特開 2023-147733 モータ制御装置並びにこれを用いたモータ駆動システム、電気掃除機及び電動車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023147733

(43)【公開日】2023-10-13

(54)【発明の名称】モータ制御装置並びにこれを用いたモータ駆動システム、電気掃除機及び電動車両

(51)【国際特許分類】

   H02P 27/08 20060101AFI20231005BHJP

   H02P 6/26 20160101ALI20231005BHJP

【ＦＩ】

H02P27/08

H02P6/26

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022055417

(22)【出願日】2022-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】399048917

【氏名又は名称】日立グローバルライフソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 尚礼

(72)【発明者】

【氏名】馬飼野 祐貴

(72)【発明者】

【氏名】ハディナタ アグネス

(72)【発明者】

【氏名】戸張 和明

(72)【発明者】

【氏名】吉野 知也

【テーマコード（参考）】

5H505

5H560

【Ｆターム（参考）】

5H505AA08

5H505AA16

5H505CC04

5H505DD01

5H505DD08

5H505EE41

5H505EE49

5H505GG02

5H505GG04

5H505HA10

5H505HB01

5H505JJ03

5H505JJ17

5H505JJ22

5H505JJ24

5H505JJ26

5H505LL12

5H505LL22

5H560AA08

5H560BB02

5H560BB12

5H560DB11

5H560EB01

5H560RR06

5H560SS02

5H560TT08

5H560TT11

5H560TT15

5H560UA06

5H560XA02

5H560XA04

(57)【要約】

【課題】モータ制御装置の演算負荷を低減し、モータの制御の自由度を高める。
【解決手段】電流検出部によって得られた単相電動機に流れる電流情報が入力され、単相電動機を駆動するための電圧を調整するドライブ信号を単相電力変換器に対して出力するモータ制御装置であって、電流検出部の電流情報が入力されるフィルタと、単相電動機の回転子位置を算出する積分器と、単相交流電圧指令作成器と、を備え、単相電動機の速度指令値及び回転子位置に基いて、単相電動機の電流と単相電動機を駆動するための電圧との位相差が所定値になるようにドライブ信号を調整する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電流検出部によって得られた単相電動機に流れる電流情報が入力され、前記単相電動機を駆動するための電圧を調整するドライブ信号を単相電力変換器に対して出力するモータ制御装置であって、
前記電流検出部の前記電流情報が入力されるフィルタと、
前記単相電動機の回転子位置を算出する積分器と、
単相交流電圧指令作成器と、を備え、
前記単相電動機の速度指令値及び前記回転子位置に基いて、前記単相電動機の電流と前記単相電動機を駆動するための前記電圧との位相差が所定値になるように前記ドライブ信号を調整する、モータ制御装置。

【請求項2】

テーブル参照部と、
比例制御器と、を更に備え、
前記フィルタは、前記電流情報から電流位相を算出し、
前記テーブル参照部は、前記フィルタが算出した前記電流位相を用いて前記電流位相の目標値を求め、
前記比例制御器は、前記電流位相の前記目標値と前記電流位相との差から前記電圧の周波数の操作量を算出する、請求項１記載のモータ制御装置。

【請求項3】

前記単相電動機の前記電流と前記回転子位置の負の正弦値とを乗算して得られた乗算値を前記フィルタに入力して得られた値又は直流成分に応じて、前記電圧の振幅を調整する、請求項１記載のモータ制御装置。

【請求項4】

前記位相差が所定値になっている状態で、前記単相電動機の前記電流に応じて、前記電圧の振幅を調整する、請求項１記載のモータ制御装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載のモータ制御装置と、
前記単相電動機と、
前記単相電力変換器と、
前記電流検出部と、を備えた、モータ駆動システム。

【請求項6】

請求項５記載のモータ駆動システムを備えた、電気掃除機。

【請求項7】

請求項５記載のモータ駆動システムを備えた、電動車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、モータ制御装置並びにこれを用いたモータ駆動システム、電気掃除機及び電動車両に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、有効電力と無効電力とを制御して単相モータを駆動するモータ駆動装置を得ることを目的として、交流電圧の極性の変化を基点とした位相による正弦波と電流検出部で検出された電流との積によって算出される物理量に応じて単相モータの回転速度を制御するモータ駆動装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０２０／２０８７８５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載のモータ駆動装置においては、ＰＩ制御器７３が有効電力を算出し、ＰＩ制御器７４が無効電力を算出するように構成されている。そして、算出された有効電力及び無効電力を用いて逆ＰＱ変換を行うため、演算負荷が大きくなる点で改善の余地があると考えられる。

【0005】

本開示の目的は、モータ制御装置の演算負荷を低減し、モータの制御の自由度を高めることにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のモータ制御装置は、電流検出部によって得られた単相電動機に流れる電流情報が入力され、単相電動機を駆動するための電圧を調整するドライブ信号を単相電力変換器に対して出力するものであって、電流検出部の電流情報が入力されるフィルタと、単相電動機の回転子位置を算出する積分器と、単相交流電圧指令作成器と、を備え、単相電動機の速度指令値及び回転子位置に基いて、単相電動機の電流と単相電動機を駆動するための電圧との位相差が所定値になるようにドライブ信号を調整する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、モータ制御装置の演算負荷を低減し、モータの制御の自由度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施例のモータ駆動システムを示す概略構成図である。

【図2】図１の単相電動機２０を示す模式構成図である。

【図3】回転子位置に対する誘起電圧、単相モータの電圧及び単相モータの電流の波形の例を示すグラフである。

【図4】誘起電圧、単相モータの電圧及び単相モータの電流をｄｑ平面におけるベクトル図として示すグラフである。

【図5】制御部の例を示す構成図である。

【図6】図５の簡易フーリエ変換器１７を示す構成図である。

【図7】制御座標の軸に位相差が生じる場合を示すグラフである。

【図8】位相制御を付加した制御部の例を示す構成図である。

【図9】図８の制御部１０の変形例を示す構成図である。

【図10】単相電力変換器３０を示す構成図である。

【図11】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すグラフである。

【図12】本開示に係るモータ制御装置が内蔵された電気掃除機の一例を示す外観斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付の図面を参照しつつ本開示の実施例を詳細に説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、また、同一の説明は繰り返さない。

【0010】

本開示の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、或る構成要素が他の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること等を許容する。

【実施例0011】

＜モータ駆動システムの概略構成＞
図１は、実施例のモータ駆動システムを示す概略構成図である。

【0012】

モータ駆動システム１００は、制御部１０（モータ制御装置）と、単相電動機２０（単相モータ）と、単相電力変換器３０（単相インバータ）と、電流検出手段５０（「電流検出部」又は「電流センサ」とも呼ぶ。）と、を備えている。単相電力変換器３０は、制御部１０と単相電動機２０との間に設置されている。電流検出手段５０は、単相電動機２０と単相電力変換器３０との間に設置されている。単相電動機２０には、図示はしていないが、機械的あるいは磁気的に機構が接続されている。モータ駆動システム１００は、単相電動機２０の回転数またはトルクを所望の値に制御する。

【0013】

単相電力変換器３０は、バッテリーなどの直流電圧源と、スイッチング素子を含むブリッジ回路と、を有し、入力されるドライブ信号に応じてスイッチング素子をスイッチングして電圧を出力する。スイッチング素子のスイッチング動作が遅れなく理想的に切り替わると仮定すると、単相電力変換器３０から出力される電圧は、パルス状の電圧となる。公知のパルス幅変調の考えを用いると、パルス状電圧は、交流電圧とみなすことができる。

【0014】

尚、パルス幅変調においては、等価的な交流電圧（等価交流電圧）の周波数（ここでは、単相電動機２０の回転周波数に相当する。）に対し、スイッチング素子をオンオフする周期、つまりスイッチング周波数を十分に高くすることが一般的である。しかしながら、パルス状電圧の基本波成分を考えることも可能である。例えば、スイッチング周波数が単相電動機２０の回転周波数の１～３倍程度といった近い場合においては、パルス状電圧の基本波成分が単相電動機２０に印加されているとして考えることができる。したがって、本明細書においては、単相電力変換器３０の出力電圧は、交流波形であるとして説明する。

【0015】

尚、直流電圧源ではなく、交流電力源を整流などによって直流電力に変換する構成としてもよい。

【0016】

本図においては、制御部１０は、単相交流電圧指令作成器１１と、フィルタ１３と、ＰＷＭ信号作成器１４と、積分器１５と、比例制御器１６と、テーブル参照部７０と、を含む。単相交流電圧指令作成器１１は、電圧指令作成器１２を含む。ここで、ＰＷＭは、Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎの略称である。

【0017】

制御部１０の構成の詳細は後述するが、制御部１０には、電流検出手段５０によって得られた単相電動機２０に流れる電流情報が入力され、単相交流電圧指令作成器１１が出力する単相交流電圧指令値を基に、ＰＷＭ信号作成器１４から単相電力変換器３０に内蔵されているスイッチング素子のオンオフを制御するドライブ信号を出力する。本図において、単相電動機２０の速度指令値（ω^＊）は、制御部１０の中に示しているが、例えば、図示していない上位制御系や他の制御系などから得る構成であってもよい。

【0018】

図２は、図１の単相電動機２０の構造を模式的に示す図である。

【0019】

図２に示すように、単相電動機２０は、固定子２１と、回転子２２と、を含む。固定子２１は、固定子コア２６（固定子鉄心）に巻線２５（コイル）が巻かれた固定子磁極２８を複数有している。回転子２２は、永久磁石２７を有している。

【0020】

本図においては、固定子２１の磁極の数（スロット数とも呼ぶ）が２、回転子２２の磁極の数が２の例を示している。固定子２１及び回転子２２の磁極の数は、自由に選ぶことができ、また、固定子２１と回転子２２との磁極の数が等しくない構成であってもよい。また、複数ある巻線の接続は、並列接続でも直列接続でもよい。

【0021】

固定子磁極２８は、巻線２５に電流を流すことで電磁石としての磁極を生させることができる。したがって、巻線２５の電流の向きによって極性（Ｎ極、Ｓ極）を変えられる。本明細書では、巻線２５に正の直流電流を流した際に固定子磁極２８がＳ極となり、回転子２２の永久磁石２７のＮ極が引きつけられる際の回転子２２の回転角度（回転角度位置）をゼロ度（０（ｄｅｇ））と定義する。尚、以降、回転子の回転角度位置を回転子位置θ_ｄと表記する。巻線２５が複数ある場合は、いずれかの一つを基準の位置として定める。本明細書では、図２の右側にある巻線２５を基準位置として説明する。本明細書においては、回転子２２が反時計回りに回転する方向を正回転と定義する。また、回転子２２の永久磁石２７のＮ極の方向をｄ軸と定義し、ｄ軸から回転方向に電気角９０度進んだ方向をｑ軸と定義する。ｄ軸の定義は、基準の巻線２５に鎖交する永久磁石２７の磁束が最大となる回転角度位置とも言い換えることができる。

【0022】

なお、ｄ軸は磁石磁束軸、ｑ軸は巻線磁束軸ともいうことができる。特に、ｑ軸方向の電流を適切に制御することが重要である。

【0023】

＜単相モータの駆動方法＞
回転子２２に永久磁石２７を有する単相電動機２０を駆動する場合、永久磁石２７による磁束に対し、回転方向に電気角９０度進んだ位置に、巻線２５による磁束を発生させると、最小の電流で最大のトルクを得ることができる。このように駆動することにより、単相電動機２０の小型化や軽量化を実現できるだけでなく、単相電力変換器３０も小型化できる効果がある。

【0024】

＜本開示の目的＞
ｄ軸方向及びｑ軸方向の電流や電圧を制御する方法として、ベクトル制御と呼ばれる方式がある。この方式は、非常に有用であり、特に三相モータの駆動方式として広く使われている。ベクトル制御は、座標変換を用いて三相の交流量からｄ軸方向及びｑ軸方向の値に変換して制御した後、再度、座標変換をして三相交流量に戻す必要がある。また、ｄ軸方向及びｑ軸方向のそれぞれで、個別に電流制御をすることが一般的である。また、ベクトル制御の演算は、スイッチング周波数を基準に実行される。そのため、モータを高速で回転させる場合には、ベクトル制御および電流制御の演算時間（演算負荷）が障壁となる。

【0025】

そこで、本開示は、演算負荷低減に好適なモータ制御装置を提供することを目的の一つとする。また、ｑ軸の電流を簡便に求めることも目的の一つとする。さらに、回転子位置に応じた制御構成を位置センサを用いずに実現することも本開示の目的の一つとする。

【0026】

＜単相電動機２０の電圧と電流のベクトル表記＞
前述の定義に従うと、巻線２５に鎖交する磁石磁束Φ_ｍは、次の式（１）のように表すことができる。

【0027】

【数1】

【0028】

式中、Φ_ｍａｘは、磁石磁束Φ_ｍの振幅である。

【0029】

また、磁石磁束Φ_ｍによって巻線２５に生じる誘起電圧ｅ_０は、磁束の９０°進み位相になるため、次の式（２）のように表すことができる。

【0030】

【数2】

【0031】

式中、Ｅ_０は、誘起電圧の振幅である。

【0032】

図３は、回転子位置に対する誘起電圧、単相モータの電圧及び単相モータの電流の波形の例を示すグラフである。図中、一点鎖線は誘起電圧ｅ_０、実線はモータ電圧ｖ_ｍ、破線はモータ電流ｉ_ｍを表している。単相モータの電圧の振幅はＶ_ｍ、単相モータの電流の振幅はＩ_ｍである。

【0033】

本図においては、誘起電圧ｅ_０を基準とした場合、単相モータの電圧ｖ_ｍ及び電流ｉ_ｍのずれはそれぞれ、電圧位相δ、電流位相φである。

【0034】

したがって、単相モータの電圧ｖ_ｍ及び電流ｉ_ｍはそれぞれ、次の式（３）及び（４）で表すことができる。

【0035】

【数3】

【0036】

【数4】

【0037】

図４は、誘起電圧、単相モータの電圧及び単相モータの電流をｄｑ平面におけるベクトル図として示すグラフである。

【0038】

本図においては、ｄ軸は余弦波、ｑ軸は負の正弦波に対応すると考えることができる。言い換えると、上記式（３）及び（４）には、負の正弦波（－ｓｉｎ）が含まれている。

【0039】

誘起電圧の振幅Ｅ_０は、ｑ軸上の座標として表される。ｄｃ軸の回転速度をω_１とし、巻線２５（図２）の抵抗をＲ、巻線２５のインダクタンスをＬとする。

【0040】

単相モータの電圧ｖ_ｍ及び電流ｉ_ｍは、電圧位相δ及び電流位相φとともに、ベクトルとして表される。

【0041】

図４に示すように、モータ電圧ｖ_ｍは、ｄ軸電圧Ｖ_ｄ及びｑ軸電圧Ｖ_ｑの合成であり、次の式（５）で表すことができる。

【0042】

【数5】

【0043】

尚、図４の例では、Ｖ_ｄは負値となっているため、例えば、Ｖ_ｄを大きさとして考える場合には、後で－１を乗算する必要がある。このように、Ｖ_ｄ及びＶ_ｑの大きさを求め、それぞれに余弦波および正弦波を乗算し、それらを合成することで、任意の振幅及び位相を持つ単相交流電圧を生成することができる。

【0044】

＜制御部の全体構成＞
図５は、制御部の例を示す構成図である。

【0045】

本図に示す制御部１０ａは、単相電動機２０（図１）の負荷トルクが小さい場合や誘起電圧が相対的に大きくモータ電流が小さい場合などに好適な、最も演算負荷低減に効果的な構成である。

【0046】

図５においては、制御部１０ａは、単相交流電圧指令作成器１１と、ＰＷＭ信号作成器１４と、積分器１５と、簡易フーリエ変換器１７と、を含む。単相交流電圧指令作成器１１は、電圧指令作成器１２と、減算器１９１と、を含む。電圧指令作成器１２は、加算器９０と、乗算器９２と、を含む。簡易フーリエ変換器１７は、フィルタ１３ａを含む。

【0047】

電圧指令作成器１２は、速度指令値（ω^＊）と、フィルタ１３ａの出力値と、積分器１５からの出力値と、を入力として用いて、図４のＶ_ｄ及びＶ_ｑに相当する電圧指令値を出力する。図５のＫ_ｅは、誘起電圧定数を意味し、回転速度に比例して大きさが決まる誘起電圧ｅ_０に関係する。誘起電圧の振幅Ｅ_０と誘起電圧定数Ｋ_ｅとの関係は、次の式（６）で表すことができる。

【0048】

【数6】

【0049】

図５において、Ｒは巻線２５の抵抗、Ｌは巻線２５のインダクタンスを意味している。本図に示す電圧指令作成器１２の演算は、フィルタ１３ａの出力値をＩ_ｑ ^＊とすると、Ｖ_ｑ及びＶ_ｄは、次の式（７）及び（８）で表すことができる。

【0050】

【数7】

【0051】

【数8】

【0052】

すなわち、Ｖ_ｑに相当する電圧は、速度指令値（ω^＊）に誘起電圧定数Ｋ_ｅを乗算した結果と、巻線抵抗Ｒとフィルタ１３ａの出力値をＩ_ｑ ^＊を乗算した結果と、を加算器９０で加算して得られる。Ｖ_ｄに相当する電圧は、巻線インダクタンスＬとフィルタ１３ａの出力値をＩ_ｑ ^＊を乗算した結果を乗算器９２で速度指令値（ω^＊）と乗算して得られる。

【0053】

尚、図５に示す電圧指令作成器１２の構成は一例であり、他の形態で構成してもよい。

【0054】

図５に示す制御部１０ａでは、回転子位置θ_ｄは、速度指令値（ω^＊）を積分器１５にて積分することで得られる。前述のように、ｄ軸は余弦波、ｑ軸は負の正弦波として考えることができるため、上記式（７）に負の正弦波を乗算し、上記式（８）に余弦波を乗算した後、減算器１９１でこれらの値の差を算出する。なお、乗算器を用いる理由は、上記式（８）で求めたＶ_ｄを大きさとして計算に用いるためである。

【0055】

制御部１０ａには、電流検出手段５０（図１）によって得られた単相電動機２０に流れる電流値（ｉ_ｍ）が入力される。

【0056】

図３において破線で示すモータ電流ｉ_ｍの波形の例は、高次高調波を含まない基本波成分のみを示しているが、単相電動機２０の構造、つまりは磁気回路によっては、二次あるいは更に高次の高調波を含むこともある。本明細書においては、単相電動機２０の回転数またはトルクを所望の値に制御をするために、基本波成分に注目をする。

【0057】

そこで、簡易的なフーリエ変換の考えを用いることにする。

【0058】

図５においては、フィルタ１３ａを含む簡易フーリエ変換器１７を用いている。

【0059】

モータ電流ｉ_ｍは、上記式（４）で表すことができるが、単相電動機２０に印加される電圧、及び回転数や負荷トルクなど変化すれば、電流位相φは変化する。このような変化が生じる状態においても、本開示の目的であるｑ軸の電流を簡便に求めるために、Ｖ_ｑに相当する電圧に乗算したのと同じ負の正弦波をモータ電流ｉ_ｍに乗算する。その乗算により得られた結果を用いて、フィルタ１３ａによって直流成分を抽出する。これにより、Ｖ_ｑに相当する電圧に乗算したのと同じ負の正弦波と同周波数で同位相の正弦波の振幅を得ることができる。

【0060】

単相電動機２０に印加される電圧（単相モータの電圧ｖ_ｍ）は、図４に示すベクトル図から分かるように、ｑ軸とは位相が異なり、回転数や負荷トルクなどの状態によって電圧位相δが変化する。このように、モータ電圧及びモータ電流の位相が駆動状態によって変化する場合においても、モータ電流の内、ｑ軸成分、つまり、誘起電圧と同位相の電流を簡便に求めることができる。

【0061】

図５に示す簡易フーリエ変換器１７は、基準波形として入力する交流波形を変えることによって、抽出できる基準波形と同周波数で同位相の正弦波または余弦波の振幅を変えることができる。

【0062】

言い換えると、制御部１０ａは、電流の大きさではなく、位相を用いてフィードバック制御をする構成であるため、積分の対象となる変数が１つとなり、演算の負荷を低減することができる。

【0063】

＜簡易フーリエ変換器１７＞
図６は、図５の簡易フーリエ変換器１７を示す構成図である。

【0064】

本図においては、簡易フーリエ変換器１７の乗算器に基準波形及び入力波形が入力され、振幅が出力されることを示している。

【0065】

入力される基準波形は、正弦波または余弦波である。入力された任意の交流波形から、基準波形と同周波数で同位相の正弦波または余弦波の振幅が出力される。

【0066】

＜位相制御の構成例＞
上記の説明においては、単相電動機２０の負荷トルクが小さい場合などに好適な構成例を示している。つまり、単相電動機２０のｄ軸方向及びｑ軸方向と、制御で想定しているｄｃ軸方向及びｑｃ軸方向とは、ずれがない状態である。ここで、ｄｃ軸及びｑｃ軸は、制御で想定している座標、すなわち制御座標を意味する。

【0067】

図２に示すように単相電動機２０の回転子２２が永久磁石２７を有する場合、永久磁石同期モータと分類される。このよう場合には、回転子２２は、基本的には、固定子磁極２８による磁極と同期して回転する。しかし、単相電動機２０の負荷トルクが大きい場合などには、両軸の角度に差（位相差）が生じる。

【0068】

図７は、制御座標の軸に位相差が生じる場合を示すグラフである。

【0069】

本図においては、回転子２２の永久磁石２７の磁束を基にしたｄ軸を基準とした場合においてｄ軸と制御座標の軸であるｄｃ軸（いわゆる仮想のｄ軸）との位相差は、軸誤差Δθである。

【0070】

ｄｃ軸の回転速度がω_１であるのに対し、ｄ軸の回転速度はω_ｒである。

【0071】

ｑ軸電流推定値（Ｉ_ｑｃ）は、軸誤差Δθによりｑｃ軸上のベクトルとして表される。Ｉ_ｑｃのｑ軸成分及びｄ軸成分はそれぞれ、Ｉ_ｑ、Ｉ_ｄである。

【0072】

回転子２２に永久磁石２７を有する単相電動機２０においては、単相電動機２０に印加した交流電圧が所定値以上である場合には、単相電動機２０の発生トルクとモータの負荷トルクとが釣り合うように軸誤差Δθが発生して駆動することができる。そのため、この駆動を採用することも問題ない。しかし、単相電動機２０に流れる電流を小さくする効果を得たい場合などには、軸誤差Δθを制御する構成を付加する。

【0073】

図８は、位相制御を付加した制御部の例を示す構成図である。

【0074】

本図においては、制御部１０は、２つの簡易フーリエ変換器１７ａ、１７ｂを有する。それぞれの簡易フーリエ変換器１７ａ、１７ｂに入力する基準波形として、Ｖ_ｑに相当する電圧に乗算したものと同じ負の正弦波と、Ｖ_ｄに相当する電圧に乗算したものと同じ余弦波と、を用いることで、ｑ軸に相当する電流及びｄ軸に相当した電流を検出することができる。

【0075】

それぞれの簡易フーリエ変換器１７ａ、１７ｂの出力を逆正接演算器８６に入力し、電流位相φ_ｃを得る。尚、ここでは、電流位相φ_ｃを得るために逆正接演算器８６を用いているが、他の手段による構成としてもよい。

【0076】

本図においては、算出した電流位相の目標値を求める構成として、テーブル参照部７０を用いている。テーブル参照部７０は、簡易フーリエ変換器１７ａで求めたｑ軸電流推定値（Ｉ_ｑｃ）を基に、予め準備したテーブルなどから電流位相の目標値（φ^＊）を出力する。

【0077】

電流位相の目標値φ^＊と得られた電流位相φ_ｃとの差を減算器９１で演算し、その差を用いて比例制御器１６で単相電力変換器３０が出力する交流電圧又は等価交流電圧の周波数の操作量を算出する。これは、例えば、得られた電流位相φ_ｃが電流位相の目標値φ^＊よりも大きい場合は、図７に示すように、制御で想定したｄｃ軸が、回転子２２の永久磁石２７の磁束を基にしたｄ軸よりも進んでいる。このため、比例制御器１６の出力（この場合は負値）を速度指令値（ω^＊）に加算して、ｄｃ軸の回転速度ω_１をその分下げれば、軸誤差Δθが小さくなる。その結果、最終的には、電流位相φ_ｃは、電流位相目標値φ^＊に追従して動作するようにすることができる。

【0078】

まとめると、単相電動機２０の速度指令値（ω^＊）及び回転子位置θ_ｄに基いて、単相電動機２０の電流と単相電動機２０を駆動するための電圧との位相差が所定値になるようにドライブ信号を調整する。

【0079】

図９は、図８の制御部１０の変形例を示す構成図である。

【0080】

図９においては、テーブル参照部７０ａは、簡易フーリエ変換器１７ａで求めたｑ軸電流推定値（Ｉ_ｑｃ）と速度指令値（ω^＊）とを基に、予め準備したテーブルなどから電流位相の目標値（φ^＊）を出力する。本変形例は、特に、ｄ軸とｑ軸とのインダクタンスの差が大きい場合に好適である。

【0081】

＜単相電力変換器３０（単相インバータ）＞
図１０は、単相電力変換器３０を示す構成図である。

【0082】

単相電力変換器３０は、インバータ１３１と、直流電圧源１３０と、ゲートドライバ回路１３３と、を主たる構成要素としている。インバータ１３１は、スイッチング素子１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ（例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ－ＦＥＴ、ＧａＮ、ＳｉＣなどの半導体スイッチング素子）を含む。これらのスイッチング素子１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄは、スイッチング素子１３２ａ、１３２ｂとスイッチング素子１３２ｃ、１３２ｄとがそれぞれ直列に接続され、２組の上下アームを構成している。これは、いわゆるＨブリッジ回路である。

【0083】

図１の制御部１０で生成される単相交流電圧指令値を基に、ゲートドライバ回路１３３が出力するパルス状のドライブ信号１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄに応じてスイッチング動作をする。直流電圧源１３０のスイッチングをして電圧を出力することで、任意の周波数の単相交流電圧を単相電動機２０に印加することができる。これにより、単相電動機２０の可変速駆動、位置制御駆動及びトルク制御駆動をすることができる。

【0084】

尚、図１０に示すように単相電力変換器３０の直流側にシャント抵抗１３５を付加すれば、過大な電流が流れた際にスイッチング素子１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ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。

【0085】

図１１は、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すグラフである。

【0086】

本図においては、交流の電圧指令値と、ドライブ信号を生成するための三角波キャリア信号とを示している。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および下アームのドライブ信号Ｇｎを生成する。

【0087】

ゲートドライバ回路１３３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おそれがあるため、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、本開示の目的や効果には全く影響がないため、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よい。

【0088】

＜電流検出手段５０＞
インバータ１３１の下アームには、例えばＣＴ（カレントトランス）等の電流検出手段５０を設けることができる。これにより、単相電動機２０の巻線２５に流れる電流ｉ_ｍを検出できる。

【0089】

電流検出手段５０として、例えば、ＣＴに代えて、単相電力変換器３０の下アームにシャント抵抗を付加し、シャント抵抗に流れる電流から単相電力変換器３０にある相に流れる電流を検出する相シャント電流方式を採用できる。

【0090】

電流検出手段５０に代えて又は追加して、単相電力変換器３０の直流側に付加されたシャント抵抗１３５に流れる直流電流から、単相電力変換器３０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を採用してもよい。シングルシャント電流検出方式は、単相電力変換器３０を構成するスイッチング素子１２２の通電状態によって、シャント抵抗１３５に流れる電流が時間的に変化することを利用している。

【0091】

図１２は、本開示に係るモータ制御装置が内蔵された電気掃除機の一例を示す外観斜視図である。

【0092】

本図に示すように、電気掃除機２００は、手元操作スイッチ２０７等が設けられた掃除機本体２０２と、延長管２０５と、吸口体２０６と、を組み合わせてスティック状に構成されたものである。また、電気掃除機２００は、掃除機本体２０２及び吸口体２０６の駆動用電源である充電式電池２２４（二次電池）を備えている。

【0093】

掃除機本体２０２は、吸引力を発生させる電動送風機２０１、この電動送風機２０１の吸引力で集塵した塵埃を収容する集塵部２２２などを備えている。また、掃除機本体２０２には、充電式電池２２４の制御装置が内蔵されている。

【0094】

延長管２０５の一端は、掃除機本体２０２の集塵部２２２と連通するように掃除機本体２０２の接続口２２３に接続されている。また、延長管２０５の他端は、吸口体２０６に接続されている。また、延長管２０５は、図示していない通風路が形成されるとともに、充電式電池２２４と吸口体２０６のブラシ用の電動機（図示していない）とを電気的に接続する配線（図示していない）を備えている。

【0095】

手元操作スイッチ２０７を操作すると、モータ制御装置を含む本体制御装置（図示していない）が電動送風機２０１の運転、停止、吸込み力の切り替え、吸口体２０６に設けられた電動機（図示していない）の運転及び停止を制御する。本体制御装置は、掃除機本体２０２内に設けられている。

【0096】

なお、電気掃除機としては、図示されているスティックタイプの掃除機に限定されず、ハンディタイプの掃除機、キャニスター掃除機（シリンダー式掃除機）、ロボット掃除機などの充電式（コードレスタイプ）の電気掃除機に適用することができる。また、同様の構成を有する電源コード式の掃除機にも適用することができる。

【0097】

なお、上記の説明においては、本開示に係るモータ制御装置を充電式掃除機に適用した場合について説明したが、本開示に係るモータ制御装置は、上記の説明内容に限定されるものではなく、本明細書において説明した特徴を損なわない限り、他の構成であってもよい。例えば、充電式のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）、スマートフォン等の携帯端末、家庭用のルータ、外部のデータセンター（サーバ）等を利用することなくモータの制御を行う電動車両等にも、本開示に係るモータ制御装置を適用することができる。

【0098】

本開示に係るモータ制御装置によれば、モータを制御する際における演算負荷を少なくすることができ、モータの起動直後における回転速度を低くしておく必要がなくなる。このため、モータの制御の自由度を高めることができ、ユーザの使用感も向上する。

【0099】

以下、本開示の望ましい実施形態についてまとめて説明する。

【0100】

モータ制御装置は、テーブル参照部と、比例制御器と、を更に備え、フィルタは、電流情報から電流位相を算出し、テーブル参照部は、フィルタが算出した電流位相を用いて電流位相の目標値を求め、比例制御器は、電流位相の目標値と電流位相との差から電圧の周波数の操作量を算出する。

【0101】

モータ制御装置は、単相電動機の電流と回転子位置の負の正弦値とを乗算して得られた乗算値をフィルタに入力して得られた値又は直流成分に応じて、電圧の振幅を調整する。

【0102】

モータ制御装置は、位相差が所定値になっている状態で、単相電動機の電流に応じて、電圧の振幅を調整する。

【0103】

モータ駆動システムは、モータ制御装置と、単相電動機と、単相電力変換器と、電流検出部と、を備えている。

【0104】

モータ駆動システムは、電気掃除機、電動車両等に適用することができる。

【0105】

本開示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開示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。

【0106】

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よい。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よい。

【符号の説明】

【0107】

１０：制御部、１１：単相交流電圧指令作成器、１２：電圧指令作成器、１３：フィルタ、１４：ＰＷＭ信号作成器、１５：積分器、１６：比例制御器、１７：簡易フーリエ変換器、２０：単相電動機、２１：固定子、２２：回転子、２５：巻線、２６：固定子コア、２７：永久磁石、２８：固定子磁極、３０：単相電力変換器、５０：電流検出手段、７０：テーブル参照部、１００：モータ駆動システム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】