特許 6884916 モータ駆動装置および冷凍機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6884916

(24)【登録日】2021年5月14日

(45)【発行日】2021年6月9日

(54)【発明の名称】モータ駆動装置および冷凍機器

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/18 20160101AFI20210531BHJP

   H02P 6/21 20160101ALI20210531BHJP

   H02P 6/22 20060101ALI20210531BHJP

   H02P 21/18 20160101ALI20210531BHJP

   H02P 21/34 20160101ALI20210531BHJP

   H02P 27/08 20060101ALI20210531BHJP

【ＦＩ】

   H02P6/18

   H02P6/21

   H02P6/22

   H02P21/18

   H02P21/34

   H02P27/08

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2020-173412(P2020-173412)

(22)【出願日】2020年10月14日

【審査請求日】2020年10月14日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】316011466

【氏名又は名称】日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000420

【氏名又は名称】特許業務法人エム・アイ・ピー

(72)【発明者】

【氏名】李 東昇

(72)【発明者】

【氏名】笠原 励

(72)【発明者】

【氏名】上田 和弘

【審査官】 大島 等志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１８−２０４８７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ６／１８

Ｈ０２Ｐ ６／２１

Ｈ０２Ｐ ６／２２

Ｈ０２Ｐ ２１／１８

Ｈ０２Ｐ ２１／３４

Ｈ０２Ｐ ２７／０８

Ｈ０２Ｐ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力された直流電力から変換した交流電力を永久磁石同期モータに出力するインバータと、前記インバータの動作を制御する制御部とを備えるモータ駆動装置において、
前記制御部は、
前記インバータによるＰＷＭ動作がオン状態である場合に、各相の信号の立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングをずらす制御を行い、
前記永久磁石同期モータが空転状態である場合に、前記インバータによるＰＷＭ制御をオン状態とすることで検出される前記永久磁石同期モータのモータ電流に基づいて、前記空転状態における前記永久磁石同期モータの回転子の状態を算出し、
算出された前記回転子の状態に基づいて、前記永久磁石同期モータが前記空転状態から回転を開始するように前記インバータを制御することを特徴とする、モータ駆動装置。

【請求項2】

入力された直流電力から変換した交流電力を永久磁石同期モータに出力するインバータと、前記インバータの動作を制御する制御部とを備えるモータ駆動装置において、
前記制御部は、
前記永久磁石同期モータが空転状態である場合に、前記インバータによるＰＷＭ制御をオン状態とすることで検出される前記永久磁石同期モータのモータ電流に基づいて、前記空転状態における前記永久磁石同期モータの回転子の状態を算出し、
前記モータ電流の値が所定の閾値を超えた場合に、前記インバータによるＰＷＭ制御をオフ状態に切り替え、
算出された前記回転子の状態に基づいて、前記永久磁石同期モータが前記空転状態から回転を開始するように前記インバータを制御することを特徴とする、モータ駆動装置。

【請求項3】

前記制御部は、
前記インバータによるＰＷＭ制御をオフ状態とする際に、前記モータ電流が０に減衰するように制御することを特徴とする、請求項２に記載のモータ駆動装置。

【請求項4】

前記インバータの直流側の母線にシャント抵抗または電流センサを有し、
前記制御部は、
前記シャント抵抗または前記電流センサによる検出信号に基づいて、前記モータ電流を算出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。

【請求項5】

前記制御部は、
前記回転子の状態として前記回転子の位置を算出することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。

【請求項6】

前記制御部は、
異なる時点において算出された前記回転子の位置の差分に基づいて、前記回転子の回転速度または回転方向を算出することを特徴とする、請求項５に記載のモータ駆動装置。

【請求項7】

熱交換器と、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機と、前記熱交換器への送風を行うファンと、前記ファンを駆動する永久磁石同期モータと、請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータ駆動装置と、を備える冷凍機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータが空転している状態から再始動する手段を備えるモータ駆動装置およびそれを用いる冷凍機器に関する。

【背景技術】

【0002】

直流を交流に変換するインバータと永久磁石同期モータから構成されるモータ駆動システムが家電製品や産業機器分野において広く普及している。特に、冷凍機器などの分野では、このようなモータ駆動システムにより機器の高効率化が図られている。

【0003】

一般的に、永久磁石同期モータを高効率駆動するために、モータの回転子位置情報が必要となる。モータの回転子位置は、エンコーダなどの位置検出器を用いて直接的に検出することができるが、コストと信頼性の問題がある。そこで、近年、位置検出器を用いることなく永久磁石同期モータの回転子位置を検出する位置センサレス制御が、提案され、様々な製品に適用されている。

【0004】

永久磁石同期モータの位置センサレス制御における課題の一つは、回転子が空転している状態から再始動する方法（「フリーラン起動」と呼ぶ）である。例えば、ファンなどの駆動モータは、負荷の慣性や外力（外風）により、起動前に既に回転している場合がある。空転状態の回転子位置、回転速度および回転方向などの情報が無ければ、モータが停止するまで待つか、強制的にブレーキ制御をかけて回転を停止させ、その後停止状態から再起動しなければならないため、再起動までの時間が長くなる。

【0005】

これに対し、モータ空転時に発生する誘起電圧を利用して、モータの巻線をインバータによって瞬間的に短絡させ、このときに流れる電流に基づき回転子の位置などを算出する技術が、特許文献１および特許文献２に記載されている。

【0006】

特許文献１に記載の技術では、モータ駆動用インバータを構成するスイッチング素子のうち、三つの下アーム素子を同時にオンにして、モータ巻線に短絡電流を流して、三相のモータ電流の検出情報に基づいて回転子の位置と回転速度を算出する。

【0007】

特許文献２に記載の技術では、モータ駆動用インバータの２相分の異なるアームの素子を同時にオンオフ動作させて、インバータの直流側の母線（シャント）電流を検出して、モータの回転子位置と回転速度を算出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許第４１０３０５１号公報

【特許文献2】特開２０１８−１７０９２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献１に記載の技術においては、モータ巻線の短絡電流を検出するために、電流センサを用いて、少なくとも２相分のモータ電流を検出する必要があり、回路コストがかかる。

【0010】

特許文献２に記載の技術においては、母線（シャント）抵抗に流す電流の検出により、各相電流を検出する電流センサが不要になるが、特殊なＰＷＭ制御モードと電流検出処理を使うため、モータの回転子位置と回転速度を算出する演算が複雑になり、推定結果に誤差が発生しやすい。

【0011】

そこで、本発明は、母線（シャント）抵抗に流す電流を検出方式に対応でき、特殊なＰＷＭ制御モードや電流検出処理を使用せず、モータ回転子の位置と速度を高精度に算出できるモータ駆動装置およびそれを用いる冷凍機器を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を解決するために、本発明によるモータ駆動装置は、
入力された直流電力から変換した交流電力を永久磁石同期モータに出力するインバータと、前記インバータの動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記永久磁石同期モータが空転状態である場合に、前記インバータによるＰＷＭ制御をオン状態とすることで検出される前記永久磁石同期モータのモータ電流に基づいて、前記空転状態における前記永久磁石同期モータの回転子の状態を算出し、
算出された前記回転子の状態に基づいて、前記永久磁石同期モータが前記空転状態から回転を開始するように前記インバータを制御することを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、空転中のモータの回転位相を検出するセンサや誘起電圧検出回路などが不要になることにより、回路コスト、基板面積およびマイコンのＡ／Ｄポート使用数の削減ができる。また、回転子位置と回転速度を算出する期間に過大なモータ電流を流すことなく、高精度に回転子の状態を算出できる。したがって、モータ駆動装置およびそれを用いる冷凍機器の起動制御の信頼性が向上する。

【0014】

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施例１であるモータ駆動装置の全体構成図である。

【図2】制御部の制御構成を示すブロック図である。

【図3】位相と速度算出の構成図である。

【図4】位相と速度算出時のＰＷＭ信号とシャント抵抗電流の時間波形図である。

【図5】空転時におけるモータ駆動装置の運転状態の遷移を示す状態遷移図である。

【図6】モータ起動時の電流指令値と回転速度指令値を示す概略波形図である。

【図7】モータ起動時の電流指令値と回転速度指令値を示す概略波形図である。

【図8】本発明の実施例２である冷凍機器の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

【実施例1】

【0017】

＜装置構成＞
図１は、本発明の実施例１であるモータ駆動装置の全体構成図である。図１に示すモータ駆動装置は、直流電源１と、直流電源１からの直流電力を交流電力に変換するインバータ２と、駆動対象となる永久磁石同期モータ３と、永久磁石同期モータ３によって駆動される機械的なモータ負荷４と、インバータ２を制御する制御部５と、直流電源１とインバータ２の間にあるシャント抵抗６およびシャント抵抗６の信号を増幅する増幅器７とを備える。なお、本実施例において、モータ負荷４は冷凍機器用のファンである。

【0018】

直流電源１としては、図示されない商用交流電源などの交流電源から受電する交流電力を直流電力に変換する電力変換装置（例えば、ダイオード整流器や安定化電源など）もしくは電池などが適用される。

【0019】

インバータ２においては、半導体スイッチング素子（本実施例ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））とダイオードが逆並列に接続される二つのアーム回路、すなわち上アームと下アームが直列に接続される直列接続回路が、直流電源１の一対の正負端子間に接続される。インバータ２は、３相インバータであるため、このような直列接続回路を交流の相数分すなわち３個備えている。ここで、上アームおよび下アームは、それぞれ、直流電源１の高電位側および低電位側に接続される。上下アームの直列接続点は交流端子に接続され、交流端子には永久磁石同期モータ３が接続される。

【0020】

インバータ２の低電位側の母線は、電流検出用のシャント抵抗６を介して直流電源１の負端子に接続される。シャント抵抗６によって検出される電流検出信号は、増幅器７を介して制御部５に入力される。ここで、シャント抵抗６に代えて、電流センサなどの他の電流検出手段を用いても良い。なお、制御部５におけるデジタル演算のために、増幅器７の出力信号は、サンプリングおよびホールド回路とＡ／Ｄ変換器などにより、デジタル信号に変換される。

【0021】

制御部５としては、マイクロコンピュータもしくはＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）などの半導体演算装置が用いられる。

【0022】

なお、本実施例においては、後述するように制御部５が、位置検出器を用いることなく永久磁石同期モータの回転子位置を検出して同期を行い、位置センサレス制御を実行するため、永久磁石同期モータ３には、回転子や回転軸の位置を検出するホール素子などの磁極位置検出手段は設けていない。

【0023】

＜全体制御の説明＞
図２は、本実施例１における制御部５の制御構成を示すブロック図である。制御部５は、半導体演算装置が所定のプログラムを実行することにより、各ブロックが示す各機能を備える。

【0024】

制御部５は、ｄ−ｑ軸ベクトル制御により、モータに印加する電圧指令信号を演算し、インバータのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号を生成するものである。制御部５は、速度制御器１０と、ｄ軸電流指令発生器１１と、電圧制御器１２と、２軸／３相変換器１３と、速度および位相推定器１４と、３相／２軸変換器１５と、電流再現演算器１６と、空転状態算出器１７と、電圧指令切替器１８と、ＰＷＭ制御器１９とを備える。なお、空転時における起動制御に関連する機能については後述する。

【0025】

電流再現演算器１６は、増幅器７から出力される電流検出信号（i_ｓｈ）と、三相電圧指令（v_ｕ^＊，v_ｖ^＊，v_ｗ^＊）を用いてインバータ２からの三相モータ電流（i_ｕ，i_ｖ，i_ｗ）を再現する。シャント抵抗の電流信号から三相モータ電流を再現する方法は公知であるため、ここでの詳細説明は省略する。なお、図１では、コスト低減のために、シャント抵抗６によって検出される電流検出信号（i_ｓｈ）から三相電流を再現する方式を採用しているが、特に実施形態を限定するものではない。したがって、シャント抵抗６に代えて電流センサなどの電流検出手段を用いてインバータ回路２の出力である交流電流を検出しても良く、この場合は、その電流検出手段が検出した三相電流を３相／２軸変換器１５に入力すれば良い。

【0026】

３相／２軸変換器１５は、再現された三相出力電流（i_ｕ，i_ｖ，i_ｗ）と、速度および位相推定器１４によって推定された位相情報θ_ｄｃとに基づいて、ｄｃ軸電流（i_ｄｃ）とｑｃ軸電流（i_ｑｃ）とを数式１および数式２に基づいて演算する。数式１は、いわゆる３相／２軸変換を表し、数式２は回転座標系への変換を表す。

【0027】

【数1】

【0028】

【数2】

【0029】

ｄｃ−ｑｃ軸は、推定位置情報に基づくベクトル制御系の推定軸、ｄ−ｑ軸はモータ回転子軸であり、ここではｄ−ｑ軸とｄｃ−ｑｃ軸との軸誤差はΔθｃと定義する。

【0030】

図２において、速度制御器１０は、外部からの速度指令値（ω^*）に基づいて、速度指令値と、速度および位相推定器１４によって推定される推定速度との偏差を０に近づけるように、すなわち推定速度を速度指令値に近づけるように、ｑｃ軸電流指令値（i_ｑｃ^＊）を作成する。また、モータ電流を最小化するために、電流指令発生器１１は、ｄｃ軸電流指令値（i_ｄｃ^＊）を発生する。

【0031】

図２における電圧制御器１２は、電流指令発生器１１から与えられるｄｃ軸電流指令値i_ｄｃ^*と、速度制御器１０から与えられるｑｃ軸電流指令値i_ｑｃ^*と、３相／２軸変換器１５から与えられるｄｃ軸電流検出値i_ｄｃおよびｑｃ軸電流検出値i_ｑｃと、速度指令値ω^*およびモータ定数を用いて、ｄｃ軸電圧指令値v_ｄｃ^*およびｑｃ軸電圧指令値v_ｑｃ^*を演算して出力する。

【0032】

２軸／３相変換器１３は、電圧制御器１２によって算出されたｄｃ−ｑｃ軸の電圧指令（v_ｄｃ^＊，v_ｑｃ^＊）と速度および位相推定器１４からの位相情報（θ_ｄｃ）を用いて、数式３および数式４に基づいて、三相電圧指令（v_ｕ^＊，v_ｖ^＊，v_ｗ^＊）を算出して出力する。なお、数式３は、回転座標系から固定座標系への変換を表す。また、数式４は、いわゆる２軸／３相変換を表す。

【0033】

【数3】

【0034】

【数4】

【0035】

なお、速度および位相推定器１４は、ｄｃ軸電流検出値（i_ｄｃ）およびｑｃ軸電流検出値（i_ｑｃ）と、ｄｃ−ｑｃ軸の電圧指令（v_ｄｃ^＊，v_ｑｃ^＊）とを用いて、回転子の位置や回転速度を推定し、位相情報（θ_ｄｃ）および推定速度（ω）として出力する。

【0036】

これにより、本実施例１では、位置センサレス制御が可能になり、駆動システム全体のコストが低減できる。なお、速度および位相推定器１４における具体的な推定手段は公知であるため、ここでの詳細説明は省略する。

【0037】

＜空転時の位相検出の説明＞
永久磁石同期モータ３が空転状態から再始動する場合、永久磁石同期モータ３の回転速度によっては、回転子位置と回転速度情報を取得しなければ、図２に示した制御によるモータ起動が難しくなる。

【0038】

これに対し、本実施例１は、永久磁石同期モータ３が空転状態での回転子位置と回転速度を算出する手段を備えている。以下では、その手段について説明する。

【0039】

永久磁石同期モータ３が空転すると巻線から誘起電圧を生じる。誘起電圧は、永久磁石同期モータ３とインバータの接続部であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流端子に印加される。永久磁石同期モータ３の電気位相(θ_ｄ)の基準をＵ相巻線位置とし、また、永久磁石同期モータ３の三相巻線の中性点を基準電位とすれば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相誘起電圧（e_ｕ，e_ｖ，e_ｗ）は、数式５で表される。数式５のωはモータ速度であり、Keはモータ誘起電圧定数である。

【0040】

【数5】

【0041】

図３は、空転状態の永久磁石同期モータの回転子位置と回転速度を算出する空転状態算出器１７の構成図である。空転状態算出器１７は、オンオフ信号生成器２０と、電流位相演算器２１と、速度演算器２２と、モータ位相演算器２３と、電圧指令生成器２４と、から構成される。

【0042】

オンオフ信号生成器２０では、ＰＷＭ信号の有無を制御する制御信号を生成して、インバータのＰＷＭ動作をオン状態とする区間（以下、「オン状態区間」として参照する）とオフ状態とする区間（以下、「オフ状態区間」として参照する）を設定する。ＰＷＭ動作のオン状態においては、インバータの全ての構成素子がＰＷＭ信号にしたがってオン・オフの切り替え動作をして、電圧指令生成器２４からの電圧指令値は、電圧指令切替器１８を通して、インバータ２から電圧（v_ｕ，v_ｖ，v_ｗ）を出力する。本状態では、インバータ２の出力電圧と各相の誘起電圧との電圧差が永久磁石同期モータ３の各固定子巻線に印加される。このとき、巻線のインダクタンス（Ｌ）と巻線抵抗（Ｒ）があるため、モータ電流は０から増加する。ここで、一般的に巻線抵抗の影響がインダクタンスより十分に小さいため、その影響を無視すれば、数式６によりモータ電流とインバータ２の出力電圧（v_ｕ，v_ｖ，v_ｗ）および誘起電圧（e_ｕ，e_ｖ，e_ｗ）の関係が表される。

【0043】

【数6】

【0044】

上記のように、最初のモータ電流が０の状態であれば、インバータ２のＰＷＭ動作のオン状態区間（t_on）中にインバータ２の出力電圧（v_ｕ，v_ｖ，v_ｗ）と誘起電圧（e_ｕ，e_ｖ，e_ｗ）がほぼ一定と仮定すると、ＰＷＭ動作のオン状態区間が終了時のモータ電流（ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）は数式７によって表わされる。

【0045】

【数7】

【0046】

数式７により、ＰＷＭ動作のオン状態が終了時のモータ電流（ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）はオン区間の時間幅（ｔ_{_ｏｎ}）と比例関係にある。

【0047】

＜ＰＷＭオンオフ動作とオン状態区間調整＞
また、上述したように、ＰＷＭ動作のオン状態のモータ電流は誘起電圧と関係もあることから、空転速度が高い場合には誘起電圧が高くなるため、過大なモータ電流が発生して、半導体スイッチング素子あるいはダイオードが破壊される恐れがある。一方、空転速度が低い場合には、誘起電圧が低くなるため、モータ電流も小さくなり、十分な精度でモータ電流を検出することが難しくなる。

【0048】

そこで、本実施例１において、オンオフ信号生成器２０は、インバータ２のＰＷＭ動作のオン状態区間（ｔ_{_ｏｎ}）を調整することで、広い範囲の空転速度に対応する。具体的には、ＰＷＭ動作のオン状態区間において、電流再現演算器１６を用いて三相モータ電流を再現する。オンオフ信号生成器２０で三相電流の再現値を用いて、ＰＷＭ動作のオン状態区間の時間幅を調整する。一例として、電流再現演算器１６から再現されたモータ電流が事前に設定した電流レベル値との比較により、オンオフ信号を制御する。ここでの電流レベル値は、電流検出値の検出誤差やノイズの影響を低減するため、定格電流の約２０％以上８０％以下の範囲が好ましい。ＰＷＭ動作のオン区間の電流検出値が電流レベル値を超えたら、全てのＰＷＭ信号をオフにして、オフ状態区間へ移行する。

【0049】

ＰＷＭ動作のオフ状態区間において、モータ電流は、オフしている半導体スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードを通って、直流電源へ還流する。このとき、直流電源電圧も各固定子巻線に印加されるため、モータ電流が０まで減衰する。また、ＰＷＭ動作のオフ状態区間幅は、毎回、モータ電流が０に戻るように設定する。オン状態区間を経過した後に、再びＰＷＭ動作のオン状態区間に移行し、再度モータ電流を０から発生させる。このようにしてＰＷＭ動作にオフ状態区間を設けることで、過電流を防止することができる。

【0050】

図４は、上記ＰＷＭ動作のオン状態区間とオフ状態区間の各相の下アームのＰＷＭ信号（３０、３１、３２）とシャント抵抗電流波形（３３）の時間波形図である。図４に示されない各相の上アーム素子のＰＷＭ信号は、ＰＷＭ動作のオン状態区間では、対応する下アームのＰＷＭ信号（３０、３１、３２）の逆相信号であり、ＰＷＭ動作のオフ状態区間では、下アームと同じオフ信号である。また、図４下部の時間拡大図に示すように、ＰＷＭ動作のオン状態区間において、三相のＰＷＭ信号は、各相の立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングがずれるようにするため、ＰＷＭ信号のレベル変化（ハイレベルからローレベルもしくは、ローレベルからハイレベルへ転換）する時点付近に、シャント抵抗電流波形（３３）が発生する。

【0051】

＜電流から位相算出＞
電流位相演算器２１では、オンオフ信号生成器２０からのオンオフ信号がオンからオフに変化する際に、三相モータ電流の最後の再現値（ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ）から、数式８を用いて電流位相（θi）を演算する。

【0052】

【数8】

【0053】

＜位相差から速度演算＞
また、電流位相（θi）演算の２回目以降は、数式９に示すように、前後の電流位相の演算結果の差分と時間差（Δt）から、速度演算器２２で初期回転速度（ω₀）を演算する。

【0054】

【数9】

【0055】

さらに、回転速度の正負から、モータの回転方向を判定して、数式１０を用いて、モータ位相演算器２３でモータ回転子の初期位相θdcを演算する。

【0056】

【数10】

【0057】

また、回転速度の演算精度向上のため、複数回の演算結果を平均化するなど、各種の統計的な処理をしても良い。

【0058】

速度演算器２２とモータ位相演算器２３からの初期回転速度とモータ回転子の初期位相は、図２にある速度＆位相推定器１４の初期値に設定して、図２の制御を起動する。

【0059】

また、電圧指令生成器では、オン状態区間の三相電圧指令値を生成する。理論上は、三相電圧指令がインバータ出力できる範囲の任意値でも良い。一般的に、演算処理を便利のため、三相電圧指令を０もしくは同一値にすればよい。但し、シャント電流から三相電流を再現するために、三相電圧指令値に、三角波のキャリア波の上り坂と下り坂にシフト量を加算と減算など処理を行う。シャント電流から三相電流の再現技術は公知であるため、ここでの詳細説明は省略する。

【0060】

＜起動シーケンス＞
図５は、空転時に永久磁石同期モータ３を再起動する際のモータ駆動装置の運転状態の遷移を示す状態遷移図である。

【0061】

空転状態では上述したように回転子情報（回転子位相、回転速度と回転方向）が算出され、算出された回転速度ωに応じて運転状態が遷移する。回転子が逆転している場合は、例えば、回転速度の大きさが事前に設定した位置センサレス最低速度値を超えれば、算出された回転子位相と速度を速度および位相推定器１４の初期値に設定して、図２の制御を起動して、逆転位置センサレス運転モード、逆転同期運転モード、正転同期運転モード、正転位置センサレス運転モードの順で、図中の矢印が示すように、逐次、運転状態が遷移する。

【0062】

例えば、空転状態にあるモータが、第１の閾値ω_ｔｈ１以上の回転速度ωで逆回転していると算出された場合には、逆転位置センサレス運転モードに遷移し、その後順次他の運転モードに遷移する。

【0063】

また、空転状態にあるモータが、第２の閾値ω_ｔｈ２よりも大きく、第１の閾値ωｔｈ１よりも小さい回転速度ωで逆回転していると算出された場合には、逆転同期運転モードに遷移し、その後順次他の運転モードに遷移する。

【0064】

また、空転状態にあるモータが、第２の閾値ω_ｔｈ２よりも大きく、第１の閾値ωｔｈ１よりも小さい回転速度ωで正回転していると算出された場合には、正転同期運転モードに遷移し、その後順次他の運転モードに遷移する。

【0065】

また、空転状態にあるモータが、第１の閾値ω_ｔｈ１以上の回転速度ωで正回転していると算出された場合には、正転位置センサレス運転モードに遷移する。図６は、モータが正転中に算出された回転速度が位置センサレス最低速度値を超える場合に対応するモータ起動時の電流指令値と回転速度指令値を示す概略波形図である。空転状態の回転速度が位置センサレス最低速度値を超える場合、図６に示すように、空転状態算出モードから正転位置センサレス運転モードに遷移する。このとき、ｄｃ軸電流指令値Ｉ_ｄｃ^＊は０で推移し、正転位置センサレス運転モードに移行するとｄｃ軸電流指令値Ｉ_ｄｃ^＊が与えられ、モータは所定の回転速度で回転する。

【0066】

また、算出された回転速度が設定した最低レベル（第２の閾値ω_ｔｈ２）以下である場合（例えば空転状態における回転速度が正転・逆転を問わずほぼゼロである場合など）には、運転状態は、まず位置決めモードに遷移し、その後、正転同期運転モード、正転位置センサレス運転モードの順に遷移する。図７は、このケースのモータ起動時の電流指令値と回転速度指令値を示す概略波形図である。図７に示すように、運転モードは、所定のモータ巻線に流れるｄｃ軸電流指令値Ｉ_ｄｃ^＊を徐々に増加することにより、回転子を所定の回転位置に固定させる位置決めモードと、所定のｄｃ軸電流指令値Ｉ_ｄｃ^＊と回転速度指令値ω１^＊とにしたがって永久磁石同期モータ３に印加する印加電圧を制御する同期運転モードと、ｄｃ軸電流指令値Ｉ_ｄｃ^＊は０へ減衰させ、軸誤差Δθｃが所定値になるようにｑｃ軸電流指令値Ｉ_ｑｃ^＊とインバータ周波数とを調整する位置センサレスモードとの３種類の運転モードが、この順に設定され実行される。

【0067】

以上説明したように、本実施例１によれば、空転中の位相検出時に、ＰＷＭ動作のオン状態区間とオフ状態空間を設けて、オン状態区間の調整により、電流検出に十分な大きさのモータ電流を流しつつ、モータ電流の大きさを抑制することができる。したがって、過大な電流を流すことなく、センサレスで高精度に回転子の回転状態を算出できる。また、算出された回転子の状態に基づいて、インバータを制御することで、永久磁石同期モータは、効率的に空転状態から回転を開始できる。

【0068】

また、本実施例１においては、空転時起動制御のために、ＰＷＭ制御信号発生および回転子情報推定機能を加える程度の小規模の機能追加（プログラム追加）がなされるだけであり、大幅な回路追加を要しない。したがって、装置サイズやコストの増大を伴うことなく、起動性能を向上することができる。

【実施例2】

【0069】

図８は、本発明の実施例２である冷凍機器の構成図である。ここで、冷凍機器は、温度を調和する装置であり、空気調和機や冷凍機などである。本実施例２においては、上述した実施例１によるモータ駆動装置によって、ファンモータが駆動される。

【0070】

図８に示すように、冷凍機器３００は、熱交換器３０１および３０２と、これらの熱交換器への送風を行うためのファン３０３および３０４と、ファン３０４を駆動するファンモータ３０５と、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機３０６と、熱交換器３０１と熱交換器３０２との間、および圧縮機３０６と熱交換器３０１および３０２との間に配設され、冷媒が流れる配管３０７と、モータ駆動装置３０８から構成されている。ファン３０３，３０４を回転駆動するファンモータ３０５として、永久磁石同期モータが用いられる。モータ駆動装置３０８は、商用交流電源からの交流電力を直流電力に変換する直流電源回路、この直流電源回路からの直流電力を交流電力に変換してファンモータ３０５に供給するモータ駆動用インバータ、を備えている。

【0071】

本実施例２においては、モータ駆動装置３０８におけるファンモータ駆動用インバータが実施例１による制御部５によって制御される。

【0072】

本実施例２によれば、ファンモータが外部の風などにより空転していても、位置センサを設けることなく確実にモータを再始動ができるので、冷凍機器の信頼性が向上する。なお、上述した本実施例２の形態は、冷凍機器への適用に限られない。したがって、冷凍機器以外の永久磁石同期モータを使用する機器に対して、本実施例２を適用してもよい。

【0073】

以上、説明した本発明の実施形態によれば、過大な短絡電流を流すことなく、高精度に回転子の状態を算出できるモータ駆動装置およびそれを用いた冷凍機器を提供することができる。

【0074】

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

【0075】

なお、本発明は前述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、前述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、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

【0076】

例えば、電流検出手段は、シャント抵抗に代えて、電流トランス（ＣＴ）によって検出しても良い。この場合、電流検出箇所をインバータ出力部としても良い。また、永久磁石同期モータは、埋め込み磁石型でも良いし、表面磁石型でも良い。

【符号の説明】

【0077】

１…直流電源、
２…インバータ、
３…永久磁石同期モータ、
４…モータ負荷、
５…制御部、
６…シャント抵抗、
７…増幅器、
１０…速度制御器、
１１…ｄ軸電流指令発生器、
１２…電圧制御器、
１３…２軸３相変換器、
１４…速度および位相推定器、
１５…３相２軸変換器、
１６…電流再現演算器、
１７…空転状態算出器、
１８…電圧指令切替器、
１９…ＰＷＭ制御器、
２０…オンオフ信号生成器、
２１…電流位相演算器、
２２…速度演算器、
２３…モータ位相演算器、
２４…電圧指令生成器、
３０…Ｕ相下アーム素子のＰＷＭ信号、
３１…Ｖ相下アーム素子のＰＷＭ信号、
３２…Ｗ相下アーム素子のＰＷＭ信号、
３３…シャント抵抗電流波形、
４０…ｄｃ軸電流指令波形、
４１…ｑｃ軸電流指令波形、
４２…回転速度指令波形、
３００…冷凍機器、
３０１，３０２…熱交換器、
３０３，３０４…ファン、
３０５…ファンモータ、
３０６…圧縮機、
３０７…配管、
３０８…モータ駆動装置

【要約】

【課題】 過大な短絡電流を流すことなく、高精度に回転子の状態を算出できるモータ駆動装置およびそれを用いる冷凍機器を提供する。
【解決手段】 入力された直流電力から変換した交流電力を永久磁石同期モータ３に出力するインバータ２と、インバータ２の動作を制御する制御部５とを備えるモータ駆動装置において、制御部５は、永久磁石同期モータ３が空転状態である場合に、インバータ２によるＰＷＭ制御をオン状態とすることで検出される永久磁石同期モータ３のモータ電流に基づいて、空転状態における永久磁石同期モータ３の回転子の状態を算出し、算出された回転子の状態に基づいて、永久磁石同期モータ３が空転状態から回転を開始するようにインバータ２を制御することを特徴とする。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】