モータ制御装置、及び、それを利用したモータの起動方法
【課題】レシプロ式圧縮機のような負荷トルクの変動が大きい圧縮機においても、安定して差圧起動を実現するモータ制御装置及びそれを利用したモータの起動方法を提供する。
【解決手段】ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、更には、周波数指令値ω＊に基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力することにより電力変換回路を制御し、ベクトル制御を用いたモータ制御装置における起動方法において、ｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃと、ｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値とから軸誤差Δθｃを検出し、位置決め運転モードにより前記ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を出力し、同期運転モードにより、軸誤差検出手段により検出した軸誤差Δθｃに基づいて、負荷トルク変動に適合したｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を出力し、位置フィードバック運転モードによりｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を出力する。
【解決手段】ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、更には、周波数指令値ω＊に基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力することにより電力変換回路を制御し、ベクトル制御を用いたモータ制御装置における起動方法において、ｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃと、ｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値とから軸誤差Δθｃを検出し、位置決め運転モードにより前記ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を出力し、同期運転モードにより、軸誤差検出手段により検出した軸誤差Δθｃに基づいて、負荷トルク変動に適合したｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を出力し、位置フィードバック運転モードによりｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石モータを駆動するベクトル制御を用いたモータ制御装置に関し、特に、トルク変動の大きな負荷を起動するに適したモータ制御装置、更には、かかる制御装置によるモータの起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、家庭用冷蔵庫の圧縮機やポンプ等の駆動用モータには、一般的に、永久磁石モータ（以下、「モータ」とする）が用いられており、かかる永久磁石モータの駆動装置としては、一般的に、インバータ回路とデジタル制御器を用いたベクトル制御が制御方式として採用されている。
【０００３】
また、従来、空調機器や冷凍機器に使用される圧縮機としては、スクロール式圧縮機やレシプロ式圧縮機が用いられており、かかる圧縮機のＯＮ／ＯＦＦを操作する際のロスを低減する方法として、圧縮機の停止と同時に冷媒回路の高圧側と低圧側を遮断する電磁弁を、凝縮器出口側に設ける方法が知られている。上記電磁弁を用いた冷媒回路においては、電磁弁の遮断後、高圧と低圧に分離されたままの冷媒回路を再起動する時、圧縮機は吸入低圧と吐出高圧の差圧のついたままの起動（以下、「差圧起動」と言う）となる。
【０００４】
かかる差圧起動を行うための制御方式としては、以下の特許文献１によれば、モータ起動時にモータの誘起電圧に対して電流位相を進ませることによりモータの最大トルクを引き出し、モータ起動後安定な運転状態になるように電流位相を低減する方式が記載されている。
【０００５】
また、以下の特許文献２によれば、インバータ電圧Ｖｄｃと共に、永久磁石型電動機の２相の電流をＩｕ、Ｉｖを３相／２相変換して得られる実電流Ｉｄ、Ｉｑと電動機モデル演算により得られる電流値Ｉｍｄ、Ｉｍｑとの差Δｉｄ、Δｉｑを基に電動機の脱調及び不安定領域を検出し、これらを演算することにより精度の高い現在位置及び速度を算出して制御を行い、もって、脱調の回避が可能な電動機の安定動作を得る制御装置も既に知られている。
【０００６】
更には、以下の特許文献３によれば、所定の回転で永久磁石同期電動機を回転させるオープン制御器と電動機の永久磁石の磁束方向を推定するｄ軸推定器を備え、切替器によってオープン制御からベクトル制御に切り替える際に、磁束ベクトルの位相を求めてｄ軸推定器の初期値とするｄ軸推定器のｄ軸初期値設定器を具備し、もって、停止からの加速が可能な制御装置が既に知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２０７３６２号公報
【特許文献２】特開２００２−１３６１９８号公報
【特許文献３】特開２００５−１１０４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したように、圧縮機等を永久磁石モータにより差圧起動を行う場合、特に、その起動時（低速時）においては負荷トルクの変動が大きく、具体的には、圧縮機の吸込み口側と吐出し口側の圧力差により、当該モータに加わる負荷トルクが大きくなり、そのため、モータトルク不足により圧縮機の起動ができない場合が生じる等の問題があった。
【０００９】
また、一般的にモータに加わる負荷トルクは、
・圧縮機の温度が高い程、大きくなる、
・圧縮機の吸込み口側と吐出し口側の圧力差が大きい程、大きくなる
という関係があり、圧縮機の吸込み口側と吐出し口側の圧力差は、圧縮機停止前の圧縮機運転回転数が高いほど大きくなる。
【００１０】
また、モータに加わる負荷トルクは、冷媒の圧縮・膨張によりその負荷の大きさが変動する。特に、ピストンの往復運動により冷媒の圧縮・膨張を行うレシプロ式圧縮機は、この負荷変動が、スクロール式の圧縮機に比べて大きい。
【００１１】
なお、上述した特許文献１に記載の方式はスクロール式圧縮機に対しての方式であり、レシプロ式圧縮機に対しての具体的な記載はない。また、起動時（低速時）において大きく変化する負荷トルクによる問題点に関しては考慮されていなかった。また、その他の特許文献でも、起動時（低速時）において大きく変化する負荷トルクによる問題点に関しては考慮されていなかった。
【００１２】
即ち、特に、レシプロ式圧縮機を搭載した冷蔵庫で差圧起動を行おうとした場合、差圧による負荷トルクが大きい程、圧縮・膨張による負荷トルクの変動幅が大きくなる。また、負荷トルクは圧縮工程で大きくなり、膨張工程では小さくなる。
【００１３】
そのため特許文献１に記載の方式のようにモータを最大トルクで運転すると、負荷トルクが小さくなる膨張工程時に、モータの回転数が指令回転数に対してオーバーシュートし、制御が不安定となる場合があり、最悪はモータ停止に至る。
【００１４】
本発明の目的は、このような従来の課題を解決するものであり、レシプロ式圧縮機のような負荷トルクの変動が大きい圧縮機においても、安定して起動を実現することができるモータ制御装置を、更には、それを利用したモータの起動方法を提供することをその目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した目的を達成するため、本発明によれば、まず、起動時において負荷トルクの変動を示す負荷を回転駆動する永久磁石モータに対して供給される交流電力を制御するモータ制御装置であって、前記永久磁石モータに交流電流を供給する電力変換回路と、前記永久磁石モータに流れる交流電流を検出・変換して得られるｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃに基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を設定して出力する電流制御器と、前記電流制御器からのｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、更には、周波数指令値ω＊に基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力することにより前記電力変換回路を制御する電圧指令値作成器とを備えたベクトル制御を用いたモータ制御装置であって、更に、前記ｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃと、前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とから軸誤差Δθｃを検出するための手段を備えており、前記電流制御器は、永久磁石モータを起動する際、位置決め運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、同期運転モードにより、前記軸誤差検出手段により検出した軸誤差Δθｃに基づいて、前記負荷の負荷トルク変動に適合した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、その後、位置フィードバック運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力するモータ制御装置が提供される。
【００１６】
また、上述した目的を達成するため、本発明によれば、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、更には、周波数指令値ω＊に基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力することにより電力変換回路を制御し、もって、起動時にトルクの変動を示す負荷を回転駆動する永久磁石モータに対して交流電力を制御する、ベクトル制御を用いたモータ制御装置における起動方法であって、前記ｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃと、前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とから軸誤差Δθｃを検出し、前記永久磁石モータを起動する際、位置決め運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、同期運転モードにより、前記軸誤差検出手段により検出した軸誤差Δθｃに基づいて、前記負荷の負荷トルク変動に適合した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、その後、位置フィードバック運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力するモータの起動方法が提供される。
【００１７】
更に、本発明によれば、上述したモータ制御装置又はモータの起動方法において、前記位置決め運転モードにおいては、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊だけを出力すると共に、前記同期運転モードにおいては、前記軸誤差Δθｃが発生した後には、当該軸誤差Δθｃが０となるようにｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を設定することが好ましく、更には、前記位置決め運転モードの終了後において、当該位置決め運転モードにおいて出力した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を減少させると共に、前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を増大させ、もって、当該軸誤差Δθｃが０となった以降、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、
Ｉｄ＊＝Ｉｄｃ×ｃｏｓΔθｃ−Ｉｑｃ×ｓｉｎΔθｃ
Ｉｑ＊＝Ｉｄｃ×ｓｉｎΔθｃ＋Ｉｑｃ×ｃｏｓΔθｃ
に設定することが好ましい。
【００１８】
加えて、前記に記載したモータ制御装置又はモータの起動方法において、前記永久磁石モータの起動を開始した後、所定の時間を経過した後、又は、当該永久磁石モータの回転数が所定の値に達した後に、前記位置フィードバック運転モードに移行することが、更には、前記位置決め運転モードの終了後における前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、Ｉｃは、前記位置決め運転モードが終了する際の電流値、θＩは電流位相として、
Ｉｄ＊＝Ｉｃ×ｃｏｓθＩ
Ｉｑ＊＝Ｉｑ×ｓｉｎθＩ
に設定することが好ましい。そして、当該モータ制御装置又はモータの起動方法では、前記前記位置決め運転モードが終了する際の電流値Ｉｃを、前記負荷の周囲温度に応じて変更することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
上述した本発明によれば、起動時において大きな負荷トルクの変動を示す、例えば、レシプロ式圧縮機の差圧起動時においても、当該変動する負荷トルクに適合し、安定して圧縮機を駆動することが可能なモータ制御装置と共に、そのための起動方法を提供することが可能であるという優れた効果を達成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例になるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記モータ制御装置を構成する電力変換回路の一構成例を示す回路図である。
【図３】上記モータ制御装置を構成するｄ軸およびｑ軸電流制御器の一例を示す回路図である。
【図４】上記モータ制御装置を構成する速度制御器の一例を示す回路図である。
【図５】モータ制御装置の各運転モードの遷移と特徴を説明するため、各部の出力波形を示す波形図である。
【図６】負荷トルクが変動する代表的な負荷であるレシプロ式圧縮機において差圧起動を行う場合に生じる問題について説明するための波形図である。
【図７】レシプロ式圧縮機において差圧起動を行う場合における負荷のトルク変動と軸誤差との関係を説明するための波形図である。
【図８】本発明になるモータ制御装置によるモータ起動時における動作を説明するための各部の出力波形図である。
【図９】本発明における電流指令値演の演算、特に、同期運転中のモータ電流と軸誤差の関係を説明するためのベクトル図である。
【図１０】本発明になるモータ制御装置によるモータ起動時の詳細な動作を説明するためのフローチャート図である。
【図１１】本発明を冷蔵庫の圧縮機駆動用モータの制御装置に適用した際の冷蔵庫の一例を示す側面断面図である（実際例２）。
【図１２】上記実施例２による電流制御の一例を示すため、高温の圧縮機を起動する際の各部の出力波形を示す図である。
【図１３】上記実施例２による電流制御の一例を示すため、低温の圧縮機を起動する際の各部の出力波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明になる実施の形態について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
まず、本実施例（実施例１）におけるモータ制御装置は、主として、以下の３つの動作モードを行うものとする。
・位置決めモードとして、特定の相に電流を通電することにより回転子の位置決めを行う。
・次に、同期運転モードとして、永久磁石モータの回転角度位置の情報を用いずに同期モータを駆動して、インバータの出力周波数を徐々に高めて、上記位置決め状態からある回転数まで加速する。
・次に、上記回転数にて運転モードを位置フィードバック運転モードに移行し、磁極位置の推定値もしくは磁極位置センサ等による回転角度位置の情報を用いて運転する。
【００２３】
本実施例では、位置フィードバック運転モードの位置情報は、モータ電圧指令とモータ電流情報から得る位置センサレス制御を行うものとして、永久磁石モータの回転子の磁束方向の位置をｄ軸、それから回転方向に９０度進んだｑ軸からなるｄ−ｑ軸実回転座標系（モータ軸）に対して、制御上の仮想回転子位置ｄｃ軸と、それから回転方向に９０度進んだ制御上の位置ｑｃ軸からなる制御上のｄｃ−ｑｃ制御回転座標系での制御を基本としている。なお、これ以降ｄｃ−ｑｃ座標軸を単に制御軸と呼ぶ。
【００２４】
なお、以下の説明では、モータとしてｄ−ｑ軸インダクタンスの差が小さい非突極型永久磁石モータを例に挙げ、リラクタンストルクの発生はないものとして説明するが、しかしながら、本発明は当該非突極型永久磁石モータのみに限られるものではない。
【００２５】
以下、本発明の第１の実施例（実施例１）について、添付の図を用いながら説明する。
【００２６】
図１は、本発明に係るモータ制御装置の制御構成図である。図において、図の符号１は、本発明になるモータ制御装置を示しており、また、符号３は、当該モータ制御装置により回転駆動される電動機であり、一例として永久磁石モータを示している。なお、モータ制御装置１は大きく分けて、電流検出部２と、制御部４と、そして、電力変換回路５とによって構成されている。
【００２７】
電流検出手段２は、モータに流れる３相の交流電流の内、Ｕ相及びＷ相に流れる電流ＩｕとＩｗを検出するモータ電流検出器６ａ、６ｂから構成される。
【００２８】
モータ電流検出器６ａ、６ｂの一つの例として、シャント抵抗を用いて電流を電圧に変換する方法がある。この場合、例えば、シャント抵抗を２つ使用する、所謂、２シャント電流検出、或いは、インバータ２０の直流側に付加したシャント抵抗を１つだけ使用する、所謂、１シャント電流検出の何れかの方法を用いても良い。
【００２９】
制御部４は、主に、軸誤差演算器８、ＰＬＬ制御器１０、速度制御器１２、電流制御器１５ａおよび１５ｂ、電圧指令値作成器１６、ｄｑ／３相変換器１７、積分器１８、３相／ｄｑ変換器７等から構成される。なお、本実施例では、これらの制御部４は、例えば、マイクロプロセッサー等の演算装置により構成されており、例えば、内蔵又は外付けされたメモリ装置内に格納されたソフトウェアにより、以下に述べる各部の動作を達成するために必要な所定の演算を実行する。
【００３０】
３相／ｄｑ変換器７は、モータ電流検出器６ａ、６ｂで検出したモータ電流を推定磁極位置θｄｃとして入力とし、３相軸から制御軸へと座標変換してｄ軸検出電流Ｉｄｃおよびｑ軸検出電流Ｉｑｃを出力する。
【００３１】
軸誤差演算器８は、ｄ軸検出電流Ｉｄｃおよびｑ軸検出電流Ｉｑｃと、ｄ軸およびｑ軸電圧指令値（Ｖｄ＊およびＶｑ＊）と、インバータ周波数指令値ω１＊または周波数指令値ω＊を入力とし、永久磁石モータ３の回転子の実回転位置（実回転座標軸）と仮想回転位置（制御軸）との空間的位相差（以下、「軸誤差Δθｃ」と言う）を出力する。
【００３２】
ＰＬＬ制御器１０は、軸誤差Δθｃと軸誤差指令値Δθ＊（通常は零（０））との差を減算器９ａで求め、これが零（０）になるようにインバータ周波数指令値ω１（ω１＊）を出力する。
【００３３】
速度制御器１２は、図４に示すように、周波数指令値ω＊とインバータ周波数指令値ω１＊を入力とし、これらの差を減算器９ｅで求め、差分が零（０）になるようにＰＩ制御器によって、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力する。なお、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊は次式によって求まる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、Ｋｐｓは比例ゲイン、Ｋｉｓは積分ゲインである。
【００３６】
なお、Ｉｑ＊が（式１）によって出力されるのは制御切替スイッチ１１ｂがＢ側にあるときであり、他方、制御切替スイッチ１１ｂがＡ側にあるときには、Ｉｑ＊の値は、例えば、上位コントローラなど、他から与えられるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊０となる。
【００３７】
電流制御器１５ａおよび１５ｂは、図３に示すように、ｄ軸およびｑ軸電流指令値（Ｉｄ＊およびＩｑ＊）と、ｄ軸検出電流Ｉｄｃおよびｑ軸検出電流Ｉｑｃを入力とし、それぞれの差分を減算器９ｃ、９ｄで求め、当該差分が零（０）になるように第２の電流指令値Ｉｄ＊＊およびＩｑ＊＊を出力する。なお、第２の電流指令値Ｉｄ＊＊およびＩｑ＊＊は次式によって求まる。
【００３８】
【数２】
【００３９】
【数３】
【００４０】
ここで、ＫｐｄおよびＫｐｑは比例ゲイン、ＫｉｄおよびＫｉｑは積分ゲインである。
【００４１】
電圧指令値作成器１６は、第２の電流指令値（Ｉｄ＊＊およびＩｑ＊＊）とインバータ周波数指令値ω１＊を入力としてベクトル演算を行い、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力する。なお、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は次式によって求まる。
【００４２】
【数４】
【００４３】
【数５】
【００４４】
ここで、（式４）（式５）において、Ｒは永久磁石モータ３の一次巻線抵抗値、Ｌｄはｄ軸のインダクタンス、Ｌｑはｑ軸のインダクタンス、Ｋｅは誘起電圧定数である。
【００４５】
ｄｑ／３相変換器１７は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を入力とし、制御軸から３相軸へ座標変換して永久磁石モータ３に印加する３相電圧指令値（Ｖｕ＊,Ｖｖ＊,Ｖｗ＊）を出力する。
【００４６】
電力変換回路５は図２に示すように、インバータ２０と直流電圧源２１とドライバ回路２２によって構成される。なお、前記インバータ２０はＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子で構成される。インバータ２０はドライバ回路２２から出力されるパルス信号（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）に応じてスイッチング動作を行い、任意の周波数の交流電圧を永久磁石モータへ印加してモータを駆動する。
【００４７】
続いて、上記にその構成を説明したモータ制御装置によって永久磁石モータ３を起動する際の基本動作について説明する。なお、図５は、永久磁石モータ３を起動する際の各運転モードへの遷移を示すための各部の出力を示す波形図である。
【００４８】
これらの運転モードには、任意の相のモータ巻線に、徐々に直流電流を流して永久磁石モータ３の回転子をある位置に固定する「位置決めモード」と、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と周波数指令ω＊に従って永久磁石モータ３に印加する電圧を決定する「同期運転モード」と、軸誤差Δθｃが零（０）になるようにインバータ周波数指令値ω１＊を調整する「位置フィードバック運転モード」、の３つのモードがある。
【００４９】
なお、これらの運転モードは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、インバータ周波数指令値ω１＊のうち、いずれかを変更、或いは、制御部４ａ内の制御切替スイッチ（１１ａおよび１１ｂ）を切り替えることによってそれぞれの運転モードへ遷移する。なお、制御切替スイッチ（１１ａおよび１１ｂ）は、特に断りがない限り、２つが同時に切り替わるものとする。
【００５０】
特に、「同期運転モード」では、周波数指令ω＊を徐々に増加させ、それに応じて永久磁石モータ３の速度も増加する。このときのｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊の大きさは位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃを電流位相θＩでｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けた値とし、それぞれ次式によって求まる。
【００５１】
【数６】
【００５２】
【数７】
【００５３】
なお、「位置決めモード」後の位置フィードバック運転（「位置フィードバック運転モード」）が可能になる周波数になった時点において図１の制御切替スイッチ（１１ａおよび１１ｂ）をＢ側に倒すことにより、「位置フィードバック運転モード」へ遷移する。これにより、モータ制御装置１は、軸誤差Δθｃと軸誤差指令値Δθ＊（通常は零（０））との差が零（０）になるようにＰＬＬ制御器１０がインバータ周波数指令値ω１＊を調整すると共に、周波数指令値ω＊とインバータ周波数指令値ω１＊との差が零（０）になるように速度制御器１２がｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を調整する。
【００５４】
この時、Ｉｑ＊は、加速トルク分と負荷トルク分の和である必要トルク分に相当する値になり、これにより永久磁石モータ３は加速する。その後一定速になると、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊は必要トルク（＝負荷トルク）分に相当する値で一定となる。また、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の値は、ここでは永久磁石モータが非突極型としているので、「位置フィードバック運転モード」中は零（０）に設定する。
【００５５】
ここで、圧縮機、特に、レシプロ式圧縮機において、差圧起動を行う場合に生じる問題について説明する。
【００５６】
レシプロ式圧縮機は、ピストンにより圧縮工程と膨張工程を圧縮機駆動用モータの回転周期に応じて繰り返している。このとき、モータの負荷トルクは、通常、膨張工程よりも圧縮工程のほうが大きくなる。つまり、負荷トルクは大小に交互にかつ周期的に変動する。
【００５７】
また、圧縮機には、圧縮機の入力と出力側の圧力差がほとんどない均圧状態や、圧力差がある差圧状態が存在する。即ち、レシプロ式圧縮機で当該差圧起動を行うと、図６に示すように、均圧状態とはならず、圧縮・膨張工程での負荷変動幅が大きくなる。ただし、ある時間が経過すれば（例えば、９００ｒｐｍ程度の回転数に達すると）、モータに対する当該負荷トルクの変動幅は小さくなり、所謂、定常状態となる。本実施例では、この負荷トルクの変動は、上述した「同期運転モード」中のみに発生するが、しかし、位置フィードバック運転（「位置フィードバック運転モード」）への移行時には、当該負荷トルクは定常状態になるものとして説明する。
【００５８】
ここで、「同期運転モード」中に負荷トルクが大小かつ交互に変動した場合について考える。図７に示すように、「同期運転モード」においては、負荷トルクに対してモータに流れる電流のｑ軸電流成分が小さい場合、軸誤差Δθｃは正方向に増加し、逆に、負荷トルクに対してモータに流れる電流のｑ軸電流成分が大きい場合、軸誤差Δθｃは負方向に増加する。また、この軸誤差Δθｃは±９０°が最大値であり、これを超えるとモータは脱調停止することとなる。
【００５９】
そこで、差圧起動によって負荷トルクが大きい場合に、モータトルクが最大となるようにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を設定しても、レシプロ式圧縮機の負荷トルクは、その後の圧縮・膨張過程における変動が大きいことから（図７（Ａ）を参照）、特に、負荷トルクが小さくなる膨張工程時においては、当該負荷トルクに対してモータに流れる電流のｑ軸電流成分が大きくなってしまう。その結果として、軸誤差Δθｃが負方向に増加し（図７（Ｂ）を参照）、場合によっては、モータが脱調・停止する場合がある。
【００６０】
本発明は、上述したような課題、即ち、レシプロ式圧縮機のように負荷トルクの変動が大きい負荷を起動する際における問題点を解決するためになされたものであり、以下にその内容を示す。
【００６１】
本発明では、上述した本発明者らによる知見に基づき、上記課題を解決するため、モータトルクを変動する負荷トルクに合わせて発生させるようにしたものであり、より具体的には、負荷トルクが変動した場合に、軸誤差Δθｃの値が零（０）となるようにモータに流れるｑ軸電流成分を調整するものである。即ち、上記課題を解決するには、負荷トルクが変動した場合に軸誤差Δθｃの値が零（０）となるようにモータに流れるｑ軸電流成分を調整すればよい。
【００６２】
より具体的に説明すると、図８の（Ａ）に示すように、「位置決め運転モード」では上記（式６）および（式７）にて電流位相θＩの設定値を零（０）とすることによりｄ軸電流成分のみをモータに流し（ここでは、徐々に増大する）、これによって、モータ回転子の位置決めを行う。その後、「同期運転モード」にて、段階的に電流位相θＩを増加させる。即ち、ｄ軸電流成分を減少させながら、他方、ｑ軸電流成分を増加する。
【００６３】
その結果、図８の（Ｂ）に示すように、負荷トルクがｑ軸電流成分によるモータトルクより大きい場合、軸誤差Δθｃは正の値となる（図の「ｔ１」を参照）。しかし、その後、電流位相θＩによりｑ軸電流成分を増加させ、モータトルクが負荷トルクと同等になると、軸誤差Δθｃはほぼ零（０）となる（図の「ｔ２」を参照）。他方、負荷トルクがｑ軸電流成分によるモータトルクより小さい場合には、軸誤差Δθｃは負の値となる。その後、電流位相θＩによりｑ軸電流成分を減少させ、モータトルクが負荷トルクと同等になると、軸誤差Δθｃはほぼゼロ（０）となり、以後、これを繰り返す。即ち、軸誤差Δθｃにより負荷のトルク変動を検出することが可能となる。
【００６４】
そこで、図８の（Ｃ）に示すように、軸誤差Δθｃが零（０）以下になった場合（図の「ｔ２」を参照）、それ以降の同期運転モード中は、次に示す（式８）および（式９）にてｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を求める。
【００６５】
【数８】
【００６６】
【数９】
【００６７】
その結果、図９（Ｂ）に示すように、ｑ軸電流成分の過不足分を補正するように軸誤差Δθｃが生じるため、その軸誤差Δθｃにより補正されたｄ軸電流成分およびｑ軸電流成分をそれぞれｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に設定することで、軸誤差Δθｃをほぼ零（０）にすることができる。換言すれば、モータトルクを変動する負荷トルク合わせて発生することが可能となる。なお、図９（Ａ）は、上記軸誤差Δθｃを説明するための図であり、負荷トルクの変動に伴って変化するモータ回転子の実回転位置（実回転座標ｄｃ−ｑｃ軸）の仮想回転位置（制御ｄ−ｑ軸）に対する空間的位相差を示している。
【００６８】
よって、同期運転モード中に負荷トルクが変動して軸誤差Δθｃが変動しても、それを零（０）にするようにｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を適切な値に調整することによれば、同期運転モード中におけるモータの脱調や停止を防ぐことができる。なお、この同期運転モードの後には、上述したように、制御は位置フィードバック運転モードへ移行することとなるが、ここで、同期運転モードは、モータが起動（回転速度＝０）した後、その回転速度が６００ｒｍｐ程度（最大回で９００ｒｐｍ程度）に達するまでの期間であり、モータの回転速度によって容易に検出することも可能であるが、通常、モータの起動を開始した後の所定の時間（例えば、時間Ｔ）内だけに存在するモードであることから、モータの起動から所定時間の経過によって同期運転モードから位置フィードバック運転モードへの移行を行うことも可能である。
【００６９】
更に、以下には、上述したモータ制御装置、特に、その起動方法を中心にして、添付の図１０を参照しながら、より具体的に説明する。なお、図１０は、本発明になる起動方法を実行するための制御工程を示すフローチャート図であり、この制御工程は、上述したように、例えば、マイクロプロセッサー等の演算装置により構成された制御部４により実行される。
【００７０】
まず、モータの起動（差圧起動）が始まると（ステップＳ１０）、位置決めモードとなり、ｄ軸電流成分のみをモータに流し（ｑ軸電流成分＝０）、これによって、モータ回転子の位置決めを行う（ステップＳ１１）。続いて、ｄ軸電流成分が所定の値、Ｉｃに達したか否かを判定し（ステップＳ１２）、その結果、ｄ軸電流成分が所定の値Ｉｃに達した場合（図の「ＹＥＳ」）、同期運転モードに移行する（ステップＳ１３）。即ち、まず、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、上述した式（６）と（７）で示したように、運転モード終了時の直流電流Ｉｃを電流位相θＩでｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けた値に設定する。
【００７１】
その後、上記した軸誤差演算器８によって検出される軸誤差Δθｃを観察し、当該軸誤差Δθｃが零（０）まで低下したことを判定する（ステップＳ１４）。軸誤差Δθｃが零（０）まで低下すると（図の「ＹＥＳ」）、上述したｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、上述した式（８）と（９）で示したように、軸誤差演算器８により検出したｄ軸検出電流Ｉｄｃとｑ軸検出電流Ｉｑｃと共に、更に、軸誤差演算器８で演算された上記軸誤差Δθｃを用いることにより設定して、変動する負荷トルク合わせてモータトルクを発生する。その後、所定の時間Ｔが経過したことを判定し（ステップＳ１６）、その結果、当該所定の時価を経過した場合（図の「ＹＥＳ」）、上述した起動処理工程を終了し、モータ制御を位置フィードバック運転モードへ移行する（ステップＳ１７）。
【００７２】
なお、上記のステップＳ１３やＳ１５においては、上述した式（６）と（７）や式（８）と（９）によりｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成するものとして説明したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、これに代えて、変動する不可トルクに適合したｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を予め実験やシミュレーション等により求めてこれをメモリ装置内に格納し（例えば、テーブル等）、これを利用することも可能である。又は、波形発生器（ファンクションジェネレータ）等によりこれらの信号を発生することも可能であろう。
【実施例２】
【００７３】
続いて、本発明になる第２の実施例（実施例２）について説明する。なお、この第２の実施例（実施例２）は、上述した本発明になるモータ制御装置及びその起動方法を家庭用の冷蔵庫に適用したものであり、以下に、添付の図を用いて詳細に説明する。
【００７４】
冷蔵庫は、一般に、添付の図１１にも示すように、熱交換器２４、送風機２５、圧縮機２６、圧縮機駆動用モータ２７、冷蔵庫制御装置２８、圧縮機温度センサ３６、電磁弁３７により構成される。なお、圧縮機温度センサ３６は、ここでは、例えば、熱電対やサーミスタなどで構成されており、そして、冷蔵庫制御装置２８は、この圧縮機温度センサ３６を用いて、圧縮機の温度を監視するものとする。
【００７５】
また、冷蔵庫制御装置２８は、各種センサ情報により送風機や庫内灯などを制御する庫内制御装置２９とモータ制御装置１から構成され、モータ制御装置１は制御部４ａと電力変換回路５から構成される。また、冷蔵庫制御装置２８は、圧縮機停止時に電磁弁３７を動作させ圧縮機２６の冷媒回路の高圧側と低圧側を遮断する。また、以下の説明でも、圧縮機２６は、ピストン運動により冷媒を圧縮・膨張させるレシプロ式圧縮機として説明する。
【００７６】
なお、上述した構成を備える冷蔵庫において差圧起動を行う場合には、以下のような課題がある。
【００７７】
即ち、冷蔵庫が使用される温度環境は地域において異なっており、例えば、冷蔵庫や圧縮機の周囲温度が０℃以下の低温下で使用され、又は、４０℃以上の高温状態で使用される場合があり、なお、一般的に、モータの負荷トルクは、圧縮機の温度が高いほど大きくなる。
【００７８】
また、冷蔵庫の周囲温度が高温の場合、庫内の温度を所望の値に保つためには、高い冷却性能が必要となる。そのため、圧縮機は高回転で運転され、圧縮機停止時の差圧が大きくなる。そのため、高温の温度環境下で、特に、差圧起動を行う場合には、モータの負荷トルクは、常温下で差圧起動を行う場合よりも大きくなり、そのため、モータは最大トルクで起動しなければならない。
【００７９】
これとは逆に、冷蔵庫の周囲温度が低温の場合、圧縮機は低回転で運転されるため、圧縮機停止時の差圧は小さい。そのため、低温環境下で差圧起動を行う場合には、常温で差圧起動を行うよりもモータの負荷トルクが小さくなり、そのため、最大トルクでモータを起動すると、モータの回転数が指令回転数に対してオーバーシュートしてしまい、制御が不安定となる場合があり、最悪の場合には、モータが停止に至ることもある。
【００８０】
そこで、本発明になるモータ制御装置及びその起動方法を冷蔵庫に適用する場合、圧縮機停止前の圧縮機運転回転数と圧縮機起動時の圧縮機の温度の状態とによって、位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの値を変更し、出力可能な最大トルクを調整すればよい。具体的には、添付の図１２に示すように、圧縮機停止前の圧縮機運転回転数が高回転、かつ、圧縮機の温度が高い場合は、上述した「位置決め運転モード」の終了時における直流電流Ｉｃの値を大きくし、他方、圧縮機停止前の圧縮機運転回転数が低回転、かつ、圧縮機の温度が低い場合は、添付の図１３に示すように、位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの値を小さくすればよい。
【００８１】
位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの設定値は、実験により実際にモータが起動する値を求めてもよいし、シミュレーションなどでモータ負荷トルクを推定し、それから値を求めてもよい。
【００８２】
なお、モータ負荷トルクを推定した場合、位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの設定値は、負荷トルクτＬとモータを回すために必要なトルク電流Ｉｑとの関係から、次式により求めることができる。
【００８３】
【数１０】
【００８４】
ここで、Ｐｍはモータ極対数、Ｋｅは誘起電圧定数であり、いずれも定数であることから、負荷トルクτＬを測定すればそれに対して必要なトルク電流Ｉｑ知ることができる。よって（式１０）で求めたトルク電流Ｉｑを位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの値に設定すればよい。また、上記の方法はその一例を示したものに過ぎず、トルク電流Ｉｑを求める方法について、特に、その制限はない。
【００８５】
即ち、本実施例２によれば、圧縮機停止前の圧縮機運転回転数と圧縮機起動時の圧縮機の温度状態によって圧縮機のモータ負荷トルクの大きさが異なる場合であっても、位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの値を変えることにより、モータが出力可能な最大トルクを調節でき、もって、確実に差圧起動を実行することができる。
【００８６】
なお、上述した実施例１および実施例２の説明では、モータが発生するトルクを調整するための手段として、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊についてのみ述べたが、しかいながら、制御器の構成を考えれば、本発明の制御を、例えば、電流制御器１５からの第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ＊＊および第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ＊＊に対しても適用することも可能であり、その結果、電流制御器に適用した場合も同様の効果を得ることができることは、当業者であれば容易に想像できるであろう。
【００８７】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、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わけではない。また、ある実施例の一部を他の実施例の構成と置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００８８】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良い。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１…モータ制御装置、２…電流検出手段、３…永久磁石モータ、４…制御部、５…電力変換回路、６ａ,６ｂ…電流検出手段、７…３相／ｄｑ変換器、８…軸誤差演算器、９…減算器、１０…ＰＬＬ制御器、１１ａ,１１ｂ…制御切替スイッチ、１２…速度制御器、１５ａ,１５ｂ…電流制御器、１６…電圧指令作成器、１７…ｄｑ／３相変換器、１８…積分器、２０…インバータ、２１…直流電圧源、２２…ドライバ回路、２４…熱交換器、２５…送風機、２６…圧縮機、２７…圧縮機駆動用モータ、２８…冷蔵庫制御装置、２９…庫内制御装置、３６…圧縮機温度センサ、３７…電磁弁。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石モータを駆動するベクトル制御を用いたモータ制御装置に関し、特に、トルク変動の大きな負荷を起動するに適したモータ制御装置、更には、かかる制御装置によるモータの起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、家庭用冷蔵庫の圧縮機やポンプ等の駆動用モータには、一般的に、永久磁石モータ（以下、「モータ」とする）が用いられており、かかる永久磁石モータの駆動装置としては、一般的に、インバータ回路とデジタル制御器を用いたベクトル制御が制御方式として採用されている。
【０００３】
また、従来、空調機器や冷凍機器に使用される圧縮機としては、スクロール式圧縮機やレシプロ式圧縮機が用いられており、かかる圧縮機のＯＮ／ＯＦＦを操作する際のロスを低減する方法として、圧縮機の停止と同時に冷媒回路の高圧側と低圧側を遮断する電磁弁を、凝縮器出口側に設ける方法が知られている。上記電磁弁を用いた冷媒回路においては、電磁弁の遮断後、高圧と低圧に分離されたままの冷媒回路を再起動する時、圧縮機は吸入低圧と吐出高圧の差圧のついたままの起動（以下、「差圧起動」と言う）となる。
【０００４】
かかる差圧起動を行うための制御方式としては、以下の特許文献１によれば、モータ起動時にモータの誘起電圧に対して電流位相を進ませることによりモータの最大トルクを引き出し、モータ起動後安定な運転状態になるように電流位相を低減する方式が記載されている。
【０００５】
また、以下の特許文献２によれば、インバータ電圧Ｖｄｃと共に、永久磁石型電動機の２相の電流をＩｕ、Ｉｖを３相／２相変換して得られる実電流Ｉｄ、Ｉｑと電動機モデル演算により得られる電流値Ｉｍｄ、Ｉｍｑとの差Δｉｄ、Δｉｑを基に電動機の脱調及び不安定領域を検出し、これらを演算することにより精度の高い現在位置及び速度を算出して制御を行い、もって、脱調の回避が可能な電動機の安定動作を得る制御装置も既に知られている。
【０００６】
更には、以下の特許文献３によれば、所定の回転で永久磁石同期電動機を回転させるオープン制御器と電動機の永久磁石の磁束方向を推定するｄ軸推定器を備え、切替器によってオープン制御からベクトル制御に切り替える際に、磁束ベクトルの位相を求めてｄ軸推定器の初期値とするｄ軸推定器のｄ軸初期値設定器を具備し、もって、停止からの加速が可能な制御装置が既に知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２０７３６２号公報
【特許文献２】特開２００２−１３６１９８号公報
【特許文献３】特開２００５−１１０４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したように、圧縮機等を永久磁石モータにより差圧起動を行う場合、特に、その起動時（低速時）においては負荷トルクの変動が大きく、具体的には、圧縮機の吸込み口側と吐出し口側の圧力差により、当該モータに加わる負荷トルクが大きくなり、そのため、モータトルク不足により圧縮機の起動ができない場合が生じる等の問題があった。
【０００９】
また、一般的にモータに加わる負荷トルクは、
・圧縮機の温度が高い程、大きくなる、
・圧縮機の吸込み口側と吐出し口側の圧力差が大きい程、大きくなる
という関係があり、圧縮機の吸込み口側と吐出し口側の圧力差は、圧縮機停止前の圧縮機運転回転数が高いほど大きくなる。
【００１０】
また、モータに加わる負荷トルクは、冷媒の圧縮・膨張によりその負荷の大きさが変動する。特に、ピストンの往復運動により冷媒の圧縮・膨張を行うレシプロ式圧縮機は、この負荷変動が、スクロール式の圧縮機に比べて大きい。
【００１１】
なお、上述した特許文献１に記載の方式はスクロール式圧縮機に対しての方式であり、レシプロ式圧縮機に対しての具体的な記載はない。また、起動時（低速時）において大きく変化する負荷トルクによる問題点に関しては考慮されていなかった。また、その他の特許文献でも、起動時（低速時）において大きく変化する負荷トルクによる問題点に関しては考慮されていなかった。
【００１２】
即ち、特に、レシプロ式圧縮機を搭載した冷蔵庫で差圧起動を行おうとした場合、差圧による負荷トルクが大きい程、圧縮・膨張による負荷トルクの変動幅が大きくなる。また、負荷トルクは圧縮工程で大きくなり、膨張工程では小さくなる。
【００１３】
そのため特許文献１に記載の方式のようにモータを最大トルクで運転すると、負荷トルクが小さくなる膨張工程時に、モータの回転数が指令回転数に対してオーバーシュートし、制御が不安定となる場合があり、最悪はモータ停止に至る。
【００１４】
本発明の目的は、このような従来の課題を解決するものであり、レシプロ式圧縮機のような負荷トルクの変動が大きい圧縮機においても、安定して起動を実現することができるモータ制御装置を、更には、それを利用したモータの起動方法を提供することをその目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した目的を達成するため、本発明によれば、まず、起動時において負荷トルクの変動を示す負荷を回転駆動する永久磁石モータに対して供給される交流電力を制御するモータ制御装置であって、前記永久磁石モータに交流電流を供給する電力変換回路と、前記永久磁石モータに流れる交流電流を検出・変換して得られるｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃに基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を設定して出力する電流制御器と、前記電流制御器からのｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、更には、周波数指令値ω＊に基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力することにより前記電力変換回路を制御する電圧指令値作成器とを備えたベクトル制御を用いたモータ制御装置であって、更に、前記ｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃと、前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とから軸誤差Δθｃを検出するための手段を備えており、前記電流制御器は、永久磁石モータを起動する際、位置決め運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、同期運転モードにより、前記軸誤差検出手段により検出した軸誤差Δθｃに基づいて、前記負荷の負荷トルク変動に適合した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、その後、位置フィードバック運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力するモータ制御装置が提供される。
【００１６】
また、上述した目的を達成するため、本発明によれば、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、更には、周波数指令値ω＊に基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力することにより電力変換回路を制御し、もって、起動時にトルクの変動を示す負荷を回転駆動する永久磁石モータに対して交流電力を制御する、ベクトル制御を用いたモータ制御装置における起動方法であって、前記ｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃと、前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とから軸誤差Δθｃを検出し、前記永久磁石モータを起動する際、位置決め運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、同期運転モードにより、前記軸誤差検出手段により検出した軸誤差Δθｃに基づいて、前記負荷の負荷トルク変動に適合した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、その後、位置フィードバック運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力するモータの起動方法が提供される。
【００１７】
更に、本発明によれば、上述したモータ制御装置又はモータの起動方法において、前記位置決め運転モードにおいては、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊だけを出力すると共に、前記同期運転モードにおいては、前記軸誤差Δθｃが発生した後には、当該軸誤差Δθｃが０となるようにｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を設定することが好ましく、更には、前記位置決め運転モードの終了後において、当該位置決め運転モードにおいて出力した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を減少させると共に、前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を増大させ、もって、当該軸誤差Δθｃが０となった以降、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、
Ｉｄ＊＝Ｉｄｃ×ｃｏｓΔθｃ−Ｉｑｃ×ｓｉｎΔθｃ
Ｉｑ＊＝Ｉｄｃ×ｓｉｎΔθｃ＋Ｉｑｃ×ｃｏｓΔθｃ
に設定することが好ましい。
【００１８】
加えて、前記に記載したモータ制御装置又はモータの起動方法において、前記永久磁石モータの起動を開始した後、所定の時間を経過した後、又は、当該永久磁石モータの回転数が所定の値に達した後に、前記位置フィードバック運転モードに移行することが、更には、前記位置決め運転モードの終了後における前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、Ｉｃは、前記位置決め運転モードが終了する際の電流値、θＩは電流位相として、
Ｉｄ＊＝Ｉｃ×ｃｏｓθＩ
Ｉｑ＊＝Ｉｑ×ｓｉｎθＩ
に設定することが好ましい。そして、当該モータ制御装置又はモータの起動方法では、前記前記位置決め運転モードが終了する際の電流値Ｉｃを、前記負荷の周囲温度に応じて変更することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
上述した本発明によれば、起動時において大きな負荷トルクの変動を示す、例えば、レシプロ式圧縮機の差圧起動時においても、当該変動する負荷トルクに適合し、安定して圧縮機を駆動することが可能なモータ制御装置と共に、そのための起動方法を提供することが可能であるという優れた効果を達成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例になるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記モータ制御装置を構成する電力変換回路の一構成例を示す回路図である。
【図３】上記モータ制御装置を構成するｄ軸およびｑ軸電流制御器の一例を示す回路図である。
【図４】上記モータ制御装置を構成する速度制御器の一例を示す回路図である。
【図５】モータ制御装置の各運転モードの遷移と特徴を説明するため、各部の出力波形を示す波形図である。
【図６】負荷トルクが変動する代表的な負荷であるレシプロ式圧縮機において差圧起動を行う場合に生じる問題について説明するための波形図である。
【図７】レシプロ式圧縮機において差圧起動を行う場合における負荷のトルク変動と軸誤差との関係を説明するための波形図である。
【図８】本発明になるモータ制御装置によるモータ起動時における動作を説明するための各部の出力波形図である。
【図９】本発明における電流指令値演の演算、特に、同期運転中のモータ電流と軸誤差の関係を説明するためのベクトル図である。
【図１０】本発明になるモータ制御装置によるモータ起動時の詳細な動作を説明するためのフローチャート図である。
【図１１】本発明を冷蔵庫の圧縮機駆動用モータの制御装置に適用した際の冷蔵庫の一例を示す側面断面図である（実際例２）。
【図１２】上記実施例２による電流制御の一例を示すため、高温の圧縮機を起動する際の各部の出力波形を示す図である。
【図１３】上記実施例２による電流制御の一例を示すため、低温の圧縮機を起動する際の各部の出力波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明になる実施の形態について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
まず、本実施例（実施例１）におけるモータ制御装置は、主として、以下の３つの動作モードを行うものとする。
・位置決めモードとして、特定の相に電流を通電することにより回転子の位置決めを行う。
・次に、同期運転モードとして、永久磁石モータの回転角度位置の情報を用いずに同期モータを駆動して、インバータの出力周波数を徐々に高めて、上記位置決め状態からある回転数まで加速する。
・次に、上記回転数にて運転モードを位置フィードバック運転モードに移行し、磁極位置の推定値もしくは磁極位置センサ等による回転角度位置の情報を用いて運転する。
【００２３】
本実施例では、位置フィードバック運転モードの位置情報は、モータ電圧指令とモータ電流情報から得る位置センサレス制御を行うものとして、永久磁石モータの回転子の磁束方向の位置をｄ軸、それから回転方向に９０度進んだｑ軸からなるｄ−ｑ軸実回転座標系（モータ軸）に対して、制御上の仮想回転子位置ｄｃ軸と、それから回転方向に９０度進んだ制御上の位置ｑｃ軸からなる制御上のｄｃ−ｑｃ制御回転座標系での制御を基本としている。なお、これ以降ｄｃ−ｑｃ座標軸を単に制御軸と呼ぶ。
【００２４】
なお、以下の説明では、モータとしてｄ−ｑ軸インダクタンスの差が小さい非突極型永久磁石モータを例に挙げ、リラクタンストルクの発生はないものとして説明するが、しかしながら、本発明は当該非突極型永久磁石モータのみに限られるものではない。
【００２５】
以下、本発明の第１の実施例（実施例１）について、添付の図を用いながら説明する。
【００２６】
図１は、本発明に係るモータ制御装置の制御構成図である。図において、図の符号１は、本発明になるモータ制御装置を示しており、また、符号３は、当該モータ制御装置により回転駆動される電動機であり、一例として永久磁石モータを示している。なお、モータ制御装置１は大きく分けて、電流検出部２と、制御部４と、そして、電力変換回路５とによって構成されている。
【００２７】
電流検出手段２は、モータに流れる３相の交流電流の内、Ｕ相及びＷ相に流れる電流ＩｕとＩｗを検出するモータ電流検出器６ａ、６ｂから構成される。
【００２８】
モータ電流検出器６ａ、６ｂの一つの例として、シャント抵抗を用いて電流を電圧に変換する方法がある。この場合、例えば、シャント抵抗を２つ使用する、所謂、２シャント電流検出、或いは、インバータ２０の直流側に付加したシャント抵抗を１つだけ使用する、所謂、１シャント電流検出の何れかの方法を用いても良い。
【００２９】
制御部４は、主に、軸誤差演算器８、ＰＬＬ制御器１０、速度制御器１２、電流制御器１５ａおよび１５ｂ、電圧指令値作成器１６、ｄｑ／３相変換器１７、積分器１８、３相／ｄｑ変換器７等から構成される。なお、本実施例では、これらの制御部４は、例えば、マイクロプロセッサー等の演算装置により構成されており、例えば、内蔵又は外付けされたメモリ装置内に格納されたソフトウェアにより、以下に述べる各部の動作を達成するために必要な所定の演算を実行する。
【００３０】
３相／ｄｑ変換器７は、モータ電流検出器６ａ、６ｂで検出したモータ電流を推定磁極位置θｄｃとして入力とし、３相軸から制御軸へと座標変換してｄ軸検出電流Ｉｄｃおよびｑ軸検出電流Ｉｑｃを出力する。
【００３１】
軸誤差演算器８は、ｄ軸検出電流Ｉｄｃおよびｑ軸検出電流Ｉｑｃと、ｄ軸およびｑ軸電圧指令値（Ｖｄ＊およびＶｑ＊）と、インバータ周波数指令値ω１＊または周波数指令値ω＊を入力とし、永久磁石モータ３の回転子の実回転位置（実回転座標軸）と仮想回転位置（制御軸）との空間的位相差（以下、「軸誤差Δθｃ」と言う）を出力する。
【００３２】
ＰＬＬ制御器１０は、軸誤差Δθｃと軸誤差指令値Δθ＊（通常は零（０））との差を減算器９ａで求め、これが零（０）になるようにインバータ周波数指令値ω１（ω１＊）を出力する。
【００３３】
速度制御器１２は、図４に示すように、周波数指令値ω＊とインバータ周波数指令値ω１＊を入力とし、これらの差を減算器９ｅで求め、差分が零（０）になるようにＰＩ制御器によって、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力する。なお、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊は次式によって求まる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、Ｋｐｓは比例ゲイン、Ｋｉｓは積分ゲインである。
【００３６】
なお、Ｉｑ＊が（式１）によって出力されるのは制御切替スイッチ１１ｂがＢ側にあるときであり、他方、制御切替スイッチ１１ｂがＡ側にあるときには、Ｉｑ＊の値は、例えば、上位コントローラなど、他から与えられるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊０となる。
【００３７】
電流制御器１５ａおよび１５ｂは、図３に示すように、ｄ軸およびｑ軸電流指令値（Ｉｄ＊およびＩｑ＊）と、ｄ軸検出電流Ｉｄｃおよびｑ軸検出電流Ｉｑｃを入力とし、それぞれの差分を減算器９ｃ、９ｄで求め、当該差分が零（０）になるように第２の電流指令値Ｉｄ＊＊およびＩｑ＊＊を出力する。なお、第２の電流指令値Ｉｄ＊＊およびＩｑ＊＊は次式によって求まる。
【００３８】
【数２】
【００３９】
【数３】
【００４０】
ここで、ＫｐｄおよびＫｐｑは比例ゲイン、ＫｉｄおよびＫｉｑは積分ゲインである。
【００４１】
電圧指令値作成器１６は、第２の電流指令値（Ｉｄ＊＊およびＩｑ＊＊）とインバータ周波数指令値ω１＊を入力としてベクトル演算を行い、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力する。なお、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は次式によって求まる。
【００４２】
【数４】
【００４３】
【数５】
【００４４】
ここで、（式４）（式５）において、Ｒは永久磁石モータ３の一次巻線抵抗値、Ｌｄはｄ軸のインダクタンス、Ｌｑはｑ軸のインダクタンス、Ｋｅは誘起電圧定数である。
【００４５】
ｄｑ／３相変換器１７は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を入力とし、制御軸から３相軸へ座標変換して永久磁石モータ３に印加する３相電圧指令値（Ｖｕ＊,Ｖｖ＊,Ｖｗ＊）を出力する。
【００４６】
電力変換回路５は図２に示すように、インバータ２０と直流電圧源２１とドライバ回路２２によって構成される。なお、前記インバータ２０はＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子で構成される。インバータ２０はドライバ回路２２から出力されるパルス信号（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）に応じてスイッチング動作を行い、任意の周波数の交流電圧を永久磁石モータへ印加してモータを駆動する。
【００４７】
続いて、上記にその構成を説明したモータ制御装置によって永久磁石モータ３を起動する際の基本動作について説明する。なお、図５は、永久磁石モータ３を起動する際の各運転モードへの遷移を示すための各部の出力を示す波形図である。
【００４８】
これらの運転モードには、任意の相のモータ巻線に、徐々に直流電流を流して永久磁石モータ３の回転子をある位置に固定する「位置決めモード」と、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と周波数指令ω＊に従って永久磁石モータ３に印加する電圧を決定する「同期運転モード」と、軸誤差Δθｃが零（０）になるようにインバータ周波数指令値ω１＊を調整する「位置フィードバック運転モード」、の３つのモードがある。
【００４９】
なお、これらの運転モードは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、インバータ周波数指令値ω１＊のうち、いずれかを変更、或いは、制御部４ａ内の制御切替スイッチ（１１ａおよび１１ｂ）を切り替えることによってそれぞれの運転モードへ遷移する。なお、制御切替スイッチ（１１ａおよび１１ｂ）は、特に断りがない限り、２つが同時に切り替わるものとする。
【００５０】
特に、「同期運転モード」では、周波数指令ω＊を徐々に増加させ、それに応じて永久磁石モータ３の速度も増加する。このときのｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊の大きさは位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃを電流位相θＩでｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けた値とし、それぞれ次式によって求まる。
【００５１】
【数６】
【００５２】
【数７】
【００５３】
なお、「位置決めモード」後の位置フィードバック運転（「位置フィードバック運転モード」）が可能になる周波数になった時点において図１の制御切替スイッチ（１１ａおよび１１ｂ）をＢ側に倒すことにより、「位置フィードバック運転モード」へ遷移する。これにより、モータ制御装置１は、軸誤差Δθｃと軸誤差指令値Δθ＊（通常は零（０））との差が零（０）になるようにＰＬＬ制御器１０がインバータ周波数指令値ω１＊を調整すると共に、周波数指令値ω＊とインバータ周波数指令値ω１＊との差が零（０）になるように速度制御器１２がｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を調整する。
【００５４】
この時、Ｉｑ＊は、加速トルク分と負荷トルク分の和である必要トルク分に相当する値になり、これにより永久磁石モータ３は加速する。その後一定速になると、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊は必要トルク（＝負荷トルク）分に相当する値で一定となる。また、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の値は、ここでは永久磁石モータが非突極型としているので、「位置フィードバック運転モード」中は零（０）に設定する。
【００５５】
ここで、圧縮機、特に、レシプロ式圧縮機において、差圧起動を行う場合に生じる問題について説明する。
【００５６】
レシプロ式圧縮機は、ピストンにより圧縮工程と膨張工程を圧縮機駆動用モータの回転周期に応じて繰り返している。このとき、モータの負荷トルクは、通常、膨張工程よりも圧縮工程のほうが大きくなる。つまり、負荷トルクは大小に交互にかつ周期的に変動する。
【００５７】
また、圧縮機には、圧縮機の入力と出力側の圧力差がほとんどない均圧状態や、圧力差がある差圧状態が存在する。即ち、レシプロ式圧縮機で当該差圧起動を行うと、図６に示すように、均圧状態とはならず、圧縮・膨張工程での負荷変動幅が大きくなる。ただし、ある時間が経過すれば（例えば、９００ｒｐｍ程度の回転数に達すると）、モータに対する当該負荷トルクの変動幅は小さくなり、所謂、定常状態となる。本実施例では、この負荷トルクの変動は、上述した「同期運転モード」中のみに発生するが、しかし、位置フィードバック運転（「位置フィードバック運転モード」）への移行時には、当該負荷トルクは定常状態になるものとして説明する。
【００５８】
ここで、「同期運転モード」中に負荷トルクが大小かつ交互に変動した場合について考える。図７に示すように、「同期運転モード」においては、負荷トルクに対してモータに流れる電流のｑ軸電流成分が小さい場合、軸誤差Δθｃは正方向に増加し、逆に、負荷トルクに対してモータに流れる電流のｑ軸電流成分が大きい場合、軸誤差Δθｃは負方向に増加する。また、この軸誤差Δθｃは±９０°が最大値であり、これを超えるとモータは脱調停止することとなる。
【００５９】
そこで、差圧起動によって負荷トルクが大きい場合に、モータトルクが最大となるようにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を設定しても、レシプロ式圧縮機の負荷トルクは、その後の圧縮・膨張過程における変動が大きいことから（図７（Ａ）を参照）、特に、負荷トルクが小さくなる膨張工程時においては、当該負荷トルクに対してモータに流れる電流のｑ軸電流成分が大きくなってしまう。その結果として、軸誤差Δθｃが負方向に増加し（図７（Ｂ）を参照）、場合によっては、モータが脱調・停止する場合がある。
【００６０】
本発明は、上述したような課題、即ち、レシプロ式圧縮機のように負荷トルクの変動が大きい負荷を起動する際における問題点を解決するためになされたものであり、以下にその内容を示す。
【００６１】
本発明では、上述した本発明者らによる知見に基づき、上記課題を解決するため、モータトルクを変動する負荷トルクに合わせて発生させるようにしたものであり、より具体的には、負荷トルクが変動した場合に、軸誤差Δθｃの値が零（０）となるようにモータに流れるｑ軸電流成分を調整するものである。即ち、上記課題を解決するには、負荷トルクが変動した場合に軸誤差Δθｃの値が零（０）となるようにモータに流れるｑ軸電流成分を調整すればよい。
【００６２】
より具体的に説明すると、図８の（Ａ）に示すように、「位置決め運転モード」では上記（式６）および（式７）にて電流位相θＩの設定値を零（０）とすることによりｄ軸電流成分のみをモータに流し（ここでは、徐々に増大する）、これによって、モータ回転子の位置決めを行う。その後、「同期運転モード」にて、段階的に電流位相θＩを増加させる。即ち、ｄ軸電流成分を減少させながら、他方、ｑ軸電流成分を増加する。
【００６３】
その結果、図８の（Ｂ）に示すように、負荷トルクがｑ軸電流成分によるモータトルクより大きい場合、軸誤差Δθｃは正の値となる（図の「ｔ１」を参照）。しかし、その後、電流位相θＩによりｑ軸電流成分を増加させ、モータトルクが負荷トルクと同等になると、軸誤差Δθｃはほぼ零（０）となる（図の「ｔ２」を参照）。他方、負荷トルクがｑ軸電流成分によるモータトルクより小さい場合には、軸誤差Δθｃは負の値となる。その後、電流位相θＩによりｑ軸電流成分を減少させ、モータトルクが負荷トルクと同等になると、軸誤差Δθｃはほぼゼロ（０）となり、以後、これを繰り返す。即ち、軸誤差Δθｃにより負荷のトルク変動を検出することが可能となる。
【００６４】
そこで、図８の（Ｃ）に示すように、軸誤差Δθｃが零（０）以下になった場合（図の「ｔ２」を参照）、それ以降の同期運転モード中は、次に示す（式８）および（式９）にてｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を求める。
【００６５】
【数８】
【００６６】
【数９】
【００６７】
その結果、図９（Ｂ）に示すように、ｑ軸電流成分の過不足分を補正するように軸誤差Δθｃが生じるため、その軸誤差Δθｃにより補正されたｄ軸電流成分およびｑ軸電流成分をそれぞれｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に設定することで、軸誤差Δθｃをほぼ零（０）にすることができる。換言すれば、モータトルクを変動する負荷トルク合わせて発生することが可能となる。なお、図９（Ａ）は、上記軸誤差Δθｃを説明するための図であり、負荷トルクの変動に伴って変化するモータ回転子の実回転位置（実回転座標ｄｃ−ｑｃ軸）の仮想回転位置（制御ｄ−ｑ軸）に対する空間的位相差を示している。
【００６８】
よって、同期運転モード中に負荷トルクが変動して軸誤差Δθｃが変動しても、それを零（０）にするようにｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を適切な値に調整することによれば、同期運転モード中におけるモータの脱調や停止を防ぐことができる。なお、この同期運転モードの後には、上述したように、制御は位置フィードバック運転モードへ移行することとなるが、ここで、同期運転モードは、モータが起動（回転速度＝０）した後、その回転速度が６００ｒｍｐ程度（最大回で９００ｒｐｍ程度）に達するまでの期間であり、モータの回転速度によって容易に検出することも可能であるが、通常、モータの起動を開始した後の所定の時間（例えば、時間Ｔ）内だけに存在するモードであることから、モータの起動から所定時間の経過によって同期運転モードから位置フィードバック運転モードへの移行を行うことも可能である。
【００６９】
更に、以下には、上述したモータ制御装置、特に、その起動方法を中心にして、添付の図１０を参照しながら、より具体的に説明する。なお、図１０は、本発明になる起動方法を実行するための制御工程を示すフローチャート図であり、この制御工程は、上述したように、例えば、マイクロプロセッサー等の演算装置により構成された制御部４により実行される。
【００７０】
まず、モータの起動（差圧起動）が始まると（ステップＳ１０）、位置決めモードとなり、ｄ軸電流成分のみをモータに流し（ｑ軸電流成分＝０）、これによって、モータ回転子の位置決めを行う（ステップＳ１１）。続いて、ｄ軸電流成分が所定の値、Ｉｃに達したか否かを判定し（ステップＳ１２）、その結果、ｄ軸電流成分が所定の値Ｉｃに達した場合（図の「ＹＥＳ」）、同期運転モードに移行する（ステップＳ１３）。即ち、まず、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、上述した式（６）と（７）で示したように、運転モード終了時の直流電流Ｉｃを電流位相θＩでｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けた値に設定する。
【００７１】
その後、上記した軸誤差演算器８によって検出される軸誤差Δθｃを観察し、当該軸誤差Δθｃが零（０）まで低下したことを判定する（ステップＳ１４）。軸誤差Δθｃが零（０）まで低下すると（図の「ＹＥＳ」）、上述したｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、上述した式（８）と（９）で示したように、軸誤差演算器８により検出したｄ軸検出電流Ｉｄｃとｑ軸検出電流Ｉｑｃと共に、更に、軸誤差演算器８で演算された上記軸誤差Δθｃを用いることにより設定して、変動する負荷トルク合わせてモータトルクを発生する。その後、所定の時間Ｔが経過したことを判定し（ステップＳ１６）、その結果、当該所定の時価を経過した場合（図の「ＹＥＳ」）、上述した起動処理工程を終了し、モータ制御を位置フィードバック運転モードへ移行する（ステップＳ１７）。
【００７２】
なお、上記のステップＳ１３やＳ１５においては、上述した式（６）と（７）や式（８）と（９）によりｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成するものとして説明したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、これに代えて、変動する不可トルクに適合したｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を予め実験やシミュレーション等により求めてこれをメモリ装置内に格納し（例えば、テーブル等）、これを利用することも可能である。又は、波形発生器（ファンクションジェネレータ）等によりこれらの信号を発生することも可能であろう。
【実施例２】
【００７３】
続いて、本発明になる第２の実施例（実施例２）について説明する。なお、この第２の実施例（実施例２）は、上述した本発明になるモータ制御装置及びその起動方法を家庭用の冷蔵庫に適用したものであり、以下に、添付の図を用いて詳細に説明する。
【００７４】
冷蔵庫は、一般に、添付の図１１にも示すように、熱交換器２４、送風機２５、圧縮機２６、圧縮機駆動用モータ２７、冷蔵庫制御装置２８、圧縮機温度センサ３６、電磁弁３７により構成される。なお、圧縮機温度センサ３６は、ここでは、例えば、熱電対やサーミスタなどで構成されており、そして、冷蔵庫制御装置２８は、この圧縮機温度センサ３６を用いて、圧縮機の温度を監視するものとする。
【００７５】
また、冷蔵庫制御装置２８は、各種センサ情報により送風機や庫内灯などを制御する庫内制御装置２９とモータ制御装置１から構成され、モータ制御装置１は制御部４ａと電力変換回路５から構成される。また、冷蔵庫制御装置２８は、圧縮機停止時に電磁弁３７を動作させ圧縮機２６の冷媒回路の高圧側と低圧側を遮断する。また、以下の説明でも、圧縮機２６は、ピストン運動により冷媒を圧縮・膨張させるレシプロ式圧縮機として説明する。
【００７６】
なお、上述した構成を備える冷蔵庫において差圧起動を行う場合には、以下のような課題がある。
【００７７】
即ち、冷蔵庫が使用される温度環境は地域において異なっており、例えば、冷蔵庫や圧縮機の周囲温度が０℃以下の低温下で使用され、又は、４０℃以上の高温状態で使用される場合があり、なお、一般的に、モータの負荷トルクは、圧縮機の温度が高いほど大きくなる。
【００７８】
また、冷蔵庫の周囲温度が高温の場合、庫内の温度を所望の値に保つためには、高い冷却性能が必要となる。そのため、圧縮機は高回転で運転され、圧縮機停止時の差圧が大きくなる。そのため、高温の温度環境下で、特に、差圧起動を行う場合には、モータの負荷トルクは、常温下で差圧起動を行う場合よりも大きくなり、そのため、モータは最大トルクで起動しなければならない。
【００７９】
これとは逆に、冷蔵庫の周囲温度が低温の場合、圧縮機は低回転で運転されるため、圧縮機停止時の差圧は小さい。そのため、低温環境下で差圧起動を行う場合には、常温で差圧起動を行うよりもモータの負荷トルクが小さくなり、そのため、最大トルクでモータを起動すると、モータの回転数が指令回転数に対してオーバーシュートしてしまい、制御が不安定となる場合があり、最悪の場合には、モータが停止に至ることもある。
【００８０】
そこで、本発明になるモータ制御装置及びその起動方法を冷蔵庫に適用する場合、圧縮機停止前の圧縮機運転回転数と圧縮機起動時の圧縮機の温度の状態とによって、位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの値を変更し、出力可能な最大トルクを調整すればよい。具体的には、添付の図１２に示すように、圧縮機停止前の圧縮機運転回転数が高回転、かつ、圧縮機の温度が高い場合は、上述した「位置決め運転モード」の終了時における直流電流Ｉｃの値を大きくし、他方、圧縮機停止前の圧縮機運転回転数が低回転、かつ、圧縮機の温度が低い場合は、添付の図１３に示すように、位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの値を小さくすればよい。
【００８１】
位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの設定値は、実験により実際にモータが起動する値を求めてもよいし、シミュレーションなどでモータ負荷トルクを推定し、それから値を求めてもよい。
【００８２】
なお、モータ負荷トルクを推定した場合、位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの設定値は、負荷トルクτＬとモータを回すために必要なトルク電流Ｉｑとの関係から、次式により求めることができる。
【００８３】
【数１０】
【００８４】
ここで、Ｐｍはモータ極対数、Ｋｅは誘起電圧定数であり、いずれも定数であることから、負荷トルクτＬを測定すればそれに対して必要なトルク電流Ｉｑ知ることができる。よって（式１０）で求めたトルク電流Ｉｑを位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの値に設定すればよい。また、上記の方法はその一例を示したものに過ぎず、トルク電流Ｉｑを求める方法について、特に、その制限はない。
【００８５】
即ち、本実施例２によれば、圧縮機停止前の圧縮機運転回転数と圧縮機起動時の圧縮機の温度状態によって圧縮機のモータ負荷トルクの大きさが異なる場合であっても、位置決め運転モード終了時の直流電流Ｉｃの値を変えることにより、モータが出力可能な最大トルクを調節でき、もって、確実に差圧起動を実行することができる。
【００８６】
なお、上述した実施例１および実施例２の説明では、モータが発生するトルクを調整するための手段として、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊についてのみ述べたが、しかいながら、制御器の構成を考えれば、本発明の制御を、例えば、電流制御器１５からの第２のｄ軸電流指令値Ｉｄ＊＊および第２のｑ軸電流指令値Ｉｑ＊＊に対しても適用することも可能であり、その結果、電流制御器に適用した場合も同様の効果を得ることができることは、当業者であれば容易に想像できるであろう。
【００８７】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、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わけではない。また、ある実施例の一部を他の実施例の構成と置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００８８】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良い。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１…モータ制御装置、２…電流検出手段、３…永久磁石モータ、４…制御部、５…電力変換回路、６ａ,６ｂ…電流検出手段、７…３相／ｄｑ変換器、８…軸誤差演算器、９…減算器、１０…ＰＬＬ制御器、１１ａ,１１ｂ…制御切替スイッチ、１２…速度制御器、１５ａ,１５ｂ…電流制御器、１６…電圧指令作成器、１７…ｄｑ／３相変換器、１８…積分器、２０…インバータ、２１…直流電圧源、２２…ドライバ回路、２４…熱交換器、２５…送風機、２６…圧縮機、２７…圧縮機駆動用モータ、２８…冷蔵庫制御装置、２９…庫内制御装置、３６…圧縮機温度センサ、３７…電磁弁。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
起動時において負荷トルクの変動を示す負荷を回転駆動する永久磁石モータに対して供給される交流電力を制御するモータ制御装置であって、
前記永久磁石モータに交流電流を供給する電力変換回路と、
前記永久磁石モータに流れる交流電流を検出・変換して得られるｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃに基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を設定して出力する電流制御器と、
前記電流制御器からのｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、更には、周波数指令値ω＊に基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力することにより前記電力変換回路を制御する電圧指令値作成器とを備えたベクトル制御を用いたモータ制御装置であって、
更に、
前記ｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃと、前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とから軸誤差Δθｃを検出するための手段を備えており、
前記電流制御器は、永久磁石モータを起動する際、位置決め運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、同期運転モードにより、前記軸誤差検出手段により検出した軸誤差Δθｃに基づいて、前記負荷の負荷トルク変動に適合した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、その後、位置フィードバック運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載したモータ制御装置において、前記電流制御器は、位置決め運転モードにおいては、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊だけを出力すると共に、前記同期運転モードにおいては、前記軸誤差Δθｃが発生した後には、当該軸誤差Δθｃが０となるようにｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を設定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
前記請求項２に記載したモータ制御装置において、前記電流制御器は、前記位置決め運転モードの終了後において、当該位置決め運転モードにおいて出力した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を減少させると共に、前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を増大させ、もって、当該軸誤差Δθｃが０となった以降、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、
Ｉｄ＊＝Ｉｄｃ×ｃｏｓΔθｃ−Ｉｑｃ×ｓｉｎΔθｃ
Ｉｑ＊＝Ｉｄｃ×ｓｉｎΔθｃ＋Ｉｑｃ×ｃｏｓΔθｃ
に設定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
前記請求項３に記載したモータ制御装置において、前記電流制御器は、前記永久磁石モータの起動を開始した後、所定の時間を経過した後、又は、当該永久磁石モータの回転数が所定の値に達した後に、前記位置フィードバック運転モードに移行することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
前記請求項４に記載したモータ制御装置において、前記電流制御器は、前記位置決め運転モードの終了後における前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、Ｉｃは、前記位置決め運転モードが終了する際の電流値、θＩは電流位相として、
Ｉｄ＊＝Ｉｃ×ｃｏｓθＩ
Ｉｑ＊＝Ｉｑ×ｓｉｎθＩ
に設定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項６】
前記請求項５に記載したモータ制御装置において、前記前記位置決め運転モードが終了する際の電流値Ｉｃを、前記負荷の周囲温度に応じて変更することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６の何れか一に記載したモータ制御装置を採用した前記永久磁石モータを、レシプロ式圧縮機の駆動に使用したことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項８】
ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、更には、周波数指令値ω＊に基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力することにより電力変換回路を制御し、起動時にトルク変動を示す負荷を回転駆動する永久磁石モータに対して交流電力を制御する、ベクトル制御を用いたモータ制御装置における起動方法であって、
前記ｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃと、前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とから軸誤差Δθｃを検出し、
前記永久磁石モータを起動する際、位置決め運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、同期運転モードにより、前記軸誤差検出手段により検出した軸誤差Δθｃに基づいて、前記負荷の負荷トルク変動に適合した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、その後、位置フィードバック運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力することを特徴とするモータの起動方法。
【請求項９】
前記請求項８に記載した方法において、前記位置決め運転モードにおいては、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊だけを出力すると共に、前記同期運転モードにおいては、前記軸誤差Δθｃが発生した後には、当該軸誤差Δθｃが０となるようにｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を設定することを特徴とするモータの起動方法。
【請求項１０】
前記請求項９に記載した方法において、前記位置決め運転モードの終了後において、当該位置決め運転モードにおいて出力した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を減少させると共に、前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を増大させ、もって、当該軸誤差Δθｃが０となった以降、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、
Ｉｄ＊＝Ｉｄｃ×ｃｏｓΔθｃ−Ｉｑｃ×ｓｉｎΔθｃ
Ｉｑ＊＝Ｉｄｃ×ｓｉｎΔθｃ＋Ｉｑｃ×ｃｏｓΔθｃ
に設定することを特徴とするモータの起動方法。
【請求項１１】
前記請求項１０に記載した方法において、前記永久磁石モータの起動を開始した後、所定の時間を経過した後、又は、当該永久磁石モータの回転数が所定の値に達した後に、前記位置フィードバック運転モードに移行することを特徴とするモータの起動方法。
【請求項１２】
前記請求項１１に記載した方法において、前記位置決め運転モードの終了後における前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、Ｉｃは、前記位置決め運転モードが終了する際の電流値、θＩは電流位相として、
Ｉｄ＊＝Ｉｃ×ｃｏｓθＩ
Ｉｑ＊＝Ｉｑ×ｓｉｎθＩ
に設定することを特徴とするモータの起動方法。
【請求項１３】
前記請求項１２に記載した方法において、前記前記位置決め運転モードが終了する際の電流値Ｉｃを、前記負荷の周囲温度に応じて変更することを特徴とするモータの起動方法。
【請求項１】
起動時において負荷トルクの変動を示す負荷を回転駆動する永久磁石モータに対して供給される交流電力を制御するモータ制御装置であって、
前記永久磁石モータに交流電流を供給する電力変換回路と、
前記永久磁石モータに流れる交流電流を検出・変換して得られるｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃに基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を設定して出力する電流制御器と、
前記電流制御器からのｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、更には、周波数指令値ω＊に基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力することにより前記電力変換回路を制御する電圧指令値作成器とを備えたベクトル制御を用いたモータ制御装置であって、
更に、
前記ｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃと、前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とから軸誤差Δθｃを検出するための手段を備えており、
前記電流制御器は、永久磁石モータを起動する際、位置決め運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、同期運転モードにより、前記軸誤差検出手段により検出した軸誤差Δθｃに基づいて、前記負荷の負荷トルク変動に適合した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、その後、位置フィードバック運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載したモータ制御装置において、前記電流制御器は、位置決め運転モードにおいては、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊だけを出力すると共に、前記同期運転モードにおいては、前記軸誤差Δθｃが発生した後には、当該軸誤差Δθｃが０となるようにｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を設定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
前記請求項２に記載したモータ制御装置において、前記電流制御器は、前記位置決め運転モードの終了後において、当該位置決め運転モードにおいて出力した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を減少させると共に、前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を増大させ、もって、当該軸誤差Δθｃが０となった以降、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、
Ｉｄ＊＝Ｉｄｃ×ｃｏｓΔθｃ−Ｉｑｃ×ｓｉｎΔθｃ
Ｉｑ＊＝Ｉｄｃ×ｓｉｎΔθｃ＋Ｉｑｃ×ｃｏｓΔθｃ
に設定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
前記請求項３に記載したモータ制御装置において、前記電流制御器は、前記永久磁石モータの起動を開始した後、所定の時間を経過した後、又は、当該永久磁石モータの回転数が所定の値に達した後に、前記位置フィードバック運転モードに移行することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
前記請求項４に記載したモータ制御装置において、前記電流制御器は、前記位置決め運転モードの終了後における前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、Ｉｃは、前記位置決め運転モードが終了する際の電流値、θＩは電流位相として、
Ｉｄ＊＝Ｉｃ×ｃｏｓθＩ
Ｉｑ＊＝Ｉｑ×ｓｉｎθＩ
に設定することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項６】
前記請求項５に記載したモータ制御装置において、前記前記位置決め運転モードが終了する際の電流値Ｉｃを、前記負荷の周囲温度に応じて変更することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６の何れか一に記載したモータ制御装置を採用した前記永久磁石モータを、レシプロ式圧縮機の駆動に使用したことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項８】
ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、更には、周波数指令値ω＊に基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を出力することにより電力変換回路を制御し、起動時にトルク変動を示す負荷を回転駆動する永久磁石モータに対して交流電力を制御する、ベクトル制御を用いたモータ制御装置における起動方法であって、
前記ｄ軸検出電流Ｉｄｃ及びｑ軸検出電流Ｉｑｃと、前記ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とから軸誤差Δθｃを検出し、
前記永久磁石モータを起動する際、位置決め運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、同期運転モードにより、前記軸誤差検出手段により検出した軸誤差Δθｃに基づいて、前記負荷の負荷トルク変動に適合した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力し、その後、位置フィードバック運転モードにより前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力することを特徴とするモータの起動方法。
【請求項９】
前記請求項８に記載した方法において、前記位置決め運転モードにおいては、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊だけを出力すると共に、前記同期運転モードにおいては、前記軸誤差Δθｃが発生した後には、当該軸誤差Δθｃが０となるようにｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を設定することを特徴とするモータの起動方法。
【請求項１０】
前記請求項９に記載した方法において、前記位置決め運転モードの終了後において、当該位置決め運転モードにおいて出力した前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を減少させると共に、前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を増大させ、もって、当該軸誤差Δθｃが０となった以降、前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、
Ｉｄ＊＝Ｉｄｃ×ｃｏｓΔθｃ−Ｉｑｃ×ｓｉｎΔθｃ
Ｉｑ＊＝Ｉｄｃ×ｓｉｎΔθｃ＋Ｉｑｃ×ｃｏｓΔθｃ
に設定することを特徴とするモータの起動方法。
【請求項１１】
前記請求項１０に記載した方法において、前記永久磁石モータの起動を開始した後、所定の時間を経過した後、又は、当該永久磁石モータの回転数が所定の値に達した後に、前記位置フィードバック運転モードに移行することを特徴とするモータの起動方法。
【請求項１２】
前記請求項１１に記載した方法において、前記位置決め運転モードの終了後における前記ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及び前記ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、Ｉｃは、前記位置決め運転モードが終了する際の電流値、θＩは電流位相として、
Ｉｄ＊＝Ｉｃ×ｃｏｓθＩ
Ｉｑ＊＝Ｉｑ×ｓｉｎθＩ
に設定することを特徴とするモータの起動方法。
【請求項１３】
前記請求項１２に記載した方法において、前記前記位置決め運転モードが終了する際の電流値Ｉｃを、前記負荷の周囲温度に応じて変更することを特徴とするモータの起動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２４９３５５（Ｐ２０１２−２４９３５５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６８４９（Ｐ２０１１−１１６８４９）
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（３９９０４８９１７）日立アプライアンス株式会社 (3,043)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（３９９０４８９１７）日立アプライアンス株式会社 (3,043)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]