ、Ｔｒｗ、Ｔｒｚの出力状態、すなわち、図２Ａ、２Ｂにおける動作モードの状態に応じた出力信号ＰＳｕ、ＰＳｖ、ＰＳｗの状態によって位相検出判定を行う。

　以後、ステップ１１２およびステップ１１３は、進み位相判定期間であり、前述のステップ１０２およびステップ１０３と同様に誘起電圧の進み位相検知を行なう。

　そして、ステップ１１４において、基準タイマカウント値（Ｐ）が基準時間、例えば電気角１２０度に相当する時間を経過するまで、ステップ１１２に戻り、進み位相検知を継続し、基準時間を経過した場合、ステップ１１５に進む。

　ステップ１１４で基準タイマカウント値（Ｐ）が基準時間を経過した場合は、ステップ１１５に進む。

　ステップ１１５では、遅れ位相状態の判定を行ない、下側ドライブ信号出力直前まで該当相のコンパレータ出力が‘Ｈ’状態を継続した状態となっている。ここで、誘起電圧の位相が、極端な遅れ位相状態となっていた場合、ステップ１１６で、出力電圧制御部２１３は電圧ＰＷＭ制御信号の出力デューティを一定値だけ増加させる。

　ステップ１１６の後は、ステップ１０１に戻り、以下同様の動作を繰り返す。

　一方、ステップ１１５で誘起電圧の状態が遅れ位相状態でない場合、ステップ１１７に進む。

　ステップ１１７は、進み位相状態の判定を行ない、上側ドライブ信号出力直前まで該当相のコンパレータ出力が‘Ｈ’状態を継続した状態となっている。ここで、誘起電圧の位相が、極端な進み位相状態となっていた場合、ステップ１１８で、出力電圧制御部２１３が、電圧ＰＷＭ制御信号の出力デューティを一定値だけ減少させる。

　ステップ１１８の後は、ステップ１０１に戻り、以下同様の動作を繰り返す。

　すなわち、本制御は、ブラシレスＤＣモータ２０３の各相端子電圧（値）Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと直流電源電圧の１／２の電圧である仮想中性点電圧（値）ＶＮの比較によって、インバータ回路部２０４の転流動作による各相出力電圧位相と、ロータ磁束変化によりステータ巻線に発生する誘起電圧の位相差を判定する。判定の結果、インバータ出力電圧位相に対して誘起電圧位相が遅れている場合に、インバータ回路出力電圧を増加する。逆にインバータ出力電圧位相に対して誘起電圧位相が進んでいる場合に、インバータ回路出力電圧を減少する。

　したがって、負荷トルク変動、または目標回転数の変化等の原因によってブラシレスＤＣモータ２０３の運転状態が変化した場合においても、インバータ出力電圧に対する誘起電圧位相の状態に応じてインバータ出力電圧が変化する。これにより、ブラシレスＤＣモータ２０３の強制転流による同期運転時において、モータ出力トルクが過剰トルクまたは不足トルクとなることで脱調停止することを防止し、安定したモータ動作を実現することができる。

　さらに、ロータ２０３ｂの内部に永久磁石２０３α、２０３β、２０３γ、２０３δ、２０３ε、２０３ζを配置した構成とすることで、リラクタンストルクを有効に活用することができる。このため、センサレス駆動による運転限界領域において、同期転流により電流位相を進み位相とすることで、リラクタンストルクを増加することが可能であり、出力電圧上限においても、さらに運転範囲を拡大することができる。

　このように、信頼性の高いブラシレスＤＣモータ２０３の回転制御ができるため、電動圧縮機に、本実施の形態１におけるインバータ制御装置２５０を用いても、良好な運転が可能となる。

　また、電動圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を配管によって環状に連結した冷凍サイクル（いずれも図示せず）を具備した冷蔵庫等の物品貯蔵装置において、電動圧縮機を、本実施の形態１のインバータ制御装置２５０を用いて駆動制御してもよい。これにより、良好なシステム運転を得ることができ、物品貯蔵装置の物品保存温度を安定させ、物品貯蔵の信頼性を高めることができる。

　以上説明したように、本発明のインバータ制御装置２５０は、ブラシレスＤＣモータ２０３と、インバータ回路部２０４と、出力電圧制御部２１３と、位置検出回路部２０６と、位置検出判定部２０８と、位置検出転流制御部２０９と、強制同期転流制御部２１１とを備える。ブラシレスＤＣモータ２０３は、永久磁石を設けたロータ２０３ｂと三相巻線を設けたステータ２０３ａからなる。インバータ回路部２０４はブラシレスＤＣモータ２０３を駆動する。出力電圧制御部２１３は、インバータ回路部２０４の出力電圧を制御する。位置検出回路部２０６は、ブラシレスＤＣモータ２０３の誘起電圧とインバータ回路部２０４の出力電圧により生成した基準電圧を比較検出する。位置検出判定部２０８は、位置検出回路部２０６の出力信号に基づきブラシレスＤＣモータ２０３の誘起電圧波形のゼロクロス点からロータ位置検出信号を出力する。位置検出転流制御部２０９は、位置検出判定部２０８からの出力信号に基づきインバータ回路部２０４の転流信号波形を出力する。強制同期転流制御部２１１は、ブラシレスＤＣモータ２０３の目標回転数に応じて所定の周波数で電気角１８０度未満の転流信号波形を出力する。インバータ制御装置２５０は、位置検出転流による動作において、出力電圧制御部２１３による出力電圧が上限でなおかつ目標回転数に到達しない場合、同期転流により動作する。

　したがって、インバータ回路部２０４の出力電流の周波数を強制的に同期周波数で出力することとなる。これにより、負荷トルクの増加により電流位相に対するロータ位相、すなわち誘起電圧位相が遅れた場合、相対的に誘起電圧位相に対する電流位相は進み位相となる。進み位相電流は、ステータ磁束を低減させるため誘起電圧が減少し、その結果モータ電流が増加し出力トルクを増加させるため、運転範囲を拡大することができる。

　また、インバータ制御装置２５０は、位相差判定部２１０をさらに備える。位相差判定部２１０は、位置検出回路部２０６の信号に基づき、インバータ回路部２０４の出力電圧位相に対するブラシレスＤＣモータ２０３の誘起電圧位相の位相差を検出する。さらに、位相差判定部２１０は、位相差に基づいて出力電圧制御部２１３によるインバータ回路部２０４の出力電圧を変化させ、インバータ回路部２０６の出力電圧に対するブラシレスＤＣモータ２０３の誘起電圧位相を所定の位相に保つ。インバータ制御装置２５０は、同期転流による動作においてもブラシレスＤＣモータ２０３の誘起電圧位相の変化状態に応じてインバータ回路部２０４の出力電圧を変化させブラシレスＤＣモータ２０３の運転状態を追従させるようにした。

　したがって、インバータ出力電圧、または電流位相に対する誘起電圧位相の状態に応じて、インバータ出力電圧を変化させることで、強制転流による同期運転時のより安定したモータ動作を実現することができる。

　また、インバータ制御装置２５０は、ブラシレスＤＣモータ２０３のロータ２０３ｂを、内部に永久磁石が埋め込まれ、突極性を有する構成とした。

　したがって、センサレス駆動による運転限界領域において、同期転流により電流位相を進み位相とすることで、リラクタンストルクを増加することが可能である。これにより、出力電圧上限においてもさらに運転範囲を拡大することができる。

　本発明の電動圧縮機は、上記インバータ制御装置２５０を備える。

　したがって、ブラシレスＤＣモータ２０３の低回転数領域は、高効率、高回転数領域は高トルクでの運転が可能となる。これにより、また冷凍サイクルの負荷変動に追従する信頼性の高い電動圧縮機を提供することができる。

　本発明の電気機器は、上記電動圧縮機を備える。

　したがって、高効率で運転範囲が広く、信頼性の高い駆動制御を行う家庭用冷蔵庫等の電気機器を提供することができる。また、幅広い負荷に対応して適切な制御を行い、物品貯蔵装置の物品保存温度を安定させ、物品貯蔵の信頼性を高めることができる。

　以上のように、本発明にかかるインバータ制御装置は、安定した運転動作の継続を可能とすることができるので、負荷変動、電圧変動の生じるエアコン、冷蔵庫、洗濯機等の家庭用電気機器や、電気自動車等に有用である。

　２００　　インバータ装置
　２０３　　ブラシレスＤＣモータ
　２０３ｂ　　ロータ
　２０３α，２０３β，２０３γ，２０３δ，２０３ε，２０３ζ　　永久磁石
　２０３ｕ，２０３ｖ，２０３ｗ　　ステータ巻線
　２０４　　インバータ回路部
　２０６　　位置検出回路部
　２０８　　位置検出判定部
　２０９　　位置検出転流制御部
　２１０　　位相差判定部
　２１１　　強制同期転流制御部
　２１３　　出力電圧制御部
　２５０　　インバータ制御装置

Claims

永久磁石を設けたロータと三相巻線を設けたステータからなるブラシレスＤＣモータと、
前記ブラシレスＤＣモータを駆動するインバータ回路部と、
前記インバータ回路部の出力電圧を制御する出力電圧制御部と、
前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧と前記インバータ回路部の出力電圧により生成した基準電圧を比較検出する位置検出回路部と、
前記位置検出回路部の出力信号に基づき前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧波形のゼロクロス点からロータ位置検出信号を出力する位置検出判定部と、
前記位置検出判定部からの出力信号に基づき前記インバータ回路部の転流信号波形を出力する位置検出転流制御部と、
前記ブラシレスＤＣモータの目標回転数に応じて所定の周波数で電気角１８０度未満の転流信号波形を出力する強制同期転流制御部を備え、
位置検出転流による動作において前記出力電圧制御部による出力電圧が上限でなおかつ目標回転数に到達しない場合、同期転流により動作するようにしたインバータ制御装置。
前記位置検出回路部の信号に基づき、前記インバータ回路部の出力電圧位相に対する前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧位相の位相差を検出するとともに、前記位相差に基づいて前記出力電圧制御部による前記インバータ回路部の出力電圧を変化させ、前記インバータ回路部の出力電圧に対する前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧位相を所定の位相に保つ位相差判定部を、さらに備え、
同期転流による動作においても前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧位相の変化状態に応じて前記インバータ回路部の出力電圧を変化させ前記ブラシレスＤＣモータの運転状態を追従させるようにした請求項１に記載のインバータ制御装置。
前記ブラシレスＤＣモータのロータを、内部に永久磁石が埋め込まれ、突極性を有する構成とした請求項１に記載のインバータ制御装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載のインバータ制御装置を備えた電動圧縮機。
請求項４に記載の電動圧縮機を備えた電気機器。