(57)【要約】  交流電動機（２）の電圧、電流、及び推定角速度ω＾ｒに基づいてモデル偏差εを演算するモデル偏差演算部（１１）と、モデル偏差εに基づいて第１の推定角速度ω＾ｒ１を演算する第１の角速度推定部（２１）と、モデル偏差εに基づいて第１の推定角速度ω＾ｒ１とは周波数が異なる第２の推定角速度ω＾ｒ２を演算する第２の角速度推定部（２２）と、外乱周波数ｆｄに基づいて補償位相θｐｌｓを演算する補償位相演算部（５１）と、第１の推定角速度ω＾ｒ１及び第２の推定角速度ω＾ｒ２に基づいて交流電動機（２）の推定角速度ω＾ｒを演算する推定角速度演算器（２３）と、を備える。第１の推定角速度ω＾ｒ１及び第２の推定角速度ω＾ｒ２のうちの何れか一方は、補償位相θｐｌｓに基づいて演算される。
2020194401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機の電圧、電流、及び推定角速度に基づいてモデル偏差を演算するモデル偏差演算部と、
前記モデル偏差に基づいて第１の推定角速度を演算する第１の角速度推定部と、
前記モデル偏差に基づいて前記第１の推定角速度とは周波数が異なる第２の推定角速度を演算する第２の角速度推定部と、
外乱周波数に基づいて補償位相を演算する補償位相演算部と、
前記第１及び第２の推定角速度に基づいて前記交流電動機の推定角速度を演算する推定角速度演算器と、
を備え、
前記第１及び第２の推定角速度のうちの何れか一方は、前記補償位相に基づいて演算される
ことを特徴とする交流電動機の速度推定装置。
【請求項２】
前記第１の推定角速度は、前記第２の推定角速度よりも周波数が低く、
前記第１の角速度推定部は、前記モデル偏差に基づいて前記第１の推定角速度を演算し、
前記第２の角速度推定部は、前記モデル偏差と、前記補償位相と、外乱周波数とに基づいて前記第２の推定角速度を演算する
ことを特徴とする請求項１に記載の交流電動機の速度推定装置。
【請求項３】
前記補償位相演算部は、前記第１の角速度推定部の位相特性を考慮して、前記補償位相を演算する
ことを特徴とする請求項２に記載の交流電動機の速度推定装置。
【請求項４】
前記第２の角速度推定部は、
前記外乱周波数及び前記補償位相に基づいて前記モデル偏差の特定周波数成分を抽出する特定周波数抽出器と、
前記特定周波数成分に基づいて前記第２の推定角速度を演算する特定周波数角速度推定器と、
を備えたことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の交流電動機の速度推定装置。
【請求項５】
前記第２の角速度推定部は、
前記外乱周波数に基づいて前記モデル偏差の特定周波数成分を抽出する特定周波数抽出器と、
前記特定周波数成分及び前記補償位相に基づいて前記第２の推定角速度を演算する特定周波数角速度推定器と、
を備えたことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の交流電動機の速度推定装置。
【請求項６】
前記第１の角速度推定部は、
前記モデル偏差から第１の推定角加速度を演算する第１の角加速度推定器と、
前記第１の推定角加速度から前記第１の推定角速度を演算する第１の角速度演算器と、
を備え、
前記第２の角速度推定部は、
前記外乱周波数及び前記補償位相に基づいてモデル偏差の特定周波数成分を抽出する特定周波数抽出器と、
前記モデル偏差の特定周波数成分に基づいて第２の推定角加速度を演算する特定周波数角加速度推定器と、
前記第２の推定角加速度から前記第２の推定角速度を演算する第２の角速度演算器と、
を備えたことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の交流電動機の速度推定装置。
【請求項７】
前記第２の角速度推定部は複数であり、
前記第２の角速度推定部のうちの少なくとも１つは、前記補償位相に基づいて前記第２の推定角速度を演算する
ことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の交流電動機の速度推定装置。
【請求項８】
請求項１から７の何れか１項に記載の交流電動機の速度推定装置を備え、
前記交流電動機に流れる電流と、前記速度推定装置によって演算された前記推定角速度とに基づいて、前記交流電動機に印加する電圧を決定する
ことを特徴とする交流電動機の駆動装置。
【請求項９】
前記第２の角速度推定部で演算された角速度又は角加速度に基づいて、補償電流指令又は補償トルク指令を演算する補償指令演算部を備えたことを特徴とする請求項８に記載の交流電動機の駆動装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の交流電動機の駆動装置と、
前記駆動装置により電圧を印加される交流電動機と、
前記交流電動機によって冷媒が圧縮される圧縮部と、
を備えたことを特徴とする冷媒圧縮機。
【請求項１１】
請求項１０に記載の冷媒圧縮機を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導機又は同期機といった交流電動機の速度を推定する交流電動機の速度推定装置、交流電動機の駆動装置、冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電動機の制御において、負荷トルク又は交流電動機の発生トルクに脈動がある場合には、交流電動機の回転速度にも脈動が生じる。交流電動機の回転速度に脈動が生じると、その交流電動機を搭載する装置においても振動が生じてしまい、騒音の発生、機械的な強度などにおいて問題となることがある。これらの問題に対応するため、トルク脈動及び速度脈動を低減するための制御が検討されている。【０００３】
例えば下記特許文献１には、低コスト化のため、又はセンサ取り付けが困難な装置においても適用できるようにするため、トルク脈動及び速度脈動を低減するための制御を、位置センサ又は速度センサを用いずにセンサレスで実現する手法が開示されている。この特許文献１によれば、指令角周波数と速度フィードバック角周波数との差から抽出した速度リップル成分に基づいてトルク補償値を求めている。これにより、補正量のマップを持つことなく交流電動機の速度変動を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６２２２４１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
位置センサレス制御において、従来の制御方式では速度推定応答は数百［ｒａｄ／ｓ］が上限であり、高周波の脈動に対しては応答が不十分で、正確に脈動を推定することが難しい。また、特許文献１では推定速度を用いて振動抑制部を構成しているため、振動抑制部の性能は速度推定の応答に依存し、高周波領域では十分な性能が得られないと考えられる。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、交流電動機のセンサレス制御において、高周波の速度推定精度の更なる高精度化を図ることができる交流電動機の速度推定装置を得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、本発明に係る交流電動機の速度推定装置は、交流電動機の電圧、電流、及び推定角速度に基づいてモデル偏差を演算するモデル偏差演算部と、モデル偏差に基づいて第１の推定角速度を演算する第１の角速度推定部と、モデル偏差に基づいて第１の推定角速度とは周波数が異なる第２の推定角速度を演算する第２の角速度推定部と、を備える。また、交流電動機の速度推定装置は、外乱周波数に基づいて補償位相を演算する補償位相演算部と、第１及び第２の推定角速度に基づいて交流電動機の推定角速度を演算する推定角速度演算器と、を備える。第１及び第２の推定角速度のうちの何れか一方は、補償位相に基づいて演算される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る交流電動機の速度推定装置によれば、交流電動機のセンサレス制御において、高周波の速度推定精度の更なる高精度化を図ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る交流電動機の速度推定装置の構成を示すブロック図
【図２】比較例に係る速度推定装置の構成を示すブロック図
【図３】図２に示す速度推定装置の伝達特性を示すボード線図
【図４】図２とは異なる比較例に係る速度推定装置の構成を示すブロック図
【図５】図４に示す速度推定装置の伝達特性を示すボード線図
【図６】図２に示す速度推定装置のモデル偏差εから第１の推定角加速度までの伝達特性を表すボード線図を開ループ特性と閉ループ特性で比較した図
【図７】図１に示す速度推定装置における第２の角速度推定部の細部の構成を示すブロック図
【図８】図７に示す細部の構成の変形例を示すブロック図
【図９】実施の形態１に係る速度推定装置の効果の説明に供する第１の図
【図１０】実施の形態１に係る速度推定装置の効果の説明に供する第２の図
【図１１】実施の形態１に係る速度推定装置のハードウェア構成図
【図１２】実施の形態２に係る速度推定装置の構成を示すブロック図
【図１３】実施の形態３に係る速度推定装置の構成を示すブロック図
【図１４】実施の形態４に係る速度推定装置の構成を示すブロック図
【図１５】ロータリー圧縮機の負荷トルクの波形の一例を示す図
【図１６】実施の形態５に係る交流電動機の駆動装置の構成を示すブロック図
【図１７】実施の形態６に係る交流電動機の駆動装置の構成を示すブロック図
【図１８】図１７に駆動対象として示した冷媒圧縮機の内部の概略構造を示す断面図
【図１９】図１８に示す冷媒圧縮機の圧縮室の内部の構造を示す断面図
【図２０】実施の形態７に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態に係る交流電動機の速度推定装置、交流電動機の駆動装置、冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、以下では、交流電動機の速度推定装置を、適宜「速度推定装置」と略す。また、交流電動機の駆動装置を、適宜「駆動装置」と略す。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る交流電動機の速度推定装置１０１の構成を示すブロック図である。図１に示す速度推定装置１０１は、適応オブザーバの手法により、交流電動機２に印加される電圧ベクトルと電流ベクトルとを用いて、交流電動機２の回転速度を推定し、推定角速度ω＾ｒとして出力する。
【００１２】
速度推定装置１０１は、モデル偏差演算部１１と、第１の角速度推定部２１と、補償位相演算部５１と、第２の角速度推定部２２と、推定角速度演算器２３とを備える。
【００１３】
モデル偏差演算部１１は、電圧ベクトル、電流ベクトル及び推定角速度ω＾ｒに基づいてモデル偏差εを演算する。第１の角速度推定部２１は、モデル偏差εに基づいて第１の推定角速度ω＾ｒ１を演算する。補償位相演算部５１は、特定の外乱周波数ｆｄに基づいて補償位相θｐｌｓを演算する。第２の角速度推定部２２は、補償位相θｐｌｓ、モデル偏差ε、及び外乱周波数ｆｄに基づいて第２の推定角速度ω＾ｒ２を演算する。推定角速度演算器２３は、第１の推定角速度ω＾ｒ１、及び第２の推定角速度ω＾ｒ２に基づいて、交流電動機２の推定角速度ω＾ｒを演算する。
【００１４】
速度推定装置１０１は、補償位相演算部５１及び第２の角速度推定部２２を備えており、これらの構成部による動作が、本発明の特徴の１つである。補償位相演算部５１及び第２の角速度推定部２２の詳細は、後述する。
【００１５】
また、実施の形態１において、外乱周波数ｆｄは既知として扱う。外乱周波数ｆｄは、どのような手法を用いて求めてもよい。例えば、決まった周波数の外乱が生じるような系において、外乱周波数ｆｄは、定数として事前に与えておくことができる。また、回転周波数に応じた外乱が生じる圧縮機のようなアプリケーションにおいては、回転周波数を外乱周波数ｆｄとして用いることができる。ここで言う回転周波数は、回転位置センサ又は速度センサにより取得することができる。また、実施の形態１のような角速度推定手段を備えた装置の場合には、推定角速度ω＾ｒにより回転周波数を求めることができる。また、トルク脈動の周波数を、トルクメータ、加速度センサ、又は振動センサにより検出、又は推定して、外乱周波数ｆｄとして用いることもできる。
【００１６】
第１の角速度推定部２１及び第２の角速度推定部２２は、どちらも角速度推定を行っている。両者の違いは、推定する角速度の周波数が異なっていることにある。なお、実施の形態１においては、第１の角速度推定部２１において角速度の直流成分も含む低周波成分を推定し、第２の角速度推定部２２において角速度の高周波成分を推定している構成について記載するが、この構成に限定されない。逆の構成として、第１の角速度推定部２１の方が高い角速度周波成分を推定することも可能であることは言うまでもない。
【００１７】
次に、モデル偏差演算部１１の構成及び機能について説明する。モデル偏差演算部１１は、状態推定器１２と、減算器１３と、偏差演算器１４とを備える。状態推定器１２は、交流電動機２に印加される電圧ベクトルと、交流電動機２が出力する電流ベクトルと、推定角速度ω＾ｒとに基づいて、推定磁束ベクトル及び推定電流ベクトルを演算して出力する。推定角速度ω＾ｒは、前述した推定角速度演算器２３によって演算される推定角速度であり、速度推定装置１０１の出力でもある。
【００１８】
減算器１３は、推定電流ベクトルから電流ベクトルを減算し、電流偏差ベクトルを演算する。偏差演算器１４は、電流偏差ベクトルを入力とし、推定磁束ベクトルの直交成分をスカラ量として抽出し、この値をモデル偏差εとして出力する。なお、推定磁束ベクトルの直交成分をスカラ量として抽出する手法は、公知である。例えば、電流偏差ベクトルを回転二軸上に座標変換する手法、電流偏差ベクトルと推定磁束ベクトルとの外積値の大きさを演算する手法などが公知である。
【００１９】
具体的に、状態推定器１２は、交流電動機２の状態方程式から電流と磁束を推定する。ここでは交流電動機２は一般的な埋込磁石型同期交流電動機であると仮定するが、状態推定器１２において、下述する状態方程式と同様な状態方程式が立式できるものであれば、他の交流電動機であってもよい。他の交流電動機としては、表面磁石型同期電動機、誘導電動機などを例示できる。
【００２０】
埋込磁石型同期交流電動機の場合、状態方程式は、下記（１）、（２）式のように表される。
【００２１】
【数１】
2020194401.tif 000003
【００２２】
【数２】
2020194401.tif 000004
【００２３】
上記（１）、（２）式において、Ｌｄ、Ｌｑは、ｄ軸及びｑ軸のインダクタンスを表す。Ｒは、電機子抵抗を表す。ωは、一次角周波数を表す。ωｒは、角速度を表す。ｖｄｓは、ｄ軸電圧を表す。ｖｑｓは、ｑ軸電圧を表す。ｉｄｓは、ｄ軸電流を表す。ｉｑｓは、ｑ軸電流を表す。φｄｓは、ｄ軸固定子磁束を表す。φｑｓは、ｑ軸固定子磁束を表す。φｄｒは、ｄ軸回転子磁束を表す。ｈ１１からｈ３２は、オブザーバゲインを表す。記号「＾」は、推定値を表す。
【００２４】
ここで、一次角周波数は、下記（３）式のように与える。
【００２５】
【数３】
2020194401.tif 000005
【００２６】
上記（３）式において、ｈ４１及びｈ４２は、前述のｈ１１からｈ３２と同様に、オブザーバゲインを表す。
【００２７】
上記（１）、（２）式は通常の誘起電圧に基づく式であるが、上記（１）、（２）式に変形を加えて拡張誘起電圧の形式で表現しても同様の計算ができる。上記（１）式には推定角速度ω＾ｒが含まれるため、推定角速度ω＾ｒと実際の角速度ωｒとが一致していない場合、電流推定に誤差が生じる。ここでは、モデル偏差εを下記（４）式のように定義する。速度推定装置１０１は、モデル偏差εが零になるように、第１の角速度推定部２１と第２の角速度推定部２２を用いて推定角速度ω＾ｒの値を調整する。
【００２８】
【数４】
2020194401.tif 000006
【００２９】
前述したように、速度推定装置１０１における特徴の１つは、補償位相演算部５１及び第２の角速度推定部２２を備える点にある。この特徴を説明するため、ここではまず、補償位相演算部５１及び第２の角速度推定部２２を有さない速度推定装置を比較例として説明する。
【００３０】
図２は、比較例に係る速度推定装置１０１Ａの構成を示すブロック図である。図２に示される速度推定装置１０１Ａは、図１に示す速度推定装置１０１と同様に、センサレスベクトル制御方式により動作する。速度推定装置１０１Ａは、第１の角速度推定部２１のみでモデル偏差εが零に調整されるように動作する。
【００３１】
図２に示す速度推定装置１０１Ａでは、第１の角速度推定部２１は、比例積分（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ：ＰＩ）制御器２４と、積分器２５とを備えている。第１の角速度推定部２１は、下記（５）式に従って動作する。
【００３２】
【数５】
2020194401.tif 000007
【００３３】
上記（５）式において、ＫＰは、第１の角速度推定部２１全体の比例ゲインを表す。ＫＩは、第１の角速度推定部２１全体の積分ゲインを表す。ｓはラプラス変換の演算子であり、ｓは微分、１／ｓは積分の意味を表す。
【００３４】
第１の角速度推定部２１において、ＰＩ制御器２４は、モデル偏差εに基づいて第１の推定角加速度ω・＾ｒ１を演算する。積分器２５は、第１の推定角加速度ω・＾ｒ１を積分して第１の推定角速度ω＾ｒ１を演算する。第１の角速度推定部２１では、ＰＩ制御器２４及び積分器２５によって、第１の推定角速度ω＾ｒ１が調整される。第１の推定角速度ω＾ｒ１は、速度推定装置１０１Ａの出力として外部に出力される。また、第１の推定角速度ω＾ｒ１は、モデル偏差演算部１１にフィードバックされる。以上のように、ＰＩ制御器２４は、第１の角加速度推定器として動作し、積分器２５は、第１の角速度演算器として動作する。
【００３５】
また、第１の推定角速度ω＾ｒ１からモデル偏差εまでの伝達関数Ｇａ（ｓ）は、非特許文献である電気学会論文誌「低速・回生領域を含む誘導交流電動機の速度センサレスベクトル制御法」（Ｄ１２０巻２号  平成１２年）の２２６頁で公知である。この伝達関数Ｇａ（ｓ）は、下記（６）式のように一次遅れで近似できる。
【００３６】
【数６】
2020194401.tif 000008
【００３７】
図３は、図２に示す速度推定装置１０１Ａの伝達特性を示すボード線図である。横軸は周波数を表し、縦軸はゲインを表す。図３において破線で示す（１）の伝達関数は、低域のゲインが高くなるように設計される。（１）の伝達関数では、周波数が高くなるほどゲインが減少する。具体的に、低域ではゲインが−４０［ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ］の割合で減少し、折れ点Ｐ１より高い周波数では−２０［ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ］の割合で減少する。
【００３８】
また、図３において、点線で示す（２）の伝達関数は、上記（６）式の伝達関数Ｇａ（ｓ）に対応している。伝達関数Ｇａ（ｓ）は、第１の推定角速度ω＾ｒ１からモデル偏差εまでの一次遅れ特性を持つため、遮断角周波数ｆ１よりも高い周波数域では、−２０［ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ］の割合でゲインが減少する。これらの２つの伝達関数を足し合わせると、実線で示す（３）の開ループ特性の伝達関数が得られる。
【００３９】
上記（５）式のＰＩ制御ゲイン、即ち第１の角速度推定部２１における比例ゲインＫＰ及び積分ゲインＫＩを十分に大きく設定できれば、高い周波数の速度脈動を正確に推定できる。ところが、これらのゲインの値は、推定演算周期及びモータ定数の誤差の影響により制約される。無理にゲインを上げると高周波雑音の影響を受け易くなり、適切な推定処理が不可能となる。このため、比較例に係る速度推定装置１０１Ａでは、高周波の速度脈動を捉えることが難しいという課題が存在する。
【００４０】
次に、別の比較例を説明する。図４は、図２とは異なる比較例に係る速度推定装置１０１Ｂの構成を示すブロック図である。なお、図２と区別するため、以下では、図２の比較例を「第１の比較例」と呼び、図４の比較例を「第２の比較例」と呼ぶ。図２の速度推定装置１０１Ａに対し、図４に示す第２の比較例に係る速度推定装置１０１Ｂでは、第２の角速度推定部２２Ｂが追加されている。
【００４１】
図４の速度推定装置１０１Ｂにおいて、第２の角速度推定部２２Ｂは、第２の角加速度推定部３０Ｂと、積分器３１とを備える。第２の角加速度推定部３０Ｂは、外乱周波数ｆｄとモデル偏差εとに基づいて、第２の推定角加速度ω・＾ｒ２を演算する。積分器３１は、第２の推定角加速度ω・＾ｒ２を積分して第２の推定角速度ω＾ｒ２を出力する。
【００４２】
また、第２の角加速度推定部３０Ｂは、フーリエ係数演算器２６と、ＰＩ制御器２７，２８と、交流復元器２９とを備える。
【００４３】
フーリエ係数演算器２６は、モデル偏差の特定周波数成分を直流化して抽出する。フーリエ係数演算器２６からは余弦係数Ｅｃと、正弦係数Ｅｓとが出力されるが、これらの係数が直流化した特定周波数成分を表している。
【００４４】
このとき、モデル偏差εの余弦係数Ｅｃ、及びモデル偏差εの正弦係数Ｅｓは、モデル偏差ε及び外乱周波数ｆｄに基づいて、下記（７）、（８）式によって計算される。
【００４５】
【数７】
2020194401.tif 000009
【００４６】
【数８】
2020194401.tif 000010
【００４７】
上記（７）、（８）式において、ｔは時間を表す。また、Ｔｄは外乱の周期を表しており、外乱の周期Ｔｄは外乱周波数ｆｄの逆数である。つまり、Ｔｄ＝１／ｆｄである。
【００４８】
モデル偏差の余弦係数Ｅｃは、ＰＩ制御器２７によって、下記（９）式のようにＰＩ制御される。また、モデル偏差の正弦係数Ｅｓは、ＰＩ制御器２８によって、下記（１０）式のようにＰＩ制御される。
【００４９】
【数９】
2020194401.tif 000011
【００５０】
【数１０】
2020194401.tif 000012
【００５１】
上記（９）、（１０）式において、ＫＰ２は、第２の角速度推定部２２Ｂ全体の比例ゲインを表す。ＫＩ２は、第２の角速度推定部２２Ｂ全体の積分ゲインを表す。文字の上のドットは微分を表し、ドットの数は微分の階数を表す。
【００５２】
交流復元器２９は、モデル偏差の余弦係数Ｅｃと、モデル偏差の正弦係数Ｅｓとに基づいて、下記（１１）式の演算を行う。この（１１）式は、第２の推定角加速度ω・＾ｒ２を演算する演算式である。
【００５３】
【数１１】
2020194401.tif 000013
【００５４】
図５は、図４に示す速度推定装置１０１Ｂの伝達特性を示すボード線図である。横軸は周波数を表し、縦軸はゲインを表す。図５の（１）の伝達関数は、図３の（１）の伝達関数と同じものである。図５の（２）の伝達関数は、図３の（２）の伝達関数と同じものである。図５の（３）の伝達関数は、図４に示す第２の角速度推定部２２Ｂの伝達関数を表している。これらの３つの伝達関数を足し合わせると、実線で示す（４）の開ループ特性が得られる。
【００５５】
図５を図３と比較すると、実線で示される（４）開ループ特性において、図５では特定の周波数帯域のゲインが高くなっている。つまり、第２の比較例に係る速度推定装置１０１Ｂは、第１の角速度推定部２１と第２の角速度推定部２２Ｂとを併用することで、周期外乱によって速度脈動の発生が予想され得る特定の周波数帯域のゲインを上げ、速度の推定精度を高めることができている。これにより、第２の比較例に係る速度推定装置１０１Ｂは、第１の比較例に係る速度推定装置１０１Ａでは難しかった高周波の速度脈動を高精度で推定することを可能にしている。
【００５６】
上記のように、第２の比較例に係る速度推定装置１０１Ｂでは、高周波の速度脈動を高精度で推定することは可能であるが、位相誤差の大きさによっては、制御系が不安定になることも想定される。そこで、本願発明者らは、本発明の提案に際し、位相補償の必要性について検討したので、以下に説明する。
【００５７】
図６は、図２に示す速度推定装置１０１Ａのモデル偏差εから第１の推定角加速度ω・＾ｒ１までの伝達特性を表すボード線図を開ループ特性と閉ループ特性で比較した図である。開ループ特性とは、第１の推定角速度ω＾ｒ１がモデル偏差演算部１１にフィードバックされない状態での伝達特性である。また、閉ループ特性とは、図２に示される通り、第１の推定角速度ω＾ｒ１がモデル偏差演算部１１にフィードバックされている状態での伝達特性である。ここで、図３及び図５は、モデル偏差εから第１の推定角速度ω＾ｒ１までのボード線図である。これに対し、図６は、モデル偏差εの入力から第１の推定角加速度ω・＾ｒ１の出力までの伝達特性を表しており、図３及び図５に対し１階の微分特性が付加されていることに注意を要する。図４に示すように、第２の角速度推定部２２Ｂがモデル偏差εに基づいて第２の推定角加速度ω・＾ｒ２の演算を行う場合には、図６に示すモデル偏差εの入力から第２の推定角加速度ω・＾ｒ２の出力までの特性が、第２の角速度推定部２２Ｂの制御対象の特性であると考えることができる。
【００５８】
フィードバック制御では、制御対象と制御器との開ループ特性を考慮して設計を行う手法がよく用いられる。そこでまず、制御対象の開ループ特性に着目して、第２の角速度推定部の設計を行う場合について考える。
【００５９】
図６の開ループ特性を見ると、ゲインは、低域で−２０［ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ］で減衰していく。位相は、低域では−９０［度］であり、周波数が高くなるにつれて位相が遅れてゆき、−１８０［度］に収束する。使用する周波数帯域はアプリケーションにもよるが、低域をメインで使用する場合には、位相は−９０［度］でほぼ一定と考えることもできる。そのような場合には、開ループ特性を制御対象として第２の角速度推定部を設計すれば、位相補償は必要ないと思われる。
【００６０】
しかしながら、実際は、第１の角加速度推定器としてのＰＩ制御器２４が動作した状態で、第２の角加速度推定器としてのＰＩ制御器２７，２８が演算処理を行う。このため、ＰＩ制御器２４を含む第１の角速度推定部２１によって推定された第１の推定角速度ω＾ｒ１がモデル偏差演算部１１にフィードバックされていることを考慮しなければならない。従って、第２の角速度推定部２２Ｂの制御対象として、閉ループ特性を考慮して第２の角速度推定部２２Ｂを設計する必要がある。
【００６１】
図６の閉ループ特性を見ると、高域では１階の積分特性、低域では１階の微分特性となっている。ゲインを見ると、高域では開ループ特性と一致して−２０［ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ」の傾きで低下する特性であるが、低域では＋２０［ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ」の傾きで増加する特性となっており、低域ほどゲインが下がっている。また、位相を見ると、高域では−１８０［度］に収束しており開ループの場合と一致しているが、低域では＋９０［度］となっており、その間の周波数帯域では、＋９０［度］から、−１８０［度］まで位相が大きく変化している。
【００６２】
ここで、前述したように、第２の比較例に係る速度推定装置１０１Ｂの第２の角速度推定部２２Ｂにおける角加速度演算は、上記（７）〜（１１）式を用いて行われる。（７）、（８）式は直流成分である余弦係数及び正弦係数を求める演算式であり、（９）、（１０）式はＰＩ制御のための演算式であり、（１１）式は直流成分を交流成分に戻すことで、交流成分を復元する演算式である。これらの一連の演算処理において、位相についての考慮は、為されていない。これは、モデル偏差εの入力から第２の推定角加速度ω・＾２の出力までの位相に、周波数に応じた変化がないことを前提としていることを意味する。
【００６３】
例えば上記のように、開ループ特性のみを制御対象として捉え、低周波領域での動作を行う場合には、位相変化は小さいと考えて、上記のような制御設計を採ることが考えられる。しかしながら、実際は、図６のボード線図で示されるように、制御対象の位相特性は周波数によって大きく変化していく。そのため、外乱周波数に応じて制御対象の位相特性が変化することを考慮して、推定角加速度を計算しなければ、適切な角加速度の推定位相から誤差が生じてしまう。
【００６４】
第２の比較例における第２の角加速度推定部３０Ｂでは、ＰＩ制御器２７，２８を用いて角加速度が演算される。このため、位相誤差が小さい場合には、ＰＩ制御器２７，２８により制御量が調整されることで適切な位相に収束する場合もある。一方、位相誤差が大きい周波数帯域では、制御が不安定化するおそれがある。
【００６５】
そこで、実施の形態１では、第２の角速度推定部２２において、適切な位相で角速度演算が行えるように位相補償を行う制御系を構成する。図７は、図１に示す速度推定装置１０１における第２の角速度推定部２２の細部の構成を示すブロック図である。図７に示すように、第２の角加速度推定部３０は、フーリエ係数演算器５２と、積分（Ｉｎｔｅｇｒａｌ：Ｉ）制御器５３，５４と、交流復元器５５とを備える。実施の形態１において、第２の角加速度推定部３０は、特定周波数角加速度推定器として動作する。また、第２の角加速度推定部３０のうち、フーリエ係数演算器５２は、特定周波数成分を抽出する特定周波数抽出器として動作し、Ｉ制御器５３，５４、及び交流復元器５５は、特定周波数角速度推定器として動作する。
【００６６】
図７において、外乱周波数ｆｄは、補償位相演算部５１と、フーリエ係数演算器５２と、交流復元器５５とに入力される。補償位相演算部５１は、制御対象の閉ループ特性を考慮して補償位相θｐｌｓを決定する。具体的には、補償位相θｐｌｓを外乱周波数に応じたマップとして記憶させておき、そのマップを参照して補償位相θｐｌｓを決定することができる。或いは、外乱周波数により変化する近似式を保有しておき、その近似式により補償位相θｐｌｓを決定してもよい。補償位相θｐｌｓは、フーリエ係数演算器５２に入力される。
【００６７】
フーリエ係数演算器５２は、外乱周波数ｆｄ及び補償位相θｐｌｓに基づいて、下記（１２）、（１３）式を用いてモデル偏差の余弦係数Ｅｃ’及び正弦係数Ｅｓ’を求める。
【００６８】
【数１２】
2020194401.tif 000014
【００６９】
【数１３】
2020194401.tif 000015
【００７０】
モデル偏差の余弦係数Ｅｃ’は、Ｉ制御器５３によって、下記（１４）式のようにＩ制御される。また、モデル偏差の正弦係数Ｅｓ’は、Ｉ制御器５４によって、下記（１５）式のようにＩ制御される。
【００７１】
【数１４】
2020194401.tif 000016
【００７２】
【数１５】
2020194401.tif 000017
【００７３】
上記（１４）、（１５）式において、Ｋｒｐｌ_ｉは、Ｉ制御器５３，５４の積分ゲインである。ここで、Ｉ制御器５３，５４において、制御入力である余弦係数Ｅｃ’及び正弦係数Ｅｓ’は角速度の次元である一方で、制御出力は角加速度の次元としている。また、角速度から角加速度への変換は微分の関係にある一方で、制御対象は本来積分特性を持っている。このため、直流に変換した座標系において、制御入力である余弦係数Ｅｃ’及び正弦係数Ｅｓ’は、変換周波数倍のゲインとして見える。従って、余弦係数Ｅｃ’及び正弦係数Ｅｓ’は、この座標系では積分特性ではなく比例特性として捉えられる。このため、積分器のみでも制御が可能であり、Ｉ制御器５３，５４が用いられている。なお、応答性改善のために、必要に応じて、第２の比較例のように、ＰＩ制御器で構成されていてもよいことは言うまでもない。
【００７４】
交流復元器５５は、余弦係数Ｅｃ’及び正弦係数Ｅｓ’に基づいて、下記（１６）式の演算を行う。この（１６）式は、第２の推定角加速度ω・＾ｒ２を演算する演算式である。
【００７５】
【数１６】
2020194401.tif 000018
【００７６】
図９は、実施の形態１に係る速度推定装置１０１の効果の説明に供する第１の図である。図１０は、実施の形態１に係る速度推定装置１０１の効果の説明に供する第２の図である。図９及び図１０は共に、速度脈動を与えた状態で交流電動機２を駆動し、交流電動機２の回転速度を推定するシミュレーションを行った結果の一例を示している。本シミュレーションでは、交流電動機２を駆動してから５秒経過後に第２の角速度推定部２２が起動され、速度脈動推定が開始されている。
【００７７】
また、図９は、推定応答を１［ｒａｄ／ｓ］に設定して推定した角加速度の余弦成分Ωｃ・＾と、角加速度の正弦成分Ωｓ・＾とをプロットした波形である。上段部は、位相補償なしの場合の波形であり、第２の比較例の構成による結果に相当する。また、下段部は、位相補償ありの場合の波形であり、実施の形態１の構成による結果に相当する。
【００７８】
位相補償がない場合、前述のとおり速度脈動の推定位相に誤差が生じているため、角加速度の値が収束せず発散していってしまい、設定した応答が得られていない。一方、位相補償ありの場合、推定する角加速度が収束し、安定に動作していることが分かる。また。応答速度を見ると推定開始から１秒程度で６３％の立ち上がりとなっており、所望の応答が得られていることが分かる。
【００７９】
また、図１０は、推定角速度の波形であり、上段部は位相補償なしの場合を示し、下段部は位相補償ありの場合を示している。また、各左側は、第２の角速度推定部２２の起動前の波形であり、各右側は、第２の角速度推定部２２を起動し、値が収束した後の波形を示している。また、太線は実角速度であり、細線は推定角速度である。
【００８０】
起動前は、実角速度に対して推定角速度の位相が遅れており、振幅も小さくなっている。また、起動後において、位相補償がない場合には、制御が発散して実際の角速度よりも推定角速度の振幅が大幅に大きくなり、位相にもずれがある。一方、位相補償がある場合には、推定角速度は実角速度に一致しており、制御が良好に動作していることが分かる。
【００８１】
積分器３１は、交流復元器５５で演算された第２の推定角加速度ω・＾ｒ２を下記（１７）式により積分して第２の推定角速度ω＾ｒ２を求める。積分器３１は、第２の角速度演算器として動作する。第２の推定角速度ω＾ｒ２は、実角速度の特定の高周波成分として演算される。
【００８２】
【数１７】
2020194401.tif 000019
【００８３】
なお、制御系のブロック図は、変形可能であることは当業者であれば自明である。例えば、図８のように構成してもよい。図８は、図７に示す細部の構成の変形例を示すブロック図である。例えば図７の積分器２５，３１は、それぞれの推定角加速度を加算してから積分器に通してもよい。即ち、図７の構成では、推定角速度演算器２３の入力側に２つの積分器２５，３１を配置する構成であるが、図８の速度推定装置１０１−１のように、推定角速度演算器２３の出力側に１つの積分器３２を配置する構成でもよい。この構成の場合、積分器の数を削減できるという効果が得られる。
【００８４】
最終的な角速度の推定式は、下記（１８）式で表される。即ち、推定角速度演算器２３において、第１の角速度推定部２１で演算された第１の推定角速度ω＾ｒ１に、積分器３１で演算された第２の推定角速度ω＾ｒ２が加算されることにより、下記（１８）式で示される推定角速度ω＾ｒが得られる。
【００８５】
【数１８】
2020194401.tif 000020
【００８６】
上記（１８）式、及び図７に示す推定角速度演算器２３では、加算器を用いる例を示しているが、この例に限定されない。補償位相演算部５１における補償位相の正負の定義、交流復元器５５の出力の定義が逆位相となるような場合においては、減算器が用いられる。即ち、推定角速度演算器２３の構成は、補償位相の正負の定義、交流復元器５５の出力の定義などによって変化する。
【００８７】
上記（１８）式、上記（５）式との違いは、上記（１８）式では、第２の推定角速度ω＾ｒ２が用いられている点である。第２の角速度推定部２２は、モデル偏差εの任意調波を正弦波と余弦波とに分けることで直流化して抽出し、それらが零になるようにＩ制御を行う。そして、第２の角速度推定部２２は、Ｉ制御の出力を交流に復元することで実角速度の高周波成分を推定し、特定の周波数の部分だけゲインを上げている。そのため、周期外乱に起因する速度の脈動成分を第２の推定角速度ω＾ｒ２として高精度に推定することができる。なお、上述の第２の角速度推定部２２は、一種の繰り返し制御器あるいは学習制御器の構造を採用している。よって、上記の第２の角速度推定部２２の代わりに、別種の繰り返し制御器、又は学習制御器を用いてもよい。
【００８８】
図１１は、実施の形態１に係る速度推定装置１０１のハードウェア構成図である。図１及び図７では記載を省略したが、図１１には、電圧印加部３と、電流検出部４とが示されている。電圧印加部３は、交流電動機２に電圧を印加する電圧印加手段である。電圧印加手段の一例は、電力変換器である。電圧ベクトルは、電圧印加部３により生成される電圧指令に相当する。交流電動機２には、電圧指令に基づいて生成された電圧が印加され、速度推定装置１０１には、電圧指令に関する情報が入力される。また、電流ベクトルは、電流検出部４により生成されて速度推定装置１０１に入力される。電流ベクトルは、交流電動機２に流れる交流電流に関するベクトル情報である。電流ベクトルの一例は、電流検出部４によって検出された交流電流をｄｑ座標軸上の値に変換したｄｑ軸電流の検出値である。
【００８９】
速度推定装置１０１は、プロセッサ９０１及びメモリ９０２を備える。メモリ９０２はランダムアクセスメモリに代表される不図示の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリを代表とする不図示の不揮発性の補助記憶装置とを備える。なおメモリ９０２は、揮発性記憶装置と不揮発性の補助記憶装置との代わりに、ハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ９０１は、メモリ９０２から入力されたプログラムを実行する。メモリ９０２が補助記憶装置と揮発性記憶装置とを具備するため、プロセッサ９０１に、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプログラムが入力される。またプロセッサ９０１は、演算結果のデータをメモリ９０２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置に当該データを保存してもよい。
【００９０】
電圧印加部３及び電流検出部４に関しては、様々な方式が検討されているが、基本的にはどの方式を用いても構わない。電圧印加部３及び電流検出部４は、速度推定装置１０１の内部に設けてもよい。また、速度推定装置１０１は、電圧印加部３が出力する電圧ベクトルを検出する電圧検出手段を有していてもよい。この場合、電圧印加部３は電圧ベクトルの指令値をプロセッサ９０１へ送信し、電圧検出手段によって検出された電圧に関する数値がプロセッサ９０１へ送信されるように構成してもよい。電流検出部４も同様に検出した数値をプロセッサ９０１へ送信するように構成してもよい。
【００９１】
プロセッサ９０１は交流電動機２の電流ベクトルと電圧ベクトルとに基づいて、推定角速度ω＾ｒを演算する。プロセッサ９０１が前述した第２の角速度推定部２２の演算を行うことにより、周期外乱による速度脈動を高精度に推定できる。なお、プロセッサ９０１は交流電動機２の駆動装置を兼ねてもよい。即ち、プロセッサ９０１は、速度推定を行うだけでなく、推定速度が所望の値になるような電圧指令ベクトルを計算するように構成してもよい。位置センサレスでトルク制御を行う方法は前述した非特許文献をはじめ、様々な方法が公知である。
【００９２】
以上説明したように、実施の形態１に係る交流電動機の速度推定装置によれば、周波数によらず適切な位相で交流電動機の速度脈動を推定することができ、速度推定の高精度化が可能となる。
【００９３】
また、実施の形態１に係る交流電動機の速度推定装置によれば、従来の課題であった脈動周波数が高い場合においても速度推定を高精度で行えるようにしたもので、特別な記憶手段を設けなくとも、特定の周波数帯域の推定応答を上げるための演算部を設けることで、従来よりも高周波領域の脈動まで推定することができる。また、適応磁束オブザーバである第１の角速度推定部の角速度推定の閉ループ位相特性を考慮して補償位相を求めることで、所望の応答速度で角速度推定を行うことができるようになり、制御の安定化が実現できる。
【００９４】
実施の形態２．
図１２は、実施の形態２に係る速度推定装置１０１Ｃの構成を示すブロック図である。図１２において、実施の形態２に係る速度推定装置１０１Ｃでは、図７に示す実施の形態１に係る速度推定装置１０１の構成において、第２の角速度推定部２２が第２の角速度推定部２２Ｃに置き替えられている。第２の角速度推定部２２Ｃでは、第２の角加速度推定部３０が第２の角加速度推定部３０Ｃに置き替えられている。第２の角加速度推定部３０Ｃでは、フーリエ係数演算器５２がフーリエ係数演算器５２Ｃに置き替えられ、交流復元器５５が交流復元器５５Ｃに置き替えられている。図７では、補償位相演算部５１により演算された補償位相θｐｌｓはフーリエ係数演算器５２に入力されていたが、図１２では交流復元器５５Ｃに入力されている。なお、その他の構成については、図７と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００９５】
図７に示す実施の形態１のフーリエ係数演算器５２は、（１２），（１３）式を用いてフーリエ係数を演算していた。一方、図１２に示す実施の形態２のフーリエ係数演算器５２Ｃは、下記（１９）、（２０）式を用いてフーリエ係数を演算する。
【００９６】
【数１９】
2020194401.tif 000021
【００９７】
【数２０】
2020194401.tif 000022
【００９８】
また、図７に示す実施の形態１の交流復元器５５は、上記（１６）式を用いて第２の推定角加速度ω・＾ｒ２を演算していた。一方、図１２に示す実施の形態２の交流復元器５５Ｃは、下記（２１）式を用いて第２の推定角加速度ω・＾ｒ２を演算する。
【００９９】
【数２１】
2020194401.tif 000023
【０１００】
フーリエ係数演算器５２（５２Ｃ）及び交流復元器５５（５５Ｃ）の演算に用いる位相の関係性が保たれていれば、実施の形態１で述べた、周波数に依らず適切な位相で速度脈動を推定する効果は同様に得られる。このため、（１９）〜（２１）式のように演算しても同じ効果が得られる。
【０１０１】
なお、実施の形態２でも実施の形態１と同様に、モデル偏差εの余弦係数Ｅｃ’及びモデル偏差εの正弦係数Ｅｓ’をＩ制御器５３，５４のそれぞれから求める構成を採用することができ、その演算式は、（１４）、（１５）式で変わらない。
【０１０２】
実施の形態３．
図１３は、実施の形態３に係る速度推定装置１０１Ｄの構成を示すブロック図である。図１３において、実施の形態３に係る速度推定装置１０１Ｄでは、図７に示す実施の形態１に係る速度推定装置１０１の構成において、第１の角速度推定部２１が第１の角速度推定部２１Ｄに置き替えられ、第２の角速度推定部２２が第２の角速度推定部２２Ｄに置き替えられている。第１の角速度推定部２１Ｄでは、第１の角速度推定部２１の構成から積分器２５が省略され、第２の角速度推定部２２Ｄでは、第２の角速度推定部２２の構成から積分器３１が省略されている。なお、その他の構成については、図７と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【０１０３】
第１の角速度推定部２１Ｄに具備されるＰＩ制御器２４は、上記（５）式に示される演算処理を行う。即ち、第１の角速度推定部２１Ｄは、積分器を用いずに、ＰＩ制御のみで第１の推定角速度ω＾ｒ１を生成して、推定角速度演算器２３に出力する。同様に、第２の角速度推定部２２Ｄに具備される第２の角加速度推定部３０も、積分器を用いずに第２の推定角速度ω＾ｒ２を生成して、推定角速度演算器２３に出力する。以降の動作は、実施の形態１で説明した通りである。
【０１０４】
実施の形態３に係る速度推定装置１０１Ｄは、第２の角速度推定部２２Ｄを備えているので、第１及び第２の比較例の速度推定装置に比べて、高周波の速度脈動を正確に推定することができる。その理由は、実施の形態１で説明した通りである。
【０１０５】
なお、速度の推定精度に関して言えば、実施の形態３のものは、実施の形態１のものに比べて劣る。一方、推定演算に要する演算量の点では、積分演算を省略している分、実施の形態３の方が有利である。そのため、図１１に示すプロセッサ９０１の演算性能が低く、少しでも計算量を減らしたい場合には、実施の形態３の構成が好適である。但し、詳細は後述するが、実施の形態５で説明する速度脈動抑制制御を行う場合には、実施の形態１に係る速度推定装置１０１の構成が好適である。
【０１０６】
また、実施の形態３の類例として、第１の角速度推定部２１Ｄが積分器２５を備え、且つ、第２の角速度推定部２２Ｄが積分器３１を備えない構成としてもよい。或いは、第１の角速度推定部２１Ｄが積分器２５を備えず、且つ、第２の角速度推定部２２Ｄが積分器３１を備える構成としてもよい。
【０１０７】
実施の形態４．
図１４は、実施の形態４に係る速度推定装置１０１Ｅの構成を示すブロック図である。図１４において、実施の形態４に係る速度推定装置１０１Ｅでは、図１に示す実施の形態１に係る速度推定装置１０１の構成において、第２の補償位相演算部５６と、第３の角速度推定部３３が追加されている。また、推定角速度演算器２３が推定角速度演算器２３Ｅに置き替えられている。即ち、実施の形態１から実施の形態３までは、２つの角速度推定部を有する構成であったが、実施の形態４は、３つの角速度推定部を有する構成である。なお、その他の構成については、図７と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【０１０８】
一般的に、交流電動機は、適用されるアプリケーションによって、又は接続する負荷装置によって、交流電動機の回転角速度に含まれる角速度脈動の特徴は変化する。そこで、接続する負荷装置が周期的なトルク変動を有している場合について、ロータリー圧縮機を例として考える。
【０１０９】
図１５は、ロータリー圧縮機の負荷トルクの波形の一例を示す図である。横軸は回転角度を表し、縦軸は負荷トルクを表す。ここでは、ロータリー圧縮機の圧縮室の数をｋと置く。回転角度の０〜３６０度は、機械角の１周期、即ち機械角周期である。
【０１１０】
まず、圧縮室が１つしかない場合、即ちｋ＝１の場合、図１５に実線で示すように、負荷トルクは、機械角周期で大きく振動している。２次、３次の高調波も負荷トルク波形には含まれるが、１次の振動が最も大きい。このため、実施の形態１から実施の形態３の構成を適用する場合、第２の推定角速度ω＾ｒ２の演算に用いる外乱周波数ｆｄを機械角周波数の１次周波数とすれば、最も大きい１次の角速度脈動を高精度で推定することができる。
【０１１１】
実施の形態４では、角速度推定部が並列で複数個設けられている。このため、負荷トルク特性に含まれる２次及び３次のトルク変動による速度脈動も、高精度で推定することができる。図１４の例では、推定する速度脈動の周波数を第２の外乱周波数ｆｄ２とし、これを第３の角速度推定部３３で推定して第３の推定角速度ω＾ｒ３として出力する。
【０１１２】
圧縮室の数が２又は３の場合、即ちｋ＝２又はｋ＝３の場合についても同様に考えることができる。圧縮室の数を増やすほど構造的には複雑になり高コスト化するが、図１５に示されるように脈動の小さい波形となっている。具体的に、ｋ＝２の場合は機械角周波数の２次高調波成分が大きくなり、ｋ＝３の場合は３次高調波成分が大きくなっている。
【０１１３】
例えばｋ＝２の場合、図１５に示されるように、機械角周期の２次の振動が支配的である。このため、第２の角速度推定部２２に入力される外乱周波数ｆｄは、機械角周波数の２次の周波数として設定する。そして、更に推定したい２次を超える周波数があれば、それらを第２の外乱周波数ｆｄ２として、第３の角速度推定部３３に入力すればよい。
【０１１４】
また、例えばｋ＝３の場合、図１５に示されるように、機械角周期の３次の振動が支配的である。このため、第２の角速度推定部２２に入力される外乱周波数ｆｄは、機械角周波数の３次の周波数として設定する。そして、更に推定したい３次を超える周波数があれば、それらを第２の外乱周波数ｆｄ２として、第３の角速度推定部３３に入力すればよい。
【０１１５】
なお、実施の形態４では、角速度推定部を並列に複数個設け、それぞれの角速度推定部において位相補償を行っているが、これに限定されない。少なくとも１つの角速度推定部において位相補償が行われればよく、上述した位相補償による効果を得ることができる。
【０１１６】
実施の形態５．
図１６は、実施の形態５に係る交流電動機の駆動装置１０２の構成を示すブロック図である。実施の形態５に係る駆動装置１０２は、実施の形態１から実施の形態４で説明した速度推定装置１０１，１０１Ｃ，１０１Ｄ，１０１Ｅを用いて交流電動機２を制御する駆動装置である。図１６では、実施の形態１に係る速度推定装置１０１を適用した構成を一例として示している。
【０１１７】
実施の形態５に係る駆動装置１０２は、図１６に示されるように、速度制御部５と、加算器７と、トルク制御部６と、補償量演算部である補償トルク指令演算部８と、速度推定装置１０１とを備えている。補償トルク指令演算部８は、「補償指令演算部」として動作する。
【０１１８】
まず、補償トルク指令演算部８の動作について説明する。なお、ここでは、補償トルク指令演算部８は、第２の角速度推定部２２により演算された角加速度の情報を基に、演算を行う構成を例として説明する。
【０１１９】
補償トルク指令演算部８は、下記（２２）〜（２４）式を用いて補償トルク指令τ＊ｒｉｐを演算する。
【０１２０】
【数２２】
2020194401.tif 000024
【０１２１】
【数２３】
2020194401.tif 000025
【０１２２】
【数２４】
2020194401.tif 000026
【０１２３】
上記（２２）、（２３）式におけるＫｓｉ＿ｒｉｐは、補償トルク指令演算部８の積分ゲインである。また、上記（２２）式におけるＴｃは、角加速度の脈動の余弦成分に対応する補償トルク指令τ＊ｒｉｐの振幅であり、上記（２３）式におけるＴｓは、角加速度の脈動の正弦成分に対応する補償トルク指令τ＊ｒｉｐの振幅である。上記（２２）、（２３）式のように、角加速度の脈動の余弦成分及び角加速度の脈動の正弦成分のそれぞれが０となるような補償トルク指令τ＊ｒｉｐが演算される。この補償トルク指令τ＊ｒｉｐを用いて制御することにより、角加速度の脈動が低減でき、その結果、速度脈動も低減することができる。
【０１２４】
上記（２２）、（２３）式で積分制御を用いているのは、角加速度を基に補償トルク指令τ＊ｒｉｐを求める場合、制御対象の特性は比例特性であるためである。そして、制御器で積分特性を持たせてフィードバック制御を行うことで、理想的な閉ループ特性が得られるためである。なお、第２の角速度推定部２２のように、補償位相演算部５１によって決定された補償位相θｐｌｓを用いる構成の場合、補償位相θｐｌｓに基づいて、（２４）式の位相を補償することもできる。また、補償位相θｐｌｓが外乱周波数ｆｄに基づいた補償位相であれば、（２４）式以外の式を用いて演算してもよい。また、原理は同じであるため説明は省略するが、上述の補償トルク指令演算は、第２の角速度推定部２２により演算された第２の推定角速度ω＾ｒ２を用いて、同様に計算することもできる。
【０１２５】
次に、速度制御部５、トルク制御部６及び加算器７の動作について説明する。
【０１２６】
速度制御部５は、角速度指令と推定角速度ω＾ｒを基に、基本トルク指令τ＊ωを演算する。基本トルク指令τ＊ωの演算には、一般的なＰＩ制御器による速度制御を適用することができる。
【０１２７】
加算器７は、補償トルク指令τ＊ｒｉｐと基本トルク指令τ＊ωとを加算して、下記（２５）式により、トルク指令τ＊を演算する。
【０１２８】
【数２５】
2020194401.tif 000027
【０１２９】
トルク制御部６は、図１１に示す電圧印加部３を内包している。トルク制御部６は、トルク指令τ＊に基づいて、交流電動機２に印加する電圧ベクトルを決定する。電圧ベクトルは、トルク指令τ＊に基づいて演算された電流指令値に基づいて、ＰＩ制御などの電流制御を行うことで演算されたものでよい。或いは、トルク指令τ＊に応じた適切な電圧指令値をメモリ９０２に記憶させておき、トルク指令τ＊から直接求めてもよい。
【０１３０】
実施の形態５に係る駆動装置１０２は、速度推定装置１０１によって求めた角速度脈動の情報を基に、速度脈動を低減する補償トルク指令を求めることができる。これにより、交流電動機２の回転むらを低減する効果が得られる。
【０１３１】
なお、図１６は、補償トルク指令τ＊ｒｉｐを演算する補償トルク指令演算部８を備える構成であるが、この構成に限定されない。補償トルク指令演算部８に代えて、補償電流指令を演算する補償電流指令演算部を備える構成でもよい。この構成の場合、トルク制御部６の後段には、加算器及び電流制御部が備えられる。加算器は、トルク制御部６が生成する基本電流指令と、補償電流指令演算部が演算する補償電流指令とを加算して電流指令を生成する。電流制御部は、加算器から出力される電流指令に基づいて、交流電動機２に印加する電圧ベクトルを決定する。以降の動作は、上述の通りである。
【０１３２】
実施の形態６．
図１７は、実施の形態６に係る交流電動機の駆動装置１０２Ａの構成を示すブロック図である。図１７では、図１６に示す交流電動機２が、交流電動機２を備えた冷媒圧縮機２ａに置き替えられている。実施の形態６に係る駆動装置１０２Ａは、冷媒圧縮機２ａの速度脈動を軽減するため、実施の形態１に係る速度推定装置１０１を用いて構成されている。図１７では、実施の形態１に係る速度推定装置１０１を適用した構成としているが、これに限定されない。実施の形態２から実施の形態４で説明した速度推定装置１０１Ｃ，１０１Ｄ，１０１Ｅの何れかを用いて駆動装置１０２Ａが構成されていてもよい。なお、速度推定装置１０１，１０１Ｃ，１０１Ｄ，１０１Ｅの構成及び機能については前述した通りであり、ここでの説明は省略する。
【０１３３】
次に、冷媒圧縮機２ａの構造及び冷媒圧縮機２ａにおける負荷トルクについて、図１８及び図１９を参照して詳細に説明する。図１８は、図１７に駆動対象として示した冷媒圧縮機２ａの内部の概略構造を示す断面図である。また、図１９は、図１８に示す冷媒圧縮機２ａの圧縮部２０２の内部の構造を示す断面図である。なお、ここでは、ロータリー圧縮機のローリングピストン式と呼ばれる冷媒圧縮機について説明するが、これに限定されない。冷媒圧縮機は、スクロール圧縮機といった他の種類の圧縮機であってもよい。
【０１３４】
冷媒圧縮機２ａは、密閉容器２１１と、密閉容器２１１に内蔵される交流電動機２と、交流電動機２を構成するロータ２−１に一端が貫通するシャフト２０１と、シャフト２０１の他端が貫通し密閉容器２１１の内側に固定される圧縮部２０２と、密閉容器２１１に設けられた吸入パイプ２０３と、密閉容器２１１に設けられた吐出パイプ２０４とを備える。
【０１３５】
交流電動機２のステータ２−２は、密閉容器２１１に焼嵌め、冷嵌め、又は溶接により取り付けられ保持されている。ステータ２−２のコイル２−３には不図示の電線を介して電力が供給される。ロータ２−１は、ステータ２−２の内側に隙間２−４を介して配置され、ロータ２−１の中心部のシャフト２０１を介して、不図示の軸受により回転自在な状態で保持されている。
【０１３６】
このように構成された冷媒圧縮機２ａにおいて、交流電動機２が駆動することにより、吸入パイプ２０３を介して圧縮部２０２内に吸入された冷媒が圧縮され、圧縮された冷媒が吐出パイプ２０４から吐出される。冷媒圧縮機２ａでは、交流電動機２が冷媒に浸かる構造を取る場合が多く、温度変化が激しいことから交流電動機２に位置センサを取り付けることは難しい。そのため冷媒圧縮機２００では、交流電動機２を位置センサレス駆動しなければならない。
【０１３７】
また、圧縮部２０２は、図１９に示されるように、環状のシリンダ２１２と、シャフト２０１と一体で回転自在に形成されてシリンダ２１２の内側に配置されるピストン２０５と、シリンダ２１２の内周部に設けられた圧縮室２１３とを有する。
【０１３８】
シリンダ２１２は、図１８に示す吸入パイプ２０３と連通する吸入口２０６と、圧縮された冷媒を吐き出す吐出口２０７とを備える。吸入口２０６及び吐出口２０７は圧縮室２１３と連通している。またシリンダ２１２は、圧縮室２１３を吸入パイプ２０３に通じる低圧室と吐出口２０７に通じる高圧室とに区画するベーン２１０と、ベーン２１０を付勢するバネ２０９とを備える。
【０１３９】
シャフト２０１は交流電動機２とピストン２０５とを相互に接続するものである。ピストン２０５は偏心しており、回転角度によって、吐出側と吸入側の容積が変化するようになっている。吸入口２０６から吸入された冷媒は、ピストン２０５によって圧縮され、圧縮室２１３の圧力が高まると、吐出弁２０８が開き、吐出口２０７から冷媒が吐出される。冷媒が吐出されると同時に吸入側には冷媒が流れ込む。交流電動機２を回し続けると、ピストン２０５の機械角１回転につき１度、冷媒が吐出される。
【０１４０】
冷媒圧縮機２ａの負荷トルク脈動は、交流電動機２に対しては周期外乱となるため、速度脈動の要因となる。冷媒圧縮機２ａでは、速度脈動が大きいと、騒音及び振動が大きくなることが一般に知られている。
【０１４１】
但し、負荷トルク脈動及び速度脈動の周波数は、冷媒圧縮機２ａの構造によって決まるため、既知である。実施の形態６に係る冷媒圧縮機２ａは、そのことを利用して図１７に示す制御系を構築する。冷媒圧縮機２ａは、第２の角速度推定部２２により速度脈動の特定周波数成分を高精度に推定し、補償トルク指令演算部８でその脈動を抑えこむような補償トルク指令τ*ｒｉｐを演算する。これにより、事前調整を行わずとも速度脈動を低減することが可能となる。事前調整が不要になることで、出荷前の調整コストが大幅に低減でき、非常に有用である。
【０１４２】
実施の形態７．
図２０は、実施の形態７に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図２０に示される冷凍サイクル装置３００は、交流電動機の駆動装置１０２と、冷媒圧縮機２ａと、冷媒圧縮機２ａに配管３０５を介して接続される凝縮器３０１と、凝縮器３０１に配管３０５を介して接続される受液器３０２と、受液器３０２に配管３０５を介して接続される膨張弁３０３と、膨張弁３０３に配管３０５を介して接続される蒸発器３０４とを備える。蒸発器３０４は吸入パイプ２０３に接続される。
【０１４３】
冷媒圧縮機２ａ、凝縮器３０１、受液器３０２、膨張弁３０３、蒸発器３０４及び吸入パイプ２０３が配管３０５で接続されることにより、冷媒圧縮機２ａ、凝縮器３０１、受液器３０２、膨張弁３０３、蒸発器３０４及び吸入パイプ２０３は、冷媒が循環する冷凍サイクル回路３０６を構成する。冷凍サイクル回路３０６では、冷媒の蒸発、圧縮、凝縮及び膨張という工程が繰り返され、冷媒が液体から気体へ、又は気体から液体へと変化を繰り返しながら、熱の移動が行われる。
【０１４４】
冷凍サイクル装置３００を構成する各機器の機能を説明する。蒸発器３０４は、低圧の状態で冷媒液を蒸発させ、周囲より熱を奪い、冷却作用を有するものである。冷媒圧縮機２ａは、冷媒を凝縮させるために冷媒ガスを圧縮して高圧のガスにするものである。冷媒圧縮機２ａは、実施の形態６に係る駆動装置１０２Ａによって駆動される。凝縮器３０１は、熱を放出して高圧の冷媒ガスを凝縮して、冷媒液にするものである。膨張弁３０３は、冷媒を蒸発させるために、冷媒液を絞り膨張して低圧の液体にするものである。受液器３０２は、循環する冷媒量の調節のために設けられるもので、小型の装置では省略してもよい。
【０１４５】
一般的に冷凍サイクル装置には、静音性の向上とコストの低減とが要求される。家庭用の冷凍サイクル装置では、特に低コスト化の要求が高く、シングルロータリー圧縮機が使用されることが多い。シングルロータリー圧縮機とは、図１８及び図１９で説明したロータリー圧縮機であり、圧縮室２１３を１つのみ備えるタイプの圧縮機である。ロータリー圧縮機は、負荷トルク脈動が非常に大きいため、振動及び騒音が大きくなりがちである。一方、従来のフィードフォワード制御方式では、振動及び騒音を抑制するために煩雑な制御調整が必要であった。
【０１４６】
実施の形態７に係る冷凍サイクル装置３００は、駆動装置１０２Ａが速度脈動を自動的に零にするようにフィードバック制御をする。これにより、出荷前の調整に掛かるコストを格段に低減することができる。また、実施の形態７によれば、フィードバック制御で速度脈動を抑えこむことにより、製造時のバラつき、モータの定数変動、及び圧縮機の負荷条件の変化にも柔軟に対応できるようになる。これにより、耐環境性の高い冷凍サイクル装置３００を実現することができる。
【０１４７】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１４８】
２  交流電動機、２ａ  冷媒圧縮機、３  電圧印加部、４  電流検出部、５  速度制御部、６  トルク制御部、７  加算器、８  補償トルク指令演算部、１１  モデル偏差演算部、１２  状態推定器、１３  減算器、１４  偏差演算器、２１  第１の角速度推定部、２２，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ  第２の角速度推定部、２３  推定角速度演算器、２４，２７，２８  ＰＩ制御器、２５，３１，３２  積分器、２６，５２  フーリエ係数演算器、２９，５５  交流復元器、３０，３０Ｂ，３０Ｃ  第２の角加速度推定部、３３  第３の角速度推定部、５１  補償位相演算部、５３，５４  Ｉ制御器、５６  第２の補償位相演算部、１０１，１０１−１，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１Ｄ，１０１Ｅ  速度推定装置、１０２  駆動装置、２００  冷媒圧縮機、２０１  シャフト、２０２  圧縮部、２０３  吸入パイプ、２０４  吐出パイプ、２０５  ピストン、２０６  吸入口、２０７  吐出口、２０８  吐出弁、２０９  バネ、２１０  ベーン、２１１  密閉容器、２１２  シリンダ、２１３  圧縮室、３００  冷凍サイクル装置、３０１  凝縮器、３０２  受液器、３０３  膨張弁、３０４  蒸発器、３０５  配管、３０６  冷凍サイクル回路、９０１  プロセッサ、９０２  メモリ。
【図１】
2020194401.tif 000028
【図２】
2020194401.tif 000029
【図３】
2020194401.tif 000030
【図４】
2020194401.tif 000031
【図５】
2020194401.tif 000032
【図６】
2020194401.tif 000033
【図７】
2020194401.tif 000034
【図８】
2020194401.tif 000035
【図９】
2020194401.tif 000036
【図１０】
2020194401.tif 000037
【図１１】
2020194401.tif 000038
【図１２】
2020194401.tif 000039
【図１３】
2020194401.tif 000040
【図１４】
2020194401.tif 000041
【図１５】
2020194401.tif 000042
【図１６】
2020194401.tif 000043
【図１７】
2020194401.tif 000044
【図１８】
2020194401.tif 000045
【図１９】
2020194401.tif 000046
【図２０】
2020194401.tif 000047
【国際調査報告】
2020194401.tif 000048
2020194401.tif 000049