(57)【要約】  【課題】相電流を検出せずに直流電流のみを検出してインバータのフリーラン起動を可能にし、電流検出器を簡略化してコストの低減を図った交流電動機駆動システムを提供する。  【解決手段】直流電圧部と、少なくとも２つのスイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、を備えたｎ相インバータ４０と、ｎ相界磁付き電動機３０と、からなる交流電動機駆動システムに関する。インバータ４０の上アームまたは下アームの少なくとも一方のアームにおいて１相のスイッチング素子Ｓ３Ｎにのみ通流し、他方のアームについては前記１相と異なる相のスイッチング素子Ｓ１Ｐ，Ｓ１Ｐに通流した状態で、直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を電流検出器４２により検出し、その検出値に基づいて電動機３０の回転子位置を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧部と、少なくとも２つのスイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、
からなる交流電動機駆動システムにおいて、
前記接続点よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、
上アーム及び下アームの少なくとも一方において１相のスイッチング素子にのみ通流した状態で、前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項２】
直流電圧部と、少なくとも２つのスイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、
からなる交流電動機駆動システムにおいて、
前記接続点よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、
上アーム及び下アームの両方においてそれぞれ異なる１相のスイッチング素子にのみ通流した状態で、前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項３】
直流電圧部と、環流ダイオードがそれぞれ逆並列接続された少なくとも２つの自己消弧形スイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、
からなる交流電動機駆動システムにおいて、
１つのスイッチング素子にオン信号、オフ信号を少なくとも１回ずつ与えて前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項４】
直流電圧部と、環流ダイオードがそれぞれ逆並列接続された少なくとも２つの自己消弧形スイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、
からなる交流電動機駆動システムにおいて、
１つのスイッチング素子にオン信号、オフ信号を交互に繰り返し与えて前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定すると共に、
各オフ信号を与えている期間中に直流入力電流を検出し、その検出値がゼロからゼロでない値に変化した場合に、前記電動機の回転子または可動子が第１の所定位置を通過したと判定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項５】
請求項４に記載した交流電動機駆動システムにおいて、
回転子または可動子が第１の所定位置を通過したと判定した直後に、
当該スイッチング素子にオフ信号を与え、かつ、別のスイッチング素子にオン信号、オフ信号を少なくとも１回ずつ与えて直流電流が流れれば前記別のスイッチング素子にオフ信号を与えると共に、
更に別のスイッチング素子に対して同様の動作を行い、
上記の動作を繰り返すことにより、オン信号、オフ信号を少なくとも１回ずつ与えても直流電流が流れない第２のスイッチング素子を特定し、
この第２のスイッチング素子にオン信号、オフ信号を交互に繰り返し与え、各オフ信号を与えている期間中の前記直流電流の検出値がゼロからゼロでない値に変化した場合に、前記電動機の回転子または可動子が第２の所定位置を通過したと判定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項６】
請求項５に記載した動作を、第２の所定位置を通過したと判定した直後から繰り返して実行することにより、前記電動機の回転子または可動子が３つ以上の所定位置を通過したと判定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項７】
請求項５または６に記載した交流電動機駆動システムにおいて、
回転子または可動子が通過したと判定された少なくとも２つの所定位置と、これら２つの所定位置の通過時刻とに基づき、回転子または可動子の速度を判定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項８】
請求項３〜７の何れか１項に記載した交流電動機駆動システムにおいて、
スイッチング素子のオン・オフを所定期間繰り返しても直流電流が通流しない場合には、回転子または可動子がほぼ停止していると判定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項９】
直流電圧部と、少なくとも２つのスイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、これらのアーム部におけるスイッチング素子同士の１つの接続点と前記直流電圧部の正極及び負極との間に、前記直流電圧部の直流電圧を阻止する極性でそれぞれ接続された環流ダイオードと、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部における前記ダイオードの接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、
からなる交流電動機駆動システムにおいて、
前記接続点よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、
上アーム及び下アームの少なくとも一方において１相のスイッチング素子にのみ通流した状態で、前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項１０】
直流電圧部と、少なくとも２つのスイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、これらのアーム部におけるスイッチング素子同士の１つの接続点と前記直流電圧部の正極及び負極との間に、前記直流電圧部の直流電圧を阻止する極性でそれぞれ接続された環流ダイオードと、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部における前記ダイオードの接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、
からなる交流電動機駆動システムにおいて、
前記接続点よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、
上アーム及び下アームの両方においてそれぞれ異なる１相のスイッチング素子にのみ通流した状態で、前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項１１】
直流電圧部と、少なくとも２つの自己消弧形スイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、これらのアーム部におけるスイッチング素子同士の１つの接続点と前記直流電圧部の正極及び負極との間に、前記直流電圧部の直流電圧を阻止する極性でそれぞれ接続された環流ダイオードと、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部における前記ダイオードの接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、
からなる交流電動機駆動システムにおいて、
前記接続点よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、
１つのスイッチング素子にオン信号を与えて前記直流電圧部と当該スイッチング素子が属するアームとの間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載した交流電動機駆動システムにおいて、
１つのスイッチング素子にオン信号を連続してまたは断続して与え、オン信号を与えている間の当該アームと直流電圧部との間の電流がゼロからゼロでない値に変化した場合に、前記電動機の回転子または可動子が第１の所定位置を通過したと判定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載した交流電動機駆動システムにおいて、
回転子または可動子が第１の所定位置を通過したと判断した直後に、
当該スイッチング素子にオフ信号を与え、かつ、別のスイッチング素子にオン信号を与えて直流電流が流れれば、前記別のスイッチング素子にオフ信号を与えると共に、
更に別のスイッチング素子に対して同様の動作を行い、
上記の動作を繰り返すことにより、オン信号を与えても電流が流れない第２のスイッチング素子を特定し、
この第２のスイッチング素子にオン信号を連続してまたは断続して与え、オン信号を与えている期間中に直流電流がゼロからゼロでない値に変化した場合に、前記電動機の回転子または可動子が第２の所定位置を通過したと判定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【請求項１４】
請求項１１〜１３の何れか１項に記載した交流電動機駆動システムにおいて、
スイッチング素子のオンを所定回数繰り返しても直流電流が通流しない場合には、回転子または可動子がほぼ停止していると判定することを特徴とする交流電動機駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石形同期電動機等の界磁付き電動機を位置センサレスにて駆動する際に、相電流検出器を持たず直流電流検出器のみを有する安価なインバータを用いて、電動機の回転子が空転している状態から起動（いわゆるフリーラン起動）するための交流電動機駆動システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１３は、界磁付き電動機２０をインバータ１０Ａにより可変速駆動する従来の駆動システムを示している。同図において、インバータ１０Ａは、直流電源（図示せず）等の直流電圧成分に接続されて直流電圧部を構成する平滑コンデンサ１１と、３相ブリッジ接続されたＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚと、これらにそれぞれ逆並列接続された環流ダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚと、直流入力電流ｉｄｃを検出するシャント抵抗等の電流検出器１２と、スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚをオンオフ制御する制御回路１４とから構成されている。
【０００３】
通常、インバータによる電動機の可変速駆動システムでは、電動機の各相電流を検出して制御に用いている。しかし、最近ではコスト低減を目的として、各相ごとの相電流検出器を用いずにシステムを構成する場合も多い。
すなわち、図１３に示すように、インバータ１０Ａの直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流入力電流ｉｄｃを電流検出器１２により検出し、その検出値から相電流情報を得ることにより、原理的には従前の相電流検出方式と同様に電動機２０を駆動することができる。
このような構成は、例えば後述の特許文献１にかかる「変換器用の電流検出方法」に記載されている。
【０００４】
さて、電動機のうち、永久磁石形同期電動機等の界磁付き電動機については、磁極位置センサを用いずに駆動する方式、いわゆる位置センサレス駆動方式が各種提案されている。
この種の位置センサレス駆動方式では、通常は制御用ＣＰＵによって電動機の相電流及び端子電圧の情報から磁極位置を推定演算し、その推定値を基に制御を行っている。
【０００５】
以上の両技術を組み合わせた界磁付き電動機の駆動方法、すなわち、相電流を検出することなく直流入力電流ｉｄｃから相電流の情報を得て界磁付き電動機の位置センサレス駆動を行う方法は、例えば非特許文献１に詳細に説明されている。
【０００６】
更に、他の従来技術として、直流入力電流のうち、環流ダイオードを流れる成分は含まず、能動素子であるスイッチング素子を流れる成分のみ（ｉｄｃ’と略記）を検出するようにしたものがある。図１４はこの従来技術を示しており、１０Ｂはインバータである。このインバータ１０Ｂ内では、下アームのスイッチング素子Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ側の環流ダイオードＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚのアノードが直流電圧部の負極に共通接続されている。
この構成によれば、正味の直流入力電流は検出できないものの、下アームのスイッチング素子Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚによる環流電流をｉｄｃ’として検出することができる。図１４に類似した構成は、例えば特許文献２にかかる「インバータ装置」に開示されている。
【０００７】
しかし、図１３や図１４のように直流電流のみを検出するインバータを用いる場合、界磁付き電動機の回転子（リニアモータの場合には可動子）が空転していてインバータが停止している状態、すなわち全スイッチング素子がオフしている状態からインバータを起動する方式、いわゆるフリーラン起動方式については、今のところ報告や問題提起はなされていない。
界磁付き電動機が空転している場合、電動機の端子には誘起電圧が発生している。この状態からインバータを起動するためには、起動時に誘起電圧の位相及び周波数に相応した電圧をインバータから発生する必要がある。フリーラン状態の電動機に対してその誘起電圧に相応しない電圧を印加して起動しようとすると、電動機は制御不能の状態となって所望の動作を開始できないだけでなく、不測の過電流が流れることによって電動機や負荷装置に悪影響を及ぼすおそれもある。
【０００８】
なお、誘起電圧の位相及び周波数は、磁極位置（回転子位置）とその時間微分値である速度とによって一意に決まるため、磁極位置センサがある場合には誘起電圧の位相及び周波数が求まるためこのような問題は生じない。すなわち、磁極位置及び速度を知ることと誘起電圧の位相及び周波数を知ることとは、実質的に同一であるから、本明細書における説明では、混乱を生じない限り、磁極位置及び速度と、誘起電圧の位相及び周波数とを区別なく用いることとする。
【０００９】
さて、電動機の相電流検出を行ってフリーラン起動を実現する従来技術としては、特許文献３にかかる「交流回転機用電力変換装置」が知られている。
この従来技術は、交流回転機の空転時に、電力変換器により回転機の巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流（相電流）を電流検出器により検出して回転子の位置を推定することを要旨としている。
【００１０】
【特許文献１】特許第２５６３２２６号公報（請求項１、図１等）
【特許文献２】特開昭５０−６７９３４号公報（第１図等）
【特許文献３】特開平１１−７５３９４号公報（請求項１、図１、図２等）
【非特許文献１】川端，遠藤，高倉、「位置センサレス・モータ電流センサレス永久磁石同期モータ制御に関する検討」、平成１４年電気学会産業応用部門大会、講演番号１７１、pp.665-668
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献３に記載された従来技術はあくまで電動機の相電流検出を条件としており、インバータの直流電流のみを検出して駆動システムを制御する技術については何ら開示していない。このため、電流検出器のコストを低減しつつフリーラン起動を可能にした駆動システムは未だ実現されていない。
そこで本発明の解決課題は、インバータによる界磁付き電動機の駆動システムにおいて、相電流を検出せずに直流電流のみを検出してフリーラン起動を可能にし、電流検出器を簡略化してコストの低減を図った交流電動機駆動システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、直流電圧部と、少なくとも２つのスイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、からなる交流電動機駆動システムにおいて、
前記接続点よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、上アーム及び下アームの少なくとも一方において１相のスイッチング素子にのみ通流した状態で、前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定するものである。
【００１３】
請求項２記載の発明は、直流電圧部と、少なくとも２つのスイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、
からなる交流電動機駆動システムにおいて、
前記接続点よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、上アーム及び下アームの両方においてそれぞれ異なる１相のスイッチング素子にのみ通流した状態で、前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定するものである。
【００１４】
請求項３記載の発明は、直流電圧部と、環流ダイオードがそれぞれ逆並列接続された少なくとも２つの自己消弧形スイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、からなる交流電動機駆動システムにおいて、
１つのスイッチング素子にオン信号、オフ信号を少なくとも１回ずつ与えて前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定するものである。
【００１５】
請求項４記載の発明は、直流電圧部と、環流ダイオードがそれぞれ逆並列接続された少なくとも２つの自己消弧形スイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、からなる交流電動機駆動システムにおいて、
１つのスイッチング素子にオン信号、オフ信号を交互に繰り返し与えて前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定すると共に、
各オフ信号を与えている期間中に直流入力電流を検出し、その検出値がゼロからゼロでない値に変化した場合に、前記電動機の回転子または可動子が第１の所定位置を通過したと判定するものである。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項４において、回転子または可動子が第１の所定位置を通過したと判定した直後に、当該スイッチング素子にオフ信号を与え、かつ、別のスイッチング素子にオン信号、オフ信号を少なくとも１回ずつ与えて直流電流が流れれば前記別のスイッチング素子にオフ信号を与えると共に、
更に別のスイッチング素子に対して同様の動作を行い、
上記の動作を繰り返すことにより、オン信号、オフ信号を少なくとも１回ずつ与えても直流電流が流れない第２のスイッチング素子を特定し、この第２のスイッチング素子にオン信号、オフ信号を交互に繰り返し与え、各オフ信号を与えている期間中の前記直流電流の検出値がゼロからゼロでない値に変化した場合に、前記電動機の回転子または可動子が第２の所定位置を通過したと判定するものである。
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項５に記載した動作を、第２の所定位置を通過したと判定した直後から繰り返して実行することにより、前記電動機の回転子または可動子が３つ以上の所定位置を通過したことを判定するものである。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項５または６において、
回転子または可動子が通過したと判定された少なくとも２つの所定位置の位置情報と、これら２つの所定位置の通過時刻とに基づき、回転子または可動子の速度を判定するものである。
【００１９】
請求項８記載の発明は、請求項３〜７の何れか１項において、
スイッチング素子のオン・オフを所定期間繰り返しても直流入力電流が通流しない場合には、回転子または可動子がほぼ停止していると判定するものである。
【００２０】
請求項９記載の発明は、直流電圧部と、少なくとも２つのスイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、これらのアーム部におけるスイッチング素子同士の１つの接続点と前記直流電圧部の正極及び負極との間に、前記直流電圧部の直流電圧を阻止する極性でそれぞれ接続された環流ダイオードと、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部における前記ダイオードの接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、からなる交流電動機駆動システムにおいて、
前記接続点よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、上アーム及び下アームの少なくとも一方において１相のスイッチング素子にのみ通流した状態で、前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定するものである。
【００２１】
請求項１０記載の発明は、直流電圧部と、少なくとも２つのスイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、これらのアーム部におけるスイッチング素子同士の１つの接続点と前記直流電圧部の正極及び負極との間に、前記直流電圧部の直流電圧を阻止する極性でそれぞれ接続された環流ダイオードと、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部における前記ダイオードの接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、からなる交流電動機駆動システムにおいて、
前記接続点よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、上アーム及び下アームの両方においてそれぞれ異なる１相のスイッチング素子にのみ通流した状態で、前記直流電圧部とスイッチング素子群との間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定するものである。
【００２２】
請求項１１記載の発明は、直流電圧部と、少なくとも２つの自己消弧形スイッチング素子の直列接続回路の両端が前記直流電圧部に並列接続されてなるｎ個のアーム部と、これらのアーム部におけるスイッチング素子同士の１つの接続点と前記直流電圧部の正極及び負極との間に、前記直流電圧部の直流電圧を阻止する極性でそれぞれ接続された環流ダイオードと、を備えたｎ相インバータと、
前記各アーム部における前記ダイオードの接続点に端子が接続されたｎ相界磁付き電動機と、からなる交流電動機駆動システムにおいて、
前記接続点よりも前記直流電圧部の正極側にあるスイッチング素子群を上アーム、負極側にあるスイッチング素子群を下アームとした場合に、
１つのスイッチング素子にオン信号を与えて前記直流電圧部と当該スイッチング素子が属するアームとの間を流れる直流電流を検出し、その検出値に基づいて前記電動機の回転子または可動子の位置を推定するものである。
【００２３】
請求項１２記載の発明は、請求項１１において、
１つのスイッチング素子にオン信号を連続してまたは断続して与え、オン信号を与えている間の当該アームと直流電圧部との間の電流がゼロからゼロでない値に変化した場合に、前記電動機の回転子または可動子が第１の所定位置を通過したと判定するものである。
【００２４】
請求項１３記載の発明は、請求項１２において、
回転子または可動子が第１の所定位置を通過したと判断した直後に、当該スイッチング素子にオフ信号を与え、かつ、別のスイッチング素子にオン信号を与えて直流電流が流れれば、前記別のスイッチング素子にオフ信号を与えると共に、
更に別のスイッチング素子に対して同様の動作を行い、
上記の動作を繰り返すことにより、オン信号を与えても電流が流れない第２のスイッチング素子を特定し、この第２のスイッチング素子にオン信号を連続してまたは断続して与え、オン信号を与えている期間中に直流電流がゼロからゼロでない値に変化した場合に、前記電動機の回転子または可動子が第２の所定位置を通過したと判定するものである。
【００２５】
請求項１４記載の発明は、請求項１１〜１３の何れか１項において、
スイッチング素子のオンを所定回数繰り返しても直流電流が通流しない場合には、回転子または可動子がほぼ停止していると判定するものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、インバータにより界磁付き電動機を駆動する交流電動機駆動システムにおいて、相電流を検出せずに直流電流のみを検出することにより、電動機の各相の無負荷誘起電圧を決定する電気角周波数及び初期位相角を特定することができ、言い換えれば回転子位置を推定することが可能である。このため、各相の無負荷誘起電圧に相応した電圧をインバータに出力させることによりフリーラン起動が可能になる。
従って、本発明によれば、各相電流を検出する場合に比べて電流検出器を簡略化または削減でき、駆動システムのコストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は請求項１の発明にかかる交流電動機駆動システムの主回路を示しており、ｎ相（ｎは２以上の自然数）界磁付き電動機３０をｎ相インバータ４０により駆動するシステムである。ここで、電動機３０は等価回路によって第１相から第３相までを表示し、各相毎に無負荷誘起電圧ｅ及びインピーダンスＺを、相の番号を添字として付記してある。
【００２８】
一方、ｎ相インバータ４０は、各相の上アームのスイッチング素子をＳｎＰ、下アームのスイッチング素子をＳｎＮとして示してあり、直流電圧部を構成する平滑コンデンサ４１の両端に、それぞれ２つのスイッチング素子の直列接続回路からなるアーム部をｎ個、並列に接続して構成されている。また、ｎ相インバータ４０の各アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点に、ｎ相界磁付き電動機３０の各相端子が接続されている。
更に、下アームスイッチング素子群の共通接続点と直流電圧部の負極（平滑コンデンサ４１の一端）との間には、直流入力電流ｉｄｃを検出するシャント抵抗等の電流検出器４２が接続されている。
【００２９】
図１では、インバータ４０の上アームのスイッチング素子Ｓ１Ｐ，Ｓ２Ｐ及び下アームのスイッチング素子Ｓ３Ｎをオンし、その他のスイッチング素子を全てオフした状態を示している。すなわち、インバータ４０の下アームについては１つのスイッチング素子Ｓ３Ｎのみがオン状態となっている。この状態では、インバータ４０の直流入力電流ｉｄｃは電動機３０の第３相の電流と一致しているため、直流入力電流ｉｄｃを検出すれば電動機３０の第３相の相電流を知ることができる。
【００３０】
ここで、電動機の回転速度がほぼ一定と見なせる場合、ｎ相界磁付き電動機のｘ相の無負荷誘起電圧基本波ｅｘは、一般に数式１のように表すことができる。
［数式１］
ｅｘ＝ωΨsin（ωｔ＋θｘ＋θ０）
なお、ω：電気角周波数、Ψ：界磁によるコイルの磁束鎖交数振幅、ｔ：時間、θｘ：ｘ相位相角（ただしθ１＝０とする）、θ０：初期位相角である。
【００３１】
通常は、θｘは各相毎に異なる定数であり、また、各相のθｘの値は設計事項のため既知である。なお、上記のように第１相の位相角θ１＝０としたため、初期位相角θ０は、時間ｔ＝０における第１相の無負荷誘起電圧ｅ１の位相角に他ならない。また、電気角周波数ωは回転子の回転速度に比例し、具体的には磁極数をＰとすると、数式２の関係が常に成りたっている。
［数式２］
ω＝（Ｐ／２）×２π×Ｎ／６０（Ｎは回転子の毎分回転速度）
なお、回転速度Ｎがほぼ一定の場合について論じているため、ここではωは未知であるが定数ということになる。
【００３２】
また、Ψも電動機の鉄心の磁気飽和や渦電流の影響が小さいという前提においては定数となり、しかも設計事項であるため既知である。通常は、電動機は鉄心の磁気飽和や渦電流の影響が小さくなるように設計されるので、この前提が成り立つことがほとんどである。なお、Ψの評価において、磁気飽和や渦電流の影響を考慮に入れることも可能である。
以上の関係から、数式１における未知数はωとθ０の２つであることが分かる。また、これらの２つの値を知ることができれば、数式１によって各相の無負荷誘起電圧ｅｘが判明することになり、この無負荷誘起電圧ｅｘに相応する電圧をインバータから与えることによってシステムを起動できることになる。
【００３３】
一方、図１における電動機３０の各相のインピーダンスＺｘは、電動機３０の鉄心の磁気飽和や渦電流の影響が小さいという前提では、磁極位置のみの関数となること、すなわち、ω及びθ０によって特定される値となることが知られている。
【００３４】
以上のことから、回転子が空転していてω及びθ０が未知の場合、図１に示したように所定のスイッチング素子群をオンしたときに流れる電流ｉｄｃは、ω及びθ０によって異なる値となることが分かる。
従って、このときの直流入力電流ｉｄｃ（図１の例では電動機３０の第３相の電流）は、ω及びθ０の情報を含んでいるので、ｉｄｃの検出値を用いてω及びθ０を特定することが可能である。
【００３５】
具体的には、未知数としてω，θ０の２種類、得られる情報としてはｉｄｃのみであるため１種類ということになる。これだけではω，θ０は特定できないことになるが、図１に示すように所定のスイッチング素子群をオンした後の２以上の時刻においてｉｄｃを検出したり、または当該スイッチング素子群のオンを２回以上実施するごとにｉｄｃを検出したり、更にはスイッチング素子群の１回目のオン動作の後にｉｄｃを検出して全スイッチング素子をオフし、更に別のスイッチング素子群をオンしてｉｄｃを検出したりすることにより、ｉｄｃとして２つ以上の値を得ることができる。そして、これらのｉｄｃの値が得られる都度、異なる回路方程式が得られることになり、２つの未知数ω，θ０に対して方程式が２つ以上存在するため、原理的にωとθ０を求めることが可能になる。
【００３６】
以上の説明では、図１における特定のスイッチング素子Ｓ１Ｐ，Ｓ２Ｐ及びＳ３Ｎをオンした場合の動作を例示したが、上記の原理は相数、及びオンするスイッチング素子に依らず成り立つ。但し、同じ相の上下アームを同時にオンするとインバータの直流電圧部を短絡してしまうため、あくまでも上下アームのうち少なくとも一方のアームについて１相のスイッチング素子のみをオンし、他方のアームについてはそれ以外の相のスイッチング素子をオンすることが必要である。
【００３７】
次に、請求項２の発明について説明する。
上述した説明では、上下アームの少なくとも一方のアームにつき１相のスイッチング素子のみをオンし、他方のアームについては上記１相以外の複数相のスイッチング素子をオンする場合について述べたが、上下両アームにつきそれぞれ異なる１相のスイッチング素子のみをオンしたときのｉｄｃを用いれば、曖昧さを一層排した動作をさせることができる。
【００３８】
すなわち、図１の状態では、ｉｄｃを検出することにより、第１相と第２相の電流の合計値のみが既知となり、第１相と第２相の個別の電流値は未知ということになる。一方、例えば図１において、第１相の上アームスイッチング素子Ｓ１Ｐと第３相の下アームＳ３Ｎのみをオンした場合には、第１相及び第３相の電流が一致するため、両相の電流値が既知となる。従って、前述したようにω及びθ０を求める場合の回路方程式が簡略化されてＣＰＵの計算負荷が減少するため、安価に装置を構成することができる。
【００３９】
次いで、請求項３の発明の実施形態を説明する。
この請求項３の発明は、相電流検出を前提としたフリーラン起動技術に関する先願発明（特願２００４−１７１０９４号「交流電動機用電力変換装置」）の原理を用いて、直流入力電流ｉｄｃのみの検出によるフリーラン起動を可能にしたものである。
【００４０】
以下、上記先願発明の内容を３相の駆動システムを例に挙げて概説する。
図２に示す通り、インバータは３相インバータ４３、電動機は３相電動機３１であり、インバータ４３の各相上下アームは、例えばＩＧＢＴのような自己消弧形半導体スイッチング素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚに環流ダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚをそれぞれ逆並列接続して構成されている。なお、各相の名称はＵ，Ｖ，Ｗとする。
【００４１】
いま、図２に示す如く、Ｕ相下アームのスイッチング素子Ｑｘのみをオンし、その他のスイッチング素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｙ，Ｑｚを全てオフしたとすると、このときの等価回路は図３のようになる。すなわち、Ｖ相とＷ相についてはダイオードＤｙ，Ｄｚを介して、Ｕ相については、スイッチング素子Ｑｘ及びダイオードＤｘにより両方向導通の状態で、各相の端子が結合された状態となる。
なお、図３において、電動機３１はＵ，Ｖ，Ｗ相の各相毎に無負荷誘起電圧ｅ及びインピーダンスＺにて示してある。
【００４２】
ここで、回転子の正転時においてその回転速度が一定の場合、各相の無負荷誘起電圧は図４のように３相平衡正弦波となる。なお、無負荷誘起電圧に高調波が含まれていたり、各相電圧の位相が１２０°から若干ずれていることは実質的にあるものの、本発明について述べる現象には大きく影響しない。
また、回転子が逆転する場合の無負荷誘起電圧は図５のようになり、無負荷誘起電圧の相順が反転し、電気角に対する電圧位相も異なるが、現れる現象は同様となる。よって、以降は主として無負荷誘起電圧の相順が図４の場合について説明する。
【００４３】
なお、図４，図５において、I〜VIは３６０°を６０°ずつ６分割した場合の各領域を示している。これらの図から、回転子の空転時に１つのスイッチング素子Ｑｘのみをオンした場合に電流がどのように流れるかは、各相誘起電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗの位相（大小関係）によって変わり、次の３つの現象が起こり得る。
（１）電流が流れない。（誘起電圧の状態：領域III，IV）
（２）ある２相にのみ電流が流れる。（誘起電圧の状態：領域II，V）
（３）３相全てに電流が流れる。（誘起電圧の状態：領域I，VI）
これらの（１）〜（３）のうち何れの現象が現れるかは、回転子の位置に依存している。よって、磁極位置センサを持たない電動機においては、回転子の位置情報がない状態で上記現象のうち特定のものを意図的に生じさせるように、つまり空転時に１つのスイッチング素子のみをオンして複数の相に電流を流すようにインバータを制御することは不可能である。
【００４４】
このことを逆から考察すれば、上記（１）〜（３）の現象を利用することにより、電流の流れ方を観察することによって誘起電圧位相が領域I〜VIのどの状態であるかを判定することができる。例えば、Ｕ相下アームのスイッチング素子Ｑｘのみをオンした場合には、オンした際に上記（１）〜（３）のうちのどの現象が現れるかによって対応する誘起電圧の状態が決まり、しかも誘起電圧の位相は回転子の位置と同期しているので、回転子の位置を知ることができる。
【００４５】
インバータ４３のスイッチング素子が図３の状態にある場合、図４によれば、電気角が３０°〜１５０°（領域III，IV）の場合にはダイオードＤｙ及びＤｚの作用によって、電流は流れない。すなわち、スイッチング素子Ｑｘのみをオンした場合に、Ｖ相電流やＷ相電流が流れるか、流れないかを判定することにより、回転子位置が電気角で３０°〜１５０°にあるか、それ以外にあるかを判定することができる。
また、図５の場合には、上記と同じ領域III，IVに相当する２１０°〜３３０°の場合に、ダイオードＤｙ及びＤｚの作用によって電流が流れないため、回転子位置が２１０°〜３３０°にあるか、それ以外にあるかを判定することができる。
【００４６】
更に、スイッチング素子ＱｘのみをオンしてＶ相電流、Ｗ相電流が流れないことにより回転子位置が電気角で３０°〜１５０°であることを確認した場合にスイッチング素子Ｑｘのオン状態を継続し、やがて電流が流れ始めた場合には、各相無負荷誘起電圧の大小関係が入れ替わったこと、すなわち、回転子が電気角３０°〜１５０°の範囲を外れたことを瞬時に判定可能である。
しかも、図４，図５から明らかなように、回転方向によって無負荷誘起電圧の相順が変わるため、流れ出した電流の通流開始がＶ相であるかＷ相であるかを判定することによって回転方向が正転であるか逆転であるかを特定でき、正転時であれば位相角が１５０°、逆転時であれば位相角が２１０°とピンポイントで特定することができる。
【００４７】
更に、Ｖ相またはＷ相に電流が通流した後は、図４及び図５から分かるように、スイッチング素子Ｑｙ，Ｑｚのいずれかをオンしても電流が通流しないため、そのスイッチング素子をオンしてその状態を継続し、再び電流が通流を開始したら、更に別の位相角を特定することができる。
このようにして、複数の位相角の通過を検出し、その時間差も記録しておけば、当該時間差当たりの位相の変化量、すなわち回転速度を計算できる。
先願発明によれば、以上の操作によって回転子の位相、回転方向、及び回転速度が明らかになるため、電動機の回転子が空転している状態からインバータ４３を起動することが可能となる。
【００４８】
次に、請求項３の発明の実施形態を、図６を参照しつつ説明する。
上述した先願発明は相電流検出を前提としたものであり、このままでは、本発明の課題である直流入力電流ｉｄｃのみを検出する構成に適用できない。そこで、次のような操作を行うことによって本発明への適用を可能とする。
【００４９】
いま、図６（ａ）に示すように、Ｕ相下アームのスイッチング素子Ｑｘのみをオンした場合について考える。このときスイッチング素子Ｑｘに電流が流れると、その電流はスイッチング素子Ｑｘ、ダイオードＤｙまたはＤｚの少なくとも一方、及び電動機３１の間を循環する一点鎖線のような経路をとり、ｉｄｃとしては現れないため、電流検出器４２では検出できない。
次に、スイッチング素子Ｑｘをオフすることにより、図６（ｂ）に示すごとく全スイッチング素子をオフの状態とする。この場合、電動機３１のインピーダンスはインダクタンス成分を有するため、電流は直ちにゼロにはならず、Ｕ相電流は上アームのダイオードＤｕを通って電源側に流れる。このようにして、電源、ダイオードＤｙまたはＤｚの少なくとも一方、電動機３１、及びダイオードＤｕからなる経路で電流が流れることになり、これによって直流入力電流ｉｄｃが現れることになる。その後、Ｕ相電流が減衰してゼロになると、ダイオードの作用によって電流が遮断され、無通流状態となる。
【００５０】
従って、１つのスイッチング素子Ｑｘのみをオンした後にこのスイッチング素子Ｑｘをオフし、理想的にはそのオフの直後にｉｄｃの有無を検出することにより、スイッチング素子Ｑｘをオンした際に電流が流れたか否かを判定することができる（電流が流れなかった場合には、回転子位置が電気角で３０°〜１５０°の間にあったと判定可能である）。
すなわち、上記の操作を行うことにより、直流入力電流ｉｄｃを検出することで回転子位置が電気角で３０°〜１５０°の間にあるか、それ以外にあるかを判定することが可能になる。
【００５１】
次いで、請求項４の発明の実施形態を説明する。
１つのスイッチング素子Ｑｘにオン・オフ信号を繰り返し与えると共に、各オフ信号を与えている間にｉｄｃを検出し、その動作を継続してｉｄｃがゼロになれば、回転子位置が無負荷誘起電圧としてＵ相が最小となる範囲（正転の場合には３０°〜１５０°、逆転の場合には２１０°〜３３０°）に入ったと見なせる。その後、更にスイッチング素子Ｑｘのオン・オフ動作を継続し、ｉｄｃが再びゼロでなくなったならば、回転子位置が正転時に電気角で１５０°を通過し、逆転時には２１０°を通過したと見なすことができる。
すなわち、Ｕ相電流の通流開始からｉｄｃ≠０を検出するまでの遅れはあるものの、回転子位置をピンポイントで特定することができる。なお、スイッチング素子Ｑｘのオン・オフ動作を高周波で行えば、前記遅れを短くすることができると共に、時間遅れを予め見込んで補正することも可能である。
【００５２】
次に、請求項５の発明の実施形態を説明する。
前述したように、スイッチング素子Ｑｘのオンによる直流入力電流ｉｄｃの通流を検出した直後は、その他のスイッチング素子のうちのいくつかは、オン信号を与えても電流が通流しない。例えば、図４において、回転子位置の１５０°を検出した直後では、Ｖ相の誘起電圧ｅｖが最小、Ｗ相の誘起電圧ｅｗが最大になっているため、スイッチング素子ＱｙまたはＱｗをオンしても電流は通流しない。
【００５３】
ただし、相電流検出を行っていないため、回転子位置の１５０°または２１０°をｉｄｃによって検出した場合、電流がＶ相に流れたのか、Ｗ相に流れたのかを特定することはできない。よって、１５０°または２１０°の検出直後において、スイッチング素子をオンしても電流が流れないスイッチング素子の候補はＱｙ，Ｑｚ，Ｑｖ，Ｑｗの４つであり、これらのうちの２つが電流を通流してもオンしないスイッチング素子ということになる。以下では、操作するスイッチング素子を下アームに限定した場合について説明するが、もちろん上アームのスイッチング素子も含めて操作することも可能である。
【００５４】
いま、スイッチング素子Ｑｘのオン・オフ操作によって、ｉｄｃがゼロからゼロでない状態に変化した直後には、下アームのスイッチング素子ＱｙまたはＱｚの一方はオンしても電流は流れず、他方はオンすれば電流が流れる。よって、スイッチング素子Ｑｙ及びＱｚのいずれか一方につき、順番はどちらでもよいのでオン・オフ動作を行い、オフ期間中にｉｄｃを検出することを考える。
このとき、例えば最初にスイッチング素子Ｑｚをオン・オフしたとして、オフ期間中にｉｄｃがゼロだったならば、その状態ではＷ相の誘起電圧が最も低い、すなわち先ほど通過した回転子位置は２１０°であり、回転方向は逆転であったと判定することができる。
一方、スイッチング素子Ｑｚのオン・オフによってｉｄｃが通流したならば、その状態ではＶ相の誘起電圧が最も低く、先ほど通過した回転子位置（第１回目の検出位相）は１５０°であって回転方向は正転であったと判定することができる。
【００５５】
続いて、スイッチング素子Ｑｚのオン・オフによってｉｄｃが通流しなかった場合には、請求項５における第２のスイッチング素子としてＱｚに、ｉｄｃが通流した場合には同じく第２のスイッチング素子としてＱｙに、先ほどスイッチング素子Ｑｘに与えたような連続的なオン・オフ信号を与える。これにより、オフ期間中にｉｄｃが再びゼロからゼロでない値に変化したならば、今回は回転方向が分かっているので、回転子位置が通過した位相（第２回目の検出位相）をピンポイントで判定することができる。
なお、上記説明では３相の場合について説明したが、各相無負荷誘起電圧のうち１つの相が交互に最小となることは任意の相数の電動機に共通の事項であるため、上記の方法は任意の相数の電動機に適用可能である。
【００５６】
次に、請求項６の発明の実施形態を説明する。
上述した第２回目の位相検出後は、回転方向すなわち誘起電圧の相順が既知であるため、オンしても電流が通流しないスイッチング素子は既知となる。従って、当該スイッチング素子に同様に連続的なオン・オフ信号を与え、ｉｄｃがゼロからゼロでない値に変化したことをもって回転子が所定位相を通過したことを判定する動作を繰り返すことができ、回転子が３つ以上の所定位置を通過したことを判定可能になる。
この動作を全相について行えば、インバータのスイッチング素子のゲート駆動回路として、下アームのスイッチング素子のオンによって上アームのゲート駆動回路用電源が充電されるような構成を用いる場合、磁極位置の推定動作と上アームのゲート駆動回路用電源の充電とを同時に完了することができ、インバータの起動を効率よく実施することができる。
【００５７】
なお、電動機の結線を各相毎に特定せず、従って無負荷誘起電圧の相順が不明の場合には、前記のようにスイッチング素子をオンしても電流が通流しない相を探す操作を行うことによって本発明を適用可能であり、更には、この操作を全相について繰り返すか、または（相数−１）回繰り返すことにより、通常の電動機駆動時の必須情報である無負荷誘起電圧の相順を特定することも可能である。
【００５８】
以上に述べた操作によって、回転子が複数の所定位相を通過したことを判定可能になる。このようにして判定した通過時刻を記録しておけば、請求項７に記載するように、任意の２つの通過位相（通過位置情報）及び通過時刻をもって回転子の回転速度を求めることができる。
なお、所定位相の通過時刻は、通常はＣＰＵの制御周期毎にのみ記録されるため、位相角を時間差で割って回転速度を求める場合、時間差が小さいと丸め誤差が大きくなる。よって、判定回数をできるだけ増やし、時間差が離れた２つの所定位相を用いて速度を演算することによって、回転速度の演算精度を向上することができる。
上記のように、本実施形態によれば、回転子の位相、回転方向、及び回転速度が明らかになるため、フリーラン状態からインバータを速やかに起動することができる。
【００５９】
ここで、図７は請求項５〜７の実施形態によるフリーラン起動技術を、３相の駆動システムに適用した場合のフローチャートであり、図８は各部の動作波形である。図８の下端に記載した各ステップＳ１〜Ｓ１７は、図７の各ステップに対応している。
なお、図７におけるステップＳ１〜Ｓ１３は請求項５の発明の実施形態に相当し、スイッチング素子Ｑｘのオン・オフ操作後にＱｚを選択してオン・オフ操作を繰り返し、ｉｄｃが通流した場合にＱｙについてオン・オフ操作を繰り返す例である。
また、図７におけるステップＳ１４，Ｓ１５は、それぞれ請求項６，７の実施形態に相当している。
【００６０】
次に、請求項８に記載した発明の実施形態を説明する。
以上の説明では、回転子が空転している状態について述べた。しかし、実使用時には、インバータ起動時の回転子の状態としては極低速回転または停止状態もあり得る。この場合、無負荷誘起電圧は微少またはゼロとなっているため、どのスイッチング素子をオンしてもｉｄｃは検出限界以下、またはゼロということもあり得る。
従って、最初のスイッチング素子のオン・オフを開始して、所定時間ｉｄｃ＝０が継続した場合には回転子が極低速回転または停止状態と見なし、前述したフリーラン起動を取りやめることができる。
その後は、必要に応じて別の起動方法によってシステムを起動したり、または所定回転速度以上での起動を前提としているシステムにおいては低速エラーを発生させる等の動作に移ればよい。
【００６１】
次いで、請求項９に記載した発明の実施形態を説明する。
図９はこの実施形態を示す回路図であり、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
すなわち、この実施形態では、ｎ相インバータ４０’の回路構成が図１と異なっており、各スイッチング素子Ｓ１Ｐ〜Ｓ４Ｐ，Ｓ１Ｎ〜Ｓ４Ｎに対応して環流ダイオードＤ１Ｐ〜Ｄ４Ｐ，Ｄ１Ｎ〜Ｄ４Ｎが設けられている。このうち、上アームの環流ダイオードＤ１Ｐ〜Ｄ４Ｐはスイッチング素子Ｓ１Ｐ〜Ｓ４Ｐにそれぞれ逆並列接続され、下アームの環流ダイオードＤ１Ｎ〜Ｄ４Ｎのカソードはスイッチング素子Ｓ１Ｎ〜Ｓ４Ｎの一端にそれぞれ接続されていると共に、各アノードは一括して直流電圧部の負極に接続されている。
つまり、環流ダイオードＤ１Ｐ〜Ｄ４Ｐ，Ｄ１Ｎ〜Ｄ４Ｎは、直流電圧部の直流電圧を阻止する極性でそれぞれ接続されている。
【００６２】
なお、４２は前記同様に電流検出器であるが、この電流検出器４２は直流入力電流ｉｄｃを検出するのではなく、環流ダイオードＤ１Ｎ〜Ｄ４Ｎを流れる成分を含まない、すなわち能動素子であるスイッチング素子Ｓ１Ｎ〜Ｓ４Ｎを流れる電流成分としての直流電流ｉｄｃ’を検出する。つまり、前述した図１４と同様の検出原理をとっている。
【００６３】
本実施形態においても、図９に示すように、例えば上アームのスイッチング素子Ｓ１Ｐ，Ｓ２Ｐ及び下アームのスイッチング素子Ｓ３Ｎをオンし、その他のスイッチング素子を全てオフした状態では、電流ｉｄｃ’は電動機３０の第３相の電流に一致しており、かつｉｄｃ’はω，θ０の情報を含んでいるので、請求項１の実施形態と同様の方法により、ｉｄｃ’の検出値を用いてω，θ０を特定し、回転子位置を検出してフリーラン起動を行うことができる。
【００６４】
また、請求項１０に記載するように、上下両アームにつきそれぞれ異なる１相のスイッチング素子のみをオンしたときのｉｄｃ’を用いれば、電流が通流している２相を特定することができる。これにより、請求項２の実施形態と同様に、ω及びθ０を求める場合の回路方程式が簡略化されてＣＰＵの計算負荷が減少し、安価に装置を構成することができる。
【００６５】
次に、図１０は請求項１１の発明の実施形態を示す回路図であり、図９の回路構成を３相の駆動システムに適用した場合のものである。
この実施形態においても、前述した先願発明（特願２００４−１７１０９４号）に開示された相電流検出を前提とするフリーラン起動方法をそのまま適用することはできない。
そこで、次のような操作を行うことによりフリーラン起動を可能とする。
【００６６】
図１０に示すように、下アームのスイッチング素子Ｑｘのみをオンした場合について考える。このとき電流が流れると、電流はスイッチング素子Ｑｘ、電流検出器４２、ダイオードＤｙまたはＤｚの少なくとも一方、及び電動機３１の間を循環する。図１０の構成によれば、この時、スイッチング素子Ｑｘに流れる電流をｉｄｃ’として電流検出器４２により検出することができる。
なお、スイッチング素子Ｑｘをオンからオフに切り換えた場合には、前述の図６（ｂ）とは異なる回路構成上、電流検出器４２を通る電流経路は形成されない。
従って、スイッチング素子Ｑｘのオンによって電流が流れたか否かを判定することができ、これにより回転子位置が電気角で３０°〜１５０°の間にあるか（正転時）、または２１０°〜３３０°の間にあるか（逆転時）の間にあるか、あるいはこれらの領域以外であるかを判定することができる。
【００６７】
次いで、請求項１２の発明の実施形態について述べる。
スイッチング素子Ｑｘをオンした直後に電流が流れた場合、このスイッチング素子Ｑｘを直ちにオフする。この動作を繰り返すと、やがて回転子の回転によってＵ相無負荷誘起電圧ｅｕの位相が最小となる電気角となり、スイッチング素子Ｑｘをオンしてもｉｄｃ’＝０のままとなる。この状態において、更にスイッチング素子Ｑｘのオン状態を継続または断続すると、回転子の回転によってＵ相と他相の無負荷誘起電圧の大小関係が入れ替わることにより、環流電流が流れるようになるので、この電流をｉｄｃ’として検出することができる。
よって、ｉｄｃ’がゼロからゼロでない状態へ変化した時点で、Ｕ相と他相の無負荷誘起電圧の大小関係が入れ替わる電気角を通過したと判断することができ、その時点における回転子位置をピンポイントで特定することができる。例えばスイッチング素子Ｑｘのオン・オフ操作に関して言えば、無負荷誘起電圧位相が１５０°（正転時）または２１０°（逆転時）となる回転子位置を通過したと判断する。
【００６８】
次に、請求項１３の発明の実施形態を説明する。
回転子位置が１５０°または２１０°であることを判定した後の操作については、まず、スイッチング素子Ｑｘのオンによってｉｄｃ’がゼロからゼロでない値に変化した直後は、回転方向を判定できないので、スイッチング素子Ｑｙ，Ｑｚ，Ｑｖ，Ｑｗのいずれが、オンしてもｉｄｃ’が流れないスイッチング素子であるのか不明な状態である。
【００６９】
そこで、請求項５の発明の実施形態と同様に、スイッチング素子Ｑｙ，Ｑｚのいずれか一方を、順番はどちらでもよいのでオンする。その直後に電流ｉｄｃ’が流れない場合は、オンしたスイッチング素子の属する相において無負荷誘起電圧が最小となっていることを意味し、その時点で回転方向を特定することができる。一方、スイッチング素子Ｑｙ，Ｑｚのいずれか一方をオンした直後に電流ｉｄｃ’が流れた場合には、他方がオンしてもｉｄｃ’が流れないスイッチング素子であることは明白であり、やはり回転方向を特定することができる。
【００７０】
こうしてひとたび回転方向が分かれば、あるスイッチング素子のオン状態を継続してｉｄｃ’がゼロからゼロでない値に変化した際に、回転子位置をピンポイントで特定でき、更に、次にどのスイッチング素子が、オンしてもｉｄｃ’が流れないスイッチング素子であるのかが自明となる。従って、上記の動作を繰り返し行うことにより異なる時点での回転子位置を特定することができ、所定時間における回転子の回転角度が分かるため、回転速度を知ることができる。
【００７１】
以上のようにして、回転子の位置、回転方向、及び回転速度を判定できるため、これらの情報を用いてインバータのフリーラン起動を行うことが可能となる。
図１１は上述した請求項１３の実施形態によるフリーラン起動技術を、３相の駆動システムに適用した場合のフローチャートであり、図１２は各部の動作波形である。図１２の下端に記載した各ステップＳ２１〜Ｓ３９は、図１１の各ステップに対応している。
なお、図１１は、スイッチング素子Ｑｘのオフ操作後にＱｚを選択してオンさせ、ｉｄｃが通流した場合にＱｚをオフさせると共に、その後Ｑｙを選択してオン状態を継続させる例である。
【００７２】
次に、請求項１４の発明の実施形態を説明する。
請求項８の実施形態において説明したように、インバータ起動時の回転子の状態としては極低速回転または停止状態もあり得る。この場合、無負荷誘起電圧は微少またはゼロであり、どのスイッチング素子を所定回数オンしてもｉｄｃ’は検出限界以下またはゼロになるので、これを利用して回転子が極低速または停止状態であることを検出し、フリーラン起動を行わない判断基準とすることができる。
【００７３】
以上の説明においては、主に回転機を用いた場合について述べたが、回転機の代わりにリニアモータを用いた場合でも本発明を同様に適用することができる。このことは、回転機とリニアモータの電気的類似性を鑑みれば明らかである。
また、主に３相の場合について述べたが、本発明は任意の多相交流電動機駆動システムに適用可能である。
更に、誘起電圧波形が３相平衡正弦波であるものとして説明したが、多少の高調波が含有していたり、または３相誘起電圧に実質的に存在する位相ずれがあったとしても、本発明の適用に当たって特に支障はない。
【００７４】
また、各実施形態記載の技術が電動機を動力源とする場合でも発電機として用いる場合でも同様に適用可能であることは言うまでもない。
なお、本発明は、回転子または可動子が位置センサを備えていたり、端子電圧センサを有する電動機に対しても勿論適用可能である。すなわち、本発明は、上記各センサから得られる情報を用いずにフリーラン起動することを骨子としているので、例えば各センサが故障した場合のバックアップ用の技術としても有効である。
更に、各実施形態では、直流電圧部の負極側の電流を検出する構成について説明したが、正極側の電流を検出しても良いのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】請求項１の発明の実施形態を示す回路図である。
【図２】請求項３の発明の実施形態の前提となる駆動システムの回路図である。
【図３】図２において一部のスイッチング素子をオンした場合の等価回路図である。
【図４】図３において、回転子正転時の各相の無負荷誘起電圧を示す波形図である。
【図５】図３において、回転子逆転時の各相の無負荷誘起電圧を示す波形図である。
【図６】請求項３の発明の実施形態を示す動作説明図である。
【図７】請求項５〜７の発明の実施形態におけるフリーラン起動技術を、３相の駆動システムに適用した場合のフローチャートである。
【図８】請求項５〜７の発明の実施形態における各部の動作波形図である。
【図９】請求項９の発明の実施形態を示す回路図である。
【図１０】請求項１１の発明の実施形態を示す回路図である。
【図１１】請求項１３の実施形態によるフリーラン起動技術を、３相の駆動システムに適用した場合のフローチャートである。
【図１２】請求項１３の発明の実施形態における各部の動作波形図である。
【図１３】従来技術を示す回路図である。
【図１４】他の従来技術を示す回路図である。
【符号の説明】
【００７６】
３０：ｎ相界磁付き電動機
３１：３相電動機
４０，４０’：ｎ相インバータ
４１：平滑コンデンサ
４２：電流検出器
４３，４３’：３相インバータ
Ｓ１Ｐ〜Ｓ４Ｐ，Ｓ１Ｎ〜Ｓ４Ｎ：半導体スイッチング素子
Ｄ１Ｐ〜Ｄ４Ｐ，Ｄ１Ｎ〜Ｄ４Ｎ：環流ダイオード
Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ：半導体スイッチング素子
Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚ：環流ダイオード
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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