JP5778045B2 - 同期モータの駆動装置、及びこれを用いた冷凍装置、空気調和機、冷蔵庫、並びに同期モータの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、同期モータの駆動装置、及びこれを用いた冷凍装置、空気調和機、冷蔵庫、並びに同期モータの駆動方法に関する。

同期モータは、固定子（ステータ）である電機子巻線に交流電力を供給することによって回転磁界を発生させ、当該回転磁界と回転子（ロータ）との間に生じる吸引力により、所定の同期速度で回転子を回転させるものである。
同期モータを適切に駆動させるには、回転子の位置に応じて電機子巻線に印加する電圧の位相、振幅、及び周波数を制御する必要がある。つまり、同期モータの制御を行う際に、回転子の位置を検出又は推定することが必要となる。

近年、回転子の位置を検出するための位置センサを設けずに、駆動用インバータの電流検出値などを用いて回転子の位置を推定し、さらに推定した回転子の位置に基づいて同期モータの制御を行う、いわゆる位置センサレス駆動方式の同期モータの開発が進められている。
位置センサレス駆動方式の同期モータを用いることによって、さまざまな設置環境に対応できるとともに、位置センサを省略するぶん安価になるという利点がある。

ところで、同期モータの回転子の軸が外力やモータ自身の原因でロック（以下、「軸ロック」と記す。）したり、同期モータにおいて脱調が生じて回転速度が異常に低下したりすることがある。前記したように、位置センサレス駆動方式は、回転子の位置を直接検出するものでない。したがって、位置センサレス駆動方式の同期モータで軸ロックや脱調が生じた場合にも、これらを直接的に検出することはできない。

例えば、特許文献１には、モータの回転異常の指標となる回転異常指標を算出する回転異常指標算出部と、同期モータにおいて回転異常が生じているか否かを判定する判定部と、を備えた回転機制御装置について記載されている。そして、前記判定部は、回転異常指標（同期モータの出力電力を入力電力で除した値）が所定の閾値を超えている場合に、同期モータにおいて回転異常が生じていると判定する。

また、特許文献２には、電流検出手段により検出したモータ電流から励磁電流値を算出する座標変換部と、この励磁電流値を励磁電流指令値に一致させるように、同期モータへの電圧指令値の補正量を算出する電圧指令補正手段と、を備える同期モータの制御装置について記載されている。
そして、前記制御装置は、電圧指令値の補正量と予め設定された所定値とを比較することによって、同期モータの脱調を検出する。

特開２００９−６５７６４号公報 特開２００４−６４９０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、同期モータの入力電力と出力電力との相対的な関係（比）に基づいて回転異常を検知している。つまり、特許文献１に記載の発明は、異常状態を想定した実験又はシミュレーションなどにより取得されたデータに基づいて同期モータの回転異常を検出するものではないため、回転異常を適切に検出することができない可能性がある。

また、特許文献２に記載の発明は、駆動状態（つまり、回転している状態）の同期モータが脱調した場合に、当該脱調を検出することが前提となっており、起動時（つまり、回転し始める状態）の軸ロックを検出することができないという問題がある。
これは、位置センサレスの同期モータでは、通常の回転（位置センサレスモード）においては、駆動用のインバータ電流などに基づいて軸誤差などを算出し、さらに回転子の位置を推定することができるのに対して、回転子が停止状態となっている起動時においては、前記回転子の位置を推定することができないためである。

そこで、本発明は、軸ロックを適切に検出することができる同期モータの駆動装置、及びこれを用いた冷凍装置、空気調和機、冷蔵庫、並びに同期モータの駆動方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために本発明は、インバータ回路のスイッチング素子に制御信号を出力することによって、同期モータを位置センサレスで駆動させる制御手段と、前記インバータ回路の出力電流、又は、直流側の母線電流を検出し、前記制御手段に出力する電流検出手段と、を備える同期モータの駆動装置において、前記制御手段は、前記同期モータの起動時に、前記電流検出手段から入力される電流値の相関値と、前記同期モータに印加する電圧に対応する電圧指令値と、に基づいて入力有効電力を算出し、当該入力有効電力が所定の閾値より小さい場合に前記同期モータで軸ロックが発生していると判断し、前記同期モータの駆動を停止させることを特徴とする。

本発明により、軸ロックを適切に検出することができる同期モータの駆動装置、及びこれを用いた冷凍装置、空気調和機、冷蔵庫、並びに同期モータの駆動方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る同期モータの駆動装置を用いた冷凍装置のシステム構成図である。 モータ駆動装置の回路構成を示す説明図である。 同期モータの各電機子巻線の電流及び電圧と、モータ回転子軸と、制御系軸とを示す説明図である。 制御装置におけるベクトル制御処理に関する機能ブロック図である。 制御装置の電圧指令値演算部の機能ブロック図である。 制御装置の軸ロック検出部の機能ブロック図である。 軸ロック検出部の処理の流れを示すフローチャートである。 同期モータの駆動装置が設置された空気調和機のシステム構成図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

≪第１実施形態≫
＜同期モータを用いた冷凍装置のシステム構成＞
以下において、本実施形態に係る同期モータの駆動装置を、冷凍装置の圧縮機などに用いる場合について説明する。図１は、同期モータの駆動装置を用いた冷凍装置のシステム構成図である。
図１に示すように冷凍装置Ｓは、室内ユニットＳｉと、室外ユニットＳｏと、を備えている。
室内ユニットＳｉは、膨張弁３と、室内熱交換器４と、室内ファン４ａと、入出力手段６と、室内制御装置１００ａと、を備えている。また、室外ユニットＳｏは、圧縮機１と、室外熱交換器２と、室外ファン２ａと、アキュムレータ５と、室外制御装置１００ｂと、を備えている。

また、圧縮機１と、室外熱交換器２と、膨張弁３と、室内熱交換器４と、アキュムレータ５と、は環状に配管Ｌで接続されている。また、圧縮機１と、室外ファン２ａと、室内ファン４ａにはそれぞれ、永久磁石同期モータ１５（図２参照）が内蔵されている。なお、以下の記載において、永久磁石同期モータを単に「同期モータ」と記す。

例えば、ユーザの操作により入出力手段６を介してＯＮに切替えられ、冷凍装置内の温度が設定されると、室内制御装置１００ａは室内ファン４ａに設置されている同期モータ（図２参照）を所定の回転速度で回転させ、室外制御装置１００ｂは、圧縮機１及び室外ファン２ａにそれぞれ内蔵されている同期モータを所定の回転速度で回転させる（図１の破線を参照）。

そして、室外制御装置１００ｂは圧縮機１の同期モータ（図２参照）を回転させることによって図１の実線矢印で示す向きに冷媒を通流させ、室内制御装置１００ａは膨張弁３の開度（絞り）を制御する。これによって、室内熱交換器４を蒸発器として機能させ、室外熱交換器２を凝縮器として機能させるようになっている。
なお、アキュムレータ２は、その内部に冷媒液を貯留し、圧縮機１を液圧縮から保護するために設置されている。

＜モータ駆動装置の構成＞
図２は、モータ駆動装置の回路構成を示す説明図である。図２に示す同期モータ１５は、前記した圧縮機１、室外ファン２ａ、及び室内ファン４ａに接続されているものとし、制御装置１００は室内制御装置１００ａ及び室外制御装置１００ｂを含む任意の制御装置であるものとする。
図２に示すモータ駆動装置１０は、三相交流電源１１から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、さらに、制御装置１００からの指令信号に従って所定の振幅・位相・周波数の三相交流電圧に変換するものである。

モータ駆動装置１０は、整流回路１２と、平滑回路１３と、インバータ回路１４と、制御装置１００と、を備えている。整流回路１２は、同方向に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２を備える第１整流ユニットと、ダイオードＤ３，Ｄ４を備える第２整流ユニットと、ダイオードＤ５，Ｄ６を備える第３整流ユニットと、が互いに並列接続されている。そして、前記第１整流ユニット、第２整流ユニット、第３整流ユニットのそれぞれにおいて、三相交流電源から供給される交流電圧を整流する。

平滑回路１３は、整流回路１２と並列に接続されたコンデンサＣ１を備えており、整流回路１２において整流された電圧を平滑化して直流電圧とする。
また、電圧センサ１６はコンデンサＣ１と並列に接続され、コンデンサＣ１の端子間電圧を検出して、その電圧値Ｖ_ｓｔを制御装置１００に出力するようになっている。ちなみに、当該電圧値Ｖ_ｓｔが予め定められた所定値以上である場合に、制御装置１００は、後記するベクトル制御処理を開始する。
なお、ベクトル制御処理に関する図４には、電圧値Ｖ_ｓｔを記載していない。

インバータ回路１４は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を備える第１アームと、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を備える第２アームと、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６を備える第３アームと、が互いに並列に接続されている。また、転流によるスイッチング素子の破壊を防止するため、それぞれのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、還流ダイオードＤ７〜Ｄ１２が逆並列に接続されている。
なお、図２に示すモータ駆動装置１０では、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いている。

制御装置１００はＰＷＭ制御に基づく指令信号をそれぞれのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のゲートに出力してＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、それぞれのアームに対応する交流電圧（ｕ相、ｖ相、ｗ相の交流電圧）を同期モータ１５に出力する。その結果、所定の振幅・位相・周波数の三相交流電圧が同期モータ１５に出力される。

また、インバータ回路１４の母線Ｐには、電流センサ（電流検出手段）１７が直列に接続されている。電流センサ１７は、例えば、ホール素子（図示せず）を用いてインバータ回路１４の直流側の母線Ｐを通流する電流値Ｉ_ｓｔを検出し、制御装置１００に出力する。
そして、制御装置１００は、電圧センサ１６から入力される電圧値Ｖ_ｓｔが所定値以上である場合に、母線電流の検出値Ｉ_ｓｔに基づいたベクトル制御処理を開始して同期モータ１５への電圧指令値を算出し、さらにＰＷＭ制御に基づいてそれぞれのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦを制御する。

図３は、同期モータの各電機子巻線の電流及び電圧と、モータ回転子軸と、制御系軸とを示す説明図である。なお、以下の記載において電機子巻線を単に「巻線」と記載することがあるものとする。
図３に示すｉ_ｕはｕ相巻線１５ｕに流入する電流値を示し、ｖ_ｕはｕ相巻線の電圧を示している。同様に、ｉ_ｖ，ｖ_ｖはｖ相巻線１５ｖの電流・電圧をそれぞれ示し、ｉ_ｗ，ｖ_ｗはｗ相巻線１５ｗの電流・電圧をそれぞれ示している。ちなみに、ｕ相巻線１５ｕ、ｖ相巻線１５ｖ、及びｗ相巻線１５ｗは、隣り合う巻線とのなす角が略１２０°となるように設置されている。

また、図３に示すように、永久磁石１５ＭのＮ極の向きにｄ軸を定め、ｄ軸から９０°進んだ向きにｑ軸をとり、モータ回転子軸とする。前記したように、位置センサレス制御を行う場合には、実際にｄ軸及びｑ軸がどの位置にあるか（つまり、永久磁石１５ＭのＮ極がどの向きにあるか）を検出しない構成となっている。したがって、推定されたｄ軸としてのｄｃ軸、及び、推定されたｑ軸としてのｑｃ軸を制御系軸（回転座標系軸）とし、このｄｃ軸及びｑｃ軸上で電流制御や速度制御を行う。

このように、位置センサレス制御においては、制御系軸であるｄｃ軸及びｑｃ軸を制御装置１００内で推定するものであるから、実際のｄ軸及びｑ軸との間には軸誤差Δθ_ｃが生じる。したがって、位置センサレス駆動方式では、前記した電流センサ１７（図２参照）から入力される母線電流の検出値Ｉ_ｓｔなどに基づいて、軸誤差Δθ_ｃをゼロに収束させるように制御する。

＜制御装置の構成＞
図４は、制御装置におけるベクトル制御処理に関する機能ブロック図である。なお、以下のベクトル制御処理は、制御装置１００が備えるＣＰＵ（Central Processing Unit：図示せず）が記憶手段（図示せず）に記憶されているプログラムを読み出して展開することにより実行される。

制御装置１００は、ｄｑ座標系ベクトル制御により、同期モータ１５（図２参照）に印加する電圧指令信号Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗを演算し、これらに基づいてＰＷＭ制御信号を生成し、インバータ回路１４のそれぞれのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に出力する。
なお、制御装置１００は図４に示す構成に加えて、入出力手段６（図１参照）から入力される信号や、軸ロック検出部１１６から入力される異常検出信号に応じて、後記する回転速度指令値ω^＊などを制御する「上位の制御部」（図示せず）を備えている。

図４に示すように、制御装置１００は、電流再現部１０１と、３相／２軸変換部１０２と、軸誤差演算部１０３と、ＰＬＬ回路１０４と、位相演算部１０５と、減算器１０６と、速度制御部１０７と、ｄ軸電流指令値生成部１０８と、電流指令値演算部１０９と、電圧指令値演算部１１０と、２軸／３相変換部１１１と、ドライバ回路１１２と、切替器１１３〜１１５と、軸ロック検出部１１６と、を備えている。

電流再現部１０１は、前記した母線Ｐ（図１参照）の電流検出値Ｉ_ｓｔを入力として、その瞬時値とインバータ回路１４（図２参照）のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦ信号から同期モータ１５に流れるｕ相電流Ｉ_ｕ、ｖ相電流Ｉ_ｖ、及びｗ相電流Ｉ_ｗを再現し、３相／２軸変換部１０２に出力する。

３相／２軸変換部１０２は、３相座標系の再現された前記電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗと、位相演算部１０５において算出された位相推定値θ_ｄｃとに基づいて、制御系のｄｃ軸電流Ｉ_ｄｃ及びｑｃ軸電流Ｉ_ｑｃを、以下に示す（式１）、（式２）を用いて算出する。すなわち、ｄｃ軸電流検出値Ｉ_ｄｃ及びｑｃ軸電流検出値Ｉ_ｑｃは、電流センサ（電流検出手段）１７から入力される母線電流値の「相関値」となっている。なお、位相推定値θ_ｄｃについては後記する。また、（式１）、（式２）に示すＩ_α，Ｉ_βは、静止二相交流座標系（α−β座標系）における各相の電流値である。

軸誤差演算部１０３は、ｄｃ軸電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊と、ｑｃ軸電圧指令値Ｖ_ｑｃ ^＊と、ｄｃ軸電流検出値Ｉ_ｄｃと、ｑｃ軸電流検出値Ｉ_ｑｃと、回転速度指令値ω１^＊と、ｑ軸インダクタンス設定値Ｌ_ｑ ^＊とに基づいて、以下の（式３）により軸誤差Δθ_ｃを算出する。なお、ｄｃ軸電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊、ｑｃ軸電圧指令値Ｖ_ｑｃ ^＊、及び回転速度指令値ω１^＊については後記する。

ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路１０４は、軸誤差演算部１０３から入力される軸誤差Δθ_ｃが、軸誤差指令値Δθ_ｃ ^＊に一致するように、ＰＩ（Proportional Integral）制御器（図示せず）を用いて処理し、同期モータ１５の回転速度推定値ω_ｍを出力する。なお、軸誤差指令値Δθ_ｃ ^＊は制御装置１００の記憶手段（図示せず）に予め記憶されている値（通常は、０近傍）であり、例えば、Δθ_ｃ ^＊＝０である。
位相演算部１０５は、切替器１１５で選択された回転速度指令値ω１^＊を積分することによって得られる位相推定値θ_ｄｃを算出し、３相／２軸変換部１０２と、２軸／３相変換部１１１と、にそれぞれ出力する。

減算器１０６は、上位の制御部（図示せず）から入力される回転速度指令値ω^＊と、ＰＬＬ回路１０４から入力される回転速度推定値ω_ｍとの差を求めて、速度制御部１０７に出力する。ちなみに、回転速度指令値ω^＊は、受信部（図示せず）を介してリモコンＲｅ（図１参照）から受信する設定温度などに応じて、制御装置１００が備える上位の制御部（図示せず）によって決定される。

速度制御部１０７は、回転速度推定値ω_ｍが回転速度指令値ω^＊に一致するように（つまり、減算器１０６から入力される差分がゼロとなるように）、ＰＩ制御器（図示せず）を用いて処理し、同期モータ１５のｑ軸電流指令値I_ｑ ^＊２を出力する。
ｄ軸電流指令値生成部１０８は、後記する位置センサレスモードにおいてｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊２を生成し、切替器１１３を介して電圧指令値演算部１１０に出力する。

電流指令値演算部１０９は、後記する位置決めモード及び同期モードにおいてｄ軸電流指令値I_ｄ ^＊１を算出し、切替器１１３を介して電圧指令値演算部１１０に出力する。また、電流指令値演算部１０９は、後記する位置決めモード及び同期モードにおいてｑ軸電流指令値I_ｑ ^＊１を算出し、切替器１１４を介して電圧指令値演算部１１０に出力する。
電圧指令値演算部１１０は、ｄｃ軸電流検出値I_ｄｃと、ｑｃ軸電流検出値I_ｑｃと、ｄｃ軸電流指令値I_ｄｃ ^＊と、ｑｃ軸電流指令値I_ｑｃ ^＊と、回転速度指令値ω1^＊とに基づいて、ｄｃ軸電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊及びｑｃ軸電圧指令値Ｖ_ｑｃ ^＊を算出する。

図５は、制御装置の電圧指令値演算部の機能ブロック図である。図５に示すように、電圧指令値演算部１１０は、減算器１１０ａ，１１０ｃと、ｄ軸電流制御部１１０ｂと、ｑ軸電流制御部１１０ｄと、ベクトル演算器１１０ｅと、を備えている。
減算器１１０ａは、切替器１１３（図４参照）を介して入力されるｄｃ軸電流指令値I_ｄｃ ^＊と、３相／２軸変換部１０２（図４参照）から入力されるｄｃ軸電流検出値I_ｄｃとの差を算出して、ｄ軸電流制御部１１０ｂに出力する。
ｄ軸電流制御部１１０ｂは、減算器１１０ａから入力されるｄｃ軸電流指令値I_ｄｃ ^＊とｄｃ軸電流検出値I_ｄｃとの差を用いて、ベクトル演算に用いる第２のｄｃ軸電流指令値I_ｄｃ ^＊＊を算出し、ベクトル演算部１１０ｅに出力する。

減算器１１０ｃは、切替器１１４（図４参照）を介して入力されるｑｃ軸電流指令値I_ｑｃ ^＊と、３相／２軸変換部１０２（図４参照）から入力されるｑｃ軸電流検出値I_ｄｃとの差を算出して、ｑ軸電流制御部１１０ｄに出力する。
ｑ軸電流制御部１１０ｄは、減算器１１０ｃから入力されるｑｃ軸電流指令値I_ｑｃ ^＊とｑｃ軸電流検出値I_ｑｃとの差を用いて、ベクトル演算に用いる第２のｑｃ軸電流指令値I_ｑｃ ^＊＊を算出し、ベクトル演算部１１０ｅに出力する。

ベクトル演算部１１０ｅは、第２のｄｃ軸電流指令値I_ｄｃ ^＊＊と、第２のｑｃ軸電流指令値I_ｑｃ ^＊＊と、切替器１１５（図４参照）を介して入力される回転速度指令値ω１^＊と、後記するモータ定数と、に基づいて、（式４）、（式５）によりｄｃ軸電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊及びｑｃ軸電圧指令値Ｖ_ｑｃ ^＊を算出する。そして、ベクトル演算部１１０ｅは、算出したｄｃ軸電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊及びｑｃ軸電圧指令値Ｖ_ｑｃ ^＊を、軸誤差演算部１０３、２軸／３相変換部１１１、及び軸ロック検出部１１６に出力する。
なお、（式４）、（式５）において、ｒ^＊は制御系のモータ巻線抵抗設定値であり、Ｌ_ｄ ^＊は同期モータ１５のｄ軸インダクタンス設定値であり、Ｌ_ｑ ^＊は同期モータ１５のｑ軸インダクタンス設定値であり、Ｋｅ^＊は制御系のモータ誘起電圧定数設定値である。
なお、前記したそれぞれの設定値は、制御装置１００の記憶手段（図示せず）に予め記憶されている。

再び図４に戻って説明を続ける。２軸／３相変換部１１１は、電圧指令値演算部１１０から入力されるｄｃ軸電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊及びｑｃ軸電圧指令値Ｖ_ｑｃ ^＊と、位相演算部１０５から入力される位相推定値θ_ｄｃと、に基づいて、以下の（式６）、（式７）より同期モータ１５の三相電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊を出力する。
なお、（式６）、（式７）に示すＶ_α，Ｖ_βは、静止二相交流座標系（α−β座標系）における各相の電圧値である。

ドライバ回路１１２は、２軸／３相変換部１１１から入力される三相電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に基づいて、ＰＷＭ制御による指令信号を生成し、図２に示すそれぞれのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に前記指令信号（ＰＷＭ信号）を出力する。
これによって、同期モータ１５の駆動を制御することができる。

なお、前記したように、同期モータ１５は回転子（永久磁石）が停止状態となっている起動時においては、前記回転子の位置を推定することができない。したがって、制御装置１００は、同期モータを三相巻線に対応する所定位置まで移動（回転）させて位置決めを行う「位置決めモード」と、前記位置から同期速度まで徐々に速度を上げていく「同期モード」と、同期速度に達した後に位置センサレス制御を行う「位置センサレスモード」と、を段階的に実行していく。

図４に示すように、位置決めモード及び同期モードにおいて制御装置１００の切替器１１３〜１１５はそれぞれＡ接点がオンしている。したがって、電流指令値演算部１０９において算出されたｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊１が、切替器１１３を介して電圧指令値演算部１１０に入力される。
同様に、電流指令値演算部１０９において算出されたｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊１が、切替器１１４を介して電圧指令値演算部１１０に入力される。
また、回転速度指令値ω^＊が、切替器１１５を介して位相演算部１０５に入力される。

そして、位置決めモードにおいて電流指令値演算部１１０は、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊１の値を同期速度に対応する所定値に近づくように徐々に増加させていく。さらに、同期モードにおいて電流指令値演算部１０９は、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊１の値を前記所定値に維持する。一方、位置決めモード及び同期モードにおいて電流指令値演算部１０９は、ｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊１の値をゼロとする。

また、位置センサレスモードにおいて制御装置１００の切替器１１３〜１１５はそれぞれＢ接点がオンするように切り替わる。ここで。ｄ軸電流指令値生成部１０８はｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊２生成し、切替器１１３を介して電圧指令値演算部１１０に出力する。また、速度制御部１０７はｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊２を生成し、切替器１１４を介して電圧指令値演算部１１０に出力する。
さらに、切替器１１５を介してＰＬＬ回路１０４から位相演算部１０５に回転速度推定値ω_ｍが出力される。

軸ロック検出部１１６は、電流センサ１７(図２参照)から入力される母線電流値Ｉ_ｓｔの相関値である電流検出値Ｉ_ｄｃ，Ｉ_ｑｃと、同期モータ１５に印加する電圧Ｖ^＊ _ｕ，Ｖ^＊ _ｖ，Ｖ^＊ _ｗに対応する電圧指令値Ｖ^＊ _ｄｃ，Ｖ^＊ _ｑｃと、に基づいて入力有効電力Ｐｉを算出する。
そして、軸ロック検出部１１６は、算出した入力有効電力Ｐｉが所定の閾値である軸ロック有効電力判定値Ｐ１より小さい場合に同期モータ１５において軸ロックが発生していると判断し、上位の制御部（図示せず）に異常検出信号Ｓａを出力する。

軸ロック検出部１１６から異常検出信号Ｓａが入力された場合、上位の制御部は、回転速度指令値ω^＊の値をゼロとすることによって、同期モータ１５の駆動を停止させる。
ちなみに、軸ロックとして、例えば、圧縮機１（図１参照）がスクロール式の圧縮機である場合に、旋回スクロール羽根（図示せず）と固定スクロール羽根（図示せず）とが噛み合ってしまい、起動時において回転子が回らなくなる場合がある。

図６は、制御装置の軸ロック検出部の機能ブロック図である。図６に示すように、軸ロック検出部１１６は、入力有効電力演算部１１６ａと、軸ロック判定部１１６ｂと、を備えている。
軸ロック検出部１１６は、図４に示すｄｃ軸電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊及びｑｃ軸電圧指令値Ｖ_ｑｃ ^＊と、３相／２軸変換部１０２から入力されるｄｃ軸電流検出値Ｉ_ｄｃと、ｑｃ軸電流検出値Ｉ_ｑｃとを用いて、以下に示す（式８）から同期モータ１５の入力有効電力Ｐｉを算出する。

また、閾値である軸ロック有効電力判定値Ｐ１は、脱調時にｑｃ軸電流検出値Ｉ_ｑｃが略ゼロになるものとすると、ｄｃ軸電流検出値Ｉ_ｄｃの定常値Ｉ_ｄｃｄを用いて、以下に示す（式９）から近似的に求められる。
なお、（式９）においてＶ_ｄｃは脱調時に同期モータ１５にかかるｄ軸電圧であり、ｒ^＊は制御系のモータ巻線抵抗設定値であり、ω１^＊は回転速度指令値であり、Ｋｅはモータ誘起電圧設定値であり、Ｌ_ｄはｄ軸インダクタンス設定値であり、Ｌ_ｑはｑ軸インダクタンス設定値である。
また、ｄｃ軸電流検出値Ｉ_ｄｃの定常値Ｉ_ｄｃｄは、脱調時に同期モータ１５に流れる電流の推定値であり、同期モータ１５に発生する起電力（ω_１ ^＊Ｋｅ^＊）を、電機子巻線のインダクタンス（ω_１ ^＊Ｌ）で除した値で近似している。

軸ロックが生じた状態で起動した場合、入力有効電力Ｐｉは時間経過とともに増大することがなく、Ｐ１よりも小さい値となる。したがって、軸ロック検出部１１６は、前記（式８）で示す入力有効電力Ｐｉと軸ロック有効電力判定値Ｐ１とを比較し、入力有効電力Ｐｉが軸ロック有効電力判定値Ｐ１より小さい場合に軸ロックが発生していると判断する。

図７は、軸ロック検出部の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１０１において軸ロック検出部１１６は、起動時刻から所定時間ｔ０が経過したか否かを判断する。なお、同期モータ１５の起動は、例えば、入出力手段６（図１参照）から入力されるＯＮ信号に基づいて判断する。また、所定時間ｔ０は予め定められた値（例えば、１０ｓｅｃ）であり、記憶手段（図示せず）に記憶されている。
起動時刻から所定時間ｔ０が経過した場合（Ｓ１０１→Ｙｅｓ）、軸ロック検出部１１６の処理はステップＳ１０２に進む。起動時刻から所定時間ｔ０が経過していない場合（Ｓ１０１→Ｎｏ）、軸ロック検出部１１６はステップＳ１０１の処理を繰り返す。

ステップＳ１０２において軸ロック検出部１１６は、前記（式８）を用いて入力有効電力Ｐｉを算出する。ステップＳ１０３において軸ロック検出部１１６は、ステップＳ１０２で算出した入力有効電力Ｐｉの値が、前記（式９）に示す所定の軸ロック有効電力判定値Ｐ１より小さいか否かを判断する。入力有効電力Ｐｉの値が軸ロック有効電力判定値Ｐ１以上である場合（Ｓ１０３→Ｎｏ）、軸ロック検出部１１６の処理はステップＳ１０４に進む。一方、入力有効電力Ｐｉの値が軸ロック有効電力判定値Ｐ１より小さい場合（Ｓ１０３→Ｙｅｓ）、軸ロック検出部１１６の処理はステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０４において制御装置１００は、通常の運転を行うように制御処理を実行する。なお、「通常の運転」とは、制御装置１００が、前記した「位置決めモード」、「同期モード」、及び「位置センサレスモード」を段階的に実行していくことを示している。
ステップＳ１０５において軸ロック検出部１１６は、回数αの値をインクリメントする。ちなみに、回数αはステップＳ１０３に示す不等式が成立した連続回数を示しており、記憶手段（図示せず）に記憶されている。また、受信部（図示せず）を介してリモコンＲｅ（図１参照）から停止指令信号が入力された場合に、軸ロック検出部１１６は回数αの値をゼロにリセットするようになっている。

ステップＳ１０６において軸ロック検出部１１６は、ステップＳ１０５でインクリメントされた回数αの値が、所定回数α１に等しいか否かを判断する。ちなみに、所定回数α１は予め設定された値（例えば、α１＝６回）であり、記憶手段（図示せず）に記憶されている。
回数αの値が所定回数α１に等しい場合（Ｓ１０６→Ｙｅｓ）、軸ロック検出部１１６の処理はステップＳ１０７に進む。一方、回数αの値が所定回数α１に等しくない場合（Ｓ１０６→Ｎｏ）、軸ロック検出部１１６の処理はステップＳ１０１に戻る。
ちなみに、ステップＳ１０１において軸ロック検出部１１６は、ステップＳ１０６の処理が終了した時刻から時間ｔ０が経過したか否かを判断するものとする。

ステップＳ１０７において軸ロック検出部１１６は、同期モータ１５が軸ロック状態となっていると判断し、異常検出信号Ｓａを上位の制御部（図示せず）に出力する。
そして、軸ロック検出部１１６から異常検出信号が入力された場合、上位の制御部は、回転速度指令値ω^＊の値をゼロとして、同期モータ１５の駆動を強制的に停止させる。

＜効果＞
本実施形態に係る同期モータの駆動装置によれば、位置センサレス駆動方式の同期モータ１５において起動時に軸ロックが生じたとしても、当該軸ロックの有無を検出することができ、早期に同期モータ１５の駆動を停止させることができる。これによって、例えば、同期モータ１５に過負荷がかかった状態が継続することを防止し、同期モータ１５の破損などを防止することができる。

また、例えば、前記した特許文献１に記載の発明では、同期モータ１５の入力電力と出力電力とをそれぞれ算出し、両者の相対的な関係（比）に基づいて同期モータ１５の異常を検出している。
これに対して本実施形態では、入力有効電力Ｐｉと、軸ロック有効電力判定値Ｐ１との大小を比較することによって同期モータ１５の軸ロックを検出する。ここで、軸ロック有効電力判定値Ｐ１は、異常状態を想定した実験やシミュレーションなどによって取得された実測値に基づいて適宜設定することができる。したがって、同期モータ１５における起動時の軸ロックをより的確に検出することができる。
また、本実施形態では、軸ロック検出部において出力電力を算出する必要がない分、ＣＰＵ（図示せず）の処理負荷を軽くすることができる。

≪変形例≫
以上、本発明に係る同期モータの駆動装置について、前記実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
図８は、同期モータの駆動装置が設置された空気調和機のシステム構成図である。
図８に示すように空気調和機Ｓ１は、室内機Ｓｉと、室外機Ｓｏとを備え、室内機Ｓｉが設置された室内を暖房する「暖房運転」や、室内を冷房する「冷房運転」などを行う機能を有している。

なお、図８に示す構成のうち、圧縮機１と、室外熱交換器２と、室外ファン２ａと、膨張弁３と、室内熱交換器４と、室内ファン４ａと、アキュムレータ５と、室内制御装置１００ａと、室外制御装置１００ｂについては、前記実施形態で説明したものと同様であるから（図１参照）、説明を省略する。
また、室内制御装置１００ａは、受信部（図示せず）を介してリモコンＲｅからの赤外線信号を受信すると、室外制御装置１００ｂとの間で相互に通信を行いつつ、前記赤外線信号に対応する運転モード（暖房運転、冷房運転など）の空調運転を行うようになっている。

例えば、ユーザの操作によりリモコンＲｅから冷房運転の指令信号を受信すると、室内制御装置１００ａは、室内ファン４ａに設置されている同期モータを所定の回転速度で回転させ、室外制御装置１００ｂは、圧縮機１及び室外ファン２ａにそれぞれ内蔵されている同期モータを所定の回転速度で回転させる（図８の破線を参照）。
また、冷房運転を行う際に室外制御装置１００ｂは、室外熱交換器２を凝縮器として機能させ、室内熱交換器４を蒸発器として機能させるように四方弁７を切り替えて、図の実線矢印で示す向きに冷媒を通流させ、室内制御装置１００ａは膨張弁３の開度（絞り）を制御する。

ちなみに、暖房運転の場合、室外制御装置１００ｂは、図の実線矢印で示す向きとは逆向きに冷媒を通流させるように四方弁７を切り替える。なお、暖房運転及び冷房運転における各機器の機能については周知であるから、詳細な説明を省略する。
また、室内制御装置１００ａ及び室外制御装置１００ｂの処理については、前記実施形態と同様であるから説明を省略する。
なお、室内制御装置１００ａは軸ロックを検出した場合に、異常検出信号を表示ランプ７に出力して、表示ランプ（図示せず）を点灯させてもよい。これによって、ユーザは、空気調和機Ｓにおいて軸ロックが発生していることを知ることができる。

また、前記実施形態では、同期モータ１５として永久磁石同期モータを用いたが、これに限らない。すなわち、同期モータ１５として、例えば、突極鉄心を有するリラクタンス（磁気抵抗）モータでもよい。
また、前記実施形態では電流センサ１７を用いて母線電流値Ｉ_ｓｔを検出することとしたが、これに限らない。例えば、シャント抵抗を含む複数の抵抗素子を用いて母線電流値Ｉ_ｓｔを検出することとしてもよい。

また、前記実施形態では、インバータ回路の母線電流値Ｉ_ｓｔを電流センサ１７によって検出し、電流再現部１０１によって３相電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗを再現することとしたが、これに限らない。例えば、同期モータの電機子巻線１５ｕ（図３参照）に流入する電流Ｉ_ｕと、電機子巻線１５ｖ（図３参照）に流入する電流Ｉ_ｖとをそれぞれ直接に検出し、さらに電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖの値に基づいて電流Ｉ_ｗの値を算出してもよい。

また、前記実施形態では、空気調和機Ｓの圧縮機１、室外ファン２ａ、及び室内ファン４ａに同期モータ１５を設置する場合について説明したが、これに限らない。例えば、同期モータ１５を圧縮機１のみに設置してもよい。
また、前記実施形態では、三相交流電源１１（図２参照）から電力を供給することとして説明したが、例えば、単相交流電源又は二相交流電源から供給される電力を整流回路１２（図２参照）で整流し、平滑回路１３（図２参照）で平滑化して直流電力としてもよい。また、直流電源から直流電力が供給することとしてもよい。この場合には、図２に示す整流回路１２及び平滑回路１３を省略する。

また、前記実施形態では、入力有効電力Ｐｉが軸ロック有効電力判定値Ｐ１より小さい状態がα１回だけ連続する場合に、軸ロック検出部１１６は同期モータ１５において軸ロックが生じていると判断することとしたが、これに限らない。
例えば、起動から所定時間経過後における入力有効電力Ｐｉが軸ロック有効電力判定値Ｐ１より小さければ、軸ロック検出部１１６が同期モータ１５において軸ロックが生じていると判断することとしてもよい。つまり、Ｐｉ＜Ｐ１の状態を検出すると、即座に軸ロックが生じていると判断することとしてもよい。
また、制御装置１００は、軸ロックを検出する場合の他、脱調などの異常状態を検出した場合にも、同期モータ１５の駆動を停止させることとしてもよい。

また、前記実施形態では、インバータ回路１４のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６としてＩＧＢＴを用いた場合について説明したが、これに限らない。例えば、インバータ回路１４のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６として、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）やバイポーラトランジスタなどを用いてもよい。
また、前記実施形態では、同期モータ１５を冷凍装置Ｓ又は空気調和機Ｓ１に設置する場合について説明したが、これに限らない。例えば、同期モータ１５を冷蔵庫などに設置することとしてもよい。

同期モータ１５を冷蔵庫に設置する場合、前記した冷凍装置Ｓ（図１参照）の場合と同様に、周知のヒートポンプサイクルによって冷蔵庫内を冷やすこととなる。そして、冷蔵庫内の空気が熱交換器４（図１参照）を通流する低温低圧の冷媒と熱交換して放熱することで、前記空気を冷やすことができる。
なお、冷蔵庫のヒートポンプサイクル及び各機器の説明は、前記実施形態の場合と重複するため、省略する。
また、同期モータを洗濯機、乾燥機、又は掃除機に設置することとしてもよい。

Ｓ 冷凍装置
Ｓ１ 空気調和機
１ 圧縮機
２ａ 室外ファン
４ａ 室内ファン
１４ インバータ回路
１５ 同期モータ
１６ 電圧センサ
１７ 電流センサ（電流検出手段）
１００ 制御装置
１００ａ 室内制御装置（制御手段）
１００ｂ 室外制御装置（制御手段）
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６ スイッチング素子
Ｐ 母線

Claims (7)

1. インバータ回路のスイッチング素子に制御信号を出力することによって、同期モータを位置センサレスで駆動させる制御手段と、
   前記インバータ回路の出力電流、又は、直流側の母線電流を検出し、前記制御手段に出力する電流検出手段と、を備える同期モータの駆動装置において、
   前記制御手段は、
   前記同期モータの起動時に、前記電流検出手段から入力される電流値の相関値と、前記同期モータに印加する電圧に対応する電圧指令値と、に基づいて入力有効電力を算出し、当該入力有効電力が所定の閾値より小さい場合に前記同期モータで軸ロックが発生していると判断し、前記同期モータの駆動を停止させること
   を特徴とする同期モータの駆動装置。
2. 前記制御手段は、前記入力有効電力と前記閾値との比較を、予め設定された所定時間ごとに行い、前記入力有効電力が前記閾値より小さい状態が所定回数連続する場合に前記同期モータの駆動を停止させること
   を特徴とする請求項１に記載の同期モータの駆動装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の同期モータの駆動装置が設置されること
   を特徴とする冷凍装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の同期モータの駆動装置が設置されること
   を特徴とする空気調和機。
5. 請求項１又は請求項２に記載の同期モータの駆動装置が設置されること
   を特徴とする冷蔵庫。
6. インバータ回路のスイッチング素子に制御信号を出力することによって、同期モータを位置センサレスで駆動させる制御手段と、
   前記インバータ回路の出力電流、又は、直流側の母線電流を検出し、前記制御手段に出力する電流検出手段と、を備える同期モータの駆動装置で用いられる駆動方法において、
   前記制御手段は、
   前記同期モータの起動時に、前記電流検出手段から入力される電流値の相関値と、前記同期モータに印加する電圧に対応する電圧指令値と、に基づいて入力有効電力を算出し、当該入力有効電力が所定の閾値より小さい場合に前記同期モータで軸ロックが発生していると判断し、前記同期モータの駆動を停止させること
   を特徴とする同期モータの駆動方法。
7. 前記制御手段は、前記入力有効電力と前記閾値との比較を、予め設定された所定時間ごとに行い、前記入力有効電力が前記閾値より小さい状態が所定回数連続する場合に前記同期モータの駆動を停止させること
   を特徴とする請求項６に記載の同期モータの駆動方法。

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