(57)【要約】【課題】位置センサを用いることなく回転子の位置を検出しながら永久磁石同期モータを制御する位置センサレス制御において、通常運転時とは別の制御アルゴリズムを用意することなくモータを起動できる方法を提供する。【解決手段】モータ１４は、永久磁石同期モータであって、ポンプ１２と機械的に結合している。モータ１４の始動時にバルブ１７を開放すると、中圧力チャンバ１１に蓄えられている水素がポンプ１２を介して低圧力チャンバ１８へ流れ、ポンプ１２およびモータ１４が回転を始める。モータ１４の回転数が所定値を越えると、制御回路２２は、バルブ１７を閉じると共に、位置検出回路２４の出力を参照しながら位置センサレス制御でモータ１４を制御するための制御信号を生成する。【選択図】  図２
2004187393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中圧力領域と高圧力領域との間および上記中圧力領域と低圧力領域との間がポンプを介して接続されており且つそのポンプを用いて上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記高圧力領域に流入させるシステムにおいて、上記ポンプを駆動するための永久磁石同期モータを制御するモータ制御方法であって、
上記モータの始動時に、上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記ポンプを介して上記低圧力領域に開放することにより上記モータを回転させるステップと、
上記開放を停止するステップと、
上記ポンプを用いて上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記高圧力領域に流入させるために、上記モータのコイルに発生する誘起電圧または電流に基づいて上記モータのロータの位置を検出しながらその検出結果を利用して上記モータを駆動する動作モードの実行を開始するステップ、
を有するモータ制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ制御方法であって、
上記モータの回転数が予め決められた所定値を越えた後に、上記動作モードの実行を開始する。
【請求項３】
請求項１に記載のモータ制御方法であって、
上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記ポンプを介して上記低圧力領域に所定時間だけ開放した後に、上記動作モードの実行を開始する。
【請求項４】
請求項１に記載のモータ制御方法であって、
上記中圧力領域と上記低圧力領域とを接続する経路に設けられたバルブを開閉することにより、上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体の上記低圧力領域への開放およびその停止を行う。
【請求項５】
中圧力領域と高圧力領域との間および上記中圧力領域と低圧力領域との間がポンプを介して接続されており且つそのポンプを用いて上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記高圧力領域に流入させるシステムにおいて、上記ポンプを駆動するための永久磁石同期モータを制御するモータ制御装置であって、
上記モータを駆動する交流電圧を生成するインバータと、
上記モータのコイルに発生する誘起電圧または電流に基づいて上記モータのロータの位置を検出する位置検出回路と、
上記中圧力領域と上記低圧力領域との間の経路の開閉を制御すると共に、上記インバータを制御するための制御信号を生成する制御回路、を備え、
上記制御回路は、上記モータの始動時に上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記ポンプを介して上記低圧力領域に開放することにより上記モータを回転させた後、その開放を停止すると共に、上記ポンプを用いて上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記高圧力領域に流入させるために、上記位置検出回路による検出結果に基づいて上記制御信号生成する動作モードを実行することを特徴とするモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置センサを用いることなくロータの位置を検出または推定しながら永久磁石同期モータを制御する方法、およびモータ制御装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車、コンプレッサ、ポンプ等に使用される永久磁石同期モータのトルクや回転数を高精度に制御するためには、通常、モータのロータ（回転子）に取り付けられた磁石の位置を検出し、ステータ（固定子）に設けられているコイルに電流を流すタイミングをその検出位置に応じて制御する必要がある。そして、このような制御を行うシステムとして、ロータに取り付けられた位置センサ素子（レゾルバ）を用いてそのロータの位置を検出し、その検出位置に基づいてコイルに電流を流す制御を行うシステムが知られている。しかし、近年、モータの小型化や低コスト化を図る目的で、位置センサ素子を用いることなくロータの位置を検出または推定する方法が開発および実施されている。なお、以下では、位置センサ素子を用いることなくロータの位置を検出または推定してモータを制御することを、「位置センサレス制御」と呼ぶことにする。
【０００３】
位置センサレス制御においてロータの位置を検出する方法としては、例えば、コイルに発生する誘起電圧をモニタする方法が知られている。（例えば、特許文献１参照）なお、この誘起電圧は、以下のようにして発生する。すなわち、ロータが回転すると、そのロータに取り付けられている磁石とステータに設けられているコイルとの相対位置が変化する。そして、磁石とコイルとの相対位置が変化すると、そのコイルを通過する磁束の量が変化して、そのコイルに電圧が生じる。これが誘起電圧である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３２７１９４号公報（段落０００２、図２０）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、誘起電圧を利用してロータの位置を検出する位置センサレス制御においては、モータの始動時等のように回転数が低いときは、誘起電圧が小さいので、ロータの位置を正しく検出することができない。
【０００６】
なお、上記特許文献１では、モータの始動時には、同期引き込み運転が行われる。すなわち、まず、モータ制御信号を用いてロータを特定の位置に設定する。続いて、所定時間が経過するまでの期間、同期運転によりそのロータの位置を次々と指定しながら回転数を上げていく。その後、位置センサレス制御によりロータの位置を検出または推定しながら、そのロータの位置に対応するモータ制御信号を生成するモードに移る。
【０００７】
しかし、この方法では、モータの始動時と通常運転時とで異なる動作モードで運転が行われることになる。すなわち、この方法では、モータの始動時と通常運転時とで異なる制御アルゴリズムを用意する必要があり、制御システムが複雑になってしまう。
【０００８】
本発明の目的は、位置センサを用いることなく回転子の位置を検出しながらモータを制御する位置センサレス制御において、通常運転時とは別の制御アルゴリズムを用意することなくモータを起動できる方法およびそのための装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のモータ制御方法は、中圧力領域と高圧力領域との間および上記中圧力領域と低圧力領域との間がポンプを介して接続されており且つそのポンプを用いて上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記高圧力領域に流入させるシステムにおいて、上記ポンプを駆動するための永久磁石同期モータを制御する方法であって、上記モータの始動時に、上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記ポンプを介して上記低圧力領域に開放することにより上記モータを回転させるステップと、上記開放を停止するステップと、上記ポンプを用いて上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記高圧力領域に流入させるために、上記モータのコイルに発生する誘起電圧または電流に基づいて上記モータのロータの位置を検出しながらその検出結果を利用して上記モータを駆動する動作モードの実行を開始するステップを有する。
【００１０】
この方法によれば、モータの始動時は、中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記ポンプを介して上記低圧力領域に開放することによりそのモータが回転するようになる。よって、この期間は、モータの回転を制御するための特別な制御アルゴリズムは必用ない。また、上記気体または液体を流すことによってモータの回転数が上がった後は、誘起電圧等に基づいてロータの位置を検出しながらそのモータを駆動する。したがって、モータの通常運転時の制御アルゴリズムさえ用意すれば、始動時のための制御アルゴリズムを用意することなく、位置センサレス制御でモータを運転できる。
【００１１】
上記モータ制御方法において、上記モータの回転数が予め決められた所定値を越えた後に、或いは、上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記ポンプを介して上記低圧力領域に所定時間だけ開放した後に、上記動作モードの実行を開始するようにしてもよい。上記所定値は、例えば、ロータの位置を正確に検出できる程度に十分に大きな誘起電圧が得られるような回転数である。また、上記所定時間は、例えば、上記所定値が得られるような時間である。このような手順を導入すれば、位置センサレス制御の開始時に、ロータの位置を検出できる誘起電圧が確実に得られることになる。
【００１２】
また、上記方法において、上記中圧力領域と上記低圧力領域とを接続する経路に設けられたバルブを開閉することにより、上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体の上記低圧力領域への開放およびその停止を行ってもよい。この手順を導入すれば、気体または液体の流れの制御と位置センサレス制御との連携が容易になる。
【００１３】
本発明のモータ制御装置は、中圧力領域と高圧力領域との間および上記中圧力領域と低圧力領域との間がポンプを介して接続されており且つそのポンプを用いて上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記高圧力領域に流入させるシステムにおいて、上記ポンプを駆動するための永久磁石同期モータを制御するモータ制御装置であって、上記モータを駆動する交流電圧を生成するインバータと、上記モータのコイルに発生する誘起電圧または電流に基づいて上記モータのロータの位置を検出する位置検出回路と、上記中圧力領域と上記低圧力領域との間の経路の開閉を制御すると共に、上記インバータを制御するための制御信号を生成する制御回路を備え、上記制御回路は、上記モータの始動時に上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記ポンプを介して上記低圧力領域に開放することにより上記モータを回転させた後、その開放を停止すると共に、上記ポンプを用いて上記中圧力領域に蓄えられている気体または液体を上記高圧力領域に流入させるために、上記位置検出回路による検出結果に基づいて上記制御信号生成する動作モードを実行する。
【００１４】
上記モータ制御装置の作用／効果は、基本的に、上述したモータ制御方法のそれと同じである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係わるモータ制御方法およびモータ制御装置が適用されるシステムの構成図である。ここでは、本発明に係わるモータ制御方法およびモータ制御装置が、燃料電池の水素循環システムに適用される場合を採り上げて説明をする。
【００１６】
燃料電池は、水素と酸素とを電気化学反応させてエネルギーを取り出す発電方式である。このため、燃料電池は、水素（および酸素）を効率的に供給するシステムが必用になる。
水素ボンベ１は、燃料電池本体部２に水素ガスを供給する。燃料電池本体部２は、供給された水素および酸素を反応させてエネルギーを出力する。なお、燃料電池本体部２に酸素を供給するルートについては、図示を省略する。
【００１７】
燃料電池本体部２において反応しきれなかった水素は、中圧力チャンバ１１に導かれる。ここで、中圧力チャンバ（中圧力領域）１１の内部の圧力は、大気圧よりも高くなっている。また、中圧力チャンバ１１に蓄えられた水素ガスは、ポンプ１２により高圧力チャンバ１３へ流入させられる。ここで、高圧力チャンバ（高圧力領域）１３の内部の圧力は、中圧力チャンバ１１のそれよりも高くなっている。そして、高圧力チャンバ１３に蓄えられた水素ガスは、必用に応じて燃料電池本体２に供給される。このように、燃料電池本体部２において反応しきれなかった残留水素は、中圧力チャンバ１１および高圧力チャンバ１３を介して再び燃料電池本体部２に供給される。
【００１８】
ポンプ１２は、モータ１４により駆動される。ただし、ポンプ１２は、モータ１４により駆動されなくても、その入力口と出力口との間の圧力差によって回転させられる構成である。なお、この形態は、例えば、スクロール式のポンプにより実現される。また、ポンプ１２とモータ１４とは機械的に結合されており、外部要因（例えば、入力口と出力口との間の圧力差）によってポンプ１２が回転すると、それに連動してモータ１４も回転するように構成されている。
【００１９】
モータ１４は、ロータに永久磁石が取り付けられた三相ＰＭ同期モータであり、インバータ１５から与えられる三相交流電圧によって駆動される。インバータ１５は、不図示の制御回路により生成される制御信号に従って直流電圧から三相交流電圧を生成してモータ１４に供給する。
【００２０】
上記水素循環システムにおいて、ポンプ１２の出力は、逆流防止弁１６を介して高圧力チャンバ１３に導かれると共に、バルブ１７を介して低圧力チャンバ１８にも導かれる。ここで、低圧力チャンバ（低圧力領域）１８の内部の圧力は、例えば大気圧であり、中圧力チャンバ１１のそれよりも低くなっている。なお、低圧力チャンバ１８は必ずしも必用ではなく、ポンプ１２の出力と外気との間にバルブ１７が設けられるようにしてもよい。このように、図１に示す水素循環システムは、中圧力領域である中圧力チャンバ１１と高圧力領域である高圧力チャンバ１３との間、および中圧力チャンバ１１と低圧力領域である低圧力チャンバ１８との間がポンプ１２を介して接続されており、そのポンプ１２を用いて中圧力チャンバ１１に蓄えられている水素が高圧力チャンバ１３に流入させられるように構成されている。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態のシステムブロック図である。なお、図１および図２において共通に使用されている符号は、同じものを指し示している。
直流電源２１は、例えば、バッテリまたは交流／直流変換器であって、インバータ１５に所定の直流電圧を印加する。インバータ１５は、制御回路２２により生成される制御信号に従って三相交流を生成し、その三相交流をモータ１４に供給する。駆動回路２３は、制御回路２２により生成される制御信号に基づいて、インバータ１５を構成する各スイッチング素子を制御する。
【００２２】
位置検出回路２４は、モータ１４のコイルに発生する誘起電圧またはモータ１４の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電流に基づいて、モータ１４のロータの位置を検出または推定する。すなわち、位置検出回路２４は、モータ１４に位置センサ素子（レゾルバ）が設けられてなくても、ロータの位置を検出または推定することができる。ただし、位置検出回路２４は、ステータに取り付けられているコイルに対するロータに取り付けられている磁石の相対位置の変化に起因して発生する誘起電圧等に基づいて位置検出を行うので、ロータが停止しているとき又はロータの回転数が低いときは、位置検出を行うことができない。
【００２３】
制御回路２２は、位置検出回路２４により検出されたロータの位置を参照してステータに設けられている各相のコイルに電流を流すタイミングを決定し、それに応じて制御信号を生成する。また、制御回路２２は、バルブ１７の開閉を指示するバルブ開閉信号を生成する。
【００２４】
図３は、図２に示す制御回路２２の動作を示すフローチャートである。なお、このフローチャートの処理は、モータ１４の始動時に実行される。また、ここでは、モータ１４の始動時には、既に、中圧力チャンバ１１の内部圧力が低圧力チャンバ１８のそれよりも高くなっており、高圧力チャンバ１３の内部圧力が中圧力チャンバ１１のそれよりも高くなっているものとする。
【００２５】
ステップＳ１では、バルブ１７を開放すべき旨を指示するバルブ開閉信号を生成し、それをバルブ１７に与える。これにより、バルブ１７が開放状態に制御されると、中圧力チャンバ１１に蓄えられている水素ガスがポンプ１１およびバルブ１７を介して低圧力チャンバ１８へ流れるようになり、ポンプ１２が回転し始める。ここで、ポンプ１２は、上述したように、モータ１４と機械的に結合している。よって、バルブ１７を開放することによって中圧力チャンバ１１低圧力チャンバ１８へ水素ガスが流れると、モータ１４が回転し始める。
【００２６】
続いて、制御回路２２は、モータ１４の回転数が予め決められている所定値を越えると、ステップＳ２において、バルブ１７を閉じる旨を指示するバルブ開閉信号を生成し、それをバルブ１７に与える。これにより、バルブ１７が閉状態に制御される。ここで、「所定値」は、位置検出回路２４がモータ１４のロータの位置を正確に検出できる程度に十分に大きな誘起電圧が得られるような回転数をいうものとする。
【００２７】
なお、上述のようにしてモータ１４を回転させる場合、そのモータ１４の回転数は、中圧力チャンバ１１と低圧力チャンバ１８との間の圧力差、バルブ１７の開放時間、ポンプ１２の容量、ポンプ１２とモータ１４との間の回転数比などに基づいてその概算値を見積もることができる。したがって、例えば、中圧力チャンバ１１と低圧力チャンバ１８との間の圧力差、ポンプ１２の容量、ポンプ１２とモータ１４との間の回転数比などが既知の場合は、モータ１４の回転数が予め決められている所定値を越えるまでに要するバルブ１７の開放時間を算出することができる。そして、この場合、制御回路２２は、そのようにして算出した開放時間だけバルブ１７を開放するようにしてもよい。
【００２８】
このように、ステップＳ１及びＳ２においてバルブ１７の開閉制御が行われると、モータ１４の回転数が所定値を越える領域にまで上昇することになる。
ステップＳ３では、位置検出回路２４の出力を読み込むことにより、モータ１４のロータの位置を認識する。なお、この時点で、モータ１４の回転数がすでに所定値よりも高くなっているので、コイルに発生する誘起電圧は十分に大きく、位置検出回路２４は、モータ１４のロータの位置を正確に検出できる。そして、ステップＳ４において、ステップＳ３で認識したロータ位置に基づいて、インバータ１５を構成する各スイッチング素子を制御するための制御信号を生成する。これにより、ロータ位置に基づいたモータ駆動が行われる。
【００２９】
この後、制御回路２２は、所定時間ごとにステップＳ３及びＳ４を繰り返し実行する。この結果、インバータ１５により三相交流電圧が生成され、その三相交流電圧によりモータ１４（および、ポンプ１２）が駆動される。すなわち、位置センサレス制御でモータ１４（および、ポンプ１２）が駆動されることになる。これにより、ポンプ１２は、中圧力チャンバ１１に蓄えられている水素を高圧力チャンバ１２に流入させる動作を行うようになる。
【００３０】
このように、この実施形態のシステムでは、モータ１４の位置センサレス制御を開始する前に、中圧力チャンバ１１に蓄えられている水素を低圧力チャンバ１８に開放することによりモータ１４が強制的に回転させられる。そして、モータ１４の回転数が所定値以上に上昇した後、モータ１４の位置センサレス制御が開始される。このため、モータ１４の回転数を所定値以上に上昇させるために、何ら特別な制御アルゴリズムを用意する必用がない。また、位置センサレス制御の開始時には、すでに、ロータの位置を検出するために十分に大きな誘起電圧が発生する程度にモータ１４の回転数が上がっている。従って、実施形態のモータ制御方法においては、モータ１４の始動時にそのモータ１４を制御するための特別の制御アルゴリズムを必用としないので、全体として、モータ１４の制御アルゴリズムが簡単になる。
【００３１】
なお、上述の実施例は、燃料電池の水素循環システムを前提として記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池以外のシステムに適用することも可能である。
また、上述の実施例は、チャンバ間で水素を流すシステムであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、任意の気体または液体が流れるシステムに適用可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、位置センサレス制御で永久磁石同期モータを制御するモータ制御方法において、その始動時のための特別な制御アルゴリズムが不要になったので、全体として制御アルゴリズムが簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるモータ制御方法およびモータ制御装置が適用されるシステムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態のシステムブロック図である。
【図３】制御回路の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１  中圧力チャンバ（中圧力領域）
１２  ポンプ
１３  高圧力チャンバ（高圧力領域）
１４  モータ
１５  インバータ
１７  バルブ
１８  低圧力チャンバ（低圧力領域）
２１  制御回路
２４  位置検出回路
【図１】
2004187393.tif 000003
【図２】
2004187393.tif 000004
【図３】
2004187393.tif 000005