(57)【要約】【課題】単相ＰＭモータにおける効果的な単相瞬時電力制御及び回転数制御の実現を可能とするモータ駆動装置を提供する。【解決手段】本発明に係るモータ駆動装置１００は、単相ＰＭモータ３を駆動するモータ駆動装置であって、単相ＰＭモータ３に交流電圧を印加する単相インバータ２、単相ＰＭモータ３に流れるモータ電流Ｉｍに応じたモータ電流検出信号を出力するモータ電流検出部５、及びモータ電流検出信号を入力とし、スイッチング素子２１１〜２１４の駆動信号を出力するインバータ制御部４、を備える。インバータ制御部４は、単相ＰＭモータ３の回転数に応じて有効電力を制御する。【選択図】図１
2020074662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相永久磁石同期モータを駆動するモータ駆動装置であって、
複数のスイッチング素子を具備し、前記単相永久磁石同期モータに交流電圧を印加する単相インバータと、
前記単相永久磁石同期モータに流れるモータ電流に応じたモータ電流検出信号を出力するモータ電流検出部と、
前記モータ電流検出信号を入力とし前記スイッチング素子の駆動信号を出力するインバータ制御部と、
を備え、
前記インバータ制御部は、前記単相永久磁石同期モータの回転数に応じて有効電力を制御する
モータ駆動装置。
【請求項２】
前記モータの回転数が第１の値を超えた際に前記モータ電流から求まる無効電力成分が増加するように前記単相インバータを制御する請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
前記インバータ制御部は、前記モータ電流をヒルベルト変換によって瞬時電流ベクトルを生成する請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
前記インバータ制御部は、前記瞬時電流ベクトルを前記単相インバータの出力電圧位相上で座標変換する座標変換部を備える請求項３に記載のモータ駆動装置。
【請求項５】
前記インバータ制御部は、前記瞬時電流ベクトルを前記単相永久磁石同期モータのロータ回転位置上で座標変換する座標変換部を備える請求項３に記載のモータ駆動装置。
【請求項６】
前記インバータ制御部は、座標変換後のモータ電流を制御する電流制御部を備える請求項１から５の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
【請求項７】
前記インバータ制御部は、前記単相永久磁石同期モータの回転数を指令値通りに制御する回転数制御部を備え、前記回転数制御部の出力を前記電流制御部における電流指令値とする請求項６に記載のモータ駆動装置。
【請求項８】
請求項１から７の何れか１項に記載のモータ駆動装置を搭載した電気掃除機。
【請求項９】
請求項１から７の何れか１項に記載のモータ駆動装置を搭載したハンドドライヤー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相の永久磁石同期電動機（以下適宜、「単相ＰＭモータ」（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｍｏｔｏｒ）と称する）を駆動するモータ駆動装置、並びに単相ＰＭモータを用いた電気掃除機及びハンドドライヤーに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータには、ブラシ付き直流モータ、誘導モータ及びＰＭモータ等、様々な種類があり、モータの相数にも単相及び三相等の種類がある。これらの種々のモータの中で、単相ＰＭモータは、ブラシ付き直流モータと比較して、機械構造であるブラシを用いない“ブラシレス”の構造であるためブラシの摩耗が発生しない。この特徴により、単相ＰＭモータは、高寿命且つ高信頼性を確保することができる。
【０００３】
また、単相ＰＭモータは、誘導モータと比較して、ロータに２次電流が流れないため高効率なモータである。
【０００４】
さらに、単相ＰＭモータの場合、相数が異なる三相ＰＭモータと比較しても次の利点がある。
（１）三相ＰＭモータの場合には三相インバータが必要であるのに対し、単相ＰＭモータでは単相インバータでよい。
（２）三相インバータとして一般的に用いられるフルブリッジインバータを用いると、６つのスイッチング素子が必要であるのに対し、単相ＰＭモータの場合、フルブリッジインバータを用いたとしても４つのスイッチング素子で構成できる。
（３）（１）及び（２）の特徴により、単相ＰＭモータは、三相ＰＭモータに比して、装置の小型化が可能である。
【０００５】
なお、単相ＰＭモータの駆動方式に関する技術を開示した先行文献としては、例えば以下に記載する特許文献１及び非特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１３０３７８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】電気学会  学会論Ｄ，１２１巻１０号，平成１３年  「ヒルベルト変換を用いた単相系統連系インバータの制御法」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１によれば、『電動送風機への通電量を制御する制御手段を有し、予め実験等によって求められている「通電量−電流−風量」の関係より風量を推定すると共に、推定風量が第一の所定の範囲内であるときに、前記推定風量が低下するにしたがって、前記電動送風機への通電量を下げる方向に制御し、且つ、前記通電量は、前記第一の所定の範囲となる風量領域において、前記集塵室内の真空度が略一定に、且つ、予め実験等によって設定された値となるように制御する』との記載がある。すなわち、特許文献１において、電動送風機による風量は、電動送風機の仕事量により決定されることになり、また、電動送風機における電気エネルギーの観点からは、有効電力により決定されることになる。
【０００９】
上記の通り、特許文献１では推定風量に応じて通電量を制御しているが、有効電力及び無効電力という観点での制御は行われていない。また、通電量のみでは皮相電力は制御されるものの、必要な有効電力を個別に制御することはできていない。このため、特許文献１の技術では、電動機に流れる電流が最大効率点より大きくなり、効率が悪化するという課題がある。
【００１０】
また、非特許文献１には、単相系統連系インバータの電流制御及び電力制御の一手法に関して記載がある。この手法によれば、系統電流をヒルベルト変換によって複素平面上での瞬時電流ベクトルに変換すると共に、系統電圧をヒルベルト変換によって複素平面上での瞬時電圧ベクトルに変換する。そして、瞬時電流ベクトルを瞬時電圧ベクトルの位相を使用してｄ軸及びｑ軸への座標変換を行う。さらに、ｄｑ変換したｄ軸の系統電流及びｑ軸の系統電流のそれぞれを制御することにより、単相瞬時電力を制御する手法が記載されている。
【００１１】
また、非特許文献１の手法では、系統電流を直流値として変換することで、単相瞬時電力の取り扱いを容易化しているが、単相系統連系インバータへの適用に限定したものであり、本発明のような単相ＰＭモータへの適用に関する検討はなされていない。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、単相ＰＭモータにおける効果的な単相瞬時電力制御及び回転数制御の実現を可能とするモータ駆動装置、電気掃除機及びハンドドライヤーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るモータ駆動装置は、単相ＰＭモータを駆動するモータ駆動装置である。モータ駆動装置は、複数のスイッチング素子を具備し、単相ＰＭモータに交流電圧を印加する単相インバータ、単相ＰＭモータに流れるモータ電流に応じたモータ電流検出信号を出力するモータ電流検出部、及びモータ電流検出信号を入力としスイッチング素子の駆動信号を出力するインバータ制御部を備える。インバータ制御部は、単相ＰＭモータの回転数に応じて有効電力を制御する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、単相ＰＭモータにおける効果的な単相瞬時電力制御及び回転数制御を実現できる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１におけるモータ駆動装置の構成を示す図
【図２】実施の形態１におけるロータ回転位置と位置検出信号の関係を示す図
【図３】実施の形態１におけるインバータ制御部の構成を示すブロック図
【図４】実施の形態１における位置検出信号とモータ回転数推定値の関係を示す図
【図５】実施の形態１におけるモータ回転数推定値とロータ回転位置推定値の関係を示す図
【図６】実施の形態１におけるモータ電流の瞬時ベクトル及びインバータ出力電圧の瞬時ベクトルのｄｑ座標系におけるベクトル関係を示す図
【図７】実施の形態１におけるスイッチング素子駆動信号生成部の動作説明に供するタイムチャート
【図８】実施の形態１におけるモータ駆動装置の応用例として電気掃除機の構成の一例を示す図
【図９】実施の形態１におけるモータ駆動装置の他の応用例としてハンドドライヤーの構成の一例を示す図
【図１０】実施の形態２におけるロータ回転位置及び位置検出信号とロータ磁石磁束の関係を示す図
【図１１】図７に示すベクトル図にロータ磁石磁束を追加したベクトル図
【図１２】図１１に示すベクトル図においてインバータ出力電圧の瞬時ベクトル上にｄ軸を設定した場合のベクトル図
【図１３】実施の形態２におけるインバータ制御部の構成を示すブロック図
【図１４】実施の形態１及び実施の形態２のインバータ制御部に係るハードウェア構成の一例を示すブロック図
【図１５】実施の形態１及び実施の形態２のインバータ制御部に係るハードウェア構成の他の例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置、電気掃除機及びハンドドライヤーを図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるモータ駆動装置の構成を示す図である。実施の形態１におけるモータ駆動装置１００は、単相ＰＭモータ３を具備する負荷を駆動するモータ駆動装置であり、直流電源１、単相インバータ２、インバータ制御部４、モータ電流検出部５、直流電源電圧検出部６及びロータ位置検出部７を備えて構成される。単相ＰＭモータ３を具備する負荷としては、電動送風機を備えた電気掃除機及びハンドドライヤーが例示される。
【００１８】
直流電源１は、単相インバータ２に直流電力を供給する。単相インバータ２は、スイッチング素子２１１〜２１４及びスイッチング素子２１１〜２１４のそれぞれに逆並列に接続されるダイオード２２１〜２２４を具備し、単相ＰＭモータ３に交流電圧を印加する。インバータ制御部４は、単相インバータ２のスイッチング素子２１１〜２１４への駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を出力する。ロータ位置検出部７は、単相ＰＭモータ３のロータ３ａの回転位置であるロータ回転位置θｍに応じた信号である位置検出信号Ｓ_ｒｏｔａｔｉｏｎをインバータ制御部４へ出力する。モータ電流検出部５は、単相ＰＭモータ３に流れるモータ電流Ｉｍに応じた信号をインバータ制御部４へ出力する。直流電源電圧検出部６は、直流電源１の電圧である直流電圧Ｖｄｃを検出する。駆動信号Ｓ１〜Ｓ４は、ロータ回転位置θｍ及びモータ電流Ｉｍに基づいて生成されたパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：以下「ＰＷＭ」と表記）信号である。単相インバータ２のスイッチング素子２１１〜２１４をＰＷＭ信号である駆動信号Ｓ１〜Ｓ４で駆動することにより、任意の電圧を単相ＰＭモータ３に印加することができる。
【００１９】
なお、直流電源１は交流電源からの交流電圧をダイオードブリッジ等で整流し且つ平滑して直流電圧を生成する直流電源でも問題なく、太陽電池及びバッテリーなどの直流電源を用いても何ら問題ない。また、単相インバータ２のスイッチング素子２１１〜２１４は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、サイリスタ及びＧＴＯ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ  Ｔｈｙｓｉｓｔｏｒ）を含む、何れのスイッチング素子を用いても何ら問題ない。また、前述のようなスイッチング素子の半導体素材として主流であるＳｉのみならず、ＳｉＣ及びＧａＮなどに代表されるワイドバンドギャップ半導体と称される半導体素材を使用しても問題はない。
【００２０】
ロータ位置検出部７は、例えば図２に示すようなモータのロータ回転位置θｍに応じた位置検出信号Ｓ_ｒｏｔａｔｉｏｎを生成してインバータ制御部４に出力する。図２の場合には、ホールセンサなどの磁気センサを用いてロータ回転位置θｍに応じたパルス状の電圧信号である位置検出信号Ｓ_ｒｏｔａｔｉｏｎを出力する場合を想定しており、０≦θｍ＜πでは、Ｓ_ｒｏｔａｔｉｏｎ＝“Ｈｉｇｈレベル”、π≦θｍ＜２πでは、Ｓ_ｒｏｔａｔｉｏｎ＝“Ｌｏｗレベル”を例として記載している。ただし、磁気センサに限らず、エンコーダ、レゾルバなどの位置検出センサを用いても何ら問題ない。
【００２１】
図３は、実施の形態１におけるインバータ制御部４の構成を示すブロック図である。インバータ制御部４は、ｄ軸電流Ｉｄを制御する第１の電流制御部４１１、ｑ軸電流Ｉｑを制御する第２の電流制御部４１２、モータ回転数推定値ωｍ^を制御する回転数制御部４２、極座標系からｄ軸及びｑ軸における座標系（以下「ｄｑ軸座標系」と称する）への座標変換を行う第１の座標変換部４３１、ｄｑ軸座標系から極座標系への座標変換を行う第２の座標変換部４３２、位置検出信号Ｓ_ｒｏｔａｔｉｏｎに応じてロータ回転位置推定値θｍ^及びモータ回転数推定値ωｍ^を検出するモータ位置及び回転数検出部４４、回転数指令値ω*を生成する回転数指令値生成部４５、インバータ出力電圧指令値Ｖｍ*より駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を生成するスイッチング素子駆動信号生成部４６、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*を生成するｑ軸電流指令値生成部４７、及びヒルベルト変換によりモータ電流Ｉｍを複素化するヒルベルト変換部４８を備えて構成され、以下に各部の詳細を説明する。なお、「θｍ^」及び「ωｍ^」における「^」の表記、並びに後述する「Ｉ→」及び「Ｖ→」における「→」の表記であるが、本来であれば「θ」又は「ω」の文字の上部に「^」の記号を付し、また、「Ｉ」及び「Ｖ」の文字の上部に「→」の記号を付すべきところであるが、その表記ができない。このため、本明細書では、イメージで挿入する数式部分を除き、該当文字又は文字列の後に「^」又は「→」の文字を付して表記する。
【００２２】
まず、モータ位置及び回転数検出部４４の詳細動作に関して説明する。前述の通り、ロータ位置検出部７は、図２に示すような位置検出信号Ｓ_ｒｏｔａｔｉｏｎを生成してモータ位置及び回転数検出部４４に出力している。図４は、実施の形態１における位置検出信号Ｓ_ｒｏｔａｔｉｏｎとモータ回転数推定値ωｍ^との関係を示す図である。モータ位置及び回転数検出部４４は、位置検出信号Ｓ_ｒｏｔａｔｉｏｎの周期Ｔ_ｒｏｔａｔｉｏｎを用いて、以下の（１）式に示す計算式によりモータ回転数推定値ωｍ^を検出することができる。なお、実施の形態１ではモータの極対数ＰをＰ＝１として説明するが、無論Ｐ≠１であっても構わない。ただし、Ｐ≠１の場合には、電気角回転数ωｅと機械角回転数であるモータ回転数ωｍとの間には、ωｅ＝Ｐ×ωｍとの関係がある。
【００２３】
【数１】
2020074662.tif 000003
【００２４】
図５は、実施の形態１におけるモータ回転数推定値ωｍ^とロータ回転位置推定値θｍ^との関係を示す図である。図５及び以下の（２）式に示すように、ロータ回転位置推定値θｍ^は、モータ回転数推定値ωｍ^を積分することで算出可能である。ただし、図５の例では、制御周期Ｔｃｎｔでの離散制御系を想定した記載であり、制御タイミングｎにおけるロータ回転位置推定値をθｍ^［ｎ］と記載している。
【００２５】
【数２】
2020074662.tif 000004
【００２６】
以上より、（１）式及び（２）式を用いることで、位置検出信号Ｓ_ｒｏｔａｔｉｏｎからモータ回転数推定値ωｍ^及びロータ回転位置推定値θｍ^を算出することができる。なお、位置検出信号Ｓ_ｒｏｔａｔｉｏｎの周期Ｔ_ｒｏｔａｔｉｏｎよりモータ回転数推定値ωｍ^及びロータ回転位置推定値θｍ^を算出する上記の手法はあくまでも一例であり、他の手法を採用しても問題ないことは言うまでもない。
【００２７】
次に、単相交流での表記からｄｑ軸への座標変換を行う第１の座標変換部４３１及びヒルベルト変換によりモータ電流Ｉｍを複素化するヒルベルト変換部４８に関して、図６を用いて説明する。図６は、モータ電流の瞬時ベクトルＩ→及びインバータ出力電圧の瞬時ベクトルＶ→のｄｑ座標系におけるベクトル関係を示す図である。
【００２８】
上記非特許文献１にも記載の通り、モータ電流Ｉｍを複素数ベクトルで表現した場合、その表現式は解析関数とみなせるため、当該ベクトルの実部及び虚部は互いにヒルベルト変換の関係で結ばれる。非特許文献１では単相系統での電流を対象としているが、本願発明のように、モータ電流Ｉｍを対象としている。モータ電流Ｉｍにヒルベルト変換の関係を満たす虚部Ｉｉｍａｇｉｎａｌを合成することで、モータ電流Ｉｍの瞬時ベクトルＩ→を、以下の（３）式により検出することができる。
【００２９】
【数３】
2020074662.tif 000005
【００３０】
上式において、ＩｒｅａｌとＩｉｍａｇｉｎａｌとの間には、Ｉｉｍａｇｉｎａｌ＝Ｈ［Ｉｒｅａｌ］の関係がある。また、Ｈ［  ］は、ヒルベルト変換処理を表しており、以下の（４）式で表される特性を有する。
【００３１】
【数４】
2020074662.tif 000006
【００３２】
第１の座標変換部４３１は、上記（４）式に従って単相交流からｄｑ座標系への座標変換を行い、以下の（５）式で表されるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを算出する。
【００３３】
【数５】
2020074662.tif 000007
【００３４】
上式において、θＶはインバータ出力電圧の位相（以下「インバータ出力電圧位相」と称する）であり、第２の座標変換部４３２によって算出された値を利用する。また、上式において、φは力率角を表している。
【００３５】
図６の例によれば、第１の座標変換部４３１は、モータ電流Ｉｍの瞬時ベクトルＩ→をインバータ出力電圧位相θＶ上で座標変換を行っている。
【００３６】
次に、上記（５）式について、図６に示される関係性から、式展開を行う。まず、図６より、Ｉｒｅａｌ及びＩｉｍａｇｉｎａｌは、以下の（６）式で表すことができる。
【００３７】
【数６】
2020074662.tif 000008
【００３８】
上式において、Ｉｍ_ｒｍｓは、モータ電流Ｉｍの実効値（以下、適宜「モータ電流実効値」と称する）を表している。
【００３９】
上記（５）式に上記（６）式を代入して、式展開すれば、以下の（７）式が得られる。
【００４０】
【数７】
2020074662.tif 000009
【００４１】
上記（７）式の両式には、インバータ出力電圧位相θＶは含まれておらず、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑが直流量として変換されたことが分かる。
【００４２】
次に、インバータ出力電圧の瞬時値ｖｍ（ｔ）及びモータ電流Ｉｍの瞬時値ｉｍ（ｔ）を以下の（８）式のように定義したときの、単相交流電力Ｐｍの瞬時値（以下「単相交流電力瞬時値」と称する）Ｐｍ（ｔ）に対するｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑの関係性について説明する。
【００４３】
【数８】
2020074662.tif 000010
【００４４】
上記（８）式における第１式は、インバータ出力電圧の瞬時値（以下「インバータ出力単相電圧瞬時値」と称する）ｖｍ（ｔ）を表す式であり、第２式はモータ電流Ｉｍの瞬時値（以下「モータ電流瞬時値」と称する）ｉｍ（ｔ）を表す式である。また、Ｖｍ_ｒｍｓは、インバータ出力単相電圧瞬時値ｖｍ（ｔ）の実効値である。なお、図６では、インバータ出力単相電圧瞬時値ｖｍ（ｔ）に対してモータ電流瞬時値ｉｍ（ｔ）が進み位相となる容量性負荷であると仮定しているが、インバータ出力単相電圧瞬時値ｖｍ（ｔ）に対してモータ電流瞬時値ｉｍ（ｔ）が遅れ位相である誘導性負荷であってもよい。モータ電流瞬時値ｉｍ（ｔ）が遅れ位相である場合には、力率角φが負の値をとることとなる。
【００４５】
単相交流電力瞬時値Ｐｍ（ｔ）は、以下の（９）式で表される。
【００４６】
【数９】
2020074662.tif 000011
【００４７】
上記（９）式を加法定理により式展開すると、以下の（１０）式で表される。
【００４８】
【数１０】
2020074662.tif 000012
【００４９】
上記（１０）式は瞬時電力を表す式であり、特に第１項は瞬時電力の有効電力成分（以下「有効電力瞬時値」と称する）を表し、第２項は瞬時電力の無効電力成分（以下「無効電力瞬時値」と称する）を表している。ここで、（７）式を（１０）式へ代入すると、以下の（１１）式が得られる。
【００５０】
【数１１】
2020074662.tif 000013
【００５１】
上記（１１）式を上記（１０）式と比較すれば明らかなように、ｄ軸電流Ｉｄは有効電力を表す式に含まれ、ｑ軸電流Ｉｑは無効瞬時電力を表す式に含まれる。したがって、ｄ軸電流Ｉｄにより有効電力を制御可能であり、ｑ軸電流Ｉｑにより無効瞬時電力を制御可能であると言える。
【００５２】
ここで、単相電力における有効電力及び無効電力の制御における一般方式であるＰＱ変換では、ＰＱ変換後の値に脈動が生じることが知られている。これに対し、本発明の手法によれば、上記（７）式に示したように、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑは直流量として変換されるため、制御性の向上を図ることができる。なお、制御性の向上についての詳細は後述する。
【００５３】
ここまで、第１の座標変換部４３１及びヒルベルト変換部４８の説明に際し、図６のような定義を行った上で式展開を行ったが、このような定義はあくまで説明の便宜上、行ったものであり、必ずしも記載の定義である必要はない。
【００５４】
次に、ｄｑ座標系から極座標系、すなわち単相交流の座標系への座標変換を行う第２の座標変換部４３２に関して説明する。第２の座標変換部４３２では、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を使用し、以下の（１２）式に基づいて、交流電圧であるインバータ出力電圧指令値Ｖｍ＊に変換する。
【００５５】
【数１２】
2020074662.tif 000014
【００５６】
なお、上記（１２）式は、インバータ出力電圧指令値Ｖｍ＊への座標変換式の一例であり、前述した第１の座標変換部４３１における定義などにより、（１２）式の内容は変化する。
【００５７】
なお、第１の座標変換部４３１にて使用するインバータ出力電圧位相θＶは、上記（１２）式におけるｃｏｓ内の位相角に相当する。すなわち、インバータ出力電圧位相θＶは、以下の（１３）式で表すことができる。
【００５８】
【数１３】
2020074662.tif 000015
【００５９】
次に、第１の電流制御部４１１及び第２の電流制御部４１２に関して説明する。第１の電流制御部４１１は、前述したｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ*に一致するように制御するフィードバック制御器であり、第２の電流制御部４１２は、前述したｑ軸電流Ｉｑがｑ軸電流指令値Ｉｑ*に一致するように制御するフィードバック制御器である。第１の電流制御部４１１及び第２の電流制御部４１２の何れも、例えば以下の（１４）式に示すような伝達関数ＧＰＩＤ（ｓ）を具備するＰＩＤ制御系などを採用することができる。（１４）式において、Ｋｐは比例ゲイン、ＫＩは積分ゲイン、Ｋｄは微分ゲイン、ｓはラプラス演算子を表している。なお、ＰＩＤ制御である点、フィードバック制御である点などは本明細書における説明例として挙げた制御方式の一例であることは言うまでもない。
【００６０】
【数１４】
2020074662.tif 000016
【００６１】
次に、回転数制御部４２に関して説明する。回転数制御部４２は、モータ回転数推定値ω^が回転数指令値ω*に一致するように制御するフィードバック制御器であり、第１の電流制御部４１１又は第２の電流制御部４１２と同様なＰＩＤ制御などを採用することができる。なお、ＰＩＤ制御である点、またフィードバック制御である点などは、第１の電流制御部４１１及び第２の電流制御部４１２と同様に制御方式の一例であることは言うまでもない。
【００６２】
次にスイッチング素子駆動信号生成部４６に関して説明する。図７は、スイッチング素子駆動信号生成部４６の動作説明に供するタイムチャートである。図の上段部において、細線はキャリア波形を示し、太線はインバータ出力電圧指令値Ｖｍ*の波形を示している。なお、図７の例では、キャリア周期Ｔｃに対し、制御周期Ｔｃｎｔをキャリア周期Ｔｃの１／２に設定している。また、図７の下段部では、スイッチング素子２１１〜２１４を駆動する駆動信号Ｓ１〜Ｓ４の波形を示している。
【００６３】
制御周期Ｔｃｎｔによる離散制御系を想定した場合、インバータ出力電圧指令値Ｖｍ*［ｎ］は、離散的に値が変更される。例えば、制御タイミングｎに着目した場合、制御タイミングｎにおけるインバータ出力電圧指令値Ｖｍ*［ｎ］とキャリアの大小関係により駆動信号Ｓ１〜Ｓ４のハイレベル及びローレベルを決定する。このとき、Ｓ１とＳ４、Ｓ２とＳ３は同一の信号であり、またＳ２，Ｓ３はＳ１，Ｓ４に対して反転した波形である。ここで、スイッチング素子には立ち上がり時間及び立ち下がり時間などの、スイッチング素子固有の遅れ時間が存在するため、一般的にデッドタイムと称される短絡防止時間を設ける場合が多い。
【００６４】
図７ではデッドタイムは０として記載しているが、デッドタイム≠０であっても問題はない。なお、図７における駆動信号Ｓ１〜Ｓ４の生成方式はあくまでも一例であり、ＰＷＭ信号を生成する手法であれば、何れの手法を用いても問題ない。
【００６５】
次に、回転数指令値生成部４５に関して説明する。図８は、実施の形態１におけるモータ駆動装置の応用例として電気掃除機の構成の一例を示す図である。図８において、電気掃除機８は、バッテリーなどの直流電源１、上述した単相ＰＭモータ３により駆動される電動送風機８１を備え、さらに集塵室８２、センサ８３、吸込口体８４、延長管８５及び操作部８６を備えて構成される。
【００６６】
電気掃除機８は、直流電源１を電源として単相ＰＭモータ３を駆動し、吸込口体８４から吸込みを行い、延長管８５を介して集塵室８２へごみを吸引する。使用の際は操作部８６を持ち、電気掃除機８を操作する。
【００６７】
操作部８６には、電気掃除機８の吸込み量を調節するための操作スイッチ８６ａが設けられている。電気掃除機８の使用者は、操作スイッチ８６ａを操作して、電気掃除機８の運転状態を強運転又は弱運転などに設定する。操作部８６は、設定された運転状態に応じた回転数設定値ω**を回転数指令値生成部４５（図３参照）に付与する。回転数設定値ω**は回転数指令値生成部４５に入力され、回転数指令値生成部４５からは回転数指令値ω*が出力される。なお、操作部８６により回転数設定値ω**を設定する手法は本実施の形態における一例であり、他の手法を用いてもよい。例えば、センサ８３に応じて回転数設定値ω**を自動設定する手法などを用いてもよく、何れの方式であってもよい。
【００６８】
図９は、実施の形態１におけるモータ駆動装置の他の応用例としてハンドドライヤーの構成の一例を示す図である。図９において、ハンドドライヤー９０は、ケーシング９１、手検知センサ９２、水受け部９３、ドレン容器９４、カバー９６、センサ９７及び吸気口９８を備える。ケーシング９１内には、実施の形態１のモータ駆動装置によって駆動される図示しない電動送風機が設けられている。ハンドドライヤー９０では、水受け部９３の上部にある手挿入部９９に手を挿入することで電動送風機による送風で水を吹き飛ばし、水受け部９３からドレン容器９４へと水を溜めこむ構造となっている。センサ９７は、ジャイロセンサ及び人感センサのいずれかであり、センサ９７に応じて回転数設定値ω**を自動設定するようにインバータ制御部４の制御系を構成すればよい。
【００６９】
次に、ｑ軸電流指令値生成部４７に関して説明する。ｑ軸電流指令値生成部４７からはｑ軸電流指令値Ｉｑ*が出力される。ｑ軸電流Ｉｑは、前述の通り無効電力を制御する操作量になる。無効電力は実際の仕事量に寄与しない電力である。ただし、無効電力が増加するとモータ電流Ｉｍが増加するので効率が悪化する。このため、通常は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*＝０となるように設定する。ただし、弱め界磁などの制御手法を併用する場合には、回転数の増加に応じて無効電力をゼロ以外に制御することもあり得る。このような場合には、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*をテーブルデータとしてｑ軸電流指令値生成部４７に保持させるようにしてもよい。
【００７０】
以上の構成により、回転数推定値ω^が回転数指令値ω*に一致するようにｄ軸電流Ｉｄにより有効電力を制御することができる。具体的に説明すると、回転数指令値ω*が増加した際には有効電力が増加するようにｄ軸電流Ｉｄを制御し、回転数指令値ω*が減少した際には有効電力が減少するようにｄ軸電流Ｉｄを制御する。また、同時に無効電力をｑ軸電流Ｉｑにより制御することも可能であり、モータ駆動時の力率を制御することも可能である。これにより、例えば無効電力がゼロとなるように制御することで、モータ電流Ｉｍを有効電力にのみ関係する分だけに抑制することができる。その結果、モータ電流を最小に制御し、巻線抵抗などにおける損失を含むモータの銅損、スイッチング素子におけるオン抵抗又はオン電圧による損失を含むインバータの導通損失、並びに、スイッチング素子がオンオフするときの損失であるスイッチング損失を抑制することができるので、モータ駆動装置を適用した応用製品の高効率化を実現できる。
【００７１】
ここまで、モ−タ電流Ｉｍにヒルベルト変換を適用し、ヒルベルト変換したモ−タ電流Ｉｍの解析関数をｄｑ軸座標系に座標変換して有効電力を制御する手法を説明した。次に、本実施の形態に係る手法による効果について、従来の一手法であるＰＱ変換を用いた制御と比較して説明する。
【００７２】
まず、単相交流におけるＰＱ変換を表す式は、以下の（１５−１）及び（１５−２）式で定義される。
【００７３】
【数１５】
2020074662.tif 000017
【００７４】
上記（１５−１）及び（１５−２）式において、ＩＰはＰ軸電流、ＩＱはＱ軸電流を表している。また、（１５−１）及び（１５−２）式では、ロータ回転位置推定値θｍ^を使用して座標変換を行っているが、あくまでも一例であり、これに限定されるものではない。
【００７５】
前述の通り、単相交流電力瞬時値Ｐｍ（ｔ）は（９）式で表されるため、（９）式に（１５−１）及び（１５−２）式を代入すると、以下の（１６）式が得られる。
【００７６】
【数１６】
2020074662.tif 000018
【００７７】
上記（１６）式によれば、Ｐ軸電流ＩＰによって有効電力が制御可能であり、Ｑ軸電流ＩＱによって無効電力が制御可能であると言うことはできる。しかしながら、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを表す（７）式と、Ｐ軸電流ＩＰ及びＱ軸電流ＩＱを表す（１５−１）及び（１５−２）式とを比較すると各数式が表す意味が大きく異なる。
【００７８】
より詳細に説明すると、（１５−１）及び（１５−２）式に示されるＰ軸電流ＩＰ及びＱ軸電流ＩＱでは、三角関数内に交流成分であるインバータ出力電圧位相θＶが含まれている。これにより、第１の電流制御部４１１及び第２の電流制御部４１２のような電流制御を行うにあたって、Ｐ軸電流ＩＰ及びＱ軸電流ＩＱには交流成分が含まれるため、周波数特性を考慮した設計を行う必要がある。特に、電気掃除機のような高速回転するモータが制御対象の場合、Ｐ軸電流ＩＰ及びＱ軸電流ＩＱの周波数範囲が広いため、広帯域での特性を考慮した制御設計が必要となり、制御設計が困難となる。
【００７９】
これに対し、（７）式に示されるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑでは、三角関数の引数が交流成分を含まない力率角φであり、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑは直流量となる。このため、本実施の形態に係る制御手法では、ＰＱ変換による制御の課題である周波数特性については考慮する必要がなく、また制御対象であるモータの回転数範囲にも依存しない制御が可能となる。
【００８０】
なお、実施の形態１では、ヒルベルト変換によってモータ電流の瞬時ベクトルを生成し、当該瞬時ベクトルをインバータ出力電圧位相上でｄｑ座標軸上の電流成分に変換する手法について説明したが、ヒルベルト変換に準ずる手法もしくは異なる手法によってモータ電流の瞬時ベクトルを生成してもよい。肝要な点は、座標変換後のモータ電流に含まれる交流成分が直流成分に比べて小さければよく、座標変換後のモータ電流は直流量として見なすことができる。
【００８１】
座標変換後のモータ電流を直流量として扱うことができれば、電流制御器の設計に際して周波数特性を考慮する必要がなく、制御構築を容易に実現できる。
【００８２】
また、前述の通り、モータ回転数に応じた必要な有効電力を制御することができるため、高効率な制御を実現できる。特に、図８に示す電気掃除機のような高速回転する負荷装置を内蔵バッテリーにより駆動する場合には、バッテリーでの駆動時間を長時間化することができる。更には、高効率駆動である利点を活かして、バッテリーの容量を削減することもできるため、負荷装置の小型化を図ることができる。
【００８３】
実施の形態２．
実施の形態１では、単相ＰＭモータ向けの回転数制御及び電力制御に関する説明を行った。実施の形態２では、図１に示すモータ制御装置の構成は同一とし、インバータ制御部４における追加動作に関する説明を行う。なお、インバータ制御部４における追加動作の説明を行う前に、図６に示したベクトル図に対して再度の説明を行う。
【００８４】
単相ＰＭモータのロータ磁石の磁束量（以下「ロータ磁石磁束」と称する）をΦｒｏｔｏｒとする。ここで、実施の形態２では、ロータ回転位置θｍとロータ磁石磁束Φｒｏｔｏｒとの関係性を図１０のように定義したとする。図１０の関係を、ロータ磁石磁束Φｒｏｔｏｒをロータ回転位置推定値θｍ^の関数として表すと、以下の（１７）式で表すことができる。
【００８５】
【数１７】
2020074662.tif 000019
【００８６】
なお、上記（１７）式では、θｍ＝θｍ^と仮定している。また、Φｒｏｔｏｒ_ｍａｘは、ロータ磁石磁束Φｒｏｔｏｒの最大値である。
【００８７】
（１７）式で表されるロータ磁石磁束Φｒｏｔｏｒを図６のベクトル図に追加すると、図１１が得られる。図１１は、実施の形態１と同様に、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを（５）式で定義した場合のベクトル図である。
【００８８】
ここで、（５）式で定義されたｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑは、インバータ出力電圧の瞬時ベクトルＶ→上にｄ軸を設定した場合の定義となる。次に、図１２のようにロータ磁石磁束Φｒｏｔｏｒ上にｄ軸を設定した場合について検討する。この場合、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑは（１８）式で再定義される。
【００８９】
【数１８】
2020074662.tif 000020
【００９０】
図１２より、ロータ磁石磁束Φｒｏｔｏｒに対して、ｄ軸電流Ｉｄは平行であり、ｑ軸電流Ｉｑは直交する。したがって、ｄ軸電流Ｉｄは励磁成分電流と見なし、ｑ軸電流Ｉｑはトルク成分電流と見なすことができる。これにより、ｑ軸電流Ｉｑを操作することにより、トルク制御が可能となる。
【００９１】
ここで、実施の形態１にて定義したインバータ出力電圧の瞬時値ｖｍ（ｔ）及びモータ電流の瞬時値ｉｍ（ｔ）を表す（８）式を以下に再掲する。
【００９２】
【数１９】
2020074662.tif 000021
【００９３】
図１２において、インバータ出力電圧位相θＶは、以下の（２０）式で表される。
【００９４】
【数２０】
2020074662.tif 000022
【００９５】
上記（２０）式において、θＶＶは、インバータ出力電圧の瞬時ベクトルＶ→のｄ軸に対する進み角（以下「インバータ出力電圧進角」と称する）であり、以下の（２１）式で表される。
【００９６】
【数２１】
2020074662.tif 000023
【００９７】
（６）式及び（２１）式を（１９）式に代入すると、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと、Ｉｒｅａｌ及びＩｉｍａｇｉｎａｌとの間の関係性を表す、以下の（２２）式が得られる。
【００９８】
【数２２】
2020074662.tif 000024
【００９９】
（２２）式より、定常状態では、インバータ出力電圧進角θＶＶ及び力率角φは一定と見なすことができるため、図１２のベクトル図においても、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑは直流量として見なすことができる。このため、実施の形態１と同様の制御構成を実現可能である。
【０１００】
図１３は、実施の形態２におけるインバータ制御部４の構成を示すブロック図である。図１３において、図３に示す実施の形態１の構成と同一又は同等の部位については、同一符号を付している。実施の形態１と差異点について説明すると以下の通りである。
【０１０１】
まず、第１の座標変換部４３１については、上述の通り、座標変換するｄｑ軸の定義が異なっている。このため、実施の形態２の第１の座標変換部４３１では、ロータ回転位置推定値をθｍ^を入力とし、（１８）式により座標変換を行う。すなわち、図１２の例によれば、第１の座標変換部４３１は、モータ電流Ｉｍの瞬時ベクトルＩ→をロータ回転位置θｍ上で座標変換を行っている。
【０１０２】
また、第２の電流制御部４１２はｑ軸電流Ｉｑを制御するが、前述の通り、実施の形態１と異なり、トルク電流成分と見なすことができるため、第２の電流制御部４１２は、回転数制御のマイナーループとしてｑ軸の電流制御部として設定する。
【０１０３】
以上が、実施の形態１と実施の形態２との差異点である。なお、第１の電流制御部４１１、回転数制御部４２、モータ位置及び回転数検出部４４及び回転数指令値生成部４５については、実施の形態１と同様のため、詳細な説明は省略する。
【０１０４】
以上の構成により、実施の形態１と同様に単相ＰＭモータの回転数制御を実現することができ、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。
【０１０５】
最後に、実施の形態１，２における各種の制御部をソフトウェアで実現する際のハードウェア構成について、図１４を参照して説明する。なお、ここでいう各種の制御部とは、インバータ制御部４における、第１の電流制御部４１１、第２の電流制御部４１２、回転数制御部４２、第１の座標変換部４３１、第２の座標変換部４３２、モータ位置及び回転数検出部４４、回転数指令値生成部４５、スイッチング素子駆動信号生成部４６、ｑ軸電流指令値生成部４７及びヒルベルト変換部４８などが該当する。
【０１０６】
上述した各種の制御手段の機能をソフトウェアで実現する場合には、図１４に示すように、演算を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ：中央処理装置）２００、ＣＰＵ２００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２０２及び信号の入出力を行うインタフェース２０４を含む構成とすることができる。なお、ＣＰＵ２００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などと称されるものであってもよい。また、メモリ２０２とは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ＥＰＲＯＭ）などの、不揮発性又は揮発性の半導体メモリなどが該当する。
【０１０７】
具体的に、メモリ２０２には、各種の制御手段の機能を実行するプログラムが格納されている。ＣＰＵ２００は、インタフェース２０４を介して、必要な情報の授受を行うことにより、本実施の形態で説明された各種の演算処理を実行する。
【０１０８】
なお、図１４に示すＣＰＵ２００及びメモリ２０２は、図１５のように処理回路２０３に置き換えてもよい。処理回路２０３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、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、これらを組み合わせたものが該当する。
【０１０９】
なお、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。
【符号の説明】
【０１１０】
１  直流電源、２  単相インバータ、３  単相ＰＭモータ、３ａ  ロータ、４  インバータ制御部、５  モータ電流検出部、６  直流電源電圧検出部、７  ロータ位置検出部、８  電気掃除機、４２  回転数制御部、４４  モータ位置及び回転数検出部、４５  回転数指令値生成部、４６  スイッチング素子駆動信号生成部、４７  ｑ軸電流指令値生成部、４８  ヒルベルト変換部、８１  電動送風機、８２  集塵室、８３  センサ、８４  吸込口体、８５  延長管、８６  操作部、８６ａ  操作スイッチ、９０  ハンドドライヤー、９１  ケーシング、９２  手検知センサ、９３  水受け部、９４  ドレン容器、９６  カバー、９７  センサ、９８  吸気口、９９  手挿入部、１００  モータ駆動装置、２００  ＣＰＵ、２０２  メモリ、２０３  処理回路、２０４  インタフェース、２１１〜２１４  スイッチング素子、２２１〜２２４  ダイオード、４１１  第１の電流制御部、４１２  第２の電流制御部、４３１  第１の座標変換部、４３２  第２の座標変換部。
【図１】
2020074662.tif 000025
【図２】
2020074662.tif 000026
【図３】
2020074662.tif 000027
【図４】
2020074662.tif 000028
【図５】
2020074662.tif 000029
【図６】
2020074662.tif 000030
【図７】
2020074662.tif 000031
【図８】
2020074662.tif 000032
【図９】
2020074662.tif 000033
【図１０】
2020074662.tif 000034
【図１１】
2020074662.tif 000035
【図１２】
2020074662.tif 000036
【図１３】
2020074662.tif 000037
【図１４】
2020074662.tif 000038
【図１５】
2020074662.tif 000039