JP2017184509A - インバータ制御装置および空気調和機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】インバータ制御装置100の制御器6は、AD変換器起動トリガ24aもしくは24bの何れかの信号が入力された場合に入力信号のデジタル変換を行うAD変換ユニット7と、AD変換器起動タイミング情報20aと第1のキャリア信号を基に、AD変換ユニット7を起動するAD変換器起動トリガ24aを生成する第1のインバータ制御部61と、AD変換器起動タイミング情報20bと第2のキャリア信号を基に、AD変換ユニット7を起動するAD変換器起動トリガ24bを生成する第2のインバータ制御部62と、第1のキャリア信号および第2のキャリア信号の動作周期の所定周期タイミングにおいて、AD変換器起動トリガ24aまたはAD変換器起動トリガ24bのいずれか一方を受け付けてAD起動要因を選択するAD起動要因選択部26と、を備える。
【選択図】図1
Description
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るインバータ制御装置を示す構成図である。各図において共通の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
図1に示すように、インバータ制御装置100は、直流電力を供給する直流電源1と、第1のインバータ部51と、第2のインバータ部52と、ブラシレスDCモータ(第1のモータ)5aとブラシレスDCモータ(第2のモータ)5bとを個別に制御可能な制御器6(インバータ制御部)と、を備える。
第1のインバータ部51(第1のインバータ回路)は、直流電源1からの直流電力を交流電力に変換する第1のインバータ回路2aと、第1のインバータ回路2aの直流側に設けられたシャント抵抗3aと、シャント抵抗3aの両端の電圧を増幅する電圧増幅回路4aと、第1のインバータ回路2aに接続されたブラシレスDCモータ5aと、を備える。
第2のインバータ部52(第2のインバータ回路)は、直流電源1からの直流電力を交流電力に変換する第2のインバータ回路2bと、第2のインバータ回路2bの直流側に設けられたシャント抵抗3bと、シャント抵抗3bの両端の電圧を増幅する電圧増幅回路4bと、第2のインバータ回路2bに接続されたブラシレスDCモータ5bと、を備える。
直流電源1は、バッテリや交流電源を整流して電解コンデンサに充電する整流平滑回路などから構成される。
第1のインバータ回路2aと第2のインバータ回路2bとは、同一の回路構成を採り、総称してインバータ回路2と呼ぶ。インバータ回路2は、2直列に接続された半導体スイッチ素子対の3組が直流電源1の正極と負極間に接続され、正極側の上アームがUP,VP,WP、負極側の下アームがUN,VN,WNである。複数のスイッチ素子は、半導体パワー素子Up、Un、Vp、Vn、Wp、Wnなどに対応する。これらの半導体スイッチ素子は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOS-FET(Metal-oxide-semiconductor field-effect Transistor))などから構成される。
制御器6は、ワンチップマイクロコンピュータを含んで構成され、インバータ制御装置100全体を制御する。
制御器6は、第1のインバータ部51を制御する第1のインバータ制御部61と、第2のインバータ部52を制御する第1のインバータ制御部62と、AD変換ユニット7(AD変換部)と、AD変換ユニット7の起動要因を切換えるAD起動要因選択部26と、を備える。
AD変換ユニット7は、第1のシャント抵抗3aの電圧を増幅した直流電流検出信号AD_Idcaと、第2のシャント抵抗3bの電圧を増幅した直流電流検出信号AD_Idcbをデジタル変換する。
AD変換ユニット7は、AD起動要因選択部26がAD起動要因として選択したAD変換器起動トリガ24aもしくは24b(後記)のうち何れか1つの起動トリガを受け付けて直流電流検出信号をデジタル変換する。
第1のインバータ制御部61は、AD変換ユニット7のデジタル変換結果44aと3相モータ電流推定値8aに基づいて、ブラシレスDCモータ5aの3相モータ電流検出値9aを出力するモータ電流算出部10aと、3相モータ電流検出値9aをd軸・q軸電流11aに座標変換するuvw/dq座標変換部12aと、d軸・q軸電流11aのノイズ成分を除去したd軸・q軸電流の平均値13aを出力するフィルタ14aと、d軸・q軸電流の平均値13aから3相モータ電流推定値8aを演算するdq/uvw座標変換部15aと、を備える。また、第1のインバータ制御部61は、d軸・q軸電流11aと速度指令16aとd軸q軸電流指令からd軸・q軸電流指令とd軸・q軸電流11aが一致するようにブラシレスDCモータ5aに印加する3相モータ印加電圧情報17aを出力するモータ印加電圧演算部18aと、3相モータ印加電圧情報17aに基づいてPWM信号生成情報19aとAD変換器起動タイミング情報20aと通電パターン情報21aを出力するPWM信号タイマ情報部22aと、PWM信号生成情報19aからインバータ2aの各半導体スイッチ素子を駆動するためのPWM信号23aを生成し、AD変換器起動タイミング情報20aからAD変換器起動トリガ24a(第1トリガ)を発生するPWM信号生成部25aと、を備える。
また、第1のインバータ制御部61は、周期タイミングを分割した第1の周期の第1のキャリア信号(後記図5参照)を基に、AD変換器起動トリガ24a(第1トリガ)を生成するとともに、当該第1の周期以外の周期を用いて、AD変換器起動トリガ24aで起動されたAD変換ユニット7の変換結果に基づいて第1のインバータ部51のインバータ制御演算を行う(後記図5の動作説明参照)。
第2のインバータ制御部62は、AD変換ユニット7のデジタル変換結果44bと3相モータ電流推定値8bに基づいて、ブラシレスDCモータ5bの3相モータ電流検出値9bを出力するモータ電流算出部10bと、3相モータ電流検出値9bをd軸・q軸電流11bに座標変換するuvw/dq座標変換部12bと、d軸・q軸電流11bのノイズ成分を除去したd軸・q軸電流の平均値13bを出力するフィルタ14bと、d軸・q軸電流の平均値13bから3相モータ電流推定値8bを演算するdq/uvw座標変換部15bと、を備える。また、第2のインバータ制御部62は、d軸・q軸電流11bと速度指令16bとd軸・q軸電流指令からd軸・q軸電流指令とd軸・q軸電流11bが一致するようにブラシレスDCモータ5bに印加する3相モータ印加電圧情報17bを出力するモータ印加電圧演算部18bと、3相モータ印加電圧情報17bに基づいてPWM信号生成情報19bとAD変換器起動タイミング情報20bと通電パターン情報21bを出力するPWM信号タイマ情報部22bと、PWM信号生成情報19bからインバータ2bの各半導体スイッチ素子を駆動するためのPWM信号23bを生成しAD変換器起動タイミング情報20bからAD変換器起動トリガ24b(第2トリガ)を発生するPWM信号生成部25bと、を備える。
また、第2のインバータ制御部62は、周期タイミングを分割した第2の周期の第2のキャリア信号(後記図5参照)を基に、AD変換器起動トリガ24b(第2トリガ)を生成するとともに、当該第2の周期以外の周期を用いて、AD変換器起動トリガ24bで起動されたAD変換ユニット7の変換結果に基づいて第2のインバータ部52のインバータ制御演算を行う(後記図5の動作説明参照)。
PWM信号生成部25a、25bには、PWMキャリア周期でカウントアップ、カウントダウンするキャリア信号がそれぞれあり、PWM信号生成情報19a、19bとキャリア信号の比較によってPWM信号23a、23bを生成し、AD変換器起動タイミング情報20a、20bとキャリア信号の比較によってAD変換器起動トリガ24a、24bを発生する。
AD起動要因選択部26は、第1のキャリア信号および第2のキャリア信号の動作周期の所定周期タイミングに応じて、AD起動要因を選択しAD変換ユニット7の設定を変更する。なお、後記するように、第1のキャリア信号および第2のキャリア信号の動作周期の所定周期タイミングにおいては、第1のインバータ制御部61および第2のインバータ制御部62の演算タイミングも決定される。
図2に示すように、AD変換ユニット7は、マルチプレクサ28と、AD変換部29と、AD変換コントローラ30と、AD変換結果レジスタ31と、を備える。
マルチプレクサ28には、直流電流検出信号AD_Idca(図1参照)を分岐して、分岐した直流電流検出信号AD_Idcaがch0とch2へ入力され、直流電流検出信号AD_Idcb(図1参照)を分岐して、分岐した直流電流検出信号AD_Idcbがch1とch3に入力される。マルチプレクサ28は、入力された直流電流検出信号AD_Idcaおよび直流電流検出信号AD_Idcbを、ch0、ch1で順に切り替える。なお、インバータ制御装置100は、モータ1つで2ch(2チャンネル)のAD変換ユニット7を用いる。図2に示すch0〜ch3(4チャンネル)では、2つのモータ(ブラシレスDCモータ5a,5b)を制御できる。
AD変換コントローラ30は、マルチプレクサ28に切替信号(図示省略)を出力してAD変換部29に接続するチャネルを操作するとともに、デジタル変換された結果をAD変換結果レジスタ31へ格納する。
また、AD変換コントローラ30は、AD変換器起動トリガ24aまたは24bを受けてch0、ch1のデジタル変換を順に行うとともに、次のAD変換器起動トリガ24aまたは24bを受けてch2、ch3のデジタル変換を順に行う。ch0〜3の入力は、それぞれAD変換結果レジスタ31a〜31dへ格納される。
第1のインバータ制御部61と第2のインバータ制御部62(図1参照)とは、同一構成を採るため、第1のインバータ制御部61を例に採り説明する。
図3は、PWM信号生成部と直流電流の動作を示す図である。この図3は、第1のインバータ制御部61におけるPWM信号生成部25aのキャリア信号とPWM信号生成情報19aとインバータ回路2aの通電パターンと第1直流電流Idcaの、キャリア信号1周期の関係を示す。
図1に示す第1のインバータ制御部61のPWM信号生成部25aは、PWM信号23aを、第1のインバータ回路2aに出力する。図3に示すように、上記キャリア信号は、キャリア周期の半周期(キャリア半周期)でアップカウント/ダウンカウントを周期的に繰り返す。
PWM信号23a1〜23a6のレベルの組み合わせに応じて、第1のインバータ回路2a(図1参照)は、図3に示す通電モードM1、M2、M3、M4、M5、M6、M7に順次移行する。ここでは、U相、V相、W相をそれぞれ最大相、中間相、最小相とした場合について説明する。
上記第1のキャリア信号と第2キャリア信号は、アップカウント/ダウンカウントが略一致した同期動作をするように設定している。
図4に示すように、第1のキャリア信号に同期して第1直流電流Idcaが変化し、第2のキャリア信号に同期して第2直流電流Idcbは変化する。第1のキャリア信号とAD変換器起動タイミング情報20a1、20a2がそれぞれ一致したタイミングでAD変換器起動トリガ24a1と24a2(図4の○印参照)が発生する。なお、図4に示すように、第1直流電流Idcaおよび第2直流電流Idcbには、半導体スイッチ素子のオン、オフにより、リンギングが重畳している。AD変換器起動トリガ24a1と24a2は、このリンギングの影響を避けたタイミングに設定される。
AD変換器ユニット7(図2参照)は、AD変換器起動トリガ24a1、24a2を受け付けるとそれぞれのタイミングで合計2回第1直流電流Idcaをデジタル変換する(図4の○印の実線矢印参照)。
図4に示すように、キャリア半周期のタイミングをT0〜T3とし、T3のあとは再びT0′〜T3′を繰り返す。
AD起動要因選択部26(図1参照)は、AD変換ユニット7(図2参照)のトリガ受付設定を、第1直流電流Idcaのデジタル変換を終えたあとのT1時点で第1のキャリア信号からのAD変換器起動トリガ24aを禁止設定(図4の○印の破線矢印参照)にする。そして、AD起動要因選択部26は、第2のキャリア信号からのAD変換器起動トリガ24bを受付設定(図4の□印の実線矢印参照)に変更し、Idcbのデジタル変換を終えたあとのT3時点で第1のキャリア信号からのAD変換器起動トリガ24aを受付設定にするとともに、第2のキャリア信号からのAD変換器起動トリガ24bを禁止設定に変更する。
第1のインバータ制御部61(図1参照)は、デジタル変換したモータ電流情報に基づいてT1〜T3の期間で3相モータ印過電圧情報の更新を行い、第2のインバータ制御部62(図1参照)は、T3〜T1′(図示省略)の期間で3相モータ印加電圧情報の更新を行うことで3相モータに印加する電圧位相を更新していく。つまり、各々のインバータ制御部61,62は、キャリア信号2周期ごとに演算を行う。
第1のキャリア信号は、キャリア半周期のタイミングT0〜T3(T0′〜T3′)でアップカウント/ダウンカウントを周期的に繰り返している。タイミングT0〜T1(T0′〜T1′)のアップカウント時のAD変換器起動トリガ24a1と24a2を受けて、AD変換ユニット7(図2参照)は、第1直流電流Idcaをデジタル変換してAD変換結果レジスタ31(図2参照)に格納する。すなわち、タイミングT0〜T1のアップカウント時のAD変換後、次にAD変換が行われるのはキャリア半周期後のタイミングT0′〜T1′である。なお、このタイミングT0〜T1(T0′〜T1′)は、図4のAD変換器起動トリガ24aを受け付けるA期間に対応する。
ここで、AD起動要因選択部26(図1参照)は、上記第1のインバータ演算が終了するタイミングをあらかじめ概算値として得ており、所定の余裕期間を持たせて、第1のインバータ演算終了タイミングで上記A期間から上記B期間に切り替える。
第2の実施形態は、インバータ制御の演算タイミングをさらに間引いた場合の例である。
図6は、本発明の第2の実施形態に係るインバータ制御装置の第1および第2のキャリア信号と、AD変換起動トリガ24a、24bと、第1のインバータ制御部61および第2のインバータ制御部62の演算タイミングを示す図である。
第2の実施形態に係るインバータ制御装置の構成は、図1のインバータ制御装置100と同様である。AD起動要因選択部26(図1参照)は、AD変換器起動トリガ24a、24bの取込みによる検出電流のAD変換とインバータ演算(電流算出値を基にモータ印加電圧情報を更新するための演算)とをPWMキャリア4周期に1回となるように設定する。また、第1のインバータ制御部61による第1のインバータ演算を2回に分けるとともに、第2のインバータ制御部62による第2のインバータ演算を2回に分ける選択を行う。
第3の実施形態は、インバータ制御の演算タイミングをPWMキャリア周期ごとに行う例である。
図7は、本発明の第3の実施形態に係るインバータ制御装置の第1および第2のキャリア信号と、AD変換起動トリガ24a、24bと、第1のインバータ制御部61および第2のインバータ制御部62の演算タイミングを示す図である。
第3の実施形態に係るインバータ制御装置の構成は、図1のインバータ制御装置100と同様である。
第1のインバータ制御部61と第2のインバータ制御部62は、キャリア信号のアップカウント時とダウンカウント時の処理を入れ替えてもよい。
これにより、第1の実施形態と同様な効果を得ることに加え、第1の実施形態と比較して、PWM演算タイミングを間引くことがない。PWMキャリア周期毎に行うので、制御の応答特性を損なわずに2つのインバータ制御が可能となる。
図8は、本発明の第4の実施形態に係るインバータ制御装置を示す構成図である。図1と同一構成部分には、同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図8に示すように、インバータ制御装置100Aは、直流電力を供給する直流電源1と、第1のインバータ部51と、第2のインバータ部52と、第3のインバータ部53と、ブラシレスDCモータ(第1のモータ)5aとブラシレスDCモータ(第2のモータ)5bとブラシレスDCモータ(第3のモータ)5cとを個別に制御可能な制御器6Aと、を備える。
制御器6Aは、第1のインバータ部51を制御する第1のインバータ制御部61と、第2のインバータ部52を制御する第1のインバータ制御部62と、第3のインバータ部53を制御する第3のインバータ制御部63と、AD変換ユニット7と、AD変換ユニット7の起動要因を切換えるAD起動要因選択部26と、を備える。
また、直流電源1を第1〜第3のインバータ回路51〜53で共用し、かつ1つのマイクロコンピュータ(制御器6A)を用いて制御を行うことで、直流電源1の電圧検出のAD変換ユニット7cを1つするだけで済むため回路構成を簡略化できる。
さらに、各インバータ回路51〜53に供給する全電流を演算で求めることで、マイクロコンピュータ間の通信といった手段を使用しなくても直流電源1に供給される電流の過電流保護が可能となり回路構成を簡略化できる。
図9は、本発明の第5の実施形態に係るインバータ制御装置を備える冷凍装置の構成図である。本実施形態では、各実施形態に係るインバータ制御装置を適用した冷凍装置200(空気調和機)について説明する。冷凍装置200は、例えば、空気調和機や冷凍機などである。
図9に示すように、冷凍装置200は、室内機201と、室外機202と、配管203と、を備える。室内機201と室外機202とは冷媒配管203で接続され、周知の冷媒サイクルによって、室内機200が設置されている室内を空調する。
室内機201は、室内膨張弁204と、室内熱交換器205と、室内熱交換器205へ送風するファンモータ206と、を備える。
室外機202は、圧縮機207と、室外熱交換器208と、アキュームレータ209と、室外熱交換器208へ送風するファンモータ210と、圧縮機207の内部に配置されて圧縮機207を駆動するブラシレスDCモータ211と、ブラシレスDCモータ211を駆動するインバータ制御装置100と、インバータ制御装置100と通信を行う上位装置212と、を備える。
上記、圧縮機207、室外熱交換器208、室内膨張弁204、室内熱交換器205、アキュームレータ209は順に接続され、冷媒を循環させることにより、冷凍サイクルを形成している。
インバータ制御装置100,100Aは、一枚の基板上に構成してもよく、インバータ回路ごとに基板を分割して配線による接続をする構成でもよい。
また、インバータ制御装置100,100Aは、冷凍装置の他、ポンプや換気扇などに用いられてもよい。
また、上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、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、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例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。
各実施形態において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
2,2a,2b,2c インバータ回路
3a,3b,3c シャント抵抗
4a,4b,4c 電圧増幅回路
5a,5b,5c ブラシレスDCモータ
6,6A 制御器制御器(インバータ制御部)
7,7c AD変換ユニット
10a,10b,10c モータ電流算出部
12a,12b,12c uvw/dq座標変換部
13a,13b,13c d軸・q軸電流の平均値
14a,14b,14c フィルタ
15a,15b,15c dq/uvw座標変換部
18a,18b,18c モータ印過電圧演算部
20a,20b,20c AD変換器起動タイミング情報
22a,22b,22c PWM信号キャリア信号情報部
24a AD変換器起動トリガ(第1トリガ)
24b AD変換器起動トリガ(第2トリガ)
24c AD変換器起動トリガ
25a,25b,25c PWM信号生成部
26 AD起動要因選択部
27 電圧指令値
28 マルチプレクサ
29 AD変換部
30 AD変換コントローラ
31 AD変換結果レジスタ
31a〜31d AD変換結果レジスタ
51 第1のインバータ部(第1のインバータ回路)
52 第2のインバータ部(第2のインバータ回路)
53 第3のインバータ部(第3のインバータ回路)
61 第1のインバータ制御部
62 第2のインバータ制御部
63 第3のインバータ制御部
100,100A インバータ制御装置
200 冷凍装置(空気調和機)
201 室内機
202 室外機
203 配管
204 室内膨張弁
205 室内熱交換器
206 ファンモータ
207 圧縮機
208 室外熱交換器
209 アキュームレータ
210 ファンモータ
211 ブラシレスDCモータ
212 上位装置
Claims (10)
- 直流電力を三相交流電力に変換して同期モータへ供給するインバータ回路と、前記インバータ回路を流れる電流を検出する電流検出部と、検出した前記電流に基づいて前記同期モータへ供給する電圧指令値を決定し出力するインバータ制御部と、を備え、
前記インバータ制御部は、
検出した前記電流をデジタル変換するAD変換部と、
前記AD変換部の起動タイミング情報と第1のキャリア信号を基に、前記AD変換部を起動する第1トリガを生成する第1のインバータ制御部と、
前記AD変換部の起動タイミング情報と第2のキャリア信号を基に、前記AD変換部を起動する第2トリガを生成する第2のインバータ制御部と、
前記第1のキャリア信号および前記第2のキャリア信号の動作周期の所定周期タイミングにおいて、前記第1トリガまたは前記第2トリガのいずれか一方を受け付けてAD起動要因を選択するAD起動要因選択部と、を備える
ことを特徴とするインバータ制御装置。 - 前記第1のキャリア信号および前記第2のキャリア信号は、
キャリア信号の半周期において1または複数回のアップカウントおよびダウンカウントを繰り返し、
前記アップカウントおよびダウンカウントの折返しで前記周期タイミングを分割し複数周期とした場合、
前記第1のインバータ制御部は、
前記周期タイミングを分割した第1の周期の前記第1のキャリア信号を基に、前記第1トリガを生成するとともに、当該第1の周期以外の周期を用いて、前記第1トリガで起動された前記AD変換部の変換結果に基づいて第1のインバータのインバータ制御演算を行う
ことを特徴とする請求項1に記載のインバータ制御装置。 - 前記第1の周期を1回としたとき、前記第1の周期以外の周期は、n(nは1以上の自然数)回である
ことを特徴とする請求項2に記載のインバータ制御装置。 - 前記第1のインバータ制御部は、
前記第1の周期以外の周期において、前記インバータ制御演算を複数回に分けて実行する
ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載のインバータ制御装置。 - 前記第1のキャリア信号と前記第2キャリア信号は、アップカウントおよびダウンカウントが略一致した同期動作である
ことを特徴とする請求項1に記載のインバータ制御装置。 - 前記第1のキャリア信号および前記第2のキャリア信号は、
キャリア信号の半周期において1または複数回のアップカウントおよびダウンカウントを繰り返し、かつ、
前記第1のキャリア信号と前記第2キャリア信号は、アップカウントおよびダウンカウントが略一致した同期動作であり、
前記アップカウントおよびダウンカウントの折返しで前記周期タイミングを分割し複数周期とした場合、
前記第1のインバータ制御部は、
前記周期タイミングを分割した第1の周期の前記第1のキャリア信号を基に、前記第1トリガを生成し、
前記第2のインバータ制御部は、
前記第1の周期以外の周期に対応する、前記周期タイミングを分割した前記第2のキャリア信号を基に、前記第2トリガを生成する
ことを特徴とする請求項1に記載のインバータ制御装置。 - さらに、
直流電力を三相交流電力に変換して同期モータへ供給する第3のインバータ回路と、
前記第3のインバータ回路を流れる電流を検出する第3の電流検出部と、を備え、
前記インバータ制御部は、
前記第3のインバータ回路を流れる電流をデジタル変換する第2のAD変換部と、
前記第2のAD変換部の起動タイミング情報と第3のキャリア信号を基に、前記第2のAD変換部を起動する第3トリガを生成する第3のインバータ制御部と、
を備える
ことを特徴とする請求項1に記載のインバータ制御装置。 - 請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のインバータ制御装置を備える
ことを特徴とする空気調和機。 - 圧縮機と熱交換器と熱交換器に送風する第1のファンモータと第2のファンモータと、
前記第1のファンモータを制御する第1のインバータ回路と、
前記第2のファンモータを制御する第2のインバータ回路と、を備える
ことを特徴とする請求項8記載の空気調和機。 - 圧縮機と熱交換器と熱交換器に送風する第1のファンモータと第2のファンモータと、
前記第1のファンモータを制御する第1のインバータ回路と、
前記第2のファンモータを制御する第2のインバータ回路と、
前記圧縮機を制御する第3のインバータ回路と、を備える
ことを特徴とする請求項8記載の空気調和機。
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