(57)【要約】【課題】  従来脱調検出は回転数指令への軸ずれ量の演算値が基準値を上回った場合脱調と判断し、さらに電動機の印加電圧ならびに電流検出値から電動機の無効電力を演算して電動機の脱調の有無を判別する機能を設けたため、２検知方式が必要で、制御が非常に複雑となり、非常に高性能なマイコンおよび大量のメモリを必要としていた。【解決手段】  回転子位置を検出するための位置センサを用いずに、電動機に流れる電流の励磁電流成分であるｄ軸電流が目標値となるような電圧ベクトルを出力しインバータを駆動する際、ｄ軸電流目標値を周期的に変動させその時のｑ軸の電流応答により脱調を検出する。また、起動時三相短絡となる電圧ベクトルを出力することで回転中のロータにブレーキトルクをかけ減速しロータ位置固定を行い、その時発生する電流がモータの減磁レベルに達する場合は、速やかに通電を停止する。【選択図】        図１
2008067600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により得られた電流を励磁電流成分であるｄ軸電流と、トルク電流成分であるｑ軸電流のｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換手段と、座標変換手段により得られたｄ−ｑ座標電流の値から、励磁電流成分であるｄ軸電流が目標値となるような電圧ベクトルを出力しインバータを駆動する電圧ベクトル生成手段と、起動時の前記インバータに出力する信号設定値を前記インバータを短絡を発生させる電圧ベクトルを出力する信号を供給した後で、前記電動機のロータを位置固定するための電流出力信号を発生する起動時電流設定手段と、を備え、速度・位置センサレスで運転する電動機を駆動する前記インバータへ位置固定信号より前にブレーキトルクを発生させる信号を出力させることを特徴とする電動機の駆動装置。
【請求項２】
速度・位置センサレスで運転する電動機を駆動するインバータから前記電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、起動時前記インバータに出力する信号設定値を前記インバータを短絡を発生させる信号を供給する第１の信号設定手段と、前記第１の信号設定手段からの信号の後で前記電動機のロータを位置固定するための電流出力信号を発生する第２の信号設定手段と、を備え、前記第１の信号設定手段からの信号は前記電流検出手段の検出する電流が前記電動機に影響するような所定値に達する場合は停止させることを特徴とする電動機の駆動装置。
【請求項３】
前記請求項１または２に記載の電動機の駆動装置が制御し、且つ、速度・位置センサレスで運転することを特徴とする送風装置。
【請求項４】
前記請求項１または２に記載の電動機の駆動装置が制御し、且つ、速度・位置センサレスで運転する前記電動機の駆動する負荷が、送風機もしくは圧縮機であることを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項５】
インバータへ励磁電流成分であるd軸電流が目標値となるような電圧ベクトル信号を電圧ベクトル生成手段から出力するステップと、前記インバータで電動機を速度・位置センサレスにて駆動し運転するステップと、前記電動機を起動する際短絡を発生させる電圧ベクトルを出力することで回転するロータにブレーキトルクをかけるステップと、を備えたことを特徴とする電動機の駆動方法。
【請求項６】
前記ブレーキトルクをかける運転は、前記電動機に流れる電流が所定値に達した場合に停止させるステップと、を備えたことを特徴とする請求項５記載の電動機の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動機のロータの回転子位置を検出するための位置センサを用いずに駆動する電動機駆動装置の駆動装置、駆動方法に関する。またそれを用いた送風装置、冷凍空調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、永久磁石型同期電動機を速度・位置センサレスで駆動する電動機駆動システムでは、脱調時においてのみ特徴的に現れる物理量つまり電動機制御の安定化のために行っている回転数指令への補正量あるいは軸誤差（軸ずれ量）の演算値に対して基準値を設定し、これらの補正値あるいは軸誤差が予め設定した基準値を上回った場合に、脱調と判断する機能を設け、あるいは、電動機の印加電圧ならびに電流検出値から電動機の無効電力を演算し、この演算結果に基づいて電動機の脱調の有無を判別する機能を設けていた。（例えば特許文献１参照）
【０００３】
また従来の永久磁石型同期電動機を用いた送風機の駆動装置では、ブラシレスモータの起動前に、位置検出手段の出力信号に基づいてブラシレスモータの回転方向と回転速度を検出する判別手段と、検出された起動前の回転速度が予め定めた規定値以下で回転方向が逆転のとき、位置検出手段からの検出信号の組合わせモードにスイッチング手段の駆動信号の通電モードを合致させて通電し、ブラシレスモータの回転を停止させる逆転停止手段とを有しているため、起動時の風向が逆転の場合でも、停止させて起動していた。（例えば特許文献２参照）
【０００４】
また従来の永久磁石型同期電動機を用いた送風機のモータ誘起電圧による位置検出手段を有する駆動装置では、ブラシレスモータの起動前に、電気子巻き線を短絡した状態を経てから、電気子巻き線の特定相に通電し、回転子の位置決めを行ってから起動していた。（例えば特許文献３参照）
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−７９２００号公報（請求項２、００１１欄）
【特許文献２】特開平９−８９３５２号公報（請求項１）
【特許文献３】特開平９−１４０１８４号公報（００１５欄）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
文献１に示される、従来のインバータ装置での脱調検出は、確実な検知を行うために電動機制御の安定化のために行っている回転数指令への補正量あるいは軸誤差（軸ずれ量）の演算値に対して基準値を設定し、これらの補正値あるいは軸誤差が予め設定した基準値を上回った場合に、脱調と判断する機能を設け、さらに電動機の印加電圧ならびに電流検出値から電動機の無効電力を演算し、この演算結果に基づいて電動機の脱調の有無を判別する機能を設ける必要があるため、同時に２方式の検知方式が必要で、制御が非常に複雑となり、その実現のためには非常に高性能なマイコンおよび大量のメモリを必要としていた。また電動機制御の安定化のため軸ずれ量を用いているため、出力電圧が飽和し、目標電圧と、出力電圧が一致しない、高出力領域では軸ずれの推定式が成り立たたず、運転が不可能であるといった課題があった。
【０００７】
従来誘導電動機を用いていた換気送風機等の分野においては、市場の省エネ要求に対応するため直流電動機を用いることが効果的であるが、特に製品のコスト自体が安価なため、その駆動装置にも低コスト化強く求められる。このような低コストの製品では異常状態では安定的に制御を行うことが出来ないと言う問題があった。
【０００８】
文献２に示される、従来のインバータ装置の起動方式では、外風時の起動時に位置検知手段が必要となりその実現のために回路部品の追加に伴う、コストおよび、サイズアップとなるといった課題があった。
【０００９】
また従来誘導電動機を用いていた換気送風機等の分野においては、省エネ化の推進のためには、既存の誘導電動機の生産設備を流用し直流電動機を生産することが投資の面から効果的である。しかしながらセンサが必要な場合、モータ内にその設置スペースが新たに必要となり、モータの筐体サイズが変更となり、既存生産設備が使えず新たに、おおきな生産設備投資の必要があるといった課題もある。低コストの製品で起動時などでも安定した制御を求められると言う問題があった。
【００１０】
文献３に示される、従来のインバータ装置では、外風時の起動性能の改善にはなるが、誘起電圧情報が必要なため外風時の起動時に誘起電圧を用いた位置検知手段が必要となりその実現のために回路部品の追加に伴う、コストおよび、サイズアップといった課題があった。このように負荷によっては起動時など特殊な条件にて安定した制御が出来ないと言う問題があった。
【００１１】
また定常運転時もこの誘起電圧を用いた位置検知手段をのみを用いて運転を行う場合、位置検知のためには検知相の通電を停止する必要があり、巻き線への通電停止および再開時の電圧変動に起因するトルク変動が発生する。そのため共振による騒音が発生しやすく、静音性能が要求される、送風機用にはコストおよび長期の開発評価期間が必要な共振対策が必要といった課題もある。さらに巻き線の電流をモニタしていないため、逆流防止のシャッター異常の等により通常想定される以上のトルクがモータにかかった場合、モータの減磁が発生してしまうといった課題もある。
【００１２】
本発明は上記のような問題を解決するもので、インバータで駆動する電動機の過電流保護では引っかからないような特殊な運転時や定常運転において、速度・位置センサレスで安定した制御が可能な電動機の駆動装置、駆動方法を提供するものである。又このような電動機の駆動装置を使用することにより省エネルギー性能の高い送風装置、冷凍空調装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の電動機の駆動装置は、電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により得られた電流を励磁電流成分であるｄ軸電流と、トルク電流成分であるｑ軸電流のｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換手段と、座標変換手段により得られたｄ−ｑ座標電流の値から、励磁電流成分であるｄ軸電流が目標値となるような電圧ベクトルを出力しインバータを駆動する電圧ベクトル生成手段と、起動時の前記インバータに出力する信号設定値をインバータを短絡を発生させる電圧ベクトルを出力する信号を供給した後で、電動機のロータを位置固定するための電流出力信号を発生する起動時電流設定手段と、を備え、速度・位置センサレスで運転する電動機を駆動するインバータへ位置固定信号より前にブレーキトルクを発生させる信号を出力させるものである。
【００１４】
本発明の電動機の駆動装置は、速度・位置センサレスで運転する電動機を駆動するインバータから電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、起動時インバータに出力する信号設定値をインバータを短絡を発生させる信号を供給する第１の信号設定手段と、第１の信号設定手段からの信号の後で電動機のロータを位置固定するための電流出力信号を発生する第２の信号設定手段と、を備え、第１の信号設定手段からの信号は電流検出手段の検出する電流が電動機に影響するような所定値に達する場合は停止させるものである。
【００１５】
本発明の電動機の駆動方法は、インバータへ励磁電流成分であるd軸電流が目標値となるような電圧ベクトル信号を電圧ベクトル生成手段から出力するステップと、インバータで電動機を速度・位置センサレスにて駆動し運転するステップと、電動機を起動する際短絡を発生させる電圧ベクトルを出力することで回転するロータにブレーキトルクをかけるステップと、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、安価で信頼性が高い電動機の運転状態を実現できる駆動装置、駆動方法が得られる。又この発明は、簡単な構成で安定した制御を可能にするものである。又この発明は信頼性が高く省エネルギー性能の高い送風装置や冷凍空調装置を得るものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は実施の形態１を示す図で、インバータ装置の構成を示す図である。図において、直流電源部１から直流が、インバータ装置２にて可変周波数の交流に変換され、３相同期電動機６に供給される。インバータ装置２のインバータを形成するスイッチング素子３において、３ａはＵ相上側スイッチング素子、３ｂはＶ相上側スイッチング素子、３ｃはＷ相上側スイッチング素子、３ｄはＵ相下側スイッチング素子、３ｅはＶ相下側スイッチング素子、３ｆはＷ相下側スイッチング素子である。スイッチング素子３のそれぞれに並列に接続された還流ダイオード４はスイッチング動作に役に立っている。スイッチング素子３およびスイッチング素子３のそれぞれに並列に接続された還流ダイオード４からインバータ主回路５が形成されている。
【００１８】
次に制御装置を説明する。７ａは同期電動機６に流入する電流のうち一相の電流を検出する電流検出手段、７ｂは電流検出手段７ａと異なる相の電流を検出する電流検出手段、８は電流検出手段７ａ、７ｂにより検出された電流に基づきインバータ主回路５内のスイッチング素子３をオン・オフ制御するインバータ制御手段である。
【００１９】
９はインバータ制御手段８内に設けられた同期電動機６の駆動制御を行う電動機制御部、１０は電流検出手段７ａ、７ｂにより検出された２相分の電流から３相の電流を求める相電流演算手段、１１は相電流演算手段１０より求められた３相の電流をｄ−ｑ座標の電流に変換する座標変換手段、１２は座標変換手段１１により求められたｄ−ｑ座標電流を基に同期電動機６を駆動するためのｄ−ｑ座標の出力電圧指令値を求める電圧指令値演算手段、１３は電圧指令値演算手段１２により求められたｄ−ｑ座標の出力電圧指令値を基に出力電圧ベクトルを求める出力電圧ベクトル演算手段、１４はインバータ制御手段８内で求められた出力電圧指令値を基にスイッチング素子３をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を発生させるＰＷＭ信号発生手段、１５は直流電源部１の直流電圧を検出する直流電圧検出手段、１７は現在の周波数に対応した目標励磁電流指令を発生する目標励磁電流（Ｉｄ＊）発生手段である。
【００２０】
１６はインバータ制御手段８内に設けられた同期電動機６の脱調を検出する脱調検出手段で、周波数成分抽出手段１８、電流比較手段１９、回数比較手段２０で構成される。なおここで説明する同期電動機はＤＣブラシレスモータであって、これに対し速度・位置センサレスの安価・簡単な構成で信頼性の高い制御内容を有する電動機の駆動装置を説明する。
【００２１】
周波数成分抽出手段１８は座標変換手段１１より得られたｄ−ｑ座標電流と目標励磁電流指令Ｉｄ＊の変調周波数Ｆ０からトルク電流成分（Ｉｑ）のＦ０成分を抽出する。これをＩｑω０と称する。電流比較手段１９は１８より得られたＦ０周波数成分のＩｑ電流の絶対値と基準電流となる第一の所定値Ｉｔｈの絶対値との大小を比較する。回数比較手段２０は電流比較の結果、変化するＩｑ電流値が第１の所定値以下である回数Ｓｉと第二の所定値ＮＧ−Ｌｅｖｅｌを比較し、第二の所定値以上となった場合に脱調と判断する。
【００２２】
上記のように手段がマイコン内のソフトウエアで構成されたインバータ装置の動作を、図１を用いて説明する。図において、インバータ装置２は同期電動機６に流入する相電流のうち２相分の電流を電流検出手段７ａ、７ｂより検出する。検出した２相分の電流、例えばＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流Ｉｖを用いて、インバータ制御手段８は、同期電動機６を駆動するためにインバータ主回路５が出力する電圧値および電圧位相等の出力電圧指令値を演算により求め、インバータ主回路５内のスイッチング素子３をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を出力する。
【００２３】
インバータ制御手段８内の電動機制御部９では、インバータ装置の電動機駆動信号の処理を行う。ここでは、以下に記載する動作にて電動機駆動のためのＰＷＭ信号を出力する。電流検出手段７ａ、７ｂにより検出された相電流Ｉｕ、Ｉｖにより相電流演算手段１０にて３相分の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを求め、座標変換手段１１により３相分の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗはｄ−ｑ座標の電流Ｉｄ、Ｉｑに変換される。目標励磁電流発生手段１７において現在の回転周波数ｆに対応した目標励磁電流指令値Ｉｄ＊を発生する。電圧指令値演算手段１２はｄ−ｑ座標の電流Ｉｄ、Ｉｑ、Ｉｄ＊および回転速度指令値ｆ＊に基づき、ｄ−ｑ座標における出力電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算により求める。すなわち現在の周波数ｆは電圧指令値演算手段１２にて、例えば一定の割合で目標周波数ｆ＊に収束するように決定され、Ｉｄ＊生成手段１７へ送られる。Ｉｄ＊生成手段１７では電圧指令値演算手段１２で生成されるｆと、この現在の周波数ｆよりも低く設定されるようにあらかじめ電動機の運転周波数範囲よりも大幅に低くあらかじめ設定されＩｄ＊生成手段１７のマイコンに固定データとして登録された周波数Ｆ０により、Ｉｄ＊を生成して電圧指令値演算手段１２へ送りｄ−ｑ座標の電流Ｉｄ、Ｉｑ、Ｉｄ＊および回転速度指令値ｆ＊に基づき、ｄ−ｑ座標における出力電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算により求めることになる。
【００２４】
ここで、回転速度指令値ｆ＊はインバータ装置の上位装置、例えばインバータ装置の搭載されたシステムのメインマイコンや他のインターフェース（マンマシンインターフェースなど）より与えられる。出力電圧ベクトル演算手段１３はｄ−ｑ座標の出力電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊より出力電圧ベクトルＶｘ＊を演算により求める。ＰＷＭ信号発生手段１４は直流電圧検出手段１５より得られた直流電圧Ｖｄｃと出力電圧ベクトルＶｘ＊よりスイッチング素子３をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を求め出力する。
【００２５】
ＰＷＭ信号発生手段１４により出力されたＰＷＭ信号に基づき、インバータ主回路５内のスイッチング素子３がオン・オフ動作される。スイッチング素子３のオン・オフ動作によりインバータ主回路５より同期電動機６に電力が供給され、ブラシレスモータである同期電動機６が駆動される。
【００２６】
次に、本発明による脱調検出方式の一例を、図１〜図３を用いて詳細に説明する。図２に示す波形図は、同期電動機６が正常に同期運転している場合の各種波形の一例を示すものである。図２において、波形（ａ）はインバータ制御手段８の中で用いられている位相角（電気角位相）、波形（ｂ）は目標励磁電流発生手段１７で得られるｄ軸電流の目標値Ｉｄ＊、波形（ｃ）は座標変換手段１１で得られるｄ−ｑ座標電流のうちのｑ軸電流Ｉｑ、波形（ｄ）は電流比較手段１７でｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈとを比較した状態を示す。同期電動機が同期運転時、ｄ軸電流の目標値Ｉｄ＊の変動周期に応じてｑ軸電流は変動する。その周波数成分を含む波形Ｉｑω０は周期的にあらかじめ設定された基準電流Ｉｔｈを超える。この基準電流Ｉｔｈと比較した結果である比較結果信号Ｓｉは波形（ｃ）で示される周期的なパルス形状となる。すなわち波形（ｃ）は電流比較手段１７でｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈとの比較結果である比較結果信号Ｓｉを示す。
【００２７】
図３に示す波形図は、同期電動機６が脱調している場合の各種波形の一例を示すものである。図３において、波形（ａ）はインバータ制御手段８の中で用いられている位相角（電気角位相）、  波形（ｂ）は目標励磁電流発生手段１７で得られるｄ軸電流の目標値Ｉｄ＊、波形（ｃ）は座標変換手段１１で得られるｄ−ｑ座標電流のうちのｑ軸電流Ｉｑ、波形（ｄ）は電流比較手段１７でｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈとの比較した状態を示す。同期電動機が同期運転時、ｄ軸電流の目標値Ｉｄ＊の変動周期に応じてｑ軸電流は変動する。その周波数成分を含む波形Ｉｑω０は周期的にあらかじめ設定された基準電流Ｉｔｈを超える。しかし脱調時にはｑ軸電流はｄ軸電流の目標値Ｉｄ＊の変動周期とは無関係になり、基準電流Ｉｔｈを超えない。負荷がファンの場合は波形（ｄ）のようにほとんど変化しない波形Ｉｑω０と成る。負荷が圧縮機のような場合は若干変化するが目標値Ｉｄ＊の変動周期より低い周波数で変動するので基準電流Ｉｔｈを超える数が少なくなる。この基準電流Ｉｔｈと比較した結果である比較結果信号Ｓｉは波形（ｃ）で示される様に周期的なパルスは発生しない。すなわち波形（ｃ）は電流比較手段１７でｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈとの比較結果である比較結果信号Ｓｉが発生していないことを示している。
【００２８】
ここで、図２、図３、に示す波形図は表面磁石配置型同期電動機６の例として回転子の極数が４極電動機における波形を示している。
【００２９】
図２に示すように、同期電動機は同期運転時であれば、ｄ軸電流Ｉｄ＊の変動周期に応じｑ軸電流が変動し、そのＦ０成分ＩｑＦ０は周期的にＩｔｈを超える。このため、基準電流Ｉｔｈと比較した結果である比較結果信号Ｓｉは、基準電流Ｉｔｈに応じて周期的なパルスとなる。
【００３０】
図３に示すように、同期電動機が脱調状態であれば、ｄ軸電流Ｉｄ＊の変動周期に応じｑ軸電流は変動せず、そのＦ０成分ＩｑＦ０はＩｔｈを超えない。このため、基準電流Ｉｔｈと比較した結果である比較結果信号Ｓｉはゼロとなる。
【００３１】
以上から、脱調時と同期時とでは、ｄ−ｑ座標電流のうち、ｄ軸電流の目標値Ｉｄ＊の周期的変動Ｆ０に対するｑ軸電流の応答が異なり、ｑ軸電流のＦ０成分と基準電流Ｉｔｈとの交差数に差異を生じる。このため、この違いを検出することで脱調を検出することが可能となる。
【００３２】
具体的には、所定時間Ｔｍ内のｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈとの交差数Ｓｉを計測しＳｉの合計が、脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ以下となった場合にのみ脱調と判断するようにする。
【００３３】
一回転中における変動の小さい送風機等の負荷を駆動する電動機では、図２に示すように同期運転時のｄ−ｑ座標電流に生じる変動成分（交流成分）は大きく、図３に示す脱調時のｄ−ｑ座標電流に生じる変動成分（交流成分）は同期時に比べて小さい。一回転中における変動が小さい送風機等の負荷を駆動する電動機であれば、ｄ−ｑ座標電流中のＩｑに含まれるＦ０成分を検出し、その交流成分の大きさが所定値より少ない場合に脱調とすることで、脱調検出を行ってもよい。
【００３４】
また一回転中における変動が大きい圧縮機のような負荷を駆動する電動機では、同期運転中においてもｄ−ｑ座標電流に大きな変動が生じる。この場合はあらかじめ設定するＩｄ＊の変動周期Ｆ０を負荷変動の周期と違う周期を選択すればＳ／Ｎ比が大きく取れ、大きい負荷を駆動する電動機の場合でも精度良く脱調を検出することができる。
【００３５】
ここで、図２〜図３のようにｄ軸電流Ｉｄ＊の変動に応じｑ軸電流Ｉｑに同期時と脱調時に差異が現れる現象について、図４〜図７を用いて以下に説明する。
【００３６】
図５に永久磁石型同期電動機の回転子とインバータ制御手段８上の座標の関係を示す。図５において、回転子上でＮ極側をｄ軸とし、回転方向に９０度進んだ位相をｑ軸とするのが一般的である。
【００３７】
同期電動機の駆動に回転子の位置を検出する位置センサを用いない場合、インバータ制御手段８では回転子のｄ−ｑ軸を正確に捉えることができないため、インバータ制御手段８側では、推測したｄ−ｑ軸としてγ−δ軸を定義する。また、３相固定座標のＵ相から見たインバータ制御手段のγ−δ軸と定義した角度に対し位相角を電気角位相θｅとする。
【００３８】
ここで同期電動機として、表面磁石配置形同期電動機のようなｄ軸とｑ軸のインダクタンスが略同じ値の非突極形電動機について説明する。同期運転状態では、電動機回転子とインバータの出力電圧位相とに同期が取れている状態である。このため回転子位相（ｄ−ｑ軸）とインバータの出力電圧位相（γ−δ軸）との関係が一定の位相差Δθを保った状態、つまりインバータの出力電圧位相γ−δ軸を基準とした場合、図４のようにγ−δ軸から見たインダクタンスＬγ、Ｌδが等しく、ｄ軸電流Ｉｄ（Ｉγ）とｑ軸電流Ｉｑ（Ｉδ）はほぼ直流となる。
【００３９】
しかしながら、目標ｄ軸電流指令Ｉｄ＊を周期的に変動させた場合、その変動に応じて電気角位相θｅおよび電気角位相差ΔθがＩｄ＊の変動周期に応じて変動する。これはロータに周期的なムラが発生した状態である。この回転ムラに対しローターおよび負荷にはイナーシャが存在するため、回転トルクを発生するｑ軸電流Ｉｑ（Ｉδ）の変動が発生する。即ちｄ軸電流が時間的に変動しその変動に応じて回転むらが生じる。このためインバータの出力電圧位相γ−δ軸と回転子位相ｄ−ｑ軸とが一回転中に変動を起こすため非制御量であるｑ軸電流Ｉｑ（Ｉδ）に変動が発生する。
【００４０】
一方、脱調状態では、ロータは停止しており誘起電圧を発生しないため目標ｄ軸電流指令Ｉｄ＊を変動に応じた回転むらは発生せず、トルク電流であるｑ軸電流Ｉｑ（Ｉδ）に回転むらに応じた変動を発生しない。
【００４１】
このように、回転子一回転中のｄ−ｑ座標電流Ｉｄのｄ軸電流指令Ｉｄ＊を変動させ、Ｉｑの変動数を検出することで、回転子の動作状態を把握することができ、同期電動機の脱調が検出可能となる。
【００４２】
本発明による脱調検出の流れを、図５を用いて説明する。図５において、ＳＴＰ１０１は脱調検出処理を開始する脱調検出開始ステップ、ＳＴＰ１０２は同期電動機６に流入する電流を検出する相電流検出ステップであり、図１の相電流検出手段７ａ，７ｂで行う動作に相当する。ＳＴＰ１０３は３相分の相電流を演算する相電流演算ステップであり、図１の相電流演算手段１０で行う動作に相当する。ＳＴＰ１０４は３相電流をｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換ステップであり、図１の座標変換手段１１で行う動作に相当する。
【００４３】
ＳＴＥＰ１０５は座標変換後のｑ軸電流のうちＦ０周波数成分を抽出するステップであり、図１の１８で行う周波数成分抽出動作に相当する。ＳＴＰ１０６はｄ−ｑ座標電流と第一の所定値である基準電流とを比較し、比較結果出力信号を出力する電流比較ステップであり、図１の電流比較手段１９で行う動作に相当する。
【００４４】
ＳＴＰ１０７は電流比較ステップＳＴＰ１０６ので得られる比較結果信号から所定時間におけるｄ−ｑ座標電流と第一の所定値である基準電流Ｉｔｈとの交差数と単位時間あたりの所定値である脱調検出回数Ｎｅｒｒと比較し、脱調の発生の有り無しを検出する比較ステップであり、図１の回数比較手段２０での処理に相当する。
【００４５】
ＳＴＰ１０８は一致回数を比較するステップの結果が脱調であった場合ＰＷＭの出力を停止させるＰＷＭ出力停止ステップ、ＳＴＰ１０９は脱調異常としてインバータを停止される停止ステップである。
【００４６】
脱調検出の流れは以下のようになる。ＳＴＰ１０１の脱調検出開始ステップで、電動機の駆動制御とともに脱調検出処理が開始される。ＳＴＰ１０２以降の脱調検出処理を実行する。ＳＴＰ１０２の相電流検出ステップでは電流検出手段７ａ、７ｂにより同期電動機６に流入する電流の少なくとも２相分例えばＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖを検出する。ＳＴＰ１０３の相電流演算ステップでは相電流検出ステップＳＴＰ２で得られた相電流Ｉｕ、Ｉｖから相電流演算手段１０より３相分の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを演算する。ＳＴＰ１０４の座標変換ステップは相電流演算ステップＳＴＰ１０４で得られた３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを座標変換手段１１によりｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑに座標変換する。ここで、相電流演算ステップＳＴＰ１０３は省略可能、例えば２相の電流から直接ｄｑ軸の電流を演算することにより、であり、電流検出ステップＳＴＰ１０２から座標変換ステップＳＴＰ１０４へ進むことも可能である。
【００４７】
ＳＴＰ１０６の電流比較ステップでは、電流比較手段１９にて座標変換ステップＳＴＰ１０５で得られたｄ−ｑ座標電流ＩｑのＦ０周波数成分を所定値である基準電流Ｉｔｈと比較し比較結果信号Ｓｉを求める。詳しくは、ＳＴＰ１０６ａの電流比較判断ステップで、ｄ−ｑ座標電流の例えばｑ軸電流ＩｑＦ０と第一の所定値による基準電流Ｉｔｈと大小を比較する。|ＩｑＦ０|＞Ｉｔｈの場合ＳＴＰ６ｂに進みそれ以外の場合はＳＴＰ６ｃに進む。ＳＴＰ６ｂの比較結果信号出力ステップ１では比較結果信号ＳｉをＳｉ＝１と出力し、ＳＴＰ６ｃの比較結果信号出力ステップ２では比較結果信号ＳｉをＳｉ＝０と出力する。
【００４８】
ＳＴＰ１０７の回数比較ステップでは、比較手段２０にて電流比較ステップＳＴＰ１０６で得られた比較結果信号Ｓｉの単位時間あたりの変化数と所定値である脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌを比較し、脱調か同期かを判断する。詳しくは一致回数比較判断ステップＳＴＰ１０７ａにて電流比較ステップＳＴＰ１０６で得られた比較結果信号Ｓｉの、単位時間あたりの変化数所定値である脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌを比較しＳｉ＜＝ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌとなった場合に脱調と判断し、ＳＴＰ８に進む。これ以外の場合は、ＳＴＰ２の相電流検出ステップに戻る。
【００４９】
ＳＴＰ１０８のＰＷＭ停止ステップでは、回数比較ステップＳＴＰ１０７にて脱調を検出した場合にインバータの電圧出力を停止するため、ＰＷＭ信号発生手段１４のＰＷＭ信号出力を停止させる。
【００５０】
ＳＴＰ１０９のインバータ停止ステップでは、インバータ制御手段８の動作も停止させ、異常表示、異常状態報知音を発生するなどしてインバータ装置の動作を停止させる。
【００５１】
また、本発明による同期電動機の脱調検出方法をインバータ装置に適用することで、精度良く脱調検出が可能な信頼性の高い安価なインバータ装置が実現できる。このようなインバータ駆動の同期電動機の駆動に回転子の位置を検出する位置センサを用いない換気などを行う送風機に使用した場合、インバータにて回転数を変化させ省エネルギー運転を行うことが出来るとともに安定した信頼性の高い運転を安価に行うことが出来る。個別住宅の室内換気扇からビル用換気扇、工場扇等多くの送風機がこのシステムを使用することで電力を大幅に減らすことも出来地球環境保護にも有用である。
【００５２】
又冷凍空調装置において、送風機用電動機が脱調を継続すると冷凍空調装置の能力、例えば冷蔵庫では冷却能力が低下し庫内の食品が冷えなくなったり、エアコンでは冷房が効かなくなるなど、が得られず、また、圧縮機や電動機、冷媒配管、インバータ回路など、過電流検出機能に引っかからない状態での過負荷が継続して、各機器や部品に損傷を与えるなど装置に悪影響を与える場合がある。本発明による同期電動機の脱調検出方式を冷凍空調装置の送風機駆動用インバータに適用することで、送風機の脱調を精度良く検出することが可能となり、前記のような冷凍空調装置に対する悪影響を抑制することが可能となる。これにより冷凍空調装置の信頼性を向上することが可能となる。
【００５３】
以上に示した様に本発明では、同期電動機として表面磁石型同期電動機（ＳＰＭＳＭ）の例を示したが、同様に用いられる他の同期電動機として、ブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣＭ）、リラクタンスモータ（ＲＭ）、シンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙＲＭ）、スイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）などの電動機であれば同様の構成にて脱調検出が可能である。
【００５４】
図６は本発明の制御フローを示す図で、インバータ装置の起動の流れ図である。図において、ＳＴＥＰ１はブレーキ出力処理、ＳＴＥＰ２はロータ位置固定処理、ＳＴＥＰ３は起動電圧出力処理、ＳＴＥＰ４は通常制御処理である。
【００５５】
次に、本発明の同期電動機の起動方式について述べる。インバータ装置の構成は図１のものを用いる。まず図６のＳＴＥＰ１において、図１のＰＷＭ出力手段より３ａ、３ｅ、３ｆの下側ＩＧＢＴを同時ＯＮとする。このときモータが外風等で回転している場合、モータに短絡電流が発生し、ブレーキモードとなりロータの回転数が低下する。
【００５６】
次にＳＴＥＰ２において図１のＰＷＭ出力手段より３ａ，３ｆの上下２つのＩＧＢＴをＯＮして固定相に励磁を行い回転数が下がり、イナーシャのエネルギーが小さくなったロータを特定位置に固定する。次にＳＴＥＰ３において固定位置に対し、最大のトルクを発生する位置から目的の回転方向に回転磁界を発生させ、加速を行い、ロータの回転を上げる。次にＳＴＥＰ４において、所定の回転数を超えたところで本発明で示される通常の制御を行う。
【００５７】
図７を用いて本発明についてさらに詳細に述べる。図７は図６のＳＴＥＰ１の詳細な流れ図である。図７に示される様に、ＳＴＥＰ１０にてブレーキ出力後、ＳＴＥＰ１１に示される様にモータに流れる電流をモニタして、減磁電流より小さい場合は、ＳＴＥＰ１２に示される様にブレーキ時間が終了判定を行い、規定時間ブレーキ出力し、次ステップに移行する。
【００５８】
図７でブレーキ中に電流増加が発生し、モータの永久磁石に対して減磁電流に到達しそうな場合はＳＴＥＰ１３に移行し、ブレーキ出力を停止し減磁電流の発生を防ぐ。モーターの相巻線に流れる電流が大きくなり、永久磁石の抗磁力以上を誘起する状態になれば磁石の発生電圧を下げるという問題がある。さらにＳＴＥＰ１４にて起動の異常情報を不揮発性のメモリに記録する。ＳＴＥＰ１５にて起動の異常を使用者に報知する。製品動作の表示用の単体ＬＥＤに点滅、もしくは８セグメントＬＥＤもしくは液晶等の表示デバイスを備えていればそれを用いて視覚的に報知しても良い。またブザーにより聴覚的に報知しても良い。その後ＳＴＥＰ１６に示す様に再起動の指令があるまで待機する。
【００５９】
換気扇などの送風機に本実施の形態を適用した場合に起動の異常は、すなわち送風装置の逆流防止シャッターの異常であり、それを使用者もしくはサービスマンに報知することができ、施工時のシャッター取付け不良、異物の挟まり等によるシャッターの故障の発見が可能である。
【００６０】
また、異常情報を記録しておくことで、サービスマンが異常の回数等の状況を、時間経過をした後にも確認することが可能となり、異常の原因の判断がしやすくなる。
【００６１】
図８を用いて本発明についてさらに詳細に述べる。図８は図６のＳＴＥＰ２の詳細な流れ図である。図８に示される様に、ＳＴＥＰ２０にてロータ位置固定出力後、ＳＴＥＰ２１に示される様にモータに流れる電流をモニタして、減磁電流より小さい場合は、ＳＴＥＰ２２に示される様にロータ位置固定時間が終了判定を行い、規定時間ロータ位置固定出力し、次ステップであるＳＴＥＰ３に移行する。
【００６２】
図８でロータ位置固定中に電流増加が発生し、モータの減磁電流に到達しそうな場合はＳＴＥＰ２３に移行し、ロータ位置固定出力を停止し減磁電流の発生を防ぐ。さらにＳＴＥＰ２４にて起動の異常情報を不揮発性のメモリに記録する。ＳＴＥＰ２５にて起動の異常を使用者に報知する。製品動作の表示用の単体ＬＥＤに点滅、もしくは８セグメントＬＥＤもしくは液晶等の表示デバイスを備えていればそれを用いて視覚的に報知しても良い。またブザーにより聴覚的に報知しても良い。その後ＳＴＥＰ２６に示す様に再起動の指令があるまで待機する。
【００６３】
換気扇などの送風機に本発明の構成を適用した場合における起動の異常は、すなわち送風装置の逆流防止シャッターの異常であり、それを使用者もしくはサービスマンに報知することができ、施工時のシャッター取付け不良、異物の挟まり等によるシャッターの故障の発見が可能である。また、異常情報を記録しておくことで、サービスマンが異常の回数等の状況を、時間経過をした後にも確認することが可能となり、異常の原因の判断がしやすくなる。
【００６４】
前記の構成の様な起動方式としたことで、電動機制御の安定化のため軸ずれ量を用いず目標電圧と出力電圧が一致しない高出力領域での運転が可能な本発明で示した制御方式を用いた製品において課題であった外風時の起動時に、モータ内にロータ磁極位置検知センサ追加の必要なく、しかも外風によるイナーシャのエネルギーを低減させ、位置固定をすることで、必ず正転方向にトルクを発生でき確実な起動を行うことができる。また逆流防止のシャッター異常のような状態で通常想定される以上のトルクがモータにかかった場合でも、モータの減磁を防ぐことが可能で、さらに異常の発生を使用者もしくはサービスマンに確実に報知することができる。なお本発明の図６、図７、図８で説明してきた起動方式は送風ファン以外の各種用途にも適用でき、確実な起動が得られるという効果が得られる。
【００６５】
この発明に係る同期電動機の脱調検出方式は、回転子位置を検出するための位置センサを用いずに、同期電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により得られた電流を励磁電流成分であるｄ軸電流と、トルク電流成分であるｑ軸電流のｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換手段と、座標変換手段により得られたｄ−ｑ座標電流の値から、励磁電流成分であるｄ軸電流が目標値となるような電圧ベクトルを出力しインバータを駆動する電圧ベクトル生成手段を有する同期電動機を駆動するインバータ装置において、ｄ軸電流目標値を周期的に変動させ、その時のｑ軸の電流応答により、脱調を検出することを特徴とする。
【００６６】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出方式は、電流検出手段から得られるｑ軸電流における前記ｄ軸電流目標値の変動周期の成分を抽出する抽出手段と、前記でで得られたｑ軸電流の変動周期成分を周期所定の値と比較する比較手段を備え、所定値以下となった回数を比較し脱調を検出する回数比較手段を備えたことを特徴とする。
【００６７】
また、この発明に係る同期電動機の起動装置は、回転子位置を検出するための位置センサを用いずに、同期電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により得られた電流を励磁電流成分であるｄ軸電流と、トルク電流成分であるｑ軸電流のｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換手段と、座標変換手段により得られたｄ−ｑ座標電流の値から、励磁電流成分であるｄ軸電流が目標値となるような電圧ベクトルを出力しインバータを駆動する電圧ベクトル生成手段を有する同期電動機を駆動するインバータ装置において、起動時三相短絡となる電圧ベクトルを出力することで回転中のロータにブレーキトルクをかけ減速しその後ロータの位置を固定する電圧出力を行い起動することを特徴とする。また起動時発生する電流がモータの減磁レベルに達する場合は、速やかに通電を停止することを特徴とする。またあわせて停止時に、停止の履歴を記録することを特徴とする。また停止時に、停止したことを報知することを特徴とする。又この起動装置を送風機に使用すれば逆転減少が起こっている送風装置でも安全に、確実に起動することが出来る。送風機は室内換気など換気扇として単独で用いられていても、セパレート形エアコンの室外機に用いられている室外ファンであっても、あるいは、工場やトンネルに使用される大型の送風機であっても信頼性の高い起動が行われることは上記説明の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１を示す同期電動機のインバータ装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１を示す同期運転時の各種波形を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１を示す脱調時の各種波形を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態１を示す電動機の回転子とインバータ制御手段出で用いる電気角位相および座標の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１を示す脱調検出処理の流れ図である。
【図６】本発明の実施の形態１を示す起動処理の流れ図である。
【図７】本発明の実施の形態１を示す起動処理ＳＴＥＰ１の流れ図である。
【図８】本発明の実施の形態１を示す起動処理ＳＴＥＰ２の流れ図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  直流電源部、２  インバータ装置、３  スイッチング素子、３ａ  Ｕ相上側スイッチング素子、３ｂ  Ｖ相上側スイッチング素子、３ｃ  Ｗ相上側スイッチング素子、３ｄ  Ｕ相下側スイッチング素子、３ｅ  Ｖ相下側スイッチング素子、３ｆ  Ｗ相下側スイッチング素子、４  還流ダイオード、５  インバータ主回路、６  埋込磁石型同期電動機、７ａ、７ｂ電流検出手段、８  インバータ制御手段、９  電動機駆動手段、１０  相電流演算手段、１１  座標座標変換手段、１２  電圧指令値演算手段、１３  出力電圧ベクトル演算手段、１４  ＰＷＭ信号発生手段、１５  直流電圧検出手段、１６  脱調検出手段、１７  Ｉｄ＊生成手段、１８  電流比較手段、２０  回数比較手段、２１  基準電流演算手段、２２  ノイズ除去手段、３０  過電流検出手段。
【図１】
2008067600.tif 000003
【図２】
2008067600.tif 000004
【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】
2008067600.tif 000009
【図８】
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