JP2001041168A

JP2001041168A - 電動圧縮機の制御装置

Info

Publication number: JP2001041168A
Application number: JP11208948A
Authority: JP
Inventors: Atsuyuki Hiruma; 間淳之蛭; Harunobu Nukushina; 品治信温; Yuichi Nakajima; 嶋裕一中
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2001-02-13
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: JP4330208B2

Abstract

(57)【要約】【課題】直結された同期電動機によって駆動される圧
縮機の振動および騒音を低減するために適用しうる負荷
トルク脈動位相検出手段を備えた電動圧縮機の制御装置
を提供する。【解決手段】本発明の制御装置は、同期電動機（５）
の負荷トルク脈動位相を判定する負荷トルク位相判定回
路（１０２）を備え、同期電動機（５）の１回転角度範
囲を複数個の単位区間に分割して、負荷トルク位相判定
回路（１０２）により各単位区間単位の回転子軸通過所
要時間の長短比較により負荷トルクの脈動位相を検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、負荷トルクの脈動
位相を検出する手段を備えた電動圧縮機の制御装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば空調機の冷凍サイクルに冷媒を循
環させるために用いられる圧縮機を、これに直結された
無整流子電動機により駆動することは公知である。図６
は、そのような圧縮機を可変速駆動する無整流子電動機
の周知の回路構成を示すものである。図６において、交
流電源１から供給された交流電力を整流器２で直流電力
に変換し、得られた直流電力を平滑コンデンサ３で平滑
し、さらにインバータ４で任意周波数の交流電力に変換
して同期電動機５（以下、単に「電動機５」と称する）
に供給し、これを駆動する。電動機５の回転子位置が位
置検出器（ＰＳ）６によって検出され、その検出信号を
用いて、インバータ４の出力周波数が電動機５の回転周
波数と同期するように制御回路７およびドライブ回路８
を介して制御される。電動機５には例えば空調機の冷凍
サイクルに冷媒を循環させるための圧縮機（ＣＰ）９が
直結されている。ここで、圧縮機９以外の電気回路構成
部品、すなわち、整流器２、平滑コンデンサ３、インバ
ータ４、電動機５、位置検出器６、制御回路７およびド
ライブ回路８によって周知の無整流子電動機が構成され
ている。

【０００３】整流器２としてダイオードからなる非制御
型のものが図示されているが、これを可制御型にしてそ
の出力電圧を可変とすることもできる。インバータ４の
各アームは、半導体スイッチング素子、例えばトランジ
スタとこれに逆並列接続されたダイオードからなってい
る。電動機５は例えば４極型の同期電動機であり、圧縮
機９は例えばシングルロータリー圧縮機である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】空調機における圧縮機
９の負荷トルクは１回転角度範囲（３６０°）にわたっ
て一様ということはなく、回転角により大きく変化し、
シリンダ位置が吸込・圧縮・吐出の３工程のうち吸込工
程の負荷トルクは比較的小さいが、圧縮工程のそれは比
較的大きい。その場合、最大トルクは軽負荷時のトルク
の２倍以上にも達することが知られている。従って、圧
縮機９を駆動する電動機５の負荷トルクも回転角によっ
て大きく脈動することになる。

【０００５】このトルク脈動は圧縮機駆動軸の１回転を
周期として繰り返され、それが圧縮機に振動や騒音を生
ずる原因となる。空調機に設けられている圧縮機の場
合、圧縮機に連結されている空調機器にも振動や騒音が
伝播し、そこに振動や騒音を生じたり、配管応力集中に
よる配管破損を生じたりするおそれがある。

【０００６】このような問題に対処し、振動と騒音を低
減するためには、まず圧縮機９すなわち電動機５のトル
ク脈動位相を正確に検出することが必要であり、その上
でトルク脈動位相を考慮して電動機５の出力トルクを補
正するのが望ましい。ところが、負荷トルクの脈動位相
の検出結果に大きな誤差があるとすれば、出力トルクの
補正により振動や騒音を逆に増大させてしまうことにな
りかねない。

【０００７】圧縮機９を駆動する電動機５を特に低速領
域まで運転する場合には、回転速度が低下するのに伴
い、高速時と等しい瞬時角加速度に対しては回転脈動の
振幅が増大し、その回転脈動の周波数も低下する。この
ために生ずる振動も回転脈動に応じて振幅が大きく振動
周波数が低下する。この低周波数での振動や騒音を抑制
するための防振・防音の手段は構造的に大形になるた
め、実用レベルでの実現が困難であった。

【０００８】従って本発明は、直結された同期電動機に
よって駆動される圧縮機の振動と騒音を低減するために
適用し得る電動圧縮機の制御装置を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、直結された同期電動機によ
り圧縮機を可変速駆動する電動圧縮機の制御装置におい
て、圧縮機の１回転角度範囲を複数の単位区間に分割
し、１回転角度範囲における単位区間の通過所要時間を
計測し、通過所要時間の長短比較により負荷トルク脈動
位相を検出する負荷トルク脈動位相判定手段を備えたこ
とを特徴とする。

【００１０】請求項２に係る発明は、請求項１記載の電
動圧縮機の制御装置において、制御装置は同期電動機を
インバータにより駆動し、負荷トルク脈動位相判定手段
は検出しようとする単位区間の通過所要時間を同一単位
区間について各々少なくとも２回同期させて加算し、各
単位区間の加算された通過所要時間の比較により負荷ト
ルク脈動位相を検出することを特徴とする。

【００１１】請求項３に係る発明は、請求項１記載の電
動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相判定
手段は同期電動機の回転子位置を検出する位置検出回路
から出力される検出パルスに基づいて負荷トルク脈動の
位相を判定し、この負荷トルク脈動位相判定手段によっ
て判定された負荷トルク脈動の位相に基づいて同期電動
機の発生トルクをトルク脈動が軽減するように補正する
発生トルク補正手段を備えたことを特徴とする。

【００１２】請求項４に係る発明は、請求項３記載の電
動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相判別
手段によって判定された負荷トルク脈動の位相に応じて
発生トルクの補正量を切り換える切換手段を設けたこと
を特徴とする。

【００１３】請求項５に係る発明は、請求項１記載の電
動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相判定
手段は、同期電動機の実際の回転と駆動周波数指令とが
同期した後で負荷トルク脈動の位相を判定することを特
徴とする。

【００１４】請求項６に係る発明は、請求項３記載の電
動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相判定
手段は、同期電動機の位置検出回路からの検出パルスを
検出した後の起動加速中に負荷トルク脈動の位相を判定
することを特徴とする。

【００１５】請求項７に係る発明は、請求項３記載の電
動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相判定
手段は、位置検出回路から出力される検出パルスの周期
を測定し、同期電動機の負荷トルク脈動の１周期にける
単位区間の通過所要時間と検出パルスの周期とを比較し
て負荷トルク脈動の位相を判定することを特徴とする。

【００１６】請求項８に係る発明は、請求項３記載の電
動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相判定
手段は、位置検出回路から出力される検出パルスの周期
を測定し、同期電動機の負荷トルク脈動のある１周期の
ある単位区間の所要時間と他の単位区間の周期とを比較
して負荷トルク脈動の位相を判定することを特徴とす
る。

【００１７】請求項９に係る発明は、請求項７または８
記載の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動
位相判定手段は、比較対象の両検出パルス周期の差が小
さい時は負荷トルク脈動の位相判定を保留することを特
徴とする。

【００１８】請求項１０に係る発明は、請求項７または
８記載の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈
動位相判定手段は、比較対象の両検出パルス周期の差を
少なくとも４回積算して負荷トルク脈動の位相を判定す
ることを特徴とする。

【００１９】請求項１１に係る発明は、請求項７または
８記載の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈
動位相判定手段は、比較対象の両検出パルス周期の差が
プラスかマイナスかの符号判定を複数回実行し、出現回
数の多い方の符号に係る周期データに基づいてトルク脈
動の周期を判定することを特徴とする。

【００２０】請求項１２に係る発明は、請求項７または
８記載の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈
動位相判定手段は、比較対象の両検出パルス周期の差の
正負符号を判定し、同一符号が少なくとも３回連続して
出現したときにトルク脈動の周期判定を実行することを
特徴とする。

【００２１】請求項１３に係る発明は、請求項７または
８記載の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈
動位相判定手段が負荷トルクの位相判定処理をしている
間は同期電動機に対する速度指令を低速域に制限する速
度制限手段を設けたことを特徴とする。

【００２２】請求項１４に係る発明は、請求項１２記載
の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相
判定手段は負荷トルク脈動位相の判定を開始してから所
定の時間経過しても負荷トルクの位相判定をすることが
できないときは、速度制限手段による同期電動機に対す
る速度指令の制限を解除させることを特徴とする。

【００２３】請求項１５に係る発明は、請求項１３記載
の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相
判定手段が負荷トルク脈動位相判定を開始してから所定
時間経過しても位相判定をすることができないときは、
速度制限手段は同期電動機に対する速度指令の下限を制
限することを特徴とする。

【００２４】請求項１６に係る発明は、請求項７または
８記載の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈
動位相判定手段は、同期電動機に対する速度指令が所定
値よりも低い速度範囲内にあるときに負荷トルク脈動の
位相判定をすることを特徴とする。

【００２５】請求項１７に係る発明は、請求項３記載の
電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相判
定手段は、同期電動機に加わる負荷の大きさが所定回動
角範囲内で変化するのに対応して、同期電動機の回転速
度を所定速度に一致させるために印加する電圧を制御す
る電圧制御手段を備え、この電圧制御手段は１回転の回
転角度を複数個の単位区間に等分し、等分された各単位
区間に、通過所要時間の長短に応じて高低異なる電圧を
印加することを特徴とする。

【００２６】請求項１８に係る発明は、請求項１７記載
の電動圧縮機の制御装置において、電圧制御手段は、単
位区間の所要通過時間と予め設定された補正データとの
関係を示すテーブルに基づき各単位区間の印加電圧を決
定することを特徴とする。

【００２７】請求項１９に係る発明は、請求項１７記載
の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相
判定手段は、印加電圧に対する補正データを同期電動機
に流れる電流に応じて変化させることを特徴とする。

【００２８】請求項２０に係る発明は、請求項３記載の
電動圧縮機の制御装置において、同期電動機を可変速駆
動するために、同期電動機への印加電圧を電動機運転周
波数に応じて調整する電圧調整手段を有することを特徴
とする。

【００２９】請求項２１に係る発明は、請求項３記載の
電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相判
定手段は、同期電動機を駆動するための発生トルクの補
正量を固定値または電動機の回転速度または電動機に流
れる電流の大きさに対する比例値によって決定すること
を特徴とする。

【００３０】請求項２２に係る発明は、請求項２１記載
の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相
判定手段は、電圧補正量を負荷トルクの大小に応じてプ
ラス補正量またはマイナス補正量として生成することを
特徴とする。

【００３１】請求項２３に係る発明は、請求項２１記載
の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相
判定手段は、プラス補正またはマイナス補正を単位区間
を単位として実行することを特徴とする。

【００３２】請求項２４に係る発明は、請求項２１記載
の電動圧縮機の制御装置において、負荷トルク脈動位相
判定手段は、マイナス補正時の補正量を、所定の最小デ
ューティーを下回らないように決定することを特徴とす
る。

【００３３】請求項２５に係る発明は、請求項１ないし
２４のいずれかに記載の電動圧縮機の制御装置におい
て、電動圧縮機は１つのシリンダ内で単一の偏心ロータ
を駆動させる１シリンダ型ロータリ式の圧縮機構を備え
ていることを特徴とする。

【００３４】

【発明の実施の形態】図１は、図６の系統構成のもとで
駆動されるインバータ４、電動機５および圧縮機９を前
提とし、横軸を時間軸として、（ａ）シングルロータリ
ー圧縮機９の負荷トルク、後述の負荷トルク補正を行わ
ない時と行った時の電動機および圧縮機の角速度、
（ｂ）インバータ４の通電モード、（ｃ）インバータ４
の通電アーム、（ｄ）各通電モードにおける周期時間、
および（ｅ）後述のトルク補正量をそれぞれ示すもので
ある。電動機５は４極であるとし、かつ１２０°通電方
式のインバータで駆動しているものとする。（ｄ）通電
モード周期時間は、（ｂ）インバータ４の通電モードに
対応させて電動機５および圧縮機９の機械角１回転３６
０°を１２個の単位区間に等分した場合の各単位区間
（機械角３０°）の通過所要時間を意味する。

【００３５】シングルロータリーの圧縮機では単一のシ
リンダだけを備え、このシリンダ内に１つの偏心ロータ
を設けたシリンダ機構となっているので、図示のごと
く、１回転区間を周期とした負荷トルク変動すなわち負
荷トルクの脈動を生ずる。このとき、圧縮機９のシリン
ダ角度として１２分割されたときの各単位区間の角速度
または各単位区間の所要時間は一様でなく、負荷トルク
が小さいとき、例えば圧縮機９が吸込工程にあるモード
１１，１２のときは、所要時間は短くて角速度は速く、
負荷トルクが大きいとき、例えば圧縮機９が圧縮工程に
あるモード２１，２２のときは、所要時間は長くて角速
度は遅い。なお、圧縮機９が１回転する間、電動機５は
４極型であることに対応して各アームの通電は２周期分
が繰り返されている。電動機軸と圧縮機シリンダ機構部
が固定されている場合、電動機５の２周期の通電モード
と圧縮機９の１周期の負荷トルク脈動との間には図１に
示すように一定の関係が保たれる。このことを利用して
インバータ４の通電状態から、圧縮機９または電動機５
がどのような負荷状態にあるかを知ることができる。仮
にインバータ４が同じ通電状態にあっても負荷の軽い通
電モード区間と負荷の重い通電モード区間があるため、
負荷の軽重と通電モードとの対応関係を知るためには、
負荷トルク脈動（図１（ａ））の位相検出を行う必要が
ある。

【００３６】この検出を行うため、ある特定モードに着
目し、そのモードと次の通電サイクルでの同一モードの
所要時間の長短比較を行う。この比較結果により、自己
の通電モードから負荷トルク脈動位相を検出することが
できる。例えば、通電モード１１の所要時間と、それか
ら１／２回転後の同じ通電状態である通電モード２１の
所要時間とを比較し、所要時間の長い方がより大きな負
荷トルク状態にあることを知ることができる。

【００３７】図２は本発明を適用する無整流子電動機の
ブロック図を示すものである。図６と共通の主回路部分
には共通の符号を付して示している。図示の制御回路１
０はマイクロコンピュータを含んで構成されており、マ
イクロプロセッサ（ＣＰＵ）をはじめ、メモリやその他
の周辺機器をも含んでいるが、ここには図示されていな
い。制御回路１０に対し、電動機５の電機子巻線の誘起
電圧によって回転子位置を間接的に検出する間接式位置
検出回路（ＰＳ）１１の出力、整流器２の出力側電流を
検出する電流検出器１２の出力に基づいて電動機負荷を
検出する負荷検出回路１３の出力、およびインバータ４
の入力電流を検出する電流検出器１４の出力に基づいて
インバータ４の過負荷保護を行うための保護回路１５の
出力が導入される。制御回路１０は、各入力信号に基づ
いて後述する所定の制御動作を行うための制御信号を作
成し、波形合成回路１６およびドライブ回路８を介して
インバータ４を制御する。

【００３８】制御回路１０はマイクロコンピュータによ
って構成され、図３に示すように、ＣＰＵ１００をはじ
めＲＯＭ１１０や図示していないＲＡＭ等を備えてお
り、種々の機能をソフトウェア的に実行する。ここには
種々の機能回路として、位置検出回路１１によって検出
された電動機５の実際の回転位相が内部で生成される図
示していないインバータ用の駆動信号と同期しているか
否かを判定する同期判定回路１０１と、負荷トルク脈動
の位相を判定する負荷トルク位相判定回路１０２と、負
荷トルク脈動によって発生する角速度の変動を低減する
ためのトルク補正を行う発生トルク補正回路１０３と、
電動機５の回転速度を指令する速度指令回路１０５と、
その速度指令に対し最低値および最高値等を制限する速
度制限回路１０４とが示されている。

【００３９】図４において、（ａ）〜（ｃ）は図２の装
置における電動機５の各相誘起電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを
示し、以下同様に、（ｄ）〜（ｆ）は位置検出回路１１
から出力される各相の位置検出信号ＰＳＵ，ＰＳＶ，Ｐ
ＳＷを、（ｇ）は既に述べたインバータ４の各アーム１
１〜１６および２１〜２６の通電区間を示す通電モード
を、（ｈ）は各通電モードの時間すなわち周期時間Ｔ
を、（ｉ）は各周期時間Ｔの初めの１／２時間を、
（ｊ）〜（ｌ）は制御回路１１の出力に基づいて波形合
成回路１６から出力されるインバータアームのための正
側各相アームの駆動信号ＤＳＵ，ＤＳＶ，ＤＳＷを、さ
らに（ｍ）〜（ｏ）は同じく負側各相アームの駆動信号
ＤＳＸ，ＤＳＹ，ＤＳＺを、さらに（ｐ）は圧縮機９の
吸込工程、圧縮工程および吐出工程からなる一連の圧縮
機工程を電動機５側の各信号と対応させて、それぞれ示
したものである。

【００４０】図４（ｄ）〜（ｆ）に示す位置検出信号Ｐ
ＳＵ，ＰＳＶ，ＰＳＷは位置検出回路１１により電動機
５の入力端子で検出された誘起電圧に基づいて生成さ
れ、各相の誘起電圧が正電圧にある区間で出力される。
図４（ｊ）〜（ｏ）に示すインバータ４の各アームに対
する駆動信号として、インバータ４のＰＷＭ制御に対応
して各モードでオン動作される正負一対のアームのいず
れか一方に対してＰＷＭ駆動信号が与えられ、他方のア
ームには連続オン信号が与えられる。

【００４１】図４の例では、電動機５および圧縮機９の
回転子位置（機械角）３６０°に対し、電動機５の誘起
電圧およびインバータ４の駆動信号は電動機５が４極で
あることに対応して電気角３６０°×２＝７２０°が対
応している。電動機５の負荷トルクは図１に示すように
機械角３６０°に対し周期的に変化し、電動機５の出力
トルクが一定の場合は、負荷トルクの脈動により電動機
５の角速度も回転子位置によって変動し、そのため同一
機械角単位区間を回動するのに要する時間すなわち周期
時間が図１に示すように変動する。この周期時間ないし
回転子位置による角速度の変動により電動機５が振動す
ると共に騒音を発生する。

【００４２】図２および図３の装置において、位置検出
回路１１からの位置検出信号に基づき同期判定回路１０
１により電動機５の回転子位置に対応した同期信号を形
成し、それを波形合成回路１６に送出する共に、負荷ト
ルク位相判定回路１０２および速度制限回路１０４に送
出する。負荷トルク位相判定回路１０２は同期判定回路
１０１の出力信号を用いて、予め測定して得た相関関係
を用いて負荷トルク位相を検出し、発生トルク補正回路
１０３にトルク補正を指令する負荷トルク信号を送出す
る。発生トルク補正回路１０３は入力された負荷トルク
信号を用いて、負荷トルクの変動を低減するためのトル
ク補正信号を形成し、波形合成回路１６に送出する。波
形合成回路１６は発生トルク補正回路１０３からのトル
ク補正信号を参照して波形合成を行い、ドライブ回路８
を介してインバータ４の出力を制御する。インバータ４
はトルク補正信号成分により負荷トルクの変動を低減し
角速度の変動を低減するような単位区間毎に補正された
トルク電流を電動機５に供給し発生トルクの変動を緩和
し角速度の変動を低減させる。この補正により、電動機
５の角速度変化は図１に波線で示すように低減すること
ができる。これにより、電動機５の振動および騒音を低
減することができる。

【００４３】負荷トルク位相判定回路１０２による負荷
トルク脈動位相の判定に関しては、位置検出回路１１か
らの検出パルスを検出できた後で電動機５の起動加速中
に負荷トルク脈動の位相を判定すればよい。さらに比較
対象とする両検出パルス周期の差が小さい時は検出誤差
が大きくなり得るので負荷トルク脈動の位相判定を保留
したり、比較対象の両検出パルス周期の差がプラスかマ
イナスかの符号判定を数回実行し、出現回数の多い方の
符号に係る周期データに基づいてトルク脈動の周期を判
定したり、さらには、比較対象の両検出パルス周期の差
の正負符号を判定し、同一符号が少なくとも３回連続し
て出現したときにトルク脈動の周期判定を実行したりす
ることができる。

【００４４】また、電動機５への印加電圧に対する補正
データを電動機５に流れる電流に応じて変化させたり、
単位区間を単位としてプラス補正またはマイナス補正を
実行したりすることができる。

【００４５】発生トルクの補正に関しては、負荷トルク
の位相判定が可能になるまでは補正を行わずに、位相判
定が可能になってから、その判定結果に基づいて発生ト
ルクの補正を行うようにすることができる。その場合、
負荷トルク位相判定ができるようになるまでは判定結果
に影響しない範囲でなんらかの補正を行うこともでき
る。

【００４６】例えば、負荷トルクの位相判定が可能にな
るまでは仮に決定した負荷トルク位相で発生トルクの補
正を行っておき、負荷トルク位相判定が可能になってか
ら、その判定結果に基づいて発生トルクを修正するよう
にしてもよい。この時、負荷トルクの位相判定が可能に
なるまでは電動機５および圧縮機９を含む空気調和機等
に悪影響を与えない程度の範囲で、すなわち補正切換後
の補正により振動低減効果が少なく、たとえ仮の設定位
相が適切でなかった時であっても振動が大きくなりすぎ
て製品寿命を短くする等の問題を発生しない程度に控え
めの補正をし位相判定を待つようにすることもできる。

【００４７】電動機５の起動時などのように同期がとれ
ていない場合、位置検出回路１１の検出パルス位相と電
動機５の実際の回転子位置との間には大きな誤差が生ず
るので、負荷トルク位相判定回路１０２による負荷トル
ク位相判定の精度が低下するという問題がある。これを
回避するためには、同期がとれていない期間の位置検出
パルス周期誤差の影響を小さくするために、位相判定の
データ取得の積算回数を増やすことが考えられる。しか
し、この方式には判定に時間がかかるという問題があ
る。そこで同期がとれてから負荷トルク位相を判定する
ことにより、精度の高い、迅速な判定をすることがで
き、電動機５の振動の大きい時間を短縮することができ
る。

【００４８】図２における速度制限回路１０４の機能に
ついて説明する。

【００４９】速度制限回路１０４の一つの機能は、負荷
トルク位相判定回路１０２が負荷トルクの位相判定処理
をしている間は、位相判定処理を確実に実行できるよう
に電動機５に対する速度指令を低速域に制限することで
ある。しかしながら、負荷トルク位相判定回路１０２が
負荷トルク脈動位相の判定を開始してから所定時間経過
しても負荷トルクの位相判定をすることができないとき
は電動機５の起動を優先して速度制限回路１０４による
電動機５に対する速度指令の制限を解除するか、または
速度制限回路１０４による電動機５に対する速度指令を
所定の下限値に制限するのがよい。

【００５０】図２〜４のシステムでは、波形合成回路１
６でＰＷＭデューティを制御してインバータ４の出力電
圧を調整し、電動機５の発生トルクを制御する。また、
ＰＷＭデューティのオン期間にしか正しい位置検出信号
を発生することができないので、最大でＰＷＭデューテ
ィのオフ期間に相当する位置検出間隔相当の時間誤差を
発生し得る。負荷トルクの脈動による位置検出間隔の時
間の差とＰＷＭデューティ期間による誤差が近い場合、
ただ１度の判定では誤判定する（負荷トルク大の位相を
負荷トルク小と判定する）ことがあり得る。このような
場合、発生トルク補正回路１０３の出力によるトルク補
正を行うことにより、かえって振動と騒音が非補正時よ
りも大きくなってしまう事態が起こり得る。

【００５１】そこで、図１に示すように、負荷トルクの
脈動パターンが予め分かっている場合、負荷トルクの大
きい区間で判定することによってＰＷＭデューティオフ
期間の誤差より大きな位置検出間隔の時間差を得ること
ができ、それにより一層正確な位相判定をすることがで
きる。また、負荷トルクが大きい時と小さい時の位置検
出間隔の時間差がＰＷＭデューティーオフ期間より小さ
い時（例えば、ＰＷＭ周期の１／２以下とすることもで
きる）は判定処理をしないことにすれば高精度の判定を
することができる。

【００５２】位置検出間隔の時間差を積算し、または、
位相判定を複数回行うことにより一層高精度の判定をす
ることができる。判定を複数回行う方法として、判定回
数の多い位相を採用する方法がある。

【００５３】負荷トルク脈動による位置検出間隔の時間
差は電動機５の回転速度の低い方が大きくなるので、負
荷トルクの位相を判定している間は回転速度を低く抑え
ることにより、より高精度の判定をすることができる。
また、同期電動機に対する速度指令が所定値よりも低い
速度範囲の時のみ判定することによっても同様に高精度
の判定をすることができる。

【００５４】電動機５の回転速度が低い時は振動も大き
いので、長時間運転すると振動によって機器が壊れる場
合があり得る。そのため、一定時間待っても判定できな
い時は、判定を中止し、振動が機器に悪影響を与えない
ように電動機５の回転速度の下限を速度制限回路１０４
によって速度指令回路１０５を介して制限することによ
り、機器の寿命を延ばすことができる。

【００５５】図２，３の位置検出回路１１は間接式位置
検出の原理に従い電動機５の一次側から直接に得た電圧
信号に基づいて位置検出信号を得ているが、電流検出器
１４および保護回路１５を通して検出されるインバータ
４の電流値から判定することもできる。

【００５６】図１の負荷検出回路１３の入力は電流検出
器１２により整流器２の出力電流を検出することによっ
て得ているが、実電流を用いる代わりに波形合成回路１
６の出力信号に基づいてインバータ４から電動機５に供
給される電力からの計算によって得ることもできる。

【００５７】位置検出回路１１は間接式位置検出の原理
に従いセンサレスで簡易型に構成され、そのため負荷ト
ルクの変動を簡易的に検出できるのが望ましい。この負
荷トルクは回転周波数や電動機５に接続された負荷の状
態によっても大きく異なり、電動機５が安定した回転ト
ルクを出力するためには負荷状態の検出が不可欠とな
る。そこで負荷検出回路１３または保護回路１５により
検出された電流を制御回路１０に取り込み、これを、Ｒ
ＯＭ１１０に予め格納されている周期時間とトルク補正
量との関係を示すテーブルを参照して発生トルク補正回
路１０３を介して補正することができる。

【００５８】負荷トルクの検出を正確に行おうとすれ
ば、制御回路１０の内部処理が複雑になり、内部演算回
路の仕様によってはそれが演算能力の低下、適正回転ト
ルクの出力不良、速度制御不良につながる場合がある。
このため、負荷トルクに応じたインバータ４の出力電圧
の補正は固定値制御または比率制御で行うこととし、制
御回路内部での処理を簡略化するのがよい。

【００５９】負荷トルク脈動による位置検出時間の差は
電動機５の回転速度が低いほど大きくなり、位置検出時
間の差が大きいほど発生振動も増大する。他方、高速で
回転するにつれ、位置検出時間も短くなり、また回転子
自体も慣性エネルギーを持つため高速回転域でのトルク
補正は効率の低下を招きやすい。そのため、電圧補正量
は適切に分割された単位区間を単位として負荷トルクの
大小に応じてプラス補正またはマイナス補正を行うのが
よい。

【００６０】上述したように電動機５の低速領域では負
荷トルクの最大値は軽負荷時の２倍以上にもなり、その
ため回転中に発生する振動や騒音は増大する。そこで、
軽負荷時に電動機５に印加する電圧を抑える補正（マイ
ナス補正）を行い、重負荷時に電圧を上げる補正（プラ
ス補正）を行うことにより、負荷トルクに対する電動機
５の回転トルクの差を減少させることができ、電動機５
の速度脈動を減少させることができる。また電動機５の
回転周期はインバータ４を構成する半導体スイッチング
素子の動作周期と相関があり、出力電圧の補正周期にお
いても規則性を持たせることにより、制御回路１０およ
び内部演算回路での処理を簡略化することができる。

【００６１】しかしながら、特に低速回転領域ではＰＷ
Ｍデューティ幅（インバータ４からの出力電圧）が低い
ため、マイナス補正を行うことによって電動機５の回転
トルクそのものを低下させてしまう懸念がある。このた
め、回転トルクを所定レベルに維持するために最低出力
電圧を設定しておき、それ以下には低下しないようにす
るのがよい。

【００６２】次に、より正確に、より安定した周期時間
の測定とトルク補正を行う実施の形態について説明す
る。ここでは、周期時間の測定を回転子１回転区間で２
つの単位区間で行い、それを８回転にわたって計８回行
って、その平均をとる。図５はこの実施形態を示すフロ
ーチャートである。装置の起動指令ありを確認する（ス
テップ２０１）と起動制御に入る（ステップ２０２）。
一連の制御に入ったときの初期処理として、ｎ＝０（ス
テップ２０３）、Ｔf1＝Ｔ１＝０（ステップ２０４）、
およびＴf2＝Ｔ２＝０（ステップ２０５）を実行する。
ここで、ｎは各単位区間（図Ｅ参照）の所要時間すなわ
ち周期時間の平均値を計算するのに用いる測定回数を表
す変数であり、ここでは最終的にｎ＝８回の測定結果の
平均値をとるので、ｎ＝８となるまで測定を繰り返す。
Ｔf1は通電モード１０の単位区間の所要時間すなわち周
期時間Ｔ１の積算値を表す変数であり、Ｔf2は通電モー
ド２０の単位区間の所要時間すなわち周期時間Ｔ２の積
算値を表す変数である。

【００６３】以上の初期処理の後、いよいよ周期時間測
定に入る。まず、通電モード１０の周期時間Ｔ１を測定
し（ステップ２０６）、その測定結果を変数Ｔf1に入れ
る（ステップ２０７）。同様に通電モード２０の周期時
間Ｔ２を測定し（ステップ２０８）、その測定結果を変
数Ｔf2に入れる（ステップ２０９）。次に測定回数を表
す変数ｎに“１”を加えてｎ＝１とし（ステップ２１
０）、ｎ＝８ではないことを確認して（ステップ２１
１）ステップ２０６に戻り、周期時間Ｔ１およびＴ２の
測定を、ｎ＝８となるまで都合８回繰り返す。ステップ
２１１で、ｎ＝８になったことを確認したら、いよいよ
平均周期時間の計算に入り、周期時間Ｔ１の８回の測定
値の積算値Ｔf1を８で割算して通電モード１０の平均周
期時間Ｔavg1を求め、周期時間Ｔ２の８回の測定値の積
算値Ｔf2を８で割算して通電モード２０の平均周期時間
Ｔavg2を求める（ステップ２１２）。このようにして求
めた平均周期時間Ｔavg1およびＴavg2の長短比較を行い
（ステップ２１３）、Ｔavg1＜Ｔavg2なら、モード１１
側の電源電圧をマイナス補正すると共に、モード２１側
の電源電圧をプラス補正する（ステップ２１４）ことに
よりトルク補正を行い、逆に、Ｔavg1＜Ｔavg2でなかっ
たら、モード１１側の電源電圧をプラス補正すると共
に、モード２１側の電源電圧をマイナス補正する（ステ
ップ２１５）。以上により一連のトルク補正動作を終了
する。

【００６４】このように本実施形態によれば、予め圧縮
機機構部とモータ回転子位置との関係が分かっていて、
さらに負荷トルクパターンを想定できている場合には、
上記のような単純な時間比較によってトルク脈動位相を
検出できるので、低機能で低コストのマイクロプロセッ
サを使用して位相検出を行うことができる。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、圧縮機の１回転角度範
囲を複数の単位区間に等分し、単位区間の通過所要時間
の長短比較により電動圧縮機の負荷トルク脈動位相を比
較的簡易に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による負荷トルク脈動位相検出方法を説
明するための線図。

【図２】本発明に係る圧縮機直結の整流子電動機を示す
ブロック図。

【図３】本発明に係る制御回路の内部構成を示すブロッ
ク図。

【図４】同期電動機の負荷トルク、角速度、位置検出パ
ルスおよび位置検出周期を圧縮機工程との関係で示す線
図。

【図５】本発明の一実施形態による負荷トルク補正の手
順を示すフローチャート。

【図６】公知の整流子電動機の回路構成とそれによって
駆動される圧縮機を示すブロック図。

【符号の説明】

１交流電源２整流器３平滑コンデンサ４インバータ５同期電動機８ドライブ回路９圧縮機１０制御回路１００ＣＰＵ１０１同期判定回路１０２負荷トルク位相判定回路１０３発生トルク補正回路１０４速度制限回路１０５速度指令回路１１０ＲＯＭ１１位置検出回路１２，１４電流検出器１３負荷検出回路１５保護回路１６波形合成回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中嶋裕一静岡県富士市蓼原336 東芝キヤリア株式会社内Ｆターム(参考） 3H029 AA04 AB03 BB23 CC07 CC27 CC58 CC59 CC62 3H045 AA05 AA09 AA12 AA27 BA38 CA21 CA25 CA29 DA07 EA38 5H560 AA02 BB04 BB07 BB12 DA13 EB01 JJ02 JJ12 UA02 XA03 XA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直結された同期電動機により圧縮機を可変
速駆動する電動圧縮機の制御装置において、前記圧縮機
の１回転角度範囲を複数の単位区間に分割し、１回転角
度範囲における前記単位区間の通過所要時間を計測し、
前記通過所要時間の長短比較により負荷トルク脈動位相
を検出する負荷トルク脈動位相判定手段を備えたことを
特徴とする電動圧縮機の制御装置。
【請求項２】請求項１記載の電動圧縮機の制御装置にお
いて、前記制御装置は前記同期電動機をインバータによ
り駆動し、前記負荷トルク脈動位相判定手段は検出しよ
うとする単位区間の通過所要時間を同一単位区間につい
て各々少なくとも２回同期させて加算し、各単位区間の
加算された通過所要時間の比較により負荷トルク脈動位
相を検出することを特徴とする電動圧縮機の制御装置。
【請求項３】請求項１記載の電動圧縮機の制御装置にお
いて、前記負荷トルク脈動位相判定手段は前記同期電動
機の回転子位置を検出する位置検出回路から出力される
検出パルスに基づいて前記負荷トルク脈動の位相を判定
し、この負荷トルク脈動位相判定手段によって判定され
た負荷トルク脈動の位相に基づいて前記同期電動機の発
生トルクをトルク脈動が軽減するように補正する発生ト
ルク補正手段を備えたことを特徴とする電動圧縮機の制
御装置。
【請求項４】請求項３記載の電動圧縮機の制御装置にお
いて、前記負荷トルク脈動位相判別手段によって判定さ
れた負荷トルク脈動の位相に応じて発生トルクの補正量
を切り換える切換手段を設けたことを特徴とする電動圧
縮機の制御装置。
【請求項５】請求項１記載の電動圧縮機の制御装置にお
いて、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、前記同期電
動機の実際の回転と前記駆動周波数指令とが同期した後
で負荷トルク脈動の位相を判定することを特徴とする電
動圧縮機の制御装置。
【請求項６】請求項３記載の電動圧縮機の制御装置にお
いて、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、前記同期電
動機の位置検出回路からの検出パルスを検出した後の起
動加速中に負荷トルク脈動の位相を判定することを特徴
とする電動圧縮機の制御装置。
【請求項７】請求項３記載の電動圧縮機の制御装置にお
いて、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、前記位置検
出回路から出力される検出パルスの周期を測定し、前記
同期電動機の負荷トルク脈動の１周期にける単位区間の
通過所要時間と前記検出パルスの周期とを比較して負荷
トルク脈動の位相を判定することを特徴とする電動圧縮
機の制御装置。
【請求項８】請求項３記載の電動圧縮機の制御装置にお
いて、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、前記位置検
出回路から出力される検出パルスの周期を測定し、前記
同期電動機の負荷トルク脈動のある１周期のある単位区
間の所要時間と他の単位区間の周期とを比較して負荷ト
ルク脈動の位相を判定することを特徴とする電動圧縮機
の制御装置。
【請求項９】請求項７または８記載の電動圧縮機の制御
装置において、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、比
較対象の両検出パルス周期の差が小さい時は負荷トルク
脈動の位相判定を保留することを特徴とする電動圧縮機
の制御装置。
【請求項１０】請求項７または８記載の電動圧縮機の制
御装置において、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、
比較対象の両検出パルス周期の差を少なくとも４回積算
して負荷トルク脈動の位相を判定することを特徴とする
電動圧縮機の制御装置。
【請求項１１】請求項７または８記載の電動圧縮機の制
御装置において、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、
比較対象の両検出パルス周期の差がプラスかマイナスか
の符号判定を複数回実行し、出現回数の多い方の符号に
係る周期データに基づいてトルク脈動の周期を判定する
ことを特徴とする電動圧縮機の制御装置。
【請求項１２】請求項７または８記載の電動圧縮機の制
御装置において、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、
比較対象の両検出パルス周期の差の正負符号を判定し、
同一符号が少なくとも３回連続して出現したときにトル
ク脈動の周期判定を実行することを特徴とする電動圧縮
機の制御装置。
【請求項１３】請求項７または８記載の電動圧縮機の制
御装置において、前記負荷トルク脈動位相判定手段が負
荷トルクの位相判定処理をしている間は前記同期電動機
に対する速度指令を低速域に制限する速度制限手段を設
けたことを特徴とする電動圧縮機の制御装置。
【請求項１４】請求項１２記載の電動圧縮機の制御装置
において、前記負荷トルク脈動位相判定手段は負荷トル
ク脈動位相の判定を開始してから所定の時間経過しても
負荷トルクの位相判定をすることができないときは、前
記速度制限手段による前記同期電動機に対する速度指令
の制限を解除させることを特徴とする電動圧縮機の制御
装置。
【請求項１５】請求項１３記載の電動圧縮機の制御装置
において、前記負荷トルク脈動位相判定手段が負荷トル
ク脈動位相判定を開始してから所定時間経過しても位相
判定をすることができないときは、前記速度制限手段は
前記同期電動機に対する速度指令の下限を制限すること
を特徴とする電動圧縮機の制御装置。
【請求項１６】請求項７または８記載の電動圧縮機の制
御装置において、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、
前記同期電動機に対する速度指令が所定値よりも低い速
度範囲内にあるときに負荷トルク脈動の位相判定をする
ことを特徴とする電動圧縮機の制御装置。
【請求項１７】請求項３記載の電動圧縮機の制御装置に
おいて、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、前記同期
電動機に加わる負荷の大きさが所定回動角範囲内で変化
するのに対応して、前記同期電動機の回転速度を所定速
度に一致させるために印加する電圧を制御する電圧制御
手段を備え、この電圧制御手段は前記１回転の回転角度
を複数個の単位区間に等分し、等分された各単位区間
に、通過所要時間の長短に応じて高低異なる電圧を印加
することを特徴とする電動圧縮機の制御装置。
【請求項１８】請求項１７記載の電動圧縮機の制御装置
において、前記電圧制御手段は、前記単位区間の所要通
過時間と予め設定された補正データとの関係を示すテー
ブルに基づき各単位区間の印加電圧を決定することを特
徴とする電動圧縮機の制御装置。
【請求項１９】請求項１７記載の電動圧縮機の制御装置
において、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、前記印
加電圧に対する補正データを前記同期電動機に流れる電
流に応じて変化させることを特徴とする電動圧縮機の制
御装置。
【請求項２０】請求項３記載の電動圧縮機の制御装置に
おいて、前記同期電動機を可変速駆動するために、前記
同期電動機への印加電圧を電動機運転周波数に応じて調
整する電圧調整手段を有することを特徴とする電動圧縮
機の制御装置。
【請求項２１】請求項３記載の電動圧縮機の制御装置に
おいて、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、前記同期
電動機を駆動するための発生トルクの補正量を固定値ま
たは電動機の回転速度または電動機に流れる電流の大き
さに対する比例値によって決定することを特徴とする電
動圧縮機の制御装置。
【請求項２２】請求項２１記載の電動圧縮機の制御装置
において、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、前記電
圧補正量を負荷トルクの大小に応じてプラス補正量また
はマイナス補正量として生成することを特徴とする電動
圧縮機の制御装置。
【請求項２３】請求項２１記載の電動圧縮機の制御装置
において、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、前記プ
ラス補正またはマイナス補正を前記単位区間を単位とし
て実行することを特徴とする電動圧縮機の制御装置。
【請求項２４】請求項２１記載の電動圧縮機の制御装置
において、前記負荷トルク脈動位相判定手段は、前記マ
イナス補正時の補正量を、所定の最小デューティーを下
回らないように決定することを特徴とする電動圧縮機の
制御装置。
【請求項２５】請求項１ないし２４のいずれかに記載の
電動圧縮機の制御装置において、前記電動圧縮機は１つ
のシリンダ内で単一の偏心ロータを駆動させる１シリン
ダ型ロータリ式の圧縮機構を備えていることを特徴とす
る電動圧縮機の制御装置。