JP3733095B2 - 同期電動機の脱調検出装置及び同期電動機の脱調検出方法及び冷凍空調装置用圧縮機の駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、同期電動機を回転子位置を検出するための位置センサを用いずに駆動する同期電動機駆動装置の脱調検出装置及び脱調検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は一般的な従来のインバータ装置の構成を示す図である。図において、１は直流電源部、２はインバータ装置、３ａ〜３ｆはスイッチング素子であり、３ａはＵ相上側スイッチング素子、３ｂはＶ相上側スイッチング素子、３ｃはＷ相上側スイッチング素子、３ｄはＵ相下側スイッチング素子、３ｅはＶ相下側スイッチング素子、３ｆはＷ相下側スイッチング素子である。４はスイッチング素子３のそれぞれと並列に接続された還流ダイオード、５はスイッチング素子３および複数の還流ダイオード４からなるインバータ主回路、６は埋込磁石型同期電動機である。
【０００３】
７ａは埋込磁石型同期電動機６に流入する電流のうち一相の電流を検出する電流検出手段、７ｂは電流検出手段７ａが検出する相とは異なる相の電流を検出する電流検出手段、８は電流検出手段７ａ、７ｂにより検出された電流に基づきインバータ主回路５内のスイッチング素子３をオン・オフ制御するインバータ制御手段である。
【０００４】
１０は電流検出手段７ａ、７ｂにより検出された２相分の電流から３相の電流を求める相電流演算手段、１１は相電流演算手段１０より求められた３相の電流を励磁電流成分（ｄ軸電流）とトルク電流成分（ｑ軸電流）のｄ−ｑ座標の電流に変換する座標変換手段、１２は座標変換手段１１により求められたｄ−ｑ座標電流を基に埋込磁石型同期電動機６を駆動するためのｄ−ｑ座標の出力電圧指令値を求める電圧指令値演算手段、１３は電圧指令値演算手段１２により求められたｄ−ｑ座標の出力電圧指令値を基に出力電圧ベクトルを求める出力電圧ベクトル演算手段、１４はインバータ制御手段８内で求められた出力電圧指令値を基にスイッチング素子３をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を発生させるＰＷＭ信号発生手段、１５は直流電源部１の直流電圧を検出する直流電圧検出手段、３０は相電流の過電流状態を検出する過電流検出手段である。
【０００５】
上記のように構成されたインバータ装置および埋込磁石型同期電動機における動作を、図１２を用いて説明する。図において、インバータ装置２は埋込磁石型同期電動機６に流入する相電流のうち２相分の電流を電流検出手段７ａ、７ｂより検出する。検出した２相分の電流、例えばＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流Ｉｖを用いて、インバータ制御手段８は、埋込磁石型同期電動機６を駆動するためにインバータ主回路５が出力する電圧値および電圧位相等の出力電圧指令値を演算により求め、インバータ主回路５内のスイッチング素子３をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を出力する。
【０００６】
インバータ制御手段８においては、以下に記載する動作にてＰＷＭ信号を出力する。電流検出手段７ａ、７ｂにより検出された相電流Ｉｕ、Ｉｖにより相電流演算手段１０にて３相分の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを求め、座標変換手段１１により３相分の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗはｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑに変換される。電圧指令値演算手段１２はｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑよりｄ−ｑ座標における出力電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算により求める。出力電圧ベクトル演算手段１３はｄ−ｑ座標の出力電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊より出力電圧ベクトルＶｘ＊を演算により求める。ＰＷＭ信号発生手段９は直流電圧検出手段１４より得られた直流電圧Ｖｄｃと出力電圧ベクトルＶｘ＊よりスイッチング素子３をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を求め出力する。
【０００７】
ＰＷＭ信号発生手段１４により出力されたＰＷＭ信号に基づきインバータ主回路５内のスイッチング素子３がオン・オフ動作される。スイッチング素子３のオン・オフ動作によりインバータ主回路５より埋込磁石型同期電動機６に電力が供給され、埋込磁石型同期電動機６が駆動される。
【０００８】
ここで、上記従来のインバータ装置での脱調検出は以下のように行われる。埋込磁石型同期電動機６が脱調を起こす直前では、通常の同期運転時に比べ相電流のピークレベルが大となる。この現象より電動機の脱調を検出する。例えば、過電流検出手段３０により、相電流と過電流レベルを比較し、相電流が過電流レベルを超えた場合、過電流異常とし、過電流異常により脱調検出を行う。ここで、過電流検出手段３０はハードウエアあるいはソフトウエアにより構成する。
【０００９】
また、従来の同期電動機の脱調検出装置の一例が、特開２００１−２５２８２号公報に開示されている。特開２００１−２５２８２号公報に開示された同期電動機の脱調検出装置においては、インバータ装置の出力する電圧の周期と、センサレスブラシレスモータに流れる電流の周期を比較し脱調を検出する例について開示してある。また、励磁電流成分であるｄ軸電流と脱調検出レベルを比較することにより脱調を検出する例についても開示されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−２５２８２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来のインバータ装置での脱調検出は、脱調状態を過電流という現象から検出していたため精度良く脱調検出をすることが困難であった。
【００１２】
また、脱調を起こさず同期運転を継続している場合であっても、負荷の増加や速度の過減速等により電流が増加し過電流となる場合もあり、過電流現象から脱調現象を分離することは困難であった。
【００１３】
また、過電流検出に用いる過電流レベルは、埋込磁石型同期電動機の回転子に用いる磁石の減磁耐力や、インバータ装置に用いる素子の限界電流のレベルによって設定される値であり、脱調検出に用いる検出レベルを独立に設定することが困難であった。
【００１４】
また、インバータ装置と埋込磁石型同期電動機の組み合わせによっては、脱調時の電流が同期状態の電流に比べ小となる場合もあるため過電流による検出が不可能な場合があった。
【００１５】
また、特開２００１−２５２８２号公報に開示された同期電動機の脱調検出装置においては、インバータ装置の出力する電圧の周期と、センサレスブラシレスモータに流れる電流の周期を比較し脱調を検出するため、脱調時にインバータ装置の出力する電圧周期と、同期電動機に流れる電流の周期に差がないような状態では脱調検出が不可能である。
【００１６】
また、励磁電流成分であるｄ軸電流と脱調検出レベルを比較することにより脱調を検出する手段では、励磁電流は回転数や負荷トルクの条件により変化するため脱調検出レベルを運転条件毎に設定する必要があり、設定が複雑になる。
【００１７】
この発明は以上のような問題点を解決するためになされたもので、同期電動機の負荷によらず、精度良く脱調検出を可能とする同期電動機の脱調検出装置及び同期電動機の脱調検出方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、回転子位置を検出するための位置センサを用いずに同期電動機を駆動するインバータ装置において、同期電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により得られた電流を励磁電流成分であるｄ軸電流と、トルク電流成分であるｑ軸電流のｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換手段と、座標変換手段により得られたｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方を第一の所定値と比較する電流比較手段と、ｄ−ｑ座標電流と第一の所定値とが所定時間内に交差する数を計測する交差数計測手段と、交差数計測手段により計測された交差数と第二の所定値との一致回数を計測する一致回数計測手段と、一致回数計測手段で計測された一致回数と第三の所定値を比較し一致回数が第三の所定値以上となった場合に脱調を検出する一致回数比較手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、第一の所定値をｄ−ｑ座標電流の変動の中心付近に設定したことを特徴とする。
【００２０】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、第一の所定値をｄ−ｑ座標電流に含まれる直流成分としたことを特徴とする。
【００２１】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、第一の所定値をｄ−ｑ座標電流の平均値としたことを特徴とする。
【００２２】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、ローパスフィルタを用いてｄ−ｑ座標電流の直流に近い成分のみを取り出して第一の所定値とすることを特徴とする。
【００２３】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、ローパスフィルタの遮断周波数を１．５Ｈｚとしたことを特徴とする。
【００２４】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、交差数計測手段において、所定時間内にｄ−ｑ座標電流が第一の所定値を小から大となるように交差する場合と、大から小になるように交差する場合の少なくとも一方の交差数を計測することを特徴とする。
【００２５】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、交差数計測手段において、所定時間内にｄ−ｑ座標電流が第一の所定値を小から大となるように交差する場合と、大から小になるように交差する場合の交差数をそれぞれ計測し、一致回数計測手段において、少なくともいずれか一方の交差数が第二の所定値と一致した場合に、一致と判断することを特徴とする。
【００２６】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、一致回数計測手段において交差数と第二の所定値とが連続して一致した回数を一致回数とすることを特徴とする。
【００２７】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、交差数計測手段が交差数を計測する所定時間を電動機の１回転周期の倍数としたことを特徴とする。
【００２８】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、一致回数計測手段において、交差数と比較を行う第二の所定値は電動機の極数の倍数としたことを特徴とする。
【００２９】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、一致回数比較手段における第三の所定値を、２回以上、最大は脱調を数秒で検出できる回数としたことを特徴とする。
【００３０】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、電流比較手段において比較に用いるｄ−ｑ座標電流は高周波成分を除去した後に第一の所定値と比較することを特徴とする。
【００３１】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出装置は、同期電動機の最大回転速度の極数倍の周波数を超える高周波成分を除去することを特徴とする。
【００３２】
この発明に係る冷凍空調装置用圧縮機の駆動装置は、請求項１〜１４の何れかに記載の同期電動機の脱調検出装置を搭載したことを特徴とする。
【００３３】
この発明に係る同期電動機の脱調検出方法は、回転子位置を検出するための位置センサを用いずに同期電動機を駆動するインバータ装置において、同期電動機に流れる電流を検出する電流検出ステップと、電流検出手段により得られた電流を励磁電流成分であるｄ軸電流とトルク電流成分であるｑ軸電流のｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換ステップと、座標変換ステップにより得られたｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方を第一の所定値と比較するｄ−ｑ座標電流比較ステップと、ｄ−ｑ座標電流と第一の所定値とが所定時間内に交差する数を計測する交差数計測ステップと、交差数計測ステップより得られた交差数と第二の所定値の一致回数を計測する一致回数計測ステップと、一致回数計測ステップで計測された一致回数と第三の所定値を比較し一致回数が第三の所定値以上となった場合に脱調を検出する一致回数比較ステップと、を備えたことを特徴とする。
【００３４】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出方法は、ｄ−ｑ座標電流比較ステップでは、ｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方と第一の所定値との大小を比較して、ｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方が第一の所定値より大きい場合と小さい場合の比較結果信号を出力し、交差数計測ステップでは比較結果信号の変化を検出することを特徴とする。
【００３５】
また、この発明に係る同期電動機の脱調検出方法は、ｄ−ｑ座標電流比較ステップでは、ｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方と第一の所定値との差を求め、その差の符号が正から負または負から正に変化した場合と変化しない場合の比較結果信号を出力し、交差数計測ステップでは比較結果信号から交差数を検出することを特徴とする。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、埋込磁石型同期電動機を例に挙げて説明するが、これはあくまでも一例であり、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスに差がある突極型の同期電動機であれば、以下に説明する方法により脱調検出が可能である。
【００３７】
実施の形態１．
図１は実施の形態１を示す図で、インバータ装置の構成を示す図である。図において、１は直流電源部、２はインバータ装置、３はスイッチング素子であり、３ａはＵ相上側スイッチング素子、３ｂはＶ相上側スイッチング素子、３ｃはＷ相上側スイッチング素子、３ｄはＵ相下側スイッチング素子、３ｅはＶ相下側スイッチング素子、３ｆはＷ相下側スイッチング素子である。４はスイッチング素子３のそれぞれに並列に接続された還流ダイオード、５はスイッチング素子３およびスイッチング素子３のそれぞれに並列に接続された還流ダイオード４からなるインバータ主回路、６は埋込磁石型同期電動機である。
【００３８】
７ａは埋込磁石型同期電動機６に流入する電流のうち一相の電流を検出する電流検出手段、７ｂは電流検出手段７ａと異なる相の電流を検出する電流検出手段、８は電流検出手段７ａ、７ｂにより検出された電流に基づきインバータ主回路５内のスイッチング素子３をオン・オフ制御するインバータ制御手段である。
【００３９】
９はインバータ制御手段８内に設けられた埋込磁石型同期電動機６の駆動制御を行う電動機制御部、１０は電流検出手段７ａ、７ｂにより検出された２相分の電流から３相の電流を求める相電流演算手段、１１は相電流演算手段１０より求められた３相の電流をｄ−ｑ座標の電流に変換する座標変換手段、１２は座標変換手段１１により求められたｄ−ｑ座標電流を基に埋込磁石型同期電動機６を駆動するためのｄ−ｑ座標の出力電圧指令値を求める電圧指令値演算手段、１３は電圧指令値演算手段１２により求められたｄ−ｑ座標の出力電圧指令値を基に出力電圧ベクトルを求める出力電圧ベクトル演算手段、１４はインバータ制御手段８内で求められた出力電圧指令値を基にスイッチング素子３をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を発生させるＰＷＭ信号発生手段、１５は直流電源部１の直流電圧を検出する直流電圧検出手段である。
【００４０】
１６はインバータ制御手段８内に設けられた埋込磁石型同期電動機６の脱調を検出する脱調検出手段で、電流比較手段１７、交差数計測手段１８、一致回数計測手段１９、一致回数比較手段２０で構成される。
【００４１】
電流比較手段１７は座標変換手段１１より得られたｄ−ｑ座標電流と脱調検出のための基準電流となる第一の所定値との大小を比較する。交差数計測手段１８は電流比較手段１７により得られた比較結果を基に、ｄ−ｑ座標電流が第一の所定値と交差する数を所定時間計測する。一致回数計測手段１９は交差数計測手段１８より得られた所定時間の交差数と脱調検出の基準となる第二の所定値を比較し交差数と第二の所定値とが一致する回数を計測する。一致回数比較手段２０は一致回数計測手段１９より得られた一致回数と第三の所定値を比較し、一致回数が第三の所定値以上となった場合に脱調を検出する。
【００４２】
上記のように構成されたインバータ装置の動作を図１を用いて説明する。図において、インバータ装置２は埋込磁石型同期電動機６に流入する相電流のうち２相分の電流を電流検出手段７ａ、７ｂより検出する。検出した２相分の電流、例えばＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流Ｉｖを用いて、インバータ制御手段８は、埋込磁石型同期電動機６を駆動するためにインバータ主回路５が出力する電圧値および電圧位相等の出力電圧指令値を演算により求め、インバータ主回路５内のスイッチング素子３をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を出力する。
【００４３】
インバータ制御手段８内の電動機制御部９では、インバータ装置の電動機駆動の処理を行う。ここでは、以下に記載する動作にて電動機駆動のためのＰＷＭ信号を出力する。電流検出手段７ａ、７ｂにより検出された相電流Ｉｕ、Ｉｖにより相電流演算手段１０にて３相分の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを求め、座標変換手段１１により３相分の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗはｄ−ｑ座標の電流Ｉｄ、Ｉｑに変換される。電圧指令値演算手段１２はｄ−ｑ座標の電流Ｉｄ、Ｉｑおよび回転速度指令値ｆ＊に基づき、ｄ−ｑ座標における出力電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算により求める。
【００４４】
ここで、回転速度指令値ｆ＊はインバータ装置の上位装置、例えばインバータ装置の搭載されたシステムのメインマイコンや他のインターフェース（マンマシンインターフェースなど）より与えられる。出力電圧ベクトル演算手段１３はｄ−ｑ座標の出力電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊より出力電圧ベクトルＶｘ＊を演算により求める。ＰＷＭ信号発生手段１４は直流電圧検出手段１５より得られた直流電圧Ｖｄｃと出力電圧ベクトルＶｘ＊よりスイッチング素子３をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を求め出力する。
【００４５】
ＰＷＭ信号発生手段１４により出力されたＰＷＭ信号に基づき、インバータ主回路５内のスイッチング素子３がオン・オフ動作される。スイッチング素子３のオン・オフ動作によりインバータ主回路５より埋込磁石型同期電動機６に電力が供給され、埋込磁石型同期電動機６が駆動される。
【００４６】
本発明の最も重要な特徴部分である脱調検出の一例である脱調検出手段１６について、以下説明する。
インバータ制御手段８内の脱調検出手段１６では、以下に記載する動作により埋込磁石型同期電動機６の脱調検出処理を行う。座標変換手段１１より得られたｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑは、電流比較手段１７において第一の所定値である電流基準値Ｉｔｈとの大小を比較し、比較結果信号Ｓｉが出力される。
【００４７】
ここで、例えば比較する値としてトルク分電流であるｑ軸電流Ｉｑを用いるとし、比較結果信号ＳｉはＩｑ≧ＩｔｈのときＳｉ＝１、Ｉｑ＜ＩｔｈのときＳｉ＝０と出力する。
【００４８】
交差数計測手段１８は、電流比較手段１７より得られた比較結果信号Ｓｉが所定時間Ｔｍ内に０から１、または１から０に変化する回数である交差数Ｎｃを計測する。
【００４９】
一致回数計測手段１９では、交差数Ｎｃを第二の所定値である脱調交差数Ｎｅｒｒと比較し交差数Ｎｃと脱調交差数Ｎｅｒｒが一致Ｎｃ＝Ｎｅｒｒとなる一致回数Ｎｅｑを計測する。
【００５０】
一致回数比較手段２０では、一致回数計測手段１９より得られた一致回数Ｎｅｑが脱調検出レベルＥｒｒｏｒ＿Ｌｅｖｅｌ以上となった場合、脱調異常信号Ｓｙ＿ｅｒｒに１を出力する。脱調でない場合の脱調異常信号Ｓｙ＿ｅｒｒは０である。
【００５１】
脱調検出手段１６より、脱調異常信号Ｓｙ＿ｅｒｒ＝１が出力された場合、ＰＷＭ信号発生手段１４はインバータ主回路５内のスイッチング素子３をすべてオフさせるための信号を出力し、インバータ主回路５から埋込磁石型同期電動機６への電力の供給を停止する。同時に、インバータ制御手段８の動作も停止させる。
【００５２】
次に、本発明による脱調検出法の一例を、図１〜図４を用いて詳細に説明する。図２に示す波形図は、埋込磁石型同期電動機６が正常に同期運転している場合の各種波形の一例を示すものである。図２において、波形（ａ）はインバータ制御手段８の中で用いられている位相角（電気角位相）、波形（ｂ）は座標変換手段１１で得られるｄ−ｑ座標電流のうちのｑ軸電流Ｉｑ、波形（ｃ）は電流比較手段１７で比較されるｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈ、波形（ｄ）は電流比較手段１７でｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈとの比較結果である比較結果信号Ｓｉを示す。
【００５３】
図３に示す波形図は埋込磁石型同期電動機６が正常に同期運転している場合で、特に埋込磁石型同期電動機６に接続された負荷の電動機一回転における変動が大である場合の各種波形の一例を示すものである。電動機一回転における負荷変動の大きなものとして、例えばレシプロ圧縮機などが挙げられる。
【００５４】
図３において、波形（ａ）はインバータ制御手段８の中で用いられている位相角（電気角位相）、波形（ｂ）は座標変換手段１１で得られるｄ−ｑ座標電流のうちのｑ軸電流Ｉｑ、波形（ｃ）は電流比較手段１７で比較されるｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈ、波形（ｄ）は電流比較手段１７でｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈとの比較結果である比較結果信号Ｓｉを示す。
【００５５】
図４に示す波形図は埋込磁石型同期電動機６が、脱調状態の場合の各種波形の一例を示すものである。図４において、波形（ａ）はインバータ制御手段８の中で用いられている位相角（電気角位相）、 波形（ｂ）は座標変換手段１１で得られるｄ−ｑ座標電流のうちのｑ軸電流Ｉｑ、波形（ｃ）は電流比較手段１７で比較されるｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈ、波形（ｄ）は電流比較手段１７でｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈとの比較結果である比較結果信号Ｓｉを示す。
【００５６】
ここで、図２、図３、図４に示す波形図は埋込磁石型同期電動機６の例として回転子の極数が６極電動機における波形を示している。
【００５７】
図２に示すように、同期電動機は同期運転時であれば、ｄ軸電流Ｉｄ（図示せず）およびｑ軸電流Ｉｑはほぼ直流となり、Ｉｑ＝Ｉｔｈである。このため、基準電流Ｉｔｈと比較した結果である比較結果信号Ｓｉは、基準電流Ｉｔｈに応じて１となりほぼ変化しない。
【００５８】
また、図３に示すように同期運転時であっても、電動機負荷の一回転中の変動が大きい場合（例えばレシプロ圧縮機の場合）、ｄ軸電流Ｉｄ（図示せず）およびｑ軸電流Ｉｑに電動機一回転当たり一回の変動が生じる。つまり、電動機の回転周波数に対し、１倍の周波数成分がｑ軸電流Ｉｑに生じる。この場合、電動機の一回転周期Ｔｍ（６極であるので電気角で３周期）にｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈの交差する回数は２回（０から１に変化が１回、１から０に変化が１回）となる。
【００５９】
一方、図４に示すような脱調状態であれば、ｄ軸電流Ｉｄ（図示せず）、ｑ軸電流Ｉｑに電動機一回転当たり回転子の極数Ｐｍ（図４では、Ｐｍ＝６）と同じ数の変動が生じる。つまり、電動機の回転周波数に対し、６倍の周波数成分がｑ軸電流Ｉｑに生じる。この場合、電動機の一回転周期Ｔｍ（６極であるので電気角で３周期）にｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈの交差する回数は１２回（０から１に変化が６回、１から０に変化が６回）となる。
【００６０】
よって、埋込磁石型同期電動機６が脱調している場合はｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに電動機一回転周波数に相当する電気角周期中に電動機の極数Ｐｍの２倍（比較結果信号Ｓｉにおいて０から１の変化と１から０への変化を含めて）の基準電流Ｉｔｈとの交差が生じる。
【００６１】
つまり図２、図３、図４で例に挙げた６極電動機においては、電動機１回転に相当する電気角３周期Ｔｍ中に６極の２倍の１２回交差数Ｎｃが生じる。
【００６２】
以上から、脱調時と同期時とではｄ−ｑ座標電流の基準電流に対して変動する頻度が異なり、特に脱調時は回転速度に関係なく電動機に応じてその頻度（基準電流との交差数）が一つに決まる。このため、この違いを検出することで脱調を検出することが可能となる。
【００６３】
具体的には、所定時間Ｔｍ内のｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈとの交差数Ｎｃを脱調検出周期毎に計測し、交差数Ｎｃが脱調時の交差数Ｎｅｒｒと一致した場合、脱調の可能性があるとし、Ｎｃ＝Ｎｅｒｒとなる一致回数が第三の所定値である脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ以上となった場合に脱調と判断する。これは、電流検出に含まれるノイズなどの影響により、脱調時以外にＮｃ＝Ｎｅｒｒとなる可能性を考慮し、交差数Ｎｃと脱調交差数Ｎｅｒｒとが一致した回数が脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ以上となった場合にのみ脱調と判断するようにする。
【００６４】
ここで、一回転当たりの変動の大きな負荷を駆動する電動機において、電動機の回転速度が高くなるに連れて、電動機への負荷変動による影響が小となり、負荷変動に起因したｄ−ｑ座標電流に生じる変動成分は減少する。この場合、低速運転時に図３のような電流波形であっても、高速運転になるに従い、徐々に図２のようなｄ−ｑ座標電流に含まれる変動は少なくなる状態へと移行する。但し、高速運転時おいても脱調時のようなｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈが電動機の極数Ｐｍの倍数で交差することはない。
【００６５】
一方、高速回転時の脱調では、ｑ軸電流に生じる電流変動成分の大きさは低速運転時に比べ減少するものの、所定時間のｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈが電動機の極数Ｐｍの倍数で交差することは低速運転時と同様に生じる。このため、回転速度が変わっても同様の手法で脱調検出を行うことが可能である。
【００６６】
ここで、図２と図４とを比較すると、一回転中における変動の小さい負荷を駆動する電動機では、図２に示すように同期運転時のｄ−ｑ座標電流に生じる変動成分（交流成分）は小さく、図４に示す脱調時のｄ−ｑ座標電流に生じる変動成分（交流成分）は同期時に比べて大い。このように一回転中における変動が小さい負荷を駆動する電動機であれば、ｄ−ｑ座標電流に含まれる交流成分を検出し、その交流成分の大きさが所定値を超えた場合に脱調とすることで、脱調検出を行ってもよい。
【００６７】
しかし、図３に示すように一回転中における変動が大きい負荷を駆動する電動機では、同期運転中においてもｄ−ｑ座標電流に大きな変動が生じる。運転条件によっては脱調時に生じるｄ−ｑ座標電流の変動成分よりも同期運転時に生じるｄ−ｑ軸電流の変動成分のほうが大となる場合がある。本発明による同期電動機の脱調検出装置を用いることで、このような、一回転中における変動の大きい負荷を駆動する電動機の場合でも精度良く脱調を検出することができる。
【００６８】
ここで、図２〜図４のようにｄ軸電流Ｉｄ（図示せず）およびｑ軸電流Ｉｑに同期時と脱調時に差異が現れる現象について、図５〜図７を用いて以下に説明する。図５に永久磁石型同期電動機の回転子とインバータ制御手段８上の座標の関係を示す。図５において、回転子上でＮ極側をｄ軸とし、回転方向に９０度進んだ位相をｑ軸とするのが一般的である。
【００６９】
同期電動機の駆動に回転子の位置を検出する位置センサを用いない場合、インバータ制御手段８では回転子のｄ−ｑ軸を正確に捉えることができないため、インバータ制御手段８側では、推測したｄ−ｑ軸としてγ−δ軸を定義する。また、３相固定座標のＵ相から見たインバータ制御手段の位相角を電気角位相θｅとする。
【００７０】
同期電動機において特に埋込磁石型同期電動機のようなｄ軸とｑ軸のインダクタンスが異なる突極型電動機について説明する。同期運転状態では、電動機回転子とインバータの出力電圧位相とに同期が取れている状態である。このため回転子位相（ｄ−ｑ軸）とインバータの出力電圧位相（γ−δ軸）との関係が一定の位相差Δθを保った状態、つまりインバータの出力電圧位相γ−δ軸を基準とした場合、図６のようにγ−δ軸から見たインダクタンスＬγ、Ｌδが一定の状態で動作していることとなり、ｄ軸電流Ｉｄ（Ｉγ）とｑ軸電流Ｉｑ（Ｉδ）はほぼ直流となる。
【００７１】
但し、一回転中の変動が大きな負荷を駆動する電動機では、負荷変動に応じて回転むらが生じる。このためインバータの出力電圧位相γ−δ軸と回転子位相ｄ−ｑ軸とが一回転中に変動を起こすためｄ軸電流Ｉｄ（Ｉγ）とｑ軸電流Ｉｑ（Ｉδ）に一回転毎の変動が発生する。
【００７２】
一方、脱調状態では、回転子位相とインバータの出力電圧位相との関係が常に変動する状態、つまり、インバータの出力電圧位相γ−δ軸のみが回転し、回転子位相ｄ−ｑ軸は停止した状態となるため、図７のようにγ−δ軸から見たインダクタンスＬγ、Ｌδが常に変動する状態となり、ｄ軸電流Ｉｄ（Ｉγ）およびｑ軸電流Ｉｑ（Ｉδ）が回転位相毎に変動し、それぞれに変動が発生する。このとき一回転中のインダクタンスの変化が電動機の回転子極数Ｐｍと同じだけ発生する。図５の例では２極であるためＬγとＬδの変動は１回転２回となる。
【００７３】
このように、回転子一回転中のｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑの変動数を検出することで、回転子の動作状態を把握することができ、これにより同期電動機の脱調が検出可能となる。
【００７４】
ここで、第一の所定値である基準電流Ｉｔｈの設定方法の一例を以下に示す。以上に説明したように、本発明による脱調検出では、ｑ軸電流Ｉｑと基準電流Ｉｔｈの交差数から脱調を検出する方法である。このため、基準電流Ｉｔｈはｑ軸電流の変動の中心付近に設定すれば良い。例えば、ｑ軸電流Ｉｑの平均値Ｉｑ＿ｆｉｌ、またはｑ軸電流の直流成分Ｉｑ＿ｄｃとすればよい。ｑ軸電流をローパスフィルタなどを用いてｑ軸電流の直流成分あるいは低周波数成分を抽出し基準電流Ｉｔｈとすれば良い。直流に近い成分のみを取り出すにはローパスフィルタの遮断周波数として、例えば１．５Ｈｚとすればよい。
【００７５】
このように、基準電流Ｉｔｈを演算で求める場合の制御ブロック図を図８に示す。図８は図１の脱調検出手段１６のみを取り出したものを示しており、符号の同じものは図１と同じ手段を示す。図８のように電流比較手段１７に用いる基準電流Ｉｔｈは、基準電流演算手段２１によりｑ軸電流Ｉｑの平均値Ｉｑ＿ｆｉｌ、またはｑ軸電流の直流成分Ｉｑ＿ｄｃが演算により求められる。
【００７６】
また、第二の所定値である脱調交差数Ｎｅｒｒ及び交差数計測の所定時間Ｔｍの設定方法の一例を以下に示す。以上の説明より、脱調時は回転子一回転当たりに電動機の極数Ｐｍの２倍の交差数Ｎｃが生じる。以上より所定時間Ｔｍは回転子一回転当たりの電気角周期Ｔｅのｎ倍とし、脱調交差数Ｎｅｒｒは電動機極数Ｐｍの２ｎ倍とすればよい。
【００７７】
ただし、所定時間Ｔｍを回転子一回転当たりの電気角周期Ｔｅのｎ倍とした場合、回転子の回転速度によりＴｍの値は異なることになる。これにより、交差数Ｎｃは所定時間Ｔｍの周期で計測・更新されることとなる。前記した例で示したように、６極電動機（Ｐｍ＝６）を対象とするのであれば、所定時間Ｔｍを回転子一回転（ｎ＝１）の時間（回転周波数により異なる）とし、このときの脱調交差数はＮｅｒｒ＝Ｐｍ×２×ｎ＝６×２×１＝１２とすればよい。
【００７８】
交差数計測の際に比較結果信号Ｓｉの変化のうち、立下り（１から０に変化）または立上がり（０から１へ変化）の少なくともどちらか一方を用いて脱調交差数を計測してもよい。この場合、所定時間Ｔｍを回転子一回転当たりの電気角周期Ｔｅのｎ倍とすれば、脱調交差数Ｎｅｒｒは電動機極数Ｐｍのｎ倍とすればよい。前記した例に示したように６極電動機（Ｐｍ＝６）を対象とするのであれば、所定時間Ｔｍを回転子一回転（ｎ＝１）の時間（回転周波数により異なる）とし、このときの脱調交差数はＮｅｒｒ＝Ｐｍ×ｎ＝６×１＝６とすればよい。以上から脱調交差数Ｎｅｒｒおよび所定時間（交差数計測時間）Ｔｍは電動機の極数に基づき設定すればよい。
【００７９】
ここで、図４に示す波形において、交差数計測時間（所定時間Ｔｍ）の計測開始時（あるいは計測終了時）がｑ軸電流（あるいはｄ軸電流）と基準電流Ｉｔｈの交差時とほぼ一致した場合、交差数が適切に検出できない場合がある。このような場合は、前記のように比較結果信号Ｓｉの変化のうち、所定時間Ｔｍ内の立下り（１から０に変化）または立上がり（０から１へ変化）の数をそれぞれ測定し、少なくともどちらか一方がＮｅｒｒと一致した場合に交差数が脱調交差数と一致Ｎｃ＝Ｎｅｒｒと判断し、一致回数Ｎｅｑを１増加させればよい。
【００８０】
また、第三の所定値である脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌの設定方法の一例を以下に示す。前述したように交差数Ｎｃと脱調交差数Ｎｅｒｒがノイズ等の影響ににより一致する可能性がある。これを回避するため、Ｎｃ＝Ｎｅｒｒが脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ以上となった場合に脱調を検出するようにする。脱調時は脱調検出周期毎に連続してＮｃ＝Ｎｅｒｒとなるため、Ｎｃ＝Ｎｅｒｒが連続して脱調検出ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ回以上発生した場合に脱調とすればよい。
【００８１】
誤検出を防ぐためにも連続発生時のみとしたほうが良い。その方法として、例えば前回計測した所定時間Ｔｍ内の交差数Ｎｃが脱調交差数Ｎｅｒｒと一致Ｎｃ＝Ｎｅｒｒで、今回もＮｃ＝Ｎｅｒｒであれば、一致回数Ｎｅｑに１を加える。前回がＮｃ＝Ｎｅｒｒで今回Ｎｃ≠Ｎｅｒｒの場合は一致回数Ｎｅｑを０にクリアすればよい。
【００８２】
脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌの設定例を以下に示す。ノイズによる誤検出回避のため、最低でもＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ≧２とする。また、ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌを大きくすると脱調が検出されるまでの時間が長くなることとなる。電動機の最低回転速度を脱調状態が継続することで電動機や電動機の負荷となる装置が破損する可能性や脱調により振動や騒音が生じる可能性がある場合は数秒単位で脱調を検出する必要がある。６極電動機で所定時間Ｔｍを回転子一回転の時間とし、回転子の最低回転数が２０Ｈｚである場合、脱調を５秒以内で検出するためにＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ≦１００とすればよい。
【００８３】
また、図２に示すように、電動機の負荷において電動機の一回転中の負荷変動がほとんどない場合は、ｄ軸電流（図示せず）Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑには理想的には変動が生じない。しかし、実際に電動機を駆動する場合は、Ｉｄ、Ｉｑに変動成分（交流成分）が重畳する。この場合、基準電流Ｉｔｈと、様々な外乱によりＩｄ、Ｉｑが頻繁に交差することとなり、交差数Ｎｃが乱数的に変化する。この場合脱調条件である脱調交差数Ｎｅｒｒと交差数Ｎｃが一致する可能性は極めて低い。また、たとえＮｃ＝Ｎｅｒｒとなったとしても、これが連続して発生しその回数が脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ以上となることはさらに低くなる。このようにＮｃ＝Ｎｅｒｒとなることが連続してＮＧ＿Ｌｅｖｅｌ以上発生するときのみ脱調とすることで脱調検出の信頼性を上げることができる。
【００８４】
また、ｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑに含まれる交流成分において、電動機の一回転中の負荷変動による変動成分や脱調時に発生する変動成分以外に、ＰＷＭによる電流の歪や、永久磁石の着磁波形の歪などの外乱により発生する変動成分が含まれることがある。電流比較手段１７でｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑと基準電流Ｉｔｈを比較する際にこれらのノイズによって交差が生じる場合がある。この場合、交差数の検出精度が低下するため脱調検出能力も低下する。このような場合は、基準電流Ｉｔｈと比較するｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑに対しフィルタ処理を行い、ノイズ成分を除去することで検出精度の低下を抑制すればよい。
【００８５】
このような場合、脱調検出に必要な周波数成分は回転周波数の極数倍なので、脱調検出に必要となる電動機の最大回転速度の極数倍の周波数成分を超える成分を除去することで、ノイズによる検出精度の低下を抑制すればよい。例えば、６極の電動機に対して、回転子の最大回転速度が８０Ｈｚの場合、８０×６＝４８０Ｈｚを超える周波数成分をカットするようなローパスフィルタとすればよい。
【００８６】
このようにのｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑに対しノイズ除去（ローパスフィルタ）を構成した場合の制御ブロック図を図９に示す。図９は図１の脱調検出手段１６のみを取り出したものを示しており、符号の同じものは図１と同じ手段を示す。図９のように電流比較手段１７で用いるｑ軸電流Ｉｑに対しノイズ除去手段２２（ローパスフィルタ）を用いて脱調検出に関係のない周波数成分（高周波成分）を除去した値Ｉｑ＿ｆｉｌを用いることで、ノイズに対する脱調検出精度の低下を抑制すればよい。
【００８７】
本発明による脱調検出の流れを、図１０を用いて説明する。図１０において、ＳＴＰ１は脱調検出処理を開始する脱調検出開始ステップ、ＳＴＰ２は脱調検出の周期を管理する脱調検出周期判断ステップである。ＳＴＰ３は埋込磁石型同期電動機６に流入する電流を検出する相電流検出ステップであり、図１の相電流検出手段７ａ，７ｂで行う動作に相当する。ＳＴＰ４は３相分の相電流を演算する相電流演算ステップであり、図１の相電流演算手段１０で行う動作に相当する。ＳＴＰ５は３相電流をｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換ステップであり、図１の座標変換手段１１で行う動作に相当する。
【００８８】
ＳＴＰ６はｄ−ｑ座標電流と第一の所定値である基準電流とを比較し、比較結果出力信号を出力する電流比較ステップであり、図１の電流比較手段１７で行う動作に相当する。電流比較ステップＳＴＰ６は、図１０のようには構成される。電流比較ステップＳＴＰ６の内部でＳＴＰ６ａはｄ−ｑ座標電流と第一の所定値である基準電流Ｉｔｈとを比較する電流比較判断ステップ、ＳＴＰ６ｂは電流比較ステップＳＴＰ６ａの結果に基づき比較結果信号を出力する比較結果信号出力ステップ１、ＳＴＰ６ｃは電流比較判断ステップＳＴＰ６ａの結果に基づき比較結果信号を出力する比較結果信号出力ステップ２である。
【００８９】
ＳＴＰ７は電流比較ステップＳＴＰ６ので得られる比較結果信号から所定時間におけるｄ−ｑ座標電流と第一の所定値である基準電流Ｉｔｈとの交差数を計測する交差数計測ステップであり、図１の交差数計測手段１８で行う動作に相当する。交差数計測ステップＳＴＰ７は、図１０のように構成される。交差数計測ステップＳＴＰ７の内部において、ＳＴＰ７ａは電流比較ステップＳＴＰ６で得られる比較結果出力信号からｄ−ｑ座標電流と第一の所定値である基準電流Ｉｔｈの交差を検出する交差検出ステップ、ＳＴＰ７ｂは交差検出ステップＳＴＰ７ａで交差が検出された場合に交差数をカウントする交差数カウントステップ、ＳＴＰ７ｃは交差数の計測時間を更新する計測時間更新ステップ、ＳＴＰ７ｄは現在の計測時間が所定時間内か否かを計測する所定時間計測ステップである。
【００９０】
ＳＴＰ８は所定時間内の交差数が第二の所定値である脱調交差回数と一致する回数を計測する一致回数計測ステップであり、図１の一致回数計測手段１９で行う動作に相当する。一致回数計測ステップＳＴＰ８は、図１０のように構成される。一致回数計測ステップＳＴＰ８において、ＳＴＰ８ａは交差数Ｎｃと第二の所定値である脱調交差数Ｎｅｒｒを比較する交差数比較ステップ、ＳＴＰ８ｂは交差数比較ステップＳＴＰ８ａの結果が一致であった場合、一致回数をカウントする一致回数カウントステップ、ＳＴＰ８ｃは交差数比較ステップＳＴＰ８ａの結果が一致でなかった場合に脱調検出に用いた変数をクリアする変数クリアステップである。
【００９１】
ＳＴＰ９は一致回数計測ステップＳＴＰ８で得られた一致回数を第三の所定値である脱調検出回数Ｎｅｒｒと比較し脱調の発生の有り無しを検出する一致回数比較ステップであり、図１の一致回数比較手段２０での処理に相当する。一致回数比較ステップＳＴＰ９は、図１０のように構成される。一致回数比較ステップＳＴＰ９において、ＳＴＰ９ａは一致回数計測ステップＳＴＰ８で得られた一致回数を第三の所定値である脱調検出回数Ｎｅｒｒと比較し脱調か同期かを判断する一致回数比較判断ステップ、ＳＴＰ９ｂは一致回数比較判断ステップＳＴＰ９ａでの結果が同期であった場合に脱調検出に使用した変数をクリアする変数クリアステップである。
【００９２】
ＳＴＰ１０は一致回数比較ステップの結果が脱調であった場合ＰＷＭの出力を停止させるＰＷＭ出力停止ステップ、ＳＴＰ１１は脱調異常としてインバータを停止される停止ステップである。
【００９３】
脱調検出の流れは以下のようになる。ＳＴＰ１の脱調検出開始ステップで、電動機の駆動制御とともに脱調検出処理が開始される。ＳＴＰ２の脱調検出周期判断ステップでは脱調検出周期Ｔｓを管理し脱調検出周期Ｔｓ毎に、ＳＴＰ３以降の脱調検出処理を実行する。ＳＴＰ３の相電流検出ステップでは電流検出手段７ａ、７ｂにより埋込磁石型同期電動機６に流入する電流の少なくとも２相分例えばＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖを検出する。ＳＴＰ４の相電流演算ステップでは相電流検出ステップＳＴＰ３で得られた相電流Ｉｕ、Ｉｖから相電流演算手段１０より３相分の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを演算する。ＳＴＰ５の座標変換ステップは相電流演算ステップＳＴＰ４で得られた３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを座標変換手段１１によりｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑに座標変換する。ここで、相電流演算ステップＳＴＰ４は省略可能であり、電流検出ステップＳＴＰ３から座標変換ステップＳＴＰ５へ進むことも可能である。
【００９４】
ＳＴＰ６の電流比較ステップでは、電流比較手段１７にて座標変換ステップＳＴＰ４で得られたｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑを第一の所定値である基準電流Ｉｔｈと比較し比較結果信号Ｓｉを求める。詳しくは、ＳＴＰ６ａの電流比較判断ステップで、ｄ−ｑ座標電流の例えばｑ軸電流Ｉｑと第一の所定値による基準電流Ｉｔｈと大小を比較する。Ｉｑ＞Ｉｔｈの場合ＳＴＰ６ｂに進みそれ以外の場合はＳＴＰ６ｃに進む。ＳＴＰ６ｂの比較結果信号出力ステップ１では比較結果信号ＳｉをＳｉ＝１と出力し、ＳＴＰ６ｃの比較結果信号出力ステップ２では比較結果信号ＳｉをＳｉ＝０と出力する。
【００９５】
ＳＴＰ７の交差数計測ステップでは、交差数計測手段１８にて、電流比較ステップＳＴＰ６で得られた比較結果信号Ｓｉより所定時間Ｔｍのｄ−ｑ座標電流Ｉｄ，Ｉｑと基準電流Ｉｔｈの交差数Ｎｃを計測する。詳しくはＳＴＰ７ａの交差検出ステップで比較結果信号Ｓｉの変化を検出する。比較結果信号Ｓｉが０から１（立上がり）あるいは１から０（立下り）と変化した場合、ＳＴＰ７ｂに進み、変化しなかった場合（０から０あるいは１から１）ＳＴＰ７ｃに進む。ＳＴＰ７ｂの交差数カウントステップでは、比較結果信号Ｓｉに変化があったとして、交差数Ｎｃに１を加えＳＴＰ７ｃに進む。ＳＴＰ７ｃの計測時間更新ステップでは、計測時間ｔｋに脱調検出周期Ｔｓを加え計測時間ｔｋを更新する。ＳＴＰ７ｄの所定時間計測ステップは計測時間ｔｋが所定時間Ｔｍになったか否かを判断し、所定時間Ｔｍを経過した場合は、ＳＴＰ８の一致回数計測ステップに進む。所定時間Ｔｍを経過していない場合はＳＴＰ２の脱調検出周期判断ステップに戻る。
【００９６】
ＳＴＰ８の一致回数計測ステップでは、一致回数計測手段１９にて交差数計測ステップＳＴＰ７で得られた所定時間Ｔｍの交差回数Ｎｃが第二の所定値である脱調検出回数Ｎｅｒｒと一致した回数Ｎｅｑを脱調検出周期Ｔｓ毎に計測する。詳しくは、ＳＴＰ８ａの交差数比較ステップでは、交差数計測ステップＳＴＰ７で得られた所定時間Ｔｍの交差回数Ｎｃと第二の所定値である脱調検出回数Ｎｅｒｒとを比較する。この結果Ｎｃ＝Ｎｅｒｒであった場合、ＳＴＰ８ｂに進み、Ｎｃ≠Ｎｅｒｒの場合ＳＴＰ８ｃに進む。ＳＴＰ８ｂの一致回数カウントステップでは、交差回数Ｎｃと脱調検出回数Ｎｅｒｒの一致回数Ｎｅｑに１を加える。ＳＴＰ８ｃの変数クリアステップでは、Ｎｃ≠Ｎｅｒｒの結果から脱調の可能性はないとし、次の所定時間の脱調検出処理を行うため計測時間ｔｋ、交差数Ｎｃを０にクリアし、ＳＴＰ２の脱調検出周期判断ステップに戻る。ＳＴＰ８ｃで一致回数Ｎｅｑも同時にクリアするとＮｃ＝Ｎｅｒｒが所定時間Ｔｍ毎に連続して発生したときのみ脱調検出を行うようにすることができる。
【００９７】
ＳＴＰ９の一致回数比較ステップでは、一致回数比較手段２０にて一致回数計測ステップＳＴＰ８で得られた一致回数Ｎｅｑと第三の所定値である脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌを比較し、脱調か同期かを判断する。詳しくは一致回数比較判断ステップＳＴＰ９ａにて一致回数計測ステップＳＴＰ８で得られた一致回数Ｎｅｑと第三の所定値である脱調検出回数ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌを比較しＮｅｑ≧ＮＧ＿Ｌｅｖｅｌとなった場合に脱調と判断し、ＳＴＰ１０に進む。これ以外の場合は、同期運転と判断し、ＳＴＰ９ｂ進む。変数クリアステップＳＴＰ９ｂでは、一致回数比較判断ステップＳＴＰ９ａにて同期と判断された場合、次の所定時間の脱調検出処理を行うため計測時間ｔｋ、交差数Ｎｃを０にクリアし、ＳＴＰ２の脱調検出周期判断ステップに戻る。
【００９８】
ＳＴＰ１０のＰＷＭ停止ステップでは、一致回数比較ステップＳＴＰ９にて脱調を検出した場合にインバータの電圧出力を停止するため、ＰＷＭ信号発生手段１４のＰＷＭ信号出力を停止させる。
【００９９】
ＳＴＰ１１のインバータ停止ステップでは、インバータ制御手段８の動作も停止させ、異常表示をするなどしてインバータ装置の動作を停止させる。
【０１００】
ここで、以上で説明した脱調検出の流れにおいては、所定時間Ｔｍの計測に脱調検出周期Ｔｓを用いて求める手法について示しているが、図２または図３または図４に示したように、インバータ制御手段８で用いている電気角位相θｅを用いても同様に所定時間Ｔｍを求めることができる。図２から図４までの例のように６極の電動機であれば計測開始からの電気角位相が３６０×３＝１０８０度となったときがＴｍに相当することとなる。
【０１０１】
また、図１０に示した脱調検出の流れと異なる脱調検出の流れを図１１に示す。図１１に示す脱調検出の流れにおいては、図１０の特に電流比較ステップＳＴＰ６および交差数計測ステップＳＴＰ７の別方法について説明するものである。図１１において、図１０と同じ記号のステップは同一の処理を示す。このため、図１０と同一記号の処理については説明を省略する。
【０１０２】
図１１において、ＳＴＰ１２は図１０でＳＴＰ６に相当する電流比較ステップである。電流比較ステップＳＴＰ１２において、ＳＴＰ１２ａは座標変換ステップＳＴＰ５で得られたｄ−ｑ座標電流と第一の所定値である基準電流Ｉｔｈとを比較する電流比較判断ステップ、ＳＴＰ１２ｂは電流比較判断ステップ１２ａの結果に基づき比較結果信号を出力する比較結果信号出力ステップ１、ＳＴＰ１２ｃは電流比較判断ステップＳＴＰ１２ａの結果に基づき比較結果出力信号を出力する比較結果信号出力ステップ２である。
【０１０３】
ＳＴＰ１３は電流比較ステップＳＴＰ１２で得られる比較結果信号から所定時間におけるｄ−ｑ座標電流と第一の所定値である基準電流Ｉｔｈとの交差数を計測する交差数計測手段である。交差数計測手段ＳＴＰ１３において、ＳＴＰ１３ａは電流比較ステップＳＴＰ１２で得られた出力結果信号と交差数を加え交差数をカウントする交差数カウントステップ、ＳＴＰ１２ｂは交差数の計測時間を更新する計測時間更新ステップ、ＳＴＰ１２ｃは現在の計測時間が所定時間内か否かを計測する所定時間計測手段である。
【０１０４】
図１１に示す脱調検出法の流れについて説明する。図１０と同一記号の処理は動作の流れも同一であるため説明は省略する。ＳＴＰ１２の電流比較ステップでは電流比較手段１７にて座標変換ステップＳＴＰ５で得られたｄ−ｑ座標電流Ｉｄ、Ｉｑを第一の所定値である基準電流Ｉｔｈと比較し比較結果信号Ｓｉを求める。詳しくは、ＳＴＰ６ａの電流比較ステップでｄ−ｑ座標電流の例えばｑ軸電流Ｉｑと第一の所定値による基準電流Ｉｔｈと大小を比較する。例えばＩｑ−Ｉｔｈの値を求める。１周期前の脱調検出周期時に求めたＩｑ−Ｉｔｈの値の符号が正から負あるいは負から正と変化していた場合、ｑ軸電流が第一の所定値である基準電流Ｉｔｈを交差したこととなるのでＳＴＰ１２ｂに進み、それ以外の場合はＳＴＰ１２ｃに進む。ＳＴＰ１２ｂの比較結果信号出力ステップ１では比較結果信号ＳｉをＳｉ＝１と出力し、ＳＴＰ１２ｃの比較結果信号出力ステップ２では比較結果信号ＳｉをＳｉ＝０と出力する。
【０１０５】
ＳＴＰ１３の交差数計測ステップでは、電流比較ステップＳＴＰ１２で得られた比較結果信号Ｓｉより所定時間Ｔｍ内のｄ−ｑ座標電流Ｉｄ，Ｉｑと基準電流Ｉｔｈの交差数Ｎｃを計測する。詳しくはＳＴＰ１３ａの交差数カウントステップで比較結果信号Ｓｉを交差数Ｎｃに加え交差数Ｎｃを更新する。ＳＴＰ１３ｂの計測時間更新ステップでは、計測時間ｔｋに脱調検出周期Ｔｓを加え計測時間ｔｋを更新する。ＳＴＰ１３ｃの所定時間計測ステップは計測時間ｔｋが所定時間Ｔｍになったか否かを判断し、所定時間Ｔｍを経過した場合は、ＳＴＰ８の一致回数計測ステップに進む。所定時間Ｔｍを経過していない場合はＳＴＰ２の脱調検出周期判断ステップに戻る。一致回数計測ステップＳＴＰ８以降は図１０の場合と同様である。
【０１０６】
以上のように正常運転時と脱調時とのｄ−ｑ座標電流に生じる変動を基準電流Ｉｔｈに対する交差数Ｎｃから同期電動機の脱調を検出するようにしたため、従来の過電流による脱調検出法や、ｄ−ｑ座標電流の大きさによる脱調検出に比べより精度良く脱調検出が可能である。また、一回転中における負荷変動の大きい負荷を駆動する電動機であっても精度良く脱調検出が可能となる。
【０１０７】
また、電動機に流入する電流の出力トルク成分に相当するｑ軸電流Ｉｑは出力トルクに比例するためｑ軸電流Ｉｑのレベルで脱調を検出すると誤検出を起こす可能性があり脱調レベルの設定が困難になる。そこでＩｑの変動の頻度を検出することで、負荷トルクによらず脱調の検出を精度良く行うことが可能となる。
【０１０８】
また、電動機モデルや特定周波数成分抽出のためのＦＦＴ演算のような脱調検出のための複雑な演算は不要であり、単に、インバータ制御手段８で用いられるｄ−ｑ座標電流をそのまま利用し、基準電圧との交差数を計測するだけの簡単な処理ですむ。このため、インバータ制御手段８に用いるマイコンに高性能な演算能力を必要としないため、安価なマイコンを用いることができる。これにより装置の低コスト化が可能となる。
【０１０９】
また、本発明による同期電動機の脱調検出装置をインバータ装置に組み込むことで、精度良く脱調検出が可能な信頼性の高い安価なインバータ装置が実現できる。
【０１１０】
冷凍空調装置において、圧縮機用電動機が脱調を継続すると冷凍空調装置の能力が得られず、また、圧縮機や電動機、冷媒配管、インバータ回路などに損傷を与えるなど装置に悪影響を与える場合がある。本発明による同期電動機の脱調検出装置を冷凍空調装置の圧縮機駆動用インバータに搭載することで、圧縮機の脱調を精度良く検出することが可能となり、前記のような冷凍空調装置に対する悪影響を抑制することが可能となる。これにより冷凍空調装置の信頼性を向上することが可能となる。
【０１１１】
また、本発明による同期電動機の脱調検出装置を冷凍空調装置の圧縮機駆動用インバータに搭載することで、一回転当たりの変動が大きな負荷を駆動する電動機においても精度良く脱調検出が可能となるため、レシプロ圧縮機のような一回転当たりの負荷変動が大きな圧縮機に対しても精度のよい脱調検出が行える。負荷変動の大きなレシプロ圧縮機から負荷変動の小さなスクロール圧縮機まで幅広い負荷に対して脱調検出が精度良く行うことが可能となる。電動機負荷によらず信頼性の高い冷凍空調機のインバータ装置を実現できる。
【０１１２】
以上に示した実施の形態１では、同期電動機として埋込磁石型同期電動機（ＩＰＭＳＭ）の例を示したが、同様に用いられる他の同期電動機として、ブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣＭ）、リラクタンスモータ（ＲＭ）、シンクロナスリラクタンスモータ（ＳｙＲＭ）、スイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）などのｄ軸とｑ軸のインダクタンスに差がある電動機であれば同様の構成にて脱調検出が可能である。
【０１１３】
また、以上に示した実施の形態１では脱調検出に用いたパラメータをｄ−ｑ座標電流のｑ軸電流として説明したが、ｄ軸電流や、ｄ軸電流およびｑ軸電流より求められた別の値を用いても同様の脱調検出が行える。
【０１１４】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る同期電動機の脱調検出装置は、同期電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により得られた電流を励磁電流成分であるｄ軸電流と、トルク電流成分であるｑ軸電流のｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換手段と、座標変換手段により得られたｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方を第一の所定値と比較する電流比較手段と、ｄ−ｑ座標電流と第一の所定値とが所定時間内に交差する数を計測する交差数計測手段と、交差数計測手段により計測された交差数と第二の所定値との一致回数を計測する一致回数計測手段と、一致回数計測手段で計測された一致回数と第三の所定値を比較し一致回数が第三の所定値以上となった場合に脱調を検出する一致回数比較手段と、を備えたことにより、同期電動機の脱調を簡単な構成で、精度良く検出することが可能となる。また、一回転中の変動の大きな負荷を駆動する同期電動機に対しても精度良く脱調を検出することが可能となる。
【０１１５】
また、この発明の請求項２に係る同期電動機の脱調検出装置は、第一の所定値をｄ−ｑ座標電流の変動の中心付近に設定したことにより、同期電動機の運転状態に応じて脱調検出のための基準信号を容易に求めることが可能となり、簡単な構成で精度良く脱調を検出することが可能となる。
【０１１６】
また、この発明の請求項３に係る同期電動機の脱調検出装置は、第一の所定値をｄ−ｑ座標電流に含まれる直流成分としたことにより、同期電動機の運転状態に応じて脱調検出のための基準信号を容易に求めることが可能となり、簡単な構成で精度良く脱調を検出することが可能となる。
【０１１７】
また、この発明の請求項４に係る同期電動機の脱調検出装置は、第一の所定値をｄ−ｑ座標電流の平均値としたことにより、同期電動機の運転状態に応じて脱調検出のための基準信号を容易に求めることが可能となり、簡単な構成で精度良く脱調を検出することが可能となる。
【０１１８】
また、この発明の請求項５に係る同期電動機の脱調検出装置は、ローパスフィルタを用いてｄ−ｑ座標電流の直流に近い成分のみを取り出して第一の所定値とすることにより、同期電動機の運転状態に応じて脱調検出のための基準信号を容易に求めることが可能となり、簡単な構成で精度良く脱調を検出することが可能となる。
【０１１９】
また、この発明の請求項６に係る同期電動機の脱調検出装置は、ローパスフィルタの遮断周波数を１．５Ｈｚとしたことにより、同期電動機の運転状態に応じて脱調検出のための基準信号を容易に求めることが可能となり、簡単な構成で精度良く脱調を検出することが可能となる。
【０１２０】
また、この発明の請求項７に係る同期電動機の脱調検出装置は、交差数計測手段において、所定時間内にｄ−ｑ座標電流が第一の所定値を小から大となるように交差する場合と、大から小になるように交差する場合の少なくとも一方の交差数を計測することにより、検出電流に含まれるノイズの影響があっても良好に脱調を検出することが可能となり、信頼性の高い、脱調検出装置が可能となる。
【０１２１】
また、この発明の請求項８に係る同期電動機の脱調検出装置は、交差数計測手段において、所定時間内にｄ−ｑ座標電流が第一の所定値を小から大となるように交差する場合と、大から小になるように交差する場合の交差数をそれぞれ計測し、一致回数計測手段において、少なくともいずれか一方の交差数が第二の所定値と一致した場合に、一致と判断することにより、交差数計測時間の計測開始時あるいは計測終了時がｄ−ｑ座標電流と基準電流の交差時とほぼ一致した場合でも、交差数を適切に検出できる。
【０１２２】
また、この発明の請求項９に係る同期電動機の脱調検出装置は、一致回数計測手段において交差数と第二の所定値とが連続して一致した回数を一致回数とすることにより、検出電流に含まれるノイズの影響による脱調の誤検出を抑制することが可能となり、信頼性の高い脱調検出装置が得られる。
【０１２３】
また、この発明の請求項１０に係る同期電動機の脱調検出装置は、交差数計測手段が交差数を計測する所定時間を電動機の１回転周期の倍数としたことにより、インバータ接続対象となる同期電動機が変更になった場合においても、電動機の定数がわかれば容易に交差数を計測する所定時間を設定することが可能となり、簡単な構成で精度良く脱調を検出することが可能となる。
【０１２４】
また、この発明の請求項１１に係る同期電動機の脱調検出装置は、一致回数計測手段において、交差数と比較を行う第二の所定値は電動機の極数の倍数としたことにより、電動機の定数がわかれば容易に脱調検出の基準となる脱調交差数である第二の所定値を設定することが可能となり、簡単な構成で精度良く脱調を検出することが可能となる。
【０１２５】
また、この発明の請求項１２に係る同期電動機の脱調検出装置は、一致回数比較手段における第三の所定値を、２回以上、最大は脱調を数秒で検出できる回数としたことにより、ノイズによる誤検出を回避できると共に、同期電動機や同期電動機の負荷となる装置の破損、脱調による振動や騒音を防止できる。
【０１２６】
また、この発明の請求項１３に係る同期電動機の脱調検出装置は、電流比較手段において比較に用いるｄ−ｑ座標電流は高周波成分を除去した後に第一の所定値と比較することにより、検出電流に含まれるノイズの影響により脱調の誤検出を抑制することが可能となり、信頼性の高い、脱調検出装置が可能となる。
【０１２７】
また、この発明の請求項１４に係る同期電動機の脱調検出装置は、同期電動機の最大回転速度の極数倍の周波数を超える高周波成分を除去することにより、検出電流に含まれるノイズの影響により脱調の誤検出を抑制することが可能となり、信頼性の高い、脱調検出装置が可能となる。
【０１２８】
この発明の請求項１５に係る冷凍空調装置用圧縮機の駆動装置は、請求項１〜１４の何れかに記載の同期電動機の脱調検出装置を搭載したことにより、圧縮機の脱調を精度良く検出することができ、冷凍空調装置に対する悪影響を抑制することが可能となる。これにより冷凍空調装置の信頼性を向上することができる。
【０１２９】
この発明の請求項１６に係る同期電動機の脱調検出方法は、同期電動機に流れる電流を検出する電流検出ステップと、電流検出手段により得られた電流を励磁電流成分であるｄ軸電流とトルク電流成分ｑ軸電流のｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換ステップと、座標変換ステップにより得られたｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方を第一の所定値と比較するｄ−ｑ座標電流比較ステップと、ｄ−ｑ座標電流と第一の所定値とが所定時間内に交差する数を計測する交差数計測ステップと、交差数計測ステップより得られた交差数と第二の所定値の一致回数を計測する一致回数計測ステップと、一致回数計測ステップで計測された一致回数と第三の所定値を比較し一致回数が第三の所定値以上となった場合に脱調を検出する一致回数比較ステップと、を備えたことにより、同期電動機の脱調を簡単な構成で、精度良く検出することが可能となる。また、一回転中の変動の大きな負荷を駆動する同期電動機に対しても精度良く脱調を検出することが可能となる。
【０１３０】
また、この発明の請求項１７に係る同期電動機の脱調検出方法は、ｄ−ｑ座標電流比較ステップでは、ｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方と第一の所定値との大小を比較して、ｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方が第一の所定値より大きい場合と小さい場合の比較結果信号を出力し、交差数計測ステップでは比較結果信号の変化を検出することにより、同期電動機の脱調を簡単な構成で、精度良く検出することが可能となる。
【０１３１】
また、この発明の請求項１８に係る同期電動機の脱調検出方法は、ｄ−ｑ座標電流比較ステップでは、ｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方と第一の所定値との差を求め、その差の符号が正から負または負から正に変化した場合と変化しない場合の比較結果信号を出力し、交差数計測ステップでは比較結果信号から交差数を検出することにより、同期電動機の脱調を簡単な構成で、精度良く検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１を示す図で、同期電動機のインバータ装置の構成を示す図である。
【図２】 実施の形態１を示す図で、同期運転時の各種波形を説明する図である。
【図３】 実施の形態１を示す図で、同期運転時で負荷変動の大きな負荷を駆動した際の各種波形を説明する図である。
【図４】 実施の形態１を示す図で、脱調時の各種波形を説明する図である。
【図５】 実施の形態１を示す図で、電動機の回転子とインバータ制御手段出で用いる電気角位相および座標の関係を示す図である。
【図６】 実施の形態１を示す図で、同期時のインバータ制御手段を基準とした場合のインダクタンスと電流の変化を示す図である。
【図７】 実施の形態１を示す図で、脱調時のインバータ制御手段を基準とした場合のインダクタンスと電流の変化を示す図である。
【図８】 実施の形態１を示す図で、脱調検出手段の構成を示す図である。
【図９】 実施の形態１を示す図で、脱調検出手段の別構成を示す図である。
【図１０】 実施の形態１を示す図で、脱調検出処理の流れ図である。
【図１１】 実施の形態１を示す図で、脱調検出処理の別の流れ図である。
【図１２】 従来の同期電動機の脱調検出装置の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 直流電源部、２ インバータ装置、３ スイッチング素子、３ａ Ｕ相上側スイッチング素子、３ｂ Ｖ相上側スイッチング素子、３ｃ Ｗ相上側スイッチング素子、３ｄ Ｕ相下側スイッチング素子、３ｅ Ｖ相下側スイッチング素子、３ｆ Ｗ相下側スイッチング素子、４ 還流ダイオード、５ インバータ主回路、６ 埋込磁石型同期電動機、７ａ，７ｂ 電流検出手段、８ インバータ制御手段、９ 電動機駆動手段、１０ 相電流演算手段、１１ 座標座標変換手段、１２ 電圧指令値演算手段、１３ 出力電圧ベクトル演算手段、１４ ＰＷＭ信号発生手段、１５ 直流電圧検出手段、１６ 脱調検出手段、１７ 電流比較手段、１８ 交差数計測手段、１９ 一致回数計測手段、２０ 一致回数比較手段、２１ 基準電流演算手段、２２ ノイズ除去手段、３０ 過電流検出手段。

Claims (18)

1. 回転子位置を検出するための位置センサを用いずに同期電動機を駆動するインバータ装置において、
   前記同期電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により得られた電流を励磁電流成分であるｄ軸電流と、トルク電流成分であるｑ軸電流のｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換手段と、
   前記座標変換手段により得られたｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方を第一の所定値と比較する電流比較手段と、
   前記ｄ−ｑ座標電流と前記第一の所定値とが所定時間内に交差する数を計測する交差数計測手段と、
   前記交差数計測手段により計測された交差数と第二の所定値との一致回数を計測する一致回数計測手段と、
   前記一致回数計測手段で計測された一致回数と第三の所定値を比較し一致回数が第三の所定値以上となった場合に脱調を検出する一致回数比較手段と、
   を備えたことを特徴とする同期電動機の脱調検出装置。
2. 前記第一の所定値をｄ−ｑ座標電流の変動の中心付近に設定したことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の脱調検出装置。
3. 前記第一の所定値をｄ−ｑ座標電流に含まれる直流成分としたことを特徴とする請求項２に記載の同期電動機の脱調検出装置。
4. 前記第一の所定値をｄ−ｑ座標電流の平均値としたことを特徴とする請求項２に記載の同期電動機の脱調検出装置。
5. ローパスフィルタを用いてｄ−ｑ座標電流の直流に近い成分のみを取り出して前記第一の所定値とすることを特徴とする請求項２に記載の同期電動機の脱調検出装置。
6. 前記ローパスフィルタの遮断周波数を１．５Ｈｚとしたことを特徴とする請求項５に記載の同期電動機の脱調検出装置。
7. 前記交差数計測手段において、所定時間内にｄ−ｑ座標電流が第一の所定値を小から大となるように交差する場合と、大から小になるように交差する場合の少なくとも一方の交差数を計測することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の脱調検出装置。
8. 前記交差数計測手段において、所定時間内にｄ−ｑ座標電流が第一の所定値を小から大となるように交差する場合と、大から小になるように交差する場合の交差数をそれぞれ計測し、前記一致回数計測手段において、少なくともいずれか一方の交差数が第二の所定値と一致した場合に、一致と判断することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の脱調検出装置。
9. 前記一致回数計測手段において前記交差数と前記第二の所定値とが連続して一致した回数を一致回数とすることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の脱調検出装置。
10. 前記交差数計測手段が交差数を計測する所定時間を電動機の１回転周期の倍数としたことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の脱調検出装置。
11. 前記一致回数計測手段において、交差数と比較を行う第二の所定値は電動機の極数の倍数としたことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の脱調検出装置。
12. 前記一致回数比較手段における第三の所定値を、２回以上、最大は脱調を数秒で検出できる回数としたことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の脱調検出装置。
13. 前記電流比較手段において比較に用いるｄ−ｑ座標電流は高周波成分を除去した後に前記第一の所定値と比較することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の脱調検出装置。
14. 同期電動機の最大回転速度の極数倍の周波数を超える高周波成分を除去することを特徴とする請求項１３に記載の同期電動機の脱調検出装置。
15. 請求項１〜１４の何れかに記載の同期電動機の脱調検出装置を搭載したことを特徴とする冷凍空調装置用圧縮機の駆動装置。
16. 回転子位置を検出するための位置センサを用いずに同期電動機を駆動するインバータ装置において、
    前記同期電動機に流れる電流を検出する電流検出ステップと、
    前記電流検出手段により得られた電流を励磁電流成分であるｄ軸電流とトルク電流成分ｑ軸電流のｄ−ｑ座標電流に変換する座標変換ステップと、
    前記座標変換ステップにより得られたｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方を第一の所定値と比較するｄ−ｑ座標電流比較ステップと、
    前記ｄ−ｑ座標電流と前記第一の所定値とが所定時間内に交差する数を計測する交差数計測ステップと、
    前記交差数計測ステップより得られた交差数と第二の所定値の一致回数を計測する一致回数計測ステップと、
    前記一致回数計測ステップで計測された一致回数と第三の所定値を比較し一致回数が第三の所定値以上となった場合に脱調を検出する一致回数比較ステップと、
    を備えたことを特徴とする同期電動機の脱調検出方法。
17. 前記ｄ−ｑ座標電流比較ステップでは、ｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方と第一の所定値との大小を比較して、前記ｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方が前記第一の所定値より大きい場合と小さい場合の比較結果信号を出力し、前記交差数計測ステップでは前記比較結果信号の変化を検出することを特徴とする請求項１６に記載の同期電動機の脱調検出方法。
18. 前記ｄ−ｑ座標電流比較ステップでは、ｄ−ｑ座標電流の少なくとも一方と第一の所定値との差を求め、その差の符号が正から負または負から正に変化した場合と変化しない場合の比較結果信号を出力し、前記交差数計測ステップでは前記比較結果信号から交差数を検出することを特徴とする請求項１６に記載の同期電動機の脱調検出方法。

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