JP2014204578A - 圧縮機の駆動制御装置および空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の負荷トルクがほとんど発生しない区間でＰＷＭデューティを０にしてもその後の位置検出が行える低コストな圧縮機の駆動制御装置および空気調和機を提供する。【解決手段】圧縮機の駆動を制御する駆動制御装置において、圧縮機の運転工程中の所定の通電区間に対して位置検出から所定の期間はＰＷＭデューティを０にしてチョッピングを行なわず、所定の期間が経過した後はＰＷＭデューティを最小にしてチョッピングを行い、位置検出を可能にする。【選択図】図６

Description

本発明は、空気調和機などに備わる圧縮機の駆動制御装置およびこの駆動制御装置を備えた空気調和機に関し、特に、矩形波通電方式のセンサレス直流ブラシレスモータ（以下、ブラシレスＤＣモータという。）によって駆動制御される圧縮機の駆動制御装置および空気調和機に関するものである。

従来、空気調和機などに用いられる冷凍システムにおいて、ロータリ圧縮機が広く使用され、ブラシレスＤＣモータの回転運動をローラの回転運動に変化させてシリンダ内の冷媒を圧縮するものが知られている。以下、図面を参照しながら、従来の圧縮機の駆動制御装置について説明する。

図１は、圧縮機を矩形波通電方式（１２０度通電方式）の３相４極ブラシレスＤＣモータでセンサレス駆動させる駆動制御装置の構成図、図２は位置検出回路の詳細図である。

図１に示すように、圧縮機の駆動制御装置は、商用電源Ｅの交流電源を直流電源に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路１２（整流回路）と、インバータ１４と、位置検出回路１６と、マイコン１８とを有しており、ブラシレスＤＣモータＭを備える圧縮機２０を駆動制御するものである。

インバータ１４は、半導体スイッチング素子（トランジスタ）１４ａ〜１４ｆが３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）ブリッジ接続されており、かつ、各々のトランジスタに並列にダイオード１４ｇ〜１４ｌが接続されている。ブラシレスＤＣモータＭは固定子であるステータと回転子であるロータを有し、インバータ１４の出力により駆動され、圧縮機２０はブラシレスＤＣモータＭにより駆動される。

位置検出回路１６は、ブラシレスＤＣモータＭの誘起電圧からロータ（不図示）の回転位置を検出するもので、図２に示すように、抵抗１６ｂ〜１６ｇおよびコンパレータ１６ａを備えている。抵抗１６ｂ〜１６ｄの一端は、モータＭのステータの各相に接続され、各抵抗１６ｂ〜１６ｄの他端が互いに接続されている。抵抗１６ｂ〜１６ｄの接続点とグランドとの間には抵抗１６ｇが接続され、抵抗１６ｂ〜１６ｄと抵抗１６ｇの接続点がコンパレータ１６ａの非反転入力端子に接続されている。以下、抵抗１６ｂ〜１６ｄと抵抗１６ｇ接続点の電圧を、仮想中性点電圧という。また、ＡＣ／ＤＣ変換回路１２の正極側Ｖｄｃとグランドとの間に抵抗１６ｅおよび抵抗１６ｆが直列に接続され、抵抗１６ｅおよび抵抗１６ｆの接続点の電圧が基準電圧として、コンパレータ１６ａの反転入力端子に供給される。この基準電圧は、印加電圧Ｖｄｃの１／２になるように設定される。コンパレータ１６ａは、仮想中性点電圧と基準電圧とを比較することにより、仮想中性点電圧のゼロクロス点（すなわち、誘起電圧のゼロクロス点）を検出し、モータＭのロータの位置を検出（以下、単に「位置検出」という）するための位置検出信号を出力するようになっている。

マイコン１８は、図１に示すように、位置検出回路１６からの位置検出信号に基づいてインバータ駆動信号を生成してインバータ１４に出力する。インバータ１４のＵ相上アーム、Ｖ相上アーム、Ｗ相上アーム、Ｕ相下アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相下アームはこのインバータ駆動信号に基づいて駆動される。

図３は、マイコンによる圧縮機駆動制御のタイミングチャートであり、上から順に、位置検出回路の仮想中性点におけるモータＭの誘起電圧の波形、位置検出タイミング、通電相切換処理タイミング、インバータの上下アーム切換処理タイミング、Ｕ相上アーム、Ｖ相上アーム、Ｗ相上アーム、Ｕ相下アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相下アームの各駆動信号の波形がそれぞれ示してある。

図３に示す位置検出回路の仮想中性点におけるモータＭの誘起電圧の波形の電圧値は、各相の電圧の和を３で割った値となる。従って、３相のうち１相はＶｄｃ、１相はゼロボルト、残り１相は誘起電圧が発生し、その電圧範囲はゼロからＶｄｃまでとなるため、最大電圧は２Ｖｄｃ／３、最小電圧はＶｄｃ／３となる。また、還流区間とは、通電相を切り替えた際に発生する逆起電力によってダイオード（図１の１４ｇ〜１４ｌ）に還流電流が流れる区間をいう。そして、上記のように構成した圧縮機の駆動制御装置においては、誘起電圧のゼロクロスタイミング（電圧Ｖｄｃ／２を横切るタイミング）でブラシレスＤＣモータＭの通電相を切り換える。また、ここで、立上りの誘起電圧のゼロクロスタイミングを検出するときは下側アームで、立下りの誘起電圧のゼロクロスタイミングを検出するときは上側アームで、チョッピングしていなければ、誘起電圧のゼロクロスタイミング以外に、チョッピングによっても位置検出回路１６の出力信号が反転してしまうため、正しいゼロクロスタイミングを検出することができない。そこで、誘起電圧のゼロクロを検出してから次の誘起電圧のゼロクロスタイミングが来る前に、チョッピングする相の上側アーム（図１の１４ａ、１４ｃ、１４ｅ相をスイッチング）と下側アーム（図１の１４ｂ、１４ｄ、１４ｆ相をスイッチング）を切り替えることで、立上り、立下りの誘起電圧のゼロクロスタイミングを検出可能にする。ここで、誘起電圧のゼロクロスタイミングからアーム切り替えるまでの時間Ｔａｒｍは、実機検証等で予め定めることができる。

ところで、圧縮機の１回転の動作は、冷媒ガスの吸入工程と圧縮工程とに分かれている。図４は、圧縮機の１回転当たりの負荷特性の一例を示したものである。横軸は回転角（機械角）である。図４で示す区間とは、位置検出したタイミングから次の位置検出をするまでを１区間とし、圧縮機を駆動するモータの極数が４極の三相モータの場合、１回転で１２区間となり、１２回の通電相の切り替えが行なわれる。図４に示すように、圧縮機の吸入工程の中には負荷トルクがゼロの期間を含み区間中で負荷トルクがほとんど発生しない区間（図４の例では回転角０〜３０°の区間。以下、負荷トルクゼロ区間ともいう）が存在する。この区間では、モータは慣性で回転を維持できるが、駆動電圧がかかるとモータの回転速度が加速してしまう。また、運転効率の向上および消費電力の抑制の観点からもモータの駆動電力が必要のない区間ではインバータのＰＷＭ（パルス幅変調）デューティは０（ゼロ）にしてインバータ１４に駆動電力を供給しないようにすることが望ましい。

しかしながら、図２の位置検出回路１６のように、仮想中性点電圧と印加電圧Ｖｄｃを１／２に分圧した基準電圧とを比較することで誘起電圧のゼロクロスタイミングを位置検出信号として出力する方式の場合には、図５（圧縮機の負荷トルクゼロ区間を含む区間を抜粋）に示すように、この負荷トルクがほとんど発生しない区間でＰＷＭデューティを０にすると、その後の位置検出ができなくなってしまうという問題がある。

より具体的には、ＰＷＭデューティを０にするとチョッピングが行なわれないため、仮想中性点電圧は、上アームがＯＮしているときは基準電圧より高い電圧である２Ｖｄｃ／３に固定され、下アームがＯＮしているときは基準電圧より低い電圧であるＶｄｃ／３に固定されてしまう。したがって、仮想中性点電圧から、誘起電圧のゼロクロスを検出することができなくなるため次回から位置検出が行われなくなる。その結果、位置検出と同期して行われる通電相切換処理と上下アーム切換処理も行われなくなり、圧縮機の駆動制御が正常に行えなくなる。

こうした問題に対処した従来の技術として、例えば、特許文献１〜３が知られている。特許文献１、２は、ＰＷＭデューティが０でない区間から、位置検出タイミングを推定するものである。また、特許文献３は、位置検出回路が３個のコンパレータを備えた構成となっており、ＰＷＭデューティを０にしても位置検出できるようになっている。

特開平８−３１２５３８号公報 特開２０１２−６５４１２号公報 国際公開第２００４／０４２９１２号

しかしながら、上記の特許文献１、２の技術では、位置検出タイミングの推定が合わずに実際のタイミングが大きくずれてしまうと、最悪の場合、脱調してしまうおそれがある。また、上記の特許文献３の技術では、位置検出回路に３個のコンパレータを設ける必要があるため、コストや実装面積が増大してしまうという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、圧縮機の負荷トルクゼロ区間でＰＷＭデューティを０にしてもその後の位置検出が行える低コストな圧縮機の駆動制御装置および空気調和機を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る圧縮機の駆動制御装置は、交流電源を直流電源に変換する整流回路と、スイッチング素子を介して前記直流電源により圧縮機の駆動源であるブラシレスＤＣモータをインバータ制御するインバータと、前記ブラシレスＤＣモータのロータの位置を検出するとともに位置検出信号を発生する位置検出回路と、前記位置検出回路からの出力をもとに前記インバータのスイッチング素子の駆動信号を生成する制御手段とを備え、前記インバータをＰＷＭ制御して前記ブラシレスＤＣモータの回転を制御することで前記圧縮機の駆動を制御する駆動制御装置において、前記制御手段は、前記圧縮機の運転工程中の所定の通電区間に対して位置検出から所定の期間はＰＷＭデューティを０にしてチョッピングを行なわず、所定の期間が経過した後はＰＷＭデューティを最小にしてチョッピングを行なうことを特徴とする。

また、本発明に係る他の圧縮機の駆動制御装置は、上述した発明において、前記制御手段は、前記圧縮機の運転工程中の負荷トルクゼロ区間を前記所定の区間として特定することを特徴とする。

また、本発明に係る空気調和機は、上述した圧縮機の駆動制御装置を備えた空気調和機である。

本発明によれば、圧縮機の負荷トルクがゼロとなる区間でＰＷＭデューティを０にしてもその後の位置検出が行える低コストな圧縮機の駆動制御装置および空気調和機を提供することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る圧縮機の駆動制御装置の構成図である。 図２は、図１の位置検出回路の詳細図である。 図３は、従来の制御手段による圧縮機駆動制御のタイミングチャートの一例を示す図である。 図４は、圧縮機の１回転当たりの負荷特性の一例を示した図である。 図５は、従来の制御手段による圧縮機駆動制御のタイミングチャートであり、位置検出が不能となる場合の一例を説明した図である。 図６は、本発明に係る圧縮機の駆動制御装置の制御手段による圧縮機駆動制御のタイミングチャートである。 図７は、本発明に係る圧縮機の駆動制御装置を備える空気調和機の構成図である。 図８は、本発明のマイコンの構成図である。

以下に、本発明に係る圧縮機の駆動制御装置および空気調和機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の基本的な構成は、上述した従来のものとほぼ同様であり、従来と同一構成のものについては、同一符号を付すものとする。また、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図７で示すように、本発明に係る圧縮機の駆動制御装置１０は、空気調和機の室外機３０に備わるもので、圧縮機２０を駆動制御するものである。圧縮機２０は、四方弁３４、室外熱交換器３２、膨張弁３６、室内機４０、室内熱交換器４２およびこれらを接続する冷媒配管３８とともに冷媒回路を構成する。図１および図２は、本発明に係る圧縮機の駆動制御装置１０の構成図で、商用電源Ｅの交流電源を直流電源に変換するためのＡＣ／ＤＣ変換回路１２（整流回路）と、インバータ１４と、位置検出回路１６と、マイコン１８（制御手段）とを有しており、ブラシレスＤＣモータＭを備える圧縮機２０を駆動制御するものである。

インバータ１４は、半導体スイッチング素子（トランジスタ）１４ａ〜１４ｆが３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）ブリッジ接続されており、かつ、各々のトランジスタに並列にダイオード１４ｇ〜１４ｌが接続されている。ブラシレスＤＣモータＭはインバータ１４のＰＷＭ制御により駆動され、圧縮機２０はブラシレスＤＣモータＭにより駆動される。

図２に示す位置検出回路１６は、ブラシレスＤＣモータＭの誘起電圧からロータ（不図示）の回転位置を検出するもので、抵抗１６ｂ〜１６ｇおよびコンパレータ１６ａを備えている。各抵抗１６ｂ〜１６ｄの一端は、モータＭのステータの各相に接続され、各抵抗１６ｂ〜１６ｄの他端が互いに接続されている。各抵抗１６ｂ〜１６ｄの接続点とグランドとの間には抵抗１６ｇが接続され、抵抗１６ｂ〜１６ｄと抵抗１６ｇの接続点がコンパレータ１６ａの非反転入力端子に接続されている。以下、この各抵抗１６ｂ〜１６ｄと抵抗１６ｇ接続点の電圧を、仮想中性点電圧という。また、ＡＣ／ＤＣ変換回路１２の正極側Ｖｄｃとグランドとの間に抵抗１６ｅおよび抵抗１６ｆが直列に接続され、抵抗１６ｅおよび抵抗１６ｆの接続点の電圧が基準電圧として、コンパレータ１６ａの反転入力端子に供給される。この基準電圧は、印加電圧Ｖｄｃの１／２になるように設定される。コンパレータ１６ａは、仮想中性点電圧と基準電圧とを比較することにより、仮想中性点電圧のゼロクロス点（すなわち、誘起電圧のゼロクロス点）を検出し、モータＭのロータの位置検出するための位置検出信号を出力するようになっている。

制御手段としてのマイコン１８は、図８に示すように、駆動信号生成手段１８ａと、負荷トルクゼロ区間判定手段１８ｂと、デューティ０処理手段１８ｃとから構成されている。従来技術のマイコン１８は、これら１８ａ〜１８ｃのうち１８ａのみを有しており、１８ｂ、１８ｃを備え、それらによる制御を行なうことが、本発明の特徴である。駆動信号生成手段１８ａは図１に示すように、位置検出回路１６からの位置検出信号に基づいてインバータ駆動信号を生成してインバータ１４に出力する。インバータ１４のＵ相上アーム、Ｖ相上アーム、Ｗ相上アーム、Ｕ相下アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相下アームはこのインバータ駆動信号に基づいて駆動される。負荷トルクゼロ区間判定手段１８ｂは、圧縮機の負荷トルクがゼロになる通電区間を判定する。デューティ０処理手段１８ｃは、負荷トルクがゼロになる通電区間において、ＰＷＭデューティを０にし、所定の時間後にＰＷＭデューティを最小にしてチョッピングを行なうものである。

ここで、上記のように構成した本発明に係る圧縮機の駆動制御装置１０のマイコン１８の負荷トルクゼロ区間判定手段１８ｂは、まず前処理として、圧縮機２０の運転工程中の負荷トルクゼロ区間を判定する処理を行う。この場合、予め回転数が安定するまで通常の運転をしておき、安定した状態で負荷トルクゼロ区間を判定することで、この区間を所定の区間として特定する。そのために、位置検出回路１６からの位置検出信号により各区間時間を求め、最も区間時間の短い区間を負荷トルクゼロ区間と判定する。または、区間時間の変化が、減少方向に最も大きく変化している区間を最も回転速度が加速している区間と見なして、その区間を負荷トルクゼロ区間と判定してもよい。なお、一度、負荷トルクゼロ区間を判定すると、同区間は変わらないので、運転を継続する間は再度判定する必要はない。

そして、負荷トルクゼロ区間判定手段１８ｂで特定した負荷トルクゼロ区間に対して、デューティ０処理手段１８ｃは、負荷トルクゼロ区間開始の位置検出から次の位置検出をする前まで所定の期間はＰＷＭデューティを０にしてチョッピングを行なわず、所定の期間が経過した後はＰＷＭデューティを最小にしてチョッピングを行なうことで位置検出できるように制御する。

この制御の内容について、図６を参照しながらより具体的に説明する。
図６は、上記の圧縮機の負荷トルクゼロ区間を含む区間を抜粋した本発明による圧縮機駆動制御のタイミングチャートであり、上から順に、圧縮機の負荷トルク特性、位置検出回路により検出される誘起電圧の波形、位置検出タイミング、通電相切換処理タイミング、インバータの上下アーム切換処理タイミング、Ｕ相上アーム、Ｖ相上アーム、Ｗ相上アーム、Ｕ相下アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相下アームの各駆動信号の波形がそれぞれ示してある。

図６に示すように、まず、負荷トルクゼロ区間の一つ前の通電相で誘起電圧のゼロクロスを検出して通電相を切り換えて負荷トルクゼロ区間に入ると、誘起電圧のゼロクロスタイミングからアームを切り替えるまでの時間をＴａｒｍとし、誘起電圧のゼロクロスタイミングからの時間Ｔａｒｍで、チョッピングするアームを切り換える。こうすることで、次回の誘起電圧のゼロクロスタイミングが検出可能になる。ここで、時間Ｔａｒｍは、実機検証等で位置検出を取りこぼさない範囲で時間を設定する（例えば、電気角４５°相当の時間）。

そして、負荷トルクゼロ区間の開始のゼロクロスタイミングから電気角（６０−α）°（ただし、α＞０）相当の時間である所定の期間Ｔ１が経過するまで、ＰＷＭデューティを０にする。そして、Ｔ１が経過したら、位置検出するためのＰＷＭデューティを最小に設定して出力する。より具体的には、前回までの誘起電圧ゼロクロスによる位置検出タイミングに基づいて次回のゼロクロスによる位置検出タイミングを予測しておき、この次回の位置検出タイミングに到達する僅か前に、ＰＷＭデューティを０の状態から位置検出可能な最小のＰＷＭデューティに設定し、位置検出後はＰＷＭデューティを通常のＰＷＭ制御に戻す。なお、Ｔ１とＴａｒｍの関係は、Ｔ１≧Ｔａｒｍとなるが、実際には、ＰＷＭデューティの０状態を少しでも長くするためには、Ｔ１＞Ｔａｒｍの方が望ましい。

ここで、位置検出可能な最小のデューティとは、位置検出回路１６におけるコンパレータ１６ａの入力側の時定数や、マイコン１８の入力ポートの検出可能なパルス幅から決定することができる。また、Ｔ１は電気角（６０−α）°（ただし、α＞０）相当の時間であり、モータ１回転前の位置検出区間時間から求めることができる。ここで、αは、実機検証等で位置検出が取りこぼさない範囲で出来るだけ小さい値となるように決定する。従って、位置検出タイミングからＴ１後にＰＷＭデューティを最小に設定し、前記位置検出回路から位置検出信号を受けるまでチョッピング信号を発生させる。これによって、コンパレータが１個の位置検出回路１６を使用しても、圧縮機の負荷トルクがほとんど発生しない区間においてＰＷＭデューティを０にすることができる、従って、ブラシレスＤＣモータの位置検出回路に３個のコンパレータを設けないで位置検出が可能になるので、コストや実装面積が抑えられる。さらに電力消費を抑え、無駄な加速による回転ムラの防止となる。

特に、空気調和機の運転を考えた場合、運転開始後ある程度温度が安定した時点で圧縮機の回転数を下げて定常運転に入るが、空気調和機の運転ではこの定常運転の時間が比較的長い。したがって、本発明のように圧縮機の工程中にＰＷＭデューティを０にして消費電力をゼロにする区間を設けると、長期的には空気調和機の消費電力を低減できるので、省エネルギーを図る上で好ましいものとなる。

なお、上記の実施の形態においてはブラシレスＤＣモータの極数が４極である場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、２極モータや６極モータなど任意の極数のブラシレスＤＣモータに対して適用可能である。また、モータ１回転中に負荷トルクゼロ区間が複数存在する場合は、それぞれの負荷トルクゼロ区間に対して本発明を適用することができる。

以上説明したように、本発明によれば、圧縮機の負荷トルクがほとんど発生しない区間でＰＷＭデューティを０にしてもその後の位置検出が行える低コストな圧縮機の駆動制御装置および空気調和機を提供することができる。

１０ 圧縮機の駆動制御装置
１２ ＡＣ／ＤＣ変換回路（整流回路）
１４ インバータ
１４ａ〜１４ｆ スイッチング素子（トランジスタ）
１４ｇ〜１４ｌ ダイオード
１６ 位置検出回路
１６ａ コンパレータ
１６ｂ〜１６ｇ 抵抗
１８ マイコン（制御手段）
１８ａ 駆動信号生成手段
１８ｂ 負荷トルクゼロ区間判定手段
１８ｃ デューティ０処理手段
２０ 圧縮機
３０ 室外機
３２ 室外熱交換器
３４ 四方弁
３６ 膨張弁
４０ 室内機
４２ 室内熱交換器
Ｍ ブラシレスＤＣモータ
Ｅ 商用電源

Claims (3)

1. 交流電源を直流電源に変換する整流回路と、スイッチング素子を介して前記直流電源により圧縮機の駆動源であるブラシレスＤＣモータをインバータ制御するインバータと、前記ブラシレスＤＣモータのロータの位置を検出するとともに位置検出信号を発生する位置検出回路と、前記位置検出回路からの出力をもとに前記インバータのスイッチング素子の駆動信号を生成する制御手段とを備え、前記インバータをＰＷＭ制御して前記ブラシレスＤＣモータの回転を制御することで前記圧縮機の駆動を制御する駆動制御装置において、
   前記制御手段は、前記圧縮機の運転工程中の所定の通電区間に対して位置検出から所定の期間はＰＷＭデューティを０にしてチョッピングを行なわず、所定の期間が経過した後はＰＷＭデューティを最小にしてチョッピングを行なうことを特徴とする圧縮機の駆動制御装置。
2. 前記制御手段は、前記圧縮機の運転工程中の負荷トルクゼロ区間を前記所定の区間として特定することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機の駆動制御装置。
3. 請求項１または２に記載の圧縮機の駆動制御装置を備えた空気調和機。
   

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