JP2017108512A

JP2017108512A - 空気調和機

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Publication number: JP2017108512A
Application number: JP2015239793A
Authority: JP
Inventors: 伸悟青木; Shingo Aoki
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-06-15
Anticipated expiration: 2035-12-09
Also published as: JP6497307B2

Abstract

【課題】キャリア周波数を切り替えてＰＷＭ制御されるインバータにより駆動されるモータの起動時に、脱調を防止しつつ、低いキャリア周波数を用いた制御時に発生する騒音の発生期間をできるだけ短くする。【解決手段】キャリア周波数切替指示部は、回転数検出部３１と、オンデューティー時間閾値算出部３２と、比較部３３と、オンデューティ時間算出部３４を備えている。回転数検出部３１は回転位置信号から回転数を算出し、オンデューティー時間閾値算出部３２は入力された回転数においてキャリア周波数を切り替えることが可能な最短のオンデューティ時間であるオンデューティー時間閾値を算出して比較部３３へ出力し、オンデューティ時間算出部３４はオンデューティ時間を算出して比較部３３へ出力する。比較部３３はオンデューティ時間がオンデューティー時間閾値以上となった時、低い周波数から高いキャリア周波数の出力を指示する。【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機に係わり、より詳細には、インバータによる圧縮機のモータ起動のための構成に関する。

従来、冷蔵庫や空気調和機などに使用されるモータの駆動制御装置としては特許文献１に示す技術が開示されている。特許文献１では冷蔵庫に使用される圧縮機のモータをインバータで駆動しており、ＰＷＭ制御により生成されたスイッチング信号を用いてインバータを制御するようになっている。
また、特許文献１では、この圧縮機のモータの起動時において、スイッチング信号（ＰＷＭ信号）を生成するために用いられるキャリア信号の周波数を、モータの回転数が所定の閾値より低い時は低く、また、回転数が閾値以上になった時点で高くしている。これにより、モータの回転数が所定の閾値より低い時にキャリア信号の周波数を低下せることでスイッチング信号のオン時間を長くしてモータの巻線に発生する誘起電圧から生成されるモータの回転位置信号のパルス幅を広くして回転位置を検出することで、脱調を防止して確実にモータを起動するようになっている。

図５は特許文献１に示す技術を用いた空気調和機９０である。空気調和機９０は、互いに通信接続された室外機８０と室内機５０備えている。
室外機８０は、図示しない交流電源が接続される入力端１と入力端２に接続された整流器４と、整流器４の出力側に接続されたコンバータ５と、コンバータ５の出力端に接続されるインバータ６と、インバータ６の出力端に接続された圧縮機のモータ７と、室内機５０からの指示により室外機８０全体を制御する室外機制御部９と、インバータ６を駆動する駆動信号を出力する駆動回路８を備えている。また、モータ７は図示しないＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線を備えている。

さらに室外機制御部９は、モータ７の各巻線に発生する誘起電圧に基づいてモータ７の回転位置を検出して回転位置信号を出力する回転位置検出部１１と、室外機制御部９から指示された回転数指令値に従ってモータ７を駆動するスイッチング信号をＰＷＭ制御により生成して駆動回路８へ出力して１２０度通電方式でモータ７を制御するインバータ制御部３と、モータ７の回転数に基づいてスイッチング信号を生成するための２種類のキャリア周波数を切り替える周波数切替信号を出力するキャリア周波数切替指示部７０と、入力された周波数切替信号によって２種類のキャリア周波数のうちいずれか一方の周波数でキャリア信号を発生させてインバータ制御部３へ出力するキャリア信号発生部１０を備えている。

インバータ制御部３は、室外機制御部９から回転数指令値が入力され、この回転数指令値で指示された回転数でモータ７が回転するようなスイッチング信号を生成する。インバータ制御部３は、入力された回転位置信号に基づいてモータ７の各巻線の通電相を電気角の６０度毎に切り替えるように制御している。また、インバータ制御部３は、キャリア信号がキャリア信号発生部１０から入力されており、このキャリア信号を用いてモータ７の負荷に対応するトルクを発生させるようにスイッチング信号のデューティーを決定して出力する。つまり、インバータ制御部３は、モータ７の負荷が大きくて指示された回転数に達しない場合はスイッチング信号のオンデューティ時間（インバータ６内の図示しないスイッチング素子がオンとなる時間）を長く、モータ７の負荷が小さくて指示された回転数を超える場合はオンデューティ時間を短くする。このようにインバータ制御部３は、指示された回転数を維持できるようにスイッチング信号のデューティーを決定している。
そして、キャリア信号発生部１０は、キャリア周波数切替指示部７０が出力する周波数切替信号が入力され、この周波数切替信号がハイレベルの時に４ｋＨｚ、ローレベルの時に２ｋＨｚの周波数のキャリア信号を出力する。

一方、キャリア周波数切替指示部７０は内部に回転数検出部７１と、切替判断部７２を備えている。キャリア周波数切替指示部７０は、回転位置信号が入力されており、この回転位置信号は回転数検出部７１に入力されている。回転数検出部７１はモータ７が１回転する時間を計測し、１秒をこの計測した時間で除算することで１秒間の回転数（単位：ｒｐｓ）を算出する。

この算出した１秒間の回転数は切替判定部７２に入力されており、切替判定部７２は、この入力された回転数と予め定められた回転数閾値（１０ｒｐｓ）を比較し、入力された回転数が回転数閾値以上になった時に周波数切替信号をハイレベルに、回転数閾値未満の時に周波数切替信号をローレベルにして出力する。このため、インバータ制御部３は、モータ７の回転数が１０ｒｐｓ未満の時に２ｋＨｚ、１０ｒｐｓ以上の時に４ｋＨｚのキャリア周波数のキャリア信号を用いてＰＷＭ制御を実行する。

このように、インバータ制御部３は、回転数が低いモータ７の起動時に低いキャリア周波数を用いてスイッチング信号のオンデュティーの時間を広くすることで、起動時のモータ７の巻線の誘起電圧波形のパルス幅を広くし、回転位置検出部１１で確実に回転位置を検出できるように制御している。一方、インバータ制御部３は、回転数が高いモータ７の通常運転時にキャリア周波数を高くして、通電相を切り替える転流タイミングの検出遅れを防止している。

図６はモータ７の従来の回転制御を説明する説明図である。図６の横軸は時間を示しており、縦軸の図６（１）はスイッチング信号のオンデュティー時間（単位：μＳ（マイクロセカンド））を示しており、実線はモータ７の回転数上昇速度が速い（負荷が軽い）場合を、破線は回転数上昇速度が遅い（負荷が重い）場合をそれぞれ示している。また、図６（２）はモータ７の回転数（単位：ｒｐｓ）を示しており、実線はモータ７の回転数上昇速度が速い（負荷が軽い）場合を、破線は回転数上昇速度が遅い（負荷が重い）場合をそれぞれ示している。なお、ｔ０〜ｔ３は時刻である。

図６において、室外機制御部９から回転数指令値が入力されるとインバータ制御部３は、モータ７が完全に停止しているｔ０からスイッチング信号のオンデューティ時間を１９μＳ固定として、オープンループ方式によりモータの回転速度を徐々に増加させ、例えばｔ１で回転位置信号によるモータ７の回転位置が検出可能になったら、オープンループ方式による制御から回転位置を用いたクローズドループ方式による制御に切り替える。ただし、その後、オンデューティ時間を増加させながら回転数を上昇させる。

一方、キャリア周波数切替指示部７１は回転位置信号が入力されると、回転数検出部で現在の回転数を検出して、この回転数を切替判断部７２へ出力する。モータ７の回転数上昇速度が速い場合はｔ２以降で回転数が１０ｒｐｓ以上になる。切替判断部７２はこの回転数が回転数閾値（１０ｒｐｓ）以上になったｔ２で周波数切替信号をローレベルからハイレベルにする。キャリア信号発生部１０は、この周波数切替信号によりキャリア周波数を２ｋＨｚから４ｋＨｚに変更したキャリア信号をインバータ制御部３へ出力する。この結果、インバータ制御部３から出力されるスイッチング信号は、オンデューティ時間が２４μＳから半分の１２μＳになる。

また、モータ７の回転数上昇速度が遅い場合はｔ３以降で回転数が１０ｒｐｓ以上になる。切替判断部７２はこの回転数が回転数閾値（１０ｒｐｓ）以上になったｔ３で周波数切替信号をローレベルからハイレベルにする。キャリア信号発生部１０は、この周波数切替信号によりキャリア周波数を２ｋＨｚから４ｋＨｚに変更したキャリア信号をインバータ制御部３へ出力する。この結果、インバータ制御部３から出力されるスイッチング信号は、オンデューティ時間が７０μＳから半分の３５μＳになる。

このようにインバータ制御部３はモータ７の回転数が回転数閾値以上となって、この時に出力しているスイッチング信号のオンデューティ時間が長くなり、この結果、回転位置検出部１１で確実に回転位置が検出可能と思われる回転数になった時、キャリア信号の周波数を低い周波数から高い周波数に切り替えてモータ７を制御する。

ところで、モータ７の内部ではモータ７の巻線に流れる電流の変化による騒音が発生しており、この騒音の大きさはスイッチング信号のキャリア周波数が高い場合に比較してキャリア周波数が低い場合に大きくなる傾向がある。
図７はキャリア周波数の違いによる騒音の違いを説明する説明図である。図７の横軸は時間である。縦軸において図７（１）はキャリア周波数が４ｋＨｚでデューティーが５０％の時のスイッチング信号を、図７（２）はキャリア周波数が２ｋＨｚでデューティーが５０％の時のスイッチング信号をそれぞれ示している。なお、図７において破線はモータ７の巻線に流れるリップル電流を示している。

モータの巻線のインダクタンス値と巻線に印加する電圧が同じとした場合、キャリア周波数が低い方が、キャリア周波数が高い方に比較して巻線に流れるリップル電流の周期が長くなる。このため、図６（２）に示すように周期的に変化するモータ７の電流において、キャリア周波数が２ｋＨｚのリップル電流値のピークＩｐ２は、キャリア周波数が４ｋＨｚの電流値のピークＩｐ４よりも大きくなる。
モータ７の巻線に流れる電流の変化が大きいと、この電流変化による巻線の振動も大きくなり、この巻線の振動により騒音が発生する。
従って、このリップル電流の変化によるモータ７の巻線の振動（騒音）は、キャリア周波数が２ｋＨｚの時が４ｋＨｚの時の場合よりも大きい。つまり図６において回転数上昇速度が速い場合は、キャリア周波数が低い起動開始のｔ０からｔ２まではこの騒音が大きく、回転数上昇速度が遅い場合はキャリア周波数が低い起動開始のｔ０からｔ３までこの騒音が大きい。

そして、キャリア周波数を切り替えるための回転数閾値は、モータ７の負荷やインバータ６の入力電圧などを考慮してキャリア周波数が４ｋＨｚであっても回転位置検出部１１で回転位置を検出可能な最小の値に予め決定されている。具体的にはモータ７の回転数上昇速度が速い場合に回転位置を検出可能なキャリア周波数が４ｋＨｚでオンデューティ時間が１２μＳとなる回転数値である１０ｒｐｓに予め決定されている。なお、回転数上昇速度が遅い時で回転数が１０ｒｐｓの場合、切り替えられたキャリア周波数におけるオンデューティ時間が３５μＳであり、回転位置を検出可能な最低限のオンデューティ時間である１２μＳより必要以上に大きくなっている。

そこで、キャリア周波数の切り替えタイミングを回転数で決定するのでなく、スイッチング信号のオンデューティ時間で決定する方法が考えられる。つまり、例えばキャリア周波数切替指示部７０が常にオンデューティ時間を監視し、このオンデューティ時間が４ｋＨｚのキャリア周波数の場合でも回転位置検出部１１で回転位置を検出可能な時間幅、例えば１２μＳになったらキャリア周波数を２ｋＨｚから４ｋＨｚに切り替える方法である。
しかしながら、インバータ制御部３が出力するスイッチング信号のオンデューティ時間と回転位置検出部１１で回転位置を検出可能な誘起電圧の時間幅とは単純な比例関係になく、検出可能な誘起電圧の時間幅はオンデューティ時間と共に回転数にも依存するため、前述したオンデューティ時間を監視する方法は採用できない。

次に誘起電圧の時間幅とオンデューティ時間と回転数の関係について図４を用いて説明する。
図４（１）は回転位置検出部１１の内部回路を示すブロック図であり、図（２）はその動作を説明する説明図である。
回転位置検出部１１の内部には、モータ７のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線に発生する誘起電圧の仮想中性点の電圧を検出する抵抗１１ａ〜１１ｄと、ノイズ除去用のコンデンサ１１ｈと、コンパレータ１１ｆと、基準電圧発生源１１ｅと、積分回路１１ｇが備えられている。
抵抗１１ａ〜１１ｃの一端はモータ７の巻線のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ接続され、抵抗１１ａ〜１１ｃの他端は抵抗１１ｄの一端と共に共通に接続され、抵抗１１ｄの他端はグランドに接続されている。また、抵抗１１ｄと並列にコンデンサ１１ｈが接続されている。

一方、コンパレータ１１ｆの＋入力端には抵抗１１ｄの一端が、コンパレータ１１ｆの−入力端には基準電圧源１１ｅがそれぞれ接続され、コンパレータ１１ｆの出力端は積分回路１１ｇの入力端に接続されており、積分回路１１ｇの出力端からは回転位置信号が出力されるようになっている。なお、各抵抗が共通に接続されている仮想中性点に誘起電圧が現れる。

図４（２）は回転位置検出部１１の動作を説明する説明図であり、横軸は時間を示しており、縦軸において図４（２）（Ａ）はスイッチング信号を、図４（２）（Ｂ）はモータ７の回転数が低い場合の仮想中性点の電圧を、図４（２）（Ｃ）は回転数が低い場合のコンパレータ１１ｆの出力信号を、図４（２）（Ｄ）はモータ７の回転数が高い場合の仮想中性点の電圧を、図４（２）（Ｅ）は回転数が高い場合のコンパレータ１１ｆの出力信号を、それぞれ示している。

図４（２）（Ｂ）や図４（２）（Ｄ）に示すように、仮想中性点に現れる誘起電圧はパルス状の波形となるがコンデンサ１１ｈの影響により、その波形の立ち上がりはなだらかに傾斜している。このため、コンパレータ１１ｆの出力信号のパルス幅はスイッチング信号のオンデューティ時間のみならず、誘起電圧の大きさ、つまり回転数に依存する。図４（２）（Ａ）に示すように、スイッチング信号のオンデューティ時間が同じ場合であっても、図４（２）（Ｂ）や図４（２）（Ｄ）に示すように基準電圧発生源１１ｅから出力される基準電圧と比較される誘起電圧の大きさによって、コンパレータ１１ｆの出力信号のパルス幅は異なり、回転数が高い方が回転数が低い場合よりもコンパレータ１１ｆの出力信号のパルス幅は広くなる。つまり、スイッチング信号のオンデューティ時間が短い場合であっても、回転数が高い場合は誘起電圧が高くなり、コンパレータ１１ｆの出力信号は積分回路１１ｇを通過して回転位置信号を出力できる十分なパルス幅となる。

一方、回転数が低くて誘起電圧が低い場合であってもオンデューティ時間が長い時は積分回路１１ｇを通過できる幅の広い波形の出力信号をコンパレータ１１ｆが出力できるため、回転位置検出部１１は回転位置信号を出力できる。

このように、コンパレータ１１ｆの出力信号のパルス幅は、スイッチング信号のオンデューティ時間のみと関係するのでなく、回転数にも対応する関係がある。このため、回転位置検出部１１で誘起電圧による回転位置信号を確実に検出するためには、オンデューティ時間と回転数の両方の条件を満足させる必要がある。

前述したようにインバータ制御部３は、同じ回転数であっても回転数上昇速度が遅い場合は回転数上昇速度が速い場合に比較してオンデューティ時間を長くしてスイッチング信号を出力する。逆に言うとインバータ制御部３は、オンデューティ時間が回転位置検出部１１で位置検出可能な長さであれば回転数が低い場合であってもキャリア周波数を２ｋＨｚから４ｋＨｚに切り替えても継続して位置検出が可能となる。このため、回転数の閾値だけでキャリア周波数を切り替える従来の方式よりも早くこの切り替えを行なうことができるため、結果的に騒音の発生時間を短縮することができる。

しかしながら、このためには回転数とオンデューティ時間の両方を考慮して、回転位置検出部１１で誘起電圧による回転位置信号を確実に検出できるタイミングでキャリア周波数を切り替えねばならない問題があった。

特開平１１−３１８０９７号公報（第７−８頁、図１）

本発明は以上述べた問題点を解決し、キャリア周波数を切り替えてＰＷＭ制御されるインバータにより駆動されるモータの起動時に、脱調を防止しつつ、低いキャリア周波数を用いた制御時に発生する騒音の発生期間をできるだけ短くすることを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の発明は、交流電源が接続される入力端と、前記入力端に接続される直流電源部と、同直流電源部の出力端に接続されたインバータと、同インバータの出力端に接続されたモータと、前記モータの回転位置を検出して回転位置信号を出力する回転位置検出部と、指示された回転数指令値に従って前記インバータを駆動するスイッチング信号をＰＷＭ制御により生成して出力し、前記モータを１２０度通電方式で制御する制御手段と、前記スイッチング信号を生成するためのキャリア信号のキャリア周波数を前記モータの回転数に基づいて切り替える周波数切替信号を出力するキャリア周波数切替指示手段と、入力された前記周波数切替信号に応じたキャリア周波数の前記キャリア信号を発生させて前記制御手段へ出力するキャリア信号発生手段を備えた空気調和機であって、
前記キャリア周波数切替指示手段は、前記回転位置信号と前記スイッチング信号とが入力され、入力された前記回転位置信号から回転数を算出し、同回転数が予め定めた前記モータの回転数よりも大きく、かつ、入力された前記スイッチング信号から算出したオンデューティ時間が予め定めたオンデューティー時間閾値よりも大きくなった時、前記キャリア信号発生手段が出力する前記キャリア信号のキャリア周波数より高いキャリア周波数の前記キャリア信号を出力させる前記周波数切替信号を出力する。

また、本発明の請求項２に記載の発明は、予め定めた前記モータの回転数が低いほど前記オンデューティー時間閾値が大きい。

以上の手段を用いることにより、本発明による空気調和機によれば、キャリア周波数を切り替えてＰＷＭ制御されるインバータにより駆動されるモータの起動時に、脱調を防止しつつ、低いキャリア周波数を用いた制御時に発生する騒音の発生期間をできるだけ短くすることができる。

本発明による空気調和機の実施例を示すブロック図である。本発明によるキャリア周波数切替指示部の内部を示すブロック図である。本発明によるモータの回転制御を説明する説明図である。回転位置検出部の動作を説明する説明図である。従来の空気調和機を示すブロック図である。従来のモータの回転制御を説明する説明図である。キャリア周波数の違いによる騒音の違いを説明する説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。なお、本願に関係のない熱交換器や冷媒回路、ファンモータ等は図示と説明を省略する。また、背景技術で説明したブロックにおいて全く同じ機能を有するものに関しては同じ名称と番号を付与する。

図１は本発明による技術を用いた空気調和機２０を示すブロック図である。空気調和機２０は、互いに通信接続された室外機４０と室内機５０を備えている。
室外機４０は、図示しない交流電源が接続される入力端１と入力端２に接続された整流器４と、整流器４の出力側に接続されたコンバータ５と、コンバータ５の出力端に接続されるインバータ６と、インバータ６の出力端に接続された圧縮機のモータ７と、室内機５０からの指示により室外機４０全体を制御する室外機制御部９と、インバータ６を駆動する駆動信号を出力する駆動回路８を備えている。なお、整流器４とコンバータ５で直流電源部１２を構成している。また、モータ７は図示しないＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線を備えている。

さらに室外機制御部９は、モータ７の各巻線に発生する誘起電圧に基づいてモータ７の回転位置を検出して回転位置信号を出力する回転位置検出部１１と、室外機制御部９から指示された回転数指令値に従ってモータ７を駆動するスイッチング信号であるＰＷＭ信号を生成して駆動回路８へ出力し１２０度通電方式でモータ７を制御するインバータ制御部３と、モータ７の回転位置信号とスイッチング信号が入力され、２種類のキャリア周波数を切り替える周波数切替信号を出力するキャリア周波数切替指示部３０（キャリア周波数切替指示手段）と、入力された周波数切替信号に従って２種類のキャリア周波数のうちいずれか一方の周波数のキャリア信号を発生させてインバータ制御部３へ出力するキャリア信号発生部１０を備えている。

インバータ制御部３は、室外機制御部９から回転数指令値が入力され、この回転数指令値で指示された回転数でモータ７を回転させるようにスイッチング信号を生成する。インバータ制御部３は、入力された回転位置信号に基づいてモータ７の各巻線の通電相を電気角の６０度毎に切り替えるように制御している。また、インバータ制御部３は、キャリア信号がキャリア信号発生部１０から入力されており、このキャリア信号を用いてモータ７の回転数が指示された回転数を維持できるようにスイッチング信号のデューティーを決定して出力する。
そして、キャリア信号発生部１０は、キャリア周波数切替指示部３０が出力する周波数切替信号が入力され、この周波数切替信号がハイレベルの時に４ｋＨｚ、ローレベルの時に２ｋＨｚの周波数のキャリア信号を出力する。
なお、スイッチング信号のデューティーとは、スイッチング信号のハイレベル期間とローレベル期間の比を意味するものであり、スイッチング信号のオンデューティー時間とはスイッチング信号のハイレベル期間の時間を意味している。そして、このハイレベル期間にインバータ６内の図示しないスイッチング素子がオンとなる。

図２はキャリア周波数切替指示部３０の内部を示すブロック図である。
キャリア周波数切替指示部３０は、回転数検出部３１（回転数検出手段）と、オンデューティー時間閾値抽出部３２（オンデューティー時間閾値抽出手段）と、比較部３３（比較手段）と、オンデューティ時間算出部３４（オンデューティ時間算出手段）を備えている。キャリア周波数切替指示部３０は、回転位置信号が入力されており、この回転位置信号は回転数検出部３１に入力されている。回転数検出部３１はモータ７が１回転する時間を計測し、１秒をこの計測した時間で除算することで１秒間の回転数（単位：ｒｐｓ）を算出する。

この算出した１秒間の回転数はオンデューティー時間閾値抽出部３２に入力されており、入力された回転数においてキャリア周波数を低い周波数から高い周波数に切り替えても回転数位置検出部１１で回転位置信号を出力可能な最短のオンデューティ時間であるオンデューティー時間閾値をオンデューティー時間閾値抽出部３２内に記憶されている閾値テーブルから抽出する。なお、この抽出されたオンデューティー時間閾値は比較部３３に入力されている。

次に回転位置検出部１１で検出可能な誘起電圧を発生させる最小のオンデューティ時間であるオンデューティー時間閾値（単位：μＳ）を格納した閾値テーブルについて説明する。
この閾値テーブルの内容は例えば回転数（単位：ｒｐｓ）が４、５、６、７、８、９、１０、１１・・・に対応してオンデューティー時間閾値は、５２、４８、３９、３０、２８、２６、２４、２２・・・のように回転数が高いほどオンデューティー時間閾値が小さくなるように予め決定されている。

次にオンデューティー時間閾値抽出部３２で使用する閾値テーブルのオンデューティー時間閾値を予め実験で求める方法を説明する。
まず、最初に空調負荷が最も重い状態でモータ７の起動を開始し、モータ７の位置検出が可能になったらスイッチング信号のオンデューティ時間を１９μＳから徐々に増加する起動運転において、強制的にキャリア周波数を２ｋＨｚから４ｋＨｚに切り替えて、位置検出が可能で、かつ、正常に動作を継続できる最低のオンデューティ時間とその時の回転数を記録する。

次に空調負荷が最も軽い状態でモータ７の起動を開始し、モータ７の位置検出が可能になったらスイッチング信号のオンデューティ時間を１９μＳから徐々に増加する起動運転において、強制的にキャリア周波数を２ｋＨｚから４ｋＨｚに切り替えて、位置検出が可能で、かつ、正常に動作を継続できる最低のオンデューティ時間とその時の回転数を記録する。

そして空調負荷が最大と最低の中央の状態でモータ７の起動を開始し、モータ７の位置検出が可能になったらスイッチング信号のオンデューティ時間を１９μＳから徐々に増加する起動運転において、強制的にキャリア周波数を２ｋＨｚから４ｋＨｚに切り替えて、位置検出が可能で、かつ、正常に動作を継続できる最低のオンデューティ時間とその時の回転数を記録する。

このようにして、負荷の大きさ毎に記録した回転数とオンデューティ時間、つまり、記録した回転数とオンデューティー時間閾値をテーブル化する。さらに精度を向上させるために、負荷の大きさを細分化してオンデューティー時間閾値とその時の回転数を細かく求めてテーブルに反映させてもよい。

前述したようにオンデューティー時間閾値抽出部３２は、回転数が高いほどオンデューティー時間閾値が小さくなる閾値テーブルを用いている。これは、回転数が高いほどモータ７の巻線の誘起電圧が高くなって、スイッチング信号のオンデューティ時間が短くても回転位置検出部１１で確実に回転位置を検出可能となるためである。逆に回転数が低いほどモータ７の巻線の誘起電圧が低くなって、回転位置検出部１１で回転位置を確実に検出することが困難になるため、検出を確実にするために長いオンデューティ時間が必要となることに対応している。

一方、オンデューティ時間算出部３４は、インバータ６内のスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング信号のいずれか１つのスイッチング信号が入力されている。そしてオンデューティ時間算出部３４は、この入力されたスイッチング信号の立ち上がりから立ち下がりまでの時間を検出してオンデューティ時間として比較部３３へ出力する。

以上説明したようにオンデューティー時間閾値抽出部３２は刻々と入力される回転数に対応するオンデューティー時間閾値を常に抽出して比較部３３へ出力している。そして、比較部３３は、オンデューティ時間算出部３４が出力するオンデューティ時間と算出されたオンデューティー時間閾値が入力されており、常にオンデューティ時間とオンデューティー時間閾値を比較し、オンデューティ時間がオンデューティー時間閾値以上となった時、周波数切替信号をハイレベルにする。比較部３３はオンデューティ時間がオンデューティー時間閾値未満の時には周波数切替信号をローレベルにする。

ただし、オンデューティー時間閾値抽出部３２は、モータの起動開始から１回だけ周波数切替信号をハイレベルにするため、キャリア周波数を切り替えることによりオンデューティ時間が短くなってオンデューティー時間閾値未満となっても周波数切替信号をローレベルにすることはない。そして、オンデューティー時間閾値抽出部３２は次回のモータ７の起動時には周波数切替信号を最初にローレベルにしてから処理を開始する。

このように、キャリア周波数切替指示部３０は、回転数とこれに対応するオンデューティー時間閾値の組み合わせを各回転数毎に複数備えており、このいずれか一つの組み合わせでオンデューティ時間がオンデューティー時間閾値以上となった場合、周波数切替信号をハイレベルにするようになっている。キャリア周波数切替指示部３０は、この回転数とこれに対応するオンデューティー時間閾値の複数の組み合わせを備えた方が最適な周波数切替を判断することができるが、簡易的には回転数とこれに対応するオンデューティー時間閾値の１つの組み合わせを備えていてもよい。

このようにインバータ制御部３は、回転数が低くて４ｋＨｚのキャリア周波数では回転位置検出部１１で回転位置を確実に検出することが困難な期間は、２ｋＨｚのキャリア周波数を用いてＰＷＭ信号を生成し、回転数が高くて４ｋＨｚのキャリア周波数でも回転位置検出部１１で回転位置を確実に検出することが可能な期間となったら、周波数を切り替えて４ｋＨｚのキャリア周波数を用いてＰＷＭ信号を生成する。

図３は本発明によるモータ７の起動開始の回転制御を説明する説明図である。
図３の横軸は時間を示しており、縦軸の図３（１）はスイッチング信号のオンデューティー時間（単位：μＳ）を、図３（２）はモータ７の回転数（単位：ｒｐｓ）を、図３（３）は周波数切替信号を、図３（４）はモータ７の回転を制御する方式の対象期間をそれぞれ示している。なお、ｔ１０〜ｔ１４は時刻である。そして、図３の実線はモータ７の回転数の上昇速度が速い（負荷が軽い）場合を示し、破線はモータ７の回転数の上昇速度が遅い（負荷が重い）場合を示している。なお点線は、閾値テーブルのオンデューティー時間閾値をグラフ化したものである。

図３において、室外機制御部９から回転数指令値が入力されるとインバータ制御部３は、図３（１）に示すようにモータ７が完全に停止しているｔ１０からスイッチング信号のオンデューティ時間を１９μＳ固定として、図３（２）に示すようにオープンループ方式の制御によりモータの回転速度を徐々に増加させ、例えばｔ１１で回転位置信号によってモータ７の回転位置が検出可能になったら、オープンループ方式による制御から回転位置を用いたクローズドループ方式による制御に切り替える。ただし、インバータ制御部３はこの制御に切り替えた後、スイッチング信号のオンデューティ時間を増加させながら同時に回転数も上昇させる。

インバータ制御部３は指示された回転数指令値が入力された時、できるだけ早くこの回転数に達するようにインバータ６を制御する。このため、インバータ制御部３はスイッチング信号のオンデューティ時間が短くても遅れ位相とならない（負荷が軽い）場合、モータ７の各巻線の通電相を切り替えるタイミングを徐々に早くするため回転数の上昇速度も早くなる。逆にインバータ制御部３は遅れ位相となる（負荷が重い）場合、スイッチング信号のオンデューティを長くし、また、モータ７の各巻線の通電相を切り替えるタイミングを遅くするため回転数の上昇速度が遅くなる。

図３（３）に示すように、モータ７の起動を開始したｔ１０の時点ではキャリア周波数切替指示部３０は周波数切替信号をローレベル（キャリア周波数は２ｋＨｚ）で出力している。そして、インバータ制御部３はｔ１１で回転位置を用いたクローズドループ方式による制御に切り替えると、スイッチング信号のオンデューティ時間を増加させながら回転数を上昇させる。

そして、回転数の上昇速度が遅い場合、ｔ１２で回転数が５ｒｐｓの時、オンデューティ時間は４８μＳまで増加している。キャリア周波数切替指示部３０のオンデューティー時間閾値抽出部３２は回転数が５ｒｐｓであるため閾値テーブルを参照して４８μＳのオンデューティー時間閾値を抽出する。比較部３３はオンデューティ時間算出部３４から出力されるオンデューティ時間の４８μＳと、４８μＳのオンデューティー時間閾値を比較してオンデューティ時間がオンデューティー時間閾値以上であるため周波数切替信号をハイレベル、つまりキャリア周波数を４ｋＨｚに指示する。

このハイレベルの周波数切替信号はキャリア周波数切替指示部３０からキャリア信号発生部１０へ入力され、キャリア信号発生部１０は２ｋＨｚのキャリア信号から４ｋＨｚのキャリア信号へ切り替えてインバータ制御部３へ出力する。そして、インバータ制御部３は４ｋＨｚのキャリア信号が入力されたため、結果的にオンデューティ時間が４８μＳから半分の２４μＳとなったスイッチング信号を出力し、さらに回転数とオンデューティ時間を増加させる。

一方、インバータ制御部３は、回転数の上昇速度が速い場合もｔ１１から回転数とスイッチング信号のオンデューティ時間を増加させる。回転数の上昇速度が速い場合、キャリア周波数切替指示部３０は、例えばｔ１３で回転数が７．５ｒｐｓの場合でもこの時のオンデューティー時間閾値である３６μＳよりもオンデューティ時間が小さいため、周波数切替信号をローレベル、つまりにキャリア周波数を２ｋＨｚに指示したままである。

そしてキャリア周波数切替指示部３０はｔ１４で回転数が１０ｒｐｓの時、インバータ制御部３から出力されるオンデューティ時間の２４μＳと、オンデューティ時間算出部３４から出力される２４μＳのオンデューティー時間閾値を比較してオンデューティ時間がオンデューティー時間閾値以上であるため周波数切替信号をハイレベル、つまりキャリア周波数を４ｋＨｚに指示する。

このハイレベルの周波数切替信号はキャリア周波数切替指示部３０からキャリア信号発生部１０へ入力され、キャリア信号発生部１０は２ｋＨｚのキャリア信号から４ｋＨｚのキャリア信号へ切り替えてインバータ制御部３へ出力する。そして、インバータ制御部３は４ｋＨｚのキャリア信号が入力されたため、結果的にオンデューティ時間が２４μＳから半分の１２μＳとなったスイッチング信号を出力し、さらに回転数とオンデューティ時間を増加させる。

以上説明したように、キャリア周波数切替指示部３０は、回転数が予め定めたモータ７の回転数よりも大きく、かつ、入力されたスイッチング信号から算出したオンデューティ時間が予め定めたオンデューティー時間閾値よりも大きい時、周波数切替信号を出力して２ｋＨｚと４ｋＨｚの２つのキャリア周波数のうち低い周波数のキャリア信号から高い周波数のキャリア信号に切り替える指示を出力するため、キャリア周波数を切り替えてＰＷＭ制御されるインバータ６により駆動されるモータ７の起動時に、脱調を防止しつつ、２ｋＨｚの低いキャリア周波数を用いたキャリア信号によりＰＷＭ制御した時に発生する騒音の発生期間をできるだけ短くすることができる。

また、予め定めたモータの回転数が低いほどオンデューティー時間閾値が大きくなるように閾値テーブルを構成しているため、騒音の発生期間を短縮するために最適なタイミングで周波数切替信号を出力することができる。

なお、本実施例ではキャリア周波数切替指示部３０をハードウェアとして説明しているが、これに限るものでなく、ソフトウェアで実現してもよい。

１入力端
２入力端
３インバータ制御部
４整流器
５コンバータ
６インバータ
７インバータ
７モータ
８駆動回路
９室外機制御部
１０キャリア信号発生部
１１回転位置検出部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ抵抗
１１ｅ基準電圧源
１１ｆコンパレータ
１１ｇ積分回路
１２直流電源部
２０空気調和機
３０キャリア周波数切替指示部（キャリア周波数切替指示手段）
３１回転数検出部（回転数検出手段）
３２オンデューティー時間閾値抽出部（オンデューティー時間閾値抽出手段）
３３比較部（比較手段）
３４オンデューティ時間算出部（オンデューティ時間算出手段）
４０室外機
５０室内機

Claims

交流電源が接続される入力端と、前記入力端に接続される直流電源部と、同直流電源部の出力端に接続されたインバータと、同インバータの出力端に接続されたモータと、前記モータの回転位置を検出して回転位置信号を出力する回転位置検出部と、指示された回転数指令値に従って前記インバータを駆動するスイッチング信号をＰＷＭ制御により生成して出力し、前記モータを１２０度通電方式で制御する制御手段と、前記スイッチング信号を生成するためのキャリア信号のキャリア周波数を前記モータの回転数に基づいて切り替える周波数切替信号を出力するキャリア周波数切替指示手段と、入力された前記周波数切替信号に応じたキャリア周波数の前記キャリア信号を発生させて前記制御手段へ出力するキャリア信号発生手段を備えた空気調和機であって、
前記キャリア周波数切替指示手段は、前記回転位置信号と前記スイッチング信号とが入力され、入力された前記回転位置信号から回転数を算出し、同回転数が予め定めた前記モータの回転数よりも大きく、かつ、入力された前記スイッチング信号から算出したオンデューティ時間が予め定めたオンデューティー時間閾値よりも大きくなった時、前記キャリア信号発生手段が出力する前記キャリア信号のキャリア周波数より高いキャリア周波数の前記キャリア信号を出力させる前記周波数切替信号を出力することを特徴とする空気調和機。
予め定めた前記モータの回転数が低いほど前記オンデューティー時間閾値が大きいことを特徴とする請求項１記載の空気調和機。