(57)【要約】【課題】起動時のモータ温度に係わらず磁石回転子の位置を正確に推定し起動することができることを目的とする。【解決手段】モータの運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力するモータの磁石回転子の位置決め時、電流センサにより検出される電流値に基づき、モータの固定子巻線の抵抗値を算出し、モータの起動運転時において、少なくとも電流センサの検出電流値と位置決め時に算出した固定子巻線の抵抗値とに基づいて磁石回転子の位置推定を行う。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、前記インバータ回路にＰＷＭ変調の通電によりモータ電流をセンサレスＤＣブラシレスモータへ出力させる制御回路と、前記モータ電流を検出する電流センサとを備えたインバータ装置において、前記制御回路は、前記モータの運転前において前記インバータ回路から前記モータへ直流電流を出力する前記モータの前記磁石回転子の位置決め時、前記電流センサにより検出される電流値に基づき、前記モータの固定子巻線の抵抗値を算出し、前記モータの起動運転時において、少なくとも前記電流センサの検出電流値と前記位置決め時に算出した固定子巻線の抵抗値とに基づいて前記モータの磁石回転子の位置推定を行うインバータ装置。
【請求項２】
電動圧縮機のモータを駆動する請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
前記電動圧縮機は高圧型である請求項２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記電動圧縮機に搭載される請求項２または請求項３に記載のインバータ装置。
【請求項５】
車両に搭載される請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサレスＤＣブラシレスモータの温度に係わらず磁石回転子の位置を正確に推定し起動することができるインバータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来実施されている、モータの運転前における磁石回転子の位置決め、及び、モータの運転中における磁石回転子の位置推定方法について以下説明する。図１０に従来のインバータ装置２０とその周辺の電気回路図を示す。運転前に、センサレスＤＣブラシレスモータ１１（以降モータと称す）を構成する磁石回転子５の位置決めが行われる。位置決めは、インバータ装置２０からモータ１１を構成する固定子巻線４へ直流電流を出力することで行われる。
【０００３】
運転時においては、制御回路７が、インバータ回路を構成するスイッチング素子２（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ，トランジスタ等が用いられる）を制御することにより、バッテリー１からの直流電圧がＰＷＭ変調でスイッチングされ、正弦波状の交流電流がモータ１１を構成する固定子巻線４へ出力される。これにより、モータ１１が駆動される。ダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の循環ルートとなる。電流センサ６の検出電流値は、制御回路７へ送られ、消費電力算出、スイッチング素子２保護などに用いられ、更には、後述する磁石回転子５の位置推定に用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
電流センサ６による相電流検出方法の詳細は割愛する。２相分の相電流を検出すれば残り１相分の相電流は算出できる（固定子巻線４の中性点において、キルヒホッフの電流の法則を適用する）。電流センサ６としては、ホール素子を用いたセンサ、シャント抵抗等、スイッチング素子２によるスイッチング電流のピークを検出できるものが用いられる。
【０００５】
次に、運転時における磁石回転子５の位置推定方法について説明する。図１１に、固定子巻線４の回路構成、Ｕ相における電圧と電流の関連式を示す。また、図１２に、１相分の電圧と電流の位相特性例を示す。誘起電圧は、図１０に示す磁石回転子５の回転により固定子巻線４に誘起する電圧であるので、磁石回転子５の位置推定に使用される。固定子巻線４には、インダクタンスＬとともに抵抗Ｒも存在している。誘起電圧、インダクタンスＬの電圧、抵抗Ｒの電圧の和がインバータ装置２０からの印加電圧に等しい。誘起電圧をＥＵ、相電流をｉＵ、印加電圧をＶＵとすると、ＶＵ＝ＥＵ＋Ｒ・ｉＵ＋ＬｄｉＵ／ｄｔであるので、ＥＵ＝ＶＵ−Ｒ・ｉＵ−ＬｄｉＵ／ｄｔとなる。従って、固定子巻線４のインダクタンスの値Ｌ、抵抗の値Ｒをプログラムしておき、印加電圧をＰＷＭ変調から算出し、相電流を電流センサ６で検出することで、誘起電圧ＥＵを上記算式により算出できる。これにより、運転時における磁石回転子５の位置を推定している。
【特許文献１】特開２００４−２８２８８４号公報（第５〜６頁、第１〜３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、従来のインバータ装置においては、運転時における磁石回転子の位置推定を行うために、固定子巻線の抵抗値をプログラムしてある。この抵抗値は固定値である。一方、実際の固定子巻線は銅線で構成されるため、この抵抗値は温度により変化する。そのため、正確な誘起電圧の算出（磁石回転子の位置推定）においては、固定子巻線の温度によりプログラムの抵抗値を修正する必要がある。
【０００７】
モータの起動時には電流値が大きく抵抗の電圧降下も大きくなるため誘起電圧算出への影響が大きい。また、モータの起動時には回転数が低く誘起電圧が小さいため、精度の高い抵抗の電圧降下算出が必要である。そして、モータ起動時に脱調しないよう正確な制御を行うためには、正確な誘起電圧の算出（正確な磁石回転子の位置推定）が必要である。一方、モータ起動時の温度は一定しておらず、冷時起動もあれば熱時起動もある。圧縮機特に高圧型圧縮機を駆動するモータにおいては連続運転による温度上昇が大きい。そのため、冷時起動、熱時起動に係わらず、正確な磁石回転子の位置推定に基づいて、最適な起動を行うためには、起動時のプログラムの抵抗値を固定子巻線の温度により修正するのが望ましい。
【０００８】
然しながら、固定子巻線の温度を検出するためには、温度センサ、配線、インターフェイス回路などを設ける必要がある。そのため、部品の増加、モータなどの大型化を招いてしまう。圧縮機においては、高温高圧対応の温度センサ、高圧容器用の電気接続ターミナルに端子追加が必要になる。
【０００９】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、特段の部品追加は必要なく、起動時のモータ温度に係わらず正確に磁石回転子の位置を推定し起動することができるインバータ装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、インバータ回路にＰＷＭ変調の通電によりモータ電流をセンサレスＤＣブラシレスモータへ出力させる制御回路と、モータ電流を検出する電流センサとを備え、制御回路は、モータの運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力するモータの磁石回転子の位置決め時、電流センサにより検出される電流値に基づき、モータの固定子巻線の抵抗値を算出し、モータの起動運転時において、少なくとも電流センサの検出電流値と位置決め時に算出した固定子巻線の抵抗値とに基づいてモータの磁石回転子の位置推定を行う。
【００１１】
これにより、モータの起動運転時における磁石回転子の位置推定には、位置決め時に算出した固定子巻線の抵抗値が用いられる。即ち、起動運転時の固定子巻線の温度における固定子巻線の抵抗値が用いられる。そのため、起動運転時の固定子巻線の温度に係わらず正確な誘起電圧の算出を行うことができる。即ち、起動時のモータ温度に係わらず磁石回転子の位置を正確に推定し起動することができる。また、温度センサ、配線、インターフェイス回路など特段の部品を追加する必要がなく、部品の増加、モータなどの大型化を招くことがない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のインバータ装置は、特段の部品追加は必要なく、起動時のモータ温度に係わらず磁石回転子の位置を正確に推定し起動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、インバータ回路にＰＷＭ変調の通電によりモータ電流をセンサレスＤＣブラシレスモータへ出力させる制御回路と、モータ電流を検出する電流センサとを備え、制御回路は、モータの運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力するモータの磁石回転子の位置決め時、電流センサにより検出される電流値に基づき、モータの固定子巻線の抵抗値を算出し、モータの起動運転時において、少なくとも電流センサの検出電流値と位置決め時に算出した固定子巻線の抵抗値とに基づいてモータの磁石回転子の位置推定を行うものである。
【００１４】
これにより、起動時のモータ温度に係わらず磁石回転子の位置を正確に推定し起動することができる。また、温度センサ、配線、インターフェイス回路など特段の部品を追加する必要がなく、部品の増加、モータなどの大型化を招くことがない。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明のインバータ装置において、電動圧縮機のモータを駆動するものである。圧縮機においては、温度センサを設ける場合、高温高圧対応の温度センサ、高圧容器用の電気接続ターミナルに端子追加が必要になる。そのため、温度センサを設ける必要のない本インバータ装置は有用である。
【００１６】
第３の発明は、は第２の発明のインバータ装置において、電動圧縮機は高圧型とするものである。高圧型圧縮機を駆動するモータにおいては連続運転による温度上昇が大きいため、冷時起動と熱時起動の温度差が大きくなる。そのため、起動時のモータ温度に係わらず正確に磁石回転子の位置を推定し起動することができる本インバータ装置は有用である。
【００１７】
第４の発明は、第２または第３の発明のインバータ装置において、インバータ装置は電動圧縮機に搭載されるものである。電動圧縮機はインバータ装置を搭載することでサイズＵＰする。そのため、温度センサ、配線、インターフェイス回路など特段の部品を追加する必要がなく、部品の増加、モータなどの大型化を招くことがない本インバータ装置は有用である。
【００１８】
第５の発明は、第１乃至第４の発明のインバータ装置において、車両に搭載されるものである。車両用においては、搭載スペースに制約があり小型化が必要であるため、温度センサ、配線、インターフェイス回路など特段の部品を追加する必要がなく、部品の増加、モータなどの大型化を招くことがない本インバータ装置は有用である。また、エンジン近傍に搭載される場合、周囲温度が上昇するため、起動時のモータ温度に係わらず正確に磁石回転子の位置を推定し起動することができる本インバータ装置は有用である。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るインバータ装置２２とその周辺の電気回路である。運転前における磁石回転子５の位置決め通電について以下説明する。図２（Ａ）は、４極の場合において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、磁石回転子５を位置決めする場合を示している。固定子巻線４のＳ極には磁石回転子５のＮ極が、固定子巻線４のＮ極には磁石回転子５のＳ極が、それぞれ対向して停止することにより、位置決めされる。このとき、インバータ装置２２の制御回路７は、図２（Ｂ）に示す如く、固定子巻線４のＷ相からＵ相及びＶ相へ電流が流れるように、スイッチング素子２を制御する。また、制御回路７は、シャント抵抗６からの電圧により、モータの相電流を検出する。
【００２１】
図３に、上記スイッチングに関し、位置決め初期における上アームスイッチング素子のキャリア周期内でのＯＮ期間例を示す。細線はＵ相、中線はＶ相、太線はＷ相である。図３（Ａ）は、位置決め初期において、電流を徐々に増加させるため、通電期間を小さく設定した場合である。位置決め初期において、この通電期間は、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示すように、徐々に大きくされる。ここでは、電流が立ち上がりきるまでの時間（位置決め初期）は、５０ｍＳである。固定子巻線４には、抵抗ＲとともにインダクタンスＬが存在している。そのため、電流を徐々に増加させている。
【００２２】
図４は、位置決め定常期において、所定の一定電流が流れるように、通電期間を設定している。おおよそ１００ｍＳ実行される。例として、バッテリー１の直流電圧をＤＣ３００Ｖ、固定子巻線４の各相の抵抗値Ｒを１Ω、キャリア周波数１０ｋＨｚ（キャリア周期１００μＳ）とする。ここで、位置決め定常期におけるＷ相の相電流値を２０Ａとするためには、固定子巻線４の等価抵抗値が１．５Ωとなるので、ＤＣ３０Ｖ相当を印加する必要がある。ＤＣ３０Ｖは、ＤＣ３００Ｖの１０％である。従って、通電期間のＤｕｔｙ即ちΔｔと表示した前半と後半の期間合計を１０％（１０μＳ）にすればよい。
【００２３】
図５に、Ｗ相の相電流の時間経過を示す。位置決め初期で電流が上昇し、位置決め定常期において上記所定の一定電流が流れる。ここで、位置決め時に固定子巻線４の温度が高く、固定子巻線４の各相の抵抗値Ｒが１、２Ωとなっていたとする。相電流のフィードバック制御がない場合、Ｗ相の相電流値は１６．７Ａ（２０Ａ／１．２）に低下する。また、相電流のフィードバック制御がある場合、Ｗ相の相電流値は２０Ａで変化しないが、通電期間のＤｕｔｙ即ちΔｔと表示した前半と後半の期間合計が１２％（１２μＳ）になる。これにより、制御回路７は、固定子巻線４の各相の抵抗値Ｒは１、２Ωであると算出する。この位置決め定常期において算出した固定子巻線４の各相の抵抗値をＲＳとする。
【００２４】
上記位置決めするための電流値は２０Ａ前後と大きいため、電流センサ（シャント抵抗６）は小さな電流を検出する必要はない。また、直流であるために、小さな抵抗値を容易に算出できる。そして、起動運転前に常に行う磁石回転子５の位置決めソフトを応用するのみであるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。
【００２５】
次に図５に示す起動運転に移る。Ｗ相電流について示したが、Ｕ相、Ｖ相に関しても位相が異なるのみで同様な挙動をする。制御回路７は、モータ１１を構成する磁石回転子５による固定子巻線４の誘起電圧を演算し、磁石回転子５の位置推定を行う。このとき、位置決め定常期において算出した固定子巻線４の各相の抵抗値ＲＳを使用する。Ｕ相を例に図６に示すように、誘起電圧をＥＵ、相電流をｉＵ、印加電圧をＶＵ、インダクタンスをＬとすると、ＥＵ＝ＶＵ−ＲＳ・ｉＵ−ＬｄｉＵ／ｄｔとなる。同様に、Ｗ相は、ＥＷ＝ＶＷ−ＲＳ・ｉＷ−ＬｄｉＷ／ｄｔ、Ｖ相は、ＥＶ＝ＶＶ−ＲＳ・ｉＶ−ＬｄｉＶ／ｄｔとなる。制御回路７は、シャント抵抗６からの電圧により、これら３相分の電流値ｉＵ、ｉＷ、ｉＶを検出する。これにより、各誘起電圧ＥＵ、ＥＷ、ＥＶの算出即ち磁石回転子５の位置推定が可能となる。
【００２６】
このとき、モータの起動運転時における磁石回転子の位置推定には、位置決め時に算出した固定子巻線４の抵抗値ＲＳが用いられる。即ち、起動運転時の固定子巻線４の温度における固定子巻線４の抵抗値ＲＳが用いられる。そのため、起動運転時の固定子巻線４の温度に係わらず正確な誘起電圧ＥＵ、ＥＷ、ＥＶの算出を行うことができる。即ち、起動運転時のモータ温度に係わらず磁石回転子５の位置を正確に推定し起動することができる。また、温度センサ、配線、インターフェイス回路など特段の部品を追加する必要がなく、部品の増加、モータなどの大型化を招くことがない。
【００２７】
そして、制御回路７は、この位置推定、回転数指令信号（図示せず）等に基づき、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２を制御し、バッテリー１からの直流電圧をＰＷＭ変調でスイッチングすることにより、正弦波状の交流電流をモータ１１の固定子巻線４へ出力する。制御回路７は、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙ、Ｚと、ドライブ回路などを介して接続線１８により接続されており、各スイッチング素子を制御している。スイッチング素子２がＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴの場合はゲート電圧を、パワートランジスタの場合はベース電流を制御する。
【００２８】
図５に示す定常運転においては、時間経過とともに固定子巻線４の温度が上昇する。そのため、上記誘起電圧ＥＵ、ＥＷ、ＥＶの算出に用いる固定子巻線４の抵抗値ＲＳは変更するのが望ましい。これをＲＮ（図７に示す）とする。ＲＮの値としては、たとえば、定常運転時における標準的な温度における抵抗値、エアコン用圧縮機の室温安定時における抵抗値、固定子巻線４の作動温度範囲の中央温度における抵抗値、固定子巻線４の作動温度範囲の最高温度における抵抗値とＲＳとの平均値などが考えられる。
【００２９】
図１において、バッテリー電圧検出器８を設けている。抵抗によるバッテリー電圧の分圧により簡単に構成できる。このバッテリー電圧検出器８は、バッテリー１の直流電圧が変動しても印加電圧をＶＵ、ＶＷ，ＶＶを正確に出力するために設けている。これにより、誘起電圧も正確に算出することができる。バッテリー電圧検出器８は設けず、コントローラから通信によりバッテリー１の電圧情報を得ても良い。
【００３０】
尚、上記実施の形態において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、４極の磁石回転子５を位置決めする場合を示したが、これに限るものではなく、固定子巻線４のＳ極Ｎ極の相は任意であり、２極、６極等にも、また、固定子巻線４の２相のみに電流を流す場合にも適用できる。シャント抵抗６は、電源ラインのプラス側に設けても良い。また、下アームスイッチング素子と電源ラインのマイナス側に設けても良い。電流センサとしては、シャント抵抗に限らず、ホール素子を用いた電流センサなど瞬時ピーク電流が検出できるものであれば良い。インバータ回路１０とモータ１１との間に設け、直接モータ電流（相電流）を検出しても良い。起動運転の期間は図５の例に限らず短くても良い。
【００３１】
（実施の形態２）
図８に、電動圧縮機４０の右側にインバータ装置２２を密着させて取り付けた図を示す。金属製筐体３２の中に圧縮機構部２８、モータ１１等が設置されている。冷媒は、吸入口３３から吸入され、圧縮機構部２８（この例ではスクロール）がモータ１１で駆動されることにより、圧縮される。この圧縮された冷媒は、モータ１１を通過する際にモータ１１を冷却し、吐出口３４より吐出される。
【００３２】
インバータ装置２２は電動圧縮機４０に取り付けられるように、ケース３０を使用している。発熱源となるインバータ回路部１０は、低圧配管３８を介して低圧冷媒で冷却される。電動圧縮機４０の内部でモータ１１の固定子巻線４に接続されているターミナル３９は、インバータ回路部１０の出力部に接続される。保持部３５でインバータ装置２２に固定される接続線３６には、バッテリー１への電源線と回転数信号を送信するエアコンコントローラ（図示せず）との信号線がある。
【００３３】
仮に、温度センサを設ける場合、高温高圧対応の温度センサ、高圧容器用の電気接続ターミナル３９に端子追加が必要になり、複雑化大型化してしまう。また、高圧型圧縮機であるため、圧縮された高温高圧の冷媒が、モータ１１を通過するため、モータ１１の温度上昇が大きい。モータ１１の温度が上昇した時点で停止し、すぐに起動させる場合には、モータ１１の固定子巻線４の温度は高温になっている。電動圧縮機４０はインバータ装置２２を搭載することでサイズＵＰする。そのため、モータ温度に係わらず正確に磁石回転子の位置を推定し起動することができ、温度センサ、配線、インターフェイス回路など特段の部品を追加する必要がなく、部品の増加、モータなどの大型化を招くことがない本インバータ装置は有用である。
【００３４】
尚、上記実施の形態において、電動圧縮機の圧縮機構部をスクロールとしたが、これに限るものではない。また、圧縮された冷媒がモータを冷却する高圧型について示したが、低圧型でもよい。定常運転においては、インバータ装置２２の温度から固定子巻線４の温度を推定し、当該推定温度から固定子巻線４の抵抗値Ｒを算出しても良い。
【００３５】
（実施の形態３）
図９は、本発明のインバータ装置を圧縮機に一体に構成（実施の形態２）し、空調装置に適用して車両６０に搭載した一例を示す。インバータ装置一体型電動圧縮機６１及び室外熱交換器６３、室外ファン６２が、車両６０の前方のエンジンルーム（乃至モータルーム）に搭載される。一方、車両室内には室内送風ファン６５、室内熱交換器６７、エアコンコントローラ６４が配置されている。空気導入口６６から車外空気を吸込み、室内熱交換器６７で熱交換した空気を車室内に吹き出す。
【００３６】
車両用においては、搭載スペースに制約があり、モータルーム（乃至エンジンルーム）など各種装置・部品の込み入った場所に搭載されることが多い。特にハイブリッドカーにおいては、モータ及びエンジンの双方ともが搭載されるため、電動圧縮機の搭載周辺は込み入っている。そのため、温度センサ、配線、インターフェイス回路など特段の部品を追加する必要がなく、部品の増加、モータなどの大型化を招くことがない本インバータ装置は大変好適である。また、エンジン近傍に搭載される場合、周囲温度が上昇するため、起動時のモータ温度に係わらず正確に磁石回転子の位置を推定し起動することができる本インバータ装置は有用である。
【００３７】
尚、上記各実施の形態において、直流電源をバッテリーとしたが、これに限るものではなく、商用交流電源を整流した直流電源などでもよい。モータをセンサレスＤＣブラシレスモータとしたが、リラクタンスモータ等位置決め必要なモータに適用できる。正弦波駆動に限らず位置決め時に相電流の検出が必要となる駆動方式に適用できる。また、ＰＷＭ２相変調においても適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、特段の部品追加は必要なく、起動時のモータ温度に係わらず正確に磁石回転子の位置を推定し起動することができる。そのため、各種民生用製品、各種産業用機器に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態１に係るインバータ装置とその周辺の電気回路図
【図２】（Ａ）位置決め時における固定子巻線と磁石回転子の位置関係図、（Ｂ）同位置決め時における固定子巻線の電流説明図
【図３】（Ａ）位置決め初期における通電例を示す第１の説明図、（Ｂ）同第２の説明図、（Ｃ）同第３の説明図
【図４】位置決め定常期における通電例を示す説明図
【図５】位置決めから運転に渡るＷ相の相電流説明図
【図６】本発明の実施の形態１に係る起動運転時における固定子巻線のインピーダンスを示す説明図
【図７】同運転定常時における固定子巻線のインピーダンスを示す説明図
【図８】本発明の実施の形態２に係るインバータ装置一体型電動圧縮機の断面図
【図９】本発明の実施の形態３に係るインバータ装置を搭載した車両の模式図
【図１０】従来のインバータ装置とその周辺の電気回路図
【図１１】同固定子巻線のインピーダンスを示す説明図
【図１２】同固定子巻線１相分の電圧と電流の位相特性を示す説明図
【符号の説明】
【００４０】
１  バッテリー
２  スイッチング素子
３  ダイオード
４  固定子巻線
５  磁石回転子
６  シャント抵抗（電流センサ）
７  制御回路
８  バッテリー電圧検出器
１０  インバータ回路
１１  センサレスＤＣブラシレスモータ
２２  インバータ装置
４０  電動圧縮機
６０  車両
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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