特許 5972138 電動機制御装置、及びそれを用いた冷蔵庫、並びに電気機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5972138

(24)【登録日】2016年7月22日

(45)【発行日】2016年8月17日

(54)【発明の名称】電動機制御装置、及びそれを用いた冷蔵庫、並びに電気機器

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/26 20160101AFI20160804BHJP

   H02P 27/06 20060101ALI20160804BHJP

【ＦＩ】

   H02P6/26

   H02P27/06

【請求項の数】4

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2012-223864(P2012-223864)

(22)【出願日】2012年10月9日

(65)【公開番号】特開2014-79041(P2014-79041A)

(43)【公開日】2014年5月1日

【審査請求日】2015年2月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】399048917

【氏名又は名称】日立アプライアンス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 尚礼

(72)【発明者】

【氏名】清水 裕一

(72)【発明者】

【氏名】石渡 寛人

(72)【発明者】

【氏名】岩路 善尚

(72)【発明者】

【氏名】高畑 良一

【審査官】 宮崎 基樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０６４３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１４９０９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７２９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１１１４８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ １／００−３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電力を交流電力に変換する電力変換回路と、前記電力変換回路によって駆動される電動機と、前記電動機に機械的あるいは磁気的に接続されている機構部と、前記電力変換回路の通電方式を１２０度通電方式と１８０度通電方式とを切り替える制御手段とを備える電動機制御装置において、
前記制御手段は、
前記１２０度通電方式から前記１８０度通電方式に切り替える際、通電方式の切替要求があった後に前記１２０度通電方式の通電モードが変わった時点から電気角で３０度の切替え期間が経過したことを検出して前記１８０度通電方式に切り替える切替えタイミングを求める切替え待ち時間算出手段と、
前記切替え待ち時間算出手段によって求められた前記切替えタイミングに基づいて前記１２０度通電方式から前記１８０度通電方式に切り替える通電方式切替え手段を備え、
更に、前記切替え待ち時間算出手段は、前記電力変換回路をスイッチング動作させるドライブ信号を生成する三角波キャリア信号を用い、前記三角波キャリア信号の山または谷の割込みタイミングでカウントしたカウント数に応じて、前記電動機の電気角が３０度変化したことを検出した時点で、前記切替えタイミングを出力する切替えタイミング出力機能を備えていることを特徴とする電動機制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電動機制御装置において、
前記切替えタイミング出力機能は、前記１８０度通電方式による前記電力変換回路の上下アームをスイッチング動作させるドライブ信号を生成する前記三角波キャリア信号を用い、前記電気角が６０度に対応する期間の間の前記三角波キャリア信号の山または谷の割込みタイミングでカウントしたカウント数（Ｎ_ｐｗｍ）に対して、前記１２０度通電方式の前記通電モードが変わった時点から前記三角波キャリア信号の山または谷の割込みタイミングでカウントアップし、このカウント値が前記カウント数（Ｎ_ｐｗｍ）の半分（電気角で３０度に対応）に達した時点で、前記切替えタイミングを出力することを特徴とする電動機制御装置。

【請求項3】

冷凍サイクルの圧縮機を駆動する電動機を、請求項１又は請求項２に記載の電動機制御装置を用いて制御することを特徴とする冷蔵庫。

【請求項4】

電気機器の操作対象を駆動する電動機を、請求項１又は請求項２に記載の電動機制御装置を用いて制御することを特徴とする電気機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は電動機の駆動制御装置、及びこれを使用した冷蔵庫、並びに電気機器に係り、特に位置センサを使用しないで回転子の磁極位置を推定して電動機の回転数やトルクを制御するのに好適な電動機の駆動制御装置、及びこれを使用した冷蔵庫、並びに電気機器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

家電分野、産業機器分野、自動車分野などの技術分野では、例えば、ファン、ポンプ、圧縮機、コンベア、昇降機等の回転速度制御、並びにトルク制御、位置決め制御等に電動機を用いた駆動制御装置が用いられている。これらの分野の電動機では、例えば、永久磁石を用いた小形で高効率の同期電動機が幅広く用いられている。

【0003】

そして、このような電動機を駆動するには、電動機の回転子の磁極位置の情報が必要であり、そのため磁極位置を検出するレゾルバやホールＩＣ等の位置センサが必要であった。ところが、近年ではこのような位置センサを用いずに電動機の回転数制御やトルク制御を行う“センサレス制御”と呼ばれる技術が普及してきている。

【0004】

この“センサレス制御”の実用化によって、位置センサの設置に必要な費用（位置センサ自体の費用や位置センサの配線にかかる費用）が削減でき、また、位置センサが不要となる分だけ装置の小型化や、劣悪な環境での使用が可能になるといった大きな効果が得られるようになっている。

【0005】

このような“センサレス制御”を採用した電動機の駆動制御装置においては、１２０°通電方式と１８０°通電方式を切り換えて駆動することが知られており、これらの通電方式の切り換えは特開２００８−１７２９４８号公報（特許文献１）にあるようによく知られた技術である。この特許文献１にはトルク変動や回転変動を抑えて通電方式を安定して切り換える技術が開示されている。

【0006】

尚、本発明では好ましい制御方式として“センサレス制御”を例示として説明するものであって、“センサレス制御”に限定してなされたものではなく、これ以外の電動機制御装置においても適用可能なものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００８−１７２９４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

そして、特許文献１に記載されている技術においては、１８０°通電方式を用いた電動機の駆動時の電流位相と、１２０°通電方式を用いた電動機の駆動時の電流位相とが切り換え前後で同一となるように制御する構成とされている。

【0009】

特許文献１における具体的な開示事項としては、一方の駆動方式から他方の駆動方式への切り換えの際に、回転数制御ＰＷＭデューティ／変調率演算部と通電切換制御・電圧／電流位相差算出・電圧位相算出部によって、一方の駆動方式における切り換え直前の電動機のロータ位置に対する電流位相と切り換え直後の電流位相が等しくなるように制御する構成を開示している。

【0010】

ところで、本発明者等の検討によると、このように通電方式を切り替える際に電流跳ね上りや速度変動等が生じることが判明した。そして、電流の跳ね上がりが大きい場合、過電流保護回路によって電動機が停止したり、最悪の場合はスイッチング素子やその他の電気部品を損傷したりする現象があった。また、上述したように速度変動が生じると電動機の停止や破損に至らなくとも、通電方式の切り換え時に、電動機の発生トルクが急激に変化することで、電動機が急加速、或いは急減速したりして振動や不快な音を発生するといった現象があった。

【0011】

本発明の目的は、通電方式を切り替える際に電流跳ね上りや速度変動等の発生を抑制して円滑に通電方式を切り替えることができる電動機の駆動制御装置、及びこれを使用した冷蔵庫、並びに電気機器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の特徴は、１８０°通電電方式と１２０°通電方式の切り換え前後において電動機に印加される電圧が連続して変化するようにした、ところにある。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、電力変換回路の通電方式を切替える前後で、電動機に印加される電圧が急激に変化することなく連続して変化するため、電流の跳ね上がりや急激な速度変動を抑えることができる。このため、例えば、電動機が停止したり、スイッチング素子やその他の電気部品を損傷したりすることを防止でき、また、電動機が急加速、或いは急減速したりして振動や不快な音を発生することを防止できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】電動機制御装置の一例を示す構成図である。

【図2】座標軸の説明図である。

【図3】制御軸と３相軸の関係を説明する説明図である。

【図4】電力変換回路の構成を示す構成図である。

【図5】機構部（圧縮機構部）の構成を示す構成図である。

【図6】回転子の位置に対する負荷トルクの変化を示す説明図である。

【図7】１２０度通電方式のスイッチング方式を説明する説明図である。

【図8】開放相電圧検出手段の構成を示す構成図である。

【図9】電動機の２相に電圧を印加する場合の模式図である。

【図10】非通電相の起電圧の特性図である。

【図11】回転角度位置に対する開放相起電圧の特性図である。

【図12】回転角度位置に対する開放相起電圧と基準電圧の関係を説明する説明図である。

【図13】基準レベル切替器の構成を示す構成図である。

【図14】ベクトル制御の構成を示す構成図である。

【図15】ＰＬＬ制御器の構成を示す構成図である。

【図16】速度制御器の構成を示す構成図である。

【図17】電流制御器の構成を示す構成図である。

【図18】通電方式切り替え時（無対策）の電流波形を示す図である。

【図19】通電方式切替前後のドライブ信号を示す図である。

【図20】駆動装置の別の構成を示す構成図である。

【図21】１８０度通電方式のスイッチング方式を説明する説明図である。

【図22】１８０度通電方式の別のスイッチング方式を説明する説明図である。

【図23】１２０度用位置推定手段の構成を示す構成図である。

【図24】通電モードと電気角位相の関係を示す説明図である。

【図25】電気角位相と通電モードの関係を示す説明図である。

【図26】３相電圧指令値と出力電圧の関係を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。以下、図面を用いて実施例を説明する。

【実施例1】

【0016】

本実施例では、機構部として圧縮機構部を用いた場合の電動機制御装置１の例を説明する。

【0017】

図１は、本実施例における電動機制御装置の構成図の例である。電動機制御装置１は、大きく分け、交流電力を出力する電力変換回路５と、その電力変換回路５によって駆動される電動機（電動機）６と、電動機６に接続部５０２を介して機械的あるいは磁気的に接続されている機構部５００と、電動機６に流れる電流または電動機６の位置あるいは速度を直接的あるいは間接的に検出し電動機６へ印加する電圧指令値を演算する制御部２、等から構成される。

【0018】

図４は、電力変換回路の構成図の例である。電力変換回路５は、インバータ２１、直流電圧源２０、ゲートドライバ回路２３によって構成される。インバータ２１は、スイッチング素子２２（例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子）によって構成される。これらのスイッチング素子２２は直列に接続され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の上下アームを構成している。各相の上下アームの接続点は、電動機６へ配線されている。スイッチング素子２２は、制御部２で生成されるドライブ信号を基にゲートドライバ回路２３が出力するパルス状のゲート信号（２４ａ〜２４ｆ）に応じてスイッチング動作をする。直流電圧源２０をスイッチングして電圧を出力することで、任意の周波数の３相交流電圧を電動機６に印加することができ、これによって電動機を可変速駆動する。

【0019】

なお、制御部２で生成されるドライブ信号と、ゲートドライバ回路２３によって生成（増幅）されるゲート信号は、信号の電圧レベル（例えば、５Ｖと１５Ｖ）等が異なるため、両者は異なる信号である。しかし、本発明においてはゲートドライバ回路２３を理想回路として扱ったとしても、本願の目的や効果には全く影響が無いため、以降に出てくるドライブ信号とゲート信号は、特に断りが無い限り本明細書では同じ意味として扱う。

【0020】

電力変換回路５の直流側にシャント抵抗２５を付加した場合、過大な電流が流れた際にスイッチング素子２２を保護するための過電流保護回路や、後述するシングルシャント電流検出方式などに利用できる。これにより、安全性向上や部品点数削減といった効果が得られる。

【0021】

電力変換回路５をスイッチング動作させるためのドライブ信号の生成方法について、通電方式と共に説明する。

【0022】

図１に示すＰＷＭ信号作成器３３は、通電方式切替指令に応じて、１２０度通電方式あるいは１８０度通電方式を選択すると共に、入力された電圧指令値に応じたドライブ信号を生成する。なお、電圧指令値の作成については、後述する。

【0023】

１２０度通電方式は、電力変換回路５の３相の上下アームの内、２相に対してスイッチング動作をさせる。電気角で１８０度の位相中１２０度の期間スイッチングをするため、１２０度通電方式と呼ぶ。電動機に印加される電圧の波形から、方形波駆動とも呼ぶ。

【0024】

スイッチングさせる方法にはいくつか方式があり、例えば、図７に示した方式の内、いずれかを用いればよい。図７は電気角１周期における上下アームのドライブ信号を概念的に示している。図中のＧｐは上アームのドライブ信号、Ｇｎは下アームのドライブ信号を意味している。このような駆動方法は良く知られたものである。

【0025】

電動機６に印加する電圧を決定するためには、電圧の大きさ、電圧の波形、電動機６の回転子位置に対する電圧の位相、の３点を考慮する必要がある。決定法については、後述する。

【0026】

１８０度通電方式は、基本的に電力変換回路５の３相の上下アームを全てスイッチング動作させる。図２１に標準的な三角波比較方式によるドライブ信号の生成方法を示している。。図２１は、電気角３６０度における電圧指令値と、ドライブ信号を生成するための三角波キャリア信号を示している。両者を比較し、大小関係により図中のように上アームのドライブ信号Ｇｐ及び下アームのドライブ信号Ｇｎを生成する。

【0027】

１８０度通電方式は、電気角一周期にわたり上下アーム共スイッチングを行うため、１８０度通電と呼ぶ。この方式は、電動機に正弦波上の電圧が印加されることから、正弦波駆動とも呼ぶ。

【0028】

ゲートドライバ回路２３やスイッチング素子自体の遅れに起因して、上下アームのスイッチング素子が短絡する恐れがあるため、実際には上下アームの両方がスイッチングオフとなるデッドタイム（数マイクロ秒〜十数マイクロ秒程度）を付加して最終的なドライブ信号とする。しかしながら、デッドタイムに関しては本願の目的や効果には全く影響が無いため、本明細書においては理想的なドライブ信号を示している。もちろん、デッドタイムを付加した構成としても問題は無い。

【0029】

電力変換回路５の直流電圧源２０を最大限に利用するため、電気角６０度の区間、片方のアームのスイッチング素子をオン状態で維持するドライブ信号生成方法もある。図２２は、この方式による電圧指令値とドライブ信号の関係の例である。この方法では、一定区間ドライブ信号の変化が無いため、一見すると、１２０度通電のドライブ信号に似ているが、実質的に電動機に印加される電圧は正弦波状に近いため、この方式も１８０度通電と呼ぶ。

【0030】

本実施例は、電動機６として、回転子に永久磁石を有する永久磁石同期電動機を用いた例である。そのため、制御軸の位置と回転子の位置は、基本的に同期しているとして説明する。なお、実際は加減速時や負荷変動時の過渡状態において、制御軸の位置と回転子の位置にズレ（軸誤差）が生じる場合がある。軸誤差が生じた場合、電動機が実際に発生するトルクが減少したり、電流歪みや跳ね上がりが生じたりすることもある。

【0031】

回転子の回転角度位置情報は、電動機に流れる電流及び電動機印加電圧から電動機の推定位置を出力する位置センサレス制御によって得るものとしている。その際、図２にあるように回転子の主磁束方向の位置をｄ軸とし、ｄ軸から回転方向に電気的に９０度（電気角９０度）進んだｑ軸とからなるｄ−ｑ軸（回転座標系）を定義する。回転子の回転角度位置θｄは、ｄ軸の位相を示している。。これに対し、制御上の仮想回転子位置をｄｃ軸とし、そこから回転方向に電気的に９０度進んだｑｃ軸とからなるｄｃ−ｑｃ軸（回転座標系）も定義する。本実施例では、この回転座標系である制御軸上で電圧や電流を制御することを基本としているが、単に電圧の振幅と位相を調整して電動機を制御することも可能である。これらの座標軸の関係を図２に示している。尚、これ以降の説明において、ｄ−ｑ軸を実軸、ｄｃ−ｑｃ軸を制御軸、実軸と制御軸のズレである誤差角を軸誤差Δθｃと呼ぶ。

【0032】

固定座標系である３相軸と制御軸との関係を図３に示している。Ｕ相を基準に、ｄｃ軸の回転角度位置（推定磁極位置）θｄｃと定義する。ｄｃ軸は図中の円弧状の矢印の方向（反時計方向）に回転している。そのため、回転周波数（後に示す、インバータ周波数指令値ω１）を積分することで、推定磁極位置θｄｃを得られる。

【0033】

本実施例では、機構部５００として、圧縮機構を用いた場合について、説明する。図５に示すように、機構部（圧縮機構部）５００は、電動機６を動力源としてピストン５０１を駆動している。これにより、圧縮動作を行う。電動機６のシャフト５０２に、クランクシャフト５０３が接続され、電動機６の回転運動を直線運動に変換している。電動機６の回転に応じて、ピストン５０１も動作し、吸込み、圧縮、吐出、といった一連の工程を行う。電動機６とピストン５０１の間の動力伝達は、図５の様に機械的に接続するのが多いが，潤滑油の給油の構成や、圧縮あるいは搬送対象（例えば有害ガス）によっては、磁気的に接続された機構を含むことで、安全性やメンテナンス性を上げられるという効果がある。

【0034】

圧縮機構の工程は、まずシリンダ５０４に設けられた吸込み口５０５から冷媒を吸い込む。その後、弁５０６を閉じて圧縮を行い、吐出口５０７から圧縮した冷媒を吐出する。

【0035】

一連の工程において、ピストン５０１にかかる圧力が変化する。これは、ピストンを駆動する電動機６から見ると、周期的に負荷トルクが変化していることを意味する。図６は、機械角１回転における、回転子の回転角度位置θｄに対する負荷トルクの変化の例を示している。図６では、電動機６として４極電動機の例を示しているため、電気角２周期が機械角１周期に相当する。例えば、電動機６が６極の場合は、電気角３周期が機械角１周期に相当する。回転子の位置とピストンとの位置関係は組み付けによって決まるが、図６ではピストンの下死点が機械角の０°として、ピストン位置に対する負荷トルクの変化を示している。圧縮工程が進むにつれ負荷トルクが大きくなり、吐出工程では、急激に負荷トルクが小さくなるのが特徴的である。図６から、１回転中において負荷トルクが変動している事が分かる。回転する度に負荷トルクが変動するため、電動機６から見ると周期的に負荷トルクが変動していることになる。

【0036】

たとえ同じ圧縮機構部５００を用いても、電動機６の回転数、吸込み口５０５や吐出口５０７の圧力、吸込み口５０５と吐出口５０７の圧力差などによって、負荷トルクの変動は変化する。弁５０６の開閉タイミングとピストンの位置の関係は、弁５０６の構成によって変わる。例えば、吸い込み口５０５と施リンダ５０４内の圧力差で作動する簡易的な弁を使用した場合には、圧力条件によって弁の開閉タイミングが変わる。すなわち、負荷トルクが一回転中で最大となるピストン位置も変化する。

【0037】

電力変換回路の通電方式の切替えを考えた場合、前述のように負荷トルクの変動が大きい場合には、通電方式の切替えを起因の１つとして、電動機６に流れる電流に跳ね上りが生じたり、電動機６の回転速度変動が生じたりする恐れがある。この結果、振動や騒音が発生する場合もある。したがって、本願の目的の一つは、負荷トルクの変動が大きい場合に、電力変換回路の通電方式を切り替える際においても、電流跳ね上りや速度変動が生じないショックレス切替えを実現する電動機制御装置を提供することである。

【0038】

本実施例では、圧縮機構部５００のピストン５０１は、直線的に動くレシプロ式を例に説明しているが、圧縮機構の別な方式として、ピストンが回転することで圧縮するロータリー式や、渦巻状の旋回翼からなるスクロール式などがある。それぞれの圧縮方式によって周期的な負荷変動の特性は異なるものの、いずれの圧縮方式においても圧縮工程に起因する負荷変動がある。これらの負荷トルク変動特性はそれぞれ異なるが、後述する手段を備える電動機制御装置は圧縮機構が異なる場合にも同様に適用でき、いずれにおいても本願の目的を達成可能である。

【0039】

図１に戻って、制御部２は、電圧を印加しない非通電相（開放相）の起電圧（端子電圧）を入力し、回転子の推定回転角度位置及び推定回転速度を出力する１２０度用位置推定手段４０と、電動機６に流れる交流電流または電力変換回路の直流側に流れる電流を入力し、回転子の推定回転角度位置及び推定回転速度を出力する１８０度用位置推定手段４１と、通電方式切替指令信号と、１２０度用位置推定手段４０及び１８０度用位置推定手段４１の推定回転角度位置及び推定回転速度を入力し、通電方式切替指令信号に応じた推定回転角度位置及び推定回転速度を出力する通電方式切替器３１と、２つの位置推定手段（４０及び４１）で推定した回転子の回転角度位置または回転速度を用いて２つの通電方式（１２０度通電、１８０度通電）を切替える切替タイミングトリガを生成する切替待ち時間算出手段３０と、通電方式を切替える通電方式切替指令信号を出力する通電方式切替手段３２と、通電方式切替指令信号と電圧指令値を入力しドライブ信号を出力するＰＷＭ信号作成器３３等から構成される。

【0040】

ここで、ＰＷＭ信号作成器３３は駆動方式切替器４５とＰＷＭタイマ４６を有している。駆動方式切替器４５には電圧指令値と、通電方式切替指令信号と、通電モード指令とが入力される。そして、１２０度通電方式で駆動している場合は、通電モードに応じて非通電相のドライブ信号は上下アームとも非アクティブとして出力する。また、１８０度通電方式で駆動している際は、駆動方式切替器４５は、入力された電圧指令値をそのまま出力する。駆動方式切替起５の出力はＰＷＭタイマ４６に送られ、ＰＷＭタイマ４６は図４に示すドライブ信号に変換して電力変換回路５におくる。

【0041】

制御部２の多くは、マイコン（マイクロコンピュータ）やＤＳＰなどの半導体集積回路（演算制御手段）によって構成され、ソフトウェアなどで実現している。

【0042】

１８０度用位置推定手段４１で電動機６に流れる電流を使用する場合、電流検出手段７を用いて、電動機６または電力変換回路５に流れる３相の交流電流の内、Ｕ相とＷ相に流れる電流を検出する。電流検出手段の構成例を図４に示している。。例えば、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成できる。この構成を採用した場合、電力変換回路５のスイッチング状態を気にせず、任意のタイミングで電流検出できるという利点がある。

【0043】

なお、全相の交流電流を検出しても構わないが、キルヒホッフの法則から、３相のうち２相が検出できれば、他の１相は検出した２相から算出できる。

【0044】

電動機６または電力変換回路５に流れる交流電流を検出する別方式として、例えば、電力変換回路５の直流側に付加されたシャント抵抗２５に流れる直流電流から、電力変換回路５の交流側の電流を検出するシングルシャント電流検出方式がある。この方式は、電力変換回路５を構成するスイッチング素子の通電状態によって、電力変換回路５の各相の交流電流と同等の電流がシャント抵抗２５に流れることを利用している。シャント抵抗２５に流れる電流は時間的に変化するため、ドライブ信号が変化するタイミングを基準に適切なタイミングで電流検出する必要がある。図示はしていないが、電流検出手段１２に、シングルシャント電流検出方式を用いても問題ない。

【0045】

開放相電圧検出手段の構成図の例を図８に示している。電動機６の端子電圧を検出する場合、例えば、開放相電圧検出手段６０を用いる。多くの場合、電動機６の端子電圧が制御部の電源電圧（例えば、５Ｖや３．３Ｖ）を超えるため、分圧抵抗６１及び６２を用いる。その後、オペアンプで増幅したり、制御部の保護を目的として、バッファ回路６３を入れたりする。もちろん、電動機６の端子電圧を直接制御部２に入力しても構わない。

【0046】

以下、各構成要素の詳細を説明する。まず、電動機６を１２０度用位置推定手段４０及び１２０度通電駆動手段４２で駆動する際の動作と、１８０度用位置推定手段４１及び１８０度通電駆動手段４３で駆動する際の動作についてそれぞれ説明し、その後、２つの駆動状態を切替える際の、言い換えると、２つの通電方式（１２０度通電、１８０度通電）を切替える際の課題について説明する。

【0047】

以下の説明を実現する１２０度用位置推定手段４０及び１２０度通電駆動手段４２の構成例を図２３に示している。

【0048】

電動機６を１２０度通電で駆動する際は、電動機６の３相巻線の内、通電する２相を選択してパルス電圧を印加してトルクを発生させる。通電する２つの相の組み合わせは６通り考えられ、それぞれを通電モード１〜通電モード６と定義する。

【0049】

図９に電動機の２相に電圧を印加する場合の模式図を示している。図９の（ａ）はＶ相からＷ相へ通電している状態の通電モード（後述の通電モード３に対応）を示し、図９の（ｂ）は反対にＷ相からＶ相へ通電している状態の通電モードを示している図である。

【0050】

これらに対し、回転子の回転角度位置を電気角１周期分変化させた場合の非通電相（図１０ではＵ相）に現れる起電圧は、図１０の様になる。図１０は、非通電相の起電圧特性図の例である。回転角度位置によって、Ｕ相の起電圧（Ｕ相の端子電圧）が変化することがわかる。

【0051】

この起電圧はＶ相とＷ相に生じる磁束の変化率の差異が、非通電相であるＵ相にて電圧として観測されたものであり、速度誘起電圧と異なる。速度起電圧と区別して開放相起電圧と呼ぶ。

【0052】

図１０において、実線で示す正パルス印加時の開放相起電圧、及び破線で示す負パルス印加時の開放相起電圧は、いずれも速度誘起電圧Ｅｍｕに比べて大きい。速度起電圧は、その名の通り回転子の回転速度に比例して変化する起電圧である。したがって、低速域における速度起電圧と非通電相の起電圧の大小関係は、図１０に示す関係になる。

【0053】

したがって、この開放相起電圧を検出すれば、電動機６の回転速度が零速度近傍から低速度域に亘って、比較的大きな回転子の位置信号が得られる。

【0054】

図１１は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相を非通電相とした場合の回転子の回転角度位置θｄに対する開放相起電圧特性、電力変換器２を構成するスイッチング素子のゲート信号、電動機６の回転子の回転角度位置θｄ、通電モード、及びスイッチング相関係を示している。

【0055】

図１１に、回転角度位置に対する開放相起電圧特性の例を示している。図１１から分かるように、図９の（ａ）及び（ｂ）に示した電圧パルスは１２０度通電方式の通常の動作中に印加される。通電モード３において、図９の状態となる。モード回転角度位置θｄに応じて電気角６０度毎に通電する２相が切り替えられている。つまり、非通電相も順次切り替えられる。

【0056】

図１１において、図９の（ａ）及び（ｂ）の状態は、通電モードが通電モード３もしくは通電モード６に対応する。通電モード３もしくは通電モード６においては、Ｕ相が非通電相であるため、開放相起電圧はＵ相の起電圧波形に示した太線のように検出できる。すなわち、回転角度位置θｄが増えるにつれ、通電モード３ではマイナス方向に減少し、通電モード６ではプラス方向に増加する開放相起電圧が検出できる。

【0057】

同様に、通電モード２及び通電モード５では、Ｖ相の起電圧波形が検出でき、通電モード１及び通電モード４では、Ｗ相の起電圧波形が検出できる。

【0058】

図１２は、回転角度位置に対する開放相起電圧と基準電圧の関係図の例である。図１２に、回転角度位置θｄに対する、通電モード、非通電相、通電モードに対応した非通電相の開放相起電圧、及び基準電圧の関係を示している。通電モードが切り替わる毎に非通電相の開放相起電圧が、正と負でそれぞれに上昇と減少を繰り返す波形となる。そこで、正側及び負側それぞれに、閾値となる基準電圧（Ｖｈｐ、Ｖｈｎ）を設定し、この基準電圧と非通電相の開放相起電圧の大小関係から回転角度位置θｄを推定でき、これによって通電モード切替のトリガ信号を発生させる。

【0059】

つまり、基準電圧が通電モードを切り替える所定の位相を表す値として見做され、これを検出した非通電相の開放相起電圧が超えると、その時点でモード切替トリガ信号を発生させ通電モードを順に切り替える。

【0060】

通電モードを切り替える動作は図２３に示されているモード切替トリガ発生器５１にて実現しており、非通電相電位選択器５２にて通電モードに応じた非通電相を選択し、選択した相の開放相起電圧を検出している。

【0061】

図１３に示す基準レベル切替器５３にて、通電モード指令に従って正側基準電圧Ｖｈｐと負側基準電圧Ｖｈｎを切替スイッチ１１３によって選択して出力する。つまり、通電モード２、４、６では正側基準電圧Ｖｈｐ１１１を出力し、通電モード１、３、５では負側基準電圧Ｖｈｎ１１２を出力する。

【0062】

通電モードに応じた開放相起電圧と、選択した基準正側基準電圧Ｖｈｐまたは負側基準電圧Ｖｈｎを閾値として図２３にある比較器５４に入力してその値の比較を行い、非通電相の起電圧が閾値に到達した時点でモード切替トリガ信号を発生する。図２３にある通電モード切替器５５は、モード切替トリガ信号を入力し、モード切替トリガ信号に応じて通電モードを正回転方向に進め、通電モードを出力する。

【0063】

図２３にある位相変換器５６は、通電モードの情報（通電モード１〜通電モード６）を入力し、で電気角位相（回転角度位置θｄ）を出力する。１２０度通電では電気角６０度毎の回転角度位置を検出すれば良いが、例えば、通電モードから、図２４に示す関係の位相を出力する。図２４の関係の位相を採用する際の効果については後述するが、通電方式切替に好適な方式である。

【0064】

図２３にある速度変換器５７は、１つの通電モードに居た時間を例えば三角波キャリア信号の山または谷の割込みタイミングでカウントをし、そのカウント値から次式で速度ω１_１２０を算出する。

【0065】

【数1】

【0066】

ここで、Ｎ_ｐｗｍは三角波キャリア信号の山または谷の割込みタイミングでカウントしたカウント数、Ｔ_ｃｏｕｎｔ_ｓｍｐｌはカウントする周期である。６倍しているのは、電気角１周期相当の速度を求めるためである。

【0067】

前述の通り、開放相起電圧は速度起電圧と異なり、電動機が停止または極低速で回転している際にも検出可能である。したがって、電動機６の回転速度が零速度近傍から低速度域に亘って、位置センサレス駆動が可能である。このように、非通電相の開放相起電圧を検出することで、電動機６が停止した状態や極低速時においても回転子位置を精度良く検出することができる。また、これに基づいて回転速度も求められる。

【0068】

以上が、１２０度用位置推定手段４０の基本的な動作である。

【0069】

ところが、電動機６の回転速度が大きくなるにつれて、非通電相の開放相起電圧よりも速度起電圧の方が支配的となる。つまり、速度起電圧に基づいて回転子位置情報や回転速度を検出する方が精度良くなる。そのため、中高速域においては、１８０度通電で電動機６を駆動するのが良い。

【0070】

電動機６を１８０度通電で駆動するためには、前述の通りｄｃ−ｑｃ軸（回転座標系）で制御するのが好適である。回転座標上で制御するために３相交流軸から座標変換する必要があるが、回転座標上では電圧や電流を直流量として扱えるという利点がある。

【0071】

そのため、推定磁極位置θｄｃを用いて、電流検出手段７で検出した３相交流軸の電動機電流検出値１２２をｄｃ−ｑｃ軸に座標変換し、ｄ軸及びｑ軸の電流検出値（Ｉｄｃ及びＩｑｃ）を得える。同様に、推定磁極位置θｄｃを用いて、後述する電圧指令値作成器３で生成したｄｃ−ｑｃ軸上の電圧指令値を３相交流電圧指令値に座標変換する。

【0072】

次に、１８０度用位置推定手段４１の動作について説明する。図１５は、１８０度用位置推定手段４１の構成図の例である。１８０度用位置推定手段４１は、主に軸誤差演算器１０と、ＰＬＬ制御器１３と、積分器１５等から構成されている。

【0073】

本実施例の１８０度用位置推定手段４１は、軸誤差Δθｃの演算値を基にしている。軸誤差演算器１０は、制御軸上の電流検出値（Ｉｄｃ及びＩｑｃ）と、後述する電圧指令値（Ｖｄ＊及びＶｑ＊）を入力して、次式により実軸と制御軸との軸誤差Δθｃを出力する。

【0074】

【数2】

【0075】

ＰＬＬ制御器１３は、軸誤差Δθｃが軸誤差指令値Δθ＊（通常はゼロ）になるようにインバータ周波数指令値ω１を出力する。軸誤差指令値Δθ＊と軸誤差Δθｃの差を減算器１７ａで求め、これに乗算器１８ａで比例ゲインＫｐ_ｐｌｌを乗じ比例制御した演算結果と、乗算器１８ｂで積分ゲインＫｉ_ｐｌｌを乗じそれを積分器１５ｂで積分し積分制御した演算結果とを加算器１６ａで加算し、インバータ周波数指令値ω１_１８０を出力する。

【0076】

定常状態においては、軸誤差Δθｃはゼロとなる点、永久磁石同期電動機では制御軸の位置と回転子の位置は基本的に同期している点から、インバータ周波数指令値ω１_１８０が電動機の速度に相当する。

【0077】

回転子の回転角度位置θｄ（電気角位相）は速度を積分することで得られる。そのため、積分器１５ａの出力が回転角度位置θｄ_１８０となる。

【0078】

次に電圧指令値演算手段３４の動作について説明する。図１４は、電圧指令値演算手段３４の構成図の例である。電圧指令値演算手段３４は、例えば、速度制御器１４と、電流制御器１２と、通電方式切替スイッチ５９と、電圧指令値作成器３と、ｄｑ／３φ変換器４等から構成されている。

【0079】

通電方式の切り替えは通電方式切替スイッチ５９で行う。図１４中に複数通電方式切替スイッチ５９があるが、全て同じタイミングにおいて同じ接点に切り替わる。

【0080】

説明の便宜上、１８０度通電駆動時の動作について先に説明する。１８０度通電駆動時においては、図１４中の複数通電方式切替スイッチ５９を下側接点にする。

【0081】

電圧指令値作成器３は、後述する速度制御器１４や電流制御器１２から得られるｄ軸及びｑ軸電流指令値（Ｉｄ＊及びＩｑ＊）と、回転角速度指令値ω＊または後述するインバータ周波数指令値ω１とを電圧指令値作成器３に入力し、次式の様にベクトル演算を行い、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を得る。

【0082】

【数3】

【0083】

ここで、Ｒは電動機６の巻線抵抗値、Ｌｄはｄ軸のインダクタンス、Ｌｑはｑ軸のインダクタンス、Ｋｅは誘起電圧定数である。

【0084】

上述のように電動機を駆動する制御は一般的にベクトル制御と呼ばれ、電動機に流れる電流を界磁成分とトルク成分に分離して演算し、電動機電流位相が所定の位相になるように、電圧の位相と大きさを制御する。ベクトル制御の構成にはいくつか方式があり、例えば、特開２００５−３９９１２号公報に記載の構成がある。これを用いて例えば図１４のような構成とすることができる。

【0085】

本実施例の電動機６は、非突極型の永久磁石電動機としている。すなわち、ｄ軸とｑ軸のインダクタンス値は同じである。つまり、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの差によって発生するリラクタンストルクは考慮していない。したがって、電動機６の発生トルクはｑ軸を流れる電流に比例する。そのため、本実施例においては、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊はゼロを設定している。なお、突極型電動機（ｄ軸とｑ軸のインダクタンス値が異なる電動機）の場合は、ｑ軸電流によるトルクの他に、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの差に起因するリラクタンストルクが発生する。そのため、リラクタンストルクを考慮してｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を設定することで、同じトルクをより小さいｑ軸電流で発生できる。この場合、効率向上の効果が得られる。

【0086】

ｑ軸電流指令値は、上位制御系などから得てもよいが、速度指令値への追従性を良くするため、図１４は速度制御器を用いてｑ軸電流指令値を得る構成として示した。

【0087】

速度制御器１４の構成例を図１６に示している。周波数指令値ω＊とインバータ周波数指令値ω１の差を減算器１７ｂで求め、これに乗算器１８ｃで比例ゲインＫｐ_ａｓｒを乗じて比例制御した演算結果と、乗算器１８ｄで積分ゲインＫｉ_ａｓｒを乗じ積分器１５ｃで積分し積分制御した演算結果とを加算器１６ｂで加算し、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力する。

【0088】

図１７は電流制御器１２の構成図の例である。ｄ軸及びｑ軸電流指令値への追従性を上げるため、電流制御を行う。ｄ軸及びｑ軸電流値（Ｉｄ＊及びＩｑ＊）とｄ軸及びｑ軸電流検出値との差をそれぞれ減算器（１７ｃ及び１７ｄ）で求め、これらに乗算器（１８ｅ及び１８ｆ）で比例ゲイン（Ｋｐ_ｄａｃｒ及びＫｐ_ｑｄａｃｒ）を乗じて比例制御した演算結果と、乗算器（１８ｇ及び１８ｈ）で積分ゲイン（Ｋｉ_ｄａｃｒ及びＫｉ_ｑａｃｒ）を乗じ積分器（１５ｄ及び１５e）で積分し積分制御した演算結果とを加算器（１６ｃ及び１６ｄ）で加算し、第２のｄ軸及びｑ軸電流指令値（Ｉｄ＊＊及びＩｑ＊＊）を出力する。

【0089】

次に、１２０度通電駆動時の動作について説明する。１２０度通電駆動時においては、図１４中の複数通電方式切替スイッチ５９を上側接点にする。

【0090】

本実施例では、１２０度通電駆動時と１８０度通電駆動時において、動作を変更する例を示している。もちろん、１２０度通電駆動においても、１８０度通電駆動と同様に、速度制御器１４と電流制御器１２を付加した構成としても何ら問題は無い。

【0091】

本実施例では、１２０度通電駆動時の電流指令値（Ｉｄ＊＊及びＩｑ＊＊）は、図示していない上位制御等から入力された電流指令値（Ｉｄ＊＿１２０及びＩｑ＊＿１２０＊）を用いる。上位制御等から入力された電流指令値を使う際、乗算器及び積分器の数が減るため、制御部２の演算負荷を低減できる効果がある。

【0092】

最も簡素な方法としては、ｄ軸及びｑ軸電流指令値をゼロとし、所定の速度指令値のみを与え、次式のように電圧指令値は固定として駆動しても良い。

【0093】

【数4】

【0094】

ｄｑ／３φ変換器４は、上述の電圧指令値作成器３が出力するｄ軸及びｑ軸電圧指令値（Ｖｄ＊及びＶｑ＊）と回転角度位置を入力し、３相電圧指令値（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）出力する。

【0095】

通常、上位制御系等から与えられる周波数指令値ω＊は、インバータ周波数指令値ω１に比べると変化の周期は非常に長いため、電動機が１回転する間においては一定値と見ても良い。そのため、速度制御器によって、電動機はほぼ一定周波数で回転する。この時、インバータ周波数指令値ω１を積分することで得られる推定磁極位置θｄｃは、ほぼ一様に増加する。

【0096】

以上が、電圧指令値演算手段３４の基本動作である。

【0097】

電動機６の状態量（位置、速度、トルクなど）を制御する場合、状態量の変化に対して感度が高い情報もしくは線形に変化する情報を用いることが適している。

【0098】

前述の通り、非通電相の開放相起電圧は、電動機が停止または極低速で回転している際にも検出可能である。一方、速度起電圧は、電動機の回転速度に比例する起電圧であるため、回転速度が大きくなるにつれて速度起電圧は大きくなり、中高速域では非通電相の開放相起電圧よりも速度起電圧の方が支配的となる。

【0099】

このことから、電動機が停止時から高速域において、電動機の位置検出を行って電動機の状態量（位置、速度、トルクなど）を制御する場合には、開放相起電圧に基づいて制御する１２０度通電方式と、速度起電圧に基づいて制御する１８０度通電方式とを組み合わせることで、高精度な制御を実現できる。

【0100】

通電方式切替を判断する値の例として、ここでは上位制御系等から与えられる周波数指令値ω＊（電動機の回転数指令に相当）を使用する。例えば、予め速度起電圧が十分に大きくなり、速度起電圧を精度良く検出できる周波数指令値に達したら（定格速度の１０〜２０％程度が目安）、開放相起電圧に基づいて制御する１２０度通電方式から速度起電圧に基づいて制御する１８０度通電方式へ切り替える。

【0101】

通電方式を切り替える際、図１８のように電流跳ね上りや速度変動などが生じた。電流の跳ね上がりが大きい場合、過電流保護回路によって電動機が停止したり、最悪の場合はスイッチング素子２２やその他の電気品を損傷したりする恐れがある。電動機停止や破損に至らなくとも、通電方式切り替え時に電動機の発生トルクが急に変わることで、急加減速したり、それによる振動や不快な音が発生したりする原因となる。

【0102】

このような課題を解決するため、通電方式を１２０度通電方式から１８０度通電方式に切り換える際に、電流跳ね上り、電動機発生トルクの不連続によるトルクショック、速度変動、などが生じないショックレス切替えを実現する電動機制御装置を提供することが、本発明の目的の１つである。

【0103】

尚、説明の都合上、電動機の位置検出を行う手段は、１２０度通電方式として上述の開放相起電圧に基づいた構成として説明し、１８０度通電方式では上述の速度起電圧に基づいた構成として説明する。しかしながら、後述する本発明の構成から分かるように、各通電方式における電動機６の回転角度位置の検出（あるいは推定）手段や方法は本実施例に記載の方式に限らず、例えば高調波を重畳して回転角度位置を検出する方式など、電動機の位置検出を行う手段は他の方式を用いても適用可能である。

【0104】

上述した通電方式を切り替えた際に生じる電流跳ね上がり等の原因の１つは、インバータから電動機に印加される電圧の不連続性である。１２０度通電方式は３相のうち２相のみ通電させるのに対し、１８０度通電方式は３相全てを通電させる。例えば、１２０度通電方式で駆動していた際にスイッチングしていなかった相を１８０度通電方式での駆動に切り替えて急にスイッチングすると、電動機に印加される線間電圧が大きく変わって不連続となり、その結果、電流跳ね上がりや電動機発生トルクの不連続になる。

【0105】

したがって、通電方式の切替前後において、電動機に印加される線間電圧の関係を連続に保てば、切り替えショック無く切り替えられる。電動機６に印加する電圧を決定するためには、電圧の大きさ、電圧の波形、電動機６の回転子位置に対する電圧の位相、の３点を考慮する必要がある。これらを考慮して、電動機６に印加する電圧の連続性を保つようにする。

【0106】

更に、本願の目的（通電方式をショックレスに切り替える）を考えると、ドライブ信号の生成方法は同じとするのが良い。以下、具体的な実現方法について説明する。

【0107】

図１９に通電方式切替前後のドライブ信号を示している。簡略化のため、通電方式切替前後で速度変動及び負荷トルク変動は無いと仮定して、つまり一定の電圧指令を出力する状況と仮定して、ドライブ信号の変化を示している。図１９は、１２０度通電方式から１８０度通電方式へ通電方式を切替える際の例を図示しているが、逆に１８０度通電方式から１２０度通電方式へ切り替える際も、以下と同様に実現でき、本願の目的を達成できる。

【0108】

まず、１２０度通電方式で駆動している際の本願のドライブ信号について説明する。

【0109】

１２０度通電方式で駆動している際は、電気角６０度毎の回転角度位置を検出しており、図２５に示した様に、電気角が３０度、９０度、１５０度、２１０度、２７０度の６つのタイミングで通電パターン（ドライブ信号のパターン）が変わる。

【0110】

すなわち、１２０度通電方式においては、通電パターンは６種しかない。そのため、実際の回転子の回転角度位置は連続的に変化するが、通電パターンの決定に使用する電気角は必ずしも連続的に変える必要は無い。通電モードを変更する条件（条件は位置推定方式に依存する。例えば、開放相起電圧に基づいた位置推定の構成では、開放相電圧が閾値を越えたか否かが判定条件になる。）が成立したら、電気角をあらかじめ決めた６０度毎の通電モードとなる値に変更すれば良い。

【0111】

そこで、出力電圧位相に関係する各通電モードにおける位相θｄは、図２４に示した様に決定する。例えば、通電モード３において、開放相起電圧（通電モード３ではＵ相が開放相）が閾値を超え時点（通電モード３では閾値となる基準電圧（Ｖｈｎ）を下回った時点）は、回転子の回転角度位置は、電気角で３０度の位置を超えたことになる。それ以前においては、通電モード３における回転子の回転角度位置は、電気角で−３０度（３３０度）から３０度のいずれかであるが、通電モード３の期間は０度とする。

【0112】

位相θｄを図２４のように決定することの効果を説明する。図２６は、３相電圧指令値と出力電圧の関係を示している。図２６中の一点鎖線は、信号の基となる３相正弦波電圧指令値である。この３相正弦波状の電圧指令値を考えると、電気角が０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度の位置は、中間相の電圧がゼロで、最大相と最小相の絶対値は同じとなる位置である。

【0113】

したがって、位相θｄを図２４のように決定することで、各相の電圧指令値は、図２６中のように、階段状の電圧指令値となる。これらの電圧指令値を、図２１で示したＰＷＭキャリア信号生成方法（つまり１８０度通電方式と同じドライブ信号生成方法）を用いると、１２０度通電方式時のドライブ信号を得られる。

【0114】

ここで、図２６の最大相と最小相のドライブ信号に注目すると、図７の相補スイッチング方式のドライブ信号を同様の電圧が電動機に印加されることになる。通電モードによって、非通電相は一義的に決定する。

【0115】

そのため、駆動方式切替器４５に、電圧指令値と、通電方式切替指令信号と、通電モード指令と、を入力する。１２０度通電方式で駆動している場合は、通電モードに応じて非通電相のドライブ信号（図２６では中間相のドライブ信号）は上下アームとも非アクティブ（図中では点線で示した）として出力する。

【0116】

なお、１８０度通電方式で駆動している際は、駆動方式切替器４５は、入力された電圧指令値をそのまま出力すればよい。

【0117】

このように、各通電モードにおける位相を図２４に示した様に決定することで、１８０度通電方式と同じドライブ信号生成方法を用いて、１２０度通電方式でのドライブ信号を生成することができる。同じドライブ信号生成方法を用いるため、ドライブ信号生成方法に起因する切替時のショックを無くすことができる。

【0118】

上記の本願におけるドライブ信号生成方法を踏まえ、図１９の通電方式切替前後のドライブ信号について詳しく説明する。

【0119】

ドライブ信号の基となっている電圧指令値、もしくは、ドライブ信号を積分して得られる等価的な印加電圧値を見ると、１２０度通電時の通電モード（通電相）が変わるタイミングで、電圧の最大相または最小相が入れ替わる。

【0120】

仮に、１２０度通電時の通電モード（通電相）が変わるタイミング（３０度、９０度、１５０度、２１０度、２７０度）で、１２０度通電方式から１８０度通電方式に切り替えた場合、１２０度通電時はＯＦＦだった中間相が最大相と同じスイッチングデューティでスイッチングを開始する。

【0121】

電動機６が図９のようなＹ結線である場合で、例えば、電気角２７０度（図１１では−９０度と表記）の時点で１２０度通電から１８０度通電に切り替えることを考える。１２０度通電時は、モード２ではＵ相からＷ相に電圧を印加するが、１８０度通電に切り替えるとすると、Ｕ相とＶ相の並列回路からＷ相に印加されることになる。

【0122】

すなわち、通電方式切替前後で電動機に印加される電圧が不連続になる。別な言い方をすると、固定子巻線で発生する磁束の大きさや位相が急に変化し、電動機の発生トルクが不連続になり、速度変動やそれに起因する振動や騒音などが生じる原因となる。

【0123】

そこで、本発明の方式は、１８０度通電に切り替えるタイミングを中間相の電圧指令値がゼロになるタイミングとする。言い換えると、１２０度通電から１８０度通電に切り替える際、その前の通電モードにおいて上下アーム共スイッチングをしていなかった相のドライブ信号が、上アームと下アームとの比率が略同じ（５０％程度）であるようにする。こうすることで、通電方式切替前後で電動機に印加される電圧を連続にできる。すなわち、切り替えショック無く切り替えられる。

【0124】

次に中間相の電圧指令値がゼロになるタイミングを決定する方法について説明する。

【0125】

前述の通り、１２０度通電方式においては、回転角度位置を電気角６０度毎に検出する、あるいは６０度毎の位置を推定しており、電気角が３０度、９０度、１５０度、２１０度、２７０度、３３０度の６つのタイミングで通電パターン（ドライブ信号のパターン）が変わる。

【0126】

一方、中間相がゼロになるタイミングは、図２６に示した様に、電気角が０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、３００度の６つのタイミングである。すなわち、通電モードを変更する条件が成立した後、電気角で３０度の期間待ってから通電方式切替を行うようにすれば、中間相がゼロになるタイミングでの通電方式切替を実現でき、本願の目的を達成できる。

【0127】

切替え待ち時間算出手段３０は、２つの位置推定手段（４０及び４１）で推定した回転子の回転角度位置または回転速度を用いて２つの通電方式（１２０度通電、１８０度通電）を切替える切替タイミングトリガを出力する。通電方式切替え手段３２は、切替タイミングトリガを入力し、通電方式切替指令信号を出力する。

【0128】

切替え待ち時間算出手段３０の動作について、１２０度通電方式から１８０度通電方式に切り替える際の動作を例に説明する。

【0129】

まず、通電方式の切替え要求は、例えば、図示していない上位系からの指令や、速度指令値が、所定値を越えたか否かで、通電方式の切替要求を判断する。

【0130】

図１９中の上部に矢印で示したタイミングで、通電方式の切替要求があったとする。その後、通電モードが変わった時点から、切替え待ち時間算出手段３０は、経過時間を測定し、電気角で３０度の期間が経過したら、切替タイミングトリガを出力し、通電方式切替え手段３２が通電方式切替指令信号を出力する。

【0131】

経過時間測定は、例えば、通電方式の切替要求があった通電モード中の、三角波キャリア信号の山または谷の割込みタイミングでカウントしたカウント数（Ｎ_ｐｗｍ）を用いる。Ｎ_ｐｗｍは、電気角６０度に相当する期間のため、切替え待ち時間算出手段３０で同様に三角波キャリア信号の山または谷の割込みタイミングでカウントアップし、カウント値がＮ_ｐｗｍの半分に達した時点で、切替タイミングトリガを出力すれば、電気角で３０度の期間が経過したことが分かる。

【0132】

カウント値で判断することにより、通電方式を切替える速度が変化した場合においても、電気角で３０度の期間を正確に測定することができる。

【0133】

切替え待ち時間算出手段３０の動作について、１８０度通電方式から１２０度通電方式に切り替える際の動作を例に説明する。

【0134】

切替え待ち時間算出手段３０に、１８０度用位置推定手段４１で推定した回転子の回転角度位置を入力する。通電方式の切替要求があった後に、電気角が０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、３００度に達した際に、切替タイミングトリガを出力し、通電方式切替え手段３２が通電方式切替指令信号を出力する。

【0135】

１８０度通電方式では、位相θｄが連続的に変化するため、位相で判断してもよい。尚、１２０度通電方式においても、位相で判断することも可能である。上述した１２０度通電方式の位置推定においては、開放相電圧が閾値となる基準電圧を越えたか否かで電気角６０度毎の位置を検出しているが、図１０に示した、非通電相の起電圧特性図の例から分かるように、位相に応じて連続的に変化している。例えば、非通電相の起電圧特性を線形近似する、あるいは位相に対する関数として表すことで、１２０度通電方式においても、位相を連続的に変化する様にしても良い。その際は、上記のように位相で判断する方式の方が適している。例えば、制御部２のタイマの数が限られている場合、位相で判断することにより、タイマの数を節約でき、他の機能にタイマを割り当てることができる。

【実施例2】

【0136】

本実施例では、機構部として圧縮機構部を用いた場合の電動機制御装置の例を説明する。

【0137】

図２０は、実施例２における電動機制御装置を用いた冷蔵庫を示す構成図の例である。

【0138】

なお、既に説明した実施例１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

【0139】

冷蔵庫３０１は、図２０に示すように、熱交換機３０２、送風機３０３、圧縮機３０４、圧縮機駆動用電動機３０５、などにより構成されている。また、冷蔵庫制御装置３０６は、各種センサ情報により、送風機や庫内灯などを制御する庫内制御装置３０７と電動機制御装置１から構成される。

【0140】

冷蔵庫においては、真空断熱材等の技術革新により、冷蔵庫内の熱が外気に漏れる熱漏洩量が非常に少ない。そのため、圧縮機を駆動する電動機制御装置１の消費電力量を削減するためには、定常時の消費電力量を削減すると共に、過渡時（起動時）の消費電力（消費電力量）も重要になってくる。

【0141】

冷凍機及び空調機で使われる圧縮機の内部は、高温・高圧となるため、圧縮機駆動用電動機の回転角度位置を検出する位置センサ等を設置するのが難しい。圧縮機駆動用電動機駆動する場合、回転子の回転角度位置情報は、電動機に流れる電流及び電動機印加電圧から電動機の推定位置を出力する位置センサレス制御によって得る。

【0142】

速度起電圧に基づいた位置センサレス制御を採用した場合、低速においては速度起電圧が小さくなるため、位置推定が困難になる。なお、ここでの低速とは、速度起電圧が、電力変換回路５の直流電圧源２０の１０％程度以下の電圧となる速度を意味する。低速においては、例えば、位置フィードバックは行わず、予め決定した電流指令値と速度指令値から電圧指令値を決定する同期運転と呼ぶ手法で駆動する。

【0143】

同期運転中は位置検出ができないため、トルクに直接寄与する電流だけを与えることはできず、無駄な電流も流れてしまう。従って、冷蔵庫の圧縮機駆動用電動機を起動するために必要なトルクを得るためには、余裕をもった電流を流す必要がある。

【0144】

従って、消費電力量を削減するためには、ゼロ速を含む極低速域においても位置検出を行い、トルクに直接寄与する電流だけを与えることが必要になる。つまり、必要最小限の電流によって起動することにより、消費電力量低減が可能な電動機制御装置及びそれを用いた冷凍機及び空調機を提供することが本願の目的の一つである。さらに、広い速度範囲において電動機を位置センサレスで駆動が可能な電動機制御装置及びそれを用いた冷凍機及び空調機を提供することが本願の目的の一つである。さらに、電力変換回路５の最大電流容量を小さくすることで、配置スペースの縮小することが可能な電動機制御装置及びそれを用いた冷凍機及び空調機を提供することが本願の目的の一つである。

【0145】

本実施例における電動機制御装置の構成図の例は、実施例１と同じく図１である。

【0146】

通電方式を切り替える際、図１８のように電流跳ね上りや速度変動などが生じた。電流の跳ね上がりが大きい場合、過電流保護回路によって電動機が停止したり、最悪の場合はスイッチング素子２２やその他の電気品を損傷したりする恐れがある。最も壊れやすいのは、電力変換回路５であり、電流跳ね上りによっても壊れないようにするためには、電力変換回路５の容量を大きくする必要があり、これによって配置スペースが必要になってしまう。電動機停止や破損に至らなくとも、通電方式切り替え時に電動機の発生トルクが急に変わることで、急加減速したり、それによる振動や不快な音が発生したりする原因となる。

【0147】

そこで、低速域においては、開放相起電圧に基づいた１２０度通電方式で駆動し、中高速域においては、速度起電圧に基づいた１８０度通電方式駆動する。これにより、低速域においても位置センサレスで駆動することができる。位置センサレスで駆動すると、電動機の回転角度位置に応じた最大トルクを発生させられる。言い換えると、必要最小限の電流で駆動することができる。これにより、消費電力量低減が可能になる。さらに、電力変換回路５の容量を小さくすることで、配置スペースの縮小することができる。

【0148】

通電方式を切替える際、切替え待ち時間算出手段３０により、電気角で３０度の期間待ってから通電方式切替を行うようにすれば、中間相がゼロになるタイミングでの通電方式切替を実現でき、電流跳ね上りを抑えることができる。これにより、電力変換回路５の容量を小さくすることで、配置スペースの縮小することができる。

【0149】

また、本実施例になる電動機制御装置は、家電分野、産業機器分野、自動車分野等の多くの技術分野で使用される、例えば、ファン、ポンプ、圧縮機、コンベア、昇降機等の電気機器の操作対象を駆動する電動機を制御するのにも適用可能である。

【0150】

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0151】

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手続き等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良い。また、上記の各構成や機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現しても良い。

【0152】

電動機は、永久磁石電動機として説明したが、その他の電動機（例えば、誘導機、同期機、スイッチトリラクタンス電動機、シンクロナスリラクタンス電動機など）を用いても構わない。その際、電動機によっては電圧指令値作成器での演算方法が変わるが、それ以外については同様に適用でき、本願の目的を達成可能である。

【0153】

上記の実施例では、位置センサレス制御を前提として記載した。そのため、位置推定方式について記載したが、例えば、電気角６０度毎の位置を得られるホールセンサを用いた１２０度通電駆動から１８０度通電駆動に切り替えても、本願の目的を達成可能である。

【符号の説明】

【0154】

１…電動機制御装置、２…制御部、３…電圧指令値作成器、５…電力変換回路、６…電動機、７…電流検出手段、３０…切替え待ち時間算出手段、３１…通電方式切替器、３２…通電方式切替手段、４０…１２０度用位置推定手段、４１…１８０度用位置推定手段、５１…切替トリガ発生器、５２…非通電相電位選択器、５３…基準レベル切替器、５４…比較器、５５…通電モード切替器、６０…開放相電圧検出手段、３０１…冷蔵庫、５００…圧縮機構部、５０３…クランクシャフト。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】