(57)【要約】【課題】通電相の切替え状況にかかわらず、非通電相から位置情報を求めることができるモータ制御システムを提供する。【解決手段】モータ（３）に設けられた複数相の固定子巻線（３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ）の各両端に接続される電力変換回路（４）と、各相の固定子巻線（３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ）の端子間電圧を検出する電圧検出回路（５０）と、電圧検出回路（５０）により検出された、開放相の端子間電圧に基づいて、モータ（３）の回転角（θ）を算出する位置算出部（５）とを設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータに設けられた複数相の固定子巻線の各両端に接続される電力変換回路と、
各相の前記固定子巻線の端子間電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路により検出された、開放相の前記端子間電圧に基づいて、前記モータの回転角を算出する位置算出部と
を有することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記電圧検出回路は、各相の前記固定子巻線の端子間電圧を検出する差動増幅器を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記電圧検出回路は、所定のサンプリング周期毎に、開放相の前記端子間電圧を検出し、前記位置算出部は、前記サンプリング周期毎に、当該サンプリング周期における前記端子間電圧に基づいて、前記回転角を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記位置算出部は、各相の前記固定子巻線に対して、所定回転角毎に測定期間を割り当て、前記測定期間を割り当てた前記固定子巻線の前記端子間電圧に基づいて、前記回転角の全範囲において、前記サンプリング周期毎に、途切れることなく前記回転角を算出し続ける
ことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載のモータ制御装置と、
前記モータと
を有することを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ制御装置および電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、下記特許文献１の要約書には、「負荷トルク変動によりモータに流れる電流が変化して、転流重なり期間の長さが変化するシステムにおける転流重なり期間中の位置情報の誤検出を防止し、零速度近傍の極低速領域からの高効率駆動が可能なセンサレス駆動方式を実現する」、「一次遅れフィルタ器の出力値からインバータの転流重なり期間の終了を判断し、転流重なり期間の終了後から永久磁石モータ２の非通電相の端子電圧の値が通電モード切替閾値を超えたかを判断することで位置推定を行い、位置推定の結果からインバータ１の非通電相を設定する」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−７９０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された技術では、通電相を切替えた後に非通電相端子に転流スパイク電圧が発生する。そして、この転流スパイク電圧が生じている間（転流重なり期間）においては、非通電相の開放相起電圧から位置情報を求めることができない。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、通電相の切替え状況にかかわらず、非通電相から位置情報を求めることができるモータ制御装置および電気機器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本発明にあっては、モータに設けられた複数相の固定子巻線の各両端に接続される電力変換回路と、各相の前記固定子巻線の端子間電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路により検出された、開放相の前記端子間電圧に基づいて、前記モータの回転角を算出する位置算出部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、通電相の切替え状況にかかわらず、非通電相から位置情報を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態によるモータ制御システムの概略構成図である。
【図２】回転角に対する開放相の逆起電圧の特性を示す図である。
【図３】モータの回転速度に対するモータ効率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［実施形態の構成］
次に、図１に示すブロック図を参照し、本発明の一実施形態によるモータ制御システムの構成を説明する。
図１において、モータ３は、永久磁石型同期電動機であり、図示せぬ回転子と図示せぬ固定子鉄心とを有している。この回転子は永久磁石を埋設し、回動自在に構成されている。また、固定子鉄心は、回転子を囲む略筒状のバックヨークと、バックヨークから回転子に向かって突出する複数のティースとを有している。図１に示すＵ相，Ｖ相，Ｗ相の固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗは、これらティースに巻回される。
【０００９】
電力変換装置１は、直流電源２から供給された直流電圧ＥdをＰＷＭ（pulse width modulation）変調し、モータ３に印加する電力変換回路４と、電力変換回路４に対してＰＷＭ変調のための制御信号を供給するパルス制御部７と、モータ３の回転角θを算出する位置算出部５と、パルス制御部７に速度指令信号を出力するインバータ制御部６とを有している。電力変換回路４の内部に設けられた三相ブリッジ回路４１においては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）１１，１２が直列に接続されている。同様に、ＭＯＳＦＥＴ１３，１４およびＭＯＳＦＥＴ１５，１６も直列に接続され、これら直列回路には、直流電源２によって直流電圧Ｅdが印加される。ＭＯＳＦＥＴ１１，１２の接続点、ＭＯＳＦＥＴ１３，１４の接続点、およびＭＯＳＦＥＴ１５，１６の接続点は、各々固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗの一端に接続されている。
【００１０】
また、三相ブリッジ回路４３は、ＭＯＳＦＥＴ２１〜２６を有し、これらＭＯＳＦＥＴ２１〜２６は、上述したＭＯＳＦＥＴ１１〜１６と同様に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ２１，２２の接続点、ＭＯＳＦＥＴ２３，２４の接続点、およびＭＯＳＦＥＴ２５，２６の接続点の電圧は、各々固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗの他端に接続されている。ゲート・ドライバ４２，４４は、各々三相ブリッジ回路４１内のＭＯＳＦＥＴ１１〜１６および三相ブリッジ回路４３内のＭＯＳＦＥＴ２１〜２６に対して、ゲート電圧を印加する。
【００１１】
三相ブリッジ回路４１からモータ３の各相の第１入力端子に供給される電流をＩu，Ｉv，Ｉwという。なお、これらを総称して、図１に示すように電流Ｉuvwと呼ぶ場合もある。電流Ｉuvwの測定値は位置算出部５に供給される。また、固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗの各端子電圧をＶu，Ｖv，Ｖwという。電圧検出回路５０は、差動増幅器５１，５２，５３を有しており、これらによって電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwが検出される。位置算出部５は、電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwと、電流Ｉu，Ｉv，Ｉwとに基づいて、モータ３の回転子位置すなわち回転角θを算出し、算出した回転角θをインバータ制御部６に供給する。
【００１２】
インバータ制御部６においては回転角θを微分することによって回転速度が算出される。また、インバータ制御部６は、図示せぬ上位装置等から、モータ３の目標回転速度等について指令を受けると、現在の回転速度を目標回転速度に近づけ、一致させるような速度指令信号を出力する。パルス制御部７は、この速度指令信号に基づいて、各ＭＯＳＦＥＴ１１〜１６，２１〜２６のオン／オフタイミングを決定し、これらＭＯＳＦＥＴのオン／オフを指令する制御信号をゲート・ドライバ４２，４４に供給する。ゲート・ドライバ４２，４４は、これら制御信号に基づいて、各ＭＯＳＦＥＴ１１〜１６，２１〜２６にゲート電圧を印加する。
【００１３】
［位置算出部５の動作］
次に、位置算出部５における位置検出動作を説明する。
モータ３の回転速度がある程度の速度に達していると、非導通相における逆起電力すなわち電圧Ｖu，Ｖv，Ｖw、によってモータ３の回転角θを検出することができる。しかし、逆起電力の大きさは回転速度に比例するため、回転速度が極低速になると、ノイズ等の影響により検出精度が低下する。そこで、本実施形態の位置算出部５は、磁気飽和によるインダクタンスの変化に基づいて、回転角θを検出する。
【００１４】
まず、Ｕ相が開放相（ＰＷＭ変調波が印加されない相）である期間を想定する。Ｕ相の固定子巻線３３ＵのインダクタンスをＬuとすると、Ｕ相の電圧Ｖuと電流Ｉuとの間には、
Ｖu＝Ｌu（ｄＩu／ｄｔ）    …式（１）
という関係がある。ここで、インダクタンスＬuは、回転角θによって変化する。すなわち、回転子に埋設されている永久磁石が、固定子巻線３３Ｕ内の磁束を強める位置にあると、磁気飽和の影響が強くなるため、インダクタンスＬuは小さくなる。一方、永久磁石が、固定子巻線３３Ｕ内の磁束を弱める位置にあると、磁気飽和の影響が弱くなるため、インダクタンスＬuは大きくなる。
【００１５】
従って、電圧Ｖuと電流Ｉuの微分値（ｄＩu／ｄｔ）に基づいて、インダクタンスＬuを求めると、これによって回転角θを求めることができる。固定子巻線３３Ｕに印加されるＰＷＭ変調波は、電流Ｉuのゼロクロス点近傍（少なくともゼロクロス点±３０°の６０°の範囲）では、オフ状態に保たれる。従って、位置算出部５は、その「６０°の範囲」をＵ相の測定期間とし、電圧Ｖu，電流Ｉuを、所定のサンプリング周期毎に途切れることなく連続的に検出し、回転角θを算出する。また、位置算出部５は、Ｖ相、Ｗ相についても、それぞれのゼロクロス点近傍の６０°の範囲を測定期間とし、その相の電圧、電流を途切れることなく連続的に検出し、回転角θを算出する。
【００１６】
このように、位置算出部５は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の順に、６０°づつの測定期間を割り当て、割り当てた相の電圧、電流に基づいて、回転角θを算出する。これにより、位置算出部５は、回転角θの全範囲（０°〜３６０°）において、所定のサンプリング周期毎に、途切れることなく連続的に、回転角θを算出し続ける。
【００１７】
［実施形態の効果］
次に、図２を参照し、本実施形態の効果を説明する。なお、図２は、回転角θに対する開放相の逆起電圧の特性を示す図である。
本実施形態による、開放相の測定期間内における電圧波形の例を図２においてＶ1として示す。本実施形態においては、固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗが相互に独立し、他相に印加される電圧の影響をほとんど受けないため、電圧波形Ｖ1は、回転角θに対してほぼ直線的に変化する値になる。
【００１８】
ここで、比較のため、上述した特許文献１の技術によって得られる電圧波形の例を図２においてＶ2として示す。なお、特許文献１の技術においては、各相の固定子巻線はモータ内の中性点に接続されているため、各相の固定子巻線単独の電圧を直接的に測定することはできない。そこで、モータ外にて擬似的な中性点を作成して電圧波形Ｖ2を測定している。特許文献１の技術においては、各相の固定子巻線は中性点に接続されているため、図２に示すように、開放相の電圧波形Ｖ2は、他相に電圧が印加された際に乱れる。
【００１９】
あるサンプリング周期において電圧波形Ｖ2が乱れると、その時点における電圧波形Ｖ2等のサンプリング値に基づいて回転角θを算出できないため、過去のサンプリング値に基づいて現在の回転角θを「推定」する手法を採らざるを得ない。しかし、予期せぬ外乱が生じた場合等において「推定」によって求めた回転角θは実際の値から大きく外れ、これによって制御に支障を来す場合がある。これに対して、本実施形態によれば、サンプリング周期毎に、当該サンプリング周期における電圧波形Ｖ1に基づいて、回転角θを途切れることなく算出するから、予期せぬ外乱が生じた場合等においても、正確な回転角θを算出し続けることができ、モータ３を高精度で制御することができる。
【００２０】
また、特許文献１の技術においては、直流電源の出力電圧を各固定子巻線に印加することができないため、各固定子巻線に印加される電圧は、直流電源の出力電圧よりも低くなる。これに対して、本実施形態においては、直流電源２が出力する直流電圧Ｅdを、固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗに直接的に印加することができる。換言すれば、同一の電源を用いたとしても、本実施形態によれば、特許文献１に係る技術の約２倍の電圧を固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗに印加することができる。従って、同一の固定子鉄心を用い、固定子巻線の巻数も同一であるとすると、本実施形態は特許文献１のものよりも、モータ３をより高速で運転することができる。
【００２１】
モータ３の用途によっては、高速運転を実現するよりも、低速運転時における運転範囲の拡大や高効率化を実現するほうが重要である場合もある。このような場合は、固定子鉄心として磁気飽和が起こりやすい材質のものを選択する、あるいは固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗの巻線数を多くする等、低速運転に適するようにモータ３を設計するとよい。低速運転に適するようにモータ３を設計すると、最高速度が落ちる等、高速運転時の性能低下が起こる。しかし、本実施形態においては、直流電圧Ｅdを固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗに直接的に印加できる点で特許文献１のものよりも有利であり、これによって高速運転時の性能低下を補うことが可能になる。
【００２２】
次に、図３を参照し、この効果の具体例を説明する。なお、図３は、モータの回転速度Ｎに対するモータ効率を示す図である。図３における特性Ｇ2は、特許文献１の技術による特性例であり、モータの運転範囲は回転速度Ｎ1〜Ｎ2の範囲である。特性Ｇ1は、本実施形態による特性例である。本実施形態（特性Ｇ1）によれば、モータの運転範囲の最低速度はＮ1よりも低い回転速度Ｎ3まで広がっている。さらに、回転速度Ｎ1付近のモータ効率は、特許文献１のもの（特性Ｇ2）と比較して、一層高くなっている。これは、低速運転に適するようにモータ３を設計したことによる。一方、運転範囲の最高速度は回転速度Ｎ2のまま維持されている。これは、直流電圧Ｅdを固定子巻線３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗに直接的に印加できることによる。
【００２３】
［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
【００２４】
（１）上記実施形態においては、開放相の電圧と電流の双方を検出することによって、磁気飽和に基づくインダクタンスの変化を検出し、回転角θを算出した。しかし、開放相の電流は必ずしも検出しなくてもよい。すなわち、極低速の運転制御を行わず、逆起電圧のみによって実用上充分な精度を得ることができるのであれば、開放相の逆起電圧のみによって回転角θを算出してもよい。この場合においても、図２において説明したように、逆起電圧の電圧波形Ｖ1は他相に印加される電圧の影響をほとんど受けないため、回転角θを途切れることなく算出し続けることができ、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００２５】
（２）本実施形態のモータ制御システムは、空気調和機、冷凍機、自動車、工作機器、建設機械等、モータを有する様々な電気機器に適用することができる。これらの電気機器においては、上記実施形態にて述べたように、モータの高精度な位置検出と、モータの運転範囲の拡大とが実現されるため、これらの電気機器の性能を向上させることができる。
【００２６】
（３）位置算出部５、インバータ制御部６、パルス制御部７等の構成要素の機能は、コンピュータとプログラム等とによって実現できるため、これら構成要素の機能を実現するプログラム等を記憶媒体に格納し、または伝送路を介して頒布してもよい。また、逆に、これら構成要素の機能は、その一部または全部をＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit；特定用途向けＩＣ)、あるいはＦＰＧＡ(field-programmable gate array)等を用いたハードウエア的な処理によって実現してもよい。
【００２７】
［構成・効果の総括］
以上のように、上記実施形態のモータ制御装置は、モータ（３）に設けられた複数相の固定子巻線（３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ）の各両端に接続される電力変換回路（４）と、各相の前記固定子巻線（３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ）の端子間電圧を検出する電圧検出回路（５０）と、前記電圧検出回路（５０）により検出された、開放相の前記端子間電圧に基づいて、前記モータ（３）の回転角（θ）を算出する位置算出部（５）とを有することを特徴とする。これにより、各固定子巻線（３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ）の端子間電圧を独立して測定することができるので、通電相の電圧による開放相への影響を少なくすることができ、高精度な位置検出が可能になる。さらに、各固定子巻線（３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ）に電力変換回路（４）の出力電圧（Ｅd）を直接印加することができるので、モータ（３）の運転範囲を広げることもできる。
【００２８】
さらに、前記電圧検出回路（５０）は、各相の前記固定子巻線（３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ）の端子間電圧を検出する差動増幅器（５１，５２，５３）を有することを特徴とする。これにより、端子間電圧が微小であっても、これを正確に検出することができる。
【００２９】
さらに、前記電圧検出回路（５０）は、所定のサンプリング周期毎に、開放相の前記端子間電圧を検出し、前記位置算出部（５）は、前記サンプリング周期毎に、当該サンプリング周期における前記端子間電圧に基づいて、前記回転角（θ）を算出することを特徴とする。これにより、各サンプリング周期に検出された端子間電圧に基づいて、回転角（θ）を算出でき、高精度なモータ制御が可能になる。
【００３０】
さらに、前記位置算出部（５）は、各相の前記固定子巻線（３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ）に対して、所定回転角（６０°）毎に測定期間を割り当て、前記測定期間を割り当てた前記固定子巻線（３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ）の前記端子間電圧に基づいて、前記回転角の全範囲（０°〜３６０°）において、前記サンプリング周期毎に、途切れることなく前記回転角（θ）を算出し続けることを特徴とする。これにより、回転角の全範囲（０°〜３６０°）において、各サンプリング周期に検出された端子間電圧に基づいて、そのサンプリング周期の回転角（θ）を算出でき、過去のサンプリング周期に検出された端子間電圧に基づいて回転角（θ）を予測する必要がなくなるから、一層高精度なモータ制御が可能になる。
【００３１】
また、変形例（２）の電気機器にあっては、上記実施形態のモータ制御装置と、前記モータ（３）とを有することを特徴とする。これにより、これらの電気機器において、モータの高精度な位置検出と、モータの運転範囲の拡大とが実現されるため、これらの電気機器の性能を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  電力変換装置
２  直流電源
３  モータ
４  電力変換回路
５  位置算出部
６  インバータ制御部
７  パルス制御部
１１〜１６，２１〜２６  ＭＯＳＦＥＴ
３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ  固定子巻線
４１，４３  三相ブリッジ回路
４２，４４  ゲート・ドライバ
５０  電圧検出回路
５１，５２，５３  差動増幅器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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