JP2016082636A - モータ制御装置、圧縮機、空気調和機およびプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電圧を交流電圧に変換する電力変換回路と、該電力変換回路を駆動するドライブ信号を出力する制御部とを備え、負荷装置に接続された電動機を交流電圧によって駆動するモータ制御装置において、該制御部は、電動機または負荷装置の振動量に応じて増減する振動対応量(Δτm ^)を取得する手段と、該振動対応量に基づいてドライブ信号(Iqsin *)を決定するドライブ信号決定部(11a)とを設けた。
【選択図】図17
Description
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、騒音や振動の低減と消費電力の低減とをバランスを取りつつ実現できるモータ制御装置、圧縮機、空気調和機およびプログラムを提供することを目的とする。
<比較例1の構成>
(比較例1の全体構成)
本発明の実施形態を説明する前に、実施形態と比較するための比較例1の構成について説明する。図1は比較例1による圧縮機の全体構成を示す図である。この圧縮機は、圧縮機構である負荷装置9と、該負荷装置9を駆動する電動機6と、電動機6を制御するモータ制御装置1aとから構成されている。
モータ制御装置1aの各部の説明の前に、座標軸の定義を明確にしておく。図4(b)は、モータ制御装置1aにて検出、推定、あるいは仮定する制御軸の回転角度位置(推定回転角度位置θdc)と、実際の回転子6aの回転角度位置θdとの関係を示す図である。回転子6aに設けられた永久磁石の主磁束方向の位置をd軸とし、d軸から回転方向に電気的に90度(電気角90度)進んだq軸とからなるd−q軸を定義する。このd−q軸は回転座標系である。
図1に戻り、制御部2aについて説明する。制御部2aの内部において、トルク電流指令値作成器10は、負荷トルクτLの平均値および周期的に変動する値に応じたトルク電流指令値Itq *を作成する。本比較例においては、出力されたトルク電流指令値Itq *が、そのままq軸電流指令値Iq *として、電圧指令値作成器3に供給される。
制御部2aの内部においてPWM信号作成器33は、電圧指令値作成器3から出力された3相の電圧指令値Vu *,Vv *,Vw *と、キャリア信号である三角波との比較により、電力変換回路5に与えるドライブ信号を生成する。電気角一周期における1相分の電圧指令値と三角波信号とドライブ信号との関係を図5に示す。図5は比較例1におけるPWM信号作成器の波形図であり、図中の「電圧指令値」とは、上述のVu *,Vv *,Vw *の何れかである。生成されるドライブ信号Gp,Gnは、対応する相における上アーム,下アーム(図2参照)のドライブ信号である。例えば、U相の電圧指令値Vu *に対して、生成されるドライブ信号Gp,Gnは、図2におけるドライブ信号24a,24bに対応する。
次に、図6を参照して、PWM信号作成器33以外の制御部2aの各構成要素について説明する。図6は比較例1における制御部2aのブロック図であり、図中の3φ/dq変換器8は、推定回転角度位置θdcを用いて、3相軸上の交流電流検出値Iu,Iwを制御軸上(すなわちdc軸上およびqc軸上)の電流検出値Idc,Iqcに座標変換する。また、dq/3φ変換器4は、推定回転角度位置θdcを用いて、dc−qc軸上の電圧指令値Vd *,Vq *を3相軸上の電圧指令値Vu *,Vv *,Vw *に座標変換する。
次に、図7を参照し、電圧指令値演算部34の構成を説明する。電圧指令値演算部34には、d軸,q軸の電流指令値Id *,Iq *が供給される。本比較例において、q軸電流指令値Iq *は、上述したように、トルク電流指令値作成器10が出力するトルク電流指令値Itq *に等しい。また、d軸電流指令値Id *は本比較例においてはゼロを設定しているので、この理由について述べておく。本比較例においては、電動機6は、非突極型の永久磁石同期モータであるため、d軸,q軸のインダクタンスLd,Lqが同一になる。
Vd *=R×Id **−ω1×Lq×Iqf ** …(1)
Vq *=R×Iq **+ω1×Ld×Idf **+ω1×Ke …(2)
次に、位置推定部40について説明する。前述のように、本比較例では回転子6aの回転角度位置として推定回転角度位置θdcを用いるが、これを演算するものが位置推定部40である。図6において、位置推定部40内の軸誤差演算器12は、制御軸上の電流検出値Idc,Iqcおよびd軸,q軸電圧指令値Vd *,Vq *等に基づいて、下式(3)により実軸と制御軸との軸誤差(推定値)Δθcを演算する。
次に、トルク電流指令値作成器10の構成を図9を参照し説明する。
トルク電流指令値作成器10には、インバータ周波数指令値ω1と、回転速度指令値ω*とが供給され、減算器91bにおいて両者の差分が出力される。なお、回転速度指令値ω*は、図示せぬ上位制御系等から与えられる。この差分に対して、比例器92p,92qでは、各々比例ゲインKp_asr,Ki_asrが乗算され、比例器92qの出力は積分器94eによって積分される。比例器92pおよび積分器94eの出力は、加算器90fにおいて加算され、その結果がトルク電流指令値Itq *として出力される。すなわち、トルク電流指令値作成器10は、いわゆる比例積分演算器を構成している。
比較例1に対して、圧縮機構部500を駆動した際に生じる各部の波形の数値解析結果を図10(a)〜(d)に示す。図10(a)は、モータトルクτmと負荷トルクτL(単位はP.U.)の変化を示す。モータトルクτmとは、電動機6の発生トルクであり、負荷トルクτLは瞬時負荷トルクである。また、図10(b)は、回転速度指令値ω*とインバータ周波数指令値ω1との変化(単位はHz)を示す。また、図10(c)はq軸電流指令値Iq *(本比較例ではトルク電流指令値Itq *に等しい)の変化を示し、図10(d)はU相モータ電流の変化(単位はP.U.)を示す。ここで横軸の時間目盛の単位は何れも0.02秒であり、図10の例にあっては、図4(a)で示した機械角の1周期が0.04秒であることが解る。
<比較例2の構成>
(脈動トルク推定器16)
次に、比較例1の問題点に対応する比較例2の圧縮機の構成を図11,図12を参照し説明する。比較例2においては、図11に示すように、比較例1(図1参照)におけるモータ制御装置1aに代えて、モータ制御装置1bが適用される。モータ制御装置1a,1bの相違点は、制御部2aに代えて、制御部2bが適用されていることである。この制御部2bには、脈動トルク推定器16と、脈動トルク電流指令値作成器11aと、加算器90aとが追加されている。ここで、比較例2における制御部2bの詳細を図12に示す。
次に、脈動トルク電流指令値作成器11aの具体的な構成を図14を参照し説明する。
図14において、積分器94jはインバータ周波数指令値ω1を積分することにより、推定回転角度位置θdcを出力する。乗算器92oでは、推定回転角度位置θdcに「2/P」(Pは極数)が乗算され、その結果が推定機械角度位置θrとして出力される。余弦演算器96および正弦演算器97は、それぞれ推定機械角度位置θrの余弦成分cosθrおよび正弦成分sinθrを出力する。
Δτmc=cos θr×Δτm ^ …(5)
Δτms=sin θr×Δτm ^ …(6)
低域通過フィルタ98c,98dでは、差トルク推定値余弦成分Δτmcおよび差トルク推定値正弦成分Δτmsのうち、機械速度ωr以上の成分が減衰される。次に、減算器91j,91kにおいては、差トルク推定値余弦成分Δτmc,差トルク推定値正弦成分Δτmsと、それぞれの指令値(Δτmc *=0,Δτms *=0)との差が求められる。そして、求められた差に対して比例器92t,92mでは積分ゲインKi_atrが乗じられ、積分器94h,94iでは、各乗算結果が積分される。
Δτmm ^=cos θr×Iqsin * c+sinθr×Iqsin * s …(7)
比較例2によれば、周期的な負荷変動すなわち差トルク推定値Δτm ^の変動に対応し、電動機6の騒音や振動を効果的に抑制することができる。一方、前述のように、モータ制御装置1b内の各構成要素には設定可能な応答周波数に上限があり、その設定可能な応答周波数は、電動機6の駆動周波数(回転速度)に応じて変動する。従って、各構成要素の応答の特性には周波数依存性がある。一方、電動機6および負荷装置9等の機構部は複数の機械共振周波数を有する。
<第1実施形態の構成>
次に、本発明の第1実施形態の構成を図17,図18を参照し説明する。
上述したように、比較例2の構成では、振動振幅は抑制できるものの、消費電力が大きくなるという課題があった。そこで、第1実施形態は、振動振幅の抑制と、消費電力の削減とを両立させようとするものである。そのため、本実施形態にあっては、図17に示すように、比較例2(図11参照)におけるモータ制御装置1bに代えて、モータ制御装置1が適用される。両者の相違点は、制御部2bに代えて、制御部2が適用されていることである。ここで、制御部2の構成を図18に示す。制御部2においては、比較例2における脈動トルク電流指令値作成器11aに代えて脈動トルク電流指令値作成器11が適用され、さらに振動状態推定器17が追加されている。
図19においてピークホールド部80a,80bは、各々所定時間内における軸誤差Δθcの最大値および最小値を保持し、保持した値を出力する。減算器91mは、両者の差、すなわち軸誤差Δθcの周期変動の振幅AmpPulΔθcを出力する。比較器81aは、この振幅AmpPulΔθcと閾値PulJud1とを比較し、振幅AmpPulΔθcが閾値PulJud1未満である場合は“1”を出力し、閾値PulJud1以上の場合は“0”を出力する。比較器81aから出力される信号を「振動状態判定フラグPulFlg」という。
第1実施形態は以上のような構成を用いることにより、周期脈動トルク制御の効き具合を弱くでき、消費電力を抑えることができる。その効果を図21を参照し、さらに詳細に説明する。図21において、破線で示した波形は、周期脈動トルク制御の効き具合を変更しない比較例2の回転速度および消費電力の遷移を示す。この例においては、脈動トルク電流指令値作成器11の積分制御が収束するまで、振動を抑制するような制御が続行される。これによって、確かに振動は抑制されるが、q軸電流指令値Iq *の変動成分の振幅は増加するため消費電力も増加する。
<第2実施形態の全体構成>
次に、本発明の第2実施形態による圧縮機302の構成を図22を参照し説明する。なお、既に説明した比較例1,2および第1実施形態に示されたものに対応するものには同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態におけるモータ制御装置301は、第1実施形態のモータ制御装置1(図17参照)における脈動トルク電流指令値作成器11に代えて、図23に示す脈動トルク電流指令値作成器11dが適用されている点が異なる。そこで、脈動トルク電流指令値作成器11dの構成を図23を参照し説明する。
このように、本実施形態によれば、振動振幅値が大きくなる低速度領域においては、差トルク推定値Δτm ^をゼロに近づける制御が実行される。一方、振動振幅値が小さくなる中速度領域においては、qc軸電流検出値Iqcの変動をゼロに近づける制御が行われ、振動振幅値がさらに小さくなる高速度領域においては、周期脈動トルク制御が停止される(脈動トルク電流指令値Iqsin *としてゼロ信号が選択される)。
次に、本発明の第3実施形態による圧縮機について説明する。本実施形態による圧縮機は、上述した第1実施形態のもの(図17)と同様であるが、第1実施形態の脈動トルク電流指令値作成器11に代えて、図26に示す脈動トルク電流指令値作成器11eが適用される。また、振動状態推定器17に加えて、図27に示す振動状態推定器17dが適用される。すなわち、本実施形態においては、振動状態推定器17,17dの双方が適用されることになる。そこで、これら追加された構成要素および異なる構成要素について説明する。
まず、図27を参照し、振動状態推定器17dの構成を説明する。振動状態推定器17dにおいては、第1実施形態の振動状態推定器17(図19参照)と同様に、ピークホールド部80a,80bと減算器91mとが設けられており、減算器91mは、軸誤差Δθcの周期変動の振幅AmpPulΔθcを出力する。比較器81dは、この振幅AmpPulΔθcと閾値PulJud4とを比較し、振幅AmpPulΔθcが閾値PulJud4よりも小さい場合は“1”を出力し、それ以外の場合は“0”を出力する。比較器81dから出力される信号を「振動状態判定フラグPulFlgDS」という。比較器81dの構成は第1実施形態の比較器81aと近似しているが、閾値PulJud4は閾値PulJud1の数倍程度の値である点が異なる。
次に、図26を参照し、脈動トルク電流指令値作成器11eの構成を説明する。脈動トルク電流指令値作成器11eには、積分器94jと、乗算器92oと、余弦演算器96と、正弦演算器97と、単相座標変換器32とが設けられている。これらの構成は、比較例2の脈動トルク電流指令値作成器11a(図14参照)のものと同様である。これにより、単相座標変換器32からは、上述の式(5),(6)に示した、差トルク推定値Δτm ^の機械速度ωr(機械角1次成分)における余弦成分Δτmcと正弦成分Δτmsとが出力される。
次に、本実施形態の動作を図28を参照し説明する。図28(a)において、時刻t1以前の期間中では、機械速度ωrは、その平均速度が目標速度に近づくように制御されている。その期間中、図28(c)の例では軸誤差Δθcは閾値PulJud1,PulJud4未満になっているが、平均速度が目標速度に達しておらず、振動状態の評価が始まっていないため、振動状態判定フラグPulFlg,PulFlgDSは共に“0”になっている。
次に、本発明の第4実施形態の空気調和機について、図29を参照し説明する。
図29において、空気調和機300は、室内機303と、室外機304と、両者を接続する配管305とを有している。室内機303には室内熱交換器306と、室内熱交換器306に送風する送風機307とが設けられている。また、室外機304には、圧縮機302と、該圧縮機302を制御するモータ制御装置301とが設けられ、両者は配線ケーブル310を介して接続されている。さらに、室外機304には、室外熱交換器308と、該室外熱交換器308に送風する送風機309とが設けられている。室内を冷房する場合においては、図上で上側の配管305を介して室外機304の室外熱交換器308から室内機303の室内熱交換器306に冷媒が供給される。室内を冷房した後に気化した冷媒は、下側の配管305を介して圧縮機302に還流される。圧縮機302の構成は、第2実施形態のもの(図22参照)と同様である。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
(1)上記各実施形態において、振動状態推定器17(図19参照)または振動状態推定器17d(図27参照)に代えて、図30に示す振動状態推定器17bを適用してもよい。
図30において、ピークホールド部80c,80dは、各々所定時間内におけるインバータ周波数指令値ω1の最大値および最小値を保持し、出力する。減算器91nは、両者の差、すなわちインバータ周波数指令値ω1の周期変動の振幅AmpPulω1を出力する。比較器81bは、この振幅AmpPulω1と閾値PulJud2とを比較し、振幅AmpPulω1が閾値PulJud2よりも小さい場合は“1”、それ以外の場合は“0”になる振動状態判定フラグPulFlg2を出力する。この振動状態判定フラグPulFlg2は、上記各実施形態における振動状態判定フラグPulFlgまたはPulFlgDSに代えて用いることができる。
振動状態推定器17cには、εΔτmcおよびεΔτmsという二つの信号が入力される。これらの信号は、脈動トルク電流指令値作成器11,11d,11e(図20,図23,図26参照)等に含まれる減算器91j,91kの出力信号を指す。すなわち、差トルク推定値Δτm ^の機械速度ωrに対する余弦成分Δτmc,正弦成分Δτmsと、それぞれの指令値(Δτmc *=0,Δτms *=0)との差である。
(1)第1実施形態における脈動トルク電流指令値作成器11(図20)に代えて、図32に示す脈動トルク電流指令値作成器11bを適用してもよい。
図20においては、単相座標変換器32の前段にスイッチ82aが挿入され、振動状態判定フラグPulFlgの値に応じて、差トルク推定値Δτm ^またはゼロ信号の何れかが選択されていた。本変形例においては、比例器92t,92mの前段にスイッチ82b,82cが挿入されている。そして、振動状態判定フラグPulFlgが“0”である場合には、スイッチ82b,82cにて、減算器91j,91kの出力信号(上述した信号εΔτmc,εΔτms)が選択され、比例器92t,92mに供給される。
本変形例の脈動トルク電流指令値作成器11cは、比較例2の脈動トルク電流指令値作成器11a(図14参照)において、積分器94h,94iと単相座標逆変換器37との間に振幅位相演算器51、保持部52および余弦正弦成分配部53を挿入したものに等しい。
(5)第3実施形態において、位相固定振幅減少部55(図26)は、振幅値ADを段階的に減少させたが、振幅値ADをランプ状に連続的に減少させてもよい。
(1)上記各実施形態においては、電動機6は回転子6aに永久磁石を有する永久磁石同期モータを用いた例を説明したが、電動機6として、その他の電動機(例えば、誘導機、同期機、スイッチトリラクタンスモータ、シンクロナスリラクタンスモータ等)を用いることができる。また、電動機6は三相電動機でなくてもよく、例えば二相電動機、その他の多相電動機であってもよい。電動機の種類によっては、電圧指令値演算部34での演算方法が変わるが、それ以外については各実施形態の構成と同様のものを適用でき、各実施形態と同様の効果を奏することができる。
(1)上記各実施形態においては、図9に示すトルク電流指令値作成器10によってトルク電流指令値Itq *を生成したが、トルク電流指令値Itq *は図示せぬ上位制御系等から得てもよい。
2,2a,2b 制御部
3 電圧指令値作成器
4 dq/3φ変換器4(逆座標変換部)
5 電力変換回路
6 電動機
7 電流検出部
8 3φ/dq変換器(座標変換部)
9 負荷装置
10 トルク電流指令値作成器
11,11a,11b,11c,11d,11e 脈動トルク電流指令値作成器(ドライブ信号決定部)
12 軸誤差演算器
13 PLL制御器
16 脈動トルク推定器
17,17b,17c,17d 振動状態推定器(振動状態推定部)
20 直流電圧源
21 インバータ
22 スイッチング素子
23 ゲートドライバ回路
32 単相座標変換器
33 PWM信号作成器
34 電圧指令値演算部(ドライブ信号決定部)
37 単相座標逆変換器
40 位置推定部
50 任意周波数成分抑制器(第1の周期脈動トルク制御部)
50c 任意周波数成分抑制器(第2の周期脈動トルク制御部)
51 振幅位相演算器
52 保持部
53 余弦正弦成分配部
54 指令値切替器(選択部)
55 位相固定振幅減少部
80a〜80d ピークホールド部
81a,81b,81c,81d 比較器(振動判定部)
82a,82b,82c スイッチ
300 空気調和機
301 モータ制御装置
302 圧縮機
303 室内機
304 室外機
305 配管
306 室内熱交換器
307 送風機
308 室外熱交換器
309 送風機
310 配線ケーブル
500 圧縮機構部
500 回転ロータリー型圧縮機構部(圧縮機構部)
501 ロータリーピストン
502 シャフト
503 クランクシャフト
504 シリンダ
505 吸込み口
506 ベーン
507 吐出口
508 吸込みパイプ
509 吐出パイプ
510 軸受け
511 密閉容器(収納容器)
512 バランスウェイト
Th1 許容値(第1の閾値)
Th2 許容値(第2の閾値)
Claims (11)
- 直流電圧を交流電圧に変換し、負荷装置に接続された電動機を前記交流電圧によって駆動する電力変換回路と、
前記電力変換回路を駆動するドライブ信号を出力する制御部と
を備え、前記制御部は、
前記電動機または前記負荷装置の振動量に応じて増減する振動対応量に基づいて、前記電動機または前記負荷装置の振動状態を推定する振動状態推定部と、
前記振動対応量に基づいて前記ドライブ信号を決定するドライブ信号決定部と
を有することを特徴とするモータ制御装置。 - 前記振動状態推定部は、
前記振動対応量が所定の閾値以上であるか否かを判定する振動判定部
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記負荷装置は、前記電動機の機械角一周期の所定値倍の長さを有する脈動周期で負荷トルクが変動するものであり、
前記ドライブ信号決定部は、前記振動対応量が前記閾値以上である場合に、前記負荷トルクに起因する前記電動機の回転速度の変動を抑制する周期脈動トルク制御を行う
ことを特徴とする請求項2に記載のモータ制御装置。 - 前記ドライブ信号決定部は、
前記回転速度が所定のトルク制御許容速度範囲内であり、かつ、前記振動対応量が前記閾値以上である場合に前記周期脈動トルク制御を行う一方、前記回転速度が前記トルク制御許容速度範囲から外れると、前記周期脈動トルク制御を停止する
ことを特徴とする
行うことを特徴とする請求項3に記載のモータ制御装置。 - 前記電動機は多相電動機であり、
前記電力変換回路から前記電動機に印加される多相電圧または前記電動機に供給される多相電流を、回転座標における値に変換する座標変換部と、
前記回転座標における値を前記多相電流または前記多相電流に変換する逆座標変換部と
をさらに有し、
前記ドライブ信号決定部は、前記負荷トルクに起因する前記電動機の回転速度の変動をフィードバック制御するとともに、前記振動対応量が前記閾値未満になると、前記回転座標における値の位相または振幅のうち少なくとも一方を固定する
ことを特徴とする請求項3に記載のモータ制御装置。 - 前記ドライブ信号決定部は、
第1のパラメータの変動を抑制することにより、前記負荷トルクに起因する前記電動機の回転速度の変動を抑制する第1の周期脈動トルク制御部と、
第2のパラメータの変動を抑制することにより、前記負荷トルクに起因する前記電動機の回転速度の変動を抑制する第2の周期脈動トルク制御部と、
前記振動対応量または前記回転速度に基づいて、前記第1の周期脈動トルク制御部または前記第2の周期脈動トルク制御部のうち何れか一方を選択する選択部と
を有することを特徴とする請求項5に記載のモータ制御装置。 - 前記振動対応量は、前記回転速度の変動幅、前記電動機に供給される電流の振幅値の変動幅、前記電動機に印加される電圧の振幅値の変動幅、前記電動機に供給される電力の振幅値の変動幅、または前記電動機若しくは前記負荷装置に生じる振動振幅の推定値のうち、何れか一または複数の値である
ことを特徴とする請求項6に記載のモータ制御装置。 - 前記第1の周期脈動トルク制御部は、前記回転速度の変動幅が小となるように、前記電動機に供給される電流の振幅値を制御するものであり、
前記第2の周期脈動トルク制御部は、前記電動機に供給される電流の振幅値の変動が小となるように、前記電動機に供給される電流の振幅値を制御するものであり、
前記選択部は、
前記振動対応量が第1の閾値未満であれば、周期脈動トルク制御を停止し、
前記振動対応量が第1の閾値以上であって第2の閾値未満であれば、前記第2の周期脈動トルク制御部を選択し、
前記振動対応量が第2の閾値以上であれば、前記第1の周期脈動トルク制御部を選択する
ことを特徴とする請求項7に記載のモータ制御装置。 - 請求項1に記載のモータ制御装置と、
前記モータ制御装置に駆動された電動機と、
前記電動機に接続された圧縮機構部と、
前記電動機と前記負荷装置とを収納する収納容器と
を有することを特徴とする圧縮機。 - 請求項9に記載の圧縮機と、
前記圧縮機に接続された室内熱交換器と、
前記圧縮機および前記室内熱交換器に接続された室外熱交換器と、
を有することを特徴とする空気調和機。 - 直流電圧を交流電圧に変換し、負荷装置に接続された電動機を前記交流電圧によって駆動する電力変換回路と、コンピュータを有し前記電力変換回路を駆動するドライブ信号を出力する制御部とを備えるモータ制御装置に適用されるプログラムであって、前記コンピュータを
前記電動機または前記負荷装置の振動量に応じて増減する振動対応量に基づいて、前記電動機または前記負荷装置の振動状態を推定する振動状態推定部、
前記振動対応量に基づいて前記ドライブ信号を決定するドライブ信号決定部、
として機能させるためのプログラム。
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