JP3667903B2

JP3667903B2 - 圧縮機用電動機の制御装置

Info

Publication number: JP3667903B2
Application number: JP30935796A
Authority: JP
Inventors: 和憲坂廼辺; 仁川口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-11-20
Filing date: 1996-11-20
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: JPH10148184A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮機を駆動する電動機をトルク制御する圧縮機用電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エアコンや冷蔵庫の圧縮機の可変速制御にインバータが用いられている。さらにエアコンにおいては省エネ化を目的として、圧縮機の電動機にＤＣブラシレスモータが採用されてきている。
【０００３】
一方、エアコン等に使用される密閉型ロータリ圧縮機は、吸入・圧縮・吐出の各行程での冷媒ガス圧変化により負荷トルクが変動することが知られている。また、このガス圧による負荷トルクは圧縮機の回転に同期して変動し、それに伴い圧縮機の回転速度が周期的に変動し、圧縮機自体の振動を生ずることも知られている。上記振動を抑制する手段として、圧縮機の負荷トルクに同期して電動機の出力トルクを変化させ、回転速度変動を抑制する方式（以下トルク制御と称する）が提案されている。
【０００４】
従来、ＤＣブラシレスモータを使用した制御方式としては、例えば図９に示すような制御装置が提案されている。これは、圧縮機の振動を抑制するよう負荷トルクに応じた電動機出力トルクを発生するトルク制御を備えた制御装置である。
【０００５】
図９において、この制御装置は、直流電源をスイッチングして圧縮機２内のブラシレスモータ３に電圧を印加するインバータ１と、ブラシレスモータ３の電機子巻線の端子電圧Ｕ，Ｖ，Ｗを検出する電圧検出手段４と、この電圧検出手段４の出力する各相の電圧情報に基づいて、ブラシレスモータ３の回転子の位置を演算する位置検出手段５と、その位置検出信号と、外部より与えられる運転周波数指令信号に基づいてインバータ１のスイッチ駆動信号を作成する電圧制御手段７と、１回転周期における負荷トルクの脈動パターン（図１０参照）を記憶する負荷トルクパターン記憶部１５とで構成される。
【０００６】
また、上記電圧制御手段７は、外部より与えられる運転周波数指令ｆ ^＊に基づき平均出力電圧指令を決定する速度制御部８と、前記速度制御部８の出力する平均電圧指令値と位置検出手段５の出力する回転子位置信号をもとに３相の電圧指令を作成し、その電圧指令からインバータ１内の６個のスイッチを各々ＰＷＭ駆動する６本の制御信号を作成する駆動信号生成部９と、前記制御信号を前記インバータ１内スイッチを駆動できる電圧に変換するドライバ部１０とで構成される。
【０００７】
また、上記駆動信号生成部９は、圧縮機２の回転角位相に依存する圧縮機２の負荷トルク脈動に対応した出力電圧の補正量を出力するトルク制御部１２と、速度制御部８とトルク制御部１２の出力をうけてＰＷＭ信号を作成するＰＷＭ信号作成部１１により構成される。
【０００８】
次に、従来の制御装置の動作について説明する。速度制御部８に対して圧縮機２の回転周波数指令を与えると、その回転数に対応するインバータ１の出力電圧の指令値Ｖ^＊が作成され、ＰＷＭ信号作成部１１からは、例えば図１１に示すような信号が出力される。
【０００９】
ＰＷＭ信号作成部１１は与えられた電圧指令に基づいて各時刻におけるチョッピングスイッチ（例えばＳｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ）のパルス幅を変化し、出力する。インバータ１からの電圧を印加するとＤＣブラシレスモータ３が電圧周波数に同期して回転を開始する。この時のＵ相のスイッチ制御信号Ｓｕｐ，Ｓｕｎおよび相電圧波形は図１２（ａ）〜（ｃ）に示す様な波形となる。位置検出手段５はこの波形から誘起電圧のゼロクロス情報のみを抽出し、これをトリガとして回転位置情報作成し出力する。トルク制御部１２は、負荷トルクパターン記憶部１５より読み出した現在の負荷トルク値τ１をもとにモータ出力トルクτｍがτ１とほぼ等しくなるような補正電圧値を出力する。さらにＰＷＭ信号生成部１１は上記電圧指令値と上記補正電圧値と上記回転位置情報をもとに、各相のＰＷＭ制御信号を作成する。これにより圧縮機の負荷トルク脈動に応じた電流波形（図１３参照）を発生し、負荷トルクとモータ出力トルクとの差を最小化し回転速度変動および振動を抑制する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧縮機用電動機の制御装置は、以上のように構成されているので、ＤＣブラシレスモータ３を搭載する圧縮機２の発生する振動には、圧縮機２の回転周波数成分の振動とモータの相切換の周波数（３相４極のモータの場合圧縮機回転周波数の１２倍の周波数）成分の振動が存在する。
【００１１】
前者はおおよそ圧縮機２の負荷トルク変動によるものであり、上記従来例に示したようなオープンループのトルク制御によって抑制が可能である。
しかし後者はＤＣブラシレスモータの通電相切り替えタイミング時のモータ印加電流減少（図１４（ａ）、（ｂ））によるものであり、負荷トルク脈動のみを補償する従来方式では振動を効果的に抑制することができなかった（図１５参照）。
また、後者の振動のみを抑制する方法としては多くの方式が提案されているが、前者の振動を同時に抑制できるものではなかった。
【００１２】
また、従来装置のトルク制御は負荷トルク脈動を相殺するよう出力電流を制御するので機械回転周期に同期した電流脈動が発生するが、電流が脈動すると電流に２乗比例する回路抵抗分損失が上昇するため回路効率が悪化する。機器の使用環境によっては振動よりも電力効率が求められることがあるが、従来の装置ではこのような要求に応えることができなかった。
【００１３】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、新たな装置を付加することなく、負荷トルクによる振動と出力トルクリップルによる振動とを抑制できる圧縮機用電動機の制御装置を得ることを目的とする。
【００１４】
また、新たな装置を付加することなく、負荷トルクによる振動と、出力トルクリップルによる振動の双方を抑制できる圧縮機用電動機の制御装置を得ることを目的とする。
【００１５】
また、省エネ、静音というユーザにおける異なる２つの要求に対応した圧縮機用電動機の制御装置を得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る圧縮機用電動機の制御装置は、圧縮機に内蔵されたＤＣブラシレスモータを駆動するためのインバータと、ＤＣブラシレスモータの電機子巻線の端子電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段の出力する電圧情報に基づいて、ＤＣブラシレスモータの回転位置を演算し回転位置情報を出力する回転位置検出手段と、回転位置情報と外部より与えられる回転数指令情報とによりインバータ平均出力電圧指令値あるいは平均出力電流指令値を作成する速度制御部と、圧縮機回転位相θ毎の圧縮負荷トルクの脈動分の電流換算値ＩＬ（θ）と、ＤＣブラシレスモータ出力トルクの脈動補償分の電流換算値Ｉｍａ（θ）との加算データＩＬ（θ）＋Ｉｍａ（θ）を記憶している脈動トルクパターン記憶部と、回転位置検出手段からの回転位置情報より現在の圧縮機回転位相θを入力し、回転位相θにおけるＩＬ（θ）＋Ｉｍａ（θ）の値を脈動トルクパターン記憶部から読み出し、この値を定数倍した値を補正電流値あるいは補正電圧値として出力するトルク制御部と、補正電流値あるいは補正電圧値に、速度制御部において演算された平均出力電圧指令あるいは平均出力電流指令が加算された瞬時電流指令値あるいは瞬時電圧指令値が入力され、この瞬時電流指令値あるいは瞬時電圧指令値と、回転位相θとによりＰＷＭ制御信号を算出するＰＷＭ信号作成部と、ＰＷＭ制御信号に基づき前記インバータを制御するドライバ部とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、この発明に係る圧縮機用電動機の制御装置は、トルク制御のＯＮ／ＯＦＦを指令するマンマシンインタフェース部を備え、前記トルク制御部は前記マンマシンインタフェース部のトルク制御のＯＮ／ＯＦＦ信号を受け、前記信号がＯＮの場合、前記補正電流値あるいは補正電圧値を出力することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による圧縮機用電動機の制御装置を図について説明する。図１は、この発明の実施の形態１による圧縮機用電動機の制御装置の構成図である。従来装置と同一または相当部分には同一符号を付して説明は省略する。
【００１９】
図１において、６は脈動トルクパターン記憶手段であり、圧縮機回転位相毎の圧縮負荷トルクの脈動分τ１（θ）の電流換算値ＩＬ（θ）とモータ出力トルクの脈動補償分τｍａ（θ）の電流換算値Ｉｍａ（θ）の加算データＩＬ（θ）＋Ｉｍａ（θ）を記憶している。相切換時の電流の落ち込みはモータのインダクタンス値Ｌ、抵抗値Ｒ、（母線電圧−誘起電圧）値Ｅで決定されるため、モータ出力トルク補正用電流データＩｍａ（θ）（図２（ａ））の値は、上記の電流落ち込み量を補う値となる。
【００２０】
すなわち、図２（ａ）の立ち上がり部分Ｉｒ^＊、立ち下がり部分Ｉｆ^＊および立ち上がり状態から立ち下がり状態への切り替わり時刻Ｔは相切換時刻をｔ＝０とすると以下の関係式となる。
Ｉｒ^＊＝Ｅ／Ｒ＊ｅｘｐ（−Ｒ＊ｔ／Ｌ）
Ｉｆ^＊＝Ｅ／Ｒ＊ｅｘｐ（−Ｒ＊ｔ／Ｌ）
Ｔ＝Ｌ／Ｒ＊１ｎ（２）
【００２１】
脈動トルクパターン記憶手段６の記憶データの例を図２（ｃ）に示す。１２は現在の位相における負荷トルクτ１に応じた出力トルクτｍを出力するような電流の補正値を出力するトルク制御部である。
【００２２】
次に動作について説明する。トルク制御部１２はまず現在の回転位相θを入力し、位相θにおけるＩＬ（θ）＋Ｉｍａ（θ）の値を脈動トルク記憶手段６から読み出す。この値を定数倍した値を補正電流値あるいは補正電圧値として出力する。上記補正値は、速度制御部８において演算された平均出力電圧指令あるいは平均出力電流指令と加算され、瞬時電流指令値あるいは瞬時電圧指令値としてＰＷＭ信号生成部１１に入力される。
【００２３】
ＰＷＭ信号生成部１１は上記瞬時電流指令値あるいは瞬時電圧指令値と現在の回転位相θとより、ＰＷＭ信号を作成する。上記の動作により、各回転位相におけるインバータの出力トルクは圧縮機負荷トルクと等しくなり、負荷トルク脈動および出力トルク脈動に起因する１回転中の速度変動が抑制される。本実施の形態と従来の制御装置とにおける一回転中の速度変動波形を図３に示す。
【００２４】
図において、（１）は圧縮機の負荷トルク変動、（２）はトルク制御をかけない場合の回転速度変動、（３）は本実施の形態における回転速度変動、（４）は従来装置における回転速度変動である。図のように、従来方式で発生していた出力トルクリップルによる速度変動が本方式では抑制されるため、これに起因する振動も低減される。また、従来からの変更点としてはトルクパターン記憶部の記憶内容の更新で適応できるため、従来装置から簡易に実現が可能である。
【００２５】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２による圧縮機用電動機の制御装置を図について説明する。図４は、この発明の実施の形態２による圧縮機用電動機の制御装置の構成図である。図において、１４は１２０度を越えた通電角でのインバータ制御信号を作成するオーバラップＰＷＭ信号作成部である。
【００２６】
次に動作について図５、図６、図７に基づき説明する。図７は例えばオーバラップ（全相通電状態となる位相）角度が電気角３０度である場合におけるオーバラップＰＷＭ信号作成部１４の動作を示す表である。オーバラップＰＷＭ信号作成部１４は位置検出手段５から与えられる位相情報と、内蔵する図７の電気角−スイッチングパターン対応情報とに基づきインバータ各スイッチの制御パターンを決定する。図７の１カ所あたり電気角３０度で計６箇所のＵ，Ｖ，Ｗ相全てに通電が行われる区間（図７太枠部分）は相切換時の電流の落ち込みを補償するためのオーバラップ通電区間である。
【００２７】
上記図５のシーケンスに基づくＰＷＭ信号のパターンの例を図６に示す。なお、上記の例ではオーバラップ部が角度（電気角３０度）である例で示したが、オーバラップは、時間値である方が望ましい。従来のＰＷＭ方式（ターンオン・ターンオフタイミングが同時、図５点線部）の場合、相切換時のトータル電流が最小となるタイミングはターンオフ開始から所定時間Ｔ（＝Ｌ／Ｒ＊１ｎ（２）、Ｌ：モータ巻線インダクタンス、Ｒ：モータ巻線抵抗分）経過した時刻となる。従って、オーバラップ角の設定値は上記所定時間Ｔにおよそ１／２を乗じた時間に相当する位相角が適している。
【００２８】
図５は従来と本方式におけるＰＷＭ制御信号、相電流、出力トルク波形を示しており、点線が従来の通電（通電角１２０度）の場合、実線がオーバラップ通電時の場合をそれぞれ示している。本方式では相切換時のターンオフ電流遅れの影響がターンオフ位相を遅らせることで出力トルクの落ち込みを回避することができる。
【００２９】
一方負荷トルク脈動に対する出力トルクの補正は、従来例と同様トルク制御部１２の補正出力にて行う。本実施例の制御を行った際の速度変動波形は前記実施の形態１と同様図３の如くとなり速度変動が抑制され、振動が低減される。
【００３０】
実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３による圧縮機用電動機の制御装置を図について説明する。図８は、この発明の実施の形態３による圧縮機用電動機の制御装置の構成図である。図において、１３はリモコンなどのマンマシンインタフェース部である。マンマシンインタフェース部１３では省エネモード及び静音モードの切り替えスイッチを有し、省エネモード時はトルク制御ＯＦＦ、静音モード時はトルク制御ＯＮをトルク制御部１２に指令する。トルク制御部１２は、マンマシンインタフェース１３からのトルク制御のＯＮ／ＯＦＦ信号を受け、上記信号がＯＮの場合は圧縮機の１回転中の負荷トルク変動を相殺するような出力トルクを発するための電圧あるいは電流の指令を出力する。
【００３１】
一方上記信号がＯＦＦの場合はトルク制御部１２は補正出力を０とし、トルク制御による電流の脈動を発生させないよう動作し、高効率に運転する。上記のような方式を採ることにより、省エネ、静音というユーザにおける異なる２つの要求に対応した圧縮機制御が可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
この発明に係る圧縮機用電動機の制御装置は、脈動トルクパターン記憶部が負荷トルクの脈動分と出力トルクの脈動分を同時に補正するようなデータを有するため、新たな装置を付加することなく、負荷トルクによる振動と出力トルクリップルによる振動とを効果的に抑制できる。
【００３３】
また、この発明に係る圧縮機用電動機の制御装置は、省エネ、静音というユーザにおける異なる２つの要求に対応した圧縮機用電動機の制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による圧縮機用電動機の制御装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による圧縮機用電動機の制御装置の脈動トルクパターン記憶部の記憶データを示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１による圧縮機用電動機の制御装置の負荷トルク速度変動を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２による圧縮機用電動機の制御装置の構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２による圧縮機用電動機の制御装置のオーバラップＰＷＭ信号と出力トルクを示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２による圧縮機用電動機の制御装置のオーバラップＰＷＭ手段の出力信号および相電流のタイムチャート図である。
【図７】この発明の実施の形態２による圧縮機用電動機の制御装置のオーバラップＰＷＭ信号作成部の電気角θとＰＷＭ信号の変換表を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態３による圧縮機用電動機の制御装置の構成図である。
【図９】従来の圧縮機用電動機の制御装置の構成図である。
【図１０】従来の圧縮機用電動機の制御装置のトルクパターン記憶手段の記憶データを示す図である。
【図１１】従来の圧縮機用電動機の制御装置のＰＷＭ信号を示す図である。
【図１２】従来の圧縮機用電動機の制御装置のインバータの相電圧波形を示す図である。
【図１３】従来の圧縮機用電動機の制御装置のトルク制御における相電流波形図である。
【図１４】従来の圧縮機用電動機の制御装置のオーバラップＰＷＭ手段の出力信号および相電流および相電流のタイムチャート図である。
【図１５】従来の圧縮機用電動機の制御装置の負荷トルクと出力トルクを示す図である。
【符号の説明】
１インバータ、２圧縮機、３ＤＣブラシレスモータ、４電圧検出手段、５位置検出手段、６脈動トルクパターン記憶部、７電圧制御手段、８速度制御部、９駆動信号生成部、１０ドライバ部、１１ＰＷＭ信号作成部、１２トルク制御部、１３マンマシンインタフェース部、１４オーバラップＰＷＭ信号作成部、１５負荷トルクパターン記憶部。

Claims

圧縮機に内蔵されたＤＣブラシレスモータを駆動するためのインバータと、
前記ＤＣブラシレスモータの電機子巻線の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段の出力する電圧情報に基づいて、前記ＤＣブラシレスモータの回転位置を演算し回転位置情報を出力する回転位置検出手段と、
前記回転位置情報と外部より与えられる回転数指令情報とによりインバータ平均出力電圧指令値あるいは平均出力電流指令値を作成する速度制御部と、
前記圧縮機回転位相θ毎の圧縮負荷トルクの脈動分の電流換算値ＩＬ（θ）と、前記ＤＣブラシレスモータ出力トルクの脈動補償分の電流換算値Ｉｍａ（θ）との加算データＩＬ（θ）＋Ｉｍａ（θ）を記憶している脈動トルクパターン記憶部と、
前記回転位置検出手段からの回転位置情報より現在の前記圧縮機回転位相θを入力し、回転位相θにおけるＩＬ（θ）＋Ｉｍａ（θ）の値を前記脈動トルクパターン記憶部から読み出し、この値を定数倍した値を補正電流値あるいは補正電圧値として出力するトルク制御部と、
前記補正電流値あるいは補正電圧値に、前記速度制御部において演算された平均出力電圧指令あるいは平均出力電流指令が加算された瞬時電流指令値あるいは瞬時電圧指令値が入力され、この瞬時電流指令値あるいは瞬時電圧指令値と、前記回転位相θとによりＰＷＭ制御信号を算出するＰＷＭ信号作成部と、
前記ＰＷＭ制御信号に基づき前記インバータを制御するドライバ部と、
を備えたことを特徴とする圧縮機用電動機の制御装置。
トルク制御のＯＮ／ＯＦＦを指令するマンマシンインタフェース部を備え、前記トルク制御部は前記マンマシンインタフェース部のトルク制御のＯＮ／ＯＦＦ信号を受け、前記信号がＯＮの場合、前記補正電流値あるいは補正電圧値を出力することを特徴とする請求項１記載の圧縮機用電動機の制御装置。