JP3177457B2 - 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

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JP3177457B2
JP3177457B2 JP26844696A JP26844696A JP3177457B2 JP 3177457 B2 JP3177457 B2 JP 3177457B2 JP 26844696 A JP26844696 A JP 26844696A JP 26844696 A JP26844696 A JP 26844696A JP 3177457 B2 JP3177457 B2 JP 3177457B2
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  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Linear Motors (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明はリニアコンプレッ
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。
【0002】
【従来の技術】近年、冷蔵庫のような冷却装置において
膨張した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、リニアモータによってシリンダ内でピストンが往
復運動されガス圧縮が行なわれる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このようなリニアコン
プレッサでは、リニアモータの駆動電流とピストンの速
度との位相が一致しているとき高い効率が得られ、ま
た、トップクリアランス(ピストンヘッドとシリンダ内
壁端部の最近接距離)が最小値(0.1mm程度)に維
持されている場合に最も高い効率が得られる。
【0004】そこで、リニアモータの駆動電流とピスト
ンの速度との位相が一致するように駆動電流の周波数を
制御することが考えられるが、トップクリアランスが小
さく維持されている状態(たとえば0.1mm程度)で
駆動電流の周波数を制御すると損失分が改善されてピス
トンの振幅が大きくなり、ピストンのヘッドがシリンダ
内壁端部に衝突してしまうという問題がある。
【0005】また、トップクリアランスが最小値になる
ようにピストンの振幅を制御することが考えられるが、
2ピストン型のリニアコンプレッサでは、ピストンの実
際の中立点はバルブなどの非対称性により設計上の中立
点(原点)から上死点または下死点側にずれる場合があ
る。このような場合、2つのピストンのトップクリアラ
ンスの双方を高い精度で制御することは困難となる。
【0006】それゆえに、この発明の主たる目的は、ピ
ストンヘッドとシリンダ内壁端部の衝突を防止すること
が可能で、かつ高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。
【0007】また、この発明の他の目的は、2ピストン
型リニアコンプレッサの2つのピストンのトップクリア
ランスの双方を精度よく制御でき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。
【0008】
【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
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、電流指
令手段、速度検出手段、位相差検出手段、および周波数
制御手段を備える。電源は、電流指令値に応じた駆動電
流をリニアモータに出力する。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。電流指令手段は、位置検出手段によって
検出された位置が位置指令手段によって指令された位置
に一致するように電流指令値を生成し電源に与える。速
度検出手段は、ピストンのシリンダ内における速度を検
出する。位相差検出手段は、電流指令手段で生成された
電流指令値と速度検出手段によって検出された速度を示
す値との位相差を検出する。周波数制御手段は、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制御する。
そして、周波数制御手段により位置指令手段で用いられ
る正弦関数の周波数を制御する場合に、電流指令手段で
生成される電流指令値および正弦関数の振幅のうちの少
なくとも一方を予め定められた割合に減少させる。
【0009】請求項2に係る発明は、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、
電流指令手段、振幅検出手段、速度検出手段、位相差検
出手段、振幅制御手段、および周波数制御手段を備え
る。電源は、電流指令値に応じた駆動電流をリニアモー
タに出力する。電流指令手段は、正弦関数に従って電流
指令値を生成し電源に与える。振幅検出手段は、ピスト
ンのシリンダ内における振幅を検出する。速度検出手段
は、ピストンのシリンダ内における速度を検出する。位
相差検出手段は、電流指令手段で生成された電流指令値
と速度検出手段で検出された速度を示す値との位相差を
検出する。振幅制御手段は、振幅検出手段によって検出
された振幅が予め定められた目標値に一致するように電
流指令手段で用いられる正弦関数の振幅を制御する。周
波数制御手段は、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電流指令手段で用いられる正弦関
数の周波数を制御する。そして、周波数制御手段により
正弦関数の周波数を制御する場合に、電流指令手段で用
いられる正弦関数の振幅を予め定められた割合に減少さ
せる。
【0010】
【0011】
【0012】請求項3に係る発明は、請求項1に係る発
明にシフト量検出手段、およびシフト量制御手段がさら
に設けられる。シフト量検出手段は、位置検出手段の検
出結果に基づいて、ピストンの中立点の原点からのシフ
ト量を検出する。シフト量制御手段は、シフト量検出手
段によって検出されたシフト量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シフト量を制御する。
【0013】請求項4に係る発明では、請求項1または
請求項3に係る発明に振幅検出手段および振幅制御手段
がさらに設けられる。振幅検出手段は、位置検出手段の
検出結果に基づいて、ピストンの上死点と原点の間の上
死点側振幅とピストンの下死点と原点の間の下死点側振
幅とを検出する。振幅制御手段は、振幅検出手段によっ
て検出された上死点側振幅および下死点側振幅のうちの
いずれか大きい方が予め定められた目標値に一致するよ
うに位置指令手段で用いられる正弦関数の振幅および電
流指令手段で生成される電流指令値のうちの少なくとも
一方を制御する。
【0014】請求項5に係る発明は、請求項2に係る発
明にシフト量検出手段、およびシフト量制御手段がさら
に設けられる。シフト量検出手段は、位置検出手段の検
出結果に基づいて、ピストンの中立点の原点からのシフ
ト量を検出する。シフト量制御手段は、シフト量検出手
段によって検出されたシフト量がなくなるように電流指
令手段で用いられる正弦関数のシフト量を制御する。
【0015】請求項6に係る発明では、請求項2または
請求項5に係る発明の振幅検出手段は、位置検出手段の
検出結果に基づいて、ピストンの上死点と原点の間の上
死点側振幅とピストンの下死点と原点の間の下死点側振
幅とを検出し、振幅制御手段は、振幅検出手段によって
検出された上死点側振幅および下死点側振幅のうちのい
ずれか大きい方が予め定められた目標値に一致するよう
に電流指令手段で用いられる正弦関数の振幅を制御す
る。
【0016】
【発明の実施の形態】
[実施の形態1]図1は、この発明の実施の形態1によ
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。
【0017】図1において、この駆動装置2は、電源
3、位置センサ4および制御装置5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。位置センサ4は、リニアコンプレッサ1のピス
トンの位置を直接または間接的に検出し、ピストンの位
置に応じた電気信号Paを制御装置5に出力する。位置
センサ4としては、たとえばレーザ変位計が用いられ
る。制御装置5は、位置センサ4の出力Paに応じた制
御信号φcを電源3に出力し、電源3の出力電流Iを制
御する。
【0018】図2は、リニアコンプレッサ1の構成を示
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内にそれぞれ嵌挿された2
つのピストン12a,12bと、それぞれピストン12
a,12bのヘッドとシリンダ11a,11bの内壁端
部で形成された2つの圧縮室13a,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15
a,15bとを備える。
【0019】2つのピストン12a,12bはそれぞれ
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およびコイルばね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。
【0020】また、リニアコンプレッサ1は、シャフト
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、ボ
イスコイルモータであって、ヨーク部10a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2
1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23は、コイルばね状の電線25を
介して接続される。
【0021】このリニアコンプレッサ1は、ピストン1
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のガスのばね定
数、コイルばね18a,18bのばね定数などから定ま
る共振周波数を有する。共振周波数は、通常、商用電力
の周波数(たとえば60Hz)付近に設定される。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13a,13bで圧縮ガスを高効
率で生成できる。
【0022】図3は、図1で示した制御装置5の主要部
の構成を示すブロック図である。図3において、この制
御装置5は、位置指令値生成部30、位置・速度制御部
31、電流指令値生成部32、位置・速度検出部33、
上下死点検出部34、電流・速度位相差検出部35、電
流ゲイン制御部36、振幅中立位置制御部37、および
周波数制御部38を含む。
【0023】位置・速度検出部33は、ピストン12
a,12bの振動周期に比べて十分に小さなサンプリン
グ周期(たとえば150μsec)で位置センサ4の出
力Paをサンプリングし、サンプリング値をA/D変換
して位置現在値Pnowを生成するとともに、位置現在
値Pnowを微分して速度現在値Vnowを求める。
【0024】上下死点検出部34は、位置・速度検出部
33で生成された位置現在値Pnowの最大値および最
小値に基づいて、ピストン12a,12bの上死点と原
点の間の上死点側振幅および下死点と原点の間の下死点
側振幅を検出する。上死点側振幅および下死点側振幅の
検出は、位置指令値Prefの1サイクルが終了するご
とすなわち位置指令値Prefがゼロクロス点を通過す
るこどに行なわれる。
【0025】電流・速度位相差検出部35は、位置・速
度検出部33で生成された速度現在値Vnowと電流指
令値生成部32で生成された電流指令値Irefとの位
相差を検出する。位相差の検出は、位置現在値Pnow
の1サイクルが終了するごとすなわち位置現在値Pno
wがゼロクロス点を通過するごとに行なわれる。
【0026】位置指令値生成部30は、メモリに格納さ
れたサインテーブルと、振幅Aと、角周波数ωと、シフ
ト量Bと、式Pref=Asinωt+B(正弦関数)
とに基づいて位置指令値Prefを生成し、生成した位
置指令値Prefを位置・速度制御部31に与える。
【0027】位置・速度制御部31は、位置指令値生成
部30で生成された位置指令値Prefと位置・速度検
出部33で生成された位置現在値Pnowとの偏差Pr
ef−Pnowに基づいて速度指令値Vrefを生成
し、さらに速度指令値Vrefと位置・速度検出部33
で生成された速度現在値Vnowとの偏差Vref−V
nowに基づいて速度制御値Vcを生成する。
【0028】電流指令値生成部32は、位置・速度制御
部31で生成された速度制御値Vcと、電流ゲインGi
と、式Iref=GiVcとに基づいて電流指令値Ir
efを生成し、さらに電流指令値Irefを制御信号φ
cに変換して電源3に与える。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。
【0029】電流ゲイン制御部36は、上下死点検出部
34で検出された上死点側振幅および下死点側振幅を比
較し、上死点側振幅および下死点側振幅のうちのいずれ
か大きい方を最大振幅現在値Anowとし、この最大振
幅現在値Anowが予め定められた最大振幅目標値Ar
efに一致するように電流指令値生成部32で用いられ
る電流ゲインGiの値をピストン12a,12bの振動
の1サイクルごとに制御する。また、電流ゲイン制御部
36は、ピストン12a,12bの振動の数百(たとえ
ば300)サイクルに1回、電流・速度位相差検出部3
5で検出された位相差が予め定められた許容値を越えて
いるかどうかを判別し、越えている場合は電流指令値生
成部32で用いられる電流ゲインGiの値を数%減少さ
せる。このように位置・速度制御部31による位置・速
度制御に加えて最大振幅の制御を行ない、かつ周波数制
御に先立って電流ゲインGiを数%減少させることによ
り、ピストン12a,12bのヘッドとシリンダ11
a,11bの内壁端部との衝突を確実に回避することが
できる。
【0030】振幅中立位置制御部37は、上下死点検出
部34で検出された上死点側振幅および下死点側振幅を
比較し、上死点側振幅と下死点側振幅の差が小さくなる
ように位置指令値生成部30で用いられるシフト量Bを
位置指令値Prefの1サイクルが終了するごとに制御
する。すなわち振幅中立位置制御部37は、上死点側振
幅の方が下死点側振幅よりも大きい場合はシフト量Bを
負側(下方向)に補正し、上死点側振幅の方が下死点側
振幅よりも小さい場合はシフト量Bを正側(上方向)に
補正する。通常シフト量Bはバルブの非対称性等の装置
の特性によりほぼ一定になるため、シフト量Bの1回あ
たりの制御量は小さな値(たとえば1μm)に設定され
ている。このようにシフト量Bを制御することにより、
2つのピストン12a,12bのトップクリアランスを
同等に精度よく制御することができる。
【0031】周波数制御部38は、電流・速度位相差検
出部35によって検出された位相差が予め定められた許
容値を越えているかどうかを判別し、越えている場合は
位相差がなくなるように位置指令値生成部30で用いら
れる角周波数ωを補正する。位相差の補正は、電流ゲイ
ン制御部36によって電流ゲインGiを数%減少するの
とほぼ同時に行なわれる。これにより、位相差の補正に
よって効率が改善され、ピストン12a,12bの振幅
が大きくなってピストン12a,12bのヘッドがシリ
ンダ11a,11bの内壁端部に衝突することが防止さ
れる。
【0032】図4および図5は、図3で示した制御装置
5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の動作について説明する。
【0033】まず位置指令値生成部30で位置指令値P
refが生成され、位置・速度制御部31で速度制御値
Vcが生成され、電流指令値生成部32で制御信号φc
が生成される。電源3からリニアモータ20のコイル2
3に電流が供給されると、リニアモータ24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。
【0034】ステップS1において位置・速度検出部3
3によって位置データすなわち位置センサ4の出力Pa
の読込が行なわれ、ステップS2において位置・速度検
出部33によって位置現在値Pnowおよび速度現在値
Vnowが算出される。
【0035】ステップS3において、位置・速度制御部
31によって速度制御が行なわれる。すなわち、位置・
速度制御部31は、速度指令値Vrefと速度現在値V
nowとの偏差に基づいて速度制御値Vcを生成し電流
指令値生成部32に与える。
【0036】ステップS4において電流指令値生成部3
2によって速度制御値Vcと電流ゲインGiの積である
電流指令値Irefが生成され、ステップS5において
電流指令値生成部32から電流指令値Irefに応じた
電流指令データすなわち制御信号φcが電源3に出力さ
れる。
【0037】ステップS6において制御装置5に含まれ
る第1カウンタ(図示せず)のカウント値がインクリメ
ント(+1)され、ステップS7において第1カウンタ
のカウント値が設定値(たとえば3)に到達したか否か
が判別される。
【0038】ステップS7において第1カウンタのカウ
ント値が設定値に到達していた場合は、ステップS8で
位置指令値生成部30において位置補正量および周波数
設定値に基づいて振幅Aおよび角周波数ωが生成され、
さらに、サインテーブル、振幅A、シフト量Bおよび角
周波数ωに基づいて位置指令値Pref=Asinωt
+Bが生成される。ステップS9において位置・速度制
御部31によって位置制御が行なわれる。すなわち位置
・速度制御部31は、位置指令値Prefと位置現在値
Pnowの偏差に基づいて速度指令値Vrefを生成す
る。位置制御が終了した後ステップS10において第1
カウンタのカウント値がリセットされる。
【0039】ステップS7において第1カウンタのカウ
ント値が設定値に到達していない場合は、ステップS8
〜S10は実行されない。
【0040】次いでステップS11において位置指令値
Prefの1サイクルが終了したか否かが判別される。
【0041】ステップS11において位置指令値Pre
fの1サイクルが終了したと判別した場合は、ステップ
S12において上下死点検出部34によって位置現在値
Pnowの最大値および最小値に基づいてピストン12
a,12bの上死点側振幅および下死点側振幅が検出さ
れる。
【0042】ステップS13において上死点側振幅と下
死点側振幅の大小関係が比較され、上死点側振幅の方が
下死点側振幅よりも大きい場合は、ステップS14で振
幅中立位置制御部37によってシフト量Bの補正量とし
て負の補正量が設定され、ステップS15で最大振幅現
在値Anowとして上死点側振幅が設定される。
【0043】ステップS13における大小比較の結果、
下死点側振幅の方が上死点側振幅よりも大きい場合は、
ステップS16で振幅中立位置制御部37によってシフ
ト量Bの補正量として正の補正量が設定され、ステップ
S17で最大振幅現在値Anowとして下死点側振幅が
設定される。
【0044】ステップS18において電流ゲイン制御部
36によって最大振幅現在値Anowが最大振幅目標値
Arefに一致するように電流ゲインGiが制御・設定
された後、ステップS19で上下死点検出部34におい
て位置現在値Pnowの最大値および最小値がリセット
される。
【0045】ステップS11において位置指令値Pre
fの1サイクルが終了したと判別しなかった場合は、ス
テップS12〜S19は実行されない。
【0046】次いでステップS20で上死点検出部34
において位置現在値Pnowの最大値および最小値の検
出・保持が行なわれる。ステップS21で電流・速度位
相差検出部35によって位置現在値Pnowの1サイク
ルが終了したか否かが判別される。
【0047】ステップS21で位置現在値Pnowの1
サイクルが終了したと判別された場合は、ステップS2
2において電流・速度位相差検出部35によって電流指
令値Irefと速度現在値Vnowの位相差が検出され
る。
【0048】次に、ステップS23において第2カウン
タ(図示せず)のカウント値がインクリメントされ、ス
テップS24において第2カウンタのカウント値が設定
値(300)に到達したか否かが判別される。
【0049】ステップS24において第2カウンタのカ
ウント値が設定値に到達したと判別された場合は、ステ
ップS25において電流指令値Irefと速度現在値V
nowの位相差が許容値以内か否かが判別される。
【0050】ステップS25において許容値以内でない
と判別された場合は、ステップS26において周波数制
御部38によって位置指令値Prefの周波数の制御・
設定が行なわれ、ステップS27において電流ゲイン制
御部36によって電流指令値Irefの電流ゲインGi
が数%削減される。
【0051】ステップS25において位相差が許容値以
内であると判別された場合は、ステップS26,S27
は実行されない。
【0052】次いでステップS28において第2カウン
タのカウント値がリセットされる。ステップS21にお
いて位置現在値Pnowの1サイクルが終了していない
と判別された場合は、ステップS22〜S28は実行さ
れない。ステップS24において第2カウンタのカウン
ト値が設定値に到達していないと判別された場合は、ス
テップS25〜S28は実行されない。
【0053】次いでステップS29において制御が終了
したか否かが判別され、終了したと判別された場合は制
御が終了し、終了していなと判別された場合は再びステ
ップS1に戻る。
【0054】この実施の形態では、電流指令値Iref
と速度現在値Vnowの位相差がなくなるように位置指
令値Prefの周波数を制御するときに、電流指令値I
ref=GiVcの電流ゲインGiを数%削減する。し
たがって、位置指令値Prefの周波数の制御により損
失分が改善されてピストン12a,12bの振幅が増大
しても、ピストン12a,12bのヘッドがシリンダ1
1a,11bの内壁端部に衝突することはない。
【0055】また、ピストン12a,12bの上死点側
振幅と下死点側振幅のいずれか大きい方が最大振幅目標
値Arefに位置するように電流指令値Irefの電流
ゲインGiを制御するので、ピストン12a,12bの
実際の中立点が設計上の中立点(原点)からずれても、
ピストン12a,12bのヘッドがシリンダ11a,1
1bの内壁端部に衝突することがない。
【0056】また、ピストン12a,12bの実際の中
立点の原点からのシフト量Bを検出し、そのシフト量B
がなくなるように位置指令値Prefのシフト量Bを制
御するので、2つのピストン12a,12bのヘッドク
リアランスの双方を同等に精度よく制御できる。
【0057】なお、この実施の形態では、電流・速度位
相差検出部35において電流指令値Irefと速度現在
値Vnowの位相差を検出し、この位相差がなくなるよ
うに位置指令値Prefの周波数を制御したが、これに
限るものではなく、電流指令値Irefと位置現在値P
nowの位相差を検出し、この位相差が90°になるよ
うに位置指令値Prefの周波数を制御してもよい。
【0058】[実施の形態2]図6は、この発明の実施
の形態2によるリニアコンプレッサの駆動装置の構成を
示すブロック図である。
【0059】図6において、このリニアコンプレッサの
駆動装置が実施の形態1と異なる点は、制御装置5が制
御装置40で置換され、電流指令値Irefの電流ゲイ
ンGiの代わりに位置指令値Prefの振幅Aが制御さ
れる点である。
【0060】制御装置40は、制御装置5の電流ゲイン
制御部36を位置指令値振幅制御部41で置換したもの
である。位置指令値振幅制御部41は、上下死点検出部
34で検出された上死点側振幅および下死点側振幅を比
較し、上死点側振幅および下死点側振幅のうちのいずれ
か大きい方を最大振幅現在値Anowとし、この最大振
幅現在値Anowが予め定められた最大振幅目標値Ar
efに一致するように位置指令値生成部30で用いられ
る振幅Aの値をピストン12a,12bの振動の1サイ
クルごとに制御する。また、位置指令値振幅制御部41
は、ピストン12a,12bの振動の数百(たとえば3
00)サイクルに1回、電流・速度位相差検出部35で
検出された位相差が予め定められた許容値を越えている
かどうかを判別し、越えている場合は位置指令値生成部
30で用いられる振幅Aの値を数%減少させる。
【0061】図7および図8は、図6で示したリニアコ
ンプレッサの駆動装置の動作を示すフローチャートであ
る。
【0062】図7および図8において、このフローチャ
ートが図4および図5のフローチャートと異なる点は、
ステップS4,S8,S18,S27の代わりにそれぞ
れステップS4′,S8′,S18′,S27′が実行
される点である。
【0063】すなわちステップS4′において、電流指
令値生成部32によって速度制御値Vcと電流ゲインG
iの積である電流指令値Irefが算出される。この電
流ゲインGiは定数である。ステップS8′において、
位置指令値生成部30によって位置指令値Pref=A
sinωt+Bが生成される。ここで振幅A、角周波数
ωおよびシフト量Bのそれぞれが変数となる。
【0064】ステップS18′において、位置指令値振
幅制御部41によってピストン12a,12bの最大振
幅現在値Anowが最大振幅目標値Arefに一致する
ように位置指令値Prefの振幅Aが制御・設定され
る。ステップS27′において、位置指令値振幅制御部
41によって位置指令値Prefの振幅Aが数%削減さ
れる。他の構成および動作は実施の形態1と同じである
ので、その説明は繰返さない。
【0065】この実施の形態でも、実施の形態1と同じ
効果が得られる。 [実施の形態3]図9は、この発明の実施の形態3によ
るリニアコンプレッサの駆動装置の構成を示すブロック
図である。
【0066】図9において、このリニアコンプレッサの
駆動装置が実施の形態1と異なる点は、制御装置5が制
御装置42で置換され、構成の簡単化が図られている点
である。
【0067】制御装置42は、制御装置5の位置・速度
制御部32を除去し、位置指令値生成部30を電流指令
値基本値生成部43で置換したものである。電流指令値
基本生成部43は、メモリに格納されたサインテーブル
と、振幅A′と、角周波数ω′と、シフト量B′と、式
Ic=A′sinω′t+B′(正弦関数)とに基づい
て電流基本値Icを生成し、生成した電流基本値Icを
電流指令値生成部32に与える。
【0068】電流指令値生成部32は、電流指令値基本
値生成部43で生成された電流基本値Icと、電流ゲイ
ンGiと、式Iref=GiIcとに基づいて電流指令
値Irefを生成し、さらに電流指令値Irefを制御
信号φcに変換して電源3に与える。
【0069】振幅中立位置制御部37は位置指令値Pr
efのシフト量Bの代わりに電基本値Icのシフト量
B′を制御し、周波数制御部38は位置指令値Pref
の周波数の代わりに電流基本値Icの周波数を制御す
る。
【0070】図10および図11は、図9で示したリニ
アモータの駆動装置の動作を示すフローチャートであ
る。
【0071】ステップS31において位置・速度検出部
33によって位置データすなわち位置センサ4の出力P
aの読込が行なわれ、ステップS32において位置・速
度検出部33によって位置現在値Pnowおよび速度現
在値Vnowが算出される。
【0072】ステップS33において電流指令値生成部
32によって電流基本値Icと電流ゲインGiの積であ
る電流指令値Irefが生成され、ステップS34にお
いて電流指令値生成部32から電流指令値Irefに応
じた電流指令データすなわち制御信号φcが電源3に出
力される。
【0073】次にステップS35で、電流指令値基本値
生成部43において位置補正量および周波数設定値に基
づいて振幅A′および角周波数ω′が生成され、さらに
サインテーブル、振幅A′、シフト量B′および角周波
数ω′に基づいて電流基本値Ic=A′sinω′t+
B′が生成される。
【0074】以下ステップS36〜S54は、図4およ
び図5で示したステップS11〜S29と同様であるの
で、その説明は繰返さない。
【0075】この実施の形態では、実施の形態1と同じ
効果が得られる他、制御装置の構成の簡単化が図られ
る。
【0076】なお、この実施の形態では、この発明が2
ピストン型のリニアコンプレッサ1に適用された例を示
したが、この発明のうち周波数を制御するときに振幅を
一旦減少させるものは、1ピストン型のリニアコンプレ
ッサに対しても有効である。
【0077】図12は、1ピストン型リニアコンプレッ
サ50の構成を示す断面図である。図12において、こ
のリニアコンプレッサ50は、シリンダ51と、シリン
ダ51内に往復動自在に嵌挿されたピストン52と、ピ
ストン52のヘッドとシリンダ51の内壁端部で形成さ
れた圧縮室53と、圧縮室53のガス圧に応じて開閉す
る吸込バルブ54および吐出バルブ50とを備えてい
る。また、このリニアコンプレッサ50は、ピストン5
2を往復動させるためのリニアモータ56と、ピストン
52を往復動自在に支持するためのピストンばね61と
を備える。リニアモータ56は、円筒状のヨーク部57
と、巻回されたコイルを有する固定子58,59と、円
筒状の永久磁石を有する可動体60とを含む。ヨーク部
57は、シリンダ51と同心に設けられ、その一端はシ
リンダ51の一端に接合される。固定子58はシリンダ
51の外周壁に設けられ、固定子59はヨーク部57の
内周壁に設けられる。可動体60は、固定子58と59
の間に往復動自在に挿入され、その一端はピストン52
の一端に接合される。ピストンばね61の周辺部はヨー
ク部57の他端面に固定され、その中央部はピストン5
2の一端に固定される。
【0078】ピストン52は、ピストン52および可動
体60の重量、圧縮室53のガスの圧力変動に基づくガ
スばねのばね定数、ピストンばね61のばね定数などか
ら定まる共振周波数を有する。リニアモータ56の固定
子58,59のコイルには、電源3から共振周波数の駆
動電流Iが供給される。
【0079】なお、これらの部品51〜61は、防音・
防振のためマウントばね62を介してケーシング63内
に収容される。
【0080】電源3からリニアモータ56の固定子5
8,59のコイルに駆動電流Iが供給されると、可動体
60の永久磁石に電磁力が作用し、可動体60およびピ
ストン52が往復動する。このピストン52の往復動に
より、膨張ガスが吸込バルブ54を介して圧縮室53内
に吸込まれ、圧縮室53内で生成された圧縮ガスが突出
バルブ55を介して吐出される。
【0081】
【発明の効果】以上のように、請求項1に係る発明で
は、位置指令手段が正弦関数に従ってピストンの位置を
指令し、位置検出値が位置指令値に一致するように電流
指令手段が電流指令値を生成し、電源は電流指令値に応
じた駆動電流をリニアモータに出力する。そして、周波
数制御手段は、電流指令値とピストン速度の位相差が許
容値を越えたとき、電流指令値および正弦関数のうちの
少なくとも一方を予め定められた割合に減少させるとと
もに、位相差がなくなるように正弦関数の周波数を制御
する。したがって、周波数制御の際には一旦ピストンの
振幅が小さくなるので、周波数の制御により効率が改善
されてもピストンの振幅が大きくなってピストンのヘッ
ドがシリンダ内壁端部に衝突することがない。
【0082】請求項2に係る発明では、電流指令手段が
正弦関数に従って電流指令値を生成し、ピストンの振幅
検出値が目標値に一致するように振幅制御手段が正弦関
数の振幅を制御し、電源は電流指令値に応じた駆動電流
をリニアモータに出力する。そして、周波数制御手段
は、電流指令値とピストン速度の位相差が許容値を越え
たとき、正弦関数の振幅を予め定められた割合に減少さ
せるとともに、位相差がなくなるように正弦関数の周波
数を制御する。したがって、請求項1に係る発明と同じ
効果が得られる他、構成の簡単化が図られる。
【0083】請求項3に係る発明では、ピストンの中立
点の原点からのシフト量をなくすことができ、ピストン
のヘッドがシリンダ内壁端部に衝突することを防止でき
る。また、リニアモータが2ピストン型の場合でも、2
つのピストンのヘッドクリアランスの双方を同等に精度
よく制御できる。
【0084】請求項4に係る発明では、ピストンの中立
点が原点からずれても、ピストンのヘッドがシリンダ内
壁端部に衝突することはない。
【0085】請求項5に係る発明では、請求項3に係る
発明と同じ効果が得られる他、構成の簡単化が図られ
る。
【0086】請求項6に係る発明では、請求項4に係る
発明と同じ効果が得られる他、構成の簡単化が図られ
る。
【0087】
【0088】
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1によるリニアコンプレ
ッサの駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1に示したリニアコンプレッサの構成を示す
断面図である。
【図3】図1に示した制御装置の主要部の構成を示すブ
ロック図である。
【図4】図3に示した制御装置の動作を示すフローチャ
ートである。
【図5】図4の分図である。
【図6】この発明の実施の形態2によるリニアコンプレ
ッサの駆動装置の制御装置の主要部を示すブロック図で
ある。
【図7】図6に示した制御装置の動作を示すフローチャ
ートである。
【図8】図7の分図である。
【図9】この発明の実施の形態3によるリニアコンプレ
ッサの駆動装置の制御装置の主要部の構成を示すブロッ
ク図である。
【図10】図9に示した制御装置の動作を示すフローチ
ャートである。
【図11】図10の分図である。
【図12】図9に示したリニアコンプレッサの駆動装置
の改良例を示す断面図である。
【符号の説明】
1,50 リニアコンプレッサ 2 駆動装置 3 電源 4 位置センサ 5,40,42 制御装置 11a,11b,51 シリンダ 12a,12b,52 ピストン 20,56 リニアモータ 30 位置指令値生成部 31 位置・速度制御部 32 電流指令値生成部 33 位置・速度検出部 34 上下死点検出部 35 電流・速度位相差検出部 36 電流ゲイン制御部 37 振幅中立位置制御部 38 周波数制御部 41 位置指令値振幅制御部 43 電流指令値基本値生成部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−57009(JP,A) 特開 平3−3984(JP,A) 特開 平8−247025(JP,A) 米国特許4750871(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F04B 49/06 341 F04B 35/04 H02P 7/00 101

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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、 電流指令値に応じた駆動電流を前記リニアモータに出力
    する電源、 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、 前記位置検出手段によって検出された位置が前記位置指
    令手段によって指令された位置に一致するように前記電
    流指令値を生成し前記電源に与える電流指令手段、 前記ピストンの前記シリンダ内における速度を検出する
    ための速度検出手段、 前記電流指令手段で生成された電流指令値と前記速度検
    出手段によって検出された速度を示す値との位相差を検
    出する位相差検出手段、および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制御する周波数
    制御手段を備え、 該周波数制御手段により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制御する場合に、前記電流指令
    手段で生成される電流指令値および前記正弦関数の振幅
    のうちの少なくとも一方を予め定められた割合に減少さ
    せることを特徴とすることを特徴とする リニアコンプレ
    ッサの駆動装置。
  2. 【請求項2】 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、 電流指令値に応じた駆動電流を前記リニアモータに出力
    する電源、 正弦関数に従って前記電流指令値を生成し前記電源に与
    える電流指令手段、 前記ピストンの前記シリンダ内における振幅を検出する
    ための振幅検出手段、 前記ピストンの前記シリンダ内における速度を検出する
    ための速度検出手段、 前記電流指令手段で生成された電流指令値と前記速度検
    出手段で検出された速度を示す値との位相差を検出する
    位相差検出手段、 前記振幅検出手段によって検出された振幅が予め定めら
    れた目標値に一致するように前記電流指令手段で用いら
    れる前記正弦関数の振幅を制御する振幅制御手段、およ
    び前記位相差検出手段によって検出された位相差がなく
    なるように前記電流指令手段で用いられる前記正弦関数
    の周波数を制御する周波数制御手段を備え、 該周波数制御手段により前記電流指令手段で用いられる
    前記正弦関数の周波数を制御する場合に、前記正弦関数
    の振幅を予め定められた割合に減少させることを特徴と
    することを特徴とする リニアコンプレッサの駆動装置。
  3. 【請求項3】 前記位置検出手段の検出結果に基づい
    て、前記ピストンの中立点の原点からのシフト量を検出
    するシフト量検出手段、および 前記シフト量検出手段に
    よって検出されたシフト量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シフト量を制御する
    シフト量制御手段を備える、請求項1記載のリニアコン
    プレッサの駆動装置。
  4. 【請求項4】 前記位置検出手段の検出結果に基づい
    て、前記ピストンの上死点と原点の間の上死点側振幅と
    前記ピストンの下死点と原点の間の下死点側振幅とを検
    出する振幅検出手段、および 前記振幅検出手段によって
    検出された上死点側振幅および下死点側振幅のうちのい
    ずれか大きい方が予め定められた目標値に一致するよう
    に前記位置指令手段で用いられる前記正弦関数の振幅お
    よび前記電流指令手段で生成される電流指令値のうち少
    なくとも一方を制御する振幅制御手段を備える、請求項
    1または3記載のリニアコンプレッサの駆動装置。
  5. 【請求項5】 前記位置検出手段の検出結果に基づい
    て、前記ピストンの中立点の原点からのシフト量を検出
    するシフト量検出手段、および 前記シフト量検出手段に
    よって検出されたシフト量がなくなるように前記電流指
    令手段で用いられる前記正弦関数のシフト量を制御する
    シフト量制御手段を備える、請求項2記載のリニアコン
    プレッサの駆動装置。
  6. 【請求項6】 前記振幅検出手段は、前記ピストンの上
    死点と原点の間の上死点側振幅と前記ピストンの下死点
    と原点の間の下死点側振幅とを検出すると共に、 前記振幅制御手段は、前記振幅検出手段によって検出さ
    れた上死点側振幅および下死点側振幅のうちのいずれか
    大きい方が予め定められた目標値に一致するよ うに前記
    電流指令手段で用いられる前記正弦関数の振幅を制御す
    ることを特徴とする請求項2または5記載の リニアコン
    プレッサの駆動装置。
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