JP2015105648A

JP2015105648A - 電動コンプレッサ及びその制御方法

Info

Publication number: JP2015105648A
Application number: JP2013249759A
Authority: JP
Inventors: 洋介大根田; Yosuke Oneda
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-08

Abstract

【課題】モータ起動時にコンプレッサ内の吐出側と吸入側との差圧が大きくてもモータを安定して起動できる電動コンプレッサ。
【解決手段】吸入側から吸入された冷媒を圧縮して吐出側へ吐出する圧縮機構部２と、圧縮機構部を回転駆動させるモータ３と、モータを制御するモータ制御部８とを備え、モータ制御部は、モータの同期運転期間において、モータの起動時からモータの回転速度が所定回転速度に至る時までの第１時間に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加速度に設定し、モータの停止時の吐出側の冷媒圧力と吸入側の冷媒圧力との差圧に基づき第１時間を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動コンプレッサ及びその制御方法に関し、特に起動時の差圧による負荷トルク過大等による起動失敗をなくす技術に関する。

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、エアコン電源がオンされ、モータ起動指令が出されると、モータの停止状態から位置推定可能な速度まで一定の加速度により指定速度を加速させている。これにより、センサレス制御へ安定して移行することができる。

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

しかしながら、モータ起動時にコンプレッサ内の吐出側と吸入側との差圧が大きいと、差圧による負荷トルク過大、あるいはモータの逆回転が生ずることによって、モータの実速度と指令速度との速度差が大きくなり、ロータの連れ回しが上手くいかなくなる。このため、モータを起動できず、モータ速度を位置推定可能な速度まで加速できない。その結果、モータの起動に失敗してしまう。

本発明の課題は、モータ起動時にコンプレッサ内の吐出側と吸入側との差圧が大きくてもモータを安定して起動できる電動コンプレッサ及びその制御方法を提供することにある。

本発明の電動コンプレッサは、吸入側から吸入された冷媒を圧縮して吐出側へ吐出する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を回転駆動させるモータと、前記モータを制御するモータ制御部とを備え、前記モータ制御部は、前記モータの同期運転期間において、前記モータの起動時から前記モータの回転速度が所定回転速度に至る時までの第１時間に前記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加速度に設定し、前記モータの停止時の前記吐出側の冷媒圧力と前記吸入側の冷媒圧力との差圧に基づき前記第１時間を変化させることを特徴とする。

本発明の電動コンプレッサの制御方法は、吸入側から吸入された冷媒を圧縮して吐出側へ吐出する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を回転駆動させるモータと、前記モータを制御するモータ制御部とを備えた電動コンプレッサの制御方法であって、前記モータの同期運転期間において、前記モータの起動時から前記モータの回転速度が所定回転速度に至る時までの第１時間に前記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時間には前記回転加速度を前記第１加速度よりも大きい第２加速度に設定するステップと、
前記モータの停止時の前記吐出側の冷媒圧力と前記吸入側の冷媒圧力との差圧に基づき前記第１時間を変化させるステップとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、モータの同期運転期間において、モータの起動時からモータの回転速度が所定回転速度に至る時までの第１時間に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加速度に設定するとともに、モータの停止時の吐出側の冷媒圧力と吸入側の冷媒圧力との差圧に基づき第１時間を変化させるので、モータ起動時にコンプレッサ内の吐出側と吸入側との差圧が大きくてもモータを安定して起動できる。

本発明の実施形態の電動コンプレッサを示す構成図である。本発明の実施形態の電動コンプレッサにおいてモータ起動時に差圧が大きいときに指令速度を２段階で加速させる処理を示すタイミングチャートである。本発明の実施形態の電動コンプレッサにおいてモータ起動時に逆回転が発生する可能性があり且つある程度の大きな差圧があるときに指令速度を２段階で加速させる処理を示すタイミングチャートである。本発明の実施形態の電動コンプレッサにおいてモータ起動時に差圧が大きいときに指令速度を２段階で加速させ且つ所定の指令速度で一定時間駆動する処理を示すタイミングチャートである。本発明の実施形態の電動コンプレッサにおいてモータ起動時に逆回転が発生する可能性があり且つある程度の大きな差圧があるときに指令速度を２段階で加速させ且つ所定の指令速度で一定時間駆動する処理を示すタイミングチャートである。本発明の実施形態の電動コンプレッサにおいてモータ起動時に差圧が小さいときに指令速度を２段階で加速させる処理を示すタイミングチャートである。本発明の実施形態の電動コンプレッサにおいてモータ起動時に差圧が小さいときに指令速度を２段階で加速させ且つ所定の指令速度で一定時間駆動する処理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及びその制御方法について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明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１は、圧縮機構部２、同期電動機からなり同期運転を行うるモータ３、インバータ４を有して構成される。

モータ３は、三相交流モータからなり、インバータ４の交流電力により回転することによりシャフト５を介して圧縮機構部２を駆動させる。圧縮機構部２は、図示しないロータを有し、ロータの回転により吸入側から吸入された冷媒を圧縮して吐出側へ吐出する。インバータ４は、直流電源６からの直流電流を交流電流に変換してモータ３に供給する。

インバータ４は、ＩＧＢＴスイッチング器７と、モータ制御部８とを有している。ＩＧＢＴスイッチング器７は、Ｕ相用のスイッチング素子ＩＧＢＴ１とスイッチング素子ＩＧＢＴ４との第１直列回路と、Ｖ相用のスイッチング素子ＩＧＢＴ２とスイッチング素子ＩＧＢＴ５との第２直列回路と、Ｗ相用のスイッチング素子ＩＧＢＴ３とスイッチング素子ＩＧＢＴ６との第３直列回路とが直流電源６の両端に接続されて構成される。

各々のスイッチング素子ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ６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。スイッチング素子ＩＧＢＴ１の一端とスイッチング素子ＩＧＢＴ４の一端とは、モータ３のＵ相に接続される。スイッチング素子ＩＧＢＴ２の一端とスイッチング素子ＩＧＢＴ５の一端とは、モータ３のＶ相に接続される。スイッチング素子ＩＧＢＴ３の一端とスイッチング素子ＩＧＢＴ６の一端とは、モータ３のＷ相に接続される。

モータ制御部８は、６つのスイッチング素子ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ６をオン／オフさせることにより直流電源６からの直流電流を三相の交流電流に変換してモータ３に供給する。

モータ制御部８は、モータ３およびＩＧＢＴスイッチング器７に接続され、モータ３を駆動させるとともに、モータ３から電流情報、及び電圧情報を入力するとともに、位置検出部１０、メモリ１１を有している。

位置検出部１０は、モータ３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モータ３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ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ６のための６つの制御信号を生成する。

モータ制御部８は、生成された６つの制御信号を６つのスイッチング素子ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ６の各々のゲートに印加して、６つのスイッチング素子ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ６をオン／オフさせる。即ち、モータ３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３の制御を行う（同期運転）。ロータの位置を知るため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。

メモリ１１は、モータ制御部８が実行するための制御プログラムを記憶する。モータ制御部８は、メモリ１１に記憶された制御プログラムに基づき、モータ３の同期運転期間において、モータ３の起動時からモータ３の回転速度が所定回転速度に至る時までの第１時間に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。

また、モータ制御部８は、モータ３からの電流情報、電圧情報に基づき、モータ３の停止直前に供給されている電流値又はモータ３の停止直前のモータの回転速度の少なくとも一方の値を算出し、算出された値に基づきモータ３の停止時の吐出側の冷媒圧力と吸入側の冷媒圧力との差圧を推定し、推定された差圧に基づき第１時間を変化させる。

次に、このように構成された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、本発明の実施形態の電動コンプレッサにおいてモータ起動時に差圧が大きいときに指令速度を２段階で加速させる処理を示すタイミングチャートである。

（差圧が大きいときに指令速度を２段階で加速させる処理）
図２の時刻ｔ１において、モータ制御部８は、停止指令をＩＧＢＴスイッチング器７に出力することにより電動コンプレッサ１を停止させる。時刻ｔ２において、モータ起動指令によりエアコン電源をオンして電動コンプレッサ１を起動させる。このとき、起動時の差圧Ａは大きい。

モータ制御部８は、モータ３からの相電流に基づき、モータ３の停止直前に供給されている電流値を算出し、算出された値に基づきモータ３の停止時の吐出側の冷媒圧力と吸入側の冷媒圧力との差圧を推定し、推定された差圧に基づき第１時間Ｃ１（時刻ｔ２〜ｔ４）を変化させる。
次に、モータ制御部８は、モータ３の同期運転期間において、モータ３の起動時ｔ２からモータ３の回転速度が所定回転速度（所定の指令速度Ｂ）に至る時ｔ４までの第１時間Ｃ１にモータ３の回転加速度をより小さい第１加速度に設定し、第１加速度を示す信号をＩＧＢＴスイッチング器７に出力する。

所定の指令速度Ｂは、起動からモータ３が安定して起動できるような十分に小さい速度とする。また、時間Ｃ１の長さは、差圧によって決定する。モータ３が停止しているとき、差圧は時間とともに決まった傾きで減少していく。また、差圧の傾きは電動コンプレッサ１の構造やシステムにより決定されるため、実験等で予め確認し、マッピングすることが可能である。起動時差圧が大きい場合、時間Ｃ１を長くするため、指令加速度（第１加速度）は小さくなる。

起動時、差圧が大きいと推定した場合、図２に示すように差圧Ａに応じて時間Ｃ１を長くする。これにより、差圧が安定して起動できる差圧Ｅまで低下した時点ｔ３で、指令速度は、所定の指令速度Ｂ以下となるため、モータ３を安定して起動することができる。

一方、電動コンプレッサ１やシステムが、位置推定可能な回転速度Ｄ以下の速度に共振領域（共振周波数）を持つ場合、小さい加速度でゆっくりモータ３を加速すると、モータ速度が共振領域付近に留まる時間が長くなる。このため、振動や騒音が発生する。また、モータ３の回転速度を所定の速度Ｂまで加速するまでに共振領域があると、前述したように振動や騒音が発生する。このため、所定の速度Ｂを共振領域より小さい回転速度にする必要がある。

そこで、実施の形態では、モータ制御部８は、モータ３の同期運転期間において、起動時からモータ３の回転速度が共振領域より小さい所定の指令速度Ｂに至る時までの第１時間にモータ３の回転加速度を第１加速度に設定し、所定の指令速度Ｂに至る時ｔ４から所定回転速度よりも大きい目標回転速度（位置推定可能な速度Ｄ）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。

即ち、起動時ｔ２から時間Ｃ１が経過した時刻ｔ４において、早い指令加速度に切り替え、位置推定可能な速度Ｄまで一気に加速させる。これにより、共振周波数を一気に通過することができ、振動や騒音の発生を抑えることができる。

このように実施形態に係る電動コンプレッサによれば、モータ制御部８は、モータ３の起動時からモータ３の回転速度が所定回転速度に至る時までの第１時間にモータ３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加速度に設定し、モータ３の停止時の吐出側の冷媒圧力と吸入側の冷媒圧力との差圧に基づき第１時間を変化させる。

従って、モータ起動時にコンプレッサ内の吐出側と吸入側との差圧が大きくてもモータ３を安定して起動できる。

（モータ起動時に逆回転が発生するときに指令速度を２段階で加速させる処理）
電動コンプレッサ１が停止したときの差圧が大きいと、高圧状態の吐出側冷媒が低圧状態の吸入側に逆流することにより、モータ３の逆回転が生ずる場合がある。モータ３の逆回転がある場合、モータステータの磁界に対して、モータロータの回転方向が逆になるため、駆動制御が不安定になり、モータ３の駆動が困難となる。

そこで、本発明の実施形態の電動コンプレッサのモータ制御部８は、図３に示すように、モータ３の逆回転が生ずる可能性のある程度の大きな差圧があると推定すると、その差圧の大きさに応じて時間Ｃ２を長く設定する。

差圧の大きさによるモータ３の逆回転が終了するまでの時間は、実験等で事前に確認できる。従って、起動時の差圧が分かれば、差圧が安定して起動できる値まで減少するまでの時間、あるいは逆回転が終了するまでの時間が算出される。このため、その算出された時間よりも長くなるように時間Ｃ２を設定する。

これにより、時間が経過し、逆回転が終了した時点ｔ５で、指令速度は所定の指令速度Ｂ以下となるため、モータ３を安定して起動することができる。

なお、起動から時間Ｃ２が経過した後の動作は、図２に示す動作と同じであるので、ここでは、その説明は省略する。

（差圧が大きいときに指令速度を２段階で加速させ且つ所定の指令速度で一定時間駆動する処理）
図４は、本発明の実施形態の電動コンプレッサにおいてモータ起動時に差圧が大きいときに指令速度を２段階で加速させ且つ所定の指令速度で一定時間駆動する処理を示すタイミングチャートである。

モータ制御部８は、モータ３の同期運転期間において、起動時ｔ２から、モータ３の回転速度が所定の指令速度Ｂに至る時ｔ７までの時間（時刻ｔ２〜ｔ７）にモータ３の回転加速度を第１加速度に設定する。即ち、時刻ｔ２〜ｔ７では、モータ３の回転加速度を遅くする。

次に、モータ制御部８は、モータ３の回転速度が所定の指令速度Ｂに至った時ｔ７から所定の指令速度Ｂを所定時間（時刻ｔ７〜ｔ９）だけ保持させる。次に、モータ制御部８は、時刻ｔ９から所定の指令速度Ｂよりも大きい目標回転速度Ｄに至る時までの時間に第１加速度より大きい第２加速度に設定する。

即ち、起動からある加速度で指令速度を加速させ、所定の指令速度Ｂに到達した後には、起動から計数して時間Ｆ１が経過するまで、所定の指令速度Ｂで一定速度にする。この所定の指令速度Ｂは、モータ３が安定して起動できるような十分に小さい速度とする。また、時間Ｆ１の長さは、差圧によって決定される。

なお、モータ制御部８は、指令速度が所定の指令速度Ｂに到達してから時間Ｆ１が経過するまで、所定の指令速度Ｂ一定で駆動させるように制御しても良い。この場合には、時間Ｆ１は起動から計数した場合よりも短くなる。

モータ制御部８は、起動時に、差圧が大きい場合には、図４に示すように、差圧に応じて時間Ｆ１を長く設定する。これにより、差圧が安定して起動できる差圧Ｅまで低下した時点ｔ８で、指令速度は所定の指令速度Ｂ以下となるため、モータ３を安定して起動できる。

起動時ｔ２から時間Ｆ１が経過した時刻ｔ９では、早い指令速度に切り替え、位置推定可能な速度Ｄまで一気に加速させる。これにより、共振周波数を一気に通過することができ、振動や騒音の発生を抑えることができる。

（モータ起動時に逆回転が発生するときに指令速度を２段階で加速させ且つ所定の指令速度で一定時間駆動する処理）
モータ制御部８は、モータ起動時の差圧が大きく、逆回転が発生している場合には、図５に示すように、起動時の差圧の大きさに応じて時間Ｆ２を長く設定する。これにより、時間が経過し、逆回転が終了した時点ｔ１１で、指令速度は所定の指令速度Ｂ以下となるため、モータ３を安定して起動することができる。

なお、起動から時間Ｆ２が経過した後の動作は、図４に示す動作と同じであるので、ここでは、その説明は省略する。

（差圧が小さいときに指令速度を２段階で加速させる処理）
モータ制御部８は、モータ３の起動時に、差圧が小さいと推定した場合には、図６に示すように、差圧の大きさに応じて時間Ｃ３を短く設定する。これにより、起動時に差圧が小さいときには、位置推定可能な速度Ｄまでの加速時間を短縮でき、センサレス制御への迅速に移行できる。この場合には、モータ３を安定して起動できる差圧Ｅ以下まで、直ちに差圧が低下するので、時間Ｃ３が短くてもモータ３を安定して起動できる。

（差圧が小さいときに指令速度を２段階で加速させ且つ所定の指令速度で一定時間駆動する処理）
モータ制御部８は、モータ３の起動時に、差圧が小さいと推定した場合には、図７に示すように、差圧の大きさに応じて時間Ｆ３を短く設定する。これにより、起動時に差圧が小さいときには、位置推定可能な速度Ｄまでの加速時間を短縮でき、センサレス制御への迅速に移行できる。この場合には、モータ３を安定して起動できる差圧Ｅ以下まで、直ちに差圧が低下するので、時間Ｆ３が短くてもモータ３を安定して起動できる。

なお、本発明は、前述した実施の形態に係る電動コンプレッサ及びその制御方法に限定されるものではない。前述した実施の形態に係る電動コンプレッサ及びその制御方法では、モータ停止直前のモータの駆動状態を示す状態値（モータ電流、モータの回転速度）によって、起動時の差圧を推定したが、例えば、圧縮機構部２に圧力センサを取り付けても良い。

この圧力センサが前記差圧を検出し、検出された差圧情報をモータ制御部８に出力するように構成しても良い。

１電動コンプレッサ
２圧縮機構部
３モータ
４インバータ
６直流電源
７ＩＧＢＴスイッチング器
８モータ制御部
１０位置検出部
１１メモリ

Claims

吸入側から吸入された冷媒を圧縮して吐出側へ吐出する圧縮機構部（２）と、
前記圧縮機構部（２）を回転駆動させるモータ（３）と、
前記モータ（３）を制御するモータ制御部（８）とを備え、
前記モータ制御部（８）は、前記モータの同期運転期間において、前記モータの起動時から前記モータの回転速度が所定回転速度に至る時までの第１時間に前記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加速度に設定し、前記モータの停止時の前記吐出側の冷媒圧力と前記吸入側の冷媒圧力との差圧に基づき前記第１時間を変化させることを特徴とする電動コンプレッサ。
前記モータ制御部（８）は、前記モータの同期運転期間において、前記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。
前記モータ制御部（８）は、前記モータの停止直前に供給されている電流値又は前記モータの停止直前の前記モータの回転速度の少なくとも一方の値に基づき前記差圧を推定す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。
前記前記モータの停止時の前記吐出側の冷媒圧力と前記吸入側の冷媒圧力との差圧を検出し、検出された前記差圧情報を前記制御回路に出力する圧力センサを備え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。
前記モータ制御部（８）は、前記所定回転速度を前記圧縮機構部の共振領域より小さい回転速度に設定することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電動コンプレッサ。
吸入側から吸入された冷媒を圧縮して吐出側へ吐出する圧縮機構部（２）と、前記圧縮機構部（２）を回転駆動させるモータ（３）と、前記モータ（３）を制御するモータ制御部（８）とを備えた電動コンプレッサの制御方法であって、
前記モータの同期運転期間において、前記モータの起動時から前記モータの回転速度が所定回転速度に至る時までの第１時間には前記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時間には前記回転加速度を前記第１加速度よりも大きい第２加速度に設定するステップと、
前記モータの停止時の前記吐出側の冷媒圧力と前記吸入側の冷媒圧力との差圧に基づき前記第１時間を変化させるステップと、
を備えることを特徴とする電動コンプレッサの制御方法。