(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速直流電動機用の制御装置であって、該電動機（１２）の回転子の相対的位置を検出するセンサ群（３３）と、該センサ群からの位置信号を受け取り該信号に基づいて前記回転子の相対位置と回転速度の近似値を算出するための速度計算器（３４）と、該速度計算器（３４）から実際の回転速度と位置とに関する信号を受け取るベクトル回転器（３１）と、速度指令信号と実際の速度を示す信号との間に検出される差異に対応した大きさの誤差信号を発生するための誤差信号発生器（３６）と、この誤差信号を受け取り、前記指令速度を実現するに要する大きさの電圧ベクトル鉛直成分に対応した信号（第１信号）を前記ベクトル回転器（３１）のために発生させる比例積算器（３７）と、前記信号（第１信号）が前記ベクトル回転器（３１）に入力され、前記ベクトル回転器（３１）からの出力信号（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）を増幅して当該電動機（１２）に供給するための電源部（１４）とを備えた制御装置。
【請求項２】
回転子の相対位置を検出する前記センサ群（３３）が、該回転子の周りに１２０°ずつ隔てて配置された３つのセンサからなる請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記センサ群（３３）が、回転子に追随して回動変化する磁界の時々刻々の位置を検出し、回転子位置の位相に対応した３本のパルス列信号を生成させ、位置速度計算器（３４）が該パルス列信号に基づき実際の回転速度ωと近似的位置θとを、３つのセンサ設置場所の間で速度差を生じているか否かに応じて算出する構成である請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記ベクトル回転器（３１）への更なる入力信号を発生する条件付きスイッチ（３９）を更に備えていて、該更なる入力信号が前記センサ群（３３）により検出される電動機（１２）の実回転速度の関数、若しくは前記電圧ベクトル鉛直成分に対応した前記信号（第１信号）の関数として生成させられる請求項１〜３の何れかに記載の制御装置。
【請求項５】
位置速度計算器（３４）が求めた回転子実速度ωを相関係数Ｋで増幅する増幅器（４１）を更に備えていて、前記スイッチ（３９）が第１位置（位置ａ）にあるとき増幅器（４１）からの出力信号を受け取り、この増幅器（４１）は相関係数Ｋを以って実速度ωを増幅することによって前記ベクトル回転器（３１）への入力信号を発生するものである請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】
電圧の最高値に達したとき（即ち前記ベクトル水平成分の二乗値と鉛直成分の二乗値との和が「１」に等しいとき）前記スイッチ（３９）が第１位置（位置ａ）から第２位置（位置ｂ）へ移行し、この第２位置において磁界の微弱化が起こり、所要速度がそれ以上に増大すれば電圧ベクトルの回動をもたらす構成である請求項５に記載の制御装置。
【請求項７】
前記の比例積算器（３７）で生成する電圧ベクトル鉛直成分に該当する前記信号（第１信号）が計算器（４２）に供給され、この計算器（４２）は次式、すなわち
0004287998.tif 000004
ここにμｑ＝電圧ベクトル鉛直成分、μｄ＝電圧ベクトル水平成分
によって該電圧ベクトル水平成分を求める構成である請求項６に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（産業上の利用分野）
本発明は、電動機の制御装置、特に高速ブラシレス直流電動機の制御装置であって、電動機回転速度を最低速度と最高速度との間で効率良く制御することが可能なものに関する。
【０００２】
国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９８／０００３５には、冷凍機用コンプレッサ等を駆動するべく設計された高速ブラシレス直流電動機が開示されている。この電動機は、非磁性スリーブに収納された希土類元素マグネット（ＮｄＦｅＢ）を備えた回転子と、極めて低いインダクタンスの固定子巻線とを有し、定常回転数と最高回転数との間で略々力率が１となる構成である。
【０００３】
本発明は、前述の国際出願に記述されているタイプの電動機若しくはこれに類似した設計の各種電動機の制御を、何ら複雑かつ高価な機構を要することなく可能とするものである。
【０００４】
廉価な制御部材を用いて電動機の回転数を所望の範囲内において制御するには、固定子巻線の低インダクタンス性を利用し得る制御装置が考案されるべきである。即ち、低インダクタンスの固定子巻線を備えた高速直流電動機の回転数を制御し得る制御装置の提供が望まれる。
【０００５】
また、冷凍機コンプレッサ等にとって必要な回転数制御を比較的低コストでしかも効率良く行える制御装置の提供が望まれる。
【０００６】
更に、サイズと構造を異にする種々の電動機についての採用が可能な制御装置を提供することが望ましい。
【０００７】
また、所望の負荷水準の高低如何によらず回転数を制御し得る電動機制御装置の提供が望まれる。
【０００８】
（発明の概要）
一つの観点からすれば、本発明は、高速直流電動機用の制御装置であって、該電動機の回転子の相対的位置を検出するセンサ群と、該センサ群からの位置信号を受け取り該信号に基づいて前記回転子の相対位置と回転速度の近似値を算出するための速度計算器と、該速度計算器から実際の回転速度と位置とに関する信号を受け取るベクトル回転器と、速度指令信号と実際の速度を示す信号との間に検出される差異に対応した大きさの誤差信号を発生するための誤差信号発生器と、この誤差信号を受け取り、前記指令速度を実現するに要する大きさの電圧ベクトル鉛直成分に対応した信号（第１信号）を前記ベクトル回転器のために発生させる比例積算器と、前記信号（第１信号）が前記ベクトル回転器に入力され、前記ベクトル回転器からの出力信号を増幅して当該電動機に供給するための電源部を備えた制御装置、を提供するものである。
【０００９】
本発明に係る制御装置は、特に低インダクタンスの固定子巻線を備えた高速直流電動機用のものであり、該電動機はその運転速度範囲内における力率を略々  「１」に保つべく設計されている。前述の国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９８／０００３５に記述されているタイプの電動機は、遠心型コンプレッサの回転数が負荷に左右されるような冷凍システム、への組み込に適した設計である。一般に冷凍システムは、その稼動時間中の大部分において最大負荷容量未満の状態で運転されるのが普通である。本発明の制御装置は、コンプレッサの運転速度範囲内において、電動機に対する所要負荷の高低如何を問わず、つねに最高の効率を保証する。かかる特長は、本発明の制御装置において前記センサ群からの信号に呼応して電圧ベクトルが生成させられ、限界の最高電圧に達する前に電動機駆動電流を起電力（ＥＭＦ）に追従一致させる、という構成がもたらす利点である。最高電圧到達後における回転数の増大は、電圧を一定に維持しつつ電圧ベクトルを回動させることにより行なえる。
【００１０】
本発明の好適な一実施態様にあっては、前記の位置センサ群が回転子の角度位置と回転速度とを時々刻々検出する。各センサ位置間での加速の有無は時々刻々の速度検出によっては捉えられず、したがって実際の回転子速度の計算値は、ある程度近似的な値とならざるを得ない。しかし、検出された速度と実際の速度との間の差は、回転速度計算上さほど重大な問題ではない。
【００１１】
実速の計算値は速度指令信号と比較され、差異の有無を調べる。この速度指令信号は、システムの負荷検出値に対応した速度信号として冷凍システム制御回路から発信される。
【００１２】
ベクトル回転器は制御電圧を生成させ、該電圧の鉛直・水平の両成分は、速度指令信号つまり上述の検出値との間の差異を以って変成された速度指令信号を反映する。
【００１３】
本発明の制御装置は、条件付きスイッチを設けることにより、電圧の高低と位相角を回転速度指令信号に符合させ、各出力トルクに対する電流値を最小に保つことが望ましい。この条件付きスイッチが一つの位置にあるとき、回転子実速の関数は水平成分として、また所要の負荷値は鉛直成分としてベクトル回転器に入力される。そして電圧ベクトルの鉛直・水平両成分が
μｑ２＋μｄ２＝１
の関係を満たすと条件付きスイッチは第2位置へ移り、この位置では磁界が微弱 化し、それ以上の増速があれば、電圧ベクトルはその強度（絶対値）を変えることなくベクトル回転器により回動させられる。
【００１４】
回転子の相対位置を検出する前記センサ群は、相互に１２０°ずつ離隔させた３つのセンサからなる。センサ群は、回転子と共に回転している磁界の時々刻々の位置を検出するものであるから、また各センサ間でも検出速度値が全く同一というわけではないので、検出される回転子実位置は各センサが配置されている位置どうしの間での速度差に起因した近似値とならざるを得ない。しかしながら回転数が２０，０００ｒｐｍと５５，０００ｒｐｍの間であれば、そのような近似値が含んでいる誤差は、本発明の制御装置の目的にてらせば無視できる程度のものである。
【００１５】
本発明は、以下図面を参照しつつ説明する一実施例から一層明らかとなるであろう。
【００１６】
（好適な実施態様）
この実施例における電動機制御装置の主要部は、電源部１４介して電動機１２を制御するべきマイクロコントローラ１１である。この制御装置を略示した図１において、各符号の意味は次のとおりである。
0004287998.tif 000002
【００１７】
回転子の相対位置と近似的速度は、該回転子の周りに１２０°ずつ離して配置した３つの位置センサ３３により検出される。位置センサ３３は回転子の角度位相に整合した３本のパルス信号列を生成し、これら信号列は位置速度計算器３４で用いられ、各センサ位置間で速度の差があるか否かに応じ、実際の速度を時々刻々近似的に計算する。実速度ωは、誤差信号発生器３６において指令速度ω＊ と比較され、これら両速度ω・ω＊間に差があるか否かをしらべる。「差あり」 と判定されれば、該発生器３６は誤差信号ｅを生成する。
【００１８】
ベクトル回転器３１をコントロールすべく該器に入力される電圧ベクトル鉛直成分μｑは、誤差信号ｅに基づき比例積算器３７において算出される。この回転器３１は、位置速度計算器３４からの回転子実速度信号ωと位置信号θも受け取る。回転器３１が発生させる３つの制御電圧値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、前記ベクトルμｑの関数であり、電源部１４において増幅され電動機１２へ供給される。
【００１９】
マイクロコントローラ１１が更に備えている条件付きスイッチ３９は、位置ａ（第１位置）と位置ｂ（第２位置）の間で切替えられる。そして
μｑ２＋μｄ２＜１
のとき該スイッチ３９は位置ａ（第１位置）をとり、
μｑ２＋μｄ２＝１
のとき位置ｂ（第２位置）をとる。また、マイクロコントローラ１１が更に備えている増幅器４１は、図１に示すように、位置速度計算器３４とベクトル回転器３１との間に、条件付きスイッチ３９を介して配設され、位置速度計算器３４が求めた回転子実速度ωを相関係数Ｋで増幅する。条件付きスイッチ３９が位置ａ（第１位置）にあるとき、この増幅値計算結果Ｋωは電圧ベクトルの水平成分としてベクトル回転器３１へ出力される。このようにして当該制御装置は電圧の高低と位相角を指令速度ω＊に相応しい値に変化させることができ、それによって、限界の最高電圧値に到達するまでの間どの出力トルク値に対しても電流値を最小に保つのである。
【００２０】
相関係数Ｋは回転速度に関連した係数であり、電動機の定常回転数と最高回転数との間で変化する値である。相関係数Kは、電動機を種々の速度で運転し、そ れらの速度における電動機の状態にとっての最適値を見つけるべく一連のテストを行うことによって決める。すなわち、該テストのデータを用いて多項式型などの曲線を描き、ついで電動機の各速度に対する係数Kを求める。
【００２１】
前記スイッチ３９は、
μｑ２＋μｄ２＝１
となったとき位置ｂ（第２位置）に切り替わる。この状態において磁界の微弱化が起こり、所要速度におけるそれ以上の増大は電圧ベクトルを回動させることになる。比例積算器３７が発生させる電圧ベクトル鉛直成分は計算器４２へ供給され、該計算器は水平成分μｄを次式、すなわち
0004287998.tif 000003
に従って算出する。計算器４２は、図１に示すように、比例積算器３７に接続して配設され、条件付きスイッチ３９を介してベクトル回転器３１に接続される。
【００２２】
この水平成分μｄは、位置ｂ（第２位置）にある前記スイッチ３９を通じてベクトル回転器３１に供給される。そして該回転器は、電源部１４が必要とする電圧ベクトルを生成させる。
【００２３】
上述の本発明の好適な実施形態において、図示の例におけるマイクロコントローラ１１は、アナログ・デバイシズ（Analog Devices）社製のデジタル信号プロセッサＡＤＭＣ３３０である。本発明の実施にあたり他のプロセッサも使用可能なことは勿論である。
【００２４】
本発明の電動機制御装置によれば、電圧ベクトルの鉛直・水平両成分を電動機回転数の制御に利用することができ、そして最高の電圧値のとき更なる増速が必要なときは磁界の微弱化が生起し電圧ベクトルが回動させられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例における電動機制御装置の略示ブロック図。
【符号の説明】
１１  マイクロコントローラ
１２  電動機
１４  電源部
３１  ベクトル回転器
３３  位置センサ
３４  位置速度計算器
３６  誤差信号発生器
３７  比例積算器
３９  条件付きスイッチ
４１  増幅器
４２  計算器
【図１】
0004287998.tif 000005