JP6749205B2 - リニアモータ制御装置及びこれを搭載した圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータ制御装置及びこれを搭載した圧縮機に関する。

弾性体を接続させた可動子を、弾性体及び可動子の系における機械的な共振周波数で駆動させるリニアモータが知られている。機械的な共振周波数は、可動子の摩擦や、可動子に接続する負荷に応じて変動するため、共振周波数を効果的に推定することが望まれる。
例えば、特許文献１は、サーチコイルからの誘起電圧の位相を検出し、リニアモータに流れる電流位相との位相差を検出し、位相差に応じてピストンの共振周波数に一致させる構成が開示されている。また、特許文献１には、出力電圧の周波数に応じた値だけ出力電圧の電圧値を補正してピストンのストロークを一定に保持する構成が記載されている。

特開平１１−３５１１４３号公報

特許文献１は、リニアコンプレッサーの巻線にサーチコイルを具備し、誘起電圧の位相を検出している。しかしながら、サーチコイルを用いると配線が煩雑になるだけでなく、ノイズの影響を受けやすくなるため、高精度に共振周波数に制御することは容易ではない。また、起動時のように、早期に可動子振幅を確保してリニアモータの立ち上がりを行わせるのに適した制御については何ら考慮されていない。

そこで、本発明は、起動直後の共振周波数の推定精度を向上し得るリニアモータ制御装置及びこれを搭載した圧縮機を提供する。

上記課題を解決するため、本発明のリニアモータ制御装置は、交流電圧が印加される巻線と、弾性体が接続する可動子と、を備えるリニアモータ制御装置であって、前記交流電圧の周波数を略一定に保ちつつ前記交流電圧の振幅を単調増加させる運転モード（１）と、前記交流電圧の振幅を略一定に保ちつつ、前記交流電圧の周波数を変化させる運転モード（２）と、を有し、リニアモータの起動直後に前記運転モード（１）を実行し、前記交流電圧の振幅が所定の値に達したら、前記運転モード（２）を実行すると共に、前記運転モード（１）の実行によって前記交流電圧の振幅が所定の値に達した後に、前記交流電圧の振幅を増加させる制御を実行して前記可動子の位置を推定又は検出し、前記可動子の位置の位相と、前記巻線への印加電圧またはモータ電流との位相差から共振周波数を推定することを特徴とする。
また、本発明の圧縮機は、交流電圧が印加される巻線と、弾性体が接続する可動子と、を備えるリニアモータ制御装置を有する圧縮機であって、前記リニアモータ制御装置は、前記交流電圧の周波数を略一定に保ちつつ前記交流電圧の振幅を単調増加させる運転モード（１）と、前記交流電圧の振幅を略一定に保ちつつ、前記交流電圧の周波数を変化させる運転モード（２）と、を有し、リニアモータの起動直後に前記運転モード（１）を実行し、前記交流電圧の振幅が所定の値に達したら、前記運転モード（２）を実行すると共に、前記運転モード（１）の実行によって前記交流電圧の振幅が所定の値に達した後に、前記交流電圧の振幅を増加させる制御を実行して前記可動子の位置を推定又は検出し、前記可動子の位置の位相と、前記巻線への印加電圧またはモータ電流との位相差から共振周波数を推定することを特徴とする。

本発明によれば、起動直後の共振周波数の推定精度を向上し得るリニアモータ制御装置及びこれを搭載した圧縮機を提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る実施例１のリニアモータシステムの全体概略構成図である。 電機子の構成例の斜視図である。 磁極の縦断面と磁束の流れを示す模式図である。 磁極歯に発生する極性の説明図である。 可動子に接続される外部機構の説明図である。 駆動周波数とストロークの関係の説明図である。 可動子の位置と可動子の速度との位相関係、及び印加電圧と電流の位相関係の説明図である。 印加電圧と電流のベクトル図である。 電圧指令値作成器１０３の構成例を示す説明図である。 起動シーケンスの説明図である。 各モードにおける主要な指令値の時間変化を説明する図である。 位相差検出器の構成例及び駆動周波数と位相差検出器出力の関係の説明図である。 駆動周波数調整器１３１の構成例を示す説明図である。 ストローク指令作成器１５１の構成例を示す説明図である。 ストローク検出器１５２の構成例を示す説明図である。 ストローク制御器１５３の構成例を示す説明図である。 電力変換回路の構成例を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例２のリニアモータシステムの全体概略構成図である。 実施例２の位相差検出器の構成例を示す説明図である。 実施例２の駆動周波数と位相差検出器出力の関係の説明図である。 位置推定部の構成例を示す説明図である。 本発明の他の実施例に係る実施例３の密閉型圧縮機の縦断面図である。 実施例３のリニアモータシステムの全体概略構成図である。 実施例３の起動シーケンスの説明図である。 実施例３のストローク制御器３５３の構成例を示す説明図である。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施例を詳細に説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、重複する説明を省略する。
本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、或る構成要素が他の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。

本実施例では、説明の便宜上、互いに直交する前後方向、左右方向、及び上下方向という語を用いるが、重力方向は必ずしも下方向に平行である必要はなく、前後方向、左右方向、上下方向又はそれ以外の方向に平行にすることができる。

＜リニアモータ駆動装置１０１＞
図１は、本発明の一実施例に係る実施例１のリニアモータシステム１００の全体概略構成図である。リニアモータシステム１００は、リニアモータ駆動装置１０１と、リニアモータ１０４とから構成される。後述するようにリニアモータ１０４は、相対移動する電機子９及び可動子６を有する。
リニアモータ駆動装置１０１は、位置検出部１０６と、制御部１０２と、電力変換回路１０５を有する。
位置検出部１０６は、電機子９に対する可動子６の相対位置（可動子位置）を検出する。本実施例では、可動子６が鉛直方向に移動するが、電機子９及び可動子６（界磁子）が相対移動すれば良く、電機子９が鉛直方向に移動する態様でも良い。なお、以下では、可動子６が鉛直方向に往復運動する場合を一例として説明するが、往復運動の方向は鉛直方向に限られるものではない。例えば、可動子６が水平方向に往復運動するよう構成しても良く、また、鉛直方向に対し任意の角度を有する方向に可動子６が往復運動する構成としても良い。また、これらは、電機子９につても同様である。
制御部１０２は、位置検出部１０６の検出結果に応じて、電力変換回路１０５への出力電圧指令値、又は電力変換回路１０５を駆動するドライブ信号（パルス信号）を出力する。

詳細は後述するが、電力変換回路１０５は、直流電圧源１２０の電圧を変換して交流電圧を出力する電力変換部の一例である。なお、直流電圧源１２０に代えて直流電流源を用いても良い。

＜リニアモータ１０４＞
図２はリニアモータ１０４の斜視図（電機子の構成例の斜視図）である。本実施例のリニアモータ１０４は、電機子９に対して、永久磁石２（２ａ，２ｂ）が並んだ方向（前後方向）に相対移動可能な可動子６を有する。電機子９は空隙を介して上下方向に対向する２つの磁極７と、磁極７に捲回された巻線８とを有している。可動子６は、この空隙に配置されている。磁極７は、可動子６に対向する端面としての磁極歯７０を有している。
電機子９は、可動子６に対して前後方向の力（以下、推力と称する）を付与できる。例えば、後述するように、可動子６が前後方向に往復運動するように推力を制御できる。
可動子６は、上下方向に磁化した２つの平板状の永久磁石２（２ａ，２ｂ）を有している。後側の永久磁石２ａ及び前側の永久磁石２ｂは、互いに反対方向に磁化されている。本実施例では、後側の永久磁石２ａは上側にＮ極を有し、前側の永久磁石２ｂは上側にＳ極を有している。図２では、永久磁石２ａ，２ｂは図示しているが、可動子６は図示していない。可動子６としては、例えば、平板状の永久磁石２を固定した平板状のものを採用できる。
制御部１０２は、可動子６を永久磁石２ａ，２ｂが電機子９に対向する範囲で往復運動させるようにドライブ信号を出力する。

図３は、図２のＡ−Ａ’線に沿った平面での断面図である（Ａ―Ａ’断面矢視図）。図３の矢印線は、２つの巻線８に電流を流したときの磁束線の一例を示している。磁束の流れの向きは、巻線８に流れる電流の向きにより逆方向になり得るため、図に示す限りではない。この磁束線により、磁極歯７０が磁化される。

［可動子６に付与する推力］
図４は磁極歯７０の磁化により、可動子６が受ける推力を説明する図である。巻線８に流れる電流により生じる磁極歯７０の極性を、図中の磁極歯７０近傍に付した「Ｎ」、「Ｓ」で表している。また、図４において白抜き矢印は巻線８を流れる電流の向きを示している。図４の左図は、巻線８を流れる電流により、上側の磁極歯７０ａが「Ｓ」、下部の磁極歯７０ｂが「Ｎ」に磁化されることにより、可動子６が前方向に力を受け、可動子６が前に移動した例を示している。図４の右図は、巻線８を流れる電流により、上部の磁極歯７０ａが「Ｎ」、下部の磁極歯７０ｂが「Ｓ」に磁化されることにより、可動子６が後ろ方向に力を受け、可動子６が後ろに移動した例を示している。

このように、巻線８に電圧や電流を印加することで、２つの磁極７を含む磁気回路に磁束を供給して、対向する２つの磁極歯７０（磁極歯組）を磁化できる。電圧や電流として、例えば正弦波や矩形波（方形波）といった交流の電圧や電流を与えることで、可動子６を往復運動させる推力を与えることができる。これにより可動子６の運動を制御できる。

なお、可動子６に付与する推力は、印加する交流電流や交流電圧の振幅を変更することで変えられる。また、可動子６に付与する推力を公知の方法を用いて適切に変更することで、可動子６の変位を所望に変えられる。ここで、可動子６が往復運動（例えば、図４の左図及び右図のような磁極歯７０の磁化を順次繰り返すことで可動子６に生じる運動）をする場合、交流波形的に変化する可動子６の変位の変化量をストロークと呼ぶ。
磁極歯７０は磁性体であるため、永久磁石２を吸引する磁気吸引力が作用する。本実施例では可動子６を挟むよう間隙を介して２つの磁極歯７０を対向配置しているため、可動子６に作用する磁気吸引力の合力を低減できる。

[可動子６外部の機構]
図５は、可動子６に接続される外部機構の説明図であり、例えば、コイルバネである共振バネ２３によって構成される外部機構を可動子６の一端に接続し、そのバネ力により可動子６が戻される機構を説明する図である。共振バネ２３は、一端が中間部２４を介して可動子６に接続し、他端が基部２５に固定されている。また、共振バネ２３の延在方向と略平行に延在し、共振バネ２３を案内又は支持する側部２６が設けられている。リニアモータ１０４を往復運動させる場合、可動子６の運動方向が変わる度に、加速と減速を繰り返す。減速時は、可動子６の速度エネルギーが電気エネルギーに変換される（回生動作）が、リニアモータ１０４への配線の抵抗によって損失が生じる。一方、図５のように、可動子６に共振バネ２３（アシストバネ）を付加し、可動子６の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数で、可動子６を往復運動させる場合、可動子６の速度エネルギーを有効活用でき、高効率なリニアモータ駆動システムを構成することができる。共振バネ２３に代えて、公知の弾性体を用いてもよい。このように構成すると、可動子６（界磁子）が鉛直方向に移動する可動子（界磁子）移動型として構成されるが、可動子６に代えて電機子９に弾性体を接続して電機子９を鉛直方向に移動させる電機子移動型として構成しても良い。

図６は、駆動周波数とストロークの関係の説明図であり、交流電圧の駆動周波数を横軸に、可動子６のストロークを縦軸にとり、これらの関係を示す図である。各駆動周波数における交流電圧の振幅は同一である。図６から分かるように、共振周波数付近で可動子６のストロークが急峻に大きくなり、共振周波数から離れるとストロークが小さくなる特性を示す。共振周波数は、共振バネ２３のバネ定数ｋを可動子６の質量ｍで除した値の平方根で与えられるが、リニアモータ１０４の系によっては、この値は近似値となる。
このように、共振周波数又はこの近傍の駆動周波数の交流電圧を印加することで、大きなストローク（大きなエネルギー）で振動させることができる。つまり、可動子６に共振バネ２３等の弾性体を付加したリニアモータ１０４を制御する場合には、可動子６の共振周波数を検出あるいは推定することが重要である。可動子６のストロークを所望に制御する場合においても可動子６の共振周波数を検出あるいは推定することが重要である。

[駆動時の位相関係]
図７は、可動子の位置と可動子の速度との位相関係、及び印加電圧と電流の位相関係の説明図である。リニアモータ１０４を駆動した際の、図７の上図に可動子６の位置と速度の時間変化、図７に下図に印加電圧波形とリニアモータ１０４に流れる電流の時間変化の関係を示している。図８は、図７の交流波形をベクトルとして示した図である。可動子６の速度、印加電圧、およびモータ電流はほぼ同位相であることがわかる。
また、可動子６に共振バネ２３を付加し、可動子６の質量とバネ定数から定まる機械的な共振周波数で可動子６を往復運動させる場合、可動子６の位置の位相は、巻線８への印加電圧Ｖｍ、モータ電流Ｉｍ、及び可動子６の速度の位相それぞれに対して９０度の位相差となることが知られている。すなわち、これらの何れかの関係が成立している時は、共振周波数で駆動していると推定できる。

製造バラつきによって可動子６の質量が想定からずれている場合や、可動子６に付加された負荷要素によって、共振バネ２３に接続される質量が変化する場合は、共振周波数が変化してしまう。また、共振周波数が変化した状態から起動した場合、想定以上に可動子６のストロークが大きくなり、異音や振動が発生する場合がある。このような場合においても所望のストロークを得るためには、条件によって変化する共振周波数を高精度に検出あるいは推定することが好ましい。また、起動時等の過渡状態においても、所望のストロークの範囲に収めることが好ましい。以下、起動シーケンス、および共振周波数の検出又は推定方法について説明する。

＜制御部１０２の概要＞
図１等を参照して制御部１０２等について説明する。制御部１０２には、位置検出部１０６による位置検出値ｘｍを入力する。入力された位置検出値ｘｍは、制御部１０２が生成する位相指令値θ^＊と併せて位相差検出器１３０に入力されて、位相差推定値ｄｌｔθ＾が出力される。目標値である位相差指令値ｄｌｔθ^＊と位相差推定値ｄｌｔθ＾との偏差が駆動周波数調整器１３１に入力される。駆動周波数調整器１３１は周波数指令値ω^＊を出力する。周波数指令値ω^＊に基づく印加電圧が、リニアモータ１０４へ出力される。位置検出部１０６としては、可動子６及び電機子９の相対位置を検出する位置センサ、印加電圧Ｖｍやモータ電流Ｉｍ等を利用して相対位置を推定する演算部等を採用できる。すなわち、位置検出値ｘｍは、位置センサによる検出値としても良いが、印加電圧Ｖｍやモータ電流Ｉｍを利用して得る推定値にもし得る。

＜電圧指令値作成器１０３＞
図９は、電圧指令値作成器１０３の構成を示す説明図である。電圧指令値作成器１０３には、後述する位相指令値θ^＊と、上位制御器（図示せず）などから出力されるストローク目標値ｌｒｅｆと、位置検出値ｘｍが入力され、単相の交流電圧指令値Ｖｍ^＊が出力される。一部の構成要素の詳細な説明は後述する。ストローク指令値ｌ^＊、位相指令値θ^＊、速度指令値ｖｍ^＊のいずれかを変更することにより、リニアモータ１０４に印加する電圧Ｖｍ^＊を調整することができる。つまり、印加電圧の振幅及び周波数を調整することで、駆動周波数を共振周波数に制御することやストロークを制御することが可能となる。

本実施例では、上位制御器（図示せず）などから出力される目標値ｌｒｅｆに基準位相θ^＊の正弦（ｓｉｎθ^＊）を乗じた値を、可動子６の位置指令値ｘｍ^＊とする。まず、位相指令値θ^＊を余弦演算器８２ｂ（入力値の余弦を出力）に入力し、位相指令値θ^＊に対する余弦（ｃｏｓθ^＊）を得る。この余弦とストローク指令値ｌ^＊と周波数指令値ω^＊とを乗算器９２ｄで乗じる。こうすることで、微分演算を行わずに可動子６の速度指令値ｖｍ^＊を得ることができる。一般には、位置指令値ｘｍ^＊及び速度指令値ｖｍ^＊の一方を正弦、他方を余弦にすることができる。なお、組み合わせによっては、負号を付加する必要があるが、これは当業者には明らかである。

さらに、可動子６の速度指令値ｖｍ^＊を乗算器９２ｅで誘起電圧定数Ｋｅ^＊と乗じ、単相の交流電圧指令値Ｖｍ^＊を得る。
なお、電圧指令値作成器１０３には、上記以外にも公知の同期式モータの駆動電圧指令方法を適用することができる。ストローク指令作成器１５１、ストローク検出器１５２、及びストローク制御器１５３については後述する。

［起動シーケンス］
図１０は、本実施例のリニアモータ１０４を起動する時の起動シーケンスを説明する図である。本実施例の起動シーケンスは、モード（１）ステップＳ１６２とモード（２）ステップＳ１６３の２つを含む。モード（１）では、駆動周波数を略一定にしつつ、ストロークが略ゼロから漸増するように制御する。これにより、可動子６が急激に動いてしまって他部材に衝突することを抑制できる。モード（２）では、まず、電圧の振幅を略一定に保ちつつ駆動周波数を変化させる制御を実行する。ストロークが変動すると、可動子６の摩擦損失量が変動することで共振周波数値が変動するため、電圧の振幅の変動を抑制することでストローク変動を抑制し、共振周波数の探索を行いやすくできる。次にモード（２）では、電圧の振幅を増加させつつ駆動周波数を変化させる制御を実行する。モード（２）の序盤の制御により、概ね駆動周波数を共振周波数に近づけることができるため、その後に電圧の振幅を増加させれば、多少の共振周波数の変動にも追随しやすい。

図１１は、各モードにおける主要な指令値の時間変化を説明する図である。図１１の（ａ）に示すように、時刻Ｔ０でリニアモータ１０４が起動、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１にかけてモード（１）、時刻Ｔ１以降がモード（２）となって起動している。図１１の（ｂ）〜（ｅ）は横軸を時間とし、縦軸をそれぞれストローク指令値ｌ^＊、ストロークの検出値ｌｍ、印加電圧の周波数（駆動周波数）ω^＊、印加電圧の振幅（電圧指令値の振幅）｜Ｖｍ^＊｜、としている。

上位制御器（図示せず）等からリニアモータ１０４の起動指令があった場合、リニアモータ１０４はモード（１）ステップＳ１６２に遷移する。モード（１）ステップＳ１６２では、ストローク指令ｌ^＊を単調増加（例えば、線形増加）させる。ストローク指令値ｌ^＊は、駆動周波数ω^＊が共振周波数に略一致しているかいないかで、ストローク検出値ｌｍから乖離し得る。ストローク指令ｌ^＊を増加させると、リニアモータ１０４は、印加する電圧の振幅｜Ｖｍ^＊｜を増加させる。それにつれて可動子６のストロークｌｍも増加する。モード（１）ステップＳ１６２では、駆動周波数指令値ω_＊は略一定値ω０に維持される。

ストローク指令ｌ^＊をゼロから単調増加させることにより、リニアモータ１０４の可動子６が急激に動き始めることを抑制でき、振動や騒音を低減できる。仮にストローク指令ｌ^＊の初期値を非ゼロとした場合に、駆動周波数ω^＊の起動直後の値が共振周波数に略一致していると、可動子６の振幅が過度に大きくなってしまう恐れがある。
制御部１０２から出力される駆動周波数の初期値（ω０）は、共振バネ２３を含むマスバネ系の共振周波数に略一致するように設定されることが好ましいが、共振周波数を高精度に推定することは容易ではない。例えば、可動子６の質量若しくは共振バネ２３のバネ定数の偏差、又は可動子６に取付けられ得る負荷の変動等に起因して、推定値とは通常異なる。そのため、ストローク指令値ｌ^＊は、ストローク検出値ｌｍに対して、特に起動直後は乖離し易い。

したがって、図１１の（ｂ）に示すストローク指令ｌ^＊に対し、図１１の（ｃ）に示す実際の可動子６のストロークｌｍの方が小さい値となりやすく、例えば負荷が変動した際等に、ストロークｌｍが過度に大きくなることを抑制できる。また、ストローク指令ｌ^＊又は電圧指令値の振幅を増加させつつも駆動周波数指令値ω^＊の変動を起動直後から抑えておくことで、駆動周波数ω^＊の初期値と共振周波数とが一致した場合もしていない場合も、実際のストロークｌｍが過度に大きくなってしまうことを抑制できる。
モード（１）ステップＳ１６２におけるストローク指令ｌ^＊は、最大ストローク長ｌｓ＿ｍａｘ（例えば、可動子６の最大可動長）よりも小さい値ｌｓ^＊＿１である。仮に、想定以上に可動子６のストロークが大きくなった場合においても、可動子６や可動子６に付加された負荷要素が破損するのを避けることができるためである。

電圧指令値Ｖｍ^＊の振幅｜Ｖｍ^＊｜が、所定の値（モード遷移電圧指令値Ｖｍ^＊１）に達したら、モード（２）ステップＳ１６３に遷移する。モード遷移電圧指令値Ｖｍ^＊１に達した時刻をＴ１とする。モード遷移電圧指令値Ｖｍ^＊１は、共振周波数の検出又は推定が可能となる電圧指令値以上の値として決定することができる。これは、或る程度可動子６の振幅や速度が大きくないと、可動子６の共振周波数を推定することが困難であるためである。具体的には、リニアモータ１０４に印加する電圧の周波数や振幅と、共振周波数の検出又は推定の可否との関係性を予め取得しておくことで、モード遷移電圧指令値Ｖｍ^＊１を決定できる。

モード（２）ステップＳ１６３は、共振周波数の検出又は推定をすると共に、その共振周波数に一致させるように、駆動周波数を制御する。ストローク指令値ｌ^＊は略一定に維持される。時間Ｔ１から時間Ｔ２までの期間は、駆動周波数ω^＊が共振周波数ωｒｅｓ＝ω１に近づく様に制御されると共に、ストローク検出値ｌｍがストローク指令値（ｌｓ^＊＿１）に近づく様に制御される。ストローク指令値ｌ^＊とストローク検出値ｌｍとが略一致する時間をＴ２とする。
時間Ｔ２に達すると、リニアモータ駆動装置１０１は、ストローク指令値ｌ^＊を増加させる、例えば最大ストローク長ｌｓ＿ｍａｘに変更する。それに応じて、電圧指令値Ｖｍ^＊の振幅｜Ｖｍ^＊｜を制御する（増加させる）ことにより、ストローク検出値が、ストローク指令値（ｌｓ＿ｍａｘ）に近づくように制御する。なお、時間Ｔ２と時間Ｔ３の期間では、可動子６に付加された負荷要素に変動が生じず、共振周波数に変化は無いと仮定しているため、駆動周波数は共振周波数を維持できるため、変化させない。尤も、負荷要素に変動が生じる場合も想定される。このような場合は、以下の時間Ｔ３での制御を実行することが好ましい。

時間Ｔ３の時点で、例えば、可動子６に付加された負荷要素によって、共振バネ２３に接続される質量が変化した（軽くなった）とする。共振バネ２３に接続される質量が軽くなると、共振バネ２３のバネ定数ｋを可動子６の質量ｍで除した値の平方根が大きくなり、共振周波数ωｒｅｓは増加する。このように、駆動周波数が共振周波数からズレてしまうと、図６の関係から分かるように、同一の電圧振幅を印加している状態では、ストロークが減少してしまう。

モード（２）ステップＳ１６３の期間では、上述のように、共振周波数を検出又は推定すると共に、その共振周波数に一致させるように、駆動周波数を制御する。そのため、駆動周波数ω^＊が共振周波数ωｒｅｓ（＞ω１）に近づく様に制御される（駆動周波数を高くする）。このとき、好ましくはストローク検出値ｌｍがストローク指令値（ｌｓ＿ｍａｘ）に近づく様に、電圧指令値Ｖｍ^＊の振幅｜Ｖｍ^＊｜を増加させる。
他方、負荷要素が重くなった場合は、駆動周波数ω^＊を低くする。なお、負荷要素としては、単に質量でも良いし、リニアモータ１０４に接続させられて仕事を受けるものでもよい。なお、駆動周波数が共振周波数に一致しているかズレているかは、例えば電流値を観測して判定するなど、種々公知の方法で判定できる。リニアモータ１０４のバネ定数は変動しないため、共振周波数の変動に応じて質量が変動したものと検出することができる。

＜制御部１０２の詳細＞
図１に例示する制御部１０２は、位相差検出器１３０と、位相差検出器１３０の出力ｄｌｔθ＾及び位相差指令値ｄｌｔθ＊を基に、位相差推定値ｄｌｔθ＾が位相差指令値ｄｌｔθ＊に追従するように駆動周波数指令値ω＊を調整する駆動周波数調整器１３１と、駆動周波数指令値ω＊を積分して位相指令値θ＊を作成する積分器１４０と、位相指令値θ＊及び可動子６のストローク指令値ｌ＊（ストローク目標値Ｉｒｅｆ）を基に電圧指令値Ｖ＊を出力する電圧指令値作成器１０３と、電圧指令値Ｖ＊と三角波キャリア信号を比較して、電圧を出力する電力変換回路１０５を駆動するドライブ信号を出力するＰＷＭ信号作成器１３３から構成される。なお、電力変換回路１０５は、電流を出力する態様であってもよい。この場合は、電圧指令値作成器１０３に代えて電流指令値作成器を設ければよい。

＜基準位相作成器＞
可動子６及び電機子９の相対位置ｘｍの情報を得ることについて、位置センサを用いる場合はその出力を利用すれば良いため、適宜公知の位置センサを用いればよい。可動子６の位置の位相と、巻線８への印加電圧Ｖｍまたはモータ電流Ｉｍとの位相差から共振周波数を推定する構成について説明するが、まずは位相の基準となる基準位相（可動子６の位相）について説明する。

本実施例の基準位相（位相指令値θ^＊）は、図１の駆動周波数調整器１３１の出力である駆動周波数指令値ω^＊を基準位相作成器としての積分器１４０で積分することで得る。すなわち、基準位相は、印加電圧Ｖｍ（θ^＊）の目標周波数に相当する駆動周波数指令値ω^＊を持つ波動の各時刻の位相θ＊である。このように本実施例では、基準位相θ^＊として駆動周波数調整器１３１の駆動周波数指令値ω^＊の積分値を用いているが、例えば可動子６を含む振動体の機械共振周波数の積分値に固定してもよい。
印加電圧Ｖｍの位相として基準位相θ^＊を用いることで、例えば、可動子６の位置を検出あるいは推定する際にも基準位相θ^＊を適用できる。基準位相θ^＊は、駆動周波数指令値ω^＊が一定の間は、例えば、各時刻に対して［−π，π］、［０，２π］、又はこれより広い範囲を値域とする、のこぎり波としたり、時刻に対して線形に増加するようにしてもよい。後述するように駆動周波数指令値ω^＊が変動した場合は、これに応じてのこぎり波や線形な増加の形状が変動する（傾きが変化する）。

もちろん、位置検出部１０６による位置検出値ｘｍを用いて基準位相θ^＊を得ても良い。位置検出値ｘｍを用いる場合は、例えば、可動子６が往復運動する一周期の変位の総移動長を３６０°とし、基準位置（例えば、往復運動の中間点、往復運動の最大や最小の位置）からの可動子６の位置（＝変位）と、総移動長に相当する長さとの比から、基準位相θ^＊を求めることができる。

＜位相差検出器１３０＞
可動子６が往復運動している場合、可動子６の位置ｘｍは周期関数となる。周期関数はフーリエ級数で表せるため、フーリエ変換式を用いて可動子６の位置ｘｍを表すと、次式（１）のように定義できる。

ここで、ｘ_０は直流オフセット値、ａ_ｎおよびｂ_ｎはｎ次のフーリエ係数であり、次式（２）及び式（３）で求められる。

ここで、Ｔ_０は基本波の周期（可動子６の往復運動する周期）、つまり１次周波数（駆動周波数）の逆数である。

可動子６を共振周波数で駆動させようと制御する場合、高次成分は重要ではなく、１次成分、つまり駆動周波数成分に注目すればよい。特に、可動子６の位置ｘｍの１次周波数成分（駆動周波数成分）の位相が重要である。１次のフーリエ係数の逆正接により、正弦波状の印加電圧Ｖに対する可動子６の位置ｘｍを次式（４）で求めることができる。

式（４）では、積分範囲を−２π〜０としている。これは、位相差検出器１３０をマイコンやＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の半導体集積回路等で実現する場合に、過去の情報しか取得できないためである。

図１２は、位相差検出器の構成例及び駆動周波数と位相差検出器出力の関係の説明図であり、図１２の上図は式（４）をブロック図で示した場合の説明図、図１２の下図は駆動周波数と位相差検出器１３０の出力の関係の説明図である。位相指令値θ^＊を正弦演算器８１（入力値の正弦を出力）と余弦演算器８２（入力値の余弦を出力）それぞれに入力し、位相指令値θ^＊に対する正弦および余弦を得る。正弦および余弦それぞれを可動子６の位置ｘｍと乗算した値が乗算器９２から出力される。その出力をそれぞれ積分器９４ａ，９４ｂで積分すると、正弦および余弦それぞれの１次のフーリエ係数を得る。すなわち、フーリエ展開の駆動周波数ωより高次の周波数成分を消去できるので、高次のノイズに対してロバストに構成できる。

積分器９４ａ，９４ｂの出力を逆正接器８６に入力する。逆正接器８６は、入力された正弦および余弦成分を基に逆正接値を出力する。本実施例の逆正接器８６は、分子を積分器９４ａの出力、分母を積分器９４ｂの出力とした位相の逆正接値を出力するが、分子と分母を逆にした値を出力しても良い。図１２の下図は、交流電圧の周波数（横軸）と、逆正接器８６の出力値（位相差ｄｌｔθ＾）（縦軸）の関係を示す図である。図１２の下図から分かるように、本実施例では、駆動周波数が共振周波数に一致する場合、９０°が逆正接器８６から出力される。逆正接器８６から出力される値は、駆動周波数が共振周波数より高い場合は９０°より大きく、駆動周波数が共振周波数より低い場合は、９０°より小さい。これにより、基準位相θ^＊に対する位相差検出器１３０への入力交流信号（本実施例では、可動子６の位置ｘｍ）の１次周波数成分の位相差ｄｌｔθ＾を求めることができ、共振周波数の推定が可能になる。そして例えば、位相差ｄｌｔθ＾が９０°超の場合は、位相差ｄｌｔθ＾が低下するように制御し、９０°未満の場合は、増加するように制御すればよい。基準位相θ^＊と基本周波数θとが同値となるときの位相差ｄｌｔθ＾を目標値ｄｌｔθ^＊として制御することが好ましい。
なお、積分器９４ａ、９４ｂに代えて、不完全積分器を用いることができる。不完全積分器はローパスフィルタの一種で、１次遅れフィルタと同様の構成にできる。その他、不完全積分器に代えて又は追加して、積分器９４ａ，９４ｂ（又は不完全積分器）より前段に、ハイパスフィルタ（図示せず）を設けることができる。ハイパスフィルタの遮断周波数としては、例えば１０又は５Ｈｚ以下にすることができる。

このように、位相差検出器１３０は、駆動周波数成分の１次のフーリエ係数の比の逆正接を用い、交流電圧指令値Ｖ^＊に対する可動子６の位置ｘｍの位相θを求めるとき、位相差検出器１３０への入力交流信号の１次周波数成分のみに大きな感度を有する。つまり、例えば、可動子６の位置ｘｍに、直流オフセットや高次のノイズが重畳された場合においても、基準位相θ^＊に対する位相差検出器１３０への入力交流信号の１次周波数成分の位相ｄｌｔθをより正確に求められる。また、ハイパスフィルタを上記のように設ける場合は、さらに駆動周波数ωより小さな周波数に対してもロバストに構成できる。
したがって、可動子６の位置検出方法として、ノイズが重畳され易いシステム、例えばインダクタンスの可動子位置依存性が大きいシステムや、近傍に別の機器が存在するシステムを採用する場合に、特に有効な制御を実現できる。このように、高精度に共振周波数を検出あるいは推定し、高効率なリニアモータ駆動を実現することができる。

＜駆動周波数調整器１３１＞
図１３は、駆動周波数調整器１３１の構成例を説明する図である。周波数指令切替器１５５は、モード（１）とモード（２）とを切り替える指令であるモード切替信号（ｍｏｄｅＳＷ）に従って、２つの入力を切り替える。モード（１）ステップＳ１６２（図１０）においては、周波数指令切替器１５５のＡ側に入力されている値を出力する。つまり、駆動周波数指令の初期値（ω０）がそのまま周波数指令値ω＊として出力される。モード（２）ステップＳ１６３（図１０）においては、周波数指令切替器１５５のＢ側に入力されている値を出力する。Ｂ側に入力されている値は次のように決定される。

駆動周波数調整器１３１は、位相差指令値ｄｌｔθ^＊（例えば、９０°）と位相差検出器１３０で求めた位相差ｄｌｔθ＾の差を減算器９１で求め、これに乗算器９２ｂで比例ゲインＫｐ＿ａｄｔｒを乗じて比例制御した演算結果と、乗算器９２ｃで積分ゲインＫｉ＿ａｄｔｒを乗じ、その結果を積分器９４ｃで積分する積分制御した演算結果とを加算器９０で加算し、駆動周波数指令値ω^＊を出力する。

なお、位相差指令値ｄｌｔθ^＊は、上位の制御器（本実施例では示していない）から得ても良いし、本実施例のように予め例えば９０°と設定しても良い。また、本実施例の駆動周波数調整器１３１は、比例積分制御の構成であるが、比例制御や積分制御など、他の制御構成も適用できる。

[高効率駆動の実現]
リニアモータ１０４を可動子６の質量とバネ定数から定まる機械的な共振周波数で駆動する場合の位相差検出器１３０と駆動周波数調整器１３１の動作を説明する。
例えば、可動子６の質量が設計値よりも重かった場合、実際の共振周波数は、設計値よりも低くなる。つまり、可動子６の質量設計値を用いて駆動周波数の初期値を決めた場合（設計値を利用して駆動周波数指令値ω^＊の初期値を決めた場合）には、実際の共振周波数よりも高い周波数で駆動することになる。この時、位相差検出器１３０で求めた位相差ｄｌｔθ＾は、位相差指令値ｄｌｔθ^＊よりも大きい値となる。そのため、駆動周波数調整器１３１は、駆動周波数指令値ω^＊を減少させる制御を実行し、その結果、駆動周波数指令値ω^＊が実際の共振周波数に一致する。したがって、可動子６の速度エネルギーを有効活用でき、高効率にリニアモータ１０４を駆動することができる。

＜電圧指令値作成器１０３＞
図９を参照しつつ説明したように、電圧指令値作成器１０３には位相指令値θ^＊とストローク指令値ｌ^＊が入力され、単相の交流電圧指令値Ｖｍ^＊が出力される。詳細について以下説明する。
ストローク指令切替器１５０は、図１３に示したモード切替信号（ｍｏｄｅＳＷ）に従って、２つの入力を切り替える。ストローク指令値ｌ^＊、位相指令値θ^＊、速度指令値ｖｍ^＊のいずれかを変更することにより、リニアモータ１０４に印加する電圧を調整することができる。つまり、印加電圧の振幅及び周波数を調整することで、駆動周波数を共振周波数に制御することやストロークを制御することが可能となる。

モード（１）ステップＳ１６２（図１０）においては、ストローク指令切替器１５０（図９等参照）のＡ側に入力されているストローク指令作成器１５１の出力値を出力する。

図１４は、ストローク指令作成器１５１の構成を説明する図である。上位制御器（図示せず）等からリニアモータ１０４の起動指令（起動信号（ＭｔｒＳｔａｒｔ））が入力されると、起動信号切替器１６０の出力が起動指令に応じて０から１に変わる。起動信号切替器１６０の出力をストローク増加レート演算器１６１でストローク目標値Ｉｒｅｆへの到達時間（Ｔ＿ｉｎｃ）で除し、乗算器１６２でストローク目標値Ｉｒｅｆと乗算し、乗じた値を積分器１６３で、積分する。これにより、傾きがＩｒｅｆ／Ｔ＿ｉｎｃの信号が得られる。次に、制限器１６４で、制限値入力（図１４の例では、ストローク目標値Ｉｒｅｆ）の値に制限され、ストローク指令値ｌ^＊＿Ａを得る。
モード（２）ステップ１６３（図１０）においては、ストローク指令切替器１５０（字図９）のＢ側に入力されているストローク制御器１５３の出力値を出力する。ストローク制御器１５３には、ストローク検出器１５２の出力等が入力される。

図１５は、ストローク検出器１５２の構成例を説明する図である。最大値検出器１７０および最小値検出器１７１は、所定の期間（例えば、基準位相θ^＊の［０，２π］期間）における、入力値（図１５の例では、位置検出値ｘｍ）の最大値および最小値を出力する。両者を加算器１７２で加算した後、乗算器１７３で１／２を乗ずることにより、ストローク検出値ｌｍを得る。

図１６は、ストローク制御器１５３の構成例を説明する図である。ストローク制御器１５３は、ストローク目標値ｌｒｅｆとストローク検出器１５２で求めたストローク検出値ｌｍの差を減算器１７５で求め、これに乗算器１７６で比例ゲインＫｐ＿ｓｔｌを乗じて比例制御した演算結果と、乗算器１７７で積分ゲインＫｉ＿ｓｔｌを乗じ、その結果を積分器１７８で積分する積分制御した演算結果とを加算器１７９で加算し、ストローク指令値ｌ^＊＿Ｂを出力する。

＜ＰＷＭ信号作成器１３３＞
ＰＷＭ信号作成器１３３には、三角波のキャリア信号と電圧指令値Ｖｍ^＊を比較することによる公知のパルス幅変調を用い、電圧指令値Ｖｍ^＊に応じたドライブ信号が生成される。

＜電力変換回路１０５＞
図１７は、電力変換回路１０５を含む構成例を説明する図である。フルブリッジ回路１２６は、制御部１０２より入力されたドライブ信号に応じて直流電圧源１２０をスイッチングして、リニアモータ１０４に電圧を出力する。フルブリッジ回路１２６は４つのスイッチング素子１２２を備えており、直列接続されたスイッチング素子１２２ａ，１２２ｂを持つ第一上下アーム（以下、Ｕ相という。）と、スイッチング素子１２２ｃ，１２２ｄを持つ第二上下アーム（以下、Ｖ相という。）と、を構成している。スイッチング素子１２２は、制御部１０２で生成される電圧指令値やパルス幅変調によるドライブ信号を基に、ゲートドライバ回路１２３が出力するパルス状のゲート信号（１２４ａ〜１２４ｄ）に応じてスイッチング動作できる。
スイッチング素子１２２の導通状態（オン／オフ）を制御することにより、直流電圧源１２０の直流電圧を交流電圧に相当する電圧を巻線８に出力できる。なお、直流電圧源１２０に代えて直流電流源を用いても良い。スイッチング素子１２２としては、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子を採用できる。

[リニアモータ１０４との結線]
電力変換回路１０５の第一上下アームのスイッチング素子１２２ａ，１２２ｂ間および第二上下アームのスイッチング素子１２２ｃ，１２２ｄ間それぞれが、リニアモータ１０４に接続されている。図１７では、上側および下側の電機子９の巻線８が並列に接続されている例を示しているが、巻線８を直列に接続することもできる。

[電流検出器１０７]
Ｕ相下アームとＶ相下アームには、例えばＣＴ（カレントトランス）等の電流検出器１０７を設けることができる。これにより、リニアモータ１０４の巻線に流れる電流Ｉｍを検出できる。
電流検出器１０７として、たとえば、ＣＴに代えて、電力変換回路１０５の下アームにシャント抵抗１２５を付加し、シャント抵抗１２５に流れる電流からリニアモータ１０４に流れる電流を検出する相シャント電流方式を採用できる。電流検出器１０７に代えて又は追加して、電力変換回路１０５の直流側に付加されたシャント抵抗１２５に流れる直流電流から、電力変換回路１０５の交流側の電流を検出するシングルシャント電流検出方式を採用しても良い。シングルシャント電流検出方式は、電力変換回路１０５を構成するスイッチング素子１２２の通電状態によって、シャント抵抗１２５に流れる電流が時間的に変化することを利用している。

なお、モード遷移電圧指令値Ｖｍ^＊１は、電力変換回路の直流電圧源１２０にある比率を乗じて求めた値や、リニアモータ１０４の誘起電圧と電力変換回路の直流電圧源１２０の比率、または、可動子６の最大ストローク長に対する可動子６の位置ｘｍの比率などによっても決定することができる。

以上のように、本実施例によれば、交流電圧の周波数を略一定に保ち振幅を単調増加させる運転モード（１）と、可動子の交流電圧と可動子位置の位相差を求め、可動子のストロークを一定に保ちつつ、その位相差が所定値となるように、交流電圧の周波数を変化させる運転モード（２）を備えることにより、起動時の負荷によらず可動子６のストロークを所望のストロークに制御し、安定な起動を実現できる。
本実施例は、可動子等の質量の偏差等に対応した効果を奏し得るため、負荷が変動しない場合でも有効である。

本実施例の構成は、下記の点を除き実施例１と同様にできる。本実施例は、モータ電流Ｉｍを利用して共振周波数を推定すると共に、印加電圧Ｖｍやモータ電流Ｉｍ等を利用して相対位置を推定する。

＜リニアモータ駆動装置２０１＞
図１８は、本発明の他の実施例に係る実施例２のリニアモータシステム２００の全体概略構成図である。リニアモータシステム２００は、リニアモータ駆動装置２０１と、リニアモータ１０４から構成される。

リニアモータ駆動装置２０１は、少なくとも位置推定部２０８と位相差検出器２３０を有する制御部２０２と、電流検出器２０７と、電力変換回路１０５を有する。

＜位相差検出器２３０＞
図１９は、本実施例の位相差検出器２３０の構成例を示す説明図である。位相指令値θ^＊（基準位相θ^＊）を正弦演算器８１（入力値の正弦を出力）と余弦演算器８２（入力値の余弦を出力）それぞれに入力し、位相指令値θ^＊（基準位相θ^＊）に対する正弦および余弦を得る。正弦および余弦それぞれをモータ電流Ｉｍと乗算した値が乗算器９２から出力される。その出力をそれぞれ、遅れフィルタの一例である一次遅れフィルタ１４１ａ，１４１ｂで演算すると、正弦および余弦それぞれの１次のフーリエ係数を得る。すなわち、フーリエ展開の駆動周波数ωより高次の周波数成分を消去できるので、高次のノイズに対してロバストに構成できる。
一次遅れフィルタ１４１ａ，１４１ｂの出力を逆正接器８６に入力する。逆正接器８６は、入力された正弦および余弦成分を基に逆正接値を出力する。本実施例の逆正接器８６は、分子を一次遅れフィルタ１４１ａの出力の負値、分母を一次遅れフィルタ１４１ｂの出力とした位相の逆正接値を出力する。もちろん、実施例１で説明したように、分子と分母を逆にした値を出力しても良い。

図２０は、交流電圧の駆動周波数（横軸）と、逆正接器８６の出力値（位相差ｄｌｔθ）（縦軸）の関係を示す図である。本実施例では、駆動周波数が共振周波数である場合、０°が逆正接器８６から出力される。逆正接器８６から出力される値は、駆動周波数が共振周波数より高い場合は０°より大きく、駆動周波数が共振周波数より低い場合は、０°より小さい。これにより、基準位相θ^＊に対する位相差検出器２３０への入力交流信号（本実施例では、可動子６の位置ｘｍ）の１次周波数成分の位相差ｄｌｔθを求めることができ、共振周波数の推定が可能になる。

＜位置推定部２０８＞
位置推定部２０８は、可動子６の位置を推定する。例えばリニアモータ１０４に印加する電圧Ｖｍと、リニアモータ１０４に流れる電流Ｉｍを利用して、例えば次式（５）で位置推定値ｘｍ＾を求める。

式中、Ｖｍ^＊はリニアモータ１０４に印加する電圧指令値Ｖｍ^＊である。

図２１は、位置推定部２０８の構成例を示す説明図であり、式（５）をブロック図で示した場合の説明図である。なお、位置推定部２０８には、上記以外にも公知の同期式モータの位置推定方法を適用することができる。位置推定値ｘｍ＾を図１５のストローク検出器１５２に入力すれば、所望のストロークに制御することができる。

このように、本実施例によれば、リニアモータ１０４に印加する電圧と、リニアモータ１０４に流れる電流から可動子６の位置を推定し、位置推定値を基に、高精度に共振周波数を検出あるいは推定することで高効率なリニアモータ駆動を提供することができる。さらに、交流電圧の周波数を一定に保ち振幅を単調増加させる運転モード（１）と、可動子の交流電圧と可動子位置の位相差を求め、可動子のストロークを一定に保ちつつ、その位相差が所定値となるように、交流電圧の周波数を変化させる運転モード（２）を備えることにより、起動時の負荷によらず可動子の６のストロークを所望のストロークに制御し、安定な起動を実現できるリニアモータ駆動を実現することができる。

本実施例の構成は、下記の点を除き実施例１又は２と同様にできる。本実施例は、リニアモータシステム１００を搭載した機器の一例としての密閉型圧縮機５０に関する。機器としては、往復運動する振動体（可動子６）に対して、その位相θや駆動周波数ωに応じて変動する負荷を与えるもの等を用いることができる。

＜密閉型圧縮機５０＞
図２２は、本発明の他の実施例に係る実施例３の密閉型圧縮機の縦断面図であり、リニアモータ１０４を有する密閉型圧縮機５０の縦断面図の一例である。密閉型圧縮機５０は、圧縮要素２０と電動要素３０とが密閉容器３内に配置されたレシプロ圧縮機である。圧縮要素２０及び電動要素３０は支持バネ４９によって密閉容器３内に弾性的に支持されている。電動要素３０は、可動子６及び電機子９を含む。

圧縮要素２０はシリンダ１ａを形成するシリンダブロック１と、シリンダブロック１の端面に組み立てられるシリンダヘッド１６と、吐出室空間を形成するヘッドカバー１７とを備えている。シリンダ１ａ内に供給された作動流体はピストン４の往復動によって圧縮され、圧縮された作動流体は圧縮機外部に連通する吐出管（図示せず）へと送られる。
可動子６の一端にはピストン４が取り付けられている。本実施例では、可動子６及びピストン４が往復運動することで、作動流体を圧縮及び膨張させる。この圧縮及び膨張に要する仕事等が変動する負荷に相当する。電動要素３０の片端には圧縮要素２０を配置してある。シリンダブロック１は、可動子６の往復動を案内するガイドロッドを前後方向に沿って有している。

密閉容器３にリニアモータ１０４を設置する場合は、ハーメチックコネクタやハーメチックシールと呼ばれる、気密性を持ったコネクタが用いられることがある。気密性を保つためには、コネクタの数は最小限にするのが望ましい。そのため、本実施例のリニアモータシステム３００（図２３）は、リニアモータ１０４に印加する電圧Ｖｍと、リニアモータ１０４に流れるモータ電流Ｉｍから可動子６の位置を推定し、位置推定値ｘｍ＾を基に、高精度に共振周波数を検出あるいは推定し、高効率なリニアモータ駆動を提供する。

可動子６に弾性体である共振バネ２３（図２２中では図示せず）を付加し、可動子６の質量とバネ定数から定まる機械的な共振周波数で可動子６を往復運動させる場合、圧縮要素２０による共振周波数への影響も考慮する必要がある。すなわち、吐出空間の圧力によって、作動流体のバネ的な作用が加わるため、共振状態となる周波数が変化する。つまり、シリンダ１ａ内の圧力が高い場合には、可動子６に付加された共振バネ２３のバネ定数が高いのと等価であり、共振周波数は高くなる。反対に、シリンダ１ａ内の圧力が低い場合には、可動子６に付加された共振バネ２３のバネ定数が支配的となり、共振周波数は、可動子６の質量とバネ定数から定まる機械的な共振周波数に近い。
また、シリンダ１ａ内の圧力を考慮せずに共振周波数を推定すると、想定以上に可動子６のストロークが大きくなり、ピストン４がシリンダヘッド１６に衝突する恐れがある。ピストン４がシリンダヘッド１６に衝突すると、騒音となるだけでなく、最悪の場合、ピストン４やシリンダヘッド１６が破損し得る。そのため、起動時等の過渡時においても適切にストロークを制御することが望ましい。

このように、リニアモータ１０４を圧縮要素２０の動力とする場合は、圧縮要素２０の条件によって共振周波数が変化してしまう。このような場合においても所望のストロークを得るためには、条件によって変化する共振周波数を高精度に検出あるいは推定することが必要である。そのため、図２３に示すように、本実施例のリニアモータシステム３００は、リニアモータ１０４に印加する電圧と、リニアモータ１０４に流れる電流から可動子６の位置を推定し、位置推定値を基に、高精度に共振周波数を検出あるいは推定し、高効率なリニアモータ駆動を実現できる。印加電圧Ｖｍやモータ電流Ｉｍに基づいて可動子６の位置を推定できるため、高温高圧環境となる密閉容器３内に位置センサを配する必要性を低減できる。また、リニアモータ１０４の負荷（例えば、圧縮要素２０の吸込圧力と吐出圧力の差に比例する）に応じて、制御ゲインを適切に切り替えることにより、無負荷（圧縮要素２０の吸込圧力と吐出圧力が均圧状態）から重負荷といった、幅広い負荷条件においても安定に起動および駆動できるリニアモータ駆動を実現できる。

＜リニアモータ駆動装置３０１による起動制御等＞
図２３は、本実施例のリニアモータシステム３００の全体概略構成図である。リニアモータシステム３００は、リニアモータ駆動装置３０１と、リニアモータ１０４から構成される。
リニアモータ駆動装置３０１は、少なくとも位置推定部３０８と位相差検出器３３０を有する制御部３０２と、電流検出器３０７と、電力変換回路１０５を有する。

図２４は、各起動シーケンスにおける主要な指令値の時間変化を説明する図である。図２４には、図１１に比べ、ゲイン切替信号（ｇａｉｎＳＷ）が追加されている。ゲイン切替信号（ｇａｉｎＳＷ）は、その状態（ＨまたはＬ）に応じて、各制御器（例えば、図２５に示すストローク制御器３５３）の制御ゲインを切り替える。状態Ｈの制御ゲインは、状態Ｌの制御ゲインより大きい。

状態Ｈ，Ｌの設定としては、例えば、重負荷時を状態Ｈに、無負荷又は軽負荷時を状態Ｌにできる。負荷の軽重は、作動流体の膨張を軽負荷、作動流体の圧縮を重負荷とする短時間の変動に注目した設定でも良いし、流量が比較的少ない時間帯を軽負荷、比較的多い時間帯を重負荷とする長時間の変動に注目した設定でも良い。
なお、軽負荷、重負荷の判定（負荷の軽重の判定）は、密閉型圧縮機５０が無負荷のときの共振周波数の情報を予め得ておき、これと比較することで可能である。具体的には、負荷が大きいと共振周波数が減少していくため、どの程度無負荷時の共振周波数と異なる値で共振するかを検討することで、負荷の軽重を推定できる。

密閉型圧縮機５０を駆動する場合、起動時は、短時間で共振周波数に制御されることが望ましい。制御器の応答時間を短くするためには、制御ゲイン（例えば、図２５に示す比例ゲインＫｐ＿ｓｔｌ）を大きくすれば良い。しかし、必要以上に制御ゲインを大きくすると、定常状態（指令値との差が小さい状態）では、振動的になるという課題がある。

図２５は、本実施例のストローク制御器３５３の構成を説明する図である。ゲイン切替器３６０は、ゲイン切替信号（ｇａｉｎＳＷ）の状態（ＨまたはＬ）に応じて、乗算器３７６および乗算器３７７の制御ゲイン（比例ゲインＫｐ＿ｓｔｌおよび積分ゲインＫｉ＿ｓｔｌ）を切り替える。
本実施例では、起動直後を状態Ｈとしており、電圧の振幅の変化速度（時間微分値）を大きくしているため、高速でモード（１）を実行してモード（２）に遷移しやすい。そして、モード（２）実行中の時間Ｔ２でゲイン切替信号がＨからＬに切り替わるものとする。時間Ｔ２までの起動初期においては、圧縮要素２０の条件によっては、駆動周波数と共振周波数の乖離が大きい。このような状態で、短時間で高精度に共振周波数を検出あるいは推定することで高効率なリニアモータ駆動を実現すると共に、起動時の負荷によらず可動子６のストロークを所望のストロークに制御し、安定な起動を実現するために、制御ゲインを大きくしている。
一方、駆動周波数が共振周波数と略一致したならば、この時間をＴ２として制御ゲインを小さくする。駆動周波数と共振周波数とが略一致した状態では、電動要素３０の電気時定数に対し、圧縮要素２０の機械時定数のほうが長い。つまり、圧縮要素２０の条件による共振周波数の変化は、各制御器の応答時間よりも十分長い。そのため、制御ゲインを小さくする。

図２４の時間Ｔ４は、上位制御器（図示せず）などから、圧縮要素２０の必要流量（ストロークと駆動周波数の積で求められる）が変更になり（少なく）、ストローク指令値ｌ^＊が減少された瞬間である。この場合、ストローク検出値ｌｍが、ストローク指令値（ｌｓ^＊＿２）に達した後、圧縮要素２０による共振周波数への影響が出始め、共振周波数が低下している。この場合、必要以上に、駆動周波数調整器１３１により駆動周波数を上げると、駆動周波数が安定しない恐れがある。そのため、同様に、駆動周波数調整器１３１にもゲイン切替器３６０（図２５等参照）を構成し、ゲイン切替信号（ｇａｉｎＳＷ）の状態（ＨまたはＬ）に応じて、上述の図１３に示した、駆動周波数調整器１３１を構成する、乗算器９２ｂおよび乗算器９２ｃの制御ゲイン（比例ゲインＫｐ＿ａｄｔｒおよび積分ゲインＫｉ＿ａｄｔｒ）を切り替える。

このように、本実施例によれば、リニアモータ１０４に印加する電圧と、リニアモータ１０４に流れる電流から可動子６の位置を推定し、位置推定値を基に、高精度に共振周波数を検出あるいは推定することで高効率なリニアモータ駆動を実現することができる。さらに、交流電圧の周波数を一定に保ち振幅を単調増加させる運転モード（１）と、可動子の交流電圧と可動子位置の位相差を求め、可動子のストロークを一定に保ちつつ、その位相差が所定値となるように、交流電圧の周波数を変化させる運転モード（２）を備えることにより、起動時の負荷によらず可動子６のストロークを所望のストロークに制御し、安定な起動を実現できるリニアモータ駆動を提供することができる。また、リニアモータ１０４の負荷（例えば、圧縮要素２０の吸込圧力と吐出圧力の差に比例する）に応じて、制御ゲインを適切に切り替えることにより、無負荷（圧縮要素２０の吸込圧力と吐出圧力が均圧状態）から重負荷といった、幅広い負荷条件においても安定に起動および駆動できるリニアモータ駆動を実現することができる。

なお、本実施例に示した圧縮機は、凝縮器又は蒸発器として機能する熱交換器を備える空気調和器において、冷媒を圧送するための圧縮機に適用できる。また、圧縮機の駆動を制御するリニアモータ駆動装置として、上述の実施例１又は実施例２に示したリニアモータ駆動装置を採用することができる。
また、本実施例に示した圧縮機は、エアサスペンションにおいて車高を調整するために作動流体を圧縮する圧縮機に適用できる。また、圧縮機の駆動を制御するリニアモータ駆動装置として、上述の実施例１又は実施例２に示したリニアモータ駆動装置を採用することができる。
更にまた、本実施例に示した圧縮機は、凝縮器及び蒸発器を有する冷蔵庫において、液冷媒を圧送する圧縮機にも適用可能である。また、圧縮機の駆動を制御するリニアモータ駆動装置として、上述の実施例１又は実施例２に示したリニアモータ駆動装置を採用することができる。

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ものではない。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手続き等は、それらの一部または全部を、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、上記の各構成や機能等は、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良い。

１…シリンダブロック
１ａ…シリンダ
２…永久磁石
３…密閉容器
４…ピストン
６…可動子
７…磁極
８…巻線
９…電機子
１６…シリンダヘッド
１７…ヘッドカバー
２０…圧縮要素
２３…共振バネ（アシストバネ）
３０…電動要素
５０…密閉型圧縮機
１００，２００，３００…リニアモータシステム
１０１，２０１，３０１…リニアモータ駆動装置
１０２，２０２，３０２…制御部
１０３…電圧指令値作成器
１０４…リニアモータ
１０５…電力変換回路
１０７…電流検出器
１２２…スイッチング素子
１２６…フルブリッジ回路
１３０，２３０，３３０…位相差検出器
１３１…駆動周波数調整器
１３３…ＰＷＭ信号作成器

Claims (4)

1. 交流電圧が印加される巻線と、
   弾性体が接続する可動子と、を備えるリニアモータ制御装置であって、
   前記交流電圧の周波数を略一定に保ちつつ前記交流電圧の振幅を単調増加させる運転モード（１）と、
   前記交流電圧の振幅を略一定に保ちつつ、前記交流電圧の周波数を変化させる運転モード（２）と、を有し、
   リニアモータの起動直後に前記運転モード（１）を実行し、前記交流電圧の振幅が所定の値に達したら、前記運転モード（２）を実行すると共に、前記運転モード（１）の実行によって前記交流電圧の振幅が所定の値に達した後に、前記交流電圧の振幅を増加させる制御を実行して前記可動子の位置を推定又は検出し、前記可動子の位置の位相と、前記巻線への印加電圧またはモータ電流との位相差から共振周波数を推定することを特徴とするリニアモータ制御装置。
2. 前記可動子に接続した負荷を有し、
   前記交流電圧の周波数と、検出又は推定した前記可動子の共振周波数と、の差から前記負荷が変動したことを推定し、
   前記交流電圧の振幅、前記交流電圧の周波数、又は前記可動子の振幅のうち、１つ、２つ又は３つの時間微分値は、前記負荷が軽負荷の場合より重負荷の場合の方が大きいことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ制御装置。
3. 前記可動子に接続した負荷を有し、
   前記交流電圧の周波数と、検出又は推定した前記可動子の共振周波数と、の差から前記負荷が変動したことを推定し、
   前記負荷に応じて、前記可動子のストローク、前記巻線に流れる電流、又は前記可動子の速度に対する制御ゲイン又は制御時定数を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータ制御装置。
4. 請求項１乃至３何れか一項に記載のリニアモータ制御装置を有する圧縮機であって、
   前記可動子の位置を、前記巻線の電圧及び電流値を利用して推定することを特徴とする圧縮機。

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