(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車載空気調和装置の圧縮機の駆動源として用いられる永久磁石型同期モータの制御装置であって、
前記永久磁石型同期モータに３相電力を供給するインバータの温度から求められる電流制限値に応じて、起動時における同期運転電流を設定する電流設定手段と、
起動後の回転安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流をモニタし、この出力電圧または出力電流を用いて、前記同期運転電流を更新する電流更新手段と、
前記回転数安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流を用いて、前記圧縮機内の冷媒が液化しているか否かを判定するための液化判定値を演算する演算手段と、
前記液化判定値が液化基準値を超えているか否かを判定する判定手段と、を具備し、
前記電流更新手段は、前記液化判定値が前記液化基準値を超えていない場合に、前記同期運転電流の更新を行う永久磁石型同期モータの制御装置。
【請求項２】
前記電流設定手段は、前記インバータが有するスイッチング素子の温度特性に応じて前記電流制限値を求める請求項１に記載の永久磁石型同期モータの制御装置。
【請求項３】
車載空気調和装置の圧縮機の駆動源として用いられる永久磁石型同期モータの制御方法であって、
前記永久磁石型同期モータに３相電力を供給するインバータの温度から求められる電流
制限値に応じて、起動時における同期運転電流を設定する電流設定過程と、
起動後の回転安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流をモニタし、この出力電圧または出力電流を用いて、前記同期運転電流を更新する電流更新過程と、
前記回転数安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流を用いて、前記圧縮機内の冷媒が液化しているか否かを判定するための液化判定値を演算する演算過程と、
前記液化判定値が液化基準値を超えているか否かを判定する判定過程と、を具備し、
前記電流更新過程は、前記液化判定値が前記液化基準値を超えていない場合に、前記同期運転電流の更新を行う永久磁石型同期モータの制御方法。
【請求項４】
前記電流設定過程は、前記インバータが有するスイッチング素子の温度特性に応じて前記電流制限値を求める請求項３に記載の永久磁石型同期モータの制御方法。
【請求項５】
車載空気調和装置の圧縮機の駆動源として用いられる永久磁石型同期モータを制御するための制御プログラムであって、
前記永久磁石型同期モータに３相電力を供給するインバータの温度から求められる電流制限値に応じて、起動時における同期運転電流を設定する電流設定処理と、
起動後の回転安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流をモニタし、この出力電圧または出力電流を用いて、前記同期運転電流を更新する電流更新処理と、
前記回転数安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流を用いて、前記圧縮機内の冷媒が液化しているか否かを判定するための液化判定値を演算する演算処理と、
前記液化判定値が液化基準値を超えているか否かを判定する判定処理と、をコンピュータに実行させ、
前記電流更新処理は、前記液化判定値が前記液化基準値を超えていない場合に、前記同期運転電流の更新を行う永久磁石型同期モータの制御プログラム。
【請求項６】
前記電流設定処理は、前記インバータが有するスイッチング素子の温度特性に応じて前記電流制限値を求める請求項５に記載の永久磁石型同期モータの制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載空気調和装置が備える圧縮機の駆動源として用いられる永久磁石型同期モータの制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車載空気調和機に用いられる電動圧縮機は、内蔵または連結される永久磁石型同期モータから伝達される回転力を利用して冷媒を圧縮することにより冷却機能を実現している。このような電動圧縮機におけるモータの制御は、モータが収められる内部が潤滑油に浸るという理由からホール素子等の位置センサを用いた制御が行えないため、いわゆるセンサレス制御が一般的となっている。
ところで、永久磁石型同期モータのセンサレス制御では、電動機の起動時に回転子位置が不明であることから、すぐに同期運転を行えない。そこで、従来は、一定時間、一定方向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）をモータに出力して強制的に起動していた（例えば、特許文献１等参照。）。
【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】
【０００３】
しかしながら、上記のように、モータに連動する圧縮機の状態を把握せずに、一方的に一定電流を流す制御を行うと、起動を失敗する可能性が増える。商品としての電動圧縮機を考えると、起動の失敗はできる限りなくすことが好ましい。特に、ハイブリッド車、ＦＣＥＶ、ＨＥＶ等は、固定電池を電源として車輪を駆動することから、同じ電源を利用する電動圧縮機の起動失敗による電力消費は、極力回避することが求められていた。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、車載空気調和機の圧縮機の駆動に用いられる永久磁石型同期モータの起動を円滑に行うことのできる永久磁石型同期モータの制御装置および方法ならびにプログラム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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、車載空気調和装置の圧縮機の駆動源として用いられる永久磁石型同期モータの制御装置であって、前記永久磁石型同期モータに３相電力を供給するインバータの温度から求められる電流制限値に応じて、起動時における同期運転電流を設定する電流設定手段と、起動後の回転安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流をモニタし、この出力電圧または出力電流を用いて、前記同期運転電流を更新する電流更新手段と、前記回転数安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流を用いて、前記圧縮機内の冷媒が液化しているか否かを判定するための液化判定値を演算する演算手段と、前記液化判定値が液化基準値を超えているか否かを判定する判定手段と、を具備し、前記電流更新手段は、前記液化判定値が前記液化基準値を超えていない場合に、前記同期運転電流の更新を行う永久磁石型同期モータの制御装置を提供する。
【０００６】
このような構成によれば、永久磁石型同期モータに３相電流を供給するインバータの温度から求められた電流制限値に応じて起動時における同期運転電流が設定されるので、起動時に、過電流がインバータに流れることを防止することができる。また、電流制限値になるべく近い値の電流を同期運転電流として設定することで、永久磁石同期モータの起動成功率を高めることができる。
また、起動後においては、回転安定期間におけるインバータの出力電圧または出力電流がモニタされるので、これらの値を用いてモータ負荷を推定することができる。そして、起動後において、これらのモータ負荷を勘案した好適な電流値に、上述の同期運転電流を更新することで、電力消費の低減を図ることが可能となり、効率の良いモータ駆動を実現させることができる。
更に、上記構成によれば、インバータの温度が取得可能な構成となっていれば、起動時における同期運転電流を設定することが可能となるので、モータや圧縮機等からセンサ情報を取得する必要がない。これにより、装置構成を簡易なものにすることができる。
このような構成によれば、起動後においては、回転安定期間におけるインバータの出力電圧または出力電流に基づいて、圧縮機内の冷媒が液化しているか否かを判定するための液化判定値が演算され、この液化判定値が液化基準値を超えていない場合に、上記電流更新手段による同期運転電流の更新が行われることとなる。これにより、圧縮機の冷媒が液化していない場合には、電流更新手段により更新された同期運転電流により効率のよいモータの運転が実現され、一方、圧縮機の冷媒が液化していた場合には、液化に対応するような運転がなされることとなる。
上記回転安定期間とは、モータの回転数が安定する期間であり、適宜設定することが可能である。例えば、回転数が１０ｒｐｓ乃至１５ｒｐｓのときをいう。
【０００７】
上記の永久磁石同期モータの制御装置において、前記電流設定手段が、前記インバータが有するスイッチング素子の温度特性に応じて前記電流制限値を求めることとしても良い。
【０００８】
このような構成によれば、インバータの主要な部品であるスイッチング素子の温度特性に基づいて電流制限値が求められることとなる。これにより、過電流によるスイッチング素子の劣化、損傷を防止することが可能となる。スイッチング素子は、例えば、パワートランジスタ等が挙げられる。
【００１１】
上記の永久磁石型同期モータの制御装置は、特に、燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）等のような電気自動車に搭載され、バッテリを電源として駆動される空気調和機に利用されるのに好適なものである。すなわち、本発明に係る永久磁石型同期モータの制御装置は、起動成功率が高いため、円滑にモータを始動させることが可能となる。これにより、起動失敗に伴う電力損失を低減させることができるので、起動時における電力損失による影響が懸念される電気自動車等に利用されるのに好適である。
【００１２】
また、上記の永久磁石型同期モータの制御装置は、モータの周波数に比例した電圧指令を回転直角座標系の２軸で設定する電圧指令演算手段と、２軸の当該電圧指令を３相へ座標変換する２相／３相変換手段と、当該３相の電圧指令をインバータによる電力変換を経てモータに印加するＰＷＭ制御手段と、当該モータの界磁方向を検出せずに、当該モータ端子電流をフィードバックするフィードバック手段と、前記フィードバック電流から力率角を決定する力率角決定手段と、３相で得られる前記モータ端子電流を直交座標に変換する際に用いる回転角に前記力率角を加減する力率角下限手段とを備えることとしても良い。
上記電圧指令演算手段は、例えば、図２に示した電圧指令演算部１１に、２相／３相変換手段は、例えば、２相／３相変換部１２に、ＰＷＭ制御手段は、例えば、ＰＷＭ制御部１３に、力率角決定手段は、例えば、力率角演算部１６に、力率角加減手段は、例えば、３相／２相変換部１４に相当する。
【００１３】
本発明は、車載空気調和装置の圧縮機の駆動源として用いられる永久磁石型同期モータの制御方法であって、前記永久磁石型同期モータに３相電力を供給するインバータの温度から求められる電流制限値に応じて、起動時における同期運転電流を設定する電流設定過程と、起動後の回転安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流をモニタし、この出力電圧または出力電流を用いて、前記同期運転電流を更新する電流更新過程と、前記回転数安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流を用いて、前記圧縮機内の冷媒が液化しているか否かを判定するための液化判定値を演算する演算過程と、前記液化判定値が液化基準値を超えているか否かを判定する判定過程と、を具備し、前記電流更新過程は、前記液化判定値が前記液化基準値を超えていない場合に、前記同期運転電流の更新を行う永久磁石型同期モータの制御方法を提供する。
【００１４】
上記の永久磁石型同期モータの制御方法において、前記電流設定過程は、前記インバータが有するスイッチング素子の温度特性に応じて前記電流制限値を求めることとしても良い。
【００１６】
本発明は、車載空気調和装置の圧縮機の駆動源として用いられる永久磁石型同期モータを制御するための制御プログラムであって、前記永久磁石型同期モータに３相電力を供給するインバータの温度から求められる電流制限値に応じて、起動時における同期運転電流を設定する電流設定処理と、起動後の回転安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流をモニタし、この出力電圧または出力電流を用いて、前記同期運転電流を更新する電流更新処理と、前記回転数安定期間における前記インバータの出力電圧または出力電流を用いて、前記圧縮機内の冷媒が液化しているか否かを判定するための液化判定値を演算する演算処理と、前記液化判定値が液化基準値を超えているか否かを判定する判定処理と、をコンピュータに実行させ、前記電流更新処理は、前記液化判定値が前記液化基準値を超えていない場合に、前記同期運転電流の更新を行う永久磁石型同期モータの制御プログラムを提供する。
【００１７】
上記の永久磁石型同期モータの制御プログラムにおいて、前記電流設定処理は、前記インバータが有するスイッチング素子の温度特性に応じて前記電流制限値を求める事としても良い。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、車載空気調和機の圧縮機の駆動に用いられる永久磁石型同期モータの起動を円滑に行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。
先ず、図１〜図５を用いて通常時における永久磁石型同期モータの制御装置および制御方法について説明をした後に、図６乃至図９を用いて本発明に関連する起動時における制御方法について説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る永久磁石型同期モータの制御装置が適用される電動圧縮機の駆動制御装置の概略構成を示す図である。図１において、電動圧縮機の駆動制御装置１は、インバータ２と制御装置（永久磁石型同期モータの制御装置）３とを備えている。
インバータ２は、６つのパワートランジスタ４ａ乃至４ｆを備えている。これら６つのパワートランジスタ４ａ乃至４ｆが制御装置３によりオン／オフ制御されることで、車両に搭載されたバッテリ５から供給される直流電圧を矩形パルス列状の３相擬似交流電圧に変換して、電動圧縮機６が備えるモータ７に供給する。制御装置３は、インバータ２やモータ７等から各センサ検出情報を取得し、これらの情報に基づいてインバータ２の制御を行う。なお、制御装置３により実現される制御方法については後述する。
モータ７は、例えば、センサレス型のブラシレスモータであり、ヨークにコイルを巻き回した固定子と、永久磁石を有する回転子とを有している。回転子は、電動圧縮機６の圧縮機８に駆動連結されており、モータ７の駆動力が圧縮機８へ伝達されることにより、冷媒の圧縮が実現される。
【００２２】
このような永久磁石型同期モータのトルクτは、一般に次式（１）で表される。
【００２３】
【数１】
0004509010.tif 000002
【００２４】
ここで、Λdは誘起電圧係数、ｉd、ｉqは、それぞれｄ軸、ｑ軸の電機子電流である。また、Ｌd、Ｌqはそれぞれｄ軸とｑ軸のインダクタンス、ｎは極対数である。なお、ｄ軸はモータ回転子の界磁方向に設けられる軸で、ｑ軸はｄ軸から位相が９０度進んだ方向の軸である。
【００２５】
式（１）の第一項は、磁石による界磁方向と直角の方向に流れるｑ軸電流によって発生するトルク（マグネットトルク）を表している。また、同式の第二項は、リラクタンスがｄ軸方向とｑ軸方向で異なるときに発生するトルク（リラクタンストルク）を表している。Ｌd＝Ｌqとなる表面磁石型モータ（ＳＰＭ）では、上記第二項は無視できる。また、内部磁石型モータ（ＩＰＭ）であってもＬdとＬqとの差がわずかであれば第二項は無視して考えることが多い。
【００２６】
図１に戻り、符号９は、インバータ２の温度を検出する温度センサである。また、インバータ２からモータ７へ供給される電流を検出するための電流センサ（図示略）が設けられている。これらのセンサ検出値は、制御装置３へ所定のタイミングで転送される。
【００２７】
図２は、上記制御装置３の機能ブロック図を示したものである。図２に示すように、制御装置３は、電圧指令演算部１１、２相／３相変換部１２、ＰＷＭ制御装置１３、３相／２相変換部１４、力率角演算部１５、比例器１６、および積分器１７を備えている。
図２において、ωmは回転数指令、ｎはモータの極対数、ω1はインバータ出力周波数（一次周波数）、ｖδ*、ｖγ*は、それぞれδ軸、γ軸電圧指令、ｖu*、ｖv*、ｖw*はそれぞれｕ相、ｖ相、ｗ相の電圧指令、ｖu、ｖv、ｖwはそれぞれｕ相、ｖ相、ｗ相の出力電圧、ｉu、ｉv、ｉwは、それぞれｕ相、ｖ相、ｗ相の出力電流、ｉδ、ｉγはそれぞれδ軸、γ軸のインバータ出力電流であり、ｉδは励磁電流成分、ｉγはトルク電流成分である。θは出力電圧位相、およびφは力率角である。
【００２８】
この制御装置３は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）等を備えて構成されている。上述の各部の機能を実現するための一連の処理手順は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、上記電圧指令演算部１１を始めとする各部の機能が実現される。
上記コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。
【００２９】
図２において、電圧指令演算部１１は、検出されたｕ、ｖ、ｗの３相の各電流ｉu、ｉv、ｉwを３相／２相変換した後のδ軸電流ｉδ、インバータ出力周波数ω1、比例定数Ｋ、ｄ軸の誘起電圧係数Λd、および比例ゲインＫを用いた以下の式（２-１）（２-２）の演算でδ軸電圧指令ｖδ*およびγ軸電圧指令ｖγ*を求める。
【００３０】
【数２】
0004509010.tif 000003
【００３１】
【数３】
0004509010.tif 000004
【００３２】
以下に、電圧指令演算部１１を上記式（２-１）、（２-２）のようにしたときの制御について説明する。まず、理解を助けるため、力率角φ（ｉ）が０の場合について説明する。φは力率角であるから、モータ７への印加電圧とその電流の位相差を０とする場合、ｃｏｓφで表される力率は１となる。したがって、この制御は、いわゆる力率１制御となる。
【００３３】
上記式（２-１）、（２-２）による電圧指令演算では、たとえば、モータ端子電圧よりγ軸電圧指令ｖγ*が小さければ、界磁を弱めるためにδ軸のインバータ出力電流ｉδは負になる。逆に、ｖγ*が大きければ、それに合わせて強め界磁となり、ｉδは正となる。
具体的に式（２-１）の演算では、δ軸電圧指令はδ軸電流ｉδが０になるように負の比例制御を行っている。これで、ｉδの正負のふらつきがあれば、ゲインＫδによって早急にｉδのふらつきをなくすように電圧指令ｖδ*が決定される。
【００３４】
γ軸電圧指令ｖγ*は、誘起電圧に相当するΛdω1の電圧を補うような電圧値とすることに加え、δ軸電流ｉδを０にする演算をするために、ここではｉδを積分する積分制御を行う。つまり、式（２-２）の演算では、δ軸電流ｉδが正負のどちらか一方の値で累積すれば、その分大きな値で元に戻るような電圧値が決定される。なお、ここでは積分制御を用いたが、制御応答性によっては、比例制御、比例積分制御等としてもよい。
【００３５】
このようにすることで、ｉδは０になり、ｉδが０になればｖδも０になる。結局、モータ７に流す電流とモータ印加電圧はγ軸成分のみとなり、位相は一致するので力率１となる。これだけでも、電圧と電流の積は最小となり、省電力な制御が可能である。
【００３６】
しかしながら、永久磁石型同期モータでは、式（１）の第２項となるリラクタンストルクも利用できるので、マグネットトルクとリラクタンストルクの双方をバランスよく利用することで、電流をさらに減らすことができる。モータ電流（δ軸とγ軸を合成した絶対値）Ｉが誘起電圧に対して進み角θで流れているとｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqは式（３-１）、（３-２）のように表すことができる。
【００３７】
【数４】
0004509010.tif 000005
【００３８】
【数５】
0004509010.tif 000006
【００３９】
モータ電流Ｉに対してモータトルクτが最大となる条件は、式（３-１）、（３-２）を式（１）に代入して得られるτ（式（４-１））のθについての微分が０になることである。これを式（４-２）とすると、以下のようになる。
【００４０】
【数６】
0004509010.tif 000007
【００４１】
【数７】
0004509010.tif 000008
【００４２】
上記式（４-２）のＩ・ｓｉｎθ、Ｉ・ｃｏｓθを式（３-１）、（３-２）のｉd、ｉqで表すと次式（５）となる。
【００４３】
【数８】
0004509010.tif 000009
【００４４】
式（５）は、Ａ＝Λd／２（Ｌd−Ｌq）として、（ｉd＋Ａ）2−ｉq2＝Ａ2という関係を表した式であり、ｉdを縦軸、ｉqを横軸とすると図３に示すようなグラフとなる。
【００４５】
したがって、同図が最小電流となるときのｉd、ｉqの組み合わせを表しているが、ｉdとｉqの関係は、平方根を含んだ形になっているので、制御で利用するにはテーブル化する等の手法が必要となる。
【００４６】
そこで、発明者は、視点を変えて、モータ電流Ｉとモータ印加電圧Ｖの位相差で制御できないか鋭意精査した。まず、φは、モータ印加電圧Ｖの位相とモータ電流Ｉの位相の差であるから、次式（６）で表される。
【００４７】
【数９】
0004509010.tif 000010
【００４８】
上述したように、最小電流のときのｉdとｉqの関係は、（ｉd＋Ａ）2−ｉq2＝Ａ2であり、これは双曲線なので、双曲線関数（ｓｉｎｈ、ｃｏｓｈ）により、次式（７-１）、（７-２）のように表せる。
【００４９】
【数１０】
0004509010.tif 000011
【００５０】
【数１１】
0004509010.tif 000012
【００５１】
そして、αが十分小さく、０とみなせる場合は、それぞれｉd＝Ａα2、ｉq＝Ａαと近似できる。また、モータに印加する電圧をｄ軸とｑ軸でとらえたｖd、ｖqは、モータ回路の等価式から、次式（８-１）、（８-２）のようにみなせる。通常動作回転数に於いて抵抗は無視できるからである。
【００５２】
【数１２】
0004509010.tif 000013
【００５３】
【数１３】
0004509010.tif 000014
【００５４】
これらの式を用いると、式（６）の位相差φは、次式（９）のように近似できる。
【００５５】
【数１４】
0004509010.tif 000015
【００５６】
ここで、電流Ｉは次式（１０）で表せるので、結局位相差φは、次式（１１）のようになる。つまり、位相差φは、電流とほぼ比例関係になることがわかった。また、制御によりｉδ＝０となっており、Ｉはｉγに比例しているので、位相差φはｉγにも比例する。
上記のように近似せずにｄ軸電流とｑ軸電流をつかってプロットして得られる位相差φと電流Ｉの関係を示したのが図４である。このようにしてもほぼ比例しており、比例関係を用いて制御することの妥当性がわかる。
【００５７】
【数１５】
0004509010.tif 000016
【００５８】
【数１６】
0004509010.tif 000017
【００５９】
このように、トルクを出すために必要となる最小電流の制御は、φ＝０ではなく、力率角（位相差）を積極的に制御してやることにより実現できる。そこで、本実施形態では、図２に示すように、モータ端子の電流を３相／２相変換する際に用いられる回転軸をθではなくθ-φとする力率角加減手段を有するようにした。φは、電流Ｉの関数であるから、同図に示すように、まず、フィードバックされるγ軸電流を用いてＩを求める（ｉδは０に制御されている。）。Ｉが求まれば、それに定数を乗じてφを求める。これによってφを３相／２相変換の回転軸θから差し引くようにする。
【００６０】
そして、θ-φを回転軸として３相／２相変換された電流は、ゲインＫω９が乗じられて周波数たる速度指令ｎω*に負帰還され、同期モータが安定して動作するように指令ｎω*が修正される。これは、負荷が重くなり、回転子の位置が回転磁界に対して遅れると電流が増え、逆に負荷が軽くなり、回転子の位置が回転磁界に対して進むと電流が減るので、速度指令を修正することで安定化させるものである。（２-１）、（２-２）式により、ｖδ＝Ｉδ＝０となるように制御しているので、電流の３相／２相変換と電圧の２相／３相変換に使用する位相が異なれば、その差であるφが力率角となるように制御される。
【００６１】
上記電流Ｉと位相差φの関係は、比例関係であるので、適切な比例定数を選択して演算によりφを導くようにしてもよいし、電流値の大きい範囲での正確性を求めるのであれば、Ｉとφの関係をテーブル化してもよい。テーブル化した構成を採用した場合であっても、ほぼ比例しているためテーブルデータを細かく取る必要が無いというメリットがある。
このようにしても、ｉδとｉγとの組み合わせである２次元テーブルを参照するのとは異なり、Ｉは実際のフィードバックで得られるので、φは一義的に決定でき、常に適切な位相差φを求めることができる。
【００６２】
以上説明してきたように、通常時においては、永久磁石型同期モータのリラクタンストルクも考慮した最小電流で永久磁石型同期モータのトルクを制御することとしている。また、複雑な演算を必要とせず、３相／２相変換の際の回転軸角度を変化させるだけで、最小電流によるトルク制御が可能になるので、構成がシンプルとなり、メンテナンス性も向上する。さらに、本実施形態では、図５に示すように、力率１制御の場合に対し、Ｖ／ｆ制御が適正となるトルク範囲が拡張され、低速回転から高速回転まで単純なＶ／ｆ制御を基調としつつ、電流を最小にして動作させることが可能となる。
【００６３】
また、上述のような制御を行うことで、工業製品の小型化、省電力化に寄与することが可能となる。例えば、エアコンの圧縮機用のモータは、小型化の要請と共にエアコンが大量に電力を消費する機器であることから、ことの他、省電力化の要請が強い。永久磁石型同期モータが採用されてきているのも、その現れの一つであるが、本発明により、最小電流制御がコンパクトな構成で可能となれば、上記要請に沿うものとなる。
【００６４】
次に、本発明の特徴である上述した永久磁石型同期モータの制御装置により行われるモータの起動時における制御方法について説明する。
上述したように、本実施形態に係る制御装置は、通常時においては、モータ負荷ではなく、モータ回転速度指令に従って出力電圧と周波数を決定し、定格時に最適な特性が得られるようにモータを駆動している。しかしながら、このような制御手法では、負荷が無視できない低回転時、例えば、起動時などには、安定性が失われ駆動することが困難となる。そこで、起動時においては、上述したＶ／Ｆ制御に代えて、モータの回転子の位置やモータ負荷の大きさに関わらず、一定の同期運転電流をモータに供給し、その後の様子に応じて、同期運転電流を適宜設定することとしている。
【００６５】
以下、起動時における制御装置３の制御手順について図６および図７を参照して説明する。なお、図６および図７に示す処理は、例えば、図２に示した電圧指令演算部１１により実現されるものである。すなわち、本実施形態では、電圧指令演算部１１が、本発明の電流設定手段、電流更新手段、演算手段、判定手段によってそれぞれ実現される機能を有していることとなる。具体的には、制御装置３が内蔵するＣＰＵが、電圧指令演算部１１により実現される機能に相当する以下に示す制御プログラムを実行することにより、電圧指令演算部１１の各機能、同期電流設定やその更新等の処理を実現させる。
【００６６】
まず、上位のコンピュータから起動指令が与えられると、電圧指令演算部１１は、インバータ２の温度に基づいて現在の電流制限値を求める（図６のステップＳＡ１）。この電流制限値は、インバータ２が備えるパワートランジスタ４ａ乃至４ｆの特性と温度に応じて決定される値である。例えば、電圧指令演算部１１は、図８に示すように、インバータ温度と電流制限値とを対応付けるテーブルを予め保有しており、このテーブルを参照することで、起動時における温度に対応する電流制限値を求める。ここで、電流制限値は、温度が高くなるほど、低く設定される。また、上記のテーブルに代えて、温度を変数とした関数式を用いて電流制限値を演算により求めるようにしても良い。
また、インバータ２の温度は、温度センサ９から転送されるセンサ値を用いることが可能である。
【００６７】
続いて、電圧指令演算部１１は、求めた電流制限値から更に所定値（例えば、３Ａから７Ａまでのいずれかの値、好ましくは５Ａ）を減算することにより、過電流判定値Ｔｈを算出し、更に、この過電流判定値Ｔｈが予め設定されている同期運転制限電流ＴＢＤｍａｘを超えるか否かを判定する（ステップＳＡ２）。
【００６８】
この結果、過電流判定値Ｔｈが同期運転制限電流ＴＤＢｍａｘを越えていた場合には、起動時における同期運転電流ＴＤＢとして同期運転制限電流ＴＤＢｍａｘを設定し（ステップＳＡ３）、一方、過電流判定値Ｔｈが同期運転制限電流ＴＤＢｍａｘ以下であった場合には、同期運転電流ＴＤＢとして過電流判定値Ｔｈを設定する（ステップＳＡ４）。なお、ステップＳＡ１乃至ステップＳＡ４の処理過程が、本発明の電流設定処理に相当する。
【００６９】
続いて、電圧指令演算部１１は、設定した同期運転電流ＴＤＢに基づいてδ軸電圧指令ｖδ*およびγ軸電圧指令ｖγ*をそれぞれ求めて、２相／３相変換部１２（図２参照）に出力する。これにより、これら電圧指令に基づくインバータ２の制御がＰＷＭ行われ、同期運転電流ＴＤＢがインバータ２を介してモータ７に供給される。モータ７は、同期運転電流ＴＤＢの供給により回転し始め、除々に回転数を上昇させ、同期運転電流ＴＤＢに対応する回転数にて安定する。
【００７０】
一方、電流指令演算部１１は、モータ７の回転数が安定する回転安定期間（例えば、回転数が１０ｒｐｓ乃至１５ｒｐｓにおける期間）において、γ軸端子電圧Ｖγをモニタし、回転数が１５ｒｐｓに達した時点で、この回転安定期間におけるγ軸端子電圧Ｖγの平均値Ｖγａｖｅを算出する（ステップＳＡ６）。そして、この平均値Ｖγａｖｅに基づいて、同期運転電流の更新を行う（ステップＳＡ７）。具体的には、γ軸端子電圧Ｖγの平均値Ｖγａｖｅが起動負荷判定の基準値Ｖｒｅｆ（例えば、２８．６Ｖ）以下であった場合には、同期運転電流を前回設定した同期運転電流よりも低い値、例えば、３５Ａに設定する。一方、平均値Ｖγａｖｅが起動負荷判定の基準値Ｖｒｅｆを超えていた場合には、電流制限値に更新する。なお、ステップＳＡ５乃至ステップＳＡ７の処理が本発明の電流更新過程に相当する。また、上記起動負荷判定の基準値Ｖｒｅｆは、経験上、任意に設定可能な値であり、本実施形態では、平均値Ｖγａｖｅの値に基づき起動失敗が最も少なくなる値に設定している。
【００７１】
このようにして、同期運転電流を更新すると、続いて、起動不良が発生しているか否かを判定する（ステップＳＡ８）。この処理では、例えば、インバータの回路に過電流が流れているか否か、および、空気調和機が搭載されている車両の異常を通知する緊急停止等の指令が発生しているか否かを判定する。
【００７２】
この結果、ステップＳＡ８において、起動不良が発生していないと判断した場合には、続いて、圧縮機の運転が正常に行われているか否かを判定する（ステップＳＡ９）。具体的には、インバータ出力が要求回転数に相当する値に達してから所定時間経過したときのインバータ出力電流絶対値の最大値Ｉｍａｘ（以下「電流最大値」という。）が異常判定値Ｉｒｅｆよりも大きいか否かを判定する。ここで、異常判定値Ｉｒｅｆは、モータ７の種類や大きさ、圧縮機８の種類、大きさに依存するが、圧縮機８の動作条件内でモータ７の最低トルクとなる電流値、例えば、３Ａ程度の大きさの電流値に設定される。
【００７３】
この結果、電流最大値Ｉｍａｘが異常判定値Ｉｒｅｆ以下であった場合には、圧縮機８の運転が正常に行われていると判断し、定常運転へ徐々に移行する（ステップＳＡ１０）。すなわち、モータ７の運転状態が起動時における制御から定常時における制御へと制御量を徐々に調節しながら、滑らかに上述したＶ／Ｆ制御へと移行する。
【００７４】
一方、ステップＳＡ９において、電流最大値Ｉｍａｘが異常判定値Ｉｒｅｆ以下であった場合には、圧縮機８の運転に異常が生じていると判断し、インバータ２への出力を停止し（ステップＳＡ１１）、その後、所定時間経過後に（ステップＳＡ１２）、図７に示すステップＳＡ１７へ移行する。
【００７５】
次に、上記のステップＳＡ８において、起動不良が発生していると判断した場合には、インバータ故障判定を行う（ステップＳＡ１３）。この結果、インバータ２に異常が生じていた場合には、インバータ２の駆動を停止することにより、モータ７の駆動を停止し、更に、上位コンピュータに対して異常発生を通知することにより、ユーザに対して異常を報告する（ステップＳＡ１４）。一方、インバータ２に故障が発生していないと判断した場合には、所定時間経過後に（ステップＳＡ１５）、上述のステップＳＡ１からステップＳＡ１５の処理を予め設定されている所定回数（例えば、３回）繰り返し行ったか否かを判定する（ステップＳＡ１６）。この結果、所定回数繰り返していなかった場合には、上記のステップＳＡ１に戻り、ステップＳＡ１からの処理を上述の手順で再度行う。
一方、ステップＳＡ１６において、所定回数繰り返していると判断した場合には、図７のステップＳＡ１７に移行する。
【００７６】
図７のステップＳＡ１７では、同期運転電流の再設定を行う。この同期運転電流の再設定の処理では、上述したステップＳＡ１乃至ＳＡ４までの処理と同様の処理が行われる。つまり、過電流判定値Ｔｈが同期運転制限電流ＴＤＢｍａｘを越えていた場合には、同期運転電流ＴＤＢとして同期運転制限電流ＴＤＢｍａｘを設定し、一方、過電流判定値Ｔｈが同期運転制限電流ＴＤＢｍａｘ以下であった場合には、同期運転電流ＴＤＢとして過電流判定値Ｔｈを設定する。このようにして、同期運転電流の再設定が行われると、続いて、モータのアイドリング運転を行う。アイドリング運転は、圧縮機８内の液冷媒を排出させるためのものであり、一定の低回転数で所定時間（例えば、数秒乃至数十秒程度）回転させるものである。
【００７７】
アイドリング運転が終了すると、続いて、緩やかな角加速度でモータを回転する（ステップＳＡ１９）。例えば、７２０ｒｐｍ／ｓの角加速度でモータが回転される。これによって、通常の起動制御と同じ低速起動となる。続いて、上記のステップＳＡ８と同様に、起動不良が発生しているか否かを判定し（ステップＳＡ２０）、この結果、異常が発生していなければ、続いて、インバータ故障を判定する（ステップＳＡ２１）。この結果、インバータ故障が発生していれば、運転を停止し（ステップＳＡ２２）、一方、インバータ故障が発生していなければ、ステップＳＡ１７乃至ＳＡ２１の処理を一定回数繰り返したか否かを判定する（ステップＳＡ２３）。
ステップＳＡ２３において、ステップＳＡ１７からＳＡ２１の処理を一定回数以上繰り返していなければ、所定時間待機した後（ステップＳＡ２４）、上記のステップＳＡ１７に戻り、同期運転電流の再設定を行う。一方、ステップＳＡ２３において、一定回数以上繰り返していると判断した場合には、図６に示したステップＳＡ１に戻る。
【００７８】
一方、図７のステップＳＡ２０において、起動不良が発生していないと判断した場合には、圧縮機運転が正常か否かを判定し（ステップＳＡ２５）、この結果、正常であれば定常運転への移行を行い（ステップＳＡ２６）、正常でなければ、インバータ出力を停止した後（ステップＳＡ２７）、上述したステップＳＡ２３へ移行する。
【００７９】
以上説明してきたように、本実施形態に係る永久磁石型同期モータの制御装置によれば、永久磁石型同期モータに３相電流を供給するインバータ２の温度から求められた電流制限値に応じて起動時における同期運転電流が設定されるので、起動時に、過電流がインバータに流れることを防止することができる。また、電流制限値になるべく近い値の電流を同期運転電流として設定することで、永久磁石同期モータの起動成功率を高めることができる。また、この場合において、電流制限値は、インバータ２の主要な部品であるパワートランジスタ４ａ乃至４ｆの温度特性に基づいて電流制限値が求められることとなる。これにより、過電流によるパワートランジスタ４ａ乃至４ｆの劣化、損傷を防止することが可能となる。
【００８０】
更に、起動後においては、回転安定期間におけるインバータの出力電圧または出力電流がモニタされるので、これらの値を用いてモータ負荷を推定することができる。そして、これらのモータ負荷を勘案した好適な電流値に、同期運転電流を更新することで、電力消費を低減させ、効率の良いモータ駆動を実現させることが可能となる。
更に、上記構成によれば、インバータの温度が取得可能な構成となっていれば、起動時における同期運転電流を設定することが可能となるので、モータや圧縮機等からセンサ情報を取得する必要がない。これにより、装置構成を簡易なものにすることができる。
【００８１】
なお、上記実施形態では、ステップＳＡ７において、常に同期運転電流を更新していたが、例えば、ステップＳＡ３において、過電流判定値Ｔｈが同期運転制限電流ＴＤＢｍａｘ以下であり、ステップＳＡ４において、同期運転電流として過電流判定値Ｔｈが設定された場合には、ステップＳＡ７における同期運転電流の更新を行わずに、引き続き、ステップＳＡ４にて設定した同期運転電流を維持することとしても良い。
また、同期運転電流の更新は、上述したγ軸端子電圧Ｖγに基づいて同期運転電流を更新する手法に代えて、インバータ２の３相の出力電圧のうちの１つ電圧値に基づいて同期運転電流を決定してもよいし、また、電圧ではなく、インバータ２の出力電流に基づいて同期運転電流を決定することとしても良い。
【００８２】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る永久磁石型同期モータの制御装置について図を参照して説明する。
第２の実施形態にかかる制御装置の装置構成は、基本的に第１の実施形態に係る制御装置３の装置構成と同じであるが、電圧指令演算部１１において行われる制御内容が異なる。具体的には、モータを起動させた後に、圧縮機８内の冷媒が液化しているか否かを判定するための液圧縮判定（図９のステップＳＢ７参照）を更に設けている。
以下、本実施形態に係る電圧指令演算部１１において行われる制御について、図９を参照して説明する。図９は、本発明の第２の実施形態における永久磁石型同期モータの起動時における制御手順を示すフローチャートである。なお、図９において、図６及び図７と同様の処理内容については、同一ステップを付し、その説明を省略する。
【００８３】
まず、ステップＳＡ１乃至ステップＳＡ４を行うことにより、同期運転電流ＴＤＢを設定され、この同期運転電流ＴＤＢに基づくモータ７の運転が開始される。その後、ステップＳＡ５において回転安定期におけるインバータ２のγ軸端子電圧Ｖγをモニタし、ステップＳＡ６において、回転安定期におけるγ軸端子電圧Ｖγの平均値Ｖγａｖｅを算出する。続いて、ステップＳＢ７において、本実施形態の特徴となる液圧縮判定を行う。
この液圧縮判定は、圧縮機８内の冷媒が液化することにより、圧縮に予想外にトルクが必要となっているか否かを判定するものである。具体的には、ステップＳＡ６において算出したγ軸端子電圧Ｖγの平均値Ｖγａｖｅを、液化が発生しているか否かを判定するための液化判定値Ｌ（＝Ｖγａｖｅ）として定め、この液化判定値Ｌが予め設定されている液化基準値Ｌｒｅｆを超えているか否かを判定することにより、液化の有無を判断する。ここで、液化基準値Ｌｒｅｆは、経験上設定される値であり、例えば、液化判定値Ｌと冷媒の液化との関係を実験等により求め、液化する臨界値を液化基準値Ｌｒｅｆとすることで、冷媒が液化しているか否かを的確に判断することが可能となる。
【００８４】
そして、上述したステップＳＢ７において、液化判定値Ｌが液化基準値Ｌｒｅｆを超えている場合には、液化が発生していない、つまり、圧縮機８内の冷媒が液化していないと判断して、ステップＳＡ１３へ移行し、以降、上記の第１の実施形態に係る処理手順に従って、処理が進められることとなる。
一方、ステップＳＢ７において、液化判定値Ｌが液化基準値Ｌｒｅｆ以下である場合には、液化が発生している、つまり、圧縮機８内の冷媒が液化していると判断し、ステップＳＢ８に移行して、所定の期間待機する。このように、所定の期間待機することにより、圧縮機内の冷媒が安定するのを待つ。
【００８５】
次に、図７に示したステップＳＡ１７へ移行し、現在のインバータ２の温度に基づいて同期運転電流を再設定し、続いて、液冷媒を排出させるために、モータのアイドリング運転を実施する（図７のステップＳＡ１８）。アイドリング運転が終了すると、緩やかな角加速度でモータの運転を実施し（ステップＳＡ１９）、以降、上記の第１の実施形態に係る処理手順に従って、処理が進められることとなる。
【００８６】
以上説明してきたように、本実施形態に係る永久磁石型同期モータの制御装置によれば、起動後において、回転安定期間におけるインバータの出力電圧から圧縮機内の冷媒が液化しているか否かを判定するための液化判定値Ｌが演算され、この液化判定値Ｌが液化基準値Ｌｒｅｆを超えているか否かにより液圧縮の有無が判定される。そして、液化が生じていると判断された場合には、液化に対処する好適な運転制御がなされることとなるので、液化が発生している場合でも、モータを円滑に始動させることができる。
【００８７】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、本発明に係る永久磁石型同期モータの制御装置は、通常運転時において、永久磁石型同期モータのリラクタンストルクも考慮した最小電流で永久磁石型同期モータのトルクを制御することとしていたが、このような制御手法ではなく、通常行われている公知の永久磁石型同期モータの制御、例えば、力率＝１となるような制御を行う構成としても良い。
また、上述した実施形態では、制御装置をコンピュータシステムで構成した場合を前提としていたが、このような構成に限定される必要はない。例えば、各部を別個のハードウェアにて構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の一実施形態に係るシステム構成を示すブロック線図である。
【図２】図１に示した制御装置の機能ブロックを示す図である。
【図３】最小電流となるときのｄ軸電流とｑ軸電流の完成を示すグラフであり、縦軸はｄ軸電流、横軸はｑ軸電流である。
【図４】最小電流となるときの電流と位相差の関係を示すグラフであり、縦軸は位相差、横軸は電流である。
【図５】力率１制御の場合と本発明の場合との電流とトルクの関係を示すグラフであり、縦軸は位相差、横軸はトルクである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る制御装置にて実行される起動時における制御手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る制御装置にて実行される起動時における制御手順を示すフローチャートである。
【図８】パワートランジスタの温度と電流制限値との関係を示すグラフであり、縦軸は電流制限値、横軸は温度である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る制御装置にて実行される起動時における制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８９】
１  電動圧縮機の駆動制御装置
２  インバータ
３  制御装置
４ａ乃至４ｆ  パワートランジスタ
５  バッテリ
６  電動圧縮機
７  モータ
８  圧縮機
９  温度センサ
１１  電圧指令演算部
１２  ２相／３相変換部
１３  ＰＷＭ制御装置
１４  ３相／２相変換部
１５  力率角演算部
１６  比例器
１７  積分器
【図１】
0004509010.tif 000018
【図２】
0004509010.tif 000019
【図３】
0004509010.tif 000020
【図４】
0004509010.tif 000021
【図５】
0004509010.tif 000022
【図６】
0004509010.tif 000023
【図７】
0004509010.tif 000024
【図８】
0004509010.tif 000025
【図９】
0004509010.tif 000026