JP3177448B2 - リニアコンプレッサの駆動装置 - Google Patents
リニアコンプレッサの駆動装置Info
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Description
サの駆動装置に関し、特に、リニアモータによってシリ
ンダ内でピストンを往復運動させ圧縮ガスを生成するリ
ニアコンプレッサの駆動装置に関する。
て、冷媒ガスを圧縮する機構としてリニアコンプレッサ
の開発が進められている。このリニアコンプレッサで
は、リニアモータと共振用機械バネによってピストンが
駆動されガス圧縮が行なわれる。
プレッサでは、ガスの吸込・圧縮・吐出に伴う非線形な
力(ガスバネ力)が圧縮室内で発生し、かつその非線形
な力は起動時などにおける負荷変動によって変動する。
リニアモータの推力を制御する手段が何ら設けられてお
らず、負荷変動があっても一定の電力をリニアモータに
供給していたので、入力エネルギに対する出力エネルギ
の比率(以下、効率という)が低かった。また、高効率
化のため、リニアモータのコイルに印加する電圧を負荷
変動に応じて制御する方法も研究されているが満足でき
るものではない。
い効率が得られるリニアコンプレッサの駆動装置を提供
することである。
リニアモータによってシリンダ内でピストンを往復運動
させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレッサの駆動装置
であって、電源、位置指令手段、位置検出手段、速度指
令手段、速度検出手段、電流指令手段、電流検出手段、
電流制御手段、位相差検出手段、ピーク値差検出手段、
周波数調整手段、およびゲイン調整手段を備える。電源
は、リニアモータを駆動させるために設けられ、その出
力電流は制御可能になっている。位置指令手段は、正弦
関数に従ってピストンのシリンダ内における位置を指令
する。位置検出手段は、ピストンのシリンダ内における
位置を検出する。速度指令手段は、位置指令手段によっ
て指令された位置と位置検出手段によって検出された位
置との差に第1のゲイン定数を乗算してピストンの速度
の指令値を演算し、その演算値に基づいてピストンの速
度を指令する。速度検出手段は、ピストンの速度を検出
する。電流指令手段は、速度指令手段によって指令され
た速度と速度検出手段によって検出された速度との差に
第2のゲイン定数を乗算して電源の出力電流の指令値を
演算し、その演算値に基づいて電源の出力電流を指令す
る。電流検出手段は、電源の出力電流を検出する。電流
制御手段は、電流検出手段によって検出された電流が電
流指令手段によって指令された電流に一致するように電
源の出力電流を制御する。位相差検出手段は、速度検出
手段によって検出されたピストンの速度と電流指令手段
によって指令された電源の出力電流との位相差を検出す
る。ピーク値差検出手段は、位置指令手段によって指令
されたピストンのシリンダ内における位置のピーク値と
位置検出手段によって検出された位置のピーク値との差
を検出する。周波数調整手段は、位相差検出手段によっ
て検出された位相差がなくなるように位置指令手段で用
いられる正弦関数の周波数を調整する。ゲイン調整手段
は、ピーク値差検出手段によって検出されたピーク値差
がなくなるように、速度指令手段で用いられる第1のゲ
イン定数と電流指令手段で用いられる第2のゲイン定数
のうちの少なくとも一方を調整する。
発明の位相差検出手段は、速度検出手段によって検出さ
れたピストンの速度のゼロクロス点と電流指令手段によ
って指令された電源の出力電流のゼロクロス点とを検出
し、その検出結果に基づいて位相差を検出する。
発明の位相差検出手段は、速度検出手段によって検出さ
れたピストンの速度のピーク点と電流指令手段によって
指令された電源の出力電流のピーク点とを検出し、その
検出結果に基づいて位相差を検出する。
るリニアコンプレッサ1の駆動装置2の構成を示すブロ
ック図である。
3、電流センサ4、位置センサ5および制御装置6を含
む。電源3は、リニアコンプレッサ1のリニアモータに
駆動電流Iを供給する。電流センサ4は、電源3の出力
電流の現在値Inowを検出する。位置センサ5は、リ
ニアコンプレッサ1のピストンの位置現在値Pnowを
直接または間接的に検出する。制御装置6は、電流セン
サ4で検出された電流現在値Inowと位置センサ5で
検出された位置現在値Pnowとに基づいて電源3に制
御信号φcを出力し、電源3の出力電流Iを制御する。
す断面図である。図2において、このリニアコンプレッ
サ1は、円筒状のケーシング10の上端部および下端部
にそれぞれ設けられた2つのシリンダ11a,11b
と、シリンダ11a,11b内にそれぞれ嵌装された2
つのピストン12a,12bと、それぞれピストン12
a,12bのヘッドに面して形成された2つの圧縮室1
3a,13bと、それぞれ圧縮室13a,13b内のガ
ス圧に応じて開閉する2組の吸込バルブ14a,14b
および吐出バルブ15a,15bとを備える。
1本のシャフト16の一方端部および他方端部に設けら
れている。シャフト16は、2組のリニアボールベアリ
ング17a,17bおよびコイルバネ18a,18bに
よって、ケーシング10およびシリンダ11a,11b
内を往復動自在に支持されている。ピストン12a,1
2bのヘッドの裏側とシリンダ11a,11bによって
形成される空間には、不可逆性圧縮を防止するためのガ
スリーク孔19a,19bが設けられている。
16およびピストン12a,12bを往復動させるため
のリニアモータ20を備える。リニアモータ20は、制
御性の高いボイスコイルモータであって、ヨーク部10
aおよび永久磁石21を含む固定部と、コイル23およ
び円筒状の支持部材24を含む可動部とを備える。ヨー
ク部10aは、ケーシング10の一部を構成している。
永久磁石21は、ヨーク部10aの内周壁に設けられ
る。支持部材24の一方端部は永久磁石21とシリンダ
11bの外周壁の間に往復動自在に挿入され、その他方
端部はシャフト16の中央部に固定される。コイル23
は、支持部材の一方端部において永久磁石21に対向し
て設けられる。電源3とコイル24は、コイルバネ状の
電線25を介して接続される。
2a,12b、シャフト16、コイル23および支持部
材24の重量、圧縮室13a,13b内のガスのバネ定
数、コイルバネ18a,18bのバネ定数などから定ま
る共振周波数を有する。この共振周波数でリニアモータ
20を駆動させることにより、上下2つの圧縮室13
a,13bで圧縮ガスを高効率で生成できる。
示すブロック図である。図3において、この制御装置6
は、P−V変換部30、位置指令部31、3つの減算器
32,34,36、位置制御部33、速度制御部35、
電流制御部37および位相制御部38を含む。P−V変
換部30は、位置センサ5によって検出された位置現在
値Pnowを微分して速度現在値Vnowを求める。位
置指令部31は、数式Pref=A*sinωt(ただ
し、Aは振幅、ωは角周波数である)に従って、位置指
令値Prefを減算器32および位相制御部38に与え
る。減算器32は、位置指令部31から与えられた位置
指令値Prefと位置センサ5によって検出された位置
現在値Pnowとの差Pref−Pnowを演算し、演
算結果Pref−Pnowを位置制御部33に与える。
(Pref−Pnow)(ただし、Gvは制御ゲインで
ある)に基づいて速度指令値Vrefを演算し、演算結
果Vrefを減算器34に与える。減算器34は、位置
制御部33から与えられた速度指令値VrefとP−V
変換部30で生成された速度現在値Vnowとの差Vr
ef−Vnowを演算し、演算結果Vref−Vnow
を速度制御部35に与える。
(Vref−Vnow)(ただし、Giは制御ゲインで
ある)に基づいて電流指令値Irefを演算し、演算結
果Irefを減算器36に与える。減算器36は、速度
制御部35から与えられた電流指令値Irefと電流セ
ンサ4によって検出された電流現在値Inowとの差I
ref−Inowを演算し、演算結果Iref−Ino
wを電流制御部37に与える。
ef−Inowが0になるように制御信号φcを電源3
に与えて電源3の出力電流Iを制御する。電源3の出力
電流Iの制御は、たとえばPWM方式あるいはPAM方
式で行なわれる。
ロ点検出部41,42、位相差検出部43、周波数制御
部44、ピーク値検出部45,46、減算器47および
ゲイン制御部48を含む。
生成された速度現在値Vnowのゼロクロス点を検出す
る。ゼロ点検出部42は、速度制御部35から与えられ
た電流指令値Irefのゼロクロス点を検出する。ゼロ
点検出部41は、たとえば、速度現在値Vnowよりも
十分に小さな周期で速度現在値Vnowをサンプリング
し、前回のサンプリング値と今回のサンプリング値の積
が負の値であり、かつ今回のサンプリング値が正の値で
あることを検出することにより、速度現在値Vnowが
ゼロクロス点を通過したことを検出する。ゼロ点検出部
42も同様である。
検出された速度現在値Vnowのゼロクロス点とゼロ点
検出部42で検出された電流指令値Irefのゼロクロ
ス点とに基づいて、速度現在値Vnowと電流指令値I
refの位相差を検出する。周波数制御部44は、位相
差検出部43で検出された速度現在値Vnowと電流指
令値Irefの位相差がなくなるように、位置指令部3
1で用いられる数式Pref=A*sinωtの角周波
数ωを調整する。
で検出された速度現在値Vnowと電流指令値Iref
の位相差と位置指令部31で演算された位置指令値Pr
efとを受け、位相差がゼロのときの位置指令値Pre
fのピーク値を検出する。ピーク値検出部46は、位相
差検出部43で検出された速度現在値Vnowと電流指
令値Irefの位相差と位置センサ5で検出された位置
現在値Pnowとを受け、位相差がゼロのときの位置現
在値Pnowのピーク値を検出する。
された位置指令値Prefのピーク値とピーク値検出部
46で検出された位置現在値Pnowのピーク値との差
を演算する。ゲイン制御部48は、減算器47の演算値
がゼロになるように、速度制御部35で用いられる数式
Iref=Gi*(Vref−Vnow)の制御ゲイン
Giを調整する。
6の動作を示すフローチャートである。このフローチャ
ートに従って、図1〜図3で示したリニアコンプレッサ
1およびその駆動装置2の動作について簡単に説明す
る。
1で位置指令値Prefが生成され、位置制御部33で
速度指令値Vrefが生成され、速度制御部35で電流
指令値Irefが生成される。リニアモータ20のコイ
ル23に電流が供給されると、リニアモータ20の可動
部が往復運動を開始し、これによって圧縮ガスの生成が
開始される。
って位置現在値Pnowが検出され、検出された位置現
在値PnowはP−V変換部30、減算器32および位
相制御部38に与えられる。ステップS3において、位
置制御部33によって速度指令値Vref=Gv*(P
ref−Pnow)が演算され、ステップS4におい
て、P−V変換部30によって位置現在値Pnowが速
度現在値Vnowに変換される。速度現在値Vnowは
減算器34および位相制御部38に与えられる。
よって電流指令値Iref=Gi*(Vref−Vno
w)が演算され、この演算値Irefは減算器36およ
び位相制御部38に与えられる。電流制御部37は、電
流現在値Inowが電流指令値Irefに一致するよう
に電源3を制御する。
1,42によって速度現在値Vnowおよび電流指令値
Irefのゼロクロス点が検出され、さらに位相差検出
部43によって速度現在値Vnowと電流指令値Ire
fの位相差が検出される。
によって速度現在値Vnowと電流指令値Irefの位
相差がゼロになるように、位置指令値Prefの角周波
数ωが制御される。速度現在値Vnowと電流指令値I
refの位相差がゼロになったことに応じて、ピーク値
検出部45,46がそれぞれ位置指令値Prefのピー
ク値(目標値)および位置現在値Pnowのピーク値を
検出する。ゲイン制御部48は、位置現在値Pnowの
ピーク値が目標値に等しいか否かをチェックする。
て位置現在値Pnowのピーク値が目標値よりも小さい
場合は制御ゲインGiを大きくし、ステップS9におい
て位置現在値Pnowのピーク値が目標値よりも大きい
場合は制御ゲインGiを小さくする。
wのピーク値が目標値に一致するまで繰返される。ステ
ップS10において、位置現在値Pnowのピーク値が
目標値に一致した場合は再びステップS1に戻る。
て、リニアコンプレッサ1の運転状態は急速に安定す
る。また、起動後に負荷変動があった場合でも、それに
合わせてリニアモータ20の推力すなわち駆動電流Iが
直接かつ適切に制御され、高い効率が得られる。
によって位置現在値Pnowを検出し、その検出値を微
分して速度現在値Vnowを求めたが、位置センサ4の
代わりに速度センサを設け、その検出値Vnowを積分
して位置現在値Pnowを求めてもよい。また、位置セ
ンサ4および速度センサの両方を設けてもよい。
8が位置制御部33の制御ゲインGvと速度制御部35
の制御ゲインGiのうちの制御ゲインGiのみを調整し
たが、それらのうちの制御ゲインGvのみを調整しても
よいし、それらの両方を調整してもよい。
の形態2によるリニアコンプレッサ1の駆動装置の位相
制御部38′の構成を示す図であって、図4と対比され
る図である。
図4の位相制御部38と異なる点は、ゼロ点検出部4
1,42がそれぞれピーク点検出部51,52で置換さ
れている点である。
で生成された速度現在値Vnowのピーク点を検出す
る。ピーク点検出部52は、速度制御部35から与えら
れた電流指令値Irefのピーク点を検出する。ピーク
点検出部51は、たとえば、速度現在値Vnowよりも
十分に小さな周期で速度現在値Vnowをサンプリング
し、前々回のサンプリング値よりも前回のサンプリング
値の方が大きく、かつ前回のサンプリング値よりも今回
のサンプリング値の方が小さいことを検出することによ
り、速度現在値Vnowがピーク点を通過したことを検
出する。ピーク点検出部52も同様である。
ステップS6において速度現在値Vnowと電流指令値
Irefの位相差を速度現在値Vnowのピーク点と電
流指令値Irefのピーク点に基づいて検出する。他の
構成および動作は実施の形態1と同じであるので説明は
省略される。
効果が得られる。
は、位置制御、速度制御および電流制御よりなる多重制
御構成を採用するとともに、速度現在値と電流指令値の
位相差がなくなるように位置指令値の周波数を調整し、
かつ位置指令値と位置現在値のピーク値差がなくなるよ
うにゲイン定数を調整する。したがって、負荷状況に合
わせてリニアモータの推力を直接かつ適切に制御するこ
とができ、高効率化を図ることができる。
は、速度現在値のゼロクロス点と電流指令値のゼロクロ
ス点とを検出し、その検出結果に基づいて位相差を検出
する。したがって、位相差検出手段を容易に構成でき
る。
は、速度現在値のピーク点と電流指令値のピーク点とを
検出し、その検出結果に基づいて位相差を検出する。し
たがって、位相差検出手段を容易に構成できる。
ッサの駆動装置の構成を示すブロック図である。
断面図である。
である。
図である。
ートである。
ッサの駆動装置の位相制御部の構成を示すブロック図で
ある。
の制御装置の動作を示すフローチャートである。
Claims (3)
- 【請求項1】 リニアモータによってシリンダ内でピス
トンを往復運動させ圧縮ガスを生成するリニアコンプレ
ッサの駆動装置であって、 前記リニアモータを駆動させるための出力電流の制御が
可能な電源、 正弦関数に従って前記ピストンの前記シリンダ内におけ
る位置を指令する位置指令手段、 前記ピストンの前記シリンダ内における位置を検出する
ための位置検出手段、 前記位置指令手段によって指令された位置と前記位置検
出手段によって検出された位置との差に第1のゲイン定
数を乗算して前記ピストンの速度の指令値を演算し、そ
の演算値に基づいて前記ピストンの速度を指令する速度
指令手段、 前記ピストンの速度を検出する速度検出手段、 前記速度指令手段によって指令された速度と前記速度検
出手段によって検出された速度との差に第2のゲイン定
数を乗算して前記電源の出力電流の指令値を演算し、そ
の演算値に基づいて前記電源の出力電流を指令する電流
指令手段、 前記電源の出力電流を検出する電流検出手段、 前記電流検出手段によって検出された電流が前記電流指
令手段によって指令された電流に一致するように前記電
源の出力電流を制御する電流制御手段、 前記速度検出手段によって検出された前記ピストンの速
度と前記電流指令手段によって指令された前記電源の出
力電流との位相差を検出する位相差検出手段、 前記位置指令手段によって指令された前記ピストンの前
記シリンダ内における位置のピーク値と前記位置検出手
段によって検出された位置のピーク値との差を検出する
ピーク値差検出手段、 前記位相差検出手段によって検出された位相差がなくな
るように前記位置指令手段で用いられる前記正弦関数の
周波数を調整する周波数調整手段、および前記ピーク値
差検出手段によって検出されたピーク値差がなくなるよ
うに、前記速度指令手段で用いられる第1のゲイン定数
と前記電流指令手段で用いられる第2のゲイン定数のう
ちの少なくとも一方を調整するゲイン調整手段を備え
る、リニアコンプレッサの駆動装置。 - 【請求項2】 前記位相差検出手段は、前記速度検出手
段によって検出された前記ピストンの速度のゼロクロス
点と前記電流指令手段によって指令された前記電源の出
力電流のゼロクロス点とを検出し、その検出結果に基づ
いて前記位相差を検出する、請求項1に記載のリニアコ
ンプレッサの駆動装置。 - 【請求項3】 前記位相差検出手段は、前記速度検出手
段によって検出された前記ピストンの速度のピーク点と
前記電流指令手段によって指令された前記電源の出力電
流のピーク点とを検出し、その検出結果に基づいて前記
位相差を検出する、請求項1に記載のリニアコンプレッ
サの駆動装置。
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- 1996-07-09 JP JP17949396A patent/JP3177448B2/ja not_active Expired - Fee Related
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