JP2004215436A - モータの制御装置、その制御装置を用いた空気調和機および冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】回転に同期した脈動を有するモータを高い効率で駆動する。
【解決手段】制御装置１００は、３相ブラシレスモータ１６０に電力を供給する交流電源１１０と、電力の電圧値および電流値のいずれかを検知するＤＣ電流検知回路２１０と、マイクロプロセッサ２００とを含む。マイクロプロセッサ２００は、制御値ならびに制御値を修正するための情報を記憶し、制御値を情報に基づいて修正し、かつ制御値に基づき、電圧および電流のいずれかを制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷によって変動する脈動が発生するモータを制御する技術に関し、特にモータに供給する電圧および電流のいずれかを制御する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、空気調和機や冷蔵庫などに用いられる圧縮機は、冷媒を圧縮して高温高圧状態にした上で熱交換を行なう、冷凍サイクルの重要な構成部品である。通常この圧縮動作は、大きく３つの過程に分けられる。圧縮機の内部にあるシリンダ内に冷媒を満たす吸入過程、シリンダ内の冷媒を圧縮する圧縮過程、および圧縮した冷媒を圧縮機の外部に放出する吐出過程である。
【０００３】
圧縮機はその圧縮機構により、ロータリ方式、レシプロ方式、スクロール方式などに分類される。なかでもロータリ方式は他の方式に比べ、構造が簡単、部品点数が少ない、低コスト、圧縮効率がよい（ただしシリンダ部分の構造の影響を受ける）、高効率化が容易という特徴を有する。
【０００４】
ロータリ方式は、偏心したロータリピストンがシリンダ内部で回転することにより吸入・圧縮・吐出の各過程を行い、冷媒を圧縮する。このため１回転中の吸入・圧縮・吐出の各工程による負荷の変動と回転軸の偏心とにより、振動や騒音が大きくなるといった問題がある。
【０００５】
シリンダ部分を２つとしてロータリピストンの回転を１８０度ずらし、互いの振動を打消す技術も実用化されているが、シリンダ部が１つのシングルロータリ方式に比べ構造が複雑、コストが高い、効率が低下するといった問題がある。
【０００６】
特開平９−１９１６８４号公報（特許文献１）は、シングルロータリ方式の圧縮機において、ロータ位置を検知し、モータトルクを制御して振動・騒音を抑制する技術を開示する。この公報に開示されたブラシレスモータの速度制御方法は、複数極の永久磁石を有する回転子と、通電時にこの回転子に回転磁界を与えるように配置された複数の固定子巻線とを有するブラシレスモータを制御する。このモータは、この複数の固定子巻線のうちいくつかの固定子巻線に通電して回転磁界を得るとともに、通電していない固定子巻線に回転子の回転によって生じる誘起電圧の変化を検出して得られる位置検出信号に基づいて通電する固定子巻線を順次切換えるようにし、固定子巻線に印加する電圧を調節して回転子の速度を制御する。この制御方法は、位置を検出する信号に基づき回転子１回転中に複数の基準点を設け、各基準点における加速度（以下、基準点加速度という）を算出するステップと、対応する基準点における固定子巻線への印加電圧（以下、基準点電圧という）を基準点加速度に基づいて調整するステップと、隣接する基準点同士を接続して得られた電圧波形（以下、補正電圧波形という）を固定子巻線に印加することにより、回転子１回転中における固定子巻線への印加電圧を調節して回転子速度を制御するステップとを含む。
【０００７】
この装置によると、基準点電圧を基準点加速度に基づいて調整し、補正電圧波形を固定子巻線に印加するので、電圧の急激な変動によってモータに生じる振動を抑制できる。これにより、ブラシレスモータへの通電開始直後に発生し易い不安定な状態での運転を排除することができる。その結果、安定した運転を確実に行える速度制御方法を提供することができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−１９１６８４号公報（第４−６頁、第８図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の公報に記載された装置では、基準点電圧を基準点加速度に基づいて調整する、すなわち圧縮機の速度の変動がなるべく小さくなるようにモータの制御を行なう。速度の変動が小さくなるようにモータを制御するので、モータ電流の振幅の脈動が大きくなり、モータ電流のピーク値が大きくなり、モータ部での銅損が増加し、効率が低下するという問題がある。
【００１０】
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的はシングルロータリ型圧縮機などに搭載された、回転に同期した脈動を有するモータを高い効率で駆動するモータの制御装置、その制御装置を用いた空気調和機および冷蔵庫を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係るモータの制御装置は、モータに電力を供給するための電力供給手段と、電力の電圧値および電流値のいずれかを検知するための第１の検知手段と、電力の電圧および電流のいずれかの制御に用いる制御値、ならびに制御値を修正するための情報であって検知された電圧値および電流値のいずれかに基づいて定められた情報を記憶するための記憶手段と、制御値を、情報に基づいて、電力における脈動電圧および脈動電流のいずれかを抑制するように修正するための修正手段と、制御値に基づき電圧および電流のいずれかを制御するための制御手段とを含む。
【００１２】
第１の発明によると、修正手段は、検知された電圧値および電流値のいずれかに基づいて、たとえば検知される電圧値をその平均値に近づけるなど、脈動電圧および脈動電流のいずれかを抑制するように制御値を修正する。これにより、制御手段は、制御値に基づき、モータに供給する電力の電圧および電流のいずれかを制御するので、平均値に近付けるために検知された電圧値や電流値に基づき負荷トルクによる脈動電圧や脈動電流を抑制することができる。負荷トルクによる脈動が抑制されるので、電圧および電流の変化が一定に近づく。モータの効率は、電圧および電流の変化が一定に近づくほど高くなるので、負荷トルクによる脈動が打消されることで、モータの効率は高くなる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータを高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００１３】
第２の発明に係るモータの制御装置は、第１の発明の構成に加えて、制御装置は、モータの回転子の機械角を検知するための第２の検知手段をさらに含む。第１の検知手段は、第２の検知手段により検知された機械角の予め定められた範囲ごとに、電圧値および電流値のいずれかを検知するための手段を含む。修正手段は、予め定められた範囲に対応する制御値を修正するための手段を含む。
【００１４】
第２の発明によると、修正手段は機械角の予め定められた範囲ごとに制御値の修正を行なう。これにより、制御手段は予め定められた範囲ごとに電圧や電流を制御することが可能になる。予め定められた範囲ごとに電圧や電流を制御することができるので、負荷トルクによる脈動をより適切に打消すことができる。負荷トルクによる脈動をより適切に打消すことができるので、モータの効率はより高くなる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータをより高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００１５】
第３の発明に係るモータの制御装置は、第１または第２の発明の構成に加えて、修正手段は、回転子が複数回回転する間に第１の検知手段が検知した値の平均値に基づき、予め定められた範囲ごとに制御値を修正するための手段を含む。
【００１６】
第３の発明によると、修正手段は、回転子が複数回回転する間に、第１の検知手段が検知した値の平均値に基づき、予め定められた範囲ごとに制御値を修正する。第１の検知手段が検知した値が、負荷トルク以外の影響を受けていないとすると、第１の検知手段が検知した値の平均値は負荷トルクによる脈動が打消された値と見なすことができる。これにより、平均値に基づいて電圧や電流を制御すると、負荷トルクの影響を打消すように制御することができる。負荷トルクによる脈動を打消すことができるので、モータの効率は高くなる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータを高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００１７】
第４の発明に係るモータの制御装置は、第３の発明の構成に加えて、修正手段は、予め定められた範囲について第１の検知手段が検知する値が、平均値に近づくように制御値を修正するための手段を含む。
【００１８】
第４の発明によると、修正手段は、第１の検知手段が検知した値が、その平均値に近づくように制御値を修正する。これにより、より的確に負荷トルクの影響を打消すことができる。より的確に打消すことができるので、モータの効率はより高くなる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータをより高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００１９】
第５の発明に係るモータの制御装置は、第４の発明の構成に加えて、制御値は、電圧値および電流値のいずれかを特定する値である。
【００２０】
第５の発明によると、制御値は、電圧値および前記電流値のいずれかを特定する値である。これにより、修正手段が制御値を修正することで、電圧値や電流値を間接的に修正することができる。電圧値や電流値を修正できるので、より的確に電圧や電流の脈動を抑制することができる。より的確に脈動を抑制することができるので、より的確に負荷トルクの影響を打消すことができる。より的確に負荷トルクの影響を打消すことができるので、モータの効率はより高くなる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータをより高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００２１】
第６の発明に係るモータの制御装置は、第２の発明の構成に加えて、予め定められた範囲は、回転子１回転分の機械角をモータの巻線に発生する誘起電圧によって特定する範囲である。
【００２２】
第６の発明によると、誘起電圧によって特定される範囲ごとに電圧値や電流値の検知および制御値の修正を行なう。モータのトルクは電力と磁力との相互作用により発生する。これにより、よりトルクの変動に適合した制御が可能になる。トルクの変動に適合した制御が可能になるので、負荷トルクによる脈動をより的確に打消すことができる。負荷トルクによる脈動をより的確に打消すことができるので、モータの効率はより高くなる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータをより高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００２３】
第７の発明に係るモータの制御装置は、第６の発明の構成に加えて、誘起電圧によって特定する範囲の数は、モータの相数と極数との積に等しい数である。
【００２４】
第７の発明によると、修正手段は、モータの相数と極数との積に等しい数で分割した範囲ごとに電圧値や電流値の検知および制御値の修正を行なう。モータのトルクは電力と磁力との相互作用により発生する。電力と磁力との相互作用によりトルクが発生するので、トルクは電力と磁力とが変化する範囲ごとに変動する。電力と磁力との変化はモータの相数と極数との影響を受けるので、これらの数で分割した範囲ごとに電圧値や電流値の検知などを行なうと、さらにトルクの変動に対応した制御が可能になる。これにより、負荷トルクによる脈動をさらに適切に打消すことができる。負荷トルクによる脈動をさらに適切に打消すことができるので、モータの効率はさらに高くなる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータをさらに高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００２５】
第８の発明に係るモータの制御装置は、第２の発明の構成に加えて、第１の検知手段は、予め定めた周期ごとに電圧値および電流値のいずれかを検知するための手段を含む。修正手段は、予め定めた周期のＫ周期目（Ｋは自然数）に検知された電圧値および電流値のいずれかに基づいて、予め定めた周期の（Ｋ＋１）周期目に、制御値を修正するための手段を含む。
【００２６】
第８の発明によると、修正手段は、１周期前に検知された電圧値や電流値に基づいて制御値を修正する。これにより、電圧値や電流値を検知した後、制御値を修正するまでの時間的な制約が緩和される。時間的な制約が緩和されるので、電圧値や電流値を検知する動作から電圧や電流を制御する動作までの時間を短縮することが容易になる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータを短時間に高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００２７】
第９の発明に係るモータの制御装置は、第１から第８のいずれかの発明の構成に加えて、制御値は、制御手段が電圧および電流のいずれかを制御することにより発生する脈動の位相と、モータの負荷トルクにより発生する脈動の位相とが逆の位相になるように定められる値である。
【００２８】
第９の発明によると、修正手段は検知された電圧値および電流値のいずれかに基づいて制御値を修正する。制御手段は修正された制御値に基づき電圧や電流を制御する。これにより、検知された値に基づいて制御された電圧や電流に、負荷トルクによる脈動とは逆の位相の脈動が加えられ、負荷トルクによる脈動がほぼ打消される。負荷トルクによる脈動がほぼ打消されるので、モータの効率はほぼ最高となる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータをより高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００２９】
第１０の発明に係るモータの制御装置は、第１から第８のいずれかの発明の構成に加えて、制御値は、制御手段により発生する脈動の位相と、負荷トルクにより発生する脈動の位相とのずれが予め定められた範囲になるように定められる値である。
【００３０】
第１０の発明によると、制御手段により電圧や電流に発生する脈動の位相は、予め定められた範囲内で負荷トルクにより生ずる脈動の位相からずれる。予め定められた範囲とは、たとえば実用上モータの騒音を問題としなくてよい範囲である。脈動の位相がずれるので、制御手段により発生する脈動が負荷トルクによる脈動をある程度打消す。脈動を打消すので、モータの効率が向上する。一方、制御手段が電圧や電流に脈動を与えるようにそれらを制御することは、回転子の角速度の脈動を抑制する効果も有する。これにより、モータが駆動することで生じる騒音や振動がある程度抑制される。その結果、騒音や振動をある程度抑制しつつ、回転に同期した脈動を有するモータを高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００３１】
第１１の発明に係るモータの制御装置は、第１から第１０のいずれかの発明の構成に加えて、制御手段が電圧および電流のいずれかを制御することにより発生する脈動の位相と、負荷トルクにより発生する脈動の位相とのずれが、予め定められた範囲に含まれるように定められる複数の制御値を設定するための手段と、予め定められた条件に応じて、複数の制御値のいずれかの値を選択するための選択手段とをさらに含む。記憶手段は、複数の制御値を記憶するための手段を含む。
【００３２】
第１１の発明によると、負荷トルクによる電圧や電流の脈動を抑制するために適切な制御値は、モータを駆動する際のさまざまな条件に基づいて変化する。選択手段は予め定められた条件に基づいて制御値を選択する。これにより、モータを駆動する条件に変化が生じても、制御手段はその変化に応じて電圧や電流を制御し、トルクによる脈動を抑制することができる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータをより高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００３３】
第１２の発明に係るモータの制御装置は、第１１の発明の構成に加えて、第２の検知手段により検知された回転子の機械角に基づいて、回転子の角速度を算出するための算出手段をさらに含む。予め定められた条件は、回転子の角速度に基づいて定められる条件である。
【００３４】
第１２の発明によると、負荷に接続されたモータの回転子の角速度は、そのモータが発生する騒音や振動の大小に影響を及ぼす。選択手段はモータの回転子の角速度に基づいて定められる条件に応じて制御値を選択する。これにより、的確に騒音や振動を抑制することができる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータについて、必要に応じて騒音や振動の抑制や効率の向上を達成するモータの制御装置を提供することができる。
【００３５】
第１３の発明に係るモータの制御装置は、第１２の発明の構成に加えて、回転子の角速度に基づいて定められる条件は、角速度の脈動が予め定められた範囲に含まれるか否かという条件である。
【００３６】
第１３の発明によると、角速度の脈動は、そのモータが発生する騒音や振動の大小に直接影響を及ぼす。選択手段は角速度の脈動が予め定められた範囲に含まれるか否かを表わす条件に応じて制御値を選択する。これにより、より的確に騒音や振動を抑制することができる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータについて、的確に騒音や振動の抑制や効率の向上を達成するモータの制御装置を提供することができる。
【００３７】
第１４の発明に係るモータの制御装置においては、第１から第１３のいずれかの発明の構成に加えて、電力供給手段は、インバータである。制御手段は、インバータに供給される直流電力の電圧および電流のいずれかを制御するための手段を含む。
【００３８】
第１４の発明によると、インバータはモータに電力を直接供給する。制御手段は、インバータに供給される直流電力の電圧などを制御する。インバータに供給される前の電力の電圧などを制御するので、インバータから出力される電圧および電流の変化が一定に近づく。これにより、モータの効率は電圧および電流の変化が一定に近づくほど高くなるので、モータの効率をより改善することができる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータをより高い効率で駆動するモータの制御装置を提供することができる。
【００３９】
第１５の発明に係る空気調和機は、第１から第１４のいずれかの発明に係るモータの制御装置を含む。
【００４０】
第１５の発明によると、モータの制御装置は、モータの電圧や電流を制御する。これにより、モータの効率が向上するので、空気調和機の効率も向上する。その結果、より高い効率で稼動する空気調和機を提供することができる。
【００４１】
第１６の発明に係る冷蔵庫は、第１から第１４のいずれかの発明に係るモータの制御装置を含む。
【００４２】
第１６の発明によると、モータの制御装置は、モータの電圧や電流を制御する。これにより、モータの効率が向上するので、冷蔵庫の効率も向上する。その結果、より高い効率で稼動する冷蔵庫を提供することができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００４４】
＜第１の実施の形態＞
図１を参照して、本実施の形態に係る圧縮機１７０用のモータの制御装置１００は、交流電源１１０と、力率改善回路１２０と、全波整流回路１３０と、平滑回路１４０と、インバータ部１５０と、３相ブラシレスモータ１６０と、圧縮機１７０と、ベースドライバ部１８０と、検知部１９０と、マイクロプロセッサ２００と、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）電流検知回路２１０とを含む。
【００４５】
力率改善回路１２０は、リアクタなどにより構成され、突入電流を防止する回路も兼ねる。全波整流回路１３０は、ダイオードブリッジなどにより構成される。平滑回路１４０は、電解コンデンサなどにより構成される。インバータ部１５０は、３相バイポーラ接続されたスイッチング素子やフライホイール・ダイオードなどにより構成され、Ｕ相上側に接続されたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏ−ｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１５１と、Ｖ相上側に接続されたＩＧＢＴ１５２と、Ｗ相上側に接続されたＩＧＢＴ１５３と、Ｕ相下側に接続されたＩＧＢＴ１５４と、Ｖ相下側に接続されたＩＧＢＴ１５５と、Ｗ相下側に接続されたＩＧＢＴ１５６とを含む。
【００４６】
３相ブラシレスモータ１６０は、圧縮機１７０を駆動する。圧縮機１７０は、空気調和機または冷蔵庫（図示せず）に内蔵されるシングルロータリ型の圧縮機である。ベースドライバ部１８０は、電圧レベル変換ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などにより構成される。検知部１９０は、コンパレータおよび抵抗などにより構成される。
【００４７】
マイクロプロセッサ２００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、Ａ／Ｄ変換器（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ変換器）とＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）とを含み（いずれも図示せず）、これらを用いてＤＣ電流を制御するためのプログラム演算を実行する。ＲＡＭには、制御値としてＰＷＭデューティが記憶されるとともに、その制御値を修正するための３相ブラシレスモータ１６０の１回転あたりのＤＣ電流の平均値が記憶されている。ＰＷＭデューティとは信号がＯＮ／ＯＦＦされている時間をいう。ＤＣ電流検知回路２１０は、抵抗および増幅回路２１２などにより構成される。
【００４８】
図２を参照して、制御装置１００で実行されるプログラムは、モータに供給する電力の制御に関し、以下のような制御構造を有する。
【００４９】
ステップ１００（以下、ステップをＳと略す。）にて、マイクロプロセッサ２００は、交流電源１１０を用いてモータの制御装置１００に交流電力を供給する。Ｓ１０２にて、マイクロプロセッサ２００は、全波整流回路１３０と平滑回路１４０とを用いて交流電力を直流化し、インバータ部１５０へ入力させる。
【００５０】
Ｓ１０４にて、マイクロプロセッサ２００は、検知部１９０を用いてロータの位置を表わす位置信号を検知する。図３を参照して、誘起電圧によりロータの位置を検知する方法を説明する。
【００５１】
図３（Ａ）は、ブラシレスモータの各巻線からの誘起電圧の波形と基準電圧とを示す。ただし図３（Ａ）の誘起電圧の波形と図３（Ｂ）のロータの位置信号の波形とは同位相になるように示しているが、実際は誘起電圧を検知する方法により、誘起電圧と位置信号とには位相の遅れが発生する。本実施の形態においては、ブラシレスモータは３相スター結線されており、各々の巻線で発生した誘起電圧の波形は、１２０°ずつ位相がずれた状態になる。
【００５２】
図３（Ｂ）は、誘起電圧と基準電圧とを比較した結果を表わす波形である。誘起電圧が基準電圧より大きい時を「ＨＩＧＨ」と、小さい時を「ＬＯＷ」とすると、磁極が変化する点すなわち誘起電圧の波形がゼロクロスする点で立ち上がりまたは立ち下がりのエッジがあるパルスを得ることができる。各巻線ごとのパルスの「ＨＩＧＨ」および「ＬＯＷ」の組合せは、ロータの位置に同期しているので、各巻線ごとのパルスの組合せを検知することによりロータの位置を検知することができる。単位時間ごとにロータの位置の変化を把握すると、ロータの角速度や回転数を検知することもできる。
【００５３】
Ｓ１０６にて、マイクロプロセッサ２００は、自身に内蔵されたＡ／Ｄ変換器を介して、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ−Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）キャリアの周期ごとにインバータ部１５０のＤＣ電流値を検知する。ＤＣ電流値を検知すると、マイクロプロセッサ２００は、予め計算してＲＡＭに記憶させた、３相ブラシレスモータ１６０の１回転あたりのＤＣ電流の平均値と比較する。検知したＤＣ電流値が平均値より大きい場合、マイクロプロセッサ２００は、３相ブラシレスモータ１６０のＰＷＭデューティを減少させる。検知したＤＣ電流値が平均値より小さい場合は、３相ブラシレスモータ１６０のＰＷＭデューティを増加させる。
【００５４】
Ｓ１０８にて、マイクロプロセッサ２００は、検知部１９０を用いて検知された位置信号に基づき、３相ブラシレスモータ１６０を駆動する信号を作成し、ＰＷＭ波形を用いてＰＷＭチョッピングする。この場合ＰＷＭチョッピングとは、モータを駆動するための信号を細かくＯＮ／ＯＦＦすることをいう。信号を細かくＯＮ／ＯＦＦすると、ＰＷＭデューティに応じて３相ブラシレスモータ１６０の各相に印加する電圧や電流を制御し、これらに脈動を生じさせることができる。電圧や電流を制御することができるので、出力トルクを制御することができる。電圧や電流はＤＣ電流の平均値にしたがって制御されているので、出力トルクはＤＣ電流の平均値にしたがって制御されていることになる。
【００５５】
図３（Ｃ）は、位置信号に基づいて３相ブラシレスモータ１６０を制御した場合に、３相ブラシレスモータ１６０を駆動するための各巻線の信号のＯＮ／ＯＦＦを表わす図である。たとえばロータの位置信号ＨＵの立ち上がりエッジが検知されれば、Ｕ相上側のスイッチング素子ＩＧＢＴ１５１をＯＮにする。次に位置信号ＨＶの立ち上がりエッジが検知されると、ＩＧＢＴ１５１をＯＦＦにし、Ｖ相上側のスイッチング素子ＩＧＢＴ１５２をＯＮにする。位置信号ＨＷの立ち下がり信号が検知されると、Ｖ相下側のスイッチング素子からＷ相下側のスイッチング素子を転流させる。このように位置信号のエッジを検知するごとに順次インバータ回路のスイッチング素子を転流させて、ブラシレスモータを駆動する。本実施の形態においては信号をＯＮする際のみにＰＷＭチョッピングしているが、ＯＦＦする側にＰＷＭチョッピングしてもよいし、ＯＮ／ＯＦＦ両側であってもよい。
【００５６】
Ｓ１１０にて、マイクロプロセッサ２００は、３相ブラシレスモータ１６０を駆動する信号を作成し、ＰＷＭチョッピングすると、ＰＷＭチョッピングされた信号をベースドライバ部１８０へ出力する。
【００５７】
Ｓ１１２にて、ベースドライバ部１８０は、出力された信号をＩＧＢＴの駆動用に変換する。Ｓ１１４にて、インバータ部１５０は、変換された信号に基づいてＩＧＢＴ１５１、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６のＩＧＢＴスイッチングを行なう。Ｓ１１６にて、ＩＧＢＴスイッチングにより、インバータ部１５０は３相ブラシレスモータ１６０へ電力を供給し、圧縮機１７０を駆動するので空気調和機が運転される。
【００５８】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、制御装置１００の動作について説明する。
【００５９】
空気調和機を運転するための電力は、モータ駆動装置に接続された交流電源１１０から供給される（Ｓ１００）。交流電力が供給されると、全波整流回路１３０と平滑回路１４０により直流化され、インバータ部１５０へ入力される（Ｓ１０２）。
【００６０】
マイクロプロセッサ２００は、検知部１９０を用いてロータの位置を表わす位置信号を検知する（Ｓ１０４）。位置信号を検知すると、マイクロプロセッサ２００は、自身に内蔵されたＡ／Ｄ変換器を介して、ＰＷＭキャリアの周期ごとにインバータ部１５０のＤＣ電流値を検知し、平均値と比較する（Ｓ１０６）。検知したＤＣ電流値が平均値より大きい場合は、３相ブラシレスモータ１６０のＰＷＭデューティを減少させる。検知したＤＣ電流値が平均値より小さい場合は、３相ブラシレスモータ１６０のＰＷＭデューティを増加させる。
【００６１】
ＰＷＭデューティを決定すると、マイクロプロセッサ２００は、検知部１９０を用いて検知された位置信号に基づき、３相ブラシレスモータ１６０を駆動する信号を作成し、ＰＷＭ波形を用いてＰＷＭチョッピングする（Ｓ１０８）。
【００６２】
３相ブラシレスモータ１６０を駆動する信号を作成し、ＰＷＭチョッピングすると、マイクロプロセッサ２００は、ＰＷＭチョッピングされた信号をベースドライバ部１８０へ出力する（Ｓ１１０）。ベースドライバ部１８０は、出力された信号をＩＧＢＴの駆動用に変換する（Ｓ１１２）。インバータ部１５０は、変換された信号に基づいてＩＧＢＴ１５１、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６のＩＧＢＴスイッチングを行なう（Ｓ１１４）。ＩＧＢＴスイッチングにより、インバータ部１５０よりモータ１６へ電力が供給され、圧縮機１７０が駆動されるので空気調和機が運転される（Ｓ１１６）。
【００６３】
以上のようにして、本実施の形態に係る制御装置１００は、ＤＣ電流がその平均値に近づくように制御を行なうので、モータ１回転中のＤＣ電流の脈動が低減し、モータ巻線の電流のピーク値が小さくなる。これにより、銅損が減少するので、トルク制御を行わない場合に比べモータの効率を向上することができる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータを高い効率で駆動し、ひいては空気調和機などの製品の大幅な省エネと低振動化・低騒音化とが実現できるモータの制御装置を提供することができる。
【００６４】
本実施の形態においては、負荷装置がシングルロータリ圧縮機であり、これを空気調和機に搭載した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものでない。
【００６５】
また、本実施の形態においては、ＤＣ電流値を検知し、検知された値に基づいてＰＷＭデューティを修正したが、ＤＣ電圧値を検知し、その値に基づいてＰＷＭデューティを修正してもよい。
【００６６】
さらに、本実施の形態においては、インバータ回路はモータを矩形波駆動するものであったが、１８０度通電駆動でもよい。いずれの場合であっても第１の実施の形態と同様に、１回転中の負荷の変動が大きいモータを高い効率で駆動することができる。
【００６７】
＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態に係る制御装置について説明する。
【００６８】
本実施の形態に係る制御装置のマイクロプロセッサ２００が内蔵するＲＡＭは、ＰＷＭデューティを直接記憶せず、基準値およびＰＷＭデューティを決定するための係数を記憶する。
【００６９】
基準値とは、マイクロプロセッサ２００が決定した平均回転数によりモータを駆動する場合のＰＷＭデューティをいう。ＤＣ電流の平均値を記憶する点は第１の実施の形態と同様である。ＤＣ電流の平均値およびＰＷＭデューティを決定するための係数は、モータの１回転範囲を分割した複数の区間ごとに記憶されている。ＰＷＭデューティは、その区間ごとに決定される。ＤＣ電流の平均値は、それまでに計算されたたＤＣ電流の平均値とロータが１回転するごとに検知されたＤＣ電流の平均値とに基づいて計算された値である。
【００７０】
なお、その他のハードウェア構成は前述の第１の実施の形態と同様である。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００７１】
図４を参照して、制御装置１００で実施される処理は、モータに供給する電力の制御に関し、以下のような制御構造を有する。なお、図４に示すフローチャートの中で前述の図２に示したフローチャートと同じ処理については同じステップ番号を付してある。したがって、それらについてのここでの詳細な説明は繰り返さない。
【００７２】
Ｓ１２０にて、マイクロプロセッサ２００は、ＲＡＭに記憶された係数を修正する。係数の変更は、モータの１回転範囲を分割した複数の区間ごとに、前述したＡ／Ｄ変換器を介してインバータ部１５０のＤＣ電流値を検知し、検知値と過去の検知値の平均値とを比較した結果に基づいて行なう。本実施の形態においては、モータの１回転範囲をインバータ回路の通電モードすなわち転流間隔ごとに分割した複数の区間（ステート）について係数の修正を行なう。
【００７３】
図５を参照して、ステートについて説明する。転流間隔とはモータの極数と相数との積であるから、図５に示すように４極ブラシレスモータにおいてはモータの１回転範囲が１２分割され、ステート０〜ステート１１までの１２ステートを持つ。ただし、ステートＰとステートＰ＋６（Ｐ：０〜５の整数）の通電モードは同一である。ＲＡＭにはこれらのステートに対応する１２個の係数Ｉ（０）〜Ｉ（１１）が記憶されているので、各ステートについて、ＤＣ電流の検知値と平均値とを比較し、係数を修正する。係数の修正は、係数が平均値より大きいステートでは係数を小さくし、平均値より小さいステートでは係数を大きくする。
【００７４】
Ｓ１２２にて、マイクロプロセッサ２００は、変更後の係数を用いて、最終的にインバータ部１５０に出力するＰＷＭデューティの決定値を、次式のように計算する。
【００７５】
Ｄ＝Ａ×Ｄ（０）（Ｄ：決定値、Ａ：係数、Ｄ（０）：基準値）
以上のような構造およびフローチャートに基づく、制御装置の動作について説明する。
【００７６】
Ｓ１００〜Ｓ１０４の処理を経て位置信号を検知すると、マイクロプロセッサ２００は、ＲＡＭに記憶された係数を修正する（Ｓ１２０）。係数が修正されると、インバータ部１５０に出力するＰＷＭデューティの決定値が計算される（Ｓ１２２）。
【００７７】
ＰＷＭデューティが決定されると、第１の実施の形態と同様の動作により、検知したＤＣ電流値が平均値に近づくように空気調和機が運転される（Ｓ１０８〜Ｓ１１６）。
【００７８】
図６にトルク制御を行わない場合の負荷トルク、係数およびＤＣ電流波形を示す。図７に回転数変動すなわち角速度の変動がなるべく小さくなるようにトルク制御を行なう従来のトルク制御時の負荷トルク、係数およびＤＣ電流波形を示す。図８にＤＣ電流脈動がなるべく小さくなるようにトルク制御を行なう、本実施の形態に係るトルク制御時の負荷トルク、係数およびＤＣ電流波形を示す。図６に示すようにトルク制御を行わない場合の係数は、回転角に関係なく一定である。図７に示すように従来のトルク制御時の係数は、負荷トルクと一致するよう調整される。図８に示すように本実施の形態に係るトルク制御時の係数の変化の位相は、ＤＣ電流の脈動が小さくなるように調整しているため、トルク制御を行わない場合のＤＣ電流脈動とほぼ逆の位相となる。
【００７９】
図９に圧縮機の振動振幅と効率とを比較した結果を示す。本実施の形態に係るトルク制御により、ＤＣ電流の脈動が、トルク制御を行わない場合や従来のトルク制御の場合に比べ小さくなり、それにともない損失が低減し、効率が向上する。振動についても、トルク制御なしの場合より大幅に小さくなる。従来のトルク制御時よりは振動が大きいが、通常シングルロータリ型圧縮機は、空気調和機に組み込まれる際に、ゴムなどの弾性体により支持され、かつバネ効果を持たせた形状の冷媒配管によって熱交換器に接続されている。これら弾性体や冷媒配管の最適設計を行なうことにより、振動の大部分が弾性体や冷媒配管によって吸収されるので、従来のトルク制御ほど圧縮機の振動を低減しなくても、振動が実用上問題とならない範囲内におさまれば問題ない。
【００８０】
以上のように、ステートごとにＤＣ電流を制御し、負荷トルクにより発生するＤＣ電流の脈動の位相とは逆に近い位相の脈動を発生させるので、モータ１回転中のＤＣ電流の脈動を低減させることができる。さらに、モータ巻線電流のピーク値も小さくなるので、モータ部での銅損が減少する。その結果、トルク制御を行わない場合に比べ効率を向上させることができる。
【００８１】
なお、本実施の形態においては、修正した係数をそのまま用いて決定値を計算したが、１回転前の同一ステートで変更した係数を用いて決定値を計算してもよい。その場合、最新の係数は１回転後の同一ステートの決定値の計算に使用する。これにより、係数の修正から決定値の計算までに時間的な余裕が生じる。時間的な余裕が生じるので、係数の修正を実施するタイミングの自由度が向上する。その結果、係数の修正から決定値の計算までのトータルの時間を短縮することができる場合があるので、トルク制御を行わない場合に比べ効率を向上するとともに、高速で動作する制御装置を提供することができる。
【００８２】
＜第３の実施の形態＞
以下、本発明の第３の実施の形態に係る制御装置について説明する。
【００８３】
図１０を参照して、本実施の形態に係る制御装置３００は、ＤＣ電流検知回路２１０に代えて、モータ巻線電流検知回路２２０を含む。モータ巻線電流検知回路２２０は、３相ブラシレスモータ１６０の巻線を流れる電流を検知する。マイクロプロセッサ２００は、ＤＣ電流の平均値に代えて、モータ巻線の電流の平均値を記憶する。なお、その他のハードウェア構成については前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００８４】
図１１を参照して、制御装置３００で実施される処理は、モータに供給する電力の制御に関し、以下のような制御構造を有する。
【００８５】
Ｓ１３０にて、マイクロプロセッサ２００は、自身に内蔵されたＡ／Ｄ変換器を介して、ＰＷＭキャリアの周期ごとにモータ巻線の電流値を検知する。Ｓ１３２にて、マイクロプロセッサ２００は、検知したモータ巻線の電流値を予め計算済みのモータの１回転あたりのモータ巻線の電流の平均値と比較し、比較結果に基づいてＰＷＭデューティを決定する。マイクロプロセッサ２００は、モータ巻線電流のモータ１回転中の脈動が小さくなるようにＰＷＭデューティを決定する。
【００８６】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、制御装置の動作について説明する。Ｓ１００〜Ｓ１０４の処理を経て位置信号を検知すると、マイクロプロセッサ２００は、モータ巻線の電流値を検知する（Ｓ１３０）。電流値を検知すると、マイクロプロセッサ２００は、検知した電流値とを平均値とを比較し、モータ巻線電流の脈動が小さくなるようにＰＷＭデューティを決定する（Ｓ１３２）。ＰＷＭデューティを決定すると、第１の実施の形態と同様の動作により、空気調和機が運転される（Ｓ１０８〜Ｓ１１６）。
【００８７】
以上のようにして、本実施の形態に係る制御装置１００は、ＤＣ電流に代えてモータ巻線の電流がその平均値に近づくように制御を行なう。これにより、直接モータ１回転中のモータ巻線の電流の脈動が低減するように制御するので、そのピーク値を効率的に小さくすることができる。ピーク値が小さくなると銅損が減少するので、トルク制御を行わない場合に比べモータの効率を向上することができる。その結果、回転に同期した脈動を有するモータを高い効率で駆動し、ひいては空気調和機などの製品の大幅な省エネと低振動化・低騒音化とが実現できるモータの制御装置を提供することができる。
【００８８】
なお、３相ブラシレスモータ１６０の各相それぞれにモータ巻線電流検知回路２２０を設けてもよい。これにより、各相ごとのモータ巻線電流を検知することができるので、モータ巻線電流の検知精度は向上する。
【００８９】
＜第４の実施の形態＞
以下、本発明の第４の実施の形態に係る制御装置について説明する。
【００９０】
本実施の形態に係る制御装置は、外部の照度を検知する照度センサ（図示せず）を含む。マイクロプロセッサ２００に内蔵されるＲＡＭは、第１の実施の形態に係るＰＷＭデューティに加え、トルク制御を行わない場合よりモータおよび負荷装置の振動と音とが小さくなる従来のトルク制御を実施するためのモータの回転数の平均値を記憶する。モータおよび負荷装置の振動と音とが小さくなる従来のトルク制御は、モータの回転数の変動すなわち角速度の変動がなるべく小さくなるようにトルク制御を行なうことにより達成される。
【００９１】
なお、その他のハードウェア構成については前述の第１の実施の形態と同様である。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００９２】
図１２を参照して、制御装置で実施される処理は、モータに供給する電力の制御に関し、以下のような制御構造を有する。Ｓ１４０にて、マイクロプロセッサ２００は、照度センサを用いて外部の照度を検知する。Ｓ１４２にて、マイクロプロセッサ２００は、外部の照度がたとえば１００００ルクスといった予め定められたしきい値を上回るか否かを判断する。しきい値を上回ると判断した場合には（Ｓ１４２にてＹＥＳ）、処理はＳ１０６へと移される。もしそうでないと（Ｓ１４２にてＮＯ）、処理はＳ１４４へと移される。
【００９３】
Ｓ１４４にて、従来のトルク制御を用いて、トルク制御を行わない場合に比べモータおよび負荷装置の振動と音とが小さくなるように、すなわちモータ回転数がその平均値に近づくようにＰＷＭデューティを修正する。従来のトルク制御は、検知部１９０によるロータの位置の検知、マイクロプロセッサ２００によるモータの回転数の算出、および算出したモータの回転数とその平均値との比較に基づくＰＷＭデューティの修正からなる。
【００９４】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、制御装置の動作について説明する。
【００９５】
［夏場の日中に制御を行なう場合］
Ｓ１００〜Ｓ１０４の処理を経て位置信号を検知すると、マイクロプロセッサ２００は、照度センサを用いて外部の照度を検知する（Ｓ１４０）。外部の照度を検知すると、マイクロプロセッサ２００は、予め定められたしきい値を上回るか否かを判断する（Ｓ１４２）。しきい値を上回る場合は夏場の日中と判断されて（Ｓ１４２にてＹＥＳ）、マイクロプロセッサ２００は、インバータ部１５０のＤＣ電流値を検知し、平均値と比較し、その結果に応じてＰＷＭデューティを修正する（Ｓ１０６）。ＰＷＭデューティを修正すると、第１の実施の形態と同様の動作により、空気調和機が運転される（Ｓ１０８〜Ｓ１１６）。
【００９６】
［夏場の夜間に制御を行なう場合］
外部の照度を検知すると、マイクロプロセッサ２００は、予め定められたしきい値を上回るか否かを判断する（Ｓ１４２）。しきい値を上回らない場合は夏場の夜間と判断されて（Ｓ１４２にてＮＯ）、マイクロプロセッサ２００は、ロータの回転数を算出し、平均値と比較し、その結果に応じてＰＷＭデューティを修正する（Ｓ１４４）。ＰＷＭデューティを修正すると、第１の実施の形態と同様の動作により、空気調和機が運転される（Ｓ１０８〜Ｓ１１６）。
【００９７】
以上のようにして、本実施の形態に係る制御装置は、夏場の日中などに電力使用量を抑えた高効率運転を行い、睡眠時などに低振動・低騒音運転を行なうように制御することができる。その結果、必要に応じて複数の種類の運転を安定して変更できる制御装置を提供することができる。
【００９８】
なお、モータの定格トルクや目標回転数が切換えられた後、所定時間を経過するまで再度の切換えを禁止してもよい。これにより、モータの異常停止などの発生を抑制することができる。その結果、安定して定格トルクや目標回転数をできる制御装置を提供することができる。。
【００９９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電流などを制御する処理の制御の手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る検知部が誘起電圧により位置信号を検知する方法を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電流などを制御する処理の制御の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るステートと機械角および電気角との関係ならびに通電モードを示す図である。
【図６】トルク制御を行わない場合の負荷トルク、トルク補償量およびＤＣ電流波形を示す図である。
【図７】従来のトルク制御を行なう場合の負荷トルク、トルク補償量およびＤＣ電流波形を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るトルク制御を行なう場合の負荷トルク、トルク補償量およびＤＣ電流波形を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るトルク制御を行なう場合の圧縮機の振動振幅と効率と表わす図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る制御装置のブロック図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る電流などを制御する処理の制御の手順を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る電流などを制御する処理の制御の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１００，３００ 制御装置、１１０ 交流電源、１２０ 力率改善回路、１３０ 全波整流回路、１４０ 平滑回路、１５０ インバータ部、１６０ ３相ブラシレスモータ、１７０ 圧縮機、１８０ ベースドライバ部、１９０ 検知部、２００ マイクロプロセッサ、２１０ ＤＣ電流検知回路、２２０ モータ巻線電流検知回路。

Claims (16)

1. モータに電力を供給するための電力供給手段と、
   前記電力の電圧値および電流値のいずれかを検知するための第１の検知手段と、
   前記電力の電圧および電流のいずれかの制御に用いる制御値、ならびに前記制御値を修正するための情報であって前記検知された電圧値および電流値のいずれかに基づいて定められた情報を記憶するための記憶手段と、
   前記制御値を、前記情報に基づいて、前記電力における脈動電圧および脈動電流のいずれかを抑制するように修正するための修正手段と、
   前記制御値に基づき、前記電圧および電流のいずれかを制御するための制御手段とを含む、モータの制御装置。
2. 前記制御装置は、前記モータの回転子の機械角を検知するための第２の検知手段をさらに含み、
   前記第１の検知手段は、前記第２の検知手段により検知された機械角の予め定められた範囲ごとに、前記電圧値および電流値のいずれかを検知するための手段を含み、
   前記修正手段は、前記予め定められた範囲に対応する前記制御値を修正するための手段を含む、請求項１に記載のモータの制御装置。
3. 前記修正手段は、前記回転子が複数回回転する間に前記第１の検知手段が検知した値の平均値に基づき、前記予め定められた範囲ごとに前記制御値を修正するための手段を含む、請求項１または２に記載のモータの制御装置。
4. 前記修正手段は、前記予め定められた範囲について前記第１の検知手段が検知する値が、前記平均値に近づくように前記制御値を修正するための手段を含む、請求項３に記載のモータの制御装置。
5. 前記制御値は、前記電圧値および電流値のいずれかを特定する値である、請求項４に記載のモータの制御装置。
6. 前記予め定められた範囲は、前記回転子１回転分の機械角を前記モータの巻線に発生する誘起電圧によって特定する範囲である、請求項２に記載のモータの制御装置。
7. 前記誘起電圧によって特定する範囲の数は、前記モータの相数と極数との積に等しい数である、請求項６に記載のモータの制御装置。
8. 前記第１の検知手段は、予め定められた周期ごとに前記電圧値および電流値のいずれかを検知するための手段を含み、
   前記修正手段は、前記予め定められた周期のＫ周期目（Ｋは自然数）に検知された前記電圧値および電流値のいずれかに基づいて、（Ｋ＋１）周期目に、前記制御値を修正するための手段を含む、請求項２に記載のモータの制御装置。
9. 前記制御値は、前記制御手段が前記電圧および電流のいずれかを制御することにより発生する脈動の位相と、前記モータの負荷トルクにより発生する脈動の位相とが逆の位相になるように定められる値である、請求項１から８のいずれかに記載のモータの制御装置。
10. 前記制御値は、前記制御手段により発生する脈動の位相と、前記負荷トルクにより発生する脈動の位相とのずれが予め定められた範囲になるように定められる値である、請求項１から８のいずれかに記載のモータの制御装置。
11. 前記モータの制御装置は、
    前記制御手段が前記電圧および電流のいずれかを制御することにより発生する脈動の位相と、前記負荷トルクにより発生する脈動の位相とのずれが、予め定められた範囲に含まれるように定められる複数の制御値を設定するための手段と、予め定められた条件に応じて、前記複数の制御値のいずれかの値を選択するための選択手段とをさらに含み、
    前記記憶手段は、前記複数の制御値を記憶するための手段を含む、請求項１から１０のいずれかに記載のモータの制御装置。
12. 前記制御装置は、前記第２の検知手段により検知された前記回転子の機械角に基づいて、前記回転子の角速度を算出するための算出手段をさらに含み、
    前記予め定められた条件は、前記回転子の角速度に基づいて定められる条件である、請求項１１に記載のモータの制御装置。
13. 前記回転子の角速度に基づいて定められる条件は、前記角速度の脈動が予め定められた範囲に含まれるか否かという条件である、請求項１２に記載のモータの制御装置。
14. 前記電力供給手段は、インバータであって、
    前記制御手段は、前記インバータに供給される直流電力の電圧および電流のいずれかを制御するための手段を含む、請求項１から１３のいずれかに記載のモータの制御装置。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載のモータの制御装置を含む、空気調和機。
16. 請求項１から１４のいずれかに記載のモータの制御装置を含む、冷蔵庫。

Images