JP2006087185A - 電動機駆動装置及びそれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも脱調することなく安定した回転を実現し、かつ高速回転可能な電動機駆動装置を提供する。
【解決手段】三相電動機３の負荷量を検出する負荷量検出手段１９を設け、検出した負荷量が予め設定された負荷量以上の場合のみ、推定された回転数と目標回転数から指令回転数を決定する比例積分演算で使用する比例項ゲインおよび積分項ゲイン設定値を切り換えることにより、インバータ２に印加する電圧の追従性を向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータなどの電動機を任意の回転数で駆動する電動機駆動装置とその電動機駆動装置を用いた空気調和機に関するものである。

近年、空気調和機における圧縮機などの電動機を駆動する装置においては、地球環境保護の観点から消費電力を低減する必要性が大きくなっている。その中で、省電力の技術の一つとして、ブラシレスＤＣモータのような効率の高い電動機を任意の周波数で駆動するインバータなどが広く一般に使用されている。さらに、駆動する技術としては、矩形波状の電流により駆動を行う矩形波駆動に対して、より効率が高く、騒音も低くすることが可能な正弦波駆動技術が主流となりつつある。

空気調和機における圧縮機のような電動機を駆動する場合、電動機の回転子の位置を検出するセンサを取り付けることが困難であるため、回転子の位置を何らかの方法で推定しながら駆動を行う位置センサレス正弦波駆動の技術も発明されている。回転子の位置を推定する方法として、電動機の誘起電圧を推定することにより行う方法があり、インバータ母線に流れる電流から推定する方法や（例えば、特許文献１）、電流センサを用いて電動機に流れる電流から推定する方法（例えば、特許文献２）が発明されている。

図５に特許文献１記載の位置センサレス正弦波駆動を実現するためのシステム構成を示す。

図５において、１は直流電源、２はインバータ、３はブラシレスモータ、４は固定子、５は回転子、６は制御部である。

ブラシレスモータ３は、中性点を中心にＹ結線された３つの相巻線４ｕ、４ｖ、４ｗが取り付けられる固定子４、および磁石が装着されている回転子５を備える。Ｕ相巻線４ｕの非結線端にＵ相端子８ｕ、Ｖ相巻線４ｖの非結線端にＶ相端子８ｖ、Ｗ相巻線４ｗの非結線端にＷ相端子８ｗが接続される。

インバータ２は、一対のスイッチング素子が電流の上流側と下流側の関係に直列接続された直列回路を、Ｕ相用、Ｖ相用、Ｗ相用として３つ有する。これら直列回路に、直流電源１から出力されるＤＣ電圧が印加される。Ｕ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｕ、および下流側スイッチング素子１３ｕより成る。Ｖ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｖ、および下流側スイッチング素子１３ｖより成る。Ｗ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｗ、および下流側スイッチング素子１２ｗより成る。なお、フリーホイールダイオード１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ、１５ｕ、１５ｖ、１５ｗが、各スイッチング素子と並列に接続される。

インバータ２におけるスイッチング素子１２ｕ、１３ｕの相互接続点、スイッチング素子１２ｖ、１３ｖの相互接続点、およびスイッチング素子１２ｗ、１３ｗの相互接続点に、ブラシレスモータ３の端子８ｕ、８ｖ、８ｗがそれぞれ接続される。

インバータ２に印加されている直流電圧は、上述したインバータ２内のスイッチング素子などの回路によって三相の交流電圧に変換され、それによりブラシレスモータ３が駆動される。

外部より与えられる目標速度を実現するべく、現在の速度との誤差から演算された出力電圧を出力するために、ＰＷＭ信号生成手段９によりインバータ２のスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号が生成され、スイッチング素子を電気的に駆動するためのドライブ信号にベースドライバ１０により変換され、各スイッチング素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１３ｕ、１３ｖ、１３ｗが動作する。

制御部６は、インバータ母線に配した電流検出手段７により検出されたブラシレスモータ３の相電流と、ＰＷＭ信号生成手段９で演算される出力電圧とインバータ印加電圧検出手段１６が検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧より、ブラシレスモータ３の誘起電圧が誘起電圧推定手段１７により推定される。さらに推定された誘起電圧から、回転子位置速度検出手段１８でブラシレスモータ３の回転子磁極位置および速度を推定する。

ＰＷＭ信号生成手段９は、回転子位置速度検出手段１８で推定された回転数と、目標回転数から比例積分演算を用いて指令速度を決定し、決定した指令速度に基づいてインバータ２を制御する信号を出力する。以上のような回路構成にて、ブラシレスモータ３の駆動制御を行っている。
特開２００３−１８９６７０号公報 特開２０００−３５０４８９号公報

しかしながら、前記従来の誘起電圧の推定による位置センサレス正弦波駆動においては、電動機の負荷が重い状態では位置推定誤差の増加が早く、生じた位置推定誤差により脱調するという課題を有していた。本発明は上記の課題を解決するもので、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも脱調を防止し、安定した駆動を実現する電動機駆動装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電動機駆動装置は、負荷量検出手段を設け、負荷検出手段で検出した負荷が予め設定された値を超えた場合、回転数と目標回転数から指令回転数を決定する比例積分演算のゲイン設定値を切り換え、目標速度を実現するためのインバータに印加する電圧追従性を向上することによって、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態で安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

本発明の電動機駆動装置は、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

第１の発明は、三相電動機の負荷量を検出する負荷量検出手段を設け、負荷量検出手段で検出した負荷量が予め設定された値以上の場合のみ、推定された回転数と目標回転数から指令回転数を決定する比例積分演算のゲイン設定値を切り換え、目標速度を実現するためのインバータに印加する電圧追従性を向上し、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態で安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

第２の発明は、特に、第１の発明の比例積分演算のゲイン設定値の比例項ゲインのみ切換え、目標速度を実現するためのインバータに印加する電圧追従性を向上させることにより、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の三相電動機に流れる相電流の検出をインバータ母線に配した電流検出手段を用いて検出するもので、低コストで相電流をすることができる。

第４の発明は、特に、第１または第２の発明の三相電動機に流れる相電流の検出を電流センサを用いて検出するもので、精度よく相電流を検出することができる。

第５の発明は、特に、第１から第３の発明の電動機駆動装置を圧縮機の吐出口と吸入口に圧力検出手段を備えた空気調和機に使用し、圧縮機の吐出口と吸入口の差を三相電動機に負荷量とすることにより、負荷量検出手段を新たに設けることなく、安価でかつ回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

第６の発明は、特に、第１から第３の発明の電動機駆動装置を、室内機と室外機のそれぞれに熱交換器温度検出手段を備えた空気調和機に使用し、暖房運転時には、室内機の熱交換器に配した室内熱交換器温度検出手段を用い、冷房運転時には室外機の熱交換器に配した室外熱交換器温度検出手段を用い、それぞれの運転状態において検出した熱交換の温度を三相電動機に負荷量とすることにより、負荷量検出手段を新たに設けることなく、安価でかつ回転子の位置推定誤差の増加が速い状態でも安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態におけるブロック図である。図１において、１は直流電源、２はインバータ、３はブラシレスモータ、４は固定子、５は回転子、６は制御部である。

ブラシレスモータ３は、中性点を中心にＹ結線された３つの相巻線４ｕ、４ｖ、４ｗが取り付けられる固定子４、および磁石が装着されている回転子５を備える。Ｕ相巻線４ｕの非結線端にＵ相端子８ｕ、Ｖ相巻線４ｖの非結線端にＶ相端子８ｖ、Ｗ相巻線４ｗの非結線端にＷ相端子８ｗが接続される。

インバータ２は、一対のスイッチング素子が電流の上流側と下流側の関係に直列接続された直列回路を、Ｕ相用、Ｖ相用、Ｗ相用として３つ有する。これら直列回路に、直流電源１から出力されるＤＣ電圧が印加される。Ｕ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｕ、および下流側スイッチング素子１３ｕより成る。Ｖ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｖ、および下流側スイッチング素子１３ｖより成る。Ｗ相用の直列回路は、上流側スイッチング素子１２ｗ、および下流側スイッチング素子１２ｗより成る。なお、フリーホイールダイオード１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ、１５ｕ、１５ｖ、１５ｗが、各スイッチング素子と並列に接続される。

インバータ２におけるスイッチング素子１２ｕ、１３ｕの相互接続点、スイッチング素子１２ｖ、１３ｖの相互接続点、およびスイッチング素子１２ｗ、１３ｗの相互接続点に、ブラシレスモータ３の端子８ｕ、８ｖ、８ｗがそれぞれ接続される。

インバータ２に印加されている直流電圧は、上述したインバータ２内のスイッチング素子などの回路によって三相の交流電圧に変換され、それによりブラシレスモータ３が駆動される。

外部より与えられる目標速度を実現するべく、現在の速度との誤差から演算された出力電圧を出力するために、ＰＷＭ信号生成手段９によりインバータ２のスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号が生成され、スイッチング素子を電気的に駆動するためのドライブ信号にベースドライバ１０により変換され、各スイッチング素子１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１３ｕ、１３ｖ、１３ｗが動作する。

制御部６は、インバータ母線に配した電流検出手段７により検出されたブラシレスモータ３の相電流と、ＰＷＭ信号生成手段９で演算される出力電圧と直流電圧検出手段であるインバータ印加電圧検出手段１６が検出した直流電源１から出力されるＤＣ電圧より、ブラシレスモータ３の誘起電圧が誘起電圧推定手段１７により推定される。さらに推定された誘起電圧から、回転子位置速度検出手段１８でブラシレスモータ３の回転子磁極位置および速度を推定する。

ＰＷＭ信号生成手段９は、回転子位置速度検出手段１８で推定された回転数と、目標回転数から比例積分演算を用いて指令速度を決定し、決定した指令速度に基づいてインバータ２を制御する信号を出力する。速度比例積分演算ゲイン切換え手段１１では、ブラシレスモータ３の負荷量を検出する負荷量検出手段１９で検出した負荷量が予め設定された値以上と未満の場合とで、指令速度を決定する比例積分演算で用いる比例項ゲインおよび積分項ゲインの切換えを行っている。比例項ゲインおよび積分項ゲインの切換えは負荷量が予め設定された値以上の場合、回転子の位置推定誤差の増加が早く、脱調しやすいと判断し、比例項ゲインおよび積分項ゲインを大きくするもので、目標回転数を実現するためのインバータ２に印加する電圧が追従しやすくなるため、安定した回転を得ることが可能となる。

尚、比例積分演算で使用する積分項ゲインは指令回転数が目標回転数に近づいたときの残留偏差をなくすために使用されるものであるため、比例項ゲインの切換えのみでもよい。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態におけるブロック図であり、ブラシレスモータ３に流れる相電流を電流検出手段である電流センサ２０ｖ、２０ｗを用いて検出することにより、相電流を精度よく検出するものであり、その他の構成および動作は第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

（実施の形態３）
図３は本発明の第３の実施の形態におけるブロック図である。図３において、２１は空気調和機の室外機であり、２２は圧縮機、２３は圧縮機の吐出口に配した吐出口圧力検出手段、２４は圧縮機の吸入口に配した吸入口圧力検出手段である。

吐出口圧力検出手段２３と吸入口圧力検出手段２４で検出した圧力の差を演算し、演算された圧力差を負荷量とすることで、負荷量検出手段１９を新たに設けることなく、安価でかつ回転子の位置推定誤差の増加が速い状態で安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

（実施の形態４）
図４は本発明の第４の実施の形態におけるブロック図である。図４において、２５は空気調和機の室内機であり、２６は交流電源、２７は室内機２５から供給される交流電圧を直流電圧に変換する直流電圧生成部、２８は室内機２５の熱交換器に配した室内熱交換器温度検出手段、２９は室外機２１の熱交換器に配した室外熱交換器温度検出手段である。

冷房運転時には、室外熱交換器温度検出手段２９で検出した室外熱交換温度を、暖房運転時には室内熱交換機温度検出手段２８で検出した室内熱交換機温度を負荷量とすることで、負荷量検出手段１９を新たに設けることなく、安価でかつ回転子の位置推定誤差の増加が速い状態で安定した駆動が可能な電動機駆動装置を実現するものである。

以上のように、本発明の電動機駆動装置は、回転子の位置推定誤差の増加が速い状態で安定した駆動が可能となるので、位置センサレスブラシレスＤＣモータを使用する産業機器、製品等の用途にも使用できる。

本発明の実施の形態１における電動機駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態２における電動機駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態３における空気調和機のブロック図 本発明の実施の形態４における空気調和機のブロック図 従来の電流センサレス電動機駆動装置のブロック図 従来の電流センサ付き電動機駆動装置のブロック図

符号の説明

２ インバータ
３ ブラシレスモータ（三相電動機）
６ 制御部
７ 電流検出手段
９ ＰＷＭ信号生成手段
１０ ベースドライバ
１１ 速度比例積分演算ゲイン切換え手段
１６ インバータ印加電圧検出手段（直流電圧検出手段）
１７ 誘起電圧推定手段
１８ 回転子位置速度検出手段
１９ 負荷量検出手段

Claims (6)

1. 三相電動機と、インバータと、前記三相電動機に流れる相電流を検出する電流検出手段と、前記インバータに接続される直流電源の直流電圧検出手段と、前記インバータが出力する電圧値と前記電流検出手段により検出される電流値とから前記電動機の誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、推定された誘起電圧推定値に基づいて前記電動機の回転子磁極位置と回転速度を推定する回転子位置速度検出手段と、推定された回転速度と目標の回転数から比例積分演算を用いて指令回転数を決定し、前記指令回転数からインバータを制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、前記三相電動機の負荷量を検出する負荷量検出手段とから構成される電動機駆動装置において、前記負荷量検出手段で検出された負荷量が予め設定された値以上の場合、比例積分演算で使用する比例項ゲインおよび積分項ゲインを切換えることを特徴とする電動機駆動装置。
2. 電圧飽和率が電圧飽和率設定値以上の場合、比例積分演算で使用する比例項ゲインを切換えることを特徴とする請求項１記載の電動機駆動装置。
3. 三相電動機の相電流をインバータ母線から検出する請求項１〜２記載の電動機駆動装置。
4. 三相電動機の相電流を電流センサを用いて検出する請求項１〜２記載の電動機駆動装置。
5. 空気調和機の室外機に、圧縮機の吐出口と吸入口のそれぞれに冷媒の圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記吐出口と吸入口の圧力差を三相電動機の負荷量とする請求項１〜４記載の電動機駆動装置を用いたことを特徴とする空気調和機。
6. 空気調和機の室内機の熱交換器に熱交換器温度を検出する室内熱交換器温度検出手段と、室外機の熱交換器に熱交換器温度を検出する室外熱交換器温度検出手段を有し、暖房運転時には室内機に配した室内熱交換器温度検出手段を、冷房運転時には室外機に配した室外熱交換器温度検出手段を用いて、それぞれの熱交換器温度を検出し、検出した熱交換器温度を三相電動機の負荷量とする請求項１〜４記載の電動機駆動装置を用いたことを特徴とする空気調和機。

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