(57)【要約】【課題】コンデンサ容量を極めて小容量とした場合であっても、直流中間電圧の跳ね上がりを抑制することが可能なモータ駆動装置を提供すること。【解決手段】三相インバータの駆動制御を行う制御部３００にはモータ電圧位相補正部３１が設けられる。モータ電圧位相補正部３１は、モータ電圧とモータ電流との位相差であり、位相差演算器２７が生成するモータ電圧電流位相差と、予め設定された目標位相差との偏差であり、目標位相差設定器２８が出力する目標位相差偏差に基づいて、モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内となるようにモータ電圧位相指令値を補正する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相交流電源に接続され、交流を直流に変換する整流器と、
前記整流器により変換された直流を三相交流に変換し、モータに電力を供給する三相インバータと、
前記整流器と前記三相インバータとの間に並列接続されたコンデンサと、
回転数指令値に基づき定められるモータ電圧位相指令値に基づいて前記三相インバータの駆動制御を行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、モータ電圧、モータ電流間の位相差であるモータ電圧電流位相差と、予め設定された目標位相差との偏差である目標位相差偏差に基づいて、前記モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内となるように前記モータ電圧位相指令値を補正するモータ電圧位相補正部を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記モータ電圧位相補正部は、前記目標位相差偏差に所定のゲインを乗じた位相補正値を演算する位相調節器を備え、前記位相調節器が出力する位相補正値を用いて前記モータ電圧位相指令値を補正することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
前記モータ電圧電流位相差は、前記位相補正値を用いて補正された補正後のモータ電圧位相指令値と、検出されたモータ電流に基づき算出されたモータ電流位相との位相差として算出されることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
印加電圧の大きさを制限する機能を有する電圧制限素子を前記コンデンサと並列に接続したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
【請求項５】
単相交流電源に接続され、交流を直流に変換する整流器と、
前記整流器により変換された直流を三相交流に変換し、モータに電力を供給する三相インバータと、
印加電圧の大きさを制限する機能を有し、前記整流器と前記三相インバータとの間に並列接続された電圧制限素子と、
回転数指令値に基づき定められるモータ電圧位相指令値に基づいて前記三相インバータの駆動制御を行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、モータ電圧、モータ電流間の位相差であるモータ電圧電流位相差と、予め設定された目標位相差との偏差である目標位相差偏差に基づいて、前記モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内となるように前記モータ電圧位相指令値を補正するモータ電圧位相補正部を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項６】
前記モータ電圧位相補正部は、前記目標位相差偏差に所定のゲインを乗じた位相補正値を演算する位相調節器を備え、前記位相調節器が出力する位相補正値を用いて前記モータ電圧位相指令値を補正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】
前記モータ電圧電流位相差は、前記位相補正値を用いて補正された補正後のモータ電圧位相指令値と、検出されたモータ電流に基づき算出されたモータ電流位相との位相差として算出されることを特徴とする請求項５または６に記載のモータ駆動装置。
【請求項８】
前記目標位相差は、前記モータの効率が最大となる値に設定されたことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記モータ電圧電流位相差および前記モータ電流の振幅値に基づいて、当該モータ電流における有効電流を演算する有効電流演算器を備え、前記有効電流演算器が出力する有効電流を有効電流補正値として用いて、前記モータの回転数を定める前記回転数指令値を補正する回転数指令値補正部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
【請求項１０】
前記回転数指令値補正部は、前記有効電流から当該有効電流の直流成分および前記単相交流電源周波数の２倍以上の周波数成分を除去するバンドパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項９に記載のモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば家庭用空気調和機に適用可能なモータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に単相交流電源を用いたモータ駆動装置では、単相交流電源をダイオード整流器により直流に変換し、出力に平滑用コンデンサ（以下単に「コンデンサ」という）を接続してエネルギーを蓄積し、リップルを除去して平滑化した直流電源を入力としてインバータで交流電源に変換しモータを駆動している。ただし、負荷（モータ）容量が大きくなると入力電流が増加するためコンデンサ容量も大きくする必要がある。そこで、通常の家庭用空気調和機に使用されるモータ駆動装置では、数百μＦの大容量の電解コンデンサが使用されている。
【０００３】
一方、コンデンサ容量が大きくなると直流電圧が上昇しダイオード整流器の流通角が小さくなるため、力率が低下するとともに入力電流の高調波が増加し、高調波電流による系統障害を発生させる虞がある。この対策は、入力にリアクトルを接続することで高調波を抑制したり、半導体スイッチング素子を使用したＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ  Ｆａｃｔｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）を用いたりすることによりなされている。
【０００４】
しかしながら、これらの対策は、装置のコストや、外形寸法の増大をもたらす。また、電解コンデンサは、有寿命部品であるため、装置の信頼性を低下させる要因となっている。
【０００５】
上記の問題から、小容量のコンデンサを用いてモータを駆動する技術が開示されている（例えば、特許文献１，２）。
【０００６】
まず、特許文献１では、小容量のコンデンサを使用したインバータ制御装置において、入力電流が正弦波になるようにトルク電流を制御する技術が開示されている。具体的には、モータの弱め界磁制御を行い、トルク電流を制御することによって電源電流の高調波を抑制し、電源から単相整流回路を介してコンデンサに流れ込む電流を抑制することにより、直流電圧が低いところでも電流が流れるようにし、整流器の導通幅を広げて入力電流波形を改善しようとするものである。
【０００７】
また、特許文献２では、小容量のコンデンサおよび小容量のリアクタを使用したインバータ制御装置において、インバータのスイッチングに起因する歪み電圧を補償する波形改善電圧をモータ指令電圧の位相に基づいて演算してモータに印加し、交流電源電圧の高調波成分を抑制することによって入力力率の改善を行う技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３５４８２６号公報
【特許文献２】特開２００７−１２９８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に示される技術では、弱め界磁制御を行うための複雑な演算を必要とし、制御系の構成が複雑化し、演算量が増加するという問題があった。また、上記特許文献２に示される技術では、交流電源電圧の高調波成分を抑制するために、小容量のリアクタを備える必要があり、装置の小形化に影響を与えるという課題があった。
【００１０】
さらに、上記特許文献１および特許文献２に示される技術では、モータからの回生電流が発生すると、回生電流が直流中間回路に流れ込み、直流中間電圧が跳ね上がるという現象（以下「直流中間電圧の跳ね上がり」という）が発生する。したがって、直流中間電圧の跳ね上がりを抑制しない限り、コンデンサ容量を小さくすることができないという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コンデンサ容量を極めて小容量とした場合であっても、装置の複雑化および大型化を回避しつつ、直流中間電圧の跳ね上がりを抑制することが可能なモータ駆動装置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】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるモータ駆動装置は、単相交流電源に接続され、交流を直流に変換する整流器と、前記整流器により変換された直流を三相交流に変換し、モータに電力を供給する三相インバータと、前記整流器と前記三相インバータとの間に並列接続されたコンデンサと、回転数指令値に基づき定められるモータ電圧位相指令値に基づいて前記三相インバータの駆動制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、モータ電圧、モータ電流間の位相差であるモータ電圧電流位相差と、予め設定された目標位相差との偏差である目標位相差偏差に基づいて、前記モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内となるように前記モータ電圧位相指令値を補正するモータ電圧位相補正部を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかるモータ駆動装置は、上記の発明において、前記モータ電圧位相補正部は、前記目標位相差偏差に所定のゲインを乗じた位相補正値を演算する位相調節器を備え、前記位相調節器が出力する位相補正値を用いて前記モータ電圧位相指令値を補正することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかるモータ駆動装置は、上記の発明において、前記モータ電圧電流位相差は、前記位相補正値を用いて補正された補正後のモータ電圧位相指令値と、検出されたモータ電流に基づき算出されたモータ電流位相との位相差として算出されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかるモータ駆動装置は、上記の発明において、印加電圧の大きさを制限する機能を有する電圧制限素子を前記コンデンサと並列に接続したことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかるモータ駆動装置は、相交流電源に接続され、交流を直流に変換する整流器と、前記整流器により変換された直流を三相交流に変換し、モータに電力を供給する三相インバータと、印加電圧の大きさを制限する機能を有し、前記整流器と前記三相インバータとの間に並列接続された電圧制限素子と、回転数指令値に基づき定められるモータ電圧位相指令値に基づいて前記三相インバータの駆動制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、モータ電圧、モータ電流間の位相差であるモータ電圧電流位相差と、予め設定された目標位相差との偏差である目標位相差偏差に基づいて、前記モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内となるように前記モータ電圧位相指令値を補正するモータ電圧位相補正部を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかるモータ駆動装置は、上記の発明において、前記モータ電圧位相補正部は、前記目標位相差偏差に所定のゲインを乗じた位相補正値を演算する位相調節器を備え、前記位相調節器が出力する位相補正値を用いて前記モータ電圧位相指令値を補正することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかるモータ駆動装置は、上記の発明において、前記モータ電圧電流位相差は、前記位相補正値を用いて補正された補正後のモータ電圧位相指令値と、検出されたモータ電流に基づき算出されたモータ電流位相との位相差として算出されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明にかかるモータ駆動装置は、上記の発明において、前記目標位相差は、前記モータの効率が最大となる値に設定されたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明にかかるモータ駆動装置は、上記の発明において、記制御部は、前記モータ電圧電流位相差および前記モータ電流の振幅値に基づいて、当該モータ電流における有効電流を演算する有効電流演算器を備え、前記有効電流演算器が出力する有効電流を有効電流補正値として用いて、前記モータの回転数を定める前記回転数指令値を補正する回転数指令値補正部をさらに備えたことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明にかかるモータ駆動装置は、上記の発明において、前記回転数指令値補正部は、前記有効電流から当該有効電流の直流成分および前記単相交流電源周波数の２倍以上の周波数成分を除去するバンドパスフィルタを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、モータ電圧位相補正部は、モータ電圧、モータ電流間の位相差であるモータ電圧電流位相差と、予め設定された目標位相差との偏差である目標位相差偏差に基づいて、モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内となるよう、回転数指令値に基づき定められるモータ電圧位相指令値を補正するようにしたので、回生電流の発生を抑制することができ、回生電流の発生に伴う直流中間電圧の跳ね上がりを抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明にかかるモータ駆動装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００２４】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１００の一構成例を示す図である。図１に示すように、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１００は、単相交流電源１から単相交流電力を供給され、三相モータ９を駆動するように構成される。
【００２５】
（モータ駆動装置の構成）
まず、モータ駆動装置１００の構成について説明する。図１において、モータ駆動装置１００は、駆動系の構成部として、主回路部２００を備えている。この主回路部２００は、主たる構成部として、単相交流電力の供給源である単相交流電源１の交流電力を入力とする単相整流器２、単相整流器２の直流出力を入力とする三相インバータ６および、単相整流器２と三相インバータ６との間に設けられた直流中間回路３を備えている。直流中間回路３は、極めて小容量のコンデンサ４および、コンデンサ４に並列接続されるツェナーダイオード５を備えて構成され、単相整流器２および三相インバータ６の間に並列に接続される。三相インバータ６には、三相インバータ６の交流出力によって駆動される三相モータ９が接続されている。なお、三相モータ９としては、誘導電動機、同期電動機などが好適である。
【００２６】
また、モータ駆動装置１００は、制御系の構成部として、三相モータ９の入力電流を検出する電流検出器（例えばＣＴ）７ａ，７ｂ，７ｃ、電流検出器７ａ，７ｂ，７ｃの検出値が入力され、三相インバータ６を駆動するためのＰＷＭ信号を出力する制御部３００、および制御部３００から入力されるＰＷＭ信号に基づいて三相インバータ６の駆動レベルに変換する駆動回路８を備えている。
【００２７】
（モータ駆動装置１００の概略機能）
つぎに、モータ駆動装置１００を構成する各部の概略機能について説明する。単相整流器２は、単相交流電源１から供給される交流を直流に変換し、三相インバータ６に供給する。三相インバータ６は、例えば上アーム側スイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗおよび下アーム側スイッチング素子Ｘ，Ｙ，Ｚからなる３組のスイッチングアームで構成され、単相整流器２から供給される直流をＵ相，Ｖ相，Ｗ相の三相交流に変換して三相モータ９に供給する。直流中間回路３は、単相整流器２から印加される直流中間電圧の平滑化を行う。電流検出器７ａ，７ｂ，７ｃは、三相モータ９への入力電流を検出し、Ｕ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流として出力する。
【００２８】
（モータ駆動装置１００における制御の概念）
つぎに、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１００における制御の概念について説明する。三相モータ９の相電圧と三相モータ９の相電流との位相差（以下「モータ電圧電流位相差」という）が−９０°以下あるいは＋９０°以上、すなわちモータ力率が負の値である場合、三相モータ９からの回生電流が発生し、直流中間回路３に回生電流が流れ込む。ここで、コンデンサ４の容量が極めて小容量の場合、直流中間回路３に流れ込む回生電流を充分に吸収することができない。このため、回生電流が直流中間回路３に流れ込むことにより、上述した直流中間電圧の跳ね上がりが発生する。一方、モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内となるように、すなわちモータ力率が常に正の値となるように制御すれば、回生電流は発生しない。したがって、モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内となるように制御すれば、回生電流に起因する直流電圧の跳ね上がりを抑制することができる。
【００２９】
上記制御に加え、モータ電圧電流位相差が一定になるように制御すれば、モータ駆動装置１００への入力電流は、入力電圧と同じ波形となる。すなわち、入力電圧が正弦波であれば、入力電流を正弦波にすることができ、入力電流の流通角を広げることができる。したがって、モータ電圧電流位相差の一定制御を行えば、入力力率を向上させることが可能となる。
【００３０】
このように、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１００は、モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内で一定になるように、三相モータ９の相電圧の振幅および位相の制御を行うとともに、モータ駆動装置１００の入力力率を改善する力率制御を行うものである。
【００３１】
なお、モータ駆動装置に対する力率制御を行う場合において、モータ電流に含まれる直流成分および単相交流周波数の２倍の周波数成分の影響を受けて、制御系の安定度が低下する場合もある。そこで、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１００では、制御系の安定度を高める制御も行っている。本制御の詳細については、後述する。
【００３２】
（制御部３００の構成および機能）
つぎに、実施の形態１にかかる制御部の構成および機能について図２を参照して説明する。図２は、図１に示した制御部３００の詳細な構成例を示す図である。
【００３３】
図２において、制御部３００は、回転数指令値補正部３０、モータ電圧位相補正部３１およびモータ電圧振幅補正部３２を主要な構成部として備えるとともに、これらの構成部に対する入力信号を生成する構成部として、３相／２相変換器１１、位相演算器１２、振幅演算器１３、回転数設定器１４、積分器１６、正弦波発生器１８、位相差演算器２７、目標位相差設定器２８、および減算器２９を備え、さらに、三相インバータ６へのＰＷＭ信号を生成するための構成部として、比較器２０、ＮＯＴ演算器２１、およびキャリア発生器２２を備えている。
【００３４】
３相／２相変換器１１は、電流検出器７ａ，７ｂ，７ｃ（図１参照）で検出されたＵ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流を、静止座標系の２軸の成分に変換する。位相演算器１２は、３相／２相変換器１１の出力から三相モータ９に流れる相電流（以下「モータ電流」という）の位相（以下「モータ電流位相」という）を演算する。振幅演算器１３は、３相／２相変換器１１の出力から三相モータ９に流れる相電流の振幅（以下「モータ電流振幅」という）を演算する。
【００３５】
位相差演算器２７は、位相演算器１２の出力であるモータ電流位相と、後述するモータ電圧位相補正部３１の出力である三相モータ９に印加される相電圧（以下「モータ電圧」という）の位相（以下「モータ電圧位相」という）との位相差を演算し、モータ電圧電流位相差として出力する。
【００３６】
目標位相設定器２８には、モータ電圧とモータ電流との位相差にかかる所定の設定値である目標位相差が予め設定される。ここで、目標位相差は、モータの機種毎に異なる値が設定されるが、例えばモータの効率を最大とする制御を行う場合、概ね−４５°〜−２０°の範囲内の値に設定される。このようなモータの効率を最大とする制御に関しては、例えば特開２００８−１９９７０６公報に記載の方法を用いればよい。同期モータの駆動状態は、モータ電圧電流位相差（特開２００８−１９９７０６公報では力率と記載）、トルクによりほぼ一意的にきまるため、トルクに応じた電力消費効率が高い最適なモータ電圧電流位相差との関係をテーブル化し、目標位相差を設定することによって、モータの高効率な運転が可能となる。
【００３７】
図３は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet：内部磁石埋込型）モータのトルクをパラメータとした場合における電力消費効率が高い最適なモータ電圧電流位相差特性を示す図である。図３の上段には、トルクをパラメータとして電流Ｉｄの変化に対するモータ電圧電流位相差の変化を示し、図３の下段には、トルクをパラメータとして電流Ｉｄの変化に対するモータ電流Ｉの大きさの変化を示している。ここで、電流Ｉｄは三相のモータ電流を二相の回転座標系（ｄ−ｑ座標系）に変換したときのｄ軸電流成分である。図３の上段から、トルクの大きさによって、取り得るモータ電圧電流位相差Φｐｆの範囲が限定されていることがわかる。
【００３８】
また、図３の下段における電流の大きさは、抵抗ロスに相当することから、この電流の大きさが最も小さいところで抵抗ロスが最小となり、電力消費効率が最大となる。この電力消費効率が最大となる複数の点Ｐ１を、それぞれ図３の上段の対応するトルク線上の点Ｐ２としてプロットすると、効率最大線Ｌが求まる。すなわち、トルクに対して電力消費効率が最大となるモータ電圧電流位相差の関係が求まる。
【００３９】
したがって、上述したトルクに対する電力消費効率が最大となるモータ電圧電流位相差の関係が記憶されたテーブルを目標位相差設定器２８に設け、入力されたトルクに対して電力消費効率が最大となるモータ電圧電流位相差を目標位相差設定器２８から出力するようにする。入力されるトルクは、電流検出器７ａ〜７ｃにより検出されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流とモータ電圧指令値または図示しないモータ電圧検出器により検出されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧とを用いてトルク演算を行えばよい。
【００４０】
なお、上述したモータの効率を最大とする制御では、トルクに対して電力消費効率が最大となるモータ電圧電流位相差の目標値を設定するようにしていたが、トルクは、同期モータの角周波数ωに反比例することから、この角周波数ωを検出し、この検出した角周波数を加味したトルクに対して電力消費効率が最大となるモータ電圧電流位相差の目標値を設定するようにしてもよい。
【００４１】
本実施の形態のモータ駆動装置では、モータ電圧電流位相差が常に−９０°〜＋９０°の範囲内になるように制御することを要旨とするため、目標位相差は、モータ電圧電流位相差の上限値である＋９０°および下限値である−９０°からできるだけ離れた値であるのが望ましい。したがって、効率最大制御を行うための目標位相差として、例えば−４５°〜−２０°の範囲内の値が設定可能である場合には、−９０°および＋９０°から最も離れている、すなわち最も位相余裕のある−２０°を目標位相差として選択することが好適である。この選択により、モータを駆動する際の、更なる制御精度の向上と、更なる運転の高効率化とを両立させることができる。
【００４２】
減算器２９は、目標位相差からモータ電圧電流位相差を減算し、目標位相差偏差として出力する。回転数設定器１４には、三相モータ９の回転数を定める回転数指令値が予め設定されている。なお、回転数指令値は、機械角（機械位相）に対応する設定値である。
【００４３】
回転数指令値補正部３０は、減算器１５、バンドパスフィルタ２５および有効電流演算器２６を備えて構成される。この回転数指令値補正部３０は、モータ電流振幅およびモータ電圧電流位相差に基づいて回転数指令値を補正する制御部であるが、モータ電流に含まれる直流成分および単相交流周波数の２倍の周波数成分の影響を抑制して制御系を安定化させる制御を行う安定化制御部としても機能する。
【００４４】
回転数指令値補正部３０において、有効電流演算器２６は、モータ電流振幅およびモータ電圧電流位相差から有効電流を算出する。この有効電流は有効電流演算器２６で、３相／２相変換器１１の出力から振幅演算器１３で演算して得られるモータ電流振幅値と位相差演算器２７から出力されるモータ電圧電流位相差の余弦（ＣＯＳ）を掛ける演算を行なうことにより得られる。負荷の急激な変動などによりモータの制御が不安定となると、トルクやモータ電流の振動が発生する。このトルクやモータ電流の振動は、定常状態では直流量である有効電流の振動成分として現れるため、その振動成分を回転数指令値にフィードバックすることでトルクやモータ電流の振動を抑え制御系の安定化をはかることができる。本実施例ではバンドパスフィルタ２５により有効電流から有効電流に含まれる直流成分および電源周波数の２倍以上の周波数成分を除去した有効電流補正値を生成し、減算器１５で回転数指令値から有効電流補正値を減算した基準回転数指令値を生成し、積分器１６に出力するようにしている。
【００４５】
なお、回転数指令値補正部３０の構成において、バンドパスフィルタ２５を省略し、有効電流演算器２６の出力を減算器１５に入力する構成としてもよい。また、バンドパスフィルタ２５に代えて、ハイパスフィルタを用いても構わない。ただし、有効電流演算器２６の出力には、有効電流成分に加えて、直流成分および電源周波数の２倍の周波数成分も含まれており、これらの成分をバンドパスフィルタ２５にて除去することにより、安定化制御をより効果的に行うことができる。
【００４６】
積分器１６は、基準回転数指令値を積分処理したモータ電圧位相指令値を生成する。このモータ電圧位相指令値は、回転数指令値に基づき定められる位相指令値である。なお、積分器１６に入力される基準回転数指令値は、機械角（機械位相）に基づく指令値であるため、積分器１６により三相モータ９の極数を乗算する処理が行われ、電気角（電気位相）に基づく指令値に変更される。
【００４７】
モータ電圧位相補正部３１は、モータ電圧位相を瞬時に補正する制御（以下「瞬時位相補正制御」という）を行う制御部であり、加算器１７および瞬時位相調節器２４を備えて構成される。瞬時位相調節器２４は、例えば比例制御（Ｐ制御）器であり、目標位相差偏差に所定のゲインを乗じた瞬時位相補正値を演算する。なお、瞬時位相調節器２４のゲインは、制御系が発散しないように、１以下に設定することが好ましい。加算器１７は、瞬時位相補正値をモータ電圧位相指令値に加算し、その加算値をモータ電圧位相として出力する。
【００４８】
なお、ここでいう「瞬時」の意味は、例えば積分器のようにある程度の遅延時間を持たせて制御するのではなく、制御入力を遅延させることなく制御系に反映させることを意味するものである。
【００４９】
正弦波発生器１８は、モータ電圧位相からＵ相，Ｖ相，Ｗ相における振幅変調前の正弦波指令値を生成し、Ｕ相正弦波指令値、Ｖ相正弦波指令値およびＷ相正弦波指令値としてモータ電圧振幅補正部３２に出力する。
【００５０】
モータ電圧振幅補正部３２は、目標位相差偏差に基づいて各相正弦波指令値を補正した電圧指令値を生成する制御部であり、乗算器１９および電圧振幅調節器２３を備えている。電圧振幅調節器２３は、例えば積分制御（Ｉ制御）器あるいは比例積分制御（ＰＩ制御）器であり、目標位相差偏差に基づき、正弦波指令値に乗ずべき電圧振幅指令値を生成する。乗算器１９は、電圧振幅指令値と各相正弦波指令値とを乗じたＵ相電圧指令値、Ｖ相電圧指令値およびＷ相電圧指令値を生成して比較器２０に出力する。
【００５１】
キャリア発生器２２は、三相インバータ６を駆動する駆動信号の生成に必要なＰＷＭキャリアを生成する。比較器２０は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値とＰＷＭキャリアをコンパレートし、それぞれ三相インバータ６の上アーム側スイッチング素子Ｕ，Ｖ，ＷのＰＷＭ信号であるＵ相ＰＷＭ信号、Ｖ相ＰＷＭ信号およびＷ相ＰＷＭ信号を出力する。ＮＯＴ演算器２１は、Ｕ相ＰＷＭ信号、Ｖ相ＰＷＭ信号およびＷ相ＰＷＭ信号のＮＯＴ演算を行い、三相インバータ６の下アーム側スイッチング素子Ｘ，Ｙ，ＺのＰＷＭ信号であるＸ相ＰＷＭ信号、Ｙ相ＰＷＭ信号およびＺ相ＰＷＭ信号を出力する。
【００５２】
（本実施の形態のモータ駆動装置による効果）
つぎに、実施の形態１にかかるモータ駆動装置１００が有する効果について、上記した各構成要素の制御動作に関係づけて説明する。
【００５３】
まず、実施の形態１にかかるモータ駆動装置における動作原理について再掲する。
本動作原理は、
（１）電圧と電流の位相差が、常に−９０°〜＋９０°の間に電圧を制御できれば、回生電流は流れない。
（２）電圧電流位相差が一定であれば、電流は、入力電圧と同じ波形になる。即ち、入力電圧が正弦波であれば、入力電流を正弦波にすることができる。
ということであった。
【００５４】
モータ電圧電流位相差が、−９０°〜＋９０°になるように制御する制御部として、本実施の形態では、瞬時位相補正制御を行うモータ電圧位相補正部３１を設けることとした（図２参照）。ここで、瞬時位相補正制御を行うモータ電圧位相補正部３１を設けることなく、位相差が目標位相差になるよう電圧振幅を制御する制御部（通常の力率制御系であり、図２の例では「モータ電圧振幅補正部３２」に相当）のみでもよいと考えられる。そこで、この条件で、シミュレーションを行った結果を図４に示す。なお、図４のシミュレーションにおける主要パラメータは、以下のとおりである。
・単相交流電圧：ＡＣ２００Ｖ
・単相交流周波数：５０Ｈｚ
・入力系統のリアクタンス：１００μＨ
・ＰＷＭキャリア周波数：４０ｋＨｚ
・直流中間回路のコンデンサ容量：２μＦ
【００５５】
図４に示すように、モータ電圧電流位相差は、単相交流の半周期の間で急激に変動し（図４（ａ）参照）、モータ電圧電流位相差が−９０°以下となった時に回生電流が発生し、直流中間電圧の跳ね上がりが発生している（図４（ｃ）参照）。また、単相交流の半周期の後半では入力電流が流れず（図４（ｄ）参照）、入力力率が悪くなっている。
【００５６】
つまり、瞬時位相補正制御を行わない場合、電圧電流位相差は入力電流の周期に合わせて急激に変動していることが分かる。これは直流中間コンデンサを極めて小容量としたために発生するリップル電圧等により直流電圧が変動する場合、電圧制御の応答性が遅いためモータ電圧電流位相差がモータ電流の成り行きの電流に支配され、モータ電圧電流位相差が制御できていないことを意味している。このとき、モータ電圧電流位相差は、−９０°を超えるため回生電流が流れ、直流電圧の跳ね上がりが発生している。また、入力電流も波形の半周期の後半では流れず、力率が悪くなっている。
【００５７】
一方、瞬時位相調節器２４による瞬時位相補正制御を行った場合のシミュレーション結果を図５に示す。ここで、シミュレーション条件は、図４の場合と同一である。
【００５８】
図５に示すように、モータ電圧電流位相差は、単相交流の半周期周期の間で−９０°〜＋９０°の範囲内で緩やかに変動しているため（図５（ａ）参照）、回生電流は発生せず、直流中間電圧の跳ね上がりも発生していない（図５（ｃ）参照）。また、入力電流の流通角が広がり（図５（ｄ）参照）、図４と比較して入力力率が改善されている。
【００５９】
ここで、瞬時位相補正制御を行った場合、モータ電圧電流位相差は一定とはなっていないが（図５（ａ）参照）、モータ電圧電流位相差が目標位相差に近づくような制御が働いているため、図４に比して、モータ電圧電流位相差の変動が緩やかであり、且つ、モータ電圧電流位相差が−９０°を超えるような動きは皆無である。したがって、回生電流は流れず、直流電圧の跳ね上がりも発生しない。また、入力電流波形も流通角が広がり、入力力率が改善されている。
【００６０】
ところで、直流中間電圧が０近辺では、モータ電圧電流位相差の制御は、電圧不足により制御不可となることが懸念される。この現象は、入力電圧が０近辺では入力電圧が誘起電圧より小さくなるためである。この場合、ダイオードによる非線形性により、電流の制御ができないため、モータ電圧電流位相差の制御を充分に行うことはできない。このため、入力電圧が０近辺では、直流電圧が跳ね上がる場合がある。
【００６１】
一方、本実施の形態のモータ駆動装置１００では、直流電圧制限素子であるツェナーダイオード５をコンデンサ４に並列に接続しているので、直流中間電圧の跳ね上がりを抑制することができる。このため、インバータ６に具備される各スイッチング素子を過電圧より保護することができる。
【００６２】
なお、入力電圧が０近辺における直流中間電圧の跳ね上がりは、許容電圧までの電圧差が大きく、ある程度の跳ね上がりは、コンデンサ４で吸収することができる。したがって、直流電圧制限素子の容量も大きくする必要はない。
【００６３】
また、直流中間電圧の跳ね上がりの要因としては、モータ停止時におけるモータリアクタンスエネルギーの直流回路側への回生がある。したがって、許容電圧以上になるエネルギーの吸収を可能とする容量の直流電圧制限素子を選定する必要がある。しかしながら、リアクタンスに蓄積されるエネルギーはそれほど大きくはないため、直流電圧制限素子の容量をさほど大きくする必要はない。つまり、小容量の直流電圧制限素子により、直流過電圧の保護が可能となる。
【００６４】
なお、コンデンサ４は、キャリアで変動する電圧のフィルタ用、およびツェナーダイオード５の両端電圧（ツェナー電圧）の制限がかかるまでの急激な電流の変化の吸収用としての機能を有している。したがって、コンデンサ３の容量は、キャリア周波数のフィルタ効果、モータリアクトルにおけるエネルギーの吸収能力、電圧０付近におけるモータ電流の吸収に伴う直流電圧の跳ね上がりに対する許容値等に依存する。キャリア２０ｋＨｚ、モータ容量２ｋＷでは、ツェナーダイオードとの並列接続により、２μＦ程度でも十分機能する。
【００６５】
以上説明したように、実施の形態１のモータ駆動装置によれば、モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内になるように、モータ電圧位相指令値を補正するようにしたので、直流中間回路のコンデンサを極めて小容量（例えば２μＦ以下）とした場合でも、回生電流の発生を抑制することができ、回生電流の発生に伴う直流中間電圧の跳ね上がりを抑制することが可能となる。
【００６６】
また、実施の形態１のモータ駆動装置によれば、モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内で一定になるように制御することにより、モータ駆動装置の入力電流波形が改善され、入力力率を向上させることが可能となる。
【００６７】
また、実施の形態１のモータ駆動装置によれば、目標位相差をモータの効率が最大となるように設定することにより、交流電源から供給される電力を効率よくモータの駆動力に変換することが可能となる。
【００６８】
また、実施の形態１のモータ駆動装置によれば、モータの有効電流から当該有効電流の直流成分および電源周波数の２倍以上の周波数成分を除去した有効電流補正値を算出することにより、制御系の安定度を向上させることが可能となる。
【００６９】
また、実施の形態１のモータ駆動装置によれば、弱め界磁制御などの複雑な制御を行う必要がないので、装置が複雑化し、大型化することを回避でき、簡易な制御系の構成が可能となる。
【００７０】
＜実施の形態２＞
図６は、実施の形態２にかかるモータ駆動装置１００ａの一構成例を示す図である。図６に示すように、実施の形態２にかかるモータ駆動装置１００ａの駆動系の構成部である主回路部２００ａは、直流中間回路３ａにおいて、ツェナーダイオード５のみを備え、コンデンサ４を省略している。また、制御部３００は、実施の形態１において説明した図２と同様である。なお、実施の形態１と同等あるいは同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７１】
実施の形態１のモータ駆動装置では、モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲内になるように、モータ電圧位相指令値を補正する手法を採用したので、回生電流の発生を抑制することができ、直流中間回路のコンデンサを極めて小容量（例えば２μＦ以下）とすることができた。
【００７２】
一方、ツェナーダイオードやバリスタ等の電圧制限用素子でも、ある程度の容量値を有するものも数多く存在する。したがって、ツェナーダイオードやバリスタ等の電圧制限用素子をコンデンサとして代替することが可能となる。すなわち、図６に示す実施の形態２のモータ駆動装置は、ツェナーダイオード５を容量性素子および電圧制限用素子として機能させるものである。
【００７３】
なお、制御系の構成は実施の形態１のモータ駆動装置と同様であるため、実施の形態１と同様な効果が得られる。
【００７４】
また、実施の形態２のモータ駆動装置によれば、コンデンサを省略することができるので、究極的なコンデンサレスのモータ駆動装置を実現することができる。
【００７５】
なお、上記実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知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、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは無論である。
【００７６】
また、実施の形態では、本発明を適用するモータ駆動装置の駆動制御を力率制御により実施するものとして説明しているが、駆動制御の方式はこれに限られるものではなく、ベクトル制御やその他の制御方式への応用が可能であることも無論である。
【００７７】
さらに、実施の形態では、本発明を適用するモータ駆動装置として、家庭用空気調和機への適用を想定したモータ駆動装置を対象として発明内容を説明したが、適用分野はこれに限られるものではなく、種々の産業応用分野への応用が可能であることも無論である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上のように、本発明にかかるモータ駆動装置は、コンデンサ容量を極めて小容量とした場合であっても、直流中間電圧の跳ね上がりを抑制することが可能な発明として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】実施の形態１にかかるモータ駆動装置の一構成例を示す図である。
【図２】図１に示した制御部３００の詳細な構成例を示す図である。
【図３】ＩＰＭモータのトルクをパラメータとした場合における電力消費効率が高い最適なモータ電圧電流位相差特性を示す図である。
【図４】瞬時位相補正制御を行うモータ電圧位相補正部を設けることなく、位相差が目標位相差になるよう電圧振幅を制御する制御部のみを設けた場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】瞬時位相調節器による瞬時位相補正制御を行った場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】実施の形態２にかかるモータ駆動装置の一構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  単相交流電源
２  単相整流器
３，３ａ  直流中間回路
４  コンデンサ
５  ツェナーダイオード
６  三相インバータ
７ａ，７ｂ，７ｃ  電流検出器
８  駆動回路
９  三相モータ
１１  ３相／２相変換器
１２  位相演算器
１３  振幅演算器
１４  回転数設定器
１５  減算器
１６  積分器
１７  加算器
１８  正弦波発生器
１９  乗算器
２０  比較器
２１  ＮＯＴ演算器
２２  キャリア発生器
２３  電圧振幅調節器
２４  瞬時位相調節器
２５  バンドパスフィルタ
２６  有効電流演算器
２７  位相差演算器
２８  目標位相差設定器
２９  減算器
３０  回転数指令値補正部
３１  モータ電圧位相補正部
３２  モータ電圧振幅補正部
１００，１００ａ  モータ駆動装置
２００，２００ａ  主回路部
３００  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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