JP2015091185A

JP2015091185A - 電動コンプレッサ

Info

Publication number: JP2015091185A
Application number: JP2013229999A
Authority: JP
Inventors: 亮輔堀; Ryosuke Hori
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2015-05-11

Abstract

【課題】センサレス制御への移行が安定するとともに、共振時間を短くし振動の発生を抑制することができる電動コンプレッサを提供する。【解決手段】同期電動モータ２と、同期電動モータ２を駆動させるモータ駆動制御装置４とを備える。モータ駆動制御装置４は、同期電動モータ２の同期運転期間において、コンプレッサ３の起動時から同期電動モータ２の回転速度がコンプレッサ３の共振領域より小さい所定回転速度に至る時までの第１時間に同期電動モータ２の回転加速度を第１加速度に設定し所定回転速度に至る時から所定回転速度よりも大きい目標回転速度に至る時までの第２時間に回転加速度を第１加速度よりも大きい第２加速度に設定するＭＣＵ１１を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電動コンプレッサに関し、特にコンプレッサの共振点における振動の発生を抑制する技術に関する。

従来のこの種の電動コンプレッサは、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された電動コンプレッサの制御装置は、電動コンプレッサを駆動する同期電動モータの目標速度を目標速度設定部により設定し、設定された目標速度に応じてモータ制御部によりモータを制御している。

このような電動コンプレッサの起動時の通常制御では、一定の加速度により電動コンプレッサを目標回転速度まで立ち上げている。モータ同期運転の加速領域においては、電動コンプレッサの共振点がある。このため、モータ同期運転の加速領域においては、図６に示すように、モータ回転加速度を速くする（加速度Ａ３）ことで、立ち上がり時間を速くして、共振点を示す共振領域ｒ１〜ｒ２をなるべく速く通過させている。

なお、図６において、横軸は時間、縦軸はモータ回転速度を示す。このため、モータ回転速度を時間で微分したものが、加速度であるから、直線Ａ３の傾きは、モータ回転加速度を表す。

しかし、モータ同期運転において加速度を速くすると、センサレス制御への移行が不安定になる。即ち、モータを起動するためには、回転磁界を発生させてその磁界によりロータを連れ回しているが、回転磁界の加速度が速いとロータが追従できず、ロータの回転が不十分となる。ロータの回転が不十分であると、ロータ位置推定のための磁束量が少なくなるため、ロータの位置推定が正確に行えない。このため、センサレス制御へ安定して移行できなくなる。

一方、図７に示すように、モータ回転加速度を遅くする（加速度Ａ３よりも傾きが小さい加速度Ａ４）と、立ち上がり時間が長くなるので、センサレス制御への移行が安定する。

しかし、立ち上がり時間が長くなると、共振領域ｒ１〜ｒ２を通過する時間（時刻ｔ４１〜ｔ４２）が長くなり、共振時間が長くなる。このため、コンプレッサの共振点における振動を抑制することができない。

また、特許文献２に記載された電気自動車用制御装置は、起動後の振動現象を防止するために、特許文献２の図２に示すように、起動から所定の回転速度まで他制運転（同期運転）により徐々に回転速度を上昇させ、その後、自制運転（センサレス）により回転速度を速く上昇させている。

特開２００９−２２５５１０号公報特開平７−１１５７９１号公報

特許文献２では、モータの同期運転中に、起動から所定の回転速度まで他制運転により徐々に回転速度を上昇させているが、モータの同期運転中に、コンプレッサの共振領域が存在する場合には、図６及び図７に示すような場合と同じ状態となる。このため、特許文献２にあっても、図６及び図７に示す場合と同様な課題を有していた。

本発明の課題は、センサレス制御への移行が安定するとともに、共振時間を短くし振動の発生を抑制することができる電動コンプレッサを提供することにある。

本発明は、同期電動モータと、同期電動モータを駆動させるモータ駆動制御部とを備える。モータ駆動制御部は、同期電動モータの同期運転期間において、コンプレッサの起動時から同期電動モータの回転速度がコンプレッサの共振領域より小さい所定回転速度に至る時までの第１時間に同期電動モータの回転加速度を第１加速度に設定し所定回転速度に至った時から所定回転速度よりも大きい目標回転速度に至る時までの第２時間に回転加速度を第１加速度よりも大きい第２加速度に設定する制御回路を備える。

本発明によれば、センサレス制御への移行が安定するとともに、共振時間を短くし振動の発生を抑制することができる電動コンプレッサを提供することができる。

本発明の第１の実施形態の電動コンプレッサを示す構成図である。本発明の第１の実施形態の電動コンプレッサの同期運転中のモータ回転加速度を示すタイミングチャートである。従来の電動コンプレッサの同期運転中のモータ回転加速度の問題点を示すタイミングチャートである。本発明の第１の実施形態の電動コンプレッサの同期運転中に逆回転期間を含むときのモータ回転加速度を示すタイミングチャートである。本発明の第２の実施形態の電動コンプレッサの同期運転中のモータ回転加速度を示すタイミングチャートである。従来の電動コンプレッサの同期運転中のモータ回転加速度の例１を示すタイミングチャートである。従来の電動コンプレッサの同期運転中のモータ回転加速度の例２を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態の電動コンプレッサについて図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の電動コンプレッサを示す構成ブロック図である。図１に示す電動コンプレッサは、インバータ１、同期運転を行う同期電動モータ２、圧縮機３、モータ駆動制御装置４を有して構成される。

同期電動モータ２は、三相交流モータからなり、インバータ１の交流電力により回転することにより圧縮機３を駆動させる。インバータ１は、直流電源からの直流電流を交流電流に変換して同期電動モータ２に供給する。

インバータ１は、ハイサイドのスイッチング素子Ｕｈとローサイドのスイッチング素子Ｕｌとの第１直列回路と、ハイサイドのスイッチング素子Ｖｈとローサイドのスイッチング素子Ｖｌとの第２直列回路と、ハイサイドのスイッチング素子Ｗｈとローサイドのスイッチング素子Ｗｌとの第３直列回路とが並列に接続されて構成される。

各々のスイッチング素子Ｕｈ，Ｖｈ，Ｗｈ，Ｕｌ，Ｖｌ，Ｗｌは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）から構成されている。各々のスイッチング素子Ｕｈ，Ｖｈ，Ｗｈ，Ｕｌ，Ｖｌ，Ｗｌのコレクタ−エミッタ間には、逆並列にダイオードが接続されている。

ハイサイドのスイッチング素子Ｕｈの一端とハイサイドのスイッチング素子Ｖｈの一端とハイサイドのスイッチング素子Ｗｈの一端とは直流電源の正極とコンデンサＣ１の一端とに接続される。ローサイドのスイッチング素子Ｕｌの一端とローサイドのスイッチング素子Ｖｌの一端とローサイドのスイッチング素子Ｗｌの一端とは、直流電源の負極とコンデンサＣ１の他端とに接続される。

ハイサイドのスイッチング素子Ｕｈの他端とローサイドのスイッチング素子Ｕｌの他端とは、同期電動モータ２のＵ相に接続される。ハイサイドのスイッチング素子Ｖｈの他端とローサイドのスイッチング素子Ｖｌの他端とは、同期電動モータ２のＶ相に接続される。ハイサイドのスイッチング素子Ｗｈの他端とローサイドのスイッチング素子Ｗｌの他端とは、同期電動モータ２のＷ相に接続される。

インバータ１は、６つのスイッチング素子Ｕｈ，Ｕｌ，Ｖｈ，Ｖｌ，Ｗｈ，Ｗｌをオン／オフさせることにより直流電源からの直流電流を三相の交流電流に変換して同期電動モータ２に供給する。同期電動モータ２は、同期電動機から構成されており、インバータ１からの三相の交流電流により回転駆動して圧縮機３を駆動させる。

圧縮機３は、図示しないロータを有し、ロータの回転により低圧冷媒を圧縮して高圧冷媒にする。モータ駆動制御装置４は、同期電動モータ２およびインバータ１に接続され、同期電動モータ２を駆動させるとともに、位置検出部１０、マイクロコンピュータ（ＭＣＵ）１１とメモリ１２とを有している。

位置検出部１０は、同期電動モータ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電流を検出し、各相の電流に基づき同期電動モータ２内のロータの位置を検出し、ロータの位置に基づき６つのスイッチング素子Ｕｈ，Ｕｌ，Ｖｈ，Ｖｌ，Ｗｈ，Ｗｌのための６つの制御信号Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６を生成する。

ＭＣＵ１１は、生成された制御信号Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６を６つのスイッチング素子Ｕｈ，Ｕｌ，Ｖｈ，Ｖｌ，Ｗｈ，Ｗｌの各々のゲートに印加して、６つのスイッチング素子Ｕｈ，Ｕｌ，Ｖｈ，Ｖｌ，Ｗｈ，Ｗｌをオン／オフさせる。即ち、同期電動モータ２を運転させることにより、ロータの位置を求め、その位置を基にモータの制御を行う（同期運転）。ロータの位置を知るためののセンサが無くても制御できるから、センサレス制御である。

また、ＭＣＵ１１（本発明の制御回路に対応）は、メモリ１２に記憶された制御プログラムに基づき、同期電動モータ２の同期運転期間において、圧縮機３の起動時から同期電動モータ２の回転速度が圧縮機３の共振領域より小さい所定回転速度に至る時までの第１時間に同期電動モータ２の回転加速度を第１加速度に設定し所定回転速度に至る時から所定回転速度よりも大きい目標回転速度に至る時までの第２時間に回転加速度を第１加速度よりも大きい第２加速度に設定する。メモリ１２は、ＭＣＵ１１が実行するための制御プログラムを記憶する。

次に、このように構成された第１の実施形態の電動コンプレッサの動作を図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の第１の実施形態の電動コンプレッサの同期運転中のモータ回転加速度を示すタイミングチャートである。

まず、ＭＣＵ１１は、メモリ１２に記憶された制御プログラムに基づき、図２に示すように、同期電動モータ２の同期運転期間において、圧縮機３の起動時ｔ０から、同期電動モータ２の回転速度が圧縮機３の共振領域ｒ１〜ｒ２より小さい所定回転速度ｒｏに至る時ｔ１までの第１時間（時刻ｔ０〜ｔ１）に同期電動モータ２の回転加速度を第１加速度Ａ１に設定する。

即ち、時刻ｔ０〜ｔ１では、モータ２の回転加速度を遅くする。具体的には、モータ２の回転速度、即ち回転数を例えば毎秒１０Ｈｚずつ増加させる加速度信号（回転加速度指令）をインバータ１の６つのスイッチング素子のゲートに出力する。

モータ駆動制御装置４からの加速度信号によりインバータ１が制御され、インバータ１からの交流電力によりモータ２がゆっくり回転される。このため、ロータが回転磁界に追従し易くなり、センサレス制御へ安定して移行できる。

次に、ＭＣＵ１１は、メモリ１２に記憶された制御プログラムに基づき、同期電動モータ２の同期運転期間において、所定回転速度ｒ０に至る時ｔ１から所定回転速度ｒ０よりも大きい目標回転速度ｒ３に至る時ｔ４までの第２時間（時刻ｔ１〜ｔ４）に回転加速度を第１加速度Ａ１よりも大きい第２加速度Ａ２に設定する。

即ち、時刻ｔ１〜ｔ４では、モータ２の回転加速度を速くする。具体的には、モータ２の回転速度、即ち回転数を例えば毎秒５０Ｈｚずつ増加させる加速度信号（回転加速度指令）をインバータ１の６つのスイッチング素子のゲートに出力する。

モータ駆動制御装置４からの加速度信号（回転加速度指令）によりインバータ１が制御され、インバータ１からの交流電力によりモータ２が速く回転される。このため、モータ２の回転周期が圧縮機３の共振点に重なる期間を短時間にでき、圧縮機３の共振が抑制できる。

このように第１の実施形態に係る電動コンプレッサによれば、ＭＣＵ１１は、同期電動モータ２の同期運転期間において、圧縮機３の起動時から同期電動モータ２の回転速度が圧縮機３の共振領域より小さい所定回転速度に至る時までの第１時間に同期電動モータ２の回転加速度を第１加速度に設定し所定回転速度に至る時から所定回転速度よりも大きい目標回転速度に至る時までの第２時間に回転加速度を第１加速度よりも大きい第２加速度に設定する。

従って、センサレス制御への移行が安定するとともに、共振時間を短くし振動の発生を抑制することができる電動コンプレッサを提供することができる。

図３は、従来の電動コンプレッサの同期運転中のモータ回転加速度の問題点を示すタイミングチャートである。コンプレッサ内の吐出側と吸入側との差圧により、圧縮機３の起動時にはモータ２が逆回転する。

このため、図３に示すように、同期運転期間において、モータの逆回転期間Ｔ１があり、モータ２の回転加速度がＡ２で速い場合には、逆回転期間Ｔ１の経過後の目標回転速度ｒ３に至るまでの期間Ｔ２が短くなる。このため、時刻ｔ１１における回転速度からロータを連れ回さなければならず、かつ、モータ２の連れ回し期間も短くなる。このため、センサレス制御へ安定して移行できなくなる。

図４は、本発明の第１の実施形態の電動コンプレッサの同期運転中に逆回転期間を含むときのモータ回転加速度を示すタイミングチャートである。図４に示すように、電動コンプレッサの同期運転中にモータ２の逆回転期間を含む場合に、所定回転速度ｒｏまでの時間はモータ回転加速度を遅くし、所定回転速度ｒ０から目標回転速度ｒ３までの時間はモータ回転加速度を速くする。

逆回転期間Ｔ１の経過時から目標回転速度ｒ３までの時間Ｔ３に、モータ２のロータを回転磁界により連れ回す。即ち、時刻ｔ１１における回転速度からロータを連れ回すことができる。

このようにＭＣＵ１１は、圧縮機３の起動時から同期電動モータ２の回転速度が圧縮機３の共振領域より小さい所定回転速度に至る時までの第１時間内に、圧縮機３内の吐出側と吸入側との差圧により起動時の同期電動モータ２が逆回転する逆回転期間を含む場合に、逆回転期間経過時の回転速度から同期電動モータ２のロータを回転磁界により回転させるので、従来よりも回し出しの回転速度が低く、かつ連れ回し期間が長くなるので、センサレス制御へ安定して移行することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態の電動コンプレッサの同期運転中のモータ回転加速度を示すタイミングチャートである。

第２の実施形態の電動コンプレッサでは、ＭＣＵ１１は、同期電動モータ２の同期運転期間において、同期電動モータ２の回転速度が所定回転速度に至った時から所定回転速度を所定時間保持させた後、回転加速度を第１加速度よりも大きい第２加速度に設定する。

次に、図５を参照しながら、第２の実施形態の電動コンプレッサの同期運転中の動作を説明する。

ＭＣＵ１１は、同期電動モータ２の同期運転期間において、圧縮機３の起動時ｔ０から、同期電動モータ２の回転速度が圧縮機３の共振領域ｒ１〜ｒ２より小さい所定回転速度ｒ５に至る時ｔ２１までの時間（時刻ｔ０〜ｔ２１）に同期電動モータ２の回転加速度を第１加速度Ａ１に設定する。即ち、時刻ｔ０〜ｔ２１では、モータ２の回転加速度を遅くする。

次に、ＭＣＵ１１は、同期電動モータ２の同期運転期間において、同期電動モータ２の回転速度が所定回転速度ｒ５に至った時ｔ２１から所定回転速度ｒ５を所定時間（時刻ｔ２１〜ｔ２２）だけ保持させる。

次に、ＭＣＵ１１は、時刻ｔ２２から所定回転速度ｒ５よりも大きい目標回転速度ｒ４に至る時までの時間（ｔ２２〜ｔ２５）に所定の加速度Ａ２に設定する。即ち、モータ２を所定速度で回転し、途中から回転速度を上昇させていく。

なお、本発明は、上述した第１の実施形態および第２の実施形態の電動コンプレッサに限定されるものではない。例えば、図５に示す第２の実施形態の電動コンプレッサにおいて、図４に示す逆回転期間を含むように構成しても良い。このような場合には、図４および図５に示す構成例と同様な効果が得られる。

１インバータ
２同期電動モータ
３圧縮機
４モータ駆動制御装置
１０位置検出部
１１ＭＣＵ
１２メモリ

Claims

コンプレッサを同期運転駆動させる同期電動モータと、
前記同期電動モータを駆動させるモータ駆動制御部とを備え、
前記モータ駆動制御部は、前記同期電動モータの同期運転期間において、前記コンプレッサの起動時から前記同期電動モータの回転速度が前記コンプレッサの共振領域より小さい所定回転速度に至る時までの第１時間に前記同期電動モータの回転加速度を第１加速度に設定し前記所定回転速度に至った時から前記所定回転速度よりも大きい目標回転速度に至る時までの第２時間に前記回転加速度を前記第１加速度よりも大きい第２加速度に設定する制御回路を備えることを特徴とする電動コンプレッサ。
前記制御回路は、前記同期電動モータの同期運転期間において、前記同期電動モータの回転速度が前記所定回転速度に至った時から前記所定回転速度を所定時間保持させた後、前記回転加速度を前記第１加速度よりも大きい第２加速度に設定することを特徴とする請求項１記載の電動コンプレッサ。
前記制御回路は、前記第１時間内に、前記コンプレッサ内の吐出側と吸入側との差圧により起動時の前記同期電動モータが逆回転する逆回転期間を含む場合に、前記逆回転期間経過時の回転速度から前記同期電動モータのロータを回転磁界により回転させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電動コンプレッサ。