JP6718356B2 - モータ制御装置及びヒートポンプ式冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、３相モータをＰＷＭ制御するモータ制御装置，及びそのモータ制御装置を備えるヒートポンプ式冷凍サイクル装置に関する。

例えば特許文献１には、モータが外力によって回転している状態から起動を開始するため、インバータ回路によりゼロベクトル通電を行い、モータの回転を停止させてから起動する技術が開示されている。

特開２０００−１２５５８４号公報

ところで、モータが外力によって回転している状態から起動する際に、事前に回転方向及びロータ位置を判別できればモータの回転を停止させずとも起動できる。しかしながら、モータの相電流を、インバータ回路の直流部に挿入した１つの抵抗素子，つまり１シャント方式により検出する構成を前提にすると、ゼロベクトル通電では各相電流が検出できないという問題がある。

そこで、１シャント方式により電流を検出する構成でも、モータが外力によって回転している状態での回転方向を判別できるモータ制御装置，及びその装置を備えるヒートポンプ式冷凍サイクル装置を提供する。

実施形態のモータ制御装置は、３相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を所定のＰＷＭ信号パターンに従いオンオフ制御することで、直流を３相交流に変換するインバータ回路を介してモータを駆動するものにおいて、
前記インバータ回路の直流側に接続され、電流値に対応する信号を発生する電流検出素子と、前記モータの相電流に基づいてロータ位置を決定するロータ位置決定部と、前記ロータ位置に追従するように３相のＰＷＭ信号パターンを生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記電流検出素子に発生した信号と前記ＰＷＭ信号パターンとに基づいて、前記モータの相電流を検出する電流検出部とを備え、
前記ＰＷＭ信号生成部は、各相のオン時間を同じとし、少なくとも２つのＰＷＭパルスのオンタイミングをシフトさせることで、前記電流検出部が、前記ＰＷＭ信号の搬送波周期内で２相の電流を検出可能となるようにゼロベクトルに対応する３相のＰＷＭ信号パターンを生成し、
前記モータの起動を開始する前に、前記ＰＷＭ信号生成部に前記ゼロベクトルに対応するＰＷＭ信号パターンを出力させ、その際に検出される電流に基づいて前記モータの回転方向を判別する回転方向判別部を更に備える。
前記ＰＷＭ信号生成部は、前記回転方向判別部による前記回転方向の判別後に、前記電流検出素子により検出される電流値が「０」となるようにＰＷＭ信号をフィードバック制御し、
前記ロータ位置決定部は、前記電流検出素子により検出される電流値がゼロとなった状態において、ロータ位置を決定する。

また、実施形態のヒートポンプ式冷凍サイクル装置は、ファンモータと、このファンモータを制御する上述のモータ制御装置とを備える。

第１実施形態であり、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図 ヒートポンプ式冷凍サイクル装置の構成を示す図 インバータ回路を構成するスイッチング素子のオン状態を空間ベクトルで表した図 ＰＷＭデューティパルスをシフトする技術を説明する図 各相パルスをシフトしたゼロベクトルＰＷＭパルスの実際の波形を観測した一例を示す図 モータが順方向，逆方向に回転してい場合の各相電流の波形を示す図 ファンモータの回転数を推定する処理内容を示すフローチャート 回転方向の判別からモータの起動までの処理を示す状態遷移図 モータが順方向に回転している場合の推定回転数とＵ相電流Ｉｕの波形とを示す図 モータが逆方向に回転している場合の推定回転数とＵ相電流Ｉｕの波形とを示す図

以下、一実施形態について図面を参照しながら説明する。図２において、ヒートポンプ式冷凍サイクル装置１を構成する圧縮機２は、圧縮部３とモータ４を同一の密閉容器５内に収容して構成され、モータ４のロータシャフトが圧縮部３に連結されている。そして、圧縮機２、四方弁６、室内熱交換器７、減圧装置８、室外熱交換器９は、熱伝達媒体流路たるパイプにより閉ループを構成するように接続されている。尚、圧縮機２は、例えばロータリ型の圧縮機であり、モータ４は、例えば３相ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータ，ブラシレスＤＣモータである。空気調和機Ｅは、上記のヒートポンプシステム１を有して構成されている。

暖房時には、四方弁６は実線で示す状態にあり、圧縮機２の圧縮部３で圧縮された高温冷媒は、四方弁６から室内熱交換器７に供給されて凝縮し、その後、減圧装置８で減圧され、低温となって室外熱交換器９に流れ、ここで蒸発して圧縮機２へと戻る。一方、冷房時には、四方弁６は破線で示す状態に切り替えられる。このため、圧縮機２の圧縮部３で圧縮された高温冷媒は、四方弁６から室外熱交換器９に供給されて凝縮し、その後、減圧装置８で減圧され、低温となって室内熱交換器７に流れ、ここで蒸発して圧縮機２へと戻る。室外熱交換器９は、暖房時には蒸発器として、冷房運転時には凝縮器として機能し、室内熱交換器７は、逆に、暖房時には凝縮器として、冷房運転時には蒸発器として機能するようになっている。

そして、室内側、室外側の各熱交換器７，９には、それぞれファン１０，１１により送風が行われ、その送風によって各熱交換器７，９と室内空気、室外空気の熱交換が効率良く行われるように構成されている。室外側の熱交換器９に送風を行うファン１１は、ファンモータ１２により駆動される。ファンモータ１２は、例えばモータ４と同様のブラシレスＤＣモータである。

図１は、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図である。直流電源部２１は、直流電源のシンボルで示しているが、商用交流電源から直流電源を生成している場合には、整流回路や平滑コンデンサ等を含んでいる。直流電源部２１には、正側母線２２ａ，負側母線２２ｂを介してインバータ回路２３が接続されているが、負側母線２２ｂ側には電流検出素子であるシャント抵抗２４が挿入されている。すなわち、いわゆる１シャント電流検出方式が用いられている。インバータ回路２３は、スイッチング素子として例えばＮチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴ２５（Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋，Ｕ−，Ｖ−，Ｗ−）を３相ブリッジ接続して構成されており、各相の出力端子はモータ１２の各相巻線にそれぞれ接続されている。

電流検出素子であるシャント抵抗２４の端子電圧は電流値に対応した信号であり、電流検出部２７により検出される。電流検出部２７は、前記端子電圧をＡ／Ｄ変換して読み込むと、インバータ回路３に出力される３相のＰＷＭ信号パターンに基づいてＵ，Ｖ，Ｗ各相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。電流検出部２７が検出した各相電流は、ベクトル演算部３０に入力される。

ベクトル演算部３０では、制御条件を設定するマイクロコンピュータ等の機能部分よりモータ１２の回転速度指令ωrefが与えられると、推定したモータ１２の実際の回転速度との差分に基づいてトルク電流指令Ｉqrefが生成される。ベクトル演算部３０内にある図示しないロータ位置決定部は、モータ１２の各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ及びその時点で出力しているＰＷＭ信号からモータ１２のロータ位置θを決定（推定）する。そのロータ位置θを用いるベクトル制御演算によりトルク電流Ｉｑ，界磁電流Ｉｄが算出される。トルク電流指令Ｉqrefとトルク電流Ｉｑとの差分に対して例えばＰＩ制御演算が行われ、電圧指令Ｖｑが生成される。界磁電流Ｉｄ側についても同様に処理されて電圧指令Ｖｄが生成され、電圧指令Ｖｑ，Ｖｄが上記ロータ位置θを用いて三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換される。三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、ＤＵＴＹ生成部３１に入力され、各相のＰＷＭ信号を生成するためのデューティＵ＿ＤＵＴＹ，Ｖ＿ＤＵＴＹ，Ｗ＿ＤＵＴＹが決定される。

各相デューティＵ，Ｖ，Ｗ＿ＤＵＴＹは、ＰＷＭ信号生成部３２に与えられ、搬送波，キャリアとのレベルが比較されることで２相又は３相ＰＷＭ信号が生成される。また、２相又は３相ＰＷＭ信号を反転させた下アーム側の信号も生成されて、必要に応じてデッドタイムが付加された後、それらが駆動回路３３に出力される。尚、べクトル制御部３０及びＤＵＴＹ生成部３１も、特許請求の範囲のＰＷＭ信号生成部に相当する。

駆動回路３３は、与えられたＰＷＭ信号に従い、インバータ回路２３を構成する６つのＦＥＴ２５（Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋，Ｕ−，Ｖ−，Ｗ−）の各ゲートに、ゲート信号を出力する。尚、上アーム側については、必要なレベルだけ昇圧した電位で出力する。尚、以上において、駆動回路３３を除く構成２７〜３４の機能は、ＣＰＵを含むマイクロコンピュータのハードウェア及びソフトウェアにより実現される機能である。また、ベクトル演算部３０は、回転方向判別部に相当する。

図３は、インバータ回路を構成するスイッチング素子のオン状態を空間ベクトルと呼ばれる手法で表したものである。例えばベクトルＶ１（１，０，０）は，Ｕ相上側のスイッチング素子がオン、Ｖ相及びＷ相の上側スイッチング素子がオフの状態を示しており、電圧ベクトルはＶ０〜Ｖ７の８つのパターンが存在する。これらの内、Ｖ０（０，０，０）及びＶ７（１，１，１）がゼロベクトルである。

本実施形態では、室外側の熱交換器９に配置されているファン１１が風を受けてファンモータ１２が外力により回転している場合に、その回転方向を起動前に判別するためゼロベクトルＶ７（１，１，１）を用いる。その際に、各相のＰＷＭデューティパルス（オンパルス）をシフトする技術を適用する。

図４（ａ）は、一般的なゼロベクトルＶ７に対応する３相ＰＷＭパルスである。この３相ＰＷＭパルスでは、３相のすべてのパルスが同じタイミングで同じ時間幅を有しているため、各相電流を検出することができない。そこで、本実施形態では、１シャント電流検出方式において、固定した２点の検出タイミングで２相の電流を検出できるように、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）中の同じ時間幅を有する３相ＰＷＭパルスの各オン時間は変更せず、それぞれのＰＷＭパルスのオンタイミングをずらす、すなわち、シフトさせる。

この例では、Ｖ相はオンタイミングの位相はそのままとし、Ｕ相はボトムを基準として遅れ位相側にシフトさせ、Ｗ相はボトムを基準として進み位相側にシフトさせている。これにより、図中に示す２点の検出タイミングＡ，Ｂで２相の電流を検出できる。この際、各相のＰＷＭパルスのオン時間は同じであるため、実質的にゼロベクトル出力となっている。なお、各相のＰＷＭパルスのオン時間はできるだけ同一であることが望ましいが、制御タイミング等の極僅かなずれは許容され、実質的に同一であればよい。

図５は、実際の波形の観測結果を一例として示しており、この例では、何れもボトムを基準としてＵ相は移動（シフト）させず、Ｖ相は遅れ位相側に、Ｗ相は進み位相側にシフトさせている。

図６に示すように、３相モータが外力により回転している際に検出される各相電流の大小関係は、順方向と逆方向とで異なる。したがって、各相電流を少なくとも１／６周期以内の近接する２点で検出できれば、各相電流の大小関係及び各相電流の増減変化から起動前の回転方向を判別できる。また、この時に各相電流の値からある程度のロータの回転位置も推定できるため、２点の回転位置の変化からも、起動前の回転方向を判別できる。本実施形態においては、２点のロータの回転位置の推定結果に基づく位置変化から起動前の回転方向を判別している。

図７は、ファンモータ１２を起動する前に行う回転数の推定処理を示すフローチャートである。先ず、１回目のゼロベクトルを出力して（Ｓ１）Ｕ，Ｖ，Ｗの各相電流を検出し（Ｓ２）、その時点のロータ位置を推定する（Ｓ３）。尚、第３相の電流は、検出した２相の電流から演算で求める。続くステップＳ４〜Ｓ６は、２回目のゼロベクトル出力に対応してステップＳ１〜Ｓ３と同様の処理を行う。

次のステップＳ７では、ステップＳ３の前回位置と、ステップＳ６の今回位置との差からモータ１２の回転方向，ロータ回転位置及び回転数を推定する。そして、推定されたモータ１２の回転方向，回転数及び回転方向から、ベクトル演算した各相デューティＵ，Ｖ，Ｗ＿ＤＵＴＹに基づきＰＷＭ信号を出力する。このＰＷＭ信号を供給した結果、各相電流が「０」になるように各相デューティＵ，Ｖ，Ｗ＿ＤＵＴＹを調整していく。例えば、最初のＰＷＭ信号の後に、各相デューティＵ，Ｖ，Ｗ＿ＤＵＴＹが大きくなるように調整したＰＷＭ信号を出力した結果、各相電流が増加すれば次から各相デューティＵ，Ｖ，Ｗ＿ＤＵＴＹを徐々に減少させ、逆に各相電流が減少すれば次から各相デューティＵ，Ｖ，Ｗ＿ＤＵＴＹを徐々に増加させる。このように各相デューティＵ，Ｖ，Ｗ＿ＤＵＴＹを変更していくことで電流が「０」になるまで調整を繰り返す。

すなわち、シャント抵抗２４により検出される電流が「０」になるベクトルとなるようなＰＷＭ信号でインバータ回路２３をスイッチングして（Ｓ８）、各相電流を検出し（Ｓ９）、その時点のロータ位置を推定する（Ｓ１０）。以降は、起動前の回転数推定時間として設定されている時間が経過するまで（Ｓ１１；ＮＯ）、ステップＳ８に戻りフィードバック制御を継続する。

この結果、最終的にステップＳ１１で「ＹＥＳ」となる時間では、電流が「０」になるＰＷＭ信号が出力されている状態となっている。ここで、電流が「０」になるということは、ＰＷＭ信号の出力と外力が釣り合った状態となっていることを示している。したがって、この状態で用いられているロータ位置決定部におけるロータ位置の推定値は、正確にその時のロータ位置を示しているものと考えることができる。

図８は、回転方向の判別からモータ１２の起動までの処理を示す状態遷移図である。上位の制御装置などからモータ起動指令が与えられると、起動開始前に上述したステップＳ７で、モータ１２の回転方向の判別が実施される。続いて、順回転，逆回転の何れの場合も、ステップＳ１１において所定時間が経過（ＹＥＳ）したところで、その直前のステップＳ１０におけるロータ位置推定に基づきモータ１２の回転数が推定され、その回転数から必要な風量が確保されているか否かを判別する。ヒートポンプ式冷凍サイクル装置１においては、外力，つまり外風によって装置に必要な風量が確保できていれば、モータ１２を起動する必要が無いのでそのまま放置する。その方が省エネにもなる。

一方、順回転で風量が不足している場合は、モータ１２の回転を停止させることなく、回転状態を維持しながら駆動を開始する。具体的には、ステップＳ１１で所定時間が経過（ＹＥＳ）した時点、すなわち、ロータ位置とＰＷＭ信号が同期している状態から、モータ１２が目標とする回転数に徐々に増速するようにベクトル演算を行い各相デューティＵ，Ｖ，Ｗ＿ＤＵＴＹを算出して、算出結果に応じたＰＷＭ信号を出力して行く。図９は、このケースに対応する推定回転数とＵ相電流Ｉｕの波形とを示す。

これに対して、逆回転で風量が不足している場合は、ブレーキをかけるようなＰＷＭ信号を出力して、モータ１２の回転を一旦停止させてから順方向に駆動する。具体的には、ステップＳ１１で所定時間が経過（ＹＥＳ）した時点、すなわち、ロータ位置とＰＷＭ信号が同期している状態から、回転数に徐々に減少するようにブレーキをかけるようにベクトル演算を行い各相デューティＵ，Ｖ，Ｗ＿ＤＵＴＹを算出して、算出結果に応じたＰＷＭ信号を出力してモータ１２を停止させ、その後、目標とする回転数に徐々に増速するようにベクトル演算により各相デューティＵ，Ｖ，Ｗ＿ＤＵＴＹを算出して、算出結果に応じたＰＷＭ信号を出力して行く。図１０は、このケースに対応する推定回転数とＵ相電流Ｉｕの波形とを示す。

以上のように本実施形態によれば、電流検出部２７は、インバータ回路２３の直流側に接続されるシャント抵抗２４が電流値に対応して発生した信号とＰＷＭ信号パターンとに基づいてモータ４の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出し、ベクトル演算部３０は相電流に基づいてロータ位置θを決定し、ＰＷＭ信号生成部３２と共に、ロータ位置θに追従するように２相又は３相のＰＷＭ信号パターンを生成する。

ファンモータ１２の起動時には、ＰＷＭ信号生成部３２は、３相のＰＷＭ信号パターンについては、３相ともオン期間が同一で、何れか１相はそのままとし、他の１相は遅れ側，進み側の何れか一方向に、残りの１相は前記方向とは逆方向にオン信号をシフトさせたゼロベクトル信号を出力する。

これにより、電流検出部２７が、ＰＷＭ信号のキャリア周期内で固定された２点のタイミングで２相の電流を検出可能となる３相のＰＷＭ信号パターンが生成される。ベクトル制御部３０は、ファンモータ１２の起動を開始する前に、ＰＷＭ信号生成部３２に前記ＰＷＭ信号パターンを出力させ、その際に検出される電流に基づいてモータ１２の回転方向を判別する。したがって、１シャント方式により電流を検出する構成においても、モータ１２が外力によって回転している状態での回転方向を判別できる。

また、ベクトル制御部３０は、モータ１２の回転方向を判別した後で、シャント抵抗２４により検出される電流値が「０」となるようにＰＷＭ信号パターンをフィードバック制御する。これにより、モータ１２が外力を受けて回転している状態での回転数及びロータ位置を、より正確に推定できる。

更に、ベクトル制御部３０は、回転方向が「順」であればモータ１２をそのまま順方向に起動させ、回転方向が「逆」であれば、モータ１２の回転を停止させてから順方向に起動させる。したがって、モータ１２が順方向に回転している際には、一旦モータ１２を停止させることなく迅速に起動することができる。

また、本実施形態のモータ制御装置を、圧縮機２と、室外熱交換器９と、減圧装置８と、室内熱交換器７とを備えるヒートポンプ式冷凍サイクル装置１を備える空気調和機Ｅに適用し、ファンモータ１２を制御対象とするので、室外熱交換器９に配置されるファン１１が風を受けて回転している状態を起動前に把握して、ファンモータ１２を適切に起動することができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態においては、ゼロベクトルＶ１を用いたが、ゼロベクトルＶ０を用いても良い。この場合、ＰＷＭ周期の間に、３相すべての下側素子を同じ時間幅でオンさせる出力となる。
モータ制御装置の適用対象は、空気調和機やヒートポンプ式冷凍サイクル装置に限らない。また、駆動対象もファンモータに限らず、通電しなくとも外力により回転してしまうモータを対象とすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１はヒートポンプ式冷凍サイクル装置、７は室内熱交換器、８は減圧装置、９は室外熱交換器、２３はインバータ回路、２４はシャント抵抗、２７は電流検出部、３０はベクトル演算部、３１はＤＵＴＹ生成部、３２はＰＷＭ信号生成部を示す。

Claims (3)

1. ３相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を所定のＰＷＭ信号パターンに従いオンオフ制御することで、直流を３相交流に変換するインバータ回路を介してモータを駆動するモータ制御装置において、
   前記インバータ回路の直流側に接続され、電流値に対応する信号を発生する電流検出素子と、
   前記モータの相電流に基づいてロータ位置を決定するロータ位置決定部と、
   前記ロータ位置に追従するように３相のＰＷＭ信号パターンを生成するＰＷＭ信号生成部と、
   前記電流検出素子に発生した信号と前記ＰＷＭ信号パターンとに基づいて、前記モータの相電流を検出する電流検出部とを備え、
   前記ＰＷＭ信号生成部は、各相のオン時間を同じとし、少なくとも２つのＰＷＭパルスのオンタイミングをシフトさせることで、前記電流検出部が、前記ＰＷＭ信号の搬送波周期内で２相の電流を検出可能となるようにゼロベクトルに対応する３相のＰＷＭ信号パターンを生成し、
   前記モータの起動を開始する前に、前記ＰＷＭ信号生成部に前記ゼロベクトルに対応するＰＷＭ信号パターンを出力させ、その際に検出される電流に基づいて前記モータの回転方向を判別する回転方向判別部を更に備え、
   前記ＰＷＭ信号生成部は、前記回転方向判別部による前記回転方向の判別後に、前記電流検出素子により検出される電流値が「０」となるようにＰＷＭ信号をフィードバック制御し、
   前記ロータ位置決定部は、前記電流検出素子により検出される電流値がゼロとなった状態において、ロータ位置を決定するモータ制御装置。
2. 前記回転方向が「順」であれば前記モータをそのまま順方向に起動させ、前記回転方向が「逆」であれば、前記モータの回転を停止させてから順方向に起動させる請求項１記載のモータ制御装置。
3. ファンモータと、
   このファンモータを制御する請求項１又は２記載のモータ制御装置とを備えるヒートポンプ式冷凍サイクル装置。

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