(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石形同期電動機の起動時に、回転子が回転しない極小時間だけ当該電動機の固定子の各相にインバータを介して一定電圧をかけるショットパルス制御部と、
前記ショットパルス制御部で制御される前記一定電圧によって流れる電流が前記電動機の各相に流れたときの電流値を取得する電流検出部と、
前記電流検出部で得られる各相の電流値の大きさを比較して前記回転子の向きを推定する回転子位置推定部と、
を有し、
前記回転子位置推定部は、電流検出部で取得されるＵＶＷ各相の電流値、および電流検出部で取得されるＵＶＷ各相の電流値のうち、最大電流値となった相に正の電圧を印加したときの電流値、および当該相に負の電圧を印加したときの電流値の大きさを比較することにより、前記回転子の向きを推定することを特徴とする電動圧縮機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動圧縮機の制御装置に関するものであり、さらに詳しくは、車載空気調和装置に用いられる電動圧縮機に内蔵または連結される永久磁石形同期電動機の円滑な起動を可能とする電動圧縮機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車、ＦＣＥＶ（燃料電池自動車）、ＨＥＶ（水素自動車）等の電動車載空気調和装置は、固定電池（バッテリー）を電源としたインバータ制御により電動圧縮機を制御している。電動圧縮機の制御は、永久磁石形同期電動機が収められる内部が潤滑油に浸るという電動圧縮機の特性から、ホール素子を回転子位置検出器として用いた制御を行えない。そのため、いわゆるセンサーレス制御が一般的となっている。
【０００３】
永久磁石形同期電動機のセンサーレス制御では、電動機の起動時に回転子位置が不明であることから、すぐに同期運転ができない。そこで、現状の制御では、一定時間、一方的にある一定の速度で回転子を回転させるための三相電圧（電流）を電動機に出力して強制的に起動していた。具体的には、起動時に、予め設定した初期電流値を電動機に出力し、１／２回転以上回り始めたら、電流指令との誤差電流をフィードバックし、同期回転に移行させていた（たとえば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８０７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のように、回転子の位置を把握せずに、一方的に一定電流を流す制御を行うと、回転子が安定しないので、回転子に接続される圧縮装置の動きも安定せず、異音を生じてしまう。商品としての電動圧縮機を考えると、異音の発生は出来る限り無くすべきである。特に、ハイブリッド車、ＦＣＥＶ、ＨＥＶ等はエンジンを用いずに電動機で車輪を駆動するため、極めて静粛な車両である。このため、電動圧縮機からの異音は商品として価値を下げることになりかねない。また、回転子の位置を把握せずに制御すると、起動を失敗することもある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、車載空気調和装置に用いられる電動圧縮機に内蔵または連結される永久磁石形同期電動機の回転子位置を的確に推定し、当該電動機の円滑な起動を可能とする電動圧縮機の制御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】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電動圧縮機の制御装置は、永久磁石形同期電動機の起動時に、回転子が回転しない極小時間だけ当該電動機の固定子の各相にインバータを介して一定電圧をかけるショットパルス制御部と、前記ショットパルス制御部で制御される前記一定電圧によって流れる電流が前記電動機の各相に流れたときの電流値を取得する電流検出部と、前記電流検出部で得られる各相の電流値の大きさを比較して前記回転子の向きを推定する回転子位置推定部と、を有し、前記回転子位置推定部は、電流検出部で取得されるＵＶＷ各相の電流値、および電流検出部で取得されるＵＶＷ各相の電流値のうち、最大電流値となった相に正の電圧を印加したときの電流値、および当該相に負の電圧を印加したときの電流値の大きさを比較することにより、前記回転子の向きを推定するようにしたものである。
【０００８】
電動機内部の磁束の向きは、永久磁石が埋設される回転子の回転方向位置、向きによって変化する。このため、固定子のインダクタンスは回転子位置と向きによって変化する。１／１０００秒以下の極小時間でも固定子に電流を流すと、固定子のインダクタンスに応じて、流れる電流に変化が見られる。これを利用し、回転子が回転しない程度の時間である極小時間電流を流してやることで、回転子の回転方向位置が判別でき、適切な起動制御が可能となる。
【００１０】
極数が４極である電動機では、インダクタンスの変化は１８０度周期となるので、電流検出部で取得されるＵＶＷ各相の電流値を比較しただけでは、推定される回転子位置は２つ存在することになり、どちらの位置にあるのかをさらに推定しなければならない。この推定に関しては、それぞれの位置で対向している回転子の永久磁石の極性（Ｎ極またはＳ極）が異なっていることを利用する。具体的には、回転子の永久磁石の磁束に対して増磁方向となる相に電流を流す場合（Ｎ極対向）の電流の絶対値は、減磁方向に電流を流す場合（Ｓ極対向）よりも大きくなる性質を利用する。
【００１１】
そして、最終的には、上記性質および回転子位置によるインダクタンスの変化を利用して、電流検出部で取得されるＵＶＷ各相の電流値ａ、ｂ、ｃ、および電流検出部で取得されるＵＶＷ各相の電流値のうち、最大電流値となった相に正の電圧を印加した場合の電流値ｄ、および当該相に負の電圧を印加した場合の電流値ｅ、の５つの値の大きさを比較することにより、回転子の回転方向位置（向き）を推定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明にかかる電動圧縮機の制御装置は、車載空気調和装置に用いられる電動圧縮機に内蔵または連結される永久磁石形同期電動機の回転子位置（向き）を的確に推定し、当該電動機の円滑な起動が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明にかかる電動圧縮機の制御装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００１４】
図１は、この発明の実施例の構成を示す説明図である。車載空気調和装置に用いられる電動圧縮機は、内部に設けられるか、または連結される永久磁石形同期電動機３（以下、電動機３とする）が、固定直流電池（バッテリー）を電源４としたインバータ制御に付されるのが通常である。この発明の実施例もそれと同様にインバータ制御される場合について説明する。
【００１５】
定常運転時の電動機３の制御は、空気調和装置の主制御装置１の駆動制御部８において、空気調和装置の駆動に必要な圧縮機（電動機３）の回転数またはトルクを指令として制御する。具体的には、当該指令に対応して、電動機３の固定子へ印加する三相電圧（電流）を、速度または回転位置指令値と電動機３の固定子からのフィードバック電流を用いて演算処理し、ＰＷＭ回路、インバータ９を介して電動機３に必要電圧を印加して制御する。
【００１６】
この発明では、一般的となっている上記の定常制御装置の構成に加え、起動制御装置２を有する。起動制御装置２には、ショットパルス制御部５、電流検出部６、および回転子位置推定部７を有する。ショットパルス制御部５は、電動機３が停止している状態から起動する場合に、主制御装置１の駆動制御部８からの指令により、電動機３の固定子のＵＶＷ各相に順番に電流を流すべく、インバータ９に極小時間幅のパルス信号を送る。これにより、電動機３の各相には、順番に極小時間だけ電流が流れる。
【００１７】
ここで、極小時間とは、その時間幅で電動機固定子の各相に電流を流しても、それによって回転子が回転しない時間をいい、回転子の慣性モーメントや固定子電流の大きさにもよるが、たとえば１／１００秒以下の時間をいう。なお、ここでは、説明の便宜上、起動制御装置２の中にインバータ９を表しているが、インバータ９は、定常駆動に用いるインバータと共用すればよい。
【００１８】
電流検出部６は、ショットパルス制御部５のパルス信号により各相に流れることになった電流の値を固定子に設けられるシャント抵抗（図示省略）を利用して取得する。回転子位置推定部は、電流検出部６で取得、格納された電流の値を比較し、回転子位置を推定する。この推定論理については後述する。回転子位置が推定された後は、当該位置情報を主制御装置１の駆動制御部８に伝え、当該位置に対応した従来の同期形電動機の同期駆動制御を行う。
【００１９】
図２は、インバータ回路と電動機等価回路とを示す電気回路図である。この発明のショットパルス制御部は、電動機３が停止している状態から起動する場合に、電動機３の固定子のＵＶＷ各相に順番に極小時間幅のパルス信号を送る。同図は、このうちＵ相にパルス信号を送る場合の図である。同図において、ショットパルス制御部のパルス信号は、インバータ９のトランジスタ９ａ〜９ｆのうち、３つのトランジスタ９ａ、９ｄ、９ｆを極小時間ＯＮ状態にすることができる。このようにすると、電動機３のＵ相に電圧が印加され、極小時間だけ電流が流れる。このときの電流値は、固定子回路に直列に設けられるシャント抵抗（図示省略）の電圧降下を基に電流検出部によって取得される。
【００２０】
図３および図４は、ショットパルス制御部のパルス出力工程とインバータの各ゲートのＯＮ／ＯＦＦ状態とを示す説明図である。図４のＡ〜Ｊ点は、図３のＡ〜Ｊと対応している。図４のＡ点は、電動機３の固定子のＵ相にパルス信号、ひいては電流を流すことを意味している。そのときの各ゲートの状態は、上アームのＵ相ゲート、および下アームのＶ−相、Ｗ−相ゲートがＯＮの状態である。パルス信号の時間幅ｔ１は、電動機の回転子が回転しない極小の時間にしなくてはならず、回転子の慣性モーメントや、電流の大きさにもよるが、たとえば１／１００秒以下とする。ｔ１時間が経つと、図３のＢ列を見るとわかるように、下アームのＶ−相とＷ−相のみＯＮ状態になり、パルス信号が立ち下がる。下アームのＶ−相とＷ−相のみＯＮ状態にしているのは、すぐに下アームのＶ−相とＷ−相をＯＦＦにしてしまうと、電動機の固定子に逆起電力がかかり、シャント抵抗による電流値取得がしにくくなるからである。
【００２１】
Ｕ相へのパルス信号が立ち下がると、時間幅ｔ６だけ間隔が空けられ、この間に電流検出部が電流値Ｉｕを取得・格納する。時間幅ｔ６は、取得・格納に十分な時間が取れればよいので、１／１０秒程度でよい。同様に、Ｖ相へのパルス信号の出力（図のＣ、Ｄ）、時間幅ｔ７内の電流値Ｉｖの取得・格納、Ｗ相へのパルス信号の出力（図のＥ、Ｆ）、時間幅ｔ８内の電流値Ｉｗの取得・格納が行われる。なお、図６の時間幅ｔ２、ｔ３は時間幅ｔ１と同等な時間をとり、時間幅ｔ７、ｔ８は時間幅ｔ６と同等な時間をとればよい。
【００２２】
ところで、本発明は、電動機の回転子位置によって固定子各相のインダクタンスに違いがあることを利用したものである。図５は、回転子位置（電気角）と各相のインダクタンスの変化を示すグラフである。４極の電動機では、各相のインダクタンスが１８０度を一周期として変化することがわかる。インダクタンスが異なるということは、電流の流れやすさが異なるということである。したがって、図６に示すように、各相に流れる電流の値もインダクタンスに対応して変化する。電流の流れやすさは、極小時間幅の電流供給でも、傾向として同じである。
【００２３】
この発明では、上記の性質を利用して電動機の回転子位置を推定する。しかしながら、電動機の極数が２極であればよいが、上述したように４極の電動機では、インダクタンスの変化は１８０度周期となるので、１つの電流値がわかっても、対応する回転子位置は２つ存在して、どちらの位置にあるのかをさらに推定しなければならない。この推定に関しては、それぞれの位置で対向している回転子の永久磁石の極性（Ｎ極またはＳ極）が異なっていることを利用する。
【００２４】
図７および図８は、回転子の極性判別の原理を示す説明図である。図７は、回転子１０の永久磁石の磁束１２に対して固定子の電流による磁束１１が増磁方向１１となる場合（Ｎ極対向）を示している。この場合の電流の絶対値は、図８に示すように、固定子の電流による磁束１１が永久磁石の磁束１２に対して減磁方向となる場合（Ｓ極対向）よりも大きくなる。この電流の絶対値の差は、磁極の方向によって磁気飽和によるインダクタンスの減少度合いが変化することによって生じるものである。すなわち、図７の場合のように、電流による磁束１１と永久磁石による磁束１２の向きが同じ場合、磁気飽和しやすく、インダクタンスが減少するため、電流の絶対値は大きくなる。反対に、図８の場合のように、電流による磁束１１と永久磁石による磁束１２の向きが反対となる場合、磁気飽和しにくく、インダクタンスが増加するため、電流の絶対値は小さくなる。
【００２５】
この性質を利用するために、図３および４で説明したショットパルス制御部は、電動機の固定子のＵＶＷ相に対応するインバータ回路にパルス信号を送り（図のＡ〜Ｆ）、流れる電流値が最も大きかった相（磁石が対向している相）をＰＳ相として、当該相に負の電圧を印加し（図３、４のＧの反転参照）、当該相に正の電圧を印加した場合（図３、４のＧ）と電流の絶対値の大小を比較する。これにより、極数が４極の電動機における回転子の回転方向位置（向き）が推定される。
【００２６】
図９は、電動機固定子の各相に流れる電流の大きさと回転子の推定位置を示す整理図表である。同図を見ると、たとえば、Ｕ相にのみパルス信号を付与した場合の電流値Ｉｕが一番大きく、かつ、Ｖ相にのみパルス信号を付与した場合の電流値Ｉｖと、Ｗ相にのみパルス信号を付与した場合の電流値Ｉｗとの大きさが同じである場合、回転子位置は、回転子の界磁方向がＵ相の固定子巻線とちょうど対向する位置を０度として、０度と１８０度のどちらかということが推定できる。そして、正の電圧を印加した場合の電流値Ｉ＋と、負の電圧を印加した場合の電流値Ｉ−を比較して、正の電圧を印加した場合の電流値Ｉ＋の方が大きければ、回転子の回転方向位置（向き）は、１８０度ではなく、０度であると推定される。なお、同図において、“＝”となっている部分は、実際の誤差を考慮して、適当な幅の範囲内であれば“＝”であると見なして判断するとよい。
【００２７】
同様にして、電流検出部に格納される各相の電流値ａ、ｂ、ｃおよび、当該ａ、ｂ、ｃのうち、最大値となった相へ正の電圧印加した場合の電流値ｄ、および負の電圧を印加した場合の電流値ｅの大きさを比較することにより、極数が４極である電動機の回転子の回転方向位置を推定することができる。この推定位置は、電動機の定常駆動制御部に送られ、当該位置に対応して制御される固定子電流により、すぐさま同期運転が可能となる。
【００２８】
したがって、この発明を利用すれば、起動時に回転子が不安定になることもなく、回転子に接続される圧縮機も安定するから、起動時に異音が発生することもなくなる。また、起動失敗もなくなる。固定直流電池を電源として駆動される車載空気調和装置においては、極力、電池の無駄使いの排除が求められるので、起動失敗のないこの発明に係る制御装置は極めて有効である。さらに、起動制御から同期運転制御に即移行できるので、空気調和装置の効率の向上にもつながる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る電動圧縮機の制御装置は、車載空気調和装置に用いられる電動圧縮機に内蔵または連結される永久磁石形同期電動機の制御装置の生産、使用に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施例の構成を示す説明図である。
【図２】インバータ回路と電動機等価回路とを示す電気回路図である。
【図３】インバータの各ゲートのＯＮ／ＯＦＦ状態を示す説明図である。
【図４】ショットパルス制御部のパルス出力工程を示す説明図である。
【図５】回転子位置（電気角）と各相のインダクタンスの変化を示すグラフである。
【図６】回転子位置（電気角）と固定子各相の線電流の大きさ変化を示すグラフである。
【図７】極性判別の原理を示す説明図である。
【図８】極性判別の原理を示す説明図である。
【図９】電動機固定子の各相に流れる電流値の関係と回転子の推定位置を示す整理図表である。
【符号の説明】
【００３１】
１  主制御装置
２  起動制御装置
３  電動圧縮機
４  電源
５  ショットパルス制御部
６  電流検出部
７  回転子位置推定部
８  駆動制御部
９  インバータ
１０  回転子
１１  固定子電流による磁束の向き
１２  回転子の磁束の向き
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、e  電流値
Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ  電流値
ｔ１〜ｔ８  時間幅
【図１】
0004754901.tif 000002
【図２】
0004754901.tif 000003
【図３】
0004754901.tif 000004
【図４】
0004754901.tif 000005
【図５】
0004754901.tif 000006
【図６】
0004754901.tif 000007
【図７】
0004754901.tif 000008
【図８】
0004754901.tif 000009
【図９】
0004754901.tif 000010