(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変周波数と可変電流の交流を出力可能な電力変換器と、
当該電力変換器に接続された同期モータを任意の回転数で駆動制御する制御器とを備えるモータ駆動装置であって、
前記制御器は、その駆動電流周波数の６倍の周波数で、モータ効率が最大となるｄ軸電流量よりも弱め界磁方向で絶対値の大きい値を最大値とするｄ軸最大電流量と、当該ｄ軸最大電流値よりも小さいｄ軸電流値との間の実ｄ軸電流値として変調し、前記変調される実ｄ軸電流がｄ軸電流最大値となる位相は、前記同期モータが有する少なくとも一つの相のコイルにおいて、駆動電流周波数の２倍の周波数成分の径方向磁気吸引力が最大となる位相であることを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記電力変換器の電力とモータ回転数より、前記同期モータのトルクを算出し、算出したトルクに応じて、実ｄ軸電流の変調振幅および変調情報の位相を定める請求項１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、電気エネルギを機械エネルギに変換して、所望の仕事を行う機械における、モータ駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のモータ駆動装置は、任意の回転速度を得るため、半導体回路により駆動制御するものであり、なかでも、回転子内に永久磁石を有するモータを用いることにより、小型で高効率なものが実現できる。特に、希土類元素を含む、より強力な永久磁石を採用することにより、高効率のモータを実現できる。
【０００３】
ところが、強力な永久磁石を用いると、永久磁石とステータ各相との間の吸引／反発力により回転トルクを得ることができる反面、ステータ各相と永久磁石が同じ角度にあるときには、回転方向ではなく、半径方向に吸引力を発生してしまう。この吸引力は極性に関係なく、磁力の大きいところで増大し、回転角度によって一様な値ではない。結果として、ステータの一点において、電気周波数の２倍の周波数（電気二次周波数）で半径方向の振動を引き起こす。これに対して、家庭電化機器や電気自動車などを念頭において、トルクに殆ど寄与しないｄ軸電流を意図的に流すことにより、半径方向の振動を低減する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−２１１５６１号公報
【特許文献２】特開２００８−１７６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の技術では、トルクに殆ど寄与しないｄ軸電流を常に流す必要があるため、駆動電流が増加し、モータの銅損が増加するという課題を有している。これに対して、ｄ軸電流を揺らがせることにより損失の増加を抑制する手法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、特許文献２に開示された技術は、変動周波数成分を実験的に求めるものであり、変調振幅や位相などの調整も含めると、その変調のパラメータを決定することに膨大な工数を要することになる。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、モータの銅損の増加を抑制しつつ、簡便に径方向の振動を抑制することができるとした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】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、ｄ軸電流を電気周波数の６倍の周波数で揺らがせるものである。
【０００８】
これによって、全ての相のステータにおいて、半径方向の吸引力が最大となる回転位相において、大きなｄ軸電流により吸引力を弱める効果を大きくし、それ以外のところではｄ軸電流を少なくして、必ずしも吸引力を弱めるとは限らないようにできるので、吸引力の変化の振幅を小さくすることができ、径方向振動を弱めることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のモータ駆動装置は、損失増加を抑制しつつ、径方向の振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置の制御ブロック図
【図２】同制御ブロックにおける、波形図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、可変周波数と可変電流の交流を出力可能な電力変換器と、当該電力変換器に接続された同期モータを任意の回転数で駆動制御する制御器とを備えるモータ駆動装置であって、
前記制御器は、その駆動電流周波数の６倍の周波数で、モータ効率が最大となるｄ軸電流量よりも弱め界磁方向で絶対値の大きい値を最大値とするｄ軸最大電流量と、当該ｄ軸最大電流値よりも小さいｄ軸電流値との間の実ｄ軸電流値として変調するものである。
【００１２】
これによって、径方向吸引力の大きい期間での吸引力を弱め、逆に径方向吸引力が小さくなる期間では吸引力を弱めないので、吸引力の変化振幅が小さくなり、常に弱めるためのｄ軸電流を増加させる手法よりも電流による損失増加を少なく保ちつつ、径方向の振動を低減することができる。
【００１３】
第２の発明は、特に第１の発明において、前記変調される実ｄ軸電流がｄ軸電流最大値となる位相は、前記同期モータが有する少なくとも一つの相のコイルにおいて、径方向の磁気吸引力が最大となる位相であるものである。
【００１４】
半径方向の磁気吸引力は、当該相においてトルクを発生しない位相にあるときに最大になり、トルクを発生できる位相にあるときには小さくなる。
【００１５】
第３の発明は、特に第１または第２の発明において、前記電力変換器の電力とモータ回転数より、前記同期モータのトルクを算出し、算出したトルクに応じて、実ｄ軸電流の変調振幅および変調情報の位相を定めるものである。
【００１６】
ロータの内部に永久磁石を内蔵させた、いわゆるＩＰＭモータでは、リラクタンストルクにより径方向吸引力の変動位相や大きさが変化するので、それぞれのトルクにおける位相変動量や大きさの変化を予め求めておき、トルクを検出することにより、ｄ軸電流の変調位相や変調幅を調整することで、常に最適な振動低減効果を得ることができる。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置の回路ブロック構成を示すものである。
【００１９】
図１において、モータ駆動装置は、可変周波数と可変電流の交流を出力可能な電力変換器と、電力変換器に接続されたモータ１と、モータ１を任意の回転数で駆動制御する制御器とを備えている。モータ１は、３つのコイルを備えた、三相の永久磁石同期モータである。
【００２０】
モータ１の回転状況を電流センサ３ｕ、３ｖ、３ｗにて検出し、回転位相θの情報あるいは推定情報θ＾を用いて座標変換手段４にて座標変換し、ｄ軸電流情報Ｉｄ、ｑ軸電流
情報Ｉｑに変換する。ここでｄ軸電流は、励磁的な電流であり、モータトルクには殆ど寄与しない電流であり、逆にｑ軸電流は、モータトルクに大きく寄与する電流である。
【００２１】
ｄ軸電流Ｉｄは、比較器１２に入力されて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊と比較して、その誤差を電流補償手段１４に入力して、等価的に電圧情報化したｄ軸電圧指令情報Ｖｄ＊を得る。
【００２２】
同様に、ｑ軸電流Ｉｑは、比較器１０に入力されて、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と比較して、その誤差を電流補償手段１３に入力して、等価的に電圧情報化したｑ軸電圧指令情報Ｖｑ＊を得る。
【００２３】
電流補償手段１３、１４は、それぞれの電流制御が高速かつ安定に動作させるための手段であり、例えば、良く知られたＰＩ（比例・積分）制御などが用いられる。このようにして得られた、ｄ軸電圧指令情報Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令情報Ｖｑ＊とは、座標変換手段５に送られて、回転位相情報θの情報あるいは、推定情報θ＾を用いて、三相電圧指令情報Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換される。
【００２４】
得られた三相電圧指令情報Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊は、三相交流電源２に送られて，電力を出現できる電圧に変換され、モータ１を駆動する。このようにして、モータ１に対して、所望の電流Ｉｄ＊、Ｉｑ＊で駆動する制御系が構成される。
【００２５】
次に、モータ１の回転位相の推定情報θ＾について説明する。回転位相推定手段６は、モータ１の電流情報Ｉｄ、Ｉｑおよび駆動電圧情報Ｖｄ＊、Ｖｑ＊からモータ１の回転位相の推定を行うものである。モータ１のインダクタンスや巻き線抵抗が既知であれば、これらを用いて、回転位相θおよび回転速度ωを推定することが可能である。例えば、モータ１の永久磁石同期モータであれば、モータパラメータのＲａ、Ｌｄ、Ｌｑ、Ψａを用いて、下記式（１）で示される電圧方程式が成立する。
【００２６】
【数１】
0006511648.tif 000002
【００２７】
この回転位相推定に若干の誤差「Δθ」があるとすると、下記式（２）のように、電圧方程式のｄ軸電圧成分に誤差「Δθ」に略比例した誤差が出現する。
【００２８】
【数２】
0006511648.tif 000003
【００２９】
したがって、電流制御によりＶｄ、ＶｑとＩｄ、Ｉｑとを安定させながら、ｄ軸成分に誤差「Δθ」が出現しないように、回転位相推定を修正してやれば、推定位相が正しい位
相になっていることになる。また、推定速度ωはその位相の微分情報として得ることができる。なお、回転位相推定の方法は、この方法に限定されるものではない。
【００３０】
このようにして得られた推定位相情報θ＾を座標変換手段４、５や６逓倍手段１９に送り、また、推定速度情報ω＾は、速度比較手段７に送り、回転速度制御を実現する。
【００３１】
一方、速度比較手段７では、モータ駆動装置が実現しようとする目標回転速度ω＊と推定回転速度情報ω＾とを比較し、その差を速度補償手段８に入力する。速度補償手段８は速度制御が高速かつ安定に動作させるための手段であり、電流制御系と同様に、良く知られたＰＩ制御などの手法が用いられる。
【００３２】
速度補償手段８の出力は等価的にトルクに相当する電流の指令Ｉａ＊になる。トルク相当電流指令Ｉａ＊は分配手段９にて、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊とｄ軸電流仮指令Ｉｄ０＊を得る。ｑ軸電流指令Ｉｑ＊は、電流検出の結果得られたｑ軸電流Ｉｑと比較器１０で比較されることにより、ｑ軸電流の制御系を構成する。なお、分配手段９におけるｄ軸とｑ軸の電流の分配比は、三相交流電源２から得られる電力情報を動力情報と見なして回転数指令ω＊で割った値、すなわちトルクに相当する量により最適になるように決定される。
【００３３】
一方、ｄ軸電流の仮指令Ｉｄ０＊は、加算手段１１で乗算手段１８からの情報δＩｄ＊と加算されて、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とした後、比較器１２にて、実際のｄ軸電流Ｉｄと比較されることによりｄ軸電流の制御系を構成する。
【００３４】
次に、乗算手段１８からの情報δＩｄ＊を得る工程について説明する。回転位相推定手段６の推定位相情報θ＾は、６逓倍手段１９を経由して、６倍の推定位相情報６θ＾を得る。６倍の推定位相情報θ＾は、加算手段２０に送られて、第二の変換テーブル１７から得られた、変調用位相オフセット情報「Δ」と加算されて、推定位相情報θ＾に対する６倍の推定位相情報「６θ＾＋Δ」となる。
【００３５】
この情報を正弦波演算手段２１に入力し、「ｓｉｎ（６θ＾＋Δ）」を算出して、乗算手段１８に入力して、第一の変換テーブル１６から得られた、変調量情報と乗算して、ｄ軸電流指令の変調量δＩｄ＊を得る。ここで、第一の変換テーブル１６、第二の変換テーブル１７への入力情報は、ブロック１５の出力、すなわちトルクに相当する量であり、トルクに応じて、第一の値である変調量、第二の値である変調用位相オフセットを読み出すものであり、モータ１のトルクによって生じる非線形特性に対応するものである。
【００３６】
図１の構成により、ｄ軸電流を電気周波数の６倍の周波数でゆらがせることができる。
【００３７】
図２は、回転位相における誘起電圧、ｄ軸電流、径方向吸引力の関係を示す波形図である。図２（ａ）は、従来例と同じ、ｄ軸電流を常にかつ一定に流すことによる吸引力変化を示しており、図２（ｂ）は、本実施の形態のｄ軸電流の大きさを電気周波数の６倍で変調させるようにするものである。下段の吸引力波形において、ｄ軸電流を殆ど流さない一般の駆動の場合は、破線のように、径方向吸引力は電気周波数の２倍周波数で大きく変動しており、この変動が径方向の加振力となり、振動騒音を引き起こす。図２（ａ）では、大きなｄ軸電流を常に一定に流すため、すべての位相において吸引力を弱める作用が働き、結果として、吸引力の変化も小さくなり、加振力が小さくなって、振動騒音を低減することができるものである。
【００３８】
一方、図２（ｂ）では、ｄ軸電流の大きさを揺らがせる。そのポイントは、径方向吸引力がもっとも大きくなるところである（Ｔ０、Ｔ６）でｄ軸電流を大きくし、径方向吸引力がもっとも小さくなるところである（Ｔ３、Ｔ９）で、ｄ軸電流を少なくなるようにす
るものである。
【００３９】
これは１つの相における吸引力変化に着目して事例であるが、一般のモータは三相交流で駆動されるため、吸引力変化は互いに１２０度ずつずれて出現する。このため、他の相での径方向吸引力がもっとも大きくなるところである（Ｔ２，Ｔ４，Ｔ８、Ｔ１０）でもｄ軸電流を大きくし、吸引力がもっとも小さくなるところである（Ｔ１，Ｔ５，Ｔ７）でもｄ軸電流を少なくなるようにする。すなわち、吸引力変化の周波数の３倍の周波数、すなわち電気周波数の６倍の周波数でｄ軸電流の大きさを変調する。
【００４０】
このときの吸引力波形を図２（ｂ）の下段に実線で示す。すなわち、吸引力がもっとも大きい位相においては、大きな抑制がなされ、吸引力がもっとも小さい位相においては、殆ど抑制がなされない。このため、吸引力変化の振幅は小さくなり、加振力が小さくなって、振動騒音を低減することができる。しかも、吸引力抑制に用いるｄ軸電流の平均値や実効値が下がるため、銅損の増大を低減することもできる。また、電気周波数の６倍周波数で変調することにより、三相すべてのコイルで同じ効果が得られる。
【００４１】
なお、回転子内部に磁石を内蔵する形式のいわゆるＩＰＭモータの場合、トルクに応じてｄ軸電流も流すほうが、効率が改善することが知られており、この場合、吸引力が最大になる位相や吸引力変化を小さくするための最適な電流量もずれるが、図１の第一の変換テーブル１６や第二の変換テーブル１７により補正することができ、しかもモータ緒元を用いて解析や予備実験を行えば、予め求めておくことができる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態においては、電気周波数の６倍周波数でｄ軸電流の大きさを変調することにより、吸引力の変化振幅が低減できるので、加振力が低減され、銅損の増加量を低減しつつ、径方向振動騒音を抑制することができる。
【００４３】
なお、実施例においては、モータの回転位相を推定する場合での例で示したが、回転位相検出器を設ける場合でも本発明を使用できることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明にかかるモータ駆動装置は、損失の増加を抑制しながら、径方向の振動騒音を低減でき、さらに、ｄ軸電流の変調周波数と回転数との関係が固定されているので、関連パラメータの決定も簡略化されるので、家庭電化製品や冷凍空調機器の電動圧縮機や、電気自動車のモータ駆動などの用途に容易に適用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１  モータ
２  三相交流電源
３ｕ、３ｖ、３ｗ  電流センサ
４  座標変換手段
５  座標変換手段
６  回転位相推定手段
１９  ６逓倍手段
【図１】
0006511648.tif 000004
【図２】
0006511648.tif 000005